(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
多数の貫通孔が軸長方向に形成された一体型ハニカム状の内側電極の外面に、固体電解質、外側電極を順次形成してなるとともに、前記内側電極の貫通孔の孔径が、中央部よりも前記固体電解質側が大きく、ガスが前記内側電極の中央部よりも前記固体電解質側を多く流れることを特徴とする燃料電池セル。
【請求項２】
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外面にインターコネクタが形成されてい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】
内側電極が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が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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発電性能が良好な燃料電池セル及びその製法並びにセルスタック、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４は、従来の固体電解質型燃料電池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の燃料側電極７と他方の燃料電池セル１ｂの酸素側電極１１とを電気的に接続して構成されていた。
【０００４】
燃料電池セル１（１ａ、１ｂ）は、円筒状の金属からなる燃料側電極７の外周面に、固体電解質９、導電性セラミックスからなる酸素側電極１１を順次設けて構成されており、固体電解質９、酸素側電極１１から露出した燃料側電極７には、酸素側電極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、燃料側電極７のガス通過孔１５を流れる燃料ガス（水素）と、酸素側電極１１の外側を流れる酸素含有ガス（空気）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に曝されても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との電気的接続は、一方の燃料電極１ａの燃料側電極７を、該燃料側電極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の酸素側電極１１に接続することにより行われていた。
【０００７】
燃料電池は、上記セルスタックを収納容器内に収容して構成され、燃料側電極７内部に燃料（水素）を流し、酸素側電極１１に酸素含有ガス（空気）を流して６００〜１０００℃で発電される。
【０００８】
燃料電池セル１で発電された電流は、他方の燃料電池セル１ｂの酸素側電極１１ｂから一方の燃料電池セル１ａの燃料側電極７に流れる。
【０００９】
また、従来、図５に示すように、燃料電池セル２１を、複数の貫通孔２３を有する電極基体２４の外面に、固体電解質２６、外側電極２８を形成して構成することが知られている（特開平５−３６４１７号公報等参照）。貫通孔２３は、平板状の電極基体２４の幅方向に所定間隔を置いて形成されている。尚、符号２９はインターコネクタである。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上記した図４の燃料電池セル１では、円筒状の燃料側電極７の内部には一つのガス通過孔１５が形成されており、その内部を燃料ガスが流れるが、ガス通過孔１５内の燃料ガスは、流体力学上、燃料側電極７の内面での流通量はガス通過孔１５中央部よりも少なく、固体電解質９への燃料ガス供給量が未だ低く、燃料ガスを有効に利用していないという問題があった。
【００１１】
また、上記した図５の燃料電池セル２１でも、図４の燃料電池セル１の場合と同様、燃料ガスは、貫通孔２３中心部を通過し、上記と同様、固体電解質２６への燃料ガス供給量が未だ低く、燃料ガスを有効に利用していないという問題があった。
【００１２】
さらに図５の燃料電池セル２１では、電極基体２４が水素等が流れる燃料側電極である場合、金属酸化物で電極基体２４を作製し、後で還元して金属化されるが、貫通孔２３間、または貫通孔２３と固体電解質２６との間の距離が長く、即ち、電極厚みが厚いため、また、上記したように燃料ガスが貫通孔２３の中央部を流通するため、電極基体２４が還元され難く、電子伝導度が低くなる傾向があり、発電性能を十分に発揮できないという問題があった。
【００１３】
本発明は、内側電極における電子伝導度を高くできるとともに、内側電極の貫通孔を通過するガスを有効利用できる燃料電池セル及びその製法並びにセルスタック、燃料電池を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池セルは、多数の貫通孔が軸長方向に形成された一体型ハニカム状の内側電極の外面に、固体電解質、外側電極を順次形成してなるとともに、前記内側電極の貫通孔の孔径が、中央部よりも前記固体電解質側が大きく、ガスが前記内側電極の中央部よりも前記固体電解質側を多く流れるものです。
【００１５】
このような燃料電池セルでは、ガスは内側電極の貫通孔内を流れるが、内側電極には孔径の小さな貫通孔がランダムに多数形成された一体型ハニカム状とされているため、内側電極内部を通過するガスが拡散され、内側電極から固体電解質表面への供給量を増加でき、内側電極内部に供給されるガスを有効利用でき、発電性能を向上できる。
【００１６】
また、発電電流は内側電極の貫通孔間を流れるため、電流経路を短くでき、内部抵抗を小さくでき、電圧勾配を小さくすることができる。
【００１７】
さらに、内側電極が水素等が流れる側に形成された燃料側電極である場合、内側電極の貫通孔内に還元ガスを流通させ、内側電極を還元させて金属化させるが、上記したように、内側電極内部を通過する還元ガスを拡散して流すことができるため、内側電極の還元が確実にかつ短時間になされ、内側電極の電子伝導度を短時間でかつ確実に向上でき、発電性能を十分に発揮することができる。
【００１８】
また、本発明の燃料電池セルでは、内側電極の貫通孔の孔径は、中央部よりも固体電解質側が大きくされている。これにより、発電に寄与しない内側電極の中央部を流れるガスよりも、内側電極の固体電解質側を流れるガス量が多くなり、燃料電池セルへのガス供給量を同一とするならば、内側電極から固体電解質表面への供給量を増加でき、内側電極内部に供給されるガスを有効利用でき、発電性能をさらに向上できる。
【００１９】
また、本発明の燃料電池セルでは、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外面にインターコネクタが形成されていることを特徴とする。このような場合には、内側電極の貫通孔間を流れる電流を、インターコネクタを介して取り出すことができ、電流経路を短くして内部抵抗を小さくできる。
【００２０】
また、本発明の燃料電池セルでは、内側電極が扁平状であることが望ましい。内側電極が扁平状である場合には、電極の周方向の距離が長いため、内側電極の対向する部分間の電流経路が長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。
【００２１】
本発明の燃料電池セルの製法は、内側電極の外面に、固体電解質、外側電極を順次形成してなる燃料電池セルの製法であって、前記内側電極が、貫通孔が軸長方向に形成された複数のチューブ状成形体を、その側面同士が当接するように束ね、焼成して得られることを特徴とする。
【００２２】
このような燃料電池セルの製法によれば、貫通孔が軸長方向に形成された複数のチューブ状成形体を、その側面同士が当接するように束ねて内側電極成形体を作製し、この内側電極成形体の外面に、例えば、固体電解質成形体、外側電極成形体を作製し、同時焼成することにより、多数の貫通孔が軸長方向に形成された一体型ハニカム状の内側電極を有する燃料電池セルを容易に作製できる。
【００２３】
本発明のセルスタックは、上記燃料電池セルが複数集合してなるものである。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容してなるものである。このような燃料電池では、燃料電池セルが、電極における内部抵抗を小さくできるとともに、内側電極の貫通孔を通過するガスを有効利用できるため、発電量を大きくすることができるとともに、燃料使用量を低減できる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の燃料電池セルの斜視図を示すもので、燃料電池セルは扁平状とされている。この燃料電池セルは、扁平状の多孔質な金属を主成分とする燃料側電極２１（内側電極）の一方側の外面に、緻密質な固体電解質２３、多孔質な導電性セラミックスからなる酸素側電極２５（外側電極）を順次積層し、燃料側電極２１の他方側の外面にインターコネクタ２７を積層して構成されており、燃料側電極２１が支持体となっている。
【００２５】
燃料電池セルは断面が扁平で、全体的に見て楕円柱状であり、その内部には多数の貫通孔２８が軸長方向（長さ方向）に形成されている。即ち、燃料電池セルは、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２１の平坦部にインターコネクタ２７、又は固体電解質２３、酸素側電極２５を形成して構成されている。
【００２６】
尚、燃料側電極２１は扁平状である必要はなく、円柱状、楕円柱状であっても良く、四角柱状であっても良いが、扁平状である場合には発電する面積を増加させることができ、所定容積当たりの発電量を向上できる。また、燃料側電極２１の貫通孔２８の断面形状は円形だけでなく、楕円形、四角形等何れでも良い。
【００２７】
燃料側電極２１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２３への接合強度を向上し、固体電解質２３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。
【００２８】
燃料側電極２１の外面に設けられた固体電解質２３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２１と固体電解質２３との間には、燃料側電極２１との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２３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。
【００２９】
また、酸素側電極２５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２５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２５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。
【００３０】
そして、燃料側電極２１外面の一部には、その軸長方向に固体電解質２３及び酸素側電極２５が形成されていない部分を有しており、この露出した燃料側電極２１の外面には、導電性セラミックスからなるインターコネクタ２７が形成されている。
【００３１】
このインターコネクタ２７の厚みは、緻密性と電気抵抗という点から３０〜２００μｍであることが望ましい。インターコネクタ２７は、ＬａＣｒＯ3系材料の導電性セラミックスから構成されている。インターコネクタ２７は、燃料側電極２１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質とされており、また、インターコネクタ２７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。
【００３２】
このインターコネクタ２７の端面と固体電解質２３の端面との間には、シール性を向上すべく接合層を介在させても良い。
【００３３】
そして、本発明の燃料電池セルでは、図１に示すように、燃料側電極２１は、多数の貫通孔２８が軸長方向に形成された一体型ハニカム状とされている。この貫通孔２８の孔径は１ｍｍ以下とされている。このように孔径が小さいため、燃料側電極２１を流れるガスを十分に拡散できる。特に、貫通孔２８の孔径は、２０〜５００μｍであることが望ましい。
【００３４】
また、貫通孔２８の孔径は、図２に示すように、燃料側電極２１の中央部２１ａと、その周囲の外周部２１ｂとは異なっており、中央部２１ａの孔径よりも外周部２１ｂが大きく形成され、貫通孔２８の孔径は、燃料側電極２１の中央部２８ａよりも固体電解質２３側が大きくされている。これにより、発電に寄与しない燃料側電極２１の中央部２１ａを流れるガスよりも、燃料側電極２１の固体電解質２３側に設けられた外周部２１ｂを流れるガス量が多くなり、燃料電池セルへのガス供給量を同一とするならば、燃料側電極２１から固体電解質２３表面への供給量を増加でき、燃料側電極２１に供給されるガスを有効利用でき、発電性能をさらに向上できる。
【００３５】
中央部２１ａの貫通孔２８の径は、その近傍を還元して金属化できる程度の燃料ガス量を供給できる程度の径とされている。
【００３７】
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、例えば、ＮｉＯ粉末と、Ｙを含有したＺｒＯ2（ＹＳＺ）粉末と、有機バインダー及び有機溶媒とを混合した燃料側電極材料を押出成形して、貫通孔が軸長方向に形成された多数のチューブ状成形体を作製する。
【００３８】
この後、多数のチューブ状成形体を、その側面同士が当接するように束ねて加圧成形し、図１に示したような扁平状の燃料側電極成形体を作製する。
【００３９】
次に、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、燃料側電極成形体上に、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。
【００４０】
この後、例えば、ＬａＣｒＯ3系材料と、有機バインダー及び有機溶媒とを混合した、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成形体の外面に積層し、燃料側電極成形体の外面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。
【００４１】
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、図１の本発明の燃料電池セルを作製できる。尚、ＮｉＯを主成分とする燃料側電極２１は、発電前に還元したり、或いは発電中に還元される。
【００４２】
尚、上記方法では、一旦チューブ状成形体を作製し、燃料側電極成形体を作製した後、この燃料側電極成形体の外面にシート状成形体を積層したが、例えば、サーキュライダ、マルチマニホールドダイ、フィードブロックダイを用いた押出成形機によって、チューブ状成形体、燃料側電極成形体の作製、シート状成形体の積層を一度に行うこともできる。
【００４３】
また、上記形態では、焼結体上に酸素側電極２５をディップ法により形成し、焼き付けて形成したが、酸素側電極２１を形成するためのシート状成形体を、固体電解質２３を形成するためのシート状成形体上に積層し、同時焼成して形成することもできる。
【００４４】
さらに、燃料側電極成形体の上面にシート状成形体を積層した例について説明したが、ディップ法により固体電解質２３、酸素側電極２５、インターコネクタ２７を形成しても良い。
【００４５】
尚、上記形態では、燃料側電極２１にインターコネクタ２７を形成したが、インターコネクタを形成せず、固体電解質２３、酸素側電極２５を全周面に形成しても良い。また、上記形態では、燃料側電極２１を内側電極としたが、酸素側電極２５を内側電極としても良い。
【００４６】
以上のように構成された燃料電池セルでは、貫通孔２８内に、例えば水素からなる燃料ガスを供給し、酸素側電極２５側に、例えば空気を供給することにより、発電することになる。
【００４７】
そして、本発明の燃料電池セルでは、燃料ガスが燃料側電極２１の多数の貫通孔２８を通過するため、燃料ガスが燃料側電極２１を拡散して流れ、固体電解質２３側への供給量を多くでき、発電特性を向上できるとともに、電流は貫通孔２８間を介してインターコネクタ２７に流れるため、電流経路を短くでき、内部抵抗を小さくできる。さらに、燃料側電極２１が一体型ハニカム構造であるため、燃料側電極構造の強度を向上できる。
【００４８】
本発明のセルスタックは、図３に示すように、上記した燃料電池セル３３が複数集合してなり、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３５を介在させ、一方の燃料電池セル３３の燃料側電極２１を、該燃料側電極２１に設けられたインターコネクタ２７、集電部材３５を介して他方の燃料電池セル３３の酸素側電極２５に電気的に接続して構成されている。集電部材３５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。
【００４９】
セルスタックは、複数の燃料電池セル３３を３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４１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３３が電気的に直列に接続している。
【００５０】
本発明の燃料電池は、図３のセルスタックを収納容器内に収容して構成されている。
【００５１】
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。
【００５２】
【発明の効果】
本発明の燃料電池セルは、ガスは内側電極の貫通孔内を流れるが、内側電極には孔径の小さな貫通孔が多数ランダムに形成された一体型ハニカム状とされているため、内側電極内部を通過するガスが拡散され、内側電極から固体電解質表面への供給量を増加でき、内側電極内部に供給されるガスを有効利用でき、発電性能を向上できる。そして、内側電極の貫通孔の孔径は、中央部よりも固体電解質側が大きくされ、発電に寄与しない内側電極の中央部を流れるガスよりも、内側電極の固体電解質側を流れるガス量が多くなるため、燃料電池セルへのガス供給量を同一とするならば、内側電極から固体電解質表面への供給量を増加でき、内側電極内部に供給されるガスを有効利用でき、発電性能をさらに向上できる。
【００５３】
また、発電電流は内側電極の貫通孔間を流れるため、電流経路を短くでき、内部抵抗を小さくでき、電圧勾配を小さくすることができる。
【００５４】
さらに、内側電極が水素等が流れる側に形成された燃料側電極である場合、内側電極の貫通孔内に還元ガスを流通させ、内側電極を還元させて金属化させるが、上記したように、内側電極内部を通過する還元ガスを拡散して流すことができるため、内側電極の還元が確実にかつ短時間になされ、内側電極の電子伝導度を短時間でかつ確実に向上でき、発電性能を十分に発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池セルを示す斜視図である。
【図２】図１を拡大して示す断面図である。
【図３】本発明のセルスタックを示す横断面図である。
【図４】従来のセルスタックを示す横断面図である。
【図５】従来の固体電解質型燃料電池セルを示す斜視図である。
【符号の説明】
２１・・・燃料側電極（内側電極）
２１ａ・・・燃料側電極の中央部
２３・・・固体電解質
２５・・・酸素側電極（外側電極）
２７・・・インターコネクタ
２８・・・貫通孔
３３・・・燃料電池セル
【図１】
0003898543.tif 000002
【図２】
0003898543.tif 000003
【図３】
0003898543.tif 000004
【図４】
0003898543.tif 000005
【図５】
0003898543.tif 000006