(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向する一対の第１、第２主面と、該第１、第２主面同士を接続する対向する一対の第１、第２側面とを有し、前記第１、第２主面に沿って長手方向にガス流路を有する扁平状の長尺状の多孔質基板と、該多孔質基板の第１主面に設けられた、第１電極層、固体電解質層および第２電極層を有する素子部とを有するとともに、前記多孔質基板の前記長手方向において厚みが中央部から両端部に向けて次第に厚くなっていることを特徴とする固体酸化物形セル。
【請求項２】
対向する一対の第１、第２主面と、該第１、第２主面同士を接続する対向する一対の第１、第２側面とを有し、前記第１、第２主面に沿って長手方向にガス流路を有する扁平状の長尺状の第１電極層である多孔質基板と、該多孔質基板の第１主面に設けられた固体電解質層および第２電極層とを有するとともに、前記多孔質基板の前記長手方向において厚みが中央部から両端部に向けて次第に厚くなっていることを特徴とする固体酸化物形セル。
【請求項３】
前記多孔質基板の第２主面にインターコネクタ層が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の固体酸化物形セル。
【請求項４】
前記多孔質基板が導電性を有することを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形セル。
【請求項５】
前記多孔質基板の前記長手方向における両端部の幅Ｂ１は、前記長手方向における中央部の幅Ｂ２よりも広いことを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれかに記載の固体酸化物形セル。
【請求項６】
前記多孔質基板の両端部の厚みＴ１は、前記中央部の厚みＴ２の１．０３倍以下であることを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれかに記載の固体酸化物形セル。
【請求項７】
前記多孔質基板の両端部の幅Ｂ１は、前記中央部の幅Ｂ２の１．０２倍以下であることを特徴とする請求項５または６に記載の固体酸化物形セル。
【請求項８】
請求項１乃至７のうちいずれかに記載の固体酸化物形セルを複数電気的に接続してなるセルスタックが、ガスタンクに接合されており、前記ガスタンクの内部空間と前記固体酸化物形セルのガス流路とが連通していることを特徴とするセルスタック装置。
【請求項９】
請求項１乃至７のうちいずれかに記載の固体酸化物形セル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１０】
請求項９に記載のモジュールと、該モジュール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モジュール収納装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物形セル、セルスタック装置およびモジュールならびにモジュール収納装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、固体電解質層を燃料極層と酸素極層とで挟んで構成された発電素子部を有する固体酸化物形燃料電池セルが知られている。【０００３】
固体酸化物形燃料電池セル（以下、燃料電池セル、またはセルと略す場合がある）として、例えば、上記のような発電素子部を、内部にガス通路を備えた導電性の多孔質基板上に配置した、いわゆる中空平板型のセルが知られている。このような中空平板型の燃料電池セルでは、多孔質基板内部のガス通路に燃料ガス（例えば、水素含有ガス）を流すことにより、多孔質基板内部のガス流路を介して固体電解質層の燃料極層側に水素を供給すると同時に、燃料電池セルの外側に空気等の酸素含有ガスを流すことにより、固体電解質層の酸素極層側に酸素を供給し、固体電解質層を燃料極層および酸素極層で挟持した発電素子部で発電し、発電した電流を、多孔質基板に設けられているインターコネクタ層により取り出すようになっている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１４６３３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の特許文献１の固体酸化物形燃料電池セルでは、端部に何らかの衝撃が与えられたり、もしくは端部に応力が集中した場合に、セル端部が破損するおそれがあった。【０００６】
本発明は、端部における破損を低減できる固体酸化物形セル、セルスタック装置およびモジュールならびにモジュール収納装置を提供することを目的とする。
【課題を解するための手段】
【０００７】
本発明の固体酸化物形セルは、対向する一対の第１、第２主面と、該第１、第２主面同士を接続する対向する一対の第１、第２側面とを有し、前記第１、第２主面に沿って長手方向にガス流路を有する扁平状の長尺状の多孔質基板と、該多孔質基板の第１主面に設けられた、第１電極層、固体電解質層および第２電極層を有する素子部とを有するとともに、前記多孔質基板の前記長手方向において厚みが中央部から両端部に向けて次第に厚くなっていることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の固体酸化物形セルは、対向する一対の第１、第２主面と、該第１、第２主面同士を接続する対向する一対の第１、第２側面とを有し、前記第１、第２主面に沿って長手方向にガス流路を有する扁平状の長尺状の第１電極層である多孔質基板と、該多孔質基板の第１主面に設けられた固体電解質層および第２電極層とを有するとともに、前記多孔質基板の前記長手方向において厚みが中央部から両端部に向けて次第に厚くなっていることを特徴とする。
【０００９】
本発明のセルスタック装置は、上記固体酸化物形セルを複数電気的に接続してなるセルスタックが、ガスタンクに接合されており、前記ガスタンクの内部空間と前記固体酸化物形セルのガス流路とが連通していることを特徴とする。
【００１０】
本発明のモジュールは、上記固体酸化物形セルを収納容器内に収納してなることを特徴とする。
【００１１】
本発明のモジュール収納装置は、上記モジュールと、該モジュール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。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の固体酸化物形セルは、多孔質基板の長手方向における中央部の厚みＴ２が薄いため、多孔質基板のガス流路を通過するガスが固体電解質層表面に供給されやすくなり、固体酸化物形セルの効率を向上できるとともに、多孔質基板の長手方向における両端部の厚みが中央部の厚みよりも厚いため、固体酸化物形セルの両端部における強度を向上し、破損を低減することができる。これにより、性能が高く、信頼性の高いセルスタック装置、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】
【００１３】
【図１】固体酸化物形燃料電池セルの一形態を示すもので、（ａ）は横断面図、（ｂ）は縦断面図である。
【図２】（ａ）は図１に示す固体酸化物形燃料電池セルの側面図、（ｂ）は多孔質基板の正面図、（ｃ）は多孔質基板の側面図である。
【図３】燃料電池セルスタック装置の一形態を示し、（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破線で囲った部分の一部を拡大した横断面図である。
【図４】図３に示す燃料電池セルスタック装置の一部縦断面図である。
【図５】燃料電池モジュールの一形態を示す外観斜視図である。
【図６】燃料電池装置の一形態を示す分解斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１は、本発明の固体酸化物形セルを固体酸化物形燃料電池セル（以下、燃料電池セル、またはセルと略す場合がある）１０に適用した場合の一形態を示すものであり、（ａ）はその横断面図、（ｂ）は（ａ）の縦断面図である。なお、両図面において、燃料電池セル１０の各構成を一部拡大して示している。
【００１５】
この燃料電池セル１０は、中空平板型の燃料電池セル１０であり、Ｎｉを含有してなる導電性で断面が扁平状の長尺状の多孔質基板１を備えている。多孔質基板１の内部には、複数のガス流路２が多孔質基板１の長手方向Ｌの一方側（下端側）から他方側（上端側）に延びており、燃料電池セル１０は、この多孔質基板１上に各種の部材が設けられた構造を有している。ガス流路２は多孔質基板１の幅方向Ｂに所定間隔を置いて複数形成されており、ガス流路２は多孔質基板１の長手方向Ｌに貫通している。長尺状の多孔質基板１とは、幅よりも長手方向Ｌの長さが長い多孔質基板１である。
【００１６】
多孔質基板１は、図１に示されている形状から理解されるように、互いに向かい合った一対の第１、第２主面（平坦面）ｎ１、ｎ２と、一対の第１、第２主面ｎ１、ｎ２をそれぞれ接続する一対の第１、第２側面（弧状面）ｍ１、ｍ２とを有している。第１主面ｎ１と第２主面ｎ２は互いにほぼ平行に形成されており、第１主面ｎ１（下面）と一対の第１、第２側面ｍ１、ｍ２を覆うように多孔質な燃料極層（第１電極層）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、反応防止層５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６（第２電極層）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第２主面ｎ２（上面）には、中間層７を介して緻密質なインターコネクタ層８が形成されている。固体電解質層４を燃料極層３と酸素極層６とで挟んで構成された発電素子部９が、多孔質基板１の第１主面ｎ１の長手方向中央部に主として形成されている。第１、第２主面ｎ１、ｎ２の面積は、第１、第２側面ｍ１、ｍ２の面積よりも十分に大きい。
【００１７】
言い換えれば、多孔質基板１の第１主面ｎ１に、固体電解質層４を燃料極層３、酸素極層６で挟んで構成された発電素子部９が設けられ、第２主面ｎ２に、中間層７、インターコネクタ層８が形成されている。
【００１８】
インターコネクタ層８と多孔質基板１との間の中間層７は、燃料極層３と同様な組成を有しており、例えば、Ｎｉとセラミック材料（例えばＹＳＺ）とを含有している。さらにこれらとＹ２Ｏ３を有しているものでも良い。
【００１９】
燃料極層３および固体電解質層４は、第１主面ｎ１から第１、第２側面ｍ１、ｍ２を経由して第２主面ｎ２（上面）まで形成されており、固体電解質層４の両端にインターコネクタ層８の両端が位置するように積層され、緻密質な固体電解質層４とインターコネクタ層８とで多孔質基板１の周囲を取り囲み、緻密質な筒状体の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。
【００２０】
そして、多孔質基板１は、図２（ｂ）に示すように、長手方向Ｌにおける中央部の厚みＴ２よりも、両端部の厚みＴ１１、Ｔ１２が厚く形成されている。また、長手方向Ｌにおける中央部の幅Ｂ２よりも、両端部の幅Ｂ１１、Ｂ１２が広く形成されている。なお、図２（ｂ）、（ｃ）は、幅、厚みを拡大して示している。
【００２１】
多孔質基板１の長手方向Ｌにおける両端部、すなわち、図２（ｂ）に示すように、長手方向Ｌの一方側の端部（下端部）の厚みＴ１１および他方側の端部（上端部）の厚みＴ１２は、中央部の厚みＴ２の１．０３倍以下であるが望ましい。また、両端部の厚みＴ１１、Ｔ１２は厚みＴ２の１．００５倍以上、さらには１．０１倍以上であることが望ましい。特には、両端部の厚みＴ１１、Ｔ１２は、中央部の厚みＴ２の１．０１倍以上１．０２倍以下であることが望ましい。両端部の厚みＴ１１、Ｔ１２は、多孔質基板１の長手方向Ｌの両端から５ｍｍの位置、かつ幅方向Ｂの中央における厚みであり、中央部の厚みＴ２は、多孔質基板１の長手方向Ｌの中央で、かつ幅方向Ｂの中央における厚みである。多孔質基板１の厚みは、中央部から両端に向けて段階的に厚くなっても良く、次第に厚くなっても良い。図２（ｂ）では両端に向けて次第に厚くなる場合を記載した。
【００２２】
多孔質基板１の長手方向Ｌにおける両端部の幅Ｂ１１、Ｂ１２は、中央部の幅Ｂ２の１．０２倍以下であることが望ましい。特には、両端部の幅Ｂ１１、Ｂ１２は、中央部の幅Ｂ２の１．００５倍以上１．０１倍以下であることが望ましい。両端部の幅Ｂ１１、Ｂ１２は、多孔質基板１の長手方向Ｌの両端から５ｍｍの位置における幅であり、中央部の幅Ｂ２は、多孔質基板１の長手方向Ｌの中央における幅である。多孔質基板１の幅は、中央部から両端に向けて段階的に広くなっても良く、次第に広くなっても良い。図２（ｃ）では両端に向けて次第に広くなる場合を記載した。
【００２３】
多孔質基板１の厚みＴ１１、Ｔ１２、Ｔ２は、第１主面ｎ１と第２主面ｎ２との間の距離であり、多孔質基板１の幅Ｂ１１、Ｂ１２、Ｂ２は、第１側面ｍ１と第２側面ｍ２との間の距離である。
【００２４】
多孔質基板１は、内部のガス通路２を流れる燃料ガスを、固体電解質層４の燃料極層３側に供給する必要があるため、ガス流路２から固体電解質層４までの距離は短いことが望ましい。また、多孔質基板１は導電性を有しており、発電素子部９とインターコネクタ層８との間の多孔質基板１を厚み方向に直線的に電流が流れるため、多孔質基板１の厚みは薄い方が良いが、燃料電池セル１０の両端部は、何らかの衝撃が加わると破損するおそれがあるため、多孔質基板１の両端部の厚みは厚い方が良い。
【００２５】
上記実施形態では、多孔質基板１の長手方向Ｌにおける中央部の厚みＴ２よりも両端部の厚みＴ１１、Ｔ１２が厚いため、両端部の強度を向上でき、燃料電池セル１０の両端部における破損を低減できる。また、中央部の厚みＴ２は両端部の厚みＴ１１、Ｔ１２よりも薄いため、固体電解質層４に燃料ガスを供給し易くなり、さらに、多孔質基板１の厚み方向Ｔに対向して配置される発電素子部９とインターコネクタ層８との間の距離が小さくなり、多孔質基板１の厚み方向Ｔに流れる電流の損失が小さくなり、これらにより、燃料電池セル１０の発電効率を向上できる。
【００２６】
さらに、両端部の幅Ｂ１１、Ｂ１２が中央部の幅Ｂ２よりも広いため、強度の低い、両端部の弧状面を補強することができる。
【００２７】
以下、各部材について説明する。
【００２８】
（多孔質基板１）
多孔質基板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、およびインターコネクタ層８を介しての集電を行うために導電性であることが要求されるが、このような要求を満たすと同時に、同時焼成により生じる不都合を回避するために、鉄属金属成分と、セラミック成分、例えば特定の希土類酸化物とから多孔質基板１を構成するのがよい。特にこれに限定されるものではない。
【００２９】
鉄族金属成分は、多孔質基板１に導電性を付与するためのものであり、鉄族金属単体であってもよいし、また鉄族金属酸化物、鉄族金属の合金もしくは合金酸化物であってもよい。鉄族金属には、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏがあり、本形態では、何れをも使用することができるが、安価であることおよび燃料ガス中で安定であることからＮｉおよび／またはＮｉＯを鉄族金属成分として含有していることが好ましい。
【００３０】
また希土類酸化物は、多孔質基板１の熱膨張係数を固体電解質層４の熱膨張係数と近似させるために使用されるものであり、高い導電率を維持しかつ固体電解質層４等への元素拡散を防止するために、Ｙ、Ｌｕ、Ｙｂ、Ｔｍ、Ｅｒ、Ｈｏ、Ｄｙ、Ｇｄ、Ｓｍ、Ｐｒからなる群より選ばれた少なくとも１種の希土類元素を含む希土類酸化物が、上記鉄族金属成分と組合せで使用することが好適である。かかる希土類酸化物としては、Ｙ２Ｏ３、Ｌｕ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３、Ｔｍ２Ｏ３、Ｅｒ２Ｏ３、Ｈｏ２Ｏ３、Ｄｙ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、Ｓｍ２Ｏ３、Ｐｒ２Ｏ３を例示することができ、特に安価であるという点で、Ｙ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３が好適である。
【００３１】
これらの希土類酸化物は、焼成時や発電中において、鉄族金属やその酸化物との固溶、反応をほとんど生じることがなく、しかも、多孔質基板１中の鉄族金属あるいはその酸化物、および上記希土類酸化物は、何れも拡散しにくい。従って、多孔質基板１と固体電解質層４とが同時焼成された場合においても、希土類元素の固体電解質層４への拡散が有効に低減され、固体電解質層４のイオン伝導度等への悪影響を回避することができる。
【００３２】
特に、多孔質基板１の熱膨張係数を固体電解質層４の熱膨張係数に近似させるという点で、上記の鉄族金属は多孔質基板１中に３５〜７０体積％の量で含まれ、上記の希土類酸化物は、多孔質基板１中に３０〜６５体積％の量で含まれていることが好適である。尚、多孔質基板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。
【００３３】
上記のような鉄族金属成分と希土類酸化物とから構成される多孔質基板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適である。また、多孔質基板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。
【００３４】
また、多孔質基板１の厚さは通常、２〜３５ｍｍに設定され、多孔質基板１の長さは、用途に応じて適宜設定されるが、一般家庭での発電用に使用される場合には、通常、５０〜２５０ｍｍ程度の長さに設定される。さらに、第１主面ｎ１と第２主面ｎ２の両端には、コーナー部での欠けを防止し、さらには機械的強度を高めるために第１、第２側面ｍ１、ｍ２が形成されるが、固体電解質層４の剥離を防止するためには、第１、第２側面ｍ１、ｍ２の曲率半径を５ｍｍ以下、好ましくは１〜５ｍｍの範囲とするのがよい。
【００３５】
（燃料極層３）
燃料極層３は、電極反応を生じせしめるものであり、それ自体公知の多孔質のサーメットから形成される。例えば、希土類酸化物が固溶しているＺｒＯ２あるいはＣｅＯ２と、Ｎｉおよび／またはＮｉＯとから形成される。
【００３６】
燃料極層３中の上記ＺｒＯ２あるいはＣｅＯ２含量は、３５〜６５体積％の範囲にあるのが好ましく、またＮｉあるいはＮｉＯ含量は、６５〜３５体積％であるのがよい。さらに、この燃料極層３の開気孔率は、１５％以上、特に２０〜４０％の範囲にあるのがよく、その厚みは、性能低下および熱膨張差による剥離等を防止するため、１〜３０μｍであることが望ましい。
【００３７】
また、ＺｒＯ２あるいはＣｅＯ２中に固溶している希土類酸化物としては、多孔質基板１で使用する希土類酸化物に関して示したものと同様のものを例示することができるが、セルの分極値を低くするという点で、ＺｒＯ２に対してはＹ２Ｏ３が３〜１０モル％程度、ＣｅＯ２に対してはＳｍ２Ｏ３が５〜２０モル％程度固溶しているものが好ましい。
【００３８】
さらに、この燃料極層３は、少なくとも酸素極層６に対面する位置に存在していればよい。即ち、図１の例では、燃料極層３は、多孔質基板１の第１主面ｎ１から、第１、第２側面ｍ１、ｍ２を介して第２主面ｎ２まで延びており、インターコネクタ層８の両端まで延びているが、第１主面ｎ１にのみ形成されていてもよい。
【００３９】
尚、図示されていないが、必要により、上記の燃料極層３上に拡散抑制層を設け、このような拡散抑制層を燃料極層３と固体電解質層４との間に介在させることもできる。この拡散抑制層は、燃料極層３または多孔質基板１からの固体電解質層４への元素拡散を低減し、絶縁層形成による性能低下を回避するためのものであり、例えば、Ｌａ２Ｏ３が固溶したＣｅＯ２、またはＣｅＯ２が固溶したＬａ２Ｏ３、あるいはそれらの混合体から形成される。さらに、元素拡散を遮断または低減する効果を高めるために、他の希土類元素の酸化物が、この拡散防止層に含有されていてもよい。この希土類元素としては、Ｓｃ、Ｙ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕを例示することができる。
【００４０】
また、このような拡散抑制層は、固体電解質層４と共に、インターコネクタ層８の両端部まで延びていることが好ましい。これにより、多孔質基板１や燃料極層３から固体電解質層４への元素拡散をさらに防止することができる。
【００４１】
（固体電解質層４）
固体電解質層４は、電極間の電子の橋渡しをする電解質としての機能を有すると同時に、燃料ガスと空気等の酸素含有ガスとのリークを防止するためにガス遮断性を有していることが必要である。固体電解質層４の形成に用いる固体電解質としては、このような特性を備えている緻密質な酸化物セラミックス、例えば、３〜１５モル％の希土類酸化物が固溶した安定化ジルコニアを用いるのが好ましい。この安定化ジルコニア中の希土類元素としては、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｄ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕを例示することができるが、安価であるという点で、Ｙ、Ｙｂが好適である。
【００４２】
さらには、ＬａとＧａとを含むペロブスカイト型ランタンガレート系複合酸化物も固体電解質として使用することができる。この複合酸化物は、高い酸素イオン伝導性を有するものであり、これを固体電解質として使用することにより、高い発電効率を得ることができる。このランタンガレート系複合酸化物は、ＡサイトにＬａおよびＳｒ、ＢサイトにＧａおよびＭｇを有するものであり、例えば下記一般式：（Ｌａ１−ｘＳｒｘ）（Ｇａ１−ｙＭｇｙ）Ｏ３（式中、ｘは、０＜ｘ＜０．３の数であり、ｙは、０＜ｙ＜０．３の数である）で表される組成を有していることが望ましい。このような組成の複合酸化物を固体電解質として使用することによっても、高い発電性能を発揮させることができる。
【００４３】
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％以上であることが望ましい。
【００４４】
（酸素極層６）
固体電解質層４に形成される酸素極層６は、電極反応を生じせしめるものであり、図１に示されているように、固体電解質層４を間に挟んで、前述した燃料極層３と対面するような位置に配置されている。すなわち、酸素極層６は少なくとも多孔質基板１の第１主面ｎ１上に位置する部分に配置される。
【００４５】
かかる酸素極層６は、所謂ＡＢＯ３型のペロブスカイト型酸化物の焼結体粒子からなる。このようなペロブスカイト型酸化物としては、遷移金属型ペロブスカイト酸化物、特にＡサイトにＬａを有するＬａＭｎＯ３系酸化物、ＬａＦｅＯ３系酸化物、ＬａＣｏＯ３系酸化物の少なくとも一種が好適であり、６００〜１０００℃程度の比較的低温での電気伝導性が高く、酸素イオンに対して優れた表面拡散機能と体積拡散機能とを示すという点から、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ３系酸化物、例えば下記一般式：ＬａｙＳｒ１−ｙＣｏＺＦｅ１−ＺＯ３（式中、ｙは、０．５≦ｙ≦０．７の数であり、ｚは、０．２≦ｚ≦０．８の数である）で表される組成を有する複合酸化物が特に好適である。
【００４６】
また、このような酸素極層６は、ガス透過性を有していなければならず、従って、上記の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望ましい。また、酸素極層６の厚みは、集電性という点から３０〜１００μｍであることが望ましい。
【００４７】
また、上記の酸素極層６は、固体電解質層４上に形成してもよいが、固体電解質層４上に反応防止層５を設け、このような反応防止層５を介して酸素極層６を固体電解質層４に積層することもできる。このような反応防止層５は、酸素極層６から固体電解質層４への元素拡散を遮断するためのものであり、元素拡散防止機能を有する酸化物の焼結体から形成される。このような反応防止層用酸化物としては、例えば、構成元素としてＣｅを含有する酸化物を例示することができ、特にＣｅＯ２に希土類酸化物が固溶したＣｅ系複合酸化物が高い元素拡散遮断性に加えて、酸素イオン導電性および電子伝導性に優れているという点で、好適に使用される。
【００４８】
（インターコネクタ層８）
多孔質基板１の第２主面ｎ２上に設けられているインターコネクタ層８は、導電性セラミックスからなるが、燃料ガス（水素）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、かか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）が使用される。インターコネクタ層８としては、Ｔｉを含有する、例えばＬａＳｒＴｉＯ３系のペロブスカイト形複合酸化物等であっても良く、特に限定されるものではない。また、多孔質基板１の内部を通る燃料ガスおよび多孔質基板１の外部を通る酸素含有ガスのリークを防止するため、かかる導電性セラミックスは緻密質でなければならず、例えば９３％以上、特に９５％以上の相対密度を有していることが好適である。
【００４９】
かかる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、１０〜２００μｍであることが望ましい。
【００５０】
（燃料電池セルの製造）
上述した構造を有する燃料電池セル１０は、例えば、前述した多孔質基板１を形成するための混合粉末（即ち、鉄族金属もしくはその酸化物粉末と希土類酸化物粉末との混合粉末）に、造孔材と、有機バインダーと、溶媒、および必要によりメチルセルロース等の分散剤とを混合してスラリーを調製し、このスラリーを押出成形して、ガス流路を有する柱状の多孔質基板用成形体を作製する。
【００５１】
また、上記スラリーを用いてシートを作成し、このシートを多孔質基板用成形体の上端部および下端部に巻き付け、これを乾燥し、８００〜１１００℃の温度域で仮焼する。この方法では、多孔質基板１の厚みを長手方向中央部から両端に向けて段階的に厚く形成でき、幅を長手方向中央部から両端に向けて段階的に広く形成できる。
【００５２】
あるいは、上記スラリーの材料を用いて作製したディップ液中に、多孔質基板用成形体の下端部を浸漬し、ディップ液中から引き上げ、エアーブローでガス流路中のディップ液を吹き飛ばした状態で所定時間保持し、その後、上端部を浸漬し、ディップ液中から引き上げ、エアーブローでガス流路中のディップ液を吹き飛ばした状態で所定時間保持し、これを乾燥し、８００〜１１００℃の温度域で仮焼する。この浸漬塗布方法では、多孔質基板１の厚みを長手方向中央部から両端に向けて次第に厚く形成でき、幅を長手方向中央部から両端に向けて次第に広く形成できる。押出成形された多孔質基板用成形体と、浸漬塗布して形成された膜は、焼成後には同一組織となる。
【００５３】
多孔質基板１の厚みだけを長手方向中央部から両端に向けて厚くするには、多孔質基板用成形体の主面にのみ上記シートを積層したり、多孔質基板用成形体の主面にのみ上記スラリーを塗布するように浸漬すれば良い。
【００５４】
なお、上記多孔質基板用成形体を作製するにあたって、用いる混合粉末は、例えば、鉄族金属もしくは鉄族金属酸化物の粉末（以下、導体粉末と呼ぶ）と希土類酸化物粉末とを所定の体積比で混合したものである。
【００５５】
固体電解質層用のシート（以下、固体電解質層用シートと呼ぶ）を作製する。即ち、Ｙ２Ｏ３を含有したＺｒＯ２（ＹＳＺ）などの固体電解質粉末を、有機バインダーおよびトルエン等の溶媒と混合して成形用スラリーを調製し、このスラリーを用いて、固体電解質層用シートを成形する。
【００５６】
次いで、燃料極層形成用粉末（例えばＮｉＯ粉末とＹＳＺ粉末との混合粉末）に有機バインダーと溶媒とを混合して調製されたスラリーを用いて、燃料極層用シートを作製し、この燃料極層用シートを、上記の固体電解質層用シートの一方の面に積層し、これを、前述した多孔質基板用成形体（仮焼体）の所定位置に燃料極層用シートが対面するように巻き付け、乾燥する。
【００５７】
この後、例えば、ＬａＣｒＯ３系材料などのインターコネクタ層用粉末を、有機バインダーおよび溶媒に混合してスラリーを調製し、このスラリーを用いて常法に従ってインターコネクタ層用シートを作製する。
【００５８】
次に、中間層形成用粉末（例えばＮｉおよび／またはＮｉＯ粉末と希土類酸化物が固溶したＺｒＯ２粉末との混合粉末）を、所定の有機バインダーおよび溶媒と混合してスラリーを調製し、これらのスラリーを、多孔質基板用成形体の仮焼体の所定面の部分に塗布し、中間層用のコーティング層を形成する。この中間層用のコーティング層にインターコネクタ層用シートを積層し、乾燥する。
【００５９】
次いで上記の積層成形体について、脱バインダー処理のための熱処理を行なった後、酸素含有雰囲気中で１３００〜１６００℃で同時焼成することにより、多孔質基板１上に燃料極層３および固体電解質層４が積層され、さらに所定位置に中間層７、インターコネクタ層８が積層された焼結体を得ることができる。この後、焼結体の長手方向の両端から所定距離離れた位置を切断し、所定長さの焼結体を得る。
【００６０】
さらに、上記で得られた焼結体の反応防止層５上に、ＬａＦｅＯ３系酸化物粉末などを溶媒に分散させた酸素極層用の塗布液をスプレー噴霧して（あるいはディッピングし）酸素極層用コーティング層を形成し、１０００〜１３００℃で焼き付けることにより、酸素極層６を備えた燃料電池セル１０を得ることができる。または、酸素極層用のスラリーを塗布して形成できる。尚、得られた燃料電池セル１０は、酸素含有雰囲気での焼成により、多孔質基板１などに含まれる導体成分がＮｉＯなどの酸化物となっているが、このような酸化物は、ガス流路２に燃料ガスを供給しての還元処理や発電によって還元されることになる。
【００６１】
図３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た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、上述した反応防止層５等の一部の部材を省略して示している。
【００６２】
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、図４に示すように、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の上壁に、シール材１７により固定されている。すなわち、ガスタンク１６の上壁には、セルスタック１２の下端部が挿入される貫通穴１６ａが形成されており、セルスタック１２の下端部が貫通穴１６ａに挿入された状態で、ガラス、ガラスセラミックス等のシール材１７で接合されている。なお、図４には、便宜上、３本の燃料電池セル１０をガスタンク１６に立設した状態を示した。
【００６３】
また、図３に示したように、燃料電池セル１０の配列方向の両端から、燃料電池セルスタック１２を挟持するように、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を具備している。
【００６４】
また、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。
【００６５】
以上のようなセルスタック装置１１では、上述したように、多孔質基板１の中央部の厚みＴ２が両端部の厚みＴ１１、Ｔ１２よりも小さいため、燃料電池セル１０の発電性能を向上でき、セルスタック装置としても発電性能を向上できるとともに、燃料電池セル１０の破損を低減できるため、セルスタック装置の長期信頼性を向上できる。
【００６６】
図５は、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３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。
【００６７】
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ガス流路２に供給される。
【００６８】
なお、図５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。図５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。
【００６９】
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５においてはガスタンク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２よりｘ方向に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、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（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。
【００７０】
さらに、本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、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。
【００７１】
図６は、外装ケース内に、図５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燃料電池装置の一例を示す分解斜視図である。なお、図６においては一部構成を省略して示している。
【００７２】
図６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いる。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
なお、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。
【００７６】
例えば、上記形態では、導電性の多孔質基板１に燃料極層３を設けたが、燃料極層（第１電極層）自体を多孔質基板としても良いことは勿論である。
【００７７】
また、上記形態では、燃料電池セル、セルスタック装置および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）、およびこれを備える電解セルスタック装置および電解モジュールならびに電解装置にも適用することができる。
【００７８】
さらに、上記形態では、導電性の多孔質基板１に一つの発電素子部を設けた、いわゆる縦縞型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、絶縁性の多孔質基板に複数の発電素子部を設けた、いわゆる横縞型であっても良いことは勿論である。
【実施例】
【００７９】
先ず、平均粒径０．５μｍのＮｉＯ粉末と、平均粒径０．９μｍのＹ２Ｏ３粉末を混合し、造孔材、有機バインダーおよび溶媒を添加して作製した坏土を押出成形法にて成形し、乾燥して多孔質基板用成形体を作製した。平均粒径０．５μｍのＮｉＯ粉末と、平均粒径０．９μｍのＹ２Ｏ３粉末を混合し、造孔材、有機バインダーおよび溶媒を添加して作製したディップ液中に、多孔質基板用成形体の上端部（上端から３０ｍｍ）および下端部（下端から３０ｍｍ）を、それぞれ１０秒間浸漬し、引き上げ、エアーブローでガス流路の中のディップ液を吹き飛ばした後、この状態を１分間保持し、乾燥させ、脱脂した。【００８０】
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。【００８１】
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上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多孔質基板用成形体の所定位置に積層した。【００８２】
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。【００８３】
次に、Ｇｄ２Ｏ３が固溶したＣｅＯ２粉末と有機バインダーと溶媒とを混合した反応防止層用のスラリーを、得られた積層仮焼体の固体電解質層仮焼体上に、スクリーン印刷法にて塗布し、反応防止層成形体を作製した。【００８４】
続いて、Ｌａ（Ｍｇ０．３Ｃｒ０．７）０．９６Ｏ３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、インターコネクタ層用シートを作製した。【００８５】
ＮｉとＹＳＺとからなる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中間層用スラリーを調整した。調整した中間層用スラリーを、多孔質基板用成形体の燃料極層（および固体電解質層）が形成されていない部位（多孔質基板用成形体が露出した部位）に塗布して中間層成形体を積層した。中間層成形体の上に、インターコネクタ層用シートを積層した。【００８６】
次いで、上記の積層成形体を脱バインダー処理し、大気中で１４５０℃にて２時間同時焼成し、長さ２００ｍｍの焼結体を作製し、この焼結体の長手方向両端から１５ｍｍの位置で切断した。【００８７】
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、積層焼結体の反応防止層の表面に噴霧塗布し、酸素極層用コーティング層を形成し、１１００℃にて４時間で焼き付け、酸素極層を形成し、図１に示す長さ１７０ｍｍの燃料電池セルを作製した。【００８８】
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、多孔質支持体および燃料極層の還元処理を施した。【００８９】
走査型電子顕微鏡写真（３０倍）から、燃料電池セル（多孔質基板）の上下端から５ｍｍの位置における多孔質基板の下端部の厚みＴ１１、上端部の厚みＴ１２、および中央部の位置における厚みＴ２を測定し、さらに、金属顕微鏡写真（３０倍）から、燃料電池セル（多孔質基板）の上下端から５ｍｍの位置における多孔質基板の下端部の幅Ｂ１１、上端部の幅Ｂ１２を測定し、および中央部における幅Ｂ２を測定し、表１に記載した。【００９０】
また、燃料電池セルのガス流路に燃料ガスを流通させ、燃料電池セルの外側に空気を流通させ、燃料電池セルを電気炉を用いて７５０℃まで加熱し、発電試験を行い、３時間後の出力密度を測定したところ、全ての試料の出力密度が０．２３Ｗ／ｃｍ２以上であった。【００９１】
この後、固体酸化物形燃料電池セルの下端部における強度を確認すべく、作製した燃料電池セルの下端部（下端から５ｍｍまで）を結晶化ガラスを用いて治具に立設固定し、燃料電池セルの上端部（上端から５ｍｍの位置）を、燃料電池セルの立設方向に対して垂直方向から徐々に押圧して押出し、燃料電池セルの下端部にクラックが入るまでの押出量（上端から５ｍｍの位置の移動量）を測定することにより、燃料電池セルの下端部における強度を評価し、結果を表１に記載した。【００９２】
【表１】
0005677632.tif 000002
【００９３】
この表１から、多孔質基板の長手方向における上下端部の厚みＴ１１、Ｔ１２が、長手方向における中央部の厚みＴ２よりも厚いため、燃料電池セルの出力密度が０．２３Ｗ／ｃｍ２以上と高く、かつ試料の押出量が４ｍｍ以上と大きく、燃料電池セルの上下端部の強度が大きいことがわかる。
【符号の説明】
【００９４】
１：多孔質基板
２：燃料ガス流路
３：燃料極層（第１電極層）
４：固体電解質層
６：酸素極層（第２電極層）
７：中間層
８：インターコネクタ層
９：発電素子部
１０：固体酸化物形燃料電池セル
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
Ｂ１１、Ｂ１２：端部の幅
Ｂ２：中央部の幅
ｍ１：第１側面
ｍ２：第２側面
ｎ１：第１主面
ｎ２：第２主面
Ｔ１１、Ｔ１２：端部の厚み
Ｔ２：中央部の厚み
【要約】
【課題】  端部における破損を低減できる固体酸化物形電解セル、セルスタック装置および電解モジュールならびに電解装置を提供する。
【解決手段】  対向する一対の第１、第２主面ｎ１、ｎ２と該第１、第２主面ｎ１、ｎ２同士を接続する対向する一対の第１、第２側面ｍ１、ｍ２とを有し、前記第１、第２主面ｎ１、ｎ２に沿って長手方向にガス流路２を有する長尺状の多孔質基板と１、該多孔質基板１の第１主面ｎ２に設けられた、燃料極層３、固体電解質層４および酸素極層６を有する電解素子部９とを有するとともに、多孔質基板１の長手方向Ｌにおける両端部の厚みＴ１１、Ｔ１２が、長手方向Ｌにおける中央部の厚みＴ２よりも厚い。
【選択図】  図２【図１】
0005677632.tif 000003
【図２】
0005677632.tif 000004
【図３】
0005677632.tif 000005
【図４】
0005677632.tif 000006
【図５】
0005677632.tif 000007
【図６】
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