JP4544874B2 - 燃料電池セル及び燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、酸素含有ガスと水素含有ガスに接する緻密なインターコネクタを具備する燃料電池セル及び燃料電池に関するものである。

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３は、従来の固体電解質形燃料電池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１を整列集合させ、隣り合う一方の燃料電池セル１ａと他方の燃料電池セル１ｂとの間に金属フェルトからなる集電部材５を介在させ、一方の燃料電池セル１ａの燃料極７と他方の燃料電池セル１ｂの酸素極（空気極）１１とを電気的に接続して構成されていた。

燃料電池セル１（１ａ、１ｂ）は、円筒状のサーメットからなる燃料極７（内部が燃料ガス通路となる）の外周面に、固体電解質９、導電性セラミックスからなる酸素極１１を順次設けて構成されており、固体電解質９や酸素極１１によって覆われていない燃料極７の表面には、インターコネクタ１３が設けられている。図３から明らかなように、このインターコネクタ１３は、酸素極１１に接続しないように燃料極７と電気的に接続されている。

インターコネクタ１３は、燃料ガス及び空気等の酸素含有ガスで変質しにくい導電性セラミックスにより形成されているが、この導電性セラミックスは、燃料極７の内部を流れる燃料ガスと酸素極１１の外側を流れる酸素含有ガスとを確実に遮断するために、緻密なものでなければならない。

また、互いに隣り合う燃料電池セル１ａ、１ｂの間に設けられる集電部材５は、インターコネクタ１３を介して一方の燃料電池セル１ａの燃料極７に電気的に接続され、且つ他方の燃料電池セル１ｂの酸素極１１に接続されており、これにより、隣り合う燃料電池セルは、直列に接続されている。

燃料電池は、上記の構造を有するセルスタックを収納容器内に収容して構成され、燃料極７の内部に燃料ガス（水素）を流し、酸素極１１に空気（酸素）を流して１０００℃程度で発電される。

上述した燃料電池を構成する燃料電池セルにおいては、一般に、燃料極７が、Ｎｉと、Ｙ_２Ｏ_３を含有するＺｒＯ_２（ＹＳＺ）とから形成され、固体電解質９がＹ_２Ｏ_３を含有するＺｒＯ_２（ＹＳＺ）から形成され、酸素極１１はランタンマンガネート系のペロブスカイト型複合酸化物から構成されている。また、インターコネクタ１３は、一般にランタンクロマイト系磁器から構成され、固体電解質９を構成するＹＳＺとの熱膨張係数差を調整するため、ＬａＣｒＯ_３にＴｉ、Ｍｇ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ及びＺｎ等の元素が少なくとも一種固溶されており、これらの熱膨張調整元素の酸化物を存在させていた（例えば、特許文献１、２参照）。
特開平１１−３７２０号公報 特開２００１−３４２０５６号公報

しかしながら、上記のようなインターコネクタを用いると、固体電解質との熱膨張差を調整できるものの、インターコネクタ中のＭｇ、Ｔｉ等の熱膨張調整元素の酸化物は発電温度で水素を脱離吸着する性質があることが新たに分かった。そのため、燃料極内部を流れる水素をインターコネクタで完全にセパレートできず、燃料利用率が低いという問題があった。

本発明は、酸素含有ガスと水素含有ガスとをインターコネクタで確実にセパレートできる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、多孔質の支持体上に、多孔質の内側電極、緻密質の固体電解
質および多孔質の外側電極がこの順に設けられた発電部を備えるとともに、該発電部が設けられていない部位に酸素含有ガスと水素含有ガスとに接する緻密質のインターコネクタを具備する燃料電池セルであって、前記インターコネクタは、前記支持体側に配置されている、ＬａＣｒＯ_３系酸化物と、Ｍｇ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、ＳｒおよびＣａのうち少なくとも一種の酸化物とを含有する熱膨張調整層と、該熱膨張調整層の表面に配置されている、ＬａＣｒＯ_３系酸化物を含有し、Ｍｇ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、ＳｒおよびＣａの酸化物を含有していない水素非吸着層とを有することを特徴とする。このような燃料電池セルでは、インターコネクタが、Ｍｇ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、ＳｒおよびＣａの酸化物を含有しない水素非吸着層を有するため、発電中においても、水素を脱離吸着しない水素非吸着層により水素をインターコネクタで完全にセパレートでき、燃料利用率を向上できる。また、内側電極とは別に、支持体を設けたことで、燃料電池セルの強度を保持することができる。

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により環状体を形成しており、該環状体の内外に供給される前記酸素含有ガスと前記水素含有ガスとが遮断されていることが望ましく、さらに、前記内側電極が、前記環状体の内側で前記水素含有ガスに晒される燃料側電極であることが望ましい。このような燃料電池セルでは、固体電解質とインターコネクタによって、燃料ガスである水素含有ガスと酸素含有ガスとをセパレートすることができる。

前記固体電解質は、安定化ジルコニア又はランタンガレート系磁器であることが望ましい。また、燃料電池セルの形状が中空平板形状であることが望ましい。

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容してなることを特徴とする。上記したように、燃料電池セルの燃料利用率を向上できるため、燃料電池としても燃料利用率を向上できる。

本発明の燃料電池セルでは、インターコネクタが、前記支持体側に配置されている、ＬａＣｒＯ_３系酸化物と、Ｍｇ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、ＳｒおよびＣａのうち少なくとも一種の酸化物とを含有する熱膨張調整層と、該熱膨張調整層の表面に配置されている、ＬａＣｒＯ_３系酸化物を含有し、Ｍｇ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、ＳｒおよびＣａの酸化物を含有していない水素非吸着層を有するため、発電中においても、水素をインターコネクタで完全にセパレートでき、燃料利用率を向上できる。また、内側電極とは別に、支持体を設けたことで、燃料電池セルの強度を保持することができる。

本発明の燃料電池セルの横断面を示す図１において、全体として３０で示す燃料電池セルは、断面が扁平状で、全体的に見て細長基板状の導電性支持体（以下、支持体と略す場合がある。）３１を備えている。支持体３１の内部には、適当な間隔で複数の燃料ガス通路３１ａが長さ方向に貫通して形成されており、燃料電池セル３０は、この支持体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２に示すように、集電部材４０により互いに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。

支持体３１は、図１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とからなっている。平坦部Ａの両面は互いにほぼ平行に形成されており、平坦部Ａの一方の面と両側の弧状部Ｂを覆うように燃料側電極３２が設けられており、さらに、この燃料側電極３２を覆うように、緻密質の固体電解質３３が積層されており、この固体電解質３３の上には、燃料側電極３２と対面するように、平坦部Ａの一方の表面に酸素極３４が積層されている。

また、燃料側電極３２及び固体電解質３３が積層されていない平坦部Ａの他方の表面には、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、燃料側電極３２及び固体電解質３３は、インターコネクタ３５の両サイドにまで延びており、支持体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、燃料側電極３２の酸素極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３４の外側に空気等の酸素含有ガスを流し、かつ支持体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３４で下記式（１）の電極反応を生じ、また燃料側電極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、支持体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。

（支持体）
上記のような構造を有する燃料電池セル３０において、支持体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目的で、鉄属金属成分とＹ_２Ｏ_３等の希土類元素酸化物とから支持体３１を構成する。

鉄族金属成分は、支持体３１に導電性を付与するためのものであり、鉄族金属単体であってもよいし、また鉄族金属酸化物、鉄族金属の合金もしくは合金酸化物であってもよい。鉄族金属には、鉄、ニッケル及びコバルトがあり、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を鉄族成分として含有していることが好ましい。

また希土類元素酸化物は、支持体３１の熱膨張係数を、固体電解質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近似させるために使用されるものである。特に支持体３１の熱膨張係数を安定化ジルコニア等の固体電解質材料と近似させるという点で、上述した鉄族成分は、支持体３１中に３５〜６５体積％の量で含まれ、希土類元素酸化物は、支持体３１中に３５〜６５体積％の量で含まれていることが好適である。特に、支持体３１の希土類元素酸化物はＹ_２Ｏ_３が望ましい。

尚、支持体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。

上記のような支持体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、支持体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、支持体３１の平坦部Ａの長さは、通常、１５〜３５ｍｍ、弧状部Ｂの長さ（弧の長さ）は、３〜８ｍｍ程度であり、支持体３１の厚みは（平坦部Ａの両面の間隔）は２．５〜５ｍｍ程度であることが望ましい。

（燃料側電極）
本発明において、燃料側電極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。

燃料側電極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、この燃料側電極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。

また、図１の例では、この燃料側電極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３４が設けられている側の平坦部Ａにのみ燃料側電極３２が形成されていてもよい。さらには、支持体３１の全周にわたって燃料側電極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３３と支持体３１との接合強度を高めるために、固体電解質３３の全体が燃料側電極３２上に形成されていることが好適である。

（固体電解質）
この燃料側電極３２上に設けられている固体電解質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）と呼ばれる緻密質の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、高イオン伝導性を有するという点からＹ、Ｙｂ、Ｓｃが望ましい。なお、固体電解質３３が、Ｙを固溶したＺｒＯ _２ から形成されている場合に、本発明の燃料電池セル３０は、インターコネクタ３５がＬａＣｒＯ _３ 系酸化物と、Ｍｇ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、ＳｒおよびＣａのうち少なくとも一種の酸化物とを含有する熱膨張調整層を有することから、インターコネクタ３５の接合側の熱膨張係数を固体電解質３３に近づけることができ、発電中における燃料電池セル３０の破損をさらに抑制できる。

この固体電解質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）
酸素極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）
上記の酸素極３４に対面する位置において、支持体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）が使用される。また、支持体３１の内部を通る燃料ガス及び支持体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。

さらに、本発明では、インターコネクタ３５は、支持体との接合側に形成された熱膨張調整層３５ａと、該熱膨張調整層３５ａの表面に形成された水素吸着元素酸化物を含有しない水素非吸着層３５ｂとから構成されている。

燃料電池セルを構成する支持体等は固体電解質の熱膨張係数に近づけるように制御されており、従来、ＬａＣｒＯ_３に、Ｍｇ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、ＳｒおよびＣａのうち少なくとも一種の熱膨張調整元素を固溶させ、かつＬａＣｒＯ_３の粒界にＭｇ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、ＳｒおよびＣａのうち少なくとも一種の酸化物を存在させることが行われているが、本発明の熱膨張調整層３５ａも、同様な構成とされている。

一方、Ｍｇ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、ＳｒおよびＣａの酸化物は、熱膨張係数を調整できるものの、水素を吸着する性質をも有するため、本発明では、これらの水素吸着元素酸化物（熱膨張調整元素酸化物）を含有しない水素非吸着層３５ｂを有する。

熱膨張調整層３５ａの厚みは薄い方が望ましいが、水素非吸着層３５ｂよりも厚いことが望ましい。上記したように水素非吸着層３５ｂは熱膨張調整元素酸化物を含有していないため、固体電解質との熱膨張係数差が大きいが、熱膨張調整層３５ａの厚みを水素非吸着層３５ｂよりも厚くすることにより、インターコネクタの剥離等を抑制できる。水素非吸着層３５ｂの厚みは、１０〜５０μｍであることが望ましい。この厚みとすることにより、燃料ガス利用率を向上し、インターコネクタの剥離等を抑制できる。

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。

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３３が密着しているが、シール性を高めるために、例えば、Ｎｉ及び／又はＮｉとＹＳＺ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３３との間に設けることもできる。

水素非吸着層３５ｂの外面（上面）には、Ｐ型半導体層３９を設けることが好ましい。即ち、この燃料電池セルから組み立てられるセルスタック（図２参照）では、インターコネクタには、導電性の集電部材４０が接続されるが、集電部材４０を直接インターコネクタに直接接続すると、非オーム接触により、電位降下が大きくなってしまい、集電性能が低下してしまう。

しかるに、集電部材４０を、Ｐ型半導体層３９を介して水素非吸着層３５ｂに接続させることにより、両者の接触がオーム接触となり、電位降下を少なくし、集電性能の低下を有効に回避することが可能となり、例えば、一方の燃料電池セル３０の酸素極３４からの電流を、他方の燃料電池セル３０の支持体３１に効率良く伝達できる。このようなＰ型半導体としては、遷移金属ペロブスカイト型酸化物を例示することができる。

具体的には、インターコネクタ３５を構成するＬａＣｒＯ_３系酸化物よりも電子伝導性が大きいもの、例えば、ＢサイトにＭｎ、Ｆｅ、Ｃｏなどが存在するＬａＭｎＯ_３系酸化物、ＬａＦｅＯ_３系酸化物、ＬａＣｏＯ_３系酸化物などの少なくとも一種からなるＰ型半導体セラミックスを使用することができる。このようなＰ型半導体層３９の厚みは、一般に、３０〜１００μｍの範囲にあることが好ましい。

また、インターコネクタ３５は、固体電解質３３が設けられていない側の支持体３１の平坦部分Ａ上に直接設けることもできるが、この部分にも燃料側電極３２を設け、この燃料側電極３２上にインターコネクタ３５を設けることもできる。即ち、燃料側電極３２を支持体３１の全周にわたって設け、この燃料側電極３２上にインターコネクタ３５を設けることができる。即ち、燃料側電極３２を介してインターコネクタを支持体３１上に設けた場合には、支持体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、Ｙ_２Ｏ_３粉末と、有機バインダーと、溶媒とを混合してスラリーを調製し、このスラリーを用いて押出成形により、支持体成形体を作製し、これを乾燥する。

次に、燃料側電極形成用材料（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側電極用のシートを作製する。また、燃料側電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体成形体の所定位置に塗布し乾燥して、燃料側電極用のコーティング層を形成してもよい。

さらに、安定化ジルコニア粉末と、有機バインダーと、溶媒とを混合してスラリーを調製し、このスラリーを用いて固体電解質用シートを作製する。

上記のようにして形成された支持体成形体、燃料側電極用シート及び固体電解質用シートを、例えば図１に示すような層構造となるように積層し、乾燥する。この場合、支持体成形体の表面に燃料側電極用のコーティング層が形成されている場合には、固体電解質用シートのみを支持体成形体に積層し、乾燥すればよい。

この後、インターコネクタのシート状成形体を作製する。先ず、Ｍｇ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、ＳｒおよびＣａのうち少なくとも一種が固溶した市販のＬａＣｒＯ_３粉末を準備し、これに有機バインダー及び溶媒を混合しスラリーを調製して、水素非吸着層シートを作製し、一方、上記Ｍｇ等が固溶した市販のＬａＣｒＯ_３粉末に、Ｍｇ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、ＳｒおよびＣａのうち少なくとも一種の酸化物粉末、有機バインダー及び溶媒を混合しスラリーを調製して、熱膨張調整層シートを作製し、水素非吸着層シートと熱膨張調整層シートを積層し、インターコネクタのシート状成形体を作製した。

水素非吸着層シートを形成する市販のＬａＣｒＯ_３粉末には、不可避不純物として、Ｆｅ、Ｃａ等を含有する可能性もあるが、これらの不可避不純物は、焼成時にＬａＣｒＯ_３中に固溶し、ＬａＣｒＯ_３の粒界には存在しない。一方、ＬａＣｒＯ_３粉末に添加されたＭｇ等の酸化物は、一部は、ＬａＣｒＯ_３に固溶するが、殆どが粒界に酸化物として存在する。

このインターコネクタ用シートを、熱膨張調整層シートが積層体の所定位置に当接するように積層し、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ー処理し、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、及び必要により、Ｐ型半導体層形成用材料（例えば、ＬａＦｅＯ_３系酸化物粉末）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、支持体３１や燃料側電極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。

（セルスタック）
セルスタックは、図２に示すように、上述した燃料電池セル３０が複数集合して、上下に隣接する一方の燃料電池セル３０と他方の燃料電池セル３０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４０を介在させ、両者を互いに直列に接続することにより構成されている。即ち、一方の燃料電池セル３０の支持体３１は、熱膨張調整層３５ａ、水素非吸着層３５ｂ、Ｐ型半導体層３９、集電部材４０を介して、他方の燃料電池セル３０の酸素極３４に電気的に接続されている。また、このようなセルスタックは、図２に示すように、サイドバイサイドに配置されており、隣接するセルスタック同士は、導電部材４２によって直列に接続されている。

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、余剰の燃料ガス、酸素含有ガスは燃焼して、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、支持体の形状を円筒状とすることも可能であるし、酸素極と固体電解質との間に、適当な導電性を有する中間層を形成することも可能である。また、固体電解質の内側に酸素極を形成しても良い。

先ず、平均粒径０．５μｍのＮｉＯ粉末と、Ｙ_２Ｏ_３粉末（平均粒径は０．６〜０．９μｍ）を、焼成後におけるＮｉＯがＮｉ換算で４８体積％、Ｙ_２Ｏ_３が５２体積％になるようにして混合し、有機バインダーと溶媒にて作製した杯土を押出成形法にて成形を行い、これを乾燥、脱脂して支持体成形体を作製した。

次に平均粒径０．５μｍのＮｉ粉末と希土類元素が固溶したＺｒＯ_２粉と有機バインダーと溶媒を混合した燃料側電極用のスラリーを作製し、前記支持体成形体に、スクリーン印刷法にて塗布、乾燥し積層体とする。

次に１０ｍｏｌ％のスカンジアが固溶したＺｒＯ_２粉末と有機バインダーと溶媒とを混合して得られたスラリーをドクターブレード法にて４０μｍのシートを作製し、支持体成形体に密着液にて貼り付け、乾燥を行う。乾燥後、積層体を作製した。

次に、支持体成形体、および燃料側電極成形体、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。得られた仮焼体の固体電解質側には拡散防止層として、Ｃｅ、Ｓｍを含む複合酸化物と有機バインダーを混合して作製したスラリーをスクリーン印刷法にて、焼き上げ時の厚みが１０μｍになるように塗布し、乾燥した。

次に固体電解質成形体と反対側の面には集電およびガスセパレートを目的とし、インターコネクタのシート状成形体を積層した。インターコネクタ成形体は、Ｍｇ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、ＳｒおよびＣａのうち少なくとも一種（Ｍと記す）により、表１に示すｙ量だけ置換された市販のＬａ（Ｍ_ｙＣｒ_１−ｙ）_０．９６Ｏ_３粉末を準備し、これにアクリルバインダー及び溶媒を混合しスラリーを調製して、ドクターブレード法にて水素非吸着層シートを作製し、Ｍｇ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、ＳｒおよびＣａのうち少なくとも一種（Ｍと記す）が、０．３モルだけ置換された市販のＬａ（Ｍ_０．３Ｃｒ_０．７）_０．９６Ｏ_３粉末に、この粉末１００質量部に対してＭｇ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、ＳｒおよびＣａのうち少なくとも一種の酸化物粉末を１０質量部だけ添加し、アクリルバインダー及び溶媒を混合しスラリーを調製して、ドクターブレード法にて熱膨張調整層シートを作製し、水素非吸着層シートと熱膨張調整層シートを積層し、インターコネクタのシート状成形体を作製した。

このインターコネクタのシート状成形体を、熱膨張調整層シートが積層体の所定位置に当接するように積層した後、乾燥後、酸素含有雰囲気中、１４７０℃で同時焼成した。

次に、平均粒径０．７μｍのＬａ_０．６Ｓｒ_０．４Ｃｏ_０．６Ｆｅ_０．４Ｏ_３粉末と、イソプロピルアルコールからなる混合液を作製し、前記積層体の固体電解質の表面に噴霧塗布し、酸素極成形体を形成し、１０５０℃で焼き付け、酸素極を形成し、燃料電池セルを作製した。

なお、作製した燃料電池セルの寸法は２５ｍｍ×１５０ｍｍで、導電性支持体の厚みは３ｍｍ、燃料側電極の厚みは１０μｍ、酸素極の厚みは５０μｍ、面積は２５ｃｍ^２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、導電性支持体および燃料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、燃料電池セルを管状炉を用いて７５０℃まで加熱し、０．４４Ａ／ｃｍ^２の電流密度にて発電した際の燃料利用率を、燃料供給量を絞りながら電圧を測定し、急激な電圧低下が発生する直前のガス量を求めて算出した。尚、熱膨張調整層は、ＭｇＯ、Ｆｅ_２Ｏ_３、ＣｏＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＴｉＯとして１０質量部添加した。

この表１から、熱膨張調整層だけ有する比較例の試料Ｎｏ．６，８，１０，１２，１４，１６，１８，２０では、燃料利用率が７２％以下であり、水素非吸着層が形成されていない比較例の試料Ｎｏ．２１では、熱膨張の不一致により焼成時にインターコネクタが剥離してしまった。

これに対して、熱膨張調整層と水素非吸着層を有する本発明の試料では、熱膨張調整層を拡散移動してきた水素を水素非吸着層で遮断するために水素の漏れを防ぐことができ、結果として燃料利用率９０％以上が達成できる。

本発明の燃料電池セルを示すもので、（ａ）は横断面図、（ｂ）は断面斜視図である。 複数の燃料電池セルにより形成された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からなるセルスタックを示す横断面図である。

符号の説明

３１・・・導電性支持体
３１ａ・・・燃料ガス通路
３２・・・燃料側電極
３３・・・固体電解質
３４・・・酸素極
３５・・・インターコネクタ
３５ａ・・・熱膨張調整層
３５ｂ・・・水素非吸着層

Claims (6)

1. 多孔質の支持体上に、多孔質の内側電極、緻密質の固体電解質および多孔質の外側電極がこの順に設けられた発電部を備えるとともに、該発電部が設けられていない部位に酸素含有ガスと水素含有ガスとに接する緻密質のインターコネクタを具備する燃料電池セルであって、
   前記インターコネクタは、前記支持体側に配置されている、ＬａＣｒＯ_３系酸化物と、Ｍｇ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、ＳｒおよびＣａのうち少なくとも一種の酸化物とを含有する熱膨張調整層と、該熱膨張調整層の表面に配置されている、ＬａＣｒＯ_３系酸化物を含有し、Ｍｇ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、ＳｒおよびＣａの酸化物を含有していない水素非吸着層とを有することを特徴とする燃料電池セル。
2. 前記固体電解質と前記インターコネクタとにより環状体を形成しており、該環状体の内外に供給される前記酸素含有ガスと前記水素含有ガスとが遮断さ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。
3. 前記内側電極が前記水素含有ガスに晒される燃料側電極であることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池セル。
4. 前記固体電解質は、安定化ジルコニア又はランタンガレート系磁器であ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燃料電池セル。
5. 請求項１乃至４のうちいずれかに記載の燃料電池セルの形状が中空平板形状であることを特徴とする燃料電池セル。
6. 請求項１乃至５のうちいずれかに記載の燃料電池セル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。

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