JP4846061B1 - 燃料電池の構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】「横縞型」の燃料電池の構造体であって、燃料極の還元収縮・酸化膨張が発生しても、隣り合う燃料極間の領域に介在する介在物にクラック等が発生し難いものの提供。
【解決手段】燃料ガス流路１１が内部に形成された長手方向を有する平板状の支持基板１０の上下面のそれぞれに、電気的に直列に接続された複数の発電素子部Ａが長手方向において所定の間隔をおいて配置される。隣り合う発電素子部Ａにそれぞれ属する隣り合う燃料極２０、２０の間の領域に「介在物」（支持基板１０の一部等）が介在している。隣り合う燃料極２０、２０の両方と「介在物」との間に隙間がそれぞれ形成される。「隙間」が「緩衝領域」として機能し、燃料極の還元収縮・酸化膨張が発生しても、「介在物」が燃料極から引っ張り・圧縮応力を受け難い。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池の構造体に関する。

従来より、「燃料ガス流路が内部に形成された多孔質の支持基板」と、「前記支持基板の外側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、及び空気極がこの順に積層されてなる複数の発電素子部」と、「１組又は複数組の隣り合う前記発電素子部の間にそれぞれ設けられ、隣り合う前記発電素子部の一方の燃料極と他方の空気極とを電気的に接続する１つ又は複数の電気的接続部」と、「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、前記燃料極に供給される燃料ガスと前記空気極に供給される酸素を含むガスとの混合を防止する緻密材料からなるガスシール部」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。

以下、隣り合う発電素子部にそれぞれ属する隣り合う燃料極の間の領域に介在する介在物に着目する。特許文献１の図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、隣り合う燃料極２，２の間の領域に、電気的接続部（インターコネクタ５）の一部とガスシール部（固体電解質３）の一部からなる介在物が隙間なく介在している。特許文献１の図４に記載の「横縞型」の固体酸化物形燃料電池の構造体では、隣り合う燃料極１３，１３の間の領域に、支持基板（基体管１１）の一部からなる介在物が隙間なく介在している。特許文献２の図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、隣り合う燃料極（２３＋１３ａ），（２３＋１３ａ）の間の領域に、ガスシール部（固体電解質３３）の一部からなる介在物が隙間なく介在している。このように、上記文献に記載の構造体では、隣り合う燃料極の間の領域に、前記介在物が隙間なく介在している。

特開平８−１０６９１６号公報 特開２００８−２２６７８９号公報

ところで、通常、燃料極の材料として、ＮｉＯ系サーメットが使用される。燃料電池の作動の際、燃料極に導電性と電極活性とを持たせるため、ＮｉＯに対して燃料ガスの還元作用を利用した還元処理が施される。このようにＮｉＯがＮｉに還元された状態で燃料電池が作動させられる。

一方、燃料電池の作動中において、その作動が急に停止した場合等、支持基板の内部に形成された燃料ガス流路内に空気が一時的に流入する等の現象が発生し得る。この場合、燃料ガス流路に流入した空気に含まれる酸素の酸化作用により、燃料極のＮｉがＮｉＯに再酸化する現象が発生し得る。

以上のように、燃料極では、燃料ガスの還元作用によりＮｉＯがＮｉに還元される現象、並びに、酸素の酸化作用によりＮｉがＮｉＯに再酸化される現象が発生し得る。ここで、ＮｉＯがＮｉに還元される際、所謂還元収縮により燃料極は収縮する（燃料極の体積が減少する）。一方、ＮｉがＮｉＯに再酸化される際、所謂酸化膨張により燃料極は膨張する（燃料極の体積が増大する）。

上記文献に記載の構造体のように、隣り合う燃料極の間の領域に前記介在物が隙間なく介在している場合（即ち、燃料極と前記介在物とが接触している場合）、上述した燃料極の収縮・膨張の影響により、前記介在物が燃料極から引張・圧縮応力を受け得る。この結果、前記介在物の内部や、「燃料極などの前記介在物を取り巻く物体と前記介在物との界面近傍」に、クラック等が発生する虞がある。この結果、ガスシール部のガスシール機能が低下したり、電気的接続部の導電性が低下するなどの問題が発生し得る。

本発明は、「横縞型」の燃料電池の構造体であって、燃料極の還元収縮・酸化膨張が発生しても、隣り合う燃料極の間の領域に介在する介在物にクラック等が発生し難いものを提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池の構造体は、燃料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、前記支持基板の外側面における互いに離れた複数の箇所にそれぞれ設けられ「少なくとも燃料極、固体電解質、及び空気極がこの順に積層されてなる複数の発電素子部」と、１組又は複数組の隣り合う前記発電素子部の間にそれぞれ設けられ、隣り合う前記発電素子部の一方の燃料極と他方の空気極とを電気的に接続する電子伝導性を有する１つ又は複数の電気的接続部と、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、前記燃料極に供給される燃料ガスと前記空気極に供給される酸素を含むガスとの混合を防止する緻密材料からなるガスシール部と、を備える。即ち、この構造体は、「横縞型」の燃料電池の構造体である。支持基板は、平板状であっても円筒状であっても、内部に燃料ガス流路が形成されている限りにおいて如何なる形状であってもよい。

本発明に係る燃料電池の構造体では、隣り合う前記発電素子部にそれぞれ属する隣り合う前記燃料極の間の領域に、前記支持基板の一部、前記電気的接続部の一部、及び前記ガスシール部の一部のうちの何れか１つ又は２つ以上からなる介在物が介在している。

本発明に係る燃料電池の構造体の特徴は、隣り合う前記燃料極の一方又は両方と前記介在物との間に隙間、又は、前記燃料極及び前記介在物と比べて気孔率が大きい高気孔率部が形成されたことにある。この場合、隣り合う前記燃料極の両方と前記介在物との間に前記隙間又は前記高気孔率部がそれぞれ形成されると、より好ましい。

これによれば、「隙間」又は「高気孔率部」の形成により、燃料極の還元収縮・酸化膨張が発生しても、前記介在物が燃料極から引張・圧縮応力を受け難い。換言すれば、「隙間」又は「高気孔率部」が「緩衝領域」として機能する。この結果、燃料極の還元収縮・酸化膨張が発生しても、前記介在物の内部等にクラック等が発生し難くなる。この結果、ガスシール部のガスシール機能が低下したり、電気的接続部の導電性が低下するなどの問題が発生し難くなる。

本発明に係る燃料電池の構造体を示す斜視図である。 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１に示す支持基板を示す斜視図である。 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。 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。 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。 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。 本発明に係る燃料電池の構造体の第４変形例の図２に対応する断面図である。 図１６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。 本発明に係る燃料電池の構造体の第５変形例の図２に対応する断面図である。 本発明に係る燃料電池の構造体の第６変形例の図１４に対応する断面図である。 本発明に係る燃料電池の構造体の第７変形例の図１５に対応する断面図である。 本発明に係る燃料電池の構造体の第８変形例の図１６に対応する断面図である。

（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。

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。

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５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、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。

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Ｙ_２Ｏ_３（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ＭｇＡｌ_２Ｏ_４（マグネシアアルミナスピネル）とから構成されてもよい。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。

図２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、直方体状の燃料極２０の全体が、燃料極２０の側壁と凹部１２の側壁との間に（燃料極２０の周囲に亘って）「隙間」が形成されるように、埋設されている。即ち、本例では、隣り合う燃料極２０、２０の間の領域に「支持基板１０の一部からなる介在物」が介在していて、隣り合う燃料極２０、２０の両方と「介在物」との間に隙間がそれぞれ形成されている。この隙間の幅Ｌ（図２を参照）は、０．５〜１００μｍである。本例では、「支持基板１０の一部からなる介在物」は、支持基板１０における隣り合う凹部１２、１２間の突出部に対応する。

燃料極２０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。燃料極２０は、後述する固体電解質膜４０に接する燃料極活性部２２と、燃料極活性部２２以外の残りの部分である燃料極集電部２１とから構成される。燃料極活性部２２を上方からみた形状は、凹部１２が存在する範囲に亘って幅方向に延びる長方形である。

燃料極２０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の上面と支持基板１０の主面との間で段差が形成されていない。

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Ｙ_２Ｏ_３（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。

各燃料極２０（より具体的には、各燃料極集電部２１）の上面の所定箇所には、インターコネクタ３０が形成されている。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。インターコネクタ３０を上方からみた形状は、燃料極２０が存在する範囲に亘って幅方向に延びる長方形である。インターコネクタ３０は、例えば、ＬａＣｒＯ_３（ランタンクロマイト）から構成され得る。或いは、（Ｓｒ，Ｌａ）ＴｉＯ_３（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。

複数の燃料極２０が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が形成された部分を除いた全面は、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。

即ち、複数の燃料極２０が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。ここで、緻密材料からなる「インターコネクタ３０及び固体電解質膜４０」が、「ガスシール部」に対応する。

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。

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。

反応防止膜５０は、例えば、ＧＤＣ＝（Ｃｅ，Ｇｄ）Ｏ_２（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）Ｏ_３（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）ＦｅＯ_３（ランタンストロンチウムフェライト）、ＬＮＦ＝Ｌａ（Ｎｉ，Ｆｅ）Ｏ_３（ランタンニッケルフェライト）、ＬＳＣ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３（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。

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。

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。

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。

空気極集電膜７０は、例えば、ＬＳＣＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ_３（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）ＣｏＯ_３（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。

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、「電気的接続部」に対応する。

以上、説明した「横縞型」のＳＯＦＣの構造体に対して、図３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）・Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２− （於：空気極６０） …（１）
Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻
（於：燃料極２０） …（２）

発電状態においては、図４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３に示すように、このＳＯＦＣの構造体全体から（具体的には、図３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。

（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５〜図１２を参照しながら簡単に説明する。図５〜図１２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。

先ず、図５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５に示す６−６線に対応する部分断面を表す図６〜図１２を参照しながら説明を続ける。

図６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７に示すように、支持基板の成形体１０ｇの上下面における各凹部に、燃料極の成形体（２１ｇ＋２２ｇ）が埋設・形成される。この成形体（２１ｇ＋２２ｇ）は、成形体の側壁と凹部の側壁との間に（成形体の周囲に亘って）「隙間」が形成されるように、埋設・形成される。各燃料極の成形体（２１ｇ＋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。

次に、図８に示すように、各燃料極の成形体２１ｇの外側面の所定箇所に、インターコネクタの成形膜３０ｇが形成される。各インターコネクタの成形膜３０ｇは、例えば、インターコネクタ３０の材料（例えば、ＬａＣｒＯ_３）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。

次に、図９に示すように、複数の燃料極の成形体（２１ｇ＋２２ｇ）が埋設・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が形成された部分を除いた全面に、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。

次に、図１０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。

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。

次に、図１１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。

次に、図１２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。

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。

（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、隣り合う燃料極２０、２０の間の領域に「支持基板１０の一部からなる介在物」（＝支持基板１０における隣り合う凹部１２、１２間の突出部）が介在していて、隣り合う燃料極２０、２０の両方と「介在物」との間に「隙間」がそれぞれ形成されている。ここで、「隙間」が形成されているとは、両者が完全に離間している状態を指す。

これによれば、上記「隙間」の形成により、燃料極２０において（特に、支持基板１０の主面の延在方向に沿う方向に）還元収縮・酸化膨張が発生しても、「介在物」が燃料極から引っ張り・圧縮応力を受け難い。換言すれば、「隙間」が「緩衝領域」として機能する。この結果、燃料極２０の還元収縮・酸化膨張に起因して、「介在物」を取り巻く固体電解質膜４０と「介在物」との界面近傍等にクラック等が発生する事態が発生し難くなる。この結果、ガスシール部（＝固体電解質膜４０＋インターコネクタ３０）のガスシール機能の低下などの問題が発生し難くなる。

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。

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。

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５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、楕円形等であってもよい。

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１３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。また、上記実施形態においては、燃料極２０が燃料極集電部２１と燃料極活性部２２との２層で構成されているが、燃料極２０が燃料極活性部２２に相当する１層で構成されてもよい。

また、上記実施形態においては、隣り合う燃料極２０、２０の両方と「介在物」との間に「隙間」がそれぞれ形成されている（即ち、隣り合う燃料極２０、２０の何れとも「介在物」が接触していない）が、隣り合う燃料極２０、２０の一方と「介在物」との間にのみ「隙間」が形成され、隣り合う燃料極２０、２０の他方と「介在物」との間に「隙間」が形成されていなくてもよい。即ち、隣り合う燃料極２０、２０の一方と「介在物」とが接触しておらず、隣り合う燃料極２０、２０の他方と「介在物」とが接触していてもよい。

また、上記実施形態においては、隣り合う燃料極２０、２０の間の領域に介在する「介在物」として、「支持基板１０の一部からなる介在物」（＝支持基板１０における隣り合う凹部１２、１２間の突出部）が存在しているが、図１４に示すように、「介在物」として、「ガスシール部の一部からなる介在物」が存在していてもよい。図１４に示す例では、「介在物」として、「ガスシール部の一部」である「固体電解質膜４０と同じ材質の緻密膜」が存在しているが、「ガスシール部の一部」である「固体電解質膜４０と異なる材質の緻密膜」が存在していてもよい。

また、図１５に示すように、「介在物」として、「ガスシール部の一部と電気的接続部の一部とからなる介在物」が存在していてもよい。図１５に示す例では、「介在物」として、「ガスシール部の一部」である「固体電解質膜４０と同じ材質の緻密膜」と「電気的接続部の一部」である「インターコネクタ３０と同じ材質の緻密膜」とが存在しているが、「ガスシール部の一部」である「固体電解質膜４０と異なる材質の緻密膜」と「電気的接続部の一部」である「インターコネクタ３０と異なる材質の緻密膜」とが存在していてもよい。

また、上記実施形態では、インターコネクタ３０が燃料極２０の外側面に形成（積層）されているが、図１６及び図１７に示すように、インターコネクタ３０が燃料極２０の外側面に形成された凹部内に埋設されていてもよい。以下、上記実施形態に対する、図１６及び図１７に示す形態の主たる相違点について簡単に説明する。

図１６及び図１７に示す形態では、支持基板１０の主面（上下面）には、複数の凹部１２が長手方向において所定の間隔をおいて形成されている。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。支持基板１０の上面（主面）に形成された各凹部１２には、直方体状の燃料極集電部２１の全体が、燃料極集電部２１の側壁と凹部１２の側壁との間に（燃料極集電部２１の周囲に亘って）「隙間」が形成されるように、埋設されている。換言すれば、隣り合う燃料極集電部２１、２１の間の領域に「支持基板１０の一部からなる介在物」が介在していて、隣り合う燃料極集電部２１、２１の両方と「介在物」との間に隙間がそれぞれ形成されている。本例では、「支持基板１０の一部からなる介在物」は、支持基板１０における隣り合う凹部１２、１２間の突出部に対応する。

なお、この例では、隣り合う燃料極集電部２１，２１の両方と「介在物」（＝隣り合う凹部１２、１２間の突出部）との間に「隙間」がそれぞれ形成されている（即ち、隣り合う燃料極２０、２０の何れとも「介在物」が接触していない）が、隣り合う燃料極集電部２１、２１の一方と「介在物」との間にのみ「隙間」が形成され、隣り合う燃料極集電部２１、２１の他方と「介在物」との間に「隙間」が形成されていなくてもよい。即ち、隣り合う燃料極集電部２１、２１の一方と「介在物」とが接触しておらず、隣り合う燃料極集電部２１、２１の他方と「介在物」とが接触していてもよい。

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。

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。

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、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る。

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４つの側壁（長手方向に沿う２つの側壁と、幅方向に沿う２つの側壁）と底面とは、凹部２１ｂ内で燃料極集電部２１と接触している。

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。

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Ｙ_２Ｏ_３（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。

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。

インターコネクタ３０は、例えば、ＬａＣｒＯ_３（ランタンクロマイト）から構成され得る。或いは、（Ｓｒ，Ｌａ）ＴｉＯ_３（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。

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。

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。

図１６に示すように、この例では、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。

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。

反応防止膜５０は、例えば、ＧＤＣ＝（Ｃｅ，Ｇｄ）Ｏ_２（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）Ｏ_３（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）ＦｅＯ_３（ランタンストロンチウムフェライト）、ＬＮＦ＝Ｌａ（Ｎｉ，Ｆｅ）Ｏ_３（ランタンニッケルフェライト）、ＬＳＣ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３（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。

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。

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１６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。

各組の隣り合う発電素子部Ａ，Ａについて、一方の（図１６では、左側の）発電素子部Ａの空気極６０と、他方の（図１６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。

空気極集電膜７０は、例えば、ＬＳＣＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ_３（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）ＣｏＯ_３（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。

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１６では、左側の）発電素子部Ａの空気極６０と、他方の（図１６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。

なお、インターコネクタ３０は、前記「電気的接続部」における前記「緻密な材料で構成された第１部分」に対応し、気孔率は１０％以下である。空気極集電膜７０は、前記「電気的接続部」における前記「多孔質の材料で構成された第２部分」に対応し、気孔率は２０〜６０％である。

以上、図１６及び図１７に示す形態では、上記実施形態と同様の理由によって、「隙間」が「緩衝領域」として機能する。この結果、燃料極２０の還元収縮・酸化膨張に起因して、「介在物」を取り巻く固体電解質膜４０と「介在物」との界面近傍等にクラック等が発生する事態が発生し難くなる。この結果、ガスシール部（＝固体電解質膜４０＋インターコネクタ３０）のガスシール機能の低下などの問題が発生し難くなる。

また、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。

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。

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４つの側壁（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。

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。

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。なお、上記実施形態では、「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。

また、図２、図１４、図１５、図１６に示した上記各実施形態では、燃料極集電部２１と「介在物」との間に「隙間」がそれぞれ形成されている。これに対し、図２、図１４、図１５、図１６にそれぞれ対応する図１８、図１９、図２０、図２１に示す形態のように、燃料極集電部２１と「介在物」との間に、「隙間」に代えて、「高気孔率部Ｂ」が形成されてもよい。高気孔率部Ｂは、多孔質で構成されていて、燃料極集電部２１及び「介在物」と比べて気孔率が大きい部分である。具体的には、「介在物」が多孔質の場合（図１８及び図２１に示す支持基板１０の突出部の場合）、「介在物」の気孔率が２０〜６０％であり、燃料極集電部２１（内側電極）の気孔率が２５〜５０％であり、高気孔率部Ｂの気孔率が２５〜８０％である。

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

Claims (6)

1. 燃料ガス流路が内部に形成された多孔質の支持基板と、
   前記支持基板の外側面における互いに離れた複数の箇所にそれぞれ設けられ、少なくとも燃料極、固体電解質、及び空気極がこの順に積層されてなる複数の発電素子部と、
   １組又は複数組の隣り合う前記発電素子部の間にそれぞれ設けられ、隣り合う前記発電素子部の一方の燃料極と他方の空気極とを電気的に接続する１つ又は複数の電気的接続部と、
   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、前記燃料極に供給される燃料ガスと前記空気極に供給される酸素を含むガスとの混合を防止する緻密材料からなるガスシール部と、
   を備えた固体酸化物形燃料電池の構造体において、
   隣り合う前記発電素子部にそれぞれ属する隣り合う前記燃料極の間の領域に、前記支持基板の一部、前記電気的接続部の一部、及び前記ガスシール部の一部のうちの何れか１つ又は２つ以上からなる介在物が介在していて、隣り合う前記燃料極の一方又は両方と前記介在物との間に、隙間、又は、前記燃料極及び前記介在物と比べて気孔率が大きい高気孔率部が形成された、固体酸化物形燃料電池の構造体。
2. 請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池の構造体において、
   隣り合う前記燃料極の両方と前記介在物との間に前記隙間又は前記高気孔率部がそれぞれ形成された、固体酸化物形燃料電池の構造体。
3. 請求項１又は請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池の構造体において、
   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前記燃料極活性部に対して酸化物イオン伝導性を有する物質の含有割合が小さい燃料極集電部とから構成された、固体酸化物形燃料電池の構造体。
4. 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、
   を備えた固体酸化物形燃料電池の構造体において、
   前記各電気的接続部は、緻密な材料で構成された第１部分と、前記第１部分と接続され且つ多孔質の材料で構成された第２部分とで構成され、
   前記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形成された第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、
   対応する前記電気的接続部の第１部分が埋設された前記各第２凹部は、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し、
   前記支持基板における隣り合う前記第１凹部の間の突出部と、前記隣り合う第１凹部にそれぞれ埋設された隣り合う前記内側電極の一方又は両方と、の間に、隙間、又は、前記内側電極及び前記突出部と比べて気孔率が大きい高気孔率部が形成された、固体酸化物形燃料電池の構造体。
5. 請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の固体酸化物形燃料電池の構造体において、
   前記隙間が形成される場合、前記隙間の幅は０．５〜１００μｍである、固体酸化物形燃料電池の構造体。
6. 請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の固体酸化物形燃料電池の構造体において、
   前記高気孔率部が形成される場合、前記介在物又は前記突出部の気孔率が２０〜６０％であり、前記燃料極又は前記内側電極の気孔率が２５〜５０％であり、前記高気孔率部の気孔率が２５〜８０％である、固体酸化物形燃料電池の構造体。

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