(57)【要約】【課題】内外のガス遮断を確実に行うことができるとともに、７００〜８００℃の比較的低温でも発電性能が高い燃料電池セル及び燃料電池を提供する。【解決手段】ガス流路３４を有する多孔質支持基板３３ａの一方側主面に少なくとも緻密な固体電解質３３ｃ、多孔質な酸素側電極３３ｄを順次設け、他方側主面に緻密なインターコネクタ３３ｆを設けてなる燃料電池セル３３であって、支持基板３３ａの一方側主面に形成された固体電解質３３ｃを、支持基板３３ａの側面を介して支持基板３３ａの他方側主面に形成されたインターコネクタ３３ｆ端面まで延設するとともに、固体電解質３３ｃが、スカンジウムを固溶せしめた酸化ジルコニウムからなる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス流路を有する多孔質支持基板の一方側主面に少なくとも緻密な固体電解質、多孔質な外側電極を順次設け、他方側主面に緻密なインターコネクタを設けてなる燃料電池セルであって、前記支持基板の一方側主面に形成された固体電解質を、前記支持基板の側面を介して前記支持基板の他方側主面に形成されたインターコネクタ端面まで延設するとともに、前記固体電解質が、スカンジウムを固溶せしめた酸化ジルコニウムからなることを特徴とする燃料電池セル。
【請求項２】
支持基板の主面間の厚みが２〜５μｍであることを特徴とする請求項１記載の燃料電池セル。
【請求項３】
支持基板の側面は、外側に凸となる曲面状であることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池セル。
【請求項４】
支持基板の側面は、曲率半径１〜３μｍの曲面状であることを特徴とする請求項３記載の燃料電池セル。
【請求項５】
希土類元素酸化物とＮｉ及び／又はＮｉＯとを主成分とする支持基板の一方側主面に、燃料側電極、固体電解質、酸素側電極を順次形成してな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燃料電池セル。
【請求項６】
請求項１乃至５のうちいずれかに記載の燃料電池セルを収納容器内に複数収納してなることを特徴とする燃料電池。
【請求項７】
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６記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池セル及び燃料電池に関し、特に、支持基板の一方側主面に少なくとも緻密な固体電解質、多孔質な外側電極を順次設け、他方側主面に緻密なインターコネクタを設けてなる燃料電池セル及び燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
図３は、従来の固体電解質型燃料電池の燃料電池セル１を示すもので、燃料電池セル１は、軸長方向に複数のガス流路３を有する多孔質の支持体を兼ねた扁平な内側電極１ａ上の外周面に緻密な固体電解質１ｂ、多孔質な導電性セラミックスからなる外側電極１ｃを順次設けて構成されており、固体電解質１ｂ、外側電極１ｃから露出した内側電極１ａには、外側電極１ｃに接続しないようにインターコネクタ１ｄが設けられ、内側電極１ａと電気的に接続している。（特許文献１参照）。
【０００３】
このような燃料電池セル１では、燃料電池セル１の形状を扁平状とすることにより、燃料電池セル１当たりの発電部の面積を増加させることができ、発電量を増加させることができる。
【０００４】
燃料電池は、上記燃料電池セル１を収納容器内に複数収納して構成され、例えば、内側電極１ａ内部に酸素ガス注入管５を通じて酸素含有ガスを供給し、外側電極１ｃに燃料ガス（水素）を供給して約１０００℃で発電される。
【０００５】
この燃料電池セル１の内側電極１ａと固体電解質１ｂ、外側電極１ｃが重なり合っている部分が発電部であり、この発電部で発生した電流は内側電極１ａを電流経路とし、インターコネクタ１ｄを介して他の燃料電池セル１へと接続される。
【０００６】
この燃料電池セルでは、固体電解質１ｂとしてＹ２Ｏ３を含有するＺｒＯ２（ＹＳＺ）が用いられているが、近年においては、固体電解質材料としてＳｃ２Ｏ３を含有するＺｒＯ２も知られている（特許文献２参照）。
【０００７】
燃料電池セルを作製する方法としては、従来、内側電極１ａと固体電解質１ｂとを同時焼成により形成することが知られている。この同時焼成法は、非常に簡単なプロセスで製造工程数が少なく、コスト低減に有利である。
【特許文献１】特開昭６３−２６１６７８号公報
【特許文献２】特開平０６−１１６０２６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、このような燃料電池セル１でも、得られる発電性能は十分でなく、未だ低いという問題があった。即ち、燃料電池セル１では、固体電解質１ｂの厚みを薄くし、内側電極１ａの厚みを薄くし、電流経路を短くし、さらに内側電極１ａの幅を広くすることで燃料電池セル１当たりの発電量を増加させることが可能となるものの、燃料電池セル１の曲率の大きい曲面状の側面に応力が集中し、例えば、焼成や発電の際に燃料電池セル１の側面に位置する緻密な固体電解質１ｂにクラックが発生しやすいという問題があった。
【０００９】
内側電極１ａの側面が曲面状ではなく、平面である場合においても、側面と主面との間に形成された角部の固体電解質にクラックが発生しやすいという問題があった。
【００１０】
即ち、燃料電池セル１では、燃料電池セル１の曲率（曲率半径の小さい）の大きい曲面状の側面に最も応力が集中しやすく、応力が側面に位置する固体電解質１ｂの強度を超えた場合、側面の固体電解質１ｂにクラックが発生し、燃料電池セル１内外のガスの遮断ができなくなり、燃料電池セル１の発電性能が劣化する。
【００１１】
また、燃料電池セル１内外でのガスの遮断ができなくなるため、発電の基となる燃料電池セル１内外での酸素分圧差が減少するため、他の燃料電池セル１においても発電量が低下する
また、固体電解質がＹ２Ｏ３を含有するＺｒＯ２（ＹＳＺ）から形成されていたため、作動温度を７００℃から８００℃に低温化すると、固体電解質の導電率が低いため、発電性能が低くなるという問題があった。
【００１２】
本発明は、内外のガス遮断を確実に行うことができるとともに、７００〜８００℃の比較的低温でも発電性能が高い燃料電池セル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】
【００１３】
本発明の燃料電池セルは、ガス流路を有する多孔質支持基板の一方側主面に少なくとも緻密な固体電解質、多孔質な外側電極を順次設け、他方側主面に緻密なインターコネクタを設けてなる燃料電池セルであって、前記支持基板の一方側主面に形成された固体電解質を、前記支持基板の側面を介して前記支持基板の他方側主面に形成されたインターコネクタ端面まで延設するとともに、前記固体電解質が、スカンジウムを固溶せしめた酸化ジルコニウムからなることを特徴とする。
【００１４】
このような燃料電池セルでは、固体電解質をスカンジウムを固溶せしめた酸化ジルコニウムで形成したため、従来から用いられているＹ２Ｏ３を含有するZｒＯ２（ＹＳＺ）よりも強度が高く、例えば、応力が強く発生しやすい支持基板の薄い側面に形成された場合であっても、固体電解質におけるクラック発生を防止でき、緻密なインターコネクタ及び緻密な固体電解質で多孔質な支持基板を取り囲むことができるとともに、支持基板の厚みを薄くし、幅を広くし、かつ、固体電解質の厚みを薄くしたとしても、固体電解質におけるクラック発生を防止でき、燃料電池セルの内外のガスを有効に遮断できる。また、スカンジウムを固溶させて安定化した酸化ジルコニウムは、ＹＳＺよりも、７００〜８００℃の温度域での導電率が高いため、発電性能を向上できる。
【００１５】
スカンジウムは３〜１５モル％の量で固溶されることが望ましい。これにより、固体電解質のイオン伝導度が高くなり、発電性能が向上する。特に、８〜１２モル％固溶することが望ましい。
【００１６】
また、本発明の燃料電池セルは、支持基板の主面間の厚みが２〜５μｍであることを特徴とする。このような薄い支持基板では、その側面における応力は大きくなる傾向があり、固体電解質の強度が要求されるため、本発明を好適に用いることができる。
【００１７】
さらに、本発明の燃料電池セルは、支持基板の側面は、外側に凸となる曲面状であることを特徴とする。支持基板の側面を曲面状とすることにより、支持基板の側面に形成された固体電解質に発生する応力を小さくすることができる。支持基板の側面は、曲率半径１〜３μｍの曲面である場合には、支持基板の側面の曲率半径が小さくなるに従って固体電解質に発生する応力が大きくなるため、本発明を好適に用いることができる。
【００１８】
また、本発明の燃料電池セルは、希土類元素酸化物とＮｉ及び／又はＮｉＯとを主成分とする支持基板の一方側主面に、燃料側電極、固体電解質、酸素側電極が順次形成され、前記支持基板の希土類元素が、Ｙ、Ｌｕ、Ｙｂ、Ｔｍ、Ｅｒ、Ｈｏ、Ｄｙ、Ｇｄ、Ｓｍ及びＰｒのうち少なくとも１種であることを特徴とする。
【００１９】
このような燃料電池セルでは、支持基板中の上記希土類酸化物が、焼成時や発電中における鉄族金属やその酸化物との固溶、反応をほとんど生じない。さらに、この希土類酸化物は、固体電解質や燃料極中の希土類元素が固溶して安定化したジルコニアの熱膨張係数（約１０．８×１０−６／℃）よりも遥かに小さく、例えばＹ２Ｏ３やＹｂ２Ｏ３は、熱膨張係数が約８．１４×１０−６／℃であり、従って希土類酸化物の含有比率を制御することにより、支持基板の熱膨張係数を固体電解質層や燃料極の熱膨張係数に近づけることができ、熱膨張差に起因するクラックの発生や剥離を有効に抑制することができる。
【００２０】
本発明の燃料電池は、上記燃料電池セルを収納容器内に複数収納してなることを特徴とする。上記したように、本発明の燃料電池セルは、内外のガス遮断を確実に行うことができるとともに、７００〜８００℃の比較的低温でも発電性能が高いため、ガスリークなどによる燃料電池の発電量が低下するなどの不具合を防止でき、発電性能及び耐久性に優れた燃料電池を提供できる。
【００２１】
さらに、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セルは小型であり、支持基板自体も薄くなるため、支持基板の側面に発生する応力が大きくなる傾向にあるため、本発明を好適に用いることができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の燃料電池セルでは、固体電解質を、スカンジウムを固溶せしめて安定化した酸化ジルコニウムで形成したため、従来から用いられているＹ２Ｏ３を含有するZｒＯ２（ＹＳＺ）よりも強度が高く、例えば、応力が強く発生しやすい支持基板の薄い側面に形成された場合であっても、固体電解質におけるクラック発生を防止でき、燃料電池セルの内外のガスを有効に遮断できるとともに、スカンジウムを固溶せしめて安定化した酸化ジルコニウムは、ＹＳＺよりも、７００〜８００℃の温度域での導電率が高いため、発電性能を向上できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明の燃料電池セルは、図１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の支持基板３３ａの一方側主面に、多孔質な燃料側電極３３ｂ、緻密な固体電解質３３ｃ、多孔質な導電性セラミックスからなる酸素側電極３３ｄを順次積層し、酸素側電極３３ｄと反対側の支持基板３３ａの他方側主面に接合層３３ｅ、ランタン−クロム系酸化物材料からなるインターコネクタ３３ｆ、Ｐ型半導体材料からなる集電膜３３ｇを形成して構成されている。
【００２４】
また、支持基板３３ａには複数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。
【００２５】
即ち、燃料電池セル３３は、断面形状が弧状で幅方向両端に設けられた端部ｍと、これらの端部ｍ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。燃料電池セル３３の形状を支配する支持基板３３ａの形状も、一対の平坦状の主面と、これらの主面を連結する曲面状の側面を有している。燃料電池セル３３の平坦部ａのうち一方は、支持基板３３ａの他方主面上に接合層３３e、インターコネクタ３３ｆ、集電膜３３ｇを形成して構成され、他方の平坦部ａは、支持基板３３ａの一方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ている。
【００２６】
また、支持基板３３ａの長径寸法（端部ｍ方向間の距離）は１５〜３５ｍｍ、短径寸法（平坦部ａ間の距離）が２〜５ｍｍであることが望ましい。支持基板３３ａの側面は、外側に凸となる曲面状とされ、支持基板３３ａの側面は、曲率半径１〜３μｍの曲面状とされている。
【００２７】
また、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。
【００２８】
支持基板３３ａとインターコネクタ３３ｆの間に形成される接合層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。接合層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、接合層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、両者の界面の亀裂の発生を抑制できる。
【００２９】
また、電位降下が小さくなるという点から接合層３３ｅの厚みは２０μｍ以下が望ましく、さらに、１０μｍ以下が望ましい。
【００３０】
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のクラックや、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、支持基板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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。特に、集電膜３３ｇは酸素側電極材料からなることが望ましい。
【００３４】
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。
【００３５】
固体電解質３３ｃの厚みは、５〜１００μｍであることが望ましい。固体電解質３３ｃの厚みを５μｍ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。特に、燃料電池セル３３の発電能力を向上させるため、支持基板３３ａの一方主面に形成された固体電解質３３ｃの厚みは２０μｍ以下であることが望ましい。一方、固体電解質３３ｃの厚みが薄くなるほど、クラックが発生しやすくなるため、本発明を好適に用いることができる。
【００３６】
本発明において、強度を高くし、かつ７００〜８００℃の温度域でも発電性能を高くするために、固体電解質を、スカンジウムを固溶せしめて安定化した酸化ジルコニウムから形成されている。スカンジウムは、３〜１５モル％の量で酸化ジルコニウムに固溶されることが望ましい。固溶量が３モル％より少ないと、イオン伝導度が低くなり、発電性能が低下する。固溶量が１５モル％より多くても、イオン伝導度が低くなり、発電性能が低下する。特に、固溶量が８〜１２モル％であると、イオン伝導度が高くなり、発電性能が向上する。Ｓｃ以外に、さらにイオン伝導度を高くするという点から酸化セリウムを０．５〜２モル％含有することが望ましい。
【００３７】
この固体電解質層３３を形成する安定化ジルコニアセラミックスは、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％以上の緻密質であることが望ましい。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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ＺｒＯ２、あるいはＹ２Ｏ３からなる接合層を介在させても良い。
【００４２】
本発明の燃料電池セル３３では、緻密な固体電解質３３ｃは、支持基板３３ａの一方側主面のみならず、支持基板３３ａの側面を介して他方側主面のインターコネクタ端面まで形成されており、即ち両側の端部ｍを形成するように他方側主面にまで延設され、インターコネクタ３３ｅと接合している。なお、端部ｍ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、外側に凸となる曲面状となっていることが望ましい。
【００４３】
支持基板３３ａの一方側主面に設けられた緻密体である固体電解質３３ｃの厚みよりも、支持基板３３ａの側面に設けられた固体電解質３３ｃの厚みが厚いこことが望ましい。このような燃料電池セル３３では、応力の集中しやすい導電性支持体３３ａの側面に設けられた固体電解質３３ｃの厚みを厚くすることで、緻密体の強度を増加させることができ、これにより、支持基板３３ａの側面に設けられた固体電解質３３ｃにおけるクラック発生を防止できる。
【００４４】
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、溶媒とを混合した導電性支持基板材料を押し出し成形して、板状の支持基板成形体を作製し、これを乾燥、脱脂する。
【００４５】
また、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。
【００４６】
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３３ｂとなるスラリーを、前記固体電解質成形体の一方側に塗布し、固体電解質成形体の一方側の面に燃料側電極塗布膜を形成する。
【００４７】
次に、支持基板成形体に、前記シート状の固体電解質成形体と燃料側電極成形体の積層体を、該燃料側電極成形体が支持基板成形体に当接するように積層巻き付けする。
【００４８】
次に、ランタン−クロム系酸化物粉末と、有機バインダーと、溶媒と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。
【００４９】
また、Ｎｉ及び／又はＮｉＯ粉末と、希土類元素が固溶したＺｒＯ２粉と、有機バインダーと、溶媒を混合したスラリーを用いてシート状の接合層成形体を作製する。
【００５０】
次に、インターコネクタ成形体と接合層成形体とを積層し、この積層体の接合層成形体側が、露出した支持基板成形体側に当接するように積層する。
【００５１】
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、他方主面に接合層成形体、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。
【００５２】
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。
【００５３】
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、集電膜成形体をそれぞれ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。
【００５４】
尚、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、接合層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。
【００５５】
セルスタックは、図２に示すように、複数の燃料電池セル３３を所定間隔をおいて配置し、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、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に設けられた接合層３３ｅ、インターコネクタ３３ｆ、集電膜３３ｇ、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構成されている。
【００５６】
集電部材４３は、耐熱性、耐酸化性、電気伝導性という点から、Ｐｔ、Ａｇ、Ｎｉ基合金、Ｆｅ−Ｃｒ鋼合金の少なくとも一種からなることが望ましい。尚、符号４２は、燃料電池セルを直列に接続するための導電部材である。
【００５７】
本発明の燃料電池は、図２のセルスタックを、収納容器内に収納して構成されている。この収納容器には、外部から水素等の燃料ガス及び空気等の酸素含有ガスを燃料電池セル３３に導入する導入管が設けられており、燃料電池セル３３が所定温度に加熱されることにより発電し、使用された燃料ガス、酸素含有ガスは燃焼し、燃焼ガスが収納容器外に排出される。
【００５８】
尚、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。また、酸素側電極３３ｄと固体電解質３３ｃとの間に、反応防止層を形成してもよい。また、支持基板３３ａと燃料側電極３３ｂを同じ組成で形成してもよく、例えば、ＮｉとＹ２Ｏ３を固溶したＺｒＯ２を用いてもよい。即ち、支持基板３３ａが燃料側電極３３ｂを兼ねる場合であってもよい。
【００５９】
また、酸素側電極３３ｄ、集電膜３３ｇの成形法も種々の方法を用いてもよいことは勿論である。
【実施例】
【００６０】
先ず、平均粒径０．５μｍのＮｉＯ粉末と、平均粒径０．９μｍのＹ２Ｏ３粉末を焼成―還元後における体積比率が、Ｎｉが４８体積％、Ｙ２Ｏ３が５２体積％になるように混合し、有機バインダーと溶媒にて作製した杯土を押出し成型法にて成形し、乾燥、脱脂して支持基板成形体を作製した。
【００６１】
次に平均粒径０．５μｍのＮｉ粉末とＹ２Ｏ３が固溶したＺｒＯ２粉と有機バインダーと溶媒を混合したスラリーを作製し、前記支持基板成形体に、スクリーン印刷法にて塗布、乾燥して、燃料側電極用のコーティング層を形成した。
【００６２】
次に、表１に示す量のスカンジウムが固溶したＺｒＯ２と、比較例として８ｍｏｌ％のＹ２Ｏ３が固溶したＺｒＯ２粉末をそれぞれ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、ドクターブレード法にて固体電解質層用シートをそれぞれ作製し、支持基板成形体上の燃料側電極用のコーティング層に貼り付け、乾燥した。即ち、固体電解質層用シート及び燃料側電極用のコーティング層を、支持基板成形体の一方側主面から側面を介して他方側主面に至るまで延設した。
【００６３】
次に、支持基板成形体、および燃料側電極のコーティング層、固体電解質成形体を積層した積層成形体を１０００℃にて仮焼処理した。
【００６４】
次にＣｅＯ２を８５モル％、Ｓｍ２Ｏ３を１５モル％含む複合酸化物（以下ＳＤＣ１５）にアクリル系バインダーとトルエンを添加し、混合して作製した元素拡散防止層のスラリーを、得られた仮焼体の固体電解質成形体の表面にスクリーン印刷法にて塗布した。
【００６５】
また、ＬａＣｒＯ３系酸化物と、有機バインダーと溶媒を混合したスラリーを作製し、これを、露出した支持基板成形体の他方側主面上に積層し、酸素含有雰囲気中において１４８５℃で同時焼成した。
【００６６】
次に、平均粒径０．８μｍのＬａ０．６Ｓｒ０．４Ｃｏ０．８Ｆｅ０．２Ｏ３粉末と、凝集度１３〜１６に調製したＳＤＣ１５を混合し、得られたスラリーを積層体の元素拡散防止層の表面に印刷塗布を行い、１３０℃にて乾燥して酸素側電極成形体を作製するとともに、上記Ｌａ０．６Ｓｒ０．４Ｃｏ０．８Ｆｅ０．２Ｏ３粉体とイソプロピルアルコールとを混合して得られたスラリーをインターコネクタ上に印刷塗布し、集電膜成形体を形成し、１０５０℃で焼き付け、酸素極層及び集電膜を形成し、図１に示すような燃料電池セルを作製した。
【００６７】
尚、作製した燃料電池セルの寸法は２５ｍｍ×２００ｍｍで、支持基板の厚さは２〜５ｍｍ、開気孔率３５％、燃料側電極の厚さは１０μｍ、開気孔率２４％、酸素側電極の厚さは５０μｍ、開気孔率４０％、固体電解質層の厚さは１０〜５０μｍ、相対密度は９７％、元素拡散防止層の厚みは５μｍであった。
【００６８】
次に、この燃料電池セルの内部に、水素ガスを流し、８５０℃で、支持基板及び燃料側電極の還元処理を施した。
【００６９】
得られた燃料電池セルの燃料ガス流路に燃料ガスを流通させ、セルの外側に酸素含有ガスを流通させ、燃料電池セルを電気炉を用いて７５０℃まで加熱し、発電試験を行った。このときの発電特性を確認した。
【００７０】
また、表１に記載した固体電解質原料を用い、これらの原料に固形分として２．５％のＰＶＡを添加した粉末を作製し、１０００ｋｇｆ／ｃｍ２のプレス圧で６ｍｍ×４６ｍｍ×５ｍｍの大きさの成形体を作製した。この成形体を１４８５℃で２時間、大気中で焼成した。得られたテストピースを用いて、７５０℃での大気中での電気伝導度を４端子法によって測定した。さらに４点曲げによって固体電解質材料の強度を評価した（ＪＩＳ−Ｒ１６０１）。さらに同時焼成後のセルの固体電解質表面に発生する残留応力と、セルを４％水素−９６％窒素混合ガスによって、８５０℃で１６時間還元処理したセルの固体電解質表面に発生する残留応力をＸ線回折のジルコニアのピークシフトから求めることによって残留応力を計算し、還元処理前後の変化量を求めた。これらの結果を表１に記載した。
【表１】
2005166527.tif 000003
【００７１】
この表から、本発明の試料では、固体電解質の電気抵抗が小さくなることによって、発電特性が大きく向上することが分かった。また、Ｓｃ２Ｏ３を含有する本発明の試料では、８ＹＳＺを固体電解質材料とした試料Ｎｏ．９に比較して強度が大きくなり、また７５０℃における電気伝導度も大きく、さらに還元時に固体電解質に発生する残留応力も小さくなり、安定であることが分かった。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明の燃料電池セルを示す断面斜視図である。
【図２】本発明のセルスタックを示す横断面図である。
【図３】従来の燃料電池セルを示す横断面図である。
【符号の説明】
【００７３】
３３・・・燃料電池セル
３３ａ・・・導電性支持体
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）
３３ｆ・・・インターコネクタ
３４・・・ガス流路
【図１】
2005166527.tif 000004
【図２】
2005166527.tif 000005
【図３】
2005166527.tif 000006