JP5417516B1 - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】ガス流路が内部に形成された多孔質の平板状の支持基板を備えた燃料電池において、支持基板の側端部を覆う「側端部絶縁膜」におけるクラックの発生を抑制すること。
【解決手段】この燃料電池は、Ｎｉ元素を含まない多孔質の絶縁性セラミックス材料で構成され、複数のガス流路１１が長手方向に沿って内部に形成された平板状の多孔質の支持基板１０と、支持基板１０の主面に設けられ、少なくとも燃料極、固体電解質、及び空気極がこの順で積層された発電素子部と、を備えた焼成体である。支持基板１０における長手方向に沿って延びる一対の側端部を覆う緻密な側端部絶縁膜４５が、支持基板１０より気孔率が小さく、且つ、支持基板１０と同じ組成を有する材料で構成される。側端部絶縁膜４５の表面粗さは、算術平均粗さＲａで０．１３〜５．２μｍであり、側端部絶縁膜４５の厚さは、３〜４５μｍである。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池に関する。

従来より、「長手方向を有する平板状を呈し、Ｎｉ元素を含む絶縁性多孔質材料で構成され、１つ又は複数のガス流路が前記長手方向に沿って内部に形成された多孔質の支持基板」と、「前記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、「前記支持基板の主面における前記発電素子部が設けられていない部分、並びに、前記支持基板における前記長手方向に沿って延びる側端部、を覆う緻密な絶縁膜で構成され、前記燃料極に供給されるガスと前記空気極に供給されるガスとの混合を防止するガスシール部」と、を備えた焼成体である、所謂「横縞型」の固体酸化物形燃料電池が広く知られている（例えば、特許文献１を参照）。

係る焼成体である燃料電池では、燃料極等の導電性を獲得するため、燃料電池を作動させる前に、燃料電池に対して高温下（例えば、８００℃程度）にて還元ガスを供給する熱処理（以下、「還元処理」と呼ぶ。）が行われて、燃料電池が非還元体から還元体に移行される。

特開２０１２−９２２８号公報

ところで、上記のように、「Ｎｉ元素を含む絶縁性多孔質材料で構成された支持基板」を有する燃料電池（焼成体）に対して上述の還元処理が行われると、支持基板内のＮｉＯがＮｉに還元されることに起因して支持基板が膨張又は収縮する（還元寸法変化）。このように支持基板が還元寸法変化することは、支持基板と、「支持基板と接合されている各種部材」との接合面における剥離の発生等に繋がるので好ましくない。係る観点より、支持基板を「Ｎｉ元素を含まない多孔質の絶縁性セラミックス材料」で構成することが考えられる。

他方、支持基板と前記絶縁膜との間で構成材料の組成が異なると、両者の熱膨張率が異なること等に起因して、前記絶縁膜にクラックが発生する事態の発生が考えられる。通常、支持基板の側端部は外側に凸となる曲面形状を呈しており、その表面の曲率が大きい。従って、前記絶縁膜における「曲率が大きい支持基板の側端部を覆う部分」（以下、「側端部絶縁膜」とも呼ぶ）では、応力が集中してクラックが特に発生し易いと考えられる。

本発明は、上記問題に対処するためになされたものであり、その目的は、「ガス流路が内部に形成された多孔質の平板状の支持基板」を備えた燃料電池であって、支持基板の側端部を覆う「側端部絶縁膜」にクラックが発生する事態を抑制し得るものを提供することにある。

本発明に係る燃料電池は、上記と同様の支持基板と発電素子部と電気的接続部とガスシール部とを備える「横縞型」の燃料電池である。

この燃料電池の特徴は、「側端部絶縁膜」が、前記支持基板より気孔率が小さく、且つ、前記支持基板と同じ組成を有する材料で構成されたことにある。ここにおいて、前記支持基板の気孔率は、２０〜６０％であり、「側端部絶縁膜」（前記支持基板と同じ組成を有する材料で構成された部分）の気孔率は、０〜１０％であることが好適である。

上記構成によれば、支持基板と「側端部絶縁膜」との間で構成材料の組成が同じである。従って、「両者の熱膨張率が異なることに起因して「側端部絶縁膜」にクラックが発生する」という事態が発生し難い。

上記本発明に係る燃料電池は、通常の環境下で稼働される場合には、「側端部絶縁膜」にクラックが発生しない。しかしながら、燃料電池が熱応力的に過酷な環境下で稼働されると、側端部絶縁膜にクラックが発生する場合があった。

本発明者は、「側端部絶縁膜」の表面粗さが、算術平均粗さＲａで０．１３〜５．２μｍである場合に、そうでない場合と比べて、「側端部絶縁膜」においてクラックが発生し難くなることを見出した。更には、「側端部絶縁膜」の厚さが、３〜４５μｍである場合に、そうでない場合と比べて、「側端部絶縁膜」においてクラックがより一層発生し難くなることも見出した。これらの点の詳細については後述する。

本発明の実施形態に係る燃料電池セルを示す斜視図である。 図１に示す燃料電池セルの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に示す燃料電池セルの作動状態を説明するための図である。 図１に示す燃料電池セル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に示す燃料電池の製造過程における第５段階における支持基板の長手方向の端面の図である。 図１に示す燃料電池の製造過程における第６段階における支持基板の長手方向の端面の図である。 図１に示す燃料電池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に示す燃料電池の製造過程における第８段階における図２に対応する断面図である。 図１に示す燃料電池の製造過程における第９段階における図２に対応する断面図である。 図１に示す燃料電池セルの第１変形例の図２に対応する断面図である。 図１に示す燃料電池セルの第２変形例の図２に対応する断面図である。 図１に示す燃料電池セルの第３変形例の図２に対応する断面図である。 図１に示す燃料電池セルの第４変形例の図３に対応する断面図である。

（構成）
図１は、本発明に係る固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）セルの実施形態を示す。このＳＯＦＣセル１００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。

このセル１００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Ｌ１が５〜５０ｃｍで長手方向に直交する幅方向（ｙ軸方向）の長さＬ２（＜Ｌ１）が１〜１０ｃｍの長方形である。このＳＯＦＣの全体の厚さＬ３（＜Ｌ２）は、１〜５ｍｍである。このＳＯＦＣ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。支持基板１０における長手方向に沿って延びる一対の側端部（ｙ軸方向の両側の側面）は、外側に凸となる曲面形状を呈している。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。各燃料ガス流路１１の断面形状は直径Ｄが０．５〜３ｍｍの円形である。隣り合う燃料ガス流路１１、１１の幅方向における間隔（ピッチ）Ｐは１〜５ｍｍである。なお、各燃料ガス流路１１の断面形状は、楕円形、長穴、四隅に円弧を有する四角形等であってもよい。また、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。

支持基板１０は、Ｎｉ元素を含まない絶縁性セラミックス材料で構成される。この材料としては、例えば、「ＭｇＯ（酸化マグネシウム）とＹ_２Ｏ_３（酸化イットリウム）の混合物（ＭｇＯ−Ｙ_２Ｏ_３）」、或いは、「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（ＭｇＯ−ＭｇＡｌ_２Ｏ_４）」が挙げられる。また、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）が含まれていても良い。このように、支持基板１０が絶縁性セラミックスで構成されることによって、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の気孔率は、２０〜６０％である。

支持基板１０の幅は１０〜１００ｍｍであり、厚さは、１〜５ｍｍである。支持基板１０のアスペクト比（幅／厚さ）は、５〜１００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には、インターコネクタ３０が埋設（充填）されている。従って、各インターコネクタ３０は直方体状を呈している。インターコネクタ３０は、電子伝導性を有する緻密な材料からなる焼成体である。各インターコネクタ３０の幅方向に沿う２つの側面と底面とは、凹部２１ｂ内で燃料極集電部２１と接触している。

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は、外部空間から支持基板１０への空気の進入を防止できる程度の緻密性を備えており、その気孔率は０〜１０％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主面（平面）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、外部空間から支持基板１０への空気の進入を防止できる程度の緻密性を備えており、その気孔率は０〜１０％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、３〜４５μｍである。

支持基板１０における長手方向に沿って延びる一対の側端部（ｙ軸方向の両側の側面）は、支持基板１０より気孔率が小さい絶縁膜（以下、「側端部絶縁膜」と呼ぶ）４５によりそれぞれ覆われている。各側端部絶縁膜４５は、外側に凸となる曲面形状を呈している。各側端部絶縁膜４５は、支持基板１０の上下面（互いに平行な両側の主面）を覆う固体電解質膜４０と連続している。側端部絶縁膜４５は、支持基板１０と同じ組成を有する材料（例えば、ＭｇＯ−Ｙ_２Ｏ_３、ＭｇＯ−ＭｇＡｌ_２Ｏ_４）で構成される焼成体である。側端部絶縁膜４５は、外部空間から支持基板１０への空気の進入を防止できる程度の緻密性を備えており、その気孔率は０〜１０％である。側端部絶縁膜４５の厚さは、３〜４５μｍ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と側端部絶縁膜４５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前記「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、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、上述のように、気孔率は０〜１０％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、説明した「横縞型」のＳＯＦＣ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の製造方法の一例について図６〜図１６を参照しながら簡単に説明する。図６〜図１６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１６（図１２、１３を除く）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、インターコネクタの成形体３０ｇがそれぞれ埋設・形成される。各インターコネクタの成形体３０ｇは、例えば、インターコネクタ３０の材料（例えば、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、及び図１２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主面（平面）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１３に示すように、支持基板の成形体１０ｇにおける長手方向に沿って延びる一対の側端部（ｙ軸方向の両側の側面）に、既に形成されている上下一対の固体電解質膜の成形膜４０ｇと連続するように、側端部絶縁膜の成形膜４５ｇがそれぞれ形成される。側端部絶縁膜の成形膜４５ｇは、例えば、支持基板１０の材料（例えば、ＭｇＯ−Ｙ_２Ｏ_３、ＭｇＯ−ＭｇＡｌ_２Ｏ_４）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１４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１５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１６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が得られる。以上、図１に示したＳＯＦＣの製造方法の一例について説明した。

なお、この時点では、酸素含有雰囲気での焼成により、支持基板１０、及び燃料極２０中のＮｉ成分が、ＮｉＯとなっている。従って、燃料極２０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。

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

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１７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１８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１９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、支持基板１０が平板状を呈しているが、円筒状を呈していても良い。

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２０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。

(作用・効果)
上述した実施形態では、支持基板１０と側端部絶縁膜４５との間で構成材料の組成が同じである。従って、「両者の熱膨張率が異なることに起因して側端部絶縁膜４５にクラックが発生する」という事態が発生しない。

なお、「支持基板１０がＮｉ元素を含まない材料で構成される」とは、「支持基板１０の全体がＮｉ元素を含まない材料で構成される」態様のみならず、「支持基板１０の大部分（半分以上の部分）がＮｉ元素を含まない材料で構成され、残りの一部分がＮｉ元素を含む材料で構成される」態様をも含む概念である。後者としては、例えば、「支持基板１０と燃料極２０との共焼成時に燃料極２０内のＮｉが拡散によって支持基板１０内に進入することに起因して支持基板１０における燃料極２０との界面の近傍領域のみにおいてＮｉ元素が含まれる」態様、或いは、「平板状の支持基板１０の上下面のそれぞれの発電素子部Ａ同士を電気的に接続するために、支持基板１０の一部分のみに導電性を有するＮｉ元素が含まれる」態様、が考えられる。

また、上述した実施形態では、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。

（側端部絶縁膜の表面粗さ）
一般に、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）では、燃料極の導電性を獲得するため、ＳＯＦＣを作動させる前に、焼成体であるＳＯＦＣ（の燃料極）に対して高温下（例えば、８００℃程度）にて還元ガスを供給する熱処理（以下、「還元処理」と呼ぶ。）を行って、燃料極を構成するＮｉＯをＮｉへと還元する必要がある。即ち、ＳＯＦＣ（の燃料極）を非還元体から還元体に移行する必要がある。

なお、還元処理によって還元体となったＳＯＦＣを、その後において８００℃程度から常温まで降温する過程において、４００℃前後に降温されるまでＳＯＦＣ（の燃料極）を還元雰囲気に曝し続けた場合、その後の常温下でもＳＯＦＣ（の燃料極）が還元体に維持される。一方、還元処理によって還元体となったＳＯＦＣが４００℃前後に降温されるまでにＳＯＦＣ（の燃料極）が酸化雰囲気に曝された場合、燃料極が再酸化して、その後の常温下にてＳＯＦＣ（の燃料極）が非還元体に維持され得る。即ち、ＳＯＦＣ（の燃料極）が還元体から非還元体へと戻り得る。更には、係る再酸化によってＳＯＦＣ（の燃料極）が非還元体となっている状態でＳＯＦＣに対して８００℃程度で還元処理を再び行うことにより、ＳＯＦＣ（の燃料極）は非還元体から還元体へと再び移行し得る。以上のように、焼成体である（製造後の）ＳＯＦＣの状態は、その後の使用条件に応じて、還元体及び非還元体の何れの状態にもなり得る。

上述のように、一対の側端部絶縁膜４５は、外側（ｙ軸方向）に凸となる曲面形状を呈している。従って、側端部絶縁膜４５は、その表面に曲率が大きいことに起因するクラックが発生し易い形状を呈しているといえる。上記還元処理によって還元体となった上記実施形態に係る燃料電池（スタック構造体）が、通常の環境下で稼働される場合には、側端部絶縁膜４５にクラックが発生しない。しかしながら、燃料電池（スタック構造体）が熱応力的に過酷な環境下で稼働されると、側端部絶縁膜４５にクラックが発生する場合があった。本発明者は、係るクラックの発生が、「側端部絶縁膜４５の表面粗さ」と強い相関があることを見出した。以下、このことを確認した試験Ａについて説明する。

（試験Ａ）
試験Ａでは、上記実施形態に係る燃料電池について、支持基板１０及び側端部絶縁膜４５の材質、並びに、側端部絶縁膜４５の表面粗さの組み合わせが異なる複数のサンプルが作製された。具体的には、表１に示すように、１４種類の水準（組み合わせ）が準備された。各水準に対して１０個のサンプル（Ｎ＝１０）が作製された。表面粗さとして、ＪＩＳ
Ｂ ０６０１：２００１で定義される「算術平均粗さＲａ」が採用された。表１に記載された表面粗さの値は、焼成体である上記実施形態の完成後、且つ、上記還元処理後の段階での値（Ｎ＝１０の平均値）である。表面粗さの測定は、側端部絶縁膜４５の長手方向に沿って行われた。この測定に使用された表面粗さ計は、ＴＡＹＬＯＲ
ＨＯＢＳＯＮ社製のＦｏｒｍ ＴａｌｙＳｕｒｆ Ｐｌｕｓである。触針部の曲率半径は２μｍである。

各サンプル（図１に示す燃料電池）にて使用された支持基板１０としては、材料の気孔率が２０〜６０％であり、厚さ、幅がそれぞれ、２．５ｍｍ、５０ｍｍ（即ち、アスペクト比が２０）であり、ガス流路１１の断面形状が直径１．５ｍｍの円形であり、隣接するガス流路１１、１１間のピッチＰが５．０ｍｍのものが使用された。各サンプルでは、上述と同様、支持基板成形体、燃料極成形体、固体電解質膜成形体、並びに、側端部絶縁膜成形体が共焼成された。その後、各サンプルに対して還元処理が行われた。各サンプルにおいて、側端部絶縁膜４５の厚さは、５〜１０μｍであった。

「側端部絶縁膜の表面粗さ」の調整は、支持基板１０の表面粗さ、側端部絶縁膜材料の平均粒径、スラリー粘度、ディップコーティング時の引き上げ速度等を調整することにより達成された。具体的には、支持基板の表面粗さ（Ｒａ）は０．２５〜２．５μｍ、側端部絶縁膜材料の平均粒径は０．３〜１．２μｍ、スラリー粘度は１〜１００００ｍＰａ・ｓ、引き上げ速度は０．１〜３０ｍｍ/ｓｅｃの範囲内で調整された。焼成温度は、１３００〜１６００℃の範囲内で調整された。焼成時間は、１〜２０時間の範囲内で調整された。還元処理温度は、８００〜１０００℃の範囲内で調整された。還元処理時間は、１〜１０時間の範囲内で調整された。

そして、上記還元処理後の段階（還元状態）における各サンプルについて、「燃料極２０に還元性の燃料ガスを流通させながら、雰囲気温度を常温から７５０℃まで２時間で上げた後に７５０℃から常温まで４時間で下げるパターン」を１００回繰り返す熱サイクル試験を行った。そして、各サンプルについて、側端部絶縁膜４５におけるクラックの発生の有無が確認された。この確認は、目視、並びに、顕微鏡を使用した観察によってなされた。この結果は表１に示すとおりである。

表１から理解できるように、熱応力的に過酷な上記熱サイクル試験を行った後では、側端部絶縁膜４５の表面粗さが算術平均粗さＲａで５．２μｍを超えると、理由は不明であるが、側端部絶縁膜４５にクラックが発生し易い。一方、側端部絶縁膜４５の表面粗さが算術平均粗さＲａで５．２μｍ以下であると、前記クラックが発生し難い、ということができる。

また、上述のように、各サンプルにて形成された側端部絶縁膜４５は、支持基板１０、燃料極２０、及び固体電解質膜４０との共焼成によって形成されている。この場合、側端部絶縁膜４５の表面粗さを算術平均粗さＲａで０．１３μｍ未満とすることはできなかった。以上より、側端部絶縁膜４５の表面粗さが算術平均粗さＲａで０．１３〜５．２μｍの範囲内であると、そうでない場合と比べて、側端部絶縁膜４５にクラックが発生し難い、ということができる。
ことが好ましい。

なお、本発明者は、通常の条件・環境下（例えば、常温から７５０℃まで４時間で上げた後に７５０℃から常温まで１２時間で下げるパターン）にて上記実施形態が使用される場合、側端部絶縁膜４５の表面粗さが算術平均粗さＲａで０．１３〜５．２μｍの範囲外であっても、側端部絶縁膜４５にクラックが発生しないことを別途確認している。

以上の結果は、各ガス流路１１の断面形状が円形の場合に対応するが、各ガス流路１１の断面形状が楕円形、長穴、四隅に円弧を有する四角形等であっても同じ結果が得られることが既に確認されている。また、この結果は、支持基板のアスペクト比が２０の場合に対応するが、支持基板のアスペクト比が５〜１００の範囲内であれば、同じ結果が得られることが既に確認されている。更に、この結果は、支持基板１０の一対の側端部（従って、一対の側端部絶縁膜）が外側に凸となる曲面形状を呈している場合に対応するが、支持基板１０の一対の側端部（従って、一対の側端部絶縁膜）が平面形状を呈している場合であっても、同じ結果が得られることが既に確認されている。また、側端部絶縁膜４５の表面粗さは、側端部絶縁膜４５の全域に亘って均一であることが望ましい。

（側端部絶縁膜の厚さ）
また、本発明者は、側端部絶縁膜４５の表面粗さが０．１３〜５．２μｍである場合において、側端部絶縁膜４５の厚さＴ１（図１を参照）が３〜４５μｍであると、側端部絶縁膜４５においてクラックがより一層発生し難くなることも見出した。以下、このことを確認した試験Ｂについて説明する。

（試験Ｂ）
試験Ｂでは、上記実施形態に係る燃料電池について、支持基板１０及び側端部絶縁膜４５の材質、側端部絶縁膜４５の表面粗さ、及び、側端部絶縁膜４５の厚さＴ１の組み合わせが異なる複数のサンプルが作製された。具体的には、表２に示すように、１１種類の水準（組み合わせ）が準備された。各水準に対して１０個のサンプル（Ｎ＝１０）が作製された。各サンプルの側端部絶縁膜４５の表面粗さは全て、０．３〜０．８μｍの範囲内となっている。

各サンプルのその他の寸法等は、試験Ａのものと同様である。「側端部絶縁膜の厚さ」の調整は、側端部絶縁膜の成形体（焼成前の状態）の膜厚の調整によって達成され得る。

そして、上記還元処理後の段階（還元状態）における各サンプルについて、試験Ａで実行された熱サイクル試験より熱応力的に過酷な熱サイクル試験、即ち、「燃料極２０に還元性の燃料ガスを流通させながら、雰囲気温度を常温から７５０℃まで１時間で上げた後に７５０℃から常温まで２時間で下げるパターン」を１００回繰り返す熱サイクル試験を行った。そして、各サンプルについて、側端部絶縁膜４５におけるクラックの発生の有無が確認された。この確認は、目視、並びに、顕微鏡を使用した観察によってなされた。この結果は表２に示すとおりである。

表２から理解できるように、側端部絶縁膜４５の厚さＴ１が３〜４５μｍの範囲外では、理由は不明であるが、側端部絶縁膜４５にクラックが発生し易い。一方、側端部絶縁膜４５の厚さＴ１が３〜４５μｍの範囲内であると、前記クラックが発生し難い、ということができる。

以上の結果は、各ガス流路１１の断面形状が円形の場合に対応するが、各ガス流路１１の断面形状が楕円形、長穴、四隅に円弧を有する四角形等であっても同じ結果が得られることが既に確認されている。また、この結果は、支持基板１０のアスペクト比が２０の場合に対応するが、支持基板１０のアスペクト比が５〜１００の範囲内であれば、同じ結果が得られることが既に確認されている。更に、この結果は、支持基板１０の一対の側端部（従って、一対の側端部絶縁膜）が外側に凸となる曲面形状を呈している場合に対応するが、支持基板１０の一対の側端部（従って、一対の側端部絶縁膜）が平面形状を呈している場合であっても、同じ結果が得られることが既に確認されている。また、側端部絶縁膜４５の厚さは、側端部絶縁膜４５の全域に亘って均一であることが望ましい。

以上、表１、表２の結果より、側端部絶縁膜４５の表面粗さが算術平均粗さＲａで０．１３〜５．２μｍの範囲内であると、側端部絶縁膜４５にクラックが発生し難く、更に、側端部絶縁膜４５の厚さＴ１が３〜４５μｍの範囲内にあると、前記クラックがより一層発生し難い、ということができる。

なお、側端部絶縁膜４５の保護等の目的で、側端部絶縁膜４５の表面に更に、ガラス材料等で構成されるコーティング層が形成される場合がある。この場合であっても、「側端部絶縁膜４５の表面粗さが算術平均粗さＲａで０．１３〜５．２μｍの範囲内である場合に、そうでない場合と比べて側端部絶縁膜４５にクラックが発生し難い」という内容に変わりはない。

１０…支持基板、１１…燃料ガス流路、１２…凹部、２０…燃料極、４０…固体電解質膜、４５…側端部絶縁膜、６０…空気極、Ａ…発電素子部

Claims (6)

1. 長手方向を有する平板状を呈し、Ｎｉ元素を含まない多孔質の絶縁性セラミックス材料で構成され、１つ又は複数のガス流路が前記長手方向に沿って内部に形成された支持基板と、
   前記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、
   前記支持基板の主面における前記発電素子部が設けられていない部分、並びに、前記支持基板における前記長手方向に沿って延びる側端部、を覆う緻密な絶縁膜で構成され、前記燃料極に供給されるガスと前記空気極に供給されるガスとの混合を防止するガスシール部と、
   を備えた焼成体である燃料電池であって、
   前記絶縁膜における前記支持基板の側端部を覆う部分は、前記支持基板より気孔率が小さく、且つ、前記支持基板と同じ組成を有する材料で構成された、燃料電池。
2. 請求項１に記載の燃料電池において、
   前記絶縁膜における前記支持基板の側端部を覆う前記支持基板と同じ組成を有する材料で構成された部分の表面粗さが、算術平均粗さＲａで０．１３〜５．２μｍである、燃料電池。
3. 請求項２に記載の燃料電池において、
   前記絶縁膜における前記支持基板の側端部を覆う前記支持基板と同じ組成を有する材料で構成された部分の厚さが、３〜４５μｍである、燃料電池。
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において、
   前記支持基板の気孔率は、２０〜６０％であり、前記絶縁膜における前記支持基板の側端部を覆う前記支持基板と同じ組成を有する材料で構成された部分の気孔率は、０〜１０％である、燃料電池。
5. 請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の燃料電池において、
   前記支持基板の側端部は、外側に凸となる曲面状を呈している、燃料電池。
6. 請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載の燃料電池において、
   前記支持基板は平板状を呈し、
   前記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凹部がそれぞれ形成され、
   前記各凹部に、対応する前記発電素子部の燃料極がそれぞれ埋設された、燃料電池。

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