特許 6039463 固体酸化物形燃料電池セル

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6039463

(24)【登録日】2016年11月11日

(45)【発行日】2016年12月7日

(54)【発明の名称】固体酸化物形燃料電池セル

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/0202 20160101AFI20161128BHJP

   H01M 8/02 20160101ALI20161128BHJP

   H01M 8/12 20160101ALI20161128BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/02 Y

   H01M8/02 K

   H01M8/02 E

   H01M8/12

【請求項の数】5

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2013-39222(P2013-39222)

(22)【出願日】2013年2月28日

(65)【公開番号】特開2014-167867(P2014-167867A)

(43)【公開日】2014年9月11日

【審査請求日】2015年10月15日

(73)【特許権者】

【識別番号】000006633

【氏名又は名称】京セラ株式会社

(72)【発明者】

【氏名】内 一隆

【審査官】 高木 康晴

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１２−０３８７１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０３８７１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−２７８０８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１４６４１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特許第５１１６１８４（ＪＰ，Ｂ２）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／０２０２

Ｈ０１Ｍ ８／０２

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配列して設けられ、少なくとも燃料極、固体電解質、中間膜、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るとともに、
前記中間膜は電気伝導性を有するセリア系材料からなる緻密質体であり、
前記支持基板の主面における前記複数の箇所に、底壁と周方向に閉じた側壁とを有する第１凹部がそれぞれ設けられ、該各第１凹部に、対応する前記発電素子部の燃料極集電部がそれぞれ埋設され、
該第１凹部に埋設された燃料極集電部の外側面に形成された第２凹部に、前記燃料極集電部に対してイオン伝導性を有する物質の含有割合が多い燃料極活性部が埋設され、前記第１凹部に埋設された燃料極集電部の前記第２凹部が形成された位置と異なる位置の外側面に形成された第３凹部に、前記電気的接続部の一部を構成する導電性緻密質体が埋設され、
前記燃料極活性部に積層された固体電解質が、前記一方および他方の発電素子部の両側から延設されて前記発電素子の配列方向における前記導電性緻密質体の両端部に積層され、さらに中間膜の前記配列方向の両端が、前記固体電解質を介して前記導電性緻密質体の上方に位置していることを特徴とする固体酸化物形燃料電池セル。

【請求項2】

前記中間膜の前記配列方向の両端は、前記導電性緻密質体の両端部に積層された前記固体電解質の前記配列方向の両端から所定距離Ｌ１だけ内側に位置していることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池セル。

【請求項3】

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配列して設けられ、少なくとも燃料極、固体電解質、中間膜、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るとともに、
前記中間膜は電気伝導性を有するセリア系材料からなる緻密質体であり、
前記支持基板の主面における前記複数の箇所に、底壁と周方向に閉じた側壁とを有する第１凹部がそれぞれ設けられ、該各第１凹部に、対応する前記発電素子部の燃料極集電部がそれぞれ埋設され、
該第１凹部に埋設された燃料極集電部の外側面に形成された第２凹部に、前記燃料極集電部に対してイオン伝導性を有する物質の含有割合が多い燃料極活性部が埋設され、前記第１凹部に埋設された燃料極集電部の前記第２凹部が形成された位置と異なる位置の外側面に形成された第３凹部に、前記電気的接続部の一部を構成する導電性緻密質体が埋設され、該導電性緻密質体と前記第３凹部の側壁との間に絶縁性を有する緻密質のシール層が配置され、
前記燃料極活性部に積層された固体電解質が、前記一方と他方の発電素子部の両側から延設されて前記発電素子の配列方向における前記シール層の両端部に積層され、さらに、前記中間膜の前記配列方向の両端が前記固体電解質を介して前記シール層の上方に位置するように、前記中間膜が前記固体電解質に積層されていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池セル。

【請求項4】

前記中間膜の前記配列方向の両端は、前記導電性緻密質体から所定距離Ｌ２だけ離間していることを特徴とする請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池セル。

【請求項5】

前記配列方向と直交する配列直交方向におけるシール層の両端部に前記固体電解質が積層され、前記中間膜の前記配列直交方向の両端が、前記導電性緻密質体から所定距離Ｂ２だけ離間していることを特徴とする請求項３または４に記載の固体酸化物形燃料電池セル。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、固体酸化物形燃料電池セルに関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来、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、この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た複数の発電素子部と、隣り合う発電素子部の一方の燃料極と他方の空気極とを電気的に接続する電気的接続部と、平板状の支持基板の主面における複数の箇所に、底壁と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、該各第１凹部に、対応する発電素子部の燃料極集電部がそれぞれ埋設された固体酸化物形燃料電池セルが知られている（例えば、特許文献１参照）。

【0003】

この特許文献１では、燃料極集電部の外側面に第２凹部が形成され、この第２凹部に電気的接続部が埋設され、さらに燃料極集電部の外側面に形成された第３凹部に燃料極活性部が埋設されており、燃料極活性部の表面に形成された固体電解質が電気的接続部の表面まで延設され、固体電解質と電気的接続部とで、燃料極側に供給された燃料ガスと、空気極側に供給された空気との混合を防止していた。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１２−３８７１８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、上記した特許文献１では、燃料極活性部の表面に形成された固体電解質を電気的接続部の表面まで延設して接続し、ガスシールしていたため、固体電解質を薄くして発電素子部の発電性能を向上させようとすると、薄い固体電解質にクラック等が入りやすく、ガスシール性能が低下し、逆にガスシール性能を向上すべく、固体電解質の厚みを厚くすると、発電素子部の発電性能が低下するという問題があった。

【0006】

本発明は、発電性能を向上できるとともに、ガスシール性能を向上できる固体酸化物形燃料電池セルを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の固体酸化物形燃料電池セルは、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配列して設けられ、少なくとも燃料極、固体電解質、中間膜、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るとともに、前記中間膜は電気伝導性を有するセリア系材料からなる緻密質体であり、前記支持基板の主面における前記複数の箇所に、底壁と周方向に閉じた側壁とを有する第１凹部がそれぞれ設けられ、該各第１凹部に、対応する前記発電素子部の燃料極集電部がそれぞれ埋設され、該第１凹部に埋設された燃料極集電部の外側面に形成された第２凹部に、前記燃料極集電部に対してイオン伝導性を有する物質の含有割合が多い燃料極活性部が埋設され、前記第１凹部に埋設された燃料極集電部の前記第２凹部が形成された位置と異なる位置の外側面に形成された第３凹部に、前記電気的接続部の一部を構成する導電性緻密質体が埋設され、前記燃料極活性部に積層された固体電解質が、前記一方および他方の発電素子部の両側から延設されて前記発電素子の配列方向における前記導電性緻密質体の両端部に積層され、さらに中間膜の前記配列方向の両端が、前記固体電解質を介して前記導電性緻密質体の上方に位置していることを特徴とする。

【0008】

また、本発明の固体酸化物形燃料電池セルは、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配列して設けられ、少なくとも燃料極、固体電解質、中間膜、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電気的接続部とを備えるとともに、前記中間膜がセリア系材料からなる緻密質体であり、前記支持基板の主面における前記複数の箇所に、底壁と周方向に閉じた側壁とを有する第１凹部がそれぞれ設けられ、該各第１凹部に、対応する前記発電素子部の燃料極集電部がそれぞれ埋設され、該第１凹部に埋設された燃料極集電部の外側面に形成された第２凹部に、前記燃料極集電部に対してイオン伝導性を有する物質の含有割合が多い燃料極活性部が埋設され、前記第１凹部に埋設された燃料極集電部の前記第２凹部が形成された位置と異なる位置の外側面に形成された第３凹部に、前記電気的接続部の一部を構成する導電性緻密質体が埋設され、該導電性緻密質体と前記第３凹部の側壁との間に絶縁性を有する緻密質のシール層が配置され、前記燃料極活性部に積層された固体電解質が、前記一方と他方の発電素子部の両側から延設されて前記発電素子の配列方向における前記シール層の両端部に積層され、さらに、前記中間膜の前記配列方向の端が、前記シール層の上方に位置するように、前記中間膜が前記固体電解質に積層されていることを特徴とする。

【発明の効果】

【0009】

本発明の固体酸化物形燃料電池セルは、導電性緻密質体、または導電性緻密質体およびシール層と、固体電解質および中間膜の積層体とで、ガス遮断層を形成するため、固体電解質を薄くしても中間膜を積層することでガス遮断効果を向上でき、発電性能を向上できるとともに、ガスシール性能を向上できる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】（ａ）は固体酸化物形燃料電池セルを示す斜視図、（ｂ）は凹部内に燃料極、インターコネクタが埋設された状態を示し、一点鎖線で中間膜の形成領域を示した平面図である。

【図2】（ａ）は図１（ａ）に示す固体酸化物形燃料電池セルの２−２線に対応する断面図、（ｂ）は第１凹部およびその近傍を示す断面図である。

【図3】インターコネクタおよびその近傍を、空気極集電部を除去した状態で示す平面図である。

【図4】図１に示す固体酸化物形燃料電池セルの作動状態を説明するための図である。

【図5】図１の支持基板を示す斜視図である。

【図6】（ａ）は図５の７−７線に対応する断面図、（ｂ）は第１凹部内に各層を形成した状態を示す断面図である。

【図7】第３凹部の４つの側面にシール層を形成した固体酸化物形燃料電池セルの断面図を示すももので、（ａ）は中間膜端が固体電解質膜端の内側に位置する状態、（ｂ）は中間膜端と固体電解質膜端とがほぼ同じ位置にある状態、（ｃ）は、固体電解質膜端を中間膜が被覆している状態を示す。

【発明を実施するための形態】

【0011】

図１（ａ）は、本発明の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池セル（以下、セルということがある）を示すもので、このセルは、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（本形態では、４つ）の同形の発電素子部Ａが長手方向において所定の間隔をおいて配列された、所謂「横縞型」と呼ばれる構造を有している。

【0012】

このセルを上方からみた形状は、例えば、長手方向の辺の長さが５〜５０ｃｍで、長手方向に直交する幅方向（ｙ軸方向）の長さが１〜１０ｃｍの長方形である。このセルの厚さは、１〜５ｍｍである。このセルは、厚さ方向の中心を通り且つ支持基板１０の主面に平行な面に対して上下対称の形状を有する。以下、図１（ａ）に加えて、このセルの図１（ａ）に示す２−２線に対応する部分断面図である図２（ａ）を参照しながら、このセルの詳細について説明する。

【0013】

図２（ａ）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（ａ）に示す構成と同様である。

【0014】

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（本形態では、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が形成されており、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（ｘ軸方向）に沿う２つの側壁と幅方向（ｙ軸方向）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。

【0015】

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。

【0016】

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。

【0017】

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。

【0018】

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。

【0019】

図２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は直方体状を呈している。各燃料極集電部２１の上面（外側面）には、第２凹部２１ａが形成されている。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の材料からなり、幅方向（ｙ軸方向）に沿う２つの側壁は燃料極集電部２１の材料からなる。

【0020】

各第２凹部２１ａには、燃料極活性部２２の全体が埋設（充填）されている。従って、各燃料極活性部２２は直方体状を呈している。燃料極集電部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。

【0021】

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が形成されている。各第３凹部２１ｂは、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の材料からなり、幅方向（ｙ軸方向）に沿う２つの側壁は燃料極集電部２１の材料からなる。

【0022】

各第３凹部２１ｂには、インターコネクタ（導電性緻密質体）３０が埋設（充填）されている。従って、各インターコネクタ３０は直方体状を呈している。インターコネクタ３０は、電子伝導性を有する緻密な材料からなる焼成体である。各インターコネクタ３０の幅方向に沿う２つの側面と底面とは、第３凹部２１ｂ内で燃料極集電部２１と接触している。

【0023】

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。即ち、燃料極２０の上面とインターコネクタ３０の上面と支持基板１０の主面との間で、段差が形成されていない。

【0024】

燃料極活性部２２は、例えば、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）とから構成され得る。あるいは、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＧＤＣ（ガドリニウムドープセリア）とから構成されてもよい。燃料極集電部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）とから構成され得る。あるいは、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、第１凹部１２の深さ）は、５０〜５００μｍである。

【0025】

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。

【0026】

インターコネクタ３０は、例えば、ＬａＣｒＯ_３（ランタンクロマイト）から構成され得る。あるいは、（Ｓｒ，Ｌａ）ＴｉＯ_３（ストロンチウムチタネート）から構成されてもよい。インターコネクタ３０の厚さは、１０〜１００μｍである。

【0027】

燃料極２０がそれぞれの第１凹部１２に埋設された状態の支持基板１０における長手方向（発電素子部Ａの配列方向）に延びる外周面において、複数のインターコネクタ３０が形成されたそれぞれの部分の長手方向中央部を除いた全面は、固体電解質膜４０により覆われている。固体電解質膜４０は、イオン伝導性を有し且つ電子伝導性を有さない（絶縁
性）緻密な材料からなる焼成体である。固体電解質膜４０は、例えば、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）から構成され得る。あるいは、ＬＳＧＭ（ランタンガレート）から構成されてもよい。固体電解質膜４０の厚さは、３〜５０μｍである。

【0028】

固体電解質膜４０の外表面のほぼ全面は中間膜５０で覆われている。この中間膜５０は、緻密なセリア系材料からなる焼成体であり、固体電解質膜４０と空気極６０との間の反応を抑制する層であり、反応防止膜ともいう。

【0029】

即ち、燃料極２０がそれぞれの第１凹部１２に埋設された状態の支持基板１０における長手方向に延びる外周面の全面は、インターコネクタ３０と、固体電解質膜４０および中間膜５０の積層体とからなる緻密なガス遮断層により覆われている。このガス遮断層は、ガス遮断層の内側の空間を流れる燃料ガスとガス遮断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。

【0030】

中間膜５０は、セリア系（ＣｅＯ_２系）材料からなる緻密質体であり、気孔率が１０％以下、特に１〜５％の緻密質とされている。中間膜５０は、ＣｅとＣｅ以外の他の希土類元素とを含有する組成にて形成することができ、例えば、（ＣｅＯ_２）_１−ｘ（ＲＥＯ_１．５）_ｘ（式中、ＲＥはＳｍ、Ｙ、Ｙｂ、Ｇｄの少なくとも１種であり、ｘは０＜ｘ≦０．３を満足する数）で表される組成を有していることが好ましい。さらには、電気抵抗を低減するという点から、ＲＥとしてＳｍやＧｄを用いることが好ましく、例えば１５〜２５モル％のＳｍＯ_１．５またはＧｄＯ_１．５が固溶したＣｅＯ_２からなることが好ましい。中間膜５０の厚みは、剥離を防止し、高い発電性能を維持するという点から、１．５〜５０μｍとされている。

【0031】

固体電解質膜４０と空気極６０との間に中間膜５０を介装することにより、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ことができる。

【0032】

また、中間膜５０が、固体電解質膜４０と空気極６０との間のみならず、ガス遮断層として、固体電解質膜４０に積層されるため、固体電解質膜４０を薄くして、発電性能を向上させたとしても、その外表面に中間膜５０が積層され、固体電解質膜４０からのガス漏出を中間膜５０で抑制でき、ガスシール性能を向上することができる。

【0033】

なお、図２（ａ）に示すように、本形態では、固体電解質膜４０および中間膜５０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。ここで、上述したように、燃料極２０の上面とインターコネクタ３０の上面と支持基板１０の主面との間で段差が形成されていない。従って、固体電解質膜４０および中間膜５０が平坦化されている。この結果、固体電解質膜４０および中間膜５０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および中間膜５０でのクラックの発生が抑制され得、固体電解質膜４０および中間膜５０が有するガスシール機能の低下が抑制され得る。

【0034】

そして、本形態では、固体電解質膜４０に積層された中間膜５０の配列方向（ｘ軸方向）の端が、インターコネクタ３０の上方に位置しており、かつ、インターコネクタ３０の両端部に積層された固体電解質膜４０の配列方向の端から所定距離Ｌ１だけ内側に位置している。中間膜５０の配列方向の端がインターコネクタ３０の上方に位置することにより、多孔質な燃料極２０、支持基板１０の表面には、固体電解質膜４０および中間膜５０が積層されることになり、固体電解質膜４０だけの部分がなくなり、さらにガスシール性能を向上できる。

【0035】

また、図３に示すように、配列方向と直交する配列直交方向（ｙ軸方向）におけるインターコネクタ３０の両端部に固体電解質膜４０が積層され、中間膜５０の配列直交方向の端が、インターコネクタ３０の上方に位置しており、かつ、固体電解質膜４０の配列直交方向の端から所定距離Ｂ１だけ内側に位置するように、中間膜５０が固体電解質４０に積層されている。所定距離Ｌ１、Ｂ１は、たとえば、０．０１〜０．５ｍｍとされている。

【0036】

すなわち、インターコネクタ３０の外周部上面は、固体電解質膜４０で覆われ、固体電解質膜４０の上面には、固体電解質膜４０が環状に露出するように中間膜５０が積層されている。これにより、さらにガスシール性能および発電性能を向上できる。

【0037】

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、中間膜５０を介して空気極６０が形成されている。中間膜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。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。

【0038】

ここで、燃料極２０と、固体電解質膜４０と、中間膜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列されている。

【0039】

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。あるいは、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。

【0040】

隣り合う発電素子部Ａ、Ａについて、一方の（図２（ａ）では、左側の）発電素子部Ａの空気極６０と、他方の（図２（ａ）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、中間膜５０、および、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。

【0041】

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。あるいは、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。あるいは、Ａｇ（銀）、Ａｇ−Ｐｄ（銀パラジウム合金）から構成されてもよい。空気極集電膜７０の厚さは、５０〜５００μｍである。

【0042】

このように各空気極集電膜７０が形成されることにより、隣り合う発電素子部Ａ、Ａについて、他方の（図２（ａ）では、左側の）発電素子部Ａの空気極６０と、一方の（図２（ａ）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。

【0043】

この結果、支持基板１０の上面に配置されている複数（本形態では、４つ）の発電素子部Ａが電気的に直列に接続される。ここで、電子伝導性を有する「空気極集電膜７０およびインターコネクタ３０」が、前記「電気的接続部」に対応する。

【0044】

なお、インターコネクタ３０は、「電気的接続部」における「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、「電気的接続部」における「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。

【0045】

以上、説明した「横縞型」のセルに対して、図４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（あるいは、支持基板１０の上下面に沿って酸素を含むガスを流す）ことにより、固体電解質膜４０の両側面間に生じる酸素分圧差によって起電力が発生する。更に、この構造体を外部の負荷に接続すると、下記（１）、（２）式に示す化学反応が起こり、電流が流れる(発電状態)。
（１／２）・Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２−（於：空気極６０） …（１）
Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻（於：燃料極２０） …（２）
発電状態においては、図２（ａ）に示すように、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、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。

【0046】

（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。

【0047】

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する。

【0048】

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をそれぞれ埋設・形成する。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をそれぞれ埋設・形成する。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埋設・形成する。

【0049】

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をそれぞれ埋設・形成する。各インターコネクタの成形体３０ｇは、例えば、インターコネクタ３０の材料（例えば、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・形成する。

【0050】

次に、複数の燃料極の成形体（２１ｇ＋２２ｇ）および複数のインターコネクタの成形体３０ｇがそれぞれ埋設・形成された状態の支持基板の成形体１０ｇにおける長手方向に延びる外周面において複数のインターコネクタの成形体３０ｇが形成されたそれぞれの部分の長手方向中央部を除いた全面に、固体電解質膜の成形膜を形成する。固体電解質膜の成形膜は、例えば、固体電解質膜４０の材料（例えば、ＹＳＺ）の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法、ディッピング法等を利用して形成する。

【0051】

次に、固体電解質膜の成形膜の外側面に、中間膜の成形膜を形成する。各中間膜の成形
膜は、例えば、中間膜５０の材料（例えば、ＧＤＣ）の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法等を利用して形成する。

【0052】

そして、このように種々の成形膜が形成された状態の支持基板の成形体１０ｇを、例えば、空気中にて１５００℃で３時間焼成する。これにより、図１に示したセルにおいて空気極６０および空気極集電部７０が形成されていない状態の構造体を得る。

【0053】

次に、各中間膜５０の外側面に、空気極の成形膜を形成する。各空気極の成形膜は、例えば、空気極６０の材料（例えば、ＬＳＣＦ）の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法等を利用して形成する。

【0054】

次に、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、中間膜５０、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形成する。

【0055】

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形成する。

【0056】

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。

【0057】

（作用・効果）
以上、説明したように、上記本発明の実施形態に係る「横縞型」のセルでは、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および中間膜５０の積層体とからなるガス遮断層により覆われているため、中間膜５０が薄い固体電解質膜４０を補強し、ガス遮断層の内側の空間を流れる燃料ガスとガス遮断層の外側の空間を流れる空気とを確実に遮断できる。また、固体電解質膜４０を薄くして発電性能を向上させたとしても、固体電解質膜４０の外側面に中間膜５０が形成されていることから、ガスシール性能を向上できる。

【0058】

さらに、セリア系材料からなる中間膜５０はイオン電導性のみならず、電気伝導性も有するが、中間膜５０の配列方向側の端が、インターコネクタ３０の両端部に積層された固体電解質膜４０の配列方向側の端から所定距離Ｌ１だけ内側に位置しているため、中間膜５０とインターコネクタ３０とが接触することがなく、したがって、隣接する発電素子部Ａ間で短絡することがない。

【0059】

また、支持基板１０の上下面に形成されている、燃料極２０（集電部２１）を埋設するための複数の第１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において各第１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。

【0060】

また、支持基板１０の各第１凹部１２内に燃料極２０（燃料極集電部２１＋燃料極活性部２２）およ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。

【0061】

また、インターコネクタ３０が、燃料極集電部２１の外側面に形成された第３凹部２１ｂに埋設され、この結果、直方体状のインターコネクタ３０の幅方向（ｙ軸方向）に沿う
２つの側面と底面とが凹部２１ｂ内で燃料極集電部２１と接触している。従って、燃料極集電部２１の外側平面上に直方体状のインターコネクタ３０が積層される（接触する）構成が採用される場合に比べて、燃料極２０（集電部２１）とインターコネクタ３０との界面の面積を大きくできる。従って、燃料極２０とインターコネクタ３０との間における電子伝導性を高めることができ、この結果、燃料電池の発電出力を高めることができる。

【0062】

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。

【0063】

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５等に示すように、支持基板１０に形成された第１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。

【0064】

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。

【0065】

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。

【0066】

また、図７は他の形態を示すもので、第３凹部２１ｂの側壁とインターコネクタ３０との間には、絶縁性を有する緻密質のシール層７５が形成されている。シール層７５は、インターコネクタ３０の周囲を取り囲んでおり、上面は、支持基板１０、燃料極２０、インターコネクタ３０の上面と段差のない平面を構成している。固体電解質膜４０および中間膜５０は、シール層７５の発電素子部Ａの配列方向の両端部にまで延設されて積層されており、インターコネクタ３０には積層されていない。言い換えれば、中間膜５０の発電素子部Ａの配列方向の端は、シール層７５の上方に位置しており、インターコネクタ３０の上方には存在していない。

【0067】

すなわち、シール層７５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。シール層７５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。シール層７５の厚さは、１０〜１００μｍである。

【0068】

そして、図７（ａ）は、固体電解質膜４０に積層された中間膜５０の配列方向（ｘ軸方
向）の端が、インターコネクタ３０から所定距離Ｌ２だけ離間している場合、図７（ｂ）は、配列方向（ｘ軸方向）における、中間膜５０の端と固体電解質膜４０の端とがほぼ同じ位置にあり、中間膜５０の配列方向の端が、インターコネクタ３０から所定距離Ｌ２だけ離間している場合、図７（ｃ）は、固体電解質膜４０の端を中間膜５０が被覆しており、中間膜５０の配列方向の端が、インターコネクタ３０から所定距離Ｌ２だけ離間している場合を示している。なお、空気極集電部７０は、隣り合う発電素子部Ａ間で、一方の中間膜５０とは離間して形成されている。

【0069】

このようなセルであっても、発電性能を向上できるとともに、ガスシール性能を向上でき、さらに、中間膜５０とインターコネクタ３０とが接触することがなく、したがって、隣接する発電素子部Ａ間における短絡を確実に防止できる。

【0070】

なお、この場合であっても、配列方向と直交する配列直交方向におけるシール層７５の両端部に固体電解質膜４０が積層され、中間膜５０の配列直交方向の端が、インターコネクタ３０から所定距離Ｂだけ離間するように、中間膜５０が固体電解質膜４０に積層されていることが望ましい。

【符号の説明】

【0071】

１０・・・支持基板
１１・・・燃料ガス流路
１２・・・第１凹部
２０・・・燃料極
２１・・・燃料極集電部
２１ａ・・・第２凹部
２１ｂ・・・第３凹部
２２・・・燃料極活性部
３０・・・インターコネクタ（導電性緻密質体）
４０・・・固体電解質膜
５０・・・中間膜
６０・・・空気極
７０・・・空気極集電部
７５・・・シール層
Ａ・・・発電素子

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図1】