(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス流路が内部に設けられた長さ方向と幅方向を有しており、一対の第１主面及び第２主面と一対の側面とを有する平板状の支持体と、
該支持体の少なくとも第１主面上に設けられた燃料極と、
該燃料極を覆っており、前記支持体の前記第１主面から前記一対の側面にかけて設けられた固体電解質層と、
該固体電解質層上で、前記燃料極と対向するように設けられた空気極と、
前記第２主面上に設けられたインターコネクタ層と、を有するとともに、
前記固体電解質層と前記インターコネクタ層とが重なる重なり部を有し、
前記支持体は、前記幅方向において、
前記重なり部を含み、該重なり部より端部側の第１領域と、
中央部側の第２領域と、
前記第１領域と前記第２領域との間に位置し、前記重なり部を含まない第３領域と、を有しており、
前記第１領域の幅と前記第２領域の幅と前記第３領域の幅とは同一であり、
前記第２領域は、前記第３領域よりも気孔率が大きい
ことを特徴とするセル。
【請求項２】
ガス流路が内部に設けられた長さ方向と幅方向を有しており、一対の第１主面及び第２主面と一対の側面とを有する平板状の支持体と、
該支持体の前記第１主面上及び前記第２主面上に設けられた燃料極と、
該燃料極を覆っており、前記支持体の前記第１主面および前記第２主面から前記一対の側面にかけて設けられた固体電解質層と、
該固体電解質層上で、前記燃料極と対向するように設けられた空気極と、を有しており、
前記支持体は、前記幅方向において、
端部側の第１領域と、
中央部側の第２領域と、
前記第１領域と前記第２領域との間に位置する第３領域と、を有しており、
前記第１領域の幅と前記第２領域の幅と前記第３領域の幅とは同一であり、
前記第２領域は、前記第３領域よりも気孔率が大きい
ことを特徴とするセル。
【請求項３】
前記第２領域の気孔率は、前記第３領域の１．０１〜１．５倍である
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のセル。
【請求項４】
前記第１領域は、第３領域よりも気孔率が大きい
ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちいずれかに記載のセル。
【請求項５】
前記第１領域の気孔率は、前記第３領域の１．０１倍以上である
ことを特徴とする請求項４に記載のセル。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のうちいずれかに記載のセルを複数個配列してなるセルスタックを備えることを特徴とするセルスタック装置。
【請求項７】
収納容器内に、請求項６に記載のセルスタック装置が収納されていることを特徴とするモジュール。
【請求項８】
外装ケース内に、請求項７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備えることを特徴とするモジュール収容装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セル、セルスタック装置、モジュール、およびモジュール収容装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、次世代エネルギーとして、燃料ガス（水素含有ガス）と酸素含有ガス（通常、空気である）とを用いて電力を得ることができる燃料電池セルが開発されている。燃料電池セル（以下、セルということがある。）は、固体電解質層を燃料極と空気極とで挟んだ構造を有している。セルは、燃料極に燃料ガスを、空気極に酸素含有ガスを流し、セルを加温することによって発電する（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
また、特許文献１のセルにおいては、燃料極、固体電解質層および空気極を有する積層体が支持体上に設けられている。この支持体は、開気孔率が好ましくは３５〜５０％であることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１２９２６９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、特許文献１は支持体の気孔率の分布には言及されていなかった。従って、発電効率を向上させることが困難であった。
【０００６】
本発明の目的は、発電効率の向上したセル、セルスタック装置、モジュール、およびモジュール収容装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のセルは、ガス流路が内部に設けられた長さ方向と幅方向を有しており、一対の第１主面及び第２主面と一対の側面とを有する平板状の支持体と、該支持体の少なくとも第１主面上に設けられた燃料極と、該燃料極を覆っており、前記支持体の前記第１主面から前記一対の側面にかけて設けられた固体電解質層と、該固体電解質層上で、前記燃料極と対向するように設けられた空気極と、前記第２主面上に設けられたインターコネクタ層と、を有するとともに、前記固体電解質層と前記インターコネクタ層とが重なる重なり部を有し、前記支持体は、前記幅方向において、前記重なり部を含み、該重なり部より端部側の第１領域と、中央部側の第２領域と、前記第１領域と前記第２領域との間に位置し、前記重なり部を含まない第３領域と、を有しており、前記第１領域の幅と前記第２領域の幅と前記第３領域の幅とは同一であり、前記第２領域は、前記第３領域よりも気孔率が大きいことを特徴とする。または、ガス流路が内部に設けられた長さ方向と幅方向を有しており、一対の第１主面及び第２主面と一対の側面とを有する平板状の支持体と、該支持体の前記第１主面上及び前記第２主面上に設けられた燃料極と、該燃料極を覆っており、前記支持体の前記第１主面および前記第２主面から前記一対の側面にかけて設けられた固体電解質層と、該固体電解質層上で、前記燃料極と対向するように設けられた空気極と、を有しており、前記支持体は、前記幅方向において、端部側の第１領域と、中央部側の第２領域と、前記第１領域と前記第２領域との間に位置する第３領域と、を有しており、前記第１領域の幅と前記第２領域の幅と前記第３領域の幅とは同一であり、前記第２領域は、前記第３領域よりも気孔率が大きいことを特徴とする。
【０００８】
本発明のセルスタック装置は、上述のセルを複数個配列してなるセルスタックを備えることを特徴とする。
【０００９】
本発明のモジュールは、収納容器内に、上述のセルスタック装置が収納されていることを特徴とする。
【００１０】
本発明のモジュール収容装置は、外装ケース内に、上述のモジュールと、該モジュールを作動させるための補機とを収納してなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のセルは、発電効率の向上したセルとすることができる。このようなセルを用い
たセルスタック装置、モジュールおよびモジュール収容装置においても、発電効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本実施形態のセルの構造を示し、（ａ）はその横断面図であり、（ｂ）は（ａ）の斜視図である。
【図２】他の実施形態のセルの構造を示す斜視図である。
【図３】図２のセルの縦断面図である。
【図４】図１のセルを具備するセルスタック装置を示し、（ａ）は側面図、（ｂ）は（ａ）の破線部についての横断面図である。
【図５】図４のセルスタック装置を具備するモジュールの一例を示し、セルスタック装置を収納容器に収納する前の状態を示す外観斜視図である。
【図６】図５のモジュールを具備するモジュール収容装置の一例を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１〜６を用いて、セル、セルスタック、モジュールおよびモジュール収容装置について説明する。なお、同一の構成については同一の符号を用いるものとする。
【００１４】
以下において、セルスタックを構成するセルとして固体酸化物形の燃料電池セルの例を用いて説明する。
【００１５】
（セルの構成）
図１は、本実施形態のセルの一例を示すものであり、（ａ）はその横断面図、（ｂ）は（ａ）の斜視図である。なお、両図面において、セル１の各構成の一部を拡大して示している。
【００１６】
セル１は、導電性支持体（以下、単に支持体と略す。）２、燃料極３、固体電解質層４（以下、単に電解質層と略す。）および空気極５を備える。
【００１７】
支持体２は、横断面が扁平な楕円形で、全体的に見て楕円柱状をしている。また、支持体２は多孔質体である。図１に示すように、支持体２は、一対の主面ｎと一対の側面ｍとを有する平板状である。図１に示す例では、一対の主面ｎは互いに平行である。図１に示す例では、一対の側面ｍは、それぞれ弧状面となっている。なお、一対の側面ｍは、平坦面であってもよい。
【００１８】
また、支持体２の内部には、適当な間隔で複数のガス流路２ａが縦方向Ｌに貫通して設けられている。また、セル１は、この支持体２の外周を後述する各種の部材が取り巻くように設けられた構造を有している。
【００１９】
燃料極３は、図１に示すように、支持体２の少なくとも一方主面ｎ（図１では下面）上に設けられている。図１に示す例においては、燃料極３は、支持体２の一方主面ｎと両側の弧状面ｍを覆うように支持体２に配置されている。また、燃料極３は、空気極５に対面する位置に配置されていればよいため、例えば、燃料極３が他方主面ｎ（図１では上面）および弧状面ｍまで延びず、一方主面ｎにのみ燃料極３が配置されていてもよい。また、燃料極３は多孔質体である。
【００２０】
電解質層４は、図１に示すように、燃料極３を覆っており、支持体２の一方主面ｎから一対の側面ｍにかけて設けられている。また、本例の電解質層４は固体酸化物形である。
【００２１】
空気極５は、図１に示すように、電解質層４上で、燃料極３と対向するように設けられている。図１に示す例においては、支持体２の一方主面ｎ側であって電解質層４の外側に配置されている。また、空気極５は多孔質体である。
【００２２】
インターコネクタ層６は、支持体２の燃料極３および電解質層４が積層されていない他方主面ｎに配置されている。
【００２３】
以上で説明したセル１は、燃料極３、電解質層４および空気極５が積層されている部分が発電素子部として発電する。発電させるためには、空気極５の外側に空気等の酸素含有ガスを流し、且つ支持体２内のガス流路２ａに燃料ガス（水素含有ガス）を流して、燃料極３に燃料ガスを供給し、燃料極３を所定の作動温度まで加熱する。そして、かかる発電によって生成した電流は、インターコネクタ層６にて集電される。
【００２４】
図１に示す例において、燃料極３と電解質層４とは、一方主面（図１（ａ）の下面）から両端の弧状面ｍを経由して他方主面ｎ（上面）の一部まで延びており、電解質層９の両端部にはインターコネクタ層６の両端部が積層されて接合されている。これによって、電解質層４とインターコネクタ層６とで支持体２が取り囲まれ、内部を流通する燃料ガスが外部に漏出しない構成となっている。言い換えれば、電解質層４を境界として、燃料極３に供給される燃料ガスと空気極５に供給される酸素含有ガスとが遮断されている。
【００２５】
そのため、図１（ｂ）に示す側面から見ると、平面形状が矩形状のインターコネクタ層６が支持体２の縦方向Ｌの上端から下端までを覆うように配置されており、インターコネクタ層６の左右両側端部は電解質層４の両端部の表面に重なるように接合されている。
【００２６】
（セルの各部材の説明）
支持体２は、燃料ガスを燃料極３まで透過す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６に接続されて集電されるために導電性であることが要求される。したがって、支持体２としては、導電性セラミックスやサーメット等を用いることができる。その導電率は３００Ｓ／ｃｍ以上、特に４４０Ｓ／ｃｍ以上であるのが好ましく、ガス透過性を備えるために開気孔率は２５％以上であることが好適である。
【００２７】
支持体２は、セル１を作製するにあたり、燃料極３または電解質層４との同時焼成にて作製する場合においては、支持体２は鉄族金属成分と無機酸化物、例えば、Ｎｉおよび／またはＮｉＯと特定の希土類酸化物からなる。特定の希土類酸化物は、支持体２の熱膨張係数を電解質層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用いられ、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との固溶や反応が殆どなく、また、熱膨張係数が電解質層４と同程度であり、かつ安価であるという点から、Ｙ２Ｏ３およびＹｂ２Ｏ３の少なくとも一種からなる。また、本実施形態においては、支持体２の良好な導電率を維持し、かつ熱膨張係数を電解質層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。なお、支持体２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。
【００２８】
さらに、本実施態様によれば、支持体２の主面ｎの長さ（支持体２の幅方向Ｗの長さ）は、１５〜６０ｍｍ、弧状面ｍの長さ（弧の長さ）は２〜８ｍｍであり、支持体２の厚み（主面ｎ間の厚み）は１．５〜５ｍｍ、支持体２のＬ方向の長さは、１０〜５０ｃｍとさ
れている。
【００２９】
燃料極３は、電極反応を生じさせるものであり、本実施態様では、多孔質の導電性セラミックスからなる。例えば、希土類酸化物が固溶したＺｒＯ２とＮｉおよび／またはＮｉＯとからなる材料、または他の希土類酸化物が固溶したＣｅＯ２とＮｉおよび／またはＮｉＯとからなる材料が挙げられる。なお、希土類酸化物は、支持体２において例示したものを用いることができ、例えばＹ２Ｏ３が固溶したＺｒＯ２（ＹＳＺ）とＮｉおよび／またはＮｉＯとからなる材料が挙げられる。本実施態様では、燃料極３中の希土類酸化物が固溶したＺｒＯ２または他の希土類酸化物が固溶しているＣｅＯ２の含有量は３５〜６５体積％の範囲で、ＮｉあるいはＮｉＯの含有量は６５〜３５体積％である。さらに、この燃料極３の開気孔率は例えば１５％以上、特に２０〜４０％の範囲にあり、その厚みは１〜３０μｍである。
【００３０】
電解質層４は、燃料極３、空気極５間のイオンの橋渡しをする電解質としての機能を有していると同時に、燃料ガスと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することが必要とされる。本実施態様では、３〜１５モル％のＹ、Ｓｃ、Ｙｂ等の希土類元素の酸化物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（固体酸化物）が用いられている。また、希土類元素としては、安価であるという点からＹが用いられている。電解質層４は、例えば、ＬａＧａＯ３系の材質であっても良く、上記特性を有する限りにおいては、他の材料であってもよいことは勿論である。本実施態様において、電解質層４の厚みは１０〜４０μｍである。特に、電解質層４におけるガス透過を抑制するため、その厚みは２０〜４０μｍである。
【００３１】
空気極５は、一般的に用いられるものであれば特に制限はなく、例えば、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から形成することができる。具体的には、ＬａＳｒＣｏＦｅＯ３、ＬａＳｒＭｎＯ３、ＬａＳｒＣｏＯ３等を用いることができる。空気極５はガス透過性を有していることが必要であり、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。
【００３２】
インターコネクタ６は、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）、もしくは、ランタンストロンチウムチタン系のペロブスカイト型酸化物（ＬａＳｒＴｉＯ３系酸化物）が好適に使用される。これらの材料は、導電性を有し、かつ燃料ガス（水素含有ガス）および酸素含有ガス（空気等）と接触しても還元も酸化もされない。また、インターコネクタ６は支持基板２に形成されたガス流路２ａを流通する燃料ガス、および支持基板２の外側を流通する酸素含有ガスのリークを防止するために緻密質でなければならず、９３％以上、特に９５％以上の相対密度を有していることが好ましい。
【００３３】
ところで、セル１の支持体２の気孔率が幅方向で一様である場合には、支持体２の幅方向の中央部側で十分なガス透過性がないため、ガス流路２ａを通過してきたガスが燃料極３に到達しづらくなる。従って、発電効率を向上させることが難しかった。
【００３４】
そこで、本実施形態では、支持体２は、幅方向において、端部側の第１領域Ａと、中央部側の第２領域Ｂと、第１領域Ａと第２領域Ｂとの間に位置する第３領域Ｃと、を有しており、第２領域Ｂは、第３領域Ｃよりも気孔率が大きくなっている。
【００３５】
この構成により、比較的気孔率が高い第２領域Ｂにおいては、ガス流路２ａを通過してきたガスが支持体２内部で拡散しやすくなり、燃料極３に到達しやすくなる。また、第３領域Ｃの気孔率を第２領域Ｂより小さくしておくことにより、空気極５で全体が覆われておらず発電量の少ない第１領域Ａにガスが拡散し過ぎることを抑制できる。従って、セル
１の発電効率を向上させることができる。
【００３６】
ここで、図１に示す例では、第１領域Ａとは、インターコネクタ層６の端部と電解質層４の端部とが重なった重なり部Ｓから、幅方向ｗにおいて外側の領域をいう。
【００３７】
また、一対の重なり部Ｓ間の領域であって、幅方向ｗにおける外側の領域が第３領域Ｃであり、中央の領域が第２領域Ｂである。第３領域Ｃの幅は、第１領域Ａの幅と同一である。一対の重なり部Ｓ間の領域であって、両側の第３領域Ｃの幅を除いた部分が第２領域Ｂである。
【００３８】
なお、本実施形態では、各領域の気孔率は、以下のように測定する。先ず、支持体の気孔内に樹脂が進入するようにその支持体に対して所謂「樹脂埋め」処理を行う。その「樹脂埋め」処理された支持体の表面に対して機械研磨を行う。機械研磨された表面の微構造を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて観察して得られた画像に対して画像処理を行うことによって、気孔の部分（樹脂が進入している部分）と気孔でない部分（樹脂が進入していない部分）の面積をそれぞれ算出する。「全体の面積（気孔の部分の面積と気孔でない部分の面積の和）」に対する「気孔の部分の面積」の割合を支持体（支持基板）の「気孔率」とする。
【００３９】
ＳＥＭで観察する部分は、各領域でそれぞれ３〜５箇所とし、各領域で平均値をとり、その値を各領域での気孔率とする。なお、第２領域Ｂおよび第３領域Ｃにおいては、インターコネクタ層６が設けられている他方主面から一定の距離にある任意の３〜５箇所を選択する。
【００４０】
また、第２領域Ｂの気孔率は、第３領域Ｃの１．０１〜１．５倍であるとよい。１．０１倍以上の場合には、第２領域Ｂの気孔率が十分大きいので、ガスが支持体２の中央部の内部に拡散しやすくなり、燃料極３に到達しやすくなる。従って、発電効率を向上させることができる。また、１．５倍以下の場合には、第２領域Ｂにおいて気孔が多くなり過ぎることを抑制できる。従って、第２領域Ｂにおいて電流経路を確保することができるので発電効率を向上させることができる。
【００４１】
また、第１領域Ａは、第３領域Ｃよりも気孔率が大きいとよい。支持体２が電解質層４よりも熱膨張率が高い場合には、両部材間で熱膨張差による応力が発生する。この応力は支持体２の側面ｍで大きくなりやすい。よって、支持体２と電解質層４との間の燃料極３にクラック等の損傷が生じやすかった。また、燃料極３が一方主面ｎのみに設けられ、側面ｍでは支持体２と電解質層４とが直接接している場合には、両部材間で剥離が生じやすかった。これらのような場合に、第１領域Ａが、第３領域Ｃよりも気孔率が大きいことにより、支持体２の熱膨張率が比較的高かったとしても、気孔率が大きい分、熱膨張量が抑えられる。従って、電解質層４との熱膨張差が小さくなり応力が緩和される。よって、支持体２の側面ｍにおいて、燃料極３の損傷、又は、支持体２と電解質層４との剥離を抑制することができる。なお、支持体２が電解質層４よりも熱膨張率が高い場合とは、例えば、支持体２がＮｉおよび／またはＮｉＯとＹ２Ｏ３からなり、電解質層４がＹ２Ｏ３を含有したＺｒＯ２からなる場合である。
【００４２】
また、図１に示す例においては、第３領域Ｃのガス流路２ａの径が、第１領域Ａのガス流路２ａの径よりも大きい。この場合には、重なり部Ｓで生じた応力によって発生したクラックが、第３領域Ｃのガス流路２ａに到達する可能性がある。ガス流路２ａの径が大きくなると、重なり部Ｓ（電解質層４の先端部）とガス流路２ａまでの距離が短くなるからである。ここで、上述したように、第３領域Ｃの気孔率を第１領域Ａよりも小さくしておくことによって、重なり部Ｓで発生したクラックが、支持体２内部を進展しづらくなる。
よって、ガス流路２ａまでクラックが繋がり、支持体２が破断することを抑制できる。
【００４３】
また、第１領域Ａの気孔率は、第３領域Ｃの１．０１〜１．５倍であるとよい。１．０１倍以上の場合には、第１領域Ａの気孔率が高くなるので、電解質層４と支持体２の側面との間において熱膨張差による応力が緩和される。従って、燃料極３の損傷、又は、支持体２と電解質層４との剥離を抑制することができる。また、１．５倍以下である場合には、第１領域Ａの気孔率が高くなり過ぎていないので、支持体２の側面側において強度を維持することができる。
【００４４】
（製造方法）
以上説明した本実施形態のセル１の作製方法の一例について説明する。ただし、以下に述べる材料、粒径、温度、及び塗布方法等の各種条件は、適宜変更することができる。以下、「成形体」とは、焼成前の状態を指すものとする。
【００４５】
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。
【００４６】
また、第１領域、第２領域および第３領域を所望の気孔率とするためには、支持体成形体内部の造孔材の量を調整する。例えば、押出成形機に坏土をセットする際、位置によって坏土内の造孔材の量を変えておけば良い。それ以外にも、例えば、押出成形により、各領域ごとに成形体をブロックで作製しておき、後で仮焼等により合体させても良い。
【００４７】
なお、支持体成形体は、９００〜１０００℃にて２〜６時間仮焼した仮焼体を用いてもよい。
【００４８】
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用スラリーを調製する。
【００４９】
また、Ｙ２Ｏ３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電解質層成形体を作製する。
【００５０】
そして、得られたシート状の電解質層成形体上に燃料極用スラリーを塗布し乾燥して燃料極成形体を形成して、シート状の積層成形体を形成する。この燃料極成形体および電解質層成形体のシート状の積層成形体の燃料極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。
【００５１】
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。
【００５２】
この後、電解質層成形体の両端部上に、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、支持体成形体上面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。
【００５３】
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、１４００〜１４５０℃にて２〜６時間、同時焼結（同時焼成）する。
【００５４】
続いて、例えば、所定の粒径のＬａｘＳｒ１−ｘＣｏｙＦｅ１−ｙＯ３（以下、単にＬＳＣＦと略す）粉末、有機バインダー、造孔材、及び溶媒を混合して空気極用スラリーを作製する。このスラリーを電解質層上にスクリーン印刷にて塗布して、空気極用成形体を形成する。このスラリーを電解質層上にスクリーン印刷にて塗布して、空気極用成形体を形成する。
【００５５】
次に、電解質層上に空気極用成形体が形成された積層体を、１１００〜１２００℃にて１〜３時間焼成する。このようにして図１に示す構造の本実施形態のセル１を製造できる。
【００５６】
なお、セル１は、その後、ガス流路に水素ガスを流し、支持体２および燃料極３の還元処理を行なうのが好ましい。その際、たとえば７５０〜１０００℃にて５〜２０時間還元処理を行なうのが好ましい。
【００５７】
（他の実施形態）
図２は、他の実施形態のセルの構造を示す斜視図である。図３は、図２のセルの縦断面図である。
【００５８】
図２、図３に示すセル１０は、いわゆる横縞型のセルの一例を示しており、絶縁性の支持体１を備えている。支持体２の内部には、適当な間隔で複数のガス流路２ａがセル１０の長手方向Ｌに貫通して形成されている。
【００５９】
支持体２は、一対の主面上のそれぞれに、多孔質な燃料極３、緻密質な固体電解質層４および多孔質な空気極５を１組として、複数組が隣り合うように設けられており、これらが緻密質なインターコネクタ層６により電気的に接続されている。なお、この燃料極３、固体電解質層４および空気極５が重なっている部位が、発電する素子部ａとして機能する。即ち、空気極５の外側に空気等の酸素含有ガスを流し、且つ支持体２内のガス流路２ａ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。また燃料極３は少なくともその一部が支持体１に埋め込まれた形態であってもよい。
【００６０】
また、支持体２を絶縁性の支持体２とするにあたっては、例えば、Ｍｇ酸化物（ＭｇＯ）、Ｎｉおよび／またはＮｉＯと、特定の希土類酸化物とで形成されることが好ましい。希土類元素酸化物については上述と同様のものを用いることができる。また、ＭｇＯは７０〜８０体積％、希土類元素酸化物は１０〜２０体積％、Ｎｉおよび／またはＮｉＯは１０〜２５体積％とし、全体として１０Ω・ｃｍ以上の抵抗率を有することが好ましい。
【００６１】
この横縞型のセル１０おいても、図２に示すように、第２領域Ｂは、第３領域Ｃよりも気孔率が大きくなっている。これにより、燃料ガスが燃料極３に届きやすくなり発電効率が向上する。
【００６２】
なお、横縞型のセル１０においては、第１領域Ａは、セル１０の幅方向ｗの長さの５％の領域である。セル１０の幅方向の両端部に位置する第１領域Ａを合計すると、１０％である。また、第３領域Ｃは、セル１０の幅方向ｗの長さの５％の領域である。セル１０の幅方向の両端部に位置する第３領域Ｃを合計すると、１０％である。第２領域Ｂは、残りの８０％の中央の部分である。
【００６３】
（セルスタック装置）
図４は、上述したセルの複数個を、導電部材１３を介して電気的に直列に接続して構成されたセルスタック装置の一例を示したものであり、（ａ）はセルスタック装置１８を概略的に示す側面図、（ｂ）は（ａ）のセルスタック装置１８の破線部についての横断面図で
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いる。
【００６４】
セルスタック装置１１は、複数のセル１が並設され、各セル１間が導電部材１３で接続されているセルスタック１２具備する。また、複数のセル１の並設方向の両端には弾性変形可能な端部導電部材１４が設けられ、並設された複数のセル１を挟持している。さらに、端部導電部材１４にはセルスタック１２（セル１）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が接続されている。また、各セル１の下端および端部導電部材１４の下端はガスタンク１６に、ガラスシール材等の接着剤により固定されている。
【００６５】
本実施形態のセルスタック装置１１においても、上述したセル１を具備することから、出力密度の低下を抑制したセルスタック装置１１とすることができる。
【００６６】
（モジュール）
次に、上述したセルスタック装置１１を収納容器１９内に収納してなるモジュール１８について図５を用いて説明する。
【００６７】
図５に示すモジュール１８は、セル１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を介してセル１の内部に設けられたガス流路（図示せず）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セルスタック装置１および改質器２０を後方に取り出した状態を示している。
【００６９】
このようなモジュール１８においては、発電効率の向上しセルスタック装置１１を収納してなることから、発電効率の向上したモジュール１８とすることができる。
【００７０】
（モジュール収容装置）
次に、上述したモジュール１８と、モジュール１８を作動させるための補機（不図示）とを外装ケースに収納してなるモジュール収容装置２３について図６を用いて説明する。
【００７１】
図６に示すモジュール収容装置２３は、支柱２４と外装板２５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、下方側をモジュール１８を作動させるための補機を収納する補機収納室２８として構成されている。
【００７２】
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。
【００７３】
このようなモジュール収容装置では、発電効率の向上したセルスタック１１を備えるモジュール１８を収納してなることから、発電効率の向上したモジュール収容装置２３とすることができる。
【００７４】
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、支持体上に空気極、電解質層、燃料極の順に配置した燃料電池セルであっても良い。さらに、例えば、燃料極を兼ねる支持体であってもよい。
【００７５】
また、上記形態では燃料電池セル、これを用いたセルスタック装置、燃料電池モジュールおよび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、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。
【実施例】
【００７６】
（試料の作製）
各領域の気孔率が異なる複数のセルを作製した。具体的には、表１に示すように、９個の試料（Ｎ＝９）を作製した。
【００７７】
各試料にて使用したセルの形状は図１と同様の板形状とした。セルの長手方向の長さが２０ｃｍ、セルの幅方向の長さが２６ｍｍ、厚みが２ｍｍであった。
【００７８】
製造方法は前述のものと同様とした。なお、支持体成形体の作製に使用されたＮｉＯ粉末は平均粒径０．５μｍであり、Ｙ２Ｏ３粉末は平均粒径０．９μｍであった。支持体成形体は、焼成−還元後における体積比率が、ＮｉＯが４８体積％、Ｙ２Ｏ３が５２体積％であった。電解質層原料粉末は、８ｍｏｌ％のＹ２Ｏ３が固溶したマイクロトラック法による粒径が０．８μｍのＺｒＯ２粉末を利用した。燃料極成形体の作製に使用されたＮｉＯ粉末は平均粒径０．５μｍであり、Ｙ２Ｏ３が固溶したＺｒＯ２粉末は平均粒径０．８μｍであった。支持体成形体、電解質層用シートおよび燃料極成形体の積層成形体は、１０００℃にて３時間仮焼処理した。インターコネクタ層の材料としては、Ｌａ（Ｍｇ０．３Ｃｒ０．７）０．９６Ｏ３を使用した。インターコネクタ層用スラリーを前述の積層体に塗布し、酸素含有雰囲気中で１４５０℃にて２時間同時焼成した。空気極の材料としては、Ｌａ０．６Ｓｒ０．４Ｃｏ０．２Ｆｅ０．８Ｏ３を使用した。空気極は１１００℃にて４時間で焼き付けて形成した。還元処理は、セルの内部に水素ガスを流し、８５０℃で１０時間、支持体および燃料極の還元処理を施し、冷却した。
【００７９】
ここで、試料Ｎｏ．１〜９の支持体では、造孔材の量等を調整することによって、表１に示す通り、各領域の気孔率を制御した。
【００８０】
（気孔率の測定）
上記のように作製した後の試料Ｎｏ．１〜９の支持体について、前述したように、「樹脂埋め」処理後、機械研磨を行い、取得したＳＥＭ画像で画像処理を行って、各領域の気孔率を求めた。
【００８１】
ＳＥＭで観察する部分は、各領域でそれぞれ３箇所とし、各領域で平均値をとり、その値を各領域での気孔率とした。なお、第２領域Ｂおよび第３領域Ｃにおいては、インターコネクタ層が設けられている他方主面から０．５ｍｍ離れた任意の３箇所を選択した。
【００８２】
（発電性能試験）
まず、７５０℃の温度下で各試料のセルに水素ガスを流し、セルの出力密度を測定した。出力密度の結果を表１に示した。
【００８３】
（支持体の耐久性試験）
本試験においては、各試料となるセルをそれぞれ１０本作製した。そして、上記の還元処理後のセルの支持体におけるクラック発生有無を確認した。クラックの確認は、重なり部を起点として第３領域にクラックが発生したか否かを確認した。クラックはＳＥＭ画像で観察した。１μｍの長さに達しているものをクラックと認定した。クラックの発生したセ
ルの本数を表１に示した。
【００８４】
（燃料極の耐久性試験）
本試験においては、各試料となるセルをそれぞれ１０本作製した。そして、各セルについて、「雰囲気温度を常温から７５０℃まで１時間で上げた後に７５０℃から常温まで２時間で下げるパターン」を１０回繰り返す熱サイクル試験を行った。
【００８５】
そして、本試験後のセルの支持体の側面側における燃料極にクラックが発生したか否かを確認した。クラックはＳＥＭ画像で観察した。１μｍの長さに達しているものをクラックと認定した。支持体の側面側における燃料極にクラックが発生したセル本数を表１に示した。
【００８６】
【表１】
0006698294.tif 000002
【００８７】
（発電性能試験結果）
表１から明らかなように、試料Ｎｏ．１では、出力密度が小さかった。これは、第２領域が、第３領域よりも気孔率が小さかったからである。
【００８８】
また、試料Ｎｏ．２、９では、試料Ｎｏ．１と比較して、出力密度が高かった。これは、第２領域が、第３領域よりも気孔率が大きかったからである。
【００８９】
また、試料Ｎｏ．３〜８では、試料Ｎｏ．２、９と比較して、出力密度が高かった。これは、第２領域の気孔率は、第３領域の１．０１〜１．５倍だったからである。
【００９０】
（支持体の耐久性試験結果）
試料Ｎｏ．４〜９では、試料Ｎｏ．１〜３と比較して、第３領域でのクラックの発生を抑制することができた。これは、第３領域の気孔率が第１領域よりも低かったからである。
【００９１】
（燃料極の耐久性試験結果）
試料Ｎｏ．４では、試料Ｎｏ．１〜３と比較して、燃料極でのクラックの発生を抑制することができた。これは、第１領域は第３領域よりも気孔率が大きかったからである。
【００９２】
試料Ｎｏ．５〜９では、試料Ｎｏ．４と比較して、燃料極でのクラックの発生を抑制することができた。これは、第１領域の気孔率は、第３領域の１．０１倍以上だったからである。
【符号の説明】
【００９３】
１：セル
２：支持体
Ａ：第１領域
Ｂ：第２領域
Ｃ：第３領域
３：燃料極
４：固体電解質層
５：空気極
６：インターコネクタ層
【図１】
0006698294.tif 000003
【図２】
0006698294.tif 000004
【図３】
0006698294.tif 000005
【図４】
0006698294.tif 000006
【図５】
0006698294.tif 000007
【図６】
0006698294.tif 000008