(57)【要約】【課題】インターコネクタの還元膨張を抑制する。【解決手段】燃料電池セルは、支持基板２０と、複数の発電素子部１０と、インターコネクタ３１とを備えている。支持基板２０は、ガス流路２１を有する。インターコネクタ３１は、隣り合う各発電素子部１０の間に配置される。インターコネクタ３１は、各発電素子部１０を電気的に接続する。差圧式のエアリーク試験において、インターコネクタ３１を介したエアリーク量は、０．１ｃｃｍ以上である。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス流路を有する支持基板と、
前記支持基板上において互いに間隔をあけて配置される複数の発電素子部と、
隣り合う前記各発電素子部の間に配置され、前記各発電素子部を電気的に接続するインターコネクタと、
前記インターコネクタとともに前記支持基板を覆う緻密膜と、
を備え、
差圧式のエアリーク試験において、前記インターコネクタを介したエアリーク量は、０．１ｃｃｍ以上である、
電気化学セル。
【請求項２】
ガス流路を有する支持基板と、
前記支持基板上に配置される発電素子部と、
前記発電素子部に電気的に接続されるインターコネクタと、
前記インターコネクタとともに前記支持基板を覆う緻密膜と、
を備え、
差圧式のエアリーク試験において、前記インターコネクタを介したエアリーク量は、０．１ｃｃｍ以上である、
電気化学セル。
【請求項３】
前記緻密膜は、前記発電素子部の電解質を含む、
請求項１又は２に記載の電気化学セル。
【請求項４】
前記緻密膜は、前記電解質と前記インターコネクタとの間に配置されるシール部材をさらに含む、
請求項３に記載の電気化学セル。
【請求項５】
前記エアリーク量は、１００ｃｃｍ以下である、
請求項１から４のいずれかに記載の電気化学セル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気化学セルに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電気化学セルの一種である燃料電池セルは、支持基板、複数の発電素子部、及びインターコネクタを備えている。支持基板は、ガス流路を有している。支持基板は、多孔質材料から構成されている。各発電素子部は、燃料極、電解質、及び空気極を有している。インターコネクタは、各発電素子部を電気的に接続している。
【０００３】
支持基板は、インターコネクタ及び緻密膜によって覆われている。なお、緻密膜は、例えば、発電素子部の電解質である。インターコネクタ及び電解質は緻密質材料から構成されているため、支持基板内を流れる燃料ガスと、支持基板の外部を流れる空気とを隔離することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【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】
【０００５】
インターコネクタは、支持基板内を流れる燃料ガスによって還元されて膨張する（還元膨張）という問題がある。そこで、本発明の課題は、インターコネクタの還元膨張を抑制することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１側面に係る電気化学セルは、支持基板と、複数の発電素子部と、インターコネクタとを備えている。支持基板は、ガス流路を有する。各発電素子部は、支持基板上において互いに間隔をあけて配置される。インターコネクタは、隣り合う各発電素子部の間に配置される。インターコネクタは、各発電素子部を電気的に接続する。緻密膜は、インターコネクタとともに支持基板を覆う。差圧式のエアリーク試験において、インターコネクタを介したエアリーク量は、０．１ｃｃｍ以上である。
【０００７】
この構成によれば、上述したエアリーク試験において、インターコネクタを介するエアリーク量が０．１ｃｃｍ以上であるため、電気化学セルの運転中において、支持基板の外部を流れる空気がインターコネクタを介して支持基板内に侵入する。この結果、燃料ガスによるインターコネクタの還元を空気によって緩和することができ、ひいてはインターコネクタの還元膨張を抑制することができる。
【０００８】
本発明の第２側面に係る電気化学セルは、支持基板と、発電素子部と、インターコネクタと、緻密膜と、を備えている。支持基板は、ガス流路を有する。発電素子部は、支持基板上に配置される。インターコネクタは、発電素子部に電気的に接続される。緻密膜は、インターコネクタとともに支持基板を覆う。差圧式のエアリーク試験において、インターコネクタを介したエアリーク量は、０．１ｃｃｍ以上である。
【０００９】
この構成によれば、上述したエアリーク試験において、インターコネクタを介するエアリーク量が０．１ｃｃｍ以上であるため、電気化学セルの運転中において、支持基板の外部を流れる空気がインターコネクタを介して支持基板内に侵入する。この結果、燃料ガスによるインターコネクタの還元を空気によって緩和することができ、ひいてはインターコネクタの還元膨張を抑制することができる。
【００１０】
好ましくは、緻密膜は、発電素子部の電解質を含む。
【００１１】
好ましくは、緻密膜は、前記電解質と前記インターコネクタとの間に配置されるシール部材をさらに含む。
【００１２】
好ましくは、上述したエアリーク試験において、エアリーク量は、１００ｃｃｍ以下である。この構成によれば、エアリークによる発電性能の低下を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、インターコネクタの還元膨張を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【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】インターコネクタ周辺の平面図。
【図７】燃料電池セルの基端側の断面図。
【図８】燃料電池セルと燃料マニホールドとの接合を示す図。
【図９】空気の供給方法を示す図。
【図１０】燃料電池セル内を流れる電流を示す図。
【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図５に相当する図。
【図１９】変形例に係る燃料電池セルの図６に相当する図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明に係る電気化学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。
【００１６】
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。
【００１７】
［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。
【００１８】
［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。燃料電池セル３０１の基端部が貫通孔２０２に挿入されている。図４及び図５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、インターコネクタ３１と、緻密膜５とを備えている。
【００１９】
［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、支持基板２０の基端側から先端側に向かって延びている。各ガス流路２１は、支持基板２０の幅方向において、互いに間隔をあけて配置されている。各ガス流路２１は、互いに実質的に平行に延びている。なお、基端側とは、ガス流路２１のガス供給側を意味する。具体的には、燃料マニホールド２００に燃料電池セル３０１を取り付けた場合において、その燃料マニホールド２００に近い側を意味する。また、先端側とは、ガス流路２１のガス供給側とは反対側を意味する。具体的には、燃料電池セル３０１を燃料マニホールド２００に取り付けた場合において、その燃料マニホールド２００から遠い側を意味する。例えば、本実施形態の図２では、下側が基端側であり、上側が先端側となる。
【００２０】
図５に示すように、支持基板２０は、複数の第１凹部２２を有している。各第１凹部２２は、支持基板２０の一対の主面２３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。
【００２１】
支持基板２０は、電子伝導性を有さない多孔質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し、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）とＹ２Ｏ３（イットリア）とから構成されてもよい。支持基板２０は、ガスが通過する程度の気孔率を有する。具体的には、支持基板２０の気孔率は、２０〜６０％程度である。
【００２２】
［発電素子部］
各発電素子部１０は、支持基板２０の各主面２３に支持されている。なお、各発電素子部１０は、支持基板２０の各主面２３のどちらか一方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。
【００２３】
発電素子部１０は、燃料極４（内側電極の一例）、電解質５、及び空気極６（外側電極の一例）を有している。また、発電素子部１０は、反応防止膜７をさらに有している。
【００２４】
［燃料極］
燃料極４は、電子伝導性を有する多孔質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（内側電極集電部の一例）と燃料極活性部４２（内側電極活性部の一例）とを有する。燃料極４は、ガスが通過する程度の気孔率を有する。具体的には、燃料極４の気孔率は、２０〜６０％程度である。
【００２５】
［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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
［燃料極活性部］
燃料極活性部４２は燃料極集電部４１上に配置されている。詳細には、燃料極活性部４２は、燃料極集電部４１の第２凹部４１１内に配置されている。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。
【００２９】
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。
【００３０】
［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から隣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。電解質５は、支持基板２０の各主面２３を覆うように構成されている。なお、電解質５は、本発明の緻密膜に相当する。
【００３１】
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質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。電解質５は、ガスが通過しない程度の気孔率を有する。具体的には、電解質５の気孔率は１０％以下程度である。
【００３２】
［反応防止膜］
反応防止膜７は、緻密質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。
【００３３】
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。反応防止膜７は、ガスが通過しない程度の気孔率を有する。具体的には、反応防止膜７の気孔率は１０％以下程度である。
【００３４】
［空気極］
空気極６は、電子伝導性を有する多孔質材料から構成される焼成体である。空気極６は、電解質５を基準にして、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（外側電極活性部の一例）と空気極集電部６２（外側電極集電部の一例）とを有している。空気極６は、ガスが通過する程度の気孔率を有する。具体的には、空気極６の気孔率は、２０〜６０％程度である。
【００３５】
［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。
【００３６】
空気極活性部６１は多孔質材料から構成される。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。なお、空気極活性部６１の厚さは、例えば、１０〜１００μｍである。
【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、隣の発電素子部に向かって延びている。なお、燃料極集電部４１と空気極集電部６２とは、支持基板２０の長手方向（ｘ軸方向）において、発電領域から互いに反対側に延びている。なお、発電領域とは、燃料極活性部４２と電解質５と空気極活性部６１とが重複する領域である。
【００３８】
空気極集電部６２は、電子伝導性を有する多孔質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。なお、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）に隣り合う発電素子部１０の間に配置されている。そして、インターコネクタ３１は、隣り合う発電素子部１０を電気的に接続するように構成されている。詳細には、一方の発電素子部１０の空気極集電部６２は、他方の発電素子部１０に向かって延びている。また、他方の発電素子部１０の燃料極集電部４１は、一方の発電素子部１０に向かって延びている。そして、インターコネクタ３１は、一方の発電素子部１０の空気極集電部６２と、他方の発電素子部１０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質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】
図６は、燃料電池セルの平面図である。なお、図６において図解を容易にするため、空気極６及び反応防止膜７の記載を省略している。図６に示すように、インターコネクタ３１は、緻密膜とともに支持基板２０を覆っている。なお、本実施形態において、緻密膜とは、電解質５である。電解質５は、インターコネクタ３１の外周端部を覆っている。電解質５の開口部５１からインターコネクタ３１の外周端部を除く部分が露出している。インターコネクタ３１の開口部５１から露出した部分である露出部３１１は、空気極集電部６２と接続される部分である。このインターコネクタ３１の露出部３１１の幅Ｗは、４０〜１００ｍｍ程度である。また、露出部３１１の長さＬは、１〜５ｍｍ程度である。
【００４３】
差圧式のエアリーク試験において、インターコネクタ３１を介したエアリーク量が０．１ｃｃｍ以上となるように、インターコネクタ３１は構成されている。また、インターコネクタ３１は、エアリーク量が１００ｃｃｍ以下となるように構成されていることが好ましい。例えば、インターコネクタ３１の気孔率や膜厚などを調整することによって、エアリーク量を調整することができる。なお、インターコネクタ３１の気孔率は、インターコネクタ３１を形成する際の焼成条件や原料粒子径、造孔材量などを調整することで調整することができる。なお、このときのエアリーク試験は、差圧式によって行う。
【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の基端側において、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よりも基端側に配置されている。詳細には、図７に示すように、集電部材３０２は、基端側発電素子部１０ａ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、例えば、直方体状又は円柱状などのようなブロック状である。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。なお、集電部材３０２は、金属板などによって形成されていてもよい。
【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８に示すように、各燃料電池セル３０１の基端部が、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９に示すように、支持基板２０の幅方向（ｙ軸方向）に沿って流れるように、基端側発電素子部１０ａよりも基端側に供給される。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１０において矢印で示すように流れる。
【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１１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１１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、ＣＳＺ）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１２に示すように、支持基板の成形体２０ｇの各主面２３に形成された各第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１３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１４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の先端部は、インターコネクタの成形膜３１ｇ上に配置されている。また、別の電解質の成形膜５ｇの基端部も、同じインターコネクタの成形膜３１ｇ上に配置されている。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２３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１５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】
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１２００〜１６００℃程度で１〜１０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。
【００６１】
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。
【００６２】
次に、図１７に示すように、空気極活性部の成形膜６１ｇ上に、空気極集電部の成形膜６２ｇを形成する。詳細には、空気極集電部の成形膜６２ｇは、空気極活性部の成形膜６１ｇから隣の発電素子部に向かって延びるように形成される。また、支持基板２０の幅方向（ｙ軸方向）において、空気極集電部の成形膜６２ｇの両端が空気極活性部の成形膜６１ｇの両端を越えないように形成される。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。
【００６３】
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９００〜１２００℃程度で１〜１０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。
【００６４】
［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。
【００６５】
変形例１
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。
【００６６】
変形例２
上記実施形態では、緻密膜は電解質のみで構成されているが、緻密膜の構成はこれに限定されない。例えば、図１８及び図１９に示すように、緻密膜は、電解質５とシール部材８とによって構成されていてもよい。シール部材８は、インターコネクタ３１と隣接している。詳細には、シール部材８は、インターコネクタ３１の周囲を囲むように配置されている。また、シール部材８の外周端部上に、電解質５が配置されている。このため、電解質５は、インターコネクタ３１と接触していない。また、電解質５の開口部５１から、シール部材８の外周端部を除く部分が露出している。
【００６７】
シール部材８は、燃料極集電部４１上に配置されている。詳細には、シール部材８は、燃料極集電部４１の第３凹部４１２内に収容されている。シール部材８は、電気絶縁性を有する緻密な材料からなる焼成体である。シール部材８は、例えば、金属酸化物を含有し、好ましくは金属酸化物を主成分とする。具体的には、上記金属酸化物として、（ＡＥ)ＺｒＯ３、ＭｇＯ、ＭｇＡｌ２Ｏ４、及びＣｅｘＬｎ１−ｘＯ２からなる群より選択される少なくとも１種類の酸化物を含有してもよい。ここで、ＡＥは、アルカリ土類金属であり、Ｌｎは、Ｙ及びランタノイドからなる群より選択される少なくとも１種類の元素であり、ｘは０＜ｘ≦０．３を満たす。ＡＥに該当する元素としては、Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒ，及びＢａが挙げられる。また、微量成分として、遷移金属酸化物（例えば、ＮｉＯ、Ｍｎ３Ｏ４、Ｆｅ２Ｏ３、Ｃｒ２Ｏ３、ＣｏＯ)が含まれても良い。これらの成分は、酸化物として存在していても良いし、上記「（ＡＥ)ＺｒＯ３、ＭｇＯ、ＭｇＡｌ２Ｏ４、及びＣｅｘＬｎ１−ｘＯ２からなる群より選択される少なくとも１種類の酸化物」に固溶する形で存在していても良い。金属酸化物の平均粒径は０．１〜５．０μｍが好ましく、さらに好ましくは０．３〜４．０μｍである。
【００６８】
変形例３
上記実施形態では、燃料極４を内側電極とし、空気極６を外側電極とする燃料電池セル３０１について説明したが、本発明に係る燃料電池セルの構成はこれに限定されない。例えば、燃料極４を外側電極とし、空気極６を内側電極とすることができる。すなわち、支持基板２０側から空気極６、電解質５、燃料極４の順で配置することができる。
【００６９】
変形例４
上記実施形態に係る燃料電池セル３０１は、複数の発電素子部１０が支持基板２０の長手方向に間隔をあけて配置されており、いわゆる横縞型となっているが、燃料電池セル３０１の構成はこれに限定されない。燃料電池セル３０１は、例えば、縦縞型であってもよい。すなわち、燃料電池セル３０１は、支持基板２０の一方の主面２３に配置される１つの発電素子部１０のみを有していてもよい。そして、支持基板２０の他方の主面２３にインターコネクタ３１を有していてもよい。他方の主面２３に配置されたインターコネクタ３１は、一方の主面２３に配置された発電素子部１０と電気的に接続されている。また、このインターコネクタ３１は、隣り合う燃料電池セル３０１の発電素子部１０とも電気的に接続されている。
【実施例】
【００７０】
以下、本発明に係る電気化学セルの実施例について説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものはない。
【００７１】
以下のようにして、サンプルＮｏ．１〜Ｎｏ．３３の燃料電池セルを１０個ずつ作製した。なお、以下の燃料電池セルでは、支持基板の各主面上に、２０個の発電素子部を形成した。
【００７２】
まず、ＭｇＯ粉末、Ｙ２Ｏ３粉末、バインダー、造孔材、及び分散材をボールミルにて混合することにより支持基板形成用スラリーを調製した。この支持基板形成用スラリーをし出し成形、切削等の手法を利用して成形して、支持基板の成形体を作成した。
【００７３】
次に、ＮｉＯ粉末、Ｙ２Ｏ３粉末、バインダー、造孔材、及び分散材をボールミルにて混合することにより燃料極集電部形成用スラリーを調製した。この燃料極集電部形成用スラリーをスクリーン印刷法によって、支持基板の成形体の第１凹部内に塗布し、燃料極集電部の成形体を形成した。
【００７４】
次に、ＮｉＯ粉末、ＹＳＺ粉末、バインダー、造孔材、及び分散材をボールミルにて混合することにより燃料極活性部形成用スラリーを調製した。この燃料極活性部形成用スラリーをスクリーン印刷法によって、燃料極集電部の第２凹部内に塗布して、燃料極活性部の成形体を形成した。
【００７５】
次に、表１に示すインターコネクタ材料に、（Ｌａ，Ｃａ）ＣｒＯ３系粉末、またはＬａ（Ｃｒ，Ｍｇ）Ｏ３系粉末、または（Ｓｒ，Ｌａ）ＴｉＯ系粉末、及びバインダーを添加し、ボールミルにて混合することにより、インターコネクタ形成用スラリーを調製した。このインターコネクタ形成用スラリーをスクリーン印刷法によって、燃料極集電部の第３凹部内に塗布し、インターコネクタの成形体を形成した。
【００７６】
次に、ＹＳＺ粉末、及びバインダーをボールミルにて混合することにより電解質形成用スラリーを調製した。この電解質形成用スラリーをスクリーン印刷法によって、支持基板を覆うように塗布し、電解質の成形体を形成した。なお、インターコネクタは、その外周端部を除いて、電解質の開口部から露出している。
【００７７】
次に、ＧＤＣ粉末、及びバインダーをボールミルにて混合することにより反応防止膜形成用スラリーを調製した。この反応防止膜形成用スラリーをスクリーン印刷法によって燃料極集電部の成形体上に塗布し、反応防止膜の成形体を形成した。
【００７８】
次に、各成形体の積層体を共焼成して、支持基板、燃料極、インターコネクタ、電解質、及び反応防止膜の共焼成体を作製した。なお、各サンプルにおける焼成条件は、表１の通りである。
【００７９】
次に、ＬＳＣＦ粉末、バインダー、造孔材、及び分散材をボールミルにて混合することにより空気極活性部形成用スラリーを調製した。この空気極活性部形成用スラリーをスクリーン印刷法によって反応防止膜上に塗布し、空気極活性部の成形体を形成した。
【００８０】
次に、ＬＳＣＦ粉末、バインダー、造孔材、及び分散材をボールミルにて混合することにより空気極集電部形成用スラリーを調製した。この空気極集電部形成用スラリーをスクリーン印刷法によって空気極活性部からインターコネクタまで塗布し、空気極集電部の成形体を形成した。
【００８１】
次に、空気極活性部及び空気極集電部の各成形体を１０５０℃で３時間焼成した。
【００８２】
以上のように作製したサンプルＮｏ．１〜Ｎｏ．３３の各１０体に対してエアリーク試験を行った。具体的には、エアリークテスタ（株式会社フクダ製ＦＬ６１０ＨＢ）を用いて、１２０ｋＰａに加圧時のマスターとの差圧より、リーク量を算出した。サンプルＮｏ．１〜３３のそれぞれにつき１０体ずつ測定し、その平均値をリーク量とした。
【００８３】
各サンプルのエアリーク量は、表１に示すとおりである。なお、エアリーク量は、インターコネクタを介したものであり、各サンプルにおいてインターコネクタ以外の緻密膜からのエアリークがないことを確認した。
【００８４】
また、各サンプルの発電性能を以下の方法で評価した。各サンプルについて、燃料極側に窒素ガス、空気極側に空気を供給しながら７５０℃まで昇温し、７５０℃に達した時点で燃料極に水素ガスを供給しながら還元処理を３時間行った。そして、各サンプルについて、温度が７５０℃で定格電流密度０．２Ａ／ｃｍ２における出力密度（初期出力）を測定した。出力密度は、各サンプルの１０体の平均値である。測定結果を表１にまとめて記載する。
【００８５】
表１に示すように、エアリーク量が１００ｃｃｍより大きいサンプルでは、初期出力が０．２８Ｗ／ｃｍ２以下に低下した。これは、インターコネクタから水素と酸素が漏れることにより、酸素分圧が増加したためである。以上より、エアリーク量を１００ｃｃｍ以下とすることによって、発電性能の低下を抑制できることが分かった。
【００８６】
（熱サイクル試験後における剥離の観察）
ガス流路２１に還元性の燃料ガスを流通させながら、熱サイクル試験を行った。熱サイクル試験では、雰囲気温度を常温から７５０℃まで２時間で上げた後に７５０℃から常温まで４時間で下げるパターンを１０回繰り返した。そして、各サンプルについて、インターコネクタの剥離及びクラックの有無を確認した。この確認は、目視、並びに、顕微鏡を使用した断面の観察によってなされた。
【００８７】
（シャットダウン試験後における剥離の観察）
サンプルＮｏ．１〜３３の各１０体に対して、シャットダウン試験を行った。シャットダウン試験とは、燃料極に還元性の燃料ガスを、空気極に空気をそれぞれ流通させながら、雰囲気温度を常温から７５０℃まで２時間３０分で上げ、その後、雰囲気温度が７５０℃で一定にて、定電流発生装置を用いて燃料電池セルに一定の電流を流し（即ち、燃料電池セルを稼働（発電）させ）、その後、燃料ガス及び空気の供給を停止した状態（即ち、燃料電池セルの稼働を停止した状態）で雰囲気温度を７５０℃から常温まで４時間で下げるというパターンを３０回繰り返し行う試験である。このシャットダウン試験の実施後、各サンプルについて、インターコネクタの剥離及びクラックの有無を確認した。この確認は、目視、並びに、顕微鏡を使用した観察によってなされた。
【００８８】
表１に示すように、リーク量が０．１ｃｃｍ未満のサンプルでは、クラックが発生したものがあった。これは、シャットダウン試験により酸素分圧が増減するに伴い、インターコネクタが膨張収縮を繰り返し、クラックが発生したと考えられる。以上の評価結果を表１に示す。表１から分かるように、エアリーク量を０．１ｃｃｍ以上としたことによって、インターコネクタの還元膨張を抑制できたことが分かった。
【００８９】
【表１】
2018113148.tif 000003
【符号の説明】
【００９０】
１０    発電素子部
５      電解質
２０    支持基板
２１    ガス流路
３１    インターコネクタ
８      シール部材
【図１】
2018113148.tif 000004
【図２】
2018113148.tif 000005
【図３】
2018113148.tif 000006
【図４】
2018113148.tif 000007
【図５】
2018113148.tif 000008
【図６】
2018113148.tif 000009
【図７】
2018113148.tif 000010
【図８】
2018113148.tif 000011
【図９】
2018113148.tif 000012
【図１０】
2018113148.tif 000013
【図１１】
2018113148.tif 000014
【図１２】
2018113148.tif 000015
【図１３】
2018113148.tif 000016
【図１４】
2018113148.tif 000017
【図１５】
2018113148.tif 000018
【図１６】
2018113148.tif 000019
【図１７】
2018113148.tif 000020
【図１８】
2018113148.tif 000021
【図１９】
2018113148.tif 000022
【手続補正書】
【提出日】平成30年4月26日(2018.4.26)
【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】
ガス流路を有する支持基板と、
前記支持基板上において互いに間隔をあけて配置される複数の発電素子部と、
隣り合う前記各発電素子部の間に配置され、前記各発電素子部を電気的に接続するインターコネクタと、
前記インターコネクタとともに前記支持基板を覆う緻密膜と、
を備え、
前記発電素子部は、
前記インターコネクタの一方面を覆う燃料極と、
前記インターコネクタの他方面を覆う空気極と、
を含み、
差圧式のエアリーク試験において、前記インターコネクタを介したエアリーク量は、０．１ｃｃｍ以上である、
電気化学セル。
【請求項２】
ガス流路を有する支持基板と、
前記支持基板上に配置される発電素子部と、
前記発電素子部に電気的に接続されるインターコネクタと、
前記インターコネクタとともに前記支持基板を覆う緻密膜と、
を備え、
前記発電素子部は、
前記インターコネクタの一方面を覆う燃料極と、
前記インターコネクタの他方面を覆う空気極と、
を含み、
差圧式のエアリーク試験において、前記インターコネクタを介したエアリーク量は、０．１ｃｃｍ以上である、
電気化学セル。
【請求項３】
前記緻密膜は、前記発電素子部の電解質を含む、
請求項１又は２に記載の電気化学セル。
【請求項４】
前記緻密膜は、前記電解質と前記インターコネクタとの間に配置されるシール部材をさらに含む、
請求項３に記載の電気化学セル。
【請求項５】
前記エアリーク量は、１００ｃｃｍ以下である、
請求項１から４のいずれかに記載の電気化学セル。
【請求項６】
前記燃料極は、前記インターコネクタの一方面全体を覆い、
前記空気極は、前記インターコネクタの他方面全体を覆う、
請求項１から５のいずれかに記載の電気化学セル。