JP4412984B2

JP4412984B2 - 燃料電池セル及び燃料電池

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Publication number: JP4412984B2
Application number: JP2003405709A
Authority: JP
Inventors: 祥二山下
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-12-04
Filing date: 2003-12-04
Publication date: 2010-02-10
Anticipated expiration: 2023-12-04
Also published as: JP2005166527A

Description

本発明は、燃料電池セル及び燃料電池に関し、特に、多孔質の支持基板の一方側主面に少なくとも緻密な固体電解質、多孔質の外側電極を順次設け、他方側主面に緻密なインターコネクタを設けてなる燃料電池セル及び燃料電池に関する。

図３は、従来の固体電解質形燃料電池の燃料電池セル１を示すもので、燃料電池セル１は、軸長方向に複数のガス流路３を有する多孔質の支持体を兼ねた扁平な内側電極１ａ上の外周面に緻密な固体電解質１ｂと、多孔質の導電性セラミックスからなる外側電極１ｃとを順次設けて構成されており、固体電解質１ｂと、外側電極１ｃとから露出した内側電極１ａには、外側電極１ｃに接続しないようにインターコネクタ１ｄが設けられ、内側電極１ａと電気的に接続している。（特許文献１参照）。

このような燃料電池セル１では、燃料電池セル１の形状を扁平状とすることにより、燃料電池セル１当たりの発電部の面積を増加させることができ、発電量を増加させることができる。

燃料電池は、上記燃料電池セル１を収納容器内に複数収納して構成され、例えば、内側電極１ａ内部に酸素ガス注入管５を通じて酸素含有ガスを供給し、外側電極１ｃに燃料ガス（水素）を供給して約１０００℃で発電される。

この燃料電池セル１の内側電極１ａと固体電解質１ｂ、外側電極１ｃが重なり合っている部分が発電部であり、この発電部で発生した電流は内側電極１ａを電流経路とし、インターコネクタ１ｄを介して他の燃料電池セル１へと接続される。

この燃料電池セルでは、固体電解質１ｂとしてＹ_２Ｏ_３を含有するＺｒＯ_２（ＹＳＺ）が用いられているが、近年においては、固体電解質材料としてＳｃ_２Ｏ_３を含有するＺｒＯ_２も知られている（特許文献２参照）。

燃料電池セルを作製する方法としては、従来、内側電極１ａと固体電解質１ｂとを同時焼成により形成することが知られている。この同時焼成法は、非常に簡単なプロセスで製造工程数が少なく、コスト低減に有利である。
特開昭６３−２６１６７８号公報特開平０６−１１６０２６号公報

しかしながら、このような燃料電池セル１でも、得られる発電性能は十分でなく、未だ低いという問題があった。即ち、燃料電池セル１では、固体電解質１ｂの厚みを薄くし、内側電極１ａの厚みを薄くし、電流経路を短くし、さらに内側電極１ａの幅を広くすることで燃料電池セル１当たりの発電量を増加させることが可能となるものの、燃料電池セル１の曲率の大きい曲面状の側面に応力が集中し、例えば、焼成や発電の際に燃料電池セル１の側面に位置する緻密な固体電解質１ｂにクラックが発生しやすいという問題があった。

また、燃料電池セル１内外でのガスの遮断ができなくなるため、発電の基となる燃料電池セル１内外での酸素分圧差が減少するため、他の燃料電池セル１においても発電量が低下する。また、固体電解質がＹ_２Ｏ_３を含有するＺｒＯ_２（ＹＳＺ）から形成されていたため、作動温度を７００℃から８００℃に低温化すると、固体電解質の導電率が低いため、発電性能が低くなるという問題があった。さらに、支持基板と、インターコネクタとの間の熱膨張差が大きく、両者の界面にて亀裂の発生が生じるおそれがあった。

本発明は、内外のガス遮断を確実に行うことができるとともに、７００〜８００℃の比較的低温でも発電性能が高い燃料電池セル及び燃料電池を提供することを目的とする。

本発明の燃料電池セルは、希土類元素酸化物とＮｉ及び／又はＮｉＯとからなり、ガス流路を有する多孔質の支持基板の一方側主面に、少なくとも緻密な固体電解質、多孔質の外側電極を順次設け、他方側主面にランタン−クロム系酸化物材料からなる緻密なインターコネクタを設けてなる燃料電池セルであって、前記固体電解質が、スカンジウムを固溶せしめた酸化ジルコニウムからなるとともに、前記支持基板の側面を介して前記支持基板の他方側主面に形成されたインターコネクタ端面まで延設されており、前記支持基板と前記インターコネクタとの間に、Ｎｉ及び／又はＮｉＯと希土類元素を含有するＺｒＯ _２とからなる接合層が設けられていることを特徴とする。

このような燃料電池セルでは、固体電解質をスカンジウムを固溶せしめた酸化ジルコニウムで形成したため、従来から用いられているＹ_２Ｏ_３を含有するＺｒＯ_２（ＹＳＺ）よりも強度が高く、例えば、応力が強く発生しやすい支持基板の薄い側面に形成された場合であっても、固体電解質におけるクラック発生を防止でき、緻密なインターコネクタ及び緻密な固体電解質で多孔質な支持基板を取り囲むことができるとともに、支持基板の厚みを薄くし、幅を広くし、かつ、固体電解質の厚みを薄くしたとしても、固体電解質におけるクラック発生を防止でき、燃料電池セル内外のガスを有効に遮断できる。また、スカンジウムを固溶させて安定化した酸化ジルコニウムは、ＹＳＺよりも、７００〜８００℃の温度域での導電率が高いため、燃料電池セルの発電性能を向上できる。また、支持基板とインターコネクタとの間に、Ｎｉ及び／又はＮｉＯと希土類元素を含有するＺｒＯ _２とからなる接合層が設けられていることから、支持基板とインターコネクタとの間の熱膨張係数差を小さくすることができ、両者の界面の亀裂の発生を抑制することができる。

また、本発明の燃料電池セルは、前記固体電解質と前記インターコネクタとの間にＮｉとＺｒＯ _２あるいはＹ _２Ｏ _３とからなる接合層が設けられていることが望ましい。

固体電解質とインターコネクタとの間にＮｉとＺｒＯ _２、あるいはＹ _２Ｏ _３からなる接合層を介在させていることから、インターコネクタと固体電解質とのシール性を向上させることができる。

本発明の燃料電池は、上記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。上記したように、本発明の燃料電池セルは、内外のガス遮断を確実に行うことができるとともに、７００〜８００℃の比較的低温でも発電性能が高いため、ガスリークなどによる燃料電池の発電量が低下するなどの不具合を防止でき、発電性能及び耐久性に優れた燃料電池を提供できる。

さらに、本発明の燃料電池は、分散型発電用として用いられることを特徴とする。例えば、１ｋＷ程度の発電性能を有する家庭用の燃料電池システムや、７ｋＷ以下の発電性能を有する店舗用の燃料電池システムに用いられる燃料電池セルは小型であり、支持基板自体も薄くなるため、支持基板の側面に発生する応力が大きくなる傾向にあるため、本発明を好適に用いることができる。

本発明の燃料電池セルでは、固体電解質を、スカンジウムを固溶せしめて安定化した酸化ジルコニウムで形成したため、従来から用いられているＹ_２Ｏ_３を含有するＺｒＯ_２（ＹＳＺ）よりも強度が高く、例えば、固体電解質が、応力が強く発生しやすい支持基板の薄い側面に形成された場合であっても、固体電解質におけるクラック発生を防止でき、燃料電池セルの内外のガスを有効に遮断できるとともに、スカンジウムを固溶せしめて安定化した酸化ジルコニウムは、ＹＳＺよりも、７００〜８００℃の温度域での導電率が高いため、発電性能を向上できる。また、支持基板とインターコネクタとの間に、Ｎｉ及び／又はＮｉＯと希土類元素を含有するＺｒＯ _２とからなる接合層を設けてなることから、支持基板とインターコネクタとの間の熱膨張係数差を小さくすることができ、両者の界面の亀裂の発生を抑制することができる。

本発明の燃料電池セルは、図１に示すように断面が板状で、全体的に見て柱状の多孔質の導電性の支持基板３３ａの一方側主面に、多孔質の燃料側電極３３ｂ、緻密な固体電解質３３ｃ、多孔質な導電性セラミックスからなる酸素側電極３３ｄを順次積層し、酸素側電極３３ｄと反対側の支持基板３３ａの他方側主面に接合層３３ｅ、ランタン−クロム系酸化物材料からなるインターコネクタ３３ｆ、Ｐ型半導体材料からなる集電膜３３ｇを形成して構成されている。

また、支持基板３３ａには複数の直線状のガス流路３４が軸長方向に貫通して形成されている。

即ち、燃料電池セル３３は、断面形状が弧状で幅方向両端に設けられた端部ｍと、これらの端部ｍを連結する一対の平坦部ａとから構成されており、一対の平坦部ａは平坦であり、ほぼ平行に形成されている。燃料電池セル３３の形状を支配する支持基板３３ａの形状も、一対の平坦状の主面と、これらの主面を連結する曲面状の側面を有している。燃料電池セル３３の平坦部ａのうち一方は、支持基板３３ａの他方主面上に接合層３３e、インターコネクタ３３ｆ、集電膜３３ｇを形成して構成され、他方の平坦部ａは、支持基板３３ａの一方主面上に燃料側電極３３ｂ、固体電解質３３ｃ、酸素側電極３３ｄを形成して構成されている。

また、支持基板３３ａの長径寸法（端部ｍ方向間の距離）は１５〜３５ｍｍ、短径寸法（平坦部ａ間の距離）が２〜５ｍｍであることが望ましい。支持基板３３ａの側面は、外側に凸となる曲面状とされ、支持基板３３ａの側面は、曲率半径１〜３ｍｍの曲面状とされている。

また、この支持基板３３ａは、Ｙ、Ｌｕ、Ｙｂ、Ｔｍ、Ｅｒ、Ｈｏ、Ｄｙ、Ｇｄ、Ｓｍ及びＰｒから選ばれた１種以上からなる希土類元素酸化物とＮｉ及び／又はＮｉＯとからなることが望ましい。

支持基板３３ａとインターコネクタ３３ｆの間に形成される接合層３３ｅは、Ｎｉ及び／またはＮｉＯと希土類元素を含有するＺｒＯ_２とからなるものである。接合層３３ｅ中のＮｉ化合物のＮｉ換算量は全量中３５〜８０体積％が望ましく、さらに５０〜７０体積％が望ましい。Ｎｉを３５体積％以上とすることで、Ｎｉによる導電パスが増加し、接合層３３ｅの伝導度が向上し、電圧降下が小さくなる。また、Ｎｉを８０体積％以下とすることで、支持基板３３ａとインターコネクタ３３ｆの間の熱膨張係数差を小さくすることができ、両者の界面の亀裂の発生を抑制できる。

また、電位降下が小さくなるという点から接合層３３ｅの厚みは２０μｍ以下が望ましく、さらに、１０μｍ以下が望ましい。

中希土類元素や重希土類元素の酸化物の熱膨張係数は、固体電解質３３ｃのスカンジウムを固溶せしめたＺｒＯ_２の熱膨張係数より小さく、Ｎｉとのサーメット材としての支持基板３３ａの熱膨張係数を固体電解質３３ｃの熱膨張係数に近づけることができ、固体電解質３３ｃのクラックや、固体電解質３３ｃの燃料側電極３３ｂからの剥離を抑制できる。熱膨張係数が小さい重希土類元素酸化物を用いることで、支持基板３３ａ中のＮｉを多くでき、支持基板３３ａの電気伝導度を上げることができるという点からも重希土類元素酸化物を用いることが望ましい。

なお、軽希土類元素のＬａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄの酸化物は、希土類元素酸化物の熱膨張係数の総和が固体電解質３３ｃの熱膨張係数未満である範囲であれば、中希土類元素、重希土類元素に加えて含有されていても何ら問題はない。

また、精製途中の安価な複数の希土類元素を含む複合希土類元素酸化物を用いることにより原料コストを大幅に下げることができる。その場合も、複合希土類元素酸化物の熱膨張係数は固体電解質３３ｃの熱膨張係数未満であることが望ましい。

また、インターコネクタ３３ｆ表面にＰ型半導体、例えば、遷移金属ペロブスカイト型酸化物からなる集電膜３３ｇを設けることが望ましい。インターコネクタ３３ｆ表面に直接金属の集電部材を配して集電すると非オーム接触により、電位降下が大きくなる。オーム接触をし、電位降下を少なくするためには、インターコネクタ３３ｆにＰ型半導体からなる集電膜３３ｇを接続する必要があり、Ｐ型半導体である遷移金属ペロブスカイト型酸化物を用いることが望ましい。遷移金属ペロブスカイト型酸化物としては、ランタン−マンガン系酸化物、ランタン−鉄系酸化物、ランタン−コバルト系酸化物、又は、それらの複合酸化物の少なくとも一種からなることが望ましい。特に、集電膜３３ｇは酸素側電極材料からなることが望ましい。

支持基板３３ａの主面に設けられた燃料側電極３３ｂは、Ｎｉと希土類元素が固溶したＺｒＯ_２とから構成される。この燃料側電極３３ｂの厚みは１〜３０μｍであることが望ましい。燃料側電極３３ｂの厚みを１μｍ以上とすることで、燃料側電極３３ｂとしての３層界面が十分に形成される。また、燃料側電極３３ｂの厚みを３０μｍ以下とすることで固体電解質３３ｃとの熱膨張差による界面剥離を防止できる。

固体電解質３３ｃの厚みは、５〜１００μｍであることが望ましい。固体電解質３３ｃの厚みを５μｍ以上とすることで、ガス透過を防止できる。また、固体電解質３３ｃの厚みを１００μｍ以下にすることで、抵抗成分の増加を抑制できる。特に、燃料電池セル３３の発電能力を向上させるため、支持基板３３ａの一方主面に形成された固体電解質３３ｃの厚みは２０μｍ以下であることが望ましい。一方、固体電解質３３ｃの厚みが薄くなるほど、クラックが発生しやすくなるため、本発明を好適に用いることができる。

また、強度を高くし、かつ７００〜８００℃の温度域でも発電性能を高くするために、固体電解質を、スカンジウムを固溶せしめて安定化した酸化ジルコニウムから形成されている。スカンジウムは、３〜１５モル％の量で酸化ジルコニウムに固溶されることが望ましい。固溶量が３モル％より少ないと、イオン伝導度が低くなり、発電性能が低下する。固溶量が１５モル％より多くても、イオン伝導度が低くなり、発電性能が低下する。特に、固溶量が８〜１２モル％であると、イオン伝導度が高くなり、発電性能が向上する。Ｓｃ以外に、さらにイオン伝導度を高くするという点から酸化セリウムを０．５〜２モル％含有することが望ましい。

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い。

また、酸素側電極３３ｄは、遷移金属ペロブスカイト型酸化物のランタン−マンガン系酸化物、ランタン−鉄系酸化物、ランタン−コバルト系酸化物、または、それらの複合酸化物の少なくとも一種の多孔質の導電性セラミックスから構成されている。酸素側電極３３ｄは、８００℃程度の中温域での電気伝導性が高いという点から（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｆｅ，Ｃｏ）Ｏ_３系が望ましい。酸素側電極３３ｄ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３３ｆは、ランタン−クロム系酸化物材料からなり、支持基板３３ａの内外を流れる燃料ガス、酸素含有ガスの漏出を防止するため緻密体とされており、また、インターコネクタ３３ｆの内外面は、燃料ガス、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。

このインターコネクタ３３ｆの厚みは、３０〜２００μｍであることが望ましい。インターコネクタ３３ｆの厚みを３０μｍ以上とすることで、ガス透過を完全に防止でき、２００μｍ以下とすることで、抵抗成分の増加を抑制できる。

このインターコネクタ３３ｆの端部と固体電解質３３ｃの端部との間には、シール性を向上すべく例えば、ＮｉとＺｒＯ_２、あるいはＹ_２Ｏ_３からなる接合層を介在させても良い。

燃料電池セル３３では、緻密な固体電解質３３ｃは、支持基板３３ａの一方側主面のみならず、支持基板３３ａの側面を介して他方側主面のインターコネクタ端面まで形成されており、即ち両側の端部ｍを形成するように他方側主面にまで延設され、インターコネクタ３３ｅと接合している。なお、端部ｍは、発電に伴う加熱や冷却に伴い発生する熱応力を緩和するため、外側に凸となる曲面状となっていることが望ましい。

また、支持基板３３ａの一方側主面に設けられた緻密体である固体電解質３３ｃの厚みよりも、支持基板３３ａの側面に設けられた固体電解質３３ｃの厚みが厚いことが望ましい。このような燃料電池セル３３では、応力の集中しやすい導電性支持体３３ａの側面に設けられた固体電解質３３ｃの厚みを厚くすることで、緻密体の強度を増加させることができ、これにより、支持基板３３ａの側面に設けられた固体電解質３３ｃにおけるクラック発生を防止できる。

以上のような燃料電池セル３３の製法について説明する。先ず、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄの元素を除く希土類元素酸化物粉末とＮｉ及び／又はＮｉＯ粉末を混合し、この混合粉末に、有機バインダーと、溶媒とを混合した導電性支持基板材料を押し出し成形して、板状の支持基板成形体を作製し、これを乾燥、脱脂する。

また、希土類元素が固溶したＺｒＯ_２粉末と有機バインダーと溶媒を混合した固体電解質材料を用いてシート状の固体電解質成形体を作製する。

次に、Ｎｉ及び／又はＮｉＯ粉末と、希土類元素が固溶したＺｒＯ_２粉末と、有機バインダーと、溶媒とを混合し、作製した燃料側電極３３ｂとなるスラリーを、前記固体電解質成形体の一方側に塗布し、固体電解質成形体の一方側の面に燃料側電極塗布膜を形成する。

次に、支持基板成形体に、前記シート状の固体電解質成形体と燃料側電極成形体の積層体を、該燃料側電極成形体が支持基板成形体に当接するように積層巻き付けする。

次に、ランタン−クロム系酸化物粉末と、有機バインダーと、溶媒とを混合したインターコネクタ材料を用いてシート状のインターコネクタ成形体を作製する。

また、Ｎｉ及び／又はＮｉＯ粉末と、希土類元素が固溶したＺｒＯ_２粉末と、有機バインダーと、溶媒を混合したスラリーを用いてシート状の接合層成形体を作製する。

次に、インターコネクタ成形体と接合層成形体とを積層し、この積層体の接合層成形体側が、露出した支持基板成形体側に当接するように積層する。

これにより、支持基板成形体の一方側主面に、燃料側電極成形体、固体電解質成形体を順次積層するとともに、他方主面に接合層成形体、インターコネクタ成形体が積層された積層成形体を作製する。なお、各成形体はドクターブレードによるシート成形や印刷、スラリーディップ、スプレーによる吹き付けなどにより作製することができ、または、これらの組み合わせにより作製してもよい。

次に、積層成形体を脱脂処理し、酸素含有雰囲気中で１３００〜１６００℃で同時焼成する。

次に、Ｐ型半導体である遷移金属ペロブスカイト型酸化物粉末と、溶媒を混合し、ペーストを作製し、前記積層体をこのペースト中に浸漬し、固体電解質３３ｂ、インターコネクタ３３ｆの表面に酸素側電極成形体、集電膜成形体をそれぞれディッピングにより形成するか、または、直接スプレー塗布し、１０００〜１３００℃で焼き付けることにより、本発明の燃料電池セル３３を作製できる。

尚、燃料電池セル３３は、酸素含有雰囲気での焼成により、支持基板３３ａ、燃料側電極３３ｂ、接合層３３ｅ中のＮｉ成分が、ＮｉＯとなっているため、その後、支持基板３３ａ側から還元性の燃料ガスを流し、ＮｉＯを８００〜１０００℃で還元処理する。また、この還元処理は発電時に行ってもよい。

セルスタックは、図２に示すように、複数の燃料電池セル３３を所定間隔をおいて配置し、一方の燃料電池セル３３と他方の燃料電池セル３３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４３を介在させ、一方の燃料電池セル３３の支持基板３３ａを、該支持基板３３ａに設けられた接合層３３ｅ、インターコネクタ３３ｆ、集電膜３３ｇ、集電部材４３を介して他方の燃料電池セル３３の酸素側電極３３ｄに電気的に接続して構成されている。

集電部材４３は、耐熱性、耐酸化性、電気伝導性という点から、Ｐｔ、Ａｇ、Ｎｉ基合金、Ｆｅ−Ｃｒ鋼合金の少なくとも一種からなることが望ましい。尚、符号４２は、燃料電池セルを直列に接続するための導電部材である。

本発明の燃料電池は、図２のセルスタックを、収納容器内に収納して構成されている。この収納容器には、外部から水素等の燃料ガス及び空気等の酸素含有ガスを燃料電池セル３３に導入する導入管が設けられており、燃料電池セル３３が所定温度に加熱されることにより発電し、使用された燃料ガス、酸素含有ガスは燃焼し、燃焼ガスが収納容器外に排出される。

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、内側電極を酸素側電極から形成してもよい。また、酸素側電極３３ｄと固体電解質３３ｃとの間に、反応防止層を形成してもよい。また、支持基板３３ａと燃料側電極３３ｂを同じ組成で形成してもよく、例えば、ＮｉとＹ_２Ｏ_３を固溶したＺｒＯ_２を用いてもよい。即ち、支持基板３３ａが燃料側電極３３ｂを兼ねる場合であってもよい。

また、酸素側電極３３ｄ、集電膜３３ｇの成形法も種々の方法を用いてもよいことは勿論である。

先ず、平均粒径０．５μｍのＮｉＯ粉末と、平均粒径０．９μｍのＹ_２Ｏ_３粉末とを焼成―還元後における体積比率が、Ｎｉが４８体積％、Ｙ_２Ｏ_３が５２体積％になるように混合し、有機バインダーと溶媒にて作製した杯土を押出し成型法にて成形し、乾燥、脱脂して支持基板成形体を作製した。

次に平均粒径０．５μｍのＮｉ粉末とＹ_２Ｏ_３が固溶したＺｒＯ_２粉末と有機バインダーと溶媒を混合したスラリーを作製し、前記支持基板成形体に、スクリーン印刷法にて塗布、乾燥して、燃料側電極用のコーティング層を形成した。

次に、表１に示す量のスカンジウムが固溶したＺｒＯ_２と、比較例として８ｍｏｌ％のＹ_２Ｏ_３が固溶したＺｒＯ_２粉末をそれぞれ有機バインダーと溶媒とを混合して得られたスラリーを、ドクターブレード法にて固体電解質層用シートをそれぞれ作製し、支持基板成形体上の燃料側電極用のコーティング層に貼り付け、乾燥した。即ち、固体電解質層用シート及び燃料側電極用のコーティング層を、支持基板成形体の一方側主面から側面を介して他方側主面に至るまで延設した。

次に、支持基板成形体、および燃料側電極のコーティング層、固体電解質成形体を積層した積層成形体を１０００℃にて仮焼処理した。

次にＣｅＯ_２を８５モル％、Ｓｍ_２Ｏ_３を１５モル％含む複合酸化物（以下ＳＤＣ１５）にアクリル系バインダーとトルエンを添加し、混合して作製した元素拡散防止層のスラリーを、得られた仮焼体の固体電解質成形体の表面にスクリーン印刷法にて塗布した。

また、ＬａＣｒＯ_３系酸化物と、有機バインダーと溶媒を混合したスラリーを作製し、これを、露出した支持基板成形体の他方側主面上に積層し、酸素含有雰囲気中において１４８５℃で同時焼成した。

次に、平均粒径０．８μｍのＬａ_０．６Ｓｒ_０．４Ｃｏ_０．８Ｆｅ_０．２Ｏ_３粉末と、凝集度１３〜１６に調製したＳＤＣ１５を混合し、得られたスラリーを積層体の元素拡散防止層の表面に印刷塗布を行い、１３０℃にて乾燥して酸素側電極成形体を作製するとともに、上記Ｌａ_０．６Ｓｒ_０．４Ｃｏ_０．８Ｆｅ_０．２Ｏ_３粉体とイソプロピルアルコールとを混合して得られたスラリーをインターコネクタ上に印刷塗布し、集電膜成形体を形成し、１０５０℃で焼き付け、酸素極層及び集電膜を形成し、図１に示すような燃料電池セルを作製した。

尚、作製した燃料電池セルの寸法は２５ｍｍ×２００ｍｍで、支持基板の厚さは２〜５ｍｍ、開気孔率３５％、燃料側電極の厚さは１０μｍ、開気孔率２４％、酸素側電極の厚さは５０μｍ、開気孔率４０％、固体電解質層の厚さは１０〜５０μｍ、相対密度は９７％、元素拡散防止層の厚みは５μｍであった。

次に、この燃料電池セルの内部に、水素ガスを流し、８５０℃で、支持基板及び燃料側電極の還元処理を施した。

得られた燃料電池セルの燃料ガス流路に燃料ガスを流通させ、セルの外側に酸素含有ガスを流通させ、燃料電池セルを電気炉を用いて７５０℃まで加熱し、発電試験を行った。このときの発電特性を確認した。

また、表１に記載した固体電解質原料を用い、これらの原料に固形分として２．５％のＰＶＡを添加した粉末を作製し、１０００ｋｇｆ／ｃｍ２のプレス圧で６ｍｍ×４６ｍｍ×５ｍｍの大きさの成形体を作製した。この成形体を１４８５℃で２時間、大気中で焼成した。得られたテストピースを用いて、７５０℃での大気中での電気伝導度を４端子法によって測定した。さらに４点曲げによって固体電解質材料の強度を評価した（ＪＩＳ−Ｒ１６０１）。さらに同時焼成後のセルの固体電解質表面に発生する残留応力と、セルを４％水素−９６％窒素混合ガスによって、８５０℃で１６時間還元処理したセルの固体電解質表面に発生する残留応力をＸ線回折のジルコニアのピークシフトから求めることによって残留応力を計算し、還元処理前後の変化量を求めた。これらの結果を表１に記載した。

この表から、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．８では、固体電解質の電気抵抗が小さくなることによって、発電特性が大きく向上することが分かった。また、Ｓｃ_２Ｏ_３を含有するＮｏ．１〜Ｎｏ．８試料では、８ＹＳＺを固体電解質材料とした試料Ｎｏ．９に比較して強度が大きくなり、また７０℃における電気伝導度も大きく、さらに還元時に固体電解質に発生する残留応力も小さくなり、安定であることが分かった。

本発明の燃料電池セルを示す断面斜視図である。本発明のセルスタックを示す横断面図である。従来の燃料電池セルを示す横断面図である。

３３・・・燃料電池セル
３３ａ・・・導電性支持体
３３ｂ・・・燃料側電極（内側電極）
３３ｃ・・・固体電解質
３３ｄ・・・酸素側電極（外側電極）
３３ｆ・・・インターコネクタ
３４・・・ガス流路

Claims

希土類元素酸化物とＮｉ及び／又はＮｉＯとからなり、ガス流路を有する多孔質の支持基板の一方側主面に、少なくとも緻密な固体電解質、多孔質の外側電極を順次設け、他方側主面にランタン−クロム系酸化物材料からなる緻密なインターコネクタを設けてなる燃料電池セルであって、前記固体電解質が、スカンジウムを固溶せしめた酸化ジルコニウムからなるとともに、前記支持基板の側面を介して前記支持基板の他方側主面に形成されたインターコネクタ端面まで延設されており、前記支持基板と前記インターコネクタとの間に、Ｎｉ及び／又はＮｉＯと希土類元素を含有するＺｒＯ _２とからなる接合層が設けられていることを特徴とする燃料電池セル。
前記固体電解質と前記インターコネクタとの間にＮｉとＺｒＯ _２あるいはＹ _２Ｏ _３とからなる接合層が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セル。
請求項１又は請求項２に記載の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。
分散型発電用として用いられることを特徴とする請求項３記載の燃料電池。