固体酸化物形燃料電池
【課題】インターコネクタ内及びその近傍を通過する電流の電流密度のばらつきを抑制できる固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）を提供すること。
【解決手段】このＳＯＦＣでは、燃料極２０に導電性セラミックス材料からなる薄板状のインターコネクタ３０が設けられ、このインターコネクタ３０における燃料極２０と反対側の表面に導電膜７０が形成される。この導電膜７０は、Ｎ型半導体（例えば、ＬａＮｉＯ３）からなる。一般に、Ｎ型半導体は、温度が高いほど導電率が小さく（電流が流れ難く）なる性質を有する。従って、インターコネクタ３０近傍の導電膜７０内において電流密度が高い部位（従って、温度が高い部位）ほど導電率が小さく（電流が流れ難く）なる。この作用により、何らかの理由によって「インターコネクタ３０内及びその近傍を通過する電流の電流密度のばらつき」が発生しても、このばらつきが抑制され得る。
【解決手段】このＳＯＦＣでは、燃料極２０に導電性セラミックス材料からなる薄板状のインターコネクタ３０が設けられ、このインターコネクタ３０における燃料極２０と反対側の表面に導電膜７０が形成される。この導電膜７０は、Ｎ型半導体（例えば、ＬａＮｉＯ３）からなる。一般に、Ｎ型半導体は、温度が高いほど導電率が小さく（電流が流れ難く）なる性質を有する。従って、インターコネクタ３０近傍の導電膜７０内において電流密度が高い部位（従って、温度が高い部位）ほど導電率が小さく（電流が流れ難く）なる。この作用により、何らかの理由によって「インターコネクタ３０内及びその近傍を通過する電流の電流密度のばらつき」が発生しても、このばらつきが抑制され得る。
【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】
固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：ＳＯＦＣ）（の発電部）は、燃料側電極に、固体電解質からなる電解質膜、空気側電極を順に積層することで形成される。このＳＯＦＣ（の発電部）に対して、燃料側電極に燃料ガス（水素ガス等）を供給するとともに空気側電極に酸素を含むガス（空気等）を供給することにより、電解質膜の両面の酸素ポテンシャル差に基づいて燃料側電極と空気側電極との間に電位差が発生する。
【０００３】
ＳＯＦＣでは、通常、燃料側電極と空気側電極の何れか一方又は両方のそれぞれにインターコネクタ（集電用の導電性接続部材）が電気的に接続されるように設けられる。この（これらの）インターコネクタを介して前記電位差に基づく電力が外部に取り出される。
【０００４】
このようにインターコネクタが設けられたＳＯＦＣに関し、特許文献１では、燃料側電極に緻密な導電性セラミックからなるインターコネクタが設けられ、このインターコネクタの表面にＰ型半導体からなる導電膜が設けられたＳＯＦＣが記載されている。このようにインターコネクタの表面にＰ型半導体からなる導電膜を設けると、理由は明確ではないが電流を効率良く流すことができる（即ち、導電性が向上する）、と記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４１４６７３８号公報
【発明の概要】
【０００６】
一般に、電流は、電気抵抗がより小さくなる経路を通過し易い傾向がある。従って、上記文献に記載のＳＯＦＣにおいて、導電膜→インターコネクタ→燃料側電極へと電流が流れる際、インターコネクタへ向けて導電膜内を流れる電流の流れの態様（電流の向き、範囲）等に依存して、インターコネクタ内及びその近傍を通過する電流の大きさ（単位面積当たりの電流の大きさ、電流密度）にばらつきが生じ得る（後述する図１３、図１７を参照）。一般に、電流密度が大きい部位ほどジュール熱等に起因する発熱の度合が大きい。従って、インターコネクタ内及びその近傍において電流密度が高い部位ほど温度が高くなる。
【０００７】
他方、上記文献に記載のＳＯＦＣでは、上述のように、導電膜の材質としてＰ型半導体が使用されている。一般に、Ｐ型半導体は、温度が高いほど導電率が大きくなる性質を有する。従って、インターコネクタ近傍の導電膜内において電流密度が高い部位ほど導電率が大きくなる。このことは、インターコネクタ内及びその近傍を通過する電流の電流密度のばらつきが助長されることを意味する。
【０００８】
以上のように、上記文献に記載のＳＯＦＣでは、インターコネクタ内及びその近傍を通過する電流の電流密度にばらつきが生じると、そのばらつきが助長される。この結果、インターコネクタ内及びその近傍において温度のばらつきが増大し、局所的に大きい熱応力が発生するという問題が発生し得る。
【０００９】
本発明は、上記問題に対処するためになされたものであり、その目的は、インターコネクタ内及びその近傍を通過する電流の電流密度のばらつきを抑制できる固体酸化物形燃料電池を提供することを目的とする。
【００１０】
本発明に係るＳＯＦＣは、燃料ガスと接触して前記燃料ガスを反応させる燃料側電極と、前記燃料側電極に設けられた固体電解質からなる電解質膜と、前記酸素を含むガスを反応させる空気側電極であって前記電解質膜を前記燃料側電極と空気側電極とで挟むように前記電解質膜に設けられた空気側電極と、からなる固体酸化物形燃料電池の発電部と、前記燃料側電極又は前記空気側電極に電気的に接続されるように設けられたインターコネクタとを備える。
【００１１】
本発明に係るＳＯＦＣの特徴は、前記インターコネクタの表面に形成された導電膜であって、６５０〜８５０℃の範囲内にて温度が高いほど導電率が小さくなる性質を有する導電性セラミックス材料からなる導電膜を備えたことにある。前記導電膜としては、Ｎ型半導体が採用され得る。
【００１２】
ＳＯＦＣの作動温度は、６５０〜８５０℃である。従って、上記構成によれば、ＳＯＦＣの作動中において、上記文献に記載したＳＯＦＣとは逆に、インターコネクタ近傍の導電膜内において電流密度が高い部位（温度が高い部位）ほど導電率が小さくなる。このことは、インターコネクタ内及びその近傍を通過する電流の電流密度のばらつきが抑制されることを意味する。この結果、インターコネクタ内及びその近傍において温度のばらつきが小さくなり、局所的に大きい熱応力が発生し難くなる。
【００１３】
上記本発明に係るＳＯＦＣにおいて、前記導電膜は、化学式ＬａＮｉ１−ｘ−ｙＣｕｘＦｅｙＯ３（ｘ＞０、ｙ＞０、ｘ＋ｙ＜１）で表わされる材料（Ｎ型半導体）からなることが好適である。この材料は、導電率が、例えば７５０℃において８００Ｓ／ｃｍ以上と高く、且つ、熱膨張率が、例えば１３．５ｐｐｍ／Ｋ以下と低い。従って、この材料は、導電率と熱膨張率の両面において導電膜として好適な材料であるといえる。この材質についての詳細は、特願２０１０−０７０７９３に記載されている。
【００１４】
前記インターコネクタが前記燃料側電極に設けられている場合、前記インターコネクタは、化学式Ｌｎ１−ｘＡｘＣｒ１−ｙ−ｚＢｙＯ３（ただし、Ｌｎ：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、Ａ：Ｃａ，Ｓｒ，及びＢａからなる群より選択される少なくとも１種類の元素、Ｂ：Ｔｉ，Ｖ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｚｎ，Ｍｇ，及びＡｌからなる群より選択される少なくとも１種類の元素、０．０２５≦ｘ≦０．３、０≦ｙ≦０．２２、０≦ｚ≦０．１５）で表わされるクロマイト系材料（緻密な導電性セラミックス）からなることが好適である。例えば、ＬｎとしてランタンＬａが使用された「ランタンクロマイトＬａＣｒＯ３」が採用され得る。
【００１５】
これは、燃料側電極のインターコネクタ（端子電極）の一端（内側）が還元雰囲気に曝され且つ他端（外側）が酸化雰囲気に曝されることに基づく。酸化・還元の両雰囲気で安定な導電性セラミックスとしては、現状では、ＬａＣｒＯ３が優れている。
【００１６】
或いは、前記インターコネクタが前記燃料側電極に設けられている場合、前記インターコネクタは、化学式（Ａ１−ｘ，Ｂｘ）１−ｚ（Ｔｉ１−ｙ，Ｄｙ）Ｏ３（ただし、Ａ：アルカリ土類元素から選択される少なくとも１種類の元素、Ｂ：Ｓｃ，Ｙ，及びランタノイド元素から選択される少なくとも１種類の元素、Ｄ：第４周期、第５周期、第６周期の遷移金属、及びＡｌ，Ｓｉ，Ｚｎ，Ｇａ，Ｇｅ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ｐｂ，Ｂｉから選択される少なくとも１種類の元素、０≦ｘ≦０．５、０≦ｙ≦０．５、−０．０５≦ｚ≦０．０５）で表わされるチタン酸化物（緻密な導電性セラミックス）からなることが好適である。例えば、ＡとしてストロンチウムＳｒが使用された「ストロンチウムチタネートＳｒＴｉＯ３」が採用され得る。ＳｒＴｉＯ３も酸化・還元の両雰囲気で安定である。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池セルを示す斜視図である。
【図２】図１に示す燃料電池セルの２−２線に対応する断面図である。
【図３】図１に示す燃料電池セルの作動状態を説明するための図である。
【図４】図１に示す燃料電池セル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５】図１に示す支持基板を示す斜視図である。
【図６】図１に示す燃料電池セル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７】図１に示す燃料電池セル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８】図１に示す燃料電池セル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９】図１に示す燃料電池セル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１０】図１に示す燃料電池セル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１１】図１に示す燃料電池セル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１２】図１に示す燃料電池セル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１３】図１に示す本発明の実施形態の比較例における、インターコネクタ内及びその近傍を通過する電流の電流密度のばらつきを説明するための図２に対応する図である。
【図１４】図１に示す本発明の実施形態における、インターコネクタ内及びその近傍を通過する電流の電流密度のばらつきを説明するための図２に対応する図である。
【図１５】本発明の実施形態の他の変形例に係る燃料電池セルの図２に対応する断面図である。
【図１６】本発明の実施形態の他の変形例に係る燃料電池セルの正面図である。
【図１７】図１６に示す本発明の他の実施形態の変形例の比較例における、インターコネクタ内及びその近傍を通過する電流の電流密度のばらつきを説明するための図１６のＺ部の拡大図である。
【図１８】図１６に示す本発明の他の実施形態の変形例における、インターコネクタ内及びその近傍を通過する電流の電流密度のばらつきを説明するための図１６のＺ部の拡大図である。
【図１９】本発明の実施形態の他の変形例に係る燃料電池セルの図１４に対応する図である。
【図２０】本発明の実施形態の他の変形例に係る燃料電池セルの図５に対応する斜視図である。
【図２１】図２０に示した支持基板を採用した燃料電池セルの図２に対応する断面図である。
【図２２】図２１に示す支持基板の凹部に埋設された燃料極及びインターコネクタの状態を示した平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
（構成）
図１は、本発明の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）のセルを示す。このＳＯＦＣセルは、長手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。
【００１９】
このＳＯＦＣセル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５〜５０ｃｍで長手方向に直交する幅方向の長さが１〜１０ｃｍの長方形である。このＳＯＦＣセルの全体の厚さは、１〜５ｍｍである。このＳＯＦＣセルの全体は、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ことが好ましいが、この限りでない。以下、図１に加えて、このＳＯＦＣセルの図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、このＳＯＦＣセル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。
【００２０】
支持基板１０は、電子伝導性を有さない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の側端部は、外側に（幅方向に）凸となる曲面状を呈している。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。
【００２１】
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Ｙ２Ｏ３（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ＭｇＡｌ２Ｏ４（マグネシアアルミナスピネル）とから構成されてもよい。支持基板１０の厚さは、１〜５ｍｍである。以下、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。
【００２２】
図２に示すように、支持基板１０の上面（上側の主面）の上には、直方体状の燃料極２０が設けられている。燃料極２０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。燃料極２０は、後述する固体電解質膜４０に接する燃料極活性部２２と、燃料極活性部２２以外の残りの部分である燃料極集電部２１とから構成される。燃料極活性部２２を上方からみた形状は、燃料極集電部２１が存在する範囲に亘って幅方向に延びる長方形である。
【００２３】
燃料極活性部２２は、例えば、酸化ニッケルＮｉＯとイットリア安定化ジルコニアＹＳＺ（８ＹＳＺ）とから構成され得る。或いは、酸化ニッケルＮｉＯとガドリニウムドープセリアＧＤＣとから構成されてもよい。燃料極集電部２１は、例えば、酸化ニッケルＮｉＯとイットリア安定化ジルコニアＹＳＺ（８ＹＳＺ）とから構成され得る。或いは、酸化ニッケルＮｉＯとイットリアＹ２Ｏ３とから構成されてもよいし、酸化ニッケルＮｉＯとカルシア安定化ジルコニアＣＳＺ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の厚さは、５０〜５００μｍである。
【００２４】
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。
【００２５】
各燃料極２０（より具体的には、各燃料極集電部２１）の上面の所定箇所には、薄板状のインターコネクタ３０が形成されている。インターコネクタ３０は、電子伝導性を有する緻密な導電性セラミックス材料からなる焼成体である。インターコネクタ３０を上方からみた形状は、燃料極２０が存在する範囲に亘って幅方向に延びる長方形である。インターコネクタ３０の厚さは、１０〜１００μｍである。
【００２６】
インターコネクタ３０は、例えば、クロマイト系材料から構成され得る。クロマイト系材料の化学式は、Ｌｎ１−ｘＡｘＣｒ１−ｙ−ｚＢｙＯ３（ただし、Ｌｎ：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、Ａ：Ｃａ，Ｓｒ，及びＢａからなる群より選択される少なくとも１種類の元素、Ｂ：Ｔｉ，Ｖ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｚｎ，Ｍｇ，及びＡｌからなる群より選択される少なくとも１種類の元素、０．０２５≦ｘ≦０．３、０≦ｙ≦０．２２、０≦ｚ≦０．１５）で表わされる。この場合、ＬａＣｒＯ３（ランタンクロマイト）から構成され得る。
【００２７】
或いは、インターコネクタ３０は、チタン酸化物から構成され得る。チタン酸化物の化学式は、（Ａ１−ｘ，Ｂｘ）１−ｚ（Ｔｉ１−ｙ，Ｄｙ）Ｏ３（ただし、Ａ：アルカリ土類元素から選択される少なくとも１種類の元素、Ｂ：Ｓｃ，Ｙ，及びランタノイド元素から選択される少なくとも１種類の元素、Ｄ：第４周期、第５周期、第６周期の遷移金属、及びＡｌ，Ｓｉ，Ｚｎ，Ｇａ，Ｇｅ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ｐｂ，Ｂｉから選択される少なくとも１種類の元素、０≦ｘ≦０．５、０≦ｙ≦０．５、−０．０５≦ｚ≦０．０５）で表わされる。この場合、（Ｓｒ，Ｌａ）ＴｉＯ３（ストロンチウムチタネート）から構成され得る。
【００２８】
複数の燃料極２０が設けら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において複数のインターコネクタ３０が形成された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。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、Ｙ２Ｏ３（イットリア）を含有したＹＳＺ（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。
【００２９】
即ち、複数の燃料極２０が設けら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。ここで、緻密材料からなる「インターコネクタ３０及び固体電解質膜４０」が、「ガスシール部」に対応する。
【００３０】
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。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。
【００３１】
反応防止膜５０は、例えば、ＧＤＣ＝（Ｃｅ，Ｇｄ）Ｏ２（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）Ｏ３（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）ＦｅＯ３（ランタンストロンチウムフェライト）、ＬＮＦ＝Ｌａ（Ｎｉ，Ｆｅ）Ｏ３（ランタンニッケルフェライト）、ＬＳＣ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ３（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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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とを跨ぐように、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（前記「導電膜」に対応）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。空気極集電膜７０の厚さは、５０〜５００μｍである。このように、導電性セラミックス材料からなる薄板状のインターコネクタ３０の一方の面には燃料極２０（燃料極集電部２１）が接合され、他方の面には空気極集電膜７０が接合されている。換言すれば、インターコネクタ３０を含む周辺では、「燃料極２０（燃料極集電部２１）、インターコネクタ３０、及び空気極集電膜７０からなる３層構造」が存在している。
【００３５】
空気極集電膜７０は、「６５０〜８５０℃の範囲内にて温度が高いほど導電率が小さくなる性質を有する導電性セラミックス材料」から構成されている。係る材料の典型例としては、Ｎ型半導体等が挙げられる。このような材料を採用することによる作用・効果については後述する。
【００３６】
具体的には、空気極集電膜７０は、ＬａＮｉＯ３系の材料で構成され得る。この中でも、化学式ＬａＮｉ１−ｘ−ｙＣｕｘＦｅｙＯ３（ｘ＞０、ｙ＞０、ｘ＋ｙ＜１）で表わされる材料が好適である。この材料は、導電率が、例えば７５０℃において８００Ｓ／ｃｍ以上と高く、且つ、熱膨張率が、例えば１３．５ｐｐｍ／Ｋ以下と低く構成され得る。従って、この材料は、導電率及び熱膨張率の両面において空気極集電膜７０として好適な材料であるといえる。
【００３７】
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、「電気的接続部」に対応する。
【００３８】
以上、説明した「横縞型」のＳＯＦＣセルに対して、図３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）・Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２− （於：空気極６０） …（１）
Ｈ２＋Ｏ２−→Ｈ２Ｏ＋２ｅ− （於：燃料極２０） …（２）
【００３９】
発電状態においては、図４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３に示すように、このＳＯＦＣセル全体から（具体的には、図３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。
【００４０】
（製造方法）
次に、図１に示した「横縞型」のＳＯＦＣセルの製造方法の一例について図５〜図１２を参照しながら簡単に説明する。図５〜図１２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。
【００４１】
先ず、図５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５に示す支持基板の成形体１０ｇの部分断面を表す図６〜図１２を参照しながら説明を続ける。
【００４２】
図６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７に示すように、支持基板の成形体１０ｇの上下面の所定位置に、燃料極の成形体（２１ｇ＋２２ｇ）が形成される。各燃料極の成形体（２１ｇ＋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形成される。
【００４３】
次に、図８に示すように、各燃料極の成形体２１ｇの外側面の所定箇所に、インターコネクタの成形膜３０ｇが形成される。各インターコネクタの成形膜３０ｇは、例えば、インターコネクタ３０の材料（例えば、ＬａＣｒＯ３）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。
【００４４】
次に、図９に示すように、複数の燃料極の成形体（２１ｇ＋２２ｇ）が埋設・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が形成された部分を除いた全面（支持基板の成形体１０ｇの側端部の表面を含む）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。
【００４５】
次に、図１０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。
【００４６】
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１４００〜１５００℃で１〜２０時間焼成される。これにより、図１に示したＳＯＦＣセルにおいて空気極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。
【００４７】
次に、図１１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。
【００４８】
次に、図１２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とを跨ぐように、空気極の成形膜６０ｇ、固体電解質膜４０、及び、インターコネクタ３０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、ＬａＮｉＯ３）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。
【００４９】
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９００〜１１００℃で１〜２０時間焼成される。これにより、図１に示したＳＯＦＣセルが得られる。以上、図１に示したＳＯＦＣセルの製造方法の一例について説明した。
【００５０】
（インターコネクタ３０内及びその近傍を通過する電流の電流密度のばらつきの抑制）
次に、上述した本実施形態のＳＯＦＣにおける、インターコネクタ３０の表面に形成された空気極集電膜７０の材質の作用・効果について述べる。
【００５１】
本実施形態のＳＯＦＣでは、上述した図４に示すように、ＳＯＦＣ作動中において、空気極集電膜７０→インターコネクタ３０→燃料極２０へと電流が流れる際、電流は、大略的には図４において、空気極集電膜７０内にて先ず右方向に流れた後に下方向へ向きを変え、下方向へ向けて空気極集電膜７０→インターコネクタ３０→燃料極２０へと流れる。
【００５２】
他方、一般に、電流は、電気抵抗がより小さくなる経路を通過し易い傾向がある。従って、本実施形態のＳＯＦＣでは、図１３に示すように、インターコネクタ３０内及びその近傍を通過する電流に関し、通過する位置が図１３においてインターコネクタ３０の左右方向における左側にあるほど、電流の大きさ（単位面積当たりの電流の大きさ、電流密度）が大きくなると考えられる。これは、通過する位置が図１３においてインターコネクタ３０の左右方向における左側にあるほど、電流の径路の距離が短くなること（従って、電気抵抗が小さくなること）等に起因する。なお、図１３において、黒い矢印が太く且つ長いほど電流密度が大きいことを示す（後述する図１４、図１７、及び図１８においても同様）。
【００５３】
このように、本実施形態では、インターコネクタ３０へ向けて空気極集電膜７０内を流れる電流の流れの向きに大きく依存して、インターコネクタ３０内及びその近傍を通過する電流の電流密度に不可避的にばらつきが生じ得る。加えて、一般に、電流密度が大きい部位ほどジュール熱等に起因する発熱の度合が大きい。従って、本実施形態では、インターコネクタ３０内及びその近傍において電流密度が高い部位ほど温度が高くなる。
【００５４】
ここで、本実施形態に係る空気極集電膜７０の材質の作用・効果を説明するため、先ず、比較例として、図１３に示すように、空気極集電膜７０の材質がＰ型半導体である場合を考察する。Ｐ型半導体としては、例えば、ＬＳＣＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ３（ランタンストロンチウムコバルトフェライト）、ＬＳＣ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ３（ランタンストロンチウムコバルタイト）、ＬＳＭ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ３（ランタンストロンチウムマンガナイト）等が挙げられる。
【００５５】
一般に、Ｐ型半導体は、温度が高いほど導電率が大きくなる性質を有する。従って、インターコネクタ３０近傍の空気極集電膜７０内において電流密度が高い（温度が高い部位）部位ほど導電率が大きく（電流が流れ易く）なる。このことは、上述した「インターコネクタ３０内及びその近傍を通過する電流の電流密度のばらつき」が助長されることを意味する。
【００５６】
以上のように、空気極集電膜７０の材質がＰ型半導体である場合、インターコネクタ３０内及びその近傍を通過する電流の電流密度にばらつきが一度生じると、そのばらつきが助長される。この結果、インターコネクタ３０内及びその近傍において温度のばらつきが増大し、局所的に大きい熱応力が発生するという問題が発生し得る。
【００５７】
これに対し、図１４に示すように、本実施形態では、上述したように、空気極集電膜７０の材質として、「６５０〜８５０℃のＳＯＦＣの作動温度範囲内にて温度が高いほど導電率が小さくなる性質を有する導電性セラミックス材料」が使用される。この材料の典型例としては、Ｎ型半導体（例えば、ＬａＮｉＯ３）が挙げられる。
【００５８】
本実施形態では、ＳＯＦＣの作動中において、上述した比較例とは逆に、インターコネクタ３０近傍の空気集電膜７０内において電流密度が高い部位（温度が高い部位）ほど導電率が小さく（電流が流れ難く）なる。このことは、上述した「インターコネクタ３０内及びその近傍を通過する電流の電流密度のばらつき」が抑制されることを意味する。従って、インターコネクタ３０内及びその近傍において温度のばらつきが小さくなる、という作用・効果が奏される。この結果、インターコネクタ３０内及びその近傍において局所的に大きい熱応力が発生し難くなる。
【００５９】
なお、上述のように、空気極集電膜７０の導電率は、例えば７５０℃において８００Ｓ／ｃｍ以上である。これに対し、インターコネクタ３０の導電率は、例えば７５０℃において０．１〜５Ｓ／ｃｍであり、燃料極２０（燃料極集電部２１）の導電率は、例えば７５０℃において３００〜２０００Ｓ／ｃｍである。燃料極２０（燃料極集電部２１）の導電率、及び、空気極集電膜７０の導電率は、インターコネクタ３０の導電率と比較して極めて大きい。
【００６０】
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、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が設けられているが、図１５に示すように、支持基板１０の片側面のみに複数の発電素子部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。
【００６１】
また、上記実施形態では、「横縞型」のＳＯＦＣが採用されているが、図１６に示すように、所謂「縦縞型」のＳＯＦＣが採用されてもよい。図１６において図２等に示す構成と対応する構成については図２等に示す符号と同じ符号が付されている。
【００６２】
図１６に示す「縦縞型」のＳＯＦＣでは、２つのＳＯＦＣセルがセルの厚さ方向に積層されている。各ＳＯＦＣセルの平板状の支持基板は、内部に燃料ガス流路を備えた燃料極２０を兼ねている。各支持基板（燃料極）について、その上面には発電素子部Ａが設けられ、その下面にはインターコネクタ３０が設けられている。インターコネクタ３０の下面には導電膜７０が形成されている。互いに隣り合う２つのＳＯＦＣセルの一方の導電膜７０と他方の発電素子部Ａの空気極６０とは、金属製の集電用部材で電気的に接続されている。この結果、互いに隣り合うＳＯＦＣセルが、金属製集電部材、導電膜７０、及びインターコネクタ３０を介して電気的に直列に接続されている。
【００６３】
図１６に示す実施形態では、ＳＯＦＣ作動中において、電流は、大略的には図１６において上方向に向けて集電用メッシュ→導電膜７０→インターコネクタ３０→燃料極２０へと流れる。
【００６４】
他方、上述したように、電流は、電気抵抗がより小さくなる経路を通過し易い傾向がある。従って、図１６に示す実施形態では、図１７に示すように、インターコネクタ３０内及びその近傍を通過する電流に関し、通過する位置がインターコネクタ３０の左右方向において金属製集電部材が導電膜７０と接触する領域では、電流の電流密度が大きくなる。ところが、金属製集電部材と導電膜７０が接触していない領域では、導電膜７０の内部を電流が余分に長く流れるため、電流が流れる経路が長くなり、電気抵抗が大きくなる。即ち、金属製集電部材が導電膜７０と接触する領域の端部から離れるにつれて電流の電流密度が小さくなる。
【００６５】
このように、図１６に示す実施形態では、インターコネクタ３０へ向けて導電膜７０内を流れる電流の流れの範囲に大きく依存して、インターコネクタ３０内及びその近傍を通過する電流の電流密度に不可避的にばらつきが生じ得る。従って、図２等に示した実施形態と同様、図１６に示す実施形態でも、インターコネクタ３０内及びその近傍において電流密度が高い部位ほど温度が高くなる。
【００６６】
ここで、図１６に示す実施形態においても、図１７に示すように導電膜７０の材質がＰ型半導体である場合、図１３に示した場合と同じ理由により、インターコネクタ３０内及びその近傍を通過する電流の電流密度にばらつきが一度生じると、そのばらつきが助長される。この結果、インターコネクタ３０内及びその近傍において温度のばらつきが増大し、局所的に大きい熱応力が発生するという問題が発生し得る。
【００６７】
これに対し、図１８に示すように、導電膜７０の材質がＮ型半導体（例えば、ＬａＮｉＯ３）である場合、図１４に示した場合と同じ理由により、ＳＯＦＣの作動中において、上述した「インターコネクタ３０内及びその近傍を通過する電流の電流密度のばらつき」が抑制され得る。従って、インターコネクタ３０内及びその近傍において温度のばらつきが小さくなる、という作用・効果が奏される。この結果、インターコネクタ３０内及びその近傍において局所的に大きい熱応力が発生し難くなる。
【００６８】
加えて、上記実施形態では、Ｎ型半導体の導電膜が形成されたインターコネクタが燃料極に設けられているが、Ｎ型半導体の導電膜が形成されたインターコネクタ（緻密な導電性セラミックス）が空気極に設けられていてもよい。この場合も、上述と同様、「インターコネクタ内及びその近傍を通過する電流の電流密度のばらつき」が抑制され得る。
【００６９】
また、上記実施形態では、図１４に示すように、インターコネクタ３０の外側面に、Ｎ型半導体（例えば、ＬａＮｉＯ３）からなる空気極集電膜７０が直接形成（積層）されているが、図１９に示すように、インターコネクタ３０の外側面にＮ型半導体（例えば、ＬａＮｉＯ３）からなる膜が直接形成（積層）され、このＮ型半導体の膜の外側面に、ＬＳＣＦ等のＰ型半導体からなる空気極集電膜７０が直接形成（積層）されていてもよい。これによっても、上述と同様、「インターコネクタ内及びその近傍を通過する電流の電流密度のばらつき」が抑制され得る。
【００７０】
また、上記実施形態では、平板状の支持基板１０の外側面上（平面上）に燃料極２０が形成（積層）され且つ燃料極２０の外側面上（平面上）にインターコネクタ３０が形成（積層）されているが、図２０〜図２２に示すように、燃料極２０が支持基板１０の外側面に形成された凹部（図２０を参照）内に埋設され且つインターコネクタ３０が燃料極２０の外側面に形成された凹部内に埋設されていてもよい。以下、上記実施形態に対する、図２０〜図２２に示す形態の主たる相違点について簡単に説明する。
【００７１】
図２０〜図２２に示す形態では、支持基板１０の主面（上下面）には、複数の凹部１２が長手方向において所定の間隔をおいて形成されている。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。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。
【００７２】
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、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、長手方向に沿う２つの側壁は支持基板１０の材料からなり、幅方向に沿う２つの側壁は燃料極集電部２１の材料からなる。
【００７３】
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の幅方向に沿う２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。
【００７４】
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。
【００７５】
各凹部２１ｂには、インターコネクタ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４つの側壁（長手方向に沿う２つの側壁と、幅方向に沿う２つの側壁）と底面とは、凹部２１ｂ内で燃料極集電部２１と接触している。
【００７６】
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、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。
【００７７】
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Ｙ２Ｏ３（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。
【００７８】
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。
【００７９】
インターコネクタ３０は、例えば、ＬａＣｒＯ３（ランタンクロマイト）から構成され得る。或いは、（Ｓｒ，Ｌａ）ＴｉＯ３（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。
【００８０】
燃料極２０及びインターコネクタ３０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（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。
【００８１】
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。
【００８２】
図２１に示すように、この例では、固体電解質膜４０が、燃料極２０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、及び支持基板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。
【００８３】
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。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。
【００８４】
反応防止膜５０は、例えば、ＧＤＣ＝（Ｃｅ，Ｇｄ）Ｏ２（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）Ｏ３（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）ＦｅＯ３（ランタンストロンチウムフェライト）、ＬＮＦ＝Ｌａ（Ｎｉ，Ｆｅ）Ｏ３（ランタンニッケルフェライト）、ＬＳＣ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ３（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。
【００８５】
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。
【００８６】
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２１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。
【００８７】
各組の隣り合う発電素子部Ａ，Ａについて、一方の（図２１では、左側の）発電素子部Ａの空気極６０と、他方の（図２１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、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。
【００８８】
空気極集電膜７０は、例えば、ＬＳＣＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ３（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）ＣｏＯ３（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。
【００８９】
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２１では、左側の）発電素子部Ａの空気極６０と、他方の（図２１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」に対応する。
【００９０】
なお、インターコネクタ３０は、前記「電気的接続部」における前記「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、前記「電気的接続部」における前記「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。
【００９１】
以上、図２０〜図２２に示す形態では、上記実施形態と同様、空気極集電膜７０の材質として、「６５０〜８５０℃のＳＯＦＣの作動温度範囲内にて温度が高いほど導電率が小さくなる性質を有する導電性セラミックス材料」が使用される。この材料の典型例としては、Ｎ型半導体（例えば、ＬａＮｉＯ３）が挙げられる。従って、上記実施形態と同様、上述した「インターコネクタ３０内及びその近傍を通過する電流の電流密度のばらつき」が抑制されるので、インターコネクタ３０内及びその近傍において温度のばらつきが小さくなる、という作用・効果が奏される。この結果、インターコネクタ３０内及びその近傍において局所的に大きい熱応力が発生し難くなる。
【００９２】
また、燃料極２０を埋設するための複数の凹部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。
【００９３】
また、支持基板１０の各凹部１２内に燃料極２０及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。
【００９４】
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４つの側壁（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。
【００９５】
また、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。
【００９６】
加えて、固体電解質膜４０が、燃料極２０の外側面、インターコネクタ３０の外側面における長手方向の両側端部、及び支持基板１０の主面を覆っている。ここで、燃料極２０の外側面とインターコネクタ３０の外側面と支持基板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。
【符号の説明】
【００９７】
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、２１ｂ…凹部、２２…燃料極活性部、３０…インターコネクタ、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
【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】
固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：ＳＯＦＣ）（の発電部）は、燃料側電極に、固体電解質からなる電解質膜、空気側電極を順に積層することで形成される。このＳＯＦＣ（の発電部）に対して、燃料側電極に燃料ガス（水素ガス等）を供給するとともに空気側電極に酸素を含むガス（空気等）を供給することにより、電解質膜の両面の酸素ポテンシャル差に基づいて燃料側電極と空気側電極との間に電位差が発生する。
【０００３】
ＳＯＦＣでは、通常、燃料側電極と空気側電極の何れか一方又は両方のそれぞれにインターコネクタ（集電用の導電性接続部材）が電気的に接続されるように設けられる。この（これらの）インターコネクタを介して前記電位差に基づく電力が外部に取り出される。
【０００４】
このようにインターコネクタが設けられたＳＯＦＣに関し、特許文献１では、燃料側電極に緻密な導電性セラミックからなるインターコネクタが設けられ、このインターコネクタの表面にＰ型半導体からなる導電膜が設けられたＳＯＦＣが記載されている。このようにインターコネクタの表面にＰ型半導体からなる導電膜を設けると、理由は明確ではないが電流を効率良く流すことができる（即ち、導電性が向上する）、と記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４１４６７３８号公報
【発明の概要】
【０００６】
一般に、電流は、電気抵抗がより小さくなる経路を通過し易い傾向がある。従って、上記文献に記載のＳＯＦＣにおいて、導電膜→インターコネクタ→燃料側電極へと電流が流れる際、インターコネクタへ向けて導電膜内を流れる電流の流れの態様（電流の向き、範囲）等に依存して、インターコネクタ内及びその近傍を通過する電流の大きさ（単位面積当たりの電流の大きさ、電流密度）にばらつきが生じ得る（後述する図１３、図１７を参照）。一般に、電流密度が大きい部位ほどジュール熱等に起因する発熱の度合が大きい。従って、インターコネクタ内及びその近傍において電流密度が高い部位ほど温度が高くなる。
【０００７】
他方、上記文献に記載のＳＯＦＣでは、上述のように、導電膜の材質としてＰ型半導体が使用されている。一般に、Ｐ型半導体は、温度が高いほど導電率が大きくなる性質を有する。従って、インターコネクタ近傍の導電膜内において電流密度が高い部位ほど導電率が大きくなる。このことは、インターコネクタ内及びその近傍を通過する電流の電流密度のばらつきが助長されることを意味する。
【０００８】
以上のように、上記文献に記載のＳＯＦＣでは、インターコネクタ内及びその近傍を通過する電流の電流密度にばらつきが生じると、そのばらつきが助長される。この結果、インターコネクタ内及びその近傍において温度のばらつきが増大し、局所的に大きい熱応力が発生するという問題が発生し得る。
【０００９】
本発明は、上記問題に対処するためになされたものであり、その目的は、インターコネクタ内及びその近傍を通過する電流の電流密度のばらつきを抑制できる固体酸化物形燃料電池を提供することを目的とする。
【００１０】
本発明に係るＳＯＦＣは、燃料ガスと接触して前記燃料ガスを反応させる燃料側電極と、前記燃料側電極に設けられた固体電解質からなる電解質膜と、前記酸素を含むガスを反応させる空気側電極であって前記電解質膜を前記燃料側電極と空気側電極とで挟むように前記電解質膜に設けられた空気側電極と、からなる固体酸化物形燃料電池の発電部と、前記燃料側電極又は前記空気側電極に電気的に接続されるように設けられたインターコネクタとを備える。
【００１１】
本発明に係るＳＯＦＣの特徴は、前記インターコネクタの表面に形成された導電膜であって、６５０〜８５０℃の範囲内にて温度が高いほど導電率が小さくなる性質を有する導電性セラミックス材料からなる導電膜を備えたことにある。前記導電膜としては、Ｎ型半導体が採用され得る。
【００１２】
ＳＯＦＣの作動温度は、６５０〜８５０℃である。従って、上記構成によれば、ＳＯＦＣの作動中において、上記文献に記載したＳＯＦＣとは逆に、インターコネクタ近傍の導電膜内において電流密度が高い部位（温度が高い部位）ほど導電率が小さくなる。このことは、インターコネクタ内及びその近傍を通過する電流の電流密度のばらつきが抑制されることを意味する。この結果、インターコネクタ内及びその近傍において温度のばらつきが小さくなり、局所的に大きい熱応力が発生し難くなる。
【００１３】
上記本発明に係るＳＯＦＣにおいて、前記導電膜は、化学式ＬａＮｉ１−ｘ−ｙＣｕｘＦｅｙＯ３（ｘ＞０、ｙ＞０、ｘ＋ｙ＜１）で表わされる材料（Ｎ型半導体）からなることが好適である。この材料は、導電率が、例えば７５０℃において８００Ｓ／ｃｍ以上と高く、且つ、熱膨張率が、例えば１３．５ｐｐｍ／Ｋ以下と低い。従って、この材料は、導電率と熱膨張率の両面において導電膜として好適な材料であるといえる。この材質についての詳細は、特願２０１０−０７０７９３に記載されている。
【００１４】
前記インターコネクタが前記燃料側電極に設けられている場合、前記インターコネクタは、化学式Ｌｎ１−ｘＡｘＣｒ１−ｙ−ｚＢｙＯ３（ただし、Ｌｎ：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、Ａ：Ｃａ，Ｓｒ，及びＢａからなる群より選択される少なくとも１種類の元素、Ｂ：Ｔｉ，Ｖ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｚｎ，Ｍｇ，及びＡｌからなる群より選択される少なくとも１種類の元素、０．０２５≦ｘ≦０．３、０≦ｙ≦０．２２、０≦ｚ≦０．１５）で表わされるクロマイト系材料（緻密な導電性セラミックス）からなることが好適である。例えば、ＬｎとしてランタンＬａが使用された「ランタンクロマイトＬａＣｒＯ３」が採用され得る。
【００１５】
これは、燃料側電極のインターコネクタ（端子電極）の一端（内側）が還元雰囲気に曝され且つ他端（外側）が酸化雰囲気に曝されることに基づく。酸化・還元の両雰囲気で安定な導電性セラミックスとしては、現状では、ＬａＣｒＯ３が優れている。
【００１６】
或いは、前記インターコネクタが前記燃料側電極に設けられている場合、前記インターコネクタは、化学式（Ａ１−ｘ，Ｂｘ）１−ｚ（Ｔｉ１−ｙ，Ｄｙ）Ｏ３（ただし、Ａ：アルカリ土類元素から選択される少なくとも１種類の元素、Ｂ：Ｓｃ，Ｙ，及びランタノイド元素から選択される少なくとも１種類の元素、Ｄ：第４周期、第５周期、第６周期の遷移金属、及びＡｌ，Ｓｉ，Ｚｎ，Ｇａ，Ｇｅ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ｐｂ，Ｂｉから選択される少なくとも１種類の元素、０≦ｘ≦０．５、０≦ｙ≦０．５、−０．０５≦ｚ≦０．０５）で表わされるチタン酸化物（緻密な導電性セラミックス）からなることが好適である。例えば、ＡとしてストロンチウムＳｒが使用された「ストロンチウムチタネートＳｒＴｉＯ３」が採用され得る。ＳｒＴｉＯ３も酸化・還元の両雰囲気で安定である。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池セルを示す斜視図である。
【図２】図１に示す燃料電池セルの２−２線に対応する断面図である。
【図３】図１に示す燃料電池セルの作動状態を説明するための図である。
【図４】図１に示す燃料電池セル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５】図１に示す支持基板を示す斜視図である。
【図６】図１に示す燃料電池セル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７】図１に示す燃料電池セル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８】図１に示す燃料電池セル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９】図１に示す燃料電池セル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１０】図１に示す燃料電池セル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１１】図１に示す燃料電池セル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１２】図１に示す燃料電池セル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１３】図１に示す本発明の実施形態の比較例における、インターコネクタ内及びその近傍を通過する電流の電流密度のばらつきを説明するための図２に対応する図である。
【図１４】図１に示す本発明の実施形態における、インターコネクタ内及びその近傍を通過する電流の電流密度のばらつきを説明するための図２に対応する図である。
【図１５】本発明の実施形態の他の変形例に係る燃料電池セルの図２に対応する断面図である。
【図１６】本発明の実施形態の他の変形例に係る燃料電池セルの正面図である。
【図１７】図１６に示す本発明の他の実施形態の変形例の比較例における、インターコネクタ内及びその近傍を通過する電流の電流密度のばらつきを説明するための図１６のＺ部の拡大図である。
【図１８】図１６に示す本発明の他の実施形態の変形例における、インターコネクタ内及びその近傍を通過する電流の電流密度のばらつきを説明するための図１６のＺ部の拡大図である。
【図１９】本発明の実施形態の他の変形例に係る燃料電池セルの図１４に対応する図である。
【図２０】本発明の実施形態の他の変形例に係る燃料電池セルの図５に対応する斜視図である。
【図２１】図２０に示した支持基板を採用した燃料電池セルの図２に対応する断面図である。
【図２２】図２１に示す支持基板の凹部に埋設された燃料極及びインターコネクタの状態を示した平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
（構成）
図１は、本発明の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）のセルを示す。このＳＯＦＣセルは、長手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。
【００１９】
このＳＯＦＣセル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５〜５０ｃｍで長手方向に直交する幅方向の長さが１〜１０ｃｍの長方形である。このＳＯＦＣセルの全体の厚さは、１〜５ｍｍである。このＳＯＦＣセルの全体は、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ことが好ましいが、この限りでない。以下、図１に加えて、このＳＯＦＣセルの図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、このＳＯＦＣセル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。
【００２０】
支持基板１０は、電子伝導性を有さない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の側端部は、外側に（幅方向に）凸となる曲面状を呈している。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。
【００２１】
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Ｙ２Ｏ３（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ＭｇＡｌ２Ｏ４（マグネシアアルミナスピネル）とから構成されてもよい。支持基板１０の厚さは、１〜５ｍｍである。以下、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。
【００２２】
図２に示すように、支持基板１０の上面（上側の主面）の上には、直方体状の燃料極２０が設けられている。燃料極２０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。燃料極２０は、後述する固体電解質膜４０に接する燃料極活性部２２と、燃料極活性部２２以外の残りの部分である燃料極集電部２１とから構成される。燃料極活性部２２を上方からみた形状は、燃料極集電部２１が存在する範囲に亘って幅方向に延びる長方形である。
【００２３】
燃料極活性部２２は、例えば、酸化ニッケルＮｉＯとイットリア安定化ジルコニアＹＳＺ（８ＹＳＺ）とから構成され得る。或いは、酸化ニッケルＮｉＯとガドリニウムドープセリアＧＤＣとから構成されてもよい。燃料極集電部２１は、例えば、酸化ニッケルＮｉＯとイットリア安定化ジルコニアＹＳＺ（８ＹＳＺ）とから構成され得る。或いは、酸化ニッケルＮｉＯとイットリアＹ２Ｏ３とから構成されてもよいし、酸化ニッケルＮｉＯとカルシア安定化ジルコニアＣＳＺ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の厚さは、５０〜５００μｍである。
【００２４】
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。
【００２５】
各燃料極２０（より具体的には、各燃料極集電部２１）の上面の所定箇所には、薄板状のインターコネクタ３０が形成されている。インターコネクタ３０は、電子伝導性を有する緻密な導電性セラミックス材料からなる焼成体である。インターコネクタ３０を上方からみた形状は、燃料極２０が存在する範囲に亘って幅方向に延びる長方形である。インターコネクタ３０の厚さは、１０〜１００μｍである。
【００２６】
インターコネクタ３０は、例えば、クロマイト系材料から構成され得る。クロマイト系材料の化学式は、Ｌｎ１−ｘＡｘＣｒ１−ｙ−ｚＢｙＯ３（ただし、Ｌｎ：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、Ａ：Ｃａ，Ｓｒ，及びＢａからなる群より選択される少なくとも１種類の元素、Ｂ：Ｔｉ，Ｖ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｚｎ，Ｍｇ，及びＡｌからなる群より選択される少なくとも１種類の元素、０．０２５≦ｘ≦０．３、０≦ｙ≦０．２２、０≦ｚ≦０．１５）で表わされる。この場合、ＬａＣｒＯ３（ランタンクロマイト）から構成され得る。
【００２７】
或いは、インターコネクタ３０は、チタン酸化物から構成され得る。チタン酸化物の化学式は、（Ａ１−ｘ，Ｂｘ）１−ｚ（Ｔｉ１−ｙ，Ｄｙ）Ｏ３（ただし、Ａ：アルカリ土類元素から選択される少なくとも１種類の元素、Ｂ：Ｓｃ，Ｙ，及びランタノイド元素から選択される少なくとも１種類の元素、Ｄ：第４周期、第５周期、第６周期の遷移金属、及びＡｌ，Ｓｉ，Ｚｎ，Ｇａ，Ｇｅ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ｐｂ，Ｂｉから選択される少なくとも１種類の元素、０≦ｘ≦０．５、０≦ｙ≦０．５、−０．０５≦ｚ≦０．０５）で表わされる。この場合、（Ｓｒ，Ｌａ）ＴｉＯ３（ストロンチウムチタネート）から構成され得る。
【００２８】
複数の燃料極２０が設けら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において複数のインターコネクタ３０が形成された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。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、Ｙ２Ｏ３（イットリア）を含有したＹＳＺ（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。
【００２９】
即ち、複数の燃料極２０が設けら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。ここで、緻密材料からなる「インターコネクタ３０及び固体電解質膜４０」が、「ガスシール部」に対応する。
【００３０】
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。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。
【００３１】
反応防止膜５０は、例えば、ＧＤＣ＝（Ｃｅ，Ｇｄ）Ｏ２（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）Ｏ３（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）ＦｅＯ３（ランタンストロンチウムフェライト）、ＬＮＦ＝Ｌａ（Ｎｉ，Ｆｅ）Ｏ３（ランタンニッケルフェライト）、ＬＳＣ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ３（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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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とを跨ぐように、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（前記「導電膜」に対応）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。空気極集電膜７０の厚さは、５０〜５００μｍである。このように、導電性セラミックス材料からなる薄板状のインターコネクタ３０の一方の面には燃料極２０（燃料極集電部２１）が接合され、他方の面には空気極集電膜７０が接合されている。換言すれば、インターコネクタ３０を含む周辺では、「燃料極２０（燃料極集電部２１）、インターコネクタ３０、及び空気極集電膜７０からなる３層構造」が存在している。
【００３５】
空気極集電膜７０は、「６５０〜８５０℃の範囲内にて温度が高いほど導電率が小さくなる性質を有する導電性セラミックス材料」から構成されている。係る材料の典型例としては、Ｎ型半導体等が挙げられる。このような材料を採用することによる作用・効果については後述する。
【００３６】
具体的には、空気極集電膜７０は、ＬａＮｉＯ３系の材料で構成され得る。この中でも、化学式ＬａＮｉ１−ｘ−ｙＣｕｘＦｅｙＯ３（ｘ＞０、ｙ＞０、ｘ＋ｙ＜１）で表わされる材料が好適である。この材料は、導電率が、例えば７５０℃において８００Ｓ／ｃｍ以上と高く、且つ、熱膨張率が、例えば１３．５ｐｐｍ／Ｋ以下と低く構成され得る。従って、この材料は、導電率及び熱膨張率の両面において空気極集電膜７０として好適な材料であるといえる。
【００３７】
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、「電気的接続部」に対応する。
【００３８】
以上、説明した「横縞型」のＳＯＦＣセルに対して、図３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）・Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２− （於：空気極６０） …（１）
Ｈ２＋Ｏ２−→Ｈ２Ｏ＋２ｅ− （於：燃料極２０） …（２）
【００３９】
発電状態においては、図４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３に示すように、このＳＯＦＣセル全体から（具体的には、図３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。
【００４０】
（製造方法）
次に、図１に示した「横縞型」のＳＯＦＣセルの製造方法の一例について図５〜図１２を参照しながら簡単に説明する。図５〜図１２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。
【００４１】
先ず、図５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５に示す支持基板の成形体１０ｇの部分断面を表す図６〜図１２を参照しながら説明を続ける。
【００４２】
図６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７に示すように、支持基板の成形体１０ｇの上下面の所定位置に、燃料極の成形体（２１ｇ＋２２ｇ）が形成される。各燃料極の成形体（２１ｇ＋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形成される。
【００４３】
次に、図８に示すように、各燃料極の成形体２１ｇの外側面の所定箇所に、インターコネクタの成形膜３０ｇが形成される。各インターコネクタの成形膜３０ｇは、例えば、インターコネクタ３０の材料（例えば、ＬａＣｒＯ３）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。
【００４４】
次に、図９に示すように、複数の燃料極の成形体（２１ｇ＋２２ｇ）が埋設・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が形成された部分を除いた全面（支持基板の成形体１０ｇの側端部の表面を含む）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。
【００４５】
次に、図１０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。
【００４６】
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１４００〜１５００℃で１〜２０時間焼成される。これにより、図１に示したＳＯＦＣセルにおいて空気極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。
【００４７】
次に、図１１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。
【００４８】
次に、図１２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とを跨ぐように、空気極の成形膜６０ｇ、固体電解質膜４０、及び、インターコネクタ３０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、ＬａＮｉＯ３）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。
【００４９】
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９００〜１１００℃で１〜２０時間焼成される。これにより、図１に示したＳＯＦＣセルが得られる。以上、図１に示したＳＯＦＣセルの製造方法の一例について説明した。
【００５０】
（インターコネクタ３０内及びその近傍を通過する電流の電流密度のばらつきの抑制）
次に、上述した本実施形態のＳＯＦＣにおける、インターコネクタ３０の表面に形成された空気極集電膜７０の材質の作用・効果について述べる。
【００５１】
本実施形態のＳＯＦＣでは、上述した図４に示すように、ＳＯＦＣ作動中において、空気極集電膜７０→インターコネクタ３０→燃料極２０へと電流が流れる際、電流は、大略的には図４において、空気極集電膜７０内にて先ず右方向に流れた後に下方向へ向きを変え、下方向へ向けて空気極集電膜７０→インターコネクタ３０→燃料極２０へと流れる。
【００５２】
他方、一般に、電流は、電気抵抗がより小さくなる経路を通過し易い傾向がある。従って、本実施形態のＳＯＦＣでは、図１３に示すように、インターコネクタ３０内及びその近傍を通過する電流に関し、通過する位置が図１３においてインターコネクタ３０の左右方向における左側にあるほど、電流の大きさ（単位面積当たりの電流の大きさ、電流密度）が大きくなると考えられる。これは、通過する位置が図１３においてインターコネクタ３０の左右方向における左側にあるほど、電流の径路の距離が短くなること（従って、電気抵抗が小さくなること）等に起因する。なお、図１３において、黒い矢印が太く且つ長いほど電流密度が大きいことを示す（後述する図１４、図１７、及び図１８においても同様）。
【００５３】
このように、本実施形態では、インターコネクタ３０へ向けて空気極集電膜７０内を流れる電流の流れの向きに大きく依存して、インターコネクタ３０内及びその近傍を通過する電流の電流密度に不可避的にばらつきが生じ得る。加えて、一般に、電流密度が大きい部位ほどジュール熱等に起因する発熱の度合が大きい。従って、本実施形態では、インターコネクタ３０内及びその近傍において電流密度が高い部位ほど温度が高くなる。
【００５４】
ここで、本実施形態に係る空気極集電膜７０の材質の作用・効果を説明するため、先ず、比較例として、図１３に示すように、空気極集電膜７０の材質がＰ型半導体である場合を考察する。Ｐ型半導体としては、例えば、ＬＳＣＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ３（ランタンストロンチウムコバルトフェライト）、ＬＳＣ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ３（ランタンストロンチウムコバルタイト）、ＬＳＭ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ３（ランタンストロンチウムマンガナイト）等が挙げられる。
【００５５】
一般に、Ｐ型半導体は、温度が高いほど導電率が大きくなる性質を有する。従って、インターコネクタ３０近傍の空気極集電膜７０内において電流密度が高い（温度が高い部位）部位ほど導電率が大きく（電流が流れ易く）なる。このことは、上述した「インターコネクタ３０内及びその近傍を通過する電流の電流密度のばらつき」が助長されることを意味する。
【００５６】
以上のように、空気極集電膜７０の材質がＰ型半導体である場合、インターコネクタ３０内及びその近傍を通過する電流の電流密度にばらつきが一度生じると、そのばらつきが助長される。この結果、インターコネクタ３０内及びその近傍において温度のばらつきが増大し、局所的に大きい熱応力が発生するという問題が発生し得る。
【００５７】
これに対し、図１４に示すように、本実施形態では、上述したように、空気極集電膜７０の材質として、「６５０〜８５０℃のＳＯＦＣの作動温度範囲内にて温度が高いほど導電率が小さくなる性質を有する導電性セラミックス材料」が使用される。この材料の典型例としては、Ｎ型半導体（例えば、ＬａＮｉＯ３）が挙げられる。
【００５８】
本実施形態では、ＳＯＦＣの作動中において、上述した比較例とは逆に、インターコネクタ３０近傍の空気集電膜７０内において電流密度が高い部位（温度が高い部位）ほど導電率が小さく（電流が流れ難く）なる。このことは、上述した「インターコネクタ３０内及びその近傍を通過する電流の電流密度のばらつき」が抑制されることを意味する。従って、インターコネクタ３０内及びその近傍において温度のばらつきが小さくなる、という作用・効果が奏される。この結果、インターコネクタ３０内及びその近傍において局所的に大きい熱応力が発生し難くなる。
【００５９】
なお、上述のように、空気極集電膜７０の導電率は、例えば７５０℃において８００Ｓ／ｃｍ以上である。これに対し、インターコネクタ３０の導電率は、例えば７５０℃において０．１〜５Ｓ／ｃｍであり、燃料極２０（燃料極集電部２１）の導電率は、例えば７５０℃において３００〜２０００Ｓ／ｃｍである。燃料極２０（燃料極集電部２１）の導電率、及び、空気極集電膜７０の導電率は、インターコネクタ３０の導電率と比較して極めて大きい。
【００６０】
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、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が設けられているが、図１５に示すように、支持基板１０の片側面のみに複数の発電素子部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。
【００６１】
また、上記実施形態では、「横縞型」のＳＯＦＣが採用されているが、図１６に示すように、所謂「縦縞型」のＳＯＦＣが採用されてもよい。図１６において図２等に示す構成と対応する構成については図２等に示す符号と同じ符号が付されている。
【００６２】
図１６に示す「縦縞型」のＳＯＦＣでは、２つのＳＯＦＣセルがセルの厚さ方向に積層されている。各ＳＯＦＣセルの平板状の支持基板は、内部に燃料ガス流路を備えた燃料極２０を兼ねている。各支持基板（燃料極）について、その上面には発電素子部Ａが設けられ、その下面にはインターコネクタ３０が設けられている。インターコネクタ３０の下面には導電膜７０が形成されている。互いに隣り合う２つのＳＯＦＣセルの一方の導電膜７０と他方の発電素子部Ａの空気極６０とは、金属製の集電用部材で電気的に接続されている。この結果、互いに隣り合うＳＯＦＣセルが、金属製集電部材、導電膜７０、及びインターコネクタ３０を介して電気的に直列に接続されている。
【００６３】
図１６に示す実施形態では、ＳＯＦＣ作動中において、電流は、大略的には図１６において上方向に向けて集電用メッシュ→導電膜７０→インターコネクタ３０→燃料極２０へと流れる。
【００６４】
他方、上述したように、電流は、電気抵抗がより小さくなる経路を通過し易い傾向がある。従って、図１６に示す実施形態では、図１７に示すように、インターコネクタ３０内及びその近傍を通過する電流に関し、通過する位置がインターコネクタ３０の左右方向において金属製集電部材が導電膜７０と接触する領域では、電流の電流密度が大きくなる。ところが、金属製集電部材と導電膜７０が接触していない領域では、導電膜７０の内部を電流が余分に長く流れるため、電流が流れる経路が長くなり、電気抵抗が大きくなる。即ち、金属製集電部材が導電膜７０と接触する領域の端部から離れるにつれて電流の電流密度が小さくなる。
【００６５】
このように、図１６に示す実施形態では、インターコネクタ３０へ向けて導電膜７０内を流れる電流の流れの範囲に大きく依存して、インターコネクタ３０内及びその近傍を通過する電流の電流密度に不可避的にばらつきが生じ得る。従って、図２等に示した実施形態と同様、図１６に示す実施形態でも、インターコネクタ３０内及びその近傍において電流密度が高い部位ほど温度が高くなる。
【００６６】
ここで、図１６に示す実施形態においても、図１７に示すように導電膜７０の材質がＰ型半導体である場合、図１３に示した場合と同じ理由により、インターコネクタ３０内及びその近傍を通過する電流の電流密度にばらつきが一度生じると、そのばらつきが助長される。この結果、インターコネクタ３０内及びその近傍において温度のばらつきが増大し、局所的に大きい熱応力が発生するという問題が発生し得る。
【００６７】
これに対し、図１８に示すように、導電膜７０の材質がＮ型半導体（例えば、ＬａＮｉＯ３）である場合、図１４に示した場合と同じ理由により、ＳＯＦＣの作動中において、上述した「インターコネクタ３０内及びその近傍を通過する電流の電流密度のばらつき」が抑制され得る。従って、インターコネクタ３０内及びその近傍において温度のばらつきが小さくなる、という作用・効果が奏される。この結果、インターコネクタ３０内及びその近傍において局所的に大きい熱応力が発生し難くなる。
【００６８】
加えて、上記実施形態では、Ｎ型半導体の導電膜が形成されたインターコネクタが燃料極に設けられているが、Ｎ型半導体の導電膜が形成されたインターコネクタ（緻密な導電性セラミックス）が空気極に設けられていてもよい。この場合も、上述と同様、「インターコネクタ内及びその近傍を通過する電流の電流密度のばらつき」が抑制され得る。
【００６９】
また、上記実施形態では、図１４に示すように、インターコネクタ３０の外側面に、Ｎ型半導体（例えば、ＬａＮｉＯ３）からなる空気極集電膜７０が直接形成（積層）されているが、図１９に示すように、インターコネクタ３０の外側面にＮ型半導体（例えば、ＬａＮｉＯ３）からなる膜が直接形成（積層）され、このＮ型半導体の膜の外側面に、ＬＳＣＦ等のＰ型半導体からなる空気極集電膜７０が直接形成（積層）されていてもよい。これによっても、上述と同様、「インターコネクタ内及びその近傍を通過する電流の電流密度のばらつき」が抑制され得る。
【００７０】
また、上記実施形態では、平板状の支持基板１０の外側面上（平面上）に燃料極２０が形成（積層）され且つ燃料極２０の外側面上（平面上）にインターコネクタ３０が形成（積層）されているが、図２０〜図２２に示すように、燃料極２０が支持基板１０の外側面に形成された凹部（図２０を参照）内に埋設され且つインターコネクタ３０が燃料極２０の外側面に形成された凹部内に埋設されていてもよい。以下、上記実施形態に対する、図２０〜図２２に示す形態の主たる相違点について簡単に説明する。
【００７１】
図２０〜図２２に示す形態では、支持基板１０の主面（上下面）には、複数の凹部１２が長手方向において所定の間隔をおいて形成されている。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。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。
【００７２】
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、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、長手方向に沿う２つの側壁は支持基板１０の材料からなり、幅方向に沿う２つの側壁は燃料極集電部２１の材料からなる。
【００７３】
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の幅方向に沿う２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。
【００７４】
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。
【００７５】
各凹部２１ｂには、インターコネクタ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４つの側壁（長手方向に沿う２つの側壁と、幅方向に沿う２つの側壁）と底面とは、凹部２１ｂ内で燃料極集電部２１と接触している。
【００７６】
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、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。
【００７７】
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Ｙ２Ｏ３（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。
【００７８】
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。
【００７９】
インターコネクタ３０は、例えば、ＬａＣｒＯ３（ランタンクロマイト）から構成され得る。或いは、（Ｓｒ，Ｌａ）ＴｉＯ３（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。
【００８０】
燃料極２０及びインターコネクタ３０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（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。
【００８１】
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。
【００８２】
図２１に示すように、この例では、固体電解質膜４０が、燃料極２０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、及び支持基板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。
【００８３】
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。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。
【００８４】
反応防止膜５０は、例えば、ＧＤＣ＝（Ｃｅ，Ｇｄ）Ｏ２（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）Ｏ３（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）ＦｅＯ３（ランタンストロンチウムフェライト）、ＬＮＦ＝Ｌａ（Ｎｉ，Ｆｅ）Ｏ３（ランタンニッケルフェライト）、ＬＳＣ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ３（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。
【００８５】
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。
【００８６】
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２１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。
【００８７】
各組の隣り合う発電素子部Ａ，Ａについて、一方の（図２１では、左側の）発電素子部Ａの空気極６０と、他方の（図２１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、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。
【００８８】
空気極集電膜７０は、例えば、ＬＳＣＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ３（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）ＣｏＯ３（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。
【００８９】
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２１では、左側の）発電素子部Ａの空気極６０と、他方の（図２１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」に対応する。
【００９０】
なお、インターコネクタ３０は、前記「電気的接続部」における前記「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、前記「電気的接続部」における前記「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。
【００９１】
以上、図２０〜図２２に示す形態では、上記実施形態と同様、空気極集電膜７０の材質として、「６５０〜８５０℃のＳＯＦＣの作動温度範囲内にて温度が高いほど導電率が小さくなる性質を有する導電性セラミックス材料」が使用される。この材料の典型例としては、Ｎ型半導体（例えば、ＬａＮｉＯ３）が挙げられる。従って、上記実施形態と同様、上述した「インターコネクタ３０内及びその近傍を通過する電流の電流密度のばらつき」が抑制されるので、インターコネクタ３０内及びその近傍において温度のばらつきが小さくなる、という作用・効果が奏される。この結果、インターコネクタ３０内及びその近傍において局所的に大きい熱応力が発生し難くなる。
【００９２】
また、燃料極２０を埋設するための複数の凹部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。
【００９３】
また、支持基板１０の各凹部１２内に燃料極２０及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。
【００９４】
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４つの側壁（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。
【００９５】
また、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。
【００９６】
加えて、固体電解質膜４０が、燃料極２０の外側面、インターコネクタ３０の外側面における長手方向の両側端部、及び支持基板１０の主面を覆っている。ここで、燃料極２０の外側面とインターコネクタ３０の外側面と支持基板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。
【符号の説明】
【００９７】
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、２１ｂ…凹部、２２…燃料極活性部、３０…インターコネクタ、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
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと接触して前記燃料ガスを反応させる燃料側電極と、前記燃料側電極に設けられた固体電解質からなる電解質膜と、前記酸素を含むガスを反応させる空気側電極であって前記電解質膜を前記燃料側電極と空気側電極とで挟むように前記電解質膜に設けられた空気側電極と、からなる固体酸化物形燃料電池の発電部と、
導電性セラミックス材料からなる薄板状のインターコネクタであって、その両面のうちの一方の面が前記燃料側電極に接合されたインターコネクタと、
前記インターコネクタの両面のうちの他方の面に接合された導電膜であって、６５０〜８５０℃の範囲内にて温度が高いほど導電率が小さくなる性質を有する導電性セラミックス材料からなる導電膜と、
を備えた固体酸化物形燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池において、
前記導電膜はＮ型半導体からなる、固体酸化物形燃料電池。
【請求項３】
請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池において、
前記導電膜は、
化学式ＬａＮｉ１−ｘ−ｙＣｕｘＦｅｙＯ３（ｘ＞０、ｙ＞０、ｘ＋ｙ＜１）で表わされる材料からなる、固体酸化物形燃料電池。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の固体酸化物形燃料電池において、
前記インターコネクタは前記燃料側電極に設けられていて、
前記インターコネクタは、
化学式Ｌｎ１−ｘＡｘＣｒ１−ｙ−ｚＢｙＯ３（ただし、Ｌｎ：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、Ａ：Ｃａ，Ｓｒ，及びＢａからなる群より選択される少なくとも１種類の元素、Ｂ：Ｔｉ，Ｖ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｚｎ，Ｍｇ，及びＡｌからなる群より選択される少なくとも１種類の元素、０．０２５≦ｘ≦０．３、０≦ｙ≦０．２２、０≦ｚ≦０．１５）で表わされるクロマイト系材料からなる、固体酸化物形燃料電池。
【請求項５】
請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の固体酸化物形燃料電池において、
前記インターコネクタは前記燃料側電極に設けられていて、
前記インターコネクタは、
化学式（Ａ１−ｘ，Ｂｘ）１−ｚ（Ｔｉ１−ｙ，Ｄｙ）Ｏ３（ただし、Ａ：アルカリ土類元素から選択される少なくとも１種類の元素、Ｂ：Ｓｃ，Ｙ，及びランタノイド元素から選択される少なくとも１種類の元素、Ｄ：第４周期、第５周期、第６周期の遷移金属、及びＡｌ，Ｓｉ，Ｚｎ，Ｇａ，Ｇｅ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ｐｂ，Ｂｉから選択される少なくとも１種類の元素、０≦ｘ≦０．５、０≦ｙ≦０．５、−０．０５≦ｚ≦０．０５）で表わされるチタン酸化物からなる、固体酸化物形燃料電池。
【請求項６】
燃料ガスを流すための燃料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外側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、少なくとも燃料極、固体電解質、及び空気極がこの順に積層されてなる複数の発電素子部と、
１組又は複数組の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、
を備えた固体酸化物形燃料電池において、
前記各電気的接続部は、緻密な材料で構成されたインターコネクタと、前記インターコネクタの表面に形成され且つ多孔質の材料で構成された導電膜とで構成され、
前記平板状の支持基板の外側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全周に亘って前記支持基板の材料からなる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、
前記各第１凹部に、対応する前記発電素子部の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全周に亘って前記燃料極の材料からなる周方向に閉じた側壁とを有する第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インターコネクタがそれぞれ埋設され、
前記インターコネクタは、薄板状を呈し、導電性セラミックス材料からなり、
前記インターコネクタの両面のうちの一方の面が前記燃料側電極に接合され、他方の面が前記導電膜に接合され、
前記導電膜は、６５０〜８５０℃の範囲内にて温度が高いほど導電率が小さくなる性質を有する導電性セラミックス材料からなる、固体酸化物形燃料電池。
【請求項１】
燃料ガスと接触して前記燃料ガスを反応させる燃料側電極と、前記燃料側電極に設けられた固体電解質からなる電解質膜と、前記酸素を含むガスを反応させる空気側電極であって前記電解質膜を前記燃料側電極と空気側電極とで挟むように前記電解質膜に設けられた空気側電極と、からなる固体酸化物形燃料電池の発電部と、
導電性セラミックス材料からなる薄板状のインターコネクタであって、その両面のうちの一方の面が前記燃料側電極に接合されたインターコネクタと、
前記インターコネクタの両面のうちの他方の面に接合された導電膜であって、６５０〜８５０℃の範囲内にて温度が高いほど導電率が小さくなる性質を有する導電性セラミックス材料からなる導電膜と、
を備えた固体酸化物形燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池において、
前記導電膜はＮ型半導体からなる、固体酸化物形燃料電池。
【請求項３】
請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池において、
前記導電膜は、
化学式ＬａＮｉ１−ｘ−ｙＣｕｘＦｅｙＯ３（ｘ＞０、ｙ＞０、ｘ＋ｙ＜１）で表わされる材料からなる、固体酸化物形燃料電池。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の固体酸化物形燃料電池において、
前記インターコネクタは前記燃料側電極に設けられていて、
前記インターコネクタは、
化学式Ｌｎ１−ｘＡｘＣｒ１−ｙ−ｚＢｙＯ３（ただし、Ｌｎ：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、Ａ：Ｃａ，Ｓｒ，及びＢａからなる群より選択される少なくとも１種類の元素、Ｂ：Ｔｉ，Ｖ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｚｎ，Ｍｇ，及びＡｌからなる群より選択される少なくとも１種類の元素、０．０２５≦ｘ≦０．３、０≦ｙ≦０．２２、０≦ｚ≦０．１５）で表わされるクロマイト系材料からなる、固体酸化物形燃料電池。
【請求項５】
請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の固体酸化物形燃料電池において、
前記インターコネクタは前記燃料側電極に設けられていて、
前記インターコネクタは、
化学式（Ａ１−ｘ，Ｂｘ）１−ｚ（Ｔｉ１−ｙ，Ｄｙ）Ｏ３（ただし、Ａ：アルカリ土類元素から選択される少なくとも１種類の元素、Ｂ：Ｓｃ，Ｙ，及びランタノイド元素から選択される少なくとも１種類の元素、Ｄ：第４周期、第５周期、第６周期の遷移金属、及びＡｌ，Ｓｉ，Ｚｎ，Ｇａ，Ｇｅ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ｐｂ，Ｂｉから選択される少なくとも１種類の元素、０≦ｘ≦０．５、０≦ｙ≦０．５、−０．０５≦ｚ≦０．０５）で表わされるチタン酸化物からなる、固体酸化物形燃料電池。
【請求項６】
燃料ガスを流すための燃料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外側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、少なくとも燃料極、固体電解質、及び空気極がこの順に積層されてなる複数の発電素子部と、
１組又は複数組の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、
を備えた固体酸化物形燃料電池において、
前記各電気的接続部は、緻密な材料で構成されたインターコネクタと、前記インターコネクタの表面に形成され且つ多孔質の材料で構成された導電膜とで構成され、
前記平板状の支持基板の外側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全周に亘って前記支持基板の材料からなる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、
前記各第１凹部に、対応する前記発電素子部の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全周に亘って前記燃料極の材料からなる周方向に閉じた側壁とを有する第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インターコネクタがそれぞれ埋設され、
前記インターコネクタは、薄板状を呈し、導電性セラミックス材料からなり、
前記インターコネクタの両面のうちの一方の面が前記燃料側電極に接合され、他方の面が前記導電膜に接合され、
前記導電膜は、６５０〜８５０℃の範囲内にて温度が高いほど導電率が小さくなる性質を有する導電性セラミックス材料からなる、固体酸化物形燃料電池。
【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】
【公開番号】特開２０１３−７７５３６（Ｐ２０１３−７７５３６Ａ）
【公開日】平成２５年４月２５日（２０１３．４．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２６８５１４（Ｐ２０１１−２６８５１４）
【出願日】平成２３年１２月８日（２０１１．１２．８）
【特許番号】特許第４９１６０４１号（Ｐ４９１６０４１）
【特許公報発行日】平成２４年４月１１日（２０１２．４．１１）
【出願人】（０００００４０６４）日本碍子株式会社 (2,325)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月２５日（２０１３．４．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１２月８日（２０１１．１２．８）
【特許番号】特許第４９１６０４１号（Ｐ４９１６０４１）
【特許公報発行日】平成２４年４月１１日（２０１２．４．１１）
【出願人】（０００００４０６４）日本碍子株式会社 (2,325)
【Ｆターム（参考）】
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