JP2015064954A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】ガス流路が内部に形成された支持基板の主面に形成された凹部に内側電極が埋設された燃料電池において、還元処理後において、支持基板の表面を覆う第１シール部（固体電解質膜）にクラックが発生することを抑制すること。【解決手段】この燃料電池では、支持基板１０の主面に形成された凹部１２において、燃料極集電部２１が、凹部１２の底壁の全体と接触するように凹部１２の底部に配置される。凹部１２における燃料極集電部２１の上部に、燃料極活性部２２、シール部３５、及び、インターコネクタ３０が配置される。シール部３５が、インターコネクタ３０の側壁の全周と接触するように、インターコネクタ３０の側壁の周囲にて全周に亘って配置される。シール部３５が、燃料極活性部２２の全体、及びインターコネクタ３０の全体を取り囲むように、凹部１２の周縁部にて全周に亘って配置される。【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池に関する。

従来より、「ガス流路が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第１のガスと前記空気極に供給される第２のガスとの混合を防止する緻密な構成材料からなるガスシール部」と、を備えた燃料電池が知られている（例えば、特許文献１を参照）。このような構成は、「横縞型」とも呼ばれる。

この文献に記載の燃料電池では、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、前記支持基板の材料からなる側壁と、を有する凹部がそれぞれ形成されている。前記各凹部に、対応する前記発電素子部の前記燃料極がそれぞれ埋設されている。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（空気極集電膜）とで構成され、前記第１部分は、前記隣り合う発電素子部の一方の燃料極と前記第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空気極と前記第１部分とに接続されている。

特許第４８２４１３５号公報

ところで、上記の構成を有する燃料電池では、前記ガスシール部のガスシール機能の低下を確実に抑制することが要求される。このため、本発明者は、特願２０１３−１２２５９２号にて、前記ガスシール部について以下の構成を既に提案している。即ち、前記ガスシール部における前記埋設された各燃料極の外側面を覆う部分では、前記ガスシール部は、前記発電素子部の一部としての緻密な前記固体電解質と、前記固体電解質と接続されるとともに前記固体電解質と同じ又は異なる緻密な構成材料からなる第１シール部と、前記第１シール部と接続されるとともに前記第１シール部とは異なる緻密な構成材料からなる第２シール部と、前記第２シール部と接続された前記電気的接続部の第１部分と、を含んで構成される。

この構成では、前記燃料極は、燃料極集電部と、前記燃料極集電部に対して酸素イオン伝導性を有する物質の含有割合が大きい燃料極活性部と、を含んで構成されている。前記各凹部には、対応する前記発電素子部の前記燃料極集電部及び前記燃料極活性部、並びに、対応する前記第２シール部及び前記電気的接続部の第１部分、がそれぞれ埋設されている。前記各凹部において、前記燃料極集電部が、前記凹部の底壁の全体と接触するように前記凹部の底部に配置されている。前記凹部における前記燃料極集電部の上部に、前記燃料極活性部、前記第２シール部、及び、前記電気的接続部の第１部分が配置されている。前記第２シール部が、前記電気的接続部の第１部分の側壁の全周と接触するように、前記電気的接続部の第１部分の側壁の周囲にて全周に亘って配置されている。

一般に、この構成を有する燃料電池の各構成部材は、酸素含有雰囲気での焼成によって形成される。この酸素含有雰囲気での焼成によって、燃料極に含まれるＮｉ成分は、ＮｉＯとなっている。ＮｉＯは電子伝導性を有さない。従って、燃料極の電子伝導性を獲得するため、燃料極（燃料電池）の焼成後、燃料極に対して「還元処理」がなされる。「還元処理」とは、支持基板側から還元性の燃料ガスを流しながら、燃料極中のＮｉＯを８００〜１０００℃程度の高温下にて還元する処理である。

上記還元処理の際、ＮｉＯからＮｉへの相変態により、前記燃料極集電部、及び前記燃料極活性部は、膨張又は収縮し、前記電気的接続部の第１部分（インターコネクタ、典型的には、ランタンクロマイト（ＬａＣｒＯ_３）からなる）は、膨張する特性を有する。換言すれば、上記還元処理の際、前記燃料極集電部、前記燃料極活性部、及び前記電気的接続部の第１部分には、寸法変化が生じる。一方、上記還元処理の際、緻密な構成材料からなる前記第２シール部には、寸法変化が生じない。これらのことに起因して、前記凹部における前記燃料極集電部の上部にて、前記燃料極活性部、前記電気的接続部の第１部分、及び前記第２シール部が配置される態様によっては、上記還元処理後にて、緻密な構成材料からなる前記第１シール部（上記還元処理によって寸法変化が生じない）にクラックが生じる場合があった。係るクラックの発生を抑制することが望まれているところである。

即ち、本発明は、ガス流路が内部に形成された支持基板の主面に形成された凹部に内側電極が埋設された燃料電池であって、還元処理後において前記第１シール部にてクラックが発生することを抑制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は、上記の燃料電池と同様、前記各凹部において、前記燃料極集電部が、前記凹部の底壁の全体と接触するように前記凹部の底部に配置され、前記凹部における前記燃料極集電部の上部に、前記燃料極活性部、前記第２シール部、及び、前記電気的接続部の第１部分が配置され、前記第２シール部が、前記電気的接続部の第１部分の側壁の全周と接触するように、前記電気的接続部の第１部分の側壁の周囲にて全周に亘って配置されている。

本発明に係る燃料電池の特徴は、前記第２シール部が、前記燃料極活性部の全体、及び前記電気的接続部の第１部分の全体を取り囲むように、前記凹部の周縁部にて全周に亘って配置され、前記第１シール部が、前記燃料極活性部、及び前記電気的接続部の第１部分とは接触しないように構成されたことにある。ここにおいて、前記各凹部において、前記第２シール部の外側面の周縁部の全周が前記第１シール部で覆われていることが好適である。

上記特徴によれば、前記第１シール部が、「上記還元処理の際に寸法変化が生じない前記第２シール部」とは接触する一方で、「上記還元処理の際に寸法変化が生じる前記燃料極活性部、及び前記電気的接続部の第１部分（、及び、前記燃料極集電部）」とは接触しない。従って、上記還元処理の際、前記第１シール部が、「前記燃料極活性部、及び前記電気的接続部の第１部分に発生する寸法変化」の影響を受け難い。この結果、前記第１シール部の内部において前記寸法変化に起因する過大な応力が発生し難くなり、還元処理後において、前記第１シール部にてクラックが発生することが抑制され得る。

本発明に係る燃料電池を示す斜視図である。 図１に示す燃料電池の２−２線に対応する断面図である。 図１に示す支持基板の主面上に形成された凹部に埋設された燃料極、インターコネクタ、及びシール材の状態を示した平面図である。 支持基板の主面上に固体電解質膜が形成された状態における図３に対応する図である。 図１に示す燃料電池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。 本発明に係る燃料電池の第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第２変形例の図３に対応する平面図である。

（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。

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。支持基板１０の気孔率は、後述する「還元処理」の後において２０〜６０％である。なお、以下、他の部材の気孔率の値も、還元処理後の値である。なお、気孔率の測定は，樹脂埋めしたサンプル（還元処理後）の断面を研磨し、同断面についてのＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）による画像（２次電子像）を解析することによって行われた。ＳＥＭの加速電圧は５ｋＶ、ＳＥＭの倍率は５０００倍、又は７５００倍に設定された。気孔率の測定は、サンプルの任意の１０箇所の断面について行われ、それらの平均値が気孔率の値として採用された。

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、燃料極活性部２２、インターコネクタ３０、及び、シール部３５（前記第２シール部に対応）が埋設（充填）されている。

より具体的には、各凹部１２において、燃料極集電部２１の全体が、凹部１２の底壁の全域、及び側壁の全域と接触するように、凹部１２内に埋設されている。燃料極集電部２１の上面には、凹部２１ａが形成されている。凹部２１ａ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、で画定された窪みである。この凹部２１ａ内に（即ち、燃料極集電部２１の上部に）、燃料極活性部２２の全体、インターコネクタ３０の全体、及び、シール部３５の全体が埋設（充填）されている。

シール部３５の一部（四角の枠状を呈する）は、インターコネクタ３０（直方体状（薄板状）を呈する）の側壁の全周、凹部２１ａの側壁の一部、及び、燃料極活性部２２（直方体状（薄板状）を呈する）の側壁の一部、と接触するように、インターコネクタ３０の側壁の周囲にて全周に亘って配置されている。即ち、シール部３５のうちインターコネクタ３０と燃料極活性部２２との間に位置する部分は、燃料極活性部２２と接触している。シール部３５の前記一部以外の残りの部分（Ｕ字状を呈する）は、凹部２１ａの側壁における前記一部以外の残りの部分、及び、燃料極活性部２２の側壁における前記一部以外の残りの部分、と接触するように、前記シール部３５の前記一部と連続して、燃料極活性部２２の側壁における前記残りの部分の周囲に配置されている。燃料極活性部２２の底面の全域、インターコネクタ３０の底面の全域、及び、シール部３５の底面の全域は、燃料極集電部２１（の凹部２１ａの底面）と接触している。

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。

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の厚さは、５０〜５００μｍである。燃料極集電部２１の気孔率は、２５〜５０％であり、燃料極活性部２２の気孔率も、２５〜５０％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素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素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、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は、例えば、ランタンクロマイト（ＬＣ）から構成され得る。ランタンクロマイトの化学式は、Ｌａ_１−ｘＡ_ｘＣｒ_{１−ｙ−ｚ}Ｂ_ｙＯ_３（ただし、Ａ：Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａから選択される少なくとも１種類の元素、Ｂ：Ｃｏ，Ｎｉ，Ｍｇ，Ａｌから選択される少なくとも１種類の元素、０．０５≦ｘ≦０．２、０．０２≦ｙ≦０．２２、０≦ｚ≦０．０５）で表わされる。

或いは、インターコネクタ３０は、チタン酸化物から構成され得る。チタン酸化物の化学式は、（Ａ_１−ｘ，Ｂ_ｘ）_１−ｚ（Ｔｉ_１−ｙ，Ｄ_ｙ）Ｏ_３（ただし、Ａ：アルカリ土類元素から選択される少なくとも１種類の元素、Ｂ：Ｓｃ，Ｙ，及びランタノイド元素から選択される少なくとも１種類の元素、Ｄ：第４周期、第５周期、第６周期の遷移金属、及びＡｌ，Ｓｉ，Ｚｎ，Ｇａ，Ｇｅ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ｐｂ，Ｂｉから選択される少なくとも１種類の元素、０≦ｘ≦０．５、０≦ｙ≦０．５、−０．０５≦ｚ≦０．０５）で表わされる。この場合、（Ｓｒ，Ｌａ）ＴｉＯ_３（ストロンチウムチタネート）から構成され得る。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の気孔率は、１０％以下である。

シール部３５は、電気絶縁性を有する緻密な材料からなる焼成体である。シール部３５は、例えば、金属酸化物を含有し、好ましくは金属酸化物を主成分とする。具体的には、上記金属酸化物として、（ＡＥ)ＺｒＯ_３、ＭｇＯ、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４、及びＣｅ_ｘＬｎ_１−ｘＯ_２からなる群より選択される少なくとも１種類の酸化物を含有してもよい。ここで、ＡＥは、アルカリ土類金属であり、Ｌｎは、Ｙ及びランタノイドからなる群より選択される少なくとも１種類の元素であり、ｘは０＜ｘ≦０．３を満たす。ＡＥに該当する元素としては、Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒ，及びＢａが挙げられる。また、微量成分として、遷移金属酸化物（例えば、ＮｉＯ、Ｍｎ_３Ｏ_４、Ｆｅ_２Ｏ_３、Ｃｒ_２Ｏ_３、ＣｏＯ)が含まれても良い。これらの成分は、酸化物として存在していても良いし、上記「（ＡＥ)ＺｒＯ_３、ＭｇＯ、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４、及びＣｅ_ｘＬｎ_１−ｘＯ_２からなる群より選択される少なくとも１種類の酸化物」に固溶する形で存在していても良い。金属酸化物の平均粒径は０．１〜５．０μｍが好ましく、さらに好ましくは０．３〜４．０μｍである。シール部３５の厚さは、１０〜１００μｍである。シール部３５の気孔率は、１０％以下である。

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、シール部３５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の上面とシール部３５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２０、インターコネクタ３０、及びシール部３５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（主面を含む）において複数のシール部３５及びインターコネクタ３０に対応する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。より具体的には、図４に示すように、固体電解質膜４０は、シール部３５の外側面の周縁部の全周を覆うように、支持基板１０の主面上に形成されている。この結果、シール部３５とインターコネクタ３０とが接触し、シール部３５と固体電解質膜４０とが接触する一方で、インターコネクタ３０と固体電解質膜４０とは接触していない。

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。固体電解質膜４０の気孔率は、１０％以下である。

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とシール部３５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。また、固体電解質膜４０のうち「燃料極２０及び空気極６０との間に位置する部分（即ち、発電素子部Ａの一部を構成する部分）」以外の残りの部分が、前記第１シール部に対応する。前記第１シール部は、固体電解質膜４０とは異なる緻密な構成材料で構成されてもよい。

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。空気極集電膜７０の気孔率は、２０〜６０％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」に対応し、インターコネクタ３０が前記「電気的接続部の第１部分」に対応し、空気極集電膜７０が前記「電気的接続部の第２部分」に対応する。また、緻密な材料からなる「インターコネクタ３０、シール膜３５、及び、固体電解質膜４０」が前記「ガスシール部」に対応する。なお、本願では、「緻密な材料」とは、ガスシール機能を有する程度に小さい気孔率を有する材料を指し、典型的には、その材料の気孔率が１０％以下である。

以上、説明した「横縞型」のＳＯＦＣの構造体に対して、図５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６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５に示すように、このＳＯＦＣの構造体全体から（具体的には、図５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７〜図１６を参照しながら簡単に説明する。図７〜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７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７に示す８−８線に対応する部分断面を表す図８〜図１６を参照しながら説明を続ける。

図８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９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１０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凹部の一部に、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１１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前記凹部における前記一部以外の残りの部分の中央部に、直方体状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。

次いで、図１２に示すように、前記凹部の成形体３０ｇの周囲に位置する周縁部、並びに、燃料極活性部の成形体２２ｇの周囲に位置する周縁部に、シール材の成形体３５ｇがそれぞれ埋設・形成される。各シール材の成形体３５ｇは、例えば、シール部３５の材料（例えば、ＭｇＯ、或いは、ＭｇＯとＣａＺｒＯ_３のコンポジット材料）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１３に示すように、複数の燃料極の成形体（２１ｇ＋２２ｇ）及び複数の成形体３０ｇ、３５ｇ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成形体３０ｇ、３５ｇが形成されたそれぞれの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、インターコネクタ３０、及びシール部３５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、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７００〜１０００℃で１〜１００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）
上記実施形態では、「インターコネクタ３０とシール部３５と固体電解質膜４０とが連続して接続されてなる緻密層」が、燃料ガスと空気との混合を防止するガスシール機能を発揮している。一般に、インターコネクタ（特に、ランタンクロマイトで構成されるインターコネクタ）は、上述した還元処理の際に膨張する性質を有する（還元膨張）。従って、インターコネクタの外側面の周縁部が電解質膜で覆われる構成では、この還元膨張に起因して、インターコネクタの外側面の周縁部と電解質膜の内側面との界面において剥離が発生し、「ガスシール機能」の低下が発生し易いという問題があった。これに対し、上記実施形態では、シール部３５の外側面の一部（周縁部）が固体電解質膜４０で覆われている一方で、インターコネクタ３０の外側面は固体電解質膜４０で覆われていない。従って、上述したインターコネクタの還元膨張による剥離に起因する「ガスシール機能」の低下が発生しない。即ち、「ガスシール機能」の低下を確実に抑制し得る。

加えて、上記実施形態では、固体電解質膜４０（前記第１シール部に対応する部分）が、シール部３５（前記第２シール部）とは接触する一方で、燃料極活性部２１、及びインターコネクタ３０（及び、燃料極集電部２１）とは接触しない。ここで、上記還元処理の際、シール部３５には寸法変化が生じない一方で、燃料極活性部２１、及びインターコネクタ３０（及び、燃料極集電部２１）には寸法変化が生じる。以上より、上記実施形態では、上記還元処理の際、固体電解質膜４０（前記第１シール部に対応する部分）が、「燃料極活性部２２、及びインターコネクタ３０に発生する寸法変化」の影響を受け難い。これにより、固体電解質膜４０（前記第１シール部に対応する部分）の内部において前記寸法変化に起因する過大な応力が発生し難くなる。この結果、上記還元処理後において、固体電解質膜４０（前記第１シール部に対応する部分）にてクラックが発生することが抑制され得る。

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、燃料電池を構成する積層体は、単独で存在しているが（図１を参照）、この積層体が、或る装置全体の一部分として存在していてもよい。また、上記実施形態では、図７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、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１７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、図２、及び図３に示すように、「シール部３５のうちインターコネクタ３０と燃料極活性部２２との間に位置する部分」は、燃料極活性部２２と接触しているが、図１８、及び図１９に示すように、「シール部３５のうちインターコネクタ３０と燃料極活性部２２との間に位置する部分」が、燃料極活性部２２と接触していなくてもよい。換言すれば、「シール部３５のうちインターコネクタ３０と燃料極活性部２２との間に位置する部分」と、燃料極活性部２２との間に、燃料極集電部２１が介在していてもよい。

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…凹部、２２…燃料極活性部、３０…インターコネクタ、３５…シール部、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

本発明に係る燃料電池は、上記の燃料電池と同様、前記各凹部において、前記燃料極集電部が、前記凹部の底壁の全体と接触するように前記凹部の底部に配置され、前記凹部における前記燃料極集電部の上部に、前記燃料極活性部、前記第２シール部、及び、前記電気的接続部の第１部分が、前記燃料極活性部、前記第２シール部、及び、前記電気的接続部の第１部分のぞれぞれの底面が前記燃料極集電部と接触するように配置され、前記第２シール部が、前記電気的接続部の第１部分の側壁の全周と接触するように前記電気的接続部の第１部分の側壁の周囲にて全周に亘って配置された部分（第３部分）を備えている。

本発明に係る燃料電池の特徴は、前記第２シール部が、前記第３部分から連続するとともに前記燃料極活性部の側壁の全周と接触するように前記燃料極活性部の側壁の周囲にて全周に亘って配置された第４部分を備え、前記第１シール部が、前記電気的接続部の第１部分とは接触しないように構成されたことにある。ここにおいて、前記各凹部において、前記第２シール部の前記第３部分の外側面の周縁部の全周が前記第１シール部で覆われていることが好適である。

上記特徴によれば、前記第１シール部が、「上記還元処理の際に寸法変化が生じない前記第２シール部」とは接触する一方で、「上記還元処理の際に寸法変化が生じる前記電気的接続部の第１部分（、及び、前記燃料極集電部）」とは接触しない。従って、上記還元処理の際、前記第１シール部が、「前記電気的接続部の第１部分に発生する寸法変化」の影響を受け難い。この結果、前記第１シール部の内部において前記寸法変化に起因する過大な応力が発生し難くなり、還元処理後において、前記第１シール部にてクラックが発生することが抑制され得る。

本発明に係る燃料電池を示す斜視図である。 図１に示す燃料電池の２−２線に対応する断面図である。 図１に示す支持基板の主面上に形成された凹部に埋設された燃料極、インターコネクタ、及びシール材の状態を示した平面図である。 支持基板の主面上に固体電解質膜が形成された状態における図３に対応する図である。 図１に示す燃料電池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。 本発明に係る燃料電池の第１変形例の図２に対応する断面図である。

加えて、上記実施形態では、固体電解質膜４０（前記第１シール部に対応する部分）が、シール部３５（前記第２シール部）とは接触する一方で、インターコネクタ３０（及び、燃料極集電部２１）とは接触しない。ここで、上記還元処理の際、シール部３５には寸法変化が生じない一方で、インターコネクタ３０（及び、燃料極集電部２１）には寸法変化が生じる。以上より、上記実施形態では、上記還元処理の際、固体電解質膜４０（前記第１シール部に対応する部分）が、「インターコネクタ３０に発生する寸法変化」の影響を受け難い。これにより、固体電解質膜４０（前記第１シール部に対応する部分）の内部において前記寸法変化に起因する過大な応力が発生し難くなる。この結果、上記還元処理後において、固体電解質膜４０（前記第１シール部に対応する部分）にてクラックが発生することが抑制され得る。

本発明に係る燃料電池は、上記の燃料電池と同様、前記各凹部において、前記燃料極集電部が、前記凹部の底壁の全体と接触するように前記凹部の底部に配置され、前記凹部における前記燃料極集電部の上部に、前記燃料極活性部、前記第２シール部、及び、前記電気的接続部の第１部分のそれぞれの底面が前記燃料極集電部と接触するように配置され、前記第２シール部が、前記電気的接続部の第１部分の側壁の全周と接触するように前記電気的接続部の第１部分の側壁の周囲にて全周に亘って配置された部分（第３部分）を備えている。

本発明に係る燃料電池の特徴は、前記第２シール部が、前記第３部分から連続するとともに前記燃料極活性部の側壁の全周と接触するように前記燃料極活性部の側壁の周囲にて全周に亘って配置された第４部分を備え、前記第１シール部が、前記電気的接続部の第１部分とは接触しないように構成されたことにある。ここにおいて、前記各凹部において、前記第２シール部の前記第３部分の外側面の周縁部の全周が前記第１シール部で覆われていることが好適である。

上記特徴によれば、前記第１シール部が、「上記還元処理の際に寸法変化が生じない前記第２シール部」とは接触する一方で、「上記還元処理の際に寸法変化が生じる前記電気的接続部の第１部分（、及び、前記燃料極集電部）」とは接触しない。従って、上記還元処理の際、前記第１シール部が、「前記電気的接続部の第１部分に発生する寸法変化」の影響を受け難い。この結果、前記第１シール部の内部において前記寸法変化に起因する過大な応力が発生し難くなり、還元処理後において、前記第１シール部にてクラックが発生することが抑制され得る。

本発明に係る燃料電池を示す斜視図である。 図１に示す燃料電池の２−２線に対応する断面図である。 図１に示す支持基板の主面上に形成された凹部に埋設された燃料極、インターコネクタ、及びシール材の状態を示した平面図である。 支持基板の主面上に固体電解質膜が形成された状態における図３に対応する図である。 図１に示す燃料電池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。 本発明に係る燃料電池の第１変形例の図２に対応する断面図である。

加えて、上記実施形態では、固体電解質膜４０（前記第１シール部に対応する部分）が、シール部３５（前記第２シール部）とは接触する一方で、インターコネクタ３０（及び、燃料極集電部２１）とは接触しない。ここで、上記還元処理の際、シール部３５には寸法変化が生じない一方で、インターコネクタ３０（及び、燃料極集電部２１）には寸法変化が生じる。以上より、上記実施形態では、上記還元処理の際、固体電解質膜４０（前記第１シール部に対応する部分）が、「インターコネクタ３０に発生する寸法変化」の影響を受け難い。これにより、固体電解質膜４０（前記第１シール部に対応する部分）の内部において前記寸法変化に起因する過大な応力が発生し難くなる。この結果、上記還元処理後において、固体電解質膜４０（前記第１シール部に対応する部分）にてクラックが発生することが抑制され得る。

Claims (2)

1. ガス流路が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第１のガスと前記空気極に供給される第２のガスとの混合を防止する緻密な構成材料からなるガスシール部と、
   を備えた燃料電池において、
   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、前記第１部分は、前記隣り合う発電素子部の一方の燃料極と前記第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空気極と前記第１部分とに接続され、
   前記ガスシール部は、前記発電素子部の一部としての緻密な前記固体電解質と、前記固体電解質と接続されるとともに前記固体電解質と同じ又は異なる緻密な構成材料からなる第１シール部と、前記第１シール部と接続されるとともに前記第１シール部とは異なる緻密な構成材料からなる第２シール部と、前記第２シール部と接続された前記電気的接続部の第１部分と、を含んで構成され、
   前記燃料極は、燃料極集電部と、前記燃料極集電部に対して酸素イオン伝導性を有する物質の含有割合が大きい燃料極活性部と、を含んで構成され、
   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、前記支持基板の材料からなる側壁と、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前記燃料極集電部及び前記燃料極活性部、並びに、対応する前記第２シール部及び前記電気的接続部の第１部分、がそれぞれ埋設され、
   前記各凹部において、
   前記燃料極集電部が、前記凹部の底壁の全体と接触するように前記凹部の底部に配置され、
   前記凹部における前記燃料極集電部の上部に、前記燃料極活性部、前記第２シール部、及び、前記電気的接続部の第１部分が配置され、
   前記第２シール部が、前記電気的接続部の第１部分の側壁の全周と接触するように、前記電気的接続部の第１部分の側壁の周囲にて全周に亘って配置され、
   前記第２シール部が、前記燃料極活性部の全体、及び前記電気的接続部の第１部分の全体を取り囲むように、前記凹部の周縁部にて全周に亘って配置され、
   前記第１シール部が、前記燃料極活性部、及び前記電気的接続部の第１部分とは接触しないように構成された、燃料電池。
2. 請求項１に記載の燃料電池において、
   前記各凹部において、
   前記第２シール部の外側面の周縁部の全周が前記第１シール部で覆われている、燃料電池。

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