JP4889288B2

JP4889288B2 - セルスタック及び燃料電池

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Publication number: JP4889288B2
Application number: JP2005342873A
Authority: JP
Inventors: 修身井上
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2005-11-28
Filing date: 2005-11-28
Publication date: 2012-03-07
Anticipated expiration: 2025-11-28
Also published as: JP2007149510A

Description

本発明は、セルスタック及び燃料電池に関し、特に、一対の平坦部を有する平板状の支持体の一方の平坦部に固体電解質層及び電極層を有し、他方の平坦部にインターコネクタ
を有する燃料電池セルを複数立設して配列し、該複数の燃料電池セルを電気的に直列に接続してなるセルスタック及び燃料電池に関する。

次世代エネルギーとして、近年、燃料電池セルのスタックを収納容器内に収容した燃料電池が種々提案されている。

図５は従来の中空平板型の固体電解質形燃料電池セルのセルスタックを示すもので、このセルスタックは、複数の燃料電池セル１３（１３ａ、１３ｂ）を集合させ、一方の燃料電池セル１３ａと他方の燃料電池セル１３ｂとの間に金属フェルトなどからなる集電部材１５を多数介在させ、一方の燃料電池セル１３ａの内側電極（酸素側電極）１７と他方の燃料電池セル１３ｂの外側電極（燃料側電極）１８とを電気的に接続して構成されていた。

燃料電池セル１３（１３ａ、１３ｂ）は、扁平状の内側電極１７の外周面に、固体電解質層１９、外側電極１８を順次設けて構成されており、固体電解質層１９、外側電極１８から露出した内側電極１７には、外側電極１８に接続しないようにインターコネクタ２０が設けられている。内側電極１７内にはガス流路を構成する複数のガス通過孔２２が形成されている。

一方の燃料電池セル１３ａと他方の燃料電池セル１３ｂとの電気的接続は、一方の燃料電池セル１３ａの内側電極１７を、該内側電極１７に設けられたインターコネクタ２０、集電部材１５を介して、他方の燃料電池セル１３ｂの外側電極１８に接続することにより行われていた（例えば特許文献１、２参照）。
特開平１−１６９８７８号公報特開平２００５−２４３３３４号公報

しかしながら、上記従来の燃料電池では、一方の燃料電池セル１３ａと他方の燃料電池セル１３ｂとの間に集電部材１５が多数介在していたため、これらの燃料電池セル１３ａ、１３ｂ間にガスが入りにくく、発電性能が低下するという問題があった。また、集電部材１５には、耐熱性に優れた耐熱性合金を多数使用しなければならず、コストが高くなるという問題があった。さらに、燃料電池セル１３ａ、１３ｂ間に集電部材１５を多数配置して接合しなければならず製造に手間がかかり、また、接合箇所も多いため接合不良も発生しやすいという問題があった。

本発明は、燃料電池セル間にガスを十分に供給することができるとともに、容易にかつ安価に燃料電池セル間を電気的に接続できるセルスタック及び燃料電池を提供することを目的とする。

本発明のセルスタックは、軸長方向にガス流路が形成され、一対の平坦部を有する平板状の支持体の一方の平坦部に、固体電解質層及び電極層を有するとともに、前記支持体の前記一方の平坦部と対向する他方の平坦部に、インターコネクタを有する燃料電池セルを複数立設して配列し、該複数の燃料電池セルを電気的に直列に接続してなるセルスタックであって、前記燃料電池セルの配列方向から見たとき、隣設する前記燃料電池セルの平坦部の一部が、前記軸長方向に沿って重畳するように前記複数の燃料電池セルを左右に交互に配列させ、重畳部における前記燃料電池セルの平坦部同士を接合してなることを特徴とする。

このようなセルスタックでは、燃料電池セルの配列方向から見たとき、隣設する燃料電池セルの平坦部の一部が、前記軸長方向に沿って重畳するように複数の燃料電池セルを千鳥状（左右に交互）に配列しているため、燃料電池セルの平坦部の端部だけが重なり、この部分で接合固定することができ、燃料電池セル間には空間が形成されており、この燃料電池セル間の空間を介して、ガス（燃料ガス又は酸素含有ガス）を十分に燃料電池セルに供給することができる。また、接合箇所も燃料電池セルの平坦部の端部のみとすることができ、耐熱性合金からなる集電部材を用いるとしてもその個数を大幅に低減でき、接合箇所を減少させることができ、容易にかつ安価にセルスタックを作製できる。

尚、燃料電池セルの接合箇所を用いて、燃料電池セル同士の機械的固定と電気的接続を行うことができるが、接合箇所で燃料電池セル間を機械的に固定し、他の手段にて燃料電池セル間を電気的に接続しても良い。さらには、燃料電池セル間の機械的固定と電気的固定をそれぞれ別個に行う接合箇所を設けても良い。

また、本発明のセルスタックは、隣設する前記燃料電池セルの前記重畳部における平坦部同士を導電性材料により接合することにより、電気的に接続するとともに機械的に接合することを特徴とする。このようなセルスタックでは、耐熱性合金からなる集電部
材を用いることがないため、さらに安価にかつ容易に作製できる。

さらに、本発明のセルスタックでは、前記電極層及び前記インターコネクタの少なくとも一方に、該電極層及びインターコネクタよりも高導電率の高導電率層を、前記燃料電池セルの重畳部に向けて幅方向に設けたことを特徴とする。

インターコネクタには、一般に導電性セラミックが用いられ、抵抗が大きいため、また燃料電池の電極は固体電解質へのガス供給という目的のため多孔質であることから抵抗が大きいため、さらに、本発明では、発電した電流は、燃料電池セルの電極、燃料電池セルの重畳部に向けて幅方向に流れるため、一方の燃料電池セルで発電した電流が、電極層、インターコネクタを介して、他方の燃料電池セルまで流れるには抵抗が大きく、発電性能が低下する虞があったが、電極層及び／又はインターコネクタに、燃料電池セルの重畳部に向けて幅方向に、該電極層、インターコネクタよりも高導電率の高導電率層を設けたため、一方の燃料電池セルで発電した電流は高導電率層を介して、他方の燃料電池セルに流れ、抵抗を小さくすることができ、発電性能を向上することができる。

また、本発明のセルスタックでは、隣設する前記燃料電池セルの前記重畳部における前記電極層及び前記インターコネクタに沿って、かつ前記燃料電池セルの前記ガス流路に沿った方向に、前記電極層及び前記インターコネクタよりも高導電率の高導電率層がそれぞれ設けられており、該高導電率層により隣設する前記燃料電池セルの平坦部同士を接合していることを特徴とする。

このようなセルスタックでは、高導電率層により抵抗を小さくできるとともに、燃料電池セルの機械的固定を行うことができる。

さらに、本発明の燃料電池は、収納容器内に上記セルスタックを収納してなることを特徴とする。このような燃料電池では、燃料電池セル間にガスを十分に供給することができるため、発電性能を向上し、また、燃料電池セル間を容易にかつ安価に接続できるため、安価な燃料電池を得ることができる。

本発明のセルスタックでは、燃料電池セル間には空間が形成されており、この燃料電池セル間の空間を介してガスを十分に燃料電池セルに供給することができ、発電性能を向上できるとともに、接合箇所も燃料電池セルの平坦部の端部のみで行うことができ、耐熱性合金からなる集電部材を用いるとしてもその個数を大幅に低減でき、容易にかつ安価に作製できる。

本発明の燃料電池セルの断面を示す図１、断面斜視図を示す図２において、全体として３０で示す燃料電池セルは中空平板状であり、断面が扁平状で、全体的に見て棒状で細長基板状の多孔質支持基板（支持体）３１を備えている。支持基板３１の内部には、適当な間隔で６個の燃料ガス通路３１ａ（ガス流路を形成する）が長さ方向（軸長方向）に貫通して形成されており、燃料電池セル３０は、この支持基板３１上に各種の部材が設けられた構造を有している。このような燃料電池セル３０の複数を、図３、４に示すように、左右交互（千鳥状）に配列して直列に接続することにより、燃料電池を構成するセルスタックを形成することができる。

支持基板３１は、図１（ａ）、図２（ａ）に示されている形状から理解されるように、平坦部Ａと平坦部Ａの両端の弧状部Ｂとからなっており、平坦部Ａは主面を構成する。平坦部Ａの両主面は互いにほぼ平行に形成され、平坦部Ａの一方の主面と両側の弧状部Ｂを覆うように燃料極層３２が設けられ、さらに、この燃料極層３２を覆うように、緻密質な固体電解質層３３が積層されており、この固体電解質層３３の上には、燃料極層３２と対面するように、平坦部Ａの一方側の主面に酸素極層３４が積層されている。燃料極層３２及び固体電解質層３３は、平坦部Ａの一方側の主面に、ガス流路形成方向Ｇに連続して形成されている。

このような燃料電池セルは、支持基板３１が導電性を有するとともに、該導電性支持基板３１の一方側主面に燃料極層３２を介して固体電解質層３３を形成することにより、ガス透過性が要求される支持基板３１、及びガスとの反応性が要求される燃料極層３２を、別個に形成するため、それぞれの機能に対応した材料、組織等とすることができ、また集電も容易に行うことができ、最適な燃料電池セルを作製できる。

また、燃料極層３２及び固体電極層３３が積層されていない平坦部Ａの他方側の主面には、インターコネクタ３５が形成されている。図１から明らかな通り、燃料極層３２及び固体電解質層３３は、インターコネクタ３５の両サイドにまで延びており、支持基板３１の表面が外部に露出しないように構成されている。

上記のような構造の燃料電池セルでは、燃料極層３２の酸素極層３４と対面している部分が燃料極として作動して発電する。即ち、酸素極層３４の外側に空気等の酸素含有ガスを流し、且つ支持基板３１内のガス通路３１ａに燃料ガス（水素）を流し、所定の作動温度まで加熱することにより、酸素極層３４で下記式（１）の電極反応を生じ、また燃料極層３２の燃料極となる部分では例えば下記式（２）の電極反応を生じることによって発電する。

酸素極：１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻ → Ｏ^２− （固体電解質） …（１）
燃料極：Ｏ^２− （固体電解質）＋Ｈ_２ → Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻…（２）
かかる発電によって生成した電流は、支持基板３１に取り付けられているインターコネクタ３５を介して集電される。

そして、本発明では、図１、２に示すように、酸素極層３４、インターコネクタ３５には、燃料電池セルの長さ方向に第１高導電率層３８ａ、３８ｂが形成されており、これらの第１高導電率層３８ａ、３８ｂが、それぞれ酸素極層３４、インターコネクタ３５の側面に接続し、酸素極層３４、インターコネクタ３５と第１高導電率層３８ａ、３８ｂとがそれぞれ電気的に導通している。これらの第１高導電率層３８ａ、３８ｂ同士は、支持基板３１を介して対向する位置に形成されている。

この第１高導電率層３８ａ、３８ｂは、固体電解質層３３表面に形成されており、例えば、Ａｇ−Ｐｄ等の貴金属合金、導電性セラミックス等から構成されている。固体電解質層３３表面に形成することにより、第１高導電率層３８ａ、３８ｂの燃料電池セルへの接合強度が向上し、後述する燃料電池セル同士の接合強度を向上することができる。

また、酸素極層３４、インターコネクタ３５には、図２（ｂ）（ｃ）に示すように、第１高導電率層３８ａ、３８ｂと直交するように、燃料電池セルの幅方向（後述する接合箇所（重畳している平坦部）の反対側から接合箇所に向けて）に第２高導電率層３９ａ、３９ｂが形成されている。これらの第２高導電率層３９ａ、３９ｂは、例えば、Ａｇ−Ｐｄ合金等の貴金属合金、導電性セラミックス等から構成されている。

第１高導電率層３８ａ、第２高導電率層３９ａは、酸素極層３４よりも高導電率とされており、上述したように酸素極層３４とは別個の材料を用いて形成することもできるが、例えば、酸素極層３４の表面に、再度酸素極材料を塗布し、酸素極層３４よりも緻密な膜とすることにより形成することができ、この場合には、第１高導電率層３８ａ、第２高導電率層３９ａを容易に形成できる。また、Ａｇ−Ｐｄ合金のような貴金属合金を酸素極層３４上に塗布して形成することもできる。さらに、酸素極層３４を分割して形成し、これらの分割酸素極層の間に、酸素極層３４よりも高導電率材料からなる層を形成することにより形成することもできる。この場合、第１高導電率層３８ａ、第２高導電率層３９ａの燃料電池セルへの接合強度を向上できる。尚、高導電率か否かは抵抗値により判断できる。

また、インターコネクタ３５と電気的に接続される第１高導電率層３８ｂ、第２高導電率層３９ｂは、インターコネクタ３５よりも高導電率とされており、例えば、インターコネクタ３５表面に高導電率材料を塗布することにより形成することができ、また、インターコネクタ３５を分割して形成し、これらの分割インターコネクタ間に高導電率材料からなる層を形成することにより形成することもできる。

以下燃料電池セルの各部材について詳細に説明する。

（支持基板３１）
上記のような構造を有する燃料電池セル３０において、支持基板３１は、燃料ガスを燃料極まで透過させるためにガス透過性であること、及びインターコネクタ３５を介しての集電を行うために導電性であること、同時焼成時の熱膨張差による固体電解質層などのクラックや剥離がないことが要求されるが、このような要求を満たすと同時に、還元・酸化サイクルにおける支持基板３１の体積膨張に起因した固体電解質層などのクラックを抑制する目的で、触媒活性金属及びその酸化物のいずれかと、触媒金属及びその酸化物との反応物を生成しない無機骨材、例えば、金属酸化物である固体電解質又は少なくとも一種の希土類元素を含有する希土類元素酸化物とを含有せしめて構成する。

触媒金属としてはＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉなどの鉄族成分があり、金属単体であってもよいし、また酸化物、合金もしくは合金酸化物であってもよい。本発明では、何れをも使用することができるが、安価であること及び燃料ガス中で安定であることからＮｉ及び／またはＮｉＯを含有していることが好ましい。

また、無機骨材としては、（２）の電極反応を促進するために、所謂三相界面（電解質／触媒金属／気相の界面）を増やすために、固体電解質層３３を形成している安定化ジルコニアやランタンガレート系ペロブスカイト型組成物等と同等の材料を用いても良いし、熱膨張係数を下げて固体電解質層３３と近似させるために希土類酸化物を用いても良い。後者には特にＳｃ、Ｙ、Ｌｕ、Ｙｂ、Ｔｍ、Ｅｒ、Ｈｏ、Ｄｙ、Ｇｄ、Ｓｍ、Ｐｒからなる群より選ばれた少なくとも１種の希土類元素を含む酸化物が使用される。このような希土類酸化物の具体例としては、Ｓｃ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３、Ｌｕ_２Ｏ_３、Ｙｂ_２Ｏ_３、Ｔｍ_２Ｏ_３、Ｅｒ_２Ｏ_３、Ｈｏ_２Ｏ_３、Ｄｙ_２Ｏ_３、Ｇｄ_２Ｏ_３、Ｓｍ_２Ｏ_３、Ｐｒ_２Ｏ_３を例示することができ、特に安価であるという点で、Ｙ_２Ｏ_３、Ｙｂ_２Ｏ_３、さらにはＹ_２Ｏ_３が好適である。

尚、支持基板３１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。

上記のような支持基板３１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適である。また、支持基板３１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。

また、支持基板３１の平坦部Ａの長さは、２０〜３５ｍｍ、弧状部Ｂの長さ（弧の長さ）は、３〜８ｍｍ程度であり、支持基板３１の厚みは（平坦部Ａの両面の間隔）は２．５〜８ｍｍであることが望ましい。

（燃料極層３２）
本発明において、燃料極層３２は、前述した式（２）の電極反応を生じせしめるものであり、それ自体公知の多孔質の導電性サーメットから形成される。例えば、希土類元素が固溶しているＺｒＯ_２と、Ｎｉ及び／またはＮｉＯとから形成される。この希土類元素が固溶しているＺｒＯ_２（安定化ジルコニア）としては、以下に述べる固体電解質層３３の形成に使用されているものと同様のものを用いるのがよい。

燃料極層３２中の安定化ジルコニア含量は、３５〜６５体積％の範囲にあるのが好ましく、またＮｉ或いはＮｉＯ含量は、６５〜３５体積％であるのがよい。さらに、この燃料極層３２の開気孔率は、１５％以上、特に２０〜４０％の範囲にあるのがよく、その厚みは、１〜３０μｍであることが望ましい。例えば、燃料極層３２の厚みがあまり薄いと、性能が低下するおそれがあり、またあまり厚いと、固体電解質層３３と燃料極層３２との間で熱膨張差による剥離等を生じるおそれがある。

また、図１の例では、この燃料極層３２は、インターコネクタ３５の両サイドにまで延びているが、酸素極層３４に対面する位置に存在して燃料極が形成されていればよいため、例えば酸素極層３４が設けられている側の平坦部Ａにのみ燃料極層３２が形成されていてもよい。さらには、支持基板３１の全周にわたって燃料極層３２を形成することも可能である。本発明においては、固体電解質層３３と支持基板３１との接合強度を高めるために、固体電解質層３３の全体が燃料極層３２上に形成されていることが好適である。

（固体電解質層３３）
この燃料極層３２上に設けられている固体電解質層３３は、一般に３〜１５モル％の希土類元素が固溶したＺｒＯ_２（通常、安定化ジルコニア）と呼ばれる緻密質なセラミックスから形成されている。希土類元素としては、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕを例示することができるが、安価であるという点からＹ、Ｙｂが望ましい。

この固体電解質層３３を形成する安定化ジルコニアセラミックスは、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、且つその厚みが１０〜１００μｍであることが望ましい。固体電解質層３３としては、安定化ジルコニア以外に、ランタンガレート系ペロブスカイト型組成物から構成されていても良い。

（酸素極層３４）
酸素極層３４は、所謂ＡＢＯ_３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から形成される。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Ｌａを有するＬａＭｎＯ_３系酸化物、ＬａＦｅＯ_３系酸化物、ＬａＣｏＯ_３系酸化物の少なくとも１種が好適であり、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ＬａＦｅＯ_３系酸化物が特に好適である。尚、上記ペロブスカイト型酸化物においては、ＡサイトにＬａと共にＳｒなどが存在していてもよいし、さらにＢサイトには、ＦｅとともにＣｏやＭｎが存在していてもよい。

また、酸素極層３４は、ガス透過性を有していなければならず、従って、酸素極層３４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望ましい。

このような酸素極層３４の厚みは、集電性という点から３０〜１００μｍであることが望ましい。

（インターコネクタ３５）
上記の酸素極層３４に対面する位置において、支持基板３１上に設けられているインターコネクタ３５は、導電性セラミックスからなるが、燃料ガス（水素）及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、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（ＬａＣｒＯ_３系酸化物）が使用される。また、支持基板３１の内部を通る燃料ガス及び支持基板３１の外部を通る酸素含有ガス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％以上の相対密度を有していることが好適である。

かかるインターコネクタ３５は、ガスのリーク防止と電気抵抗という点から、１０〜２００μｍであることが望ましい。即ち、この範囲よりも厚みが薄いと、ガスのリークを生じやすく、またこの範囲よりも厚みが大きいと、電気抵抗が大きく、電位降下により集電機能が低下してしまうおそれがあるからである。一方、反り抑制という観点からは、１００μｍ以下が望ましい。

また、図１から明らかな通り、ガスのリークを防止するために、インターコネクタ３５の両サイドには、緻密質の固体電解質層３３が密着しているが、シール性を高めるために、例えばＹ_２Ｏ_３などからなる接合層（図示せず）をインターコネクタ３５の両側面と固体電解質層３３との間に設けることもできる。

また、インターコネクタ３５は、固体電解質層３３が設けられていない側の支持基板３１の平坦部分Ａ上に直接設けることもできるが、この部分にも燃料極材料が設けられ、この燃料極材料層３７上にインターコネクタ３５が設けられている。即ち、燃料極材料を支持基板３１の全周にわたって設け、燃料極材料層３７上にインターコネクタ３５を設けられており、この場合には、支持基板３１とインターコネクタ３５との間の界面での電位降下を抑制することができる上で有利である。

（燃料電池セルの製造）
以上のような構造を有する燃料電池セルは、以下のようにして製造される。先ず、Ｎｉ等の鉄族金属或いはその酸化物粉末と、例えばＹ_２Ｏ_３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、この坏土を用いての押出成形により、支持基板成形体を作製し、これを乾燥する。

次に、燃料極形成用材料（Ｎｉ或いはＮｉＯ粉末と安定化ジルコニア粉末）、有機バインダー及び溶媒を混合してスラリーを調製し、このスラリーを用いて燃料極用のシートを作製する。また、燃料極用のシートを作製する代りに、燃料極形成用材料を溶媒中に分散したペーストを、上記で形成された支持基板成形体の所定位置に塗布し乾燥して、燃料極用のコーティング層を形成してもよい。これを仮焼し、表面に燃料極仮焼体が形成された支持基板仮焼体を作製する。この後、燃料極仮焼体の開気孔中に、樹脂材料を含浸することが望ましい。樹脂材料としては、アクリル系の樹脂などが用いられ、含浸させるには、樹脂を溶解した有機溶媒中に浸漬すれば良い。一方、インターコネクタが形成される部分にはマスクして、固体電解質が形成されないようにする。

この後、燃料極仮焼体の表面に浸漬塗布法により固体電解質を形成する。先ず、固体電解質材料を含有する浸漬液を作製し、この浸漬液に上記支持基板仮焼体を浸漬する。固体電解質材料としては、例えば希土類元素が固溶したＺｒＯ_２粉を用い、その他に、浸漬液中には、有機バインダーとしてアクリル系バインダーと、溶媒としてトルエンが添加混合されている。この浸漬液は、所定の粘度を有するように、有機成分が調整されている。

浸漬方向は、浸漬液中に支持基板仮焼体の長さ方向に浸漬するよりも、支持基板仮焼体の幅方向に浸漬することが望ましい。浸漬した後、引き上げる際に、支持基板仮焼体の燃料極仮焼体に着肉し、固体電解質成形体を形成できる。

多孔質の支持基板仮焼体の表面に多孔質の燃料極仮焼体が形成され、燃料極仮焼体の開気孔中には樹脂材料が充填され、この燃料極仮焼体の表面に固体電解質成形体が形成される。燃料極仮焼体の開気孔中には、固体電解質材料が含浸されていない。

尚、支持基板仮焼体は、Ｎｉ等の鉄族金属或いはその酸化物粒子と、Ｙ_２Ｏ_３粒子とからなり、燃料極仮焼体は、Ｎｉ或いはＮｉＯ粒子と安定化ジルコニア粒子とからなり、固体電解質成形体は、安定化ジルコニア粉末と有機成分とから構成されている。

この後、インターコネクタ用材料（例えば、ＬａＣｒＯ_３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、インターコネクタ用シートを作製する。このインターコネクタ用シートを、上記で得られた積層体の固体電解質層が形成されていない位置に積層し、焼成用積層体を作製する。

次いで、上記の焼成用積層体を脱バインダ処理し、酸素含有雰囲気中、１３００〜１６００℃で同時焼成し、得られた焼結体の所定の位置に、酸素極形成用材料（例えば、ＬａＦｅＯ_３系酸化物粉末）と溶媒を含有するペーストと溶媒を含むペーストを、ディッピング等により塗布し、１０００〜１３００℃で焼き付けることにより、図１に示す構造の本発明の燃料電池セル３０を製造することができる。

尚、支持基板３１や燃料極層３２の形成にＮｉ単体を用いた場合には、酸素含有雰囲気での焼成により、Ｎｉが酸化されてＮｉＯとなっているが、必要により、還元処理することにより、Ｎｉに戻すことができる。

酸素極層３４に、第１高導電率層３８ａ、第２高導電率層３９ａを形成するには、上記したように、酸素極層３４の表面の所定位置に、再度酸素極形成用材料を含有するペーストを塗布し、再度熱処理し、焼き付けることにより形成することができる。また、酸素極層３４の表面の所定位置にＡｇ−Ｐｄ合金のような貴金属合金を含有するペーストを塗布し、熱処理して焼き付けても良い。さらに、酸素極層３４を分割して形成し、これらの分割酸素極層の間に、酸素極層３４よりも高導電率材料を含有するペーストを塗布し熱処理して焼き付けることにより形成することもできる。

また、インターコネクタ３５に第１高導電率層３８ｂ、第２高導電率層３９ｂを形成するには、インターコネクタ３５形成後に、その表面の所定位置にＡｇ−Ｐｄ合金のような貴金属合金を含有するペーストを塗布し、熱処理して焼き付けても形成することができる。また、インターコネクタ３５を分割して形成し、これらの分割インターコネクタ間にＡｇ−Ｐｄ合金のような貴金属合金を含有するペーストを塗布し、熱処理して焼き付けても形成することができる。第２高導電率層３８ｂについては、インターコネクタ３５の側面に沿ってペーストを塗布し、焼き付けて形成する。

（セルスタック）
セルスタックは、図３、４に示すように、上述した燃料電池セル３０を左右に交互（千鳥状）に複数配列し、それらの燃料電池セルの平坦部同士を接合して形成されている。即ち、複数の燃料電池セルの配列方向から見たとき、隣設する燃料電池セルの平坦部同士の一部が重畳するように（重なるように）千鳥状に配列されており、重畳した部分における燃料電池セルの平坦部同士が接合されて、セルスタックが形成されている。

尚、図３、４では、隣設する燃料電池セルの第１高導電率層３８ａ、３８ｂ同士を接合して配列したが、隣設する燃料電池セルの第１高導電率層３８ａ、３８ｂとの間に、金属フェルト及び／又は金属板からなる集電部材を介在させ、両者を互いに直列に接続することもできる。

セルスタックは、図３（ｂ）に示すように、側方から酸素極層３４を見て右側に第１高導電率層３８ａが形成された燃料電池セルと、側方から酸素極層３４を見て左側に第１高導電率層３８ａが形成された燃料電池セルとの２種類（第１高導電率層３８ｂは、第１高導電率層３８ａと支持基板３１を介して対向する位置に形成されている）を作製し、一方の燃料電池セルの酸素極層３４に電気的に接続されている第１高導電率層３８ａを、他方の燃料電池セルのインターコネクタ３５に電気的に接続されている第１高導電率層３８ｂに接合して構成されている。隣設する燃料電池セルの第１高導電率層３８ａと第１高導電率層３８ｂとの間に、Ａｇ−Ｐｄ合金のような導電性接合材料を用いて接合することもできる。

このようなセルスタックは、図４に示すように、ガスマニホールド５５に立設して形成されており、本発明の燃料電池は、図３、４のセルスタックを、収納容器内に収容して構成される。この収納容器には、外部から水素等の燃料ガスを燃料電池セル３０に導入する導入管、及び空気等の酸素含有ガスを燃料電池セル３０の外部空間に導入するための導入管が設けられており、燃料電池セルが所定温度（例えば、６００〜９００℃）に加熱されることにより発電し、使用された燃料ガス、酸素含有ガスは、収納容器外に排出される。

本発明のセルスタックでは、図３、４に示すように、燃料電池セル３０を複数千鳥状に配列し、それらの燃料電池セルの平坦同士を接合して形成したため、図５の従来のセルスタックのように燃料電池セル間にガス供給の邪魔になる集電部材を配置することがないため、燃料電池セル間に燃料ガス、この形態では酸素含有ガス（空気等）を十分に供給することができ、燃料電池セルの発電性能を十分に発揮させることができる。

また、耐熱性合金等からなるコスト高の集電部材を使用せずにセルスタックを構成することができるため、製造コストも低減できる。さらに、耐熱性合金からなる集電部材で多数箇所燃料電池セルを接合する必要がないため、接続信頼性を向上できる。

さらに本発明のセルスタックでは、発電した電流は、酸素極層３４、インターコネクタ３５に形成された第２高導電率層３９ａ、３９ｂを介して流れるため、抵抗が小さくなり、燃料電池セルとしての発電性能を向上することができる。さらに、発電した電流は、燃料電池セル同士を機械的に接続する機能を有する第１高導電率層３８ａ、３８ｂにより隣設する燃料電池セルに流れるため、燃料電池セル間における抵抗を小さくでき、セルスタックとしての発電性能を向上できる。

尚、本発明は上記形態に限定されるものではなく、発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、上記形態では、支持基板３１上に燃料極層３２を形成した場合について説明したが、支持基板自体に燃料極としての機能を付与し、支持基板に固体電解質、酸素極層を形成しても良い。また、上記形態では、支持基板３１上に燃料極層３２を形成した場合について説明したが、支持基板に酸素極層を形成したセルや、支持基板自体に酸素極としての機能を付与し、支持基板に固体電解質、燃料極層を形成しても良い。

また、上記形態では、中空平板型の燃料電池セルを用いたセルスタックについて記載したが、本発明では、上記形態に限定されるものではなく、円筒型の燃料電池セルを用いたセルスタックにおいても適用できる。

さらに、上記形態では、酸素極層３４と、インターコネクタ３５に第２高導電率層３９ａ、３９ｂを形成した例について説明したが、酸素極層３４又はインターコネクタ３５に第２高導電率層を形成してもよく、或いは第２高導電率層を形成しなくても、燃料電池セル間に燃料ガスを供給することができる。

本発明の燃料電池セルを示すもので、（ａ）は横断面図、（ｂ）は（ａ）のｘ−ｘ線に沿う縦断面図である。（ａ）は本発明の燃料電池セルの断面斜視図、（ｂ）は燃料電池セルを酸素極層側から見た側面図、（ｃ）は燃料電池セルをインターコネクタ側から見た側面図である。（ａ）は本発明のセルスタックを示す平面図であり、（ｂ）は一部を模式的に示す（ａ）の拡大平面図である。マニホールドにセルスタックを立設した状態を示す斜視図である。従来のセルスタックを示す横断面図である。

符号の説明

３１・・・支持基板（支持体）
３１ａ・・・燃料ガス通路（ガス流路）
３２・・・燃料極層
３３・・・固体電解質
３４・・・酸素極層
３５・・・インターコネクタ
３８ａ、３８ｂ・・・第１高導電率層
３９ａ、３９ｂ・・・第２高導電率層

Claims

軸長方向にガス流路が形成され、一対の平坦部を有する平板状の支持体の一方の平坦部に、固体電解質層及び電極層を有するとともに、前記支持体の前記一方の平坦部と対向する他方の平坦部に、インターコネクタを有する燃料電池セルを複数立設して配列し、該複数の燃料電池セルを電気的に直列に接続してなるセルスタックであって、前記燃料電池セルの配列方向から見たとき、隣設する前記燃料電池セルの平坦部の一部が、前記軸長方向に沿って重畳するように前記複数の燃料電池セルを左右に交互に配列させ、重畳部における前記燃料電池セルの平坦部同士を接合してなることを特徴とするセルスタック。
隣設する前記燃料電池セルの前記重畳部における平坦部同士を導電性材料により接合することにより、電気的に接続するとともに機械的に接合したことを特徴とする請求項１記載のセルスタック。
前記電極層及び前記インターコネクタの少なくとも一方に、該電極層及びインターコネクタよりも高導電率の高導電率層を、前記燃料電池セルの重畳部に向けて幅方向に設けたことを特徴とする請求項１又は２記載のセルスタック。
隣設する前記燃料電池セルの前記重畳部における前記電極層及び前記インターコネクタに沿って、かつ前記燃料電池セルの前記ガス流路に沿った方向に、前記電極層及び前記インターコネクタよりも高導電率の高導電率層がそれぞれ設けられており、該高導電率層により隣設する前記燃料電池セルの平坦部同士を接合していることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれかに記載のセルスタック。
収納容器内に請求項１乃至４のうちいずれかに記載のセルスタックを収納してなることを特徴とする燃料電池。