JP5116182B1 - 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、支持基板が外力を受けた場合において支持基板が変形し難く、且つ、内側電極に埋設されたインターコネクタと内側電極との間の電流の経路を適切に調整できるものを提供すること。
【解決手段】ガス流路１１が内部に形成された平板状の支持基板１０の主面に、電気的に直列に接続された複数の発電素子部Ａが配置される。支持基板１０の主面には、複数の発電素子部Ａに対応する複数の凹部１２がそれぞれ形成される。各凹部１２は、周方向に閉じた４つの側壁と、底壁とで画定された直方体状の窪みである。各凹部１２に、対応する発電素子部Ａの燃料極２０が埋設され、各燃料極２０の外側面に形成された直方体状の凹部２１ｂに、インターコネクタ３０が埋設される。インターコネクタ３０の底面と燃料極２０との界面にはインターコネクタ３０より導電率が大きい中間膜３５が介装される。
【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、「ガス流路が内部に形成された電子伝導性を有さない多孔質の支持基板」と、「前記支持基板の表面における互いに離れた複数の箇所にそれぞれ設けられ、燃料極、固体電解質、及び空気極が積層されてなる複数の発電素子部」と、「１組又は複数組の隣り合う前記発電素子部の間にそれぞれ設けられ、隣り合う前記発電素子部の一方の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。

特開平８−１０６９１６号公報 特開２００８−２２６７８９号公報

以下、支持基板の形状に着目する。特許文献１に記載の「横縞型」の固体酸化物形燃料電池の構造体では、支持基板が円筒状を呈している。円筒状の支持基板の表面（円筒面）には、燃料極を埋設するための複数の「環状溝」が軸方向の複数の箇所においてそれぞれ形成されている（図３を参照）。従って、支持基板において「環状溝」が形成された部分の外径が小さくなっている。このことに起因して、この構造体は、支持基板に曲げ方向やねじり方向の外力が加えられた場合に変形し易い構造であるといえる。

また、特許文献２に記載の「横縞型」の固体酸化物形燃料電池の構造体では、支持基板が長手方向を有する平板状を呈している。平板状の支持基板の主面（平面）には、燃料極等を埋設するための「長手方向に延び且つ長手方向に開放された長溝」が形成されている（図３（ｂ）を参照）。従って、支持基板において「長溝」が形成された部分の厚さが小さくなっている。

加えて、「長溝」は、長手方向に直交する幅方向の両端部において長手方向に延びる側壁を有する一方で、長手方向の両端部において幅方向に延びる側壁を有していない。即ち、「長溝」は、その周方向に閉じた側壁を有していない。従って、支持基板において「長溝」を囲む枠体が形成されていない。これらのことに起因して、この構造体は、特に支持基板にねじり方向の外力が加えられた場合に変形し易い構造であるといえる。以上のことから、「横縞型」の燃料電池の構造体において、支持基板が外力を受けた場合における支持基板の変形を抑制することが望まれていたところである。

更には、本発明者は、上述のように、支持基板の主面に形成された複数の第１凹部に内側電極がそれぞれ埋設される構成において、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における緻密材料で構成された部分（インターコネクタ）がそれぞれ埋設される構成を既に提案している（例えば、特願２０１１−９０３６３等を参照）。

この構成では、各インターコネクタは、対応する内側電極における「発電素子部を構成する部分（即ち、固体電解質及び外側電極が積層された部分）から支持基板の平面方向に延設された部分」の外側面に埋設される場合が多い（後述する図５、図１５を参照）。一般に、電流は、経路が短くなるように流れる。この場合、各インターコネクタの外側面からインターコネクタの内部に進入した電流は、対応する内側電極における「発電素子部を構成する部分」に向けて、支持基板の主面に沿う方向へ流れようとする。即ち、各インターコネクタの内部に進入した電流は、インターコネクタの側面と内側電極との界面を通って内部電極側に移動しようとする（後述する図１５を参照）。

このように、電流がインターコネクタの側面と内側電極との界面を通る構成では、燃料電池が長時間に亘って稼働された際、前記界面に剥離が発生することがあった。これは、以下の理由に基づくと考えられる。即ち、通常、係る「横縞型」の燃料電池では、小型軽量化のため、支持基板ができる限り薄く設計される。このことに起因して、内側電極の外側面に埋設されるインターコネクタも、できる限り薄くされる。即ち、各インターコネクタは、薄板状（平面形状が大きく且つ厚さが小さい形状）を呈し、その側面の面積が非常に小さい。従って、電流がインターコネクタの側面と内側電極との界面を通る際、電流が過剰に集中してジュール熱が多く発生し易い。このジュール熱によって前記界面近傍に局所的な温度分布が生じ、この結果、前記界面に剥離が発生し易いものと考えられる。

係る問題に対処するためには、インターコネクタと内側電極との間の電流の経路を積極的に制御すればよい。具体的には、上記の場合、電流が、「面積が小さいインターコネクタの側面」ではなく「面積が大きいインターコネクタの底面」を通るように、電流の経路を制御することが重要である。

本発明は、「横縞型」の燃料電池の構造体であって、支持基板が外力を受けた場合において支持基板が変形し難く、且つ、内側電極に埋設されたインターコネクタと内側電極との間の電流の経路を適切に調整できる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、ガス流路が内部に形成された電気絶縁性を有する平板状の多孔質の支持基板と、前記平板状の支持基板の主面における互いに離れた複数の箇所にそれぞれ設けられ「少なくとも内側電極、固体電解質、及び外側電極が積層されてなる複数の発電素子部」と、１組又は複数組の隣り合う前記発電素子部の間にそれぞれ設けられ、隣り合う前記発電素子部の一方の内側電極と他方の外側電極とを電気的に接続する電子伝導性を有する１つ又は複数の電気的接続部とを備える。即ち、この構造体は、「横縞型」の燃料電池の構造体である。

本発明に係る燃料電池の構造体の特徴は、前記各電気的接続部は、緻密な材料で構成された第１部分（インターコネクタ）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（の全体）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（の全体又は一部）がそれぞれ埋設されたことにある。

このように、本発明に係る「横縞型」の燃料電池の構造体では、内側電極を埋設するための各第１凹部が周方向に閉じた側壁を有している。換言すれば、支持基板において各第１凹部を囲む枠体がそれぞれ形成されている。従って、この構造体は、支持基板が外力を受けた場合に変形し難い構造であるといえる。

加えて、電気的接続部の第１部分が内側電極の外側面に形成された第２凹部に埋設されている。従って、第１凹部に埋設された内部電極の外側平面上に電気的接続部の第１部分が積層される（接触する）構成が採用される場合に比べて、内部電極と電気的接続部との界面の面積を大きくできる。従って、内部電極と電気的接続部との間における電子伝導性を高めることができる。この結果、燃料電池の発電出力を高めることができる。

この場合、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凹部が、前記内側電極の材料からなる底壁と、全周に亘って前記内側電極の材料からなる周方向に閉じた側壁とを有することが好適である。これによれば、内部電極と電気的接続部との界面の面積を更に大きくできる。従って、内部電極と電気的接続部との間における電子伝導性を更に高めることができる。

ここにおいて、前記第１凹部の平面形状（支持基板の主面に垂直の方向からみた場合の形状）は、例えば、長方形、正方形、円形、楕円形、長円形である。また、前記支持基板が長手方向を有し、且つ、前記複数の第１凹部が長手方向に沿って所定の間隔をおいて配置されていることが好適である。また、前記内側電極及び前記外側電極はそれぞれ、空気極及び燃料極であってもよいし、燃料極及び空気極であってもよい。

また、本発明に係る燃料電池の構造体の特徴は、前記埋設された前記各電気的接続部の第１部分（インターコネクタ）と前記内側電極との界面の一部に、インターコネクタより導電率が大きい部材、インターコネクタより導電率が小さい部材、又は空隙が設けられたことにもある。これによれば、インターコネクタと内側電極との界面のうち電流が通過する領域が積極的に調整されて、インターコネクタと内側電極との間の電流の経路が適切に調整され得る。

具体的には、前記各第２凹部が、前記内側電極の材料からなる底壁と、前記内側電極の材料からなる側壁とを有し、且つ、インターコネクタが薄板状を呈する場合、インターコネクタの底面と内側電極との界面のみに、インターコネクタより導電率が大きい部材が介装され得る。或いは、インターコネクタの側面と内側電極との界面のみに、インターコネクタより導電率が小さい部材が介装され得る。或いは、インターコネクタの側面と内側電極との界面のみに、空隙が設けられ得る。

これらの何れかによれば、電流が、「面積が小さいインターコネクタの側面」ではなく「面積が大きいインターコネクタの底面」を通るように、電流の経路を制御することができる。この結果、電流が「面積が小さいインターコネクタの側面」と内側電極との界面を通る際のジュール熱の発生に起因する前記界面の剥離の発生が抑制され得る。

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に示す支持基板の凹部に埋設された燃料極及びインターコネクタの状態を示した平面図である。 図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。 図１に示す燃料電池の構造体の製造過程における第８段階における図２に対応する断面図である。 比較例において、電流がインターコネクタと内側電極との間を通過する際の経路を示した模式図である。 本発明に係る燃料電池の構造体において、電流がインターコネクタと内側電極との間を通過する際の経路を示した模式図である。 本発明に係る燃料電池の構造体の第１変形例において、電流がインターコネクタと内側電極との間を通過する際の経路を示した模式図である。 本発明に係る燃料電池の構造体の第２変形例において、電流がインターコネクタと内側電極との間を通過する際の経路を示した模式図である。 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。 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３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（ｘ軸方向）を有する平板状の支持基板１０の上下面（互いに平行な両側の主面（平面））のそれぞれに、電気的に直列に接続された複数（本例では、４つ）の同形の発電素子部Ａが長手方向において所定の間隔をおいて配置された、所謂「横縞型」と呼ばれる構成を有する。

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５０〜５００ｍｍで長手方向に直交する幅方向（ｙ軸方向）の長さが１０〜１００ｍｍ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６に示すように、支持基板１０の内部には、長手方向に延びる複数（本例では、６本）の燃料ガス流路１１（貫通孔）が幅方向において所定の間隔をおいて形成されている。本例では、各凹部１２は、支持基板１０の材料からなる底壁と、全周に亘って支持基板１０の材料からなる周方向に閉じた側壁（長手方向に沿う２つの側壁と幅方向に沿う２つの側壁）と、で画定された直方体状の窪みである。各凹部１２の長さ（ｘ軸方向の寸法）は５〜５０ｍｍであり、幅（ｙ軸方向の寸法）は２〜９５ｍｍであり、深さ（ｚ軸方向の寸法）は０．０３〜１．５ｍｍである。

支持基板１０は、例えば、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４（マグネシアアルミナスピネル）、ＣＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）、ＮｉＯ（酸化ニッケル）、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、Ｙ_２Ｏ_３（イットリア）から選ばれる一つ以上の材料から構成される。

支持基板１０は、「遷移金属酸化物又は遷移金属」と、絶縁性セラミックスとを含んで構成され得る。「遷移金属酸化物又は遷移金属」としては、ＮｉＯ（酸化ニッケル）又はＮｉ（ニッケル）が好適である。遷移金属は、燃料ガスの改質反応を促す触媒（炭化水素系のガスの改質触媒）として機能し得る。

また、絶縁性セラミックスとしては、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）、又は、「ＭｇＡｌ_２Ｏ_４（マグネシアアルミナスピネル）とＭｇＯ（酸化マグネシウム）の混合物」が好適である。また、絶縁性セラミックスとして、ＣＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）、ＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）、Ｙ_２Ｏ_３（イットリア）が使用されてもよい。

このように、支持基板１０が「遷移金属酸化物又は遷移金属」を含むことによって、改質前の残存ガス成分を含んだガスが多孔質の支持基板１０の内部の多数の気孔を介して燃料ガス流路１１から燃料極に供給される過程において、上記触媒作用によって改質前の残存ガス成分の改質を促すことができる。加えて、支持基板１０が絶縁性セラミックスを含むことによって、支持基板１０の絶縁性を確保することができる。この結果、隣り合う燃料極間における絶縁性が確保され得る。

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及び図３に示すように、支持基板１０の上面（上側の主面）に形成された各凹部１２には、燃料極集電部２１の全体が埋設（充填）されている。従って、各燃料極集電部２１は直方体状を呈している。各燃料極集電部２１の上面（外側面）には、凹部２１ａが形成されている。各凹部２１ａは、燃料極集電部２１の材料からなる底壁と、周方向に閉じた側壁（長手方向に沿う２つの側壁と幅方向に沿う２つの側壁）と、で画定された直方体状の窪みである。周方向に閉じた側壁のうち、長手方向に沿う２つの側壁は支持基板１０の材料からなり、幅方向に沿う２つの側壁は燃料極集電部２１の材料からなる。

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、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２１ｂの長さ（ｘ軸方向の寸法）は０．２〜１０ｍｍであり、幅（ｙ軸方向の寸法）は２〜９５ｍｍであり、深さ（ｚ軸方向の寸法）は１０〜１００μｍ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（極めて薄い）直方体状を呈している。インターコネクタ３０は、電子伝導性を有する緻密な材料からなる焼成体である。各インターコネクタ３０の幅方向に沿う２つの側面と底面とは、凹部２１ｂ内で燃料極集電部２１と接触している。

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。

インターコネクタ３０と燃料極２０（の集電部２１）との界面のうち、インターコネクタ３０の底面と燃料極２０（の集電部２１）との界面のみに、中間膜３５が介装されている。中間膜３５は、例えば、ＮｉＯとＹ_２Ｏ_３(イットリア)の混合粉末、ＮｉＯとＧＤＣ(ガドリニアドープセリア)の混合粉末、ＮｉＯとＬａＣｒＯ_３の混合粉末、から構成される。

燃料極集電部２１の導電率は１００〜１０００Ｓ／ｃｍであり、インターコネクタ３０の導電率は０．５〜３０Ｓ／ｃｍであり、中間膜３５の導電率は２００〜２０００Ｓ/ｃｍである。即ち、中間膜３５の導電率は、インターコネクタ３０の導電率より大きい。また、中間膜３５の導電率は、燃料極集電部２１の導電率より大きくても小さくても良いが、燃料極集電部２１の導電率より大きいことが好ましい。中間膜３５の厚さは、２〜２０μｍである。中間膜３５は、インターコネクタ３０の底面の全域に存在していてもよいし、インターコネクタ３０の底面の一部にのみ存在していてもよい。

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。

なお、図２に示すように、本例では、固体電解質膜４０が、燃料極２０の上面、インターコネクタ３０の上面における長手方向の両側端部、及び支持基板１０の主面を覆っている。ここで、上述したように、燃料極２０の上面とインターコネクタ３０の上面と支持基板１０の主面との間で段差が形成されていない。従って、固体電解質膜４０が平坦化されている。この結果、固体電解質膜４０に段差が形成される場合に比して、応力集中に起因する固体電解質膜４０でのクラックの発生が抑制され得、固体電解質膜４０が有するガスシール機能の低下が抑制され得る。

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、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。中間膜３５の気孔率は２０〜６０％である。

以上、説明した「横縞型」のＳＯＦＣの構造体に対して、図４に示すように、支持基板１０の燃料ガス流路１１内に燃料ガス（水素ガス等）を流すとともに、支持基板１０の上下面（特に、各空気極集電膜７０）を「酸素を含むガス」（空気等）に曝す（或いは、支持基板１０の上下面に沿って酸素を含むガスを流す）ことにより、固体電解質膜４０の両側面間に生じる酸素分圧差によって起電力が発生する。更に、この構造体を外部の負荷に接続すると、下記（１）、（２）式に示す化学反応が起こり、電流が流れる(発電状態)。
（１／２）・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５に示すように、各組の隣り合う発電素子部Ａ，Ａについて、電流が、矢印で示すように流れる。この結果、図４に示すように、このＳＯＦＣの構造体全体から（具体的には、図４において最も手前側の発電素子部Ａのインターコネクタ３０と最も奥側の発電素子部Ａの空気極６０とを介して）電力が取り出される。

（製造方法）
次に、図１に示した「横縞型」のＳＯＦＣの構造体の製造方法の一例について図６〜図１４を参照しながら簡単に説明する。図６〜図１４において、各部材の符号の末尾の「ｇ」は、その部材が「焼成前」であることを表す。

先ず、図６に示す形状を有する支持基板の成形体１０ｇが作製される。この支持基板の成形体１０ｇは、例えば、支持基板１０の材料（例えば、ＣＳＺ）の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、押し出し成形、切削等の手法を利用して作製され得る。以下、図６に示す７−７線に対応する部分断面を表す図７〜図１４を参照しながら説明を続ける。

図７に示すように、支持基板の成形体１０ｇが作製されると、次に、図８に示すように、支持基板の成形体１０ｇの上下面に形成された各凹部に、燃料極集電部の成形体２１ｇがそれぞれ埋設・形成される。次いで、図９に示すように、各燃料極集電部の成形体２１ｇの外側面に形成された各凹部に、燃料極活性部の成形体２２ｇがそれぞれ埋設・形成される。各燃料極集電部の成形体２１ｇ、及び各燃料極活性部２２ｇは、例えば、燃料極２０の材料（例えば、ＮｉとＹＳＺ）の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法等を利用して埋設・形成される。

続いて、図１０に示すように、各燃料極集電部の成形体２１ｇの外側面における「燃料極活性部の成形体２２ｇが埋設された部分を除いた部分」に形成された各凹部に、先ず、中間膜の成形体３５ｇがそれぞれ埋設・形成され、その後、インターコネクタの成形体３０ｇがそれぞれ埋設・形成される。各中間膜の成形体３５ｇは、例えば、中間膜３５の材料（ＮｉＯとＹ_２Ｏ₃の混合粉末）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。各インターコネクタの成形体３０ｇは、例えば、インターコネクタ３０の材料（例えば、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埋設・形成される。

次に、図１１に示すように、複数の燃料極の成形体（２１ｇ＋２２ｇ）及び複数のインターコネクタの成形体３０ｇがそれぞれ埋設・形成された状態の支持基板の成形体１０ｇにおける長手方向に延びる外周面において複数のインターコネクタの成形体３０ｇが形成されたそれぞれの部分の長手方向中央部を除いた全面に、固体電解質膜の成形膜４０ｇが形成される。固体電解質膜の成形膜４０ｇは、例えば、固体電解質膜４０の材料（例えば、ＹＳＺ）の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法、ディッピング法等を利用して形成される。

次に、図１２に示すように、固体電解質膜の成形体４０ｇにおける各燃料極の成形体２２ｇと接している箇所の外側面に、反応防止膜の成形膜５０ｇが形成される。各反応防止膜の成形膜５０ｇは、例えば、反応防止膜５０の材料（例えば、ＧＤＣ）の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法等を利用して形成される。

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１３に示すように、各反応防止膜５０の外側面に、空気極の成形膜６０ｇが形成される。各空気極の成形膜６０ｇは、例えば、空気極６０の材料（例えば、ＬＳＣＦ）の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法等を利用して形成される。

次に、図１４に示すように、各組の隣り合う発電素子部について、一方の発電素子部の空気極の成形膜６０ｇと、他方の発電素子部のインターコネクタ３０とを跨ぐように、空気極の成形膜６０ｇ、固体電解質膜４０、及び、インターコネクタ３０の外側面に、空気極集電膜の成形膜７０ｇが形成される。各空気極集電膜の成形膜７０ｇは、例えば、空気極集電膜７０の材料（例えば、ＬＳＣＦ）の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法等を利用して形成される。

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。なお、この時点では、酸素含有雰囲気での焼成により、燃料極２０（集電部２１＋活性部２２）中のＮｉ成分が、ＮｉＯとなっている。従って、燃料極２０（集電部２１＋活性部２２）の導電性を獲得するため、その後、支持基板１０側から還元性の燃料ガスが流され、ＮｉＯが８００〜１０００℃で１〜１０時間に亘って還元処理される。なお、この還元処理は発電時に行われてもよい。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、支持基板１０の上下面に形成されている、燃料極２０を埋設するための複数の凹部１２のそれぞれが、全周に亘って支持基板１０の材料からなる周方向に閉じた側壁を有している。換言すれば、支持基板１０において各凹部１２を囲む枠体がそれぞれ形成されている。従って、この構造体は、支持基板１０が外力を受けた場合に変形し難い。

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の幅方向（ｙ軸方向）に沿う２つの側面と底面とが凹部２１ｂ内で燃料極集電部２１と接触している。従って、燃料極集電部２１の外側平面上に直方体状のインターコネクタ３０が積層される（接触する）構成が採用される場合に比べて、燃料極２０（集電部２１）とインターコネクタ３０との界面の面積を大きくできる。従って、燃料極２０とインターコネクタ３０との間における電子伝導性を高めることができ、この結果、燃料電池の発電出力を高めることができる。

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。

また、上記実施形態では、上述のように、インターコネクタ３０の底面と燃料極２０（の集電部２１）との界面に、インターコネクタ３０より導電率の大きい中間膜３５が介装されている。このことによる作用・効果について説明する。先ず、この作用・効果を説明するための準備として、図１５に示すように、上記実施形態に対して上記中間膜３５が介装されていないことのみが異なる比較例を想定する。

この比較例では、各インターコネクタ３０は、対応する燃料極集電部２１における「発電素子部Ａを構成する部分（即ち、固体電解質４０及び空気極６０が積層された部分）から支持基板１０の平面方向に延設された部分」の外側面に埋設されている。一般に、空気極集電膜７０、及び燃料極集電部２１の導電率は、インターコネクタ３０の導電率より約1桁〜２桁程度大きい。更に、インターコネクタ３０と燃料極集電部２１との界面は、異種材料が接合する領域であるため、界面抵抗が存在する。これらの条件下、この比較例では、電流は、インターコネクタ３０内の経路が最短となるようにインターコネクタ３０内を流れる。即ち、図１５の黒矢印で示すように、空気極集電膜７０を流れる電流は、「インターコネクタ３０の側面と燃料極集電部２１との界面」（図中のＺ部を参照）に近い位置からインターコネクタ３０に進入し、インターコネクタ３０内を最短経路で通過した後、「インターコネクタ３０の側面と燃料極集電部２１との界面」（図中のＺ部を参照）を通って、燃料極集電部２１（ひいては、燃料極集電部２１における「発電素子部Ａを構成する部分」、図中右方向）へ流れようとする。

このように、電流がインターコネクタ３０の側面と燃料極集電部２１との界面を通る構成では、燃料電池が長時間に亘って稼働された際、前記界面に剥離が発生することがあった。これは、以下の理由に基づくと考えられる。即ち、上述のように、この例では、各インターコネクタ３０は、極薄の板状（平面形状が大きく且つ厚さが小さい形状）を呈し、その側面の面積が非常に小さい。従って、電流がインターコネクタ３０の側面と燃料極集電部２１との界面を通る際、電流が過剰に集中してジュール熱が多く発生し易い。このジュール熱によって前記界面近傍に局所的な温度分布が生じ、この結果、前記界面に剥離が発生し易いものと考えられる。

これに対し、上記実施形態では、図１６に示すように、インターコネクタ３０の底面にインターコネクタ３０より導電率が大きい中間膜３５が設けられている。この層を挿入することによって、インターコネクタ３０と燃料極集電部２１間に存在する界面抵抗を大幅に減少することができる。従って、電流が、「面積が小さいインターコネクタ３０の側面」ではなく「面積が大きいインターコネクタ３０の底面」を通るように、電流の経路を制御することができる（図１６の黒矢印を参照）。この結果、電流が「面積が小さいインターコネクタ３０の側面」と燃料極集電部２１との界面を通る際のジュール熱の発生に起因する前記界面の剥離の発生が抑制され得る。

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、インターコネクタ３０の底面にのみインターコネクタ３０より導電率が大きい中間膜３５が設けられているが（図１６を参照）、図１７に示すように、インターコネクタ３０の側面にのみ空隙が設けられていてもよい。或いは、図１８に示すように、インターコネクタ３０の側面にのみインターコネクタ３０より導電率が小さい部材（例えば、電気絶縁体）が設けられていてもよい。これらによっても、上記実施形態と同様、電流が、「面積が小さいインターコネクタ３０の側面」ではなく「面積が大きいインターコネクタ３０の底面」を通るように、電流の経路を制御することができ、（図１７、図１８の黒矢印を参照）、上記実施形態と同じ作用・効果が奏され得る。

また、上記実施形態においては、図６等に示すように、支持基板１０に形成された凹部１２の平面形状（支持基板１０の主面に垂直の方向からみた場合の形状）が、長方形になっているが、例えば、正方形、円形、楕円形、長穴形状等であってもよい。

また、上記実施形態においては、各凹部１２にはインターコネクタ３０の全体が埋設されているが、インターコネクタ３０の一部のみが各凹部１２に埋設され、インターコネクタ３０の残りの部分が凹部１２の外に突出（即ち、支持基板１０の主面から突出）していてもよい。

また、上記実施形態において、凹部１２における底壁と側壁とのなす角度θが９０°になっているが、図１９に示すように、角度θが９０〜１３５°となっていてもよい。また、上記実施形態においては、図２０に示すように、凹部１２における底壁と側壁とが交差する部分が半径Ｒの円弧状になっていて、凹部１２の深さに対する半径Ｒの割合が０．０１〜１となっていてもよい。

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２１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。加えて、上記実施形態においては、「内側電極」及び「外側電極」がそれぞれ燃料極及び空気極となっているが、逆であってもよい。

加えて、上記実施形態においては、図３に示すように、燃料極集電部２１の外側面に形成された凹部２１ｂが、燃料極集電部２１の材料からなる底壁と、周方向に閉じた側壁（支持基板１０の材料からなる長手方向に沿う２つの側壁と、燃料極集電部２１の材料からなる幅方向に沿う２つの側壁）と、で画定された直方体状の窪みとなっている。この結果、凹部２１ｂに埋設されたインターコネクタ３０の幅方向に沿う２つの側面と底面とが凹部２１ｂ内で燃料極集電部２１と接触している。

これに対し、図２２に示すように、燃料極集電部２１の外側面に形成された凹部２１ｂが、燃料極集電部２１の材料からなる底壁と、全周に亘って燃料極集電部２１の材料からなる周方向に閉じた側壁（長手方向に沿う２つの側壁と、幅方向に沿う２つの側壁）と、で画定された直方体状の窪みであってもよい。これによれば、凹部２１ｂに埋設されたインターコネクタ３０の４つの側面の全てと底面とが凹部２１ｂ内で燃料極集電部２１と接触する。従って、燃料極集電部２１とインターコネクタ３０との界面の面積をより一層大きくできる。従って、燃料極集電部２１とインターコネクタ３０との間における電子伝導性をより一層高めることができ、この結果、燃料電池の発電出力をより一層高めることができる。

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、３５…中間膜、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 (4)

1. ガス流路が内部に形成された平板状の多孔質の支持基板と、
   前記平板状の支持基板の主面における互いに離れた複数の箇所にそれぞれ設けられ、少なくとも内側電極、固体電解質、及び外側電極が積層されてなる複数の発電素子部と、
   １組又は複数組の隣り合う前記発電素子部の間にそれぞれ設けられ、隣り合う前記発電素子部の一方の内側電極と他方の外側電極とを電気的に接続する１つ又は複数の電気的接続部と、
   を備えた燃料電池の構造体において、
   前記各電気的接続部は、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、前記第１部分は、ガスシール機能を有する程度に前記第２部分の気孔率より小さい気孔率を有し、前記第１部分は、前記隣り合う発電素子部の一方の内側電極と前記第２部分とに接続され、前記第２部分は、前記隣り合う発電素子部の他方の外側電極と前記第１部分とに接続され、
   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前記支持基板の材料からなる側壁とを有する第１凹部がそれぞれ形成され、前記支持基板の主面に垂直な方向にて外部からみたとき、前記第１凹部の側壁は、全周に亘って前記支持基板の材料からなり且つ周方向に閉じており、
   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における前記第１凹部の底面と反対側の面に、前記内側電極の材料からなる底壁と、前記内側電極の材料からなる側壁とを有する第２凹部がそれぞれ形成され、
   前記各第２凹部に、対応する前記電気的接続部の前記第１部分がそれぞれ埋設され、
   前記埋設された前記各電気的接続部の第１部分と前記内側電極との界面における前記第２凹部の底壁に対応する部分のみに、前記電気的接続部材の第１部分より導電率が大きい部材が介装された、燃料電池の構造体。
2. ガス流路が内部に形成された平板状の多孔質の支持基板と、
   前記平板状の支持基板の主面における互いに離れた複数の箇所にそれぞれ設けられ、少なくとも内側電極、固体電解質、及び外側電極が積層されてなる複数の発電素子部と、
   １組又は複数組の隣り合う前記発電素子部の間にそれぞれ設けられ、隣り合う前記発電素子部の一方の内側電極と他方の外側電極とを電気的に接続する１つ又は複数の電気的接続部と、
   を備えた燃料電池の構造体において、
   前記各電気的接続部は、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、前記第１部分は、ガスシール機能を有する程度に前記第２部分の気孔率より小さい気孔率を有し、前記第１部分は、前記隣り合う発電素子部の一方の内側電極と前記第２部分とに接続され、前記第２部分は、前記隣り合う発電素子部の他方の外側電極と前記第１部分とに接続され、
   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前記支持基板の材料からなる側壁とを有する第１凹部がそれぞれ形成され、前記支持基板の主面に垂直な方向にて外部からみたとき、前記第１凹部の側壁は、全周に亘って前記支持基板の材料からなり且つ周方向に閉じており、
   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における前記第１凹部の底面と反対側の面に、前記内側電極の材料からなる底壁と、前記内側電極の材料からなる側壁とを有する第２凹部がそれぞれ形成され、
   前記各第２凹部に、対応する前記電気的接続部の前記第１部分がそれぞれ埋設され、
   前記埋設された前記各電気的接続部の第１部分と前記内側電極との界面における前記第２凹部の側壁に対応する部分のみに、前記電気的接続部材の第１部分より導電率が小さい部材が介装された、燃料電池の構造体。
3. ガス流路が内部に形成された平板状の多孔質の支持基板と、
   前記平板状の支持基板の主面における互いに離れた複数の箇所にそれぞれ設けられ、少なくとも内側電極、固体電解質、及び外側電極が積層されてなる複数の発電素子部と、
   １組又は複数組の隣り合う前記発電素子部の間にそれぞれ設けられ、隣り合う前記発電素子部の一方の内側電極と他方の外側電極とを電気的に接続する１つ又は複数の電気的接続部と、
   を備えた燃料電池の構造体において、
   前記各電気的接続部は、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、前記第１部分は、ガスシール機能を有する程度に前記第２部分の気孔率より小さい気孔率を有し、前記第１部分は、前記隣り合う発電素子部の一方の内側電極と前記第２部分とに接続され、前記第２部分は、前記隣り合う発電素子部の他方の外側電極と前記第１部分とに接続され、
   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前記支持基板の材料からなる側壁とを有する第１凹部がそれぞれ形成され、前記支持基板の主面に垂直な方向にて外部からみたとき、前記第１凹部の側壁は、全周に亘って前記支持基板の材料からなり且つ周方向に閉じており、
   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における前記第１凹部の底面と反対側の面に、前記内側電極の材料からなる底壁と、前記内側電極の材料からなる側壁とを有する第２凹部がそれぞれ形成され、
   前記各第２凹部に、対応する前記電気的接続部の前記第１部分がそれぞれ埋設され、
   前記埋設された前記各電気的接続部の第１部分と前記内側電極との界面における前記第２凹部の側壁に対応する部分のみに、前記空隙が設けられた、燃料電池の構造体。
4. 請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の燃料電池の構造体において、
   前記支持基板の主面に垂直な方向にて外部からみたとき、前記第２凹部の側壁は、全周に亘って前記内側電極の材料からなる、燃料電池の構造体。

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