JP2016024997A

JP2016024997A - 固体酸化物形燃料電池セル

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Publication number: JP2016024997A
Application number: JP2014149090A
Authority: JP
Inventors: 朗齋藤; Akira Saito; 真哉寺西; Shinya Teranishi
Original assignee: Denso Corp; Nippon Soken Inc
Current assignee: Denso Corp; Soken Inc
Priority date: 2014-07-22
Filing date: 2014-07-22
Publication date: 2016-02-08
Anticipated expiration: 2034-07-22
Also published as: JP6277897B2

Abstract

【課題】電池セルの反りを抑制しつつ発電中の電池セル内において温度のバラツキを抑えることが可能な固体酸化物形燃料電池セルを提供する。【解決手段】電解質層１６および第２アノード層２８は、第１アノード層２４と比較した焼成時の収縮率の大小傾向が互いに同じ傾向になるように構成されている。従って、電池セル１０の焼成による反りを抑えることが可能である。また、第３アノード層３０は第１アノード層２４に接続され、第２アノード層２８よりも高い導電性を有しているので、アノード側における集電性を損なわないようにすることができる。更に、第１アノード層２４のうち、複合アノード層２６が設けられていないとした仮定の下での発電中に高温になる部位ほど第１アノード層２４から放熱され易くなるように、複合アノード層２６内において熱伝導性に差異が設けられている。従って、発電中の電池セル１０内の温度バラツキを抑えることが可能である。【選択図】図１

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池を構成する電池セルの構造に関するものである。

従来、この種の固体酸化物形燃料電池を構成する電池セルとして、例えば特許文献１に記載されたものがある。この特許文献１に記載された電池セルは、アノード層である燃料極の電解質層側とは反対側に積層された抑制層を備えている。これにより、焼結時に電解質層の材料が収縮することにより生じる応力と抑制層の材料が収縮することにより生じる応力とが相殺されるので、電池セルの反りを抑制することができる。この抑制層は、例えばメッシュ状に形成されている。

特開２０１４−７１２７号公報特開２０１２−１４２２４１号公報

固体酸化物形燃料電池の電池セルは、通常、その電池セルを構成する複数の層がセル基板として一体的に焼成され、そのセル基板においては、通常、酸化ガス側と燃料ガス側とで材料が異なる。そのため、電池セルの厚み方向において焼成時の収縮挙動に差異が生じる。更に、厚み方向においてセル基板の材料構成が非対称構造となっているために、焼成後の電池セルに反りが生じてしまう。従って、集電体としてのセパレータを介して多数の電池セルをスタックさせたときの荷重に、反りを有する電池セルが耐えられずに割れてしまうことがある。

また、電池セルが反っていると、電池セルの空気極または燃料極と集電体との接触面積が不足し、それに起因して電池セルの発電効率が落ちてしまう。これに対する対策として、特許文献２の電池セルの製造方法においては、電池セルの反りを抑制するために所定材料の焼成体が設けられ、セル基板は、厚み方向に対称的な焼成時の収縮挙動を示す構造に近づけられている。しかしながら、この電池セルの製造方法では燃料ガスを拡散し易くするために、電池セルの焼成後に燃料ガス流路側を削る必要があり、電池セルの製造プロセス上、好ましくない。

一方で、上述した特許文献１の電池セルでは、反りを抑制する抑制層をメッシュ構造にすることで、電池セルの焼成後にその抑制層を除去せずに燃料ガスを燃料極へ導入可能としている。しかし、特許文献１の電池セルの構造では、焼成時のセル基板の最外層は、電解質層材料と空気極材料との反応を抑える中間層、または、電解質層になるため、抑制層は、その中間層または電解質層と同じ材料で構成される。そして、その中間層材料および電解質層材料は何れも電子伝導性が低いので、燃料極が抑制層を介して集電体に接触させられると、電池セルの集電性が低下することになる。

そこで、固体酸化物形燃料電池の電池セルでは、電池セルの反りを抑制すると共に燃料極における集電性を損なわないようにする必要があると考えられた。

更に、固体酸化物形燃料電池は、多数の電池セルを積層したスタック構造とされるので、その電池セルは高温下で厚み方向に押圧力を受けつつ発電させられる。また、電池セルは非発電時には常温にまで下がる。従って、発電中に電池セル内で温度のバラツキが拡大すると、電池セルにおいて、熱応力に起因した割れを生じるおそれがあった。

本発明は上記点に鑑みて、燃料極側としてのアノード側における集電性を損なわないように電池セルの反りを抑制しつつ、発電中の電池セル内の温度分布において温度のバラツキを抑えることが可能な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。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池セルの発明では、酸化ガスが供給されるカソード層（１８）と、
そのカソード層に対しそのカソード層の一方面（１８１）側に積層された固体電解質層（１６）と、
その固体電解質層に対しカソード層側とは反対側に積層され、燃料ガスが供給される第１アノード層（２４）と、
その第１アノード層に対しカソード層側とは反対側に積層され、燃料ガスが供給され、第２アノード層（２８）と第３アノード層（３０）とから構成された複合アノード層（２６）とを備え、
第１アノード層は、固体電解質層および第２アノード層の各々に比して厚く形成され、
第２アノード層には貫通孔（２８１）が形成されており、
第３アノード層は、第１アノード層に対し第２アノード層を介して積層された基準部（３０１）と、その基準部から突き出し第２アノード層の貫通孔を通って第１アノード層に接続された凸部（３０２）とを有すると共に、第２アノード層よりも高い熱伝導性と高い導電性とを有し、
固体電解質層、第１アノード層、および第２アノード層は焼成されることによって形成されており、
固体電解質層および第２アノード層は、第１アノード層と比較した焼成時の収縮率の大小傾向が互いに同じ傾向になるように構成され、
複合アノード層は、第１アノード層のうち、複合アノード層が設けられていないとした仮定の下での発電中に高温になる部位ほど第１アノード層から放熱され易くなるように、複合アノード層内において熱伝導性に差異を有していることを特徴とする。

上述の発明によれば、固体電解質層および第２アノード層は、第１アノード層と比較した焼成時の収縮率の大小傾向が互いに同じ傾向になるように構成されているので、焼成時において第２アノード層の収縮が、第１アノード層と固体電解質層との間の収縮率差に起因した電池セルの反りを抑えるように作用する。従って、第２アノード層が無い構成と比較して、電池セルの焼成による反りを抑えることが可能である。そして、第３アノード層の基準部は、第１アノード層に対し第２アノード層を介して積層されており、第３アノード層は凸部において第１アノード層に接続され、第２アノード層よりも高い導電性を有しているので、アノード側における集電性を損なわないようにすることが可能である。

更に、複合アノード層は、第１アノード層のうち、複合アノード層が設けられていないとした仮定の下での発電中に高温になる部位ほど第１アノード層から放熱され易くなるように、複合アノード層内において熱伝導性に差異を有しているので、発電中の第１アノード層内の温度分布、延いては電池セル内の温度分布において、温度のバラツキを抑えることが可能である。

なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した括弧内の各符号は、後述する実施形態に記載の具体的内容との対応関係を示す一例である。

第１実施形態において固体酸化物形燃料電池セル１０の構造を示した断面図である。図１におけるII部詳細図である。図１のIII−III断面図である。図１の固体酸化物形燃料電池セル１０を製造するために、電解質層１６用のグリーンシート、第１アノード層２４用のグリーンシート、および第２アノード層２８用のグリーンシートをそれぞれ製造する製造工程を示したフローチャートである。図４の工程に続いて電池セル１０を製造する製造工程を示したフローチャートである。図５のステップＳ２０３にて電解質層形成シート１６１と第１アノード層形成シート２４２と第２アノード層形成シート２８３とが積層された状態を模式的に示す斜視図である。図５のステップＳ２０３で得られる圧着済シート５０を示した断面図である。図５のステップＳ２０４で凸部３０２および切欠き内凸部３０３の材料３０５が圧着済シート５０に印刷された状態を示した断面図である。凸部３０２および切欠き内凸部３０３の材料３０５が印刷された圧着済シート５０に、図５のステップＳ２０５で更に基準部３０１の材料３０６が印刷された状態を示した断面図である。図５のステップＳ２０８にて焼成セル基板５２に中間層２２の材料２２１が印刷された状態を示した断面図である。中間層２２が焼き付けられた焼成セル基板５２に、図５のステップＳ２１０にてカソード層１８の材料１８３が印刷された状態を示した断面図である。コフロー（Co-flow）を前提として、複合アノード層２６が無いとした構成における電池セル１０の温度分布と、第１実施形態の第２アノード層２８の貫通孔２８１および第３アノード層３０の凸部３０２とを示した図である。カウンターフロー（Counter-flow）を前提として、複合アノード層２６が無いとした構成における電池セル１０の温度分布と、第２実施形態の第２アノード層２８の貫通孔２８１および第３アノード層３０の凸部３０２とを示した図である。第１本実施形態および第２実施形態の電池セル１０と比較される比較例１、２の電池セル１０において複合アノード層２６を示した図であって、図３に相当する断面図である。第１実施形態の一変形例において複合アノード層２６を示した断面図であって、図３に相当する図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
図１は、本実施形態における固体酸化物形燃料電池セル１０の構造を示した図であり、断面図示されている。図１に示す固体酸化物形燃料電池セル１０（以下、単に電池セル１０と呼ぶ）は、複数積層されることにより不図示の燃料電池スタックを構成する。そして、燃料電池スタックにおいて電池セル１０相互間には集電体１２がそれぞれ介装されている。すなわち、電池セル１０は、燃料電池スタックにおける発電の最小単位となっている。なお、図１は、電池セル１０に押し当てられる集電体１２を電池セル１０から離した分解図として表示されている。また、１つの電池セル１０を挟む一対の集電体１２のうち、カソード側をカソード側集電体１２ａと呼び、アノード側をアノード側集電体１２ｂと呼ぶ。但し、両者を区別しないときは単に集電体１２と呼ぶものとする。

図１に示すように、電池セル１０は、電解質層１６とカソード層１８と中間層２２と第１アノード層２４と複合アノード層２６とを備えており、カソード層１８、中間層２２、電解質層１６、第１アノード層２４、複合アノード層２６の順に積層されている。そのため、電池セル１０は、それらを積層する積層方向を厚み方向ＤＲ１とした平板形状を成している。すなわち、電池セル１０は平板型固体酸化物形燃料電池セルである。なお、各層１６、１８、２２、２４、２６の厚み方向はそれぞれ、電池セル１０の厚み方向ＤＲ１と同じである。また、電池セル１０の厚み方向ＤＲ１をセル厚み方向ＤＲ１と呼ぶ。

電解質層１６は、固体酸化物形燃料電池に用いられる周知の固体電解質層である。電解質層１６は、燃料ガスが透過するのを防ぐ緻密層である。また、電解質層１６は、酸素イオン（Ｏ^２−）を透過させ、電気的な絶縁性を有している。電解質層１６は、例えばジルコニウム系酸化物を主成分として構成されている。そのジルコニウム系酸化物としては、Ｙ_２Ｏ_３、Ｓｃ_２Ｏ_３、Ｇｄ_２Ｏ_３、Ｓｍ_２Ｏ_３、Ｙｂ_２Ｏ_３、Ｎｄ_２Ｏ_３等の希土類酸化物を１種または２種以上含む安定化ジルコニア等を例示することができる。

具体的に、電解質層１６は平板形状を成している。そして、電解質層１６は、一方面１６ａとその一方面１６ａに対する反対側に設けられた他方面１６ｂとを有している。すなわち、電解質層１６において一方面１６ａおよび他方面１６ｂは互いに表裏関係にある。電解質層１６は、カソード層１８の一方面１８１側に積層されている。

中間層２２は、電解質層１６に対しその電解質層１６の一方面１６ａ側に積層され、その一方面１６ａに接合されている。この中間層２２は、電解質層１６の一方面１６ａとカソード層１８の一方面１８１との間に介装されている。中間層２２は、例えばセリウム系酸化物を主成分として構成されている。そのセリウム系酸化物としては、Ｇｄ、Ｓｍ、Ｙ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｙｂ、Ｃａ、Ｄｒ、および、Ｈｏから選択される１種または２種以上の元素がドープされたセリア系固溶体などを例示することができる。

そして、中間層２２は、酸素イオンを透過させる酸素イオン伝導性を有している。また、中間層２２は、カソード層１８の元素拡散を抑制し、それにより電解質層１６とカソード層１８との反応を防止するための反応防止層として機能する。

カソード層１８は、中間層２２に対し電解質層１６側とは反対側に接合されている。すなわち、カソード層１８は、電解質層１６に対しその電解質層１６の一方面１６ａ側に、中間層２２を介して積層されている。このカソード層１８は、固体酸化物形燃料電池に用いられる周知の空気極電極層であるので、導電性を有する多数の微細な金属酸化物粒子が焼結することによって構成された多孔質層となっている。そのため、カソード層１８は、ガス拡散性を有し、電子伝導性および酸素イオン伝導性も有している。そして、カソード層１８は、酸素ガスを酸素イオン化する反応場を形成する。カソード層１８は、例えばランタンストロンチウムコバルタイト（ＬＳＣ）またはランタンストロンチウムコバルタイトフェライト（ＬＳＣＦ）等で構成されている。

カソード層１８は、中間層２２に接合されている一方面１８１とは反対側に他方面１８２を有している。そのカソード層１８の他方面１８２にはカソード側集電体１２ａが押し当てられ積層されている。これにより、カソード層１８はカソード側集電体１２ａに電気的に接続され、カソード層１８とカソード側集電体１２ａとの間に、酸化ガスとしての空気が他方面１８２に沿って流通する酸化ガス流路４０が形成されている。カソード層１８には、その酸化ガス流路４０から酸化ガスが供給される。

また、複合アノード層２６の表面としての後述の基準部表面３０４にはアノード側集電体１２ｂが押し当てられ積層されている。これにより、基準部表面３０４はアノード側集電体１２ｂに電気的に接続され、複合アノード層２６とアノード側集電体１２ｂとの間に、燃料ガスが基準部表面３０４に沿って流通する燃料ガス流路４２が形成されている。第１アノード層２４および複合アノード層２６には、その燃料ガス流路４２から燃料ガスが供給される。なお、酸化ガスは酸化剤ガスとも呼ばれる。

第１アノード層２４は、電解質層１６に対しその電解質層１６の他方面１６ｂ側に積層され、その他方面１６ｂに接合されている。すなわち、第１アノード層２４は、電解質層１６に対しカソード層１８側とは反対側に積層されている。

第１アノード層２４は、固体酸化物形燃料電池に用いられる周知の燃料極電極層であり、多孔質層となっている。そのため、第１アノード層２４は、電子伝導性、酸素イオン伝導性、およびガス拡散性を有している。そして、第１アノード層２４は、酸素イオンと燃料ガスとが反応する反応場を形成する。

第１アノード層２４は、一般的には金属触媒と電解質層１６の材料とから構成されていることが望ましい。その金属触媒と電解質層１６の材料との構成比率は、電池セル１０の電極反応抵抗、電解質層１６との接合性、電池セル１０に必要とされる強度等から決定されている。例えば、本実施形態の第１アノード層２４はＮｉ−ＹＳＺ等で構成されている。ＹＳＺとは、イットリア安定化ジルコニアを略した表記である。

第１アノード層２４は、電池セル１０の中で最も厚い層として構成されている。すなわち、第１アノード層２４は、電池セル１０を構成する他の層１６、１８、２２、２６の何れと比較しても厚い。更に言えば、第１アノード層２４は、電池セル１０の中で第１アノード層２４を除いた他の層１６、１８、２２、２６の合計厚みよりも厚く構成されている。例えば、第１アノード層２４の厚みは２００μｍ以上となっている。そのため、第１アノード層２４は、電池セル１０の支持体（言い換えれば、支持基盤）として十分な機械的強度および耐久性を備えている。なお、第１アノード層２４の多孔質は、「ＮｉＯ→Ｎｉ」の還元反応および造孔剤の作用によって生じたものである。例えばその還元反応は電池セル１０の焼成後に行われる。

複合アノード層２６は、第１アノード層２４に対しカソード層１８側とは反対側に積層され、第１アノード層２４に接合されている。そして、複合アノード層２６は、第２アノード層２８と第３アノード層３０とから構成されている。

また、複合アノード層２６は、セル厚み方向ＤＲ１において、カソード層１８側とは反対側の最外層を構成している。従って、第１アノード層２４と複合アノード層２６とを相互に比較すると、電池セル１０の中で第１アノード層２４は内側に配置され、複合アノード層２６は外側に配置されているので、第１アノード層２４を内側アノード層と呼び、複合アノード層２６を外側アノード層と呼んでもよい。

第２アノード層２８は、焼成時に発生する電池セル１０の反りを抑え電池セル１０自体の強度を向上させる補強層となっている。第２アノード層２８は、第２アノード層２８と同時に焼成される第１アノード層２４を挟んだ反対側の最外層と同じ主成分で構成されている。なぜなら、電池セル１０の反りを抑える観点から、第２アノード層２８の材料としては、電池セル作製時（例えば１４００℃程度にまで加熱される焼成時）に上記反対側の最外層と収縮率を近くする必要があるからである。

本実施形態では、後述するように、第２アノード層２８は、第１アノード層２４、および電解質層１６と同時に焼成され、上記反対側の最外層は電解質層１６であるので、例えば、電解質層１６と同じようにジルコニウム系酸化物を主成分として構成されている。そのため、第２アノード層２８および電解質層１６は、第１アノード層２４と比較した焼成時の収縮率の大小傾向が互いに同じ傾向になるように構成されている。その収縮率の大小傾向が互いに同じ傾向であることとは、第１アノード層２４の収縮率と比較して、第２アノード層２８および電解質層１６の一方の収縮率が大きければ他方の収縮率も大きく、一方の収縮率が小さければ他方の収縮率も小さいということである。

具体的に、本実施形態の電池セル１０では、第２アノード層２８および電解質層１６は何れも、焼成時の収縮率が第１アノード層２４よりも小さい。なお、主成分とは、一要素を構成する複数種類の構成材料のうち質量割合が最も大きい構成材料のことである。また、収縮率は、「収縮率＝（収縮前の長さ−収縮後の長さ）／収縮前の長さ」で算出される。

また、第２アノード層２８には、図２および図３に示すように、大きさが大小異なる複数の貫通孔２８１と、複数の周縁部切欠き２８２とが形成されている。図２は図１におけるII部詳細図であり、図３は図１のIII−III断面図である。燃料ガス流路４２（図１参照）の燃料ガスは貫通孔２８１内および周縁部切欠き２８２内を通って第１アノード層２４へ拡散するので、第２アノード層２８自体はガス拡散性を有する必要がなく、例えば緻密層となっている。貫通孔２８１は円形状の孔になっている。そして、貫通孔２８１および周縁部切欠き２８２は、第１アノード層２４と第３アノード層３０とを電気的につなぐため且つ第３アノード層３０から第１アノード層２４へと燃料ガスを透過させるために、全体として十分な面積を有している。

上記のように燃料ガスは貫通孔２８１内および周縁部切欠き２８２内を通って第１アノード層２４へ供給され、第２アノード層２８内で貫通孔２８１および周縁部切欠き２８２が占める割合が大きいほど、多くの燃料ガスが供給可能となる。従って、第２アノード層は、第１アノード層２４への燃料ガス供給量を調節する機能を有している。

複合アノード層２６は、セル厚み方向ＤＲ１から見ると、正方形形状または長方形形状（要するに、矩形形状）を成しており、第２アノード層２８の複数の周縁部切欠き２８２は、第２アノード層２８の四辺である周縁部分２８ａに間隔を空け並んで形成されている。具体的に、周縁部切欠き２８２は、貫通孔２８１を２つに分断した一方と同じ形状を成している。

第３アノード層３０は、平板状の基準部３０１と、複数の凸部３０２と、複数の切欠き内凸部３０３とから構成されている。これらの部位３０１、３０２、３０３は相互に異なる材料で構成されていても差し支えないが、本実施形態の第３アノード層３０では何れも同一材料で構成されている。

そして、第３アノード層３０は、第１アノード層２４と同様に、金属触媒と電解質層１６の材料とから構成されていることが望ましい。更に言えば、第３アノード層３０はアノード側集電体１２ｂに電気的に接触させられるので集電性を考慮して、第３アノード層３０における金属触媒と電解質層１６の材料との構成比率が、第３アノード層３０の電気伝導率（電子導電率または導電率とも言う）を第１アノード層２４よりも高くするように決定されてもよい。

また、第３アノード層３０の電気伝導率が第１アノード層２４よりも高くなるのであれば、第３アノード層３０は、第１アノード層２４と異なる材料で構成されていても良いが、焼成時および電池セル１０の発電時において第１アノード層２４および第３アノード層３０の線膨張係数は、第２アノード層２８に対して、電池セル１０の割れを生じない程度に近い値になっている必要がある。

具体的に、本実施形態の第３アノード層３０は、例えばＮｉ−ＹＳＺまたはＮｉ−ＧＤＣであって殆どニッケル（Ｎｉ）で構成され、多孔質層となっている。そのため、第３アノード層３０は電子伝導性およびガス拡散性を有し、第２アノード層よりも高い熱伝導性と高い導電性とを有している。言い換えれば、第３アノード層３０の電気伝導率および熱伝導率は、第２アノード層に比して高い。なお、第３アノード層３０の多孔質は、「ＮｉＯ→Ｎｉ」の還元反応および造孔剤の作用によって生じたものである。また、ＧＤＣとは、ガドリニウムドープセリア（例えば、Gd_1-XCe_XO_2-δ）を略した表記である。

第３アノード層３０の基準部３０１は、第１アノード層２４に対し第２アノード層２８を介して積層されている。基準部３０１は、第１アノード層２４側とは反対側に基準部表面３０４を有しており、この基準部表面３０４は複合アノード層２６の表面にもなっている。基準部表面３０４には、アノード側集電体１２ｂ（図１参照）が押し当てられることにより電気的に接続される。すなわち、基準部３０１は、電池セル１０のアノード側の最外層を構成しており、アノード側集電体１２ｂに対する電気的接触性を向上させるために設けられている。基準部３０１は、電池セル１０におけるアノード側の集電性を低下させないような厚みであればよく、例えばその厚みは１０〜２０μｍで十分である。

第３アノード層３０の凸部３０２は、円柱形状を成しており、基準部３０１から第１アノード層２４側に突き出している。そして、凸部３０２は、第２アノード層２８の貫通孔２８１を通って第１アノード層２４の複合アノード層２６側の一方面２４１に接続されている。すなわち、複数の凸部３０２はそれぞれ、第２アノード層２８の貫通孔２８１毎に挿入されている。詳細には、凸部３０２は、第２アノード層２８の貫通孔２８１内を満たすように形成され、凸部３０２の外径は貫通孔２８１の内径と同じになっている。

また、図３に示すように、複数の貫通孔２８１は、後述のガス流通方向ＤＲ３に沿って千鳥状に配置されている。要するに、各貫通孔２８１は、ガス流通方向ＤＲ３において互い違いに配置されており、各凸部３０２も同様に配置されている。

第３アノード層３０の切欠き内凸部３０３は、基準部３０１の周縁部分に設けられ、基準部３０１から第１アノード層２４側に突き出している。切欠き内凸部３０３は、第２アノード層２８の周縁部切欠き２８２内を通って第１アノード層２４に接続されている。すなわち、複数の切欠き内凸部３０３はそれぞれ、第２アノード層２８の周縁部切欠き２８２毎に挿入されている。具体的には、切欠き内凸部３０３は、第２アノード層２８の周縁部切欠き２８２内を満たすように形成されている。

詳細には、複合アノード層２６は、図３に示すように、矩形形状の四辺を構成する４つの側端２６ａを有している。そして、複合アノード層２６の側端２６ａのそれぞれでは、切欠き内凸部３０３と第２アノード層２８とが側端２６ａの長手方向に沿って交互に並んで設けられている。

このように周縁部切欠き２８２と切欠き内凸部３０３とが形成されているので、第１アノード層２４の一方面２４１は、その一方面２４１の周縁に、第２アノード層２８に接合している部分と第３アノード層３０の切欠き内凸部３０３に接合している部分とを備えている。そして、その第２アノード層２８に接合している部分と切欠き内凸部３０３に接合している部分とは、上記一方面２４１の周縁に沿って交互に並んで配置されている。

図１に示す集電体１２は、積層された電池セル１０同士の間に介装されている。集電体１２は例えばステンレスなどの金属で構成され、集電体１２の表面には、例えば、酸化ガスによる酸化を防ぐためや、ステンレスからのクロムの飛散を防止させるためのコーティングが施されている。

集電体１２は、燃料電池スタックにおいて集電体１２を挟む一方の電池セル１０に供給される酸化ガスと、他方の電池セル１０に供給される燃料ガスとを分離する役割を果たす。それと共に、集電体１２は、上記一方の電池セル１０が有するカソード層１８と、上記他方の電池セル１０が有する複合アノード層２６とを電気的に接続する役割も果たす。

図１に示すように、カソード側集電体１２ａは複数の集電体凸部１２１を備えており、その集電体凸部１２１はカソード層１８側へ向かって突き出ている。また、カソード側集電体１２ａの集電体凸部１２１は、セル厚み方向ＤＲ１に直交する凸部並び方向ＤＲ２に一定間隔を空けて並んでおり、その凸部並び方向ＤＲ２およびセル厚み方向ＤＲ１のそれぞれに直交するガス流通方向ＤＲ３（図３参照）に延びるように形成されている。

カソード側集電体１２ａの集電体凸部１２１は一定間隔を空けて並んでいるので、その集電体凸部１２１同士の間には集電体凹部１２２が形成されている。この集電体凹部１２２とカソード層１８とに囲まれた空間が酸化ガス流路４０となっているので、酸化ガス流路４０はガス流通方向ＤＲ３（図３参照）へ延びるように形成され、酸化ガスはガス流通方向ＤＲ３へ流れる。そして、複数の酸化ガス流路４０は、凸部並び方向ＤＲ２にカソード側集電体１２ａの集電体凸部１２１を挟んで並ぶように形成されている。すなわち、凸部並び方向ＤＲ２は酸化ガス流路４０の並び方向でもある。

また、カソード側集電体１２ａの集電体凸部１２１はその先端面を、カソード層１８に接触する接触面１２３として備えている。そして、集電体凸部１２１の接触面１２３はカソード層１８の他方面１８２に押し当てられ、これにより、カソード側集電体１２ａがカソード層１８に電気的に接続されている。

アノード側集電体１２ｂも上記のカソード側集電体１２ａと同様に構成されている。すなわち、アノード側集電体１２ｂは、複合アノード層２６側へ向かって突き出ている複数の集電体凸部１２１を備え、その集電体凸部１２１も凸部並び方向ＤＲ２に一定間隔を空けて並び且つガス流通方向ＤＲ３に延びるように形成されている。そして、アノード側集電体１２ｂの集電体凸部１２１同士の間には集電体凹部１２２が形成されている。そのため、アノード側集電体１２ｂの集電体凹部１２２と複合アノード層２６とに囲まれた空間が燃料ガス流路４２となっている。

また、アノード側集電体１２ｂの集電体凸部１２１の接触面１２３は複合アノード層２６の基準部表面３０４に押し当てられ、これにより、アノード側集電体１２ｂが第３アノード層３０を介して第１アノード層２４に電気的に接続されている。

次に、電池セル１０の製造方法について、図４および図５のフローチャートを用いて説明する。図４は、電解質層１６用のグリーンシート、第１アノード層２４用のグリーンシート、および第２アノード層２８用のグリーンシートをそれぞれ製造する製造工程を示したフローチャートである。電解質層１６用のグリーンシートと第１アノード層２４用のグリーンシートと第２アノード層２８用のグリーンシートとは別々に製造され材料が異なるが、フローチャートとしては共通している。

図４に示すように、先ずステップＳ１０１では、グリーンシートの材料を用意する。例えば、第１アノード層２４用のグリーンシートを作製するのであれば、その材料は、有機溶媒または水に、酸化ニッケル（ＮｉＯ）、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、気孔形成用の造孔剤、バインダー、および可塑剤などを混入したものである。

続くステップＳ１０２では、ステップＳ１０１にて用意したグリーンシートの材料を混合撹拌し、その後、ステップＳ１０３では、ドクターブレード法などによって、そのグリーンシートの材料をシート状に成形する。

続くステップＳ１０４では、成形後のグリーンシートの材料を乾燥させ固化させる。これにより、グリーンシートを得ることができる。なお、グリーンシートとは、金属・無機・有機の微粒子が高分子等の結合剤で保持されたシート状のものであり、グリーンシートの厚みは例えば数μｍ〜数百μｍ程度である。

グリーンシートが完成すれば、次に図５に示す製造工程へ移る。図５は、図４の工程に続いて電池セル１０を製造する製造工程を示したフローチャートである。図５に示すように、先ずステップＳ２０１では、電解質層１６用のグリーンシート、第１アノード層２４用のグリーンシート、および第２アノード層２８用のグリーンシートを用意する。この電解質層１６用のグリーンシートおよび第２アノード層２８用のグリーンシートはその主成分が互いに同じになるように構成されており、これにより、焼成時における両方のグリーンシートの収縮率は互いに同程度となっている。

続くステップＳ２０２では、電解質層１６用のグリーンシートを所定の外形に成形し、これにより、外形成形後の電解質層形成シート１６１（図６参照）を得る。同様に、第１アノード層２４用のグリーンシートおよび第２アノード層２８用のグリーンシートも所定の外形に成形し、これにより、外形成形後の第１アノード層形成シート２４２および第２アノード層形成シート２８３（図６参照）を得る。このとき、第２アノード層２８には貫通孔２８１および周縁部切欠き２８２（図３参照）を形成する必要があるので、第２アノード層形成シートには孔加工を施し、貫通孔２８１および周縁部切欠き２８２を予め成形しておく。

続くステップＳ２０３では、図６に示すように、電解質層形成シート１６１と第１アノード層形成シート２４２と第２アノード層形成シート２８３とを積層する。このとき、第１アノード層２４の厚みは他の層よりも格段に大きいので、第１アノード層形成シート２４２を複数枚重ねて、必要な第１アノード層２４の厚みが焼成後に得られるようにする。図６は、電解質層形成シート１６１と第１アノード層形成シート２４２と第２アノード層形成シート２８３とが積層された状態を模式的に示す斜視図である。

図５のステップＳ２０３では、図６に示すように各シート１６１、２４２、２８３を積層してから、そのシート１６１、２４２、２８３を圧着する。これにより、各シート１６１、２４２、２８３が一体となった圧着済シート５０が、図７に示すように得られる。図７は、ステップＳ２０３で得られる圧着済シート５０を示した断面図である。

続く図５のステップＳ２０４では、スクリーン印刷により、第２アノード層形成シート２８３の貫通孔２８１内を埋めるように第３アノード層３０の凸部３０２の材料を形成すると共に、周縁部切欠き２８２内を埋めるように切欠き内凸部３０３の材料を形成する。要するに、凸部３０２および切欠き内凸部３０３の材料３０５を圧着済シート５０に印刷する。これにより、図７の圧着済シート５０は図８にようになる。図８は、圧着済シート５０に、凸部３０２および切欠き内凸部３０３の材料３０５が印刷された状態を示した断面図である。なお、ステップＳ２０４では、凸部３０２および切欠き内凸部３０３の材料３０５を印刷した後、必要に応じて乾燥させる。

続く図５のステップＳ２０５では、スクリーン印刷により、圧着済シート５０に対し第２アノード層形成シート２８３上に基準部３０１の材料３０６を形成する。要するに、基準部３０１の材料３０６を圧着済シート５０に印刷する。これにより、図９に示すように第３アノード層３０の材料３０５、３０６がシート状に形成され、図８の圧着済シート５０は図９にようになる。従って、ステップＳ２０４およびＳ２０５は、第３アノード層３０の材料３０５、３０６をシート状に形成する第３アノード層形成工程となっている。

なお、ステップＳ２０５では、基準部３０１の材料３０６を印刷した後、必要に応じて乾燥させる。また、図９は、凸部３０２および切欠き内凸部３０３の材料３０５が印刷された圧着済シート５０に更に基準部３０１の材料３０６が印刷された状態を示した断面図である。

続く図５のステップＳ２０６では、図９に示す第３アノード層３０の材料３０５、３０６が印刷された圧着済シート５０を加熱し、それにより、その圧着済シート５０の脱脂を行う。続く図５のステップＳ２０７では、その図９に示す圧着済シート５０を更に加熱し、それにより、電解質層形成シート１６１、第１アノード層形成シート２４２、第２アノード層形成シート２８３、および第３アノード層３０の材料３０５、３０６を、積層された状態で一体に同時焼成する。これにより、電解質層１６、第１アノード層２４、第２アノード層２８、および第３アノード層３０から成る焼成セル基板５２（図１０参照）が焼成される。このときステップＳ２０７では、その焼成セル基板５２の構成から判るように、電解質層１６が、第１アノード層２４に対する第２アノード層２８側とは反対側の最外層として焼成される。このステップＳ２０７は、電解質層１６と第１アノード層２４と第２アノード層２８と第３アノード層３０とを同時に焼成する焼成工程となっている。

続く図５のステップＳ２０８では、図１０に示すように、ステップＳ２０７で製作した焼成セル基板５２の電解質層１６側に中間層２２の材料２２１をスクリーン印刷により形成する。要するに、中間層２２の材料２２１を焼成セル基板５２に印刷する。その中間層２２の材料２２１は、例えばセリウム系酸化物および溶媒などから構成されている。図１０は、焼成セル基板５２に中間層２２の材料２２１が印刷された状態を示した断面図である。

続く図５のステップＳ２０９では、上記印刷後の焼成セル基板５２を加熱し、それにより、中間層２２の材料２２１を焼成セル基板５２に焼き付ける。すなわち、中間層２２を焼成する。

続く図５のステップＳ２１０では、図１１に示すように、中間層２２が焼き付けられた焼成セル基板５２の中間層２２側にカソード層１８の材料１８３をスクリーン印刷により形成する。要するに、中間層２２が焼き付けられた焼成セル基板５２にカソード層１８の材料１８３を印刷する。図１１は、中間層２２が焼き付けられた焼成セル基板５２にカソード層１８の材料１８３が印刷された状態を示した断面図である。

続く図５のステップＳ２１１では、上記印刷後の焼成セル基板５２を加熱し、それにより、カソード層１８の材料１８３を焼成セル基板５２に焼き付ける。すなわち、カソード層１８を焼成する。

次に、第２アノード層２８の貫通孔２８１および第３アノード層３０の凸部３０２の大きさに関して説明する。図１２は、コフロー（Co-flow）を前提として、複合アノード層２６が無いとした構成における電池セル１０の温度分布と、本実施形態の第２アノード層２８の貫通孔２８１および第３アノード層３０の凸部３０２とを示した図である。

詳細に言えば、図１２（ａ）は、複合アノード層２６が無いと仮定した電池セル１０の図１相当の断面図であり、図１２（ｂ）は、その図１２（ａ）の電池セル１０をアノード側から見た下面図であり、図１２（ｃ）は、ガス流通方向ＤＲ３における図１２（ａ）の電池セル１０の温度分布を示した図であり、図１２（ｄ）は、本実施形態の複合アノード層２６を示した図３と同じ図である。図１２（ａ）〜（ｄ）は、ガス流通方向ＤＲ３の位置が相互に一致するように表示されている。なお、本実施形態では、酸化ガスおよび燃料ガスの流れはコフローとなっている。コフローとは、図１２（ａ）に示すように、酸化ガスの流れと燃料ガスの流れとが互いに平行で且つ同じ向きに向いていることである。すなわち、燃料ガス流路４２において燃料ガスは、酸化ガス流れの上流側から下流側へと流れる。

図１２（ａ）の電池セル１０の発電中には、発電による発熱、および燃料ガスと酸化ガスへの放熱により、電池セル１０の温度分布は、ガス流通方向ＤＲ３において図１２（ｃ）に示すようになる。すなわち、その温度分布では、燃料ガス流れの下流側ほど電池セル１０の温度が高くなる。この図１２（ｃ）の温度分布はコンピュータシミュレーションによって得られたものである。また、電池セル１０は薄いシート状の部品であるので、電池セル１０における温度分布は、電池セル１０を構成する各層それぞれにおける温度分布でもある。

本実施形態では、図１２（ａ）の電池セル１０に対して複合アノード層２６が付加され、第３アノード層３０の熱伝導性の方が第２アノード層２８の熱伝導性よりも高いことを利用して、複合アノード層２６で電池セル１０の温度のバラツキが抑えられている。その温度のバラツキを抑えるためには、図１２（ｃ）の温度分布から、図１２（ｃ）において電池セル１０の温度が高い箇所ほど、すなわち燃料ガス流れの下流側ほど、複合アノード層２６の放熱性を高くすればよい。

このことから、本実施形態の複合アノード層２６は、その複合アノード層２６が設けられていないとした場合すなわち電池セル１０が図１２（ａ）の構成であるとした場合と比較して、発電中において第１アノード層２４内の温度分布における最高温度と最低温度との差である温度高低差Δｔｍａｘ（図１２（ｃ）参照）を小さくするように、複合アノード層２６内において熱伝導性に差異を有している。

すなわち、複合アノード層２６は、第１アノード層２４のうち、複合アノード層２６が設けられていないとした仮定の下での発電中に高温になる部位ほど第１アノード層２４から放熱され易くなるように、複合アノード層２６内において熱伝導性に差異を有している。

更に言うと、複合アノード層２６の中では、複合アノード層２６が第１アノード層２４に接触する単位接触面積に占める凸部３０２の接触面積の割合である凸部接触面積割合に差異がある。そして、複合アノード層２６は、第２アノード層２８の貫通孔２８１と第３アノード層３０の凸部３０２とが共に大きく形成されるほど上記凸部接触面積割合が大きくなるように構成されている。例えば、図１２（ｄ）のＸ２部分では、Ｘ１部分と比較すると、貫通孔２８１と凸部３０２とが大径とされることにより大きく形成され、それにより、上記凸部接触面積割合が大きくなっている。

そして、複合アノード層２６は、その複合アノード層２６の中での一部分が接触する第１アノード層２４の被接触部位が、複合アノード層２６が設けられていないとした仮定の下での発電中に高温になる部位であるほど、上記一部分において凸部接触面積割合が大きくなるように構成されている。

燃料ガス流れを考慮して端的に言えば、個々の第２アノード層２８の貫通孔２８１および第３アノード層３０の凸部３０２は燃料ガス流れの下流側ほど大きくなっており、複合アノード層２６は、燃料ガス流れの下流側ほど上記凸部接触面積割合が大きくなるように構成されている。そして、これにより複合アノード層２６の熱伝導性すなわち放熱性は燃料ガス流れの下流側ほど高くなり、複合アノード層２６は温度高低差Δｔｍａｘを小さくするように作用する。

例えば、図１２（ｄ）のＸ２部分を上記一部分とすれば、Ｘ１部分を上記一部分とした場合よりも、その一部分が接触する第１アノード層２４の被接触部位は、複合アノード層２６が設けられていないとした仮定の下での発電中に高温になる部位である。すなわち、図１２（ｃ）（ｄ）に示すように、Ｘ２部分に対応した温度ＴＸ２の方が、Ｘ１部分に対応した温度ＴＸ１よりも高い。そして、図１２（ｄ）に示すように、Ｘ１部分よりも、Ｘ２部分において上記凸部接触面積割合は大きくなっている。これにより、複合アノード層２６は温度高低差Δｔｍａｘを小さくするように作用するということである。

言い換えると、複合アノード層２６の中で上記凸部接触面積割合が大きいほど熱伝導性が高くなるので、複合アノード層２６は、その複合アノード層２６の中で熱伝導性が高い部位ほど、第１アノード層２４のうち、複合アノード層２６が設けられていないとした仮定の下での発電中に高温になる部位に接触するように構成されている。

また、上記凸部接触面積割合が大きいほど、複合アノード層２６の単位体積に第３アノード層３０が占める体積比率は大きくなる。従って、複合アノード層２６は、その複合アノード層２６の中での一部分が接触する第１アノード層２４の被接触部位が、複合アノード層２６が設けられていないとした仮定の下での発電中に高温になる部位であるほど、第３アノード層３０が上記一部分の中に占める体積比率が大きくなるように構成されているとも言える。複合アノード層２６はこのような構成により、温度高低差Δｔｍａｘを小さくする。

なお、ここで言う発電中とは、電池セル１０が安定して継続的に発電している定常的な発電中であり、電池セル１０の発電開始直後や電池セル１０の出力が大きく変動している時は除かれる。

上述したように、本実施形態によれば、電解質層１６および第２アノード層２８は、第１アノード層２４と比較した焼成時の収縮率の大小傾向が互いに同じ傾向になるように構成されているので、焼成時において第２アノード層２８の収縮が、第１アノード層２４と電解質層１６との間の収縮率差に起因した電池セル１０の反りを抑えるように作用する。従って、第２アノード層２８が無い構成と比較して、電池セル１０の焼成による反りを抑えることが可能である。

そして、第３アノード層３０の基準部３０１は、第１アノード層２４に対し第２アノード層２８を介して積層されており、第３アノード層３０は凸部３０２において第１アノード層２４に接続され、第２アノード層２８よりも高い導電性を有しているので、アノード側における集電性を損なわないようにすることが可能である。

更に、複合アノード層２６は、第１アノード層２４のうち、複合アノード層２６が設けられていないとした仮定の下（図１２（ａ）参照）での発電中に高温になる部位ほど第１アノード層２４から放熱され易くなるように、複合アノード層２６内において熱伝導性に差異を有している。従って、発電中の第１アノード層２４内の温度分布、延いては電池セル１０内の温度分布において、温度のバラツキを抑えることが可能である。そして、電池セル１０内の温度分布において温度のバラツキを抑えることにより、発電中に生じ得る電池セル１０にかかる熱応力を低減させ、その熱応力に起因する電池セル１０の割れを抑制することができる。さらに、電池セル１０の変形に起因した接触抵抗増加を抑制し、温度サイクルにより電池セル１０にかかる応力を緩和することができる。

また、本実施形態によれば、複合アノード層２６は、その複合アノード層２６の中での一部分が接触する第１アノード層２４の被接触部位が、複合アノード層２６が設けられていないとした仮定の下での発電中に高温になる部位であるほど、上記一部分において凸部接触面積割合が大きくなるように構成されている。要するに、複合アノード層２６は、燃料ガス流れの下流側ほど上記凸部接触面積割合が大きくなるように構成されている。従って、第２アノード層２８の形状と第３アノード層３０の形状とによって上記凸部接触面積割合を変化させることができるので、簡潔な構成で、第１アノード層２４内の温度高低差Δｔｍａｘを小さくすることが可能である。

また、本実施形態によれば、複合アノード層２６は、第２アノード層２８の貫通孔２８１と第３アノード層３０の凸部３０２とが共に大きく形成されるほど上記凸部接触面積割合が大きくなるように構成されている。従って、第２アノード層２８および第３アノード層３０の成形により、容易に上記凸部接触面積割合を定めることができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態では、前述の第１実施形態と異なる点を主として説明し、第１実施形態と同一または均等な部分については省略または簡略化して説明する。

酸化ガスおよび燃料ガスの流れは第１実施形態ではコフローであるが、本実施形態ではカウンターフロー（Counter-flow）となっている。そのため、そのカウンターフローに合わせて、第２アノード層２８の貫通孔２８１および第３アノード層３０の凸部３０２の大きさの分布が第１実施形態とは異なっている。具体的には図１３のようになっている。

図１３は、カウンターフロー（Counter-flow）を前提として、複合アノード層２６が無いとした構成における電池セル１０の温度分布と、本実施形態の第２アノード層２８の貫通孔２８１および第３アノード層３０の凸部３０２とを示した図である。図１３は、前述の図１２に相当する図であり、図１３（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ図１２（ａ）〜（ｄ）と同様のものを表示している。なお、カウンターフローとは、図１３（ａ）に示すように、酸化ガスの流れと燃料ガスの流れとが互いに平行で且つ相対向する向きに向いていることである。すなわち、燃料ガス流路４２において燃料ガスは、酸化ガス流れの下流側から上流側へと流れる。

本実施形態の複合アノード層２６は、第１実施形態と同様に、複合アノード層２６の中での一部分が接触する第１アノード層２４の被接触部位が、複合アノード層２６が設けられていないとした仮定の下での発電中に高温になる部位であるほど、上記一部分において凸部接触面積割合が大きくなるように構成されている。

但し、燃料ガス流れを含んで表現すると、第１実施形態とは異なる。すなわち、本実施形態の複合アノード層２６は、凸部接触面積割合が、燃料ガス流れに沿った複合アノード層２６の上流端２６１から下流端２６２までの間の途中において最も大きくなるように構成されている。そして、これにより、複合アノード層２６は、第１実施形態と同様の作用で温度高低差Δｔｍａｘを小さくする。

ここで、図１３（ｃ）に示すように、複合アノード層２６が無いとした構成における電池セル１０の温度分布では、複合アノード層２６の上流端２６１と下流端２６２との間の途中において電池セル１０の温度が最高になっている。詳細には、その上流端２６１と下流端２６２との間の中心位置ＣＬよりも燃料ガス流れの上流側にずれた位置で、電池セル１０の温度は最高になっている。このように電池セル１０の最高温度位置が燃料ガス流れの上流側にずれるのは、燃料ガス流路４２を流れる燃料ガスの質量流量が、酸化ガス流路４０を流れる酸化ガスの質量流量よりも小さいことに起因するものである。

そして、複合アノード層２６の中で凸部接触面積割合が最も大きくなる部位Ｐｍａｘは、ガス流通方向ＤＲ３において電池セル１０の最高温度位置に合わされている。従って、複合アノード層２６の中で凸部接触面積割合が最も大きくなる部位Ｐｍａｘは、複合アノード層２６の上流端２６１と下流端２６２との間の中心位置ＣＬよりも燃料ガス流れの上流側に位置している。なお、複合アノード層２６の上流端２６１とは、複合アノード層２６の４つの側端２６ａのうち燃料ガス流れの最上流側に位置する側端２６ａであり、下流端２６２とは、その４つの側端２６ａのうち燃料ガス流れの最下流側に位置する側端２６ａである。また、図１３（ｄ）に示すように、第２アノード層２８の貫通孔２８１および第３アノード層３０の凸部３０２は、上記電池セル１０の最高温度位置（すなわち、部位Ｐｍａｘの位置）に近いものほど大きく形成されている。

本実施形態では、前述の第１実施形態と共通の構成から奏される効果を第１実施形態と同様に得ることができる。

（実験結果）
次に、第１実施形態および第２実施形態の電池セル１０の効果を検証するために行った実験について説明する。この実験では、各電池セル１０のサンプルの出力密度と、発電中における第１アノード層２４内の温度高低差Δｔｍａｘとを測定した。そのときの発電条件は、電圧を０．８Ｖ、電流密度を所定値、燃料ガスを水素１００％、基準部表面３０４（図１参照）の面積すなわちアノード側電極面積を７２．３ｃｍ^２とした。下記表１は、その実験結果を示す。

上記表１の実施例１は第１実施形態の電池セル１０であり、実施例２は第２実施形態の電池セル１０であり、比較例１、２は、複合アノード層２６を図１４に示すものにした電池セル１０である。上記表１に記載の開口パターンとは、第２アノード層２８の貫通孔２８１の分布パターンであり、均一パターンとは図１４に示すとおりであり、カウンターフローパターンとは図１３（ｄ）に示すとおりであり、コフローパターンとは図１２（ｄ）に示すとおりである。

図１４は、比較例１、２の電池セル１０において複合アノード層２６を示した図であって、図３に相当する断面図である。比較例１、２の複合アノード層２６は、図１４に示すように、第２アノード層２８の貫通孔２８１および第３アノード層３０の凸部３０２の大きさおよび密度が複合アノード層２６内で均一となった均一パターンを有している。従って、複合アノード層２６の中で凸部接触面積割合は均一である。なお、比較例１と比較例２とでは電池セル１０自体は同じ物であるが、供給される酸化ガスおよび燃料ガスの流れが相互に異なる。すなわち、電池セル１０に供給される酸化ガスおよび燃料ガスの流れが比較例１ではコフローであるのに対し、比較例２ではカウンターフローである。

上記表１の実験結果から、実施例１、２では、比較例１、２と比較して、第１アノード層２４内の温度高低差Δｔｍａｘが小さく抑えられている。このことから、実施例１、２では、複合アノード層２６による効果、すなわち熱応力に起因する電池セル１０の割れを抑制する効果があるものと推定される。そして、実施例１、２では、比較例１、２と比較して、より高い出力密度が得られている。このことは、実施例１、２において、複合アノード層２６が電池セル１０の変形に起因した接触抵抗増加を抑制するように作用したことによるものと推定される。以上より、第１実施形態および第２実施形態において電池セル１０に複合アノード層２６を設けたことの効果が検証された。

（他の実施形態）
（１）上述の各実施形態において、第１アノード層２４は例えばＮｉ−ＹＳＺで構成されているが、他の材料、例えばＮｉ−ＧＤＣで構成されていても差し支えない。

（２）上述の各実施形態において、第２アノード層２８は、グリーンシートが型抜きされて形成されるが、グリーンシートを使用せずに、スクリーン印刷などで形成されても差し支えない。その場合には、電解質層形成シート１６１、第１アノード層形成シート２４２、および、印刷された第２アノード層２８の材料が同時に焼成され、その焼成後に、第３アノード層３０の材料３０５、３０６が印刷され焼成される。また、そのときの凸部３０２および切欠き内凸部３０３の材料３０５の印刷は、第２アノード層２８の材料の印刷に対する逆パターン印刷とされてもよい。

（３）上述の各実施形態において、図５のステップＳ２０１では、電解質層１６用のグリーンシートと第２アノード層２８用のグリーンシートとはそれぞれ別個に用意されるが、電解質層１６用のグリーンシートが第２アノード層２８用としても流用され、電解質層１６用と第２アノード層２８用とが同じグリーンシートとされることも考え得る。

（４）上述の各実施形態において、図５の製造工程では、中間層２２は第１アノード層２４の焼成後に印刷され焼成されるが、図５のステップＳ２０１で、中間層２２用のグリーンシートも用意され、ステップＳ２０７で、中間層２２が、電解質層１６、第１アノード層２４、および第２アノード層２８と同時に一体焼成されても差し支えない。

そのように中間層２２が第２アノード層２８等と同時に一体焼成される場合には、焼成セル基板５２は中間層２２を含むものになる。そして、電池セル１０の反り抑制の観点から、第２アノード層２８用のグリーンシートの主成分は、電解質層１６用のグリーンシートの主成分と同じでもよいが、中間層２２用のグリーンシートの主成分と同じにされること、すなわちセリウム系酸化物にされることが好ましい。そうなると、焼成後の第２アノード層２８の主成分もセリウム系酸化物になり、この場合でも、第２アノード層２８および中間層２２は何れも、焼成時の収縮率が第１アノード層２４よりも小さくなる。すなわち、第２アノード層２８および中間層２２は、第１アノード層２４と比較した焼成時の収縮率の大小傾向が互いに同じ傾向になるように構成されていることとなる。また、中間層２２用と第２アノード層２８用とが同じグリーンシートとされることも考え得る。

なお、第２アノード層２８の材料として、ジルコニウム系酸化物およびセリウム系酸化物以外の材料が選択されても差し支えないが、第１アノード層２４または第３アノード層３０と反応してしまう材料が選択されることは望ましくない。

（５）上述の各実施形態において、電解質層１６、中間層２２、および第２アノード層２８の焼成時の収縮率は何れも、第１アノード層２４に比して小さいが、逆に、第１アノード層２４に比して大きくても差し支えない。

（６）上述の各実施形態において、図５のステップＳ２０７では、第３アノード層３０は、電解質層１６、第１アノード層２４、および第２アノード層２８と同時に焼成されるが、電解質層１６、第１アノード層２４、および第２アノード層２８の焼成後に、後から印刷され焼成されても差し支えない。

（７）上述の第１実施形態において、複合アノード層２６では、第２アノード層２８の貫通孔２８１と第３アノード層３０の凸部３０２とが共に大きく形成されるほど凸部接触面積割合が大きくなるが、他の方法によって、その凸部接触面積割合に差異が設けられても差し支えない。例えば図１５に示すように、複合アノード層２６は、第２アノード層２８の貫通孔２８１の密度と第３アノード層３０の凸部３０２の密度とが共に高くなるほど凸部接触面積割合が大きくなるように構成されていても差し支えない。このことは、第２実施形態に関しても同様である。

図１５は、第１実施形態の一変形例において複合アノード層２６を示した断面図であって、図３に相当する図である。図１５に示す電池セル１０では、酸化ガスおよび燃料ガスの流れは第１実施形態と同様にコフローである。そして、個々の貫通孔２８１および凸部３０２は相互に同じ大きさになっている。但し、貫通孔２８１の密度と第３アノード層３０の凸部３０２の密度とが燃料ガス流れの下流側ほど高くなっており、それにより、複合アノード層２６は、燃料ガス流れの下流側ほど凸部接触面積割合が大きくなるように構成されている。

（８）上述の各実施形態において、第３アノード層３０の基準部３０１および凸部３０２はスクリーン印刷により形成されるが、スクリーン印刷以外の他の方法によって形成されても差し支えない。

（９）上述の各実施形態において、複合アノード層２６の中では、凸部接触面積割合に差異を設けることで、複合アノード層２６の熱伝導性に差異を生じさせているが、これに替えて或いはこれに加えて、第３アノード層３０の形状ではなく材料特性に差異を生じさせることにより、複合アノード層２６の熱伝導性に差異を生じさせてもよい。例えば第３アノード層３０の凸部３０２がＮｉ−ＹＳＺで構成されているとすれば、ＹＳＺの添加量が多いほど熱伝導性は低くなるので、凸部３０２毎にＹＳＺの添加量に差異を設けることで、複合アノード層２６の熱伝導性に差異を生じさせる。

第１実施形態を例とすれば、第１実施形態の酸化ガスおよび燃料ガスの流れはコフローであるので、第３アノード層３０の凸部３０２においてＹＳＺの添加量が、燃料ガス流れの下流側ほど少なくされる。これにより複合アノード層２６の熱伝導性は燃料ガス流れの下流側ほど高くなる。なお、第３アノード層３０の基準部３０１の中でＹＳＺの添加量に差異を設けてもよい。

（１０）上述の各実施形態において、図１には、カソード側集電体１２ａの接触面１２３がカソード層１８の他方面１８２に直接接触するように図示されているが、カソード層１８とカソード側集電体１２ａとの間の電気的接触性を向上させるコンタクト層がその他方面１８２上に形成され、カソード側集電体１２ａはそのコンタクト層を介してカソード層１８に電気的に接続されていても差し支えない。

（１１）上述の各実施形態において、電解質層１６は例えばジルコニウム系酸化物で構成されているが、他の材料、例えばＧＤＣで構成されていることも考え得る。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。また、上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、上記各実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。また、上記各実施形態において、構成要素等の材質、形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の材質、形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その材質、形状、位置関係等に限定されるものではない。

１０電池セル（固体酸化物形燃料電池セル）
１６電解質層（固体電解質層）
１８カソード層
２４第１アノード層
２６複合アノード層
２８第２アノード層
３０第３アノード層
２８１貫通孔
３０１基準部
３０２凸部

Claims

酸化ガスが供給されるカソード層（１８）と、
該カソード層に対し該カソード層の一方面（１８１）側に積層された固体電解質層（１６）と、
該固体電解質層に対し前記カソード層側とは反対側に積層され、燃料ガスが供給される第１アノード層（２４）と、
該第１アノード層に対し前記カソード層側とは反対側に積層され、前記燃料ガスが供給され、第２アノード層（２８）と第３アノード層（３０）とから構成された複合アノード層（２６）とを備え、
前記第１アノード層は、前記固体電解質層および前記第２アノード層の各々に比して厚く形成され、
前記第２アノード層には貫通孔（２８１）が形成されており、
前記第３アノード層は、前記第１アノード層に対し前記第２アノード層を介して積層された基準部（３０１）と、該基準部から突き出し前記第２アノード層の貫通孔を通って前記第１アノード層に接続された凸部（３０２）とを有すると共に、前記第２アノード層よりも高い熱伝導性と高い導電性とを有し、
前記固体電解質層、前記第１アノード層、および前記第２アノード層は焼成されることによって形成されており、
前記固体電解質層および前記第２アノード層は、前記第１アノード層と比較した焼成時の収縮率の大小傾向が互いに同じ傾向になるように構成され、
前記複合アノード層は、前記第１アノード層のうち、前記複合アノード層が設けられていないとした仮定の下での発電中に高温になる部位ほど前記第１アノード層から放熱され易くなるように、前記複合アノード層内において熱伝導性に差異を有していることを特徴とする固体酸化物形燃料電池セル。
前記複合アノード層は、該複合アノード層の中で熱伝導性が高い部位ほど、前記第１アノード層のうち、前記複合アノード層が設けられていないとした仮定の下での発電中に高温になる部位に接触するように構成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。
前記複合アノード層は、該複合アノード層の中での一部分が接触する前記第１アノード層の被接触部位が、前記複合アノード層が設けられていないとした仮定の下での発電中に高温になる部位であるほど、前記第３アノード層が前記一部分の中に占める体積比率が大きくなるように構成され、これにより、前記複合アノード層内において熱伝導性に差異を有し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。
前記第２アノード層には前記貫通孔が複数形成され、該貫通孔毎に前記第３アノード層の凸部が挿入されており、
前記複合アノード層は、該複合アノード層の中での一部分が接触する前記第１アノード層の被接触部位が、前記複合アノード層が設けられていないとした仮定の下での発電中に高温になる部位であるほど、前記複合アノード層が前記第１アノード層に接触する単位接触面積に占める前記凸部の接触面積の割合である凸部接触面積割合が前記一部分において大きくなるように構成され、これにより、前記複合アノード層内において熱伝導性に差異を有し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。
前記第２アノード層には前記貫通孔が複数形成され、該貫通孔毎に前記第３アノード層の凸部が挿入されており、
前記カソード層は前記一方面側とは反対側に他方面（１８２）を有し、該他方面に沿って前記酸化ガスが流れ、
前記第３アノード層の基準部は、前記第１アノード層側とは反対側に基準部表面（３０４）を有しており、それと共に、該基準部表面に電気的に接続されるアノード側集電体（１２ｂ）に積層されることにより、前記基準部表面に沿って前記燃料ガスが流れる燃料ガス流路（４２）を形成し、
前記燃料ガス流路において前記燃料ガスは、前記カソード層の他方面に沿った酸化ガス流れの上流側から下流側へと流れ、
前記複合アノード層は、燃料ガス流れの下流側ほど、前記複合アノード層が前記第１アノード層に接触する単位接触面積に占める前記凸部の接触面積の割合である凸部接触面積割合が大きくなるように構成され、これにより、前記複合アノード層内において熱伝導性に差異を有し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。
前記第２アノード層には前記貫通孔が複数形成され、該貫通孔毎に前記第３アノード層の凸部が挿入されており、
前記カソード層は前記一方面側とは反対側に他方面（１８２）を有し、該他方面に沿って前記酸化ガスが流れ、
前記第３アノード層の基準部は、前記第１アノード層側とは反対側に基準部表面（３０４）を有しており、それと共に、該基準部表面に電気的に接続されるアノード側集電体（１２ｂ）に積層されることにより、前記基準部表面に沿って前記燃料ガスが流れる燃料ガス流路（４２）を形成し、
前記燃料ガス流路において前記燃料ガスは、前記カソード層の他方面に沿った酸化ガス流れの下流側から上流側へと流れ、
前記複合アノード層は、前記複合アノード層が前記第１アノード層に接触する単位接触面積に占める前記凸部の接触面積の割合である凸部接触面積割合が、燃料ガス流れに沿った前記複合アノード層の上流端（２６１）から下流端（２６２）までの間の途中において最も大きくなるように構成され、これにより、前記複合アノード層内において熱伝導性に差異を有し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。
前記燃料ガスの質量流量は前記酸化ガスの質量流量よりも小さく、
前記複合アノード層の中で前記凸部接触面積割合が最も大きくなる部位は、前記複合アノード層の上流端と下流端との間の中心位置（ＣＬ）よりも前記燃料ガス流れの上流側に位置していることを特徴とする請求項６に記載の固体酸化物形燃料電池セル。
前記複合アノード層は、前記第２アノード層の貫通孔と前記第３アノード層の凸部とが共に大きく形成されるほど前記凸部接触面積割合が大きくなるように構成されていることを特徴とする請求項４ないし７のいずれか１つに記載の固体酸化物形燃料電池セル。
前記複合アノード層は、前記第２アノード層の貫通孔の密度と前記第３アノード層の凸部の密度とが共に高くなるほど前記凸部接触面積割合が大きくなるように構成されていることを特徴とする請求項４ないし８のいずれか１つに記載の固体酸化物形燃料電池セル。