(57)【要約】【課題】燃料電池セルの耐酸化性（ロバスト性）を向上させることにより、電流が遮断された燃料供給が停止された非常停止時などにおいても、固体電解質膜などの緻密膜が短時間で損傷するのを抑制する。【解決手段】一実施形態に係る燃料電池セルスタックは、基体と、該基体上に該基体側から順に積層された燃料側電極、固体電解質膜及び酸素側電極を夫々含む複数の燃料電池セルと、前記複数の燃料電池セルのうち隣り合う前記燃料電池セルの前記燃料側電極と前記酸素側電極とを電気的に接続するインタコネクタ膜と、隣り合う前記燃料電池セルの前記燃料側電極間の領域において、少なくとも前記インタコネクタ膜を覆う多孔質セラミック膜と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体と、
該基体上に該基体側から順に積層された燃料側電極、固体電解質膜及び酸素側電極を夫々含む複数の燃料電池セルと、
前記複数の燃料電池セルのうち隣り合う前記燃料電池セルの前記燃料側電極と前記酸素側電極とを電気的に接続するインタコネクタ膜と、
隣り合う前記燃料電池セルの前記燃料側電極間の領域において、少なくとも前記インタコネクタ膜を覆う多孔質セラミック膜と、
を備えることを特徴とする燃料電池セルスタック。
【請求項２】
前記インタコネクタ膜は、前記燃料側電極間の領域で第１の燃料側電極から第２の燃料側電極に向かい、前記第２の燃料側電極の手前まで延在することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セルスタック。
【請求項３】
前記インタコネクタ膜は、前記燃料側電極間の領域で第１の燃料側電極から第２の燃料側電極に向かい、前記第２の燃料側電極に達するまで延在することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セルスタック。
【請求項４】
前記第２の燃料側電極は、前記第１の燃料側電極に向かって厚さが漸減する傾斜部を有し、前記インタコネクタ膜は前記傾斜部の傾斜方向中間部まで延在することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池セルスタック。
【請求項５】
前記インタコネクタ膜は、前記傾斜部の傾斜方向３０％以上７０％以下の領域まで延在することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池セルスタック。
【請求項６】
前記多孔質セラミック膜は、前記燃料側電極間の領域で第１の燃料側電極から第２の燃料側電極に向かい、前記第２の燃料側電極まで延在し、
前記第２の燃料側電極は、前記第１の燃料側電極に向かって厚さが漸減する傾斜部を有し、前記多孔質セラミック膜は前記傾斜部の少なくとも一部の領域まで延在することを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の燃料電池セルスタック。
【請求項７】
前記多孔質セラミック膜は前記傾斜部の傾斜方向１／２以下の領域まで延在することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池セルスタック。
【請求項８】
前記固体電解質膜は、前記燃料側電極間の領域において、前記インタコネクタ膜より前記基体側に設けられると共に、第２の燃料側電極から第１の燃料側電極まで延在することを特徴とする請求項１乃至７の何れか一項に記載の燃料電池セルスタック。
【請求項９】
前記多孔質セラミック膜は気孔率が１０％以上６０％以下の材料で構成されることを特徴とする請求項１乃至８の何れか一項に記載の燃料電池セルスタック。
【請求項１０】
前記インタコネクタ膜は気孔率が０．１％以上５％以下の材料で構成されることを特徴とする請求項１乃至９の何れか一項に記載の燃料電池セルスタック。
【請求項１１】
前記固体電解質膜は、膜厚が５μｍ以上２０μｍ以下の膜で構成されることを特徴とする請求項１乃至１０の何れか一項に記載の燃料電池セルスタック。
【請求項１２】
請求項１乃至１１の何れか一項に記載の燃料電池セルスタックを複数集合させて構成されたことを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項１３】
請求項１２に記載の燃料電池モジュールと、
前記燃料電池モジュールから排気される排燃料ガスと排酸化性ガスとを用いて回転動力を発生させる回転機器と、
を備え、
前記燃料電池モジュールには、前記回転動力を用いて圧縮された前記酸化性ガスが供給され、前記燃料電池モジュールは、前記燃料ガスと前記圧縮された酸化性ガスを用いて発電することを特徴とする発電システム。
【請求項１４】
前記回転機器は、ガスタービン又はターボチャージャで構成されることを特徴とする請求項１３に記載の発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、燃料電池セルスタック、該燃料電池セルスタックを備える燃料電池モジュール、及び該燃料電池モジュールを備える発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
次世代エネルギとして、燃料側電極、電解質及び酸素側電極で構成される燃料電池セルを最小単位とし、燃料側電極に供給される燃料ガスと酸素側電極に供給される酸化性ガスとを化学反応させて発電する燃料電池が知られている。
このうち、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）（Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）は、電解質としてジルコニアセラミックスなどのセラミックスが用いられ、都市ガス、天然ガス、石油、メタノール、石炭ガス化ガスなどを燃料として運転される燃料電池である。このようなＳＯＦＣは、イオン伝導率を高めるために作動温度が約７００〜１０００℃程度と高く、用途の広い高効率な高温型燃料電池として知られている。ＳＯＦＣは、例えばガスタービンやマイクロガスタービン及びターボチャージャ等の回転機器と組み合わせ、運転圧力を高めることでより高効率の発電が可能となる。また、このような加圧発電システムにおいて、圧縮機から吐出される圧縮空気を酸化性ガスとしてＳＯＦＣの酸素側電極に供給すると共に、ＳＯＦＣから排出される高温の排燃料ガスを、ガスタービンなどの回転機器入口の燃焼器に供給して燃焼させ、燃焼器で発生した高温の燃焼ガスで回転機器を回転させることで、動力の回収を図ることができる。
【０００３】
燃料電池モジュールは、例えば、複数の燃料電池セルでセルスタックを形成し、容器内に収納された複数のセルスタックで発電室を形成するように構成される。燃料電池セルは、内部に燃料ガス通路と酸化性ガス通路を有し、該燃料ガス通路に燃料ガス供給管から燃料ガスを供給し、該酸化性ガス通路に酸化性ガス供給管から酸化性ガス（例えば空気）を供給する。
【０００４】
セルスタックは、燃料電池セルが担持される基体の形状によって、例えば、円筒形や平板形に形成される。特許文献１には、円筒形の基体管の表面に燃料電池セルを構成する各素材を塗布し焼成する円筒形セルスタックの製造方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３０６４０８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
燃料電池の実用化においては、性能向上によるコスト低減と共に、燃料電池セルの耐酸化性（ロバスト性）の向上が求められる。ＳＯＦＣなど固体電解質膜を備える燃料電池セルにおいては、固体電解質膜を薄膜化することで性能向上が図れるが、薄膜化により膜強度が低下するため、温度変化によって発生する熱応力などによってクラックが発生しやすくなる。クラックが発生すると、異常や故障が発生して燃料ガスの供給が停止した緊急時に、高温環境下で酸化性ガスが燃料側電極に侵入し、短時間で燃料側電極が酸化し損傷するおそれがある。
【０００７】
本開示に係る一実施形態は、燃料電池セルの耐酸化性（ロバスト性）を向上させることにより、燃料ガスの供給が遮断された非常停止時などにおいても、燃料電池セルを構成する固体電解質膜などの緻密膜が短時間で損傷するのを抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（１）一実施形態に係る燃料電池セルスタックは、
基体と、
該基体上に該基体側から順に積層された燃料側電極、固体電解質膜及び酸素側電極を夫々含む複数の燃料電池セルと、
前記複数の燃料電池セルのうち隣り合う前記燃料電池セルの前記燃料側電極と前記酸素側電極とを電気的に接続するインタコネクタ膜と、
隣り合う前記燃料電池セルの前記燃料側電極間の領域において、少なくとも前記インタコネクタ膜を覆う多孔質セラミック膜と、
を備える。
【０００９】
一般に、燃料電池セルスタックを構成する複数の燃料電池セルの各々は、酸化性ガスを透過させない緻密膜で構成される固体電解質膜及びインタコネクタ膜が複数の燃料電池セルの燃料側電極を覆うように設けられることで、酸素側電極側の酸化性ガスが燃料側電極側へ侵入するのを防止するようにしている。しかし、隣り合う燃料電池セルの燃料側電極間の領域においては、燃料側電極の温度差による熱変化量が大きいために、局所的な応力が発生しやすい。特に、インタコネクタ膜の端部は他部材との熱膨張率の違いによって応力集中が生じやすい。そこで、上記（１）の構成によれば、隣り合う燃料電池セルの燃料側電極間の領域において、少なくともインタコネクタ膜を覆うように多孔質セラミック膜を設けることで、該多孔質セラミック膜が固体電解質膜やインタコネクタ膜に発生する応力を緩和し、上記緻密膜の損傷を抑制することで、燃料電池セルの耐酸化性（ロバスト性）を向上できる。
【００１０】
なお、ここで、「酸化性ガス」とは、酸素を略１５％〜３０％含むガスであり、代表的には空気が好適であるが、空気以外にも燃焼排ガスと空気の混合ガスや、酸素と空気の混合ガスなどが使用できる。
【００１１】
多孔質セラミック膜はインタコネクタ膜を覆うように設けることでインタコネクタ膜の強度部材として機能し、燃料側電極の温度差により燃料側電極間領域の固体電解質膜やインタコネクタ膜に発生する応力を緩和する作用を有する。また、多孔質セラミック膜は緻密膜に比べ局部発生応力が小さく、たとえ固体電解質膜やインタコネクタ膜で微小なクラックが発生してもクラックの伸展を抑制できる。
【００１２】
（２）一実施形態では、前記（１）の構成において、
前記インタコネクタ膜は、前記燃料側電極間の領域で第１の燃料側電極から第２の燃料側電極に向かい、前記第２の燃料側電極の手前まで延在する。
上記（２）の構成によれば、インタコネクタ膜が、燃料側電極間領域に延在することで、燃料側電極間領域でインタコネクタ膜と多孔質セラミック膜の二層組織を形成できる。これによって、燃料側電極間領域で耐酸化性を向上できる。
【００１３】
（３）一実施形態では、前記（１）の構成において、
前記インタコネクタ膜は、前記燃料側電極間の領域で第１の燃料側電極から第２の燃料側電極に向かい、前記第２の燃料側電極に達するまで延在する。
上記（３）の構成によれば、インタコネクタ膜は第１の燃料側電極から第２の燃料側電極に達するまで延在するため、燃料側電極間領域の全域を上記二層組織で覆うことができる。これによって、燃料側電極間領域で耐酸化性を向上できる。
【００１４】
（４）一実施形態では、前記（３）の構成において、
前記第２の燃料側電極は、前記第１の燃料側電極に向かって厚さが漸減する傾斜部を有し、前記インタコネクタ膜は前記傾斜部の傾斜方向中間部まで延在する。
上記（４）の構成によれば、インタコネクタ膜が第２の燃料側電極の傾斜部の傾斜方向中間部まで延在することで、燃料側電極間領域で耐酸化性を向上できる。また、インタコネクタ膜は上記傾斜部の中間部を越えて延在しないので、第２の燃料側電極側で形成される発電面積を減少させない。従って、発電性能の低下をまねかない。
【００１５】
（５）一実施形態では、前記（４）の構成において、
前記インタコネクタ膜は、前記傾斜部の傾斜方向３０％以上７０％以下の領域まで延在する。
上記（５）の構成によれば、インタコネクタ膜が第２の燃料側電極の傾斜部の傾斜方向３０〜７０％の領域まで延在するため、燃料側電極間領域の耐酸化性を向上できると共に、発電性能の低下をまねかない。
【００１６】
（６）一実施形態では、前記（１）〜（５）の何れかの構成において、
前記多孔質セラミック膜は、前記燃料側電極間の領域で第１の燃料側電極から第２の燃料側電極に向かい、前記第２の燃料側電極まで延在し、
前記第２の燃料側電極は、前記第１の燃料側電極に向かって厚さが漸減する傾斜部を有し、前記多孔質セラミック膜は前記傾斜部の少なくとも一部の領域まで延在する。
上記（６）の構成によれば、多孔質セラミック膜は、第１の燃料側電極から第２の燃料側電極の傾斜部の少なくとも一部の領域まで延在するので、燃料側電極間領域において発生する応力を緩和し、緻密膜の損傷を抑制することで、耐酸化性を向上できる。他方、多孔質セラミック膜は、第２の燃料側電極の傾斜部を越えて第２の燃料側電極側へ延在しないので、第２の燃料側電極側の発電性能を低下させない。
【００１７】
（７）一実施形態では、前記（６）の構成において、
前記多孔質セラミック膜は前記傾斜部の傾斜方向１／２以下の領域まで延在する。
上記（７）の構成によれば、多孔質セラミック膜は、第１の燃料側電極から第２の燃料側電極の傾斜部の傾斜方向１／２以下の領域まで延在するので、燃料側電極間領域の耐酸化性を向上できると共に、上記傾斜部の傾斜方向１／２を越えて第２の燃料側電極側へ延在しないので、第２の燃料側電極の外側に設けられた酸素側電極の薄肉化をまねかず、そのため、酸素側電極の性能低下をまねかない。
【００１８】
（８）一実施形態では、前記（１）〜（７）の何れかの構成において、
前記固体電解質膜は、前記燃料側電極間の領域において、前記インタコネクタ膜より前記基体側に設けられると共に、第２の燃料側電極から第１の燃料側電極まで延在する。
上記（８）の構成によれば、固体電解質膜が燃料側電極間領域に延在するので、燃料側電極間領域で膜厚が厚い固体電解質膜を形成できる。これによって燃料側電極間領域の固体電解質膜の強度を高めることができ、耐酸化性を向上できる。
【００１９】
（９）一実施形態では、前記（１）〜（８）の何れかの構成において、
前記多孔質セラミック膜は気孔率が１０％以上６０％以下の材料で構成される。
上記（９）の構成によれば、多孔質セラミック膜は気孔率が１０％以上の材料で構成されるため、燃料側電極間領域で発生する応力を緩和でき、６０％以下とすることで酸素のガス拡散による透過量を低減できる。また、該多孔質セラミック膜は局所的な応力が発生しにくいので、たとえ固体電解質膜やインタコネクタ膜でクラックが発生しても、多孔質セラミック膜でクラックの伸展を食い止めることができる。
【００２０】
（１０）一実施形態では、前記（１）〜（９）の何れかの構成において、
前記インタコネクタ膜は気孔率が０．１％以上５％以下の材料で構成される。
上記（１０）の構成によれば、インタコネクタ膜は０．１％以上の気孔率を有しているため微小なクラックの伸展を低減でき、かつ５％以下の気孔率であるため膜を貫通する気孔はなく、燃料側電極間領域を含め、酸化性ガスの侵入を抑制でき、燃料電池セルの耐酸化性を向上できる。
【００２１】
（１１）一実施形態では、前記（１）〜（１０）の何れかの構成において、
前記固体電解質膜は、膜厚が５μｍ以上２０μｍ以下ので構成される。
上記（１１）の構成によれば、固体電解質膜は膜厚が２０μｍ以下の薄い膜で構成されるため、従来より発電性能を向上できるとともに、５μｍ以上なので必要な膜強度を維持できる。
【００２２】
（１２）一実施形態に係る燃料電池モジュールは、
前記（１）〜（１１）の何れかの構成を有する燃料電池セルスタックを複数集合させて構成される。
上記（１２）の構成によれば、耐酸化性（ロバスト性）を向上させた燃料電池セルスタックを備えるため、耐久性を向上できる。これによって、補修頻度を低減でき、運転を長く継続できるので、発電効率を向上できる。  
【００２３】
（１３）一実施形態に係る発電システムは、
前記（１２）の構成を有する燃料電池モジュールと、
前記燃料電池モジュールから排気される排燃料ガスと排酸化性ガスとを用いて回転動力を発生させる回転機器と、
を備え、
前記燃料電池モジュールには、前記回転動力を用いて圧縮された前記酸化性ガスが供給され、前記燃料電池モジュールは、前記燃料ガスと前記圧縮された酸化性ガスを用いて発電する。
上記（１３）の構成によれば、本開示に係る上記目的を達成しつつ、燃料電池モジュールに圧縮された酸化性ガスを供給できるので、発電効率を向上できると共に、燃料電池モジュールから排気される排燃料ガスと排酸化性ガスとを用いて回転動力を発生させるため、発電効率を向上できると共に、発電システムの所要動力を低減できる。
【００２４】
（１４）一実施形態では、前記（１３）の構成において、
前記回転機器は、ガスタービン又はターボチャージャで構成される。
上記（１４）の構成によれば、発電効率の向上及び発電システムの所要動力低減に加えて、回転機器がガスタービンである場合、燃料電池モジュールとガスタービンとで複合発電が可能になる。
【発明の効果】
【００２５】
幾つかの実施形態によれば、燃料ガスの供給が遮断された非常停止時などにおいても酸化性ガスが燃料側電極側に侵入することによる固体電解質膜及びインタコネクタ膜の損傷を抑制し、燃料電池セルの耐酸化性（ロバスト性）を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】一実施形態に係る燃料電池セルスタックの模式的縦断面図である。
【図２】一実施形態に係る燃料電池セルスタックの縦断面図である。
【図３】一実施形態に係る燃料電池セルスタックの縦断面図である。
【図４】一実施形態に係る発電システムの系統図である。
【図５】一実施形態に係る発電システムの系統図である。
【図６】幾つかの実施形態に係る燃料電池セルスタックの耐酸化性を計測した結果を示すグラフである。
【図７】従来の燃料電池セルスタックの縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、添付図面を参照して、本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、これらの実施形態に記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状及びその相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一つの構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
【００２８】
図１は一実施形態に係る燃料電池セルスタックの縦断面を模式的に示し、図２及び図３は、幾つかの実施形態に係る燃料電池セルスタックの縦断面図である。図７は、従来の燃料電池セルスタックの縦断面図である。
【００２９】
図１〜図３において、幾つかの実施形態に係る燃料電池セルスタック１０（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ）は、基体１２と、基体１２上に担持された複数の燃料電池セル１４とを備える。複数の燃料電池セル１４の各々は、基体１２側から順に積層された膜状の燃料側電極１６、固体電解質膜１８及び酸素側電極２０を備える。隣り合う燃料電池セル１４の燃料側電極１６と酸素側電極２０とは、導電性を有するインタコネクタ膜２２によって電気的に接続されている。インタコネクタ膜２２によって、基体１２に担持される複数の燃料電池セル１４は電気的に直列に接続される。
【００３０】
基体１２側に燃料ガスｆが流れる流路が形成され、酸素側電極２０側に酸化性ガスａが流れる流路が形成される。酸化性ガスａとして例えば空気が用いられる。燃料ガスｆ及び酸化性ガスａを原料とし、燃料側電極１６及び酸素側電極２０で夫々起こる化学反応によって、酸素イオンが固体電解質膜１８を透過し発電が起る。インタコネクタ膜２２によって電気的に直列接続された電力は、基体１２の端部に設けられたリード膜（不図示）によって取り出される。燃料電池モジュールは、複数のセルスタック１０で構成される発電室を備える。各燃料電池セル１４は、隣り合う燃料電池セル１４の燃料側電極１６間の領域Ｒ０（図１参照）において、少なくともインタコネクタ膜２２を覆う多孔質セラミック膜２４を備える。
【００３１】
酸化性ガスａを透過させない緻密膜で構成される固体電解質膜１８及びインタコネクタ膜２２が複数の燃料電池セル１４の燃料側電極を覆うように設けられるため、酸素側電極２０側の酸化性ガスａが燃料側電極１６側へ侵入するのを防止している。しかし、隣り合う燃料電池セル１４の燃料側電極間領域Ｒ０においては、燃料側電極１６の温度差による熱変化量が大きいために、局所的な応力が発生しやすく、特に、インタコネクタ膜２２の端部は他部材との熱膨張率の違いや焼成時の熱膨張率の違い等によって応力集中が起りやすい。
【００３２】
以下、燃料電池セルスタック１０に異常や故障が発生して燃料ガスの供給が遮断された負荷遮断時に、燃料電池セル１４が損傷するメカニズムを説明する。
（１）負荷が遮断されると発電に伴う発熱がなくなるため燃料電池セル１４（固体電解質膜１８付近）の温度が急激に低下して収縮し、これによって、領域Ｒ０に引張り応力が発生する。固体電解質膜１８及びインタコネクタ膜２２の膜厚が小さいと、これらの緻密膜にクラックが発生する。なお、基体１２は熱容量が他の構成材料にくらべ圧倒的に熱容量が大きく基本的に温度変化しない。
↓
（２）クラックを通して酸素側電極２０側から酸素が燃料側電極１６側に侵入し、燃料側電極１６が酸化され、体積が膨張する。
↓
（３）燃料側電極１６の体積膨張によって燃料側電極１６に接する固体電解質膜１８にクラックが発生し、燃料ガスｆのリークが発生する。
↓
（４）燃料電池セル１４でリークした燃料ガスｆが燃焼し、燃料電池セル１４の性能が低下し、損傷が拡大する。
【００３３】
本実施形態では、領域Ｒ０において、多孔質セラミック膜２４が少なくともインタコネクタ膜２２を覆うように設けられるため、インタコネクタ膜２２の強度部材として機能し、燃料側電極１６の温度差により燃料側電極間領域の固体電解質膜１８やインタコネクタ膜２２に発生する応力を緩和する作用を有する。また、多孔質セラミック膜２４は局所的な応力が発生しにくいので、たとえ固体電解質膜１８又はインタコネクタ膜２２で微細なクラックが発生しても、クラックの伸展を抑制できるため、多孔質セラミック膜２４が酸化性ガスａの侵入を抑制できる。こうして、燃料電池セル１４の耐酸化性（ロバスト性）を向上できる。
【００３４】
図１において、隣り合う燃料側電極１６間に形成される領域Ｒ０（Ｏ）は、燃料側電極１６の温度差による熱変化量が大きいために、局所的な応力が発生しやすい領域である。領域Ｒ１（Ｘ）は、燃料電池セル１４の発電性能に影響しない領域であり、この領域に多孔質セラミック膜２４が設けられており、領域Ｒ１に多孔質セラミック膜２４が設けられても、発電性能に影響しない。領域Ｒ２（Ｏ＋Ｍ＋Ｎ）は、発電性能への影響が軽微である領域であり、領域Ｒ３（Ｏ＋Ｍ＋Ｎ＋Ｐ）は、発電性能への影響を少なくできる最大領域である。インタコネクタ膜２２及び多孔質セラミック膜２４の設置領域が領域Ｐを越えると、発電性能が低下する。
【００３５】
燃料電池セル１４を構成する各素子の厚さはミクロン単位で構成される。各素子のうち酸素側電極２０の膜厚が最大である。多孔質セラミック膜２４は、２０〜１００μｍ程度とするのがよい。これより薄いと応力緩和効果が低減し、逆に厚過ぎると酸素側電極２０が薄肉化し、酸素側電極２０の性能が低下するおそれがある。
【００３６】
一実施形態では、多孔質セラミック膜２４はインタコネクタ膜２２と同一材料で構成される。多孔質セラミック膜２４は、還元膨張性、熱膨張率及び耐酸化性でインタコネクタ膜２２と同様の性質が求められるので、インタコネクタ膜２２と同一材料とするのがよい。例えば、インタコネクタ膜２２及び多孔質セラミック膜２４にＳｒＴｉＯ３系の材料を用いる。また、多孔質セラミック膜２４は、還元雰囲気に晒されることを考慮した材料を用いるとよい。例えば、インタコネクタ膜２２及び多孔質セラミック膜２４にランタンクロマイトやＳｒＴｉＯ３等を用いる。
【００３７】
図７は、従来の燃料電池セルスタック１００を示す。燃料電池セルスタック１００は、基体１０２と、基体１０２上に担持された複数の燃料電池セル１０４とを備える。複数の燃料電池セル１０４は、夫々基体１０２側から順に積層された燃料側電極１０６、固体電解質膜１０８及び酸素側電極１１０を備える。隣り合う燃料電池セル１０４の燃料側電極１０６と酸素側電極１１０とは、導電性を有するインタコネクタ膜１１２によって電気的に接続されている。これによって、基体１０２に担持される複数の燃料電池セル１０４は電気的に直列に接続される。
【００３８】
基体１０２側に燃料ガスｆが流れる流路が形成され、酸素側電極１１０側に酸化性ガスａが流れる流路が形成される。そして、燃料電池セルスタック１０と同様に、燃料ガスｆ及び酸化性ガスａを原料とし、燃料側電極１０６及び酸素側電極１１０で夫々起こる化学反応によって、酸素イオンが固体電解質膜１０８を透過し発電が起る。基体１０２毎にインタコネクタ膜１１２によって取り出された電力は、基体１０２の端部に設けられたリード膜（不図示）によって取り出される。燃料電池セルスタック１００は、多孔質セラミック膜２４を備えていないため、図１〜図３に示す実施形態と比べて、耐酸化性（ロバスト性）が劣る。
【００３９】
一実施形態では、図１に示すように、燃料側電極１６と固体電解質膜１８との間に燃料側電極反応層２６を介在させる。また、固体電解質膜１８と酸素側電極２０との間に酸素側電極反応層２８を介在させる。さらに、インタコネクタ膜２２と酸素側電極２０との間にインタコネクタ中間層３０を介在させる。これらの反応層及び中間層は各素子間の接合面の反応抵抗を低減するために設けられる。
【００４０】
一実施形態では、図１及び図２に示す燃料電池セルスタック１０（１０Ａ、１０ｂ）において、インタコネクタ膜２２は、領域Ｒ０で燃料側電極１６（１６ａ）（第１の燃料側電極）から燃料側電極１６（１６ｂ）（第２の燃料側電極）に向かい、燃料側電極１６（１６ｂ）の手前まで延在する。
この実施形態によれば、インタコネクタ膜２２が、領域Ｒ０に延在することで、領域Ｒ０でインタコネクタ膜２２と多孔質セラミック膜２４の二層組織を形成できる。これによって、領域Ｒ０で燃料側電極側への酸化性ガスａの侵入を抑制でき、耐酸化性を向上できる。
【００４１】
一実施形態では、図３に示す燃料電池セルスタック１０（１０Ｃ）において、インタコネクタ膜２２は、領域Ｒ０で燃料側電極１６（１６ａ）から燃料側電極１６（１６ｂ）に向かい、燃料側電極１６（１６ｂ）に達するまで延在する。
この実施形態によれば、領域Ｒ０の全域をインタコネクタ膜２２及び多孔質セラミック膜２４の二層組織で覆うことができるので、領域Ｒ０で燃料側電極１６側への酸化性ガスａの侵入を抑制でき、耐酸化性を向上できる。
【００４２】
一実施形態では、図３に示すように、燃料側電極１６（１６ｂ）は、燃料側電極１６（１６ａ）に向かって厚さが漸減する傾斜部３２を有し、インタコネクタ膜２２は傾斜部３２の傾斜方向中間部まで延在する。
この実施形態によれば、インタコネクタ膜２２が傾斜部３２の傾斜方向中間部まで延在するため、領域Ｒ０における酸化性ガスａの侵入を抑制できると共に、傾斜部３２の中間部を越えて延在しないので、燃料側電極１６（１６ｂ）側で形成される発電面積を減少させない。そのため、発電性能が低下しない。
【００４３】
一実施形態では、インタコネクタ膜２２は、傾斜部３２の傾斜方向３０％以上７０％以下の領域まで延在する。
この実施形態によれば、インタコネクタ膜２２が傾斜部３２の傾斜方向３０〜７０％の領域まで延在するため、領域Ｒ０の耐酸化性を向上できると共に、燃料側電極１６（１６ｂ）側の発電性能が低下しない。
【００４４】
一実施形態では、図２及び図３に示すように、多孔質セラミック膜２４は、領域Ｒ０で燃料側電極１６（１６ａ）から燃料側電極１６（１６ｂ）に向かって燃料側電極１６（１６ｂ）まで延在し、かつ燃料側電極１６（１６ｂ）の傾斜部３２の少なくとも一部の領域まで延在している。
この実施形態によれば、多孔質セラミック膜２４は、領域Ｒ０において固体電解質膜１８及びインタコネクタ膜２２に発生する応力を緩和し、固体電解質膜１８及びインタコネクタ膜２２等の緻密膜の損傷を抑制するため、燃料電池セル１４の耐酸化性を向上できる。他方、多孔質セラミック膜２４は、傾斜部３２を越えて燃料側電極１６（１６ｂ）側へ延在しないので、燃料側電極１６（１６ｂ）側で起こる発電反応による発電性能を低下させない。
【００４５】
一実施形態では、多孔質セラミック膜２４は傾斜部３２の傾斜方向１／２以下の領域まで延在する。この実施形態によれば、多孔質セラミック膜２４によって領域Ｒ０の耐酸化性を向上できると共に、傾斜部３２の傾斜方向１／２を越えて燃料側電極１６（１６ｂ）側へ延在しないので、燃料側電極１６（１６ｂ）の外側に設けられた酸素側電極２０の薄肉化をまねかず、従って、酸素側電極２０の性能低下をまねかない。
【００４６】
一実施形態では、固体電解質膜１８は、領域Ｒ０において、インタコネクタ膜２２より基体１２側に設けられると共に、燃料側電極１６（１６ｂ）から燃料側電極１６（１６ａ）まで延在する。
この実施形態によれば、固体電解質膜１８が領域Ｒ０に充填されるため、領域Ｒ０で膜厚が大きい固体電解質膜を形成できる。これによって、燃料側電極間領域の固体電解質膜１８の強度を高めることができ、燃料電池セル１４の耐酸化性を向上できる。
【００４７】
一実施形態では、多孔質セラミック膜２４は気孔率が１０％以上の材料で構成されるため、燃料側電極間領域で発生する応力を緩和でき、他方、６０％以下とすることで酸素のガス拡散による透過量を低減できる。また、多孔質セラミック膜２４は局所的な応力が発生しにくいので、たとえ固体電解質膜１８やインタコネクタ膜２２でクラックが発生しても、多孔質セラミック膜２４でクラックの伸展を食い止めることができる。
【００４８】
一実施形態では、インタコネクタ膜２２は気孔率が０．１〜５％の材料で構成される。この構成によれば、インタコネクタ膜２２は０．１％以上の気孔率を有しているため微小なクラックの伸展を低減でき、かつ５％以下の気孔率であるため膜を貫通する気孔はなく、燃料側電極間領域Ｒ０を含め、酸化性ガスａの侵入を抑制でき、燃料電池セル１４の耐酸化性を向上できる。これによって、インタコネクタ膜２２は領域Ｒ０を含め、酸化性ガスａの侵入を抑制でき、燃料電池セル１４の耐酸化性を向上できる。
【００４９】
一実施形態では、固体電解質膜１８は、膜厚（端部ではなく基体１２の表面に沿う方向おける中央部の膜厚）が５〜２０μｍの膜状体で構成される。固体電解質膜１８を２０μｍ以下とすることで従来より薄肉化されるため、発電性能を向上できると共に、５μｍ以上とすることで、必要な膜強度を確保できる。
【００５０】
一実施形態では、基体１２は内側流路に燃料ガスｆが供給される基体管で構成される。燃料電池セルスタック１０は該基体管に複数の燃料電池セル１４が担持されて構成されるため、円筒形のセルスタックを形成する。
なお、別な実施形態では、燃料電池セルスタックは、平板形を有する基体に複数の燃料電池セル１４を担持した平板形又は扁平円筒形のセルスタックであってもよい。
【００５１】
一実施形態では、燃料電池セル１４は、固体電解質膜１８が固体酸化物で構成されるＳＯＦＣで構成される。ＳＯＦＣは、６５０〜１０００℃の高温で運転され、非常停止時に電流が遮断されると発電による発熱がなくなるため燃料電池セル１４付近の温度が急激に低下する。そのため、これにより領域Ｒ０に引張り応力が発生し、領域Ｒ０の固体電解質膜１８やインタコネクタ膜２２にクラックが発生し耐酸化性が低下する。これに対し、上記幾つかの実施形態によれば、耐酸化性を高めることができるので、非常停止時に電流が遮断されても、酸化性ガスａが燃料側電極１６側に達して固体電解質膜１８やインタコネクタ膜２２の損傷を抑制することができる。
【００５２】
基体１２は燃料電池セルの強度を保持するため、厚み１〜３ｍｍ程度、燃料を通すため多孔質であること（気孔率３０〜５０％程度）が望ましい。絶縁性を有する必要があるため、材質としては、ＣＳＺ、ＭｇＡｌ２Ｏ４、ＳｒＺｒＯ３等が用いられる。
【００５３】
燃料側電極１６は電子導電性が高いこと、熱膨張係数が固体電解質膜１８と同程度であること、多孔質であること、還元雰囲気で安定であることが要求される。この観点から、材質は、Ｎｉとジルコニア系酸化物のサーメット、Ｎｉとセリア系酸化物等が好ましい。また、気孔率３０〜５０％、厚みは５０〜２００μｍ程度が好ましい。
【００５４】
固体電解質膜１８は燃料と空気を遮断すること、酸素イオンを通すことが要求される。この観点から材質はＹＳＺ、ＳｃＳＺ、ＬＳＧＭ、セリア系酸化物が好ましく、気孔率は０．１〜５％程度、厚みは５〜５０μｍ（高出力化のためには５〜２０μｍ程度）が好ましい。
【００５５】
酸素側電極２０は電子導電性が高いこと、熱膨張係数が固体電解質膜１８と同程度であること、多孔質であること、酸化雰囲気で安定であることが要求される。この観点から、材質は、ランタンマンガナイト系、ランタンコバルト系、ランタン鉄系材料が好ましく、気孔率は３０〜５０％程度、厚みは１００〜１０００μｍ程度が好ましい。
【００５６】
インタコネクタ膜２２は燃料と空気を遮断すること、電子導電性が高いこと、固体電解質膜１８との熱膨張係数が近いことが要求される。この観点から、ＳｒＴｉＯ３系材料、ランタンクロマイト系材料が好ましく、気孔率は０．１〜５％程度、厚みは１０〜５０μｍ程度が好ましい。
【００５７】
多孔質セラミック膜２４は固体電解質膜１８及びインタコネクタ膜２２の応力を緩和できること、材料自身では酸素ガス透過性が低いこと、還元ガスの影響で膨張しないことが要求される。この観点からインタコネクタ膜２２と同じ材質が好ましく、ＳｒＴｉＯ３系材料、ランタンクロマイト系材料等が用いられる。気孔率は１０〜６０％、厚みは２０〜１００μｍ程度が好ましい。
【００５８】
一実施形態に係る燃料電池モジュール４２は、図４及び図５に示すように、上記各実施形態に係る燃料電池セルスタック１０を複数集合させて構成される。この燃料電池モジュール４２によれば、耐酸化性（ロバスト性）を向上させた複数の燃料電池セルスタック１０を備えるため、耐久性を向上できる。これによって、補修頻度を低減でき、運転を長く継続できるので、発電効率を向上できる。
【００５９】
燃料電池モジュールは、ＧＴＣＣ（Ｇａｓ  Ｔｕｒｂｉｎｅ  Ｃｏｍｂｉｎｅｄ  Ｃｙｃｌｅ：ガスタービンコンバインドサイクル発電）、ＭＧＴ（Ｍｉｃｒｏ  Ｇａｓ  Ｔｕｒｂｉｎｅ：マイクロガスタービン）、又はターボチャージャと組み合わされて利用される複合発電システムに適用されることがある。
【００６０】
図４は、一実施形態に係る発電システム４０（４０Ａ）を示す系統図である。図４において、発電システム４０（４０Ａ）は、上記構成の燃料電池モジュール４２と、ガスタービン４４（回転機器）とを備える。ガスタービン４４を構成する圧縮機４６に酸化性ガスａが供給され、酸化性ガスａは圧縮機４６で圧縮された後、燃料電池モジュール４２に供給される。燃料電池モジュール４２で発電のための化学反応に用いられた後の排酸化性ガスａ’及び排燃料ガスｆ’は、ガスタービン４４を構成する燃焼器５０に送られ、燃焼器５０で高温の燃焼ガスを生成する。この燃焼ガスを排気タービン４８で断熱膨張させることにより発生する回転動力により、発電機５２で電力が生成されると共に、この回転動力により圧縮機４６を駆動することで、圧縮ガスが発生する。この圧縮ガスを酸化性ガスａとして燃料電池モジュール４２に供給する。燃料電池モジュール４２は、圧縮された酸化性ガスａと燃料ガスｆを用いて発電する。
【００６１】
上記構成によれば、燃料電池モジュール４２内に耐酸化性（ロバスト性）を向上させた複数の燃料電池セルスタック１０を備えるため、耐久性を向上でき、補修頻度を低減できる。これによって、運転を長く継続でき、発電効率を向上できる。また、燃料電池モジュール４２に圧縮された酸化性ガスａを供給できるので、さらに発電効率を向上できる。また、燃料電池モジュール４２から排気される排酸化性ガスａ’と排燃料ガスｆ’で燃焼器５０を駆動させて回転動力を発生させるため、発電システム４０（４０Ａ）の所要動力を低減できる。さらに、燃料電池モジュール４２とガスタービン４４の両方で複合的に発電できるので、発電量を増加できる。
【００６２】
図５は、一実施形態に係る発電システム４０（４０Ｂ）を示す系統図である。発電システム４０（４０Ｂ）は、回転機器としてターボチャージャ５４が用いられる。図５において、ターボチャージャ５４を構成する圧縮機５６に酸化性ガスａを供給して圧縮し、圧縮された酸化性ガスａを燃料電池モジュール４２に供給する。燃料電池モジュール４２で発電のための化学反応に用いられた後の排酸化性ガスａ’及び排燃料ガスｆ’は、ターボチャージャ５４を構成する排気タービン５８に送られ、排気タービン５８を回転させて回転動力が発生する。この回転動力で圧縮機５６を駆動することで、圧縮ガスが発生する。
この実施形態によれば、燃料電池モジュール４２内に耐酸化性（ロバスト性）を向上させた複数の燃料電池セルスタック１０を備えるため、モジュール４２の耐久性を向上でき、補修頻度を低減できる。これによって、運転を長く継続でき、発電効率を向上できる。
【実施例】
【００６３】
（実施例１）
基体１２はＣＳＺ材料が選定され、押出成形用バインダ及び水とを適量混ぜ、混練機で混練した後、押出成形し、チューブ状にした。燃料側電極１６及び燃料側電極反応層２６についてはＮｉＯ材料とＹＳＺ材料の混合材料を選定し、この混合材料に有機ビヒクルを加え、３本ロールで混練した後、スラリ状にした。燃料側電極１６は前記スラリーを用いて基体１２の表面にスクリーン印刷法で成膜した。固体電解質膜１８についてはＹＳＺ材料を選定し有機ビヒクルを加え、スラリ状にした。固体電解質膜１８の厚みは４０μｍとした。インタコネクタ膜２２についてはＳｒＴｉＯ３材料を選定し、これに有機ビヒクルを加え、スラリ状にした。基体１２の表面に燃料側電極１６、燃料側電極反応層２６、固体電解質膜１８、インタコネクタ膜２２の順にスクリーン印刷法で成膜し、１４００〜１４５０℃で焼結させた（焼結体）。成膜の構成は図１に示す通りである。
【００６４】
多孔質セラミック膜２４についてはＳｒＴｉＯ３材料を選定し、これに有機ビヒクルを加え、スラリ状にした。インタコネクタ中間層３０についてはＬａＳｒＭｎＯ３組成の材料を選定し、これに有機ビヒクルを加え、スラリ状にした。酸素側電極反応層２８についてはＳＤＣ材料が選定され、これに有機ビヒクルを加え、スラリ状にした。酸素側電極２０についてはＬａＳｒＣａＭｎ系材料を選定し、これに有機ビヒクルを加え、スラリ状にした。上記焼結体の表面に多孔質セラミック膜２４、インタコネクタ中間層３０、酸素側電極反応層２８、酸素側電極２０の順にスクリーン印刷法で成膜し、１２００〜１３００℃で焼成した（焼成体）。さらに、上記焼成体を還元処理を施し燃料電池セル１４を作製した。
【００６５】
（実施例２）
固体電解質膜１８の厚みを２０μｍにした以外は実施例１と同様の工程で燃料電池セル１４を作製した。
【００６６】
（比較例）
多孔質セラミック膜２４を成膜しないこと以外は実施例１と同様の工程で燃料電池セル１０４を作製した。
【００６７】
図６は、燃料電池セル１４をＳＯＦＣで構成した円筒形セルスタックであって、実施例１、実施例２及び比較例の実験結果を示すグラフである。これらのセルスタックは、９００℃で通常発電した後、電流を遮断し燃料側電極１６への燃料ガスｆの供給のみを停止し（封じ込め）、その後、時間経過と共にセルスタックの電圧が低下する状況を計測したものである。図６から、多孔質セラミック膜２４が形成された実施例１及び２は比較例と比べ、封じ込め後の燃料電池セルの電圧の保持時間が長くなっており、固体電解質膜１８を薄膜化した実施例２においても、実施例１と同程度の電圧保持時間となっていることがわかる。このことから、インタコネクタ膜２２上の多孔質セラミック膜２４により酸化性ガスａが燃料側電極１６に侵入することによる固体電解質膜１８、インタコネクタ膜２２の損傷を抑制できることを確認した。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
幾つかの実施形態によれば、燃料電池セルスタックを構成する燃料電池セルの耐酸化性（ロバスト性）を向上でき、燃料ガスの供給が遮断された非常停止時などにおいても、酸化性ガスが燃料側電極側に侵入することによる固体電解質膜及びインタコネクタ膜の損傷を抑制できる。
【符号の説明】
【００６９】
１０（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ）、１００    燃料電池セルスタック
１２、１０２    基体
１４、１０４    燃料電池セル
１６（１６ａ、１６ｂ）、１０６    燃料側電極
１６（１６ａ）    燃料側電極（第１の燃料側電極）
１６（１６ｂ）    燃料側電極（第２の燃料側電極）
１８、１０８    固体電解質膜
２０、１１０    酸素側電極
２２、１１２    インタコネクタ膜
２４    多孔質セラミック膜
２６    燃料側電極反応層
２８    酸素側電極反応層
３０    インタコネクタ膜中間層
３２    傾斜部
４０（４０Ａ、４０Ｂ）    発電システム
４４    ガスタービン
４６、５６    圧縮機
４８、５８    排気タービン
５０    燃焼器
５２    発電機
５４    ターボチャージャ
Ｒ０    燃料側電極間領域
ａ      酸化性ガス
ａ’    排酸化性ガス
ｆ      燃料ガス
ｆ’    排燃料ガス
【図１】
2020140856.tif 000003
【図２】
2020140856.tif 000004
【図３】
2020140856.tif 000005
【図４】
2020140856.tif 000006
【図５】
2020140856.tif 000007
【図６】
2020140856.tif 000008
【図７】
2020140856.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】令和1年9月9日(2019.9.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体と、
該基体上に積層された燃料側電極、固体電解質膜及び酸素側電極を夫々含む複数の燃料電池セルと、
前記複数の燃料電池セルのうち隣り合う前記燃料電池セルの一方の前記燃料電池セルの前記燃料側電極と他方の前記燃料電池セルの前記酸素側電極とを電気的に接続するインタコネクタ膜と、
隣り合う前記燃料電池セルの一方の前記燃料電池セルの第１の燃料側電極と他方の前記燃料電池セルの第２の燃料側電極との間の領域において、少なくとも前記インタコネクタ膜を覆う多孔質セラミック膜と、
を備えることを特徴とする燃料電池セルスタック。
【請求項２】
前記インタコネクタ膜は、前記燃料側電極間の領域で前記第１の燃料側電極から前記第２の燃料側電極に向かい、前記第２の燃料側電極の手前まで延在することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セルスタック。
【請求項３】
前記インタコネクタ膜は、前記燃料側電極間の領域で前記第１の燃料側電極から前記第２の燃料側電極に向かい、前記第２の燃料側電極に達するまで延在することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セルスタック。
【請求項４】
前記第２の燃料側電極は、前記第１の燃料側電極に向かって厚さが漸減する傾斜部を有し、前記インタコネクタ膜は前記傾斜部の傾斜領域中間部まで延在することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池セルスタック。
【請求項５】
前記インタコネクタ膜は、前記傾斜部の傾斜方向３０％以上７０％以下の領域まで延在することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池セルスタック。
【請求項６】
前記多孔質セラミック膜は、前記燃料側電極間の領域で前記第１の燃料側電極から前記第２の燃料側電極に向かい、前記第２の燃料側電極まで延在し、
前記第２の燃料側電極は、前記第１の燃料側電極に向かって厚さが漸減する傾斜部を有し、前記多孔質セラミック膜は前記傾斜部の少なくとも一部の領域まで延在することを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の燃料電池セルスタック。
【請求項７】
前記多孔質セラミック膜は前記傾斜部の傾斜方向１／２以下の領域まで延在することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池セルスタック。
【請求項８】
前記固体電解質膜は、前記燃料側電極間の領域において、前記インタコネクタ膜より前記基体側に設けられると共に、前記第２の燃料側電極から前記第１の燃料側電極まで延在することを特徴とする請求項１乃至７の何れか一項に記載の燃料電池セルスタック。
【請求項９】
前記多孔質セラミック膜は気孔率が１０％以上６０％以下の材料で構成されることを特徴とする請求項１乃至８の何れか一項に記載の燃料電池セルスタック。
【請求項１０】
前記インタコネクタ膜は気孔率が０．１％以上５％以下の材料で構成されることを特徴とする請求項１乃至９の何れか一項に記載の燃料電池セルスタック。
【請求項１１】
前記固体電解質膜は、膜厚が５μｍ以上２０μｍ以下の膜で構成されることを特徴とする請求項１乃至１０の何れか一項に記載の燃料電池セルスタック。
【請求項１２】
前記多孔質セラミック膜と前記インタコネクタ膜とは同じ材質である、請求項１乃至１１の何れか一項に記載の燃料電池セルスタック。
【請求項１３】
請求項１乃至１２の何れか一項に記載の燃料電池セルスタックを複数集合させて構成されたことを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項１４】
請求項１３に記載の燃料電池モジュールと、
前記燃料電池モジュールから排気される排燃料ガスと排酸化性ガスとを用いて回転動力を発生させる回転機器と、
を備え、
前記燃料電池モジュールには、前記回転動力を用いて圧縮された前記酸化性ガスが供給され、前記燃料電池モジュールは、前記燃料ガスと前記圧縮された酸化性ガスを用いて発電することを特徴とする発電システム。
【請求項１５】
前記回転機器は、ガスタービン又はターボチャージャで構成されることを特徴とする請求項１４に記載の発電システム。
【請求項１６】
基板上に、燃料側電極と、燃料側電極反応層と、固体電解質膜と、インタコネクタ膜とを成膜し焼結させて焼結体を得るステップと、
前記焼結体上に、多孔質セラミック膜と、インタコネクタ中間層と、酸素側電極反応層と、酸素側電極とを成膜して焼成して焼成体を得るステップと、
前記焼成体に還元処理を施すステップと
を含む燃料電池セルスタックを作製する方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、燃料電池セルスタック、該燃料電池セルスタックを備える燃料電池モジュール、該燃料電池モジュールを備える発電システム及び燃料電池セルスタックを作製する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
次世代エネルギとして、燃料側電極、電解質及び酸素側電極で構成される燃料電池セルを最小単位とし、燃料側電極に供給される燃料ガスと酸素側電極に供給される酸化性ガスとを化学反応させて発電する燃料電池が知られている。
このうち、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）（Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）は、電解質としてジルコニアセラミックスなどのセラミックスが用いられ、都市ガス、天然ガス、石油、メタノール、石炭ガス化ガスなどを燃料として運転される燃料電池である。このようなＳＯＦＣは、イオン伝導率を高めるために作動温度が約７００〜１０００℃程度と高く、用途の広い高効率な高温型燃料電池として知られている。ＳＯＦＣは、例えばガスタービンやマイクロガスタービン及びターボチャージャ等の回転機器と組み合わせ、運転圧力を高めることでより高効率の発電が可能となる。また、このような加圧発電システムにおいて、圧縮機から吐出される圧縮空気を酸化性ガスとしてＳＯＦＣの酸素側電極に供給すると共に、ＳＯＦＣから排出される高温の排燃料ガスを、ガスタービンなどの回転機器入口の燃焼器に供給して燃焼させ、燃焼器で発生した高温の燃焼ガスで回転機器を回転させることで、動力の回収を図ることができる。
【０００３】
燃料電池モジュールは、例えば、複数の燃料電池セルでセルスタックを形成し、容器内に収納された複数のセルスタックで発電室を形成するように構成される。燃料電池セルは、内部に燃料ガス通路と酸化性ガス通路を有し、該燃料ガス通路に燃料ガス供給管から燃料ガスを供給し、該酸化性ガス通路に酸化性ガス供給管から酸化性ガス（例えば空気）を供給する。
【０００４】
セルスタックは、燃料電池セルが担持される基体の形状によって、例えば、円筒形や平板形に形成される。特許文献１には、円筒形の基体管の表面に燃料電池セルを構成する各素材を塗布し焼成する円筒形セルスタックの製造方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３０６４０８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
燃料電池の実用化においては、性能向上によるコスト低減と共に、燃料電池セルの耐酸化性（ロバスト性）の向上が求められる。ＳＯＦＣなど固体電解質膜を備える燃料電池セルにおいては、固体電解質膜を薄膜化することで性能向上が図れるが、薄膜化により膜強度が低下するため、温度変化によって発生する熱応力などによってクラックが発生しやすくなる。クラックが発生すると、異常や故障が発生して燃料ガスの供給が停止した緊急時に、高温環境下で酸化性ガスが燃料側電極に侵入し、短時間で燃料側電極が酸化し損傷するおそれがある。
【０００７】
本開示に係る一実施形態は、燃料電池セルの耐酸化性（ロバスト性）を向上させることにより、燃料ガスの供給が遮断された非常停止時などにおいても、燃料電池セルを構成する固体電解質膜などの緻密膜が短時間で損傷するのを抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（１）一実施形態に係る燃料電池セルスタックは、
基体と、
該基体上に積層された燃料側電極、固体電解質膜及び酸素側電極を夫々含む複数の燃料電池セルと、
前記複数の燃料電池セルのうち隣り合う前記燃料電池セルの一方の前記燃料電池セルの前記燃料側電極と他方の前記燃料電池セルの前記酸素側電極とを電気的に接続するインタコネクタ膜と、
隣り合う前記燃料電池セルの一方の前記燃料電池セルの第１の燃料側電極と他方の前記燃料電池セルの第２の燃料側電極との間の領域において、少なくとも前記インタコネクタ膜を覆う多孔質セラミック膜と、
を備える。
【０００９】
一般に、燃料電池セルスタックを構成する複数の燃料電池セルの各々は、酸化性ガスを透過させない緻密膜で構成される固体電解質膜及びインタコネクタ膜が複数の燃料電池セルの燃料側電極を覆うように設けられることで、酸素側電極側の酸化性ガスが燃料側電極側へ侵入するのを防止するようにしている。しかし、隣り合う燃料電池セルの燃料側電極間の領域においては、燃料側電極の温度差による熱変化量が大きいために、局所的な応力が発生しやすい。特に、インタコネクタ膜の端部は他部材との熱膨張率の違いによって応力集中が生じやすい。そこで、上記（１）の構成によれば、隣り合う燃料電池セルの燃料側電極間の領域において、少なくともインタコネクタ膜を覆うように多孔質セラミック膜を設けることで、該多孔質セラミック膜が固体電解質膜やインタコネクタ膜に発生する応力を緩和し、上記緻密膜の損傷を抑制することで、燃料電池セルの耐酸化性（ロバスト性）を向上できる。
【００１０】
なお、ここで、「酸化性ガス」とは、酸素を略１５％〜３０％含むガスであり、代表的には空気が好適であるが、空気以外にも燃焼排ガスと空気の混合ガスや、酸素と空気の混合ガスなどが使用できる。
【００１１】
多孔質セラミック膜はインタコネクタ膜を覆うように設けることでインタコネクタ膜の強度部材として機能し、燃料側電極の温度差により燃料側電極間領域の固体電解質膜やインタコネクタ膜に発生する応力を緩和する作用を有する。また、多孔質セラミック膜は緻密膜に比べ局部発生応力が小さく、たとえ固体電解質膜やインタコネクタ膜で微小なクラックが発生してもクラックの伸展を抑制できる。
【００１２】
（２）一実施形態では、前記（１）の構成において、
前記インタコネクタ膜は、前記燃料側電極間の領域で前記第１の燃料側電極から前記第２の燃料側電極に向かい、前記第２の燃料側電極の手前まで延在する。
上記（２）の構成によれば、インタコネクタ膜が、燃料側電極間領域に延在することで、燃料側電極間領域でインタコネクタ膜と多孔質セラミック膜の二層組織を形成できる。これによって、燃料側電極間領域で耐酸化性を向上できる。
【００１３】
（３）一実施形態では、前記（１）の構成において、
前記インタコネクタ膜は、前記燃料側電極間の領域で前記第１の燃料側電極から前記第２の燃料側電極に向かい、前記第２の燃料側電極に達するまで延在する。
上記（３）の構成によれば、インタコネクタ膜は第１の燃料側電極から第２の燃料側電極に達するまで延在するため、燃料側電極間領域の全域を上記二層組織で覆うことができる。これによって、燃料側電極間領域で耐酸化性を向上できる。
【００１４】
（４）一実施形態では、前記（３）の構成において、
前記第２の燃料側電極は、前記第１の燃料側電極に向かって厚さが漸減する傾斜部を有し、前記インタコネクタ膜は前記傾斜部の傾斜領域中間部まで延在する。
上記（４）の構成によれば、インタコネクタ膜が第２の燃料側電極の傾斜部の傾斜領域中間部まで延在することで、燃料側電極間領域で耐酸化性を向上できる。また、インタコネクタ膜は上記傾斜部の中間部を越えて延在しないので、第２の燃料側電極側で形成される発電面積を減少させない。従って、発電性能の低下をまねかない。
【００１５】
（５）一実施形態では、前記（４）の構成において、
前記インタコネクタ膜は、前記傾斜部の傾斜方向３０％以上７０％以下の領域まで延在する。
上記（５）の構成によれば、インタコネクタ膜が第２の燃料側電極の傾斜部の傾斜方向３０〜７０％の領域まで延在するため、燃料側電極間領域の耐酸化性を向上できると共に、発電性能の低下をまねかない。
【００１６】
（６）一実施形態では、前記（１）〜（５）の何れかの構成において、
前記多孔質セラミック膜は、前記燃料側電極間の領域で前記第１の燃料側電極から前記第２の燃料側電極に向かい、前記第２の燃料側電極まで延在し、
前記第２の燃料側電極は、前記第１の燃料側電極に向かって厚さが漸減する傾斜部を有し、前記多孔質セラミック膜は前記傾斜部の少なくとも一部の領域まで延在する。
上記（６）の構成によれば、多孔質セラミック膜は、第１の燃料側電極から第２の燃料側電極の傾斜部の少なくとも一部の領域まで延在するので、燃料側電極間領域において発生する応力を緩和し、緻密膜の損傷を抑制することで、耐酸化性を向上できる。他方、多孔質セラミック膜は、第２の燃料側電極の傾斜部を越えて第２の燃料側電極側へ延在しないので、第２の燃料側電極側の発電性能を低下させない。
【００１７】
（７）一実施形態では、前記（６）の構成において、
前記多孔質セラミック膜は前記傾斜部の傾斜方向１／２以下の領域まで延在する。
上記（７）の構成によれば、多孔質セラミック膜は、第１の燃料側電極から第２の燃料側電極の傾斜部の傾斜方向１／２以下の領域まで延在するので、燃料側電極間領域の耐酸化性を向上できると共に、上記傾斜部の傾斜方向１／２を越えて第２の燃料側電極側へ延在しないので、第２の燃料側電極の外側に設けられた酸素側電極の薄肉化をまねかず、そのため、酸素側電極の性能低下をまねかない。
【００１８】
（８）一実施形態では、前記（１）〜（７）の何れかの構成において、
前記固体電解質膜は、前記燃料側電極間の領域において、前記インタコネクタ膜より前記基体側に設けられると共に、前記第２の燃料側電極から前記第１の燃料側電極まで延在する。
上記（８）の構成によれば、固体電解質膜が燃料側電極間領域に延在するので、燃料側電極間領域で膜厚が厚い固体電解質膜を形成できる。これによって燃料側電極間領域の固体電解質膜の強度を高めることができ、耐酸化性を向上できる。
【００１９】
（９）一実施形態では、前記（１）〜（８）の何れかの構成において、
前記多孔質セラミック膜は気孔率が１０％以上６０％以下の材料で構成される。
上記（９）の構成によれば、多孔質セラミック膜は気孔率が１０％以上の材料で構成されるため、燃料側電極間領域で発生する応力を緩和でき、６０％以下とすることで酸素のガス拡散による透過量を低減できる。また、該多孔質セラミック膜は局所的な応力が発生しにくいので、たとえ固体電解質膜やインタコネクタ膜でクラックが発生しても、多孔質セラミック膜でクラックの伸展を食い止めることができる。
【００２０】
（１０）一実施形態では、前記（１）〜（９）の何れかの構成において、
前記インタコネクタ膜は気孔率が０．１％以上５％以下の材料で構成される。
上記（１０）の構成によれば、インタコネクタ膜は０．１％以上の気孔率を有しているため微小なクラックの伸展を低減でき、かつ５％以下の気孔率であるため膜を貫通する気孔はなく、燃料側電極間領域を含め、酸化性ガスの侵入を抑制でき、燃料電池セルの耐酸化性を向上できる。
【００２１】
（１１）一実施形態では、前記（１）〜（１０）の何れかの構成において、
前記固体電解質膜は、膜厚が５μｍ以上２０μｍ以下で構成される。
上記（１１）の構成によれば、固体電解質膜は膜厚が２０μｍ以下の薄い膜で構成されるため、従来より発電性能を向上できるとともに、５μｍ以上なので必要な膜強度を維持できる。
【００２２】
（１２）一実施形態では、前記（１）〜（１１）の何れかの構成において、
前記多孔質セラミック膜と前記インタコネクタ膜とは同じ材質である。
上記（１２）の構成によれば、多孔質セラミック膜は固体電解質膜及びインタコネクタ膜の応力を緩和でき、酸素ガス透過性を低くでき、還元ガスの影響で膨張しないようにすることができる。
【００２３】
（１３）一実施形態に係る燃料電池モジュールは、
前記（１）〜（１２）の何れかの構成を有する燃料電池セルスタックを複数集合させて構成される。
上記（１３）の構成によれば、耐酸化性（ロバスト性）を向上させた燃料電池セルスタックを備えるため、耐久性を向上できる。これによって、補修頻度を低減でき、運転を長く継続できるので、発電効率を向上できる。  
【００２４】
（１４）一実施形態に係る発電システムは、
前記（１３）の構成を有する燃料電池モジュールと、
前記燃料電池モジュールから排気される排燃料ガスと排酸化性ガスとを用いて回転動力を発生させる回転機器と、
を備え、
前記燃料電池モジュールには、前記回転動力を用いて圧縮された前記酸化性ガスが供給され、前記燃料電池モジュールは、前記燃料ガスと前記圧縮された酸化性ガスを用いて発電する。
上記（１４）の構成によれば、本開示に係る上記目的を達成しつつ、燃料電池モジュールに圧縮された酸化性ガスを供給できるので、発電効率を向上できると共に、燃料電池モジュールから排気される排燃料ガスと排酸化性ガスとを用いて回転動力を発生させるため、発電効率を向上できると共に、発電システムの所要動力を低減できる。
【００２５】
（１５）一実施形態では、前記（１４）の構成において、
前記回転機器は、ガスタービン又はターボチャージャで構成される。
上記（１５）の構成によれば、発電効率の向上及び発電システムの所要動力低減に加えて、回転機器がガスタービンである場合、燃料電池モジュールとガスタービンとで複合発電が可能になる。
【００２６】
（１６）一実施形態に係る燃料電池セルスタックを作製する方法は、
基板上に、燃料側電極と、燃料側電極反応層と、固体電解質膜と、インタコネクタ膜とを成膜し焼結させて焼結体を得るステップと、
前記焼結体上に、多孔質セラミック膜と、インタコネクタ中間層と、酸素側電極反応層と、酸素側電極とを成膜して焼成して焼成体を得るステップと、
前記焼成体に還元処理を施すステップと
を含む。
上記（１６）の方法によれば、前記（１）〜（１２）のいずれかの燃料電池セルスタックを作製することができる。
【発明の効果】
【００２７】
幾つかの実施形態によれば、燃料ガスの供給が遮断された非常停止時などにおいても酸化性ガスが燃料側電極側に侵入することによる固体電解質膜及びインタコネクタ膜の損傷を抑制し、燃料電池セルの耐酸化性（ロバスト性）を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】一実施形態に係る燃料電池セルスタックの模式的縦断面図である。
【図２】一実施形態に係る燃料電池セルスタックの縦断面図である。
【図３】一実施形態に係る燃料電池セルスタックの縦断面図である。
【図４】一実施形態に係る発電システムの系統図である。
【図５】一実施形態に係る発電システムの系統図である。
【図６】幾つかの実施形態に係る燃料電池セルスタックの耐酸化性を計測した結果を示すグラフである。
【図７】従来の燃料電池セルスタックの縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、添付図面を参照して、本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、これらの実施形態に記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状及びその相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一つの構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
【００３０】
図１は一実施形態に係る燃料電池セルスタックの縦断面を模式的に示し、図２及び図３は、幾つかの実施形態に係る燃料電池セルスタックの縦断面図である。図７は、従来の燃料電池セルスタックの縦断面図である。
【００３１】
図１〜図３において、幾つかの実施形態に係る燃料電池セルスタック１０（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ）は、基体１２と、基体１２上に担持された複数の燃料電池セル１４とを備える。複数の燃料電池セル１４の各々は、基体１２側から順に積層された膜状の燃料側電極１６、固体電解質膜１８及び酸素側電極２０を備える。隣り合う燃料電池セル１４の燃料側電極１６と酸素側電極２０とは、導電性を有するインタコネクタ膜２２によって電気的に接続されている。インタコネクタ膜２２によって、基体１２に担持される複数の燃料電池セル１４は電気的に直列に接続される。
【００３２】
基体１２側に燃料ガスｆが流れる流路が形成され、酸素側電極２０側に酸化性ガスａが流れる流路が形成される。酸化性ガスａとして例えば空気が用いられる。燃料ガスｆ及び酸化性ガスａを原料とし、燃料側電極１６及び酸素側電極２０で夫々起こる化学反応によって、酸素イオンが固体電解質膜１８を透過し発電が起る。インタコネクタ膜２２によって電気的に直列接続された電力は、基体１２の端部に設けられたリード膜（不図示）によって取り出される。燃料電池モジュールは、複数のセルスタック１０で構成される発電室を備える。各燃料電池セル１４は、隣り合う燃料電池セル１４の燃料側電極１６間の領域Ｒ０（図１参照）において、少なくともインタコネクタ膜２２を覆う多孔質セラミック膜２４を備える。
【００３３】
酸化性ガスａを透過させない緻密膜で構成される固体電解質膜１８及びインタコネクタ膜２２が複数の燃料電池セル１４の燃料側電極を覆うように設けられるため、酸素側電極２０側の酸化性ガスａが燃料側電極１６側へ侵入するのを防止している。しかし、隣り合う燃料電池セル１４の燃料側電極間領域Ｒ０においては、燃料側電極１６の温度差による熱変化量が大きいために、局所的な応力が発生しやすく、特に、インタコネクタ膜２２の端部は他部材との熱膨張率の違いや焼成時の熱膨張率の違い等によって応力集中が起りやすい。
【００３４】
以下、燃料電池セルスタック１０に異常や故障が発生して燃料ガスの供給が遮断された負荷遮断時に、燃料電池セル１４が損傷するメカニズムを説明する。
（１）負荷が遮断されると発電に伴う発熱がなくなるため燃料電池セル１４（固体電解質膜１８付近）の温度が急激に低下して収縮し、これによって、領域Ｒ０に引張り応力が発生する。固体電解質膜１８及びインタコネクタ膜２２の膜厚が小さいと、これらの緻密膜にクラックが発生する。なお、基体１２は熱容量が他の構成材料にくらべ圧倒的に熱容量が大きく基本的に温度変化しない。
↓
（２）クラックを通して酸素側電極２０側から酸素が燃料側電極１６側に侵入し、燃料側電極１６が酸化され、体積が膨張する。
↓
（３）燃料側電極１６の体積膨張によって燃料側電極１６に接する固体電解質膜１８にクラックが発生し、燃料ガスｆのリークが発生する。
↓
（４）燃料電池セル１４でリークした燃料ガスｆが燃焼し、燃料電池セル１４の性能が低下し、損傷が拡大する。
【００３５】
本実施形態では、領域Ｒ０において、多孔質セラミック膜２４が少なくともインタコネクタ膜２２を覆うように設けられるため、インタコネクタ膜２２の強度部材として機能し、燃料側電極１６の温度差により燃料側電極間領域の固体電解質膜１８やインタコネクタ膜２２に発生する応力を緩和する作用を有する。また、多孔質セラミック膜２４は局所的な応力が発生しにくいので、たとえ固体電解質膜１８又はインタコネクタ膜２２で微細なクラックが発生しても、クラックの伸展を抑制できるため、多孔質セラミック膜２４が酸化性ガスａの侵入を抑制できる。こうして、燃料電池セル１４の耐酸化性（ロバスト性）を向上できる。
【００３６】
図１において、隣り合う燃料側電極１６間に形成される領域Ｒ０（Ｏ）は、燃料側電極１６の温度差による熱変化量が大きいために、局所的な応力が発生しやすい領域である。領域Ｒ１（Ｘ）は、燃料電池セル１４の発電性能に影響しない領域であり、この領域に多孔質セラミック膜２４が設けられており、領域Ｒ１に多孔質セラミック膜２４が設けられても、発電性能に影響しない。領域Ｒ２（Ｏ＋Ｍ＋Ｎ）は、発電性能への影響が軽微である領域であり、領域Ｒ３（Ｏ＋Ｍ＋Ｎ＋Ｐ）は、発電性能への影響を少なくできる最大領域である。インタコネクタ膜２２及び多孔質セラミック膜２４の設置領域が領域Ｐを越えると、発電性能が低下する。
【００３７】
燃料電池セル１４を構成する各素子の厚さはミクロン単位で構成される。各素子のうち酸素側電極２０の膜厚が最大である。多孔質セラミック膜２４は、２０〜１００μｍ程度とするのがよい。これより薄いと応力緩和効果が低減し、逆に厚過ぎると酸素側電極２０が薄肉化し、酸素側電極２０の性能が低下するおそれがある。
【００３８】
一実施形態では、多孔質セラミック膜２４はインタコネクタ膜２２と同一材料で構成される。多孔質セラミック膜２４は、還元膨張性、熱膨張率及び耐酸化性でインタコネクタ膜２２と同様の性質が求められるので、インタコネクタ膜２２と同一材料とするのがよい。例えば、インタコネクタ膜２２及び多孔質セラミック膜２４にＳｒＴｉＯ３系の材料を用いる。また、多孔質セラミック膜２４は、還元雰囲気に晒されることを考慮した材料を用いるとよい。例えば、インタコネクタ膜２２及び多孔質セラミック膜２４にランタンクロマイトやＳｒＴｉＯ３等を用いる。
【００３９】
図７は、従来の燃料電池セルスタック１００を示す。燃料電池セルスタック１００は、基体１０２と、基体１０２上に担持された複数の燃料電池セル１０４とを備える。複数の燃料電池セル１０４は、夫々基体１０２側から順に積層された燃料側電極１０６、固体電解質膜１０８及び酸素側電極１１０を備える。隣り合う燃料電池セル１０４の燃料側電極１０６と酸素側電極１１０とは、導電性を有するインタコネクタ膜１１２によって電気的に接続されている。これによって、基体１０２に担持される複数の燃料電池セル１０４は電気的に直列に接続される。
【００４０】
基体１０２側に燃料ガスｆが流れる流路が形成され、酸素側電極１１０側に酸化性ガスａが流れる流路が形成される。そして、燃料電池セルスタック１０と同様に、燃料ガスｆ及び酸化性ガスａを原料とし、燃料側電極１０６及び酸素側電極１１０で夫々起こる化学反応によって、酸素イオンが固体電解質膜１０８を透過し発電が起る。基体１０２毎にインタコネクタ膜１１２によって取り出された電力は、基体１０２の端部に設けられたリード膜（不図示）によって取り出される。燃料電池セルスタック１００は、多孔質セラミック膜２４を備えていないため、図１〜図３に示す実施形態と比べて、耐酸化性（ロバスト性）が劣る。
【００４１】
一実施形態では、図１に示すように、燃料側電極１６と固体電解質膜１８との間に燃料側電極反応層２６を介在させる。また、固体電解質膜１８と酸素側電極２０との間に酸素側電極反応層２８を介在させる。さらに、インタコネクタ膜２２と酸素側電極２０との間にインタコネクタ中間層３０を介在させる。これらの反応層及び中間層は各素子間の接合面の反応抵抗を低減するために設けられる。
【００４２】
一実施形態では、図１及び図２に示す燃料電池セルスタック１０（１０Ａ、１０ｂ）において、インタコネクタ膜２２は、領域Ｒ０で燃料側電極１６（１６ａ）（第１の燃料側電極）から燃料側電極１６（１６ｂ）（第２の燃料側電極）に向かい、燃料側電極１６（１６ｂ）の手前まで延在する。
この実施形態によれば、インタコネクタ膜２２が、領域Ｒ０に延在することで、領域Ｒ０でインタコネクタ膜２２と多孔質セラミック膜２４の二層組織を形成できる。これによって、領域Ｒ０で燃料側電極側への酸化性ガスａの侵入を抑制でき、耐酸化性を向上できる。
【００４３】
一実施形態では、図３に示す燃料電池セルスタック１０（１０Ｃ）において、インタコネクタ膜２２は、領域Ｒ０で燃料側電極１６（１６ａ）から燃料側電極１６（１６ｂ）に向かい、燃料側電極１６（１６ｂ）に達するまで延在する。
この実施形態によれば、領域Ｒ０の全域をインタコネクタ膜２２及び多孔質セラミック膜２４の二層組織で覆うことができるので、領域Ｒ０で燃料側電極１６側への酸化性ガスａの侵入を抑制でき、耐酸化性を向上できる。
【００４４】
一実施形態では、図３に示すように、燃料側電極１６（１６ｂ）は、燃料側電極１６（１６ａ）に向かって厚さが漸減する傾斜部３２を有し、インタコネクタ膜２２は傾斜部３２の傾斜領域中間部まで延在する。
この実施形態によれば、インタコネクタ膜２２が傾斜部３２の傾斜領域中間部まで延在するため、領域Ｒ０における酸化性ガスａの侵入を抑制できると共に、傾斜部３２の中間部を越えて延在しないので、燃料側電極１６（１６ｂ）側で形成される発電面積を減少させない。そのため、発電性能が低下しない。
【００４５】
一実施形態では、インタコネクタ膜２２は、傾斜部３２の傾斜方向３０％以上７０％以下の領域まで延在する。
この実施形態によれば、インタコネクタ膜２２が傾斜部３２の傾斜方向３０〜７０％の領域まで延在するため、領域Ｒ０の耐酸化性を向上できると共に、燃料側電極１６（１６ｂ）側の発電性能が低下しない。
【００４６】
一実施形態では、図２及び図３に示すように、多孔質セラミック膜２４は、領域Ｒ０で燃料側電極１６（１６ａ）から燃料側電極１６（１６ｂ）に向かって燃料側電極１６（１６ｂ）まで延在し、かつ燃料側電極１６（１６ｂ）の傾斜部３２の少なくとも一部の領域まで延在している。
この実施形態によれば、多孔質セラミック膜２４は、領域Ｒ０において固体電解質膜１８及びインタコネクタ膜２２に発生する応力を緩和し、固体電解質膜１８及びインタコネクタ膜２２等の緻密膜の損傷を抑制するため、燃料電池セル１４の耐酸化性を向上できる。他方、多孔質セラミック膜２４は、傾斜部３２を越えて燃料側電極１６（１６ｂ）側へ延在しないので、燃料側電極１６（１６ｂ）側で起こる発電反応による発電性能を低下させない。
【００４７】
一実施形態では、多孔質セラミック膜２４は傾斜部３２の傾斜方向１／２以下の領域まで延在する。この実施形態によれば、多孔質セラミック膜２４によって領域Ｒ０の耐酸化性を向上できると共に、傾斜部３２の傾斜方向１／２を越えて燃料側電極１６（１６ｂ）側へ延在しないので、燃料側電極１６（１６ｂ）の外側に設けられた酸素側電極２０の薄肉化をまねかず、従って、酸素側電極２０の性能低下をまねかない。
【００４８】
一実施形態では、固体電解質膜１８は、領域Ｒ０において、インタコネクタ膜２２より基体１２側に設けられると共に、燃料側電極１６（１６ｂ）から燃料側電極１６（１６ａ）まで延在する。
この実施形態によれば、固体電解質膜１８が領域Ｒ０に充填されるため、領域Ｒ０で膜厚が大きい固体電解質膜を形成できる。これによって、燃料側電極間領域の固体電解質膜１８の強度を高めることができ、燃料電池セル１４の耐酸化性を向上できる。
【００４９】
一実施形態では、多孔質セラミック膜２４は気孔率が１０％以上の材料で構成されるため、燃料側電極間領域で発生する応力を緩和でき、他方、６０％以下とすることで酸素のガス拡散による透過量を低減できる。また、多孔質セラミック膜２４は局所的な応力が発生しにくいので、たとえ固体電解質膜１８やインタコネクタ膜２２でクラックが発生しても、多孔質セラミック膜２４でクラックの伸展を食い止めることができる。
【００５０】
一実施形態では、インタコネクタ膜２２は気孔率が０．１〜５％の材料で構成される。この構成によれば、インタコネクタ膜２２は０．１％以上の気孔率を有しているため微小なクラックの伸展を低減でき、かつ５％以下の気孔率であるため膜を貫通する気孔はなく、燃料側電極間領域Ｒ０を含め、酸化性ガスａの侵入を抑制でき、燃料電池セル１４の耐酸化性を向上できる。これによって、インタコネクタ膜２２は領域Ｒ０を含め、酸化性ガスａの侵入を抑制でき、燃料電池セル１４の耐酸化性を向上できる。
【００５１】
一実施形態では、固体電解質膜１８は、膜厚（端部ではなく基体１２の表面に沿う方向おける中央部の膜厚）が５〜２０μｍの膜状体で構成される。固体電解質膜１８を２０μｍ以下とすることで従来より薄肉化されるため、発電性能を向上できると共に、５μｍ以上とすることで、必要な膜強度を確保できる。
【００５２】
一実施形態では、基体１２は内側流路に燃料ガスｆが供給される基体管で構成される。燃料電池セルスタック１０は該基体管に複数の燃料電池セル１４が担持されて構成されるため、円筒形のセルスタックを形成する。
なお、別な実施形態では、燃料電池セルスタックは、平板形を有する基体に複数の燃料電池セル１４を担持した平板形又は扁平円筒形のセルスタックであってもよい。
【００５３】
一実施形態では、燃料電池セル１４は、固体電解質膜１８が固体酸化物で構成されるＳＯＦＣで構成される。ＳＯＦＣは、６５０〜１０００℃の高温で運転され、非常停止時に電流が遮断されると発電による発熱がなくなるため燃料電池セル１４付近の温度が急激に低下する。そのため、これにより領域Ｒ０に引張り応力が発生し、領域Ｒ０の固体電解質膜１８やインタコネクタ膜２２にクラックが発生し耐酸化性が低下する。これに対し、上記幾つかの実施形態によれば、耐酸化性を高めることができるので、非常停止時に電流が遮断されても、酸化性ガスａが燃料側電極１６側に達して固体電解質膜１８やインタコネクタ膜２２の損傷を抑制することができる。
【００５４】
基体１２は燃料電池セルの強度を保持するため、厚み１〜３ｍｍ程度、燃料を通すため多孔質であること（気孔率３０〜５０％程度）が望ましい。絶縁性を有する必要があるため、材質としては、ＣＳＺ、ＭｇＡｌ２Ｏ４、ＳｒＺｒＯ３等が用いられる。
【００５５】
燃料側電極１６は電子導電性が高いこと、熱膨張係数が固体電解質膜１８と同程度であること、多孔質であること、還元雰囲気で安定であることが要求される。この観点から、材質は、Ｎｉとジルコニア系酸化物のサーメット、Ｎｉとセリア系酸化物等が好ましい。また、気孔率３０〜５０％、厚みは５０〜２００μｍ程度が好ましい。
【００５６】
固体電解質膜１８は燃料と空気を遮断すること、酸素イオンを通すことが要求される。この観点から材質はＹＳＺ、ＳｃＳＺ、ＬＳＧＭ、セリア系酸化物が好ましく、気孔率は０．１〜５％程度、厚みは５〜５０μｍ（高出力化のためには５〜２０μｍ程度）が好ましい。
【００５７】
酸素側電極２０は電子導電性が高いこと、熱膨張係数が固体電解質膜１８と同程度であること、多孔質であること、酸化雰囲気で安定であることが要求される。この観点から、材質は、ランタンマンガナイト系、ランタンコバルト系、ランタン鉄系材料が好ましく、気孔率は３０〜５０％程度、厚みは１００〜１０００μｍ程度が好ましい。
【００５８】
インタコネクタ膜２２は燃料と空気を遮断すること、電子導電性が高いこと、固体電解質膜１８との熱膨張係数が近いことが要求される。この観点から、ＳｒＴｉＯ３系材料、ランタンクロマイト系材料が好ましく、気孔率は０．１〜５％程度、厚みは１０〜５０μｍ程度が好ましい。
【００５９】
多孔質セラミック膜２４は固体電解質膜１８及びインタコネクタ膜２２の応力を緩和できること、材料自身では酸素ガス透過性が低いこと、還元ガスの影響で膨張しないことが要求される。この観点からインタコネクタ膜２２と同じ材質が好ましく、ＳｒＴｉＯ３系材料、ランタンクロマイト系材料等が用いられる。気孔率は１０〜６０％、厚みは２０〜１００μｍ程度が好ましい。
【００６０】
一実施形態に係る燃料電池モジュール４２は、図４及び図５に示すように、上記各実施形態に係る燃料電池セルスタック１０を複数集合させて構成される。この燃料電池モジュール４２によれば、耐酸化性（ロバスト性）を向上させた複数の燃料電池セルスタック１０を備えるため、耐久性を向上できる。これによって、補修頻度を低減でき、運転を長く継続できるので、発電効率を向上できる。
【００６１】
燃料電池モジュールは、ＧＴＣＣ（Ｇａｓ  Ｔｕｒｂｉｎｅ  Ｃｏｍｂｉｎｅｄ  Ｃｙｃｌｅ：ガスタービンコンバインドサイクル発電）、ＭＧＴ（Ｍｉｃｒｏ  Ｇａｓ  Ｔｕｒｂｉｎｅ：マイクロガスタービン）、又はターボチャージャと組み合わされて利用される複合発電システムに適用されることがある。
【００６２】
図４は、一実施形態に係る発電システム４０（４０Ａ）を示す系統図である。図４において、発電システム４０（４０Ａ）は、上記構成の燃料電池モジュール４２と、ガスタービン４４（回転機器）とを備える。ガスタービン４４を構成する圧縮機４６に酸化性ガスａが供給され、酸化性ガスａは圧縮機４６で圧縮された後、燃料電池モジュール４２に供給される。燃料電池モジュール４２で発電のための化学反応に用いられた後の排酸化性ガスａ’及び排燃料ガスｆ’は、ガスタービン４４を構成する燃焼器５０に送られ、燃焼器５０で高温の燃焼ガスを生成する。この燃焼ガスを排気タービン４８で断熱膨張させることにより発生する回転動力により、発電機５２で電力が生成されると共に、この回転動力により圧縮機４６を駆動することで、圧縮ガスが発生する。この圧縮ガスを酸化性ガスａとして燃料電池モジュール４２に供給する。燃料電池モジュール４２は、圧縮された酸化性ガスａと燃料ガスｆを用いて発電する。
【００６３】
上記構成によれば、燃料電池モジュール４２内に耐酸化性（ロバスト性）を向上させた複数の燃料電池セルスタック１０を備えるため、耐久性を向上でき、補修頻度を低減できる。これによって、運転を長く継続でき、発電効率を向上できる。また、燃料電池モジュール４２に圧縮された酸化性ガスａを供給できるので、さらに発電効率を向上できる。また、燃料電池モジュール４２から排気される排酸化性ガスａ’と排燃料ガスｆ’で燃焼器５０を駆動させて回転動力を発生させるため、発電システム４０（４０Ａ）の所要動力を低減できる。さらに、燃料電池モジュール４２とガスタービン４４の両方で複合的に発電できるので、発電量を増加できる。
【００６４】
図５は、一実施形態に係る発電システム４０（４０Ｂ）を示す系統図である。発電システム４０（４０Ｂ）は、回転機器としてターボチャージャ５４が用いられる。図５において、ターボチャージャ５４を構成する圧縮機５６に酸化性ガスａを供給して圧縮し、圧縮された酸化性ガスａを燃料電池モジュール４２に供給する。燃料電池モジュール４２で発電のための化学反応に用いられた後の排酸化性ガスａ’及び排燃料ガスｆ’は、ターボチャージャ５４を構成する排気タービン５８に送られ、排気タービン５８を回転させて回転動力が発生する。この回転動力で圧縮機５６を駆動することで、圧縮ガスが発生する。
この実施形態によれば、燃料電池モジュール４２内に耐酸化性（ロバスト性）を向上させた複数の燃料電池セルスタック１０を備えるため、モジュール４２の耐久性を向上でき、補修頻度を低減できる。これによって、運転を長く継続でき、発電効率を向上できる。
【実施例】
【００６５】
（実施例１）
基体１２はＣＳＺ材料が選定され、押出成形用バインダ及び水とを適量混ぜ、混練機で混練した後、押出成形し、チューブ状にした。燃料側電極１６及び燃料側電極反応層２６についてはＮｉＯ材料とＹＳＺ材料の混合材料を選定し、この混合材料に有機ビヒクルを加え、３本ロールで混練した後、スラリ状にした。燃料側電極１６は前記スラリーを用いて基体１２の表面にスクリーン印刷法で成膜した。固体電解質膜１８についてはＹＳＺ材料を選定し有機ビヒクルを加え、スラリ状にした。固体電解質膜１８の厚みは４０μｍとした。インタコネクタ膜２２についてはＳｒＴｉＯ３材料を選定し、これに有機ビヒクルを加え、スラリ状にした。基体１２の表面に燃料側電極１６、燃料側電極反応層２６、固体電解質膜１８、インタコネクタ膜２２の順にスクリーン印刷法で成膜し、１４００〜１４５０℃で焼結させた（焼結体）。成膜の構成は図１に示す通りである。
【００６６】
多孔質セラミック膜２４についてはＳｒＴｉＯ３材料を選定し、これに有機ビヒクルを加え、スラリ状にした。インタコネクタ中間層３０についてはＬａＳｒＭｎＯ３組成の材料を選定し、これに有機ビヒクルを加え、スラリ状にした。酸素側電極反応層２８についてはＳＤＣ材料が選定され、これに有機ビヒクルを加え、スラリ状にした。酸素側電極２０についてはＬａＳｒＣａＭｎ系材料を選定し、これに有機ビヒクルを加え、スラリ状にした。上記焼結体の表面に多孔質セラミック膜２４、インタコネクタ中間層３０、酸素側電極反応層２８、酸素側電極２０の順にスクリーン印刷法で成膜し、１２００〜１３００℃で焼成した（焼成体）。さらに、上記焼成体を還元処理を施し燃料電池セル１４を作製した。
【００６７】
（実施例２）
固体電解質膜１８の厚みを２０μｍにした以外は実施例１と同様の工程で燃料電池セル１４を作製した。
【００６８】
（比較例）
多孔質セラミック膜２４を成膜しないこと以外は実施例１と同様の工程で燃料電池セル１０４を作製した。
【００６９】
図６は、燃料電池セル１４をＳＯＦＣで構成した円筒形セルスタックであって、実施例１、実施例２及び比較例の実験結果を示すグラフである。これらのセルスタックは、９００℃で通常発電した後、電流を遮断し燃料側電極１６への燃料ガスｆの供給のみを停止し（封じ込め）、その後、時間経過と共にセルスタックの電圧が低下する状況を計測したものである。図６から、多孔質セラミック膜２４が形成された実施例１及び２は比較例と比べ、封じ込め後の燃料電池セルの電圧の保持時間が長くなっており、固体電解質膜１８を薄膜化した実施例２においても、実施例１と同程度の電圧保持時間となっていることがわかる。このことから、インタコネクタ膜２２上の多孔質セラミック膜２４により酸化性ガスａが燃料側電極１６に侵入することによる固体電解質膜１８、インタコネクタ膜２２の損傷を抑制できることを確認した。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
幾つかの実施形態によれば、燃料電池セルスタックを構成する燃料電池セルの耐酸化性（ロバスト性）を向上でき、燃料ガスの供給が遮断された非常停止時などにおいても、酸化性ガスが燃料側電極側に侵入することによる固体電解質膜及びインタコネクタ膜の損傷を抑制できる。
【符号の説明】
【００７１】
１０（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ）、１００    燃料電池セルスタック
１２、１０２    基体
１４、１０４    燃料電池セル
１６（１６ａ、１６ｂ）、１０６    燃料側電極
１６（１６ａ）    燃料側電極（第１の燃料側電極）
１６（１６ｂ）    燃料側電極（第２の燃料側電極）
１８、１０８    固体電解質膜
２０、１１０    酸素側電極
２２、１１２    インタコネクタ膜
２４    多孔質セラミック膜
２６    燃料側電極反応層
２８    酸素側電極反応層
３０    インタコネクタ膜中間層
３２    傾斜部
４０（４０Ａ、４０Ｂ）    発電システム
４４    ガスタービン
４６、５６    圧縮機
４８、５８    排気タービン
５０    燃焼器
５２    発電機
５４    ターボチャージャ
Ｒ０    燃料側電極間領域
ａ      酸化性ガス
ａ’    排酸化性ガス
ｆ      燃料ガス
ｆ’    排燃料ガス
【手続補正書】
【提出日】令和2年3月27日(2020.3.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体と、
該基体上に積層された燃料側電極、固体電解質膜及び酸素側電極を夫々含む複数の燃料電池セルと、
前記複数の燃料電池セルのうち隣り合う前記燃料電池セルの一方の前記燃料電池セルの前記燃料側電極と他方の前記燃料電池セルの前記酸素側電極とを電気的に接続するインタコネクタ膜と、
隣り合う前記燃料電池セルの一方の前記燃料電池セルの第１の燃料側電極と他方の前記燃料電池セルの第２の燃料側電極との間の領域において、少なくとも前記インタコネクタ膜を覆う多孔質セラミック膜と、
を備え、
前記インタコネクタ膜は、前記燃料側電極間の領域で前記第１の燃料側電極から前記第２の燃料側電極に向かい、
前記第２の燃料側電極は、前記第１の燃料側電極に向かって厚さが漸減する傾斜部を有し、前記インタコネクタ膜は前記傾斜部の傾斜領域中間部まで延在することを特徴とする燃料電池セルスタック。
【請求項２】
前記インタコネクタ膜は、前記傾斜部の傾斜方向３０％以上７０％以下の領域まで延在することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セルスタック。
【請求項３】
前記多孔質セラミック膜は、前記燃料側電極間の領域で前記第１の燃料側電極から前記第２の燃料側電極に向かい、前記第２の燃料側電極まで延在し、
前記第２の燃料側電極は、前記第１の燃料側電極に向かって厚さが漸減する傾斜部を有し、前記多孔質セラミック膜は前記傾斜部の少なくとも一部の領域まで延在す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スタック。
【請求項４】
前記多孔質セラミック膜は前記傾斜部の傾斜方向１／２以下の領域まで延在することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池セルスタック。
【請求項５】
前記固体電解質膜は、前記燃料側電極間の領域において、前記インタコネクタ膜より前記基体側に設けられると共に、前記第２の燃料側電極から前記第１の燃料側電極まで延在することを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の燃料電池セルスタック。
【請求項６】
前記多孔質セラミック膜は気孔率が１０％以上６０％以下の材料で構成されることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の燃料電池セルスタック。
【請求項７】
前記インタコネクタ膜は気孔率が０．１％以上５％以下の材料で構成されることを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載の燃料電池セルスタック。
【請求項８】
前記固体電解質膜は、膜厚が５μｍ以上２０μｍ以下の膜で構成されることを特徴とする請求項１乃至７の何れか一項に記載の燃料電池セルスタック。
【請求項９】
前記多孔質セラミック膜と前記インタコネクタ膜とは同じ材質である、請求項１乃至８の何れか一項に記載の燃料電池セルスタック。
【請求項１０】
請求項１乃至９の何れか一項に記載の燃料電池セルスタックを複数集合させて構成されたことを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項１１】
燃料ガスと酸化性ガスとを用いて発電する請求項１０に記載の燃料電池モジュールと、
前記燃料電池モジュールから排気される前記燃料ガスと前記酸化性ガスとを用いて回転動力を発生させる回転機器と、を備えることを特徴とする発電システム。
【請求項１２】
前記回転機器は、ガスタービン又はターボチャージャで構成されることを特徴とする請求項１１に記載の発電システム。
【請求項１３】
基体と、
該基体上に積層された燃料側電極、固体電解質膜及び酸素側電極を夫々含む複数の燃料電池セルと、
前記複数の燃料電池セルのうち隣り合う前記燃料電池セルの一方の前記燃料電池セルの前記燃料側電極と他方の前記燃料電池セルの前記酸素側電極とを電気的に接続するインタコネクタ膜と、
隣り合う前記燃料電池セルの一方の前記燃料電池セルの第１の燃料側電極と他方の前記燃料電池セルの第２の燃料側電極との間の領域において、少なくとも前記インタコネクタ膜を覆う多孔質セラミック膜と、
を備える燃料電池セルスタックを作製する方法であって、
前記基板上に、前記燃料側電極と、燃料側電極反応層と、前記固体電解質膜と、前記インタコネクタ膜とを成膜し焼結させて焼結体を得るステップと、
前記焼結体上に、前記多孔質セラミック膜と、インタコネクタ中間層と、酸素側電極反応層と、前記酸素側電極とを成膜して焼成して焼成体を得るステップと、
前記焼成体に還元処理を施すステップと、
を含む燃料電池セルスタックを作製する方法。
【請求項１４】
基体と、
該基体上に積層された燃料側電極、固体電解質膜及び酸素側電極を夫々含む複数の燃料電池セルと、
前記複数の燃料電池セルのうち隣り合う前記燃料電池セルの一方の前記燃料電池セルの前記燃料側電極と他方の前記燃料電池セルの前記酸素側電極とを電気的に接続するインタコネクタ膜と、
隣り合う前記燃料電池セルの一方の前記燃料電池セルの第１の燃料側電極と他方の前記燃料電池セルの第２の燃料側電極との間の領域において、少なくとも前記インタコネクタ膜を覆う多孔質セラミック膜と、を備え、
前記固体電解質膜は、前記燃料側電極間の領域において、前記インタコネクタ膜より前記基体側に設けられると共に、前記第２の燃料側電極から前記第１の燃料側電極まで延在し、
前記固体電解質及び前記インタコネクタ膜は、酸化性ガスが非透過に構成される緻密膜であって、
前記多孔質セラミック膜は前記インタコネクタ膜と熱膨張率が同一であることを特徴とする燃料電池セルスタック。