(57)【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電気的接続部のうち多孔質の部分において集電抵抗及び拡散抵抗が共に小さいものを提供すること。【解決手段】燃料ガス流路１１が内部に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が所定位置にそれぞれ配置される。支持基板１０の主面に、複数の凹部１２が所定位置にそれぞれ形成される。各凹部１２は、周方向に閉じた４つの側壁と、底壁とで画定された直方体状の窪みである。各凹部１２に、対応する発電素子部Ａの燃料極２０が埋設される。隣り合う発電素子部Ａ，Ａの一方の空気極６０と他方の燃料極２０とを電気的に接続する電気的接続部（緻密なインターコネクタ３０及び多孔質の空気極集電膜７０）のうち空気極集電膜７０にはクラックが形成される。【選択図】図２
2013026013.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平板状の多孔質の支持基板と、
前記平板状の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、少なくとも内側電極、固体電解質、及び外側電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内側電極と他方の外側電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、
前記平板状の支持基板の主面における前記複数の箇所に、底壁と周方向に閉じた側壁とを有する凹部がそれぞれ形成されていて、
前記各凹部に、対応する前記発電素子部の内側電極がそれぞれ埋設され、
前記各電気的接続部は、緻密な第１部分と、前記第１部分と接続され且つ多孔質の第２部分とで構成され、
前記各電気的接続部の第２部分には割れ目が形成された、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、
常温にて、前記電気的接続部の第２部分の表面における前記割れ目の幅が０．１〜５μｍである、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、
前記内側電極の外側面と前記支持基板の前記主面とにより１つの平面が構成された、燃料電池の構造体。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の燃料電池の構造体において、
前記凹部における前記底壁と前記側壁とのなす角度は９０〜１３５°である、燃料電池の構造体。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の燃料電池の構造体において、
前記凹部における前記底壁と前記側壁とが交差する部分が円弧状になっていて、前記凹部の深さに対する円弧の半径の割合は０．０１〜１である、燃料電池の構造体。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載の燃料電池の構造体において、
前記平板状の支持基板の互いに平行な両側の主面に前記複数の凹部がそれぞれ形成されていて、
前記支持基板の両側の主面の前記各凹部に、対応する前記発電素子部の内側電極がそれぞれ埋設されて、前記支持基板の両側の主面に前記複数の発電素子部がそれぞれ設けられた、燃料電池の構造体。
【請求項７】
ガス流路が内部に形成された平板状の多孔質の支持基板と、
前記平板状の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、少なくとも内側電極、固体電解質、及び外側電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内側電極と他方の外側電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、
前記各電気的接続部は、緻密な第１部分と、前記第１部分と接続され且つ多孔質の第２部分とで構成され、
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内側電極がそれぞれ埋設され、
前記埋設された各内側電極の外側面に、前記内側電極の材料からなる底壁と、全周に亘って前記内側電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、
前記各電気的接続部の第２部分には割れ目が形成された、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子伝導性を有さない多孔質の支持基板」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内側電極と他方の外側電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】
以下、支持基板の形状に着目する。特許文献１に記載の「横縞型」の固体酸化物形燃料電池の構造体では、支持基板が円筒状を呈している。円筒状の支持基板の表面（円筒面）には、燃料極を埋設するための複数の「環状溝」が軸方向の複数の箇所においてそれぞれ形成されている（図３を参照）。従って、支持基板において「環状溝」が形成された部分の外径が小さくなっている。このことに起因して、この構造体は、支持基板に曲げ方向やねじり方向の外力が加えられた場合に変形し易い構造であるといえる。
【０００４】
また、特許文献２に記載の「横縞型」の固体酸化物形燃料電池の構造体では、支持基板が長手方向を有する平板状を呈している。平板状の支持基板の主面（平面）には、燃料極等を埋設するための「長手方向に延び且つ長手方向に開放された長溝」が形成されている（図３（ｂ）を参照）。従って、支持基板において「長溝」が形成された部分の厚さが小さくなっている。
【０００５】
加えて、「長溝」は、長手方向に直交する幅方向の両端部において長手方向に延びる側壁を有する一方で、長手方向の両端部において幅方向に延びる側壁を有していない。即ち、「長溝」は、その周方向に閉じた側壁を有していない。従って、支持基板において「長溝」を囲む枠体が形成されていない。これらのことに起因して、この構造体は、特に支持基板にねじり方向の外力が加えられた場合に変形し易い構造であるといえる。以上のことから、「横縞型」の燃料電池の構造体において、支持基板が外力を受けた場合における支持基板の変形を抑制することが望まれていたところである。
【０００６】
更には、上記の燃料電池の構造体では、各電気的接続部のうち多孔質の部分において、電流が流れる際の抵抗（以下、「集電抵抗」と呼ぶ。）と、空気が拡散する際の抵抗（以下、「拡散抵抗」と呼ぶ。）と、が共に小さいことが重要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【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
【発明の概要】
【０００８】
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、各電気的接続部のうち多孔質の部分において集電抵抗及び拡散抵抗が共に小さ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構造体は、ガス流路が内部に形成された電子伝導性を有さない平板状の多孔質の支持基板と、前記平板状の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「少なくとも内側電極、固体電解質、及び外側電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内側電極と他方の外側電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。
【００１０】
本発明に係る燃料電池の構造体の特徴は、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、底壁と周方向に閉じた側壁とを有する凹部がそれぞれ形成されていて、前記各凹部に、対応する前記発電素子部の内側電極（の全体）がそれぞれ埋設されたことにある。
【００１１】
このように、本発明に係る「横縞型」の燃料電池の構造体では、内側電極を埋設するための各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。
【００１２】
ここにおいて、前記凹部の平面形状（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。また、前記内側電極及び前記外側電極はそれぞれ、空気極及び燃料極であってもよいし、燃料極及び空気極であってもよい。また、前記燃料極は、前記固体電解質に接する燃料極活性部と、前記燃料極活性部以外の残りの部分である燃料極集電部とから構成され得る。
【００１３】
加えて、本発明に係る燃料電池の構造体の特徴は、前記各電気的接続部が、緻密な第１部分と、前記第１部分と接続され且つ多孔質の第２部分とで構成され、前記各電気的接続部の第２部分には割れ目が形成されたことにある。
【００１４】
このように、各電気的接続部の第２部分に割れ目が形成され、且つ、割れ目の幅が適切に調整されることによって、各電気的接続部の第２部分の集電抵抗及び拡散抵抗が小さくなる。これは、ＳＯＦＣの作動温度にて、「割れ目の幅が大き過ぎると、各電気的接続部の第２部分内にて電流のパスが形成され難くなり、集電抵抗が大きくなること」、並びに、「割れ目の幅が小さ過ぎると、各電気的接続部の第２部分内に空気が進入し難くなり、拡散抵抗が大きくなること」、に基づく。
【００１５】
また、前記凹部における前記底壁と前記側壁とのなす角度は、９０°であってもよいが、例えば、９０〜１３５°であってもよい。或いは、前記凹部における前記底壁と前記側壁とが交差する部分が円弧状になっている場合、前記凹部の深さに対する円弧の半径の割合は、例えば、０．０１〜１である。また、前記支持基板の主面に垂直な方向からみたときにおいて前記凹部の周囲に角部が存在する場合、前記角部は、半径が０．０５〜１．０ｍｍの円弧状になっていてもよい。
【００１６】
上記本発明に係る燃料電池の構造体では、前記平板状の支持基板の互いに平行な両側の主面に前記複数の凹部がそれぞれ形成され、前記支持基板の両側の主面の前記各凹部に、対応する前記発電素子部の内側電極がそれぞれ埋設されて、前記支持基板の両側の主面に前記複数の発電素子部がそれぞれ設けられていることが好ましい。これにより、前記支持基板の片側の主面のみに前記複数の発電素子部がそれぞれ設けられている場合に比して、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。
【００１７】
また、上記本発明に係る燃料電池の構造体では、前記内側電極の外側面と前記支持基板の前記主面とにより１つの平面が構成されることが好適である。これによれば、隣り合う発電素子部間をガスシールするために「電子伝導性を有さない緻密層」が内側電極の外側面上及び支持基板の主面上を覆うように設けられる場合において、その緻密層を平坦化できる。従って、その緻密層に段差が形成される場合に比して、支持基板が外力を受けた場合等における応力集中に起因するその緻密層でのクラックの発生が抑制され得、その緻密層が有するガスシール機能の低下が抑制され得る。なお、上記「電子伝導性を有さない緻密層」は、隣り合う発電素子部間における内側電極の外側面上及び支持基板の主面上を覆うように発電素子部内の緻密な固体電解質の層が延設された層であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【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】空気極集電膜にクラックが形成されている様子を示した図２に対応する断面図である。
【図１６】空気極集電膜の上面を顕微鏡で５０倍に拡大して観察した様子を示した図である。
【図１７】空気極集電膜の上面を顕微鏡で２００倍に拡大して観察した様子を示した図である。
【図１８】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１９】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２０】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】
【００１９】
（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。
【００２０】
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５〜５０ｃｍで長手方向に直交する幅方向（ｙ軸方向）の長さが１〜１０ｃｍ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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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、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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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「多孔質の第２部分」に対応し、気孔率は２０〜６０％である。
【００４６】
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）
【００４７】
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。
【００４８】
（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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。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。
【００５８】
（空気極集電膜の特徴）
次に、上記実施形態に係る空気極集電膜７０の特徴について図１５〜図１７を参照しながら説明する。図１６、図１７はそれぞれ、空気極集電膜７０の上面（露呈している表面）を走査型電子顕微鏡で５０倍、２００倍に拡大して観察した際の画像を示す。
【００５９】
図２に対応する図１５、並びに、図１６、図１７から理解できるように、空気極集電膜７０には、多数のクラック（割れ目）が形成されている。図１６、図１７から理解できるように、空気極集電膜７０の上面を上方からみると、この多数のクラックは、空気極集電膜７０を複数の領域に区画するように（「亀の甲羅」状に）形成されているといえる。加えて、図１５から理解できるように、多数のクラックには、空気極集電膜７０の厚さ方向において貫通しているものと貫通していないものとが存在する。
【００６０】
このクラックの存在により、空気極集電膜７０内における面方向の電流のパスが形成され難くなる。そして、クラックの幅が小さいほど、この面方向の電流のパスが形成され易くなり、集電抵抗が小さくなる。
【００６１】
他方、このクラックの存在により、空気極６０内へ空気が進入し易くなる。そして、クラックの幅が大きいほど、空気極６０内へ空気が進入し易くなり、空気極６０内にて空気が拡散する際の抵抗（拡散抵抗）が小さくなると考えられる。
【００６２】
以上のことから、空気極集電膜７０におけるクラックの状態を調整することで、上述の集電抵抗及び拡散抵抗を共に小さくすることができる。
【００６３】
（最適なクラックの状態）
本発明者は、上述の集電抵抗及び拡散抵抗を共に小さくするために必要なクラックの状態について検討した。この検討では、面積比Ｓ２／Ｓ１が導入された。Ｓ１は、空気極集電膜７０の面方向（厚さ方向に垂直な方向）における空気極集電膜７０の総面積であり、例えば、空気極集電膜７０を上方からみたときの空気極集電膜７０の上面の総面積である。Ｓ２は、空気極集電膜７０の面方向におけるクラックが占める面積であり、例えば、空気極集電膜７０を上方からみたときの空気極集電膜７０の上面でのクラックが占める面積である。
【００６４】
本発明者は、面積比Ｓ２／Ｓ１の常温での値が７×１０−４〜１×１０−１である場合、及び／又は、空気極集電膜７０の上面での各クラックの幅の常温での値が０．１〜５μｍである場合において、上述の集電抵抗及び拡散抵抗が共に小さくなることを種々の実験等を通して確認している。なお、面積比Ｓ２／Ｓ１、及び各クラック幅の調整は、空気極集電膜７０の材料の粉末の粒径、比表面積、及び粒度分布が制御されたスラリーを用いて形成した膜の生密度、焼成収縮率、焼成条件（焼成プロファイル、焼成温度）等を調整することより行われた。
【００６５】
（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。
【００６６】
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。
【００６７】
また、空気極集電膜７０には、クラックが形成されている。空気極集電膜７０におけるクラックの状態を調整することで、上述の集電抵抗及び拡散抵抗を共に小さくすることができる。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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１８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１９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。
【００７４】
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２０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。
【００７５】
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。加えて、上記実施形態においては、「内側電極」及び「外側電極」がそれぞれ燃料極及び空気極となっているが、逆であってもよい。
【００７６】
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。
【００７７】
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】
【００７８】
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、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】
2013026013.tif 000003
【図２】
2013026013.tif 000004
【図３】
2013026013.tif 000005
【図４】
2013026013.tif 000006
【図５】
2013026013.tif 000007
【図６】
2013026013.tif 000008
【図７】
2013026013.tif 000009
【図８】
2013026013.tif 000010
【図９】
2013026013.tif 000011
【図１０】
2013026013.tif 000012
【図１１】
2013026013.tif 000013
【図１２】
2013026013.tif 000014
【図１３】
2013026013.tif 000015
【図１４】
2013026013.tif 000016
【図１５】
2013026013.tif 000017
【図１８】
2013026013.tif 000018
【図１９】
2013026013.tif 000019
【図２０】
2013026013.tif 000020
【図２１】
2013026013.tif 000021
【図１６】
2013026013.tif 000022
【図１７】
2013026013.tif 000023
【手続補正書】
【提出日】平成24年8月1日(2012.8.1)
【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平板状の多孔質の支持基板と、
前記平板状の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、少なくとも内側電極、固体電解質、及び外側電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内側電極と他方の外側電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、
前記平板状の支持基板の主面における前記複数の箇所に、底壁と周方向に閉じた側壁とを有する凹部がそれぞれ形成されていて、
前記各凹部に、対応する前記発電素子部の内側電極がそれぞれ埋設され、
前記各電気的接続部は、緻密な第１部分と、前記第１部分と接続され且つ多孔質の第２部分とで構成され、
前記各電気的接続部について、前記第１部分は、前記隣り合う発電素子部の一方の内側電極と接続され、前記第２部分は、前記第１部分の外側に配置されるとともに前記隣り合う発電素子部の他方の外側電極と接続され、
前記各電気的接続部の第２部分には割れ目が形成された、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、
常温にて、前記電気的接続部の第２部分の表面における前記割れ目の幅が０．１〜５μｍである、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、
前記内側電極の外側面と前記支持基板の前記主面とにより１つの平面が構成された、燃料電池の構造体。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の燃料電池の構造体において、
前記凹部における前記底壁と前記側壁とのなす角度は９０〜１３５°である、燃料電池の構造体。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の燃料電池の構造体において、
前記凹部における前記底壁と前記側壁とが交差する部分が円弧状になっていて、前記凹部の深さに対する円弧の半径の割合は０．０１〜１である、燃料電池の構造体。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載の燃料電池の構造体において、
前記平板状の支持基板の互いに平行な両側の主面に前記複数の凹部がそれぞれ形成されていて、
前記支持基板の両側の主面の前記各凹部に、対応する前記発電素子部の内側電極がそれぞれ埋設されて、前記支持基板の両側の主面に前記複数の発電素子部がそれぞれ設けられた、燃料電池の構造体。
【請求項７】
ガス流路が内部に形成された平板状の多孔質の支持基板と、
前記平板状の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、少なくとも内側電極、固体電解質、及び外側電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内側電極と他方の外側電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、
前記各電気的接続部は、緻密な第１部分と、前記第１部分と接続され且つ多孔質の第２部分とで構成され、
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内側電極がそれぞれ埋設され、
前記埋設された各内側電極の外側面に、前記内側電極の材料からなる底壁と、全周に亘って前記内側電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、
前記各電気的接続部について、前記第１部分は、対応する前記第２凹部に埋設されることによって前記隣り合う発電素子部の一方の内側電極と接続され、前記第２部分は、前記第１部分の外側に配置されるとともに前記隣り合う発電素子部の他方の外側電極と接続され、
前記各電気的接続部の第２部分には割れ目が形成された、燃料電池の構造体。