JP4853979B2

JP4853979B2 - 燃料電池セル

Info

Publication number: JP4853979B2
Application number: JP2010071316A
Authority: JP
Inventors: 誠大森; 昭彦本多; 健太刀根; 祐人山田
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2010-03-26
Filing date: 2010-03-26
Publication date: 2012-01-11
Anticipated expiration: 2030-03-26
Also published as: JP2011204505A

Description

本発明は、燃料電池セルに関する。

従来より、ガス流路が長手方向に沿って内部に形成された板状の多孔質の導電性支持体と、前記導電性支持体における一方の主面側に積層された多孔質の内側電極と、前記内側電極における前記導電性支持体と反対の面側に積層された緻密な固体電解質と、前記固体電解質における前記内側電極と反対の面側に積層された多孔質の外側電極と、前記導電性支持体における他方の主面側に積層された緻密なインターコネクタと、前記導電性支持体における前記長手方向に沿って延びる「外側に凸の曲面形状の」側端部を覆うように形成された緻密な絶縁体と、を備えた燃料電池セルが知られている（例えば、特許文献１を参照）。

係る燃料電池セルでは、多孔質の導電性支持体が、緻密なインターコネクタ、緻密な固体電解質、及び緻密な絶縁体により取り囲まれ得るので、燃料電池セルの内外間でのガスの遮断が達成され得る。係る燃料電池セルでは、内側電極、固体電解質、及び外側電極が重なり合う部分が発電部となる。例えば、約１０００℃の高温下にて、導電性支持体の内部に形成されたガス流路に燃料ガス（水素）を供給し、外部電極に酸素含有ガスを供給することにより、前記発電部にて発電がなされる。

係る燃料電池セルでは、燃料電池セルの形状を扁平状（薄板状）とすることにより、１つの燃料電池セル当たりの発電部の面積を大きくすることができ、この結果、発電量を大きくすることができる。しかしながら、燃料電池セルの形状を扁平状とすると、導電性支持体の側端部の曲面形状の曲率が大きくなり、この側端部を覆う緻密な絶縁体の曲面形状の曲率も大きくなる。これに伴い、絶縁体に作用する応力が大きくなる。この結果、燃料電池セルの製造過程にてなされる焼成工程や燃料電池セルの発電の際、絶縁体にクラックが発生し易いという問題が発生する。

絶縁体にクラックが発生すると、燃料電池セルの内外間でのガスの遮断が達成され得なくなり、燃料電池セルの内外間での酸素分圧差が減少する。この結果、燃料電池セルの発電性能が低下する。従って、絶縁体におけるクラックの発生を抑制することが望まれていたところである。

特許第４００２５２１号明細書

本発明は、導電性支持体の側端部を覆う緻密な絶縁体におけるクラックの発生を抑制し得る燃料電池セルを提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池セルは、中央部分の平坦部と、前記平坦部の幅方向の両側に設けられ前記平坦部の厚さ方向に膨れた形状の端部とからなる。本発明に係る燃料電池セルは、ガス流路が前記幅方向と直交する長手方向に沿って内部に形成された板状の多孔質の導電性支持体と、前記導電性支持体における一方の主面側に積層された多孔質の内側電極と、前記内側電極における前記導電性支持体と反対の面側に積層された緻密な固体電解質と、前記固体電解質における前記内側電極と反対の面側に積層された多孔質の外側電極と、前記導電性支持体における他方の主面側に積層された緻密なインターコネクタと、前記導電性支持体における前記長手方向に沿って延びる側端部を覆うように形成された緻密な絶縁体とを備えている。そして、本発明に係る燃料電池セルの特徴は、前記平坦部に対応する前記導電性支持体、前記内側電極、前記固体電解質の（層の）厚さをそれぞれＬ１、Ｍ１、Ｎ１とし、前記端部に対応する前記導電性支持体、前記内側電極、前記固体電解質の（層の）厚さをそれぞれＬ２、Ｍ２、Ｎ２とし、Ｚ＝（Ｌ２＋Ｍ２＋Ｎ２）／（Ｌ１＋Ｍ１＋Ｎ１）としたとき、１．０１≦Ｚ≦１．３の関係が成立することにある。

或いは、本発明に係る燃料電池セルは、ガス流路が前記幅方向と直交する長手方向に沿って内部に形成された、内側電極を兼ねる板状の多孔質の導電性支持体と、前記導電性支持体における一方の主面側に積層された緻密な固体電解質と、前記固体電解質における前記導電性支持体と反対の面側に積層された多孔質の外側電極と、前記導電性支持体における他方の主面側に積層された緻密なインターコネクタと、前記導電性支持体における前記長手方向に沿って延びる側端部を覆うように形成された緻密な絶縁体とを備えている。そして、本発明に係る燃料電池セルの特徴は、前記平坦部に対応する前記導電性支持体、前記固体電解質の（層の）厚さをそれぞれＬ１、Ｎ１とし、前記端部に対応する前記導電性支持体、前記固体電解質の（層の）厚さをそれぞれＬ２、Ｎ２とし、Ｚ＝（Ｌ２＋Ｎ２）／（Ｌ１＋Ｎ１）としたとき、１．０１≦Ｚ≦１．３の関係が成立することにある。なお、前記導電性支持体の板厚は、０．５〜５ｍｍであることが好ましい。

本発明者は、「Ｚ＜１．０１、又は、Ｚ＞１．３であると、絶縁体においてクラックが発生し易く、１．０１≦Ｚ≦１．３であれば、絶縁体においてクラックが発生し難いこと」を見出した。このことについては後述する。従って、上記構成によれば、絶縁体におけるクラックの発生が抑制されて、燃料電池セルの内外間でのガスの遮断が確実に達成され得、燃料電池セルの発電性能の低下を確実に抑制することができる。

本発明に係る燃料電池セルの実施形態を示す斜視図である。図１に示した実施形態の変形例を示す斜視図である。図１に示した実施形態の他の変形例を示す斜視図である。図１に示した実施形態の他の変形例を示す斜視図である。

図１に示すように、本発明に係る燃料電池セルの実施形態は、平坦部Ａと、平坦部Ａの幅方向の両側に設けられ平坦部Ａの厚さ方向に膨れた形状の一対の端部Ｂ，Ｂと、からなる。端部Ｂ，Ｂの端面は、端面への応力を緩和するために曲面となっている。

この燃料電池セルでは、薄板状の多孔質の導電性支持体１１の一方の主面に、多孔質の燃料側電極１２、緻密質な固体電解質１３、多孔質の導電性セラミックスからなる酸素側電極１４が順次積層されている。また、酸素側電極１４と反対側の導電性支持体１１の主面には、中間膜（図示せず）、ランタン−クロム系酸化物材料からなるインターコネクタ１５、Ｐ型半導体材料からなる集電膜（図示せず）が順次形成されている。

即ち、この燃料電池セルの実施形態は、幅方向両端に設けられた一対の端部Ｂ，Ｂと、端部Ｂ，Ｂを連結する平坦部Ａと、から構成されている。平坦部Ａの上下面（２つの主面）は平坦であり、ほぼ平行である。平坦部Ａの一方側には、燃料側電極１２、固体電解質１３、酸素側電極１４が順に形成され、平坦部Ａの他方側には、中間膜（図示せず）、インターコネクタ１５、集電膜（図示せず）が順に形成されている。

導電性支持体１１は、Ｙ、Ｌｕ、Ｙｂ、Ｔｍ、Ｅｒ、Ｈｏ、Ｄｙ、Ｇｄ、Ｓｍ及びＰｒから選ばれた１種以上の元素を含む希土類酸化物とＮｉ及び／又はＮｉＯとを主成分とする材質から構成される。なお、Ｎｉに加えて、ＦｅやＣｕ等が含まれていてもよい。また、導電性支持体１１の内部には、複数のガス流路１６が長手方向（幅方向と直交する方向）に沿って形成されている。

燃料側電極１２、及び、固体電解質１３は、導電性支持体１１の一方の主面から両側の端部Ｂ，Ｂを形成するように他方の主面にまで延設されていて、インターコネクタ１５と重畳している。

燃料側電極１２、固体電解質１３、酸素側電極１４が重なり合っている部分が発電部である。この発電部は端部Ｂ，Ｂにまで連続していてもよい。なお、端部Ｂ，Ｂの表面（側面）は、発電に伴う加熱や冷却に伴い発生する熱応力を緩和するため、幅方向に外側に突出する曲面となっていることが望ましい。なお、本例では、固体電解質１３の一部であって導電性支持体１１の側端部を覆うように形成された部分（端部Ｂに対応する部分）が、前記「絶縁体」に対応する。即ち、「絶縁体」の表面は、幅方向において外側に突出する曲面形状を呈している。

また、導電性支持体１１の幅方向の寸法（端部Ｂ，Ｂ間の距離）は１０〜１００ｍｍ、厚さ方向の寸法（平坦部Ａの厚さ）は０．５〜５ｍｍであることが望ましい。なお、導電性支持体１１の形状は、「薄板状」と表現しているが、幅方向の寸法及び厚さ方向の寸法の組み合わせに応じて、「楕円状」、或いは「扁平状」とも表現され得る。

導電性支持体１１とインターコネクタ１５の間に形成される中間膜は、Ｎｉ及び／又はＮｉＯと希土類元素を含有するＺｒＯ_２を主成分とする材質から構成される。中間膜中のＮｉ化合物のＮｉ換算量は全量中３５〜８０体積％であることが望ましく、更には、５０〜７０体積％であることがより望ましい。Ｎｉ換算量が３５体積％以上であることで、Ｎｉによる導電パスが増加して、中間膜の伝導度が向上する。この結果、中間膜に起因する電圧降下が小さくなる。また、Ｎｉ換算量が８０体積％以下であることで、導電性支持体１１とインターコネクタ１５の間の熱膨張係数差を小さくすることができ、両者の界面における亀裂の発生が抑制され得る。

また、電位降下の減少という観点から、中間膜の厚さは２０μｍ以下であることが望ましく、更には、１０μｍ以下であることが望ましい。また、導電性支持体１１の希土類元素は中希土類元素、重希土類元素が望ましい。

中希土類元素や重希土類元素の酸化物の熱膨張係数は、固体電解質１３における「Ｙ_２Ｏ_３を含有するＺｒＯ_２」の熱膨張係数より小さい。従って、Ｎｉとのサーメット材としての導電性支持体１１の熱膨張係数を固体電解質１３の熱膨張係数に近づけることができる。この結果、固体電解質１３のクラックや、固体電解質１３の燃料側電極１２からの剥離が抑制され得る。更には、熱膨張係数が小さい重希土類酸化物を用いることで、導電性支持体１１中のＮｉを多くでき、導電性支持体１１の電気伝導度を上げることができる。この観点からも、重希土類酸化物を用いることが望ましい。

なお、希土類元素酸化物の熱膨張係数の総和が固体電解質１３の熱膨張係数未満であれば、軽希土類元素のＬａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄの酸化物は、中希土類元素、重希土類元素に加えて含有されていても問題はない。

また、精製途中の安価な複数の希土類元素を含む複合希土類元素酸化物を用いることにより、原料コストを大幅に下げることができる。この場合も、複合希土類元素酸化物の熱膨張係数が固体電解質１３の熱膨張係数未満であることが望ましい。

また、導電性支持体１１の導電材料としてＮｉ及び／又はＮｉＯを用いることが望ましい。ＮｉやＮｉＯは安価であり、供給も安定しているからである。また、Ｎｉは還元雰囲気中でも安定に存在し得るからである。

また、インターコネクタ１５表面にＰ型半導体、例えば、遷移金属ペロブスカイト型酸化物からなる集電膜を設けることが望ましい。インターコネクタ１５表面に直接金属の集電部材を配して集電すると、非オーム接触に起因して、電位降下が大きくなる。オーム接触を確保して電位降下を少なくするためには、インターコネクタ１５にＰ型半導体からなる集電膜を接続する必要がある。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用いることが望ましい。遷移金属ペロブスカイト型酸化物としては、ランタン−マンガン系酸化物、ランタン−鉄系酸化物、ランタン−コバルト系酸化物、又は、それらの複合酸化物の少なくとも一種を用いることが望ましい。

導電性支持体１１の主面に設けられた燃料側電極１２は、Ｎｉと希土類元素が固溶したＺｒＯ_２とから構成される。この燃料側電極１２の厚さは１〜３０μｍであることが望ましい。燃料側電極１２の厚さが１μｍ以上であることで、燃料側電極１２としての３層界面が十分に形成される。また、燃料側電極１２の厚さが３０μｍ以下であることで、固体電解質１３との熱膨張差による界面剥離が防止され得る。

この燃料側電極１２の主面に設けられた固体電解質１３は、３〜１５モル％のＹ等の希土類元素を含有した部分安定化あるいは安定化ＺｒＯ_２からなる緻密質なセラミックスから構成される。希土類元素としては、安価であるという点からＹもしくはＹｂが望ましい。

固体電解質１３の厚さは、０．５〜１００μｍであることが望ましい。固体電解質１３厚さが０．５μｍ以上であることで、ガス透過が防止され得る。また、固体電解質１３の厚さが１００μｍ以下であることで、抵抗成分の増加が抑制され得る。

また、酸素側電極１４は、遷移金属ペロブスカイト型酸化物のランタン−マンガン系酸化物、ランタン−鉄系酸化物、ランタン−コバルト系酸化物、又は、それらの複合酸化物の少なくとも一種の多孔質の導電性セラミックスから構成されている。酸素側電極１４は、８００℃程度の中温域での電気伝導性が高いという観点から、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｆｅ，Ｃｏ）Ｏ３系が望ましい。酸素側電極１４の厚さは、集電性という観点から１０〜１００μｍであることが望ましい。

インターコネクタ１５は、導電性支持体１１の内外間の燃料ガス、酸素含有ガスの漏出を防止するため緻密質とされている。また、インターコネクタ１５の内外面は、燃料ガス、酸素含有ガスとそれぞれ接触するため、耐還元性、耐酸化性を有している。

このインターコネクタ１５の厚さは、３０〜２００μｍであることが望ましい。インターコネクタ１５の厚さが３０μｍ以上であることで、ガス透過が完全に防止され得、２００μｍ以下であることで、抵抗成分の増加が抑制され得る。

このインターコネクタ１５の端面と固体電解質１３の端面との間には、シール性を向上すべく、例えば、Ｙ_２Ｏ_３や、ＮｉとＹＳＺからなる接合層を介在させても良い。

このような燃料電池セルにおいて、図１に示すように、燃料電池セルの平坦部Ａに対応する導電性支持体１１の（層の）厚さをＬ１、燃料側電極１２の（層の）厚さをＭ１、固体電解質１３の（層の）厚さをＮ１とし、端部Ｂに対応する導電性支持体１１の（層の）厚さをＬ２、燃料側電極１２の（層の）厚さをＭ２、固体電解質１３の（層の）厚さをＮ２とし、Ｚ＝（Ｌ２＋Ｍ２＋Ｎ２）／（Ｌ１＋Ｍ１＋Ｎ１）と定義すると、１．０１≦Ｚ≦１．３の関係が成立している。

ここで、「（層の）厚さ」とは、導電性支持体１１の板厚方向（平坦部Ａの厚さ方向、以下、単に「板厚方向」と呼ぶ。）における距離を意味している。特に、厚さＬ２、Ｍ２、Ｎ２は、端部Ｂにおける板厚方向の厚さが最大となる位置における、それぞれの層の厚さである。

以上のように、この燃料電池セルの断面形状は、鉄アレイや綿棒の様に、両端部が板厚方向に膨れた形状をしている。これにより、端部Ｂの表面の曲率半径が大きくされ得、端部Ｂの「絶縁体」（本例では、固体電解質１３）に発生する応力が小さくされ得、「絶縁体」におけるクラックの発生が抑制され得る。端部Ｂの表面の曲率半径は必ずしも一定である必要はないが、一定である方が、応力緩和の効果が大きくなる。

なお、図１に示すように端部Ｂにまで発電部が形成された形態では、端部Ｂにおいてガスの消費量が他の部分より多くなる。このため、端部Ｂに形成されたガス流路１６では、他のガス流路１６よりも断面積を大きくしてもよい。

この燃料電池セルの構造（１．０１≦Ｚ≦１．３）を達成するためには、図１に示すように、例えば、燃料側電極１２及び固体電解質１３について平坦部Ａにおける厚さと端部Ｂにおける厚さとを等しくし、且つ、導電性支持体１１について平坦部Ａにおける厚さより端部Ｂにおける厚さを大きく構成すればよい（Ｌ１＜Ｌ２、Ｍ１＝Ｍ２、Ｎ１＝Ｎ２）。

また、図２に示すように、例えば、導電性支持体１１及び固体電解質１３について平坦部Ａにおける厚さと端部Ｂにおける厚さとを等しくし、且つ、燃料側電極１２について平坦部Ａにおける厚さより端部Ｂにおける厚さを大きく構成すればよい（Ｌ１＝Ｌ２、Ｍ１＜Ｍ２、Ｎ１＝Ｎ２）。

或いは、図３に示すように、例えば、導電性支持体１１及び燃料側電極１２について平坦部Ａにおける厚さと端部Ｂにおける厚さとを等しくし、且つ、固体電解質１３について平坦部Ａにおける厚さより端部Ｂにおける厚さを大きく構成すればよい（Ｌ１＝Ｌ２、Ｍ１＝Ｍ２、Ｎ１＜Ｎ２）。これにより、端部Ｂにおける緻密な固体電解質１３、即ち「絶縁体」の層が厚くなり、燃料電池セルの信頼性が向上する。なお、この場合、例えば、端部Ｂにおいて固体電解質１３、即ち「絶縁体」の厚さが１００μｍを超えたとしても、端部Ｂは発電に寄与する割合が低いため、発電性能への影響は軽微である。

また、図４に示すように、図１に示す導電性支持体１１と燃料側電極１２とに代えて、燃料側電極を兼ねる導電性支持体１１を用いる場合（即ち、燃料側電極１２が省略される場合）がある。この場合も、燃料電池セルの平坦部Ａに対応する導電性支持体１１の（層の）厚さをＬ１、固体電解質１３の（層の）厚さをＮ１とし、端部Ｂに対応する導電性支持体１１の（層の）厚さをＬ２、固体電解質１３の（層の）厚さをＮ２とし、Ｚ＝（Ｌ２＋Ｎ２）／（Ｌ１＋Ｎ１）と定義すると、１．０１≦Ｚ≦１．３の関係が成立している。

この場合、この燃料電池セルの構造（１．０１≦Ｚ≦１．３）を達成するためには、図４に示すように、例えば、固体電解質１３について平坦部Ａにおける厚さと端部Ｂにおける厚さとを等しくし、且つ、導電性支持体１１について平坦部Ａにおける厚さより端部Ｂにおける厚さを大きく構成すればよい（Ｌ１＜Ｌ２、Ｎ１＝Ｎ２）。また、例えば、導電性支持体１１について平坦部Ａにおける厚さと端部Ｂにおける厚さとを等しくし、且つ、固体電解質１３について平坦部Ａにおける厚さより端部Ｂにおける厚さを大きく構成してもよい（Ｌ１＝Ｌ２、Ｎ１＜Ｎ２）。

これによっても、図１に示す態様と同様、燃料電池セルの断面形状の両端部が板厚方向に膨れた形状となり、端部Ｂの表面の曲率半径が大きくされ得る、この結果、端部Ｂの「絶縁体」（本例では、固体電解質１３）に発生する応力が小さくされ得、「絶縁体」におけるクラックの発生が抑制され得る。

なお、図１〜図３に示す態様では、「絶縁体」（＝固体電解質１３）が、導電性支持体１１の側端部を介して他方の主面まで延設された燃料側電極１２の上に形成されているが、「絶縁体」が導電性支持体１１の側端部の上に直接形成されてもよい。また、図１〜図４に示す態様では、「絶縁体」は、固体電解質１３の層のみからなるが、「絶縁体」は、固体電解質１３と、その外面又は内面に形成された他の緻密な絶縁体とからなる積層体であってもよいし、固体電解質１３とは個別に固体電解質１３に連続する緻密な絶縁体の層のみからなっていてもよい。

次に、以上説明したような燃料電池セルの製法について説明する。先ず、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄの元素を除く希土類元素酸化物粉末とＮｉ及び／又はＮｉＯ粉末が混合される。この混合粉末に、有機バインダーと、溶媒とを混合した導電性支持体材料が押し出し成形されて、板状の導電性支持体成形体が作製される。この成形体が乾燥、脱脂される。

このとき、導電性支持体１１を形成するための金型の形状を、端部Ｂを平坦部Ａよりも板厚方向に厚い形状とすることで、端部Ｂが平坦部Ａよりも板厚方向に厚い導電性支持体成形体を容易に形成することができる。

また、希土類元素（Ｙ）が固溶したＺｒＯ_２粉末と有機バインダーと溶媒を混合した固体電解質材料を用いてシート状の固体電解質成形体が作製される。

次に、Ｎｉ及び／又はＮｉＯ粉末と、希土類元素が固溶したＺｒＯ_２粉末と、有機バインダーと、溶媒とを混合し作製された、燃料側電極１２となるスラリーが、前記固体電解質成形体の一方側に塗布される。これにより、固体電解質成形体の一方側の面に燃料側電極成形体が形成される。

次に、導電性支持体成形体に、前記シート状の固体電解質成形体と燃料側電極成形体の積層体が、燃料側電極成形体が導電性支持体成形体に当接するように、導電性支持体成形体に巻き付けられる。

次に、Ｎｉ及び／又はＮｉＯ粉末と、希土類元素が固溶したＺｒＯ_２粉と、有機バインダーと、溶媒を混合したスラリーを用いて、シート状の中間膜成形体が作製される。この中間膜成形体が導電性支持体成形体に積層される。

次に、ランタン−クロム系酸化物粉末と、有機バインダーと、溶媒を混合したインターコネクタ材料を用いて、シート状のインターコネクタ成形体が作製される。このインターコネクタ成形体が、中間膜成形体上に積層される。

これにより、導電性支持体成形体の一方の主面に、燃料側電極成形体、固体電解質成形体が順次積層されるとともに、他方の主面に中間膜成形体、インターコネクタ成形体が積層された積層成形体が作製される。なお、各成形体はドクターブレードによるシート成形、印刷、スラリーディップ、並びにスプレーによる吹き付けなどにより作製され得る。また、各成形体は、これらの組み合わせにより作製され得る。

次に、積層成形体が脱脂処理され、酸素含有雰囲気中で１３００〜１６００℃で同時焼成される。

次に、Ｐ型半導体である遷移金属ペロブスカイト型酸化物粉末と、溶媒を混合して、ペーストが作製される。前記積層体がこのペースト中に浸漬される。そして、固体電解質１３、インターコネクタ１５の表面に、酸素側電極成形体、集電膜成形体が、それぞれディッピング、或いは直接のスプレー塗布により形成される。これらの成形体が１０００〜１３００℃で焼き付けられることにより、本発明に係る燃料電池セルが作製される。

なお、この時点では、燃料電池セルでは、酸素含有雰囲気での焼成により、導電性支持体１１、燃料側電極１２、中間膜中のＮｉ成分が、ＮｉＯとなっている。従って、その後、導電性支持体１１側から還元性の燃料ガスが流され、ＮｉＯが８００〜１０００℃で還元処理される。なお、この還元処理は発電時に行われてもよい。

なお、本発明は上記実施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、内側電極が酸素側電極であってもよい。また、酸素側電極１４と固体電解質１３との間に、反応防止層が形成されてもよい。

（値Ｚの好ましい範囲の考察）
次に、上記値Ｚ（Ｚ＝（Ｌ２＋Ｍ２＋Ｎ２）／（Ｌ１＋Ｍ１＋Ｎ１）、或いは、Ｚ＝（Ｌ２＋Ｎ２）／（Ｌ１＋Ｎ１））の好ましい範囲について考察するために行われた実験について説明する。先ず、この実験に使用された燃料電池セルの作製について説明する。

先ず、ＮｉＯ粉末がＮｉ金属換算量で４８体積％、Ｙ等の希土類元素酸化物粉末が５２体積％となるように、これらの粉末が混合された。この混合物に、ポアー剤と、ＰＶＡからなる有機バインダーと、水からなる溶媒とが加えられ、混合された導電性支持体材料が押出成形されて、板状の導電性支持体成形体が作製された。そして、これが乾燥された。

この導電性支持体成形体を用いて、焼成後に長さが２００ｍｍとなるように導電性支持体成形体が加工され、乾燥後、１０００℃で仮焼された。

次に、ＹＳＺ粉末にアクリル系バインダーとトルエンを加え、固体電解質１３となるスラリーが作製された。このスラリーを用いて、ドクターブレード法にてシート状の固体電解質成形体が作製された。

次に、ＮｉＯ粉末をＮｉＯの金属Ｎｉ換算量で４８体積％、８ＹＳＺ粉末（Ｙ２Ｏ３を８モル含有するＺｒＯ２）を５２体積％となるように混合し、アクリル系バインダーとトルエンを加え、燃料側電極１２となるスラリーが作製された。このスラリーが前記固体電解質成形体にスクリーン印刷され、固体電解質成形体と燃料側電極成形体の積層体が作製された。

次に、導電性支持体成形体に、「固体電解質成形体と燃料側電極成形体の積層体」が、導電性支持体成形体側に燃料側電極成形体が当接し、且つ、その両端間が平坦部で所定間隔をおいて離間するように、巻き付けられた。そして、これが乾燥された。

次に、ＬａＣｒＯ３系材料と、アクリル樹脂からなる有機バインダーと、トルエンとからなる溶媒とを混合したインターコネクタ材料を用いて、インターコネクタシート状成形体が作製された。

また、Ｎｉ及び／又はＮｉＯ粉末と希土類元素が固溶したＺｒＯ_２粉と有機バインダーと、溶媒を混合したスラリーを用いて、シート状の中間膜成形体が作製され、先に作製したインターコネクタシート状成形体に積層された。

次に、中間膜成形体とインターコネクタ成形体の積層体が、先に作製された仮焼体である導電性支持体成形体に当接するように積層される。

次に、この積層体が脱バインダー処理され、大気中にて所定温度にて同時焼成された。

次に、Ｌａ_０．６Ｓｒ_０．４Ｃｏ_０．２Ｆｅ_０．８Ｏ_３粉末と、ノルマルパラフィンからなる溶媒とから、酸素側電極スラリーが作製され、このスラリーが、仮焼した固体電解質シート状成形体の表面に吹き付けられる。これにより、酸素側電極成形体が形成される。また、上記スラリーが、焼成したインターコネクタ１５の外面に塗布され、１１５０℃で焼き付けられる。これにより、酸素側電極１４が形成されるとともに、インターコネクタ１５の外面に集電膜が形成される。これにより、この実験に使用される燃料電池セルが作製された。

なお、導電性支持体１１の幅方向の寸法は２６ｍｍ、酸素側電極１４の厚さは５０μｍ、中間膜の厚さは１０μｍ、インターコネクタ１５の厚さは５０μｍ、集電膜の厚さは５０μｍであった。

次に、この燃料電池セルの内部に、水素ガスを流し、８５０℃で、導電性支持体１１及び燃料側電極１２の還元処理が施された。

得られた燃料電池セルの燃料ガス流路１６に燃料ガスを流通させ、燃料電池セルの外側に酸素含有ガスを流通させ、燃料電池セルをガスバーナーを用いて７５０℃まで加熱して、燃料電池セルを所定時間に亘り稼働させた。

その後、燃料電池セルに対して、「燃料ガス流路１６内に還元性の燃料ガスを流通させながら、雰囲気温度を常温から７５０℃まで３０分間で上げた後に７５０℃から常温まで１２０分間で下げるパターン」を１００回繰り返す熱サイクル試験を行った。そして、燃料電池セルの端部Ｂに形成された固体電解質１３、即ち「絶縁体」（焼成体）について、クラックの有無が確認された。この確認は目視、及び顕微鏡による観察により行われた。

以上の試験が、上述した厚さＬ１，Ｍ１，Ｎ１，Ｌ２，Ｍ２，Ｎ２の組み合わせ（従って、値Ｚ）が異なる種々の燃料電池セルに対してそれぞれ行われた。これらの厚さの調整は、積層されるシート状の成形体の枚数を調整すること等で行われた。

表１は、値Ｚと、クラックの有無との関係を示す。なお、各水準について１５個のサンプルが作製され、評価された。また、水準１７〜２６（Ｍ１，Ｍ２に対応する数値の記載がないもの）は、図４に示すように燃料側電極を兼ねる導電性支持体１１が用いられる場合（即ち、燃料側電極１２が省略される場合）に対応している。

表１によれば、「Ｚ＜１．０１、又は、Ｚ＞１．３であると、絶縁体においてクラックが発生し易く、１．０１≦Ｚ≦１．３であれば、絶縁体においてクラックが発生し難いこと」が判明した。これは、１．０１≦Ｚ≦１．３であれば、絶縁体の端部等における応力集中が緩和されて、絶縁体において過大な応力が局所的に発生しないように応力が分布する構造が得られることに基づく、と推測される。

以上、上記実験結果によれば、「絶縁体」においてクラックの発生を抑制するためには、１．０１≦Ｚ≦１．３であることが好ましいことが判明した。これにより、燃料電池セルの内外間でのガスの遮断が確実に達成され得、燃料電池セルの発電性能の低下を確実に抑制することができる。

１１…導電性支持体、１２…燃料側電極（内側電極）、１３…固体電解質、１４…酸素側電極（外側電極）、１５…インターコネクタ、１６…ガス流路

Claims

中央部分の平坦部と、前記平坦部の幅方向の両側に設けられ前記平坦部の厚さ方向に膨れた形状の端部とからなる燃料電池セルであって、
ガス流路が前記幅方向と直交する長手方向に沿って内部に形成された板状の多孔質の導電性支持体と、
前記導電性支持体における一方の主面側に積層された多孔質の内側電極と、
前記内側電極における前記導電性支持体と反対の面側に積層された緻密な固体電解質と、
前記固体電解質における前記内側電極と反対の面側に積層された多孔質の外側電極と、
前記導電性支持体における他方の主面側に積層された緻密なインターコネクタと、
前記導電性支持体における前記長手方向に沿って延びる側端部を覆うように形成された緻密な絶縁体と、
を備えた燃料電池セルであって、
前記平坦部に対応する前記導電性支持体、前記内側電極、前記固体電解質の厚さをそれぞれＬ１、Ｍ１、Ｎ１とし、前記端部に対応する前記導電性支持体、前記内側電極、前記固体電解質の厚さをそれぞれＬ２、Ｍ２、Ｎ２としたとき、１．０１≦（Ｌ２＋Ｍ２＋Ｎ２）／（Ｌ１＋Ｍ１＋Ｎ１）≦１．３の関係が成立する燃料電池セル。
中央部分の平坦部と、前記平坦部の幅方向の両側に設けられ前記平坦部の厚さ方向に膨れた形状の端部とからなる燃料電池セルであって、
ガス流路が前記幅方向と直交する長手方向に沿って内部に形成された、内側電極を兼ねる板状の多孔質の導電性支持体と、
前記導電性支持体における一方の主面側に積層された緻密な固体電解質と、
前記固体電解質における前記導電性支持体と反対の面側に積層された多孔質の外側電極と、
前記導電性支持体における他方の主面側に積層された緻密なインターコネクタと、
前記導電性支持体における前記長手方向に沿って延びる側端部を覆うように形成された緻密な絶縁体と、
を備えた燃料電池セルであって、
前記平坦部に対応する前記導電性支持体、前記固体電解質の厚さをそれぞれＬ１、Ｎ１とし、前記端部に対応する前記導電性支持体、前記固体電解質の厚さをそれぞれＬ２、Ｎ２としたとき、１．０１≦（Ｌ２＋Ｎ２）／（Ｌ１＋Ｎ１）≦１．３の関係が成立する燃料電池セル。
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池セルにおいて、
前記絶縁体の表面は、前記幅方向において外側に突出する曲面形状を呈している、燃料電池セル。