(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
３次元網目構造体からなる内側電極（柱状のガス通過孔を有しない）の外面に、該内側電極を取り巻くように環状の固体電解質を設け、該固体電解質の外面に、該固体電解質を取り巻くように環状の外側電極を設けてなり、前記固体電解質により前記内側電極に供給されるガスと前記外側電極に供給されるガスとが遮断されていることを特徴とする燃料電池セル。
【請求項２】
３次元網目構造体からなる内側電極（柱状のガス通過孔を有しない）の表面に、固体電解質、外側電極を順次設けてなるとともに、前記固体電解質及び前記外側電極が形成されていない前記内側電極の表面に、インターコネクタを形成し、前記固体電解質及び前記インターコネクタが前記内側電極を取り囲み、前記内側電極に供給されるガスと前記外側電極に供給されるガスとが遮断されていることを特徴とする燃料電池セル。
【請求項３】
扁平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】
請求項１乃至３のうちいずれかに記載の燃料電池セルを複数集合してなることを特徴とするセルスタック。
【請求項５】
請求項１乃至３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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池セル及びセルスタック並びに燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
次世代エネルギーとして、近年、燃料電池セルのスタックを収納容器内に収容した燃料電池が種々提案されている。
【０００３】
図５は従来の固体電解質型燃料電池セルのセルスタックを示すもので、このセルスタックは、複数の燃料電池セル１（１ａ、１ｂ）を集合させ、一方の燃料電池セル１ａと他方の燃料電池セル１ｂとの間に金属フェルトからなる集電部材５を介在させ、一方の燃料電池セル１ａの内側電極７と他方の燃料電池セル１ｂの外側電極１１とを電気的に直列に接続して構成されていた。
【０００４】
燃料電池セル１（１ａ、１ｂ）は、円筒状の内側電極７の外周面に、固体電解質９、外側電極１１を順次設けて構成されており、固体電解質９、外側電極１１から露出した内側電極７には、外側電極１１に接続しないようにインターコネクタ１３が設けられている。
【０００５】
このインターコネクタ１３は、内側電極７のガス通過孔１５を流れるガスと、外側電極１１の外側を流れるガスとを確実に遮断するため、また、燃料ガス及び酸素含有ガスで変質しにくい緻密な導電性セラミックスが用いられている。
【０００６】
一方の燃料電池セル１ａと他方の燃料電池セル１ｂとの電気的接続を具体的に説明すると、一方の燃料電池１ａの内側電極７を、該内側電極７に設けられたインターコネクタ１３、集電部材５を介して、他方の燃料電池セル１ｂの外側電極１１に接続することにより行われていた。
【０００７】
図６は、扁平状の固体電解質型燃料電池セルのセルスタックを示すもので、このセルスタックは、複数の燃料電池セル２３（２３ａ、２３ｂ）を集合させ、一方の燃料電池セル２３ａと他方の燃料電池セル２３ｂとの間に金属フェルトなどからなる集電部材２５を介在させ、一方の燃料電池セル２３ａの内側電極２７と他方の燃料電池セル２３ｂの外側電極２８とを電気的に接続して構成されていた。
【０００８】
燃料電池セル２３（２３ａ、２３ｂ）は、扁平状の内側電極２７の外周面に、固体電解質２９、外側電極２８を順次設けて構成されており、固体電解質２９、外側電極２８から露出した内側電極２７には、外側電極２８に接続しないようにインターコネクタ３０が設けられている。内側電極２７内には複数のガス通過孔３２が形成されている。
【０００９】
一方の燃料電池セル２３ａと他方の燃料電池セル２３ｂとの電気的接続は、一方の燃料電池セル２３ａの内側電極２７を、該内側電極２７に設けられたインターコネクタ３０、集電部材２５を介して、他方の燃料電池セル２３ｂの外側電極２８に接続することにより行われていた。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した図５及び図６の燃料電池セルでは、内部にガス通過孔１５、３２が形成されており、例えば内側電極７、２７を燃料側電極、外側電極１１、２８を酸素側電極とする場合には、押出成形で内側電極７、２７を形成し、外側電極１１、２８、インターコネクタ１３、３０をセラミックスで形成する必要があり、焼成工程を経て作製する必要があるため、製造中に変形やクラックが発生し易く、また得られた燃料電池セル１、２３の強度が低いという問題があった。
【００１１】
特に、図６の扁平状の固体電解質型燃料電池セル２３では、支持体である内側電極２７が薄いため、製造工程中に変形やクラックが発生し易く、また得られた燃料電池セル２３の強度も低いという問題があった。
【００１２】
また、内側電極７、２７にはガス通過孔１５、３２が形成されているため、ガスは固体電解質９、２９表面への供給よりもガス通過孔１５、３２を通過し易く、ガスを有効に利用していないという問題があった。
【００１３】
さらに、支持体である内側電極７、２７の厚みを厚くすることにより、燃料電池セル１、２３の変形やクラックを抑制することができるが、燃料電池セル１、２３が大型化し、燃料電池が大型化するという問題があった。また、内側電極７、２７の厚みが厚いため、固体電解質９、２９へのガス供給量がさらに減少するという問題があった。
【００１４】
本発明は、製造中における変形やクラックの発生を抑制できるとともに、強度が大きく、ガスを有効利用できる燃料電池セル及びセルスタック並びに燃料電池を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池セルは、３次元網目構造体からなる内側電極（柱状のガス通過孔を有しない）の外面に、該内側電極を取り巻くように環状の固体電解質を設け、該固体電解質の外面に、該固体電解質を取り巻くように環状の外側電極を設けてなり、前記固体電解質により前記内側電極に供給されるガスと前記外側電極に供給されるガスとが遮断されていることを特徴とする。また、３次元網目構造体からなる内側電極（柱状のガス通過孔を有しない）の表面に、固体電解質、外側電極を順次設けてなるとともに、前記固体電解質及び前記外側電極が形成されていない前記内側電極の表面に、インターコネクタを形成し、前記固体電解質及び前記インターコネクタが前記内側電極を取り囲み、前記内側電極に供給されるガスと前記外側電極に供給されるガスとが遮断されていることを特徴とする。このような燃料電池セルでは、支持体である内側電極が３次元網目構造体であり、従来のように円柱状の空間（ガス通過孔）が形成されておらず、連続気孔が形成されているため、内側電極の強度が大きく、製造工程中における変形やクラックの発生を抑制でき、得られた燃料電池セルも強度が大きい。
【００１６】
また、本発明の燃料電池セルでは、従来のようにガスが主としてガス通過孔を流れるのではなく、内側電極を形成する３次元網目構造体の連続気孔中を流れるため、固体電解質表面への供給量を増加でき、燃料ガスを有効利用できる。
【００１７】
また、本発明の燃料電池セルは扁平状であることが望ましい。このような扁平状の燃料電池セルでは内側電極の厚みが薄く、製造工程中における変形やクラックが発生し易く、得られた燃料電池セルの強度も低くなり易いため、本発明を好適に用いることができる。
【００１８】
また、このような扁平状の燃料電池セルでは、セルを大型化（幅を広く）して燃料電池セル１本当たりの発電量を増加できるが、このようにセルを大型化したとしても、所定量発電するために必要なスタック容積を従来よりも小さくでき、これにより燃料電池をコンパクト化できるとともに、必要とされる被加熱部容積を減少でき、起動時や定常運転時にセル加熱用として用いるエネルギーを最小限とでき、起動を早くできるとともに、発電効率を向上できる。
【００１９】
さらに、本発明の燃料電池セルは、内側電極の外面に、該内側電極を取り巻くように環状の固体電解質を設け、該固体電解質の外面に、該固体電解質を取り巻くように環状の外側電極を設けて構成される場合や、固体電解質及び外側電極が形成されていない内側電極の表面に、インターコネクタが形成されている場合に用いられる。
【００２０】
内側電極の外周面に環状の固体電解質、外側電極を順次形成し、インターコネクタを形成しない形状とすることにより、製造が容易であり、また、セル全周を発電部とすることができ、セル全周を有効に用いて発電させ、燃料電池セル１本当たりの発電量が増加し、その結果、所定発電量当たりに必要となるセル数を減少させることができる。また、セル本数が減少することに伴い、セル間の接続の総数が減少することになり故障発生の原因となりうる接続部の総数を減らすことができるため信頼性が向上する。
【００２１】
本発明のセルスタックは、上記燃料電池セルを複数集合してなるものである。このようなセルスタックでは、燃料電池セルが、上記したように、製造中における変形やクラックの発生を抑制できるとともに、強度が大きく、燃料ガスを有効利用できるため、セルスタックの破損を抑制でき、発電効率を向上できる。
【００２２】
また、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ものである。このような燃料電池では、長期間信頼性を向上できるとともに、発電効率を向上できる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の燃料電池セルを示すもので、（ａ）は横断面図、（ｂ）は斜視図である。本発明の燃料電池セル３４はインターコネクタレス形状で扁平状とされており、扁平状で多孔質な金属を主成分とする燃料側電極（内側電極）３５の外周面全面に、緻密質な固体電解質３７を形成し、この固体電解質３７の外周面全面に多孔質な導電性セラミックスからなる酸素側電極（外側電極）３９を順次積層して構成されており、燃料側電極３５が支持体となっている。
【００２４】
即ち、燃料電池セル３４は、扁平状の燃料側電極３５の外面に、この燃料側電極３５を取り巻くように環状の固体電解質３７を設け、この固体電解質３７の外面に、固体電解質３７を取り巻くように環状の酸素側電極３９を設けて構成されている。
【００２５】
燃料側電極３５は３次元網目構造からなり、その軸長方向に連続気孔が形成され、燃料ガスが通過可能とされている。燃料ガスの流通量は、連続気孔量や気孔の大きさによって制御できる。
【００２６】
燃料側電極３５は、例えばＮｉからなり、３次元網目構造を有している。このような金属からなる３次元網目構造は、例えば、３次元網目構造を有する樹脂にＮｉを主成分とするペーストを含浸させ、加熱処理することにより得ることができるが、このような金属からなる３次元網目構造体は、既に市販されているものも使用できる。
【００２７】
尚、燃料電池を作製する場合は、セルを支持固定する必要があるが、この支持固定される部分については、酸素側電極３９を形成しなくても良い。
【００２８】
燃料側電極３５は、ほぼ平行に対向するように設けられた一対の平坦部３５ａと、幅方向両端に設けられ、一対の平坦部３５ａの端部同士を滑らかに連結する弧状部３５ｂとから構成されており、これらの弧状部３５ｂは外方へ向けて突出する円弧状とされている。
【００２９】
燃料電池セル３４は、燃料側電極３５の形状に応じて、外形形状が、ほぼ平行に形成された一対の平坦部３４ａと、これらの平坦部３４ａの両端にそれぞれ形成され、一対の平坦部３４ａの端部同士を連結する弧状部３４ｂとから構成されている。
【００３０】
図２は本発明の他の燃料電池セル４９を示すもので、この燃料電池セル４９では、燃料側電極５１の外周面全面に固体電解質５３が形成され、この固体電解質５３の軸長方向における一部の外周面に、環状の酸素側電極５５が形成されている以外は、図１と同様の構造を有している。従って、燃料電池セル４９の一方側端から燃料側電極５１、固体電解質５３が突出している。尚、符号４９ａは燃料電池セル４９の平坦部、４９ｂは燃料電池セル４９の弧状部を示している。
【００３１】
燃料側電極３５、５１は、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｒｕのうちいずれか一種の金属又は金属酸化物、もしくはこれらの合金又は合金酸化物を主成分とするものであり、これら以外に、外面の固体電解質３７、５３への接合強度を向上し、固体電解質３７、５３の熱膨張係数に近似させるため、固体電解質材料を含有することが望ましい。金属又は金属酸化物としては、コストの観点からＮｉ又はＮｉＯが望ましい。尚、燃料側電極３５、４１を金属酸化物で形成した場合には、還元雰囲気で還元して発電することになる。
【００３２】
上記した図１及び図２の燃料電池セル３４、４９の短径Ｒ１と長径Ｒ２の比率Ｒ２／Ｒ１は２以上であることが望ましい。これにより、所定量発電するために必要なセル本数を減少できる。特に、Ｒ２／Ｒ１は４以上、さらには８以上であることが望ましい。
【００３３】
尚、燃料電池セル３４、４９は、上記したように、一対の平坦部３４ａ、４９ａと、これらの平坦部３４ａ、４９ａの両端を滑らかに連結する弧状部３４ｂ、４９ｂとからなる扁平な楕円状に形成されているため、一対の平坦部３４ａ、４９ａ間の距離を短径Ｒ１とし、この短径Ｒ１に直交する方向の長さで最大距離を長径Ｒ２とした。
【００３４】
燃料電池セルの短径Ｒ１は１０ｍｍ以下であることが望ましい。これにより、燃料電池セルの容積を小さくでき、体積当たりの出力密度を向上できる。特に、８ｍｍ以下、さらには６ｍｍ以下が望ましい。
【００３５】
この燃料側電極３５、５１の外面に設けられた固体電解質３７、５３は、３〜１５モル％のＹ、希土類元素を含有した部分安定化あるいは安定化ＺｒＯ2からなる緻密質なセラミックスが用いられている。燃料側電極３５、５１と固体電解質３７、５３との間には、接合強度を向上するため緻密層からなる接合層を介在させても良い。この固体電解質３７、５３の厚みは、ガス透過を防止するという点から１０〜１００μｍであることが望ましい。
【００３６】
酸素側電極３９、５５は、ＬａＭｎＯ3系材料、ＬａＦｅＯ3系材料、ＬａＣｏＯ3系材料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３９、５５は、６００〜１０００℃程度の比較的低温での電気伝導性が高いという点からＬａＦｅＯ3系材料が望ましい。酸素側電極３９、５５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。
【００３７】
図３は、本発明の他の燃料電池セル６３を示すもので、この燃料電池セル６３は断面が扁平状で、全体的に見て楕円柱状とされている。この燃料電池セル６３は、断面が扁平状で、全体的に見て楕円柱状の金属を主成分とする３次元網目構造の燃料側電極（内側電極）６４の外面に、緻密質な固体電解質６５、多孔質な導電性セラミックスからなる酸素側電極（外側電極）６６を順次積層し、酸素側電極６６と反対側の燃料側電極６４の外面にインターコネクタ６７を形成して構成されており、燃料側電極６４が支持体となっている。
【００３８】
即ち、燃料電池セル６３は、断面形状が、幅方向両端に設けられた弧状部と、これらの弧状部を連結する一対の平坦部とから構成されており、一対の平坦部は平坦であり、ほぼ平行に形成されている。これらの一対の平坦部は、燃料側電極６４の平坦部にインターコネクタ６７、又は固体電解質６５、酸素側電極６６を形成して構成されている。
【００３９】
以上のような燃料電池セルの製造方法について説明する。先ず、所定の気孔径を有するＮｉＯを主成分とする３次元網目構造体を準備し、これを燃料側電極とする。この３次元網目構造体からなる燃料側電極は、例えば、スポンジ状の樹脂体を作製し、この樹脂体に、ＮｉＯ粉末と、Ｙを含有したＺｒＯ2（ＹＳＺ）粉末と、溶媒とを混合したペーストを含浸塗布し、加熱処理してＮｉＯを主成分とする３次元網目構造体からなる燃料側電極を作製する。
【００４０】
次に、図３に示す燃料電池セルの場合、例えば、ＹＳＺ粉末と、有機バインダーと、溶媒とを混合した、固体電解質材料を用いてシート状成形体を作製し、このシート状成形体を、燃料側電極上に、その両端間が所定間隔をおいて離間するように巻き付け、乾燥する。
【００４１】
この後、例えば、ＬａＣｒＯ3系材料と、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成形体を作製し、このシート状成形体を、露出した燃料側電極の外面に積層し、燃料側電極に固体電解質のシート状成形体、インターコネクタのシート状成形体が積層された積層成形体を作製する。
【００４２】
次に、この積層成形体を脱バインダ処理し、酸素含有雰囲気中で１３００〜１６００℃で同時焼成し、この積層体を、例えば、ＬａＦｅＯ3系材料と、溶媒を含有するペースト中に浸漬し、固体電解質の表面に酸素側電極成形体をディッピングにより形成し、１０００〜１３００℃で焼き付けることにより、本発明の図３に示す燃料電池セルを作製できる。
【００４３】
このような燃料電池セル６３を用いたセルスタックを図４に示す。このセルスタックは、図４に示すように、燃料電池セル６３を複数集電部材７１を介して接続してセル列を作製し、これらを３列に整列し、隣設した２列の最外部の燃料電池セル６３の電極同士が導電部材７３で接続され、これにより３列に整列した複数の燃料電池セル６３が電気的に直列に接続している。
【００４４】
本発明の燃料電池は、上記したセルスタックが収納容器内に収容されて構成されている。即ち、収納容器には、セルスタックに酸素含有ガス（空気）を導入する供給管、燃料ガスを導入する供給管が配置されており、酸素含有ガスを燃料電池セルの酸素側電極に沿って流すとともに、燃料ガスを燃料側電極に沿って流し、例えば６００〜１０００℃程度に加熱することにより燃料電池セルが発電を開始する。
【００４５】
尚、図１に示す燃料電池セルの場合には、固体電解質材料からなるシート状成形体を、燃料側電極３５上に、その両端間が離間しないように巻き付け、乾燥した後、焼成し、この積層体を、例えば、ＬａＦｅＯ3系材料と、溶媒を含有するペースト中に浸漬し、固体電解質の表面に酸素側電極成形体をディッピングにより形成し、焼き付けることにより、本発明の図１に示す燃料電池セルを作製できる。
【００４６】
以上のように構成された燃料電池セルは、従来のようにガスが主としてガス通過孔を流れるのではなく、燃料側電極３５、５１、６４を形成する３次元網目構造体の連続気孔中を流れるため、固体電解質３７、５３、６５表面への供給量を増加でき、燃料ガスを有効利用できる。
【００４７】
また、図１、図２に示す燃料電池セルでは、扁平状の燃料側電極３５、５１の外面に、この燃料側電極３５、５１を取り巻くように環状の固体電解質３７、５３を設け、この固体電解質３７、５３の外面に、固体電解質３７、５３を取り巻くように環状の酸素側電極３９、５５を設け、燃料側電極３５、５１の外周面に環状の固体電解質３７、５３、酸素側電極３９、５５を形成し、インターコネクタを形成しない形状としたので、製造が容易であり、また、セル全周を発電部とすることができ、セル全周を有効に用いて発電させ、燃料電池セル１体当たりの発電量が増加し、その結果、所定量の発電量を得るために必要となるセル数を減少させることができる。
【００４８】
また、セル本数が減少することに伴い、セル間の接続の総数が減少することになり、故障発生の原因となりうる接続部数を減らすことができるため実装信頼性を向上できる。
【００４９】
さらに、扁平状の燃料側電極３５、５１に固体電解質３７、５３、酸素側電極３９、５５を形成し、扁平状のセルを形成することにより、所定量発電するために必要なスタック容積を従来よりも小さくでき、必要とされる被加熱部容積を減少でき、起動時や定常運転時にセル加熱用として必要なエネルギーを小さくできる。
【００５０】
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、酸素側電極を内側電極としても良い。
【００５１】
【発明の効果】
本発明の燃料電池セルでは、支持体である内側電極が３次元網目構造体であり、従来のように円柱状の空間（ガス通過孔）が形成されておらず、均一な連続気孔が形成されているため、内側電極の強度が大きく、製造工程中における変形やクラックの発生を抑制でき、得られた燃料電池セルも強度が大きい。また、従来のようにガスが主としてガス通過孔を流れるのではなく、内側電極を形成する３次元網目構造体の連続気孔中を流れるため、固体電解質表面への供給量を増加でき、燃料ガスを有効利用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のインターコネクタレス型の燃料電池セルを示すもので、（ａ）は横断面図、（ｂ）は斜視図である。
【図２】燃料側電極、固体電解質が突出している本発明のインターコネクタレス型の燃料電池セルを示す斜視図である。
【図３】インターコネクタを有する本発明の燃料電池セルを示す断面図である。
【図４】図３に示す燃料電池セルを用いて作製した本発明のセルスタックを示す横断面図である。
【図５】インターコネクタを有する円筒状の燃料電池セルを複数接続した従来のセルスタックを示す横断面図である。
【図６】インターコネクタが形成された扁平状の燃料電池セルを複数直列に接続した従来のセルスタックを示す横断面図である。
【符号の説明】
３４、４９、６３・・・燃料電池セル
３５、５１、６４・・・燃料側電極（内側電極）
３７、５３、６５・・・固体電解質
３９、５５、６６・・・酸素側電極（外側電極）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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