(57)【要約】【課題】発電効率を向上させることのできる燃料電池セルを提供する。【解決手段】燃料電池セルは、支持基板２０と、第１発電素子部１０ａと、緻密層８と、を備えている。緻密層８は、酸素イオン伝導性を有さない。燃料電池セルは、発電領域Ａと、非発電領域Ｂとを備える。発電領域Ａは、燃料極活性部４２、電解質５、及び空気極活性部６１が重複する領域である。非発電領域Ｂは、その他の領域である。空気極集電部６２は、発電領域Ａから非発電領域Ｂまで延びている。緻密層８は、非発電領域Ｂにおいて、空気極集電部６２と支持基板２０との間に配置されている。【選択図】図５
2018041557.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス流路を有する多孔質の支持基板と、
燃料極集電部、燃料極活性部、電解質、空気極活性部、及び空気極集電部、を有し、前記支持基板上に支持される第１発電素子部と、
酸素イオン伝導性を有さない緻密層と、
を備え、
当該燃料電池セルは、前記燃料極活性部、前記電解質、及び前記空気極活性部が重複する領域である発電領域と、その他の領域である非発電領域とを備え、
前記空気極集電部は、前記発電領域から非発電領域まで延びており、
前記緻密層は、前記非発電領域において、前記空気極集電部と前記支持基板との間に配置される、
燃料電池セル。
【請求項２】
前記電解質と前記空気極活性部との間に配置され、希土類元素を含むセリアを含んだ材料から構成される反応防止膜をさらに備える、
請求項１に記載の燃料電池セル。
【請求項３】
前記空気極集電部は、前記支持基板と同じ主成分を有する、
請求項１又は２に記載の燃料電池セル。
【請求項４】
前記緻密層は、前記支持基板の一対の側面を覆うように配置される、
請求項３に記載の燃料電池セル。
【請求項５】
燃料極集電部、燃料極活性部、電解質、空気極活性部、及び空気極集電部を有し、前記支持基板上に支持される第２発電素子部と、
前記第１発電素子部と前記第２発電素子部とを電気的に接続するインターコネクタと、
をさらに備え、
前記第１発電素子部の空気極集電部は、前記第２発電素子部に向かって延び、
前記第２発電素子部の燃料極集電部は、前記第１発電素子部に向かって延び、
前記インターコネクタは、前記第１発電素子部の空気極集電部と、前記第２発電素子部の燃料極集電部とを電気的に接続する、
請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池セル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池セルに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池セルは、支持基板と、支持基板上に支持される発電素子部とを備えている。発電素子部は、燃料極集電部、燃料極活性部、電解質、空気極活性部、及び空気極集電部を有している。燃料極活性部、電解質、及び空気極活性部が重複する領域を発電領域とし、その他の領域を非発電領域とする。支持基板は、多孔質であり、ガス流路を有している。このガス流路に燃料ガスが供給されると、発電領域では、支持基板内を介して燃料極活性部へと燃料ガスが供給される。そして、非発電領域において、燃料ガスが支持基板内を介して空気極側に漏れることを防止するため、支持基板は、電解質によって覆われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−７６３３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
燃料電池セルにおいて、発電効率を向上させることが要望されている。そこで、本発明の課題は、発電効率を向上させることのできる燃料電池セルを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
発明者は、非発電領域において、酸素イオンが電解質を介して支持基板側へ伝導されることによってリーク電流が発生し、この結果、燃料電池セルの発電効率が低下しているおそれがあることを見出した。そこで、本発明に係る燃料電池セルは、以下のような構成とすることによって、リーク電流の発生を抑制して発電効率を向上させた。
【０００６】
本発明のある側面に係る燃料電池セルは、支持基板と、第１発電素子部と、緻密層と、を備えている。支持基板は、ガス流路を有する。支持基板は、多孔質である。第１発電素子部は、燃料極集電部、燃料極活性部、電解質、空気極活性部、及び空気極集電部、を有する。第１発電素子部は、支持基板上に支持される。緻密層は、酸素イオン伝導性を有さない。なお、酸素イオン伝導性を有さないとは、燃料電池セルの作動温度の一例である７５０度において、酸素イオン導電率が１×１０−３Ｓ／ｃｍ以下であることを意味する。燃料電池セルは、発電領域と、非発電領域とを備える。発電領域は、燃料極活性部、前記電解質、及び前記空気極活性部が重複する領域である。非発電領域は、その他の領域である。空気極集電部は、発電領域から非発電領域まで延びている。緻密層は、非発電領域において、空気極集電部と支持基板との間に配置されている。
【０００７】
この構成によれば、非発電領域において、酸素イオン伝導性を有さない緻密層が空気極集電部と支持基板との間に配置されている。このため、空気極集電部内の酸素イオンが支持基板側へと伝導することを防止でき、ひいては発電効率を向上させることができる。
【０００８】
好ましくは、燃料電池セルは、反応防止膜をさらに備える。反応防止膜は、電解質と空気極活性部との間に配置されている。反応防止膜は、希土類元素を含むセリアを含んだ材料から構成される。
【０００９】
好ましくは、緻密層は、支持基板と同じ主成分を有する。この構成によれば、非発電領域において、支持基板と緻密層との熱膨張係数を近づけることができる。この結果、支持基板にクラックが生じることを抑制できる。
【００１０】
好ましくは、緻密層は、支持基板と同じ主成分を有し、支持基板の一対の側面を覆うように配置される。電解質で支持基板の全体を覆った場合、支持基板の一対の側面にクラックが生じることがあった。これに対して、支持基板の一対の側面を緻密層によって覆うことで、緻密層は支持基板と熱膨張係数が近いため、支持基板の側面を覆う緻密層にクラックが生じることを抑制できる。
【００１１】
好ましくは、燃料電池セルは、第２発電素子部と、インターコネクタと、をさらに備えている。第２発電素子部は、燃料極集電部、燃料極活性部、電解質、空気極活性部、及び空気極集電部を有している。第２発電素子部は、支持基板上に支持されている。インターコネクタは、第１発電素子部と第２発電素子部とを電気的に接続する。第１発電素子部の空気極集電部は、第２発電素子部に向かって延びている。第２発電素子部の燃料極集電部は、第１発電素子部に向かって延びている。インターコネクタは、第１発電素子部の空気極集電部と、第２発電素子部の燃料極集電部とを電気的に接続する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る燃料電池セルによれば、発電効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】燃料電池スタックの斜視図。
【図２】燃料電池スタックの断面図。
【図３】燃料マニホールドの斜視図。
【図４】燃料電池セルの斜視図。
【図５】燃料電池セルの断面図。
【図６】燃料電池セルの断面図。
【図７】燃料電池セルと燃料マニホールドとの接合を示す図。
【図８】空気の供給方法を示す図。
【図９】燃料電池セル内を流れる電流を示す図。
【図１０】燃料電池セルの製造方法を示す図。
【図１１】燃料電池セルの製造方法を示す図。
【図１２】燃料電池セルの製造方法を示す図。
【図１３】燃料電池セルの製造方法を示す図。
【図１４】燃料電池セルの製造方法を示す図。
【図１５】燃料電池セルの製造方法を示す図。
【図１６】燃料電池セルの製造方法を示す図。
【図１７】燃料電池セルの製造方法を示す図。
【図１８】変形例に係る燃料電池セルの断面図。
【図１９】変形例に係る燃料電池セルの断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明に係る燃料電池セルを用いた燃料電池スタックの実施形態について図面を参照しつつ説明する。
【００１５】
図１及び図２に示すように、燃料電池スタック１００は、燃料マニホールド２００と、複数の燃料電池セル３０１と、を備えている。
【００１６】
［燃料マニホールド］
図３に示すように、燃料マニホールド２００は、燃料ガスを各燃料電池セル３０１に分配するように構成されている。燃料マニホールド２００は、中空状であり、内部空間を有している。燃料マニホールド２００の内部空間には、導入管２０１を介して燃料ガスが供給される。燃料マニホールド２００は、互いに間隔をあけて並ぶ複数の貫通孔２０２を有している。各貫通孔２０２は、燃料マニホールド２００の天板２０３に形成されている。各貫通孔２０２は、燃料マニホールド２００の内部空間と外部とを連通する。
【００１７】
［燃料電池セル］
図２に示すように、各燃料電池セル３０１は、燃料マニホールド２００から延びている。詳細には、各燃料電池セル３０１は、燃料マニホールド２００の天板２０３から上方（ｘ軸方向）に延びている。すなわち、各燃料電池セル３０１の長手方向（ｘ軸方向）は、上方に延びている。図４に示すように、燃料電池セル３０１は、複数の発電素子部１０と、支持基板２０とを備えている。
【００１８】
［支持基板］
支持基板２０は、支持基板２０の長手方向（ｘ軸方向）に沿って延びる複数のガス流路２１を内部に有している。各ガス流路２１は、互いに実質的に平行に延びている。図５に示すように、支持基板２０は、複数の第１凹部２２と、各第１凹部２２の間に配置される桟部２３を有している。
【００１９】
各第１凹部２２は、支持基板２０の両面に形成されている。各第１凹部２２は支持基板２０の長手方向において互いに間隔をあけて配置されている。なお、各第１凹部２２は、支持基板２０の幅方向（ｙ軸方向）の両端部には形成されていない。各桟部２３は、支持基板２０の幅方向（ｙ軸方向）に延びている。
【００２０】
支持基板２０は、電子伝導性を有さない多孔質の材料によって構成される。支持基板２０は、例えば、ＣＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）から構成され得る。或いは、支持基板２０は、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）とから構成されてもよいし、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹ２Ｏ３（イットリア）とから構成されてもよいし、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）とＭｇＡｌ２Ｏ４（マグネシアアルミナスピネル）とから構成されてもよい。支持基板２０の気孔率は、例えば、２０〜６０％程度である。
【００２１】
［発電素子部］
各発電素子部１０は、支持基板２０の両面に支持されている。なお、各発電素子部１０は、支持基板２０の片面のみに支持されていてもよい。各発電素子部１０は、支持基板２０の長手方向において、互いに間隔をあけて配置されている。すなわち、本実施形態に係る燃料電池セル３０１は、いわゆる横縞型の燃料電池セルである。長手方向に隣り合う発電素子部１０は、インターコネクタ３１によって互いに電気的に接続されている。以下では、複数の発電素子部１０のうちの１つの発電素子部である第１発電素子部１０ａについて説明するが、他の発電素子部１０も同じ構成である。
【００２２】
第１発電素子部１０ａは、燃料極４、電解質５、及び空気極６を有している。また、第１発電素子部１０ａは、反応防止膜７をさらに有している。
【００２３】
［燃料極］
燃料極４は、電子伝導性を有する多孔質の材料から構成される焼成体である。燃料極４は、燃料極集電部４１と燃料極活性部４２とを有する。
【００２４】
［燃料極集電部］
燃料極集電部４１は、第１凹部２２内に配置されている。詳細には、燃料極集電部４１は、第１凹部２２内に充填されており、第１凹部２２と同様の外形を有する。燃料極集電部４１は、第２凹部４１１及び第３凹部４１２を有している。第２凹部４１１内には、燃料極活性部４２が配置されている。また、第３凹部４１２には、インターコネクタ３１が配置されている。
【００２５】
燃料極集電部４１は、電子伝導性を有する。燃料極集電部４１は、燃料極活性部４２よりも高い電子伝導性を有していることが好ましい。燃料極集電部４１は、酸素イオン伝導性を有していてもよいし、有していなくてもよい。
【００２６】
燃料極集電部４１は、例えば、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）とから構成され得る。或いは、燃料極集電部４１は、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹ２Ｏ３（イットリア）とから構成されてもよいし、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＣＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）とから構成されてもよい。燃料極集電部４１の厚さ、及び第１凹部２２の深さは、５０〜５００μｍ程度である。
【００２７】
［燃料極活性部］
燃料極活性部４２は、酸素イオン伝導性を有するとともに、電子伝導性を有する。燃料極活性部４２は、燃料極集電部４１よりも酸素イオン伝導性を有する物質の含有率が大きい。詳細には、燃料極活性部４２における、気孔部分を除いた全体積に対する酸素イオン伝導性を有する物質の体積割合は、燃料極集電部４１における、気孔部分を除いた全体積に対する酸素イオン伝導性を有する物質の体積割合よりも大きい。
【００２８】
燃料極活性部４２は、例えば、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）とから構成され得る。或いは、燃料極活性部４２は、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＧＤＣ（ガドリニウムドープセリア）とから構成されてもよい。燃料極活性部４２の厚さは、５〜３０μｍである。
【００２９】
［電解質］
電解質５は、燃料極４上を覆うように配置されている。詳細には、電解質５は、あるインターコネクタ３１から他のインターコネクタ３１まで長手方向に延びている。すなわち、支持基板２０の長手方向（ｘ軸方向）において、電解質５とインターコネクタ３１とが交互に連続して配置されている。このように、電解質５は、支持基板２０の一対の主面を覆うように構成されている。
【００３０】
電解質５は、イオン伝導性を有し且つ電子伝導性を有さない緻密な材料から構成される焼成体である。電解質５は、例えば、ＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）から構成され得る。或いは、電解質５は、ＬＳＧＭ（ランタンガレート）から構成されてもよい。電解質５の厚さは、例えば、３〜５０μｍ程度である。
【００３１】
［反応防止膜］
反応防止膜７は、緻密な材料から構成される焼成体である。反応防止膜７は、電解質５と空気極活性部６１との間に配置されている。反応防止膜７は、電解質５内のＹＳＺと空気極６内のＳｒとが反応して電解質５と空気極６との界面に電気抵抗が大きい反応層が形成される現象の発生を抑制するために設けられている。反応防止膜７は、隣の発電素子部１０である第２発電素子部１０ｂの燃料極集電部４１までは延びていない。
【００３２】
反応防止膜７は、希土類元素を含むセリアを含んだ材料から構成されている。反応防止膜７は、例えば、ＧＤＣ＝（Ｃｅ，Ｇｄ）Ｏ２（ガドリニウムドープセリア）から構成され得る。反応防止膜７の厚さは、例えば、３〜５０μｍ程度である。
【００３３】
［空気極］
空気極６は、電子伝導性を有する多孔質の材料から構成される焼成体である。空気極６は、電解質５を介して、燃料極４と反対側に配置されている。空気極６は、空気極活性部６１と空気極集電部６２とを有している。
【００３４】
［空気極活性部］
空気極活性部６１は、反応防止膜７上に配置されている。空気極活性部６１は、酸素イオン伝導性を有するとともに、電子伝導性を有する。空気極活性部６１は、空気極集電部６２よりも酸素イオン伝導性を有する物質の含有率が大きい。詳細には、空気極活性部６１おける、気孔部分を除いた全体積に対する酸素イオン伝導性を有する物質の体積割合は、空気極集電部６２における、気孔部分を除いた全体積に対する酸素イオン伝導性を有する物質の体積割合よりも大きい。
【００３５】
空気極活性部６１は、例えば、ＬＳＣＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ３（ランタンストロンチウムコバルトフェライト）から構成され得る。或いは、空気極活性部６１は、ＬＳＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＦｅＯ３（ランタンストロンチウムフェライト）、ＬＮＦ＝Ｌａ（Ｎｉ，Ｆｅ）Ｏ３（ランタンニッケルフェライト）、又は、ＬＳＣ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ３（ランタンストロンチウムコバルタイト）等から構成されてもよい。空気極活性部６１は、ＬＳＣＦから構成される第１層（内側層）とＬＳＣから構成される第２層（外側層）との２層によって構成されてもよい。空気極活性部６１の厚さは、例えば、１０〜１００μｍである。
【００３６】
この空気極活性部６１と、電解質５と、燃料極活性部４２とが重複する領域を発電領域Ａとする。また、その他の領域、すなわち、発電領域Ａ以外の領域を非発電領域Ｂとする。
【００３７】
［空気極集電部］
空気極集電部６２は、空気極活性部６１上に配置されている。また、空気極集電部６２は、空気極活性部６１から、第２発電素子部１０ｂに向かって延びている。すなわち、空気極集電部６２は、発電領域Ａから非発電領域Ｂまで延びている。
【００３８】
空気極集電部６２は、電子伝導性を有する多孔質の材料から構成される焼成体である。空気極集電部６２は、空気極活性部６１よりも高い電子伝導性を有していることが好ましい。空気極集電部６２は、酸素イオン伝導性を有していてもよいし、有していなくてもよい。
【００３９】
空気極集電部６２は、例えば、ＬＳＣＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ３（ランタンストロンチウムコバルトフェライト）から構成され得る。或いは、空気極集電部６２は、ＬＳＣ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ３（ランタンストロンチウムコバルタイト）から構成されてもよい。或いは、空気極集電部６２は、Ａｇ（銀）、Ａｇ−Ｐｄ（銀パラジウム合金）から構成されてもよい。空気極集電部６２の厚さは、例えば、５０〜５００μｍ程度である。
【００４０】
［インターコネクタ］
インターコネクタ３１は、支持基板２０の長手方向（ｘ軸方向）に隣り合う第１発電素子部１０ａと第２発電素子部１０ｂとを電気的に接続するように構成されている。詳細には、第１発電素子部１０ａの空気極集電部６２は、第２発電素子部１０ｂに向かって延びている。また、第２発電素子部１０ｂの燃料極集電部４１は、第１発電素子部１０ａに向かって延びている。そして、インターコネクタ３１は、第１発電素子部１０ａの空気極集電部６２と、第２発電素子部１０ｂの燃料極集電部４１とを電気的に接続している。インターコネクタ３１は、燃料極集電部４１の第３凹部４１２内に配置されている。詳細には、インターコネクタ３１は、第３凹部４１２内に埋設されている。
【００４１】
インターコネクタ３１は、電子伝導性を有する緻密な材料から構成される焼成体である。インターコネクタ３１は、例えば、ＬａＣｒＯ３（ランタンクロマイト）から構成され得る。或いは、インターコネクタ３１は、（Ｓｒ，Ｌａ）ＴｉＯ３（ストロンチウムチタネート）から構成されてもよい。インターコネクタ３１の厚さは、例えば、１０〜１００μｍである。
【００４２】
［緻密層］
緻密層８は、非発電領域Ｂにおいて、空気極集電部６２と支持基板２０との間に配置されている。詳細には、緻密層８は、支持基板２０上に形成された電解質５と空気極集電部６２との間に配置されている。緻密層８は、支持基板２０の長手方向（ｘ軸方向）において、好ましくは桟部２３の６０％以上を覆っており、より好ましくは桟部２３の全体を覆っている。また、図４に示すように、緻密層８は、支持基板２０の一対の側面を覆っていることが好ましい。
【００４３】
緻密層８は、酸素イオン伝導性を有していない。詳細には、緻密層８の酸素イオン導電率は、燃料電池セル１００の作動温度の一例である７５０度において、１×１０−３Ｓ／ｃｍ以下である。緻密層８は、緻密質材料から構成される。例えば、緻密層８の気孔率は、１０％以下程度とすることができる。緻密層８は、支持基板２０と同じ主成分を有している。例えば、緻密層８は、ＭｇＯ、Ｙ２Ｏ３、又はＭｇＡｌ２Ｏ４などによって構成され得る。
【００４４】
［集電部材］
以上のように構成された燃料電池セル３０１は、隣り合う燃料電池セル３０１と、集電部材３０２によって電気的に接続されている。図２に示すように、集電部材３０２は、一対の燃料電池セル３０１間に配置されている。そして、集電部材３０２は、厚さ方向（ｚ軸方向）において隣り合う燃料電池セル３０１同士を電気的に接続するよう、導電性を有している。詳細には、集電部材３０２は、燃料電池セル３０１のガス供給側３０３において、隣り合う燃料電池セル３０１同士を接続している。集電部材３０２は、基端側発電素子部１０ａよりもガス供給側に配置されている。詳細には、図６に示すように、集電部材３０２は、基端側に配置される発電素子部１０から延びる空気極集電部６２上に配置されている。
【００４５】
集電部材３０２は、ブロック状である。例えば、集電部材３０２は、直方体状又は円柱状である。集電部材３０２は、例えば、酸化物セラミックスの焼成体で構成されている。このような酸化物セラミックスとしては、例えば、ペロブスカイト酸化物、又はスピネル酸化物などが挙げられる。ペロブスカイト酸化物としては、例えば、（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ３、又は（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ３等が挙げられる。スピネル酸化物としては、例えば、（Ｍｎ，Ｃｏ）３Ｏ４、又は（Ｍｎ，Ｆｅ）３Ｏ４等が挙げられる。この集電部材３０２は、例えば、可撓性を有していない。
【００４６】
集電部材３０２は、第１接合材１０１によって、各燃料電池セル３０１に接合されている。すなわち、第１接合材１０１は、各集電部材３０２と各燃料電池セル３０１とを接合している。第１接合材１０１は、例えば、（Ｍｎ，Ｃｏ）３Ｏ４、（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ３又は（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ３等よりなる群から選ばれる少なくとも１種である。
【００４７】
図２に示すように、各燃料電池セル３０１は、燃料マニホールド２００に支持されている。詳細には、各燃料電池セル３０１は、第２接合材１０２によって、燃料マニホールド２００の天板２０３に固定されている。より詳細には、図７に示すように、各燃料電池セル３０１は、燃料マニホールド２００の貫通孔２０２に挿入されている。燃料電池セル３０１は、貫通孔２０２に挿入された状態で、第２接合材１０２によって燃料マニホールド２００に固定されている。
【００４８】
第２接合材１０２は、燃料電池セル３０１が挿入された状態の貫通孔２０２内に充填される。すなわち、第２接合材１０２は、燃料電池セル３０１の外周面と、貫通孔２０２を画定する壁面との隙間に充填される。第２接合材１０２は、例えば、結晶化ガラスである。結晶化ガラスとしては、例えば、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３系、ＳｉＯ２−ＣａＯ系、又はＳｉＯ２−ＭｇＯ系が採用され得る。なお、本明細書では、結晶化ガラスとは、全体積に対する「結晶相が占める体積」の割合（結晶化度）が６０％以上であり、全体積に対する「非晶質相及び不純物が占める体積」の割合が４０％未満のガラスを指す。なお、第２接合材１０２の材料として、非晶質ガラス、ろう材、又はセラミックス等が採用されてもよい。具体的には、第２接合材１０２は、ＳｉＯ２−ＭｇＯ−Ｂ２Ｏ５−Ａｌ２Ｏ３系及びＳｉＯ２−ＭｇＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＺｎＯ系よりなる群から選ばれる少なくとも一種である。
【００４９】
燃料マニホールド２００から突出している各燃料電池セル３０１の長手方向（ｘ軸方向）の長さは、１００〜３００ｍｍ程度とすることができる。また、各燃料電池セル３０１は、燃料電池セル３０１の厚さ方向（ｚ軸方向）に間隔をあけて並んでいる。この燃料電池セル３０１同士の間隔は、１〜５ｍｍ程度とすることができる。
【００５０】
［発電方法］
以上のように構成された燃料電池スタック１００は、次のようにして発電する。燃料マニホールド２００を介して各燃料電池セル３０１のガス流路２１内に燃料ガス（水素ガス等）を流すとともに、支持基板２０の両面を酸素を含むガス（空気等）に曝す。
【００５１】
酸素を含むガスは、例えば、図８に示すように、幅方向（ｙ軸方向）に沿って流れるように、基端側の発電素子部１０よりもガス供給側に供給される。詳細には、燃料電池スタック１００は、ガス供給部材４００をさらに有している。ガス供給部材４００は、各燃料電池セル３０１の間において、空気などのガスを供給するように構成されている。なお、ガス供給部材４００から供給されたガスが効率的に上方へ流れるよう、案内板４０１がガス供給部材４００と反対側に設置されていてもよい。案内板４０１は、平板状であって、燃料電池セル３０１の長手方向に延びるとともに、燃料電池セル３０１の厚さ方向に延びている。
【００５２】
以上のように、燃料ガス、及び酸素を含むガスを供給された各発電素子部１０において、電解質５の両側面間に生じる酸素分圧差によって起電力が発生する。この燃料電池スタック１００を外部の負荷に接続すると、空気極６において下記（１）式に示す電気化学反応が起こり、燃料極４において下記（２）式に示す電気化学反応が起こり、電流が流れる。
（１／２）・Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２−      …（１）
Ｈ２＋Ｏ２−→Ｈ２Ｏ＋２ｅ−          …（２）
発電状態においては、電流は、図９において矢印で示すように流れる。インターコネクタ３１、及び発電素子部１０において、電流は厚さ方向に流れる。
【００５３】
［製造方法］
次に、上述したように構成された燃料電池セルの製造方法について説明する。図１０から図１７において、各部材の符号の末尾の「ｇ」は、その部材が焼成前であることを示している。
【００５４】
まず、図１０に示すように、支持基板の成形体２０ｇを作製する。この支持基板の成形体２０ｇは、例えば、支持基板２０の材料（例えば、ＭｇＯ−ＭｇＡｌ２Ｏ４）の粉末にバインダー等を添加して得られるスラリーを用いて、押し出し成形、及び切削等の手法を利用して作製され得る。
【００５５】
支持基板の成形体２０ｇが作製されると、次に、図１１に示すように、支持基板の成形体２０ｇの上下面における各第１凹部２２に、燃料極集電部の成形体４１ｇを充填する。燃料極集電部の成形体４１ｇは、例えば、上述した燃料極集電部４１の材料の粉末にバインダー等を添加して得られるスラリーを用いて、印刷法等によって作製される。
【００５６】
次に、図１２に示すように、燃料極集電部の成形体４１ｇの各第２凹部４１１内に、燃料極活性部の成形膜４２ｇを形成する。この成形膜４２ｇは、例えば、上述した燃料極活性部４２の材料の粉末にバインダーなどを添加して得られるスラリーを用いて、印刷法などによって形成される。
【００５７】
また、各燃料極集電部の成形体４１ｇの各第３凹部４１２内に、インターコネクタの成形膜３１ｇを形成する。各インターコネクタの成形膜３１ｇは、例えば、上述したインターコネクタ３１の材料の粉末にバインダー等を添加して得られるスラリーを用いて、印刷法等によって形成される。
【００５８】
次に、図１３に示すように、燃料極活性部の成形膜４２ｇ上に、電解質の成形膜５ｇを形成する。詳細には、電解質の成形膜５ｇの一方の端部は、第１発電素子部１０ａのインターコネクタの成形膜３１ｇ上に配置されており、電解質の成形膜５ｇの他方の端部は、第２発電素子部１０ｂのインターコネクタの成形膜３１ｇ上に配置される。これによって、燃料極集電部の成形体４１ｇ、及び燃料極活性部の成形膜４２ｇが形成された状態の支持基板の成形体２０ｇの各主面は、インターコネクタの成形膜３１ｇ、及び電解質の成形膜５ｇによって覆われている。電解質の成形膜５ｇは、例えば、上述した電解質５の材料の粉末にバインダー等を添加して得られるスラリーを用いて、印刷法、又はディッピング法等によって形成される。
【００５９】
次に、図１４に示すように、電解質の成形膜５ｇ上に、反応防止膜の成形膜７ｇを形成する。各反応防止膜の成形膜７ｇは、例えば、上述した反応防止膜７の材料の粉末にバインダー等を添加して得られるスラリーを用いて、印刷法等によって形成される。
【００６０】
次に、図１５に示すように、電解質の成形膜５ｇ上に、緻密層の成形膜８ｇを形成する。詳細には、電解質膜の成形膜５ｇのうち、反応防止膜７ｇから第２発電素子部１０ｂ側へ延びた部分を覆うように、緻密層の成形膜８ｇを形成する。
【００６１】
そして、このように種々の成形膜が形成された状態の支持基板の成形体２０ｇを、空気中にて１２００〜１５００℃程度で１〜５時間程度焼成する。これにより、空気極６が形成されていない状態の燃料電池セルが得られる。
【００６２】
次に、図１６に示すように、各反応防止膜７上に、空気極活性部の成形膜６１ｇを形成する。各空気極活性部の成形膜６１ｇは、例えば、上述した空気極活性部６１の材料の粉末にバインダー等を添加して得られるスラリーを用いて、印刷法等によって形成される。
【００６３】
次に、図１７に示すように、第１発電素子部１０ａの空気極活性部の成形膜６１ｇと、第２発電素子部１０ｂのインターコネクタ３１とを跨ぐように、空気極集電部の成形膜６２ｇを形成する。すなわち、空気極集電部の成形膜６２ｇは、空気極活性部の成形膜６１ｇ、電解質５、シール部３２、及び、インターコネクタ３１上に形成される。各空気極集電部の成形膜６２ｇは、例えば、上述した空気極集電部６２の材料の粉末にバインダー等を添加して得られるスラリーを用いて、印刷法等によって形成される。
【００６４】
そして、このように空気極の成形膜６１ｇ、６２ｇが形成された状態の支持基板２０を、空気中にて８００〜１２００℃程度で１〜５時間程度焼成する。これによって、燃料電池セル３０１が完成する。
【００６５】
［変形例］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。
【００６６】
変形例１
上記実施形態では、支持基板２０は平板状であったが、円筒状であってもよい。すなわち、燃料電池セル３０１は、円筒型であってもよい。
【００６７】
変形例２
上記実施形態では、燃料極集電部４１が第２凹部４１１及び第３凹部４１２を有しているが、燃料極集電部４１の構成はこれに限定されない。例えば、燃料極集電部４１は第２凹部４１１及び第３凹部４１２などの凹部を有していなくてもよい。この場合、燃料極活性部４２は、燃料極集電部４１上に形成されており、燃料極集電部４１に埋設されていない。また、インターコネクタ３１は、燃料極集電部４１上に形成されており、燃料極集電部４１に埋設されていない。
【００６８】
変形例３
図１８に示すように、燃料電池セルは、インターコネクタ３１を囲むように配置されたシール部３２を備えていてもよい。例えば、シール部３２は環状である。シール部３２は、電気絶縁性を有している。すなわち、シール部３２は、電子伝導性を有していない。シール部３２は、例えば、ＭｇＯ、又はＣＺＯなどから構成され得る。この場合、電解質５は、第１発電素子部１０ａのシール部３２から第２発電素子部１０ｂのシール部３２まで延びている。また、緻密層８は、第２発電素子部のシール部３２まで延びており、インターコネクタ３１とは接触していない。
【００６９】
変形例４
上記実施形態では、電解質５は、第２発電素子部１０ｂのインターコネクタ３１まで延びているが、電解質５の構成はこれに限定されない。例えば、図１９に示すように、電解質５は、支持基板２０の桟部２３まで延びていなくてもよい。この場合、緻密層８が桟部２３上に配置されている。
【符号の説明】
【００７０】
３０１    燃料電池セル
２０    支持基板
２１    ガス流路
１０ａ    第１発電素子部
４１    燃料極集電部
４２    燃料極活性部
５    電解質
６１    空気極活性部
６２    空気極集電部
８    緻密層
Ａ    発電領域
Ｂ    非発電領域
【図１】
2018041557.tif 000003
【図２】
2018041557.tif 000004
【図３】
2018041557.tif 000005
【図４】
2018041557.tif 000006
【図５】
2018041557.tif 000007
【図６】
2018041557.tif 000008
【図７】
2018041557.tif 000009
【図８】
2018041557.tif 000010
【図９】
2018041557.tif 000011
【図１０】
2018041557.tif 000012
【図１１】
2018041557.tif 000013
【図１２】
2018041557.tif 000014
【図１３】
2018041557.tif 000015
【図１４】
2018041557.tif 000016
【図１５】
2018041557.tif 000017
【図１６】
2018041557.tif 000018
【図１７】
2018041557.tif 000019
【図１８】
2018041557.tif 000020
【図１９】
2018041557.tif 000021
【手続補正書】
【提出日】平成29年10月5日(2017.10.5)
【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】
ガス流路を有する多孔質の支持基板と、
燃料極集電部、燃料極活性部、電解質、空気極活性部、及び空気極集電部、を有し、前記支持基板上に支持される第１発電素子部と、
酸素イオン伝導性を有さない緻密層と、
を備え、
当該燃料電池セルは、前記燃料極活性部、前記電解質、及び前記空気極活性部が重複する領域である発電領域と、その他の領域である非発電領域とを備え、
前記空気極集電部は、前記発電領域から非発電領域まで延びており、
前記緻密層は、前記非発電領域において、前記空気極集電部と前記支持基板との間に配置され、
前記電解質は、前記発電領域から前記非発電領域まで延びており、前記非発電領域において、前記緻密層と前記支持基板との間に配置される、
燃料電池セル。
【請求項２】
前記電解質と前記空気極活性部との間に配置され、希土類元素を含むセリアを含んだ材料から構成される反応防止膜をさらに備える、
請求項１に記載の燃料電池セル。
【請求項３】
前記緻密層は、前記支持基板と同じ主成分を有する、
請求項１又は２に記載の燃料電池セル。
【請求項４】
前記緻密層は、前記支持基板の一対の側面を覆うように配置される、
請求項３に記載の燃料電池セル。
【請求項５】
燃料極集電部、燃料極活性部、電解質、空気極活性部、及び空気極集電部を有し、前記支持基板上に支持される第２発電素子部と、
前記第１発電素子部と前記第２発電素子部とを電気的に接続するインターコネクタと、
をさらに備え、
前記第１発電素子部の空気極集電部は、前記第２発電素子部に向かって延び、
前記第２発電素子部の燃料極集電部は、前記第１発電素子部に向かって延び、
前記インターコネクタは、前記第１発電素子部の空気極集電部と、前記第２発電素子部の燃料極集電部とを電気的に接続する、
請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池セル。
【手続補正書】
【提出日】平成29年12月7日(2017.12.7)
【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】
ガス流路を有する多孔質の支持基板と、
燃料極集電部、燃料極活性部、電解質、空気極活性部、及び空気極集電部、を有し、前記支持基板上に支持される第１発電素子部と、
酸素イオン伝導性を有さない緻密層と、
燃料極集電部、燃料極活性部、電解質、空気極活性部、及び空気極集電部を有し、前記支持基板上に支持される第２発電素子部と、
前記第１発電素子部と前記第２発電素子部とを電気的に接続するインターコネクタと、
を備え、
前記第１発電素子部の空気極集電部は、前記第２発電素子部に向かって延び、
前記第２発電素子部の燃料極集電部は、前記第１発電素子部に向かって延び、
前記インターコネクタは、前記第１発電素子部の空気極集電部と、前記第２発電素子部の燃料極集電部とを電気的に接続し、
当該燃料電池セルは、前記燃料極活性部、前記電解質、及び前記空気極活性部が重複する領域である発電領域と、その他の領域である非発電領域とを備え、
前記第１発電素子部の空気極集電部は、前記発電領域から非発電領域まで延びており、
前記緻密層は、前記非発電領域において、前記支持基板のうち前記第１発電素子部の燃料極集電部と前記第２発電素子部の燃料極集電部との間に位置する部分の全体を覆うように前記第１発電素子部の空気極集電部と前記支持基板との間に配置され、
前記電解質は、前記発電領域から前記非発電領域まで延びており、前記非発電領域において、前記緻密層と前記支持基板との間に配置される、
燃料電池セル。
【請求項２】
前記電解質と前記空気極活性部との間に配置され、希土類元素を含むセリアを含んだ材料から構成される反応防止膜をさらに備える、
請求項１に記載の燃料電池セル。
【請求項３】
前記緻密層は、前記支持基板と同じ主成分を有する、
請求項１又は２に記載の燃料電池セル。
【請求項４】
前記緻密層は、前記支持基板の一対の側面を覆うように配置される、
請求項３に記載の燃料電池セル。