(57)【要約】【課題】発電性能を十分に発揮しうるセルスタック及び燃料電池を提供する。【解決手段】内部にガス流路３４を有する複数の燃料電池セル３３を所定間隔をおいて配設してなるセルスタック３５であって、燃料電池セル３３のガス流路３４の長さＬと断面積Ｄの比(Ｌ/Ｄ)がほぼ同一であるとともに、Ｌ/Ｄが２０〜３００である。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部にガス流路を有する複数の燃料電池セルを所定間隔をおいて配設してなるセルスタックであって、前記複数の燃料電池セルのガス流路の長さＬと断面積Ｄの比(Ｌ/Ｄ)がほぼ同一であるとともに、Ｌ/Ｄが２０〜３００であることを特徴とするセルスタック。
【請求項２】
複数の燃料電池セルの内部に複数のガス流路をそれぞれ有することを特徴とする請求項1記載のセルスタック。
【請求項３】
燃料電池セルのガス流路の断面積Ｄが０．５〜７．５ｍｍ２の範囲内であることを特徴とする請求項１又は２記載のセルスタック。
【請求項４】
燃料電池セルのガス流路の長さＬが１００〜３００ｍｍの範囲内であ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。
【請求項５】
燃料電池セルのガス流路の断面積Ｄのバラツキが２０％以内である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セルスタック。
【請求項６】
燃料電池セルのガス流路に２ｋＰａ以下の圧力でガスが供給され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セルスタック。
【請求項７】
請求項１乃至６のうちいずれかに記載のセルスタックをハウジング内に収納してなることを特徴とする燃料電池。
【請求項８】
ハウジング内に設けられたガス室から、セルスタックの燃料電池セルのガス流路にガスが供給されることを特徴とする請求項７記載の燃料電池。
【請求項９】
ハウジング内にマニホールドを有し、該マニホールドにセルスタックを設け、前記マニホールド内のガスが燃料電池セルのガス流路を介して導出されることを特徴とする請求項７又は８記載の燃料電池。
【請求項１０】
分散型発電用として用いられることを特徴とする請求項７乃至９のうちいずれかに記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セルスタック及び燃料電池に関し、特に、内部にガス流路を有する燃料電池セルを所定間隔をおいて配設してなるセルスタック及び燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、次世代エネルギーとして、燃料電池セルのスタックをハウジング内に収容した燃料電池が種々提案されている。
【０００３】
燃料電池セルは固体電解質を空気極、燃料極で挟持して構成されており、空気極に酸素含有ガスを供給し、燃料極に水素を含むガス、もしくは水素に変化しうるガスを供給することにより、固体電解質を挟んで対峙する両電極間に電位差が発生し、発電するものである。
【０００４】
これらの燃料電池セルは、用いる電解質や形態により様々な組み合わせが考えられるが、ほとんどの場合、燃料電池セルに酸素含有ガスと、水素を含むガスもしくは水素に変化しうるガスを供給して発電する点は共通している。
【０００５】
また、燃料電池は燃料電池セル当たりの発電量が小さいため、複数の燃料電池セルを電気的に接続して構成されている。
【０００６】
そのため、発電に際し、複数の燃料電池セルに酸素含有ガスと、水素を含むガスもしくは水素に変化しうるガスをそれぞれ供給する必要がある。また、同時に、発電量並びに発電効率を向上させるため、それぞれの燃料電池セルに供給するガス量は同じにする必要がある。
【０００７】
図５は、従来の燃料電池セルの縦断面を示すもので、内部にガス流路４を有する板状の空気極５の一方側主面に、緻密質の固体電解質７、多孔質の燃料極９が順次積層され、他方側主面にはインターコネクタ１１が形成されている。この燃料電池セルのガス流路４に空気を流し、燃料電池セルの外部に燃料ガスを流すことで、固体電解質７を介して燃料極９、空気極５間に電位差が生じ、発電が行われる。このような燃料電池セルをハウジング内に複数収納して燃料電池が構成されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平５−３６４１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に記載された燃料電池セルでは、空気極5内部に形成されたガス流路４の寸法については何ら認識されておらず、空気供給源に一定量の空気を供給しても、各燃料電池セルのガス流路４を均等に流れず、各々の燃料電池セルに均等量のガスを供給できない場合があった。
【０００９】
各燃料電池セルに供給されるガス量が均一でない場合には、各燃料電池セルの発電量がばらつくため、総発電量が小さくなるという問題がある。また、適正なガス供給がされない燃料電池セルでは破壊が起こるなどの問題もある。
【００１０】
例えば、特許文献１のように空気極支持型燃料電池セルの場合、燃料電池セルに供給される酸素含有ガスが設計ガス量より少量であれば、空気利用率が大きくなる。空気利用率があまりにも大きくなると、空気中の酸素が燃料電池セルのガス供給口側で消費され、燃料電池セルのガス排出口側には酸素が供給されず、いわゆる空気枯れの現象が生じる。
【００１１】
この現象が起こると、空気極が還元されて体積変化が起き、大気中で共焼結されていた電解質と空気極の界面に、空気極の体積変化に伴う応力が発生し、燃料電池セルの破壊に至る虞がある。逆に、酸素含有ガスが設計ガス量より多量であればハウジング内の熱を排出し、燃料電池セルが熱自立しなくなり、発電性能が低下する。
【００１２】
一方、燃料極支持型燃料電池セルの場合、燃料電池セルに供給される水素を含むガスが設計ガス量より少量であれば、燃料利用率が大きくなる。燃料利用率が過度に大きくなると、燃料電池反応の燃料である水素が燃料電池セルのガス供給口側で消費され、燃料電池セルのガス排出口側には水素が供給されず、いわゆる燃料枯れの現象が生じる。
【００１３】
この現象が起こると、還元されていた燃料極が酸化され、水素が供給されない部分の燃料極が絶縁体となる。燃料極が絶縁体となった場合、その燃料電池セルの電気抵抗は大きく増大し、複数の燃料電池セルで構成されたスタックの電気抵抗が増大し、出力が大きく低下し、燃料電池全体の特性が低下するという問題が生じる。
【００１４】
逆に、水素を含むガスが設計量よりも多くなる場合には、燃料利用率が低下し、発電に寄与しない水素の量が増加し、発電効率が低下するという問題がある。
【００１５】
本発明は、発電性能を十分に発揮しうるセルスタック及び燃料電池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】
【００１６】
本発明者等は、燃料電池セルのガス流路の横断面積とガス流路の長さを、所定の範囲に設定することにより、複数の燃料電池セルのガス流路にガスが均一に分配され、かつ、家庭用などに供給される２ｋPａ程度のガス元圧でも、セルに十分にガスを流すことの出来ることを見出し本発明に至った。
【００１７】
本発明のセルスタックは、内部にガス流路を有する複数の燃料電池セルを所定間隔をおいて配設してなるセルスタックであって、前記燃料電池セルのガス流路の長さＬと断面積Ｄの比(Ｌ/Ｄ)がほぼ同一であるとともに、Ｌ/Ｄが２０〜３００であることを特徴とする。このようなセルスタックでは、燃料電池セルのガス流路のＬ/Ｄがほぼ同一で、ガス流路の長さＬと断面積Ｄの比(Ｌ/Ｄ)を２０〜３００とすることにより、ガスを一定圧力で各燃料電池セルのガス流路に供給すると、各燃料電池セルのガス流路を十分にかつ均等に流れ、発電性能を十分に発揮できる。
【００１８】
ガス流路の長さＬと断面積Ｄの比(Ｌ/Ｄ)が大きい場合、例えば、ガス流路の流路長さＬが長すぎる場合や流路断面積Ｄが小さすぎる場合、セル内のガス流路の圧力損失が大きくなり、燃料電池セルにガスが導入されるために必要なガスの一次側圧力（元圧、例えば、家庭に送られてくる都市ガスの供給圧）がかなり高くないと、燃料電池セルにガスが送られないといった事態が発生する。また、セルのガス流路の断面積Dのばらつきに流量が規制され、一部の燃料電池セルにガスを供給できなくなる事態も発生する。
【００１９】
逆に、ガス流路の長さＬと断面積Ｄの比(Ｌ/Ｄ)が小さい場合、例えば、ガス流路の流路長さＬが短すぎる場合や流路断面積Ｄが大きすぎる場合、各燃料電池セルのガス流路に供給されるガス量が均一にならないので、上記に示したような燃料枯れ、効率低下などの事態が発生する。
【００２０】
本発明では、ガス流路の長さＬと断面積Ｄの比(Ｌ/Ｄ)を２０〜３００とすることにより、ガス供給圧力が２ｋＰａの環境であっても、複数の燃料電池セルに均一かつ十分にガスを供給することができ、発電性能を十分に発揮できる。
【００２１】
ここで、本発明のセルスタックでは、複数の燃料電池セルの内部に複数のガス流路をそれぞれ有すること、ガス流路の断面積Ｄが０．５〜７．５ｍｍ２の範囲内であること、ガス流路の長さＬが１００〜３００ｍｍの範囲内であることが望ましい。これにより、２ｋＰａ以下の低い圧力の都市ガス等を被改質ガスとする場合であっても、該ガスを加圧することなく、燃料電池セルのガス流路を介してガスを導出できる。
【００２２】
また、本発明のセルスタックは、燃料電池セルのガス流路の断面積Ｄのバラツキが２０％以内であることを特徴とする。このようなセルスタックでは、各セル内に形成されたガス流路に均一にガスを供給することができる。これにより各燃料電池セルの発電量のばらつきを抑制することができ、発電量の低下や、発電効率の低下、さらには最悪の場合の燃料電池セル破壊を防止できる。
【００２３】
さらに、本発明のセルスタックは、燃料電池セルのガス流路に２ｋＰａ以下の圧力で燃料ガスが供給されることを特徴とする。燃料電池セルに燃料ガスとして都市ガスやプロパンガスを供給する場合、このようなガスの圧力は２ｋＰａ以下であるため、燃料電池セルには２ｋＰａ以下の燃料ガスを供給しても、ガス流路の長さＬと断面積Ｄの比(Ｌ/Ｄ)を２０〜３００とすることにより、燃料電池セルのガス流路を確実に流すことができる。
【００２４】
本発明の燃料電池は、上記セルスタックをハウジング内に複数収納してなることを特徴とする。各燃料電池セルが発電性能を十分に発揮しうるガス流路を有するため、この燃料電池セルを複数有する本発明の燃料電池は良好な発電性能を有する。
【００２５】
また、本発明の燃料電池は、ハウジング内に設けられたガス室から、セルスタックの燃料電池セルのガス流路にガスが供給されることを特徴とする。このような燃料電池では、ガスがガス室から複数の燃料電池セルのガス流路を十分かつ均等に流れ、発電性能を向上できる。
【００２６】
さらに、本発明の燃料電池は、ハウジング内にマニホールドを有し、該マニホールドにセルスタックを設け、前記マニホールド内のガスが燃料電池セルのガス流路を介して導出されることを特徴とする。このような燃料電池では、マニホールド内のガスが、燃料電池セルのガス流路を十分かつ均等に流れ、発電性能を向上できる。
【００２７】
また、本発明の燃料電池は、分散型発電用として用いられることを特徴とする。例えば、１ｋＷ程度の発電性能を有する家庭用の燃料電池システムや、７ｋＷ以下の発電性能を有する店舗用の燃料電池システムに用いられる燃料電池は小型、安価が要求されるため、ガスの加圧装置を設けることなく、圧力が２ｋＰａ以下のガスを燃料電池セルに十分にかつ均等に供給できる本発明を好適に用いることができる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明のセルスタックは、ガスを一定圧力で燃料電池セルのガス流路に供給すると、各燃料電池セルのガス流路を十分かつ均等に流れ、発電性能を十分に発揮できる。
【００２９】
また、本発明の燃料電池は、例えばマニホールド内のガス室と燃料電池セルのガス流路内のガス圧力差により、特別なガス分配機構を設けることなくマニホールドに立設する複数の燃料電池セルにガスを均等に分配することができるため、燃料電池の高効率発電に寄与できるとともに、構造信頼性の向上、及びコストダウンにも有用である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
図１は、本発明の燃料電池を示すもので、符号３１は断熱構造を有するハウジング（ハウジング）を示している。このハウジング３１の内部には、複数の燃料電池セル３３が集合したセルスタック３５と、このセルスタック３５の上方から配設された酸素含有ガス供給管３９と、セルスタック３５の上方に設けられた熱交換部４１が収容されている。尚、図１では、酸素含有ガス供給管３９を破線で記載した。
【００３１】
ハウジング３１は、耐熱性金属からなる枠体３１ａと、この枠体３１ａの内面に設けられた断熱材３１ｂとから構成されている。
【００３２】
セルスタック３５は、例えば、図２に示すように、複数の燃料電池セル３３を２列に整列させ、隣設した２列の最外部の燃料電池セル３３の電極同士が導電部材４２で接続され、これにより２列に整列した複数の燃料電池セル３３が電気的に直列に接続されている。
【００３３】
具体的に説明すると、燃料電池セルは、図３に示すように、断面が板状で、全体的に見て柱状の多孔質な導電性支持体（以下、支持基板）３３ａを具備するもので、この支持基板３３ａの平坦な一方側主面と両端の曲面状の側面を覆うように、多孔質な燃料側電極３３ｂが設けられており、さらにこの燃料側電極３３ｂを覆うように緻密質な固体電解質３３ｃが積層されており、この固体電解質３３ｃの上には酸素側電極３３ｄが順次積層されている。また、前記酸素側電極３３ｄと反対側の支持基板３３ａの平坦な他方側主面には中間膜３３ｅ、インターコネクタ３３ｆ、集電膜３３ｇが順次積層されている。
【００３４】
また、燃料電池セルは、断面が板状で全体的に見て柱状であり、その内部の支持基板３３ａには６個の直線状のガス流路３４が軸長方向に貫通して形成されている。
【００３５】
即ち、燃料電池セル３３は、断面形状が、幅方向両端に設けられた弧状部Ｂと、これらの弧状部Ｂを連結する一対の平坦部Ａとから構成されており、一対の平坦部Ａは平坦であり、ほぼ平行に形成されている。これらの燃料電池セル３３の平坦部Ａのうち一方は、支持基板３３ａの一方側主面上に燃料側電極３３ｂ、固体電解質３３ｃ、酸素側電極３３ｄを形成して構成され、他方の平坦部Ａは、支持基板３３ａの他方側主面上に中間膜３３ｅ、インターコネクタ３３ｆ、集電膜３３ｇを形成して構成されている。
【００３６】
固体電解質３３ｃは、支持基板３３ａの一方側主面から両側の側面を介して他方側主面にまで延設され、インターコネクタ３３ｆと重畳している。
【００３７】
燃料側電極３３ｂ、固体電解質３３ｃ、酸素側電極３３ｄが重なり合っている部分が発電部である。この発電部は弧状部Ｂにまで形成されていてもかまわない。なお、燃料電池セル３３において、平坦部Ａに形成された発電部が主たる発電部である。
【００３８】
なお、弧状部Ｂは、発電に伴う加熱や冷却に伴い発生する熱応力を緩和するため、曲面となっていることが望ましい。
【００３９】
また、支持基板３３ａの長径寸法（弧状部を形成する支持基板の側面間距離）は１５〜４０ｍｍ、短径寸法（平坦部を形成する主面間距離）が２〜１０ｍｍであることが望ましい。支持基板３３ａの主面間の距離は、特に８ｍｍ以下、さらには５ｍｍ以下が望ましい。なお、支持基板３３ａの形状は板状と表現しているが、長径寸法および短径寸法が変化することにより楕円状あるいは扁平状とも表現できる。
【００４０】
尚、燃料電池セルは、金属を主成分とする燃料側電極の外面に、緻密質な固体電解質、多孔質な導電性セラミックスからなる酸素側電極を順次積層し、酸素側電極と反対側の燃料側電極の外面にインターコネクタを形成して構成し、燃料側電極を支持体とするものであっても良い。
【００４１】
一方の燃料電池セル３３と他方の燃料電池セル３３との間には、図２に示すように、金属フェルト及び／又は金属板からなる集電部材４３を介在させ、一方の燃料電池セル３３の支持基板３３ａを、該支持基板３３ａに設けられたインターコネクタ３３ｆ、集電部材４３を介して他方の燃料電池セル３３の酸素側電極３３ｄに電気的に接続して、セルスタック３５が構成されている。
【００４２】
この支持基板３３ａは、Ｙ、Ｌｕ、Ｙｂ、Ｔｍ、Ｅｒ、Ｈｏ、Ｄｙ、Ｇｄ、Ｓｍ及びＰｒから選ばれた１種以上からなる希土類元素酸化物と、Ｎｉ及び／又はＮｉＯとを主成分とすることが望ましい。
【００４３】
支持基板３３ａとインターコネクタ３３ｆの間に形成される中間膜３３ｅは、Ｎｉ及び／またはＮｉＯと希土類元素を含有するＺｒＯ２を主成分とするものである。中間膜３３ｅ中のＮｉ化合物のＮｉ換算量は全量中３５〜８０体積％が望ましく、さらに５０〜７０体積％が望ましい。Ｎｉを３５体積％以上とすることで、Ｎｉによる導電パスが増加し、中間膜３３ｅの伝導度が向上し、電圧降下が小さくなる。また、Ｎｉを８０体積％以下とすることで、支持基板３３ａとインターコネクタ３３ｆの間の熱膨張係数差を小さくすることができ、両者の界面の亀裂が発生を抑制できる。
【００４４】
また、電位降下が小さくなるという点から中間膜３３ｅの厚みは２０μｍ以下が望ましく、さらに、１０μｍ以下が望ましい。
【００４５】
中希土類元素や重希土類元素の酸化物の熱膨張係数は、固体電解質３３ｃのＹ２Ｏ３を含有するＺｒＯ２の熱膨張係数より小さく、Ｎｉとのサーメット材としての支持基板３３ａの熱膨張係数を固体電解質３３ｃの熱膨張係数に近づけることができ、固体電解質３３ｃの割れや、固体電解質３３ｃの燃料側電極３３ｂからの剥離を抑制できる。熱膨張係数が小さい重希土類元素酸化物を用いることで、支持基板３３ａ中のＮｉを多くでき、導電性支持体３３ａの電気伝導度を上げることができるという点からも重希土類元素酸化物を用いることが望ましい。
【００４６】
なお、軽希土類元素のＬａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄの酸化物は、希土類元素酸化物の熱膨張係数の総和が固体電解質３３ｃの熱膨張係数未満である範囲であれば、中希土類元素、重希土類元素に加えて含有されていても何ら問題はない。
【００４７】
また、精製途中の安価な複数の希土類元素を含む複合希土類元素酸化物を用いることにより原料コストを大幅に下げることができる。その場合も、複合希土類元素酸化物の熱膨張係数は固体電解質３３ｃの熱膨張係数未満であることが望ましい。
【００４８】
また、インターコネクタ３３ｆ表面にＰ型半導体、例えば、遷移金属ペロブスカイト型酸化物からなる集電膜３３ｇを設けることが望ましい。インターコネクタ３３ｆ表面に直接金属の集電部材４３を配して集電すると非オーム接触により、電位降下が大きくなる。オーム接触をし、電位降下を少なくするためには、インターコネクタ３３ｆにＰ型半導体からなる集電膜３３ｇを接続する必要があり、Ｐ型半導体である遷移金属ペロブスカイト型酸化物を用いることが望ましい。遷移金属ペロブスカイト型酸化物としては、ランタン−マンガン系酸化物、ランタン−鉄系酸化物、ランタン−コバルト系酸化物、又は、それらの複合酸化物の少なくとも一種からなることが望ましい。
【００４９】
支持基板３３ａの主面に設けられた燃料側電極３３ｂは、Ｎｉと希土類元素が固溶したＺｒＯ２とから構成される。この燃料側電極３３ｂの厚みは１〜３０μｍであることが望ましい。燃料側電極３３ｂの厚みを１μｍ以上とすることで、燃料側電極３３ｂとしての３層界面が十分に形成される。また、燃料側電極３３ｂの厚みを３０μｍ以下とすることで固体電解質３３ｃとの熱膨張差による界面剥離を防止できる。
【００５０】
この燃料側電極３３ｂの主面に設けられた固体電解質３３ｃは、３〜１５モル％のＹ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からなる緻密体なセラミックスから構成される。希土類元素としては、安価であるという点からＹもしくはＹｂが望ましい。
【００５１】
固体電解質３３ｃの厚みは、１０〜１００μｍであることが望ましい。固体電解質３３ｃの厚みを１０μｍ以上とすることで、ガス透過を防止できる。また、固体電解質３３ｃの厚みを１００μｍ以下にすることで、抵抗成分の増加を抑制できる。
【００５２】
また、酸素側電極３３ｄは、遷移金属ペロブスカイト型酸化物のランタン−マンガン系酸化物、ランタン−鉄系酸化物、ランタン−コバルト系酸化物、または、それらの複合酸化物の少なくとも一種の多孔質の導電性セラミックスから構成されている。酸素側電極３３ｄは、８００℃程度の中温域での電気伝導性が高いという点から（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｆｅ，Ｃｏ）Ｏ３系が望ましい。酸素側電極３３ｄ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。
【００５３】
インターコネクタ３３ｆは、支持基板３３ａの内外の燃料ガス、酸素含有ガスの漏出を防止するため緻密体とされており、また、インターコネクタ３３ｆの内外面は、燃料ガス、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。
【００５４】
このインターコネクタ３３ｆの厚みは、３０〜２００μｍであることが望ましい。インターコネクタ３３ｆの厚みを３０μｍ以上とすることで、ガス透過を完全に防止でき、２００μｍ以下とすることで、抵抗成分の増加を抑制できる。
【００５５】
このインターコネクタ３３ｆの端部と固体電解質３３ｃの端部との間には、シール性を向上すべく例えば、Ｎｉと、Ｙ２Ｏ３を固溶したＺｒＯ２とからなる接合層を介在させても良い。
【００５６】
複数の燃料電池セル３３の下端部は、図１に示したように、燃料ガスマニホールド５０の天板５０ａに支持固定されている。燃料ガスマニホールド５０には、燃料電池セル３３内部に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給管５１が設けられている。燃料ガスマニホールド５０の天板５０ａには、所定間隔を置いて一列に配列したセル挿入孔が設けられており、燃料電池セル３３はこのセル挿入孔に挿入固定される。天板５０ａのセル挿入孔の内面と燃料電池セル３３外面との間にはガラス等のシール剤が介在され、接合されている。
【００５７】
燃料ガス供給管５１はハウジング内側を通り、セルスタック３５の上方に配置された燃料改質器５５を経由して、燃料ガスマニホールド５０の側面に接続されれている。燃料ガス供給管５１には、都市ガスやプロパンガス等の被改質ガスが２ｋＰａ以下で供給され、従って、燃料ガスマニホールド５０内及び燃料電池セル３３のガス流路３４にも、被改質ガスが改質された燃料ガスが２ｋＰａ以下の圧力で供給される。
【００５８】
また、酸素含有ガス供給管３９は、セルスタック３５間に天板５０ａの近傍まで延設され、その先端部から酸素含有ガス、例えば空気を供給するようになっている。発電で用いられなかった余剰の酸素含有ガスは、セル３３間を通過して上方に流れ、セル内部を通過して発電に用いられなかった燃料ガスと、セル先端部近傍で混合燃焼する。燃料改質器５５は燃料ガスに曝される。
【００５９】
また、熱交換部４１は、燃焼ガスが排出される排出路４１ａと、この排出路４１ａの内部に配設された酸素含有ガス室４１ｂとから構成されており、言い換えれば、酸素含有ガス室４１ｂの周囲に排出路４１ａが配設され、排出路４１ａ内の燃焼ガスと外部から導入される酸素含有ガスの間で熱交換可能とされている。
【００６０】
そして、本発明の燃料電池では、燃料ガスマニホールド５０に立設する燃料電池セル３３に均一に燃料ガスを供給するために、各燃料電池セル３３のガス流路３４の流路長さＬと、ガス流路３４のガス流方向と直交する方向の流路断面積Ｄの比(Ｌ/Ｄ)はほぼ同一であり、かつＬ/Ｄ比が２０〜３００とされている。このような関係を有することにより、一定圧力で燃料ガスマニホールド５０内のガス室に供給された燃料ガスが、燃料電池セル３３のガス流路３４内を十分かつ均等に流れ、発電性能を十分に発揮できる。
【００６１】
一方、Ｌ/Ｄが２０未満の場合には、ガスマニホールド５０内に供給された燃料ガスが容易に通過してしまい、燃料ガスマニホールド５０内の圧力が十分に得られず、一部の燃料電池セル３３ではガス供給量が不足し、各燃料電池セル３３に均一にガスを供給することができない。さらにＬ/Ｄが３００を超えると、ガス流路３４の流路断面積Ｄのバラツキの影響が相対的に大きくなり、一部で燃料ガスが十分に供給されないため、燃料枯れが発生しやすい。
【００６２】
燃料電池セル３３のガス流路３４の流路長さＬと、ガス流路３４の流路断面積Ｄの比(Ｌ/Ｄ)は、燃料ガスの分配圧力の確保と言う点から、４０以上、特には６０以上、燃料ガスの均一分配と言う点から２００以下、特には１５０以下であることが望ましい。このようなＬ/Ｄ比を有する燃料電池セルは、例えば、支持基板３３ａを押出成形して作製する際の貫通孔の寸法、及び支持基板成形体の長さを制御することにより、達成できる。
【００６３】
また、本発明の燃料電池セルでは、支持基板３３ａのガス流路３４の流路断面積Ｄが０．５〜７．５ｍｍ２の範囲内とされ、ガス流路３４の流路長さＬが１００〜３００mmの範囲内とされている。この範囲内とすることにより、圧力の低い都市ガス等を被改質ガスとする場合であっても、加圧することなく、燃料電池セル３３のガス流路３４をガスが通過できる。特には、流路断面積Ｄは燃料ガスの均一分配と言う点から１．５〜３．５ｍｍ２、流路長さＬは１２０〜２５０ｍｍが望ましい。
【００６４】
本発明の燃料電池セルでは、燃料電池セル３３に複数形成されたガス流路３４、並びに各燃料電池セル３３のガス流路３４の流路断面積Ｄのバラツキが２０％以内とされている。各燃料電池セルのガス流路３４の長さＬは支持基板３３の長さで規制されるため、ほぼ一定に制御できるが、ガス流路３４の断面積Ｄは、上記したように、押出成形時に決定し、バラツキが発生しやすいが、このバラツキを２０％以内とすることにより、燃料電池セル３３の各ガス流路３４を通過するガス量を均一にすることができるとともに、各燃料電池セル３３を流れるガス量を均一にできる。ガス流路３４の流路断面積Ｄのバラツキは、特に、１０％以下、さらには５％以下であることが望ましい。
【００６５】
以上のような燃料電池セル３３の製法について説明する。先ず、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄの元素を除く希土類元素酸化物粉末とＮｉ及び／又はＮｉＯ粉末を混合し、この混合粉末に、有機バインダーと、溶媒とを混合した支持基板材料を押出成形して、板状の支持基板成形体を作製し、これを乾燥、脱脂する。乾燥条件は、室温で３日乾燥した後、８０℃〜１５０℃の温度範囲で、２時間以上乾燥することが望ましい。さらに、乾燥後に、８００〜１１００℃の温度域で仮焼する。
【００６６】
支持基板成形体は、作製された燃料電池セルのガス流路の寸法比Ｌ/Ｄが所定値を満足するように、貫通孔の断面積、支持基板成形体の長さが設定される。
【００６７】
次に、Ｎｉ及び／又はＮｉＯ粉末と希土類元素が固溶したＺｒＯ２粉末と有機バインダーと溶媒とを混合し作製した燃料側電極成形体となるスラリーを作製する。
【００６８】
次に、前記支持基板成形体の一方側主面に燃料側電極となるスラリーをメッシュ製版を用いて塗布し、８０〜１５０℃の温度で乾燥する。
【００６９】
次に、希土類元素が固溶したＺｒＯ２粉末と、有機バインダーと、溶媒を混合した固体電解質材料を用いてシート状の固体電解質成形体を作製する。次に、前記固体電解質成形体の一方側に前記燃料側電極となるスラリーを塗布し、前記支持基板成形体の一方側主面に形成された燃料側電極となる塗布膜に、固体電解質成形体の燃料側電極となる塗布膜が当接するように、かつ、固体電解質成形体の両端面が、他方側主面で所定間隔をおいて離間するように覆い巻き付け、８０〜１５０℃の温度で乾燥する。
【００７０】
次に、ランタン−クロム系酸化物粉末と、有機バインダーと、溶媒を混合したインターコネクタ材料を用いてシート状のインターコネクタ成形体を作製する。
【００７１】
次に、Ｎｉ及び／又はＮｉＯ粉末、希土類元素が固溶したＺｒＯ２粉末、有機バインダー、溶媒を混合した中間膜成形体となるスラリーを作製し、前記インターコネクタ成形体の片方の面に塗布する。
【００７２】
次に、このシート状のインターコネクタ成形体にスラリーを塗布した面が、露出した支持基板成形体に当接するよう積層する。
【００７３】
これにより、支持基板成形体の一方側主面に、燃料側電極成形体、固体電解質成形体を順次積層するとともに、他方側主面に中間膜成形体、インターコネクタ成形体が積層された積層成形体を作製する。なお、各成形体はドクターブレードによるシート成形や印刷、スラリーディップ、スプレーによる吹き付けなどにより作製することができ、または、これらの組み合わせにより作製してもよい。
【００７４】
次に、積層成形体を脱脂処理し、酸素含有雰囲気中で１３００〜１６００℃で同時焼成する。
【００７５】
次に、Ｐ型半導体である遷移金属ペロブスカイト型酸化物粉末と、溶媒とを混合し、ペーストを作製し、前記積層体をこのペースト中に浸漬し、固体電解質３３ｂ、インターコネクタ３３ｆの表面に酸素側電極成形体、集電膜成形体をディッピングにより形成するか、または、直接スプレー塗布し、１０００〜１３００℃で焼き付けることにより、本発明の燃料電池セル３３を作製できる。
【００７６】
なお、燃料電池セル３３は、酸素含有雰囲気での焼成により、支持基板３３ａ、燃料側電極３３ｂ、中間膜３３ｅ中のＮｉ成分が、ＮｉＯとなっているため、その後、支持基板３３ａ側から還元性の燃料ガスを流し、ＮｉＯを８００〜１０００℃で還元処理する。また、この還元処理は発電時に行ってもよい。
【００７７】
本発明の燃料電池では、空気からなる酸素含有ガスが酸素含有ガス室４１ｂに一旦収容され、この酸素含有ガス室４１ｂから酸素含有ガス供給管３９を介して燃料電池セル３３間に供給され、一方、都市ガス等の被改質ガスが燃料ガス供給管５１、改質器５５に供給され、燃料ガスマニホールド５０を介して燃料電池セル３３のガス流路３４を流れ、セル先端から導出され、セル外部の酸素含有ガスと混合燃焼し、燃焼ガスが排出路４１ａを介して外部に排出される。
【００７８】
なお、本発明は上記形態に限定されるものではなく、発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、内側電極を酸素側電極から形成してもよい。
【実施例】
【００７９】
先ず、ＮｉＯ粉末をＮｉ金属換算で４８体積％、Ｙ２Ｏ３粉末を５２体積％となるよう混合し、この混合物に、ポアー剤と、セルロース系バインダーからなる有機バインダーと、水からなる溶媒とを加え、混合した支持基板材料を押出成形して、断面が円形の貫通孔の断面積、長さの異なる支持基板成形体（貫通孔６個）を、各々の条件で各５０本作製した。これらの支持基板成形体を乾燥後、１０００℃で仮焼した。
【００８０】
次に、８ＹＳＺ粉末（Ｙ２Ｏ３を８モル含有するＺｒＯ２）にアクリル系バインダーとトルエンを加え、固体電解質成形体となるスラリーを作製し、ドクターブレード法にてシート状の固体電解質成形体を作製した。
【００８１】
次に、ＮｉＯ粉末を金属Ｎｉ換算量で４８体積％、８ＹＳＺ粉末（Ｙ２Ｏ３を８モル含有するＺｒＯ２）を５２体積％となるように混合し、アクリル系バインダーとトルエンを加え、燃料側電極成形体となるスラリーを作製した。
【００８２】
この燃料側電極成形体となるスラリーを、前記支持基板成形体の一方側主面の表面にメッシュ製版を用いて塗布し、１３０℃の温度で乾燥した。
【００８３】
また、上記燃料側電極成形体となるスラリーを前記固体電解質成形体にスクリーン印刷し、１３０℃の温度で乾燥した。
【００８４】
次に、支持基板成形体に形成された燃料側電極成形体の塗布膜に、固体電解質成形体の燃料側電極となる塗布膜が当接し、その両端間が他方側主面で所定間隔をおいて離間するように巻き付け、乾燥した。
【００８５】
次に、ランタン−クロム系酸化物粉末と、有機バインダーと、溶媒を混合したインターコネクタ材料を用いてシート状のインターコネクタ成形体を作製した。
【００８６】
次に、Ｎｉ及び／又はＮｉＯ粉末、希土類元素が固溶したＺｒＯ２粉末、有機バインダー、溶媒を混合した中間膜成形体となるスラリーを作製し、前記インターコネクタ成形体の片方の面に塗布した。
【００８７】
次に、このシート状のインターコネクタ成形体にスラリーを塗布した面が、露出した支持基板成形体に当接するよう積層し、この積層体を脱バインダー処理し、大気中にて１５００℃で同時焼成した。
【００８８】
次に、Ｌａ０．６Ｓｒ０．４Ｃｏ０．２Ｆｅ０．８Ｏ３粉末と、ノルマルパラフィンからなる溶媒とから、酸素側電極スラリーを作製し、このスラリーを固体電解質に吹き付け、酸素側電極成形体を形成し、また、上記スラリーをインターコネクタ３３ｆの外面に塗布し、１１５０℃で焼き付け、集電膜３３ｇを形成し、図１に示すような本発明の燃料電池セル３３を作製した。
【００８９】
支持基板３３ａの厚みは３．２ｍｍ、幅２６ｍｍ、固体電解質３３ｃの厚みは４０μｍ、酸素側電極３３ｄの厚みは５０μｍ、燃料側電極３３ｂの厚みは１０μｍ、インターコネクタ３３ｆの厚みは５０μｍ、集電膜３３ｇの厚みは５０μｍであった。また、それぞれの燃料電池セル３３の両端部にはそれぞれ１５ｍｍの非発電部を形成した。
【００９０】
各々の条件で作製した燃料電池セル５０本を燃料ガスマニホールドに、ガラスをシール剤として用いてシール固定し、セルスタックを１１種類作製した。
【００９１】
また、各スタックの燃料電池セル５０本の長さ（ガス流路長さ）L、及び断面が円形のガス流路における直径を予め測定し、直径の平均値から断面積Ｄを求め、さらにＬ／Ｄ比を算出し、表１に記載した。また、断面積Ｄのばらつきは、セル５０本の全てのガス流路断面積の最小値をＤ1、最大値をＤ2とし、（Ｄ2−Ｄ1）／Ｄ1×１００の計算式から求め、表１に記載した。
【００９２】
次に、燃料電池セル３３の内部に、水素ガスを流し、８５０℃で、支持基板３３ａ及び燃料側電極３３ｂの還元処理を施した。
【００９３】
得られた燃料電池セル３３のガス流路３４に水素を流通させ、燃料電池セル３３の外側に空気を流通させ、８５０℃まで加熱し、発電特性を求め、表１に記載した。
【表１】
2005166529.tif 000003
【００９４】
この表１から、Ｌ／Ｄ比が２０より小さい比較例の試料Ｎｏ．１では、セルの発電性能が他の試料よりも劣化した。発電試験後のスタックを観察したところ、燃料ガスが不足した状態で電流が流れたために、セルが酸化する燃料枯れが発生しているセルが主にガスマニホールドのガス供給口側に多く見られた。セルが酸化されることにより、支持基板が絶縁体となり、発電性能が劣化したと考えられる。この試料Ｎｏ．１のように、Ｌ／Ｄ比が小さすぎると、セルの圧力損失が小さくなり、セルがガスを一定に分配する機能を失う。そのため、セルに分配されるガス量は、マニホールド内を流れるガス流速分布やそれによって生じるマニホールド内のガス圧力分布に大きく依存することになり、ガス量が各セルに一定に流れず、上記現象が発生したと考えられる。
【００９５】
一方、Ｌ／Ｄ比が３００より大きい比較例の試料Ｎｏ．１１では、セル内の圧路損失が大きくなり、ガス流量は、ガス流路の断面積Ｄのばらつきに大きく支配されてしまい、一部のセルにガスが供給されず、燃料欠乏の兆候が見られた。
【００９６】
これに対して、Ｌ／Ｄ比が２０〜３００の本発明の試料では、異常無く発電でき、発電性能も良好であった。
【図面の簡単な説明】
【００９７】
【図１】本発明の燃料電池を示す説明図である。
【図２】図１のセルスタックを示す横断面図である。
【図３】燃料電池セルの断面斜視図である。
【図４】燃料電池セルの縦断面図である。
【図５】従来の燃料電池セルの縦断面図である。
【符号の説明】
【００９８】
３１・・・ハウジング
３３・・・燃料電池セル
３３ａ・・・支持基板
３３ｂ・・・燃料側電極（内側電極）
３３ｃ・・・固体電解質
３３ｄ・・・酸素側電極（外側電極）
３４・・・ガス流路
３５・・・セルスタック
５０・・・マニホールド
Ｌ・・・ガス流路の長さ
Ｄ・・・ガス流路の断面積
【図１】
2005166529.tif 000004
【図２】
2005166529.tif 000005
【図３】
2005166529.tif 000006
【図４】
2005166529.tif 000007
【図５】
2005166529.tif 000008