(57)【要約】【課題】  一方の電解セルの変形による他方の電解セルへの影響を低減できる電解セルスタック装置、電解モジュールおよび電解装置を提供する。【解決手段】  集電部材１３が、インターコネクタ層８に接続する平板部１３ａと、電解セル１０の幅方向Ｗにおける平板部１３ａの両側に、電解セル１０の長さ方向Ｌに所定間隔をおいてそれぞれ設けられ、酸素極層６に接続する複数のＬ字状の帯状集電片１３ｂとを具備し、該帯状集電片１３ｂは、平板部１３ａの両側にそれぞれ設けられ平板部１３ａから電解セル１０の酸素極層６側に延びる突出部１３ｂ１と、該突出部１３ｂ１から電解セル１０の酸素極層６表面に沿うように、かつ電解セル１０の幅方向Ｗにおける酸素極層６の中央部に向かってそれぞれ延びる当接部１３ｂ２とを具備する。【選択図】図１
2015088320.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
長さ方向にガス流路を有し、一方側に第１電極層、セラミックスからなる固体電解質層および第２電極層を、他方側にインターコネクタ層を有する複数の柱状の電解セルと、導電性の集電部材とを、該集電部材が一方の前記電解セルの第２電極層と他方の前記電解セルのインターコネクタ層とを電気的に接続するように交互に配置してなるとともに、前記集電部材が、前記インターコネクタ層に接続する平板部と、前記電解セルの幅方向における前記平板部の両側に、前記電解セルの長さ方向に所定間隔をおいてそれぞれ設けられ、前記第２電極層に接続する複数のＬ字状の帯状集電片とを具備し、該帯状集電片は、前記平板部の両側にそれぞれ設けられ前記平板部から前記電解セルの第２電極層側に延びる突出部と、該突出部から前記電解セルの第２電極層表面に沿うように、かつ前記電解セルの幅方向における前記第２電極層の中央部に向かってそれぞれ延びる当接部とを具備することを特徴とする電解セル。
【請求項２】
前記電解セルの長さ方向の一方端部が、絶縁性の接着剤でガスタンクに接合されていることを特徴とする請求項１に記載の電解セルスタック装置。
【請求項３】
前記電解セルの長さ方向における前記帯状集電片の当接部の幅は、前記電解セルのガス流路をガスが流れる方向に向けて次第に幅が広くなることを特徴とする請求項１または２に記載の電解セルスタック装置。
【請求項４】
前記電解セルの長さ方向における前記帯状集電片の形成ピッチは、前記電解セルのガス流路をガスが流れる方向に向けて次第に狭くなることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれかに記載の電解セルスタック装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のうちのいずれかに記載の電解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電解モジュール。
【請求項６】
請求項５に記載の電解モジュールと、該電解モジュールを作動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電解装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解セルスタック装置、電解モジュールおよび電解装置に関する。
【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】
このような燃料電池セルスタック装置は、燃料電池セル間に耐熱性合金からなる集電部材を介在させ、燃料電池セル同士を電気的に接続して構成されている。このような集電部材としては、例えば、矩形板状の導電性板の中央部にスリットを形成し、スリット間の帯状体を交互に突出させ、複数の帯状体の両端が支持部で固定された集電部材が知られている。そして、この集電部材の一方側に突出した帯状体が一方の燃料電池セルの酸素極層と接続し、他方側に突出した帯状体が他方の燃料電池セルのインターコネクタ層と接続することで、燃料電池セル同士を電気的に直列に接続している（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
なお、燃料電池セルと集電部材とを交互に積層してなるセルスタックは、燃料電池セルの配列方向両端に配置された導電部材を介して電流が引き出される（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
一方、従来、固体酸化物形燃料電池セルは、導電性支持体の周囲を取り囲むように形成された緻密質なＺｒＯ２系焼結体からなる固体電解質層と、この固体電解質層の両端部に、緻密質なＬａＣｒＯ３系焼結体からなるインターコネクタ層の両端部が重なるように接合して構成されている。
【０００６】
すなわち、固体電解質層とインターコネクタ層とで、導電性支持体の周囲を気密に取り囲み、導電性支持体の内部を通過する燃料ガスが、固体電解質層とインターコネクタ層とにより形成された緻密質な筒状体から外部に漏出しないように構成されていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−３５４９８号公報
【特許文献２】特開２０１０−１９２２７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
近年においては、固体電解質層は厚みが薄くなるほどイオン導電性が向上し、燃料電池セルの発電性能が向上するため、発電性能を向上すべく固体電解質層の厚みを薄くすることが行われている。一方、例えば、ＬａＣｒＯ３系酸化物からなるインターコネクタ層は還元変形することが知られているが、発電性能を向上すべく固体電解質層の厚みを薄くすると、従来の集電部材は複数の帯状体の両端が支持部で固定された構成されており、燃料電池セル間に配置した場合には変形し難いため、インターコネクタ層の還元変形等により一方の燃料電池セルが変形すると、その変形が他方の燃料電池セルにそのまま伝達され、他方の燃料電池セルの薄い固体電解質層にクラックが発生するおそれがあった。これにより、ガスリークするおそれがあった。
【０００９】
本発明は、一方の電解セルの変形による他方の電解セルへの影響を低減できる電解セル
スタック装置、電解モジュールおよび電解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】
【００１０】
本発明の電解セルスタック装置は、長さ方向にガス流路を有し、一方側に第１電極層、セラミックスからなる固体電解質層および第２電極層を、他方側にインターコネクタ層を有する複数の柱状の電解セルと、導電性の集電部材とを、該集電部材が一方の前記電解セルの第２電極層と他方の前記電解セルのインターコネクタ層とを電気的に接続するように交互に配置してなるとともに、前記集電部材が、前記インターコネクタ層に接続する平板部と、前記電解セルの幅方向における前記平板部の両側に、前記電解セルの長さ方向に所定間隔をおいてそれぞれ設けられ、前記第２電極層に接続する複数のＬ字状の帯状集電片とを具備し、該帯状集電片は、前記平板部の両側にそれぞれ設けられ前記平板部から前記電解セルの第２電極層側に延びる突出部と、該突出部から前記電解セルの第２電極層表面に沿うように、かつ前記電解セルの幅方向における前記第２電極層の中央部に向かってそれぞれ延びる当接部とを具備することを特徴とする。
【００１１】
本発明の電解モジュールは、上記の電解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。
【００１２】
本発明の電解装置は、上記の電解モジュールと、該電解モジュールを作動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。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の電解セルスタック装置では、集電部材の平板部がインターコネクタ層に広い面積で接続し、平板部とインターコネクタ層との間の電気抵抗を低減できるとともに、複数のＬ字状の帯状集電片によって第２電極層との電気的接続を確保でき、しかも電解セル間に配置される集電部材の帯状集電片が変形し易いため、一方の電解セルの変形による他方の電解セルへの影響を低減できる。これにより、電解セルの固体電解質層を薄くしたとしても、固体電解質層におけるクラックの発生を抑制し、ガスリークを抑制できる。このような電解セルスタック装置を用いることにより、性能が高く、長期信頼性の高い電解モジュール、電解装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】電解セルスタック装置の一例を示し、（ａ）は電解セルスタック装置を概略的に示す側面図、（ｂ）は（ａ）のセルスタック装置の破線で囲った部分の一部を拡大して示す断面図である。
【図２】（ａ）はセルを接着剤を用いてガスタンクに接着固定した状態を示すもので、酸素極層側から見た側面図、（ｂ）はインターコネクタ層側から見た側面図、（ｃ）はセル同士を集電部材を用いて接続した状態を示す断面図である。
【図３】固体酸化物形燃料電池セルを示すもので、（ａ）は横断面図、（ｂ）は（ａ）を酸素極層側から見た側面図である。
【図４】集電部材を示すもので、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）の正面図である。
【図５】帯状集電片の配置間隔が、ガス上流側から下流側に向かって狭い集電部材を示す斜視図である。
【図６】帯状集電片の幅が、ガス上流側から下流側に向かって広い集電部材を示す斜視図である。
【図７】燃料電池モジュールの一例を示す外観斜視図である。
【図８】燃料電池装置の一部を省略して示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１は、電解セルの一例である固体酸化物形燃料電池セル（以下、燃料電池セルと略す
場合がある）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た燃料電池セルスタック装置（以下、セルスタック装置という）の一例を示したものであり、（ａ）はセルスタック装置を概略的に示す側面図、（ｂ）は（ａ）のセルスタック装置の一部拡大断面図であり、（ａ）で示した破線で囲った部分を抜粋して示している。なお、（ｂ）において（ａ）で示した破線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、一部の部材を省略して示している。
【００１６】
セルスタック装置においては、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の下端部が、燃料電池セル１０に燃料ガスを供給するためのガスタンク１６に、ガラスシール材等の絶縁性の接着剤１７により固定されている。また、ガスタンク１６に下端部が固定された弾性変形可能な導電部材１４により、燃料電池セル１０の配列方向の両端から、セルスタック１２を挟持している。
【００１７】
また、導電部材１４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、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を有している。
【００１８】
図２（ａ）（ｂ）に、燃料電池セル１０のガスタンク１６への固定構造を示す。燃料電池セル１０の下端部は、ガスタンク１０の上面に形成された開口部内に挿入され、ガラスシール材等の接着剤１７により固定されている。なお、図２（ａ）は、燃料電池セル１０の酸素極層６側を示すセルスタック装置であり、図２（ｂ）は、燃料電池セル１０のインターコネクタ層８側を示すセルスタック装置であり、燃料電池セル１０に対する集電部材１３の配置位置を理解し易くすべく、セルスタック装置の燃料電池セル１０の配列方向中央部における部分を示し、集電部材１３も記載している。
【００１９】
図３は、燃料電池セル１０を示すものであり、（ａ）はその横断面図、（ｂ）は（ａ）の側面図である。なお、両図面において、燃料電池セル１０の各構成の一部を拡大して示している。
【００２０】
この燃料電池セル１０は中空平板型で、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の支持体１を備えている。支持体１の内部には、適当な間隔で複数の燃料ガス通路２が燃料電池セル１０の長さ方向Ｌに貫通して形成されており、燃料電池セル１０は、この支持体１上に各種の部材が設けられた構造を有している。
【００２１】
支持体１は、図３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、一方の平坦面ｎ（一方側主面：下面）と両側の弧状面ｍを覆うように多孔質な燃料極層（第１電極層）３が配置されており、さらに、この燃料極層３を覆うように、ガス遮断性を有するセラミックスからなる厚み３０μｍ以下の固体電解質層４が配置されている。固体電解質層４の厚みは、特には２０μｍ以下、さらには１５μｍ以下であることが発電性能向上という点から望ましい。
【００２２】
また、固体電解質層４の表面には、中間層９を介して、燃料極層３と対面するように、多孔質な酸素極層（第２電極層）６が配置されている。中間層９は、酸素極層６が形成される固体電解質層４上に形成されている。
【００２３】
酸素極層６が積層されていない他方の平坦面ｎ（他方側主面：上面）には、ガス遮断性を有するＬａＣｒＯ３系酸化物等の導電性セラミックスからなるインターコネクタ８が形
成されている。
【００２４】
すなわち、燃料極層３、固体電解質層４は、一方の平坦面（一方側主面：下面）から両端の弧状面ｍを経由して他方の平坦面ｎ（他方側主面：上面）まで形成されており、固体電解質層４の両端部にはインターコネクタ層８の両端部が積層されて接合されている。固体電解質層４は、一方側主面には全面に形成されている。
【００２５】
すなわち、ガス遮断性を有する固体電解質層４とインターコネクタ層８とで支持体１を取り囲み、内部を流通する燃料ガスが外部に漏出しないように構成されている。言い換えれば、固体電解質層４とインターコネクタ層８とで、ガス遮断性を有する楕円筒状体を形成し、この楕円筒状体の内部が燃料ガス流路とされ、燃料極層３に供給される燃料ガスと、酸素極層６に供給される酸素含有ガスとが、楕円筒状体で遮断されている。
【００２６】
具体的に説明すると、図３（ｂ）に示すように、平面形状が矩形状の酸素極層６が、支持体１の上下端部を除いて形成されており、一方、インターコネクタ層８は、図示しないが支持体１の上端から下端まで形成されており、その左右両端部が、固体電解質層４の左右両端部の表面に接合されている。
【００２７】
ここで、燃料電池セル１０は、燃料極層３と酸素極層６とが固体電解質層４を介して対面している部分が燃料電池として機能して発電する。即ち、酸素極層６の外側に空気等の酸素含有ガスを流し、且つ支持体１内の燃料ガス通路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、支持体１に設けられているインターコネクタ層８を介して集電される。
【００２８】
図４は集電部材１３を示すもので、（ａ）は斜視図、（ｂ）は正面図である。集電部材１３は、インターコネクタ層８に接続する平板部１３ａと、燃料電池セル１０の幅方向Ｗにおける平板部１３ａの両側に、燃料電池セル１０の長さ方向Ｌに所定間隔をおいてそれぞれ設けられ、酸素極層６に接続する複数のＬ字状の帯状集電片１３ｂとから構成されている。
【００２９】
帯状集電片１３ｂは、図２（ｃ）に示すように、平板部１３ａの両側にそれぞれ設けられ平板部１３ａから燃料電池セル１０の酸素極層６側に延びる突出部１３ｂ１と、該突出部１３ｂ１から燃料電池セル１０の酸素極層６表面に沿うように、かつ燃料電池セル１０の幅方向Ｗにおける酸素極層６の中央部に向かってそれぞれ延びる当接部１３ｂ２とを具備している。
【００３０】
言い換えれば、平板部１３ａは矩形状をなしており、その長辺に、帯状集電片１３ｂが複数、所定間隔をおいて設けられている。帯状集電片１３ｂの当接部１３ｂ２は、それぞれの長辺から平板部１３ａの幅方向中央部に向けて延びており、それらの先端は所定間隔を設けられている。
【００３１】
集電部材１３は、矩形状の耐熱性合金板の２つの長辺に複数のスリットを形成し、スリットで挟まれる帯状集電片１３ｂがＬ字状に折り曲げられ、当接部１３ｂ２が平板部１３ａとほぼ平行となるように作製されている。
【００３２】
耐熱性合金板の厚みは、０．１〜２ｍｍとされており、平板部１３ａ、帯状集電片１３ｂは同一厚みとされている。なお、帯状集電片１３ｂの厚みを平板部１３ａの厚みよりも薄くすることにより、剛性を小さくでき、一方の電解セルの変形による他方の電解セルへの影響を低減できる。帯状集電片１３ｂの厚みｔ１と平板部１３ａの厚みｔ２との比ｔ１／ｔ２は、０．１以上であることが望ましい。
【００３３】
また、帯状集電片１３ｂの幅は同一幅とされ、例えば、１〜１０ｍｍとされている。
【００３４】
平板部１３ａとインターコネクタ層８、帯状集電片１３ｂと酸素極層６とは、導電性セラミックスからなる接着剤で接合されている。
【００３５】
このようなセルスタック装置では、集電部材１３の平板部１３ａがインターコネクタ層８に広い面積で接続し、平板部１３ａとインターコネクタ層８との間の電気抵抗を低減できるとともに、複数のＬ字状の帯状集電片１３ｂによって、酸素極層６との電気的接続を確保でき、帯状集電片１３ｂは変形し易いため、燃料電池セル１０間に配置される集電部材１３の剛性を低減でき、これにより、一方の燃料電池セル１０の変形による他方の燃料電池セル１０への影響を低減でき、固体電解質層４を薄くしたとしても、固体電解質層４におけるクラックの発生を抑制し、ガスリークを抑制できる。
【００３６】
従って、例えば、インターコネクタ層８が還元変形し、集電部材１３が隣接する燃料電池セル側に押圧されたとしても、その変形をＬ字状の帯状集電片１３ｂが変形することによって吸収し、これにより、一方の燃料電池セル１０の変形による他方の燃料電池セル１０への影響を低減できる。
【００３７】
図５は、帯状集電片１３ｂの燃料電池セル１０の長さ方向Ｌにおける形成ピッチを、下側（燃料ガス上流側）が広く、上側（燃料ガス下流側）が狭くされている。すなわち、下側は、図２に示したように、ガスタンク１６に接合され、このガスタンク１６から燃料ガスが燃料電池セル１０の燃料ガス通路２を介して、燃料電池セル１０の上端から放出されるが、ガスタンク１６側から燃料ガスの放出側に向けて次第に、帯状集電片１３ｂの形成ピッチが狭くなっている。
【００３８】
このようなセルスタック装置でも、上記と同様の効果を得ることができるが、さらに、燃料電池セルに大きな応力が生じやすいガスタンク１６側における帯状集電片１３ｂ変形し易くなるため、一方の燃料電池セル１０の変形による他方の燃料電池セル１０への影響を低減できる。
【００３９】
図６は、帯状集電片１３ｂの燃料電池セル１０の長さ方向Ｌにおける幅を、下側（燃料ガス上流側）が狭く、上側（燃料ガス下流側）が広くされている。すなわち、下側は、図２に示したように、ガスタンク１６に接合され、このガスタンク１６から燃料ガスが燃料電池セル１０の燃料ガス通路２を介して、燃料電池セル１０の上端から放出されるが、ガスタンク１６側から燃料ガスの放出側に向けて次第に、帯状集電片１３ｂの幅が広くなっている。
【００４０】
このようなセルスタック装置でも、上記と同様の効果を得ることができるが、さらに、燃料電池セル１０に大きな応力が生じやすいガスタンク１６側における帯状集電片１３ｂ変形し易くなるため、一方の燃料電池セル１０の変形による他方の燃料電池セル１０への影響を低減できる。
【００４１】
以下に、本実施形態の燃料電池セル１０を構成する各部材について説明する。
【００４２】
導電性の支持体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、インターコネクタ層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、無機酸化物、例えば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。
【００４３】
特定の希土類酸化物とは、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、Ｙｂ、Ｔｍ、Ｅｒ、Ｈｏ、Ｄｙ、Ｇｄ、Ｓｍ、Ｐｒ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。
【００４４】
また、本実施形態においては、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＝３５：６５〜６５：３５の体積比で存在することが好ましい。なお、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。
【００４５】
また、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、多孔質であり、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、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。
【００４６】
なお、支持体１の平坦面ｎの長さ（支持体１の幅方向Ｗの長さ）は、例えば、１５〜３５ｍｍ、弧状面ｍの長さ（弧の長さ）は、２〜８ｍｍであり、支持体１の厚み（平坦面ｎ間の厚み）は１．５〜５ｍｍである。支持体１の長さは、例えば、１００〜３００ｍｍとされている。
【００４７】
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できる。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。
【００４８】
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。
【００４９】
また、燃料極層３は、酸素極層６に対面する位置に形成されていればよいため、例えば酸素極層６が設けられている支持体１の下側の平坦面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は支持体１の下側の平坦面ｎにのみ設けられ、固体電解質層４が燃料極層３表面、支持体１の両弧状面ｍ表面および燃料極層３が形成されていない支持体１の上側の平坦面ｎ上に形成された構造をしたものであってもよい。
【００５０】
固体電解質層４は、３〜１５モル％のＹ、Ｓｃ、Ｙｂ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。固体電解質層４は、部分安定化あるいは安定化ＺｒＯ２からなるセラミックスに限定されるものではなく、従来、公知の、例えば、ランタンガレード系の固体電解質層であっても良いことは勿論である。
【００５１】
固体電解質層４と後述する酸素極層６との間に、固体電解質層４と酸素極層６との接合を強固とするとともに、固体電解質層４の成分と酸素極層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９が形成されている。
【００５２】
中間層９としては、Ｃｅ以外の他の希土類元素を含有するＣｅＯ２系焼結体からなるもので、例えば、（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。
【００５３】
酸素極層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、Ｌａを含有する遷移金属ペロブスカイト型酸化物、特にＡサイトにＳｒとＬａ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とともにＦｅやＭｎが存在しても良い。
【００５４】
また、酸素極層６は、ガス透過性を有する必要があり、従って、酸素極層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、酸素極層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。
【００５５】
インターコネクタ層８としては導電性セラミックスにより形成されている。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、例えば、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、特に支持体１および固体電解質層４の熱膨張係数に近づける目的から、ＢサイトにＭｇが存在するＬａＣｒＭｇＯ３系酸化物が用いられる。インターコネクタ層８材料は導電性セラミックスであればよく、特に限定されるものではない。
【００５６】
また、インターコネクタ層８の厚みは、ガスのリーク防止と電気抵抗という点から、１０〜６０μｍであることが好ましい。この範囲ならばガスのリークを防止できるとともに、電気抵抗を小さくできる。
【００５７】
さらに、支持体１とインターコネクタ層８との間には、インターコネクタ層８と支持体１との間の熱膨張係数差を軽減する等のために密着層（図示せず）を形成することができる。
【００５８】
このような密着層としては、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。
【００５９】
以上説明した本実施形態の燃料電池セル１０の作製方法の一例について説明する。先ず
、例えば、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支持体成形体を作製し、これを乾燥する。なお、支持体成形体として、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。
【００６０】
次に、例えば所定の調合組成に従い、ＮｉＯと、Ｙ２Ｏ３が固溶したＺｒＯ２（ＹＳＺ）との素原料を秤量、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。
【００６１】
そして、希土類元素が固溶したＺｒＯ２粉末に、トルエン、バインダー粉末（下記、ＺｒＯ２粉末に付着させるバインダー粉末よりも高分子、例えばアクリル系樹脂）、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、成形してシート状の固体電解質層成形体を作製する。
【００６２】
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乾燥して燃料極層成形体を形成し、シート状の積層成形体を形成する。この燃料極層成形体および固体電解質層成形体が積層したシート状の積層成形体の燃料極層成形体側の面を導電性支持体成形体に積層し、成形体を形成する。
【００６３】
次いで、上記の積層成形体を８００〜１２００℃で２〜６時間仮焼する。続いて、インターコネクタ層材料（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作製する。この後の工程は、密着層を有する燃料電池セルの製法について説明する。
【００６４】
続いて、支持体１とインターコネクタ層８との間に密着層成形体を形成する場合には、下記のように作製する。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し、固体電解質層成形体の両端部間における支持体成形体上に塗布して密着層成形体を形成する。この密着層成形体上にインターコネクタ層用スラリーが塗布されることになる。
【００６５】
続いて固体電解質層４と酸素極層６との間に配置する中間層を形成する。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、中間層成形体用の原料粉末を調整する。この原料粉末に、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中間層成形体を作製する。
【００６６】
この後、固体電解質成形体（仮焼体）の両端部上に、インターコネクタ層用成形体の両端部が積層されるように、インターコネクタ層用スラリーを塗布し、積層成形体を作製する。なお、インターコネクタ層用スラリーを調製し、インターコネクタ層用シートを作製し、固体電解質成形体の両端部上に、インターコネクタ層用シートの両端部が積層されるように、インターコネクタ層用シートを積層し、積層成形体を作製することもできる。
【００６７】
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、１４００〜１５００℃にて１〜６時間、同時焼結（同時焼成）する。
【００６８】
さらに、酸素極層用材料（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し、１０００〜１３００℃で、２〜６時間焼き付けることにより、図３に示す構造の燃料電池セル１０を製造できる。
【００６９】
図７は、セルスタック装置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１に示したセルスタック装置を収納して構成されている。
【００７０】
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を介してガスタンク１６に供給され、ガスタンク１６を介して燃料電池セル１０の内部に設けられた燃料ガス通路２に供給される。
【００７１】
なお、図７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セルスタック装置および改質器２０を後方に取り出した状態を示している。図７に示した燃料電池モジュール１８においては、セルスタック装置を、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、セルスタック装置は、改質器２０を含むものとしても良い。
【００７２】
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７においてはガスタンク１６に並置された一対のセルスタック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の燃料ガス通路２より排出される燃料ガスを酸素含有ガスと反応させて燃料電池セル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、セルスタック装置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のガス通路２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（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。
【００７３】
さらに、本実施形態の燃料電池モジュール１８では、上述した燃料電池セル１０を用いたセルスタック装置を収納容器１９内に収納してなることから、発電性能が高く、長期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。
【００７４】
図８は、外装ケース内に図７で示した燃料電池モジュール１８と、セルスタック装置を動作させるための補機とを収納してなる燃料電池装置の一例を示す斜視図である。なお、図８においては一部構成を省略して示している。
【００７５】
図８に示す燃料電池装置２３は、支柱２４と外装板２５と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に収納する補機類は省略して示している。
【００７６】
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。
【００７７】
このような燃料電池装置２３においては、上述したように、発電性能が高く、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、発電性能が高く、信頼性の向上した燃料電池装置２３とできる。
【００７８】
以上、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨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。例えば、導電性支持体上に酸素極層、固体電解質層、燃料極層を配置した燃料電池セルであっても良い。さらに、例えば、上記形態では、支持体１上に燃料極層３、固体電解質層４、酸素極層６を積層したが、支持体１を用いることなく、燃料極層３自体を支持体とし、この燃料極層３に、固体電解質層４、酸素極層６を設けても良い。
【００７９】
なお、上記実施形態では、中空平板型の固体酸化物形燃料電池セルについて説明したが、円筒型の固体酸化物形燃料電池セルであっても良いことは勿論である。また、各部材間に機能に合わせて各種中間層を形成しても良い。
【００８０】
さらに、上記形態では燃料電池セル、セルスタック装置、燃料電池モジュールならびに燃料電池装置について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、電解セルに水蒸気と電圧とを付与して水蒸気（水）を電気分解することにより、水素と酸素（Ｏ２）を生成する電解セル（ＳＯＥＣ）およびこの電解セルを備える電解モジュールおよび電解装置にも適用することができる。
【符号の説明】
【００８１】
１：支持体
２：燃料ガス通路
３：燃料極層
４：固体電解質層
６：酸素極層
８：インターコネクタ層
１３：集電部材
１３ａ：平板部
１３ｂ：帯状集電片
１３ｂ１：突出部
１３ｂ２：当接部
１８：燃料電池モジュール
２３：燃料電池装置
【図１】
2015088320.tif 000003
【図２】
2015088320.tif 000004
【図３】
2015088320.tif 000005
【図４】
2015088320.tif 000006
【図５】
2015088320.tif 000007
【図６】
2015088320.tif 000008
【図７】
2015088320.tif 000009
【図８】
2015088320.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成26年11月10日(2014.11.10)
【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】
長さ方向にガス流路を有し、一方側に第１電極層、セラミックスからなる固体電解質層および第２電極層を、他方側にインターコネクタ層を有する複数の柱状のセルと、導電性の集電部材とを、該集電部材が一方の前記セルの第２電極層と他方の前記セルのインターコネクタ層とを電気的に接続するように交互に配置してなるとともに、前記集電部材が、前記インターコネクタ層に接続する平板部と、前記セルの幅方向における前記平板部の両側に、前記セルの長さ方向に所定間隔をおいてそれぞれ設けられ、前記第２電極層に接続する複数のＬ字状の帯状集電片とを具備し、該帯状集電片は、前記平板部の両側にそれぞれ設けられ前記平板部から前記セルの第２電極層側に延びる突出部と、該突出部から前記セルの第２電極層表面に沿うように、かつ前記セルの幅方向における前記第２電極層の中央部に向かってそれぞれ延びる当接部とを具備することを特徴とするセル。
【請求項２】
前記セルの長さ方向の一方端部が、絶縁性の接着剤でガスタンクに接合されていることを特徴とする請求項１に記載のセルスタック装置。
【請求項３】
前記セルの長さ方向における前記帯状集電片の当接部の幅は、前記セルのガス流路をガスが流れる方向に向けて次第に幅が広くなることを特徴とする請求項１または２に記載のセルスタック装置。
【請求項４】
前記セルの長さ方向における前記帯状集電片の形成ピッチは、前記セルのガス流路をガスが流れる方向に向けて次第に狭くなることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれかに記載のセルスタック装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のうちのいずれかに記載の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モジュール。
【請求項６】
請求項５に記載のモジュールと、該モジュールを作動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モジュール収納装置。
【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】
本発明は、セルスタック装置、モジュールおよびモジュール収納装置に関する。
【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】
このような燃料電池セルスタック装置は、燃料電池セル間に耐熱性合金からなる集電部材を介在させ、燃料電池セル同士を電気的に接続して構成されている。このような集電部材としては、例えば、矩形板状の導電性板の中央部にスリットを形成し、スリット間の帯状体を交互に突出させ、複数の帯状体の両端が支持部で固定された集電部材が知られている。そして、この集電部材の一方側に突出した帯状体が一方の燃料電池セルの酸素極層と接続し、他方側に突出した帯状体が他方の燃料電池セルのインターコネクタ層と接続することで、燃料電池セル同士を電気的に直列に接続している（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
なお、燃料電池セルと集電部材とを交互に積層してなるセルスタックは、燃料電池セルの配列方向両端に配置された導電部材を介して電流が引き出される（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
一方、従来、固体酸化物形燃料電池セルは、導電性支持体の周囲を取り囲むように形成された緻密質なＺｒＯ２系焼結体からなる固体電解質層と、この固体電解質層の両端部に、緻密質なＬａＣｒＯ３系焼結体からなるインターコネクタ層の両端部が重なるように接合して構成されている。
【０００６】
すなわち、固体電解質層とインターコネクタ層とで、導電性支持体の周囲を気密に取り囲み、導電性支持体の内部を通過する燃料ガスが、固体電解質層とインターコネクタ層とにより形成された緻密質な筒状体から外部に漏出しないように構成されていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−３５４９８号公報
【特許文献２】特開２０１０−１９２２７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
近年においては、固体電解質層は厚みが薄くなるほどイオン導電性が向上し、燃料電池セルの発電性能が向上するため、発電性能を向上すべく固体電解質層の厚みを薄くすることが行われている。一方、例えば、ＬａＣｒＯ３系酸化物からなるインターコネクタ層は還元変形することが知られているが、発電性能を向上すべく固体電解質層の厚みを薄くすると、従来の集電部材は複数の帯状体の両端が支持部で固定された構成されており、燃料電池セル間に配置した場合には変形し難いため、インターコネクタ層の還元変形等により一方の燃料電池セルが変形すると、その変形が他方の燃料電池セルにそのまま伝達され、他方の燃料電池セルの薄い固体電解質層にクラックが発生するおそれがあった。これにより、ガスリークするおそれがあった。
【０００９】
本発明は、一方のセルの変形による他方のセルへの影響を低減できるセルスタック装置
、モジュールおよびモジュール収納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】
【００１０】
本発明のセルスタック装置は、長さ方向にガス流路を有し、一方側に第１電極層、セラミックスからなる固体電解質層および第２電極層を、他方側にインターコネクタ層を有する複数の柱状のセルと、導電性の集電部材とを、該集電部材が一方の前記セルの第２電極層と他方の前記セルのインターコネクタ層とを電気的に接続するように交互に配置してなるとともに、前記集電部材が、前記インターコネクタ層に接続する平板部と、前記セルの幅方向における前記平板部の両側に、前記セルの長さ方向に所定間隔をおいてそれぞれ設けられ、前記第２電極層に接続する複数のＬ字状の帯状集電片とを具備し、該帯状集電片は、前記平板部の両側にそれぞれ設けられ前記平板部から前記セルの第２電極層側に延びる突出部と、該突出部から前記セルの第２電極層表面に沿うように、かつ前記セルの幅方向における前記第２電極層の中央部に向かってそれぞれ延びる当接部とを具備することを特徴とする。
【００１１】
本発明のモジュールは、上記の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。
【００１２】
本発明のモジュール収納装置は、上記のモジュールと、該モジュールを作動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。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のセルスタック装置では、集電部材の平板部がインターコネクタ層に広い面積で接続し、平板部とインターコネクタ層との間の電気抵抗を低減できるとともに、複数のＬ字状の帯状集電片によって第２電極層との電気的接続を確保でき、しかもセル間に配置される集電部材の帯状集電片が変形し易いため、一方のセルの変形による他方のセルへの影響を低減できる。これにより、セルの固体電解質層を薄くしたとしても、固体電解質層におけるクラックの発生を抑制し、ガスリークを抑制できる。このようなセルスタック装置を用いることにより、性能が高く、長期信頼性の高いモジュール、モジュール収納装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】セルスタック装置の一例を示し、（ａ）はセルスタック装置を概略的に示す側面図、（ｂ）は（ａ）のセルスタック装置の破線で囲った部分の一部を拡大して示す断面図である。
【図２】（ａ）はセルを接着剤を用いてガスタンクに接着固定した状態を示すもので、酸素極層側から見た側面図、（ｂ）はインターコネクタ層側から見た側面図、（ｃ）はセル同士を集電部材を用いて接続した状態を示す断面図である。
【図３】固体酸化物形燃料電池セルを示すもので、（ａ）は横断面図、（ｂ）は（ａ）を酸素極層側から見た側面図である。
【図４】集電部材を示すもので、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）の正面図である。
【図５】帯状集電片の配置間隔が、ガス上流側から下流側に向かって狭い集電部材を示す斜視図である。
【図６】帯状集電片の幅が、ガス上流側から下流側に向かって広い集電部材を示す斜視図である。
【図７】燃料電池モジュールの一例を示す外観斜視図である。
【図８】燃料電池装置の一部を省略して示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１は、セルの一例である固体酸化物形燃料電池セル（以下、燃料電池セルと略す場合
がある）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た燃料電池セルスタック装置（以下、セルスタック装置という）の一例を示したものであり、（ａ）はセルスタック装置を概略的に示す側面図、（ｂ）は（ａ）のセルスタック装置の一部拡大断面図であり、（ａ）で示した破線で囲った部分を抜粋して示している。なお、（ｂ）において（ａ）で示した破線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、一部の部材を省略して示している。
【００１６】
セルスタック装置においては、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の下端部が、燃料電池セル１０に燃料ガスを供給するためのガスタンク１６に、ガラスシール材等の絶縁性の接着剤１７により固定されている。また、ガスタンク１６に下端部が固定された弾性変形可能な導電部材１４により、燃料電池セル１０の配列方向の両端から、セルスタック１２を挟持している。
【００１７】
また、導電部材１４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、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を有している。
【００１８】
図２（ａ）（ｂ）に、燃料電池セル１０のガスタンク１６への固定構造を示す。燃料電池セル１０の下端部は、ガスタンク１０の上面に形成された開口部内に挿入され、ガラスシール材等の接着剤１７により固定されている。なお、図２（ａ）は、燃料電池セル１０の酸素極層６側を示すセルスタック装置であり、図２（ｂ）は、燃料電池セル１０のインターコネクタ層８側を示すセルスタック装置であり、燃料電池セル１０に対する集電部材１３の配置位置を理解し易くすべく、セルスタック装置の燃料電池セル１０の配列方向中央部における部分を示し、集電部材１３も記載している。
【００１９】
図３は、燃料電池セル１０を示すものであり、（ａ）はその横断面図、（ｂ）は（ａ）の側面図である。なお、両図面において、燃料電池セル１０の各構成の一部を拡大して示している。
【００２０】
この燃料電池セル１０は中空平板型で、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の支持体１を備えている。支持体１の内部には、適当な間隔で複数の燃料ガス通路２が燃料電池セル１０の長さ方向Ｌに貫通して形成されており、燃料電池セル１０は、この支持体１上に各種の部材が設けられた構造を有している。
【００２１】
支持体１は、図３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、一方の平坦面ｎ（一方側主面：下面）と両側の弧状面ｍを覆うように多孔質な燃料極層（第１電極層）３が配置されており、さらに、この燃料極層３を覆うように、ガス遮断性を有するセラミックスからなる厚み３０μｍ以下の固体電解質層４が配置されている。固体電解質層４の厚みは、特には２０μｍ以下、さらには１５μｍ以下であることが発電性能向上という点から望ましい。
【００２２】
また、固体電解質層４の表面には、中間層９を介して、燃料極層３と対面するように、多孔質な酸素極層（第２電極層）６が配置されている。中間層９は、酸素極層６が形成される固体電解質層４上に形成されている。
【００２３】
酸素極層６が積層されていない他方の平坦面ｎ（他方側主面：上面）には、ガス遮断性を有するＬａＣｒＯ３系酸化物等の導電性セラミックスからなるインターコネクタ８が形
成されている。
【００２４】
すなわち、燃料極層３、固体電解質層４は、一方の平坦面（一方側主面：下面）から両端の弧状面ｍを経由して他方の平坦面ｎ（他方側主面：上面）まで形成されており、固体電解質層４の両端部にはインターコネクタ層８の両端部が積層されて接合されている。固体電解質層４は、一方側主面には全面に形成されている。
【００２５】
すなわち、ガス遮断性を有する固体電解質層４とインターコネクタ層８とで支持体１を取り囲み、内部を流通する燃料ガスが外部に漏出しないように構成されている。言い換えれば、固体電解質層４とインターコネクタ層８とで、ガス遮断性を有する楕円筒状体を形成し、この楕円筒状体の内部が燃料ガス流路とされ、燃料極層３に供給される燃料ガスと、酸素極層６に供給される酸素含有ガスとが、楕円筒状体で遮断されている。
【００２６】
具体的に説明すると、図３（ｂ）に示すように、平面形状が矩形状の酸素極層６が、支持体１の上下端部を除いて形成されており、一方、インターコネクタ層８は、図示しないが支持体１の上端から下端まで形成されており、その左右両端部が、固体電解質層４の左右両端部の表面に接合されている。
【００２７】
ここで、燃料電池セル１０は、燃料極層３と酸素極層６とが固体電解質層４を介して対面している部分が燃料電池として機能して発電する。即ち、酸素極層６の外側に空気等の酸素含有ガスを流し、且つ支持体１内の燃料ガス通路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、支持体１に設けられているインターコネクタ層８を介して集電される。
【００２８】
図４は集電部材１３を示すもので、（ａ）は斜視図、（ｂ）は正面図である。集電部材１３は、インターコネクタ層８に接続する平板部１３ａと、燃料電池セル１０の幅方向Ｗにおける平板部１３ａの両側に、燃料電池セル１０の長さ方向Ｌに所定間隔をおいてそれぞれ設けられ、酸素極層６に接続する複数のＬ字状の帯状集電片１３ｂとから構成されている。
【００２９】
帯状集電片１３ｂは、図２（ｃ）に示すように、平板部１３ａの両側にそれぞれ設けられ平板部１３ａから燃料電池セル１０の酸素極層６側に延びる突出部１３ｂ１と、該突出部１３ｂ１から燃料電池セル１０の酸素極層６表面に沿うように、かつ燃料電池セル１０の幅方向Ｗにおける酸素極層６の中央部に向かってそれぞれ延びる当接部１３ｂ２とを具備している。
【００３０】
言い換えれば、平板部１３ａは矩形状をなしており、その長辺に、帯状集電片１３ｂが複数、所定間隔をおいて設けられている。帯状集電片１３ｂの当接部１３ｂ２は、それぞれの長辺から平板部１３ａの幅方向中央部に向けて延びており、それらの先端は所定間隔を設けられている。
【００３１】
集電部材１３は、矩形状の耐熱性合金板の２つの長辺に複数のスリットを形成し、スリットで挟まれる帯状集電片１３ｂがＬ字状に折り曲げられ、当接部１３ｂ２が平板部１３ａとほぼ平行となるように作製されている。
【００３２】
耐熱性合金板の厚みは、０．１〜２ｍｍとされており、平板部１３ａ、帯状集電片１３ｂは同一厚みとされている。なお、帯状集電片１３ｂの厚みを平板部１３ａの厚みよりも薄くすることにより、剛性を小さくでき、一方のセルの変形による他方のセルへの影響を低減できる。帯状集電片１３ｂの厚みｔ１と平板部１３ａの厚みｔ２との比ｔ１／ｔ２は、０．１以上であることが望ましい。
【００３３】
また、帯状集電片１３ｂの幅は同一幅とされ、例えば、１〜１０ｍｍとされている。
【００３４】
平板部１３ａとインターコネクタ層８、帯状集電片１３ｂと酸素極層６とは、導電性セラミックスからなる接着剤で接合されている。
【００３５】
このようなセルスタック装置では、集電部材１３の平板部１３ａがインターコネクタ層８に広い面積で接続し、平板部１３ａとインターコネクタ層８との間の電気抵抗を低減できるとともに、複数のＬ字状の帯状集電片１３ｂによって、酸素極層６との電気的接続を確保でき、帯状集電片１３ｂは変形し易いため、燃料電池セル１０間に配置される集電部材１３の剛性を低減でき、これにより、一方の燃料電池セル１０の変形による他方の燃料電池セル１０への影響を低減でき、固体電解質層４を薄くしたとしても、固体電解質層４におけるクラックの発生を抑制し、ガスリークを抑制できる。
【００３６】
従って、例えば、インターコネクタ層８が還元変形し、集電部材１３が隣接する燃料電池セル側に押圧されたとしても、その変形をＬ字状の帯状集電片１３ｂが変形することによって吸収し、これにより、一方の燃料電池セル１０の変形による他方の燃料電池セル１０への影響を低減できる。
【００３７】
図５は、帯状集電片１３ｂの燃料電池セル１０の長さ方向Ｌにおける形成ピッチを、下側（燃料ガス上流側）が広く、上側（燃料ガス下流側）が狭くされている。すなわち、下側は、図２に示したように、ガスタンク１６に接合され、このガスタンク１６から燃料ガスが燃料電池セル１０の燃料ガス通路２を介して、燃料電池セル１０の上端から放出されるが、ガスタンク１６側から燃料ガスの放出側に向けて次第に、帯状集電片１３ｂの形成ピッチが狭くなっている。
【００３８】
このようなセルスタック装置でも、上記と同様の効果を得ることができるが、さらに、燃料電池セルに大きな応力が生じやすいガスタンク１６側における帯状集電片１３ｂ変形し易くなるため、一方の燃料電池セル１０の変形による他方の燃料電池セル１０への影響を低減できる。
【００３９】
図６は、帯状集電片１３ｂの燃料電池セル１０の長さ方向Ｌにおける幅を、下側（燃料ガス上流側）が狭く、上側（燃料ガス下流側）が広くされている。すなわち、下側は、図２に示したように、ガスタンク１６に接合され、このガスタンク１６から燃料ガスが燃料電池セル１０の燃料ガス通路２を介して、燃料電池セル１０の上端から放出されるが、ガスタンク１６側から燃料ガスの放出側に向けて次第に、帯状集電片１３ｂの幅が広くなっている。
【００４０】
このようなセルスタック装置でも、上記と同様の効果を得ることができるが、さらに、燃料電池セル１０に大きな応力が生じやすいガスタンク１６側における帯状集電片１３ｂ変形し易くなるため、一方の燃料電池セル１０の変形による他方の燃料電池セル１０への影響を低減できる。
【００４１】
以下に、本実施形態の燃料電池セル１０を構成する各部材について説明する。
【００４２】
導電性の支持体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、インターコネクタ層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、無機酸化物、例えば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。
【００４３】
特定の希土類酸化物とは、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、Ｙｂ、Ｔｍ、Ｅｒ、Ｈｏ、Ｄｙ、Ｇｄ、Ｓｍ、Ｐｒ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。
【００４４】
また、本実施形態においては、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＝３５：６５〜６５：３５の体積比で存在することが好ましい。なお、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。
【００４５】
また、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、多孔質であり、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、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。
【００４６】
なお、支持体１の平坦面ｎの長さ（支持体１の幅方向Ｗの長さ）は、例えば、１５〜３５ｍｍ、弧状面ｍの長さ（弧の長さ）は、２〜８ｍｍであり、支持体１の厚み（平坦面ｎ間の厚み）は１．５〜５ｍｍである。支持体１の長さは、例えば、１００〜３００ｍｍとされている。
【００４７】
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できる。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。
【００４８】
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。
【００４９】
また、燃料極層３は、酸素極層６に対面する位置に形成されていればよいため、例えば酸素極層６が設けられている支持体１の下側の平坦面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は支持体１の下側の平坦面ｎにのみ設けられ、固体電解質層４が燃料極層３表面、支持体１の両弧状面ｍ表面および燃料極層３が形成されていない支持体１の上側の平坦面ｎ上に形成された構造をしたものであってもよい。
【００５０】
固体電解質層４は、３〜１５モル％のＹ、Ｓｃ、Ｙｂ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。固体電解質層４は、部分安定化あるいは安定化ＺｒＯ２からなるセラミックスに限定されるものではなく、従来、公知の、例えば、ランタンガレード系の固体電解質層であっても良いことは勿論である。
【００５１】
固体電解質層４と後述する酸素極層６との間に、固体電解質層４と酸素極層６との接合を強固とするとともに、固体電解質層４の成分と酸素極層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９が形成されている。
【００５２】
中間層９としては、Ｃｅ以外の他の希土類元素を含有するＣｅＯ２系焼結体からなるもので、例えば、（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。
【００５３】
酸素極層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、Ｌａを含有する遷移金属ペロブスカイト型酸化物、特にＡサイトにＳｒとＬａ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とともにＦｅやＭｎが存在しても良い。
【００５４】
また、酸素極層６は、ガス透過性を有する必要があり、従って、酸素極層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、酸素極層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。
【００５５】
インターコネクタ層８としては導電性セラミックスにより形成されている。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、例えば、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、特に支持体１および固体電解質層４の熱膨張係数に近づける目的から、ＢサイトにＭｇが存在するＬａＣｒＭｇＯ３系酸化物が用いられる。インターコネクタ層８材料は導電性セラミックスであればよく、特に限定されるものではない。
【００５６】
また、インターコネクタ層８の厚みは、ガスのリーク防止と電気抵抗という点から、１０〜６０μｍであることが好ましい。この範囲ならばガスのリークを防止できるとともに、電気抵抗を小さくできる。
【００５７】
さらに、支持体１とインターコネクタ層８との間には、インターコネクタ層８と支持体１との間の熱膨張係数差を軽減する等のために密着層（図示せず）を形成することができる。
【００５８】
このような密着層としては、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。
【００５９】
以上説明した本実施形態の燃料電池セル１０の作製方法の一例について説明する。先ず
、例えば、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支持体成形体を作製し、これを乾燥する。なお、支持体成形体として、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。
【００６０】
次に、例えば所定の調合組成に従い、ＮｉＯと、Ｙ２Ｏ３が固溶したＺｒＯ２（ＹＳＺ）との素原料を秤量、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。
【００６１】
そして、希土類元素が固溶したＺｒＯ２粉末に、トルエン、バインダー粉末（下記、ＺｒＯ２粉末に付着させるバインダー粉末よりも高分子、例えばアクリル系樹脂）、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、成形してシート状の固体電解質層成形体を作製する。
【００６２】
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乾燥して燃料極層成形体を形成し、シート状の積層成形体を形成する。この燃料極層成形体および固体電解質層成形体が積層したシート状の積層成形体の燃料極層成形体側の面を導電性支持体成形体に積層し、成形体を形成する。
【００６３】
次いで、上記の積層成形体を８００〜１２００℃で２〜６時間仮焼する。続いて、インターコネクタ層材料（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作製する。この後の工程は、密着層を有する燃料電池セルの製法について説明する。
【００６４】
続いて、支持体１とインターコネクタ層８との間に密着層成形体を形成する場合には、下記のように作製する。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し、固体電解質層成形体の両端部間における支持体成形体上に塗布して密着層成形体を形成する。この密着層成形体上にインターコネクタ層用スラリーが塗布されることになる。
【００６５】
続いて固体電解質層４と酸素極層６との間に配置する中間層を形成する。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、中間層成形体用の原料粉末を調整する。この原料粉末に、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中間層成形体を作製する。
【００６６】
この後、固体電解質成形体（仮焼体）の両端部上に、インターコネクタ層用成形体の両端部が積層されるように、インターコネクタ層用スラリーを塗布し、積層成形体を作製する。なお、インターコネクタ層用スラリーを調製し、インターコネクタ層用シートを作製し、固体電解質成形体の両端部上に、インターコネクタ層用シートの両端部が積層されるように、インターコネクタ層用シートを積層し、積層成形体を作製することもできる。
【００６７】
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、１４００〜１５００℃にて１〜６時間、同時焼結（同時焼成）する。
【００６８】
さらに、酸素極層用材料（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し、１０００〜１３００℃で、２〜６時間焼き付けることにより、図３に示す構造の燃料電池セル１０を製造できる。
【００６９】
図７は、セルスタック装置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１に示したセルスタック装置を収納して構成されている。
【００７０】
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を介してガスタンク１６に供給され、ガスタンク１６を介して燃料電池セル１０の内部に設けられた燃料ガス通路２に供給される。
【００７１】
なお、図７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セルスタック装置および改質器２０を後方に取り出した状態を示している。図７に示した燃料電池モジュール１８においては、セルスタック装置を、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、セルスタック装置は、改質器２０を含むものとしても良い。
【００７２】
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７においてはガスタンク１６に並置された一対のセルスタック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の燃料ガス通路２より排出される燃料ガスを酸素含有ガスと反応させて燃料電池セル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、セルスタック装置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のガス通路２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（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。
【００７３】
さらに、本実施形態の燃料電池モジュール１８では、上述した燃料電池セル１０を用いたセルスタック装置を収納容器１９内に収納してなることから、発電性能が高く、長期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。
【００７４】
図８は、外装ケース内に図７で示した燃料電池モジュール１８と、セルスタック装置を動作させるための補機とを収納してなる燃料電池装置の一例を示す斜視図である。なお、図８においては一部構成を省略して示している。
【００７５】
図８に示す燃料電池装置２３は、支柱２４と外装板２５と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に収納する補機類は省略して示している。
【００７６】
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。
【００７７】
このような燃料電池装置２３においては、上述したように、発電性能が高く、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、発電性能が高く、信頼性の向上した燃料電池装置２３とできる。
【００７８】
以上、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨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。例えば、導電性支持体上に酸素極層、固体電解質層、燃料極層を配置した燃料電池セルであっても良い。さらに、例えば、上記形態では、支持体１上に燃料極層３、固体電解質層４、酸素極層６を積層したが、支持体１を用いることなく、燃料極層３自体を支持体とし、この燃料極層３に、固体電解質層４、酸素極層６を設けても良い。
【００７９】
なお、上記実施形態では、中空平板型の固体酸化物形燃料電池セルについて説明したが、円筒型の固体酸化物形燃料電池セルであっても良いことは勿論である。また、各部材間に機能に合わせて各種中間層を形成しても良い。
【００８０】
さらに、上記形態では燃料電池セル、セルスタック装置、燃料電池モジュールならびに燃料電池装置について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、セルに水蒸気と電圧とを付与して水蒸気（水）を電気分解することにより、水素と酸素（Ｏ２）を生成する電解セル（ＳＯＥＣ）およびこの電解セルを備える電解モジュールおよび電解装置にも適用することができる。
【符号の説明】
【００８１】
１：支持体
２：燃料ガス通路
３：燃料極層
４：固体電解質層
６：酸素極層
８：インターコネクタ層
１３：集電部材
１３ａ：平板部
１３ｂ：帯状集電片
１３ｂ１：突出部
１３ｂ２：当接部
１８：燃料電池モジュール
２３：燃料電池装置