(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス流路が内部に形成された電気絶縁性を有する多孔質の支持基板と、
前記支持基板の表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、及び空気極がこの順に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、
を備えた燃料電池の構造体において、
前記支持基板と前記各発電素子部内の燃料極との界面に、燃料ガスが前記界面を通過する際に前記燃料ガス中の未改質成分の改質を促進する改質反応促進層が介装された、燃料電池の構造体であって、
前記改質反応促進層は、
前記支持基板に含まれる電気絶縁性を有する物質の粒子の表面に、前記燃料極に含まれる前記未改質成分の改質を促進する物質の微粒子が固着した構造を有し、
前記電気絶縁性を有する物質は、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）であり、前記未改質成分の改質を促進する物質は、ニッケル（Ｎｉ）である、燃料電池の構造体。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池の構造体において、
前記各燃料極は、集電部と、前記集電部に対して酸素イオン伝導性を有する物質の含有割合が大きい活性部と、により構成され、
前記改質反応促進層は、前記支持基板と前記各燃料極の集電部との界面に介装された、燃料電池の構造体。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池の構造体において、
前記支持基板は、平板状を呈し、
前記平板状の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全周に亘って前記支持基板の材料からなる周方向に閉じた側壁とを有する第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燃料極がそれぞれ埋設され、
前記改質反応促進層は、
前記各第１凹部に埋設された燃料極と前記支持基板との界面における前記第１凹部の底壁及び側壁に対応する部分の全て又は一部に介装された、燃料電池の構造体。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池の構造体において、
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全周に亘って前記燃料極の材料からなる周方向に閉じた側壁とを有する第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部分がそれぞれ埋設された、燃料電池の構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、「ガス流路が内部に形成された電気絶縁性を有する多孔質の支持基板」と、「前記支持基板の表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、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電子伝導性を有する１つ又は複数の電気的接続部」とを備えた固体酸化物形燃料電池の構造体が知られている（例えば、特許文献１、２を参照）。このような構成は、「横縞型」とも呼ばれる。
【０００３】
上述した「横縞型」の燃料電池では、通常、未改質の燃料ガス（例えば、都市ガスの主成分であるメタン、プロパン、気化した灯油やガソリン）を改質する改質器を通過した後の燃料ガスが、支持基板の内部に形成されたガス流路に供給される。ガス流路に供給される燃料ガスには、改質器によって改質されなかった未改質成分が不可避的に含まれる。未改質成分は燃料電池の化学反応には寄与し得ない。従って、燃料の利用率を向上して燃料電池の発電効率を向上させるためには、燃料ガスが前記ガス流路から支持基板内部の多数の気孔を介して燃料極へと移行する過程において、少しでも多くの未改質成分を改質する必要がある。
【０００４】
この問題に対処するため、特許文献３に記載の「横縞型」の燃料電池では、電気絶縁性を有する支持基板を構成する材料に、酸化ニッケル（ＮｉＯ）が添加されている。ＮｉＯは、燃料ガスが示す還元雰囲気下において金属ニッケル（Ｎｉ）となり、未改質成分の改質を促進する触媒機能を発揮する。しかしながら、この構成では、燃料電池の稼働時間が長くなるにつれて、支持基板内のＮｉが徐々に粒成長してＮｉ粒子の比表面積が小さくなる、という現象が発生する。Ｎｉ粒子の比表面積が小さいと、上述した触媒機能が十分に発揮され得ず、従って、未改質成分の改質が十分に進行し得ない。この結果、燃料電池の稼働時間が長くなるにつれて、燃料利用率が低下して燃料電池の発電効率が低下していく、という問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平８−１０６９１６号公報
【特許文献２】特開２００８−２２６７８９号公報
【特許文献３】特開２００５−１１６２８９号公報
【発明の概要】
【０００６】
本発明は、「横縞型」の燃料電池の構造体であって、支持基板が外力を受けた場合において支持基板が変形し難く、且つ、長時間の稼働後も燃料ガスが燃料極に供給される前に燃料ガス中に含まれる未改質成分を確実に改質できるものを提供することを目的とする。
【０００７】
本発明に係る燃料電池の構造体は、ガス流路が内部に形成された電気絶電性を有する多孔質の支持基板と、前記支持基板の表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、及び空気極がこの順に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電子伝導性を有する１つ又は複数の電気的接続部とを備える。即ち、この構造体は、「横縞型」の燃料電池の構造体である。支持基板は、平板状であっても、円筒状であってもよい。
【０００８】
本発明に係る燃料電池の構造体の特徴は、前記支持基板と前記各発電素子部内の燃料極との界面に、燃料ガスが前記界面を通過する際に前記燃料ガス中の未改質成分の改質を促進する改質反応促進層が介装されたことにある。具体的には、前記改質反応促進層は、前記支持基板に含まれる電気絶縁性を有する物質の粒子の表面に、前記燃料極に含まれる前記未改質成分の改質を促進する物質の微粒子が固着した構造を有し得する。前記電気絶縁性を有する物質としては、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）が採用され得、前記未改質成分の改質を促進する物質としては、ニッケル（Ｎｉ）が採用され得る。
【０００９】
上述した改質反応促進層が介装された構成では、燃料電池が長時間に亘って稼働しても、未改質成分の改質の進行が抑制され難いことが判明した。具体的には、改質反応促進層が「電気絶縁性を有する物質の粒子（ＭｇＯ）の表面に、未改質成分の改質を促進する物質（Ｎｉ）の微粒子が固着した構造」を有する場合、燃料電池が長時間に亘って稼働しても、複数のＮｉ微粒子の間の凝集が発生しないことが判明した。従って、上述した文献に記載した燃料電池のように「燃料電池が長時間に亘って稼働すると、Ｎｉ粒子の比表面積が低下して燃料電池の発電効率が低下する」という問題が発生しない。この結果、長時間の稼働後も、燃料ガスが燃料極に供給される前に燃料ガス中に含まれる未改質成分が確実に改質され得る。
【００１０】
本発明に係る燃料電池の構造体では、前記支持基板が平板状を呈し、前記平板状の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全周に亘って前記支持基板の材料からなる周方向に閉じた側壁とを有する第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燃料極がそれぞれ埋設されることが好適である。これによれば、燃料極を埋設するための各第１凹部が周方向に閉じた側壁を有している。換言すれば、支持基板において各第１凹部を囲む枠体がそれぞれ形成されている。従って、この構造体は、支持基板が外力を受けた場合に変形し難い構造であるといえる。
【００１１】
加えて、本発明に係る燃料電池の構造体では、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全周に亘って前記燃料極の材料からなる周方向に閉じた側壁とを有する第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部分がそれぞれ埋設されることが好適である。
【００１２】
これによれば、第１凹部に埋設された燃料極の外側平面上に電気的接続部の第１部分が積層される（接触する）構成が採用される場合に比べて、燃料極と電気的接続部の第１部分との界面の面積を大きくできる。従って、燃料極と電気的接続部の第１部分との間における電子伝導性を高めることができる。この結果、燃料電池の発電出力を高めることができる。
【００１３】
ここにおいて、前記第１凹部の平面形状（支持基板の主面に垂直の方向からみた場合の形状）は、例えば、長方形、正方形、円形、楕円形、長円形である。また、前記支持基板が長手方向を有し、且つ、前記複数の第１凹部が長手方向に沿って所定の間隔をおいて配置されていることが好適である。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係る燃料電池の構造体を示す斜視図である。
【図２】図１に示す燃料電池の構造体の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に示す燃料電池の構造体の作動状態を説明するための図である。
【図５】図１に示す燃料電池の構造体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に示す燃料電池の構造体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に示す燃料電池の構造体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に示す燃料電池の構造体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に示す燃料電池の構造体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に示す燃料電池の構造体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に示す燃料電池の構造体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に示す燃料電池の構造体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に示す燃料電池の構造体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】支持基板と燃料極集電部との界面に改質反応促進層が介装された構成を説明するための模式図である。
【図１６】図１５に示した改質反応促進層の具体的な構造を説明するための図である。
【図１７】本発明に係る燃料電池の構造体の第１変形例の図２に対応する断面図である。
【図１８】本発明に係る燃料電池の構造体の第２変形例の図２に対応する断面図である。
【図１９】本発明に係る燃料電池の構造体の第３変形例の図２に対応する断面図である。
【図２０】本発明に係る燃料電池の構造体の第４変形例の図３に対応する断面図である。
【図２１】本発明に係る燃料電池の構造体の第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。
【００１６】
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。
【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、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、例えば、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）、ＭｇＡｌ２Ｏ４（マグネシアアルミナスピネル）、ＣＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）、ＮｉＯ（酸化ニッケル）、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、Ｙ２Ｏ３（イットリア）から選ばれる一つ以上の材料から構成される。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【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。なお、後述するように、支持基板１０と各燃料極集電部２１との界面（即ち、各凹部１２の底壁及び側壁に対応する部分）には、未改質の燃料ガス（例えば、メタン）の改質を促進するための改質反応促進層１５が介装されている。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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化性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化性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。
【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。
【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、前記「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」における前記「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」における前記「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の構造体に対して、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の構造体全体から（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の構造体の製造方法の一例について図６〜図１４を参照しながら簡単に説明する。図６〜図１４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、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６に示す７−７線に対応する部分断面を表す図７〜図１４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９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。
【００４８】
続いて、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。
【００４９】
次に、図１１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。
【００５０】
次に、図１２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。
【００５１】
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。
【００５２】
次に、図１３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。
【００５３】
次に、図１４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。
【００５４】
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、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の構造体の製造方法の一例について説明した。
【００５５】
（改質反応促進層の介装）
上記実施形態では、図１５に示すように、支持基板１０と各燃料極２０（集電部２１）との界面（即ち、各凹部１２の底壁及び側壁に対応する部分）に、未改質の燃料ガス（例えば、メタン）の改質（例えば、メタンから水素への改質）を促進するための改質反応促進層１５が介装されている。この改質反応促進層１５は、支持基板１０と各燃料極集電部２１との界面の全域（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、前記界面の一部のみに設けられていてもよい。
【００５６】
図１６に示すように、上記実施形態では、改質反応促進層１５は、ＭｇＯ（即ち、支持基板１０に含まれる電気絶縁性を有する物質）の粒子の表面に、Ｎｉ（即ち、燃料極２０に含まれる未改質成分の改質を促進する物質）の微粒子が固着した構造を有する。この固着したＮｉ粒子の存在によって、燃料ガスが前記界面を通過する際、メタン（ＣＨ４）→水素（Ｈ２）の改質反応が促進され得る。
【００５７】
この改質反応促進層１５は、以下のように形成される。先ず、上述のように、ＭｇＯを含む支持基板の成形体１０ｇと、その成形体１０の凹部に埋設されたＮｉＯを含む燃料極の成形体２０ｇとが共焼成される際（図１２→図１３を参照）、支持基板と燃料極との界面に「（Ｍｇ，Ｎｉ）Ｏ」という固溶体が生成される。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。上述した還元処理等の実行により、この固溶体の還元が進行すると、図１６に示すように、ＭｇＯの粒子の表面に、Ｎｉの微粒子が析出・固着した構造が現れる。
【００５８】
或いは、改質反応促進層１５は、以下の方法によっても形成され得る。先ず、改質反応促進層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。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、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た。そして、図８〜図１４に示す上述と同じ手順に従ってＳＯＦＣが作製される。その後、上述した還元処理等の実行により、この固溶体の還元が進行すると、図１６に示すように、ＭｇＯの粒子の表面に、Ｎｉの微粒子が析出・固着した構造が現れる。
【００５９】
上述した改質反応促進層１５（図１６に示す構成を有する層）が介装された構成では、燃料電池が長時間に亘って稼働しても、未改質成分の改質の進行が抑制され難いことが判明した。より具体的に述べると、燃料電池が長時間に亘って稼働しても、ＭｇＯ粒子に固着する複数のＮｉ微粒子の間の凝集が発生しないことが判明した。従って、上述した背景技術の欄で述べたように「燃料電池が長時間に亘って稼働すると、Ｎｉ粒子の比表面積が低下して燃料電池の発電効率が低下する」という問題が発生しない。この結果、長時間の稼働後も、燃料ガスが燃料極に供給される前に燃料ガス中に含まれる未改質成分が確実に改質され得る。
【００６０】
（追加の作用・効果）
以上、説明したように、上記本発明の実施形態に係る「横縞型」のＳＯＦＣの構造体では、支持基板１０の上下面に形成されている、燃料極２０を埋設するための複数の凹部１２のそれぞれが、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を有している。換言すれば、支持基板１０において各凹部１２を囲む枠体がそれぞれ形成されている。従って、この構造体は、支持基板１０が外力を受けた場合に変形し難い。
【００６１】
また、支持基板１０の各凹部１２内に燃料極２０及びインターコネクタ３０等の部材が隙間なく充填・埋設された状態で、支持基板１０と前記埋設された部材とが共焼結される。従って、部材間の接合性が高く且つ信頼性の高い焼結体が得られる。
【００６２】
また、インターコネクタ３０が、燃料極集電部２１の外側面に形成された凹部２１ｂに埋設され、この結果、直方体状のインターコネクタ３０の幅方向（ｙ軸方向）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。従って、燃料極集電部２１の外側平面上に直方体状のインターコネクタ３０が積層される（接触する）構成が採用される場合に比べて、燃料極２０（集電部２１）とインターコネクタ３０との界面の面積を大きくできる。従って、燃料極２０とインターコネクタ３０との間における電子伝導性を高めることができ、この結果、燃料電池の発電出力を高めることができる。
【００６３】
また、上記実施形態では、平板状の支持基板１０の上下面のそれぞれに、複数の発電素子部Ａが設けられている。これにより、支持基板の片側面のみに複数の発電素子部が設けられる場合に比して、構造体中における発電素子部の数を多くでき、燃料電池の発電出力を高めることができる。
【００６４】
また、上記実施形態では、固体電解質膜４０が、燃料極２０の外側面、インターコネクタ３０の外側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、燃料極２０の外側面とインターコネクタ３０の外側面と支持基板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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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１７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１８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。
【００６８】
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１９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。
【００６９】
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。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２０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２０に示すように、改質反応促進層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との界面に形成される。
【００７０】
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。
【００７１】
これに対し、図２１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】
【００７２】
１０…支持基板、１１…燃料ガス流路、１２…凹部、１５…改質反応促進層、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
【要約】
【課題】「横縞型」の燃料電池の構造体であって、支持基板が外力を受けた場合において支持基板が変形し難く、且つ、長時間の稼働後も燃料ガスが燃料極に供給される前に燃料ガス中に含まれる未改質成分を確実に改質できるものを提供すること。
【解決手段】ガス流路１１が形成された平板状の支持基板１０の主面に、電気的に直列に接続された複数の発電素子部Ａが配置される。支持基板１０の主面における複数の発電素子部Ａに対応する位置には、複数の凹部１２がそれぞれ形成される。各凹部１２には、対応する発電素子部Ａの燃料極２０が埋設される。支持基板１０と各燃料極２０との界面には、支持基板１０に含まれる「電気絶縁性を有するＭｇＯの粒子」の表面に、燃料極２０に含まれる「未改質成分の改質を促進するＮｉの微粒子」が固着した構造を有する「改質反応促進層１５」が介装される。
【選択図】図２【図１】
0005117610.tif 000002
【図２】
0005117610.tif 000003
【図３】
0005117610.tif 000004
【図４】
0005117610.tif 000005
【図５】
0005117610.tif 000006
【図６】
0005117610.tif 000007
【図７】
0005117610.tif 000008
【図８】
0005117610.tif 000009
【図９】
0005117610.tif 000010
【図１０】
0005117610.tif 000011
【図１１】
0005117610.tif 000012
【図１２】
0005117610.tif 000013
【図１３】
0005117610.tif 000014
【図１４】
0005117610.tif 000015
【図１５】
0005117610.tif 000016
【図１６】
0005117610.tif 000017
【図１７】
0005117610.tif 000018
【図１８】
0005117610.tif 000019
【図１９】
0005117610.tif 000020
【図２０】
0005117610.tif 000021
【図２１】
0005117610.tif 000022