(57)【要約】【課題】支持基板と燃料極との境界部分に介挿された中間層でのクラックの発生を抑制できる燃料電池を提供すること。【解決手段】この燃料電池では、支持基板１０が、酸化マグネシウムＭｇＯと第１酸化物セラミックスとを含んで構成される。燃料極２０が、ニッケルＮｉと第２酸化物セラミックスとを含んで構成される。支持基板１０と燃料極２０との境界部分に中間層１５が介在する。この中間層１５は、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）と酸化ニッケル（ＮｉＯ）との固溶体である（Ｍｇ，Ｎｉ）Ｏと、第１酸化物セラミックスと、第２酸化物セラミックスと、を含む。常温にて、中間層１５における支持基板１０との界面近傍にて前記界面に沿って圧縮応力が作用する場合、中間層１５の厚さは３．０〜７５μｍであり、前記界面に沿って引張応力が作用する場合、中間層１５の厚さは３．０〜１００μｍである。【選択図】図１６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス流路が内部に形成されるとともに、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）と第１酸化物セラミックスとを含んで構成された支持基板と、
前記支持基板に設けられるとともに、ニッケル（Ｎｉ）と第２酸化物セラミックスとを含んで構成された燃料極と、固体電解質と、空気極とがこの順に積層されてなる発電素子部と、
を備えた燃料電池であって、
前記支持基板と前記燃料極との境界部分に中間層が介在し、
前記中間層は、
酸化マグネシウム（ＭｇＯ）と酸化ニッケル（ＮｉＯ）との固溶体である（Ｍｇ，Ｎｉ）Ｏと、前記第１酸化物セラミックスと、前記第２酸化物セラミックスと、を含み、
前記燃料電池が還元雰囲気で熱処理が施された還元体である状態において、常温にて、前記燃料極における前記中間層との界面近傍では、前記界面に沿った圧縮応力が作用し、
前記中間層の厚さは、３．０〜７５μｍである、燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池において、
前記中間層の気孔率は、１０〜４０％である、燃料電池。
【請求項３】
ガス流路が内部に形成されるとともに、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）と第１酸化物セラミックスとを含んで構成された支持基板と、
前記支持基板に設けられるとともに、ニッケル（Ｎｉ）と第２酸化物セラミックスとを含んで構成された燃料極と、固体電解質と、空気極とがこの順に積層されてなる発電素子部と、
を備えた燃料電池であって、
前記支持基板と前記燃料極との境界部分に中間層が介在し、
前記中間層は、
酸化マグネシウム（ＭｇＯ）と酸化ニッケル（ＮｉＯ）との固溶体である（Ｍｇ，Ｎｉ）Ｏと、前記第１酸化物セラミックスと、前記第２酸化物セラミックスと、を含み、
前記燃料電池が還元雰囲気で熱処理が施された還元体である状態において、常温にて、前記燃料極における前記中間層との界面近傍では、前記界面に沿った引張応力が作用し、
前記中間層の厚さは、３．０〜１００μｍである、燃料電池。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池において、
前記中間層の気孔率は、１０〜４０％である、燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、「ガス流路が内部に形成されるとともに、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）と第１酸化物セラミックスとを含んで構成された支持基板」と、「前記支持基板に設けられるとともに、ニッケル（Ｎｉ）と第２酸化物セラミックスとを含んで構成された燃料極と、固体電解質と、空気極とがこの順に積層されてなる発電素子部」と、を備えた固体酸化物形燃料電池が知られている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００３】
一般に、上述した燃料電池の各構成部材は、酸素含有雰囲気での焼成によって形成される。この酸素含有雰囲気での焼成によって、燃料極に含まれるＮｉ成分は、ＮｉＯとなっている。ＮｉＯは電子伝導性を有さない。従って、燃料極の電子伝導性を獲得するため、燃料極（燃料電池）の焼成後、燃料極に対して「還元処理」がなされる。「還元処理」とは、還元雰囲気で行われる熱処理であり、具体的には、例えば、支持基板側から還元性の燃料ガスを流しながら、燃料極中のＮｉＯを８００〜１０００℃程度の高温下にて還元する処理である。
【０００４】
上述した燃料電池では、焼成後の上記還元処理の際、支持基板と燃料極との境界部分にクラックが発生する場合があった。これは、還元処理の際、燃料極中のＮｉＯがＮｉに還元されることによって燃料極が収縮（還元収縮）、又は膨張（還元膨張）する一方で、内部に還元される物質を含まない支持基板は収縮も膨張もしないことに基づく。この結果、支持基板と燃料極との境界部分に過大な応力が作用し、前記境界部分にクラックが発生すると考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許４８８３７３３号公報
【発明の概要】
【０００６】
この問題に対処するため、本発明者は、支持基板と燃料極との境界部分に中間層を介挿することによって、上述した「支持基板と燃料極との境界部分に作用する過大な応力」を緩和することを考えている。この中間層は、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）と酸化ニッケル（ＮｉＯ）との固溶体である（Ｍｇ，Ｎｉ）Ｏと、前記第１酸化物セラミックスと、前記第２酸化物セラミックスと、を含む。
【０００７】
一般に、この中間層の熱膨張係数は、支持基板及び燃料極の熱膨張係数より大きい。加えて、燃料電池の各構成部材の焼成は、燃料電池の作動温度より高い温度で行われる。従って、支持基板、中間層、及び燃料極の積層体が共焼成された後、上記還元処理前では、常温から燃料電池の作動温度までの温度範囲に亘って、中間層における支持基板及び燃料極とのそれぞれの界面近傍では引張応力が作用し、支持基板における中間層との界面近傍では圧縮応力が作用し、燃料極における中間層との界面近傍では圧縮応力が作用する。この状態で、上記還元処理が行われると、上述した「支持基板と燃料極との境界部分に作用する過大な応力」を緩和することができる。この点については、後に詳述する。
【０００８】
ところで、このように中間層が介挿された燃料電池が熱応力的に過酷な環境下で稼働されると、中間層にクラックが発生する場合があった。このような中間層でのクラックの発生を抑制することが望まれてきたところである。
【０００９】
以上より、本発明は、支持基板と燃料極との境界部分に介挿された中間層でのクラックの発生を抑制できる燃料電池を提供することを目的とする。
【００１０】
本発明に係る燃料電池は、上述と同じ支持基板と、上述と同じ発電素子部と、を備える前記支持基板は、平板状であっても、円筒状であってもよい。
【００１１】
本発明に係る燃料電池では、前記支持基板と前記燃料極との境界部分に中間層が介在し、前記中間層が、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）と酸化ニッケル（ＮｉＯ）との固溶体である（Ｍｇ，Ｎｉ）Ｏと、前記第１酸化物セラミックスと、前記第２酸化物セラミックスと、を含む。前記第１、第２酸化物セラミックスは、同じであっても異なっていてもよい。
【００１２】
本発明に係る燃料電池の特徴は、前記燃料電池が還元雰囲気で熱処理が施された還元体である状態において、常温にて、前記燃料極における前記中間層との界面近傍にて前記界面に沿った圧縮応力が作用している場合、前記中間層の厚さが３．０〜７５μｍであることにある。この場合、前記中間層の気孔率は１０〜４０％であると、好適である。
【００１３】
同様に、本発明に係る燃料電池の特徴は、前記燃料電池が還元雰囲気で熱処理が施された還元体である状態において、常温にて、前記燃料極における前記中間層との界面近傍にて前記界面に沿った引張応力が作用している場合、前記中間層の厚さが３．０〜１００μｍであることにある。この場合、前記中間層の気孔率は１０〜４０％であると、好適である。これらの点については後に詳述する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係る燃料電池を示す斜視図である。
【図２】図１に示す燃料電池の２−２線に対応する断面図である。
【図３】図１に示す支持基板の凹部に埋設された燃料極及びインターコネクタの状態を示した平面図である。
【図４】図１に示す燃料電池の作動状態を説明するための図である。
【図５】図１に示す燃料電池の作動状態における電流の流れを説明するための図である。
【図６】図１に示す支持基板を示す斜視図である。
【図７】図１に示す燃料電池の製造過程における第１段階における図２に対応する断面図である。
【図８】図１に示す燃料電池の製造過程における第２段階における図２に対応する断面図である。
【図９】図１に示す燃料電池の製造過程における第３段階における図２に対応する断面図である。
【図１０】図１に示す燃料電池の製造過程における第４段階における図２に対応する断面図である。
【図１１】図１に示す燃料電池の製造過程における第５段階における図２に対応する断面図である。
【図１２】図１に示す燃料電池の製造過程における第６段階における図２に対応する断面図である。
【図１３】図１に示す燃料電池の製造過程における第７段階における図２に対応する断面図である。
【図１４】図１に示す燃料電池の製造過程における第８段階における図２に対応する断面図である。
【図１５】図１に示す燃料電池の製造過程における第９段階における図２に対応する断面図である。
【図１６】支持基板と燃料極集電部との境界部分に中間層が介在した構成を説明するための模式図である。
【図１７】図１６に示した中間層の具体的な構造を説明するための図である。
【図１８】中間層が介挿されない場合において燃料極集電部が還元収縮する場合の、還元処理後の応力関係を説明する図である。
【図１９】中間層が介挿されない場合において燃料極集電部が還元膨張する場合の、還元処理後の応力関係を説明する図である。
【図２０】中間層が介挿される場合における、還元処理前の応力関係を説明する図である。
【図２１】中間層が介挿される場合において燃料極集電部が還元収縮する場合の、還元処理後の応力関係を説明する第１の図である。
【図２２】中間層が介挿される場合において燃料極集電部が還元収縮する場合の、還元処理後の応力関係を説明する第２の図である。
【図２３】中間層が介挿される場合において燃料極集電部が還元膨張する場合の、還元処理後の応力関係を説明する図である。
【図２４】図１６に示した中間層の変形例の図１６に対応する模式図である。
【図２５】本発明に係る燃料電池の第１変形例の図２に対応する断面図である。
【図２６】本発明に係る燃料電池の第２変形例の図２に対応する断面図である。
【図２７】本発明に係る燃料電池の第３変形例の図２に対応する断面図である。
【図２８】本発明に係る燃料電池の第４変形例の図２に対応する断面図である。
【図２９】本発明に係る燃料電池の第４変形例の図３に対応する断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
（構成）
図１は、本発明の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）の構造体を示す。このＳＯＦＣは、長手方向（ｘ軸方向）を有する平板状の支持基板１０の上下面（互いに平行な両側の主面（平面））のそれぞれに、電気的に直列に接続された複数（本例では、４つ）の同形の発電素子部Ａが長手方向において所定の間隔をおいて配置された、所謂「横縞型」と呼ばれる構成を有する。
【００１６】
このＳＯＦＣの全体を上方からみた形状は、例えば、長手方向の辺の長さが５０〜５００ｍｍで長手方向に直交する幅方向（ｙ軸方向）の長さが１０〜１００ｍｍの長方形である。このＳＯＦＣの全体の厚さは、１〜５ｍｍである。このＳＯＦＣの全体は、厚さ方向の中心を通り且つ支持基板１０の主面に平行な面に対して上下対称の形状を有する。以下、図１に加えて、このＳＯＦＣの図１に示す２−２線に対応する部分断面図である図２を参照しながら、このＳＯＦＣの詳細について説明する。図２は、代表的な１組の隣り合う発電素子部Ａ，Ａのそれぞれの構成（の一部）、並びに、発電素子部Ａ，Ａ間の構成を示す部分断面図である。その他の組の隣り合う発電素子部Ａ，Ａ間の構成も、図２に示す構成と同様である。
【００１７】
支持基板１０は、電子伝導性を有さない多孔質の材料からなる平板状の焼成体である。後述する図６に示すように、支持基板１０の内部には、長手方向に延びる複数（本例では、６本）の燃料ガス流路１１（貫通孔）が幅方向において所定の間隔をおいて形成されている。本例では、支持基板１０の上下面における複数の発電素子部Ａに対応する位置に、凹部１２がそれぞれ形成されている。各凹部１２は、支持基板１０の材料からなる底壁と、全周に亘って支持基板１０の材料からなる周方向に閉じた側壁（長手方向に沿う２つの側壁と幅方向に沿う２つの側壁）と、で画定された直方体状の窪みである。各凹部１２の長さ（ｘ軸方向の寸法）は５〜５０ｍｍであり、幅（ｙ軸方向の寸法）は２〜９５ｍｍであり、深さ（ｚ軸方向の寸法）は０．０３〜１．５ｍｍである。
【００１８】
支持基板１０は、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）と、第１酸化物セラミックスと、を含んで構成される。なお、支持基板１０が第１酸化物セラミックスを含んでいるのは、ＭｇＯ単独の熱膨張係数（約１４ｐｐｍ／Ｋ）が、通常の電極材料の熱膨張係数（１０〜１３ｐｐｍ／Ｋ）と比べて大きいことに起因して、支持基板１０の等価熱膨張係数を通常の電極材料の熱膨張係数に近づけるため、である。従って、第１酸化物セラミックスとしては、熱膨張係数が通常の電極材料の熱膨張係数（１０〜１３ｐｐｍ／Ｋ）と比べて小さいものが好適である。具体的には、「第１酸化物セラミックス」としては、Ｙ２Ｏ３（イットリア）、ＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）、ＣＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）等が好適である。支持基板１０は、「遷移金属酸化物又は遷移金属」を含んでいてもよい。「遷移金属酸化物又は遷移金属」としては、ＮｉＯ（酸化ニッケル）又はＮｉ（ニッケル）が好適である。遷移金属は、燃料ガスの改質反応を促す触媒（炭化水素系のガスの改質触媒）として機能し得る。
【００１９】
このように、支持基板１０が「遷移金属酸化物又は遷移金属」を含むことによって、改質前の残存ガス成分を含んだガスが多孔質の支持基板１０の内部の多数の気孔を介して燃料ガス流路１１から燃料極に供給される過程において、上記触媒作用によって改質前の残存ガス成分の改質を促すことができる。加えて、支持基板１０が絶縁性の酸化物セラミックスを含むことによって、支持基板１０の絶縁性を確保することができる。この結果、隣り合う燃料極間における絶縁性が確保され得る。
【００２０】
支持基板１０の厚さは、１〜５ｍｍである。以下、この構造体の形状が上下対称となっていることを考慮し、説明の簡便化のため、支持基板１０の上面側の構成についてのみ説明していく。支持基板１０の下面側の構成についても同様である。
【００２１】
図２及び図３に示すように、支持基板１０の上面（上側の主面）に形成された各凹部１２には、燃料極集電部２１の全体が埋設（充填）されている。従って、各燃料極集電部２１は直方体状を呈している。なお、後述するように、支持基板１０と各燃料極集電部２１との境界部分（即ち、各凹部１２の底壁及び側壁に対応する部分）には、多孔質の焼成体である中間層１５が介装されている。
【００２２】
各燃料極集電部２１の上面（外側面）には、凹部２１ａが形成されている。各凹部２１ａは、燃料極集電部２１の材料からなる底壁と、周方向に閉じた側壁（長手方向に沿う２つの側壁と幅方向に沿う２つの側壁）と、で画定された直方体状の窪みである。周方向に閉じた側壁のうち、長手方向に沿う２つの側壁は支持基板１０の材料からなり、幅方向に沿う２つの側壁は燃料極集電部２１の材料からなる。
【００２３】
各凹部２１ａには、燃料極活性部２２の全体が埋設（充填）されている。従って、各燃料極活性部２２は直方体状を呈している。燃料極集電部２１と燃料極活性部２２とにより燃料極２０が構成される。燃料極２０（燃料極集電部２１＋燃料極活性部２２）は、電子伝導性を有する多孔質の材料からなる焼成体である。各燃料極活性部２２の幅方向に沿う２つの側面と底面とは、凹部２１ａ内で燃料極集電部２１と接触している。
【００２４】
各燃料極集電部２１の上面（外側面）における凹部２１ａを除いた部分には、凹部２１ｂが形成されている。各凹部２１ｂは、燃料極集電部２１の材料からなる底壁と、周方向に閉じた側壁（長手方向に沿う２つの側壁と幅方向に沿う２つの側壁）と、で画定された直方体状の窪みである。周方向に閉じた側壁のうち、長手方向に沿う２つの側壁は支持基板１０の材料からなり、幅方向に沿う２つの側壁は燃料極集電部２１の材料からなる。
【００２５】
各凹部２１ｂには、インターコネクタ３０が埋設（充填）されている。従って、各インターコネクタ３０は直方体状を呈している。インターコネクタ３０は、電子伝導性を有する緻密な材料からなる焼成体である。各インターコネクタ３０の幅方向に沿う２つの側面と底面とは、凹部２１ｂ内で燃料極集電部２１と接触している。
【００２６】
燃料極２０（燃料極集電部２１及び燃料極活性部２２）の上面（外側面）と、インターコネクタ３０の上面（外側面）と、支持基板１０の主面とにより、１つの平面（凹部１２が形成されていない場合の支持基板１０の主面と同じ平面）が構成されている。即ち、燃料極２０の上面とインターコネクタ３０の上面と支持基板１０の主面との間で、段差が形成されていない。
【００２７】
燃料極集電部２１は、ＮｉＯ（酸化ニッケル）と、第２酸化物セラミックスと、を含んで構成される。なお、燃料極集電部２１が第２酸化物セラミックスを含んでいるのは、ＮｉＯ単独の熱膨張係数（約１４ｐｐｍ／Ｋ）が、通常の電極材料の熱膨張係数（１０〜１３ｐｐｍ／Ｋ）と比べて大きいことに起因して、燃料極集電部２１の等価熱膨張係数を通常の電極材料の熱膨張係数に近づけるため、である。従って、第２酸化物セラミックスとしては、熱膨張係数が通常の電極材料の熱膨張係数（１０〜１３ｐｐｍ／Ｋ）と比べて小さいものが好適である。具体的には、「第２酸化物セラミックス」としては、Ｙ２Ｏ３（イットリア）、ＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）、ＣＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）等が好適である。燃料極集電部２１の厚さ（即ち、凹部１２の深さ）は、５０〜５００μｍである。燃料極集電部２１の気孔率は、還元処理後において２０〜５５％である。なお、他の気孔率の値も、還元処理後の値である。
【００２８】
なお、気孔率の測定は，樹脂埋めしたサンプル（還元処理後）の断面を研磨し、同断面についてのＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）による画像（２次電子像）を解析することによって行われた。ＳＥＭの加速電圧は５ｋＶ、ＳＥＭの倍率は５０００倍、又は７５００倍に設定された。気孔率の測定は、サンプルの任意の１０箇所の断面について行われ、それらの平均値が気孔率の値として採用された。
【００２９】
燃料極活性部２２は、電子伝導性を有する物質と、酸素イオン伝導性を有する物質と、を含んで構成される。「電子伝導性を有する物質」としては、ＮｉＯ（酸化ニッケル）が好適である。「酸素イオン伝導性を有する物質」としては、ＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）、ＧＤＣ（ガドリニウムドープセリア）等が好適である。燃料極活性部２２の厚さは、５〜３０μｍである。燃料極活性部２２の気孔率は、還元処理後において２０〜５５％である。
【００３０】
なお、燃料極集電部２１内、並びに、燃料極活性部２２内のＮｉＯは、後述する還元処理によってＮｉに変化して、電子伝導性を獲得する。燃料極活性部２２における「気孔部分を除いた全体積に対する酸素イオン伝導性を有する物質の体積割合」は、燃料極集電部２１における「気孔部分を除いた全体積に対する酸素イオン伝導性を有する物質の体積割合」よりも大きい。
【００３１】
インターコネクタ３０は、例えば、ＬａＣｒＯ３（ランタンクロマイト）から構成され得る。或いは、（Ｓｒ，Ｌａ）ＴｉＯ３（ストロンチウムチタネート）から構成されてもよい。インターコネクタ３０の厚さは、１０〜１００μｍである。
【００３２】
燃料極２０及びインターコネクタ３０がそれぞれの凹部１２に埋設された状態の支持基板１０における長手方向に延びる外周面において複数のインターコネクタ３０が形成されたそれぞれの部分の長手方向中央部を除いた全面は、固体電解質膜４０により覆われている。固体電解質膜４０は、イオン伝導性を有し且つ電子伝導性を有さない緻密な材料からなる焼成体である。固体電解質膜４０は、例えば、ＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）から構成され得る。或いは、ＬＳＧＭ（ランタンガレート）から構成されてもよい。固体電解質膜４０の厚さは、３〜５０μｍである。
【００３３】
即ち、燃料極２０がそれぞれの凹部１２に埋設された状態の支持基板１０における長手方向に延びる外周面の全面は、インターコネクタ３０と固体電解質膜４０とからなる緻密層により覆われている。この緻密層は、緻密層の内側の空間を流れる燃料ガスと緻密層の外側の空間を流れる空気との混合を防止するガスシール機能を発揮する。なお、本願において「緻密」とは、「ガスが通過しない程度に高密度であること」を指し、具体的には、「気孔率が１０％以下であること」を指す。
【００３４】
なお、図２に示すように、本例では、固体電解質膜４０が、燃料極２０の上面、インターコネクタ３０の上面における長手方向の両側端部、及び支持基板１０の主面を覆っている。ここで、上述したように、燃料極２０の上面とインターコネクタ３０の上面と支持基板１０の主面との間で段差が形成されていない。従って、固体電解質膜４０が平坦化されている。この結果、固体電解質膜４０に段差が形成される場合に比して、応力集中に起因する固体電解質膜４０でのクラックの発生が抑制され得、固体電解質膜４０が有するガスシール機能の低下が抑制され得る。
【００３５】
固体電解質膜４０における各燃料極活性部２２と接している箇所の上面には、反応防止膜５０を介して空気極６０が形成されている。反応防止膜５０は、緻密な材料からなる焼成体であり、空気極６０は、電子伝導性を有する多孔質の材料からなる焼成体である。反応防止膜５０及び空気極６０を上方からみた形状は、燃料極活性部２２と略同一の長方形である。
【００３６】
反応防止膜５０は、例えば、ＧＤＣ＝（Ｃｅ，Ｇｄ）Ｏ２（ガドリニウムドープセリア）から構成され得る。反応防止膜５０の厚さは、３〜５０μｍである。空気極６０は、例えば、ＬＳＣＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ３（ランタンストロンチウムコバルトフェライト）から構成され得る。或いは、ＬＳＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＦｅＯ３（ランタンストロンチウムフェライト）、ＬＮＦ＝Ｌａ（Ｎｉ，Ｆｅ）Ｏ３（ランタンニッケルフェライト）、ＬＳＣ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ３（ランタンストロンチウムコバルタイト）等から構成されてもよい。また、空気極６０は、ＬＳＣＦからなる第１層（内側層）とＬＳＣからなる第２層（外側層）との２層によって構成されてもよい。空気極６０の厚さは、１０〜１００μｍである。
【００３７】
なお、反応防止膜５０が介装されるのは、ＳＯＦＣ作製時又は作動中のＳＯＦＣ内において固体電解質膜４０内のＹＳＺと空気極６０内のＳｒとが反応して固体電解質膜４０と空気極６０との境界部分に電気抵抗が大きい反応層が形成される現象の発生を抑制するためである。
【００３８】
ここで、燃料極２０と、固体電解質膜４０と、反応防止膜５０と、空気極６０とが積層されてなる積層体が、「発電素子部Ａ」に対応する（図２を参照）。即ち、支持基板１０の上面には、複数（本例では、４つ）の発電素子部Ａが、長手方向において所定の間隔をおいて配置されている。
【００３９】
各組の隣り合う発電素子部Ａ，Ａについて、一方の（図２では、左側の）発電素子部Ａの空気極６０と、他方の（図２では、右側の）発電素子部Ａのインターコネクタ３０とを跨ぐように、空気極６０、固体電解質膜４０、及び、インターコネクタ３０の上面に、空気極集電膜７０が形成されている。空気極集電膜７０は、電子伝導性を有する多孔質の材料からなる焼成体である。空気極集電膜７０を上方からみた形状は、長方形である。
【００４０】
空気極集電膜７０は、例えば、ＬＳＣＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ３（ランタンストロンチウムコバルトフェライト）から構成され得る。或いは、ＬＳＣ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ３（ランタンストロンチウムコバルタイト）から構成されてもよい。或いは、Ａｇ（銀）、Ａｇ−Ｐｄ（銀パラジウム合金）から構成されてもよい。空気極集電膜７０の厚さは、５０〜５００μｍである。
【００４１】
このように各空気極集電膜７０が形成されることにより、各組の隣り合う発電素子部Ａ，Ａについて、一方の（図２では、左側の）発電素子部Ａの空気極６０と、他方の（図２では、右側の）発電素子部Ａの燃料極２０（特に、燃料極集電部２１）とが、電子伝導性を有する「空気極集電膜７０及びインターコネクタ３０」を介して電気的に接続される。この結果、支持基板１０の上面に配置されている複数（本例では、４つ）の発電素子部Ａが電気的に直列に接続される。ここで、電子伝導性を有する「空気極集電膜７０及びインターコネクタ３０」が、「電気的接続部」に対応する。
【００４２】
なお、インターコネクタ３０は、前記「電気的接続部」における「緻密な材料で構成された第１部分」に対応し、気孔率は１０％以下である。空気極集電膜７０は、前記「電気的接続部」における「多孔質の材料で構成された第２部分」に対応し、気孔率は２０〜６０％である。
【００４３】
以上、説明した「横縞型」のＳＯＦＣに対して、図４に示すように、支持基板１０の燃料ガス流路１１内に改質後の燃料ガス（水素ガス等）を流すとともに、支持基板１０の上下面（特に、各空気極集電膜７０）を「酸素を含むガス」（空気等）に曝す（或いは、支持基板１０の上下面に沿って酸素を含むガスを流す）ことにより、固体電解質膜４０の両側面間に生じる酸素分圧差によって起電力が発生する。更に、この構造体を外部の負荷に接続すると、下記（１）、（２）式に示す化学反応が起こり、電流が流れる(発電状態)。
（１／２）・Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２−    （於：空気極６０）  …（１）
Ｈ２＋Ｏ２−→Ｈ２Ｏ＋２ｅ−        （於：燃料極２０）  …（２）
【００４４】
発電状態においては、図５に示すように、各組の隣り合う発電素子部Ａ，Ａについて、電流が、矢印で示すように流れる。この結果、図４に示すように、このＳＯＦＣ全体から（具体的には、図４において最も手前側の発電素子部Ａのインターコネクタ３０と最も奥側の発電素子部Ａの空気極６０とを介して）電力が取り出される。
【００４５】
（製造方法）
次に、図１に示した「横縞型」のＳＯＦＣの製造方法の一例について図６〜図１５を参照しながら簡単に説明する。図６〜図１５において、各部材の符号の末尾の「ｇ」は、その部材が「焼成前」であることを表す。
【００４６】
先ず、図６に示す形状を有する支持基板の成形体１０ｇが作製される。この支持基板の成形体１０ｇは、例えば、支持基板１０の材料（例えば、ＭｇＯとＹ２Ｏ３）の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、押し出し成形、切削等の手法を利用して作製され得る。以下、図６に示す７−７線に対応する部分断面を表す図７〜図１５を参照しながら説明を続ける。
【００４７】
図７に示すように、支持基板の成形体１０ｇが作製されると、次に、図８に示すように、支持基板の成形体１０ｇの上下面に形成された各凹部１２の底面及び側面に、中間層の成形膜１５ｇがそれぞれ形成される。この中間層の成形膜１５ｇの形成については後述する。
【００４８】
次に、図９に示すように、支持基板の成形体１０ｇの上下面に形成された「中間層の成形膜１５ｇが形成された各凹部１２」に、燃料極集電部の成形体２１ｇがそれぞれ埋設・形成される。次いで、図１０に示すように、各燃料極集電部の成形体２１ｇの外側面に形成された各凹部に、燃料極活性部の成形体２２ｇがそれぞれ埋設・形成される。各燃料極集電部の成形体２１ｇ、及び各燃料極活性部２２ｇは、例えば、燃料極２０の材料（例えば、ＮｉとＹ２Ｏ３）の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法等を利用して埋設・形成される。
【００４９】
続いて、図１１に示すように、各燃料極集電部の成形体２１ｇの外側面における「燃料極活性部の成形体２２ｇが埋設された部分を除いた部分」に形成された各凹部に、インターコネクタの成形体３０ｇがそれぞれ埋設・形成される。各インターコネクタの成形体３０ｇは、例えば、インターコネクタ３０の材料（例えば、ＬａＣｒＯ３）の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法等を利用して埋設・形成される。
【００５０】
次に、図１２に示すように、複数の燃料極の成形体（２１ｇ＋２２ｇ）及び複数のインターコネクタの成形体３０ｇがそれぞれ埋設・形成された状態の支持基板の成形体１０ｇにおける長手方向に延びる外周面において複数のインターコネクタの成形体３０ｇが形成されたそれぞれの部分の長手方向中央部を除いた全面に、固体電解質膜の成形膜４０ｇが形成される。固体電解質膜の成形膜４０ｇは、例えば、固体電解質膜４０の材料（例えば、ＹＳＺ）の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法、ディッピング法等を利用して形成される。
【００５１】
次に、図１３に示すように、固体電解質膜の成形体４０ｇにおける各燃料極の成形体２２ｇと接している箇所の外側面に、反応防止膜の成形膜５０ｇが形成される。各反応防止膜の成形膜５０ｇは、例えば、反応防止膜５０の材料（例えば、ＧＤＣ）の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法等を利用して形成される。
【００５２】
そして、このように種々の成形膜が形成された状態の支持基板の成形体１０ｇが、空気中にて１５００℃で３時間焼成される。これにより、図１に示したＳＯＦＣにおいて空気極６０及び空気極集電膜７０が形成されていない状態の構造体が得られる。
【００５３】
次に、図１４に示すように、各反応防止膜５０の外側面に、空気極の成形膜６０ｇが形成される。各空気極の成形膜６０ｇは、例えば、空気極６０の材料（例えば、ＬＳＣＦ）の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法等を利用して形成される。
【００５４】
次に、図１５に示すように、各組の隣り合う発電素子部について、一方の発電素子部の空気極の成形膜６０ｇと、他方の発電素子部のインターコネクタ３０とを跨ぐように、空気極の成形膜６０ｇ、固体電解質膜４０、及び、インターコネクタ３０の外側面に、空気極集電膜の成形膜７０ｇが形成される。各空気極集電膜の成形膜７０ｇは、例えば、空気極集電膜７０の材料（例えば、ＬＳＣＦ）の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法等を利用して形成される。
【００５５】
そして、このように成形膜６０ｇ、７０ｇが形成された状態の支持基板１０が、空気中にて１０５０℃で３時間焼成される。これにより、図１に示したＳＯＦＣが得られる。なお、この時点では、酸素含有雰囲気での焼成により、燃料極２０（集電部２１＋活性部２２）中のＮｉ成分が、ＮｉＯとなっている。従って、燃料極２０（集電部２１＋活性部２２）の電子伝導性を獲得するため、その後、支持基板１０側から還元性の燃料ガスが流され、ＮｉＯが８００〜１０００℃で１〜１０時間に亘って還元処理される。なお、この還元処理は発電時に行われてもよい。以上、図１に示したＳＯＦＣの製造方法の一例について説明した。
【００５６】
（中間層の介在）
上記実施形態では、図１６に示すように、支持基板１０と各燃料極２０（集電部２１）との境界部分（即ち、各凹部１２の底壁及び側壁に対応する部分）に、中間層１５が介在している。この中間層１５は、支持基板１０と各燃料極集電部２１との境界部分の全域（即ち、各凹部１２の底壁及び側壁に対応する部分の全域）に亘って設けられていても、前記境界部分の一部のみに設けられていてもよい。中間層１５の厚さ、及び気孔率については後述する。また、支持基板１０と中間層１５との境界の定義、並びに、中間層１５と燃料極集電部２１との境界の定義については後述する。
【００５７】
図１７に示すように、この中間層１５は、「ＭｇＯを含む粒子」（第１粒子。典型的には、固溶体（Ｍｇ，Ｎｉ）Ｏの粒子）と、「第１酸化物セラミックスを含む粒子及び第２酸化物セラミックスを含む粒子」（第２粒子。典型的には、Ｙ２Ｏ３粒子）と、「Ｎｉを含む金属微粒子」（第３粒子。典型的には、Ｎｉ粒子）と、を含む。この中間層１５内では、第１粒子の表面に第３粒子が固着している。そして、隣接する第１粒子同士、及び、隣接する第１粒子及び第２粒子が、第３粒子を介して結合されている。なお、この第３粒子（固着したＮｉ粒子）の存在によって、燃料ガスの「メタン（ＣＨ４）→水素（Ｈ２）の改質反応」が促進され得る。
【００５８】
換言すれば、この中間層１５は、ＭｇＯとＮｉＯとの固溶体である（Ｍｇ，Ｎｉ）Ｏと、「第１酸化物セラミックス」と、「第２酸化物セラミックス」と、Ｎｉと、を含む。加えて、上記還元処理後において、常温にて（より正確には、常温から前記燃料電池の作動温度までの温度範囲に亘って）、燃料極集電部２１における中間層１５との界面近傍では、前記界面に沿った引張応力又は圧縮応力が作用している。換言すれば、中間層１５における燃料極集電部２１との界面近傍では、前記界面に沿った圧縮応力又は引張応力が作用している。以下、中間層１５が介挿される理由、及び、このような応力関係が発生する理由について簡単に説明する。
【００５９】
上述した還元処理の際、燃料極集電部２１中のＮｉＯがＮｉに還元されることによって、燃料極集電部２１が収縮する場合（還元収縮）と、燃料極集電部２１が膨張する場合（還元膨張）と、が発生し得る。還元収縮は、燃料極集電部２１中のＮｉＯの体積分率が大きい場合、或いは、燃料極集電部２１を構成する材料の粒子間距離が大きい場合に発生し得る。還元膨張は、燃料極集電部２１中のＮｉＯの体積分率が小さい場合、或いは、燃料極集電部２１を構成する材料の粒子間距離が小さい場合に発生し得る。
【００６０】
先ず、図１８の上図に示すように、中間層１５が介挿されない場合において、燃料極集電部２１が還元収縮する場合について考える。支持基板１０は、内部に還元される物質を含まないので、前記還元処理によってその体積が殆ど変化しない。従って、この場合、図１８の下図に示すように、燃料極集電部２１における支持基板１０との界面近傍では前記界面に沿った過大な引張応力が作用し、支持基板１０における燃料極集電部２１との界面近傍では前記界面に沿った過大な圧縮応力が作用し得る。この結果、支持基板１０と燃料極集電部２１との境界部分（特に、引張応力が作用する、燃料極集電部２１における支持基板１０との界面近傍の部分）に、クラックが発生する場合があった。
【００６１】
次に、図１９の上図に示すように、中間層１５が介挿されない場合において、燃料極集電部２１が還元膨張する場合について考える。支持基板１０が前記還元処理によってその体積が殆ど変化しないことを考慮すると、この場合、図１９の下図に示すように、燃料極集電部２１における支持基板１０との界面近傍では前記界面に沿った過大な圧縮応力が作用し、支持基板１０における燃料極集電部２１との界面近傍では前記界面に沿った過大な引張応力が作用し得る。この結果、支持基板１０と燃料極集電部２１との境界部分（特に、引張応力が作用する、支持基板１０における燃料極集電部２１との界面近傍の部分）に、クラックが発生する場合があった。
【００６２】
上述した「還元処理後において燃料極集電部２１又は支持基板１０に作用する過大な引張応力」を緩和するため、支持基板１０と燃料極集電部２１との境界部分に中間層１５が介挿されている。
【００６３】
中間層１５の熱膨張係数は、支持基板１０及び燃料極集電部２１の熱膨張係数（典型的には、約１２ｐｐｍ／Ｋ）より大きい。加えて、上述した各構成部材の焼成は、ＳＯＦＣの作動温度（約８００℃）より高い温度で行われる。従って、支持基板１０、中間層１５、及び燃料極集電部２１の積層体が共焼成された後、上記還元処理前では、常温にて（より正確には、常温から燃料電池の作動温度までの温度範囲に亘って）、図２０に示すように、中間層１５における支持基板１０及び燃料極集電部２１とのそれぞれの界面近傍では引張応力が作用する。換言すれば、支持基板１０における中間層１５との界面近傍では圧縮応力が作用し、燃料極集電部２１における中間層１５との界面近傍では圧縮応力が作用する。以下、燃料極集電部２１が「還元収縮する場合」と「還元膨張する場合」とで分けて説明する。
【００６４】
＜還元収縮＞
燃料極集電部２１が還元収縮する場合、図２０に示す状態にて上記還元処理が行われると、上述のように支持基板１０はその体積が変化しない一方で、燃料極集電部２１は還元収縮する。加えて、中間層１５も殆どその体積が変化しない。これは、中間層１５に含まれる固溶体（Ｍｇ，Ｎｉ）Ｏの還元によってＮｉが析出してくる際（詳細は後述する）、収縮・膨張が殆ど生じないことに基づく。
【００６５】
従って、図２１の上図に示すように、上記還元処理によって、燃料極集電部２１のみが収縮しようとする。このことに起因して、燃料極集電部２１における中間層１５との界面近傍では、前記界面近傍に沿って引張応力が新たに付加される。この結果、前記還元処理前にて前記界面近傍に作用していた圧縮応力より前記新たに付加された引張応力が小さい場合、上記還元処理後において、図２１の下図に示すように、燃料極集電部２１における中間層１５との界面近傍には、依然として圧縮応力が作用する。ただし、この圧縮応力の大きさは、前記還元処理前の圧縮応力の大きさに対して前記引張応力の大きさ分だけ小さい。これに伴い、図２１の下図に示すように、中間層１５における燃料極集電部２１との界面近傍には、小さな引張応力が作用する。
【００６６】
一方、前記還元処理前にて前記界面近傍に作用していた圧縮応力より前記新たに付加された引張応力が大きい場合、上記還元処理後において、図２２の下図に示すように、燃料極集電部２１における中間層１５との界面近傍には、圧縮応力ではなく引張応力が作用する。ただし、この引張応力の大きさは、前記新たに付加された引張応力の大きさから前記還元処理前の圧縮応力の大きさを減じた値となり、小さい。これに伴い、図２２の下図に示すように、中間層１５における燃料極集電部２１との界面近傍には、小さな圧縮応力が作用する。
【００６７】
以上、図２１の下図、及び、図２２の下図に示すように、燃料極集電部２１が還元収縮する場合、前記還元処理後において、燃料極集電部２１における中間層１５との界面近傍にて過大な引張応力が作用することはない。即ち、中間層１５が介挿されることによって、燃料極集電部２１における中間層１５との界面近傍にて、上述したクラックが発生し難くなる。
【００６８】
＜還元膨張＞
燃料極集電部２１が還元膨張する場合、図２０に示す状態にて上記還元処理が行われると、上述のように、支持基板１０及び中間層１５のそれぞれの体積が殆ど変化しないので、図２３の上図に示すように、燃料極集電部２１のみが膨張しようとする。このことに起因して、燃料極集電部２１における中間層１５との界面近傍では、前記界面近傍に沿って圧縮応力が新たに付加される。この結果、上記還元処理後において、図２３の下図に示すように、燃料極集電部２１における中間層１５との界面近傍には、前記還元処理前の圧縮応力に前記新たに付加された圧縮応力を加えた、大きい圧縮応力が作用する。これに伴い、図２３の下図に示すように、中間層１５における燃料極集電部２１との界面近傍には、大きな引張応力が作用する。しかしながら、支持基板１０における中間層１５との界面近傍には、依然として圧縮応力が作用しており、引張応力が作用することはない。
【００６９】
以上、図２３の下図に示すように、燃料極集電部２１が還元膨張する場合、前記還元処理後において、支持基板１０における中間層１５との界面近傍にて過大な引張応力が作用することはない。即ち、中間層１５が介挿されることによって、支持基板１０における中間層１５との界面近傍にて、上述したクラックが発生し難くなる。
【００７０】
以上のように、中間層１５が介挿される場合、上記還元処理後において、常温にて（より正確には、常温から前記燃料電池の作動温度までの温度範囲に亘って）、燃料極集電部２１における中間層１５との界面近傍では、前記界面に沿った圧縮応力が作用する場合（図２１の下図、及び、図２３の下図を参照）と、前記界面に沿った引張応力が作用する場合（図２２の下図を参照）と、が発生する。
【００７１】
以下、燃料極集電部２１における中間層１５との界面近傍に作用する応力が、圧縮応力であるか引張応力であるかを識別する手法について付言する。この識別手法として、以下の２種類の手法が考えられる。
【００７２】
≪識別手法１≫：（各構成部材の寸法変化の測定）
燃料極集電部、及び中間層の単独の試験片をそれぞれ作製し、それぞれの還元処理前の状態（酸化体）における熱膨張係数を測定する（常温〜焼成温度）。燃料極集電部の還元処理前後での歪を測定する（常温下）。以上の測定結果から、計算により、燃料極集電部の残留応力の向きを知ることができる。即ち、共焼成温度をＴ、燃料極集電部の酸化体の熱膨張係数をαａ、中間層の酸化体の熱膨張係数をαＩ、燃料極集電部の還元処理前後での歪をε（膨張側が正の値）とする。「αａ×Ｔ  −  ε  ＞  αＩ×Ｔ」という関係が成立する場合、燃料極集電部に引張応力が残留する。一方、「αａ×Ｔ  −  ε  ＜  αＩ×Ｔ」という関係が成立する場合、燃料極集電部に圧縮応力が残留する。
なお、後述するように、焼成前に中間層を形成することなく、焼成時の反応によって中間層を形成する場合、中間層の組成が明確には判らないことに起因して、中間層の熱膨張係数の測定が困難となる。従って、この場合は、共焼成体（酸化体）の断面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）を用いて観察し、画像解析を利用して中間層の気孔率を測定する。また、ＥＤＳ（エネルギー分散型Ｘ線分析）を用いて中間層の元素定量分析を行うことによって、中間層の組成を決定する。これらの気孔率、及び組成に基づいて、中間層の単独の試験片を作製することによって、中間層の熱膨張係数を測定することができる。
【００７３】
≪識別手法２≫：（共焼結体のＸＲＤを用いた測定）
燃料極集電部及び中間層の共焼結体（還元処理後の状態、還元体）の断面における、燃料極集電部における燃料極と中間層との界面近傍について、ＸＲＤ（Ｘ線回析法）を用いた測定を行う。この結果得られた「燃料極集電部に含まれる第２酸化物セラミックスのピークシフトの方向」から、燃料極集電部の残留応力の向きを把握することができる。具体的には、第２酸化物セラミックスのピークが本来の位置よりも高角側にシフトしている場合には圧縮応力が、低角側にシフトしている場合には引張応力が、燃料極集電部に残留している。
【００７４】
この中間層１５は、以下のように形成される。先ず、中間層１５の原料粉末としてのＭｇＯ粉末とＮｉＯ粉末がモル比で１：１になるように秤量された。次いで、これらの混合物が大気雰囲気１４００℃で５時間焼成された。これにより、ＭｇＯとＮｉＯの固溶体（（Ｍｇ，Ｎｉ）Ｏ）が作製された。この固溶体は、還元雰囲気において非常に還元され難い性質を有する。なお、完全に固溶が完了していることは、粉末Ｘ線回折等によって確認された。この固溶体がポットミルで粉砕され、Ｄ５０＝０．５２μｍの粉末が得られた。得られた粉末に溶剤、バインダーを添加してスラリーが作製された。このスラリーがスプレーコート法によって、上述した支持基板の成形体１０ｇ（図６を参照）の各凹部にそれぞれ塗布されて、中間層の成形膜１５ｇが形成された（図８を参照）。その後、上述のように、中間層の成形膜１５ｇが、支持基板の成形体１０ｇ、及び燃料極集電層の成形体２１ｇと、共焼成される（図１３→図１４を参照）。この共焼成の際、支持基板１０内の「ＭｇＯ、及び、第１酸化物セラミックス」、並びに、燃料極集電部２１内の「ＮｉＯ、及び、第２酸化物セラミックス」が、中間層１５内に拡散により進入してくる。なお、拡散によって中間層１５の内部に侵入してきたＮｉＯとＭｇＯとが反応して固溶体（（Ｍｇ，Ｎｉ）Ｏ）が新たに形成され得る。その後、上述した還元処理等の実行により、固溶体（Ｍｇ，Ｎｉ）Ｏの還元が進行すると、図１７に示すように、（Ｍｇ，Ｎｉ）Ｏの粒子の表面に、Ｎｉの微粒子が析出してくる。このＮｉ微粒子の析出に伴い、隣接する（Ｍｇ，Ｎｉ）Ｏ粒子同士、及び、隣接する（Ｍｇ，Ｎｉ）Ｏ粒子及びＹ２Ｏ３粒子が、Ｎｉの微粒子を介して固着・結合される。この結果、図１７に示す構造を有する中間層１５が得られる。
【００７５】
なお、支持基板の成形体１０ｇと燃料極集電部の成形体２１ｇとの境界部分に上述した中間層の成形膜１５ｇが介在しない状態で、支持基板の成形体１０ｇと燃料極集電部の成形体２１ｇとが共焼成された場合においても、支持基板１０内のＭｇＯ、及び、燃料極集電部２１内のＮｉＯが中間層１５内に拡散することに起因して、支持基板１０と燃料極集電部２１との境界部分に固溶体（Ｍｇ，Ｎｉ）Ｏが自然に生成され得る。このように自然に生成された固溶体（Ｍｇ，Ｎｉ）Ｏが、上述した還元処理等の実行により還元された場合においても、上述と同様、（Ｍｇ，Ｎｉ）Ｏの粒子の表面に、Ｎｉの微粒子が析出してくる。このＮｉ微粒子の析出に伴い、隣接する（Ｍｇ，Ｎｉ）Ｏ粒子同士、及び、隣接する（Ｍｇ，Ｎｉ）Ｏ粒子及びＹ２Ｏ３粒子が、Ｎｉの微粒子を介して固着・結合される。即ち、この場合も、図１７に示す構造を有する中間層１５が得られる。
【００７６】
なお、図１６に示す中間層１５では、中間層１５が１層で構成され、「中間層１５における燃料極集電部２１に近い側」と、「中間層１５における支持基板１０に近い側」との間では、明確な境界は存在しない。これに対し、図２４に示すように、中間層１５が２層（又は、３層以上）で構成され、「中間層１５における支持基板１０に近い側」の層１５ａと、「中間層１５における燃料極集電部２１に近い側」の層１５ｂと、の間で明確な境界が存在していてもよい。層１５ａは、層１５ｂと比べて、Ｍｇの含有モル比率が相対的に大きく、且つ、Ｎｉの含有モル比率が相対的に小さい。図２４に示す構成は、例えば、以下のように作製される。即ち、上述した支持基板の成形体１０ｇ（図６を参照）の各凹部に中間層の成形膜１５ｇが形成される際、成形膜１５ｇが、「支持基板１０に近い側の膜」と、「燃料極集電部２１に近い側の膜」、との２層で構成される。「支持基板１０に近い側の膜」用のスラリー（（Ｍｇ，Ｎｉ）Ｏを含む）では、「燃料極集電部２１に近い側の膜」用のスラリー（（Ｍｇ，Ｎｉ）Ｏを含む）と比べて、「Ｍｇの含有モル比率」及び「第１酸化物セラミックスの含有モル比率」が相対的に大きく、且つ、「Ｎｉの含有モル比率」及び「第２酸化物セラミックスの含有モル比率」が相対的に小さい。この２層からなる「中間層の成形膜１５ｇ」が、支持基板の成形体１０ｇ、及び燃料極集電層の成形体２１ｇと、共焼成される。その後、これらの焼成体が上述した還元処理に供される。この結果、図２４に示した中間層１５（＝層１５ａ＋層１５ｂ）が得られる。層１５ａ、及び層１５ｂ共に、図１７に示す構造を有する。
【００７７】
（適正な中間層の厚さの範囲）
上記実施形態に係るＳＯＦＣでは、通常の環境下で稼働される場合には、中間層１５にクラック（又は、剥離）が発生しない。しかしながら、このＳＯＦＣが熱応力的に過酷な環境下で稼働されると、中間層１５にクラックが発生する場合があった。本発明者は、係るクラックの発生が、中間層１５の厚さＴ（図１６又は図２４を参照）と強い相関があることを見出した。以下、このことを確認した種々の試験について説明する。これらの実験は、燃料極集電部２１における中間層１５との界面近傍に作用する応力が「圧縮応力である場合」と「引張応力である場合」とに分けて実施された。
【００７８】
（試験Ａ）
この試験Ａは、燃料極集電部２１における中間層１５との界面近傍に作用する応力が「圧縮応力である場合」（図２１の下図、及び、図２３の下図を参照））について実施された。前記界面近傍に作用する応力が「圧縮応力」であることは、上述した手法によって確認された。
【００７９】
試験Ａでは、図１に示したＳＯＦＣについて、中間層１５の材質、中間層１５の厚さＴ、及び、中間層１５の気孔率の組み合わせが異なる複数のサンプルが作製された。具体的には、表１に示すように、１０種類の水準（組み合わせ）が準備された。各水準に対して１０個のサンプル（Ｎ＝１０）が作製された。各サンプルについて、中間層１５の境界は、以下のように定義された。先ず、サンプルの断面におけるＥＤＳ（エネルギー分散型Ｘ線分析）を用いたＮｉとＭｇについての元素定量分析（ライン分析）を、支持基板側から燃料極集電部側に向けて積層方向に関して連続的に行う。前記断面について、モル比で「Ｎｉ/（Ｎｉ＋Ｍｇ）」の値が０．３０を超えた位置を「中間層と支持基板との界面」と定義し、モル比で「Ｎｉ/（Ｎｉ＋Ｍｇ）」の値が０．９０を超えた位置を「中間層と燃料極集電部との界面」と定義する。中間層の厚さとしては、前記断面の任意の１０箇所でそれぞれ測定された「両界面間の距離」の平均値を採用する。表１に記載された中間層１５の厚さＴの値、及び、気孔率の値は、上記還元処理後の値（Ｎ＝１０の平均値）である。試験Ａでは、中間層１５の気孔率は１５〜２５％の範囲内とされた。
【００８０】
【表１】
2015053161.tif 000003
【００８１】
各サンプル（図１に示すＳＯＦＣ）にて、中間層１５は、支持基板１０と燃料極集電部２１との境界部分の全域（即ち、各凹部１２の底壁及び側壁の全域）に亘って形成された。中間層１５は、「中間層の成形膜１５ｇ」が支持基板の成形体１０ｇ及び燃料極集電層の成形体２１ｇと共焼成され、その後、その焼成体に対して還元処理が施されることよって形成された。中間層１５の厚さの調整は、支持基板の成形体１０ｇの各凹部に形成される「中間層の成形膜１５ｇ」（図８を参照）の厚さを調整することによってなされた。中間層１５の気孔率の調整は、中間層１５の原料粉末の粒径、及び、造孔剤の添加量を調整することによってなされた。
【００８２】
そして、上記還元処理後の各サンプルについて、「燃料極２０に還元性の燃料ガスを流通させながら、雰囲気温度を常温から７５０℃まで２時間で上げた後に７５０℃から常温まで４時間で下げるパターン」を１００回繰り返す熱サイクル試験を行った。そして、各サンプルについて、中間層１５におけるクラック（又は、剥離）の発生の有無が確認された。この確認は、目視、並びに、顕微鏡を使用した観察によってなされた。この結果は表１に示すとおりである。
【００８３】
表１から理解できるように、熱応力的に過酷な上記熱サイクル試験を行った後では、中間層１５の厚さＴが７５μｍより大きいと、中間層１５にクラックが発生し易い。これは、以下の理由に基づく、と考えられる。即ち、一般に、「部材に作用する応力」は、「その部材のヤング率」と「その部材の歪」との積で表される。ここで、層状の部材のヤング率は、その層状部材の厚さが大きいほど大きくなる。以上より、中間層１５の歪の大きさが同じ条件下では、中間層１５の厚さＴが大きいほど、中間層１５に作用する応力が大きくなる。このことが、中間層１５の厚さＴが７５μｍより大きいときに中間層１５にクラックが発生し易くなる理由である、と考えられる。
【００８４】
また、試験の都合等により、厚さＴが３．０μｍより小さい中間層１５を有するサンプルは作製されなかった。以上より、燃料極集電部２１における中間層１５との界面近傍に作用する応力が「圧縮応力」である場合、中間層１５の厚さＴが３．０〜７５μｍの範囲内であると、前記クラックが発生し難い、ということができる。
【００８５】
なお、本発明者は、燃料極集電部２１における中間層１５との界面近傍に作用する応力が「圧縮応力」である場合、通常の条件・環境下（例えば、常温から７５０℃まで４時間で上げた後に７５０℃から常温まで１２時間で下げるパターン）にて上記実施形態が使用される場合、中間層１５の厚さＴが３．０〜７５μｍの範囲外であっても、中間層１５にクラックが発生しないことを別途確認している。
【００８６】
（試験Ｂ）
上記実施形態に係るＳＯＦＣにおいて、燃料極集電部２１における中間層１５との界面近傍に作用する応力が「圧縮応力である場合」、中間層１５の厚さＴが３．０〜７５μｍの範囲内（より具体的には、１０〜２０μｍの範囲内）であっても、このＳＯＦＣが試験Ａより熱応力的に更に過酷な環境下で稼働されると、中間層１５になおもクラックが発生する場合があった。本発明者は、係るクラックの発生が、中間層１５の気孔率と強い相関があることを見出した。以下、このことを確認した試験Ｂについて説明する。
【００８７】
試験Ｂでは、試験Ａと同様、図１に示したＳＯＦＣについて、中間層１５の材質、中間層１５の厚さＴ、及び、中間層１５の気孔率の組み合わせが異なる複数のサンプルが作製された。具体的には、表２に示すように、１０種類の水準（組み合わせ）が準備された。各水準に対して１０個のサンプル（Ｎ＝１０）が作製された。試験Ｂでは、中間層１５の厚さＴは１０〜２０μｍの範囲内とされた。その他の試験条件、測定条件等は、試験Ａと同じである。
【００８８】
【表２】
2015053161.tif 000004
【００８９】
そして、上記還元処理後の各サンプルについて、「燃料極２０に還元性の燃料ガスを流通させながら、雰囲気温度を常温から８５０℃まで1時間３０分で上げた後に８５０℃から常温まで２時間で下げるパターン」（即ち、試験Ａのときより熱応力的に更に過酷なパターン）を１００回繰り返す熱サイクル試験を行った。そして、各サンプルについて、中間層１５におけるクラック（又は、剥離）の発生の有無が確認された。この確認は、目視、並びに、顕微鏡を使用した観察によってなされた。この結果は表２に示すとおりである。
【００９０】
表２から理解できるように、熱応力的に更に過酷な上記熱サイクル試験を行った後では、中間層１５の気孔率が１０％より小さいと、中間層１５にクラックが発生し易い。これは、以下の理由に基づく、と考えられる。即ち、一般に、層状の部材のヤング率は、その層状部材の気孔率が小さいほど大きくなる。従って、中間層１５の歪の大きさが同じ条件下では、中間層１５の気孔率が小さいほど、中間層１５に作用する応力が大きくなる。このことが、中間層１５の気孔率が１０％より小さいときに中間層１５にクラックが発生し易くなる理由である、と考えられる。
【００９１】
また、試験の都合等により、気孔率が４０％より大きい中間層１５を有するサンプルは作製されなかった。以上より、燃料極集電部２１における中間層１５との界面近傍に作用する応力が「圧縮応力」である場合、中間層１５の厚さＴが３．０〜７５μｍの範囲内であり、且つ、中間層１５の気孔率が１０〜４０％の範囲内であると、前記クラックがより一層発生し難い、ということができる。
【００９２】
（試験Ｃ）
上記実施形態に係るＳＯＦＣにおいて、燃料極集電部２１における中間層１５との界面近傍に作用する応力が「引張応力である場合」、このＳＯＦＣが試験Ａと同じ熱応力的に過酷な環境下で稼働されると、試験Ａと同様、中間層１５にクラックが発生する場合があった。本発明者は、係るクラックの発生が、中間層１５の厚さＴと強い相関があることを見出した。以下、このことを確認した試験Ｃについて説明する。
【００９３】
試験Ｃでは、試験Ａと同様、図１に示したＳＯＦＣについて、中間層１５の材質、中間層１５の厚さＴ、及び、中間層１５の気孔率の組み合わせが異なる複数のサンプルが作製された。具体的には、表３に示すように、１０種類の水準（組み合わせ）が準備された。各水準に対して１０個のサンプル（Ｎ＝１０）が作製された。試験Ｃでは、中間層１５の気孔率は１５〜２５％の範囲内とされた。その他の試験条件、測定条件等は、試験Ａと同じである。
【００９４】
【表３】
2015053161.tif 000005
【００９５】
そして、上記還元処理後の各サンプルについて、「燃料極２０に還元性の燃料ガスを流通させながら、雰囲気温度を常温から７５０℃まで２時間で上げた後に７５０℃から常温まで４時間で下げるパターン」（即ち、試験Ａのときと同じ熱応力的に過酷なパターン）を１００回繰り返す熱サイクル試験を行った。そして、各サンプルについて、中間層１５におけるクラック（又は、剥離）の発生の有無が確認された。この確認は、目視、並びに、顕微鏡を使用した観察によってなされた。この結果は表３に示すとおりである。
【００９６】
表３から理解できるように、熱応力的に過酷な上記熱サイクル試験を行った後では、中間層１５の厚さＴが１００μｍよりも大きいと、中間層１５にクラックが発生し易い。これは、上述と同様、中間層１５の厚さが大きいほど、中間層１５のヤング率が大きくなることに基づく、と考えられる。
【００９７】
また、試験の都合等により、厚さＴが３．０μｍより小さい中間層１５を有するサンプルは作製されなかった。以上より、燃料極集電部２１における中間層１５との界面近傍に作用する応力が「引張応力」である場合、中間層１５の厚さＴが３．０〜１００μｍの範囲内であると、前記クラックが発生し難い、ということができる。なお、この試験Ｃの結果に基づいて得られた中間層１５の厚さＴの上限値（１００μｍ）が、試験Ａの結果に基づいて得られた中間層１５の厚さＴの上限値（７５μｍ）より大きいのは、試験Ａでは、中間層１５における燃料極集電部２１との界面近傍において引張応力が作用しているのに対し、試験Ｃでは、前記界面近傍において圧縮応力が作用していることに基づく、と考えられる。
【００９８】
（試験Ｄ）
上記実施形態に係るＳＯＦＣにおいて、燃料極集電部２１における中間層１５との界面近傍に作用する応力が「引張応力である場合」、中間層１５の厚さＴが３．０〜１００μｍの範囲内（より具体的には、１０〜２０μｍの範囲内）あっても、このＳＯＦＣが試験Ｃより熱応力的に更に過酷な環境下で稼働されると、中間層１５になおもクラックが発生する場合があった。本発明者は、係るクラックの発生が、中間層１５の気孔率と強い相関があることを見出した。以下、このことを確認した試験Ｄについて説明する。
【００９９】
試験Ｄでは、試験Ｃと同様、図１に示したＳＯＦＣについて、中間層１５の材質、中間層１５の厚さＴ、及び、中間層１５の気孔率の組み合わせが異なる複数のサンプルが作製された。具体的には、表４に示すように、１０種類の水準（組み合わせ）が準備された。各水準に対して１０個のサンプル（Ｎ＝１０）が作製された。試験Ｄでは、中間層１５の厚さＴは１０〜２０μｍの範囲内とされた。その他の試験条件、測定条件等は、試験Ｃと同じである。
【０１００】
【表４】
2015053161.tif 000006
【０１０１】
そして、上記還元処理後の各サンプルについて、「燃料極２０に還元性の燃料ガスを流通させながら、雰囲気温度を常温から８５０℃まで１時間３０分で上げた後に８５０℃から常温まで２時間で下げるパターン」（即ち、試験Ｂのときと同じ熱応力的に過酷なパターン）を１００回繰り返す熱サイクル試験を行った。そして、各サンプルについて、中間層１５におけるクラック（又は、剥離）の発生の有無が確認された。この確認は、目視、並びに、顕微鏡を使用した観察によってなされた。この結果は表４に示すとおりである。
【０１０２】
表４から理解できるように、熱応力的に更に過酷な上記熱サイクル試験を行った後では、中間層１５の気孔率が１０％より小さいと、中間層１５にクラックが発生し易い。これは、上述と同様、中間層１５の気孔率が小さいほど、中間層１５のヤング率が大きくなることに基づく、と考えられる。
【０１０３】
また、試験の都合等により、気孔率が４０％より大きい中間層１５を有するサンプルは作製されなかった。以上より、燃料極集電部２１における中間層１５との界面近傍に作用する応力が「引張応力」である場合、中間層１５の厚さＴが３．０〜１００μｍの範囲内であり、且つ、中間層１５の気孔率が１０〜４０％の範囲内であると、前記クラックがより一層発生し難い、ということができる。
【０１０４】
なお、本発明は上記実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、上記実施形態では、図６等に示すように、支持基板１０に形成された凹部１２の平面形状（支持基板１０の主面に垂直の方向からみた場合の形状）が、長方形になっているが、例えば、正方形、円形、楕円形、長穴形状等であってもよい。また、支持基板１０は平板状を呈しているが、円筒状であってもよい。
【０１０５】
また、上記実施形態においては、各凹部１２にはインターコネクタ３０の全体が埋設されているが、インターコネクタ３０の一部のみが各凹部１２に埋設され、インターコネクタ３０の残りの部分が凹部１２の外に突出（即ち、支持基板１０の主面から突出）していてもよい。
【０１０６】
また、上記実施形態において、凹部１２における底壁と側壁とのなす角度θが９０°になっているが、図２５に示すように、角度θが９０〜１３５°となっていてもよい。また、上記実施形態においては、図２６に示すように、凹部１２における底壁と側壁とが交差する部分が半径Ｒの円弧状になっていて、凹部１２の深さに対する半径Ｒの割合が０．０１〜１となっていてもよい。
【０１０７】
また、上記実施形態においては、平板状の支持基板１０の上下面のそれぞれに複数の凹部１２が形成され且つ複数の発電素子部Ａが設けられているが、図２７に示すように、支持基板１０の片側面のみに複数の凹部１２が形成され且つ複数の発電素子部Ａが設けられていてもよい。また、上記実施形態においては、支持基板１０の一つの主面上に、電気的に直列に接続された複数の発電素子部Ａが配置された所謂「横縞型」と呼ばれる構成が採用されているが、支持基板１０の一つの主面上に一つの発電素子部Ａが配置される構成（所謂「縦縞型」）が採用されてもよい。
【０１０８】
また、上記実施形態においては、燃料極２０が燃料極集電部２１と燃料極活性部２２との２層で構成されているが、燃料極２０が燃料極活性部２２に相当する１層（Ｎｉ＋酸化物セラミックス）で構成されてもよい。また、上記実施形態においては、支持基板１０の主面に複数の凹部１２が形成され、各凹部１２に燃料極２０がそれぞれ埋設されているが、図２８に示すように、支持基板１０の主面上に燃料極２０がそれぞれ積層されていてもよい。この場合、図２８に示すように、中間層１５は、支持基板１０の主面上における、支持基板１０と燃料極２０との境界部分に形成される。
【０１０９】
加えて、上記実施形態においては、図３に示すように、燃料極集電部２１の外側面に形成された凹部２１ｂが、燃料極集電部２１の材料からなる底壁と、周方向に閉じた側壁（支持基板１０の材料からなる長手方向に沿う２つの側壁と、燃料極集電部２１の材料からなる幅方向に沿う２つの側壁）と、で画定された直方体状の窪みとなっている。この結果、凹部２１ｂに埋設されたインターコネクタ３０の幅方向に沿う２つの側面と底面とが凹部２１ｂ内で燃料極集電部２１と接触している。
【０１１０】
これに対し、図２９に示すように、燃料極集電部２１の外側面に形成された凹部２１ｂが、燃料極集電部２１の材料からなる底壁と、全周に亘って燃料極集電部２１の材料からなる周方向に閉じた側壁（長手方向に沿う２つの側壁と、幅方向に沿う２つの側壁）と、で画定された直方体状の窪みであってもよい。これによれば、凹部２１ｂに埋設されたインターコネクタ３０の４つの側面の全てと底面とが凹部２１ｂ内で燃料極集電部２１と接触する。従って、燃料極集電部２１とインターコネクタ３０との界面の面積をより一層大きくできる。従って、燃料極集電部２１とインターコネクタ３０との間における電子伝導性をより一層高めることができ、この結果、燃料電池の発電出力をより一層高めることができる。
【符号の説明】
【０１１１】
１０…支持基板、１１…燃料ガス流路、１２…凹部、１５…中間層、２０…燃料極、２１…燃料極集電部、２１ａ、２１ｂ…凹部、２２…燃料極活性部、３０…インターコネクタ、４０…固体電解質膜、５０…反応防止膜、６０…空気極、７０…空気極集電膜、Ａ…発電素子部
【図１】
2015053161.tif 000007
【図２】
2015053161.tif 000008
【図３】
2015053161.tif 000009
【図４】
2015053161.tif 000010
【図５】
2015053161.tif 000011
【図６】
2015053161.tif 000012
【図７】
2015053161.tif 000013
【図８】
2015053161.tif 000014
【図９】
2015053161.tif 000015
【図１０】
2015053161.tif 000016
【図１１】
2015053161.tif 000017
【図１２】
2015053161.tif 000018
【図１３】
2015053161.tif 000019
【図１４】
2015053161.tif 000020
【図１５】
2015053161.tif 000021
【図１６】
2015053161.tif 000022
【図１７】
2015053161.tif 000023
【図１８】
2015053161.tif 000024
【図１９】
2015053161.tif 000025
【図２０】
2015053161.tif 000026
【図２１】
2015053161.tif 000027
【図２２】
2015053161.tif 000028
【図２３】
2015053161.tif 000029
【図２４】
2015053161.tif 000030
【図２５】
2015053161.tif 000031
【図２６】
2015053161.tif 000032
【図２７】
2015053161.tif 000033
【図２８】
2015053161.tif 000034
【図２９】
2015053161.tif 000035
【手続補正書】
【提出日】平成26年10月9日(2014.10.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス流路が内部に形成されるとともに、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）と第１酸化物セラミックスとを含んで構成された支持基板と、
前記支持基板に設けられるとともに、ニッケル（Ｎｉ）と第２酸化物セラミックスとを含んで構成された燃料極と、固体電解質と、空気極とがこの順に積層されてなる発電素子部と、
を備えた燃料電池であって、
前記支持基板と前記燃料極との境界部分に中間層が介在し、
前記中間層は、
酸化マグネシウム（ＭｇＯ）と酸化ニッケル（ＮｉＯ）との固溶体である（Ｍｇ，Ｎｉ）Ｏと、前記第１酸化物セラミックスと、前記第２酸化物セラミックスと、を含み、
前記燃料電池が還元雰囲気で熱処理が施された還元体である状態において、常温にて、前記燃料極における前記中間層との界面近傍では、前記界面に沿った圧縮応力が作用し、
前記中間層の厚さは、３．０〜７５μｍであり、
前記中間層の気孔率は、１５〜２５％である、燃料電池。
【請求項２】
ガス流路が内部に形成されるとともに、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）と第１酸化物セラミックスとを含んで構成された支持基板と、
前記支持基板に設けられるとともに、ニッケル（Ｎｉ）と第２酸化物セラミックスとを含んで構成された燃料極と、固体電解質と、空気極とがこの順に積層されてなる発電素子部と、
を備えた燃料電池であって、
前記支持基板と前記燃料極との境界部分に中間層が介在し、
前記中間層は、
酸化マグネシウム（ＭｇＯ）と酸化ニッケル（ＮｉＯ）との固溶体である（Ｍｇ，Ｎｉ）Ｏと、前記第１酸化物セラミックスと、前記第２酸化物セラミックスと、を含み、
前記燃料電池が還元雰囲気で熱処理が施された還元体である状態において、常温にて、前記燃料極における前記中間層との界面近傍では、前記界面に沿った圧縮応力が作用し、
前記中間層の厚さは、１０〜２０μｍであり、
前記中間層の気孔率は、１０〜４０％である、燃料電池。
【請求項３】
ガス流路が内部に形成されるとともに、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）と第１酸化物セラミックスとを含んで構成された支持基板と、
前記支持基板に設けられるとともに、ニッケル（Ｎｉ）と第２酸化物セラミックスとを含んで構成された燃料極と、固体電解質と、空気極とがこの順に積層されてなる発電素子部と、
を備えた燃料電池であって、
前記支持基板と前記燃料極との境界部分に中間層が介在し、
前記中間層は、
酸化マグネシウム（ＭｇＯ）と酸化ニッケル（ＮｉＯ）との固溶体である（Ｍｇ，Ｎｉ）Ｏと、前記第１酸化物セラミックスと、前記第２酸化物セラミックスと、を含み、
前記燃料電池が還元雰囲気で熱処理が施された還元体である状態において、常温にて、前記燃料極における前記中間層との界面近傍では、前記界面に沿った引張応力が作用し、
前記中間層の厚さは、３．０〜１００μｍであり、
前記中間層の気孔率は、１５〜２５％である、燃料電池。
【請求項４】
ガス流路が内部に形成されるとともに、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）と第１酸化物セラミックスとを含んで構成された支持基板と、
前記支持基板に設けられるとともに、ニッケル（Ｎｉ）と第２酸化物セラミックスとを含んで構成された燃料極と、固体電解質と、空気極とがこの順に積層されてなる発電素子部と、
を備えた燃料電池であって、
前記支持基板と前記燃料極との境界部分に中間層が介在し、
前記中間層は、
酸化マグネシウム（ＭｇＯ）と酸化ニッケル（ＮｉＯ）との固溶体である（Ｍｇ，Ｎｉ）Ｏと、前記第１酸化物セラミックスと、前記第２酸化物セラミックスと、を含み、
前記燃料電池が還元雰囲気で熱処理が施された還元体である状態において、常温にて、前記燃料極における前記中間層との界面近傍では、前記界面に沿った引張応力が作用し、
前記中間層の厚さは、１０〜２０μｍであり、
前記中間層の気孔率は、１０〜４０％である、燃料電池。