特許 5714738 燃料電池

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】5714738

(24)【登録日】2015年3月20日

(45)【発行日】2015年5月7日

(54)【発明の名称】燃料電池

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/02 20060101AFI20150416BHJP

   H01M 8/24 20060101ALI20150416BHJP

   H01M 8/12 20060101ALN20150416BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/02 Y

   H01M8/02 S

   H01M8/24 E

   !H01M8/12

【請求項の数】4

【全頁数】26

(21)【出願番号】特願2014-44066(P2014-44066)

(22)【出願日】2014年3月6日

【審査請求日】2014年12月15日

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000004064

【氏名又は名称】日本碍子株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000213

【氏名又は名称】特許業務法人プロスペック特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】古賀 功一

(72)【発明者】

【氏名】松野 雄多

(72)【発明者】

【氏名】大森 誠

【審査官】 小森 重樹

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１３−０９３１７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−０２９８３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１０１９０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１７９０４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−０２９８２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１１４０８２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／０２

Ｈ０１Ｍ ８／２４

Ｈ０１Ｍ ８／１２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ガス流路が内部に形成された支持基板と、
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、少なくとも遷移金属を含む燃料極、固体電解質膜、及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、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１つ又は複数の電気的接続部と、
前記ガス流路から前記燃料極に供給される燃料ガスと、前記空気極に供給される酸素を含むガスと、の混合を防止する緻密質材料からなるガスシール部と、
を備えた燃料電池であって、
前記各電気的接続部は、ランタンクロマイトを主成分とする緻密質材料からなる第１部分と、前記第１部分と接続され且つ多孔質材料からなる第２部分とで構成され、前記第１部分は、前記隣り合う発電素子部の一方の燃料極及び前記第２部分と電気的に接続され、前記第２部分は、前記隣り合う発電素子部の他方の空気極及び前記第１部分と電気的に接続され、
前記各電気的接続部の第１部分は、前記ガスシール部の一部であり、
前記各電気的接続部の第１部分は、外側面と、前記外側面と反対側の底面と、側面と、を備え、
前記各電気的接続部の第１部分の前記外側面が、対応する前記電気的接続部の第２部分と接触しており、
前記各電気的接続部の第１部分の前記底面と対応する前記燃料極との間に、ランタンクロマイトを主成分とし且つ前記電気的接続部の第１部分より気孔率が大きい材料からなる中間層が介装され、
前記各電気的接続部の第１部分における前記外側面からの距離が３μｍ以下の領域内の前記遷移金属の元素濃度が３ａｔｍ．％以下である、燃料電池。

【請求項2】

請求項１に記載の燃料電池において、
前記中間層の気孔率が１５〜５０％であり、且つ、前記中間層の厚さが３〜５０μｍである、燃料電池。

【請求項3】

請求項１又は請求項２に記載の燃料電池において、
前記ガスシール部は、前記発電素子部の一部としての緻密質材料からなる前記固体電解質膜と、前記固体電解質膜と接続されるとともに前記固体電解質膜と同じ又は異なる緻密質材料からなる第１シール部と、前記第１シール部と接続されるとともに前記第１シール部とは異なる緻密質材料からなる第２シール部と、前記第２シール部と接続された前記電気的接続部の第１部分と、を含み、前記第１シール部と前記電気的接続部の第１部分とは接触しないように構成された、燃料電池。

【請求項4】

請求項３に記載の燃料電池において、
前記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、前記支持基板の材料からなる側壁と、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燃料極がそれぞれ埋設され、
前記埋設された各燃料極の外側面に、前記燃料極の材料からなる底壁と、前記燃料極の材料からなる側壁と、を有する第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、対応する前記第２シール部がそれぞれ埋設され、
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、
前記第２シール部が、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凹部の前記側壁の全周、及び、前記電気的接続部の第１部分の前記側面の全周と接触するように埋設され、
前記電気的接続部の第１部分の前記底面における中央部が、前記中間層を介して前記燃料極と接続され、前記電気的接続部の第１部分の前記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第２シール部と接触しており、
前記第２シール部の外側面の周縁部の全周が前記第１シール部で覆われた、燃料電池。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃料電池に関する。

【背景技術】

【0002】

従来より、「ガス流路が内部に形成された支持基板」と、「前記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、少なくとも遷移金属（典型的には、ニッケル）を含む燃料極、固体電解質膜、及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、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１つ又は複数の電気的接続部」と、前記ガス流路から前記燃料極に供給される燃料ガスと、前記空気極に供給される酸素を含むガスと、の混合を防止する緻密質材料からなるガスシール部と、を備えた燃料電池が広く知られている（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。

【0003】

上記文献に記載の燃料電池では、前記各電気的接続部は、ランタンクロマイトを主成分とする緻密質材料からなる第１部分（インターコネクタ）と、前記第１部分と接続され且つ多孔質材料からなる第２部分（空気極集電膜）と、で構成されている。前記各インターコネクタは、前記隣り合う発電素子部の一方の燃料極と前記空気極集電膜とに接続され、前記各空気極集電膜は、前記隣り合う発電素子部の他方の空気極と前記インターコネクタとに接続されている。前記各インターコネクタは、前記ガスシール部の一部である。

【0004】

前記各インターコネクタは、外側面と、前記外側面と反対側の底面と、側面と、を備えている。前記各インターコネクタの前記外側面は、対応する前記空気極集電膜と接触しており、前記各インターコネクタの前記底面は、対応する前記燃料極と接触している。前記各インターコネクタの前記側面は、前記ガスシール部の一部を構成する緻密質材料からなるシール部と接触している。

【0005】

上述した燃料電池の各構成部材は、通常、酸化雰囲気での焼成により形成される。このため、上記焼成後の状態では、燃料極中のニッケル（Ｎｉ）が酸化ニッケル（ＮｉＯ）となっており、燃料極の導電性が低下している。従って、燃料極の導電性を獲得するため、通常、上記焼成後にて、８００〜１０００℃で１〜１０時間に亘って支持基板側から還元性の燃料ガスを流して燃料極中のＮｉＯをＮｉに還元する処理（還元処理）がなされる。

【0006】

ところで、上記焼成時、燃料極内のＮｉＯが、拡散によって、前記インターコネクタの底面を介して前記インターコネクタ内に進入する現象が発生し得る。このように前記インターコネクタ内にＮｉＯが進入すると、前記インターコネクタを構成する主成分であるランタンクロマイトの焼結性が低下し易く（緻密化が不十分となり易く）なる（以下、「第１の原因」と呼ぶ）。この結果、この第１の原因によって、上記焼成後において、前記インターコネクタの（＝前記ガスシール部の一部）のガスシール性が低下し易くなる。

【0007】

加えて、上記焼成時にて、上述のように前記インターコネクタ内にＮｉＯが進入した状態で、上記還元処理が行われると（更には、上記還元処理後にて燃料電池が稼働されると）、前記インターコネクタ内のＮｉＯがＮｉに還元される。係るＮｉＯからＮｉへの変化に伴い、緻密質材料からなる前記インターコネクタの内部にて、除かれた酸素（Ｏ）の体積分に相当する空間が形成される。

【0008】

従って、前記インターコネクタ内にＮｉＯが進入する度合が大きいと、前記インターコネクタ内に形成される前記空間の総体積が大きくなる（以下、「第２の原因」と呼ぶ）。この結果、この第２の原因によって、上記焼成後、且つ、上記還元処理後において、前記インターコネクタ（＝前記ガスシール部の一部）のガスシール性が低下し易くなる。

【0009】

特に、前記インターコネクタの底面を介して前記インターコネクタ内に進入したＮｉＯが、前記インターコネクタ内における前記インターコネクタの外側面まで達する場合、前記インターコネクタ内にて底面から外側面までに亘って前記空間が形成される。このため、前記インターコネクタのガスシール性が特に低下し易い。以上、「上記焼成時における拡散による燃料極中のＮｉＯのインターコネクタ内への進入に起因して（従って、上記第１、第２の原因によって）、インターコネクタのガスシール性が低下する事態」の発生頻度を低減することが望まれてきたところである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0010】

【特許文献1】特許第５４１７５４８号公報

【発明の概要】

【0011】

本発明の目的は、横縞型の燃料電池であって、「焼成時における拡散による燃料極中のＮｉＯのインターコネクタ内への進入に起因して、インターコネクタのガスシール性が低下する事態」の発生頻度が低減され得るものを提供することにある。

【0012】

本発明に係る燃料電池は、上記文献に記載のものと同様の、支持基板と、複数の発電素子部と、１つ又は複数の電気的接続部とを備える。加えて、本発明に係る燃料電池では、上記文献に記載のものと同様、前記各電気的接続部の第１部分が、前記ガスシール部の一部であり、前記各電気的接続部の第１部分は、外側面と、前記外側面と反対側の底面と、側面と、を備え、前記各電気的接続部の第１部分の前記外側面（又は、前記外側面及び前記側面）が、対応する前記電気的接続部の第２部分と接触している。

【0013】

本発明に係る燃料電池の特徴は、前記各電気的接続部の第１部分の前記底面が、「ランタンクロマイトを主成分とし且つ前記電気的接続部の第１部分より気孔率が大きい材料からなる中間層」を介して、対応する前記燃料極と接続されたことにある。換言すれば、前記各電気的接続部の第１部分の前記外側面、前記側面、及び前記底面のうち前記底面のみが、前記中間層を介して前記燃料極と接続されている。

【0014】

上記構成によれば、上記文献に記載の構成（前記電気的接続部の第１部分の底面が、前記燃料極に直接接触する構成）と異なり、前記電気的接続部の第１部分の底面が、前記中間層を介して前記燃料極に接続される。ここで、一般に、或る物体の内部を拡散により或る物質が移動する際、物質は、物体内の気孔の内壁に沿って移動する傾向がある。従って、物体の気孔率が大きいと、物質の移動経路が曲がりくねり易く、従って、その移動経路が長くなる。換言すれば、物体の気孔率が大きいほど、物質が移動し難くなる（物質が拡散し難くなる）。

【0015】

上記構成は、係る知見に基づく。上記構成によれば、燃料極中のＮｉＯが前記電気的接続部の第１部分の底面を介して前記インターコネクタ内に進入するためには、ＮｉＯが、気孔率が大きい前記中間層の内部を通過する必要がある。従って、上記文献に記載の構成と比べて、燃料極中のＮｉＯが前記インターコネクタ内に進入し難くなる。この結果、上記第１、第２の原因によって「電気的接続部の第１部分のガスシール性が低下する事態」の発生頻度を低減することができる。

【0016】

加えて、上記構成によれば、前記電気的接続部の第１部分を構成する材料の主成分（＝ランタンクロマイト）と、前記中間層を構成する材料の主成分（＝ランタンクロマイト）とが共通している。従って、前記電気的接続部の第１部分と前記中間層との界面にて「望まれない反応」が生じ難い。この結果、「望まれない反応」に起因する燃料電池の発電効率の低下等の問題が発生し難い。ここで、「主成分」とは、その物体を構成する材料において占める割合（質量割合）が８０％以上の成分を指す。なお、ここにいう「ランタンクロマイト」とは、後述するように、化学式ＬａＣｒＯ_３で表される物質に対して、Ｃａ、Ｍｇ、Ｓｒ等の元素が含まれたものを指す。

【0017】

更には、ランタンクロマイトは、酸化雰囲気でも還元雰囲気でも安定する材料である。前記電気的接続部の第１部分、及び、前記中間層は、酸化雰囲気と還元雰囲気の何れにも曝され得る。従って、上記構成によれば、前記電気的接続部の第１部分、及び、前記中間層は、酸化雰囲気と還元雰囲気の何れにおいても安定して存在し得る。

【0018】

本発明者は、中間層の気孔率が１５〜５０％であり、且つ、前記中間層の厚さが３〜５０μｍである場合、そうでない場合と比べて、上記焼成後、且つ、上記還元処理後において、前記電気的接続部の第１部分のガスシール性が良好に維持され得る、ことを見出した。

【0019】

更に、本発明者は、前記各電気的接続部の第１部分における前記外側面からの距離が３μｍ以下の領域内の前記遷移金属（典型的には、Ｎｉ）の元素濃度が３％以下であると、そうでない場合と比べて、耐久試験を行った後においてもなお、前記電気的接続部の第１部分のガスシール性が低下し難くなる、ことも見出した。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】本発明に係る燃料電池を示す斜視図である。

【図2】図１に示す燃料電池の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、及びシール部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に示す燃料電池の製造過程における第１０段階における図２に対応する断面図である。

【図18】比較例に係る燃料電池における、インターコネクタの周りの拡大図である。

【図19】図１８に示した比較例において、燃料極集電部内のＮｉＯが拡散によってインターコネクタ内に進入する様子を説明するための図である。

【図20】図１に示す本実施形態における、インターコネクタの周りの拡大図である。

【図21】図２０に示した本実施形態において、燃料極集電部内のＮｉＯが拡散によってインターコネクタ内に進入する様子を説明するための図である。

【図22】インターコネクタ内の厚さ方向におけるＮｉ濃度の分布を、図１８に示した比較例と、図２０に示した本実施形態とで比較しながら示したグラフである。

【図23】図１に示す本実施形態における「インターコネクタ内におけるインターコネクタの外側面からの距離が３μｍ以下の領域」を説明するための図である。

【図24】図１に示す燃料電池における「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25】本発明に係る燃料電池の第１変形例の図２４に対応する断面図である。

【図26】本発明に係る燃料電池の第２変形例の図２４に対応する断面図である。

【図27】本発明に係る燃料電池の第３変形例の図２４に対応する断面図である。

【図28】本発明に係る燃料電池の第４変形例の図２４に対応する断面図である。

【図29】本発明に係る燃料電池の第５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】

【0021】

（構成）
図１は、本発明に係る固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）の実施形態（以下、「本実施形態」と呼ぶこともある）を示す。本実施形態は、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。

【0022】

本実施形態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。本実施形態の全体は、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、本実施形態の図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、本実施形態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。

【0023】

支持基板１０は、電子伝導性を有さない多孔質材料からなる平板状の焼成体である。後述する図７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。

【0024】

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Ｙ_２Ｏ_３（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ＭｇＡｌ_２Ｏ_４（マグネシアアルミナスピネル）とから構成されてもよい。

【0025】

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。

【0026】

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、「ＭｇＡｌ_２Ｏ_４（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）、Ｙ_２Ｏ_３（イットリア）が使用されてもよい。

【0027】

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。

【0028】

支持基板１０の厚さは、１〜５ｍｍである。支持基板１０の気孔率は、後述する「還元処理」の後において２０〜６０％である。なお、以下、他の部材の気孔率の値も、還元処理後の値である。なお、気孔率の測定は，樹脂埋めしたサンプル（還元処理後）の断面を研磨し、同断面についてのＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）による画像（２次電子像）を解析することによって行われた。ＳＥＭの加速電圧は５ｋＶ、ＳＥＭの倍率は５０００倍、又は７５００倍に設定された。気孔率の測定は、サンプルの任意の１０箇所の断面について行われ、それらの平均値が気孔率の値として採用された。

【0029】

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。

【0030】

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。

【0031】

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。

【0032】

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Ｙ_２Ｏ_３（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。燃料極集電部２１の気孔率は、２５〜５０％であり、燃料極活性部２２の気孔率も、２５〜５０％である。

【0033】

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。

【0034】

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。

【0035】

各凹部２１ｂには、インターコネクタ３０、シール部３５（前記「第２シール部」に対応）、及び、中間層３８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、「中間層３８の上にインターコネクタ３０が積層された積層体」が、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、及び、各中間層３８は、それぞれ、長手方向に沿う２つの側壁（側面）と幅方向に沿う２つの側壁（側面）とを有する（薄い）直方体状を呈している。

【0036】

各シール部３５は、凹部２１ｂにおける「インターコネクタ３０及び中間層３８からなる積層体」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、前記積層体の側壁（外壁）の全周と接触するように埋設（充填）されている。即ち、各シール部３５は四角の枠状を呈している。

【0037】

このように、各インターコネクタ３０の底面は、中間層３８と接触している。換言すれば、各インターコネクタ３０の底面は、中間層３８を介して燃料極集電部２１と接続されている。各インターコネクタ３０の側面は、シール部３５と接触している。なお、各インターコネクタ３５の外側面（上面）は、後述する空気極集電膜７０と接触している。

【0038】

インターコネクタ３０は、電子伝導性を有する緻密質材料からなる焼成体である。インターコネクタ３０は、ランタンクロマイトを主成分とする材料から構成される。ランタンクロマイトの化学式は、Ｌａ_１−ｘＡ_ｘＣｒ_{１−ｙ−ｚ}Ｂ_ｙＯ_３（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が主成分である」とは、インターコネクタ３０を構成する材料においてランタンクロマイトが占める割合（質量割合）が８０％以上であることを指す（後述する中間層３８についても同様）。インターコネクタ３０の気孔率は、１０％以下である。インターコネクタ３０の厚さは、１０〜１００μｍである。

【0039】

シール部３５は、電気絶縁性を有する緻密質材料からなる焼成体である。シール部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)ＺｒＯ_３、ＭｇＯ、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４、及びＣｅ_ｘＬｎ_１−ｘＯ_２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、Ｍｎ_３Ｏ_４、Ｆｅ_２Ｏ_３、Ｃｒ_２Ｏ_３、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)ＺｒＯ_３、ＭｇＯ、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４、及びＣｅ_ｘＬｎ_１−ｘＯ_２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。シール部３５の厚さは、１０〜１００μｍである。シール部３５の気孔率は、１０％以下である。

【0040】

中間層３８は、電子伝導性を有する多孔質材料からなる焼成体である。中間層３８は、インターコネクタ３０と同様、ランタンクロマイトを主成分とする材料から構成される。ランタンクロマイトの化学式は、Ｌａ_１−ｘＡ_ｘＣｒ_{１−ｙ−ｚ}Ｂ_ｙＯ_３（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。中間層３８の気孔率は、インターコネクタ３０の気孔率より大きく、１５〜５０％である。中間層３８の厚さは、３〜５０μｍである。

【0041】

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、シール部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の上面とシール部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。

【0042】

燃料極２０、インターコネクタ３０、シール部３５、及び中間層３８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部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、シール部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、シール部３５とインターコネクタ３０とが接触し、シール部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。

【0043】

固体電解質膜４０は、イオン伝導性を有する緻密質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。固体電解質膜４０の気孔率は、１０％以下である。

【0044】

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とシール部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。

【0045】

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。

【0046】

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、緻密質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。

【0047】

反応防止膜５０は、例えば、ＧＤＣ＝（Ｃｅ，Ｇｄ）Ｏ_２（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）Ｏ_３（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）ＦｅＯ_３（ランタンストロンチウムフェライト）、ＬＮＦ＝Ｌａ（Ｎｉ，Ｆｅ）Ｏ_３（ランタンニッケルフェライト）、ＬＳＣ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３（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。

【0048】

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。

【0049】

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。

【0050】

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とを繋ぐように、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。

【0051】

空気極集電膜７０は、例えば、ＬＳＣＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ_３（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）ＣｏＯ_３（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。空気極集電膜７０の気孔率は、２０〜６０％である。

【0052】

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」に対応し、緻密質材料からなるインターコネクタ３０が前記「電気的接続部の第１部分」に対応し、多孔質材料からなる空気極集電膜７０が前記「電気的接続部の第２部分」に対応する。

【0053】

また、緻密質材料からなる「インターコネクタ３０、シール部３５、及び、固体電解質膜４０」が前記「ガスシール部」に対応する。ここで、固体電解質膜４０における「燃料極活性部２２と空気極６０とに挟まれた部分」が、前記「発電素子部の一部としての固体電解質膜」に対応し、固体電解質膜４０における「その他の部分」が、前記「第１シール部」に対応する。また、シール部３５が、前記「第２シール部」に対応する。なお、本願では、「緻密質材料」とは、ガスシール機能を有する程度に小さい気孔率を有する材料を指し、典型的には、その材料の気孔率が１０％以下である。

【0054】

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）・Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２− （於：空気極６０） …（１）
Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ （於：燃料極２０） …（２）

【0055】

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。

【0056】

（製造方法）
次に、本実施形態の製造方法の一例について図７〜図１７を参照しながら簡単に説明する。図７〜図１７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。

【0057】

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１７を参照しながら説明を続ける。

【0058】

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。

【0059】

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底面の中央部に、直方体状の中間膜の成形体３８ｇがそれぞれ埋設・形成される。各中間膜の成形体３８ｇは、例えば、中間膜３８の材料（ＬａＣｒＯ_３）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。

【0060】

次に、図１２に示すように、各凹部の成形体３８ｇの上面に、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（ＬａＣｒＯ_３）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。

【0061】

次いで、図１３に示すように、前記各凹部の「成形体３０ｇ及び成形体３８ｇからなる積層体」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、シール部３５の材料（例えば、ＭｇＯ、或いは、ＭｇＯとＣａＺｒＯ_３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。

【0062】

次に、図１４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、３８ｇ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。

【0063】

次に、図１５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。

【0064】

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、本実施形態において空気極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。

【0065】

次に、図１６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。

【0066】

次に、図１７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とを繋ぐように、空気極の成形膜６０ｇ、固体電解質膜４０、インターコネクタ３０、及びシール部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。

【0067】

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、酸化雰囲気（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（集電部２１及び活性部２２）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、本実施形態の製造方法の一例について説明した。

【0068】

（作用・効果）
以下、本実施形態の作用・効果を説明するための準備として、図１８に示す比較例について述べる。この比較例は、「インターコネクタ３０の底面が燃料極集電部２１と直接接触している」点のみにおいて、「インターコネクタ３０の底面が中間層３８を介して燃料極集電部２１と接続している」本実施形態と異なる。

【0069】

上述したように、ＳＯＦＣの製造過程では、酸化雰囲気での焼成がなされる。この比較例では、インターコネクタ３０の底面が燃料極集電部２１と直接接触しているので、図１９に示すように、燃料極２０及びインターコネクタ３０の共焼成時、燃料極集電部２１内のＮｉＯが拡散によって、インターコネクタ３０の底面を介してインターコネクタ３０内に進入し易い。インターコネクタ３０内にＮｉＯが進入すると、インターコネクタ３０を構成する主成分であるランタンクロマイトの焼結性が低下し易く（緻密化が不十分となり易く）なる（上記「第１の原因」）。この結果、この「第１の原因」によって、上記焼成後において、インターコネクタ３０（＝前記「ガスシール部」の一部）のガスシール性が低下し易くなる。

【0070】

加えて、上記焼成時にて、上述のように、インターコネクタ３０内にＮｉＯが進入した状態で、上記還元処理が行われると（更には、上記還元処理後にてＳＯＦＣが稼働されると）、インターコネクタ３０内のＮｉＯがＮｉに還元される。係るＮｉＯからＮｉへの変化に伴い、緻密質材料からなるインターコネクタ３０の内部にて、除かれた酸素（Ｏ）の体積分に相当する空間が形成される。

【0071】

従って、比較例では、インターコネクタ３０内にＮｉＯが進入する度合が大きくなり易く、従って、インターコネクタ３０内に形成される前記空間の総体積が大きくなり易い（上記「第２の原因」）。この結果、この「第２の原因」によって、上記焼成後、且つ、上記還元処理後において、インターコネクタ３０（＝前記「ガスシール部」の一部）のガスシール性が低下し易くなる。

【0072】

特に、インターコネクタ３０の底面を介してインターコネクタ３０内に進入したＮｉＯが、インターコネクタ３０内におけるインターコネクタ３０の外側面（上面）まで達する場合、インターコネクタ３０内にて底面から外側面までに亘って前記空間が形成される。このため、インターコネクタ３０のガスシール性が特に低下し易い。

【0073】

これに対し、本実施形態では、図２０に示すように、インターコネクタ３０の底面が、中間層３８を介して燃料極集電部２１に接続される。上述のように、中間層３８の気孔率は、インターコネクタ３０の気孔率より大きい。ここで、一般に、或る物体の内部を拡散により或る物質が移動する際、物質は、物体内の気孔の内壁に沿って移動する傾向がある。従って、図２１に示すように、気孔率が大きい中間層３８の内部を拡散によりＮｉＯが移動する場合、ＮｉＯの移動経路が曲がりくねり易く、従って、その移動経路が長くなる。換言すれば、ＮｉＯは拡散により、中間層３８の内部を通過し難い。

【0074】

本実施形態では、燃料極集電部２１中のＮｉＯがインターコネクタ３０の底面を介してインターコネクタ３０内に進入するためには、ＮｉＯが、気孔率が大きい中間層３８の内部を通過する必要がある。従って、比較例と比べて、燃料極集電部２１中のＮｉＯがインターコネクタ３０内に進入し難くなる。以下、この効果を「中間層３８によるＮｉＯの進入抑制効果」と呼ぶ。

【0075】

図２２は、本実施形態について、インターコネクタ３０内の厚さ方向におけるＮｉ元素濃度の分布を測定した結果の一例を示す。Ｎｉ元素濃度の測定は、ＥＰＭＡ（Electron Probe Micro Analyser）を用いてサンプルの断面についてのＮｉの含有量を、インターコネクタ３０の外側面側から底面側に向けて順次（図２０、及び図２２の矢印を参照）、測定・定量化することによってなされた。

【0076】

本実施形態では、「中間層３８によるＮｉＯの進入抑制効果」が発揮されることによって、比較例と比べて、インターコネクタ３０内にＮｉＯが進入する度合が小さくなる。この結果、本実施形態では、比較例と比べて、上記「第１、第２の原因」によって「インターコネクタ３０のガスシール性が低下する事態」の発生頻度が低くなる。

【0077】

加えて、本実施形態によれば、インターコネクタ３０を構成する材料の主成分（＝ランタンクロマイト）と、中間層３８を構成する材料の主成分（＝ランタンクロマイト）とが共通している。従って、インターコネクタ３０と中間層３８との界面にて「望まれない反応」が生じ難い。この結果、「望まれない反応」に起因するＳＯＦＣの発電効率の低下等の問題が発生し難い。

【0078】

更には、ランタンクロマイトは、酸化雰囲気でも還元雰囲気でも安定する材料である。インターコネクタ３０、及び、中間層３８は、酸化雰囲気と還元雰囲気の何れにも曝され得る。従って、本実施形態によれば、インターコネクタ３０、及び、中間層３８は、酸化雰囲気と還元雰囲気の何れにおいても安定して存在し得る。

【0079】

（中間層の気孔率及び厚さの適正範囲）
本発明者は、上記実施形態に係るＳＯＦＣにおいて、インターコネクタ３０のガスシール性の低下度合いが、中間層３８の気孔率及び厚さと強い相関があることを見出した。以下、このことを確認した試験Ａについて説明する。

【0080】

＜試験Ａ＞
この試験Ａでは、本実施形態について、インターコネクタ３０の気孔率、中間層３８の気孔率、及び、中間層３８の厚さの組み合わせが異なる複数のサンプルが作製された。具体的には、表１に示すように、８種類の水準（組み合わせ）が準備された。各水準に対して１０個のサンプル（Ｎ＝１０）が作製された。各サンプルについて、「インターコネクタ３０（緻密質材料）と中間層３８（多孔質材料）との界面」は、「サンプルの断面についての解析結果に基づいて得られる、前記断面において厚さ方向にて気孔率が大きく変化する位置」と定義された。中間層３８の厚さとしては、前記断面の任意の１０箇所でそれぞれ測定された、「インターコネクタ３０と中間層３８との界面」と「中間層３８と燃料極集電部２１との界面」との距離、の平均値が採用された。

【0081】

【表1】

【0082】

各サンプル（図１に示すＳＯＦＣ）にて、中間層３８は、インターコネクタ３０の底面の全域に亘って、インターコネクタ３０と燃料極集電部２１との間に介装された。各サンプルは、上述した「本実施形態の製造方法の一例」と同じ方法を用いて作製された。各サンプルについて、燃料極集電部２１の材料としては、ＮｉＯ/Ｎｉ-ＹＳＺ、ＮｉＯ/Ｎｉ-ＣＳＺ、ＮｉＯ/Ｎｉ-Ｙ_２Ｏ_３等が使用された。インターコネクタ３０、及び、中間層３８の材料としては、ランタンクロマイト（Ｌａ_１−ｘＡ_ｘＣｒ_{１−ｙ−ｚ}Ｂ_ｙＯ_３（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。）が使用された。インターコネクタ３０の厚さは３０μｍで一定とされた。燃料極２０及びインターコネクタ３０の共焼成時について、焼成時間は１〜２０時間であり、焼成温度は１３５０〜１５００℃であった。インターコネクタ３０、及び中間層３８のそれぞれの気孔率の調整は、対応する成形体の作製に使用されるスラリー内に含まれる造孔材の量及び径を調整すること等によってなされた。

【0083】

この試験Ａでは、上記還元処理後の段階における各サンプル（本実施形態に係るＳＯＦＣ）について、温度が７５０℃の条件下にて、ＳＯＦＣの実開回路電圧が測定された。そして、インターコネクタ３０のガスシール性の評価指標として、「実開回路電圧の理論開回路電圧からの差」が採用された。一般に、理論開回路電圧は、「ＳＯＦＣの温度」、並びに、「ＳＯＦＣの燃料極側及び空気極側の間の酸素分圧差」に基づいて、一義的に決定される。一方、インターコネクタ３０のガスシール性が低くなるほど、ＳＯＦＣの燃料極側及び空気極側の間の酸素分圧差が理想値（ガスシール性が完全な場合での値）から小さくなることによって、実開回路電圧が理論開回路電圧から低下していく。即ち、「実開回路電圧の理論開回路電圧からの差」が小さい（大きい）ことは、インターコネクタ３０のガスシール性が良い（悪い）ことを意味する。各サンプルについて、ＳＯＦＣの「実開回路電圧の理論開回路電圧からの差」の結果は、表１に示すとおりである。

【0084】

表１から理解できるように、中間層３８が設けられる場合（水準２〜８を参照）、中間層３８が設けられない場合（水準１）と比較して、「実開回路電圧の理論開回路電圧からの差」が小さい。即ち、インターコネクタ３０のガスシール性が良くなる。これは、上述した「中間層３８によるＮｉＯの進入抑制効果」が発揮されたことに基づく、と考えられる。

【0085】

加えて、表１から理解できるように、中間層３８が設けられる場合において、特に、中間層３８の気孔率が１５〜５０％、且つ、中間層３８の厚さが３〜５０μｍの場合、そうでない場合と比べて、「実開回路電圧の理論開回路電圧からの差」がより一層小さくなる。即ち、インターコネクタ３０のガスシール性がより一層良くなる。このように、インターコネクタ３０のガスシール性に関して、中間層３８の気孔率及び厚さに適正な範囲があるのは以下の理由に基づく、と考えられる。即ち、中間層３８の厚さが小さ過ぎる、又は、中間層３８の気孔率が小さ過ぎると、上述した「中間層３８によるＮｉＯの進入抑制効果」そのものが発揮され難くなる。この結果、燃料極集電部２１中のＮｉＯがインターコネクタ３０内に進入し易くなり、上記「第１、第２の原因」によって「インターコネクタ３０のガスシール性が低下する事態」が発生し易くなる。一方、中間層３８の厚さが大き過ぎる、又は、中間層３８の気孔率が大き過ぎると、インターコネクタ３０を構成する主成分であるランタンクロマイトの焼結性が阻害され易くなる。この結果、「インターコネクタ３０のガスシール性が低下する事態」が発生し易くなる。

【0086】

以上より、中間層３８の気孔率が１５〜５０％であり、且つ、中間層３８の厚さが３〜５０μｍであると、そうでない場合と比べて、上記焼成後、且つ、上記還元処理後において、インターコネクタ３０のガスシール性がより一層良くなる、ということができる。

【0087】

（インターコネクタ内のＮｉ元素濃度の適正範囲）
本発明者は、中間層３８の気孔率が１５〜５０％であり、且つ、中間層３８の厚さが３〜５０μｍである場合であっても、本実施形態に対して耐久試験を実施すると、インターコネクタ３０のガスシール性がなおも低下し得ること、そして、係るインターコネクタ３０のガスシール性の低下が、インターコネクタ３０における「外側面（上面）からの距離が３μｍ以下の領域」（図２３を参照、以下、「外側面近傍領域」と呼ぶ）内のＮｉ元素濃度と強い相関があることを見出した。以下、このことを確認した試験Ｂについて説明する。

【0088】

＜試験Ｂ＞
この試験Ｂでは、本実施形態について、中間層３８の気孔率、中間層３８の厚さ、及び、インターコネクタ３０の外側面近傍領域内のＮｉ元素濃度の組み合わせが異なる複数のサンプルが作製された。具体的には、表２に示すように、６種類の水準（組み合わせ）が準備された。各水準に対して１０個のサンプル（Ｎ＝１０）が作製された。

【0089】

【表2】

【0090】

各サンプル（図１に示すＳＯＦＣ）は、試験Ａと同様、上述した「本実施形態の製造方法の一例」と同じ方法を用いて作製された。各サンプルについて、中間層３８の気孔率及び厚さ以外の各構成部材の諸元、材質等について、試験Ｂと同様とされた。中間層３８の気孔率は、インターコネクタ３０の気孔率より大きい。インターコネクタ３０の外側面近傍領域内のＮｉ元素濃度の測定は、ＥＰＭＡ（Electron Probe Micro Analyser）を用いて、サンプルの断面における「インターコネクタ３０の外側面近傍領域」についてのＮｉの含有量を測定・定量化することによってなされた。インターコネクタ３０の外側面近傍領域内のＮｉ元素濃度の調整は、燃料極２０及びインターコネクタ３０の共焼成時における焼成時間、及び、焼成温度を調整することによってなされた。焼成時間が長くなるにつれて、且つ、焼成温度が高くなるにつれて、燃料極集電部２１からのＮｉＯの拡散の度合が大きくなることに起因して、インターコネクタ３０の外側面近傍領域内のＮｉ元素濃度が高くなる。表２に示すように、試験Ｂでは、中間層３８の気孔率は１５〜５０％の範囲内に調整され、中間層３８の厚さは３〜５０μｍの範囲内に調整された。

【0091】

この試験Ｂでは、上記還元処理後の各サンプルについて、前記耐久試験として、７５０℃、３０００時間に亘ってＳＯＦＣが連続的に稼働された。そして、この耐久試験後の段階にて、ＳＯＦＣの実開回路電圧が測定された。各サンプルについて、ＳＯＦＣの「実開回路電圧の理論開回路電圧からの差」の結果は、表２に示すとおりである。

【0092】

表２から理解できるように、インターコネクタ３０の外側面近傍領域内のＮｉ元素濃度が３ａｔｍ．％より大きい場合、そうでない場合と比べて、前記耐久試験後において、「実開回路電圧の理論開回路電圧からの差」が大きくなる。即ち、インターコネクタ３０のガスシール性が低下する。これは、以下の理由に基づく、と考えられる。

【0093】

即ち、上記「第２の原因」に関し、上述した「上記還元処理の際、或いは、上記還元処理後のＳＯＦＣの稼働中にて、インターコネクタ３０内のＮｉＯがＮｉに還元される現象」の進行速度は、実際には非常に遅い。従って、上記還元処理後に行われる前記耐久試験中においても、インターコネクタ３０内にてＮｉＯがＮｉに還元される現象が徐々に進行していく。この結果、前記耐久試験中において、インターコネクタ３０の内部にて、ＮｉＯからＮｉへの変化に伴って除かれた酸素（Ｏ）の体積分に相当する空間の総体積が徐々に大きくなっていく（前記空間が成長していく）。従って、上記焼成時においてＮｉＯがインターコネクタ３０の底面から外側面近傍領域までに亘って進入しているような場合（即ち、前記外側面近傍領域内のＮｉ元素濃度が大きい場合）、前記耐久試験中において、ＮｉＯの還元の進行に伴ってインターコネクタ３０内にて成長していく前記空間が、インターコネクタ３０の底面から外側面までに亘って繋がり易くなる。このため、前記外側面近傍領域内のＮｉ元素濃度が大きいと、前記耐久試験後において、インターコネクタ３０のガスシール性が低下し易い、と考えられる。

【0094】

以上より、中間層３８の気孔率が１５〜５０％であり、且つ、中間層３８の厚さが３〜５０μｍである場合において、インターコネクタ３０の外側面近傍領域内のＮｉ元素濃度が３ａｔｍ．％以下であると、前記耐久試験後においてもなお、インターコネクタ３０のガスシール性が低下し難い、ということができる。

【0095】

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２４に示すように、燃料極集電部２１の外側面に形成された凹部２１ｂ内に、インターコネクタ３０、シール部３５、及び、中間層３８が埋設され、インターコネクタ３０の底面の全域が中間層３８と接触しているが、図２５に示すように、インターコネクタ３０の底面における中央部が中間層３８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部３５と接触するように構成されてもよい。

【0096】

また、図２５に示す構成において、固体電解質膜４０における「シール部３５（前記「第２シール部」に対応）の外側面の周縁部の全周を覆う部分」は、固体電解質膜４０に代えて、固体電解質膜４０とは構成材料が異なる緻密膜３７（前記「第１シール部」に対応）で構成されてもよい。緻密膜３７は、例えば、ＧＤＣ＝（Ｃｅ，Ｇｄ）Ｏ_２（ガドリニウムドープセリア）で構成され得る。

【0097】

この場合、前記「ガスシール部」における燃料極集電部２１の外側面を覆う部分では、前記「ガスシール部」は、前記発電素子部の一部としての固体電解質膜４０と、固体電解質膜４０と接続されるとともに固体電解質膜４０とは異なる構成材料からなる緻密膜３７（前記「第１シール部」に対応）と、緻密膜３７と接続されるとともに緻密膜３７とは異なる緻密な構成材料からなるシール部３５（前記「第２シール部」に対応）と、シール部３５と接続されたインターコネクタ３０と、から構成される。この場合、緻密膜３７とインターコネクタ３０とが接触せず、且つ、固体電解質膜４０とシール部３５とが接触しない。

【0098】

また、図２５に示す構成では、燃料極集電部２１の外側面に形成された凹部２１ｂにシール部３５、中間層３８、及びインターコネクタ３０が埋設されているが、図２６に示すように、凹部２１ｂに、シール部３５、及び中間層３８のみが埋設されていてもよい。或いは、図２７に示すように、燃料極集電部２１の外側面に凹部２１ｂが形成されず、インターコネクタ３０、シール部３５、及び、中間層３８が支持基板１０の主面上に形成されてもよい。

【0099】

図２５に示す構成と同様、図２６、及び図２７に示す構成でも、前記「ガスシール部」における燃料極２０（集電部２１）の外側面を覆う部分では、前記「ガスシール部」は、「前記発電素子部の一部としての固体電解質膜４０」と、「固体電解質膜４０と接続されるとともに固体電解質膜４０と同じ構成材料からなる緻密膜４０又は異なる構成材料からなる緻密膜３７」（前記「第１シール部」に対応）と、「緻密膜４０又は３７と接続されるとともに緻密膜４０又は３７とは異なる緻密な構成材料からなるシール部３５」（前記「第２シール部」に対応）と、「シール部３５と接続されたインターコネクタ３０」と、から構成される。

【0100】

図２５に示す構成と同様、図２６、及び図２７に示す構成でも、前記「第１シール部」が緻密膜４０（＝固体電解質膜４０）である場合、緻密膜４０（＝固体電解質膜４０）とインターコネクタ３０とが接触しない。前記「第１シール部」が緻密膜３７（≠固体電解質膜４０）である場合、緻密膜３７（≠固体電解質膜４０）とインターコネクタ３０とが接触せず、且つ、固体電解質膜４０とシール部３５とが接触しない。

【0101】

また、上記実施形態においては、燃料極集電部２１の外側面に形成された凹部２１ｂの底面と、インターコネクタ３０の底面と、の間には、中間層３８のみ（１層のみ）が介装されているが、図２８に示すように、凹部２１ｂの底面と、中間層３８の底面と、の間に更に、中間層３８とは異なる「ランタンクロマイトとＮｉとを主成分とする第２の中間層３９」が介装されていてもよい。

【0102】

本実施形態、並びに、図２５〜図２８に示す変形例においては、「インターコネクタ３０の外側面、底面、及び側面のうちで中間層３８を介して燃料極集電部２１と接続されているのは底面のみである」点、及び、「インターコネクタ３０の外側面、底面、及び側面のうちで空気極集電膜７０と接触しているのは外側面のみである」点において共通している。

【0103】

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２９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。また、上記実施形態では、支持基板１０が平板状を呈しているが、支持基板が円筒状を呈していてもよい。

【0104】

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。

【符号の説明】

【0105】

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…シール部、３７…緻密膜、３８…中間層、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

【要約】

【課題】横縞型の燃料電池において、「焼成時における拡散による燃料極中のＮｉＯのインターコネクタ内への進入に起因して、インターコネクタのガスシール性が低下する事態」の発生頻度を低減すること。
【解決手段】この燃料電池では、インターコネクタ３０が「燃料ガスと空気との混合を防止するガスシール部」の一部になっている。インターコネクタ３０は、外側面と、底面と、側面と、を備えた直方体状を呈する。インターコネクタ３０外側面は、多孔質材料からなる空気極集電膜７０と接触している。インターコネクタ３０の底面は、中間層３８を介して、多孔質材料からなる燃料極集電部２１と接続されている。中間層３８は、「ランタンクロマイトを主成分とし、且つインターコネクタ３０より気孔率が大きい材料」で構成されている。
【選択図】図２

【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26】

【図27】

【図28】

【図29】