JP6536419B2 - 燃料電池単セル - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池単セルに関する。

従来、アノードと固体電解質層とカソードとを有する平板形の燃料電池単セルが知られている。

例えば、特許文献１には、アノード内に所定の開口幅を有するパターンにて面方向に貫通する複数のガス流路を備える固体酸化物形の燃料電池単セルが開示されている。

特開２０１２−２５２９６３号公報

しかしながら、従来の燃料電池単セルは、燃料ガスの供給と排出とを同じ流路で行う必要がある上、アノードの側面から燃料ガスが漏出するため、燃料ガスの供給、排出の効率が悪い。したがって、従来の燃料電池単セルは、高密度電流下での運転に不利である。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、燃料ガスの供給、排出の効率を向上させることが可能な燃料電池単セルを提供しようとするものである。

本発明の一態様は、アノード（２）と固体電解質層（３）とカソード（５）とを有し、上記アノードを支持体とする平板形の燃料電池単セル（１）であって、
上記アノードは、アノード厚み方向に沿って配置され、上記固体電解質層側と反対側の層面（２１１）に層面開口（２１２）を備える複数の厚み方向流路（２１）と、アノード面方向に沿って配置され、上記アノードの側面（２２１）に側面開口（２２２）を備える複数の面方向流路（２２）とを内部に有しており、
上記側面開口を除いた上記アノードの側面がガス封止可能な緻密体（６）で覆われている、燃料電池単セル（１）にある。

上記燃料電池単セルは、側面開口を除いたアノードの側面がガス封止可能な緻密体で覆われている。そのため、上記燃料電池単セルは、アノードの側面のうち、側面開口以外の部分から燃料ガスが漏出するのを抑制することができる。その結果、上記燃料電池単セルでは、厚み方向流路内の燃料ガスの流れと面方向流路内の燃料ガスの流れとが整流される。それ故、上記燃料電池単セルは、層面開口から燃料ガスを供給し、側面開口から燃料ガスを排出する、あるいは、側面開口から燃料ガスを供給し、層面開口から燃料ガスを排出する際における燃料ガスの供給、排出の効率を向上させることができる。また、上記燃料電池単セルは、発電により生じた水蒸気も燃料ガスと一緒に効率よく排出することができる。したがって、上記燃料電池単セルによれば、高電流密度下での運転に有利である。

なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

実施形態１の燃料電池単セルを模式的に示した正面図である。 実施形態１の燃料電池単セルを模式的に示した平面図である。 実施形態１の燃料電池単セルを模式的に示した右側面図である。 図２のＩＶ−ＩＶ線断面図である。 図２のＶ−Ｖ線断面図である。 図２のＶＩ−ＶＩ線断面図である。 図２のＶＩＩ−ＶＩＩ線断面図である。 図４に対応させて、実施形態２の燃料電池単セルを模式的に示した説明図である。 図５に対応させて、実施形態３の燃料電池単セルを模式的に示した説明図である。

（実施形態１）
実施形態１の燃料電池単セルについて、図１〜図７を用いて説明する。図１〜図７に例示されるように、本実施形態の燃料電池単セル１は、アノード２と固体電解質層３とカソード５とを有している。燃料電池単セル１は、例えば、５００℃〜９００℃の温度域で作動させることができる。なお、固体電解質層３の固体電解質として固体酸化物セラミックスを用いる燃料電池は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）と称される。

燃料電池単セル１は、固体電解質層３とカソード５との間に中間層４をさらに備えることができる。中間層４は、主に、固体電解質層材料とカソード材料との反応を抑制するための層である。本実施形態では、燃料電池単セル１は、具体的には、アノード２、固体電解質層３、中間層４、および、カソード５がこの順に積層され、互いに接合されている。燃料電池単セル１は、電極であるアノード２を支持体とするアノード支持型である。そのため、燃料電池単セル１は、他の層に比べてアノード２の厚みが十分に厚くなり、後述の厚み方向流路２１、面方向流路２２の形成性に優れている。なお、各図では、燃料電池単セル１の外形が四角形状である例が示されている。燃料電池単セル１の外形は、他にも、円形状等の形状とすることもできる。

アノード２は、複数の厚み方向流路２１と複数の面方向流路２２とを内部に有している。厚み方向流路２１は、アノード厚み方向に沿って配置されており、固体電解質層３側と反対側の層面２１１に層面開口２１２を備えている。面方向流路２２は、アノード面方向に沿って配置されており、アノード２の側面２２１に側面開口２２２を備えている。なお、アノード２は、通常、孔部（不図示）を含んでいる。厚み方向流路２１および面方向流路２２は、孔部の径よりも大きく形成されており、孔部とは異なるものである。

アノード２は、具体的には、拡散層２０１と活性層２０２とを有することができる。拡散層２０１は、アノード２に供給される燃料ガスＦを層面内に拡散させる層である。活性層２０２は、拡散層２０１の固体電解質層３側に配置され、アノード反応の場となる層である。なお、拡散層２０１と活性層２０２とは、互いに接合されている。そして、厚み方向流路２１および面方向流路２２は、拡散層２０１に含まれる構成とすることができる。この場合には、厚み方向流路２１および面方向流路２２の形成により活性層２０２が失われることがない。そのため、アノード反応の場を十分に確保しつつ、燃料ガスＦの供給、排出の効率を向上させることが可能な燃料電池単セル１が得られる。

なお、本実施形態では、図４に示されるように、アノード２の層面２１１が燃料ガスＦの供給面とされており、アノード２の側面２２１のうちの一部が燃料ガスＦの排出面とされている。この他にも、燃料電池単セル１は、アノード２の側面２２１のうちの一部を燃料ガスＦの供給面とし、アノード２の層面２１１を燃料ガスＦの排出面とすることも可能である。

複数の厚み方向流路２１は、具体的には、互いに離間した状態で配置することができる。この場合には、アノード反応の場まで燃料ガスＦを均一に供給しやすくなる。なお、アノード２の層面２１１から燃料ガスＦを排出する構成とする場合には、アノード反応の場から水蒸気を含む燃料ガスＦを均一に排出しやすくなる。

拡散層２０１は、具体的には、複数行×複数列に配列された厚み方向流路２１を有している。図１〜図７には、より具体的には、拡散層２０１が、６行×６列（合計３６本）に配列された厚み方向流路２１を有する例が示されている。

厚み方向流路２１の固体電解質層３側の端部は、具体的には、図１〜図７に例示されるように活性層２０２に接していてもよいし、活性層２０２に接していなくてもよい。厚み方向流路２１の固体電解質層３側の端部が活性層２０２に接している場合には、新鮮な燃料ガスＦをアノード反応の場までより早く供給することができる。厚み方向流路２１の固体電解質層３側の端部が活性層２０２に接していない場合には、厚み方向流路２１の固体電解質層３側の端部と活性層２０２との間に、拡散層２０１の孔部が介在する。そのため、この場合には、厚み方向流路２１を通じて供給された燃料ガスＦは、拡散層２０１によって一旦拡散された後、活性層２０２に入る。そのため、この場合には、活性層２０２に燃料ガスＦをより均一に供給することができる。

なお、アノード２の層面２１１から燃料ガスＦを排出する構成とされており、厚み方向流路２１の固体電解質層３側の端部が活性層２０２に接している場合には、アノード反応により生じた水蒸気を含む燃料ガスＦをより早くセル外部へ排出することができる。

複数の面方向流路２２は、具体的には、互いに離間した状態で配置することができる。この場合には、アノード反応の場から水蒸気を含む燃料ガスＦを均一に排出しやすくなる。なお、アノード２の側面２２１のうちの一部から燃料ガスＦを供給する構成とする場合には、アノード反応の場まで燃料ガスＦを均一に供給しやすくなる。

拡散層２０１は、具体的には、同一面内にて互いに離間した状態で配置された複数本の面方向流路２２を有している。より具体的には、図１〜図７には、拡散層２０１が、同一面内にて所定間隔に配置された５本の面方向流路２２を有する例が示されている。また、図１〜図７には、面方向流路２２の一方の端部がアノード２の側面２２１に貫通しており、面方向流路２２の他方の端部がアノード２の側面２２１に貫通せず、アノード２内に存在している例が示されている。なお、本実施形態では、燃料電池単セル１の外形が四角形状とされているため、アノード２の側面２２１は四つの面より構成されている。そして、面方向流路２２の一方の端部が、その四つの面のうちの一つに貫通している例が示されている。なお、面方向流路２２の両方の端部が、アノード２の側面２２１に貫通する構成とすることもできる。

面方向流路２２は、具体的には、図１〜図７に例示されるように活性層２０２に接していてもよいし、活性層２０２に接していなくてもよい。面方向流路２２が活性層２０２に接している場合には、アノード反応により生じた水蒸気を含む燃料ガスＦをより早くセル外部へ排出することができる。

なお、アノード２の側面２２１のうちの一部から燃料ガスＦを供給する構成とされており、面方向流路２２が活性層２０２に接している場合には、新鮮な燃料ガスＦをアノード反応の場までより早く供給することができる。一方、アノード２の側面２２１のうちの一部から燃料ガスＦを供給する構成とされており、面方向流路２２が活性層２０２に接していない場合には、面方向流路２２の固体電解質層３側の壁面と活性層２０２との間に、拡散層２０１の孔部が介在する。そのため、この場合には、面方向流路２２を通じて供給された燃料ガスＦは、拡散層２０１によって一旦拡散された後、活性層２０２に入る。そのため、この場合には、活性層２０２に燃料ガスＦをより均一に供給することができる。

厚み方向流路２１および面方向流路２２は、各流路内を流れる燃料ガスＦの混合を回避する、アノード強度を確保しやすくする等の観点から、互いに交わらないように配置されているとよい。また、厚み方向流路２１および面方向流路２２は、いずれも直線状とすることができる。この場合には、厚み方向流路２１および面方向流路２２が直線状でない場合に比べ、燃料ガスＦの供給、排出の効率を向上させやすい燃料電池単セル１が得られる。

厚み方向流路２１および面方向流路２２の流路幅は、燃料ガスＦの供給性向上、燃料ガスＦの排出性向上、流路形成性等の観点から、好ましくは２０μｍ以上、より好ましくは１００μｍ以上、さらに好ましくは４００μｍ以上とすることができる。また、厚み方向流路２１および面方向流路２２の流路幅は、アノード強度の確保等の観点から、好ましくは１５００μｍ以下、より好ましくは８００μｍ以下、さらに好ましくは５００μｍ以下とすることができる。厚み方向流路２１および面方向流路２２の流路ピッチは、流路同士の短絡による強度劣化の抑制、製造上の難易度を低減させる等の観点から、好ましくは２０μｍ以上、より好ましくは１００μｍ以上、さらに好ましくは４００μｍ以上とすることができる。また、厚み方向流路２１および面方向流路２２の流路ピッチは、燃料ガスＦの供給性向上、燃料ガスＦの排出性向上等の観点から、好ましくは１０００μｍ以下、より好ましくは８００μｍ以下、さらに好ましくは５００μｍ以下とすることができる。

ここで、燃料電池単セル１は、側面開口２２２を除いたアノード２の側面２２１がガス封止可能な緻密体６で覆われている。本実施形態では、具体的には、拡散層２０１および活性層２０２の両方の側面が緻密体６により覆われている。

緻密体６は、具体的には、アノード２に供給される燃料ガスＦ、アノード２から排出される燃料ガスＦに含まれるガス成分を透過させないものであればよい。上記ガス成分としては、より具体的には、Ｈ_２、ＣＨ_４、ＣＯ、ＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ（水蒸気）等の気体を例示することができる。本実施形態では、燃料電池単セル１は、メタンガスを改質して燃料ガスＦとする。そのため、かかる燃料ガスＦのガス成分には、具体的には、Ｈ_２、ＣＨ_４、ＣＯ、ＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ（水蒸気）等が含まれる。

緻密体６の材料としては、具体的には、例えば、結晶化ガラス等のガラス、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、スカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）等の酸化ジルコニウム系酸化物、ＣｅＯ_２、または、ＣｅＯ_２にＧｄ、Ｓｍ、Ｙ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｙｂ、Ｃａ、および、Ｈｏから選択される１種または２種以上の元素等がドープされたセリア系固溶体等の酸化セリウム系酸化物などを例示することができる。緻密体６の材料は、熱膨張差を小さくしやすくなる等の観点から、後述する固体電解質層３の材料と同じ材料を用いることができる。なお、本実施形態では、緻密体６の材料は、結晶化ガラスである。

緻密体６の線熱膨張係数は、５×１０^−６〜２０×１０^−６／Ｋの範囲内とすることができる。この場合には、燃料電池単セル１の昇温、降温時に生じる熱応力等によって緻密体６が破損し難くなる。そのため、この場合には、緻密体６の破損によりアノード２の側面から燃料ガスＦが漏出するおそれがより小さくなり、燃料ガスＦの供給、排出の効率向上に有利な燃料電池単セル１が得られる。

緻密体６の線熱膨張係数は、緻密体６の破損抑制等の観点から、好ましくは６×１０^−６／Ｋ以上、より好ましくは７×１０^−６／Ｋ以上、さらに好ましくは８×１０^−６／Ｋ以上、さらにより好ましくは９×１０^−６／Ｋ以上とすることができる。また、緻密体６の線熱膨張係数は、緻密体６の破損抑制等の観点から、好ましくは１８×１０^−６／Ｋ以下、より好ましくは１５×１０^−６／Ｋ以下、さらに好ましくは１４×１０^−６／Ｋ以下、さらにより好ましくは１３×１０^−６／Ｋ以下とすることができる。なお、緻密体６の線熱膨張係数は、基本的には、ＪＩＳ Ｒ１６１８：２００２ 「ファインセラミックスの熱機械分析による熱膨張の測定方法」に準拠して測定される。具体的には、試料の緻密体６を、全膨張式熱機械分析装置にセットし、温度を１０℃／分の昇温速度で上げていく。温度ＴがＴ_０（＝１００℃）からＴ_１（＝７００℃）に上がるまでに、試料は長さＬ_０からＬ_１まで膨張する。この際の線熱膨張係数（／Ｋ）を、（ｄＬ／ｄＴ）_Ｔ＝Ｔ１／Ｌ_０の計算式より算出する。但し、（ｄＬ／ｄＴ）_Ｔ＝Ｔ１は、温度ＴがＴ_１のときにおける長さ曲線の傾きである。

緻密体６の厚みは、具体的には、固体電解質層３の厚み以上とすることができる。この場合には、緻密体６とアノード２との接合強度を確保しやすくなる。緻密体６の厚みは、上記効果を得やすくなる観点から、好ましくは、固体電解質層３の厚みよりも大きいとよい。

緻密体６の厚みは、緻密体６とアノード２との接合強度を確保しやすくなる等の観点から、好ましくは３μｍ以上、より好ましくは４μｍ以上、さらに好ましくは５μｍ以上とすることができる。緻密体６の厚みは、材料間の密着、ガスシール性等の観点から、好ましくは２０μｍ以下、より好ましくは１５μｍ以下、さらに好ましくは１０μｍ以下とすることができる。

燃料電池単セル１において、固体電解質層３の材料としては、強度、熱的安定性に優れる等の観点から、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、スカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）等の酸化ジルコニウム系酸化物を好適に用いることができる。固体電解質層３の材料としては、イオン伝導度、機械的安定性、他の材料との両立、空気雰囲気から燃料ガス雰囲気まで化学的に安定である等の観点から、イットリア安定化ジルコニアが好適である。本実施形態では、固体電解質層３の材料として、具体的には、イットリア安定化ジルコニアを用いることができる。

また、固体電解質層３の厚みは、オーミック抵抗の低減などの観点から、好ましくは３〜２０μｍ、より好ましくは４〜１５μｍ、さらに好ましくは５〜１０μｍとすることができる。本実施形態では、固体電解質層３の厚みは、具体的には、５μｍとすることができる。

燃料電池単セル１において、アノード２の材料としては、例えば、Ｎｉ、ＮｉＯ等の触媒と、上記酸化ジルコニウム系酸化物等の固体電解質との混合物などを例示することができる。なお、ＮｉＯは、発電時の還元雰囲気でＮｉとなる。本実施形態では、アノード２の材料、具体的には、拡散層２０１の材料および活性層２０２の材料として、ＮｉまたはＮｉＯとイットリア安定化ジルコニアとの混合物を用いることができる。

また、拡散層２０１の厚みは、支持体としての強度確保等の観点から、好ましくは１００μｍ以上、より好ましくは２００μｍ以上、より好ましくは３００μｍ以上とすることができる。拡散層２０１の厚みは、ガス拡散性の向上等の観点から、好ましくは８００μｍ以下、より好ましくは７００μｍ以下とすることができる。活性層２０２の厚みは、反応持続性、取り扱い性、加工性等の観点から、好ましくは１０μｍ以上、より好ましくは１５μｍ以上とすることができる。活性層２０２の厚みは、電極反応抵抗の低減等の観点から、好ましくは３０μｍ以下、より好ましくは２５μｍ以下とすることができる。本実施形態では、拡散層２０１の厚みは、具体的には、４００μｍ、活性層２０２の厚みは、具体的には、２５μｍとすることができる。

燃料電池単セル１において、カソード５の材料としては、遷移金属ペロブスカイト型酸化物などを例示することができる。遷移金属ペロブスカイト型酸化物としては、具体的には、例えば、Ｌａ_ｘＳｒ_１−ｘＣｏＯ_３系酸化物、Ｌａ_ｘＳｒ_１−ｘＣｏ_ｙＦｅ_１−ｙＯ_３系酸化物、Ｓｍ_ｘＳｒ_１−ｘＣｏＯ_３系酸化物（但し、上記において、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）などを例示することができる。これらは１種または２種以上併用することができる。本実施形態では、カソード５の材料として、具体的には、Ｌａ_ｘＳｒ_１−ｘＣｏ_ｙＦｅ_１−ｙＯ_３系酸化物（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）を用いることができる。

また、カソード５の厚みは、ガス拡散性、電極反応抵抗、集電性などの観点から、好ましくは２０〜１００μｍ、より好ましくは３０〜８０μｍとすることができる。本実施形態では、カソード５の厚みは、具体的には、５０μｍとすることができる。

燃料電池単セル１において、中間層４の材料としては、例えば、ＣｅＯ_２、または、ＣｅＯ_２にＧｄ、Ｓｍ、Ｙ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｙｂ、Ｃａ、および、Ｈｏから選択される１種または２種以上の元素等がドープされたセリア系固溶体等の酸化セリウム系酸化物などを例示することができる。これらは１種または２種以上併用することができる。本実施形態では、中間層４の材料として、具体的には、ＣｅＯ_２にＧｄがドープされたセリア系固溶体を用いることができる。

また、中間層４の厚みは、オーミック抵抗の低減、カソードからの元素拡散の抑制等の観点から、好ましくは１〜２０μｍ、より好ましくは２〜５μｍとすることができる。本実施形態では、中間層４の厚みは、具体的には、３μｍとすることができる。

燃料電池単セル１は、側面開口２２２を除いたアノード２の側面２２１がガス封止可能な緻密体６で覆われている。そのため、燃料電池単セル１は、アノード２の側面２２１のうち、側面開口２２２以外の部分から燃料ガスＦが漏出するのを抑制することができる。その結果、燃料電池単セル１では、厚み方向流路２１内の燃料ガスＦの流れと面方向流路２２内の燃料ガスＦの流れとが整流される。それ故、燃料電池単セル１は、層面開口２１２から燃料ガスＦを供給し、側面開口２２２から燃料ガスＦを排出する、あるいは、側面開口２２２から燃料ガスＦを供給し、層面開口２１２から燃料ガスＦを排出する際における燃料ガスＦの供給、排出の効率を向上させることができる。また、燃料電池単セル１は、発電により生じた水蒸気も燃料ガスＦと一緒に効率よく排出することができる。したがって、燃料電池単セル１によれば、高電流密度下での運転に有利である。

（実施形態２）
実施形態２の燃料電池単セルについて、図８を用いて説明する。なお、実施形態２以降において用いられる符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。

図８に例示されるように、本実施形態の燃料電池単セル１では、緻密体６が、固体電解質層３の側面を覆っている。この場合には、アノード２の側面２２１のうち、側面開口２２２以外の部分から燃料ガスＦが漏出するのを抑制しやすくなる。なお、緻密体６は、固体電解質層３の側面の全てを覆っていてもよいし、固体電解質層３の側面の一部を覆っていてもよい。図８では、後者の場合が示されている。

また、拡散層２０１は、複数の面方向流路２２以外にも、アノード面方向に沿って配置された複数の面方向副流路２３を有することができる。この場合には、アノード２の層面２１１から燃料ガスＦを供給する際に、燃料ガスＦが面方向副流路２３を通ってアノード面方向に均一に拡散しやすくなる。本実施形態では、具体的には、複数の面方向流路２２は活性層２０２に接しているが、複数の面方向副流路２３は活性層２０２に接していない。また、複数の面方向副流路２３は、複数の面方向流路２２とは異なる面内に配置されている。より具体的には、複数の面方向副流路２３は、厚み方向で互いに離間する複数の面内（図８では、２つの面内）に配置されている。なお、各面内における流路の配置、数は、面方向流路２２と同様である。また、図８では、複数の面方向副流路２３の両端部がアノード２の側面２２１に貫通せず、アノード２内に存在している例が示されている。その他の構成、作用効果は、実施形態１と同様である。

（実施形態３）
実施形態３の燃料電池単セルについて、図９を用いて説明する。

図９に例示されるように、本実施形態の燃料電池単セル１では、緻密体６が、層面開口２１２を除いたアノード２の層面２１１を覆っている。つまり、本実施形態では、アノード２の外表面のうち、側面開口２２２および層面開口２１２を除いた部分が、全て緻密体６により覆われている。この場合には、側面開口２２２を除いたアノード２の側面２２１ばかりでなく、層面開口２１２を除いたアノード２の層面２１１からも燃料ガスＦが漏出するのを抑制することができる。その他の構成、作用効果は、実施形態１と同様である。

（実験例）
以下、実験例を用いてより具体的に説明する。
＜試料１の燃料電池単セル＞
−材料準備−
ＮｉＯ粉末（平均粒子径：１．０μｍ）と、８ＹＳＺ粉末（平均粒子径：０．５μｍ）と、カーボン（造孔剤）と、ポリビニルブチラールと、酢酸イソアミルおよび１−ブタノールとをボールミルにて混合することによりスラリーを調製した。この際、ＮｉＯ粉末と８ＹＳＺ粉末の質量比は、６５：３５とした。なお、上記平均粒子径は、レーザー回折・散乱法により測定した体積基準の累積度数分布が５０％を示すときの粒子径（直径）ｄ５０である（以下、同様）。樹脂製のキャリアシート上に、ドクターブレード法を用いて上記スラリーを層状に塗工し、乾燥させた。これにより、キャリアシート付きの四角形状の未加工シートを準備した。未加工シートの厚みは、１００μｍである。

貫通孔を形成するための突起を有する下型と、突起の先端が嵌合する嵌合穴を有する上型とからなる金型を用い、キャリアシートが下型側となるように下型と上型との間に未加工シートを挟み込んでキャリアシートごと未加工シートを打ち抜き、これを金型から分離した。これにより、複数の貫通孔を有する貫通孔形成シートを形成した。複数の貫通孔は、複数行×複数列、具体的には、７０行×７０列に配置されている。また、貫通孔の直径は１００μｍ、貫通孔間のピッチは０．９ｍｍである。なお、使用した金型における下型の突起には、シート打ち抜き後の脱型を容易にするため、上方に向かって横断面積が小さくなるようにテーパーが形成されている。

次いで、貫通孔形成シートから上記打ち抜きによって穴の空いたキャリアシートを剥離するとともに、キャリアシートの剥離側とは反対側の面に微粘着性シートを貼り付け、微粘着シートを下側にして配置した。

次いで、アクリルビーズ、エチルセルロース、テルピネオール、分散剤、レベリング剤、沈降防止剤をプラネタリーミキサーにて撹拌した後、三本ロールにて混合することにより、消失剤ペーストを調製した。なお、消失剤ペーストには、他にも、Ａｇ、Ｆｅ_２Ｏ_３、ＣｕＯ、ＭｏＯ_３、Ｃｏ_３Ｏ_４、ＺｎＯからなる群より選択される少なくとも１種を含有させることができる。この場合には、流路壁面に析出した上記元素、化合物により燃料ガスＦ中に含まれうるＳ分を捕捉することが可能となり、触媒の被毒によるアノードの失活を抑制することが可能となる。また、消失剤ペーストには、他にも、ＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２、および、フッ素化合物からなる群より選択される少なくとも１種を含有させることができる。この場合には、流路壁面に析出した上記化合物により、撥水効果を付与することが可能となり、アノード反応により生じた水蒸気による流路の閉塞を抑制しやすくなる。

次いで、微粘着性シート上の貫通孔形成シートにおける各貫通孔内に、スクリーン印刷法を用いて消失剤ペーストを充填し、乾燥させた。その後、微粘着性シートを剥離した。これにより、四角形状の加工シートＡを形成した。

加工シートＡの表面に、スクリーン印刷法を用いて消失剤ペーストをパターン印刷することにより、加工シートＢを形成した。加工シートＢに形成した印刷パターンは、等間隔で並ぶ７０本の線状ペーストより構成される線状パターンであり、面方向流路を形成するためのものである。なお、各線状ペーストは、各貫通孔と重ならないように各貫通孔の間に配置されている。各線状ペーストの線幅は１２５μｍ、線間ピッチは０．９ｍｍ、線厚みは５５μｍである。また、各線状ペーストの一方側端部は、加工シートＢの端面に接しておらず、各線状ペーストの他方側端部は、加工シートＢの上記端面と反対側の端面に接している。

ＮｉＯ粉末（平均粒子径：１．０μｍ）と、８ＹＳＺ粉末（平均粒子径：０．２μｍ）と、カーボンと、ポリビニルブチラールと、酢酸イソアミルおよび１−ブタノール（混合溶媒）とをボールミルにて混合することによりスラリーを調製した。この際、ＮｉＯ粉末と８ＹＳＺ粉末の質量比は、６５：３５とした。ドクターブレード法を用いて、樹脂シート上に上記スラリーを層状に塗工し、乾燥させた後、樹脂シートを剥離することにより、四角形状の活性層形成用シートを準備した。活性層形成用シートの厚みは、３０μｍとした。なお、活性層形成用シートにおけるカーボン量は、加工シートＡと比較して少量とされている。

８ＹＳＺ粉末（平均粒子径：０．５μｍ）と、ポリビニルブチラールと、酢酸イソアミルおよび１−ブタノールとをボールミルにて混合することによりスラリーを調製した。ドクターブレード法を用いて、樹脂シート上に上記スラリーを層状に塗工し、乾燥させた後、樹脂シートを剥離することにより、四角形状の固体電解質層形成用シートを準備した。固体電解質層形成用シートの厚みは、５μｍとした。

１０ｍｏｌ％のＧｄがドープされたＣｅＯ_２（１０ＧＤＣ）粉末（平均粒子径：０．３μｍ）と、ポリビニルブチラールと、酢酸イソアミル、２−ブタノールおよびエタノールとをボールミルにて混合することによりスラリーを調製した。ドクターブレード法を用いて、樹脂シート上に上記スラリーを層状に塗工し、乾燥させた後、樹脂シートを剥離することにより、四角形状の中間層形成用シートを準備した。中間層形成用シートの厚みは、４μｍとした。

ＬＳＣ（Ｌａ_０．６Ｓｒ_０．４ＣｏＯ_３）粉末（平均粒子径：２．０μｍ）と、エチルセルロースと、テルピネオールとを３本ロールにて混合することにより、カソード形成用ペーストを準備した。

―セル作製―
加工シートＡ、加工シートＡ、加工シートＡ、加工シートＢ、活性層形成用シート、固体電解質層形成用シート、および、中間層形成用シートをこの順に積層し、圧着することにより、積層体を得た。なお、各加工シートは、それぞれ貫通孔の位置を合わせて積層した。積層された貫通孔により厚み方向流路を構成するためである。また、積層体の四つの端面のうちの一つには、線状ペーストの端部が露出している。拡散層の側面に側面開口を形成するためである。また、圧着には、ＣＩＰ成形法を用いた。ＣＩＰ成形条件は、温度８０℃、加圧力５０ＭＰａ、加圧時間１０分という条件とした。また、上記圧着後、積層体を脱脂した。

次いで、上記積層体を１３５０℃で２時間焼成した。これにより、拡散層（３５０μｍ）、活性層（２５μｍ）、固体電解質層（４μｍ）、および、中間層（３μｍ）がこの順に積層された焼結体を得た。なお、上記焼成により、消失剤ペーストは消失し、拡散層には、図１〜図７に例示されるように、積層された貫通孔に対応した厚み方向流路、線状パターンに対応した面方向流路がそれぞれ形成された。

次いで、上記焼結体における側面開口を除いたアノードの側面、および、固体電解質層の側面に、ディップコート法を用いて、結晶化ガラス材料を塗布した。その後、これを８５０℃で２時間焼付けることより、結晶化ガラスよりなる緻密体を形成した。緻密体の厚みは、８μｍであり、緻密体の線熱膨張係数は、５×１０^−６〜２０×１０^−６／Ｋの範囲内にある。

次いで、上記焼結体における中間層の表面に、カソード形成用ペーストをスクリーン印刷法により塗布し、９５０℃で２時間焼付けることにより、層状のカソード（５０μｍ）を形成した。これにより、試料１の燃料電池単セルを得た。

本発明は、上記各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更が可能である。また、各実施形態に示される各構成は、任意に組み合わせることができる。実施形態２において、拡散層２０１は、面方向副流路２３を有していなくてもよい。実施形態３において、緻密体６は、固体電解質層３の側面を覆っていてもよい。

１ 燃料電池単セル
２ アノード
２１ 厚み方向流路
２１１ 層面
２１２ 層面開口
２２ 面方向流路
２２１ 側面
２２２ 側面開口
３ 固体電解質層
５ カソード
６ 緻密体

Claims (6)

1. アノード（２）と固体電解質層（３）とカソード（５）とを有し、上記アノードを支持体とする平板形の燃料電池単セル（１）であって、
   上記アノードは、アノード厚み方向に沿って配置され、上記固体電解質層側と反対側の層面（２１１）に層面開口（２１２）を備える複数の厚み方向流路（２１）と、アノード面方向に沿って配置され、上記アノードの側面（２２１）に側面開口（２２２）を備える複数の面方向流路（２２）とを内部に有しており、
   上記側面開口を除いた上記アノードの側面がガス封止可能な緻密体（６）で覆われている、燃料電池単セル（１）。
2. 上記緻密体の線熱膨張係数は、５×１０^−６〜２０×１０^−６／Ｋの範囲内にある、請求項１に記載の燃料電池単セル。
3. 上記緻密体の厚みは、上記固体電解質層の厚み以上である、請求項１または２に記載の燃料電池単セル。
4. 上記緻密体は、さらに、上記固体電解質層の側面を覆っている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池単セル。
5. 上記緻密体は、さらに、上記層面開口を除いた上記アノードの層面を覆っている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池単セル。
6. 上記アノードは、上記アノードに供給される燃料ガス（Ｆ）を層面内に拡散させる拡散層（２０１）と、該拡散層の上記固体電解質層側に配置され、アノード反応の場となる活性層（２０２）とを有しており、
   上記厚み方向流路および上記面方向流路は、上記拡散層に含まれている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池単セル。

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