JP6137326B2 - 固体電解質形燃料電池とその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般的には固体電解質形燃料電池とその製造方法に関し、特にアノードガスとカソードガスの流通路を形成するためのガス流通路壁部（リブ）を有する固体電解質形燃料電池とその製造方法に関するものである。

一般的に、平板型の固体電解質形燃料電池（固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）ともいう）は、各々がアノード（負極）、固体電解質およびカソード（正極）からなる発電要素としての平板状の複数のセルと、複数のセルの間に配置されるセパレータ（インタコネクタともいう）とから構成される。セパレータは、複数のセルを相互に電気的に直列に接続し、かつ、複数のセルの各々に供給されるガスを分離するために、具体的にはアノードに供給されるアノードガスとしての燃料ガス（たとえば水素）と、カソードに供給されるカソードガスとしての酸化剤ガス（たとえば空気）とを分離するために複数のセルの間に配置される。

たとえば、国際公開第２００８／０４４４２９号（以下、特許文献１という）には、固体電解質形燃料電池の構造が開示されている。

特許文献１に開示された固体電解質形燃料電池は、各々が燃料極層（アノード層）、固体電解質層および空気極層（カソード層）からなる複数のセル（発電素子部）の間に配置されるセル間分離部と、各セルに燃料ガスを供給するための燃料ガス通路、および、各セルに空気を供給するための空気通路を有するガス通路構造部とを備える。セル間分離部とガス通路構造部とセルとが一体的に形成されている。マニホールドの機能を果たすガス通路構造部の本体が、セパレータの機能を果たすセル間分離部を形成する電気絶縁体からなり、セル間分離部を形成する電気絶縁体に連続して形成されているので、セパレータとマニホールドの二つの機能を果たす部分が連続して形成されている。

国際公開第２００８／０４４４２９号

特許文献１に開示された固体電解質形燃料電池では、明示されていないが、セル間分離部と燃料極層（アノード層）との間には燃料ガス（アノードガス）を燃料極層に供給するための複数のアノードガス流通路と、セル間分離部と空気極層（カソード層）との間には空気（カソードガス）を空気極層に供給するための複数のカソードガス流通路とが形成されている。複数のアノードガス流通路の各々を互いに分離するように間隔をあけて複数のアノードガス流通路壁部（リブ）が形成され、複数のカソードガス流通路の各々を互いに分離するように間隔をあけて複数のカソードガス流通路壁部（リブ）が形成されている。リブには、セルで発生した電力を取り出すために導電部が形成されている。

固体電解質形燃料電池は、燃料極層、固体電解質層および空気極層が積層されたセルと、セル間分離部とにより構成される。そして、それぞれの層を構成するグリーンシートが積層された成形体を一体焼成することにより、固体電解質形燃料電池が製造される。この成形体を焼成すると、各層の温度が上昇することにより、各層が熱膨張し、その後、焼結によって大きく収縮する。焼成が終了すると、常温まで温度が低くなるにつれて、得られた焼成体が冷却されることによって、さらに各層がそれぞれ収縮する。この一連の収縮の挙動において、セパレータとリブとが同一の材料で、セルとセパレータまたはリブとが異なる材料であるため、セルとセパレータまたはリブの収縮率が異なるので、室温に冷却された後に、セパレータがリブを引っ張るように作用し、あるいは、リブがセルまたはセパレータを引っ張るように作用する。その引っ張り応力の程度によっては、互いに密着されるべき上層と下層との間で剥離または分離が生じる、あるいは、セパレータにクラックが発生する。この場合、特にセパレータにクラックが発生すると、燃料ガスが漏れて、発電性能が低下するという問題がある。

そこで、本発明の目的は、セパレータにクラックが発生するのを防止することが可能な固体電解質形燃料電池とその製造方法を提供することである。

本発明に従った固体電解質形燃料電池は、セルと、アノードガス流通路層と、カソードガス流通路層と、アノード側分離層と、カソード側分離層と、多孔質層とを備える。セルは、アノード層、固体電解質層およびカソード層の積層体からなる。アノードガス流通路層は、セルのアノード層の外側に積層され、アノード層にアノードガスを供給する複数のアノードガス流通路の各々を互いに分離するように間隔をあけて形成される複数のアノードガス流通路壁部を有する。カソードガス流通路層は、セルのカソード層の外側に積層され、カソード層にカソードガスを供給する複数のカソードガス流通路の各々を互いに分離するように間隔をあけて形成される複数のカソードガス流通路壁部を有する。アノード側分離層は、アノードガス流通路層の外側に積層されている。カソード側分離層は、カソードガス流通路層の外側に積層されている。多孔質層は、複数のアノードガス流通路壁部とアノード側分離層との間、および、複数のカソードガス流通路壁部とカソード側分離層との間の少なくとも一方に配置されている。多孔質層の気孔率は、１０％以上６０％以下である。

本発明の固体電解質形燃料電池においては、複数のアノードガス流通路壁部（リブ）とアノード側分離層との間、および、複数のカソードガス流通路壁部（リブ）とカソード側分離層との間の少なくとも一方に多孔質層が配置されている。このように、アノード側およびカソード側の少なくとも一方の側においてリブとセパレータとの間に多孔質層が介在している。このため、焼成から冷却までの一連の収縮の挙動において、リブとセパレータとの間に介在する多孔質層が収縮変動することにより、セルとセパレータまたはリブとの収縮率が異なることによって生じる応力を緩和することができる。その結果、セパレータに生じる応力を緩和することができ、セパレータにクラックが発生するのを防止することができる。これにより、発電性能の低下を抑制することができる。また、多孔質層の気孔率が、１０％以上６０％以下であるため、セパレータにクラックが発生するのをより効果的に防止することができる。

本発明の固体電解質形燃料電池において、アノードガス流通路壁部またはカソードガス流通路壁部の厚みと多孔質層の厚みとの合計に対する多孔質層の厚みの比率は、０．０９以上０．５０以下であることが好ましい。

上記の比率を所定の範囲に限定することにより、セパレータにクラックが発生するのをより効果的に防止することができる。

さらに、本発明の固体電解質形燃料電池において、アノードガス流通路壁部（リブ）またはカソードガス流通路壁部（リブ）の厚みは、１００μｍ以上６００μｍ以下であることが好ましい。

リブの厚みが上記の範囲であれば、セパレータにクラックが発生するのをより効果的に防止することができる。

本発明の固体電解質形燃料電池において、多孔質層の積層方向に直交する断面積が、アノードガス流通路壁部またはカソードガス流通路壁部の積層方向に直交する断面積とほぼ同一であってもよく、あるいは、多孔質層の積層方向に直交する断面積が、アノード側分離層またはカソード側分離層の積層方向に直交する断面積とほぼ同一であってもよい。

本発明の固体電解質形燃料電池において、アノードガス流通路壁部（リブ）、カソードガス流通路壁部（リブ）、アノード側分離層、カソード側分離層、および、多孔質層は、同一の成分を含むことが好ましい。

本発明の固体電解質形燃料電池において、アノードガス流通路壁部、カソードガス流通路壁部、アノード側分離層、および、カソード側分離層は、同一の材料から形成されていることが好ましい。

本発明の固体電解質形燃料電池は、複数のセルを含む電池構造部と、複数のセルの間に配置されるセル間分離部と、複数のアノードガス流通路にアノードガスを供給するアノードガス供給流路と、複数のカソードガス流通路にカソードガスを供給するカソードガス供給流路とを有するガス供給流路構造部とを備える。セル間分離部が、アノードガス流通路層と、カソードガス流通路層と、アノード側分離層と、カソード側分離層と、多孔質層とを含む。電池構造部、セル間分離部、および、ガス供給流路構造部が一体的に形成されている。

このように構成することにより、セパレータとマニホールドの二つの機能を果たす部分を連続して形成することができる。

本発明に従った固体電解質形燃料電池の製造方法は、上述の固体電解質形燃料電池の製造方法であって、炭素または有機物からなる充填物を焼成により消失させることによって多孔質層の気孔を形成する。

以上のように本発明によれば、セパレータに生じる応力を緩和することができ、セパレータにクラックが発生するのを防止することができるので、発電性能の低下を抑制することができる。

図１は、本発明の一つの実施の形態として固体電解質形燃料電池の単位モジュールの概略的な構成を示す分解斜視図である。 図２は、本発明の一つの実施形態として、セルとカソード側分離層との間に配置されるリブと多孔質層を示す部分断面図である。 図３は、本発明のもう一つの実施形態として、セルとアノード側分離層との間に配置されるリブと多孔質層を示す部分断面図である。 図４は、本発明の別の実施形態として、セルとカソード側分離層との間に配置されるリブと多孔質層を示す部分断面図である。 図５は、本発明のさらに別の実施形態として、セルとアノード側分離層との間に配置されるリブと多孔質層を示す部分断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の一つの実施の形態として固体電解質形燃料電池の単位モジュール１の概略的な構成を示す分解斜視図であり、焼成前の積層された成形体（グリーンシート）を分解して示す。

図１に示すように、下から順に、セル間分離部２０、セル１０、および、セル間分離部２０が積層されることにより、固体電解質形燃料電池の単位モジュール１が構成されている。単一のセル１０を挟むように二つのセル間分離部２０が配置されている。図１の単位モジュールを複数備えることによって構成される固体電解質形燃料電池では、セル間分離部２０が複数のセル１０の間に配置される。

セル１０は、アノード層としての燃料極層１１、固体電解質層１２、および、カソード層としての空気極層１３の積層体からなる。セル１０の空気極層１３側に配置されるセル間分離部２０は、カソード側分離層２１ａと、カソードガス流通路層としての空気流通路層２３との積層体からなる。セル１０の燃料極層１１側に配置されるセル間分離部２０は、アノード側分離層２１ｂと、アノードガス流通路層としての燃料ガス流通路層２２との積層体からなる。

セル間分離部２０、セル１０、および、セル間分離部２０の積層体には、セル１０にアノードガス（燃料ガス）とカソードガス（空気）を供給するためのガス供給流路構造部３０が形成されている。ガス供給流路構造部３０は、燃料極層１１にアノードガス（燃料ガス）を供給するためのアノードガス供給流路としての燃料ガス供給流路３１と、空気極層１３にカソードガス（空気）を供給するためのカソードガス供給流路としての空気供給流路３２とから構成される。

セル１０の燃料極層１１が配置される箇所では、燃料ガス供給流路３１が、Ｕ字形平板状の電気絶縁体１１０に矩形平板状の燃料極層１１を嵌めることによって電気絶縁体１１０と燃料極層１１との間に形成される隙間に相当し、一方向に延在する開口、すなわち、一つの細長い矩形状の貫通孔で形成されている。電気絶縁体１１０には、空気供給流路３２が、一方向に間隔をあけて配置された複数の開口、すなわち、複数の円形状の貫通孔で形成されている。

セル１０の空気極層１３が配置される箇所では、空気供給流路３２が、Ｕ字形平板状の電気絶縁体１３０に矩形平板状の空気極層１３を嵌めることによって電気絶縁体１３０と空気極層１３との間に形成される隙間に相当し、一方向に延在する開口、すなわち、一つの細長い矩形状の貫通孔で形成されている。電気絶縁体１３０には、燃料ガス供給流路３１が、一方向に間隔をあけて配置された複数の開口、すなわち、複数の円形状の貫通孔で形成されている。

固体電解質層１２には、燃料ガス供給流路３１と空気供給流路３２のそれぞれが、一方向に間隔をあけて配置された複数の開口、すなわち、複数の円形状の貫通孔で形成されている。

カソード側分離層２１ａとアノード側分離層２１ｂとには、燃料ガス供給流路３１と空気供給流路３２のそれぞれが、一方向に間隔をあけて配置された複数の開口、すなわち、複数の円形状の貫通孔で形成されている。

燃料ガス流通路層２２の焼成前のグリーンシートは、互い違いに並んだ複数の燃料ガス流通路形成層（アノードガス流通路形成層）２２１０と燃料ガス流通路壁部（アノードガス流通路壁部；リブ）２２２とをＵ字形平板状の電気絶縁体２２０に嵌めることによって形成されている。燃料ガス供給流路３１が、電気絶縁体２２０と、複数の燃料ガス流通路形成層２２１０および燃料ガス流通路壁部２２２との間に形成される隙間に相当し、一方向に延在する開口、すなわち、一つの細長い矩形状の貫通孔で形成されている。燃料ガス流通路形成層２２１０は、焼成後において消失することによって、燃料極層１１に燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路３１に通じ、かつ、燃料極層１１に燃料ガスを流通させる燃料ガス流通路（アノードガス流通路）になる。電気絶縁体２２０には、空気供給流路３２が、一方向に間隔をあけて配置された複数の開口、すなわち、複数の円形状の貫通孔で形成されている。

空気流通路層２３の焼成前のグリーンシートは、互い違いに並んだ複数の空気流通路形成層（カソードガス流通路形成層）２３１０と空気流通路壁部（カソードガス流通路壁部；リブ）２３２とをＵ字形平板状の電気絶縁体２３０に嵌めることによって形成されている。空気供給流路３２が、電気絶縁体２３０と、複数の空気流通路形成層２３１０および空気流通路壁部２３２との間に形成される隙間に相当し、一方向に延在する開口、すなわち、一つの細長い矩形状の貫通孔で形成されている。空気流通路形成層２３１０は、焼成後において消失することによって、空気極層１３に空気を供給する空気供給流路３２に通じ、かつ、空気極層１３に空気を流通させる空気流通路（カソードガス流通路）になる。電気絶縁体２３０には、燃料ガス供給流路３１が、一方向に間隔をあけて配置された複数の開口、すなわち、複数の円形状の貫通孔で形成されている。

以上のように構成された固体電解質形燃料電池の一つの実施形態では、図２に示すように、カソード側において、セル１０とカソード側分離層２１ａとの間には、ほぼ同一の横断面積を有する柱状の空気流通路壁部（カソードガス流通路壁部；リブ）２３２と多孔質層４０とが互いに接するように配置されている。空気流通路壁部２３２は、セル１０のカソード側に配置され、すなわち、空気極層１３（図１）に接するように配置されている。多孔質層４０は、カソード側分離層２１ａに接するように配置されている。

固体電解質形燃料電池のもう一つの実施形態では、図３に示すように、アノード側において、セル１０とアノード側分離層２１ｂとの間には、ほぼ同一の横断面積を有する柱状の燃料ガス流通路壁部（アノードガス流通路壁部；リブ）２２２と多孔質層４０とが互いに接するように配置されている。燃料ガス流通路壁部２２２は、セル１０のアノード側に配置され、すなわち、燃料極層１１（図１）に接するように配置されている。多孔質層４０は、アノード側分離層２１ｂに接するように配置されている。

固体電解質形燃料電池の別の実施形態では、図４に示すように、カソード側では、セル１０とカソード側分離層２１ａとの間には、柱状の空気流通路壁部（カソードガス流通路壁部；リブ）２３２と、柱状の空気流通路壁部２３２よりも横断面積が大きく、かつ、カソード側分離層２１ａとほぼ同一の横断面積を有する平板状の多孔質層４０とが互いに接するように配置されている。空気流通路壁部２３２は、セル１０のカソード側に配置され、すなわち、空気極層１３（図１）に接するように配置されている。平板状の多孔質層４０は、カソード側分離層２１ａに接するように配置されている。

固体電解質形燃料電池のさらに別の実施形態では、図５に示すように、アノード側では、セル１０とアノード側分離層２１ｂとの間には、柱状の燃料ガス流通路壁部（アノードガス流通路壁部；リブ）２２２と、柱状の燃料ガス流通路壁部２２２よりも横断面積が大きく、かつ、アノード側分離層２１ｂとほぼ同一の横断面積を有する平板状の多孔質層４０とが互いに接するように配置されている。燃料ガス流通路壁部２２２は、セル１０のアノード側に配置され、すなわち、燃料極層１１（図１）に接するように配置されている。多孔質層４０は、アノード側分離層２１ｂに接するように配置されている。

カソード側が図２に示されるように構成され、かつ、アノード側が図３に示されるように構成されてもよく、あるいは、カソード側が図４に示されるように構成され、かつ、アノード側が図５に示されるように構成されてもよい。カソード側のみが図２または図４に示されるように構成されてもよく、アノード側のみが図３または図５に示されるように構成されてもよい。

以上のように本発明の固体電解質形燃料電池においては、アノード側およびカソード側の少なくとも一方の側においてリブとセパレータとの間に多孔質層４０が介在している。このため、焼成から冷却までの一連の収縮の挙動において、リブとセパレータとの間に介在する多孔質層４０が収縮変動することにより、セルとセパレータまたはリブとの収縮率が異なることによって生じる応力を緩和することができる。その結果、セパレータに生じる応力を緩和することができ、セパレータにクラックが発生するのを防止することができる。これにより、発電性能の低下を抑制することができる。なお、固体電解質形燃料電池の積層体を一体焼成によって製造する場合、各材料の収縮率は２０±５％である。

本発明の固体電解質形燃料電池において、図２〜図５に示すように、燃料ガス流通路壁部（リブ）２２２または空気流通路壁部（リブ）２３２の厚みＴｒと多孔質層４０の厚みＴｐとの合計に対する多孔質層４０の厚みＴｐの比率（Ｔｐ／（Ｔｐ＋Ｔｒ））は、９％以上５０％以下であることが好ましい。上記の比率を所定の範囲に限定することにより、セパレータにクラックが発生するのをより効果的に防止することができる。

また、本発明の固体電解質形燃料電池において、多孔質層４０の気孔率は、１０％以上６０％以下であることが好ましい。多孔質層４０の気孔率を上記の範囲に限定することにより、セパレータにクラックが発生するのをより効果的に防止することができる。

なお、多孔質層４０の気孔は、多孔質層４０を形成する後述の材料に炭素または有機物を混合して充填させ、その充填物を焼成により消失させることによって形成される。焼成後に得られる多孔質層４０の気孔率は、材料に含まれる炭素成分または有機物成分の量を変化させることによって調整することができる。カソード側分離層２１ａおよびアノード側分離層２１ｂの本体を形成する電気絶縁体２１０は、ガスが通過し得ない緻密体であり、多孔質体ではない。ここでいう緻密体は、気孔率が０％以上９％以下である。

さらに、本発明の固体電解質形燃料電池において、燃料ガス流通路壁部（リブ）２２２または空気流通路壁部（リブ）２３２の厚みＴｒは、１００μｍ以上６００μｍ以下であることが好ましい。リブの厚みＴｒが上記の範囲であれば、セパレータにクラックが発生するのをより効果的に防止することができる。

図１に示すように、セル１０で発生した電力を取り出すために、かつ、複数のセル１０を相互に電気的に接続するために導電体２１１、２２３、２３３が配置されている。導電体２１１は、アノード側分離層２１ｂおよびカソード側分離層２１ａの本体を構成する電気絶縁体２１０内に形成された複数のビアホールに充填されている。導電体２２３は、燃料ガス流通路壁部（リブ）２２２内に形成された複数のビアホールに充填されている。導電体２３３は、空気流通路壁部（リブ）２３２内に形成された複数のビアホールに充填されている。上記の場合、燃料ガス流通路壁部（リブ）２２２、および、空気流通路壁部（リブ）２３２は、たとえば、電気絶縁性のセラミック材料から形成され、アノード側分離層２１ｂおよびカソード側分離層２１ａの本体を構成する電気絶縁体２１０、燃料ガス流通路層２２を構成する電気絶縁体２２０、および、空気流通路層２３を構成する電気絶縁体２３０と同一の材料から形成されるのが好ましい。このように構成することによって、焼成によって一体的に連続して形成することができる。

なお、燃料ガス流通路壁部（リブ）２２２、および、空気流通路壁部（リブ）２３２は、機能的には導電性を有する必要があるため、導電体を充填するビアホールを形成しないで、導電性のセラミックスから形成されてもよい。

アノード側分離層２１ｂおよびカソード側分離層２１ａの本体を構成する電気絶縁体２１０、燃料ガス流通路壁部（リブ）２２２、および、空気流通路壁部（リブ）２３２は、安定化ジルコニア、部分安定化ジルコニア、希土類元素がドープされたセリア、希土類元素がドープされたランタンガレート等の電解質材料； アルカリ土類金属元素がドープされたランタンクロマイト、希土類元素，ニオブまたはタンタルがドープされたチタン酸ストロンチウム、ランタンフェレート、アルミニウムで置換されたランタンフェレート等の導電性のセラミック材料； アルミナ、マグネシア、チタン酸ストロンチウム、これらの混合材料等の電気絶縁性のセラミック材料などによって形成することができる。

多孔質層４０を形成する材料は、アノード側分離層２１ｂおよびカソード側分離層２１ａの本体を構成する電気絶縁体２１０、燃料ガス流通路壁部（リブ）２２２、および、空気流通路壁部（リブ）２３２を形成する材料と同じであることが好ましく、その同じ材料と酸化ニッケルを含む材料であってもよい。アノード側分離層２１ｂおよびカソード側分離層２１ａの本体を構成する電気絶縁体２１０の材料と、燃料ガス流通路壁部（リブ）２２２と空気流通路壁部（リブ）２３２を形成する材料とが異なる材料で、電気絶縁性のセラミック材料と導電性のセラミック材料との組み合わせであるとき、相互拡散により、燃料ガス流通路壁部（リブ）２２２、および、空気流通路壁部（リブ）２３２の導電性が損なわれる場合がある。希土類元素がドープされたセリアは化学的に安定であるので、多くの他の材料と組み合わせて用いることができる。

要約すれば、本発明の固体電解質形燃料電池において、燃料ガス流通路壁部（リブ）２２２、空気流通路壁部（リブ）２３２、アノード側分離層２１ｂ、カソード側分離層２１ａ、および、多孔質層４０は、同一の成分を含むことが好ましい。また、本発明の固体電解質形燃料電池において、燃料ガス流通路壁部（リブ）２２２、空気流通路壁部（リブ）２３２、アノード側分離層２１ｂ、および、カソード側分離層２１ａは、同一の材料から形成されていることが好ましい。

また、本発明の固体電解質形燃料電池は、複数のセル１０を含む電池構造部と、複数のセル１０の間に配置されるセル間分離部２０と、複数の燃料ガス流通路に燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路３１と、複数の空気流通路に空気を供給する空気供給流路３２とを有するガス供給流路構造部３０とを備えている。この場合、セル間分離部２０は、燃料ガス流通路層２２と、空気流通路層２３と、多孔質層４０とを含み、複数のセル１０を含む電池構造部、セル間分離部２０、および、ガス供給流路構造部３０が一体的に形成されている。

このように構成することにより、セパレータとマニホールドの二つの機能を果たす部分を一体的に連続して形成することができる。

なお、電気絶縁体１１０、１３０、２１０、２２０、２３０は、たとえば、添加量３モル％のイットリア（Ｙ_２Ｏ_３）で安定化されたジルコニア（ＺｒＯ_２）（イットリア安定化ジルコニア：ＹＳＺ）、添加量１２モル％のセリア（ＣｅＯ_２）で安定化されたジルコニア（ＺｒＯ_２）（セリア安定化ジルコニア：ＣｅＳＺ）等を用いて形成される。導電体２１１、２２３、２３３は、たとえば、銀（Ａｇ）‐白金（Ｐｔ）合金、銀（Ａｇ）‐パラジウム（Ｐｄ）合金等を用いて形成される。固体電解質層１２は、たとえば、添加量１０モル％のスカンジア（Ｓｃ_２Ｏ_３）と添加量１モル％のセリア（ＣｅＯ_２）で安定化されたジルコニア（ＺｒＯ_２）（スカンジアセリア安定化ジルコニア：ＳｃＣｅＳＺ）、添加量１１モル％のスカンジア（Ｓｃ_２Ｏ_３）で安定化されたジルコニア（ＺｒＯ_２）（スカンジア安定化ジルコニア：ＳｃＳＺ）等を用いて形成される。燃料極層１１は、たとえば、酸化ニッケル（ＮｉＯ）と、添加量１０モル％のスカンジア（Ｓｃ_２Ｏ_３）と添加量１モル％のセリア（ＣｅＯ_２）で安定化されたジルコニア（ＺｒＯ_２）（スカンジアセリア安定化ジルコニア：ＳｃＣｅＳＺ）との混合物等を用いて形成される。空気極層１３は、たとえば、Ｌａ_０．８Ｓｒ_０．２ＭｎＯ_３と、添加量１０モル％のスカンジア（Ｓｃ_２Ｏ_３）と添加量１モル％のセリア（ＣｅＯ_２）で安定化されたジルコニア（ＺｒＯ_２）（スカンジアセリア安定化ジルコニア：ＳｃＣｅＳＺ）との混合物等を用いて形成される。

（実施例）
以下、上述した実施形態に基づいて本発明の固体電解質形燃料電池を作製した実施例として、リブの厚みＴｒと多孔質層の厚みＴｐとの合計に対する多孔質層の厚みＴｐの比率（Ｔｐ／（Ｔｐ＋Ｔｒ））が異なる実施例１〜１５と、本発明の構造と比較するために多孔質層がない固体電解質形燃料電池を作製した比較例について説明する。

まず、図１〜図５に示す実施形態の固体電解質形燃料電池の単位モジュールを構成する部材（Ａ）〜（Ｅ）の材料粉末を以下のとおり準備した。

（Ａ）燃料極層１１：酸化ニッケル（ＮｉＯ）６０重量％と、添加量１０モル％のスカンジア（Ｓｃ_２Ｏ_３）と添加量１モル％のセリア（ＣｅＯ_２）で安定化されたジルコニア（ＺｒＯ_２）（スカンジアセリア安定化ジルコニア：ＳｃＣｅＳＺ）４０重量％との混合物

（Ｂ）固体電解質層１２：添加量１０モル％のスカンジア（Ｓｃ_２Ｏ_３）と添加量１モル％のセリア（ＣｅＯ_２）で安定化されたジルコニア（ＺｒＯ_２）（スカンジアセリア安定化ジルコニア：ＳｃＣｅＳＺ）

（Ｃ）空気極層１３：Ｌａ_０．８Ｓｒ_０．２ＭｎＯ_３６０重量％と、添加量１０モル％のスカンジア（Ｓｃ_２Ｏ_３）と添加量１モル％のセリア（ＣｅＯ_２）で安定化されたジルコニア（ＺｒＯ_２）（スカンジアセリア安定化ジルコニア：ＳｃＣｅＳＺ）４０重量％との混合物

（Ｄ）電気絶縁体１１０、電気絶縁体１３０、セパレータ２１の電気絶縁体２１０、燃料ガス流通路層２２の電気絶縁体２２０と燃料ガス流通路壁部（リブ）２２２、および、空気流通路層２３の電気絶縁体２３０と空気流通路壁部（リブ）２３２：添加量３モル％のイットリア（Ｙ_２Ｏ_３）で安定化されたジルコニア（ＺｒＯ_２）（イットリア安定化ジルコニア：３ＹＳＺ）

（Ｅ）多孔質層４０：添加量３モル％のイットリア（Ｙ_２Ｏ_３）で安定化されたジルコニア（ＺｒＯ_２）（イットリア安定化ジルコニア：３ＹＳＺ）、または、酸化ニッケル（ＮｉＯ）７０重量％と、添加量１０モル％のスカンジア（Ｓｃ_２Ｏ_３）と添加量１モル％のセリア（ＣｅＯ_２）で安定化されたジルコニア（ＺｒＯ_２）（スカンジアセリア安定化ジルコニア：ＳｃＣｅＳＺ）３０重量％との混合物（ＮｉＯ−ＳｃＣｅＳＺ）

まず、図１に示すように、部材（Ｄ）を以下のように作製した。

カソード側分離層２１ａとアノード側分離層２１ｂの電気絶縁体２１０、燃料ガス流通路層２２の電気絶縁体２２０と燃料ガス流通路壁部（リブ）２２２、および、空気流通路層２３の電気絶縁体２３０と空気流通路壁部（リブ）２３２については、上記の材料粉末と、ポリビニルブチラール系バインダーと、有機溶媒としてのエタノールとトルエンとの混合物（重量比率で混合比が１：４）とを混合した後、各部材のグリーンシートを作製した。

カソード側分離層２１ａとアノード側分離層２１ｂの電気絶縁体２１０、燃料ガス流通路層２２の燃料ガス流通路壁部（リブ）２２２、および、空気流通路層２３の空気流通路壁部（リブ）２３２のグリーンシートでは、図１に示すように、電気絶縁体に複数の導電体２１１、２２３、２３３を形成するための貫通孔を形成した。これらの貫通孔に７０重量％の銀と３０重量％のパラジウムとからなるペーストを充填することにより、導電体２１１、２２３、２３３を形成するための導電性ペースト充填層を作製した。

また、図１に示すように、カソード側分離層２１ａとアノード側分離層２１ｂの電気絶縁体２１０、燃料ガス流通路層２２の電気絶縁体２２０、および、空気流通路層２３の電気絶縁体２３０には、燃料ガス供給流路３１と空気供給流路３２を形成するために、円形の貫通孔を形成した。円形の貫通孔は、直径が４．５ｍｍで１２ｍｍの間隔で均等に５個配置した。

燃料ガス流通路層２２のグリーンシートでは、図１に示すように、燃料ガス供給流路３１を形成するための矩形の貫通孔に接続するように、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）からなる燃料ガス流通路形成層２２１０を形成した。この燃料ガス流通路形成層２２１０は、焼成後において消失することにより、燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路３１に通じ、かつ、燃料極層１１に燃料ガスを流通させる燃料ガス流通路になる。なお、図１では３つの燃料ガス流通路が形成されるようになっているが、実際には幅が０．８ｍｍで長さが６１．５ｍｍの燃料ガス流通路２２１を０．８ｍｍの間隔（リブ）で多数配置した。なお、上記の矩形の貫通孔は、幅が４．５ｍｍで長さが６１．５ｍｍであった。

空気流通路層２３のグリーンシートでは、図１に示すように、空気供給流路３２を形成するための矩形の貫通孔に接続するように、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）からなる空気流通路形成層２３１０を形成した。この空気流通路形成層２３１０は、焼成後において消失することにより、空気を供給する空気供給流路３２に通じ、かつ、空気極層１３に空気を流通させる空気流通路になる。なお、図１では３つの空気流通路が形成されるようになっているが、実際には幅が０．８ｍｍで長さが６１．５ｍｍの空気流通路２３１を０．８ｍｍの間隔（リブ）で多数配置した。なお、上記の矩形の貫通孔は、幅が４．５ｍｍで長さが６１．５ｍｍであった。

次に、電気絶縁体１３０については、電気絶縁材料粉末と、ポリビニルブチラール系バインダーと、有機溶媒としてのエタノールとトルエンとの混合物（重量比率で混合比が１：４）とを混合した後、ドクターブレード法により電気絶縁体１３０のグリーンシートを作製した。

電気絶縁体１３０のグリーンシートでは、空気供給流路３２を形成するために幅が４．５ｍｍで長さが６１．５ｍｍの矩形の隙間を存在させて空気極層１３のグリーンシートを嵌め合わせすることができるように、図１に示すように、ほぼＵ字形状のシートを作製した。また、図１に示すように電気絶縁体１３０に燃料ガス供給流路３１を形成するために上記と同様の大きさの円形の貫通孔を電気絶縁体１３０のグリーンシートに形成した。

そして、電気絶縁体１１０については、電気絶縁材料粉末と、ポリビニルブチラール系バインダーと、有機溶媒としてのエタノールとトルエンとの混合物（重量比率で混合比が１：４）とを混合した後、ドクターブレード法により電気絶縁体１１０のグリーンシートを作製した。

電気絶縁体１１０のグリーンシートでは、燃料ガス供給流路３１を形成するために幅が４．５ｍｍで長さが６１．５ｍｍの矩形の隙間を存在させて燃料極層１１のグリーンシートを嵌め合わせすることができるように、図１に示すように、ほぼＵ字形状のシートを作製した。また、図１に示すように電気絶縁体１１０に空気供給流路３２を形成するために上記と同様の大きさの円形の貫通孔を電気絶縁体１１０のグリーンシートに形成した。

次に、図１に示す空気極層１３、燃料極層１１、および、固体電解質層１２のグリーンシートを以下のようにして作製した。

燃料極層１１と空気極層１３のそれぞれの材料粉末と、ポリビニルブチラール系バインダーと、有機溶媒としてのエタノールとトルエンとの混合物（重量比率で混合比が１：４）とを混合した後、ドクターブレード法により、燃料極層１１と空気極層１３のグリーンシートを作製した。

固体電解質層１２の材料粉末と、ポリビニルブチラール系バインダーと、有機溶媒としてのエタノールとトルエンとの混合物（重量比率で混合比が１：４）とを混合した後、ドクターブレード法により固体電解質層１２のグリーンシートを作製した。固体電解質層１２のグリーンシートには、図１に示すように、燃料ガス供給流路３１と空気供給流路３２を形成するための上記と同様の大きさの円形の貫通孔を形成した。

さらに、図２〜図５に示す柱状または平板状の多孔質層４０のグリーンシートについては、上記の材料粉末と、ポリビニルブチラール系バインダーと、有機溶媒としてのエタノールとトルエンとの混合物（重量比率で混合比が１：４）とを混合した後、柱状または平板状のグリーンシートを作製した。なお、上記のグリーンシートの材料に含まれる炭素成分または有機物成分の量を変化させることによって、焼成後に得られる多孔質層４０の気孔率を調整した。

以上のようにして作製されたアノード側分離層２１ｂ、燃料ガス流通路層２２、支持層４０、燃料極層１１が嵌め合わせられた電気絶縁体１１０、固体電解質層１２、空気極層１３が嵌め合わせられた電気絶縁体１３０、空気流通路層２３、および、カソード側分離層２１ａのグリーンシートを図１に示すように下から順に積層した。

以下の表１に示すように、実施例１、２、５、８、１０では、図４に示すように、カソード側分離層２１ａと空気流通路層２３（空気流通路壁部（リブ）２３２）との間に平板状の多孔質層４０を配置した。実施例３、４、６、７、９では、図２に示すように、カソード側分離層２１ａと空気流通路層２３（空気流通路壁部（リブ）２３２）との間に柱状の多孔質層４０を配置した。実施例１０、１３〜１５では、図５に示すように、アノード側分離層２１ｂと燃料ガス流通路層２２（燃料ガス流通路壁部（リブ）２２２）との間に平板状の多孔質層４０を配置した。実施例１１・BR>A１２では、図３に示すように、アノード側分離層２１ｂと燃料ガス流通路層２２（燃料ガス流通路壁部（リブ）２２２）との間に柱状の多孔質層４０を配置した。

以下の表１に示すように、カソード側分離層２１ａと空気流通路層２３（空気流通路壁部（リブ）２３２）との間に多孔質層４０を配置する実施例１〜１０では、多孔質層４０の材料として３ＹＳＺを用いた。アノード側分離層２１ｂと燃料ガス流通路層２２（燃料ガス流通路壁部（リブ）２２２）との間に多孔質層４０を配置する実施例１０〜１５では、多孔質層４０の材料としてＮｉＯ−ＳｃＣｅＳＺを用いた。

このようにして、カソード側分離層２１ａ（焼成後の厚み：３００μｍ）／空気流通路層２３／空気極層１３（焼成後の厚み：８０μｍ）／固体電解質層１２（焼成後の厚み：４０μｍ）／燃料極層１１（焼成後の厚み：８０μｍ）／燃料ガス流通路層２２／アノード側分離層２１ｂ（焼成後の厚み：３００μｍ）からなる固体電解質形燃料電池の単位モジュール１を構成した。

なお、焼成後における、多孔質層４０の厚みＴｐ、多孔質層４０を配置する箇所の空気流通路層２３または燃料ガス流通路層２２（リブ）の厚みＴｒ、多孔質層４０の気孔率、および、リブの厚みＴｒと多孔質層４０の厚みＴｐとの合計に対する多孔質層の厚みＴｐの比率（Ｔｐ／（Ｔｐ＋Ｔｒ））を以下の表１に示す。なお、多孔質層を配置しない箇所では、空気流通路層２３（空気流通路壁部（リブ）２３２）または燃料ガス流通路層２２（燃料ガス流通路壁部（リブ）２２２）の厚みは５００μｍとした。

次に、固体電解質形燃料電池の単位モジュール１を１０００ｋｇｆ／ｃｍ^２の圧力、８０℃の温度にて２分間、冷間静水圧成形することにより圧着した。この圧着体を温度４００〜５００℃の範囲内で脱脂処理を施した後、温度１０００℃〜１３００℃の範囲内で２時間保持することにより、焼成した。このようにして実施例１〜１５と比較例の固体電解質形燃料電池の試料（積層体において燃料極層１１、固体電解質層１２、および、空気極層１３が重複する平面領域の面積（発電面積）：６５ｍｍ×６５ｍｍ）を作製した。

（評価）
得られた実施例１〜１５と比較例の各試料の燃料電池においてセパレータのガスリーク試験を行った。ガスリーク試験は、燃料電池に５０ｋＰａの圧力で窒素ガスを導入し、燃料電池のガス出口を封止した状態で内部圧力を測定することによって行った。ガスのリークが生じていなければ、内部圧力は５０ｋＰａを維持し、ガスのリークが生じていれば、内部圧力は５０ｋＰａより低下する。その測定結果を以下の表１に示す。

以上の結果から、実施例１〜１５では内部圧力は５０ｋＰａを維持することができ、比較例では内部圧力が低下したことがわかる。比較例の燃料電池では、多孔質層がないのでセパレータにクラックが生じたため、内部圧力が低下したものと考えられる。

今回開示された実施の形態と実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考慮されるべきである。本発明の範囲は以上の実施の形態と実施例ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての修正と変形を含むものであることが意図される。

１：固体電解質形燃料電池の単位モジュール
１０：セル
１１：燃料極層
１２：固体電解質層
１３：空気極層
２０：セル間分離部
２１ａ：カソード側分離層
２１ｂ：アノード側分離層
２２：燃料ガス流通路層
２３：空気流通路層
３０：ガス供給流路構造部
３１：燃料ガス供給流路
３２：空気供給流路
４０：多孔質層
２１１，２２３，２３３：導電体
２２２：燃料ガス流通路壁部（リブ）
２３２：空気流通路壁部（リブ）
Ｔｐ：多孔質層の厚み
Ｔｒ：リブの厚み

Claims (9)

1. アノード層、固体電解質層およびカソード層の積層体からなるセルと、
   前記セルのアノード層の外側に積層され、前記アノード層にアノードガスを供給する複数のアノードガス流通路の各々を互いに分離するように間隔をあけて形成される複数のアノードガス流通路壁部を有するアノードガス流通路層と、
   前記セルのカソード層の外側に積層され、前記カソード層にカソードガスを供給する複数のカソードガス流通路の各々を互いに分離するように間隔をあけて形成される複数のカソードガス流通路壁部を有するカソードガス流通路層と、
   前記アノードガス流通路層の外側に積層されたアノード側分離層と、
   前記カソードガス流通路層の外側に積層されたカソード側分離層と、
   前記複数のアノードガス流通路壁部と前記アノード側分離層との間、および、前記複数のカソードガス流通路壁部と前記カソード側分離層との間の少なくとも一方に配置された多孔質層と、
   を備え、前記多孔質層の気孔率が、１０％以上６０％以下である、固体電解質形燃料電池。
2. 前記アノードガス流通路壁部または前記カソードガス流通路壁部の厚みと前記多孔質層の厚みとの合計に対する前記多孔質層の厚みの比率が、０．０９以上０．５０以下である、請求項１に記載の固体電解質形燃料電池。
3. 前記アノードガス流通路壁部または前記カソードガス流通路壁部の厚みが、１００μｍ以上６００μｍ以下である、請求項１または２に記載の固体電解質形燃料電池。
4. 前記多孔質層の積層方向に直交する断面積が、前記アノードガス流通路壁部または前記カソードガス流通路壁部の積層方向に直交する断面積とほぼ同一である、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の固体電解質形燃料電池。
5. 前記多孔質層の積層方向に直交する断面積が、前記アノード側分離層または前記カソード側分離層の積層方向に直交する断面積とほぼ同一である、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の固体電解質形燃料電池。
6. 前記アノードガス流通路壁部、前記カソードガス流通路壁部、前記アノード側分離層、前記カソード側分離層、および、前記多孔質層が、同一の成分を含む、請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の固体電解質形燃料電池。
7. 前記アノードガス流通路壁部、前記カソードガス流通路壁部、前記アノード側分離層、および、前記カソード側分離層が、同一の材料から形成されている、請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の固体電解質形燃料電池。
8. 複数の前記セルを含む電池構造部と、
   前記複数のセルの間に配置されるセル間分離部と、
   前記複数のアノードガス流通路にアノードガスを供給するアノードガス供給流路と、前記複数のカソードガス流通路にカソードガスを供給するカソードガス供給流路とを有するガス供給流路構造部とを備え、
   前記セル間分離部が、前記アノードガス流通路層と、前記カソードガス流通路層と、前記アノード側分離層と、前記カソード側分離層と、前記多孔質層とを含み、
   前記電池構造部、前記セル間分離部、および、前記ガス供給流路構造部が一体的に形成されている、請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の固体電解質形燃料電池。
9. 請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載の固体電解質形燃料電池の製造方法であって、
   炭素または有機物からなる充填物を焼成により消失させることによって前記多孔質層の気孔を形成する、固体電解質形燃料電池の製造方法。

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