JP5036163B2

JP5036163B2 - 燃料電池セル及びセルスタック並びに燃料電池

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Publication number: JP5036163B2
Application number: JP2005312580A
Authority: JP
Inventors: 隆幸岩本; 雄二末永
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2005-10-27
Filing date: 2005-10-27
Publication date: 2012-09-26
Anticipated expiration: 2025-10-27
Also published as: JP2007123004A

Description

本発明は、燃料電池セル及びセルスタック並びに燃料電池に関し、特に固体電解質を内側電極及び外側電極で挟持してなる発電素子を支持体に設けてなる燃料電池セル及びセルスタック並びに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６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１３（１３ａ、１３ｂ）を集合させ、一方の燃料電池セル１３ａと他方の燃料電池セル１３ｂとの間に金属フェルトなどからなる集電部材１５を介在させ、一方の燃料電池セル１３ａの内側電極（酸素側電極）１７と他方の燃料電池セル１３ｂの外側電極（燃料側電極）１８とを電気的に接続して構成されていた。

燃料電池セル１３（１３ａ、１３ｂ）は、扁平状の内側電極１７の外周面に、固体電解質１９、外側電極１８を順次設けて構成されており、固体電解質１９、外側電極１８から露出した内側電極１７には、外側電極１８に接続しないようにインターコネクタ２０が設けられている。内側電極１７内にはガス通路を構成する複数のガス通路２２が形成されている。

一方の燃料電池セル１３ａと他方の燃料電池セル１３ｂとの電気的接続は、一方の燃料電池セル１３ａの内側電極１７を、該内側電極１７に設けられたインターコネクタ２０、集電部材１５を介して、他方の燃料電池セル１３ｂの外側電極１８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２００４−２３４９６９号公報

しかしながら、上記燃料電池セルでは、内側電極１７は、ガス通路２２からガスを固体電解質９まで供給する必要があるため多孔質とされており、強度が必然的に低いため、内側電極１７の対向する両主面に異なる材料からなる層を形成した場合には、焼成後や発電時に反るという問題があった。特に、近年、小型で高出力の燃料電池セルを得るべく、支持体（内側電極１７）が薄層化されつつあり、支持体を薄層化すればするほど、支持体の強度が低下し、反りが発生しやすいという問題があった。

また、内側電極１７の一方側主面には、ガス通路形成方向に連続して固体電解質１９が形成され、他方側主面には、固体電解質１９と対向するように、ガス通路形成方向に連続してインターコネクタ２０が形成されており、内側電極１７の対向する両主面には異なる材料（熱膨張係数等が異なる）からなる層が形成されており、発電中に燃料電池セルが、図７に示すようにインターコネクタ２０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、大気中にて焼結して作製され、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１７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１９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２０は還元雰囲気において寸法変化が大きいため、図７に示すように、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。

この燃料電池セルの反りは、図７（ａ−２）に示すように、長さ方向に弓なりに反る場合のみならず、図７（ａ−３）に示すように、幅方向においても発生し、特に、セル一本当たりの発電量を大きくするため、燃料電池セルの長さを長くすると長さ方向に弓なりに反り易く、燃料電池セルの幅を大きくすると、幅方向に反り易いという問題があった。

また、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問題があった。

一方、焼成時においても、固体電解質材料とインターコネクタ材料の熱膨張係数差により変形するという問題があった。

本発明は、変形を抑制できる燃料電池セル及びセルスタック並びに燃料電池を提供することを目的とする。

本発明の燃料電池セルは、平坦な両側の主面を有する基板状であって、鉄族金属成分及びその酸化物のいずれかを含んでなり、緻密質な支持体の一方の主面上に、内側電極、固体電解質及び外側電極がこの順で配置された発電素子が設けられており、前記支持体の他
方の主面上であって、前記発電素子と対向する位置にインターコネクタが形成されているとともに、前記発電素子が設けられる位置の前記支持体の外面に凹溝が設けられ、該凹溝と前記内側電極との間の空間がガス通路とされていることを特徴とする。

このような燃料電池セルでは、凹溝と内側電極との間の空間からなるガス通路をガスが流れ、しかもガス通路に内側電極が面しているため、ガス通路を流れるガスが多孔質の内側電極を介して固体電解質まで拡散できる。従って、従来のように支持体をガスが透過できるように多孔質とする必要がないため、緻密質とすることができ、支持体強度を向上できる。また、支持体が緻密質であるため、ガス通路を通過するガスが支持体を透過し、支持体表面からのガス漏出を防止できる。

これにより、支持体の外周面に焼成収縮率や熱膨張係数が異なる層を形成した場合でも、燃料電池セルの反りを防止できる。

また、支持体のヤング率を大きくすることができ、しかも従来のように支持体中心部にガス通路を別個に形成する必要がないため、支持体が基板状である場合にはその厚みを小さくできるとともに、支持体材料の使用量を減少することができ、コストを低減でき、支持体が導電性である場合にはその抵抗を小さくできる。

また、このような燃料電池セルでは、支持体にガス拡散機能を付与する必要がないため、その気孔率を気にせずに強度向上を図ることができ、支持体の厚みを薄くでき、小型化を達成できるとともに、支持体が導電性である場合には、対向する位置に形成された発電素子とインターコネクタとの間の電気抵抗を小さくすることができ、発電性能を向上できる。

さらに、このような燃料電池セルでは、支持体の対向する位置に異なる材料層が形成されているため、反りが発生しやすいが、本発明によれば、支持体に多孔性が要求されないため、支持体のヤング率を向上でき、支持体の発電素子と対向する位置にインターコネクタが形成されている場合であっても、燃料電池セルの反り発生を抑制できる。

本発明の燃料電池セルは、平坦な両側の主面を有する基板状であって、鉄族金属成分及びその酸化物のいずれかを含んでなる多孔質な支持体の一方の主面上に、内側電極、固体電解質及び外側電極がこの順で配置された発電素子が設けられており、前記支持体の他方の主面上であって、前記発電素子と対向する位置にインターコネクタが形成されており、前記支持体の前記発電素子が設けられる位置以外の部分が緻密質層により被覆されているとともに、前記発電素子が設けられる位置の前記支持体の外面に凹溝が設けられ、該凹溝と前記内側電極との間の空間がガス通路とされていることを特徴とする。このような燃料電池セルでは、支持体の多孔度を気にすることがないため適当な多孔質とすることができ、そのような支持体であっても、発電素子以外の支持体外面が緻密質層により被覆されているので、ガス通路を通過するガスが支持体を拡散して漏出することを防止できる。
また、本発明の燃料電池セルは、前記支持体は導電性であることを特徴とする。このような燃料電池セルでは、発電素子の内側電極とインターコネクタ間の電気抵抗を小さくすることができ、集電特性を向上し発電性能を向上できる。

本発明のセルスタックは、上記燃料電池セルを複数ガスマニホールドに立設してなり、該ガスマニホールド内のガスが前記燃料電池セルのガス通路を通過するとともに、前記複数の燃料電池セルが電気的に直列に接続されていることを特徴とする。このようなセルスタックでは、立設した燃料電池セルの反りが抑制されるため、例えば、セル間に集電部材を配置し、セル同士を電気的に接続する場合であっても、セル同士の電気的接続信頼性を向上できる。さらにセルの強度を向上できるため、セルのマニホールドに固定した部分での折損を防止することができる。

本発明の燃料電池は、上記セルスタックを収納容器内に収容してなることを特徴とする。このような燃料電池では、反りを抑制してセル同士の接続信頼性を向上できるため、長期信頼性を向上できる。

本発明の燃料電池セルでは、凹溝と内側電極との間の空間からなるガス通路をガスが流れ、しかもガス通路に内側電極が面しているため、ガス通路を流れるガスが多孔質の内側電極を介して固体電解質まで拡散できる。これにより、従来のように支持体をガスが透過できるように多孔質とする必要がないため、より緻密質とすることができ、支持体の強度及びヤング率を向上でき、燃料電池セルの反りを抑制できる。

また、支持体強度を大きくすることができ、しかも従来のように支持体中心部にガス通路を別個に形成する必要がないため、支持体の厚みを小さくできるとともに、支持体材料の使用量を減少することができ、コストを低減でき、支持体が導電性である場合にはその抵抗を小さくできる。

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（支持体）３１を備えている。支持基板３１の外面には、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の主面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は主面を構成する。平坦部Ａの両主面は互いにほぼ平行に形成されており、平坦部Ａの一方の主面と両側の弧状部Ｂを覆うように燃料極層（内側電極）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、平坦部Ａの一方の主面に酸素極層（外側電極）３４が積層されている。燃料極層３２及び固体電解質層３３は、平坦部Ａの一方の主面に、ガス流路形成方向に連続して形成されている。

そして、本発明の燃料電池セルでは、燃料極層３２と酸素極層３４で挟持される部分が実質的に発電する部分、即ち発電素子４５とされており、この発電素子４５が設けられる位置の支持基板３１の外面（一方側主面、言い換えれば一方側平坦部Ａ）に７条の凹溝４７が設けられ、これら凹溝４７と燃料極層３２との間の空間が燃料ガス通路３１ａとされている。支持基板３１の発電素子４５と対向する位置（他方側主面、言い換えれば他方側平坦部Ａ）には、インターコネクタ３５が形成されている。

即ち、支持基板３１の一方側主面には、その幅方向に所定間隔を置いて長さ方向に伸びる直線状の凹溝４７が７本形成されており、これらの凹溝４７とこれらの凹溝４７を塞ぐように、発電素子４５を支持基板３１の一方側主面に設け、発電素子４５の燃料極層３２と凹溝４７との間が燃料ガス通路３１ａとされている。

これにより、燃料ガス通路３１ａは７本形成されており、燃料電池セルの長さ方向（軸長方向）に形成されており、燃料ガス通路３１ａを通過する燃料ガスが燃料極層３２を介して固体電解質層３３まで拡散可能とされている。尚、燃料極層３２を介して固体電解質層３３まで燃料ガスの拡散を十分に行うという点からは、燃料極層３２の厚みは、従来よりも厚い０．５〜２ｍｍとすることが望ましい。

また、上記例では、直線状の凹溝４７を形成して直線状の燃料ガス通路３１ａを形成したが、凹溝４７の形状は、例えば蛇行形状（ミアンダ形状）とすることもでき、どのような形状にも対応できる。さらに、７本の凹溝４７を形成したが、例えば、燃料電池セルに１本の凹溝４７を蛇行状に形成し、一本の燃料ガス通路３１ａを形成することもできる。

さらに、７本の直線状の凹溝４７に交差するように凹溝を形成する、即ち、７本の燃料ガス通路３１ａを連結する通路を形成することもできる。この場合には、発電素子４５に燃料ガスを十分に供給することができる。

本発明では、支持基板３１の一方側主面に７本の凹溝４７を設け、これら凹溝４７と燃料極層３２との間の空間を燃料ガス通路３１ａとしているため、支持基板３１自体に、燃料ガスを供給拡散させる機能を与えることがなく、これにより、支持基板３１の気孔率を気にすることがなく、さらに言えば、支持基板３１を緻密質とすることができ、支持基板３１の強度及びヤング率を向上することができ、仮に支持基板３１の対向する両主面に異なる材料からなる層を形成したとしても、燃料電池セル３０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。

また、本発明の燃料電池セルは、支持基板３１の長さが１２０ｍｍ以上、支持基板３１の厚み（平坦部Ａ−Ａ間距離）が８ｍｍ以下、幅（弧状部Ｂ−Ｂ間距離）が２０ｍｍ以上である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、長さが長い場合、図７（ａ−２）に示すように、セルを長さ方向に見た場合に、インターコネクタ側を背にして弓なりに反り易くなるため、本発明を有効に用いることができ、また、幅が広くなると、図７（ａ−３）に示すように、セルの幅方向に、即ち、燃料電池セルを幅方向に見た場合に、インターコネクタ側を背にして三日月状に反り易くなるため、本発明を有効に用いることができる。

また、燃料電池セルの支持基板厚みが８ｍｍ以下である場合には、対向する主面間の距離が薄いため、長さ方向や幅方向に反り易くなるため、本発明を有効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の酸素極層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、酸素極層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、酸素極層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。

このような燃料電池セルは、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を作製できる。

また、燃料極層３２及び固体電極層３３が積層されていない平坦部Ａの他方の主面には、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。

（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、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とされ、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、従来のように燃料ガス透過性を有する必要はないが、この例では所定の気孔率を有する多孔質とされている。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。この支持基板３１からの燃料ガスの漏出を防止するため、支持基板３１の外面は緻密質層（固体電解質３３及びインターコネクタ３５）により被覆されている。

また、支持基板３１の平坦部Ａの長さは、２０〜３５ｍｍ、弧状部Ｂの長さ（弧の長さ）は、３〜８ｍｍ程度であり、支持基板３１の厚みは（平坦部Ａの両面の間隔）は２．５〜８ｍｍであることが望ましい。

（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セラミックスから形成される。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、酸素極層３４に対面する位置に存在して、言い換えれば発電素子４５の部分のみ燃料極が形成されていればよいため、例えば酸素極層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。

尚、燃料ガス通路３１ａから燃料ガスを固体電解質層３３に十分に供給するには、発電素子４５の燃料極層３２の厚みを０．５〜２ｍｍと従来よりも厚くし、この燃料極層３２を燃料ガスが拡散可能とすることが望ましい。

（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。

（酸素極層３４）
酸素極層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、酸素極層３４は、ガス透過性を有していなければならず、従って、酸素極層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。

このような酸素極層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）
上記の酸素極層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、燃料ガス通路３１ａ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。一方、反り抑制という観点からは、１００μｍ以下が望ましい。

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の酸素極層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、Ｎｉ等の鉄族金属或いはその酸化物粉末と、例えばＹ_２Ｏ_３粉末と、有機バインダーと、溶媒とを混合して坏土を調製し、この坏土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。支持基板の凹溝は、押出成形時に形成することができる。

次に、燃料側電極形成用材料（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側電極用のシートを作製する。

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し、この固体電解質層シートに、上記燃料側電極用シートを積層し、この複合シートを、図１に示すような層構造となるように積層し、乾燥する。

尚、凹溝４７が大きい場合等に、上記複合シートの積層、形成が困難な場合（積層後の複合シート表面に凹凸が形成される場合）は、凹溝４７内に焼成時に飛散する樹脂材料を充填しても良い。

また、支持基板仮焼体は、Ｎｉ等の鉄族金属或いはその酸化物粒子と、Ｙ_２Ｏ_３粒子とからなり、燃料側電極仮焼体は、Ｎｉ或いはＮｉＯ粒子と安定化ジルコニア粒子とからなり、固体電解質成形体は、安定化ジルコニア粉末と有機成分とから構成されている。

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固体電解質層が形成されていない位置に積層し、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、酸素側電極形成用材料（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や燃料側電極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。複数の燃料電池セル３０が集電部材４０を介して積層された状態で、図４（ａ）（ｂ）に示すように、下端部が固定板６１に固定され、この固定板６１が上面が開口した筐体状のマニホールド本体６３の上蓋として、マニホールド本体６３に接合され、マニホールド６５上に複数の燃料電池セル３０が立設したセルスタックが構成されており、マニホールド６５内の燃料ガスが燃料電池セル３０のガス通路３１ａを通過するように構成されている。

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の酸素極層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３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。

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、支持基板に酸素極層、固体電解質、燃料極層を形成しても良い。

また、上記形態では、支持基板３１が導電性の場合について説明したが、支持基板３１が絶縁性の場合には、図５に示すように、支持基板３１に厚み方向に貫通する貫通孔を形成し、この貫通孔内に導電材料を充填してビアホール導体５１を形成し、このビアホール導体５１により発電素子４５の燃料極層３２とインターコネクタ３５とを電気的に接続することもできる。この場合には、支持基板材料を種種の材料から選択することができ、しかもより緻密質な支持基板とすることができ、発電素子４５，インターコネクタ３５以外の部分を緻密質な固体電解質層で被覆する必要がなくなり、製造が容易となる。

本発明の燃料電池セルを示すもので、（ａ）は横断面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線に沿う縦断面図である。（ａ）は本発明の燃料電池セルの断面斜視図であり、（ｂ）は支持基板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。燃料電池セルがマニホールドに立設する状態を示すもので、（ａ）は燃料電池セルが固定された固定板をマニホールド本体の開口部に嵌め込む状態を示す斜視図、（ｂ）は（ａ）の断面図、（ｃ）は燃料電池セルが固定された固定板をマニホールド本体の開口部に嵌め込んだ状態を示す斜視図である。支持基板が絶縁性の燃料電池セルを示すもので、（ａ）は断面斜視図、（ｂ）は支持基板の断面斜視図である。従来の燃料電池セルのスタックを示す横断面図である。インターコネクタの形成状態と変形との関係を示す説明図である。

符号の説明

３１・・・支持基板（支持体）
３１ａ・・・燃料ガス通路
３２・・・燃料極層（内側電極）
３３・・・固体電解質
３４・・・酸素極層（外側電極）
３５・・・インターコネクタ
４０・・・集電部材
４５・・・発電素子
４７・・・凹溝
５１・・・ビアホール導体
６５・・・マニホールド

Claims

平坦な両側の主面を有する基板状であって、鉄族金属成分及びその酸化物のいずれかを含んでなり、緻密質な支持体の一方の主面上に、内側電極、固体電解質及び外側電極がこの順で配置された発電素子が設けられており、前記支持体の他方の主面上であって、前記発電素子と対向する位置にインターコネクタが形成されているとともに、前記発電素子が設けられる位置の前記支持体の外面に凹溝が設けられ、該凹溝と前記内側電極との間の空間がガス通路とされていることを特徴とする燃料電池セル。
平坦な両側の主面を有する基板状であって、鉄族金属成分及びその酸化物のいずれかを含んでなる多孔質な支持体の一方の主面上に、内側電極、固体電解質及び外側電極がこの順で配置された発電素子が設けられており、前記支持体の他方の主面上であって、前記発電素子と対向する位置にインターコネクタが形成されており、前記支持体の前記発電素子が設けられる位置以外の部分が緻密質層により被覆されているとともに、前記発電素子が設けられる位置の前記支持体の外面に凹溝が設けられ、該凹溝と前記内側電極との間の空間がガス通路とされていることを特徴とする燃料電池セル。
前記支持体は導電性であることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池セル。
請求項１乃至３のうちいずれかに記載の燃料電池セルを複数ガスマニホールドに立設してなり、該ガスマニホールド内のガスが前記燃料電池セルのガス通路を通過するとともに、前記複数の燃料電池セルが電気的に直列に接続されていることを特徴とするセルスタック。
請求項４記載のセルスタックを収納容器内に収容してなることを特徴とする燃料電池。