横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックおよび燃料電池
【課題】未消費の酸素を含むガスの滞留を抑制し、発電効率の向上したセルスタック及びそれを用いた燃料電池を提供する。
【解決手段】横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタック１ｂにおいて、多孔質支持体１１の主面のうち少なくとも一方の主面に配置された燃料電池セルのうち、内側電極層およびインターコネクタが、多孔質支持体の幅方向に沿って少なくとも２つに分割されて配置されており、分割された内側電極層の表面および該内側電極層の間における多孔質支持体上に沿って固体電解質層１３ｂが積層されて、多孔質支持体の幅方向に沿って隣り合う内側電極層の間の空間に溝が形成されているとともに、該溝が燃料電池セルに供給される第２の反応ガスが流れる第２の反応ガス流路として構成される。
【解決手段】横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタック１ｂにおいて、多孔質支持体１１の主面のうち少なくとも一方の主面に配置された燃料電池セルのうち、内側電極層およびインターコネクタが、多孔質支持体の幅方向に沿って少なくとも２つに分割されて配置されており、分割された内側電極層の表面および該内側電極層の間における多孔質支持体上に沿って固体電解質層１３ｂが積層されて、多孔質支持体の幅方向に沿って隣り合う内側電極層の間の空間に溝が形成されているとともに、該溝が燃料電池セルに供給される第２の反応ガスが流れる第２の反応ガス流路として構成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタック（以下、単にセルスタックという場合がある。）およびそれを用いた燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、エネルギー変換段数を少なくし、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する高い発電効率を有する発電方法として、燃料電池が注目されている。とりわけ、固体酸化物形燃料電池は、発電温度が６００℃〜１０００℃と高く、燃料電池内の内部抵抗が小さいため、燃料電池の中で最も発電効率が高く、さらに残燃料を利用してガスタービンによるさらなる発電、あるいはコージェネレーション用の熱源として用いることができ、化学エネルギーを高い変換効率で電気エネルギーに変換できる特性を有する。特に横縞型固体酸化物形燃料電池は、少ないセルスタックの本数で高い電圧を得られる。
【０００３】
従来のセルスタックは、長手方向に沿って燃料ガスを流すためのガス流路を内部に備え、一端側に前記ガス流路の燃料ガス導入口を有し、他端側に前記ガス流路の燃料ガス排出口を有してなる電気絶縁性の多孔質支持体上に、燃料極層、固体電解質層および空気極層が順次積層された多層構造の燃料電池セルを複数個配列し、隣接する燃料電池セルを、インターコネクタを介して電気的に接続したものである。
このようなセルスタックから実用的な電力を得るにあたっては、隣接するセルスタック同士を、スタック間接続部材を介して、電気的に接続してバンドルを形成することが好ましい。発電時には、該バンドルを収納した収納容器内を高温にし、水素を含む燃料ガスを、セルスタックのガス流路内に流し、さらに空気等の酸素を含む酸素含有ガスをセルスタック外面に曝すことで発電させる。
【０００４】
特許文献１には、多孔質支持体の強度を高めるとともに高い発電性能を保持するために、多孔質支持体を緻密質にし、多孔質支持体にガス流路から燃料極層にガスを供給するための複数の貫通孔を形成させることが開示されている。
【０００５】
特許文献２には、スタック間接続部材とセルスタックとの接続部で生じる接続抵抗による集電損失を小さくするために、該接続部を所定の接触面積にすることが開示されている。
【０００６】
しかし、上記のようなセルスタックから得られる電力は、供給する燃料ガス流量および酸素含有ガス流量から見込まれる電力よりも低いものであった。原因は、セルスタックの発電時において、セルスタックの短手方向（以下、多孔質支持体の幅方向、単に幅方向という場合がある。）の中央部の温度が上昇し、セルスタックの表面側に供給される水素含有ガスや燃料ガス等の反応ガス（上述の例では、酸素含有ガス）の粘度が増加し、発電で使用された後の水素または酸素の濃度が低下した反応ガス（以下、消費ガスという場合がある。）が、セルスタックの表面で滞留する場合がある。この場合に、水素または酸素の濃度が低下した消費ガスが滞留することで、水素または酸素の濃度が十分な反応ガスを各燃料電池セル（外側電極層）に供給することができず、発電量や発電効率が低下するものと考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−２５０３６８号
【特許文献２】特開２００６−１９０５９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで、本発明は、セルスタックの表面側に供給される反応ガスがセルスタックの表面上に滞留することを抑制でき、発電効率の向上した横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタック及びそれを用いた燃料電池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】
【０００９】
本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、内側電極層およびインターコネクタを、幅方向に沿って少なくとも２つに分割させて多孔質支持体上に配置し、分割された内側電極層の表面および該内側電極層の間における多孔質支持体上に沿って固体電解質層を積層させ、幅方向に沿って隣り合う内側電極層の間に溝を構成することで、セルスタック上に消費ガスが滞留することを抑制でき、発電効率の向上したセルスタックを提供することができることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１０】
すなわち、本発明は以下の構成からなる。
（１） 長手方向に沿って第１の反応ガスを流すための第１の反応ガス流路を内部に備え、長手方向の一端側に前記第１の反応ガス流路の導入口を有し、他端側に前記第１の反応ガス流路のガス排出口を有してなる中空平板状でかつ電気絶縁性の多孔質支持体の主面上に、内側電極層、固体電解質層および外側電極層がこの順に積層された多層構造を有する燃料電池セルを、前記多孔質支持体の長手方向に沿って複数配置し、隣接する一方の前記内側電極層と、隣接する他方の前記外側電極層とがインターコネクタを介して電気的に接続されてなる横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックであって、前記多孔質支持体の主面のうち少なくとも一方の主面に配置された前記燃料電池セルのうち、前記内側電極層および前記インターコネクタが、前記多孔質支持体の幅方向に沿って少なくとも２つに分割されて配置されており、分割された前記内側電極層の表面および該内側電極層の間における前記多孔質支持体上に沿って前記固体電解質層が積層されて、前記多孔質支持体の幅方向に沿って隣り合う前記内側電極層の間の空間に溝が形成されているとともに、該溝が前記燃料電池セルに供給される第２の反応ガスが流れる第２の反応ガス流路として構成されていることを特徴とする横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタック。
（２） 前記内側電極層および前記インターコネクタが、前記多孔質支持体の幅方向中央部で２つに分割されている前記（１）に記載の横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタック。
（３） 前記外側電極層が、前記多孔質支持体の幅方向に沿って一端側より他端側にかけて前記固体電解質層上に沿って配置されている前記（１）または（２）に記載の横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタック。
（４） 前記外側電極層が、分割された前記内側電極層と対応する部位に分割されて配置されている前記（１）または（２）に記載の横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタック。
（５） 前記第２の反応ガス流路の前記多孔質支持体の幅方向における間隔が、前記多孔質支持体の幅方向の長さの１／３以下である、前記（１）〜（４）のいずれかに記載の横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタック。
（６） 前記多孔質支持体は、少なくとも一方の主面に、長手方向に沿って少なくとも１つの支持体溝が形成されており、この溝を介して前記内側電極層および前記インターコネクタが少なくとも２つに分割されている前記（１）〜（５）のいずれかに記載の横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタック。
（７） 前記（１）〜（６）のいずれかに記載の横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックを収納容器内に複数収容してなることを特徴とする燃料電池。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、セルスタックの表面側に供給された反応ガスのうち、発電で使用された後の消費ガスが滞留することを抑制でき、発電効率の向上した横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックを提供することができる。また上記の横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックを収納容器に収納することで、発電効率の向上した燃料電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態にかかるセルスタックの一部を破断して示す斜視図である。
【図２】（ａ）は、本発明の一実施形態にかかるセルスタックの表面図であり、図２（ｂ）は、本実施形態にかかるセルスタックの裏面図である。
【図３】本発明の一実施形態にかかるセルスタックにかかる図２（ａ）および図２（ｂ）中のＡ−Ａ線断面図である。
【図４】（ａ）は、本発明の一実施形態にかかるセルスタックの表面図であり、（ｂ）は、セルスタックからセル接続材および空気極層を取り除いた図４（ａ）中のＢ−Ｂ断面図である。
【図５】本発明のさらに他の一実施形態にかかるセルスタックの一部を破断して示す斜視図である。
【図６】本発明のさらに他の一実施形態にかかるセルスタックの一部を破断して示す斜視図である。
【図７】本発明のさらに他の一実施形態にかかるセルスタックの一部を破断して示す斜視図である。
【図８】本発明のさらに他の一実施形態にかかるセルスタックの一部を破断して示す斜視図である。
【図９】本発明のさらに他の一実施形態にかかるセルスタックの一部を破断して示す斜視図である。
【図１０】本発明のさらに他の一実施形態にかかるセルスタックの一部を破断して示す斜視図である。
【図１１】本発明のさらに他の一実施形態にかかるセルスタックの一部を破断して示す斜視図である。
【図１２】本発明のさらに他の一実施形態にかかるセルスタックの一部を破断して示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明のセルスタックおよびそれを用いた燃料電池の一実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１４】
（セルスタック）
図１は、本発明の一実施形態にかかるセルスタックの一部を破断して示す斜視図である。図２（ａ）は、本発明の一実施形態にかかるセルスタックの表面を示す図であり、図２（ｂ）は、本実施形態にかかるセルスタックの裏面を示す図である。図３は図２（ａ）および図２（ｂ）中のＡ−Ａ線断面図である。
【００１５】
図１に示すように、セルスタック１ａは、中空平板状の電気絶縁性の多孔質支持体１１の表裏面に、複数の燃料電池セル１３を多孔質支持体１１の長手方向（以下、単に長手方向という場合がある。）に沿って所定間隔において配置し、それらをセル間接続部材１７を介して直列に接続した「横縞型」といわれるものである（図２（ａ）および（ｂ）参照）。
【００１６】
燃料電池セル１３は、図１に示すように、多孔質支持体１１の表裏面に、内側電極としての燃料極層（集電燃料極層１３ｄおよび活性燃料極層１３ａ）およびインターコネクタ１７ａが、多孔質支持体１１の幅方向に沿って２つに分割されて配置されており、分割された燃料極層の表面および該燃料極層の間における多孔質支持体１１上に沿って固体電解質層１３ｂが配置されている（図３参照）。また固体電解質層１３ｂ上には、外側電極として空気極層１３ｃが配置されている。それにより、多孔質支持体１１の幅方向に隣り合う燃料極層の間の空間に第２の反応ガス流路として空気流路２０である溝が形成される。また、それぞれの燃料電池セル１３は、集電燃料極層１３ｄ、活性燃料極層１３ａ、固体電解質層１３ｂおよび空気極層１３ｃを順次積層した層構造となっており、集電燃料極層１３ｄ上にインターコネクタ１７ａが配置されている。なお、以下の説明において、内側電極層として燃料極層を、外側電極層として空気極層１３ｃを用いるタイプのセルスタックを用いて説明する。
【００１７】
空気流路２０を設けることで、隣接するセルスタック１ａ同士を、スタック間接続部材を介して直列に複数接続し、これを収納した収納容器内を高温にし、水素を含む燃料ガスを、セルスタック１ａのガス流路内に流し、さらに酸素を含む酸素含有ガスをセルスタック外面に曝し発電させる際に、隣接するセルスタック１ａ間で、セルスタック１ａの短手方向中央部に、酸素が使用され、酸素量の低減した酸素含有ガスである消費ガスの滞留が発生するのを抑制でき、酸素を多く含有する酸素含有ガスを継続してセルスタック１ａの全面に曝すことができるため、本来の発電性能を発揮できる。
【００１８】
空気流路２０を形成する際に、多孔質支持体１１の幅方向に分割された燃料極層およびインターコネクタ１７ａは、多孔質支持体１１の幅方向の中央部で２つに分割され配置されることが好ましい。
特にセルスタック１ａにおいて、セルスタック１ａの幅方向の中央部の温度が上昇し、消費ガスがセルスタック１ａの幅方向の中央部で滞留する場合がある。ここで、セルスタック１ａの幅方向の中央部に空気流路２０を設けることで、消費ガスが滞留することを抑制でき、空気極層１３ｃに充分な酸素を含有する酸素含有ガスを継続して供給することができる。
【００１９】
また、空気ガス流路２０は、幅方向における間隔が、多孔質支持体１１の幅の１／３以下の長さであるのが好ましい。
空気ガス流路２０の多孔質支持体１１の幅方向における間隔が、多孔質支持体１１の幅の１／３より長いと、燃料セル１３の設置できる面積が狭く、充分な発電量を得ることができるセルスタック１ａとすることが難しくなる。
【００２０】
さらに、セルスタック１ａは、図４（ａ）および（ｂ）に示すような、空気流路２０を形成した形状とすることもできる。図４（ａ）は、セルスタック１ａの表面を示す図であり、図４（ｂ）は、セルスタック１ａからセル接続材１７ｂおよび空気極層１３ｃを取り除いた図４（ａ）中のＢ−Ｂ線断面図である
空気流路２０は、図４（ａ）に示すように、一端側から他端側にかけて空気流路２０の幅方向の長さが広くなるように形成することで、一端側から他端側にかけて消費ガスを効率よく他端側へ流すことができる。さらに、図４（ｂ）に示すように、一端側から他端側にかけて空気流路２０における固体電解質層１３ｂの厚みが薄くなるように形成することで、上記同様の効果が得られる。
【００２１】
多孔質支持体１１の表裏面における互いに隣接する燃料電池セル１３同士は、セル間接続部材１７により直列に接続されている(図３参照)。すなわち、一方の燃料電池セル１３の集電燃料極層１３ｄの上にインターコネクタ１７ａが形成され、このインターコネクタ１７ａは、長手方向両端部を含めその周囲が固体電解質層１３ｂによりガスシール状態で被覆され、固体電解質層１３ｂから帯状に露出している。このインターコネクタ１７ａの露出した部分がセル接続材１７ｂにより被覆され、このセル接続材１７ｂが、他方の燃料電池セル１３の空気極層１３ｃ上に形成され、これにより、燃料電池セル１３同士が直列に電気的に接続された構造となっている。なお、図には示していないが、インターコネクタ１７ａの露出した部分を、空気極層１３ｃにて被覆した形状としてもよい。なお図１に示したとおり、多孔質支持体１１の幅方向において、セル接続材１７ｂは、空気極層１３ｃを覆うように設けられている。また、多孔質支持体１１の一端側における表面および裏面に配置された燃料電池セル１３同士は、Ａｇ−Ｐｄ等の貴金属等からなる折り返し部材１４（図２参照）により電気的に接続されている。
【００２２】
多孔質支持体１１は多孔質であり、さらにその内部には、第１の反応ガス流路として内径の小さな複数のガス流路１２が隔てられて長手方向に延びるようにして貫通して設けられている。ガス流路１２の数は、発電性能および構造強度の点から、例えば３〜２０個が好ましく、６〜１７個であるのがより好ましい。このように、多孔質支持体１１の内部にガス流路１２を複数形成することにより、多孔質支持体１１の内部に大きなガス流路を１本形成する場合に比べて、多孔質支持体１１を扁平板状とすることができ、セルスタック１ａ（多孔質支持体１１）の体積当たりの燃料電池セル１３の面積を増加し発電量を大きくすることができる。よって、必要とする発電量を得るためのセルスタック１ａの本数を減らすことができる。
【００２３】
このガス流路１２内に水素を含む燃料ガスを流し、かつ空気極層１３ｃを空気等の酸素を含む酸素含有ガスに曝すことにより、活性燃料極層１３ａおよび空気極層１３ｃ間で下記式（ｉ）および（ｉｉ）に示す電極反応が生じ、両極間に電位差が発生し、発電するようになっている。
【００２４】
【化１】
【００２５】
以下、セルスタック１ａを構成する各部材の材質を詳しく説明する。
（多孔質支持体１１）
本発明に係る多孔質支持体１１は、Ｍｇ酸化物（ＭｇＯ）と、Ｎｉ若しくはＮｉ酸化物（ＮｉＯ）と、希土類元素酸化物とから形成されている。なお、希土類元素酸化物を構成する希土類元素としては、Ｙ、Ｌａ、Ｙｂ、Ｔｍ、Ｅｒ、Ｈｏ、Ｄｙ、Ｇｄ、Ｓｍ、Ｐｒなどを例示することができ、希土類元素酸化物としては、例えばＹ2Ｏ3やＹｂ2Ｏ3等が挙げられ、特にＹ2Ｏ3が好ましい。
【００２６】
ＭｇＯは７０〜８０体積％、希土類元素酸化物は１０〜２０体積％、ＮｉあるいはＮｉＯ（ＮｉＯは、発電時には、通常、水素ガスにより還元されてＮｉとして存在する。）は、ＮｉＯ換算で１０〜２５体積％、特に１５〜２０体積％の範囲で多孔質支持体１１中に含有し、総量として１００体積％となるように含有されているのがよい。
【００２７】
多孔質支持体１１は、燃料電池セル１３間の電気的ショートを防ぐために電気絶縁性であることが必要であり、通常、１０ル・ｃｍ以上の抵抗率を有することが望ましい。Ｎｉ等の含量が前記範囲を超えると、電気抵抗値が低下し易い。
【００２８】
なお、多孔質支持体１１は、ガス流路１２内の燃料ガスを活性燃料極層１３ａの表面まで導入可能でなければならず、このため、多孔質であることが必要である。一般に、その開気孔率は２５％以上、特に３０〜４０％の範囲にあるのがよい。
【００２９】
（燃料極層）
燃料極層は、前記式（ｉｉ）の電極反応を生じさせるものであり、本実施形態においては、固体電解質層１３ｂ側の活性燃料極層１３ａと、多孔質支持体１１側の集電燃料極層１３ｄとの二層構造に形成されている。なお、燃料極層は、必ずしも活性燃料極層１３ａと集電燃料極層１３ｄとの２層より形成する必要はなく、１層のみから形成することもできる。
【００３０】
＜活性燃料極層１３ａ＞
固体電解質層１３ｂ側の活性燃料極層１３ａは、それ自体公知の多孔質の導電性セラミックスから形成される。例えば、希土類元素が固溶しているＺｒＯ2（安定化ジルコニア）と、Ｎｉおよび／又はＮｉＯ（以下、Ｎｉ等という場合がある。）とからなる。この希土類元素が固溶した安定化ジルコニアとしては、後述する固体電解質層１３ｂに使用されているものと同様のものを用いるのがよい。
【００３１】
活性燃料極層１３ａ中の安定化ジルコニア含量は、３５〜６５体積％の範囲にあることが好ましく、またＮｉ等の含量は、良好な発電性能を発揮させるため、ＮｉＯ換算で６５〜３５体積％の範囲にあるのがよい。
さらに活性燃料極層１３ａの開気孔率は、１５％以上、特に２０〜４０％の範囲にあるのがよい。
【００３２】
また、固体電解質層１３ｂとの熱膨張差に起因して発生する熱応力を吸収し、活性燃料極層１３ａの割れや剥離などを防止するという点から、活性燃料極層１３ａの厚みは、５〜３０μｍの範囲にあることが望ましい。
【００３３】
＜集電燃料極層１３ｄ＞
燃料極層のうち、多孔質支持体１１側の集電燃料極層１３ｄは、多孔質支持体１１と同様、Ｎｉ若しくはＮｉ酸化物と、希土類元素酸化物との混合体より形成することが好ましい。
【００３４】
Ｎｉ或いはＮｉ酸化物（ＮｉＯは、発電時には、通常、水素ガスにより還元されてＮｉとして存在する。）は、ＮｉＯ換算で３０〜６０体積％の範囲で希土類元素酸化物中に含有されているのがよい。集電燃料極層１３ｄは、電流の流れを損なわないように、導電性であることが必要であり、通常、４００Ｓ／ｃｍ以上の導電率を有していることが望ましい。良好な電気伝導度を有するという点から、Ｎｉ等の含量は３０体積％以上が望ましい。
【００３５】
また、この集電燃料極層１３ｄの厚みは、電気伝導度を向上するという点から、８０〜２００μｍであることが望ましい。
【００３６】
以上のように、燃料極層を固体電解質層１３ｂ側の活性燃料極層１３ａと、多孔質支持体１１側の集電燃料極層１３ｄとの二層とした構造であれば、多孔質支持体１１側の集電燃料極層１３ｄのＮｉＯ換算でのＮｉ量或いはＮｉＯ量を３０〜６０体積％の範囲内で調整することにより、セルスタック１ａの作製時、加熱時、冷却時において両者の熱膨張差に起因して発生する熱応力を小さくすることができるため、燃料極層の割れや剥離などを抑制することができる。このため、燃料ガス（水素ガス）を流して発電を行う場合においても、多孔質支持体１１との熱膨張係数の整合性は安定に維持され、熱膨張差による割れを有効に回避することができる。
【００３７】
（固体電解質層１３ｂ）
固体電解質層１３ｂは、希土類またはその酸化物を固溶させたＺｒＯ2からなる安定化ＺｒＯ2からなる緻密質なセラミックスで構成されている。
ここで、固溶させる希土類元素またはその酸化物としては、例えばＳｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕなど、または、これらの酸化物などが挙げられ、好ましくは、Ｙ、Ｙｂ、または、これらの酸化物が挙げられる。また、固体電解質層１３ｂは、８モル％のＹが固溶している安定化ＺｒＯ2（８ｍｏｌ％ Yttoria Stabilized Zirconia、以下、「８ＹＳＺ」という。）と熱膨張係数がほぼ等しいランタンガレート系（ＬａＧａＯ3系）固体電解質層を挙げることもできる。また、固体電解質層１３ｂは、例えば、厚さが１０〜１００μｍであり、例えば、相対密度（アルキメデス法による）が９３％以上、好ましくは、９５％以上の範囲に設定される。このような固体電解質層１３ｂは、電極間の電子の橋渡しをする電解質としての機能を有すると同時に、燃料ガスまたは酸素含有ガスのリーク（ガス透過）を防止するためにガス遮断性を有している。
【００３８】
（空気極層１３ｃ）
空気極層１３ｃは、導電性セラミックスから形成されている。導電性セラミックスとしては、例えば、ＡＢＯ3型のペロブスカイト型酸化物が挙げられ、このようなペロブスカイト型酸化物としては、例えば、遷移金属型ペロブスカイト型酸化物、好ましくは、ＬａＭｎＯ3系酸化物、ＬａＦｅＯ3系酸化物、ＬａＣｏＯ3系酸化物など、特にＡサイトにＬａを有する遷移金属型ペロブスカイト型酸化物を挙げることができる。さらに好ましくは、６００〜１０００℃程度での電気伝導性が高いという観点から、ＬａＣｏＯ3系酸化物が挙げられる。
前記したペロブスカイト型酸化物において、ＡサイトにＬａおよびＳｒが共存してもよく、また、ＢサイトにＦｅ、ＣｏおよびＭｎが共存してもよい。
このような空気極層１３ｃは、前記した式（ｉ）の電極反応を生ずることができる。
空気極層１３ｃの開気孔率は、例えば、２０％以上、好ましくは、３０〜５０％の範囲に設定される。開気孔率が前記した範囲内にあれば、空気極層１３ｃが良好なガス透過性を有することができる。
空気極層１３ｃの厚さは、例えば、３０〜１００μｍの範囲に設定される。前記した範囲内にあれば、空気極層１３ｃが良好な発電性能を有することができる。
なお、図１に示すセルスタック１ａにおいては、空気極層１３ｃが、分割された燃料電極層と対応する部位に配置されている。
このような空気極層１３ｃを形成することで、例えば、酸素含有ガス流量が少ない場合に、大部分の酸素は、該空気極層１３ｃで消費されるために、セルスタック１ｂのようなタイプのセルスタックよりも広く空気流路２０の体積を確保でき、消費ガスを効率よく一端から他端側へ流すことができる。
【００３９】
（セル間接続部材１７）
隣接する燃料電池セル部１３同士を直列に接続するために使用されるセル間接続部材１７は、一方の燃料電池セル１３の集電燃料極層１３ｄと隣接する他方の燃料電池セル１３の空気極層１３ｃとを電気的に接続するものであり、インターコネクタ１７ａとセル接続材１７ｂとから構成され、これらは電気的に接続されている。
【００４０】
（インターコネクタ１７ａ）
インターコネクタ１７ａは導電性セラミックスから形成されるが、燃料ガス（水素ガス）及び空気等の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、かかる導電性セラミックスとしては、一般に、ランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物（ＬａＣｒＯ3系酸化物）が使用される。また、多孔質支持体１１内のガス流路１２を通る燃料ガスと空気極層１３ｃの表面側を通る空気等の酸素含有ガスとのリークを防止するため、かかる導電性セラミックスは緻密質でなければならず、例えば９３％以上、特に９５％以上の相対密度（アルキメデス法）を有していることが好適である。なお、インターコネクタ１７ａの端面と、固体電解質層１３ｂの端面との間には、適当な接合層（例えばＹ2Ｏ3）を介在させることにより、シール性を向上させることもできる。
また、インターコネクタ１７ａとしては、金属層と、ガラスの入った金属ガラス層との二層構造としてもよい。金属層は、例えば、ＡｇとＮｉの合金からなり、金属ガラス層は、Ａｇとガラスからなる。金属ガラス層により、多孔質支持体１１内のガス流路１２を通る燃料ガスのセルスタックの表面側へ供給される反応ガス（酸素含有ガス）へのリーク、および空気極層１３ｃの表面側を通る酸素含有ガスのセルスタックの内側へ供給される反応ガス（燃料ガス）へのリークを有効に防止することができる。
【００４１】
（セル接続材１７ｂ）
一方、セル接続材１７ｂは多孔質とされている。セル接続材１７ｂとしては、ＬａＣｏＯ3系等の導電性セラミック（例えば空気極層材料）、Ａｇ−Ｐｄ等の貴金属から構成された多孔質とすることができる。セル接続材１７ｂの材料の空気極層１３ｃへの塗布量が少ない場合にはセル接続材１７ｂの材料が空気極層１３ｃの気孔中に浸入し、層としては形成されない。特に、Ａｇ−Ｐｄ等の貴金属はコスト低減の観点から塗布量が少ないため、空気極層１３ｃは、空気極層材料とＡｇ−Ｐｄ等の集電材料が混在して構成され、セル接続材１７ｂは形成されない。一方、ＬａＣｏＯ3系等の導電性セラミックは、塗布量が多く、この場合には空気極層１３ｃ上にセル接続材１７ｂが形成される。なお、空気極層１３ｃがセル接続材１７ｂを兼ねるものとしてもよい。この場合、一方の燃料電池セル１３の集電燃料極層１３ｄ上に設けられたインターコネクタ１７ａに隣接する他方の燃料電池セル１３の空気極層１３ｃが接続されることで、隣り合う燃料電池セル１３を電気的に直列に接続することができる。
さらに、空気極層１３ｃとインターコネクタ１７ａとが電気的に接続されている場合であっても、空気極層１３ｃ上にセル接続材１７ｂを設けることもできる。この場合、一方の燃料電池セル１３内を流れる電流を、効率よく他方の燃料電池セル１３に供給することができる。
【００４２】
図５は、本発明の他の一実施形態にかかるセルスタック１ｂの一部を破断して示す斜視図である。
セルスタック１ｂは、図５に示すように空気極層１３ｃが、幅方向に沿って一端側より他端側にかけて固体電解質層１３ｂ上に沿って配置されている。
このように空気極層１３ｃを形成することで、セルスタック１ｂの製造工程が容易となるほか、例えば、酸素含有ガス流量が多い場合に、該空気極層１３ｃで消費されずに、空気流路２０によって一端から他端に向かう消費ガス中の酸素を該空気極層１３ｃに曝すことができるので、効率よく発電することができる。
【００４３】
図６は、本発明の他の一実施形態にかかるセルスタック１ｃの一部を破断して示す斜視図である。
セルスタック１ｃは、図６に示すように、空気極層１３ｃは、直方体形状であり、その両端は、幅方向に分割された隣り合う燃料極層と対応する部位に配置され、多孔質支持体１１の幅方向の中央部において、空気極層１３ｃと固体電解質層１３ｂとの間に、空気流路２０となる空間が形成される。
このように空気極層１３ｃを形成することで、例えば、空気極層１３ｃにて使用された後の酸素含有ガスである消費ガスが空気流路２０を一端から他端に向けて流れることから、空気極層１３ｃに酸素を多く含有する酸素含有ガスを継続して供給することができ、発電効率を向上することができる。
【００４４】
図７は、本発明の他の一実施形態にかかるセルスタック２ａの一部を破断して示す斜視図である。
セルスタック２ａは、図７に示すように、多孔質支持体１１の両方の主面に、長手方向に沿って支持体溝２１が形成されており、その他はセルスタック１ｃと同様に構成されたものである。
このように支持体溝２１を形成することで、空気ガス流路２０を、上記例示のセルスタック１ｃよりも広い体積で確保することでき、消費ガスをセルスタック１ｃより効率よく流すことができる。
【００４５】
図８は、本発明の他の一実施形態にかかるセルスタック２ｂの一部を破断して示す斜視図である。
セルスタック２ｂは、図８に示すように、多孔質支持体１１の両方の主面に、長手方向に沿って支持体溝２１が形成されており、その他はセルスタック１ｂと同様に構成されたものである。
このように支持体溝２１を形成することで、空気ガス流路２０を、上記例示のセルスタック１ｂよりも広い体積で確保することでき、消費ガスをセルスタック１ｂより効率よく流すことができる。
【００４６】
図９は、本発明の他の一実施形態にかかるセルスタック３の一部を破断して示す斜視図である。
セルスタック３は、図９に示すように、多孔質支持体１１の両方の主面に、長手方向に沿って空気流路２０を幅方向に２本が形成されており、その他はセルスタック１ａと同様に構成されたものである。
このように空気流路２０を２本形成することで、より多くの消費ガスを流すことができることから、空気極層１３ｃに酸素を多く含有する酸素含有ガスを継続して供給することができ、発電効率を向上することができる。
【００４７】
上記実施形態では、セル接続材１７ｂを、幅方向に分割された隣り合う燃料極層に対応する部位（空気極層１３ｃおよび固体電解質層１３ｂ上）同士を覆うように配置させたセルスタックについて例示したが、図１０、図１１および図１２に示すセルスタック４ａ、セルスタック４ｂおよびセルスタック４ｃのように、セル接続材１７ｂを、幅方向に分割された隣り合う燃料極層に対応する部位（空気極層１３ｃおよび固体電解質層１３ｂ上）ごとに配置させたセルスタックとしてもよい。なお、図１２に示したセルスタック４ｃにおいては、燃料電池セル１３が空気流路２０を介して隣り合って２つ配置され、それぞれの燃料電池セル１３は、多孔質支持体１１の長手方向に沿って電気的に接続される。すなわち、図１２に示したセルスタック４ｃにおいては、多孔質支持体１１上に、独立した電流経路を２つ有する構成となっている。
【００４８】
上記実施形態では、セルスタックの表裏面に空気流路２０が設けられたものを説明したが、これに限定されず、例えば特開平１０−３９３２号公報に記載の公知の燃料電池セルを一方の主面にもち、空気流路２０が設けられたセルを他方の主面に持ち合わせたセルスタックを用いても良い。
また、本実施例では、セルスタックの表裏面で、同じ構成の燃料電池セルを配置したセルスタックについて説明したが、これに限定されず、例えば、セルスタックの一方の主面に上記と異なる構成の燃料電池セルを配置したセルスタックでもよいし、多孔質支持体の幅方向に複数本の空気流路２０を備えていてもよい。
さらに、支持体溝２１が多孔質支持体の長手方向に沿って１つ設けられたセルスタックを例示したが、空気流路２０内の幅方向に複数備えていてもよい（図１２参照）。
【００４９】
本発明のセルスタックは、第１の反応ガスを空気ガス、第２の反応ガスを燃料ガス、内側電極を空気極層および外側電極を燃料極層としたタイプのセルスタックとしてもよい（図示せず）。
【００５０】
（燃料電池）
本発明の燃料電池は、上述したようなセルスタックを収納容器内に複数収納することにより構成される。それにより、発電効率の向上した燃料電池とすることができる。
【００５１】
なお、本発明は以上の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の範囲内において、種々の改善や変更が可能である。
【符号の説明】
【００５２】
１ａ、１ｂ、１ｃ 横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタック
２ａ、２ｂ 横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタック
３ 横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタック
４ａ、４ｂ、４ｃ 横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタック
１１ 多孔質支持体
１２ ガス流路
１３ 燃料電池セル
１３ａ 活性燃料極層
１３ｂ 固体電解質層
１３ｃ 空気極層
１３ｄ 集電燃料極層
１４ 折り返し部材
１７ａ インターコネクタ
１７ｂ セル接続材
２０ 空気流路
２１ 支持体溝
【技術分野】
【０００１】
本発明は、横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタック（以下、単にセルスタックという場合がある。）およびそれを用いた燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、エネルギー変換段数を少なくし、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する高い発電効率を有する発電方法として、燃料電池が注目されている。とりわけ、固体酸化物形燃料電池は、発電温度が６００℃〜１０００℃と高く、燃料電池内の内部抵抗が小さいため、燃料電池の中で最も発電効率が高く、さらに残燃料を利用してガスタービンによるさらなる発電、あるいはコージェネレーション用の熱源として用いることができ、化学エネルギーを高い変換効率で電気エネルギーに変換できる特性を有する。特に横縞型固体酸化物形燃料電池は、少ないセルスタックの本数で高い電圧を得られる。
【０００３】
従来のセルスタックは、長手方向に沿って燃料ガスを流すためのガス流路を内部に備え、一端側に前記ガス流路の燃料ガス導入口を有し、他端側に前記ガス流路の燃料ガス排出口を有してなる電気絶縁性の多孔質支持体上に、燃料極層、固体電解質層および空気極層が順次積層された多層構造の燃料電池セルを複数個配列し、隣接する燃料電池セルを、インターコネクタを介して電気的に接続したものである。
このようなセルスタックから実用的な電力を得るにあたっては、隣接するセルスタック同士を、スタック間接続部材を介して、電気的に接続してバンドルを形成することが好ましい。発電時には、該バンドルを収納した収納容器内を高温にし、水素を含む燃料ガスを、セルスタックのガス流路内に流し、さらに空気等の酸素を含む酸素含有ガスをセルスタック外面に曝すことで発電させる。
【０００４】
特許文献１には、多孔質支持体の強度を高めるとともに高い発電性能を保持するために、多孔質支持体を緻密質にし、多孔質支持体にガス流路から燃料極層にガスを供給するための複数の貫通孔を形成させることが開示されている。
【０００５】
特許文献２には、スタック間接続部材とセルスタックとの接続部で生じる接続抵抗による集電損失を小さくするために、該接続部を所定の接触面積にすることが開示されている。
【０００６】
しかし、上記のようなセルスタックから得られる電力は、供給する燃料ガス流量および酸素含有ガス流量から見込まれる電力よりも低いものであった。原因は、セルスタックの発電時において、セルスタックの短手方向（以下、多孔質支持体の幅方向、単に幅方向という場合がある。）の中央部の温度が上昇し、セルスタックの表面側に供給される水素含有ガスや燃料ガス等の反応ガス（上述の例では、酸素含有ガス）の粘度が増加し、発電で使用された後の水素または酸素の濃度が低下した反応ガス（以下、消費ガスという場合がある。）が、セルスタックの表面で滞留する場合がある。この場合に、水素または酸素の濃度が低下した消費ガスが滞留することで、水素または酸素の濃度が十分な反応ガスを各燃料電池セル（外側電極層）に供給することができず、発電量や発電効率が低下するものと考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−２５０３６８号
【特許文献２】特開２００６−１９０５９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで、本発明は、セルスタックの表面側に供給される反応ガスがセルスタックの表面上に滞留することを抑制でき、発電効率の向上した横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタック及びそれを用いた燃料電池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】
【０００９】
本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、内側電極層およびインターコネクタを、幅方向に沿って少なくとも２つに分割させて多孔質支持体上に配置し、分割された内側電極層の表面および該内側電極層の間における多孔質支持体上に沿って固体電解質層を積層させ、幅方向に沿って隣り合う内側電極層の間に溝を構成することで、セルスタック上に消費ガスが滞留することを抑制でき、発電効率の向上したセルスタックを提供することができることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１０】
すなわち、本発明は以下の構成からなる。
（１） 長手方向に沿って第１の反応ガスを流すための第１の反応ガス流路を内部に備え、長手方向の一端側に前記第１の反応ガス流路の導入口を有し、他端側に前記第１の反応ガス流路のガス排出口を有してなる中空平板状でかつ電気絶縁性の多孔質支持体の主面上に、内側電極層、固体電解質層および外側電極層がこの順に積層された多層構造を有する燃料電池セルを、前記多孔質支持体の長手方向に沿って複数配置し、隣接する一方の前記内側電極層と、隣接する他方の前記外側電極層とがインターコネクタを介して電気的に接続されてなる横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックであって、前記多孔質支持体の主面のうち少なくとも一方の主面に配置された前記燃料電池セルのうち、前記内側電極層および前記インターコネクタが、前記多孔質支持体の幅方向に沿って少なくとも２つに分割されて配置されており、分割された前記内側電極層の表面および該内側電極層の間における前記多孔質支持体上に沿って前記固体電解質層が積層されて、前記多孔質支持体の幅方向に沿って隣り合う前記内側電極層の間の空間に溝が形成されているとともに、該溝が前記燃料電池セルに供給される第２の反応ガスが流れる第２の反応ガス流路として構成されていることを特徴とする横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタック。
（２） 前記内側電極層および前記インターコネクタが、前記多孔質支持体の幅方向中央部で２つに分割されている前記（１）に記載の横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタック。
（３） 前記外側電極層が、前記多孔質支持体の幅方向に沿って一端側より他端側にかけて前記固体電解質層上に沿って配置されている前記（１）または（２）に記載の横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタック。
（４） 前記外側電極層が、分割された前記内側電極層と対応する部位に分割されて配置されている前記（１）または（２）に記載の横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタック。
（５） 前記第２の反応ガス流路の前記多孔質支持体の幅方向における間隔が、前記多孔質支持体の幅方向の長さの１／３以下である、前記（１）〜（４）のいずれかに記載の横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタック。
（６） 前記多孔質支持体は、少なくとも一方の主面に、長手方向に沿って少なくとも１つの支持体溝が形成されており、この溝を介して前記内側電極層および前記インターコネクタが少なくとも２つに分割されている前記（１）〜（５）のいずれかに記載の横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタック。
（７） 前記（１）〜（６）のいずれかに記載の横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックを収納容器内に複数収容してなることを特徴とする燃料電池。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、セルスタックの表面側に供給された反応ガスのうち、発電で使用された後の消費ガスが滞留することを抑制でき、発電効率の向上した横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックを提供することができる。また上記の横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックを収納容器に収納することで、発電効率の向上した燃料電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態にかかるセルスタックの一部を破断して示す斜視図である。
【図２】（ａ）は、本発明の一実施形態にかかるセルスタックの表面図であり、図２（ｂ）は、本実施形態にかかるセルスタックの裏面図である。
【図３】本発明の一実施形態にかかるセルスタックにかかる図２（ａ）および図２（ｂ）中のＡ−Ａ線断面図である。
【図４】（ａ）は、本発明の一実施形態にかかるセルスタックの表面図であり、（ｂ）は、セルスタックからセル接続材および空気極層を取り除いた図４（ａ）中のＢ−Ｂ断面図である。
【図５】本発明のさらに他の一実施形態にかかるセルスタックの一部を破断して示す斜視図である。
【図６】本発明のさらに他の一実施形態にかかるセルスタックの一部を破断して示す斜視図である。
【図７】本発明のさらに他の一実施形態にかかるセルスタックの一部を破断して示す斜視図である。
【図８】本発明のさらに他の一実施形態にかかるセルスタックの一部を破断して示す斜視図である。
【図９】本発明のさらに他の一実施形態にかかるセルスタックの一部を破断して示す斜視図である。
【図１０】本発明のさらに他の一実施形態にかかるセルスタックの一部を破断して示す斜視図である。
【図１１】本発明のさらに他の一実施形態にかかるセルスタックの一部を破断して示す斜視図である。
【図１２】本発明のさらに他の一実施形態にかかるセルスタックの一部を破断して示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明のセルスタックおよびそれを用いた燃料電池の一実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１４】
（セルスタック）
図１は、本発明の一実施形態にかかるセルスタックの一部を破断して示す斜視図である。図２（ａ）は、本発明の一実施形態にかかるセルスタックの表面を示す図であり、図２（ｂ）は、本実施形態にかかるセルスタックの裏面を示す図である。図３は図２（ａ）および図２（ｂ）中のＡ−Ａ線断面図である。
【００１５】
図１に示すように、セルスタック１ａは、中空平板状の電気絶縁性の多孔質支持体１１の表裏面に、複数の燃料電池セル１３を多孔質支持体１１の長手方向（以下、単に長手方向という場合がある。）に沿って所定間隔において配置し、それらをセル間接続部材１７を介して直列に接続した「横縞型」といわれるものである（図２（ａ）および（ｂ）参照）。
【００１６】
燃料電池セル１３は、図１に示すように、多孔質支持体１１の表裏面に、内側電極としての燃料極層（集電燃料極層１３ｄおよび活性燃料極層１３ａ）およびインターコネクタ１７ａが、多孔質支持体１１の幅方向に沿って２つに分割されて配置されており、分割された燃料極層の表面および該燃料極層の間における多孔質支持体１１上に沿って固体電解質層１３ｂが配置されている（図３参照）。また固体電解質層１３ｂ上には、外側電極として空気極層１３ｃが配置されている。それにより、多孔質支持体１１の幅方向に隣り合う燃料極層の間の空間に第２の反応ガス流路として空気流路２０である溝が形成される。また、それぞれの燃料電池セル１３は、集電燃料極層１３ｄ、活性燃料極層１３ａ、固体電解質層１３ｂおよび空気極層１３ｃを順次積層した層構造となっており、集電燃料極層１３ｄ上にインターコネクタ１７ａが配置されている。なお、以下の説明において、内側電極層として燃料極層を、外側電極層として空気極層１３ｃを用いるタイプのセルスタックを用いて説明する。
【００１７】
空気流路２０を設けることで、隣接するセルスタック１ａ同士を、スタック間接続部材を介して直列に複数接続し、これを収納した収納容器内を高温にし、水素を含む燃料ガスを、セルスタック１ａのガス流路内に流し、さらに酸素を含む酸素含有ガスをセルスタック外面に曝し発電させる際に、隣接するセルスタック１ａ間で、セルスタック１ａの短手方向中央部に、酸素が使用され、酸素量の低減した酸素含有ガスである消費ガスの滞留が発生するのを抑制でき、酸素を多く含有する酸素含有ガスを継続してセルスタック１ａの全面に曝すことができるため、本来の発電性能を発揮できる。
【００１８】
空気流路２０を形成する際に、多孔質支持体１１の幅方向に分割された燃料極層およびインターコネクタ１７ａは、多孔質支持体１１の幅方向の中央部で２つに分割され配置されることが好ましい。
特にセルスタック１ａにおいて、セルスタック１ａの幅方向の中央部の温度が上昇し、消費ガスがセルスタック１ａの幅方向の中央部で滞留する場合がある。ここで、セルスタック１ａの幅方向の中央部に空気流路２０を設けることで、消費ガスが滞留することを抑制でき、空気極層１３ｃに充分な酸素を含有する酸素含有ガスを継続して供給することができる。
【００１９】
また、空気ガス流路２０は、幅方向における間隔が、多孔質支持体１１の幅の１／３以下の長さであるのが好ましい。
空気ガス流路２０の多孔質支持体１１の幅方向における間隔が、多孔質支持体１１の幅の１／３より長いと、燃料セル１３の設置できる面積が狭く、充分な発電量を得ることができるセルスタック１ａとすることが難しくなる。
【００２０】
さらに、セルスタック１ａは、図４（ａ）および（ｂ）に示すような、空気流路２０を形成した形状とすることもできる。図４（ａ）は、セルスタック１ａの表面を示す図であり、図４（ｂ）は、セルスタック１ａからセル接続材１７ｂおよび空気極層１３ｃを取り除いた図４（ａ）中のＢ−Ｂ線断面図である
空気流路２０は、図４（ａ）に示すように、一端側から他端側にかけて空気流路２０の幅方向の長さが広くなるように形成することで、一端側から他端側にかけて消費ガスを効率よく他端側へ流すことができる。さらに、図４（ｂ）に示すように、一端側から他端側にかけて空気流路２０における固体電解質層１３ｂの厚みが薄くなるように形成することで、上記同様の効果が得られる。
【００２１】
多孔質支持体１１の表裏面における互いに隣接する燃料電池セル１３同士は、セル間接続部材１７により直列に接続されている(図３参照)。すなわち、一方の燃料電池セル１３の集電燃料極層１３ｄの上にインターコネクタ１７ａが形成され、このインターコネクタ１７ａは、長手方向両端部を含めその周囲が固体電解質層１３ｂによりガスシール状態で被覆され、固体電解質層１３ｂから帯状に露出している。このインターコネクタ１７ａの露出した部分がセル接続材１７ｂにより被覆され、このセル接続材１７ｂが、他方の燃料電池セル１３の空気極層１３ｃ上に形成され、これにより、燃料電池セル１３同士が直列に電気的に接続された構造となっている。なお、図には示していないが、インターコネクタ１７ａの露出した部分を、空気極層１３ｃにて被覆した形状としてもよい。なお図１に示したとおり、多孔質支持体１１の幅方向において、セル接続材１７ｂは、空気極層１３ｃを覆うように設けられている。また、多孔質支持体１１の一端側における表面および裏面に配置された燃料電池セル１３同士は、Ａｇ−Ｐｄ等の貴金属等からなる折り返し部材１４（図２参照）により電気的に接続されている。
【００２２】
多孔質支持体１１は多孔質であり、さらにその内部には、第１の反応ガス流路として内径の小さな複数のガス流路１２が隔てられて長手方向に延びるようにして貫通して設けられている。ガス流路１２の数は、発電性能および構造強度の点から、例えば３〜２０個が好ましく、６〜１７個であるのがより好ましい。このように、多孔質支持体１１の内部にガス流路１２を複数形成することにより、多孔質支持体１１の内部に大きなガス流路を１本形成する場合に比べて、多孔質支持体１１を扁平板状とすることができ、セルスタック１ａ（多孔質支持体１１）の体積当たりの燃料電池セル１３の面積を増加し発電量を大きくすることができる。よって、必要とする発電量を得るためのセルスタック１ａの本数を減らすことができる。
【００２３】
このガス流路１２内に水素を含む燃料ガスを流し、かつ空気極層１３ｃを空気等の酸素を含む酸素含有ガスに曝すことにより、活性燃料極層１３ａおよび空気極層１３ｃ間で下記式（ｉ）および（ｉｉ）に示す電極反応が生じ、両極間に電位差が発生し、発電するようになっている。
【００２４】
【化１】
【００２５】
以下、セルスタック１ａを構成する各部材の材質を詳しく説明する。
（多孔質支持体１１）
本発明に係る多孔質支持体１１は、Ｍｇ酸化物（ＭｇＯ）と、Ｎｉ若しくはＮｉ酸化物（ＮｉＯ）と、希土類元素酸化物とから形成されている。なお、希土類元素酸化物を構成する希土類元素としては、Ｙ、Ｌａ、Ｙｂ、Ｔｍ、Ｅｒ、Ｈｏ、Ｄｙ、Ｇｄ、Ｓｍ、Ｐｒなどを例示することができ、希土類元素酸化物としては、例えばＹ2Ｏ3やＹｂ2Ｏ3等が挙げられ、特にＹ2Ｏ3が好ましい。
【００２６】
ＭｇＯは７０〜８０体積％、希土類元素酸化物は１０〜２０体積％、ＮｉあるいはＮｉＯ（ＮｉＯは、発電時には、通常、水素ガスにより還元されてＮｉとして存在する。）は、ＮｉＯ換算で１０〜２５体積％、特に１５〜２０体積％の範囲で多孔質支持体１１中に含有し、総量として１００体積％となるように含有されているのがよい。
【００２７】
多孔質支持体１１は、燃料電池セル１３間の電気的ショートを防ぐために電気絶縁性であることが必要であり、通常、１０ル・ｃｍ以上の抵抗率を有することが望ましい。Ｎｉ等の含量が前記範囲を超えると、電気抵抗値が低下し易い。
【００２８】
なお、多孔質支持体１１は、ガス流路１２内の燃料ガスを活性燃料極層１３ａの表面まで導入可能でなければならず、このため、多孔質であることが必要である。一般に、その開気孔率は２５％以上、特に３０〜４０％の範囲にあるのがよい。
【００２９】
（燃料極層）
燃料極層は、前記式（ｉｉ）の電極反応を生じさせるものであり、本実施形態においては、固体電解質層１３ｂ側の活性燃料極層１３ａと、多孔質支持体１１側の集電燃料極層１３ｄとの二層構造に形成されている。なお、燃料極層は、必ずしも活性燃料極層１３ａと集電燃料極層１３ｄとの２層より形成する必要はなく、１層のみから形成することもできる。
【００３０】
＜活性燃料極層１３ａ＞
固体電解質層１３ｂ側の活性燃料極層１３ａは、それ自体公知の多孔質の導電性セラミックスから形成される。例えば、希土類元素が固溶しているＺｒＯ2（安定化ジルコニア）と、Ｎｉおよび／又はＮｉＯ（以下、Ｎｉ等という場合がある。）とからなる。この希土類元素が固溶した安定化ジルコニアとしては、後述する固体電解質層１３ｂに使用されているものと同様のものを用いるのがよい。
【００３１】
活性燃料極層１３ａ中の安定化ジルコニア含量は、３５〜６５体積％の範囲にあることが好ましく、またＮｉ等の含量は、良好な発電性能を発揮させるため、ＮｉＯ換算で６５〜３５体積％の範囲にあるのがよい。
さらに活性燃料極層１３ａの開気孔率は、１５％以上、特に２０〜４０％の範囲にあるのがよい。
【００３２】
また、固体電解質層１３ｂとの熱膨張差に起因して発生する熱応力を吸収し、活性燃料極層１３ａの割れや剥離などを防止するという点から、活性燃料極層１３ａの厚みは、５〜３０μｍの範囲にあることが望ましい。
【００３３】
＜集電燃料極層１３ｄ＞
燃料極層のうち、多孔質支持体１１側の集電燃料極層１３ｄは、多孔質支持体１１と同様、Ｎｉ若しくはＮｉ酸化物と、希土類元素酸化物との混合体より形成することが好ましい。
【００３４】
Ｎｉ或いはＮｉ酸化物（ＮｉＯは、発電時には、通常、水素ガスにより還元されてＮｉとして存在する。）は、ＮｉＯ換算で３０〜６０体積％の範囲で希土類元素酸化物中に含有されているのがよい。集電燃料極層１３ｄは、電流の流れを損なわないように、導電性であることが必要であり、通常、４００Ｓ／ｃｍ以上の導電率を有していることが望ましい。良好な電気伝導度を有するという点から、Ｎｉ等の含量は３０体積％以上が望ましい。
【００３５】
また、この集電燃料極層１３ｄの厚みは、電気伝導度を向上するという点から、８０〜２００μｍであることが望ましい。
【００３６】
以上のように、燃料極層を固体電解質層１３ｂ側の活性燃料極層１３ａと、多孔質支持体１１側の集電燃料極層１３ｄとの二層とした構造であれば、多孔質支持体１１側の集電燃料極層１３ｄのＮｉＯ換算でのＮｉ量或いはＮｉＯ量を３０〜６０体積％の範囲内で調整することにより、セルスタック１ａの作製時、加熱時、冷却時において両者の熱膨張差に起因して発生する熱応力を小さくすることができるため、燃料極層の割れや剥離などを抑制することができる。このため、燃料ガス（水素ガス）を流して発電を行う場合においても、多孔質支持体１１との熱膨張係数の整合性は安定に維持され、熱膨張差による割れを有効に回避することができる。
【００３７】
（固体電解質層１３ｂ）
固体電解質層１３ｂは、希土類またはその酸化物を固溶させたＺｒＯ2からなる安定化ＺｒＯ2からなる緻密質なセラミックスで構成されている。
ここで、固溶させる希土類元素またはその酸化物としては、例えばＳｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕなど、または、これらの酸化物などが挙げられ、好ましくは、Ｙ、Ｙｂ、または、これらの酸化物が挙げられる。また、固体電解質層１３ｂは、８モル％のＹが固溶している安定化ＺｒＯ2（８ｍｏｌ％ Yttoria Stabilized Zirconia、以下、「８ＹＳＺ」という。）と熱膨張係数がほぼ等しいランタンガレート系（ＬａＧａＯ3系）固体電解質層を挙げることもできる。また、固体電解質層１３ｂは、例えば、厚さが１０〜１００μｍであり、例えば、相対密度（アルキメデス法による）が９３％以上、好ましくは、９５％以上の範囲に設定される。このような固体電解質層１３ｂは、電極間の電子の橋渡しをする電解質としての機能を有すると同時に、燃料ガスまたは酸素含有ガスのリーク（ガス透過）を防止するためにガス遮断性を有している。
【００３８】
（空気極層１３ｃ）
空気極層１３ｃは、導電性セラミックスから形成されている。導電性セラミックスとしては、例えば、ＡＢＯ3型のペロブスカイト型酸化物が挙げられ、このようなペロブスカイト型酸化物としては、例えば、遷移金属型ペロブスカイト型酸化物、好ましくは、ＬａＭｎＯ3系酸化物、ＬａＦｅＯ3系酸化物、ＬａＣｏＯ3系酸化物など、特にＡサイトにＬａを有する遷移金属型ペロブスカイト型酸化物を挙げることができる。さらに好ましくは、６００〜１０００℃程度での電気伝導性が高いという観点から、ＬａＣｏＯ3系酸化物が挙げられる。
前記したペロブスカイト型酸化物において、ＡサイトにＬａおよびＳｒが共存してもよく、また、ＢサイトにＦｅ、ＣｏおよびＭｎが共存してもよい。
このような空気極層１３ｃは、前記した式（ｉ）の電極反応を生ずることができる。
空気極層１３ｃの開気孔率は、例えば、２０％以上、好ましくは、３０〜５０％の範囲に設定される。開気孔率が前記した範囲内にあれば、空気極層１３ｃが良好なガス透過性を有することができる。
空気極層１３ｃの厚さは、例えば、３０〜１００μｍの範囲に設定される。前記した範囲内にあれば、空気極層１３ｃが良好な発電性能を有することができる。
なお、図１に示すセルスタック１ａにおいては、空気極層１３ｃが、分割された燃料電極層と対応する部位に配置されている。
このような空気極層１３ｃを形成することで、例えば、酸素含有ガス流量が少ない場合に、大部分の酸素は、該空気極層１３ｃで消費されるために、セルスタック１ｂのようなタイプのセルスタックよりも広く空気流路２０の体積を確保でき、消費ガスを効率よく一端から他端側へ流すことができる。
【００３９】
（セル間接続部材１７）
隣接する燃料電池セル部１３同士を直列に接続するために使用されるセル間接続部材１７は、一方の燃料電池セル１３の集電燃料極層１３ｄと隣接する他方の燃料電池セル１３の空気極層１３ｃとを電気的に接続するものであり、インターコネクタ１７ａとセル接続材１７ｂとから構成され、これらは電気的に接続されている。
【００４０】
（インターコネクタ１７ａ）
インターコネクタ１７ａは導電性セラミックスから形成されるが、燃料ガス（水素ガス）及び空気等の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、かかる導電性セラミックスとしては、一般に、ランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物（ＬａＣｒＯ3系酸化物）が使用される。また、多孔質支持体１１内のガス流路１２を通る燃料ガスと空気極層１３ｃの表面側を通る空気等の酸素含有ガスとのリークを防止するため、かかる導電性セラミックスは緻密質でなければならず、例えば９３％以上、特に９５％以上の相対密度（アルキメデス法）を有していることが好適である。なお、インターコネクタ１７ａの端面と、固体電解質層１３ｂの端面との間には、適当な接合層（例えばＹ2Ｏ3）を介在させることにより、シール性を向上させることもできる。
また、インターコネクタ１７ａとしては、金属層と、ガラスの入った金属ガラス層との二層構造としてもよい。金属層は、例えば、ＡｇとＮｉの合金からなり、金属ガラス層は、Ａｇとガラスからなる。金属ガラス層により、多孔質支持体１１内のガス流路１２を通る燃料ガスのセルスタックの表面側へ供給される反応ガス（酸素含有ガス）へのリーク、および空気極層１３ｃの表面側を通る酸素含有ガスのセルスタックの内側へ供給される反応ガス（燃料ガス）へのリークを有効に防止することができる。
【００４１】
（セル接続材１７ｂ）
一方、セル接続材１７ｂは多孔質とされている。セル接続材１７ｂとしては、ＬａＣｏＯ3系等の導電性セラミック（例えば空気極層材料）、Ａｇ−Ｐｄ等の貴金属から構成された多孔質とすることができる。セル接続材１７ｂの材料の空気極層１３ｃへの塗布量が少ない場合にはセル接続材１７ｂの材料が空気極層１３ｃの気孔中に浸入し、層としては形成されない。特に、Ａｇ−Ｐｄ等の貴金属はコスト低減の観点から塗布量が少ないため、空気極層１３ｃは、空気極層材料とＡｇ−Ｐｄ等の集電材料が混在して構成され、セル接続材１７ｂは形成されない。一方、ＬａＣｏＯ3系等の導電性セラミックは、塗布量が多く、この場合には空気極層１３ｃ上にセル接続材１７ｂが形成される。なお、空気極層１３ｃがセル接続材１７ｂを兼ねるものとしてもよい。この場合、一方の燃料電池セル１３の集電燃料極層１３ｄ上に設けられたインターコネクタ１７ａに隣接する他方の燃料電池セル１３の空気極層１３ｃが接続されることで、隣り合う燃料電池セル１３を電気的に直列に接続することができる。
さらに、空気極層１３ｃとインターコネクタ１７ａとが電気的に接続されている場合であっても、空気極層１３ｃ上にセル接続材１７ｂを設けることもできる。この場合、一方の燃料電池セル１３内を流れる電流を、効率よく他方の燃料電池セル１３に供給することができる。
【００４２】
図５は、本発明の他の一実施形態にかかるセルスタック１ｂの一部を破断して示す斜視図である。
セルスタック１ｂは、図５に示すように空気極層１３ｃが、幅方向に沿って一端側より他端側にかけて固体電解質層１３ｂ上に沿って配置されている。
このように空気極層１３ｃを形成することで、セルスタック１ｂの製造工程が容易となるほか、例えば、酸素含有ガス流量が多い場合に、該空気極層１３ｃで消費されずに、空気流路２０によって一端から他端に向かう消費ガス中の酸素を該空気極層１３ｃに曝すことができるので、効率よく発電することができる。
【００４３】
図６は、本発明の他の一実施形態にかかるセルスタック１ｃの一部を破断して示す斜視図である。
セルスタック１ｃは、図６に示すように、空気極層１３ｃは、直方体形状であり、その両端は、幅方向に分割された隣り合う燃料極層と対応する部位に配置され、多孔質支持体１１の幅方向の中央部において、空気極層１３ｃと固体電解質層１３ｂとの間に、空気流路２０となる空間が形成される。
このように空気極層１３ｃを形成することで、例えば、空気極層１３ｃにて使用された後の酸素含有ガスである消費ガスが空気流路２０を一端から他端に向けて流れることから、空気極層１３ｃに酸素を多く含有する酸素含有ガスを継続して供給することができ、発電効率を向上することができる。
【００４４】
図７は、本発明の他の一実施形態にかかるセルスタック２ａの一部を破断して示す斜視図である。
セルスタック２ａは、図７に示すように、多孔質支持体１１の両方の主面に、長手方向に沿って支持体溝２１が形成されており、その他はセルスタック１ｃと同様に構成されたものである。
このように支持体溝２１を形成することで、空気ガス流路２０を、上記例示のセルスタック１ｃよりも広い体積で確保することでき、消費ガスをセルスタック１ｃより効率よく流すことができる。
【００４５】
図８は、本発明の他の一実施形態にかかるセルスタック２ｂの一部を破断して示す斜視図である。
セルスタック２ｂは、図８に示すように、多孔質支持体１１の両方の主面に、長手方向に沿って支持体溝２１が形成されており、その他はセルスタック１ｂと同様に構成されたものである。
このように支持体溝２１を形成することで、空気ガス流路２０を、上記例示のセルスタック１ｂよりも広い体積で確保することでき、消費ガスをセルスタック１ｂより効率よく流すことができる。
【００４６】
図９は、本発明の他の一実施形態にかかるセルスタック３の一部を破断して示す斜視図である。
セルスタック３は、図９に示すように、多孔質支持体１１の両方の主面に、長手方向に沿って空気流路２０を幅方向に２本が形成されており、その他はセルスタック１ａと同様に構成されたものである。
このように空気流路２０を２本形成することで、より多くの消費ガスを流すことができることから、空気極層１３ｃに酸素を多く含有する酸素含有ガスを継続して供給することができ、発電効率を向上することができる。
【００４７】
上記実施形態では、セル接続材１７ｂを、幅方向に分割された隣り合う燃料極層に対応する部位（空気極層１３ｃおよび固体電解質層１３ｂ上）同士を覆うように配置させたセルスタックについて例示したが、図１０、図１１および図１２に示すセルスタック４ａ、セルスタック４ｂおよびセルスタック４ｃのように、セル接続材１７ｂを、幅方向に分割された隣り合う燃料極層に対応する部位（空気極層１３ｃおよび固体電解質層１３ｂ上）ごとに配置させたセルスタックとしてもよい。なお、図１２に示したセルスタック４ｃにおいては、燃料電池セル１３が空気流路２０を介して隣り合って２つ配置され、それぞれの燃料電池セル１３は、多孔質支持体１１の長手方向に沿って電気的に接続される。すなわち、図１２に示したセルスタック４ｃにおいては、多孔質支持体１１上に、独立した電流経路を２つ有する構成となっている。
【００４８】
上記実施形態では、セルスタックの表裏面に空気流路２０が設けられたものを説明したが、これに限定されず、例えば特開平１０−３９３２号公報に記載の公知の燃料電池セルを一方の主面にもち、空気流路２０が設けられたセルを他方の主面に持ち合わせたセルスタックを用いても良い。
また、本実施例では、セルスタックの表裏面で、同じ構成の燃料電池セルを配置したセルスタックについて説明したが、これに限定されず、例えば、セルスタックの一方の主面に上記と異なる構成の燃料電池セルを配置したセルスタックでもよいし、多孔質支持体の幅方向に複数本の空気流路２０を備えていてもよい。
さらに、支持体溝２１が多孔質支持体の長手方向に沿って１つ設けられたセルスタックを例示したが、空気流路２０内の幅方向に複数備えていてもよい（図１２参照）。
【００４９】
本発明のセルスタックは、第１の反応ガスを空気ガス、第２の反応ガスを燃料ガス、内側電極を空気極層および外側電極を燃料極層としたタイプのセルスタックとしてもよい（図示せず）。
【００５０】
（燃料電池）
本発明の燃料電池は、上述したようなセルスタックを収納容器内に複数収納することにより構成される。それにより、発電効率の向上した燃料電池とすることができる。
【００５１】
なお、本発明は以上の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の範囲内において、種々の改善や変更が可能である。
【符号の説明】
【００５２】
１ａ、１ｂ、１ｃ 横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタック
２ａ、２ｂ 横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタック
３ 横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタック
４ａ、４ｂ、４ｃ 横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタック
１１ 多孔質支持体
１２ ガス流路
１３ 燃料電池セル
１３ａ 活性燃料極層
１３ｂ 固体電解質層
１３ｃ 空気極層
１３ｄ 集電燃料極層
１４ 折り返し部材
１７ａ インターコネクタ
１７ｂ セル接続材
２０ 空気流路
２１ 支持体溝
【特許請求の範囲】
【請求項１】
長手方向に沿って第１の反応ガスを流すための第１の反応ガス流路を内部に備え、長手方向の一端側に前記第１の反応ガス流路の導入口を有し、他端側に前記第１の反応ガス流路のガス排出口を有してなる中空平板状でかつ電気絶縁性の多孔質支持体の主面上に、内側電極層、固体電解質層および外側電極層がこの順に積層された多層構造を有する燃料電池セルを、前記多孔質支持体の長手方向に沿って複数配置し、隣接する一方の前記内側電極層と、隣接する他方の前記外側電極層とがインターコネクタを介して電気的に接続されてなる横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックであって、
前記多孔質支持体の主面のうち少なくとも一方の主面に配置された前記燃料電池セルのうち、前記内側電極層および前記インターコネクタが、前記多孔質支持体の幅方向に沿って少なくとも２つに分割されて配置されており、分割された前記内側電極層の表面および該内側電極層の間における前記多孔質支持体上に沿って前記固体電解質層が積層されて、前記多孔質支持体の幅方向に沿って隣り合う前記内側電極層の間の空間に溝が形成されているとともに、該溝が前記燃料電池セルに供給される第２の反応ガスが流れる第２の反応ガス流路として構成されていることを特徴とする横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタック。
【請求項２】
前記内側電極層および前記インターコネクタが、前記多孔質支持体の幅方向中央部で２つに分割されている請求項１に記載の横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタック。
【請求項３】
前記外側電極層が、前記多孔質支持体の幅方向に沿って一端側より他端側にかけて前記固体電解質層上に沿って配置されている請求項１または２に記載の横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタック。
【請求項４】
前記外側電極層が、分割された前記内側電極層と対応する部位に分割されて配置されている請求項１または２に記載の横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタック。
【請求項５】
前記第２の反応ガス流路の前記多孔質支持体の幅方向における間隔が、前記多孔質支持体の幅方向の長さの１／３以下である、請求項１〜４のいずれかに記載の横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタック。
【請求項６】
前記多孔質支持体は、少なくとも一方の主面に、長手方向に沿って少なくとも１つの支持体溝が形成されており、この溝を介して前記内側電極層および前記インターコネクタが少なくとも２つに分割されている請求項１〜５のいずれかに記載の横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタック。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックを収納容器内に複数収容してなることを特徴とする燃料電池。
【請求項１】
長手方向に沿って第１の反応ガスを流すための第１の反応ガス流路を内部に備え、長手方向の一端側に前記第１の反応ガス流路の導入口を有し、他端側に前記第１の反応ガス流路のガス排出口を有してなる中空平板状でかつ電気絶縁性の多孔質支持体の主面上に、内側電極層、固体電解質層および外側電極層がこの順に積層された多層構造を有する燃料電池セルを、前記多孔質支持体の長手方向に沿って複数配置し、隣接する一方の前記内側電極層と、隣接する他方の前記外側電極層とがインターコネクタを介して電気的に接続されてなる横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックであって、
前記多孔質支持体の主面のうち少なくとも一方の主面に配置された前記燃料電池セルのうち、前記内側電極層および前記インターコネクタが、前記多孔質支持体の幅方向に沿って少なくとも２つに分割されて配置されており、分割された前記内側電極層の表面および該内側電極層の間における前記多孔質支持体上に沿って前記固体電解質層が積層されて、前記多孔質支持体の幅方向に沿って隣り合う前記内側電極層の間の空間に溝が形成されているとともに、該溝が前記燃料電池セルに供給される第２の反応ガスが流れる第２の反応ガス流路として構成されていることを特徴とする横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタック。
【請求項２】
前記内側電極層および前記インターコネクタが、前記多孔質支持体の幅方向中央部で２つに分割されている請求項１に記載の横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタック。
【請求項３】
前記外側電極層が、前記多孔質支持体の幅方向に沿って一端側より他端側にかけて前記固体電解質層上に沿って配置されている請求項１または２に記載の横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタック。
【請求項４】
前記外側電極層が、分割された前記内側電極層と対応する部位に分割されて配置されている請求項１または２に記載の横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタック。
【請求項５】
前記第２の反応ガス流路の前記多孔質支持体の幅方向における間隔が、前記多孔質支持体の幅方向の長さの１／３以下である、請求項１〜４のいずれかに記載の横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタック。
【請求項６】
前記多孔質支持体は、少なくとも一方の主面に、長手方向に沿って少なくとも１つの支持体溝が形成されており、この溝を介して前記内側電極層および前記インターコネクタが少なくとも２つに分割されている請求項１〜５のいずれかに記載の横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタック。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックを収納容器内に複数収容してなることを特徴とする燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１１−２３３３３４（Ｐ２０１１−２３３３３４Ａ）
【公開日】平成２３年１１月１７日（２０１１．１１．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１０２０１１（Ｐ２０１０−１０２０１１）
【出願日】平成２２年４月２７日（２０１０．４．２７）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【出願人】（０００２２０２６２）東京瓦斯株式会社 (1,166)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１１月１７日（２０１１．１１．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月２７日（２０１０．４．２７）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【出願人】（０００２２０２６２）東京瓦斯株式会社 (1,166)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]