JP4794233B2 - 中空平板型燃料電池セル及び燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、中空平板型燃料電池セル及び燃料電池に関し、一方側に固体電解質層が形成され、他方側にインターコネクタが形成された中空平板型燃料電池セル及び燃料電池に関するものである。

次世代エネルギーとして、近年、燃料電池セルのスタックを収納容器内に収容した燃料電池が種々提案されている。

図５は従来の中空平板型の固体電解質形燃料電池セルのセルスタックを示すもので、このセルスタックは、複数の燃料電池セル２３（２３ａ、２３ｂ）を集合させ、一方の燃料電池セル２３ａと他方の燃料電池セル２３ｂとの間に金属フェルトなどからなる集電部材２５を介在させ、一方の燃料電池セル２３ａの内側電極（酸素側電極）２７と他方の燃料電池セル２３ｂの外側電極（燃料側電極）２８とを電気的に接続して構成されていた。

燃料電池セル２３（２３ａ、２３ｂ）は、扁平状の内側電極２７の外周面に、固体電解質２９、外側電極２８を順次設けて構成されており、固体電解質２９、外側電極２８から露出した内側電極２７には、外側電極２８に接続しないようにインターコネクタ３０が設けられている。内側電極２７内にはガス流路を構成する複数のガス通過孔３２が形成されている。

一方の燃料電池セル２３ａと他方の燃料電池セル２３ｂとの電気的接続は、一方の燃料電池セル２３ａの内側電極２７を、該内側電極２７に設けられたインターコネクタ３０、集電部材２５を介して、他方の燃料電池セル２３ｂの外側電極２８に接続することにより行われていた（例えば特許文献１、２参照）。
特開平１−１６９８７８号公報 特開平２００５−１３５７１３号公報

しかしながら、上記燃料電池セルでは、内側電極２７の一方側主面には、ガス流路形成方向に連続して固体電解質２９が形成され、他方側主面には、固体電解質２９と対向するように、ガス流路形成方向に連続してインターコネクタ３０が形成されているため、発電中に燃料電池セルが、インターコネクタ３０側が背となるように反るという問題があった。

即ち、燃料電池セルは、通常、大気中で焼結して作製され、発電時には還元性ガスに晒されるが、通常用いられるＬａＣｒＯ_３系からなるインターコネクタ材料は、還元雰囲気において寸法変化（膨張）を起こすことが知られており、この還元雰囲気における寸法変化のために、燃料電池セルが変形するといった問題があった。

つまり、内側電極２７の一方側主面に形成された、ZｒＯ_２系、ＣｅＯ_２系、ランタンガレート系等からなる固体電解質２９は還元雰囲気における寸法変化が小さいのに対し、他方側主面に設けられたインターコネクタ３０は還元雰囲気において寸法変化が大きいため、インターコネクタ側を背に（インターコネクタ側が凸となるように）燃料電池セルが反るという問題点があった。

そして、セルスタックは、複数の燃料電池セルを集電部材により連結して作製されるが、上記したように燃料電池セルが反ると、複数の燃料電池セルの集電部材による電気的接続が解除され、複数の燃料電池セルから集電することができなくなるという危険性があった。

本発明は、反りを抑制できる中空平板型料電池セル及び燃料電池を提供することを目的とする。

本発明の中空平板型燃料電池セルは、長手方向にガス流路を有する支持基板の一方側主面に、インターコネクタを有さず、内側電極層、固体電解質層、外側電極層を順次積層し
てなるとともに、前記支持基板の他方側主面に、前記外側電極層を有さず、前記インターコネクタを有する中空平板型燃料電池セルであって、前記支持基板の厚みが３ｍｍ以上８ｍｍ以下、長さが１２０ｍｍ以上１８０ｍｍ以下、幅が２５ｍｍ以上４０ｍｍ以下、前記支持基板の横断面に占める前記ガス流路の断面積合計が１０％以上３０％以下であり、かつ前記支持基板の他方側主面に占める前記インターコネクタの面積が５０％以上６０％以下であることを特徴とする。

また、本発明の中空平板型燃料電池セルは、長手方向にガス流路を有する電極基板の一方側主面に、インターコネクタを有さず、固体電解質層、外側電極層を順次積層してなるとともに、前記電極基板の他方側主面に、前記外側電極層を有さず、前記インターコネクタを有する中空平板型燃料電池セルであって、前記電極基板の厚みが３ｍｍ以上８ｍｍ以下、長さが１２０ｍｍ以上１８０ｍｍ以下、幅が２５ｍｍ以上４０ｍｍ以下、前記電極基板の横断面に占める前記ガス流路の断面積合計が１０％以上３０％以下であり、かつ前記電極基板の他方側主面に占める前記インターコネクタの面積が５０％以上６０％以下であることを特徴とする。

このような中空平板型燃料電池セルでは、厚みが３ｍｍ以上８ｍｍ以下、長さが１２０ｍｍ以上１８０ｍｍ以下、幅が２５ｍｍ以上４０ｍｍ以下であり、横断面に占めるガス流路の断面積合計が１０％以上３０％以下の支持基板又は電極基板の他方側主面に占めるインターコネクタの面積が５０％以上６０％以下であることから、発電中に還元雰囲気に晒されたとしても、インターコネクタ材料の還元による寸法変化で発生する応力が小さく、燃料電池セルの反り量、特に燃料電池セルの長さ方向における反り量を減少することができる。

このような中空平板型燃料電池セルでは、ガス透過性が要求される支持基板、及びガスとの反応性が要求される電極層を、それぞれ別個に形成した場合には、それぞれの機能に対応した材料、組織等とすることができ、また集電も容易に行うことができ、最適な燃料電池セルを作製できる。支持基板に形成される電極層は、燃料極層又は空気極層である。電極基板は、燃料極又は空気極としての機能を有するものである。この場合には、電極基板を燃料極又は空気極として併用できるため、簡易な構造となり製造上も有利となる。

さらに、本発明の中空平板型燃料電池セルでは、前記インターコネクタが、前記ガス流路とほぼ直交する方向に複数に分割された分割インターコネクタから構成されていることが望ましい。このような中空平板型燃料電池セルでは、インターコネクタが、ガス流路とほぼ直交する方向に複数に分割されているため、インターコネクタの還元膨張が分散され、インターコネクタ全体としての還元膨張を小さくできるため、反りを小さくできる。

また、本発明の中空平板型燃料電池セルでは、前記インターコネクタ及び前記固体電解質層が、前記支持基板又は前記電極基板の長さ方向全域に渡って連続して形成されていることが望ましい。このような場合には、インターコネクタの還元膨張が大きくなる傾向にあるため、本発明を好適に用いることができる。

さらに、本発明の中空平板型燃料電池セルでは、前記インターコネクタが、前記ガス流路形成方向に所定の間隔をおいて複数形成されていることが望ましい。

このような中空平板形燃料電池セルでは、発電中にインターコネクタが還元雰囲気に晒されたとしても、インターコネクタ材料の還元による寸法変化が分散され、寸法変化による応力が緩和され、燃料電池セルの長さ方向における反り量を減少することができる。

本発明の燃料電池は、上記中空平板型燃料電池セルを収納容器内に複数収納してなることを特徴とする。このような燃料電池では、中空平板型燃料電池セルの反りを抑制することができるため、例えば、一方の燃料電池セルと他方の燃料電池セルとを集電部材により確実に接続でき、電気的接続信頼性を向上できる。

本発明の中空平板型燃料電池セルでは、インターコネクタ材料の還元時の寸法変化による応力が緩和され、反り量を減少することができる。

本発明の燃料電池セルの断面を示す図１、斜視図を示す図２において、全体として３０で示す燃料電池セルは中空平板状であり、断面が扁平状で、全体的に見て細長基板状の支持基板３１を備えている。支持基板３１の内部には、適当な間隔で複数の燃料ガス通路３１ａ（ガス流路を形成する）が長さ方向（軸長方向）に貫通して形成されており、燃料電池セル３０は、この支持基板３１上に各種の部材が設けられた構造を有している。このような燃料電池セル３０の複数を、図３に示すように、集電部材４０により互いに直列に接続することにより、燃料電池を構成するセルスタックを形成することができる。

支持基板３１は、図１、２に示されている形状から理解されるように、平坦部Ａと平坦部Ａの両端の弧状部Ｂとからなっており、平坦部Ａは主面の一部を構成する。平坦部Ａは互いにほぼ平行に形成されており、一方の平坦部Ａと両側の弧状部Ｂを覆うように燃料極層３２が設けられており、さらに、この燃料極層３２を覆うように、緻密質な固体電解質層３３が積層されており、この固体電解質層３３の上には、燃料極層３２と対面するように、一方の平坦部Ａに酸素極３４が積層されている。燃料極層３２及び固体電解質層３３は、一方の平坦部Ａに、ガス流路形成方向に連続して形成されている。

燃料電池セル３０は、支持基板３１が導電性を有するとともに、該導電性支持基板３１の一方側主面に燃料極層３２を介して固体電解質層３３を形成することにより、ガス透過性が要求される支持基板３１、及びガスとの反応性が要求される燃料極層３２を、別個に形成するため、それぞれの機能に対応した材料、組織等とすることができ、また集電も容易に行うことができ、最適な燃料電池セル３０を作製できる。

また、燃料極層３２及び固体電解質層３３が積層されていない他方側の主面には、インターコネクタ３５が形成されている。図１から明らかな通り、燃料極層３２及び固体電解質層３３は、インターコネクタ３５の両サイドにまで延びており、支持基板３１の表面が外部に露出しないように構成されている。インターコネクタ３５は、他方側の主面に、ガス流路形成方向（セル長さ方向）に連続して形成されている。

そして、本発明では、図４（ｂ）に示すように、支持基板３１の他方側主面に占めるインターコネクタ３５の面積が５０％以上６０％以下とされている。インターコネクタ３５が支持基板３１の主面の面積の５０％以上６０％以下の面積で形成されているため、発電中に還元雰囲気に晒されたとしても、インターコネクタ材料の還元による寸法変化で発生する応力が緩和され、燃料電池セルの反り量、特に燃料電池セルの長さ方向における反り量を減少することができる。一方、インターコネクタ３５の形成面積比率が６０％を超えると、燃料電池セル３０が反りやすくなる。

インターコネクタ３５の形成面積比率は、支持基板３１の主面の面積を算出し、また、この支持基板３１の主面上に形成されるインターコネクタ３５の面積を算出し、その比率を算出することにより求めることができる。即ち、支持基板３１の表面に形成されている燃料極層３２、固体電解質層３３の厚みは数十μｍと薄いため、支持基板３１の主面の面積は、燃料電池セルを横にして置き、その主面を上方から見たときのセル最外輪郭内の面積（図４（ａ）の縦ｈ、横ｂの積ｈｂ）で求めることができ、インターコネクタの形成面積も同様にして求めることができる。

本発明の中空平板型燃料電池セルでは、支持基板３１の長さが１２０ｍｍ以上１８０ｍｍ以下、厚みが３ｍｍ以上８ｍｍ以下、幅が２５ｍｍ以上４０ｍｍ以下の場合に好適に用いることができる。即ち、中空平板型燃料電池セルでは、支持基板３１の長さが１２０ｍｍ以上１８０ｍｍ以下と長く、厚みが３ｍｍ以上８ｍｍ以下、幅が２５ｍｍ以上４０ｍｍ以下では、図４（ａ）に示すように、セルを長さ方向に見た場合に、インターコネクタ３５側を背にして弓なりに反り易くなるため（長さ方向における反り）、本発明を有効に用いることができる。特に、支持基板３１の横断面に占めるガス流路３１ａの断面積合計が１０％以上３０％以下と大きくなると、さらに反りやすくなるため、本発明を好適に用いることができる。

上記のような構造の燃料電池セルでは、燃料極層３２の酸素極３４と対面している部分が燃料極として作動して発電する。即ち、酸素極３４の外側に空気等の酸素含有ガスを流し、且つ支持基板３１内のガス通路３１ａに燃料ガス（水素）を流し、所定の作動温度まで加熱することにより、酸素極３４で下記式（１）の電極反応を生じ、また燃料極層３２の燃料極となる部分では例えば下記式（２）の電極反応を生じることによって発電する。

酸素極： １／２Ｏ_２＋２ｅ⁻ → Ｏ^２− （固体電解質） …（１）
燃料極： Ｏ^２− （固体電解質）＋ Ｈ_２ → Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ …（２）
かかる発電によって生成した電流は、支持基板３１に取り付けられているインターコネクタ３５を介して集電される。

（支持基板３１）
上記のような構造を有する燃料電池セル３０において、支持基板３１は、燃料ガスを燃料極まで透過させるためにガス透過性であること、及びインターコネクタ３５を介しての集電を行うために導電性であること、同時焼成時の熱膨張差による固体電解質などのクラックや剥離がないことが要求されるが、このような要求を満たすと同時に、還元・酸化サイクルにおける支持基板３１の体積膨張に起因した固体電解質などのクラックを抑制する目的で、触媒活性金属及びその酸化物のいずれかと、触媒金属及びその酸化物との反応物を生成しない無機骨材、例えば、金属酸化物である固体電解質又は少なくとも一種の希土類元素を含有する希土類元素酸化物とを含有せしめて構成する。

触媒金属としてはＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉなどの鉄族成分があり、金属単体であってもよいし、また酸化物、合金もしくは合金酸化物であってもよい。本発明では、何れをも使用することができるが、安価であること及び燃料ガス中で安定であることからＮｉ及び／またはＮｉＯを含有していることが好ましい。

また、無機骨材としては、（２）の電極反応を促進するために、所謂三相界面（電解質／触媒金属／気相の界面）を増やすために、固体電解質層３３を形成している安定化ジルコニアやランタンガレート系ペロブスカイト型組成物等と同等の材料を用いても良いし、熱膨張係数を下げて固体電解質層３３と近似させるために希土類酸化物を用いても良い。後者には特にＳｃ，Ｙ，Ｌｕ，Ｙｂ，Ｔｍ，Ｅｒ，Ｈｏ，Ｄｙ，Ｇｄ，Ｓｍ，Ｐｒからなる群より選ばれた少なくとも１種の希土類元素を含む酸化物が使用される。このような希土類酸化物の具体例としては、Ｓｃ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３、Ｌｕ_２Ｏ_３、Ｙｂ_２Ｏ_３、Ｔｍ_２Ｏ_３、Ｅｒ_２Ｏ_３、Ｈｏ_２Ｏ_３、Ｄｙ_２Ｏ_３、Ｇｄ_２Ｏ_３、Ｓｍ_２Ｏ_３、Ｐｒ_２Ｏ_３を例示することができ、特に安価であるという点で、Ｙ_２Ｏ_３，Ｙｂ_２Ｏ_３、さらにはＹ_２Ｏ_３が好適である。

尚、支持基板３１中には、要求される特性が損なわれない限りの範囲で他の金属成分や酸化物成分を含有していてもよい。

上記のような支持基板３１は、燃料ガス透過性を有していることが必要であるため、通常、開気孔率が３０％以上、特に３５〜５０％の範囲にあることが好適である。また、支持基板３１の導電率は、３００Ｓ／ｃｍ以上、特に４４０Ｓ／ｃｍ以上であることが好ましい。

（燃料極層３２）
本発明において、燃料極層３２は、前述した式（２）の電極反応を生じせしめるものであり、それ自体公知の多孔質の導電性サーメットから形成される。例えば、希土類元素が固溶しているＺｒＯ_２と、Ｎｉ及び／またはＮｉＯとから形成される。この希土類元素が固溶しているＺｒＯ_２（安定化ジルコニア）としては、以下に述べる固体電解質層３３の形成に使用されているものと同様のものを用いるのがよい。

燃料極層３２中の安定化ジルコニア含量は、３５〜６５体積％の範囲にあるのが好ましく、またＮｉ或いはＮｉＯ含量は、６５〜３５体積％であるのがよい。さらに、この燃料極層３２の開気孔率は、１５％以上、特に２０〜４０％の範囲にあるのがよく、その厚みは、１〜３０μｍであることが望ましい。例えば、燃料極層３２の厚みがあまり薄いと、性能が低下するおそれがあり、またあまり厚いと、固体電解質層３３と燃料極層３２との間で熱膨張差による剥離等を生じるおそれがある。

また、図１の例では、この燃料極層３２は、インターコネクタ３５の両サイドにまで延びているが、酸素極３４に対面する位置に存在して燃料極が形成されていればよいため、例えば酸素極３４が設けられている側の平坦部Ａにのみ燃料極層３２が形成されていてもよい。さらには、支持基板３１の全周にわたって燃料極層３２を形成することも可能である。本発明においては、固体電解質層３３と支持基板３１との接合強度を高めるために、固体電解質層３３の全体が燃料極層３２上に形成されていることが好適である。

（固体電解質層３３）
この燃料極層３２上に設けられている固体電解質層３３は、一般に３〜１５モル％の希土類元素が固溶したＺｒＯ_２（通常、安定化ジルコニア）と呼ばれる緻密質なセラミックスから形成されている。希土類元素としては、Ｓｃ，Ｙ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，Ｌｕを例示することができるが、安価であるという点からＹ、Ｙｂが望ましい。

この固体電解質層３３を形成する安定化ジルコニアセラミックスは、ガス透過を防止するという点から、相対密度（アルキメデス法による）が９３％以上、特に９５％以上の緻密質であることが望ましく、且つその厚みが１０〜１００μｍであることが望ましい。固体電解質層３３としては、安定化ジルコニア以外に、ランタンガレート系ペロブスカイト型組成物から構成されていても良い。

（酸素極３４）
酸素極３４は、所謂ＡＢＯ_３型のペロブスカイト型酸化物からなる導電性セラミックスから形成される。かかるペロブスカイト型酸化物としては、遷移金属ペロブスカイト型酸化物、特にＡサイトにＬａを有するＬａＭｎＯ_３系酸化物、ＬａＦｅＯ_３系酸化物、ＬａＣｏＯ_３系酸化物の少なくとも１種が好適であり、６００〜１０００℃程度の作動温度での電気伝導性が高いという点からＬａＦｅＯ_３系酸化物が特に好適である。尚、上記ペロブスカイト型酸化物においては、ＡサイトにＬａと共にＳｒなどが存在していてもよいし、さらにＢサイトには、ＦｅとともにＣｏやＭｎが存在していてもよい。

また、酸素極３４は、ガス透過性を有していなければならず、従って、酸素極３４を形成する導電性セラミックス（ペロブスカイト型酸化物）は、開気孔率が２０％以上、特に３０〜５０％の範囲にあることが望ましい。

このような酸素極３４の厚みは、集電性という点から３０〜１００μｍであることが望ましい。

（インターコネクタ３５）
上記の酸素極３４に対面する位置において、支持基板３１上に設けられているインターコネクタ３５は、導電性セラミックスからなるが、燃料ガス（水素）及び酸素含有ガスと接触するため、耐還元性、耐酸化性を有していることが必要である。このため、かかる導電性セラミックスとしては、一般に、ランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物（ＬａＣｒＯ_３系酸化物）が使用される。また、支持基板３１の内部を通る燃料ガス及び支持基板３１の外部を通る酸素含有ガスのリークを防止するため、かかる導電性セラミックスは緻密質でなければならず、例えば９３％以上、特に９５％以上の相対密度を有していることが好適である。

かかるインターコネクタ３５は、ガスのリーク防止と電気抵抗という点から、１０〜２００μｍであることが望ましい。即ち、この範囲よりも厚みが薄いと、ガスのリークを生じやすく、またこの範囲よりも厚みが大きいと、電気抵抗が大きく、電位降下により集電機能が低下してしまうおそれがあるからである。

また、図１から明らかな通り、ガスのリークを防止するために、インターコネクタ３５の両サイドには、緻密質の固体電解質層３３が密着しているが、シール性を高めるために、例えばＹ_２Ｏ_３などからなる接合層（図示せず）をインターコネクタ３５の両側面と固体電解質層３３との間に設けることもできる。

インターコネクタ３５の外面（上面）には、Ｐ型半導体層３９が設けられている。集電部材４０を、Ｐ型半導体層３９を介してインターコネクタ３５に接続させることにより、両者の接触がオーム接触となり、電位降下を少なくし、集電性能の低下を有効に回避することが可能となり、例えば、一方の燃料電池セル３０の酸素極３４からの電流を、他方の燃料電池セル３０の支持基板３１に効率良く伝達できる。このようなＰ型半導体としては、遷移金属ペロブスカイト型酸化物を例示することができる。

具体的には、インターコネクタ３５を構成するＬａＣｒＯ_３系酸化物よりも電子伝導性が大きいもの、例えば、ＢサイトにＭｎ、Ｆｅ、Ｃｏなどが存在するＬａＭｎＯ_３系酸化物、ＬａＦｅＯ_３系酸化物、ＬａＣｏＯ_３系酸化物などの少なくとも一種からなるＰ型半導体セラミックスを使用することができる。このようなＰ型半導体層３９の厚みは、一般に、３０〜１００μｍの範囲にあることが好ましい。

また、インターコネクタ３５は、固体電解質層３３が設けられていない側の支持基板３１の平坦部分Ａ上に直接設けることもできるが、この部分にも燃料極材料が設けられ、この燃料極材料層３７上にインターコネクタ３５が設けられている。即ち、燃料極材料を支持基板３１の全周にわたって設け、燃料極材料層３７上にインターコネクタ３５を設けられており、この場合には、支持基板３１とインターコネクタ３５との間の界面での電位降下を抑制することができる上で有利である。

（燃料電池セルの製造）
以上のような構造を有する燃料電池セルは、以下のようにして製造される。先ず、例えば、Ｎｉ或いはその酸化物粉末と、Ｙ_２Ｏ_３粉末と、有機バインダーと、溶媒とを混合してスラリーを調製し、このスラリーを用いての押出成形により、支持基板成形体を作製し、これを乾燥する。

次に、燃料極層形成用材料（Ｎｉ或いはＮｉＯ粉末と安定化ジルコニア粉末）、有機バインダー及び溶媒を混合してスラリーを調製し、このスラリーを用いて燃料極層用のシートを作製する。また、燃料極層用のシートを作製する代りに、燃料極形成用材料を溶媒中に分散したペーストを、上記で形成された支持基板成形体の所定位置に塗布し乾燥して、燃料極層用のコーティング層を形成してもよい。

さらに、安定化ジルコニア粉末と、有機バインダーと、溶媒とを混合してスラリーを調製し、このスラリーを用いて固体電解質層用シートを作製する。

上記のようにして形成された支持基板成形体、燃料極用シート及び固体電解質層用シートを、例えば図１に示すような層構造となるように積層し、乾燥する。この場合、支持基板成形体の表面に燃料極層用のコーティング層が形成されている場合には、固体電解質層用シートのみを支持基板成形体に積層し、乾燥すればよい。

この後、インターコネクタ用材料（例えば、ＬａＣｒＯ_３系酸化物粉末）、有機バインダー及び溶媒を混合してスラリーを調製し、インターコネクタ用シートを作製する。

このインターコネクタ用シートを、上記で得られた積層体の所定位置にさらに積層し、焼成用積層体を作製する。

次いで、上記の焼成用積層体を脱バインダ処理し、酸素含有雰囲気中、１３００〜１６００℃で同時焼成し、得られた焼結体の所定の位置に、酸素極形成用材料（例えば、ＬａＦｅＯ_３系酸化物粉末）と溶媒を含有するペースト、及び必要により、Ｐ型半導体層形成用材料（例えば、ＬａＦｅＯ_３系酸化物粉末）と溶媒を含むペーストを、ディッピング等により塗布し、１０００〜１３００℃で焼き付けることにより、図１に示す構造の本発明の燃料電池セル３０を製造することができる。

尚、支持基板３１や燃料極層３２の形成にＮｉ単体を用いた場合には、酸素含有雰囲気での焼成により、Ｎｉが酸化されてＮｉＯとなっているが、必要により、還元処理することにより、Ｎｉに戻すことができる。

（セルスタック）
セルスタックは、図３に示すように、上述した燃料電池セル３０が複数集合して、上下に隣接する一方の燃料電池セル３０と他方の燃料電池セル３０との間に、金属フェルト及び／又は金属板からなる集電部材４０を介在させ、両者を互いに直列に接続することにより構成されている。即ち、一方の燃料電池セル３０の支持基板３１は、インターコネクタ３５、Ｐ型半導体層３９、集電部材４０を介して、他方の燃料電池セル３０の酸素極３４に電気的に接続されている。また、このようなセルスタックは、図２に示すように、サイドバイサイドに配置されており、隣接するセルスタック同士は、導電部材４２によって直列に接続されている。

本発明の燃料電池は、図３のセルスタックを、収納容器内に収容して構成される。この収納容器には、外部から水素等の燃料ガスを燃料電池セル３０に導入する導入管、及び空気等の酸素含有ガスを燃料電池セル３０の外部空間に導入するための導入管が設けられており、燃料電池セルが所定温度（例えば、６００〜９００℃）に加熱されることにより発電し、使用された燃料ガス、酸素含有ガスは、収納容器外に排出される。

以上のように構成された燃料電池セルでは、支持基板３１の主面の面積に対するインターコネクタ３５の形成面積比率が５０％以上６０％以下であるため、インターコネクタ３５が還元膨張することにより、燃料電池セルに発生する応力が小さくなり、燃料電池セルの反り、特に長さ方向における反りを抑制することができる。

尚、インターコネクタ３５ａを、図４（ｃ）に示すように、ガス流路形成方向（セル長さ方向）に複数、図４（ｃ）では３個に分割された分割インターコネクタ３５ａから構成することができる。この場合には、インターコネクタ材料の還元による寸法変化が分散され、寸法変化による応力が緩和され、燃料電池セルの反り量、特に燃料電池セルの長さ方向における反り量を減少することができる。尚、この場合においては、３個の分割インターコネクタ３５ａの合計面積が、支持基板３１の主面の面積に対して５０％以上６０％以下となっている。

分割インターコネクタ３５ａ間には固体電解質と同一材料からなる緻密質材料が充填されている。これにより、分割インターコネクタ３５ａ及び固体電解質層３３により、還元性ガス（例えば水素）と酸素含有ガス（例えば空気）とを確実に遮断できる。ここで、分割インターコネクタ３５ａ間の緻密質材料は、固体電解質材料である必要はないが、固体電解質層３３と同一材料を用いることにより、製造が容易となるとともに、支持基板３１の両主面に電解質材料が形成されることになり、支持基板３１の両主面における材料構成を近づけることができ、より変形を抑制できる。

さらに、インターコネクタ３５を、図４（ｄ）に示すように、ガス流路方向とほぼ直交する方向に複数に分割された分割インターコネクタ３５ａから構成することによっても、インターコネクタ３５の寸法変化による応力が緩和され、燃料電池セルの反り量を減少することができる。尚、この場合においても、２個の分割インターコネクタ３５ａの合計面積が、支持基板３１の主面の面積に対して５０％以上６０％以下となっている。

さらにまた、図４（ｅ）に示すように、支持基板の断面形状を三日月状（湾曲させ、凹面を形成）にし、その凹面側に、インターコネクタ３５を形成すると、長さ方向の変形をさらに抑制することができる。

尚、本発明は上記形態に限定されるものではなく、発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、上記形態では、支持基板３１上に燃料極層３２を形成した場合について説明したが、支持基板自体に燃料極としての機能を付与した電極基板に固体電解質、酸素極層を形成しても、上記と同様の作用効果を得ることができる。また、上記形態では、支持基板３１上に燃料極層３２を形成した場合について説明したが、支持基板に空気極層を形成しても、上記と同様の作用効果を得ることができる。さらに、支持基板自体に酸素極としての機能を付与した電極基板に固体電解質、燃料極層を形成しても、上記と同様の作用効果を得ることができる。

平均粒径０．５μｍのＮｉＯ粉末と、Ｙ_２Ｏ_３粉末（平均粒径は０．６〜０．９μｍ）を、ＮｉＯがＮｉ換算で４８体積％、Ｙ_２Ｏ_３が５２体積％になるようにして混合し、この混合粉末に、ポアー剤、有機バインダー（ポリビニルアルコール）と、水（溶媒）とを混合して形成した支持基板用坏土を押出成形し、これを乾燥し、脱バインダー処理し、扁平状の支持基板用成形体を作製し、これを乾燥した。この後、１０００℃で仮焼し、支持基板仮焼体を作製した。

次に、８モル％Ｙ_２Ｏ_３を含有するＺｒＯ_２（ＹＳＺ）粉末と、ＮｉＯ粉末と、有機バインダー（アクリル樹脂）と、溶媒（トルエン）とを混合したスラリーを用いて燃料極層形成用シートを作製し、また、上記ＹＳＺ粉末と、有機バインダー（アクリル樹脂）と、トルエンからなる溶媒とを混合したスラリーを用いて、固体電解質層用シートを作製し、これらのシートを積層した。

この積層シートを、上記支持基板用成形体に、その両端間が所定間隔をおいて離間するように（図１参照）巻き付け、乾燥した。

一方、平均粒径２μｍのＬａＣｒＯ_３系酸化物粉末と、有機バインダー（アクリル樹脂）と、溶媒（トルエン）とを混合したスラリーを用いて、インターコネクタ用シートを作製し、このシートを、上記積層シートにおける支持基板用成形体の露出部分に積層し、支持基板用成形体、燃料極層用シート、固体電解質層用シートからなる焼結用積層シートを作製した。

次に、この焼結用積層シートを脱バインダ処理し、大気中にて１５００℃で同時焼成した。

得られた焼結体を、平均粒径２μｍのＬａ_０．６Ｓｒ_０．４Ｃｏ_０．２Ｆｅ_０．８Ｏ_３粉末と、溶媒（ノルマルパラフィン）をからなるペーストを固体電解質層の表面に塗布し、酸素側電極用コーティング層を設け、同時に、上記ペーストを焼結体に形成されているインターコネクタの外面に塗布し、Ｐ型半導体用コーティング層を設け、さらに、１１５０℃で焼き付け、図１に示すような燃料電池セルを作製した。

作製した燃料電池セルの燃料側電極の厚みは１０μｍ、酸素側電極の厚みは５０μｍ、インターコネクタの厚みは５０μｍ、Ｐ型半導体層の厚みは５０μｍであった。

また、インターコネクタが形成された支持基板の主面の面積、及びインターコネクタの形成面積を求め、インターコネクタの形成面積比率を算出した。支持基板の主面の面積、インターコネクタの形成面積は、作製された燃料電池セルを横にして置き、その主面を上方から写真撮影し、燃料電池セルの最外輪郭内の面積を求めて支持基板の主面の面積とし、またインターコネクタの最外輪郭内の面積を求め、インターコネクタの形成面積とした。

また、支持基板の厚み、長さ、幅、支持基板の断面積に対する燃料ガス通路３１ａの全面積の比率を、表１に示すように、変更した。

作製した燃料電池セルについて、図４（ａ）の破線で示すように、インターコネクタの形成側と反対側の面の上下端の固体電解質層表面に直線状の定規を当て、この定規とセル表面の固体電解質層表面との最大距離を求め、セル作製時の長さ方向の反り量とし、その結果を表１に記載した。

さらに、得られた燃料電池セルを８５０℃の温度で水素ガスをガス通路３１ａ内に１２時間供給し、水素ガスを流しながら放冷した。その後、上記と同様にして長さ方向の反り量を求め、還元処理後の長さ方向の反りとして表１に記載した。

この表１から、参考試料として記載した、支持基板の厚みが１０μｍと厚い試料Ｎｏ．７、支持基板の長さが５０ｍｍと短い試料Ｎｏ．１１では、インターコネクタの形成面積比率が８０％と本発明の範囲外であっても、長さ方向における反り量が、セル作製時及び還元処理時とも小さいが、支持基板の厚みが８ｍｍ以下で、長さが１２０ｍｍ以上の場合に、インターコネクタの形成面積比率が８０％、６５％の比較例の試料Ｎｏ．２、４では、長さ方向における反り量が、セル作製時及び還元処理時に非常に大きいことが判る。

これに対し、本発明では、支持基板の厚みが３ｍｍ以上８ｍｍ以下で、長さが１２０ｍｍ以上１８０ｍｍ以下、幅が２５ｍｍ以上４０ｍｍ以下、支持基板の横断面に占めるガス流路の断面積合計が１０％以上３０％以下の場合であっても、長さ方向における反り量がセル作製時及び還元処理時ともに非常に小さいことが判る。

本発明の燃料電池セルを示すもので、（ａ）は横断面図、（ｂ）は縦断面図である。 本発明の燃料電池セルの断面斜視図である。 本発明の燃料電池セルのスタックを示す横断面図である。 インターコネクタの形成状態を示す説明図で、（ａ）は従来のセル、（ｂ）は形成面積比率を小さくした場合、（ｃ）はガスの流れ方向に分割した場合、（ｄ）は幅方向に複数に分割した場合、（ｅ）は凹面側に形成した場合を示すものである。 従来の燃料電池セルのスタックを示す横断面図である。

符号の説明

３１・・・支持基板
３１ａ・・・燃料ガス通路
３２・・・燃料極層
３３・・・固体電解質層
３４・・・酸素極層
３５・・・インターコネクタ
３５ａ・・・分割インターコネクタ
４０・・・集電部材

Claims (4)

1. 長手方向にガス流路を有する支持基板の一方側主面に、インターコネクタを有さず、内側電極層、固体電解質層、外側電極層を順次積層してなるとともに、前記支持基板の他方側主面に、前記外側電極層を有さず、前記インターコネクタを有する中空平板型燃料電池セルであって、前記支持基板の厚みが３ｍｍ以上８ｍｍ以下、長さが１２０ｍｍ以上１８０ｍｍ以下、幅が２５ｍｍ以上４０ｍｍ以下、前記支持基板の横断面に占める前記ガス流路の断面積合計が１０％以上３０％以下であり、かつ前記支持基板の他方側主面に占める前記インターコネクタの面積が５０％以上６０％以下であることを特徴とする中空平板型燃料電池セル。
2. 長手方向にガス流路を有する電極基板の一方側主面に、インターコネクタを有さず、固体電解質層、外側電極層を順次積層してなるとともに、前記電極基板の他方側主面に、前記外側電極層を有さず、前記インターコネクタを有する中空平板型燃料電池セルであって、前記電極基板の厚みが３ｍｍ以上８ｍｍ以下、長さが１２０ｍｍ以上１８０ｍｍ以下、幅が２５ｍｍ以上４０ｍｍ以下、前記電極基板の横断面に占める前記ガス流路の断面積合計が１０％以上３０％以下であり、かつ前記電極基板の他方側主面に占める前記インターコネクタの面積が５０％以上６０％以下であることを特徴とする中空平板型燃料電池セル。
3. 前記インターコネクタが複数設けられているとともに、複数に分割された前記インターコネクタの間に、緻密質材料が充填されていることを特徴とする請求項１又は２記載の中空平板型燃料電池セル。
4. 請求項１乃至３のうちいずれかに記載の中空平板型燃料電池セルを収納容器内に複数収納してなることを特徴とする燃料電池。

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