JP2014038758A - 燃料電池及び燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】従来の燃料電池用電極は、燃料電池の各部材の寸法誤差や積層荷重に対処するものではなく、電極に亀裂を生じさせて熱応力を緩和するので、電極の耐久性の面で好ましくないという問題点があった。
【解決手段】
電解質層１を一対の電極層２，３で挟持して成る単セルＣと、少なくとも片面にガス流路形成用の突部４を有するインターコネクタ５を備えると共に、電極層２と突部４とを接触させて単セルＣとインターコネクタ５とを積層した構造を有する燃料電池Ｆであって、単セルＣの電極層２が、インターコネクタ５との対向面に、少なくとも突部４との接触部分の圧縮強度が当該電極層２の圧縮強度よりも低い表層電極体６を備えている構成とし、表層電極体６の圧壊により、単セルＣとインターコネクタ５との間の寸法誤差を吸収すると共に、単セルＣにかかる応力を緩和し、単セルの電極層に亀裂を生じさせない。
【選択図】図１

Description

本発明は、電解質層を一対の電極層で挟持して成る単セルとインターコネクタとを積層した構造を有する燃料電池に関するものである。

従来、上記したような燃料電池としては、例えば特許文献１に記載されている固体電解質型燃料電池用電極を含むものがある。特許文献１に記載の燃料電池用電極は、固体電解質上に形成した電極であって、凹部、切欠き、微小クラック及び空洞のいずれかから成る応力集中部を有している。

上記の燃料電池用電極は、固体電解質材料と電極材料との熱膨張率差及び／又はインターコネクター材料と電極材料との熱膨張率差により生じた熱応力を各応力集中部に集中させ、各応力集中部から固体電解質の方向に亀裂を生じさせて、異種材料間にかかる熱応力を緩和するものである。

特開平５−８２１３５号公報

しかしながら、上記したような燃料電池用電極の構成は、燃料電池を組立てた際の各部材の寸法誤差や積層荷重に対処するものではないうえに、電極に亀裂を生じさせて熱応力を緩和するので、少なくとも電極の耐久性の面で好ましくないという問題点があり、このような問題点を解決することが課題であった。

本発明は、上記従来の課題に着目して成されたもので、単セルとインターコネクタとを積層した構造を有する燃料電池において、単セル本体を破壊することなく、単セルとインターコネクタとの間の寸法誤差の吸収や、単セルにかかる応力の緩和を実現することができる燃料電池を提供することを目的としている。

本発明の燃料電池は、電解質層を一対の電極層で挟持して成る単セルと、少なくとも片面にガス流路形成用の突部を有するインターコネクタを備えると共に、電極層と突部とを接触させて単セルとインターコネクタとを積層した構造を有している。そして、燃料電池は、単セルの電極層が、インターコネクタとの対向面に、少なくとも突部との接触部分の圧縮強度が当該電極層の圧縮強度よりも低い表層電極体を備えている構成としており、上記構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。

上記の燃料電池は、電極層に表層電極体を有する単セルと、突部を有するインターコネクタとを積層すると、表層電極体と突部との接触部分において、表層電極体が突部により圧壊される。この表層電極体の圧壊により、単セルとインターコネクタとの間の寸法誤差を吸収すると共に、単セルにかかる応力を緩和し、単セルの電極層に亀裂を生じさせることもない。

本発明の燃料電池によれば、単セルとインターコネクタとを積層した構造を有する燃料電池において、単セル本体を破壊することなく、単セルとインターコネクタとの間の寸法誤差の吸収や、単セルにかかる応力の緩和を実現することができる。これにより、単セルの耐久性を高めることができる。

本発明の燃料電池の一実施形態を説明する分解斜視図（Ａ）、断面図（Ｂ）、接合前の拡大断面図（Ｃ）、および接合後の拡大断面図（Ｄ）である。 本発明の燃料電池の他の実施形態を説明する要部の接合前の断面図（Ａ）及び接合後の断面図（Ｂ）である。 本発明の燃料電池のさらに他の実施形態を説明する要部の接合前の断面図（Ａ）及び接合後の断面図（Ｂ）である。 本発明の燃料電池のさらに他の実施形態を説明する要部の接合前の断面図（Ａ）及び接合後の断面図（Ｂ）である。 本発明の燃料電池のさらに他の実施形態を説明する要部の接合前の断面図（Ａ）及び接合後の断面図（Ｂ）である。 本発明の燃料電池のさらに他の実施形態を説明する要部の接合前の断面図（Ａ）及び接合後の断面図（Ｂ）である。 本発明の燃料電池のさらに他の実施形態を説明する分解斜視図である。 本発明の燃料電池のさらに他の実施形態を説明する分解斜視図である。 本発明の燃料電池のさらに他の実施形態を説明する分解斜視図（Ａ）及び断面図（Ｂ）である。 本発明の燃料電池のさらに他の実施形態を説明する単セルの各々平面図（Ａ）〜（Ｃ）である。 本発明の燃料電池のさらに他の実施形態を説明するインターコネクタの平面図（Ａ）、単セルの平面図（Ｂ）、燃料電池の断面図（Ｃ）及び要部の拡大断面図（Ｄ）である。 本発明の実施例で作製した燃料電池を説明するカソード側インターコネクタの平面図（Ａ）、単セルのカソード側の平面図（Ｂ）、アノード側のインターコネクタの平面図（Ｃ）、及び分解状態の断面図（Ｄ）である。

図１（Ａ）に示す燃料電池Ｆは、矩形状であって、電解質層１を一対の電極層２，３で挟持して成る単セルＣと、少なくとも片面にガス流路形成用の突部４を有するインターコネクタ５を備え、電極層２と突部４とを接触させて単セルＣとインターコネクタ５とを積層した構造を有する。そして、燃料電池Ｆは、単セルＣの電極層２が、インターコネクタ５との対向面に、少なくとも突部４との接触部分の圧縮強度が当該電極層２の圧縮強度よりも低い表層電極体６を備えている。

上記の燃料電池Ｆにおいて、一対の電極層２，３は、カソード側電極層２とアノード側電極層３である。インターコネクタ５は、図１（Ｂ）にも示すように、カソード側電極層２との対向面に突部４を有しており、カソード側電極層２との間に、酸化剤ガスであるカソードガス（例えば空気）のガス流路Ｇ１を形成すると共に、導電部材として機能する。

この実施形態のように、インターコネクタ５の片面のみに突部４を有する場合、燃料電池Ｆは、図１（Ｂ）に示すように、アノード側電極層３に相対向するカバー７（仮想線で示す）を備えている。このカバー７は、導電性を有すると共に、図外の外周部で単セルＣに気密的に接合してあり、アノード側電極層３との間に、燃料ガスであるアノードガス（例えば水素ガスや水素含有ガス）のガス流路Ｇ２を密封状態に形成する。

したがって、燃料電池Ｆは、図１（Ｂ）に示すように複数積層して燃料電池スタックＳを構成した際、インターコネクタ５が、図中で上側に隣接する燃料電池Ｆのカバー７に接触することとなり、そのカバー７も導電部材として機能する。

また、この実施形態のインターコネクタ５は、突部４が直線的なリブ状を成していると共に、この突部４を所定間隔で平行配置している。この場合、燃料電池Ｆは、リブ状突部４の長手方向に沿ってカソードガスを流通させる。これに対して、単セルＣは、インターコネクタ５との対向面すなわちカソード側電極層２の表面に、表層電極体６を備えている。

前記表層電極体６は、突部４との接触部分に設けてあればよいので、カソード側電極層２の表面全体に設けることも可能であるが、この実施形態では、前記突部４の配置に合わせて設けてある。よって、前記表層電極体６は、直線的なリブ状を成すと共に、前記突部４と同じ間隔で平行配置してあり、前記突部４と等しい幅寸法を有している。

ここで、一例として、電解質層１は、８モル％イットリア安定化ジルコニアである。また、カソード側電極層２は、ランタンストロンチュウムマンガナイトであり、アノード側電極層３は、ニッケル＋イットリア安定化ジルコニアのサーメットである。インターコネクタ５及びカバー７は、金属製であって、一例としてステンレス製であり、プレス加工より形成することができる。

前記表層電極体６は、電極層２と同様に、導電性及びガス透過性を有している。この表層電極体６は、先述したように、少なくとも突部４との接触部分の圧縮強度がカソード側電極層２の圧縮強度よりも低く、カソード電極層２に比べて非常に脆弱である。このような表層電極体６は、例えば、カソード側電極層２と同一の粒状材料で形成してあると共に、同電極層２に比べて粒状材料の粒径が大きく且つ分布が疎であるものとすることができる。なお、ここで、圧縮強度は、ＪＩＳ Ｒ １６０８：２００３ ファインセラミックスの圧縮強さ試験方法によって測定される。

また、前記表層電極体６は、他の実施形態として、導電性酸化物から成るもの、金属から成るもの、若しくは導電性酸化物と金属との混合体から成るものにすることができる。このような表層電極体６は、エアロゾルデポジション、パウダージェットデポジション、ウォームスプレー、サーマルスプレー、コールドスプレー、スクリーン印刷、及びインクジェットなどの噴射加工技術により形成することができる。これにより、表層電極体６は、突部４の配置などに対応して、数や形状を自在に設定して形成することが可能である。

上記構成を備えた燃料電池Ｆは、図１（Ａ）に示すように、単セルＣとインターコネクタ５とを積層すると、図１（Ｃ）及び（Ｄ）に示すように、表層電極体６と突部４との接触部分において、脆弱である表層電極体６の上端部が突部４により圧壊される。つまり、表層電極体６は、圧潰により高さｈ分だけ低くなる。このとき、燃料電池Ｆでは、表層電極体６の圧壊に伴って、単セルＣとインターコネクタ５との間の寸法誤差を吸収すると共に、単セルＣにかかる応力を緩和する。したがって、単セルＣのカソード側電極層２に亀裂が生じるようなことは全くない。

なお、上記のような表層電極体６の圧壊は、燃料電池Ｆの組立て時だけでなく、燃料電池スタックＳの組立て時、すなわち、複数の燃料電池Ｆを積層してその積層方向に所定の荷重を付与した時にも生じることとなり、寸法誤差の吸収や応力緩和を実現する。

このようにして、燃料電池Ｆ及び燃料電池スタックＳは、単セルＣの本体を何ら破壊することなく、単セルＣとインターコネクタ５との間の寸法誤差の吸収や、単セルＣにかかる応力の緩和を実現することができ、ひいては単セルＣの耐久性を高めることができる。また、燃料電池Ｆは、表層電極体６の採用により、単セルＣに大きな応力をかけずに充分な集電面積を確保することができる。

さらに、燃料電池Ｆは、インターコネクタ５の突部４の配置に合わせて表層電極体６を設けたので、表層電極体６の材料を必要最低限の量にして、生産性の向上や製造コストの低減を図ることができる。

さらに、燃料電池Ｆは、表層電極体６が、リブ状を成してその両側に溝状のガス流路Ｇ１を形成しているので、隣り合うガス流路Ｇ１，Ｇ１間のガスのクロスリークを防止しつつ、表層電極体６の長手方向であるガスの流れを良好に確保し得る。

さらに、燃料電池Ｆは、表層電極体６を電極層２と同一の粒状材料で形成し、且つ電極層２に比べて粒径が大きく且つ密度が疎である粒状材料で形成することで、電極層２の形成工程に連続して表層電極体６を形成することが可能であり、また、電極層２及び表層電極体６に充分な導電性及びガス拡散性を得ることができる。

図２〜図６は、本発明の燃料電池の他の実施形態を説明する要部の断面図であり、各図の（Ａ）は接合前の状態を示し、各図の（Ｂ）は接合後の状態を示している。なお、先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２に示す燃料電池Ｆは、インターコネクタ５に、リブ状若しくはドット状の突部４が設けてあると共に、単セルＣに、突部４の配置に対応した表層電極体６が設けてあり、表層電極体６の幅寸法が、インターコネク５の突部４の幅寸法よりも大きいものとなっている。

上記の燃料電池Ｆは、単セルＣとインターコネクタ５とを積層すると、突部４が表層電極体６を圧壊して、突部４の先端が表層電極体６に没入した状態になる。この燃料電池Ｆにあっても、表層電極体６の圧壊に伴って、単セルＣとインターコネクタ５との間の寸法誤差を吸収すると共に、単セルＣにかかる応力を緩和し、単セルＣのカソード側電極層２に亀裂が生じるようなこともない。また、突部４の先端が、表層電極体６を圧壊しつつ没入状態となるので、互いの接触面積が大きくなり、導電性の向上をも実現する。

図３に示す燃料電池Ｆは、表層電極体６が、少なくとも突部４との接触範囲において、所定間隔で配置した複数の電極部材６Ａで構成してある。図示例では、突部４の幅寸法よりも大きい範囲に複数の電極部材６Ａが配置してある。

ここで、インターコネクタ５の突部４がリブ状である場合には、表層電極体６は、複数のリブ状の電極部材６Ａを所定間隔で配置した構成にすることができる。また、突部４がドット状である場合には、表層電極体６は、複数の電極部材６Ａを並列配置にした構成や、複数の電極部材６Ａを同心状に配置した構成にすることができる。

上記の燃料電池Ｆは、単セルＣとインターコネクタ５とを積層すると、突部４が表層電極体６を圧壊し、崩れた電極部材６Ａが、電極部材６Ａ同士の間隙を埋めた状態になる。この燃料電池Ｆにあっても、表層電極体６の圧壊に伴って、単セルＣとインターコネクタ５との間の寸法誤差を吸収すると共に、単セルＣにかかる応力を緩和し、単セルＣのカソード側電極層２に亀裂が生じるようなこともない。また、突部４に接触した電極部材６Ａだけが圧壊され、表層電極体６全体としては破壊が横方向につながり難いので、突部４及び表層電極体６がリブ状である場合には、両側のガス流路Ｇ１，Ｇ１間のガスのクロスリーク防止効果が向上する。

図４に示す燃料電池Ｆは、表層電極体６が、少なくとも突部４との接触範囲において、所定間隔で配置した複数の電極部材６Ａで構成してあると共に、突部４との接触部分の外側に、同接触部分よりも圧縮強度が高い破壊抑制部６Ｂを有している。図示例では、最も外側の電極部材（６Ａ）を破壊抑制部６Ｂとしている。この破壊抑制部６Ｂは、電極層２と電極部材６Ａとの中間の圧縮強度を有する材料や、電極層２と同等の材料で形成することができる。

また、上記の如く最外側の電極部材（６Ａ）が破壊抑制部６Ｂであるから、電極部材６Ａを並列配置する場合は、電極部材６Ａの数は少なくとも３つであり、電極部材６Ａを同心状に配置する場合は、電極部材６Ａの数は少なくとも２つである。

上記の燃料電池Ｆは、単セルＣとインターコネクタ５とを積層すると、突部４が表層電極体６の内側の電極部材６Ａを圧壊し、これに伴って単セルＣとインターコネクタ５との間の寸法誤差を吸収すると共に、単セルＣにかかる応力を緩和する。また、この燃料電池Ｆは、単セルＣのカソード側電極層２に亀裂が生じるようなことがないうえに、外側に破壊抑制部６Ｂがあるので、突部４及び表層電極体６がリブ状である場合には、両側のガス流路Ｇ１，Ｇ１間のガスのクロスリーク防止効果がより一層向上する。

図５に示す燃料電池Ｆは、表層電極体６が、少なくとも突部４との接触範囲において、所定間隔で配置した複数の電極部材６Ａで構成してあると共に、突部４との接触部分の電極層２側に、同接触部分よりも圧縮強度が高い破壊抑制部６Ｂを有している。つまり、電極部材６Ａは、基端部分に破壊抑制部６Ｂを有する二層構造になっている。

上記の燃料電池Ｆは、単セルＣとインターコネクタ５とを積層すると、突部４が表層電極体６の電極部材６Ａを圧壊し、これに伴って単セルＣとインターコネクタ５との間の寸法誤差を吸収すると共に、単セルＣにかかる応力を緩和する。このとき、燃料電池Ｆは、電極部材６Ａを圧壊する際に、その基端部分の破壊抑制部６Ｂによって圧壊を抑制し、電極層２に亀裂が生じるような事態を阻止する。

図６に示す燃料電池Ｆは、表層電極体６が、少なくとも突部４との接触範囲において、所定間隔で配置した複数の電極部材６Ａで構成してあると共に、互いに接触した突部４及び表層電極体６を導電性接点材料８で被覆した構成である。

上記の燃料電池Ｆは、単セルＣとインターコネクタ５とを積層すると、突部４が導電性接点材料８で被覆された表層電極体６の電極部材６Ａを圧壊し、これに伴って単セルＣとインターコネクタ５との間の寸法誤差を吸収すると共に、単セルＣにかかる応力を緩和する。そして、接合後には、突部４及び表層電極体６が導電性接点材料８で被覆されることで、互いの接合状態を維持すると共に、高い導電性を確保し、さらに、突部４及び表層電極体６がリブ状である場合には、両側のガス流路Ｇ１，Ｇ１間のガスのクロスリーク防止効果がより一層向上する。

図７に示す燃料電池Ｆは、インターコネクタ５の突部４が、複数箇所に配置してあると共に、表層電極体６が、複数の突部４に跨る状態に配置してある。図示例の突部４は、直線的なリブ状を成していると共に、所定間隔で平行配置してある。これに対して、表層電極体６は、同じくリブ状を成していると共に、所定間隔で平行配置してあるが、突部４の長手方向と直交する方向に沿って形成してある。これにより、各表層電極体６は、複数の突部４に跨る状態になっている。

上記の燃料電池Ｆは、単セルＣとインターコネクタ５とを積層すると、各突部４と各表層電極体６の交点において、突部４が表層電極体６を圧壊し、単セルＣとインターコネクタ５との間の寸法誤差を吸収すると共に、単セルＣにかかる応力を緩和する。また、この燃料電池Ｆは、表層電極体６が、複数の突部４に跨る状態で接することで、面内方向（面に沿う方向）の集電抵抗を低減することができ、良好な導電性を確保し得る。

図８に示す燃料電池Ｆは、インターコネクタ５の突部４が、複数箇所に配置してあると共に、表層電極体６が、複数の突部４に跨る部分６Ｑと、各突部４に対応する部分６Ｐを備えている。図示例の突部４は、直線的なリブ状を成していると共に、所定間隔で平行配置してある。これに対して、表層電極体６は、同じくリブ状を成していると共に、所定間隔で平行配置してあるが、突部４の長手方向（６Ｐ）とこれに直交する方向（６Ｑ）の２方向に配置して、全体として格子状を成している。

上記の燃料電池Ｆは、単セルＣとインターコネクタ５とを積層すると、各突部４と各表層電極体６の交点において、突部４が表層電極体６を圧壊し、単セルＣとインターコネクタ５との間の寸法誤差を吸収すると共に、単セルＣにかかる応力を緩和する。また、この燃料電池Ｆは、表層電極体６が、複数の突部４に跨る部分６Ｑと、各突部４に対応する部分６Ｐを有しているので、面内方向（面に沿う方向）の集電抵抗をより一層低減することができ、非常良好な導電性を確保し得る。さらに、この燃料電池Ｆは、表層電極体６の各突部４に対応する部分６Ｐにより、突部４の両側におけるガス流路Ｇ１，Ｇ１間のガスのクロスリーク防止効果が得られる。

なお、図７及び図８に示す各実施形態では、突部４及び表層電極体６がいずれもリブ状を成すものとしたが、例えば、ドット状の突部４とリブ状の表層電極体６とを組み合わせたり、単セルＣにおいてリブ状及びドット状の両方の表層電極体６を混合配置することも可能である。

図９に示す燃料電池Ｆは、インターコネクタ５が、両面に突部４を有している。図示例の突部４は、略半球形のドット状であって、縦横に所定間隔で配置してある。これに対して、単セルＣは、カソード側電極層２に、インターコネクタ５の突部４の配置に合わせて表層電極体６が設けてある。図示例の表層電極体６は、矩形のドット状であり、突部４の配置に対応して縦横に所定間隔で配置してある。

上記の如く両面に突部４を有するインターコネクタ５は、図９（Ｂ）に示すように、単セルＣのカソード側電極層２との間に、カソードガスのガス流路Ｇ１を形成すると共に、燃料電池Ｆを積層して燃料電池スタックＳを構成した際には、隣接する燃料電池Ｆのアノード側電極層３との間に、アノードガスのガス流路Ｇ２を形成する。この場合には、アノード側電極層３に、突部４に対応する表層電極体を形成することも可能である。

上記の燃料電池Ｆは、単セルＣとインターコネクタ５とを積層すると、突部４が表層電極体６を圧壊し、単セルＣとインターコネクタ５との間の寸法誤差を吸収すると共に、単セルＣにかかる応力を緩和する。また、突部４が略半球形を成しているので、先の図２に示す実施形態と同様に、突部４の先端が、表層電極体６を圧壊しつつ没入状態となり、互いの接触面積が大きくなって、導電性の向上をも実現することができる。

図１０は、本発明の燃料電池を構成する単セルの他の実施形態を示す図である。
図１０（Ａ）に示す単セルＣは、電極層２の中央に矩形状の表層電極体６を設けたものである。図１０（Ｂ）に示す単セルＣは、電極層２に、複数の矩形状の表層電極体６を縦横に所定間隔で配置したものである。鵜１０（Ｃ）に示す単セルＣは、電極層２の中央に矩形状の表層電極体６を設け、この表層電極体６を中心にして、リング状の二つの表層電極体６，６を同心状に配置したものである。このように、表層電極体６は、図外のインターコネクタの突部の数や形状などに応じて、様々な形態を採用することができる。

図１１に示す燃料電池Ｆは、円形状であって、図１１（Ａ）に示すインターコネクタ５は、中央に流路形成部材９を備えると共に、両面に、同心状に配置した多数の突部４を備えている。また、インターコネクタ５は、半径方向に沿うカソード流路５Ａを９０度間隔で４本備えている。カソードガスは、図１１（Ａ）中に矢印で示すように、任意のカソード流路５Ａから中心方向に供給された後、両側に分けられて、突部４に沿って１８０度の範囲に流通し、反対側のカソード流路５Ａから排出される。

アノードガスは、図１１（Ａ）に示すインターコネクタ５の下面側において、流路形成部材９の２つの供給口９Ａからアノード流路（図１１のカソード流路５Ａ参照）に供給され、両側に分けられて、突部４に沿って９０度の範囲に流通する。その後、アノードガスは、アノード流路を中心方向に流れて、流路形成部材９の２つの排出口９Ｂを経て外部に排出される。

上記のインターコネクタ５に対して、単セルＣは、図１１（Ｂ）に示すように、突部４の配置に対応して、リング状の多数の表層電極体６が同心状に配置してある。このとき、インターコネクタ５の突部４及び単セルＣの表層電極体６は、図１１（Ｂ）に表層電極体６を示すように、中心から外側に向かうにつれて、間隔が漸次減少するように配置してある。つまり、表層電極体６は、外周に向かって表面積が漸次大きくなるので、外周に向かって間隔が小さくなるように配置することで、単セルＣの面内の電子移動量を均一化することができる。

上記の燃料電池Ｆにあっても、図１１（Ｃ）及び（Ｄ）に示すように、単セルＣとインターコネクタ５とを積層すると、突部４が表層電極体６を圧壊する。なお、図１１（Ｃ）には、先の図３に示す実施形態と同様に、表層電極体６が、複数の電極部材６Ａで構成されている場合を示している。そして、燃料電池は、表層電極体６の圧壊に伴って、単セルＣとインターコネクタ５との間の寸法誤差を吸収すると共に、単セルＣにかかる応力を緩和し、単セルＣのカソード側電極層２に亀裂が生じるようなこともない。

（実施例１）
まず、電解質層１となるＹＳＺ製の電解質板を用意した。電解質板は、図１２（Ｂ）に示すように、矩形状を成すと共に、全周にわたってセルホルダＨを有している。また、アノード側及びカソード側のインターコネクタ５は、図１２（Ａ）（Ｃ）に示すように、直線的なリブ状の突起４を所定間隔で並列配置したものである。

カソード側電極層２として、電極材料であるペロブスカイト型酸化物（ＬＳＭ、ＬＳＣＦなど）の粉末粒子（粒径３μｍ程度）を準備した。そして、電解質板を真空チャンバーに入れ、同チャンバーを負圧にした後、噴霧ノズルを電解質板の上部に移動させ、電極材料の粉末粒子を、高速のＨｅガスの流れに乗せて吹き付けることでカソード側電極層２を作製した。

次に、カソード側電極層２の表面に相対向するインターコネクタ５の突部４の配置と合致するよう表層電極体６を形成するため、噴霧ノズル条件を変更し、ペロブスカイト型酸化物（ＬＳＭ、ＬＳＣＦなど）の粉末粒子（粒径５μｍ程度）を、高速のＨｅガスの流れに乗せて吹き付けることで、図１２（Ｂ）に示すように、リブ状の複数の表層電極体６を作製した。

さらに、上記の電解質板の反対面に、アノード側電極層３と表層電極体６を作製した。まず、アノード側電極層３として、電極材料であるＮｉＯなどの粉末粒子を準備した。そして、先にカソード側電極層２を形成した電解質板を裏にして、真空チャンバーに入れ、同チャンバーを負圧にした後、噴霧ノズルを電解質板の上部に移動させ、ＮｉＯの粉末粒子（粒径３μｍ程度）を、高速のＨｅガスの流れに乗せて吹き付けることでアノード側電極層３を作製した。

次に、アノード側電極層３の表面に相対向するインターコネクタ５の突部４の配置と合致するよう表層電極体６を形成するため、噴霧ノズル条件を変更し、ＮｉＯの粉末粒子（粒径５μｍ程度）を、高速のＨｅガスの流れに乗せて吹き付けることで、リブ状の複数の表層電極体６を作製した。その後、チャンバーを常圧に戻して電解質板を取出した。

次に、図１２（Ｄ）に示すように、電解質層１を一対の電極層２，３で挟持し且つ各電極層２，３に表層電極体６を夫々形成した単セルＣと、カソード側及びアノード側のインターコネクタ５，５とを、夫々のスペーサ１０，１０を介して積層した。この際、各電極層２，３の表層電極体６と各インターコネクタ５の突部とを接触させると共に、各電極層２，３と各インターコネクタ５との間に、カソードガス及びアノードガスのガス流路Ｇ１，Ｇ２を形成した。

このようにして作製した燃料電池Ｆは、単セルＣと各インターコネクタ５，５とを積層した際に、インターコネクタ５の突部４が表層電極体６を部分的に圧壊した状態となり、これにより、単セルＣとインターコネクタ５との間の寸法誤差を吸収し、単セルＣにかかる応力を緩和し、単セルＣの電極層２，３に亀裂が生じていないことを確認した。

本発明の燃料電池及び燃料電池スタックは、その構成が上記各実施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において構成の細部を適宜変更することが可能である。また、本発明の燃料電池スタックは、個々の燃料電池において寸法誤差の吸収や応力の緩和を実現するので、このような燃料電池を多数積層して成る車載用の電源としても非常に有用である。

Ｃ 単セル
Ｓ 燃料電池スタック
１ 電解質層
２ カソード側電極層
３ アノード側電極層
４ 突部
５ インターコネクタ
６ 表層電極体
６Ａ 電極部材
６Ｂ 破壊抑制部
６Ｑ 表層電極体の複数の突部に跨る部分
６Ｐ 各突部に対応する部分
８ 導電性接点材料

Claims (14)

1. 電解質層を一対の電極層で挟持して成る単セルと、少なくとも片面にガス流路形成用の突部を有するインターコネクタを備えると共に、電極層と突部とを接触させて単セルとインターコネクタとを積層した構造を有する燃料電池であって、
   単セルの電極層が、インターコネクタとの対向面に、少なくとも突部との接触部分の圧縮強度が当該電極層の圧縮強度よりも低い表層電極体を備えていることを特徴とする燃料電池。
2. 前記表層電極体が、突部の配置に合わせて設けてあることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記表層電極体が、少なくとも突部との接触範囲において、所定間隔で配置した複数の電極部材で構成してあることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
4. 前記表層電極体が、突部との接触部分の外側に、同接触部分よりも圧縮強度が高い破壊抑制部を有していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池。
5. 前記表層電極体が、突部との接触部分の電極層側に、同接触部分よりも圧縮強度が高い破壊抑制部を有していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池。
6. 互いに接触した突部及び表層電極体を導電性接点材料で被覆したことを特徴とする請求項に記載の燃料電池。
7. 前記インターコネクタの突部が、複数箇所に配置してあると共に、前記表層電極体が、複数の突部に跨る状態に配置してあることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
8. 前記表層電極体が、複数の突部に跨る部分と、各突部に対応する部分を備えていることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池。
9. 前記電極層及び表層電極体が、同一の粒状材料で形成してあると共に、電極層に比べて粒状材料の粒径が大きく且つ分布が疎であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池。
10. 前記表層電極体が、導電性酸化物から成ることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の燃料電池。
11. 前記表層電極体が、金属から成ることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の燃料電池。
12. 前記表層電極体が、導電性酸化物と金属との混合体から成ることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の燃料電池。
13. 前記表層電極体が、噴射加工技術により形成してあることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の燃料電池。
14. 請求項１〜１３のいずれか１項に記載の燃料電池を積層して成ることを特徴とする燃料電池スタック。

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