JP6298170B2 - セル、セルスタック装置、モジュールおよびモジュール収容装置 - Google Patents

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Description

本発明は、セル、セルスタック装置、モジュールおよびモジュール収容装置に関する。
近年、次世代エネルギーとして、セルとして固体酸化物形燃料電池セル（以下、燃料電池セルと略す場合がある）を電気的に直列に複数個接続してなるセルスタック装置を、収納容器内に収容した燃料電池装置が種々提案されている。
このような燃料電池装置の燃料電池セルは、長手方向に延びる支持体を有しており、この支持体の内部には、長手方向に沿って貫通するガス通路が設けられている。このガス通路は、長手方向に沿って同一の径とされている（特許文献１）。
特許４８５３９７９号公報
しかしながら、上記特許文献１において、支持体のガス通路が、長手方向に沿って同一の径とされていることから、燃料ガスがガス通路をそのまま通過しやすく、発電効率の向上の点で改善の余地があった。
本発明は、発電効率を向上できるセル、セルスタック装置、モジュールおよびモジュール収容装置を提供することを目的とする。
本発明のセルは、柱状の支持体と、該支持体上に位置する第１電極層と、該第１電極層上に位置する固体電解質層と、該固体電解質層上に位置する第２電極層と、を有しており、前記支持体の内部には、前記支持体の長手方向に沿って貫通する複数のガス通路が設けられており、前記ガス通路は、前記長手方向の両端部のうち少なくとも一端部における径が中央部における径より大きく、かつ前記複数のガス通路のうち少なくとも一つの前記ガス通路は湾曲していることを特徴とする。
本発明のセルスタック装置は、上述のセルを複数個配列してなるセルスタックを備えることを特徴とする。
本発明のモジュールは、収納容器内に、上述のセルスタック装置が収納されていることを特徴とする。
本発明のモジュール収容装置は、外装ケース内に、上述のモジュールと、該モジュールを作動させるための補機とを備えることを特徴とする。
本発明のセルでは、ガス通路は、両端部のうち少なくとも一端部における径が中央部における径より大きいので、燃料ガスを効率よく第１電極に供給することができ、発電効率の向上したセル、およびそれを備えるセルスタック装置、モジュールならびにモジュール収容装置とすることができる。
セルの実施形態の一例を示すもので、（ａ）は横断面図、（ｂ）は側面図である。 図１に示すセルの縦断面図の一部を示すものである。 セルの実施形態の他の一例を示すもので、（ａ）はセルの長手方向の一端部及び他端部における横断面図、（ｂ）はセルの長手方向の中央部における横断面図である。 セルの実施形態のさらに他の一例を示す、セルの短手方向の端部における縦断面図である。 燃料極層が支持体となっている燃料電池セルを示す、他の実施形態の横断面図である。 図１に示すセルを用いたセルスタック装置の一例を示し、（ａ）はセルスタック装置を概略的に示す側面図、（ｂ）は（ａ）のセルスタック装置の破線で囲った部分の一部を拡大して示す断面図である。 モジュールの一例を示す外観斜視図である。 モジュール収容装置の一部を省略して示す斜視図である。
（セル）
図１は、セルの実施形態の一例を示すもので、（ａ）は横断面図、（ｂ）は側面図である。なお、両図面において、セル１０の各構成の一部を拡大して示している。他の図面についても同様に一部を拡大して示している。なお、以下の説明においてセル１０として固体酸化物形の燃料電池セルを用いて説明するものとし、単にセルという場合がある。
図１に示す例において、このセル１０は支持体１を備えている。この支持体１は、柱状である。また、図１に示す例では、支持体１は、平板形状である。また、支持体１は、中空平板型で、細長い板状である。また、この支持体１の内部には、適当な間隔で複数のガス通路２が支持体１の長手方向Ｌに沿って貫通しており、セル１０は、この支持体１上に各種の部材が設けられた構造を有している。
支持体１は、図１に示されている形状から理解されるように、互いに対向する一対の主面（第１の主面ｎ１、第２の主面ｎ２）と、一対の主面ｎ１、ｎ２をそれぞれ接続する弧状面（側面）ｍとで構成された板状とされている。また、図１（ａ）、（ｂ）に示す例のように、板状の支持体１は、短手方向ｗも有している。
そして、第１の主面ｎ１（一方側の主面：下面）と両側の弧状面ｍを覆うように第１電極層である燃料極層３が配置されており、さらに、この燃料極層３を覆うように、ガス遮断性を有するセラミックスからなる固体電解質層４が配置されている。固体電解質層４の厚みは、４０μｍ以下、２０μｍ以下、さらには１５μｍ以下であることが発電性能向上という点から望ましい。
また、第１の主面ｎ１における固体電解質層４の表面には、中間層９を介して、燃料極層３と対面するように、第２電極層である酸素極層６が配置されている。中間層９は、酸素極層６と固体電解質層４との間に設けられている。
固体電解質層４が積層されていない第２の主面ｎ２（他方側の主面：上面）には、図示しない密着層を介してガス遮断性を有するランタンクロマイト系（ＬａＣｒＯ３系）酸化物からなる緻密質なインターコネクタ層８が配置されている。
すなわち、燃料極層３、固体電解質層４は、第１の主面ｎ１から両端の弧状面ｍを経由して第２の主面ｎ２まで設けられており、固体電解質層４の両端部にはインターコネクタ層８の両端部が積層されて接合されている。
つまり、固体電解質層４とインターコネクタ層８とで支持体１を取り囲み、内部を流通する燃料ガスが外部に漏出しないように構成されている。言い換えれば、固体電解質層４とインターコネクタ層８とで、ガス遮断性を有する筒状体とし、この筒状体の内部が燃料ガス流路とされ、燃料極層３に供給される燃料ガスと、酸素極層６に供給される酸素含有ガスとが、筒状体で遮断されている。
具体的に説明すると、図１（ｂ）に示すように、平面形状が矩形状の酸素極層６が、支持体１の上下端部を除いて設けられており、一方、インターコネクタ層８は、図示しないが、支持体１の長手方向Ｌの上端部から下端部まで設けられており、支持体１の短手方向Ｗの両端部が、固体電解質層４の両端部の表面に接合されている。なお、インターコネクタ層８は、支持体１の長手方向Ｌの下端部には設けられていない構成であってもよい。また、インターコネクタ層８は、支持体１の長手方向Ｌの上端部および下端部には設けられていない構成であってもよい。
セル１０は、燃料極層３と酸素極層６とが固体電解質層４を介して対面している部分が燃料電池として機能して発電する。即ち、酸素極層６の外側に空気等の酸素含有ガスを流し、且つ支持体１内のガス通路２に燃料ガス（水素含有ガス）を流し、所定の作動温度まで加熱することにより発電する。そして、かかる発電によって生成した電流は、支持体１に設けられているインターコネクタ層８を介して集電される。
なお、上述のセル１０においては、第１電極層を燃料極層３とし、第２電極層を酸素極層６としたセルについて説明したが、第１電極層を酸素極層６とし、第２電極層を燃料極層３として、ガス通路２に酸素含有ガスを流す構成のセル１０としてもよい。
以下に、図１において示す燃料電池セル３を構成する各部材について説明する。
例えば、第１電極層である燃料極層３は、一般的に公知のものを使用することができ、多孔質の導電性セラミックス、例えば希土類元素酸化物が固溶しているＺｒＯ２（安定化ジルコニアと称し、部分安定化も含むものとする。）とＮｉおよび／またはＮｉＯとから形成することができる。
固体電解質層４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、燃料ガスと酸素含有ガスとのリークを防止するためにガス遮断性を有することが必要とされ、３〜１５モル％の希土類元素酸化物が固溶したＺｒＯ２から形成される。なお、上記特性を有する限りにおいては、他の材料等を用いて形成してもよい。
第２電極層である酸素極層６は、一般的に用いられるものであれば特に制限はなく、例えば、いわゆるＡＢＯ３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することができる。酸素極層６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。
インターコネクタ層８は、導電性セラミックスから形成することができるが、燃料ガス（水素含有ガス）および酸素含有ガス（空気等）と接触するため、耐還元性及び耐酸化性を有することが必要であり、それゆえランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物（ＬａＣｒＯ３系酸化物）が好適に使用される。インターコネクタ層８は支持体１に形成された複数のガス通路２を流通する燃料ガス、および支持体１の外側を流通する酸素含有ガスのリークを防止するために緻密質でなければならず、９３％以上、特に９５％以上の相対密度を有していることが好ましい。
支持体１としては、燃料ガスを燃料極層３まで透過するためにガス透過性であること、さらには、インターコネクタ層８を介して集電するために導電性であることが要求される。したがって、支持体１としては、かかる要求を満足するものを材質として採用する必要があり、例えば導電性セラミックスやサーメット等を用いることができる。セル１０を作製するにあたり、燃料極層３または固体電解質層４との同時焼成により支持体１を作製する場合においては、鉄属金属成分と特定希土類酸化物（Ｙ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３等）とから支持体１を形成することが好ましい。また、支持体１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３５〜５０％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。
なお、固体電解質層４と酸素極層６との間に、固体電解質層４と酸素極層６との接合を強固とするとともに、固体電解質層４の成分と酸素極層６の成分とが反応して電気抵抗の高い反応層が形成されることを抑制する目的で中間層９を備えることもできる。
ここで、中間層９としては、Ｃｅ（セリウム）と他の希土類元素酸化物とを含有する組成にて形成することができ、例えば、
（１）：（ＣｅＯ２）１−ｘ（ＲＥＯ１．５）ｘ
式中、ＲＥはＳｍ、Ｙ、Ｙｂ、Ｇｄの少なくとも１種であり、ｘは０＜ｘ≦０．３を満足する数。
で表される組成を有していることが好ましい。さらには、電気抵抗を低減するという点から、ＲＥとしてＳｍやＧｄを用いることが好ましく、例えば１０〜２０モル％のＳｍＯ１．５またはＧｄＯ１．５が固溶したＣｅＯ２からなることが好ましい。
また、固体電解質層４と酸素極層６とを強固に接合するとともに、固体電解質層４の成分と酸素極層６の成分とが反応して電気抵抗の高い反応層が形成されることをさらに抑制することを目的として、中間層９を２層から形成することもできる。
また、図示はしていないが、インターコネクタ層８と支持体１との間に、インターコネクタ層８と支持体１との間の熱膨張係数差を軽減する等のために密着層を設けることもできる。
密着層としては、燃料極層３と類似した組成とすることができ、例えば、ＹＳＺなどの希土類元素酸化物が固溶しているＺｒＯ２（安定化ジルコニアと称する）とＮｉおよび／またはＮｉＯとから形成することができる。なお、希土類元素酸化物が固溶したＺｒＯ２と、Ｎｉおよび／またはＮｉＯとは、体積比で４０：６０〜６０：４０の範囲とすることが好ましい。
図２は、図１に示すセル１０のガス通路２に沿った縦断面図の一部を示すものである。
図２に示すように、ガス通路２は、長手方向Ｌの両端部のうち少なくとも一端部における径が中央部における径より大きい。なお、図２に示す例では、長手方向の両端部の径が中央部の径より大きくなっている。また、図１（ｂ）ではガス通路２の形状を簡略化して図示している。
ここで、中央部とは、ガス通路２を支持体１の長手方向に３分割した場合の真ん中の部分をいう。また、一端部とは、３分割した場合の片側の部分をいい、両端部とは、３分割した場合の両側の部分をいう。
例えば、ガス通路２の一端部を燃料ガスの入口、他端部を出口とする場合には、他端部における径が、中央部における径より大きいことにより、発電に利用されなかった燃料ガスが効率よく排出され、セル１０内に滞留することを抑制できる。よって、新しい燃料ガスが効率よく供給されるので、発電効率を向上させることができる。なお、図１に示す例においては、酸素極層６はセル１０の他端部まで達していないので、セル１０の他端部は発電部として機能しない。よって、ガス通路２の他端部で燃料ガスが排出されやすくなっても発電効率に悪影響はない。
また、一端部における径が、中央部における径より大きい場合には、セル１０内部への燃料ガスの流入量を多くすることができる。また、この場合に、中央部では一端部より径が小さいので、燃料ガスがガス通路２を流れにくくなり圧力損失が高くなる。それにより、燃料ガスが支持体１の中に拡散しやすくなることで、発電効率を向上することができる。
また、ガス通路２は、長手方向の両端部のうち少なくとも一端部における径が、中央部における径の１．００３〜１．０３倍であるとよい。１．００３倍以上である場合には、前述したようにガス通路２の一端部又は他端部が中央部よりも径が大きくなるので発電効率が向上する。また、１．０３倍以下である場合には、支持体１の一端部又は他端部において、ガス通路２の径が大き過ぎないので、支持体１の端部でガス通路２の内壁と支持体１の表面との間が薄くなり過ぎることを抑制できる。従って、支持体１の端部での強度を向上させることができる。
また、この例に限らず、ガス通路２は、両端部のうち少なくとも一端部における径が中央部における径より大きければよく、ガス通路２は、一端部のみにおける径が中央部における径より大きい構成でも良い。この場合、他端部における径は中央部における径と同等であるか又は小さくても良い。
なお、これとは逆に、ガス通路２は、他端部のみにおける径が中央部における径より大きくても良い。この場合、一端部における径は中央部における径と同等であるか又は小さくても良い。
また、ガス通路２は、長手方向の両端部が、中央部より径が大きくなっていることが好ましい。
また、図２に示す例においては、図示された３つのガス通路２全てにおいて、少なくとも一端部における径が中央部における径より大きくなっている。また、これに限定されず、支持体１に設けられた全てのガス通路２において、少なくとも一端部における径が中央部における径より大きくなっていても良い。また、これらに限定されず、支持体１に設けられた１つのガス通路２のみにおいて、少なくとも一端部における径が中央部における径より大きくなっていても良い。
また、図２に示す３つのガス通路２のうち右側及び左側に図示するガス通路２のように、ガス通路２を横断面で見た場合に、ガス通路２の中心が、中央部と、一端部又は他端部との間で、ずれていることが好ましい。この場合には、燃料ガスがガス通路２をさらに流れにくくなり圧力損失が高くなる。それにより、燃料ガスが支持体１の中にさらに拡散しやすくなることで、発電効率をさらに向上することができる。
また、図２に示す例のように、ガス通路２は複数設けられており、一端部及び他端部における隣接するガス通路２の間隔は、中央部における隣接するガス通路２の間隔より広い。従って、外力が負荷されやすい支持体１の一端部及び他端部で、各ガス通路２間における肉厚を大きくできるので強度が向上する。
なお、隣接するガス通路２の間隔は、例えば中央部の間隔を１とした場合に、一端部又は他端部における間隔が１．００３〜１．０３の範囲とすることが好ましい。
また、図２に示す例に限られず、一端部又は他端部のいずれか一方のみにおいて、隣接するガス通路２の間隔が、中央部における隣接するガス通路２の間隔より長くなっていても良い。
また、図２に示す例においては、図示されたガス通路２全てにおいて、少なくとも一端部における隣接するガス通路２の間隔が、中央部における隣接するガス通路２の間隔より長くなっている。また、これに限定されず、支持体１に設けられた全てのガス通路２間において、少なくとも一端部における隣接するガス通路２の間隔が、中央部における隣接するガス通路２の間隔より長くなっていても良い。また、これらに限定されず、支持体１に設けられた隣接する２つのガス通路２のみにおいて、少なくとも一端部における隣接するガス通路２の間隔が、中央部における隣接するガス通路２の間隔より長くなっていても良い。
図３は、セルの実施形態の他の一例を示すもので、（ａ）はセルの長手方向の一端部及び他端部における横断面図、（ｂ）はセルの長手方向の中央部における横断面図である。
図３においても、図２と同様に、ガス通路２は、長手方向Ｌの両端部のうち少なくとも一端部における径が中央部における径より大きくなっている。
また、図３に示すセル１０においては、両端部におけるガス通路２と燃料極層３との間隔Ｔ１が、中央部におけるガス通路２と燃料極層３との間隔Ｔ２より広い。例えば、ガス通路２の一端部を燃料ガスの入口、他端部を出口とする場合には、他端部におけるガス通路２と燃料極層３との間隔Ｔ１は、中央部より大きいので、外力が負荷されやすい支持体１の他端部で、肉厚を大きくできるので強度が向上する。また、一端部におけるガス通路２と燃料極層３との間隔Ｔ１は、中央部より大きいので、ガス通路２の一端部では間隔Ｔ１が大きくなり燃料ガスの消費量が少なくなる。一方、ガス通路２の中央部では一端部より燃料ガスの流量が少なくなるが、中央部では間隔Ｔ２が小さいので燃料ガスの消費量を一端部と同等に近づけることができる。従って、発電効率が向上する。
なお、ガス通路２と燃料極層３との間隔は、例えば中央部の間隔Ｔ２を１とした場合に、一端部又は他端部における間隔Ｔ１が１．００３〜１．０３の範囲とすることが好ましい。
また、図３に示す例に限られず、一端部又は他端部のいずれか一方のみにおいて、ガス通路２と燃料極層３との間隔が、中央部におけるガス通路２と燃料極層３との間隔より長くなっていても良い。
また、図３に示す例においては、図示されたガス通路２全てにおいて、ガス通路２と燃料極層３との間隔が、少なくとも一端部は、中央部より長くなっているが、これに限定されず、支持体１に設けられた１つのガス通路２のみにおいて、少なくとも一端部におけるガス通路２と燃料極層３との間隔が中央部より長くなっていても良い。
図３に示す例において、前述した、ガス通路２と燃料極層３との間隔とは、ガス通路２と酸素極側支持体表面との間隔を示している。図３に示す例においては、中央部におけるガス通路２を、酸素極側支持体表面に近接させて設けることにより、一端部及び他端部よりも、ガス通路２と燃料極層３との間隔が短くなるようにしている。
図４は、セルの実施形態のさらに他の一例を示す、セルの短手方向の端部における縦断面図である。
図４に示す例のように、ガス通路２は、湾曲しているので、例えば、ガス通路２の一端部を燃料ガスの入口、他端部を出口とする場合には、一端部から流入した燃料ガスがガス通路２の内壁に当たりやすくなり、燃料ガスが支持体１の内部に拡散しやすくなる。よって固体電解質層４に燃料ガスが到達しやすくなる。
また、図４に示す例では、１つのみのガス通路２が湾曲している構成を図示しているが、これに限られず、支持体１に設けられた複数のガス通路２が湾曲していてもよい。また、支持体１に設けられた全てのガス通路２が湾曲していてもよい。
図４に示す例では、支持体１における短手方向の端部において、燃料極層３が第１の主面ｎ１から弧状面ｍを介して第２の主面ｎ２に設けられている。つまり支持体１における短手方向の端部に設けられたガス通路２は、燃料極層３に囲まれている。このようなガス通路２が、支持体１における短手方向の中央部に向かって湾曲していることによって、前述したように支持体１の内部に拡散しやすくなった燃料ガスが広範囲の燃料極層３に到達しやすくなる。よって発電効率が向上する。
図５は、燃料極層が支持体となっている燃料電池セルを示す、他の実施形態の横断面図である。この場合であっても、図１と同様な作用効果を得ることができる。すなわち、図１の実施形態では、支持体１上に燃料極層３、固体電解質層４、酸素極層６を積層したが、図５の実施形態のように、燃料極層自体を支持体１とし、この支持体１に、固体電解質層４、酸素極層６を設けても良い。
また、図５に示す例において、支持体２には複数のガス通路２が設けられているが、このガス通路２は単数であってもよい。
（測定方法）
長手方向の両端部のうち少なくとも一端部におけるガス通路２の径、および長手方向の中央部におけるガス通路２の径の測定方法を以下に示す。まず、ガス通路２を支持体１の長手方向に３分割して３つの領域に分ける。各領域において長手方向に等間隔に３箇所とり、各箇所におけるガス通路２の径を算出し平均値を求める。そして、真ん中の領域における平均値を長手方向の中央部におけるガス通路２の径とし、一端部側又は他端部側の領域における平均値を長手方向の一端部側又は他端部側におけるガス通路２の径とする。
ガス通路２の径の算出について詳細に説明する。長手方向におけるガス通路２のある箇所の径を算出する場合には、まず当該箇所において支持体１を切断し、図１（ａ）のような横断面を出す。次に断面に機械研磨を行い、ノギスや画像処理等の所定の方法でガス通路２の径を算出する。ガス通路２の径を測定する方向は各箇所の測定で統一させる。例えば、ある箇所で短手方向ｗに沿った長さを算出したならば他の箇所の測定においても短手方向ｗに沿った長さを算出する。
長手方向の両端部のうち少なくとも一端部におけるガス通路２と燃料極層３との間隔、および長手方向の中央部におけるガス通路２と燃料極層３との間隔の測定方法を以下に示す。まず、支持体１を長手方向に３分割して３つの領域に分ける。さらに各領域において長手方向に等間隔に４分割して、各面のガス通路２と燃料極層３との距離を算出し平均値を求める。そして、真ん中の領域における平均値を長手方向の中央部におけるガス通路２と燃料極層３との間隔とし、一端部側又は他端部側の領域における平均値を長手方向の一端部側又は他端部側におけるガス通路２と燃料極層３との間隔とする。
ガス通路２と燃料極層３との距離の算出について詳細に説明する。まず前述と同様に支持体１を切断し機械研磨を行う。次にガス通路２の内壁から燃料極層３までの支持体１の厚み方向における距離を公知の画像処理方法で測定すればよい。
少なくとも一端部における隣接するガス通路２の間隔、および中央部における隣接するガス通路２の間隔の測定方法を以下に示す。まず、ガス通路２を支持体１の長手方向に３分割して３つの領域に分ける。各領域において長手方向に等間隔に４分割して、各面の隣接するガス通路２の間隔を算出し平均値を求める。そして、真ん中の領域における平均値を中央部における隣接するガス通路２の間隔とし、一端部側又は他端部側の領域における平均値を少なくとも一端部における隣接するガス通路２の間隔とする。
隣接するガス通路２の間隔の算出について詳細に説明する。まず前述と同様に支持体１を切断し機械研磨を行う。次に隣接するガス通路２の内壁間の短手方向ｗにおける距離をノギス又は画像処理等の方法で測定する。
ガス通路２が湾曲していることを確認する方法を以下に示す。まず、支持体１の長手方向に沿ってガス通路２上で等間隔に６分割する。そして各面のガス通路２と弧状面ｍとの間隔を測定する。この時、一端部から１番目の面におけるガス通路２と弧状面ｍとの間隔、２番目の面におけるガス通路２と弧状面ｍとの間隔、３番目の面におけるガス通路２と弧状面ｍとの間隔、４番目の面におけるガス通路２と弧状面ｍとの間隔、５番目の面におけるガス通路２と弧状面ｍとの間隔をそれぞれ、距離１、距離２、距離３、距離４、距離５とする。この時、距離１＜距離２＜距離３および距離５＜距離４＜距離３を満たせば、湾曲しているものとする。
なお、各面におけるガス通路２と弧状面ｍとの間隔の算出について詳細に説明する。まず前述と同様に支持体１を切断し機械研磨を行う。ガス通路２の内壁と弧状面ｍとの短手方向ｗにおける間隔を公知の画像処理方法で測定すればよい。
（製造方法）
以上説明したセル１０の製造方法の一例について説明する。先ず、例えば、Ｎｉおよび／またはＮｉＯ粉末と、Ｙ２Ｏ３などの無機酸化物の粉末と、有機バインダーと、溶媒とを混合して坏土を調製する。有機バインダーは、坏土が流動性を得られる程度の量に調整して混合する。有機バインダーとしては、後述する射出成型を行う観点から、熱可塑性樹脂を使用すると良い。そして、この坏土を用いて射出成形により支持体成形体を作製し、これを乾燥する。なお、支持体成形体として、支持体成形体を９００〜１０００℃にて２〜６時間仮焼した仮焼体を用いてもよい。
また、射出成型に用いる金型の内部に、予め、所定の形状を有する樹脂成形体を、ピン等の治具によって固定しておく。この樹脂成形体の材料としては、支持体成形体の仮焼時又は焼成時の温度で、蒸発し焼失するような樹脂を用いる。また、樹脂成形体の形状は、所望のガス通路２の形状としておく。例えば、図２で示すような、一端部及び他端部における径が中央部における径より大きいガス通路２を形成する際には、このガス通路２と同様の形状を有する樹脂成形体を準備するとよい。
このような樹脂成形体を内部に設けた金型に、上述の坏土を注入して射出成型を行うことにより、内部に樹脂成形体を有する支持体成形体が得られる。その後、支持体成形体の仮焼又は焼成を行い、所定の温度に上昇させることによって、樹脂成形体が焼失する。従って、支持体内部において、樹脂成形体で占められていた領域は、空間となる。よって、所望の形状のガス通路２を有する支持体１を得ることができる。
次に、例えば所定の調合組成に従い、ＮｉＯと、Ｙ２Ｏ３が固溶したＺｒＯ２（ＹＳＺ）との素原料を秤量、混合する。この後、混合した粉体に、有機バインダーおよび溶媒を混合して燃料極層用スラリーを調製する。
そして、希土類元素酸化物が固溶したＺｒＯ２粉末に、トルエン、バインダー粉末、市販の分散剤等を加えてスラリー化したものをドクターブレード等の方法により、成形してシート状の固体電解質層成形体を作製する。
得られたシート状の固体電解質層成形体上に燃料極層用スラリーを塗布し乾燥して燃料極層成形体を形成し、シート状の積層成形体を形成する。この燃料極層成形体および固体電解質層成形体が積層したシート状の積層成形体の燃料極層成形体側の面を導電性支持体成形体に積層し、成形体を形成する。
次いで、上記の積層成形体を８００〜１２００℃で２〜６時間仮焼する。続いて、インターコネクタ層材料（例えば、ＬａＣｒＭｇＯ３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作製する。この後の工程は、密着層を有する燃料電池セルの製法について説明する。
続いて、支持体１とインターコネクタ層８との間に位置する密着層成形体を形成する。例えば、Ｙが固溶したＺｒＯ２とＮｉＯが体積比で４０：６０〜６０：４０の範囲となるように混合して乾燥し、有機バインダー等を加えて密着層用スラリーを調整し、固体電解質層成形体の両端部間における支持体成形体上に塗布して密着層成形体を形成する。
続いて固体電解質層４と酸素極層６との間に配置する中間層９を形成する。例えば、ＧｄＯ１．５が固溶したＣｅＯ２粉末を８００〜９００℃にて２〜６時間、熱処理を行い、中間層成形体用の原料粉末を調整する。この原料粉末に、溶媒としてトルエンを添加し、中間層用スラリーを作製し、このスラリーを固体電解質層成形体上に塗布して中間層成形体を作製する。
この後、固体電解質成形体（仮焼体）の両端部上に、インターコネクタ層用成形体の両端部が積層されるように、密着層成形体上面にインターコネクタ層用スラリーを塗布し、積層成形体を作製する。なお、インターコネクタ層用スラリーを調製し、インターコネクタ層用シートを作製し、固体電解質成形体の両端部上に、インターコネクタ層用シートの両端部が積層されるように、密着層成形体上面にインターコネクタ層用シートを積層し、積層成形体を作製することもできる。
次いで、上記の積層成形体を脱バインダー処理し、酸素含有雰囲気中、１４００〜１５００℃、特には１４２５〜１４７５℃にて２〜６時間、同時焼結（同時焼成）する。
さらに、酸素極層用材料（例えば、ＬａＣｏＯ３系酸化物粉末）、溶媒および増孔剤を含有するスラリーをディッピング等により中間層上に塗布し、１０００〜１３００℃で、２〜６時間焼き付けることにより、図１に示す構造の本実施形態のセル１０を製造できる。
（セルスタック装置）
図６は、図１に示すセル１０の複数個を、集電部材１３を介して電気的に直列に接続して構成されたセルスタック装置の一例を示したものであり、（ａ）はセルスタック装置１１を概略的に示す側面図、（ｂ）は（ａ）のセルスタック装置１１の一部拡大断面図であり、（ａ）で示した破線で囲った部分を抜粋して示している。なお、（ｂ）において（ａ）で示した破線で囲った部分に対応する部分を明確とするために矢印にて示しており、（ｂ）で示すセル１０においては、上述した中間層等の一部の部材を省略して示している。
なお、セルスタック装置１１においては、各セル１０を、集電部材１３を介して配列することでセルスタック１２を構成しており、各セル１０の下端部が、セル１０に燃料ガスを供給するためのガスタンク１６に、ガラスシール材等の接着剤により固定されている。また、ガスタンク１６に下端部が固定された弾性変形可能な導電部材１４により、セル１０の配列方向の両端から、セルスタック１２を挟持している。
また、導電部材１４には、セル１０の配列方向に沿って外側に向けて延びた形状で、セルスタック１２（セル１０）の発電により生じる電流を引出すための電流引出し部１５が設けられている。
図６（ｂ）は、２つのセル１０を集電部材１３で電気的に接続したもので、集電部材１３は、例えば長方形状の耐熱性合金板に、長手方向に所定間隔をおいて短手方向に延びるスリットを形成し、スリット間の帯状部を、耐熱性合金板の厚み方向に交互に突出させて構成されており、対向する方向に突出した帯状部を、それぞれセル１０に導電性の接着剤で接合することで、セルスタック１２が構成されている。
（モジュール）
図７は、セルスタック装置１１を収納容器１９内に収納してなるモジュール１８の一例を示す外観斜視図であり、直方体状の収納容器１９の内部に、図６に示したセルスタック装置１１を収納して構成されている。
なお、セル１０にて使用する燃料ガスを得るために、天然ガスや灯油等の原燃料を改質して燃料ガスを生成するための改質器２０をセルスタック１２の上方に配置している。そして、改質器２０で生成された燃料ガスは、ガス流通管２１を介してガスタンク１６に供給され、ガスタンク１６を介してセル１０の内部に設けられたガス通路２に供給される。
なお、図７においては、収納容器１９の一部（前後面）を取り外し、内部に収納されているセルスタック装置１１および改質器２０を後方に取り出した状態を示している。図７に示したモジュール１８においては、セルスタック装置１１を、収納容器１９内にスライドして収納することが可能である。なお、セルスタック装置１１は、改質器２０を含むものとしても良い。
また収納容器１９の内部に設けられた酸素含有ガス導入部材２２は、図７においてはガスタンク１６に並置された一対のセルスタック１２の間に配置されるとともに、酸素含有ガスが燃料ガスの流れに合わせて、セル１０の側方を下端部から上端部に向けて流れるように、セル１０の下端部に酸素含有ガスを供給する。そして、セル１０のガス通路２より排出される燃料ガスを酸素含有ガスと反応させてセル１０の上端部側で燃焼させることにより、セル１０の温度を上昇させることができ、セルスタック装置１１の起動を早めることができる。また、セル１０の上端部側にて、セル１０のガス通路２から排出される燃料ガスと酸素含有ガスとを燃焼させることにより、セル１０（セルスタック１２）の上方に配置された改質器２０を温めることができる。それにより、改質器２０で効率よく改質反応を行うことができる。
さらに、本実施形態のモジュール１８では、上述したセル１０を用いたセルスタック装置１１を収納容器１９内に収納してなることから、発電効率が向上したモジュール１８とすることができる。
（モジュール収容装置）
図８は、外装ケース内に図７で示したモジュール１８と、セルスタック装置１１を動作させるための補機とを収納してなるモジュール収容装置の一例を示す斜視図である。なお、図８においては一部構成を省略して示している。
図８に示すモジュール収容装置２３は、支柱２４と外装板２５とから構成される外装ケース内を仕切板２６により上下に区画し、その上方側を上述したモジュール１８を収納するモジュール収納室２７とし、下方側をモジュール１８を作動せるための補機類を収納する補機収納室２８として構成されている。なお、補機収納室２８に収納する補機類は省略して示している。
また、仕切板２６には、補機収納室２８の空気をモジュール収納室２７側に流すための空気流通口２９が設けられており、モジュール収納室２７を構成する外装板２５の一部に、モジュール収納室２７内の空気を排気するための排気口３０が設けられている。
このようなモジュール収容装置２３においては、上述したように、発電効率が向上することができるモジュール１８をモジュール収納室２７に収納して構成されることにより、発電効率が向上するモジュール収容装置２３とすることができる。
なお、例えば、上記実施形態では、中空平板型の固体酸化物形燃料電池セルについて説明したが、円筒型、平板型の固体酸化物形燃料電池セルであっても良いことは勿論である。また、いわゆる横縞型燃料電池セルであっても良い。さらに、各部材間に機能に合わせて各種中間層を形成しても良い。また、例えば、導電性の支持体上に酸素極層、固体電解質層、燃料極層を配置した燃料電池セルであっても良い。
さらに、上記説明ではセルとして固体酸化物形燃料電池セル（ＳＯＦＣ）について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、電解セルに水蒸気と電圧とを付与して水蒸気（水）を電気分解することにより、水素と酸素（Ｏ２）を生成する電解セル（ＳＯＥＣ）にも適用することができる。また、上記説明におけるセルスタック装置、モジュールならびにモジュール収容装置もまた、この電解セルを備えるセルスタック装置、電解モジュールおよび電解装置として使用され得る。
（試料の作製）
ガス通路の径が異なる複数のセルを作製した。具体的には、表１に示すように、９個の試料（Ｎ＝９）を作製した。
各試料となるセルの形状は図１と同様の板形状とした。セルの長手方向の長さが２０ｃｍ、セルの短手方向の長さが２６ｍｍ、厚みが２ｍｍであった。
製造方法は前述のものと同様とした。なお、支持体成形体の作製に使用されたＮｉＯ粉末は平均粒径０．５μｍであり、Ｙ２Ｏ３粉末は平均粒径０．９μｍであった。支持体成形体は、焼成−還元後における体積比率が、ＮｉＯが４８体積％、Ｙ２Ｏ３が５２体積％であった。固体電解質層原料粉末は、８ｍｏｌ％のＹ２Ｏ３が固溶したマイクロトラック法による粒径が０．８μｍのＺｒＯ２粉末を利用した。燃料極層成形体の作製に使用されたＮｉＯ粉末は平均粒径０．５μｍであり、Ｙ２Ｏ３が固溶したＺｒＯ２粉末は平均粒径０．８μｍであった。支持体成形体、固体電解質層用シートおよび燃料極層成形体の積層成形体は、１０００℃にて３時間仮焼処理した。インターコネクタ層の材料としては、Ｌａ（Ｍｇ０．３Ｃｒ０．７）０．９６Ｏ３を使用した。インターコネクタ層用スラリーを前述の積層体に塗布し、酸素含有雰囲気中で１４５０℃にて２時間同時焼成した。酸素極層の材料としては、Ｌａ０．６Ｓｒ０．４Ｃｏ０．２Ｆｅ０．８Ｏ３を使用した。酸素極層は１１００℃にて４時間で焼き付けて形成した。還元処理は、セルの内部に水素ガスを流し、８５０℃で１０時間、支持体および燃料極層の還元処理を施し、冷却した。
ここで、試料Ｎｏ．１〜９の支持体では、射出成型に用いる金型内部に設ける樹脂成形体の形状を調整することによって、表１に示す通り、ガス通路径を制御した。
（ガス通路径の測定）
上記のように作製した後の試料Ｎｏ．１〜９の支持体について、前述したように、ガス通路２を支持体１の長手方向に３分割して３つの領域に分けた。各領域において長手方向に等間隔に３箇所とり、各箇所におけるガス通路の径を算出し平均値を求めた。真ん中の領域における平均値を中央部のガス通路の径とし、一方側の領域の平均値を一端部のガス通路の径とした。
（発電性能試験）
まず、７５０℃の温度下で各試料のセルに水素ガスを流し、セルの出力密度を測定した。出力密度の結果を表１に示した。
（支持体の耐久性試験）
本試験においては、各試料となるセルをガラスシール材でガスタンクに固定し、「ガスタンク内に燃料ガスを流通させながら、雰囲気温度を７５０℃に保ち、燃料ガスの供給を急停止させ、その後供給を再開するパターン」を１０回繰り返すサイクル試験を行った。試験後、セルをガスタンクから取り外し、端面を目視することによって、支持体の一端部にクラックが発生しているか否かを確認した。ガス通路の内壁と支持体の表面間に発生しているものをクラックと認定した。その結果を表１に示した。
Figure 0006298170
（発電性能試験結果）
表１から明らかなように、試料Ｎｏ．１では、出力密度が小さかった。これは、一端部における径が中央部における径より小さかったからである。
また、試料Ｎｏ．２、３では、試料Ｎｏ．１と比較して、出力密度が高かった。これは、一端部における径が中央部における径より大きかったからである。
また、試料Ｎｏ．４〜９では、試料Ｎｏ．２、３と比較して、出力密度が高かった。これは、一端部における径が、中央部における径の１．００３倍以上だったからである。
（耐久性試験結果）
試料Ｎｏ．２〜８では、試料Ｎｏ．９と比較して、支持体の一端部でのクラックの発生を抑制することができた。これは、一端部における径が、中央部における径の１．０３倍以下だったからである。
１：支持体
１ａ：支持体中央部
１ｂ：支持体端部
２：ガス通路
３：燃料極層（第１電極層）
４：固体電解質層
６：酸素極層（第２電極層）
８：インターコネクタ層
１０：燃料電池セル
１０ａ：セル中央部
１０ｂ：セル端部
１１：セルスタック装置
１８：モジュール

Claims (8)

  1. 柱状の支持体と、該支持体上に位置する第１電極層と、該第１電極層上に位置する固体電解質層と、該固体電解質層上に位置する第２電極層と、を有しており、
    前記支持体の内部には、前記支持体の長手方向に沿って貫通する複数のガス通路が設けられており、
    前記ガス通路は、前記長手方向の両端部のうち少なくとも一端部における径が中央部における径より大きく、
    かつ前記複数のガス通路のうち少なくとも一つの前記ガス通路は湾曲している
    ことを特徴とするセル。
  2. 前記ガス通路は、前記長手方向の両端部のうち少なくとも一端部における径が、前記中央部における径の１．００３〜１．０３倍である
    ことを特徴とする請求項１に記載のセル。
  3. 前記少なくとも一端部におけるガス通路と前記第１電極層との間隔は、
    前記中央部におけるガス通路と前記第１電極層との間隔より広い
    ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のセル。
  4. 前記ガス通路は複数設けられており、
    前記少なくとも一端部における隣接するガス通路の間隔は、
    前記中央部における隣接するガス通路の間隔より広い
    ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のセル。
  5. 前記支持体は平板形状であり、
    前記支持体には前記ガス通路が短手方向に沿って複数設けられており、
    前記支持体における前記短手方向の端部に設けられた前記ガス通路が、前記支持体における前記短手方向の中央部に向かって湾曲している
    ことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のセル。
  6. 請求項１乃至請求項５のうちいずれかに記載のセルを複数個配列してなるセルスタックを備えることを特徴とするセルスタック装置。
  7. 収納容器内に、請求項６に記載のセルスタック装置が収納されていることを特徴とするモジュール。
  8. 外装ケース内に、請求項７に記載のモジュールと、該モジュールを作動させるための補機とを備えることを特徴とするモジュール収容装置。
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