(57)【要約】【課題】還元変形を抑制し信頼性の向上した固体酸化物形燃料電池セル、さらにはそれを用いてなる燃料電池セルスタック装置、燃料電池モジュールおよび燃料電池装置を提供する。【解決手段】互いに平行な一対の平坦面ｎを有し、内部に燃料ガスを流通させるための燃料ガス流路２を有するとともに、Ｎｉを含有してなる導電性支持体１の一方側の平坦面ｎ上に、燃料極層３、固体電解質層４、空気極層６が順に積層され、他方側の平坦面上ｎに、密着層７を介してＭｇを含有してなるインターコネクタ８が積層されてなる固体酸化物形燃料電池セル１であって、密着層７中におけるＭｇのモル量が、インターコネクタ８中におけるＭｇのモル量の５０％以下であることから、還元変形を有効に抑制することができ、信頼性を向上することができる。あわせて、信頼性が向上した燃料電池セルスタック装置１１、燃料電池モジュール１８、および燃料電池装置２３とすることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに平行な一対の平坦面を有し、内部に燃料ガスを流通させるための燃料ガス流路を有するとともに、Ｎｉを含有してなる導電性支持体の一方側の前記平坦面上に、燃料極層、固体電解質層、空気極層が順に積層され、他方側の前記平坦面上に、密着層を介してＭｇを含有してなるインターコネクタが積層されてなる固体酸化物形燃料電池セルであって、前記密着層中におけるＭｇのモル量が、前記インターコネクタ中におけるＭｇのモル量の５０％以下であることを特徴とする固体酸化物形燃料電池セル。
【請求項２】
前記密着層中におけるＭｇのモル量が、前記インターコネクタ中におけるＭｇのモル量の２５％以下であることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池セル。
【請求項３】
前記密着層がＺｒを含有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池セル。
【請求項４】
前記導電性支持体がＭｇを含有していないことを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池セル。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のうちいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池セルの複数個を、集電部材を介して電気的に直列に接続して構成されていることを特徴とする燃料電池セルスタック装置。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池セルスタック装置を収納容器内に収納してなることを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項７】
請求項６に記載の燃料電池モジュールと、前記燃料電池セルスタック装置を動作させるための補機とを外装ケース内に収納してなることを特徴とする燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導電性支持体の一方側表面上に燃料極層、固体電解質層、空気極層を順に積層し、他方側表面にインターコネクタが積層されてなる固体酸化物形燃料電池セル、燃料電池セルスタック装置、燃料電池モジュール、および燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、次世代エネルギーとして、固体酸化物形燃料電池セルを電気的に直列に複数個接続してなる燃料電池セルスタック装置を収納容器内に収容した燃料電池装置が種々提案されている。
【０００３】
このような固体酸化物形燃料電池セルとして、互いに平行な一対の平坦面を有し、内部に燃料ガスを流通させるための燃料ガス流路を有するとともに、Ｎｉを含有してなる導電性支持体の一方側の平坦面上に、燃料極層、固体電解質層、空気極層を順に積層するとともに、他方側の平坦面上にインターコネクタが積層されてなる固体酸化物形燃料電池セルが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
そして、このような固体酸化物形燃料電池セルの複数個を、集電部材を介して電気的に接続してなる燃料電池セルスタック装置が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００５】
ここで、このような固体酸化物形燃料電池セルは、固体酸化物燃料電池セルの作製後（発電の前）に、導電性支持体に含まれるＮｉＯをＮｉに還元すべく、内部に燃料ガスを流通させて還元処理を行う必要があることも知られている。
【特許文献１】特開２００８−８４７１６号公報
【特許文献２】特開２００８−１３５３０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、インターコネクタ中にＭｇを含有する場合に、固体酸化物形燃料電池セルを焼結させて作製すると、インターコネクタ中のＭｇが導電性支持体側に拡散しており、このような固体酸化物形燃料電池セルのガス流路に燃料ガスを流通させて還元処理を行った場合に、固体酸化物形燃料電池セルを構成するインターコネクタが膨張に伴う変形を生じるほか、導電性支持体におけるインターコネクタ側が膨張に伴う変形（以降、これらの変形をまとめて還元変形という）を生じる場合があった。
【０００７】
ここで、固体酸化物形燃料電池セルが還元変形した場合には、固体酸化物形燃料電池セルにクラックが生じるおそれや、複数の固体酸化物形燃料電池セルを集電部材を介して電気的に接続してなる燃料電池セルスタック装置において、集電部材が燃料電池セルから剥離するというおそれがあった。
【０００８】
それゆえ、本発明は、還元変形を抑制することのできる固体酸化物形燃料電池セル、さらにはそれを複数個接続してなる燃料電池セルスタック装置、燃料電池モジュール、および燃料電池装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の固体酸化物形燃料電池セルは、互いに平行な一対の平坦面を有し、内部に燃料ガスを流通させるための燃料ガス流路を有するとともに、Ｎｉを含有してなる導電性支持体の一方側の前記平坦面上に、燃料極層、固体電解質層、空気極層が順に積層され、他方側の前記平坦面上に、密着層を介して、Ｍｇを含有してなるインターコネクタが積層されてなる固体酸化物形燃料電池セルであって、前記密着層中におけるＭｇのモル量が、前記インターコネクタ中におけるＭｇのモル量の５０％以下であることを特徴とする。
【００１０】
このような固体酸化物形燃料電池セルにおいては、導電性支持体の他方側に密着層を介してインターコネクタが積層され、その密着層中におけるＭｇのモル量が、インターコネクタ中におけるＭｇのモル量の５０％以下であることから、固体酸化物形燃料電池セルを還元処理した場合において、インターコネクタや導電性支持体が還元膨張することを抑制することができる。
【００１１】
したがって、固体酸化物形燃料電池セルにクラックが生じることや、集電部材との剥離を抑制することができることから、信頼性が向上した固体酸化物形燃料電池セルとすることができる。
【００１２】
また、本発明の固体酸化物形燃料電池セルは、前記密着層中におけるＭｇのモル量が、前記インターコネクタ中におけるＭｇのモル量の２５％以下であることが好ましい。
【００１３】
このような固体酸化物形燃料電池セルにおいては、密着層中におけるＭｇのモル量が、インターコネクタ中におけるＭｇのモル量の２５％以下であることから、インターコネクタや導電性支持体が還元膨張することをより抑制することができる。それゆえ、信頼性が向上した固体酸化物形燃料電池セルとすることができる。
【００１４】
また、本発明の固体酸化物形燃料電池セルは、前記密着層がＺｒを含有することが好ましい。
【００１５】
このような固体酸化物形燃料電池セルにおいては、密着層がＺｒを含有することから、インターコネクタ中に含有されるＭｇが、導電性支持体側に拡散することを効率よく抑制することができ、それにより、インターコネクタや導電性支持体が還元膨張することをより抑制することができる。それゆえ、信頼性が向上した固体酸化物形燃料電池セルとすることができる。
【００１６】
また、本発明の固体酸化物形燃料電池セルは、前記導電性支持体がＭｇを含有していないことが好ましい。
【００１７】
このような固体酸化物形燃料電池セルにおいては、導電性支持体がＭｇを含有していないことから、固体酸化物形燃料電池セルを還元処理した場合において、導電性支持体が還元変形することを抑制することができる。それにより、インターコネクタおよび導電性支持体の還元変形を抑制することができることから、信頼性が向上した固体酸化物形燃料電池セルとすることができる。
【００１８】
本発明の燃料電池セルスタック装置は、上記のうちいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池セルの複数個を、集電部材を介して電気的に直列に接続して構成されていることを特徴とする。
【００１９】
このような燃料電池セルスタック装置においては、還元変形を抑制することができる固体酸化物形燃料電池セルの複数個を、集電部材を介して電気的に直列に接続して構成されていることから、集電部材と固体酸化物形燃料電池セルとが剥離することを抑制でき、信頼性が向上した燃料電池セルスタック装置とすることができる。
【００２０】
本発明の燃料電池モジュールは、上記の燃料電池セルスタック装置を収納容器内に収納してなることから、信頼性の向上した燃料電池モジュールとすることができる。
【００２１】
本発明の燃料電池装置は、上記の燃料電池モジュールと、上記の燃料電池セルスタック装置を動作させるための補機とを外装ケース内に収納してなることから、信頼性の向上した燃料電池とすることができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の固体酸化物形燃料電池セルは、互いに平行な一対の平坦面を有し、内部に燃料ガスを流通させるための燃料ガス流路を有するとともに、Ｎｉを含有してなる導電性支持体の一方側の前記平坦面上に、燃料極層、固体電解質層、空気極層を順に積層するとともに、他方側の前記平坦面上に、密着層を介してＭｇを含有してなるインターコネクタが積層されてなる固体酸化物形燃料電池セルであって、前記密着層中におけるＭｇのモル量が、前記インターコネクタ中におけるＭｇのモル量の５０％以下であることから、固体酸化物形燃料電池セルを還元処理した場合において、インターコネクタや導電性支持体が還元膨張することを抑制することができ、信頼性が向上した固体酸化物形燃料電池セルとすることができる。また、信頼性が向上した固体酸化物形燃料電池セルを用いることにより、信頼性の向上した燃料電池セルスタック装置、燃料電池モジュールおよび燃料電池装置とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
図１は、本発明の固体酸化物形燃料電池セル（以下、燃料電池セルと略す）の一例を示すものであり、（ａ）はその横断面図、（ｂ）は（ａ）の斜視図である。なお、両図面において、燃料電池セル１０の各構成を一部拡大等して示している。
【００２４】
この燃料電池セル１０は、中空平板型の燃料電池セル１０で、断面が扁平状で、全体的に見て楕円柱状をしたＮｉを含有してなる多孔質の導電性支持体１を備えている。導電性支持体１の内部には、適当な間隔で複数の燃料ガス流路２が長手方向に形成されており、燃料電池セル１０は、この導電性支持体２上１に各種の部材が設けられた構造を有している。
【００２５】
導電性支持体１は、図１に示されている形状から理解されるように、互いに平行な一対の平坦面ｎと、一対の平坦面ｎをそれぞれ接続する弧状面（側面）ｍとで構成されている。平坦面ｎの両面は互いにほぼ平行に形成されており、平坦面ｎの一方の表面（下面）と両側の弧状面ｍを覆うように多孔質な燃料極層３が設けられており、さらに、この燃料極層３を覆うように、緻密質な固体電解質層４が積層されている。また、固体電解質層４の上には、中間層５を介して、燃料極層３と対面するように、多孔質な空気極層６が積層されている。また、燃料極層３および固体電解質層４が積層されていない他方の平坦面ｎには、密着層７を介してＭｇを含有してなるインターコネクタ８が形成されている。
【００２６】
図１から明らかなように、燃料極層３および固体電解質層４は、両端の弧状面ｍを経由してインターコネクタ８（密着層７）の両サイドにまで延びており、導電性支持体１の表面が外部に露出しないように構成されている。なお、図１においては、燃料極層３が密着層７の側面に、固体電解質層４がインターコネクタ８の側面に重なる例を示しているが、密着層７やインターコネクタ８は適宜その厚みを調整することができ、例えば、燃料極層３および固体電解質層４が密着層７の側面に重なるように配置することもでき、また、燃料極層３の一部がインターコネクタ８の側面に重なるように配置することもできる。さらには、燃料極層３、固体電解質層４、密着層７およびインターコネクタ８のそれぞれの端部がこの順に重なるように配置することもできる。
【００２７】
ここで、燃料電池セル１０は、燃料極層３と空気極層６との対面している部分が電極として機能して発電する。即ち、空気極層６の外側に空気等の酸素含有ガスを流し、且つ導電性支持体１内の燃料ガス流路２に燃料ガス（水素含有ガス）を流し、所定の作動温度まで加熱することにより発電する。そして、かかる発電によって生成した電流は、導電性支持体１に取り付けられているインターコネクタ８を介して集電される。
【００２８】
以下に、本発明の燃料電池セル１０を構成する各部材について説明する。
【００２９】
導電性支持体１は、燃料ガスを燃料極層３まで透過させるためにガス透過性であること、インターコネクタ８を介して集電を行うために導電性であることが要求されることから、例えば、Ｎｉおよび／またはＮｉＯと、特定の希土類酸化物とにより形成されることが好ましい。
【００３０】
特定の希土類酸化物とは、導電性支持体１の熱膨張係数を固体電解質層４の熱膨張係数に近づけるために使用されるものであり、Ｙ、Ｌｕ（ルテチウム）、Ｙｂ、Ｔｍ（ツリウム）、Ｅｒ（エルビウム）、Ｈｏ（ホルミウム）、Ｄｙ（ジスプロシウム）、Ｇｄ、Ｓｍ、Ｐｒ（プラセオジム）からなる群より選択される少なくとも１種の元素を含む希土類酸化物が、Ｎｉおよび／またはＮｉＯとの組み合わせで使用することができる。このような希土類酸化物の具体例としては、Ｙ２Ｏ３、Ｌｕ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３、Ｔｍ２Ｏ３、Ｅｒ２Ｏ３、Ｈｏ２Ｏ３、Ｄｙ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、Ｓｍ２Ｏ３、Ｐｒ２Ｏ３を例示することができ、Ｎｉおよび／またはＮｉＯとの固溶、反応が殆どなく、また、熱膨張係数が固体電解質層４とほとんど同程度であり、かつ安価であるという点から、Ｙ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３が好ましい。
【００３１】
また、本発明においては、導電性支持体１の良好な導電率を維持し、かつ熱膨張係数を固体電解質層４と近似させるという点で、Ｎｉおよび／またはＮｉＯ：希土類酸化物成分＝３５：６５〜６５：３５の体積比で存在することが好ましい。なお、導電性支持体１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。
【００３２】
また、導電性支持体１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ましい。また、導電性支持体１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。
【００３３】
なお、導電性支持体１の平坦面ｎの長さ（導電性支持体１の幅方向の長さ）は、通常、１５〜３５ｍｍ、弧状面ｍの長さ（弧の長さ）は、２〜８ｍｍであり、導電性支持体１の厚み（平坦面ｎ間の厚み）は１．５〜５ｍｍであることが好ましい。
【００３４】
燃料極層３は、電極反応を生じさせるものであり、それ自体公知の多孔質の導電性セラミックスにより形成することが好ましい。例えば、希土類元素が固溶したＺｒＯ２または希土類元素が固溶したＣｅＯ２と、Ｎｉおよび／またはＮｉＯとから形成することができる。なお、希土類元素としては、導電性支持体１において例示した希土類元素を用いることができ、例えばＹが固溶したＺｒＯ２（ＹＳＺ）とＮｉおよび／またはＮｉＯとから形成することができる。
【００３５】
燃料極層３中の希土類元素が固溶したＺｒＯ２または希土類元素が固溶しているＣｅＯ２の含有量は、３５〜６５体積％の範囲にあるのが好ましく、またＮｉあるいはＮｉＯの含有量は、６５〜３５体積％であるのが好ましい。さらに、この燃料極層３の開気孔率は、１５％以上、特に２０〜４０％の範囲にあるのが好ましく、その厚みは、１〜３０μｍであるのが好ましい。例えば、燃料極層３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４と燃料極層３との間で熱膨張差による剥離等を生じるおそれがある。
【００３６】
また、図１（ａ）および（ｂ）の例では、燃料極層３が、密着層７の両サイドにまで延びているが、空気極層６に対面する位置に形成されていればよいため、例えば空気極層６が設けられている側の平坦面ｎにのみ燃料極層３が形成されていてもよい。すなわち、燃料極層３は平坦面ｎにのみ設けられ、固体電解質層４が燃料極層３上、両弧状面ｍ上および燃料極層３が形成されていない他方の平坦面ｎ上に形成された構造をしたものであってもよい。
【００３７】
固体電解質層４は、３〜１５モル％のＹ（イットリウム）、Ｓｃ（スカンジウム）、Ｙｂ（イッテルビウム）等の希土類元素を含有した部分安定化あるいは安定化ＺｒＯ２からなる緻密質なセラミックスを用いるのが好ましい。また、希土類元素としては、安価であるという点からＹが好ましい。さらに、固体電解質層４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、かつその厚みが５〜５０μｍであることが好ましい。
【００３８】
なお、固体電解質層４と後述する空気極層６の間に、固体電解質層４と空気極層６との接合を強固とするとともに、固体電解質層４の成分と空気極層６の成分とが反応して電気抵抗の高い反応層が形成されることを抑制する目的で中間層５を備えることもでき、図１に示した燃料電池セル１０においては中間層５を備えた例を示している。
【００３９】
ここで、中間層５としては、Ｃｅ（セリウム）と他の希土類元素とを含有する組成にて形成することができ、例えば、
（１）：（ＣｅＯ２）１−ｘ（ＲＥＯ１．５）ｘ
式中、ＲＥはＳｍ、Ｙ、Ｙｂ、Ｇｄの少なくとも１種であり、ｘは０＜ｘ≦０．３を満足する数。
で表される組成を有していることが好ましい。さらには、電気抵抗を低減するという点から、ＲＥとしてＳｍやＧｄを用いることが好ましく、例えば１０〜２０モル％のＳｍＯ１．５またはＧｄＯ１．５が固溶したＣｅＯ２からなることが好ましい。い。
【００４０】
また、固体電解質層４と空気極層６とを強固に接合するとともに、固体電解質層４の成分と空気極層６の成分とが反応して電気抵抗の高い反応層が形成されることをさらに抑制することを目的として、中間層５を２層から形成することもできる。
【００４１】
そして、空気極層６としては、いわゆるＡＢＯ３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により形成することが好ましい。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Ｓｒ（ストロンチウム）とＬａ（ランタン）が共存するＬａＭｎＯ３系酸化物、ＬａＦｅＯ３系酸化物、ＬａＣｏＯ３系酸化物の少なくとも１種が好ましく、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ＬａＣｏＯ３系酸化物が特に好ましい。なお、上記ペロブスカイト型酸化物においては、Ｂサイトに、Ｃｏ（コバルト）とともにＦｅ（鉄）やＭｎ（マンガン）が存在しても良い。
【００４２】
また、空気極層６は、ガス透過性を有する必要があり、従って、空気極層６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好ましい。さらに、空気極層６の厚みは、集電性という点から３０〜１００μｍであることが好ましい。
【００４３】
また、導電性支持体１の空気極層６側と反対側の平坦面ｎ上には、密着層７を介してＭｇを含有してなるインターコネクタ８が積層されている。
【００４４】
インターコネクタ８としては、導電性セラミックスにより形成されることが好ましいが、燃料ガス（水素含有ガス）およ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、耐還元性、耐酸化性を有す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（ＬａＣｒＯ３系酸化物）が使用され、特に導電性支持体１と固体電解質層４との熱膨張係数を近づける目的から、ＢサイトにＭｇが存在するＬａＣｒＭｇＯ３系酸化物が用いられる。なおＭｇのモル量は、インターコネクタ８の熱膨張係数が、導電性支持体１および固体電解質層４の熱膨張係数に近づくように、具体的には１０〜１２ｐｐｍ／Ｋとなるように適宜調整することができる。
【００４５】
また、インターコネクタ８の厚みは、ガスのリーク防止と電気抵抗という点から、１０〜５０μｍであることが好ましい。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。
【００４６】
さらに、導電性支持体１とインターコネクタ８との間には、インターコネクタ８と導電性支持体１との間の熱膨張係数差を軽減する等のために密着層７が形成されている。
【００４７】
このような密着層７としては、燃料極層３と類似した組成とすることができる。例えば、希土類酸化物、希土類元素が固溶したＺｒＯ２、希土類元素が固溶したＣｅＯ２のうち少なくとも１種と、Ｎｉおよび／またはＮｉＯとから形成することができる。より具体的には、例えばＹ２Ｏ３とＮｉおよび／またはＮｉＯからなる組成や、Ｙが固溶したＺｒＯ２（ＹＳＺ）とＮｉおよび／またはＮｉＯからなる組成、Ｙ、Ｓｍ、Ｇｄ等が固溶したＣｅＯ２とＮｉおよび／またはＮｉＯからなる組成から形成することができる。なお、希土類酸化物や希土類元素が固溶したＺｒＯ２（ＣｅＯ２）と、Ｎｉおよび／またはＮｉＯとは、体積比で４０：６０〜６０：４０の範囲とすることが好ましい。
【００４８】
また、図１には示していないが、インターコネクタ８の外面（上面）には、Ｐ型半導体層１７（図２参照）を設けることが好ましい。集電部材を、Ｐ型半導体層１７を介してインターコネクタ８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、電位降下を少なくでき、集電性能の低下を有効に回避することが可能となる。
【００４９】
このようなＰ型半導体層１７としては、遷移金属ペロブスカイト型酸化物からなる層を例示することができる。具体的には、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ＬａＭｎＯ３系酸化物、ＬａＦｅＯ３系酸化物、ＬａＣｏＯ３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１７の厚みは、一般に、３０〜１００μｍの範囲にあることが好ましい。
【００５０】
ところで、上述した燃料電池セル１０を作製して、燃料ガス流路２に燃料ガスを流通させて還元処理を行なった場合に、インターコネクタ８が膨張する変形を生じるほか、インターコネクタ８を構成する成分が導電性支持体１に拡散し、導電性支持体１におけるインターコネクタ８側が膨張して変形する還元変形を生じる場合がある。
【００５１】
ところで、インターコネクタ８中にＭｇを含有する場合に、燃料電池セル１０を焼結させて作製すると、インターコネクタ８中のＭｇが導電性支持体１側に拡散しており、このような燃料電池セル１０の燃料ガス流路２に燃料ガスを流通させて還元処理を行った場合に、インターコネクタ８や導電性支持体１におけるインターコネクタ８側が還元変形を生じる場合があった。
【００５２】
そして、燃料電池セル１０に還元変形が生じると、燃料電池セル１０にクラックが生じるおそれや、複数の燃料電池セル１０を集電部材を介して電気的に接続してなる燃料電池セルスタック装置において、集電部材が燃料電池セル１０から剥離するというおそれがあった。
【００５３】
そこで、本発明の燃料電池セル１０においては、各部材を上述したような組成により作製することができるが、作製後の燃料電池セル１０において、密着層７中におけるＭｇのモル量が、インターコネクタ８中におけるＭｇのモル量の５０％以下としたことを特徴とする。なお、Ｍｇのモル量はＥＰＭＡ（波長分散型Ｘ線マイクロアナライザ）を用いて半定量分析法により求めることができる。なお、本発明において、密着層７中およびインターコネクタ８中におけるＭｇのモル量は、密着層７とインターコネクタ８の界面から１０μｍの深さの部位を測定して求めるものとする。なお、導電性支持体１中におけるＭｇのモル量を測定する場合には、密着層７との界面から１０μｍの深さの部位を測定して求めるものとする。
【００５４】
それにより、燃料電池セル１０を還元処理した場合において、インターコネクタ８や導電性支持体１が還元膨張することを抑制することができる。
【００５５】
このような燃料電池セル１０は、詳細は後述するが、インターコネクタ８の焼成時における温度を通常よりも低い温度で焼成する（１３５０℃〜１４５０℃、より好ましくは１４００〜１４３０℃）ことにより作製することができる。
【００５６】
また、燃料電池セル１０の還元変形をより抑制するにあたっては、密着層７中におけるＭｇのモル量は、インターコネクタ８中におけるＭｇのモル量の２５％以下とすることが好ましい。それにより、燃料電池セル１０の還元変形をより効果的に抑制することができる。
【００５７】
その際、密着層７は上述したような組成とすることができるが、Ｍｇの拡散をより効果的に抑制するにあたり、密着層７はＺｒを含有することが好ましい。詳細は不明であるが、密着層７にＺｒを含有することにより、インターコネクタ８の成分であるＭｇの拡散をより有効に抑制することができるとともに、導電性支持体１とインターコネクタ８とを強固に接合することができる。
【００５８】
さらに、インターコネクタ８に含まれるＭｇが燃料電池セル１０の還元変形に影響を及ぼすことから、導電性支持体１においてはＭｇを含有しないことが好ましい。それにより、導電性支持体１のインターコネクタ８側の還元変形を有効に抑制することができる。
【００５９】
以上説明した本発明の燃料電池セル１０の作製方法について説明する。
【００６０】
先ず、Ｎｉおよび／またはＮｉＯ粉末と、Ｙ２Ｏ３などの希土類酸化物の粉末と、有機バインダーと、溶媒とを混合して坏土を調製し、この坏土を用いて押出成形により導電性支持体成形体を作製し、これを乾燥する。なお、導電性支持体成形体として、導電性支持体成形体を９００〜１０００℃にて２〜６時間仮焼した仮焼体を用いてもよい。
【００６１】
次に、例えば所定の調合組成に従いＮｉＯ、Ｙ２Ｏ３が固溶したＺｒＯ２（ＹＳＺ）の素原料を秤量、混合する。この後、混合した粉体に、有機バインダーおよび溶媒を混合して燃料極層用スラリーを調製する。
【００６２】
さらに、希土類元素が固溶したＺｒＯ２粉末に、トルエン、バインダー、市販の分散剤等を加えてスラリー化したものをドクターブレード等の方法により、７〜７５μｍの厚さに成形してシート状の固体電解質層成形体を作製する。得られたシート状の固体電解質層成形体上に燃料極層用スラリーを塗布して燃料極層成形体を形成し、この燃料極層成形体側の面を導電性支持体成形体に積層する。なお、燃料極層用スラリーを導電性支持体成形体の所定位置に塗布し乾燥して、固体電解質層成形体を導電性支持体成形体（燃料極層成形体）に積層しても良い。
【００６３】
続いて固体電解質層４と空気極層６との間に配置する中間層５を形成する。なお、下記においては、中間層５を２層として形成する場合の例を示す。
【００６４】
例えば、ＧｄＯ１．５が固溶したＣｅＯ２粉末を８００〜９００℃にて２〜６時間、熱処理を行い、その後、湿式解砕して凝集度を５〜３５に調整し、中間層成形体用の原料粉末を調整する。湿式解砕は溶媒を用いて１０〜２０時間ボールミルすることが望ましい。なお、中間層５をＳｍＯ１．５が固溶したＣｅＯ２粉末より形成する場合も同様である。
【００６５】
そして、凝集度が調製された中間層成形体の原料粉末に、溶媒としてトルエンを添加し、中間層用スラリーを作製し、このスラリーを固体電解質層成形体上に塗布して第１の層の塗布膜を形成し、第１の層成形体を作製する。なお、シート状の第１の層成形体を作製し、これを固体電解質層成形体上に積層してもよい。
【００６６】
続いて、インターコネクタ用材料（例えば、ＬａＣｒＭｇＯ３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。
【００６７】
続いて、導電性支持体１とインターコネクタ８との間に位置する密着層成形体を形成する。例えば、Ｙが固溶したＺｒＯ２とＮｉＯが体積比で４０：６０〜６０：４０の範囲となるように混合して乾燥し、有機バインダー等を加えて密着層用スラリーを調整する。調整した密着層用スラリーを、インターコネクタ用シートに塗布して密着層成形体を形成し、この密着層成形体側の面を導電性支持体成形体に積層する。
【００６８】
次いで、上記の積層成形体を脱バインダー処理し、酸素含有雰囲気中、１３５０℃〜１４５０℃（より好ましくは１４００〜１４３０℃）にて２〜６時間、同時焼結（同時焼成）する。
【００６９】
その後、形成された第１の層焼結体の表面に上記中間層用スラリーを塗布して第２の層成形体を作製して焼結する。なお、第２の層成形体を焼結するにあたって、固体電解質層と第１の層との同時焼結温度より、２００℃以上低いことが好ましく、例えば１１５０℃〜１２５０℃で行うことが好ましい。なお、第２の層と第１の層とを固着させるための焼結時間としては、２〜６時間とすることができる。
【００７０】
さらに、空気極層用材料（例えば、ＬａＣｏＯ３系酸化物粉末）、溶媒および増孔剤を含有するスラリーをディッピング等により中間層上に塗布する。また、インターコネクタの所定の位置に、必要によりＰ型半導体層用材料（例えば、ＬａＣｏＯ３系酸化物粉末）と溶媒を含むスラリーを、ディッピング等により塗布し、１０００〜１３００℃で、２〜６時間焼き付けることにより、図１（Ｐ型半導体層１７については図２参照）に示す構造の本発明の燃料電池セル１０を製造できる。なお、燃料電池セル１０は、その後、内部に水素ガスを流し、導電性支持体１および燃料極層３の還元処理を行なうのが好ましい。その際、たとえば７５０〜１０００℃にて５〜２０時間還元処理を行なうのが好ましい。
【００７１】
以上のように、本発明の燃料電池セル１０の作製時において、インターコネクタ８の焼結時における焼結温度を１３５０℃〜１４５０℃（より好ましくは１４００〜１４３０℃）とすることにより、インターコネクタ８の成分であるＭｇの拡散を抑制し、密着層７中におけるＭｇのモル量をインターコネクタ８中におけるＭｇのモル量の５０％以下とすることができ、燃料電池セル１０の還元変形を抑制することができる。なお、密着層７中におけるＭｇのモル量のほか、発電性能を考慮して、好ましい焼結温度を１４００〜１４３０℃とすることがよい。
【００７２】
さらに、密着層７をＹが固溶したＺｒＯ２（ＹＳＺ）とＮｉＯとで形成することにより、インターコネクタ８の成分であるＭｇの拡散をさらに抑制することができ、それによりＭｇを含有しない導電性支持体１とすることができ、燃料電池セル１０の還元変形をさらに抑制することができる。
【００７３】
また、上述の説明において中間層５を２層からなるものとしたが、それにより、空気極層６と固体電解質層４とを強固に接合することができるとともに、固体電解質層４の成分と空気極層６の成分とが反応して電気抵抗の高い反応層が形成されることを抑制することができ、燃料電池セル１０の発電効率を向上することができる。
【００７４】
図２は、上述した燃料電池セル１０の複数個を、集電部材１３を介して電気的に直列に接続して構成される燃料電池セルスタック装置の一例を示したものであり、（ａ）は燃料電池セルスタック装置１１を概略的に示す側面図、（ｂ）は（ａ）の燃料電池セルスタック装置１１の一部拡大平面図であり、（ａ）で示した点線枠で囲った部分を抜粋して示している。なお、（ｂ）において（ａ）で示した点線枠で囲った部分に対応する部分を明確とするために矢印にて示しており、（ｂ）で示す燃料電池セル１０においては、上述した中間層５を省略して示しており、インターコネクタ８上にＰ型半導体層１７を設けた例を示している。
【００７５】
なお、燃料電池セルスタック装置１１においては、各燃料電池セル１０を集電部材１３を介して配列することで燃料電池セルスタック１２を構成しており、各燃料電池セル１０の下端が、燃料電池セル１０に燃料ガスを供給するためのマニホールド１６に、ガラスシール材等の接着剤により固定されている。また、燃料電池セル１０の配列方向の両端から集電部材１３を介して燃料電池セルスタック１２を挟持するように、マニホールド１６に下端が固定された弾性変形可能な導電部材１４を具備している。
【００７６】
また、図２に示す導電部材１４においては、燃料電池セル１０の配列方向に沿って外側に向けて延びた形状で、燃料電池セルスタック１２（燃料電池セル１０）の発電により生じる電流を引出すための電流引出し部１５が設けられている。
【００７７】
ここで、本発明の燃料電池セルスタック装置１１においては、上述した燃料電池セル１０を用いて、燃料電池セルスタック１２を構成することにより、燃料電池セル１０の還元変形を抑制することができることから、集電部材１３と燃料電池セル１０とが剥離することを抑制でき、信頼性が向上した燃料電池セルスタック装置１１とすることができる。
【００７８】
図３は、本発明の燃料電池セルスタック装置１１を収納容器内に収納してなる燃料電池モジュール１８の一例を示す外観斜視図であり、直方体状の収納容器１９の内部に、図２に示した燃料電池セルスタック装置１１を収納して構成されている。
【００７９】
なお、燃料電池セル１０にて使用する燃料ガスを得るために、天然ガスや灯油等の原燃料を改質して燃料ガスを生成するための改質器２０を燃料電池セルスタック１２の上方に配置している。そして、改質器２０で生成された燃料ガスは、ガス流通管２１を介してマニホールド１６に供給され、マニホールド１６を介して燃料電池セル１０の内部に設けられたガス流路２に供給される。
【００８０】
なお、図３においては、収納容器１９の一部（前後面）を取り外し、内部に収納されている燃料電池セルスタック装置１１および改質器２０を後方に取り出した状態を示している。ここで、図３に示した燃料電池モジュール１８においては、燃料電池セルスタック装置１１を、収納容器１９内にスライドして収納することが可能である。なお、燃料電池セルスタック装置１１は、改質器２０を含むものとしても良い。
【００８１】
また収納容器１９の内部に設けられた酸素含有ガス導入部材２２は、図３においてはマニホールド１６に並置された燃料電池セルスタック１２の間に配置されるとともに、酸素含有ガスが燃料ガスの流れに合わせて、燃料電池セル１０の側方を下端部から上端部に向けて流れるように、燃料電池セル１０の下端部に酸素含有ガスを供給する。そして、燃料電池セル１０のガス流路より排出される燃料ガスと酸素含有ガスとを燃料電池セル１０の上端部側で燃焼させることにより、燃料電池セル１０の温度を上昇させることができ、燃料電池セルスタック装置１１の起動を早めることができる。また、燃料電池セル１０の上端部側にて、燃料電池セル１０のガス流路から排出される燃料ガスと酸素含有ガスとを燃焼させることにより、燃料電池セル１０（燃料電池セルスタック１２）の上方に配置された改質器２０を温めることができる。それにより、改質器２０で効率よく改質反応を行うことができる。
【００８２】
さらに、本発明の燃料電池モジュール１８においても、還元変形を抑制することができる燃料電池セル１０を用いて構成される燃料電池セルスタック装置１１を収納容器１９内に収納してなることから、信頼性が向上した燃料電池モジュール１８とすることができる。
【００８３】
図４は、外装ケース内に図３で示した燃料電池モジュール１８と、燃料電池セルスタック装置１１を動作させるための補機とを収納してなる本発明の燃料電池装置の一例を示す分解斜視図である。なお、図４においては一部構成を省略して示している。
【００８４】
図４に示す燃料電池装置２３は、支柱２４と外装板２５から構成される外装ケース内を仕切板２６により上下に区画し、その上方側を上述した燃料電池モジュール１８を収納するモジュール収納室２７とし、下方側を燃料電池モジュール１８を動作させるための補機類を収納する補機収納室２８として構成されている。なお、補機収納室２８に収納する補機類を省略して示している。
【００８５】
また、仕切板２６には、補機収納室２８の空気をモジュール収納室２７側に流すための空気流通口２９が設けられており、モジュール収納室２７を構成する外装板２５の一部に、モジュール収納室２７内の空気を排気するための排気口３０が設けられている。
【００８６】
このような燃料電池装置２３においては、上述したように、信頼性を向上することができる燃料電池モジュール１８をモジュール収納室２７に収納して構成されることにより、信頼性の向上した燃料電池装置２３とすることができる。
【００８７】
以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の用紙を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。
【実施例】
【００８８】
先ず、平均粒径０．５μｍのＮｉＯ粉末と、平均粒径０．９μｍのＹ２Ｏ３粉末を焼成−還元後における体積比率が、ＮｉＯが４８体積％、Ｙ２Ｏ３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坏土を押出成形法にて成形し、乾燥、脱脂して導電性支持体成形体を作製した。なお、試料Ｎｏ．１においては、Ｙ２Ｏ３粉末の焼成−還元後における体積比率が、ＮｉＯが４５体積％、Ｙ２Ｏ３が５５体積％となるようにした。
【００８９】
次に、８ｍｏｌ％のＹが固溶したマイクロトラック法による粒径が０．８μｍのＺｒＯ２粉末（固体電解質層原料粉末）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用いて、ドクターブレード法にて厚み３０μｍの固体電解質層用シートを作製した。
【００９０】
次に平均粒径０．５μｍのＮｉＯ粉末とＹ２Ｏ３が固溶したＺｒＯ２粉末と有機バインダーと溶媒とを混合した燃料極層用スラリーを作製し、固体電解質層用シート状に塗布して燃料極層成形体を形成した。続いて、燃料極層成形体側の面を下にして導電性支持体成形体の所定位置に積層した。
【００９１】
続いて、上記のように成形体を積層した積層成形体を１０００℃にて３時間仮焼処理した。
【００９２】
次に、ＣｅＯ２を８５モル％、他の希土類元素の酸化物（ＧｄＯ１．５）のいずれかを１５モル％含む複合酸化物を、溶媒としてイソプロピルアルコール（ＩＰＡ）を用いて振動ミル又はボールミルにて粉砕し、９００℃にて４時間仮焼処理を行い、再度ボールミルにて解砕処理し、セラミック粒子の凝集度を調製し、中間層原料粉末を得た。この粉体にアクリル系バインダーとトルエンとを添加し、混合して作製した中間層用のスラリーを、得られた積層仮焼体の固体電解質層４仮焼体上に、スクリーン印刷法にて塗布し、第１の層成形体を作製した。
【００９３】
続いて、表１に示した各ＬａＣｒＭｇＯ３系酸化物と、有機バインダーと溶媒とを混合したスラリーを作製し、インターコネクタ用シートを作製した。
【００９４】
また引き続き、表１に記載した各組成にしたがって原料を混合して乾燥し、有機バインダーと溶媒とを混合して密着層用スラリーを調整した。調整した密着層用スラリーを、インターコネクタ用シートに塗布して密着層成形体を形成し、この密着層成形体側の面を導電性支持体の燃料極層（および固体電解質層）が形成されていない部位（導電性支持体が露出した部位）に積層した。なお、表１においてＧｄＣｅとは、ＧｄＯ１．５が固溶したＣｅＯ２を示している。
【００９５】
次いで、上記の積層成形体を脱バインダー処理し、酸素含有雰囲気中で、表１に示した各条件にて３時間同時焼成した。
【００９６】
次に、形成された第１の層焼結体の表面に、上記中間層用スラリーをスクリーン印刷法にて塗布して第２の層膜を形成し、表１に示す各温度より２００℃低い温度で３時間焼結処理を行った。
【００９７】
次に、平均粒径２μｍのＬａ０．６Ｓｒ０．４Ｃｏ０．２Ｆｅ０．８Ｏ３粉末と、イソプロピルアルコールとからなる混合液を作製し、積層焼結体の中間層の表面に噴霧塗布し、空気極層成形体を形成し、１１００℃にて４時間で焼き付け、空気極層を形成し、図１に示す燃料電池セルを作製した。
【００９８】
なお、作製した燃料電池セルの寸法は２５ｍｍ×２００ｍｍで、導電性支持体の厚み（平坦面ｎ間の厚み）は２ｍｍ、開気孔率３５％、燃料極層の厚さは１０μｍ、開気孔率２４％、空気極層の厚みは５０μｍ、開気孔率４０％、固体電解質層の相対密度は９７％であった。
【００９９】
次に、この燃料電池セルの内部に水素ガスを流し、８５０℃で１０時間、導電性支持体および燃料極層の還元処理を施した。
【０１００】
得られた燃料電池セルについて、密着層中、インターコネクタ中、導電性支持体中におけるＭｇのモル量を、ＥＰＭＡ（波長分散型Ｘ線マイクロアナライザ）を用いて半定量分析法により分析し、表１に記載した。なお、上述したように、密着層中とインターコネクタ中におけるＭｇのモル量は、密着層とインターコネクタの界面からそれぞれ１０μｍの深さの部位を測定し、導電性支持体中におけるＭｇのモル量は、密着層との界面から１０μｍの深さの部位を測定した。
【０１０１】
また同様に、表面粗さ計を用い、インターコネクタの幅方向中央を長さ方向に走査して最大高さＲｍａｘ（ＪＩＳ  Ｂ  ０６０１）を求め、変形量（μｍ）として表１に記載した。
【０１０２】
【表１】
2010129267.tif 000003
【０１０３】
表１の結果より、密着層中におけるＭｇのモル量が、インターコネクタ中におけるＭｇのモル量の５０％以下である試料Ｎｏ．１〜１２においては、還元変形が１５０μｍ以下という結果を示し、燃料電池セルの還元変形を有効に抑制できることがわかった。さらに、密着層中におけるＭｇのモル量が、インターコネクタ中におけるＭｇのモル量の２５％以下であった試料Ｎｏ．１〜５においては、還元変形が１００μｍ以下という結果を示し、燃料電池セルの還元変形をさらに有効に抑制できることがわかった。
【０１０４】
一方、密着層中におけるＭｇのモル量が、インターコネクタ中におけるＭｇのモル量の５０％よりも多い試料Ｎｏ．１３〜１５においては、還元変形が１５０μｍよりも大きく、燃料電池セルの還元変形を抑制できていない結果を示した。
【０１０５】
これらのことより、密着層中におけるＭｇのモル量を、インターコネクタ中におけるＭｇのモル量の５０％以下とすることにより、還元変形を抑制することができ、信頼性を向上した燃料電池セルとすることができることが分かった。
【０１０６】
また、密着層中にＺｒを含有する試料Ｎｏ．１〜５においては、Ｚｒを含有しない密着層（試料Ｎｏ．６〜１２）と対比して、より還元変形を抑制することができることがわかった。
【０１０７】
また、同様に、インターコネクタを構成するＭｇが導電性支持体に拡散していない試料においても、還元変形をより抑制することができることが分かった。
【図面の簡単な説明】
【０１０８】
【図１】本発明の燃料電池セルの一例を示したものであり、（ａ）はその横断面図、（ｂ）は（ａ）の斜視図である。
【図２】本発明の燃料電池セルスタック装置の一例を示し、（ａ）は燃料電池セルスタック装置を概略的に示す側面図、（ｂ）は（ａ）の燃料電池セルスタック装置の点線枠で囲った部分の一部を拡大した平面図である。
【図３】本発明の燃料電池モジュールの他の一例を示す外観斜視図である。
【図４】本発明の燃料電池装置の一例を示す分解斜視図である。
【符号の説明】
【０１０９】
１：導電性支持体
２：燃料ガス流路
３：燃料極層（内側電極層）
４：固体電解質層
５：中間層
６：空気極層（外側電極層）
７：密着層
８：インターコネクタ
１１：燃料電池セルスタック装置
１８：燃料電池モジュール
２３：燃料電池装置
【図１】
2010129267.tif 000004
【図２】
2010129267.tif 000005
【図３】
2010129267.tif 000006
【図４】
2010129267.tif 000007