JP6427652B2

JP6427652B2 - 燃料電池セル

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Publication number: JP6427652B2
Application number: JP2017235787A
Authority: JP
Inventors: 法子児玉; 鈴木　憲次; 憲次鈴木; 誠大森
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2016-12-09
Filing date: 2017-12-08
Publication date: 2018-11-21
Anticipated expiration: 2037-12-08
Also published as: JP2018098201A

Description

本発明は、燃料電池セルに関するものである。

燃料電池セルは、支持基板と、複数の発電素子部と、インターコネクタと、を有している。各発電素子部は、支持基板上において、互いに間隔をあけて配置されている。各発電素子部は、燃料極、電解質、及び空気極を有している。燃料極は、燃料極活性部、及び燃料極集電部を有している。空気極は、空気極活性部、及び空気極集電部を有している。

インターコネクタは、隣り合う発電素子部の間に配置されており、隣り合う発電素子部を電気的に接合している。具体的には、一方の発電素子部の空気極集電部、及び他方の発電素子部の燃料極集電部がインターコネクタまで延びている。

特開２０１５−７６３３９号公報

上述した燃料電池セルにおいて、空気極が電解質の外側に配置される場合、空気極集電部のインターコネクタと接触する部分においてクラックが発生することがあった。また、燃料極が電解質の外側に配置される場合は、燃料極集電部のインターコネクタと接触する部分においてクラックが発生することがあった。

本発明の課題は、外側電極において外側電極集電部のクラックを抑制することにある。

本発明のある側面に係る燃料電池セルは、支持基板と、第１発電素子部と、第２発電素子部と、インターコネクタと、を備えている。支持基板は、内部にガス流路を有する。第１発電素子部は、第１内側電極、第1電解質、及び第1外側電極を有する。第１発電素子部は支持基板に支持される。第２発電素子部は、第２内側電極、第２電解質、及び第２外側電極を有する。第２発電素子部は、第１発電素子部と間隔をあけて支持基板に支持される。インターコネクタは、第１発電素子部と第２発電素子部との間に配置される。インターコネクタは、第１発電素子部と第２発電素子部とを電気的に接続する。第１外側電極は、第１外側電極活性部と、第１外側電極集電部と、を有する。第１外側電極集電部は、第１外側電極活性部から第２発電素子部に向かって延びて、インターコネクタと接触する。第２内側電極は、第２内側電極活性部と、第２内側電極集電部と、を有する。第２内側電極集電部は、第２内側電極活性部から第１発電素子部に向かって延びて、インターコネクタと接触する。第１外側電極集電部におけるインターコネクタと接触する部分の厚さは、第２発電素子部に近付くにつれて漸減する。

本発明者は、インターコネクタと第１外側電極集電部との熱膨張率の違いで、第１外側電極集電部のインターコネクタと接触する部分に応力が生じ、その結果、クラックが発生していることを見出した。そこで、本発明に係る燃料電池セルでは、第１外側電極集電部のインターコネクタと接触する部分の厚さを、第２発電素子部に近付くにつれて漸減させた。この構成によれば、この第１外側電極集電部のインターコネクタと接触する部分において応力の集中が緩和されるため、クラックの発生が抑制される。

好ましくは、第１接触部分の厚さの勾配は、０．００５〜０．５である。

好ましくは、第２内側電極集電部におけるインターコネクタと接触する部分の厚さは、第１発電素子部に近付くにつれて漸減する。この構成によれば、インターコネクタにおいて電流の集中を抑制することができる。詳細には、第１外側電極集電部のインターコネクタと接触する部分の厚さは、第２発電素子部に近付くにつれて漸減している。このため、第１外側電極集電部との関係からは、インターコネクタにおいて電流は第１発電素子部側に集中して流れ易くなる。これに対して、第２内側電極集電部におけるインターコネクタと接触する部分は、第１発電素子部に近付くにつれて漸減している。このため、第２内側電極集電部との関係からは、インターコネクタにおいて電流は第２発電素子部側に集中して流れ易くなる。この結果、インターコネクタにおいて、電流が第１発電素子部又は第２発電素子部側に集中して流れることを抑制することができる。

好ましくは、第２内側電極集電部は、インターコネクタと接触する第１主面と、第１主面と反対側の第２主面と、を有する。第２内側電極集電部の第２接触部分における第２主面は、第１発電素子部に近付くにつれてインターコネクタに近付くように傾斜する。

好ましくは、第２接触部分の厚さの勾配は、０．００５〜０．５である。

好ましくは、第１外側電極集電部におけるインターコネクタと接触する部分の中央部の厚さは、第１外側電極集電部における第１外側電極活性部と接触する部分の中央部の厚さよりも薄い。この構成によれば、第１外側電極集電部は、第１外側電極活性部から十分に集電することができ、且つ、インターコネクタ上において、インターコネクタの還元膨張に追従しやすくなる。

本発明によれば、外側電極において外側電極集電部のクラックを抑制することができる。

燃料電池スタックの斜視図。燃料電池スタックの断面図。燃料マニホールドの斜視図。燃料電池セルの斜視図。燃料電池セルの断面図。燃料電池セルの断面図。燃料電池セルの断面図。燃料電池セルと燃料マニホールドとの接合を示す図。空気の供給方法を示す図。燃料電池セル内を流れる電流を示す図。燃料電池セルの製造方法を示す図。燃料電池セルの製造方法を示す図。燃料電池セルの製造方法を示す図。燃料電池セルの製造方法を示す図。燃料電池セルの製造方法を示す図。燃料電池セルの製造方法を示す図。燃料電池セルの製造方法を示す図。

以下、本発明に係る燃料電池セルを用いた燃料電池スタックの実施形態について図面を参照しつつ説明する。

図１及び図２に示すように、燃料電池スタック１００は、燃料マニホールド２００と、複数の燃料電池セル３０１と、を備えている。

［燃料マニホールド］
図３に示すように、燃料マニホールド２００は、燃料ガスを各燃料電池セル３０１に分配するように構成されている。燃料マニホールド２００は、中空状であり、内部空間を有している。燃料マニホールド２００の内部空間には、導入管２０１を介して燃料ガスが供給される。燃料マニホールド２００は、互いに間隔をあけて並ぶ複数の貫通孔２０２を有している。各貫通孔２０２は、燃料マニホールド２００の天板２０３に形成されている。各貫通孔２０２は、燃料マニホールド２００の内部空間と外部とを連通する。

［燃料電池セル］
図２に示すように、各燃料電池セル３０１は、燃料マニホールド２００から延びている。詳細には、各燃料電池セル３０１は、燃料マニホールド２００の天板２０３から上方（ｘ軸方向）に延びている。すなわち、各燃料電池セル３０１の長手方向（ｘ軸方向）は、上方に延びている。図４及び図５に示すように、燃料電池セル３０１は、複数の発電素子部１０と、支持基板２０と、複数のインターコネクタ３１と、を備えている。

［支持基板］
支持基板２０は、支持基板２０の長手方向（ｘ軸方向）に沿って延びる複数のガス流路２１を内部に有している。各ガス流路２１は、支持基板２０の基端側から先端側に向かって延びている。各ガス流路２１は、互いに実質的に平行に延びている。なお、基端側とは、ガス流路のガス供給側を意味する。具体的には、燃料マニホールド２００に燃料電池セル３０１を取り付けた場合において、その燃料マニホールド２００に近い側を意味する。また、先端側とは、ガス流路のガス供給側とは反対側を意味する。具体的には、燃料電池セル３０１を燃料マニホールド２００に取り付けた場合において、その燃料マニホールド２００から遠い側を意味する。例えば、本実施形態の図２では、下側が基端側であり、上側が先端側となる。

図５に示すように、支持基板２０は、複数の第１凹部２２を有している。各第１凹部２２は、支持基板２０の一対の主面２３に形成されている。各第１凹部２２は支持基板２０の長手方向において互いに間隔をあけて配置されている。なお、各第１凹部２２は、支持基板２０の幅方向（ｙ軸方向）の両端部には形成されていない。

支持基板２０は、電子伝導性を有さない多孔質の材料によって構成される。支持基板２０は、例えば、ＣＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）から構成され得る。或いは、支持基板２０は、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）とから構成されてもよいし、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、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）とＭｇＡｌ_２Ｏ_４（マグネシアアルミナスピネル）とから構成されてもよい。支持基板２０の気孔率は、例えば、２０〜６０％程度である。

［発電素子部］
各発電素子部１０は、支持基板２０の各主面２３に支持されている。なお、各発電素子部１０は、支持基板２０の一方の主面２３のみに支持されていてもよい。各発電素子部１０は、支持基板２０の長手方向において、互いに間隔をあけて配置されている。すなわち、本実施形態に係る燃料電池セル３０１は、いわゆる横縞型の燃料電池セルである。長手方向に隣り合う発電素子部１０は、インターコネクタ３１によって互いに電気的に接続されている。

各発電素子部１０は、燃料極４（内側電極の一例）、電解質５、及び空気極６（外側電極の一例）を有している。支持基板２０上に、支持基板２０側から、燃料極４，電解質５，空気極６の順で支持されている。また、各発電素子部１０は、反応防止膜７をさらに有している。

図６に示すように、各発電素子部１０のうち、ある隣り合う一対の発電素子部１０をそれぞれ、第１発電素子部１０ａ、第２発電素子部１０ｂとする。そして、第１発電素子部１０ａの燃料極４、電解質５、及び空気極６を、第１燃料極４ａ、第１電解質５ａ、及び第１空気極６ａとする。また、第２発電素子部１０ｂの燃料極４、電解質５、及び空気極６を、それぞれ第２燃料極４ｂ、第２電解質５ｂ、及び第２空気極６ｂとする。なお、第１発電素子部１０ａと第２発電素子部１０ｂとは、構成が同じである。

［燃料極］
図５に示すように、燃料極４は、電子伝導性を有する多孔質の材料から構成される焼成体である。燃料極４は、燃料極集電部４１（内側電極集電部の一例）と、燃料極活性部４２（内側電極活性部の一例）とを有する。

［燃料極集電部］
燃料極集電部４１は、第１凹部２２内に配置されている。詳細には、燃料極集電部４１は、第１凹部２２内に充填されており、第１凹部２２と同様の外形を有する。燃料極集電部４１は、第２凹部４１１及び第３凹部４１２を有している。第２凹部４１１内には、燃料極活性部４２が配置されている。また、第３凹部４１２には、インターコネクタ３１が配置されている。

燃料極集電部４１は、電子伝導性を有する。燃料極集電部４１は、燃料極活性部４２よりも高い電子伝導性を有していることが好ましい。燃料極集電部４１は、酸素イオン伝導性を有していてもよいし、有していなくてもよい。

燃料極集電部４１は、例えば、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）とから構成され得る。或いは、燃料極集電部４１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。燃料極集電部４１の厚さ、及び第１凹部２２の深さは、５０〜５００μｍ程度である。

［燃料極活性部］
燃料極活性部４２は、酸素イオン伝導性を有するとともに、電子伝導性を有する。燃料極活性部４２は、燃料極集電部４１よりも酸素イオン伝導性を有する物質の含有率が大きい。詳細には、燃料極活性部４２における、気孔部分を除いた全体積に対する酸素イオン伝導性を有する物質の体積割合は、燃料極集電部４１における、気孔部分を除いた全体積に対する酸素イオン伝導性を有する物質の体積割合よりも大きい。

燃料極活性部４２は、例えば、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）とから構成され得る。或いは、燃料極活性部４２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。燃料極活性部４２の厚さは、５〜３０μｍである。

［電解質］
電解質５は、燃料極４上を覆うように配置されている。詳細には、電解質５は、あるインターコネクタ３１から隣のインターコネクタ３１まで長手方向に延びている。すなわち、支持基板２０の長手方向（ｘ軸方向）において、電解質５とインターコネクタ３１とが交互に連続して配置されている。電解質５は、支持基板２０の各主面２３を覆うように構成されている。

電解質５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構成される焼成体である。電解質５は、例えば、ＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）から構成され得る。或いは、電解質５は、ＬＳＧＭ（ランタンガレート）から構成されてもよい。電解質５の厚さは、例えば、３〜５０μｍ程度である。

［反応防止膜］
反応防止膜７は、緻密な材料から構成される焼成体である。反応防止膜７は、電解質５と空気極活性部６１との間に配置されている。反応防止膜７は、電解質５内のＹＳＺと空気極６内のＳｒとが反応して電解質５と空気極６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に設けられている。

反応防止膜７は、希土類元素を含むセリアを含んだ材料から構成されている。反応防止膜７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７の厚さは、例えば、３〜５０μｍ程度である。

［空気極］
空気極６は、電子伝導性を有する多孔質の材料から構成される焼成体である。空気極６は、電解質５を基準にして、燃料極４と反対側に配置されている。空気極６は、空気極活性部６１と空気極集電部６２とを有している。

［空気極活性部］
空気極活性部６１は、反応防止膜７上に配置されている。空気極活性部６１は、酸素イオン伝導性を有するとともに、電子伝導性を有する。空気極活性部６１は、空気極集電部６２よりも酸素イオン伝導性を有する物質の含有率が大きい。詳細には、空気極活性部６１における、気孔部分を除いた全体積に対する酸素イオン伝導性を有する物質の体積割合は、空気極集電部６２における、気孔部分を除いた全体積に対する酸素イオン伝導性を有する物質の体積割合よりも大きい。

空気極活性部６１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。或いは、空気極活性部６１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）、又は、ＬＳＣ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３（ランタンストロンチウムコバルタイト）等から構成されてもよい。空気極活性部６１は、ＬＳＣＦから構成される第１層（内側層）とＬＳＣから構成される第２層（外側層）との２層によって構成されてもよい。空気極活性部６１の厚さは、例えば、１０〜１００μｍである。

［空気極集電部］
空気極集電部６２は、空気極活性部６１上に配置されている。また、空気極集電部６２は、空気極活性部６１から、隣の発電素子部１０に向かって延びている。なお、燃料極集電部４１と空気極集電部６２とは、発電領域から互いに反対側に延びている。なお、発電領域とは、燃料極活性部４２と電解質５と空気極活性部６１とが重複する領域である。

空気極集電部６２は、電子伝導性を有する多孔質の材料から構成される焼成体である。空気極集電部６２は、空気極活性部６１よりも高い電子伝導性を有していることが好ましい。空気極集電部６２は、酸素イオン伝導性を有していてもよいし、有していなくてもよい。

空気極集電部６２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。或いは、空気極集電部６２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。或いは、空気極集電部６２は、Ａｇ（銀）、Ａｇ−Ｐｄ（銀パラジウム合金）から構成されてもよい。空気極集電部６２の厚さは、例えば、５０〜５００μｍ程度である。

［インターコネクタ、及びインターコネクタ周辺の構造］
図６に示すように、インターコネクタ３１は、支持基板２０の長手方向（ｘ軸方向）に隣り合う発電素子部１０を電気的に接続するように構成されている。すなわち、インターコネクタ３１は、第１発電素子部１０ａと第２発電素子部１０ｂとの間に配置され、第１発電素子部１０ａと第２発電素子部１０ｂとを電気的に接続している。

詳細には、第１発電素子部１０ａの第１空気極集電部６２ａは、第１空気極活性部６１ａから第２発電素子部１０ｂに向かって延びている。そして、第１空気極集電部６２ａは、インターコネクタ３１と接触している。また、第２発電素子部１０ｂの第２燃料極集電部４１ｂは、第２燃料極活性部４２ｂから第１発電素子部１０ａに向かって延びている。そして、第２燃料極集電部４１ｂは、インターコネクタ３１と接触している。

インターコネクタ３１は、第１発電素子部１０ａの第１空気極集電部６２ａと、第２発電素子部１０ｂの第２燃料極集電部４１ｂとを電気的に接続している。インターコネクタ３１は、第２燃料極集電部４１ｂの第３凹部４１２内に配置されている。詳細には、インターコネクタ３１は、第３凹部４１２内に埋設されている。

インターコネクタ３１は、電子伝導性を有する緻密な材料から構成される焼成体である。インターコネクタ３１は、例えば、ＬａＣｒＯ_３（ランタンクロマイト）から構成され得る。或いは、インターコネクタ３１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３１の厚さは、例えば、１０〜１００μｍである。

第１空気極集電部６２ａにおけるインターコネクタ３１と接触する部分６２１ａ（以下、「第１接触部分」と言う）の厚さｔ１は、第２発電素子部１０ｂに近付くにつれて漸減している。なお、第１接触部分６２１ａは、第１空気極集電部６２ａの厚さ方向視（ｚ軸方向視）において、第１空気極集電部６２ａがインターコネクタ３１と重複する部分を言う。また、第１接触部分６２１ａの厚さｔ１は、例えば、支持基板２０の幅方向（ｙ軸方向）の中央部の任意の位置で、支持基板２０の長手方向及び厚さ方向に平行な断面（ｘｚ断面）で測定する。

第１接触部分６２１ａの勾配は、０．００５〜０．５程度とすることが好ましい。なお、第１接触部分６２１ａにおける勾配は、第１接触部分６２１ａの長さＬ１（ｘ軸方向の長さ）に対する、第１接触部分６２１ａの厚さｔ１の変化Δｔ１の割合（Δｔ１／Ｌ１）を意味する。なお、第１接触部分６２１ａの厚さｔ１の変化Δｔ１は、第１接触部分６２１ａの長さ方向（ｘ軸方向）の両端部における厚さｔ１の差を意味する。具体的には、第１接触部分６２１ａの第１発電素子部１０ａ側の端部における厚さｔａ１と第１接触部分６２１ａの第２発電素子部側１０ｂ側の端部における厚さｔｂ１（ｔａ１−ｔｂ１）との差を厚さｔ１の変化Δｔ１とすることができる。

第１空気極集電部６２ａは、燃料電池セル３０１の長手方向（ｘ軸方向）において、インターコネクタ３１の全体を覆っていることが好ましい。すなわち、第１空気極集電部６２ａの先端は、インターコネクタ３１を越えていることが好ましい。

第２燃料極集電部４１ｂにおけるインターコネクタ３１と接触する部分４１１ｂ（以下、「第２接触部分」と言う）の厚さｔ２は、第１発電素子部１０ａに近付くにつれて漸減している。なお、第２接触部分４１１ｂとは、第２燃料極集電部４１ｂの厚さ方向視（ｚ軸方向視）において、第２燃料極集電部４１ｂがインターコネクタ３１と重複する部分を言う。また、第２接触部分４１１ｂの厚さｔ２は、例えば、支持基板２０の幅方向（ｙ軸方向）の中央部の任意の位置で、支持基板２０の長手方向及び厚さ方向に平行な断面（ｘｚ断面）で測定する。

第２燃料極集電部４１ｂは、インターコネクタ３１と接触する第１主面４１３と、第１主面４１３と反対側の第２主面４１４とを有する。第２燃料極集電部４１ｂの第２接触部分４１１ｂにおける第２主面４１４は、第１発電素子部１０ａに近付くにつれてインターコネクタ３１に近付くように傾斜する。

第１接触部分６２１ａの中央部の厚さは、第１空気極集電部６２ａにおける第１空気極活性部６１ａと接触する部分６２２ａ（以下、「第３接触部分」という）の中央部の厚さよりも薄いことが好ましい。なお、第３接触部分６２２ａは、第１空気極集電部６２ａの厚さ方向視（ｚ軸方向視）において、第１空気極集電部６２ａが第１空気極活性部６１ａと重複する部分を言う。また、各中央部の厚さとは、第１空気極集電部６２ａの厚さ方向視（ｚ軸方向視）における各接触部６２１ａ、６２２ａの中央部の厚さを言う。

第２接触部分４１１ｂの勾配は、０．００５〜０．５程度とすることが好ましい。なお、第２接触部分４１１ｂにおける勾配は、第２接触部分４１１ｂの長さＬ２（ｘ軸方向の長さ）に対する、第２接触部分４１１ｂの厚さｔ２の変化Δｔ２の割合（Δｔ２／Ｌ２）を意味する。なお、第２接触部分４１１ｂの厚さｔ２の変化Δｔ２は、第２接触部分４１１ｂの長さ方向（ｘ軸方向）の両端部における厚さｔ２の差を意味する。具体的には、第２接触部分４１１ｂの第１発電素子部１０ａ側の端部における厚さｔａ２と第２接触部分４１１ｂの第２発電素子部側１０ｂ側の端部における厚さｔｂ２（ｔｂ２−ｔａ２）との差を厚さｔ２の変化Δｔ２とすることができる。

第２燃料極集電部４１ｂは、燃料電池セル３０１の長手方向（ｘ軸方向）において、インターコネクタ３１の全体を覆っていることが好ましい。すなわち、第２燃料極集電部４１ｂの先端は、インターコネクタ３１を越えていることが好ましい。

［集電部材］
以上のように構成された燃料電池セル３０１は、隣り合う燃料電池セル３０１と、集電部材３０２によって電気的に接続されている。図２に示すように、集電部材３０２は、一対の燃料電池セル３０１間に配置されている。そして、集電部材３０２は、厚さ方向（ｚ軸方向）において隣り合う燃料電池セル３０１同士を電気的に接続するよう、導電性を有している。詳細には、集電部材３０２は、燃料電池セル３０１の基端側において、隣り合う燃料電池セル３０１同士を接続している。集電部材３０２は、基端側発電素子部１０ｃよりも基端側に配置されている。詳細には、図７に示すように、集電部材３０２は、基端側発電素子部１０ｃから延びる空気極集電部６２上に配置されている。

集電部材３０２は、例えば、直方体状又は円柱状などのようなブロック状である。集電部材３０２は、例えば、酸化物セラミックスの焼成体で構成されている。このような酸化物セラミックスとしては、例えば、ペロブスカイト酸化物、又はスピネル酸化物などが挙げられる。ペロブスカイト酸化物としては、例えば、（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ_３、又は（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ_３等が挙げられる。スピネル酸化物としては、例えば、（Ｍｎ，Ｃｏ）_３Ｏ_４、又は（Ｍｎ，Ｆｅ）_３Ｏ_４等が挙げられる。この集電部材３０２は、例えば、可撓性を有していない。なお、集電部材３０２は、金属板などによって形成されていてもよい。

集電部材３０２は、第１接合材１０１によって、各燃料電池セル３０１に接合されている。すなわち、第１接合材１０１は、各集電部材３０２と各燃料電池セル３０１とを接合している。第１接合材１０１は、例えば、（Ｍｎ，Ｃｏ）_３Ｏ_４、（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ_３又は（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ_３等よりなる群から選ばれる少なくとも１種である。

図２に示すように、各燃料電池セル３０１は、燃料マニホールド２００に支持されている。詳細には、各燃料電池セル３０１は、第２接合材１０２によって、燃料マニホールド２００の天板２０３に固定されている。より詳細には、図８に示すように、各燃料電池セル３０１の基端部が、燃料マニホールド２００の貫通孔２０２に挿入されている。燃料電池セル３０１は、貫通孔２０２に挿入された状態で、第２接合材１０２によって燃料マニホールド２００に固定されている。

第２接合材１０２は、燃料電池セル３０１が挿入された状態の貫通孔２０２内に充填される。すなわち、第２接合材１０２は、燃料電池セル３０１の外周面と、貫通孔２０２を画定する壁面との隙間に充填される。第２接合材１０２は、例えば、結晶化ガラスである。結晶化ガラスとしては、例えば、ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３系、ＳｉＯ_２−ＣａＯ系、又はＳｉＯ_２−ＭｇＯ系が採用され得る。なお、本明細書では、結晶化ガラスとは、全体積に対する「結晶相が占める体積」の割合（結晶化度）が６０％以上であり、全体積に対する「非晶質相及び不純物が占める体積」の割合が４０％未満のガラスを指す。なお、第２接合材１０２の材料として、非晶質ガラス、ろう材、又はセラミックス等が採用されてもよい。具体的には、第２接合材１０２は、ＳｉＯ_２−ＭｇＯ−Ｂ_２Ｏ_５−Ａｌ_２Ｏ_３系及びＳｉＯ_２−ＭｇＯ−Ａｌ_２Ｏ_３−ＺｎＯ系よりなる群から選ばれる少なくとも一種である。

燃料マニホールド２００から突出している各燃料電池セル３０１の長手方向（ｘ軸方向）の長さは、１００〜３００ｍｍ程度とすることができる。また、各燃料電池セル３０１は、燃料電池セル３０１の厚さ方向（ｚ軸方向）に間隔をあけて並んでいる。この燃料電池セル３０１同士の間隔は、１〜５ｍｍ程度とすることができる。

［発電方法］
以上のように構成された燃料電池スタック１００は、次のようにして発電する。燃料マニホールド２００を介して各燃料電池セル３０１のガス流路２１内に燃料ガス（水素ガス等）を流すとともに、支持基板２０の両面を酸素を含むガス（空気等）に曝す。

酸素を含むガスは、例えば、図９に示すように、支持基板２０の幅方向（ｙ軸方向）に沿って流れるように、基端側発電素子部１０ｃよりも基端側に供給される。詳細には、燃料電池スタック１００は、ガス供給部材４００をさらに有している。ガス供給部材４００は、各燃料電池セル３０１の間において、空気などのガスを供給するように構成されている。なお、ガス供給部材４００から供給されたガスが効率的に上方へ流れるよう、案内板４０１がガス供給部材４００と反対側に設置されていてもよい。案内板４０１は、平板状であって、燃料電池セル３０１の長手方向に延びるとともに、燃料電池セル３０１の厚さ方向に延びている。

以上のように、燃料ガス、及び酸素を含むガスを供給された各発電素子部１０において、電解質５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。この燃料電池スタック１００を外部の負荷に接続すると、空気極６において下記（１）式に示す電気化学反応が起こり、燃料極４において下記（２）式に示す電気化学反応が起こり、電流が流れる。
（１／２）・Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２− …（１）
Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ …（２）
発電状態においては、電流は、図１０において矢印で示すように流れる。インターコネクタ３１、及び発電素子部１０において、電流は厚さ方向に流れる。

［製造方法］
次に、上述したように構成された燃料電池セルの製造方法について説明する。図１１から図１７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示している。

まず、図１１に示すように、支持基板の成形体２０ｇを作製する。この支持基板の成形体２０ｇは、例えば、支持基板２０の材料（例えば、ＣＳＺ）の粉末にバインダー等を添加して得られる坏土を用いて、押し出し成形、及び切削等の手法を利用して作製され得る。

支持基板の成形体２０ｇが作製されると、次に、図１２に示すように、支持基板の成形体２０ｇの各主面２３に形成された各第１凹部２２に、燃料極集電部の成形体４１ｇを充填する。燃料極集電部の成形体４１ｇは、例えば、上述した燃料極集電部４１の材料の粉末にバインダー等を添加して得られるスラリーを用いて、印刷法等によって作製される。

次に、図１３に示すように、燃料極集電部の成形体４１ｇの各第２凹部４１１内に、燃料極活性部の成形膜４２ｇを形成する。この成形膜４２ｇは、例えば、上述した燃料極活性部４２の材料の粉末にバインダーなどを添加して得られるスラリーを用いて、印刷法などによって形成される。

また、各燃料極集電部の成形体４１ｇの各第３凹部４１２内に、インターコネクタの成形膜３１ｇを形成する。各インターコネクタの成形膜３１ｇは、例えば、上述したインターコネクタ３１の材料の粉末にバインダー等を添加して得られるスラリーを用いて、印刷法等によって形成される。

次に、図１４に示すように、燃料極活性部の成形膜４２ｇ上に、電解質の成形膜５ｇを形成する。詳細には、電解質の成形膜５ｇの先端部は、インターコネクタの成形膜３１ｇ上に配置されている。また、別の電解質の成形膜５ｇの基端部も、同じインターコネクタの成形膜３１ｇ上に配置されている。これによって、燃料極集電部の成形体４１ｇ、及び燃料極活性部の成形膜４２ｇが形成された状態の支持基板の成形体２０ｇの各主面２３は、インターコネクタの成形膜３１ｇ、及び電解質の成形膜５ｇによって覆われている。電解質の成形膜５ｇは、例えば、上述した電解質５の材料の粉末にバインダー等を添加して得られるスラリーを用いて、印刷法、又はディッピング法等によって形成される。

次に、図１５に示すように、電解質の成形膜５ｇ上に、反応防止膜の成形膜７ｇを形成する。各反応防止膜の成形膜７ｇは、例えば、上述した反応防止膜７の材料の粉末にバインダー等を添加して得られるスラリーを用いて、印刷法等によって形成される。

そして、このように種々の成形膜が形成された状態の支持基板の成形体２０ｇを、空気中にて１２００〜１６００℃程度で１〜１０時間程度焼成する。これにより、空気極６が形成されていない状態の燃料電池セルが得られる。

次に、図１６に示すように、各反応防止膜７上に、空気極活性部の成形膜６１ｇを形成する。各空気極活性部の成形膜６１ｇは、例えば、上述した空気極活性部６１の材料の粉末にバインダー等を添加して得られるスラリーを用いて、印刷法等によって形成される。

次に、図１７に示すように、空気極活性部の成形膜６１ｇ上に、空気極集電部の成形膜６２ｇを形成する。詳細には、空気極集電部の成形膜６２ｇは、空気極活性部の成形膜６１ｇから隣の発電素子部に向かって延びるように形成される。各空気極集電部の成形膜６２ｇは、例えば、上述した空気極集電部６２の材料の粉末にバインダー等を添加して得られるスラリーを用いて、印刷法等によって形成される。

そして、このように空気極の成形膜６１ｇ、６２ｇが形成された状態の支持基板２０を、空気中にて９００〜１２００℃程度で１〜１０時間程度焼成する。これによって、燃料電池セル３０１が完成する。

［変形例］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。

変形例１
上記実施形態では、支持基板２０は平板状であったが、円筒状であってもよい。すなわち、燃料電池セル３０１は、円筒型であってもよい。

変形例２
上記実施形態では、燃料極集電部４１が第２凹部４１１及び第３凹部４１２を有しているが、燃料極集電部４１の構成はこれに限定されない。例えば、燃料極集電部４１は第２凹部４１１及び第３凹部４１２などの凹部を有していなくてもよい。この場合、燃料極活性部４２は、燃料極集電部４１上に形成されており、燃料極集電部４１に埋設されていない。また、インターコネクタ３１は、燃料極集電部４１上に形成されており、燃料極集電部４１に埋設されていない。

以下に実施例を示して、本発明をさらに具体的に説明する。なお、本発明は、下記実施例に限定されるものではない。

（試験Ａ）
図６に示すような構成の複数の燃料電池セル３０１を作製した。なお、試験Ａでは、第１接触部分６２１ａの勾配、第１空気極集電部６２ａの材料、インターコネクタ３１の材料、第１接触部分６２１ａの長さＬ１を異ならせた。各サンプルにおける、第１接触部分６２１ａの勾配、第１空気極集電部６２ａの材料、インターコネクタ３１の材料、第１接触部分６２１ａの長さＬ１は、表１の通りである。なお、その他の条件は、各サンプル間で基本的に同じとした。また、サンプルＮｏ１〜３の燃料電池セル３０１は、比較例であり、第１接触部分６２１ａは勾配していない。

（評価方法）
以上のように作製された各サンプルＮｏ．１〜２０に対して、熱サイクル試験１を行った。具体的には、まず、常温から８００℃まで昇温速度２００℃／ｈｒで昇温した後、８００℃で２ｈｒ維持し、２００℃／ｈｒで５０℃まで降温するサイクルを２０回繰り返した。

その後、各サンプルに対して、クラックの有無を確認した。具体的には、第１接触部分６２１ａにおいてクラックが発生しているか否かを走査型電子顕微鏡（日本電子製ＪＳＭ−６６１０ＬＶ）を用いた断面解析により倍率１００〜１０００倍にて観察を行い確認した。

次に、熱サイクル試験１よりも過酷な熱サイクル試験２を行った。具体的には、まず、常温から８００℃まで昇温速度３００℃／ｈｒで昇温した後、８００℃で１ｈｒ維持し、３００℃／ｈｒで５０℃まで降温するサイクルを２０回繰り返した。

その後、各サンプルに対して、クラックの有無を確認した。具体的には、第１接触部分６２１ａにおいてクラックが発生しているか否かを走査型電子顕微鏡を用いた断面解析により倍率１００〜１０００倍にて観察を行い確認した。

以上の結果を評価として表１に示している。表１における評価「◎」とは、熱サイクル試験１、２ともに、剥離が生じていなかったことを意味する。また、表１における評価「○」とは、熱サイクル試験１では剥離が生じていなかったが、熱サイクル試験２において剥離が生じたことを意味する。また、表１における評価「×」とは熱サイクル試験１において剥離が生じたことを意味する。

表１に示すように、第１接触部分６２１ａに勾配を設けることによって、第１接触部分６２１ａにおけるクラックの発生を抑制できることが分かった。また、第１接触部分６２１ａの勾配を０．００５〜０．５とすることにより、クラックの発生をより抑制できることが分かった。

（試験Ｂ）
図６に示すような構成の複数の燃料電池セル３０１を作製した。なお、試験Ｂでは、第２接触部分４１１ｂの勾配、第２燃料極集電部４１ｂの材料、インターコネクタ３１の材料、第２接触部分４１１ｂの長さＬ２を異ならせた。各サンプルにおける、第２接触部分４１１ｂの勾配、第２燃料極集電部４１ｂの材料、インターコネクタ３１の材料、第２接触部分４１１ｂの長さＬ２は、表２の通りである。なお、その他の条件は、各サンプル間で基本的に同じとした。また、サンプルＮｏ．１〜３の燃料電池セル３０１は、比較例であり、第２接触部分４１１ｂは勾配していない。

（評価方法）
以上のように作製された各サンプルＮｏ．１〜２０に対して、上述した熱サイクル試験１を行った。その後、各サンプルに対して、クラックの有無を確認した。具体的には、第２接触部分４１１ｂにおいてクラックが発生しているか否かを走査型電子顕微鏡を用いた断面解析により倍率１００〜１０００倍にて観察を行い確認した。

次に、上述した熱サイクル試験２を行った。その後、各サンプルに対して、クラックの有無を確認した。具体的には、第２接触部分４１１ｂにおいてクラックが発生しているか否かを走査型電子顕微鏡を用いた断面解析により倍率１００〜１０００倍にて観察を行い確認した。

以上の結果を評価として表２に示している。表２における評価「◎」とは、熱サイクル試験１、２ともに、剥離が生じていなかったことを意味する。また、表２における評価「○」とは、熱サイクル試験１では剥離が生じていなかったが、熱サイクル試験２において剥離が生じたことを意味する。また、表２における評価「×」とは熱サイクル試験１において剥離が生じたことを意味する。

表２に示すように、第２接触部分４１１ｂに勾配を設けることによって、第２接触部分４１１ｂにおけるクラックの発生を抑制できることが分かった。また、第２接触部分４１１ｂの勾配を０．００５〜０．５とすることにより、クラックの発生をより抑制できることが分かった。

１０ａ第１発電素子部
４ａ第１燃料極
４１ａ第１燃料極集電部
４２ａ第１燃料極活性部
６１ａ第１空気極活性部
６２ａ第１空気極集電部
１０ｂ第２発電素子部
４ｂ第２燃料極
４１ｂ第２燃料極集電部
４２ｂ第２燃料極活性部
６１ｂ第２空気極活性部
６２ｂ第２空気極集電部
２０支持基板
３１インターコネクタ

Claims

内部にガス流路を有する支持基板と、
第１内側電極、第１電解質、及び第１外側電極を有し、前記支持基板に支持される第１発電素子部と、
第２内側電極、第２電解質、及び第２外側電極を有し、前記第１発電素子部と間隔をあけて前記支持基板に支持される第２発電素子部と、
前記第１発電素子部と前記第２発電素子部との間に配置され、前記第１発電素子部と前記第２発電素子部とを電気的に接続するインターコネクタと、
を備え、
第１外側電極は、第１外側電極活性部と、前記第１外側電極活性部から前記第２発電素子部に向かって延びて前記インターコネクタと接触する第１外側電極集電部と、を有し、
前記第２内側電極は、第２内側電極活性部と、前記第２内側電極活性部から前記第１発電素子部に向かって延びて前記インターコネクタと接触する第２内側電極集電部と、を有し、
前記第１外側電極集電部における前記インターコネクタと接触する第１接触部分及び前記第１接触部分より先端部分の厚さは、前記第１接触部分及び前記先端部分の全体に亘って、前記第２発電素子部に近付くにつれて漸減し、
前記第２内側電極集電部における前記インターコネクタと接触する第２接触部分の厚さは、前記第２接触部分の全体に亘って、前記第１発電素子部に近付くにつれて漸減する、
燃料電池セル。
前記第１接触部分の厚さの勾配は、０．００５〜０．５である、
請求項１に記載の燃料電池セル。
前記第２内側電極集電部は、前記インターコネクタと接触する第１主面と、前記第１主面と反対側の第２主面と、を有し、
前記第２内側電極集電部の前記第２接触部分における第２主面は、前記第１発電素子部に近付くにつれて前記インターコネクタに近付くように傾斜する、
請求項１又は２に記載の燃料電池セル。
前記第２接触部分の厚さの勾配は、０．００５〜０．５である、
請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池セル。
前記第１外側電極集電部における前記インターコネクタと接触する部分の中央部の厚さは、前記第１外側電極集電部における前記第１外側電極活性部と接触する部分の中央部の厚さよりも薄い、
請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池セル。