JP6507337B2 - 固体酸化物形燃料電池及びその製造方法 - Google Patents

固体酸化物形燃料電池及びその製造方法 Download PDF

Info

Publication number
JP6507337B2
JP6507337B2 JP2017525433A JP2017525433A JP6507337B2 JP 6507337 B2 JP6507337 B2 JP 6507337B2 JP 2017525433 A JP2017525433 A JP 2017525433A JP 2017525433 A JP2017525433 A JP 2017525433A JP 6507337 B2 JP6507337 B2 JP 6507337B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
layer
fuel electrode
interconnector
stack
solid electrolyte
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2017525433A
Other languages
English (en)
Other versions
JPWO2018042478A1 (ja
Inventor
周 島田
周 島田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
FCO Power Inc
Original Assignee
FCO Power Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by FCO Power Inc filed Critical FCO Power Inc
Publication of JPWO2018042478A1 publication Critical patent/JPWO2018042478A1/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP6507337B2 publication Critical patent/JP6507337B2/ja
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)

Description

本明細書は、固体酸化物形燃料電池及びその製造方法に関する。
積層型固体酸化物形燃料電池（以下、単に、ＳＯＦＣともいう。）に用いるスタック構造体として、燃料極層と、固体電解質層と、空気極層とを備えるセルの２以上がセパレータ層を介して積層されたスタック構造体が開示されている（特許文献１）。
インターコネクタは、単セル間を物理的且つ電気的に接続すると同時に、酸化性のガス（典型的には空気）と還元性のガス（典型的には水素やメタン等の燃料ガス）とを分離するセパレータとしての役割も担っている。
国際公開第ＷＯ２００９／１１９７７１
セルとセルとの間に介在されるインターコネクタは、セルと一体焼結される場合がある。インターコネクタとセルとの一体焼結には、インターコネクタ層、燃料極層、空気極層及び固体電解質層の焼成縮率、収縮挙動を近似させる必要がある。特に、セパレータ層の材料は、燃料極層と空気極層との電気的接続のほか、還元性ガスと酸化性ガスとの分離のため、優れた導電性と両ガスに対する耐性や遮断性も求められる。また、複数のセルを一体焼結によりスタックした一体焼結型ＳＯＦＣスタックにおいては、発電特性等の観点から、インターコネクタの性能は特に重要である。
本発明者らによれば、一体焼結型のＳＯＦＣスタックにおいては、燃料極とインターコネクタとの一体性が損なわれると、スタックの性能が大きく損なわれることがわかった。すなわち、一体焼結型ＳＯＦＣにおいて、燃料極内にガス流路を内在させる場合には、燃料極の表面形態がガス流路に応じて変形する場合があり、かかる変形にも追従して密着させる必要があった。
本明細書は、インターコネクタと密着性の良好な燃料極を備えるＳＯＦＣ及びＳＯＦＣスタック及びＳＯＦＣスタックの製造方法を提供する。
本発明者らは、燃料極の表面形態にかかわらず、インターコネクタと良好な密着性を確保できる、燃料極を構築できることを見出した。本明細書によれば、これらの知見等に基づき以下の手段が提供される。
（１） 燃料極と、固体電解質と、空気極とを備える、固体酸化物形燃料電池であって、
前記燃料極は、前記固体電解質に対して遠位側において、前記固体電解質に対して近位側よりも、（ａ）平均気孔径が小さい、（ｂ）気孔率が低い、及び（ｃ）気孔径分布が多分散である、からなる群から選択される１又は２以上の特徴を有する、固体酸化物形燃料電池。
（２） 前記燃料極は、還元性ガスの流路を内包して前記流路に基づく１又は２以上の凸状部を備えている、（１）に記載の固体酸化物形燃料電池。
（３） 燃料極、固体電解質及び空気極を備える単セルをインターコネクタを介して複数備える固体酸化物形燃料電池スタックであって、
少なくとも1つの単セルの前記燃料極は、前記固体電解質に対して遠位側であって前記インターコネクタに対して近位側において、前記固体電解質に対して近位側よりも、（ａ）平均気孔径が小さい、（ｂ）気孔率が低い、及び（ｃ）気孔径分布が多分散からなる群から選択される１又は２以上の特徴を有する、スタック。
（４） 少なくとも２つの前記単セルは、前記インターコネクタを介して焼結により一体化されている、（３）に記載のスタック。
（５） 前記単セルの厚みは、１５０μｍ以上１０００μｍ以下である、（３）又は（４）記載のスタック。
（６）前記燃料極の厚みは、１５μｍ以上５００μｍ以下、（３）〜（５）のいずれかに記載のスタック。
（７）燃料極、固体電解質及び空気極を備える単セルをインターコネクタを介して複数備える固体酸化物形燃料電池スタックの製造方法であって、
少なくとも第１の単セルと第２の単セルとを前記インターコネクタを介して積層されたスタックを得るのにあたって、
前記第１の単セルの前記燃料極の材料を含む燃料極材料層と、前記インターコネクタの材料を含むインターコネクタ材料層と、前記第２の単セルの前記空気極の材料を含む空気極材料層と、を少なくとも含む前記スタックの前駆体を、焼成により一体化する工程、
を備え、
前記第１の単セルの燃料極の材料を含む燃料極材料層は、固体電解質に対して遠位側であって前記インターコネクタに対して近位側において、固体電解質に対して近位側よりも、（ａ）平均気孔径が小さい、（ｂ）気孔率が低い、及び（ｃ）気孔径分布が多分散からなる群から選択される１又は２以上の特徴を有するように構成される、製造方法。
インターコネクタを含むＳＯＦＣスタックの一部（単セルＣ）を例示する図である。 インターコネクタを含むＳＯＦＣスタックの一部（単セルＣ）を例示する図である。 インターコネクタの積層構造の一例を示す図である。 インターコネクタの積層構造の他の一例を示す図である。 インターコネクタの積層構造の他の一例を示す図である。 ＳＯＦＣスタックの一例を示す図である。 実施例のＳＯＦＣスタックの製造工程で用いるグリーンシートの一部を示す図である。 実施例のＳＯＦＣスタックの製造工程で用いるグリーンシートの他の一部を示す図である。 実施例のＳＯＦＣスタックの製造工程で用いるグリーンシートの他の一部を示す図である。 実施例のＳＯＦＣスタックの製造工程で用いるグリーンシートの他の一部を示す図である。 実施例におけるＳＯＦＣスタックの製造工程の一部を示す図である。 実施例におけるＳＯＦＣスタックの製造工程の他の一部を示す図である。 実施例において得られるＳＯＦＣスタックを示す図である。
本明細書は、ＳＯＦＣに用いるインターコネクタ及び当該インターコネクタを用いたＳＯＦＣ等に関する。本明細書に開示されるインターコネクタは、インターコネクタが隣接する燃料極と空気極とに対して、それぞれに適合する電気的特性及び異なる流通ガス耐性等を有する第１の層と第２の層とを備えるため、全体として優れた導電性と耐ガス性とを維持して接続能を発揮することができる。
また、インターコネクタによれば、燃料極に接する第１の層と空気極に接する第２の層とを備えるために、燃料極及び空気極との密着性等の制御も容易に行うことができ、積層型ＳＯＦＣスタックの製造にあたって、単セル間をインターコネクタの各材料層で一体焼結することにも好都合となっている。
以下、本開示の代表的かつ非限定的な具体例について、適宜図面を参照して詳細に説明する。この詳細な説明は、本発明の好ましい例を実施するための詳細を当業者に示すことを単純に意図しており、本開示の範囲を限定することを意図したものではない。また、以下に開示される追加的な特徴ならびに開示は、さらに改善されたインターコネクタ及びその利用等を提供するために、他の特徴や開示とは別に、又は共に用いることができる。
また、以下の詳細な説明で開示される特徴や工程の組み合わせは、最も広い意味において本開示を実施する際に必須のものではなく、特に本開示の代表的な具体例を説明するためにのみ記載されるものである。さらに、上記及び下記の代表的な具体例の様々な特徴、ならびに、独立及び従属クレームに記載されるものの様々な特徴は、本開示の追加的かつ有用な実施形態を提供するにあたって、ここに記載される具体例のとおりに、あるいは列挙された順番のとおりに組合せなければならないものではない。
本明細書及び／又はクレームに記載された全ての特徴は、実施例及び／又はクレームに記載された特徴の構成とは別に、出願当初の開示ならびにクレームされた特定事項に対する限定として、個別に、かつ互いに独立して開示されることを意図するものである。さらに、全ての数値範囲及びグループ又は集団に関する記載は、出願当初の開示ならびにクレームされた特定事項に対する限定として、それらの中間の構成を開示する意図を持ってなされている。
なお、本明細書において、還元性雰囲気は、１種又は２種以上の還元性のガスを含む組成のガスをいう。還元性雰囲気としては、また、還元性ガスにより特徴付けられるガスであり、還元性ガスを主成分として含むことが好ましい。また、還元性雰囲気は、実質的に１種又は２種以上の還元性ガスからなるか、還元性ガス以外に不活性ガスを含む組成のガスであることが好ましい。還元性ガスとしては、水素、一酸化炭素、硫化水素等が挙げられる。なお、還元性ガスとしては、還元性ガスでないガス（例えば、メタンなどの炭化水素ガスと水蒸気）をセル内で改質して還元性のガスを含むようになったガスを含む。
本明細書において、酸化性雰囲気とは、１種又は２種以上の酸化性のガスを含む組成のガスをいう。酸化性雰囲気としては、また、酸化性ガスにより特徴付けられるガスであり、酸化性ガスを主成分として含むことが好ましい。また、酸化性雰囲気は、実質的に１種又は２種以上の酸化性ガスからなるか、酸化性ガス以外には不活性ガスを含む組成のガスであることが好ましい。酸化性ガスとしては、酸素、オゾン、亜酸化窒素、一酸化窒素、二酸化窒素等が挙げられる。
（インターコネクタ）
インターコネクタは、燃料極と、固体電解質と、空気極とを備える、ＳＯＦＣに用いるインターコネクタである。以下、適宜、図１等の図面を参照しながら、インターコネクタについて説明し、その後、インターコネクタが適用されるＳＯＦＣについて説明する。なお、図１及び２では、還元性ガス流路２２と酸化性ガス流路２４とを明示的に示すため、これらが平行するように記載している。
（第１の層）
インターコネクタ１０は、少なくとも、第１の層１２を備えている。第１の層１２は、インターコネクタ１０において燃料極２側に位置されている。第１の層１２は、インターコネクタ１０において、燃料極２側又は燃料極２側となることが予定される側（以下、単に、燃料極側という。）にあればよく、インターコネクタ１０において最も燃料極２側に位置されることを限定するものではない。また、直接的又は間接的に燃料極２に接合していればよい。
第１の層１２は、還元性雰囲気において高い電気伝導性と還元性ガス遮断性を備えることが好ましい。より具体的には、第１の層１２は、還元性雰囲気において、後述する第２の層よりも高い電気伝導性とガス遮断性とを備えることができる。かかる第１の層を備えることで、燃料極２と高い導電性で接続できるとともに、水素などの還元性ガスを確実に遮断することができる。一方、第１の層１２は、酸素などの酸化性雰囲気において電気伝導性が低いか又は実質的に電気伝導性を有していなくてもよく、また、酸化性雰囲気に対する耐性を有しておらず、結果として酸化性雰囲気におけるガス遮断性が低いか又は実質的にそれを有していなくてもよい。インターコネクタにおける第１の層１２は、後述する第２の層１４で空気極４との一体焼結性、空気極４との電気的接続性、酸化性ガスに対する耐性を発揮させればよいため、従来公知のインターコネクタの材料を容易に適用することができる。
第１の層１２は、ＳＯＦＣに用いられる従来公知のセラミックス系インターコネクタ材料として用いられる導電性セラミックス材料を適宜選択して用いることができる。導電性セラミックス材料としては、各種公知のＡＢＯ3のペロブスカイト型酸化物が挙げられる。例えば、かかる酸化物は、希土類元素がドープされたペロブスカイト型酸化物であり、（ＬｎaＭ1 b）Ｍ2Ｏ3と（ただし、ａ＋ｂ＝１などペロブスカイト構造に整合する数値である。）して表される。Ｌｎは希土類元素であり、原子番号５７〜７１までの元素が挙げられる。希土類元素としては、例えば、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、サマリウム（Ｓｍ）等の比較的イオン半径の大きな元素を用いることができ、Ｌａを好ましく用いることができる。Ｍ1は、アルカリ土類金属を示し、例えば、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、バリウム（Ｂａ）が挙げられ、１種又は２種以上を用いることができる。Ｍ2は、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）等の遷移元素から選択される１種又は２種以上である。が挙げられる。好ましくは、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ及びＣｏから選択される１種又は２種以上である。
こうした導電性セラミックス材料としては、例えば、ＡサイトにＬａとＳｒ若しくはＣａとが共存するＬａＣｏＯ3系酸化物、ＬａＭｎＯ3系酸化物、Ｌａ（ＣｏＦｅ）Ｏ3系酸化物、ＬａＣｒＯ3系酸化物、ＬａＴｉＯ3系酸化合物等が挙げられる。各種酸化物のＢサイトには、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｔｉとともに、別の元素として、Cｒ、Ｆｅ、Ｍｇなどが存在していてもよい。より具体的には、（ＬａＳｒ）ＭｎＯ3、（ＬａＳｒ）ＣｏＯ3、（ＬａＳｒ）（ＣｏＦｅ）Ｏ3、（ＬａＳｒ）ＴｉＯ3、ＬａＣｒＭｇＯ3等が挙げられる。
第１の層１２は、導電性セラミックス材料を、１種又は２種以上含むことができる。第１の層１２は、かかるセラミックス材料をインターコネクタとしての特性を発揮可能に一部に含むほか、実質的に当該材料から構成されるものであってもよいし、当該材料のみからなるものであってもよい。好ましくは、第１の層１２は、金属又は金属合金などの金属製導電性材料を含まない。なお、本明細書において、「実質的にある材料から構成される」とは、用いる材料がインターコネクタに付与する特性に大きな影響を与える可能性のある他の材料を含んでいないことを意味している。
第１の層１２に用いる材料は、例えば、インターコネクタが適用されるＳＯＦＣの燃料極２の材料、空気極４の材料、作動温度、スタック３０の焼結温度等を考慮して、適宜選択される。第１の層は、還元性雰囲気で高い導電性を示すＬａＴｉＯ3系酸化物、なかでも、Ｌａ0.3Ｓｒ0.7ＴｉＯ3などの（ＬａＳｒ）ＴｉＯ3系酸化物を用いることが好ましい。
第１の層１２は２以上の異なる組成の第１の層を積層して構成されてもよい。２以上の第１の層１２は、同系のセラミックス材料を含んでいてもよいし、異なる系のセラミックス材料を含んでいてもよい。また、連続的又は断続的な傾斜組成を有していてもよい。
第１の層１２は、一般的にインターコネクタが備える緻密性を備えている。例えば、第１の層１２は、相対密度（アルキメデス法による）は、９３％以上であることが好ましく、より好ましくは９５％以上であることが好ましい。また、第１の層１２の厚みは、特に限定するものではないが、例えば、スタック全体の大きさや導電性を考慮すると、１μｍ以上５０μｍ以下とすることができる。また、好ましくは１μｍ以上３０μｍ以下とすることもできる。さらに、１μｍ以上２０μｍ以下とすることもできる。
（第２の層）
インターコネクタ１０は、少なくとも、第２の層１４を備えている。第２の層１４は、インターコネクタ１０において空気極４側に位置されている。第２の層１４は、インターコネクタにおいて、空気極４側又は空気極４側となることが予定される側（以下、単に、空気極側という。）にあればよく、インターコネクタ１０において最も空気極４側に位置されることを限定するものではない。また、直接的又は間接的に空気極４に接合していればよい。
第２の層１４は、酸化性雰囲気において、第１の層１２よりも高い電気伝導性とガス遮断性とを備えることができる。かかる第２の層１４を備えることで、空気極４と高い導電性で接続できるとともに、空気などの酸化性ガスを確実に遮断することができる。一方、第２の層１４は、水素ガスなどを含む還元性雰囲気において電気伝導性が低いか又は実質的に有していなくてもよく、また、還元性雰囲気に対する耐性を有しておらず、還元性雰囲気におけるガス遮断性が低いか又は実質的に有していなくてもよい。
第２の層１４は、導電性セラミックス材料と固体電解質に含まれる元素の酸化物材料とを含むことが好ましい。第２の層１４は、導電性セラミックス材料を用いることで酸化性雰囲気で高い導電性と耐性と空気極４に対する一体性を発揮し、固体電解質に含まれる酸化物材料を含むことにより、固体電解質６との熱膨張係数を適合させることができる。こうした構成によれば、空気極４との一体性、熱膨張係数の適合性及び酸化性ガスに対する耐性及び遮断性を確保することができる。
第２の層１４は、導電性セラミックス材料と固体電解質に含まれる元素の酸化物材料とを含むことができる。第２の層１４は、これらのセラミックス材料をインターコネクタとしての特性を発揮可能に一部に含むほか、実質的に当該材料から構成されるものであってもよいし、当該材料のみからなるものであってもよい。好ましくは、第２の層１４は、金属又は金属合金などの金属製導電性材料を含まない。
第２の層１４に用いる導電性セラミックス材料としては、ＳＯＦＣの空気極材料として用いられている公知の空気極材料から適宜選択して用いることができる。例えば、Ｌａ又はＬａ及びＳｒを含有するＡＢＯ3型のペロブスカイト型酸化物が挙げられる。かかるペロブスカイト型酸化物としては、遷移金属ペロブスカイト型酸化物、例えば、ＡサイトにＬａ又はＬａとＳｒ若しくはＣａとが共存するＬａＣｏＯ3系酸化物、ＬａＭｎＯ3系酸化物、ＬａＦｅＯ3系酸化物等が挙げられる。また、ＡサイトにＬａ又はＬａとＳｒ若しくはＣａとが共存するＬａＴｉＯ3系酸化物等が挙げられる。なお、各種酸化物のＢサイトには、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｔｉとともに、別の元素として、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｇなどが存在していてもよい。より具体的には、（ＬａＳｒ）ＭｎＯ3、（ＬａＣａ）ＭｎＯ3、ＬａＣｏＯ3、（ＬａＳｒ）ＣｏＯ3、（ＬａＳｒ）（ＣｏＦｅ）Ｏ3、（ＬａＳｒ）（ＴｉＦｅ）Ｏ3等が挙げられる。なお、第２の層１４において用いる空気極材料は、インターコネクタが介在される単セルにおける空気極４の材料と同一又は共通であってもよいが、異なっていてもよい。
固体電解質に含まれる元素の酸化物材料としては、特に限定するものではなく、公知の材料を適宜選択して用いることができる。例えば、Ｙ、Ｓｃ、Ｙｂ等の希土類元素で少なくとも部分的に安定化されたＺｒＯ2（ジルコニア）、Ｇｄ、Ｓｍなどの希土類元素がドープされたＣｅＯ2（セリア）、ＳｒやＭｇなどのアルカリ土類金属で、Ｌａ及びＧａの一部を置換したＬａＧａＯ3（ランタンガレート）等が挙げられる。
第２の層１４に用いる固体電解質に含まれる元素の酸化物材料のイオン伝導性は、固体電解質に用いる酸素イオン伝導性材料に比較して低減されていることが好ましい。インターコネクタにおいてイオン伝導性により、インターコネクタの性能を制限するのを抑制される場合があるからである。酸素イオン伝導性のイオン伝導性を調節するには、酸素イオン伝導性材料における希土類元素の酸化物の添加量を抑制することが好ましい。例えば、インターコネクタ１０が適用される固体電解質に用いられる部分安定化酸化物における希土類元素の酸化物の添加率の２０％以上６０％以下程度とすることが好適である。固体電解質にジルコニアが用いられるとき、概して６モル％〜１０モル％程度のイットリア等が添加される。例えば、第２の層１４に用いる安定化材としての希土類元素の酸化物は、ジルコニア等の酸化物材料に対して、１．５モル％以上５モル％以下程度添加されていることが好ましい。より好ましくは２モル％以上４モル％以下程度である。
導電性セラミックス材料及び固体電解質に含まれる元素の酸化物材料は、それぞれ、例えば、インターコネクタ１０が適用されるＳＯＦＣの燃料極２の材料、空気極４の材料、作動温度、スタックの焼結温度等を考慮して、適宜選択される。導電性セラミックス材料と空気極材料との配合比率は特に限定するものではないが、例えば、導電性セラミックス材料と固体電解質に含まれる元素の酸化物材料とを、質量比で、３０：７０〜７０：３０などとすることができ、４０：６０〜６０：４０とすることもできる。
第２の層１４は２以上の異なる組成の第２の層を積層して構成されてもよい。２以上の第２の層は、同系のセラミックス材料を含んでいてもよいし、異なる系のセラミックス材料を含んでいてもよい。また、連続的又は段階的な傾斜組成を有していてもよい。
インターコネクタ１０は、その第１の層１２と第２の層１４とが、互いに直接一体化されていてもよいし、これらの層の間に１又は２以上の他の第３の層が介在されていてもよい。第１の層１２と第２の層１４とは、好ましくは焼結により一体化されている。より好ましくは、特別な介在層を備えることなく、直接焼結により一体化されている。
第２の層１４は、一般的にインターコネクタが備える緻密性を備えている。例えば、第２の層１４は、相対密度（アルキメデス法による）は、９３％以上であることが好ましく、より好ましくは９５％以上であることが好ましい。また、第２の層１４の厚みは、特に限定するものではないが、例えば、スタック３０全体の大きさや導電性を考慮すると、例えば、第２の層１４として最も薄い部分において、１μｍ以上５０μｍ以下とすることができる。また、好ましくは１μｍ以上３０μｍ以下とすることもできる。さらに、１μｍ以上２０μｍ以下とすることもできる。
インターコネクタ１０における第１の層１２及び第２の層14の積層形態は、特に限定するものではなく、インターコネクタ１０が適用されるＳＯＦＣにおける単セル構造等によって適宜決定される。インターコネクタの各種形態については、後段にて詳述する。
インターコネクタ１０は、後述するように、ＳＯＦＣスタック３０の製造工程において単セルと単セルとの間に介在させて単セルの積層体を製造するのと同時に製造されることが好ましい。例えば、第１の層１２の材料層と第２の層１４の材料層を適切に含む未焼結積層体を、インターコネクタ前駆体として準備し、ＳＯＦＣスタック３０の製造工程に供してもよい。また、例えば、第１の層１２の材料層と第２の層１４の材料層を必要な順序で積層するようにして、ＳＯＦＣスタック３０の製造工程に供してもよい。ＳＯＦＣ及びその製造方法については後段で詳述する。
インターコネクタ１０全体の形態は、特に限定するものではないが、適用されるＳＯＦＣスタック３０に応じた形態を採ることができる。例えば、平板型ＳＯＦＣに適用される場合には、平板状体等となる。また、インターコネクタ１０の全体の厚みを特に限定するものではないが、例えば、もっとも薄い部分において１μｍ以上μｍ１００μｍ以下とすることができる。好ましくは、２μｍ以上６０μｍ以下とすることができ、より好ましくは２μｍ以上４０μｍ以下である。
インターコネクタの第１の層１２及び第２の層１４のそれぞれの熱膨張係数（２０℃〜１０００℃）は、８×１０-6Ｋ-1以上〜１２×１０-6Ｋ-1以下であることが好ましい。この範囲であると、空気極層あるいは燃料極層とのはく離を抑えることができるからである。スタック構造体の残留応力を考慮すると、より好ましくは、９．５×１０-6Ｋ-1以上１１．５×１０-6Ｋ-1以下である。
以上説明したインターコネクタ１０は、接続すべき一方の単セルの燃料極２と他方の単セルの空気極４とに対してそれぞれ適したインターコネクタ特性、すなわち、導電性とガス耐性及び遮断性、を有しているため、全体として薄層でかつ十分なインターコネクタ特性を備えたものとすることができる。また、一体焼結型の金属材料非含有（換言すると全セラミックス製）ＳＯＦＣスタック３０の製造にあたり、燃料極に応じたセラミックス系の第１の層１２の材料層と空気極に応じたセラミックス系の第２の層１４の材料層の各材料層をそれぞれ適用することで、第１の層１２及び第２の層１４がそれぞれ燃料極２及び空気極４に一体焼結されるとともに、第１の層１２及び第２の層１４も相互に一体焼結される。このため、優れた導電性とガス遮断性とを確実に実現することができるとともに、スタック３０の積層工程を簡易かつ効率化できるとともに、スタック２０の一体焼結性を向上させることができる。
（固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）スタック）
本明細書に開示されるＳＯＦＣスタックは、少なくとも２つの単セル間に、インターコネクタを備えることができる。こうしたＳＯＦＣスタックによれば、これら単セル間を高い電気伝導性とガス遮断性で接続及び分離され、また、セルに対して一体焼結される場合には、高い一体性により、電気伝導性及びガス遮断性も向上されるほか、ＳＯＦＣスタックの製造工程も簡略化される。以下、図１、２等を参照しながら、ＳＯＦＣ単セルをインターコネクタで積層したＳＯＦＣスタックについて説明する。
（単セル）
ＳＯＦＣにおけるセル（発電要素）Ｃは、燃料極２、固体電解質６及び空気極４を含んでいる。より具体的には、燃料極２及び空気極４が固体電解質６を介して積層された構造を有している。
（燃料極）
燃料極２は、特に限定することなく、ＳＯＦＣの燃料極に適用される導電性セラミックス材料の１種又は２種以上からなる多孔質体とすることができる。例えば、燃料極材料としては、希土類元素が固溶したジルコニア又はセリアと、Ｎｉ／ＮｉＯと、を含むことができる。希土類元素としては、例えば、イットリウム（Ｙ）、スカンジウム（Ｓｃ）、サマリウム（Ｓｍ）、ガドリニウム（Ｇｄ）等を用いることができる。具体的には、イットリア部分安定化又は安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、スカンジア部分安定化又は安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）、ガドリニア固溶セリア（ＧＤＣ）とＮｉ／ＮｉＯとを含むＮｉサーメットが挙げられる。
燃料極２は多孔質であり、その気孔率は、適宜設定されるが、好ましくは、１５％以上であることが好ましく、より好ましくは２０％以上４０％以下程度である。なお、本明細書において、気孔率は、機械的に切断研磨して作成した複数の断面を、走査型電子線顕微鏡で撮影した断面画像の気孔部と緻密部の面積比から測定することができる。例えば、５つの切断面のそれぞれについて当該層を含む５００μｍ×５００μｍの視野で当該層の気孔部と緻密部を画像処理によって二値化して面積比を求めて、全ての切断面の平均をとることで気孔率を求めることができる。
燃料極２における気孔形状は不定形状、繊維状、球状など任意の形状をとることができる。球状の場合は平均気孔径は、１μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。より好ましくは２μｍ以上５μｍ以下である。なお、本明細書において、平均気孔径は、機械的に切断研磨して作成した複数の断面を、走査型電子線顕微鏡で撮影した断面画像の気孔部を複数の球状の気孔が接続したと仮定した場合の平均径から測定することができる。例えば、５つの切断面のそれぞれについて当該層を含む５00μｍｘ５00μｍの視野で当該層の気孔部と緻密部を画像処理によって二値化し、視野に含まれる全ての気孔部に対して円近似した場合の直径を求めて、全ての切断面の平均をとることで平均気孔径を求めることができる。
（燃料極バッファ層）
燃料極２は、略単一の気孔率及び／又は平均気孔径を備えていてもよいが、これらに関して異なる分布を有していてもよい。例えば、図２に示すように、燃料極２において固体電解質６から遠位あるいはインターコネクタ１０の第１の層１２に近位な部分においては、その気孔率及び／又は平均気孔径を固体電解質６に近位又はインターコネクタ１０の第１の層１２に遠位な部分に比べて小さくした燃料極バッファ層２ａを備えることができる。こうすることで、燃料極２とインターコネクタ（第１の層）１０との密着性を高めることができ、一体性を向上させ剥離を抑制できる。一方、燃料極２内にガス流路２２を設けて、燃料極２自体にガス流路２２に倣った凸状部２６を備えさせる場合には、燃料極バッファ層２ａはこうした凸状部２６によく追従して、薄い層であっても、ガス流路（ＳＯＦＣの製造工程においては、ガス流路形成用の消失部材）２２を燃料極２内に確実に内在させることができる。これにより、ガス流路２２の天面を直接インターコネクタ１０の第１の層１２に接することを回避して、燃料極２の導電経路の抵抗を下げることができる。
なお、燃料極２がガス流路２２に倣った凸状部２６を有する形態を備えるようにすることで、燃料極２自体の厚みを薄くでき、ＳＯＦＣスタック３０の起動及び停止時に生じる、燃料極２に含まれるＮｉの酸化還元に伴う燃料極２の堆積変動を抑制でき、ＳＯＦＣスタック３０における剥離、変形及び破壊を抑制できる。
（燃料極バッファ層の平均気孔径）
燃料極バッファ層２ａは、また、例えば、燃料極２の固体電解質６側（燃料極２の固体電解質６側に接する層、以下、燃料極主層２ｂともいう。）の平均気孔径の４０％以上９０％以下であることが好ましい。この程度平均気孔径が小さいことで、燃料極バッファ層２ａの凸状部２６などの曲面・変形面に対する追従性が向上する。より好ましくは５０％以上８０％以下程度である。また、例えば、燃料極バッファ層２ａの気孔が燃料極主層２ｂとともに球状の場合には平均気孔径は、燃料極主層２ｂのそれよりも小さく、かつ、１μｍ以上５μｍ以下程度とすることができる。
（燃料極バッファ層の気孔径分布）
また、燃料極バッファ層２ａの気孔が球状の場合の気孔径分布（細孔径分布）は、燃料極主層２ｂと比べて多分散であることが好ましい。多分散性であることにより、多様な曲面・変形面に対する追従性を付与することができる。例えば、燃料極バッファ層２ａの気孔径分布は、平均値±０．２σに５０％以下の気孔が存在する分布であることが好ましい。なお、本明細書において、気孔径分布は、機械的に切断研磨して作成した複数の断面を、走査型電子線顕微鏡で撮影した断面画像の気孔部を複数の球状の気孔が接続したと仮定した場合の平均径から測定することができる。
（燃料極バッファ層の気孔率）
燃料極バッファ層２ａの気孔率を、燃料極主層２ｂの気孔率よりも小さくすることができる。湾曲するなど変形する表面に対する追従性を高めるとともに、インターコネクタ１０の第１の層１２との密着性を高めることができる。燃料極バッファ層２ａの気孔率は、燃料極主層２ｂの気孔率の４０％以上８０％以下とすることが好ましく、より好ましくは６０％以上８０％以下である。
燃料極バッファ層２ａは、気孔に関する上記の３つの特性、平均気孔径、気孔径分布及び気孔率のうち１又は２以上を備えることができる。好ましくは、３つ備えることができる。
また、燃料極２が、燃料極主層２ｂと燃料極バッファ層２ａとを備える場合、こうした気孔に関する傾斜組成は、連続的であってもよく、段階的であってもよい。気孔は、カーボン、またはでんぷん、アクリル等の高分子材料で焼失後にその形状を反映した気孔を形成する造孔剤を用いて形成することができる。例えば、燃料極２において、球状の気孔の平均気孔径及び／又は気孔径分布を調節するには、異なる粒径及び／又は粒径分布を持つ球状の造孔剤を用いることができる。また、気孔率を調節するには、任意の造孔剤の使用量を変更することができる。例えば、燃料極主層２ｂを、平均粒径のより大きな及び／又は粒径分布がより小さい球状造孔剤を含む燃料極材料から形成し、燃料極バッファ層２ａを、平均粒径がより小さい及び／又は粒径分布が大きい球状造孔剤を含む燃料極材料から形成することができる。なお、セラミックスにおける気孔の制御方法は当業者において周知の手法である。
燃料極２の厚みは、特に限定するものではなく、ガス流路２２の有無や流路形態によっても異なるが、例えば、１５μｍ以上５００μｍ以下とすることができる。より好ましくは２０μｍ以上５００μｍ以下とすることができる。さらに好ましくは、５０μｍ以上４００μｍ以下とすることができ、なお、好ましくは５０μｍ以上３００μｍ以下とすることができる。なお、後述するように、燃料極２及び空気極４の厚みは、１つの層において必ずしも一定ではない。したがって、燃料極２及び空気極４の厚みに関する記載は、特に言及されない限り、１つの層がこうした厚みの範囲にあることを意味している。
また、燃料極バッファ層２ａの厚みも、特に限定するものではないが、例えば、５μｍ以上５０μｍ以下とすることができ、さらに例えば、５μｍ以上２０μｍ以下とすることもできる。
（空気極）
空気極４は、特に限定することなく、ＳＯＦＣの空気極４に適用される導電性セラミックス材料の１種又は２種以上からなる多孔質体とすることができる。例えば、空気極材料としては、既に、インターコネクタ１０の第２の層１４の材料として例示した導電性セラミックス材料が挙げられる。
空気極４は多孔質であり、その気孔率は、適宜設定されるが、好ましくは、１５％以上であることが好ましく、より好ましくは２０％以上４０％以下程度である。空気極４における気孔が球状である場合の平均気孔径は、１μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。より好ましくは２μｍ以上５μｍ以下である。
空気極４の厚みは、特に限定するものではなく、酸化性のガス流路２４の有無や流路形態によっても異なるが、例えば、１５μｍ以上５００μｍ以下とすることができ、２０μｍ以上５００μｍ以下とすることができる。より好ましくは、５０μｍ以上４００μｍ以下とすることができる。
（固体電解質）
固体電解質６は、特に限定することなく、ＳＯＦＣの固体電解質に適用される酸素イオン伝導性材料の１種又は２種以上からなる緻密質体とすることができる。例えば、固体電解質材料としては、既に、例示した酸素イオン伝導性材料が挙げられる。
固体電解質６は緻密質であり、ガス透過性を遮断する観点から、インターコネクタ１０と同様の相対密度を有していることが好ましい。また、固体電解質６の厚みは、特に限定するものではないが、例えば、１μｍ以上１００μｍ以下とすることができる。より好ましくは、３μｍ以上４０μｍ以下とすることができ、さらに好ましくは５μｍ以上３０μｍ以下とすることができる。
（ガス流路）
ＳＯＦＣの単セルＣは、燃料極２に供給される水素を含有する還元性ガス及び空気極４に供給される酸素を含有する酸化性ガスのためのガス流路２２、２４をそれぞれ備えている。ガス流路２２、２４は、単セルを構成する１又は２つの層に亘って形成することができる。すなわち、ガス流路２２、２４は、それぞれ燃料極２、空気極４内に備えられていてもよいし、インターコネクタ１０内に備えられていてもよいし、燃料極２とインターコネクタ１０にわたって備えられていてもよいし、空気極４とインターコネクタ１０にわたって備えられていてもよい。
例えば、図１に示すように、これらのガス流路２２、２４は、燃料極２及び空気極４の厚み範囲に完全に埋設されたように内在させることもできる。こうすることで、抵抗の高いインターコネクタの体積の増大を抑制して発電性能の低下を抑制できる。あるいは、図示はしないが、燃料極２及び空気極４に接するインターコネクタ１０において燃料極２側及び空気極４側に開口するように設けることもできる。こうすることで、燃料極２の体積を抑制して、Ｎｉの酸化還元に伴う体積変動を抑制することができる。
また、例えば、図２に示すような形態で、少なくとも、燃料極２内にガス流路２２を備える形態とすることができる。すなわち、燃料極２でガス流路２２を被覆するように内包するが、ガス流路２２の厚みのうちの一部分の厚みしか備えない形態である。
例えば、図２に示すように、燃料極２を、ガス流路２２の外形形態、配置パターン等に基づいて、単セルＣの外方に向かって凸となる１又は２以上の凸状部２６を備えるようにすることができる。こうすることで、燃料極２の層厚を薄くすることができ、燃料極２の体積増大によるＮｉの酸化還元（ＳＯＦＣの起動及び停止に伴う）による燃料極２の体積変動を抑制することができる。
こうした内在させるガス流路２２に基づく凸状部２６を有する燃料極２は、ガス流路２２が形成されない領域において、ガス流路２２の厚み（積層方向における厚み又は高さ）を充足しない厚みで燃料極２を備えるようにすることで形成される。すなわち、ガス流路２２の厚みの１００％未満の厚みで燃料極２を備えるようにする。こうすることで、燃料極２の厚みを有効に低減して酸化還元耐性を向上させることができる。また、インターコネクタ１０の第１の層１２の厚みを適度に薄膜化することができ、電気抵抗を低下させることができる。例えば、当該領域において燃料極２はガス流路２２の厚みの９０％以下、また例えば、８０％以下、さらに例えば、７０％以下、さらにまた例えば、６０％以下等とすることができる。また、当該領域において、燃料極２は、ガス流路２２の厚みの１％以上であり、例えば、同１０％以上であり、また例えば、２０％以上であり、さらに例えば、３０％以上である。典型的には、燃料極２の厚みは、ガス流路非形成領域において、ガス流路２２の厚みの３０％以上７０％以下等とすることができる。
例えば、当該領域において燃料極２は燃料極２内におけるガス流路２２の最大高さの９０％以下、また例えば、８０％以下、さらに例えば、７０％以下、さらにまた例えば、６０％以下、さらに例えば、５０％以下、さらにまた例えば、４０％、さらに例えば３０％、また例えば、２０％以下等とすることができる。また、当該領域において、燃料極２は、ガス流路２２の厚みの１％以上であり、例えば、同５％以上であり、また例えば、１０％以上等とすることができる。典型手気には、燃料極２の厚みは、ガス流路非形成領域において、ガス流路２２の最大高さの５％以上５０％以下等とすることができる。
さらに、こうした燃料極２を形成するには、既述のように燃料極２を、燃料極主層２ｂと燃料極バッファ層２ａとで形成することで、ガス流路２２に基づく凸状部２６に密着し、ガス流路２２を内包又は被覆する燃料極２を容易に形成することができる。特に限定するものではないが、ガス流路２２の上部には、燃料極バッファ層２ａを主として備えることが好ましい。
さらに、１又は２以上のガス流路２２に応じた凸状部２６を備える表面形態を有する燃料極２に対して好適な特性を備えるインターコネクタ１０の第１の層１２を備えることで、還元性雰囲気での電気伝導性、ガス遮断性を確保し、さらに第２の層１４を備えることで、隣接する単セルＣの空気極４に由来する酸化性雰囲気での電気伝導性及びガス遮断性を確保できる。このように、インターコネクタ１０のセラミックス２層含有構造によれば、隣接する電極の特性のみならず変化を有する表面形態に応じて、優れた追従性及び密着性を発揮して、こうして変化した表面形態を緩衝して良好な一体性、成型性、形状のＳＯＦＣスタック３０を構築することができる。また、インターコネクタ１０のセラミックス２層含有構造によれば、こうした変化を有する電極表面に応じて２層の存在形態、すなわち、各層の厚みや配置パターンも変化させて、インターコネクタ１０及びスタック３０としての性能を最適化することができる。
なお、燃料極２内にガス流路２２を内在させる形態について種々説明したが、上記内在形態は空気極４におけるガス流路２４についても適用することができる。
ガス流路２２、２４の厚み（すなわち、セルＣにおける要素の積層方向に沿う厚み又は流路高さ）は、ガス流路２２、２４が備えられる部位（インターコネクタか電極内か）やガス流路パターン等によっても異なり、特に限定するものではないが、例えば、５０μｍ以上４００μｍ以下とすることができる。また、例えば、燃料極２内におけるガス流路２２の厚みは、１００μｍ以上２００μｍ以下であることが好ましく、空気極４におけるガス流路２４の厚みは、１５０μｍ以上３００μｍ以下であることが好ましい。
還元性ガス及び酸化性ガスの各ガス流路２２、２４のパターンは特に限定するものでなく、種々のパターンを採ることができる。ＳＯＦＣの形態にもよるが、例えば、平板型ＳＯＦＣの場合には、平面視で、複数の直線状の流路が一定間隔で整列するパターン、複数のサイズの異なるコの字状の流路がよりサイズが小さくなる順に内側に配置されるパターン、渦巻き状の一続きの１又は２以上の流路が配置されるパターン等が挙げられる。
このようにして構成される単セル（燃料極、空気極、固体電解質）Ｃの厚みは、特に限定するものではないが、例えば、１００μｍ以上１０００μｍ以下とすることができる。また、好ましくは１５０μｍ以上１０００μｍ以下とすることができる。さらに、好ましくは２００μｍ以上１０００μｍ以下とすることができる。また、好ましくは３００μｍ以上６００μｍ以下とすることができる。
また、単セルＣの燃料極２及び／又は空気極４の表面は、内在させたガス流路２２、２４の外形形態及び配置パターンに基づく凸状部２６等を備えることもできる。
ＳＯＦＣの単セルＣ及びＳＯＦＣスタック３０は、燃料極２及び空気極４に供給される各ガスを封止するためのシール部２０を適宜備えることができる。シール部２０の形態は特に限定するものではないが、例えば、国際公開第ＷＯ２００９／１１９７７１号に開示されるシール部のほか、適宜公知のシール構造を採用することができる。
（ＳＯＦＣ及びＳＯＦＣスタックに対するインターコネクタの構造）
本明細書に開示されるＳＯＦＣは、単セルＣに対してインターコネクタ１０又はその一部を備えることができ、また、ＳＯＦＣスタック３０は、少なくとも２つの単セルＣがインターコネクタ１０を介して接続された構造を有している。図１、２に示すように、燃料極２、空気極４及び固体電解質６が積層された単セルＣは、他の単セルＣとインターコネクタ１０を介して接続されてＳＯＦＣスタック３０を構成している。インターコネクタ１０の第１の層１２及び第２の層１４は、ＳＯＦＣにおける各発電要素の態様に応じて様々な積層形態を採ることができる。
例えば、平板型ＳＯＦＣの場合には、図３に示すような形態が挙げられる。なお、図３に示す形態では、適宜ガス流路を省略している。図３Ａは、第１の層１２及び第２の層１４が、それぞれ平坦な層である形態を示す。この形態においては、各ガス流路２２、２４は、インターコネクタにあっても電極内にあってもよいが、電極内にある場合においては、ガス流路は、電極の層厚に内包されており、電極表面にガス流路に起因する凸状部が現れていない状態となっている。
また、図３Ｂは、第１の層１２が燃料極２に内在するガス流路２２に基づく１又は２以上の凸状部２６に対応する１又は２以上の湾曲部１２ａを有する層であり、第２の層１４が、第１の層１２の湾曲部１２ａでない部分、すなわち、底部１２ｂを充填してインターコネクタ１０全体として略均一な厚みの層となるような充填部１４ｂを有する層である形態を示す。ここで、第１の層１２は、おおよそ均一な厚みの波状又はコルゲート状の層である。また、第２の層１４は、還元性ガス流路２２上又はその周囲に対応する湾曲部１２ａにおいては、相対的に層厚の薄い被覆部１４ａを備え、還元性ガス流路２２間に相当する底部１２ｂにおいては、相対的に層厚の厚い充填部１４ｂを備えている。このインターコネクタ形態によれば、全体として均一な厚みを確保するとともに、燃料極２に対して必要十分な形態で第１の層１２を適用できる。また、第２の層１４で、インターコネクタ１０を全体として略平坦で均一な厚みにすることができる。
さらに、図３Ｃは、図３Ｂとは異なり、空気極４に対する第２の層１４が空気極４のガス流路２４に基づく凸状部２８を有する表面形態に倣った湾曲部１４ｃと底部１４ｄを有して波状又はコルゲート状で略均一な厚みの層であり、第１の層１２が、第２の層１４の底部１４ｄを充填する充填部１２ｄを有し、湾曲部１４ｃを薄く被覆する被覆部１２ｃを備える形態を示す。すなわち、酸化性ガス流路２４上又はその周囲に対応する湾曲部１４ｃにおいては、第１の層１２は相対的に薄く、酸化性ガス流路２４間である底部１４ｄにおいては、第１の層１２は相対的に厚くなっている。この形態においても、空気極４に対して必要十分な形態で第２の層を適用できる。また、第２の層１２で、インターコネクタ１０を全体として略平坦で均一な厚みにすることができる。
（拘束層）
図４に示すように、ＳＯＦＣの単セルＣ又はＳＯＦＣスタック３０は、その積層体において少なくとも１つの拘束層４０を備えることができる。拘束層４０は、少なくとも、導電性セラミックス材料と固体電解質に含まれる元素の酸化物材料を含む非多孔質層４２を含むことができる。かかる拘束層４０を備えることで、積層体の平面（ｘ−ｙ平面）内における収縮率偏差を抑制するとともに、積層方向（ｚ方向）における反りや曲げを抑制するように焼成挙動を調整することができる。これにより、ガス流路２２、２４の変形や歪み、燃料極２、空気極４及び固体電解質６等におけるクラックや剥がれ、セル等の割れを抑制して、発電特性及び一体性に優れるＳＯＦＣ単セルＣ及びＳＯＦＣスタック３０を得ることができる。
拘束層４０に使用する導電性セラミックス材料は、既述した空気極４に好適である導電性セラミックス材料を用いることができる。また、固体電解質に含まれる元素の酸化物材料としては、既述した固体電解質６に好適な酸素イオン伝導性材料から用いることができる。かかる組成とすることで、拘束層４０の熱膨張係数を容易に調整して、拘束層４０による焼成挙動の調整を可能とすることができる。拘束層４０の熱膨張係数（２０℃〜１０００℃）は、１０×１０-6Ｋ-1以上１５×１０-6Ｋ-1以下であることが好ましい。この範囲であると、インターコネクタ１０あるいは空気極４との界面ではく離が起きにくいからである。ＳＯＦＣスタック３０の残留応力を考慮すると、より好ましくは、１０×１０-6Ｋ-1以上１２×１０-6Ｋ-1以下である。
拘束層４０は、少なくとも非多孔質層４２を備えている。非多孔質層４２は、固体電解質６やインターコネクタ１０と同様の緻密性を備えることができる。また、気孔率としては、１０％以下であることが好ましく、より好ましくは５％以下である。非多孔質層４２の厚みは特に限定するものではないが、例えば１０μｍ以上２００μｍ以下、好ましくは５０μｍ以上１００μｍ以下とすることができる。
拘束層４０は、さらに、非多孔質層４２と同様、導電性セラミックス材料と固体電解質に含まれる元素の酸化物を含んで多孔質である多孔質層４４を備えることができる。非多孔質層４２と多孔質層４４とを備えることで、焼成挙動の調整がより容易になる。多孔質層４４における気孔率は、非多孔質層４２よりも大きければ特に限定するものではないが、例えば、１０％以上５０％以下とすることができる。この範囲であると、非多孔質層４２との組合せによる焼成挙動の調整が容易であるからである。多孔質層４４の厚みは、特に限定するものではないが、例えば、１０μｍ以上２００μｍ以下、好ましくは５０μｍ以上１００μｍ以下とすることができる。
なお、非多孔質層４２は、ＳＯＦＣ単セルＣ及びＳＯＦＣスタック３０の空気極４側の終端部に配置されるとき、空気極４に対してインターコネクタ１０としても機能することができる。したがって、例えば、その場合には、インターコネクタ１０の第２の層１４を省略することができる。
拘束層４０が非多孔質層４２と多孔質層４４とを備えるとき、これらの積層形態は特に限定するものではないが、非多孔質層４２と多孔質層４４とを交互に備えることができる。これらの層の双方を備えるとき、各層の積層数や厚みは異なっていても同一であってもよいが、焼成挙動の調節の観点からは、非多孔質層４２と多孔質層４４の積層数を同数とするか及び／又は各層の厚みの合計を同一とすることが好ましい。
拘束層４０としての非多孔質層４２及び多孔質層４４は、それぞれ、導電性セラミックス材料と固体電解質に含まれる元素の酸化物材料とを含むことができる。これら２種類の層４２，４４において同一種類の導電性セラミックス材料及び固体電解質に含まれる元素の酸化物材料を用いてもよいし、少なくとも一方が異なっていてもよい。好ましくは、これら２種類の層４２，４４は、組成（配合）は異なっていてもよい同一であってもよいが、同一種類の材料を用いる。なお、複数の非多孔質層４２を備えるとき、これらの非多孔質層４２同士においても、導電性セラミックス材料と固体電解質に含まれる元素の酸化物材料に関し、上記と同様の態様が適用される。また、複数の多孔質層４４を備えるとき、これらの多孔質層４４同士においても、導電性セラミックス材料と固体電解質に含まれる元素の酸化物材料に関し、上記と同様の態様が適用される。
これら２種類の層４２，４４における、導電性セラミックス材料と固体電解質に含まれる元素の酸化物材料との配合比率は、特に限定するものではないが、例えば、導電性セラミックス材料：固体電解質に含まれる元素の酸化物材料とは、質量比で、３０：７０〜７０：３０などとすることができ、４０：６０〜６０：４０とすることもできる。
また、各層４２，４４は、それぞれ焼結性を高めたり、高温焼成時の耐熱性を向上させるために適宜添加剤を含むことができる。例えば、既述の各種添加剤のほか、耐熱性の観点からは、セリア等を添加することができる。セリア等の高温耐熱性添加剤は、特に限定するものではないが、多孔質層４４に添加することが好ましい。これら添加剤の含有量は、特に限定するものではないが、例えば、各層４２，４４における全セラミックス材料（添加剤を含む）に対して０．５質量％以上１０質量％以下とすることができ、好ましくは２質量％以上８質量％以下とすることができる。
多孔質層４４における気孔形状は特に限定するものではないが、球状気孔を形成することができる。球状の場合には平均気孔径は特に限定するものではないが、例えば、０．５μｍ以上５μｍ以下とすることができる。０．５μｍ未満及び５μｍ超では、いずれも十分な焼成挙動の調整が困難であるからである。
セラミックス材料における気孔率及び平均気孔径の調節は、当業者において周知であり、当業者であれば、適宜意図した気孔率及び平均気孔径のセラミックス層を作製できる。
拘束層４０は、ＳＯＦＣにおいて、任意の部位に備えることができる。すなわち、拘束層は、単セルＣにおける燃料極２側及び空気極４側のいずれか一方又は双方に備えることができるほか、スタック３０に含まれる複数の単セルＣの少なくとも一部に対して拘束層４０を備えていてもよい。また、スタック３０の最も外側の一方又は双方に備えることができる。
例えば、図４に示すように、ＳＯＦＣの単セルＣの燃料極２側においては、単セルＣに対して付与されたインターコネクタ１０の第１の層１２に対して、すなわち、第１の層１２よりもセルＣの外側に位置するように拘束層４０を備えることができる。また、空気極４側においては、空気極４が流路を内包する場合には、空気極４に対して、すなわち、空気極４よりもセルＣの外側に位置するように拘束層４０を備えることができる。
これらの場合において、拘束層４０としての非多孔質層４２及び多孔質層４４の積層形態は特に限定しないが、例えば、非多孔質層４２を第１の層１２及び空気極４に対して備え、さらに、必要に応じて、より外側に多孔質層４４を備えることができる。好ましくは、最外層に多孔質層４４を備える。また、こうした積層形態は、焼成挙動の制御の観点からは、非多孔質層４２及び多孔質層４４は、固体電解質６を挟んで対称的に配置されていることが好ましい。
また、例えば、図４に示すように、ＳＯＦＣスタック３０において、燃料極２側の終端部（スタック３０の積層方向に沿う一方の端部）及び／又は空気極４側の終端部（スタック３０の積層方向に沿う他方の端部）に備えることができる。
以上説明したように、インターコネクタ１０は、導電性と、ＳＯＦＣに適用される還元性ガスと酸化性ガスとに対する耐性と、をそれぞれ発揮し、さらにセルＣとの一体焼結に好適なものとなっている。この結果、インターコネクタ１０によれば、製造工程を複雑化することなく、発電特性及び一体性に優れたＳＯＦＣ及びＳＯＦＣスタックを得ることができる。
（ＳＯＦＣスタックの製造方法）
本明細書に開示されるＳＯＦＣスタックの製造方法は、少なくとも第１の単セルと第２の単セルとをインターコネクタを介して積層されたスタックを得るのにあたって、第１の単セルの燃料極の材料を含む燃料極材料層と、インターコネクタの材料を含むインターコネクタ材料層と、第２の単セルの空気極の材料を含む空気極材料層と、を少なくとも含むスタックの前駆体を、焼成により一体化する工程、を備えることができる。この製造方法において、インターコネクタ材料層は、燃料極材料層側に位置される第１の層と、空気極材料層側に位置される第２の層と、備えており、第１の層は、還元性雰囲気において第２の層よりも高い電気伝導性とガス遮断性とを備え、第２の層は、酸化性雰囲気において第１の層よりも高い電気伝導性とガス遮断性とを備えることができる。
この製造方法によれば、燃料極及び空気極のそれぞれに対して好適なインターコネクタ特性（導電性及びガス遮断性）を有する層をそれぞれ適用でき、優れた導電性と一体性を発揮させることができる。しかも、第１の層と第２の層とは、セルの要素との一体焼結性に好適であるため、製造工程を複雑化することなく、スタックの一体焼結が可能である。さらに、第１の層及び第２の層は、それぞれ独立した特性を発揮できることから、燃料極や空気極の種々の態様に応じて厚みやパターンを適宜することができる。
本明細書におけるＳＯＦＣスタックの製造方法は、概して公知の焼結一体型のＳＯＦＣスタックの製造方法に準じることができる。当業者であれば、例えば、国際公開ＷＯ２００９／１１９７７１号公報に開示される方法を適宜参照して本製造方法を実施することができる。
ＳＯＦＣスタックの製造方法は、特に限定するものではないが、概して、単セル及びスタックを構成する１又は２以上の要素の材料を含むグリーンシートを予め準備した上で積層したり、適宜、こうした材料層をスラリーとして直接積層したりしつつ、これらを必要な順序で積層し、一体焼成する。どのような要素を含むグリーンシートを準備するか、あるいはスラリーとして供給するか、さらには、積層順序等は、ＳＯＦＣスタックを得られる範囲で当業者であれば適宜決定して実施することができる。
また、ＳＯＦＣスタックの各要素の材料層の積層体（スタック前駆体）の焼成方法も、概して、公知の焼結一体型のＳＯＦＣスタックの製造方法に準じることができる。すなわち、スタック前駆体の焼成は、前駆体を構成するセラミックス材料が少なくとも一部が焼結されて緻密質又は多孔質の所望の焼成体を得られるように実施する。好ましくは、全ての要素を共焼結させる。例えば、１２５０℃以上１５５０℃以下の温度で加熱処理することができ、好ましくは１２５０℃以上１５００℃以下である。より好ましくは１２５０℃以上１４００℃以下である。なお、空気中で焼成することができる。上記焼成温度での焼成時間は、特に限定するものではないが、例えば、１〜数時間程度などとすることができる。
焼成に先だって、スタック前駆体を、６０℃〜１２０℃程度の温度で、必要に応じて冷間等方圧プレス（ＣＩＰ）することにより圧着した。この圧着体を温度３００℃〜５００℃の範囲内で脱脂処理を施すことができる。
なお、スラリーやグリーンシート自体の作製方法は、当業者に周知である。例えば、各層のためのスラリーは、各要素の材料を主成分等として、さらにバインダー樹脂、有機溶媒などが適量加えることで調製することができる。また、グリーンシートは、調製したスラリーを、ナイフコート、ドクターブレードなどの塗工装置を用いたテープキャスト法などのキャスティングによるシート成形法、あるいはスクリーン印刷法やスプレー法などを用いてグリーンシート前駆体を得ることができる。なお、得られたシート前駆体を、常法に従い、乾燥後、必要に応じて加熱処理することでグリーンシート（未焼成のセラミックスグリーンシート）を得ることができる。
また、燃料極、空気極、拘束層の多孔質層の作製方法も、当業者に周知である。例えば、当業者は、公知の方法に従って粒子状の消失材料をスラリーの配合に含めるか、あるいは造孔剤等を含めることで、所望の平均気孔径、気孔率、気孔径分布等や適度な多孔質性を焼成により発現できるグリーンシートを作製することができる。なお、消失材料自体も周知であるとともに、各種材料を商業的に入手可能である。
燃料極、空気極及びインターコネクタにガス流路を形成する方法も、当業者に周知である。当業者であれば、公知の方法に従い、燃料極材料のグリーンシート等に所望のガス流路パターンを形成可能な消失材料を配置して、さらに燃料極材料のグリーンシート等を積層するなど適宜実施することができる。
また、適宜、燃料極材料層や空気極材料層に隣接してシール部となるシール材料層を備える電極グリーンシートも製造できる。
本製造方法において、インターコネクタほか、燃料極バッファ層、拘束層を適宜採用することにより、それぞれの要素に応じた利点を製造方法においても発揮させることができ、発電特性、一体性等に優れるＳＯＦＣスタックを得ることができる。
以下に、本製造方法の概要の一例を説明する。固体電解質の材料を含むスラリーから固体電解質用グリーンシートを準備した。燃料極の材料と造孔剤とを含む燃料極用スラリーとシール材料を含むシール用スラリーから燃料極用グリーンシートを作製し、その上に、消失材料からなる流路形成材をスクリーン印刷等により付与し、さらに、燃料極用スラリーとシール用スラリーとを、例えば、流路形成材の高さの３０％以上７０％以下程度の範囲となるまで所定のパターンで付与する。さらに、インターコネクタの第１の層用スラリーを、燃料極材料層の凸部を含む表面形態に沿っておおよそ均一の厚みで付与する。さらに、その後、第１の層用スラリー表面に、燃料極材料層の凸部を覆って略平坦な層表面となるように、インターコネクタの第２の層用のスラリーを付与して燃料極材料層を含むグリーンシートを準備する。なお、別個の燃料極用スラリーとして、燃料極バッファ用材料を含む燃料極バッファ用スラリーをさらに付与することもできる。
また、空気極の材料と造孔剤とを含む空気極用スラリーとシール材料を含むシール用スラリーから空気極用グリーンシートを作製し、その上に、消失材料からなる流路形成材をスクリーン印刷等により付与し、さらに、空気極用スラリーとシール用スラリーとを所定のパターンで付与して、空気極材料層を含むグリーンシートを作製した。また、空気極材料層を含むグリーンシートに、非多孔質拘束層材料用スラリーとシール用スラリーとを付与して、空気極側終端用グリーンシートを準備する。
別途、非多孔質拘束層用スラリーとシール用スラリーとを用いて非多孔質拘束層用グリーンシートを燃料極側終端用グリーンシートを準備する。また、多孔質拘束層用スラリーとシール材料とを用いて、多孔質拘束層用グリーンシートを準備する。
これらのグリーンシートを、適数個、例えば、２個以上３０個以下、また例えば、５個以上２０個以下程度含むように積層して、ＳＯＦＣスタック前駆体を作製することができる。この前駆体を圧着、脱脂処理後に、所定の温度で焼成する。
例えば、以上のような製造工程により、インターコネクタを備えるＳＯＦＣスタックを得ることができる。また、特殊形態の燃料極に対応するインターコネクタ構造を備えるＳＯＦＣスタックを製造することもできる。さらに、燃料極バッファ層も備えるＳＯＦＣスタックを製造することができる。さらにまた、拘束層を備えるＳＯＦＣスタックを備えることもできる。
以上説明したＳＯＦＣスタックは、さらに、必要に応じて集電体等を接続し、還元性ガス及び酸化性ガスの供給源などを適宜接続し、さらに、加熱装置を備えるようにすることで、ＳＯＦＣシステムを構築できる。
なお、以上説明したＳＯＦＣスタックの製造方法は、本明細書に開示されるＳＯＦＣスタックの製造方法の一例に過ぎない。したがって、従来公知のＳＯＦＣの製造方法に従い、ＳＯＦＣの単セルやＳＯＦＣスタックを構成する層の少なくとも１層を含むグリーンシートの積層や構成層を直接スラリーを塗布等することによる積層を適宜組み合わせて、ＳＯＦＣ単セル及びＳＯＦＣスタックを製造することができる。
以下、本明細書の開示を具現化した実施例を説明するが、本明細書の開示は以下の実施例に限定されるものではない。
本実施例では、ＳＯＦＣスタックの製造例である。以下、ＳＯＦＣスタックにおける各要素のセラミックス材料を示し、次いで、図５Ａ〜図５Ｄに示すスタックの製造工程について説明する。
（ＳＯＦＣスタックの原料）
（１）固体電解質
添加量８モル％のイットリア（Ｙ2Ｏ3）で安定化されたジルコニア（ＺｒＯ）（８モル％イットリア安定化ジルコニア:８ＹＳＺ）
（２）燃料極
酸化ニッケル（ＮｉＯ）６０質量％と８ＹＳＺ４０質量％の混合物
（３）空気極
Ｌａ０.８Ｓｒ０.２ＭｎＯ3５０質量％と８ＹＳＺ４５質量％とセリア（ＣｅＯ2）５質量％との混合物
（４）燃料側インターコネクタ（インターコネクタの第１の層）
Ｌａ0.3Ｓｒ0.7ＴｉＯ3
（５）空気側インターコネクタ（インターコネクタの第２の層）
Ｌａ0.8Ｓｒ0.2ＭｎＯ3５０質量％と３ＹＳＺ４５質量％とセリア５質量％との混合物
（６）シール部
８ＹＳＺ
（７）拘束層
Ｌａ０.８Ｓｒ０.２ＭｎＯ3５０質量％と８ＹＳＺ４５質量％とセリア（ＣｅＯ2）５質量％の混合物
（２）製造工程
（２−１）グリーンシートの製造
（固体電解質用グリーンシート）
固体電解質原料と、ポリビニルブチラール系バインダーと、有機溶媒としてのエタノール（以下、単に溶媒という。）とを混合して固体電解質用スラリーとした。その後、図５Ａに示すように、ドクターブレード法により、固体電解質用グリーンシート１０１を作成した。
（燃料極用グリーンシート）
燃料極原料１００質量部に対しての平均粒子径１０μｍ及び平均粒径の±０．１σに５０％以上の粒子が分布するアクリル粒子を２０質量部添加し、この混合粉末と、ポリビニルブチラール系バインダーと、溶媒とを混合して燃料極用スラリーとした。また、燃料極原料１００質量部に対して、先のアクリル粒子よりも小径の平均粒子径５μｍ及び平均粒径の±０．１σに５０％以下の粒子が分布するアクリル粒子を２０質量部添加し、この混合粉末と、ポリビニルブチラール系バインダーと、混液とを混合して第１の燃料極バッファ用スラリーとした。また、燃料極用スラリーに用いたアクリル粒子を１２質量部（燃料極用スラリーの６０％相当）を用いる以外は同様にして第２の燃料極バッファ用スラリーとした。
次いで、シール部原料と、ポリビニルブチラール系バインダーと、溶媒とを混合してシール部用スラリーとした。その後、図５Ｂ（ａ）に示すように、燃料極用スラリーとシール部用スラリーとを、複数の塗布口を有するドクターブレードを用いて、グリーンシートの中央に燃料極材料層１０２ａ、両端にシール部１０２ｂを備えるように燃料極用グリーンシート１０２を作製した。
次いで、図５Ｂ（ｂ）に示すように、燃料極用グリーンシート１０２に、アクリル樹脂組成物を用いて、複数の直線状の流路形成材１０３が一定間隔を置いて整列したライン・アンド・スペース状の流路形成材１０３のパターンをスクリーン印刷法により作製した。その後、図５Ｂ（ｃ）に示すように、かかるパターン印刷した燃料極グリーンシート１０２上に、ドクターブレード法で燃料極用スラリーを、流路形成材の高さの６０％程度となるまで、流路形成材１０３間に直接積層して燃料極材料層１０４ａを形成した。なお、燃料極材料層１０４ａの両端には、シール部用スラリーを用いてシール部１０４ｂを同時に形成した。この燃料極材料層１０４ａを含む層を燃料極材料層１０４ともいう。
さらに、図５Ｃ（ｄ）に示すように、ドクターブレード法で、第１の燃料極バッファ用スラリーを、流路形成材１０３を含む全体を覆うように一定の厚みで積層してコルゲート状の第１の燃料極バッファ材料層１０５ａを形成した。このときも両端にシール部１０５ｂを同時に形成した。この第１の燃料極バッファ材料層１０５ａを含むコルゲート状の層を第１の燃料極バッファ材料層１０５ともいう。
次いで、図５Ｃ（ｅ）に示すように、ドクターブレード法で燃料極側インターコネクタ用スラリーを第１の燃料極バッファ材料層１０５に倣うコルゲート状に付与して燃料極側インターコネクタ材料層１０６を形成した。
その後、図５Ｃ（ｆ）に示すように、空気極側インターコネクタ用スラリーを、流路形成材１０３に起因する凸部間を充填し、燃料極側インターコネクタ材料層１０６を覆うように積層して、空気極側インターコネクタ材料層１０７を含むグリーンシート１１０を作製した。
（空気極用グリーンシート）
空気極原料１００質量部に対して平均粒子径１０μｍ及び平均粒径の±０．１σに５０％以上の粒子が分布するアクリル粒子を２０質量部添加し、この混合粉末と、ポリビニルブチラール系バインダーと、溶媒とを混合して空気極用スラリーとした。その後、図５Ｄ（ａ）に示すように、空気極用スラリーとシール部用スラリーとを、複数の塗布口を有するドクターブレードを用いて、グリーンシートの中央に空気極材料層１１２ａ、両端にシール部１１２ｂを備えるように空気極用グリーンシート１１２を作製した。
次いで、図５Ｄ（ｂ）に示すように、空気極用グリーンシート１１２に、アクリル樹脂組成物を用いて、複数の直線状の流路形成材が一定間隔を置いて整列したライン・アンド・スペース状の流路形成材１１３のパターンをスクリーン印刷法により作成した。その後、図５Ｄ（ｃ）に示すように、かかるパターン印刷した空気極グリーンシート１１２上に、ドクターブレード法で空気極用スラリーを、流路形成材１１３の高さの全体及び流路形材１１３の天面を覆うように、直接積層して空気極材料層１１４ａを形成した。このときも両端にシール部１１４ｂを同時に形成して、空気極用グリーンシート１１５を作製した。
（拘束層用グリーンシート）
図５Ａ（ｂ）に示すように、拘束層原料と、ポリビニルブチラール系バインダーと、溶媒と、を混合して非多孔質拘束層用スラリーとし、ドクターブレード法で非多孔質拘束層用グリーンシート１２０を作製した。
図５Ａ（ｂ）に示すように、拘束層の原料１００質量部に対してアクリル粒子を１０質量部添加した混合物と、ポリビニルブチラール系バインダーと、溶媒と、を混合して多孔質拘束層用スラリーとし、ドクターブレード法により、多孔質拘束層用グリーンシート１２１を作製した。
（２−２）グリーンシートの積層及びＳＯＦＣスタックの作製
ついで、作製した各種グリーンシートを、以下の順序で積層した。すなわち、図６Ａ（ａ）〜（ｂ）に示すように、多孔質拘束層用グリーンシート１２１を積層し、非多孔質拘束層用グリーンシート１２０を積層し、更に空気極用グリーンシート１１５を積層した。さらに固体電解質用グリーンシート１０１を積層し、ついで、図６Ａ（ｃ）に示すように、燃料極用グリーンシート１１０の燃料極層が接するように積層して、最下層のセル前駆体２０１を形成した。さらに、図６Ｂ（ｄ）に示すように、燃料極用グリーンシート１１０の空気極側インターコネクタ材料層１０７に対して、空気極用グリーンシート１１５、固体電解質用グリーンシート１０１及び燃料極用グリーンシート１１０を積層して、第２のセル前駆体２０２を形成した。さらに、図６Ｂ（ｅ）に示すように、同様に、グリーンシートを積層して第３のセル前駆体２０３を形成し、この空気極側インターコネクタ材料層１０７に対して、非多孔質拘束層用グリーンシート１２０を積層し、さらに、多孔質拘束層用グリーンシート１２１を積層して、本実施例のスタック前駆体１３０を得た。
（２−３）焼成
このスタック前駆体１３０を、１００ＭＰａ、８０℃の温度で２分間、冷間等方圧プレス（ＣＩＰ）することにより圧着した。この圧着体を温度４００℃で脱脂処理を施した後、温度１４００℃で２時間保持することにより、焼成して実施例のスタックを得た。
なお、第１の燃料極バッファ層用スラリーに替えて第２の燃料極バッファ層用スラリーを用いる以外は、上記と同様にして別の実施例のスタックを得た。
焼成によって得られた実施例のスタックの概要を図６Ｃに示す。図６Ｃに示すように、本実施例のスタック３０は、固体電解質６の厚みが約２０μｍであり、還元性ガス流路２２の間の燃料極２の厚みが約５０μｍであり、還元性ガス流路２２の厚みが約１００μｍであり、酸化性ガス流路２４の間の空気極４の厚みが約５０μｍ、酸化性ガス流路２４の厚みが約２００μｍであり、燃料極側インターコネクタ（第１の層）１２の厚みが約１０μｍであり、空気極側インターコネクタ（第２の層）１４の厚みが約１０〜１００μｍ（最少部分〜最大部分）であった。
なお、比較例として、以下の態様のＳＯＦＣスタックも同時に作製した。すなわち、インターコネクタの第２の層材料を、Ｌａ0.8Ｓｒ0.2ＭｎＯ3５０質量％と「３ＹＳＺ」４５質量％とセリア５質量％との混合物に替えて、Ｌａ0.8Ｓｒ0.2ＭｎＯ3５０質量％と「８ＹＳＺ」４５質量％とセリア５質量％との混合物を用いた以外は、上記したＳＯＦＣスタックと同一の製造工程で作製して比較例１のＳＯＦＣスタックを作製した。また、グリーンシート１１０において、第１の燃料極バッファ用スラリーを、流路形成材１０３の高さ全体を覆うような厚みで付与して燃料極材料層の表面を平坦にする以外は、上記したＳＯＦＣスタックと同一の製造工程で比較例２のＳＯＦＣスタックを作製した。さらに、第１の燃料極バッファ層を備えないようにする以外は、上記したＳＯＦＣスタックと同一の製造工程で比較例３のＳＯＦＣスタックを作製した。
本実施例のスタックは、インターコネクタとして第１の層及び第２の層を備えることにより、優れた一体性と電気伝導性を備えるスタックが得られたことを確認した。例えば、空気極側インターコネクタ（第２の層）において固体電解質に含まれる元素の酸化物材料として３ＹＳＺを用いたときの、空気極／空気極側インターコネクタ／燃料極側インターコネクタ／燃料極の電気抵抗値は０．１３Ω・ｃｍ2であったのに対し、３ＹＳＺに替えて８ＹＳＺを用いた比較例１では、０．５４Ω・ｃｍ2であった。
また、本実施例のスタックは、ガス流路に基づく凸状部を備える電極（燃料極）に対して、燃料極側インターコネクタ（第１の層）を追従させてコルゲート状の燃料極側インターコネクタとするとともに、燃料極インターコネクタの凸部でない部分を充填するように空気極側インターコネクタ（第２の層）を備えるようにしたことで、燃料極の体積を抑制することができた。これにより、ＳＯＦＣの起動及び停止に伴う酸化還元による燃料極ひいてはスタックの体積変動を抑制することができる。例えば、比較例２のスタックにおけるＮｉの全使用量を１００とすると、本実施例のスタックのＮｉ使用量は４０％であった。
また、本実施例のスタックは、燃料極バッファ層を備えることにより、燃料極と燃料極側インターコネクタ（第1の層）との密着性及び一体性が良好となり、また、燃料極の凸状部によく倣うことができ、還元性ガス流路の天面を良く覆うことができた。本実施例のスタックと比較例３（燃料極バッファ層なし）のスタックとの還元性ガス流路周辺の断面構造を顕微鏡観察により観察したところ、燃料極バッファ層により、燃料極側インターコネクタ（第１の層）によく密着していることがわかった。なお、燃料極よりも気孔率を低下させた第２の燃料極バッファ層を備える別の実施例のスタックも、燃料極と燃料極側インターコネクタ（第1の層）との密着性及び一体性が良好となり、燃料極の凸状部によく倣うことができ、還元性ガス流路の天面を良く覆うことができた。
また、拘束層を備えないセルは大きく変形した一方で、拘束層を備えたセルは平坦に焼結できた。

Claims (7)

  1. 燃料極と、固体電解質と、空気極とを備える、固体酸化物形燃料電池であって、
    前記燃料極は、前記固体電解質に対して遠位側において、前記固体電解質に対して近位側よりも、（ａ）平均気孔径が小さい、（ｂ）気孔率が低い、及び（ｃ）気孔径分布が多分散である、からなる群から選択される１又は２以上の特徴を有し、
    前記燃料極は、還元性ガスの流路を内包して前記流路に基づく１又は２以上の凸状部を備えている、電池。
  2. 燃料極、固体電解質及び空気極を備える単セルをインターコネクタを介して複数備える固体酸化物形燃料電池スタックであって、
    少なくとも1つの単セルの前記燃料極は、前記固体電解質に対して遠位側であって前記インターコネクタに対して近位側において、前記固体電解質に対して近位側よりも、（ａ）平均気孔径が小さい、（ｂ）気孔率が低い、及び（ｃ）気孔径分布が多分散からなる群から選択される１又は２以上の特徴を有し、
    前記燃料極は、還元性ガスの流路を内包して前記流路に基づく１又は２以上の凸状部を備えている、スタック。
  3. 少なくとも２つの前記単セルは、前記インターコネクタを介して焼結により一体化されている、請求項２に記載のスタック。
  4. 燃料極、固体電解質及び空気極を備える単セルをインターコネクタを介して複数備える固体酸化物形燃料電池スタックであって、
    少なくとも1つの単セルの前記燃料極は、前記固体電解質に対して遠位側であって前記インターコネクタに対して近位側において、前記固体電解質に対して近位側よりも、（ａ）平均気孔径が小さい、（ｂ）気孔率が低い、及び（ｃ）気孔径分布が多分散からなる群から選択される１又は２以上の特徴を有し、
    少なくとも２つの前記単セルは、前記インターコネクタを介して焼結により一体化されている、スタック。
  5. 前記単セルの厚みは、１００μｍ以上１０００μｍ以下である、請求項２〜４のいずれかに記載のスタック。
  6. 前記燃料極の厚みは、１５μｍ以上５００μｍ以下、請求項２〜５のいずれかに記載のスタック。
  7. 燃料極、固体電解質及び空気極を備える単セルをインターコネクタを介して複数備える固体酸化物形燃料電池スタックの製造方法であって、
    少なくとも第１の単セルと第２の単セルとを前記インターコネクタを介して積層されたスタックを得るのにあたって、
    前記第１の単セルの前記燃料極の材料を含む燃料極材料層と、前記インターコネクタの材料を含むインターコネクタ材料層と、前記第２の単セルの前記空気極の材料を含む空気極材料層と、を少なくとも含む前記スタックの前駆体を、焼成により一体化する工程、
    を備え、
    前記第１の単セルの燃料極の材料を含む燃料極材料層は、前記燃料極が固体電解質に対して遠位側であって前記インターコネクタに対して近位側において、固体電解質に対して近位側よりも、（ａ）平均気孔径が小さい、（ｂ）気孔率が低い、及び（ｃ）気孔径分布が多分散からなる群から選択される１又は２以上の特徴を有するように構成される、製造方法。
JP2017525433A 2016-08-29 2016-08-29 固体酸化物形燃料電池及びその製造方法 Expired - Fee Related JP6507337B2 (ja)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/JP2016/075126 WO2018042478A1 (ja) 2016-08-29 2016-08-29 固体酸化物形燃料電池及びその製造方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPWO2018042478A1 JPWO2018042478A1 (ja) 2018-08-30
JP6507337B2 true JP6507337B2 (ja) 2019-05-08

Family

ID=61300262

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2017525433A Expired - Fee Related JP6507337B2 (ja) 2016-08-29 2016-08-29 固体酸化物形燃料電池及びその製造方法

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JP6507337B2 (ja)
WO (1) WO2018042478A1 (ja)

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4874678A (en) * 1987-12-10 1989-10-17 Westinghouse Electric Corp. Elongated solid electrolyte cell configurations and flexible connections therefor
JPH07118327B2 (ja) * 1990-07-07 1995-12-18 日本碍子株式会社 固体電解質型燃料電池及びこれに用いる多孔質電極体
DE102005011669A1 (de) * 2004-05-28 2006-09-21 Siemens Ag Hochtemperatur-Festelektrolyt-Brennstoffzelle und damit aufgebaute Brennstoffzellenanlage
JP5179718B2 (ja) * 2005-12-14 2013-04-10 日本特殊陶業株式会社 固体酸化物型燃料電池セル、固体酸化物型燃料電池スタック、及び固体酸化物型燃料電池セルの製造方法
JP2008004422A (ja) * 2006-06-23 2008-01-10 Japan Fine Ceramics Center 固体酸化物形燃料電池用電極及び固体酸化物形燃料電池並びにその製造方法
KR101109294B1 (ko) * 2009-07-13 2012-01-31 삼성전기주식회사 일체형지지체를 갖는 연료전지
JP2012252963A (ja) * 2011-06-06 2012-12-20 Japan Fine Ceramics Center 固体酸化物形燃料電池用スタック構造体及びその製造方法

Also Published As

Publication number Publication date
JPWO2018042478A1 (ja) 2018-08-30
WO2018042478A1 (ja) 2018-03-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4950334B2 (ja) 積層型固体酸化物形燃料電池用スタック構造体、積層型固体酸化物形燃料電池及びその製造方法
US20110177424A1 (en) Electrolyte-electrode joined assembly and method for producing the same
WO2014208730A1 (ja) セル、セルスタック装置、モジュールおよびモジュール収納装置
JP5566405B2 (ja) 燃料電池セル、燃料電池セル装置および燃料電池モジュールならびに燃料電池装置
KR101734854B1 (ko) 고체산화물 연료전지 층의 분말 혼합물
JP6174608B2 (ja) 固体酸化物形燃料電池及びその製造方法
JP6311953B1 (ja) インターコネクタ、固体酸化物形燃料電池スタック、及び固体酸化物形燃料電池スタックの製造方法
WO2018021424A1 (ja) 電気化学セルスタック
JP6311952B1 (ja) インターコネクタ、固体酸化物形燃料電池スタック、及び固体酸化物形燃料電池スタックの製造方法
JP6507337B2 (ja) 固体酸化物形燃料電池及びその製造方法
EP2764570B1 (en) Method of forming a solid oxide fuel cell
JP6378436B2 (ja) 固体酸化物形燃料電池スタック及びその製造方法
JP6378435B2 (ja) 固体酸化物形燃料電池用セル、固体酸化物形燃料電池スタック及び固体酸化物形燃料電池
JP5711093B2 (ja) 固体酸化物形燃料電池のガスセパレート材及び固体酸化物形燃料電池
WO2018042474A1 (ja) 固体酸化物形燃料電池用セル、固体酸化物形燃料電池スタック及び固体酸化物形燃料電池
WO2018042479A1 (ja) 固体酸化物形燃料電池用セル、固体酸化物形燃料電池スタック及び固体酸化物形燃料電池
US20230072908A1 (en) Rigidly Bonded Metal Supported Electro-Chemical Stack
WO2015056320A1 (ja) 固体酸化物形燃料電池スタックアレイ
JP5981000B1 (ja) 燃料電池
JP2015128024A (ja) 固体電解質形燃料電池の製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
A131 Notification of reasons for refusal
A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20180713

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20181218

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20190107

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6507337

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees