特許 5839758 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】5839758

(24)【登録日】2015年11月20日

(45)【発行日】2016年1月6日

(54)【発明の名称】燃料電池

(51)【国際特許分類】

   H01M 4/86 20060101AFI20151210BHJP

   H01M 8/02 20160101ALI20151210BHJP

   H01M 8/12 20160101ALI20151210BHJP

   H01M 8/0202 20160101ALI20151210BHJP

【ＦＩ】

   H01M4/86 U

   H01M8/02 E

   H01M8/12

   H01M8/02 Y

【請求項の数】6

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2015-129538(P2015-129538)

(22)【出願日】2015年6月29日

【審査請求日】2015年6月30日

(31)【優先権主張番号】特願2015-13344(P2015-13344)

(32)【優先日】2015年1月27日

(33)【優先権主張国】JP

【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】110000202

【氏名又は名称】新樹グローバル・アイピー特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】大森 誠

(72)【発明者】

【氏名】岡本 真理子

【審査官】 佐藤 知絵

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００８−４４２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−１７５８１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−１８６７９８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ４／８６

Ｈ０１Ｍ ８／０２

Ｈ０１Ｍ ８／１２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

平板状のセルと、
燃料ガスが流通する燃料流路を前記セルとの間で区画・形成するよう前記セルの第1側に隣接する第1セパレータと、
酸素を含むガスが流通する空気流路を前記セルとの間で区画・形成するよう前記セルの第２側に隣接する第２セパレータと、
を備え、
前記セルは、固体電解質層と、前記固体電解質層の前記第１側に積層された燃料極と、前記固体電解質層の前記第２側に積層された空気極と、を有し、
前記燃料極及び前記空気極の何れか一方である第１電極の気孔率は、１５〜５５％であり、
前記第１電極の内部の気孔として、２０μｍ未満の気孔径を有する複数の第１気孔と、
２０μｍ以上の気孔径を有する１つ又は複数の第２気孔と、が前記第１電極内に分散され、
前記第１、第２気孔が占める体積の総和に対する、前記第２気孔が占める体積の総和の割合が０．１〜１３％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、
前記第１電極における対応する前記流路に面する表面からの距離がＴ２以下の領域である流路近傍領域の内部の気孔として、前記第２気孔が存在せずに前記複数の第１気孔のみが存在し、前記第１電極における前記流路近傍領域以外の残りの領域の内部の気孔として、前記複数の第１気孔と、前記１つ又は複数の第２気孔と、が存在し、
前記第１電極の厚さをＴ１としたとき、
Ｔ２／Ｔ１が５０％以下であり、Ｔ２が０．１ｍｍ以上である、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、
前記セルについて、
前記セルを構成する部材のうち前記第１電極の厚さが最も大きい、燃料電池。

【請求項4】

請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池において、
前記セルについて、
前記第１電極は前記燃料極である、燃料電池。

【請求項5】

請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池において、
前記燃料流路内に配置された第１集電部材をさらに備え、
前記燃料極は、前記固体電解質層の前記第１側に積層された燃料極本体部と、前記燃料極本体部と前記第１集電部材とを接合する導電性の燃料極接合部と、を有する、
燃料電池。

【請求項6】

請求項１から５のいずれかに記載の燃料電池において、
前記空気流路内に配置された第２集電部材をさらに備え、
前記空気極は、前記固体電解質層の前記第２側に積層された空気極本体部と、前記空気極本体部と前記第２集電部材とを接合する導電性の空気極接合部と、を有する、
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、「複数の平板状のセルと、複数のセパレータと、を備え、セルとセパレータとが１つずつ交互に積層された固体酸化物形燃料電池」が知られている（例えば、特許文献１を参照）。ここで、各セルは、固体電解質層と、固体電解質層の上側に積層された燃料極と、固体電解質層の下側に積層された空気極と、を備えている。各セルを構成する部材のうち燃料極の厚さが最も大きい。各セルについて、「セルと、セルの上側に隣接するセパレータとの間にて燃料ガスが流通する燃料流路」が区画・形成されるとともに、「セルと、セルの下側に隣接するセパレータとの間にて空気が流通する空気流路」が区画・形成されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許５２８０１７３号公報

【発明の概要】

【0004】

ところで、上述した燃料電池が熱応力的に過酷な環境下で稼働されると、「燃料極の燃料流路に面する表面を起点とする、燃料極の内部に向かうクラック」が発生する場合がある（後述する図４の矢印を参照）。これは、燃料極の表面に応力が集中し易いことに起因する、と考えられる。このクラックの成長によって、このクラックが「燃料極の燃料流路に面する表面」から「燃料極と固体電解質層との界面」まで貫通する場合がある（図４を参照）。以下、このように貫通するクラックを「貫通クラック」と呼ぶ。

【0005】

上述した燃料電池が通常の環境下で稼働される場合と異なり、上述した燃料電池が熱応力的に過酷な環境下で稼働される場合には、上述したクラックの発生を確実に回避することは非常に困難である。しかしながら、上述したクラックの僅かな発生が許容されたとしても、このクラックが成長して上記「貫通クラック」が形成される事態が発生する頻度を低減することは重要である、と考えられる。

【0006】

以上より、本発明は、セルとセパレータとが交互に積層された燃料電池であって、「燃料極（又は空気極）の燃料流路（又は空気流路）に面する表面を起点とする、前記表面から燃料極（又は空気極）と固体電解質層との界面まで貫通する貫通クラック」が形成され難いものを提供することを目的とする。

【0007】

本発明に係る燃料電池は、セルと、第１セパレータと、第２セパレータと、を備える。

【0008】

本発明に係る燃料電池の特徴は、前記燃料極及び前記空気極の何れか一方（第１電極）の気孔率が１５〜５５％であり、前記第１電極の内部の気孔として、２０μｍ未満の気孔径を有する複数の第１気孔と、２０μｍ以上の気孔径を有する１つ又は複数の第２気孔と、が存在し、前記第１、第２気孔が占める体積の総和に対する、前記第２気孔が占める体積の総和の割合（以下、「第２気孔割合」と呼ぶ）が０．１〜１３％である、ことにある。

【0009】

ここで、前記第２気孔の気孔径は、２０〜２００μｍであることが好適である。換言すれば、第１電極の内部に形成される気孔の径の最大値が２００μｍであることが好ましい。なお、前記各セルを構成する部材のうち前記第１電極の厚さが最も大きいことが好適である。また、前記各セルについて、前記第１電極が前記燃料極であることが好ましい。

【0010】

通常、係る燃料電池の燃料極（又は空気極）の気孔率は１５〜５５％であり、この燃料極（又は空気極）の内部には第１気孔（径が２０μｍ未満）のみが形成される。この場合、上述した燃料電池が熱応力的に過酷な環境下で稼働されると、上述した「貫通クラック」が発生し易い。これに対し、本発明者は、燃料極（又は空気極）の内部に第１気孔のみならず第２気孔（径が２０μｍ以上）が形成されると、上述した燃料電池が熱応力的に過酷な環境下で稼働された場合であっても上述した「貫通クラック」が発生し難いこと、を見出した（詳細は後述する）。

【0011】

ただし、本発明者は、「第２気孔割合」が０．１％未満であると、「上述した燃料電池が熱応力的に過酷な環境下で稼働された場合において上述した「貫通クラック」がなおも発生し易いこと」、並びに、「第２気孔割合」が１３％より大きいと、「外力及び衝撃等に対して燃料極（又は空気極）全体の形状が維持され難くなること」をも見出した（詳細は後述する）。従って、燃料極（又は空気極）の気孔率が１５〜５５％であり、且つ、「第２気孔割合」が０．１〜１３％である場合に、上述した燃料電池が熱応力的に過酷な環境下で稼働された場合においても上述した「貫通クラック」が発生し難くなる、といえる。

【0012】

上記本発明に係る燃料電池において、前記第１電極における対応する前記流路に面する表面からの距離（最短距離）がＴ２以下の流路近傍領域では、前記第２気孔が形成されず前記複数の第１気孔のみが形成され、前記第１電極における前記流路近傍領域以外の残りの領域では、前記複数の第１気孔と、前記１つ又は複数の第２気孔と、が形成され、前記第１電極の厚さをＴ１としたとき、値「Ｔ２／Ｔ１」が５０％以下であり、Ｔ２が０．１ｍｍ以上であることが好適である。ここで、値「Ｔ２／Ｔ１」が、５〜５０％であることが好適である。

【0013】

本発明者は、燃料極（又は空気極）の気孔率が１５〜５５％であり、且つ、「第２気孔割合」が０．１〜１３％である場合において、値「Ｔ２／Ｔ１」が５０％以下であり、Ｔ２が０．１ｍｍ以上であると、上述した「貫通クラック」がより一層発生し難くなる、ことをも見出した（詳細は後述する）。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明の実施形態に係る燃料電池を示す破断斜視図である。

【図2】図１に示す燃料電池について、セルとセパレータとが交互に積層された様子を示した模式図である。

【図3】図１に示す燃料電池について、１つのセル及びその周囲を拡大して示した図である。

【図4】燃料極に発生し得るクラックの様子を説明するための図である。

【図5】燃料極にて、第２気孔が存在する様子を説明するための図である。

【図6】燃料極における流路近傍領域を説明するための図である。

【図7】変形例に係る燃料電池を示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

（構成）
図１〜図３は、本発明の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）を示す。このＳＯＦＣは、セル１００とセパレータ２００とが交互に積層された構造を有している。この構造は、「平板スタック構造」とも呼ばれる。なお、図２に示すように、この燃料電池では、最も上方に位置するセル１００の上側に位置するセパレータを特に上側蓋部材３００と呼び、最も下方に位置するセル１００の下側に位置するセパレータを特に下側蓋部材４００と呼ぶ。

【0016】

図３に示すように、セル１００は、固体電解質層１２０と、固体電解質層１２０の上面に積層された燃料極１１０と、固体電解質層１２０の下面に積層された空気極１３０と、からなる平板状の焼成体である。セル１００の平面形状は、例えば、１辺の長さが１０〜３００ｍｍの正方形である。

【0017】

セル１００の厚さ（ｚ軸方向の長さ）は全体に渡って均一であり、例えば、１１０〜２１００μｍである。燃料極１１０、固体電解質層１２０、及び、空気極１３０の厚さはそれぞれ、例えば、５０〜２０００μｍ、１〜５０μｍ、及び、５０〜２０００μｍである。図３に示す例では、セル１００を構成する部材のうち燃料極１１０が最も厚く、従って、燃料極１１０がセル１００全体を支持する構造となっている。

【0018】

燃料極１１０は、例えば、ＮｉとＹＳＺとを含む多孔質材料で構成される。固体電解質層１２０は、例えば、ＹＳＺを含む緻密質材料で構成される。空気極１３０は、例えば、ＬＳＭ（Ｌａ（Ｓｒ）ＭｎＯ_３：ランタンストロンチウムマンガナイト）を含む多孔質材料で構成される。燃料極１１０、固体電解質層１２０、及び、空気極１３０の気孔率はそれぞれ、１５〜５５％、０〜１０％、１５〜５５％である。燃料極１１０、固体電解質層１２０、及び、空気極１３０の常温から１０００℃での平均熱膨張率はそれぞれ、およそ、１２．５ｐｐｍ／Ｋ、１０．８ｐｐｍ／Ｋ、及び、１１（１０．８）ｐｐｍ／Ｋである。

【0019】

図２及び図３に示すように、セパレータ２００は、平板部２１０と、枠体部２２０と、を備えている。セパレータ２００の平面形状は、セル１００の平面形状と同形である。枠体部２２０は、平板部２１０の周縁部をその全周に亘って囲むように位置している。枠体部２２０の厚さ（ｚ軸方向の長さ）は、平板部２１０の厚さ（ｚ軸方向の長さ）より大きい。枠体部２２０は、平板部２１０に対して、上方及び下方の両方に突出している。

【0020】

セパレータ２００は、Ｎｉ系耐熱合金（例えば、フェライト系ＳＵＳ、インコネル６００及びハステロイ等）で構成されている。セパレータ２００の常温から１０００℃での平均熱膨張率は、例えばフェライト系ＳＵＳであるＳＵＳ４３０の場合、およそ１２．５ｐｐｍ／Ｋである。従って、セパレータ２００の熱膨張率は、セル１００の平均熱膨張率よりも大きい。

【0021】

各セル１００の周縁部は、その上側及び下側に隣接するセパレータ２００のそれぞれの枠体部２２０によって、接合材（ガラス材料等）を介して挟持されている。図３に示すように、セル１００の上側に隣接するセパレータ（本発明の第１セパレータに相当）２００は、セル１００との間にて、燃料ガスが流通する燃料流路を区画・形成する。また、セル１００の下側に隣接するセパレータ（本発明の第２セパレータに相当）２００は、セル１００との間にて、空気が流通する空気流路を区画・形成する。従って、セパレータ２００は、燃料ガスと空気との混合を防止する機能を果たす。

【0022】

以上、図１〜図３に示した燃料電池に対して、各燃料流路に燃料ガス（水素ガス等）を流すとともに、各空気流路に空気を流し、この燃料電池を外部の負荷に接続することによって、下記の化学反応式（１）及び（２）に基づく発電が行われる。
（１／２）・Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ_２⁻ （於：空気極１３０） …（１）
Ｈ_２＋Ｏ_２⁻→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ （於：燃料極１１０） …（２）

【0023】

（製造方法）
次に、図１〜図３に示す燃料電池の製造方法について簡単に説明する。先ず、セル１００は、シート（燃料極１１０となる層）の下面にセラミックスシート（固体電解質層１２０となる層）を印刷法等によって形成し、その積層体を１４００℃・１時間にて焼成し、その焼成体の下面にシート（空気極１３０となる層）を印刷法等によって形成し、その積層体を１２００℃・１時間にて焼成することにより、形成される。セパレータ２００は、Ｎｉ系耐熱合金の薄板材料に対して、切削加工、プレス加工等に施すことによって形成される。

【0024】

次に、完成したセル１００とセパレータ２００とを交互に、且つ、隣接するセル１００の周縁部とセパレータ２００の枠体部２２０との間にガラス材料が介在する状態で積層し、この積層体（のガラス材料）に対して熱処理（８３０℃／１ｈｒ）が施される。この結果、ガラス材料が固化することによってこの積層体が一体化されて、平板スタック構造を有する図１に示す燃料電池が完成する。

【0025】

なお、この時点では、酸素含有雰囲気での焼成により、燃料極１１０中のＮｉ成分が、ＮｉＯとなっている。従って、燃料極１１０の電子伝導性を獲得するため、その後、燃料流路側から還元性の燃料ガスが流され、ＮｉＯが８００〜１０００℃で１〜１０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の製造方法の一例について説明した。

【0026】

（貫通クラックの発生の防止）
上記実施形態に係るＳＯＦＣが、通常の環境下とは異なり、熱応力的に過酷な環境下で稼働されると、図４に示すような「燃料極１１０の燃料流路に面する表面を起点とする、燃料極１１０の内部に向かうクラック」が発生し得る（図４の矢印を参照）。この現象は、燃料極１１０の表面に応力が集中し易いことに起因する、と考えられる。

【0027】

図４に示すように、クラックの成長によって、このクラックが「燃料極１１０の燃料流路に面する表面」から「燃料極１１０と固体電解質層１２０との界面」まで貫通する場合がある。以下、このように貫通するクラックを「貫通クラック」と呼ぶ。

【0028】

熱応力的に過酷な環境下では、このようなクラックの発生を確実に回避することは非常に困難である。しかしながら、上述したクラックの僅かな発生が許容されたとしても、このクラックが成長して上記「貫通クラック」が形成される事態が発生する頻度を低減することは重要である。

【0029】

以下、燃料極１１０の内部に形成される気孔について、２０μｍ未満の気孔径を有する気孔を「第１気孔」と呼び、２０μｍ以上の気孔径を有する気孔を「第２気孔」と呼ぶ。なお、或る断面上に存在する気孔の径とは、「その断面上にてその気孔が占める面積と同じ面積を有する等価円の直径」と定義される。加えて、「燃料極１１０の内部における第１、第２気孔が占める体積の総和（即ち、燃料極１１０の内部に存在する全ての気孔の体積の総和）」に対する「燃料極１１０の内部における第２気孔が占める体積の総和」の割合を、以下、「第２気孔割合」と呼ぶ。「第２気孔割合」は、「燃料極１１０の断面における第１、第２気孔が占める面積の総和」に対する「燃料極１１０の断面における第２気孔が占める面積の総和」の割合とも定義され得る。「第２気孔割合」の測定は、燃料極１１０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「第２気孔割合」として採用された。

【0030】

通常、係るＳＯＦＣの燃料極の内部には、第１気孔（径が２０μｍ未満）のみが形成される。この場合、このＳＯＦＣが熱応力的に過酷な環境下で稼働されると、上述した「貫通クラック」が発生し易い。

【0031】

これに対し、上記実施形態に係るＳＯＦＣでは、燃料極１１０の内部に、第１気孔（径が２０μｍ未満）のみならず第２気孔（径が２０μｍ以上）も形成されている。なお、第２気孔の最大径は２００μｍであった。また、燃料極１１０内において、第１、第２気孔は、それぞれ、概ね均一に分布している。

【0032】

本発明者は、上記実施形態の場合、このＳＯＦＣが熱応力的に過酷な環境下で稼働された場合であっても、上述した「貫通クラック」が発生し難いことを見出した。これは、図５に示すように、燃料極１１０の燃料流路に面する表面を起点として発生したクラックが燃料極１１０の内部に向かって成長していく過程において、移動していくクラックの先端が第２気孔に到達したことに起因してそのクラックの成長が止まることに基づく、と考えられる。「移動していくクラックの先端が第１気孔に到達してもクラックの成長が止まらない一方で、第２気孔に到達したときにはクラックの成長が止まる」のは、第１気孔より大きい第２気孔では、第１気孔と比べて気孔の内壁の曲率半径が大きいことに起因して応力が集中し難いことに基づく、と考えられる。なお、図５では、第２気孔のみが示され、（第２気孔より小さい）第１気孔は示されていない。

【0033】

しかしながら、燃料極１１０の内部に第１気孔のみならず第２気孔が形成される場合においても、ＳＯＦＣが熱応力的に過酷な環境下で稼働されると、上述した「貫通クラック」が発生し易い場合があった。本発明者は、この「貫通クラック」の発生の有無が、上述した「第２気孔割合」と強い相関があることを見出した。以下、これらのことを確認した試験Ａについて説明する。

【0034】

（試験Ａ）
この試験Ａでは、図１に示したＳＯＦＣについて、「燃料極１１０の内部における第１、第２気孔が占める体積の総和Ｓａ（ｍｍ^３）」、及び「燃料極１１０の内部における第２気孔が占める体積の総和Ｓｂ（ｍｍ^３）」、従って、「第２気孔割合Ｓｂ／Ｓａ」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、１０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。

【0035】

【表1】

【0036】

各サンプル（図１に示すＳＯＦＣ）にて、セル１００は、その平面形状が１辺の長さが１０〜３００ｍｍの正方形であり、その厚さが１１０〜２１００μｍであった。燃料極１１０、固体電解質層１２０、及び、空気極１３０の厚さはそれぞれ、例えば、５０〜２０００μｍ、１〜５０μｍ、及び、５０〜２０００μｍであった。セル１００を構成する部材のうち燃料極１１０が最も厚く、従って、燃料極１１０がセル１００全体を支持する構造となっていた。

【0037】

燃料極１１０は、ＮｉとＹＳＺからなる多孔質材料で構成された。固体電解質層１２０は、ＹＳＺからなる緻密質材料で構成された。空気極１３０は、ＬＳＭ（Ｌａ（Ｓｒ）ＭｎＯ_３）からなる多孔質材料で構成された。燃料極１１０、固体電解質層１２０、及び、空気極１３０の気孔率はそれぞれ、１５〜５５％、０〜１０％、１５〜５５％であった。

【0038】

燃料極１１０について、気孔率の調整、及び、気孔の大きさの分布（従って、第２気孔割合）の調整は、燃料極用のシート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。燃料極１１０の気孔率は１５〜５５％であった。第２気孔の気孔径は、２０〜２００μｍの範囲内であった。燃料極１１０の焼成は、１４００〜１５００℃にて、１〜２０時間に亘って行われた。各サンプルに対して施された上記還元処理は、８００〜１０００℃にて、１〜１０時間に亘って行われた。

【0039】

この試験Ａでは、各サンプルについて、「各燃料流路に還元性の燃料ガスを流通させながら、雰囲気温度を常温から７５０℃まで２時間で上げた後に７５０℃から常温まで４時間で下げるパターン」を１０回繰り返す熱サイクル試験を行った。そして、各サンプルについて、燃料極における貫通クラックの発生の有無が確認された。この確認は、目視、並びに、顕微鏡を使用した観察によってなされた。この結果は表１に示すとおりである。

【0040】

表１から理解できるように、「第２気孔割合Ｓｂ／Ｓａ」が０．１％未満であると、「貫通クラック」が発生し易い。これは、燃料極１１０内の第２気孔の数が少な過ぎて、燃料極１１０内にて成長していくクラックが第２気孔に到達する確率（従って、クラックの成長が止まる確率）が極端に小さくなることに基づく、と考えられる。

【0041】

加えて、表１から理解できるように、「第２気孔割合Ｓｂ／Ｓａ」が１３％より大きいと、外力及び衝撃等に対して燃料極１１０全体の形状が維持され難い。これは、燃料極１１０内の第２気孔の数（即ち、比較的大きい空洞の数）が多すぎて、燃料極１１０全体の強度が極端に低下することに基づく、と考えられる。

【0042】

以上より、燃料極１１０の気孔率が１５〜５５％であり、且つ、燃料極１１０の内部の「第２気孔割合」が０．１〜１３％である場合に、上述したＳＯＦＣが熱応力的に過酷な環境下で稼働された場合においても、「貫通クラック」が発生し難くなる、ということができる。

【0043】

ところで、図６に示すように、上記実施形態に係るＳＯＦＣにおいて、燃料極１１０の燃料流路に面する表面からの距離（最短距離）がＴ２（ｍｍ）以下の領域（図６において、微細なドットで示した領域、以下、「流路近傍領域」と呼ぶ）にて、第２気孔が形成されず複数の第１気孔のみが形成される態様を考える。図６に示す態様では、「流路近傍領域」は、厚さがＴ２ｍｍの平板状の領域に対応する。即ち、図６に示す態様では、各「流路近傍領域」（図６において微細なドットで示した領域）では、第２気孔が形成されず複数の第１気孔のみが形成され、残りの領域（図６において白抜きで示した領域）では、第１、第２気孔が形成されている。図６に示すように、燃料極１１０の厚さをＴ１（ｍｍ）とする。

【0044】

本発明者は、燃料極１１０の気孔率が１５〜５５％であり、且つ、燃料極１１０全体の「第２気孔割合」が０．１〜１３％である場合において、値「Ｔ２／Ｔ１」が５０％以下であり、Ｔ２が０．１ｍｍ以上であると、上述した「貫通クラック」がより一層発生し難くなる、ことをも見出した。以下、このことを確認した試験Ｂについて説明する。

【0045】

（試験Ｂ）
試験Ｂでは、図１に示したＳＯＦＣについて、値Ｔ１、及び値Ｔ２、従って、値「Ｔ２／Ｔ１」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、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。

【0046】

【表2】

【0047】

各サンプル（図１に示すＳＯＦＣ）について、表２に示した項目以外の寸法、材料等は、試験Ａのものと同様である。「流路近傍領域」を含む燃料極１１０（焼成体）は、以下のように作製された。即ち、先ず、第１、第２気孔が形成されるように造孔材の量及び径が調整されたスラリーを用いて、「第１、第２気孔が内部に形成されるとともに厚さが「流路近傍領域」の厚さ分（＝Ｔ２）だけ小さい燃料極用のシート」が作製される。その後、この燃料極用のシートの上に、第１気孔のみが形成されるように造孔材の量及び径が調整されたスラリーを用いて、厚さＴ２の膜がコーティングされる。このように膜がコーティングされた燃料極の成形体が焼成されることによって、「流路近傍領域」を含む燃料極１１０（焼成体）が形成される。

【0048】

この試験Ｂでは、試験Ａで実行された熱サイクル試験より熱応力的に過酷な熱サイクル試験、即ち、「各燃料流路に還元性の燃料ガスを流通させながら、雰囲気温度を常温から７５０℃まで１時間で上げた後に７５０℃から常温まで２時間で下げるパターン」を２０回繰り返す熱サイクル試験を行った。そして、各サンプルについて、貫通クラックの発生の有無が確認された。この結果は表２に示すとおりである。

【0049】

表２から理解できるように、Ｔ２が０．１ｍｍ未満であると、燃料極１１０の燃料流路に面する表面に欠けが発生し易い。これは、燃料極１１０の燃料流路に面する表面から近過ぎる位置に第２気孔が存在すること、並びに、燃料極１１０の燃料流路に面する表面に応力が集中し易いこと、に基づく、と考えられる。

【0050】

加えて、表２から理解できるように、値「Ｔ２／Ｔ１」が５０％より大きいと、「貫通クラック」が発生し易い。これは、燃料極１１０内の第２気孔の数が少な過ぎて、燃料極１１０内にて成長していくクラックが第２気孔に到達する確率（従って、クラックの成長が止まる確率）が極端に小さくなることに基づく、と考えられる。

【0051】

以上、表１、及び表２の結果より、燃料極１１０の気孔率が１５〜５５％であり、且つ、燃料極１１０の内部の「第２気孔割合」が０．１〜１３％である場合に「貫通クラック」が発生し難くなり、更に、この場合において、値「Ｔ２／Ｔ１」が５０％以下であり、Ｔ２が０．１ｍｍ以上であると、「貫通クラック」がより一層発生し難くなる、ということができる。ここで、値「Ｔ２／Ｔ１」が、５〜５０％であることが好適である。

【0052】

なお、セル１００を構成する部材のうち燃料極１１０が最も厚い構造ではない場合（例えば、固体電解質膜１２０が最も厚い場合）においても、燃料極の内部の気孔の調整に関して、表３及び表４と全く同じ結果が得られることが別途判明している。

【0053】

更には、上記試験Ａ及び試験Ｂ（表１及び表２）に示した結果は、セル１００において燃料極１１０が最も厚い構造（従って、燃料極１１０がセル１００全体を支持する構造）における燃料極の内部の気孔の調整に関するものであった。これに対し、セル１００において空気極１３０が最も厚い構造（従って、空気極１３０がセル１００全体を支持する構造）における空気極の内部の気孔の調整に関しても、上記試験Ａ及び試験Ｂと同様の試験を行ったところ、上記表１及び表２と全く同じ結果が得られることが別途判明している。

【0054】

具体的には、空気極１３０の内部の気孔に関し、空気極１３０の気孔率が１５〜５５％であり、且つ、空気極１３０の内部の「第２気孔割合」が０．１〜１３％である場合に「貫通クラック」が発生し難くなり、更に、この場合において、値「Ｔ２／Ｔ１」が５０％以下であり、Ｔ２が０．１ｍｍ以上であると、「貫通クラック」がより一層発生し難くなる、ということができる。ここで、値「Ｔ２／Ｔ１」が、５〜５０％であることが好適である。なお、この場合において、「流路近傍領域」とは、「空気極１３０における空気流路に面する表面からの距離がＴ２μｍ以下の領域」（厚さがＴ２μｍの平板状の領域）を指す。また、Ｔ１（ｍｍ）は、空気極１３０の厚さである。

【0055】

［変形例］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。

【0056】

例えば、図７に示すように、第１セパレータ２００ａの燃料流路内に第１集電部材２０１が配置されている。第１集電部材２０１は、燃料極１１０と第１セパレータ２００ａとを電気的に接続する。第１集電部材２０１は、例えば、メッシュ状である。また、第１集電部材２０１は、導電性を有しており、例えば、ニッケル、白金、銀、又はステンレス鋼などによって形成することができる。第１集電部材２０１は、第１セパレータ２００ａに溶接されていてもよいし、ニッケル系コンポジット材料などの接合材を介して第１セパレータ２００ａと接合されていてもよい。

【0057】

燃料極１１０は、燃料極本体部１１１と燃料極接合部１１２とを有していてもよい。燃料極本体部１１１は、固体電解質層１２０の一方面に積層されている。燃料極本体部１１１は、上述した燃料極１１０の材料によって形成されている。燃料極接合部１１２は、燃料極本体部１１１上に形成されている。具体的には、燃料極接合部１１２は、燃料極本体部１１１上の複数箇所に形成されている。燃料極接合部１１２は、燃料極本体部１１１と第１集電部材２０１とを接合する。燃料極接合部１１２は、導電性を有しており、例えば、ニッケルとジルコニアとのコンポジット材料によって形成される。そして、第２気孔は、燃料極１１０の一部である燃料極接合部１１２に存在していてもよい。

【0058】

また、第２セパレータ２００ｂの空気流路内に第２集電部材２０２が配置されている。第２集電部材２０２は、空気極１３０と第２セパレータ２００ｂとを電気的に接続する。第２集電部材２０２は、例えば、メッシュ状である。また、第２集電部材２０２は、導電性を有しており、例えば、ステンレス鋼、白金、又は銀などによって形成することができる。第２集電部材２０２は、第２セパレータ２００ｂに溶接されていてもよいし、導電性セラミックス、又は上述した空気極１３０の材料からなる接合材を介して第２セパレータ２００ｂと接合されていてもよい。

【0059】

空気極１３０は、空気極本体部１３１と空気極接合部１３２とを有していてもよい。空気極本体部１３１は、固体電解質層１２０の他方面に積層されている。空気極本体部１３１は、上述した空気極１３０の材料によって形成されている。空気極接合部１３２は、空気極本体部１３１上に形成されている。具体的には、空気極接合部１３２は、空気極本体部１３１上の複数箇所に形成されている。空気極接合部１３２は、空気極本体部１３１と第２集電部材２０２とを接合する。空気極接合部１３２は、導電性を有しており、例えば、（Ｍｎ，Ｃｏ）_３Ｏ_４、又は（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ_３などによって形成される。そして、第２気孔は、空気極１３０の一部である空気極接合部１３２に存在していてもよい。

【符号の説明】

【0060】

１００…セル、１１０…燃料極、１２０…固体電解質層、１３０…空気極、２００…セパレータ、２１０…平板部、２２０…枠体部

【要約】

【課題】セルとセパレータとが交互に積層された燃料電池であって、「燃料極の燃料流路に面する表面を起点とする、前記表面から燃料極と固体電解質層との界面まで貫通する貫通クラック」が形成され難いものを提供すること。
【解決手段】この燃料電池は、セル１００とセパレータ２００とが１つずつ交互に積層された平板スタック構造を有する。各セル１００は、１２０固体電解質層と、固体電解質層の上側に積層された燃料極１１０と、固体電解質層の下側に積層された空気極１３０と、を備える。各セル１００について、燃料極１１０の気孔率が１５〜５５％であり、燃料極１１０の内部の気孔として、２０μｍ未満の気孔径を有する複数の第１気孔と、２０μｍ以上の気孔径を有する１つ又は複数の第２気孔と、が存在し、第１、第２気孔が占める体積の総和に対する、前記第２気孔が占める体積の総和の割合が０．１〜１３％である。
【選択図】図３

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】