JP5177474B2 - セラミックス薄板体 - Google Patents

Description

本発明は、セラミックス層を含む焼成された薄板体であって、それぞれの材質の熱膨張率が相違する２種以上の層が積層されてなる薄板体に関する。

従来から、セラミックス層を含みそれぞれの材質の熱膨張率が相違する２種以上の層が積層されてなる焼成された薄板体は、例えば、センサ、アクチュエータ及び固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）の単セル等の種々の装置に用いられて来ている（例えば、特許文献１を参照。）。
特開２００４−３４２５８４号公報

このような装置に用いられる薄板体は、装置の小型化、内部電気抵抗の低減等の目的を達成するために、極めて薄い。従って、焼成された薄板体は、層間の熱膨張率差に起因する内部応力（熱応力）により変形し易い。また、焼成時の収縮量の差異によっても内部応力（熱応力）が発生して変形することがある。この種の薄板体が変形すると種々の問題が発生する。

例えば、この種の薄板体がＳＯＦＣの単セルとして使用される場合であってセラミックス層として固体電解質層が使用される場合、電解質支持型のセル構造においては固体電解質層の内部電気抵抗の低減のために固体電解質層の厚さを小さくすると、薄板体が変形し易くなる。この場合、薄板体と対向する部分に形成される燃料流路又は空気流路は極めて狭いので、変形した薄板体がこれらの流路を閉じてしまうという問題が発生する可能性がある。また、薄板体が流路を閉じない程度に変形した場合であっても、空気や燃料等の流体が流路を流れる際の圧損が薄板体の変形によって増大するという問題が発生する。

従って、本発明の目的は、薄い部分を確保しつつ、層間の熱膨張率差に起因する内部応力に対して変形し難い焼成された薄板体を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明による薄板体は、少なくともセラミックス層を含み、それぞれの材質の熱膨張率が相違する２種以上の層が積層されてなる、焼成されることによって形成された薄板体である。

この薄板体は、薄板体の部分（一部）である（複数の）薄肉部と、少なくとも前記薄肉部を構成する層の全てを含む複数の層が積層されてなる前記薄肉部よりも厚さの大きい前記薄板体の部分（残りの部分、他の一部）である厚肉部と、を備える。即ち、厚肉部は、薄肉部を構成する層の全てのみが積層されてなる部分、或いは、薄肉部を構成する層の全てに更に追加の層が積層されてなる部分である。更には、この薄板体の薄肉部は、前記薄板体の平面に垂直な方向に反った形状を有している。

上記構成によれば、薄肉部を有することで薄い部分が確保され得、装置の小型化、内部電気抵抗の低減等の目的が達成され得る。また、厚肉部を有することで、薄板体における厚肉部の曲げ剛性が大きくなり、この結果、薄板体全体が、層間の熱膨張率差に起因する内部応力に対して変形し難くなる。更には、薄肉部を厚肉部により分割し、前記薄板体の平面に垂直な方向に対する各薄肉部の正射影面積を小さくすることで、各薄肉部の変形量をそれぞれ小さくすることができるため、薄板体全体の変形量を低減することが可能である。

加えて、発明者は、薄肉部を薄板体の平面に垂直な方向に反った形状とすることに成功した。更に、発明者は、このように薄板体における薄肉部を薄板体の平面に垂直な方向に反った形状とすることで、薄板体全体が層間の熱膨張率差に起因する内部応力に対してより一層変形し難くなることを見出した。以上より、本発明によれば、厚肉部を設けたこと、並びに薄肉部に反りを設けたことにより、層間の熱膨張率差に起因する内部応力に対して極めて変形し難い薄板体が提供され得る。

この薄板体において、前記薄肉部の厚さが５μｍ以上且つ１００μｍ以下であり、前記厚肉部の厚さと前記薄肉部の厚さとの差が１０μｍ以上且つ３００μｍ以下であることが好ましい。これによれば、薄肉部が極めて薄いので、装置の小型化、内部電気抵抗の低減等の目的が確実に達成され得る。また、厚肉部を十分に厚くできるので、薄板体全体が層間の熱膨張率差に起因する内部応力に対して極めて変形し難くなることが判明した。

加えて、この薄板体において、前記薄肉部が１つ又は複数設けられ、前記薄板体の平面に垂直な方向に対する各薄肉部の正射影面積が１ｍｍ^２以上且つ１００ｍｍ^２以下である場合（例えば、各薄肉部の正射影形状が円形、楕円形、正方形又は長方形であり前記円形の直径、前記楕円形の長径、前記正方形の１辺の長さ又は前記長方形の長辺の長さが１ｍｍ以上且つ１０ｍｍ以下の場合）、前記薄肉部における反りの前記平面に垂直な方向の高さは、１μｍ以上且つ１００μｍ以下であることが好適である。これによれば、薄肉部に反りを設けたことに基づく薄板体全体に対する変形抑制効果が極めて高くなることが判明した。なお、上述のように薄肉部の厚さが５μｍ以上且つ１００μｍ以下の場合のように薄肉部が極めて薄い場合、このような薄肉部における反り（より好ましくは、高さが１μｍ以上且つ１００μｍ以下である反り）は、薄板体が焼成により形成されていく過程において自然に形成され得る。

更には、この薄板体において、前記薄板体の平面に垂直な方向に対する、前記薄板体全体の正射影面積に対する前記厚肉部の正射影面積の割合が５％以上であることが好適である。これによれば、厚肉部を設けたことに基づく薄板体全体に対する変形抑制効果が極めて高くなることが判明した。なお、薄板体の平面に垂直な方向に対する厚肉部の正射影の形状としては、例えば、縞状、格子状等が挙げられる。

この薄板体がＳＯＦＣ用の単セルとして使用される場合、この薄板体では、例えば、前記薄肉部及び前記厚肉部は、前記セラミックス層としての固体電解質層と、前記固体電解質層の一面に形成された燃料極層と、前記固体電解質層の他面に形成された空気極層と（のみ）が積層されてなり、前記厚肉部における何れか１つの層の厚さが、前記薄肉部における対応する層の厚さよりも大きい。その他の層の厚さは、厚肉部と薄肉部とで一致していても異なっていてもよい。

この場合、具体的には、例えば、前記厚肉部における前記固体電界質層の厚さが、前記薄肉部における前記固体電解質層の厚さよりも大きいことにより厚肉部の厚さが薄肉部の厚さよりも大きい薄板体が形成され得る。ここにおいて、前記厚肉部における前記固体電界質層の厚さと、前記薄肉部における前記固体電解質層の厚さとの差は、１０μｍ以上且つ３００μｍ以下であることが好ましい。

これにより、薄肉部において固体電解質層を極めて薄くすることができ、固体電解質層全体の内部電気抵抗を小さくすることができる。加えて、厚肉部における固体電解質層を十分に厚くすることができ、層間の熱膨張率差に起因する内部応力に対して固体電解質層全体、従って、薄板体全体が変形し難くなる。

或いは、前記厚肉部における前記燃料極層の厚さが、前記薄肉部における前記燃料極層の厚さよりも大きいことにより厚肉部の厚さが薄肉部の厚さよりも大きい薄板体が形成され得る。ここにおいて、前記厚肉部における前記燃料極層の厚さと、前記薄肉部における前記燃料極層の厚さとの差は、１０μｍ以上且つ３００μｍ以下であることが好ましい。

これにより、固体電解質層全体を極めて薄い均一な厚さの層とすることができ、固体電解質層全体の内部電気抵抗を小さくすることができる。加えて、厚肉部における燃料極層を十分に厚くすることができ、層間の熱膨張率差に起因する内部応力に対して燃料極層全体、従って、薄板体全体が変形し難くなる。

なお、厚肉部における空気極層の厚さを薄肉部における空気極層の厚さよりも大きくすることによっても厚肉部の厚さが薄肉部の厚さよりも大きい薄板体が形成され得る。しかしながら、ＬＳＭ（ランタンストロンチウムマンガナイト）等の多孔質体から構成される空気極層は、その厚さが大きい場合空気中の酸素をイオン化する反応速度が極端に小さくなる特性を有するから、薄い均一な厚さの層とすることが好ましい。即ち、空気極層の厚さを厚肉部と薄肉部とで異ならせることは一般には好ましくないと言える。なお、同様のことは燃料極層においても言えるが、酸素と水素の拡散距離の違い等により、空気極層に厚肉部を持たせた場合の方が、燃料電池性能への悪影響が特に大きいと言える。

また、この薄板体がＳＯＦＣ用の単セルとして使用される場合、この薄板体では、前記薄肉部は、前記セラミックス層としての固体電解質層と、前記固体電解質層の一面に形成された燃料極層と、前記固体電解質層の他面に形成された空気極層とが積層されてなり、前記厚肉部は、前記薄肉部を構成する前記固体電解質層、前記燃料極層、及び前記空気極層の積層体の表面に、熱膨張率の相違に起因して発生する前記薄板体の反りを低減するための層である反り矯正層が積層されてなる。この反り矯正層は、前記燃料極層側の表面に積層された、前記固体電解質層（或いは、前記燃料極層）の熱膨張率よりも熱膨張率の小さい材質からなる層であることが好適である。

一般に、Ｎｉ−ＹＳＺサーメット等の多孔質体から構成される燃料極層の熱膨張率は固体電解質層の熱膨張率よりも大きく、ＬＳＭ（ランタンストロンチウムマンガナイト）等の多孔質体から構成される空気極層の熱膨張率は固体電解質層の熱膨張率と略等しい。従って、固体電解質層の一面に形成された燃料極層側の表面に固体電解質層（或いは、燃料極層）の熱膨張率よりも熱膨張率の小さい材質からなる反り矯正層を積層すれば、固体電解質層−燃料極層間の熱膨張率差に起因する内部応力に基づく薄板体の変形方向と、燃料極層−反り矯正層間の熱膨張率差に起因する内部応力に基づく薄板体の変形方向とを逆にすることができる。

この結果、固体電解質層全体を極めて薄い均一な厚さの層として固体電解質層全体の内部電気抵抗を小さくすることができるとともに、層間の熱膨張率差に起因する内部応力に対する薄板体全体の変形を小さくすることができる。

また、固体電解質層の他面に形成された空気極層側の表面に固体電解質層（或いは、空気極層）の熱膨張率よりも熱膨張率の大きい材質からなる反り矯正層を積層しても、固体電解質層−燃料極層間の熱膨張率差に起因する内部応力に基づく薄板体の変形方向と、空気極層−反り矯正層間の熱膨張率差に起因する内部応力に基づく薄板体の変形方向とを逆にすることができ、同様の効果を得ることができる。

また、前記反り矯正層として、燃料極層の表面に固体電解質層（或いは、燃料極層）の熱膨張率よりも熱膨張率の小さい材質からなる層が積層され、空気極層の表面に固体電解質層（或いは、空気極層）の熱膨張率よりも熱膨張率の大きい材質からなる層が積層されてもよい。

また、前記厚肉部は、前記薄肉部を構成する前記固体電解質層、前記燃料極層、及び前記空気極層の積層体において、前記燃料極層の内部に、前記固体電解質層（或いは、前記燃料極層）の熱膨張率よりも熱膨張率の小さい材質からなるとともに熱膨張率の相違に起因して発生する前記薄板体の反りを低減するための層である反り矯正層が埋設されてなる積層体であってもよい。この場合、前記厚肉部には、前記空気極層の表面に前記固体電解質層（或いは、前記空気極層）の熱膨張率よりも熱膨張率の大きい材質からなるとともに熱膨張率の相違に起因して発生する前記薄板体の反りを低減するための層である第２の反り矯正層が積層されてもよい。これによっても、上記と同様の効果が得られる。

以上において、前記各反り矯正層の厚さは、１０μｍ以上且つ１００μｍ以下であることが好ましい。

以下、図面を参照しつつ本発明の各実施形態に係る薄板体について説明する。

図１は、本発明の第１実施形態に係る薄板体１０を使用した固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ。以下、単に「燃料電池」と称呼する。）Ａの破断斜視図である。燃料電池Ａは、薄板体１０と支持部材２０とが交互に積層されることにより形成されている。即ち、燃料電池Ａは、スタック構造を備えている。薄板体１０は、燃料電池Ａの「単セル」とも称呼される。支持部材２０は、「インターコネクタ」とも称呼される。

薄板体１０は、電解質層（固体電解質層）１１と、電解質層１１の上（上面）に形成された燃料極層１２と、電解質層１１上の燃料極層１２とは反対の面（下面）に形成された空気極層１３と、を有している。薄板体１０は、正方形の平面形状を有する板体である。

本例において、電解質層１１はセラミックス層としてのＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）の緻密な焼成体である。燃料極層１２は、Ｎｉ−ＹＳＺからなる焼成体であり、多孔質電極層である。空気極層１３はＬＳＭ（Ｌａ（Ｓｒ）ＭｎＯ３：ランタンストロンチウムマンガナイト）−ＹＳＺからなる焼成体であり、多孔質電極層である。電解質層１１、燃料極層１２、及び空気極層１３の常温から１０００℃での平均熱膨張率はそれぞれ、およそ、１０．８ｐｐｍ／Ｋ、１２．５ｐｐｍ／Ｋ、及び１１（１０．８）ｐｐｍ／Ｋであり、燃料極層１２の熱膨張率は電解質層１１の熱膨張率よりも大きく、空気極層１３の熱膨張率は電解質層１１の熱膨張率と略等しい。

燃料電池Ａは、例えば、図２に示したように、薄板体１０の燃料極層１２と支持部材２０の（平面部の）下面との間に形成された燃料流路３２に燃料が供給され、且つ、薄板体１０の空気極層１３と支持部材２０の（平面部の）上面との間に形成された空気流路３１に空気が供給されることにより、以下に示す化学反応式（１）及び（２）に基く発電を行う。
（１／２）・Ｏ_２＋２^ｅ−→Ｏ^２− （於：空気極層１３） …（１）
Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２^ｅ− （於：燃料極層１２） …（２）

（第１実施形態）
次に、第１実施形態に係る薄板体１０の構造について詳細に説明する。前述したように、薄板体１０は、平面視において正方形である。斜視図である図３に示したように、薄板体１０の一辺の長さａ及び同一辺に直交する他の辺の長さｂは、５ｍｍ以上且つ２００ｍｍ以下である。

図４は、図３において長さｂの辺に平行な３−３線を含むとともに薄板体１０の平面に垂直な平面に沿って薄板体１０を切断した薄板体１０の一部断面図である。

図３、及び図４から理解できるように、薄板体１０は、厚さｔＡの部分（以下、「薄肉部１０Ａ」と称呼する。）と、厚さｔＡよりも大きい厚さｔＢの部分（以下、「厚肉部１０Ｂ」と称呼する。）とを含んでいる。薄肉部１０Ａは、平面視において正方形を呈し縦横に等間隔に（マトリクス状に、格子状に）整列した複数（具体的には、６×６＝３６個）の凹部１４（図３を参照）に対応している。厚肉部１０Ｂは、上記３６個の凹部１４を除いた残りの部分に対応している。

ここで、平面視において正方形を有する凹部１４の一辺の長さｃは、１ｍｍ以上且つ１０ｍｍ以下である。従って、平面視において、薄板体１０全体の正射影面積に対する厚肉部１０Ｂの正射影面積の割合は、５％以上である。

薄肉部１０Ａ、及び厚肉部１０Ｂは共に、上述した電解質層１１と、電解質層１１の上面に形成された燃料極層１２と、電解質層１１の下面に形成された空気極層１３のみが積層されて構成されている。

薄肉部１０Ａにおいて、電解質層１１の厚さｔ１、燃料極層１２の厚さｔ２、及び空気極層１３の厚さｔ３はそれぞれ、２μｍ以上且つ５０μｍ以下、５μｍ以上且つ２００μｍ以下、及び５μｍ以上且つ５０μｍ以下である。従って、薄肉部１０Ａの厚さｔＡは、１２μｍ以上且つ３００μｍ以下である。

厚肉部１０Ｂにおいて、燃料極層１２の厚さ、及び空気極層１３の厚さはそれぞれ、薄肉部１０Ａの燃料極層１２の厚さｔ２、及び空気極層１３の厚さｔ３と（略）同じである。一方、厚肉部１０Ｂの電解質層１１の厚さは、薄肉部１０Ａの電解質層１１の厚さｔ１に厚さｔ１ｒを加えた厚さ（ｔ１＋ｔ１ｒ）となっている。厚さｔ１ｒは、１０μｍ以上且つ１００μｍ以下である。

換言すれば、薄板体１０全体において、燃料極層１２、及び空気極層１３の厚さは均一であり、電解質層１１の厚さは、厚肉部１０Ｂが薄肉部１０Ａよりも厚さｔ１ｒだけ大きい。この結果、厚肉部１０Ｂの厚さｔＢは、薄肉部１０Ａの厚さｔＡよりも厚さｔ１ｒだけ大きい。

更には、各薄肉部１０Ａは、薄板体１０の平面に垂直な方向（具体的には、薄板体１０の下面方向（空気極層１３側））に反って（突出して）いる（図４を参照）。この反りの平面視における各頂点の位置は、平面視において正方形を有する各凹部１４の中心にそれぞれ対応している。この反りの薄板体１０の平面に垂直な方向の高さｔｗは、１μｍ以上且つ１００μｍ以下である。

以上の構成及び寸法を有する、燃料電池Ａの単セルとして使用される薄板体１０では、薄肉部１０Ａにおいて電解質層１１が極めて薄い。従って、電解質層１１全体の内部電気抵抗を小さくすることができる。また、電界質層１１内における上述した化学反応式（１）及び（２）の反応に伴う酸素イオンＯ^２−の移動は、内部電気抵抗の小さい薄肉部１０Ａにて主として行われる。即ち、上述した化学反応式（１）及び（２）の反応は、主として薄肉部１０Ａにて発生する。

加えて、厚肉部１０Ｂにおいて電解質層１１が十分に厚く、曲げ剛性が十分に大きい。従って、電解質層１１−燃料極層１２間の熱膨張率差に起因する内部応力に対して電解質層１１全体、従って、薄板体１０全体が変形し難くなる。

更には、各薄肉部１０Ａが空気極層１３側に反った（突出した）形状（凸形状）を有している。このことによっても、薄板体１０全体が上記熱膨張率差に起因する内部応力に対してより一層変形し難くなる。

以上より、変形した薄板体１０が図２に示した空気流路３１や燃料流路３２を閉じてしまう、或いは、空気が空気流路３１を流れる際の圧損や燃料が燃料流路３２を流れる際の圧損が薄板体１０の変形によって増大するという問題が発生し難い。

なお、各薄肉部１０Ａが空気極層１３側に反っている（突出している）ことにより、図２に示した空気流路３１内を流れる空気が空気極層１３の多孔質体内に入り込み易くなる。これは空気極層の表面近傍を高速のガスが流れる場合、薄肉部が凸形状に反っていることにより流れの渦が形成されガスの拡散が促進されることに基づく。この結果、上述した化学反応式（１）の反応が促進される効果も発生し得る。

次に、図３に示した薄板体１０の製造方法について図５を参照しながら説明する。先ず、グリーンシート法により作成した正方形のセラミックスシート（電解質層１１となる層）１１ａの上面に、上述した３６個の凹部１４（図３を参照）に対応する３６個の正方形の貫通窓１１ｂ１が形成された正方形のパターンを持つセラミックスシート（電解質層１１となる層）１１ｂを印刷法により形成し、これらを１４００℃・１時間にて焼成する。

次いで、その焼成体の上面に、正方形のシート（燃料極層１２となる層）１２ａを印刷法により形成してから１４００℃・１時間にて焼成する。この時、焼成体（電解質層１１となる層）の表面の凹凸に沿ってシート（燃料極層１２となる層）を形成する。

更に、その焼成体の下面に、正方形のシート（空気極層１３となる層）１３ａを同じく印刷法により形成してから１２００℃・１時間にて焼成する。これにより、図３に示した薄板体１０が形成される。なお、上述した薄肉部１０Ａの反りは、薄板体１０が焼成により形成される過程で自然に形成される。

なお、セラミックスシート１１ａ，１１ｂの積層体の上面にシート１２ａを印刷法により形成してから、両者を１４００℃・１時間にて焼成し、その後、シート１３ａを上述した方法により形成してもよい。或いは、セラミックスシート１１ａ，１１ｂの積層体とシート１２ａとを積層一体化し、両者を１４００℃・１時間にて焼成し、その後、シート１３ａを上述した方法により形成してもよい。

また、第１実施形態においては、各薄肉部１０Ａの平面視における形状は、一辺の長さが１ｍｍ以上且つ１０ｍｍ以下の正方形であるが、各薄肉部１０Ａの平面視における形状は、長辺の長さが１ｍｍ以上且つ１０ｍｍ以下の長方形であってもよい。

（第１実施形態の変形例）
次に、本発明の第１実施形態の変形例に係る薄板体４０について説明する。薄板体４０も、平面視において正方形である。斜視図である図６に示したように、薄板体４０の一辺の長さａ及び同一辺に直交する他の辺の長さｂは、５ｍｍ以上且つ２００ｍｍ以下である。

図７は、図６において長さｂの辺に平行な６−６線を含むとともに薄板体４０の平面に垂直な平面に沿って薄板体４０を切断した薄板体４０の一部断面図である。

図６、及び図７から理解できるように、薄板体４０は、薄板体１０と同様、厚さｔＡの薄肉部４０Ａと、厚さｔＡよりも大きい厚さｔＢの厚肉部４０Ｂとを含んでいる。薄肉部４０Ａは、平面視において長方形を呈し長さａの辺に平行に等間隔に整列した複数（具体的には、６本）の溝部４４（図６を参照）に対応している。厚肉部４０Ｂは、上記６本の溝部４４を除いた残りの部分に対応している。

ここで、平面視において溝部４４の幅（長さｂの辺に沿う方向の長さ）ｃは、１ｍｍ以上且つ１０ｍｍ以下である。従って、平面視において、薄板体４０全体の正射影面積に対する厚肉部４０Ｂの正射影面積の割合は、５％以上である。

薄肉部４０Ａ、及び厚肉部４０Ｂは共に、電解質層１１と同じ材質の電解質層４１と、電解質層４１の上面に形成された燃料極層１２と同じ材質の燃料極層４２と、電解質層４１の下面に形成された空気極層１３と同じ材質の空気極層４３のみが積層されて構成されている。

薄板体４０は、平面視における薄肉部４０Ａの形状が相違する点において薄板体１０と相違し、その他の点（厚さｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ１ｒ、ｔｗ等）においては、薄板体１０と同じである。

以上の構成及び寸法を有する、燃料電池Ａの単セルとして使用され得る薄板体４０も、薄板体１０と同じ作用・効果を奏する。

次に、図６に示した薄板体４０の製造方法について図８を参照しながら説明する。先ず、セラミックスシート（電解質層４１となる層）４１ａの上面に、平面視にて薄板体４０における上述した６本の溝部４４（図６を参照）を除いた残りの部分に対応するグリーンシート法により作成した７本の長方形のセラミックスシート（電解質層４１となる層）４１ｂを対応する位置に印刷法により形成し、これらを１４００℃・１時間にて焼成する。

次いで、その焼成体の上面に、正方形のシート（燃料極層４２となる層）４２ａを印刷法により形成してから１４００℃・１時間にて焼成する。

更に、その焼成体の下面に、正方形のシート（空気極層４３となる層）４３ａを同じく印刷法により形成してから１２００℃・１時間にて焼成する。これにより、図６に示した薄板体４０が形成される。なお、上述した薄肉部４０Ａの反りは、薄板体４０が焼成により形成される過程で自然に形成される。

なお、セラミックスシート４１ａ，４１ｂの積層体の上面にシート４２ａを印刷法により形成してから、両者を１４００℃・１時間にて焼成し、その後、シート４３ａを上述した方法により形成してもよい。或いは、セラミックスシート４１ａ，４１ｂの積層体とシート４２ａとを積層一体化し、両者を１４００℃・１時間にて焼成し、その後、シート４３ａを上述した方法により形成してもよい。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態に係る薄板体５０の構造について詳細に説明する。薄板体５０は、平面視において正方形である。斜視図である図９に示したように、薄板体５０の一辺の長さａ及び同一辺に直交する他の辺の長さｂは、５ｍｍ以上且つ２００ｍｍ以下である。

図１０は、図９において長さｂの辺に平行な９−９線を含むとともに薄板体５０の平面に垂直な平面に沿って薄板体５０を切断した薄板体５０の一部断面図である。

図９、及び図１０から理解できるように、薄板体５０は、厚さｔＡの薄肉部５０Ａと、厚さｔＡよりも大きい厚さｔＢの厚肉部５０Ｂとを含んでいる。薄肉部５０Ａは、平面視において円形を呈し縦横に所定の規則をもって（マトリクス状に、格子状に）整列した複数（具体的には、６×４＋５×３＝３９個）の凹部５４（図９を参照）に対応している。厚肉部５０Ｂは、上記３９個の凹部５４を除いた残りの部分に対応している。

ここで、平面視において円形を有する凹部５４の直径ｄは、１ｍｍ以上且つ１０ｍｍ以下である。従って、平面視において、薄板体５０全体の正射影面積に対する厚肉部５０Ｂの正射影面積の割合は、５％以上である。

薄肉部５０Ａ、及び厚肉部５０Ｂは共に、電解質層１１と同じ材質の電解質層５１と、電解質層５１の上面に形成された燃料極層１２と同じ材質の燃料極層５２と、電解質層５１の下面に形成された空気極層１３と同じ材質の空気極層５３のみが積層されて構成されている。

薄肉部５０Ａにおいて、電解質層５１の厚さｔ１、燃料極層５２の厚さｔ２、及び空気極層５３の厚さｔ３はそれぞれ、２μｍ以上且つ１０μｍ以下、５μｍ以上且つ５０μｍ以下、及び５μｍ以上且つ５０μｍ以下である。従って、薄肉部５０Ａの厚さｔＡは、１２μｍ以上且つ１１０μｍ以下である。

厚肉部５０Ｂにおいて、電解質層５１の厚さ、及び空気極層５３の厚さはそれぞれ、薄肉部５０Ａの電解質層５１の厚さｔ１、及び空気極層５３の厚さｔ３と（略）同じである。一方、厚肉部５０Ｂの燃料極層５２の厚さは、薄肉部５０Ａの燃料極層５２の厚さｔ２に厚さｔ２ｒを加えた厚さ（ｔ２＋ｔ２ｒ）となっている。厚さｔ２ｒは、５０μｍ以上且つ３００μｍ以下である。

換言すれば、薄板体５０全体において、電解質層５１、及び空気極層５３の厚さは均一であり、燃料極層５２の厚さは、厚肉部５０Ｂが薄肉部５０Ａよりも厚さｔ２ｒだけ大きい。この結果、厚肉部５０Ｂの厚さｔＢは、薄肉部５０Ａの厚さｔＡよりも厚さｔ２ｒだけ大きい。

更には、各薄肉部５０Ａは、薄板体５０の平面に垂直な方向（具体的には、薄板体５０の下面方向（空気極層５３側））に反って（突出して）いる（図１０を参照）。この反りの平面視における各頂点の位置は、平面視において円形を有する各凹部５４の中心にそれぞれ対応している。この反りの薄板体５０の平面に垂直な方向の高さｔｗは、１μｍ以上且つ、１００μｍ以下である。

以上の構成及び寸法を有する、燃料電池Ａの単セルとして使用され得る薄板体５０では、電解質層５１全体が極めて薄い。従って、電解質層５１全体の内部電気抵抗を小さくすることができる。また、燃料極層５２内における上述した化学反応式（２）の反応は、内部電気抵抗の小さい薄肉部５０Ａにて主として行われる。即ち、上述した化学反応式（１）及び（２）の反応は、主として薄肉部５０Ａにて発生する。

加えて、厚肉部５０Ｂにおいて燃料極層５２が十分に厚く、曲げ剛性が十分に大きい。従って、電解質層５１−燃料極層５２間の熱膨張率差に起因する内部応力に対して燃料極層５２全体、従って、薄板体５０全体が変形し難くなる。

更には、各薄肉部５０Ａが空気極層５３側に反った（突出した）形状（凸形状）を有している。このことによっても、薄板体５０全体が上記熱膨張率差に起因する内部応力に対してより一層変形し難くなる。

以上より、変形した薄板体５０が図２に示した空気流路３１や燃料流路３２を閉じてしまう、或いは、空気が空気流路３１を流れる際の圧損や燃料が燃料流路３２を流れる際の圧損が薄板体５０の変形によって増大するという問題が発生し難い。

なお、各薄肉部５０Ａが空気極層５３側に反っている（突出している）ことにより、図２に示した空気流路３１内を流れる空気が空気極層５３の多孔質体内に入り込み易くなる。この結果、上述した化学反応式（１）の反応が促進される効果も発生し得る。

次に、図９に示した薄板体５０の製造方法について図１１を参照しながら説明する。先ず、グリーンシート法により作成した正方形のセラミックスシート（電解質層５１となる層）５１ａを１４００℃・１時間にて焼成する。

次いで、その焼成体の上面に、正方形のセラミックスシート（燃料極層５２となる層）５１ａを印刷法により形成し、その上面に、上述した３９個の凹部５４（図９を参照）に対応する３９個の円形の貫通窓５２ｂ１が形成された正方形のシート（燃料極層５２となる層）５２ｂを積層一体化し、これらを１４００℃・１時間にて焼成する。

更に、その焼成体の下面に、正方形のパターン（空気極層５３となる層）５３ａを同じく印刷法により形成してから１２００℃・１時間にて焼成する。これにより、図９に示した薄板体５０が形成される。なお、上述した薄肉部５０Ａの反りは、薄板体５０が焼成により形成される過程で自然に形成される。

なお、セラミックスシート５１ａの上面にシート５２ａ，５２ｂを印刷法、シート積層法により形成してから、両者を１４００℃・１時間にて焼成し、その後、シート５３ａを上述した方法により形成してもよい。或いは、セラミックスシート５１ａとシート５２ａ，５２ｂとを積層一体化し、両者を１４００℃・１時間にて焼成し、その後、シート５３ａを上述した方法により形成してもよい。

また、第２実施形態においては、各薄肉部５０Ａの平面視における形状は、直径が１ｍｍ以上且つ１０ｍｍ以下の円形であるが、各薄肉部５０Ａの平面視における形状は、長径が１ｍｍ以上且つ１０ｍｍ以下の楕円形であってもよい。

（第３実施形態）
次に、第３実施形態に係る薄板体６０の構造について詳細に説明する。薄板体６０は、平面視において正方形である。斜視図である図１２に示したように、薄板体６０の一辺の長さａ及び同一辺に直交する他の辺の長さｂは、５ｍｍ以上且つ２００ｍｍ以下である。

図１３は、図１２において長さｂの辺に平行な１２−１２線を含むとともに薄板体６０の平面に垂直な平面に沿って薄板体６０を切断した薄板体６０の一部断面図である。

図１２、及び図１３から理解できるように、薄板体６０は、厚さｔＡの薄肉部６０Ａと、厚さｔＡよりも大きい厚さｔＢの厚肉部６０Ｂとを含んでいる。薄肉部６０Ａは、平面視において長方形を呈し長さａの辺に平行に等間隔に整列した複数（具体的には、６本）の溝部６４（図１２を参照）に対応している。厚肉部６０Ｂは、上記６本の溝部６４を除いた残りの部分に対応している。

ここで、平面視において溝部６４の幅（長さｂの辺に沿う方向の長さ）ｃは、１ｍｍ以上且つ１０ｍｍ以下である。従って、平面視において、薄板体６０全体の正射影面積に対する厚肉部６０Ｂの正射影面積の割合は、５％以上である。

薄肉部６０Ａは、電解質層１１と同じ材質の電解質層６１と、電解質層６１の上面に形成された燃料極層１２と同じ材質の燃料極層６２と、電解質層６１の下面に形成された空気極層１３と同じ材質の空気極層６３のみが積層されて構成されている。厚肉部６０Ｂは、薄肉部６０Ａを構成する電解質層６１、燃料極層６２、及び空気極層６３の積層体の燃料極層６２側の表面に更に反り矯正層６５が積層されて構成されている。

反り矯正層６５は、アルミナやジルコンからなる焼成体であり、緻密体でも多孔質でも良いがガスの透過性を考慮すると多孔質であることが望ましい。反り矯正層６５の熱膨張率は、およそ、アルミナの場合は８．５ｐｐｍ／Ｋであり、ジルコンの場合は４．５ｐｐｍ／Ｋであり、反り矯正層６５の熱膨張率は電解質層６１（及び燃料極層６２）の熱膨張率よりも小さい。また、反り矯正層６５のヤング率は、アルミナの場合、３００ＧＰａである。ジルコンの場合、２００ＧＰａである。

薄肉部６０Ａにおいて、電解質層６１の厚さｔ１、燃料極層６２の厚さｔ２、及び空気極層６３の厚さｔ３はそれぞれ、２μｍ以上且つ５０μｍ以下、５μｍ以上且つ２００μｍ以下、及び５μｍ以上且つ５０μｍ以下である。従って、薄肉部６０Ａの厚さｔＡは、１２μｍ以上且つ３００μｍ以下である。

厚肉部６０Ｂにおいて、電解質層６１の厚さ、燃料極層６２の厚さ、及び空気極層６３の厚さはそれぞれ、薄肉部６０Ａの電解質層６１の厚さｔ１、燃料極層６２の厚さｔ２、及び空気極層６３の厚さｔ３と（略）同じである。加えて、反り矯正層６５の厚さｔ５は、１０μｍ以上且つ１００μｍ以下である。

換言すれば、薄板体６０全体において、電解質層６１、燃料極層６２、及び空気極層６３の厚さは均一である。この結果、厚肉部６０Ｂの厚さｔＢは、薄肉部６０Ａの厚さｔＡよりも反り矯正層６５の厚さｔ５だけ大きい。

更には、各薄肉部６０Ａは、薄板体６０の平面に垂直な方向（具体的には、薄板体６０の下面方向（空気極層６３側））に反って（突出して）いる（図１３を参照）。この反りの平面視における各頂点の位置は、平面視において長方形を有する各溝部６４の幅（長さｂの辺に沿う方向の長さ）方向の真ん中にそれぞれ対応している。この反りの薄板体６０の平面に垂直な方向の高さｔｗは、１μｍ以上且つ、１００μｍ以下である。

以上の構成及び寸法を有する、燃料電池Ａの単セルとして使用され得る薄板体６０では、電解質層６１全体が極めて薄い。従って、電解質層６１全体の内部電気抵抗を小さくすることができる。また、燃料極層５２内における上述した化学反応式（２）の反応は、反り矯正層６５が存在しない（内部電気抵抗の小さい）薄肉部６０Ａにて主として行われる。即ち、上述した化学反応式（１）及び（２）の反応は、主として薄肉部６０Ａにて発生する。

加えて、燃料極層６２の熱膨張率は電解質層６１の熱膨張率よりも大きく、反り矯正層６５の熱膨張率は電解質層６１（及び燃料極層６２）の熱膨張率よりも小さい。従って、電解質層６１−燃料極層６２間の熱膨張率差に起因する内部応力に基づく薄板体６０の変形方向と、燃料極層６２−反り矯正層６５間の熱膨張率差に起因する内部応力に基づく薄板体の変形方向とを逆にすることができる。この結果、層間の熱膨張率差に起因する内部応力に対する薄板体６０全体の変形を小さくすることができる。

更には、反り矯正層６５はヤング率の大きい材質（アルミナやジルコン等）から構成されている。従って、厚肉部６０Ｂにおいて曲げ剛性が十分に大きい。これによっても、層間の熱膨張率差に起因する内部応力に対して薄板体６０全体が変形し難くなる。

加えて、各薄肉部６０Ａが空気極層６３側に反った（突出した）形状（凸形状）を有している。このことによっても、薄板体６０全体が上記熱膨張率差に起因する内部応力に対してより一層変形し難くなる。

以上より、変形した薄板体６０が図２に示した空気流路３１や燃料流路３２を閉じてしまう、或いは、空気が空気流路３１を流れる際の圧損や燃料が燃料流路３２を流れる際の圧損が薄板体６０の変形によって増大するという問題が発生し難い。

なお、各薄肉部６０Ａが空気極層６３側に反っている（突出している）ことにより、図２に示した空気流路３１内を流れる空気が空気極層６３の多孔質体内に入り込み易くなる。この結果、上述した化学反応式（１）の反応が促進される効果も発生し得る。

次に、図１２に示した薄板体６０の製造方法について図１４を参照しながら説明する。先ず、グリーンシート法により作成した正方形のセラミックスシート（電解質層６１となる層）６１ａを１４００℃・１時間にて焼成する。

次いで、その焼成体の上面に、正方形のパターン（燃料極層６２となる層）６２ａを印刷法により形成してから１４００℃・１時間にて焼成する。

次いで、その焼成体の上面に、平面視にて薄板体６０における上述した６本の溝部６４（図１２を参照）を除いた残りの部分に対応するグリーンシート法により作成した７本の長方形のセラミックスシート（反り矯正層６５となる層）６５ａを対応する位置に印刷法により形成し、これらを１４００℃・１時間にて焼成する。

更に、その焼成体の下面に、正方形のシート（空気極層６３となる層）６３ａを同じく印刷法により形成してから１２００℃・１時間にて焼成する。これにより、図１２に示した薄板体６０が形成される。なお、上述した薄肉部６０Ａの反りは、薄板体６０が焼成により形成される過程で自然に形成される。

なお、セラミックスシート６１ａの上面にシート６２ａ，６５ａを印刷法により形成してから、これらを１４００℃・１時間にて焼成し、その後、シート６３ａを上述した方法により形成してもよい。或いは、セラミックスシート６１ａ、シート６２ａ、及びシート６５ａを積層一体化し、これらを１４００℃・１時間にて焼成し、その後、シート６３ａを上述した方法により形成してもよい。また、この第３実施形態では、平面視において、厚肉部６０Ｂが縞状（ストライプ状）に形成されているが、格子状（マトリクス状）に形成されてもよい。

（第３実施形態の第１変形例）
次に、本発明の第３実施形態の第１変形例に係る薄板体７０について説明する。薄板体７０も、平面視において正方形である。斜視図である図１５に示したように、薄板体７０の一辺の長さａ及び同一辺に直交する他の辺の長さｂは、５ｍｍ以上且つ２００ｍｍ以下である。

図１６は、図１５において長さｂの辺に平行な１５−１５線を含むとともに薄板体７０の平面に垂直な平面に沿って薄板体７０を切断した薄板体７０の一部断面図である。

図１５、及び図１６から理解できるように、薄板体７０は、厚さｔＡの薄肉部７０Ａと、厚さｔＡよりも大きい厚さｔＢの厚肉部７０Ｂとを含んでいる。薄肉部７０Ａは、平面視において円形を呈し縦横に所定の規則をもって（マトリクス状に、格子状に）整列した複数（具体的には、６×４＋５×３＝３９個）の凹部７４（図１５を参照）に対応している。厚肉部７０Ｂは、上記３９個の凹部７４を除いた残りの部分に対応している。

ここで、平面視において円形を有する凹部７４の直径ｄは、１ｍｍ以上且つ１０ｍｍ以下である。従って、平面視において、薄板体７０全体の正射影面積に対する厚肉部７０Ｂの正射影面積の割合は、５％以上である。

薄肉部７０Ａは、電解質層１１と同じ材質の電解質層７１と、電解質層７１の上面に形成された燃料極層１２と同じ材質の燃料極層７２と、電解質層７１の下面に形成された空気極層１３と同じ材質の空気極層７３のみが積層されて構成されている。厚肉部７０Ｂは、薄肉部７０Ａを構成する電解質層７１、燃料極層７２、及び空気極層７３の積層体の燃料極層７２側の表面に更に反り矯正層６５と同じ材質の反り矯正層７５が積層されて構成されている。

薄板体７０は、平面視における薄肉部７０Ａの形状が相違する点において薄板体６０と相違し、その他の点（厚さｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ５、ｔｗ等）においては、薄板体６０と同じである。

以上の構成及び寸法を有する、燃料電池Ａの単セルとして使用され得る薄板体７０も、薄板体６０と同じ作用・効果を奏する。

次に、図１５に示した薄板体７０の製造方法について図１７を参照しながら説明する。先ず、先ず、グリーンシート法により作成した正方形のセラミックスシート（電解質層７１となる層）７１ａを１４００℃・１時間にて焼成する。

次いで、その焼成体の上面に、正方形のシート（燃料極層７２となる層）７２ａを印刷法により形成してから１４００℃・１時間にて焼成する。

次いで、その焼成体の上面に、平面視にて薄板体７０における上述した上述した３９個の凹部７４（図１５を参照）に対応する３９個の円形の貫通窓７５ａ１が形成されたグリーンシート法により作成した正方形のシート（反り矯正層７５となる層）７５ａを印刷法により形成し、これらを１４００℃・１時間にて焼成する。

更に、その焼成体の下面に、正方形のシート（空気極層７３となる層）７３ａを同じく印刷法により形成してから１２００℃・１時間にて焼成する。これにより、図１５に示した薄板体７０が形成される。なお、上述した薄肉部７０Ａの反りは、薄板体７０が焼成により形成される過程で自然に形成される。

なお、セラミックスシート７１ａの上面にシート７２ａ，７５ａを印刷法により形成してから、これらを１４００℃・１時間にて焼成し、その後、シート７３ａを上述した方法により形成してもよい。或いは、セラミックスシート７１ａ、シート７２ａ、及びシート７５ａを積層一体化し、これらを１４００℃・１時間にて焼成し、その後、シート７３ａを上述した方法により形成してもよい。

（第３実施形態の第２変形例）
次に、本発明の第３実施形態の第２変形例に係る薄板体８０について説明する。薄板体８０も、平面視において正方形である。斜視図である図１８に示したように、薄板体８０の一辺の長さａ及び同一辺に直交する他の辺の長さｂは、５ｍｍ以上且つ２００ｍｍ以下である。

図１９は、図１８において長さｂの辺に平行な１８−１８線を含むとともに薄板体８０の平面に垂直な平面に沿って薄板体８０を切断した薄板体８０の一部断面図である。

図１８、及び図１９から理解できるように、薄板体８０は、厚さｔＡの薄肉部８０Ａと、厚さｔＡよりも大きい厚さｔＢの厚肉部８０Ｂとを含んでいる。薄肉部８０Ａは、平面視において円形を呈し縦横に所定の規則をもって（マトリクス状に、格子状に）整列した複数（具体的には、６×４＋５×３＝３９個）の開口部８４（図１８を参照）に対応している。厚肉部８０Ｂは、上記３９個の開口部８４を除いた残りの部分に対応している。

ここで、平面視において円形を有する開口部８４の直径ｄは、１ｍｍ以上且つ１０ｍｍ以下である。従って、平面視において、薄板体８０全体の正射影面積に対する厚肉部８０Ｂの正射影面積の割合は、５％以上である。なお、開口部８４の直径ｄは、前述の凹部７４の直径ｄよりも小さい。

薄板体８０では、反り矯正層８５の断面形状（図１９に示す断面形状）がＴ字状を呈している。薄板体８０は、その他の点（材質、厚さｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔｗ等）においては、薄板体７０と同じである。

以上の構成及び寸法を有する、燃料電池Ａの単セルとして使用され得る薄板体８０も、薄板体６０と同じ作用・効果を奏する。

次に、図１８に示した薄板体８０の製造方法について図２０を参照しながら説明する。先ず、先ず、グリーンシート法により作成した正方形のセラミックスシート（電解質層８１となる層）８１ａを１４００℃・１時間にて焼成する。

次いで、その焼成体の上面に、正方形のシート（燃料極層８２となる層）８２ａを印刷法により形成してから１４００℃・１時間にて焼成する。

次いで、その焼成体の上面に、上記第３実施形態の第１変形例における正方形のシート７５ａと同じシート（反り矯正層８５となる層）８５ａを印刷法により形成し、そのシート８５ａの上に、平面視にて薄板体８０における上述した上述した３９個の開口部８４（図１８を参照）に対応する３９個の円形の貫通窓８５ｂ１が形成されたグリーンシート法により作成した正方形のシート（反り矯正層８５となる層）８５ｂを積層一体化し、これらを１４００℃・１時間にて焼成する。

更に、その焼成体の下面に、正方形のシート（空気極層８３となる層）８３ａを同じく印刷法により形成してから１２００℃・１時間にて焼成する。これにより、図１８に示した薄板体８０が形成される。なお、上述した薄肉部８０Ａの反りは、薄板体８０が焼成により形成される過程で自然に形成される。

なお、セラミックスシート８１ａの上面にシート８２ａ，８５ａ，８５ｂを印刷法、シート積層法により形成してから、これらを１４００℃・１時間にて焼成し、その後、シート８３ａを上述した方法により形成してもよい。或いは、セラミックスシート８１ａ、シート８２ａ、シート８５ａ、及びシート８５ｂを積層一体化し、これらを１４００℃・１時間にて焼成し、その後、シート８３ａを上述した方法により形成してもよい。

（他の変形例）
本発明に係る薄板体は、斜視図である図２１に示した薄板体１００であってもよい。図２２は、図２１において長さｂの辺に平行な２１−２１線を含むとともに薄板体１００の平面に垂直な平面に沿って薄板体１００を切断した薄板体１００の一部断面図である。薄板体１００も平面視において正方形である。

薄板体１００は、上記第２実施形態に係る薄板体５０に類似している。薄肉部１００Ａ、及び厚肉部１００Ｂは共に、電解質層１０１、燃料極層１０２、及び空気極層１０３が積層されて構成され、厚肉部１００Ｂの燃料極層１０２の厚さは、薄肉部１００Ａの燃料極層１０２の厚さよりも厚い。電解質層１０１、燃料極層１０２、及び空気極層１０３の材質は、上記第１実施形態等と同じである。

薄肉部１００Ａの厚さは、５μｍ以上且つ１００μｍ以下であり、厚肉部１００Ｂの厚さと薄肉部１００Ａの厚さとの差（即ち、厚肉部１００Ｂの燃料極層１０２の厚さと薄肉部１００Ａの燃料極層１０２の厚さとの差）は、１０μｍ以上且つ３００μｍ以下である。

厚肉部１００Ｂは、平面視において正方形を有し縦横に整列した９個の凸部に対応している。各薄肉部１００Ａは、薄板体１００の平面に垂直な方向（具体的には、空気極層１０３側）に反っている。平面視における各薄肉部１００Ａの正射影面積は、１ｍｍ^２以上且つ１００ｍｍ^２以下であり、この反りの薄板体１００の平面に垂直な方向の高さは、１μｍ以上且つ、１００μｍ以下である。

また、本発明に係る薄板体は、斜視図である図２３に示した薄板体１１０であってもよい。図２４は、図２３において長さｂの辺に平行な２３−２３線を含むとともに薄板体１１０の平面に垂直な平面に沿って薄板体１１０を切断した薄板体１１０の一部断面図である。薄板体１１０も平面視において正方形である。

薄板体１１０は、上記第３実施形態の第１変形例に係る薄板体７０に類似している。薄肉部１１０Ａは、電解質層１１１、及び空気極層１１３の積層体の電解質層１１１側の表面に更に反り矯正層１１５が積層されて構成されている。厚肉部１１０Ｂは、燃料極層１１２、電解質層１１１、及び空気極層１１３の積層体の燃料極層１１２側の表面に更に反り矯正層１１５が積層されて構成されている。

このように、厚肉部１１０Ｂは、燃料極層１１２の厚さ分だけ薄肉部１１０Ａよりも厚く、反り矯正層１１５は、平面視において全面に積層形成されている。この反り矯正層１１５は多孔質材料からなり、反り矯正層１１５の熱膨張率は電解質層１１１の熱膨張率よりも小さい。反り矯正層１１５の材質としては、例えばジルコン等を用いることができる。電解質層１１１、燃料極層１１２、及び空気極層１１３の材質は、上記第１実施形態等と同じである。

薄肉部１１０Ａの厚さは、５μｍ以上且つ１００μｍ以下であり、厚肉部１１０Ｂの厚さと薄肉部１１０Ａの厚さとの差（即ち、燃料極層１１２の厚さ）は、１０μｍ以上且つ３００μｍ以下である。

薄肉部１１０Ａ（即ち、燃料極層１１２が存在しない部分）は、平面視において正方形を有し縦横に整列した９個の凹部１１４に対応している。各薄肉部１１０Ａは、薄板体１１０の平面に垂直な方向（具体的には、空気極層１１３側）に反っている。平面視における各薄肉部１１０Ａの正射影面積は、１ｍｍ^２以上且つ１００ｍｍ^２以下であり、この反りの薄板体１１０の平面に垂直な方向の高さは、１μｍ以上且つ、１００μｍ以下である。

また、本発明に係る薄板体は、一部断面図である図２５に示した薄板体１２０であってもよい。薄板体１２０も平面視において正方形である。

薄板体１２０は、上記第３実施形態に係る薄板体６０に類似している。薄肉部１２０Ａは、電解質層１２１、燃料極層１２２、及び空気極層１２３が積層されて構成され、厚肉部１２０Ｂは、電解質層１２１、燃料極層１２２、及び空気極層１２３の積層体の空気極層１２３側の表面に更に反り矯正層１２６が積層されて構成されている。このように、薄板体１２０は、薄板体６０において反り矯正層を燃料極側に代えて空気極側に積層したものに対応していて、厚肉部１２０Ｂは、反り矯正層１２６の厚さ分だけ薄肉部１２０Ａよりも厚い。

反り矯正層１２６の熱膨張率は電解質層１２１（及び空気極層１２３）の熱膨張率よりも大きい。反り矯正層１２６の材質としては、例えば銀、白金等を用いることができる。これにより、電解質層１２１−燃料極層１２２間の熱膨張率差に起因する内部応力に基づく薄板体１２０の変形方向と、空気極層１２３−反り矯正層１２６間の熱膨張率差に起因する内部応力に基づく薄板体１２０の変形方向とを逆にすることができる。この結果、層間の熱膨張率差に起因する内部応力に対する薄板体１２０全体の変形を小さくすることができる。電解質層１２１、燃料極層１２２、及び空気極層１２３の材質は、上記第１実施形態等と同じである。

薄肉部１２０Ａの厚さは、５μｍ以上且つ１００μｍ以下であり、厚肉部１２０Ｂの厚さと薄肉部１２０Ａの厚さとの差（即ち、反り矯正層１２６の厚さ）は、１０μｍ以上且つ１００μｍ以下である。

薄肉部１２０Ａ（即ち、反り矯正層１２６が存在しない部分）は、薄板体１２０の平面に垂直な方向（具体的には、空気極層１２３側）に反っている。平面視における各薄肉部１２０Ａの正射影面積は、１ｍｍ^２以上且つ１００ｍｍ^２以下であり、この反りの薄板体１２０の平面に垂直な方向の高さは、１μｍ以上且つ、１００μｍ以下である。

また、本発明に係る薄板体は、一部断面図である図２６に示した薄板体１３０であってもよい。薄板体１３０も平面視において正方形である。

薄板体１３０は、上記第３実施形態に係る薄板体６０に類似している。薄肉部１３０Ａは、電解質層１３１、燃料極層１３２、及び空気極層１３３が積層されて構成され、厚肉部１３０Ｂは、電解質層１３１、燃料極層１３２、及び空気極層１３３の積層体の燃料極層１３２側と空気極層１３３側との表面に反り矯正層１３５，１３６がそれぞれ積層されて構成されている。このように、薄板体１３０は、薄板体１２０において燃料極側に更に反り矯正層が積層されたものに対応していて、厚肉部１３０Ｂは、反り矯正層１３５，１３６の厚さの和の分だけ薄肉部１３０Ａよりも厚い。

反り矯正層１３５の熱膨張率は電解質層１３１（及び燃料極層１３２）の熱膨張率よりも小さく、反り矯正層１３６の熱膨張率は電解質層１３１（及び空気極層１３３）の熱膨張率よりも大きい。反り矯正層１３５の材質としては、例えばジルコン等を用いることができ、反り矯正層１３６の材質としては、例えば銀、白金等を用いることができる。

これにより、上記第３実施形態に係る薄板体６０の作用効果に上述した図２５に示した薄板体１２０の作用効果が重畳されて、層間の熱膨張率差に起因する内部応力に対する薄板体１３０全体の変形を一層小さくすることができる。電解質層１３１、燃料極層１３２、及び空気極層１３３の材質は、上記第１実施形態等と同じである。

薄肉部１３０Ａの厚さは、５μｍ以上且つ１００μｍ以下であり、反り矯正層１３５，１３６の厚さはそれぞれ、１０μｍ以上且つ１００μｍ以下である。また、薄肉部１３０Ａ（即ち、反り矯正層１３５，１３６が存在しない部分）は、薄板体１３０の平面に垂直な方向（具体的には、空気極層１３３側）に反っている。平面視における各薄肉部１３０Ａの正射影面積は、１ｍｍ^２以上且つ１００ｍｍ^２以下であり、この反りの薄板体１３０の平面に垂直な方向の高さは、１μｍ以上且つ、１００μｍ以下である。

また、本発明に係る薄板体は、一部断面図である図２７に示した薄板体１４０であってもよい。薄板体１４０も平面視において正方形である。

薄板体１４０は、上記第３実施形態に係る薄板体６０に類似している。薄肉部１４０Ａは、電解質層１４１、燃料極層１４２、及び空気極層１４３が積層されて構成され、厚肉部１４０Ｂは、電解質層１４１、燃料極層１４２、及び空気極層１４３の積層体の燃料極層１４２の内部に更に反り矯正層１４７が埋設されて構成されている。このように、薄板体１４０は、薄板体６０において反り矯正層を燃料極側の表面に積層することに代えて燃料極の内部に埋設したものに対応していて、厚肉部１４０Ｂは、反り矯正層１４７の厚さ分だけ薄肉部１４０Ａよりも厚い。

反り矯正層１４７の熱膨張率は電解質層１４１（及び燃料極層１４２）の熱膨張率よりも小さい。反り矯正層１４７の材質としては、例えばジルコン等を用いることができる。これにより、上記第３実施形態と同様、電解質層１４１−燃料極層１４２間の熱膨張率差に起因する内部応力に基づく薄板体１４０の変形方向と、燃料極層１４２−反り矯正層１４７間の熱膨張率差に起因する内部応力に基づく薄板体１２０の変形方向とを逆にすることができる。この結果、層間の熱膨張率差に起因する内部応力に対する薄板体１４０全体の変形を小さくすることができる。電解質層１４１、燃料極層１４２、及び空気極層１４３の材質は、上記第１実施形態等と同じである。

薄肉部１４０Ａの厚さは、５μｍ以上且つ１００μｍ以下であり、厚肉部１４０Ｂの厚さと薄肉部１４０Ａの厚さとの差（即ち、反り矯正層１４７の厚さ）は、１０μｍ以上且つ１００μｍ以下である。

薄肉部１４０Ａ（即ち、反り矯正層１４７が存在しない部分）は、薄板体１４０の平面に垂直な方向（具体的には、空気極層１４３側）に反っている。平面視における各薄肉部１４０Ａの正射影面積は、１ｍｍ^２以上且つ１００ｍｍ^２以下であり、この反りの薄板体１４０の平面に垂直な方向の高さは、１μｍ以上且つ、１００μｍ以下である。

また、本発明に係る薄板体は、一部断面図である図２８に示した薄板体１５０であってもよい。薄板体１５０も平面視において正方形である。

薄板体１５０は、上記第３実施形態に係る薄板体６０に類似している。薄肉部１５０Ａは、電解質層１５１、燃料極層１５２、及び空気極層１５３が積層されて構成され、厚肉部１５０Ｂは、電解質層１５１、燃料極層１５２、及び空気極層１５３の積層体の空気極層１５３側の表面に反り矯正層１５６が積層され且つ同積層体の燃料極層１５２の内部に反り矯正層１５７が埋設されて構成されている。このように、薄板体１５０は、薄板体１４０において空気極側に更に反り矯正層が積層されたものに対応していて、厚肉部１５０Ｂは、反り矯正層１５６，１５７の厚さの和の分だけ薄肉部１５０Ａよりも厚い。

反り矯正層１５７の熱膨張率は電解質層１５１（及び燃料極層１５２）の熱膨張率よりも小さく、反り矯正層１５６の熱膨張率は電解質層１５１（及び空気極層１５３）の熱膨張率よりも大きい。反り矯正層１５７の材質としては、例えばジルコン等を用いることができ、反り矯正層１５６の材質としては、例えば銀、白金等を用いることができる。

これにより、上述した図２５に示した薄板体１２０の作用効果に上述した図２７に示した薄板体１４０の作用効果が重畳されて、層間の熱膨張率差に起因する内部応力に対する薄板体１５０全体の変形を一層小さくすることができる。電解質層１５１、燃料極層１５２、及び空気極層１５３の材質は、上記第１実施形態等と同じである。

薄肉部１５０Ａの厚さは、５μｍ以上且つ１００μｍ以下であり、反り矯正層１５６，１５７の厚さはそれぞれ、１０μｍ以上且つ１００μｍ以下である。また、薄肉部１５０Ａ（即ち、反り矯正層１５６，１５７が存在しない部分）は、薄板体１５０の平面に垂直な方向（具体的には、空気極層１５３側）に反っている。平面視における各薄肉部１５０Ａの正射影面積は、１ｍｍ^２以上且つ１００ｍｍ^２以下であり、この反りの薄板体１５０の平面に垂直な方向の高さは、１μｍ以上且つ、１００μｍ以下である。

また、本発明に係る薄板体は、一部断面図である図２９に示した薄板体１６０であってもよい。薄板体１６０も平面視において正方形である。

薄板体１６０は、上記第３実施形態に係る薄板体６０に類似している。薄板体１６０において、電解質層１６１、燃料極層１６２、空気極層１６３、及び反り矯正層１６５、並びに薄肉部１６０Ａ、及び厚肉部１６０Ｂはそれぞれ、図１３に示した上記第３実施形態に係る薄板体６０の電解質層６１、燃料極層６２、空気極層６３、及び反り矯正層６５、並びに薄肉部６０Ａ及び、厚肉部６０Ｂに対応している。薄板体１６０は、薄板体６０に比して、平面視における全正射影面積に対する厚肉部の面積比率が大きい点においてのみ薄板体６０と異なっていて、その他の点については薄板体６０と同じである。

以上、説明したように、本発明の実施形態及び変形例に係る薄板体は、それぞれの材質の熱膨張率が相違する２種以上の層が積層されてなる薄肉部及び厚肉部を有していて、且つ、薄肉部は、薄板体の平面に垂直な方向に反った形状を有している。従って、薄肉部を極めて薄くすることができ、薄肉部の内部電気抵抗（特に、固体電解質層の内部電気抵抗）を小さくすることができる。加えて、厚肉部を設けたこと、並びに薄肉部に反りを設けたことにより、層間の熱膨張率差に起因する内部応力に対して極めて変形し難い薄板体が提供され得る。

図３０は、図３１に示した薄板体９０について、薄肉部と厚肉部の厚さの種々の組み合わせに対する薄板体（以下、「基板」とも称呼する。）全体の各反り量をそれぞれ測定した実験結果を示している。薄板体９０は、上記第３実施形態に係る薄板体６０に類似していて、薄肉部は、電解質層９１、燃料極層９２、及び空気極層９３が積層されて構成され、厚肉部は、薄肉部を構成する電解質層９１、燃料極層９２、及び空気極層９３の積層体の燃料極層９２側の表面に更に反り矯正層９５が積層されて構成されている。薄板体９０は、平面視にて一辺の長さａが５０ｍｍの正方形を呈している。

反り矯正層９５は、平面視にて縦横に等間隔の格子状を呈している。従って、薄肉部は、平面視にて複数の長方形の凹部９４に対応している。厚肉部は、上記複数の凹部９４を除いた残りの部分に対応している。反り矯正層９５の平面視における格子の枠幅ｂは５００μｍ、格子のピッチｃは３ｍｍである。

図３０に示した実験結果から、以下のことが判明した。
１．薄肉部の厚さが５μｍ未満では熱応力により基板全体にクラックが入った。これは、薄肉部の厚さが５μｍ未満では反り矯正層９５による反り矯正応力に基板が耐えられなかったことに基づくと思われる。
２．薄肉部の厚さが５μｍ以上であれば各種厚さの試験片が作成可能であったが、薄肉部の厚さが１００μｍを超えると基板の強度が十分であるため、薄肉部の変形（反り）による基板の反り低減の効果は確認されなかった。
３．厚肉部と薄肉部の厚さの差が３００μｍを超えると、薄肉部にクラックが入った。これは、厚肉部が十分な強度を有するために薄肉部の変形が抑制され、薄肉部と厚肉部の境界、即ち、薄肉部の端部に応力が集中したことに基づくと考えることができる。

以上より、
１．薄肉部の厚さは、５μｍ以上且つ１００μｍ以下であって、厚肉部と薄肉部の厚さの差は１０μｍ以上且つ３００μｍ以下が好ましい。
２．薄肉部の反り量が僅かであっても基板全体の変形抑制（反り抑制）に効果があるとともに、薄肉部の反り量が１００μｍを超えると、むしろ薄肉部の端部からクラックが導入され破壊に至ることがわかった。

なお、本発明は上記各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、上記各薄板体は、アルミナ等の通常のセラミックスからなっていてもよい。更に、上記各薄板体は、窒化珪素及び炭化珪素等の高耐熱衝撃性セラミックスであってもよく、イットリア部分安定化ジルコニアであってもよい。更に、上記各薄板体の平面視における形状は、正方形や長方形に限らず、これらを含む正多角形、多角形、円形、長円形及び楕円形等であってもよい。

また、上記各薄板体において、燃料極層となるシートは、白金、白金−ジルコニアサーメット、白金−酸化セリウムサーメット、ルテニウム、ルテニウム−ジルコニアサーメット等から構成することができる。また、空気極層となるシートは、例えば、ランタンを含有するペロブスカイト型複合酸化物（例えば、上述のランタンマンガナイトのほか、ランタンコバルタイト）から構成することができる。ランタンコバルタイト及びランタンマンガナイトは、ストロンチウム、カルシウム、クロム、コバルト（ランタンマンガナイトの場合）、鉄、ニッケル、アルミニウム等をドープしたものであってよい。また、パラジウム、白金、ルテニウム、白金−ジルコニアサーメット、パラジウム−ジルコニアサーメット、ルテニウム−ジルコニアサーメット、白金−酸化セリウムサーメット、パラジウム−酸化セリウムサーメット、ルテニウム−酸化セリウムサーメットであってもよい。

加えて、各薄板体は、３層（或いは、４層）の積層体であったが、積層数は４層以上（或いは、５層以上）であってもよい（例えば、４層〜７層）。

本発明の第１実施形態に係る薄板体を使用したＳＯＦＣの破断斜視図である。 図１に示したＳＯＦＣにおける燃料と空気の流通を説明する図である。 図１に示した薄板体の斜視図である。 図３に示した３−３線を含むとともに薄板体の平面と垂直な平面に沿って薄板体を切断した薄板体の一部断面図である。 図３に示した薄板体の製造方法を説明する図である。 本発明の第１実施形態の変形例に係る薄板体の斜視図である。 図６に示した６−６線を含むとともに薄板体の平面と垂直な平面に沿って薄板体を切断した薄板体の一部断面図である。 図６に示した薄板体の製造方法を説明する図である。 本発明の第２実施形態に係る薄板体の斜視図である。 図９に示した９−９線を含むとともに薄板体の平面と垂直な平面に沿って薄板体を切断した薄板体の一部断面図である。 図９に示した薄板体の製造方法を説明する図である。 本発明の第３実施形態に係る薄板体の斜視図である。 図１２に示した１２−１２線を含むとともに薄板体の平面と垂直な平面に沿って薄板体を切断した薄板体の一部断面図である。 図１２に示した薄板体の製造方法を説明する図である。 本発明の第３実施形態の第１変形例に係る薄板体の斜視図である。 図１５に示した１５−１５線を含むとともに薄板体の平面と垂直な平面に沿って薄板体を切断した薄板体の一部断面図である。 図１５に示した薄板体の製造方法を説明する図である。 本発明の第３実施形態の第２変形例に係る薄板体の斜視図である。 図１８に示した１８−１８線を含むとともに薄板体の平面と垂直な平面に沿って薄板体を切断した薄板体の一部断面図である。 図１８に示した薄板体の製造方法を説明する図である。 本発明の他の変形例に係る薄板体の斜視図である。 図２１に示した２１−２１線を含むとともに薄板体の平面と垂直な平面に沿って薄板体を切断した薄板体の一部断面図である。 本発明の他の変形例に係る薄板体の斜視図である。 図２３に示した２３−２３線を含むとともに薄板体の平面と垂直な平面に沿って薄板体を切断した薄板体の一部断面図である。 本発明の他の変形例に係る薄板体の一部断面図である。 本発明の他の変形例に係る薄板体の一部断面図である。 本発明の他の変形例に係る薄板体の一部断面図である。 本発明の他の変形例に係る薄板体の一部断面図である。 本発明の他の変形例に係る薄板体の一部断面図である。 図３１に示した薄板体について、薄肉部と厚肉部の厚さの種々の組み合わせに対する薄板体全体の各反り量をそれぞれ測定した実験結果を示す表である。 図１２に示した薄板体に類似する薄板体である。

符号の説明

１０、４０、５０、６０、７０、８０…薄板体、１０Ａ、４０Ａ、５０Ａ、６０Ａ、７０Ａ、８０Ａ…薄肉部、１０Ｂ、４０Ｂ、５０Ｂ、６０Ｂ、７０Ｂ、８０Ｂ…厚肉部、１１、４１、５１、６１、７１、８１…電解質層、１２、４２、５２、６２、７２、８２…燃料極層、１３、４３、５３、６３、７３、８３…空気極層、６５、７５、８５…反り矯正層。

Claims (21)

1. 少なくともセラミックス層を含む焼成された薄板体であって、
   それぞれの材質の熱膨張率が相違する２種以上の層が積層されてなる前記薄板体の部分である薄肉部と、少なくとも前記薄肉部を構成する層の全てを含む複数の層が積層されてなる前記薄肉部よりも厚さの大きい前記薄板体の部分である厚肉部と、を備え、
   前記薄肉部は、前記薄板体の平面に垂直な方向に反った形状を有する薄板体。
2. 請求項１に記載の薄板体であって、
   前記薄肉部の厚さが５μｍ以上且つ１００μｍ以下であり、前記厚肉部の厚さと前記薄肉部の厚さとの差が１０μｍ以上且つ３００μｍ以下である薄板体。
3. 請求項２に記載の薄板体であって、
   前記薄肉部は、１つ又は複数設けられ、
   前記薄板体の平面に垂直な方向に対する各薄肉部の正射影面積は、１ｍｍ^２以上且つ１００ｍｍ^２以下であり、各薄肉部における反りの前記平面に垂直な方向の高さは、１μｍ以上且つ１００μｍ以下である薄板体。
4. 請求項３に記載の薄板体であって、
   前記薄板体の平面に垂直な方向に対する各薄肉部の正射影形状は、円形、楕円形、正方形、又は長方形であり、前記円形の直径、前記楕円形の長径、前記正方形の１辺の長さ、又は前記長方形の長辺の長さは、１０ｍｍ以下である薄板体。
5. 請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の薄板体であって、
   前記薄肉部及び前記厚肉部は、前記セラミックス層としての固体電解質層と、前記固体電解質層の一面に形成された燃料極層と、前記固体電解質層の他面に形成された空気極層とが積層されてなり、
   前記厚肉部における何れか１つの層の厚さが、前記薄肉部における対応する層の厚さよりも大きい薄板体。
6. 請求項５に記載の薄板体において、
   前記厚肉部における前記固体電解質層の厚さが、前記薄肉部における前記固体電解質層の厚さよりも大きい薄板体。
7. 請求項６に記載の薄板体において、
   前記厚肉部における前記固体電解質層の厚さと、前記薄肉部における前記固体電解質層の厚さとの差は、１０μｍ以上且つ３００μｍ以下である薄板体。
8. 請求項５に記載の薄板体において、
   前記厚肉部における前記燃料極層の厚さが、前記薄肉部における前記燃料極層の厚さよりも大きい薄板体。
9. 請求項８に記載の薄板体において、
   前記厚肉部における前記燃料極層の厚さと、前記薄肉部における前記燃料極層の厚さとの差は、１０μｍ以上且つ３００μｍ以下である薄板体。
10. 請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の薄板体であって、
    前記薄肉部は、前記セラミックス層としての固体電解質層と、前記固体電解質層の一面に形成された燃料極層と、前記固体電解質層の他面に形成された空気極層とが積層されてなり、
    前記厚肉部は、前記薄肉部を構成する前記固体電解質層、前記燃料極層、及び前記空気極層の積層体の表面に、熱膨張率の相違に起因して発生する前記薄板体の反りを低減するための層である反り矯正層が積層されてなる薄板体。
11. 請求項１０に記載の薄板体において、
    前記反り矯正層として、前記燃料極層の表面に前記固体電解質層の熱膨張率よりも熱膨張率の小さい材質からなる層が積層されている薄板体。
12. 請求項１０に記載の薄板体において、
    前記反り矯正層として、前記空気極層の表面に前記固体電解質層の熱膨張率よりも熱膨張率の大きい材質からなる層が積層されている薄板体。
13. 請求項１０に記載の薄板体において、
    前記反り矯正層として、前記燃料極層の表面に前記固体電解質層の熱膨張率よりも熱膨張率の小さい材質からなる層が積層され、前記空気極層の表面に前記固体電解質層の熱膨張率よりも熱膨張率の大きい材質からなる層が積層されている薄板体。
14. 請求項１０に記載の薄板体において、
    前記反り矯正層として、前記燃料極層の表面に前記燃料極層の熱膨張率よりも熱膨張率の小さい材質からなる層が積層されている薄板体。
15. 請求項１０に記載の薄板体において、
    前記反り矯正層として、前記空気極層の表面に前記空気極層の熱膨張率よりも熱膨張率の大きい材質からなる層が積層されている薄板体。
16. 請求項１０に記載の薄板体において、
    前記反り矯正層として、前記燃料極層の表面に前記燃料極層の熱膨張率よりも熱膨張率の小さい材質からなる層が積層され、前記空気極層の表面に前記空気極層の熱膨張率よりも熱膨張率の大きい材質からなる層が積層されている薄板体。
17. 請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の薄板体であって、
    前記薄肉部は、前記セラミックス層としての固体電解質層と、前記固体電解質層の一面に形成された燃料極層と、前記固体電解質層の他面に形成された空気極層とが積層されてなり、
    前記厚肉部は、前記薄肉部を構成する前記固体電解質層、前記燃料極層、及び前記空気極層の積層体において、前記燃料極層の内部に、前記固体電解質層の熱膨張率よりも熱膨張率の小さい材質からなるとともに熱膨張率の相違に起因して発生する前記薄板体の反りを低減するための層である反り矯正層が埋設されてなる薄板体。
18. 請求項１７に記載の薄板体において、
    前記厚肉部には、前記空気極層の表面に前記固体電解質層の熱膨張率よりも熱膨張率の大きい材質からなるとともに熱膨張率の相違に起因して発生する前記薄板体の反りを低減するための層である第２の反り矯正層が積層されている薄板体。
19. 請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の薄板体であって、
    前記薄肉部は、前記セラミックス層としての固体電解質層と、前記固体電解質層の一面に形成された燃料極層と、前記固体電解質層の他面に形成された空気極層とが積層されてなり、
    前記厚肉部は、前記薄肉部を構成する前記固体電解質層、前記燃料極層、及び前記空気極層の積層体において、前記燃料極層の内部に、前記燃料極層の熱膨張率よりも熱膨張率の小さい材質からなるとともに熱膨張率の相違に起因して発生する前記薄板体の反りを低減するための層である反り矯正層が埋設されてなる薄板体。
20. 請求項１９に記載の薄板体において、
    前記厚肉部には、前記空気極層の表面に前記空気極層の熱膨張率よりも熱膨張率の大きい材質からなるとともに熱膨張率の相違に起因して発生する前記薄板体の反りを低減するための層である第２の反り矯正層が積層されている薄板体。
21. 請求項１１乃至請求項２０の何れか一項に記載の薄板体において、
    前記各反り矯正層の厚さは、１０μｍ以上且つ１００μｍ以下である薄板体。

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