(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
幅方向に３つ以上のガス流路を内部に備えた電気絶縁性の多孔質支持基板の表面に、内側電極、固体電解質および外側電極が順次積層された発電素子を複数並設し、前記発電素子の内側電極と、該発電素子に隣接する他の発電素子の外側電極とが電気的に接続されている横縞型燃料電池セルであって、
前記多孔質支持基板の幅方向の両端にあるガス流路の直径が該ガス流路より中心側に位置する他のガス流路の直径よりも小さく、
前記発電素子は前記多孔質支持基板の幅方向の両端にあるガス流路より中心側に配設されていることを特徴とする横縞型燃料電池セル。
【請求項２】
前記多孔質支持基板の幅方向の中心側に位置する他のガス流路の直径が、前記多孔質支持基板の厚みに対し３７％以上６５％以下であることを特徴とする請求項１記載の横縞型燃料電池セル。
【請求項３】
前記多孔質支持基板の幅方向の両端にあるガス流路の直径が、前記多孔質支持基板の厚みに対し３４％以上５０％以下であることを特徴とする請求項１または２記載の横縞型燃料電池セル。
【請求項４】
前記多孔質支持基板の厚みが２．０ｍｍ以上３．５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の横縞型燃料電池セル。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の横縞型燃料電池セルを収納容器内に複数収容してなることを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、横縞型燃料電池セルおよびそれを用いた燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、次世代エネルギーとして、燃料電池セルを複数接続してなるセルスタックを、収納容器に収容した燃料電池が種々提案されている。このような燃料電池セルとしては、固体高分子形燃料電池セル、リン酸形燃料電池セル、溶融炭酸塩形燃料電池セル、固体電解質形燃料電池セルなど、各種のものが知られている。とりわけ、固体電解質形燃料電池セルは、発電効率が高く、また、作動温度が６００℃〜１０００℃と高いため、その排熱を利用できるなどの利点を有しており、研究開発が推し進められている。
【０００３】
図７は、従来の固体電解質形燃料電池セルを示す一部破断斜視図である。この固体電解質形燃料電池セル１０は、横縞型といって、電気絶縁体である平板状の多孔質支持基板１１の表面に、燃料極層１３ａ、固体電解質１３ｂおよび空気極層１３ｃが順次積層された多層構造の発電素子１３を、多孔質支持基板１１の長手方向に所定間隔をおいて複数形成することにより構成されている。互いに隣接する発電素子１３は、それぞれ素子間接続部材１７（「インターコネクタ」ともいう。）により電気的に直列に接続されている。すなわち、一方の発電素子１３の燃料極層１３ａと他方の発電素子１３の空気極層１３ｃとが、素子間接続部材１７により接続されている。また、多孔質支持基板１１の内部には長手方向に貫通した複数のガス流路１２が形成されている。
前記横縞型燃料電池セル１０において、固体電解質１３ｂの酸素イオン伝導性が６００℃以上で高くなるため、このような温度で空気極層１３ｃに酸素を含むガスを流し、燃料極層１３ａに対しては前記ガス流路１２に水素を含むガスを流すことにより、空気極層１３ｃと燃料極層１３ａとの酸素濃度差が高くなり、空気極層１３ｃと燃料極層１３ａとの間で電位差が発生する。
この電位差により、酸素イオンは、空気極層１３ｃから固体電解質１３ｂを介して燃料極層１３ａへ移動する。移動した酸素イオンが、燃料極層１３ａで水素と結合して水となり、同時に燃料極層１３ａで電子が発生する。
すなわち、空気極層１３ｃでは、下記式（１）の電極反応を生じ、燃料極層１３ａでは、下記式（２）の電極反応を生じる。
空気極層３ｃ：  １／２Ｏ2＋２ｅ-    →Ｏ2-              ・・（１）
燃料極層３ａ：  Ｏ2-＋Ｈ2  →  Ｈ2Ｏ＋２ｅ-             ・・（２）
そして、一方の発電素子１３の燃料極層１３ａと他方の発電素子１３の空気極層１３ｃとを電気的に接続することにより、一方の発電素子１３の燃料極層１３ａから他方の発電素子１３の空気極層１３ｃへの電子の移動が起こり、両極間で起電力が生じる。
このように、固体電解質形燃料電池セルでは、酸素と水素を供給することにより、前記の反応を連続して起こし、起電力を生じさせて発電する（例えば、特許文献１、２参照）。
【特許文献１】特開平１０−００３９３２号公報
【特許文献２】特開２００６−２６９２７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来の燃料電池セルは、作製時に酸素含有雰囲気での焼成により、例えば、多孔質支持基板１１や燃料極層１３ａのＮｉ成分がＮｉＯとなっているため、これを還元処理により還元する時、あるいは発電中に還元雰囲気に曝されて還元される時、発生する応力歪によりガス流路の真上部で長手方向（ガス流れ方向）に縦割れをするおそれがある。この縦割れは、局部的に燃料電池セルの強度が低下した場合だけでなく、同一セル内における強度差が大きい場合にも発生する。そしてこの縦割れ箇所は配列方向の両端にあるガス流路において頻度が極めて高い。そのため、燃料電池セルの製品の歩留まりが低いという不具合がある。
特に、近年においては、燃料電池セルにおける発電量増加、およびコンパクト化という観点から、燃料電池セルの厚みが薄くなり、幅が広くなる傾向にあるため、上記縦割れが発生しやすい。
本発明の課題は、横縞型燃料電池セルの作製時および発電時においても、ガス流路部の直上部より長手方向に縦割れをしない、歩留まりの高い横縞型燃料電池セルを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、多孔質支持基板の幅方向の端部における強度が多孔質支持基板の中で最も低く、多孔質支持基板の幅方向中心部に向かうほど強度が高くなること、またガス流路の孔径（面積）が大きいほど強度低下が大きいという知見を得た。このことから多孔質支持基板の側面に最も近いガス流路の孔径を他のガス流路の孔径よりも小さくすることにより、燃料電池セルの作製時および発電時においても縦割れを抑制できることを見出して、本発明を完成させるに至った。
【０００６】
即ち、本発明における横縞型燃料電池セルおよび燃料電池は、以下の構成を有する。
（１）幅方向に３つ以上のガス流路を内部に備えた電気絶縁性の多孔質支持基板の表面に、内側電極、固体電解質および外側電極が順次積層された発電素子を複数並設し、前記発電素子の内側電極と、該発電素子に隣接する他の発電素子の外側電極とが（互いに隣接する前記発電素子のうち、一方の発電素子の内側電極と、他方の発電素子の外側電極とが）電気的に接続されている横縞型燃料電池セルであって、前記多孔質支持基板の幅方向の両端にあるガス流路の直径が該ガス流路より中心側に位置する他のガス流路の直径よりも小さく、前記発電素子は前記多孔質支持基板の幅方向の両端にあるガス流路より中心側に配設されていることを特徴とする横縞型燃料電池セル。
（２）前記多孔質支持基板の幅方向の中心側に位置する他のガス流路の直径が、前記多孔質支持基板の厚みに対し３７％以上６５％以下であることを特徴とする（１）に記載の横縞型燃料電池セル。
（３）前記多孔質支持基板の幅方向の両端にあるガス流路の直径が、前記多孔質支持基板の厚みに対し３４％以上５０％以下であることを特徴とする（１）または（２）に記載の横縞型燃料電池セル。
（４）前記多孔質支持基板の厚みが２．０ｍｍ以上３．５ｍｍ以下であることを特徴とする（１）〜（３）のいずれかに記載の横縞型燃料電池セル。
（５）（１）〜（４）のいずれかに記載の横縞型燃料電池セルを収納容器内に複数収容してなることを特徴とする燃料電池。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の横縞型燃料電池セルによれば、多孔質支持基板の幅方向の両端にあるガス流路の直径をこれより中心側のガス流路の直径より小さくしたので、多孔質支持基板の幅方向の両端部での強度が増大し、そのため横縞型燃料電池セルの作製および発電時において縦割れを抑制でき、歩留まりの高い横縞型燃料電池セルを提供することができる。
また、本発明の燃料電池によれば、上記した横縞型燃料電池セルを用いるので、信頼性を確保した上で高い発電量を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の横縞型燃料電池セルの一実施形態について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の横縞型燃料電池セルの構造を示す一部破断斜視図である。この燃料電池セル１０は、中空平板状の電気絶縁性の多孔質支持基板１１の表裏面に、複数の発電素子１３を多孔質支持基板１１の長手方向に沿って複数個配置し、それらを素子間接続部材１７を介して直列に接続した「横縞型」といわれるものである。
【０００９】
本発明の横縞型燃料電池セルは、図１に示すように、多孔質支持基板１１の表裏面に、その長手方向に所定間隔をおいて、複数の発電素子１３をそれぞれ配列することにより構成されている。それぞれの発電素子１３は、集電燃料極層２３、活性燃料極層１３ａ、固体電解質１３ｂおよび空気極層１３ｃを順次積層した層構造となっている。
【００１０】
多孔質支持基板１１の表裏面における互いに隣接する発電素子１３同士は、第１集電層１７ａおよび第２集電層１７ｂからなる素子間接続部材１７により直列に接続されている(図２参照)。すなわち、一方の発電素子１３の活性燃料極層１３ａの上に第１集電層１７ａが形成され、この第１集電層１７ａは、長手方向両端部を含めその周囲が固体電解質１３ｂによりガスシール状態で被覆され、固体電解質１３ｂから帯状に露出している。この第１集電層１７ａの露出した部分が第２集電層１７ｂにより被覆され、この第２集電層１７ｂが、他方の発電素子１３の空気極層１３ｃ上に形成され、これにより、発電素子１３同士が直列に電気的に接続された構造となっている。
【００１１】
多孔質支持基板１１は多孔質であり、さらにその内部には、内径の小さな複数の燃料ガス流路１２が、隔壁５１で隔てられて長手方向に延びるようにして貫通して設けられている。前記ガス流路１２の数は、発電性能および構造強度の点から、例えば３〜２０個が好ましく、６〜１７個であるのがより好ましい。このように、多孔質支持基板１１の内部にガス流路１２を複数形成することにより、多孔質支持基板１１の内部に大きなガス流路を１本形成する場合に比べて、多孔質支持基板１１を扁平板状とすることができ、燃料電池セル１の体積当たりの発電素子１３の面積を増加し発電量を大きくすることができる。よって、必要とする発電量を得るための燃料電池セル本数を減らすことができる。また、燃料電池セル間の接続箇所数を減少させることもできる。
【００１２】
このガス流路１２内に燃料ガス（水素ガス）を流し、かつ空気極層１３ｃを空気等の酸素含有ガスに曝すことにより、活性燃料極層１３ａおよび空気極層１３ｃ間で前述した式（１）、（２）に示す電極反応が生じ、両極間に電位差が発生し、発電するようになっている。
【００１３】
本発明にかかる多孔質支持基板１１は、図１に示したように、幅方向Ｘの両端にある前記ガス流路１２の直径がそれより中心側（幅方向において内側）にある他のガス流路１２の直径よりも小さい構成をなす。このような構成とすることにより、従来、多孔質支持基板１１の幅方向の端部での強度が弱く、また幅方向の部位によって強度が異なることで縦割れが発生するという問題点を改善できる。すなわち、本発明の構成により多孔質支持基板１１の幅方向の部位における強度の差を低減し、全体的に均一な強度分布を確保することができる。その結果、燃料電池セル１０の作製時において酸素含有雰囲気での焼成後に還元処理により還元する時、あるいは発電中に還元雰囲気に曝されて還元される時、発生する応力歪による多孔質支持基板１１の縦割れを防止でき、歩留まりの高い燃料電池セル１０を作製することができる。
【００１４】
前記多孔質支持基板１１の幅方向の中心側にある前記他のガス流路１２の直径は、前記多孔質支持基板１１の厚みに対し３７％以上６５％以下であるのが好ましい。一方、前記多孔質支持基板１１の幅方向の両端にあるガス流路１２の直径は、前記多孔質支持基板１１の厚みに対し３４％以上５０％以下であるのが好ましい。ガス流路１２の直径は、下限値は燃料極へのガス拡散量を多くするという点から設定され、上限は、多孔質支持基板１１の幅方向の中央部、端部における強度を向上するという観点から設定されている。
また、多孔質支持基板１１は、幅方向の中心側に存在する平板部１１ａと、その幅方向の両端部に存在し外面が曲面の半割円柱部１１ｂとを有しており、前記多孔質支持基板１１の幅方向の両端にあるガス流路１２は、半割円柱部１１ｂ、または半割円柱部１１ｂと平坦部１１ａに跨って存在している。半割円柱部１１ｂにより、多孔質支持基板１１の幅方向の両端部における応力集中を抑制することができる。そして、この半割円柱部１１ｂ、または半割円柱部１１ｂと平坦部１１ａに跨って存在して、多孔質支持基板１１の幅方向両端のガス流路１２が存在しているため、多孔質支持基板１１に発電素子を効率的に形成でき、コンパクトで高い発電量のセルを得ることができる。
前記多孔質支持基板１１の幅方向の中心側および両端にあるガス流路１２の直径並びに両端の位置を上記範囲内とすることにより、多孔質支持基板１１の幅方向の部位における強度の差を一層低減し、全体的に均一な強度分布を一層確保することができる。
なお、ガス流路の断面形状は、厳密には円形でない場合もあるが、本発明では、円形でない場合でも、支持基板の厚み方向における最大幅を直径とした。
【００１５】
前記多孔質支持基板１１の幅方向の両端にあるガス流路１２は、前記発電素子１３へのガス供給源として寄与しない場合がある。前記両端のガス流路１２は他のガス流路１２に比べ流路直径が小さいため、多孔質支持基板１１のガス導入口での抵抗が高くなり、前記両端のガス流路１２において圧損が大きくなるので、この流路でのガスの供給が不十分となり良好な発電の妨げとなる。したがって、前記発電素子１３は前記多孔質支持基板１１の幅方向の両端にあるガス流路１２より中心側に配設するのが好ましい。
【００１６】
前記燃料電池セル１０を複数集合して、図２に示すようなセルスタックを組み立てる。このセルスタックの両端に、セルスタックで発生した電力を燃料電池外に取り出すための導電部材（図示せず）を取り付けて、収納容器内に収容して、燃料電池を製作することができる。 この収納容器に空気等の酸素含有ガスを導入し、水素等の燃料ガスを導入管を通して燃料ガスマニホールド５０に導入する。燃料ガスを燃料ガスマニホールド５０を通して燃料電池セル１０内部に導入し、燃料電池セル１０を所定温度に加熱すれば、燃料電池セル１０によって発電することができる。使用された燃料ガス、酸素含有ガスは、燃料電池セル１０の先端部Ｅから排気され、収納容器外に排出される。
【００１７】
図２に示すように、燃料電池セル１０は、セル間接続部材１９を介して互いに電気的に接続されている。
すなわち、セルスタックの下端部において、一方の燃料電池セル１０の下端部に素子間接続部材１７ｂが設けられ、該一方の燃料電池セル１０の空気極層１３ｃと導通している。また、前記素子間接続部材１７ｂは、セル間接続部材１９を介して、他方の燃料電池セル１０の素子間接続部材１７ｂ、１７ａを介して燃料極層１３ａと導通している。一方、各燃料電池セル１０の上端部においては、多孔質支持基板１１の一方の表面の空気極層１３ｃと他方の表面（裏面）の燃料極層１３ａとが素子間接続部材１７を介して接続されている。これにより、一方の多孔質支持基板１１の一方の表面の各発電素子部１３で発生した電流を他方の表面（裏面）の各発電素子部１３へ送ることができる。すなわち、一方の多孔質支持基板１１の表裏面間の発電素子部１３を電気的に直列の接続とすることができる。
このように、セルスタックは、前記した燃料電池セル１０が、セル間接続部材１９を介して互いに電気的に接続されていれば、燃料電池セル１０を密に配置することができるため、発電量当たりのセルスタックの体積を小さくすることができる。そのため、小型で、熱効率の高いセルスタックを提供することができる。
【００１８】
以下、燃料電池セル１０を構成する各部材の材質を詳しく説明する。
（多孔質支持基板）
本発明に係る多孔質支持基板１１は、Ｍｇ酸化物（ＭｇＯ）と、Ｎｉ若しくはＮｉ酸化物（ＮｉＯ）と、希土類元素酸化物とからなっている。なお、希土類元素酸化物を構成する希土類元素としては、Ｙ、Ｌａ、Ｙｂ、Ｔｍ、Ｅｒ、Ｈｏ、Ｄｙ、Ｇｄ、Ｓｍ、Ｐｒなどを例示することができるが、好ましくは、Ｙ2Ｏ3やＹｂ2Ｏ3、特にＹ2Ｏ3である。
【００１９】
ＭｇＯは７０〜８０体積％、希土類元素酸化物は１０〜２０体積％、ＮｉあるいはＮｉＯ（ＮｉＯは、発電時には、通常、水素ガスにより還元されてＮｉとして存在する）は、ＮｉＯ換算で１０〜２５体積％、特に１５〜２０体積％の範囲で多孔質支持基板１１中に含有されているのがよい。
この多孔質支持基板１１の熱膨張係数は、通常、１０．５〜１２．５×１０-6（１／Ｋ）程度である。
【００２０】
多孔質支持基板１１は、発電素子１３間の電気的ショートを防ぐために電気絶縁性であることが必要であり、通常、１０Ω・ｃｍ以上の抵抗率を有することが望ましい。Ｎｉ等の含量が前記範囲を超えると、電気抵抗値が低下し易い。また、Ｎｉ等の含量が前記範囲よりも少ないと、希土類元素酸化物（例えばＹ2Ｏ3）を単独で用いた場合と変わらなくなってしまい、発電素子１３との熱膨張係数の調整が困難となる傾向がある。
【００２１】
なお、前記多孔質支持基板１１は、燃料ガス流路１２内の燃料ガスを活性燃料極層１３ａの表面まで導入可能でなければならず、このため、多孔質であることが必要である。一般に、その開気孔率は２５％以上、特に３０〜４０％の範囲にあるのがよい。
【００２２】
（燃料極層）
燃料極層は、前記式（２）の電極反応を生じさせるものであり、本実施形態においては、固体電解質１３ｂ側の活性燃料極層１３ａと、多孔質支持基板１１側の集電燃料極層２３との二層構造に形成されている。
前記固体電解質１３ｂ側の活性燃料極層１３ａは、それ自体公知の多孔質の導電性セラミックスから形成される。例えば、希土類元素が固溶しているＺｒＯ2（安定化ジルコニア）と、Ｎｉおよび／又はＮｉＯ（以下、Ｎｉ等と呼ぶ）とからなる。この希土類元素が固溶した安定化ジルコニアとしては、後述する固体電解質１３ｂに使用されているものと同様のものを用いるのがよい。
【００２３】
活性燃料極層１３ａ中の安定化ジルコニア含量は、３５〜６５体積％の範囲にあることが好ましく、またＮｉ等の含量は、良好な集電性能を発揮させるため、ＮｉＯ換算で６５〜３５体積％の範囲にあるのがよい。
さらに活性燃料極層１３ａの開気孔率は、１５％以上、特に２０〜４０％の範囲にあるのがよい。
【００２４】
前記活性燃料極層１３ａの熱膨張係数は、通常、１２．３×１０-6（１／Ｋ）程度である。
また、固体電解質１３ｂとの熱膨張差に起因して発生する熱応力を吸収し、活性燃料極層１３ａの割れや剥離などを防止するという点から、活性燃料極層１３ａの厚みは、５〜１５μｍの範囲にあることが望ましい。
燃料極層のうち、前記多孔質支持基板１１側の集電燃料極層２３は、多孔質支持基板１１と同様、Ｎｉ若しくはＮｉ酸化物と、希土類元素酸化物との混合体である。
【００２５】
前記Ｎｉ或いはＮｉ酸化物（ＮｉＯは、発電時には、通常、水素ガスにより還元されてＮｉとして存在する）は、ＮｉＯ換算で３０〜６０体積％の範囲で希土類元素酸化物中に含有されているのがよい。この範囲で調整することにより、多孔質支持基板１１と集電燃料極層２３との熱膨張差を２×１０-6（１／Ｋ）以下とすることができる。集電燃料極層２３は、電流の流れを損なわないように、導電性であることが必要であり、通常、４００Ｓ／ｃｍ以上の導電率を有していることが望ましい。良好な電気伝導度を有するという点から、Ｎｉ等の含量は３０体積％以上が望ましい。
【００２６】
この集電燃料極層２３の熱膨張係数は、通常、１１．５×１０-6（１／Ｋ）程度である。
また、この集電燃料極層２３の厚みは、電気伝導度を向上するという点から、８０μｍ以上であることが望ましい。
以上のように、燃料極を固体電解質１３ｂ側の活性燃料極層１３ａと、多孔質支持基板１１側の集電燃料極層２３と二層に形成した構造であれば、多孔質支持基板１１側の集電燃料極層２３のＮｉＯ換算でのＮｉ量或いはＮｉＯ量を３０〜６０体積％の範囲内で調整することにより、発電素子１３との接合性を損なうことなく、その熱膨張係数を、後述する固体電解質１３ｂの熱膨張係数に近づけることができ、例えば両者の熱膨張差を、２×１０-6／（１／Ｋ）未満とすることができる。したがって、燃料電池セル１０の作製時、加熱時、冷却時において両者の熱膨張差に起因して発生する熱応力を小さくすることができるため、燃料極の割れや剥離などを抑制することができる。このため、燃料ガス（水素ガス）を流して発電を行う場合においても、多孔質支持基板１１との熱膨張係数の整合性は安定に維持され、熱膨張差による割れを有効に回避することができる。
【００２７】
（固体電解質）
固体電解質１３ｂは、希土類またはその酸化物を固溶させたＺｒＯ2からなる安定化ＺｒＯ2からなる緻密質なセラミックスで構成されている。
ここで、固溶させる希土類元素またはその酸化物としては、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕなど、または、これらの酸化物などが挙げられ、好ましくは、Ｙ、Ｙｂ、または、これらの酸化物が挙げられる。また、固体電解質１３ｂは、８モル％のＹが固溶している安定化ＺｒＯ2（８ｍｏｌ％  Yttoria Stabilized Zirconia、以下、「８ＹＳＺ」という。）と熱膨張係数がほぼ等しいランタンガレート系（ＬａＧａＯ3系）固体電解質を挙げることもできる。  また、固体電解質１３ｂは、例えば、厚さが１０〜１００μｍであり、例えば、相対密度（アルキメデス法による）が９３％以上、好ましくは、９５％以上の範囲に設定される。
このような固体電解質１３ｂ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、燃料ガスまたは酸素含有ガスのリーク（ガス透過）を防止するためにガス遮断性を有している。
【００２８】
（空気極層）
空気極層１３ｃは、導電性セラミックスから形成されている。導電性セラミックスとしては、例えば、ＡＢＯ3型のペロブスカイト型酸化物が挙げられ、このようなペロブスカイト型酸化物としては、例えば、遷移金属型ペロブスカイト酸化物、好ましくは、ＬａＭｎＯ3系酸化物、ＬａＦｅＯ3系酸化物、ＬａＣｏＯ3系酸化物など、特にＡサイトにＬａを有する遷移金属型ペロブスカイト酸化物を挙げることができる。さらに好ましくは、６００〜１０００℃程度の比較的低温での電気伝導性が高いという観点から、ＬａＣｏＯ3系酸化物が挙げられる。
また、前記したペロブスカイト型酸化物において、ＡサイトにＬａおよびＳｒが共存してもよく、また、ＢサイトにＦｅ、ＣｏおよびＭｎが共存してもよい。
このような空気極層１３ｃは、前記した式（１）の電極反応を生ずることができる。
また、空気極層１３ｃは、その開気孔率が、例えば、２０％以上、好ましくは、３０〜５０％の範囲に設定される。開気孔率が前記した範囲内にあれば、空気極層１３ｃが良好なガス透過性を有することができる。
また、空気極層１３ｃは、その厚さが、例えば、３０〜１００μｍの範囲に設定される。前記した範囲内にあれば、空気極層１３ｃが良好な集電性を有することができる。
【００２９】
（素子間接続部材）
隣接する発電素子部１３同士を直列に接続するために使用される素子間接続部材１７は、一方の発電素子１３の燃料極層１３ａと隣接する他方の発電素子１３の空気極層１３ｃとを電気的に接続するものであり、第１集電層１７ａと第２集電層１７ｂとから構成され、これらは電気的に接続されている。
第１集電層１７ａは導電性セラミックスから形成されるが、燃料ガス（水素ガス）及び空気等の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。また、絶縁支持基板１１内のガス流路１２を通る燃料ガスと空気極層１３ｃの外部を通る空気等の酸素含有ガスと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（アルキメデス法）を有していることが好適である。なお、第１集電層１７ａの端面と、固体電解質１３ｂの端面との間には、適当な接合層（例えばＹ2Ｏ3）を介在させることにより、シール性を向上させることもできる。
また、第１集電層１７ａとしては、金属層と、ガラスの入った金属ガラス層との二層構造としてもよい。金属層は、例えば、ＡｇとＮｉの合金からなり、金属ガラス層は、Ａｇとガラスからなる。前記金属ガラス層により、多孔質支持基板１１内のガス流路１２を通る燃料ガスの第２集電層へのリーク、および空気極層１３ｃの外部を通る酸素含有ガスの前記金属層へのリークを有効に防止することができる。
一方、第２集電層１７ｂは多孔質とされている。第２集電層１７ｂとしては、ＬａＣｏＯ3系等の導電性セラミック（例えば空気極材料）、Ａｇ−Ｐｄ等の貴金属から構成された多孔質とすることができる。第２集電材料の空気極層１３ｃへの塗布量が少ない場合には第２集電材料が空気極層１３ｃの気孔中に浸入し、層としては形成されない。特に、Ａｇ−Ｐｄ等の貴金属はコスト低減のため塗布量が少ないため、空気極層１３ｃは、空気極層材料とＡｇ−Ｐｄ等の集電材料が混在して構成され、第２集電層は形成されない。一方、ＬａＣｏＯ3系等の導電性セラミックは、塗布量が多く、この場合には空気極層１３ｃ上に第２集電層が形成される。
【００３０】
（製造方法）
次に、前記した横縞型燃料電池セルの製造方法について、図３および図４を参照して、説明する。
まず、支持基板成形体４１を作製する。支持基板成形体４１の材料として、体積基準での平均粒径（Ｄ50）（以下、単に「平均粒径」という。）が０．１〜１０．０μｍのＭｇＯ粉末に、必要により熱膨張係数調整用または接合強度向上用として、Ｎｉ粉末、ＮｉＯ粉末、Ｙ2Ｏ3粉末、または、希土類元素安定化ジルコニア粉末（ＹＳＺ）などを所定の比率で配合して混合し、混合後の熱膨張係数が固体電解質１３ｂのそれとほぼ一致するように調整する。この混合粉末を、ポアー剤と、セルロース系有機バインダーと、水とからなる溶媒と混合し、押し出し成形して、図３に示すように、内部にガス流路４２を有する中空の板状形状で、扁平状の支持基板成形体４１を作製し、これを乾燥後、９００℃〜１１００℃にて仮焼処理する。ガス流路の直径は、押し出し成形時に調整する。
【００３１】
次いで、燃料極層、固体電解質を作製する。まず、例えば、ＮｉＯ粉末、Ｎｉ粉末と、ＹＳＺ粉末とを混合し、これにポアー剤を添加し、アクリル系バインダーとトルエンとを混合してスラリーとし、ドクターブレード法にてスラリーを塗布して乾燥し、厚さ５〜２０μｍの活性燃料極層テープ４３ａを作製する（図４（ａ））。
次に、活性燃料極層テープ４３ａと同様にして、例えば、ＮｉＯ粉末、Ｎｉ粉末と、Ｙ2Ｏ3などの希土類元素酸化物とを混合し、これにポアー剤を添加し、アクリル系バインダーとトルエンとを混合してスラリーとし、ドクターブレード法にてスラリーを塗布して乾燥し、厚さ８０μｍ以上の集電燃料極層テープ４３を作成する。この集電燃料極層テープ４３に前記活性燃料極層テープ４３ａを貼り付ける（図４（ｂ））。当該貼り合わせたテープを発電素子１３の形状にあわせて切断し、絶縁部を形成する部分を打ち抜く（図４（ｃ））。
【００３２】
その後、図４（ｄ）に示すように、活性燃料極層テープ４３ａが貼り付けられた集電燃料極層テープ４３を、前記仮焼した支持基板成形体４１に、横縞状に貼り付ける。これを繰り返し行い、支持基板成形体４１の表面に複数の集電燃料極層テープ４３を貼り付ける。なお、このとき一方の集電燃料極層テープ４３と、他方の集電燃料極層テープ４３とは、幅３〜２０ｍｍの間隔をあけて配置する。
次に、この集電燃料極層テープ４３を貼り付けた状態で乾燥し、その後、９００〜１１００℃の温度範囲で仮焼する（図４（ｄ））。そして、活性燃料極層４３ａの第１集電層４７ａを形成したい部分に、マスキングテープ４８を貼り付ける（図４（ｅ））。
【００３３】
次に、この積層体を、８ＹＳＺにアクリル系バインダーとトルエンを加えてスラリーとした固体電解質溶液に漬けて、固体電解質溶液から取り出す。このディップにより、全面に固体電解質４３ｂの層が塗布されるとともに、前記図４（ｃ）で打ち抜いた空間にも絶縁体である固体電解質４３ｂが充填される。
この状態で、１１５０〜１２００℃、２〜４時間仮焼する。この仮焼中に、マスキングテープ４８とその上に塗布された固体電解質４３ｂの層を除去することができる。（図４（ｆ））。
この後、１４５０〜１５５０℃で２〜８時間焼成する。
【００３４】
次に、ランタンコバルタイト（ＬａＣｏＯ3）とイソプロピルアルコールとを混合したスラリーを印刷し、厚さ１０〜１００μｍの空気極層４３ｃを形成する。そして、９５０〜１１５０℃、２〜５時間焼き付ける（図４（ｇ））。
そして、第１集電層４７ａを形成したい部分にＡｇ／Ｎｉからなる金属層のシートを貼り付け、さらにＡｇとガラスを含む金属ガラス層のシートを貼り付けて（図４（ｇ））、その後、１０００〜１２００℃で熱処理を行う。
最後に、第２集電層４７ｂを所定位置に塗布して、横縞型燃料電池セル１０を得ることができる（図４（ｉ））。
【００３５】
なお、前記した各層の積層方法については、テープ積層、ペースト印刷、ディップ、および、スプレー吹きつけのいずれの積層法を用いてもよい。好ましくは、積層時の乾燥工程が短時間であり、工程の短時間化の観点から、ディップにより各層を積層する。
【００３６】
（他の実施形態）
前記した一実施形態では、前記多孔質支持基板１１の幅方向の両端のガス流路１２の直径を該ガス流路１２より中心側に位置するガス流路１２の直径よりも小さくする構成としたが、図５に示すように、端から中心側にいくほど直径が大きくなるようにしてもよい。これにより、セルにおける部分的な強度差を小さくすることができる。また、本実施形態の構成とすることにより、前記した一実施形態と同様の効果が得られる。なお、図５は、両端のガス流路１２に隣接するガス流路１２のみを中心側の直径よりも小さくした例であるが、これに限定されることはない。また、このとき、両端のガス流路１２を除く中心側のガス流路１２の直径Ｌを、前記多孔質支持基板１１の厚みＴに対し３７％以上６５％以下の範囲で大きくすることが好ましいことはいうまでもない。
【００３７】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、前記の形態に限定されるものではない。例えば、前記の例ではガス流路１２の断面は円形としたが、略円形あるいは楕円形としてもよい。多孔質支持基板１１は、多孔質で絶縁体であればその材質は問わない。さらに、上記形態では、活性燃料極層１３ａと集電燃料極層２３を有する場合について説明したが、活性燃料極層１３ａだけの場合であっても、同様の効果を有する。その他、本発明の範囲内で種々の変更を施すことが可能である。
【００３８】
以下、実施例および比較例を挙げて、本発明の横縞型燃料電池セルをさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例のみに限定されるものではない。
【実施例】
【００３９】
上記した製造方法により、図１に示すような燃料電池セル１０を作製し、その強度について調べた。
前記燃料電池セル１０は、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、幅４０ｍｍ、厚さ（Ｔ）２．８ｍｍ、長さ２００ｍｍの多孔質支持基板１１に、ガス流路１２を１７個設けた。前記ガス流路１２の直径Ｌは、両端部が１．１ｍｍ、両端部以外は１．３ｍｍであった。また、前記ガス流路１２と多孔質支持基板１１表面との最近接距離Ｍは両端部で０．８５ｍｍ、両端部以外では０．７５ｍｍであった。
多孔質支持基板１１は、平板部１１ａの幅方向長さが３７．２ｍｍ、半割円柱部１１ｂの幅方向長さが１．４ｍｍであり、両端部のガス流路１２は、平板部１１ａと半割円柱部１１ｂに跨って存在しており、１７個のガス流路１２の中心位置間は一定間隔２．３２５ｍｍとされている。
前記燃料電池セル１０の幅方向（ガス流路１２の配列方向）の強度分布を調べるために、図６（ａ）に示すように、幅方向に端から中心までを５領域に分けてそれぞれの領域での強度を調べた。なお、強度は５０ＭＰａ以上であることを燃料電池セル１０として適正な基準値とした。すなわち、５０ＭＰａ未満であると、縦割れの生じる確率が非常に高まる。
強度は、下記の方法にて測定した。すなわち、図６（ａ）に示す破線部分でセル長さ方向にカットし、長さ３０ｍｍのテストピースを作製し、ＪＩＳ１６０１に基く３点曲げ強度試験（島津製作所（製）オートグラフ）で測定した。測定結果を、表１に示した。
この燃料電池セル１０を実施例１とし、前記ＬとＭを表１に示す値とした以外、上記実施例と同様にして燃料電池セルを作製し、評価し、表１に記載した。
なお、表１の実施例５については支持基板の厚さを２ｍｍとし、実施例６については支持基板の厚さを３．５ｍｍとした。
【表１】
0005179131.tif 000002
【００４０】
表１に示すように、本発明の範囲内の燃料電池セル１０は、多孔質支持基板１１の幅方向の強度分布が比較的平坦であり、強度差が１０．３ＭＰａ以下であった。しかもすべての領域で５８ＭＰａ以上を確保していた（実施例１〜６）。
これに対して、ガス流路１２の直径をすべて同一とした比較例１〜３では、ガス流路１２の直径を１．０ｍｍおよび１．２ｍｍとした場合（比較例１、２）、強度は高まるが強度分布はばらつきが生じ、それぞれ強度差が１４．７ＭＰａおよび１６ＭＰａを示し、セル内において強度差が大きい部分があり、その境界部分で割れが発生することが判る。ガス流路１２の直径を１．４ｍｍとした場合（比較例３）、強度分布は比較的平坦となるが、端部での強度が５０ＭＰａを下回った。なお、比較例１，２ではガス流路１２の直径が燃料電池セル１０の厚さＴに対して、それぞれ３６％および４２％であり、ガスの供給を十分できないおそれがある。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の横縞型燃料電池セルの一実施形態を示す一部破断斜視図である。
【図２】図１の横縞型燃料電池セルのセルスタックを示す縦断面図である。
【図３】本発明の横縞型燃料電池セルに用いる支持基板成形体の断面図である。
【図４】本発明の燃料電池セルの製造工程図である。
【図５】本発明の横縞型燃料電池セルの他の実施形態の端面を示す説明図である。
【図６】（ａ）は図１の燃料電池セルの端面を示す説明図、（ｂ）は（ａ）の端面の一部を示す説明図である。
【図７】従来の燃料電池セルの構造を示す一部破断斜視図である。
【符号の説明】
【００４２】
１０   燃料電池セル
１１   多孔質支持基板
１２   ガス流路
１３   発電素子（１３ａ：活性燃料極層、１３ｂ：固体電解質、１３ｃ：空気極層）
１７   素子間接続部材（１７ａ：第１集電層、１７ｂ：第２集電層）
２３   集電燃料極層
【図１】
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【図２】
0005179131.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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