JP2014165067A

JP2014165067A - 固体酸化物形燃料電池セル

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Publication number: JP2014165067A
Application number: JP2013036037A
Authority: JP
Inventors: Makoto Koi; 真兒井
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2013-02-26
Filing date: 2013-02-26
Publication date: 2014-09-08
Anticipated expiration: 2033-02-26
Also published as: JP6039459B2

Abstract

【課題】発電性能を向上できるとともに、ガスシール性能を向上できる固体酸化物形燃料電池セルを提供する。
【解決手段】支持基板１０の主面における複数の箇所に設けれた第１凹部１２に発電素子部Ａの燃料極集電部２１がそれぞれ埋設され、第１凹部１２に埋設された各燃料極集電部２１の外側面に形成された第２凹部２１ａに、発電素子部Ａの燃料極活性部２２および固体電解質４１が埋設され、第１凹部１２に埋設された燃料極集電部２１に形成された第３凹部２１ｂに、インターコネクタ３０が埋設され、支持基板１０の外側面に、インターコネクタ３０の外側面と固体電解質４１の外側面とに掛け渡すようにガスシール層４０が設けられている。
【選択図】図２

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池セルに関するものである。

従来、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、この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た複数の発電素子部と、隣り合う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気的接続部と、平板状の支持基板の主面における複数の箇所に、底壁と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、該各第１凹部に、対応する発電素子部の燃料極集電部がそれぞれ埋設された固体酸化物形燃料電池セルが知られている（例えば、特許文献１参照）。

この特許文献１では、燃料極集電部の外側面に第２凹部が形成され、この第２凹部に電気的接続部が埋設され、さらに燃料極集電部の外側面に形成された第３凹部に燃料極活性部が埋設されており、燃料極活性部の表面に形成された固体電解質が電気的接続部の表面まで延設され、固体電解質と電気的接続部とで、燃料極側に供給された燃料ガスと、空気極側に供給された空気との混合を防止していた。

特開２０１２−３８７１８号公報

しかしながら、上記した特許文献１では、燃料極活性部の表面に形成された固体電解質を電気的接続部の表面まで延設して接続し、ガスシールしていたため、固体電解質を薄くして発電素子部の発電性能を向上させようとすると、薄い固体電解質にクラック等が入りやすく、ガスシール性能が低下し、逆にガスシール性能を向上すべく、固体電解質の厚みを厚くすると、発電素子部の発電性能が低下するという問題があった。

本発明は、発電性能を向上できるとともに、ガスシール性能を向上できる固体酸化物形燃料電池セルを提供することを目的とする。

本発明の固体酸化物形燃料電池セルは、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、該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、少なくとも燃料極、固体電解質および空気極が積層されてなる複数の発電素子部と、隣り合う前記発電素子部の間にそれぞれ設けられ、一方の前記発電素子部の燃料極と他方の前記発電素子部の空気極とを電気的に接続する電気的接続部とを備えるとともに、前記支持基板の主面における前記複数の箇所に、底壁と周方向に閉じた側壁とを有する第１凹部がそれぞれ設けられ、該各第１凹部に、対応する前記発電素子部の燃料極の集電部がそれぞれ埋設され、該第１凹部に埋設された燃料極集電部の外側面に形成された第２凹部に、前記燃料極集電部に対してイオン伝導性を有する物質の含有割合が多い燃料極活性部および前記固体電解質がそれぞれ埋設され、前記第１凹部に埋設された燃料極集電部の前記第２凹部が形成された位置と異なる位置の外側面に形成された第３凹部に、前記電気的接続部が埋設され、前記支持基板の外側面に、前記電気的接続部の外側面と前記固体電解質の外側面とに掛け渡すようにガスシール層が設けられていることを特徴とする。

また、本発明の固体酸化物形燃料電池セルは、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、該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、少なくとも燃料極、固体電解質および空気極が積層されてなる複数の発電素子部と、隣り合う前記発電素子部の間にそれぞれ設けられ、一方の前記発電素子部の燃料極と他方の前記発電素子部の空気極とを電気的に接続する電気的接続部とを備えるとともに、前記支持基板の主面における前記複数の箇所に、底壁と周方向に閉じた側壁とを有する第１凹部がそれぞれ設けられ、該各第１凹部に、対応する前記発電素子部の燃料極の集電部がそれぞれ埋設され、該第１凹部に埋設された燃料極集電部の外側面に形成された第２凹部に、前記燃料極集電部に対してイオン伝導性を有する物質の含有割合が多い燃料極活性部が埋設され、前記第１凹部に埋設された燃料極集電部の前記第２凹部が形成された位置と異なる位置の外側面に形成された第３凹部に、前記電気的接続部が埋設され、前記第２凹部に埋設された燃料極活性部の外側面に形成された第４凹部に前記固体電解質が埋設され、前記支持基板の外側面に、前記電気的接続部の外側面と前記固体電解質の外側面とに掛け渡すようにガスシール層が設けられていることを特徴とする。

本発明の固体酸化物形燃料電池セルは、固体電解質を燃料極集電部の第２凹部、または燃料極活性部の第４凹部に埋設したので、固体電解質を薄く形成することができ、発電素子部の発電性能を向上できるとともに、支持基板の外側面と、固体電解質の外側面と、燃料極集電部に埋設された電気的接続部の外側面とを、段差の殆どない面とすることが可能となり、支持基板の外側面に、電気的接続部の外側面と固体電解質の外側面とに掛け渡すように設けられたガスシール層によるガスシール性能を向上できる。

（ａ）は固体酸化物形燃料電池セルを示す斜視図、（ｂ）は凹部内に燃料極、インターコネクタが埋設された状態を示す平面図である。（ａ）は図１（ａ）に示す固体酸化物形燃料電池セルの２−２線に対応する断面図、（ｂ）は第１凹部およびその近傍を示す断面図である。図１に示す固体酸化物形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に示す支持基板を示す斜視図である。（ａ）は図４の７−７線に対応する断面図、（ｂ）は凹部内に各層を形成した状態を示す断面図である。（ａ）は燃料極活性部の第４凹部に固体電解質を埋設した状態を示す断面図、（ｂ）は、固体電解質の外周部が燃料極の活性部の外周からはみ出るように、固体電解質が燃料極の活性部に積層されている状態を示す断面図である。

図１（ａ）は、本発明の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池セル（以下、セルということがある）を示すもので、このセルは、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（本形態では、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」と呼ばれる構造を有している。

このセル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（ｙ軸方向）の長さが１〜１０ｃｍの長方形である。このセルの厚さは、１〜５ｍｍである。このセルは、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（ａ）に加えて、このセルの図１（ａ）に示す２−２線に対応する部分断面図である図２（ａ）を参照しながら、このセルの詳細について説明する。図２（ａ）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（ａ）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（絶縁性）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の内部には、長手方向に延びる複数（本形態では、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。本形態では、支持基板１０の主面における複数の箇所に、それぞれ第１凹部１２が形成されており、各第１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、「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）に形成された各第１凹部１２内には、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、第２凹部２１ａが形成されている。各第２凹部２１ａは、図１（ｂ）に示すように、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。

各第２凹部２１ａには、燃料極活性部２２の全体が埋設（充填）され、さらに固体電解質４１の全体が埋設（充填）され、燃料極活性部２２の上面に固体電解質４１が積層されている。従って、各燃料極活性部２２、固体電解質４１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、固体電解質４１の幅方向に沿う２つの側面は、第２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）における第２凹部２１ａを除いた部分には、第３凹部２１ｂが形成されている。各第３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。なお、図１（ｂ）では、第２凹部２１ａ内の燃料極活性部２２に固体電解質４１が積層されることになる。

各第３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。

固体電解質４１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。すなわち、固体電解質４１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（イットリア安定化ジルコニア）とから構成され得る。あるいは、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（イットリア安定化ジルコニア）とから構成され得る。あるいは、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（すなわち、第１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。あるいは、（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がそれぞれの第１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と、固体電解質４１の長手方向中央部とを除いた全面は、ガスシール層４０により覆われている。固体電解質４１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４１は、例えば、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）から構成され得る。あるいは、ＬＳＧＭ（ランタンガレート）から構成されてもよい。固体電解質４１の厚さは、３〜５０μｍである。

ガスシール層４０は、電気絶縁性の緻密な材料からなる焼成体である。ガスシール層４０は、例えば、絶縁性セラミックスを主体としておりＭｇＯ（酸化マグネシウム）、ＭｇＡl_２Ｏ_４（マグネシアスピネル）が好適である。またＣＳＺ、３ＹＳＺ、Ｙ_２Ｏ_３（イ
ットリア）、ＴｉＯ_２などが使用されてもよい。厚さは、２０〜１００μｍが望ましく、
固体電解質４１の厚さよりも厚く形成されている。

すなわち、燃料極２０がそれぞれの凹部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４１と、ガスシール層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、本形態では、ガスシール層４０が、固体電解質４１の上面における長手方向の両側端部、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、および支持基板１０の主面を覆っている。ここで、上述したように、固体電解質４１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、ガスシール層４０が平坦化されている。この結果、ガスシール層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ガスシール層４０でのクラックの発生が抑制され得、ガスシール層４０が有するガスシール機能の低下が抑制され得る。

また、固体電解質４１とは別個にガスシール層４０を設けたので、固体電解質４１、ガスシール層４０の厚みをそれぞれ別個に制御することができ、固体電解質４１の厚みを薄く、ガスシール層４０の厚みを厚くでき、発電性能を向上できるとともに、ガスシール層４０によるガスシール性を向上できる。

固体電解質４１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および空気極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。あるいは、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、セル作製時又は作動中のセル内において固体電解質４１内のＹＳＺと空気極６０内のＳｒとが反応して固体電解質４１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４１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）。すなわち、支持基板１０の上面には、複数（本形態では、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。

隣り合う発電素子部Ａ、Ａについて、他方の（図２（ａ）では、左側の）発電素子部Ａの空気極６０と、一方の（図２（ａ）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、ガスシール層４０およ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。あるいは、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。あるいは、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、隣り合う発電素子部Ａ、Ａについて、他方の（図２（ａ）では、左側の）発電素子部Ａの空気極６０と、一方の（図２（ａ）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およ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（本形態では、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およびインターコネクタ３０」が、「電気的接続部」に対応する。

なお、インターコネクタ３０は、「電気的接続部」における「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、「電気的接続部」における「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」のセルに対して、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（あるいは、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４１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２（ａ）に示すように、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、セル全体から（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」のセルの製造方法の一例について図４〜図５を参照しながら簡単に説明する。図４〜図５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４に示す形状を有する支持基板の成形体１０ｇを作製する。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、ＮｉＯ＋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、押し出し成形、切削等の手法を利用して作製する。

次に、図５に示すように、各第１凹部内に、燃料極集電部の成形体２１ｇをそれぞれ埋設・形成する。次いで、各燃料極集電部の成形体２１ｇの外側面に形成された各第２凹部に、燃料極活性部の成形体２２ｇ、固体電解質４１の成形膜４１ｇをそれぞれ埋設・形成
する。また、各燃料極集電部の成形体２１ｇ、および各燃料極活性部の成形体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・形成する。

固体電解質の成形膜４１ｇは、例えば、固体電解質４１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する。

続いて、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、固体電解質の成形膜４１ｇが埋設された部分を除いた部分」に形成された各第３凹部に、インターコネクタの成形体３０ｇをそれぞれ埋設・形成する。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・形成する。

次に、複数の燃料極の成形体（２１ｇ＋２２ｇ）、固体電解質の成形膜４１ｇおよ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、および固体電解質の成形体４１ｇの長手方向中央部を除いた全面に、ガスシール層の成形膜を形成する。

ガスシール層の成形膜は、例えば、ガスシール層４０の材料（例えば、ＮｉＯ＋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する。

次に、固体電解質の成形体４１ｇの外側面に、反応防止膜の成形膜を形成する。各反応防止膜の成形膜は、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する。

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を、例えば、空気中にて１５００℃で３時間焼成する。これにより、図１に示したセルにおいて空気極６０および空気極集電膜７０が形成されていない状態の構造体を得る。

次に、各反応防止膜５０の外側面に、空気極の成形膜を形成する。各空気極の成形膜は、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する。

次に、隣り合う発電素子部Ａについて、他方の発電素子部Ａの空気極６０の成形膜と、一方の発電素子部Ａのインターコネクタ３０とを跨ぐように、空気極集電膜の成形膜を形成する。各空気極集電膜の成形膜は、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する。

そして、このように成形膜が形成された状態の支持基板１０を、例えば、空気中にて１０５０℃で３時間焼成する。これにより、図１に示したセルを得る。

（作用・効果）
上記形態のセルでは、ガスシール層４０が、固体電解質４１の外側面における長手方向の両側端部、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、および支持基板１０の主面を覆っている。ここで、固体電解質４１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、ガスシール層４０が平坦化されている。この結果、ガスシール層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ガスシール層４０でのクラックの発生が抑制され得、ガスシール層４０が有するガスシール機能の低下が抑制され得る。さらに、固体電解質４１とは別個にガスシール層４０を設けたため、固体電解質４１の厚みを薄くすると同時に、ガスシール層４０の厚みを厚くすることができ、発電性能を向上できるとともに、ガスシール性能を向上できる。

また、支持基板１０の上下面に形成されている、燃料極２０（燃料極集電部２１）を埋設するための複数の第１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において各第１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の各凹部内に燃料極２０（燃料極集電部２１＋燃料極活性部２２）およ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、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。

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４等に示すように、支持基板１０に形成された第１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、平板状の支持基板１０の上下面のそれぞれに複数の第１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、支持基板１０の片側面のみに複数の第１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。

さらに、上記形態では、第２凹部２１ａ内に燃料極集電部２１と固体電解質４１を埋設したが、第２凹部２１ａ内に燃料極集電部２１、固体電解質４１および反応防止層５０を埋設しても良い。この場合には、さらにガスシール層４０が平坦化され、ガスシール層４０が有するガスシール性能を向上できる。

図６（ａ）は、他の形態を示すもので、この形態では、第２凹部２１ａに埋設された燃料極活性部２２の外側面に形成された第４凹部４５に、固体電解質４１が埋設され、支持基板１０の外側面に、インターコネクタ３０の一部外側面と固体電解質４１の一部外側面とに掛け渡すようにガスシール層４０が設けられている。

このようなセルでは、固体電解質４１の下面および側面を燃料極活性部２２が覆うため、発電面積が増加し、発電性能を向上できる。なお、この場合についても、第４凹部４５に固体電解質４１と反応防止層５０を埋設しても良いことは勿論である。

図６（ｂ）は、さらに他の形態を示すもので、この形態では、第２凹部２１ａが、燃料
極活性部用の凹部２１ａ１と、固体電解質用の凹部２１ａ２とから構成されており、平面視した時に、固体電解質用の凹部２１ａ２は、燃料極活性部用の凹部２１ａ１の面積よりも広く形成され、それぞれの凹部２１ａ１、２１ａ２に、燃料極活性部２２、固体電解質４１が埋設された場合には、固体電解質４１の外周部が燃料極活性部２２の外周からはみ出るように、固体電解質４１が燃料極活性部２２に積層されている。

このようなセルでは、燃料極活性部２２−燃料極集電部２１界面と、固体電解質４１−燃料極集電部２１界面とが重ならないため、焼成収縮等による界面剥離を生じることを防ぐことができ、かつ、ガスシール層４０が封止する界面は増加しないため、ガスシール性を向上でき、燃料利用率等を向上させることができる。

１０・・・支持基板
１１・・・燃料ガス流路
１２・・・第１凹部
２０・・・燃料極
２１・・・燃料極集電部
２１ａ・・・第２凹部
２１ｂ・・・第３凹部
２２・・・燃料極活性部
３０・・・インターコネクタ
４０・・・ガスシール層
４１・・・固体電解質
４５・・・第４凹部
Ａ・・・発電素子

Claims

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、
該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、少なくとも燃料極、固体電解質および空気極が積層されてなる複数の発電素子部と、
隣り合う前記発電素子部の間にそれぞれ設けられ、一方の前記発電素子部の燃料極と他方の前記発電素子部の空気極とを電気的に接続する電気的接続部とを備えるとともに、
前記支持基板の主面における前記複数の箇所に、底壁と周方向に閉じた側壁とを有する第１凹部がそれぞれ設けられ、該各第１凹部に、対応する前記発電素子部の燃料極の集電部がそれぞれ埋設され、該第１凹部に埋設された燃料極集電部の外側面に形成された第２凹部に、前記燃料極集電部に対してイオン伝導性を有する物質の含有割合が多い燃料極活性部および前記固体電解質がそれぞれ埋設され、前記第１凹部に埋設された燃料極集電部の前記第２凹部が形成された位置と異なる位置の外側面に形成された第３凹部に、前記電気的接続部が埋設され、前記支持基板の外側面に、前記電気的接続部の外側面と前記固体電解質の外側面とに掛け渡すようにガスシール層が設けられていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池セル。
前記固体電解質の外周部が前記燃料極活性部の外周からはみ出るように、前記固体電解質が前記燃料極活性部に積層されていることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池セル。
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、
該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、少なくとも燃料極、固体電解質および空気極が積層されてなる複数の発電素子部と、
隣り合う前記発電素子部の間にそれぞれ設けられ、一方の前記発電素子部の燃料極と他方の前記発電素子部の空気極とを電気的に接続する電気的接続部とを備えるとともに、
前記支持基板の主面における前記複数の箇所に、底壁と周方向に閉じた側壁とを有する第１凹部がそれぞれ設けられ、該各第１凹部に、対応する前記発電素子部の燃料極の集電部がそれぞれ埋設され、該第１凹部に埋設された燃料極集電部の外側面に形成された第２凹部に、前記燃料極集電部に対してイオン伝導性を有する物質の含有割合が多い燃料極活性部が埋設され、前記第１凹部に埋設された燃料極集電部の前記第２凹部が形成された位置と異なる位置の外側面に形成された第３凹部に、前記電気的接続部が埋設され、前記第２凹部に埋設された燃料極活性部の外側面に形成された第４凹部に前記固体電解質が埋設され、前記支持基板の外側面に、前記電気的接続部の外側面と前記固体電解質の外側面とに掛け渡すようにガスシール層が設けられていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池セル。
前記ガスシール層は、前記固体電解質の厚みよりも厚いことを特徴とする請求項１乃至３のうち何れかに記載の固体酸化物形燃料電池セル。