(57)【要約】【課題】柱状の燃料電池セルを複数配列した固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、燃料電池セルの集電構造を片端集電構造とするとともに短尺化して、高耐久性と低コストに加え、所定の出力密度を得ることのできる固体酸化物形燃料電池スタックを提供する。【解決手段】  固体酸化物形の電解質層を挟んだ燃料極層と空気極層とにより形成された発電部が軸方向に延在する柱状の燃料電池セルが複数配列され、柱状の燃料電池セルの一端から他端に向けて燃料ガスが燃料極層に、酸化剤ガスが空気極層に供給されることで発電する固体酸化物形燃料電池スタックであって、複数配列された燃料電池セルの燃料極層は、隣り合う燃料電池セルの空気極層と、他端側にのみ設置された集電連結部材を介して電気的に直列接続されており、燃料電池セルは、燃料電池セルの軸方向における発電部の長さが１００ｍｍ以下であり、かつ、電流密度が０．３Ａ／ｃｍ２の条件下で燃料電池セルのセル電位が０．７Ｖよりも大きい。【選択図】図２
2018098080.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体酸化物形の電解質層を挟んだ燃料極層と空気極層とにより形成された発電部が軸方向に延在する柱状の燃料電池セルが複数配列され、前記柱状の燃料電池セルの一端から他端に向けて燃料ガスが燃料極層に、酸化剤ガスが空気極層に供給されることで発電する固体酸化物形燃料電池スタックであって、
前記複数配列された前記燃料電池セルの燃料極層は、隣り合う前記燃料電池セルの空気極層と、他端側にのみ設置された集電連結部材を介して電気的に直列接続されており、
前記燃料電池セルは、前記燃料電池セルの軸方向における前記発電部の長さが１００ｍｍ以下であり、かつ、電流密度が０．３Ａ／ｃｍ２の条件下で前記燃料電池セルのセル電位が０．７Ｖよりも大きいことを特徴とする固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項２】
前記発電部の長さは５０ｍｍ以上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スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックに関する。特に、原料ガスを改質して得られた燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電する固体酸化物形燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物形燃料電池装置（Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ：以下「ＳＯＦＣ」とも言う）は、電解質として酸化物イオン導電性固体電解質を用い、その両側に電極を取り付けた燃料電池セルを複数モジュール容器内に配設し、その燃料電池セルの一方の電極（燃料極）に燃料ガスを供給し、他方の電極（空気極）に酸化剤ガス（空気、酸素等）を供給することで発電反応により発電する電力を取り出す装置であり、高分子電解質形燃料電池装置等の他の燃料電池装置に対して、例えば７００〜１０００℃程度の比較的高温で動作する。
【０００３】
このような固体酸化物形燃料電池装置に用いる燃料電池セルとして、特許文献１に記載の円筒形セルや扁平円筒形セルなどの柱状の燃料電池セルが知られている。一般に単一の燃料電池セル（単セル）では得られる電力が少ないため、これらを複数並べて電気的に直列に接続することで必要な電力を得るように構成している。
【０００４】
ところが、これら円筒形セル等の柱状の燃料電池セルにおいては、電極が軸方向に延在するため、電極内の電子の移動距離が長距離に及び、燃料電池セルの発電効率の低下を招く問題があった。そこで特許文献１では、隣接する燃料電池セルへの電気的な直列接続として、一の燃料電池セルの空気電極（＋極）と、これと隣接する燃料電池セルの燃料電極（−極）との接続を、燃料電池セルの上端及び下端でそれぞれ独立した集電部材を用いて行ういわゆる「両端集電」構造によって解決している。この構成により、燃料電池セルの発電部で発生した電流は、燃料電池セルの上端及び下端へと分配されて外部へ取り出されるため、電流経路を短くして電気抵抗を減少させている。
【０００５】
ところで、家庭用途の燃料電池装置の開発において、その普及の点で燃料電池装置の小型化及び低価格化が求められている。特にマンションなどの集合住宅への限られたスペースへの設置のためには、燃料電池装置の小型化は特に重要となる。このため、従来の柱状の燃料電池セルを軸方向に短縮すること（短尺化）は燃料電池装置の小型化に大きく寄与するとともに、価格の低減にも資するものである。
【０００６】
しかし発明者は、上述した両端集電構造の燃料電池セルについて短尺化を進めると、発電性能に弊害が生じることを見出した。すなわち、燃料電池セルの短尺化は、燃料電池セルの軸方向の電流経路が短縮されるため、抵抗成分が減少して出力密度が向上する点で優位に働くものではあるが、一方で、燃料ガスを供給する燃料電池セル下端部の最大電流密度が上昇してしまうため、その結果として燃料電池セルの劣化速度が加速してしまうことがわかった。
【０００７】
水素を含む燃料ガスは柱状の燃料電池セルの下端側から内部流路に供給されることが一般的であるが、供給された燃料ガス中の水素濃度は発電反応によって徐々に消費されるため、内部流路において上流側から下流側にかけて水素濃度は減少する。このため、発電反応は燃料電池セルの最下端においてより活発であり、発生電流量も多い。この状況下において、両端集電を行う場合、燃料ガスの供給量や取り出し電流量、あるいは燃料電池セル集電形態によっては、燃料電池セルの上流側（つまり、燃料電池の下端側）集電部において、電流集中が発生するおそれがあることを発明者は見出した。これは、起電力の高くなる領域と電流の取り出し領域とが一致することに問題がある。燃料電池セルの短尺化は電流経路の短縮化であるから、燃料電池セル下端部の電流集中をより高めてしまい、その結果、局所的な発電促進による燃料電池セルの劣化に起因した耐久性低下や、局部的な発熱で生じる熱応力による燃料電池セルの破損など、様々な課題を引き起こしてしまう。
【０００８】
そこで発明者は、両端集電構造をとることで生じる上述した燃料電池セルの下端部における電流集中を抑制、回避するために、集電構造を燃料電池セルの上端部のみに集約した「片端集電（上端集電）」構造が最適であることを見出した。特許文献２には、隣り合う燃料電池セルのそれぞれの電極に接続する集電端子を導電性連結部材で接続して一体化した集電部材（コネクタ）を用いて、燃料電池セルの上端部どうしを直列接続した片端集電構造が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許５５７８３３２号公報
【特許文献２】特開２００７−９５４４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
一方で、従来の両端集電構造に代えて片端集電構造を採用することは電流集中の発生を回避するものの、両端集電構造に比べ電流経路が長くなるため、両端集電構造において短尺化を実施した際の優位性であった燃料電池セルの出力密度の向上が得られないと考えられる。
【００１１】
そこで本発明は、柱状の燃料電池セルを複数配列した固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、燃料電池セルの集電構造を片端集電構造とするとともに短尺化して、高耐久性と低コストに加え、所定の出力密度を得ることのできる固体酸化物形燃料電池スタックを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
燃料電池セルの集電構造において、両端集電構造に対し片端集電構造を採用することで電流経路が増加するため、出力密度が低下してしまうことは上述したが、発明者は燃料電池セルにおける電極の長さ（以下「電極長」という。）の短縮化を進めていくと、セル電位が上昇する傾向にあることを見出した。特に燃料電池セルから引き出す電流の電流密度が０．３Ａ／ｃｍ２という条件下で燃料電池セルの電極長を１００ｍｍ以下とすると、燃料電池セルのセル電位が０．７Ｖよりも大きくなることを確認した。このため燃料電池セルの電極長を所定の短さに設計することによって、実用に耐え得る十分な出力密度を確保することができることが明らかとなった。
【００１３】
そこで、本発明にかかる固体酸化物形燃料電池スタックの一態様は、固体酸化物形の電解質層を挟んだ燃料極層と空気極層とにより形成された発電部が軸方向に延在する柱状の燃料電池セルが複数配列され、柱状の燃料電池セルの一端から他端に向けて燃料ガスが燃料極層に、酸化剤ガスが空気極層に供給されることで発電する固体酸化物形燃料電池スタックであって、複数配列された燃料電池セルの燃料極層は、隣り合う燃料電池セルの空気極層と、他端側にのみ設置された集電連結部材を介して電気的に直列接続されており、燃料電池セルは、燃料電池セルの軸方向における発電部の長さが１００ｍｍ以下であり、かつ、電流密度が０．３Ａ／ｃｍ２の条件下で燃料電池セルのセル電位が０．７Ｖよりも大きいものである。
【００１４】
ここで、本明細書において「燃料電池セルの軸方向における発電部の長さ」とは、燃料電池セルにおける発電部に相当する燃料極層及び空気極層の軸方向の長さであり、換言すると燃料電池セルの有効セル長である。
【００１５】
また、本明細書において「柱状の燃料電池セル」とは一方向（軸方向）に延在した立体形状を有する燃料電池セルであって、内部にガス流路が設けられた筒状形状を含むものである。例えば、円筒形、扁平円筒形等の円柱や楕円柱、角柱などの立体形状が含まれる。
【００１６】
また、本明細書において「燃料電池スタック」とは、少なくとも複数の燃料電池セルが集電体やシール材等の接続手段によって物理的に固定された集合体であり、例えば、燃料ガスを一時貯蔵して各燃料電池セルに分散供給するための燃料ガスマニホールド上に複数の燃料電池セルが立設固定されたその全体を含む。
【００１７】
また、本発明の態様において、発電部の長さは５０ｍｍ以上であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
柱状の燃料電池セルを複数配列した固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、燃料電池セルの集電構造を片端集電構造とするとともに短尺化して、高耐久性と低コストに加え、所定の出力密度を得ることのできる固体酸化物形燃料電池スタックを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明にかかる片端集電構造（Ａ）と、従来の両端集電構造（Ｂ）を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態における片端集電構造を採用した場合の燃料電池セルの電極長とセル電位及び最大電流密度の関係を示す図である。
【図３】本発明の一実施例における燃料電池スタックを示す斜視図である。
【図４】本発明の一実施例における燃料電池スタックを示す側面図である。
【図５】本発明の一実施例における燃料電池セルを示す図である。
【図６】本発明の一実施例における燃料電池セルを示す部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下では、本明細書に開示する発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。以下の説明から、当業者にとって、本発明の多くの改良や他の実施の形態が明らかである。従って、以下の説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更することができる。
【００２１】
図１（Ｂ）は柱状の燃料電池セルの集電構造として、従来の両端集電構造を示すものである。簡単のため、図１（Ｂ）においては複数の燃料電池セルのうち、２本の燃料電池セルの集電接続のみを示している。燃料電池セル１００の下端側から内部流路内へ供給された燃料ガス（図中の破線矢印）は、燃料電池セルの側面下方から供給される酸化剤ガス（図示せず）との発電反応によって消費され、未反応の燃料ガスは燃料電池セル１００の上端より燃料電池セル１００の外部へ排出される。燃料ガスは燃料電池スタックの外部で改質された水素を含むもので、燃料電池セル１００の内部流路において、上流側（すなわち下端側）ほど水素濃度が高く、下流側へ流動する程発電反応に消費され濃度は低下する。このため、燃料電池セル１００の下端側ほど発電反応による起電力が高い。
【００２２】
一方、燃料電池セル１００から電流を取り出ために集電体１０２（集電連結部材）が燃料電池セル１００の上端部及び下端部に設けられている。燃料電池セル１００の上端部及び下端部は燃料極層が露出しており、このそれぞれの燃料極層が集電体１０２を介して電気的に隣り合う燃料電池セル１００の空気極層に接続している。このように、上端部及び下端部の双方において電気的接続を行うことで、従来、軸方向に長い柱状の燃料電池セル１００に起因した電流経路長の電気抵抗の高さにかかる課題を解消していた。
【００２３】
しかし上述のとおり、燃料電池セル１００の短尺化を進めていくと、燃料電池セル１００の下端部が起電力の高くなる領域と電流の取り出し領域とが一致する領域であるために、電流集中の発生が顕著になってしまい、その結果、燃料電池セル１００の劣化が著しくなることが分かった。
【００２４】
そこで、燃料電池セル１００を短尺化する上で、燃料電池セル１００の集電構造を図１（Ａ）に示すような片端集電構造とすると効果的であることに想到した。片端集電構造は、従来の両端集電構造に対して、燃料電池セル１００の燃料極層と隣接する燃料電池セル１００の空気極層とを電気的に接続する集電体１０２を、燃料電池セル１００の上端部にのみ取り付ける構造である。そうすると、燃料電池セル１００からの電流の取り出し部位が上端部に限られたことによって、起電力の高くなる領域と電流の取り出し領域とが分離されるため、燃料電池セル１００の下端部における電流集中の発生を低減することが可能となる。
【００２５】
ところが、片端集電構造を用いた燃料電池セル１００の電流経路は、両端集電構造を用いた場合に比べて長くなるため、両端集電構造を用いて短尺化を行う際に優位であった、燃料電池セル１００の出力密度の向上が得られなくなると考えられる。
【００２６】
しかし、燃料電池セル１００における電極の長さ（以下「電極長」という。）の短縮化を進めていくと、セル電位が上昇する傾向にあることを見出した。特に燃料電池セルから引き出す電流の電流密度が０．３Ａ／ｃｍ２という条件下で燃料電池セルの電極長を１００ｍｍ以下とすると、燃料電池セルのセル電位が０．７Ｖよりも大きくなることを確認した。
【００２７】
ここで、まず燃料電池セルのセル電位の算出方法について説明する。セル電位Ｖは、（１）開回路電圧Ｅ０から（２）抵抗過電圧ηｏｈｍ、（３）活性化過電圧ηact、（４）拡散過電圧Ｅｄｉｆｆ及び（５）ネルンストロスηｎｅｒｎｓｔを引くことで求めることができる（数１）。
【数１】
2018098080.tif 000003
【００２８】
（１）開回路電圧Ｅ０は、空気極側の酸素分圧ＰＯ２，ｃａ及び燃料極側の酸素分圧ＰＯ２，ａｎをそれぞれ計算して、数２に代入することで求めることができる。ここで、Ｒは気体定数（８．３１Ｊ／Ｋｍｏｌ）、Ｔは温度（９７３Ｋとした。）、Ｆはファラデー定数（９６４８５Ｃ／ｍｏｌ）である。
【数２】
2018098080.tif 000004
【００２９】
（２）抵抗過電圧ηｏｈｍは、燃料電池セル１００の電流経路を構成する、燃料極層、燃料極導電層、電解質層、空気極導電層、空気極層等の積層膜それぞれの断面積Ｓｉ、導電距離ｌｉ及び導電率σｉを計算し、数３に代入して各層の面積抵抗Ｒｉを計算し、得られた面積抵抗Ｒｉに電流密度Ｊをそれぞれかけて足し合わせる（数４）ことで求めることができる。ここで電流密度Ｊは０．３Ａ／ｃｍ２として計算した。
【数３】
2018098080.tif 000005
【数４】
2018098080.tif 000006
【００３０】
（３）活性化過電圧ηactは、燃料極側の活性化過電圧と、空気極側の活性化過電圧とをバトラーボルマー式（数５）に各パラメータを代入することで求めることができる。ここでαは輸送係数（０．５）、ｎは電子数（２）、ｉ０ｅｆｆは交換電流密度、Ｒは気体定数（８．３１Ｊ／Ｋｍｏｌ）、Ｆはファラデー定数（９６４８５Ｃ／ｍｏｌ）である。
【数５】
2018098080.tif 000007
【００３１】
（４）拡散過電圧Ｅｄｉｆｆは、気相の酸素分圧ＰＯ２，ｇａｓと三相界面の酸素分圧ＰＯ２，ＴＰＢとをそれぞれ計算して、数６により算出することができる。ここで、Ｒは気体定数（８．３１Ｊ／Ｋｍｏｌ）、Ｔは温度（９７３Ｋとした。）、Ｆはファラデー定数（９６４８５Ｃ／ｍｏｌ）である。
【数６】
2018098080.tif 000008
【００３２】
（５）ネルンストロスηｎｅｒｎｓｔは、燃料電池セルの一端側の燃料ガスの組成から計算される起電力ＥＩＮと、セルの他端側の燃料ガスの組成から計算される起電力ＥＯＵＴの平均として求めることができる（数７）。
【数７】
2018098080.tif 000009
【００３３】
以上の算出方法に従って導出した、片端集電構造を前提とした柱状の燃料電池セルのセル電位、及び燃料電池セルで生じる電流集中を示す最大電流密度について、燃料電池セルの電極長（有効セル長）について試算した結果を図２に示す。なお当該試算は、燃料電池セルの全体での電流密度を、燃料電池セルの実運転時の電流引き出しの際の電流密度に近い０．３Ａ／ｃｍ２として行った。
【００３４】
図２は、横軸に電極長（有効セル長）を示し、縦軸にセル電位及び最大電流密度を示す。横軸において左方向に進むに従い、燃料電池セルは短尺化される。電極長が２００ｍｍと比較的長い場合には、最大電流密度が０．８３Ａ／ｃｍ２と極めて高くなった。しかし電極長を短くしていくと、一旦最大電流密度は大きく減少し、その後徐々に増加傾向が見られた。これに対し、セル電位は、電極長が２００ｍｍのとき０．４９Ｖと低い値を示したが、燃料電池セルの短尺化に伴い、徐々に増加傾向を示すことがわかった。
【００３５】
ここで、図２に示すように、セル電位の短尺化に伴う増加傾向は線形的であるが、電極長が１００ｍｍとなったところでその増加傾向が加速する傾向が見られた。同様の傾向は最大電流密度にも見られたが、セル電位の増加傾向に比べて最大電流密度の変位は小さい。この燃料電池セルの電極長が１００ｍｍのときのセル電位は０．７１Ａであり、燃料電池セルスタックを構成する上で、燃料電池セルの性能として確保したい０．７Ａを超えた数値であった。
【００３６】
このため、燃料電池セルの電極長を１００ｍｍ以下とすることで、セル電位が０．７Ａ以上の範囲で増加傾向を示すセル電位を得ることができる。また、電流集中による耐久性の問題を解決には最大電流密度が低いほど好ましいが、前提である片端集電構造の採用によって電極長が１００ｍｍ以下の領域であっても最大電流密度は著しく増加することはなく、燃料電池セルの耐久性に大きく影響を与える０．６Ａ／ｃｍ２を下回るため問題とならない。一方で、最大電流密度は燃料電池セルの短尺化により増加傾向ではあるため、好ましくは燃料電池セルの電極長は短くても５０ｍｍまでとすると良い。
【００３７】
以上のことから、片端集電構造を採用した燃料電池セルの電極長を所定の短さに設計することによって、電流集中を回避しつつ、実用に耐え得る十分な出力密度を確保することができることが明らかとなった。
【実施例】
【００３８】
次に、図面を参照して、本発明にかかる燃料電池スタックの実施例について説明する。
【００３９】
図３〜図４を用いて、本発明の実施例における燃料電池スタック１について説明する。
【００４０】
図３は本発明の実施例における燃料電池スタック１を示す斜視図である。図３に示すように、燃料電池スタック１は、ガス流路が内部に設けられた複数の柱状の燃料電池セル２と、マニホールド３から構成される。燃料電池セル２は、一端側（図３においては下端側）を一つのマニホールド３にすべて立設して支持固定されている。燃料電池セル２は絶縁性支持部材１４（ブッシュともいう）を介してもマニホールド３に立設され、ガラスリング１５により気密固定される。
【００４１】
ここで、複数の燃料電池セル２は、電気的に直列になるようにそれぞれが集電体４によって接続されている。電気的に直列に接続された一端と他端の燃料電池セル２には外部に電力を取り出すための電力取り出し線（図３の太線）が設けられている。
【００４２】
上述の様に燃料電池セル２の一端（下端）から燃料ガスが供給され、燃料ガス（燃料ガスに含まれる水素）は発電反応に消費されながら、燃料ガス流路１２を通過して他端（上端）から排出される。図５の点線矢印に示すように、燃料ガスは一端では高濃度の燃料ガス（燃料ガス中の水素濃度）の状態から、燃料ガス流路１２を進むにつれて発電反応に消費されていくため、他端では低濃度の燃料ガスが排出される。
【００４３】
図４は本発明における実施例の燃料電池スタック１を示す側面図である。燃料電池珠マニホールド３の内部に燃料ガスが供給されると、マニホールド３内で分散され、複数の燃料電池セル２の内部を一端側から他端側に向かって流れ、その後複数の燃料電池セル２の他端側から燃料電池スタック１の外部に排出される。
【００４４】
ここで燃料電池スタック１を構成する燃料電池セル２として、軸方向の電極長を１００ｍｍ以下のものを用いる。特に、電極長は５０ｍｍ以上１００ｍｍ以下とすると良い。このように、円筒形の燃料電池セル２を複数配列した固体酸化物形燃料電池スタック１において、燃料電池セル２の集電構造を片端集電構造とするとともに短尺化することにより、高耐久性と低コストに加え、所定の出力密度を得ることができる。
【００４５】
次に、本発明の実施例で用いる燃料電池セルについて図５及び図６を参照して説明する。
【００４６】
図５は、本発明の実施例における燃料電池スタック１を構成する燃料電池セル２を示す図である。図６は、燃料電池セル２端部の拡大断面図である。
【００４７】
図５に示すように、燃料電池セル２は、セル本体６と、このセル本体６の両端部にそれぞれ接続された接続電極部であるキャップ５（金属キャップともいう）とを備えている。
【００４８】
図６に示すように、支持体として導電支持体を有する場合のセル本体６は、上下方向に延びる管状構造体であり、内部にガス通路である燃料ガス流路１２（内部流路ともいう）を形成する導電性を有する円筒形の燃料極導電層７と、燃料極導電層７の外周に設けられた燃料極層８と、燃料極層８の外周側に設けられた円筒形の固体電解質層である電解質層９と、電解質層９の外周に設けられた円筒形の空気極（酸化剤ガス極）層１０と、空気極層１０の外周に導電性を有する空気極導電層１１を備えている。この燃料極導電層７は、セル本体６を構成する支持体として機能すると共に、内部に燃料ガスが流れるガス通路を構成する多孔質体である。
【００４９】
燃料極導電層７は、例えば、Ｎｉと、ＣａやＹ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Ｎｉと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Ｎｉと、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレードとの混合体、の少なくとも一種から形成される。本実施例では、燃料極導電層７は、Ｎｉ／ＹＳＺからなる。
なお、支持体として多孔質の絶縁性支持体を用いることもでき、この場合においては、絶縁性支持体の外側に、燃料極導電層が形成される。
【００５０】
また、燃料極導電層７の外周には燃料極層８が形成されている。燃料極層は触媒層であり、本実施例ではＮｉ／ＧＤＣからなる。
【００５１】
電解質層９は、燃料極層８の外周面に沿って全周にわたって形成されており、下端は燃料極導電層７の下端よりも上方で終端し、上端は燃料極導電層７の上端よりも下方で終端している。電解質層９は、例えば、Ｙ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Ｓｒ、Ｍｇから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種から形成される。
【００５２】
空気極層１０は、電解質層９の外周面に沿って全周にわたって形成されており、下端は電解質層９の下端よりも上方で終端し、上端は電解質層９の上端よりも下方で終端している。空気極層１０は、例えば、Ｓｒ、Ｃａから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Ｓｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Ｓｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンコバルタイト、銀、などの少なくとも一種から形成される。
【００５３】
また、空気極層１０の外周には空気極導電層１１が形成されている。空気極導電層１１は少なくともＡｇを含有するものであり、空気極１０に導電性能を付帯させている。
【００５４】
次に、キャップ５について説明するが、セル本体６の上端側と下端側に取り付けられたキャップ５は、同一構造であるため、ここでは、セル本体５の下端側に取り付けられたキャップ５について具体的に説明する。
【００５５】
キャップ５（金属キャップ）は、セル本体６の上下端部をそれぞれ包囲するように設けられ、セル本体６の燃料極導電層７と電気的に接続され、燃料極導電層７を外部に引き出す接続電極として機能する。図６に示すように、セル本体６の下端に設けられたキャップ５は、円筒状の第１円筒部５ａと、第１円筒部５ａの上端から外方に向かって延びる円環状の円環部５ｂと、円環部５ｂの外周から上方に向かって延びる第２円筒部５ｃとを有する。キャップ５の第１円筒部５ａの中心部には、燃料極導電層７の燃料ガス流路１２と連通する燃料ガス流路１３が形成されている。燃料ガス流路１２は、キャップ５の中心からセル本体６の軸線方向に延びるように設けられた細長い管路である。
【００５６】
キャップ５は、フェライト系ステンレス又はオーステナイト系ステンレスからなる本体の内周面及び外周面にクロム酸化物（本実施例では、Ｃｒ２Ｏ３）がコーティングされ、さらに、外周面には、ＭｎＣｏ２Ｏ４がコーティングされている。加えて、コーティングされたＭｎＣｏ２Ｏ４層の外周面にはＡｇ集電膜が設けられている。なお、本実施例では、Ａｇ集電膜は、キャップ５の外周面全体にわたって設けられているが、一部のみに設けてもよい。
【００５７】
キャップ５の第２円筒部５ｃの内側と、セル本体６の燃料極導電層７（燃料極層８）の端部外周面との間の空間には銀ペースト１４が配置されている。燃料電池セル２の組み立て後に焼成することにより、銀ペースト１４が焼結され、燃料極導電層７とキャップ５が、電気的、機械的に結合される。また、キャップ５の第２円筒部５ｃの内周面と、電解質層９の下端部外周面との間には、ガラス材料からなるガラスシール１５が設けられている。このガラスシール１５により、キャップ５と燃料極導電層７との間の空間は、燃料電池セル２の外部の空間に対して気密密封されている。
【００５８】
次に、図３〜図６を参照して、燃料電池スタック１の電気接続について説明する。
【００５９】
集電体４は、隣接する燃料電池セル２が電気的に直列となるように接続されている。燃料電池セル２の上端に設けられたキャップ５は燃料極導電層７と電気的に結合されており、集電体４は隣接する２つの燃料電池セル２のうち一方の燃料電池セル２の上端に設けられたキャップ５に銀ペーストを用いて電気的に接続されている。さらに、集電体４は、２つの隣接する燃料電池セル２のうち他方の燃料電池セル２の空気極導電層１１に銀ペーストを用いて電気的に接続されている。
【００６０】
このように、隣接する一方の燃料電池セル２の燃料極導電層７と、他方の燃料電池セル２の空気極導電層１１との接続を複数の燃料電池セルに行い、複数の燃料電池セル２に対して順番に直列接続することで、複数の燃料電池セル２がすべて直列接続された燃料電池スタック１が得られる。
【００６１】
また、燃料電池スタックから排出されるオフガスを燃焼する燃焼領域に改質器や蒸発器を配置することで、従来の燃料電池モジュールと同等の配置構成を適用することができる。このため、１ｋｗ程度の出力性能をもつ小型の燃料電池装置にも対応でき、高効率且つ高耐久な燃料電池システムを提供することができる。
【符号の説明】
【００６２】
１００  燃料電池セル
１０２  集電体（集電連結部材）
１      燃料電池スタック
２      燃料電池セル
３      マニホールド
４      集電体（集電連結部材）
５      キャップ（金属キャップ）
５ａ    第１円筒部
５ｂ    円環部
５ｃ    第２円筒部
６      セル本体
７      燃料極層
８      燃料極導電層
９      電解質層
１０    空気極層
１１    空気極導電層
１２    燃料ガス流路
１３    燃料ガス流路
１４    絶縁性支持部材
１５    ガラスリング
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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