固体酸化物形燃料電池
【課題】空気電極層または燃料電極層でのガスの利用率を向上した固体酸化物形燃料電池を提供する。
【解決手段】固体酸化物形燃料電池は，空気電極層１４１，固体電解質層１４３，および燃料電極層１４４を備え，発電機能を有する燃料電池セル本体１４０と，空気電極層１４１及び燃料電極層１４４の一方の電極層と対向するように配置されたコネクタと，一方の電極層とコネクタとの間に配置され，一方の電極層およびコネクタの互いに対向する表面それぞれに接することで，一方の電極層とコネクタを電気的に接続する集電体１４７と，一方の電極層１４１の，集電体１４７と接する側の表面のうち，集電体１４７が接しない箇所に配置される溝部１４５と，を具備する。
【解決手段】固体酸化物形燃料電池は，空気電極層１４１，固体電解質層１４３，および燃料電極層１４４を備え，発電機能を有する燃料電池セル本体１４０と，空気電極層１４１及び燃料電極層１４４の一方の電極層と対向するように配置されたコネクタと，一方の電極層とコネクタとの間に配置され，一方の電極層およびコネクタの互いに対向する表面それぞれに接することで，一方の電極層とコネクタを電気的に接続する集電体１４７と，一方の電極層１４１の，集電体１４７と接する側の表面のうち，集電体１４７が接しない箇所に配置される溝部１４５と，を具備する。
【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に関する。
【背景技術】
【０００２】
電解質に固体酸化物を用いた固体酸化物形燃料電池（以下，「ＳＯＦＣ」又は単に「燃料電池」とも記す場合がある）が知られている。ＳＯＦＣは，例えば，板状の固体電解質体の各面に燃料極と空気極とを備えた燃料電池セルを多数積層したスタック（燃料電池スタック）を有する。燃料極および空気極それぞれに，燃料ガスおよび酸化剤ガス（例えば，空気中の酸素）を供給し，固体電解質体を介して化学反応させることで，電力を発生させる。
【０００３】
燃料電池セルは，一対のインターコネクタ，燃料電池セル本体（空気極，固体電解質体，燃料極が積層されたもの）を有する。燃料電池セル本体とインターコネクタの電気的接続のために，集電体が配置される。
【０００４】
ここで，燃料極および空気極の少なくとも一方に,集電体が取り付け可能となっており，集電体が取り付けられる電極の表面の少なくとも一部には，集電体の凹凸と係合可能な凹凸が形成された固体酸化物形燃料電池が開示されている（特許文献１参照）。
また，ガス流路との接触面に粗面化処理が行われている，ガス拡散層が膜電極接合体の電極面に配置される燃料電池が開示されている（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−２４５８９７号公報
【特許文献２】特開２００９−２８３３５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら，特許文献１，２記載の燃料電池では，空気電極層，燃料電極層の表面からのガス取り込み効率が必ずしも良いとは言えない。特許文献１記載の燃料電池での，電極の表面に形成された凹凸は，集電体と係合するためのものである。特許文献２記載の燃料電池での，ガス拡散層の表面の粗面化処理は，ガス拡散層と多孔体流路との間の接触抵抗を低減するためのものである。このように，特許文献１，２記載の凹凸あるいは粗面化処理は，空気電極層，燃料電極層の表面からのガス取り込み効率への寄与が乏しい。
本発明は，空気電極層または燃料電極層でのガスの利用率を向上した固体酸化物形燃料電池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】
本発明に係る固体酸化物形燃料電池は，空気電極層，固体電解質層，および燃料電極層を備え，発電機能を有する燃料電池セル本体と，前記空気電極層及び前記燃料電極層の一方の電極層と対向するように配置されたコネクタと，前記一方の電極層と前記コネクタとの間に配置され，前記一方の電極層および前記コネクタの互いに対向する表面それぞれに接することで，前記一方の電極層と前記コネクタを電気的に接続する集電体と，前記一方の電極層の，前記集電体と接する側の表面のうち，前記集電体が接しない箇所に配置される溝部と，を具備する。
【０００８】
空気電極層及び燃料電極層の一方の電極層の，集電体と接する側の表面のうち，集電体が接しない箇所に，溝部が配置される。このため，この電極層の表面から内部へガスが拡散するための接触面積が大きくできる。この結果，この電極層でのガスの拡散性が向上し，ガスの利用率（ガス分配性）が向上する。
【０００９】
前記一方の電極層の，前記集電体と接する側の表面の算術平均粗さＲａが，０．３μｍより大きいことが好ましい。
算術平均粗さＲａを０．３μｍより大きくすることで，この電極層でのガスとの接触面積を大きく確保できる。
【００１０】
前記一方の電極層の，前記集電体と接する側の表面の算術平均うねりＷａが，０．３μｍより小さいことが好ましい。
前記一方の電極層の表面でのガスの流れを良くして，下流側表面へのガスの供給を増加し，前記一方の電極層の表面全体でのガス分配性を向上できる。
【００１１】
前記溝部が，前記酸化剤ガスまたは前記燃料ガスの流れる方向に沿って形成されることが好ましい。
前記一方の電極層の表面での上流から下流へのガスの流れを良くして，前記一方の電極層の表面全体でのガス分配性を向上できる。
【００１２】
前記集電体は，前記コネクタと同一材料であり，一体に形成されていても良い。
集電体をコネクタと同じ材質（例えば，ＳＵＳ）で一体形成することで，製造工程を簡略化できる。
【００１３】
なお，一方の電極層の，前記集電体と接する側の表面のうち，集電体が接しない箇所に溝部を配置することは，集電体をＳＵＳのような緻密体で構成する場合に，特に有効である。即ち，ガスがガス流路から一方の電極層の表面から内部に浸入する際に，電極表面の集電体が配置されていない箇所を介して行なう必要がある。集電体が接しない箇所に溝部を配置することで，拡散面積が確保され，より有効にガス拡散を促進できる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば，空気電極層または燃料電極層でのガスの利用率を向上した固体酸化物形燃料電池を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池１０を表す斜視図である。
【図２】燃料電池セル１００の断面図である。
【図３】燃料電池セル１００の分解斜視図である。
【図４】燃料電池セル本体１４０の平面図である。
【図５】燃料電池セル本体１４０の一部の断面を表す一部断面図である。
【図６】燃料電池セル本体１４０の断面プロファイルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
（第１の実施形態）
以下，図面を参照して，本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は，本発明の第１の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池（燃料電池スタック）１０を表す斜視図である。固体酸化物形燃料電池１０は，燃料ガスと酸化剤ガスの供給を受けて発電する装置である。
【００１７】
燃料ガスとしては，水素，還元剤となる炭化水素，水素と炭化水素との混合ガス，及びこれらのガスを所定温度の水中を通過させ加湿した燃料ガス，これらのガスに水蒸気を混合させた燃料ガス等が挙げられる。炭化水素は特に限定されず，例えば，天然ガス，ナフサ，石炭ガス化ガス等が挙げられる。この燃料ガスとしては水素が好ましい。これらの燃料ガスは１種のみを用いてもよいし，２種以上を併用することもできる。また，５０体積％以下の窒素及びアルゴン等の不活性ガスを含有していてもよい。
【００１８】
酸化剤ガスとしては，酸素と他の気体との混合ガス等が挙げられる。更に，この混合ガスには８０体積％以下の窒素及びアルゴン等の不活性ガスが含有されていてもよい。これらの酸化剤ガスのうちでは安全であって，且つ安価であるため，空気（約８０体積％の窒素が含まれている。）が好ましい。
【００１９】
固体酸化物形燃料電池１０は，略直方体形状をなし，上面１１，底面１２，貫通孔２１〜２８を有する。貫通孔２１〜２４は，上面１１，底面１２の辺近傍（後述の燃料極フレーム１５０の辺近傍）を貫通し，貫通孔２５〜２８は，上面１１，底面１２の頂点近傍（後述の燃料極フレーム１５０の頂点近傍）を貫通する。貫通孔２１〜２８にはそれぞれ，連結部材（締結具であるボルト４１〜４８，ナット５１〜５８）が取り付けられる。なお，ナット５３，５４，５７は，判りやすさのために，図示を省略している。
【００２０】
上面１１側の貫通孔２１〜２４の開口に，部材６０が配置される。部材６０（部材６２）の貫通孔，貫通孔２１〜２４にボルト４１〜４４が挿通され，ナット５１〜５４がねじ込まれる。
【００２１】
部材６０は，部材６２，導入管６１を有する。部材６２は，略円筒形状をなし，略平面状の上面および底面，曲面状の側面に，導入管６１は上面と底面間を貫通する貫通孔を有する。部材６２の貫通孔と導入管６１の貫通孔とが連通する。
【００２２】
部材６２の貫通孔と貫通孔２１〜２４の径は略同一である。これらの径より，ボルト４１〜４４の軸の径が小さいことで，部材６２の貫通孔とボルト４１〜４４の軸間，および貫通孔２１〜２４とボルト４１〜４４の軸間をガス（酸化剤ガス（空気），発電後の残余の燃料ガス，発電後の残余の酸化剤ガス，燃料ガス）が通過する。即ち，酸化剤ガス（空気），燃料ガスが導入管６１から流入し，貫通孔２１，２４をそれぞれ経由して，固体酸化物形燃料電池１０内に流入する。発電後の残余の酸化剤ガス（空気），発電後の残余の燃料ガスが固体酸化物形燃料電池１０から流入し，貫通孔２３，２２をそれぞれ経由して，導入管６１から流出する。
【００２３】
固体酸化物形燃料電池１０は，発電単位である平板形の燃料電池セル１００が複数個積層されて構成される。複数個の燃料電池セル１００が電気的に直列に接続される。
【００２４】
図２は，燃料電池セル１００の断面図である。図３は，燃料電池セル１００の分解斜視図である。
図２に示すように，前記燃料電池セル１００は，いわゆる燃料極支持形タイプの燃料電池セルであり，上下一対の金属製のインターコネクタ１１０（１），１１０（２）の間に，燃料電池セル本体１４０が配置される。燃料電池セル本体１４０とインターコネクタ１１０（１），１１０（２）の間に，空気流路１０１，燃料ガス流路１０２が配置される。
【００２５】
燃料電池セル本体１４０は，空気電極（カソード）層１４１，固体電解質層１４３，燃料電極（アノード）１４４が積層されて構成される。
【００２６】
空気電極層１４１の材料としては，例えば，ペロブスカイト系酸化物，各種貴金属，及び貴金属とセラミックのサーメットを使用できる。ペロブスカイト系酸化物として，ＬＳＣＦ（Ｌａ１−ｘＳｒｘＣｏ１−ｙＦｅｙＯ３系複酸化物）を挙げることができる。
空気電極層１４１の厚さは，例えば，１００〜３００μｍ程度であり，一例として，１５０μｍ程度である。
【００２７】
固体電解質層１４３の材料としては，例えば，ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア），ＳｃＳＺ（スカンジア安定化ジルコニア），ＳＤＣ（サマリアドープトセリア），ＧＤＣ（ガドリニアドープトセリア），ペロブスカイト系酸化物が挙げられる。
【００２８】
燃料電極層１４４の構成材料として，例えば，Ｎｉ等の金属，Ｎｉ等の金属とセラミックとのサーメット（一例として，Ｎｉ金属とＺｒＯ２系セラミック（ＹＳＺ等）の混合物）などを用いることができる。
なお，Ｎｉ金属とＺｒＯ２系セラミックの混合物を用いる場合，ＮｉＯとＺｒＯ２系セラミックの混合物（ＮｉＯ−ＺｒＯ２）を初期材料（燃料電池セル１００動作開始前の構成材料）として用いることができる。燃料電極層１４４側では還元雰囲気に曝されるために，還元反応が進行した結果，ＮｉＯとＺｒＯ２系セラミックの混合物が，Ｎｉ金属とＺｒＯ２系セラミックの混合物に変化するからである。
【００２９】
燃料電極層１４４の厚みは，０．５〜５ｍｍ程度，好ましくは，０．７〜１．５ｍｍ程度である。固体電解質層１４３等を支持するための十分な機械的強度等を有する支持基板とするためである。
【００３０】
図２および図３に示すように，燃料電池セル１００は，上下一対のインターコネクタ１１０（１），１１０（２）の間に，ガスシール部１２０，セパレータ１３０，燃料極フレーム１５０，ガスシール部１６０，集電体１８１を備え，それらが積層されて一体に構成されている。
【００３１】
空気電極層１４１とインターコネクタ１１０（１）との間に，その導通を確保するために集電体１４７が配置されている。燃料電極層１４４とインターコネクタ１１０（２）との間に，その導通を確保するために集電体１８１が配置されている。燃料電池セル１００よりも下層の燃料電池セルの空気電極層（図示せず）とインターコネクタ１１０（２）との間に，その導通を確保するために集電体１４７が配置されている。
【００３２】
集電体１４７，１８１は，ステンレス（ＳＵＳ）等の金属から構成できる。集電体１４７を，インターコネクタ１１０（１），１１０（２）と一体的に形成しても良い。集電体１８１を，インターコネクタ１１０（２）と一体的に形成しても良い。このとき，集電体１４７，１８１，インターコネクタ１１０（１），１１０（２）を同種（あるいは同一）の材料とすることが好ましい。
なお，後述のように，集電体１４７の先端は，空気電極層１４１に差し込まれるが，図２では，集電体１４７と空気電極層１４１を分離した状態で表している。
【００３３】
以下，燃料電池セル１００を構成する各部材について，更に詳細に説明する。なお，燃料電池セル１００の平面形状は正方形であるので，燃料電池セル１００を構成する各部材の平面形状も正方形に形成することが望ましい。
【００３４】
インターコネクタ１１０（１），１１０（２）は，例えばフェライト系ステンレスからなる厚み０．３〜２．０ｍｍの板材であり，その外縁部には，前記ボルト４１〜４８が貫挿される例えば直径１０ｍｍの丸孔である貫通孔２１〜２８が，等間隔に形成されている。インターコネクタ１１０（１），１１０（２）は，空気電極層及び燃料電極層の一方の電極層と対向するように配置されたコネクタに対応する。
【００３５】
ガスシール部１２０は，空気電極層１４１側に配置され，例えばマイカからなる厚み０．２〜１．０ｍｍの枠状の板材であり，その四隅の角部には，前記ボルト４５〜４８が貫挿される各貫通孔２５〜２８が形成されている。
【００３６】
このガスシール部１２０の四方の各辺の縁部には，前記ボルト４１〜４４が貫挿される各貫通孔２１〜２４と連通するように，その辺に沿って，ガスの流路となる略長方形状（長さ１００ｍｍ×幅１０ｍｍ）の貫通孔１２１〜１２４が形成されている。つまり，各貫通孔１２１〜１２４は，積層方向から見た場合，各貫通孔２１〜２４を含むように形成されている。
【００３７】
ガスシール部１２０には，中央の正方形の開口部１２５と左右の貫通孔１２１，１２３と連通するように，ガスシール部１２０の右左の枠部分に，細径（長さ２０ｍｍ×幅５ｍｍ）のガス流路となる長方形の切り欠き１２７がそれぞれ４本ずつ形成されている。
【００３８】
なお，この切り欠き１２７は，貫通孔として形成しても良く，ガスシール部１２０の一方の表面を掘って形成された溝でも良い。また，切り欠き１２７は，レーザか加工やプレス加工によって形成できる。
【００３９】
各切り欠き１２７は，左右の辺の中点を結んだ線を中心とした線対称となるように配置されているが，その本数については，例えば１つの辺について６本以上など，適宜設定すればよい。
【００４０】
セパレータ１３０は，燃料電池セル本体１４０の外縁部の上面に接合して空気流路１０１と燃料ガス流路１０２との間を遮断する。セパレータ１３０は，例えばフェライト系ステンレスからなる厚み０．０２〜０．３０ｍｍの枠状の板状であり，その中央の正方形の開口部１３５には，開口部１３５を閉塞するように前記燃料電池セル本体１４０が接合される。
【００４１】
このセパレータ１３０においても，前記ガスシール部１２０と同様に，その四隅の角部に同形状の各貫通孔２５〜２８が形成されるとともに，四方の各辺に沿って（第１ガス流路となる）同形状の各貫通孔１３１〜１３４が形成されている。
【００４２】
燃料極フレーム１５０は，燃料ガス流路１０２側に配置され，中央に開口部１５５を備えた例えばフェライト系ステンレスからなる厚み０．５〜２．０ｍｍの枠状の板材である。前記燃料極フレーム１５０は，前記セパレータ１３０と同様に，その四隅の角部に同形状の各貫通孔２５〜２８が形成されるとともに，四方の各辺に沿って，ガス流路となる各貫通孔１５１〜１５４が形成されている。
【００４３】
ガスシール部１６０は，燃料電極層１４４側に配置され，例えばマイカからなる厚み０．２〜１．０ｍｍの枠状の板材であり，その四隅の角部には，前記ボルト４５〜４８が貫挿される各貫通孔２５〜２８が形成されている。
【００４４】
このガスシール部１６０の四方の各辺の縁部には，前記ボルト４１〜４４が貫挿される各貫通孔２１〜２４と連通するように，その辺に沿って，ガスの流路となる略長方形状（長さ１００ｍｍ×幅１０ｍｍ）の貫通孔１６１〜１６４が形成されている。
【００４５】
ガスシール部１６０には，中央の正方形の開口部１６５と左右の貫通孔１６１，１６３と連通するように，ガスシール部１６０の右左の枠部分に，細径（長さ２０ｍｍ×幅５ｍｍ）のガス流路となる長方形の切り欠き１６７がそれぞれ４本ずつ形成されている。
【００４６】
なお，この切り欠き１６７は，貫通孔として形成しても良く，ガスシール部１６０の一方の表面を掘って形成された溝でも良い。また，切り欠き１６７は，レーザか加工やプレス加工によって形成できる。
【００４７】
各切り欠き１６７は，左右の辺の中点を結んだ線を中心とした線対称となるように配置されているが，その本数については，例えば１つの辺について６本以上など，適宜設定すればよい。
【００４８】
図４は，燃料電池セル本体１４０の平面図である。図５は，図４のＡ−Ａ‘に沿って切断したときの燃料電池セル本体１４０の一部の断面を表す一部断面図である。図６は，燃料電池セル本体１４０（空気電極層１４１）の断面プロファイル（正確には，粗さ曲線）を示す図である。
なお，図４，図５において，判り易さのため，インターコネクタ１１０（１）の図示を省略している。
【００４９】
図４，図５に示すように，燃料電池セル１００の空気電極層１４１の表面に深さＤ１の凹部（溝部）１４５が配置される。また，空気電極層１４１に集電体１４７の先端が，深さＤ２（例えば，５〜７０μｍ程度）差し込まれている。
【００５０】
燃料電池セル１００の作成時に，空気電極層１４１と集電体１４７が重ね合わされ，押圧されることで，集電体１４７の先端が空気電極層１４１に差し込まれる。この結果，空気電極層１４１に凹部１４５が配置されていても，集電体１４７と空気電極層１４１間の確実な接続が保証される。集電体１４７と空気電極層１４１間での接触面積が確保され，接触抵抗が低減される。ここで，接続の確実性を向上するためには，集電体１４７が差し込まれた深さＤ２が凹部１４５の深さＤ１より大きいことが好ましい。
【００５１】
空気電極層１４１の表面上を図４の紙面の上方から下方に向かって，酸化剤ガスが通過するとする。ここで，凹部１４５は，露出され，酸化剤ガスに接触する。凹部１４５は流路の方向（図４の紙面上下方向）に対して傾く2つの方向を有する（正確には，図４の紙面の斜め±４５°方向）。また，凹部１４５の形状は，集電体１４７の底部と異なる形状，大きさを有する。凹部１４５の深さＤ１は，後述のように，粗さ曲線の最大断面高さＲｔで定義され，例えば，３μｍである。
【００５２】
空気電極層１４１の表面に凹部１４５が形成されることで，空気電極層１４１の表面積が増加する。また，凹部１４５が酸化剤ガスの流路（上下方向）に沿った方向成分を有することで，酸化剤ガスが凹部１４５を空気電極層１４１の表面全体に分配されるようになる。
なお，凹部１４５の向きを流路の方向（図４の紙面上下方向）とすることで，空気電極層１４１の表面上での酸化剤ガスの流通をより促進しても良い。
【００５３】
ここで，空気電極層１４１の表面の算術平均粗さＲａが，０．３μｍ以上であることが好ましい。空気電極層１４１の表面を粗くすることで，空気電極層１４１の表面積を増加させ，空気電極層１４１内部への酸化剤ガスの取り込みが容易となる。
【００５４】
空気電極層１４１の表面の算術平均うねりＷａが，０．３μｍ以下であることが好ましい。空気電極層１４１の表面のうねり（凹凸）を少なくし，空気電極層１４１全体へのガス分配が容易な構造とする。
【００５５】
ここで，最大断面高さＲｔ，算術平均粗さＲａ，算術平均うねりＷａは，はＪＩＳ Ｂ０６０１−'０１に準拠した測定値とする。
【００５６】
最大断面高さＲｔは，粗さ曲線での最大断面高さであり，基準長さＬにおける，粗さ曲線の山Ｐの高さの最大値と谷Ｖの深さの最大値の和であり，図６に示される。
ここで，粗さ曲線は，面粗さ計で計測したとき得られる断面曲線からカットオフ値λｃの高域フィルタを用いて，低周波成分を除去したものである。
【００５７】
算術平均粗さＲａは，基準長さＬにおける，粗さ曲線ｙ＝ｆ（ｘ）の式（１）によって求められる平均値（μｍ）である。なお，この算出に用いられる基準長さＬ内に凹部１４５の領域も含む（凹部１４５の領域を除外することはしない）。
Ｒａ＝（１／Ｌ）・∫０Ｌ｜ｆ（ｘ）｜ｄｘ ……式（１）
【００５８】
算術平均うねりＷａは，基準長さＬにおける，うねり曲線ｙ＝ｇ（ｘ）の式（２）によって求められる平均値（μｍ）である。なお，この算出に用いられる基準長さＬ内に凹部１４５の領域も含む（凹部１４５の領域を除外することはしない）。
Ｗａ＝（１／Ｌ）・∫０Ｌ｜ｇ（ｘ）｜ｄｘ ……式（２）
ここで，うねり曲線は，面粗さ計で計測したとき得られる断面曲線からカットオフ値λｆ，λｃの輪郭曲線フィルタを順次用いて，低周波成分および高周波成分を除去したものである。
なお，式（１），（２）は，用いる曲線が粗さ曲線，うねり曲線であることを除き，同一の計算内容である。
【００５９】
燃料電池セル本体１４０の製造方法を説明する。
固体電解質層１４３の構成材料（ＹＳＺ等）を含むグリーンシートを焼成し，焼結体とする。
ここで，例えば，次の（１）〜（３）のいずれかによって，空気電極層１４１に凹部１４５を形成できる。
【００６０】
（１）空気電極層１４１の構成材料の層の形成時の凹部１４５の形成
固体電解質層１４３上に空気電極層１４１の構成材料（例えば，ＬＳＣＦペースト）をスクリーン印刷し，焼成する。
この場合，空気電極層１４１の構成材料の層の形成と，凹部１４５の形成，粗面化が同時に行われる。スクリーン印刷のスクリーンメッシュによって，空気電極層１４１の表面への凹部１４５の形成，粗面化がなされる。
【００６１】
（２）空気電極層１４１の構成材料の層の焼成前の凹部１４５の形成
固体電解質層１４３表面上に空気電極層１４１の構成材料の層を形成する。この形成は，印刷（スクリーン，スタンプ，凹版，オフセット）もしくは空気電極層１４１の構成材料を含むシートの貼付によって行える。その後，型押しなどによって，空気電極層１４１の表面への凹部１４５の形成，粗面化がなされる。さらに，空気電極層１４１の構成材料を焼成し，空気電極層１４１を形成する。
【００６２】
（３）空気電極層１４１の構成材料の層の焼成後の凹部１４５の形成
空気電極層１４１の構成材料を焼結した後，空気電極層１４１の表面を型押し，サンドブラストなどの表面処理を行う。なお，サンドブラストに際し，開口を有する型を用い，開口部内の空気電極層１４１をサンドブラストすることで，この開口に対応する凹部１４５を形成できる。
【００６３】
以上では，固体電解質層１４３の構成材料（グリーンシート）を焼成し，固体電解質層１４３（焼結体）を形成する。その後，空気電極層１４１の構成材料の層を形成するものとする。但し。固体電解質層１４３，空気電極層１４１を積層し，同時に焼成しても良い。
なお，燃料電極層１４４の形成（層の形成，焼成）は，空気電極層１４１の形成（層の形成，焼成）の前，後，同時並行的の何れでも差し支えない。
【００６４】
（第２の実施形態）
第１の実施形態では，空気電極層１４１上に凹部１４５を配置し，空気電極層１４１を粗面化している。これに対して，燃料電極層１４４側に凹部を配置し，燃料電極層１４４を粗面化しても良い。これを第２の実施形態とする。
【００６５】
第２の実施形態では，図４，図５と対応するように，燃料電池セル１００の燃料電極層１４４の表面に深さＤ１の凹部が配置される。また，燃料電極層１４４に集電体１８１が押しつけられている。後述の理由から，第１の実施形態と異なり，集電体１４７の先端が燃料電極層１４４に差し込まれるまでには至らない。
【００６６】
燃料電池セル１００の作成時に，燃料電極層１４４と集電体１８１が重ね合わされ，押圧されることで，集電体１８１が空気電極層１４１に押しつけられる。この結果，燃料電極層１４４に凹部が配置されていても，集電体１８１と燃料電極層１４４間の確実な接続が保証される。
【００６７】
第１の実施形態では，押圧によって集電体１４７の先端が空気電極層１４１に差し込まれていた。しかし，本実施形態では，燃料電極層１４４の強度が空気電極層１４１より大きい関係で，押圧により集電体１４７が変形するに留まる（集電体１４７の先端が燃料電極層１４４に差し込まれるまでには至らない）。
【００６８】
空気電極層１４１での凹部１４５と同様，燃料電極層１４４での凹部の深さＤ１は，粗さ曲線の最大断面高さＲｔで定義され，例えば，３μｍである。
【００６９】
燃料電極層１４４の表面に凹部が形成されることで，燃料電極層１４４の表面積が増加し，燃料ガスが燃料電極層１４４の表面全体に分配されるようになる。
【００７０】
ここで，燃料電極層１４４の表面の算術平均粗さＲａが，０．３μｍ以上であることが好ましい。燃料電極層１４４内部への燃料ガスの取り込みが容易となる。
【００７１】
燃料電極層１４４の表面の算術平均うねりＷａが，０．３μｍ以下であることが好ましい。燃料電極層１４４全体へのガス分配が容易な構造とする。
【００７２】
第２の実施形態での燃料電池セル本体１４０の製造方法を説明する。
固体電解質層１４３の構成材料（ＹＳＺ等）を含むグリーンシートを焼成し，焼結体とする。
ここで，例えば，次の（１）〜（３）のいずれかによって，燃料電極層１４４に凹部を形成できる。
【００７３】
（１）燃料電極層１４４の構成材料の層の形成時の凹部の形成
固体電解質層１４３上に燃料電極層１４４の構成材料（例えば，Ｎｉ０−ＺｒＯ２ペースト）をスクリーン印刷し，焼成する。
この場合，燃料電極層１４４の構成材料の層の形成と，凹部１４５の形成，粗面化が同時に行われる。スクリーン印刷のスクリーンメッシュによって，燃料電極層１４４の表面への凹部の形成，粗面化がなされる。
【００７４】
（２）燃料電極層１４４の構成材料の層の焼成前の凹部の形成
固体電解質層１４３表面上に燃料電極層１４４の構成材料の層を形成する。この形成は，印刷（スクリーン，スタンプ，凹版，オフセット）もしくは燃料電極層１４４のシートの貼付によって行える。その後，型押しなどによって，燃料電極層１４４の表面への凹部の形成，粗面化がなされる。さらに，燃料電極層１４４の構成材料を焼成し，燃料電極層１４４を形成する。
【００７５】
（３）燃料電極層１４４の構成材料の層の焼成後の凹部の形成
燃料電極層１４４の構成材料を焼結した後，燃料電極層１４４の表面を型押し，サンドブラストなどの表面処理を行う。なお，サンドブラストに際し，開口を有する型を用い，開口部内の燃料電極層１４４をサンドブラストすることで，この開口に対応する凹部を形成できる。
【００７６】
以上では，固体電解質層１４３の構成材料（グリーンシート）を焼成し，固体電解質層１４３（焼結体）を形成する。その後，燃料電極層１４４の構成材料の層を形成するものとする。但し。固体電解質層１４３，燃料電極層１４４を積層し，同時に焼成しても良い。
なお，空気電極層１４１の形成（層の形成，焼成）は，燃料電極層１４４の形成（層の形成，焼成）の前，後，同時並行的の何れでも差し支えない。
【００７７】
（第３の実施形態）
第１の実施形態では，空気電極層１４１側に，第２の実施形態では燃料電極層１４４側に凹部を配置した。これに対して，空気電極層１４１，燃料電極層１４４の双方上に凹部を配置し，空気電極層１４１，燃料電極層１４４の双方を粗面化しても良い。
このようにすることで，空気電極層１４１，燃料電極層１４４の双方でのガスの分配が促進される。
【００７８】
このとき，第１の実施形態で示した手法（１）〜（３）および第２の実施形態で示した手法（１）〜（３）の適宜の組み合わせを利用して，空気電極層１４１，燃料電極層１４４の双方に凹部を形成できる。また，空気電極層１４１，燃料電極層１４４の作成（グリーンシートの焼成）は，いずれを先にしても良いし，同時でも良い。
【００７９】
（その他の実施形態）
本発明の実施形態は上記の実施形態に限られず拡張，変更可能であり，拡張，変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００８０】
１０ 固体酸化物形燃料電池
１１ 上面
１２ 底面
２１-２８ 貫通孔
４１-４８ ボルト
５１-５８ ナット
６０ 部材
６１ 導入管
６２ 部材
６２ 部材
１００ 燃料電池セル
１０１ 空気流路
１０２ 燃料ガス流路
１１０ インターコネクタ
１２０ ガスシール部
１２１-１２４ 貫通孔
１２５ 開口部
１２７ 欠き
１３０ セパレータ
１３１-１３４ 貫通孔
１３５ 開口部
１４０ 燃料電池セル本体
１４１ 空気電極層
１４３ 固体電解質層
１４４ 燃料電極層
１４５ 凹部
１４７ 集電体
１５０ 燃料極フレーム
１５１-１５４ 貫通孔
１５５ 開口部
１６０ ガスシール部
１６１-１６４ 貫通孔
１６５ 開口部
１６７ 切り欠き
１８１ 集電体
【技術分野】
【０００１】
本発明は，固体酸化物形燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
電解質に固体酸化物を用いた固体酸化物形燃料電池（以下，「ＳＯＦＣ」又は単に「燃料電池」とも記す場合がある）が知られている。ＳＯＦＣは，例えば，板状の固体電解質体の各面に燃料極と空気極とを備えた燃料電池セルを多数積層したスタック（燃料電池スタック）を有する。燃料極および空気極それぞれに，燃料ガスおよび酸化剤ガス（例えば，空気中の酸素）を供給し，固体電解質体を介して化学反応させることで，電力を発生させる。
【０００３】
燃料電池セルは，一対のインターコネクタ，燃料電池セル本体（空気極，固体電解質体，燃料極が積層されたもの）を有する。燃料電池セル本体とインターコネクタの電気的接続のために，集電体が配置される。
【０００４】
ここで，燃料極および空気極の少なくとも一方に,集電体が取り付け可能となっており，集電体が取り付けられる電極の表面の少なくとも一部には，集電体の凹凸と係合可能な凹凸が形成された固体酸化物形燃料電池が開示されている（特許文献１参照）。
また，ガス流路との接触面に粗面化処理が行われている，ガス拡散層が膜電極接合体の電極面に配置される燃料電池が開示されている（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−２４５８９７号公報
【特許文献２】特開２００９−２８３３５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら，特許文献１，２記載の燃料電池では，空気電極層，燃料電極層の表面からのガス取り込み効率が必ずしも良いとは言えない。特許文献１記載の燃料電池での，電極の表面に形成された凹凸は，集電体と係合するためのものである。特許文献２記載の燃料電池での，ガス拡散層の表面の粗面化処理は，ガス拡散層と多孔体流路との間の接触抵抗を低減するためのものである。このように，特許文献１，２記載の凹凸あるいは粗面化処理は，空気電極層，燃料電極層の表面からのガス取り込み効率への寄与が乏しい。
本発明は，空気電極層または燃料電極層でのガスの利用率を向上した固体酸化物形燃料電池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】
本発明に係る固体酸化物形燃料電池は，空気電極層，固体電解質層，および燃料電極層を備え，発電機能を有する燃料電池セル本体と，前記空気電極層及び前記燃料電極層の一方の電極層と対向するように配置されたコネクタと，前記一方の電極層と前記コネクタとの間に配置され，前記一方の電極層および前記コネクタの互いに対向する表面それぞれに接することで，前記一方の電極層と前記コネクタを電気的に接続する集電体と，前記一方の電極層の，前記集電体と接する側の表面のうち，前記集電体が接しない箇所に配置される溝部と，を具備する。
【０００８】
空気電極層及び燃料電極層の一方の電極層の，集電体と接する側の表面のうち，集電体が接しない箇所に，溝部が配置される。このため，この電極層の表面から内部へガスが拡散するための接触面積が大きくできる。この結果，この電極層でのガスの拡散性が向上し，ガスの利用率（ガス分配性）が向上する。
【０００９】
前記一方の電極層の，前記集電体と接する側の表面の算術平均粗さＲａが，０．３μｍより大きいことが好ましい。
算術平均粗さＲａを０．３μｍより大きくすることで，この電極層でのガスとの接触面積を大きく確保できる。
【００１０】
前記一方の電極層の，前記集電体と接する側の表面の算術平均うねりＷａが，０．３μｍより小さいことが好ましい。
前記一方の電極層の表面でのガスの流れを良くして，下流側表面へのガスの供給を増加し，前記一方の電極層の表面全体でのガス分配性を向上できる。
【００１１】
前記溝部が，前記酸化剤ガスまたは前記燃料ガスの流れる方向に沿って形成されることが好ましい。
前記一方の電極層の表面での上流から下流へのガスの流れを良くして，前記一方の電極層の表面全体でのガス分配性を向上できる。
【００１２】
前記集電体は，前記コネクタと同一材料であり，一体に形成されていても良い。
集電体をコネクタと同じ材質（例えば，ＳＵＳ）で一体形成することで，製造工程を簡略化できる。
【００１３】
なお，一方の電極層の，前記集電体と接する側の表面のうち，集電体が接しない箇所に溝部を配置することは，集電体をＳＵＳのような緻密体で構成する場合に，特に有効である。即ち，ガスがガス流路から一方の電極層の表面から内部に浸入する際に，電極表面の集電体が配置されていない箇所を介して行なう必要がある。集電体が接しない箇所に溝部を配置することで，拡散面積が確保され，より有効にガス拡散を促進できる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば，空気電極層または燃料電極層でのガスの利用率を向上した固体酸化物形燃料電池を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池１０を表す斜視図である。
【図２】燃料電池セル１００の断面図である。
【図３】燃料電池セル１００の分解斜視図である。
【図４】燃料電池セル本体１４０の平面図である。
【図５】燃料電池セル本体１４０の一部の断面を表す一部断面図である。
【図６】燃料電池セル本体１４０の断面プロファイルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
（第１の実施形態）
以下，図面を参照して，本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は，本発明の第１の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池（燃料電池スタック）１０を表す斜視図である。固体酸化物形燃料電池１０は，燃料ガスと酸化剤ガスの供給を受けて発電する装置である。
【００１７】
燃料ガスとしては，水素，還元剤となる炭化水素，水素と炭化水素との混合ガス，及びこれらのガスを所定温度の水中を通過させ加湿した燃料ガス，これらのガスに水蒸気を混合させた燃料ガス等が挙げられる。炭化水素は特に限定されず，例えば，天然ガス，ナフサ，石炭ガス化ガス等が挙げられる。この燃料ガスとしては水素が好ましい。これらの燃料ガスは１種のみを用いてもよいし，２種以上を併用することもできる。また，５０体積％以下の窒素及びアルゴン等の不活性ガスを含有していてもよい。
【００１８】
酸化剤ガスとしては，酸素と他の気体との混合ガス等が挙げられる。更に，この混合ガスには８０体積％以下の窒素及びアルゴン等の不活性ガスが含有されていてもよい。これらの酸化剤ガスのうちでは安全であって，且つ安価であるため，空気（約８０体積％の窒素が含まれている。）が好ましい。
【００１９】
固体酸化物形燃料電池１０は，略直方体形状をなし，上面１１，底面１２，貫通孔２１〜２８を有する。貫通孔２１〜２４は，上面１１，底面１２の辺近傍（後述の燃料極フレーム１５０の辺近傍）を貫通し，貫通孔２５〜２８は，上面１１，底面１２の頂点近傍（後述の燃料極フレーム１５０の頂点近傍）を貫通する。貫通孔２１〜２８にはそれぞれ，連結部材（締結具であるボルト４１〜４８，ナット５１〜５８）が取り付けられる。なお，ナット５３，５４，５７は，判りやすさのために，図示を省略している。
【００２０】
上面１１側の貫通孔２１〜２４の開口に，部材６０が配置される。部材６０（部材６２）の貫通孔，貫通孔２１〜２４にボルト４１〜４４が挿通され，ナット５１〜５４がねじ込まれる。
【００２１】
部材６０は，部材６２，導入管６１を有する。部材６２は，略円筒形状をなし，略平面状の上面および底面，曲面状の側面に，導入管６１は上面と底面間を貫通する貫通孔を有する。部材６２の貫通孔と導入管６１の貫通孔とが連通する。
【００２２】
部材６２の貫通孔と貫通孔２１〜２４の径は略同一である。これらの径より，ボルト４１〜４４の軸の径が小さいことで，部材６２の貫通孔とボルト４１〜４４の軸間，および貫通孔２１〜２４とボルト４１〜４４の軸間をガス（酸化剤ガス（空気），発電後の残余の燃料ガス，発電後の残余の酸化剤ガス，燃料ガス）が通過する。即ち，酸化剤ガス（空気），燃料ガスが導入管６１から流入し，貫通孔２１，２４をそれぞれ経由して，固体酸化物形燃料電池１０内に流入する。発電後の残余の酸化剤ガス（空気），発電後の残余の燃料ガスが固体酸化物形燃料電池１０から流入し，貫通孔２３，２２をそれぞれ経由して，導入管６１から流出する。
【００２３】
固体酸化物形燃料電池１０は，発電単位である平板形の燃料電池セル１００が複数個積層されて構成される。複数個の燃料電池セル１００が電気的に直列に接続される。
【００２４】
図２は，燃料電池セル１００の断面図である。図３は，燃料電池セル１００の分解斜視図である。
図２に示すように，前記燃料電池セル１００は，いわゆる燃料極支持形タイプの燃料電池セルであり，上下一対の金属製のインターコネクタ１１０（１），１１０（２）の間に，燃料電池セル本体１４０が配置される。燃料電池セル本体１４０とインターコネクタ１１０（１），１１０（２）の間に，空気流路１０１，燃料ガス流路１０２が配置される。
【００２５】
燃料電池セル本体１４０は，空気電極（カソード）層１４１，固体電解質層１４３，燃料電極（アノード）１４４が積層されて構成される。
【００２６】
空気電極層１４１の材料としては，例えば，ペロブスカイト系酸化物，各種貴金属，及び貴金属とセラミックのサーメットを使用できる。ペロブスカイト系酸化物として，ＬＳＣＦ（Ｌａ１−ｘＳｒｘＣｏ１−ｙＦｅｙＯ３系複酸化物）を挙げることができる。
空気電極層１４１の厚さは，例えば，１００〜３００μｍ程度であり，一例として，１５０μｍ程度である。
【００２７】
固体電解質層１４３の材料としては，例えば，ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア），ＳｃＳＺ（スカンジア安定化ジルコニア），ＳＤＣ（サマリアドープトセリア），ＧＤＣ（ガドリニアドープトセリア），ペロブスカイト系酸化物が挙げられる。
【００２８】
燃料電極層１４４の構成材料として，例えば，Ｎｉ等の金属，Ｎｉ等の金属とセラミックとのサーメット（一例として，Ｎｉ金属とＺｒＯ２系セラミック（ＹＳＺ等）の混合物）などを用いることができる。
なお，Ｎｉ金属とＺｒＯ２系セラミックの混合物を用いる場合，ＮｉＯとＺｒＯ２系セラミックの混合物（ＮｉＯ−ＺｒＯ２）を初期材料（燃料電池セル１００動作開始前の構成材料）として用いることができる。燃料電極層１４４側では還元雰囲気に曝されるために，還元反応が進行した結果，ＮｉＯとＺｒＯ２系セラミックの混合物が，Ｎｉ金属とＺｒＯ２系セラミックの混合物に変化するからである。
【００２９】
燃料電極層１４４の厚みは，０．５〜５ｍｍ程度，好ましくは，０．７〜１．５ｍｍ程度である。固体電解質層１４３等を支持するための十分な機械的強度等を有する支持基板とするためである。
【００３０】
図２および図３に示すように，燃料電池セル１００は，上下一対のインターコネクタ１１０（１），１１０（２）の間に，ガスシール部１２０，セパレータ１３０，燃料極フレーム１５０，ガスシール部１６０，集電体１８１を備え，それらが積層されて一体に構成されている。
【００３１】
空気電極層１４１とインターコネクタ１１０（１）との間に，その導通を確保するために集電体１４７が配置されている。燃料電極層１４４とインターコネクタ１１０（２）との間に，その導通を確保するために集電体１８１が配置されている。燃料電池セル１００よりも下層の燃料電池セルの空気電極層（図示せず）とインターコネクタ１１０（２）との間に，その導通を確保するために集電体１４７が配置されている。
【００３２】
集電体１４７，１８１は，ステンレス（ＳＵＳ）等の金属から構成できる。集電体１４７を，インターコネクタ１１０（１），１１０（２）と一体的に形成しても良い。集電体１８１を，インターコネクタ１１０（２）と一体的に形成しても良い。このとき，集電体１４７，１８１，インターコネクタ１１０（１），１１０（２）を同種（あるいは同一）の材料とすることが好ましい。
なお，後述のように，集電体１４７の先端は，空気電極層１４１に差し込まれるが，図２では，集電体１４７と空気電極層１４１を分離した状態で表している。
【００３３】
以下，燃料電池セル１００を構成する各部材について，更に詳細に説明する。なお，燃料電池セル１００の平面形状は正方形であるので，燃料電池セル１００を構成する各部材の平面形状も正方形に形成することが望ましい。
【００３４】
インターコネクタ１１０（１），１１０（２）は，例えばフェライト系ステンレスからなる厚み０．３〜２．０ｍｍの板材であり，その外縁部には，前記ボルト４１〜４８が貫挿される例えば直径１０ｍｍの丸孔である貫通孔２１〜２８が，等間隔に形成されている。インターコネクタ１１０（１），１１０（２）は，空気電極層及び燃料電極層の一方の電極層と対向するように配置されたコネクタに対応する。
【００３５】
ガスシール部１２０は，空気電極層１４１側に配置され，例えばマイカからなる厚み０．２〜１．０ｍｍの枠状の板材であり，その四隅の角部には，前記ボルト４５〜４８が貫挿される各貫通孔２５〜２８が形成されている。
【００３６】
このガスシール部１２０の四方の各辺の縁部には，前記ボルト４１〜４４が貫挿される各貫通孔２１〜２４と連通するように，その辺に沿って，ガスの流路となる略長方形状（長さ１００ｍｍ×幅１０ｍｍ）の貫通孔１２１〜１２４が形成されている。つまり，各貫通孔１２１〜１２４は，積層方向から見た場合，各貫通孔２１〜２４を含むように形成されている。
【００３７】
ガスシール部１２０には，中央の正方形の開口部１２５と左右の貫通孔１２１，１２３と連通するように，ガスシール部１２０の右左の枠部分に，細径（長さ２０ｍｍ×幅５ｍｍ）のガス流路となる長方形の切り欠き１２７がそれぞれ４本ずつ形成されている。
【００３８】
なお，この切り欠き１２７は，貫通孔として形成しても良く，ガスシール部１２０の一方の表面を掘って形成された溝でも良い。また，切り欠き１２７は，レーザか加工やプレス加工によって形成できる。
【００３９】
各切り欠き１２７は，左右の辺の中点を結んだ線を中心とした線対称となるように配置されているが，その本数については，例えば１つの辺について６本以上など，適宜設定すればよい。
【００４０】
セパレータ１３０は，燃料電池セル本体１４０の外縁部の上面に接合して空気流路１０１と燃料ガス流路１０２との間を遮断する。セパレータ１３０は，例えばフェライト系ステンレスからなる厚み０．０２〜０．３０ｍｍの枠状の板状であり，その中央の正方形の開口部１３５には，開口部１３５を閉塞するように前記燃料電池セル本体１４０が接合される。
【００４１】
このセパレータ１３０においても，前記ガスシール部１２０と同様に，その四隅の角部に同形状の各貫通孔２５〜２８が形成されるとともに，四方の各辺に沿って（第１ガス流路となる）同形状の各貫通孔１３１〜１３４が形成されている。
【００４２】
燃料極フレーム１５０は，燃料ガス流路１０２側に配置され，中央に開口部１５５を備えた例えばフェライト系ステンレスからなる厚み０．５〜２．０ｍｍの枠状の板材である。前記燃料極フレーム１５０は，前記セパレータ１３０と同様に，その四隅の角部に同形状の各貫通孔２５〜２８が形成されるとともに，四方の各辺に沿って，ガス流路となる各貫通孔１５１〜１５４が形成されている。
【００４３】
ガスシール部１６０は，燃料電極層１４４側に配置され，例えばマイカからなる厚み０．２〜１．０ｍｍの枠状の板材であり，その四隅の角部には，前記ボルト４５〜４８が貫挿される各貫通孔２５〜２８が形成されている。
【００４４】
このガスシール部１６０の四方の各辺の縁部には，前記ボルト４１〜４４が貫挿される各貫通孔２１〜２４と連通するように，その辺に沿って，ガスの流路となる略長方形状（長さ１００ｍｍ×幅１０ｍｍ）の貫通孔１６１〜１６４が形成されている。
【００４５】
ガスシール部１６０には，中央の正方形の開口部１６５と左右の貫通孔１６１，１６３と連通するように，ガスシール部１６０の右左の枠部分に，細径（長さ２０ｍｍ×幅５ｍｍ）のガス流路となる長方形の切り欠き１６７がそれぞれ４本ずつ形成されている。
【００４６】
なお，この切り欠き１６７は，貫通孔として形成しても良く，ガスシール部１６０の一方の表面を掘って形成された溝でも良い。また，切り欠き１６７は，レーザか加工やプレス加工によって形成できる。
【００４７】
各切り欠き１６７は，左右の辺の中点を結んだ線を中心とした線対称となるように配置されているが，その本数については，例えば１つの辺について６本以上など，適宜設定すればよい。
【００４８】
図４は，燃料電池セル本体１４０の平面図である。図５は，図４のＡ−Ａ‘に沿って切断したときの燃料電池セル本体１４０の一部の断面を表す一部断面図である。図６は，燃料電池セル本体１４０（空気電極層１４１）の断面プロファイル（正確には，粗さ曲線）を示す図である。
なお，図４，図５において，判り易さのため，インターコネクタ１１０（１）の図示を省略している。
【００４９】
図４，図５に示すように，燃料電池セル１００の空気電極層１４１の表面に深さＤ１の凹部（溝部）１４５が配置される。また，空気電極層１４１に集電体１４７の先端が，深さＤ２（例えば，５〜７０μｍ程度）差し込まれている。
【００５０】
燃料電池セル１００の作成時に，空気電極層１４１と集電体１４７が重ね合わされ，押圧されることで，集電体１４７の先端が空気電極層１４１に差し込まれる。この結果，空気電極層１４１に凹部１４５が配置されていても，集電体１４７と空気電極層１４１間の確実な接続が保証される。集電体１４７と空気電極層１４１間での接触面積が確保され，接触抵抗が低減される。ここで，接続の確実性を向上するためには，集電体１４７が差し込まれた深さＤ２が凹部１４５の深さＤ１より大きいことが好ましい。
【００５１】
空気電極層１４１の表面上を図４の紙面の上方から下方に向かって，酸化剤ガスが通過するとする。ここで，凹部１４５は，露出され，酸化剤ガスに接触する。凹部１４５は流路の方向（図４の紙面上下方向）に対して傾く2つの方向を有する（正確には，図４の紙面の斜め±４５°方向）。また，凹部１４５の形状は，集電体１４７の底部と異なる形状，大きさを有する。凹部１４５の深さＤ１は，後述のように，粗さ曲線の最大断面高さＲｔで定義され，例えば，３μｍである。
【００５２】
空気電極層１４１の表面に凹部１４５が形成されることで，空気電極層１４１の表面積が増加する。また，凹部１４５が酸化剤ガスの流路（上下方向）に沿った方向成分を有することで，酸化剤ガスが凹部１４５を空気電極層１４１の表面全体に分配されるようになる。
なお，凹部１４５の向きを流路の方向（図４の紙面上下方向）とすることで，空気電極層１４１の表面上での酸化剤ガスの流通をより促進しても良い。
【００５３】
ここで，空気電極層１４１の表面の算術平均粗さＲａが，０．３μｍ以上であることが好ましい。空気電極層１４１の表面を粗くすることで，空気電極層１４１の表面積を増加させ，空気電極層１４１内部への酸化剤ガスの取り込みが容易となる。
【００５４】
空気電極層１４１の表面の算術平均うねりＷａが，０．３μｍ以下であることが好ましい。空気電極層１４１の表面のうねり（凹凸）を少なくし，空気電極層１４１全体へのガス分配が容易な構造とする。
【００５５】
ここで，最大断面高さＲｔ，算術平均粗さＲａ，算術平均うねりＷａは，はＪＩＳ Ｂ０６０１−'０１に準拠した測定値とする。
【００５６】
最大断面高さＲｔは，粗さ曲線での最大断面高さであり，基準長さＬにおける，粗さ曲線の山Ｐの高さの最大値と谷Ｖの深さの最大値の和であり，図６に示される。
ここで，粗さ曲線は，面粗さ計で計測したとき得られる断面曲線からカットオフ値λｃの高域フィルタを用いて，低周波成分を除去したものである。
【００５７】
算術平均粗さＲａは，基準長さＬにおける，粗さ曲線ｙ＝ｆ（ｘ）の式（１）によって求められる平均値（μｍ）である。なお，この算出に用いられる基準長さＬ内に凹部１４５の領域も含む（凹部１４５の領域を除外することはしない）。
Ｒａ＝（１／Ｌ）・∫０Ｌ｜ｆ（ｘ）｜ｄｘ ……式（１）
【００５８】
算術平均うねりＷａは，基準長さＬにおける，うねり曲線ｙ＝ｇ（ｘ）の式（２）によって求められる平均値（μｍ）である。なお，この算出に用いられる基準長さＬ内に凹部１４５の領域も含む（凹部１４５の領域を除外することはしない）。
Ｗａ＝（１／Ｌ）・∫０Ｌ｜ｇ（ｘ）｜ｄｘ ……式（２）
ここで，うねり曲線は，面粗さ計で計測したとき得られる断面曲線からカットオフ値λｆ，λｃの輪郭曲線フィルタを順次用いて，低周波成分および高周波成分を除去したものである。
なお，式（１），（２）は，用いる曲線が粗さ曲線，うねり曲線であることを除き，同一の計算内容である。
【００５９】
燃料電池セル本体１４０の製造方法を説明する。
固体電解質層１４３の構成材料（ＹＳＺ等）を含むグリーンシートを焼成し，焼結体とする。
ここで，例えば，次の（１）〜（３）のいずれかによって，空気電極層１４１に凹部１４５を形成できる。
【００６０】
（１）空気電極層１４１の構成材料の層の形成時の凹部１４５の形成
固体電解質層１４３上に空気電極層１４１の構成材料（例えば，ＬＳＣＦペースト）をスクリーン印刷し，焼成する。
この場合，空気電極層１４１の構成材料の層の形成と，凹部１４５の形成，粗面化が同時に行われる。スクリーン印刷のスクリーンメッシュによって，空気電極層１４１の表面への凹部１４５の形成，粗面化がなされる。
【００６１】
（２）空気電極層１４１の構成材料の層の焼成前の凹部１４５の形成
固体電解質層１４３表面上に空気電極層１４１の構成材料の層を形成する。この形成は，印刷（スクリーン，スタンプ，凹版，オフセット）もしくは空気電極層１４１の構成材料を含むシートの貼付によって行える。その後，型押しなどによって，空気電極層１４１の表面への凹部１４５の形成，粗面化がなされる。さらに，空気電極層１４１の構成材料を焼成し，空気電極層１４１を形成する。
【００６２】
（３）空気電極層１４１の構成材料の層の焼成後の凹部１４５の形成
空気電極層１４１の構成材料を焼結した後，空気電極層１４１の表面を型押し，サンドブラストなどの表面処理を行う。なお，サンドブラストに際し，開口を有する型を用い，開口部内の空気電極層１４１をサンドブラストすることで，この開口に対応する凹部１４５を形成できる。
【００６３】
以上では，固体電解質層１４３の構成材料（グリーンシート）を焼成し，固体電解質層１４３（焼結体）を形成する。その後，空気電極層１４１の構成材料の層を形成するものとする。但し。固体電解質層１４３，空気電極層１４１を積層し，同時に焼成しても良い。
なお，燃料電極層１４４の形成（層の形成，焼成）は，空気電極層１４１の形成（層の形成，焼成）の前，後，同時並行的の何れでも差し支えない。
【００６４】
（第２の実施形態）
第１の実施形態では，空気電極層１４１上に凹部１４５を配置し，空気電極層１４１を粗面化している。これに対して，燃料電極層１４４側に凹部を配置し，燃料電極層１４４を粗面化しても良い。これを第２の実施形態とする。
【００６５】
第２の実施形態では，図４，図５と対応するように，燃料電池セル１００の燃料電極層１４４の表面に深さＤ１の凹部が配置される。また，燃料電極層１４４に集電体１８１が押しつけられている。後述の理由から，第１の実施形態と異なり，集電体１４７の先端が燃料電極層１４４に差し込まれるまでには至らない。
【００６６】
燃料電池セル１００の作成時に，燃料電極層１４４と集電体１８１が重ね合わされ，押圧されることで，集電体１８１が空気電極層１４１に押しつけられる。この結果，燃料電極層１４４に凹部が配置されていても，集電体１８１と燃料電極層１４４間の確実な接続が保証される。
【００６７】
第１の実施形態では，押圧によって集電体１４７の先端が空気電極層１４１に差し込まれていた。しかし，本実施形態では，燃料電極層１４４の強度が空気電極層１４１より大きい関係で，押圧により集電体１４７が変形するに留まる（集電体１４７の先端が燃料電極層１４４に差し込まれるまでには至らない）。
【００６８】
空気電極層１４１での凹部１４５と同様，燃料電極層１４４での凹部の深さＤ１は，粗さ曲線の最大断面高さＲｔで定義され，例えば，３μｍである。
【００６９】
燃料電極層１４４の表面に凹部が形成されることで，燃料電極層１４４の表面積が増加し，燃料ガスが燃料電極層１４４の表面全体に分配されるようになる。
【００７０】
ここで，燃料電極層１４４の表面の算術平均粗さＲａが，０．３μｍ以上であることが好ましい。燃料電極層１４４内部への燃料ガスの取り込みが容易となる。
【００７１】
燃料電極層１４４の表面の算術平均うねりＷａが，０．３μｍ以下であることが好ましい。燃料電極層１４４全体へのガス分配が容易な構造とする。
【００７２】
第２の実施形態での燃料電池セル本体１４０の製造方法を説明する。
固体電解質層１４３の構成材料（ＹＳＺ等）を含むグリーンシートを焼成し，焼結体とする。
ここで，例えば，次の（１）〜（３）のいずれかによって，燃料電極層１４４に凹部を形成できる。
【００７３】
（１）燃料電極層１４４の構成材料の層の形成時の凹部の形成
固体電解質層１４３上に燃料電極層１４４の構成材料（例えば，Ｎｉ０−ＺｒＯ２ペースト）をスクリーン印刷し，焼成する。
この場合，燃料電極層１４４の構成材料の層の形成と，凹部１４５の形成，粗面化が同時に行われる。スクリーン印刷のスクリーンメッシュによって，燃料電極層１４４の表面への凹部の形成，粗面化がなされる。
【００７４】
（２）燃料電極層１４４の構成材料の層の焼成前の凹部の形成
固体電解質層１４３表面上に燃料電極層１４４の構成材料の層を形成する。この形成は，印刷（スクリーン，スタンプ，凹版，オフセット）もしくは燃料電極層１４４のシートの貼付によって行える。その後，型押しなどによって，燃料電極層１４４の表面への凹部の形成，粗面化がなされる。さらに，燃料電極層１４４の構成材料を焼成し，燃料電極層１４４を形成する。
【００７５】
（３）燃料電極層１４４の構成材料の層の焼成後の凹部の形成
燃料電極層１４４の構成材料を焼結した後，燃料電極層１４４の表面を型押し，サンドブラストなどの表面処理を行う。なお，サンドブラストに際し，開口を有する型を用い，開口部内の燃料電極層１４４をサンドブラストすることで，この開口に対応する凹部を形成できる。
【００７６】
以上では，固体電解質層１４３の構成材料（グリーンシート）を焼成し，固体電解質層１４３（焼結体）を形成する。その後，燃料電極層１４４の構成材料の層を形成するものとする。但し。固体電解質層１４３，燃料電極層１４４を積層し，同時に焼成しても良い。
なお，空気電極層１４１の形成（層の形成，焼成）は，燃料電極層１４４の形成（層の形成，焼成）の前，後，同時並行的の何れでも差し支えない。
【００７７】
（第３の実施形態）
第１の実施形態では，空気電極層１４１側に，第２の実施形態では燃料電極層１４４側に凹部を配置した。これに対して，空気電極層１４１，燃料電極層１４４の双方上に凹部を配置し，空気電極層１４１，燃料電極層１４４の双方を粗面化しても良い。
このようにすることで，空気電極層１４１，燃料電極層１４４の双方でのガスの分配が促進される。
【００７８】
このとき，第１の実施形態で示した手法（１）〜（３）および第２の実施形態で示した手法（１）〜（３）の適宜の組み合わせを利用して，空気電極層１４１，燃料電極層１４４の双方に凹部を形成できる。また，空気電極層１４１，燃料電極層１４４の作成（グリーンシートの焼成）は，いずれを先にしても良いし，同時でも良い。
【００７９】
（その他の実施形態）
本発明の実施形態は上記の実施形態に限られず拡張，変更可能であり，拡張，変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００８０】
１０ 固体酸化物形燃料電池
１１ 上面
１２ 底面
２１-２８ 貫通孔
４１-４８ ボルト
５１-５８ ナット
６０ 部材
６１ 導入管
６２ 部材
６２ 部材
１００ 燃料電池セル
１０１ 空気流路
１０２ 燃料ガス流路
１１０ インターコネクタ
１２０ ガスシール部
１２１-１２４ 貫通孔
１２５ 開口部
１２７ 欠き
１３０ セパレータ
１３１-１３４ 貫通孔
１３５ 開口部
１４０ 燃料電池セル本体
１４１ 空気電極層
１４３ 固体電解質層
１４４ 燃料電極層
１４５ 凹部
１４７ 集電体
１５０ 燃料極フレーム
１５１-１５４ 貫通孔
１５５ 開口部
１６０ ガスシール部
１６１-１６４ 貫通孔
１６５ 開口部
１６７ 切り欠き
１８１ 集電体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気電極層，固体電解質層，および燃料電極層を備え，発電機能を有する燃料電池セル本体と，
前記空気電極層及び前記燃料電極層の一方の電極層と対向するように配置されたコネクタと，
前記一方の電極層と前記コネクタとの間に配置され，前記一方の電極層および前記コネクタの互いに対向する表面それぞれに接することで，前記一方の電極層と前記コネクタを電気的に接続する集電体と，
前記一方の電極層の，前記集電体と接する側の表面のうち，前記集電体が接しない箇所に配置される溝部と，
を具備することを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
【請求項２】
前記一方の電極層の，前記集電体と接する側の表面の算術平均粗さＲａが，０．３μｍより大きい
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。
【請求項３】
前記一方の電極層の，前記集電体と接する側の表面の算術平均うねりＷａが，０．３μｍより小さい
ことを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項４】
前記溝部が，前記酸化剤ガスまたは前記燃料ガスの流れる方向に沿って形成される
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項５】
前記集電体は，前記コネクタと同一材料であり，一体に形成されている
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項１】
空気電極層，固体電解質層，および燃料電極層を備え，発電機能を有する燃料電池セル本体と，
前記空気電極層及び前記燃料電極層の一方の電極層と対向するように配置されたコネクタと，
前記一方の電極層と前記コネクタとの間に配置され，前記一方の電極層および前記コネクタの互いに対向する表面それぞれに接することで，前記一方の電極層と前記コネクタを電気的に接続する集電体と，
前記一方の電極層の，前記集電体と接する側の表面のうち，前記集電体が接しない箇所に配置される溝部と，
を具備することを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
【請求項２】
前記一方の電極層の，前記集電体と接する側の表面の算術平均粗さＲａが，０．３μｍより大きい
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。
【請求項３】
前記一方の電極層の，前記集電体と接する側の表面の算術平均うねりＷａが，０．３μｍより小さい
ことを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項４】
前記溝部が，前記酸化剤ガスまたは前記燃料ガスの流れる方向に沿って形成される
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項５】
前記集電体は，前記コネクタと同一材料であり，一体に形成されている
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の固体酸化物形燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−２３８４３９（Ｐ２０１２−２３８４３９Ａ）
【公開日】平成２４年１２月６日（２０１２．１２．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１０５８２７（Ｐ２０１１−１０５８２７）
【出願日】平成２３年５月１１日（２０１１．５．１１）
【出願人】（０００００４５４７）日本特殊陶業株式会社 (2,912)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月６日（２０１２．１２．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月１１日（２０１１．５．１１）
【出願人】（０００００４５４７）日本特殊陶業株式会社 (2,912)
【Ｆターム（参考）】
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