(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質体の一方の面に空気極が形成されるとともに、他方の面に燃料極が形成された平板形状の燃料電池セルにおいて、
前記空気極側に形成され前記空気極の厚み方向に対して垂直な第１方向から酸化剤ガスを供給する第１流路と、前記燃料極側に形成され前記燃料極の厚み方向に対して垂直な第２方向から燃料ガスを供給する第２流路と、を備え、
前記空気極又は前記燃料極を所定の厚みを有する板状の構造とするとともに、該板状の構造の、前記酸化剤ガス又は前記燃料ガスが流入する前記第１方向又は前記第２方向に交差する側面を、前記電解質体側の一辺よりも、該電解質体と反対側の一辺がガスの下流側に傾斜するように構成し、
傾斜を有する前記空気極又は前記燃料極は、前記電解質体と反対側に外側表面を備え、
前記外側表面は、前記酸化剤ガス又は前記燃料ガスが供給されることを特徴とする燃料電池セル。
【請求項２】
電解質体の一方の面に空気極が形成されるとともに、他方の面に燃料極が形成された平板形状の燃料電池セルにおいて、
前記空気極側に形成され前記空気極の厚み方向に対して垂直な第１方向から酸化剤ガスを供給する第１流路と、前記燃料極側に形成され前記燃料極の厚み方向に対して垂直な第２方向から燃料ガスを供給する第２流路と、を備え、
前記空気極及び前記燃料極を所定の厚みを有する板状の構造とするとともに、該板状の構造の、前記酸化剤ガスが流入する前記第１方向に交差する第１側面及び前記燃料ガスが流入する前記第２方向に交差する第２側面を、前記電解質体側の一辺よりも、該電解質体と反対側の一辺がガスの下流側に傾斜するように構成し、
傾斜を有する前記空気極及び前記燃料極は、前記電解質体と反対側に外側表面を備え、
前記空気極の前記外側表面は、前記酸化剤ガスが供給され、
前記燃料極の前記外側表面は、前記燃料ガスが供給されることを特徴とする燃料電池セル。
【請求項３】
前記電解質体と前記空気極と前記燃料極との側面方向の周囲を囲むように枠体を設けるとともに、前記枠体に前記各ガスを導入するための流路を設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池セル。
【請求項４】
前記空気極は、空気極機能層と、前記空気極機能層の表面上に形成され前記酸化剤ガスが該空気極機能層まで拡散可能な拡散層と、を備え、
前記拡散層のみが前記傾斜を有するように構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池セル。
【請求項５】
前記側面の傾斜する角度が、前記電解質体の表面に対して３０〜８５°の範囲であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池セル。
【請求項６】
前記傾斜する側面に、前記第１方向及び前記第２方向の少なくとも一方に沿って、スリットが形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池セル。
【請求項７】
前記傾斜する側面は、滑らかな表面又は階段状の表面を有していることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池セル。
【請求項８】
前記請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池セルは、固体酸化物を電解質体とする固体酸化物形燃料電池セルであることを特徴とする燃料電池セル。
【請求項９】
前記請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池セルを、１又は複数個備えた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、空気極に酸化剤ガスを供給するとともに燃料極に燃料ガスを供給して発電を行う燃料電池セルと、その燃料電池セルを複数個備えた燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池の一種として、電解質層に固体酸化物を用いた固体酸化物形燃料電池（以下単に燃料電池と記すこともある）が知られている。
例えば、下記特許文献１に記載の様に、イオン伝導性を有する固体酸化物からなる層状の固体電解質体と、固体電解質体の一方の面側に設けられて酸化剤ガス（空気や酸素など）に接する層状の空気極と、固体電解質体の他方の面側に設けられて燃料ガス（水素やメタンやエタノールなど）に接する層状の燃料極とを有する平板形状の燃料電池セルが知られており、また、この燃料電池セルを複数個積層した構造を有する燃料電池も開発されている。
【０００３】
この種の燃料電池では、空気極や燃料極の各電極と酸化剤ガスや燃料ガスの各ガスとの反応を好適に行わせるために、通常、各電極と各ガスとの接触面積を大きくするように構成されている。例えば空気極側では、空気極の側面側から（即ち、厚み方向に対して垂直な方向に沿って）酸化剤ガスを空気極側に導入し、空気極の主面（厚み方向における外側表面）とセルの隔壁との間に酸化剤ガスを供給することにより、空気極に対して酸化剤ガスを供給するようにしている。
【０００４】
また、これとは別に、例えば空気極においては、空気極と外部（セルの外部）との電気的接続をとるために、空気極の外側表面（空気極の主面）に接する様に集電体が配置されるものがあり、近年では、空気極と集電体との導通をより確実にするために、空気極の厚みを大きくする等の提案がなされている（下記特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−３２７６３７号公報
【特許文献２】特開２０１０−２７２４９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述した特許文献２の技術の様に、例えば空気極の厚みを大きくした場合には、図１３に示す様に、空気極の側面が酸化剤ガスを導入する際の障壁になってしまい、酸化剤ガスが空気極の外側表面に好適に供給されにくいという問題があった。
【０００７】
つまり、空気極の厚みが大きいと、酸化剤ガスが空気極の切り立った側面に当たって、その側面に沿って左右（同図上下方向）に流れてしまい、空気極の（面積の広い）外側表面（主面）に十分に供給されないという問題があった。
【０００８】
この結果、空気極の外側表面に対応するセル面内（平面方向における面内）に発電のバラツキが生じることにより、セル面内に熱のバラツキが生じ、場合によっては、燃料電池セルにクラックが生じる恐れがあった。
【０００９】
特に、例えば夜間の少量発電の様な負荷変動（負荷減少）によって、燃料電池セルに少量の酸化剤ガス等しか供給されない場合には、空気極の外側表面における全ての領域に酸化剤ガスが行き渡らない恐れがあり、その結果、所望の発電量が得られない可能性もあった。
【００１０】
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、空気極等の電極の外側表面（主面側の表面）に十分なガスを供給することができる燃料電池セル及び燃料電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
（１）本発明は、第１態様として、電解質体の一方の面に空気極が形成されるとともに、他方の面に燃料極が形成された平板形状の燃料電池セルにおいて、前記空気極側に形成され前記空気極に対して所定の第１方向から酸化剤ガスを供給する第１流路と、前記燃料極側に形成され前記燃料極に対して所定の第２方向から燃料ガスを供給する第２流路と、を備え、前記空気極又は前記燃料極を所定の厚みを有する板状の構造とするとともに、該板状の構造の、前記酸化剤ガス又は前記燃料ガスが流入する前記第１方向又は前記第２方向に交差する側面を、前記電解質体側の一辺よりも、該電解質体と反対側の一辺がガスの下流側に傾斜するように構成したことを特徴とする。
【００１２】
本発明では、板状の空気極又は燃料極の側面（主面側ではない側面：主面の存在する平面に対して交差する側面）は、酸化剤ガス又は燃料ガスが流入する第１方向又は第２方向に対して交差（直交する場合も含む）しており、しかも、この側面は、電解質体側の一辺よりも電解質体と反対側の一辺がガスの下流側に傾斜している。つまり、空気極又は燃料極の側面は、ガスの流路に沿って外側（電解質体と反対側）が下流側に傾斜している。
【００１３】
これにより、空気極及び燃料極をそれぞれ収容する空間（以下ガス室と記す）に配置した際に、空気極や燃料極の厚みが大きく、ガス室内部に流入（導入）されるガス（酸化剤ガス又は燃料ガス）の入口に面した（又は直面した）場合でも、空気極や燃料極の側面が酸化剤ガスや燃料ガスを導入する際の障壁になり難く、導入された酸化剤ガスや燃料ガスが「傾斜」している側面に誘導されて、空気極や燃料極の（面積の広い）主面側である外側表面に好適に供給されるという効果がある。
【００１４】
つまり、空気極や燃料極の厚みが大きな場合でも、酸化剤ガスや燃料ガスは、空気極や燃料極の側面に阻害されて左右に流れてしまうという現象が起き難く、よって、空気極や燃料極の外側表面に十分に供給されるという効果がある。
【００１５】
この結果、酸化剤ガスや燃料ガスがそれぞれの電極の主面に行き渡りやすく、セル面内に発電のバラツキが生じ難くなるので、セル面内に熱のバラツキが生じ難く、よって、セルにクラックが生じ難いという利点がある。
【００１６】
従って、特に、夜間の少量発電の様な負荷変動（負荷減少）によって、セルに少量の酸化剤ガスや燃料ガスしか供給されない場合でも、空気極や燃料極の外側表面に十分に酸化剤ガスや燃料ガスが供給でき、その結果、所望の発電量が得られるという利点もある。
【００１７】
（２）本発明は、第２態様として、電解質体の一方の面に空気極が形成されるとともに、他方の面に燃料極が形成された平板形状の燃料電池セルにおいて、前記空気極側に形成され前記空気極に対して所定の第１方向から酸化剤ガスを供給する第１流路と、前記燃料極側に形成され前記燃料極に対して所定の第２方向から燃料ガスを供給する第２流路と、を備え、前記空気極及び前記燃料極を所定の厚みを有する板状の構造とするとともに、該板状の構造の、前記酸化剤ガスが流入する前記第１方向に交差する第１側面及び前記燃料ガスが流入する前記第２方向に交差する第２側面を、前記電解質体側の一辺よりも、該電解質体と反対側の一辺がガスの下流側に傾斜するように構成したことを特徴とする。
【００１８】
本発明では、板状の空気極及び燃料極の各側面（主面側ではない側面：主面の存在する平面に対して交差する側面）は、酸化剤ガスが流入する第１方向及び燃料ガスが流入する第２方向に対して交差（直交する場合も含む）しており、しかも、この側面は、電解質体側の一辺よりも電解質体と反対側の一辺がガスの下流側に傾斜している。つまり、空気極及び燃料極の側面は、ガスの流路に沿って外側（電解質体と反対側）が下流側に傾斜している。
【００１９】
これにより、空気極及び燃料極をそれぞれ収容するガス室に配置した際に、空気極及び燃料極の厚みが大きく、ガス室内部に流入（導入）されるガス（酸化剤ガス又は燃料ガス）の入口に面した（又は直面した）場合でも、空気極及び燃料極の側面が酸化剤ガスや燃料ガスを導入する際の障壁になり難く、導入された酸化剤ガスや燃料ガスが「傾斜」している側面に誘導されて、空気極及び燃料極の（面積の広い）主面側である外側表面に好適に供給されるという効果がある。
【００２０】
つまり、空気極及び燃料極の厚みが大きな場合でも、酸化剤ガスや燃料ガスは、空気極及び燃料極の側面に阻害されて左右に沿って左右に流れてしまうという現象が起き難く、よって、空気極及び燃料極の（面積の広い）外側表面に十分に供給されるという効果がある。
【００２１】
この結果、酸化剤ガス及び燃料ガスがそれぞれの電極の主面に行き渡りやすく、セル面内に発電のバラツキが生じ難くなるので、セル面内に熱のバラツキが生じ難く、よって、セルにクラックが生じ難いという利点がある。
【００２２】
従って、特に、夜間の少量発電の様な負荷変動（負荷減少）によって、セルに少量の酸化剤ガスや燃料ガスしか供給されない場合でも、空気極や燃料極の外側表面に十分に酸化剤ガスや燃料ガスが供給でき、その結果、所望の発電量が得られるという利点もある。
【００２３】
（３）本発明は、第３態様として、前記電解質体と前記空気極と前記燃料極との側面方向の周囲を囲むように枠体を設けるとともに、前記枠体に前記各ガスを導入するための流路を設けたことを特徴とする。
【００２４】
本発明の第３態様では、電解質体と空気極と燃料極との側面方向の周囲を囲むように枠体を設け、この枠体に各ガスを導入するための流路を設けることができる。即ち、前述した「ガス室」を枠体の内側にて形成し、ガス室内にガスを導入するための流路（入口）を枠体に形成することができる。
【００２５】
（４）本発明は、第４態様として、前記空気極は、空気極機能層と、前記空気極機能層の表面上に形成され前記酸化剤ガスが該空気極機能層まで拡散可能な拡散層と、を備え、前記拡散層のみが前記傾斜を有するように構成されていることを特徴とする。
【００２６】
本発明の第４態様では、空気極が空気極機能層と拡散層とを備えている場合に、外側の拡散層のみに傾斜を形成することができる。この拡散層の側面のみに傾斜を設けた場合でも、十分に各ガスを各電極の主面側に導入することができる。また、空気極の拡散層のみに「傾斜」を設けることで、「傾斜」による空気極機能層の体積（現象）への影響が少なく、空気極機能層が担う発電反応の機能を損なうこともない。
【００２７】
なお、ここで、空気極機能層とは、発電のために空気極としての反応を行う層、詳しくは、酸化剤ガス中の酸素と燃料極側から供給される水素イオンと外部回路から供給される電子とから水を生成させる機能を有する層である。また、固体酸化物形燃料電池の場合では、空気極機能層は、酸化剤ガス中の酸素を酸素イオンに生成する層であり、生成された酸素イオンが固体電解質層を介して燃料極で生成された水素イオンと結合して水が生成される。
【００２８】
（５）本発明は、第５態様として、前記側面の傾斜する角度が、前記電解質体の表面に対して３０〜８５°の範囲であることを特徴とする。
本発明の第５態様では、各電極の側面の傾斜を３０〜８５°の範囲に設定すれば、有効に電極の主面側に各ガスを誘導して導入することができる。
【００２９】
（６）本発明は、第６態様として、前記傾斜する側面に、前記第１方向及び前記第２方向の少なくとも一方に沿って、スリットが形成されていることを特徴とする。
本発明の第６態様では、各電極の側面に、ガスの導入方向に沿って。１又は複数のスリット（溝）を形成しているので、好適に電極の主面側に各ガスを導入することができる。
【００３０】
（７）本発明は、第７態様として、前記傾斜する側面は、滑らかな表面又は階段状の表面を有していることを特徴とする。
ここでは、各電極の傾斜する側面の状態を例示している。
【００３１】
（８）本発明は、第８態様として、前記請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池セルは、固体酸化物を電解質体とする固体酸化物形燃料電池セルであることを特徴とする。
ここでは、燃料電池セルの構成を例示している。
【００３２】
（９）本発明は、第９態様として、前記請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池セルを、１又は複数個備えた燃料電池を特徴とする。
ここでは、燃料電池セルからなる燃料電池を例示している。
【００３３】
以下、本発明の各構成材料について説明する。
・前記電解質体としては、イオン導電性を有する固体電解質体が挙げられる。この固体電解質体の材質としては、ＺｒＯ2系固体電解質、ＬａＧａＯ3系固体電解質、ＢａＣｅＯ3系固体電解質、ＳｒＣｅＯ3系固体電解質、ＳｒＺｒＯ3系固体電解質及びＣａＺｒＯ3系固体電解質等が挙げられる。これらの固体電解質のうちでは、ＺｒＯ2系固体電解質が好ましい。また、希土類元素の酸化物、特にＹ2Ｏ3、Ｓｃ2Ｏ3を用いて安定化、又は部分安定化されたＺｒＯ2系固体電解質が、優れたイオン導電性と十分な機械的強度とを併せて有するためより好ましい。
【００３４】
・前記燃料極の材質としては、Ｎｉ及びＦｅ等の金属の酸化物（ＮｉＯ、Ｆｅ2Ｏ3等）と、ジルコニア系セラミック（好ましくはイットリア等により安定化又は部分安定化されたジルコニア）、セリア及び酸化マンガン等のセラミックとの混合物などを用いることができる。更に、各種の金属、及び金属とセラミックとの混合物などを用いることもできる。金属としては、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｎｉ及びＦｅ等の金属又は２種以上の金属を含有する合金が挙げられる。また、金属とセラミックとの混合物としては、これらの金属又は合金と、ジルコニア系セラミック（好ましくはイットリア等により安定化又は部分安定化されたジルコニア）、セリア及び酸化マンガン等との混合物などが挙げられる。これらのうちでは、酸化ニッケル（ＳＯＦＣの作動時には還元されてＮｉとなる。）と、ジルコニア系セラミックとの混合物が好ましく、このジルコニア系セラミックが、希土類元素の酸化物、特にＹ2Ｏ3、Ｓｃ2Ｏ3を用いて安定化又は部分安定化されたものであることがより好ましい。
【００３５】
・前記空気極の材質としては、各種の金属、金属の酸化物、金属の複酸化物等を用いることができる。金属としては、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ及びＲｈ等の金属又は２種以上の金属を含有する合金が挙げられる。また、金属の酸化物としては、Ｌａ、Ｓｒ、Ｃｅ、Ｃｏ、Ｍｎ及びＦｅ等の酸化物（Ｌａ2Ｏ3、ＳｒＯ、Ｃｅ2Ｏ3、Ｃｏ2Ｏ3、ＭｎＯ2及びＦｅＯ等）が挙げられる。更に、複酸化物としては、少なくともＬａ、Ｐｒ、Ｓｍ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＭｎ等を含有する複酸化物（Ｌａ1-xＳｒxＣｏＯ3系複酸化物、Ｌａ1-xＳｒxＦｅＯ3系複酸化物、Ｌａ1-xＳｒxＣｏ1-yＦｅｙＯ3系複酸化物、Ｌａ1-xＳｒxＭｎＯ3系複酸化物、Ｐｒ1-xＢａxＣｏＯ3系複酸化物及びＳｍ1-xＳｒxＣｏＯ3系複酸化物等）が挙げられる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】（ａ）は第１実施形態の燃料電池の平面図、（ｂ）はその正面図である。
【図２】第１実施形態の燃料電池セルを厚み方向に破断し分解して示す説明図である。
【図３】（ａ）は空気極の平面にける酸化剤ガスの流れを示す説明図、（ｂ）は燃料電池セルを厚み方向に破断して模式的に示す説明図である。
【図４】燃料電池セルを分解して示す斜視図である。
【図５】燃料電池セルの空気極の形成方法を示す説明図である。
【図６】（ａ）は第２実施形態の燃料電池セルの空気極側を厚み方向に破断して示す説明図、（ｂ）は燃料電池セルの空気極の形成方法を示す説明図である。
【図７】第３実施形態の燃料電池セルを厚み方向に破断して模式的に示す説明図である。
【図８】第４実施形態の燃料電池セルを厚み方向に破断して模式的に示す説明図である。
【図９】第５実施形態の燃料電池セルを厚み方向に破断して模式的に示す説明図である。
【図１０】第６実施形態の燃料電池セルの空気極及び燃料極を示す斜視図である。
【図１１】第７実施形態の燃料電池セルの空気極を示す斜視図である。
【図１２】（ａ）は他の燃料電池セルの空気極を厚み方向に破断して示す説明図、（ｂ）は更に他の燃料電池セルの空気極を厚み方向に破断して示す説明図である。
【図１３】従来技術の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下、本発明の実施形態について説明する。
［第１実施形態］
ａ）まず、本実施形態の固体酸化物形燃料電池（以下単に燃料電池と記す）の概略構成について説明する。
【００３８】
図１に示す様に、燃料電池１は、燃料ガス（例えば水素）と酸化剤ガス（例えば空気）との供給を受けて発電を行う装置である。
この燃料電池１は、発電単位（発電セル）である平板形の燃料電池セル３が複数個（例えば１８段）積層された燃料電池スタック５と、燃料電池スタック５を貫く複数のボルト（第１〜第８ボルト）１１〜１８と、各ボルト１１〜１８の両端に螺合する各ナット１９（総称）とを備えている。
【００３９】
また、各ボルト１１〜１８のうち、第２ボルト１２には、燃料ガスを燃料電池１に供給する燃料ガス導入管２１を備え、第４ボルト１４には、酸化剤ガスを燃料電池１に供給する酸化剤ガス導入管２３を備え、第６ボルト１６には、発電後の燃料ガスを燃料電池１から排出する燃料ガス排出管２５を備え、第８ボルト１８には、発電後の酸化剤ガスを燃料電池１から排出する酸化剤ガス排出管２７を備えている。
【００４０】
以下、各構成について説明する。
・図２に分解して示す様に、前記燃料電池セル３は、いわゆる燃料極支持膜タイプの板状の燃料電池セルである。この燃料電池セル３の燃料ガス流路３１側（図２下側）には、板状の燃料極（アノード）３３が配置されるとともに、燃料極３３の空気流路３５側（図２上側）の表面には、膜状の固体電解質体（固体酸化物体）３７が形成されている。更に、固体酸化物体３７の空気流路３５側の表面には、反応防止層３９が形成され、反応防止層３９の空気流路３５側には、板状の空気極（カソード）４１が形成されている。なお、燃料極３３と固体酸化物体３７と反応防止膜３９と空気極４１とをセル本体４３と称する。
【００４１】
ここで、前記固体酸化物体３７は、酸素イオン伝導性を有するセラミックス材料からなる。この固体酸化物体３７としては、例えば、イットリアやスカンジウム等で安定化した各ジルコニア系酸化物（ＹＳＺやＳｃＳＺ）、或いはストロンチウムやマグネシウムをドープしたランタン・ガレード系酸化物等を含むペロブスカイト系酸化物を採用できる。
【００４２】
前記燃料極３３としては、例えば、ＮｉやＰｔ、Ｉｒ等の金属材料からなる多孔質体、又は金属材料とジルコニア系酸化物等のセラミックス材料とのサーメット等を採用できる。
【００４３】
前記空気極４１としては、例えば、ＰｔやＮｉ等の金属材料とベロブスカイト系酸化物等のセラミックス材料とのサーメットを採用できる。
前記反応防止層３９としては、例えば、サマリウムやガドリニウム等をドープした各セリア系酸化物（ＳＤＣ、ＧＤＣ）等を採用できる。
【００４４】
また、燃料電池セル３は、上下一対のインターコネクタ４５、４５の間に、空気極４１側のガスシール部４７と、絶縁フレーム４８と、セル本体４３の外縁部の上面に接合して空気流路３５と燃料ガス流路３１との間を遮断するセパレータ４９と、燃料ガス流路３１側に配置された燃料極フレーム５１と、燃料極３３側のガスシール部５３とを備えており、それらが積層されて一体に構成されている。なお、空気極４１側のガスシール部４７と絶縁フレーム４８とセパレータ４９と燃料極フレーム５１と燃料極３３側のガスシール部５３とにより、セル本体４３の側方の周囲を囲む枠体５５が構成されている。
【００４５】
更に、前記燃料電池セル３内には、燃料極３３と図２下側のインターコネクタ４５との間に、燃料極側集電体５７が配置され、各インターコネクタ４５の一方（図２下側）の表面には、空気極側集電体５９が一体に形成されている。
【００４６】
なお、本実施形態では、空気極側集電体５９には、複数の空気流路３５が平行に形成されており、空気流路３５においては、空気は図２の左右方向に流れる。同様に、燃料極側集電体５７には、複数の燃料ガス流路３１が平行に形成されており、燃料ガス流路３１においては、燃料ガスは同図の紙面と垂直方向に流れるように設定されている。このように、空気流路３５と燃料ガス流路３１とが直交するように配置されている（図３参照）。
【００４７】
ここで、前記燃料極側集電体５７や空気極側集電体５９としては、例えば、ＰｔやＮｉ等の金属材料やサーメット等を採用できる。なお、前記燃料電池スタック５は、複数個の燃料電池セル３が電気的に直列に接続されたものである。
【００４８】
特に、本実施形態では、図３（ａ）に空気極４１の平面形状を示す様に、空気極４１は、平面形状が正方形の板状であり、且つ、図３（ｂ）に燃料電池セル３の断面を模式的に示す様に、固体酸化物体３７側の厚み１０〜３０μｍの下層６１と下層６１の外側の表面（図３（ｂ）上側）を覆う厚み１００〜３００μｍの上層６３とから構成されている。
【００４９】
なお、前記下層６１及び上層６３は、同様な材料からなる多孔体であるが、上層６３は下層６１よりもポーラス（空孔が多い構成）となっている。詳しくは、上層６３は１〜１０μｍの粉末材料の焼結物であるが、下層６１は１μｍ未満の粉末材料の焼結物からなる。
【００５０】
このうち、前記下層６１は、平面形状が正方形で、その四方の側面（厚み方向に対して垂直な方向の側面）は、厚み方向に対して垂直である。一方、前記上層６３は、平面形状が正方形であり、その厚み方向の外側に（酸化剤ガスと接触する面積の大きな）正方形の主面（外側表面）６５を備えるとともに、その四方の側方に側面を備えている。
【００５１】
特に、この上層６３の側面のうち、酸化剤ガスの導入側及び排出側の流路に沿った両側面６７、６９（図３の左右の側面）は、酸化剤ガスをスムーズに外側表面６５側（図３（ｂ）の上方）に導くために、外側表面６５側ほど（図３の左右方向における）中央側に傾斜するように、平板状の傾斜面となるように構成されている。
【００５２】
つまり、図３（ａ）に示す様に、上層６３の酸化剤ガスの導入側の側面６７は、酸化剤ガスが流入する第１方向（同図矢印Ｘ方向）に対して交差するように、同図の上下方向に伸びるとともに、図３（ｂ）に示す様に、外側表面６５側が、酸化剤ガスの下流側（同図左側）に傾斜している。この傾斜角度（固体酸化物体３７の表面に対する傾斜角度θ）は、３０〜８５°の範囲内の例えば４０〜７０°である。なお、図３（ａ）に示す様に、燃料ガスの流れ方向（Ｙ方向）は、酸化剤ガスの流れ方向（Ｘ方向）と直交する方向である。
【００５３】
一方、上層６３の酸化剤ガスの排出側の側面６９については、酸化剤ガスの導入側の側面６７とは傾斜方向が逆であり、その外側表面６５側が、酸化剤ガスの上流側（同図右側）に傾斜している。なお、この側面６９については、傾斜を設けなくてもよい。
【００５４】
なお、前記図３の左右一対の両側面６７、６９以外の残りの両側面については、同様に外側表面６５側が中央側に傾くように傾斜させてもよいが、傾斜させなくてもよい。
・次に、燃料電池セル３を構成する各部材のうち、特に外周の枠体５５等を構成する部材について、更に説明する。なお、燃料電池セル３の平面形状は正方形であるので、燃料電池セル３を構成する各部材の平面形状も正方形である。
【００５５】
図４に分解して示す様に、前記インターコネクタ４５は、例えばフェライト系ステンレスからなる板材であり、その外縁部には、前記ボルト１１〜１８が貫挿される丸孔である挿通孔（第１〜第８挿通孔）７１〜７８（以下各部材で同じ番号を用いる）が、等間隔に形成されている。
【００５６】
また、前記空気極４１側のガスシール部４７は、例えばマイカからなる枠状の板材であり、その外縁部には、前記各挿通孔７１〜７８が形成されている。
更に、このガスシール部４７には、中央の正方形の開口部８５と連通するように、ガスシール部４７の左右の枠部分に、細径のガス流路（空気流路３５と連通する流路）となる長方形の切り欠き８７、８９が複数本ずつ形成されている。
【００５７】
なお、この切り欠き８７、８９は、上下方向に貫通しており、ガスシール部４７にレーザ加工やプレス加工を行うことによって形成することができる。
また、前記絶縁フレーム４８は、例えばマイカからなる枠状の板材であり、その外縁部には、前記各挿通孔７１〜７８が形成されている。このうち、同図の左右の挿通孔７８、７４には、それぞれ辺に沿って両側に伸びる切れ込み９１、９３が形成してある。なお、この切れ込み９１、９３は、それぞれ前記ガスシール部４７の左右の切り欠き８７、８９に連通している。
【００５８】
更に、前記セパレータ４９は、例えばフェライト系ステンレスからなる枠状の板状であり、その中央の正方形の開口部９５には、開口部９５を閉塞するように前記セル本体４３が接合されている。
【００５９】
このセパレータ４９においても、前記ガスシール部４７と同様に、その外縁部に前記各挿通孔７１〜７８が形成されている。このうち、挿通孔７２、７４、７６、７８には、それぞれ辺に沿って伸びる切り欠き９６、９７、９８、９９が形成されている。
【００６０】
更に、前記燃料極フレーム５１は、中央に開口部１０１を備えた例えばフェライト系ステンレスからなる枠状の板材であり、前記セパレータ４９と同様に、その外縁部に前記各挿通孔７１〜７８が形成されている。このうち、挿通孔７２、７４、７６、７８には、前記セパレータ４９と同様に、それぞれ辺に沿って伸びる切り欠き１０３、１０４、１０５、１０６が形成されている。
【００６１】
また、前記燃料極３３側のガスシール部５３は、前記空気極４１側のガスシール部４７と同様に、中央に開口部１０７を備えた例えばマイカからなる枠状の板材であり、その外縁部には前記各挿通孔７１〜７８が形成されている。
【００６２】
このガスシール部５３にも、対向する各枠部分に、開口部１０７と連通するように、細径のガス流路（燃料ガス流路３１と連通する流路）となる切り欠き１０９、１１１が、複数本ずつ設けられている。なお、この切り欠き１０９、１１１は、それぞれ前記ガスシール部５１の切り込み１０５、１０３に連通している。
【００６３】
ｂ）次に、燃料電池セル３の要部（セル本体４３）の製造方法について説明する。
(1) 燃料極基体用グリーンシートの形成
ＮｉＯ粉末（６０重量部）とＹＳＺ粉末（４０重量部）との混合粉末（１００重量部）に対して、造孔材である有機ビーズ（混合粉末に対して１０重量％）と、ブチラール樹脂と、可塑剤であるＤＯＰと、分散剤と、トルエン＋エタノール混合溶剤とを加え、ボールミルにて混合して、スラリーを調整した。得られたスラリーをドクターブレード法により、厚さ２５０μｍの燃料極基体用グリーンシートを作製した。
【００６４】
(2) 固体電解質層用グリーンシートの形成
ＹＳＺ粉末（１００重量部）に対して、ブチラール樹脂と、可塑剤であるＤＯＰと、分散剤と、トルエン＋エタノール混合溶剤とを加え、ボールミルにて混合して、スラリーを調整した。得られたスラリーをドクターブレード法により、厚さ１０μｍの固体電解質層用グリーンシートを作製した。
【００６５】
(3)焼成積層体の形成
次に、前記燃料極基体用グリーンシートと前記固体電解質層用グリーンシートとを積層し、その積層体を焼成して、焼成積層体を作製した。
【００６６】
(4)反応防止層の形成
次に、積層焼成体の固体電解質側に、ＧＤＣ（ガドリニウム添加セリア）保護膜用ペーストを印刷して焼き付けて、反応防止層３９を形成した。
【００６７】
(5)空気極の形成
次に、前記焼成積層体の反応防止層３９の上に、以下に述べる様にして空気極用のペースト層を形成し、そのペースト層を焼き付けて、セル本体４３を作製した。
【００６８】
詳しくは、空気極４１を作製する際には、まず、空気極４１の下層６１を形成するために、空気極４１を構成する材料として、粒径１μｍ未満の粉末材料（例えばＬＳＣＦ    ）にＧＤＣを加えて下層用ペーストを作製し、周知のマスク（下層６１の平面形状に対応した正方形の開口部を有するマスク：図示せず）を用いて、反応防止層３９上に、下層用ペーストを約２０μｍの厚みでスクリーン印刷して、未焼成下層を形成した。
【００６９】
次に、図５に模式的に示す様に、上層形成用のマスク１２１を用意する。このマスク１２１は、上層６３の平面形状に対応した正方形の開口部１２３を有するとともに、開口部１２３の内周面１２５が、上層６３の両側面６７、６９の斜面に合わせて（同図の下方ほど開口するように）、同様な角度で傾斜している。
【００７０】
そして、上層６３を形成するために、空気極４１を構成する材料として、粒径１〜１０μｍの粉末材料（例えばＬＳＣＦ）の上層用ペーストを作製し、前記上層用のマスク１２３を用いて、未焼成下層１２７上に、上層用ペーストを約３００μｍの厚みでスクリーン印刷した。
【００７１】
これにより、未焼成下層１２７の上に、両側面が３５〜８０°の範囲内で傾斜した未焼成上層１２９が積層された未焼成空気層１３１が形成される。
その後、この未焼成空気極１３１を焼成して、空気極４１を形成するとともにセル本体４３を完成した。
【００７２】
なお、その後、従来と同様に、このセル本体４３を他の部材と組み合わせて、燃料電池セル３を構成するとともに、燃料電池セル３を厚み方向に複数個積層して燃料電池１を作製する。
【００７３】
ｃ）次に、本実施形態の効果について説明する。
本実施形態では、板状の空気極４１の側面は、酸化剤ガスが流入する第１方向（Ｘ方向）に対して交差しており、しかも、この側面は、固体酸化物体３７側の一辺よりも固体酸化物体３７と反対側の一辺が酸化剤ガスの下流側に傾斜している。つまり、空気極４１の側面は、ガスの流路に沿って外側（固体酸化物体３７と反対側）が下流側に傾斜している。
【００７４】
これにより、空気極４１の厚みが大きな場合でも、空気極４１の側面が酸化剤ガスを導入する際の障壁になり難く、よって、酸化剤ガスが空気極４１の（面積の広い）主面側である外側表面６５に好適に導入される。つまり、空気極４１の厚みが大きな場合でも、酸化剤ガスは、空気極４１の側面に沿って左右に流れてしまうという現象が起き難く、よって、空気極４１の（面積の広い）外側表面６５に十分に供給されるという効果がある。
【００７５】
この結果、燃料電池セル３の面内（セル面内）に発電のバラツキが生じ難くなるので、セル面内に熱のバラツキが生じ難く、よって、燃料電池セル３にクラックが生じ難いという利点がある。
【００７６】
しかも、夜間の少量発電の様な負荷変動（負荷減少）によって、燃料電池セル３に少量の酸化剤ガスしか供給されない場合でも、空気極４１の外側表面６５に十分に酸化剤ガスが供給でき、その結果、所望の発電量が得られるという利点もある。
【００７７】
また、本実施形態では、空気極４１の側面の傾斜する角度が、固体酸化物体３７の表面に対して３０〜８５°の範囲であるので、好適に空気極４１の主面側に酸化剤ガスを導入することができる。
【００７８】
なお、空気極４１の上層６３の両側面６７、６９に傾斜を設けることが好ましいが、酸化剤ガスの導入側の側面にのみ傾斜を設けてもよい。また、空気極４１の全ての側面（四方の側面）に、同様な傾斜を設けてもよい。
【００７９】
ｄ）次に、本実施形態の効果を確認した実験例について説明する。
上述した製造方法で、空気極の（酸化剤ガスの流れに沿った）両側面の傾斜を３５〜８０°の範囲で傾斜させた試料を作製した。具体的には、両側面を３５°、４５°、５５°、６５°、７５°、８０°の角度に傾斜させた空気極を備えた燃料電池セルを作製した。
【００８０】
そして、各試料の燃料電池セルに対して、カソード限界電流特性の実験を行ったところ、前記傾斜の範囲の試料は、著しい電圧低下の変曲点＞２Ａ／ｃｍ2であり、好適であった。
【００８１】
それに対して、傾斜角が、３０°と８５°の試料を作製して、同様に実験を行ったところ、著しい電圧低下の変曲点＞２Ａ／ｃｍ2であり、本実施形態よりは性能が低いものであった。
［第２実施形態］
次に、第２実施形態について説明するが、前記第１実施形態と同様な内容については、説明を省略する。
【００８２】
本実施形態の燃料電池セルでは、図６（ａ）に模式的に示す様に、空気極１４１の上層１４３は、階段状に形成されている。
具体的には、本実施形態では、前記第１実施形態と同様に、燃料極１４４の上に固体酸化物体１４５が形成され、固体酸化物体１４５の上に反応防止層１４７が形成され、反応防止層１４７の上に空気極１４１の下層１４９が形成され、その下層１４９の上に上層１４３が形成されている。
【００８３】
このうち、上層１４３は、酸化剤ガスの流れ方向（同図の左右方向）において、固体酸化物体１４５側と反対側（同図上側）ほどその長さが短くなるように、複数の層１５１、１５３、１５５が積層されたものである。
【００８４】
そして、この上層１４３を形成する場合には、図６（ｂ）に示す様に、上層１４３を構成する各層１５１〜１５５の大きさに合わせて開口部１５７の寸法の異なる複数のマスク１５９を用意し（同図では層１５５に対応した１種類を示している）、面積の広い下側の層から順番に形成して積層してゆけばよい。なお、ここで使用するマスク１５９は、その開口部１５７の内周面は（前記第１実施形態の様に）傾斜しておらず、厚さ方向に対して垂直である。
【００８５】
なお、本実施形態において傾斜の角度（θ）とは、上層１４３を構成する各層１５１〜１５５の上端同士（又は下端同士）を結ぶ面の傾斜の角度である。
本実施形態においても、前記第１実施形態と同様な効果を奏する。
［第３実施形態］
次に、第３実施形態について説明するが、前記第１実施形態と同様な内容については、説明を省略する。
【００８６】
本実施形態の燃料電池セルでは、図７に模式的に示す様に、空気極１６１の形状は前記第１実施形態と同様であるが、その機能が異なる。
具体的には、本実施形態では、前記第１実施形態と同様に、燃料極１６３や固体酸化物体１６５を備え、この固体酸化物体１６５の上に反応防止層１６７が形成され、反応防止層１６７の上に、空気極１６１が形成されている。
【００８７】
また、空気極１６１は、前記第１実施形態と同様に、平面形状が正方形の板状の下層１６９と、その上に形成された平面形状が正方形の上層１７１とからなり、上層１７１の（酸化剤ガスの流れ方向（同図の左右方向）の）両側面１７３、１７５も、同様に内側に傾斜している。
【００８８】
特に本実施形態では、下層１６９は、空気極本来の機能、即ち電気化学反応によって発電する機能を有する空気極機能層（触媒層）であり、上層１７１は、酸化剤ガスが下層１６９まで拡散可能で且つ導電性を有する拡散層である。
【００８９】
詳しくは、下層１６９は例えばＰｔやＮｉ等の金属材料とベロブスカイト系酸化物等のセラミックス材料とのサーメットからなり、上層１７１は例えばカーボンペーパーなどの導電性を有する多孔質基材からなる。
【００９０】
本実施形態おいて、空気極１６１を形成する方法は、まず、反応防止層１６７の上に、第１実施形態と同様に、下層用ペーストを用いて未焼成下層をスクリーン印刷によって形成し、その後、未焼成下層上に、スクリーン印刷によって未焼成上層を形成し、その後、焼成すればよい。
【００９１】
本実施形態においても、前記第１実施形態と同様な効果を奏する。
［第４実施形態］
次に、第４実施形態について説明するが、前記第１実施形態と同様な内容については、説明を省略する。
【００９２】
本実施形態の燃料電池セルでは、図８に模式的に示す様に、空気極１８１の形状は前記第１実施形態とは若干異なっている。
具体的には、本実施形態では、前記第１実施形態と同様に、燃料極１８３や固体酸化物体１８５を備え、この固体酸化物体１８５の上に反応防止層１８７が形成され、反応防止層１８７の上に、空気極１８１が形成されている。
【００９３】
また、空気極１８１は、前記第１実施形態と同様に、平面形状が正方形の板状の下層１８９と、その上に形成された平面形状が正方形の板状の上層１９１とからなり、この上層１９１の（酸化剤ガスの流れ方向（同図の左右方向：Ｘ方向）の）両側面１９３、１９５も同様に内側に傾斜している。
【００９４】
特に本実施形態では、下層１８９の左右の側面と上層１９１の左右の側面とが一体の同一平面を構成している。つまり、下層１８９の両側面も上層１９１の両側面と同様な角度で一体に傾斜している。
【００９５】
なお、下層１８９の側面を傾斜させるためには、前記第１実施形態で使用した様な上層形成用と同様なマスク、即ち開口部の内周面が傾斜したマスクを使用すればよい。
本実施形態においても、前記第１実施形態と同様な効果を奏する。
［第５実施形態］
次に、第５実施形態について説明するが、前記第４実施形態と同様な内容については、説明を省略する。
【００９６】
本実施形態の燃料電池セルでは、図９に模式的に示す様に、空気極２０１の形状は前記第４実施形態と同じであるが、その構造が異なっている。
具体的には、本実施形態では、前記第４実施形態と同様に、燃料極２０３や固体酸化物体２０５を備え、この固体酸化物体２０５の上に反応防止層２０７が形成され、反応防止層２０７の上に、空気極２０１が形成されている。
【００９７】
また、空気極２０１は、平面形状が正方形の板状であるが、前記第４実施形態の様な下層と上層との２層構造ではなく、前記下層と同様な材料から空気極２０１全体が構成されている。
【００９８】
従って、空気極２０１の（酸化剤ガスの流れ方向（同図の左右方向：Ｘ方向）の）両側面２０９、２１１が、前記第４実施形態と同様に傾斜している。
本実施形態においても、前記第１実施形態と同様な効果を奏する。
［第６実施形態］
次に、第６実施形態について説明するが、前記第５実施形態と同様な内容については、説明を省略する。
【００９９】
本実施形態の燃料電池セルでは、図１０に電極部分のみを模式的に示す様に、燃料極２２１の燃料ガスの流れ方向（Ｙ方向）の両側面２２３、２２５が傾斜している。なお、酸化剤ガスの流れ方向（Ｘ方向）は、Ｙ方向に直交する方向である。
【０１００】
具体的には、本実施形態では、前記第５実施形態と同様に、図示しないが、燃料極や固体酸化物体を備え、この固体酸化物体の上に反応防止層が形成され、反応防止層の上に、空気極２２７が形成されている。
【０１０１】
この空気極２２７は、平面形状が正方形の板状であり、その酸化剤ガスの流れ方向に沿った両側面２２９、２３１は、前記第５実施形態と同様に傾斜している。
特に本実施形態では、燃料極２２１の両側面２２３、２２５が、空気極２２７の両側面２２９、２３１と同様に、３５〜８０°の範囲で傾斜している。
【０１０２】
本実施形態では、燃料ガスについて、前記第１実施形態と同様な効果（燃料ガスを燃料極２２１の主面側にスムーズに導く効果）を奏する。
なお、空気極２２７の両側面２２９、２３１に傾斜を設けなくてもよい。逆に、空気極２２７及び燃料極２２１の全ての側面を同様に傾斜させてもよい。
［第７実施形態］
次に、第７実施形態について説明するが、前記第５実施形態と同様な内容については、説明を省略する。
【０１０３】
本実施形態の燃料電池セルでは、図１１に空気極のみを模式的に示す様に、空気極２４１の（酸化剤ガスの流れ方向（Ｘ方向））の両側面２４３、２４５が傾斜している。
そして、この両側面２４３、２４５には、酸化剤ガスの流れ方向に沿って複数の溝（スリット）２４７が形成してある。
【０１０４】
これによって、前記第５実施形態と同様な効果を奏するとともに、一層酸化剤ガスの流れがスムーズになるという利点がある。
なお、燃料極の傾斜した側面に同様なスリットを設けてもよい。
【０１０５】
尚、本発明は前記実施形態になんら限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
（１）例えば、上述した前記第１実施形態における製造方法では、開口部の内周面に傾斜を有するマスクを用いて、側面に傾斜を有する空気極を形成したが、他の方法で形成してもよい。
【０１０６】
例えば空気極の材料として、例えば粘度５０Ｐａ・ｓの低粘度インクを作製し、開口部の内周面に傾斜を有しないマスクを用いて、厚膜印刷にて未焼成空気極層を形成し、乾燥させる。この乾燥の際には、未焼成空気極層の側面が、図１２（ａ）に示す様に湾曲することにより傾斜するので、焼成後の空気極の側面も傾斜したものとなる。
【０１０７】
ここで、この側面が湾曲した形状における側面の傾斜角θは、空気極２５１の側面の上端における湾曲開始点と下端における湾曲開始点とを結んだ線と下面（例えば固体酸化物体２５３の上面）とが交差する角度とすればよい。なお、図１２（ｂ）に示す様に、空気極２５５の側面が凹んだ場合にも、側面の傾斜角θとしては、空気極２５５の側面の上端における湾曲開始点と下端における湾曲開始点とを結んだ線と下面（例えば固体酸化物体２５７の上面）とが交差する角度とすれば、
（２）また、例えば空気極の材料として、例えば粘度５０Ｐａ・ｓのインクを作製し、開口部の内周面に傾斜を有しないマスクを用いて、厚膜印刷にて未焼成空気極層を形成し、乾燥し、焼成する。この場合も、未焼成空気極層の側面が、図１２（ａ）に示す様に湾曲することにより傾斜するので、焼成後の空気極の側面も傾斜したものとなる。
【符号の説明】
【０１０８】
１…燃料電池
３…燃料電池セル
３１…燃料ガス流路
３３、１４４、１６３、１８３、２０３、２２１…燃料極
３５…空気流路
３７、１４５、１６５、１８５、２０５、２５３、２５７…固体酸化物体
３９、１４７、１６７、１８７、２０７…反応防止層
４１、１４１、１６１、１８１、２０１、２２７、２４１、２５１、２５５…空気極
５５…枠体
６１、１４９、１６９、１８９…下層
６３、１４３、１７１、１９１…上層
６５…外側表面
６７、６９、１７３、１７５、２０９、２１１、２２３、２２５、２２９、２３１、２４３、２４５…側面
【図１】
0005708923.tif 000002
【図２】
0005708923.tif 000003
【図１２】
0005708923.tif 000004
【図３】
0005708923.tif 000005
【図４】
0005708923.tif 000006
【図５】
0005708923.tif 000007
【図６】
0005708923.tif 000008
【図７】
0005708923.tif 000009
【図８】
0005708923.tif 000010
【図９】
0005708923.tif 000011
【図１０】
0005708923.tif 000012
【図１１】
0005708923.tif 000013
【図１３】
0005708923.tif 000014