燃料電池の構造体
【課題】「横縞型」の燃料電池の構造体であって、支持基板が外力を受けた場合において支持基板が変形し難く且つガスシール機能の低下を確実に抑制し得るものの提供。
【解決手段】燃料ガス流路１１が内部に形成された平板状の支持基板１０の主面に、電気的に直列に接続された複数の発電素子部Ａが所定の間隔をおいて配置される。支持基板１０の主面には、複数の凹部１２が所定の間隔をおいて形成される。各凹部１２は、周方向に閉じた４つの側壁と、底壁とで画定された直方体状の窪みである。各凹部１２には、対応する発電素子部Ａの燃料極２０が埋設される。各燃料極２０の外側面には凹部２１ｂが形成される。各凹部２１ｂの中央部にはインターコネクタ３０が埋設され、各凹部２１ｂの中央部の周囲に位置する周縁部には、電気絶縁性を有する緻密なシール材３５が埋設される。シール材３５の外側面の周縁部の全周は固体電解質膜４０で覆われる。
【解決手段】燃料ガス流路１１が内部に形成された平板状の支持基板１０の主面に、電気的に直列に接続された複数の発電素子部Ａが所定の間隔をおいて配置される。支持基板１０の主面には、複数の凹部１２が所定の間隔をおいて形成される。各凹部１２は、周方向に閉じた４つの側壁と、底壁とで画定された直方体状の窪みである。各凹部１２には、対応する発電素子部Ａの燃料極２０が埋設される。各燃料極２０の外側面には凹部２１ｂが形成される。各凹部２１ｂの中央部にはインターコネクタ３０が埋設され、各凹部２１ｂの中央部の周囲に位置する周縁部には、電気絶縁性を有する緻密なシール材３５が埋設される。シール材３５の外側面の周縁部の全周は固体電解質膜４０で覆われる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、「ガス流路が内部に形成された電子伝導性を有さない多孔質の支持基板」と、「前記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前記発電素子部の間にそれぞれ設けられ、隣り合う前記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の構造体が知られている（例えば、特許文献１、２を参照）。このような構成は、「横縞型」とも呼ばれる。
【０００３】
以下、支持基板の形状に着目する。特許文献１に記載の「横縞型」の固体酸化物形燃料電池の構造体では、支持基板が円筒状を呈している。円筒状の支持基板の表面（円筒面）には、燃料極を埋設するための複数の「環状溝」が軸方向の複数の箇所においてそれぞれ形成されている（図３を参照）。従って、支持基板において「環状溝」が形成された部分の外径が小さくなっている。このことに起因して、この構造体は、支持基板に曲げ方向やねじり方向の外力が加えられた場合に変形し易い構造であるといえる。
【０００４】
また、特許文献２に記載の「横縞型」の固体酸化物形燃料電池の構造体では、支持基板が長手方向を有する平板状を呈している。平板状の支持基板の主面（平面）には、燃料極等を埋設するための「長手方向に延び且つ長手方向に開放された長溝」が形成されている（図３（ｂ）を参照）。従って、支持基板において「長溝」が形成された部分の厚さが小さくなっている。
【０００５】
加えて、「長溝」は、長手方向に直交する幅方向の両端部において長手方向に延びる側壁を有する一方で、長手方向の両端部において幅方向に延びる側壁を有していない。即ち、「長溝」は、その周方向に閉じた側壁を有していない。従って、支持基板において「長溝」を囲む枠体が形成されていない。これらのことに起因して、この構造体は、特に支持基板にねじり方向の外力が加えられた場合に変形し易い構造であるといえる。以上のことから、「横縞型」の燃料電池の構造体において、支持基板が外力を受けた場合における支持基板の変形を抑制することが望まれていたところである。
【０００６】
更には、上記の燃料電池の構造体では、燃料電池の稼働の際に使用される２種類のガス（典型的には、燃料ガスと空気）の混合を防止するガスシール機能が要求される。係るガスシール機能の低下を確実に抑制することが要求されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平８−１０６９１６号公報
【特許文献２】特開２００８−２２６７８９号公報
【発明の概要】
【０００８】
本発明は、「横縞型」の燃料電池の構造体であって、支持基板が外力を受けた場合において支持基板が変形し難く且つガスシール機能の低下を確実に抑制し得るものを提供することを目的とする。
【０００９】
本発明に係る燃料電池の構造体は、ガス流路が内部に形成された電気絶縁性を有する平板状の多孔質の支持基板と、前記平板状の支持基板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「少なくとも内側電極、固体電解質、及び外側電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前記発電素子部の間にそれぞれ設けられ、隣り合う前記発電素子部の一方の内側電極と他方の外側電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る。即ち、この構造体は、「横縞型」の燃料電池の構造体である。
【００１０】
本発明に係る燃料電池の構造体の特徴は、前記各電気的接続部は、緻密な材料で構成された第１部分と、前記第１部分と接続され且つ多孔質の材料で構成された第２部分とで構成され、前記平板状の支持基板の主面における前記複数の箇所に、前記支持基板の材料からなる底壁と全周に亘って前記支持基板の材料からなる周方向に閉じた側壁とを有する第１凹部がそれぞれ形成され、前記各第１凹部に、対応する前記発電素子部の内側電極（の全体）がそれぞれ埋設され、前記埋設された各内側電極の外側面に形成された第２凹部に、対応する前記電気的接続部の前記第１部分（インターコネクタ）（の全体又は一部）、及び、電気絶縁性を有する緻密な材料からなるシール材がそれぞれ埋設されたことにある。
【００１１】
ここにおいて、前記第１凹部の平面形状（支持基板の主面に垂直の方向からみた場合の形状）は、例えば、長方形、正方形、円形、楕円形、長円形である。また、前記支持基板が長手方向を有し、且つ、前記複数の第１凹部が長手方向に沿って所定の間隔をおいて配置されていることが好適である。また、前記内側電極及び前記外側電極はそれぞれ、空気極及び燃料極であってもよいし、燃料極及び空気極であってもよい。また、前記シール材は、前記固体電解質とは異なる材料で構成されていても前記固体電解質と同じ材料で構成されていてもよい。
【００１２】
このように、本発明に係る「横縞型」の燃料電池の構造体では、内側電極を埋設するための各第１凹部が周方向に閉じた側壁を有している。換言すれば、支持基板において各第１凹部を囲む枠体がそれぞれ形成されている。従って、この構造体は、支持基板が外力を受けた場合に変形し難い構造であるといえる。
【００１３】
また、本発明に係る燃料電池の構造体では、インターコネクタ及びシール材が内側電極の外側面に形成された第２凹部に埋設されている。この構造体では、「インターコネクタ、シール材、及び固体電解質で構成される緻密膜」を用いて「ガスシール機能」が達成され得る。
【００１４】
「支持基板の主面に形成された第１凹部に埋設された内側電極の外側面に形成された第２凹部にインターコネクタが埋設される形態」では、（後述する図１８に示すように）第２凹部の全体にインターコネクタが埋設（充填）されると、「ガスシール機能」の低下が発生し易いという問題があった（詳細は後述する）。これに対し、本発明に係る燃料電池の構造体では、第２凹部に、インターコネクタに加えてシール材が埋設されていることによってガスシール機能の低下を確実に抑制することができる（詳細は後述する）。
【００１５】
本発明に係る燃料電池の構造体では、前記各第２凹部において、前記電気的接続部の第１部分が、前記第２凹部における中央部に埋設され、前記シール材が、前記第２凹部における前記中央部の周囲に位置する周縁部にて、前記第２凹部の側壁の全周、及び、前記電気的接続部の第１部分の外周の側壁の全周と接触するように埋設され得る。加えて、前記シール材が前記固体電解質とは異なる材料で構成される場合、前記シール材の外側面の周縁部の全周が前記発電素子部から延設された前記固体電解質で覆われることが好適である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係る燃料電池の構造体を示す斜視図である。
【図２】図１に示す燃料電池の構造体の２−２線に対応する断面図である。
【図３】図１に示す支持基板の主面上に形成された凹部に埋設された燃料極、インターコネクタ、及びシール材の状態を示した平面図である。
【図４】支持基板の主面上に固体電解質膜が形成された状態における図３に対応する図である。
【図５】図１に示す燃料電池の構造体の作動状態を説明するための図である。
【図６】図１に示す燃料電池の構造体の作動状態における電流の流れを説明するための図である。
【図７】図１に示す支持基板を示す斜視図である。
【図８】図１に示す燃料電池の構造体の製造過程における第１段階における図２に対応する断面図である。
【図９】図１に示す燃料電池の構造体の製造過程における第２段階における図２に対応する断面図である。
【図１０】図１に示す燃料電池の構造体の製造過程における第３段階における図２に対応する断面図である。
【図１１】図１に示す燃料電池の構造体の製造過程における第４段階における図２に対応する断面図である。
【図１２】図１に示す燃料電池の構造体の製造過程における第５段階における図２に対応する断面図である。
【図１３】図１に示す燃料電池の構造体の製造過程における第６段階における図２に対応する断面図である。
【図１４】図１に示す燃料電池の構造体の製造過程における第７段階における図２に対応する断面図である。
【図１５】図１に示す燃料電池の構造体の製造過程における第８段階における図２に対応する断面図である。
【図１６】図１に示す燃料電池の構造体の製造過程における第９段階における図２に対応する断面図である。
【図１７】図１に示す燃料電池の構造体における「燃料極の外側面に形成された凹部の周りの構造」を示した模式図である。
【図１８】従来の燃料電池の構造体における「燃料極の外側面に形成された凹部の周りの構造」を示した模式図である。
【図１９】本発明に係る燃料電池の構造体の第１変形例の図１７に対応する断面図である。
【図２０】本発明に係る燃料電池の構造体の第２変形例の図１７に対応する断面図である。
【図２１】本発明に係る燃料電池の構造体の第３変形例の図１７に対応する断面図である。
【図２２】本発明に係る燃料電池の構造体の第４変形例の図１７に対応する断面図である。
【図２３】本発明に係る燃料電池の構造体の第５変形例の図２に対応する断面図である。
【図２４】本発明に係る燃料電池の構造体の第６変形例の図２に対応する断面図である。
【図２５】本発明に係る燃料電池の構造体の第７変形例の図２に対応する断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
（構成）
図１は、本発明の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）の構造体を示す。このＳＯＦＣの構造体は、長手方向（ｘ軸方向）を有する平板状の支持基板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（本例では、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置された、所謂「横縞型」と呼ばれる構成を有する。
【００１８】
このＳＯＦＣの構造体の全体を上方からみた形状は、例えば、長手方向の辺の長さが５０〜５００ｍｍで長手方向に直交する幅方向（ｙ軸方向）の長さが１０〜１００ｍｍの長方形である。このＳＯＦＣの構造体の全体の厚さは、１〜５ｍｍである。このＳＯＦＣの構造体の全体は、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１に加えて、このＳＯＦＣの構造体の図１に示す２−２線に対応する部分断面図である図２を参照しながら、このＳＯＦＣの構造体の詳細について説明する。図２は、代表的な１組の隣り合う発電素子部Ａ，Ａのそれぞれの構成（の一部）、並びに、発電素子部Ａ，Ａ間の構成を示す部分断面図である。その他の組の隣り合う発電素子部Ａ，Ａ間の構成も、図２に示す構成と同様である。
【００１９】
支持基板１０は、電子伝導性を有さない多孔質の材料からなる平板状の焼成体である。後述する図６に示すように、支持基板１０の内部には、長手方向に延びる複数（本例では、６本）の燃料ガス流路１１（貫通孔）が幅方向において所定の間隔をおいて形成されている。本例では、各凹部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。
【００２０】
支持基板１０は、例えば、ＣＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）から構成され得る。或いは、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）とから構成されてもよいし、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、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）とＭｇＡｌ２Ｏ４（マグネシアアルミナスピネル）とから構成されてもよい。
【００２１】
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。
【００２２】
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）が使用されてもよい。
【００２３】
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燃料ガス流路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。
【００２４】
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。
【００２５】
図２及び図３に示すように、支持基板１０の上面（上側の主面）に形成された各凹部１２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は直方体状を呈している。各燃料極集電部２１の上面（外側面）には、凹部２１ａが形成されている。各凹部２１ａは、燃料極集電部２１の材料からなる底壁と、全周に亘って燃料極集電部２１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。
【００２６】
各凹部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。燃料極集電部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（燃料極集電部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４つの側面と底面とは、凹部２１ａ内で燃料極集電部２１と接触している。
【００２７】
燃料極活性部２２は、例えば、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）とから構成され得る。或いは、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。燃料極集電部２１は、例えば、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）とから構成され得る。或いは、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、燃料極集電部２１の厚さ（即ち、凹部１２の深さ）は、５０〜５００μｍである。
【００２８】
このように、燃料極集電部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素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素イオン伝導性を有する物質の体積割合」よりも大きい。
【００２９】
各燃料極集電部２１の上面（外側面）における凹部２１ａを除いた部分には、凹部２１ｂが形成されている。各凹部２１ｂは、燃料極集電部２１の材料からなる底壁と、全周に亘って燃料極集電部２１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。
【００３０】
各凹部２１ｂには、インターコネクタ３０、並びに、シール材３５が埋設（充填）されている。具体的には、図３に示すように、各凹部２１ｂ内において、インターコネクタ３０は、凹部２１ｂにおける中央部に埋設（配置）されている。各インターコネクタ３０は、長手方向に沿う２つの側壁と幅方向に沿う２つの側壁とを有する直方体状を呈している。シール材３５は、凹部２１ｂにおけるインターコネクタ３０の周囲に位置する周縁部にて、凹部２１ｂの側壁（内壁）の全周、及び、インターコネクタ３０の外周の側壁の全周と接触するように埋設（充填）されている。即ち、各シール材３５は四角の枠状を呈している。各インターコネクタ３０の側面は燃料極２０（集電部２１）と接触していない一方で、各インターコネクタ３０の底面の全域は、燃料極２０（集電部２１）と接触している。
【００３１】
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。インターコネクタ３０は、例えば、ランタンクロマイト（ＬＣ）から構成され得る。ランタンクロマイトの化学式は、Ｌａ１−ｘＡｘＣｒ１−ｙ−ｚＢｙＯ３（ただし、Ａ：Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａから選択される少なくとも１種類の元素、Ｂ：Ｃｏ，Ｎｉ，Ｍｇ，Ａｌから選択される少なくとも１種類の元素、０．０５≦ｘ≦０．２、０．０２≦ｙ≦０．２２、０≦ｚ≦０．０５）で表わされる。
【００３２】
或いは、インターコネクタ３０は、チタン酸化物から構成され得る。チタン酸化物の化学式は、（Ａ１−ｘ，Ｂｘ）１−ｚ（Ｔｉ１−ｙ，Ｄｙ）Ｏ３（ただし、Ａ：アルカリ土類元素から選択される少なくとも１種類の元素、Ｂ：Ｓｃ，Ｙ，及びランタノイド元素から選択される少なくとも１種類の元素、Ｄ：第４周期、第５周期、第６周期の遷移金属、及びＡｌ，Ｓｉ，Ｚｎ，Ｇａ，Ｇｅ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ｐｂ，Ｂｉから選択される少なくとも１種類の元素、０≦ｘ≦０．５、０≦ｙ≦０．５、−０．０５≦ｚ≦０．０５）で表わされる。この場合、（Ｓｒ，Ｌａ）ＴｉＯ３（ストロンチウムチタネート）から構成され得る。インターコネクタ３０の厚さは、１０〜１００μｍである。
【００３３】
シール材３５は、電気絶縁性を有する緻密な材料からなる焼成体である。シール材３５は、例えば、金属酸化物を含有し、好ましくは金属酸化物を主成分とする。具体的には、上記金属酸化物として、（ＡＥ)ＺｒＯ３、ＭｇＯ、ＭｇＡｌ２Ｏ４、及びＣｅｘＬｎ１−ｘＯ２からなる群より選択される少なくとも１種類の酸化物を含有してもよい。ここで、ＡＥは、アルカリ土類金属であり、Ｌｎは、Ｙ及びランタノイドからなる群より選択される少なくとも１種類の元素であり、ｘは０＜ｘ≦０．３を満たす。ＡＥに該当する元素としては、Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒ，及びＢａが挙げられる。また、微量成分として、遷移金属酸化物（例えば、ＮｉＯ、Ｍｎ３Ｏ４、Ｆｅ２Ｏ３、Ｃｒ２Ｏ３、ＣｏＯ)が含まれても良い。これらの成分は、酸化物として存在していても良いし、上記「（ＡＥ)ＺｒＯ３、ＭｇＯ、ＭｇＡｌ２Ｏ４、及びＣｅｘＬｎ１−ｘＯ２からなる群より選択される少なくとも１種類の酸化物」に固溶する形で存在していても良い。金属酸化物の平均粒径は０．１〜５．０μｍが好ましく、さらに好ましくは０．３〜４．０μｍである。なお、シール材３５は、後述する固体電解質膜４０と同じ材料で構成されてもよい。シール材３５の厚さは、１０〜１００μｍである。
【００３４】
燃料極２０（燃料極集電部２１及び燃料極活性部２２）の上面（外側面）と、インターコネクタ３０の上面（外側面）と、シール材３５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。即ち、燃料極２０の上面とインターコネクタ３０の上面とシール材３５の上面と支持基板１０の主面との間で、段差が形成されていない。
【００３５】
燃料極２０、インターコネクタ３０、及びシール材３５がそれぞれの凹部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（主面を含む）において複数のシール材３５（及びインターコネクタ３０）に対応する部分を除いた全面は、固体電解質膜４０により覆われている。より具体的には、図４に示すように、固体電解質膜４０は、シール材３５の外側面の周縁部の全周を覆うように、支持基板１０の主面上に形成されている。この結果、シール材３５とインターコネクタ３０とが接触し、シール材３５と固体電解質膜４０とが接触する一方で、インターコネクタ３０と固体電解質膜４０とは接触していない。
【００３６】
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（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）から構成され得る。或いは、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。
【００３７】
即ち、燃料極２０がそれぞれの凹部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とシール材３５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。
【００３８】
なお、図２に示すように、本例では、固体電解質膜４０が平坦化されている。この結果、固体電解質膜４０に段差が形成される場合に比して、応力集中に起因する固体電解質膜４０でのクラックの発生が抑制され得、固体電解質膜４０が有するガスシール機能の低下が抑制され得る。
【００３９】
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が形成されている。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及び空気極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。
【００４０】
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。或いは、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。
【００４１】
なお、反応防止膜５０が介装されるのは、ＳＯＦＣ作製時又は作動中のＳＯＦＣ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。
【００４２】
ここで、燃料極２０と、固体電解質膜４０と、反応防止膜５０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）。即ち、支持基板１０の上面には、複数（本例では、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。
【００４３】
各組の隣り合う発電素子部Ａ，Ａについて、一方の（図２では、左側の）発電素子部Ａの空気極６０と、他方の（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、及び、インターコネクタ３０の上面に、空気極集電膜７０が形成されている。空気極集電膜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。空気極集電膜７０を上方からみた形状は、長方形である。
【００４４】
空気極集電膜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。或いは、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。或いは、Ａｇ（銀）、Ａｇ−Ｐｄ（銀パラジウム合金）から構成されてもよい。空気極集電膜７０の厚さは、５０〜５００μｍである。
【００４５】
このように各空気極集電膜７０が形成されることにより、各組の隣り合う発電素子部Ａ，Ａについて、一方の（図２では、左側の）発電素子部Ａの空気極６０と、他方の（図２では、右側の）発電素子部Ａの燃料極２０（特に、燃料極集電部２１）とが、電子伝導性を有する「空気極集電膜７０及びインターコネクタ３０」を介して電気的に接続される。この結果、支持基板１０の上面に配置されている複数（本例では、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「空気極集電膜７０及びインターコネクタ３０」が、前記「電気的接続部」に対応する。
【００４６】
インターコネクタ３０は、前記「電気的接続部」における前記「緻密な材料で構成された第１部分」に対応し、気孔率は１０％以下である。空気極集電膜７０は、前記「電気的接続部」における前記「多孔質の材料で構成された第２部分」に対応し、気孔率は２０〜６０％である。シール材３５の気孔率は１０％以下である。固体電解質膜４０の気孔率は１０％以下である。
【００４７】
以上、説明した「横縞型」のＳＯＦＣの構造体に対して、図５に示すように、支持基板１０の燃料ガス流路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、各空気極集電膜７０）を「酸素を含むガス」（空気等）に曝す（或いは、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）
【００４８】
発電状態においては、図６に示すように、各組の隣り合う発電素子部Ａ，Ａについて、電流が、矢印で示すように流れる。この結果、図５に示すように、このＳＯＦＣの構造体全体から（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。
【００４９】
（製造方法）
次に、図１に示した「横縞型」のＳＯＦＣの構造体の製造方法の一例について図７〜図１６を参照しながら簡単に説明する。図７〜図１６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。
【００５０】
先ず、図７に示す形状を有する支持基板の成形体１０ｇが作製される。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、ＣＳＺ）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され得る。以下、図７に示す８−８線に対応する部分断面を表す図８〜図１６を参照しながら説明を続ける。
【００５１】
図８に示すように、支持基板の成形体１０ｇが作製されると、次に、図９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凹部に、燃料極集電部の成形体２１ｇがそれぞれ埋設・形成される。次いで、図１０に示すように、各燃料極集電部の成形体２１ｇの外側面に形成された各凹部に、燃料極活性部の成形体２２ｇがそれぞれ埋設・形成される。各燃料極集電部の成形体２１ｇ、及び各燃料極活性部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・形成される。
【００５２】
続いて、図１１に示すように、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」に形成された各凹部の中央部に、直方体状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・形成される。
【００５３】
次いで、図１２に示すように、前記各凹部の成形体３０ｇの周囲に位置する周縁部に、シール材の成形体３５ｇがそれぞれ埋設・形成される。各シール材の成形体３５ｇは、例えば、シール材３５の材料（例えば、ＭｇＯ、或いは、ＭｇＯとＣａＺｒＯ３のコンポジット材料）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・形成される。
【００５４】
次に、図１３に示すように、複数の燃料極の成形体（２１ｇ＋２２ｇ）及び複数の成形体３０ｇ、３５ｇ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成形体３０ｇ、３５ｇが形成されたそれぞれの部分を除いた全面に、固体電解質膜の成形膜４０ｇが形成される。固体電解質膜の成形膜４０ｇ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される。
【００５５】
次に、図１４に示すように、固体電解質膜の成形体４０ｇにおける各燃料極の成形体２２ｇと接している箇所の外側面に、反応防止膜の成形膜５０ｇが形成される。各反応防止膜の成形膜５０ｇ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される。
【００５６】
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が、空気中にて１５００℃で３時間焼成される。これにより、図１に示したＳＯＦＣの構造体において空気極６０及び空気極集電膜７０が形成されていない状態の構造体が得られる。
【００５７】
次に、図１５に示すように、各反応防止膜５０の外側面に、空気極の成形膜６０ｇが形成される。各空気極の成形膜６０ｇ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される。
【００５８】
次に、図１６に示すように、各組の隣り合う発電素子部について、一方の発電素子部の空気極の成形膜６０ｇと、他方の発電素子部のインターコネクタ３０とを跨ぐように、空気極の成形膜６０ｇ、固体電解質膜４０、インターコネクタ３０、及びシール材３５の外側面に、空気極集電膜の成形膜７０ｇが形成される。各空気極集電膜の成形膜７０ｇは、例えば、空気極集電膜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される。
【００５９】
そして、このように成形膜６０ｇ、７０ｇが形成された状態の支持基板１０が、空気中にて１０５０℃で３時間焼成される。これにより、図１に示したＳＯＦＣの構造体が得られる。なお、この時点では、酸素含有雰囲気での焼成により、支持基板１０、及び燃料極２０中のＮｉ成分が、ＮｉＯとなっている。従って、燃料極２０の導電性を獲得するため、その後、支持基板１０側から還元性の燃料ガスが流され、ＮｉＯが７００〜１０００℃で１〜１００時間に亘って還元処理される。なお、この還元処理は発電時に行われてもよい。以上、図１に示したＳＯＦＣの構造体の製造方法の一例について説明した。
【００６０】
（作用・効果）
以上、説明したように、上記実施形態では、支持基板１０の上下面に形成されている、燃料極２０を埋設するための複数の凹部１２のそれぞれが、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を有している。換言すれば、支持基板１０において各凹部１２を囲む枠体がそれぞれ形成されている。従って、この構造体は、支持基板１０が外力を受けた場合に変形し難い。
【００６１】
また、上記実施形態では、支持基板１０の各凹部１２内に燃料極２０及びインターコネクタ３０等の部材が隙間なく充填・埋設された状態で、支持基板１０と前記埋設された部材とが共焼結される。従って、部材間の接合性が高く且つ信頼性の高い焼結体が得られる。
【００６２】
また、図１７に模式的に示すように、上記実施形態では、「インターコネクタ３０とシール材３５と固体電解質膜４０とが連続して接続されてなる緻密層」が、燃料ガスと空気との混合を防止するガスシール機能を発揮している。燃料極２０（集電部２１）の外側面に形成された凹部２１ｂの周縁部に配置されたシール材３５の外側面の一部（周縁部）が固体電解質膜４０で覆われている一方で、凹部２１ｂの中央部に配置されたインターコネクタ３０の外側面は固体電解質膜４０で覆われていない。
【００６３】
ここで、上記実施形態と比較するための従来例として、図１８に示すように、燃料極の外側面に形成された凹部の全体にインターコネクタが埋設（充填）される態様を考える。この場合、ガスシール性の低下の抑制のため、図１８に示すように、インターコネクタの外側面の周縁部が電解質膜で覆われる場合が多い。一般に、インターコネクタ（特に、ランタンクロマイトで構成されるインターコネクタ）は、上述した還元処理の際に膨張する性質を有する（還元膨張）。この還元膨張に起因して、インターコネクタの外側面の周縁部と電解質膜の内側面との界面において剥離が発生し、「ガスシール機能」の低下が発生し易いという問題があった。これに対し、上記実施形態では、上述のように、インターコネクタ３０の外側面上には緻密膜（固体電解質膜４０）が設けられていない。従って、上述したインターコネクタの還元膨張による剥離に起因する「ガスシール機能」の低下が発生しない。即ち、「ガスシール機能」の低下を確実に抑制し得る。
【００６４】
また、上記実施形態では、平板状の支持基板１０の上下面のそれぞれに、複数の発電素子部Ａが設けられている。これにより、支持基板の片側面のみに複数の発電素子部が設けられる場合に比して、構造体中における発電素子部の数を多くでき、燃料電池の発電出力を高めることができる。
【００６５】
また、上記実施形態では、固体電解質膜４０が平坦化されている。この結果、固体電解質膜４０に段差が形成される場合に比して、応力集中に起因する固体電解質膜４０でのクラックの発生が抑制され得、固体電解質膜４０が有するガスシール機能の低下が抑制され得る。
【００６６】
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、上記実施形態では、図７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。
【００６７】
また、上記実施形態においては、各凹部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の一部のみが各凹部１２に埋設され、インターコネクタ３０の残りの部分が凹部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。
【００６８】
また、上記実施形態では、図１７に示すように、直方体状のインターコネクタ３０の底面の全域が燃料極２０（集電部２１）と接触しているが、図１９に示すように、直方体状のインターコネクタ３０の底面における中央部が燃料極２０（集電部２１）と接触し、インターコネクタ３０の底面における前記中央部の周囲に位置する周縁部がシール材３５と接触するように構成されてもよい。また、図２０に示すように、シール材３５の底面における周縁部の一部がインターコネクタ３０と接触するように構成されてもよい。また、図２１に示すように、シール材３５及び固体電解質膜４０が同じ材質で構成されてもよい。加えて、図２２に示すように、シール材３５及び固体電解質膜４０が同じ材質で構成され、且つ、インターコネクタ３０の上面（外側面）と、シール材３５及び固体電解質膜４０の上面（外側面）とにより１つの平面が構成されてもよい。
【００６９】
また、上記実施形態において、凹部１２における底壁と側壁とのなす角度θが９０°になっているが、図２３に示すように、角度θが９０〜１３５°となっていてもよい。また、上記実施形態においては、図２４に示すように、凹部１２における底壁と側壁とが交差する部分が半径Ｒの円弧状になっていて、凹部１２の深さに対する半径Ｒの割合が０．０１〜１となっていてもよい。
【００７０】
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、図２５に示すように、支持基板１０の片側面のみに複数の凹部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。
【００７１】
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。加えて、上記実施形態においては、「内側電極」及び「外側電極」がそれぞれ燃料極及び空気極となっているが、逆であってもよい。
【符号の説明】
【００７２】
１０…支持基板、１１…燃料ガス流路、１２…凹部、２０…燃料極、２１…燃料極集電部、２１ａ、２１ｂ…凹部、２２…燃料極活性部、３０…インターコネクタ、３５…シール材、４０…固体電解質膜、５０…反応防止膜、６０…空気極、７０…空気極集電膜、Ａ…発電素子部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、「ガス流路が内部に形成された電子伝導性を有さない多孔質の支持基板」と、「前記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前記発電素子部の間にそれぞれ設けられ、隣り合う前記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の構造体が知られている（例えば、特許文献１、２を参照）。このような構成は、「横縞型」とも呼ばれる。
【０００３】
以下、支持基板の形状に着目する。特許文献１に記載の「横縞型」の固体酸化物形燃料電池の構造体では、支持基板が円筒状を呈している。円筒状の支持基板の表面（円筒面）には、燃料極を埋設するための複数の「環状溝」が軸方向の複数の箇所においてそれぞれ形成されている（図３を参照）。従って、支持基板において「環状溝」が形成された部分の外径が小さくなっている。このことに起因して、この構造体は、支持基板に曲げ方向やねじり方向の外力が加えられた場合に変形し易い構造であるといえる。
【０００４】
また、特許文献２に記載の「横縞型」の固体酸化物形燃料電池の構造体では、支持基板が長手方向を有する平板状を呈している。平板状の支持基板の主面（平面）には、燃料極等を埋設するための「長手方向に延び且つ長手方向に開放された長溝」が形成されている（図３（ｂ）を参照）。従って、支持基板において「長溝」が形成された部分の厚さが小さくなっている。
【０００５】
加えて、「長溝」は、長手方向に直交する幅方向の両端部において長手方向に延びる側壁を有する一方で、長手方向の両端部において幅方向に延びる側壁を有していない。即ち、「長溝」は、その周方向に閉じた側壁を有していない。従って、支持基板において「長溝」を囲む枠体が形成されていない。これらのことに起因して、この構造体は、特に支持基板にねじり方向の外力が加えられた場合に変形し易い構造であるといえる。以上のことから、「横縞型」の燃料電池の構造体において、支持基板が外力を受けた場合における支持基板の変形を抑制することが望まれていたところである。
【０００６】
更には、上記の燃料電池の構造体では、燃料電池の稼働の際に使用される２種類のガス（典型的には、燃料ガスと空気）の混合を防止するガスシール機能が要求される。係るガスシール機能の低下を確実に抑制することが要求されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平８−１０６９１６号公報
【特許文献２】特開２００８−２２６７８９号公報
【発明の概要】
【０００８】
本発明は、「横縞型」の燃料電池の構造体であって、支持基板が外力を受けた場合において支持基板が変形し難く且つガスシール機能の低下を確実に抑制し得るものを提供することを目的とする。
【０００９】
本発明に係る燃料電池の構造体は、ガス流路が内部に形成された電気絶縁性を有する平板状の多孔質の支持基板と、前記平板状の支持基板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「少なくとも内側電極、固体電解質、及び外側電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前記発電素子部の間にそれぞれ設けられ、隣り合う前記発電素子部の一方の内側電極と他方の外側電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る。即ち、この構造体は、「横縞型」の燃料電池の構造体である。
【００１０】
本発明に係る燃料電池の構造体の特徴は、前記各電気的接続部は、緻密な材料で構成された第１部分と、前記第１部分と接続され且つ多孔質の材料で構成された第２部分とで構成され、前記平板状の支持基板の主面における前記複数の箇所に、前記支持基板の材料からなる底壁と全周に亘って前記支持基板の材料からなる周方向に閉じた側壁とを有する第１凹部がそれぞれ形成され、前記各第１凹部に、対応する前記発電素子部の内側電極（の全体）がそれぞれ埋設され、前記埋設された各内側電極の外側面に形成された第２凹部に、対応する前記電気的接続部の前記第１部分（インターコネクタ）（の全体又は一部）、及び、電気絶縁性を有する緻密な材料からなるシール材がそれぞれ埋設されたことにある。
【００１１】
ここにおいて、前記第１凹部の平面形状（支持基板の主面に垂直の方向からみた場合の形状）は、例えば、長方形、正方形、円形、楕円形、長円形である。また、前記支持基板が長手方向を有し、且つ、前記複数の第１凹部が長手方向に沿って所定の間隔をおいて配置されていることが好適である。また、前記内側電極及び前記外側電極はそれぞれ、空気極及び燃料極であってもよいし、燃料極及び空気極であってもよい。また、前記シール材は、前記固体電解質とは異なる材料で構成されていても前記固体電解質と同じ材料で構成されていてもよい。
【００１２】
このように、本発明に係る「横縞型」の燃料電池の構造体では、内側電極を埋設するための各第１凹部が周方向に閉じた側壁を有している。換言すれば、支持基板において各第１凹部を囲む枠体がそれぞれ形成されている。従って、この構造体は、支持基板が外力を受けた場合に変形し難い構造であるといえる。
【００１３】
また、本発明に係る燃料電池の構造体では、インターコネクタ及びシール材が内側電極の外側面に形成された第２凹部に埋設されている。この構造体では、「インターコネクタ、シール材、及び固体電解質で構成される緻密膜」を用いて「ガスシール機能」が達成され得る。
【００１４】
「支持基板の主面に形成された第１凹部に埋設された内側電極の外側面に形成された第２凹部にインターコネクタが埋設される形態」では、（後述する図１８に示すように）第２凹部の全体にインターコネクタが埋設（充填）されると、「ガスシール機能」の低下が発生し易いという問題があった（詳細は後述する）。これに対し、本発明に係る燃料電池の構造体では、第２凹部に、インターコネクタに加えてシール材が埋設されていることによってガスシール機能の低下を確実に抑制することができる（詳細は後述する）。
【００１５】
本発明に係る燃料電池の構造体では、前記各第２凹部において、前記電気的接続部の第１部分が、前記第２凹部における中央部に埋設され、前記シール材が、前記第２凹部における前記中央部の周囲に位置する周縁部にて、前記第２凹部の側壁の全周、及び、前記電気的接続部の第１部分の外周の側壁の全周と接触するように埋設され得る。加えて、前記シール材が前記固体電解質とは異なる材料で構成される場合、前記シール材の外側面の周縁部の全周が前記発電素子部から延設された前記固体電解質で覆われることが好適である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係る燃料電池の構造体を示す斜視図である。
【図２】図１に示す燃料電池の構造体の２−２線に対応する断面図である。
【図３】図１に示す支持基板の主面上に形成された凹部に埋設された燃料極、インターコネクタ、及びシール材の状態を示した平面図である。
【図４】支持基板の主面上に固体電解質膜が形成された状態における図３に対応する図である。
【図５】図１に示す燃料電池の構造体の作動状態を説明するための図である。
【図６】図１に示す燃料電池の構造体の作動状態における電流の流れを説明するための図である。
【図７】図１に示す支持基板を示す斜視図である。
【図８】図１に示す燃料電池の構造体の製造過程における第１段階における図２に対応する断面図である。
【図９】図１に示す燃料電池の構造体の製造過程における第２段階における図２に対応する断面図である。
【図１０】図１に示す燃料電池の構造体の製造過程における第３段階における図２に対応する断面図である。
【図１１】図１に示す燃料電池の構造体の製造過程における第４段階における図２に対応する断面図である。
【図１２】図１に示す燃料電池の構造体の製造過程における第５段階における図２に対応する断面図である。
【図１３】図１に示す燃料電池の構造体の製造過程における第６段階における図２に対応する断面図である。
【図１４】図１に示す燃料電池の構造体の製造過程における第７段階における図２に対応する断面図である。
【図１５】図１に示す燃料電池の構造体の製造過程における第８段階における図２に対応する断面図である。
【図１６】図１に示す燃料電池の構造体の製造過程における第９段階における図２に対応する断面図である。
【図１７】図１に示す燃料電池の構造体における「燃料極の外側面に形成された凹部の周りの構造」を示した模式図である。
【図１８】従来の燃料電池の構造体における「燃料極の外側面に形成された凹部の周りの構造」を示した模式図である。
【図１９】本発明に係る燃料電池の構造体の第１変形例の図１７に対応する断面図である。
【図２０】本発明に係る燃料電池の構造体の第２変形例の図１７に対応する断面図である。
【図２１】本発明に係る燃料電池の構造体の第３変形例の図１７に対応する断面図である。
【図２２】本発明に係る燃料電池の構造体の第４変形例の図１７に対応する断面図である。
【図２３】本発明に係る燃料電池の構造体の第５変形例の図２に対応する断面図である。
【図２４】本発明に係る燃料電池の構造体の第６変形例の図２に対応する断面図である。
【図２５】本発明に係る燃料電池の構造体の第７変形例の図２に対応する断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
（構成）
図１は、本発明の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）の構造体を示す。このＳＯＦＣの構造体は、長手方向（ｘ軸方向）を有する平板状の支持基板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（本例では、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置された、所謂「横縞型」と呼ばれる構成を有する。
【００１８】
このＳＯＦＣの構造体の全体を上方からみた形状は、例えば、長手方向の辺の長さが５０〜５００ｍｍで長手方向に直交する幅方向（ｙ軸方向）の長さが１０〜１００ｍｍの長方形である。このＳＯＦＣの構造体の全体の厚さは、１〜５ｍｍである。このＳＯＦＣの構造体の全体は、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１に加えて、このＳＯＦＣの構造体の図１に示す２−２線に対応する部分断面図である図２を参照しながら、このＳＯＦＣの構造体の詳細について説明する。図２は、代表的な１組の隣り合う発電素子部Ａ，Ａのそれぞれの構成（の一部）、並びに、発電素子部Ａ，Ａ間の構成を示す部分断面図である。その他の組の隣り合う発電素子部Ａ，Ａ間の構成も、図２に示す構成と同様である。
【００１９】
支持基板１０は、電子伝導性を有さない多孔質の材料からなる平板状の焼成体である。後述する図６に示すように、支持基板１０の内部には、長手方向に延びる複数（本例では、６本）の燃料ガス流路１１（貫通孔）が幅方向において所定の間隔をおいて形成されている。本例では、各凹部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。
【００２０】
支持基板１０は、例えば、ＣＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）から構成され得る。或いは、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）とから構成されてもよいし、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、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）とＭｇＡｌ２Ｏ４（マグネシアアルミナスピネル）とから構成されてもよい。
【００２１】
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。
【００２２】
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）が使用されてもよい。
【００２３】
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燃料ガス流路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。
【００２４】
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。
【００２５】
図２及び図３に示すように、支持基板１０の上面（上側の主面）に形成された各凹部１２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は直方体状を呈している。各燃料極集電部２１の上面（外側面）には、凹部２１ａが形成されている。各凹部２１ａは、燃料極集電部２１の材料からなる底壁と、全周に亘って燃料極集電部２１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。
【００２６】
各凹部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。燃料極集電部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（燃料極集電部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４つの側面と底面とは、凹部２１ａ内で燃料極集電部２１と接触している。
【００２７】
燃料極活性部２２は、例えば、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）とから構成され得る。或いは、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。燃料極集電部２１は、例えば、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）とから構成され得る。或いは、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、燃料極集電部２１の厚さ（即ち、凹部１２の深さ）は、５０〜５００μｍである。
【００２８】
このように、燃料極集電部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素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素イオン伝導性を有する物質の体積割合」よりも大きい。
【００２９】
各燃料極集電部２１の上面（外側面）における凹部２１ａを除いた部分には、凹部２１ｂが形成されている。各凹部２１ｂは、燃料極集電部２１の材料からなる底壁と、全周に亘って燃料極集電部２１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。
【００３０】
各凹部２１ｂには、インターコネクタ３０、並びに、シール材３５が埋設（充填）されている。具体的には、図３に示すように、各凹部２１ｂ内において、インターコネクタ３０は、凹部２１ｂにおける中央部に埋設（配置）されている。各インターコネクタ３０は、長手方向に沿う２つの側壁と幅方向に沿う２つの側壁とを有する直方体状を呈している。シール材３５は、凹部２１ｂにおけるインターコネクタ３０の周囲に位置する周縁部にて、凹部２１ｂの側壁（内壁）の全周、及び、インターコネクタ３０の外周の側壁の全周と接触するように埋設（充填）されている。即ち、各シール材３５は四角の枠状を呈している。各インターコネクタ３０の側面は燃料極２０（集電部２１）と接触していない一方で、各インターコネクタ３０の底面の全域は、燃料極２０（集電部２１）と接触している。
【００３１】
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。インターコネクタ３０は、例えば、ランタンクロマイト（ＬＣ）から構成され得る。ランタンクロマイトの化学式は、Ｌａ１−ｘＡｘＣｒ１−ｙ−ｚＢｙＯ３（ただし、Ａ：Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａから選択される少なくとも１種類の元素、Ｂ：Ｃｏ，Ｎｉ，Ｍｇ，Ａｌから選択される少なくとも１種類の元素、０．０５≦ｘ≦０．２、０．０２≦ｙ≦０．２２、０≦ｚ≦０．０５）で表わされる。
【００３２】
或いは、インターコネクタ３０は、チタン酸化物から構成され得る。チタン酸化物の化学式は、（Ａ１−ｘ，Ｂｘ）１−ｚ（Ｔｉ１−ｙ，Ｄｙ）Ｏ３（ただし、Ａ：アルカリ土類元素から選択される少なくとも１種類の元素、Ｂ：Ｓｃ，Ｙ，及びランタノイド元素から選択される少なくとも１種類の元素、Ｄ：第４周期、第５周期、第６周期の遷移金属、及びＡｌ，Ｓｉ，Ｚｎ，Ｇａ，Ｇｅ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ｐｂ，Ｂｉから選択される少なくとも１種類の元素、０≦ｘ≦０．５、０≦ｙ≦０．５、−０．０５≦ｚ≦０．０５）で表わされる。この場合、（Ｓｒ，Ｌａ）ＴｉＯ３（ストロンチウムチタネート）から構成され得る。インターコネクタ３０の厚さは、１０〜１００μｍである。
【００３３】
シール材３５は、電気絶縁性を有する緻密な材料からなる焼成体である。シール材３５は、例えば、金属酸化物を含有し、好ましくは金属酸化物を主成分とする。具体的には、上記金属酸化物として、（ＡＥ)ＺｒＯ３、ＭｇＯ、ＭｇＡｌ２Ｏ４、及びＣｅｘＬｎ１−ｘＯ２からなる群より選択される少なくとも１種類の酸化物を含有してもよい。ここで、ＡＥは、アルカリ土類金属であり、Ｌｎは、Ｙ及びランタノイドからなる群より選択される少なくとも１種類の元素であり、ｘは０＜ｘ≦０．３を満たす。ＡＥに該当する元素としては、Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒ，及びＢａが挙げられる。また、微量成分として、遷移金属酸化物（例えば、ＮｉＯ、Ｍｎ３Ｏ４、Ｆｅ２Ｏ３、Ｃｒ２Ｏ３、ＣｏＯ)が含まれても良い。これらの成分は、酸化物として存在していても良いし、上記「（ＡＥ)ＺｒＯ３、ＭｇＯ、ＭｇＡｌ２Ｏ４、及びＣｅｘＬｎ１−ｘＯ２からなる群より選択される少なくとも１種類の酸化物」に固溶する形で存在していても良い。金属酸化物の平均粒径は０．１〜５．０μｍが好ましく、さらに好ましくは０．３〜４．０μｍである。なお、シール材３５は、後述する固体電解質膜４０と同じ材料で構成されてもよい。シール材３５の厚さは、１０〜１００μｍである。
【００３４】
燃料極２０（燃料極集電部２１及び燃料極活性部２２）の上面（外側面）と、インターコネクタ３０の上面（外側面）と、シール材３５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。即ち、燃料極２０の上面とインターコネクタ３０の上面とシール材３５の上面と支持基板１０の主面との間で、段差が形成されていない。
【００３５】
燃料極２０、インターコネクタ３０、及びシール材３５がそれぞれの凹部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（主面を含む）において複数のシール材３５（及びインターコネクタ３０）に対応する部分を除いた全面は、固体電解質膜４０により覆われている。より具体的には、図４に示すように、固体電解質膜４０は、シール材３５の外側面の周縁部の全周を覆うように、支持基板１０の主面上に形成されている。この結果、シール材３５とインターコネクタ３０とが接触し、シール材３５と固体電解質膜４０とが接触する一方で、インターコネクタ３０と固体電解質膜４０とは接触していない。
【００３６】
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（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）から構成され得る。或いは、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。
【００３７】
即ち、燃料極２０がそれぞれの凹部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とシール材３５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。
【００３８】
なお、図２に示すように、本例では、固体電解質膜４０が平坦化されている。この結果、固体電解質膜４０に段差が形成される場合に比して、応力集中に起因する固体電解質膜４０でのクラックの発生が抑制され得、固体電解質膜４０が有するガスシール機能の低下が抑制され得る。
【００３９】
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が形成されている。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及び空気極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。
【００４０】
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。或いは、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。
【００４１】
なお、反応防止膜５０が介装されるのは、ＳＯＦＣ作製時又は作動中のＳＯＦＣ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。
【００４２】
ここで、燃料極２０と、固体電解質膜４０と、反応防止膜５０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）。即ち、支持基板１０の上面には、複数（本例では、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。
【００４３】
各組の隣り合う発電素子部Ａ，Ａについて、一方の（図２では、左側の）発電素子部Ａの空気極６０と、他方の（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、及び、インターコネクタ３０の上面に、空気極集電膜７０が形成されている。空気極集電膜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。空気極集電膜７０を上方からみた形状は、長方形である。
【００４４】
空気極集電膜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。或いは、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。或いは、Ａｇ（銀）、Ａｇ−Ｐｄ（銀パラジウム合金）から構成されてもよい。空気極集電膜７０の厚さは、５０〜５００μｍである。
【００４５】
このように各空気極集電膜７０が形成されることにより、各組の隣り合う発電素子部Ａ，Ａについて、一方の（図２では、左側の）発電素子部Ａの空気極６０と、他方の（図２では、右側の）発電素子部Ａの燃料極２０（特に、燃料極集電部２１）とが、電子伝導性を有する「空気極集電膜７０及びインターコネクタ３０」を介して電気的に接続される。この結果、支持基板１０の上面に配置されている複数（本例では、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「空気極集電膜７０及びインターコネクタ３０」が、前記「電気的接続部」に対応する。
【００４６】
インターコネクタ３０は、前記「電気的接続部」における前記「緻密な材料で構成された第１部分」に対応し、気孔率は１０％以下である。空気極集電膜７０は、前記「電気的接続部」における前記「多孔質の材料で構成された第２部分」に対応し、気孔率は２０〜６０％である。シール材３５の気孔率は１０％以下である。固体電解質膜４０の気孔率は１０％以下である。
【００４７】
以上、説明した「横縞型」のＳＯＦＣの構造体に対して、図５に示すように、支持基板１０の燃料ガス流路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、各空気極集電膜７０）を「酸素を含むガス」（空気等）に曝す（或いは、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）
【００４８】
発電状態においては、図６に示すように、各組の隣り合う発電素子部Ａ，Ａについて、電流が、矢印で示すように流れる。この結果、図５に示すように、このＳＯＦＣの構造体全体から（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。
【００４９】
（製造方法）
次に、図１に示した「横縞型」のＳＯＦＣの構造体の製造方法の一例について図７〜図１６を参照しながら簡単に説明する。図７〜図１６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。
【００５０】
先ず、図７に示す形状を有する支持基板の成形体１０ｇが作製される。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、ＣＳＺ）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され得る。以下、図７に示す８−８線に対応する部分断面を表す図８〜図１６を参照しながら説明を続ける。
【００５１】
図８に示すように、支持基板の成形体１０ｇが作製されると、次に、図９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凹部に、燃料極集電部の成形体２１ｇがそれぞれ埋設・形成される。次いで、図１０に示すように、各燃料極集電部の成形体２１ｇの外側面に形成された各凹部に、燃料極活性部の成形体２２ｇがそれぞれ埋設・形成される。各燃料極集電部の成形体２１ｇ、及び各燃料極活性部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・形成される。
【００５２】
続いて、図１１に示すように、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」に形成された各凹部の中央部に、直方体状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・形成される。
【００５３】
次いで、図１２に示すように、前記各凹部の成形体３０ｇの周囲に位置する周縁部に、シール材の成形体３５ｇがそれぞれ埋設・形成される。各シール材の成形体３５ｇは、例えば、シール材３５の材料（例えば、ＭｇＯ、或いは、ＭｇＯとＣａＺｒＯ３のコンポジット材料）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・形成される。
【００５４】
次に、図１３に示すように、複数の燃料極の成形体（２１ｇ＋２２ｇ）及び複数の成形体３０ｇ、３５ｇ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成形体３０ｇ、３５ｇが形成されたそれぞれの部分を除いた全面に、固体電解質膜の成形膜４０ｇが形成される。固体電解質膜の成形膜４０ｇ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される。
【００５５】
次に、図１４に示すように、固体電解質膜の成形体４０ｇにおける各燃料極の成形体２２ｇと接している箇所の外側面に、反応防止膜の成形膜５０ｇが形成される。各反応防止膜の成形膜５０ｇ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される。
【００５６】
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が、空気中にて１５００℃で３時間焼成される。これにより、図１に示したＳＯＦＣの構造体において空気極６０及び空気極集電膜７０が形成されていない状態の構造体が得られる。
【００５７】
次に、図１５に示すように、各反応防止膜５０の外側面に、空気極の成形膜６０ｇが形成される。各空気極の成形膜６０ｇ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される。
【００５８】
次に、図１６に示すように、各組の隣り合う発電素子部について、一方の発電素子部の空気極の成形膜６０ｇと、他方の発電素子部のインターコネクタ３０とを跨ぐように、空気極の成形膜６０ｇ、固体電解質膜４０、インターコネクタ３０、及びシール材３５の外側面に、空気極集電膜の成形膜７０ｇが形成される。各空気極集電膜の成形膜７０ｇは、例えば、空気極集電膜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される。
【００５９】
そして、このように成形膜６０ｇ、７０ｇが形成された状態の支持基板１０が、空気中にて１０５０℃で３時間焼成される。これにより、図１に示したＳＯＦＣの構造体が得られる。なお、この時点では、酸素含有雰囲気での焼成により、支持基板１０、及び燃料極２０中のＮｉ成分が、ＮｉＯとなっている。従って、燃料極２０の導電性を獲得するため、その後、支持基板１０側から還元性の燃料ガスが流され、ＮｉＯが７００〜１０００℃で１〜１００時間に亘って還元処理される。なお、この還元処理は発電時に行われてもよい。以上、図１に示したＳＯＦＣの構造体の製造方法の一例について説明した。
【００６０】
（作用・効果）
以上、説明したように、上記実施形態では、支持基板１０の上下面に形成されている、燃料極２０を埋設するための複数の凹部１２のそれぞれが、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を有している。換言すれば、支持基板１０において各凹部１２を囲む枠体がそれぞれ形成されている。従って、この構造体は、支持基板１０が外力を受けた場合に変形し難い。
【００６１】
また、上記実施形態では、支持基板１０の各凹部１２内に燃料極２０及びインターコネクタ３０等の部材が隙間なく充填・埋設された状態で、支持基板１０と前記埋設された部材とが共焼結される。従って、部材間の接合性が高く且つ信頼性の高い焼結体が得られる。
【００６２】
また、図１７に模式的に示すように、上記実施形態では、「インターコネクタ３０とシール材３５と固体電解質膜４０とが連続して接続されてなる緻密層」が、燃料ガスと空気との混合を防止するガスシール機能を発揮している。燃料極２０（集電部２１）の外側面に形成された凹部２１ｂの周縁部に配置されたシール材３５の外側面の一部（周縁部）が固体電解質膜４０で覆われている一方で、凹部２１ｂの中央部に配置されたインターコネクタ３０の外側面は固体電解質膜４０で覆われていない。
【００６３】
ここで、上記実施形態と比較するための従来例として、図１８に示すように、燃料極の外側面に形成された凹部の全体にインターコネクタが埋設（充填）される態様を考える。この場合、ガスシール性の低下の抑制のため、図１８に示すように、インターコネクタの外側面の周縁部が電解質膜で覆われる場合が多い。一般に、インターコネクタ（特に、ランタンクロマイトで構成されるインターコネクタ）は、上述した還元処理の際に膨張する性質を有する（還元膨張）。この還元膨張に起因して、インターコネクタの外側面の周縁部と電解質膜の内側面との界面において剥離が発生し、「ガスシール機能」の低下が発生し易いという問題があった。これに対し、上記実施形態では、上述のように、インターコネクタ３０の外側面上には緻密膜（固体電解質膜４０）が設けられていない。従って、上述したインターコネクタの還元膨張による剥離に起因する「ガスシール機能」の低下が発生しない。即ち、「ガスシール機能」の低下を確実に抑制し得る。
【００６４】
また、上記実施形態では、平板状の支持基板１０の上下面のそれぞれに、複数の発電素子部Ａが設けられている。これにより、支持基板の片側面のみに複数の発電素子部が設けられる場合に比して、構造体中における発電素子部の数を多くでき、燃料電池の発電出力を高めることができる。
【００６５】
また、上記実施形態では、固体電解質膜４０が平坦化されている。この結果、固体電解質膜４０に段差が形成される場合に比して、応力集中に起因する固体電解質膜４０でのクラックの発生が抑制され得、固体電解質膜４０が有するガスシール機能の低下が抑制され得る。
【００６６】
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、上記実施形態では、図７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。
【００６７】
また、上記実施形態においては、各凹部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の一部のみが各凹部１２に埋設され、インターコネクタ３０の残りの部分が凹部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。
【００６８】
また、上記実施形態では、図１７に示すように、直方体状のインターコネクタ３０の底面の全域が燃料極２０（集電部２１）と接触しているが、図１９に示すように、直方体状のインターコネクタ３０の底面における中央部が燃料極２０（集電部２１）と接触し、インターコネクタ３０の底面における前記中央部の周囲に位置する周縁部がシール材３５と接触するように構成されてもよい。また、図２０に示すように、シール材３５の底面における周縁部の一部がインターコネクタ３０と接触するように構成されてもよい。また、図２１に示すように、シール材３５及び固体電解質膜４０が同じ材質で構成されてもよい。加えて、図２２に示すように、シール材３５及び固体電解質膜４０が同じ材質で構成され、且つ、インターコネクタ３０の上面（外側面）と、シール材３５及び固体電解質膜４０の上面（外側面）とにより１つの平面が構成されてもよい。
【００６９】
また、上記実施形態において、凹部１２における底壁と側壁とのなす角度θが９０°になっているが、図２３に示すように、角度θが９０〜１３５°となっていてもよい。また、上記実施形態においては、図２４に示すように、凹部１２における底壁と側壁とが交差する部分が半径Ｒの円弧状になっていて、凹部１２の深さに対する半径Ｒの割合が０．０１〜１となっていてもよい。
【００７０】
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、図２５に示すように、支持基板１０の片側面のみに複数の凹部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。
【００７１】
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。加えて、上記実施形態においては、「内側電極」及び「外側電極」がそれぞれ燃料極及び空気極となっているが、逆であってもよい。
【符号の説明】
【００７２】
１０…支持基板、１１…燃料ガス流路、１２…凹部、２０…燃料極、２１…燃料極集電部、２１ａ、２１ｂ…凹部、２２…燃料極活性部、３０…インターコネクタ、３５…シール材、４０…固体電解質膜、５０…反応防止膜、６０…空気極、７０…空気極集電膜、Ａ…発電素子部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス流路が内部に形成された平板状の多孔質の支持基板と、
前記平板状の支持基板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、少なくとも内側電極、固体電解質、及び外側電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前記発電素子部の間にそれぞれ設けられ、隣り合う前記発電素子部の一方の内側電極と他方の外側電極とを電気的に接続する１つ又は複数の電気的接続部と、
を備えた燃料電池の構造体において、
前記各電気的接続部は、緻密な材料で構成された第１部分と、前記第１部分と接続され且つ多孔質の材料で構成された第２部分とで構成され、
前記平板状の支持基板の主面における前記複数の箇所に、前記支持基板の材料からなる底壁と全周に亘って前記支持基板の材料からなる周方向に閉じた側壁とを有する第１凹部がそれぞれ形成され、
前記各第１凹部に、対応する前記発電素子部の前記内側電極がそれぞれ埋設され、
前記埋設された各内側電極の外側面に、第２凹部がそれぞれ形成され、
前記各第２凹部に、対応する前記電気的接続部の前記第１部分、及び電気絶縁性を有する緻密な材料からなるシール材がそれぞれ埋設された、燃料電池の構造体。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池の構造体において、
前記各第２凹部は、前記内側電極の材料からなる底壁と、全周に亘って前記内側電極の材料からなる周方向に閉じた側壁とを有する、燃料電池の構造体。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池の構造体において、
前記各第２凹部において、
前記電気的接続部の第１部分が、前記第２凹部における中央部に埋設され、
前記シール材が、前記第２凹部における前記中央部の周囲に位置する周縁部にて、前記第２凹部の側壁の全周、及び、前記電気的接続部の第１部分の外周の側壁の全周と接触するように埋設された、燃料電池の構造体。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池の構造体において、
前記各第２凹部において、
前記電気的接続部の第１部分の底面における中央部が前記内側電極と接触し、前記電気的接続部の第１部分の底面における前記中央部の周囲に位置する周縁部が前記シール材と接触している、燃料電池の構造体。
【請求項５】
請求項３又は請求項４に記載の燃料電池の構造体において、
前記各第２凹部において、
前記シール材は、前記固体電解質とは異なる材料で構成され、
前記シール材の外側面の周縁部の全周が前記発電素子部から延設された前記固体電解質で覆われた、燃料電池の構造体。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池の構造体において、
前記各第２凹部において、
前記シール材と前記電気的接続部の第１部分とが接触し、
前記シール材と前記固体電解質とが接触し、
前記電気的接続部の第１部分と前記固体電解質とが接触しない、燃料電池の構造体。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６の何れか一項に記載の燃料電池の構造体において、
前記電気的接続部の第１部分は、
化学式Ｌａ１−ｘＡｘＣｒ１−ｙ−ｚＢｙＯ３（ただし、Ａ：Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａから選択される少なくとも１種類の元素、Ｂ：Ｃｏ，Ｎｉ，Ｍｇ，Ａｌから選択される少なくとも１種類の元素、０．０５≦ｘ≦０．２、０．０２≦ｙ≦０．２２、０≦ｚ≦０．０５）で表わされるランタンクロマイトで構成された、燃料電池の構造体。
【請求項１】
ガス流路が内部に形成された平板状の多孔質の支持基板と、
前記平板状の支持基板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、少なくとも内側電極、固体電解質、及び外側電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前記発電素子部の間にそれぞれ設けられ、隣り合う前記発電素子部の一方の内側電極と他方の外側電極とを電気的に接続する１つ又は複数の電気的接続部と、
を備えた燃料電池の構造体において、
前記各電気的接続部は、緻密な材料で構成された第１部分と、前記第１部分と接続され且つ多孔質の材料で構成された第２部分とで構成され、
前記平板状の支持基板の主面における前記複数の箇所に、前記支持基板の材料からなる底壁と全周に亘って前記支持基板の材料からなる周方向に閉じた側壁とを有する第１凹部がそれぞれ形成され、
前記各第１凹部に、対応する前記発電素子部の前記内側電極がそれぞれ埋設され、
前記埋設された各内側電極の外側面に、第２凹部がそれぞれ形成され、
前記各第２凹部に、対応する前記電気的接続部の前記第１部分、及び電気絶縁性を有する緻密な材料からなるシール材がそれぞれ埋設された、燃料電池の構造体。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池の構造体において、
前記各第２凹部は、前記内側電極の材料からなる底壁と、全周に亘って前記内側電極の材料からなる周方向に閉じた側壁とを有する、燃料電池の構造体。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池の構造体において、
前記各第２凹部において、
前記電気的接続部の第１部分が、前記第２凹部における中央部に埋設され、
前記シール材が、前記第２凹部における前記中央部の周囲に位置する周縁部にて、前記第２凹部の側壁の全周、及び、前記電気的接続部の第１部分の外周の側壁の全周と接触するように埋設された、燃料電池の構造体。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池の構造体において、
前記各第２凹部において、
前記電気的接続部の第１部分の底面における中央部が前記内側電極と接触し、前記電気的接続部の第１部分の底面における前記中央部の周囲に位置する周縁部が前記シール材と接触している、燃料電池の構造体。
【請求項５】
請求項３又は請求項４に記載の燃料電池の構造体において、
前記各第２凹部において、
前記シール材は、前記固体電解質とは異なる材料で構成され、
前記シール材の外側面の周縁部の全周が前記発電素子部から延設された前記固体電解質で覆われた、燃料電池の構造体。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池の構造体において、
前記各第２凹部において、
前記シール材と前記電気的接続部の第１部分とが接触し、
前記シール材と前記固体電解質とが接触し、
前記電気的接続部の第１部分と前記固体電解質とが接触しない、燃料電池の構造体。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６の何れか一項に記載の燃料電池の構造体において、
前記電気的接続部の第１部分は、
化学式Ｌａ１−ｘＡｘＣｒ１−ｙ−ｚＢｙＯ３（ただし、Ａ：Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａから選択される少なくとも１種類の元素、Ｂ：Ｃｏ，Ｎｉ，Ｍｇ，Ａｌから選択される少なくとも１種類の元素、０．０５≦ｘ≦０．２、０．０２≦ｙ≦０．２２、０≦ｚ≦０．０５）で表わされるランタンクロマイトで構成された、燃料電池の構造体。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【公開番号】特開２０１３−１１００９２（Ｐ２０１３−１１００９２Ａ）
【公開日】平成２５年６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１４２５６３（Ｐ２０１２−１４２５６３）
【出願日】平成２４年６月２６日（２０１２．６．２６）
【特許番号】特許第５１１６１８４号（Ｐ５１１６１８４）
【特許公報発行日】平成２５年１月９日（２０１３．１．９）
【出願人】（０００００４０６４）日本碍子株式会社 (2,325)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年６月２６日（２０１２．６．２６）
【特許番号】特許第５１１６１８４号（Ｐ５１１６１８４）
【特許公報発行日】平成２５年１月９日（２０１３．１．９）
【出願人】（０００００４０６４）日本碍子株式会社 (2,325)
【Ｆターム（参考）】
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