(57)【要約】【課題】電極内部のガス拡散性の向上、並びに、電極と集電部材との接合部の接合強度の向上を同時に達成できる固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）を提供すること。【解決手段】燃料極、固体電解質膜、及び空気極が積層されたＳＯＦＣセルにおいて、薄板状の空気極における固体電解質膜との接合面（下側面）と反対側の表面（上側面）に、導電性を有する集電用メッシュが接合される。空気極の上側面には、集電用メッシュと接合する複数の「接合部」と、集電用メッシュと接合しない複数の「非接合部」とが存在する。空気極内部において、各「接合部」から空気極の厚さの途中の位置までにおいて、他の領域（図中に白で示される領域、多孔部）よりも気孔率が小さい領域（図中に微細なドットで示される領域、緻密部）がそれぞれ形成される。緻密部の気孔率の平均値は２０％以上３５％未満であり、多孔部の気孔率の平均値は３５％以上５５％未満である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと接触して前記燃料ガスを反応させる燃料極と、
前記燃料極に接合された固体電解質膜と、
酸素を含むガスを反応させる空気極であって前記固体電解質膜を前記燃料極と空気極とで挟むように前記固体電解質膜に接合された空気極と、
前記空気極及び前記燃料極の一方の電極に電気的に接続されるように接合された導電性を有する集電部材と、
を備えた固体酸化物形燃料電池であって、
前記一方の電極における前記固体電解質膜との接合面を除いた表面において、前記集電部材と接合する１つ又は複数の接合部と、前記集電部材と接合しない１つ又は複数の非接合部とが存在し、
前記一方の電極が、前記１つ又は複数の接合部を含み且つ前記１つ又は複数の接合部近傍にて前記接合部から連続して広がる第１部分と、前記１つ又は複数の非接合部を含み且つ前記第１部分以外の残りの部分である第２部分とから構成され、
前記第１部分の気孔率が前記第２部分の気孔率より小さい固体酸化物形燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池において、
前記第１部分を構成する粒子の平均粒径は、前記第２部分を構成する粒子の平均粒径より大きい、固体酸化物形燃料電池。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池において、
前記一方の電極は板状を呈し、
前記一方の電極の第１の主面に前記固体電解質膜が接合され、
前記一方の電極の前記第１の主面と反対側の第２の主面に、前記１つ又は複数の接合部と、前記１つ又は複数の非接合部とが存在し、
前記第１部分は、前記１つ又は複数の接合部から前記一方の電極の厚さの途中の位置まで広がり、
前記第１の主面は前記第２部分のみで構成され、前記第２の主面は前記第１部分と前記第２部分とで構成された固体酸化物形燃料電池。
【請求項４】
請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池において、
前記一方の電極は前記空気極であり、
前記第１部分の気孔率の平均値は２０％以上３５％未満であり、前記第２部分の気孔率の平均値は３５％以上５５％未満である固体酸化物形燃料電池。
【請求項５】
請求項４に記載の固体酸化物形燃料電池において、
前記第１部分の気孔率は、前記第２の主面に近いほど小さくなるように分布している固体酸化物形燃料電池。
【請求項６】
請求項３乃至請求項５の何れか一項に記載の固体酸化物形燃料電池において、
前記第２の主面の全面積に対する、前記第２の主面に存在する前記１つ又は複数の接合部の全面積の割合は、２０〜７０％である、固体酸化物形燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：ＳＯＦＣ）に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＳＯＦＣは、燃料ガスと接触して前記燃料ガスを反応させる燃料極と、前記燃料極に接合された固体電解質膜と、酸素を含むガスを反応させる空気極であって前記固体電解質膜を前記燃料極と空気極とで挟むように前記固体電解質膜に接合された空気極と、を備えている（例えば、特許文献１を参照）。ＳＯＦＣに対して、燃料極に燃料ガス（水素ガス等）を供給するとともに空気極に酸素を含むガス（空気等）を供給することにより、下記（１）、（２）式に示す化学反応が発生する。これにより、燃料極と空気極との間に電位差が発生する。この電位差は、固体電解質の酸素伝導度に基づく。
（１／２）・Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２−    （於：空気極）  …（１）
Ｈ２＋Ｏ２−→Ｈ２Ｏ＋２ｅ−        （於：燃料極）  …（２）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−３３９９０４号公報
【発明の概要】
【０００４】
ところで、一般に、ＳＯＦＣの電極は多孔質材料で構成される。外部から電極の表面に供給されたガスは、上記反応に供されるため、電極の内部に存在する多数の気孔を通って電極内の反応場に供給される。ここで、電極内部のガス拡散性の向上の観点からは、電極を構成する材料の気孔率が大きい方が好ましいと考えられる。
【０００５】
他方、ＳＯＦＣでは、通常、前記電位差に基づく電力を外部に取り出す等のため、空気極及び燃料極の一方又は両方の電極に導電性を有する集電部材（集電メッシュ等）が電気的に接続されるように接合される。ここで、電極と集電部材との接合部の接合強度の向上の観点からは、接合面積を増大させるため、並びに、電極そのものの強度を向上させるため、電極を構成する材料の気孔率が小さい方が好ましいと考えられる。
【０００６】
以上のことから、ＳＯＦＣの電極の内部の気孔率が一様であると、電極内部のガス拡散性の向上、並びに、電極と集電部材との接合部の接合強度の向上を同時に達成することは困難である。電極内部のガス拡散性の向上、すなわち高出力化、並びに、電極と集電部材との接合部の接合強度の向上、すなわち高信頼性を同時に達成することが望まれていたところである。
【０００７】
本発明は、係る問題に対処するためになされたものであり、その目的は、電極内部のガス拡散性の向上、並びに、電極と集電部材との接合部の接合強度の向上を同時に達成できるＳＯＦＣを提供することにある。
【０００８】
本発明に係るＳＯＦＣは、「燃料ガスと接触して前記燃料ガスを反応させる燃料極」と、「前記燃料極に接合された固体電解質膜」と、「酸素を含むガスを反応させる空気極であって前記固体電解質膜を前記燃料極と空気極とで挟むように前記固体電解質膜に接合された空気極」とを備えている。前記空気極及び前記燃料極の一方（又は両方）の電極には、導電性を有する集電部材が電気的に接続されるように接合されている。
【０００９】
本発明に係るＳＯＦＣの特徴は、以下の点にある。即ち、前記電極における前記固体電解質膜との接合面を除いた表面において、「前記集電部材と接合する１つ又は複数の接合部」と、「前記集電部材と接合しない１つ又は複数の非接合部」とが存在する。また、前記電極は、第１部分と第２部分とからなる。前記第１部分は、「前記１つ又は複数の接合部を含み且つ前記１つ又は複数の接合部近傍にて前記接合部から連続して広がる部分」である。前記第２部分は、「前記１つ又は複数の非接合部を含み且つ前記第１部分以外の残りの部分」である。前記電極における前記固体電解質膜との接合面は、前記第２部分のみで構成され得る。そして、前記第１部分の気孔率が前記第２部分の気孔率より小さい。
【００１０】
ここで、前記第１（第２）部分の気孔率とは、例えば、前記第１（第２）部分を多数の微小部分に分割した際の各微小部分について得られるそれぞれの気孔率に関連する値であり、典型的には、それぞれの気孔率の平均値である。前記一方の電極が前記空気極である場合、前記第１部分の気孔率の平均値（前記第１部分を多数の微小部分に分割した際の各微小部分について得られるそれぞれの気孔率の平均値）が２０％以上３５％未満であり、前記第２部分の気孔率の平均値（前記第２部分を多数の微小部分に分割した際の各微小部分について得られるそれぞれの気孔率の平均値）が３５％以上５５％未満とされ得る。
【００１１】
上記構成によれば、電極における第１部分、即ち、電極における「集電部材との接合部の近傍部分」の気孔率が小さくされ得る。この結果、電極と集電部材との接合部の接合強度の向上が達成され得る。他方、電極における第２部分、即ち、電極における「第１部分以外の残りの部分」の気孔率が大きくされ得る。従って、外部から電極の表面に供給されたガスが電極内部の気孔を通って「電極と固体電解質膜との接合部」に供給される際、気孔率の大きい第２部分の気孔を通過し易くなる。この結果、電極内部のガス拡散性が向上する。以上より、電極内部のガス拡散性の向上、並びに、電極と集電部材との接合部の接合強度の向上が同時に達成され得る。
【００１２】
上記本発明に係るＳＯＦＣにおいて、前記一方の電極が板状を呈する場合、前記一方の電極の第１の主面に前記固体電解質膜が接合され、前記一方の電極の前記第１の主面と反対側の第２の主面に「前記１つ又は複数の接合部」と「前記１つ又は複数の非接合部」とが存在するように構成され得る。この場合、前記第１部分は、前記１つ又は複数の接合部から前記一方の電極の厚さの途中の位置まで広がり、前記第１の主面は前記第２部分のみで構成され、前記第２の主面は前記第１部分と前記第２部分とで構成され得る。この場合、前記第１部分の気孔率は、前記第２の主面に近いほど小さくなるように分布し得る。
【００１３】
上記構成によれば、ガスは、前記一方の電極の第２の主面における非接合部から前記一方の電極内に進入する。前記一方の電極内に進入したガスは、前記一方の電極の厚さ方向において第１の主面側に向けて主として前記第２部分の内部を移動していく。この過程において、ガスが前記一方の電極の厚さ方向における前記第１部分の底部に相当する位置を超えた後、前記第１部分の底部と第１の主面との間に存在する領域内に回り込むことができる。従って、前記第１部分が前記１つ又は複数の接合部から第１の主面まで延びる形態と比べて、前記一方の電極と固体電解質膜との接合面においてガスが到達し得る範囲が広くなる。この結果、ＳＯＦＣの反応抵抗を小さくでき、ＳＯＦＣの出力を大きくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態に係るＳＯＦＣの構成を示した模式図である。
【図２】本発明の実施形態に係るＳＯＦＣの空気極における多孔部と緻密部の分布の一例を示した模式図である。
【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ＳＯＦＣの一例を示す。図１では、２つのＳＯＦＣセル１００、１００が、集電用メッシュを介して電気的に直列に接続されている。以下、先ず、各ＳＯＦＣセル１００について説明する。
【００１６】
ＳＯＦＣセル１００は、燃料極１１０と、燃料極１１０の上に積層された固体電解質膜１２０と、固体電解質膜１２０の上に積層された反応防止層１３０と、反応防止層１３０の上に積層された空気極１４０と、燃料極１１０の下に積層されたインターコネクタ１５０と、からなる積層体である。このセル１００を上方からみた形状は、例えば、１辺が１〜３０ｃｍの正方形、長辺が５〜３０ｃｍで短辺が３〜１５ｃｍの長方形、又は直径が１〜３０ｃｍの円形である。セル１００の厚さは０．１〜３ｍｍである。
【００１７】
燃料極１１０（アノード電極）は、例えば、酸化ニッケルＮｉＯとイットリア安定化ジルコニアＹＳＺとから構成される多孔質の薄板状の焼成体である。燃料極１１０の厚さＴ１は０．１〜３ｍｍである。セル１００の各構成部材の厚さのうち燃料極１１０の厚さが最も大きく、燃料極１１０は、セル１００の支持基板として機能している。
【００１８】
電解質１２０は、ＹＳＺから構成される緻密な薄板状の焼成体である。電解質１２０の厚さＴ２は３〜３０μｍである。
【００１９】
反応防止層１３０は、セリアからなる緻密な薄板状の焼成体である。セリアとしては、具体的には、ＧＤＣ（ガドリニウムドープセリア）、ＳＤＣ（サマリウムドープセリア）等が挙げられる。反応防止層１３０の厚さＴ３は３〜２０μｍである。なお、反応防止層１３０は、セル作製時、又はＳＯＦＣの作動中のセル１００内において、電解質１２０内のＹＳＺと空気極１４０内のストロンチウムとが反応して電解質１２０と空気極１４０との間に電気抵抗が大きい反応膜が形成される現象の発生を抑制するために、電解質１２０と空気極１４０との間に介装されている。
【００２０】
空気極１４０（カソード電極）は、ランタンストロンチウムコバルトフェライトＬＳＣＦ（（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ３）からなる多孔質の薄板状の焼成体である。空気極１４０の材料として、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）等が採用されてもよい。空気極１４０の厚さＴ４は１０〜１００μｍである。
【００２１】
インターコネクタ１５０は、ランタンクロマイトＬＣからなる緻密な薄板状の焼成体である。ランタンクロマイトＬＣの化学式は、下記(３)式にて表される。下記(３)式において、Ａは、Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａから選択される少なくとも１種類の元素である。Ｂは、Ｃｏ，Ｎｉ，Ｍｇ，Ａｌから選択される少なくとも１種類の元素である。ｘの範囲は、０〜０．４であり、更に好ましくは、０．０５〜０．２である。ｙの範囲は、０〜０．３であり、更に好ましくは、０．０２〜０．２２である。ｚの範囲は、０〜０．１であり、更に好ましくは、０〜０．０５である。δは０を含む微小値である。この例では、インターコネクタ（端子電極）１５０の上側（内側）が還元雰囲気に曝され且つ下側（外側）が酸化雰囲気に曝される。酸化・還元の両雰囲気で安定な導電性セラミックスとしては、現状では、ＬＣが優れている。インターコネクタ１５０の厚さＴ５は１０〜１００μｍである。
【００２２】
Ｌａ１−ｘＡｘＣｒ１−ｙ−ｚＢｙＯ３−δ  …(３)
【００２３】
なお、インターコネクタ１５０の材質として、化学式が下記（４）式で表されるチタン酸化物も好適である。下記（４）式において、Ａは、アルカリ土類元素から選択される少なくとも１種類の元素である。Ｂは、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種類の元素である。Ｄは、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種類の元素である。ｘの範囲は、０〜０．５であり、ｙの範囲は、０〜０．５であり、ｚの範囲は、−０．０５〜０．０５である。δは０を含む微小値である。チタン酸化物としては、例えば、ＡとしてストロンチウムＳｒが使用された「ストロンチウムチタネートＳｒＴｉＯ３」が採用され得る。ＳｒＴｉＯ３も酸化・還元の両雰囲気で安定である。
【００２４】
（Ａ１−ｘ，Ｂｘ）１−ｚ（Ｔｉ１−ｙ，Ｄｙ）Ｏ３−δ…（４）
【００２５】
以上、説明した複数の（図１では、２つの）ＳＯＦＣセル１００が、集電用メッシュを介して電気的に直列に接続される。集電用メッシュは、例えば、フェライト系ＳＵＳ材料からなる。集電用メッシュは、隣り合う一方のＳＯＦＣセル１００の空気極１４０と他方のＳＯＦＣセル１００のインターコネクタ１５０との間に介装され、空気極１４０及びインターコネクタ１５０と導電性接合剤（図示せず）を介して接合されている。集電用メッシュは、上面からみて縦横に整列した（マトリクス状に配置された）複数の位置にて上下方向に突出している。従って、空気極１４０及びインターコネクタ１５０は、上面からみてマトリクス状に配置された複数の位置にて集電用メッシュとそれぞれ接合している。
【００２６】
（製造方法）
次に、図１に示したＳＯＦＣ（複数のＳＯＦＣセル１００の積層体）の製造方法の一例について説明する。先ず、セル１００の製造方法の一例について説明する。
【００２７】
先ず、燃料極１１０の前駆体（焼成前）が以下のように形成された。即ち、ＮｉＯ粉末とＹＳＺ粉末とが混合され、この混合物にバインダーとしてポリビニルアルコール（ＰＶＡ）が添加されてスラリーが作製された。このスラリーがスプレードライヤーで乾燥・造粒され、燃料極用の粉末が得られた。この粉末が金型プレス成形法により成形されて、燃料極１１０の前駆体が形成された。
【００２８】
次に、電解質１２０の前駆体（焼成前）が、以下のように燃料極１１０の前駆体の上面に形成された。即ち、ＹＳＺ粉末に水とバインダーが加えられ、この混合物がボールミルで２４時間混合されてスラリーが作製された。このスラリーが、燃料極１１０の前駆体の上面に塗布・乾燥されて、電解質１２０の前駆体（膜）が形成された。なお、燃料極１１０の前駆体の上面に電解質１２０の前駆体（膜）を形成するに際し、テープ積層法、印刷法等が用いられてもよい。
【００２９】
次いで、反応防止層１３０の前駆体（焼成前）が、以下のように電解質１２０の前駆体の上面に形成された。即ち、ＧＤＣ粉末に水とバインダーが加えられ、この混合物がボールミルで２４時間混合されてスラリーが作製された。このスラリーが、電解質１２０の前駆体の上面に塗布・乾燥され、反応防止層１３０の前駆体（膜）が形成された。なお、電解質１２０の前駆体の上面に反応防止層１３０の前駆体（膜）を形成するに際し、テープ積層法、印刷法等が用いられてもよい。
【００３０】
続いて、インターコネクタ１５０の前駆体（焼成前）が、ランタンクロマイト粉末を用いて、印刷法、テープ積層法、スラリーディップ法、プラズマ溶射法、或いはエアロゾルデポジション法等を利用して、燃料極１１０の前駆体の下面に形成された。
【００３１】
以上より、インターコネクタ１５０の前駆体、燃料極１１０の前駆体、電解質１２０の前駆体、及び反応防止層１３０の前駆体の４層からなる積層体（焼成前）が形成された。この積層体（焼成前）が、１３００〜１６００℃で２時間共焼結されて、緻密なインターコネクタ１５０、多孔質の燃料極１１０、緻密な電解質１２０、及び緻密な反応防止層１３０の４層からなる積層体（焼成後）が得られた。
【００３２】
次に、空気極１４０が、以下のように前記積層体の反応防止層１３０の上面に形成された。即ち、ＬＳＣＦ粉末に水とバインダーが加えられ、この混合物がボールミルで２４時間混合されてスラリーが作製された。このスラリーが、反応防止層１３０の上面に塗布・乾燥され、電気炉（酸素含有雰囲気中）で空気中にて１０００℃で１時間焼成されて、反応防止層１３０の上面に多孔質の空気極１４０が形成された。ここで、反応防止層１３０と空気極１４０との積層体が、本発明の「空気極」に対応する。なお、後述するように、空気極１４０の内部の気孔率の分布の調整は、ＬＳＣＦ粉末の粉体特性（粒径、比表面積）、スラリー特性（固液比率、バインダ等の有機材料の組成）等を調整することによって達成され得る。以上、セル１００の製造方法の一例について説明した。
【００３３】
上述したセル１００が複数作製・準備された。隣り合う一方のＳＯＦＣセル１００の空気極１４０と他方のＳＯＦＣセル１００のインターコネクタ１５０との間に集電用メッシュが介装される。空気極１４０と集電用メッシュとの接合、並びに、インターコネクタ１５０と集電用メッシュとの接合は、周知の導電性接合材の一つを用いて達成される。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。
【００３４】
（空気極の内部の気孔率の分布）
次に、上記実施形態に係るＳＯＦＣの多孔質の空気極１４０における気孔率の分布について図２を参照しながら説明する。説明の簡便化のため、図２では、反応防止層１３０が省略されている。
【００３５】
図２に示すように、薄板状の空気極１４０の下面（前記「第１の主面」に対応）には固体電解質膜１２０が接合されている。薄板状の空気極１４０の上面（前記「第２の主面」に対応）には、集電用メッシュと接合する複数の「接合部」と、集電用メッシュと接合しない複数の「非接合部」とが存在する。空気極１４０を上面からみたとき、複数の「接合部」は、所定距離だけ離れてマトリクス状に配置され、複数の「非接合部」も、所定距離だけ離れてマトリクス状に配置されている。
【００３６】
空気極１４０は、気孔率の大きい部分（図中、白い領域を参照。以下、「多孔部１４１」と呼ぶ）と、気孔率の小さい部分（図中、微細なドットで示された領域を参照。以下、「緻密部１４２」と呼ぶ）と、からなる。
【００３７】
緻密部１４２は、上記複数の「接合部」にそれぞれ対応して存在する複数の部分である。各緻密部１４２は、対応する「接合部」を含み、且つ、対応する「接合部」近傍にて対応する「接合部」から連続して広がる部分である。各緻密部１４２は、対応する「接合部」（即ち、集電用メッシュが接合されている空気極１４０の上面）から空気極１４０の厚さの途中の位置まで下方に向けて広がっている。他方、多孔部１４１は、上記複数の「非接合部」を含み、且つ、上記複数の緻密部１４２以外の残りの部分である。空気極１４０の下面は、多孔部１４１のみで構成され、空気極１４０の上面は、複数の緻密部１４２と複数の多孔部１４１とで構成される。
【００３８】
多孔部１４１の気孔率の平均値は３５％以上５５％未満であり、緻密部１４２の気孔率の平均値は２０％以上３５％未満である。換言すれば、多孔部１４１の気孔率の平均値が３５％以上５５％未満となり且つ緻密部１４２の気孔率の平均値が２０％以上３５％未満となるように多孔部１４１と緻密部１４２とを区分する境界面が空気極１４０内部に存在する、ということができる。加えて、緻密部１４２では、気孔率は、空気極１４０の上面（前記第２の主面に対応）に近いほど小さくなるように分布している。
【００３９】
ここで、「多孔部１４１（緻密部１４２）の気孔率の平均値」とは、多孔部１４１（緻密部１４２）を多数の微小部分に分割した際の各微小部分について得られるそれぞれの気孔率の平均値である。具体的には、上述した「多孔部１４１と緻密部１４２とを区分する境界面」は以下のように決定され得る。
【００４０】
先ず、空気極１４０を異なる多数の位置で厚さ方向に沿って切断して得られるそれぞれの断面（平面）が微小部分に分割される。この微小部分としては、例えば、１辺の長さが１〜１０μｍの正方形が採用され得る。この場合、１辺の長さは、空気極１４０の厚さに応じて任意に選択され得る。各断面の各微小部分についてそれぞれ、周知の手法の１つ（例えば、画像解析）によってその微小断面の気孔率が算出される。このようにして得られたそれぞれの気孔率の分布を参照しながら、前記各「接合部」の近傍にて「接合部」から連続して広がる「1つ又は複数の部分」であり、且つ、その内部に対応する多数の気孔率の平均値が２０％以上３５％未満となりその外部に対応する多数の気孔率の平均値が３５％以上５５％未満となる「１つ又は複数の部分」が探される。空気極１４０における前記「１つ又は複数の部分」が１つ又は複数の緻密部１４２となり、空気極１４０における前記「１つ又は複数の部分」以外の部分が多孔部１４１となる。このようにして得られた前記「１つ又は複数の部分」の輪郭を構成する面が前記境界面となる。
【００４１】
上記のような空気極１４０の内部の気孔率の分布は、空気極１４０の前駆体であるスラリーを作製する際に使用される空気極の材料（ＬＳＣＦ）の粉末の粉体特性（粒径、比表面積）、スラリー特性（固液比率、バインダ等の有機材料の組成）等を調整することによって意図的に（積極的に）形成される。
【００４２】
具体的には、例えば、反応防止層１３０の上面に空気極１４０の前駆体であるスラリーの膜が形成される際、緻密部１４２に対応する部分のスラリーの固液比率（全体中の固体、即ち空気極材料の割合）が、多孔部１４１に対応する部分の値より大きくされる。更には、緻密部１４２に対応する部分のスラリーの固液比率が、空気極１４０の上面に近いほど大きくされる。これは、スラリーの固液比率が大きいほど、粒子の密度が高くなることによって気孔率が小さくなるという事実に基づく。
【００４３】
或いは、緻密部１４２に対応する部分の空気極材料の粉末の比表面積が、多孔部１４１に対応する部分の値より大きくされる。更には、緻密部１４２に対応する部分の空気極材料の粉末の比表面積が、空気極１４０の上面に近いほど大きくされる。これは、粉末の比表面積が大きいほど、焼結性が高くなることによって気孔率が小さくなるという事実に基づく。
【００４４】
緻密部１４２を構成する粒子の平均粒径は、多孔部１４１を構成する粒子の平均粒径より大きい。具体的には、緻密部１４２を構成する粒子の粒径は０．３〜５μｍであり、その平均粒径は１．２〜２．５μｍである。一方、多孔部１４１を構成する粒子の粒径は０．１〜２．５μｍであり、その平均粒径は０．３〜１．２μｍである。また、薄板状の空気極１４０の上面（前記第２の主面）の全面積に対する、空気極１４０の上面に存在する上記複数の「接合部」の全面積（面積の総和）の割合は、２０〜７０％である。
【００４５】
（作用・効果）
本発明の実施形態に係るＳＯＦＣによれば、空気極１４０の内部の気孔率が上記のように分布している。このため、空気極１４０における緻密部１４２、即ち、空気極１４０における「集電用メッシュとの接合部の近傍部分」の気孔率が小さい。この結果、空気極１４０と集電用メッシュとの接合部の接合強度の向上が達成され得る。他方、空気極１４０における多孔部１４１、即ち、空気極１４０における「緻密部１４２以外の残りの部分」の気孔率が大きい。従って、外部から空気極１４０の表面に供給されたガス（空気等）が空気極１４０内部の気孔を通って「空気極１４０と固体電解質膜１２０との接合部」に供給される際、気孔率の大きい多孔部１４１の気孔を通過し易くなる（図２の白い矢印を参照）。この結果、空気極１４０の内部のガス拡散性が向上する。以上より、空気極１４０の内部のガス拡散性の向上、並びに、空気極１４０と集電用メッシュとの接合部の接合強度の向上が同時に達成され得る。
【００４６】
また、各緻密部１４２は、対応する「接合部」（即ち、集電用メッシュが接合されている空気極１４０の上面）から空気極１４０の厚さの途中の位置まで下方に向けて広がっている。従って、空気極１４０の主として多孔部１４２を進行していくガス（空気等、図２の白い矢印を参照）が空気極１４０の厚さ方向における緻密部１４２の底部に相当する位置を超えた後、そのガスが、緻密部１４２の底部と空気極１４０の下面（第１の主面）との間に存在する領域内に回り込むことができる。従って、緻密部１４２が空気極１４０の上面における複数の「接合部」から空気極１４０の下面（第１の主面）まで連続する形態と比べて、空気極１４０と電解質１２０との接合面においてガスが到達し得る範囲が広くなる。この結果、ＳＯＦＣの反応抵抗を小さくでき、ＳＯＦＣの出力を大きくすることができる。
【００４７】
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、集電用メッシュの形状に起因して、空気極１４０を上面からみて「接合部」が複数個所に分散して存在し、且つ、「非接合部」が残りの領域に（即ち、複数個所に分散して）存在しているが、空気極１４０を上面からみて「接合部」が１箇所に集中して存在し、且つ、「非接合部」が残りの領域に（即ち、複数個所に分散することなく連続して）存在していてもよい。
【００４８】
また、上記実施形態では、空気極１４０が薄板状を呈しているが、空気極１４０が薄板状以外の形状を呈していてもよい。
【００４９】
また、上記実施形態では、空気極が、「集電用メッシュと接合する「接合部」を含む緻密部（気孔率小）」と、「集電用メッシュと接合しない「非接合部」を含む多孔部（気孔率大）」とから構成されているが、燃料極が、「集電用メッシュと接合する「接合部」を含む緻密部（気孔率小）」と、「集電用メッシュと接合しない「非接合部」を含む多孔部（気孔率大）」とから構成されていてもよい。この場合、燃料極と集電用メッシュとの接合部の接合強度の向上が達成され、且つ、燃料極の内部を通過するガス（水素ガス等）の拡散性が向上する。
【００５０】
なお、本発明は、上記実施形態のような「燃料極、固体電解質膜、及び、空気極の積層体である発電部が積層方向に複数積層される形式」（所謂「縦縞型」）のみならず、「前記発電部が板状の支持体の表面上の異なる位置にそれぞれ配置される形式」（所謂「横縞型」）にも適用されることはいうまでもない。
【符号の説明】
【００５１】
１００…セル、１１０…燃料極、１２０…電解質、１３０…反応防止層、１４０…空気極、１５０…インターコネクタ
【図１】
2012146628.tif 000003
【図２】
2012146628.tif 000004
【手続補正書】
【提出日】平成23年11月28日(2011.11.28)
【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】
燃料ガスと接触して前記燃料ガスを反応させる燃料極と、
前記燃料極に接合された固体電解質膜と、
酸素を含むガスを反応させる空気極であって前記固体電解質膜を前記燃料極と空気極とで挟むように前記固体電解質膜に接合された空気極と、
前記空気極及び前記燃料極の一方の電極に電気的に接続されるように接合された導電性を有する集電部材と、
を備えた固体酸化物形燃料電池であって、
前記一方の電極における前記固体電解質膜との接合面を除いた表面において、前記集電部材と接合する１つ又は複数の接合部と、前記集電部材と接合しない１つ又は複数の非接合部とが存在し、
前記一方の電極が、前記１つ又は複数の接合部を含み且つ前記１つ又は複数の接合部から連続して広がる第１部分と、前記１つ又は複数の非接合部を含み且つ前記第１部分以外の残りの部分である第２部分とから構成され、
前記第１部分の気孔率が前記第２部分の気孔率より小さい固体酸化物形燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池において、
前記第１部分を構成する粒子の平均粒径は、前記第２部分を構成する粒子の平均粒径より大きい、固体酸化物形燃料電池。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池において、
前記一方の電極は板状を呈し、
前記一方の電極の第１の主面に前記固体電解質膜が接合され、
前記一方の電極の前記第１の主面と反対側の第２の主面に、前記１つ又は複数の接合部と、前記１つ又は複数の非接合部とが存在し、
前記第１部分は、前記１つ又は複数の接合部から前記一方の電極の厚さの途中の位置まで広がり、
前記第１の主面は前記第２部分のみで構成され、前記第２の主面は前記第１部分と前記第２部分とで構成された固体酸化物形燃料電池。
【請求項４】
請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池において、
前記一方の電極は前記空気極であり、
前記第１部分の気孔率の平均値は２０％以上３５％未満であり、前記第２部分の気孔率の平均値は３５％以上５５％未満である固体酸化物形燃料電池。
【請求項５】
請求項４に記載の固体酸化物形燃料電池において、
前記第１部分の気孔率は、前記第２の主面に近いほど小さくなるように分布している固体酸化物形燃料電池。
【請求項６】
請求項３乃至請求項５の何れか一項に記載の固体酸化物形燃料電池において、
前記第２の主面の全面積に対する、前記第２の主面に存在する前記１つ又は複数の接合部の全面積の割合は、２０〜７０％である、固体酸化物形燃料電池。