JP6301790B2

JP6301790B2 - 横縞型固体酸化物形燃料電池セル

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Publication number: JP6301790B2
Application number: JP2014186558A
Authority: JP
Inventors: 内　一隆; 一隆内
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Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2014-09-12
Filing date: 2014-09-12
Publication date: 2018-03-28
Anticipated expiration: 2034-09-12
Also published as: JP2016058359A

Description

本発明は、横縞型固体酸化物形燃料電池セルに関するものである。

従来、ガス流路が内部に形成された平板状の絶縁性で多孔質の支持基板と、この平板状の支持基板の主面における互いに離れた複数の箇所にそれぞれ設けられた複数の発電素子部と、隣り合う発電素子部の一方の燃料極と他方の酸素極とを電気的に接続する電気的接続部とを具備するとともに、平板状の支持基板の主面における複数の箇所に、底壁と周方向に閉じた側壁とを有する第１凹部がそれぞれ形成され、該各第１凹部に、対応する発電素子部の燃料極集電部がそれぞれ埋設された横縞型固体酸化物形燃料電池セル（以下、セルということがある）が知られている（例えば、特許文献１参照）。

この特許文献１のセルでは、燃料極集電部の外側面に第２凹部が形成され、この第２凹部に電気的接続部が埋設され、さらに燃料極集電部の外側面に形成された第３凹部に燃料極活性部が埋設されており、燃料極活性部の表面に形成された固体電解質が電気的接続部の表面まで延設され、固体電解質と電気的接続部とで、燃料極側に供給された燃料ガスと、酸素極側に供給された空気との混合を防止していた。

特開２０１２−３８７１８号公報

しかしながら、上記した特許文献１のセルでは、支持基板の主面の第１凹部内に燃料極集電部が形成されており、燃料ガスは、支持基板内のガス流路から、多孔質な支持基板を介して、燃料極集電部、燃料極活性部に供給されることになり、ガス流路から固体電解質までの燃料ガスの供給経路が長く、発電性能が未だ低いという問題があった。

本発明は、発電性能を向上できる横縞型固体酸化物形燃料電池セルを提供することを目的とする。

本発明の横縞型固体酸化物形燃料電池セルは、複数のガス流路を内部に長さ方向に有する中空平板状の横縞型固体酸化物形燃料電池セルであって、燃料極集電層、燃料極活性層、固体電解質層および酸素極層が積層されてなる複数の発電素子部を、前記長さ方向に所定間隔をおいて複数有し、前記長さ方向と直交する幅方向の側面がガスシール層により被覆されており、前記燃料極集電層が、前記ガス流路内に露出していることを特徴とする。

本発明の横縞型固体酸化物形燃料電池セルは、発電素子部の燃料極集電層がガス流路内に露出しているので、ガス流路から固体電解質までの距離を短くでき、これにより、ガスを固体電解質近傍まで容易に大量に供給することができ、発電性能を向上できる。

（ａ）はセルを示す斜視図、（ｂ）は凹部内に燃料極活性層、インターコネクタが埋設された状態を示す平面図である。図１（ａ）に示すセルの２−２線に対応する断面図、（ｂ）は（ａ）の２ｂ―２ｂ線に沿った横断面図である。図１のセルの作動状態を説明するための斜視図である。図１のセルの製法の前半を説明するための断面図である。図１のセルの製法の後半を説明するための断面図である。燃料極活性層の幅方向における両側の外面がガスシール層で被覆されている状態を示すもので、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）の６ｂ―６ｂ線に沿った横断面図である。燃料極活性層およびインターコネクタの幅方向の両側がガスシール層で被覆されている状態を示す横断面図である。

図１（ａ）は、本発明の実施形態に係る中空平板状のセルを示すもので、このセルは、両側に、電気的に直列に接続された複数（本形態では、４つ）の同形の発電素子部Ａが長さ方向（ｘ軸方向）において所定の間隔をおいて配置された構造を有している。

このセルを上方からみた形状は、例えば、長さ方向の辺の長さが５〜５０ｃｍで、長さ方向に直交する幅方向（ｙ軸方向）の長さが１〜１０ｃｍの長方形である。このセルの厚さ方向（ｚ軸方向）の厚さは１〜５ｍｍである。以下、図１（ａ）に加えて、図１（ａ）に示す２−２線に対応する部分断面図である図２（ａ）を参照しながら、このセルの詳細について説明する。図２（ａ）は、代表的な１組の隣り合う発電素子部Ａ、Ａのそれぞれの構成（の一部）、並びに、発電素子部Ａ、Ａ間の構成を示す部分断面図である。その他の組の隣り合う発電素子部Ａ、Ａ間の構成も、図２（ａ）に示す構成と同様である。

セルの内部には、複数のガス流路１１が長さ方向に延設して形成されており、両側に多孔質の燃料極集電層２１、多孔質の燃料極活性層２２、緻密質の固体電解質層４１および多孔質の酸素極層６０が積層されてなる複数の発電素子部Ａを、長さ方向に所定間隔をおいて複数有している。複数のガス流路１１は、長さ方向に延びる複数の絶縁性で多孔質の流路形成部材２５で幅方向に仕切られて構成され、燃料極集電層２１がガス流路１１内に露出している。さらに、幅方向における発電素子部Ａの燃料極集電層２１の外面、および幅方向の両端における流路形成部材２５の外面が、緻密質なガスシール層４０で覆われている。

すなわち、ガス流路１１は、図２の上側に位置する発電素子部Ａおよび下側に位置する発電素子部Ａのそれぞれの燃料極集電層２１の間に、長さ方向に延びる棒状の多孔質で横断面が矩形状の絶縁性の流路形成部材２５を幅方向に所定間隔をおいて配置して構成されており、これらの流路形成部材２５の上下面が、発電素子部Ａの燃料極集電層２１のガス流路１１側の面に接合している。言い換えれば、ガス流路１１が、上下の発電素子部Ａの燃料極集電層２１と、対向する一対の流路形成部材２５とで囲まれて構成されている。

なお、長さ方向に隣接する発電素子部Ａ、Ａ間は、それぞれの燃料極集電層２１間が絶縁層２９により絶縁されており、この絶縁層２９も、ガス流路１１内に露出している。

ガス流路１１を流れる燃料ガスは、絶縁層２９内、流路形成部材２５内、燃料極集電層２１内および燃料極活性層２２内を流通可能とされている。絶縁層２９については、燃料ガスが流通できなくても良い。

流路形成部材２５および燃料極集電層２１の幅方向（ｙ軸方向）の両外面、言い換えれば、ガス流路１１に沿って形成された対向するセルの側面（流路形成部材２５および燃料極集電層２１）は、緻密質なガスシール層４０で覆われており、また、流路形成部材２５
、燃料極集電層２１、燃料極活性層２２および絶縁層２９の厚さ方向（ｚ軸方向）の外面は、緻密質の固体電解質層４１および緻密質なインターコネクタ３０で覆われている。これにより、ガス流路１１を流れる燃料ガスが、セルの幅方向の外面および厚さ方向の外面から、漏出しないように構成されている。なお、図２では、発電素子部Ａ、Ａはインターコネクタ３０を含んで構成されている。

流路形成部材２５、絶縁層２９は、電子伝導性を有さない（絶縁性）多孔質の材料からなる焼成体である。本形態では、燃料極集電層２１の主面における複数の箇所に、それぞれ凹部２１ａが形成されており、各凹部２１ａは、底壁と側壁（長さ方向に沿う２つの側壁と幅方向に沿う２つの側壁）と、で画定された直方体状の窪みである。

流路形成部材２５、絶縁層２９は、遷移金属酸化物又は遷移金属と、絶縁性セラミックスとを含んで構成され得る。遷移金属酸化物又は遷移金属としては、ＮｉＯ（酸化ニッケル）又はＮｉ（ニッケル）が好適である。遷移金属は、燃料ガスの改質反応を促す触媒（炭化水素系のガスの改質触媒）として機能し得る。

また、絶縁性セラミックスとしては、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）、又は、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４（マグネシアアルミナスピネル）とＭｇＯ（酸化マグネシウム）との混合物が好適である。また、絶縁性セラミックスとして、ＣＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）、ＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）、Ｙ_２Ｏ_３（イットリア）が使用されてもよい。

このように、流路形成部材２５、絶縁層２９が遷移金属酸化物又は遷移金属を含むことによって、改質前の残存ガス成分を含んだガスが燃料ガス流路１１から燃料極活性層２２に供給される過程において、上記触媒作用によって改質前の残存ガス成分の改質を促すことができる。加えて、流路形成部材２５、絶縁層２９が絶縁性セラミックスを含むことによって、長さ方向に隣接する発電素子部Ａ、Ａ間、および対向する上下の発電素子部Ａ、Ａ間の絶縁性を確保することができる。

以下、この構造体の形状が上下対称となっていることを考慮し、説明の簡便化のため、ガス流路１１の上方側の構成についてのみ説明していく。ガス流路１１の上方側の構成についても同様である。

図２に示すように、燃料極集電層２１の上面（上側の主面）に形成された各凹部２１ａ内には、燃料極活性層２２の全体が埋設（充填）され、燃料極活性層２２の上面に固体電解質層４１が積層されている。燃料極集電層２１と燃料極活性層２２とにより燃料極層２０が構成される。燃料極層２０（燃料極集電層２１＋燃料極活性層２２）は、電子伝導性を有する多孔質の材料からなる焼成体である。各燃料極活性層２２の幅方向および長さ方向に沿う４つの側面は燃料極集電層２１と接触している。

各燃料極集電層２１の上面（外側面）における凹部２１ａを除いた部分には、凹部２１ｂが形成されており、各凹部２１ｂは、底壁と、周方向に閉じた側壁と、で画定された直方体状の窪みである。なお、図１（ｂ）では、凹部２１ａ内の燃料極活性層２２に固体電解質層４１が積層されることになる。

各凹部２１ｂには、インターコネクタ３０が埋設（充填）されている。従って、各インターコネクタ３０は直方体状を呈している。インターコネクタ３０は、電子伝導性を有する緻密な材料からなる焼成体である。各インターコネクタ３０の幅方向および長さ方向に沿う４つの側面は、燃料極集電層２１と接触している。

燃料極活性層２２、絶縁層２９、インターコネクタ３０、燃料極集電層２１の一部の上面が同じ高さ位置にあり、平坦面となっており、この平坦面に固体電解質層４１が形成されている。燃料極２０と酸素極層６０とで挟まれた部分が発電に寄与する固体電解質層４１の部分であり、その他の部分は、固体電解質材料からなる必要はない。この場合、固体電解質材料でない部分は、ガスシール層となる。

燃料極活性層２２は、例えば、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）とから構成され得る。あるいは、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＧＤＣ（ガドリニウムドープセリア）とから構成されてもよい。燃料極集電層２１は、例えば、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）とから構成され得る。あるいは、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹ_２Ｏ_３（イットリア）とから構成されてもよいし、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＣＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）とから構成されてもよい。燃料極活性層２２の厚さは、５〜３０μｍであり、燃料極集電層２１の厚さは、５０〜５００μｍである。

このように、燃料極集電層２１は、電子伝導性を有する物質を含んで構成される。燃料極活性層２２は、電子伝導性を有する物質と酸化性イオン（酸素イオン）伝導性を有する物質とを含んで構成される。

インターコネクタ３０は、例えば、ＬａＣｒＯ_３（ランタンクロマイト）から構成され得る。あるいは、（Ｓｒ，Ｌａ）ＴｉＯ_３（ストロンチウムチタネート）から構成されてもよい。インターコネクタ３０の厚さは、１０〜１００μｍである。

セルの長さ方向に延びる主面において、複数のインターコネクタ３０の長さ方向および幅方向中央部を除いた部分は、固体電解質層４１により覆われている。固体電解質層４１は、イオン伝導性を有し且つ電子伝導性を有さない緻密な材料からなる焼成体である。固体電解質層４１は、例えば、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）から構成され得る。あるいは、ＬＳＧＭ（ランタンガレート）から構成されてもよい。固体電解質層４１の厚さは、３〜５０μｍである。

ガスシール層４０は、電気絶縁性の緻密な材料からなる焼成体である。ガスシール層４０は、例えば、絶縁性セラミックスを主体としており、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）、ＭｇＡl_２Ｏ_４（マグネシアスピネル）が好適である。またＣＳＺ、ＹＳＺ、Ｙ_２Ｏ_３（イ
ットリア）、ＴｉＯ_２などが使用されてもよい。厚さは、２０〜１００μｍが望ましく、固体電解質層４１の厚さよりも厚く形成されている。ガスシール層４０は、固体電解質層４１を構成する固体電解質材料で構成することができ、この場合には、固体電解質層４１とガスシール層４０を同時に容易に形成できる。

すなわち、セルの上下面（主面）の長さ方向に延びる外面は、インターコネクタ３０と、固体電解質層４１とからなる緻密層により覆われ、セルの長さ方向に延びる側面の外面は、ガスシール層４０からなる緻密層により覆われている。これらの緻密層により、緻密層の内側の空間を流れる燃料ガスと緻密層の外側の空間を流れる空気との混合を防止できる。

言い換えれば、図２に示すように、セルの上下面（主面）では、固体電解質層４１が、発電素子部Ａの燃料極活性層２２のみならず、インターコネクタ３０の上面における長さ方向および幅方向の両側端部、および絶縁層２９、燃料極集電層２１の一部の上面を覆っている。ここで、上述したように、燃料極活性層２２の上面とインターコネクタ３０の上面と絶縁層２９、燃料極集電層２１の一部の上面との間で段差が形成されていない。従って、固体電解質層４１が平坦化されている。この結果、固体電解質層４１に段差が形成さ
れる場合に比して、応力集中に起因する固体電解質層４１でのクラックの発生が抑制され得、固体電解質層４１が有するガスシール機能の低下が抑制され得る。

また、セルの側面には、固体電解質層４１とは別個にガスシール層４０を設けたので、固体電解質層４１、ガスシール層４０の厚みをそれぞれ別個に制御することができ、固体電解質層４１の厚みを薄く、ガスシール層４０の厚みを厚くでき、発電性能を向上できるとともに、ガスシール層４０によるガスシール性を向上できる。なお、図２（ｂ）では、ガスシール層４０を固体電解質層４１と同じ材料で形成した場合について記載した。

また、固体電解質層４１の上面には、図示しない反応防止膜を介して酸素極層６０が形成されている。反応防止膜は、緻密な材料からなる焼成体であり、酸素極層６０は、電子伝導性を有する多孔質の材料からなる焼成体である。反応防止膜および酸素極層６０を上方からみた形状は、燃料極活性層２２と略同一の長方形である。

反応防止膜は、例えば、ＧＤＣ＝（Ｃｅ，Ｇｄ）Ｏ_２（ガドリニウムドープセリア）から構成され得る。反応防止膜の厚さは、３〜５０μｍである。酸素極層６０は、例えば、ＬＳＣＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ_３（ランタンストロンチウムコバルトフェライト）から構成され得る。あるいは、ＬＳＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＦｅＯ_３（ランタンストロンチウムフェライト）、ＬＮＦ＝Ｌａ（Ｎｉ，Ｆｅ）Ｏ_３（ランタンニッケルフェライト）、ＬＳＣ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３（ランタンストロンチウムコバルタイト）、ＣｅＯ_２（セリア）等から構成されてもよい。また、酸素極層６０は、ＬＳＣＦからなる第１層（内側層）とＬＳＣからなる第２層（外側層）との２層によって構成されてもよい。酸素極層６０の厚さは、１０〜１００μｍである。

なお、反応防止膜が介装されるのは、セル作製時又は作動中のセル内において固体電解質層４１内のＹＳＺと酸素極層６０内のＳｒとが反応して固体電解質層４１と酸素極層６０との界面に電気抵抗が大きい反応層が形成される現象の発生を抑制するためである。

ここで、燃料極集電層２１、燃料極活性層２２と、固体電解質層４１と、インターコネクタ３０と、酸素極層６０とが積層されてなる積層体が、「発電素子部Ａ」に対応する（図２を参照）。すなわち、セルは、複数（本形態では、４つ）の発電素子部Ａが、長さ方向において所定の間隔をおいて配置されている。

隣り合う発電素子部Ａ、Ａについて、他方の（図２（ａ）では、左側の）発電素子部Ａの酸素極層６０と、一方の（図２（ａ）では、右側の）発電素子部Ａのインターコネクタ３０とを跨ぐように、酸素極層６０、固体電解質層４１およびインターコネクタ３０の上面に、酸素極集電膜７０が形成されている。酸素極集電膜７０は、電子伝導性を有する多孔質の材料からなる焼成体である。酸素極集電膜７０を上方からみた形状は、長方形である。

酸素極集電膜７０は、例えば、ＬＳＣＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ_３（ランタンストロンチウムコバルトフェライト）から構成され得る。あるいは、ＬＳＣ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３（ランタンストロンチウムコバルタイト）から構成されてもよい。あるいは、Ａｇ（銀）、Ａｇ−Ｐｄ（銀パラジウム合金）から構成されてもよい。酸素極集電膜７０の厚さは、５０〜５００μｍである。

このように各酸素極集電膜７０が形成されることにより、隣り合う発電素子部Ａ、Ａについて、他方の（図２（ａ）では、左側の）発電素子部Ａの酸素極層６０と、一方の（図２（ａ）では、右側の）発電素子部Ａの燃料極層２０（特に、燃料極集電層２１）とが、電子伝導性を有する酸素極集電膜７０およびインターコネクタ３０を介して電気的に接続
される。

この結果、４つの発電素子部Ａが電気的に直列に接続される。ここで、電子伝導性を有する酸素極集電膜７０およびインターコネクタ３０が、電気的接続部に対応する。

なお、インターコネクタ３０の気孔率は１０％以下であり、酸素極集電膜７０の気孔率は２０〜６０％である。

以上、説明した横縞型のセルに対して、図３に示すように、ガス流路１１内に燃料ガス（水素ガス等）を流すとともに、セルの上下面（特に、各酸素極集電膜７０）を酸素を含むガス（空気等）に曝すことにより、固体電解質層４１の両側面間に生じる酸素分圧差によって起電力が発生する。更に、この構造体を外部の負荷に接続すると、下記（１）、（２）式に示す化学反応が起こり、電流が流れる(発電状態)。

（１／２）・Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２−（於：酸素極層６０） …（１）
Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻
（於：燃料極層２０） …（２）
発電状態においては、図２（ａ）に示すように、隣り合う発電素子部Ａ、Ａについて、電流が、矢印で示すように流れる。この結果、セル全体から（具体的には、図３において最も手前側の発電素子部Ａのインターコネクタ３０と最も奥側の発電素子部Ａの酸素極層６０とを介して）電力が取り出される。

（製造方法）
次に、図１、２に示したセルの製造方法の一例について図４〜図５を参照しながら簡単に説明する。図４〜図５において、各部材の符号の末尾の「ｇ」は、その部材が「焼成前」であることを表す。

具体的には、図４（ａ）に示すように、樹脂フィルムからなる支持シート５２上に、燃料極活性層（例えば、ＮｉＯ＋ＹＳＺ）の成形体２２ｇ、インターコネクタ（例えば、ＬａＣｒＯ_３）の成形体３０ｇ、燃料極集電層の成形体２１ｇ、絶縁層（例えば、ＮｉＯ＋ＭｇＯ＋ＭｇＡｌ_２Ｏ_４）の成形体２９ｇを形成する。

先ず、支持シート５２上に、燃料極活性層の成形体２２ｇ、インターコネクタの成形体３０ｇを形成するためのスラリーを印刷法等を利用して形成する。この後、例えば、絶縁層２９の成形体２９ｇを形成する位置にマスクを配置し、燃料極集電層２１のスラリーを塗布し、マスクを除去して、マスクが形成されていた部分に、絶縁層２９のスラリーを塗布して、図４（ａ）に示す成形体を形成する。図４（ａ−１）に、図４（ａ）における４ａ−１断面における断面図を、図４（ａ−２）に、図４（ａ）における４ａ−２断面における断面図を示す。

この後、図４（ｂ）に示すように、図４（ａ）の成形体間に、流路形成部材２５の成形体２５ｇを、この成形体２５ｇ側に燃料極集電層の成形体２１ｇが当接するように積層し、図４（ｃ）に示すような積層体を得、この後、支持シート５２を剥離し、図５（ｄ）に示すような積層成形体を得る（転写法）。図５（ｄ−１）に、図５（ｄ）の５ｄ−１断面における断面図を示す。

この後、図５（ｅ）に示すように、固体電解質層（例えば、ＹＳＺ）の成形体４１ｇ、ガスシール層（例えば、ＮｉＯ＋ＭｇＯ＋ＭｇＡｌ_２Ｏ_４）の成形体４０ｇを形成し、例えば、空気中にて１５００℃で３時間焼成する。これにより、図１、２に示したセルにおいて酸素極層６０および酸素極集電膜７０が形成されていない状態の構造体を得る。図５
（ｅ−１）に、図５（ｅ）の５ｅ−１断面における断面図を示す。

次に、固体電解質層４１の外側面に、酸素極層の成形膜を形成する。各酸素極層の成形膜は、例えば、酸素極層６０の材料（例えば、ＬＳＣＦ）の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法等を利用して形成する。

次に、隣り合う発電素子部Ａについて、他方の発電素子部Ａの酸素極層６０の成形膜と、一方の発電素子部Ａのインターコネクタ３０とを跨ぐように、酸素極集電膜の成形膜を形成する。各酸素極集電膜の成形膜は、例えば、酸素極集電膜７０の材料（例えば、ＬＳＣＦ）の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法等を利用して形成する。

そして、このように成形膜が形成された状態で、例えば、空気中にて１０５０℃で３時間焼成する。これにより、図１、２に示したセルを得る。

（作用・効果）
上記形態のセルでは、発電素子部Ａの燃料極集電層２１が、ガス流路１１内に露出しているので、ガス流路１１から固体電解質層４１までの距離を短くでき、これにより、燃料ガスを固体電解質層４１近傍まで容易に大量に供給することができ、発電性能を向上できる。すなわち、従来、ガス流路を有する絶縁性支持体の上面に発電素子部を設けていたため、ガス流路には絶縁性支持体が露出しており、ガス流路を流れるガスは、先ず絶縁性支持体を通過し、この後、発電素子部の燃料極集電層、燃料極活性層、固体電解質層へと流れるため、ガス流路から固体電解質層までの距離が長く、発電性能が低いが、本形態では、ガス流路から固体電解質層４１までの距離を短くできるため、発電性能を向上できる。さらに、従来のようなガス流路を有する絶縁性支持体が必要ないため、薄いセルを作製できる。

さらに、固体電解質層４１の厚みを薄くすると同時に、ガスシール層４０の厚みを厚くすることができ、発電性能を向上できるとともに、ガスシール性能を向上できる。なお、ガスシール層４０の構成材料は、固体電解質層４１の構成材料と同じにでき、この場合には、ガスシール層４０と固体電解質層４１とを同時にかつ容易に形成できる。

図６は、セルの他の形態を示すもので、この形態では、幅方向における燃料極活性層２２の両側の外面が、緻密質なガスシール層４０で覆われている。

すなわち、本形態では、幅方向の両端に位置する流路形成部材２５の外面、上下に位置する発電素子部Ａの燃料極集電層２１および燃料極活性層２２における幅方向の両側の外面にガスシール層４０が接合している。

言い換えれば、図２のセルでは、燃料極集電層２１の４つの側面が燃料極集電材料である凹部内に、燃料極活性層２２が埋設収容されており、燃料極活性層２２の幅方向の両側の外面は、燃料極集電材料を介してガスシール層４０に接合しており、直接には接合していないが、本形態では、長さ方向における燃料極集電層２１の２つの側面のみが燃料極集電材料である凹部内に燃料極活性層２２が収容されており、燃料極活性層２２の幅方向の両側の外面が、ガスシール層４０に直接接合している。

このようなセルでは、燃料極活性層２２の面積が大きくなるので、発電性能を向上できる。

図７は、セルの他の形態を示すもので、この形態では、図６の形態とは、インターコネ
クタ３０の幅方向の外面にガスシール層４０が接合している点で異なる。

言い換えれば、長さ方向における燃料極集電層２１の２つの側面のみが燃料極集電材料である凹部内に、インターコネクタ３０、燃料極活性層２２がそれぞれ収容されており、インターコネクタ３０、燃料極活性層２２の幅方向の外面は、ガスシール層４０に直接接合している。

このようなセルでは、燃料極活性層２２の面積が大きくなるので、発電性能を向上でき、また、インターコネクタ３０の面積を大きくできるため、発電素子部Ａからの発電電流を効率良く引き出すことができ、発電性能を向上できる。

なお、図６、７は、燃料極集電層２１と、流路形成部材２５とでガス流路を形成したが、従来のようなガス流路を有する絶縁性支持体の凹部内に燃料極集電層２１を形成した場合であっても、発電面積を増加できるため、発電性能を向上できる。

そして、上述したセルの複数個を、発電素子Ａが対向するように所定間隔をおいて配置し、集電部材を介して電気的に直列に接続してセルスタックが構成される。すなわち、第１のセルのインターコネクタと、第２のセルの発電素子の酸素極集電層が集電部材で接続され、セルスタックが構成される。このセルスタックの一方側の端部はガスタンクに接続されてセルスタック装置が構成され、ガスタンクから燃料ガスがセルのガス流路に流れるように構成される。

燃料電池モジュールは、上記のセルスタック装置を収納容器内に収納して構成される。このような燃料電池モジュールは、例えば、外装ケース内に収容され、また、燃料電池モジュールを作動させるための補機類も外装ケース内に収納され、燃料電池装置が構成される。

なお、本発明は上記実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、各層間に種々の中間層を形成しても良い。

また、上記実施形態においては、セルの上下面のそれぞれに複数の発電素子部Ａが設けられているが、片側面のみに複数の発電素子部Ａが設けられていてもよい。

１１・・・ガス流路
２０・・・燃料極層
２１・・・燃料極集電層
２２・・・燃料極活性層
２５・・・流路形成部材
３０・・・インターコネクタ
４０・・・ガスシール層
４１・・・固体電解質層
６０・・・酸素極層
Ａ・・・発電素子

Claims

複数のガス流路を内部に長さ方向に有する中空平板状の横縞型固体酸化物形燃料電池セルであって、燃料極集電層、燃料極活性層、固体電解質層および酸素極層が積層されてなる複数の発電素子部を、前記長さ方向に所定間隔をおいて複数有し、前記長さ方向と直交する幅方向の側面がガスシール層により被覆されており、前記燃料極集電層が、前記ガス流路内に露出していることを特徴とする横縞型固体酸化物形燃料電池セル。
前記複数の発電素子部が前記ガス流路を介して対向して配置されており、前記複数のガス流路が、前記長さ方向に延び前記幅方向に所定間隔をおいて配置された複数の流路形成部材と、対向して配置された前記発電素子部の前記燃料極集電層とで囲まれて構成されていることを特徴とする請求項１に記載の横縞型固体酸化物形燃料電池セル。
前記発電素子部の前記幅方向における燃料極集電層の両外面、および前記幅方向の両端に位置する前記流路形成部材の外面が、前記ガスシール層で被覆されていることを特徴とする請求項２に記載の横縞型固体酸化物形燃料電池セル。
前記発電素子部の前記幅方向における燃料極活性層の両外面が、前記ガスシール層で被覆されていることを特徴とする請求項３に記載の横縞型固体酸化物形燃料電池セル。