JP5192723B2

JP5192723B2 - 横縞型燃料電池セル及び燃料電池

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Publication number: JP5192723B2
Application number: JP2007125314A
Authority: JP
Inventors: 雅人西原; 賢治堀内; 貴亮染川; 良雄松崎
Original assignee: Kyocera Corp; Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Kyocera Corp; Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 2007-05-10
Filing date: 2007-05-10
Publication date: 2013-05-08
Anticipated expiration: 2027-05-10
Also published as: JP2008282653A

Description

本発明は、横縞型燃料電池セル及び燃料電池に関するものである。

近年、次世代エネルギーとして、燃料電池セルを複数接続してなるセルスタックを、収納容器に収容した燃料電池が種々提案されている。このような燃料電池セルとしては、固体高分子形燃料電池セル、リン酸形燃料電池セル、溶融炭酸塩形燃料電池セル、固体電解質形燃料電池セルなど、各種のものが知られている。とりわけ、固体電解質形燃料電池セルは発電効率が高く、また、作動温度が７００℃〜１０００℃と高いため、その排熱を利用できるなどの利点を有しており、研究開発が推し進められている。

図１１は、従来の固体電解質形燃料電池セルの一部を示す拡大縦断面図である。この固体電解質形燃料電池セルは、横縞型といわれるものであって、多孔質絶縁体である円筒状の支持体（以下絶縁支持体という）１１の表面に、燃料極３ａ、固体電解質３ｂ及び空気極３ｃが順次積層された多層構造の発電素子３を、図１１に示す長手方向に所定間隔をおいて複数形成することにより構成されている。互いに隣接する発電素子３は、それぞれ素子間接続部材（インターコネクタ）４により電気的に直列に接続されている。すなわち、発電素子３の燃料極３ａとこれに隣接する他の発電素子３の空気極３ｃとが、素子間接続部材４により接続されている。また、絶縁支持体１１の内部にはガス流路１２が形成されている。

前記横縞型燃料電池セルにおいて、固体電解質３ｂの酸素イオン伝導性が６００℃以上で高くなるため、このような温度で空気極３ｃに酸素を含むガスを流し、燃料極３ａに水素を含むガスを流すことにより、空気極３ｃと燃料極３ａとの酸素濃度差が高くなり、空気極３ｃと燃料極３ａとの間で電位差が発生する。

この電位差により、酸素イオンは、空気極３ｃから固体電解質３ｂを通じて燃料極３ａへ移動する。移動した酸素イオンが、燃料極３ａで水素と結合して水となり、同時に燃料極３ａで電子が発生する。
すなわち、空気極３ｃでは、下記式（１）の電極反応を生じ、燃料極３ａでは、下記式（２）の電極反応を生じる。

そして、燃料極３ａと空気極３ｃとを電気的に接続することにより、燃料極３ａから空気極３ｃへの電子の移動が起こり、両極間で起電力が生じる。
このように、固体電解質形燃料電池セルでは、酸素と水素を供給することにより、前記の反応を連続して起こし、起電力を生じさせて発電する（例えば、特許文献１参照）。
横縞型の燃料電池セルでは、以上の反応を起こす発電素子３が、絶縁支持体１１表面に、長手方向に直列に複数接続されているために、少ないセル数で高い電圧が得られるという利点がある。

絶縁支持体１１の両面に発電素子３が形成された横縞型の中空平板状の固体電解質形燃料電池セルでは、絶縁支持体１１の表裏面の各発電素子３を、直列に接続する場合は、図１０に示すように、絶縁支持体表面の先端の発電素子（図示せず）と、絶縁支持体裏面の先端の発電素子（図示せず）との接続には、セルの外部を周回する金属バンドＢを用いた方法が知られている（例えば、特許文献２参照）。なお、符号８は、隣設する燃料電池セルの発電素子を接続するセル間接続部材である。
特開平１０−００３９３２号公報特開２００６−０１９０５９号公報

しかしながら、複数の発電素子で構成する燃料電池セル、また複数の燃料電池セルで構成するユニットを小型化するためには、単一のセルの高出力化を図る必要がある。高出力化を図る一つの方法は、発電素子数の密度（セル単位長さ当りの発電素子数）を増加することである。
しかし、従来のセルは、絶縁支持体１１の表面に燃料極、電解質及び空気極等で構成される発電素子と集電体が交互に絶縁支持体１１の長手方向に並設されていることから、発電素子数の密度を増加するのが困難であった。さらに、図１１に示すように、発電素子３とインターコネクタ４とによって複雑な段差がセル表面に形成され、それがガスリークの原因となり、信頼性が低くなるという問題があった。
本発明の課題は、発電素子数の密度を増加させ、かつ発電素子と集電体とにより形成される複雑な段差を低減し、高出力で信頼性の高い横縞型燃料電池セルを提供することにある。

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、発電素子を絶縁支持基板の表面に、集電体を前記絶縁支持基板の側面にそれぞれ形成することにより、前記発電素子と前記集電体をそれぞれ前記絶縁支持基板の表面及び側面に電気極性が同極である積層部材として積層できる。それにより、前記絶縁支持基板の表面での発電素子を増やすことができるので、高出力化を実現できると共に、前記絶縁支持基板の表面での段差が複数生じないので、ガスリークの発生も大きく軽減できる。更に、前記絶縁支持基板の表面での隣接する発電素子同士は同極なため、隣接する発電素子間の絶縁部の幅が狭くても電気ショートの危険性が無くなることを見出して、本発明を完成させるに至った。

即ち、本発明における横縞型燃料電池セル及びそれを用いた燃料電池は、以下の構成を有する。
（１）ガス流路を内部に備えた電気絶縁性の多孔質支持基板の表面に、内側電極、固体電解質及び外側電極が順次積層された発電素子を複数並設し、前記発電素子の内側電極と、該発電素子に隣接する他の発電素子の外側電極とが集電体を介して電気的に接続されている横縞型燃料電池セルであって、前記集電体が前記多孔質支持基板の側面に形成されており、前記発電素子の内側電極が該発電素子を設けた部位の前記多孔質支持基板の側面まで延設され、延設された該内側電極の延設部の表面に前記集電体が形成され、該集電体と前記発電素子に隣接する他の発電素子の外側電極とが電気的に接続されていることを特徴とする横縞型燃料電池セル。
（２）ガス流路を内部に備えた電気絶縁性の多孔質支持基板の表面に、内側電極、固体電解質及び外側電極が順次積層された発電素子を複数並設し、前記発電素子の内側電極と、該発電素子に隣接する他の発電素子の外側電極とが集電体を介して電気的に接続されている横縞型燃料電池セルであって、前記集電体が前記多孔質支持基板の側面に形成されており、前記発電素子の内側電極が、隣接する前記他の発電素子を設けた部位の前記多孔質支持基板の側面まで延設され、延設された該内側電極の延設部の表面に前記集電体が形成され、該集電体と、前記他の発電素子の外側電極とが電気的に接続されていることを特徴とする横縞型燃料電池セル。
（３）前記発電素子が前記多孔質支持基板の表裏面にそれぞれ複数並設されており、前記多孔質支持基板の両側面に前記集電体がそれぞれ形成されていることを特徴とする（１）または（２）に記載の横縞型燃料電池セル。
（４）前記集電体の表面と、前記他の発電素子の外側電極の表面とが素子間接続部材を介して接続されていることを特徴とする（１）〜（３）のいずれかに記載の横縞型燃料電池セル。
（５）（１）〜（４）のいずれかに記載の横縞型燃料電池セルを、収納容器内に複数収納してなることを特徴とする燃料電池。

本発明の横縞型燃料電池セルは、従来、絶縁支持基板の表面に発電素子と交互に並設されていた集電体を、絶縁支持基板の側面に設けるようにしたので、従来と同じセル面積であってもより多くの発電素子を配設することができる。そのためセルを高出力化（同じ出力ならセルを小型化）することが可能となる。また、絶縁支持基板の同じ表面及び側面にそれぞれ同極の部材が配置されるので、隣接する発電素子間の絶縁部の幅が狭くても電気ショートを起こす危険が無いという効果を有する。更に、絶縁支持基板の同じ表面には同極の発電素子しか積層されないので、従来のように逆の極の集電体の並設により生じる複雑な段差が発生しない。これにより、段差部からのガスリーク不良を軽減することができる。以上のことから、高出力で信頼性の高い横縞型燃料電池セルを提供できる。
本発明の燃料電池によれば、高出力化した横縞型燃料電池セルを複数用いることにより、容量の小型化が可能となり、少数の横縞型燃料電池セルで高い発電量を得ることができる。

以下、本発明の横縞型燃料電池セルの一実施形態について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の横縞型燃料電池セルの構造を示す一部破断斜視図であり、図２は図１の平面図である。この燃料電池セル１は、多孔質支持体（以下、多孔質支持基板１１という）がガス流路１２を内部に備え、この多孔質支持基板１１の表裏面に発電素子１３が形成され、両側面に集電体１７が形成されてなる。即ち、中空平板状である電気絶縁性の多孔質支持基板１１の表裏面のそれぞれに、集電燃料極層２３、活性燃料極層１３ａ、固体電解質層１３ｂ及び空気極層１３ｃが順次積層されてなる発電素子１３が配置され、該発電素子１３とともに同一素子部を構成する集電体１７が多孔質支持基板１１の両側面（幅方向両端部）のそれぞれに前記活性燃料極層１３ａと隣接して配置されている。このとき同一素子部を構成する前記集電燃料極層２３が多孔質支持基板１１の幅方向に隣接する側面まで延設され、延設された該集電燃料極層２３の延設部２３’の表面に前記集電体１７が形成されている。
そして、前記集電体１７を含む前記素子部を前記多孔質支持基板１１の長手方向に所定間隔を置いて複数個配置し、それらを素子間接続部材１８を介して直列に接続し、横縞型燃料電池セル１を構成した。
なお、前記素子部は前記発電素子１３と前記集電体１７からなり、多孔質支持基板１１の表面に配置された前記発電素子１３と該発電素子１３の幅方向側の前記多孔質支持基板１１の側面に配置された集電体１７とを同一素子部という。なお、本願でいう表面とは、対向する位置に設けられた、側面よりも面積の広い主面を意味し、表面および裏面を含んで用いる場合がある。

本発明では、上記したように、従来、多孔質支持基板１１の表面において長手方向に発電素子１３に隣接して配置されていた集電体１７を、多孔質支持基板１１の側面に配置し、多孔質支持基板１１の表面と側面の両面を素子部の配置に活用した。これにより、多孔質支持基板１１の長手方向に素子部をより多く配設することができるので、単位面積当たりの発電量を増加でき、高出力化あるいは小型化が可能となる。また、多孔質支持基板１１の表面及び側面のそれぞれには同極の部材のみが隣接して複数個配置されることになるので、隣接する素子部間の絶縁部の幅が狭くても電気ショートを起こす危険性が無くなる。

また、従来、多孔質支持基板１１の表面において長手方向に発電素子１３と集電体１７とを交互に並設したことにより素子部に複雑な段差が生じ、この段差の影響でガスリークが発生していた。しかし、前記集電体１７を、多孔質支持基板１１の側面に配置したことにより、素子部は一定段差となり（図３を参照）、ガスリーク不良を軽減することができる。

前記固体電解質１３ｂは、隣接する素子部間を電気的に遮断する絶縁層の機能、及びガス流路１２からのガス漏出を防止する機能を併せ持たすため、前記多孔質支持基板１１の表面及び側面の露出した部分を覆うように形成されている。一方、従来、固体電解質１３ｂを多孔質支持基板１１の全表面に積層させることから、曲率を成す多孔質支持基板１１の幅方向両端部で固体電解質１３ｂが剥離しやすいという問題があったが、本発明では多孔質支持基板１１の側面を平坦とすることができるので、固体電解質１３ｂの剥離を抑制することができる。

本実施形態では、図２に示すように、隣接する素子部間を接続するための素子間接続部材１８は、前記素子部の空気極層１３ｃ表面と隣接する他の素子部の集電体１７表面とを接続するように形成される。図中の矢印は電気（電子ｅ^-）の移動する方向を示す。即ち、発電素子１３で発生した電子は活性燃料極１３ａから多孔質支持基板１１の側面まで延設された集電燃料極層２３の延設部２３’を介して前記側面に配置された集電体１７に移動し、ついで該集電体１７の表面に接続された素子間接続部材１８を介して、隣接する他の発電素子１３の空気極１３ｃに送られる。これにより、発電素子１３同士が直列に電気的に接続された構造となっている。

多孔質支持基板１１は多孔質であり、さらにその内部には、内径の小さな複数の燃料ガス流路１２が、隔壁５１（図１参照）で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。前記ガス流路１２の数は、発電性能及び構造強度の点から、例えば２〜２０個が好ましく、６〜１５個であるのがより好ましい。このように、多孔質支持基板１１の内部にガス流路１２を複数形成することにより、多孔質支持基板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、多孔質支持基板１１を扁平板状とすることができ、燃料電池セル１の体積当たりの発電素子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本数を減らすことができる。また、セル間の接続箇所数を減少させることもできる。

このガス流路１２内に燃料ガス（水素ガス）を流し、かつ空気極層１３ｃを空気等の酸素含有ガスに曝すことにより、活性燃料極層１３ａ及び空気極層１３ｃ間で前述した式（１）、（２）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。

前記燃料電池セル１が複数集合して、図３に示すようなセルスタックを組み立てる。このセルスタックの両端に、セルスタックで発生した電力を燃料電池外に取り出すための導電部材（図示せず）を取り付けて、収納容器内に収容して、燃料電池を作製することができる。この収納容器に空気等の酸素含有ガスを導入し、水素等の燃料ガスを導入管を通して燃料ガスマニホールド５０に導入する。燃料ガスを燃料ガスマニホールド５０を通して燃料電池セル１のガス流路１２内部に導入し、上方に導入して燃料電池セル１の先端Ｅから残余の燃料ガスが放出される。そして、燃料電池セル１を所定温度に加熱すれば、燃料電池セル１によって発電することができる。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。

図３に示すように、燃料電池セル１同士は、下端部に配置されたセル間接続部材１９を介して互いに電気的に接続されている。
すなわち、セルスタックの下端部において、燃料電池セル１の下端部に素子間接続部材１８が設けられ、該素子間接続部材１８と接続された集電体１７を介して隣接する他の素子部の集電燃料極層２３と導通している。この素子間接続部材１８は、セル間接続部材１９を介して、他の燃料電池セル１の空気極層１３ｃと素子間接続部材１８を介して導通している。一方、セル先端部では、多孔質支持基板１１の表面の集電燃料極層２３と、対向する他の表面（裏面）の空気極層１３ｃとが集電体１７及び素子間接続部材１８を介して接続されている。
このように、セルスタックは、前記した燃料電池セル１同士が、セル間接続部材１９を介して互いに電気的に接続されているため、燃料電池セル１を密に配置することができ、発電量当たりのセルスタックの体積を小さくすることができる。そのため、小型で、熱効率の高いセルスタックを提供することができる。尚、本発明において、セル先端部とは、マニホールド５０に接続される側と反対側の燃料電池セル１の端部をいい、言い換えれば、燃料ガスの下流側（放出側）の燃料電池セル１の端部をいう。

以下、燃料電池セル１を構成する各部材の材質を詳しく説明する。
（多孔質支持基板）
本発明に係る多孔質支持基板１１は、Ｎｉ若しくはＮｉ酸化物（ＮｉＯ）と、希土類元素酸化物とからなっている。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るが、好ましくは、Ｙ₂Ｏ₃やＹｂ₂Ｏ₃、特にＹ₂Ｏ₃である。好ましくは、組成として、ＮｉＯが１０〜２５ｍｏｌ％、ＭｇＯが６０〜８０ｍｏｌ％、Ｙ₂Ｏ₃が５〜１５ｍｏｌ％であるのがよい。

前記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基板１１中に含有されているのがよい。
この多孔質支持基板１１の熱膨張係数は、通常、１０．５〜１２．５×１０^-6（１／Ｋ）程度である。

多孔質支持基板１１は、発電素子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、１０Ω・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。また、Ｎｉ等の含量が前記範囲よりも少ないと、希土類元素酸化物（例えばＹ₂Ｏ₃）を単独で用いた場合と変わらなくなってしまい、発電素子１３との熱膨張係数の調整が困難となる傾向がある。

また、Ｎｉ等以外の残量の全ては、通常、希土類元素酸化物の少なくとも１種である。しかし、少量、例えば５質量％以下の範囲で、ＭｇＯやＳｉＯ₂などの他の酸化物、若しくは複合酸化物例えばジルコン酸カルシウムなどを含有していてもよい。
なお、前記多孔質支持基板１１は、燃料ガス流路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。
また、多孔質支持基板１１は、例えば、良好な発電性能及び構造強度を得られる点から、その厚さは、２〜５ｍｍ、幅３０〜５０ｍｍ、長さ２００〜３００ｍｍの範囲に設定されるのが望ましい。本発明では、この寸法に限定されるものではない。

（燃料極層）
燃料極層は、前記式（２）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１３ｂ側の活性燃料極層１３ａと、多孔質支持基板１１側の集電燃料極層２３との二層構造に形成されている。
前記固体電解質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及び／又はＮｉＯ（以下、Ｎｉ等と呼ぶ）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。

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、良好な集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。

前記活性燃料極層１３ａの熱膨張係数は、通常、１２．３×１０^-6（１／Ｋ）程度である。
また、固体電解質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、５〜１５μｍの範囲にあることが望ましい。
燃料極層のうち、前記多孔質支持基板１１側の集電燃料極層２３は、多孔質支持基板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である。

前記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。この範囲で調整することにより、多孔質支持基板１１と集電燃料極層２３との熱膨張差を２×１０^-6（１／Ｋ）以下とすることができる。
集電燃料極層２３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。

この集電燃料極層２３の熱膨張係数は、通常、１１．５×１０^-6（１／Ｋ）程度である。
また、この集電燃料極層２３の厚みは、電気伝導度を向上するという点から、８０μｍ以上であることが望ましい。
以上のように、燃料極を固体電解質１３ｂ側の活性燃料極層１３ａと、多孔質支持基板１１側の集電燃料極層２３と二層に形成した構造であれば、多孔質支持基板１１側の集電燃料極層２３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、発電素子１３との接合性を損なうことなく、その熱膨張係数を、後述する固体電解質１３ｂの熱膨張係数に近づけることができ、例えば両者の熱膨張差を、２×１０^-6（１／Ｋ）未満とすることができる。したがって、燃料電池セル１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、多孔質支持基板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。

（固体電解質）
固体電解質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、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）固体電解質を挙げることもできる。また、固体電解質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。

（空気極層）
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℃程度の比較的低温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。
また、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及びＳｒが共存してもよく、また、ＢサイトにＦｅ、Ｃｏ及び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（１）の電極反応を生ずることができる。
また、空気極層１３ｃは、その開気孔率が、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。
また、空気極層１３ｃは、その厚さが、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が良好な集電性を有することができる。

（集電体）
隣接する発電素子１３同士を直列に接続するために使用される集電体１７は、前記発電素子１３の活性燃料極層１３ａと他の発電素子１３の空気極層１３ｃとを接続するものであり、これらは導電性セラミックス、金属、ガラスの入った金属ガラスを用いることができる。導電性セラミックスとしては、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、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。
また、集電体１７は、その厚さが２０μｍ以上あれば、良好な集電性を有することができる。

（素子間接続部材）
隣接する発電素子１３同士を直列に接続するために使用される素子間接続部材１８は、素子部の集電体１７と隣接する他の素子部の空気極層１３ｃとを接続するものである。素子間接続部材１８として、導電性セラミックス、金属、ガラスの入った金属ガラスを用いることができ、導電性セラミックスとしては、空気極層１３ｃに用いられるものが使用できる。また空気極層１３ｃに空気等の酸素含有ガスを供給するため、かかる導電性セラミックスは多孔質とされている。
また、素子間接続部材１８としては、例えばＡｇ−Ｐｄから構成された多孔質層を使用することができる。
また、素子間接続部材１８は、その厚さが１００μｍ以上あれば、良好な導電性を有することができる。

なお、上述した例においては、多孔質支持基板１１上に形成される発電素子１３は、内側電極が活性燃料極層１３ａであり、外側電極が空気極層１３ｃとなった層構造を有しているが、両電極の位置関係を逆とすることも勿論可能である。すなわち、多孔質支持基板１１上に、空気極層、固体電解質、活性燃料極層をこの順に積層して発電素子を形成することもできる。この場合、多孔質支持基板１１のガス流路内には、空気等の酸素含有ガスが導入され、燃料ガスは外側電極である活性燃料極層の外面に供給されることとなる。

（セル間接続部材）
セル間接続部材１９は、燃料電池セル１に対向する他の燃料電池セル１の空気極層１３ｃと導通し、前記燃料電池セル１の素子間接続部材１８と前記他の燃料電池セル１の空気極層１３ｃとを電気的に接続するものであれば特に制限されず、例えば、耐熱性金属、導電性セラミックスなどから形成される。
また、セル間接続部材１９と、素子間接続部材１８及び空気極層１３ｃとの接続部に、ＡｇやＰｔなどの貴金属を含有するペーストなどの導電性接着剤を塗布することにより、セル間接続部材１９の接続信頼性を向上させることもできる。

（製造方法）
次に、前記した横縞型燃料電池セルの製造方法について、図４及び図５を参照して、説明する。

まず、多孔質支持基板成形体６１を作製する。多孔質支持基板成形体６１の材料として、例えば、体積基準での平均粒径（Ｄ₅₀）（以下、単に「平均粒径」という。）が０．１〜１０．０μｍのＭｇＯ粉末に、必要により熱膨張係数調整用または接合強度向上用として、Ｎｉ粉末、ＮｉＯ粉末、Ｙ₂Ｏ₃粉末、または、希土類元素安定化ジルコニア粉末（ＹＳＺ）などを所定の比率で配合して混合し、混合後の熱膨張係数が固体電解質１３ｂのそれとほぼ一致するように調整する。この混合粉末を、ポアー剤と、セルロース系有機バインダーと、水とからなる溶媒と混合し、押し出し成形して、図４に示すように、例えば、内部に直径１．０〜１．５ｍｍのガス流路６２を６個有する中空の板状形状で、長さ２５０〜３００ｍｍ、幅６０〜７０ｍｍ、厚さ３〜５ｍｍの扁平状の多孔質支持基板成形体６１を作製し、これを乾燥後、９００℃〜１２００℃にて仮焼処理する。

次いで、燃料極層、固体電解質を作製する。まず、例えば、ＮｉＯ粉末、Ｎｉ粉末と、ＹＳＺ粉末とを混合し、これにポアー剤を添加し、アクリル系バインダーとトルエンとを混合して活性燃料極のペーストを作製する。次に、例えば、ＮｉＯ粉末、Ｎｉ粉末と、Ｙ₂Ｏ₃などの希土類元素酸化物とを混合し、これにポアー剤を添加し、アクリル系バインダーとトルエンとを混合してスラリーとし、ドクターブレード法にてスラリーを塗布して乾燥し、厚さ８０〜１２０μｍの集電燃料極層テープ６３を作製する。次に、図５に示すように、この集電燃料極層テープ６３に、所定のメッシュ製版を用いて、例えば、厚さ３０〜６０μｍの活性燃料極ペースト層６３ａ及び厚さ３０〜６０μｍの集電体ペースト層６７を印刷して形成する。当該貼り合わせたテープを発電素子１３の形状Ｓにあわせて切断し、絶縁部を形成する部分Ｒを打ち抜く[図５の一点鎖線部。ただし、図５中で、６３ａ及び６７のハッチングは断面でなく、領域を意味する。]

その後、活性燃料極ペースト層６３ａと集電体ペースト層６７が印刷された集電燃料極層テープ６３を、それぞれ前記仮焼した多孔質支持基板成形体６１の対応する箇所（Ａ，Ｂ，Ｃ及びＤ）に貼り付ける。即ち、前記仮焼した多孔質支持基板成形体６１の表裏面（Ａ，Ｃ）に活性燃料極ペースト層６３ａの対応する部分Ａ，Ｃを、前記仮焼した多孔質支持基板成形体６１の両側面（Ｂ，Ｄ）に集電体ペースト層６７の対応する部分Ｂ，Ｄが積層されるように貼り付ける[図８（ｂ）参照。ただし、図８中で、６３ａ及び６７のハッチングは断面でなく、領域を意味する。]。このように、順次、絶縁部の箇所を素子部間に設けながら、複数の素子部を横縞状に貼り付ける。これを繰り返し行い、多孔質支持基板成形体６１の表裏面に複数の、活性燃料極ペースト層６３ａと集電体ペースト層６７がそれぞれ印刷積層された集電燃料極層テープ６３を貼り付ける。
図８に印刷後の積層用の集電燃料極層テープ６３を多孔質支持基板成形体６１表面へ貼り付けた状態を、従来構造と比較して示した。
次に、この活性燃料極ペースト層６３ａ及び集電体ペースト層６７を積層した集電燃料極層テープ６３を貼り付けた状態で乾燥し、その後、９００〜１１００℃の温度範囲で仮焼する。

次に、この積層体の表裏面、及び集電体ペースト層６７表面をマスクした両側面に、８ＹＳＺにアクリル系バインダーとトルエンを加えてスラリーとした固体電解質溶液を印刷し、この後、マスクを剥離する。この印刷により、この積層体の表裏面の全面に、例えば、厚さ３０〜６０μｍの固体電解質スラリーの層が塗布されるとともに、隣接素子部間の絶縁部の箇所にも固体電解質スラリーが充填される。
この状態で、１４５０〜１５００℃、２〜４時間焼成する。

次に、得られた積層体の表裏面にランタンコバルタイト（ＬａＣｏＯ₃）とイソプロピルアルコールとを混合したスラリーを印刷し、厚さ１０〜１００μｍの空気極層１３ｃを形成する。そして、９５０〜１１５０℃、２〜５時間焼き付ける。
最後に、集電体１７表面と空気極層１３ｃ表面に、例えば厚さ１５０〜４００μｍの素子間接続部材１８となるペーストを塗布し、さらに前記両表面間を素子間接続部材１８を接続し、前記横縞型燃料電池セルを得ることができる。

なお、前記した各層の積層方法については、テープ積層、ペースト印刷、ディップ、及び、スプレー吹きつけのいずれの積層法を用いてもよい。

（他の実施形態）
本発明に係る他の実施形態は、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、隣接し合う発電素子間を接続するための素子間接続部材１８は、素子部の空気極層１３ｃ表面と該素子部の集電体１７表面とを接続するように形成した。このとき、図６（ａ）に示すように、発電素子１３に隣接する他の発電素子１３の集電燃料極層２３が前記素子部側の多孔質支持基板１１の側面まで延設されており、前記素子部の集電体１７が、前記延設された集電燃料極層２３の延設部２３’と接続している。図中の矢印は電気（電子ｅ^-）の移動する方向を示す。即ち、図６（ｂ）に示すように、隣接する前記他の発電素子１３で発生した電子はその同一素子部の活性燃料極１３ａから集電燃料極層２３を介して前記素子部の集電体１７に移動し、ついで該集電体１７の表面に接続された素子間接続部材１８を介して、前記発電素子１３の空気極１３ｃに送られる。これにより、発電素子１３同士が直列に電気的に接続される。
製造に際しては、以下に示す工程以外は上記した一実施形態と同様の製造方法により作製することができる。図７に示すように、一実施形態の場合と同様に集電燃料極層テープ６３に、所定のメッシュ製版を用いて前記活性燃料極ペースト層６３ａ及び集電体ペースト層６７を印刷して形成し、当該貼り合わせたテープを発電素子１３の形状Ｓにあわせて切断する。そして、絶縁部を形成する部分Ｒは、活性燃料極１３ａと隣接する列にある他の集電体１７が繋がるように打ち抜く[図７の一点鎖線部。ただし、図７中で、６３ａ及び６７のハッチングは断面でなく、領域を意味する。]

以上で、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、前記の形態に限定されるものではない。例えば、図９に示すように、隣接する発電素子同士を電気的に接続するために、素子間接続部材を延設して他の発電素子の集電体１７と接続させた前記実施形態と、集電燃料極２３を延設して他の発電素子の集電体１７と接続させた前記他の実施形態とを組み合せた構成としてもよい。なお、図９は多孔質支持基板１１の片面に発電素子等を配設した例を示したが、両面に配設してもよいことはいうまでもない。
また、前記の製造例では素子間接続部材１８は、空気極層１３ｃの表面に積層する部分と集電体１７の表面に積層する部分とにペーストを塗布した後、同じペーストを塗布して接続したが、金属等電気的に接続可能な部材で接続してもよい。あるいは、前記素子間接続部材１８は前記両表面及び接続部分を含めて一体的に作製したものを貼り付けてもよい。
さらに、上記形態では、活性燃料極層１３ａと集電燃料極層２３を有する場合について説明したが、活性燃料極層１３ａだけの場合であっても、同様の効果を有する。
また、上記形態では、多孔質支持基板１１、集電体１７、素子間接続部材１８等について、材料、寸法等について記載したが、本発明では、上記形態に記載した材料、寸法等に限定されるものではない。

本発明の燃料電池セルの構造を示す一部破断斜視図である。図１の平面図である。図１の横縞型燃料電池セルのセルスタックを示す縦断面図である。本発明の多孔質支持基板の製造工程図である。本発明の燃料電池セルの製造工程図である。（ａ）は本発明に係る他の実施形態の燃料電池セルの平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。本発明に係る他の実施形態の燃料電池セルの製造工程図である。従来の横縞型燃料電池セル（ａ）と本発明の横縞型燃料電池セル（ｂ）の製造工程の一部及び構造について比較した図である。本発明に係る一実施形態と他の実施形態とを組み合せた燃料電池セルの平面図である。従来のセルスタック間接続部材の接続構造の一例を示す斜視図である。従来の横縞型の固体電解質形燃料電池セルの一例を示す縦断面の拡大図である。

符号の説明

１燃料電池セル
１１多孔質支持基板
１２燃料ガス流路
１３発電素子（１３ａ：活性燃料極層、１３ｂ：固体電解質、１３ｃ：空気極層）
１７集電体
１８素子間接続部材

Claims

ガス流路を内部に備えた電気絶縁性の多孔質支持基板の表面に、内側電極、固体電解質及び外側電極が順次積層された発電素子を複数並設し、前記発電素子の内側電極と、該発電素子に隣接する他の発電素子の外側電極とが集電体を介して電気的に接続されている横縞型燃料電池セルであって、
前記集電体が前記多孔質支持基板の側面に形成されており、
前記発電素子の内側電極が該発電素子を設けた部位の前記多孔質支持基板の側面まで延設され、延設された該内側電極の延設部の表面に前記集電体が形成され、該集電体と前記発電素子に隣接する他の発電素子の外側電極とが電気的に接続されていることを特徴とする横縞型燃料電池セル。
ガス流路を内部に備えた電気絶縁性の多孔質支持基板の表面に、内側電極、固体電解質及び外側電極が順次積層された発電素子を複数並設し、前記発電素子の内側電極と、該発電素子に隣接する他の発電素子の外側電極とが集電体を介して電気的に接続されている横縞型燃料電池セルであって、
前記集電体が前記多孔質支持基板の側面に形成されており、
前記発電素子の内側電極が、隣接する前記他の発電素子を設けた部位の前記多孔質支持基板の側面まで延設され、延設された該内側電極の延設部の表面に前記集電体が形成され、該集電体と、前記他の発電素子の外側電極とが電気的に接続されていることを特徴とする横縞型燃料電池セル。
前記発電素子が前記多孔質支持基板の表裏面にそれぞれ複数並設されており、前記多孔質支持基板の両側面に前記集電体がそれぞれ形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の横縞型燃料電池セル。
前記集電体の表面と、前記他の発電素子の外側電極の表面とが素子間接続部材を介して接続されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の横縞型燃料電池セル。
請求項１〜４のいずれかに記載の横縞型燃料電池セルを、収納容器内に複数収納してなることを特徴とする燃料電池。