JP5188069B2 - 燃料電池セルおよびセルスタックならびに燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、支持基板の一方側主面にインターコネクタを、他方側主面に発電部を有する燃料電池セルおよびセルスタックなら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、燃料電池セルのセル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を示すもので、全体的に見て細長基板状の導電性の支持基板１を備えている。支持基板１の内部には、適当な間隔で複数の燃料ガス通路１ａ（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、燃料電池セルは、この支持基板１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の複数を集電部材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１は、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の他方側主面と両側の弧状部Ｂを覆うように燃料極層２が設けられており、さらに、この燃料極層２を覆うように、緻密質な固体電解質層３が積層されており、この固体電解質層３の上には、燃料極層２と対面するように、平坦部Ａの一方側主面に酸素極層４が積層されている。

また、燃料極層２および固体電極層３が積層されていない、支持基板１の他方側主面を構成する平坦部Ａには、インターコネクタ５が形成されている。燃料極層２および固体電解質層３は、インターコネクタ５の両サイドにまで延びており、支持基板１の表面が外部に露出しないように構成されている。

そして、支持基板１の一方委側主面（酸素極層４が形成された側の面）の、酸素極層４の両側に、酸素極層４と所定間隔を置いて離間してインターコネクタ材料層６が形成されており、これらのインターコネクタ材料層６は一定幅を有する直線状とされ、ガス流路形成方向ｚに、かつインターコネクタ５と支持基板１を介して対向するように連続して形成されている。インターコネクタ材料層６は、燃料極層２、固体電解質層３から露出している（例えば特許文献１参照）。

このような燃料電池セルでは、インターコネクタ５と対向して２条のインターコネクタ材料層６が形成されているため、支持基板１の両側に形成されたインターコネクタ５、インターコネクタ材料層６にそれぞれ長さ方向、幅方向に寸法変化が発生しても、それぞれの寸法変化が打ち消しあって燃料電池セル全体としての長さ方向、幅方向の反り量を抑制できる。
特開２００６−１５５９１９号公報

しかしながら、上記燃料電池セルでは、インターコネクタ５と対向して２条のインターコネクタ材料層６が形成されているため、燃料電池セルの反りを抑制することができるものの、未だ反り量が大きいという問題がある。

即ち、近年では、小型化、材料コスト削減等の観点から支持基板１の厚みを薄くすることが行われているが、このように支持基板１の厚みが薄くなると支持基板１の強度が低下し、特許文献１のようにインターコネクタ５と対向して２条のインターコネクタ材料層６を形成したとしても、支持基板１の両側で、インターコネクタ５とインターコネクタ材料層６の積層構造（積層位置、積層面積等）が異なるため、燃料電池セルの反り量が大きくなるという問題があった。

本発明は、反り量を最小限に抑制できる燃料電池セルおよびセルスタックなら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、柱状の支持基板の一方側主面に固体電解質層、電極層および第１インターコネクタを、前記一方側主面と前記支持基板を挟んで反対側の他方側主面に固体電解質層、電極層および第２インターコネクタを有してなり、前記第１および第２インターコネクタが前記支持基板を挟んで対称かつ前記支持基板の長さ方向に一端から他端まで延設されてなることを特徴とする。

このような燃料電池セルでは、第１インターコネクタおよび第２インターコネクタが、支持基板の両主面に形成されているため、第１、第２インターコネクタに、それぞれ長さ方向、幅方向に寸法変化が発生しても、支持基板の両主面で同一の寸法変化が生じ、燃料電池セルの長さ方向、幅方向の反り量を抑制できる。本発明では、特に、燃料電池セルの反りに大きく影響を与える緻密なインターコネクタを、支持基板の両主面に対称に形成したため、反り抑制効果が大きい。本発明では、第１インターコネクタおよび第２インターコネクタを支持基板の両主面に対称に形成することにより、燃料電池セルの反り量をさらに抑制できる。

また、本発明の燃料電池セルは、柱状の支持基板の一方側主面に固体電解質層、電極層および第１インターコネクタを、前記一方側主面と前記支持基板を挟んで反対側の他方側主面に固体電解質層、電極層および第２インターコネクタを有してなり、前記第１および第２インターコネクタが前記支持基板を挟んで対称に設けられており、かつ前記支持基板の長さ方向に一端から他端まで延設されてなることを特徴とする。このような燃料電池セルでは、支持基板の両主面に固体電解質層および電極層、言い換えれば電極層で固体電解質層を挟持した発電部を有するため、燃料電池セルの積層構造を、支持基板の両主面で対称に近づけることができ、燃料電池セルの反りをさらに抑制することができるとともに、発電部面積を増加できるため、燃料電池セルの発電性能を向上できる。特に、本発明の燃料電池セルでは、前記固体電解質層および前記電極層が、前記支持基板の両主面に対称的に形成されているため、燃料電池セルの第１、第２インターコネクタ、固体電解質層および電極層が、支持基板の両主面で対称に形成され、燃料電池セルの反りをさらに抑制することができる。

また、本発明の燃料電池セルは、前記支持基板内部にガス流路を有し、かつ前記支持基板の両主面にそれぞれ設けられた前記第１、第２インターコネクタがガス流路形成方向に延設され、前記第２インターコネクタの両側に、かつ前記ガス流路形成方向に前記固体電解質層および前記電極層が延設されていることを特徴とする。

ガス流路形成方向（セル長さ方向）にインターコネクタが形成されている場合には、インターコネクタの延設方向で反りが発生しやすいが（図２（ａ）参照）、本発明の燃料電池セルでは、支持基板の両主面に第１、第２インターコネクタが対称に形成されているため、反りを大きく抑制することが可能となる。

本発明のセルスタックは、上記燃料電池セルを複数配列し、一方の前記燃料電池セルの電極層と、該一方の燃料電池セルと隣り合う他方の前記燃料電池セルの第１インターコネクタとを集電部材で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、燃料電池セルを電気的に直列に接続することができるとともに、上記したように、燃料電池セルの反りを最小限に抑制できるため、長期発電に伴う集電部材の燃料電池セルからの剥離等を抑制でき、複数の燃料電池セルの電気的接続信頼性を向上できる。

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納してなることを特徴とする。このような燃料電池では、燃料電池セルの反りを最小限に抑制できるため、長期信頼性を向上できる。

本発明の燃料電池セルでは、第１インターコネクタおよび第２インターコネクタが、柱状の支持基板の一方側主面に固体電解質層、電極層および第１インターコネクタを、前記一方側主面と前記支持基板を挟んで反対側の他方側主面に固体電解質層、電極層および第２インターコネクタを有してなり、前記第１および第２インターコネクタが前記支持基板を挟んで対称に設けられており、かつ前記支持基板の長さ方向に一端から他端まで延設されているため、第１、第２インターコネクタに、それぞれ長さ方向、幅方向に寸法変化が発生しても、支持基板の両主面で同一寸法変化が生じ、燃料電池セルの長さ方向、幅方向の反り量を抑制できる。これにより、電気的接続信頼性を向上したセルスタックを提供でき、燃料電池の長期信頼性を向上できる。

本発明の燃料電池セルを示す図１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導電性の支持基板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、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の両主面の幅方向両端部と両側の弧状部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が積層されている。尚、図１（ａ）では、理解を容易にするため、燃料極層３２を太線で記載した。

支持基板３１の一方側主面（図１（ａ）の支持基板の上面）の幅方向中央部には、図２（ｂ）に示すように、第１インターコネクタ３５が形成され、支持基板３１の他方側主面（図１（ａ）の支持基板の下面）の幅方向両端部における固体電解質層３３の上面には、燃料極層３２と対面するようにそれぞれ酸素極層３４が積層され、これにより支持基板３１の他方側主面の幅方向両端部には発電部が形成されている。燃料極層３２および固体電解質層３３は、平坦部Ａの他方側主面に、ガス流路形成方向に連続して形成されている。いわゆる縦縞型の燃料電池セルである。尚、図２は、インターコネクタ３５、３６を黒塗りで記載するとともに、セル長さを短縮して記載した。

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の他方側主面を構成する平坦部Ａ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、およびガスとの反応性が要求される電極層を、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。

第１インターコネクタ３５は、燃料極層３２および固体電極層３３が積層されていない、支持基板３１の一方側主面（図１（ａ）の支持基板の上面）を構成する平坦部Ａに形成されている。図１から明らかな通り、燃料極層３２および固体電解質層３３は、支持基板３１の他方側主面から第１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。

そして、本発明では、図１に示すように、支持基板３１の一方側主面と対向する他方側主面であって、幅方向中央部に第２インターコネクタ３６が形成されており、この第２インターコネクタ３６は一定幅を有する直線状とされ、ガス流路形成方向（セル長さ方向）ｚに、かつ第１インターコネクタ３５と支持基板３１を介して対向するように形成されている。

支持基板３１の他方側主面の幅方向両端部には、酸素極層３４がガス流路形成方向（セル長さ方向）ｚに、言い換えれば、第２インターコネクタ３６に所定間隔を置いて離間して形成されている。図２（ｂ−１）（ｂ−２）に、燃料電池セルの側面図を示す。

インターコネクタ３５、３６は、支持基板３１の両主面に対称に形成されており、第１、第２インターコネクタ３５、３６は、支持基板３１の厚みを２分する面（主面と平行で支持基板３１厚みを２分する面）を介して対称に形成されている。即ち、第１、第２インターコネクタ３５、３６は、支持基板３１の厚みを２分する面を介して、同一位置に同一形状同一材料で形成されている。

このような燃料電池セルでは、第１インターコネクタ３５および第２インターコネクタ３６が、支持基板３１の両主面に対称に形成されているため、第１、第２インターコネクタ３５、３６に、それぞれ長さ方向、幅方向に寸法変化が発生しても、支持基板３１の両主面で同一の寸法変化が生じ、燃料電池セルの長さ方向、幅方向の反り量を最小限に抑制できる。また、燃料電池セルの製造時においても、熱膨張による変形を低減することができる。尚、第１インターコネクタ３５および第２インターコネクタ３６を、両主面に対称に形成せずとも、両主面に形成することだけでも反り量をある程度抑制できる。

また、ガス流路形成方向ｚにインターコネクタが形成されている場合には、セルの長さ方向で反りが発生しやすい（図２（ａ−２）参照）ため、本発明の燃料電池セルを好適に用いることができる。

第２インターコネクタ３６は、酸素極層３４との導通や、他部材、例えば後述する集電部材との導通を防止し、燃料電池セルの信頼性を向上するという点から、絶縁層により被覆することが望ましい。

また、本発明の燃料電池セルでは、長さが１２０ｍｍ以上、厚みが８ｍｍ以下、幅が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２（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、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（ａ−３）、本発明を有効に用いることができる。セルの長さは１２０ｍｍ以上、特に１４５ｍｍ以上である場合に、好適に用いることができる。

また、燃料電池セルの厚みが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。特に３ｍｍ以下である場合に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。

（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、燃料ガスを燃料極層３２まで透過させるためにガス透過性（多孔質）であること、およ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、触媒活性金属およびその酸化物のいずれかと、触媒金属およ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層また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、安価であることおよび燃料ガス中で安定であることからＮｉおよび／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。

また、支持基板３１の平坦部Ａの長さは、通常、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２．５ｍｍ以下の場合に、本発明を好適に用いることができる。

（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および／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。

（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、３６）
支持基板３１上に設けられているインターコネクタ３５、３６は、導電性セラミックスからなるが、燃料ガス（水素）およ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）を使用できる。ランタンクロマイト系酸化物としては、（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｒＯ_３、Ｌａの一部をＳｒで置換したもの、Ｃｒの一部をＭｇで置換したもの、Ｌａ（Ｃｒ，Ｍｇ）Ｏ_３を使用できる。本発明では、ランタンクロマイト系のインターコネクタ３５，３６に限定されるものではないが、ランタンクロマイト系のインターコネクタ３５，３６では、特に、還元時に膨張する傾向があるため、本発明の燃料電池セルを好適に用いることができる。

また、支持基板３１の内部を通る燃料ガスおよび支持基板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、３６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、３６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、３６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。

第２インターコネクタ３６は、第１インターコネクタ３５と同一材料を用いることができるが、この場合には製造上容易となる。また、インターコネクタ３５の材料と少々異なっていてもある程度の効果を有する。例えば、置換材料が異なっていたり、添加物が異なるものも使用できる。

インターコネクタ３５の外面（上面）には、Ｐ型半導体層を設けることもできる。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例示することができる。

（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。

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）、有機バインダーおよ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、燃料極層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。この際、インターコネクタ３５、３６が形成される部分には燃料極層が形成されないようにした。これを仮焼し、表面に燃料極層仮焼体が形成された支持基板仮焼体を作製し、インターコネクタ３５、３６が形成される、燃料極層仮焼体の開口部にマスクして、固体電解質層が形成されないようにする。

この後、固体電解質材料を含有する浸漬液を作製し、この浸漬液に上記支持基板仮焼体を浸漬する。固体電解質材料としては、例えば希土類元素が固溶したＺｒＯ_２粉を用い、その他に、浸漬液中には、有機バインダーと、溶媒が添加混合されている。この浸漬液は、所定の粘度を有するように、有機成分が調整されている。

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）、有機バインダーおよ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。このシートを、上記で得られた積層体のマスクした所定位置に、マスクを除去して積層し、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、酸素極層形成用材料（例えば、ＬａＦｅＯ_３系酸化物粉末）と溶媒を含有するペースト、および必要により、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、一方の燃料電池セル３０と隣り合う他方の燃料電池セル３０との間に、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、他方の燃料電池セル３０の支持基板３１は、第１インターコネクタ３５、集電部材４０を介して、一方の燃料電池セル３０の酸素極層３４に電気的に接続されている。集電部材４０は、一方の燃料電池セル３０の幅方向端部を抱え込み、酸素極層３４に接続するアーム部４０ａと、他方の燃料電池セル３０の第１インターコネクタ３５に当接する当接部４０ｂと、アーム部４０ａと当接部４０ｂとを支持する支持部４０ｃとから構成され、支持部４０ｃは、ガス流路形成方向ｚに形成されている。一方の燃料電池セル３０の酸素極層３４に接続された集電部材４０は、一方の燃料電池セル３０の第２インターコネクタ３６には接続しないように形成されている。集電部材４０は、一方の燃料電池セル３０の酸素極層３４と、他方の燃料電池セル３０の第１インターコネクタ３５と接合しており、第２インターコネクタ３６は外部とは何ら接続されず、ダミーとされている。

尚、図３では、支持基板３１の一方側主面にも酸素極層３４を有する図４の燃料電池セルを集電部材４０で接続する場合について記載したものである。

本発明の燃料電池は、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、およ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、支持基板自体に燃料極としての機能を付与し、支持基板に固体電解質層、酸素極層を形成しても良い。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、支持基板に酸素極層を形成したセルであってもよい。さらに、支持基板自体に酸素極層としての機能を付与しても良い。また、上記形態では、中空平板型燃料電池セルについて説明したが、例えば、円筒型燃料電池セルにおいても適用できる。

図４は、本発明の燃料電池セルの他の形態を示すもので、この形態では、支持基板３１の他方側主面のみならず、一方側主面にも固体電解質層３３および酸素極層３４を有しており、支持基板３１の両主面に発電部を有している。

即ち、支持基板３１の一方側主面にも、幅方向中央部に形成された第１インターコネクタ３５の両側に、固体電解質層３３および酸素極層３４が形成され、一方側主面の固体電解質層３３、酸素極層３４、第１インターコネクタ３５と、他方側主面の固体電解質層３３、酸素極層３４、第２インターコネクタ３６とが、支持基板３１の厚みを２分する面で対称に形成されている。図２（ｃ−１）（ｃ−２）に燃料電池セルの側面図を示す。

このような燃料電池セルは、図３に示すように、集電部材４０により接続され、セルスタックが形成される。

このような燃料電池セルでは、支持基板３１の両主面に、インターコネクタ３５、３６、固体電解質層３３、酸素極層３４を有するため、燃料電池セルの積層構造を、支持基板３１の両主面で対称とすることができ、燃料電池セルの反りをさらに抑制することができるとともに、発電部が支持基板３１の一方側主面にも形成されているため発電面積を向上して、燃料電池セルの発電性能を向上できる。

図５は、本発明の燃料電池セルのさらに他の形態を示すもので、この形態では、支持基板３１の一方側主面の幅方向両側に第１インターコネクタ３５がそれぞれ形成され、これらの第１インターコネクタ３５の間に固体電解質層３３、酸素極層３４が、ガス流路形成方向ｚに形成されており、支持基板３１の他方側主面の幅方向両側にも第２インターコネクタ３６がそれぞれ形成され、これらの第２インターコネクタ３６の間に固体電解質層３３、酸素極層３４が、ガス流路形成方向ｚに形成され、支持基板３１の両主面では、インターコネクタ３５、３６、固体電解質層３３、酸素極層３４が対称に形成されている。図２（ｄ−１）（ｄ−２）に燃料電池セルの側面図を示す。

このような燃料電池セルでは、燃料電池セルの反りを抑制することができるとともに、固体電解質層３３を燃料極層３２および酸素極層３４で挟持した発電部が支持基板３１の主面中央部に形成されているため、発電の安定性を向上できる。

尚、上記形態では、支持基板３１の両端の弧状部Ｂにも固体電解質層３３を形成した状態を説明したが、本発明では、酸素極層３４を形成する部分だけ固体電解質層３３を形成し、発電部を形成すればよく、固体電解質層３３が形成されていない部分については、ガス遮断のために、例えばアルミナからなる緻密層を形成しても良い。

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、有機バインダーと、水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、有機バインダーと、溶媒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、これを支持基板仮焼体の所定位置に積層し、１０００℃で仮焼し、支持基板仮焼体の表面に燃料側電極仮焼体を形成した。尚、燃料極層形成用シートとして、インターコネクタを形成する位置が開口したシートを用いた。

この後、インターコネクタを形成する位置にマスクした。

一方、上記ＹＳＺ粉末と、有機バインダーと、溶媒とを混合した浸漬液を作製し、この浸漬液中に支持基板仮焼体を浸漬し、引き上げることにより燃料側電極仮焼体の表面に固体電解質材料の塗布膜を形成し、乾燥することにより固体電解質層成形体を形成した。

次に、平均粒径２μｍのＬａＣｒＯ_３系酸化物粉末と、有機バインダーと、溶媒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、これらのシートを、上記マスクを剥離して露出した部分に積層し、支持基板仮焼体、燃料極層仮焼体、インターコネクタ用シート、固体電解質層成形体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、溶媒をからなるペースト中に浸漬し、焼結体に形成されている固体電解質層の表面に酸素極層用コーティング層を設け、１１５０℃で焼き付け、図４に示す燃料電池セルを作製した。

作製した燃料電池セルの長さは１４５ｍｍ、幅は２６ｍｍ、厚みは３．２ｍｍ、燃料極層の厚みは１０μｍ、酸素極層の厚みは５０μｍ、第１、第２インターコネクタの幅は１１ｍｍ、長さ１４５ｍｍ、厚みは５０μｍであった。

作製した燃料電池セルについて、図２（ａ）に示すように、第１インターコネクタの形成側と反対側の面の上下端に直線状の定規を当て、この定規とセル表面との最大距離Ｌｈを求め、長さ方向の反り量とし、第１インターコネクタの形成側と反対側の面の幅方向両端に直線状の定規を当て、この定規とセル表面との最大距離Ｌｂを求め、幅方向の反り量とした。この結果、長さ方向の反り量は、０．０７ｍｍ、幅方向の反り量は０．０５ｍｍであった。

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および幅方向の反り量を求めたところ、長さ方向の反り量は０．０９ｍｍ、幅方向の反り量は０．０６ｍｍであった。

一方、第２インターコネクタを形成せず、この第２インターコネクタが形成されていた部分に固体電解質層、酸素極層を形成した従来の燃料電池セルを作製し、作製後の反り量、および上記還元処理後の反り量を測定したところ、焼成後においては、長さ方向の反り量は０．５ｍｍ、幅方向の反り量は０．１２ｍｍであり、還元処理後では、長さ方向の反り量は１．８ｍｍ、幅方向の反り量は０．３ｍｍであった。従って、本発明の燃料電池セルでは、反り量を抑制できることがわかる。

本発明の燃料電池セルを示すもので、（ａ）は横断面図、（ｂ）はｘ−ｘ断面における縦断面図、（ｃ）はｙ−ｙ断面における縦断面図である。 インターコネクタの形成状態を示す説明図で、（ａ）は従来のセルのインタコネクタを示す正面図（ａ−１）、側面図（ａ−２）、平面図（ａ−３）、（ｂ）は一方側主面に第１インターコネクタを、他方側主面に第２インターコネクタ、酸素極層を形成した状態の一方側主面の正面図（ｂ−１）とその背面図（ｂ−２）、（ｃ）は両主面にインターコネクタ、酸素極層を形成した状態の一方側主面の正面図（ｃ−１）とその背面図（ｃ−２）、（ｄ）は両主面にインターコネクタ、酸素極層を形成するとともに、発電部の両側にインターコネクタを形成した状態の一方側主面の正面図（ｄ−１）とその背面図（ｄ−２）である。 本発明のセルスタックを示すもので、（ａ）は横断面図、（ｂ）は集電部材のみ抜き出して記載した説明図、（ｃ）は（ｂ）の側面図である。 両主面にインターコネクタ、酸素極層を形成した本発明の燃料電池セルを示すもので、（ａ）は横断面図、（ｂ）はｘ−ｘ断面における縦断面図、（ｃ）はｙ−ｙ断面における縦断面図である。 本発明の両主面にインターコネクタ、酸素極層を形成するとともに、発電部の両側にインターコネクタを形成した燃料電池セルを示すもので、（ａ）は横断面図、（ｂ）はｘ−ｘ断面における縦断面図、（ｃ）はｙ−ｙ断面における縦断面図である。 従来の燃料電池セルを示すもので、（ａ）は横断面図、（ｂ）はｘ−ｘ断面における縦断面図、（ｃ）はｙ−ｙ断面における縦断面図である。

符号の説明

３０・・・燃料電池セル
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・・・第１インターコネクタ
３６・・・第２インターコネクタ
４０・・・集電部材
ｚ・・・ガス流路形成方向

Claims (4)

1. 柱状の支持基板の一方側主面に固体電解質層、電極層および第１インターコネクタを、前記一方側主面と前記支持基板を挟んで反対側の他方側主面に固体電解質層、電極層および第２インターコネクタを有してなり、前記第１および第２インターコネクタが前記支持基板を挟んで対称に設けられており、かつ前記支持基板の長さ方向に一端から他端まで延設されてなることを特徴とする燃料電池セル。
2. 前記支持基板内部にガス流路を有し、かつ前記支持基板の両主面にそれぞれ設けられた前記第１、第２インターコネクタがガス流路形成方向に延設され、前記第２インターコネクタの両側に、かつ前記ガス流路形成方向に前記固体電解質層および前記電極層が延設さ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。
3. 請求項１または２のうちいずれかに記載の燃料電池セルを複数配列し、一方の前記燃料電池セルの電極層と、該一方の燃料電池セルと隣り合う他方の前記燃料電池セルの第１インターコネクタとを集電部材で電気的に接続してなることを特徴とするセルスタック。
4. 請求項３記載のセルスタックを収納容器内に収納してなることを特徴とする燃料電池。

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