(57)【要約】【課題】多孔質支持体の寸法精度が低い場合でも、効率的に発電素子の集積度が高い固体酸化物形燃料電池セルを製造することができる製造システムを提供する。【解決手段】本発明は、多孔質支持体(97)上に、機能層である燃料極層(98)、電解質層(100)、及び空気極層(101)を備えた複数の発電素子(16a)を形成した固体酸化物形燃料電池セル(16)の製造システムであって、第１の機能層を、多孔質支持体の表面上に同時に形成する面成膜装置(130)と、最も外側の第２の機能層を、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第２の機能層を形成するドット成膜装置(110)と、面成膜装置による面成膜を行わない部分に、マスキング形成剤を棒状に連続的に押し出して付着させるノズルを備えた押出成膜装置(140)と、を有することを特徴としている。【選択図】図１１
2016213145.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気絶縁性の多孔質支持体上に、機能層である燃料極層、電解質層、及び空気極層を備えた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システムであって、
上記複数の発電素子の機能層のうちの第１の機能層を、上記多孔質支持体の表面上に同時に形成する第１の面成膜装置と、
上記機能層のうちの最も外側の層である第２の機能層を、この第２の機能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第２の機能層を形成するドット成膜装置と、
上記第１の面成膜装置による面成膜を行わない部分に、マスキング形成剤を棒状に連続的に押し出して付着させるノズルを備えた押出成膜装置と、
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２】
上記第１の機能層は燃料極層であり、上記第２の機能層は空気極層であり、上記押出成膜装置は、上記多孔質支持体の表面の、上記燃料極層を形成しない部分にマスキング形成剤を付着させ、マスキング層を形成するように構成されている請求項１記載の固体酸化物形燃料電池セル製造システム。
【請求項３】
さらに、上記燃料極層が形成され、上記マスキング層が除去された上記多孔質支持体に、上記複数の発電素子の上記電解質層を同時に形成する、第２の面成膜装置を有する請求項２記載の固体酸化物形燃料電池セル製造システム。
【請求項４】
上記多孔質支持体は円筒形状であり、さらに、上記多孔質支持体を回転中心線を中心に回転可能に支持する回転支持装置を有し、上記第１の面成膜装置、上記第２の面成膜装置、上記ドット成膜装置、及び上記押出成膜装置は、上記回転支持装置により上記多孔質支持体を回転させながら成膜を行う請求項３記載の固体酸化物形燃料電池セル製造システム。
【請求項５】
さらに、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装置を有し、このインターコネクタ形成装置は、インターコネクタ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インターコネクタ層を形成するディスペンサ装置、又は、インターコネクタ層を形成するためのスラリーを棒状に連続的に押し出して付着させるノズルを備えると共に、このノズルの先端と上記インターコネクタ層を形成すべき表面との間の距離がほぼ一定になるように上記ノズルを移動させるノズル駆動装置を備えたディスペンサ装置である請求項４記載の固体酸化物形燃料電池セル製造システム。
【請求項６】
請求項１乃至５の何れか１項に記載の製造システムを使用した固体酸化物形燃料電池セルの製造方法であって、
上記押出成膜装置は上記多孔質支持体に当接させる回転ローラーを備え、上記ノズルは上記回転ローラーと共に移動されることにより、上記ノズルの先端と上記多孔質支持体の表面との間の距離がほぼ一定に維持されるように構成されており、上記押出成膜装置を使用して、上記多孔質支持体の表面にマスキング形成剤を付着させ、マスキング層を形成する第１マスキング形成工程と、
上記第１の面成膜装置を使用して、上記多孔質支持体の表面上に上記燃料極層を形成する燃料極層形成工程と、
この燃料極層形成工程により形成された燃料極層を加熱して硬化させると共に、上記マスキング層を消失させる第１仮焼成工程と、
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、上記燃料極層の上にインターコネクタ層を形成するインターコネクタ形成工程と、
上記押出成膜装置の回転ローラーを、上記燃料極層の、上記インターコネクタ層が形成されていない部分に当接させた状態で、上記インターコネクタ層の上にマスキング形成剤を付着させる第２マスキング形成工程と、
第２の面成膜装置を使用して、上記電解質層を形成するためのスラリーを付着させ、上記複数の発電素子の上記電解質層を同時に形成する電解質層形成工程と、
この電解質層形成工程により形成された電解質層を加熱して硬化させると共に、上記第２マスキング形成工程において形成されたマスキング層を消失させる第２仮焼成工程と、
上記ドット成膜装置を使用して、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空気極層を、上記インターコネクタ層に接続するように形成する空気極層形成工程と、
この空気極層形成工程において形成された上記空気極層を加熱して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。
【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製造システムに関し、特に、電気絶縁性の多孔質支持体上に、機能層である燃料極層、電解質層、及び空気極層を備えた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システム、及びそれを使用した製造方法に関する。
【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、特開２０１３−１７５３０５号公報記載の固体酸化物形燃料電池の製造方法においては、燃料極層等、各層の膜厚を十分に管理することができないという問題がある。即ち、燃料極層をスクリーン印刷法で基体管上に形成する場合、燃料極を形成すべき部分が切り抜かれたマスクを基体管に当接させ、その上に燃料極用のスラリーを供給し、供給されたスラリーがスキージにより基体管に塗りつけられる。しかしながら、円筒形の基体管に撓みがあると、基体管の各部においてスキージと基体管の間の隙間が異なることとなり、塗りつけられるスラリーの膜厚を均一にすることが困難になる。形成された燃料極層等の膜厚が不均一になると、気体の透過性、イオンの透過性にムラができるため、構成された燃料電池素子の性能が低下する。
【０００６】
また、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。支持体の寸法精度を確保するために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。
【０００７】
さらに、単一の多孔質支持体上に複数の発電素子を形成し、これらをインターコネクタにより接続したタイプの固体酸化物形燃料電池セルにおいては、発電素子と発電素子の間隔を狭く形成することが集積度の向上のために重要である。即ち、隣接する発電素子の間の部分は発電に寄与しないため、できるだけ小さく形成することにより、単一の多孔質支持体上に多くの発電素子を設けることが可能になり、単位体積当たりの発電電力を増加させることができる。しかしながら、多孔質支持体上に形成する発電素子の位置精度、寸法精度が十分でない場合には、発電素子の間隔を狭く設計すると、隣接する発電素子の間が短絡する虞がある。
【０００８】
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、効率的に発電素子の集積度が高い固体酸化物形燃料電池セルを製造することができる製造システム、及びそれを使用した製造方法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】
【０００９】
上述した課題を解決するために、本発明は、電気絶縁性の多孔質支持体上に、機能層である燃料極層、電解質層、及び空気極層を備えた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システムであって、複数の発電素子の機能層のうちの第１の機能層を、多孔質支持体の表面上に同時に形成する第１の面成膜装置と、機能層のうちの最も外側の層である第２の機能層を、この第２の機能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第２の機能層を形成するドット成膜装置と、第１の面成膜装置による面成膜を行わない部分に、マスキング形成剤を棒状に連続的に押し出して付着させるノズルを備えた押出成膜装置と、を有することを特徴としている。
【００１０】
このように構成された本発明においては、第１の面成膜装置により、第１の機能層が、多孔質支持体の表面上に同時に形成される一方、最も外側の層である第２の機能層が、スラリーを液滴状にして連続的に噴射するドット成膜装置により形成される。また、第１の面成膜装置による面成膜を行わない部分には、押出成膜装置により、マスキング形成剤が棒状に連続的に押し出され、付着される。
【００１１】
多孔質支持体に各機能層を形成する成膜方法として、支持体にマスクを当て、機能層を形成するスラリーを、スキージでマスクの開口部内に塗りつけるスクリーン印刷法が知られている。
しかしながら、一般に、機能層を形成する支持体には製造誤差があり、成膜の下地となる表面の平面性、直線性を確保することが困難である。従って、スキージでスラリーを塗布するスクリーン印刷法では、成膜する下地面とスキージの間の隙間を一定に維持することが困難であり、成膜された機能層の厚さが不均一になることが避けられず、製造された燃料電池セルの歩留まりが低下する。また、歩留まりを向上させるために、支持体の寸法精度を向上させるべく、支持体に機械加工を施すと、製造コストが著しく上昇してしまう。さらに、近年、燃料電池セルの小型化が望まれており、燃料電池セル上に形成する発電素子を小型化すると、成膜により形成される機能層に要求される寸法精度は益々高くなり、製造が困難になる。即ち、支持体上に小型の発電素子を複数形成するには、支持体上に順次積層される各機能層を正確に位置合わせする必要があり、形成される各機能層には高い位置精度が要求される。
【００１２】
特に、単一の多孔質支持体上に複数の発電素子を形成し、これらをインターコネクタにより接続したタイプの固体酸化物形燃料電池セルにおいては、発電に寄与しない、発電素子と発電素子の間の部分を狭く形成することが集積度の向上のために必要である。一方、電気絶縁性の多孔質支持体は、各機能層を機械的に支持する機能のみが必要とされるため、孔隙率の高い材料が望ましいが、孔隙率の高い多孔質支持体には塗布した液状物が浸透しやすい。
【００１３】
上記のように構成された本発明においては、第１の面成膜装置により、多孔質支持体上に第１の機能層が面成膜される。面成膜は、広い面積の複数の機能層を短時間で成膜することが可能であると共に、成膜された機能層の表面は平滑であるため、上に積層される他の機能層の平滑度に悪影響を与えることがなく、第１の機能層の成膜に好適である。
押出成膜装置は、単位時間当たりに塗布することができる液状物の量がドット成膜装置よりも多く、高い位置精度で効率的にマスキング層を形成するには好適である。また、押出成膜装置により形成される層は、表面の平滑度は比較的低いが、マスキング層は、面成膜が終了した後で除去されるため、表面の平滑度は問題にはならない。
【００１４】
ドット成膜装置は、高い位置精度で機能層を形成することができると共に、機能層の膜厚を厳密に管理することができる。また、ドット成膜装置は、単位時間当たりに塗布することができる液状物の量は少ないが、第２の機能層は第１の機能層よりも面積が狭く、また、第２の機能層が形成される表面が多孔質支持体よりも緻密な表面であり、液状物が浸透しにくいため、第２の機能層の成膜時間が著しく長くなることはない。さらに、ドット成膜装置により形成された機能層は表面の平滑度が比較的低いが、第２の機能層は最も外側の層であるため、他の機能層に悪影響を与えることはない。上記のように構成された本発明の製造システムによれば、第１の面成膜装置、ドット成膜装置、及び押出成膜装置夫々の特質を活用して燃料電池セルを製造するので、多孔質支持体の寸法精度が低い場合でも、発電素子の集積度が高い固体酸化物形燃料電池セルを効率的に製造することができる。
【００１５】
本発明において、好ましくは、第１の機能層は燃料極層であり、第２の機能層は空気極層であり、押出成膜装置は、多孔質支持体の表面の、燃料極層を形成しない部分にマスキング形成剤を付着させ、マスキング層を形成するように構成されている。
【００１６】
このように構成された本発明によれば、多孔質支持体上の燃料極層の成膜が不要な部分に、押出成膜装置がマスキング形成剤を棒状に連続的に押し出して付着させる。押出成膜装置は、ドット成膜装置よりも単位時間当たりに塗布することができる液状物の量が多いため、液状物が浸透しやすい多孔質支持体上に、マスキング層を効率的に高い位置精度で形成することができる。また、空気極層がドット成膜装置により形成されるので、厚い膜が必要な空気極層を厚く形成することができる。また、空気極層をドット成膜装置により形成するため、空気極層に微小クラックを生成しておくことができ、この微小クラックにより、厚い空気極層に働く熱応力を逃がすことができる。
【００１７】
本発明において、好ましくは、さらに、燃料極層が形成され、マスキング層が除去された多孔質支持体に、複数の発電素子の電解質層を同時に形成する、第２の面成膜装置を有する。
【００１８】
このように構成された本発明によれば、燃料極層が形成された多孔質支持体に、第２の面成膜装置により電解質層が形成されるので、面積が広い電解質層を短時間で形成することができる。また、第２の面成膜装置により形成された電解質層は平滑度が高いため、電解質層の上に形成される空気極層に悪影響を与えることがない。さらに、電解質層を平滑に構成することにより、電解質層の酸素透過性を各部で均一にすることができ、各部における発電性能のムラを抑制することができる。
【００１９】
本発明において、好ましくは、多孔質支持体は円筒形状であり、さらに、多孔質支持体を回転中心線を中心に回転可能に支持する回転支持装置を有し、第１の面成膜装置、第２の面成膜装置、ドット成膜装置、及び押出成膜装置は、回転支持装置により多孔質支持体を回転させながら成膜を行う。
【００２０】
このように構成された本発明によれば、円筒形状の多孔質支持体を回転支持装置により回転させながら成膜を行うので、製造誤差により多孔質支持体が湾曲している場合でも、機能層等を、高精度で、回転中心線に直交する環状に形成することができる。
【００２１】
本発明において、好ましくは、さらに、インターコネクタを形成するインターコネクタ形成装置を有し、このインターコネクタ形成装置は、インターコネクタ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インターコネクタ層を形成するディスペンサ装置、又は、インターコネクタ層を形成するためのスラリーを棒状に連続的に押し出して付着させるノズルを備えると共に、このノズルの先端とインターコネクタ層を形成すべき表面との間の距離がほぼ一定になるようにノズルを移動させるノズル駆動装置を備えたディスペンサ装置である。
【００２２】
インターコネクタは、一般に小型であるため、高い位置精度及び寸法精度が要求されると共に、確実に機能層に接続される必要がある。また、各部での電気抵抗を一様にするために、インターコネクタの膜厚は厳密に設定する必要がある。上記のように構成された本発明によれば、インターコネクタ形成装置として、スラリーを液滴状にして連続的に噴射し、ドットの集積によりインターコネクタ層を形成するディスペンサ装置を使用するので、寸法精度の低い多孔質支持体にも高精度でインターコネクタ層を形成することができる。また、ドットの集積による成膜は、単位時間当たりに形成できる面積が小さいが、一般にインターコネクタは小型であるため、成膜時間が著しく長くなることはない。
【００２３】
一方、スラリーを棒状に連続的に押し出して付着させるタイプのディスペンサ装置は、ドットを集積させるディスペンサ装置よりも単位時間当たりに形成できる面積が大きいため、より短時間でインターコネクタ層を形成することができる。また、スラリーを棒状に連続的に押し出すディスペンサ装置は、多孔質支持体の寸法精度が低いと、形成される層の寸法精度、形状精度が低下しやすいが、ノズル駆動装置によりノズルの先端とインターコネクタ層を形成すべき表面との間の距離がほぼ一定にされるので、インターコネクタ層を十分な精度で形成することができる。
【００２４】
また、本発明は、本発明の製造システムを使用した固体酸化物形燃料電池セルの製造方法であって、押出成膜装置は多孔質支持体に当接させる回転ローラーを備え、ノズルは回転ローラーと共に移動されることにより、ノズルの先端と多孔質支持体の表面との間の距離がほぼ一定に維持されるように構成されており、押出成膜装置を使用して、多孔質支持体の表面にマスキング形成剤を付着させ、マスキング層を形成する第１マスキング形成工程と、第１の面成膜装置を使用して、多孔質支持体の表面上に燃料極層を形成する燃料極層形成工程と、この燃料極層形成工程により形成された燃料極層を加熱して硬化させると共に、マスキング層を消失させる第１仮焼成工程と、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スラリーのドットを形成し、このドットの集積により、燃料極層の上にインターコネクタ層を形成するインターコネクタ形成工程と、押出成膜装置の回転ローラーを、燃料極層の、インターコネクタ層が形成されていない部分に当接させた状態で、インターコネクタ層の上にマスキング形成剤を付着させる第２マスキング形成工程と、第２の面成膜装置を使用して、電解質層を形成するためのスラリーを付着させ、複数の発電素子の電解質層を同時に形成する電解質層形成工程と、この電解質層形成工程により形成された電解質層を加熱して硬化させると共に、第２マスキング形成工程において形成されたマスキング層を消失させる第２仮焼成工程と、ドット成膜装置を使用して、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空気極層を、インターコネクタ層に接続するように形成する空気極層形成工程と、この空気極層形成工程において形成された空気極層を加熱して焼成する焼成工程と、を有することを特徴としている。
【００２５】
このように構成された本発明によれば、第１マスキング形成工程及び第２マスキング形成工程が押出成膜装置を用いて実行され、燃料極層形成工程が第１の面成膜装置を用いて実行され、インターコネクタがスラリーのドットの集積により形成され、電解質層形成工程が第２の面成膜装置を用いて実行され、空気極層形成工程がドット成膜装置を用いて実行されるので、各成膜方法の特質を活かすことができ、多孔質支持体の寸法精度が低い場合でも、効率的に精度の高い機能層及びインターコネクタを形成することができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の固体酸化物形燃料電池セル製造システム、及び製造方法によれば、多孔質支持体の寸法精度が低い場合でも、効率的に発電素子の集積度が高い固体酸化物形燃料電池セルを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【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ー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】押出成膜装置全体を示す概略的な正面図である。
【図１０】押出成膜装置に備えられたヘッド部のノズルの部分を拡大して示す図である。
【図１１】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１２】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１３】多孔質支持体上にマスキング層が形成される際の状態を模式的に示す図である。
【図１４】押出成膜装置により、第１インターコネクタ層上にマスキング層を形成している状態を模式的に示す図である。
【図１５】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１６】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１７】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】
【００２８】
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１６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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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）
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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、0.1≦ｙ≦0.3、0.3≦ｚ≦0.6）により構成された導電性の薄膜である。
【００５８】
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ーの先端部を示す概略的な断面図である。
【００５９】
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、ドット成膜すべき所定の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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
回転支持装置である固定治具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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
台座１３１には固定治具１３２が設けられている。回転支持装置である固定治具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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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）。
【００７４】
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。
【００７５】
次に、図９及び図１０を参照して、マスキング層等を形成する押出成膜工程において使用される押出成膜装置を説明する。図９は押出成膜装置全体を示す概略的な正面図であり、図１０は押出成膜装置に備えられたヘッド部のノズルの部分を拡大して示す図である。
【００７６】
上述したドット成膜装置１１０は、各機能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し、所定の位置にドット成膜を行うものである。これに対して、押出成膜装置１４０は、ノズルの先端から液状物を棒状にして連続的に押し出して、所定の位置に液状物を塗布するものである。これらのドット成膜装置１１０及び押出成膜装置１４０は、何れも、塗布すべき表面の所定の位置のみに液状物を塗布するディスペンサ装置であり、上述した面成膜装置１３０よりも狭い範囲に液状物を吐出させ、塗布するように構成されている。
このように、押出成膜装置１４０は、任意の液状物を所定の位置に塗布する機能を備えているが、本実施形態においては、これをマスキング形成剤の塗布に、即ち、マスキング層の形成に使用している。
【００７７】
図９に示すように、押出成膜装置１４０は、台座１４２と、押出成膜すべき多孔質支持体９７を回転させるモーター１４４と、多孔質支持体９７を回転可能に保持する固定治具１４６と、液状物を塗布するためのヘッド部１４８と、このヘッド部１４８を案内するガイドレール１５０と、を有する。
【００７８】
台座１４２には、モーター１４４及び固定治具１４６が設置されている。
回転支持装置である固定治具１４６は、押出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１４６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１４６ａ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１４６ａ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１４４は、各心押し棒１４６ａ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。
【００７９】
ここで、円筒形の多孔質支持体９７を円錐形状の心押し棒１４６ａ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１４６ａ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、上記のように、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。
【００８０】
ヘッド部１４８は、マスキング形成剤等を連続的に吐出するノズル１５２と、このノズル１５２に供給するマスキング形成剤等を貯留するタンク１５４と、ノズル１５２を駆動するノズル駆動装置１５６と、液状物を塗布すべき多孔質支持体９７を撮像するカメラ１５８と、を有する。
ノズル１５２は、多孔質支持体９７の回転中心線Ａを含む平面内で、鉛直下方に向けて延びる細長い円筒形のノズルであり、下端から鉛直下方に向けて、液状物を棒状にして連続的に吐出するように構成されている。
タンク１５４は、マスキング形成剤等、ノズル１５２に供給すべき液状物を貯留するように構成されている。また、タンク１５４はヘッド部１４８に固定されており、ノズル１５２には、可撓性のパイプ１５４ａを介して接続されている。液状物はタンク１５４から一定の圧力で押し出され、ノズル１５２の先端から一定の流量で棒状にされて、連続的に吐出される。
【００８１】
カメラ１５８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１５８により撮像された画像上の位置と、液状物が押し出されるノズル１５２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１４８をガイドレール１５０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ノズル１５２を移動させることができる。
【００８２】
ガイドレール１５０は、ヘッド部１４８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。ヘッド部１４８は、多孔質支持体９７上の押出成膜すべき位置までガイドレール１５０に沿って送られる。押出成膜時においては、ノズル１５２から液状物を吐出させながら、多孔質支持体９７を回転させることにより、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。また、押出成膜すべき層の形態によっては、押出成膜中にヘッド部１４８をガイドレール１５０に沿って所定速度で送ることもできる。
【００８３】
ノズル駆動装置１５６は、図１０に示すように、ヘッド部１４８の下部に設けられている。ノズル駆動装置１５６は、ヘッド部１４８に対して移動可能に取り付けられたアーム部１５６ａと、このアーム部１５６ａの先端に設けられた回転ローラー１５６ｂとを有する。
【００８４】
回転ローラー１５６ｂは、ノズル１５２の一方の側のみに設けられており、回転している多孔質支持体９７の表面に当接されることにより、受動的に回転されるように構成されている。ここで、本実施形態においては、回転ローラー１５６ｂは、ノズル駆動装置１５６の自重により多孔質支持体９７の表面に押し付けられており、回転している多孔質支持体９７の表面に常に当接されている。このため、回転ローラー１５６ｂは、多孔質支持体９７の表面の移動と共に、液状物の吐出方向である上下方向（鉛直方向）に移動される。また、固定治具１４６により支持されている多孔質支持体９７は、製造誤差等により僅かに湾曲している。このため、回転中心線Ａ（図９）を中心に回転している多孔質支持体９７の表面の位置は、回転と共に図１０における上下方向に僅かに移動する。この結果、多孔質支持体９７の表面に当接されている回転ローラー１５６ｂ、及びこの回転ローラー１５６ｂが取り付けられたアーム部１５６ａは、多孔質支持体９７表面の「振れ」に追従するように、図１０における上下方向に移動される。
【００８５】
ここで、ノズル駆動装置１５６は、回転ローラー１５６ｂの移動と連動してノズル１５２を移動させるように構成されているので、多孔質支持体９７表面の「振れ」に追従するようにノズル１５２も、液状物の吐出方向に移動される。このため、多孔質支持体９７の製造誤差等により、回転中の多孔質支持体９７表面が移動した場合でも、ノズル１５２の先端Ｐと多孔質支持体９７表面との間の距離Ｄはほぼ一定に維持される。なお、本実施形態においては、回転ローラー１５６ｂと多孔質支持体９７表面の接触点Ｃ、及びノズル１５２の先端Ｐは、何れも多孔質支持体９７の回転中心線Ａの鉛直上方に位置決めされている。また、接触点Ｃとノズル１５２の先端Ｐを結ぶ直線の、鉛直方向の投影は回転中心線Ａと平行に位置するのが良く、本実施形態においては、接触点Ｃと先端Ｐを結ぶ直線の鉛直方向の投影は回転中心線Ａと一致している。従って、多孔質支持体９７上の液状物が塗布される点（先端Ｐの鉛直下方の点）を通り、円筒形の多孔質支持体９７に接する平面に対し、ノズル１５２は概ね直交するように向けられている。なお、本実施形態においては、回転ローラー１５６ｂはノズル駆動装置１５６の自重により多孔質支持体９７の表面に押し付けられており、ノズル１５２は回転ローラー１５６ｂと連動して鉛直方向に移動される。一方、液状物を供給するタンク１５４はヘッド部１４８に固定され、ノズル１５２に対しては可撓性のパイプ１５４ａを介して接続されているので、タンク１５４は回転ローラー１５６ｂ及びノズル１５２とは連動しない。このため、タンク１５４内に収容されている液状物の重量とは無関係に、回転ローラー１５６ｂの押し付け力を一定にすることができる。また、多量の液状物が収容され、タンク１５４の重量が大きくなった場合でも、その重量により回転ローラー１５６ｂが押し付けられ、脆弱な多孔質支持体９７に負担を与えることがない。
【００８６】
さらに、本実施形態においては、接触点Ｃと先端Ｐの間の、回転中心線Ａ方向（水平方向）の距離Ｓは約１０ｍｍに設定されている。また、ノズル１５２の先端Ｐと多孔質支持体９７表面との間の距離Ｄは、多孔質支持体９７に製造誤差がない場合（多孔質支持体９７の表面が水平に向けられている場合）において約０．３ｍｍとなるように設定されている。このように、ノズル１５２の先端Ｐは多孔質支持体９７表面の近傍に位置決めされるため、先端Ｐと多孔質支持体９７表面の間がノズル１５２から押し出されて棒状にされた液状物によって橋渡しされながら、液状物が塗布される。
【００８７】
ここで、液状物はノズル１５２の先端から一定の流量で連続的に押し出されているため、ノズル１５２の先端Ｐと多孔質支持体９７表面との間の距離Ｄが大きく変化すると、多孔質支持体９７上に塗布された液状物の層が蛇行したり、層の幅が不均一になる。本実施形態においては、ノズル駆動装置１５６により、ノズル１５２の先端Ｐと多孔質支持体９７表面との間の距離Ｄがほぼ一定に維持されているため、十分に均一な層を形成することができる。しかしながら、実際には、図１０において、接触点Ｃの高さと、ノズル１５２の真下における多孔質支持体９７表面の高さが異なる（多孔質支持体９７表面が傾斜している）ため、距離Ｄは僅かに変化する。ここで、本実施形態においては、多孔質支持体９７はフォルステライト粉末を主成分とする焼結物であるため、製造時に発生する形状誤差は、ほぼ全てが多孔質支持体９７全体が緩やかに弓状に湾曲するタイプのものである。この湾曲により発生する傾斜は、最大でも２％（多孔質支持体の長手方向１００ｍｍに対して最大２ｍｍの撓み）程度である。従って、本実施形態においては、接触点Ｃと先端Ｐの間の距離Ｓは１０ｍｍであるため、接触点Ｃとノズル１５２の位置における高さの差Ｄ１は、最大でも０．２ｍｍ（１０ｍｍ×０．０２）程度に抑制され、十分に均一な層を形成することが可能になる。このように、ノズル１５２の先端Ｐと多孔質支持体９７表面との間の距離Ｄを一定に維持するには、接触点Ｃと先端Ｐの間の距離Ｓは短いほど有利であり、１０ｍｍ以下にすることが好ましいが、ノズル駆動装置１５６を機械的に構成するには、距離Ｓには或る程度の長さが必要になる。
【００８８】
以上説明したドット成膜装置１１０、面成膜装置１３０、押出成膜装置１４０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セル製造システムを構成する。
【００８９】
次に、図１１及び図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の製造方法を説明する。
図１１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１２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１２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。
【００９０】
まず、図１１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。
【００９１】
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、ディスペンサ装置である押出成膜装置１４０によりマスキング層１０４が押出成膜される。即ち、第１マスキング形成工程では、押出成膜装置１４０のノズル１５２（図９）により、液状の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連続的に押し出すことにより、多孔質支持体９７上にマスキング形成剤を塗布してマスキング層１０４を押出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、押出成膜装置１４０はマスキング層形成装置として機能する。また、第１マスキング形成工程は、ディスペンサ装置により液状物であるマスキング形成剤が塗布される液状物塗布工程として実施される。
【００９２】
図１２（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、比較的粘性が低いので、超多孔質体である多孔質支持体９７の内部にも或る程度浸透する。このため、後の工程で燃料極層９８を面成膜する際（ステップＳ５）、燃料極層９８を形成するためのスラリーが多孔質支持体９７の内部に浸透し、隣接して設けられた燃料極層９８が多孔質支持体９７の中で短絡するのを防止することができる。また、押出成膜装置１４０は、単位時間当たりに吐出させる液状物の量がドット成膜装置１１０よりも多いため、マスキング形成剤が多孔質支持体９７の内部に浸透しても比較的短時間で所定の膜厚のマスキング層１０４を形成することができ好適である。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。
【００９３】
図１３は、多孔質支持体９７上にマスキング層１０４が形成される際の状態を模式的に示す図である。
まず、図１３（ａ）に示すように、ノズル１５２の先端から一定流量で連続的に押し出されたマスキング形成剤は、棒状になって回転中の多孔質支持体９７上に付着し、ノズル１５２の先端と多孔質支持体９７の表面との間を橋渡ししながら連続的に塗布される。しかしながら、マスキング形成剤の塗布開始後、多孔質支持体９７が１回転するまでの間は、形成されているマスキング層１０４は幅が狭く、僅かに蛇行したものとなる（図１３（ａ））。塗布開始後２回転目に入ると、図１３（ｂ）に示すように、塗布されているマスキング形成剤はノズル１５２の中心から両側に広がって幅が広くなると共に、塗布されたマスキング形成剤がノズル１５２の先端により均され、マスキング層１０４は幅が次第に太くなると共に、中央部の厚さが厚い凸状の形状となる。さらに、塗布開始後３回転目に入ると、図１３（ｃ）に示すように、マスキング層１０４の幅は、所定値に達すると共に、概ね均一になる。なお、本実施形態では、１つのマスキング層１０４の形成中において、ノズル１５２が多孔質支持体９７の回転中心線Ａの方向に送られることはなく、ノズル１５２の位置は固定されている。
【００９４】
このように、幅が均一で、中央部が厚くなった凸状のマスキング層１０４を得るために必要な回転数は、マスキング形成剤の粘性、流量、多孔質支持体９７の回転速度等により調整することができる。また、さらに幅の広いマスキング層１０４を形成する場合には、直径の大きなノズルを使用するか、或いは、幅の広いノズルを使用することもできる。本実施形態においては、マスキング形成剤として、フッ素樹脂系のマスキング形成剤である、（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シリーズが使用されている。
【００９５】
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、押出成膜装置１４０に備えられた固定治具１４６を基準にして行われる。即ち、押出成膜装置１４０は、予め記憶されている固定治具１４６の位置から所定距離ヘッド部１４８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の押出成膜を開始する。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１４６の位置を基準として、ヘッド部１４８の送り量により位置出しを行っている。
【００９６】
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、押出成膜装置１４０の回転中心線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、押出成膜装置１４０の回転中心線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、本実施形態においては、ノズル駆動装置１５６が、ノズル１５２の先端と多孔質支持体９７表面の間の距離Ｄをほぼ一定に維持するので、撓みにより多孔質支持体９７の表面の位置が振れた場合でも、形成される層の厚さが影響を受けにくい。このため、多孔質支持体９７に製造誤差がある場合でも、マスキング層１０４を正確な厚さに形成することができる。
【００９７】
なお、本実施形態において、押出成膜装置１４０が１つのマスキング層１０４を形成した後、他のマスキング層１０４を形成する位置までヘッド部１４８を移動させる際には、アーム部１５６ａがリフトアップされる。即ち、ヘッド部１４８は、回転ローラー１５６ｂ及びノズル１５２が多孔質支持体９７から離れた状態で、次にマスキング層１０４を形成する位置までガイドレール１５０に沿って移動される。これにより、回転ローラー１５６ｂが表面を擦ることにより多孔質支持体９７が損傷されたり、既に形成されたマスキング層１０４等が損傷されるのを防止することができる。
【００９８】
また、上記のように、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。
【００９９】
次に、ステップＳ４では、ステップＳ３の第１マスキング形成工程において塗布されたマスキング形成剤を乾燥させるマスキング乾燥工程が行われる。本実施形態においては、マスキング乾燥工程では、マスキング形成剤が塗布された多孔質支持体９７を乾燥炉で加熱し、マスキング形成剤中の溶剤を蒸発・除去する。このマスキング乾燥工程は、樹脂系のマスキング形成剤自体が焼却・消失されることのないよう、比較的低温で実行される。或いは、マスキング形成剤が塗布された多孔質支持体９７を所定時間放置し、マスキング形成剤を自然乾燥させることもできる。
【０１００】
次に、ステップＳ５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は第１の面成膜装置又は燃料極層形成装置として機能する。
【０１０１】
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、押出成膜やドット成膜よりも燃料極層９８の表面を平滑に形成することができる。また、ステップＳ３において塗布されたマスキング形成剤は、マスキング層１０４の下の、多孔質支持体９７内部まで浸透しているので、面成膜工程において塗布されたスラリーが多孔質支持体９７の内部に浸透し、隣接する燃料極が短絡するのを防止することができる。
【０１０２】
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１２（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。この際、マスキング層１０４は中央が厚くなった凸状に形成されているので、付着されたスラリーは速やかにマスキング層１０４の外に流れ落ち、マスキング層１０４の上に堆積することがない。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。なお、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。
【０１０３】
また、マスキング形成剤中の溶剤は、ステップＳ４のマスキング乾燥工程において十分に除去されているので、付着されたスラリーがマスキング層１０４に取り込まれることがない。即ち、マスキング形成剤中の溶剤が十分に除去されていないと、塗布されたスラリーとマスキング形成剤が部分的に混合され、或いはマスキング形成剤とスラリーが化学反応を起こして、スラリーがマスキング層１０４に取り込まれる場合がある。マスキング層１０４に取り込まれたスラリーは、後の仮焼成工程（ステップＳ６）後も多孔質支持体９７上に残留し、隣接する燃料極層９８を短絡させる虞がある。
【０１０４】
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。
【０１０５】
次に、ステップＳ６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Ｓ５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１２（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。
【０１０６】
次に、ステップＳ７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Ｓ６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。また、第１インターコネクタ層１０２ａを形成するためのディスペンサ装置として、押出成膜装置１４０を使用することもできる。この場合には、押出成膜装置１４０が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。
【０１０７】
図１２（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。
【０１０８】
図１１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。
【０１０９】
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。
【０１１０】
次に、ステップＳ８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Ｓ７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。
【０１１１】
次に、ステップＳ９においては第２マスキング形成工程として、ステップＳ８において仮焼成された第１インターコネクタ層１０２ａに、押出成膜装置１４０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、マスキング層１０６を形成すべき領域に、マスキング形成剤を連続的に押し出すことにより、第１インターコネクタ層１０２ａ上にマスキング形成剤を塗布してマスキング層１０６を形成する押出成膜工程である。また、第２マスキング形成工程は、ディスペンサ装置により液状物であるマスキング形成剤が塗布される液状物塗布工程として実施される。
【０１１２】
図１４は、押出成膜装置により、第１インターコネクタ層上にマスキング層を形成している状態を模式的に示す図である。
図１４に示すように、第２マスキング形成工程においては、押出成膜装置１４０のノズル１５２から、第１インターコネクタ層１０２ａ上にマスキング形成剤が塗布される。ここで、マスキング形成剤が塗布される第１インターコネクタ層１０２ａは１つの燃料極層９８の上に形成されたものであるが、塗布を行う際、押出成膜装置１４０の回転ローラー１５６ｂは、隣接する別の燃料極層９８に当接される。多孔質支持体９７上に形成された各燃料極層９８は、燃料極形成工程において同時に形成されたものであるため、同じ厚さに形成されていると共に、非常に平滑な表面を有する。このため、回転ローラー１５６ｂを隣接する燃料極層９８に当接させながら押出成膜を行うことにより、マスキング形成剤を塗布すべき表面（第１インターコネクタ層１０２ａの表面）と、ノズル１５２の先端との間の距離をほぼ一定に維持することができる。なお、第２マスキング形成工程においては、マスキング形成剤が塗布される表面（第１インターコネクタ層１０２ａの表面）は、回転ローラー１５６ｂが当接する表面（燃料極層９８の表面）よりも高い位置にある。このため、この高さ分（第１インターコネクタ層１０２ａの厚さ分）、回転ローラー１５６ｂの接触点Ｃに対するノズル１５２の先端Ｐの位置を、第１マスキング形成工程よりも高く設定しておく。
【０１１３】
図１２（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、押出成膜装置１４０のカメラ１５８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。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。
次いで、ステップＳ１０では、ステップＳ９の第２マスキング形成工程において塗布されたマスキング形成剤を乾燥させるマスキング乾燥工程が行われる。マスキング乾燥工程においては、マスキング形成剤が塗布された多孔質支持体９７を乾燥炉で加熱し、マスキング形成剤中の溶剤を蒸発・除去する。
【０１１４】
次に、ステップＳ１１においては、電解質層形成工程として、ステップＳ９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又は第２の面成膜装置として機能する。なお、面成膜装置１３０はステップＳ５の燃料極層形成工程において使用した第１の面成膜装置と同一の装置でも良く、或いは、夫々に専用の装置を準備しても良い。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。
【０１１５】
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１２（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。
【０１１６】
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。
【０１１７】
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。
【０１１８】
次に、ステップＳ１２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Ｓ１１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１２（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。
【０１１９】
次に、ステップＳ１３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Ｓ１２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１２（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。
【０１２０】
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。
【０１２１】
次に、ステップＳ１４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Ｓ１３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。
【０１２２】
次に、ステップＳ１５においては、空気極層形成工程として、ステップＳ１４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１２（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。
【０１２３】
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。
【０１２４】
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。
【０１２５】
次に、ステップＳ１６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Ｓ１５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。
【０１２６】
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１５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１５（ａ）は空気極層１０１表面の拡大写真であり、図１５（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。
【０１２７】
図１５（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Ｓ１５）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。
【０１２８】
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。
【０１２９】
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１５（ｂ）である。図１５（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。
【０１３０】
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１５（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。
【０１３１】
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１６に示す。図１６（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。
【０１３２】
図１６（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１６（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１６（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１６（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。
【０１３３】
また、図１２（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。
【０１３４】
本発明の第１実施形態の固体酸化物形燃料電池セル製造システムによれば、面成膜装置１３０（図７）、ドット成膜装置１１０（図５）、及び押出成膜装置１４０（図９）夫々の特質を活用して燃料電池セルを製造するので、多孔質支持体９７の寸法精度が低い場合でも、発電素子１６ａの集積度が高い固体酸化物形燃料電池セル１６を効率的に製造することができる。即ち、面成膜装置１３０により、多孔質支持体９７上に燃料極層９８が面成膜される。面成膜は、広い面積の複数の燃料極層９８を短時間で成膜することが可能であると共に、成膜された層の表面は平滑であるため、上に積層される電解質層１００、空気極層１０１の平滑度に悪影響を与えることがなく、最下層の成膜に好適である。
押出成膜装置１４０は、単位時間当たりに塗布することができる液状物の量がドット成膜装置１１０よりも多く、高い位置精度で効率的にマスキング層１０４を形成するには好適である。また、押出成膜装置１４０により形成される層は、表面の平滑度は比較的低いが、マスキング層１０４は、面成膜が終了した後で除去されるため、表面の平滑度は問題にはならない。
ドット成膜装置１１０は、高い位置精度で空気極層１０１を形成することができると共に、空気極層１０１の膜厚を厳密に管理することができる。また、ドット成膜装置１１０は、単位時間当たりに塗布することができる液状物の量は少ないが、空気極層１０１は燃料極層９８よりも面積が狭く、また、空気極層１０１が形成される表面が多孔質支持体９７よりも緻密な電解質層１００であり、液状物が浸透しにくいため、空気極層１０１の成膜時間が著しく長くなることはない。さらに、ドット成膜装置１１０により形成された層は表面の平滑度が比較的低いが、空気極層１０１は最も外側の層であるため、他の機能層に悪影響を与えることはない。
【０１３５】
また、本実施形態の固体酸化物形燃料電池セル製造システムによれば、多孔質支持体９７上の燃料極層９８の成膜が不要な部分に、押出成膜装置１４０がマスキング形成剤を棒状に連続的に押し出して付着させる。押出成膜装置１４０は、ドット成膜装置１１０よりも単位時間当たりに塗布することができる液状物の量が多いため、液状物が浸透しやすい多孔質支持体９７上に、マスキング層１０４を効率的に高い位置精度で形成することができる。また、空気極層１０１がドット成膜装置１１０により形成されるので、厚い膜が必要な空気極層１０１を厚く形成することができる。また、空気極層１０１をドット成膜装置１１０により形成するため、空気極層１０１に微小クラック（図１５（ａ））を生成しておくことができ、この微小クラックにより、厚い空気極層１０１に働く熱応力を逃がすことができる。
【０１３６】
さらに、本実施形態の固体酸化物形燃料電池セル製造システムによれば、燃料極層９８が形成された多孔質支持体９７に、面成膜装置１３０により電解質層１００が形成されるので、面積が広い電解質層１００を短時間で形成することができる。また、面成膜装置１３０により形成された電解質層１００は平滑度が高いため、電解質層１００の上に形成される空気極層１０１に悪影響を与えることがない。さらに、電解質層１００を平滑に構成することにより、電解質層１００の酸素透過性を各部で均一にすることができ、各部における発電性能のムラを抑制することができる。
【０１３７】
また、本実施形態の固体酸化物形燃料電池セル製造システムによれば、円筒形状の多孔質支持体９７を回転支持装置である固定治具１１６（図５）、１３２（図７）、１４６（図９）により回転させながら成膜を行うので、製造誤差により多孔質支持体９７が湾曲している場合でも、機能層等を、高精度で、回転中心線Ａに直交する環状に形成することができる。
【０１３８】
さらに、本実施形態の固体酸化物形燃料電池セル製造システムによれば、ディスペンサ装置であるドット成膜装置１１０によりインターコネクタ層１０２ａ、１０２ｂが形成される。このため、寸法精度の低い多孔質支持体９７にも高精度でインターコネクタ層１０２ａ、１０２ｂを形成することができる。また、ドットの集積による成膜は、単位時間当たりに形成できる面積が小さいが、一般にインターコネクタ１０２は小型であるため、成膜時間が著しく長くなることはない。
【０１３９】
次に、図１７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。
【０１４０】
図１７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１７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。
【０１４１】
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。
【０１４２】
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。
【０１４３】
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。
【０１４４】
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。
【０１４５】
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。
【０１４６】
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。
【０１４７】
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。
【０１４８】
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１１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１１のステップＳ１〜Ｓ４は、第１実施形態と同様である。
【０１４９】
次に、第１実施形態では、図１１のステップＳ５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。
【０１５０】
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。
【０１５１】
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。
【０１５２】
さらに、図１１のステップＳ６〜Ｓ１０は、第１実施形態と同様である。
次に、第１実施形態では、図１１のステップＳ１１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。
【０１５３】
さらに、図１１のステップＳ１２〜Ｓ１４は、第１実施形態と同様である。
次に、第１実施形態では、図１１のステップＳ１５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。
【０１５４】
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１１のステップＳ１６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。
【０１５５】
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。
【０１５６】
また、上述した実施形態においては、多孔質支持体上に、燃料極層、電解質層、空気極層の順に機能層が積層されていたが、空気極層、電解質層、燃料極層の順に機能層を形成することもできる。このように構成された固体酸化物形燃料電池セルは、多孔質支持体の内側に空気を流入させ、外側に燃料ガスを流すことにより発電を行う。
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。
【０１５７】
また、上述した実施形態においては、ディスペンサ装置として、押出成膜装置及びドット成膜装置が使用され、第１、第２マスキング形成工程には押出成膜装置が使用され、第１、第２インターコネクタ形成工程及び空気極層形成工程にはドット成膜装置が使用されていたが、第１、第２インターコネクタ形成工程及び空気極層形成工程に押出成膜装置を使用することもできる。
さらに、上述した実施形態においては、押出成膜装置には回転ローラーを備えた機械式のノズル駆動装置が備えられていたが、ノズル駆動装置は電気式のものであっても良い。この場合には、例えば、レーザ光等を使用して液状物を塗布すべき表面の位置を計測し、これに基づいて表面とノズル先端の間の距離をほぼ一定にする制御を実行するようにノズル駆動装置を構成することもできる。
また、上述した実施形態においては、ドット成膜装置にはノズル駆動装置が備えられていないが、ドット成膜装置にノズル駆動装置を設け、液滴を噴射するノズルの先端と、ドットを形成する表面の間の距離をほぼ一定に制御することもできる。
【符号の説明】
【０１５８】
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（ディスペンサ装置）
１１２    台座
１１４    モーター
１１６    固定治具（回転支持装置）
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（回転支持装置）
１３４    モーター
１３６    面成膜ノズル
１３８    ポンプ
１３９    スラリー容器
１４０    押出成膜装置（ディスペンサ装置）
１４２    台座
１４４    モーター
１４６    固定治具（回転支持装置）
１４６ａ  心押し棒
１４８    ヘッド部
１５０    ガイドレール
１５２    ノズル
１５４    タンク
１５４ａ  パイプ
１５６    ノズル駆動装置
１５６ａ  アーム部
１５６ｂ  回転ローラー
１５８    カメラ
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】
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【図２】
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【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１７】
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【図１５】
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【図１６】
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