固体酸化物形燃料電池スタック及びその作製方法
【課題】横縞方式の固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、特にインターコネクタに関する問題を解決し、その耐久性を向上させ、発電の安定性、信頼性を向上させる。
【解決手段】内部に燃料の流通部を有する支持基板の表面に、順次、アノード、電解質及びカソードからなる複数のセルを形成するとともに、隣接するセル間をインターコネクタを介して電気的に直列に接続してなる横縞方式の固体酸化物形燃料電池スタックであって、隣接するセルのアノードとインターコネクタとの間に中間層としてＡｇとＮｉＯを含むコンポジット材料を配するとともに、その上面及び左右の電解質を覆ってＡｇとガラスを含むコンポジット材料を配してなることを特徴とする横縞方式の固体酸化物形燃料電池スタック及びその作製方法。
【解決手段】内部に燃料の流通部を有する支持基板の表面に、順次、アノード、電解質及びカソードからなる複数のセルを形成するとともに、隣接するセル間をインターコネクタを介して電気的に直列に接続してなる横縞方式の固体酸化物形燃料電池スタックであって、隣接するセルのアノードとインターコネクタとの間に中間層としてＡｇとＮｉＯを含むコンポジット材料を配するとともに、その上面及び左右の電解質を覆ってＡｇとガラスを含むコンポジット材料を配してなることを特徴とする横縞方式の固体酸化物形燃料電池スタック及びその作製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物形燃料電池スタック及びその作製方法に関し、より具体的には横縞方式の固体酸化物形燃料電池スタック及びその作製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物形燃料電池〔ＳＯＦＣ（＝Solid Oxide Fuel Cell)、以下適宜ＳＯＦＣと略称する〕は、一般的には、作動温度が８００〜１０００℃程度と高いが、最近では８００℃程度以下、すなわち８００〜６５０℃という範囲の作動温度のものも開発されつつある。ＳＯＦＣは、電解質材料を挟んでアノードとカソードが配置され、アノード／電解質／カソードの三層ユニットで構成される。
【０００３】
ＳＯＦＣの運転時には、アノード側に燃料を通し、カソード側に酸化剤ガス、例えば空気を通して、両電極を外部負荷に接続することで電力が得られる。ところが、単電池（本明細書中適宜セルとも言う）一つでは高々０．８Ｖ程度の電圧しか得られないので、実用的な電力を得るためには複数の単電池を直列に接続する必要がある。隣接する単電池を電気的に直列に接続するのと同時に、アノードとカソードのそれぞれに燃料と空気とを適正に分配、供給し、また排出する目的で、インターコネクタとセルとが交互に積層される。
【０００４】
上記のようなＳＯＦＣは複数のセルを積層するタイプであるが、これに代えてセルの配置を横縞方式とすることも考えられている。横縞方式には円筒タイプや中空扁平タイプなどの方式がある。図１０は特開平１０−３９３２号公報に開示された円筒タイプの構成例を示す図である。図１０（Ａ）は全体図、図１０（Ｂ）は図１０（Ａ）のＸ部を拡大して示す断面図、図１０（Ｃ）は図１０（Ａ）のＹ部を拡大して示す断面図である。
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−３９３２号公報
【０００６】
図１０（Ａ）〜（Ｃ）のとおり、基体管２１の外周面に順次、アノード２２、電解質２３及びカソード２４を積層してなるセル２５の複数個が、該基体管２１の長手方向に間隔を置いて形成されている。２６は隣接するセル間を電気的に接続するインターコネクタである。ここでの、インターコネクタ２６の構成材料としては、従来材料であるＬａＣｒＯ3系のペロブスカイト形酸化物が用いられている。この材料はスラリー化され、成膜、乾燥することでインターコネクタが形成される。基体管２１の両端にはセラミックス系接着剤２７を介して導電性基体管２８が接合されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、ＬａＣｒＯ3系のペロブスカイト形酸化物は電気抵抗が高い。そこで、その抵抗を低減するためにインターコネクタの面積を大きくすることが考えられる。しかし、この部分は発電に寄与しないため、セルの集積密度が低くなる（つまり無駄率が高くなる）という問題がある。また、インターコネクタ２６は、その形成に際して非常に高温で熱処理を施す必要があることから、図１０（Ａ）〜（Ｃ）中、インターコネクタ２６の下に積層されている部材、すなわち基体管２１、アノード２２、電解質２３の材料も必ず高温の熱処理過程が加わることになる。このため、それらの材料も高温で安定性がある材料が要求されるため、その材料や作製工程が限定され、特に作製工程が複雑化してしまう。
【０００８】
本発明においては、横縞方式の固体酸化物形燃料電池スタックにおいて生起するそれらの諸問題、特にインターコネクタに関する問題を解決してなる横縞方式の固体酸化物形燃料電池スタック及びその作製方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、内部に燃料の流通部を有する支持基板の表面に、順次、アノード、電解質及びカソードからなる複数のセルを形成するとともに、隣接するセル間をインターコネクタを介して電気的に直列に接続してなる横縞方式の固体酸化物形燃料電池スタックであって、隣接するセルのアノードとインターコネクタとの間に中間層としてＡｇとＮｉＯを含むコンポジット材料を配するとともに、その上面及び電解質を覆ってＡｇとガラスを含むコンポジット材料からなるインターコネクタを配してなることを特徴とする横縞方式の固体酸化物形燃料電池スタックを提供する。
【００１０】
また、本発明は、内部に燃料の流通部を有する支持基板の表面に、順次、アノード、電解質及びカソードからなる複数のセルを形成するとともに、隣接するセル間をインターコネクタを介して電気的に直列に接続してなる横縞方式の固体酸化物形燃料電池スタックの作製方法であって、隣接するセルのアノードとインターコネクタとの間に中間層としてＡｇとＮｉＯを含むコンポジット材料を配するとともに、その上面及び電解質を覆ってＡｇとガラスを含むコンポジット材料からなるインターコネクタを配することを特徴とする横縞方式の固体酸化物形燃料電池スタックの作製方法を提供する。
【発明の効果】
【００１１】
横縞方式の固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、インターコネクタの材料としてＡｇとガラスを含むコンポジット材料のみを用いた場合、耐久性に問題があったが、本発明によれば、アノードと該インターコネクタ材料との間にＡｇとＮｉＯを含むコンポジット材料からなる中間層を形成することにより、その耐久性を飛躍的に向上させることができる。これにより、横縞方式の固体酸化物形燃料電池スタックによる発電の安定性、信頼性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明は、内部に燃料の流通部を有する支持基板の表面に、順次、アノード、電解質及びカソードからなる複数個のセルを形成するとともに、隣接するセル間をインターコネクタを介して電気的に直列に接続してなる横縞方式の固体酸化物形燃料電池スタックである。そして、隣接するセルのアノードとインターコネクタとの間に中間層としてＡｇとＮｉＯを含むコンポジット材料を配するとともに、その上面及び電解質を覆ってＡｇとガラスを含むコンポジット材料からなるインターコネクタを配してなることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明は、内部に燃料の流通部を有する支持基板の表面に、順次、アノード、電解質及びカソードからなる複数個のセルを形成するとともに、隣接するセル間をインターコネクタを介して電気的に直列に接続してなる横縞方式の固体酸化物形燃料電池スタックの作製方法である。そして、隣接するセルのアノードとインターコネクタとの間に中間層としてＡｇとＮｉＯを含むコンポジット材料を配するとともに、その上面及び電解質を覆ってＡｇとガラスを含むコンポジット材料からなるインターコネクタを配することを特徴とする。
【００１４】
横縞方式のＳＯＦＣスタックにおいて、隣接するセル間（すなわち、隣接するセルのうち、一方のセルのアノードと他方のセルのカソード）を電気的に連結するインターコネクタの構成材料として、従来技術ではペロブスカイト形ＬａＣｒＯ3系酸化物材料を用いていたが、本発明においてはＡｇとガラスを含むコンポジット材料を用いる。加えて、本発明においてはアノードと該“Ａｇとガラスを含むコンポジット材料”との間に中間層を形成し、その中間層の構成材料としてＡｇとＮｉＯを含むコンポジット材料を用いる。
【００１５】
支持基板の構成材料としては、ＭｇＯとＭｇＡｌ2Ｏ4の混合物、ジルコニア系酸化物、ジルコニア系酸化物とＭｇＯとＭｇＡｌ2Ｏ4の混合物等を用い得るが、これらに限定されない。そのうち、ＭｇＯとＭｇＡｌ2Ｏ4の混合物は、ＭｇＯとＭｇＡｌ2Ｏ4の全量のうちＭｇＯが２０〜７０ｖｏｌ％含まれる混合物であるのが好ましい。また、ジルコニア系酸化物の例としては、イットリア安定化ジルコニア〔ＹＳＺ：（Ｙ2Ｏ3）X（ＺｒＯ2）1-X（式中、ｘ＝０．０３〜０．１２）〕などが挙げられる。
【００１６】
アノードの構成材料としては、例えばＮｉを主成分とする材料、金属を含むセラミック材料などが用いられるが、これらに限定されない。金属を含むセラミック材料のうち、セラミック材料としては、例えばイットリア安定化ジルコニア〔ＹＳＺ：（Ｙ2Ｏ3）X（ＺｒＯ2）1-X（式中、ｘ＝０．０５〜０．１５）〕が用いられ、金属としては、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｒｕ及びＰｄから選ばれた少なくとも１種の金属、すなわちそれら金属のうち１種または２種以上の金属が用いられる。
【００１７】
それら金属を含むセラミック材料のうち、Ｎｉを含むＹＳＺ（Ｎｉ−ＹＳＺサーメット）、すなわちＮｉと〔（Ｙ2Ｏ3）X（ＺｒＯ2）1-X（式中、ｘ＝０．０５〜０．１５）〕との混合物は、本発明において好ましいアノード材料であり、特に当該混合物中のＮｉを４０ｖｏｌ％以上分散させたものであるのが好ましい。
【００１８】
電解質の構成材料は、イオン導電性を有する固体電解質であればよく、その例としては下記（１）〜（４）の材料が挙げられるが、これら例示の材料に限定されない。
（１）イットリア安定化ジルコニア〔ＹＳＺ：（Ｙ2Ｏ3）X（ＺｒＯ2）1-X（式中、ｘ＝０．０５〜０．１５）〕。
（２）スカンジア安定化ジルコニア〔（Ｓｃ2Ｏ3）X（ＺｒＯ2）1-X（式中、ｘ＝０．０５〜０．１５）〕。
（３）イットリアドープセリア〔（Ｙ2Ｏ3）X（ＣｅＯ2）1-X（式中、ｘ＝０．０２〜０．４）〕。
（４）ガドリアドープセリア〔（Ｇｄ2Ｏ3）X（ＣｅＯ2）1-X（式中、ｘ＝０．０２〜０．４）〕。
【００１９】
図１（ａ）〜（ｂ）は本発明に係るＳＯＦＣセルスタックの態様例を説明する図で、横縞状に配置された複数個のセルのうち、隣接する２つのセルの部分を断面図として示すものである。図１（ａ）中、１は支持基板、２はアノード、３、３は隣接する電解質、Ａはインターコネクタである。図１（ａ）のとおり、本発明においては、隣接するセルのアノードとインターコネクタＡとの間に中間層Ｂを設ける。そして、中間層Ｂの構成材料としてＡｇとＮｉＯを含むコンポジット材料を用いる。このコンポジット材料にはＺｒＯ2、その他の微量成分を含んでいてもよい。本明細書及び特許請求の範囲において“ＡｇとＮｉＯを含むコンポジット材料”とは、ＡｇとＮｉＯの混合物のほか、これに微量成分を含む場合を含む意味である。“ＡｇとＮｉＯを含むコンポジット材料”において、ＡｇとＮｉＯとの配合割合は重量比で５：５から１：９の範囲であるのが好ましい。
【００２０】
この中間層Ｂは２層にしてもよく、また中間層Ｂを予め熱処理することで安定性を向上させることができる。中間層Ｂもインターコネクタであり、中間層ＢのインターコネクタＢとインターコネクタＡを合わせたインターコネクタで隣接するセル間を電気的に接続する。図１（ｂ）は作動時における電流の流れ方向を示したものである。
【００２１】
また、本発明においては、インターコネクタＡの構成材料として、Ａｇとガラスを含むコンポジット材料を用いる。このコンポジット材料にはＺｒＯ2、その他の微量成分を含んでいてもよい。本明細書及び特許請求の範囲において“Ａｇとガラスを含むコンポジット材料”とは、Ａｇとガラスの混合物のほか、これに微量成分を含む場合を含む意味である。このコンポジット材料は、絶縁体であるガラスに電流を流すために電気伝導性材料であるＡｇを混入し、その混合物をインターコネクタＡの構成材料として使用するものである。
【００２２】
ここで用いるガラスの種類については特に限定されない。ガラスは、ＳｉＯ2あるいはこれに加えてＡｌ2Ｏ3を含む網目状構造中に、Ｋ2Ｏ、ＺｎＯ、ＢａＯ、Ｎａ2Ｏ、ＣａＯ等を含むもので、例えばソーダガラス、ホウ珪酸ガラス、石英ガラスその他適宜選択して用いることができる。その特性としては、熱膨張係数が６．０〜１４．０×１０-1の範囲であるガラスであること、また軟化点が６００℃〜１０００℃の範囲のガラスであることが望ましい。また、Ａｇとしては、Ａｇそのもののほか、例えばＡｇ−Ｐｄ系合金などのＡｇを含む合金やＡｇを含む金属ろう材が挙げられる。
【００２３】
図２は、図１のＳＯＦＣスタックを形成する過程を示す図である。図２中、図１と同じ部材、部分には同じ符号を付している。図２（ａ）のとおり、支持基板１を用意し、その上面にアノード２を配置する。この段階を図２（ｂ）として示している。次に、アノード２の面上に間隔を置いて電解質３、３を配置する。この段階を図２（ｃ）として示している。このとき、図２（ｃ）のとおり、電解質３、３間に凹部４を形成する。次いで、各電解質３、３の面上にカソード５を配置する。この段階を図２（ｄ）として示している。
【００２４】
そして、凹部４にＡｇとＮｉＯを含むコンポジット材料を配して中間層であるインターコネクタＢを形成する。図２（ｅ）はこの段階を示している。この中間層であるインターコネクタＢは、アノードと電解質との位置関係では、隣接するセルのアノード２の上面で且つ隣接するセルの電解質３、３間に設けられる。その後、その上面（凹部４に配した中間層、すなわちＡｇとＮｉＯを含むコンポジット材料面）にＡｇとガラス粉を含むコンポジット材料を配してインターコネクタＡを形成する。図２（ｆ）は、この段階を示す図で、前述図１（ａ）〜（ｂ）に相当している。
【００２５】
本発明は、例えば図１０に示されるような円筒タイプの横縞方式のＳＯＦＣとは限らず、内部に燃料の流通部を有する支持基板が断面矩形状（含、中空扁平状）、断面四角形状、断面楕円形状などの横縞方式のＳＯＦＣについても適用される。図３はその態様例を示す図である。図３（ａ）は中空扁平状支持基板１０に複数個のセル１２を横縞状に配置した例である。図３（ａ）中、１１は支持基板１０の内部に有する燃料の流通部、すなわち燃料流路である。図３（ａ）は斜視図として示しているので、裏面は見えないが、表面と同様、裏面にも複数個のセル１２を横縞状に配置してよい。
【００２６】
図３（ｂ）〜（ｄ）は他の態様例について、横縞状に配置されたセルのうちの一つのセルの部分を断面図として示すものである。図３（ｂ）〜（ｄ）のいずれの例でも、絶縁性支持基板１０の上に、図３（ａ）のように、複数個のセル１２（セル１２はアノード、電解質及びカソードからなる）が形成される。１１は支持基板１０の内部に有する燃料の流通部、すなわち燃料流路である。図３（ｂ）は支持基板１０に複数個の断面円形状の燃料流路１１を備える例、図３（ｃ）は支持基板１０に複数個の断面楕円形状の燃料流路１１を備える例、図３（ｄ）は支持基板１０に複数個の断面矩形状の燃料流路１１を備える例である。図３（ｂ）〜（ｄ）には、内部に燃料の流通部を有する支持基板が断面矩形状の例を示しているが、支持基板が断面四角形状、断面楕円形状などの場合も同様である。
【実施例】
【００２７】
以下、実施例を基に本発明をさらに詳しく説明するが、本発明が実施例に限定されないことはもちろんである。
【００２８】
《実施例１》
中間層を有する模擬的なＳＯＦＣセルと中間層を有しない模擬的なＳＯＦＣセルを作製し、中間層の有無による効果を確認するため、それら両ＳＯＦＣ模擬セルについて性能試験を実施した。図４（ａ）〜（ｂ）はそれらの模擬的ＳＯＦＣセルを示す図である。図４（ａ）は、インターコネクタとして中間層を有するインターコネクタで構成したセル（以下“実施例ＳＯＦＣ模擬セル”とする）、図４（ｂ）は、従来のセルで、インターコネクタとして中間層を有しないインターコネクタで構成したセル（以下“比較例ＳＯＦＣ模擬セル”とする）である。
【００２９】
〈実施例ＳＯＦＣ模擬セルの作製〉
中間層を有するインターコネクタで構成したセルを以下のようにして作製した。多孔質のＹＳＺからなる支持基板を用意した。図４（ａ）中、１として示す部材である。その上面にＮｉ−ＹＳＺサーメットからなるアノード層を配置した。図４（ａ）中、２として示す層である。そのアノード層の面上に、その中央部に間隔を置き、その左右両側にＹＳＺからなる電解質を配置した。図４（ｂ）中、３、３として示す部材である。左右両側の電解質３、３間に上記中央部の間隔に相当する凹部を形成している。
【００３０】
次いで、当該凹部にＡｇとＮｉＯの混合物のスラリーを塗布、乾燥して、インターコネクタＢを形成した。そのＡｇとＮｉＯの混合物のスラリーは、有機溶媒（トルエンと２−プロパノールの混合溶媒）にＡｇ粉末とＮｉＯ粉末を重量比５：５の割合で混合し、ボールミルで２０時間混合して作製したものである。インターコネクタＢは本発明における中間層に相当するものである。
【００３１】
その後、その中間層であるインターコネクタＢと左右両側の電解質３、３の上面にＡｇ粉末とガラス粉末の混合物のスラリーを塗布、乾燥して、インターコネクタＡを形成した。このＡｇ粉末とガラス粉末の混合物のスラリーは、有機溶媒（トルエンと２−プロパノールの混合溶媒）にＡｇ粉末とガラス粉末（ＳｉＯ2−ＳｒＯ−Ｋ2Ｏ−Ｎａ2Ｏ系接合材、商品名：ＡＳＦ７００、旭硝子社製）を重量比６：４の割合で混合し、ボールミルで２０時間混合して作製したものである。
【００３２】
〈比較例ＳＯＦＣ模擬セルの作製〉
中間層を有しないインターコネクタで構成したセルを以下のようにして作製した。上記〈実施例ＳＯＦＣ模擬セルの作製〉と同様にして、支持基板１の上面にアノード層２を配置した。そのアノード層２の面上に、その中央部に間隔を置き、その左右両側に電解質を配置した。図４（ｂ）中、３、３として示す部材である。左右両側の電解質３、３間に上記中央部の間隔に相当する凹部を形成している。これら各部材の構成材料はそれぞれ実施例ＳＯＦＣ模擬セルでの材料と同じである。
【００３３】
次いで、上記凹部と当該凹部を挟んで隣接する電解質３、３の上面を覆ってＡｇ粉末とガラス粉末の混合物のスラリーを塗布、乾燥して、インターコネクタを形成した。このＡｇ粉末とガラス粉末の混合物のスラリーは、実施例ＳＯＦＣ模擬セルにおけるインターコネクタＡを形成するのに用いたスラリーと同じものである。比較例ＳＯＦＣ模擬セルは、凹部にＡｇとＮｉＯを含むコンポジット材料を配していないので、中間層を有しないインターコネクタで構成したセルである。
【００３４】
〈性能試験１〉
以上のようにして作製した“実施例ＳＯＦＣ模擬セル”と“比較例ＳＯＦＣ模擬セル”のそれぞれについて性能試験を実施した。本性能試験は、常法に従い、支持基板１側に水素を、インターコネクタ側に空気を流し、作動温度を７５０℃とし、電流密度を０．３２Ａと一定にして実施した。図５はその結果を示す図である。図５中、横軸は時間（ｈ）、縦軸はアノード／インターコネクタ間の接触抵抗電圧である。この電圧が高いほど、セルにしたときの性能が悪いことになる。
【００３５】
図５のとおり、比較例ＳＯＦＣ模擬セル（中間層なし。Ａｇ−Ｇｌａｓｓ：Ａｇ−Ｇｌａｓｓ）については、試験開始時以降高い電圧（接触抵抗電圧）を示し、且つ上下に激しく振動し、一定電圧を示さなかった。そこで、１００時間経過時に測定を中止した。これに対して、実施例ＳＯＦＣ模擬セル（中間層あり。中間層＝Ａｇ−ＮｉＯ、このうちＮｉＯは還元されてＮｉになっている）の電圧については、試験開始時以降徐々に上がるものの、９７０時間経過時にも０．０３Ｖの低い電圧（接触抵抗電圧）を維持している。これは、９７０時間経過しても低抵抗であり、本中間層を適用すれば安定性向上の可能性が大きいことを示している。
【００３６】
《実施例２》
〈実施例ＳＯＦＣセルスタックの作製〉
前述図２に示す順序に従い、中間層を有するインターコネクタで構成したセルスタックを以下のようにして作製した。多孔質のＹＳＺからなる支持基板を用意した。図２中、１として示す部材である。その上面にＮｉ−ＹＳＺサーメットからなるアノード層を配置した。図２中、２として示す層である。そのアノード層の面上の左右側に、薄い金属薄板の枠を用いて９個のＹＳＺからなる電解質を間隔を置いて配置した。
【００３７】
図２中、３、３として示す部材である。電解質３、３間に凹部４（上記間隔に相当する）を形成している。電解質は９個であり、凹部４は各電解質間にそれぞれ形成したので８箇所である。次いで、各電解質３、３の上面にＬＳＣＦ（Ｌａ０.６Ｓｒ０.４Ｃｏ０.２Ｆｅ０.８Ｏ３、後述比較例ＳＯＦＣセルスタックについても同じ）からなるカソードを配置した。図２中、５として示す部材である。
【００３８】
次いで、当該各凹部４にＡｇとＮｉＯの混合物のスラリーを塗布、乾燥して、中間層のインターコネクタＢを形成した。そのＡｇとＮｉＯの混合物のスラリーは、有機溶媒（トルエンと２−プロパノールの混合溶媒）にＡｇ粉末とＮｉＯ粉末を重量比５：５の割合で混合し、ボールミルで２０時間混合して作製したものである。
【００３９】
その後、中間層である各インターコネクタＢの上面とカソード５の上面との間にＡｇ粉末とガラス粉末の混合物のスラリーを塗布、乾燥して、インターコネクタＡを形成した。このＡｇ粉末とガラス粉末の混合物のスラリーは、有機溶媒（トルエンと２−プロパノールの混合溶媒）にＡｇ粉末とガラス粉末（ＳｉＯ2−ＳｒＯ−Ｋ2Ｏ−Ｎａ2Ｏ系接合材、商品名：ＡＳＦ７００、旭硝子社製）を重量比６：４の割合で混合し、ボールミルで２０時間混合して作製したものである。
【００４０】
図６にこうして作製した“実施例ＳＯＦＣセルスタック”を示している。図６（ａ）は平面図、図６（ｂ）は図６（ａ）中Ａ−Ａ線断面図、図６（ｃ）は図６（ａ）中Ｂ−Ｂ線断面図、図６（ｄ）は図６（ａ）中Ｃ−Ｃ線断面図である。図６（ｄ）は図１（ａ）〜（ｂ）、図２（ｆ）に相当している。図６（ｂ）〜（ｃ）中、６は燃料の流通部、すなわち燃料流路〔図３（ａ）〜（ｄ）で言えば１１に相当している〕、７は燃料導入口、８は燃料排出口である。
【００４１】
〈比較例ＳＯＦＣセルスタックの作製〉
中間層を有しないインターコネクタで構成したセルスタックを以下のようにして作製した。上記実施例ＳＯＦＣセルスタックの作製と同様にして、支持基板１の上面にアノード層を配置した。そのアノード層の面上に間隔を置いて９個の電解質を配置した。図２で云えば、符号３、３として示す部材であり、アノード層の面上で且つ両電解質３、３間に凹部４（上記間隔に相当する）を形成している。電解質は９個であり、凹部４は各電解質間にそれぞれ形成したので８箇所である。これら各部材の構成材料はそれぞれ実施例ＳＯＦＣセルスタックでの材料と同じである。
【００４２】
次いで、各電解質３、３の上面にＬＳＣＦからなるカソードを配置した。図２中、５として示す部材である。次いで、各凹部４とカソード５の上面との間にＡｇ粉末とガラス粉末の混合物のスラリーを塗布、乾燥して、インターコネクタＡを形成した。このＡｇ粉末とガラス粉末の混合物のスラリーは、上記実施例ＳＯＦＣセルスタックにおけるインターコネクタＡを形成するのに用いたスラリーと同じものである。“比較例ＳＯＦＣセルスタック”は、凹部４にＡｇとＮｉＯを含むコンポジット材料を配していないので、実施例ＳＯＦＣセルスタックでは有する、中間層を有しないインターコネクタで構成したセルスタックである。
【００４３】
〈性能試験２〉
以上のように作製した“実施例ＳＯＦＣセルスタック”と“比較例ＳＯＦＣセルスタック”について性能試験を実施した。本性能試験は、常法に従い、実施例ＳＯＦＣセルスタックと比較例ＳＯＦＣセルスタックをそれぞれ図７に示すようにセットし、アノード側に水素を、カソード側に空気を流し、作動温度を７００℃とし、電流密度を０．２Ａ／ｃｍ2と一定にして実施した。なお、図７中、カソードとインターコネクタ間の接続部材（すなわちインターコネクタＡの一部）の記載は省略している。図８〜９はその結果を示す図である。図８〜９中、横軸は時間（ｈ）、縦軸はスタック電圧（Ｖ）である。
【００４４】
図８のとおり、比較例ＳＯＦＣセルスタック（中間層なし）の電圧については、試験開始時以降上下に激しく振動し、一定電圧を示さなかったので、１７０時間経過時に測定を中止した。これに対して、図９のとおり、実施例ＳＯＦＣセルスタック（中間層あり）の電圧については、試験開始時以降ほぼ５Ｖの電圧を示し、２５０時間経過時にもほぼ５Ｖの電圧を維持している。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明に係るＳＯＦＣセルの態様例を説明する図
【図２】図１のＳＯＦＣスタックを作製する過程を示す図
【図３】本発明が適用される中空扁平タイプの横縞方式スタックの例を示す図
【図４】実施例１の実施例ＳＯＦＣ模擬セル及び比較例ＳＯＦＣ模擬的セルを示す図
【図５】実施例１での性能試験１の結果を示す図
【図６】実施例２の実施例ＳＯＦＣセルスタックを示す図
【図７】実施例２の性能試験２に用いた試験装置を示す図
【図８】実施例２での比較例セルスタックの性能試験２の結果を示す図
【図９】実施例２での実施例セルスタックの性能試験２の結果を示す図
【図１０】円筒タイプの横縞方式の構成例を示す図（先行技術）
【符号の説明】
【００４６】
１ 支持基板
２ アノード
３ 電解質
４ 凹部（中間層となる）
５ カソード
６ 燃料の流通部（燃料流路）
７ 燃料導入口
８ 燃料排出口
Ａ インターコネクタ
Ｂ 中間層（インターコネクタ）
１０ 支持基板
１１ 燃料の流通部（燃料流路）
１２ セル
２１ 基体管
２２ アノード
２３ 電解質
２４ カソード
２５ セル
２６ インターコネクタ
２７ セラミックス系接着剤
２８ 導電性基体管
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物形燃料電池スタック及びその作製方法に関し、より具体的には横縞方式の固体酸化物形燃料電池スタック及びその作製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物形燃料電池〔ＳＯＦＣ（＝Solid Oxide Fuel Cell)、以下適宜ＳＯＦＣと略称する〕は、一般的には、作動温度が８００〜１０００℃程度と高いが、最近では８００℃程度以下、すなわち８００〜６５０℃という範囲の作動温度のものも開発されつつある。ＳＯＦＣは、電解質材料を挟んでアノードとカソードが配置され、アノード／電解質／カソードの三層ユニットで構成される。
【０００３】
ＳＯＦＣの運転時には、アノード側に燃料を通し、カソード側に酸化剤ガス、例えば空気を通して、両電極を外部負荷に接続することで電力が得られる。ところが、単電池（本明細書中適宜セルとも言う）一つでは高々０．８Ｖ程度の電圧しか得られないので、実用的な電力を得るためには複数の単電池を直列に接続する必要がある。隣接する単電池を電気的に直列に接続するのと同時に、アノードとカソードのそれぞれに燃料と空気とを適正に分配、供給し、また排出する目的で、インターコネクタとセルとが交互に積層される。
【０００４】
上記のようなＳＯＦＣは複数のセルを積層するタイプであるが、これに代えてセルの配置を横縞方式とすることも考えられている。横縞方式には円筒タイプや中空扁平タイプなどの方式がある。図１０は特開平１０−３９３２号公報に開示された円筒タイプの構成例を示す図である。図１０（Ａ）は全体図、図１０（Ｂ）は図１０（Ａ）のＸ部を拡大して示す断面図、図１０（Ｃ）は図１０（Ａ）のＹ部を拡大して示す断面図である。
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−３９３２号公報
【０００６】
図１０（Ａ）〜（Ｃ）のとおり、基体管２１の外周面に順次、アノード２２、電解質２３及びカソード２４を積層してなるセル２５の複数個が、該基体管２１の長手方向に間隔を置いて形成されている。２６は隣接するセル間を電気的に接続するインターコネクタである。ここでの、インターコネクタ２６の構成材料としては、従来材料であるＬａＣｒＯ3系のペロブスカイト形酸化物が用いられている。この材料はスラリー化され、成膜、乾燥することでインターコネクタが形成される。基体管２１の両端にはセラミックス系接着剤２７を介して導電性基体管２８が接合されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、ＬａＣｒＯ3系のペロブスカイト形酸化物は電気抵抗が高い。そこで、その抵抗を低減するためにインターコネクタの面積を大きくすることが考えられる。しかし、この部分は発電に寄与しないため、セルの集積密度が低くなる（つまり無駄率が高くなる）という問題がある。また、インターコネクタ２６は、その形成に際して非常に高温で熱処理を施す必要があることから、図１０（Ａ）〜（Ｃ）中、インターコネクタ２６の下に積層されている部材、すなわち基体管２１、アノード２２、電解質２３の材料も必ず高温の熱処理過程が加わることになる。このため、それらの材料も高温で安定性がある材料が要求されるため、その材料や作製工程が限定され、特に作製工程が複雑化してしまう。
【０００８】
本発明においては、横縞方式の固体酸化物形燃料電池スタックにおいて生起するそれらの諸問題、特にインターコネクタに関する問題を解決してなる横縞方式の固体酸化物形燃料電池スタック及びその作製方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、内部に燃料の流通部を有する支持基板の表面に、順次、アノード、電解質及びカソードからなる複数のセルを形成するとともに、隣接するセル間をインターコネクタを介して電気的に直列に接続してなる横縞方式の固体酸化物形燃料電池スタックであって、隣接するセルのアノードとインターコネクタとの間に中間層としてＡｇとＮｉＯを含むコンポジット材料を配するとともに、その上面及び電解質を覆ってＡｇとガラスを含むコンポジット材料からなるインターコネクタを配してなることを特徴とする横縞方式の固体酸化物形燃料電池スタックを提供する。
【００１０】
また、本発明は、内部に燃料の流通部を有する支持基板の表面に、順次、アノード、電解質及びカソードからなる複数のセルを形成するとともに、隣接するセル間をインターコネクタを介して電気的に直列に接続してなる横縞方式の固体酸化物形燃料電池スタックの作製方法であって、隣接するセルのアノードとインターコネクタとの間に中間層としてＡｇとＮｉＯを含むコンポジット材料を配するとともに、その上面及び電解質を覆ってＡｇとガラスを含むコンポジット材料からなるインターコネクタを配することを特徴とする横縞方式の固体酸化物形燃料電池スタックの作製方法を提供する。
【発明の効果】
【００１１】
横縞方式の固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、インターコネクタの材料としてＡｇとガラスを含むコンポジット材料のみを用いた場合、耐久性に問題があったが、本発明によれば、アノードと該インターコネクタ材料との間にＡｇとＮｉＯを含むコンポジット材料からなる中間層を形成することにより、その耐久性を飛躍的に向上させることができる。これにより、横縞方式の固体酸化物形燃料電池スタックによる発電の安定性、信頼性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明は、内部に燃料の流通部を有する支持基板の表面に、順次、アノード、電解質及びカソードからなる複数個のセルを形成するとともに、隣接するセル間をインターコネクタを介して電気的に直列に接続してなる横縞方式の固体酸化物形燃料電池スタックである。そして、隣接するセルのアノードとインターコネクタとの間に中間層としてＡｇとＮｉＯを含むコンポジット材料を配するとともに、その上面及び電解質を覆ってＡｇとガラスを含むコンポジット材料からなるインターコネクタを配してなることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明は、内部に燃料の流通部を有する支持基板の表面に、順次、アノード、電解質及びカソードからなる複数個のセルを形成するとともに、隣接するセル間をインターコネクタを介して電気的に直列に接続してなる横縞方式の固体酸化物形燃料電池スタックの作製方法である。そして、隣接するセルのアノードとインターコネクタとの間に中間層としてＡｇとＮｉＯを含むコンポジット材料を配するとともに、その上面及び電解質を覆ってＡｇとガラスを含むコンポジット材料からなるインターコネクタを配することを特徴とする。
【００１４】
横縞方式のＳＯＦＣスタックにおいて、隣接するセル間（すなわち、隣接するセルのうち、一方のセルのアノードと他方のセルのカソード）を電気的に連結するインターコネクタの構成材料として、従来技術ではペロブスカイト形ＬａＣｒＯ3系酸化物材料を用いていたが、本発明においてはＡｇとガラスを含むコンポジット材料を用いる。加えて、本発明においてはアノードと該“Ａｇとガラスを含むコンポジット材料”との間に中間層を形成し、その中間層の構成材料としてＡｇとＮｉＯを含むコンポジット材料を用いる。
【００１５】
支持基板の構成材料としては、ＭｇＯとＭｇＡｌ2Ｏ4の混合物、ジルコニア系酸化物、ジルコニア系酸化物とＭｇＯとＭｇＡｌ2Ｏ4の混合物等を用い得るが、これらに限定されない。そのうち、ＭｇＯとＭｇＡｌ2Ｏ4の混合物は、ＭｇＯとＭｇＡｌ2Ｏ4の全量のうちＭｇＯが２０〜７０ｖｏｌ％含まれる混合物であるのが好ましい。また、ジルコニア系酸化物の例としては、イットリア安定化ジルコニア〔ＹＳＺ：（Ｙ2Ｏ3）X（ＺｒＯ2）1-X（式中、ｘ＝０．０３〜０．１２）〕などが挙げられる。
【００１６】
アノードの構成材料としては、例えばＮｉを主成分とする材料、金属を含むセラミック材料などが用いられるが、これらに限定されない。金属を含むセラミック材料のうち、セラミック材料としては、例えばイットリア安定化ジルコニア〔ＹＳＺ：（Ｙ2Ｏ3）X（ＺｒＯ2）1-X（式中、ｘ＝０．０５〜０．１５）〕が用いられ、金属としては、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｒｕ及びＰｄから選ばれた少なくとも１種の金属、すなわちそれら金属のうち１種または２種以上の金属が用いられる。
【００１７】
それら金属を含むセラミック材料のうち、Ｎｉを含むＹＳＺ（Ｎｉ−ＹＳＺサーメット）、すなわちＮｉと〔（Ｙ2Ｏ3）X（ＺｒＯ2）1-X（式中、ｘ＝０．０５〜０．１５）〕との混合物は、本発明において好ましいアノード材料であり、特に当該混合物中のＮｉを４０ｖｏｌ％以上分散させたものであるのが好ましい。
【００１８】
電解質の構成材料は、イオン導電性を有する固体電解質であればよく、その例としては下記（１）〜（４）の材料が挙げられるが、これら例示の材料に限定されない。
（１）イットリア安定化ジルコニア〔ＹＳＺ：（Ｙ2Ｏ3）X（ＺｒＯ2）1-X（式中、ｘ＝０．０５〜０．１５）〕。
（２）スカンジア安定化ジルコニア〔（Ｓｃ2Ｏ3）X（ＺｒＯ2）1-X（式中、ｘ＝０．０５〜０．１５）〕。
（３）イットリアドープセリア〔（Ｙ2Ｏ3）X（ＣｅＯ2）1-X（式中、ｘ＝０．０２〜０．４）〕。
（４）ガドリアドープセリア〔（Ｇｄ2Ｏ3）X（ＣｅＯ2）1-X（式中、ｘ＝０．０２〜０．４）〕。
【００１９】
図１（ａ）〜（ｂ）は本発明に係るＳＯＦＣセルスタックの態様例を説明する図で、横縞状に配置された複数個のセルのうち、隣接する２つのセルの部分を断面図として示すものである。図１（ａ）中、１は支持基板、２はアノード、３、３は隣接する電解質、Ａはインターコネクタである。図１（ａ）のとおり、本発明においては、隣接するセルのアノードとインターコネクタＡとの間に中間層Ｂを設ける。そして、中間層Ｂの構成材料としてＡｇとＮｉＯを含むコンポジット材料を用いる。このコンポジット材料にはＺｒＯ2、その他の微量成分を含んでいてもよい。本明細書及び特許請求の範囲において“ＡｇとＮｉＯを含むコンポジット材料”とは、ＡｇとＮｉＯの混合物のほか、これに微量成分を含む場合を含む意味である。“ＡｇとＮｉＯを含むコンポジット材料”において、ＡｇとＮｉＯとの配合割合は重量比で５：５から１：９の範囲であるのが好ましい。
【００２０】
この中間層Ｂは２層にしてもよく、また中間層Ｂを予め熱処理することで安定性を向上させることができる。中間層Ｂもインターコネクタであり、中間層ＢのインターコネクタＢとインターコネクタＡを合わせたインターコネクタで隣接するセル間を電気的に接続する。図１（ｂ）は作動時における電流の流れ方向を示したものである。
【００２１】
また、本発明においては、インターコネクタＡの構成材料として、Ａｇとガラスを含むコンポジット材料を用いる。このコンポジット材料にはＺｒＯ2、その他の微量成分を含んでいてもよい。本明細書及び特許請求の範囲において“Ａｇとガラスを含むコンポジット材料”とは、Ａｇとガラスの混合物のほか、これに微量成分を含む場合を含む意味である。このコンポジット材料は、絶縁体であるガラスに電流を流すために電気伝導性材料であるＡｇを混入し、その混合物をインターコネクタＡの構成材料として使用するものである。
【００２２】
ここで用いるガラスの種類については特に限定されない。ガラスは、ＳｉＯ2あるいはこれに加えてＡｌ2Ｏ3を含む網目状構造中に、Ｋ2Ｏ、ＺｎＯ、ＢａＯ、Ｎａ2Ｏ、ＣａＯ等を含むもので、例えばソーダガラス、ホウ珪酸ガラス、石英ガラスその他適宜選択して用いることができる。その特性としては、熱膨張係数が６．０〜１４．０×１０-1の範囲であるガラスであること、また軟化点が６００℃〜１０００℃の範囲のガラスであることが望ましい。また、Ａｇとしては、Ａｇそのもののほか、例えばＡｇ−Ｐｄ系合金などのＡｇを含む合金やＡｇを含む金属ろう材が挙げられる。
【００２３】
図２は、図１のＳＯＦＣスタックを形成する過程を示す図である。図２中、図１と同じ部材、部分には同じ符号を付している。図２（ａ）のとおり、支持基板１を用意し、その上面にアノード２を配置する。この段階を図２（ｂ）として示している。次に、アノード２の面上に間隔を置いて電解質３、３を配置する。この段階を図２（ｃ）として示している。このとき、図２（ｃ）のとおり、電解質３、３間に凹部４を形成する。次いで、各電解質３、３の面上にカソード５を配置する。この段階を図２（ｄ）として示している。
【００２４】
そして、凹部４にＡｇとＮｉＯを含むコンポジット材料を配して中間層であるインターコネクタＢを形成する。図２（ｅ）はこの段階を示している。この中間層であるインターコネクタＢは、アノードと電解質との位置関係では、隣接するセルのアノード２の上面で且つ隣接するセルの電解質３、３間に設けられる。その後、その上面（凹部４に配した中間層、すなわちＡｇとＮｉＯを含むコンポジット材料面）にＡｇとガラス粉を含むコンポジット材料を配してインターコネクタＡを形成する。図２（ｆ）は、この段階を示す図で、前述図１（ａ）〜（ｂ）に相当している。
【００２５】
本発明は、例えば図１０に示されるような円筒タイプの横縞方式のＳＯＦＣとは限らず、内部に燃料の流通部を有する支持基板が断面矩形状（含、中空扁平状）、断面四角形状、断面楕円形状などの横縞方式のＳＯＦＣについても適用される。図３はその態様例を示す図である。図３（ａ）は中空扁平状支持基板１０に複数個のセル１２を横縞状に配置した例である。図３（ａ）中、１１は支持基板１０の内部に有する燃料の流通部、すなわち燃料流路である。図３（ａ）は斜視図として示しているので、裏面は見えないが、表面と同様、裏面にも複数個のセル１２を横縞状に配置してよい。
【００２６】
図３（ｂ）〜（ｄ）は他の態様例について、横縞状に配置されたセルのうちの一つのセルの部分を断面図として示すものである。図３（ｂ）〜（ｄ）のいずれの例でも、絶縁性支持基板１０の上に、図３（ａ）のように、複数個のセル１２（セル１２はアノード、電解質及びカソードからなる）が形成される。１１は支持基板１０の内部に有する燃料の流通部、すなわち燃料流路である。図３（ｂ）は支持基板１０に複数個の断面円形状の燃料流路１１を備える例、図３（ｃ）は支持基板１０に複数個の断面楕円形状の燃料流路１１を備える例、図３（ｄ）は支持基板１０に複数個の断面矩形状の燃料流路１１を備える例である。図３（ｂ）〜（ｄ）には、内部に燃料の流通部を有する支持基板が断面矩形状の例を示しているが、支持基板が断面四角形状、断面楕円形状などの場合も同様である。
【実施例】
【００２７】
以下、実施例を基に本発明をさらに詳しく説明するが、本発明が実施例に限定されないことはもちろんである。
【００２８】
《実施例１》
中間層を有する模擬的なＳＯＦＣセルと中間層を有しない模擬的なＳＯＦＣセルを作製し、中間層の有無による効果を確認するため、それら両ＳＯＦＣ模擬セルについて性能試験を実施した。図４（ａ）〜（ｂ）はそれらの模擬的ＳＯＦＣセルを示す図である。図４（ａ）は、インターコネクタとして中間層を有するインターコネクタで構成したセル（以下“実施例ＳＯＦＣ模擬セル”とする）、図４（ｂ）は、従来のセルで、インターコネクタとして中間層を有しないインターコネクタで構成したセル（以下“比較例ＳＯＦＣ模擬セル”とする）である。
【００２９】
〈実施例ＳＯＦＣ模擬セルの作製〉
中間層を有するインターコネクタで構成したセルを以下のようにして作製した。多孔質のＹＳＺからなる支持基板を用意した。図４（ａ）中、１として示す部材である。その上面にＮｉ−ＹＳＺサーメットからなるアノード層を配置した。図４（ａ）中、２として示す層である。そのアノード層の面上に、その中央部に間隔を置き、その左右両側にＹＳＺからなる電解質を配置した。図４（ｂ）中、３、３として示す部材である。左右両側の電解質３、３間に上記中央部の間隔に相当する凹部を形成している。
【００３０】
次いで、当該凹部にＡｇとＮｉＯの混合物のスラリーを塗布、乾燥して、インターコネクタＢを形成した。そのＡｇとＮｉＯの混合物のスラリーは、有機溶媒（トルエンと２−プロパノールの混合溶媒）にＡｇ粉末とＮｉＯ粉末を重量比５：５の割合で混合し、ボールミルで２０時間混合して作製したものである。インターコネクタＢは本発明における中間層に相当するものである。
【００３１】
その後、その中間層であるインターコネクタＢと左右両側の電解質３、３の上面にＡｇ粉末とガラス粉末の混合物のスラリーを塗布、乾燥して、インターコネクタＡを形成した。このＡｇ粉末とガラス粉末の混合物のスラリーは、有機溶媒（トルエンと２−プロパノールの混合溶媒）にＡｇ粉末とガラス粉末（ＳｉＯ2−ＳｒＯ−Ｋ2Ｏ−Ｎａ2Ｏ系接合材、商品名：ＡＳＦ７００、旭硝子社製）を重量比６：４の割合で混合し、ボールミルで２０時間混合して作製したものである。
【００３２】
〈比較例ＳＯＦＣ模擬セルの作製〉
中間層を有しないインターコネクタで構成したセルを以下のようにして作製した。上記〈実施例ＳＯＦＣ模擬セルの作製〉と同様にして、支持基板１の上面にアノード層２を配置した。そのアノード層２の面上に、その中央部に間隔を置き、その左右両側に電解質を配置した。図４（ｂ）中、３、３として示す部材である。左右両側の電解質３、３間に上記中央部の間隔に相当する凹部を形成している。これら各部材の構成材料はそれぞれ実施例ＳＯＦＣ模擬セルでの材料と同じである。
【００３３】
次いで、上記凹部と当該凹部を挟んで隣接する電解質３、３の上面を覆ってＡｇ粉末とガラス粉末の混合物のスラリーを塗布、乾燥して、インターコネクタを形成した。このＡｇ粉末とガラス粉末の混合物のスラリーは、実施例ＳＯＦＣ模擬セルにおけるインターコネクタＡを形成するのに用いたスラリーと同じものである。比較例ＳＯＦＣ模擬セルは、凹部にＡｇとＮｉＯを含むコンポジット材料を配していないので、中間層を有しないインターコネクタで構成したセルである。
【００３４】
〈性能試験１〉
以上のようにして作製した“実施例ＳＯＦＣ模擬セル”と“比較例ＳＯＦＣ模擬セル”のそれぞれについて性能試験を実施した。本性能試験は、常法に従い、支持基板１側に水素を、インターコネクタ側に空気を流し、作動温度を７５０℃とし、電流密度を０．３２Ａと一定にして実施した。図５はその結果を示す図である。図５中、横軸は時間（ｈ）、縦軸はアノード／インターコネクタ間の接触抵抗電圧である。この電圧が高いほど、セルにしたときの性能が悪いことになる。
【００３５】
図５のとおり、比較例ＳＯＦＣ模擬セル（中間層なし。Ａｇ−Ｇｌａｓｓ：Ａｇ−Ｇｌａｓｓ）については、試験開始時以降高い電圧（接触抵抗電圧）を示し、且つ上下に激しく振動し、一定電圧を示さなかった。そこで、１００時間経過時に測定を中止した。これに対して、実施例ＳＯＦＣ模擬セル（中間層あり。中間層＝Ａｇ−ＮｉＯ、このうちＮｉＯは還元されてＮｉになっている）の電圧については、試験開始時以降徐々に上がるものの、９７０時間経過時にも０．０３Ｖの低い電圧（接触抵抗電圧）を維持している。これは、９７０時間経過しても低抵抗であり、本中間層を適用すれば安定性向上の可能性が大きいことを示している。
【００３６】
《実施例２》
〈実施例ＳＯＦＣセルスタックの作製〉
前述図２に示す順序に従い、中間層を有するインターコネクタで構成したセルスタックを以下のようにして作製した。多孔質のＹＳＺからなる支持基板を用意した。図２中、１として示す部材である。その上面にＮｉ−ＹＳＺサーメットからなるアノード層を配置した。図２中、２として示す層である。そのアノード層の面上の左右側に、薄い金属薄板の枠を用いて９個のＹＳＺからなる電解質を間隔を置いて配置した。
【００３７】
図２中、３、３として示す部材である。電解質３、３間に凹部４（上記間隔に相当する）を形成している。電解質は９個であり、凹部４は各電解質間にそれぞれ形成したので８箇所である。次いで、各電解質３、３の上面にＬＳＣＦ（Ｌａ０.６Ｓｒ０.４Ｃｏ０.２Ｆｅ０.８Ｏ３、後述比較例ＳＯＦＣセルスタックについても同じ）からなるカソードを配置した。図２中、５として示す部材である。
【００３８】
次いで、当該各凹部４にＡｇとＮｉＯの混合物のスラリーを塗布、乾燥して、中間層のインターコネクタＢを形成した。そのＡｇとＮｉＯの混合物のスラリーは、有機溶媒（トルエンと２−プロパノールの混合溶媒）にＡｇ粉末とＮｉＯ粉末を重量比５：５の割合で混合し、ボールミルで２０時間混合して作製したものである。
【００３９】
その後、中間層である各インターコネクタＢの上面とカソード５の上面との間にＡｇ粉末とガラス粉末の混合物のスラリーを塗布、乾燥して、インターコネクタＡを形成した。このＡｇ粉末とガラス粉末の混合物のスラリーは、有機溶媒（トルエンと２−プロパノールの混合溶媒）にＡｇ粉末とガラス粉末（ＳｉＯ2−ＳｒＯ−Ｋ2Ｏ−Ｎａ2Ｏ系接合材、商品名：ＡＳＦ７００、旭硝子社製）を重量比６：４の割合で混合し、ボールミルで２０時間混合して作製したものである。
【００４０】
図６にこうして作製した“実施例ＳＯＦＣセルスタック”を示している。図６（ａ）は平面図、図６（ｂ）は図６（ａ）中Ａ−Ａ線断面図、図６（ｃ）は図６（ａ）中Ｂ−Ｂ線断面図、図６（ｄ）は図６（ａ）中Ｃ−Ｃ線断面図である。図６（ｄ）は図１（ａ）〜（ｂ）、図２（ｆ）に相当している。図６（ｂ）〜（ｃ）中、６は燃料の流通部、すなわち燃料流路〔図３（ａ）〜（ｄ）で言えば１１に相当している〕、７は燃料導入口、８は燃料排出口である。
【００４１】
〈比較例ＳＯＦＣセルスタックの作製〉
中間層を有しないインターコネクタで構成したセルスタックを以下のようにして作製した。上記実施例ＳＯＦＣセルスタックの作製と同様にして、支持基板１の上面にアノード層を配置した。そのアノード層の面上に間隔を置いて９個の電解質を配置した。図２で云えば、符号３、３として示す部材であり、アノード層の面上で且つ両電解質３、３間に凹部４（上記間隔に相当する）を形成している。電解質は９個であり、凹部４は各電解質間にそれぞれ形成したので８箇所である。これら各部材の構成材料はそれぞれ実施例ＳＯＦＣセルスタックでの材料と同じである。
【００４２】
次いで、各電解質３、３の上面にＬＳＣＦからなるカソードを配置した。図２中、５として示す部材である。次いで、各凹部４とカソード５の上面との間にＡｇ粉末とガラス粉末の混合物のスラリーを塗布、乾燥して、インターコネクタＡを形成した。このＡｇ粉末とガラス粉末の混合物のスラリーは、上記実施例ＳＯＦＣセルスタックにおけるインターコネクタＡを形成するのに用いたスラリーと同じものである。“比較例ＳＯＦＣセルスタック”は、凹部４にＡｇとＮｉＯを含むコンポジット材料を配していないので、実施例ＳＯＦＣセルスタックでは有する、中間層を有しないインターコネクタで構成したセルスタックである。
【００４３】
〈性能試験２〉
以上のように作製した“実施例ＳＯＦＣセルスタック”と“比較例ＳＯＦＣセルスタック”について性能試験を実施した。本性能試験は、常法に従い、実施例ＳＯＦＣセルスタックと比較例ＳＯＦＣセルスタックをそれぞれ図７に示すようにセットし、アノード側に水素を、カソード側に空気を流し、作動温度を７００℃とし、電流密度を０．２Ａ／ｃｍ2と一定にして実施した。なお、図７中、カソードとインターコネクタ間の接続部材（すなわちインターコネクタＡの一部）の記載は省略している。図８〜９はその結果を示す図である。図８〜９中、横軸は時間（ｈ）、縦軸はスタック電圧（Ｖ）である。
【００４４】
図８のとおり、比較例ＳＯＦＣセルスタック（中間層なし）の電圧については、試験開始時以降上下に激しく振動し、一定電圧を示さなかったので、１７０時間経過時に測定を中止した。これに対して、図９のとおり、実施例ＳＯＦＣセルスタック（中間層あり）の電圧については、試験開始時以降ほぼ５Ｖの電圧を示し、２５０時間経過時にもほぼ５Ｖの電圧を維持している。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明に係るＳＯＦＣセルの態様例を説明する図
【図２】図１のＳＯＦＣスタックを作製する過程を示す図
【図３】本発明が適用される中空扁平タイプの横縞方式スタックの例を示す図
【図４】実施例１の実施例ＳＯＦＣ模擬セル及び比較例ＳＯＦＣ模擬的セルを示す図
【図５】実施例１での性能試験１の結果を示す図
【図６】実施例２の実施例ＳＯＦＣセルスタックを示す図
【図７】実施例２の性能試験２に用いた試験装置を示す図
【図８】実施例２での比較例セルスタックの性能試験２の結果を示す図
【図９】実施例２での実施例セルスタックの性能試験２の結果を示す図
【図１０】円筒タイプの横縞方式の構成例を示す図（先行技術）
【符号の説明】
【００４６】
１ 支持基板
２ アノード
３ 電解質
４ 凹部（中間層となる）
５ カソード
６ 燃料の流通部（燃料流路）
７ 燃料導入口
８ 燃料排出口
Ａ インターコネクタ
Ｂ 中間層（インターコネクタ）
１０ 支持基板
１１ 燃料の流通部（燃料流路）
１２ セル
２１ 基体管
２２ アノード
２３ 電解質
２４ カソード
２５ セル
２６ インターコネクタ
２７ セラミックス系接着剤
２８ 導電性基体管
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に燃料の流通部を有する支持基板の表面に、順次、アノード、電解質及びカソードからなる複数のセルを形成するとともに、隣接するセル間をインターコネクタを介して電気的に直列に接続してなる横縞方式の固体酸化物形燃料電池スタックであって、隣接するセルのアノードとインターコネクタとの間に中間層としてＡｇとＮｉＯを含むコンポジット材料を配するとともに、その上面及び電解質を覆ってＡｇとガラスを含むコンポジット材料からなるインターコネクタを配してなることを特徴とする横縞方式の固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項２】
請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、前記中間層のコンポジット材料におけるＡｇとＮｉＯとの配合割合が重量比で５：５から１：９の範囲であることを特徴とする横縞方式の固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項３】
前記横縞方式の固体酸化物形燃料電池スタックが、円筒状の横縞方式の固体酸化物形燃料電池スタックであることを特徴とする請求項１または２に記載の横縞方式の固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項４】
前記横縞方式の固体酸化物形燃料電池スタックが、断面矩形状、断面四角形状または断面楕円形状の支持基板の長手方向に複数のセルを配置した横縞方式の固体酸化物形燃料電池スタックであることを特徴とする請求項１または２に記載の横縞方式の固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項５】
内部に燃料の流通部を有する支持基板の表面に、順次、アノード、電解質及びカソードからなる複数のセルを形成するとともに、隣接するセル間をインターコネクタを介して電気的に直列に接続してなる横縞方式の固体酸化物形燃料電池スタックの作製方法であって、隣接するセルのアノードとインターコネクタとの間に中間層としてＡｇとＮｉＯを含むコンポジット材料を配するとともに、その上面及び電解質を覆ってＡｇとガラスを含むコンポジット材料からなるインターコネクタを配することを特徴とする横縞方式の固体酸化物形燃料電池スタックの作製方法。
【請求項６】
請求項５に記載の横縞方式の固体酸化物形燃料電池スタックの作製方法において、前記中間層のコンポジット材料におけるＡｇとＮｉＯとの配合割合が重量比で５：５から１：９の範囲であることを特徴とする横縞方式の固体酸化物形燃料電池スタックの作製方法。
【請求項７】
前記横縞方式の固体酸化物形燃料電池スタックが、円筒状の横縞方式の固体酸化物形燃料電池スタックであることを特徴とする請求項５または６に記載の横縞方式の固体酸化物形燃料電池スタックの作製方法。
【請求項８】
前記横縞方式の固体酸化物形燃料電池スタックが、断面矩形状、断面四角形状または断面楕円形状の支持基板の長手方向に複数のセルを配置した横縞方式の固体酸化物形燃料電池スタックであることを特徴とする請求項５または６に記載の横縞方式の固体酸化物形燃料電池スタックの作製方法。
【請求項１】
内部に燃料の流通部を有する支持基板の表面に、順次、アノード、電解質及びカソードからなる複数のセルを形成するとともに、隣接するセル間をインターコネクタを介して電気的に直列に接続してなる横縞方式の固体酸化物形燃料電池スタックであって、隣接するセルのアノードとインターコネクタとの間に中間層としてＡｇとＮｉＯを含むコンポジット材料を配するとともに、その上面及び電解質を覆ってＡｇとガラスを含むコンポジット材料からなるインターコネクタを配してなることを特徴とする横縞方式の固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項２】
請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、前記中間層のコンポジット材料におけるＡｇとＮｉＯとの配合割合が重量比で５：５から１：９の範囲であることを特徴とする横縞方式の固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項３】
前記横縞方式の固体酸化物形燃料電池スタックが、円筒状の横縞方式の固体酸化物形燃料電池スタックであることを特徴とする請求項１または２に記載の横縞方式の固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項４】
前記横縞方式の固体酸化物形燃料電池スタックが、断面矩形状、断面四角形状または断面楕円形状の支持基板の長手方向に複数のセルを配置した横縞方式の固体酸化物形燃料電池スタックであることを特徴とする請求項１または２に記載の横縞方式の固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項５】
内部に燃料の流通部を有する支持基板の表面に、順次、アノード、電解質及びカソードからなる複数のセルを形成するとともに、隣接するセル間をインターコネクタを介して電気的に直列に接続してなる横縞方式の固体酸化物形燃料電池スタックの作製方法であって、隣接するセルのアノードとインターコネクタとの間に中間層としてＡｇとＮｉＯを含むコンポジット材料を配するとともに、その上面及び電解質を覆ってＡｇとガラスを含むコンポジット材料からなるインターコネクタを配することを特徴とする横縞方式の固体酸化物形燃料電池スタックの作製方法。
【請求項６】
請求項５に記載の横縞方式の固体酸化物形燃料電池スタックの作製方法において、前記中間層のコンポジット材料におけるＡｇとＮｉＯとの配合割合が重量比で５：５から１：９の範囲であることを特徴とする横縞方式の固体酸化物形燃料電池スタックの作製方法。
【請求項７】
前記横縞方式の固体酸化物形燃料電池スタックが、円筒状の横縞方式の固体酸化物形燃料電池スタックであることを特徴とする請求項５または６に記載の横縞方式の固体酸化物形燃料電池スタックの作製方法。
【請求項８】
前記横縞方式の固体酸化物形燃料電池スタックが、断面矩形状、断面四角形状または断面楕円形状の支持基板の長手方向に複数のセルを配置した横縞方式の固体酸化物形燃料電池スタックであることを特徴とする請求項５または６に記載の横縞方式の固体酸化物形燃料電池スタックの作製方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００６−１９６２７９（Ｐ２００６−１９６２７９Ａ）
【公開日】平成１８年７月２７日（２００６．７．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−５７５２（Ｐ２００５−５７５２）
【出願日】平成１７年１月１２日（２００５．１．１２）
【出願人】（０００２２０２６２）東京瓦斯株式会社 (1,166)
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年７月２７日（２００６．７．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１月１２日（２００５．１．１２）
【出願人】（０００２２０２６２）東京瓦斯株式会社 (1,166)
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
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