JP6972307B2 - 固体酸化物形燃料電池セル - Google Patents
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Description
本開示は、固体酸化物形燃料電池セルに関する。
従来、「ガス流路が内部に設けられた電子伝導性を有さない多孔質の支持基板」と、「支持基板の表面における互いに離れた複数の箇所にそれぞれ設けられ、燃料極、固体電解質、及び空気極が積層されてなる複数の発電素子部」と、「１組又は複数組の隣り合う発電素子部の間にそれぞれ設けられ、隣り合う発電素子部の一方の燃料極と他方の空気極とを電気的に接続する電気的接続部材を有する１つ又は複数の電気的接続部」とを備えた固体酸化物形燃料電池セル（以下、セルという場合がある。）が知られている（例えば、特許文献１を参照）。このような構成は、「横縞型」とも呼ばれる。当該セル内部のガス流路の一端より燃料ガス等のガスを導入させることにより発電を行うことが可能となる。
本開示の固体酸化物形燃料電池セルは、絶縁性、平板状かつ多孔質である支持基板と、前記支持基板の少なくとも一方の主面上における互いに離れた複数の箇所にそれぞれ配列され、少なくとも燃料極、固体電解質、および空気極が積層されている部分である、複数の発電素子部と、隣り合う前記発電素子部の間にそれぞれ設けられ、一方の前記発電素子部の燃料極と他方の前記発電素子部の空気極とを電気的に接続する電気的接続部材を有する複数の電気的接続部と、を備えている。前記固体電解質は、前記発電素子部に含まれない第一部を備え、前記発電素子部に含まれる部位と、前記第一部とが、形状が異なる部分を有する。
図１Ａは、実施形態に係る固体酸化物形燃料電池セルを示すものである。このセルは、長手方向（ｘ軸方向）を有する柱状かつ平板状の支持基板１０の上下面（互いに平行な両側の主面（平面））のそれぞれに、電気的に直列に接続された複数（本形態では、４つ）の同形の発電素子部Ａが長手方向において所定の間隔をおいて配列された、所謂「横縞型」と呼ばれる構造を有している。
このセルを上方からみた形状は、例えば、長手方向の辺の長さが５〜５０ｃｍで、長手方向に直交する幅方向（ｙ軸方向）の長さが１〜１０ｃｍの長方形である。このセルの厚さは、１〜５ｍｍである。このセルは、厚さ方向の中心を通り且つ支持基板１０の主面に平行な面に対して上下対称の形状を有する。以下、図１Ａに加えて、このセルの図１Ａに示すセルの長手方向における断面図である図２を参照しながら、このセルの詳細について説明する。
図２は、図１Ａに示す固体酸化物形燃料電池セルの長手方向における断面図の一部である。言い換えれば、支持基板１０、発電素子部Ａ及び電気的接続部Ｂを含む断面図の一部である。
支持基板１０は、電子伝導性を有さない（絶縁性）多孔質の材料からなる柱状かつ平板状の焼成体である。支持基板１０の内部には、長手方向に延びる複数（実施形態では、６本）のガス流路１１（貫通孔）が幅方向において所定の間隔をおいて設けられている。
実施形態では、支持基板１０の主面における複数の箇所に、それぞれ第１凹部１２が設けられている。各第１凹部１２は、支持基板１０の材料からなる底壁と、全周に亘って支持基板１０の材料からなる周方向に閉じた側壁（長手方向に沿う２つの側壁と幅方向に沿う２つの側壁）と、で画定された直方体状の窪みである。
支持基板１０は、「遷移金属酸化物又は遷移金属」と、絶縁性セラミックスとを含んで構成され得る。「遷移金属酸化物又は遷移金属」としては、ＮｉＯ（酸化ニッケル）又はＮｉ（ニッケル）が好適である。遷移金属は、燃料ガスの改質反応を促す触媒（炭化水素系のガスの改質触媒）として機能し得る。
また、絶縁性セラミックスとしては、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）、又は、「ＭｇＡｌ2Ｏ4（マグネシアアルミナスピネル）とＭｇＯ（酸化マグネシウム）の混合物」が好適である。また、絶縁性セラミックスとして、ＣＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）、ＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）、Ｙ2Ｏ3（イットリア）を用いてもよい。
このように、支持基板１０が「遷移金属酸化物又は遷移金属」を含むことによって、改質前の残存ガス成分の改質を促すことができる。具体的には、改質前の残存ガス成分を含んだガスが多孔質の支持基板１０の内部の多数の気孔を介してガス流路１１から燃料極に供給される過程において、上記触媒作用によって改質前の残存ガス成分の改質を促すことができる。加えて、支持基板１０が絶縁性セラミックスを含むことによって、支持基板１０の絶縁性を確保することができる。この結果、隣り合う燃料極間における絶縁性が確保され得る。
支持基板１０の厚さは、１〜５ｍｍである。以下、この構造体の形状が上下対称となっていることを考慮し、説明の簡便化のため、支持基板１０の上面側の構成についてのみ説明していく。支持基板１０の下面側の構成についても同様である。
図２に示すように、支持基板１０の上面（上側の主面）の各第１凹部１２内には、燃料極集電層２１の全体が埋設（充填）されている。従って、各燃料極集電層２１は直方体状を呈している。各燃料極集電層２１の上面（外側面）には、第２凹部２１ａが設けられている。各第２凹部２１ａは、図１Ｂに示すように、燃料極集電層２１の材料からなる底壁と、周方向に閉じた側壁（長手方向に沿う２つの側壁と幅方向に沿う２つの側壁）と、で画定された直方体状の窪みである。周方向に閉じた側壁のうち、長手方向（ｘ軸方向）に沿う２つの側壁は支持基板１０の材料からなり、幅方向（ｙ軸方向）に沿う２つの側壁は燃料極集電層２１の材料からなる。
各第２凹部２１ａには、燃料極活性部２２の全体が埋設（充填）されている。従って、各燃料極活性部２２は直方体状を呈している。燃料極集電層２１と燃料極活性部２２とにより燃料極２０が構成される。燃料極２０（燃料極集電層２１＋燃料極活性部２２）は、電子伝導性を有する多孔質の材料からなる焼成体である。各燃料極活性部２２の幅方向（ｙ軸方向）に沿う２つの側面と底面とは、第２凹部２１ａ内で燃料極集電層２１と接触している。
各燃料極集電層２１の上面（外側面）における第２凹部２１ａを除いた部分には、第３凹部２１ｂが設けられている。各第３凹部２１ｂは、燃料極集電層２１の材料からなる底壁と、周方向に閉じた側壁（長手方向に沿う２つの側壁と幅方向に沿う２つの側壁）と、で画定された直方体状の窪みである。周方向に閉じた側壁のうち、長手方向（ｘ軸方向）に沿う２つの側壁は支持基板１０の材料からなり、幅方向（ｙ軸方向）に沿う２つの側壁は燃料極集電層２１の材料からなる。
各第３凹部２１ｂには、インターコネクタ（導電性緻密質体）３０が埋設（充填）されている。従って、各インターコネクタ３０は直方体状を呈している。インターコネクタ３０は、電子伝導性を有する緻密な材料からなる焼成体である。各インターコネクタ３０の幅方向に沿う２つの側面と底面とは、第３凹部２１ｂ内で燃料極集電層２１と接触している。
燃料極２０（燃料極集電層２１および燃料極活性部２２）の上面（外側面）と、インターコネクタ３０の上面（外側面）と、支持基板１０の主面とにより、１つの平面（凹部１２が設けられていない場合の支持基板１０の主面と同じ平面）が構成されている。しかしながら、燃料極２０の上面とインターコネクタ３０の上面と支持基板１０の主面との間で、若干の段差がある場合もある。
燃料極活性部２２は、例えば、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）とから構成され得る。あるいは、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＧＤＣ（ガドリニウムドープセリア）とから構成されてもよい。燃料極集電層２１は、例えば、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）とから構成され得る。あるいは、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹ2Ｏ3（イットリア）とから構成されてもよいし、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＣＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）とから構成されてもよい。燃料極活性部２２の厚さは、５〜３０μｍであり、燃料極集電層２１の厚さ（即ち、第１凹部１２の深さ）は、５０〜５００μｍである。
このように、燃料極集電層２１は、電子伝導性を有する物質を含んで構成される。燃料極活性部２２は、電子伝導性を有する物質と酸化性イオン（酸素イオン）伝導性を有する物質とを含んで構成される。燃料極活性部２２における「気孔部分を除いた全体積に対する酸化性イオン伝導性を有する物質の体積割合」は、燃料極集電層２１における「気孔部分を除いた全体積に対する酸化性イオン伝導性を有する物質の体積割合」よりも多い。
インターコネクタ３０は、例えば、ＬａＣｒＯ3（ランタンクロマイト）から構成され得る。あるいは、（Ｓｒ，Ｌａ）ＴｉＯ3（ストロンチウムチタネート）から構成されてもよい。インターコネクタ３０の厚さは、１０〜１００μｍである。また、気孔率は１０％以下である。
燃料極２０がそれぞれの第１凹部１２に埋設された状態の支持基板１０における長手方向（発電素子部Ａの配列方向）に延びる外周面において、複数のインターコネクタ３０が形成されたそれぞれの部分の長手方向中央部を除いた全面は、固体電解質膜４０により覆われている。固体電解質膜４０は、イオン伝導性を有し且つ電子伝導性を有さない緻密な材料からなる焼成体である。固体電解質膜４０は、例えば、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）から構成され得る。あるいは、ＬＳＧＭ（ランタンガレート）から構成されてもよい。固体電解質膜４０の厚さは、３〜５０μｍである。
即ち、燃料極２０がそれぞれの第１凹部１２に埋設された状態の支持基板１０における長手方向に延びる外周面の全面は、インターコネクタ３０と固体電解質膜４０とからなる緻密層により覆われている。この緻密層は、緻密層の内側の空間を流れる燃料ガスと緻密層の外側の空間を流れる空気との混合を防止するガスシール機能を発揮する。
なお、図２に示すように、本形態では、固体電解質膜４０が、燃料極２０（燃料極集電層２１＋燃料極活性部２２）の上面、インターコネクタ３０の上面における長手方向の両側端部、および支持基板１０の主面を覆っている。
固体電解質膜４０における各燃料極活性部２２と接している箇所の上面には、反応防止膜５０を介して空気極６０が設けられている。反応防止膜５０は、緻密な材料からなる焼成体であり、空気極６０は、電子伝導性を有する多孔質の材料からなる焼成体である。反応防止膜５０および空気極６０を上方からみた形状は、燃料極活性部２２と略同一の長方形である。
反応防止膜５０は、例えば、ＧＤＣ＝（Ｃｅ，Ｇｄ）Ｏ2（ガドリニウムドープセリア）から構成され得る。反応防止膜５０の厚さは、３〜５０μｍである。空気極６０は、例えば、ＬＳＣＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ3（ランタンストロンチウムコバルトフェライト）から構成され得る。あるいは、ＬＳＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＦｅＯ3（ランタンストロンチウムフェライト）、ＬＮＦ＝Ｌａ（Ｎｉ，Ｆｅ）Ｏ3（ランタンニッケルフェライト）、ＬＳＣ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ3（ランタンストロンチウムコバルタイト）等から構成されてもよい。また、空気極６０は、ＬＳＣＦからなる第１層（内側層）とＬＳＣからなる第２層（外側層）との２層によって構成されてもよい。空気極６０の厚さは、１０〜１００μｍである。
なお、反応防止膜５０が介装されるのは、セル作製時又は作動中のセル内において固体電解質膜４０内のＹＳＺと空気極６０内のＳｒとが反応して固体電解質膜４０と空気極６０との界面に電気抵抗が大きい反応層が形成される現象の発生を抑制するためである。
ここで、燃料極２０と、固体電解質膜４０と、空気極６０とが積層されてなる積層体が、「発電素子部Ａ」に対応する（図２を参照）。なお、積層体（発電素子部Ａ）は反応防止膜５０を含んでもよい。即ち、支持基板１０の上面には、複数（本形態では、４つ）の発電素子部Ａが、長手方向において所定の間隔をおいて配置されている。なお、燃料極２０と、固体電解質膜４０と、空気極６０とが積層する方向を積層方向という。また以下で空気極側を上側、支持基板側を下側という場合もある。
隣り合う発電素子部Ａについて、他方の（図２では、左側の）発電素子部Ａの空気極６０と、一方の（図２では、右側の）発電素子部Ａのインターコネクタ３０とを跨ぐように、空気極６０、固体電解質膜４０、および、インターコネクタ３０の上面に、空気極集電層７０が設けられている。空気極集電層７０は、電子伝導性を有する多孔質の材料からなる焼成体である。空気極集電層７０を上方からみた形状は、長方形である。
空気極集電層７０は、例えば、ＬＳＣＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ3（ランタンストロンチウムコバルトフェライト）から構成され得る。あるいは、ＬＳＣ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ3（ランタンストロンチウムコバルタイト）から構成されてもよい。あるいは、Ａｇ（銀）、Ａｇ−Ｐｄ（銀パラジウム合金）から構成されてもよい。空気極集電層７０の厚さは、５０〜５００μｍである。また、気孔率は２０〜６０％である。
このように各空気極集電層７０が形成されることにより、隣り合う発電素子部Ａが電気的に接続される。具体的には、他方の（図２では、左側）発電素子部Ａの空気極６０と、一方の（図２では、右側）発電素子部Ａの燃料極２０（特に、燃料極集電層２１）とが、電子伝導性を有する「空気極集電層７０およびインターコネクタ３０」を介して電気的に接続される。以下、空気極集電層７０、インターコネクタ３０又は燃料極集電層２１を電気的接続部材という場合がある。
この結果、支持基板１０の上面に配置されている複数（本形態では、４つ）の発電素子部Ａが電気的に直列に接続される。ここで、電子伝導性を有する「空気極集電層７０およびインターコネクタ３０」を含む「発電素子部Ａ」以外の部分を「電気的接続部Ｂ」とする。
インターコネクタ３０が位置する部分以外の支持基板１０上には固体電解質４０が位置しているところ、固体電解質４０のうち、発電素子部Ａに含まれない部分（燃料極２０及び空気極６０が積層されていない部分）を第一部４０ａとする。本実施形態においては、後述するように、固体電解質が、発電素子部Ａと第一部４０ａとで形状が異なる部分を有する。なお、形状とは形そのもののほか、表面性状をも含む意味である。また、第一部４０ａは図２には図示されておらず図１Ａに図示されている。
第一部４０ａのうち、電気的接続部材にて覆われた部分を第二部４０ｂという。図２における実施形態においては、第二部４０ｂは、空気極集電層７０に覆われている部分をいう。なお、「電気的接続部材にて覆われた」とは第一部４０ａの上面に電気的接続部材が直接接している状態を意味する。
第二部４０ｂは積層方向と直交する方向（以下で水平方向という場合がある。）における終端部４０ｂ１を有する。終端部４０ｂ１は、電気的接続部材で覆われており、水平方向において電気的接続部材と接している。なお、終端部４０ｂ１には、第二部４０ｂと第一部４０ａとの境部は含まない。図２で示す実施形態においては、終端部４０ｂ１は空気極集電層７０に覆われており、水平方向において空気極集電層と接している。
水平方向において電気的接続部材と接している部分とは、セルの長手方向かつ積層方向における断面（図２における断面）における、第二部４０ｂの上側の表面の法線と、第二部４０ｂの下側の表面に沿った線と、がなす角度が９０度未満である部分をいう。
他の実施形態として、終端部が、インターコネクタで覆われており、水平方向においてインターコネクタと接していてもよい。
以上、説明した「横縞型」のセルに対して、図５に示すように、支持基板１０のガス流路１１内に燃料ガス（水素ガス等）を流すとともに、支持基板１０の上下面（特に、各空気極集電層７０）を「酸素を含むガス」（空気等）に曝す（あるいは、支持基板１０の上下面に沿って酸素を含むガスを流す）ことにより、固体電解質膜４０の両側面間に生じる酸素分圧差によって起電力が発生する。更に、この構造体を外部の負荷に接続すると、下記（１）、（２）式に示す化学反応が起こり、電流が流れる(発電状態)。
（１／２）・Ｏ2＋２ｅ-→Ｏ2- （於：空気極６０） …（１）
Ｈ2＋Ｏ2-→Ｈ2Ｏ＋２ｅ-（於：燃料極２０） …（２）
（１／２）・Ｏ2＋２ｅ-→Ｏ2- （於：空気極６０） …（１）
Ｈ2＋Ｏ2-→Ｈ2Ｏ＋２ｅ-（於：燃料極２０） …（２）
発電状態においては、図２に示すように、隣り合う発電素子部Ａについて、電流が、矢印で示すように流れる。この結果、セル全体から（具体的には、図５において最も手前側の発電素子部Ａのインターコネクタ３０と最も奥側の発電素子部Ａの空気極６０とを介して）電力が取り出される。なお、各セル１００について表側と裏側とを電気的に直列に接続するための集電部材（図示せず）が設けられていてもよい。
ところで、熱膨張率の違いから、固体電解質に接する部材の違いにより、発電素子部Ａと、第一部４０ａとでは熱応力に差が生じる場合があった。それに伴い、固体電解質と接する部材とが剥離することや、それに伴いクラックが生じるおそれがあった。
それゆえ、本実施形態では、固体電解質が、発電素子部Ａと第一部４０ａとで形状が異なる部分を有している。それにより、熱応力が集中しやすい部分に対して、固体電解質と接する部材との剥離を抑制することができ、あわせてクラックが発生することを抑制できる。ひいては、セルの耐久性を向上することができる。
このうち、固体電解質と電気的接続部材とが接触する部分においては、より熱応力が集中するおそれがあった。特には、水平方向における電気的接続部材と固体電解質との界面付近においては、熱膨張・収縮の影響を受けて熱応力が集中するおそれがあり、当該部分において剥離によるクラックが発生するおそれがあった。すなわち、セル全体としての耐久性が低下するおそれがあった。
そのため、図２で示す実施形態では、終端部４０ｂ１以外の第二部４０ｂの厚みより、終端部４０ｂ１の厚みが大きい。
この構成により、水平方向における電気的接続部材と固体電解質との界面（以下、水平方向界面という。）付近における接着面積を比較的大きくすることができるため、水平方向界面付近の電気的接続部材と固体電解質との接合強度を向上できる。それゆえ、電気的接続部材と固体電解質との剥離によるクラックの発生を抑制できる。ひいては、セルの耐久性を向上させることができる。
図２で示す実施形態では、終端部４０ｂ１は、電気的接続部材に向けて突出する突出部を有する。突出部は、終端部４０ｂ１の少なくとも一部に設けられていればよい。図２で示す突出部は、積層方向に突出しているが、水平方向に突出していてもよい。
この構成により、水平方向界面付近の空気極集電層と固体電解質との接合強度を向上できるだけでなく、突出部が引っ掛かりとなることで水平方向界面における剥離を抑制できる。ひいては、セルの耐久性を向上させることができる。
セルの長手方向かつ積層方向における任意の断面（図２における断面）における任意の終端部４０ｂ１を観察することで、終端部４０ｂ１の厚み及び突出部の存在を確認することができる。終端部４０ｂ１は、連続する第二部の長手方向の全長のうち終端から１０％の部分をいう。
また、発電素子部Ａにおける固体電解質４０の上表面の算術平均粗さの値より、第二部４０ｂの上表面の算術平均粗さの値が高くてもよい。
この構成により、第二部４０ｂと電気的接続部材との接合強度を向上させることができる。ひいては、セルの耐久性を向上させることができる。
さらに、終端部４０ｂ１以外の第二部４０ｂの上表面の算術平均粗さの値より、終端部４０ｂ１における電気的接続部材と接する表面の算術平均粗さの値が高くてもよい。終端部４０ｂ１のうち水平方向において電気的接続部材と接している部分の表面粗さが、終端部４０ｂ１以外の第二部４０ｂの上表面粗さより大きくてもよい。
この構成により、水平方向界面付近において電気的接続部材と固体電解質との接合強度を向上でき、剥離によるクラックの発生を抑制できる。ひいては、セルの耐久性を向上させることができる。
固体電解質４０の各部分の算術平均粗さの値は、セルの長手方向かつ積層方向における任意の断面（図２における断面）において、固体電解質４０の任意の各部分における二次元の表面の算術平均粗さの値を測ることで算出できる。例えば、終端部４０ｂ１の表面の算術平均粗さの値を測る場合は、セルの長手方向かつ積層方向における断面における、終端部４０ｂ１と電気的接続部材との界面の算術平均粗さの値を測ることで算出できる。終端部４０ｂ１は、連続する第二部の長手方向の全長のうち終端から１０％の部分をいう。
次に、図１に示した「横縞型」のセルの製造方法の一例について図６〜図７を参照しながら簡単に説明する。図６〜図７において、各部材の符号の末尾の「ｇ」は、その部材が「焼成前」であることを表す。
先ず、図６に示す形状を有する支持基板の成形体１０ｇを作製する。この支持基板の成形体１０ｇは、例えば、支持基板１０の材料（例えば、ＮｉＯ＋ＭｇＯ）の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、押し出し成形、切削等の手法を利用して作製することができる。
次に、図７Ｂに示すように、支持基板の成形体１０ｇの上下面に形成された各第１凹部内に、燃料極集電層の成形体２１ｇをそれぞれ埋設・形成する。次いで、各燃料極集電層の成形体２１ｇの外側面に形成された各第２凹部に、燃料極活性部の成形体２２ｇをそれぞれ埋設・形成する。また、各燃料極集電層の成形体２１ｇ、および各燃料極活性部２２ｇは、例えば、燃料極２０の材料（例えば、ＮｉとＹＳＺ）の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法等を利用して埋設・形成する。
続いて、各燃料極集電層の成形体２１ｇの外側面における「燃料極活性部の成形体２２ｇが埋設された部分を除いた部分」に形成された各第３凹部に、インターコネクタの成形体３０ｇをそれぞれ埋設・形成する。各インターコネクタの成形体３０ｇは、例えば、インターコネクタ３０の材料（例えば、ＬａＣｒＯ3）の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法等を利用して埋設・形成する。
次に、複数の燃料極の成形体（２１ｇ＋２２ｇ）および複数のインターコネクタの成形体３０ｇがそれぞれ埋設・形成された状態の支持基板の成形体１０ｇにおける長手方向に延びる外周面において複数のインターコネクタの成形体３０ｇが形成されたそれぞれの部分の長手方向中央部を除いた全面に、固体電解質膜の成形膜を形成する。固体電解質膜の成形膜は、例えば、固体電解質膜４０の材料（例えば、ＹＳＺ）の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法、ディッピング法等を利用して形成する。
固体電解質のスラリーを支持基板の成形体１０ｇに積層する際に、上述する終端部の厚みを調整することができ、また、終端部の一部に固体電解質のスラリーを盛ることで突出部を設けることができる。また、第二部又は終端部における固体電解質のスラリーの表面粗さを調整することで、固体電解質の第二部又は終端部の表面粗さを調整できる。
次に、固体電解質膜の成形体における各燃料極の成形体と接している箇所の外側面に、反応防止膜の成形膜を形成する。各反応防止膜の成形膜は、例えば、反応防止膜５０の材料（例えば、ＧＤＣ）の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法等を利用して形成する。
そして、このように種々の成形膜が形成された状態の支持基板の成形体１０ｇを、例えば、空気中にて１５００℃で３時間焼成する。これにより、図１に示したセルにおいて空気極６０および空気極集電層７０が設けられていない状態の構造体を得る。
次に、各反応防止膜５０の外側面に、空気極の成形膜を形成する。各空気極の成形膜は、例えば、空気極６０の材料（例えば、ＬＳＣＦ）の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法等を利用して形成する。
次に、各組の隣り合う発電素子部について、他方の発電素子部Ａの空気極の成形膜と、一方の発電素子部Ａのインターコネクタ３０とを跨ぐように、空気極の成形膜、固体電解質膜４０、および、インターコネクタ３０の外側面に、空気極集電層の成形膜を形成する。
各空気極集電層の成形膜は、例えば、空気極集電層７０の材料（例えば、ＬＳＣＦ）の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法等を利用して形成する。
そして、このように成形膜が形成された状態の支持基板１０を、例えば、空気中にて１０５０℃で３時間焼成する。これにより、図１に示したセルを得る。
図３Ａ、図３Ｂ及び図４で示す実施形態について以下説明する。上述する実施形態と同様の構成は説明を省略する。
図３Ａは、本実施形態の固体酸化物形燃料電池セルを示すものである。また図４は、図３Ａに示す固体酸化物形燃料電池セルの長手方向における断面図の一部である。
図４で示すように、インターコネクタ３０は燃料極集電層２１の上面に位置しており、燃料極集電層２１の凹部内に位置していない。インターコネクタ３０の上面及び下面の位置と、固体電解質４０の上面及び下面の位置と、が同じ位置となるように設けられている。言い換えれば、固体電解質４０とインターコネクタ３０の厚みは同程度である。
また、固体電解質４０のうちの第二部４０ｂにおける終端部４０ｂ１は、水平方向においてインターコネクタ３０と接していている。また、他の実施形態として終端部がインターコネクタで覆われていてもよい。
図３Ｂは、一対の発電素子部Ａと電気的接続部Ｂの平面図である。なお、固体電解質４０及び空気極集電層７０は透過して図示している。
本実施形態において、インターコネクタ３０は複数設けられており、形状は平面視において円状である。また、図３Ｂにおいては透過して図示しているが固体電解質４０はインターコネクタ３０が設けられていない全体の領域に亘って設けられている。すなわち、固体電解質４０のうちの第二部４０ｂにおける終端部４０ｂ１はインターコネクタ３０の形状と合致する形状であり、終端部４０ｂ１全周がインターコネクタ３０と接している。言い換えれば、円状の終端部４０ｂ１における内部（円状の終端部４０ｂ１に囲まれた部分）に電気的接続部材であるインターコネクタ３０が位置しており、円状の終端部４０ｂ１の内周壁とインターコネクタ３０とが接続されている。「終端部の内周壁」とは、セルの長手方向かつ積層方向の断面（図２の断面）における、終端部の上側の表面の法線と、第二部の下側の表面に沿った線と、がなす角度が９０度未満である部分をいう。
この構成により、水平方向における固体電解質と電気的接続部材と界面付近に発生する熱応力を分散できるため当該部分においてクラックが発生することを抑制できる。ひいては、セルの耐久性を向上させることができる。
なお、他の実施形態としては、終端部が、空気極集電層で覆われており、積層方向と直交する方向において空気極集電層と接しており、円状の終端部の内周壁と空気極集電層とが接続されていてもよい。
次に、図３Ａ及び図４に示した「横縞型」のセルの製造方法を説明する。図１及び図２で示した実施形態と異なる点について説明する。
インターコネクタ及び固体電解質の作製方法を以下で説明する。支持基板の成形体１０ｇの上下面に設けられた各第１凹部内に、燃料極集電層の成形体２１ｇをそれぞれ埋設・形成する。次いで、各燃料極集電層の成形体２１ｇの外側面に形成された各第２凹部に、燃料極活性部の成形体２２ｇをそれぞれ埋設・形成する。また、各燃料極集電層の成形体２１ｇ、および各燃料極活性部２２ｇは、例えば、燃料極２０の材料（例えば、ＮｉとＹＳＺ）の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法等を利用して埋設・形成する。なお、先の実施形態と異なり第三凹部は設けない。
次に、複数の燃料極の成形体（２１ｇ＋２２ｇ）埋設・形成された状態の支持基板の成形体１０ｇにおける長手方向に延びる外周面に、固体電解質膜の成形膜を形成する。固体電解質膜の成形膜は、例えば、固体電解質膜４０の材料（例えば、ＹＳＺ）の粉末にバインダー等が添加されて得られるテープを用いることができる。当該テープを作製するにあたり、当該テープにビアを作製し、当該ビアにインターコネクタの成形体３０ｇを流し込むように印刷を行い乾燥させる。各インターコネクタの成形体３０ｇは、例えば、インターコネクタ３０の材料（例えば、ＬａＣｒＯ3）の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いることができる。当該方法によりインターコネクタがビアに充填された固体電解質のテープを支持基板に積層することができる。
本開示は上記実施形態に限定されることはなく、本開示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。
また、上記実施形態においては、平板状の支持基板１０の上下面のそれぞれに複数の第１凹部１２が形成され且つ複数の発電素子部Ａが設けられているが、支持基板１０の片側面のみに複数の第１凹部１２が形成され且つ複数の発電素子部Ａが設けられていてもよい。
また、上記実施形態においては、燃料極２０が燃料極集電層２１と燃料極活性部２２との２層で構成されているが、燃料極２０が燃料極活性部２２に相当する１層で構成されてもよい。
Ａ・・・・発電素子部
Ｂ・・・・電気的接続部
１０・・・支持基板
１１・・・ガス流路
２０・・・燃料極
２２・・・・燃料極活性層
２１・・・・燃料極集電層
３０・・・インターコネクタ
４０・・・固体電解質
４０ａ・・・第一部
４０ｂ・・・第二部
４０ｂ１・・・終端部
６０・・・空気極
７０・・・空気極集電層
Ｂ・・・・電気的接続部
１０・・・支持基板
１１・・・ガス流路
２０・・・燃料極
２２・・・・燃料極活性層
２１・・・・燃料極集電層
３０・・・インターコネクタ
４０・・・固体電解質
４０ａ・・・第一部
４０ｂ・・・第二部
４０ｂ１・・・終端部
６０・・・空気極
７０・・・空気極集電層
Claims (5)
- 絶縁性、平板状かつ多孔質である支持基板と、
前記支持基板の少なくとも一方の主面上における互いに離れた複数の箇所にそれぞれ配列され、少なくとも燃料極、固体電解質、および空気極が積層されている部分である、複数の発電素子部と、
隣り合う前記発電素子部の間にそれぞれ設けられ、一方の前記発電素子部の燃料極と他方の前記発電素子部の空気極とを電気的に接続する電気的接続部材を有する複数の電気的接続部と、を備え、
前記固体電解質は、
前記発電素子部に含まれない第一部を備え、
前記第一部は、
前記電気的接続部材にて覆われた第二部を有し、
該第二部は、積層方向と直交する方向における終端部を含み、
該終端部の厚みが、前記第二部の厚みより厚い
固体酸化物形燃料電池セル。 - 前記終端部は、前記電気的接続部材に向けて突出する突出部を有する請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池セル。
- 絶縁性、平板状かつ多孔質である支持基板と、
前記支持基板の少なくとも一方の主面上における互いに離れた複数の箇所にそれぞれ配列され、少なくとも燃料極、固体電解質、および空気極が積層されている部分である、複数の発電素子部と、
隣り合う前記発電素子部の間にそれぞれ設けられ、一方の前記発電素子部の燃料極と他方の前記発電素子部の空気極とを電気的に接続する電気的接続部材を有する複数の電気的接続部と、を備え、
前記固体電解質は、
前記発電素子部に含まれない第一部を備え、
前記第一部は、
前記電気的接続部材にて覆われた第二部を有し、
前記発電素子部における前記固体電解質の上表面の算術平均粗さの値より、前記第二部の上表面の算術平均粗さの値が高い
固体酸化物形燃料電池セル。 - 前記第二部は、積層方向と直交する方向における終端部を含み、
前記終端部以外の前記第二部の上表面の算術平均粗さの値より、前記終端部における前記電気的接続部材と接する表面の算術平均粗さの値が高い請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池セル。 - 絶縁性、平板状かつ多孔質である支持基板と、
前記支持基板の少なくとも一方の主面上における互いに離れた複数の箇所にそれぞれ配列され、少なくとも燃料極、固体電解質、および空気極が積層されている部分である、複数の発電素子部と、
隣り合う前記発電素子部の間にそれぞれ設けられ、一方の前記発電素子部の燃料極と他方の前記発電素子部の空気極とを電気的に接続する電気的接続部材を有する複数の電気的接続部と、を備え、
前記固体電解質は、
前記発電素子部に含まれない第一部を備え、
前記第一部は、
前記電気的接続部材にて覆われた第二部を有し、
該第二部は、積層方向と直交する方向における終端部を含み、
平面視において、前記第二部は円状の前記終端部を複数有しており、
該円状の終端部における内部に前記電気的接続部材が位置しており、前記円状の終端部の内周壁と前記電気的接続部材とが接続されている
固体酸化物形燃料電池セル。
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