JP5631625B2 - 固体酸化物形燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：ＳＯＦＣ）に係わり、特に、ＳＯＦＣに使用される積層体に関する。

従来から、内部に燃料ガス（例えば、水素等）の流路（燃料流路）が形成され且つ燃料流路内を流通する燃料ガスと接触して燃料ガスを反応させる燃料極層と、前記燃料極層の上面及び下面の少なくとも１面に形成され固体電解質からなる電解質層と、前記電解質層の表面に形成され酸素を含むガス（例えば、空気等）と接触して酸素を含むガスを反応させる空気極層と、を備えたＳＯＦＣの積層体が知られている（例えば、特許文献１を参照。）。

係る積層体を用いて構成されるＳＯＦＣに関し、本出願人は、例えば、特願２００７−３２４５０８号にて、複数の積層体と、導電体からなる集電固定部材（「インターコネクタ」とも称呼される）と、からなるスタック構造体を備えたＳＯＦＣを提案している。このスタック構造体では、隣り合う２つの積層体が積層体の厚さ方向に離間した状態で積み重なっている。また、隣り合う一方の積層体の燃料極層の接続部と隣り合う他方の積層体の空気極層の接続部とが集電固定部材を介して電気的に接続されている。より具体的には、隣り合う一方の積層体の燃料極層の接続部が集電固定部材の第１接続部と電気的に接続固定され、且つ、隣り合う他方の積層体の空気極層の接続部が集電固定部材の第２接続部（第１接続部とは異なる）と電気的に接続固定されている。これにより、複数の積層体が電気的に直列に接続されている。

そして、隣り合う２つの積層体の間に形成されたそれぞれの空間に酸素を含むガスの流路（空気流路）が区画・形成されている。この空気流路内の酸素を含むガスと燃料流路内の燃料ガスとが混ざらないように、空気流路と燃料流路とは電解質層（及びその他の部材）により区画されている。

このスタック構造体をＳＯＦＣの作動温度（例えば、８００℃、以下、単に「作動温度」と称呼する。）まで加熱した状態で、燃料流路及び空気流路に燃料ガス及び酸素を含むガスがそれぞれ供給される。これにより、燃料極層及び空気極層に燃料ガス及び酸素を含むガスがそれぞれ接触し、この結果、各積層体にて発電反応が発生する。その際、上述のように複数の積層体が電気的に直列に接続されたスタック構造体を採用することで、１つのみの積層体が使用される場合と比べて、より大きい出力を得ることができる。

国際公開第２００７／０２９８６０号パンフレット

ところで、上記積層体として焼成体が使用される場合、燃料極層をＳＯＦＣの燃料極電極（アノード電極）として機能させるためには、焼成後の積層体の燃料極層に対して還元処理を行う必要がある。この還元処理は、上記燃料極層の表面に還元ガス（例えば、水素）を供給することで実行される。このとき、上記空気極層の表面に還元ガスが供給されないような処置を併せて施す必要がある。空気極層に還元ガスが供給されると、空気極層を構成する材料が分解して空気極としての機能が達成されなくなるからである。

ここで、組み立て完了後の上記のスタック構造体では、上述のように燃料流路と空気流路とが区画されている。従って、この組み立て完了後のスタック構造体における各燃料流路に還元ガスを供給して上記還元処理を行うと、上記空気極層の表面への還元ガスの供給を防止するための特別の処置を施すことなく上記空気極層の表面への還元ガスの供給を防止することができる。

以下、組立完了後の上記スタック構造体における各燃料流路に還元ガスを供給して上記還元処理が行われる場合を考える。一般に、上記燃料極層に対して上記還元処理を実行すると、上記燃料極層が収縮し、この結果、積層体全体も収縮する。以下、この収縮を「還元収縮」と呼ぶ。この還元収縮に起因して積層体の寸法が減少する。積層体の大きさが大きいほどこの寸法減少量が大きい。

この還元収縮に起因する積層体の寸法減少により、互いに電気的に接続固定されていた積層体の燃料極層の接続部と集電固定部材の第１接続部との相対位置関係、並びに、互いに電気的に接続固定されていた積層体の空気極層の接続部と集電固定部材の第２接続部との相対位置関係にずれが生じる。これらの相対位置関係のずれが大きいと、積層体と集電固定部材との間の電気的接続部位の一部において電気的接続が失われることで積層体と集電固定部材との間の電気抵抗が増大し得る。この結果、ＳＯＦＣ全体としての出力が低下する事態が発生し得る。係る事態の発生を抑制するため、還元収縮の程度を抑制することが望まれている。

以上より、本発明の目的は、内部に燃料流路が形成された焼成体である燃料極層と、電解質層と、空気極層とを備えた固体酸化物形燃料電池の積層体において、焼成後の積層体の燃料極層に対して還元処理を施す際に発生する還元収縮の程度を抑制し得るもの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固体酸化物形燃料電池の積層体は、内部に燃料ガスの流路（燃料流路）が形成されるとともに前記燃料ガスの流路内を流通する燃料ガスと接触して前記燃料ガスを反応させる燃料極層と、前記燃料極層の上面及び下面の少なくとも１面に形成され固体電解質からなる電解質層と、前記電解質層の表面に形成され酸素を含むガスと接触して前記酸素を含むガスを反応させる空気極層とを備えている。なお、本発明に係る「積層体」には、単独で存在する「積層体」も、全体の一部として存在する「積層体」も含まれる。

この本発明に係る積層体を用いて構成されるＳＯＦＣは、例えば、本発明に係る複数の積層体と、前記複数の積層体を配置・固定する導電体からなる集電固定部材と、からなるスタック構造体を備える。このスタック構造体では、隣り合う２つの前記積層体が前記積層体の厚さ方向に離間した状態で積み重なり、且つ、前記隣り合う一方の積層体の前記燃料極層の接続部と前記隣り合う他方の積層体の前記空気極層の接続部とが前記集電固定部材を介して電気的に接続される。そして、前記隣り合う２つの積層体の間に形成された空間に前記酸素を含むガスの流路（空気流路）が区画・形成される。

係るスタック構造体に使用される積層体では、前記電解質層が前記燃料極層の周囲を囲むように前記燃料極層の表面に形成され、前記空気極層が前記電解質層における前記燃料極層の上面に形成された部分の上面（即ち、積層体の上面）及び前記電解質層における前記燃料極層の下面に形成された部分の下面（即ち、積層体の下面）にそれぞれ形成されることが好適である。

このように電解質層が燃料極層の周囲を囲むように燃料極層の表面に形成されることで、空気流路と燃料流路との区画が電解質層のみにより達成され得る。加えて、空気極層が積層体の上下面にそれぞれ形成されることで、空気極層が積層体の上下面の何れか１面にのみ形成される場合に比して、空気極層と電解質層との間の接触面積を大きくすることができる。この結果、酸素を含むガスの反応（具体的には、酸素を含むガスがイオン化する反応）が活発となり、ＳＯＦＣ全体としての出力が向上し得る。

上記本発明に係る積層体の特徴は、前記燃料極層が、酸素イオンを通すための第１物質の粒子と、電子を通すための第２物質の粒子と、ジルコンの粒子とを少なくとも含む焼成体であることにある。ここにおいて、前記「酸素イオンを通すための第１物質」とは、例えば、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等であり、前記「電子を通すための第２物質」とは、例えば、ニッケル（Ｎｉ）等である。

このように、焼成体である燃料極層にジルコンが含まれることにより、ジルコンが含まれない場合（即ち、燃料極層が、第１、第２物質の粒子のみからなる焼成体である場合）に比して、還元収縮の程度が抑制されることが判明した。従って、組立完了後の上記スタック構造体における各燃料流路に還元ガスを供給して上記還元処理が行われる場合において、上述した「積層体の燃料極層の接続部と集電固定部材の第１接続部との相対位置関係」のずれ量、並びに、「積層体の空気極層の接続部と集電固定部材の第２接続部との相対位置関係」のずれ量が小さい。この結果、積層体と集電固定部材との間の電気的接続部位の一部において電気的接続が失われる事態が発生し難くなる。この結果、積層体と集電固定部材との間の電気抵抗の増大が抑制されて、ＳＯＦＣ全体としての出力が低下する事態の発生が抑制され得る。

上記本発明に係る積層体においては、前記燃料極層は、前記燃料極層の基体である第１燃料極層と、前記第１燃料極層と前記電解質層との間に積層（介装）されるとともに前記第１燃料極層に比して前記第１物質の含有割合が大きい第２燃料極層と、を含んで構成され得る。この構成では、前記第１燃料極層は、前記第１物質の粒子と、前記第２物質の粒子と、前記ジルコンの粒子とから構成されるとともに前記第１燃料極層の内部に亘って前記ジルコン粒子が均一に分布し、前記第２燃料極層は、前記第１物質の粒子と前記第２物質の粒子のみから構成される。

この構成では、第１燃料極層は、後述する（２）式で表わされる反応で得られた電子を運搬するために主として使用され、第２燃料極層は、後述する（２）式で表わされる反応の速度を高めるために主として使用される。これらの観点において、第１燃料極層は燃料極集電層と呼ばれ、第２燃料極層は燃料極活性層とも呼ばれる。

この構成において、第２燃料極層においてジルコン粒子が含まれていないのは、第２燃料極層と電解質層との界面近傍において絶縁体であるジルコンが存在すると、後述する（２）式で表わされる反応の速度が低下する恐れがあるからである。なお、この構成でも、第２燃料極層の厚さを第１燃料極層の厚さに比して十分に小さくする（即ち、燃料極層全体の内部においてジルコンが含まれる領域を大きくする）ことで、燃料極層全体について上述した「還元収縮の抑制効果」が十分に発揮され得る。

また、この構成において、第１燃料極層の内部に亘ってジルコン粒子が均一に分布するように構成されているのは以下の理由に基づく。即ち、ジルコンは電子伝導的には絶縁体である。従って、第１燃料極層内部においてジルコン粒子を不均一に分布させると、ジルコン粒子が密集した領域について電気抵抗が極端に大きくなる。このように電気抵抗が極端に大きい領域が発生すると、積層体全体の電気抵抗が増大することに加え、発電時に発生するジュール熱によりその領域が高温化して積層体が破損するという問題が発生し得る。これに対し、上記のように、前記第１燃料極層の内部に亘ってジルコン粒子を均一に分布させることで、電気抵抗が極端に大きくなる領域が発生しない。この結果、燃料極層全体としての平均的な電気抵抗の増大が抑制され得る。

また、燃料極層にジルコンを含ませることにより、還元収縮の抑制以外にも、以下のような更なる効果も発生し得る。

１．ジルコンは、燃料極層を構成する上記第１、第２物質（例えば、ＮｉＯ、ＹＳＺ等）と反応しない性質を有する。従って、燃料極層内の上記第１、第２物質の変質を抑制できる。
２．ジルコンのヤング率は約３００ＧＰａと非常に大きい。従って、燃料極層が積層体の支持層として機能する場合、支持層としての燃料極層の剛性を高めることができる。この結果、積層体の平坦化、薄板化に有利となる。
３．ＳＯＦＣ使用中においては、上記還元処理後の燃料極層内の上記第２物質（Ｎｉ等）の粒成長（シンタリング）が発生し得る。この粒成長により、燃料極層内において上記第２物質（Ｎｉ等）同士の接触により接続・形成される導電経路（具体的には、電子が通る経路）が変化することで、一般には燃料極層の導電率が低下する。燃料極層にジルコンを含ませることで、この粒成長が抑制される効果が発生し得る。即ち、粒成長による燃料極層の導電率の低下が抑制される効果が発生し得る。
４．ＳＯＦＣ使用中において、ジルコンそのものが燃料極層の被毒源となることはない。

上記本発明に係る積層体においては、前記積層体の厚さ方向から前記積層体を視たときの前記積層体の形状は、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、３ｃｍ以上であることが好適である。また、前記第１燃料極層、前記第２燃料極層、前記電解質層、及び前記空気極層の厚さはそれぞれ、５００〜３０００μｍ、３〜３０μｍ、１〜２０μｍ、及び３〜５０μｍであることが好ましい。

加えて、前記燃料極層において、前記ジルコン粒子の含有割合は３〜３０体積％であることが好適である。更には、前記第１燃料極層に含まれる前記第１物質の粒子、前記第２物質の粒子、及び前記ジルコン粒子の粒径はそれぞれ、０．３〜１．５μｍ、０．５〜２μｍ、及び０．７〜２．５μｍであることが好ましい。

また、前記第１燃料極層において、前記第１物質（イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等）に代えて、イットリア（Ｙ_２Ｏ_３）が含まれていてもよい。この場合、前記第１燃料極層は、イットリア（Ｙ_２Ｏ_３）の粒子と、前記第２物質（Ｎｉ等）の粒子と、前記ジルコンの粒子とから構成される。

本発明の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池の斜視図である。 図１に示した燃料電池をｙ方向からみた図である。 図１に示した３−３線を含むとともにｘ−ｚ平面と平行な平面に沿って図１に示した燃料電池を切断した燃料電池の断面図である。 図１に示した４−４線を含むとともにｘ−ｚ平面と平行な平面に沿って図１に示した燃料電池を切断した燃料電池の断面図である。 図１に示した積層体の斜視図である。 図５に示した積層体をｘ，ｙ，及びｚ方向からみたそれぞれの図である。 図５に示した７−７線を含むとともにｘ−ｙ平面と平行な平面に沿って図５に示した積層体を切断した燃料極集電層の斜視図である。 図１に示したインターコネクタの斜視図である。 図８に示したインターコネクタをｘ，ｙ，及びｚ方向からみたそれぞれの図である。 図１に示した燃料電池における燃料と空気の流通を説明する図である。 燃料極集電層の内部に燃料流路を形成するために使用される流路形成部材の斜視図である。 後に燃料極集電層となる圧粉体をプレス成形する際の様子を説明するための図である。 内部に流路形成部材が埋設された圧粉体の斜視図である。 図１３に示した１４−１４線を含むとともにｘ−ｚ平面と平行な平面に沿って図１３に示した圧粉体を切断した圧粉体の断面図である。 図１３に示した圧粉体の上下面に後に燃料極活性層となるペーストが塗布され且つその圧粉体の周囲に後に電解質層となるペーストが塗布された物体における図１４に対応する断面図である。 図１５に示した物体を焼成することで流路形成部材の焼失により内部に燃料流路が形成された焼成体における図１４に対応する断面図である。 図１６に示した焼成体の上下面に空気極層が形成された焼成体の斜視図である。 図１７に示した焼成体に対して導電部及び貫通孔が形成されることで完成された積層体の斜視図である。 図１８に示した積層体の貫通孔に対応する部分に流路連結部材が固設された状態を示した斜視図である。 図１９に示した積層体がインターコネクタ内に収容された状態を示した斜視図である。 図２に示した積層体の拡大側面図である。 還元収縮に起因して、積層体とインターコネクタとの間の電気的接続部位の一部において電気的接続が失われる様子を示した図である。 比較例に係る積層体の図２１に対応する拡大側面図である。 燃料極層が１層からなる場合における図３に対応する断面図である。 内部に埋設された流路形成部材の形状に対応して圧粉体の上下面に凹凸が形成される場合における図１４に対応する断面図である。 図１３に示した２６−２６線を含むとともにｙ−ｚ平面と平行な平面に沿って図２５に示した圧粉体を切断した圧粉体の断面図である。 図２５、図２６に示した圧粉体を利用して形成された電解質層を含む焼成体における図２６に対応する断面図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池について説明する。

（燃料電池の全体構造）
図１は、本発明の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池（以下、単に「燃料電池」と称呼する。）１０の斜視図である。図２は、燃料電池１０をｙ軸方向からみた部分図であり、図３は、図１に示した３−３線を含むｘ−ｚ平面と平行な平面に沿って燃料電池を切断した図２に対応する部分断面図であり、図４は、図１に示した４−４線を含むｘ−ｚ平面と平行な平面に沿って燃料電池を切断した図２に対応する部分断面図である。なお、ｘ軸及びｙ軸は互いに直交する軸であり、ｚ軸は、ｘ−ｙ平面に垂直な軸である。以下、ｚ軸正方向を「上」方向、ｚ軸負方向を「下」方向と呼ぶこともある。

図１〜図４から理解できるように、燃料電池１０は、複数の同型の積層体と２０と、複数の同形のインターコネクタ３０とを備えている。各積層体２０は、対応する１つのインターコネクタ３０にそれぞれ収容・固定されている。燃料電池１０は、積層体２０を収容した状態にある複数のインターコネクタ３０が積層されることにより形成されている。即ち、燃料電池１０は、スタック構造を備えている。ここで、複数のインターコネクタ３０の積層体が前記「集電固定部材」に対応する。

以下、先ず、図２〜図４、並びに図５〜図７を参照しながら、積層体２０について説明する。積層体２０は、大略的にはｘ，ｙ，ｚ軸の方向に沿う辺を有する直方体状（ｚ軸方向に厚さ方向を有する薄板状）を呈していて、ｘ軸方向に沿う辺（長辺）の長さＡ１、ｙ軸方向に沿う辺（短辺）の長さＢ１、厚さＺ１はそれぞれ、本例では、３０〜３００ｍｍ、１５〜１５０ｍｍ、０．５〜５ｍｍである（図６を参照）。

積層体２０は、燃料極層２１と、電解質層２２と、一対の空気極層２３とを備える。燃料極層２１は、ｘ，ｙ，ｚ軸の方向に沿う辺を有する直方体状（ｚ軸方向に厚さ方向を有する薄板状）を呈する。燃料極層２１は、基板である燃料極集電層２１ａと、燃料極集電層２１ａの上下面にそれぞれ形成された燃料極活性層２１ｂとから構成される。燃料極集電層２１ａの内部には、燃料ガス（例えば、水素ガス）が流通する燃料流路２４が形成されている（特に、図７を参照）。

電解質層２２は、燃料極層２１の周囲（上下面及び側面）を囲むように燃料極層２１の表面に形成された薄膜である。一対の空気極層２３は、電解質層２２における燃料極層２１の上面（より具体的には、燃料極集電層２１ａの上面に形成された燃料極活性層２１ｂの上面）に形成された部分の上面及び電解質層２２における燃料極層２１の下面（より具体的には、燃料極集電層２１ａの下面に形成された燃料極活性層２１ｂの下面）に形成された部分の下面にそれぞれ形成されている。一対の空気極層２３，２３は、ｚ軸方向に厚さ方向を有する同形の薄板状を呈する。各空気極層２３には、後述する一対の貫通孔２５，２５との干渉を回避するために一対の切り欠き部２３ａ，２３ａが形成されている。

本例において、燃料極集電層２１ａは、（後述する還元処理後において）Ｎｉ、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、及びジルコン（ＺｒＳｉＯ_４）からなる多孔質の焼成体である。燃料極活性層２１ｂは、（後述する還元処理後において）Ｎｉ及びＹＳＺからなる多孔質の焼成体である。燃料極層２１は、燃料極電極（アノード電極）として機能する。電解質層２２はＹＳＺからなる緻密な焼成体である。各空気極層２３は、ＬＳＣＦ（Ｌａ０．６Ｓｒ０．４Ｃｏ０．２Ｆｅ０．８Ｏ３：ランタンストロンチウムコバルトフェライト）からなる多孔質の焼成体であり、空気極電極（カソード電極）として機能する。なお、電解質層２２と空気極層２３との間に、セリア（ＣｅＯ２）などの反応防止層が設けられても良い。セリアとしては、具体的には、ＧＤＣ（ガドリニウムドープセリア）、ＳＤＣ（サマリウムドープセリア）等が挙げられる。積層体２０の全体としての常温から１０００℃での平均熱膨張率は、約１２．８ｐｐｍ／Ｋである。

積層体２０は、一対の貫通孔２５，２５を備えている。各貫通孔２５は、積層体２０の対応する短辺の近傍であってその辺の中央部領域にそれぞれ形成されていて、各貫通孔２５は電解質層２３及び燃料極層２２を貫通している。一対の貫通孔２５，２５は、燃料極層２１の内部において燃料流路２４を介して連通している（特に、図７を参照）。

また、積層体２０の上面の４隅には、積層体２０の内部の燃料極層２１と電気的に接続された導体からなる導電板２６がそれぞれ配設されている。導電板２６の材質としては、例えば、耐熱金属が使用される。耐熱金属としては、燃料電池用のフェライト系ステンレスであるＺＭＧ材料（日立金属（株）製）等が好適である。或いは、導電板２６の材質として、導電性セラミックが使用される。導電性セラミックとしては、ランタンクロマイト等が好適である。

各導電板２６の上面（即ち、導体の上面）は、外部に露呈している。後述するように、上述したスタック状態において、これらの導電板２６は、自身を収容するインターコネクタ３０の上方に隣接するインターコネクタ３０の後述する脚部３４との電気的接続部として機能する。なお、積層体２０の更なる詳細については後述する。

次に、図２〜図４、並びに図８、図９を参照しながら、インターコネクタ３０について説明する。インターコネクタ３０は、本例では、ｙ軸方向中央のｘ−ｚ平面に平行な平面に対して対称な形状を有する第１部分３０Ａ及び第２部分３０Ｂに分割されている。以下、説明の便宜上、インターコネクタ３０が第１、第２部分３０Ａ，３０Ｂからなる一体物として扱われる場合もある。

インターコネクタ３０は、大略的にはｘ，ｙ，ｚ軸の方向に沿う辺を有する直方体状（ｚ軸方向に厚さ方向を有する薄板状）を呈した導電体からなる枠体（筺体）である。ｘ軸方向に沿う辺（長辺）の長さＡ２、ｙ軸方向に沿う辺（短辺）の長さＢ２、高さＺ２はそれぞれ、本例では、４０〜３１０ｍｍ、２５〜１６０ｍｍ、３〜８ｍｍである（図９を参照）。

本例では、インターコネクタ３０は、燃料電池用のフェライト系ステンレスであるＺＭＧ材料（日立金属（株）製）等から構成されている。インターコネクタ３０の常温から１０００℃での平均熱膨張率は、約１２．５ｐｐｍ／Ｋである。従って、インターコネクタ３０の熱膨張率は、積層体２０の熱膨張率と略等しい。この結果、燃料電池１０の温度が変化しても、積層体２０とインターコネクタ３０との間にて伸縮量差が生じ難い。

インターコネクタ３０（即ち、枠体）の内部には、積層体２０を収容するためのｙ軸方向に開口する（貫通する）空間が形成されている。インターコネクタ３０には、積層体２０が収容された状態において後述する一対の連結部材４０との干渉を回避するために一対の切り欠き部３１，３１が形成されている。

インターコネクタ３０を構成する枠における上面及び下面に対応する部分にはそれぞれ、小窓（貫通孔）の縁から下方及び上方に向けて突出する複数の突起部３２が形成されている。後述するように、これらの突起部３２は、インターコネクタ３０の内部に収容された積層体２０の空気極層２３との電気的接続部として機能する。

インターコネクタ３０を構成する枠における上面に対応する部分の４隅であって、積層体２０が収容された状態においてｘ−ｙ平面上にて上述の導電板２６の位置に対応する位置には、窓３３（貫通孔）がそれぞれ形成されている。また、インターコネクタ３０を構成する枠における下面に対応する部分の４隅であって、ｘ−ｙ平面上にて窓３３の位置に対応する位置には、下方に突出する脚部３４がそれぞれ形成されている。ｚ軸方向からみたとき、脚部３４全体が窓３３に含まれる。後述するように、上述したスタック状態において、これらの脚部３４は、下方に隣接するインターコネクタ３０内に収容される積層体２０の導電板２６との電気的接続部として機能する。

燃料電池１０は、上記の構成を有する積層体２０を収容・固定した上記の構成を有する複数のインターコネクタ３０が積層されたスタック構造を有する。このスタック構造を有する燃料電池１０では、隣り合う２つの積層体２０の間におけるｘ−ｙ平面上にて一対の貫通孔２５，２５の位置に対応する位置にそれぞれ、貫通孔４１を備えた円筒状の連結部材４０，４０が介装されている。これにより、隣り合う２つの積層体２０が連結部材４０の高さに相当する距離だけｚ軸方向に離間した状態で連結部材４０を介して積み重なっている（特に、図４を参照）。

また、隣り合う２つの積層体２０におけるｘ−ｙ平面上にて同じ位置にある貫通孔２５同士が連結部材４０の貫通孔４１を介して接続・連通している。これにより、図４に示すように、貫通孔４１と貫通孔２５とが交互に接続されることで、ｚ軸方向に連続的に延びる１本の燃料供給路と、ｚ軸方向に連続的に延びる１本の燃料排気路とが形成されている。この燃料供給路と燃料排気路とは、各積層体２０内の燃料流路２４を介して連通している。

また、各積層体２０の一対の空気極層２３，２３と、その積層体２０を収容するインターコネクタ３０の複数の突起部３２とが、導電性の接着剤５１（導電性ペースト）により電気的に接続・固定されている（特に、図３を参照）。また、或るインターコネクタ３０の４つの窓３３にそのインターコネクタ３０の上方に隣接するインターコネクタ３０の４つの脚部３４がそれぞれ挿入されている。そして、或る積層体２０の導電板２６（の上面）と、その積層体２０を収容するインターコネクタ３０の上方に隣接するインターコネクタ３０の脚部３４（の下面）とが、導電性の接着剤５２（導電性ペースト）により電気的に接続・固定されている（特に、図３を参照）。

これにより、隣り合う２つの積層体２０のうち上側の積層体２０の空気極層２３と下側の積層体２０の燃料極層２１とが上側の積層体２０を収容するインターコネクタ３０を介して電気的に接続されている。即ち、燃料電池１０全体において、複数の積層体２０が電気的に直列に接続されている。

また、隣り合う２つの積層体２０の間に形成された空間は、酸素を含むガス（例えば、空気）が流通する空気流路Ｓとして利用される。上述のように、積層体２０の電解質層２２が燃料極層２１の周囲を囲んでいる。従って、この空気流路Ｓと燃料流路２４とは、電解質層２２のみにより区画されている。

以上の構成を有する燃料電池１０に対して、図１０に示すように、ｙ軸方向から空気が供給されるとともに、燃料供給路から燃料ガスが供給される。供給された空気は、空気流路Ｓを流通し、各積層体２０の一対の空気極層２３，２３と接触する。一方、供給された燃料ガスは、各積層体２０内の燃料流路２４をそれぞれ通過し、燃料排気路から排気される（図４の矢印を参照）。このように、燃料流路２４に燃料ガスが供給され、且つ、空気流路Ｓに空気が供給されることで、燃料電池１０は、以下に示す化学反応式（１）及び（２）に基づく発電を行う。
（１／２）・Ｏ_２＋２^ｅ−→Ｏ^２− （於：空気極層２３） …（１）
Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２^ｅ− （於：燃料極層２１） …（２）

燃料電池（ＳＯＦＣ）１０は、電解質層２２の酸素伝導度を利用して発電するので、燃料電池１０としての作動温度は最低６００℃以上であることが一般的である。このため、燃料電池１０は、常温から作動温度（例えば８００℃）まで外部の加熱機構（例えば、抵抗加熱ヒータ方式の加熱機構、或いは、燃料ガスを燃焼して得られる熱を利用する加熱機構等）により昇温された状態で使用される。

（製造方法の一例）
以下、燃料電池１０の製造方法の一例について説明する。先ず、積層体２０の製造方法について説明する。燃料極層２１内に燃料流路２４を形成するため、燃料流路２４と同形の図１１に示す流路形成部材６１が準備される。この流路形成部材６１は、造孔剤（例えば、セルロース）を用いて周知の手法の１つにより形成される。また、燃料極集電層２１ａの原料となる粉末６２が準備される。この粉末６２には、ＮｉＯ、ＹＳＺ、ジルコン、及び造孔剤（例えば、セルロース）のそれぞれの粒子が均一に含まれる。粉末６２に造孔剤が含まれているのは、燃料極層２１を多孔質とするためである。

次に、図１２に示すように、（１軸）プレス機を利用して、流路形成部材６１が埋設されるように、粉末６２が燃料極集電層２１ａに対応する形状にプレス成形される。これにより、図１３に示すように、流路形成部材６１が埋設された直方体状の圧粉体２１ａｚが形成される。図１４は、図１３に示した１４−１４線を含むｘ−ｚ平面と平行な平面に沿って圧粉体２１ａｚを切断した断面図である。

次いで、図１５に示すように、この圧粉体２１ａｚの上下面に、後に燃料極活性層２１ｂとなるＹＳＺ−ＮｉＯペースト膜２１ｂｚが形成されるとともに、膜２１ｂｚが形成された圧粉体２１ａｚの周囲（上下面及び側面）に、後に電解質層２２となるＹＳＺペースト膜２２ｚが形成される。膜２１ｂｚの形成は、圧粉体２１ａｚの上下面にペーストが塗布されることで達成されてもよいし、圧粉体２１ａｚの上下面にセラミックグリーンシートが貼り付けられることで達成されてもよい。

同様に、膜２２ｚの形成は、膜２１ｂｚが形成された圧粉体２１ａｚの周囲（上下面及び側面）にペーストが塗布されることで達成されてもよいし、膜２１ｂｚが形成された圧粉体２１ａｚの周囲（上下面及び側面）をセラミックグリーンシートで覆うことで達成されてもよい。膜２１ｂｚが形成された圧粉体２１ａｚのセラミックグリーンシートによる被覆は、上下面に対してはグリーンシートを貼り付けられることで達成され得、側面に対してはグリーンシートを巻き付けるように接着することで達成され得る。また、熱応力が高くなる膜２２ｚの側面部には、補強のため、セラミックペーストが更に塗布されてもよい。

このように膜２１ｂｚ，２２ｚが形成された物体が所定温度・所定時間（例えば、１４００℃・１時間）にて焼成される。これにより、図１６に示すように、流路形成部材６１が焼失し、内部に燃料流路２４が形成された燃料極層２１（燃料極集電層２１ａと、その上下面にそれぞれ形成された燃料極活性層２１ｂとからなる）と、燃料極層２１の周囲を囲む電解質層２２とを備えた焼成体が形成される。また、粉末６２に含まれていた造孔剤が焼失することで、燃料極層２１が多孔質となる。

また、上述のように、電解質層２２と空気極層２３との間に、セリア（ＣｅＯ２）からなる反応防止層が介装される場合、焼成前に、圧粉体２１ａｚの周囲に形成されたＹＳＺペースト膜２２ｚの全面（上下面及び側面）に対して、後に反応防止層となるペースト膜が更に形成される。この膜の形成も、ＹＳＺペースト膜２２ｚの場合と同様、ペーストの塗布、セラミックグリーンシートの利用等により達成され得る。そして、この膜とＹＳＺペースト膜２２ｚとが共に焼成に供される。

或いは、ＹＳＺペースト膜２２ｚが焼成された後、この焼成体の上下面のみに、後に反応防止層となるペースト膜が印刷法等によりそれぞれ形成され、その後に、この膜が焼成されてもよい。この場合、ｚ軸方向からみた場合において、反応防止層の輪郭全体が空気極層２３の輪郭全体の外側に存在するように、この膜のパターンが設定されることが好適である。例えば、この膜の輪郭が、後述する「後に空気極層２３となるシート２３ｚ」の輪郭に対して１ｍｍ程度外側に存在するように調整される。

次に、図１７に示すように、この焼成体の上下面に、後に空気極層２３となるシート２３ｚが印刷法によりそれぞれ形成され、そのシート２３ｚが所定温度・所定時間（例えば、１０００℃・１時間）にて焼成される。これにより、焼成体の上下面に空気極層２３，２３が形成される。そして、図１８に示すように、この焼成体に対して、周知の加工手法の１つを利用して、１対の貫通孔２５，２５が形成される。また、この焼成体に対して、内部の燃料極層２１（より具体的には、燃料極活性層２１ｂ）と電気的に接続されるように４つの導電板２６が配設される。以上により、積層体２０が完成される。完成された積層体２０が必要な個数だけ準備される。

次に、インターコネクタ３０の製造方法について説明する。インターコネクタ３０（実際には、第１、第２部分３０Ａ，３０Ｂ）は、燃料電池用のフェライト系ステンレスであるＺＭＧ材料（日立金属（株）製）等からなる薄板を、周知の手法（エッチング、切削、プレス等）により図８、図９に示す形状に加工することで完成される。完成されたインターコネクタ３０（実際には、第１、第２部分３０Ａ，３０Ｂ）が必要な個数だけ準備される。

次に、図１９に示すように、準備された複数の積層体２０のそれぞれの上面に対して、一対の貫通孔２５，２５の位置に対応する位置に、連結部材４０が接着剤（例えば、ガラスペースト）によりそれぞれ接着固定される。また、各インターコネクタ３０（実際には、第１、第２部分３０Ａ，３０Ｂ）の複数の突起部３２に導電性ペースト（導電性の接着剤５１）が塗布される。

次いで、図２０に示すように、連結部材４０が接着固定された各積層体２０が、導電性接着剤５１が塗布されたインターコネクタ３０（実際には、第１、第２部分３０Ａ，３０Ｂ）に収容される。これにより、各積層体２０の一対の空気極層２３，２３と、その積層体２０を収容するインターコネクタ３０の複数の突起部３２とが、導電性の接着剤５１により電気的に接続・固定される（図３を参照）。

次に、各インターコネクタ３０の脚部３４（の下面）に導電性ペースト（導電性の接着剤５２）が塗布される。そして、或るインターコネクタ３０の４つの窓３３にそのインターコネクタ３０の上方に隣接するインターコネクタ３０の４つの脚部３４がそれぞれ挿入されように、複数のインターコネクタ３０が積層される。これにより、スタック構造体が形成される。加えて、或る積層体２０の導電板２６（の上面）と、その積層体２０を収容するインターコネクタ３０の上方に隣接するインターコネクタ３０の脚部３４（の下面）とが、導電性の接着剤５２により電気的に接続・固定される（図３を参照）。即ち、複数の積層体２０が電気的に直列に接続される。更には、燃料ガスと空気とを完全に区画するため、種々の連結部品間の接合（シール）も併せて実行される。

次に、このスタック構造体における各積層体２０の燃料極層２１に対して、還元処理が行われる。この還元処理では、このスタック構造体に熱処理が施されて、このスタック構造体の温度が所定温度（例えば、８００℃）に所定時間だけ維持される。これと同時に、燃料供給路を介して各燃料流路２４内に還元ガス（本例では、水素ガス）が流入させられる。なお、上述のように、燃料流路２４と空気流路Ｓとは電解質層２２により区画されている。従って、還元処理中において、空気極層２３の表面への還元ガスの供給を防止するための特別の処置を施すことなく空気極層２３の表面への還元ガスの供給を防止することができる。

この還元ガスの流入により、燃料極層２１を構成するＮｉＯ、ＹＳＺ、ジルコンのうちＮｉＯが還元される。この結果、燃料極層２１がＮｉ−ＹＳＺ―ジルコンのサーメットとなって燃料極電極（アノード電極）として機能し得るようなる。以上にて、燃料電池１０の組立が完了する。

（積層体の詳細）
以下、積層体２０の詳細について説明する。積層体２０の部分側面図である図２１に示すように、燃料極層２１は、燃料極集電層２１ａと、その上下にそれぞれ形成された燃料極活性層２１ｂとからなる。燃料極集電層２１ａ（上記還元処理後）は、Ｎｉ、ＹＳＺ、及びジルコン（ＺｒＳｉＯ_４）の微細な粒子からなる多孔質層である。燃料極集電層２１ａに含まれるＮｉ、ＹＳＺ、及びＺｒＳｉＯ_４の粒子の粒子径はそれぞれ、本例では、０．３〜１．５μｍ、０．５〜２μｍ、及び０．７〜２．５μｍである。燃料極活性層２１ｂ（上記還元処理後）は、Ｎｉ、及びＹＳＺの微細な粒子からなる多孔質層である。燃料極活性層２１ｂに含まれるＮｉ、及びＹＳＺの粒子の粒子径はそれぞれ、本例では、０．３〜１．５μｍ、及び０．５〜２μｍである。燃料極活性層２１ｂでは、燃料極集電層２１ａと比べて、ＹＳＺの含有割合（体積％）が大きい。

燃料極集電層２１ａは、上述の（２）式で表わされる反応で得られた電子を導電板２６に運ぶために主として使用され、燃料極活性層２１ｂは、上述の（２）式で表わされる反応の速度を高めるために主として使用される。燃料極活性層２１ｂにおいてジルコン粒子が含まれていないのは、燃料極活性層２１ｂと電解質層２２との界面近傍において絶縁体であるジルコンが存在すると、上述の（２）式で表わされる反応の速度が低下する恐れがあるからである。

燃料極集電層２１ａ内では、ｘ−ｙ平面方向及びｚ軸方向において、ジルコン粒子が均一に分布している（ジルコン粒子の分布状態が均質である）。ここで、「ｘ−ｙ平面方向において均一に分布（ジルコン粒子の分布状態が均質）」とは、ｚ軸方向のいかなる位置においても、単位体積当たりのジルコン粒子の含有量がｘ−ｙ平面方向に亘って均一であることを意味する。「ｚ軸方向において均一に分布（ジルコン粒子の分布状態が均質）」とは、ｘ−ｙ平面方向のいかなる位置においても、単位体積当たりのジルコン粒子含有量がｚ軸方向に亘って均一であることを意味する。即ち、燃料極集電層２１ａにおける単位体積当たりのジルコン粒子含有量は内部に亘って均一であり、本例では、燃料極集電層２１ａにおけるジルコンの含有割合は、３〜３０体積％である。なお、燃料極集電層２１ａにおけるＮｉ、ＹＳＺの含有割合はそれぞれ、３５〜５５体積％、１５〜６２体積％である。これに対し、燃料極活性層２１ｂにおけるＮｉ、ＹＳＺの含有割合はそれぞれ、２５〜４５体積％、５５〜７５体積％である。

電解質層２２は、ＹＳＺの微細な粒子からなる緻密層である。電解質層２２に含まれるＹＳＺの粒子の粒子径は、本例では、０．３〜３μｍである。この粒子径は、ＹＳＺに対するＹ２Ｏ３の添加量や焼成温度で調整可能である。空気極層２３は、ＬＳＣＦの微細な粒子からなる多孔質層である。空気極層２３に含まれるＬＳＣＦの粒子の粒子径は、本例では、０．２〜２μｍである。

積層体２０の厚さＺ１は、全体に渡って均一であり、本例では、上述したように、０．５〜５ｍｍである。また、燃料極層２１、電解質層２２、及び空気極層２３の厚さＺａ，Ｚｂ，Ｚｃはそれぞれ、例えば、５００〜３０００μｍ、１〜２０μｍ、及び３〜５０μｍである。燃料極集電層２１ａ、及び燃料極活性層２１ｂの厚さＺａ１，Ｚａ２はそれぞれ、例えば、５００〜３０００μｍ、及び３〜３０μｍである。

燃料極層２１、電解質層２２、及び空気極層２３の常温から１０００℃での平均熱膨張率はそれぞれ、本例では、１１．５〜１３ｐｐｍ／Ｋ、１０〜１１．５ｐｐｍ／Ｋ、及び１０〜１４ｐｐｍ／Ｋである。

（作用・効果）
以下、上述のように、燃料極層２１（燃料極集電層２１ａ）内にジルコンが含有されたことによる作用・効果について述べる。

燃料極層２１に対して上述した還元処理が実行されると、燃料極層２１中のＮｉＯがＮｉに変換される際に燃料極層２１から離脱するＯ（酸素）の量に応じた分だけ燃料極層２１が収縮する。この結果、積層体２０全体も収縮する。以下、この収縮を「還元収縮」と呼ぶ。この還元収縮に起因して積層体２０の寸法が減少する。

上述のように、組立完了後の上記スタック構造体における各燃料流路２４に還元ガスを供給して上記還元処理が行われた場合を考える。この場合、還元収縮に起因する積層体２０の寸法減少により、互いに電気的に接続固定されていた積層体２０の導電板２６とインターコネクタ３０の脚部３４とのｘ−ｙ平面上での相対位置関係、並びに、互いに電気的に接続固定されていた積層体２０の空気極層２３の部分とインターコネクタ３０の突起部３２とのｘ−ｙ平面上での相対位置関係にずれが生じる。

これらの相対位置関係のずれが大きいと、積層体２０とインターコネクタ３０との間の電気的接続部位の一部において電気的接続が失われ得る。例えば、図２２では、インターコネクタ３０の複数の突起部３２の一部が導電体接着剤５１から離れることにより、その一部の突起部３２と空気極層２３との電気的接続が失われる場合の例が示されている（図２２における破線で囲んだ箇所を参照）。

このように、積層体２０とインターコネクタ３０との間の電気的接続部位の一部において電気的接続が失われると、積層体２０とインターコネクタ３０との間の電気抵抗が増大し、この結果、燃料電池１０全体としての出力が低下する事態が発生し得る。係る事態の発生を抑制するため、還元収縮の程度を抑制することが望まれる。

他方、燃料極層２１（燃料極集電層２１ａ）にジルコンが含まれることにより、ジルコンが含まれない場合（即ち、燃料極集電層２１ａ及び燃料極活性層２１ｂが共にＮｉとＹＳＺのみからなる場合）に比して、還元収縮の程度が抑制されることが判明した。従って、本例のように燃料極層２１（燃料極集電層２１ａ）にジルコンが含まれる場合、ジルコンが含まれない場合に比して、上述の相対位置関係のずれが小さくなり、積層体２０とインターコネクタ３０との間の電気的接続部位の一部において電気的接続が失われる事態が発生し難くなる。この結果、燃料電池１０全体としての出力が低下する事態の発生が抑制され得る。係る「還元収縮の抑制効果」は、「ジルコンを含まない燃料極活性層２１ｂ」の厚さを「ジルコンを含む燃料極集電層２１ａ」の厚さに比して十分に小さくする（即ち、燃料極層２１全体の内部においてジルコンが含まれる領域を大きくする）ことで、より確実に発揮され得る。

以下、このことを確認した実験について説明する。この実験では、図２３に示すように、図２１に示した上記実施形態において燃料極集電層２１ａ中の全てのジルコンをＹＳＺに置き換えて得られる積層体が比較例として導入された。即ち、図２１に示した実施形態と図２３に示した比較例とでは、Ｎｉの含有量が同じである。換言すれば、上述した還元処理の実行によるＮｉＯからＮｉへの変換により燃料極層２１から離脱するＯ（酸素）の量は同じである。

この実験では、図２１に示した上記実施形態に対応するジルコンの含有割合が異なる複数種類の積層体と、図２３に示した比較例に対応する積層体とが、上述した製造方法を利用してそれぞれ作製・準備された。そして、上記スタック構造体が準備された積層体の種類毎に作製され、それぞれのスタック構造体に対して各燃料流路２４に還元ガスを供給して上記還元処理が行われた。そして、それぞれのスタック構造体に対して、抵抗値、出力密度、及び上述した電気的接続部位の電気的接続状態が評価された。この評価結果を表１に示す。

表１において、水準１が比較例（ジルコンの含有割合＝０）に対応し、水準２〜７が実施例（ジルコンの含有割合＞０）に対応する。表１に示すように、水準１〜７において、Ｎｉの含有割合は４５体積％で一定である。一方、水準１〜７において、ジルコンの含有割合は、ＹＳＺの含有割合とジルコンの含有割合との和が５５体積％で一定となる条件下で、０〜４０体積％の範囲内で７種類の異なる値に調整されている。

この実験について付言する。この実験に使用された積層体は直方体を呈していて、長辺の長さＡ１、短辺の長さＢ１、及び厚さＺ１はそれぞれ、１２０ｍｍ、６０ｍｍ、及び１．５ｍｍであった（図６を参照）。電解質層は、燃料極層（圧粉体）の表面に厚さ５μｍの３ＹＳＺの膜が形成され、この膜が１４００℃、１ｈｒの条件で焼成されることで形成された。また、電解質層と空気極層との間にＧＤＣからなる反応防止層が介装された。反応防止層は、電解質層の表面に厚さ５μｍのＧＤＣの膜が印刷法等により形成され、この膜が１３５０℃、１ｈｒの条件で焼成されることで形成された。空気極層は、反応防止層の表面に厚さ３０μｍのＬＳＣＦの膜が印刷法等により形成され、この膜が１０００℃、１ｈｒの条件で焼成されることで形成された。

抵抗値としては、周知のインピーダンス解析手法の１つを用いて得られる７５０℃における値が使用された。出力密度としては、電流−電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）から得られる７０５℃、電圧０．８（Ｖ）における値が使用された。電気的接続部位の電気的接続状態は以下の手法で確認された。先ず、降温後のスタック構造体がジルコニアスラリーの中に浸漬された。その後、そのスタック構造体が１２０℃で乾燥された。乾燥後、スタック構造体が解体され、電気的接続部位に白色のスラリーが浸入しているか否かが観察された。スラリーが浸入していないことは接続状態が正常なことを意味し、スラリーが浸入していることは接続状態が異常なことを意味する。

表１に示すように、図２１に示した上記実施形態のうちでジルコンの含有割合が３〜３０体積％のもの（即ち、水準３〜５）は、その他のもの（即ち、水準１，２，６，７）に比して、抵抗値が明らかに小さく、且つ出力密度が明らかに大きい。加えて、電気的接続部位の接続状態も正常である。これは、燃料極層２１（燃料極集電層２１ａ）にジルコンが適切な割合で含まれることにより、ジルコンが含まれない場合に比して、燃料極層２１から離脱するＯ（酸素）の量が同じであっても、還元収縮の程度が小さくなることを意味する。

なお、水準１，２において抵抗値が大きく且つ出力密度が小さいのは、電気的接続部位の一部において電気的接続が失われていたことに起因する。これは、ジルコンの含有割合が小さすぎて還元収縮の程度が小さくならなかったことを意味する。また、水準６，７において抵抗値が大きく且つ出力密度が小さいのは、ジルコンの含有割合が大きすぎて燃料極層そのものの電気抵抗が大きいことに起因する。

以上、説明したように、本発明の実施形態に係るスタック構造を有する固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）１０は、それぞれが積層体２０を収容した状態にある複数のインターコネクタ３０が積層されたスタック構造体を有する。各積層体２０は、内部に燃料流路２４が形成されたアノード電極として機能する燃料極層２１と、電解質層２２と、カソード電極として機能する空気極層２３とを備える。燃料極層２１には、ジルコン（ＺｒＳｉＯ_４）が含まれる。これにより、燃料極層２１をアノード電極として機能させるために燃料極層２１に対して還元処理が実行される際の燃料極層２１の収縮の程度が減少する。従って、組立完了後のスタック構造体における各燃料極層２１に対して還元処理が行われる場合において、上記収縮に起因して積層体２０とインターコネクタ３０との間の電気的接続部位の一部において電気的接続が失われる事態の発生が抑制され得る。

以下、還元収縮の抑制以外の、燃料極層２１にジルコンを含ませることによる他の効果について述べる。
１．ジルコンは、ＮｉＯ及びＹＳＺと反応しない性質を有する。従って、燃料極層２１内のＮｉＯ及びＹＳＺの変質を抑制できる。
２．ジルコンのヤング率は約３００ＧＰａと非常に大きい。従って、積層体の支持層として機能する燃料極集電層２１ａの剛性を高めることができる。この結果、積層体の平坦化、薄板化に有利となる。
３．ＳＯＦＣ使用中においては、燃料極層２１内のＮｉの粒成長（シンタリング）が発生し得る。この粒成長により、燃料極層２１内においてＮｉ粒子同士の接触により接続・形成される導電経路（具体的には、電子が通る経路）が変化することで、一般には燃料極層２１の導電率が低下する。燃料極層２１にジルコンを含ませることで、この粒成長が抑制される効果が発生し得る。即ち、粒成長による燃料極層２１の導電率の低下が抑制される効果が発生し得る。
４．ＳＯＦＣ使用中において、ジルコンそのものが燃料極層２１の被毒源となることはない。

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、上記実施形態においては、燃料極層が、ジルコンを含まない層（燃料極活性層）とジルコンを含む層（燃料極集電層）とを含む２層以上の複数層で構成されているが、燃料極層が、ジルコンを含むとともにジルコン含有割合が異なる２層以上の複数層から構成されてもよい。また、ジルコンを含む各層の内部では、ジルコン粒子が均一に分布していてもよいし、ジルコン粒子が、ｘ−ｙ平面方向において均一に、且つ単位体積当たりのジルコン粒子含有量（ジルコン含有割合）がｚ軸方向において徐々に変化していくように分布していてもよい。

また、図２４に示すように、燃料極層２１がジルコンを含む１層のみから構成されてもよい。この燃料極層２１の内部では、ジルコン粒子が均一に分布していても、不均一に分布していてもよい。

また、上記実施形態においては、積層体２０において、電解質層２２が、燃料極層２１の周囲の全て（上下面及び側面）を囲むように燃料極層２１の表面に形成されているが、電解質層が、燃料極層２１の上下面のみに形成され、燃料極層の側面（４面）に形成されなくてもよい。この場合、空気流路Ｓと燃料流路２４とを区画するため、燃料極層２１の側面（或いは、積層体２０の側面全体）が、電解質層に代えて、空気流路Ｓと燃料流路２４とを区画する機能を発揮する側壁で覆われる必要がある。この場合、側壁としては、例えば、ガラス材料が使用され得る。

また、上記実施形態においては、燃料極層２１の内部におけるジルコン以外の部分は、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２３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、上述のランタンストロンチウムコバルトフェライトのほか、ランタンマンガナイト、ランタンコバルタイト、ランタンフェライト）から構成することができる。これらは、ストロンチウム、カルシウム、クロム、コバルト、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。

また、上記実施形態においては、積層体２０のｘ−ｙ平面形状は長方形であるが、正方形、円形、楕円形等であってもよい。これらの場合において、円形の場合の直径、楕円形の場合の長径、正方形の場合の１辺の長さは、３ｃｍ以上であることが好適である。

また、上記実施形態においては、燃料極集電層２１ａは、（還元処理後において）Ｎｉ、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、及びジルコン（ＺｒＳｉＯ_４）からなる多孔質の焼成体であるが、燃料極集電層２１ａは、（還元処理後において）Ｎｉ、Ｙ_２Ｏ_３（イットリア）、及びジルコン（ＺｒＳｉＯ_４）からなる多孔質の焼成体であってもよい。

ところで、上記実施形態においては、図１３、図１４に示すように、後に燃料極集電層２１ａとなる圧粉体２１ａｚの上下面が平面で示されている。しかしながら、プレス成形時における流路形成部材６１と粉末６２との圧縮特性の相違により、実際には、図２５、図２６に示すように、圧粉体２１ａｚの上下面には、ｚ軸方向からみて流路形成部材６１が存在する領域に対応する部分の厚さがその他の領域に対応する部分の厚さに対して大きくなるように、流路形成部材６１の形状に対応した凹凸が形成される。この結果、図２７に示すように、上下面に凹凸が形成された圧粉体２１ａｚを用いて製造された積層体の上下面にも同様の凹凸が形成される。図２７に示した積層体の一例として、燃料流路２４の高さＺ３は１００〜５００μｍ、ｚ軸方向からみて流路流路２４が存在しない領域に対応する部分の厚さＺ４は１０００〜１５００μｍ、ｚ軸方向からみて流路流路２４が存在する領域に対応する部分の厚さＺ５は１１００〜２０００μｍである。

この図２７に示した積層体は、厚さ方向からみた場合において、燃料極層について、燃料ガスの流路が存在する領域に対応する部分の厚さが燃料ガスの流路が存在しない領域に対応する部分の厚さに対して大きく、且つ、積層体について、燃料ガスの流路が存在する領域に対応する部分の厚さが燃料ガスの流路が存在しない領域に対応する部分の厚さに対して大きい、という特徴を有する。このように積層体の上下面に凹凸が形成されることによる作用・効果について以下に付言する。

先ず、燃料極層２１の周囲を覆う電解質層２２における積層体の上下面に対応する部分にも同様の凹凸が形成される。このように電解質層２２に凹凸が形成されることで、凹凸が形成されない場合に比して、電解質層２２の変形に対する剛性が高くなる。この結果、電解質層２２が覆う燃料極層２１が上述した還元処理により収縮しようとしても、この収縮（即ち、還元収縮）が抑制され得る。

また、積層体が極めて薄い場合において、積層体の上下面に凹凸が形成されていない場合、燃料極集電層２１ａにおけるｚ軸方向からみて燃料流路２４が形成されている領域に対応する部分の肉厚が小さくなり易い。この結果、積層体全体の強度が不足し易い。これに対し、積層体の上下面に上述の凹凸が形成されていると、積層体全体の変形に対する剛性が高くなる。この結果、積層体の強度が維持される。

１０…燃料電池、２０…積層体、２１…燃料極層、２１ａ…燃料極集電層、２１ｂ…燃料極活性層、２２…電解質層、２３…空気極層、２４…燃料流路、２６…導電板、３０…インターコネクタ、３２…突起部、３４…脚部、Ｓ…空気流路

Claims (6)

1. 内部に燃料ガスの流路が形成されるとともに前記燃料ガスの流路内を流通する燃料ガスと接触して前記燃料ガスを反応させる燃料極層と、
   前記燃料極層の上面及び下面の少なくとも１面に形成され固体電解質からなる電解質層と、
   前記電解質層の表面に形成され酸素を含むガスと接触して前記酸素を含むガスを反応させる空気極層と、
   を備えた固体酸化物形燃料電池の積層体であって、
   前記燃料極層は、酸素イオンを通すための第１物質の粒子と、電子を通すための第２物質の粒子と、ジルコンの粒子とを少なくとも含む焼成体であり、
   前記燃料極層は、前記燃料極層の基体である第１燃料極層と、前記第１燃料極層と前記電解質層との間に積層されるとともに前記第１燃料極層に比して前記第１物質の含有割合が大きい第２燃料極層と、を含んで構成されていて、
   前記第１燃料極層は、前記第１物質の粒子と、前記第２物質の粒子と、前記ジルコンの粒子とから構成されるとともに前記第１燃料極層の内部に亘って前記ジルコンの粒子が均一に分布し、
   前記第２燃料極層は、前記第１物質の粒子と前記第２物質の粒子のみから構成され、
   前記第１燃料極層において、前記ジルコンの粒子の含有割合は３〜３０体積％である、固体酸化物形燃料電池の積層体。
2. 請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池の積層体において、
   前記積層体の厚さ方向から前記積層体を視たときの前記積層体の形状は、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、３ｃｍ以上である、固体酸化物形燃料電池の積層体。
3. 請求項１又は請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池の積層体において、
   前記第１燃料極層、前記第２燃料極層、前記電解質層、及び前記空気極層の厚さはそれぞれ、５００〜３０００μｍ、及び３〜３０μｍ、１〜２０μｍ、及び３〜５０μｍである固体酸化物形燃料電池の積層体。
4. 請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の固体酸化物形燃料電池の積層体において、
   前記第１燃料極層に含まれる前記第１物質の粒子、前記第２物質の粒子、及び前記ジルコンの粒子の粒径はそれぞれ、０．３〜１．５μｍ、０．５〜２μｍ、及び０．７〜２．５μｍである固体酸化物形燃料電池の積層体。
5. 請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の固体酸化物形燃料電池の積層体において、
   前記電解質層が前記燃料極層の周囲を囲むように前記燃料極層の表面に形成され、前記空気極層が前記電解質層における前記燃料極層の上面に形成された部分の上面及び前記電解質層における前記燃料極層の下面に形成された部分の下面にそれぞれ形成された固体酸化物形燃料電池の積層体。
6. 複数の請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載の積層体と、前記複数の積層体を配置・固定する導電体からなる集電固定部材と、からなるスタック構造体を備え、
   隣り合う２つの前記積層体が前記積層体の厚さ方向に離間した状態で積み重なり、且つ、前記隣り合う一方の積層体の前記燃料極層の接続部と前記隣り合う他方の積層体の前記空気極層の接続部とが前記集電固定部材を介して電気的に接続されていて、
   前記隣り合う２つの積層体の間に形成された空間に前記酸素を含むガスの流路が区画・形成された固体酸化物形燃料電池。

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