固体酸化物形燃料電池セルおよび燃料電池モジュール
【課題】 インターコネクタ層におけるクラックや剥離の発生を抑制できる固体酸化物形燃料電池セルおよび燃料電池モジュールを提供する。
【解決手段】 インターコネクタ層８の外面は平坦状であるとともに、固体電解質層４の両端部上のインターコネクタ層８の両端部８ａの厚みは、固体電解質層４の両端部間におけるインターコネクタ層８の中央部８ｂの厚みと実質的に同一厚みとされている。これにより、インターコネクタ層８の厚み差に基づく応力を低減でき、この部分におけるクラックや剥離の発生を抑制することができる。
【解決手段】 インターコネクタ層８の外面は平坦状であるとともに、固体電解質層４の両端部上のインターコネクタ層８の両端部８ａの厚みは、固体電解質層４の両端部間におけるインターコネクタ層８の中央部８ｂの厚みと実質的に同一厚みとされている。これにより、インターコネクタ層８の厚み差に基づく応力を低減でき、この部分におけるクラックや剥離の発生を抑制することができる。
【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セルおよび燃料電池モジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、次世代エネルギーとして、固体酸化物形燃料電池セルを収納容器内に収容した燃料電池モジュールが種々提案されている。
【０００３】
このような固体酸化物形燃料電池セルとして、互いに平行な一対の平坦面を有し、内部に燃料ガスを流通させるための燃料ガス流路を有するとともに、Ｎｉを含有してなる導電性の多孔質基板の一方側主面上に、燃料極層、固体電解質層、酸素極層を順に積層し、他方側主面上にインターコネクタ層を積層してなる固体酸化物形燃料電池セルが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
そして、このような固体酸化物形燃料電池セルの複数個を、集電部材を介して電気的に接続してなる燃料電池セル装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
従来、固体酸化物形燃料電池セルは、多孔質基板の一方側主面の固体電解質層の両端部が、それぞれ多孔質基板の側面を介して他方側主面まで延設され、固体電解質層の両端部が、多孔質基板の他方側主面に配置されたインターコネクタ層の両端部に積層され接合され、多孔質基板の内部を通過する燃料ガスが、固体電解質層とインターコネクタ層とにより形成された空間から外部に漏出しないように構成されていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−８４７１６号公報
【特許文献２】特開２００８−１３５３０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来、固体電解質層の両端部上および両端部間にスラリーを塗布してインターコネクタ層を形成する際に、多孔質基板の他方側主面の固体電解質層の両端部上の部分と両端部間の部分とでインターコネクタ層成形体に厚み差が生じ、焼成後には、固体電解質層の両端部上におけるインターコネクタ層は薄く、固体電解質層の両端部間におけるインターコネクタ層の厚みは厚くなり、固体電解質層の両端部上と両端部間とでインターコネクタ層に厚み差が生じていた。
【０００８】
これにより、長期発電中や起動停止を繰り返した際にインターコネクタ層の薄い部分と厚い部分との境界部分や厚みの薄い部分に高い応力が生じ、この部分にクラックや剥離が生じるおそれがあった。
【０００９】
本発明は、インターコネクタ層におけるクラックや剥離の発生を抑制できる固体酸化物形燃料電池セルおよび燃料電池モジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の固体酸化物形燃料電池セルは、対向する一対の主面と該主面同士を接続する対向する一対の側面とを有する平板状の多孔質基板と、該多孔質基板の一方側主面に設けられた固体電解質層と、前記多孔質基板の他方側主面に設けられたインターコネクタ層とを
有し、前記多孔質基板の一方側主面の前記固体電解質層の両端部が、それぞれ前記側面を介して前記多孔質基板の他方側主面まで延設され、前記固体電解質層の両端部が、前記多孔質基板の他方側主面に配置された前記インターコネクタ層の両端部とそれぞれ積層され接合されており、前記インターコネクタ層の外面は平坦状であるとともに、前記固体電解質層の両端部上の前記インターコネクタ層の両端部の厚みは、前記固体電解質層の両端部間における前記インターコネクタ層の厚みと実質的に同一厚みとされていることを特徴とする。
【００１１】
本発明の固体酸化物形燃料電池用セルは、対向する一対の主面と該主面同士を接続する対向する一対の側面とを有する平板状の多孔質基板と、該多孔質基板の一方側主面に設けられた固体電解質層と、前記多孔質基板の他方側主面に設けられたインターコネクタ層とを有し、前記多孔質基板の一方側主面の前記固体電解質層の両端部が、それぞれ前記側面を介して前記多孔質基板の他方側主面まで延設され、前記固体電解質層の両端部が、前記多孔質基板の他方側主面に配置された前記インターコネクタ層の両端部とそれぞれ積層され接合されており、前記多孔質基板は前記固体電解質層の両端部間に外面が平坦状の突出部を有しており、前記固体電解質層の両端部が設けられた部分における前記多孔質基板の他方側主面からの前記突出部の高さが、前記固体電解質層の両端部が設けられた部分における前記多孔質基板の他方側主面からの前記固体電解質層の端部の高さと実質的に同一高さとされていることを特徴とする。
【００１２】
本発明の燃料電池モジュールは、上記固体酸化物形燃料電池セルを収納容器内に収納してなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の固体酸化物形燃料電池セルは、固体電解質層の両端部上のインターコネクタ層の両端部の厚みが、固体電解質層の両端部間におけるインターコネクタ層の厚みと実質的に同一厚みであるため、インターコネクタ層の厚み差に基づく応力を低減でき、クラックや剥離の発生を抑制することができる。これにより、長期信頼性の高い燃料電池モジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】固体酸化物形燃料電池セルを示すもので、（ａ）は横断面図、（ｂ）はインターコネクタ層の記載を省略した状態を、インターコネクタ層側から見た側面図である。
【図２】（ａ）は支持基板を示す横断面図、（ｂ）はスラリー吐出装置でインターコネクタ層用のスラリーを塗布する状態を示す説明図である。
【図３】燃料電池セル装置の一例を示し、（ａ）は燃料電池セル装置を概略的に示す側面図、（ｂ）は（ａ）の燃料電池セル装置の破線で囲った部分の一部を示す横断面図である。
【図４】燃料電池モジュールの一例を示す外観斜視図である。
【図５】燃料電池装置の一部を省略して示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１は、本形態の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）の一例を示すものであり、（ａ）はその横断面図、（ｂ）は（ａ）において、インターコネクタ層の記載を省略した側面図である。なお、両図面において、燃料電池セル１０の各構成を一部拡大して示している。また、図１（ｂ）は、長さ方向に縮小して記載しており、実際は上下方向に長い形状とされている。
【００１６】
この燃料電池セル１０は、中空平板型で、断面が扁平状で、全体的に見て平板棒状をした、導電性の多孔質基板（導電性支持体ということもある）１を備えている。多孔質基板
１の内部には、適当な間隔で複数の燃料ガス流路２が多孔質基板１（燃料電池セル１０）の長さ方向Ｌに貫通して形成されており、燃料電池セル１０は、この多孔質基板１上に各種の部材が設けられた構造を有している。
【００１７】
多孔質基板１は、図１に示されている形状から理解されるように、対向する一対の主面ｎと、多孔質基板１の幅方向Ｂの両側に形成された、一対の主面ｎをそれぞれ接続する弧状面からなる側面ｍとで構成されている。
【００１８】
そして、多孔質基板１の一方側主面ｎ（下面）と両側の側面ｍを覆うように多孔質な燃料極層３が設けられており、さらに、この燃料極層３を覆うように、緻密質な固体電解質層４が積層されている。また、固体電解質層４の上には、反応防止層５を介して、燃料極層３と対面するように、多孔質な酸素極層６が積層されている。燃料極層３、固体電解質層４および酸素極層６により発電部が構成されており、この発電部が多孔質基板１に設けられている。
【００１９】
多孔質基板１の他方側主面ｎ（上面）には、インターコネクタ層８が設けられており、多孔質基板１の一方側主面の固体電解質層４の両端部が、それぞれ側面ｍを介して多孔質基板１の他方側主面（上面）ｎまで延設されており、固体電解質層４の両端部に、多孔質基板１の他方側主面のインターコネクタ層８の両端部がそれぞれ積層され接合されている。これにより、固体電解質層４とインターコネクタ層８とで多孔質基板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。
【００２０】
言い換えると、平面形状が矩形状のインターコネクタ層８が多孔質基板１の他方側主面の一端から他端まで形成されており、その左右両端部が、固体電解質層４の開口した両端部の表面に積層され、接合されている。
【００２１】
そして、インターコネクタ層８の外面は平坦状であるとともに、固体電解質層４の両端部上のインターコネクタ層８の両端部８ａの厚みは、固体電解質層４の両端部間におけるインターコネクタ層８の厚みと実質的に同一厚みとされている。実質的に同一厚みとは、インターコネクタ層８の両端部８ａの厚みは、固体電解質層４の両端部間におけるインターコネクタ層８の厚みに対して、±５％の厚み差を許容することを意味する。
【００２２】
言い換えれば、多孔質基板１は固体電解質層４の両端部間に外面が平坦状の突出部９を有しており、該突出部９の高さｈが、固体電解質層４の両端部の上面から他方側主面ｎまでの高さと実質的に同一高さとされている。実質的に同一高さとは、突出部９の高さｈが、固体電解質層４の両端部の上面から他方側主面ｎまでの高さに対して、±５％の高低差を許容することを意味する。
【００２３】
固体電解質層４の両端部間におけるインターコネクタ層８の厚みは、突出部９上のインターコネクタ層８の厚みとされ、インターコネクタ層８の幅方向Ｂにおける中央部８ｂの厚みとすることができる。
【００２４】
すなわち、多孔質基板１の他方側主面ｎにおける幅方向Ｂには、固体電解質層４、燃料極層３の両端部が配置されており、固体電解質層４、燃料極層３が積層された部分における多孔質基板１の他方側主面から、固体電解質層４の上面までの高さは、固体電解質層４、燃料極層３が積層された部分における多孔質基板１の他方側主面ｎから突出部９の上面までの高さｈと実質的に同一高さとされている。言い換えれば、固体電解質層４の両端部上面と突出部９の上面とは実質的に同一平面とされている。さらに言い換えれば、固体電解質層４と燃料極層３との積層体の厚みが、突出部９の高さｈと実質的に同一とされている。
【００２５】
なお、燃料極層３が多孔質基板１の他方側主面まで延設されていない場合、すなわち燃料極層３が多孔質基板１の一方側主面だけに形成され、他方側主面には固体電解質層４だけが延設されている場合には、固体電解質層４の厚みが、突出部９の高さｈと実質的に同一とされていることになる。
【００２６】
突出部９の高さｈは、支持基板１に設けられる固体電解質層４、燃料極層３の厚みによるが、５〜１００μｍとされている。突出部９の上面は、多孔質基板１の他方側主面ｎの一部を構成する。
【００２７】
このような燃料電池セルでは、突出部９の高さｈが、固体電解質層４の両端部上面の他方側主面ｎからの高さと実質的に同一高さとされ、固体電解質層４の両端部上のインターコネクタ層８の両端部８ａの厚みは、固体電解質層４の両端部間におけるインターコネクタ層８の中央部８ｂの厚みと実質的に同一厚みとされ、全体的にほぼ均一厚みとできるため、インターコネクタ層８の厚み差に基づく応力を低減でき、クラックや剥離の発生を抑制することができる。これにより、長期信頼性の高い燃料電池モジュールを提供することができる。
【００２８】
多孔質基板１の突出部９は、多孔質基板１を押出成形して作製する際の金型を、多孔質基板１の他方側主面に突出部を形成するように変更することにより、容易に突出部９を形成することができる。
【００２９】
燃料電池セル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電極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、且つ多孔質基板１内の燃料ガス流路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、多孔質基板１に取り付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。
【００３０】
以下に、本形態の燃料電池セル１０を構成する各部材について説明する。
【００３１】
多孔質基板１は、燃料ガスを燃料極層３まで透過させるためにガス透過性であること、インターコネクタ層８を介して集電を行うために導電性であることが要求されることから、例えば、Ｎｉと無機酸化物、例えば、特定の希土類酸化物とにより形成されることが好ましい。
【００３２】
特定の希土類酸化物とは、多孔質基板１の熱膨張係数を固体電解質層４の熱膨張係数に近づけるために使用されるものであり、Ｙ、Ｌｕ、Ｙｂ、Ｔｍ、Ｅｒ、Ｈｏ、Ｄｙ、Ｇｄ、Ｓｍ、Ｐｒからなる群より選択される少なくとも１種の元素を含む希土類酸化物が、Ｎｉおよび／またはＮｉＯとの組み合わせで使用することができる。このような希土類酸化物の具体例としては、Ｙ２Ｏ３、Ｌｕ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３、Ｔｍ２Ｏ３、Ｅｒ２Ｏ３、Ｈｏ２Ｏ３、Ｄｙ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、Ｓｍ２Ｏ３、Ｐｒ２Ｏ３を例示することができ、Ｎｉおよび／またはＮｉＯとの固溶、反応が殆どなく、また、熱膨張係数が固体電解質層４と同程度であり、かつ安価であるという点から、Ｙ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３が好ましい。
【００３３】
また、本形態においては、多孔質基板１の良好な導電率を維持し、かつ熱膨張係数を固体電解質層４と近似させるという点で、Ｎｉおよび／またはＮｉＯ：希土類酸化物＝３５：６５〜６５：３５の体積比で存在することが好ましい。なお、多孔質基板１中には、要求される特性が損なわれない限りの範囲で、他の金属成分や酸化物成分を含有していてもよい。
【００３４】
また、多孔質基板１は、燃料ガス透過性を有していることが必要であるため、通常、開気孔率が３０％以上、特に３５〜５０％の範囲にあることが好ましい。また、多孔質基板１の導電率は、３００Ｓ／ｃｍ以上、特に４４０Ｓ／ｃｍ以上であることが好ましい。
【００３５】
なお、多孔質基板１の主面ｎの長さ（多孔質基板１の幅方向Ｂの長さ：側面ｍ間の長さ）は、通常、１５〜３５ｍｍ、弧状の側面ｍの長さ（弧の長さ）は、２〜８ｍｍであり、多孔質基板１の厚み（主面ｎ間の厚み）は１．５〜５ｍｍであることが好ましい。多孔質基板１の長さは、１００〜１５０ｍｍとされている。
【００３６】
燃料極層３は、電極反応を生じさせるものであり、それ自体公知の多孔質の導電性セラミックスにより形成することが好ましい。例えば、希土類元素が固溶したＺｒＯ２または希土類元素が固溶したＣｅＯ２と、Ｎｉおよび／またはＮｉＯとから形成することができる。なお、希土類元素としては、多孔質基板１において例示した希土類元素を用いることができ、例えばＹが固溶したＺｒＯ２（ＹＳＺ）とＮｉおよび／またはＮｉＯとから形成することができる。
【００３７】
燃料極層３中の希土類元素が固溶したＺｒＯ２または希土類元素が固溶しているＣｅＯ２の含有量は、３５〜６５体積％の範囲にあるのが好ましく、またＮｉあるいはＮｉＯの含有量は、６５〜３５体積％であるのが好ましい。さらに、この燃料極層３の開気孔率は、１５％以上、特に２０〜４０％の範囲にあるのが好ましく、その厚みは、１〜３０μｍであるのが好ましい。
【００３８】
また、燃料極層３は、酸素極層６に対面する位置に形成されていればよいため、例えば酸素極層６が設けられている側の主面（下面）ｎにのみ燃料極層３が形成されていてもよい。すなわち、燃料極層３は下側の主面ｎにのみ設けられ、固体電解質層４が燃料極層３上、多孔質基板１の両弧状面ｍ上および燃料極層３が形成されていない他方の主面ｎ上に形成された構造をしたものであってもよい。
【００３９】
固体電解質層４は、３〜１５モル％のＹ、Ｓｃ、Ｙｂ等の希土類元素を含有した部分安定化あるいは安定化ＺｒＯ２からなる緻密質なセラミックスを用いるのが好ましい。また、希土類元素としては、安価であるという点からＹが好ましい。さらに、固体電解質層４は、ガス透過を防止するという点から、相対密度（アルキメデス法による）が９３％以上、特に９５％以上の緻密質であることが望ましく、かつその厚みが５〜５０μｍであることが好ましい。固体電解質層４は、ランタンガレート系、セリア系等のＺｒＯ２系以外の固体電解質層であっても良い。
【００４０】
なお、固体電解質層４と後述する酸素極層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反応防止層５を備えることもでき、図１に示した燃料電池セル１０においては反応防止層５を備えた例を示している。
【００４１】
ここで、反応防止層５としては、ＣｅとＣｅ以外の他の希土類元素とを含有する組成にて形成することができ、例えば、（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。
【００４２】
酸素極層６としては、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により形成することが好ましい。かかるペロブスカイト型酸化物としては、遷
移金属ペロブスカイト型酸化物、特にＡサイトにＳｒとＬａが共存するＬａＭｎＯ３系酸化物、ＬａＦｅＯ３系酸化物、ＬａＣｏＯ３系酸化物の少なくとも１種が好ましく、６００〜１０００℃程度の作動温度での電気伝導性が高いという点からＬａＣｏＯ３系酸化物が特に好ましい。なお、上記ペロブスカイト型酸化物においては、Ｂサイトに、ＣｏとともにＦｅやＭｎが存在しても良い。
【００４３】
また、酸素極層６は、ガス透過性を有する必要があり、従って、酸素極層６を形成する導電性セラミックス（ペロブスカイト型酸化物）は、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。さらに、酸素極層６の厚みは、集電性という点から３０〜１００μｍであることが好ましい。
【００４４】
インターコネクタ層８としては、Ｌａを含有するペロブスカイト型酸化物からなる導電性セラミックスにより形成されている。燃料ガス（水素含有ガス）および酸素含有ガスと接触するため、耐還元性、耐酸化性を有していることが必要である。このため、耐還元性、耐酸化性を有する導電性セラミックスとしては、例えば、Ｌａと、ＣｒまたはＴｉとを含有するペロブスカイト型酸化物（ＬａＣｒＯ３系酸化物、ＬａＴｉＯ３系酸化物）を用いることができる。多孔質基板１および固体電解質層４の熱膨張係数に近づける目的から、ＢサイトにＭｇが存在するＬａＣｒＭｇＯ３系酸化物を用いることができる。インターコネクタ層８の材料はこれに限定されるものではない。
【００４５】
また、インターコネクタ層８の厚みは、ガスのリーク防止と電気抵抗という点から、１０〜５０μｍであることが好ましい。この範囲ならばガスのリークを防止できるとともに、電気抵抗を小さくできる。特に、インターコネクタ層８の厚みを均一とできるため、従来よりも厚みを薄くでき、電気抵抗を小さくできる。
【００４６】
以上説明した本形態の燃料電池セル１０の作製方法の一例について説明する。燃料電池セル１０の製法は、対向する一対の主面と該主面同士を接続する対向する一対の側面とを有する平板状の多孔質基板成形体と、該多孔質基板成形体の一方側主面に設けられた固体電解質層成形体と、多孔質基板成形体の他方側主面に設けられたインターコネクタ層成形体とを有し、多孔質基板成形体の一方側主面の固体電解質層成形体の両端部が、それぞれ側面を介して多孔質基板成形体の他方側主面まで延設され、固体電解質層成形体の両端部が他方側主面に配置されたインターコネクタ層成形体の両端部にそれぞれ積層された積層成形体を作製し、焼成してなる固体酸化物形燃料電池セルの製法であって、多孔質基板成形体は固体電解質層成形体の両端部間に外面が平坦状の突出部を有している。
【００４７】
突出部の高さは、固体電解質層成形体の両端部の他方側主面からの高さと実質的に同一高さとされており、インターコネクタ層成形体は、インターコネクタ層を形成する材料を含有するスラリーを、固体電解質層成形体の両端部上および該両端部間に塗布して形成される。
【００４８】
具体的に説明する。先ず、例えば、Ｎｉおよび／またはＮｉＯ粉末と、Ｙ２Ｏ３などの希土類酸化物の粉末と、有機バインダーと、溶媒とを混合して坏土を調製し、この坏土を用いて押出成形により多孔質基板成形体を作製し、これを乾燥する。なお、多孔質基板成形体として、多孔質基板成形体を９００〜１０００℃にて２〜６時間仮焼した仮焼体を用いてもよい。
【００４９】
押出成形の際の成形型は、突出部９を形成する口金形状を有している。これにより、図２（ａ）に示すような突出部９を有する多孔質基板１を作製することができる。
【００５０】
次に、例えば所定の調合組成に従いＮｉＯ、Ｙ２Ｏ３が固溶したＺｒＯ２（ＹＳＺ）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。
【００５１】
さらに、希土類元素が固溶したＺｒＯ２粉末に、トルエン、バインダー、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、７〜７５μｍの厚さに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て燃料極層成形体を形成し、この燃料極層成形体側の面を多孔質基板成形体に積層する。
【００５２】
すなわち、固体電解質層成形体と燃料極層成形体との積層体を、多孔質基板成形体の下側の主面から側面を介して上面の主面まで積層し、上記積層体の端面を、多孔質基板成形体の突出部の側面に対向するように位置せしめる。この際、固体電解質層成形体と燃料極層成形体との積層体の上面は、多孔質基板成形体の突出部の上面と実質的に同一高さとなるように、多孔質基板成形体の突出部の高さが調整されている。
【００５３】
なお、固体電解質層成形体と燃料極層成形体との積層体の端面と突出部の側面との間は、当接することが望ましいが、１ｍｍ程度の間隔があっても、後述するようにインターコネクタ層用のスラリーを塗布する際に埋設されるため、また、間隔が狭いため、この部分に基づく応力は殆ど発生しない。
【００５４】
なお、燃料極層用スラリーを多孔質基板成形体の所定位置に塗布し乾燥して、固体電解質層成形体を燃料極層成形体上に積層しても良い。
【００５５】
続いて固体電解質層４と酸素極層６との間に配置する反応防止層５を形成する。
【００５６】
例えば、ＧｄＯ１．５が固溶したＣｅＯ２粉末を用いた原料粉末に、溶媒としてトルエンを添加し、反応防止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反応防止層の塗布膜を形成し、成形体を作製する。なお、シート状の成形体を作製し、これを固体電解質層成形体上に積層してもよい。
【００５７】
この後、インターコネクタ層用材料（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調製し、このスラリーを、図２（ｂ）に示すように、スラリー吐出装置Ｓにより、多孔質基板成形体１ａ上に塗布し、積層成形体を作製する。
【００５８】
すなわち、固体電解質層成形体４ａの両端部上、および両端部間にスラリーを塗布するように、スラリー吐出装置Ｓを配置し、このスラリー吐出装置Ｓを多孔質基板成形体１ａの長さ方向Ｌ側に移動させ、スラリーを塗布し、乾燥させて、インターコネクタ層成形体を形成する。
【００５９】
このような製法では、多孔質基板成形体１ａは固体電解質層成形体４ａの両端部間に外面が平坦状の突出部９ａを有しており、該突出部９ａの高さが、固体電解質層成形体４ａの両端部の他方側主面からの高さと実質的に同一高さとされ、固体電解質層成形体４ａの両端部上面と突出部９ａの上面はほぼ同一高さ（同一平面）とされているため、スラリー吐出装置１０の高さを、固体電解質層成形体４ａの両端部からの高さを基準に設定した場合であっても、スラリー吐出装置１０の高さは、固体電解質層成形体４ａの両端部からの高さ、多孔質基板成形体１ａの突出部９ａからの高さとほぼ同一高さとなり、スラリーを、固体電解質層成形体４ａの両端部上および該両端部間にほぼ同一厚みに塗布して形成することができ、インターコネクタ層成形体の厚み差を無くすことができる。これにより、焼成後においても、固体電解質層４上のインターコネクタ層８の両端部８ａの厚みは、多
孔質基板１の他方側主面上のインターコネクタ層８の中央部８ｂの厚みと実質的に同一厚みとされ、インターコネクタ層８の厚み差に基づく応力を低減でき、クラックや剥離を抑制することができる。
【００６０】
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、１４００〜１４５０℃にて２〜６時間、同時焼結（同時焼成）する。
【００６１】
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反応防止層上に塗布し、１０００〜１３００℃で、２〜６時間焼き付けることにより、図１に示す構造の本形態の燃料電池セル１０を製造できる。なお、燃料電池セル１０は、その後、内部に水素ガスを流し、多孔質基板１および燃料極層３の還元処理を行なうのが好ましい。その際、たとえば７５０〜１０００℃にて５〜２０時間還元処理を行なうのが好ましい。
【００６２】
図３は、上述した燃料電池セル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る燃料電池セル装置の一例を示したものであり、（ａ）は燃料電池セル装置１１を概略的に示す側面図、（ｂ）は（ａ）の燃料電池セル装置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）で示す燃料電池セル１０においては、上述した反応防止層５等の一部の部材を省略して示している。
【００６３】
なお、燃料電池セル装置１１においては、各燃料電池セル１０を集電部材１３を介して配列することで燃料電池セルスタック１２を構成しており、各燃料電池セル１０の下端部が、燃料電池セル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、これにより燃料電池セル装置１１が構成されている。また、燃料電池セル装置１１は、燃料電池セル１０の配列方向の両端から燃料電池セルスタック１２を挟持するように、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を具備している。
【００６４】
また、図３に示す導電部材１４には、燃料電池セル１０の配列方向に沿って外側に向けて延びた形状で、燃料電池セルスタック１２（燃料電池セル１０）の発電により生じる電流を出入するための電流引出し部１５が設けられている。
【００６５】
ここで、本形態の燃料電池セル装置１１においては、上述した燃料電池セル１０を用いて、燃料電池セルスタック１２を構成することにより、長期信頼性が向上した燃料電池セル装置１１とすることができる。
【００６６】
図３に示す燃料電池セル装置１１では、燃料電池セル１０の下端部は、燃料電池セル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。
【００６７】
図４は、燃料電池セル装置１１を収納容器内に収納してなる燃料電池モジュール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３に示した燃料電池セル装置１１を収納して構成されている。
【００６８】
なお、燃料電池セル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を燃料電池セルスタック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を介して燃料電池セル１０の内部に設けられた
ガス流路２に供給される。
【００６９】
なお、図４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燃料電池セル装置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４に示した燃料電池モジュール１８においては、燃料電池セル装置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、燃料電池セル装置１１は、改質器２０を含むものとしても良い。
【００７０】
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４においてはガスタンク１６に並置された燃料電池セルスタック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、燃料電池セル１０の側方を下端部から上端部に向けて流れるように、燃料電池セル１０の下端部に酸素含有ガスを供給する。
【００７１】
そして、燃料電池セル１０のガス流路より排出される燃料ガスを酸素含有ガスと反応させて燃料電池セル１０の上端部側で燃焼させることにより、燃料電池セル１０の温度を上昇させることができ、燃料電池セル装置１１の起動を早めることができる。また、燃料電池セル１０の上端部側にて、燃料電池セル１０のガス流路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、燃料電池セル１０（燃料電池セルスタック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。
【００７２】
さらに、本形態の燃料電池モジュール１８においても、上述した燃料電池セル装置１１を収納容器１９内に収納してなることから、長期信頼性が向上した燃料電池モジュール１８とすることができる。
【００７３】
図５は、外装ケース内に図４で示した燃料電池モジュール１８と、燃料電池セル装置１１を動作させるための補機とを収納してなる燃料電池装置を示す斜視図である。なお、図５においては一部構成を省略して示している。
【００７４】
図５に示す燃料電池装置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燃料電池モジュール１８を収納するモジュール収納室２７とし、下方側を燃料電池モジュール１８を動作さ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いる。
【００７５】
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。
【００７６】
このような燃料電池装置２３においては、上述したように、信頼性を向上することができる燃料電池モジュール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、信頼性の向上した燃料電池装置２３とすることができる。
【００７７】
以上、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。
【００７８】
例えば、上記形態では、多孔質基板１に燃料極層３、固体電解質層４、酸素極層６を形成したが、燃料極を兼ねる多孔質基板に、固体電解質層、酸素極層を形成した燃料電池セルであっても、上記形態と同様の効果を得ることができる。
【００７９】
また、各層間に必要に応じて中間層を形成しても良い。例えば、多孔質基板とインターコネクタ層との間に中間層を形成することもできる。
【符号の説明】
【００８０】
１：多孔質基板
２：燃料ガス流路
３：燃料極層
４：固体電解質層
５：反応防止層
６：酸素極層
８：インターコネクタ層
９：突出部
１１：燃料電池セル装置
１８：燃料電池モジュール
Ｓ：スラリー塗布装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物形燃料電池セルおよび燃料電池モジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、次世代エネルギーとして、固体酸化物形燃料電池セルを収納容器内に収容した燃料電池モジュールが種々提案されている。
【０００３】
このような固体酸化物形燃料電池セルとして、互いに平行な一対の平坦面を有し、内部に燃料ガスを流通させるための燃料ガス流路を有するとともに、Ｎｉを含有してなる導電性の多孔質基板の一方側主面上に、燃料極層、固体電解質層、酸素極層を順に積層し、他方側主面上にインターコネクタ層を積層してなる固体酸化物形燃料電池セルが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
そして、このような固体酸化物形燃料電池セルの複数個を、集電部材を介して電気的に接続してなる燃料電池セル装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
従来、固体酸化物形燃料電池セルは、多孔質基板の一方側主面の固体電解質層の両端部が、それぞれ多孔質基板の側面を介して他方側主面まで延設され、固体電解質層の両端部が、多孔質基板の他方側主面に配置されたインターコネクタ層の両端部に積層され接合され、多孔質基板の内部を通過する燃料ガスが、固体電解質層とインターコネクタ層とにより形成された空間から外部に漏出しないように構成されていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−８４７１６号公報
【特許文献２】特開２００８−１３５３０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来、固体電解質層の両端部上および両端部間にスラリーを塗布してインターコネクタ層を形成する際に、多孔質基板の他方側主面の固体電解質層の両端部上の部分と両端部間の部分とでインターコネクタ層成形体に厚み差が生じ、焼成後には、固体電解質層の両端部上におけるインターコネクタ層は薄く、固体電解質層の両端部間におけるインターコネクタ層の厚みは厚くなり、固体電解質層の両端部上と両端部間とでインターコネクタ層に厚み差が生じていた。
【０００８】
これにより、長期発電中や起動停止を繰り返した際にインターコネクタ層の薄い部分と厚い部分との境界部分や厚みの薄い部分に高い応力が生じ、この部分にクラックや剥離が生じるおそれがあった。
【０００９】
本発明は、インターコネクタ層におけるクラックや剥離の発生を抑制できる固体酸化物形燃料電池セルおよび燃料電池モジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の固体酸化物形燃料電池セルは、対向する一対の主面と該主面同士を接続する対向する一対の側面とを有する平板状の多孔質基板と、該多孔質基板の一方側主面に設けられた固体電解質層と、前記多孔質基板の他方側主面に設けられたインターコネクタ層とを
有し、前記多孔質基板の一方側主面の前記固体電解質層の両端部が、それぞれ前記側面を介して前記多孔質基板の他方側主面まで延設され、前記固体電解質層の両端部が、前記多孔質基板の他方側主面に配置された前記インターコネクタ層の両端部とそれぞれ積層され接合されており、前記インターコネクタ層の外面は平坦状であるとともに、前記固体電解質層の両端部上の前記インターコネクタ層の両端部の厚みは、前記固体電解質層の両端部間における前記インターコネクタ層の厚みと実質的に同一厚みとされていることを特徴とする。
【００１１】
本発明の固体酸化物形燃料電池用セルは、対向する一対の主面と該主面同士を接続する対向する一対の側面とを有する平板状の多孔質基板と、該多孔質基板の一方側主面に設けられた固体電解質層と、前記多孔質基板の他方側主面に設けられたインターコネクタ層とを有し、前記多孔質基板の一方側主面の前記固体電解質層の両端部が、それぞれ前記側面を介して前記多孔質基板の他方側主面まで延設され、前記固体電解質層の両端部が、前記多孔質基板の他方側主面に配置された前記インターコネクタ層の両端部とそれぞれ積層され接合されており、前記多孔質基板は前記固体電解質層の両端部間に外面が平坦状の突出部を有しており、前記固体電解質層の両端部が設けられた部分における前記多孔質基板の他方側主面からの前記突出部の高さが、前記固体電解質層の両端部が設けられた部分における前記多孔質基板の他方側主面からの前記固体電解質層の端部の高さと実質的に同一高さとされていることを特徴とする。
【００１２】
本発明の燃料電池モジュールは、上記固体酸化物形燃料電池セルを収納容器内に収納してなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の固体酸化物形燃料電池セルは、固体電解質層の両端部上のインターコネクタ層の両端部の厚みが、固体電解質層の両端部間におけるインターコネクタ層の厚みと実質的に同一厚みであるため、インターコネクタ層の厚み差に基づく応力を低減でき、クラックや剥離の発生を抑制することができる。これにより、長期信頼性の高い燃料電池モジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】固体酸化物形燃料電池セルを示すもので、（ａ）は横断面図、（ｂ）はインターコネクタ層の記載を省略した状態を、インターコネクタ層側から見た側面図である。
【図２】（ａ）は支持基板を示す横断面図、（ｂ）はスラリー吐出装置でインターコネクタ層用のスラリーを塗布する状態を示す説明図である。
【図３】燃料電池セル装置の一例を示し、（ａ）は燃料電池セル装置を概略的に示す側面図、（ｂ）は（ａ）の燃料電池セル装置の破線で囲った部分の一部を示す横断面図である。
【図４】燃料電池モジュールの一例を示す外観斜視図である。
【図５】燃料電池装置の一部を省略して示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１は、本形態の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）の一例を示すものであり、（ａ）はその横断面図、（ｂ）は（ａ）において、インターコネクタ層の記載を省略した側面図である。なお、両図面において、燃料電池セル１０の各構成を一部拡大して示している。また、図１（ｂ）は、長さ方向に縮小して記載しており、実際は上下方向に長い形状とされている。
【００１６】
この燃料電池セル１０は、中空平板型で、断面が扁平状で、全体的に見て平板棒状をした、導電性の多孔質基板（導電性支持体ということもある）１を備えている。多孔質基板
１の内部には、適当な間隔で複数の燃料ガス流路２が多孔質基板１（燃料電池セル１０）の長さ方向Ｌに貫通して形成されており、燃料電池セル１０は、この多孔質基板１上に各種の部材が設けられた構造を有している。
【００１７】
多孔質基板１は、図１に示されている形状から理解されるように、対向する一対の主面ｎと、多孔質基板１の幅方向Ｂの両側に形成された、一対の主面ｎをそれぞれ接続する弧状面からなる側面ｍとで構成されている。
【００１８】
そして、多孔質基板１の一方側主面ｎ（下面）と両側の側面ｍを覆うように多孔質な燃料極層３が設けられており、さらに、この燃料極層３を覆うように、緻密質な固体電解質層４が積層されている。また、固体電解質層４の上には、反応防止層５を介して、燃料極層３と対面するように、多孔質な酸素極層６が積層されている。燃料極層３、固体電解質層４および酸素極層６により発電部が構成されており、この発電部が多孔質基板１に設けられている。
【００１９】
多孔質基板１の他方側主面ｎ（上面）には、インターコネクタ層８が設けられており、多孔質基板１の一方側主面の固体電解質層４の両端部が、それぞれ側面ｍを介して多孔質基板１の他方側主面（上面）ｎまで延設されており、固体電解質層４の両端部に、多孔質基板１の他方側主面のインターコネクタ層８の両端部がそれぞれ積層され接合されている。これにより、固体電解質層４とインターコネクタ層８とで多孔質基板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。
【００２０】
言い換えると、平面形状が矩形状のインターコネクタ層８が多孔質基板１の他方側主面の一端から他端まで形成されており、その左右両端部が、固体電解質層４の開口した両端部の表面に積層され、接合されている。
【００２１】
そして、インターコネクタ層８の外面は平坦状であるとともに、固体電解質層４の両端部上のインターコネクタ層８の両端部８ａの厚みは、固体電解質層４の両端部間におけるインターコネクタ層８の厚みと実質的に同一厚みとされている。実質的に同一厚みとは、インターコネクタ層８の両端部８ａの厚みは、固体電解質層４の両端部間におけるインターコネクタ層８の厚みに対して、±５％の厚み差を許容することを意味する。
【００２２】
言い換えれば、多孔質基板１は固体電解質層４の両端部間に外面が平坦状の突出部９を有しており、該突出部９の高さｈが、固体電解質層４の両端部の上面から他方側主面ｎまでの高さと実質的に同一高さとされている。実質的に同一高さとは、突出部９の高さｈが、固体電解質層４の両端部の上面から他方側主面ｎまでの高さに対して、±５％の高低差を許容することを意味する。
【００２３】
固体電解質層４の両端部間におけるインターコネクタ層８の厚みは、突出部９上のインターコネクタ層８の厚みとされ、インターコネクタ層８の幅方向Ｂにおける中央部８ｂの厚みとすることができる。
【００２４】
すなわち、多孔質基板１の他方側主面ｎにおける幅方向Ｂには、固体電解質層４、燃料極層３の両端部が配置されており、固体電解質層４、燃料極層３が積層された部分における多孔質基板１の他方側主面から、固体電解質層４の上面までの高さは、固体電解質層４、燃料極層３が積層された部分における多孔質基板１の他方側主面ｎから突出部９の上面までの高さｈと実質的に同一高さとされている。言い換えれば、固体電解質層４の両端部上面と突出部９の上面とは実質的に同一平面とされている。さらに言い換えれば、固体電解質層４と燃料極層３との積層体の厚みが、突出部９の高さｈと実質的に同一とされている。
【００２５】
なお、燃料極層３が多孔質基板１の他方側主面まで延設されていない場合、すなわち燃料極層３が多孔質基板１の一方側主面だけに形成され、他方側主面には固体電解質層４だけが延設されている場合には、固体電解質層４の厚みが、突出部９の高さｈと実質的に同一とされていることになる。
【００２６】
突出部９の高さｈは、支持基板１に設けられる固体電解質層４、燃料極層３の厚みによるが、５〜１００μｍとされている。突出部９の上面は、多孔質基板１の他方側主面ｎの一部を構成する。
【００２７】
このような燃料電池セルでは、突出部９の高さｈが、固体電解質層４の両端部上面の他方側主面ｎからの高さと実質的に同一高さとされ、固体電解質層４の両端部上のインターコネクタ層８の両端部８ａの厚みは、固体電解質層４の両端部間におけるインターコネクタ層８の中央部８ｂの厚みと実質的に同一厚みとされ、全体的にほぼ均一厚みとできるため、インターコネクタ層８の厚み差に基づく応力を低減でき、クラックや剥離の発生を抑制することができる。これにより、長期信頼性の高い燃料電池モジュールを提供することができる。
【００２８】
多孔質基板１の突出部９は、多孔質基板１を押出成形して作製する際の金型を、多孔質基板１の他方側主面に突出部を形成するように変更することにより、容易に突出部９を形成することができる。
【００２９】
燃料電池セル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電極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、且つ多孔質基板１内の燃料ガス流路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、多孔質基板１に取り付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。
【００３０】
以下に、本形態の燃料電池セル１０を構成する各部材について説明する。
【００３１】
多孔質基板１は、燃料ガスを燃料極層３まで透過させるためにガス透過性であること、インターコネクタ層８を介して集電を行うために導電性であることが要求されることから、例えば、Ｎｉと無機酸化物、例えば、特定の希土類酸化物とにより形成されることが好ましい。
【００３２】
特定の希土類酸化物とは、多孔質基板１の熱膨張係数を固体電解質層４の熱膨張係数に近づけるために使用されるものであり、Ｙ、Ｌｕ、Ｙｂ、Ｔｍ、Ｅｒ、Ｈｏ、Ｄｙ、Ｇｄ、Ｓｍ、Ｐｒからなる群より選択される少なくとも１種の元素を含む希土類酸化物が、Ｎｉおよび／またはＮｉＯとの組み合わせで使用することができる。このような希土類酸化物の具体例としては、Ｙ２Ｏ３、Ｌｕ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３、Ｔｍ２Ｏ３、Ｅｒ２Ｏ３、Ｈｏ２Ｏ３、Ｄｙ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、Ｓｍ２Ｏ３、Ｐｒ２Ｏ３を例示することができ、Ｎｉおよび／またはＮｉＯとの固溶、反応が殆どなく、また、熱膨張係数が固体電解質層４と同程度であり、かつ安価であるという点から、Ｙ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３が好ましい。
【００３３】
また、本形態においては、多孔質基板１の良好な導電率を維持し、かつ熱膨張係数を固体電解質層４と近似させるという点で、Ｎｉおよび／またはＮｉＯ：希土類酸化物＝３５：６５〜６５：３５の体積比で存在することが好ましい。なお、多孔質基板１中には、要求される特性が損なわれない限りの範囲で、他の金属成分や酸化物成分を含有していてもよい。
【００３４】
また、多孔質基板１は、燃料ガス透過性を有していることが必要であるため、通常、開気孔率が３０％以上、特に３５〜５０％の範囲にあることが好ましい。また、多孔質基板１の導電率は、３００Ｓ／ｃｍ以上、特に４４０Ｓ／ｃｍ以上であることが好ましい。
【００３５】
なお、多孔質基板１の主面ｎの長さ（多孔質基板１の幅方向Ｂの長さ：側面ｍ間の長さ）は、通常、１５〜３５ｍｍ、弧状の側面ｍの長さ（弧の長さ）は、２〜８ｍｍであり、多孔質基板１の厚み（主面ｎ間の厚み）は１．５〜５ｍｍであることが好ましい。多孔質基板１の長さは、１００〜１５０ｍｍとされている。
【００３６】
燃料極層３は、電極反応を生じさせるものであり、それ自体公知の多孔質の導電性セラミックスにより形成することが好ましい。例えば、希土類元素が固溶したＺｒＯ２または希土類元素が固溶したＣｅＯ２と、Ｎｉおよび／またはＮｉＯとから形成することができる。なお、希土類元素としては、多孔質基板１において例示した希土類元素を用いることができ、例えばＹが固溶したＺｒＯ２（ＹＳＺ）とＮｉおよび／またはＮｉＯとから形成することができる。
【００３７】
燃料極層３中の希土類元素が固溶したＺｒＯ２または希土類元素が固溶しているＣｅＯ２の含有量は、３５〜６５体積％の範囲にあるのが好ましく、またＮｉあるいはＮｉＯの含有量は、６５〜３５体積％であるのが好ましい。さらに、この燃料極層３の開気孔率は、１５％以上、特に２０〜４０％の範囲にあるのが好ましく、その厚みは、１〜３０μｍであるのが好ましい。
【００３８】
また、燃料極層３は、酸素極層６に対面する位置に形成されていればよいため、例えば酸素極層６が設けられている側の主面（下面）ｎにのみ燃料極層３が形成されていてもよい。すなわち、燃料極層３は下側の主面ｎにのみ設けられ、固体電解質層４が燃料極層３上、多孔質基板１の両弧状面ｍ上および燃料極層３が形成されていない他方の主面ｎ上に形成された構造をしたものであってもよい。
【００３９】
固体電解質層４は、３〜１５モル％のＹ、Ｓｃ、Ｙｂ等の希土類元素を含有した部分安定化あるいは安定化ＺｒＯ２からなる緻密質なセラミックスを用いるのが好ましい。また、希土類元素としては、安価であるという点からＹが好ましい。さらに、固体電解質層４は、ガス透過を防止するという点から、相対密度（アルキメデス法による）が９３％以上、特に９５％以上の緻密質であることが望ましく、かつその厚みが５〜５０μｍであることが好ましい。固体電解質層４は、ランタンガレート系、セリア系等のＺｒＯ２系以外の固体電解質層であっても良い。
【００４０】
なお、固体電解質層４と後述する酸素極層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反応防止層５を備えることもでき、図１に示した燃料電池セル１０においては反応防止層５を備えた例を示している。
【００４１】
ここで、反応防止層５としては、ＣｅとＣｅ以外の他の希土類元素とを含有する組成にて形成することができ、例えば、（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。
【００４２】
酸素極層６としては、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により形成することが好ましい。かかるペロブスカイト型酸化物としては、遷
移金属ペロブスカイト型酸化物、特にＡサイトにＳｒとＬａが共存するＬａＭｎＯ３系酸化物、ＬａＦｅＯ３系酸化物、ＬａＣｏＯ３系酸化物の少なくとも１種が好ましく、６００〜１０００℃程度の作動温度での電気伝導性が高いという点からＬａＣｏＯ３系酸化物が特に好ましい。なお、上記ペロブスカイト型酸化物においては、Ｂサイトに、ＣｏとともにＦｅやＭｎが存在しても良い。
【００４３】
また、酸素極層６は、ガス透過性を有する必要があり、従って、酸素極層６を形成する導電性セラミックス（ペロブスカイト型酸化物）は、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。さらに、酸素極層６の厚みは、集電性という点から３０〜１００μｍであることが好ましい。
【００４４】
インターコネクタ層８としては、Ｌａを含有するペロブスカイト型酸化物からなる導電性セラミックスにより形成されている。燃料ガス（水素含有ガス）および酸素含有ガスと接触するため、耐還元性、耐酸化性を有していることが必要である。このため、耐還元性、耐酸化性を有する導電性セラミックスとしては、例えば、Ｌａと、ＣｒまたはＴｉとを含有するペロブスカイト型酸化物（ＬａＣｒＯ３系酸化物、ＬａＴｉＯ３系酸化物）を用いることができる。多孔質基板１および固体電解質層４の熱膨張係数に近づける目的から、ＢサイトにＭｇが存在するＬａＣｒＭｇＯ３系酸化物を用いることができる。インターコネクタ層８の材料はこれに限定されるものではない。
【００４５】
また、インターコネクタ層８の厚みは、ガスのリーク防止と電気抵抗という点から、１０〜５０μｍであることが好ましい。この範囲ならばガスのリークを防止できるとともに、電気抵抗を小さくできる。特に、インターコネクタ層８の厚みを均一とできるため、従来よりも厚みを薄くでき、電気抵抗を小さくできる。
【００４６】
以上説明した本形態の燃料電池セル１０の作製方法の一例について説明する。燃料電池セル１０の製法は、対向する一対の主面と該主面同士を接続する対向する一対の側面とを有する平板状の多孔質基板成形体と、該多孔質基板成形体の一方側主面に設けられた固体電解質層成形体と、多孔質基板成形体の他方側主面に設けられたインターコネクタ層成形体とを有し、多孔質基板成形体の一方側主面の固体電解質層成形体の両端部が、それぞれ側面を介して多孔質基板成形体の他方側主面まで延設され、固体電解質層成形体の両端部が他方側主面に配置されたインターコネクタ層成形体の両端部にそれぞれ積層された積層成形体を作製し、焼成してなる固体酸化物形燃料電池セルの製法であって、多孔質基板成形体は固体電解質層成形体の両端部間に外面が平坦状の突出部を有している。
【００４７】
突出部の高さは、固体電解質層成形体の両端部の他方側主面からの高さと実質的に同一高さとされており、インターコネクタ層成形体は、インターコネクタ層を形成する材料を含有するスラリーを、固体電解質層成形体の両端部上および該両端部間に塗布して形成される。
【００４８】
具体的に説明する。先ず、例えば、Ｎｉおよび／またはＮｉＯ粉末と、Ｙ２Ｏ３などの希土類酸化物の粉末と、有機バインダーと、溶媒とを混合して坏土を調製し、この坏土を用いて押出成形により多孔質基板成形体を作製し、これを乾燥する。なお、多孔質基板成形体として、多孔質基板成形体を９００〜１０００℃にて２〜６時間仮焼した仮焼体を用いてもよい。
【００４９】
押出成形の際の成形型は、突出部９を形成する口金形状を有している。これにより、図２（ａ）に示すような突出部９を有する多孔質基板１を作製することができる。
【００５０】
次に、例えば所定の調合組成に従いＮｉＯ、Ｙ２Ｏ３が固溶したＺｒＯ２（ＹＳＺ）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。
【００５１】
さらに、希土類元素が固溶したＺｒＯ２粉末に、トルエン、バインダー、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、７〜７５μｍの厚さに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て燃料極層成形体を形成し、この燃料極層成形体側の面を多孔質基板成形体に積層する。
【００５２】
すなわち、固体電解質層成形体と燃料極層成形体との積層体を、多孔質基板成形体の下側の主面から側面を介して上面の主面まで積層し、上記積層体の端面を、多孔質基板成形体の突出部の側面に対向するように位置せしめる。この際、固体電解質層成形体と燃料極層成形体との積層体の上面は、多孔質基板成形体の突出部の上面と実質的に同一高さとなるように、多孔質基板成形体の突出部の高さが調整されている。
【００５３】
なお、固体電解質層成形体と燃料極層成形体との積層体の端面と突出部の側面との間は、当接することが望ましいが、１ｍｍ程度の間隔があっても、後述するようにインターコネクタ層用のスラリーを塗布する際に埋設されるため、また、間隔が狭いため、この部分に基づく応力は殆ど発生しない。
【００５４】
なお、燃料極層用スラリーを多孔質基板成形体の所定位置に塗布し乾燥して、固体電解質層成形体を燃料極層成形体上に積層しても良い。
【００５５】
続いて固体電解質層４と酸素極層６との間に配置する反応防止層５を形成する。
【００５６】
例えば、ＧｄＯ１．５が固溶したＣｅＯ２粉末を用いた原料粉末に、溶媒としてトルエンを添加し、反応防止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反応防止層の塗布膜を形成し、成形体を作製する。なお、シート状の成形体を作製し、これを固体電解質層成形体上に積層してもよい。
【００５７】
この後、インターコネクタ層用材料（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調製し、このスラリーを、図２（ｂ）に示すように、スラリー吐出装置Ｓにより、多孔質基板成形体１ａ上に塗布し、積層成形体を作製する。
【００５８】
すなわち、固体電解質層成形体４ａの両端部上、および両端部間にスラリーを塗布するように、スラリー吐出装置Ｓを配置し、このスラリー吐出装置Ｓを多孔質基板成形体１ａの長さ方向Ｌ側に移動させ、スラリーを塗布し、乾燥させて、インターコネクタ層成形体を形成する。
【００５９】
このような製法では、多孔質基板成形体１ａは固体電解質層成形体４ａの両端部間に外面が平坦状の突出部９ａを有しており、該突出部９ａの高さが、固体電解質層成形体４ａの両端部の他方側主面からの高さと実質的に同一高さとされ、固体電解質層成形体４ａの両端部上面と突出部９ａの上面はほぼ同一高さ（同一平面）とされているため、スラリー吐出装置１０の高さを、固体電解質層成形体４ａの両端部からの高さを基準に設定した場合であっても、スラリー吐出装置１０の高さは、固体電解質層成形体４ａの両端部からの高さ、多孔質基板成形体１ａの突出部９ａからの高さとほぼ同一高さとなり、スラリーを、固体電解質層成形体４ａの両端部上および該両端部間にほぼ同一厚みに塗布して形成することができ、インターコネクタ層成形体の厚み差を無くすことができる。これにより、焼成後においても、固体電解質層４上のインターコネクタ層８の両端部８ａの厚みは、多
孔質基板１の他方側主面上のインターコネクタ層８の中央部８ｂの厚みと実質的に同一厚みとされ、インターコネクタ層８の厚み差に基づく応力を低減でき、クラックや剥離を抑制することができる。
【００６０】
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、１４００〜１４５０℃にて２〜６時間、同時焼結（同時焼成）する。
【００６１】
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反応防止層上に塗布し、１０００〜１３００℃で、２〜６時間焼き付けることにより、図１に示す構造の本形態の燃料電池セル１０を製造できる。なお、燃料電池セル１０は、その後、内部に水素ガスを流し、多孔質基板１および燃料極層３の還元処理を行なうのが好ましい。その際、たとえば７５０〜１０００℃にて５〜２０時間還元処理を行なうのが好ましい。
【００６２】
図３は、上述した燃料電池セル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る燃料電池セル装置の一例を示したものであり、（ａ）は燃料電池セル装置１１を概略的に示す側面図、（ｂ）は（ａ）の燃料電池セル装置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）で示す燃料電池セル１０においては、上述した反応防止層５等の一部の部材を省略して示している。
【００６３】
なお、燃料電池セル装置１１においては、各燃料電池セル１０を集電部材１３を介して配列することで燃料電池セルスタック１２を構成しており、各燃料電池セル１０の下端部が、燃料電池セル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、これにより燃料電池セル装置１１が構成されている。また、燃料電池セル装置１１は、燃料電池セル１０の配列方向の両端から燃料電池セルスタック１２を挟持するように、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を具備している。
【００６４】
また、図３に示す導電部材１４には、燃料電池セル１０の配列方向に沿って外側に向けて延びた形状で、燃料電池セルスタック１２（燃料電池セル１０）の発電により生じる電流を出入するための電流引出し部１５が設けられている。
【００６５】
ここで、本形態の燃料電池セル装置１１においては、上述した燃料電池セル１０を用いて、燃料電池セルスタック１２を構成することにより、長期信頼性が向上した燃料電池セル装置１１とすることができる。
【００６６】
図３に示す燃料電池セル装置１１では、燃料電池セル１０の下端部は、燃料電池セル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。
【００６７】
図４は、燃料電池セル装置１１を収納容器内に収納してなる燃料電池モジュール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３に示した燃料電池セル装置１１を収納して構成されている。
【００６８】
なお、燃料電池セル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を燃料電池セルスタック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を介して燃料電池セル１０の内部に設けられた
ガス流路２に供給される。
【００６９】
なお、図４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燃料電池セル装置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４に示した燃料電池モジュール１８においては、燃料電池セル装置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、燃料電池セル装置１１は、改質器２０を含むものとしても良い。
【００７０】
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４においてはガスタンク１６に並置された燃料電池セルスタック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、燃料電池セル１０の側方を下端部から上端部に向けて流れるように、燃料電池セル１０の下端部に酸素含有ガスを供給する。
【００７１】
そして、燃料電池セル１０のガス流路より排出される燃料ガスを酸素含有ガスと反応させて燃料電池セル１０の上端部側で燃焼させることにより、燃料電池セル１０の温度を上昇させることができ、燃料電池セル装置１１の起動を早めることができる。また、燃料電池セル１０の上端部側にて、燃料電池セル１０のガス流路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、燃料電池セル１０（燃料電池セルスタック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。
【００７２】
さらに、本形態の燃料電池モジュール１８においても、上述した燃料電池セル装置１１を収納容器１９内に収納してなることから、長期信頼性が向上した燃料電池モジュール１８とすることができる。
【００７３】
図５は、外装ケース内に図４で示した燃料電池モジュール１８と、燃料電池セル装置１１を動作させるための補機とを収納してなる燃料電池装置を示す斜視図である。なお、図５においては一部構成を省略して示している。
【００７４】
図５に示す燃料電池装置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燃料電池モジュール１８を収納するモジュール収納室２７とし、下方側を燃料電池モジュール１８を動作さ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いる。
【００７５】
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。
【００７６】
このような燃料電池装置２３においては、上述したように、信頼性を向上することができる燃料電池モジュール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、信頼性の向上した燃料電池装置２３とすることができる。
【００７７】
以上、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。
【００７８】
例えば、上記形態では、多孔質基板１に燃料極層３、固体電解質層４、酸素極層６を形成したが、燃料極を兼ねる多孔質基板に、固体電解質層、酸素極層を形成した燃料電池セルであっても、上記形態と同様の効果を得ることができる。
【００７９】
また、各層間に必要に応じて中間層を形成しても良い。例えば、多孔質基板とインターコネクタ層との間に中間層を形成することもできる。
【符号の説明】
【００８０】
１：多孔質基板
２：燃料ガス流路
３：燃料極層
４：固体電解質層
５：反応防止層
６：酸素極層
８：インターコネクタ層
９：突出部
１１：燃料電池セル装置
１８：燃料電池モジュール
Ｓ：スラリー塗布装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向する一対の主面と該主面同士を接続する対向する一対の側面とを有する平板状の多孔質基板と、該多孔質基板の一方側主面に設けられた固体電解質層と、前記多孔質基板の他方側主面に設けられたインターコネクタ層とを有し、前記多孔質基板の一方側主面の前記固体電解質層の両端部が、それぞれ前記側面を介して前記多孔質基板の他方側主面まで延設され、前記固体電解質層の両端部が、前記多孔質基板の他方側主面に配置された前記インターコネクタ層の両端部とそれぞれ積層され接合されており、前記インターコネクタ層の外面は平坦状であるとともに、前記固体電解質層の両端部上の前記インターコネクタ層の両端部の厚みは、前記固体電解質層の両端部間における前記インターコネクタ層の厚みと実質的に同一厚みとされていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池セル。
【請求項２】
対向する一対の主面と該主面同士を接続する対向する一対の側面とを有する平板状の多孔質基板と、該多孔質基板の一方側主面に設けられた固体電解質層と、前記多孔質基板の他方側主面に設けられたインターコネクタ層とを有し、前記多孔質基板の一方側主面の前記固体電解質層の両端部が、それぞれ前記側面を介して前記多孔質基板の他方側主面まで延設され、前記固体電解質層の両端部が、前記多孔質基板の他方側主面に配置された前記インターコネクタ層の両端部とそれぞれ積層され接合されており、前記多孔質基板は前記固体電解質層の両端部間に外面が平坦状の突出部を有しており、前記固体電解質層の両端部が設けられた部分における前記多孔質基板の他方側主面からの前記突出部の高さが、前記固体電解質層の両端部が設けられた部分における前記多孔質基板の他方側主面からの前記固体電解質層の端部の高さと実質的に同一高さとされていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池セル。
【請求項３】
請求項１または２に記載の固体酸化物形燃料電池セルを収納容器内に収納してなることを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項１】
対向する一対の主面と該主面同士を接続する対向する一対の側面とを有する平板状の多孔質基板と、該多孔質基板の一方側主面に設けられた固体電解質層と、前記多孔質基板の他方側主面に設けられたインターコネクタ層とを有し、前記多孔質基板の一方側主面の前記固体電解質層の両端部が、それぞれ前記側面を介して前記多孔質基板の他方側主面まで延設され、前記固体電解質層の両端部が、前記多孔質基板の他方側主面に配置された前記インターコネクタ層の両端部とそれぞれ積層され接合されており、前記インターコネクタ層の外面は平坦状であるとともに、前記固体電解質層の両端部上の前記インターコネクタ層の両端部の厚みは、前記固体電解質層の両端部間における前記インターコネクタ層の厚みと実質的に同一厚みとされていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池セル。
【請求項２】
対向する一対の主面と該主面同士を接続する対向する一対の側面とを有する平板状の多孔質基板と、該多孔質基板の一方側主面に設けられた固体電解質層と、前記多孔質基板の他方側主面に設けられたインターコネクタ層とを有し、前記多孔質基板の一方側主面の前記固体電解質層の両端部が、それぞれ前記側面を介して前記多孔質基板の他方側主面まで延設され、前記固体電解質層の両端部が、前記多孔質基板の他方側主面に配置された前記インターコネクタ層の両端部とそれぞれ積層され接合されており、前記多孔質基板は前記固体電解質層の両端部間に外面が平坦状の突出部を有しており、前記固体電解質層の両端部が設けられた部分における前記多孔質基板の他方側主面からの前記突出部の高さが、前記固体電解質層の両端部が設けられた部分における前記多孔質基板の他方側主面からの前記固体電解質層の端部の高さと実質的に同一高さとされていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池セル。
【請求項３】
請求項１または２に記載の固体酸化物形燃料電池セルを収納容器内に収納してなることを特徴とする燃料電池モジュール。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−７７４８７（Ｐ２０１３−７７４８７Ａ）
【公開日】平成２５年４月２５日（２０１３．４．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２１７４０９（Ｐ２０１１−２１７４０９）
【出願日】平成２３年９月３０日（２０１１．９．３０）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月２５日（２０１３．４．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月３０日（２０１１．９．３０）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
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