燃料電池の構造体
【課題】「横縞型」の燃料電池であって、支持基板の表裏のそれぞれに設けられた発電素子部同士の電気的接続について電気抵抗の増大が抑制され且つ信頼性の高いものの提供。
【解決手段】燃料ガス流路１１が内部に形成された長手方向を有する平板状の支持基板１０の上下面のそれぞれに、電気的に直列に接続された複数の発電素子部が配置される。支持基板１０は、電気絶縁性を有する多孔質の材料からなる絶縁基板部１０ａと、絶縁基板部１０ａと接続し且つ導電性を有する材料からなる導電基板部１０ｂと、を含んで構成される。複数の発電素子部は、絶縁基板部１０ａの表裏のそれぞれに設けられる。導電基板部１０ｂは、絶縁基板部１０ａの表裏の一方に設けられた複数の発電素子部のうちの１つの外側電極と、絶縁基板部１０ａの表裏の他方に設けられた複数の発電素子部のうちの１つの内側電極と、を電気的に接続する。
【解決手段】燃料ガス流路１１が内部に形成された長手方向を有する平板状の支持基板１０の上下面のそれぞれに、電気的に直列に接続された複数の発電素子部が配置される。支持基板１０は、電気絶縁性を有する多孔質の材料からなる絶縁基板部１０ａと、絶縁基板部１０ａと接続し且つ導電性を有する材料からなる導電基板部１０ｂと、を含んで構成される。複数の発電素子部は、絶縁基板部１０ａの表裏のそれぞれに設けられる。導電基板部１０ｂは、絶縁基板部１０ａの表裏の一方に設けられた複数の発電素子部のうちの１つの外側電極と、絶縁基板部１０ａの表裏の他方に設けられた複数の発電素子部のうちの１つの内側電極と、を電気的に接続する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、「ガス流路が内部に形成された電気絶縁性を有する多孔質の平板状の支持基板」と、「それぞれが少なくとも内側電極、固体電解質、及び外側電極が積層されてなる複数の発電素子部であって、前記平板状の支持基板の表裏の主面のそれぞれにおける互いに離れた複数の箇所にそれぞれ設けられた複数の発電素子部」と、「前記支持基板の表裏の主面のそれぞれに設けられ、隣り合う前記発電素子部の一方の内側電極と他方の外側電極とを電気的に接続する複数の電気的接続部」とを備えた固体酸化物形燃料電池の構造体が知られている（例えば、特許文献１、２を参照）。このような構成は、「横縞型」とも呼ばれる。
【０００３】
一般に、上述の「横縞型」の燃料電池の構造体では、支持基板の表裏の一方側に設けられた発電素子部と他方側に設けられた発電素子部とが電気的に接続される構成が採用される。この構成を達成するため、上記文献に記載の構造体では、電気絶縁性を有する支持基板の表裏の主面にそれぞれ形成された導電膜が支持基板の側面にも延設されて互いに接続される構成（以下、「従来構成１」と呼ぶ）が採用されている。また、上記文献には、電気絶縁性を有する支持基板の内部において厚さ方向に貫通する円柱状の導電体が形成される構成（以下、「従来構成２」と呼ぶ）も記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−５９７９３号公報
【特許文献２】特開２００９−１７６７０１号公報
【発明の概要】
【０００５】
上述のように、支持基板の表裏のそれぞれに設けられた発電素子部同士が電気的に接続される際、電気抵抗の増大が抑制され且つ信頼性の高い電気的接続構造が要求される。
【０００６】
本発明は、「横縞型」の燃料電池の構造体であって、支持基板の表裏のそれぞれに設けられた発電素子部同士の電気的接続について電気抵抗の増大が抑制され且つ信頼性の高いのを提供することを目的とする。
【０００７】
本発明に係る燃料電池の構造体は、上述と同様、支持基板の表裏のそれぞれに発電素子部が設けられた「横縞型」の燃料電池の構造体である。本発明に係る燃料電池の構造体の特徴は、以下の点にある。即ち、前記支持基板が、「前記長手方向における第１範囲に存在し且つ内部全域に亘って電気絶縁性を有する多孔質の材料からなる絶縁基板部」と、「前記長手方向における前記第１範囲と接続する第２範囲に存在し且つ内部全域に亘って導電性を有する材料からなる導電基板部」と、を含んで構成される。前記複数の発電素子部は、前記絶縁基板部の表裏の主面のそれぞれに設けられる。そして、前記導電基板部は、前記絶縁基板部の表裏の一方の主面に設けられた前記複数の発電素子部のうちの１つ（第１発電素子部）の前記外側電極又は前記内側電極と、前記絶縁基板部の表裏の他方の主面に設けられた前記複数の発電素子部のうちの１つ（第２発電素子部）の前記外側電極又は前記内側電極と、を電気的に接続するように構成される。ここにおいて、前記導電基板部は、導電性を有する多孔質の材料で構成されても、導電性を有する緻密な材料で構成されてもよい。
【０００８】
これによれば、支持基板の導電基板部の内部全域が、支持基板の表裏に設けられた発電素子部同士を電気的に接続するための「電流の通過領域」として使用され得る。従って、上記文献に記載の構成（前記従来構成１、２）と比べて、前記「電流の通過領域」が安定してより広く確保され得る。この結果、支持基板の表裏に設けられた発電素子部同士の電気的接続について、電気抵抗の増大が抑制され且つ信頼性の高い構成が実現され得る。
【０００９】
具体的には、前記第１発電素子部の外側電極と電気的に接続された導電部材と、前記第２発電素子部の内側電極と、が前記導電基板部に接続するように配置されることによって、前記導電基板部が、前記第１発電素子部の外側電極と前記第２発電素子部の内側電極とを電気的に接続するように構成され得る。これによって、支持基板の表裏に設けられた発電素子部同士が電気的に直列に接続される構成が実現される。
【００１０】
或いは、前記第１発電素子部の外側電極と電気的に接続された第１導電部材と、前記第２発電素子部の外側電極と電気的に接続された第２導電部材と、が前記導電基板部に接続するように配置されることによって、前記導電基板部が、前記第１発電素子部の外側電極と前記第２発電素子部の外側電極とを電気的に接続するように構成され得る。これによって、支持基板の表裏に設けられた発電素子部同士が電気的に並列に接続される構成が実現される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明に係る燃料電池の構造体を示す斜視図である。
【図２】図１に示す燃料電池の構造体の２−２線に対応する断面図である。
【図３】図１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。
【図４】支持基板の導電基板部が、支持基板の表裏に設けられた発電素子部同士を電気的に接続する構成を説明するための支持基板の主要断面図である。
【図５】図１に示す燃料電池の構造体の作動状態を説明するための図である。
【図６】図１に示す燃料電池の構造体の作動状態における電流の流れを説明するための図４に対応する図である。
【図７】図１に示す支持基板を示す斜視図である。
【図８】図１に示す燃料電池の構造体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９】図１に示す燃料電池の構造体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１０】図１に示す燃料電池の構造体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１１】図１に示す燃料電池の構造体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１２】図１に示す燃料電池の構造体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１３】図１に示す燃料電池の構造体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１４】図１に示す燃料電池の構造体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１５】図１に示す燃料電池の構造体の製造過程における第８段階における図２に対応する断面図である。
【図１６】本発明に係る燃料電池の構造体の第１変形例の図３に対応する断面図である。
【図１７】本発明に係る燃料電池の構造体の第２変形例の図６に対応する断面図である。
【図１８】本発明に係る燃料電池の構造体の第３変形例の図６に対応する断面図である。
【図１９】本発明に係る燃料電池の構造体の第４変形例の図６に対応する断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（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）の構造体を示す。このＳＯＦＣの構造体は、長手方向（ｘ軸方向）を有する平板状の支持基板１０の上下面（互いに平行な両側の主面（平面））のそれぞれに、電気的に直列に接続された複数（本例では、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。
【００１３】
このＳＯＦＣの構造体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５０〜５００ｍｍで長手方向に直交する幅方向（ｙ軸方向）の長さが１０〜１００ｍｍの長方形である。このＳＯＦＣの構造体の全体の厚さは、１〜５ｍｍである。以下、図１に加えて、このＳＯＦＣの構造体の図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の構造体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。
【００１４】
支持基板１０は、平板状の焼成体である。後述する図４に示すように、支持基板１０は、電気絶縁性を有する多孔質の材料からなる絶縁基板部１０ａに加えて、その長手方向の一端部において、導電性を有する材料からなる導電基板部１０ｂをも備える。導電基板部１０ｂについては後述する。また、後述する図７に示すように、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。支持基板１０の絶縁基板部１０ａの上下面のそれぞれの発電素子部Ａに対応する位置には、凹部１２がそれぞれ形成されている。各凹部１２は、支持基板１０の絶縁基板部１０ａの材料からなる底壁と、全周に亘って支持基板１０の絶縁基板部１０ａ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。
【００１５】
支持基板１０の絶縁基板部１０ａの内部全域は、電気絶縁性を有する多孔質の材料で構成される。支持基板１０の絶縁基板部１０ａ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。
【００１６】
支持基板１０の絶縁基板部１０ａは、「遷移金属酸化物又は遷移金属」と、絶縁性セラミックスとを含んで構成され得る。「遷移金属酸化物又は遷移金属」としては、ＮｉＯ（酸化ニッケル）又はＮｉ（ニッケル）が好適である。遷移金属は、燃料ガスの改質反応を促す触媒（炭化水素系のガスの改質触媒）として機能し得る。
【００１７】
また、絶縁性セラミックスとしては、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）、又は、「ＭｇＡｌ２Ｏ４（マグネシアアルミナスピネル）とＭｇＯ（酸化マグネシウム）の混合物」が好適である。また、絶縁性セラミックスとして、ＣＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）、ＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）、Ｙ２Ｏ３（イットリア）が使用されてもよい。
【００１８】
このように、支持基板１０の絶縁基板部１０ａが「遷移金属酸化物又は遷移金属」を含むことによって、改質前の残存ガス成分を含んだガスが多孔質の支持基板１０の絶縁基板部１０ａの内部の多数の気孔を介して燃料ガス流路１１から燃料極に供給される過程において、上記触媒作用によって改質前の残存ガス成分の改質を促すことができる。加えて、支持基板１０の絶縁基板部１０ａが絶縁性セラミックスを含むことによって、支持基板１０の絶縁基板部１０ａの絶縁性を確保することができる。この結果、隣り合う燃料極間における絶縁性が確保され得る。
【００１９】
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の絶縁基板部１０ａの上面側の構成についてのみ説明していく。支持基板１０の絶縁基板部１０ａの下面側の構成についても同様である。
【００２０】
図２及び図３に示すように、支持基板１０の絶縁基板部１０ａの上面（上側の主面）に形成された各凹部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。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の絶縁基板部１０ａ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。
【００２１】
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。
【００２２】
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、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の絶縁基板部１０ａ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。
【００２３】
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の幅方向に沿う２つの側面と底面とは、凹部２１ｂ内で燃料極集電部２１と接触している。
【００２４】
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（の絶縁基板部１０ａ）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（の絶縁基板部１０ａ）の主面との間で、段差が形成されていない。
【００２５】
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。
【００２６】
このように、燃料極集電部２１は、電子伝導性を有する物質を含んで構成される。燃料極活性部２２は、電子伝導性を有する物質と酸化性イオン（酸素イオン）伝導性を有する物質とを含んで構成される。燃料極活性部２２における「気孔部分を除いた全体積に対する酸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。
【００２７】
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。ＬａＣｒＯ３は、Ｃａがドープされた（Ｌａ，Ｃａ）ＣｒＯ３(カルシウムドープランタンクロマイト)であっても、Ｓｒがドープされた(Ｌａ，Ｓｒ)ＣｒＯ３（ストロンチウムドープランタンクロマイト）であってもよい。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。
【００２８】
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（絶縁基板部１０ａ＋導電基板部１０ｂ）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気絶縁性を有する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。なお、固体電解質膜４０のうち、発電素子部Ａに対応する部分（即ち、燃料極２０と後述する空気極６０とで挟まれる部分）はイオン伝導性を有しているが、それ以外の部分はイオン伝導性を有していてもいなくてもよい。
【００２９】
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（絶縁基板部１０ａ＋導電基板部１０ｂ）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。
【００３０】
なお、図２に示すように、本例では、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（の絶縁基板部１０ａ）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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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の絶縁基板部１０ａ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。同様に、支持基板１０の絶縁基板部１０ａの下面にも、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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【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の絶縁基板部１０ａ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。同様に、支持基板１０の絶縁基板部１０ａの下面に配置されている複数（本例では、４つ）の発電素子部Ａも電気的に直列に接続される。ここで、支持基板１０の絶縁基板部１０ａの上下面のそれぞれについて、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。
【００３８】
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。
【００３９】
図４に示すように、支持基板１０の絶縁基板部１０ａの長手方向の一端部（ｘ軸負方向の端部）には、導電基板部１０ｂが接続されている。即ち、支持基板１０の長手方向における第１範囲に亘って絶縁基板部１０ａが存在し、支持基板１０の長手方向における前記第１範囲と接続する第２範囲に亘って導電基板部１０ｂが存在する。絶縁基板部１０ａと導電基板部１０ｂとによって、１つの平板状の支持基板１０が構成されている。
【００４０】
支持基板１０の導電基板部１０ｂの内部全域は、導電性を有する多孔質又は緻密質の材料で構成される。支持基板１０の導電基板部１０ｂは、多孔質の材料の場合、例えば、燃料極集電部２１と同じ材料で構成され得、緻密質の材料の場合、例えば、インターコネクタ３０と同じ材料で構成され得る。
【００４１】
図４に示すように、この実施形態では、支持基板１０の上面において絶縁基板部１０ａと導電基板部１０ｂとに跨るように形成された凹部に導電部材８０が埋設されている。この導電部材８０は、インターコネクタ３０及び空気極集電膜７０を介して、支持基板１０の絶縁基板部１０ａの上面において最も長手方向の一端側（ｘ軸負方向側）に配置された発電素子部Ａ（第１発電素子部）の空気極６０と電気的に接続されている。
【００４２】
他方、支持基板１０の下面において絶縁基板部１０ａと導電基板部１０ｂとに跨るように形成された凹部には、支持基板１０の絶縁基板部１０ａの下面において最も長手方向の一端側（ｘ軸負方向側）に配置された発電素子部Ａ（第２発電素子部）の燃料極２０（の集電部２１）が埋設されている。以上より、支持基板１０の導電基板部１０ｂは、「第１発電素子部」の空気極６０と「第２発電素子部」の燃料極２０とを電気的に接続している。これによって、支持基板１０の表裏に設けられた発電素子部同士が電気的に直列に接続されている。
【００４３】
なお、支持基板１０の絶縁基板部１０ａの材料（即ち、電気絶縁性を有する多孔質の材料）は、気孔率が１０〜６０％であり、導電率が１×１０-３Ｓ/ｃｍ未満である。支持基板１０の導電基板部１０ｂの材料（即ち、導電性を有する材料）は、多孔質の場合、気孔率が１０〜６０％で、導電率が１×１０−３Ｓ/ｃｍ以上であり、緻密質の場合、気孔率が１０％以下で、導電率が１×１０−３Ｓ/ｃｍ以上である。
【００４４】
以上、説明した「横縞型」のＳＯＦＣの構造体に対して、図５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）
【００４５】
発電状態においては、支持基板１０の上面に設けられた複数の発電素子部Ａと、支持基板１０の下面に設けられた複数の発電素子部Ａとが、電気的に直列に接続されることによって、電流は図６に矢印で示すように流れる。
【００４６】
（製造方法）
次に、図１に示した「横縞型」のＳＯＦＣの構造体の製造方法の一例について図７〜図１５を参照しながら簡単に説明する。図７〜図１５において、各部材の符号の末尾の「ｇ」は、その部材が「焼成前」であることを表す。
【００４７】
先ず、図７に示す形状を有する支持基板の成形体１０ｇが作製される。支持基板の成形体１０ｇは、絶縁基板部に対応する成形体部１０ａｇと、導電基板部に対応する成形体部１０ｂｇとからなる。成形体部１０ａｇは、例えば、絶縁基板部１０ａの材料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。同様に、成形体部１０ｂｇは、例えば、導電基板部１０ｂの材料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。このように作製された成形体部１０ａｇ、１０ｂｇが圧着・接合されることによって、支持基板の成形体１０ｇが作製され得る。以下、図７に示す８−８線に対応する部分断面を表す図８〜図１５を参照しながら説明を続ける。
【００４８】
図８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９に示すように、支持基板の成形体１０ｇ（１０ａｇ）の上下面に形成された各凹部に、燃料極集電部の成形体２１ｇがそれぞれ埋設・形成される。次いで、図１０に示すように、各燃料極集電部の成形体２１ｇの外側面に形成された各凹部に、燃料極活性部の成形体２２ｇがそれぞれ埋設・形成される。各燃料極集電部の成形体２１ｇ、及び各燃料極活性部２２ｇは、例えば、燃料極２０の材料（例えば、ＮｉとＹＳＺ）の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法等を利用して埋設・形成される。
【００４９】
続いて、図１１に示すように、各燃料極集電部の成形体２１ｇの外側面における「燃料極活性部の成形体２２ｇが埋設された部分を除いた部分」に形成された各凹部に、インターコネクタの成形体３０ｇがそれぞれ埋設・形成される。各インターコネクタの成形体３０ｇは、例えば、インターコネクタ３０の材料（例えば、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埋設・形成される。
【００５０】
次に、図１２に示すように、複数の燃料極の成形体（２１ｇ＋２２ｇ）及び複数のインターコネクタの成形体３０ｇがそれぞれ埋設・形成された状態の支持基板の成形体１０ｇ（１０ａｇ）における長手方向に延びる外周面において複数のインターコネクタの成形体３０ｇが形成されたそれぞれの部分の長手方向中央部を除いた全面に、固体電解質膜の成形膜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。
【００５１】
次に、図１３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。
【００５２】
そして、このように種々の成形膜が形成された状態の支持基板の成形体１０ｇ（１０ａｇ＋１０ｂｇ）が、空気中にて１５００℃で３時間焼成される。これにより、図１に示したＳＯＦＣの構造体において空気極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。
【００５３】
次に、図１４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。
【００５４】
次に、図１５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、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。
【００５５】
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１０５０℃で３時間焼成される。これにより、図１に示したＳＯＦＣの構造体が得られる。なお、この時点では、酸素含有雰囲気での焼成により、支持基板１０、及び燃料極２０中のＮｉ成分が、ＮｉＯとなっている。従って、燃料極２０の導電性を獲得するため、その後、支持基板１０側から還元性の燃料ガスが流され、ＮｉＯが８００〜１０００℃で１〜１００時間に亘って還元処理される。なお、この還元処理は発電時に行われてもよい。以上、図１に示したＳＯＦＣの構造体の製造方法の一例について説明した。
【００５６】
（作用・効果）
以上、説明したように、上記本発明に係る「横縞型」のＳＯＦＣの構造体の実施形態では、図４及び図６に示すように、支持基板１０の導電基板部１０ｂの内部全域が、支持基板１０の表裏に設けられた発電素子部Ａ同士を電気的に接続するための「電流の通過領域」として使用される。従って、背景技術の欄で紹介した文献に記載の構成（前記従来構成１、２）と比べて、前記「電流の通過領域」が安定してより広く確保され得る。この結果、支持基板１０の表裏に設けられた発電素子部Ａ同士の電気的接続について、電気抵抗の増大が抑制され且つ信頼性の高い構成が実現され得る。
【００５７】
また、支持基板１０（の絶縁基板部１０ａ）の上下面に形成されている、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（の絶縁基板部１０ａ）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。
【００５８】
また、支持基板１０（の絶縁基板部１０ａ）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（の絶縁基板部１０ａ）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。
【００５９】
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の幅方向（ｙ軸方向）に沿う２つの側面と底面とが凹部２１ｂ内で燃料極集電部２１と接触している。従って、燃料極集電部２１の外側平面上に直方体状のインターコネクタ３０が積層される（接触する）構成が採用される場合に比べて、燃料極２０（集電部２１）とインターコネクタ３０との界面の面積を大きくできる。従って、燃料極２０とインターコネクタ３０との間における電子伝導性を高めることができ、この結果、燃料電池の発電出力を高めることができる。
【００６０】
また、上記実施形態では、平板状の支持基板１０（の絶縁基板部１０ａ）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。
【００６１】
また、上記実施形態では、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。
【００６２】
なお、本発明は上記実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、上記実施形態では、図６等に示すように、支持基板１０（の絶縁基板部１０ａ）に形成された凹部１２の平面形状（支持基板１０の主面に垂直の方向からみた場合の形状）が、長方形になっているが、例えば、正方形、円形、楕円形、長穴形状等であってもよい。
【００６３】
また、上記実施形態においては、各凹部１２にはインターコネクタ３０の全体が埋設されているが、インターコネクタ３０の一部のみが各凹部１２に埋設され、インターコネクタ３０の残りの部分が凹部１２の外に突出（即ち、支持基板１０の主面から突出）していてもよい。
【００６４】
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。加えて、上記実施形態においては、「内側電極」及び「外側電極」がそれぞれ燃料極及び空気極となっているが、逆であってもよい。
【００６５】
加えて、上記実施形態においては、図３に示すように、燃料極集電部２１の外側面に形成された凹部２１ｂが、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（支持基板１０の絶縁基板部１０ａの材料からなる長手方向に沿う２つの側壁と、燃料極集電部２１の材料からなる幅方向に沿う２つの側壁）と、で画定された直方体状の窪みとなっている。この結果、凹部２１ｂに埋設されたインターコネクタ３０の幅方向に沿う２つの側面と底面とが凹部２１ｂ内で燃料極集電部２１と接触している。
【００６６】
これに対し、図１６に示すように、燃料極集電部２１の外側面に形成された凹部２１ｂが、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ってもよい。これによれば、凹部２１ｂに埋設されたインターコネクタ３０の４つの側面の全てと底面とが凹部２１ｂ内で燃料極集電部２１と接触する。従って、燃料極集電部２１とインターコネクタ３０との界面の面積をより一層大きくできる。従って、燃料極集電部２１とインターコネクタ３０との間における電子伝導性をより一層高めることができ、この結果、燃料電池の発電出力をより一層高めることができる。
【００６７】
また、上記実施形態では、図４及び図６に示すように、支持基板１０の絶縁基板部１０ａの長手方向の一端部（ｘ軸負方向の端部）に導電基板部１０ｂが接続されて、その導電基板部１０ｂが支持基板１０全体の長手方向の一端部（ｘ軸負方向の端部）を構成しているが、図１７に示すように、前記導電基板部１０ｂの長手方向の一端部（ｘ軸負方向の端部）に更に絶縁基板部１０ａが追加されて、その追加された絶縁基板部１０ａが支持基板１０全体の長手方向の一端部（ｘ軸負方向の端部）を構成してもよい。この場合、支持基板１０の長手方向の両端部に絶縁基板部１０ａがそれぞれ配置され、それらの間に導電基板部１０ｂが挟まれるように配置される。これによって、支持基板１０の長手方向の端部から導入される空気の拡散等に起因する導電基板部１０ｂの再酸化の発生が抑制され得る。
【００６８】
また、上記実施形態では、支持基板１０の表裏に設けられた発電素子部同士が電気的に直列に接続されているが、図１８及び図１９に示すように、支持基板１０の表裏に設けられた発電素子部同士が電気的に並列に接続されていてもよい。図１８に示す例では、支持基板１０の上下面のそれぞれにおいて、絶縁基板部１０ａと導電基板部１０ｂとに跨るように形成された凹部に導電部材８０が埋設されている。支持基板１０の上面において、導電部材８０は、インターコネクタ３０及び空気極集電膜７０を介して、支持基板１０の絶縁基板部１０ａにおいて最も長手方向の一端側（ｘ軸負方向側）に配置された発電素子部Ａ（第１発電素子部）の空気極６０と電気的に接続され、支持基板１０の下面において、導電部材８０は、インターコネクタ３０及び空気極集電膜７０を介して、支持基板１０の絶縁基板部１０ａにおいて最も長手方向の一端側（ｘ軸負方向側）に配置された発電素子部Ａ（第２発電素子部）の空気極６０と電気的に接続されている。
【００６９】
この結果、支持基板１０の導電基板部１０ｂは、「第１発電素子部」の空気極６０と「第２発電素子部」の空気極６０とを電気的に接続している。これによって、支持基板１０の表裏に設けられた発電素子部同士が電気的に並列に接続される。このように、支持基板１０の表裏に設けられた発電素子部同士が電気的に並列に接続されることによって、電流は図１８に矢印で示すように流れる。
【００７０】
図１９に示す例では、支持基板１０の上面において、絶縁基板部１０ａと導電基板部１０ｂとに跨るように形成された凹部に、支持基板１０の絶縁基板部１０ａの上面において最も長手方向の一端側（ｘ軸負方向側）に配置された発電素子部Ａ（第１発電素子部）の燃料極２０（の集電部２１）が埋設されている。同様に、支持基板１０の下面においても、絶縁基板部１０ａと導電基板部１０ｂとに跨るように形成された凹部に、支持基板１０の絶縁基板部１０ａの下面において最も長手方向の一端側（ｘ軸負方向側）に配置された発電素子部Ａ（第２発電素子部）の燃料極２０（の集電部２１）が埋設されている。以上より、支持基板１０の導電基板部１０ｂは、「第１発電素子部」の燃料極２０と「第２発電素子部」の燃料極２０とを電気的に接続している。これによって、支持基板１０の表裏に設けられた発電素子部同士が電気的に並列に接続される。このように、支持基板１０の表裏に設けられた発電素子部同士が電気的に並列に接続されることによって、電流は図１９に矢印で示すように流れる。
【符号の説明】
【００７１】
１０…支持基板、１０ａ…絶縁基板部、１０ｂ…導電基板部、１１…燃料ガス流路、１２…凹部、２０…燃料極、２１…燃料極集電部、２１ａ、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、８０…導電部材、Ａ…発電素子部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、「ガス流路が内部に形成された電気絶縁性を有する多孔質の平板状の支持基板」と、「それぞれが少なくとも内側電極、固体電解質、及び外側電極が積層されてなる複数の発電素子部であって、前記平板状の支持基板の表裏の主面のそれぞれにおける互いに離れた複数の箇所にそれぞれ設けられた複数の発電素子部」と、「前記支持基板の表裏の主面のそれぞれに設けられ、隣り合う前記発電素子部の一方の内側電極と他方の外側電極とを電気的に接続する複数の電気的接続部」とを備えた固体酸化物形燃料電池の構造体が知られている（例えば、特許文献１、２を参照）。このような構成は、「横縞型」とも呼ばれる。
【０００３】
一般に、上述の「横縞型」の燃料電池の構造体では、支持基板の表裏の一方側に設けられた発電素子部と他方側に設けられた発電素子部とが電気的に接続される構成が採用される。この構成を達成するため、上記文献に記載の構造体では、電気絶縁性を有する支持基板の表裏の主面にそれぞれ形成された導電膜が支持基板の側面にも延設されて互いに接続される構成（以下、「従来構成１」と呼ぶ）が採用されている。また、上記文献には、電気絶縁性を有する支持基板の内部において厚さ方向に貫通する円柱状の導電体が形成される構成（以下、「従来構成２」と呼ぶ）も記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−５９７９３号公報
【特許文献２】特開２００９−１７６７０１号公報
【発明の概要】
【０００５】
上述のように、支持基板の表裏のそれぞれに設けられた発電素子部同士が電気的に接続される際、電気抵抗の増大が抑制され且つ信頼性の高い電気的接続構造が要求される。
【０００６】
本発明は、「横縞型」の燃料電池の構造体であって、支持基板の表裏のそれぞれに設けられた発電素子部同士の電気的接続について電気抵抗の増大が抑制され且つ信頼性の高いのを提供することを目的とする。
【０００７】
本発明に係る燃料電池の構造体は、上述と同様、支持基板の表裏のそれぞれに発電素子部が設けられた「横縞型」の燃料電池の構造体である。本発明に係る燃料電池の構造体の特徴は、以下の点にある。即ち、前記支持基板が、「前記長手方向における第１範囲に存在し且つ内部全域に亘って電気絶縁性を有する多孔質の材料からなる絶縁基板部」と、「前記長手方向における前記第１範囲と接続する第２範囲に存在し且つ内部全域に亘って導電性を有する材料からなる導電基板部」と、を含んで構成される。前記複数の発電素子部は、前記絶縁基板部の表裏の主面のそれぞれに設けられる。そして、前記導電基板部は、前記絶縁基板部の表裏の一方の主面に設けられた前記複数の発電素子部のうちの１つ（第１発電素子部）の前記外側電極又は前記内側電極と、前記絶縁基板部の表裏の他方の主面に設けられた前記複数の発電素子部のうちの１つ（第２発電素子部）の前記外側電極又は前記内側電極と、を電気的に接続するように構成される。ここにおいて、前記導電基板部は、導電性を有する多孔質の材料で構成されても、導電性を有する緻密な材料で構成されてもよい。
【０００８】
これによれば、支持基板の導電基板部の内部全域が、支持基板の表裏に設けられた発電素子部同士を電気的に接続するための「電流の通過領域」として使用され得る。従って、上記文献に記載の構成（前記従来構成１、２）と比べて、前記「電流の通過領域」が安定してより広く確保され得る。この結果、支持基板の表裏に設けられた発電素子部同士の電気的接続について、電気抵抗の増大が抑制され且つ信頼性の高い構成が実現され得る。
【０００９】
具体的には、前記第１発電素子部の外側電極と電気的に接続された導電部材と、前記第２発電素子部の内側電極と、が前記導電基板部に接続するように配置されることによって、前記導電基板部が、前記第１発電素子部の外側電極と前記第２発電素子部の内側電極とを電気的に接続するように構成され得る。これによって、支持基板の表裏に設けられた発電素子部同士が電気的に直列に接続される構成が実現される。
【００１０】
或いは、前記第１発電素子部の外側電極と電気的に接続された第１導電部材と、前記第２発電素子部の外側電極と電気的に接続された第２導電部材と、が前記導電基板部に接続するように配置されることによって、前記導電基板部が、前記第１発電素子部の外側電極と前記第２発電素子部の外側電極とを電気的に接続するように構成され得る。これによって、支持基板の表裏に設けられた発電素子部同士が電気的に並列に接続される構成が実現される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明に係る燃料電池の構造体を示す斜視図である。
【図２】図１に示す燃料電池の構造体の２−２線に対応する断面図である。
【図３】図１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。
【図４】支持基板の導電基板部が、支持基板の表裏に設けられた発電素子部同士を電気的に接続する構成を説明するための支持基板の主要断面図である。
【図５】図１に示す燃料電池の構造体の作動状態を説明するための図である。
【図６】図１に示す燃料電池の構造体の作動状態における電流の流れを説明するための図４に対応する図である。
【図７】図１に示す支持基板を示す斜視図である。
【図８】図１に示す燃料電池の構造体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９】図１に示す燃料電池の構造体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１０】図１に示す燃料電池の構造体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１１】図１に示す燃料電池の構造体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１２】図１に示す燃料電池の構造体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１３】図１に示す燃料電池の構造体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１４】図１に示す燃料電池の構造体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１５】図１に示す燃料電池の構造体の製造過程における第８段階における図２に対応する断面図である。
【図１６】本発明に係る燃料電池の構造体の第１変形例の図３に対応する断面図である。
【図１７】本発明に係る燃料電池の構造体の第２変形例の図６に対応する断面図である。
【図１８】本発明に係る燃料電池の構造体の第３変形例の図６に対応する断面図である。
【図１９】本発明に係る燃料電池の構造体の第４変形例の図６に対応する断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（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）の構造体を示す。このＳＯＦＣの構造体は、長手方向（ｘ軸方向）を有する平板状の支持基板１０の上下面（互いに平行な両側の主面（平面））のそれぞれに、電気的に直列に接続された複数（本例では、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。
【００１３】
このＳＯＦＣの構造体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５０〜５００ｍｍで長手方向に直交する幅方向（ｙ軸方向）の長さが１０〜１００ｍｍの長方形である。このＳＯＦＣの構造体の全体の厚さは、１〜５ｍｍである。以下、図１に加えて、このＳＯＦＣの構造体の図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の構造体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。
【００１４】
支持基板１０は、平板状の焼成体である。後述する図４に示すように、支持基板１０は、電気絶縁性を有する多孔質の材料からなる絶縁基板部１０ａに加えて、その長手方向の一端部において、導電性を有する材料からなる導電基板部１０ｂをも備える。導電基板部１０ｂについては後述する。また、後述する図７に示すように、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。支持基板１０の絶縁基板部１０ａの上下面のそれぞれの発電素子部Ａに対応する位置には、凹部１２がそれぞれ形成されている。各凹部１２は、支持基板１０の絶縁基板部１０ａの材料からなる底壁と、全周に亘って支持基板１０の絶縁基板部１０ａ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。
【００１５】
支持基板１０の絶縁基板部１０ａの内部全域は、電気絶縁性を有する多孔質の材料で構成される。支持基板１０の絶縁基板部１０ａ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。
【００１６】
支持基板１０の絶縁基板部１０ａは、「遷移金属酸化物又は遷移金属」と、絶縁性セラミックスとを含んで構成され得る。「遷移金属酸化物又は遷移金属」としては、ＮｉＯ（酸化ニッケル）又はＮｉ（ニッケル）が好適である。遷移金属は、燃料ガスの改質反応を促す触媒（炭化水素系のガスの改質触媒）として機能し得る。
【００１７】
また、絶縁性セラミックスとしては、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）、又は、「ＭｇＡｌ２Ｏ４（マグネシアアルミナスピネル）とＭｇＯ（酸化マグネシウム）の混合物」が好適である。また、絶縁性セラミックスとして、ＣＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）、ＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）、Ｙ２Ｏ３（イットリア）が使用されてもよい。
【００１８】
このように、支持基板１０の絶縁基板部１０ａが「遷移金属酸化物又は遷移金属」を含むことによって、改質前の残存ガス成分を含んだガスが多孔質の支持基板１０の絶縁基板部１０ａの内部の多数の気孔を介して燃料ガス流路１１から燃料極に供給される過程において、上記触媒作用によって改質前の残存ガス成分の改質を促すことができる。加えて、支持基板１０の絶縁基板部１０ａが絶縁性セラミックスを含むことによって、支持基板１０の絶縁基板部１０ａの絶縁性を確保することができる。この結果、隣り合う燃料極間における絶縁性が確保され得る。
【００１９】
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の絶縁基板部１０ａの上面側の構成についてのみ説明していく。支持基板１０の絶縁基板部１０ａの下面側の構成についても同様である。
【００２０】
図２及び図３に示すように、支持基板１０の絶縁基板部１０ａの上面（上側の主面）に形成された各凹部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。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の絶縁基板部１０ａ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。
【００２１】
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。
【００２２】
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、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の絶縁基板部１０ａ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。
【００２３】
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の幅方向に沿う２つの側面と底面とは、凹部２１ｂ内で燃料極集電部２１と接触している。
【００２４】
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（の絶縁基板部１０ａ）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（の絶縁基板部１０ａ）の主面との間で、段差が形成されていない。
【００２５】
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。
【００２６】
このように、燃料極集電部２１は、電子伝導性を有する物質を含んで構成される。燃料極活性部２２は、電子伝導性を有する物質と酸化性イオン（酸素イオン）伝導性を有する物質とを含んで構成される。燃料極活性部２２における「気孔部分を除いた全体積に対する酸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。
【００２７】
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。ＬａＣｒＯ３は、Ｃａがドープされた（Ｌａ，Ｃａ）ＣｒＯ３(カルシウムドープランタンクロマイト)であっても、Ｓｒがドープされた(Ｌａ，Ｓｒ)ＣｒＯ３（ストロンチウムドープランタンクロマイト）であってもよい。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。
【００２８】
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（絶縁基板部１０ａ＋導電基板部１０ｂ）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気絶縁性を有する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。なお、固体電解質膜４０のうち、発電素子部Ａに対応する部分（即ち、燃料極２０と後述する空気極６０とで挟まれる部分）はイオン伝導性を有しているが、それ以外の部分はイオン伝導性を有していてもいなくてもよい。
【００２９】
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（絶縁基板部１０ａ＋導電基板部１０ｂ）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。
【００３０】
なお、図２に示すように、本例では、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（の絶縁基板部１０ａ）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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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の絶縁基板部１０ａ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。同様に、支持基板１０の絶縁基板部１０ａの下面にも、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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【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の絶縁基板部１０ａ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。同様に、支持基板１０の絶縁基板部１０ａの下面に配置されている複数（本例では、４つ）の発電素子部Ａも電気的に直列に接続される。ここで、支持基板１０の絶縁基板部１０ａの上下面のそれぞれについて、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。
【００３８】
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。
【００３９】
図４に示すように、支持基板１０の絶縁基板部１０ａの長手方向の一端部（ｘ軸負方向の端部）には、導電基板部１０ｂが接続されている。即ち、支持基板１０の長手方向における第１範囲に亘って絶縁基板部１０ａが存在し、支持基板１０の長手方向における前記第１範囲と接続する第２範囲に亘って導電基板部１０ｂが存在する。絶縁基板部１０ａと導電基板部１０ｂとによって、１つの平板状の支持基板１０が構成されている。
【００４０】
支持基板１０の導電基板部１０ｂの内部全域は、導電性を有する多孔質又は緻密質の材料で構成される。支持基板１０の導電基板部１０ｂは、多孔質の材料の場合、例えば、燃料極集電部２１と同じ材料で構成され得、緻密質の材料の場合、例えば、インターコネクタ３０と同じ材料で構成され得る。
【００４１】
図４に示すように、この実施形態では、支持基板１０の上面において絶縁基板部１０ａと導電基板部１０ｂとに跨るように形成された凹部に導電部材８０が埋設されている。この導電部材８０は、インターコネクタ３０及び空気極集電膜７０を介して、支持基板１０の絶縁基板部１０ａの上面において最も長手方向の一端側（ｘ軸負方向側）に配置された発電素子部Ａ（第１発電素子部）の空気極６０と電気的に接続されている。
【００４２】
他方、支持基板１０の下面において絶縁基板部１０ａと導電基板部１０ｂとに跨るように形成された凹部には、支持基板１０の絶縁基板部１０ａの下面において最も長手方向の一端側（ｘ軸負方向側）に配置された発電素子部Ａ（第２発電素子部）の燃料極２０（の集電部２１）が埋設されている。以上より、支持基板１０の導電基板部１０ｂは、「第１発電素子部」の空気極６０と「第２発電素子部」の燃料極２０とを電気的に接続している。これによって、支持基板１０の表裏に設けられた発電素子部同士が電気的に直列に接続されている。
【００４３】
なお、支持基板１０の絶縁基板部１０ａの材料（即ち、電気絶縁性を有する多孔質の材料）は、気孔率が１０〜６０％であり、導電率が１×１０-３Ｓ/ｃｍ未満である。支持基板１０の導電基板部１０ｂの材料（即ち、導電性を有する材料）は、多孔質の場合、気孔率が１０〜６０％で、導電率が１×１０−３Ｓ/ｃｍ以上であり、緻密質の場合、気孔率が１０％以下で、導電率が１×１０−３Ｓ/ｃｍ以上である。
【００４４】
以上、説明した「横縞型」のＳＯＦＣの構造体に対して、図５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）
【００４５】
発電状態においては、支持基板１０の上面に設けられた複数の発電素子部Ａと、支持基板１０の下面に設けられた複数の発電素子部Ａとが、電気的に直列に接続されることによって、電流は図６に矢印で示すように流れる。
【００４６】
（製造方法）
次に、図１に示した「横縞型」のＳＯＦＣの構造体の製造方法の一例について図７〜図１５を参照しながら簡単に説明する。図７〜図１５において、各部材の符号の末尾の「ｇ」は、その部材が「焼成前」であることを表す。
【００４７】
先ず、図７に示す形状を有する支持基板の成形体１０ｇが作製される。支持基板の成形体１０ｇは、絶縁基板部に対応する成形体部１０ａｇと、導電基板部に対応する成形体部１０ｂｇとからなる。成形体部１０ａｇは、例えば、絶縁基板部１０ａの材料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。同様に、成形体部１０ｂｇは、例えば、導電基板部１０ｂの材料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。このように作製された成形体部１０ａｇ、１０ｂｇが圧着・接合されることによって、支持基板の成形体１０ｇが作製され得る。以下、図７に示す８−８線に対応する部分断面を表す図８〜図１５を参照しながら説明を続ける。
【００４８】
図８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９に示すように、支持基板の成形体１０ｇ（１０ａｇ）の上下面に形成された各凹部に、燃料極集電部の成形体２１ｇがそれぞれ埋設・形成される。次いで、図１０に示すように、各燃料極集電部の成形体２１ｇの外側面に形成された各凹部に、燃料極活性部の成形体２２ｇがそれぞれ埋設・形成される。各燃料極集電部の成形体２１ｇ、及び各燃料極活性部２２ｇは、例えば、燃料極２０の材料（例えば、ＮｉとＹＳＺ）の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法等を利用して埋設・形成される。
【００４９】
続いて、図１１に示すように、各燃料極集電部の成形体２１ｇの外側面における「燃料極活性部の成形体２２ｇが埋設された部分を除いた部分」に形成された各凹部に、インターコネクタの成形体３０ｇがそれぞれ埋設・形成される。各インターコネクタの成形体３０ｇは、例えば、インターコネクタ３０の材料（例えば、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埋設・形成される。
【００５０】
次に、図１２に示すように、複数の燃料極の成形体（２１ｇ＋２２ｇ）及び複数のインターコネクタの成形体３０ｇがそれぞれ埋設・形成された状態の支持基板の成形体１０ｇ（１０ａｇ）における長手方向に延びる外周面において複数のインターコネクタの成形体３０ｇが形成されたそれぞれの部分の長手方向中央部を除いた全面に、固体電解質膜の成形膜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。
【００５１】
次に、図１３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。
【００５２】
そして、このように種々の成形膜が形成された状態の支持基板の成形体１０ｇ（１０ａｇ＋１０ｂｇ）が、空気中にて１５００℃で３時間焼成される。これにより、図１に示したＳＯＦＣの構造体において空気極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。
【００５３】
次に、図１４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。
【００５４】
次に、図１５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、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。
【００５５】
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１０５０℃で３時間焼成される。これにより、図１に示したＳＯＦＣの構造体が得られる。なお、この時点では、酸素含有雰囲気での焼成により、支持基板１０、及び燃料極２０中のＮｉ成分が、ＮｉＯとなっている。従って、燃料極２０の導電性を獲得するため、その後、支持基板１０側から還元性の燃料ガスが流され、ＮｉＯが８００〜１０００℃で１〜１００時間に亘って還元処理される。なお、この還元処理は発電時に行われてもよい。以上、図１に示したＳＯＦＣの構造体の製造方法の一例について説明した。
【００５６】
（作用・効果）
以上、説明したように、上記本発明に係る「横縞型」のＳＯＦＣの構造体の実施形態では、図４及び図６に示すように、支持基板１０の導電基板部１０ｂの内部全域が、支持基板１０の表裏に設けられた発電素子部Ａ同士を電気的に接続するための「電流の通過領域」として使用される。従って、背景技術の欄で紹介した文献に記載の構成（前記従来構成１、２）と比べて、前記「電流の通過領域」が安定してより広く確保され得る。この結果、支持基板１０の表裏に設けられた発電素子部Ａ同士の電気的接続について、電気抵抗の増大が抑制され且つ信頼性の高い構成が実現され得る。
【００５７】
また、支持基板１０（の絶縁基板部１０ａ）の上下面に形成されている、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（の絶縁基板部１０ａ）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。
【００５８】
また、支持基板１０（の絶縁基板部１０ａ）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（の絶縁基板部１０ａ）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。
【００５９】
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の幅方向（ｙ軸方向）に沿う２つの側面と底面とが凹部２１ｂ内で燃料極集電部２１と接触している。従って、燃料極集電部２１の外側平面上に直方体状のインターコネクタ３０が積層される（接触する）構成が採用される場合に比べて、燃料極２０（集電部２１）とインターコネクタ３０との界面の面積を大きくできる。従って、燃料極２０とインターコネクタ３０との間における電子伝導性を高めることができ、この結果、燃料電池の発電出力を高めることができる。
【００６０】
また、上記実施形態では、平板状の支持基板１０（の絶縁基板部１０ａ）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。
【００６１】
また、上記実施形態では、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。
【００６２】
なお、本発明は上記実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、上記実施形態では、図６等に示すように、支持基板１０（の絶縁基板部１０ａ）に形成された凹部１２の平面形状（支持基板１０の主面に垂直の方向からみた場合の形状）が、長方形になっているが、例えば、正方形、円形、楕円形、長穴形状等であってもよい。
【００６３】
また、上記実施形態においては、各凹部１２にはインターコネクタ３０の全体が埋設されているが、インターコネクタ３０の一部のみが各凹部１２に埋設され、インターコネクタ３０の残りの部分が凹部１２の外に突出（即ち、支持基板１０の主面から突出）していてもよい。
【００６４】
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。加えて、上記実施形態においては、「内側電極」及び「外側電極」がそれぞれ燃料極及び空気極となっているが、逆であってもよい。
【００６５】
加えて、上記実施形態においては、図３に示すように、燃料極集電部２１の外側面に形成された凹部２１ｂが、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（支持基板１０の絶縁基板部１０ａの材料からなる長手方向に沿う２つの側壁と、燃料極集電部２１の材料からなる幅方向に沿う２つの側壁）と、で画定された直方体状の窪みとなっている。この結果、凹部２１ｂに埋設されたインターコネクタ３０の幅方向に沿う２つの側面と底面とが凹部２１ｂ内で燃料極集電部２１と接触している。
【００６６】
これに対し、図１６に示すように、燃料極集電部２１の外側面に形成された凹部２１ｂが、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ってもよい。これによれば、凹部２１ｂに埋設されたインターコネクタ３０の４つの側面の全てと底面とが凹部２１ｂ内で燃料極集電部２１と接触する。従って、燃料極集電部２１とインターコネクタ３０との界面の面積をより一層大きくできる。従って、燃料極集電部２１とインターコネクタ３０との間における電子伝導性をより一層高めることができ、この結果、燃料電池の発電出力をより一層高めることができる。
【００６７】
また、上記実施形態では、図４及び図６に示すように、支持基板１０の絶縁基板部１０ａの長手方向の一端部（ｘ軸負方向の端部）に導電基板部１０ｂが接続されて、その導電基板部１０ｂが支持基板１０全体の長手方向の一端部（ｘ軸負方向の端部）を構成しているが、図１７に示すように、前記導電基板部１０ｂの長手方向の一端部（ｘ軸負方向の端部）に更に絶縁基板部１０ａが追加されて、その追加された絶縁基板部１０ａが支持基板１０全体の長手方向の一端部（ｘ軸負方向の端部）を構成してもよい。この場合、支持基板１０の長手方向の両端部に絶縁基板部１０ａがそれぞれ配置され、それらの間に導電基板部１０ｂが挟まれるように配置される。これによって、支持基板１０の長手方向の端部から導入される空気の拡散等に起因する導電基板部１０ｂの再酸化の発生が抑制され得る。
【００６８】
また、上記実施形態では、支持基板１０の表裏に設けられた発電素子部同士が電気的に直列に接続されているが、図１８及び図１９に示すように、支持基板１０の表裏に設けられた発電素子部同士が電気的に並列に接続されていてもよい。図１８に示す例では、支持基板１０の上下面のそれぞれにおいて、絶縁基板部１０ａと導電基板部１０ｂとに跨るように形成された凹部に導電部材８０が埋設されている。支持基板１０の上面において、導電部材８０は、インターコネクタ３０及び空気極集電膜７０を介して、支持基板１０の絶縁基板部１０ａにおいて最も長手方向の一端側（ｘ軸負方向側）に配置された発電素子部Ａ（第１発電素子部）の空気極６０と電気的に接続され、支持基板１０の下面において、導電部材８０は、インターコネクタ３０及び空気極集電膜７０を介して、支持基板１０の絶縁基板部１０ａにおいて最も長手方向の一端側（ｘ軸負方向側）に配置された発電素子部Ａ（第２発電素子部）の空気極６０と電気的に接続されている。
【００６９】
この結果、支持基板１０の導電基板部１０ｂは、「第１発電素子部」の空気極６０と「第２発電素子部」の空気極６０とを電気的に接続している。これによって、支持基板１０の表裏に設けられた発電素子部同士が電気的に並列に接続される。このように、支持基板１０の表裏に設けられた発電素子部同士が電気的に並列に接続されることによって、電流は図１８に矢印で示すように流れる。
【００７０】
図１９に示す例では、支持基板１０の上面において、絶縁基板部１０ａと導電基板部１０ｂとに跨るように形成された凹部に、支持基板１０の絶縁基板部１０ａの上面において最も長手方向の一端側（ｘ軸負方向側）に配置された発電素子部Ａ（第１発電素子部）の燃料極２０（の集電部２１）が埋設されている。同様に、支持基板１０の下面においても、絶縁基板部１０ａと導電基板部１０ｂとに跨るように形成された凹部に、支持基板１０の絶縁基板部１０ａの下面において最も長手方向の一端側（ｘ軸負方向側）に配置された発電素子部Ａ（第２発電素子部）の燃料極２０（の集電部２１）が埋設されている。以上より、支持基板１０の導電基板部１０ｂは、「第１発電素子部」の燃料極２０と「第２発電素子部」の燃料極２０とを電気的に接続している。これによって、支持基板１０の表裏に設けられた発電素子部同士が電気的に並列に接続される。このように、支持基板１０の表裏に設けられた発電素子部同士が電気的に並列に接続されることによって、電流は図１９に矢印で示すように流れる。
【符号の説明】
【００７１】
１０…支持基板、１０ａ…絶縁基板部、１０ｂ…導電基板部、１１…燃料ガス流路、１２…凹部、２０…燃料極、２１…燃料極集電部、２１ａ、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、８０…導電部材、Ａ…発電素子部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス流路が内部に形成された長手方向を有する平板状の支持基板と、
それぞれが少なくとも内側電極、固体電解質、及び外側電極が積層されてなる複数の発電素子部であって、前記平板状の支持基板の表裏の主面のそれぞれにおける互いに離れた複数の箇所にそれぞれ設けられた複数の発電素子部と、
前記支持基板の表裏の主面のそれぞれに設けられ、隣り合う前記発電素子部の一方の内側電極と他方の外側電極とを電気的に接続する複数の電気的接続部と、
を備えた燃料電池の構造体であって、
前記支持基板は、
前記長手方向における第１範囲に存在し且つ内部全域に亘って電気絶縁性を有する多孔質の材料からなる絶縁基板部と、前記長手方向における前記第１範囲と接続する第２範囲に存在し且つ内部全域に亘って導電性を有する材料からなる導電基板部と、を含んで構成され、
前記複数の発電素子部は、前記絶縁基板部の表裏の主面のそれぞれに設けられ、
前記導電基板部は、
前記絶縁基板部の表裏の一方の主面に設けられた前記複数の発電素子部のうちの１つである第１発電素子部の前記外側電極又は前記内側電極と、前記絶縁基板部の表裏の他方の主面に設けられた前記複数の発電素子部のうちの１つである第２発電素子部の前記外側電極又は前記内側電極と、を電気的に接続するように構成された、燃料電池の構造体。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池の構造体において、
前記第１発電素子部の外側電極と電気的に接続された導電部材と、前記第２発電素子部の内側電極と、が前記導電基板部に接続するように配置されることによって、前記導電基板部が、前記第１発電素子部の外側電極と前記第２発電素子部の内側電極とを電気的に接続するように構成された、燃料電池の構造体。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料電池の構造体において、
前記第１発電素子部の外側電極と電気的に接続された第１導電部材と、前記第２発電素子部の外側電極と電気的に接続された第２導電部材と、が前記導電基板部に接続するように配置されることによって、前記導電基板部が、前記第１発電素子部の外側電極と前記第２発電素子部の外側電極とを電気的に接続するように構成された、燃料電池の構造体。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の燃料電池の構造体において、
前記第１発電素子部は、前記絶縁基板部の表裏の一方の主面に設けられた前記複数の発電素子部のうち前記長手方向の一方側の端に位置する発電素子部であり、
前記第２発電素子部は、前記絶縁基板部の表裏の他方の主面に設けられた前記複数の発電素子部のうち前記長手方向の一方側の端に位置する発電素子部である、燃料電池の構造体。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の燃料電池の構造体において、
前記絶縁基板部の表裏の主面のそれぞれにおける前記複数の箇所に、前記絶縁基板部の材料からなる底壁と全周に亘って前記絶縁基板部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内側電極がそれぞれ埋設された、燃料電池の構造体。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池の構造体において、
前記各電気的接続部は、緻密な材料で構成された第１部分と、前記第１部分と接続され且つ多孔質の材料で構成された第２部分とで構成され、
前記埋設された各内側電極の外側面に、前記内側電極の材料からなる底壁と全周に亘って前記内側電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第１部分がそれぞれ埋設された、燃料電池の構造体。
【請求項１】
ガス流路が内部に形成された長手方向を有する平板状の支持基板と、
それぞれが少なくとも内側電極、固体電解質、及び外側電極が積層されてなる複数の発電素子部であって、前記平板状の支持基板の表裏の主面のそれぞれにおける互いに離れた複数の箇所にそれぞれ設けられた複数の発電素子部と、
前記支持基板の表裏の主面のそれぞれに設けられ、隣り合う前記発電素子部の一方の内側電極と他方の外側電極とを電気的に接続する複数の電気的接続部と、
を備えた燃料電池の構造体であって、
前記支持基板は、
前記長手方向における第１範囲に存在し且つ内部全域に亘って電気絶縁性を有する多孔質の材料からなる絶縁基板部と、前記長手方向における前記第１範囲と接続する第２範囲に存在し且つ内部全域に亘って導電性を有する材料からなる導電基板部と、を含んで構成され、
前記複数の発電素子部は、前記絶縁基板部の表裏の主面のそれぞれに設けられ、
前記導電基板部は、
前記絶縁基板部の表裏の一方の主面に設けられた前記複数の発電素子部のうちの１つである第１発電素子部の前記外側電極又は前記内側電極と、前記絶縁基板部の表裏の他方の主面に設けられた前記複数の発電素子部のうちの１つである第２発電素子部の前記外側電極又は前記内側電極と、を電気的に接続するように構成された、燃料電池の構造体。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池の構造体において、
前記第１発電素子部の外側電極と電気的に接続された導電部材と、前記第２発電素子部の内側電極と、が前記導電基板部に接続するように配置されることによって、前記導電基板部が、前記第１発電素子部の外側電極と前記第２発電素子部の内側電極とを電気的に接続するように構成された、燃料電池の構造体。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料電池の構造体において、
前記第１発電素子部の外側電極と電気的に接続された第１導電部材と、前記第２発電素子部の外側電極と電気的に接続された第２導電部材と、が前記導電基板部に接続するように配置されることによって、前記導電基板部が、前記第１発電素子部の外側電極と前記第２発電素子部の外側電極とを電気的に接続するように構成された、燃料電池の構造体。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の燃料電池の構造体において、
前記第１発電素子部は、前記絶縁基板部の表裏の一方の主面に設けられた前記複数の発電素子部のうち前記長手方向の一方側の端に位置する発電素子部であり、
前記第２発電素子部は、前記絶縁基板部の表裏の他方の主面に設けられた前記複数の発電素子部のうち前記長手方向の一方側の端に位置する発電素子部である、燃料電池の構造体。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の燃料電池の構造体において、
前記絶縁基板部の表裏の主面のそれぞれにおける前記複数の箇所に、前記絶縁基板部の材料からなる底壁と全周に亘って前記絶縁基板部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内側電極がそれぞれ埋設された、燃料電池の構造体。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池の構造体において、
前記各電気的接続部は、緻密な材料で構成された第１部分と、前記第１部分と接続され且つ多孔質の材料で構成された第２部分とで構成され、
前記埋設された各内側電極の外側面に、前記内側電極の材料からなる底壁と全周に亘って前記内側電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第１部分がそれぞれ埋設された、燃料電池の構造体。
【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】
【公開番号】特開２０１３−９３１８１（Ｐ２０１３−９３１８１Ａ）
【公開日】平成２５年５月１６日（２０１３．５．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２３３９５２（Ｐ２０１１−２３３９５２）
【出願日】平成２３年１０月２５日（２０１１．１０．２５）
【特許番号】特許第５０６２７８６号（Ｐ５０６２７８６）
【特許公報発行日】平成２４年１０月３１日（２０１２．１０．３１）
【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５月１６日（２０１３．５．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月２５日（２０１１．１０．２５）
【特許番号】特許第５０６２７８６号（Ｐ５０６２７８６）
【特許公報発行日】平成２４年１０月３１日（２０１２．１０．３１）
【出願人】（０００００４０６４）日本碍子株式会社 (2,325)
【Ｆターム（参考）】
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