JPWO2018199095A1 - 固体酸化物形燃料電池セル - Google Patents
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Abstract
本開示の固体酸化物形燃料電池セルは、支持基板と、複数の発電素子部と、複数の電気的接続部と、を備える。前記支持基板は、内部に長手方向に沿って延びるガス流路壁面から構成されるガス流路と、前記ガス流路、前記発電素子部及び前記電気的接続部を含む断面視において、前記支持基板のうち前記発電素子部と前記ガス流路との間に位置する第一領域と、前記支持基板のうち前記電気的接続部と前記ガス流路との間に位置する第二領域と、を含む。前記第一領域の気体透過率と、前記第二領域の気体透過率と、が異なる。
Description
本発明は、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子伝導性を有する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。当該セルは内部のガス流路に燃料又は空気（酸素含有ガス）の一方を流通させ、外部に他方のガスを流通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、支持基板と、複数の発電素子部と、複数の電気的接続部と、を備える。支持基板は、柱状かつ平板状の多孔質である。発電素子部は、前記支持基板の少なくとも一方の主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、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。電気的接続部は、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部分である。さらに前記支持基板は、内部に長手方向に沿って延びるガス流路壁面から構成されるガス流路と、前記ガス流路、前記発電素子部及び前記電気的接続部を含む断面視において、前記支持基板のうち前記発電素子部と前記ガス流路との間に位置する第一領域と、前記支持基板のうち前記電気的接続部と前記ガス流路との間に位置する第二領域と、を含む。前記第一領域の気体透過率と、前記第二領域の気体透過率と、が異なる。
＜第一実施形態＞
図１（ａ）は、本実施形態における固体酸化物形燃料電池セルを示す。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（本実施形態では、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ている。このセルは、所謂「横縞型」である。
図１（ａ）は、本実施形態における固体酸化物形燃料電池セルを示す。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（本実施形態では、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ている。このセルは、所謂「横縞型」である。
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である。以下、図１（ａ）に加えて、このセルの図１（ａ）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１（ａ）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、ガス流路１１、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（本実施形態では、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位置している。
本実施形態では、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がある。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む。「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）であってもよい。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。
絶縁性セラミックスは、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」であってもよい。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）が使用されてもよい。
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を含んだガスが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）に位置する各第１凹部１２内には、燃料極集電部２１の全体が埋設（充填）されている。従って、各燃料極集電部２１は直方体状である。各燃料極集電部２１の上面（外側面）には、第２凹部２１ａがある。各第２凹部２１ａは、図１（ｂ）に示すように、燃料極集電部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の一部であり、幅方向（ｙ軸方向）に沿う２つの側壁は燃料極集電部２１の一部である。
各第２凹部２１ａには、燃料極活性部２２が埋設（充填）されている。各燃料極活性部２２は直方体状である。燃料極２０は燃料極集電部２１と燃料極活性部２２とを含む。燃料極２０（燃料極集電部２１および燃料極活性部２２）は、電子伝導性を有する多孔質の焼成体である。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内で燃料極集電部２１と接触している。
各燃料極集電部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がある。各第３凹部２１ｂは、燃料極集電部２１である底壁と、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の一部であり、幅方向（ｙ軸方向）に沿う２つの側壁は燃料極集電部２１の一部である。
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。各インターコネクタ３０は直方体状である。インターコネクタ３０は、電子伝導性を有する緻密な焼成体である。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内で燃料極集電部２１と接触している。
燃料極２０（燃料極集電部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が形成さ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。
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）とを含んでいてもよい。または、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＧＤＣ（ガドリニウムドープセリア）とを含んでもよい。燃料極集電部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）を含んでいてもよい。または、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）とを含んでいてもよい。燃料極活性部２２の厚さは、５〜３０μｍである。燃料極集電部２１の厚さ（即ち、第１凹部１２の深さ）は、５０〜５００μｍである。
燃料極集電部２１は、電子伝導性である。燃料極活性部２２は、電子伝導性と酸化性イオン（酸素イオン）伝導性とを有する。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、燃料極集電部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）を含んでいてもよい。または、（Ｓｒ，Ｌａ）ＴｉＯ3（ストロンチウムチタネート）を含んでいてもよい。インターコネクタ３０の厚さは、１０〜１００μｍである。気孔率は１０％以下である。
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の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）を含んでいてもよい。または、ＬＳＧＭ（ランタンガレート）を含んでいてもよい。固体電解質膜４０の厚さは、３〜５０μｍである。
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抑制するガスシール機能を発揮する。
図２に示すように、本実施形態では、固体電解質膜４０が、燃料極２０（燃料極集電部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が位置する。反応防止膜５０は、緻密な焼成体である。空気極６０は、電子伝導性を有する多孔質の焼成体である。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）を含んでいてもよい。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）を含んでいてもよい。または、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）等を含んでいてもよい。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層であってもよい。空気極６０の厚さは、１０〜１００μｍである。
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。
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）。発電素子部Ａは反応防止膜５０を含んでもよい。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。
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、空気極集電部７０が位置する。空気極集電部７０は、電子伝導性を有する多孔質の焼成体である。空気極集電部７０を上方からみた形状は、長方形である。
空気極集電部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）を含んでもよい。または、ＬＳＣ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ3（ランタンストロンチウムコバルタイト）を含んでもよい。または、Ａｇ（銀）、Ａｇ−Ｐｄ（銀パラジウム合金）を含んでもよい。空気極集電部７０の厚さは、５０〜５００μｍである。気孔率は２０〜６０％である。
各空気極集電部７０により、隣り合う発電素子部Ａが電子伝導性を有する「空気極集電部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。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。電子伝導性を有する「空気極集電部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。
支持基板１０のうち発電素子部Ａとガス流路１１との間に位置する領域を第一領域１０Ａとする。支持基板１０のうち電気的接続部Ｂとガス流路１１との間に位置する領域を第二領域１０Ｂとする。
支持基板１０のうちガス流路１１側を「内」とし、支持基板１０のうちの発電素子部が配置されている面側を「外」とする場合がある。
図４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）を流し、支持基板１０の上下面（特に、各空気極集電部７０）を「酸素を含むガス」（空気等）に曝すことで固体電解質膜４０の両側面間に生じる酸素分圧差により起電力が発生する。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４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。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、燃料ガスの流れ方向の下流側で燃料枯れ（水素濃度の低下）が生じると、支持基板及び燃料極に含まれる金属成分が酸化されることによる体積変化の影響で燃料電池セルの耐久性が低下するおそれがあった。
図２で示す実施形態では、第一領域の気体透過率と、第二領域の気体透過率と、が異なる。この構成により、ガス流路１１に沿った方向（支持基板の長手方向）において、敢えて気体透過率が低い領域を設けることで、ガス流路１１のうちの下流側にまで燃料ガスを行渡らせることができる。すなわち、燃料ガスの流れ方向の下流側で燃料枯れが発生することを抑制できるため、セルの耐久性を向上させることができる。
気体透過率は、セルの支持基板１０から測定対象部位を切り抜く又は測定対象部位を再現したテストピースを作製し、東洋理化（株）製の気体透過率測定装置等により測定することが可能である。
図２で示す実施形態では、第一領域１０Ａと第二領域１０Ｂとの気孔率が異なっている。
この構成により、ガス流路１１に沿った方向（支持基板の長手方向）において、敢えて気孔率の低い領域を設けることで、ガス流路１１のうちの下流側にまで燃料ガスを行渡らせることができる。すなわち、燃料ガスの流れ方向の下流側で燃料枯れが発生することを抑制できるため、セルの耐久性を向上させることができる。
第一領域１０Ａの気孔率とは、第一領域１０Ａ全体の平均気孔率を意味する。第二領域１０Ｂの気孔率とは、第二領域１０Ｂ全体の平均気孔率を意味する。そのため、第一領域１０Ａのうちの特定の一部分の気孔率が、第二領域１０Ｂのうちの特定の一部分の気孔率と同じである部分があってもよい。
気孔率は次に記載の方法で分析できる。まず、図２のように、ガス流路１１、発電素子部Ａ及び電気的接続部Ｂを含む支持基板１０の断面における画像を走査型電子顕微鏡にて取得する。次いで、取得した画像のうち気孔部Ｈと気孔部Ｈ以外の他の部分とを区別できるように二値化処理を行う。最後に、対象となる領域のうち気孔が占める割合を算出する。
図２で示すように、第一領域１０Ａの気孔率が、第二領域１０Ｂの気孔率よりも高くてもよい。この構成により、発電素子部Ａと対応する第一領域１０Ａに集中的に燃料ガスを供給でき、かつ電気的接続部Ｂから燃料ガスが流出することを抑制できるため効率良く発電を行うことができる。
第一領域１０Ａにおける発電素子部Ａ側の表面領域である第一表面領域１０ＡＳの気孔率が、第二領域１０Ｂにおける電気的接続部Ｂの表面領域である第二表面領域１０ＢＳの気孔率よりも高くてもよい。この構成のように、発電素子部Ａ又は電気的接続部Ｂと、支持基板１０と、の界面付近において気孔率を制御することで、さらに、第一領域１０Ａに集中的に燃料ガスを供給でき、かつ電気的接続部Ｂから燃料ガスが流出することを抑制できる。
第一表面領域１０ＡＳとは、ガス流路１１、発電素子部Ａ及び電気的接続部Ｂを含む断面において、発電素子部Ａと電気的接続部Ｂとの配列方向と直交する方向に、支持基板１０を三等分した場合における最も発電素子部Ａ側の領域を意味する。第二表面領域１０ＢＳとは、ガス流路１１、発電素子部Ａ及び電気的接続部Ｂを含む断面において、発電素子部Ａと電気的接続部Ｂとの配列方向と直交する方向に、支持基板１０を三等分した場合における最も電気的接続部Ｂ側の領域を意味する。
第二領域１０Ｂのうちインターコネクタ３０と近接する領域である第三領域における気孔率がそれ以外の他の第二領域１０Ｂ及び第一領域１０Ａの気孔率より低くなっていてもよい。この構成により、一般的に固体電解質４０より多孔質であるインターコネクタ３０と近接する第三領域の支持基板１０を緻密とできるため、インターコネクタ３０を介して燃料ガスが流出することを抑制できる。第二領域１０Ｂのうちインターコネクタ３０と近接する部分とは、支持基板１０においてインターコネクタ３０とガス流路１１との間に位置する領域のうち、ガス流路１１及び電気的接続部Ｂを含む断面において、発電素子部Ａと電気的接続部Ｂとの配列方向と直交する方向に、第三領域を三等分した場合における最もインターコネクタ３０側の領域を意味する。
図３は、図１（ａ）に示すセルの長手方向の変形例における断面図である。図３で示すように、発電素子部Ａ及び支持基板１０を含む断面視において、支持基板１０は発電素子部Ａと支持基板１０との界面が湾曲している湾曲部Ｗを有していてもよい。この構成により、発電素子部Ａと支持基板１０との界面の表面積を大きくできるため、より効率的に燃料ガスを発電素子部Ａに供給できる。
湾曲部Ｗは、波形状であってもよく、何れか一方に凸となる形状であってもよい。図３で示すように、ガス流路１１側に向けて凸となる凸形状であってもよい。図３の構成により、凸部に集中的に燃料ガスを供給することができるため、当該凸部の位置を制御することで所望の位置に燃料ガスを供給することができる。
ガス流路１１、発電素子部Ａ及び電気的接続部Ｂを含む断面視において、発電素子部に対応するガス流路壁面の表面の算術表面粗さの値は、発電素子部と隣接する電気的接続部に対応するガス流路壁面の表面の算術表面粗さの値より、高くてもよい。
各部分の算術平均粗さの値は、ガス流路、発電素子部及び電気的接続部を含む任意の断面（図２における断面）において、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。
平板状の支持基板１０の上下面のそれぞれに上下非対称で複数の第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。すなわち、上述する第一発電素子部Ａ１と第二発電素子部Ａ２とが上下対称の位置に設けられていなくてもよい。
（製造方法）
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５〜図６を参照しながら簡単に説明する。図５〜図６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。
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５〜図６を参照しながら簡単に説明する。図５〜図６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５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できる。なお、第一領域又は第二領域に対応する支持基板１０の表面に焼結助剤を塗布し、その後焼成することで第一領域と第二領域との気孔率を異ならせることができる。また、成形体１０ｇの焼成温度を局所的に調整すること、又は支持体１０ｇの材料を局所的に調整することでも第一領域と第二領域との気孔率を異ならせることができる。また、支持基板の成形体１０ｇの流路内部に棒状部材を挿入し、特定の流路壁面を荒らすことでガス流路壁面の表面の粗さを調整することができる。
次に、図６（ｂ）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、燃料極集電部の成形体２１ｇをそれぞれ配置する。次いで、各燃料極集電部の成形体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をそれぞれ配置する。また、各燃料極集電部の成形体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配置する。
続いて、各燃料極集電部の成形体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をそれぞれ配置する。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配置する。
次に、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が配置されたそれぞれの部分の中央部を除いた全面に、固体電解質膜の成形膜を設ける。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する。
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設ける。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、印刷法等を利用する。
そして、このように種々の成形膜が設けられて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および空気極集電部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設ける。
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、空気極集電部の成形膜を設ける。
各空気極集電部の成形膜は、例えば、空気極集電部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設ける。
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。
なお、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。例えば、上記実施形態では、図５等に示すように、支持基板１０に形成された凹部１２の平面形状（支持基板１０の主面に垂直の方向からみた場合の形状）が、長方形になっているが、例えば、正方形、円形、楕円形、長穴形状等であってもよい。
また、上記実施形態においては、各第１凹部１２にはインターコネクタ３０の全体が埋設されているが、インターコネクタ３０の一部のみが各第１凹部１２に埋設され、インターコネクタ３０の残りの部分が第１凹部１２の外に突出（即ち、支持基板１０の主面から突出）していてもよい。
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が燃料極集電部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。
＜第二実施形態＞
図７および図８示す、第２実施形態の構造について説明する。第１実施形態と異なる点のみ詳細に説明する。
図７および図８示す、第２実施形態の構造について説明する。第１実施形態と異なる点のみ詳細に説明する。
図７で示すように、支持基板１０は第一位置１３Ａ１Ｐと第二位置１３Ｂ１Ｐとを含む。第一位置１３Ａ１Ｐは、第一ガス流路１１、発電素子部Ａ及び電気的接続部Ｂを含む断面視において、いずれか１つの発電素子部Ａである第一発電素子部Ａ１に対応するガス流路壁面１３のうち第一発電素子部Ａ１側の第一ガス流路壁面１３Ａ１の位置である。第二位置１３Ｂ１Ｐは、第一ガス流路１１、発電素子部Ａ及び電気的接続部Ｂを含む断面視において、第一発電素子部Ａ１と隣接する電気的接続部Ｂである第一電気的接続部Ｂ１に対応して内部に位置するガス流路壁面１３のうち第一電気的接続部Ｂ１側の第二ガス流路壁面１３Ｂ１の位置である。
本実施形態において、第一位置１３Ａ１Ｐと、第二位置１３Ｂ１Ｐとは、支持基板１０の長手方向と直交する方向において異なっている。
この構成によって、ガス流路１１に沿った方向（支持基板の長手方向）において、敢えて気体透過率が低い領域を設けることで、ガス流路１１のうちの下流側にまで燃料ガスを行渡らせることができる。すなわち、燃料ガスの流れ方向の下流側で燃料枯れが発生することを抑制できるため、セルの耐久性を向上させることができる。
なお、第一ガス流路壁面１３Ａ１又は第二ガス流路壁面１３Ｂ１のうちで支持基板の長手方向において高低差が設けられていてもよい。当該場合には、第一位置１３Ａ１Ｐ又は第二位置１３Ｂ１Ｐとは、ガス流路１１の長手方向と直交する方向において、最も内側に位置する点と、最も外側に位置する点との中間の位置とする。
本実施形態における、セルの長手方向における断面図である。図８で示す実施形態で示すように、第一ガス流路壁面１３Ａ１及び第二ガス流路壁面１３Ｂ１が曲面であってもよい。
図７で示すように、第二位置１３Ｂ１Ｐは第一位置１３Ａ１Ｐよりも外側に位置していてもよい。この構成により、第一発電素子部Ａ１に対応するガス流路１１の圧力損失を大きくすることができるため、第一発電素子部Ａの近傍部分で特に反応ガスを支持基板１０内により多く取り込むことができる。
図８は、本実施形態の変形例における、セルの長手方向における断面図である。図８で示すように、支持基板１０はさらに第三位置１３Ａ２Ｐと、第四位置１３Ｂ２Ｐとを含む。第三位置１３Ａ２Ｐは、第一発電素子部Ａ１が設けられていない側の主面に設けられた発電素子部Ａのうち第一発電素子部Ａ１に最も近い第二発電素子部Ａ２に対応するガス流路壁面１３のうち、第二発電素子部Ａ２側の第三ガス流路壁面１３Ａ２の位置である。第四位置１３Ｂ２Ｐは、第一電気的接続部Ｂ１が設けられていない側の主面に設けられた電気的接続部Ｂのうち第一電気的接続部Ｂ１に最も近い第二電気的接続部Ｂ２に対応するガス流路壁面１３のうち、第二電気的接続部Ｂ２側の第四ガス流路壁面１３Ｂ２の位置である。第三位置１３Ａ２Ｐと、第四位置１３Ｂ２Ｐとは、ガス流路１１の長手方向と直交する方向において異なっていてもよい。
また、第一位置１３Ａ１Ｐと第二位置１３Ｂ１Ｐとの差と、第三位置１３Ａ２Ｐと第四位置１３Ｂ２Ｐとの差とが、異なっていてもよい。この構成により、上下非対象の流路構造とすることができるため、ガス流路１１内の反応ガスの流れを乱流とすること、又はガス流路１１の全長をより長くでき、より多くの反応ガスをガス流路壁面１３から取り込むことができる。すなわち、反応ガスを支持基板１０内にさらに多く取り込むことができる。
図８で示すように、第一発電素子部Ａ１に対応して内部に位置するガス流路１１の幅と、第二発電素子部Ｂ１に対応して内部に位置するガス流路１１の幅とが、異なっていてもよい。当該構造は本実施形態以外の実施形態であっても採用することができる。ここで「ガス流路の幅」とは、ガス流路１１、発電素子部Ａ及び電気的接続部Ｂを含む断面視における、セルの長手方向と直交する方向のガス流路１１の長さをいう。
ガス流路１１の入口の開口面積と、ガス流路１１の出口の開口面積が異なっていてもよい。また、セルの長手方向と比較して、ガス流路１１の軸方向が傾いていてもよい。これらの構造は本実施形態以外の実施形態であっても採用することができる。
図８で示すように、第一発電素子部Ａ１に対応するガス流路壁面１３のうちのセルの長手方向の端に、最も外側に位置する最外値があってもよい。また、第二発電素子部Ｂ１に対応するガス流路壁面１３のうちのセルの長手方向の端に、最も内側に位置する最内値があってもよい。さらに、第一発電素子部Ａ１に対応して内部に位置するガス流路壁面１３の最外値と最も内側に位置する最内値との差と、第二発電素子部Ｂ１に対応するガス流路壁面１３の最も外側に位置する最外値と最内値との差と、が異なっていてもよい。
本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、平板状の支持基板１０の上下面のそれぞれに上下非対称で複数の第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。すなわち、上述する第一発電素子部Ａ１と第二発電素子部Ａ２とが上下対称の位置に設けられていなくてもよい。
また、上記実施形態においては、燃料極２０が燃料極集電部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。
（製造方法）
以下で説明する工程以外については上述する第一実施形態における製造方法と同様であり、第一実施形態と異なる工程のみ以下で説明する。
以下で説明する工程以外については上述する第一実施形態における製造方法と同様であり、第一実施形態と異なる工程のみ以下で説明する。
支持基板の成形体１０ｇの作製方法について説明する。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。
具体的には、押し出し成形により支持基板の成形体１０ｇを作成するにあたって、押し出し成形時の押し出し速度を周期的に変えることにより本開示の所望のガス流路を有する支持基板を作製できる。すなわち、押し出し成形時の押し出し速度を遅くした場合には支持基板の成形体１０ｇの密度を高くできるところ、密度が高い部分においては比較的焼結し易いため、当該部分においては内部に向けてより収縮し、ガス流路のガス流路壁面１３がより内部側へと寄ることとなる。一方、押し出し成形時の押し出し速度を速くした場合には、言い換えれば、密度が比較的低い場合には比較的焼結しにくく、ガス流路のガス流路壁面１３が比較的外部側へと寄ることとなる。従って、上述する第一位置がセルの内部に寄った部分を有する支持基板を設けるためには、当該部分については押し出し成形時の押し出し速度を遅くすることで実現することができる。
また、所謂、プランジャー押出機を用いて、所望の密度差を有する支持基板の成形体１０ｇの材料を仕込み、押し出し成形することにより本開示のガス流路を有する支持基板を作製できる。
Ａ・・・・発電素子部
Ｂ・・・・電気的接続部
１０・・・支持基板
１０Ａ・・第一領域
１０ＡＳ・第一表面領域
１０Ｂ・・第二領域
１０ＢＳ・第二表面領域
１１・・・ガス流路
１３・・・ガス流路壁面
１３Ａ１・・第一ガス流路壁面
１３Ａ１Ｐ・第一位置
１３Ｂ１・・第二ガス流路壁面
１３Ｂ１Ｐ・第二位置
２０・・・燃料極
４０・・・固体電解質
６０・・・空気極
Ｂ・・・・電気的接続部
１０・・・支持基板
１０Ａ・・第一領域
１０ＡＳ・第一表面領域
１０Ｂ・・第二領域
１０ＢＳ・第二表面領域
１１・・・ガス流路
１３・・・ガス流路壁面
１３Ａ１・・第一ガス流路壁面
１３Ａ１Ｐ・第一位置
１３Ｂ１・・第二ガス流路壁面
１３Ｂ１Ｐ・第二位置
２０・・・燃料極
４０・・・固体電解質
６０・・・空気極
Claims (10)
- 柱状かつ平板状の多孔質の支持基板と、
前記支持基板の少なくとも一方の主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、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な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複数の電気的接続部と、を備え、
前記支持基板は、
内部に長手方向に沿って延びるガス流路壁面から構成されるガス流路と、
前記ガス流路、前記発電素子部及び前記電気的接続部を含む断面視において、前記支持基板のうち前記発電素子部と前記ガス流路との間に位置する第一領域と、前記支持基板のうち前記電気的接続部と前記ガス流路との間に位置する第二領域と、を含み、
前記第一領域の気体透過率と、前記第二領域の気体透過率と、が異なる、固体酸化物形燃料電池セル。 - 前記第一領域と前記第二領域との気孔率が異なる、請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池セル。
- 前記第一領域の気孔率が、前記第二領域の気孔率よりも高い、請求項１または２に記載の固体酸化物形燃料電池セル。
- 前記第一領域における前記発電素子部側の表面領域である第一表面領域の気孔率が、前記第二領域における前記電気的接続部の表面領域である第二表面領域の気孔率よりも高い請求項１〜３のうちいずれか１つに記載の固体酸化物形燃料電池セル。
- 前記電気的接続部は、
隣り合う一方側の前記発電素子部の前記空気極と電気的に接続する空気極集電部と、
隣り合う他方側の前記発電素子部の前記燃料極と電気的に接続する燃料極集電部と、
前記空気極集電部と前記燃料極集電部とを電気的に接続するインターコネクタと、を含み、
前記支持基板は前記第二領域のうち前記インターコネクタと近接する第三領域を含み、
該第三領域の気孔率は、その他の領域の気孔率より低い、請求項１〜４のうちいずれか一つに記載の固体酸化物形燃料電池セル。 - 前記発電素子部及び前記支持基板を含む断面視において、前記支持基板は、前記発電素子部と前記支持基板との界面が湾曲している湾曲部を有する請求項１〜５のうちいずれか1つに記載の固体酸化物形燃料電池セル。
- 前記湾曲部は、前記ガス流路側に向けて凸となる凸形状である請求項６に記載の固体酸化物形燃料電池セル。
- 前記ガス流路、前記発電素子部及び前記電気的接続部を含む断面視において、
前記発電素子部に対応する前記ガス流路壁面の表面の算術表面粗さの値は、前記発電素子部と隣接する前記電気的接続部に対応する前記ガス流路壁面の表面の算術表面粗さの値より、高い、請求項１〜７のうちいずれか一つに記載の固体酸化物形燃料電池セル。 - 前記ガス流路、前記発電素子部及び前記電気的接続部を含む断面視において、
前記発電素子部に対応する前記ガス流路壁面の第一位置と、前記発電素子部と隣接する前記電気的接続部に対応する前記ガス流路壁面の第二位置と、が前記ガス流路の長手方向と直交する方向において異なる請求項１〜８のうちいずれか一つに記載の固体酸化物形燃料電池セル。 - 前記第二位置が前記第一位置よりも外側に位置することを特徴とする請求項９に記載の固体酸化物形燃料電池セル。
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