(57)【要約】【課題】多孔質支持体の寸法精度が低い場合でも、単一の支持体上に複数の小型の発電素子を形成することができる固体酸化物形燃料電池セルの製造方法を提供する。【解決手段】本発明は、多孔質支持体(97)上に複数の発電素子(16a)を形成し、これらの発電素子をインターコネクタ(102)により接続した固体酸化物形燃料電池セル(16)の製造方法であって、支持体形成工程と、多孔質支持体上に、複数の発電素子の燃料極層(98)を同時に面成膜により形成する燃料極層形成工程と、スラリーのドットの集積によりインターコネクタを形成するインターコネクタ形成工程と、電解質層形成工程と、電解質層(100)の上に、スラリーのドットの集積により複数の発電素子の空気極層(101)を形成する空気極層形成工程と、各機能層が形成された多孔質支持体を加熱し、各層を焼成する焼成工程と、を有することを特徴としている。【選択図】図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多孔質支持体上に複数の発電素子を形成し、これらの発電素子をインターコネクタにより接続した固体酸化物形燃料電池セルの製造方法であって、
上記多孔質支持体を形成する支持体形成工程と、
形成された上記多孔質支持体上に燃料極層を形成するためのスラリーを付着させることにより、上記複数の発電素子の燃料極層を同時に面成膜により形成する燃料極層形成工程と、
上記燃料極層に接続されるように、上記インターコネクタを形成するためのスラリーを液滴状にして連続的に噴射することによりスラリーのドットを形成し、このドットの集積により上記インターコネクタを形成するインターコネクタ形成工程と、
上記燃料極層の上に、上記複数の発電素子の電解質層を形成する電解質層形成工程と、
上記電解質層の上に、空気極層を形成するためのスラリーを液滴状にして連続的に噴射することによりスラリーのドットを形成し、このドットの集積により上記複数の発電素子の空気極層を形成する空気極層形成工程と、
上記燃料極層、上記電解質層、及び上記空気極層が形成された上記多孔質支持体を加熱し、各層を焼成する焼成工程と、
を有することを特徴とする固体酸化物形燃料電池セルの製造方法。
【請求項２】
上記多孔質支持体は絶縁性材料により形成され、上記多孔質支持体上に形成された複数の上記燃料極層は互いに絶縁されている請求項１記載の固体酸化物形燃料電池セルの製造方法。
【請求項３】
上記燃料極層は、上記多孔質支持体上に形成される下層燃料極層と、この下層燃料極層の上に形成される上層燃料極層からなり、上記下層燃料極層を形成するためのスラリーの粘性は、上記上層燃料極層を形成するためのスラリーの粘性よりも高い請求項２記載の固体酸化物形燃料電池セルの製造方法。
【請求項４】
上記下層燃料極層は上記上層燃料極層よりも導電性の高い材料で形成され、上記上層燃料極層は上記下層燃料極層よりも触媒活性が高い材料で形成されている請求項３記載の固体酸化物形燃料電池セルの製造方法。
【請求項５】
上記空気極層は、上記電解質層の上に形成される下層空気極層と、この下層空気極層の上に形成される上層空気極層からなり、上記下層空気極層を形成するためのスラリーの粘性は、上記上層空気極層を形成するためのスラリーの粘性よりも低い請求項４記載の固体酸化物形燃料電池セルの製造方法。
【請求項６】
上記下層空気極層は上記上層空気極層よりも触媒活性が高い材料で形成され、上記上層空気極層は上記下層空気極層よりも導電性の高い材料で形成されている請求項５記載の固体酸化物形燃料電池セルの製造方法。
【請求項７】
請求項１乃至６の何れか１項に記載の固体酸化物形燃料電池セルの製造方法を実施するための製造システムであって、
上記燃料極層を形成するためのスラリーを付着させることにより、上記燃料極層を面成膜する燃料極層形成装置と、
上記インターコネクタを形成するためのスラリーを液滴状にして連続的に噴射することにより上記インターコネクタをドット成膜するインターコネクタ形成装置と、
上記燃料極層の上に、上記電解質層を形成する電解質層形成装置と、
上記空気極層を形成するためのスラリーを液滴状にして連続的に噴射することにより上記空気極層をドット成膜する空気極層形成装置と、
上記燃料極層、上記電解質層、及び上記空気極層が形成された上記多孔質支持体を加熱し、各層を焼成する加熱炉と、
を有することを特徴とする固体酸化物形燃料電池セル製造システム。
【請求項８】
請求項１乃至６の何れか１項に記載の固体酸化物形燃料電池セルの製造方法により製造された固体酸化物形燃料電池セル。
【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セルに関し、特に、多孔質支持体上に複数の発電素子を形成し、これらの発電素子をインターコネクタにより接続した固体酸化物形燃料電池セル、及びその製造方法、製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：以下「ＳＯＦＣ」とも言う）は、電解質として酸化物イオン導電性固体電解質を用い、その両側に電極を取り付け、一方の側に燃料ガスを供給し、他方の側に酸化剤ガス（空気、酸素等）を供給して、比較的高温で動作する燃料電池である。
【０００３】
特開２０１３−１７５３０５号公報（特許文献１）には、固体酸化物形燃料電池の製造方法が記載されている。ここに記載されている固体酸化物形燃料電池は、基体管上に、燃料極、固体電解質膜、及び空気極を備えた複数の発電素子が形成され、これらの発電素子がインターコネクタにより電気的に接続されたものである。この燃料電池の製造方法においては、基体管上に、燃料極がスクリーン印刷法により形成され、次いで、固体電解質膜、インターコネクタが順次スクリーン印刷法により形成される。このように各層が形成された基体管が、大気中で共焼結され、次に、焼結された固体電解質膜の上に、ディスペンサを用いて空気極が形成される。即ち、空気極を形成する材料の粉末が懸濁されたスラリーが、固体電解質膜及びインターコネクタ上に吐出され、空気極を形成すべき位置に空気極用スラリーの膜が成膜される。最後に、空気極が形成された基体管が、大気中で焼結される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−１７５３０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、単一の支持体上に複数の発電素子を形成する燃料電池セルでは、多数の発電素子を集積させることが難しい、という問題がある。即ち、基体管等の支持体は、一般に、押し出し成形等により形成された成形体を焼成した多孔質体であるため、高い寸法精度で形成することは困難である。このような寸法精度の低い支持体上に複数の発電素子を形成する場合、支持体の寸法誤差、形状誤差を見込んで、形成する発電素子の間隔等に大きなマージンを確保しておく必要があり、高集積化が困難となる。支持体の寸法精度を確保するために、焼成された支持体に機械加工を施すと、製造コストが著しく上昇するという問題がある。
【０００６】
さらに、小型の燃料電池セル上に複数の発電素子を形成する場合、１つ１つの発電素子が小型化するため、各発電素子の燃料極層、電解質層、空気極層等の機能層、及び各発電素子を電気的に接続するインターコネクタには、高い寸法精度、位置精度が要求される。即ち、支持体上に各機能層を順次積層することにより各発電素子が形成されるため、各層の寸法精度を高くすると共に、上に積層される機能層は、下に積層されている機能層に対して正確に位置決めされる必要がある。さらに、このように機能層を積層することにより形成された発電素子同士を電気的に接続するインターコネクタは発電に寄与しない部分であるため、各発電素子よりも小型に形成することが好ましく、高い寸法精度、位置精度が特に要求される。
【０００７】
従って、本発明は、多孔質支持体の寸法精度が低い場合でも、単一の支持体上に複数の小型の発電素子を形成することができる固体酸化物形燃料電池セル、及びその製造方法、製造装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決するために、本発明は、多孔質支持体上に複数の発電素子を形成し、これらの発電素子をインターコネクタにより接続した固体酸化物形燃料電池セルの製造方法であって、多孔質支持体を形成する支持体形成工程と、形成された多孔質支持体上に燃料極層を形成するためのスラリーを付着させることにより、複数の発電素子の燃料極層を同時に面成膜により形成する燃料極層形成工程と、燃料極層に接続されるように、インターコネクタを形成するためのスラリーを液滴状にして連続的に噴射することによりスラリーのドットを形成し、このドットの集積によりインターコネクタを形成するインターコネクタ形成工程と、燃料極層の上に、複数の発電素子の電解質層を形成する電解質層形成工程と、電解質層の上に、空気極層を形成するためのスラリーを液滴状にして連続的に噴射することによりスラリーのドットを形成し、このドットの集積により複数の発電素子の空気極層を形成する空気極層形成工程と、燃料極層、電解質層、及び空気極層が形成された多孔質支持体を加熱し、各層を焼成する焼成工程と、を有することを特徴としている。
【０００９】
このように構成された本発明においては、支持体形成工程により形成された多孔質支持体上に、燃料極層形成工程において、スラリーが付着され、複数の発電素子の燃料極層が面成膜により同時に形成される。次いで、インターコネクタ形成工程において、スラリーのドットの集積により、燃料極層に接続されるようにインターコネクタが形成される。さらに、電解質層形成工程において、燃料極層の上に複数の発電素子の電解質層が形成され、この電解質層の上に、空気極層形成工程において、スラリーのドットの集積により複数の発電素子の空気極層が形成される。最後に、焼成工程において、燃料極層、電解質層、及び空気極層が形成された多孔質支持体が焼成される。
【００１０】
このように構成された本発明によれば、多孔質支持体のすぐ上に形成される燃料極層が面成膜により形成され、その上に形成されるインターコネクタ及び空気極層がスラリーのドットの集積により形成される。このように、最下層の燃料極層が面成膜により形成されるため平滑度の高い燃料極層を形成することができ、その上層の電解質層等への悪影響を抑制することができる。即ち、燃料極層がドットの集積により形成された場合には、燃料極層の表面の平滑度が低くなるため、燃料極層に還元処理を施す際に、燃料極層の上に積層された機能層に悪影響が及ぶという新たな技術課題が本件発明者により見出された。これは、燃料極層が還元処理される際、層内から酸素が消失されるため体積が減少し、燃料極層の平滑度が低いと層の表面に大きな形状変化が発生し、緻密に形成されている電解質層との間で剥離等が発生するというものである。
【００１１】
加えて、本発明によれば、インターコネクタがドットの集積により形成されるので、多孔質支持体の寸法精度が低い場合でも、インターコネクタを小型に、高い寸法精度、位置精度で容易に形成することができる。また、インターコネクタは小型であるため、ドットの集積により形成した場合でも、成膜に膨大な時間を要することがなく、製造効率を低下させることがない。さらに、本発明によれば、空気極層もドットの集積により形成されているので、高い寸法精度、位置精度で容易に形成することができる。また、空気極層に対しては還元処理が行われないため、ドットの集積により形成され、表面の平滑度が低い場合でも、形状変化による悪影響が発生することがない。
このように、本発明によれば、最下層の燃料極層、それよりも上に形成されるインターコネクタ、及び空気極層が夫々適切な成膜方法により形成されるので、多孔質支持体の寸法精度が低い場合でも、単一の支持体上に複数の小型の発電素子を形成することができると共に、還元処理に伴う悪影響も回避することができる。
【００１２】
本発明において、好ましくは、多孔質支持体は絶縁性材料により形成され、多孔質支持体上に形成された複数の燃料極層は互いに絶縁されている。
このように構成された本発明によれば、多孔質支持体が絶縁性材料により形成れているため、各発電素子の燃料極層は、夫々離間して多孔質支持体上に形成されることにより互いに絶縁されている。ここで、燃料極層をドットの集積により形成した場合、噴射するスラリーの粘性が低いと、スラリーが多孔質支持体内に浸透してしまい、離間して形成した燃料極層の間で短絡が発生する虞がある。また、噴射するスラリーの粘性を高くした場合には、スラリーの浸透を回避することができるが、形成される１つ１つのドットが小さくなるため、ドット成膜に要する時間が長くなり、製造効率が著しく低下する。本発明によれば、燃料極層が面成膜により形成されるので、燃料極層を形成するためのスラリーの粘性を高くして、スラリーの多孔質支持体内への浸透を防止しながら、効率的に燃料極層を形成することができる。
【００１３】
本発明において、好ましくは、燃料極層は、多孔質支持体上に形成される下層燃料極層と、この下層燃料極層の上に形成される上層燃料極層からなり、下層燃料極層を形成するためのスラリーの粘性は、上層燃料極層を形成するためのスラリーの粘性よりも高い。
【００１４】
このように構成された本発明によれば、多孔質支持体上に形成される下層燃料極層が粘性の高いスラリーにより形成されるので、多孔質支持体へのスラリーの浸透を防止することができ、各燃料極層間の短絡を確実に防止することができる。また、上層燃料極層は粘性の低いスラリーから形成されるため、燃料極層の表面をより平滑に形成することができ、その上に形成される電解質層への悪影響を極めて少なくすることができる。
【００１５】
本発明において、好ましくは、下層燃料極層は上層燃料極層よりも導電性の高い材料で形成され、上層燃料極層は下層燃料極層よりも触媒活性が高い材料で形成されている。
【００１６】
このように構成された本発明によれば、上層燃料極層が触媒活性の高い材料により形成されているので、電解質層との境界で効率良く発電反応を発生させることができると共に、下層燃料極層は導電性の高い材料で形成されているので、発電反応により生成された電荷を低損失で運搬することができる。
【００１７】
本発明において、好ましくは、空気極層は、電解質層の上に形成される下層空気極層と、この下層空気極層の上に形成される上層空気極層からなり、下層空気極層を形成するためのスラリーの粘性は、上層空気極層を形成するためのスラリーの粘性よりも低い。
【００１８】
このように構成された本発明によれば、下層空気極層が粘性の低いスラリーのドットの集積により形成されているので、下層空気極層の表面を比較的平滑にすることができ、酸素イオンの透過性を各部で均一にすることができる。一方、上層空気極層が粘性の高いスラリーのドットの集積により形成されているので、上層空気極層を厚く形成することができ、空気極層の強度を高めることができる。これにより、安定した性能の強度が高い空気極層を形成することができる。
【００１９】
本発明において、好ましくは、下層空気極層は上層空気極層よりも触媒活性が高い材料で形成され、上層空気極層は下層空気極層よりも導電性の高い材料で形成されている。
【００２０】
このように構成された本発明によれば、下層空気極層が触媒活性の高い材料で比較的平滑に形成されるので、空気極層の各部で均一に酸素イオンを生成することができ、安定した発電反応を発生させることができる。また、上層空気極層が導電性（電子伝導性）の高い材料で形成されているので、空気極層内の各部に低損失で電荷を運搬することができる。
【００２１】
また、本発明は、本発明の固体酸化物形燃料電池セルの製造方法を実施するための製造システムであって、燃料極層を形成するためのスラリーを付着させることにより、燃料極層を面成膜する燃料極層形成装置と、インターコネクタを形成するためのスラリーを液滴状にして連続的に噴射することによりインターコネクタをドット成膜するインターコネクタ形成装置と、燃料極層の上に、電解質層を形成する電解質層形成装置と、空気極層を形成するためのスラリーを液滴状にして連続的に噴射することにより空気極層をドット成膜する空気極層形成装置と、燃料極層、電解質層、及び空気極層が形成された多孔質支持体を加熱し、各層を焼成する加熱炉と、を有することを特徴としている。
さらに、本発明は、本発明の固体酸化物形燃料電池セルの製造方法により製造された固体酸化物形燃料電池セルである。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の固体酸化物形燃料電池セル、及びその製造方法、製造装置によれば、多孔質支持体の寸法精度が低い場合でも、単一の支持体上に複数の小型の発電素子を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１実施形態による固体酸化物形燃料電池セルが内蔵されている固体酸化物形燃料電池システムを示す全体構成図である。
【図２】本発明の第１実施形態による固体酸化物形燃料電池セルの収容容器の断面図である。
【図３】本発明の第１実施形態による固体酸化物形燃料電池セル全体を示す斜視図である。
【図４】本発明の第１実施形態による固体酸化物形燃料電池セルの多孔質支持体表面に形成された機能層を拡大して示した断面図である。
【図５】本発明の第１実施形態による燃料電池セルの製造装置であるドット成膜装置全体を示す概略的な正面図である。
【図６】ドット成膜装置に備えられたジェットディスペンサの先端部を示す概略的な断面図である。
【図７】本発明の第１実施形態による燃料電池セルの製造装置である面成膜装置全体を示す概略的な正面図である。
【図８】面成膜装置の作動手順を示すフローである。
【図９】本発明の第１実施形態による燃料電池セルの製造方法の手順を示すフローチャートである。
【図１０】本発明の第１実施形態による燃料電池セルにおいて、多孔質支持体上への機能層等の積層手順を示す模式図である。
【図１１】第２焼成工程終了後の空気極層の表面状態を示す図である。
【図１２】本発明の第１実施形態による燃料電池セル各部の電子顕微鏡写真である。
【図１３】本発明の第２実施形態による燃料電池セルの多孔質支持体表面に形成された機能層を拡大して示した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
次に、添付図面を参照して、本発明の実施形態の固体酸化物形燃料電池セル（ＳＯＦＣ）を説明する。
まず、図１乃至図１２を参照して、本発明の第１実施形態による固体酸化物形燃料電池セルを説明する。
図１は、本発明の第１実施形態による固体酸化物形燃料電池セルが内蔵されている固体酸化物形燃料電池システムを示す全体構成図である。この図１に示すように、固体酸化物形燃料電池システム１は、燃料電池モジュール２と、補機ユニット４を備えている。
【００２５】
燃料電池モジュール２は、ハウジング６を備え、このハウジング６内部には、断熱材７を介して燃料電池セル収容容器８が配置されている。この燃料電池セル収容容器８内の内部には発電室１０が構成され、この発電室１０の中には複数の燃料電池セル１６（固体酸化物形燃料電池セル）が同心円状に配置されており、これらの燃料電池セル１６により、燃料ガスと酸化剤ガスである空気の発電反応が行われる。
【００２６】
各燃料電池セル１６の上端部には、排気集約室１８が取り付けられている。各燃料電池セル１６において発電反応に使用されずに残った残余の燃料（オフガス）は、上端部に取り付けられた排気集約室１８に集められ、この排気集約室１８の天井面に設けられた複数の噴出口から流出される。流出した燃料は、発電室１０内で発電に使用されずに残った空気により燃焼され、排気ガスが生成されるようになっている。
【００２７】
次に、補機ユニット４は、水道等の水供給源２４からの水を貯水してフィルターにより純水とする純水タンク２６と、この純水タンクから供給される水の流量を調整する水供給装置である水流量調整ユニット２８（モータで駆動される「水ポンプ」等）を備えている。また、補機ユニット４は、都市ガス等の燃料供給源３０から供給された炭化水素系の原燃料ガスの流量を調整する燃料供給装置である燃料ブロア３８（モータで駆動される「燃料ポンプ」等）を備えている。
【００２８】
なお、燃料ブロア３８を通過した原燃料ガスは、燃料電池モジュール２内に配置された脱硫器３６と、熱交換器３４、電磁弁３５を介して燃料電池セル収容容器８の内部に導入される。脱硫器３６は、燃料電池セル収容容器８の周囲に環状に配置されており、原燃料ガスから硫黄を除去するようになっている。また、熱交換器３４は、脱硫器３６において温度上昇した高温の原燃料ガスが直接電磁弁３５に流入し、電磁弁３５が劣化されるのを防止するために設けられている。電磁弁３５は、燃料電池セル収容容器８内への原燃料ガスの供給を停止するために設けられている。
【００２９】
補機ユニット４は、空気供給源４０から供給される空気の流量を調整する酸化剤ガス供給装置である空気流量調整ユニット４５（モータで駆動される「空気ブロア」等）を備えている。
【００３０】
さらに、補機ユニット４には、燃料電池モジュール２からの排気ガスの熱を回収するための温水製造装置５０が備えられている。この温水製造装置５０には、水道水が供給され、この水道水が排気ガスの熱により温水となり、図示しない外部の給湯器の貯湯タンクへ供給されるようになっている。
さらに、燃料電池モジュール２には、燃料電池モジュール２により発電された電力を外部に供給するための電力取出部（電力変換部）であるインバータ５４が接続されている。
【００３１】
次に、図２により、燃料電池セル収容容器８の内部構造を説明する。図２は燃料電池セル収容容器の断面図である。
図２に示すように、燃料電池セル収容容器８内の空間には、複数の燃料電池セル１６が同心円状に配列され、その周囲を取り囲むように燃料流路である燃料ガス供給流路２０、排ガス排出流路２１、酸化剤ガス供給流路２２が順に同心円状に形成されている。
【００３２】
まず、図２に示すように、燃料電池セル収容容器８は、概ね円筒状の密閉容器であり、その側面には、発電用の空気を供給する酸化剤ガス流入口である酸化剤ガス導入パイプ５６、及び排気ガスを排出する排ガス排出パイプ５８が接続されている。さらに、燃料電池セル収容容器８の上端面からは、排気集約室１８から流出した残余燃料に点火するための点火ヒーター６２が突出している。
【００３３】
図２に示すように、燃料電池セル収容容器８の内部には、燃料電池セル１６の周囲を取り囲むように、内側から順に、発電室構成部材である内側円筒部材６４、外側円筒部材６６、内側円筒容器６８、外側円筒容器７０が配置されている。上述した燃料ガス供給流路２０、排ガス排出流路２１、及び酸化剤ガス供給流路２２は、これらの円筒部材及び円筒容器の間に夫々構成される流路であり、隣り合う流路の間で熱交換が行われる。また、燃料電池セル収容容器８の下端側の開放空間は、燃料を各燃料電池セル１６に分散させる燃料ガス分散室７６の底面を構成する概ね円形の分散室底部材７２により塞がれている。
【００３４】
排ガス排出流路２１の下部には、燃焼触媒６０及びこれを加熱するためのシースヒーター６１が配置されている。
燃焼触媒６０は、排ガス排出パイプ５８よりも上方に、外側円筒部材６６の外周面と内側円筒容器６８の内周面の間の円環状の空間に充填された触媒である。排ガス排出流路２１を下降した排気ガスは、燃焼触媒６０を通過することにより一酸化炭素が除去され、排ガス排出パイプ５８から排出される。
シースヒーター６１は、燃焼触媒６０の下方の、外側円筒部材６６の外周面を取り囲むように取り付けられた電気ヒーターである。固体酸化物形燃料電池装置１の起動時において、シースヒーター６１に通電することにより、燃焼触媒６０が活性温度まで加熱される。
【００３５】
内側円筒容器６８の外周面と、外側円筒容器７０の内周面の間の円環状の空間は、酸化剤ガス供給流路２２として機能する。また、外側円筒容器７０の下部側面には、酸化剤ガス導入パイプ５６が接続されており、酸化剤ガス供給流路２２が酸化剤ガス導入パイプ５６に連通される。
【００３６】
第１固定部材６３と分散室底部材７２の間には、燃料ガス分散室７６が構成される。また、分散室底部材７２の中央には、バスバー８０（図２）を挿通させるための挿通管７２ａが設けられている。各燃料電池セル１６に電気的に接続されたバスバー８０は、この挿通管７２ａを通して燃料電池セル収容容器８の外部に引き出される。
【００３７】
内側円筒容器６８の天井面から垂下するように、発電用の空気を噴射するための、円形断面の酸化剤ガス噴射用パイプ７４が取り付けられている。この酸化剤ガス噴射用パイプ７４は、内側円筒容器６８の中心軸線上を鉛直方向に延び、その周囲の同心円上に各燃料電池セル１６が配置される。酸化剤ガス供給流路２２を介して供給された空気は、酸化剤ガス噴射用パイプ７４の先端から下方に噴射され、第１固定部材６３の上面に当たって、発電室１０内全体に広がる。
【００３８】
燃料ガス分散室７６は、第１固定部材６３と分散室底部材７２の間に構成される円筒形の気密性のあるチャンバーであり、その上面に各燃料電池セル１６が林立されている。第１固定部材６３の上面に取り付けられた各燃料電池セル１６は、その内側の燃料極が、燃料ガス分散室７６の内部と連通されている。各燃料電池セル１６の下端部は、第１固定部材６３の挿通穴を貫通して燃料ガス分散室７６の内部に突出し、各燃料電池セル１６は第１固定部材６３に、接着により固定されている。
【００３９】
図２に示すように、供給された燃料は、外側円筒部材６６の内周と中間円筒部材６５の外周の間の空間を一旦上昇した後、内側円筒部材６４の外周と中間円筒部材６５の内周の間の空間を下降し、複数の小穴６４ｂを通って燃料ガス分散室７６内に流入する。燃料ガス分散室７６に流入した燃料は、燃料ガス分散室７６の天井面（第１固定部材６３）に取り付けられた各燃料電池セル１６の燃料極に分配される。
【００４０】
さらに、燃料ガス分散室７６内に突出している各燃料電池セル１６の下端部は、燃料ガス分散室７６内でバスバー８０に電気的に接続され、挿通管７２ａを通して電力が外部に引き出される。バスバー８０は、燃料ガス分散室７６の内部において、各燃料電池セル１６に取り付けられた集電体８２と電気的に接続されている。また、バスバー８０は、燃料電池セル収容容器８の外部において、インバータ５４（図１）に接続される。なお、集電体８２は、排気集約室１８内に突出している各燃料電池セル１６の上端部にも取り付けられている。これら上端部及び下端部の集電体８２により、複数の燃料電池セル１６が電気的に並列に接続されると共に、並列に接続された複数組の燃料電池セル１６が電気的に直列に接続され、この直列接続の両端が夫々バスバー８０に接続される。
【００４１】
次に、排気集約室１８の構成を説明する。排気集約室１８は、各燃料電池セル１６の上端部に取り付けられたドーナツ型断面のチャンバーであり、この排気集約室１８の中央には、酸化剤ガス噴射用パイプ７４が貫通して延びている。集約室１８の底面には複数の円形の挿通穴が設けられている。各挿通穴には燃料電池セル１６の上端部が夫々挿通されている。一方、排気集約室１８の天井面には、集約された燃料ガスを噴出させるための複数の噴出口が設けられている。発電に使用されずに残った燃料は、各燃料電池セル１６の上端から排気集約室１８内に流出し、排気集約室１８内で集約された燃料は各噴出口から流出し、そこで燃焼される。
【００４２】
次に、図２を参照して、燃料供給源３０から供給される原燃料ガスを改質するための構成について説明する。
まず、燃料ガス供給流路２０の下部には、水蒸気改質用の水を蒸発させるための蒸発部８６が設けられている。蒸発部８６は、外側円筒部材６６の下部内周に取り付けられたリング状の傾斜板８６ａ及び水供給パイプ８８から構成されている。傾斜板８６ａは、リング状に形成された金属の薄板であり、その外周縁が外側円筒部材６６の内壁面に取り付けられる。一方、傾斜板８６ａの内周縁は外周縁よりも上方に位置し、傾斜板８６ａの内周縁と、内側円筒部材６４の外壁面との間には隙間が設けられている。
【００４３】
水供給パイプ８８は内側円筒部材６４の下端から燃料ガス供給流路２０内に鉛直方向に延びるパイプであり、傾斜板８６ａの上面側に供給された水は、傾斜板８６ａの上面と外側円筒部材６６の内壁面の間に留まる。傾斜板８６ａの上面側に供給された水は、そこで蒸発され水蒸気が生成される。
【００４４】
また、蒸発部８６の下方には、原燃料ガスを燃料ガス供給流路２０内に導入するための燃料ガス導入部が設けられている。燃料ブロア３８から送られた原燃料ガスは、燃料ガス供給パイプ９０を介して燃料ガス供給流路２０に導入される。燃料ブロア３８から送られた原燃料ガスは、傾斜板８６ａの下側に導入され、傾斜板８６ａの傾斜により流路を絞られながら傾斜板８６ａの上側へ上昇する。傾斜板８６ａの上側へ上昇した原燃料ガスは、蒸発部８６で生成された水蒸気と共に上昇する。
【００４５】
燃料ガス供給流路２０内の蒸発部８６上方には、燃料ガス供給流路隔壁９２が設けられている。この燃料ガス供給流路隔壁９２の円周上には等間隔に複数の噴射口９２ａが設けられている。燃料ガス供給パイプ９０から導入された原燃料ガス及び蒸発部８６で生成された水蒸気は、一旦、燃料ガス供給流路隔壁９２の下側の空間に滞留した後、各噴射口９２ａを通って燃料ガス供給流路隔壁９２の上側の空間に噴射され、ここで十分に混合される。
【００４６】
さらに、中間円筒部材６５の内周と内側円筒部材６４の外周の間の、円環状の空間の上部には、改質部９４が設けられている。改質部９４は、内側円筒部材６４の外壁面に取り付けられた触媒保持板（図示せず）と、これにより保持された改質触媒９６によって構成されている。改質触媒９６に、燃料ガス供給流路隔壁９２の上側の空間で混合された原燃料ガス及び水蒸気が接触すると、改質部９４内においては、式（１）に示す水蒸気改質反応ＳＲが進行する。
ＣmＨn＋ｘＨ2Ｏ  →  aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2              （１）
【００４７】
改質部９４において改質された燃料ガスは、中間円筒部材６５の内周と内側円筒部材６４の外周の間の空間を下方に流れ、燃料ガス分散室７６に流入して、各燃料電池セル１６に供給される。水蒸気改質反応ＳＲは吸熱反応であるが、反応に要する熱は、排気集約室１８から流出するオフガスの燃焼熱、及び各燃料電池セル１６において発生する発熱により供給される。
【００４８】
次に、図３及び図４を参照して、本発明の第１実施形態による燃料電池セルの構造を説明する。
図３は燃料電池セル全体を示す斜視図であり、図４は燃料電池セルの多孔質支持体表面に形成された機能層を拡大して示した断面図である。
図３に示すように、本実施形態の燃料電池セル１６（固体酸化物形燃料電池セル）は、固体酸化物を用いた円筒横縞型セルである。各燃料電池セル１６上には、複数の発電素子１６ａが横縞状に形成されており、これらが電気的に直列に接続されることにより１本の燃料電池セル１６が構成されている。各燃料電池セル１６は、その一端がアノード（陽極）、他端がカソード（陰極）となるように構成され、複数の燃料電池セル１６のうちの半数は上端がアノード、下端がカソードとなるように配置され、残りの半数は上端がカソード、下端がアノードとなるように配置されている。
【００４９】
図４に示すように、本実施形態の燃料電池セル１６は、円筒形の多孔質支持体９７と、その上に形成された３つの機能層である燃料極層９８、電解質層１００、及び空気極層１０１を有する。燃料電池セル１６には、多孔質支持体９７上に燃料極層９８、電解質層１００、及び空気極層１０１を順次形成することにより複数の発電素子１６ａが形成されている。各発電素子１６ａの燃料極層９８はアノードとして、空気極層１０１はカソードとして機能する。これらの各発電素子１６ａはインターコネクタ層１０２により電気的に直列に接続されている。本実施形態においては、１本の燃料電池セル１６上に１２個の発電素子１６ａが形成され、これらがインターコネクタ層１０２により接続されている。
【００５０】
具体的には、図４に示すように、各発電素子１６ａを構成する燃料極層９８の一方の端部、及び空気極層１０１の反対側の端部が延長されている。発電素子１６ａの陽極である燃料極層９８の延長された端部が、隣接して配置された発電素子１６ａの陰極である空気極層１０１の延長された端部とインターコネクタ層１０２により接続されている。
【００５１】
次に、多孔質支持体９７及び各機能層の構成を説明する。
多孔質支持体９７は、本実施形態においては、電気絶縁性材料であるフォルステライト粉末を主成分として、バインダーを添加した混合物を円筒形に押し出し成形し、焼結することにより形成されている。
燃料極層９８は、本実施形態においては、ＮｉＯ粉末及び１０ＹＳＺ（１０ｍｏｌ％Ｙ2Ｏ3−９０ｍｏｌ％ＺｒＯ2）粉末の混合物により構成された導電性の薄膜である。
【００５２】
固体電解質層１００は、本実施形態においては、Ｌａ0.9Ｓｒ0.1Ｇａ0.8Ｍｇ0.2Ｏ3の組成のＬＳＧＭ粉末により構成された薄膜である。この固体電解質層１００を介して酸化物イオンと水素又は一酸化炭素が反応することにより電気エネルギーが生成される。
【００５３】
空気極層１０１は、本実施形態においては、Ｌａ0.6Ｓｒ0.4Ｃｏ0.8Ｆｅ0.2Ｏ3の組成のＬＳＣＦ粉末により構成された導電性の薄膜である。
インターコネクタ層１０２は、本実施形態においては、ＳＬＴ（ランタンドープストロンチウムチタネート）及びＬａ1-xＳｒxＴｉ1-y-zＮｂyＦｅzＯ3（ＬＳＴＮＦ、0.1≦ｘ≦0.8、0.05≦ｙ≦0.2、0.2≦ｚ≦0.5）により構成された導電性の薄膜である。
【００５４】
次に、本発明の第１実施形態による燃料電池セルの製造装置を説明する。
まず、図５及び図６を参照して、機能層等を形成するドット成膜工程において使用されるドット成膜装置を説明する。図５はドット成膜装置全体を示す概略的な正面図であり、図６はドット成膜装置に備えられたジェットディスペンサの先端部を示す概略的な断面図である。
【００５５】
上述した各機能層は、各機能層を構成する材料の粉末を懸濁させたスラリーを多孔質支持体９７上に付着させ、これを焼成することにより形成されている。
ドット成膜装置１１０は、燃料電池セル１６の各製造工程において、インターコネクタ及び空気極層を夫々形成するための各スラリーを液滴状にして、ドット成膜すべき部分のみに選択的に、連続的に噴射するように構成されている。また、ドット成膜装置１１０は、所定の位置にインターコネクタ又は空気極層を形成するための位置出し機能を備えている。
【００５６】
図５に示すように、ドット成膜装置１１０は、台座１１２と、ドット成膜すべき多孔質支持体９７を回転させるモーター１１４と、多孔質支持体９７を回転可能に保持する固定治具１１６と、液滴を噴射するヘッド部１１８と、このヘッド部１１８を案内するガイドレール１２０と、を有する。
【００５７】
台座１１２には、モーター１１４及び固定治具１１６が設置されている。
固定治具１１６は、ドット成膜すべき多孔質支持体９７を回転可能に保持するように構成されている。即ち、固定治具１１６は、円筒形の多孔質支持体９７の両端に円錐形状の心押し棒１１６ａを夫々挿入することにより、多孔質支持体９７を両端から挟むようにして水平に保持する。各心押し棒１１６ａは水平な回転中心線Ａを中心に回転可能に構成されており、これにより保持された多孔質支持体９７は回転中心線Ａを中心に回転可能に保持される。モーター１１４は、各心押し棒１１６ａによって保持された多孔質支持体９７を、回転中心線Ａを中心に回転させるように構成されている。
【００５８】
ここで、円筒形の多孔質支持体９７を円錐形状の心押し棒１１６ａによって両側から挟んで支持することにより、多孔質支持体９７は、その中心軸線と心押し棒１１６ａの回転中心線Ａが一致するように保持される。しかしながら、多孔質支持体９７は製作誤差により完全な円筒形ではないため、実際には、回転中心線Ａと多孔質支持体９７の中心軸線は、僅かにずれている。
【００５９】
ヘッド部１１８は、スラリー等を液滴状にして噴射するジェットディスペンサー１２２と、このジェットディスペンサー１２２にスラリー等を供給するスラリー容器１２４と、ドット成膜すべき多孔質支持体９７を撮像するカメラ１２６と、を有する。
ガイドレール１２０は、ヘッド部１１８を、回転中心線Ａと平行に移動させるように構成されている。ドット成膜時においては、ジェットディスペンサー１２２から液滴状のスラリーを噴射させながら、多孔質支持体９７を回転させると共に、ヘッド部１１８をガイドレール１２０に沿って所定速度で送ることにより、多孔質支持体９７の周囲に帯状のスラリーの膜を形成することができる。
【００６０】
ジェットディスペンサー１２２は、図６に示すように、スラリー等を噴射するノズル部１２８と、噴射を制御する噴射アクチュエータ１２９と、を有する。
ノズル部１２８には、鉛直方向に向けられた噴射ノズル穴１２８ａが設けられ、この噴射ノズル穴１２８ａの上端には、噴射ノズル穴１２８ａよりも広くなった凹部１２８ｂが形成されている。さらに、ノズル部１２８には、噴射ノズル穴１２８ａに連通するように設けられた水平方向のスラリー供給通路１２８ｃが形成されている。スラリー供給通路１２８ｃには、噴射すべきスラリー等がスラリー容器１２４から注入されている。スラリー供給通路１２８ｃから供給されたスラリー等は噴射ノズル穴１２８ａに流入し、噴射ノズル穴１２８ａの先端（下端）から噴射される。
【００６１】
噴射アクチュエータ１２９は、可撓性プレート１２９ａと、この可撓性プレート１２９ａに取り付けられた突起部１２９ｂと、を有する。
可撓性プレート１２９ａは、可撓性のあるゴム製の板であり、ノズル部１２８に設けられた凹部１２８ｂを覆うように取り付けられている。突起部１２９ｂは、可撓性プレート１２９ａの中央部に取り付けられた金属製の突起であり、ノズル部１２８の凹部１２８ｂに受け入れられている。可撓性プレート１２９ａの背面側（凹部１２８ｂの反対側）には脈動する空気圧が作用されており、この空気圧の変動により可撓性プレート１２９ａが撓み、可撓性プレート１２９ａに取り付けられた突起部１２９ｂが上下動する。
【００６２】
突起部１２９ｂが下方に移動されると、これを収容している凹部１２８ｂ内の容積が減少するため、噴射ノズル穴１２８ａ及び凹部１２８ｂ内に充填されているスラリー等が、液滴状にされて噴射ノズル穴１２８ａの先端から噴射される。可撓性プレート１２９ａの背面側の空気圧が所定周期で脈動することにより、突起部１２９ｂが上下動し、液滴状になったスラリー等が所定周期で連続的に噴射される。噴射されたスラリーの液滴は多孔質支持体９７上にドットを形成し、このドットの集積によりスラリーの膜が形成される。
【００６３】
モーター１１４駆動により多孔質支持体９７を回転させると共に、ジェットディスペンサー１２２をガイドレール１２０に沿って所定速度で送ることにより、多孔質支持体９７上の所望の位置にスラリーのドットを横縞状に集積させることができる。なお、ドット成膜により形成される層の厚さは、モーター１１４の回転数、ジェットディスペンサー１２２の送り速度、ジェットディスペンサー１２２から噴射される液滴の大きさ、及び噴射されるスラリーの粘性等により制御することができる。
【００６４】
カメラ１２６は、多孔質支持体９７上に形成された燃料極層やインターコネクタ層等を撮像し、画像解析によりそれらの境界線の位置を特定するように構成されている。また、カメラ１２６により撮像された画像上の位置と、液滴が噴射される噴射ノズル穴１２８ａとの間の水平距離Ｌはメモリ（図示せず）に予め記憶されている。このため、撮像された画像上で特定された位置から、ヘッド部１１８をガイドレール１２０に沿って距離Ｌだけ送ることにより、画像上で特定された位置に噴射ノズル穴１２８ａを移動させることができる。
【００６５】
次に、図７及び図８を参照して、機能層を形成する面成膜工程において使用される面成膜装置を説明する。図７は面成膜装置全体を示す概略的な正面図であり、図８は面成膜装置の作動手順を示すフローである。
図７に示すように、面成膜装置１３０は、台座１３１と、この台座１３１の上に設けられた固定治具１３２と、固定治具１３２を回転させるモーター１３４と、スラリーを吐出させる面成膜ノズル１３６と、この面成膜ノズル１３６にスラリーを圧送するポンプ１３８と、供給すべきスラリーを収容したスラリー容器１３９と、を有する。
【００６６】
台座１３１には固定治具１３２が設けられている。固定治具１３２は、多孔質支持体９７を水平方向に向けて、その両端部を回転可能に支持する。モーター１３４は固定治具１３２に連結されており、固定治具１３２及びそれによって支持された多孔質支持体９７を、多孔質支持体９７の中心軸線を中心に、所定の回転数で回転させるように構成されている。
【００６７】
面成膜ノズル１３６は、固定治具１３２によって支持されている多孔質支持体９７の直下に配置されており、スラリーを多孔質支持体９７に向けて上方に吐出するように構成されている。
ポンプ１３８は、スラリー容器１３９内のスラリーを吸い上げ、スラリーを所定の流量で面成膜ノズル１３６から吐出させるように構成されている。
【００６８】
面成膜ノズル１３６には、スリット状の細長いノズル穴（図示せず）が設けられており、多孔質支持体９７の面成膜すべき領域全体にスラリーが均一に吐出されるように構成されている。面成膜ノズル１３６から吐出したスラリーは、すぐ上方に水平方向に配置された多孔質支持体９７に付着され、多孔質支持体９７上に形成される複数の発電素子１６ａの各機能層が同時に成膜される。なお、多孔質支持体９７上の面成膜不要な部分には、後述するように、ドット成膜装置１１０により予めマスキングが施されている。多孔質支持体９７に付着せずに残ったスラリーは、面成膜ノズル１３６の周囲に流れ落ち、回収される。
【００６９】
次に、図８を参照して、面成膜の手順を説明する。
まず、図８のステップＳ１０１において、面成膜すべき多孔質支持体９７を固定治具１３２に固定する。なお、多孔質支持体９７上の面成膜が不要な部分には、予めマスキングを施しておく。次いで、ステップＳ１０２において、モーター１３４を起動し、多孔質支持体９７をその中心軸線を中心に所定の回転数で回転させる。さらに、ステップＳ１０３において、ポンプ１３８を作動させる。これにより、スラリー容器１３９からスラリーが吸い上げられ、スラリーは面成膜ノズル１３６に向けて圧送される（ステップＳ１０４）。圧送されたスラリーは、面成膜ノズル１３６から上方に向けて吐出される（ステップＳ１０５）。面成膜ノズル１３６から吐出されたスラリーは、面成膜ノズル１３６の上方で回転している多孔質支持体９７の表面に塗布される（ステップＳ１０６）。
【００７０】
多孔質支持体９７に付着せずに残ったスラリーは、面成膜ノズル１３６の周囲に流れ落ちる。また、多孔質支持体９７に付着した余分なスラリーは、回転している多孔質支持体９７の遠心力により流れ落ち、多孔質支持体９７上には所定厚さのスラリーの膜が成膜される。従って、多孔質支持体９７上に形成される層の厚さは、多孔質支持体９７の回転数、面成膜ノズル１３６からの吐出流量、スラリーの粘性等によって制御することができる。
次に、ステップＳ１０７においてポンプ１３８を停止させ、ステップＳ１０８においてモーター１３４を停止させる。さらに、ステップＳ１０９において、成膜された多孔質支持体９７を固定治具１３２から取り外し、面成膜工程を完了する。
【００７１】
以上説明したドット成膜装置１１０、面成膜装置１３０、及び成膜された機能層を焼成する加熱炉は、固体酸化物形燃料電池製造システムを構成する。
【００７２】
次に、図９及び図１０を参照して、本発明の第１実施形態による固体酸化物形燃料電池セルの製造方法を説明する。
図９は本実施形態の製造方法の手順を示すフローチャートであり、図１０は多孔質支持体上への機能層等の積層手順を示す模式図である。なお、図１０は、各機能層等の重なりを模式的に示したものであり、各層の具体的な断面形状及び寸法を示すものではない。
【００７３】
まず、図９のステップＳ１においては、支持体形成工程として、フォルステライト製の多孔質支持体９７が形成される。具体的には、フォルステライト粉末にバインダーを添加した粘土状の材料が、押出成型機（図示せず）によって円筒形に押し出し成形される。
次に、ステップＳ２においては仮焼成工程として、ステップＳ１において押し出し成形された多孔質支持体９７が加熱炉（図示せず）により加熱され、仮焼成される。本実施形態においては、多孔質支持体９７の成形体は、加熱炉により約１０００℃で約２時間加熱され、仮焼成される。この仮焼成されたフォルステライト製の多孔質支持体９７は概ね白色の電気絶縁体である。
【００７４】
次に、ステップＳ３においては第１マスキング形成工程として、ステップＳ２において仮焼成された多孔質支持体９７にマスキング形成剤が塗布され、マスキング層１０４が形成される。具体的には、この第１マスキング形成工程では、ドット成膜装置１１０によりマスキング層１０４がドット成膜される。即ち、第１マスキング形成工程では、ドット成膜装置１１０のジェットディスペンサー１２２（図５）により、マスキング形成剤を、マスキング層１０４を形成すべき領域に液滴状にして連続的に噴射することにより、多孔質支持体９７上にマスキング形成剤のドットを形成し、このドットの集積によりマスキング層１０４をドット成膜する工程である。従って、第１マスキング形成工程においては、ドット成膜装置１１０はマスキング層形成装置として機能する。
【００７５】
図１０（ａ）に示すように、マスキング層１０４は、多孔質支持体９７上の、燃料極層９８の成膜が不要な部分に形成される。マスキング形成剤は、その粘性が低すぎる場合、超多孔質体である多孔質支持体９７の内部に深く浸透してしまうので、所定の膜厚のマスキング層１０４を形成するために多数回の成膜が必要となり、製造効率が低下する。また、マスキング形成剤が浸透することにより、マスキング層１０４が形成される領域が不正確になる。一方、マスキング形成剤の粘性が高すぎる場合、形成されたマスキング層１０４の表面の平滑性が不十分になる。この場合、次工程で面成膜を行った際に、スラリーがマスキング層１０４の上に溜まってしまい、このスラリーが成膜の不要な部分に残ってしまう。本実施形態においては、マスキング形成剤は、適度な粘性に調整されている。
【００７６】
また、ドット成膜されたマスキング層１０４は、マスキング形成剤塗布後、自然乾燥される。本実施形態においては、マスキング形成剤として、（株）フロロテクノロジー製のフロロサーフ（商標）ＦＳ−１０００シリーズ又はＦＧ−３０２０シリーズを使用している。
【００７７】
この第１マスキング形成工程においてマスキング層１０４を形成する部位の位置出しは、ドット成膜装置１１０に備えられた固定治具１１６を基準にして行われる。即ち、ドット成膜装置１１０は、予め記憶されている固定治具１１６の位置から所定距離ヘッド部１１８を移動させ、その位置から、多孔質支持体９７を回転させながらマスキング層１０４のドット成膜を開始する。第１マスキング形成工程において形成される全てのマスキング層１０４は、固定治具１１６の位置を基準として、ヘッド部１１８の送り量により位置出しを行い、その位置からのヘッド部１１８の移動距離によってマスキング層１０４の幅が設定される。
【００７８】
このため、第１マスキング形成工程において形成されるマスキング層１０４は、ドット成膜装置１１０の回転軸線Ａに直交した環状に形成される。従って、多孔質支持体９７に製造誤差等による撓みがある場合、マスキング層１０４は、多孔質支持体９７の中心軸線に対しては、正確には直交しないこととなる。しかしながら、このような誤差は燃料電池セル１６においては問題とならず、ドット成膜装置１１０の回転軸線Ａに直交してマスキング層１０４を形成することにより、多孔質支持体９７の撓みに応じた位置補正等を行う必要がなく、容易に成膜を行うことができる。また、ドット成膜によれば、噴射された液滴のドットの集積によりマスキング層１０４を形成しているので、多孔質支持体９７の撓みにより、ジェットディスペンサー１２２と多孔質支持体９７表面の間の距離が変化した場合でも、形成される層の厚さが直接影響を受けることがない。このため、多孔質支持体９７に製造誤差がある場合でも、正確な厚さに層を形成することができる。
【００７９】
また、第１マスキング層形成工程においては、マスキング層１０４の中央部が高くなった凸状に形成されるように、ドット成膜装置１１０の送りが調整される。即ち、各マスキング層１０４の形成開始時において、ドット成膜装置１１０のジェットディスペンサー１２２の軸線方向の送り量を大きくすることにより、形成されるドットの軸線方向の重なり量を小さくして、形成されるマスキング層１０４を薄くする。その後、ジェットディスペンサー１２２の送り量を次第に小さくすることにより、形成されるドットの重なり量を大きくし、マスキング層１０４を厚くする。１つのマスキング層１０４の形成終了時においては、ジェットディスペンサー１２２の軸線方向の送り量を次第に大きくすることによりドットの軸線方向の重なり量を小さくしてマスキング層１０４を薄くする。このように、マスキング層１０４の中央部を高く、凸状に形成することにより、次の燃料極層形成工程においてマスキング層１０４の上から接触されたスラリーが速やかにマスキング層１０４の外に流れ落ちる。これにより、マスキング層１０４上に多くのスラリーが堆積し、不要な部分に燃料極層が形成されるのを抑制することができる。
【００８０】
次に、ステップＳ４においては、燃料極層形成工程として、ステップＳ３においてマスキング層１０４が形成された多孔質支持体９７に、発電素子１６ａの機能層のうちの１つである燃料極層９８が成膜される。具体的には、第１面成膜工程である燃料極層形成工程においては、燃料極を形成するためのスラリーが、マスキング層１０４の上から多孔質支持体９７に接触され、マスキング層１０４のない部分に燃料極層９８が面成膜される。即ち、ステップＳ３においてマスキング層１０４が形成された多孔質支持体９７を面成膜装置１３０の固定治具１３２に固定し、多孔質支持体９７を回転させながら下方の面成膜ノズル１３６から吐出されるスラリーをマスキング層１０４の上から塗布する。従って、燃料極層形成工程においては、面成膜装置１３０は燃料極層形成装置として機能する。
【００８１】
この燃料極層形成工程は、最も下側に面成膜を行う下層面成膜工程であり、１本の多孔質支持体９７上に形成される全ての発電素子１６ａの各燃料極層９８が同時に面成膜される面成膜工程である。このように、燃料極層形成工程においては、面成膜により燃料極層９８が形成されるため、ドット成膜におけるドット痕が残ることはなく、燃料極層９８の表面を平滑に形成することができる。
【００８２】
本実施形態においては、燃料極層形成工程において使用されるスラリーは、ＮｉＯ粉末及び１０ＹＳＺ粉末の混合物がアルコール系溶剤に懸濁された液体であり、一方、マスキング層１０４を形成しているマスキング形成剤は撥油性のものである。このため、スラリーはマスキング層１０４の上から多孔質支持体９７全体に接触されるが、マスキング層１０４上のスラリーはマスキング形成剤により撥かれ（はじかれ）、マスキング層１０４の上には堆積しない。この結果、図１０（ｂ）に示すように、燃料極層の膜は、マスキング層１０４のない部分にのみ形成される。さらに、図４に示すように、多孔質支持体９７上に堆積するスラリーは撥油性のマスキング形成剤により撥かれ、マスキング層１０４に付着しないため、スラリーの表面張力により縁部が丸くなるように堆積される。また、本実施形態においては、マスキング形成剤として撥油性の材料が使用されているが、使用されるスラリーによっては、撥水性のマスキング形成剤を使用することもできる。
【００８３】
さらに、燃料極層形成工程においては、多孔質支持体９７上に燃料極層の膜が形成された後、堆積されたスラリーを乾燥させる乾燥工程（図示せず）が実施される。本実施形態においては、乾燥工程において、約１００℃で約５分間スラリーを乾燥させる。なお、多孔質支持体９７上に形成されているマスキング層１０４は、乾燥工程後もそのまま維持される。
【００８４】
次に、ステップＳ５においては、仮焼成工程が実施される。仮焼成工程においては、ステップＳ４において燃料極層の膜が形成された多孔質支持体９７が加熱炉（図示せず）により加熱され、仮焼成される。図１０（ｃ）に示すように、仮焼成工程により、多孔質支持体９７上に形成されているマスキング層１０４は、蒸発して消失し、マスキング層１０４の下の多孔質支持体９７が露出される。本実施形態においては、燃料極層９８は、加熱炉により約１０００℃で約２時間加熱され、硬化される。この仮焼成されたＮｉＯ／ＹＳＺ製の燃料極層９８の色は、概ね薄緑色である。
【００８５】
次に、ステップＳ６においては第１インターコネクタ形成工程として、ステップＳ５において仮焼成された燃料極層９８の上に、ドット成膜装置１１０によりインターコネクタ層が形成される。具体的には、第１インターコネクタ形成工程においては、インターコネクタ層１０２の一部である第１インターコネクタ層１０２ａがドット成膜により形成される。即ち、第１インターコネクタ形成工程は、第１インターコネクタ層１０２ａを形成するためのスラリーを、第１インターコネクタ層１０２ａを形成すべき領域に、液滴状にして連続的に噴射することにより、燃料極層９８上の所定の領域にスラリーのドットを形成し、このドットの集積により第１インターコネクタ層１０２ａを形成するドット成膜工程である。従って、第１インターコネクタ形成工程においては、ドット成膜装置１１０はインターコネクタ形成装置として機能する。なお、本実施形態においては、第１インターコネクタ層１０２ａを形成するためのスラリーとして、ＬＳＴＮＦの粉末がアルコール系溶剤に懸濁された液体を使用することができる。
【００８６】
図１０（ｄ）に示すように、第１インターコネクタ層１０２ａは、各燃料極層９８上の、一方の端部に形成される。この第１インターコネクタ層１０２ａを形成する部位の位置出しは、画像解析に基づいて実行される。即ち、ドット成膜装置１１０の固定治具１１６に固定された多孔質支持体９７をカメラ１２６で撮像し、多孔質支持体９７上の燃料極層９８が形成されている部分と、形成されていない部分の境界線が画像解析により特定される。この特定された境界線の位置に基づいて、燃料極層９８上の所定の領域に第１インターコネクタ層１０２ａがドット成膜される。この境界線の特定は、多孔質支持体９７上に形成されている各燃料極層９８毎に実行される。
【００８７】
図９のステップＳ３の第１マスキング形成工程においては、固定治具１１６を基準に位置出しが行われているが、第１インターコネクタ形成工程においては、第１位置出し工程として、画像解析を使用して各燃料極層９８の位置に基づいて位置出しを行っている。このため、仮焼成による多孔質支持体９７の収縮や、多孔質支持体９７の取り付け位置の変化に関わらず、第１インターコネクタ層１０２ａを正確に各燃料極層９８に位置合わせすることができる。また、燃料極層９８を形成するためのマスキング層１０４は、多孔質支持体９７の回転中心線Ａに直交するように形成されていた。このため、燃料極層９８の縁は回転中心線Ａに直交するように形成されており、多孔質支持体９７をどの回転位置で撮像しても、燃料極層９８と多孔質支持体９７の境界線の位置は一定となり、第１インターコネクタ層１０２ａの形成位置を一意的に位置決めすることができる。また、本実施形態においては、多孔質支持体９７は概ね白色であり、燃料極層９８は薄緑色であるため、明度のコントラストが高く、モノクロの撮像画像によっても正確に画像解析を行うことができる。また、画像解析をモノクロ画像に基づいて行うことにより、画像解析に要する処理時間を短縮することができる。
【００８８】
さらに、第１インターコネクタ形成工程においては、第１インターコネクタ層１０２ａの膜が形成された後、堆積されたスラリーを乾燥させる乾燥工程（図示せず）が実施される。本実施形態においては、乾燥工程において、約１００℃で約１０分間スラリーを乾燥させる。
【００８９】
次に、ステップＳ７においては仮焼成工程が実施される。仮焼成工程においては、ステップＳ６において第１インターコネクタ層１０２ａの膜を形成した多孔質支持体９７が、加熱炉（図示せず）により加熱され、仮焼成される。この仮焼成工程により、各燃料極層９８上に形成されている第１インターコネクタ層１０２ａの膜が硬化される。本実施形態においては、第１インターコネクタ層１０２ａは、加熱炉により約１０００℃で約２時間加熱される。この仮焼成されたＬＳＴＮＦ製の第１インターコネクタ層１０２ａの色は、概ね茶色である。
【００９０】
次に、ステップＳ８においては第２マスキング形成工程として、ステップＳ７において仮焼成された第１インターコネクタ層１０２ａに、ドット成膜装置１１０によりマスキング形成剤が塗布され、マスキング層１０６が形成される。即ち、第２マスキング形成工程は、マスキング形成剤を、マスキング層１０６を形成すべき領域に、液滴状にして連続的に噴射することにより、第１インターコネクタ層１０２ａ上にマスキング形成剤のドットを形成し、このドットの集積によりマスキング層１０６を形成するドット成膜工程である。
【００９１】
図１０（ｅ）に示すように、マスキング層１０６は、第１インターコネクタ層１０２ａ上に、その両側の端部を残して第１インターコネクタ層１０２ａを覆うように形成される。このマスキング層１０６を形成する位置の位置出しは、第２位置出し工程として、ドット成膜装置１１０のカメラ１２６を使用して、画像解析により実行される。第１インターコネクタ層１０２ａは茶色であり、多孔質支持体９７は概ね白色であり、燃料極層９８は薄緑色であるため、明度のコントラストが高く、撮像画像によって正確に位置決めすることができる。このドット成膜されたマスキング層１０６は、マスキング形成剤塗布後、自然乾燥される。第２マスキング形成工程において使用されるマスキング形成剤は、第１マスキング形成工程において使用されたマスキング形成剤と同一である。
【００９２】
次に、ステップＳ９においては、電解質層形成工程として、ステップＳ８においてマスキング層１０６が形成された多孔質支持体９７に、発電素子１６ａの機能層のうちの１つである電解質層１００が成膜される。具体的には、第２面成膜工程である電解質層形成工程においては、面成膜装置１３０によって、電解質層を形成するためのスラリーがマスキング層１０６の上から多孔質支持体９７に接触され、マスキング層１０６のない部分に電解質層１００が面成膜される。従って、電解質層形成工程においては、面成膜装置１３０は電解質層形成装置として機能する。この電解質層形成工程は、面成膜された燃料極層９８の上に面成膜を行う上層面成膜工程であり、１本の多孔質支持体９７上に形成される全ての発電素子１６ａの各電解質層１００が同時に面成膜される面成膜工程である。
【００９３】
本実施形態においては、電解質層形成工程において使用されるスラリーは、ＬＳＧＭ粉末がアルコール系溶剤に懸濁された液体である。このスラリーはマスキング層１０６の上から多孔質支持体９７全体に接触されるが、スラリーはマスキング層１０６により撥かれ、マスキング層１０６の上には堆積しない。この結果、図１０（ｆ）に示すように、電解質層１００の膜は、マスキング層１０６のない部分にのみ形成される。即ち、多孔質支持体９７及び燃料極層９８の全ての露出部分、及び第１インターコネクタ層１０２ａのマスキング層１０６に覆われていない両側の縁部分が、電解質層１００の膜により覆われる。
【００９４】
また、図４に示すように、燃料極層９８の縁部は丸く形成されているため、その上に積層される電解質層１００のスラリーは、燃料極層９８と多孔質支持体９７の境界部に隙間なく入り込み、電解質層１００の下の空隙の発生を防止することができる。さらに、電解質層１００を形成すべきスラリーは、マスキング層１０６によって撥かれ、マスキング層１０６に付着しないため、表面張力によって縁部が丸く堆積される。電解質層形成工程においては、面成膜により電解質層１００が形成されるため、ドット痕の発生がなく、平滑な表面を得ることができる。また、電解質層１００は、面成膜された燃料極層９８の上に形成されるため、下層の表面の凹凸により平滑性が損なわれることもない。
【００９５】
さらに、電解質層形成工程においては、多孔質支持体９７上に電解質層１００の膜が形成された後、堆積されたスラリーを乾燥させる乾燥工程（図示せず）が実施される。本実施形態においては、乾燥工程において、約１００℃で約５分間スラリーを乾燥させる。なお、多孔質支持体９７上に形成されているマスキング層１０６は、乾燥工程後もそのまま維持される。
【００９６】
次に、ステップＳ１０においては、仮焼成工程が実施される。仮焼成工程においては、ステップＳ１０において電解質層１００の膜が形成された多孔質支持体９７が加熱炉（図示せず）により加熱され、仮焼成される。図１０（ｇ）に示すように、仮焼成工程により、第１インターコネクタ層１０２ａ上に形成されているマスキング層１０６は、蒸発して消失する。これにより、第１インターコネクタ層１０２ａの、マスキング層１０６に覆われていた部分が露出する。本実施形態においては、電解質層１００は、加熱炉により約１０００℃で約２時間加熱され、硬化される。この仮焼成されたＬＳＧＭ製の電解質層１００の色は、概ね肌色である。
【００９７】
次に、ステップＳ１１においては、第２インターコネクタ形成工程として、ステップＳ１０における仮焼成により露出した第１インターコネクタ層１０２ａと電気的に接続されるように、第２インターコネクタ層が形成される。具体的には、図１０（ｈ）に示すように、第２インターコネクタ形成工程においては、露出した第１インターコネクタ層１０２ａ、及び露出部分に隣接する電解質層１００の縁部を覆うように、第２インターコネクタ層１０２ｂがドット成膜装置１１０により形成される。即ち、第２インターコネクタ形成工程は、第２インターコネクタ層１０２ｂを形成するためのスラリーを、第２インターコネクタ層１０２ｂを形成すべき領域に、液滴状にして連続的に噴射することにより、所定の領域にスラリーのドットを形成し、このドットの集積により第２インターコネクタ層１０２ｂを形成するドット成膜工程である。従って、第２インターコネクタ形成工程においては、ドット成膜装置１１０はインターコネクタ形成装置として機能する。
【００９８】
本実施形態においては、第２インターコネクタ層１０２ｂを形成するためのスラリーとして、ＳＬＴの粉末がアルコール系溶剤に懸濁された液体を使用することができる。このように、本実施形態では、第１インターコネクタ層１０２ａと第２インターコネクタ層１０２ｂは異なる材料で形成されている。さらに、第２インターコネクタ形成工程においては、第２インターコネクタ層１０２ｂの膜が形成された後、堆積されたスラリーを乾燥させる乾燥工程（図示せず）が実施される。本実施形態においては、乾燥工程において、約１００℃で約１０分間スラリーを乾燥させる。なお、第２インターコネクタ形成工程における、第２インターコネクタ層１０２ｂを形成する部分の位置出しは、第３位置出し工程として、画像解析を使用して実行される。第３位置出し工程においては、仮焼成された第１インターコネクタ層１０２ａと電解質層１００の色の相違に基づいて、それらの境界線が特定される。
【００９９】
次に、ステップＳ１２においては、第１焼成工程が実施される。第１焼成工程においては、ステップＳ１１までに形成された多孔質支持体９７、燃料極層９８、電解質層１００、第１インターコネクタ層１０２ａ、及び第２インターコネクタ層１０２ｂが加熱炉（図示せず）により加熱され、焼成される。これにより、多孔質支持体９７、及びその上に形成された各機能層が一体化される。本実施形態においては、第１焼成工程において、約１３００℃で約２時間、加熱炉により加熱される。なお、本実施形態において、第１焼成工程後では電解質層１００は概ね黒色であり、第２インターコネクタ層１０２ｂも黒色であるが、電解質層１００上に重なる第２インターコネクタ層１０２ｂ端部は概ね白色である。
【０１００】
次に、ステップＳ１３においては、空気極層形成工程として、ステップＳ１２において焼成された電解質層１００の上に、最外機能層である空気極層が形成される。具体的には、図１０（ｉ）に示すように、最外層成膜工程である空気極層形成工程においては、第２インターコネクタ層１０２ｂ及び電解質層１００の一部を覆うように、ドット成膜装置１１０により空気極層１０１が形成される。即ち、空気極層形成工程は、空気極層１０１を形成するためのスラリーを、空気極層１０１を形成すべき領域に、液滴状にして連続的に噴射することにより、所定の領域にスラリーのドットを形成し、このドットの集積により空気極層１０１を形成するドット成膜工程である。従って、空気極層形成工程においては、ドット成膜装置１１０は空気極層形成装置として機能する。
【０１０１】
また、空気極層形成工程においては、図４に示すように、空気極層１０１の縁部の厚さが中央部の厚さよりも薄くなるように、ドット成膜装置１１０の送りが調整される。即ち、各空気極層１０１の形成開始時において、ドット成膜装置１１０のジェットディスペンサー１２２の軸線方向の送り量を大きくすることにより、形成されるドットの軸線方向の重なり量を小さくして、形成される空気極層１０１を薄くする。その後、ジェットディスペンサー１２２の送り量を次第に小さくすることにより、形成されるドットの重なり量を大きくし、空気極層１０１を厚くする。１つの空気極層１０１の形成終了時においては、ジェットディスペンサー１２２の軸線方向の送り量を次第に大きくすることによりドットの軸線方向の重なり量を小さくして空気極層１０１を薄くする。このように、空気極層１０１の縁部を薄く形成することにより、最外機能層である空気極層１０１の焼成後における剥離を防止することができる。
【０１０２】
本実施形態においては、空気極層１０１を形成するためのスラリーとして、ＬＳＣＦの粉末がアルコール系溶剤に懸濁された液体を使用することができる。なお、空気極層形成工程における、空気極層１０１を形成する部分の位置出しは、第４位置出し工程として、画像解析を使用して実行される。第４位置出し工程においては、第１焼成工程後の第２インターコネクタ層１０２ｂ端部と電解質層１００の色の相違に基づいて、それらの境界線が特定される。さらに、空気極層形成工程においては、空気極層１０１の膜が形成された後、堆積されたスラリーを乾燥させる乾燥工程（図示せず）が実施される。本実施形態においては、乾燥工程において、約１００℃で約１０分間スラリーを乾燥させる。
【０１０３】
次に、ステップＳ１４においては、第２焼成工程が実施される。第２焼成工程においては、ステップＳ１３において形成された空気極層１０１が加熱炉（図示せず）により加熱され、焼成される。これにより、空気極層１０１が、その下側に形成されている電解質層１００及び第２インターコネクタ層１０２ｂと一体化される。本実施形態においては、第２焼成工程において、約１０００℃で約２時間、加熱炉により加熱される。
【０１０４】
この第２焼成工程により、本実施形態の燃料電池セル１６が完成される。
図１１は第２焼成工程終了後の空気極層１０１の表面状態を示す図であり、図１１（ａ）は空気極層１０１表面の拡大写真であり、図１１（ｂ）は拡大写真に対応する部分に形成された各ドットを模式的に示す図である。
【０１０５】
図１１（ａ）に示すように、焼成された空気極層１０１の表面にはドットの縁に対応する位置に微少な亀裂が発生している。これは、ドット成膜された空気極層１０１が、第２焼成工程において収縮されることにより、表面に微少な亀裂が発生したものである。ここで、空気極層形成工程（ステップＳ１３）においては、第２インターコネクタ層１０２ｂまでが形成された多孔質支持体９７を回転させると同時に、ジェットディスペンサー１２２をガイドレール１２０に沿って移動させながら、スラリーの液滴が連続的に噴射される。このため、各液滴が付着することにより形成される各ドットは、円周方向及び軸線方向に互いに重なり合いながら螺旋を描くように配列される。
【０１０６】
なお、本実施形態においては、ジェットディスペンサー１２２から吐出される１つの液滴によって形成されるドットは、直径約５００μｍの概ね円形であり、そのドット痕が適度に表面に残っている。このように空気極層１０１を形成することにより、空気極層１０１の表面には微小な亀裂が発生し、焼成による収縮を吸収可能な表面形状となる。好ましくは、直径約２００μｍ〜１０００μｍのドットが形成されるように、ジェットディスペンサー１２２の噴射ノズル穴１２８ａの直径、スラリーの粘性等を調整する。
また、変形例として概ね長円形のドットが形成されるように、ドット成膜装置１１０を構成することもでき、この場合には、ドットの長軸の長さを約２００μｍ〜１０００μｍとするのが良い。ドットの形状は、噴射ノズル穴１２８ａの形状、多孔質支持体９７の回転数（ｒｐｍ）、液滴を噴射する間隔、スラリーの粘性等により適宜設定することができる。このように、空気極層形成工程において集積されるスラリーの各ドットを長円形とすることにより、集積された際の重なりを大きくすることができ、剥離の抑制効果を高めることができる。また、長円形のドットの長軸の長さを、約２００μｍ〜１０００μｍとすることにより、空気極層１０１の熱膨張の影響を十分に吸収して、剥離を防止することができると共に、空気極層形成工程に要する時間も短縮することができる。
【０１０７】
このようにして形成されたドットの配列を模式的に示したものが、図１１（ｂ）である。図１１（ｂ）においては、まず、ドットIが形成され、次いで、僅かに多孔質支持体９７が回転された状態で、ドットIIが部分的にドットIと重なるように形成される。続いて、ドットIII、ドットIVが、部分的に重なるように順次形成されていく。このように、ドットが順次配列され、多孔質支持体９７が１回転してドットIの位置に戻ったときには、ジェットディスペンサー１２２は軸線方向にドットVの位置まで送られており、ドットVは軸線方向にドットIと部分的に重なるように形成される。続いて、ドットVI、ドットVIIが部分的に重なるように順次形成される。
【０１０８】
このようにドットが配列されているため、例えば、ドットIIにおいて空気極層１０１の表面に露出している境界線は、図１１（ｂ）中のＢで示す部分のみであり、境界線の他の部分は他のドットにより覆われて表面に露出していない。このため、露出した境界線に亀裂が生じたとしても、境界線の他の部分は他のドットにより押さえられているので、亀裂が生じたことによりドットが脱落することはない。また、空気極層１０１の表面に微小な亀裂を生じさせることにより、焼成時の熱膨張率差によって生じる歪みが分散され、応力を吸収することができる。このため、空気極層１０１に大きな剥離が生じることはない。
【０１０９】
このようにして完成された燃料電池セル１６各部の電子顕微鏡写真を、図１２に示す。図１２（ａ）は多孔質支持体９７の電子顕微鏡写真を示し、（ｂ）は燃料極層９８、（ｃ）は電解質層１００、（ｄ）は空気極層１０１の電子顕微鏡写真を示す。
【０１１０】
図１２（ａ）に示すように、多孔質支持体９７は、各機能層を支持するための構成であり、燃料ガスの透過性が高いほど好ましく、超多孔体構造にされている。図１２（ｂ）に示すように、燃料極層９８は、燃料ガスの水素分子を透過させる機能と共に、発電反応により生成された電荷を運ぶ導電体として機能させるため、多孔質支持体９７よりも空隙の少ない多孔質とされている。同様に、図１２（ｄ）に示すように、空気極層１０１も、空気中の酸素分子を透過させる機能と共に、発電反応により生成された電荷を運ぶ導電体として機能させるため、多孔質支持体９７よりも空隙の少ない多孔質とされている。また、図１２（ｃ）に示すように、電解質層１００は、発電反応を発生させると共に、燃料極側と空気極側の気密性を確保するために、緻密に構成されている。
【０１１１】
また、図１０（ｉ）において、多孔質支持体９７上に、燃料極層９８、電解質層１００及び空気極層１０１が順に積層されている部分は、燃料電池セル１６上に形成された発電部である各発電素子１６ａとして機能する。これらの発電素子１６ａにおいて生成された電荷は、集電部（多孔質支持体９７上に電解質層１００及び空気極層１０１のみが積層されている部分）の空気極層１０１を介して運搬され、接続部（多孔質支持体９７上に燃料極層９８、第１インターコネクタ層１０２ａ、第２インターコネクタ層１０２ｂ、電解質層１００及び空気極層１０１が順に積層されている部分）を介して、隣接する発電素子１６ａのアノードに接続される。また、電解質層１００上の、第２インターコネクタ層１０２ｂ及び空気極層１０１が形成されていない部分（電解質層１００が露出した部分）は、隣接する発電素子１６ａの各空気極層１０１の間を絶縁する絶縁部として機能する。
【０１１２】
本発明の第１実施形態の固体酸化物形燃料電池セルの製造方法によれば、多孔質支持体９７のすぐ上に形成される燃料極層９８が面成膜（図９のステップＳ４）により形成され、その上に形成されるインターコネクタ１０２及び空気極層１０１がスラリーのドットの集積により形成される（図９のステップＳ６、Ｓ１３）。このように、最下層の燃料極層９８が面成膜により形成されるため平滑度の高い燃料極層９８を形成することができ、その上層の電解質層１００等への悪影響を抑制することができる。一方、燃料極層９８がドットの集積により形成された場合には、燃料極層９８の表面の平滑度が低くなるため、燃料極層９８に還元処理を施す際に、燃料極層９８の上に積層された機能層に悪影響が及ぶ虞がある。これは、燃料極層９８が還元処理される際、層内から酸素が消失されるため体積が減少し、燃料極層９８の平滑度が低いと層の表面に大きな形状変化が発生し、緻密に形成されている電解質層１００との間で剥離等が発生するというものである。
【０１１３】
加えて、本実施形態の固体酸化物形燃料電池セルの製造方法によれば、インターコネクタ１０２がドットの集積により形成されるので、多孔質支持体９７の寸法精度が低い場合でも、インターコネクタ１０２を小型に、高い寸法精度、位置精度で容易に形成することができる。また、インターコネクタ１０２は小型であるため、ドットの集積により形成した場合でも、成膜に膨大な時間を要することがなく、製造効率を低下させることがない。さらに、本実施形態によれば、空気極層１０１もドットの集積により形成されているので、高い寸法精度、位置精度で容易に形成することができる。また、空気極層１０１に対しては還元処理が行われないため、ドットの集積により形成され、表面の平滑度が低い場合でも、形状変化による悪影響が発生することがない。
【０１１４】
このように、本実施形態によれば、最下層の燃料極層９８、それよりも上に形成されるインターコネクタ１０２、及び空気極層１０１が夫々適切な成膜方法により形成されるので、多孔質支持体９７の寸法精度が低い場合でも、単一の多孔質支持体９７上に複数の小型の発電素子１６ａを形成することができると共に、還元処理に伴う悪影響も回避することができる。
【０１１５】
また、本実施形態の固体酸化物形燃料電池セルの製造方法によれば、多孔質支持体９７が絶縁性材料により形成れているため、各発電素子１６ａの燃料極層９８は、夫々離間して多孔質支持体９７上に形成されることにより互いに絶縁されている。ここで、燃料極層９８をドットの集積により形成した場合、噴射するスラリーの粘性が低いと、スラリーが多孔質支持体９７内に浸透してしまい、離間して形成した燃料極層９８の間で短絡が発生する虞がある。また、噴射するスラリーの粘性を高くした場合には、スラリーの浸透を回避することができるが、形成される１つ１つのドットが小さくなるため、ドット成膜に要する時間が長くなり、製造効率が著しく低下する。本実施形態によれば、燃料極層９８が面成膜により形成される（図９のステップＳ４）ので、燃料極層９８を形成するためのスラリーの粘性を高くして、スラリーの多孔質支持体９７内への浸透を防止しながら、効率的に燃料極層９８を形成することができる。
【０１１６】
次に、図１３を参照して、本発明の第２実施形態による固体酸化物形燃料電池セルを説明する。
本発明の第２実施形態による燃料電池セルは、３つの機能層である燃料極層、電解質層、及び空気極層が夫々２つの層から形成されている点が、上述した第１実施形態とは異なる。従って、ここでは、本発明の第２実施形態の、第１実施形態とは異なる点のみを説明し、同様の構成、作用、効果については説明を省略する。
【０１１７】
図１３は、本発明の第２実施形態による燃料電池セルの多孔質支持体表面に形成された機能層を拡大して示した断面図である。
図１３に示すように、本実施形態の燃料電池セル２００は、円筒形の多孔質支持体２０２と、その上に形成された３つの機能層である燃料極層２０４、電解質層２０６、及び空気極層２０８を有する。燃料電池セル２００には、多孔質支持体２０２上に燃料極層２０４、電解質層２０６、及び空気極層２０８を順次形成することにより複数の発電素子２００ａが形成されている。これらの各発電素子２００ａはインターコネクタ層２１０により電気的に直列に接続されている。本実施形態においては、１本の燃料電池セル２００上に１２個の発電素子２００ａが形成され、これらがインターコネクタ層２１０により接続されている。
【０１１８】
次に、多孔質支持体２０２及び各機能層の構成を説明する。
多孔質支持体２０２は、本実施形態においても、第１実施形態と同様に、フォルステライト粉末を主成分として、バインダーを添加した混合物を円筒形に押し出し成形し、焼結することにより形成されている。
燃料極層２０４は、本実施形態においては、下層燃料極層２０４ａと、その上に形成された上層燃料極層２０４ｂの２つの層から形成されている。これら２つの層のうちの下層燃料極層２０４ａは、第１実施形態と同様に、ＮｉＯ粉末及び１０ＹＳＺ（１０ｍｏｌ％Ｙ2Ｏ3−９０ｍｏｌ％ＺｒＯ2）粉末の混合物により構成された導電性の薄膜である。一方、上層燃料極層２０４ｂは、ＮｉＯ粉末と、ＧＤＣ（１０ｍｏｌ％Ｇｄ2Ｏ3−９０ｍｏｌ％ＣｅＯ2）粉末の混合物により構成された導電性の薄膜である。
【０１１９】
ここで燃料極層は、一般に、水素と酸素イオンを反応させる触媒機能と、反応により生じた電荷（電子）を運搬する機能とを備える必要がある。本実施形態の燃料電池セル２００においては、下層燃料極層２０４ａを上層燃料極層２０４ｂよりも導電性の高い材料で構成する一方、上層燃料極層２０４ｂを下層燃料極層２０４ａよりも触媒活性の高い材料で形成している。これにより、電解質層２０６直下の上層燃料極層２０４ｂにおいて発生した電荷を、下層燃料極層２０４ａにより効率的に運ぶことが可能になり、高性能な燃料極層２０４を構成することができる。
【０１２０】
固体電解質層２０６は、本実施形態においては、下層電解質層２０６ａと、その上に形成された上層電解質層２０６ｂから構成されている。これら２つの層のうちの下層電解質層２０６ａは、セリウム系複合酸化物（ＬＤＣ４０。すなわち、４０ｍｏｌ％のＬａ2Ｏ3−６０ｍｏｌ％のＣｅＯ2）の粉末等により構成された薄膜である。一方、上層電解質層２０６ｂは、第１実施形態と同様に、Ｌａ0.9Ｓｒ0.1Ｇａ0.8Ｍｇ0.2Ｏ3の組成のＬＳＧＭ粉末により構成された薄膜である。
【０１２１】
下層電解質層２０６ａは反応抑制層として機能し、下層電解質層２０６ａにより、上層燃料極層２０４ｂと上層電解質層２０６ｂの間の化学反応が抑制されている。
上層電解質層２０６ｂは、第１実施形態における電解質層と同様に、これを介して酸化物イオンと水素又は一酸化炭素が反応することにより電気エネルギーを生成する。
【０１２２】
空気極層２０８は、本実施形態においては、下層空気極層２０８ａと、その上に形成された上層空気極層２０８ｂから構成されている。これら２つの層のうちの下層空気極層２０８ａは、Ｌａ0.6Ｓｒ0.4Ｃｏ0.2Ｆｅ0.2Ｏ3の組成のＬＳＣＦ粉末により構成された導電性の薄膜である。上層空気極層２０８ｂは、Ｌａ0.6Ｓｒ0.4Ｃｏ0.8Ｆｅ0.2Ｏ3の組成のＬＳＣＦ粉末により構成された導電性の薄膜である。
【０１２３】
ここで空気極層は、一般に、空気中の酸素をイオン化する触媒機能と、酸素と反応すべき電子を運搬する機能とを備える必要がある。本実施形態の燃料電池セル２００においては、下層空気極層２０８ａを上層空気極層２０８ｂよりも触媒活性の高い材料（酸素イオン変換性能が高い材料）で構成する一方、上層空気極層２０８ｂを下層空気極層２０８ａよりも電子伝導性の高い材料で形成している。これにより、上層空気極層２０８ｂにより運ばれた電子によって、酸素を電解質層２０６に隣接する下層空気極層２０８ａにおいて効率的にイオン化することが可能になり、高性能な空気極層２０８を構成することができる。
【０１２４】
インターコネクタ層２１０は、第１実施形態と同様に、第１インターコネクタ層２１０ａと、その上に設けられた第２インターコネクタ層２１０ｂから構成されている。
【０１２５】
本発明の第２実施形態による燃料電池セルの製造方法を説明する。
ここでは、図９を用いて説明した、第１実施形態における製造工程に対する変更点のみを説明する。
まず、図９のステップＳ１〜Ｓ３は、第１実施形態と同様である。
【０１２６】
次に、第１実施形態では、図９のステップＳ４において、面成膜装置１３０により燃料極層を面成膜した後、堆積されたスラリーを乾燥工程により乾燥させている。第２実施形態においては、まず、面成膜装置１３０により下層燃料極層２０４ａを成膜し、乾燥工程により乾燥させた後、再び面成膜装置１３０により上層燃料極層２０４ｂを成膜し、乾燥させる。これにより、多孔質支持体２０２上のマスキング層が形成されていない部分に下層燃料極層２０４ａが形成され、この下層燃料極層２０４ａの上に上層燃料極層２０４ｂが形成される。
【０１２７】
ここで、下層燃料極層２０４ａを形成するために使用するスラリーの粘性は、上層燃料極層２０４ｂを形成するために使用するスラリーの粘性よりも高くされている。即ち、多孔質支持体２０２上に直接成膜される下層燃料極層２０４ａ用のスラリーの粘性を高くしておくことにより、スラリーの多孔質支持体２０２内への過度の浸透を防止することができる。また、上層燃料極層２０４ｂ用のスラリーの粘性を低くすることにより、堆積されたスラリーが容易に広がり、堆積された上層燃料極層２０４ｂ表面の平滑度を高くすることができる。なお、スラリーの粘性は、燃料極層を構成する材料の粉末と、これを懸濁させる溶剤の比率、懸濁される粉末の粒径、懸濁させる溶剤の種類等により、適宜設定することができる。
【０１２８】
上層燃料極層２０４ｂの平滑度が低く層の厚さが不均一になると、燃料極層において発生する発電反応が燃料極層上の各部で不均一になる。発電反応が不均一となると、発電反応が強い部分に電流が集中し、燃料電池セル２００における発電作用が不安定になる。本実施形態によれば、このような電流集中を抑制することができる。さらに、上層燃料極層２０４ｂ表面の平滑度を高くすることにより、上層燃料極層２０４ｂの上に堆積される電解質層２０６、及び空気極層２０８の平滑度に悪影響を与えるのを防止することができる。
【０１２９】
さらに、図９のステップＳ５〜Ｓ８は、第１実施形態と同様である。
次に、第１実施形態では、図９のステップＳ９において、面成膜装置１３０により電解質層を面成膜した後、堆積されたスラリーを乾燥工程により乾燥させている。第２実施形態においては、まず、面成膜装置１３０により下層電解質層２０６ａを成膜し、乾燥工程により乾燥させた後、再び面成膜装置１３０により上層電解質層２０６ｂを成膜し、乾燥させる。これにより、第１インターコネクタ層２１０ａ上のマスキング層が形成されていない部分に下層電解質層２０６ａが形成され、この下層電解質層２０６ａの上に上層電解質層２０６ｂが形成される。
【０１３０】
さらに、図９のステップＳ１０〜Ｓ１２は、第１実施形態と同様である。
次に、第１実施形態では、図９のステップＳ１３において、ドット成膜装置１１０により空気極層を成膜した後、堆積されたスラリーを乾燥工程により乾燥させている。第２実施形態においては、まず、ドット成膜装置１１０により下層空気極層２０８ａを成膜し、乾燥工程により乾燥させた後、再びドット成膜装置１１０により上層空気極層２０８ｂを成膜し、乾燥させる。これにより、第２インターコネクタ層２１０ｂ及び上層電解質層２０６ｂの一部を覆うように下層空気極層２０８ａ及び上層空気極層２０８ｂが形成される。
【０１３１】
ここで、下層空気極層２０８ａを形成するために使用するスラリーの粘性は、上層空気極層２０８ｂを形成するために使用するスラリーの粘性よりも低くされている。即ち、下層空気極層２０８ａ用のスラリーの粘性を低くしておくことにより、ジェットディスペンサー１２２により噴射され上層電解質層２０６ｂに付着したスラリーの液滴は薄く広がるので、ドット痕が残りにくく、平滑な下層空気極層２０８ａを形成することができる。一方、上層空気極層２０８ｂ用のスラリーの粘性を高くしておくことにより、噴射され下層空気極層２０８ａに付着したスラリーの液滴はあまり広がらず、形成される上層空気極層２０８ｂは厚くなる。このように、触媒活性の高い下層空気極層２０８ａを平滑に構成しておくことにより、空気極層における触媒反応を均一にすることができ、触媒反応の不均一性による電流集中を抑制することができる。また、上層空気極層２０８ｂは厚く形成されるので、空気極層の電気抵抗を低下させることができると共に、最も剥離が発生しやすい最外機能層である上層空気極層２０８ｂを強化することができる。
最後に、第１実施形態と同様の図９のステップＳ１４の第２焼成工程により、本実施形態の固体酸化物形燃料電池セル２００が完成する。
【０１３２】
本発明の第２実施形態の固体酸化物形燃料電池セルの製造方法によれば、多孔質支持体２０２上に形成される下層燃料極層２０４ａが粘性の高いスラリーにより形成されるので、多孔質支持体２０２へのスラリーの浸透を防止することができ、各燃料極層２０４間の短絡を確実に防止することができる。また、上層燃料極層２０４ｂが粘性の低いスラリーから形成されるため、燃料極層２０４の表面をより平滑に形成することができ、その上に形成される電解質層２０６への悪影響を極めて少なくすることができる。
【０１３３】
また、本実施形態の固体酸化物形燃料電池セルの製造方法によれば、上層燃料極層２０４ｂが触媒活性の高い材料により形成されているので、電解質層２０６との境界で効率良く発電反応を発生させることができると共に、下層燃料極層２０４ａが導電性の高い材料で形成されているので、発電反応により生成された電荷を低損失で運搬することができる。
【０１３４】
さらに、本実施形態の固体酸化物形燃料電池セルの製造方法によれば、下層空気極層２０８ａが粘性の低いスラリーのドットの集積により形成されているので、下層空気極層２０８ａの表面を比較的平滑にすることができ、酸素イオンの透過性を各部で均一にすることができる。一方、上層空気極層２０８ｂが粘性の高いスラリーのドットの集積により形成されているので、上層空気極層２０８ｂを厚く形成することができ、空気極層２０８の強度を高めることができる。これにより、安定した性能の強度が高い空気極層２０８を形成することができる。
【０１３５】
また、本実施形態の固体酸化物形燃料電池セルの製造方法によれば、下層空気極層２０８ａが触媒活性の高い材料で比較的平滑に形成されるので、空気極層２０８の各部で均一に酸素イオンを生成することができ、安定した発電反応を発生させることができる。また、上層空気極層２０８ｂが導電性（電子伝導性）の高い材料で形成されているので、空気極層２０８内の各部に低損失で電荷を運搬することができる。
【０１３６】
以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、上述した実施形態に種々の変更を加えることができる。特に、上述した実施形態においては、図７記載の面成膜装置を使用して、マスキングを施した多孔質支持体に、スラリーを下方から吐出させることにより接触させ、面成膜を行っていたが、変形例として、種々の方向でスラリーを接触させることができる。例えば、マスキングを施した多孔質支持体の上からスラリーを流下させることにより、スラリーを接触させることもできる。また、マスキングを施した多孔質支持体に、スラリーを噴霧することにより、スラリーを接触させることもできる。さらに、マスキングを施した多孔質支持体を、スラリーを収容した槽内に漬けることにより、スラリーを接触させることもできる。
或いは、面成膜方法として、スクリーン印刷法を採用することができる。即ち、多孔質支持体上にスラリーを付着させ、付着されたスラリーをスキージ（図示せず）により所定の膜厚に塗布することにより、面成膜を行うことができる。
【０１３７】
さらに、上述した実施形態においては、多孔質支持体は円筒形であったが、楕円型、平板型等種々の形態の固体酸化物形燃料電池セルに本発明を適用することができる。
【符号の説明】
【０１３８】
１    固体酸化物形燃料電池システム
２    燃料電池モジュール
４    補機ユニット
６    ハウジング
８    燃料電池セル収容容器
１０    発電室
１６    本発明の実施形態の燃料電池セル（固体酸化物形燃料電池セル）
１６ａ  発電素子
１８    排気集約室
２０    燃料ガス供給流路
２１    排ガス排出流路
２２    酸化剤ガス供給流路
２４    水供給源
２６    純水タンク
２８    水流量調整ユニット
３０    燃料供給源
３４    熱交換器
３５    電磁弁
３６    脱硫器
３８    燃料ブロア
４０    空気供給源
４５    空気流量調整ユニット
５０    温水製造装置
５４    インバータ
５６    酸化剤ガス導入パイプ
５８    排ガス排出パイプ
６０    燃焼触媒
６１    シースヒーター
６２    点火ヒーター
６３    第１固定部材
６４    内側円筒部材
６４ｂ  小穴
６５    中間円筒部材
６６    外側円筒部材
６８    内側円筒容器
７０    外側円筒容器
７２    分散室底部材
７２ａ  挿通管
７４    酸化剤ガス噴射用パイプ
７６    燃料ガス分散室
８０    バスバー
８２    集電体
８６    蒸発部
８６ａ  傾斜板
８８    水供給パイプ
９０    燃料ガス供給パイプ
９２    燃料ガス供給流路隔壁
９２ａ  噴射口
９４    改質部
９６    改質触媒
９７    多孔質支持体
９８    燃料極層
１００    電解質層
１０１    空気極層
１０２    インターコネクタ層
１０２ａ  第１インターコネクタ層
１０２ｂ  第２インターコネクタ層
１０４    マスキング層
１０６    マスキング層
１１０    ドット成膜装置
１１２    台座
１１４    モーター
１１６    固定治具
１１６ａ  心押し棒
１１８    ヘッド部
１２０    ガイドレール
１２２    ジェットディスペンサー
１２４    スラリー容器
１２６    カメラ
１２８    ノズル部
１２８ａ  噴射ノズル穴
１２８ｂ  凹部
１２８ｃ  スラリー供給通路
１２９    噴射アクチュエータ
１２９ａ  可撓性プレート
１２９ｂ  突起部
１３０    面成膜装置
１３１    台座
１３２    固定治具
１３４    モーター
１３６    面成膜ノズル
１３８    ポンプ
１３９    スラリー容器
２００    本発明の第２実施形態の燃料電池セル（固体酸化物形燃料電池セル）
２００ａ  発電素子
２０２    多孔質支持体
２０４    燃料極層
２０４ａ  下層燃料極層
２０４ｂ  上層燃料極層
２０６    電解質層
２０６ａ  下層電解質層
２０６ｂ  上層電解質層
２０８    空気極層
２０８ａ  下層空気極層
２０８ｂ  上層空気極層
２１０    インターコネクタ層
２１０ａ  第１インターコネクタ層
２１０ｂ  第２インターコネクタ層
【図１】
2016095924.tif 000003
【図２】
2016095924.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2016095924.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１３】
2016095924.tif 000013
【図１１】
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【図１２】
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