JP6924391B2 - 燃料電池セル - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池セルに関する。
従来、周囲へのガス漏れが防止されている燃料電池スタック用ユニットが提案されている（特許文献１参照。）。この燃料電池スタック用ユニットは、多孔質の金属支持体を有している。そして、支持体は、それの上方面から少なくともそれの底面まで延在するシール深さを有するシールを備えている。また、シールは、多孔質の金属支持体の周囲に沿って配置され、多孔質の金属支持体の平面において移動するガスに対して不透過性である。さらに、シールは、局部溶融によって作製されている。
日本国特開２００９−１４６８８２号公報
しかしながら、特許文献１に記載された燃料電池スタック用ユニットであっても、電解質層が割れるおそれがあり、ガスバリア性を向上させるための改善が必要であった。
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものである。そして、本発明は、ガスバリア性を良好に維持し得る燃料電池セルを提供することを目的とする。
本発明者は、上記目的を達成するため鋭意検討を重ねた。その結果、所定の電極反応部と外周縁部とを有するアノード電極層を備えた構成とすることなどにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
本発明によれば、ガスバリア性を良好に維持し得る燃料電池セルを提供することができる。
図１は、第１の実施形態を説明する燃料電池セルの分解斜視図である。 図２は、燃料電池セルの平面図である。 図３は、図２に示した燃料電池セルの一例のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。 図４は、第１の実施形態を説明する燃料電池セルの第１変形例の要部の断面図である。 図５は、第１の実施形態を説明する燃料電池セルの第２変形例の要部の断面図である。 図６は、第２の実施形態を説明する燃料電池セルの一例の要部の断面図である。 図７は、第２の実施形態を説明する燃料電池セルの第１変形例の要部の断面図である。 図８は、第２の実施形態を説明する燃料電池セルの第２変形例の要部の断面図である。 図９は、第３の実施形態を説明する燃料電池セルの一例の要部の断面図である。 図１０は、第３の実施形態を説明する燃料電池セルの第１変形例の要部の断面図である。 図１１は、第３の実施形態を説明する燃料電池セルの第２変形例の要部の断面図である。 図１２は、第３の実施形態を説明する燃料電池セルの第３変形例の要部の断面図である。 図１３は、第３の実施形態を説明する燃料電池セルの第４変形例の要部の断面図である。 図１４は、第４の実施形態を説明する燃料電池セルの一例の要部の断面図である。 図１５は、第４の実施形態を説明する燃料電池セルの第１〜第５変形例の要部の断面図である。 図１６は、第４の実施形態を説明する燃料電池セルの第６〜第８変形例の要部の断面図である。 図１７は、第４の実施形態を説明する燃料電池セルの第９〜第１３変形例の要部の断面図である。 図１８は、第４の実施形態を説明する燃料電池セルの第１４〜第１８変形例の要部の断面図である。 図１９は、第４の実施形態を説明する燃料電池セルの第１９〜第２１変形例の要部の断面図である。 図２０は、第４の実施形態を説明する燃料電池セルの第２２〜第２６変形例の要部の断面図である。 図２１は、第４の実施形態を説明する燃料電池セルの第２７〜第３５変形例の要部の断面図である。 図２２は、第４の実施形態を説明する燃料電池セルの第３６〜第４４変形例の要部の断面図である。 図２３は、第４の実施形態を説明する燃料電池セルの第４５〜第５１変形例の要部の断面図である。 図２４は、第４の実施形態を説明する燃料電池セルの第５２〜第５８変形例の要部の断面図である。 図２５は、第４の実施形態を説明する燃料電池セルの第５９〜第６７変形例の要部の断面図である。
以下、本発明の一実施形態に係る燃料電池セルについて図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の実施形態で引用する図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。
（第１の実施形態）
まず、第１の実施形態に係る燃料電池セルについて図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、第１の実施形態を説明する燃料電池セルの分解斜視図である。また、図２は、燃料電池セルの平面図である。なお、図２においては、セパレータを示していない。
図１に示すように、本実施形態の燃料電池セルＦＣは、電池構造体１と、電池構造体１を支持する金属製の支持板２と、電池構造体１及び支持板２との間にガス流路を形成する一対のセパレータ３，３とを備えている。なお、この燃料電池セルＦＣは、金属製の支持板２により、ガス透過性を確保しつつ機械的強度を高めた好適形態であって、メタルサポートセルと称されることがある。また、特に限定されるものではないが、燃料電池としては、固体酸化物形燃料電池を好適例として挙げることができる。
そして、図１に示すように、本実施形態の燃料電池セルＦＣは、電池構造体１を備えた支持板２、及び一対のセパレータ３，３が、同等の縦横寸法を有する矩形状であることが好ましい。
また、図１に示すように、本実施形態の燃料電池セルＦＣは、一方のセパレータ３と電池構造体１の詳しくは後述するカソード電極層との間に、カソードガス（空気）を流通させるガス流路を有していることが好ましい。さらに、図１及び図２に示すように、本実施形態の燃料電池セルＦＣは、他方のセパレータ３と電池構造体１の詳しくは後述するアノード電極層及び支持板２との間に、アノードガス（燃料ガス）を流通させるガス流路を有していることが好ましい。
さらに、図１及び図２に示すように、本実施形態の燃料電池セルＦＣは、支持板２及び一対のセパレータ３，３の一方の短辺側に、アノードガスの供給用マニホールド穴Ｈ１、及びカソードガス排出用マニホールド穴Ｈ２をそれぞれ有していることが好ましい。また、図１及び図２に示すように、本実施形態の燃料電池セルＦＣは、支持板２及び一対のセパレータ３，３の他方の短辺側に、アノードガスの排出用マニホールド穴Ｈ３、及びカソードガスの供給用マニホールド穴Ｈ４をそれぞれ有していることが好ましい。
なお、これらのマニホールド穴Ｈ１〜Ｈ４は、電池構造体１及びセパレータ３を積層して燃料電池スタックを構成した際に、互いに連通してそれぞれのガスを流通させるマニホールドを形成する。また、燃料電池スタックを構成した場合、積層方向に隣接する電池構造体１同士は、双方の間で１枚のセパレータ３を共有する。
さらに、本実施形態の燃料電池セルＦＣは、支持板２及び各セパレータ３の外周部同士の間や、マニホールド穴Ｈ１〜Ｈ４の周囲に、シール部材Ｓを有していることが好ましい（図１及び図２参照。）。これにより、ガス流路の気密性を確保している。なお、マニホールド穴Ｈ１〜Ｈ４の周囲に関しては、各ガス流路に該当するガスが流通し得るように、シール部材Ｓを配置しないか、又はシール部材Ｓの一部に開放部分を設ける（図１及び図２参照。）。
そして、上述した燃料電池セルＦＣは、電池構造体１の詳しくは後述するアノード電極層にアノードガスを供給するとともに、電池構造体１の詳しくは後述するカソード電極層にカソードガスを供給することによって、各電極層における電気化学反応により電気エネルギーを発生する。この際、電池構造体１の詳しくは後述するアノード電極層には、支持板２の詳しくは後述する本体部を通してアノードガスの供給が行われる。
次に、第１の実施形態に係る燃料電池セルの要部について図面を参照しながらさらに詳細に説明する。図３は、図２に示した燃料電池セルの一例のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。
図３に示すように、本実施形態の燃料電池セルＦＣにおいては、電池構造体１は、図中で下側から、アノード電極層（燃料極層）１１、固体電解質からなる電解質層１３、及びカソード電極層（空気極層）１５が順に積層された構造を有するものである。そして、アノード電極層１１は、中央に配置され、かつ、前記電解質層の熱膨張率よりも熱膨張率が大きい電極反応部１１１と、電極反応部１１１の外周に電極反応部１１１と隣接して配置され、かつ、電極反応部１１１の熱膨張率よりも熱膨張率が小さい外周縁部１１３とを有している。
ここで、本発明における「熱膨張率」としては、例えば、ＪＩＳ Ｚ ２２８５やＪＩＳ Ｒ １６１８に準拠した方法で計測した平均線膨張係数を適用することができる。また、特に限定されるものではないが、例えば、燃料電池セルの運転温度における平均線膨張係数を適用することが好ましい。さらに、例えば、燃料電池セルの運転温度は、６００℃〜９００℃程度である。そのため、特に限定されるものではないが、例えば、熱膨張率としては、８００℃における平均線膨張係数を適用することが好ましい。
また、特に限定されるものではないが、図３に示すように、本実施形態の燃料電池セルＦＣにおいては、金属製の支持板２は、電池構造体１の強度を補うとともに、支持板自体の酸化を防ぐため、電池構造体１のアノード電極層１１側に配置されている。なお、本発明においては、図示しないが、電池構造体の強度を補うという支持板の目的だけを考慮すれば、例えば、カソード電極層側に支持板を配置しても構わない。また、図示しないが、支持板を備えない燃料電池セルが、本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。さらに、図示した位置における金属製の支持板２は、詳しくは後述する本体部２１又はフレーム部２３のいずれであってもよい。また、図示した位置における金属製の支持板は、詳しくは後述する本体部とフレーム部との図示しない境界を有する本体部とフレーム部であってもよい。
本実施形態においては、上述したように、アノード電極層、電解質層及びカソード電極層が積層された構造を有する電池構造体を備え、アノード電極層が、中央に配置され、かつ、前記電解質層の熱膨張率よりも熱膨張率が大きい電極反応部と、電極反応部の外周に電極反応部と隣接して配置され、かつ、電極反応部の熱膨張率よりも熱膨張率が小さい外周縁部と、を有する構成とした。
そのため、相対的に熱膨張し易い電極反応部の熱膨張に伴って生じることがある電解質層の引っ張り破断を、相対的に熱膨張し難い外周縁部を電極反応部の外周に電極反応部と隣接して配置することによって、効果的に抑制ないし防止することができる。その結果、燃料電池セルにおけるガスバリア性を良好に維持することができる。
また、本実施形態においては、上述したように、電池構造体のアノード電極層側に配置され、電池構造体を支持する金属製の支持板をさらに備える構成とすることが好ましい。
これにより、電極反応部の熱膨張に伴って生じることがある電解質層の曲げ変形を、セラミック製の支持板を配置する場合と比較して、効果的に抑制ないし防止することができる。その結果、燃料電池セルにおけるガスバリア性を良好に維持することができる。
さらに、本実施形態においては、上述したように、外周縁部と電解質層とが、構成要素の成分及び構成要素の含有割合のいずれか一方又は双方が異なる構成とすることが好ましい。
これにより、種々の構成要素の成分や含有割合の外周縁部を適宜選択することができる。その結果、燃料電池セルにおけるガスバリア性を良好に維持することができる。
また、図３に示すように、本実施形態においては、外周縁部１１３の厚みが、少なくとも外周縁部１１３と電極反応部１１１の境界Ｂ近傍で、電極反応部１１１の厚みと同じである構成とすることが好ましい。
ここで、本明細書における「外周縁部と電極反応部の境界近傍」としては、外周縁部と電極反応部との境界から電極反応部の熱膨張の影響が殆ど無視し得る位置までの範囲を挙げることができる。この範囲は、例えば、予備実験などによって適宜設定することができる。
これにより、例えば、支持板のアノード電極層側の表面が平坦である場合、特に熱応力差が発生し易い部位に、平坦な電解質層を設けることができる。その結果、燃料電池セルにおけるガスバリア性を良好に維持することができる。なお、外周縁部の全体の厚みが電極反応部の厚みと同じである構成としてもよい。
さらに、図３に示すように、本実施形態においては、外周縁部１１３の内端側の少なくとも一部が、電極反応部１１１とともに、電解質層１３側に平坦な表面を形成した構造を有する構成とすることが好ましい。なお、外周縁部１１３の内端側の少なくとも一部を、例えば、上述した外周縁部と電極反応部の境界Ｂ近傍とすればよい。また、外周縁部１１３の内端側の少なくとも一部は、例えば、平面視したときにカソード電極層の一部が重なって配置されている部分とすることが好ましい。さらに、外周縁部１１３の内端側の少なくとも一部は、例えば、平面視したときに本体部の一部が重なって配置されている部分とすることが好ましい。なお、外周縁部の全体が、電極反応部とともに、電解質層側に平坦な表面を形成した構成を有していてもよい。
これにより、特に熱応力差が発生し易い部位に、平坦な電解質層を設けることができる。その結果、燃料電池セルにおけるガスバリア性を良好に維持することができる。
また、本実施形態においては、外周縁部及び電極反応部が、それぞれアノード触媒と固体電解質とを含み、外周縁部のアノード触媒の含有割合が、電極反応部のアノード触媒の含有割合よりも少ない構成とすることが好ましい。
これにより、詳しくは後述するが簡便な製造方法や簡便な材料選択で適切な外周縁部を作製することができる。その結果、燃料電池セルにおけるガスバリア性を良好に維持することができる。また、外周縁部で電極反応を進行させることも可能であるという副次的な利点もある。
さらに、図３に示すように、本実施形態においては、外周縁部１１３は、平面視したときにカソード電極層１５と重なって配置されている部分１１３Ａを有する構成とすることが好ましい。
これにより、アノード電極層の部材間の境界とカソード電極層の部材と空間との境界がずれ、熱応力差による応力集中を抑制ないし防止することができる。その結果、燃料電池セルにおけるガスバリア性を良好に維持することができる。
また、これにより、アノード電極層の部材間の境界とカソード電極層の部材と空間との境界がずれ、電極反応部の熱膨張に伴って生じることがある電解質層の曲げ変形を、外周縁部が平面視したときにカソード電極層と重なって配置されている部分を有しない場合と比較して、物理的に効果的に抑制ないし防止することができる。その結果、燃料電池セルにおけるガスバリア性を良好に維持することができる。
ここで、各構成についてさらに詳細に説明する。
上記アノード電極層１１における電極反応部１１１の構成要素の成分としては、電極反応部の熱膨張率が電解質層の熱膨張率よりも大きいものであれば特に限定されるものではないが、燃料電池が固体酸化物形燃料電池の場合には、例えば、ニッケル（Ｎｉ）とイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）とからなるサーメットなどを挙げることができる。なお、電極反応部の一例であるニッケル（Ｎｉ）とイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）とからなるサーメット（Ｎｉ：ＹＳＺ＝５０：５０（質量比））の８００℃における平均熱膨張係数は１２．５×１０−６／Ｋである。また、これらはあくまで一例であり、例えば、形成方法によっても制御可能である。
また、上記アノード電極層１１における外周縁部１１３の構成要素の成分としては、外周縁部の熱膨張率が電極反応部の熱膨張率よりも小さいものであれば特に限定されるものではない。すなわち、外周縁部においては、例えば、電極反応が進行してもよく、電極反応が進行しなくてもよい。また、例えば、外周縁部は、後述する電解質層と構成要素の成分や構成要素の含有割合が異なるものを適用することが好ましい。さらに、外周縁部が電極反応部と同じアノード触媒と固体電解質とを含む場合に、外周縁部のアノード触媒の含有割合が電極反応部のアノード触媒の含有割合よりも少ないものを好適例として挙げることができる。具体的には、外周縁部が、ニッケルとイットリア安定化ジルコニアとからなるサーメットである場合に、外周縁部のニッケルの含有割合が電極反応部のニッケルの含有割合よりも少ないものを好適例として挙げることができる。なお、外周縁部の一例であるニッケル（Ｎｉ）とイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）とからなるサーメット（Ｎｉ：ＹＳＺ＝２０：８０（質量比））の８００℃における平均熱膨張係数は１１．０×１０−６／Ｋである。また、これらはあくまで一例であり、形成方法で制御可能である。
さらに、上記電解質層１３の構成要素の成分としては、特に限定されるものではないが、例えば、８ｍｏｌ％イットリア安定化ジルコニア（８ｍｏｌ％ＹＳＺ）などの固体電解質を挙げることができる。なお、電解質層の一例であるイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）の８００℃における平均熱膨張係数は１０．０×１０−６／Ｋである。また、これらはあくまで一例であり、形成方法で制御可能である。また、電解質層の構成要素の成分は、燃料電池が固体酸化物形燃料電池の場合には、酸化物イオン伝導性を有することが好ましい。さらに、図示しないが、電解質層は、アノード電極層全体を被覆していることが好ましい。
また、上記カソード電極層１５の構成要素の成分としては、特に限定されるものではないが、燃料電池が固体酸化物形燃料電池の場合には、例えば、ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物（ＬＳＣＦ）などを挙げることができる。
なお、電解質層としてイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、カソード電極層としてランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物（ＬＳＣＦ）を適用する場合には、図示しないが、電解質層とカソード電極層との間に、セリア系酸化物を含む拡散防止層を設けることが好ましい。
そして、上記金属製の支持板２としては、特に限定されるものではないが、例えば、焼結金属体や発泡金属体などの多孔質金属部材などを適用することができる。
また、上記金属製の支持板としては、特に限定されるものではないが、焼結金属体や発泡金属体などの多孔質金属部材からなるものであって、詳しくは後述するフレーム部が、例えば、プレス加工により、多孔質金属部材の一部を厚さ方向に圧潰して緻密質に形成してあるものを好適例として挙げることができる。
また、上記金属製の支持板としては、特に限定されるものではないが、アノード電極層側の表面が平坦であるものを好適例として挙げることができる。
次に、第１の実施形態に係る燃料電池セルの変形例について図面を参照しながら詳細に説明する。図４は、第１の実施形態を説明する燃料電池セルの第１変形例の要部の断面図である。図５は、第１の実施形態を説明する燃料電池セルの第２変形例の要部の断面図である。なお、以下の変形例において、第１の実施形態の一例と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
図４に示した第１変形例や図５に示した第２変形例は、外周縁部１１３と電極反応部１１１との境界Ｂの位置が、図３に示した一例と相違している。つまり、図４に示した第１変形例においては、平面視したときにカソード電極層１５の外端と上記境界Ｂとが重なって配置されている。また、図５に示した第２変形例においては、平面視したときにカソード電極層１５の外端より外側に上記境界Ｂが配置されている。
上述したように、熱応力差による応力集中の抑制という観点からは、図４に示した第１変形例よりも、図３に示した一例や図５に示した第２変形例が好適である。また、上述したように、電極反応部の熱膨張に伴って生じることがある電解質層の曲げ変形の抑制という観点からは、図５に示した第２変形例よりも、図３に示した一例が好適である。
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態に係る燃料電池セルについて図面を参照しながら詳細に説明する。図６は、第２の実施形態を説明する燃料電池セルの一例の要部の断面図である。つまり、図６は、燃料電池セルの図２に示したＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った位置とほぼ同じ位置の断面図である。なお、以下の実施形態において、第１の実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
図６に示すように、本実施形態の燃料電池セルにおいては、外周縁部１１３が、外端側に向かって漸次厚みが薄くなる部分１１３Ｂを有する構成が、上述した実施形態と異なっている。
これにより、電解質層に段差などの応力がかかる方向が狭い範囲で顕著に変わる部位が形成されない。その結果、燃料電池セルにおけるガスバリア性を良好に維持することができる。
また、本実施形態においても、上述したように、電池構造体のアノード電極層側に配置され、電池構造体を支持する金属製の支持板をさらに備える構成とすることが好ましい。
これにより、電極反応部の熱膨張に伴って生じることがある電解質層の曲げ変形を、セラミック製の支持板を配置する場合と比較して、効果的に抑制ないし防止することができる。その結果、燃料電池セルにおけるガスバリア性を良好に維持することができる。
さらに、本実施形態においても、上述したように、外周縁部と電解質層とが、構成要素の成分及び構成要素の含有割合のいずれか一方又は双方が異なる構成とすることが好ましい。
これにより、種々の構成要素の成分や含有割合の外周縁部を適宜選択することができる。その結果、燃料電池セルにおけるガスバリア性を良好に維持することができる。
また、図６に示すように、本実施形態においても、外周縁部１１３の厚みが、少なくとも外周縁部１１３と電極反応部１１１の境界Ｂ近傍で、電極反応部１１１の厚みと同じである構成とすることが好ましい。
これにより、例えば、支持板のアノード電極層側の表面が平坦である場合、特に熱応力差が発生し易い部位に、平坦な電解質層を設けることができる。その結果、燃料電池セルにおけるガスバリア性を良好に維持することができる。
さらに、図６に示すように、本実施形態においても、外周縁部１１３の内端側の少なくとも一部が、電極反応部１１１とともに、電解質層１３側に平坦な表面を形成した構造を有する構成とすることが好ましい。なお、外周縁部１１３の内端側の少なくとも一部を、例えば、上述した外周縁部と電極反応部の境界Ｂ近傍とすればよい。また、外周縁部１１３の内端側の少なくとも一部は、例えば、平面視したときにカソード電極層の一部が重なって配置されている部分とすることが好ましい。さらに、外周縁部１１３の内端側の少なくとも一部は、例えば、平面視したときに本体部の一部が重なって配置されている部分とすることが好ましい。
これにより、特に熱応力差が発生し易い部位に、平坦な電解質層を設けることができる。その結果、燃料電池セルにおけるガスバリア性を良好に維持することができる。
また、本実施形態においても、外周縁部及び電極反応部が、それぞれアノード触媒と固体電解質とを含み、外周縁部のアノード触媒の含有割合が、電極反応部のアノード触媒の含有割合よりも少ない構成とすることが好ましい。
これにより、詳しくは後述するが簡便な製造方法や簡便な材料選択で適切な外周縁部を作製することができる。その結果、燃料電池セルにおけるガスバリア性を良好に維持することができる。また、外周縁部で電極反応を進行させることも可能であるという副次的な利点もある。
さらに、図６に示すように、本実施形態においても、外周縁部１１３は、平面視したときにカソード電極層１５と重なって配置されている部分１１３Ａを有する構成とすることが好ましい。
これにより、アノード電極層の部材間の境界とカソード電極層の部材と空間との境界がずれ、熱応力差による応力集中を抑制ないし防止することができる。その結果、燃料電池セルにおけるガスバリア性を良好に維持することができる。
また、これにより、アノード電極層の部材間の境界とカソード電極層の部材と空間との境界がずれ、電極反応部の熱膨張に伴って生じることがある電解質層の曲げ変形を、外周縁部が平面視したときにカソード電極層と重なって配置されている部分を有しない場合と比較して、物理的に効果的に抑制ないし防止することができる。その結果、燃料電池セルにおけるガスバリア性を良好に維持することができる。
次に、第２の実施形態に係る燃料電池セルの変形例について図面を参照しながら詳細に説明する。図７は、第２の実施形態を説明する燃料電池セルの第１変形例の要部の断面図である。図８は、第２の実施形態を説明する燃料電池セルの第２変形例の要部の断面図である。
図７に示した第１変形例や図８に示した第２変形例は、外周縁部１１３と電極反応部１１１との境界Ｂの位置が、図６に示した一例と相違している。つまり、図７に示した第１変形例においては、平面視したときにカソード電極層１５の外端と上記境界Ｂとが重なって配置されている。また、図８に示した第２変形例においては、平面視したときにカソード電極層１５の外端より外側に上記境界Ｂが配置されている。さらに、図８に示した第２変形例においては、図６に示した一例における外端側に向かって漸次厚みが薄くなる外周縁部の一部１１３Ｂが、詳しくは後述する外端側に向かって漸次厚みが薄くなり、かつ、先端が支持板２側に配置された電極反応部１１１の一部１１１Ａに置き換わっており、その外側に外周縁部の一部１１３Ｂが配置されている。なお、図示しないが、第２変形例における外周縁部１１３は、必ずしも外端側に向かって漸次厚みが薄くなるものでなくてもよい。
上述したように、熱応力差による応力集中の抑制という観点からは、図７に示した第１変形例よりも、図６に示した一例や図８に示した第２変形例が好適である。また、上述したように、電極反応部の熱膨張に伴って生じることがある電解質層の曲げ変形の抑制という観点からは、図８に示した第２変形例よりも、図６に示した一例が好適である。
（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態に係る燃料電池セルについて図面を参照しながら詳細に説明する。図９は、第３の実施形態を説明する燃料電池セルの一例の要部の断面図である。つまり、図９は、燃料電池セルの図２に示したＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った位置とほぼ同じ位置の断面図である。
図９に示すように、本実施形態の燃料電池セルにおいては、外周縁部１１３が、その内端側に向かって漸次厚みが薄くなり、かつ、先端１１３ａが電解質層１３側に配置された部分１１３Ｃを有し、電極反応部１１１が、その外端側に向かって漸次厚みが薄くなり、かつ、先端１１１ａが電解質層１３と反対側、換言すれば支持板２側に配置された部分１１１Ａを有する構成が、上述した実施形態と異なっている。なお、外周縁部１１３と電極反応部１１１との境界Ｂ１はアノード電極層１１の厚み方向に対して傾斜している。
相対的に熱膨張し難い外周縁部が電解質層側に配置されることにより、電解質側おける熱膨張が抑制ないし防止される。その結果、燃料電池セルにおけるガスバリア性を良好に維持することができる。また、例えば、相対的に熱膨張し易い電極反応部が支持板側に配置されることにより、支持板とアノード電極層との熱膨張差が緩和され、微視的な剥離が抑制ないし防止される。その結果、燃料電池セルにおけるガスバリア性を良好に維持することができる。
また、本実施形態においても、上述したように、電池構造体のアノード電極層側に配置され、電池構造体を支持する金属製の支持板をさらに備える構成とすることが好ましい。
これにより、電極反応部の熱膨張に伴って生じることがある電解質層の曲げ変形を、セラミック製の支持板を配置する場合と比較して、効果的に抑制ないし防止することができる。その結果、燃料電池セルにおけるガスバリア性を良好に維持することができる。
さらに、本実施形態においても、上述したように、外周縁部と電解質層とが、構成要素の成分及び構成要素の含有割合のいずれか一方又は双方が異なる構成とすることが好ましい。
これにより、種々の構成要素の成分や含有割合の外周縁部を適宜選択することができる。その結果、燃料電池セルにおけるガスバリア性を良好に維持することができる。
また、図９に示すように、本実施形態においても、外周縁部１１３の内端側の少なくとも一部が、電極反応部１１１とともに、電解質層１３側に平坦な表面を形成した構造を有する構成とすることが好ましい。
これにより、特に熱応力差が発生し易い部位に、平坦な電解質層を設けることができる。その結果、燃料電池セルにおけるガスバリア性を良好に維持することができる。
さらに、本実施形態においても、外周縁部及び電極反応部が、それぞれアノード触媒と固体電解質とを含み、外周縁部のアノード触媒の含有割合が、電極反応部のアノード触媒の含有割合よりも少ない構成とすることが好ましい。
これにより、詳しくは後述するが簡便な製造方法や簡便な材料選択で適切な外周縁部を作製することができる。その結果、燃料電池セルにおけるガスバリア性を良好に維持することができる。また、外周縁部で電極反応を進行させることも可能であるという副次的な利点もある。
また、図９に示すように、本実施形態においても、外周縁部１１３は、平面視したときにカソード電極層１５と重なって配置されている部分１１３Ａを有する構成とすることが好ましい。
これにより、アノード電極層の部材間の境界とカソード電極層の部材と空間との境界がずれ、熱応力差による応力集中を抑制ないし防止することができる。その結果、燃料電池セルにおけるガスバリア性を良好に維持することができる。
また、これにより、アノード電極層の部材間の境界とカソード電極層の部材と空間との境界がずれ、電極反応部の熱膨張に伴って生じることがある電解質層の曲げ変形を、外周縁部が平面視したときにカソード電極層と重なって配置されている部分を有しない場合と比較して、物理的に効果的に抑制ないし防止することができる。その結果、燃料電池セルにおけるガスバリア性を良好に維持することができる。
さらに、図９に示すように、本実施形態においても、外周縁部１１３が、外端側に向かって漸次厚みが薄くなる部分１１３Ｂを有する構成とすることが好ましい。
これにより、電解質層に段差などの応力がかかる方向が狭い範囲で顕著に変わる部位が形成されない。その結果、燃料電池セルにおけるガスバリア性を良好に維持することができる。
次に、第３の実施形態に係る燃料電池セルの変形例について図面を参照しながら詳細に説明する。図１０は、第３の実施形態を説明する燃料電池セルの第１変形例の要部の断面図である。図１１は、第３の実施形態を説明する燃料電池セルの第２変形例の要部の断面図である。図１２は、第３の実施形態を説明する燃料電池セルの第３変形例の要部の断面図である。図１３は、第３の実施形態を説明する燃料電池セルの第４変形例の要部の断面図である。
図１０に示した第１変形例〜図１３に示した第４変形例は、外周縁部１１３と電極反応部１１１との境界Ｂ１の位置が、図９に示した一例と相違している。つまり、図１０に示した第１変形例においては、平面視したときにカソード電極層１５の外端が、外周縁部１１３の内側の先端１１３ａより内側に配置されている。また、図１１に示した第２変形例においては、平面視したときにカソード電極層１５の外端と外周縁部１１３の内側の先端１１３ａとが重なって配置されている。さらに、図１２に示した第３変形例においては、平面視したときにカソード電極層１５の外端と電極反応部１１１の外側の先端１１１ａとが重なって配置されている。さらにまた、図１３に示した第４変形例においては、平面視したときにカソード電極層１５の外端が、電極反応部１１１の外側の先端１１１ａより外側に配置されている。
上述したように、電極反応部の熱膨張に伴って生じることがある電解質層の曲げ変形の抑制という観点からは、図１０に示した第１変形例や図１１に示した第２変形例よりも、図９に示した一例や図１２に示した第３変形例、図１３に示した第４変形例が好適であると考えられる。また、熱応力差による応力集中の抑制という観点からは、図１２に示した第３変形例よりも、図９に示した一例や図１３に示した第４変形例が好適であると考えられる。なお、図９に示した一例と図１３に示した第４変形例とでは、アノード電極層の構成材料の違いによって適宜選択することが好ましい。
（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態に係る燃料電池セルについて図面を参照しながら詳細に説明する。図１４は、第４の実施形態を説明する燃料電池セルの一例の要部の断面図である。つまり、図１４は、燃料電池セルの図２に示したＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った位置とほぼ同じ位置の断面図である。
図１４に示すように、本実施形態の燃料電池セルにおいては、金属製の支持板２が、ガス透過性を有し、かつ、アノード電極層１１の電極反応部１１１に接する中央の本体部２１と、本体部２１の外周に配置され、かつ、ガス非透過性を有するフレーム部２３とを有する構成が、上述した実施形態と異なっている。なお、本実施形態における金属製の支持板２においては、フレーム部２３の厚みが本体部２１の厚みより薄くなっている。このような支持板は、特に限定されるものではないが、例えば、厚みが一定である焼結金属体や発泡金属体などの多孔質金属板部をプレス加工して、フレーム部となる部位を厚さ方向に圧潰して緻密質に形成することによって得ることができる。
これにより、金属製の支持板自体によるガスバリア性を利用することができる。その結果、燃料電池セルにおけるガスバリア性を良好に維持することができる。また、上述したように、電極反応部の熱膨張に伴って生じることがある電解質層の曲げ変形を、セラミック製の支持板を配置する場合と比較して、効果的に抑制ないし防止することができる。その結果、燃料電池セルにおけるガスバリア性を良好に維持することができる。
また、図１４に示すように、本実施形態の燃料電池セルにおいては、外周縁部１１３が、平面視したときに本体部２１と重なって配置されている部分１１３Ｄを有する構成とすることが好ましい。
これにより、支持板の部位間の境界とアノード層の部材間の境界がずれ、熱応力差による応力集中を抑制ないし防止することができる。その結果、燃料電池セルにおけるガスバリア性を良好に維持することができる。
さらに、本実施形態においても、上述したように、外周縁部と電解質層とが、構成要素の成分及び構成要素の含有割合のいずれか一方又は双方が異なる構成とすることが好ましい。
これにより、種々の構成要素の成分や含有割合の外周縁部を適宜選択することができる。その結果、燃料電池セルにおけるガスバリア性を良好に維持することができる。
また、図１４に示すように、本実施形態においても、外周縁部１１３の厚みが、少なくとも外周縁部１１３と電極反応部１１１の境界Ｂ近傍で、電極反応部１１１の厚みと同じである構成とすることが好ましい。
これにより、例えば、支持板のアノード電極層側の表面が平坦である場合、特に熱応力差が発生し易い部位に、平坦な電解質層を設けることができる。その結果、燃料電池セルにおけるガスバリア性を良好に維持することができる。
さらに、図１４に示すように、本実施形態においても、外周縁部１１３の内端側の少なくとも一部が、電極反応部１１１とともに、電解質層１３側に平坦な表面を形成した構造を有する構成とすることが好ましい。なお、外周縁部１１３の内端側の少なくとも一部を、例えば、上述した外周縁部と電極反応部の境界Ｂ近傍とすればよい。また、外周縁部１１３の内端側の少なくとも一部は、例えば、平面視したときにカソード電極層の一部が重なって配置されている部分とすることが好ましい。さらに、外周縁部１１３の内端側の少なくとも一部は、例えば、平面視したときに本体部の一部が重なって配置されている部分とすることが好ましい。
これにより、特に熱応力差が発生し易い部位に、平坦な電解質層を設けることができる。その結果、燃料電池セルにおけるガスバリア性を良好に維持することができる。
また、本実施形態においても、外周縁部及び電極反応部が、それぞれアノード触媒と固体電解質とを含み、外周縁部のアノード触媒の含有割合が、電極反応部のアノード触媒の含有割合よりも少ない構成とすることが好ましい。
これにより、詳しくは後述するが簡便な製造方法や簡便な材料選択で適切な外周縁部を作製することができる。その結果、燃料電池セルにおけるガスバリア性を良好に維持することができる。また、外周縁部で電極反応を進行させることも可能であるという副次的な利点もある。
さらに、図１４に示すように、本実施形態においても、外周縁部１１３は、平面視したときにカソード電極層１５と重なって配置されている部分１１３Ａを有する構成とすることが好ましい。
これにより、アノード電極層の部材間の境界とカソード電極層の部材と空間との境界がずれ、熱応力差による応力集中を抑制ないし防止することができる。その結果、燃料電池セルにおけるガスバリア性を良好に維持することができる。
また、これにより、アノード電極層の部材間の境界とカソード電極層の部材と空間との境界がずれ、電極反応部の熱膨張に伴って生じることがある電解質層の曲げ変形を、外周縁部が平面視したときにカソード電極層と重なって配置されている部分を有しない場合と比較して、物理的に効果的に抑制ないし防止することができる。その結果、燃料電池セルにおけるガスバリア性を良好に維持することができる。
また、本実施形態においても、外周縁部が、外端側に向かって漸次厚みが薄くなる部分を有する構成とすることが好ましい。
これにより、電解質層に段差などの応力がかかる方向が狭い範囲で顕著に変わる部位が形成されない。その結果、燃料電池セルにおけるガスバリア性を良好に維持することができる。
さらに、本実施形態においても、外周縁部が、その内端側に向かって漸次厚みが薄くなり、かつ、先端が電解質層側に配置された部分を有し、電極反応部が、その外端側に向かって漸次厚みが薄くなり、かつ、先端が支持板側に配置された部分を有する構成とすることが好ましい。
相対的に熱膨張し難い外周縁部が電解質層側に配置されることにより、電解質側おける熱膨張が抑制ないし防止される。その結果、燃料電池セルにおけるガスバリア性を良好に維持することができる。また、相対的に熱膨張し易い電極反応部が支持板側に配置されることにより、支持板とアノード電極層との熱膨張差が緩和され、微視的な剥離が抑制ないし防止される。その結果、燃料電池セルにおけるガスバリア性を良好に維持することができる。
次に、第４の実施形態に係る燃料電池セルの変形例について図面を参照しながら詳細に説明する。図１５は、第４の実施形態を説明する燃料電池セルの第１〜第５変形例の要部の断面図である。
図１５に示した第１〜第４変形例は、本体部２１とフレーム部２３との境界の位置が、図１４に示した一例と相違している。なお、図１５において、本体部２１とフレーム部２３との境界が境界ｂ５である第５変形例は、図１４に示した一例に相当する。
つまり、図１５に示した第１変形例は、平面視したときに本体部２１とフレーム部２３との境界ｂ１が、上記境界Ｂより内側に配置されている。また、図１５に示した第２変形例は、平面視したときに本体部２１とフレーム部２３との境界ｂ２が、上記境界Ｂと重なって配置されている。さらに、図１５に示した第３変形例は、平面視したときに本体部２１とフレーム部２３との境界ｂ３が、上記境界Ｂとカソード電極層１５の外端との間に配置されている。また、図１５に示した第４変形例は、平面視したときに本体部２１とフレーム部２３との境界ｂ４が、カソード電極層１５の外端と重なって配置されている。さらに、図１５に示した第５変形例は、平面視したときに本体部２１とフレーム部２３との境界ｂ５が、カソード電極層１５の外端より外側に配置されている。
上述したように、熱応力差による応力集中の抑制という観点からは、第２変形例や第４変形例よりも、第１変形例、第３変形例、第５変形例（図１４に示した一例）が好適である。また、本体部２１は、フレーム部と比較して電気化学反応がより進行する電極反応部１１１に相対的に近い。そのため、本体部とフレーム部とは、曝される温度環境が異なることがある。このような場合には、曝される温度環境が異なることによる応力集中を抑制するという観点から、第１変形例や第３変形例よりも、第５変形例（図１４に示した一例）が好適であると考えられる。
図１６は、第４の実施形態を説明する燃料電池セルの第６〜第８変形例の要部の断面図である。
図１６に示した第６〜第８変形例は、外周縁部１１３と電極反応部１１１との境界Ｂの位置が、図４に示した一例と同一であり、本体部２１とフレーム部２３との境界の位置が、図１４に示した一例と相違している。
つまり、図１６に示した第６変形例は、平面視したときに本体部２１とフレーム部２３との境界ｂ１１が、上記境界Ｂより内側に配置されている。また、図１６に示した第７変形例は、平面視したときに本体部２１とフレーム部２３との境界ｂ１２が、上記境界Ｂと重なって配置されている。さらに、図１６に示した第８変形例は、平面視したときに本体部２１とフレーム部２３との境界ｂ１３が、カソード電極層１５の外端より外側に配置されている。
上述したように、熱応力差による応力集中の抑制という観点からは、第７変形例よりも、第６変形例、第８変形例が好適である。また、本体部２１は、フレーム部と比較して電気化学反応がより進行する電極反応部１１１に相対的に近い。そのため、本体部とフレーム部とは、曝される温度環境が異なることがある。このような場合には、曝される温度環境が異なることによる応力集中を抑制するという観点から、第６変形例よりも、第８変形例が好適であると考えられる。
図１７は、第４の実施形態を説明する燃料電池セルの第９〜第１３変形例の要部の断面図である。
図１７に示した第９〜第１３変形例は、外周縁部１１３と電極反応部１１１との境界Ｂの位置が、図５に示した一例と同一であり、本体部２１とフレーム部２３との境界の位置が、図１４に示した一例と相違している。
つまり、図１７に示した第９変形例は、平面視したときに本体部２１とフレーム部２３との境界ｂ２１が、カソード電極層１５の外端より内側に配置されている。また、図１７に示した第１０変形例は、平面視したときに本体部２１とフレーム部２３との境界ｂ２２が、カソード電極層１５の外端と重なって配置されている。さらに、図１７に示した第１１変形例は、平面視したときに本体部２１とフレーム部２３との境界ｂ２３が、カソード電極層１５の外端と上記境界Ｂとの間に配置されている。また、図１７に示した第１２変形例は、平面視したときに本体部２１とフレーム部２３との境界ｂ２４が、上記境界Ｂと重なって配置されている。さらに、図１７に示した第１３変形例は、平面視したときに本体部２１とフレーム部２３との境界ｂ２５が、上記境界Ｂより外側に配置されている。
上述したように、熱応力差による応力集中の抑制という観点からは、第１０変形例や第１２変形例よりも、第９変形例、第１１変形例、第１３変形例が好適である。また、本体部２１は、フレーム部と比較して電気化学反応がより進行する電極反応部１１１に相対的に近い。そのため、本体部とフレーム部とは、曝される温度環境が異なることがある。このような場合には、曝される温度環境が異なることによる応力集中を抑制するという観点から、第９変形例や第１１変形例よりも、第１３変形例が好適であると考えられる。
図１８は、第４の実施形態を説明する燃料電池セルの第１４〜第１８変形例の要部の断面図である。
図１８に示した第１４〜第１８変形例は、外周縁部１１３と電極反応部１１１との境界Ｂの位置が、図６に示した一例と同一であり、本体部２１とフレーム部２３との境界の位置が、図１４に示した一例と相違している。
つまり、図１８に示した第１４変形例は、平面視したときに本体部２１とフレーム部２３との境界ｂ３１が、上記境界Ｂより内側に配置されている。また、図１８に示した第１５変形例は、平面視したときに本体部２１とフレーム部２３との境界ｂ３２が、上記境界Ｂと重なって配置されている。さらに、図１８に示した第１６変形例は、平面視したときに本体部２１とフレーム部２３との境界ｂ３３が、上記境界Ｂとカソード電極層１５の外端との間に配置されている。また、図１８に示した第１７変形例は、平面視したときに本体部２１とフレーム部２３との境界ｂ３４が、カソード電極層１５の外端と重なって配置されている。さらに、図１８に示した第１８変形例は、平面視したときに本体部２１とフレーム部２３との境界ｂ３５が、カソード電極層１５の外端より外側に配置されている。
上述したように、熱応力差による応力集中の抑制という観点からは、第１５変形例や第１７変形例よりも、第１４変形例、第１６変形例、第１８変形例が好適である。また、本体部２１は、フレーム部と比較して電気化学反応がより進行する電極反応部１１１に相対的に近い。そのため、本体部とフレーム部とは、曝される温度環境が異なることがある。このような場合には、曝される温度環境が異なることによる応力集中を抑制するという観点から、第１４変形例や第１６変形例よりも、第１８変形例が好適であると考えられる。但し、曝される温度環境が異なることによる応力集中が発生することを考慮して、アノード電極層が相対的に厚い部分に境界を位置させたがという観点から、第１８変形例よりも、第１４変形例や第１６変形例が好適であるとも考えられる。
図１９は、第４の実施形態を説明する燃料電池セルの第１９〜第２１変形例の要部の断面図である。
図１９に示した第１９〜第２１変形例は、外周縁部１１３と電極反応部１１１との境界Ｂの位置が、図７に示した一例と同一であり、本体部２１とフレーム部２３との境界の位置が、図１４に示した一例と相違している。
つまり、図１９に示した第１９変形例は、平面視したときに本体部２１とフレーム部２３との境界ｂ４１が、上記境界Ｂより内側に配置されている。また、図１９に示した第２０変形例は、平面視したときに本体部２１とフレーム部２３との境界ｂ４２が、上記境界Ｂと重なって配置されている。さらに、図１９に示した第２１変形例は、平面視したときに本体部２１とフレーム部２３との境界ｂ４３が、上記境界Ｂより外側に配置されている。
上述したように、熱応力差による応力集中の抑制という観点からは、第２０変形例よりも、第１９変形例、第２０変形例が好適である。また、本体部２１は、フレーム部と比較して電気化学反応がより進行する電極反応部１１１に相対的に近い。そのため、本体部とフレーム部とは、曝される温度環境が異なることがある。このような場合には、曝される温度環境が異なることによる応力集中を抑制するという観点から、第１９変形例よりも、第２１変形例が好適であると考えられる。但し、曝される温度環境が異なることによる応力集中が発生することを考慮して、アノード電極層が相対的に厚い部分に境界を位置させたがという観点から、第２１変形例よりも、第１９変形例が好適であるとも考えられる。
図２０は、第４の実施形態を説明する燃料電池セルの第２２〜第２６変形例の要部の断面図である。
図２０に示した第２２〜第２６変形例は、外周縁部１１３と電極反応部１１１との境界Ｂの位置が、図８に示した一例と同一であり、本体部２１とフレーム部２３との境界の位置が、図１４に示した一例と相違している。
つまり、図２０に示した第２２変形例は、平面視したときに本体部２１とフレーム部２３との境界ｂ５１が、カソード電極層１５の外端より内側に配置されている。また、図２０に示した第２３変形例は、平面視したときに本体部２１とフレーム部２３との境界ｂ５２が、カソード電極層１５の外端と重なって配置されている。さらに、図２０に示した第２４変形例は、平面視したときに本体部２１とフレーム部２３との境界ｂ５３が、カソード電極層１５の外端と上記境界Ｂとの間に配置されている。また、図２０に示した第２５変形例は、平面視したときに本体部２１とフレーム部２３との境界ｂ５４が、上記境界Ｂと重なって配置されている。さらに、図２０に示した第２６変形例は、平面視したときに本体部２１とフレーム部２３との境界ｂ５５が、上記境界Ｂより外側に配置されている。
上述したように、熱応力差による応力集中の抑制という観点からは、第２３変形例や第２５変形例よりも、第２２変形例、第２４変形例、第２６変形例が好適である。また、本体部２１は、フレーム部と比較して電気化学反応がより進行する電極反応部１１１に相対的に近い。そのため、本体部とフレーム部とは、曝される温度環境が異なることがある。このような場合には、曝される温度環境が異なることによる応力集中を抑制するという観点から、第２２変形例よりも、第２４変形例や第２６変形例が好適であると考えられる。但し、曝される温度環境が異なることによる応力集中が発生することを考慮して、アノード電極層が相対的に厚い部分に境界を位置させたがという観点から、第２４変形例や第２６変形例よりも、第２２変形例が好適であるとも考えられる。
図２１は、第４の実施形態を説明する燃料電池セルの第２７〜第３５変形例の要部の断面図である。
図２１に示した第２７〜第３５変形例は、外周縁部１１３と電極反応部１１１との境界Ｂ１の位置が、図９に示した一例と同一であり、本体部２１とフレーム部２３との境界の位置が、図１４に示した一例と相違している。
つまり、図２１に示した第２７変形例は、平面視したときに本体部２１とフレーム部２３との境界ｂ６１が、先端１１３ａより内側に配置されている。また、図２１に示した第２８変形例は、平面視したときに本体部２１とフレーム部２３との境界ｂ６２が、先端１１３ａと重なって配置されている。さらに、図２１に示した第２９変形例は、平面視したときに本体部２１とフレーム２３との境界ｂ６３が、先端１１３ａとカソード電極層１５の外端との間に配置されている。また、図２１に示した第３０変形例は、平面視したときに本体部２１とフレーム部２３との境界ｂ６４が、カソード電極層１５の外端と重なって配置されている。さらに、図２１に示した第３１変形例は、平面視したときに本体部２１とフレーム部２３との境界ｂ６５が、カソード電極層１５の外端と先端１１１ａとの間に配置されている。また、図２１に示した第３２変形例は、平面視したときに本体部２１とフレーム部２３との境界ｂ６６が、先端１１１ａと重なって配置されている。さらに、図２１に示した第３３変形例は、平面視したときに本体部２１とフレーム部２３との境界ｂ６７が、先端１１１ａとアノード電極層１１の外端との間に配置されている。また、図２１に示した第３４変形例は、平面視したときに本体部２１とフレーム部２３との境界ｂ６８が、アノード電極層１１の外端と重なって配置されている。さらに、図２１に示した第３５変形例は、平面視したときに本体部２１とフレーム部２３との境界ｂ６９が、アノード電極層１１の外端より外側に配置されている。
上述したように、熱応力差による応力集中の抑制という観点からは、第２８変形例や第３０変形例、第３２変形例、第３４変形例よりも、第２７変形例、第２９変形例、第３１変形例、第３３変形例、第３５変形例が好適である。また、本体部２１は、フレーム部と比較して電気化学反応がより進行する電極反応部１１１に相対的に近い。そのため、本体部とフレーム部とは、曝される温度環境が異なることがある。このような場合には、曝される温度環境が異なることによる応力集中を抑制するという観点から、第２７変形例、第２９変形例、第３１変形例よりも、第３３変形例や第３５変形例が好適であると考えられる。但し、曝される温度環境が異なることによる応力集中が発生することを考慮して、アノード電極層が相対的に厚い部分に境界を位置させたがという観点から、第３３変形例や第３５変形例よりも、第２７変形例、第２９変形例、第３１変形例が好適であるとも考えられる。
図２２に示した第３６〜第４４変形例は、外周縁部１１３と電極反応部１１１との境界Ｂ１の位置が、図１０に示した一例と同一であり、本体部２１とフレーム部２３との境界の位置が、図１４に示した一例と相違している。
つまり、図２２に示した第３６変形例は、平面視したときに本体部２１とフレーム部２３との境界ｂ７１が、カソード電極層１５の外端より内側に配置されている。また、図２２に示した第３７変形例は、平面視したときに本体部２１とフレーム部２３との境界ｂ７２が、カソード電極層１５の外端と重なって配置されている。さらに、図２２に示した第３８変形例は、平面視したときに本体部２１とフレーム部２３との境界ｂ７３が、カソード電極層１５の外端と先端１１３ａとの間に配置されている。また、図２２に示した第３９変形例は、平面視したときに本体部２１とフレーム部２３との境界ｂ７４が、先端１１３ａと重なって配置されている。さらに、図２２に示した第４０変形例は、平面視したときに本体部２１とフレーム部２３との境界ｂ７５が、先端１１３ａと先端１１１ａとの間に配置されている。また、図２２に示した第４１変形例は、平面視したときに本体部２１とフレーム部２３との境界ｂ７６が、先端１１１ａに重なって配置されている。さらに、図２２に示した第４２変形例は、平面視したときに本体部２１とフレーム部２３との境界ｂ７７が、先端１１１ａとアノード電極層１１の外端との間に配置されている。また、図２２に示した第４３変形例は、平面視したときに本体部２１とフレーム部２３との境界ｂ７８が、アノード電極層１１の外端と重なって配置されている。さらに、図２２に示した第４４変形例は、平面視したときに本体部２１とフレーム部２３との境界ｂ７９が、アノード電極層１１の外端より外側に配置されている。
上述したように、熱応力差による応力集中の抑制という観点からは、第３７変形例や第３９変形例、第４１変形例、第４３変形例よりも、第３６変形例、第３８変形例、第４０変形例、第４２変形例、第４４変形例が好適である。また、本体部２１は、フレーム部と比較して電気化学反応がより進行する電極反応部１１１に相対的に近い。そのため、本体部とフレーム部とは、曝される温度環境が異なることがある。このような場合には、曝される温度環境が異なることによる応力集中を抑制するという観点から、第３６変形例、第３８変形例、第４０変形例よりも、第４２変形例や第４４変形例が好適であると考えられる。但し、曝される温度環境が異なることによる応力集中が発生することを考慮して、アノード電極層が相対的に厚い部分に境界を位置させたがという観点から、第４２変形例や第４４変形例よりも、第３６変形例、第３８変形例、第４０変形例が好適であるとも考えられる。
図２３に示した第４５〜第５１変形例は、外周縁部１１３と電極反応部１１１との境界Ｂ１の位置が、図１１に示した一例と同一であり、本体部２１とフレーム部２３との境界の位置が、図１４に示した一例と相違している。
つまり、図２３に示した第４５変形例は、平面視したときに本体部２１とフレーム部２３との境界ｂ８１が、カソード電極層１５の外端より内側に配置されている。また、図２３に示した第４６変形例は、平面視したときに本体部２１とフレーム部２３との境界ｂ８２が、カソード電極層１５の外端と重なって配置されている。さらに、図２３に示した第４７変形例は、平面視したときに本体部２１とフレーム部２３との境界ｂ８３が、カソード電極層１５の外端と先端１１１ａとの間に配置されている。また、図２３に示した第４８変形例は、平面視したときに本体部２１とフレーム部２３との境界ｂ８４が、先端１１１ａと重なって配置されている。さらに、図２３に示した第４９変形例は、平面視したときに本体部２１とフレーム部２３との境界ｂ８５が、先端１１１ａとアノード電極層１１の外端との間に配置されている。また、図２３に示した第５０変形例は、平面視したときに本体部２１とフレーム部２３との境界ｂ８６が、アノード電極層１１の外端と重なって配置されている。さらに、図２３に示した第５１変形例は、平面視したときに本体部２１とフレーム部２３との境界ｂ８７が、アノード電極層１１の外端より外側に配置されている。
上述したように、熱応力差による応力集中の抑制という観点からは、第４６変形例や第４８変形例、第５０変形例よりも、第４５変形例、第４７変形例、第４９変形例、第５１変形例が好適である。また、本体部２１は、フレーム部と比較して電気化学反応がより進行する電極反応部１１１に相対的に近い。そのため、本体部とフレーム部とは、曝される温度環境が異なることがある。このような場合には、曝される温度環境が異なることによる応力集中を抑制するという観点から、第４５変形例、第４７変形例よりも、第４９変形例や第５１変形例が好適であると考えられる。但し、曝される温度環境が異なることによる応力集中が発生することを考慮して、アノード電極層が相対的に厚い部分に境界を位置させたがという観点から、第４９変形例や第５１変形例よりも、第４５変形例、第４７変形例が好適であるとも考えられる。
図２４に示した第５２〜第５８変形例は、外周縁部１１３と電極反応部１１１との境界Ｂ１の位置が、図１２に示した一例と同一であり、本体部２１とフレーム部２３との境界の位置が、図１４に示した一例と相違している。
つまり、図２４に示した第５２変形例は、平面視したときに本体部２１とフレーム部２３との境界ｂ９１が、先端１１３ａより内側に配置されている。また、図２４に示した第５３変形例は、平面視したときに本体部２１とフレーム部２３との境界ｂ９２が、先端１１３ａと重なって配置されている。さらに、図２４に示した第５４変形例は、平面視したときに本体部２１とフレーム部２３との境界ｂ９３が、先端１１３ａと先端１１１ａとの間に配置されている。また、図２４に示した第５５変形例は、平面視したときに本体部２１とフレーム部２３との境界ｂ９４が、先端１１１ａと重なって配置されている。さらに、図２４に示した第５６変形例は、平面視したときに本体部２１とフレーム部２３との境界ｂ９５が、先端１１１ａとアノード電極層１１の外端との間に配置されている。また、図２４に示した第５７変形例は、平面視したときに本体部２１とフレーム部２３との境界ｂ９６が、アノード電極層１１の外端と重なって配置されている。さらに、図２４に示した第５８変形例は、平面視したときに本体部２１とフレーム部２３との境界ｂ９７が、アノード電極層１１の外端より外側に配置されている。
上述したように、熱応力差による応力集中の抑制という観点からは、第５３変形例や第５５変形例、第５７変形例よりも、第５２変形例、第５４変形例、第５６変形例、第５８変形例が好適である。また、本体部２１は、フレーム部と比較して電気化学反応がより進行する電極反応部１１１に相対的に近い。そのため、本体部とフレーム部とは、曝される温度環境が異なることがある。このような場合には、曝される温度環境が異なることによる応力集中を抑制するという観点から、第５２変形例、第５４変形例よりも、第５６変形例や第５８変形例が好適であると考えられる。但し、曝される温度環境が異なることによる応力集中が発生することを考慮して、アノード電極層が相対的に厚い部分に境界を位置させたがという観点から、第５６変形例や第５８変形例よりも、第５２変形例、第５４変形例が好適であるとも考えられる。
図２５に示した第５９〜第６７変形例は、外周縁部１１３と電極反応部１１１との境界Ｂ１の位置が、図１３に示した一例と同一であり、本体部２１とフレーム部２３との境界の位置が、図１４に示した一例と相違している。
つまり、図２５に示した第５９変形例は、平面視したときに本体部２１とフレーム部２３との境界ｂ１０１が、先端１１３ａより内側に配置されている。また、図２５に示した第６０変形例は、平面視したときに本体部２１とフレーム部２３との境界ｂ１０２が、先端１１３ａと重なって配置されている。さらに、図２５に示した第６１変形例は、平面視したときに本体部２１とフレーム部２３との境界ｂ１０３が、先端１１３ａと先端１１１ａとの間に配置されている。また、図２５に示した第６２変形例は、平面視したときに本体部２１とフレーム部２３との境界ｂ１０４が、先端１１１ａと重なって配置されている。さらに、図２５に示した第６３変形例は、平面視したときに本体部２１とフレーム部２３との境界ｂ１０５が、先端１１１ａとカソード電極層１５の外端との間に配置されている。また、図２５に示した第６４変形例は、平面視したときに本体部２１とフレーム部２３との境界ｂ１０６が、カソード電極層１５の外端と重なって配置されている。さらに、図２５に示した第６５変形例は、平面視したときに本体部２１とフレーム部２３との境界ｂ１０７が、カソード電極層１５の外端とアノード電極層１１の外端との間に配置されている。また、図２５に示した第６６変形例は、平面視したときに本体部２１とフレーム部２３との境界ｂ１０８が、アノード電極層１１の外端と重なって配置されている。さらに、図２５に示した第６７変形例は、平面視したときに本体部２１とフレーム部２３との境界ｂ１０９が、アノード電極層１１の外端より外側に配置されている。
上述したように、熱応力差による応力集中の抑制という観点からは、第６０変形例や第６２変形例、第６４変形例、第６６変形例よりも、第５９変形例、第６１変形例、第６３変形例、第６５変形例、第６７変形例が好適である。また、本体部２１は、フレーム部と比較して電気化学反応がより進行する電極反応部１１１に相対的に近い。そのため、本体部とフレーム部とは、曝される温度環境が異なることがある。このような場合には、曝される温度環境が異なることによる応力集中を抑制するという観点から、第５９変形例、第６１変形例、第６３変形例よりも、第６５変形例や第６７変形例が好適であると考えられる。但し、曝される温度環境が異なることによる応力集中が発生することを考慮して、アノード電極層が相対的に厚い部分に境界を位置させたがという観点から、第６５変形例や第６７変形例よりも、第５９変形例、第６１変形例、第６３変形例が好適であるとも考えられる。
上述した各実施形態の燃料電池セルは、例えば、以下の方法により製造することができる。なお、以下の燃料電池セルの製造方法は一例であり、本発明の燃料電池セルは、以下の製造方法により得られたものに限定されるものではない。
例えば、まず、金属製の支持板としてのクロム−５質量％鉄合金など多孔質金属基板上に、Ｎｉ粒子／ＹＳＺ粒子混合物などを含むアノード電極層形成用スラリーをスクリーン印刷で塗布して、アノード塗布層を形成する。このとき、電極反応部の形成には、外周縁部の形成と比較して、Ｎｉ粒子の含有割合の多いアノード電極層形成用スラリーを用いる。具体的には、電極反応部の形成には、ニッケル（Ｎｉ）とイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）とからなるサーメット（Ｎｉ：ＹＳＺ＝５０：５０（質量比））を用い、外周縁部の形成には、ニッケル（Ｎｉ）とイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）とからなるサーメット（Ｎｉ：ＹＳＺ＝２０：８０（質量比））を用いることができる。
次に、アノード塗布層上に、８ｍｏｌ％ＹＳＺ粒子などを含む電解質層形成スラリーを塗布して、電解質塗布層を形成する。
さらに、水素雰囲気などの還元雰囲気下、１０００℃で焼成することにより、多孔質基板上に、所定の電極反応部と外周縁部とを有するアノード電極層と、電解質層とを形成する。
さらに、電解質層上に、セリア系酸化物粒子などを含む拡散防止層形成用スラリーをスクリーン印刷で塗布して、水素雰囲気などの還元雰囲気下、１０００℃で焼成することにより、電解質層上に、拡散防止層を形成する。
しかる後、拡散防止層上に、ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物（ＬＳＣＦ）などを含むカソード電極層形成用スラリーをスクリーン印刷で塗布して、水素雰囲気などの還元雰囲気下、１０００℃で焼成することにより、拡散防止層上に、カソード電極層を形成する。
これにより、電極反応部の８００℃における平均熱膨張係数が１２．５×１０−６／Ｋであり、外周縁部の８００℃における平均熱膨張係数が１１．０×１０−６／Ｋであり、電解質層の８００℃における平均熱膨張係数が１０．０×１０−６／Ｋとなって、所望の燃料電池セルを得ることができる。なお、スクリーン印刷法に替えて又はスクリーン印刷法とともに、コールドスプレー法やスリップキャスト法などを適用することもできる。
以上、本発明を若干の実施形態によって説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形が可能である。
例えば、上述した各実施形態に記載した構成は、実施形態毎に限定されるものではなく、例えば、各種構成の仕様の細部を変更したり、各実施形態の構成を上述した各実施形態以外の組み合わせにしたりすることができる。
ＦＣ 燃料電池セル
１ 電池構造体
２ 支持板
１１ アノード電極層
１３ 電解質層
１５ カソード電極層
２１ 本体部
２３ フレーム部
１１１ 電極反応部
１１３ 外周縁部

Claims (11)

  1. ニッケルとイットリア安定化ジルコニアとからなるアノード電極層、イットリア安定化ジルコニアからなる電解質層及びカソード電極層が積層された構造を有する電池構造体を備えた固体酸化物形燃料電池セルであって、
    前記アノード電極層は、中央に配置され、かつ、前記電解質層の熱膨張率よりも熱膨張率が大きい電極反応部と、前記電極反応部の外周に前記電極反応部と隣接して配置され、かつ、前記電極反応部の熱膨張率よりも熱膨張率が小さい外周縁部と、を有し、
    前記外周縁部の前記ニッケルの含有割合が、前記電極反応部の前記ニッケルの含有割合よりも少ない
    ことを特徴とする燃料電池セル。
  2. 前記外周縁部の厚みが、少なくとも前記外周縁部と前記電極反応部の境界近傍で、前記電極反応部の厚みと同じであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セル。
  3. 前記外周縁部は、平面視したときに前記カソード電極層と重なって配置されている部分を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池セル。
  4. 前記外周縁部は、外端側に向かって漸次厚みが薄くなる部分を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の燃料電池セル。
  5. 前記外周縁部は、内端側に向かって漸次厚みが薄くなり、かつ、先端が前記電解質層側に配置された部分を有し、
    前記電極反応部は、外端側に向かって漸次厚みが薄くなり、かつ、先端が前記電解質層と反対側に配置された部分を有する
    ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セル。
  6. 前記電池構造体の前記アノード電極層側に配置され、前記電池構造体を支持する金属製の支持板をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つの項に記載の燃料電池セル。
  7. 前記支持板は、ガス透過性を有し、かつ、前記アノード電極層の前記電極反応部に接する中央の本体部と、前記本体部の外周に配置され、かつ、ガス非透過性を有するフレーム部と、を有することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池セル。
  8. 前記外周縁部は、平面視したときに前記カソード電極層及び前記本体部の少なくとも一方と重なって配置されている部分を有することを特徴とする請求項７に記載の燃料電池セル。
  9. 前記外周縁部は、平面視したときに前記本体部と重なって配置されている部分を有することを特徴とする請求項７又は８に記載の燃料電池セル。
  10. 前記電池構造体の層厚み方向に沿った断面において前記外周縁部と前記電極反応部との境界を示す境界線が、前記アノード電極層の前記電解質層側の外形線及び前記アノード電極層の前記電解質層側と反対側の外形線と接続されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つの項に記載の燃料電池セル。
  11. 前記外周縁部と前記電極反応部との境界が、前記カソード電極層の外端より内側に配置されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１つの項に記載の燃料電池セル。
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