燃料電池セル
【課題】支持基板の側端部を覆う緻密な絶縁体におけるクラックの発生を抑制し得る「横縞型」の燃料電池セルを提供すること。
【解決手段】ガス流路１１が長手方向に沿って内部に形成された平板状の多孔質の支持基板１０の主面上の複数の箇所に、内側電極、固体電解質、及び外側電極からなる発電素子部Ａがそれぞれ設けられる。隣り合う発電素子部の一方の内側電極と他方の外側電極とが電気的に接続される。内側・外側電極にそれぞれ供給される２つのガスの混合を防止するガスシール部が、支持基板における長手方向に沿って延びる側端部を覆う緻密な「絶縁体」（固体電解質膜４０）を有する。「絶縁体」の表面は、長手方向と直角の幅方向において外側に突出する曲面形状を呈していて、曲面形状における最小曲率半径が１０μｍ〜３００μｍである。
【解決手段】ガス流路１１が長手方向に沿って内部に形成された平板状の多孔質の支持基板１０の主面上の複数の箇所に、内側電極、固体電解質、及び外側電極からなる発電素子部Ａがそれぞれ設けられる。隣り合う発電素子部の一方の内側電極と他方の外側電極とが電気的に接続される。内側・外側電極にそれぞれ供給される２つのガスの混合を防止するガスシール部が、支持基板における長手方向に沿って延びる側端部を覆う緻密な「絶縁体」（固体電解質膜４０）を有する。「絶縁体」の表面は、長手方向と直角の幅方向において外側に突出する曲面形状を呈していて、曲面形状における最小曲率半径が１０μｍ〜３００μｍである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池セルに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、「ガス流路が長手方向に沿って内部に形成された平板状の多孔質の支持基板」と、「前記支持基板の主面における互いに離れた複数の箇所にそれぞれ設けられ、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」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内側電極と他方の外側電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、「前記内側電極に供給されるガスと前記外側電極に供給されるガスとの混合を防止する緻密材料からなるガスシール部」とを備えた燃料電池セルが知られている（例えば、特許文献１を参照）。このような構成は、「横縞型」とも呼ばれる。この文献に記載の燃料電池セルでは、前記ガスシール部は、前記支持基板における前記長手方向に沿って延びる「外側に凸の曲面状の」側端部を覆うように形成された緻密な絶縁体を有する。
【０００３】
係る燃料電池セルでは、燃料電池セルの形状を扁平状（薄板状）とすることにより、１つの燃料電池セル当たりの発電部の面積を大きくすることができ、この結果、発電量を大きくすることができる。しかしながら、燃料電池セルの形状を扁平状とすると、支持基板の側端部の曲面形状の曲率が大きくなり、この側端部を覆う緻密な絶縁体の曲面形状の曲率も大きくなる。これに伴い、絶縁体に作用する応力が大きくなる。この結果、燃料電池セルの製造過程にてなされる焼成工程や燃料電池セルの発電の際、絶縁体にクラックが発生し易いという問題が発生する。
【０００４】
絶縁体にクラックが発生すると、燃料電池セルの内外間でのガスの遮断が達成され得なくなり、燃料電池セルの内外間での酸素分圧差が減少する。この結果、燃料電池セルの発電性能が低下する。従って、絶縁体におけるクラックの発生を抑制することが望まれていたところである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２２６７８９号公報
【発明の概要】
【０００６】
本発明は、支持基板の側端部を覆う緻密な絶縁体におけるクラックの発生を抑制し得る「横縞型」の燃料電池セルを提供することを目的とする。
【０００７】
本発明に係る燃料電池セルは、「ガス流路が長手方向に沿って内部に形成された平板状の多孔質の支持基板」と、「前記支持基板の主面における互いに離れた複数の箇所にそれぞれ設けられ、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」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内側電極と他方の外側電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、「前記内側電極に供給されるガスと前記外側電極に供給されるガスとの混合を防止する緻密材料からなるガスシール部」と、を備える。即ち、このセルは、「横縞型」の燃料電池セルである。前記ガスシール部は、前記支持基板における前記長手方向に沿って延びる側端部を覆うように形成された緻密な絶縁体を有する。
【０００８】
本発明に係る燃料電池セルの特徴は、前記絶縁体の表面が、前記長手方向と直角の幅方向において外側に突出する曲面形状を呈していて、前記曲面形状における最小曲率半径Ｒｍｉｎが１０μｍ〜３００μｍであることにある。ここで、前記支持基板の板厚は０．５〜５ｍｍであることが好ましい。
【０００９】
本発明者は、「Ｒｍｉｎ＜１０μｍ、又は、Ｒｍｉｎ＞３００μｍであると、絶縁体においてクラックが発生し易く、Ｒｍｉｎが１０μｍ〜３００μｍであれば、絶縁体においてクラックが発生し難いこと」を見出した。このことについては後述する。従って、上記構成によれば、絶縁体におけるクラックの発生が抑制されて、燃料電池セルの内外間でのガスの遮断が確実に達成され得、燃料電池セルの発電性能の低下を確実に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【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】本発明の実施形態の変形例に係る燃料電池セルの図１に対応する斜視図である。
【図４】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１に対応する斜視図である。
【図５】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６】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９】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１０】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１１】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１２】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１３】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１４】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。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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、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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
このＳＯＦＣセルでは、固体電解質膜４０の一部であって支持基板１０の側端部（外側に凸となる曲面状を有する部分）を覆うように形成された部分が前記「絶縁体」に対応する。即ち、このＳＯＦＣセルでは、「絶縁体」は、固体電解質膜４０の層のみからなる。図１に示すように、「絶縁体」の表面は、幅方向において外側に突出する曲面形状を呈している。この曲面形状は、燃料電池セルを「幅方向及び支持基板１０の板厚方向に沿う平面」で切断して得られる断面における、「絶縁体」の表面に対応する部分の曲線（輪郭）と表現することもできる。
【００２８】
この曲面形状の曲率半径Ｒは、曲面形状の場所によって異なってもよいし、曲面形状の場所にかかわらず一定であってもよい。そして、この曲率半径Ｒの変動範囲における最小値（最小曲率半径Ｒｍｉｎ）は、１０μｍ〜３００μｍである。最小曲率半径Ｒｍｉｎに対応する「絶縁体」の部分は、「絶縁体」の突出方向の端部（図の左右方向の端部）であってもよいし、前記端部以外の部分であってもよい。
【００２９】
なお、このような燃料電池セルでは、支持基板１０の側端部に形成される緻密な「絶縁体」は、固体電解質膜４０のみから形成される必要はない。例えば、図３に示すように、「絶縁体」として、固体電解質膜４０の外面に他の緻密な絶縁体８０が形成された積層体が用いられてもよい。また、図示はしないが、固体電解質膜４０の内面に他の緻密な絶縁体が形成された積層体が用いられてもよい。この場合、他の緻密な絶縁体としては、例えば、１０Ｓｃ１ＣｅＺｒＯ２のような他の固体電解質であってもよいし、ガラス、ＺｒＯ２のような固体電解質以外の物質であってもよい。
【００３０】
また、図４に示すように、支持基板１０の主面に形成された固体電解質膜４０（前記「絶縁体」に対応しない部分）とは個別に、この固体電解質膜４０に連続して、緻密な絶縁体８０が支持基板１０の側端部に形成されてもよい。即ち、図４に示す実施形態では、「絶縁体」は、絶縁体８０の層のみからなる。図３、又は図４に示す形態においても、図１に示す形態と同様、「絶縁体」の表面における最小曲率半径Ｒｍｉｎは、１０μｍ〜３００μｍである。
【００３１】
以上、説明した「横縞型」のＳＯＦＣセルに対して、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）
【００３２】
発電状態においては、図６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５に示すように、このＳＯＦＣセル全体から（具体的には、図５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。
【００３３】
（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７〜図１４を参照しながら簡単に説明する。図７〜図１４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。
【００３４】
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。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７に示す支持基板の成形体１０ｇの部分断面を表す図８〜図１４を参照しながら説明を続ける。
【００３５】
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。
【００３６】
次に、図１０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。
【００３７】
次に、図１１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。ここで、固体電解質膜の成形膜４０ｇにおいて支持基板の成形体１０ｇの側端部に形成された部分が、前記「絶縁体」の成形膜に相当する。図１に示した態様では、この処理によって前記「絶縁体」の成形膜の形成が完了する。
【００３８】
なお、例えば、図３に示した形態では、この処理の後に更に、支持基板の成形体１０ｇの側端部に形成された固体電解質膜の成形膜４０ｇの外面に、上述した「他の緻密な絶縁体８０」の成形膜が印刷法、ディッピング法等を利用して形成される。また、図４に示した形態では、支持基板の成形体１０ｇの側端部を除いて固体電解質膜の成形膜４０ｇを形成し、その後、支持基板の成形体１０ｇの側端部の表面に、上述した「他の緻密な絶縁体８０」の成形膜が印刷法、ディッピング法等を利用して形成される。
【００３９】
次に、図１２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。
【００４０】
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１５００℃で３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。
【００４１】
次に、図１３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。
【００４２】
次に、図１４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。
【００４３】
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。
【００４４】
（最小曲率半径Ｒｍｉｎの好ましい範囲の考察）
次に、支持基板１０の側端部に形成された「絶縁体」の表面についての最小曲率半径Ｒｍｉｎの好ましい範囲について考察するために行われた実験について説明する。この実験に使用された燃料電池セルは、上述した「製造方法」を利用して作製された。
【００４５】
支持基板１０の幅方向の寸法は２６ｍｍ、厚さ方向の寸法は３．５ｍｍ、燃料極２０の厚さは５０μｍ、固体電解質膜４０における支持基板１０の主面に形成された部分（前記「絶縁体」に対応しない部分）の厚さは２０μｍ、支持基板１０の側端部に形成された「絶縁体」（固体電解質膜４０の一部、又は絶縁体８０）の厚さは４０μｍ、空気極６０の厚さは５０μｍ、インターコネクタ３０の厚さは５０μｍ、空気極集電膜７０の厚さは５０μｍであった。
【００４６】
次に、この燃料電池セルの内部に、水素ガスを流し、８５０℃で、支持基板１０及び燃料極２０の還元処理が施された。
【００４７】
得られた燃料電池セルの燃料ガス流路１１に燃料ガスを流通させ、燃料電池セルの外側に酸素含有ガスを流通させ、燃料電池セルをガスバーナーを用いて７５０℃まで加熱して、燃料電池セルを所定時間に亘り稼働させた。
【００４８】
その後、燃料電池セルに対して、「燃料ガス流路１１内に還元性の燃料ガスを流通させながら、雰囲気温度を常温から７５０℃まで３０分間で上げた後に７５０℃から常温まで１２０分間で下げるパターン」を１００回繰り返す熱サイクル試験を行った。そして、支持基板１０の側端部に形成された「絶縁体」（固体電解質膜４０の一部、又は絶縁体８０、焼成体）について、クラックの有無が確認された。この確認は目視、及び顕微鏡による観察により行われた。
【００４９】
以上の試験が、支持基板１０の側端部に形成された「絶縁体」（焼成体）の表面の最小曲率半径Ｒｍｉｎが異なる種々の燃料電池セルに対してそれぞれ行われた。Ｒｍｉｎの調整は、「絶縁体」の成形膜（焼成前、即ち、固体電解質膜４０の成形膜、又は、絶縁体８０の成形膜）を構成する材料の粒径（平均粒径（D50）で、０．１〜３０μｍ）、比表面積（ＢＥＴ法にて測定された値で、１〜３０ｍ２／ｇ）、成膜方法、焼成温度（６００〜１５００℃）などを調整すること等で行われた。なお、焼成温度が６００℃に近い場合は、「絶縁体」がガラス材料からなる場合に対応している。また、得られた「絶縁体」の表層に対して非晶質ガラスをオーバーコートすることによって、滑らかな（Ｒｍｉｎの小さい）面を得ることもできる。
【００５０】
Ｒｍｉｎの計測は、「絶縁体」（焼成体）の表面の曲面形状の全範囲に亘る曲率半径Ｒの分布を所定のレーザー顕微鏡、及び所定の画像処理等を用いて取得し、この取得結果に基づいてなされる。このＲｍｉｍは、レーザー顕微鏡で拡大して観察され得る曲面形状の表面の微細な凹凸までも考慮されて計測される。表１は、この「絶縁体」（焼成体）におけるＲｍｉｎと、クラックの有無との関係を示す。なお、各水準について１５個のサンプルが作製され、評価された。
【００５１】
【表１】
【００５２】
表１によれば、「Ｒｍｉｎ＜１０μｍ、又は、Ｒｍｉｎ＞３００μｍであると、絶縁体においてクラックが発生し易く、Ｒｍｉｎが１０μｍ〜３００μｍであれば、絶縁体においてクラックが発生し難いこと」が判明した。これは、Ｒｍｉｎが１０μｍ〜３００μｍであれば、絶縁体の端部等における応力集中が緩和されて、絶縁体において過大な応力が局所的に発生しないように応力が分布する構造が得られることに基づく、と推測される。なお、表１では、支持基板の材料がＮｉ−Ｙ２Ｏ３の場合の結果が示されているが、支持基板の材料がＮｉ−Ｙ２Ｏ３以外の材料、例えばＮｉ−ＹＳＺの場合も同じ結果が得られることが判明している。
【００５３】
以上、上記実験結果によれば、「絶縁体」においてクラックの発生を抑制するためには、Ｒｍｉｎが１０μｍ〜３００μｍであることが好ましいことが判明した。これにより、燃料電池セルの内外間でのガスの遮断が確実に達成され得、燃料電池セルの発電性能の低下を確実に抑制することができる。
【００５４】
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。
【符号の説明】
【００５５】
１０…支持基板、１１…燃料ガス流路、２０…燃料極、２１…燃料極集電部、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…絶縁体、Ａ…発電素子部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池セルに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、「ガス流路が長手方向に沿って内部に形成された平板状の多孔質の支持基板」と、「前記支持基板の主面における互いに離れた複数の箇所にそれぞれ設けられ、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」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内側電極と他方の外側電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、「前記内側電極に供給されるガスと前記外側電極に供給されるガスとの混合を防止する緻密材料からなるガスシール部」とを備えた燃料電池セルが知られている（例えば、特許文献１を参照）。このような構成は、「横縞型」とも呼ばれる。この文献に記載の燃料電池セルでは、前記ガスシール部は、前記支持基板における前記長手方向に沿って延びる「外側に凸の曲面状の」側端部を覆うように形成された緻密な絶縁体を有する。
【０００３】
係る燃料電池セルでは、燃料電池セルの形状を扁平状（薄板状）とすることにより、１つの燃料電池セル当たりの発電部の面積を大きくすることができ、この結果、発電量を大きくすることができる。しかしながら、燃料電池セルの形状を扁平状とすると、支持基板の側端部の曲面形状の曲率が大きくなり、この側端部を覆う緻密な絶縁体の曲面形状の曲率も大きくなる。これに伴い、絶縁体に作用する応力が大きくなる。この結果、燃料電池セルの製造過程にてなされる焼成工程や燃料電池セルの発電の際、絶縁体にクラックが発生し易いという問題が発生する。
【０００４】
絶縁体にクラックが発生すると、燃料電池セルの内外間でのガスの遮断が達成され得なくなり、燃料電池セルの内外間での酸素分圧差が減少する。この結果、燃料電池セルの発電性能が低下する。従って、絶縁体におけるクラックの発生を抑制することが望まれていたところである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２２６７８９号公報
【発明の概要】
【０００６】
本発明は、支持基板の側端部を覆う緻密な絶縁体におけるクラックの発生を抑制し得る「横縞型」の燃料電池セルを提供することを目的とする。
【０００７】
本発明に係る燃料電池セルは、「ガス流路が長手方向に沿って内部に形成された平板状の多孔質の支持基板」と、「前記支持基板の主面における互いに離れた複数の箇所にそれぞれ設けられ、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」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内側電極と他方の外側電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、「前記内側電極に供給されるガスと前記外側電極に供給されるガスとの混合を防止する緻密材料からなるガスシール部」と、を備える。即ち、このセルは、「横縞型」の燃料電池セルである。前記ガスシール部は、前記支持基板における前記長手方向に沿って延びる側端部を覆うように形成された緻密な絶縁体を有する。
【０００８】
本発明に係る燃料電池セルの特徴は、前記絶縁体の表面が、前記長手方向と直角の幅方向において外側に突出する曲面形状を呈していて、前記曲面形状における最小曲率半径Ｒｍｉｎが１０μｍ〜３００μｍであることにある。ここで、前記支持基板の板厚は０．５〜５ｍｍであることが好ましい。
【０００９】
本発明者は、「Ｒｍｉｎ＜１０μｍ、又は、Ｒｍｉｎ＞３００μｍであると、絶縁体においてクラックが発生し易く、Ｒｍｉｎが１０μｍ〜３００μｍであれば、絶縁体においてクラックが発生し難いこと」を見出した。このことについては後述する。従って、上記構成によれば、絶縁体におけるクラックの発生が抑制されて、燃料電池セルの内外間でのガスの遮断が確実に達成され得、燃料電池セルの発電性能の低下を確実に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【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】本発明の実施形態の変形例に係る燃料電池セルの図１に対応する斜視図である。
【図４】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１に対応する斜視図である。
【図５】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６】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９】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１０】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１１】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１２】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１３】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１４】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。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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、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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
このＳＯＦＣセルでは、固体電解質膜４０の一部であって支持基板１０の側端部（外側に凸となる曲面状を有する部分）を覆うように形成された部分が前記「絶縁体」に対応する。即ち、このＳＯＦＣセルでは、「絶縁体」は、固体電解質膜４０の層のみからなる。図１に示すように、「絶縁体」の表面は、幅方向において外側に突出する曲面形状を呈している。この曲面形状は、燃料電池セルを「幅方向及び支持基板１０の板厚方向に沿う平面」で切断して得られる断面における、「絶縁体」の表面に対応する部分の曲線（輪郭）と表現することもできる。
【００２８】
この曲面形状の曲率半径Ｒは、曲面形状の場所によって異なってもよいし、曲面形状の場所にかかわらず一定であってもよい。そして、この曲率半径Ｒの変動範囲における最小値（最小曲率半径Ｒｍｉｎ）は、１０μｍ〜３００μｍである。最小曲率半径Ｒｍｉｎに対応する「絶縁体」の部分は、「絶縁体」の突出方向の端部（図の左右方向の端部）であってもよいし、前記端部以外の部分であってもよい。
【００２９】
なお、このような燃料電池セルでは、支持基板１０の側端部に形成される緻密な「絶縁体」は、固体電解質膜４０のみから形成される必要はない。例えば、図３に示すように、「絶縁体」として、固体電解質膜４０の外面に他の緻密な絶縁体８０が形成された積層体が用いられてもよい。また、図示はしないが、固体電解質膜４０の内面に他の緻密な絶縁体が形成された積層体が用いられてもよい。この場合、他の緻密な絶縁体としては、例えば、１０Ｓｃ１ＣｅＺｒＯ２のような他の固体電解質であってもよいし、ガラス、ＺｒＯ２のような固体電解質以外の物質であってもよい。
【００３０】
また、図４に示すように、支持基板１０の主面に形成された固体電解質膜４０（前記「絶縁体」に対応しない部分）とは個別に、この固体電解質膜４０に連続して、緻密な絶縁体８０が支持基板１０の側端部に形成されてもよい。即ち、図４に示す実施形態では、「絶縁体」は、絶縁体８０の層のみからなる。図３、又は図４に示す形態においても、図１に示す形態と同様、「絶縁体」の表面における最小曲率半径Ｒｍｉｎは、１０μｍ〜３００μｍである。
【００３１】
以上、説明した「横縞型」のＳＯＦＣセルに対して、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）
【００３２】
発電状態においては、図６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５に示すように、このＳＯＦＣセル全体から（具体的には、図５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。
【００３３】
（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７〜図１４を参照しながら簡単に説明する。図７〜図１４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。
【００３４】
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。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７に示す支持基板の成形体１０ｇの部分断面を表す図８〜図１４を参照しながら説明を続ける。
【００３５】
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。
【００３６】
次に、図１０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。
【００３７】
次に、図１１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。ここで、固体電解質膜の成形膜４０ｇにおいて支持基板の成形体１０ｇの側端部に形成された部分が、前記「絶縁体」の成形膜に相当する。図１に示した態様では、この処理によって前記「絶縁体」の成形膜の形成が完了する。
【００３８】
なお、例えば、図３に示した形態では、この処理の後に更に、支持基板の成形体１０ｇの側端部に形成された固体電解質膜の成形膜４０ｇの外面に、上述した「他の緻密な絶縁体８０」の成形膜が印刷法、ディッピング法等を利用して形成される。また、図４に示した形態では、支持基板の成形体１０ｇの側端部を除いて固体電解質膜の成形膜４０ｇを形成し、その後、支持基板の成形体１０ｇの側端部の表面に、上述した「他の緻密な絶縁体８０」の成形膜が印刷法、ディッピング法等を利用して形成される。
【００３９】
次に、図１２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。
【００４０】
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１５００℃で３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。
【００４１】
次に、図１３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。
【００４２】
次に、図１４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。
【００４３】
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。
【００４４】
（最小曲率半径Ｒｍｉｎの好ましい範囲の考察）
次に、支持基板１０の側端部に形成された「絶縁体」の表面についての最小曲率半径Ｒｍｉｎの好ましい範囲について考察するために行われた実験について説明する。この実験に使用された燃料電池セルは、上述した「製造方法」を利用して作製された。
【００４５】
支持基板１０の幅方向の寸法は２６ｍｍ、厚さ方向の寸法は３．５ｍｍ、燃料極２０の厚さは５０μｍ、固体電解質膜４０における支持基板１０の主面に形成された部分（前記「絶縁体」に対応しない部分）の厚さは２０μｍ、支持基板１０の側端部に形成された「絶縁体」（固体電解質膜４０の一部、又は絶縁体８０）の厚さは４０μｍ、空気極６０の厚さは５０μｍ、インターコネクタ３０の厚さは５０μｍ、空気極集電膜７０の厚さは５０μｍであった。
【００４６】
次に、この燃料電池セルの内部に、水素ガスを流し、８５０℃で、支持基板１０及び燃料極２０の還元処理が施された。
【００４７】
得られた燃料電池セルの燃料ガス流路１１に燃料ガスを流通させ、燃料電池セルの外側に酸素含有ガスを流通させ、燃料電池セルをガスバーナーを用いて７５０℃まで加熱して、燃料電池セルを所定時間に亘り稼働させた。
【００４８】
その後、燃料電池セルに対して、「燃料ガス流路１１内に還元性の燃料ガスを流通させながら、雰囲気温度を常温から７５０℃まで３０分間で上げた後に７５０℃から常温まで１２０分間で下げるパターン」を１００回繰り返す熱サイクル試験を行った。そして、支持基板１０の側端部に形成された「絶縁体」（固体電解質膜４０の一部、又は絶縁体８０、焼成体）について、クラックの有無が確認された。この確認は目視、及び顕微鏡による観察により行われた。
【００４９】
以上の試験が、支持基板１０の側端部に形成された「絶縁体」（焼成体）の表面の最小曲率半径Ｒｍｉｎが異なる種々の燃料電池セルに対してそれぞれ行われた。Ｒｍｉｎの調整は、「絶縁体」の成形膜（焼成前、即ち、固体電解質膜４０の成形膜、又は、絶縁体８０の成形膜）を構成する材料の粒径（平均粒径（D50）で、０．１〜３０μｍ）、比表面積（ＢＥＴ法にて測定された値で、１〜３０ｍ２／ｇ）、成膜方法、焼成温度（６００〜１５００℃）などを調整すること等で行われた。なお、焼成温度が６００℃に近い場合は、「絶縁体」がガラス材料からなる場合に対応している。また、得られた「絶縁体」の表層に対して非晶質ガラスをオーバーコートすることによって、滑らかな（Ｒｍｉｎの小さい）面を得ることもできる。
【００５０】
Ｒｍｉｎの計測は、「絶縁体」（焼成体）の表面の曲面形状の全範囲に亘る曲率半径Ｒの分布を所定のレーザー顕微鏡、及び所定の画像処理等を用いて取得し、この取得結果に基づいてなされる。このＲｍｉｍは、レーザー顕微鏡で拡大して観察され得る曲面形状の表面の微細な凹凸までも考慮されて計測される。表１は、この「絶縁体」（焼成体）におけるＲｍｉｎと、クラックの有無との関係を示す。なお、各水準について１５個のサンプルが作製され、評価された。
【００５１】
【表１】
【００５２】
表１によれば、「Ｒｍｉｎ＜１０μｍ、又は、Ｒｍｉｎ＞３００μｍであると、絶縁体においてクラックが発生し易く、Ｒｍｉｎが１０μｍ〜３００μｍであれば、絶縁体においてクラックが発生し難いこと」が判明した。これは、Ｒｍｉｎが１０μｍ〜３００μｍであれば、絶縁体の端部等における応力集中が緩和されて、絶縁体において過大な応力が局所的に発生しないように応力が分布する構造が得られることに基づく、と推測される。なお、表１では、支持基板の材料がＮｉ−Ｙ２Ｏ３の場合の結果が示されているが、支持基板の材料がＮｉ−Ｙ２Ｏ３以外の材料、例えばＮｉ−ＹＳＺの場合も同じ結果が得られることが判明している。
【００５３】
以上、上記実験結果によれば、「絶縁体」においてクラックの発生を抑制するためには、Ｒｍｉｎが１０μｍ〜３００μｍであることが好ましいことが判明した。これにより、燃料電池セルの内外間でのガスの遮断が確実に達成され得、燃料電池セルの発電性能の低下を確実に抑制することができる。
【００５４】
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。
【符号の説明】
【００５５】
１０…支持基板、１１…燃料ガス流路、２０…燃料極、２１…燃料極集電部、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…絶縁体、Ａ…発電素子部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス流路が長手方向に沿って内部に形成された平板状の多孔質の支持基板と、
前記支持基板の主面における互いに離れた複数の箇所にそれぞれ設けられ、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内側電極と他方の外側電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、
前記内側電極に供給されるガスと前記外側電極に供給されるガスとの混合を防止する緻密材料からなるガスシール部と、
を備えた燃料電池セルであって、
前記ガスシール部は、
前記支持基板における前記長手方向に沿って延びる側端部を覆うように形成された緻密な絶縁体を有し、
前記絶縁体の表面は、前記長手方向と直角の幅方向において外側に突出する曲面形状を呈していて、前記曲面形状における最小曲率半径が１０μｍ〜３００μｍである、燃料電池セル。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池セルにおいて、
前記支持基板の板厚は０．５〜５ｍｍである、燃料電池セル。
【請求項１】
ガス流路が長手方向に沿って内部に形成された平板状の多孔質の支持基板と、
前記支持基板の主面における互いに離れた複数の箇所にそれぞれ設けられ、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内側電極と他方の外側電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、
前記内側電極に供給されるガスと前記外側電極に供給されるガスとの混合を防止する緻密材料からなるガスシール部と、
を備えた燃料電池セルであって、
前記ガスシール部は、
前記支持基板における前記長手方向に沿って延びる側端部を覆うように形成された緻密な絶縁体を有し、
前記絶縁体の表面は、前記長手方向と直角の幅方向において外側に突出する曲面形状を呈していて、前記曲面形状における最小曲率半径が１０μｍ〜３００μｍである、燃料電池セル。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池セルにおいて、
前記支持基板の板厚は０．５〜５ｍｍである、燃料電池セル。
【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】
【公開番号】特開２０１２−９４３２４（Ｐ２０１２−９４３２４Ａ）
【公開日】平成２４年５月１７日（２０１２．５．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２３９６６９（Ｐ２０１０−２３９６６９）
【出願日】平成２２年１０月２６日（２０１０．１０．２６）
【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２４年５月１７日（２０１２．５．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月２６日（２０１０．１０．２６）
【出願人】（０００００４０６４）日本碍子株式会社 (2,325)
【Ｆターム（参考）】
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