JP5178004B2

JP5178004B2 - 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: JP5178004B2
Application number: JP2006348412A
Authority: JP
Inventors: 健児島津; 則光深水; 雄二末永
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2006-12-25
Filing date: 2006-12-25
Publication date: 2013-04-10
Anticipated expiration: 2026-12-25
Also published as: JP2008159459A

Description

本発明は、長さ方向にガス通路を有する柱状の支持体を有する中空平板型又は円筒型の
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。

次世代エネルギーとして、近年、複数の燃料電池セルからなるスタックを収納容器に収
容した燃料電池が種々提案されている。

図９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２２３（２２３ａ、２２３ｂ）を集合させ、一方
の燃料電池セル２２３ａと他方の燃料電池セル２２３ｂとの間に、金属部材などからなる
集電部材２２５を介在させ、一方の燃料電池セル２２３ａの外側電極層（空気極層）２２
８と他方の燃料電池セル２２３ｂの内側電極層（燃料側電極層）２２７とを電気的に接続
して構成されていた。

燃料電池セル２２３（２２３ａ、２２３ｂ）は、扁平状の内側電極層２２７の外周面に
、固体電解質層２２９、外側電極層２２８を順次設けて構成されており、固体電解質層２
２９、外側電極層２２８から露出した内側電極層２２７には、外側電極層２２８に接続し
ないようにインターコネクタ２３０が設けられている。内側電極層２２７内にはガス流路
を構成する複数のガス通過孔２３２が形成されている。

一方の燃料電池セル２２３ａと他方の燃料電池セル２２３ｂとの電気的接続は、他方の
燃料電池セル２２３ｂの内側電極層２２７を、該内側電極層２２７に設けられたインター
コネクタ２３０、集電部材２２５を介して、一方の燃料電池セル２２３ａの外側電極層２
２８に接続することにより行われていた（例えば特許文献１参照）。

しかしながら、このようなセルスタックでは、燃料電池セルにインターコネクタ２３０
を形成する必要があり、燃料電池セルの構造が複雑であり、作製が困難であるという問題
があった。このため、従来、インターコネクタを有しない燃料電池セルを用いたセルスタ
ックが知られている。

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は、特許文献２に記載さ
れるように、インターコネクタを有しない複数の燃料電池セルを所定間隔を置いて配置し
、一方の燃料電池セルの内側電極層と、隣り合う他方の燃料電池セルの外側電極層とを、
集電部材により燃料電池セルの端部にて電気的に接続されている。
特開２００３−２８２１０１号公報特開２００４−３１１７２号公報

しかしながら、特許文献２に記載されたセルスタックでは、一方の燃料電池セルの内側
電極層と、隣り合う他方の燃料電池セルの外側電極層とを、集電部材により燃料電池セル
の端部にて電気的に接続していたため、電流が、一方の燃料電池セルの内側電極層を長さ
方向に燃料電池セルの端部まで流れ、集電部材を介して、隣り合う他方の燃料電池セルの
外側電極層に流れ、この外側電極層を長さ方向に流れる必要があり、内側電極層、外側電
極層を燃料電池セルの長さ方向に電流が流れるため燃料電池セル間の抵抗が大きく、発電
性能が低下するという問題があった。

本発明は、燃料電池セル間の抵抗を小さく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、長さ方向にガス通路を有する柱状の内側電極となる支持体に
、固体電解質層、外側電極層を順次積層してなる中空平板型又は円筒型の燃料電池セルで
あって、前記支持体の外周面に長さ方向に凹部が形成されており、該凹部内に、前記支持
体よりも高い導電率を有する内側高導電率層が形成され、前記支持体の凹部内の前記内側
高導電率層を覆うように前記固体電解質層が形成されていることを特徴とする。

また、本発明の燃料電池セルは、長さ方向にガス通路を有する柱状の支持体に、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中空平板型又は円筒型の燃料電池セルであって、前記支持体の外周面に前記支持体の長さ方向両端間に連続して延びる凹部が形成されており、該凹部内に、前記支持体及び前記内側電極層よりも高い導電率を有する内側高導電率層が形成され、前記支持体の凹部内の前記内側高導電率層を覆うように前記内側電極層が形成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、例えば、酸素側電極となる支持体、又は酸素側電極が形
成される支持体の外周面に長さ方向に凹部を形成し、この凹部内に、支持体及び酸素側電
極よりも高い導電率を有する内側高導電率層が形成されているため、多孔質で導電性セラ
ミックスからなり、導電性が低い酸素側電極となる支持体、酸素側電極層を用いたとして
も、発生した電流が低抵抗の内側高導電率層を流れ、この内側高導電率層を介して燃料電
池セルから電流を効率良くに引き出すことができる。

本発明では、内側電極が燃料側電極となる場合もあり得るが、特に、電気抵抗が大きい
酸素側電極に接続する内側高導電率層を設けることが望ましい。

また、本発明の燃料電池セルは、前記支持体を取り囲むように前記固体電解質層が設け
られ、該該固体電解質層を取り囲むように前記外側電極層が設けられていることを特徴と
する。また、前記支持体を取り囲むように前記内側電極層が設けられ、該内側電極層を取
り囲むように前記固体電解質層が設けられ、該固体電解質層を取り囲むように前記外側電
極層が設けられていることを特徴とする。いわゆるインターコネクタレスタイプの燃料電
池セルにも、本発明を適用することができる。

このようなインターコネクタレスタイプの燃料電池セルでは、柱状の燃料電池セルの端
部にて、隣設する燃料電池セル同士を電気的に接続するものであるが、従来、例えば、多
孔質の導電性セラミックスからなる酸素側電極層を電流が流れるため、酸素側電極層の抵
抗が未だ大きいことに起因して、燃料電池セルの一方の端部で発生した電流を他方の端部
まで流す際の電気抵抗が大きく、発電性能が低下する傾向にあったが、本発明では、長さ
方向に形成された内側高導電率層により、燃料電池セルの一方の端部で発生した電流は、
内側高導電率層を介して他方の端部まで効率良く流れ、電気抵抗が小さくなり、発電性能
を向上することができる。

さらに、本発明の燃料電池セルは、前記固体電解質層に、前記外側電極層に電気的に接
続し該外側電極層よりも高い導電率を有する外側高導電率層を接合して設けたことを特徴
とする。

このような燃料電池セルでは、内側高導電率層のみならず、外側電極層に電気的に接続
する外側高導電率層を設けたため、外側電極層においても、発生した電流を燃料電池セル
から有効に引き出すことができ、燃料電池セル間の抵抗をさらに小さくすることができる
。

本発明のセルスタックは、上記燃料電池セルを複数所定間隔を置いて配置し、前記燃料
電池セルの内側高導電率層と、隣り合う前記燃料電池セルの外側高導電率層とを、集電部
材により前記燃料電池セルの端部にて電気的に接続してなることを特徴とする。

このようなセルスタックでは、長さ方向に形成された内側高導電率層を設けることによ
り、燃料電池セルの一方の端部で発生した電流は、内側高導電率層を介して他方の端部ま
で流れ、一方の燃料電池セルと他方の燃料電池セル間の集電部材を介して電気的に接続す
るため、燃料電池セル間の電気抵抗が小さくなり、発電性能を向上することができる。

本発明の燃料電池は、収納容器に上記セルスタックを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、セルスタックにおける電気抵抗が小さいため、発電性能を向上
できる。

本発明の燃料電池セルでは、発生した電流が低抵抗の内側高導電率層を流れ、この内側
高導電率を介して燃料電池セルから電流を十分にかつ効率良く引き出すことができ、燃料
電池セル間の抵抗を小さくすることができる。

本発明のセルスタックでは、燃料電池セルの一方の端部で発生した電流は、内側高導電
率層を介して他方の端部まで流れ、一方の燃料電池セルと他方の燃料電池セル間の集電部
材を介して電気的に接続するため、燃料電池セル間の電気抵抗が小さくなり、このような
セルスタックを収納容器に収納してなる燃料電池では、発電性能を向上できる。

以下、本発明の燃料電池セルを、図１を用いて説明する。燃料電池セル６２は、図１に
示すように、支持基板（支持体）６４、内側電極層である酸素側電極層６６、及び固体電
解質層６８、外側電極層である燃料側電極層７０を具備して構成されており、いわゆるイ
ンターコネクタレス構造とされている。

支持基板６４は細長く延びる柱状（薄板柱状片）であり、平坦な両面と半円形状の両側
面を有する。支持基板６４にはこれを軸長方向（長さ方向）に貫通する複数個（図示の場
合は６個）のガス通路７４が形成されている。

この支持基板６４を取り囲むように、環状の酸素側電極層６６が形成され、この酸素側
電極６６を取り囲むように環状の固体電解質層６８が設けられ、この固体電解質層６８を
取り囲むように環状の燃料側電極層７０が設けられている。

支持基板６４は空気を酸素側電極層６６まで透過させるためにガス透過性であることが
要求され、かかる要求を満足する多孔質の導電性セラミック（若しくはサーメット）から
形成することができる。

酸素側電極層６６及び／又は固体電解質層６８との同時焼成によりセル６２を製造する
ためには、酸素側電極層６６及び／又は固体電解質層６８の熱膨張率と近似する熱膨張率
を有する材料で、支持基板６４を形成することが好ましい。支持基板６４を酸素側電極層
６６とは全く異なる材料で形成することができるが、例えば、酸素側電極層６６と構成元
素が同一の材料から、又は、酸素側電極層６６と主成分が同一材料から、さらには、酸素
側電極層６６と同一材料から構成することが望ましい。支持基板６４は、所要ガス透過性
を備えるために開気孔率が３０％以上、特に３５乃至５０％の範囲にあるのが好適であり
、そしてまたその導電率は３００Ｓ／ｃｍ以上、特に４４０Ｓ／ｃｍ以上であるのが好ま
しい。

酸素側電極層６６は多孔質の導電性セラミック、所謂ＡＢＯ_３型のペロブスカイト型酸
化物、例えばＬａＭｎＯ_３系セラミックスからなる導電性セラミックから形成することが
できる。酸素側電極層６６はガス透過性を有していることが必要であり、開気孔率が２０
％以上、特に３０〜５０％の範囲にあることが好ましい。

固体電解質層６８は、電極間の電子の橋渡しをする電解質としての機能を有していると
同時に、燃料ガスと空気とのリークを防止するためにガス遮断性を有するものであること
が必要であり、通常、３〜１５モル％の希土類元素が固溶したＺｒＯ_２から形成されてい
る。

燃料側電極層７０は、例えば希土類元素が固溶しているＺｒＯ_２（安定化ジルコニアと
称されている）とＮｉ及び／又はＮｉＯとから形成することができる。

そして、本発明では、支持基板６４の平坦な外周面に長さ方向に凹部７６が形成されて
おり、該凹部７６内には、支持基板６４、酸素側電極層６６よりも高い導電率を有する内
側高導電率層７８が形成されている。この内側高導電率層７８の表面は、支持基板６４の
表面と同一面とされており、支持基板６４の凹部７６内の内側高導電率層７８を覆うよう
に酸素側電極６６が形成されている。

凹部７６は、支持基板６４の平坦な対向する両面に、それぞれ対向するように５本ずつ
形成されている。これらの凹部７６に形成された内側高導電率層７８は、酸素側電極６６
とは全く異なる材料で構成することができるが、酸素側電極層６６と構成元素が同一の材
料から、又は、酸素側電極層６６と主成分が同一材料から、さらには、酸素側電極層６６
と同一材料から構成することが望ましい。

尚、支持基板６４、酸素側電極層６６よりも高い導電率を有するには、酸素側電極層６
６と同一材料から構成した場合には、酸素側電極６６よりも緻密質とすることにより、導
電率を高めることができ、また、異なる材料を用いる場合には、高い導電率材料を用いる
ことにより導電性を高めることができる。

このような燃料電池セルは、先ず、気孔形成剤及び酸素側電極層材料を含有する坏土、
ペーストと、酸素側電極層材料を含有し気孔形成剤を含有しないペーストを準備し、気孔
形成剤及び酸素側電極層材料を含有する坏土を用いて押出成形し、凹部を有する支持基板
成形体を作製する。この支持基板成形体の凹部内に酸素側電極層材料を含有し気孔形成剤
を含有しないペーストを充填し、乾燥して内側高導電率層成形体を作製する。この後、気
孔形成剤及び酸素側電極層材料を含有するペーストを、内側高導電率層成形体表面を含む
支持基板成形体全周面に塗布し、乾燥して酸素側電極成形体を作製し、この酸素側電極成
形体表面に固体電解質材料を含有するペーストを塗布し、乾燥して固体電解質成形体を作
製した後、支持基板成形体、内側高導電率層成形体、酸素側電極成形体及び固体電解質成
形体を同時焼成する。この後、固体電解質層６８表面に、燃料側電極層材料を含有するペ
ーストを塗布し、焼き付けて燃料側電極層７０を形成し、本発明の燃料電池セルを作製で
きる。

このような燃料電池セル６２は、図２に示すように、ガスケース本体８０ｂの天板８０
ａに設けられている。即ち、複数の燃料電池セル６２が所定間隔をおいて配列された状態
で、その下部が、例えば耐熱性に優れたセラミック接着剤によって接合され、天板８０ａ
にセルスタックが立設して接合されている。そして、天板８０ａは、ガスケース本体８０
ｂの開口部に接合され、ガスケース８０が構成されるとともに、セルスタックがガスケー
ス８０に設けられている。

そして、一方の燃料電池セル６２の燃料側電極７０と、他方の燃料電池セル６２の内側
高導電率層７８が、集電部材１２３により燃料電池セル６２の端部、言い換えれば、ガス
ケース８０内で電気的に接続されている。この集電部材１２３は、高温の酸素含有雰囲気
において導電性を有するもの、例えば、例えば耐熱性合金、ランタンクロマイト系材料、
Ａｇペースト等から形成されている。

燃料電池は、ガスケース８０に設けられたセルスタックが、収納容器に収納され、ガス
ケース８０内に酸素含有ガス、例えば空気が供給され、燃料電池セルの周囲に燃料ガス、
例えば水素が供給されるように構成されている。空気は、ガスケース８０内に供給され、
燃料電池セル６２のガス通路７４を介して、燃料電池セルの上方から放出される。

以上のように構成された燃料電池セルでは、支持基板６４の外周面に長さ方向に凹部７
６を形成し、この凹部７６内に、支持基板６４及び酸素側電極６６よりも高い導電率を有
する内側高導電率層７８が形成されているため、多孔質で導電性セラミックスからなり、
導電性が低い支持基板６４及び酸素側電極６６を用いたとしても、電流が低抵抗の内側高
導電率層７８を流れ、集電部材１２３を介して隣接する燃料電池セルと直列に接続するこ
とができ、燃料電池セル６２から電流を十分に引き出すことができる。

また、内側高導電率層７８は、支持基板６４の凹部７６に収容され、その表面が支持基
板６４と同一面とされているため、酸素側電極６６、固体電解質層６８を形成する際にも
段差がなく、酸素側電極６６、固体電解質層６８を支持基板６４表面に確実に接合するこ
とができる。さらに、内側高導電率層７８を酸素側電極６６と同一材料で形成することに
より、内側高導電率層７８と、支持基板６４、酸素側電極６６との接合強度を向上できる
。

尚、図２では、複数の燃料電池セルの下端面で集電部材１２３により電気的に接続した
例について説明したが、本発明では、例えば、燃料電池セルの下端部にて、燃料側電極７
０に接続しないように、内側高導電率層７８を燃料電池セル表面まで引き出し、この内側
高導電率層７８を集電部材１２３により隣り合う燃料電池セルの燃料側電極層と接続する
こともできる。

また、内側高導電率層７８が支持基板６４及び酸素側電極６６よりも高い導電率を有す
るか否かは、燃料電池セルの支持基板６４、酸素側電極６６に、抵抗測定器の両端子を所
定距離をおいて当接して所定間隔における支持基板６４、酸素側電極６６の抵抗を測定し
、一方、内側高導電率層７８にも、同様にして抵抗測定器の両端子を所定距離をおいて当
接して所定間隔における内側高導電率層７８の抵抗を測定し、これらの抵抗を比較するこ
とにより、導電率の比較を行うことができる。尚、導電率の比較は、燃料電池セルの発電
温度で行うことが望ましい。

図３は、支持基板９８自体を酸素側電極としたもので、この支持基板９８上に、固体電
解質層６８、外側電極層である燃料側電極層７０を具備して構成されており、いわゆるイ
ンターコネクタレス構造とされている。そして、支持基板９８の外周面に長さ方向に凹部
７６が形成されており、該凹部７６内に、支持基板９８よりも高い導電率を有する内側高
導電率層７８が形成され、支持基板９８の凹部７６内の内側高導電率層７８を覆うように
固体電解質層６８が形成されている。このような燃料電池セルは、上記図１の燃料電池セ
ルと同様にして作製することができる。また、このような燃料電池セルは、上記形態と同
様の作用効果を有することができるとともに、支持基板９８が酸素側電極を兼ねているた
め、製造プロセスを簡略化できる。

図４は、上記図１の形態と同様に内側高導電率層７８を有するとともに、燃料側電極層
７０に電気的に接続し、燃料側電極層７０よりも高い導電率を有する外側高導電率層９１
が、固体電解質層６８に接合して設けられている。

外側高導電率層９１は、例えば、燃料側電極層７０と異なる材料、例えばＡｇ等の貴金
属で構成することができるが、燃料側電極材料から構成することもでき、特に燃料側電極
層７０と同一成分を含有する材料、また燃料側電極層７０と同一主成分を含有する材料、
さらに燃料側電極層７０と同一材料から構成することが望ましく、外側高導電率層９１は
、燃料側電極層７０と同一材料から構成する場合には、燃料側電極層７０よりも緻密度が
高く形成されている。

このような燃料電池セルは、図５に示すように、ガスケース本体８０ｂの天板８０ａに
設けられている。即ち、複数の燃料電池セル６２が所定間隔をおいて配列された状態で、
その下部が、例えば耐熱性に優れたセラミック接着剤によって接合され、天板８０ａにセ
ルスタックが接合されている。そして、一方の燃料電池セル６２の燃料側電極７０に電気
的に接続した外側高導電率層９１と、他方の燃料電池セル６２の内側高導電率層７８が、
集電部材１２３により燃料電池セル６６の端部、言い換えれば、ガスケース８０内で電気
的に接続されている。

このような燃料電池では、図２に示す燃料電池の場合よりもさらに、燃料電池セル６２
から電流を効率よく十分に引き出すことができ、発電性能を向上できる。

図６は、外側高導電率層９１を、燃料電池セルの平坦な両面ではなく半円形状の両側面
に設けた場合である。この場合には、発電部として使用しにくい部分を、発電部ではなく
、電流引き出し部として使用することができ、燃料電池セルの発電部として使用しやすい
平坦な両面における発電面積を広げることができ、発電性能を向上できる。

図７は、外側高導電率層９１だけでなく、内側高導電率層７８をも、燃料電池セルの平
坦な両面ではなく半円形状の両側面に設けた場合である。この場合には、発電部として使
用しにくい部分を、発電部ではなく、電流引き出し部として使用することができ、燃料電
池セルの発電部として使用しやすい平坦な両面における発電性能を向上できる。

図８（ａ）は図４の燃料電池セルの側面図であり、（ｂ）は図６、７の燃料電池セルの
側面図であり、さらに（ｃ）のように、燃料電池セルの周囲を囲むように、周方向に周方
向外側高導電率層９３を形成することにより、電流の引き出しをさらに向上することがで
き、燃料側電極７０における抵抗を小さくでき、発電性能をさらに向上することができる
。

尚、図８（ｃ）では、外側高導電率層９１を燃料電池セルの周囲を囲むように周方向に
形成した場合について説明したが、支持基板６４の外周面に、内側高導電率層７８のみな
らず、周方向内側高導電率層を形成することにより、酸素側電極６６における抵抗を小さ
くでき、発電性能をさらに向上することができる。

また、上記形態では、インターコネクタレス構造について説明したが、本発明は、イン
ターコネクタを有する燃料電池セルにも適用することができる。

さらに、上記形態では、酸素側電極層が固体電解質層の内側に形成されている場合につ
いて説明したが、本発明は、燃料側電極層が固体電解質層の内側に形成されている場合も
適用することができる。

さらに、上記形態では、ガスケースにセルスタックを立設した場合について説明したが
、本発明では収納容器内を仕切り板で仕切り、この仕切り板にセルスタックを設けても良
い。

本発明の燃料電池セルを示す断面斜視図である。（ａ）はセルスタックがガスケースに設けられている状態を示す断面図であり、（ｂ）は燃料電池セル間の接続状態を示す断面図である。支持基板が酸素極電極を兼ねる燃料電池セルを示す断面斜面図である。内側高導電率層及び外側高導電率層を有する燃料電池セルの断面斜視図である。図４の燃料電池セル間の接続状態を示す断面図である。内側高導電率層を平坦部に有し、外側高導電率層を曲面部に有する燃料電池セルの断面斜視図である。内側高導電率層及び外側高導電率層を曲面部に有する燃料電池セルの断面斜視図である。外側高導電率層の形成状態を示すもので、（ａ）は図４の燃料電池セルの側面図、（ｂ）は図６、７の燃料電池セルの側面図、（ｃ）は周方向外側高導電率層を有する燃料電池セルの側面図である。従来のセルスタックを示す横断面図である。

符号の説明

６２：燃料電池セル
６４：支持基板（支持体）
６６：酸素側電極層
６８：固体電解質層
７０：燃料側電極層
７６：凹部
７８：内側高導電率層
９１：外側高導電率層
９８：支持基板（酸素側電極となる支持体）
１２３：集電部材

Claims

長さ方向にガス通路を有する柱状の内側電極となる支持体に、固体電解質層、外側電極層を順次積層してなる中空平板型又は円筒型の燃料電池セルであって、前記支持体の外周面に長さ方向に凹部が形成されており、該凹部内に、前記支持体よりも高い導電率を有する内側高導電率層が形成され、前記支持体の凹部内の前記内側高導電率層を覆うように前記固体電解質層が形成されていることを特徴とする燃料電池セル。
前記支持体を取り囲むように前記固体電解質層が設けられ、該固体電解質層を取り囲むように前記外側電極層が設けられていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池セル。
長さ方向にガス通路を有する柱状の支持体に、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中空平板型又は円筒型の燃料電池セルであって、前記支持体の外周面に前記支持体の長さ方向両端間に連続して延びる凹部が形成されており、該凹部内に、前記支持体及び前記内側電極層よりも高い導電率を有する内側高導電率層が形成され、前記支持体の凹部内の前記内側高導電率層を覆うように前記内側電極層が形成されていることを特徴とする燃料電池セル。
前記支持体を取り囲むように前記内側電極層が設けられ、該内側電極層を取り囲むように前記固体電解質層が設けられ、該固体電解質層を取り囲むように前記外側電極層が設けられていることを特徴とする請求項３記載の燃料電池セル。
前記固体電解質層に、前記外側電極層に電気的に接続し該外側電極層よりも高い導電率を有する外側高導電率層を接合して設けたことを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれかに記載の燃料電池セル。
請求項１乃至５のうちいずれかに記載の燃料電池セルを複数所定間隔を置いて配置し、前記燃料電池セルの内側高導電率層と、隣り合う前記燃料電池セルの外側電極層とを、集電部材により前記燃料電池セルの端部にて電気的に接続してなることを特徴とするセルスタック。
収納容器に請求項６記載のセルスタックを収納してなることを特徴とする燃料電池。