特許 7700212 燃料電池セルおよびその製造方法

(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】

(24)【登録日】2025-06-20

(45)【発行日】2025-06-30

(54)【発明の名称】燃料電池セルおよびその製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/1226 20160101AFI20250623BHJP

   H01M 8/1213 20160101ALI20250623BHJP

   H01M 8/124 20160101ALI20250623BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20250623BHJP

   H01M 8/1253 20160101ALN20250623BHJP

【ＦＩ】

H01M8/1226

H01M8/1213

H01M8/124

H01M8/12 101

H01M8/12 102A

H01M8/1253

【請求項の数】 15

(21)【出願番号】P 2023510001

(86)(22)【出願日】2021-03-31

(86)【国際出願番号】 JP2021013769

(87)【国際公開番号】W WO2022208705

(87)【国際公開日】2022-10-06

【審査請求日】2023-08-24

(73)【特許権者】

【識別番号】501387839

【氏名又は名称】株式会社日立ハイテク

(74)【代理人】

【識別番号】110002572

【氏名又は名称】弁理士法人平木国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】笹子 佳孝

(72)【発明者】

【氏名】佐久間 憲之

(72)【発明者】

【氏名】横山 夏樹

(72)【発明者】

【氏名】藤崎 耕司

(72)【発明者】

【氏名】三瀬 信行

(72)【発明者】

【氏名】杉本 有俊

【審査官】小森 重樹

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１２／１０５５７５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０２０－１２９４３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１２２２８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０７－３２０７５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－２６５８９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－３０２６１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－０９８１６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－０９１９４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－２３４９２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－０９５９８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－１６５１４３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ ８／００－８／０２９７

Ｈ０１Ｍ ８／０８－８／２４９５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料電池セルであって、
第１多孔質基板、
前記第１多孔質基板上に形成された第１多孔質電極層、
前記第１多孔質電極層上に形成された第１固体電解質層、
前記第１固体電解質層と直接に接して形成された第２固体電解質層、
前記第２固体電解質層の前記第１固体電解質層と接していない側に形成された第２多孔質電極層、
を備え、
前記第１固体電解質層と前記第２固体電解質層との間の界面は、前記第１固体電解質層と前記第１多孔質電極層との間の界面よりも平坦であり、
前記第１固体電解質層の下地に付着している異物に起因して前記第２固体電解質層の膜厚が最も薄くなっている部分は、前記燃料電池セルの出力電圧が前記第１多孔質電極層と前記第２多孔質電極層との間に生じたときであっても、前記第１固体電解質層と前記第２固体電解質層との間のリーク電流がブロックされる厚さを有する
ことを特徴とする燃料電池セル。

【請求項2】

前記第２固体電解質層の最大膜厚と最小膜厚との間の差分は、前記第１多孔質電極層の表面の最大山高さと最大谷深さの合計よりも小さい
ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池セル。

【請求項3】

前記第１固体電解質層の膜厚は、前記第１多孔質電極層の表面の最大山高さと最大谷深さの合計以上であり、前記合計の２倍以下であり、
前記第１固体電解質層の膜厚と前記第２固体電解質層の膜厚の合計が１マイクロメートル以下である
ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池セル。

【請求項4】

前記第１固体電解質層と前記第１多孔質電極層との間の界面に配置され、前記第１固体電解質層の材料とは異なる金属酸化物によって形成された第１界面層、
または、
前記第２固体電解質層と前記第２多孔質電極層との間の界面に配置され、前記第２固体電解質層の材料は異なる金属酸化物によって形成された第２界面層、
のうち少なくともいずれかを備える
ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池セル。

【請求項5】

前記第１多孔質基板は、前記第１多孔質電極層と接する深さの第１孔を有し、
前記第１孔の内壁には、前記第１多孔質電極層に対して給電する第１配線層が形成されている
ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池セル。

【請求項6】

前記燃料電池セルはさらに、前記第２多孔質電極層上に形成された第２多孔質基板を備え、
前記第２多孔質基板は、前記第２多孔質電極層と接する深さの第２孔を有し、
前記第２孔の内壁には、前記第２多孔質電極層に対して給電する第２配線層が形成されており、
前記第１固体電解質層と前記第２固体電解質層との間の界面は、前記第２固体電解質層と前記第２多孔質電極層との間の界面よりも平坦であり、
前記第１固体電解質層の膜厚が最も薄い部分は、前記燃料電池セルの出力電圧が前記第１多孔質電極層と前記第２多孔質電極層との間に印加されたときであっても、前記第１固体電解質層と前記第２固体電解質層との間のリーク電流がブロックされる厚さを有する ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池セル。

【請求項7】

前記第１多孔質基板は、陽極酸化アルミナ基板または多孔質金属基板である
ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池セル。

【請求項8】

燃料電池セルを製造する方法であって、
第１多孔質基板上に第１多孔質電極層を形成する工程、
前記第１多孔質電極層上に第１固体電解質層を形成する工程、
前記第１固体電解質層の表面を平坦化する工程、
前記平坦化された前記第１固体電解質層の表面に直接に接して第２固体電解質層を形成する工程、
前記第２固体電解質層の前記第１固体電解質層と接していない側に第２多孔質電極層を形成する工程、
を有し、
前記第１固体電解質層と前記第２固体電解質層との間の界面は、前記第１固体電解質層と前記第１多孔質電極層との間の界面よりも平坦であり、
前記第１固体電解質層の下地に付着している異物に起因して前記第２固体電解質層の膜厚が最も薄くなっている部分は、前記燃料電池セルの出力電圧が前記第１多孔質電極層と前記第２多孔質電極層との間に生じたときであっても、前記第１固体電解質層と前記第２固体電解質層との間のリーク電流がブロックされる厚さを有する
ことを特徴とする燃料電池セル製造方法。

【請求項9】

前記第２固体電解質層の最大膜厚と最小膜厚との間の差分は、前記第１多孔質電極層の表面の最大山高さと最大谷深さの合計よりも小さい
ことを特徴とする請求項８記載の燃料電池セル製造方法。

【請求項10】

前記第１固体電解質層の膜厚は、前記第１多孔質電極層の表面の最大山高さと最大谷深さの合計以上であり、前記合計の２倍以下であり、
前記第１固体電解質層の膜厚と前記第２固体電解質層の膜厚の合計が１マイクロメートル以下である
ことを特徴とする請求項８記載の燃料電池セル製造方法。

【請求項11】

前記第１固体電解質層を形成する工程と、前記第１多孔質電極層を形成する工程との間において、前記第１固体電解質層と前記第１多孔質電極層との間の界面に配置され、前記第１固体電解質層とは異なる金属酸化物によって形成された第１界面層を形成する工程、 または、
前記第２固体電解質層を形成する工程と、前記第２多孔質電極層を形成する工程との間において、前記第２固体電解質層と前記第２多孔質電極層との間の界面に配置され、前記第２固体電解質層とは異なる金属酸化物によって形成された第２界面層を形成する工程、 のうち少なくともいずれかを有する
ことを特徴とする請求項８記載の燃料電池セル製造方法。

【請求項12】

前記第１多孔質基板は、前記第１多孔質電極層と接する深さの第１孔を有し、
前記方法はさらに、
前記第１多孔質電極層を形成する工程の前に、前記第１多孔質基板を第１平坦基板上に配置する工程、
前記第１平坦基板の前記第１多孔質基板と接していない側の面の一部を除去することにより、前記第１多孔質基板と接する深さの空隙を形成する工程、
前記第１孔の内壁に、前記第１多孔質電極層に対して給電する第１配線層を形成する工程、
を有する
ことを特徴とする請求項８記載の燃料電池セル製造方法。

【請求項13】

前記第２固体電解質層を形成する工程と前記第２多孔質電極層を形成する工程は、
第２多孔質基板上に前記第２多孔質電極層を形成する工程、
前記第２多孔質電極層上に前記第２固体電解質層を形成する工程、
前記第２固体電解質層の表面を平坦化する工程、
前記平坦化した前記第２固体電解質層の表面と、前記平坦化した前記第１固体電解質層の表面とを接合する工程、
を有する
ことを特徴とする請求項８記載の燃料電池セル製造方法。

【請求項14】

前記第２多孔質基板は、前記第２多孔質電極層と接する深さの第２孔を有し、
前記方法はさらに、
前記第２多孔質電極層を形成する工程の前に、前記第２多孔質基板を第２平坦基板上に配置する工程、
前記第２平坦基板の前記第２多孔質基板と接していない側の面の一部を除去することにより、前記第２多孔質基板と接する深さの空隙を形成する工程、
前記第２孔の内壁に、前記第２多孔質電極層に対して給電する第２配線層を形成する工程、
を有し、
前記第１固体電解質層と前記第２固体電解質層との間の界面は、前記第２固体電解質層と前記第２多孔質電極層との間の界面よりも平坦であり、
前記第１固体電解質層の膜厚が最も薄い部分は、前記燃料電池セルの出力電圧が前記第１多孔質電極層と前記第２多孔質電極層との間に印加されたときであっても、前記第１固体電解質層と前記第２固体電解質層との間のリーク電流がブロックされる厚さを有する
ことを特徴とする請求項１３記載の燃料電池セル製造方法。

【請求項15】

前記第１多孔質基板は、陽極酸化アルミナ基板または多孔質金属基板である
ことを特徴とする請求項８記載の燃料電池セル製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、固体電解質層を成膜プロセスによって形成する固体酸化物形燃料電池に関する。

【背景技術】

【0002】

本技術分野の背景技術として、特開２０１６－１１５５０６号公報（特許文献１）、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｏｗｅｒ Ｓｏｕｒｃｅｓ １９４（２００９）１１９－１２９（非特許文献１）がある。

【0003】

非特許文献１は、薄膜成膜プロセスによって燃料電池膜のアノード層、固体電解質層、カソード層を形成するセル技術について記載している。固体電解質を薄膜化することにより、イオン伝導度を向上し発電効率を向上することができる。固体電解質のイオン伝導度は活性化型の温度依存性を示す。したがって、イオン伝導度は高温で大きく、低温では小さい。固体電解質の薄膜化により、低温でも充分大きなイオン伝導度が得られ、実用的な発電効率が実現できる。固体電解質層としては、例えばイットリアなどをドーピングしたジルコニアであるＹＳＺ（Ｙｔｔｒｉａ Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ Ｚｉｒｃｏｎｉａ）が用いられることが多い。化学的安定性に優れていて、燃料電池の内部リーク電流の原因となる電子、ホールによる電流が少ないという長所があるためである。アノード層、カソード層として多孔質の電極を使用することにより、ガス、電極、固体電解質が互いに接する三相界面を増加させることができ、電極界面で生じる分極抵抗による電力損失を抑制することができる。

【0004】

固体電解質層を薄膜化することにより面積当りの出力電力を向上することができるが、薄膜化によりアノード層とカソード間の固体電解質層でのリーク電流が問題になる。均一な固体電解質層を形成できる場合には例えば固体電解質層にＹＳＺを用いる場合では１００ナノメートル以下にまで薄膜化できる。実際には固体電解質層を形成する前に下地に存在する異物により、固体電解質層に極端に薄い部分が形成される結果、アノード層とカソード間でリーク電流が増加する場合が多い。

【0005】

特許文献１に開示されているようなグリーンシートを用いて製造する燃料電池セルの場合は厚さ数十マイクロメートルの固体電解質層を用いるのに対して、薄膜成膜により固体電解質層を形成する燃料電池セルでは固体電解質層を１マイクロメートル程度以下に薄膜化する。このため異物による影響の抑制が必須である。

【0006】

固体電解質層を形成する前に下地に存在する異物の対策ではないが、非特許文献２には固体電解質層中に形成される空隙を充填する技術が開示されている。アノード層上に成膜する固体電解質層（ＹＳＺ層）に形成される空隙を、原子層堆積法（ＡＬＤ法）によってアルミナを成膜することにより充填した後、エッチバックでアルミナの一部を除去し、続けて固体電解質層（ＹＳＺ層）を追加で成膜する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【文献】特開２０１６－１１５５０６号公報

【非特許文献】

【0008】

【文献】Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｏｗｅｒ Ｓｏｕｒｃｅｓ １９４（２００９）１１９－１２９

【文献】Ａｄｖ． Ｆｕｎｃｔ． Ｍａｔｅｒ．２１（２０１１） １１５４－１１５９

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

非特許文献２に記載されている方法では、固体電解質中に形成された空隙を埋め込むことはできるが、固体電解質層を形成する前に下地に存在する異物の影響を抑制することはできない。燃料電池セルでは電極がガスを拡散させる必要があるため多孔質で形成する必要がある。このため固体電解質層を形成する際には多孔質の電極上に形成することになる。多孔質の電極は粒状形状の電極材料が集まった構造を持つため、平坦で緻密な電極と比較して形成時に異物が生じる頻度が非常に高い。固体電解質層の膜厚と比較して無視できない大きさの異物が下地の多孔質電極上に存在する場合、異物部では固体電解質層の膜厚が極端に薄く形成され、極端な場合には固体電解質層に孔が形成される。その結果、燃料電池セルの動作時に異物部の薄い固体電解質層を介してアノード層とカソード間で電子電流、ホール電流によるリークが生じて燃料電池セルの出力電力を低下させる。また、固体電解質層に孔が形成される場合、アノード側に供給する燃料ガスとカソード側に供給する酸化剤ガスが固体電解質層の孔を介して相互に拡散し、やはり燃料電池セルの出力電力を低下させる。

【0010】

本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであり、薄膜固体電解質層の形成時に下地に存在する異物による出力電力の低下を抑制し、燃料電池セルの面積を増加させた場合の歩留まりを高め、燃料電池のコストを低減することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明に係る燃料電池セルは、支持基板上に下部電極層、第１固体電解質層、第２固体電解質層、上部電極層からなる膜電極接合体が形成され、第１固体電解質層と第２固体電解質層との間の界面は、下部電極層と固体電解質層との間の界面と比較して平坦であり、第２固体電解質層は、前記燃料電池セルの出力電圧が生じたときであっても前記第１固体電解質層と前記第２固体電解質層との間のリーク電流が許容値未満となる程度の膜厚を有する。

【発明の効果】

【0012】

本発明に係る燃料電池セルによれば、面積当りの出力電力が大きく、大面積化が可能で、低温動作が可能な固体酸化物形燃料電池を提供することができる。上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施の形態の説明により明らかにされる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】薄膜化した固体電解質層を備える燃料電池セルの一般的な構造を示す図である。

【図2】実施形態１に係る薄膜プロセス型ＳＯＦＣを用いた燃料電池モジュールの構成例を示す概略図である。

【図3】遮蔽板を燃料電池側から見た図である。

【図4】燃料電池セルを遮蔽板の裏側から見た図である。

【図5】実施形態１に係る燃料電池セル１の構成例を示す概略図である。

【図6】図５に示す燃料電池セル１を形成する方法の１例について説明する図である。

【図7】図５に示す燃料電池セル１を形成する方法の１例について説明する図である。

【図8】図５に示す燃料電池セル１を形成する方法の１例について説明する図である。

【図9】図５に示す燃料電池セル１を形成する方法の１例について説明する図である。

【図10】図５に示す燃料電池セル１を形成する方法の１例について説明する図である。

【図11】図５に示す燃料電池セル１を形成する方法の１例について説明する図である。

【図12】図５に示す燃料電池セル１を形成する方法の１例について説明する図である。

【図13】下部電極層２０上の異物２００が存在する部位における、従来技術の燃料電池セルと、実施形態１に係る燃料電池セル１の形状の違いを示している。

【図14】実施形態１に係る燃料電池セル１のリーク電流について説明する図である。

【図15】燃料電池セル１の基板に第１多孔質金属基板７１を用いた変形例の製造方法を示す。

【図16】燃料電池セル１の基板に第１多孔質金属基板７１を用いた変形例の製造方法を示す。

【図17】燃料電池セル１の基板に第１多孔質金属基板７１を用いた変形例の製造方法を示す。

【図18】燃料電池セル１の基板に第１多孔質金属基板７１を用いた変形例の製造方法を示す。

【図19】燃料電池セル１の基板に第１多孔質金属基板７１を用いた変形例の製造方法を示す。

【図20】実施形態２における燃料電池セル１の製造方法の１例を示す。

【図21】実施形態２における燃料電池セル１の製造方法の１例を示す。

【図22】実施形態２における燃料電池セル１の製造方法の１例を示す。

【図23】実施形態２における燃料電池セル１の製造方法の１例を示す。

【図24】実施形態２における燃料電池セル１の製造方法の１例を示す。

【図25】実施形態２における燃料電池セル１の製造方法の１例を示す。

【図26】実施形態２における燃料電池セル１の製造方法の１例を示す。

【図27】下部電極層２０上と上部電極層１０上の異物２００が存在する部位における、実施形態２に係る燃料電池セル１の形状を示している。

【図28】実施形態２の変形例を示す。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一または関連する符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、複数の類似の部材（部位）が存在する場合には、総称の符号に記号を追加し個別または特定の部位を示す場合がある。また、以下の実施の形態では、特に必要なとき以外は同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。

【0015】

以下の実施の形態においては、説明上の方向として、Ｘ方向、Ｙ方向、およびＺ方向を用いる。Ｘ方向とＹ方向とは互いに直交し、水平面を構成する方向であり、Ｚ方向は水平面に対して鉛直の方向である。

【0016】

実施の形態で用いる図面においては、断面図であっても図面を見易くするためにハッチングを省略する場合もある。また、平面図であっても図面を見易くするためにハッチングを付す場合もある。

【0017】

断面図および平面図において、各部位の大きさは実デバイスと対応するものではなく、図面を分かりやすくするため、特定の部位を相対的に大きく表示する場合がある。また、断面図と平面図が対応する場合においても、図面を分かりやすくするため、特定の部位を相対的に大きく表示する場合がある。

【0018】

＜薄膜プロセス型燃料電池による基板への投影面積当りの出力電力向上および動作温度の低温化＞
図１は、薄膜化した固体電解質層を備える燃料電池セルの一般的な構造を示す図である。発電効率を上げて低温動作を実現するためには、燃料電池用膜電極接合体を構成する固体電解質層を薄膜化する必要があり、それには成膜プロセスで固体電解質層を形成する薄膜プロセス型燃料電池が最適である。アノード電極層、固体電解質層、カソード電極層を全て薄膜化すると、燃料電池用膜電極接合体の機械的強度が弱くなるが、図１のように基板支持によって補うことができる。基板には例えば図１に示すように陽極酸化アルミナ基板（ＡＡＯ基板）４を用いることができる。図１では、第１ＡＡＯ基板４上に形成された下部電極層２０上に第１固体電解質層１０１が形成され、その上に上部電極層１０が形成されている。第１ＡＡＯ基板４は第１空孔５１を介して裏面から下部電極層２０に燃料ガスもしくは酸化剤ガスを供給することができる。上部電極層１０、下部電極層２０は多孔質で形成することができる。

【0019】

＜実施の形態１：燃料電池の構成＞
図２は、本発明の実施形態１に係る薄膜プロセス型ＳＯＦＣ（Ｓｏｌｉｄ ＯｘｉｄｅＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ）を用いた燃料電池モジュールの構成例を示す概略図である。モジュール内のガス流路は、燃料ガスの流路と酸素ガスを含む気体（例えば空気、以下同様）の流路に分離されている。燃料ガスの流路は、燃料導入口、燃料室、燃料排出口を含む。空気の流路は、空気導入口、空気室、空気排出口を含む。燃料ガスと空気はモジュール内で混ざらないように図２の遮蔽板で遮蔽されている。燃料電池セルのアノード電極とカソード電極からはコネクタによって配線が引き出されていて外部負荷に接続される。

【0020】

図３は、遮蔽板を燃料電池側から見た図である。燃料電池セルは遮蔽板に搭載されている。燃料電池セルは１つでもよいが一般には複数個が並べられる。

【0021】

図４は、燃料電池セルを遮蔽板の裏側から見た図である。遮蔽板には各々の燃料電池セルごとに穴が形成されていて、燃料電池セルに燃料室から燃料ガスが供給されるようになっている。

【0022】

図５は、本実施形態１に係る燃料電池セル１の構成例を示す概略図である。燃料電池セル１は、図２～４に示す燃料電池セルに対応する。第１ＡＡＯ基板４上に下部電極層２０が形成されている。第１ＡＡＯ基板４には第１空孔５１が形成されていて、これを介して裏面から下部電極層２０に燃料ガスもしくは酸化剤ガスを供給することができる。下部電極層２０は例えば、白金、白金と金属酸化物からなるサーメット材料、ニッケル、ニッケルと金属酸化物からなるサーメット材料、などによって形成することができる。下部電極層２０には、第１空孔５１の側壁に形成された下部電極配線層２１を介して第１ＡＡＯ基板４の裏面から給電することができる。下部電極配線層２１は例えば白金、ニッケルなどによって形成することができる。下部電極層２０、下部電極配線層２１は多孔質材料によって形成することができる。

【0023】

下部電極層２０の上層には第１固体電解質層１０１となるイットリアをドープしたジルコニア薄膜が形成されている。イットリアのドープ量は例えば３％、あるいは８％とすることができる。第１固体電解質層１０１は第１ＡＡＯ基板上の下部電極層２０を完全に覆うように形成されている。第１固体電解質層１０１の膜厚は、下地となる下部電極層２０の表面の所定の領域の凹凸（Ｄ）以上とし、その２倍（２×Ｄ）以下とすることができる。例えばＤが１００ｎｍの場合には１００ｎｍ以上２００ｎｍ以下とする。第１固体電解質層１０１の上表面は下部電極層２０の表面と比較して平坦化することができる。これは後述するように、第１固体電解質層１０１を成膜した後に化学的機械研磨法（ＣＭＰ法）を用いることにより実現できる。ここでいう凹凸（Ｄ）は、例えば表面上の所定領域内における最大山高さと最大谷深さの合計として定義できる。

【0024】

第１固体電解質層１０１の上層には第２固体電解質層１０２となるイットリアをドープしたジルコニア薄膜が形成されている。イットリアのドープ量は例えば３％、あるいは８％とすることができる。第２固体電解質層１０２の材料として第１固体電解質層１０１と同じ材料を用いることができる。第２固体電解質層１０２は第１固体電解質層１０１を完全に覆うように形成されている。第２固体電解質層１０２の膜厚は、第２固体電解質層１０２だけでアノード層とカソード層との間の電子リーク、ホールリークによる電流を充分に抑制できるような膜厚とする。ＹＳＺは燃料電池セル１の内部リーク電流となる電子電流やホール電流が高温でも極めて少ないので、第２固体電解質層１０２を１００ｎｍ以下に薄膜化することも可能である。下部電極層２０の凹凸（Ｄ）を充分に小さくすることにより、第１固体電解質層１０１と第２固体電解質層１０２の合計膜厚を１０００ｎｍ以下
にすることができる。

【0025】

第２固体電解質層１０２の上層に第１界面層６１が形成されている。第１界面層６１は例えばガドリニア（Ｇｄ２Ｏ３）を１０％ドープしたセリア（ＣｅＯ２）で形成することができる。第１界面層６１は第２固体電解質層１０２の上表面を覆うように形成されている。第２固体電解質層１０２と上部電極層１０が、燃料電池セル１の製造工程や動作時の熱負荷によって化学的に反応しやすくこれらを直接接触させることが好ましくない場合などにおいて、第１界面層６１を用いる。第１界面層６１を上部電極層１０と第２固体電解質層１０２との間に形成することによって、動作時における上部電極層１０での分極抵抗を低減させる効果が得られる場合もある。燃料電池セル１の動作温度などの使用条件によっては、第１界面層６１は形成しないことも可能である。また、後述するように下部電極層２０と第１固体電解質層１０１との界面に別途界面層を形成することも可能である。

【0026】

第１界面層６１の上層に上部電極層１０が形成されている。上部電極層１０は例えば、多孔質の白金や、白金と金属酸化物からなるサーメット材料によって形成することができる。上部電極層１０は、第１ＡＡＯ基板４の一部を覆うように形成されている。

【0027】

以上のように、薄膜プロセス型の燃料電池セル１は下層から、第１ＡＡＯ基板４、下部電極配線層２１、下部電極層２０、第１固体電解質層１０１、第２固体電解質層１０２、第１界面層６１、上部電極層１０で構成された膜電極接合体を備える。

【0028】

下部電極層２０側に例えば水素を含む燃料ガスを供給し、上部電極層１０側に例えば空気などの酸化剤ガスを供給する。供給した燃料ガスは第１ＡＡＯ基板４の第１空孔５１を介して下部電極層２０に到達する。供給した酸化剤ガスは上部電極層１０表面に供給される。第１固体電解質層１０１、第２固体電解質層１０２、第１界面層６１を介したイオン伝導により酸化剤ガスと燃料ガスが反応することによって通常の燃料電池と同様に動作することができる。供給する酸化剤ガスと燃料ガスがガスの状態で互いに混合しないように、下部電極層２０側と上部電極層１０側の間はシールする。

【0029】

燃料ガスと酸化剤ガスの供給はこれとは逆に、下部電極層２０側に例えば空気などの酸化剤ガスを供給し、上部電極層１０側に例えば水素を含む燃料ガスを供給することもできる。この場合も供給する酸化剤ガスと燃料ガスがガスの状態で互いに混合しないように、下部電極層２０側と上部電極層１０側の間はシールする。

【0030】

＜実施の形態１：製造方法＞
図６～図１２は、図５に示す燃料電池セル１を形成する方法の１例について説明する図である。まずシリコン基板２上に第１ＡＡＯ基板４を形成する（図６）。第１ＡＡＯ基板４には表裏面間を貫通する複数の第１空孔５１が形成されている。第１空孔５１の直径は例えば５０～１００ｎｍとすることができる。

【0031】

次に第１ＡＡＯ基板４上に下部電極層２０を形成する（図７）。例えば、下部電極層２０はニッケルとＹＳＺからなるサーメットを用いてスパッタ法によって成膜し、膜厚は１００～２００ｎｍとすることができる。第１ＡＡＯ基板４の上表面が凹凸形状であること、下部電極層２０が多孔質で形成されることにより、下部電極層２０の上表面は凹凸形状となる。また多孔質の下部電極層２０を形成する際に異物が発生して下部電極層２０の表面に付着する頻度が極めて高い。下部電極層２０の成膜工程で発生する異物は導電性があり、後述する通り従来技術の燃料電池セルでは、アノード層とカソード層の間の電子リーク、ホールリークを引き起こし、燃料電池セルの出力電圧を低下させるので対策が必須である。下部電極層２０は、図７のように第１ＡＡＯ基板４の上表面の他に、第１ＡＡＯ基板４の側面、シリコン基板２の上表面にも形成される。シリコン基板２は充分な強度と表面の平坦性、加工容易性があれば他の材料を用いた基板でも代替できる。

【0032】

次に、下部電極層２０の上表面に、第１固体電解質層１０１を形成する（図８）。第１固体電解質層１０１の材料は、イットリアのドープ量を例えば３％、あるいは８％とすることができる。固体電解質層は、アノード側とカソード側のガスの混合を防止する役目があるので緻密に形成する。例えば酸化物ターゲットを用いたスパッタ法、あるいはメタルターゲットを用いた反応性スパッタ法によって緻密な第１固体電解質層１０１を形成することができる。下部電極層２０の上表面が凹凸形状であることにより、第１固体電解質層１０１の上表面は凹凸形状となる。また、前述の下部電極層２０上に異物が形成されている場合には、異物部では第１固体電解質層１０１は所望の膜厚にならない。異物部の形状については後述する（図１３）。第１固体電解質層１０１は、図８のように第１ＡＡＯ基板４の上表面の他に、第１ＡＡＯ基板４の側面、シリコン基板２の上表面にも形成される。

【0033】

次に第１固体電解質層１０１の表面の一部を、化学的機械研磨法（ＣＭＰ法）で除去する（図９）。この際に、第１固体電解質層１０１が完全に除去されて下部電極層２０が露出し、あるいは第１固体電解質層１０１の残膜厚が厚すぎて燃料電池セル１の出力電圧が極端に低下することが無いように、第１固体電解質層１０１の残膜厚は、下地となる下部電極層２０の表面の所定の領域の凹凸（Ｄ）以上とし、その２倍（２×Ｄ）以下とする。例えばＤが１００ｎｍの場合には１００ｎｍ以上２００ｎｍ以下とする。ＣＭＰ法を用いると、第１ＡＡＯ基板４の上表面の第１固体電解質層１０１は一部が除去されるが、標高が低いシリコン基板２上に形成された第１固体電解質層１０１は除去されずに成膜した膜厚が残る。第１ＡＡＯ基板４上の下部電極層２０上に前述の異物がある場合は、ＣＭＰ法による研磨工程で異物は第１固体電解質層１０１と同時に研磨されるので表面は異物部でも平坦化される。異物部の形状については後述する（図１３）。第１固体電解質層１０１は、図９のように第１ＡＡＯ基板４の上表面では一部が除去されるが、第１ＡＡＯ基板４の側面、シリコン基板２の上表面では除去されない。

【0034】

次に、第１固体電解質層１０１の上表面に、第２固体電解質層１０２を形成する（図１０）。第２固体電解質層１０２の材料は、イットリアのドープ量を例えば３％、あるいは８％とすることができる。第２固体電解質層１０２として、第１固体電解質層１０１と同じ組成を用いることもできる。固体電解質層は、アノード側とカソード側のガスの混合を防止する役目があるので緻密に形成する。例えば酸化物ターゲットを用いたスパッタ法、あるいはメタルターゲットを用いた反応性スパッタ法によって緻密な第２固体電解質層１０２を形成することができる。第１ＡＡＯ基板４の上表面領域では、第１固体電解質層１０１の表面が平坦化されているので、第２固体電解質層１０２は均一な膜厚で形成することができる。厳密に見ると、第１固体電解質層１０１の表面にはＣＭＰ法による研磨後にも多少の凹凸は残るが、下部電極層２０の凹凸形状の影響による凹凸は無くなっている。このため、第２固体電解質層１０２の面内分布は下部電極層２０の局所的な凹凸には影響を受け無くなる。前述の異物部でも同様に第２固体電解質層１０２は均一な膜厚で形成することができる。第２固体電解質層１０２の膜厚は例えば１００ｎｍとすることができる。異物部の形状については後述する（図１３）。第２固体電解質層１０２は、図１０のように第１ＡＡＯ基板４の上表面の他に、第１ＡＡＯ基板４の側面、シリコン基板２の上表面にも形成される。

【0035】

第２固体電解質層１０２の膜厚は均一であるが、必ずしも厳密に全部分の膜厚が同一でなくともよい。少なくとも、第２固体電解質層１０２の最大膜厚と最小膜厚との間の差分は、下部電極層２０の凹凸（Ｄ）よりも小さい。これにより、第２固体電解質層１０２を下部電極層２０よりも平坦に形成したということができる。以下の実施形態において第２固体電解質層１０２を平坦に形成する場合も同様である。

【0036】

次に、第２固体電解質層１０２の上表面に、第１界面層６１を形成する（図１１）。第１界面層６１は例えばガドリニア（Ｇｄ２Ｏ３）を１０％ドープしたセリア（ＣｅＯ２）で形成することができる。第１界面層６１は第２固体電解質層１０２の上表面を覆うように形成する。第１ＡＡＯ基板４の上表面領域では、第２固体電解質層１０２の表面が平坦なので、第１界面層６１は均一な膜厚で形成することができる。第１界面層６１は、第１ＡＡＯ基板４の上表面の他に、第１ＡＡＯ基板４の側面、シリコン基板２の上表面にも形成される。次に、第１界面層６１の上表面に、上部電極層１０を形成する（図１１）。上部電極層１０は第１ＡＡＯ基板４の上表面の一部に形成する。上部電極層１０は例えば、多孔質の白金や、白金と金属酸化物からなるサーメット材料などによって形成することができる。

【0037】

次に、第１ＡＡＯ基板４が形成されている領域の一部のシリコン基板２を裏面側から除去した後に、第１空孔５１の内壁にＡＬＤ法で下部電極配線層２１を成膜し、燃料電池セル１を完成する（図１２）。下部電極配線層２１は、例えば白金、ニッケルで形成することができる。下部電極層２０、下部電極配線層２１は多孔質材料で形成することができる。下部電極配線層２１を介して第１ＡＡＯ基板４の裏面側と下部電極層２０を電気的に接続することができる。下部電極配線層２１は第１空孔５１の側壁に形成され、第１空孔５１を完全には埋め込まない。したがって、第１ＡＡＯ基板４の裏面側から供給する燃料ガス、または酸化剤ガスは、第１空孔５１を介して下部電極層２０に到達できる。図１２に示すように、第１燃料電池セル端部３０１には成膜した下部電極層２０、第１固体電解質層１０１、第２固体電解質層１０２、第１界面層６１、上部電極層１０が形成されている。第１燃料電池セル端部３０１における第１固体電解質層１０１は、図９のＣＭＰ工程で除去されないため、第１ＡＡＯ基板４の上表面の領域の第１固体電解質層１０１と比較して厚く形成されている。

【0038】

＜実施の形態１：効果＞
図１３は、前述した下部電極層２０上の異物２００が存在する部位における、従来技術の燃料電池セルと、本実施形態１に係る燃料電池セル１の形状の違いを示している。図１３上段に示すように、ＣＭＰ工程を行わない従来技術による燃料電池セルでは、異物２００の周辺において第１固体電解質層１０１、第１界面層６１が極端に薄くなる領域が形成される。前述の通り、下部電極層２０の成膜工程で発生する異物は導電性がある。その結果、燃料電池セル１の動作時に、導電性の異物２００を介してアノード層とカソード層の間で、電子電流、ホール電流によるリーク電流が生じて燃料電池セル１の出力電圧を低下させる。一方、本実施形態１に係る燃料電池セル１では、異物２００が存在する部位においても異物の上部が図９のＣＭＰ工程で第１固体電解質層１０１の上部の一部と同時に除去されて平坦化されているので、第２固体電解質層１０２は均一な膜厚で形成される。第２固体電解質層１０２の膜厚が、電子電流、ホール電流によるリーク電流を抑制するのに充分であれば、出力電力の低下は生じない。

【0039】

換言すると、第２固体電解質層１０２は、以下のように構成されているということができる。燃料電池セル１が発電するとき、下部電極層２０と上部電極層１０との間の電位差は、燃料電池セル１の出力電圧となる。この電位差が生じたときであっても、第１固体電解質層１０１と第２固体電解質層１０２との間でリーク電流が許容値未満となる（第２固体電解質層１０２がリーク電流をブロックする）程度の膜厚が、第２固体電解質層１０２の任意の場所において（すなわち第２固体電解質層１０２の膜厚が最も薄い場所において）確保されていることになる。具体的な膜厚は、リーク電流をブロックする性能と燃料電池セル１の性能との間のバランスに鑑みて、適宜定めればよい。

【0040】

図１４は、本実施形態１に係る燃料電池セル１のリーク電流について説明する図である。図１４上段は、本実施形態１に係る燃料電池セル１のサンプル＃１～＃５のリーク電流である。燃料電池セル面積は大きくするほど異物を含む確率が上がるので、リーク電流による不良が生じやすくなる。サンプル＃１～＃５のセル面積は、コストの観点から許容される最小のセル面積より大きい。図１４上段に示す通り、リーク電流を許容値以下に抑制することが可能である。図１３下段に示す異物２００が存在する部位におけるリークが抑制できていると考えられる。図１４下段はセル面積と良品率の関係を示した図である。従来技術の燃料電池セルでは面積の増加に伴って良品率が急減に減少する。コストの観点から許容される最小のセル面積より大きいセル面積では、許容される良品率を維持できない。図１３上段に示す異物２００の部位におけるリーク電流による不良率がセル面積の増加に伴って急増したためであると考えられる。一方、本実施形態１に係る燃料電池セル１では、コストの観点から許容される最小のセル面積より大きいセル面積でも高い良品率を確保できた。

【0041】

＜実施の形態１：変形例＞
図１５～図１９は、燃料電池セル１の基板に第１多孔質金属基板７１を用いた変形例の製造方法を示す。図６～１２では第１ＡＡＯ基板４を用いた燃料電池セル１の構造と製造方法について説明したが、燃料電池セル１の基板には第１多孔質金属基板７１を用いることもできる。図１５～図１９を用いて、燃料電池セル１の基板に第１多孔質金属基板７１を用いた実施形態１の変形例の製造方法を説明する。

【0042】

まず第１多孔質金属基板７１を準備する（図１５）。多孔質なので表面は凹凸形状である。第１多孔質金属基板７１の材料には例えばＳＵＳなどのフェライト系ステンレス鋼を用いることができる。次に、第１多孔質金属基板７１の上表面上に下部電極層２０を形成する（図１６）。例えば、下部電極層２０はニッケルとＹＳＺからなるサーメットを用いてスパッタ法によって成膜し、膜厚は１００～２００ｎｍとすることができる。第１多孔質金属基板７１の上表面が凹凸形状であること、下部電極層２０が多孔質で形成されることにより、下部電極層２０の上表面は凹凸形状となる。また多孔質の下部電極層２０を形成する際に異物が発生して下部電極層２０の表面に付着する頻度が極めて高い。下部電極層２０の成膜工程で発生する異物は導電性があり、後述する通り従来技術の燃料電池セルでは、アノード層とカソード層の間の電子リーク、ホールリークを引き起こし、燃料電池セルの出力電圧を低下させるので対策が必須である。

【0043】

次に、下部電極層２０の上表面に、第１固体電解質層１０１を形成する（図１７）。第１固体電解質層１０１の材料は、イットリアのドープ量を例えば３％、あるいは８％とすることができる。固体電解質層は、アノード側とカソード側のガスの混合を防止する役目があるので緻密に形成する。例えば酸化物ターゲットを用いたスパッタ法、あるいはメタルターゲットを用いた反応性スパッタ法によって緻密な第１固体電解質層１０１を形成することができる。下部電極層２０の上表面が凹凸形状であることにより、第１固体電解質層１０１の上表面は凹凸形状となる。下部電極層２０上に異物が形成されている場合には、異物部では第１固体電解質層１０１は所望の膜厚とならない。

【0044】

次に第１固体電解質層１０１の表面の一部を、例えば化学的機械研磨法（ＣＭＰ法）などの適当な手法によって除去する（図１８）。この際に、第１固体電解質層１０１が完全に除去されて下部電極層２０が露出したり、第１固体電解質層１０１の残膜厚が厚すぎて燃料電池セル１の出力電圧が極端に低下することが無いように、第１固体電解質層１０１の残膜厚は、下地となる下部電極層２０の表面の所定の領域の凹凸（Ｄ）以上とし、その２倍（２×Ｄ）以下とする。例えばＤが１００ｎｍの場合には１００ｎｍ以上２００ｎｍ以下とする。第１多孔質金属基板７１の上表面上の下部電極層２０上に前述の異物がある場合は、ＣＭＰ法による研磨工程で異物は第１固体電解質層１０１と同時に研磨されるので表面は異物部でも平坦化される。

【0045】

次に、第１固体電解質層１０１の上表面に、第２固体電解質層１０２を形成する（図１９）。第２固体電解質層１０２の材料は、イットリアのドープ量を例えば３％、あるいは８％とすることができる。第２固体電解質層１０２として、第１固体電解質層１０１と同じ組成を用いることもできる。固体電解質層は、アノード側とカソード側のガスの混合を防止する役目があるので緻密に形成する。例えば酸化物ターゲットを用いたスパッタ法、あるいはメタルターゲットを用いた反応性スパッタ法によって緻密な第２固体電解質層１０２を形成することができる。第２固体電解質層１０２の膜厚は例えば１００ｎｍとすることができる。第１多孔質金属基板７１の上表面領域では、第１固体電解質層１０１の表面が平坦化されているので、第２固体電解質層１０２は均一な膜厚で形成することができる。厳密に見ると、第１固体電解質層１０１の表面にはＣＭＰ法による研磨後にも多少の凹凸は残るが、下部電極層２０の凹凸形状の影響による凹凸は無くなっている。このため、第２固体電解質層１０２の面内分布は下部電極層２０の局所的な凹凸には影響を受け無くなる。前述の異物部でも同様に第２固体電解質層１０２は均一な膜厚で形成することができる。

【0046】

次に、第２固体電解質層１０２の上表面に、第１界面層６１を形成する。第１界面層６１は例えばガドリニア（Ｇｄ２Ｏ３）を１０％ドープしたセリア（ＣｅＯ２）で形成することができる。第１界面層６１は第２固体電解質層１０２の上表面を覆うように形成する。

【0047】

次に、第１界面層６１の上表面に、上部電極層１０を形成して燃料電池セル１を完成する（図１９）。上部電極層１０は第１多孔質金属基板７１の上表面の一部に形成する。上部電極層１０は例えば多孔質の白金や、白金と金属酸化物からなるサーメット材料で形成することができる。

【0048】

図１２の構造では第１ＡＡＯ基板４が絶縁体であるので下部電極配線層２１を形成する必要があったが、変形例の図１９の構造は第１多孔質金属基板７１が導電性の金属で形成されているので下部電極層２０への給電が容易である。また、第１多孔質金属基板７１は多孔質であるので、第１多孔質金属基板７１の裏面から燃料ガス、あるいは酸化剤ガスを下部電極層２０に供給することができる。

【0049】

本変形例においても、下部電極層２０の上表面の異物部で生じるリーク電流を抑制し、コストの観点から許容される最小のセル面積より大きいセル面積でも高い良品率を確保できた。

【0050】

＜実施の形態２＞
実施形態１では、第１固体電解質層１０１の上表面をＣＭＰ法で平坦化した後に第２固体電解質層１０２を形成したが、下部電極層２０上の第１固体電解質層１０１と、上部電極層１０上の第２固体電解質層１０２を、それぞれ別々に作製した後で接合することもできる。

【0051】

図２０～２６を用いて、本実施形態２における燃料電池セル１の製造方法の１例を示す。図２０は、実施形態１の図９の工程で、シリコン基板２の裏面の一部を除去し、下部電極配線層２１を形成した図である。下部電極層２０と第１固体電解質層１０１の境界に第１界面層６１が形成されている点は図９と異なる。燃料電池セル１の動作温度などの使用条件によっては、第１界面層６１は形成しないことも可能である。第１固体電解質層１０１の残膜厚は実施形態１では下地となる下部電極層２０の表面の所定の領域の凹凸（Ｄ）以上としその２倍（２×Ｄ）以下とした。図２０における第１固体電解質層１０１の残膜厚は、下部電極層２０の表面の所定の領域の凹凸（Ｄ）以上であることと、第１固体電解質層１０１の厚さだけでリーク電流を止められる膜厚であることが必要とされる。最も薄い領域の膜厚が１００ｎｍ以上であればよい。

【0052】

図２０とは別に、図２１のようにシリコン基板３上に第２ＡＡＯ基板５を形成する。第２ＡＡＯ基板５には表裏面間を貫通する複数の第２空孔５２が形成されている。第２空孔５２の直径は例えば５０～１００ｎｍとすることができる。次に第２ＡＡＯ基板５上に上部電極層１０を形成する（図２２）。上部電極層１０は第２ＡＡＯ基板５の上表面の一部に形成する。上部電極層１０は例えば多孔質の白金や、白金と金属酸化物からなるサーメット材料で形成することができる。スパッタ法によって成膜し、膜厚は１００～２００ｎｍとすることができる。第２ＡＡＯ基板５の上表面が凹凸形状であること、上部電極層１０が多孔質で形成されることにより、上部電極層１０の上表面は凹凸形状となる。また多孔質の上部電極層１０を形成する際に異物が発生して上部電極層１０の表面に付着する頻度が極めて高い。上部電極層１０の成膜工程で発生する異物は導電性があり、後述する通り従来技術の燃料電池セルでは、アノード層とカソード層の間の電子リーク、ホールリークを引き起こし、燃料電池セルの出力電圧を低下させるので対策が必須である。上部電極層１０は、図２２のように第２ＡＡＯ基板５の上表面の他に、第２ＡＡＯ基板５の側面、シリコン基板３の上表面にも形成される。シリコン基板３は充分な強度と表面の平坦性、加工容易性があれば他の材料を用いた基板でも代替できる。

【0053】

次に、上部電極層１０の上表面に、第２界面層６２と第２固体電解質層１０２を形成する（図２３）。第２界面層６２は例えばガドリニア（Ｇｄ２Ｏ３）を１０％ドープしたセリア（ＣｅＯ２）で形成することができる。第２界面層６２は上部電極層１０を覆うように形成する。第２固体電解質層１０２の材料はイットリアのドープ量は例えば３％、あるいは８％とすることができる。固体電解質層は、アノード側とカソード側のガスの混合を防止する役目があるので緻密に形成する。例えば酸化物ターゲットを用いたスパッタ法、あるいはメタルターゲットを用いた反応性スパッタ法によって緻密な第２固体電解質層１０２を形成することができる。上部電極層１０の上表面が凹凸形状であることにより、第２固体電解質層１０２の上表面は凹凸形状となる。また、前述の上部電極層１０上に異物が形成されている場合には、異物部では第２固体電解質層１０２は所望の膜厚とならない。第２界面層６２と第２固体電解質層１０２は、図２３のように第２ＡＡＯ基板５の上表面の他に、第２ＡＡＯ基板５の側面、シリコン基板３の上表面にも形成される。

【0054】

次に第２固体電解質層１０２の表面の一部を、例えば化学的機械研磨法（ＣＭＰ法）などの適当な手法によって除去する（図２４）。この際に、第２固体電解質層が完全に除去されて第２界面層６２や上部電極層１０が露出しないように、第２固体電解質層１０２の残膜厚は、下地となる上部電極層１０の表面の所定の領域の凹凸（Ｄ）以上とする。さらに、第２固体電解質層１０２の厚さだけでリーク電流を止められる膜厚であることが必要とされる。最も薄い領域の膜厚が１００ｎｍ以上であれば良い。ＣＭＰ法を用いると、第２ＡＡＯ基板５の上表面の第２固体電解質層１０２は一部が除去されるが、標高が低いシリコン基板３上に形成された第２固体電解質層１０２は除去されずに成膜した膜厚が残る。第２ＡＡＯ基板５上の上部電極層１０上に前述の異物がある場合は、ＣＭＰ法による研磨工程で異物は第２固体電解質層１０２と同時に研磨されるので表面は異物部でも平坦化される。第２固体電解質層１０２は、図２４のように第２ＡＡＯ基板５の上表面では一部が除去されるが、第２ＡＡＯ基板５の側面、シリコン基板３の上表面では除去されない。

【0055】

次に、第２ＡＡＯ基板５が形成されている領域の一部のシリコン基板３を裏面側から除去した後に、第２空孔５２の内壁にＡＬＤ法で上部電極配線層１１を成膜する（図２５）。上部電極配線層１１は、例えばニッケル、白金で形成することができる。上部電極配線層１１を介して第２ＡＡＯ基板５の裏面側と上部電極層１０を電気的に接続することができる。上部電極配線層１１は第２空孔５２の側壁に形成され、第２空孔５２を完全には埋め込まない。したがって、第２ＡＡＯ基板５の裏面側から供給する燃料ガス、または酸化剤ガスは、第２空孔５２を介して上部電極層１０に到達できる。図２５に示すように、第２燃料電池セル端部３０２には成膜した上部電極層１０、第２界面層６２、第２固体電解質層１０２が形成されている。第２燃料電池セル端部３０２における第２固体電解質層１０２は、図２４のＣＭＰ工程で除去されないので、第２ＡＡＯ基板５の上表面の領域の第２固体電解質層１０２と比較して厚く形成されている。

【0056】

次に図２０の第１固体電解質層１０１の表面と図２５の第２固体電解質層１０２の表面を図２６のように接触させて焼成することにより接合して燃料電池セル１を完成する。第２固体電解質層１０２は上部電極層１０の上表面に形成した後にＣＭＰで平坦化して形成しているので、その膜厚は上部電極層１０の表面の凹凸とは無関係である。同様に第１固体電解質層１０１は下部電極層２０の上表面に形成した後にＣＭＰで平坦化して形成しているので、その膜厚は下部電極層２０の表面の凹凸とは無関係である。

【0057】

焼成温度による熱負荷は燃料電池セル１の各部にかかることになる。下部電極配線層２１、上部電極配線層１１への熱負荷については、工程順序を入れ替えて、第１固体電解質層１０１と第２固体電解質層１０２を接合した後に形成することで回避できる。

【0058】

図２７は、前述した下部電極層２０上と上部電極層１０上の異物２００が存在する部位における、本実施形態２に係る燃料電池セル１の形状を示している。異物２００が存在する部位においても異物の上部が、第１固体電解質層１０１のＣＭＰ工程と、第２固体電解質層のＣＭＰ工程により除去されて平坦化されている。第１固体電解質層１０１と第２固体電解質層１０２の膜厚はそれぞれ単独でリーク電流を抑制可能な厚さである。第１固体電解質層１０１中の異物の位置と第２固体電解質層１０２中の異物の位置が図２５の接合時に重なる確率は充分に低いので、本実施形態２に係る燃料電池セル１では異物を介したアノード、カソード間のリーク電流による不良率は充分に下げられる。本実施形態２に係る燃料電池セルにおいても、異物部で生じるリーク電流を抑制し、コストの観点から許容される最小のセル面積より大きいセル面積でも高い良品率を確保できた。

【0059】

換言すると、本実施形態２は以下のように構成されているということができる。本実施形態２における第２固体電解質層１０２の膜厚は、実施形態１と同様に、燃料電池セル１の出力電圧が下部電極層２０と上部電極層１０との間に生じたときであっても、任意箇所において第１固体電解質層１０１と第２固体電解質層１０２との間のリーク電流をブロックできる程度に確保されている。本実施形態２においてはさらに、第１固体電解質層１０１の膜厚も、同様に任意箇所において（すなわち膜厚が最も薄い箇所において）第１固体電解質層１０１と第２固体電解質層１０２との間のリーク電流をブロックできる程度に確保されている。

【0060】

＜実施の形態２：変形例＞
図２８は、本実施形態２の変形例を示す。図２０～２６では、第１ＡＡＯ基板４と第２ＡＡＯ基板５を用いたが、図２８に示す本実施形態２の変形例のように、第１多孔質金属基板７１と第２多孔質金属基板７２を用いることもできる。

【0061】

第１多孔質金属基板７１上に下部電極層２０、第１界面層６１、第１固体電解質層１０１を形成した後にＣＭＰ法で第１固体電解質層１０１の上部の一部を除去して平坦化した部品と、第２多孔質金属基板７２上に上部電極層１０、第２界面層６２、第２固体電解質層１０２を形成した後にＣＭＰ法で第２固体電解質層１０２の上部の一部を除去して平坦化した部品とを、第１固体電解質層１０１の表面と第２固体電解質層１０２の表面で接触させて焼成することで接合して燃料電池セル１を完成した。ＣＭＰ工程での第１固体電解質層１０１の残膜厚は、下地となる下部電極層２０の表面の所定の領域の凹凸（Ｄ）以上で、かつ第１固体電解質層１０１の厚さだけでリーク電流を止められる膜厚であることが必要とされる。最も薄い領域の膜厚が１００ｎｍ以上であればよい。ＣＭＰ工程での第２固体電解質層１０２の残膜厚は、下地となる上部電極層１０の表面の所定の領域の凹凸（Ｄ）以上で、かつ第２固体電解質層１０２の厚さだけでリーク電流を止められる膜厚であることが必要とされる。最も薄い領域の膜厚が１００ｎｍ以上であればよい。

【0062】

第２固体電解質層１０２は上部電極層１０の上表面に形成した後にＣＭＰで平坦化して形成しているので、その膜厚は上部電極層１０の表面の凹凸とは無関係である。逆に、第１固体電解質層１０１は下部電極層２０の上表面に形成した後にＣＭＰで平坦化して形成しているので、その膜厚は下部電極層２０の表面の凹凸とは無関係である。

【0063】

図２６の構造では第１ＡＡＯ基板４と第２ＡＡＯ基板５が絶縁体であるので下部電極配線層２１と上部電極配線層１１を形成する必要があったが、変形例の図２８の構造は第１多孔質金属基板７１と第２多孔質金属基板７２が導電性の金属で形成されているので下部電極層２０と上部電極層１０への給電が容易である。第１多孔質金属基板７１と第２多孔質金属基板７２は多孔質であるため、第１多孔質金属基板７１と第２多孔質金属基板７２を介して燃料ガス、あるいは酸化剤ガスを下部電極層２０と上部電極層１０にそれぞれ供給することができる。

【0064】

第１固体電解質層１０１と第２固体電解質層１０２の膜厚はそれぞれ単独でリーク電流を抑制可能な厚さであり、第１固体電解質層１０１中の異物の位置と第２固体電解質層１０２中の異物の位置が図２８の接合時に重なる確率は充分に低いので、本実施形態２の変形例に係る燃料電池セル１では異物を介したアノード、カソード間のリーク電流による不良率は充分に下げられる。本実施の形態２の変形例に係る燃料電池セルにおいても、異物部で生じるリーク電流を抑制し、コストの観点から許容される最小のセル面積より大きいセル面積でも高い良品率を確保できた。

【0065】

＜本発明の変形例について＞
本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

【0066】

以上の実施形態において、下部電極層２０がアノード層として機能し、上部電極層１０がカソード層として機能する場合と、上部電極層１０がアノード層として機能し、下部電極層２０がカソード層として機能する場合がある。いずれの場合であっても本発明の効果を発揮することができる。

【符号の説明】

【0067】

１ 燃料電池セル
２ シリコン基板
３ シリコン基板
４ 第１陽極酸化アルミナ基板（ＡＡＯ基板）
５ 第２陽極酸化アルミナ基板（ＡＡＯ基板）
１０ 上部電極層
１１ 上部電極配線層
２０ 下部電極層
２１ 下部電極配線層
５１ 第１空孔
５２ 第２空孔
６１ 第１界面層
６２ 第２界面層
７１ 第１多孔質金属基板
７２ 第２多孔質金属基板
１０１ 第１固体電解質層
１０２ 第２固体電解質層
２００ 異物
３０１ 第１燃料電池セル端部
３０２ 第２燃料電池セル端部

【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】