(57)【要約】【課題】ガス流路が内部に形成された支持基板の主面に形成された凹部に内側電極が埋設された燃料電池であって、「ガスシール部の一部である第２シール部と、燃料極との界面」の接合状態に関し、接合強度が大きいものを提供すること。【解決手段】この燃料電池では、ガスシール部は、発電素子部Ａの一部としての緻密な固体電解質４０と、固体電解質４０と接続され且つ固体電解質４０と同じ又は異なる緻密な構成材料からなる第１シール部４０と、第１シール部４０と接続されるとともに第１シール部４０とは異なる緻密な構成材料からなる第２シール部３５と、第２シール部３５と接続されたインターコネクタ３０とで構成される。還元処理後において、緻密な材料で構成された第２シール部３５と多孔質の材料で構成された燃料極集電部２１とを含む断面における「接合率」が３６〜７８％であり、且つ、「接合幅」が０．３〜３．３μｍである。【選択図】図２
2015076339.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス流路が内部に形成された支持基板と、
前記支持基板の主面における互いに離れた複数の箇所にそれぞれ設けられ、少なくとも燃料極、固体電解質、及び空気極が積層されてなる複数の発電素子部と、
１組又は複数組の隣り合う前記発電素子部の間にそれぞれ設けられ、隣り合う前記発電素子部の一方の燃料極と他方の空気極とを電気的に接続する１つ又は複数の電気的接続部と、
１組又は複数組の隣り合う前記発電素子部の間にそれぞれ設けられ、前記燃料極に供給される第１のガスと前記空気極に供給される第２のガスとの混合を防止する緻密な構成材料からなるガスシール部と、
を備えた燃料電池において、
前記支持基板の主面における前記複数の箇所に、前記支持基板の材料からなる底壁と、前記支持基板の材料からなる側壁と、を有する第１凹部がそれぞれ形成され、
前記各第１凹部に、対応する前記発電素子部の前記燃料極がそれぞれ埋設され、
前記各電気的接続部は、緻密な材料で構成された第１部分と、前記第１部分と接続され且つ多孔質の材料で構成された第２部分とで構成され、前記第１部分は、前記隣り合う発電素子部の一方の燃料極と前記第２部分とに接続され、前記第２部分は、前記隣り合う発電素子部の他方の空気極と前記第１部分とに接続され、
前記ガスシール部における前記埋設された各燃料極の外側面を覆う部分では、前記ガスシール部は、前記発電素子部の一部としての緻密な前記固体電解質と、前記固体電解質と接続されるとともに前記固体電解質と同じ又は異なる緻密な構成材料からなる第１シール部と、前記第１シール部と接続されるとともに前記第１シール部とは異なる緻密な構成材料からなる第２シール部と、前記第２シール部と接続された前記電気的接続部の第１部分と、を含み、前記第１シール部と前記電気的接続部の第１部分とは接触しないように構成され、
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、緻密な材料で構成された前記第２シール部と多孔質の材料で構成された前記燃料極とを含む断面における前記第２シール部と前記燃料極との界面に対応する線である境界線の長さに対する、前記境界線上において前記第２シール部と前記燃料極とが接触している複数の部分の長さの合計の割合である接合率が３６〜７８％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、前記境界線上において前記第２シール部と前記燃料極とが接触している前記複数の部分の長さの平均である接合幅が０．３〜３．３μｍである、燃料電池。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池において、
前記埋設された各燃料極の外側面に、前記燃料極の材料からなる底壁と、前記燃料極の材料からなる側壁と、を有する第２凹部がそれぞれ形成され、
前記各第２凹部に、対応する前記電気的接続部の前記第１部分、及び、対応する前記第２シール部がそれぞれ埋設され、
前記各第２凹部において、
前記電気的接続部の第１部分が、前記第２凹部における中央部に埋設され、
前記第２シール部が、前記第２凹部における前記中央部の周囲に位置する周縁部にて、前記第２凹部の側壁の全周、及び、前記電気的接続部の第１部分の外周の側壁の全周と接触するように埋設され、
前記各第２凹部において、
前記第２シール部の外側面の周縁部の全周が前記第１シール部で覆われている、燃料電池。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池において、
前記各第２凹部において、
前記電気的接続部の第１部分の底面における中央部が前記燃料極と接触し、前記電気的接続部の第１部分の底面における前記中央部の周囲に位置する周縁部が前記第２シール部と接触している、燃料電池。
【請求項５】
請求項３に記載の燃料電池において、
前記各第２凹部において、
前記電気的接続部の第１部分の底面における中央部が、前記電気的接続部の第１部分より導電率が大きい導電材料で構成された中間層を介して前記燃料極と接触し、前記電気的接続部の第１部分の底面における前記中央部の周囲に位置する周縁部が前記第２シール部と接触している、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た支持基板」と、「前記支持基板の主面における互いに離れた複数の箇所にそれぞれ設けられ、少なくとも燃料極、固体電解質、及び空気極が積層されてなる複数の発電素子部」と、「１組又は複数組の隣り合う前記発電素子部の間にそれぞれ設けられ、隣り合う前記発電素子部の一方の燃料極と他方の空気極とを電気的に接続する１つ又は複数の電気的接続部」と、「１組又は複数組の隣り合う前記発電素子部の間にそれぞれ設けられ、前記燃料極に供給される第１のガスと前記空気極に供給される第２のガスとの混合を防止する緻密な構成材料からなるガスシール部」と、を備えた燃料電池が知られている（例えば、特許文献１を参照）。このような構成は、「横縞型」とも呼ばれる。
【０００３】
この文献に記載の燃料電池では、前記支持基板の主面における前記複数の箇所に、前記支持基板の材料からなる底壁と、前記支持基板の材料からなる側壁と、を有する第１凹部がそれぞれ形成されている。前記各第１凹部に、対応する前記発電素子部の前記燃料極がそれぞれ埋設されている。前記各電気的接続部は、緻密な材料で構成された第１部分（インターコネクタ）と、前記第１部分と接続され且つ多孔質の材料で構成された第２部分（空気極集電膜）とで構成され、前記第１部分は、前記隣り合う発電素子部の一方の燃料極と前記第２部分とに接続され、前記第２部分は、前記隣り合う発電素子部の他方の空気極と前記第１部分とに接続されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４８２４１３５号公報
【発明の概要】
【０００５】
ところで、上記の構成を有する燃料電池では、前記ガスシール部のガスシール機能の低下を確実に抑制することが要求される。このため、本発明者は、特願２０１３−１２２５９２号にて、前記ガスシール部について以下の構成を既に提案している。即ち、前記ガスシール部における前記埋設された各燃料極の外側面を覆う部分では、前記ガスシール部は、前記発電素子部の一部としての緻密な前記固体電解質と、前記固体電解質と接続されるとともに前記固体電解質と同じ又は異なる緻密な構成材料からなる第１シール部と、前記第１シール部と接続されるとともに前記第１シール部とは異なる緻密な構成材料からなる第２シール部と、前記第２シール部と接続された前記電気的接続部の第１部分と、を含み、前記第１シール部と前記電気的接続部の第１部分とは接触しないように構成される。
【０００６】
上記ガスシール部の構成において、前記第２シール部は緻密な材料で構成され、前記燃料極は多孔質の材料で構成される。従って、前記第２シール部と前記燃料極との界面は、緻密層と多孔質層との境界となる。
【０００７】
本発明者は、このように、緻密層と多孔質層との境界となる「前記第２シール部と前記燃料極との界面」に着目した。そして、本発明者は、この界面の接合状態（接触状態）に関し、接合強度が大きくなる条件を見出した。
【０００８】
即ち、本発明は、ガス流路が内部に形成された支持基板の主面に形成された凹部に内側電極が埋設された燃料電池であって、「ガスシール部の一部である第２シール部と、燃料極との界面」の接合状態に関し、接合強度が大きいものを提供することを目的とする。
【０００９】
本発明に係る燃料電池の前記ガスシール部は、上記と同様、前記発電素子部の一部としての緻密な前記固体電解質と、前記固体電解質と接続されるとともに前記固体電解質と同じ又は異なる緻密な構成材料からなる第１シール部と、前記第１シール部と接続されるとともに前記第１シール部とは異なる緻密な構成材料からなる第２シール部と、前記第２シール部と接続された前記電気的接続部の第１部分と、を含んで構成される。
【００１０】
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、「前記第２シール部と前記燃料極とを含む断面における前記第２シール部と前記燃料極との界面に対応する線である境界線の長さ」に対する、「前記境界線上において前記第２シール部と前記燃料極とが接触している複数の部分の長さの合計」の割合である「接合率」が３６〜７８％であることにある。
【００１１】
後述するように、本発明者は、「接合率」が３６〜７８％である場合、「接合率」が３６〜７８％でない場合と比べて、「前記第２シール部と前記燃料極との界面」において、接合強度が大きくなることを見出した。
【００１２】
加えて、後述するように、本発明者は、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、「接合率」が３６〜７８％である場合において、前記境界線上において前記第２シール部と前記燃料極とが接触している前記複数の部分の長さの平均である「接合幅」が０．３〜３．３μｍであると、接合強度が特に大きくなることも見出した。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【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に示す支持基板の主面上に形成された凹部に埋設された燃料極、インターコネクタ、及びシール材の状態を示した平面図である。
【図４】支持基板の主面上に固体電解質膜が形成された状態における図３に対応する図である。
【図５】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６】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７】図１に示す支持基板を示す斜視図である。
【図８】図１に示す燃料電池の製造過程における第１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２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３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４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５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６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７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８段階における図２に対応する断面図である。
【図１６】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１７】図１に示す燃料電池における「燃料極の外側面に形成された凹部の周りの構造」を示した模式図である。
【図１８】従来の燃料電池における「燃料極の外側面に形成された凹部の周りの構造」を示した模式図である。
【図１９】本発明に係る燃料電池の第１変形例の図１７に対応する断面図である。
【図２０】本発明に係る燃料電池の第２変形例の図１７に対応する断面図である。
【図２１】本発明に係る燃料電池の第３変形例の図１７に対応する断面図である。
【図２２】本発明に係る燃料電池の第４変形例の図１７に対応する断面図である。
【図２３】本発明に係る燃料電池の第５変形例の図１７に対応する断面図である。
【図２４】本発明に係る燃料電池の第６変形例の図１７に対応する断面図である。
【図２５】本発明の実施形態に係るシール部と燃料極集電部とを含む断面を電子顕微鏡で拡大して得られた画像のスケッチ図であり、「接合率」及び「接合幅」を説明するための図である。
【図２６】本発明に係る燃料電池の第７変形例の図２に対応する断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
（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の構造体は、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。
【００１５】
このＳＯＦＣの構造体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の構造体の全体の厚さは、１〜５ｍｍである。このＳＯＦＣの構造体の全体は、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の構造体の図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の構造体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。
【００１６】
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、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。
【００１７】
支持基板１０は、例えば、ＣＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）から構成され得る。或いは、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）とから構成されてもよいし、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹ２Ｏ３（イットリア）とから構成されてもよいし、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）とＭｇＡｌ２Ｏ４（マグネシアアルミナスピネル）とから構成されてもよい。
【００１８】
支持基板１０は、「遷移金属酸化物又は遷移金属」と、絶縁性セラミックスとを含んで構成され得る。「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】
また、絶縁性セラミックスとしては、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）、又は、「ＭｇＡｌ２Ｏ４（マグネシアアルミナスピネル）とＭｇＯ（酸化マグネシウム）の混合物」が好適である。また、絶縁性セラミックスとして、ＣＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）、ＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）、Ｙ２Ｏ３（イットリア）が使用されてもよい。
【００２０】
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。
【００２１】
支持基板１０の厚さは、１〜５ｍｍである。支持基板１０の気孔率は、後述する「還元処理」の後において２０〜６０％である。なお、以下、他の部材の気孔率の値も、還元処理後の値である。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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。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、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る。
【００２４】
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４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。
【００２５】
燃料極活性部２２は、例えば、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）とから構成され得る。或いは、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＧＤＣ（ガドリニウムドープセリア）とから構成されてもよい。燃料極集電部２１は、例えば、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）とから構成され得る。或いは、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹ２Ｏ３（イットリア）とから構成されてもよいし、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＣＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）とから構成されてもよい。燃料極活性部２２の厚さは、５〜３０μｍであり、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、２５〜５０％であり、燃料極活性部２２の気孔率も、２５〜５０％である。
【００２６】
このように、燃料極集電部２１は、電子伝導性を有する物質を含んで構成される。燃料極活性部２２は、電子伝導性を有する物質と酸化性イオン（酸素イオン）伝導性を有する物質とを含んで構成される。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。
【００２７】
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、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る。
【００２８】
各凹部２１ｂには、インターコネクタ３０、並びに、シール部３５（前記「第２シール部」に対応）が埋設（充填）されている。具体的には、図３に示すように、各凹部２１ｂ内において、インターコネクタ３０は、凹部２１ｂにおける中央部に埋設（配置）されている。各インターコネクタ３０は、長手方向に沿う２つの側壁と幅方向に沿う２つの側壁とを有する直方体状を呈している。シール部３５は、凹部２１ｂにおけるインターコネクタ３０の周囲に位置する周縁部にて、凹部２１ｂの側壁（内壁）の全周、及び、インターコネクタ３０の外周の側壁の全周と接触するように埋設（充填）されている。即ち、各シール部３５は四角の枠状を呈している。各インターコネクタ３０の側面は燃料極２０（集電部２１）と接触していない一方で、各インターコネクタ３０の底面の全域は、燃料極２０（集電部２１）と接触している。
【００２９】
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。インターコネクタ３０は、例えば、ランタンクロマイト（ＬＣ）から構成され得る。ランタンクロマイトの化学式は、Ｌａ１−ｘＡｘＣｒ１−ｙ−ｚＢｙＯ３（ただし、Ａ：Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａから選択される少なくとも１種類の元素、Ｂ：Ｃｏ，Ｎｉ，Ｍｇ，Ａｌから選択される少なくとも１種類の元素、０．０５≦ｘ≦０．２、０．０２≦ｙ≦０．２２、０≦ｚ≦０．０５）で表わされる。
【００３０】
或いは、インターコネクタ３０は、チタン酸化物から構成され得る。チタン酸化物の化学式は、（Ａ１−ｘ，Ｂｘ）１−ｚ（Ｔｉ１−ｙ，Ｄｙ）Ｏ３（ただし、Ａ：アルカリ土類元素から選択される少なくとも１種類の元素、Ｂ：Ｓｃ，Ｙ，及びランタノイド元素から選択される少なくとも１種類の元素、Ｄ：第４周期、第５周期、第６周期の遷移金属、及びＡｌ，Ｓｉ，Ｚｎ，Ｇａ，Ｇｅ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ｐｂ，Ｂｉから選択される少なくとも１種類の元素、０≦ｘ≦０．５、０≦ｙ≦０．５、−０．０５≦ｚ≦０．０５）で表わされる。この場合、（Ｓｒ，Ｌａ）ＴｉＯ３（ストロンチウムチタネート）から構成され得る。インターコネクタ３０の厚さは、１０〜１００μｍである。インターコネクタ３０の気孔率は、１０％以下である。
【００３１】
シール部３５は、電気絶縁性を有する緻密な材料からなる焼成体である。シール部３５は、例えば、金属酸化物を含有し、好ましくは金属酸化物を主成分とする。具体的には、上記金属酸化物として、（ＡＥ)ＺｒＯ３、ＭｇＯ、ＭｇＡｌ２Ｏ４、及びＣｅｘＬｎ１−ｘＯ２からなる群より選択される少なくとも１種類の酸化物を含有してもよい。ここで、ＡＥは、アルカリ土類金属であり、Ｌｎは、Ｙ及びランタノイドからなる群より選択される少なくとも１種類の元素であり、ｘは０＜ｘ≦０．３を満たす。ＡＥに該当する元素としては、Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒ，及びＢａが挙げられる。また、微量成分として、遷移金属酸化物（例えば、ＮｉＯ、Ｍｎ３Ｏ４、Ｆｅ２Ｏ３、Ｃｒ２Ｏ３、ＣｏＯ)が含まれても良い。これらの成分は、酸化物として存在していても良いし、上記「（ＡＥ)ＺｒＯ３、ＭｇＯ、ＭｇＡｌ２Ｏ４、及びＣｅｘＬｎ１−ｘＯ２からなる群より選択される少なくとも１種類の酸化物」に固溶する形で存在していても良い。金属酸化物の平均粒径は０．１〜５．０μｍが好ましく、さらに好ましくは０．３〜４．０μｍである。シール部３５の厚さは、１０〜１００μｍである。シール部３５の気孔率は、１０％以下である。
【００３２】
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、シール部３５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の上面とシール部３５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。
【００３３】
燃料極２０、インターコネクタ３０、及びシール部３５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（主面を含む）において複数のシール部３５及びインターコネクタ３０に対応する部分を除いた全面は、固体電解質膜４０により覆われている。より具体的には、図４に示すように、固体電解質膜４０は、シール部３５の外側面の周縁部の全周を覆うように、支持基板１０の主面上に形成されている。この結果、シール部３５とインターコネクタ３０とが接触し、シール部３５と固体電解質膜４０とが接触する一方で、インターコネクタ３０と固体電解質膜４０とは接触していない。
【００３４】
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。固体電解質膜４０の気孔率は、１０％以下である。
【００３５】
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とシール部３５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。
【００３６】
なお、図２に示すように、本例では、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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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との界面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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。空気極集電膜７０の気孔率は、２０〜６０％である。
【００４３】
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」が前記「電気的接続部」に対応し、インターコネクタ３０が前記「電気的接続部の第１部分」に対応し、空気極集電膜７０が前記「電気的接続部の第２部分」に対応する。また、緻密な材料からなる「インターコネクタ３０、シール膜３５、及び、固体電解質膜４０」が前記「ガスシール部」に対応する。なお、本願では、「緻密な材料」とは、ガスシール機能を有する程度に小さい気孔率を有する材料を指し、典型的には、その材料の気孔率が１０％以下である。
【００４４】
以上、説明した「横縞型」のＳＯＦＣの構造体に対して、図５に示すように、支持基板１０の燃料ガス流路１１内に燃料ガス（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）
【００４５】
発電状態においては、図６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５に示すように、このＳＯＦＣの構造体全体から（具体的には、図５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。
【００４６】
（製造方法）
次に、図１に示した「横縞型」のＳＯＦＣの構造体の製造方法の一例について図７〜図１６を参照しながら簡単に説明する。図７〜図１６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。
【００４７】
先ず、図７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、ＣＳＺ）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７に示す８−８線に対応する部分断面を表す図８〜図１６を参照しながら説明を続ける。
【００４８】
図８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各凹部に、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の中央部に、直方体状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】
次いで、図１２に示すように、前記各凹部の成形体３０ｇの周囲に位置する周縁部に、シール材の成形体３５ｇがそれぞれ埋設・形成される。各シール材の成形体３５ｇは、例えば、シール部３５の材料（例えば、ＭｇＯ、或いは、ＭｇＯとＣａＺｒＯ３のコンポジット材料）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。
【００５１】
次に、図１３に示すように、複数の燃料極の成形体（２１ｇ＋２２ｇ）及び複数の成形体３０ｇ、３５ｇ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成形体３０ｇ、３５ｇが形成されたそれぞれの部分を除いた全面に、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。
【００５２】
次に、図１４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。
【００５３】
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の構造体において空気極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。
【００５４】
次に、図１５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。
【００５５】
次に、図１６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、インターコネクタ３０、及びシール部３５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。
【００５６】
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の構造体が得られる。なお、この時点では、酸素含有雰囲気での焼成により、支持基板１０、及び燃料極２０中のＮｉ成分が、ＮｉＯとなっている。従って、燃料極２０の導電性を獲得するため、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７００〜１０００℃で１〜１００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の構造体の製造方法の一例について説明した。
【００５７】
（ガスシール部の構成）
図１７に模式的に示すように、上記実施形態では、「インターコネクタ３０とシール部３５と固体電解質膜４０とが連続して接続されてなる緻密層」が、燃料ガスと空気との混合を防止するガスシール機能を発揮している。燃料極２０（集電部２１）の外側面に形成された凹部２１ｂの周縁部に配置されたシール部３５の外側面の一部（周縁部）が固体電解質膜４０で覆われている一方で、凹部２１ｂの中央部に配置されたインターコネクタ３０の外側面は固体電解質膜４０で覆われていない。
【００５８】
ここで、上記実施形態と比較するための従来例として、図１８に示すように、燃料極の外側面に形成された凹部の全体にインターコネクタが埋設（充填）される態様を考える。この場合、ガスシール性の低下の抑制のため、図１８に示すように、インターコネクタの外側面の周縁部が電解質膜で覆われる場合が多い。一般に、インターコネクタ（特に、ランタンクロマイトで構成されるインターコネクタ）は、上述した還元処理の際に膨張する性質を有する（還元膨張）。この還元膨張に起因して、インターコネクタの外側面の周縁部と電解質膜の内側面との界面において剥離が発生し、「ガスシール機能」の低下が発生し易いという問題があった。これに対し、上記実施形態では、上述のように、インターコネクタ３０の外側面上には緻密膜（固体電解質膜４０）が設けられていない。従って、上述したインターコネクタの還元膨張による剥離に起因する「ガスシール機能」の低下が発生しない。即ち、「ガスシール機能」の低下を確実に抑制し得る。
【００５９】
また、上記実施形態では、図１７に示すように、直方体状のインターコネクタ３０の底面の全域が燃料極２０（集電部２１）と接触しているが、図１９に示すように、直方体状のインターコネクタ３０の底面における中央部が燃料極２０（集電部２１）と接触し、インターコネクタ３０の底面における前記中央部の周囲に位置する周縁部がシール部３５と接触するように構成されてもよい。また、図２０に示すように、シール部３５の底面における周縁部の一部がインターコネクタ３０と接触するように構成されてもよい。
【００６０】
また、図２１に示すように、インターコネクタ３０の底面と燃料極２０（集電部２１）との間に中間層３８が介装されてもよい。中間層３８は、インターコネクタ３０より導電率が大きい導電材料で構成され、例えば、ＮｉＯとＹ２Ｏ３(イットリア)の混合粉末、ＮｉＯとＧＤＣ(ガドリニアドープセリア)の混合粉末、ＮｉＯとＬａＣｒＯ３の混合粉末、等から構成され得る。この中間層３８を挿入することによって、インターコネクタ３０と燃料極集電部２１との間に存在する界面抵抗を大幅に減少することができる。従って、電流が、「面積が小さいインターコネクタ３０の側面」ではなく「面積が大きいインターコネクタ３０の底面」を通るように、電流の経路を制御することができ、ＳＯＦＣ全体としての電気抵抗を小さくすることができる。
【００６１】
図２１に示す構成において、固体電解質膜４０における「シール部３５（前記「第２シール部」に対応）の外側面の周縁部の全周を覆う部分」は、固体電解質膜４０に代えて、固体電解質膜４０とは構成材料が異なる緻密膜３７（前記「第１シール部」に対応）で構成されてもよい。緻密膜３７は、例えば、ＧＤＣ＝（Ｃｅ，Ｇｄ）Ｏ２（ガドリニウムドープセリア）で構成され得る。
【００６２】
この場合、前記「ガスシール部」における燃料極２０（集電部２１）の外側面を覆う部分では、前記「ガスシール部」は、前記発電素子部の一部としての固体電解質膜４０と、固体電解質膜４０と接続されるとともに固体電解質膜４０とは異なる構成材料からなる緻密膜３７（前記「第１シール部」に対応）と、緻密膜３７と接続されるとともに緻密膜３７とは異なる緻密な構成材料からなるシール部３５（前記「第２シール部」に対応）と、シール部３５と接続されたインターコネクタ３０と、から構成される。この場合、緻密膜３７とインターコネクタ３０とが接触せず、且つ、固体電解質膜４０とシール部３５とが接触しない。
【００６３】
また、図２１に示す構成では、燃料極２０（集電部２１）の外側面に形成された凹部２１ｂにシール部３５及びインターコネクタ３０が埋設されているが、図２２に示すように、凹部２１ｂに、インターコネクタ３０のみ（及び、中間層３８）が埋設されていてもよい。或いは、図２３に示すように、凹部２１ｂにシール部３５のみ（及び、中間層３８）が埋設されていてもよい。或いは、図２４に示すように、燃料極２０（集電部２１）の外側面に凹部２１ｂが形成されず、インターコネクタ３０及びシール部３５が支持基板１０の主面上に形成されてもよい。
【００６４】
図２１に示す構成と同様、図２２〜図２４に示す構成でも、前記「ガスシール部」における燃料極２０（集電部２１）の外側面を覆う部分では、前記「ガスシール部」は、「前記発電素子部の一部としての固体電解質膜４０」と、「固体電解質膜４０と接続されるとともに固体電解質膜４０と同じ構成材料からなる緻密膜４０又は異なる構成材料からなる緻密膜３７」（前記「第１シール部」に対応）と、「緻密膜４０又は３７と接続されるとともに緻密膜４０又は３７とは異なる緻密な構成材料からなるシール部３５」（前記「第２シール部」に対応）と、「シール部３５と接続されたインターコネクタ３０」と、から構成される。
【００６５】
図２１に示す構成と同様、図２２〜図２４に示す構成でも、前記「第１シール部」が緻密膜４０（＝固体電解質膜４０）である場合、緻密膜４０（＝固体電解質膜４０）とインターコネクタ３０とが接触しない。前記「第１シール部」が緻密膜３７（≠固体電解質膜４０）である場合、緻密膜３７（≠固体電解質膜４０）とインターコネクタ３０とが接触せず、且つ、固体電解質膜４０とシール部３５とが接触しない。
【００６６】
（シール部と燃料極集電部との界面）
以下、シール部３５（特に、シール部３５の底面）と燃料極集電部２１との界面、即ち、緻密層と多孔質層との境界に着目する。図２５は、上記還元処理後の本発明の実施形態に係るシール部３５と燃料極集電部２１とを含む断面（積層方向（膜の厚さ方向）に沿う断面、各要素（各膜）の平面方向に垂直の断面）を電子顕微鏡で拡大して得られた画像の一例をスケッチした図である。
【００６７】
本明細書では、この断面においてシール部３５（緻密層）と燃料極集電部２１（多孔質層）との界面に対応する線（図２５に示した例では、線分Ｌ）を「境界線」と呼ぶ。この境界線は、例えば、以下のように定義され得る。即ち、断面上において、多孔質層に含まれる多数の気孔のうちで緻密層に面して存在する複数の気孔が抽出される。抽出された複数の気孔のそれぞれについて、気孔内に対応する領域において最も緻密層側の点（図２５に示した例では、気孔内に対応する領域において最も上側の点）がプロットされる（図２５に示した例では、複数の黒いドットを参照）。プロットされた複数の点と周知の統計的手法の一つ（例えば、最小二乗法）とを用いて、プロットされた複数の点のそれぞれの近傍を通る線（直線、又は曲線）が決定される。この線（図２５に示した例では、線分Ｌ）が「境界線」となる。なお、図２５に示した例では、シール部３５が平板状であるために「境界線」が直線になっているが、例えば、シール部３５が反っている場合、或いは、湾曲している場合には、「境界線」は曲線となる。また、「境界線」が、直線と曲線との組み合わせで構成されていてもよい。
【００６８】
このように定義された「境界線」に対して、「接合率」及び「接合幅」を以下のように定義する。「接合率」は、「境界線」の長さ（図２５に示した例では、図中の線分Ｌの長さ）に対する、「境界線」上においてシール部３５と燃料極集電部２１とが接触している「複数の部分」（気孔に対応しない複数の部分）の長さの合計の割合、と定義される。「接合幅」は、上記「複数の部分」の長さの平均、と定義される。
【００６９】
本発明者は、上記還元処理後において、「接合率」が３６〜７８％である場合、「接合率」が３６〜７８％でない場合と比べて、「シール部と燃料極集電部との界面」において、接合強度が大きくなることを見出した。以下、このことを確認した試験Ａについて説明する。
【００７０】
（試験Ａ）
試験Ａでは、本実施形態に係る燃料電池の一部である、シール部と燃料極集電部との接合体（以下、「接合体」と呼ぶ。）について、シール部、燃料極集電部の材質、及び、「接合率」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２０個のサンプル（Ｎ＝２０）が作製された。
【００７１】
【表１】
2015076339.tif 000003
【００７２】
各サンプル（接合体）としては、上方からみた形状が円形（直径：約２ｃｍ）で厚さが約１ｍｍのシール部と、上方からみた形状が円形（直径：約1ｃｍ）で厚さが約１００μｍの燃料極集電部と、が積層された積層体が使用された。各サンプル（接合体）は、シール部と燃料極集電部とが共焼成されて作製された。「接合率」の調整は、燃料極集電部の焼成に使用される粉末（ＮｉＯ粉末等）の粒径及び比表面積、有機成分（バインダー、造孔材）の量、並びに、シール部及び燃料極集電部の共焼成温度等を調整することにより達成された。
【００７３】
具体的には、粉末の平均粒径は、０．５〜５μｍの範囲内で調整された。粉末の比表面積は、３〜３０ｍ２／ｇの範囲内で調整された。有機成分の量（重量）は、粉体の全重量に対して１０〜５０％の範囲内で調整された。造孔材としては、セルロース、カーボン、ＰＭＭＡ等が使用された。共焼成温度は、８５０〜１３００℃の範囲内で調整された。焼成時間は、１〜２０時間の範囲内で調整された。この焼成後に、各サンプルに対して上記還元処理が行われた。この還元処理は、各サンプルを８００℃の水素雰囲気に５時間曝すことによって行われた。
【００７４】
そして、各サンプル（接合体、還元処理後）について、引張強度が測定された。この測定は以下のようになされた。即ち、サンプル（接合体）の上下面（シール部の上面、及び燃料極集電部の下面）にそれぞれ、引張試験用の治具が貼り付けられた。上下の治具に対して上下方向に引き離す力（引っ張り力）が加えられ、この引っ張り力が徐々に増大された。サンプル（接合体）の接合部位（シール部と燃料極集電部との界面近傍の部位）が剥離する際の引っ張り力の大きさ（以下、「引張強度」と呼ぶ。）が測定された。引張強度の測定結果は表１に示すとおりである。測定結果としては、各水準についてＮ＝２０の平均値が採用された。
【００７５】
表１から理解できるように、「接合率」が３６％未満である場合、引張強度が小さい。
【００７６】
また、「接合率」が７８％より大きい場合も引張強度が小さい。これは、理由は明確ではないが、以下のように考えられる。つまり、「接合率」が大きくなるということは、即ち、接合界面におけるシール部と燃料極集電部との焼結が進行したことを意味する。焼結が進行すると、それぞれの元素は相互に拡散し、接合界面に異なる組成の相が生成される。係る異相が生成されると、それが接合界面の剥離の基点となり得る。
【００７７】
以上のことから、「接合率」が大きいと、上述した「接合率」が小さい場合と同様、引張強度が小さくなる、と考えられる。
【００７８】
一方、「接合率」が３６〜７８％である場合、「接合率」が３６〜７８％でない場合と比べて、引張強度が大きい。即ち、上記還元処理後において、「接合率」が３６〜７８％である場合、「接合率」が３６〜７８％でない場合と比べて、「シール部と燃料極集電部との界面」において、接合強度が大きい、ということができる。
【００７９】
また、本発明者は、上記還元処理後において、「接合率」が３６〜７８％である場合において、「接合幅」が０．３〜３．３μｍであると、「シール部と燃料極集電部との界面」において、特に接合強度が大きくなることも見出した。以下、このことを確認した試験Ｂについて説明する。
【００８０】
（試験Ｂ）
試験Ｂでも、試験Ａと同様、本実施形態に係る燃料電池の一部である、シール部と燃料極集電部との「接合体」について、シール部の材質、燃料極集電部の材質、「接合率」、及び「接合幅」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２０個のサンプル（Ｎ＝２０）が作製された。各サンプル（接合体）の形状は試験Ａのものと同形とされた。各サンプル（接合体、還元処理後）の「接合率」は全て、３６〜７８％の範囲内となっている。「接合幅」の調整も、「接合率」の調整と同様、燃料極集電部の焼成に使用される粉末（ＮｉＯ粉末等）の粒径及び比表面積、有機成分（バインダー、造孔材）の量、及び、共焼成温度等を調整することにより達成された。粉末の平均粒径、粉末の比表面積、有機成分の量（重量）、焼成温度、並びに焼成時間のそれぞれの調整範囲は、上述した試験Ａの場合と同じである。還元処理の条件も、上述した試験Ａの場合と同じである。
【００８１】
【表２】
2015076339.tif 000004
【００８２】
そして、各サンプル（接合体、還元処理後）について、試験Ａと同様の手法により、引張強度が測定された。この測定結果は、表２に示すとおりである。表２から理解できるように、「接合率」が３６〜７８％である場合、「接合幅」が０．３〜３．３μｍであると、「接合幅」が０．３〜３．３μｍでない場合に比して、引張強度が大きい。即ち、還元処理後において、「接合率」が３６〜７８％である場合、「接合幅」が０．３〜３．３μｍであると、「シール部と燃料極集電部との界面」において、接合強度が特に大きい、ということができる。
【００８３】
なお、「接合率が３６〜７８％」（及び接合幅が０．３〜３．３μｍ）は、シール部及び燃料極集電部を含む任意の１つの断面について成立していればよい。或いは、「接合率が３６〜７８％」（及び接合幅が０．３〜３．３μｍ）は、シール部及び燃料極集電部を含む任意の複数の断面（例えば、或る方向に平行な２つの断面と、その方向に直交する方向に平行な２つの断面）のそれぞれについて成立している必要がある。
【００８４】
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、燃料電池を構成する積層体は、単独で存在しているが（図１を参照）、この積層体が、或る装置全体の一部分として存在していてもよい。また、上記実施形態では、図７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。
【００８５】
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２６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。
【００８６】
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層で構成されてもよい。
【符号の説明】
【００８７】
１０…支持基板、１１…燃料ガス流路、１２…凹部、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、３５…シール部、３７…緻密膜、３８…中間層、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】
2015076339.tif 000005
【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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【図７】
2015076339.tif 000011
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【手続補正書】
【提出日】平成26年11月19日(2014.11.19)
【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た支持基板と、
前記支持基板の主面における互いに離れた複数の箇所にそれぞれ設けられ、少なくとも燃料極、固体電解質、及び空気極が積層されてなる複数の発電素子部と、
１組又は複数組の隣り合う前記発電素子部の間にそれぞれ設けられ、隣り合う前記発電素子部の一方の燃料極と他方の空気極とを電気的に接続する１つ又は複数の電気的接続部と、
１組又は複数組の隣り合う前記発電素子部の間にそれぞれ設けられ、前記燃料極に供給される第１のガスと前記空気極に供給される第２のガスとの混合を防止する緻密な構成材料からなるガスシール部と、
を備えた燃料電池において、
前記支持基板の主面における前記複数の箇所に、前記支持基板の材料からなる底壁と、前記支持基板の材料からなる側壁と、を有する第１凹部がそれぞれ形成され、
前記各第１凹部に、対応する前記発電素子部の前記燃料極がそれぞれ埋設され、
前記各電気的接続部は、緻密な材料で構成された第１部分と、前記第１部分と接続され且つ多孔質の材料で構成された第２部分とで構成され、前記第１部分は、前記隣り合う発電素子部の一方の燃料極と前記第２部分とに接続され、前記第２部分は、前記隣り合う発電素子部の他方の空気極と前記第１部分とに接続され、
前記ガスシール部における前記埋設された各燃料極の外側面を覆う部分では、前記ガスシール部は、前記発電素子部の一部としての緻密な前記固体電解質と、前記固体電解質と接続されるとともに前記固体電解質と同じ又は異なる緻密な構成材料からなる第１シール部と、前記第１シール部と接続されるとともに前記第１シール部とは異なる緻密な構成材料からなる第２シール部と、前記第２シール部と接続された前記電気的接続部の第１部分と、を含み、前記第１シール部と前記電気的接続部の第１部分とは接触しないように構成され、
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、緻密な材料で構成された前記第２シール部と多孔質の材料で構成された前記燃料極とを含む断面における前記第２シール部と前記燃料極との界面に対応する線である境界線の長さに対する、前記境界線上において前記第２シール部と前記燃料極とが接触している複数の部分の長さの合計の割合である接合率が３６〜７８％であり、
前記境界線は、前記断面についての拡大率が５０００倍の画像で認識される前記界面に対応する線であり、
前記境界線の長さは、前記画像で認識される範囲内の前記界面に対応する線の長さであり、
前記境界線は、
前記画像において、前記燃料極に含まれる複数の気孔のうち前記第２シール部に面して存在する複数の気孔が抽出され、前記抽出された複数の気孔のそれぞれについて、前記画像において、気孔内に対応する領域内で最も前記第２シール部側の点が認識され、前記認識された複数の点と統計的手法とを用いて得られる、前記認識された複数の点のそれぞれの近傍を通る近似線である、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、前記境界線上において前記第２シール部と前記燃料極とが接触している前記複数の部分の長さの平均である接合幅が０．３〜３．３μｍである、燃料電池。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池において、
前記埋設された各燃料極の外側面に、前記燃料極の材料からなる底壁と、前記燃料極の材料からなる側壁と、を有する第２凹部がそれぞれ形成され、
前記各第２凹部に、対応する前記電気的接続部の前記第１部分、及び、対応する前記第２シール部がそれぞれ埋設され、
前記各第２凹部において、
前記電気的接続部の第１部分が、前記第２凹部における中央部に埋設され、
前記第２シール部が、前記第２凹部における前記中央部の周囲に位置する周縁部にて、前記第２凹部の側壁の全周、及び、前記電気的接続部の第１部分の外周の側壁の全周と接触するように埋設され、
前記各第２凹部において、
前記第２シール部の外側面の周縁部の全周が前記第１シール部で覆われている、燃料電池。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池において、
前記各第２凹部において、
前記電気的接続部の第１部分の底面における中央部が前記燃料極と接触し、前記電気的接続部の第１部分の底面における前記中央部の周囲に位置する周縁部が前記第２シール部と接触している、燃料電池。
【請求項５】
請求項３に記載の燃料電池において、
前記各第２凹部において、
前記電気的接続部の第１部分の底面における中央部が、前記電気的接続部の第１部分より導電率が大きい導電材料で構成された中間層を介して前記燃料極と接触し、前記電気的接続部の第１部分の底面における前記中央部の周囲に位置する周縁部が前記第２シール部と接触している、燃料電池。