(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質層の一方の面側に燃料ガスに接する燃料極を備えるとともに、他方の面側に酸化剤ガスに接する空気極を備えたセル本体を有する固体電解質形燃料電池であって、
前記セル本体は、セラミックを含む前記燃料極を支持体とする板状の構造であり、
前記支持体は、板状であり、その平面方向において該支持体の外周を構成する枠状の周縁部を有し、
且つ、前記支持体は、
該支持体とは異なる電極が配置される面の他方の面側に開口し、前記周縁部に周囲を囲まれた開口部と、
前記周縁部に周囲を囲まれており、前記支持体を厚み方向から見た場合において、該支持体とは異なる電極が重なり合う中央部と、
前記中央部の一部又は全体に、前記開口部の形成により、前記周縁部より厚みが薄く形成された薄肉部と、
を有し、
前記支持体を厚み方向から見た場合において、前記薄肉部の面積は、前記支持体全体の面積の５〜８０％の範囲であることを特徴とする固体電解質形燃料電池。
【請求項２】
前記中央部に前記開口部が点在するように形成されたことを特徴とする請求項１に記載の固体電解質形燃料電池。
【請求項３】
前記薄肉部の厚みが、５０μｍ以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の固体電解質形燃料電池。
【請求項４】
前記セル本体を備えた固体電解質形燃料電池セルを、ガスの流通を遮断するセル間セパレータを介して、複数積層したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体電解質形燃料電池。
【請求項５】
前記請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体電解質形燃料電池の製造方法であって、
前記セル本体を焼成によって形成した後に、前記支持体の一部を、研磨、研削、及びブラストのいずれかの方法によって加工して、前記支持体の厚みを調整することを特徴とする固体電解質形燃料電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体電解質層、燃料極、及び空気極を有するセル本体を備えた固体電解質形燃料電池及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、燃料電池として、固体電解質（固体酸化物）を用いた固体酸化物形燃料電池が知られている。
この固体酸化物形燃料電池は、例えば固体電解質層の各面に燃料極と空気極とを形成したセル本体を備えた燃料電池セルを、多数積層してスタックを形成し、燃料極に燃料ガスを供給するとともに、空気極に酸化剤ガス（例えば空気）を供給し、燃料及び酸素とを固体電解質層を介して化学反応させることによって電力を発生させるものである。
【０００３】
この種の固体電解質形燃料電池においては、高出力密度やガスの高利用率を達成するためには、電極厚みの低減や高い気孔率を有した電極の設計が重要となってくる。
自立膜型セルにおいては、電解質部で強度が得られているため、電極（燃料極）に複数の切込部を設けて、ガスの拡散性において向上を図っている（特許文献１参照）。
【０００４】
しかし、支持膜型セルにおいては、支持体である電極にて強度を得ているため、ガス拡散と支持体強度を両立させることは非常に困難であった。
そこで、高い気孔率を確保しながら、強度が高い支持膜型セルを得るために、支持体中におけるガスの拡散経路として、球状気孔と繊維状気孔部を設ける技術が提案されている（特許文献２参照）。
【０００５】
また、燃料ガスの流れ方向下流部での燃料枯れを抑制するために、燃料ガスの流れ方向に沿って支持体厚みを薄くする技術が提案されている（特許文献３参照）。
更に、櫛歯状に流路を形成した支持体を作製し、集電体を必要としない簡略化した電池構成が提案されている（特許文献４参照）。この技術では、支持体における凹部は、投入されたガスの流路として設けられ、ガスは反応場である三相界面まで拡散することによって発電が行われ、凸部ではインターコネクタと直接的に接触して集電している。
【特許文献１】特開２００５−２３５５４９号公報
【特許文献２】特開２００６−３３１７４３号公報
【特許文献３】特開２００６−１２７９７３号公報
【特許文献４】特開２００５−２１６６４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献２の技術では、形状の異なる気孔によって強度を確保する支持体を用いているが、ガスの拡散性に問題があり、高い出力密度が得られなかった。
また、特許文献３の技術では、燃料ガスの流れ方向下流部の厚みを薄くした支持体により、ガスの拡散性を向上して燃料枯れを抑制しているが、上流部では強度を得るために支持体の厚みを厚くする必要があり、高い出力密度が得られなかった。
【０００７】
更に、特許文献４の技術では、ガスの流れ方向に対して支持体の端部から端部まで流路を連続的に設けた構造であるので、(1)反応場である三相界面へのガス拡散性を向上するため凹部のへこみ量を増加すると、支持体強度が十分でなくクラックが生じるという問題や、(2)支持体の強度を向上するために凹部のへこみ量を減少すると、ガス拡散性が悪くなり出力が低下するという問題があった。
【０００８】
つまり、上述した従来技術では、支持体強度の確保とガスの拡散性を両立することが難しいという問題があった。
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、支持体強度の確保とガスの拡散性を両立することができる固体電解質形燃料電池及びその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
（１）請求項１の発明（固体電解質形燃料電池）は、固体電解質層の一方の面側に燃料ガスに接する燃料極を備えるとともに、他方の面側に酸化剤ガスに接する空気極を備えたセル本体を有する固体電解質形燃料電池であって、前記セル本体は、セラミックを含む前記燃料極を支持体とする板状の構造であり、前記支持体は、板状であり、その平面方向において該支持体の外周を構成する枠状の周縁部を有し、且つ、前記支持体は、該支持体とは異なる電極が配置される面の他方の面側に開口し、前記周縁部に周囲を囲まれた開口部と、前記周縁部に周囲を囲まれており、前記支持体を厚み方向から見た場合において、該支持体とは異なる電極が重なり合う中央部と、前記中央部の一部又は全体に、前記開口部の形成により、前記周縁部より厚みが薄く形成された薄肉部と、を有し、前記支持体を厚み方向から見た場合において、前記薄肉部の面積は、前記支持体全体の面積の５〜８０％の範囲であることを特徴とする。
【００１０】
本発明では、支持体の中央部の一部又は全部における厚みが、（支持体の外周に沿って全周に形成された）周縁部における厚みより薄く設定されているので、支持体強度の確保とガスの拡散性を両立することができる。
【００１１】
つまり、本発明では、通常では反応に寄与しない箇所である周縁部を厚くすることによって強度を確保し、一方、反応に寄与する箇所である中央部に薄肉部を設けることによりガス拡散性を確保するので、支持体強度の確保とガスの拡散性を両立することが可能となる。
また、本発明では、薄肉部の面積は支持体全体の面積の５％以上であるので（即ち薄肉となるために凹状となった部分（開口部）の領域が大きいので）、優れたガス拡散性を有している。また、薄肉部の面積は支持体全体の面積の８０％以下であるので、支持体の強度を十分に確保できる。
【００１２】
・本発明におけるセル本体の構造は、燃料極が支持体である燃料極支持構造又は空気極が支持体となる空気極支持構造である。このセル本体は板状であるので、支持体も板状である。なお、前記平面方向とは、板状のセル本体の主面が広がる平面方向（従って支持体の主面が広がる平面方向）であり、通常では厚み方向と垂直である。
【００１３】
・前記中央部とは、周縁部により周囲全体を囲まれるとともに、空気極及び燃料極とがその厚み方向（投影方向）において重なる領域である。
【００１６】
（２）請求項２の発明では、前記中央部に前記開口部が点在するように（例えば格子の交差点にあるように）形成されたことを特徴とする。
本発明は、開口部の形成状態を例示したものである。
【００１７】
（３）請求項３の発明では、前記薄肉部の厚みが、５０μｍ以上であることを特徴とする。
本発明では、支持体の薄肉部における厚みが５０μｍ以上であるので、十分な強度を確保できる。
【００１８】
（４）請求項４の発明では、前記セル本体を備えた固体電解質形燃料電池セルを、ガスの流通を遮断するセル間セパレータを介して、複数積層したことを特徴とする。
本発明は、固体電解質形燃料電池セルが積層された固体電解質形燃料電池スタックを示したものである。
【００１９】
（５）請求項５の発明は、前記請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体電解質形燃料電池の製造方法であって、前記セル本体を焼成によって形成した後に、前記支持体の一部を、研磨、研削、及びブラストのいずれかの方法によって加工して、前記支持体の厚みを調整することを特徴とする。
【００２０】
本発明は、固体電解質形燃料電池の好適な製造方法を例示したものである。
・ここで、前記固体電解質層は、電池の作動時に燃料極に導入される燃料ガス又は空気極に導入される酸化剤ガスのうちの一方の一部をイオンとして移動させることができるイオン伝導性を有する。このイオンとしては、例えば酸素イオン及び水素イオン等が挙げられる。また、燃料極は、還元剤となる燃料ガスと接触し、セルにおける負電極として機能する。空気極は、酸化剤となる酸化剤ガスと接触し、セルにおける正電極として機能する。
【００２１】
・固体電解質層の材料としては、例えばＺｒＯ2系セラミック、ＬａＧａＯ3系セラミック、ＢａＣｅＯ3系セラミック、ＳｒＣｅＯ3系セラミック、ＳｒＺｒＯ3系セラミック、及びＣａＺｒＯ3系セラミック等が挙げられる。
【００２２】
・燃料極の材料としては、例えば、Ｎｉ及びＦｅ等の金属と、Ｓｃ、Ｙ等の希土類元素のうちの少なくとも１種により安定化されたジルコニア等のＺｒＯ2系セラミック、ＣｅＯ2系セラミック等のセラミックのうちの少なくとも１種との混合物などが挙げられる。また、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｎｉ及びＦｅ等の金属が挙げられる。これらの金属は１種のみでもよいし、２種以上の金属の合金でもよい。更に、これらの金属及び／又は合金と、上記セラミックの各々の少なくとも１種との混合物（サーメットを含む）が挙げられる。また、Ｎｉ及びＦｅ等の金属の酸化物と、上記セラミックの各々の少なくとも１種との混合物などが挙げられる。
【００２３】
・空気極の材料としては、例えば、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。更に、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。また、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。
【００２４】
・固体電解質形燃料電池を用いて発電を行う場合、燃料極側には燃料ガスを導入し、空気極側には酸化剤ガスを導入する。
燃料ガスとしては、水素、還元剤となる炭化水素、水素と炭化水素との混合ガス、及びこれらのガスを所定温度の水中を通過させ加湿した燃料ガス、これらのガスに水蒸気を混合させた燃料ガス等が挙げられる。炭化水素は特に限定されず、例えば、天然ガス、ナフサ、石炭ガス化ガス等が挙げられる。この燃料ガスとしては水素が好ましい。これらの燃料ガスは１種のみを用いてもよいし、２種以上を併用することもできる。また、５０体積％以下の窒素及びアルゴン等の不活性ガスを含有していてもよい。
【００２５】
酸化剤ガスとしては、酸素と他の気体との混合ガス等が挙げられる。更に、この混合ガスには８０体積％以下の窒素及びアルゴン等の不活性ガスが含有されていてもよい。これらの酸化剤ガスのうちでは安全であって、且つ安価であるため、空気（約８０体積％の窒素が含まれている。）が好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
次に、本発明の最良の形態について、すなわち、固体電解質形燃料電池の実施形態について説明する。
【実施例１】
【００２７】
ａ）まず、固体電解質形燃料電池モジュール（以下単に固体電解質形燃料電池と記す）の構成について説明する。
図１に示す様に、本実施例の固体電解質形燃料電池１は、燃料ガス（例えば水素）と酸化剤ガス（例えば空気（詳しくは空気中の酸素））との供給を受けて発電を行う装置であり、図示しない断熱容器に収容されている。
【００２８】
この固体電解質形燃料電池１は、層状の固体電解質形燃料電池セル３が複数個（例えば８個）積層された固体電解質形燃料電池スタック４と、固体電解質形燃料電池スタック４の下側に配置された層状のガス予熱部５とが、（僅かな間隙を介して）積層されて、ボルト７〜２１により一体化された積層体である。
【００２９】
なお、本実施例では、空気の入口と出口は、中空の異なるボルト７、９により、固体電解質形燃料電池１の上部に設定されている。また、同様なボルト１１によって、燃料ガスの入口は、固体電解質形燃料電池１の下部に設定されるとともに、燃料ガスの出口は、固体電解質形燃料電池１の上部に設定されている。
【００３０】
このうち、固体電解質形燃料電池セル３は、図２に分解して示す様に、燃料ガスと接する燃料極２５が支持体となるいわゆる燃料極支持膜タイプのセルである。つまり、燃料ガス流路２３側には、板状（層状）の燃料極（アノード）２５が配置され、燃料極２５の同図上側の表面には、薄膜の固体電解質層２７が形成されている。また、固体電解質層２７の空気流路３１側の表面には、固体電解質層２７と空気極２９との反応を防止する反応防止層２８が形成され、この反応防止層２８の表面に、空気と接する層状の空気極（カソード）２９が形成されている。尚、以下では、この一体に板状に形成された、燃料極２５と固体電解質層２７と反応防止層２８と空気極２９とを、セル本体３９と称する。
【００３１】
また、空気極２９と上方の金属製のインターコネクタ（セル３間の導通を確保するとともにガス流路を遮断するプレート：セル間セパレータ）３３との間には、その導通を確保するために、（例えば空気極２９と同様なＬＳＣＦ、ＬＳＭ等からなる）空気極側集電体３５が配置されている。同様に、燃料極２５と下方の金属製のセル間セパレータ３３との間には、その導通を確保するために、通気性を有する例えばＮｉフェルトからなる燃料極側集電体３７が配置されている。
【００３２】
更に詳しくは、この固体電解質形燃料電池セル３は、上下一対のセル間セパレータ３３、３３の間に、空気流路３１側の金属製の空気極フレーム４１と、セラミックス製の絶縁フレーム４３と、セル本体３９を接合して配置するとともにガス流路を遮断する金属製の隔離セパレータ４５と、燃料ガス流路２３側の金属製の燃料極フレーム４７とを備えている。
【００３３】
つまり、固体電解質形燃料電池１（従って固体電解質形燃料電池セル３）は、図２の上方から見ると略正方形であり、その中央に配置されたセル本体３９の周囲を囲むように、略正方形の枠体である、空気極フレーム４１と絶縁フレーム４３と隔離セパレータ４５と燃料極フレーム４７が配置されている。
【００３４】
このうち、隔離セパレータ４５は、その内縁部が、セル本体３９の外縁部の上面に接合されている。つまり、隔離セパレータ４５の内縁部は、固体電解質層２７の上面の外縁部にて（気密するように）全周にわたってロウ付け接合されている。
【００３５】
なお、各フレーム４１、４３、４７及び各セパレータ３３、４５の枠状の外周部４８を、厚み方向（同図上下方向）に貫くように貫通孔４９が形成されている。
特に、本実施例では、図３（ａ）にセル本体３９の下面側を示す様に、燃料極２５は、燃料極２５の外周に沿って正方形の四角枠状に形成された（即ち外周に沿って全周にわたって形成された）周縁部５１（内径１２０ｍｍ）と、その周縁部５１に囲まれた（周縁部５１より）薄肉の正方形の薄肉部５５（外径１２０ｍｍ）とを備えており、薄肉部５５は、燃料極２５の下面の中央に形成された凹部５３により薄肉とされている。
【００３６】
つまり、図３（ｂ）にセル本体の断面を示す様に、周縁部５１の厚みＡ１は、例えば１０００μｍであり、薄肉部５５の厚みＡ２は、５０μｍ以上（例えば６００μｍ）であるので、薄肉部５５は周縁部５１より、例えば４００μｍ薄肉とされている。
【００３７】
また、ここでは、セル本体３９を厚み方向から見た場合、薄肉部５５の範囲内に、燃料極２５と空気極２９とが重なりあう領域（即ち中央部５７）が含まれている。つまり、中央部５７の全体が薄肉部５５として構成されている。
【００３８】
更に、薄肉部５５の下面側の面積、即ち凹部５３の底面に対応する薄肉領域ＵＲ（図３（ａ）のグレー部分）の面積は、燃料極２５を厚み方向から見た場合における全面積（全投影面積）の５〜８０％の範囲である。すなわち、全面積に対する凹部５３の面積（下面側に開口する開口部の面積）の比（開口率）は、例えば８０％である。
【００３９】
ｂ）次に、固体電解質形燃料電池１のガス流路について説明する。
尚、図４では、燃料ガス予熱部５等の構成は省略して固体電解質形燃料電池セル３における流路を模式的に示してある。
【００４０】
(1)空気の流路（空気の流れを実線の矢印で示す）
図４（ａ）に示す様に、空気用のボルト７の上方から供給された空気は、そのボルト７の軸中心に形成された中心孔５９に導入され、各固体電解質形燃料電池セル３の側方にあけられた連通路６１を介してセル内の空気流路３１側に導入される。
【００４１】
次に、セル内の空気流路３１の空気は、他の連通路６３から、他の空気用（排出用）のボルト９の中心孔６５に排出され、その上方よりスタック外に排出される。
(2)燃料の流路（燃料の流れを破線の矢印で示す）
図４（ｂ）に示す様に、燃料用のボルト１１の下方から供給された燃料ガスは、燃料ガス予熱部５を介して、他の燃料用のボルト１３の中心孔６７に導入される。
【００４２】
次に、燃料ガスは、各固体電解質形燃料電池セル３の側方にあけられた連通路６９から、各セル内の燃料ガス流路２３に供給される。
次に、各セル内の燃料ガス流路２３の燃料ガスは、同様な他の連通路７１を介して、燃料用のボルト１１の中心孔７３に排出され、その上方よりスタック外に排出される。
【００４３】
ｃ）次に、固体電解質形燃料電池１の製造方法について説明する。
・まず、例えばＳＵＳ４３０からなる板材を打ち抜いて、セル間セパレータ３３、空気極フレーム４１、隔離セパレータ４５、燃料極フレーム４７等を製造した。
【００４４】
また、定法により、ＭｇＯとスピネルを主成分とするグリーンシートを所定形状に形成し、焼成して、絶縁フレーム４３を製造した。
・更に、固体電解質形燃料電池セル３のセル本体３９を、下記の様にして製造した。
【００４５】
(1)燃料極グリーンシートの作製
酸化ニッケル（ＮｉＯ）粉末６０重量部と、イットリアを８モル％固溶させたジルコニア（８ＹＳＺ）粉末４０重量部を混合して成分原料とし、この成分原料に気孔形成材として人造黒鉛粉を３０重量部加えた。
【００４６】
次に、この気孔形成材を加えた成分原料に、分散剤１重量部と、有機溶媒としてトルエンとメチルエチルケトン（ＭＥＫ）を２：３の割合で混合した溶液３５重量部をそれぞれ加え、アルミナ製ポットミルを用いて２４時間混合した。
【００４７】
その後、この混合原料に、可塑剤としてＤＢＰを７重量部と、バインダーとしてポリビニルアルコール１６重量部を加えて、更に３時間混合し、スラリーとした。
そのスラリーを用い、ドクターブレード法にて、厚さ２００μｍのグリーンシートとした。
【００４８】
そして、上記グリーンシート７枚を積層圧着し、２００ｍｍ×２００ｍｍに切断して厚さ１３００μｍの燃料極積層グリーンシートを得た。
(2)燃料極５５及び三成分積層体の焼結体の作製
固体電解質層２７の原料としては、８ＹＳＺ粉末を用いた。この８ＹＳＺ粉末１００重量部に、バインダーとしてポリビニルアルコール１３重量部とブチルカルビトール３５重量部をそれぞれ混合して、固体電解質層用スラリーを調製した。
【００４９】
このスラリーを、前記燃料極積層グリーンシート上に厚さ２５μｍとなるようにスクリーン印刷し、固体電解質層用印刷層を形成した。
一方、反応防止層（セリア系酸化物層）２８の原料としては、サマリアをドープしたセリア（Ｓｍ0.2Ｃｅ0.8Ｏ1.9：ＳＤＣ）を用いた。つまり、原料粉末には、酸化サマリウム、酸化セリウムを用い、それぞれを所定量秤量し、エタノールを溶媒として湿式混合後、１４００℃−６ｈｒキープの条件で仮焼し、ＳＤＣ粉末を得た。その後、エタノール溶媒を加え湿式粉砕して、平均粒径を０．５３μｍのＳＤＣ粉末を得た。
【００５０】
このＳＤＣ粉末１００重量部に、バインダーとしてポリビニルアルコール１３重量部とブチルカルビトール３５重量部をそれぞれ混合して、反応防止層用スラリーを調整した。
このスラリーを、前記固体電解質層用印刷層の表面上に、厚さが１〜２０μｍ、１３０ｍｍ×１３０ｍｍのサイズとなるようにスクリーン印刷し、反応防止層用印刷層を形成した。
【００５１】
これによって、燃料極積層グリーンシート、固体電解質層用印刷層、反応防止層用印刷層の三成分積層体の成形体を得た。
そして、この三成分積層体の成形体を、１４００℃１時間キープの条件で同時焼成を行うことにより、三成分積層体の焼結体を得た。
【００５２】
(3)空気極２９及びセル本体３９の作製
空気極３９の原料として、平均粒径２μｍの市販のＬａ0.6Ｓｒ0.4Ｃｏ0.2Ｆｅ0.8Ｏx（以下ＬＳＣＦと表記）粉末を用いた。
【００５３】
そして、このＬＳＣＦ粉末１００重量部に  バインダーとしてポリビニルアルコール１３重量部とブチルカルビトール３５重量部をそれぞれ混合して、空気極用スラリーを調整した。
【００５４】
このスラリーを、上記三成分積層体の焼結体の反応防止層２８上に、１２０ｍｍ×１２０ｍｍのサイズで焼き付け後３０μｍ厚となるようにスクリーン印刷した。その後、乾燥し、１２００℃１時間キープの条件で焼き付けて、（ブラスト加工前の）セル本体３９を作製した。
【００５５】
(4)ブラストによる加工
前記セル本体３９のうち、燃料極２５（詳しくは露出した下面側）に対してブラスト加工を行った。つまり、燃料極２５の薄肉部５５を周縁部５１より薄肉にするために、薄肉部５５を凹状に加工するブラスト加工を行って、セル本体３９を完成した。
【００５６】
・その後、空気極フレーム４１、絶縁フレーム４３、隔離セパレータ４５、燃料極フレーム４７の順で重ね合わせ、ロウ材により接合一体化した。
次に、上述のように接合一体化した部材を用い、セル間セパレータ３３、空気極側集電体３５、燃料極側集電体３７などを、積層して一体にして、固体電解質形燃料電池１を組み付けた。
【００５７】
そして、この固体電解質形燃料電池１の外周部４８に形成した貫通孔４９にボルト７〜２１を嵌め込むとともに、それらの両端からナット（図示せず）を螺合させて締め付け、固体電解質形燃料電池１を押圧して一体化した。
【００５８】
尚、燃料ガスや空気をモジュール外に排出（又はモジュール内に導入）しないボルトには、有底のナットを使用して開口部を封鎖する。
ｃ）次に、本実施例の効果について説明する。
【００５９】
本実施例では、図３に示す様に、支持体である燃料極２５の強度（従ってセル本体３９の強度）は、燃料極２５の周縁部（反応に寄与しない箇所）５１の厚みを厚くすることで確保している。また、燃料極２５におけるガスの拡散性は、燃料極２５と空気極２９とが投影方向にて重なり合う中央部５７の厚みを、ブラスト加工によって薄くすることによって、即ち（中央部５７を含むように）薄肉部５５を形成することによって、向上させている。これによって、良好な支持体強度とガスの拡散性を両立することができる。
【００６０】
つまり、本実施例では、反応場である三相界面へのガスの拡散性を向上することを目的として、薄肉部５５における支持体厚みを低減しても、厚く形成された周縁部５１によって十分な強度が得られているため、セル割れが生じることなく、高い出力密度を得ることができる。
【実施例２】
【００６１】
次に、実施例２について説明するが、前記実施例１と同様な内容の説明は省略する。
図５に示す様に、本実施例の固体電解質形燃料電池のセル本体８１は、前記実施例１と同様に、（支持体である）燃料極８３と固体電解質層８５と反応防止層８７と空気極８９とを備えている。
【００６２】
特に本実施例では、燃料極８３の下面（図５（ｂ）の下方）に、燃料ガスの流路（同図左右方向）に沿って、短冊状に複数の凹部（下面側に開口する開口部）９１が形成されている。
【００６３】
つまり、燃料極８３には、厚みの大きな枠状の周縁部９３の内側に、各凹部９１に対応して各薄肉部９５が形成されている。なお、前記厚み方向から見た場合において燃料極８３と空気極８９とが重なり合う中央部９７においては、薄肉部９５のみが薄肉となっている。
【００６４】
ここでは、凹部９１の開口率は４０％であり、薄肉部９５の厚みは、例えば６００μｍである。
本実施例によっても、前記実施例１と同様な効果を奏する。なお、実施例１より開口率が小さい分、強度が高いという利点がある。
【実施例３】
【００６５】
次に、実施例３について説明するが、前記実施例２と同様な内容の説明は省略する。
図６に示す様に、本実施例の固体電解質形燃料電池のセル本体１０１は、前記実施例２と同様に、（支持体である）燃料極１０３と固体電解質層１０５と反応防止層１０７と空気極１０９とを備えている。
【００６６】
特に本実施例では、燃料極１０３の下面（図６（ｂ）の下方）に、格子の間を削るように（縦横に複数の行列が配置されるように）、厚み方向から見て正方形の凹部（下面側に開口する開口部）１１１が、多数形成されている。
【００６７】
つまり、燃料極１０３には、厚みの大きな枠状の周縁部１１３の内側に、各凹部１１１に対応して多数の薄肉部１１５が形成されている。なお、前記厚み方向から見た場合において燃料極１１３と空気極１０９とが重なり合う中央部１１７においては、薄肉部１１５のみが薄肉となっている。
【００６８】
ここでは、凹部１１１の開口率は３５％であり、凹部１１１の深さは、実施例２より深く設定されているので、薄肉部１１５の厚みは、実施例２より薄い、例えば５００μｍである。
【００６９】
本実施例によっても、前記実施例２と同様な効果を奏する。また、実施例２より開口率が小さい分、強度が高いという利点がある。更に、薄肉部１１５の間の凸部１１９が格子状に形成されているので、薄肉部１１５における強度が高いという効果もある。しかも、凹部１１１はより深く設定されているので、ガス拡散性にも優れている。
【実施例４】
【００７０】
次に、実施例４について説明するが、前記実施例３と同様な内容の説明は省略する。
図７に示す様に、本実施例の固体電解質形燃料電池のセル本体１２１は、前記実施例３と同様に、（支持体である）燃料極１２３と固体電解質層１２５と反応防止層１２７と空気極１２９とを備えている。
【００７１】
特に本実施例では、燃料極１２３の下面（図７（ｂ）の下方）に、厚み方向から見て円形の凹部（下面側に開口する開口部）１３１が、多数形成されている。
つまり、燃料極１２３には、厚みの大きな枠状の周縁部１３３の内側に、各凹部１３１に対応して多数の薄肉部１３５が形成されている。なお、前記厚み方向から見た場合において燃料極１２３と空気極１２９とが重なり合う中央部１３７においては、薄肉部１３５のみが薄肉となっている。
【００７２】
ここでは、凹部１３１の開口率は３５％であり、薄肉部１３５の厚みは、例えば５００μｍである。
本実施例によっても、前記実施例３と同様な効果を奏する。
【実施例５】
【００７３】
次に、実施例５について説明するが、前記実施例４と同様な内容の説明は省略する。
図８に示す様に、本実施例の固体電解質形燃料電池のセル本体１４１は、前記実施例４と同様に、（支持体である）燃料極１４３と固体電解質層１４５と反応防止層１４７と空気極１４９とを備えている。
【００７４】
特に本実施例では、燃料極１４３の下面（図８（ｂ）の下方）に、厚み方向から見て六角形の凹部（下面側に開口する開口部）１５１が、千鳥状の配置で多数の形成されている。
【００７５】
つまり、燃料極１４３には、厚みの大きな枠状の周縁部１５３の内側に、各凹部１５１に対応して多数の薄肉部１５５が形成されている。なお、前記厚み方向から見た場合において燃料極１４３と空気極１４９とが重なり合う中央部１５７においては、薄肉部１５５のみが薄肉となっている。
【００７６】
ここでは、凹部１５１の開口率は３５％であり、薄肉部１５５の厚みは、例えば５００μｍである。
本実施例によっても、前記実施例４と同様な効果を奏する。
【実施例６】
【００７７】
次に、実施例６について説明するが、前記実施例２と同様な内容の説明は省略する。
図９に示す様に、本実施例の固体電解質形燃料電池のセル本体１６１は、前記実施例２と同様に、（支持体である）燃料極１６３と固体電解質層１６５と反応防止層１６７と空気極１６９とを備えている。
【００７８】
特に本実施例では、燃料極１６３の下面（図９（ｂ）の下方）に、燃料ガスの流路（同図左右方向）に沿って、短冊状に複数の凹部（下面側に開口する開口部）１７１が形成されるとともに、各凹部１７１には、断続的に更に深い穴１７３が複数形成されている。
【００７９】
つまり、燃料極１６３には、厚みの大きな枠状の周縁部１７５の内側に、各凹部１７１に対応して、位置によって深さが異なる各薄肉部１７７が形成されている。なお、前記厚み方向から見た場合において燃料極１６３と空気極１６９とが重なり合う中央部１７９においては、薄肉部１７７のみが薄肉となっている。
【００８０】
ここでは、凹部１７１の開口率は４０％である。また、薄肉部１７７において、穴１７３に対応する部分の厚みは６００μｍであり、穴１７３以外に対応する部分の厚みは３００μｍである。
【００８１】
本実施例によっても、前記実施例２と同様な効果を奏する。また、実施例２の凹部より深い穴１７３が形成されているので、一層ガス拡散性に優れているという利点がある。
【実施例７】
【００８２】
次に、実施例７について説明するが、前記実施例３と同様な内容の説明は省略する。
図１０に示す様に、本実施例の固体電解質形燃料電池のセル本体１８１は、前記実施例３と同様に、（支持体である）燃料極１８３と固体電解質層１８５と反応防止層１８７と空気極１８９とを備えている。
【００８３】
特に本実施例では、燃料極１８３の下面（図１０（ｂ）の下方）に、格子の間を削るように、厚み方向から見て正方形の多数の凹部（下面側に開口する開口部）１９１が形成されている。
【００８４】
つまり、燃料極１８３には、厚みの大きな枠状の周縁部１９３の内側に、各凹部１９１に対応して多数の薄肉部１９５が形成されている。なお、前記厚み方向から見た場合において燃料極１８３と空気極１８９とが重なり合う中央部１９７においては、薄肉部１９５のみが薄肉となっている。
【００８５】
ここでは、凹部１９１は、実施例３に比べて燃料極１８３の中心に集中して形成されており、その凹部１９１の開口率は５％である。また、薄肉部１９５の深さは、例えば３００μｍである。
【００８６】
本実施例によっても、前記実施例３と同様な効果を奏する。また、実施例３より開口率が小さい分、強度が高いという利点がある。
【実施例８】
【００８７】
次に、実施例８について説明するが、前記実施例１と同様な内容の説明は省略する。
本実施例の固体電解質形燃料電池は、前記実施例１〜７の燃料極支持構造とは異なり、支持体が空気極である空気極支持構造である。
【００８８】
図１１に示す様に、本実施例の固体電解質形燃料電池のセル本体２０１は、（支持体である）空気極２０３と反応防止層２０５と固体電解質層２０７と燃料極２０９とを備えている。
【００８９】
また、空気極２０３の上面全体は空気極２０３より薄膜の反応防止層２０５で覆われており、反応防止層２０５の上面全体も薄膜の固体電解質層２０７で覆われており、固体電解質層２０７の上面のうち外周部を除いた部分は薄膜の燃料極２０９で覆われている。
【００９０】
特に本実施例では、空気極２０３の下面（図１１（ｂ）の下方）に、厚み方向から見て正方形の凹部（下面側に開口する開口部）２１１が形成されている。
つまり、空気極２０３には、厚みの大きな枠状の周縁部２１３の内側に、凹部２１１に対応して薄肉部２１５が形成されている。なお、前記厚み方向から見た場合において燃料極２０９と空気極２０３とが重なり合う中央部２１７は、薄肉部２１５の領域内に設定されている。
【００９１】
ここでは、凹部２１１の開口率は８０％であり、薄肉部２１５の深さは、６００μｍである。
本実施例によっても、前記実施例１と同様な効果を奏する。
【００９２】
＜実験例＞
次に、本発明の効果を確認するために行った実験例について説明する。
実験には、上述した実施例１〜７と同様な構成のセル本体の試料を作成した。
【００９３】
また、比較例として、図１２及び図１３に示す試料を作製した。この図１２の比較例１の試料は、基本的に前記実施例１と同様であるが、燃料極２２１には実施例１の様な凹部が形成されていない。また、比較例２の試料は、前記実施例２と同様に燃料極２３１の下面に短冊状に複数凹部２３３が形成されて開口率が５０％とされているが、この凹部２３３は燃料極２３１の端部にまで達している（枠状の周縁部が形成されていない）。なお、比較例１、２の試料のその他の構成は、それぞれ実施例１、２と同様である。
【００９４】
実験では、上述した各試料のセル本体を用いて、前記図２及び図４に示す様な単一の固体電解質形燃料電池セルの構造に組み上げて、発電実験を行った。
具体的には、燃料ガス流路に水素ガス３Ｌ／ｍｉｎを供給するとともに、空気流路に空気ガス９Ｌ／ｍｉｎを投入して、７５０℃にてセルが破損するまで最大５回の発電試験を行った。
【００９５】
その結果、下記表１に示すような出力密度（複数回の発電実験の平均値）が得られた。また、下記表１にセルが破損した発電回数を記載した。
【００９６】
【表１】
0005242951.tif 000002
この表１から明らかな様に、本発明の範囲の実施例１〜７の試料の場合は、平均出力密度が０．６１[Ｗ／ｃｍ2]以上と大きく、（ガス拡散性が高いので）発電性能が高いことが分かる。また、発電回数も３回以上であり、高い強度を有することが分かる。つまり、ガス拡散性及び強度を高いレベルで両立できることが分かる。
【００９７】
それに対して、比較例１では、燃料極には薄肉部がないので、強度はあるものの、発電性能が低いことが分かる。また、比較例２では、凹部が燃料極の周縁部まで形成されているので、発電性能は高いものの、強度が低いことが分かる。
【００９８】
尚、本発明は前記実施例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。
例えば、本発明は、固体電解質形燃料電池としては、上述した様な中空ボルトを用いて、ガスの流通とスタックの固定を行うもの以外に、例えば２００６−１９４２４５号の図１〜図８等に記載の様に、ロウ材等によってセル等を接合し、そのセルの枠部を貫通するように設けたガス流路を利用して、空気や燃料を供給したり排出する構成の（帯状のマニホールドタイプの）固体電解質形燃料電池にも、本発明を適用できることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００９９】
【図１】実施例１の固体電解質形燃料電池を示す斜視図である。
【図２】固体電解質形燃料電池セルを分解した状態を示す説明図である。
【図３】（ａ）実施例１のセル本体の下面側を示す下面図、（ｂ）（ａ）のＡ−Ａ断面を示す端面図である。
【図４】（ａ）図１のＡ−Ａ断面において空気の流路を示す説明図、（ｂ）図１のＢ−Ｂ断面において燃料ガスの流路を示す説明図である。
【図５】（ａ）実施例２のセル本体の下面側を示す下面図、（ｂ）（ａ）のＡ−Ａ断面を示す端面図である。
【図６】（ａ）実施例３のセル本体の下面側を示す下面図、（ｂ）（ａ）のＡ−Ａ断面を示す端面図である。
【図７】（ａ）実施例４のセル本体の下面側を示す下面図、（ｂ）（ａ）のＡ−Ａ断面を示す端面図である。
【図８】（ａ）実施例５のセル本体の下面側を示す下面図、（ｂ）（ａ）のＡ−Ａ断面を示す端面図である。
【図９】（ａ）実施例６のセル本体の下面側を示す下面図、（ｂ）（ａ）のＡ−Ａ断面を示す端面図である。
【図１０】（ａ）実施例７のセル本体の下面側を示す下面図、（ｂ）（ａ）のＡ−Ａ断面を示す端面図である。
【図１１】（ａ）実施例８のセル本体の下面側を示す下面図、（ｂ）（ａ）のＡ−Ａ断面を示す端面図である。
【図１２】（ａ）比較例１のセル本体の下面側を示す下面図、（ｂ）（ａ）のＡ−Ａ断面を示す端面図である。
【図１３】（ａ）比較例２のセル本体の下面側を示す下面図、（ｂ）（ａ）のＡ−Ａ断面を示す端面図である。
【符号の説明】
【０１００】
１…固体電解質形燃料電池モジュール
３…固体電解質形燃料電池セル
４…固体電解質形燃料電池スタック
２３…燃料ガス流路
２５、８３、１０３、１２３、１４３、１６３、１８３、２０３、２２１、２３１…燃料極
２７、８５、１０５、１２５、１４５、１６５、１８５、２０５…固体電解質層
２８、８７、１０７、１２７、１４７、１６７、１８７、２０７…反応防止層
２９、８９、１０９、１２９、１４９、１６９、１８９、２０９…空気極
３１…空気流路
３９、８１、１０１、１２１、１４１、１６１、１８１、２０１…セル本体
４５…隔離セパレータ
５１、９３、１１３、１３３、１５３、１７５、１９３、２１３…周縁部
５３、９１、１１１、１３１、１５１、１７１、１９１、２１１、２３３…凹部
５５、９５、１１５、１３５、１５５、１７７、１９５、２１５…薄肉部
５７、９７、１１７、１３７、１５７、１７９、１９７、２１７…中央部
【図１】
0005242951.tif 000003
【図２】
0005242951.tif 000004
【図４】
0005242951.tif 000005
【図１２】
0005242951.tif 000006
【図３】
0005242951.tif 000007
【図５】
0005242951.tif 000008
【図６】
0005242951.tif 000009
【図７】
0005242951.tif 000010
【図８】
0005242951.tif 000011
【図９】
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【図１０】
0005242951.tif 000013
【図１１】
0005242951.tif 000014
【図１３】
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