JP2002083611A - 固体電解質型燃料電池 - Google Patents
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- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
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- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Abstract
(57)【要約】
【課題】 低温作動するペロブスカイト型固体電解質を
用いた固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）において、固
体電解質の混合伝導を防ぎ、酸素イオンの実効的な輸率
を向上させ、もって出力効率を改善することのできるＳ
ＯＦＣのを提供する。 【解決手段】 ペロブスカイト型化合物からなる第１固
体電解質層２を空気極３と燃料極４の間に挟持してなる
固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）において、ホール輸
率が第１固体電解質層より小さい第２固体電解質層５を
第１固体電解質層２と空気極３の間に、あるいは電子と
水素イオンによる伝導の割合が第１固体電解質層より小
さい第３固体電解質層６を第１固体電解質層２と燃料極
４の間に介在させる。さらには、これら第２および第３
固体電解質層４，５を第１固体電解質層２と空気極３お
よび燃料極４の間にそれぞれ介在させる。
用いた固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）において、固
体電解質の混合伝導を防ぎ、酸素イオンの実効的な輸率
を向上させ、もって出力効率を改善することのできるＳ
ＯＦＣのを提供する。 【解決手段】 ペロブスカイト型化合物からなる第１固
体電解質層２を空気極３と燃料極４の間に挟持してなる
固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）において、ホール輸
率が第１固体電解質層より小さい第２固体電解質層５を
第１固体電解質層２と空気極３の間に、あるいは電子と
水素イオンによる伝導の割合が第１固体電解質層より小
さい第３固体電解質層６を第１固体電解質層２と燃料極
４の間に介在させる。さらには、これら第２および第３
固体電解質層４，５を第１固体電解質層２と空気極３お
よび燃料極４の間にそれぞれ介在させる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ペロブスカイト型
化合物からなる固体電解質層を含む固体電解質型燃料電
池（以下、ＳＯＦＣ）に関するものである。
化合物からなる固体電解質層を含む固体電解質型燃料電
池（以下、ＳＯＦＣ）に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来の固体電解質型燃料電池（ＳＯＦ
Ｃ）の作動温度は、およそ１０００℃と高温であるた
め、ＳＯＦＣの運転の安定性や信頼性、耐高温材料の高
コストなどの課題を抱えていた。このため、ＳＯＦＣの
低温作動化が重要な課題としてとりあげられ、低温作動
化を実現するための材料開発、特に低温作動化の鍵とな
る固体電解質材料の開発が精力的に行われている。
Ｃ）の作動温度は、およそ１０００℃と高温であるた
め、ＳＯＦＣの運転の安定性や信頼性、耐高温材料の高
コストなどの課題を抱えていた。このため、ＳＯＦＣの
低温作動化が重要な課題としてとりあげられ、低温作動
化を実現するための材料開発、特に低温作動化の鍵とな
る固体電解質材料の開発が精力的に行われている。
【０００３】近年、報告された組成式Ｌａ１−ｘＳｒｘ
Ｇａ１−ｙＭｇｙＯ３−ｄで表されるＬａＧａ系ペロブ
スカイト型化合物固体電解質（Ｔ．Ｉｓｈｉｒａｒａ
等；Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．，１１６，３８０１
−３８０３（１９９４）等）は、低温での酸素イオン伝
導性に優れており、ＳＯＦＣの低温作動化に有効な電解
質材料として注目されている。そのＬａＧａ系電解質を
利用した技術として、特開平９−１６１８２４号公報で
は、ＬａＧａ系電解質に適した燃料極，空気極の材料を
示し、低温でも優れた発電特性を示すＳＯＦＣとその製
造方法を提案している。また、新しいＬａＧａ系電解質
材料として、組成式Ｌａ２−ｘ−ｙＬｎｘＡｙＧａ
１−ｚＢｚＯ３−０．５（ｘ＋ｙ＋ｚ）(ここで、Ｌｎ
はＹ，Ｙｂ，Ｇｄ，Ｓｍ，Ｎｄ、ＡはＳｒ，Ｂａ，Ｃ
ａ、ＢはＭｇ，Ｚｎ、Ｘ：０．０５〜０．１５、ｙ：
０．０５〜０．１５、ｚ：０．０５〜０．１５)で表さ
れるペロブスカイト型化合物も提案されている。
Ｇａ１−ｙＭｇｙＯ３−ｄで表されるＬａＧａ系ペロブ
スカイト型化合物固体電解質（Ｔ．Ｉｓｈｉｒａｒａ
等；Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．，１１６，３８０１
−３８０３（１９９４）等）は、低温での酸素イオン伝
導性に優れており、ＳＯＦＣの低温作動化に有効な電解
質材料として注目されている。そのＬａＧａ系電解質を
利用した技術として、特開平９−１６１８２４号公報で
は、ＬａＧａ系電解質に適した燃料極，空気極の材料を
示し、低温でも優れた発電特性を示すＳＯＦＣとその製
造方法を提案している。また、新しいＬａＧａ系電解質
材料として、組成式Ｌａ２−ｘ−ｙＬｎｘＡｙＧａ
１−ｚＢｚＯ３−０．５（ｘ＋ｙ＋ｚ）(ここで、Ｌｎ
はＹ，Ｙｂ，Ｇｄ，Ｓｍ，Ｎｄ、ＡはＳｒ，Ｂａ，Ｃ
ａ、ＢはＭｇ，Ｚｎ、Ｘ：０．０５〜０．１５、ｙ：
０．０５〜０．１５、ｚ：０．０５〜０．１５)で表さ
れるペロブスカイト型化合物も提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ＬａＧａ系ペロブスカ
イト型固体電解質は、ＳＯＦＣの低温作動温度におい
て、高い酸素イオン伝導を示すが、酸素イオン
（Ｏ２−）のみならず、ホール（ｈ ＋）等も伝導する、
いわゆる混合伝導性を示す。このため、酸素イオン輸率
は、６００℃で、約９０％程度しかない。この場合、ペ
ロブスカイト型固体電解質と各電極との間では、次のよ
うな反応が進行する。 《空気極／固体電解質間》 Ｏ２＋２ＶＯ＋２ｅ− ⇔ ２ＯＯＸ＋２ｈ＋ ・・・（ｆ−１） 《燃料極／固体電解質間》 ＯＯＸ＋Ｈ２ ⇔ Ｈ２Ｏ＋ＶＯ＋２ｅ− ・・・（ｆ−２ａ） Ｈ２Ｏ＋ＶＯ＋２ｅ−＋２ｈ＋ ⇔ Ｈ２Ｏ＋ＶＯ ・・・（ｆ−２ｂ） ここで、ＶＯはペロブスカイト型固体電解質中の酸素空
孔、ＯＯＸは酸素空孔に酸素イオンが収まった状態、ｅ
−は電子、ｈ＋はホールを意味する。これらの表示は、
Ｋｒｏｇｅｒ−Ｖｉｎｋの欠陥記号法による。
イト型固体電解質は、ＳＯＦＣの低温作動温度におい
て、高い酸素イオン伝導を示すが、酸素イオン
（Ｏ２−）のみならず、ホール（ｈ ＋）等も伝導する、
いわゆる混合伝導性を示す。このため、酸素イオン輸率
は、６００℃で、約９０％程度しかない。この場合、ペ
ロブスカイト型固体電解質と各電極との間では、次のよ
うな反応が進行する。 《空気極／固体電解質間》 Ｏ２＋２ＶＯ＋２ｅ− ⇔ ２ＯＯＸ＋２ｈ＋ ・・・（ｆ−１） 《燃料極／固体電解質間》 ＯＯＸ＋Ｈ２ ⇔ Ｈ２Ｏ＋ＶＯ＋２ｅ− ・・・（ｆ−２ａ） Ｈ２Ｏ＋ＶＯ＋２ｅ−＋２ｈ＋ ⇔ Ｈ２Ｏ＋ＶＯ ・・・（ｆ−２ｂ） ここで、ＶＯはペロブスカイト型固体電解質中の酸素空
孔、ＯＯＸは酸素空孔に酸素イオンが収まった状態、ｅ
−は電子、ｈ＋はホールを意味する。これらの表示は、
Ｋｒｏｇｅｒ−Ｖｉｎｋの欠陥記号法による。
【０００５】式（ｆ−１）に示すように、多孔性の空気
極と固体電解質との間では、酸素（Ｏ２）が供給される
とともに、燃料極で発生した電子（ｅ−）が外部回路を
介して供給される。酸素は、固体電解質の酸素空孔（Ｖ
Ｏ）に収まり、ＯＯＸとなり同時にホール（ｈ＋）を発
生する。また、ＯＯＸは、酸素イオン（Ｏ２−）とし
て、固体電解質中の酸素空孔ＶＯを媒介として、固体電
解質中を空気極側から燃料極側へ移動する。この酸素イ
オン（Ｏ２−）の移動に伴い、酸素空孔（ＶＯ）は、燃
料極側から空気極側に移動する。また、固体電解質が混
合伝導性を示す場合は、空気極側で発生したホール（ｈ
＋）も固体電解質を介して燃料極側に供給される。
極と固体電解質との間では、酸素（Ｏ２）が供給される
とともに、燃料極で発生した電子（ｅ−）が外部回路を
介して供給される。酸素は、固体電解質の酸素空孔（Ｖ
Ｏ）に収まり、ＯＯＸとなり同時にホール（ｈ＋）を発
生する。また、ＯＯＸは、酸素イオン（Ｏ２−）とし
て、固体電解質中の酸素空孔ＶＯを媒介として、固体電
解質中を空気極側から燃料極側へ移動する。この酸素イ
オン（Ｏ２−）の移動に伴い、酸素空孔（ＶＯ）は、燃
料極側から空気極側に移動する。また、固体電解質が混
合伝導性を示す場合は、空気極側で発生したホール（ｈ
＋）も固体電解質を介して燃料極側に供給される。
【０００６】一方、多孔性の燃料極と固体電解質との間
では、式（ｆ−２ａ）に示すように、水素（Ｈ２）が供
給されるとともに、固体電解質を介して空気極側から酸
素イオン（Ｏ２−）、即ちＯＯＸが供給され、水（Ｈ２
Ｏ）とともに、酸素空孔（Ｖ Ｏ）と電子（ｅ−）を生成
する。
では、式（ｆ−２ａ）に示すように、水素（Ｈ２）が供
給されるとともに、固体電解質を介して空気極側から酸
素イオン（Ｏ２−）、即ちＯＯＸが供給され、水（Ｈ２
Ｏ）とともに、酸素空孔（Ｖ Ｏ）と電子（ｅ−）を生成
する。
【０００７】しかし、式（ｆ−２ｂ）に示すように、固
体電解質が混合伝導性を示す場合は、空気極側で発生し
たホール（ｈ＋）も固体電解質を介して燃料極側に移動
するため、燃料極側で発生した電子（ｅ−）は、このホ
ール（ｈ＋）との間で対消滅を起こしてしまう。この結
果、電子（ｅ−）を外部回路に取り出すことができず、
ＳＯＦＣの出力効率は低下する。
体電解質が混合伝導性を示す場合は、空気極側で発生し
たホール（ｈ＋）も固体電解質を介して燃料極側に移動
するため、燃料極側で発生した電子（ｅ−）は、このホ
ール（ｈ＋）との間で対消滅を起こしてしまう。この結
果、電子（ｅ−）を外部回路に取り出すことができず、
ＳＯＦＣの出力効率は低下する。
【０００８】さらに、混合導電性を有する固体電解質を
用いた燃料電池では、発電に寄与する酸素イオン以外の
伝導体が電極間を移動するため、本来の燃料電池の開放
端電圧（ＯＣＶ）が低下し、その結果出力が低下する。
用いた燃料電池では、発電に寄与する酸素イオン以外の
伝導体が電極間を移動するため、本来の燃料電池の開放
端電圧（ＯＣＶ）が低下し、その結果出力が低下する。
【０００９】例えば、酸素イオン輸率がｔmo−の混合導
電性を有する固体電解質を用いた燃料電池の開放端電圧
（ＯＣＶ）Ｅm0は、酸素イオン輸率が１００％の燃料電
池のＯＣＶをＥ0とすると、 Ｅm0＝ｔmo−・Ｅ0 ・・・（ｆ−３） と表される。混合導電性固体電解質の酸素イオン輸率
は、ｔmo−＜１００％であるから、Ｅm0 ＜ Ｅ0とな
る。
電性を有する固体電解質を用いた燃料電池の開放端電圧
（ＯＣＶ）Ｅm0は、酸素イオン輸率が１００％の燃料電
池のＯＣＶをＥ0とすると、 Ｅm0＝ｔmo−・Ｅ0 ・・・（ｆ−３） と表される。混合導電性固体電解質の酸素イオン輸率
は、ｔmo−＜１００％であるから、Ｅm0 ＜ Ｅ0とな
る。
【００１０】また、上記混合導電性を有する固体電解質
を用いた燃料電池に負荷を接続し、負荷に電流密度Ｊの
電流を供給した場合の燃料電池の端子間電圧Ｅm(Ｊ)
は、固体電解質の単位面積あたりの酸素イオン伝導に対
する抵抗をＲmo−とすると、 Ｅm(Ｊ) ＝Ｅm0 −Ｊ・Ｒmo− ・・・（ｆ−４） となる。ここで、固体電解質の伝導度をσm、層の厚み
をＬｍとすると、固体電解質層の単位面積あたりの酸素
イオン伝導に対する抵抗Ｒmo−は、 Ｒmo−＝Lm／ｔmo−・σm と表すことができ、式（ｆ−４）は、 Ｅm(Ｊ) ＝ｔmo−・Ｅ0 −Ｊ・Ｌｍ／ｔmo−・σｍ ・・・（ｆ−５） となる。この式（ｆ−５）から、燃料電池の出力は固体
電解質の酸素イオン輸率ｔmo−が大きいほど高いことが
わかる。
を用いた燃料電池に負荷を接続し、負荷に電流密度Ｊの
電流を供給した場合の燃料電池の端子間電圧Ｅm(Ｊ)
は、固体電解質の単位面積あたりの酸素イオン伝導に対
する抵抗をＲmo−とすると、 Ｅm(Ｊ) ＝Ｅm0 −Ｊ・Ｒmo− ・・・（ｆ−４） となる。ここで、固体電解質の伝導度をσm、層の厚み
をＬｍとすると、固体電解質層の単位面積あたりの酸素
イオン伝導に対する抵抗Ｒmo−は、 Ｒmo−＝Lm／ｔmo−・σm と表すことができ、式（ｆ−４）は、 Ｅm(Ｊ) ＝ｔmo−・Ｅ0 −Ｊ・Ｌｍ／ｔmo−・σｍ ・・・（ｆ−５） となる。この式（ｆ−５）から、燃料電池の出力は固体
電解質の酸素イオン輸率ｔmo−が大きいほど高いことが
わかる。
【００１１】
【発明の目的】本発明は、上記した従来の課題を解決す
るためになされたものであって、低温作動するペロブス
カイト型固体電解質を用いたＳＯＦＣにおいて、固体電
解質の混合伝導を防ぎ、酸素イオンの実効的な輸率を向
上させ、もってＳＯＦＣの出力効率を改善することを目
的としている。
るためになされたものであって、低温作動するペロブス
カイト型固体電解質を用いたＳＯＦＣにおいて、固体電
解質の混合伝導を防ぎ、酸素イオンの実効的な輸率を向
上させ、もってＳＯＦＣの出力効率を改善することを目
的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明の第１の固体電解
質型燃料電池（ＳＯＦＣ）は、ペロブスカイト型化合物
からなる第１固体電解質層と、第１固体電解質層の一方
の面側に設けられた空気極と、第１固体電解質層の他方
の面側に設けられた燃料極と、第１固体電解質層と空気
極との間に介在する第２固体電解質層を有する固体電解
質型燃料電池であって、当該固体電解質型燃料電池の作
動条件下において、前記第２固体電解質層における電解
質の伝導担体であるイオン，電子，ホールによる伝導の
うちのホールによる伝導の割合が前記第１固体電解質よ
りも小さく、酸素イオンによる伝導の割合が大きい構成
としたことを特徴としている。
質型燃料電池（ＳＯＦＣ）は、ペロブスカイト型化合物
からなる第１固体電解質層と、第１固体電解質層の一方
の面側に設けられた空気極と、第１固体電解質層の他方
の面側に設けられた燃料極と、第１固体電解質層と空気
極との間に介在する第２固体電解質層を有する固体電解
質型燃料電池であって、当該固体電解質型燃料電池の作
動条件下において、前記第２固体電解質層における電解
質の伝導担体であるイオン，電子，ホールによる伝導の
うちのホールによる伝導の割合が前記第１固体電解質よ
りも小さく、酸素イオンによる伝導の割合が大きい構成
としたことを特徴としている。
【００１３】本発明の第１の固体電解質型燃料電池（Ｓ
ＯＦＣ）における好適形態としては、第１固体電解質層
の酸素イオン輸率をｔpo，全伝導度をσp，層厚をＬp、
第２固体電解質層の酸素イオン輸率をｔco，全伝導度を
σc，層厚をＬcとするとき、Ｌp／（ｔpo×σp）＞ Ｌc
／（ｔco×σc）の関係を満たすことが望ましく、同じ
く好適形態として、第１固体電解質層の酸素イオン輸率
をｔpo、第２固体電解質層の全伝導度をσc，層厚をＬ
c，酸素イオン輸率をｔco、燃料電池への負荷電流密度
をJ、燃料電池の理論起電力をＥ0とするとき、(ｔco −
ｔpo)・Ｅ0 ＞ J・Ｌc／ｔco・σcの関係を満たすことが望
ましい。
ＯＦＣ）における好適形態としては、第１固体電解質層
の酸素イオン輸率をｔpo，全伝導度をσp，層厚をＬp、
第２固体電解質層の酸素イオン輸率をｔco，全伝導度を
σc，層厚をＬcとするとき、Ｌp／（ｔpo×σp）＞ Ｌc
／（ｔco×σc）の関係を満たすことが望ましく、同じ
く好適形態として、第１固体電解質層の酸素イオン輸率
をｔpo、第２固体電解質層の全伝導度をσc，層厚をＬ
c，酸素イオン輸率をｔco、燃料電池への負荷電流密度
をJ、燃料電池の理論起電力をＥ0とするとき、(ｔco −
ｔpo)・Ｅ0 ＞ J・Ｌc／ｔco・σcの関係を満たすことが望
ましい。
【００１４】また、本発明の第２の固体電解質型燃料電
池（ＳＯＦＣ）は、ペロブスカイト型化合物からなる第
１固体電解質層と、第１固体電解質層の一方の面側に設
けられた空気極と、第１固体電解質層の他方の面側に設
けられた燃料極と、第１固体電解質層と燃料極との間に
介在する第３固体電解質層を有する固体電解質型燃料電
池であって、当該固体電解質型燃料電池の作動条件下に
おいて、前記第３固体電解質層における電解質の伝導担
体であるイオン，電子，ホールによる伝導のうちの電子
とプロトンによる伝導の割合が前記第１固体電解質より
も小さく、酸素イオンによる伝導の割合が大きい構成と
したことを特徴としている。
池（ＳＯＦＣ）は、ペロブスカイト型化合物からなる第
１固体電解質層と、第１固体電解質層の一方の面側に設
けられた空気極と、第１固体電解質層の他方の面側に設
けられた燃料極と、第１固体電解質層と燃料極との間に
介在する第３固体電解質層を有する固体電解質型燃料電
池であって、当該固体電解質型燃料電池の作動条件下に
おいて、前記第３固体電解質層における電解質の伝導担
体であるイオン，電子，ホールによる伝導のうちの電子
とプロトンによる伝導の割合が前記第１固体電解質より
も小さく、酸素イオンによる伝導の割合が大きい構成と
したことを特徴としている。
【００１５】そして、本発明の第２の固体電解質型燃料
電池（ＳＯＦＣ）における好適形態としては、第１固体
電解質層の酸素イオン輸率をｔpo，全伝導度をσp，層
厚をＬp、第３固体電解質層の酸素イオン輸率をｔao，
全伝導度をσa，層厚をＬaとするとき、Ｌp／（ｔpo×
σp）＞ Ｌa／（ｔao×σa）の関係を満たすことが望ま
しく、同じく好適形態として、第１固体電解質層の酸素
イオン輸率をｔpo、第３固体電解質層の全伝導度をσ
a，層厚をＬa，酸素イオン輸率をｔao、燃料電池への負
荷電流密度をJ、燃料電池の理論起電力をＥ0とすると
き、(ｔao −ｔpo)・Ｅ0 ＞ J・Ｌa ／ｔao・σaの関係を
満たすことが望ましい。
電池（ＳＯＦＣ）における好適形態としては、第１固体
電解質層の酸素イオン輸率をｔpo，全伝導度をσp，層
厚をＬp、第３固体電解質層の酸素イオン輸率をｔao，
全伝導度をσa，層厚をＬaとするとき、Ｌp／（ｔpo×
σp）＞ Ｌa／（ｔao×σa）の関係を満たすことが望ま
しく、同じく好適形態として、第１固体電解質層の酸素
イオン輸率をｔpo、第３固体電解質層の全伝導度をσ
a，層厚をＬa，酸素イオン輸率をｔao、燃料電池への負
荷電流密度をJ、燃料電池の理論起電力をＥ0とすると
き、(ｔao −ｔpo)・Ｅ0 ＞ J・Ｌa ／ｔao・σaの関係を
満たすことが望ましい。
【００１６】さらに、本発明の第３の固体電解質型燃料
電池（ＳＯＦＣ）は、ペロブスカイト型化合物からなる
第１固体電解質層と、第１固体電解質層の一方の面側に
設けられた空気極と、第１固体電解質層の他方の面側に
設けられた燃料極と、第１固体電解質層と空気極との間
に介在する第２固体電解質層と、第１固体電解質層と燃
料極との間に介在する第３固体電解質層を有する固体電
解質型燃料電池であって、当該固体電解質型燃料電池の
作動条件下において、前記第２固体電解質層における電
解質の伝導担体であるイオン，電子，ホールによる伝導
のうちのホールによる伝導の割合が前記第１固体電解質
よりも小さく、酸素イオンによる伝導の割合が大きく、
かつ前記第３固体電解質層における電解質の伝導担体で
あるイオン，電子，ホールによる伝導のうちの電子と水
素イオンによる伝導の割合が前記第１固体電解質よりも
小さく、酸素イオンによる伝導の割合が大きい構成とし
たことを特徴としている。
電池（ＳＯＦＣ）は、ペロブスカイト型化合物からなる
第１固体電解質層と、第１固体電解質層の一方の面側に
設けられた空気極と、第１固体電解質層の他方の面側に
設けられた燃料極と、第１固体電解質層と空気極との間
に介在する第２固体電解質層と、第１固体電解質層と燃
料極との間に介在する第３固体電解質層を有する固体電
解質型燃料電池であって、当該固体電解質型燃料電池の
作動条件下において、前記第２固体電解質層における電
解質の伝導担体であるイオン，電子，ホールによる伝導
のうちのホールによる伝導の割合が前記第１固体電解質
よりも小さく、酸素イオンによる伝導の割合が大きく、
かつ前記第３固体電解質層における電解質の伝導担体で
あるイオン，電子，ホールによる伝導のうちの電子と水
素イオンによる伝導の割合が前記第１固体電解質よりも
小さく、酸素イオンによる伝導の割合が大きい構成とし
たことを特徴としている。
【００１７】そして、本発明の第３の固体電解質型燃料
電池（ＳＯＦＣ）における好適形態としては、第１固体
電解質層の酸素イオン輸率をｔpo，全伝導度をσp，層
厚をＬp、第２固体電解質層の酸素イオン輸率をｔco，
全伝導度をσc，層厚をＬc,第３固体電解質層の酸素イ
オン輸率をｔao，全伝導度をσa，層厚をＬaとすると
き、Ｌp／（ｔpo×σp）＞ Ｌc／（ｔco×σc）＋Ｌa／
（ｔao×σa）の関係を満たすことが望ましく、同じく
好適形態として、第１固体電解質層の酸素イオン輸率を
ｔpo、第２固体電解質層の全伝導度をσc，層厚をＬc、
酸素イオン輸率をｔco、第３固体電解質層の全伝導度を
σa，層厚をＬa、酸素イオン輸率をｔao、前記第２およ
び第３固体電解質層の酸素イオン輸率ｔcoおよびｔaoの
うち値の小さい方をｔcao、燃料電池への負荷電流密度
をJ、燃料電池の理論起電力をＥ0とするとき、(ｔcao
−ｔpo)・Ｅ0 ＞ J・（Ｌc／ｔco・σc ＋ Ｌa／ｔao・σ
a）の関係を満たすことが望ましい。
電池（ＳＯＦＣ）における好適形態としては、第１固体
電解質層の酸素イオン輸率をｔpo，全伝導度をσp，層
厚をＬp、第２固体電解質層の酸素イオン輸率をｔco，
全伝導度をσc，層厚をＬc,第３固体電解質層の酸素イ
オン輸率をｔao，全伝導度をσa，層厚をＬaとすると
き、Ｌp／（ｔpo×σp）＞ Ｌc／（ｔco×σc）＋Ｌa／
（ｔao×σa）の関係を満たすことが望ましく、同じく
好適形態として、第１固体電解質層の酸素イオン輸率を
ｔpo、第２固体電解質層の全伝導度をσc，層厚をＬc、
酸素イオン輸率をｔco、第３固体電解質層の全伝導度を
σa，層厚をＬa、酸素イオン輸率をｔao、前記第２およ
び第３固体電解質層の酸素イオン輸率ｔcoおよびｔaoの
うち値の小さい方をｔcao、燃料電池への負荷電流密度
をJ、燃料電池の理論起電力をＥ0とするとき、(ｔcao
−ｔpo)・Ｅ0 ＞ J・（Ｌc／ｔco・σc ＋ Ｌa／ｔao・σ
a）の関係を満たすことが望ましい。
【００１８】そしてまた、本発明の固体電解質型燃料電
池における好適形態としては、第１固体電解質層が組成
式：Ｌａ２−ｘ−ｙＬｎｘＡｙＧａ１−ｚＢｚＯ
３−０．５ （ｘ＋ｙ＋ｚ）(ここで、Ｌｎ：Ｙ，Ｙｂ，
Ｇｄ，Ｓｍ，Ｎｄからなる元素から選ばれた１種以上、
Ａ：Ｓｒ，Ｂａ，Ｃａからなる元素から選ばれた１種以
上、Ｂ：Ｍｇ，Ｚｎからなる元素から選ばれた１種もし
くは２種、ｘ：０．０５〜０．１５、ｙ：０．０５〜
０．１５、ｚ：０．０５〜０．２５)で示されるＬａＧ
ａ系ペロブスカイト型化合物である構成とし、前記第２
および第３固体電解質層が安定化ジルコニアまたはセリ
ア系酸化物である構成とすることが望ましい。
池における好適形態としては、第１固体電解質層が組成
式：Ｌａ２−ｘ−ｙＬｎｘＡｙＧａ１−ｚＢｚＯ
３−０．５ （ｘ＋ｙ＋ｚ）(ここで、Ｌｎ：Ｙ，Ｙｂ，
Ｇｄ，Ｓｍ，Ｎｄからなる元素から選ばれた１種以上、
Ａ：Ｓｒ，Ｂａ，Ｃａからなる元素から選ばれた１種以
上、Ｂ：Ｍｇ，Ｚｎからなる元素から選ばれた１種もし
くは２種、ｘ：０．０５〜０．１５、ｙ：０．０５〜
０．１５、ｚ：０．０５〜０．２５)で示されるＬａＧ
ａ系ペロブスカイト型化合物である構成とし、前記第２
および第３固体電解質層が安定化ジルコニアまたはセリ
ア系酸化物である構成とすることが望ましい。
【００１９】
【発明の実施の形態】（第1の実施形態）本発明の第1の
実施形態に係るＳＯＦＣは、空気極とペロブスカイト型
固体電解質層との間に作動温度におけるホール伝導の割
合（輸率）の小さい第２固体電解質層を設けた構造を有
するものである。即ち、当該ＳＯＦＣにおいては、ペロ
ブスカイト型固体電解質層と、ホール輸率が小さくしか
も酸素イオン輸率が高い固体電解質層とが積層された積
層固体電解質を用いたことを特徴とする。
実施形態に係るＳＯＦＣは、空気極とペロブスカイト型
固体電解質層との間に作動温度におけるホール伝導の割
合（輸率）の小さい第２固体電解質層を設けた構造を有
するものである。即ち、当該ＳＯＦＣにおいては、ペロ
ブスカイト型固体電解質層と、ホール輸率が小さくしか
も酸素イオン輸率が高い固体電解質層とが積層された積
層固体電解質を用いたことを特徴とする。
【００２０】図１（ａ）に、本発明の第1の実施形態に
係るＳＯＦＣの構造を示す。当該実施形態に係わるＳＯ
ＦＣは、図１（ａ）に示すように、第１固体電解質層で
あるペロブスカイト型固体電解質層２と、その一方の面
側に形成された空気極３と、その他方の面側に形成され
た燃料極４とを有し、さらに、この第１固体電解質層２
と空気極３との間に、ホール輸率が小さく酸素イオン輸
率が高い第２固体電解質層５を備えている。
係るＳＯＦＣの構造を示す。当該実施形態に係わるＳＯ
ＦＣは、図１（ａ）に示すように、第１固体電解質層で
あるペロブスカイト型固体電解質層２と、その一方の面
側に形成された空気極３と、その他方の面側に形成され
た燃料極４とを有し、さらに、この第１固体電解質層２
と空気極３との間に、ホール輸率が小さく酸素イオン輸
率が高い第２固体電解質層５を備えている。
【００２１】ここで、第１固体電解質層２としては、Ｌ
ａＧａ系ペロブスカイト型化合物、特に、低温において
高い酸素イオンの導電性を示す組成式Ｌａ２−ｘ−ｙＬ
ｎｘＡｙＧａ１−ｚＢｚＯ
３−０．５（ｘ＋ｙ＋ｚ）（（Ｌａ２−ｘ−ｙＬｎｘＡ
ｙ）（Ｇａ１−ｚＢｚ）Ｏ３−０．５（ｘ＋ｙ＋ｚ））
を使用することが好ましい。なお、ここで、Ｌｎはラン
タノイド系の元素であるＹｂ，Ｇｄ，Ｓｍ，Ｎｄ、又は
Ｙ等から選ばれた１種以上の元素、ＡはＳｒ，Ｂａ，Ｃ
ａ等から選ばれた１種以上の元素、ＢはＭｇ，Ｚｎ等か
ら選ばれた１種もしくは２種の元素であることが好まし
い。また、ｘは０．０５以上０．１５以下、ｙは０．０
５以上０．１５以下、ｚは０．０５以上０．２５以下と
することが好ましい。
ａＧａ系ペロブスカイト型化合物、特に、低温において
高い酸素イオンの導電性を示す組成式Ｌａ２−ｘ−ｙＬ
ｎｘＡｙＧａ１−ｚＢｚＯ
３−０．５（ｘ＋ｙ＋ｚ）（（Ｌａ２−ｘ−ｙＬｎｘＡ
ｙ）（Ｇａ１−ｚＢｚ）Ｏ３−０．５（ｘ＋ｙ＋ｚ））
を使用することが好ましい。なお、ここで、Ｌｎはラン
タノイド系の元素であるＹｂ，Ｇｄ，Ｓｍ，Ｎｄ、又は
Ｙ等から選ばれた１種以上の元素、ＡはＳｒ，Ｂａ，Ｃ
ａ等から選ばれた１種以上の元素、ＢはＭｇ，Ｚｎ等か
ら選ばれた１種もしくは２種の元素であることが好まし
い。また、ｘは０．０５以上０．１５以下、ｙは０．０
５以上０．１５以下、ｚは０．０５以上０．２５以下と
することが好ましい。
【００２２】第２固体電解質層５としては、安定化ジル
コニアやセリア系酸化物を用いることができる。例え
ば、ジルコニア（ＺｒＯ２）にイットリア（Ｙ２Ｏ３）
を添加したＹＳＺ、ジルコニアにカルシア（ＣａＯ）を
添加したＣＳＺを用いることができる。このほか、ジル
コニアにＳｍ（サマリウム）、Ｓｃ（スカンジウム）等
の酸化物を添加した安定化ジルコニアを用いることもで
きる。なお、ジルコニアに添加される酸化物は２種以上
でもよい。また、セリア系酸化物としては、例えば（Ｃ
ｅＯ２）１−ｘ（ＭＯ１．５）ｘで示されるＳＤＣを用
いることもできる。なお、ここで、Ｍは、希土類元素又
はＣａであり、ｘは、０．１以上０．３以下とすること
が好ましい。
コニアやセリア系酸化物を用いることができる。例え
ば、ジルコニア（ＺｒＯ２）にイットリア（Ｙ２Ｏ３）
を添加したＹＳＺ、ジルコニアにカルシア（ＣａＯ）を
添加したＣＳＺを用いることができる。このほか、ジル
コニアにＳｍ（サマリウム）、Ｓｃ（スカンジウム）等
の酸化物を添加した安定化ジルコニアを用いることもで
きる。なお、ジルコニアに添加される酸化物は２種以上
でもよい。また、セリア系酸化物としては、例えば（Ｃ
ｅＯ２）１−ｘ（ＭＯ１．５）ｘで示されるＳＤＣを用
いることもできる。なお、ここで、Ｍは、希土類元素又
はＣａであり、ｘは、０．１以上０．３以下とすること
が好ましい。
【００２３】ＳＯＦＣの作動温度は、ＳＯＦＣの周辺材
料としてメタル材料を利用できる温度、例えば約６００
℃以下とすることが望ましい。
料としてメタル材料を利用できる温度、例えば約６００
℃以下とすることが望ましい。
【００２４】この作動条件において、第２固体電解質層
５は、第１固体電解質層２に比較し、ホール伝導の割
合、即ちホール輸率の小さい材料であるので、空気極と
固体電解質層間で発生するホール（ｈ＋）の移動は第２
固体電解質層５により抑制される。従って、図１（ｂ）
に示すように、積層固体電解質全体の混合伝導性は抑制
され、酸素空孔ＶＯを介する酸素イオンＯ２−が主な伝
導担体となる。即ち、電極間の酸素イオン以外の伝導担
体による伝導を抑制し、第１と第２の固体電解質をあわ
せた積層固体電解質全体の実質的な酸素イオン輸率を向
上させることができる。この結果、式（ｆ−２ｂ）で示
すような、燃料極側で発生した電子（ｅ−）とホール
（ｈ＋）との間での対消滅を防止し、この対消滅による
ＳＯＦＣの出力効率の低下を抑制することができる。
５は、第１固体電解質層２に比較し、ホール伝導の割
合、即ちホール輸率の小さい材料であるので、空気極と
固体電解質層間で発生するホール（ｈ＋）の移動は第２
固体電解質層５により抑制される。従って、図１（ｂ）
に示すように、積層固体電解質全体の混合伝導性は抑制
され、酸素空孔ＶＯを介する酸素イオンＯ２−が主な伝
導担体となる。即ち、電極間の酸素イオン以外の伝導担
体による伝導を抑制し、第１と第２の固体電解質をあわ
せた積層固体電解質全体の実質的な酸素イオン輸率を向
上させることができる。この結果、式（ｆ−２ｂ）で示
すような、燃料極側で発生した電子（ｅ−）とホール
（ｈ＋）との間での対消滅を防止し、この対消滅による
ＳＯＦＣの出力効率の低下を抑制することができる。
【００２５】しかしながら、第２固体電解質層５の層厚
が厚すぎると、積層固体電解質全体の酸素イオン伝導に
対する抵抗が上がり、実質的な酸素イオン伝導量が低下
する。酸素イオン伝導量の低下は、ＳＯＦＣの出力効率
を低下させる。従って、第２固体電解質層５の層厚は、
少なくとも第１固体電解質層２と比較し、酸素イオン伝
導に対する抵抗が小さいことが望まれる。第１固体電解
質層２単体の単位面積あたりの酸素イオン伝導に対する
抵抗をＲｐ(o)、第２固体電解質層５単体の単位面積あ
たりの酸素イオン伝導に対する抵抗をＲｃ(o)とすると
き、次式（Ｆ１−１）を満たすことが望ましい。 Ｒｐ(o) ＞ Ｒｃ(o) ・・・（Ｆ１−１） なお、Ｒｐ(o)、Ｒｃ(o)はそれぞれ次式で表される。 Ｒｐ(o) ＝ Ｌp／ｔpo・σp Ｒｃ(o) ＝ Ｌc／ｔco・σc ここで、 Ｌp：第１固体電解質層の層厚 σp：第１固体電解質層の全伝導度 ｔpo：第１固体電解質層の酸素イオン輸率 Ｌc：第２固体電解質層の層厚 σc：第２の固体電解質層の全伝導度 ｔco：第２固体電解質層の酸素イオン輸率 従って、（F１−１）は、次式（F１−２）に書き換えら
れる。 Ｌp／ｔco・σp ＞ Ｌc／ｔco・σc ・・・（Ｆ１−２）
が厚すぎると、積層固体電解質全体の酸素イオン伝導に
対する抵抗が上がり、実質的な酸素イオン伝導量が低下
する。酸素イオン伝導量の低下は、ＳＯＦＣの出力効率
を低下させる。従って、第２固体電解質層５の層厚は、
少なくとも第１固体電解質層２と比較し、酸素イオン伝
導に対する抵抗が小さいことが望まれる。第１固体電解
質層２単体の単位面積あたりの酸素イオン伝導に対する
抵抗をＲｐ(o)、第２固体電解質層５単体の単位面積あ
たりの酸素イオン伝導に対する抵抗をＲｃ(o)とすると
き、次式（Ｆ１−１）を満たすことが望ましい。 Ｒｐ(o) ＞ Ｒｃ(o) ・・・（Ｆ１−１） なお、Ｒｐ(o)、Ｒｃ(o)はそれぞれ次式で表される。 Ｒｐ(o) ＝ Ｌp／ｔpo・σp Ｒｃ(o) ＝ Ｌc／ｔco・σc ここで、 Ｌp：第１固体電解質層の層厚 σp：第１固体電解質層の全伝導度 ｔpo：第１固体電解質層の酸素イオン輸率 Ｌc：第２固体電解質層の層厚 σc：第２の固体電解質層の全伝導度 ｔco：第２固体電解質層の酸素イオン輸率 従って、（F１−１）は、次式（F１−２）に書き換えら
れる。 Ｌp／ｔco・σp ＞ Ｌc／ｔco・σc ・・・（Ｆ１−２）
【００２６】さらに、第1固体電解質層のみを用いた従
来のＳＯＦＣに比較し、より確実に出力効率を上げるた
めには、第１固体電解質層２と空気極３との界面に第２
固体電解質層５を挿入することによる電解質層の酸素イ
オン伝導に対する電圧降下の増加分が、混合導電性を抑
えることによる開放端電圧降下分よりも小さくなるよう
に、第２固体電解質層５の層厚を調整することが望まし
い。即ち、ここで、 Ｅp(Ｊ)：負荷電流密度Ｊの際の第１固体電解質層のみ
の場合の電極間電圧 Ｅc(Ｊ)：負荷電流密度Ｊの際の第２固体電解質層を挿
入した場合の電極間 電圧 Ｅ0：燃料電池の理論上の開放端電圧 とすると、Ｅp(Ｊ)，Ｅc(Ｊ)は、式（ｆ−５）より、そ
れぞれ Ｅp(Ｊ) ＝ｔpo・Ｅ0−Ｊ・Ｌp／ｔpo・σp ・・・（Ｆ1−３） Ｅc(Ｊ) ＝ｔco・Ｅ0− Ｊ・(Ｌp／ｔpo・σp＋Ｌc／ｔco・σc)・・・（Ｆ1−４） となり、Ｅc(Ｊ)＞Ｅp(Ｊ) となるには、 ｔco・Ｅ0−ｔpo・Ｅ0 ＞Ｊ・(Ｌp／ｔpo・σp＋Ｌc／ｔco・σc) −Ｊ・Ｌp／ｔpo・σp つまり、(ｔco -ｔpo)・Ｅ0 ＞Ｊ・Ｌc／ｔco・σc Ｌc ＜ｔco・σc・(ｔco -ｔpo)・Ｅ0／Ｊ ・・・（Ｆ1−５） となる。
来のＳＯＦＣに比較し、より確実に出力効率を上げるた
めには、第１固体電解質層２と空気極３との界面に第２
固体電解質層５を挿入することによる電解質層の酸素イ
オン伝導に対する電圧降下の増加分が、混合導電性を抑
えることによる開放端電圧降下分よりも小さくなるよう
に、第２固体電解質層５の層厚を調整することが望まし
い。即ち、ここで、 Ｅp(Ｊ)：負荷電流密度Ｊの際の第１固体電解質層のみ
の場合の電極間電圧 Ｅc(Ｊ)：負荷電流密度Ｊの際の第２固体電解質層を挿
入した場合の電極間 電圧 Ｅ0：燃料電池の理論上の開放端電圧 とすると、Ｅp(Ｊ)，Ｅc(Ｊ)は、式（ｆ−５）より、そ
れぞれ Ｅp(Ｊ) ＝ｔpo・Ｅ0−Ｊ・Ｌp／ｔpo・σp ・・・（Ｆ1−３） Ｅc(Ｊ) ＝ｔco・Ｅ0− Ｊ・(Ｌp／ｔpo・σp＋Ｌc／ｔco・σc)・・・（Ｆ1−４） となり、Ｅc(Ｊ)＞Ｅp(Ｊ) となるには、 ｔco・Ｅ0−ｔpo・Ｅ0 ＞Ｊ・(Ｌp／ｔpo・σp＋Ｌc／ｔco・σc) −Ｊ・Ｌp／ｔpo・σp つまり、(ｔco -ｔpo)・Ｅ0 ＞Ｊ・Ｌc／ｔco・σc Ｌc ＜ｔco・σc・(ｔco -ｔpo)・Ｅ0／Ｊ ・・・（Ｆ1−５） となる。
【００２７】式（Ｆ１−５）より、挿入する第２固体電
解質層５の層厚は、第１固体電解質層２の層厚に依存せ
ず、負荷電流密度に依存している。この負荷電流密度Ｊ
の値については、作製する燃料電池によって異なるが、
各燃料電池の出力が最大となるときの負荷電流密度Ｊma
xと設定すれば、最大出力時においても第２固体電解質
層５を挿入した効果が発揮できる。しかしながら、作製
した燃料電池を最大出力条件以下で用いる場合は、式
（F１−５）における負荷電流密度ＪはＪmax以下の値と
なり、挿入する第２固体電解質層５の層厚も応じた値と
すれば、挿入する効果が発揮できる。
解質層５の層厚は、第１固体電解質層２の層厚に依存せ
ず、負荷電流密度に依存している。この負荷電流密度Ｊ
の値については、作製する燃料電池によって異なるが、
各燃料電池の出力が最大となるときの負荷電流密度Ｊma
xと設定すれば、最大出力時においても第２固体電解質
層５を挿入した効果が発揮できる。しかしながら、作製
した燃料電池を最大出力条件以下で用いる場合は、式
（F１−５）における負荷電流密度ＪはＪmax以下の値と
なり、挿入する第２固体電解質層５の層厚も応じた値と
すれば、挿入する効果が発揮できる。
【００２８】例えば、ＳＯＦＣを６００℃において負荷
電流密度１Ａ／ｃｍ２で使用するとした場合に、第１固
体電解質層２として、層厚５μｍのＬａ０．７５Ｎｄ
０．１ ５Ｓｒ０．１Ｇａ０．８Ｍｇ０．２Ｏ３−ｄを用
い、第２固体電解質層５として、ＹＳＺを用いるとする
ならば、６００℃における第１固体電解質層２の全伝導
度が約０．０１８Ｓ／ｃｍ、酸素イオン輸率が約９１％
であり、第２固体電解質層５の全伝導度が約０．００３
Ｓ／ｃｍ、酸素イオン輸率が約１００％であるから、上
述の式を考慮すると、第２固体電解質層５の層厚は、約
２．７μｍ以下にすることが好ましい。
電流密度１Ａ／ｃｍ２で使用するとした場合に、第１固
体電解質層２として、層厚５μｍのＬａ０．７５Ｎｄ
０．１ ５Ｓｒ０．１Ｇａ０．８Ｍｇ０．２Ｏ３−ｄを用
い、第２固体電解質層５として、ＹＳＺを用いるとする
ならば、６００℃における第１固体電解質層２の全伝導
度が約０．０１８Ｓ／ｃｍ、酸素イオン輸率が約９１％
であり、第２固体電解質層５の全伝導度が約０．００３
Ｓ／ｃｍ、酸素イオン輸率が約１００％であるから、上
述の式を考慮すると、第２固体電解質層５の層厚は、約
２．７μｍ以下にすることが好ましい。
【００２９】次に、上述した第１の実施形態に係るＳＯ
ＦＣの製造方法について説明する。ＬａＧａ系ペロブス
カイト型固体電解質である第１固体電解質層２は、焼結
法を用いて作製することができる。即ち、原料を溶媒と
ともにボールミルで混合粉砕し、乾燥した後、金型に入
れてプレスし、約１３００℃〜約１５００℃で焼成す
る。第２固体電解質層５であるＹＳＺは、ＲＦスパッ
タ、ＣＶＤや印刷法等の種々の方法を用いて第１固体電
解質層２の片面に形成するとよい。さらに、この第２固
体電解質層５上面に、多孔質で、耐酸化性と導電性を有
する空気極３をＲＦスパッタ、印刷等の方法で形成す
る。また、第２固体電解質層５が形成されない第１固体
電解質層２の他方の面上には、同様に多孔質で、耐還元
性と導電性を有する燃料極４を形成する。空気極３およ
び燃料極４としては、例えばＰｔ/Ａｇ等の材料を用い
ることができる。
ＦＣの製造方法について説明する。ＬａＧａ系ペロブス
カイト型固体電解質である第１固体電解質層２は、焼結
法を用いて作製することができる。即ち、原料を溶媒と
ともにボールミルで混合粉砕し、乾燥した後、金型に入
れてプレスし、約１３００℃〜約１５００℃で焼成す
る。第２固体電解質層５であるＹＳＺは、ＲＦスパッ
タ、ＣＶＤや印刷法等の種々の方法を用いて第１固体電
解質層２の片面に形成するとよい。さらに、この第２固
体電解質層５上面に、多孔質で、耐酸化性と導電性を有
する空気極３をＲＦスパッタ、印刷等の方法で形成す
る。また、第２固体電解質層５が形成されない第１固体
電解質層２の他方の面上には、同様に多孔質で、耐還元
性と導電性を有する燃料極４を形成する。空気極３およ
び燃料極４としては、例えばＰｔ/Ａｇ等の材料を用い
ることができる。
【００３０】ＬａＧａ系ペロブスカイト型固体電解質で
ある第１固体電解質層２は、焼結法に限らず、スパッ
タ、ＣＶＤ、あるいは印刷法などの種々の方法を用いて
作製することができる。作製順序については、ペロブス
カイト型化合物固体電解質層２の層上に、第２固体電解
質層５を形成してもよいし、空気極３上に第２固体電解
質層を形成し、この上に、第１固体電解質（ペロブスカ
イト型化合物）層２を形成してもよい。
ある第１固体電解質層２は、焼結法に限らず、スパッ
タ、ＣＶＤ、あるいは印刷法などの種々の方法を用いて
作製することができる。作製順序については、ペロブス
カイト型化合物固体電解質層２の層上に、第２固体電解
質層５を形成してもよいし、空気極３上に第２固体電解
質層を形成し、この上に、第１固体電解質（ペロブスカ
イト型化合物）層２を形成してもよい。
【００３１】（第２の実施形態）本発明における第２の
実施形態に係るＳＯＦＣは、燃料極と第１固体電解質層
との間に、電子伝導の割合（輸率）およびプロトン（Ｈ
＋）伝導の割合（輸率）が小さく、酸素イオン輸率が高
い第３固体電解質層を設ける。即ち、第２の実施形態に
係わるＳＯＦＣは、ペロブスカイト型固体電解質層と電
子およびプロトンの輸率の小さく、酸素イオン輸率の高
い固体電解質層が積層された積層固体電解質を用いたこ
とに特徴を持つ。
実施形態に係るＳＯＦＣは、燃料極と第１固体電解質層
との間に、電子伝導の割合（輸率）およびプロトン（Ｈ
＋）伝導の割合（輸率）が小さく、酸素イオン輸率が高
い第３固体電解質層を設ける。即ち、第２の実施形態に
係わるＳＯＦＣは、ペロブスカイト型固体電解質層と電
子およびプロトンの輸率の小さく、酸素イオン輸率の高
い固体電解質層が積層された積層固体電解質を用いたこ
とに特徴を持つ。
【００３２】図２（ａ）に、本発明の第２の実施形態に
係るＳＯＦＣを示す。同図に示すように、この第２の実
施形態に係るＳＯＦＣは、第１固体電解質層２であるペ
ロブスカイト型固体電解質層と、その一方の面側に形成
された空気極３と、その他方の面側に形成された燃料極
４とを有し、この第１固体電解質層２と燃料極４との間
に、電子の輸率、およびプロトンの輸率が小さく、酸素
イオン輸率の高い第３固体電解質層６を備える。
係るＳＯＦＣを示す。同図に示すように、この第２の実
施形態に係るＳＯＦＣは、第１固体電解質層２であるペ
ロブスカイト型固体電解質層と、その一方の面側に形成
された空気極３と、その他方の面側に形成された燃料極
４とを有し、この第１固体電解質層２と燃料極４との間
に、電子の輸率、およびプロトンの輸率が小さく、酸素
イオン輸率の高い第３固体電解質層６を備える。
【００３３】ここで、第１固体電解質層２としては、上
記した第1の実施形態に係わるＳＯＦＣと同じＬａＧａ
系ペロブスカイト型化合物を用いることができる。ま
た、第３固体電解質層６としては、安定化ジルコニアや
セリア系酸化物、例えば、ジルコニア（ＺｒＯ２）にイ
ットリア（Ｙ２Ｏ３）を添加したＹＳＺや、ジルコニア
にカルシア（ＣａＯ）を添加したＣＳＺを用いることが
できる。このほか、ジルコニアにＳｍ（サマリウム）、
Ｓｃ（スカンジウム）、等の酸化物を添加した安定化ジ
ルコニアを用いることもできる。なお、ジルコニアに添
加される酸化物は２種以上であってもよい。また、セリ
ア系酸化物としては、例えば（ＣｅＯ２） １−ｘ（ＭＯ
１．５）ｘで示されるＳＤＣを用いることもできる。な
お、ここで、Ｍは、希土類元素又はＣａであり、ｘは、
０．１以上０．３以下とすることが好ましい。
記した第1の実施形態に係わるＳＯＦＣと同じＬａＧａ
系ペロブスカイト型化合物を用いることができる。ま
た、第３固体電解質層６としては、安定化ジルコニアや
セリア系酸化物、例えば、ジルコニア（ＺｒＯ２）にイ
ットリア（Ｙ２Ｏ３）を添加したＹＳＺや、ジルコニア
にカルシア（ＣａＯ）を添加したＣＳＺを用いることが
できる。このほか、ジルコニアにＳｍ（サマリウム）、
Ｓｃ（スカンジウム）、等の酸化物を添加した安定化ジ
ルコニアを用いることもできる。なお、ジルコニアに添
加される酸化物は２種以上であってもよい。また、セリ
ア系酸化物としては、例えば（ＣｅＯ２） １−ｘ（ＭＯ
１．５）ｘで示されるＳＤＣを用いることもできる。な
お、ここで、Ｍは、希土類元素又はＣａであり、ｘは、
０．１以上０．３以下とすることが好ましい。
【００３４】ＳＯＦＣの作動温度は、ＳＯＦＣの周辺材
料としてメタル材料を利用できるように、約６００℃以
下とすることが望ましい。この作動条件において、第３
固体電解質層６は、第１固体電解質層２に比較し、電子
の輸率とプロトンの輸率が小さい材料を使用しているの
で、燃料極４と第３固体電解質層６の間で発生する電子
（ｅ−）の移動および燃料極４に供給される水素イオン
（Ｈ＋）の伝導が、第３固体電解質層６により抑制され
る。 従って、図２（ｂ）に示すように、積層固体電解
質全体の混合伝導性を抑制し、酸素空孔ＶＯを介して酸
素イオンＯ２−を主な伝導担体とすることができる。即
ち、電極間の酸素イオン以外の伝導性を抑制し、第１と
第２の固体電解質層をあわせた積層固体電解質全体の実
質的な酸素イオン輸率を向上させることができる。この
結果、（ｆ−２ｂ）式の反応や電子・プロトンの伝導に
よる電極間の分極抵抗の増加を防ぐことができる。
料としてメタル材料を利用できるように、約６００℃以
下とすることが望ましい。この作動条件において、第３
固体電解質層６は、第１固体電解質層２に比較し、電子
の輸率とプロトンの輸率が小さい材料を使用しているの
で、燃料極４と第３固体電解質層６の間で発生する電子
（ｅ−）の移動および燃料極４に供給される水素イオン
（Ｈ＋）の伝導が、第３固体電解質層６により抑制され
る。 従って、図２（ｂ）に示すように、積層固体電解
質全体の混合伝導性を抑制し、酸素空孔ＶＯを介して酸
素イオンＯ２−を主な伝導担体とすることができる。即
ち、電極間の酸素イオン以外の伝導性を抑制し、第１と
第２の固体電解質層をあわせた積層固体電解質全体の実
質的な酸素イオン輸率を向上させることができる。この
結果、（ｆ−２ｂ）式の反応や電子・プロトンの伝導に
よる電極間の分極抵抗の増加を防ぐことができる。
【００３５】ただし、第３固体電解質層６の層厚が厚す
ぎると、固体電解質全体の酸素イオン伝導に対する抵抗
が上がり、実質的な酸素イオン伝導度が低下する。よっ
て、第３固体電解質層６の層厚は、少なくとも第１固体
電解質層２と比較し、酸素イオン伝導に対する抵抗が小
さいことが望まれる。
ぎると、固体電解質全体の酸素イオン伝導に対する抵抗
が上がり、実質的な酸素イオン伝導度が低下する。よっ
て、第３固体電解質層６の層厚は、少なくとも第１固体
電解質層２と比較し、酸素イオン伝導に対する抵抗が小
さいことが望まれる。
【００３６】即ち、第１固体電解質層２単体の単位面積
あたりの酸素イオン伝導に対する抵抗をＲｐ(o)、第３
固体電解質層６単体の単位面積あたりの酸素イオン伝導
に対する抵抗をＲａ(o)とすると、次式（Ｆ２−１）を
満たすことが望ましい。 Ｒｐ(o) ＞ Ｒａ(o) ・・・（Ｆ２−1） なお、Ｒｐ(o)、Ｒａ(o)はそれぞれ次式で表される。 Ｒｐ(o) ＝ Ｌp／ｔpo・σp Ｒａ(o) ＝ Ｌc／ｔco・σc ここで、 Ｌp：第１固体電解質層の層厚 σp：第１固体電解質層の全伝導度 ｔpo：第１固体電解質層の酸素イオン輸率 Ｌa：第３固体電解質層の層厚 σa：第３の固体電解質層の全伝導度３ ｔao：第３固体電解質層の酸素イオン輸率 従って、（F２−１）は、次式（F２−２）に書き換えら
れる。 Ｌp／ｔpo・σp ＞ Ｌa／ｔao・σa ・・・（Ｆ２−２）
あたりの酸素イオン伝導に対する抵抗をＲｐ(o)、第３
固体電解質層６単体の単位面積あたりの酸素イオン伝導
に対する抵抗をＲａ(o)とすると、次式（Ｆ２−１）を
満たすことが望ましい。 Ｒｐ(o) ＞ Ｒａ(o) ・・・（Ｆ２−1） なお、Ｒｐ(o)、Ｒａ(o)はそれぞれ次式で表される。 Ｒｐ(o) ＝ Ｌp／ｔpo・σp Ｒａ(o) ＝ Ｌc／ｔco・σc ここで、 Ｌp：第１固体電解質層の層厚 σp：第１固体電解質層の全伝導度 ｔpo：第１固体電解質層の酸素イオン輸率 Ｌa：第３固体電解質層の層厚 σa：第３の固体電解質層の全伝導度３ ｔao：第３固体電解質層の酸素イオン輸率 従って、（F２−１）は、次式（F２−２）に書き換えら
れる。 Ｌp／ｔpo・σp ＞ Ｌa／ｔao・σa ・・・（Ｆ２−２）
【００３７】さらに、第1固体電解質層のみを用いた従
来のＳＯＦＣに比較し、より確実に出力効率を上げるた
めには、第１固体電解質層２と燃料極４との界面に第３
固体電解質層６を挿入することによる電解質層の酸素イ
オン伝導に対する電圧降下の増加分が、混合導電性を抑
えることによる開放端電圧降下分よりも小さくなるよう
に、第３固体電解質層６の層厚を調整することが望まし
い。即ち、ここで、 Ｅp(Ｊ)：負荷電流密度Ｊの際の第１固体電解質層のみ
の場合の電極間電圧 Ｅa(Ｊ)：負荷電流密度Ｊの際の第３固体電解質層を挿
入した場合の電極間電圧 Ｅ0：燃料電池の理論上の開放端電圧 とすると、Ｅp(Ｊ)，Ｅa(Ｊ)は、式（ｆ−５）より、そ
れぞれ Ｅp(Ｊ) =ｔpo・Ｅ0−Ｊ・Ｌp／ｔpo・σp ・・・（Ｆ２−３） Ｅa(Ｊ) =ｔao・Ｅ0− Ｊ・(Ｌp／ｔpo・σp＋Ｌa／ｔao・σa)・・・（Ｆ２−４） となり、Ｅa(Ｊ) ＞Ｅp(Ｊ) となるには、 ｔao・Ｅ0−ｔpo・Ｅ0 ＞Ｊ・(Ｌp／ｔpo・σp＋Ｌa／ｔao・σa) −Ｊ・Ｌp／ｔpo・σp つまり、(ｔao -ｔpo)・Ｅ0 ＞Ｊ・Ｌa／ｔao・σa Ｌa ＜ｔao・σa・(ｔao -ｔpo)・Ｅ0／Ｊ ・・・（Ｆ２−５） となる。
来のＳＯＦＣに比較し、より確実に出力効率を上げるた
めには、第１固体電解質層２と燃料極４との界面に第３
固体電解質層６を挿入することによる電解質層の酸素イ
オン伝導に対する電圧降下の増加分が、混合導電性を抑
えることによる開放端電圧降下分よりも小さくなるよう
に、第３固体電解質層６の層厚を調整することが望まし
い。即ち、ここで、 Ｅp(Ｊ)：負荷電流密度Ｊの際の第１固体電解質層のみ
の場合の電極間電圧 Ｅa(Ｊ)：負荷電流密度Ｊの際の第３固体電解質層を挿
入した場合の電極間電圧 Ｅ0：燃料電池の理論上の開放端電圧 とすると、Ｅp(Ｊ)，Ｅa(Ｊ)は、式（ｆ−５）より、そ
れぞれ Ｅp(Ｊ) =ｔpo・Ｅ0−Ｊ・Ｌp／ｔpo・σp ・・・（Ｆ２−３） Ｅa(Ｊ) =ｔao・Ｅ0− Ｊ・(Ｌp／ｔpo・σp＋Ｌa／ｔao・σa)・・・（Ｆ２−４） となり、Ｅa(Ｊ) ＞Ｅp(Ｊ) となるには、 ｔao・Ｅ0−ｔpo・Ｅ0 ＞Ｊ・(Ｌp／ｔpo・σp＋Ｌa／ｔao・σa) −Ｊ・Ｌp／ｔpo・σp つまり、(ｔao -ｔpo)・Ｅ0 ＞Ｊ・Ｌa／ｔao・σa Ｌa ＜ｔao・σa・(ｔao -ｔpo)・Ｅ0／Ｊ ・・・（Ｆ２−５） となる。
【００３８】式（Ｆ２−５）より、挿入する第３固体電
解質層６の層厚は、第１固体電解質層２の層厚に依存せ
ず、負荷電流密度に依存している。この負荷電流密度Ｊ
の値については、作製する燃料電池によって異なるが、
各燃料電池の出力が最大となるときの負荷電流密度Ｊma
xと設定すれば、最大出力時においても第３固体電解質
層６を挿入した効果が発揮できる。しかしながら、作製
した燃料電池を最大出力条件以下で用いる場合は、式
（F２−５）における負荷電流密度ＪはＪmax以下の値と
なり、挿入する第３固体電解質層６の層厚も応じた値と
すれば、挿入する効果が発揮できる。
解質層６の層厚は、第１固体電解質層２の層厚に依存せ
ず、負荷電流密度に依存している。この負荷電流密度Ｊ
の値については、作製する燃料電池によって異なるが、
各燃料電池の出力が最大となるときの負荷電流密度Ｊma
xと設定すれば、最大出力時においても第３固体電解質
層６を挿入した効果が発揮できる。しかしながら、作製
した燃料電池を最大出力条件以下で用いる場合は、式
（F２−５）における負荷電流密度ＪはＪmax以下の値と
なり、挿入する第３固体電解質層６の層厚も応じた値と
すれば、挿入する効果が発揮できる。
【００３９】なお、上述する第２の実施の形態に係るＳ
ＯＦＣは、第1の実施形態に係るＳＯＦＣと同様な方法
で作製することができる。即ち、ＬａＧａ系ペロブスカ
イト型固体電解質である第１固体電解質層２は、一般に
使用される焼結法を用いて作製することができるが、焼
結法に限らず、スパッタ、ＣＶＤ、あるいは印刷法など
の種々の方法を用いて作製することもできる。また、Ｙ
ＳＺ等の第３固体電解質層６も、ＲＦスパッタ、ＣＶＤ
や印刷法等の種々の方法を用いて作製できる。作製順序
については、ペロブスカイト型化合物固体電解質層２の
層上に、第３固体電解質層６を形成してもよいし、燃料
極４上に第３固体電解質層６の層を形成し、この上に、
第１固体電解質（ペロブスカイト型化合物）層２を形成
してもよい。
ＯＦＣは、第1の実施形態に係るＳＯＦＣと同様な方法
で作製することができる。即ち、ＬａＧａ系ペロブスカ
イト型固体電解質である第１固体電解質層２は、一般に
使用される焼結法を用いて作製することができるが、焼
結法に限らず、スパッタ、ＣＶＤ、あるいは印刷法など
の種々の方法を用いて作製することもできる。また、Ｙ
ＳＺ等の第３固体電解質層６も、ＲＦスパッタ、ＣＶＤ
や印刷法等の種々の方法を用いて作製できる。作製順序
については、ペロブスカイト型化合物固体電解質層２の
層上に、第３固体電解質層６を形成してもよいし、燃料
極４上に第３固体電解質層６の層を形成し、この上に、
第１固体電解質（ペロブスカイト型化合物）層２を形成
してもよい。
【００４０】（第３の実施形態）本発明の第３の実施形
態に係るＳＯＦＣは、空気極と固体電解質との間にホー
ル伝導の割合（輸率）の小さく、酸素イオン伝導の割合
の高い第２固体電解質層を設け、燃料極と第１固体電解
質層との間に電子伝導の割合（輸率）およびプロトン伝
導の割合（輸率）の小さく、酸素イオン伝導の割合の大
きい第３固体電解質層を設けた構造を有する。即ち、第
３の実施形態に係わるＳＯＦＣは、ホールの輸率が小さ
い第２固体電解質層、ペロブスカイト型の第１固体電解
質層、及び電子およびプロトンの輸率が小さく、酸素イ
オン輸率が高い第３固体電解質層を積層した積層固体電
解質を用いたことを特徴とする。
態に係るＳＯＦＣは、空気極と固体電解質との間にホー
ル伝導の割合（輸率）の小さく、酸素イオン伝導の割合
の高い第２固体電解質層を設け、燃料極と第１固体電解
質層との間に電子伝導の割合（輸率）およびプロトン伝
導の割合（輸率）の小さく、酸素イオン伝導の割合の大
きい第３固体電解質層を設けた構造を有する。即ち、第
３の実施形態に係わるＳＯＦＣは、ホールの輸率が小さ
い第２固体電解質層、ペロブスカイト型の第１固体電解
質層、及び電子およびプロトンの輸率が小さく、酸素イ
オン輸率が高い第３固体電解質層を積層した積層固体電
解質を用いたことを特徴とする。
【００４１】図３（ａ）に、本発明の第３の実施形態に
係るＳＯＦＣを示す。同図に示すように、第３の実施形
態に係るＳＯＦＣは、第１固体電解質層２であるペロブ
スカイト型固体電解質層と、その片側に形成された空気
極３と、その他方に形成された燃料極４とを有し、第１
固体電解質層２と空気極３との間にホールの輸率が小さ
く、酸素イオン輸率が高い第２固体電解質層５を備え、
第１固体電解質層２と燃料極４との間に、電子の輸率、
およびプロトン（Ｈ＋）の輸率が小さく、酸素イオン輸
率の高い第３固体電解質層６を備える。
係るＳＯＦＣを示す。同図に示すように、第３の実施形
態に係るＳＯＦＣは、第１固体電解質層２であるペロブ
スカイト型固体電解質層と、その片側に形成された空気
極３と、その他方に形成された燃料極４とを有し、第１
固体電解質層２と空気極３との間にホールの輸率が小さ
く、酸素イオン輸率が高い第２固体電解質層５を備え、
第１固体電解質層２と燃料極４との間に、電子の輸率、
およびプロトン（Ｈ＋）の輸率が小さく、酸素イオン輸
率の高い第３固体電解質層６を備える。
【００４２】なお、第１固体電解質層２、第２固体電解
質層５および第３固体電解質層６のそれぞれの材料は、
第1および第2の実施形態それぞれで説明したものと同じ
材料を使用することができる。第２固体電解質層５と第
３固体電解質層６とを同じ材料にしてもよいし、それぞ
れ異なる材料としてもよい。
質層５および第３固体電解質層６のそれぞれの材料は、
第1および第2の実施形態それぞれで説明したものと同じ
材料を使用することができる。第２固体電解質層５と第
３固体電解質層６とを同じ材料にしてもよいし、それぞ
れ異なる材料としてもよい。
【００４３】ＳＯＦＣの作動温度は、ＳＯＦＣの周辺材
料としてメタル材料を利用できるように、約６００℃以
下とすることが望ましい。この作動温度において、図３
（ｂ）に示すように、第２固体電解質層５の存在によ
り、空気極３と固体電解質で発生するホール（ｈ＋）の
移動が第２固体電解質により抑制されるとともに、第３
固体電解質層６の存在により、電子およびプロトン（Ｈ
＋）の移動が抑制されるため、積層固体電解質全体の混
合伝導性をより効果的に防ぐことができる。即ち、積層
固体電解質全体の酸素イオンの輸率を向上できる。
料としてメタル材料を利用できるように、約６００℃以
下とすることが望ましい。この作動温度において、図３
（ｂ）に示すように、第２固体電解質層５の存在によ
り、空気極３と固体電解質で発生するホール（ｈ＋）の
移動が第２固体電解質により抑制されるとともに、第３
固体電解質層６の存在により、電子およびプロトン（Ｈ
＋）の移動が抑制されるため、積層固体電解質全体の混
合伝導性をより効果的に防ぐことができる。即ち、積層
固体電解質全体の酸素イオンの輸率を向上できる。
【００４４】しかし、第１の実施形態および第２の実施
形態において、すでに説明したように、第２固体電解質
層５の層厚および第３固体電解質層６の層厚が厚すぎる
と、積層固体電解質全体の酸素イオン伝導に対する抵抗
が上がり、実質的な酸素イオン伝導量が低下する。より
高い出力効率を得るためには、積層固体電解質全体の酸
素イオン輸率を高めるとともに酸素イオン伝導量を増や
すことが望ましい。
形態において、すでに説明したように、第２固体電解質
層５の層厚および第３固体電解質層６の層厚が厚すぎる
と、積層固体電解質全体の酸素イオン伝導に対する抵抗
が上がり、実質的な酸素イオン伝導量が低下する。より
高い出力効率を得るためには、積層固体電解質全体の酸
素イオン輸率を高めるとともに酸素イオン伝導量を増や
すことが望ましい。
【００４５】よって、少なくとも第１固体電解質層２単
体の酸素イオン伝導に対する抵抗より、第1〜第３固体
電解質層からなる積層固体電解質全体の酸素イオン伝導
に対する抵抗が小さいことが望まれる。
体の酸素イオン伝導に対する抵抗より、第1〜第３固体
電解質層からなる積層固体電解質全体の酸素イオン伝導
に対する抵抗が小さいことが望まれる。
【００４６】 即ち、第１固体電解質層２単体の単位面
積あたりの酸素イオン伝導に対する抵抗をＲｐ(o)、第
２固体電解質層５単体の単位面積あたりの酸素イオン伝
導に対する抵抗をＲｃ(o)とすると、第３固体電解質層
６単体の単位面積あたりの酸素イオン伝導に対する抵抗
をＲａ(o)とすると、次式（Ｆ３−１）を満たすことが
望ましい。 Ｒｐ(o) ＞ Ｒｃ(o) ＋ Ｒａ(o) ・・・（Ｆ３−1） なお、Ｒｐ(o)、Ｒｃ(o)、Ｒａ(o)はそれぞれ次式で表
される。 Ｒｐ(o) ＝ Ｌp／ｔpo・σp Ｒｃ(o) ＝ Ｌc／ｔco・σc Ｒａ(o) ＝ Ｌc／ｔco・σc ここで、 Ｌp：第１固体電解質層の層厚 σp：第１固体電解質層の全伝導度 ｔpo ：第１固体電解質層の酸素イオン輸率 Ｌc：第２固体電解質層の層厚 σc：第２の固体電解質層の全伝導度 ｔco ：第２固体電解質層の酸素イオン輸率 Ｌa：第３固体電解質層の層厚 σa：第３の固体電解質層の全伝導度 ｔao：第３固体電解質層の酸素イオン輸率 従って、（F３−１）は、次式（F３−２）に書き換えら
れる。 Ｌp／ｔpo・σp ＞Ｌc／ｔco・σc ＋Ｌa／ｔao・σa・・・（Ｆ３−２）
積あたりの酸素イオン伝導に対する抵抗をＲｐ(o)、第
２固体電解質層５単体の単位面積あたりの酸素イオン伝
導に対する抵抗をＲｃ(o)とすると、第３固体電解質層
６単体の単位面積あたりの酸素イオン伝導に対する抵抗
をＲａ(o)とすると、次式（Ｆ３−１）を満たすことが
望ましい。 Ｒｐ(o) ＞ Ｒｃ(o) ＋ Ｒａ(o) ・・・（Ｆ３−1） なお、Ｒｐ(o)、Ｒｃ(o)、Ｒａ(o)はそれぞれ次式で表
される。 Ｒｐ(o) ＝ Ｌp／ｔpo・σp Ｒｃ(o) ＝ Ｌc／ｔco・σc Ｒａ(o) ＝ Ｌc／ｔco・σc ここで、 Ｌp：第１固体電解質層の層厚 σp：第１固体電解質層の全伝導度 ｔpo ：第１固体電解質層の酸素イオン輸率 Ｌc：第２固体電解質層の層厚 σc：第２の固体電解質層の全伝導度 ｔco ：第２固体電解質層の酸素イオン輸率 Ｌa：第３固体電解質層の層厚 σa：第３の固体電解質層の全伝導度 ｔao：第３固体電解質層の酸素イオン輸率 従って、（F３−１）は、次式（F３−２）に書き換えら
れる。 Ｌp／ｔpo・σp ＞Ｌc／ｔco・σc ＋Ｌa／ｔao・σa・・・（Ｆ３−２）
【００４７】さらに、第1固体電解質層のみを用いた従
来のＳＯＦＣに比較し、より確実に出力効率を上げるた
めには、第１固体電解質層２と空気極３との界面に第２
固体電解質層５を挿入し、第１固体電解質層２と燃料極
４の界面に第３固体電解質層６を挿入しすることによる
電解質層の酸素イオン伝導に対する電圧降下の増加分
が、混合導電性を抑えることによる開放端電圧降下分よ
りも小さくなるように、第２固体電解質層５および第３
固体電解質層６の層厚を調整することが望ましい。即
ち、ここで、 Ｅp(Ｊ)：負荷電流密度Ｊの際の第１固体電解質層のみ
の場合の電極間電圧 Ｅc+a(Ｊ)：負荷電流密度Ｊの際の第２，第３固体電解
質層を挿入した場合の電極間電圧 Ｅ0：燃料電池の理論上の開放端電圧 とすると、Ｅp(Ｊ)，Ｅc+a(Ｊ)は、式（ｆ−５）より、
それぞれ Ｅp(Ｊ) =ｔpo・Ｅ0−Ｊ・Ｌp／ｔpo・σp ・・・（Ｆ３−３） Ｅc+a(Ｊ) =ｔcao・Ｅ0−Ｊ・(Ｌp／ｔpo・σp＋ Ｌc／ｔco・σc＋Ｌa／ｔao・σa)・・・（Ｆ３−４） となる。ここで、ｔcaoはｔcoとｔaoのうち、小さい方
の酸素イオン輸率である。したがって、Ｅc+a(Ｊ)＞Ｅp
(Ｊ) となるには、 ｔcao・Ｅ0−ｔpo・Ｅ0 ＞ Ｊ・(Ｌp／ｔpo・σp＋Ｌc／ｔco・σc＋Ｌa／ｔao・σa) −Ｊ・Ｌp／ｔpo・σp つまり、 (ｔcao -ｔpo)・Ｅ0 ＞ Ｊ・(Ｌc／ｔco・σc＋Ｌa／ｔao・σa)・・・（Ｆ３−５） となる。
来のＳＯＦＣに比較し、より確実に出力効率を上げるた
めには、第１固体電解質層２と空気極３との界面に第２
固体電解質層５を挿入し、第１固体電解質層２と燃料極
４の界面に第３固体電解質層６を挿入しすることによる
電解質層の酸素イオン伝導に対する電圧降下の増加分
が、混合導電性を抑えることによる開放端電圧降下分よ
りも小さくなるように、第２固体電解質層５および第３
固体電解質層６の層厚を調整することが望ましい。即
ち、ここで、 Ｅp(Ｊ)：負荷電流密度Ｊの際の第１固体電解質層のみ
の場合の電極間電圧 Ｅc+a(Ｊ)：負荷電流密度Ｊの際の第２，第３固体電解
質層を挿入した場合の電極間電圧 Ｅ0：燃料電池の理論上の開放端電圧 とすると、Ｅp(Ｊ)，Ｅc+a(Ｊ)は、式（ｆ−５）より、
それぞれ Ｅp(Ｊ) =ｔpo・Ｅ0−Ｊ・Ｌp／ｔpo・σp ・・・（Ｆ３−３） Ｅc+a(Ｊ) =ｔcao・Ｅ0−Ｊ・(Ｌp／ｔpo・σp＋ Ｌc／ｔco・σc＋Ｌa／ｔao・σa)・・・（Ｆ３−４） となる。ここで、ｔcaoはｔcoとｔaoのうち、小さい方
の酸素イオン輸率である。したがって、Ｅc+a(Ｊ)＞Ｅp
(Ｊ) となるには、 ｔcao・Ｅ0−ｔpo・Ｅ0 ＞ Ｊ・(Ｌp／ｔpo・σp＋Ｌc／ｔco・σc＋Ｌa／ｔao・σa) −Ｊ・Ｌp／ｔpo・σp つまり、 (ｔcao -ｔpo)・Ｅ0 ＞ Ｊ・(Ｌc／ｔco・σc＋Ｌa／ｔao・σa)・・・（Ｆ３−５） となる。
【００４８】式（Ｆ３−５）より、挿入する第２固体電
解質層５、第３固体電解質層６の層厚は、第１固体電解
質層２の層厚に依存せず、負荷電流密度に依存してい
る。この負荷電流密度Ｊの値については、作製する燃料
電池によって異なるが、燃料電池の出力が最大となると
きの負荷電流密度Ｊmaxと設定すれば、最大出力時にお
いても第２および第３固体電解質層を挿入した効果が発
揮できる。しかしながら、作製した燃料電池を最大出力
条件以下で用いる場合は、式（Ｆ３−５）における負荷
電流密度ＪはＪmax以下の値となり、挿入する第３固体
電解質層６の層厚も応じた値とすれば、挿入する効果が
発揮できる。
解質層５、第３固体電解質層６の層厚は、第１固体電解
質層２の層厚に依存せず、負荷電流密度に依存してい
る。この負荷電流密度Ｊの値については、作製する燃料
電池によって異なるが、燃料電池の出力が最大となると
きの負荷電流密度Ｊmaxと設定すれば、最大出力時にお
いても第２および第３固体電解質層を挿入した効果が発
揮できる。しかしながら、作製した燃料電池を最大出力
条件以下で用いる場合は、式（Ｆ３−５）における負荷
電流密度ＪはＪmax以下の値となり、挿入する第３固体
電解質層６の層厚も応じた値とすれば、挿入する効果が
発揮できる。
【００４９】なお、上述する第３の実施の形態に係るＳ
ＯＦＣは、第1および第２の実施形態に係るＳＯＦＣと
同様な方法で作製することができる。即ち、ＬａＧａ系
ペロブスカイト型固体電解質である第１固体電解質層２
は、一般に使用される焼結法を用いて作製することがで
きるが、焼結法に限らず、スパッタ、ＣＶＤ、あるいは
印刷法などの種々の方法を用いて作製することができ
る。また、ＹＳＺ等の第２固体電解質層５および３固体
電解質層６も、ＲＦスパッタ、ＣＶＤや印刷法等の種々
の方法を用いて作製できる。作製順序は、ペロブスカイ
ト型の第１固体電解質層２を先に形成し、その一方の面
に第２固体電解質層および他方の面上に、第３固体電解
質層６を形成してもよい。あるいは、空気極２を先に形
成し、空気極２上に第２固体電解質層２、第１固体電解
質（ペロブスカイト型固体電解質）層２、第３固体電解
質層６の順に積層してもよい。あるいは、燃料極上に第
３固体電解質層６、第１固体電解質層２、第２固体電解
質層５の順に積層してもよい。
ＯＦＣは、第1および第２の実施形態に係るＳＯＦＣと
同様な方法で作製することができる。即ち、ＬａＧａ系
ペロブスカイト型固体電解質である第１固体電解質層２
は、一般に使用される焼結法を用いて作製することがで
きるが、焼結法に限らず、スパッタ、ＣＶＤ、あるいは
印刷法などの種々の方法を用いて作製することができ
る。また、ＹＳＺ等の第２固体電解質層５および３固体
電解質層６も、ＲＦスパッタ、ＣＶＤや印刷法等の種々
の方法を用いて作製できる。作製順序は、ペロブスカイ
ト型の第１固体電解質層２を先に形成し、その一方の面
に第２固体電解質層および他方の面上に、第３固体電解
質層６を形成してもよい。あるいは、空気極２を先に形
成し、空気極２上に第２固体電解質層２、第１固体電解
質（ペロブスカイト型固体電解質）層２、第３固体電解
質層６の順に積層してもよい。あるいは、燃料極上に第
３固体電解質層６、第１固体電解質層２、第２固体電解
質層５の順に積層してもよい。
【００５０】
【発明の効果】本発明の第１の実施形態に係わる固体電
解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）は、ぺロブスカイト型の第
１固体電解質層と空気極との間に、該固体電解質型燃料
電池の作動条件下において、電解質の伝導担体であるイ
オン、電子、ホールからなる伝導のうち、ホールによる
伝導の割合、即ちホール輸率が、上記第１固体電解質層
より小さく、酸素イオンによる伝導の割合、即ち酸素イ
オン輸率が高い第２固体電解質層を介在させた構成とし
たことを特徴とし、本発明の第２の実施形態に係わる固
体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）は、ぺロブスカイト型
の第１固体電解質層と燃料極との間に、該固体電解質型
燃料電池の作動条件下において、電解質の伝導担体であ
るイオン、電子、ホールからなる伝導のうち、電子と水
素イオン等のプロトンによる伝導の割合、即ち水素イオ
ンとプロトンの輸率が上記第１固体電解質層より小さ
く、酸素イオン輸率が高い第３固体電解質層を介在させ
た構成とし、さらに本発明の第３の実施形態に係わる固
体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）は、ぺロブスカイト型
の第１固体電解質層と空気極との間に、該固体電解質型
燃料電池の作動条件下において、電解質の伝導担体であ
る酸素イオン、電子、ホール、水素イオンからなる伝導
のうち、ホールによる伝導の割合（ホールの輸率）が、
上記第１固体電解質層より小さく、酸素イオン輸率が高
い第２固体電解質層を介在させると共に、第１固体電解
質と燃料極との間に、該固体電解質型燃料電池の作動条
件下において、電解質の伝導担体であるイオン、電子、
ホールからなる伝導のうち、電子と水素イオン等のプロ
トンによる伝導の割合（電子と水素イオンの輸率）が、
第１固体電解質層より小さく、酸素イオン輸率が高い第
３固体電解質層を介在させた構成としたことを特徴とす
るものであるから、ペロブスカイト型の第１固体電解質
層が混合伝導性を示す場合でも、各電極と第１固体電解
質層との間に介在させた、ホール伝導性、電子伝導性、
あるいはプロトン伝導性が小さく、酸素イオン輸率が高
い第２および第３の固体電解質層の一方あるいはその両
方によって、固体電解質全体の混合伝導性を抑制し、実
質的な酸素イオン輸率を向上させることができると共
に、空気極側で発生したホールと燃料極側で発生した電
子とが対消滅を起す反応や、電子・プロトンの伝導によ
る電極間の分極抵抗の増加を防ぐことができ、ＳＯＦＣ
の出力効率を大幅に改善することができるという極めて
優れた効果がもたらされる。
解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）は、ぺロブスカイト型の第
１固体電解質層と空気極との間に、該固体電解質型燃料
電池の作動条件下において、電解質の伝導担体であるイ
オン、電子、ホールからなる伝導のうち、ホールによる
伝導の割合、即ちホール輸率が、上記第１固体電解質層
より小さく、酸素イオンによる伝導の割合、即ち酸素イ
オン輸率が高い第２固体電解質層を介在させた構成とし
たことを特徴とし、本発明の第２の実施形態に係わる固
体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）は、ぺロブスカイト型
の第１固体電解質層と燃料極との間に、該固体電解質型
燃料電池の作動条件下において、電解質の伝導担体であ
るイオン、電子、ホールからなる伝導のうち、電子と水
素イオン等のプロトンによる伝導の割合、即ち水素イオ
ンとプロトンの輸率が上記第１固体電解質層より小さ
く、酸素イオン輸率が高い第３固体電解質層を介在させ
た構成とし、さらに本発明の第３の実施形態に係わる固
体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）は、ぺロブスカイト型
の第１固体電解質層と空気極との間に、該固体電解質型
燃料電池の作動条件下において、電解質の伝導担体であ
る酸素イオン、電子、ホール、水素イオンからなる伝導
のうち、ホールによる伝導の割合（ホールの輸率）が、
上記第１固体電解質層より小さく、酸素イオン輸率が高
い第２固体電解質層を介在させると共に、第１固体電解
質と燃料極との間に、該固体電解質型燃料電池の作動条
件下において、電解質の伝導担体であるイオン、電子、
ホールからなる伝導のうち、電子と水素イオン等のプロ
トンによる伝導の割合（電子と水素イオンの輸率）が、
第１固体電解質層より小さく、酸素イオン輸率が高い第
３固体電解質層を介在させた構成としたことを特徴とす
るものであるから、ペロブスカイト型の第１固体電解質
層が混合伝導性を示す場合でも、各電極と第１固体電解
質層との間に介在させた、ホール伝導性、電子伝導性、
あるいはプロトン伝導性が小さく、酸素イオン輸率が高
い第２および第３の固体電解質層の一方あるいはその両
方によって、固体電解質全体の混合伝導性を抑制し、実
質的な酸素イオン輸率を向上させることができると共
に、空気極側で発生したホールと燃料極側で発生した電
子とが対消滅を起す反応や、電子・プロトンの伝導によ
る電極間の分極抵抗の増加を防ぐことができ、ＳＯＦＣ
の出力効率を大幅に改善することができるという極めて
優れた効果がもたらされる。
【００５１】
【実施例】（実施例１ａ）図１（ａ）に示したような第
1の実施形態に係わるＳＯＦＣ１を作製した。即ち、ペ
ロブスカイト型第１固体電解質層２と空気極３の間に、
イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）よりなる第２固
体電解質層５を備えたＳＯＦＣ１を作製した。
1の実施形態に係わるＳＯＦＣ１を作製した。即ち、ペ
ロブスカイト型第１固体電解質層２と空気極３の間に、
イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）よりなる第２固
体電解質層５を備えたＳＯＦＣ１を作製した。
【００５２】まず、焼結法を用いて、直径約１５ｍｍ
φ、厚み約１ｍｍのペロブスカイト型固体電解質（Ｌａ
０．７５Ｎｄ０．１５Ｓｒ０．１Ｇａ０．８Ｍｇ０．２
Ｏ３− ｄ）からなる第１固体電解質層２を作製した。次
に、この第1固体電解質層２の片側表面に、ＲＦスパッ
タ法を用いて第２固体電解質層５としてＹＳＺ層を形成
した。このＹＳＺ層の層厚は、第1の実施形態における
式（Ｆ１−６）の条件を満たす層厚とした。
φ、厚み約１ｍｍのペロブスカイト型固体電解質（Ｌａ
０．７５Ｎｄ０．１５Ｓｒ０．１Ｇａ０．８Ｍｇ０．２
Ｏ３− ｄ）からなる第１固体電解質層２を作製した。次
に、この第1固体電解質層２の片側表面に、ＲＦスパッ
タ法を用いて第２固体電解質層５としてＹＳＺ層を形成
した。このＹＳＺ層の層厚は、第1の実施形態における
式（Ｆ１−６）の条件を満たす層厚とした。
【００５３】この第２固体電解質ＹＳＺ層５の表面、お
よびＹＳＺ層が形成されていないペロブスカイト型固体
電解質２の表面上にそれぞれＰｔ／Ａｇ電極からなる空
気極３と燃料極４を形成した。
よびＹＳＺ層が形成されていないペロブスカイト型固体
電解質２の表面上にそれぞれＰｔ／Ａｇ電極からなる空
気極３と燃料極４を形成した。
【００５４】そして、この積層固体電解質全体の酸素イ
オン伝導度σ［Ｓ／ｃｍ］および酸素イオン輸率ＴＯｉ
［％］の測定を行なった。酸素イオン伝導度は、大気中
６００℃において空気極３と燃料極４間の抵抗率を測定
し、その逆数を酸素イオン伝導度とした。積層固体電解
質中の電気伝導は、大気中６００℃において１００％の
酸素イオン伝導と仮定した。また、酸素イオン輸率は、
燃料極４および空気極３の側にＡｒガスを流しながら６
００℃まで昇温し、Ａｒガスを止めた後、燃料極４側に
加湿水素を、空気極３側に空気を流し、３０分放置後の
両電極間の自然電位を測定した。その値の理論自然電位
に対する百分率を酸素イオン輸率とした。
オン伝導度σ［Ｓ／ｃｍ］および酸素イオン輸率ＴＯｉ
［％］の測定を行なった。酸素イオン伝導度は、大気中
６００℃において空気極３と燃料極４間の抵抗率を測定
し、その逆数を酸素イオン伝導度とした。積層固体電解
質中の電気伝導は、大気中６００℃において１００％の
酸素イオン伝導と仮定した。また、酸素イオン輸率は、
燃料極４および空気極３の側にＡｒガスを流しながら６
００℃まで昇温し、Ａｒガスを止めた後、燃料極４側に
加湿水素を、空気極３側に空気を流し、３０分放置後の
両電極間の自然電位を測定した。その値の理論自然電位
に対する百分率を酸素イオン輸率とした。
【００５５】測定の結果、ペロブスカイト型の第１固体
電解質層２と空気極３との間に、酸素イオン輸率が９９
％以上のＹＳＺ層からなる第２固体電解質層５を介在さ
せることで、電解質層全体の酸素イオン伝導度はわずか
に低下したが、ホールによる伝導を抑制できたことで、
酸素イオン輸率が改善された。この測定結果を表１に示
す。
電解質層２と空気極３との間に、酸素イオン輸率が９９
％以上のＹＳＺ層からなる第２固体電解質層５を介在さ
せることで、電解質層全体の酸素イオン伝導度はわずか
に低下したが、ホールによる伝導を抑制できたことで、
酸素イオン輸率が改善された。この測定結果を表１に示
す。
【００５６】（実施例１ｂ）ペロブスカイト型の第１固
体電解質層２として、Ｌａ０．８Ｓｍ０．１Ｂａ０ ．１
Ｇａ０．８Ｍｇ０．２Ｏ３−ｄを作製した。これ以外の
条件は、上記実施例１ａと同じ条件のもとで、ＳＯＦＣ
１を作製し第２固体電解質層５た。積層固体電解質全体
の酸素イオン伝導度はわずかに低下したが、ホールによ
る伝導を抑制できたことで、酸素イオン輸率が改善され
た。この測定結果を表１に示す。
体電解質層２として、Ｌａ０．８Ｓｍ０．１Ｂａ０ ．１
Ｇａ０．８Ｍｇ０．２Ｏ３−ｄを作製した。これ以外の
条件は、上記実施例１ａと同じ条件のもとで、ＳＯＦＣ
１を作製し第２固体電解質層５た。積層固体電解質全体
の酸素イオン伝導度はわずかに低下したが、ホールによ
る伝導を抑制できたことで、酸素イオン輸率が改善され
た。この測定結果を表１に示す。
【００５７】（実施例２ａ）図１（ａ）に示した第1の
実施形態に係わるＳＯＦＣを作製した。当該実施例２ａ
のＳＯＦＣ１は、ペロブスカイト型第１固体電解質層２
と空気極３との間に、Ｓｍ２Ｏ３添加の酸化セリア（Ｓ
ＤＣ）よりなる第２固体電解質層５を介在させたもので
ある。ペロブスカイト型固体電解質層２（Ｌａ０．７５
Ｎｄ０．１５Ｓｒ０．１Ｇａ０．８Ｍｇ
０．２Ｏ３−ｄ）を焼結法により作製し、該ペロブスカ
イト型化合物からなる第１固体電解質層の片面に、スク
リーン印刷法を用いてＳＤＣの第２固体電解質層５を形
成した。このとき、ＳＤＣ層５の層厚は、第1の実施形
態における式（Ｆ１−６）の条件を満たす層厚とした。
実施形態に係わるＳＯＦＣを作製した。当該実施例２ａ
のＳＯＦＣ１は、ペロブスカイト型第１固体電解質層２
と空気極３との間に、Ｓｍ２Ｏ３添加の酸化セリア（Ｓ
ＤＣ）よりなる第２固体電解質層５を介在させたもので
ある。ペロブスカイト型固体電解質層２（Ｌａ０．７５
Ｎｄ０．１５Ｓｒ０．１Ｇａ０．８Ｍｇ
０．２Ｏ３−ｄ）を焼結法により作製し、該ペロブスカ
イト型化合物からなる第１固体電解質層の片面に、スク
リーン印刷法を用いてＳＤＣの第２固体電解質層５を形
成した。このとき、ＳＤＣ層５の層厚は、第1の実施形
態における式（Ｆ１−６）の条件を満たす層厚とした。
【００５８】ＳＤＣ（第２固体電解質層５）表面とペロ
ブスカイト型固体電解質層２の表面上にＰｔ／Ａｇ電極
を形成したのち、積層固体電解質全体の酸素イオン伝導
度σ［Ｓ／ｃｍ］および酸素イオン輸率ＴＯｉ［％］の
測定を行なった。測定方法は、実施例１と同じ測定方法
を用いた。測定の結果、第１固体電解質層２と空気極３
との間に介在させた、ホール伝導性の小さいＳＤＣ層５
により、積層固体電解質全体の酸素イオン伝導度はわず
かに低下したが、ホールによる伝導を抑制できた。この
ため、酸素イオン輸率が改善された。この測定結果を表
１に示す。
ブスカイト型固体電解質層２の表面上にＰｔ／Ａｇ電極
を形成したのち、積層固体電解質全体の酸素イオン伝導
度σ［Ｓ／ｃｍ］および酸素イオン輸率ＴＯｉ［％］の
測定を行なった。測定方法は、実施例１と同じ測定方法
を用いた。測定の結果、第１固体電解質層２と空気極３
との間に介在させた、ホール伝導性の小さいＳＤＣ層５
により、積層固体電解質全体の酸素イオン伝導度はわず
かに低下したが、ホールによる伝導を抑制できた。この
ため、酸素イオン輸率が改善された。この測定結果を表
１に示す。
【００５９】（実施例２ｂ）ペロブスカイト型第１固体
電解質層２として、Ｌａ０．８Ｓｍ０．１Ｂａ０． １Ｇ
ａ０．８Ｍｇ０．２Ｏ３−ｄを作製した。これ以外の条
件は、上記実施例２ａと同じ条件で、ＳＯＦＣ１を作製
した。積層固体電解質全体の酸素イオン伝導度はわずか
に低下したが、ホールによる伝導を抑制できたことで、
酸素イオン輸率が改善された。この測定結果を表１に示
す。
電解質層２として、Ｌａ０．８Ｓｍ０．１Ｂａ０． １Ｇ
ａ０．８Ｍｇ０．２Ｏ３−ｄを作製した。これ以外の条
件は、上記実施例２ａと同じ条件で、ＳＯＦＣ１を作製
した。積層固体電解質全体の酸素イオン伝導度はわずか
に低下したが、ホールによる伝導を抑制できたことで、
酸素イオン輸率が改善された。この測定結果を表１に示
す。
【００６０】（実施例３ａ）図２（ａ）に示した第２の
実施形態に係わるＳＯＦＣを作製した。当該実施例３ａ
のＳＯＦＣ１は、ペロブスカイト型第１固体電解質層２
と燃料極４との間に、ＹＳＺよりなる第３固体電解質層
６を介在させたものである。
実施形態に係わるＳＯＦＣを作製した。当該実施例３ａ
のＳＯＦＣ１は、ペロブスカイト型第１固体電解質層２
と燃料極４との間に、ＹＳＺよりなる第３固体電解質層
６を介在させたものである。
【００６１】ペロブスカイト型固体電解質（Ｌａ
０．７５Ｎｄ０．１５Ｓｒ０．１Ｇａ０． ８Ｍｇ０．２
Ｏ３−ｄ）を焼結法により作製し、該ペロブスカイト型
化合物固体電解質層２の片面に、ＲＦスパッタを用いて
ＹＳＺ層６を形成した。なお、このＹＳＺ層６の層厚
は、第２の実施形態における式（Ｆ２−６）の条件を満
たす層厚とした。
０．７５Ｎｄ０．１５Ｓｒ０．１Ｇａ０． ８Ｍｇ０．２
Ｏ３−ｄ）を焼結法により作製し、該ペロブスカイト型
化合物固体電解質層２の片面に、ＲＦスパッタを用いて
ＹＳＺ層６を形成した。なお、このＹＳＺ層６の層厚
は、第２の実施形態における式（Ｆ２−６）の条件を満
たす層厚とした。
【００６２】ＹＳＺ表面とペロブスカイト型固体電解質
表面とにＰｔ／Ａｇ電極を形成し、積層固体電解質全体
の酸素イオン伝導度σ［Ｓ／ｃｍ］および酸素イオン輸
率ＴＯｉ［％］の測定を行なった。酸素イオン伝導度お
よび酸素イオン輸率の測定方法は、実施例１ａと同じ測
定方法を用いた。
表面とにＰｔ／Ａｇ電極を形成し、積層固体電解質全体
の酸素イオン伝導度σ［Ｓ／ｃｍ］および酸素イオン輸
率ＴＯｉ［％］の測定を行なった。酸素イオン伝導度お
よび酸素イオン輸率の測定方法は、実施例１ａと同じ測
定方法を用いた。
【００６３】測定の結果、第１固体電解質層２と燃料極
４との間に、酸素イオン輸率が９９％以上のＹＳＺ層６
を介在させることによって、積層固体電解質全体の酸素
イオン伝導度はわずかに低下したが、電子およびプロト
ンによる伝導を抑制できたことで、酸素イオン輸率が改
善された。このときの測定結果を表１に示す。
４との間に、酸素イオン輸率が９９％以上のＹＳＺ層６
を介在させることによって、積層固体電解質全体の酸素
イオン伝導度はわずかに低下したが、電子およびプロト
ンによる伝導を抑制できたことで、酸素イオン輸率が改
善された。このときの測定結果を表１に示す。
【００６４】（実施例３ｂ）ペロブスカイト型第１固体
電解質層２として、Ｌａ０．８Ｓｍ０．１Ｂａ０． １Ｇ
ａ０．８Ｍｇ０．２Ｏ３−ｄを作製した。これ以外の条
件は、上記実施例３ａと同じ条件によりＳＯＦＣ１を作
製した。積層固体電解質全体の酸素イオン伝導度はわず
かに低下したが、ホールによる伝導を抑制できたこと
で、酸素イオン輸率が改善された。この測定結果を表１
に示す。
電解質層２として、Ｌａ０．８Ｓｍ０．１Ｂａ０． １Ｇ
ａ０．８Ｍｇ０．２Ｏ３−ｄを作製した。これ以外の条
件は、上記実施例３ａと同じ条件によりＳＯＦＣ１を作
製した。積層固体電解質全体の酸素イオン伝導度はわず
かに低下したが、ホールによる伝導を抑制できたこと
で、酸素イオン輸率が改善された。この測定結果を表１
に示す。
【００６５】（実施例４ａ）図３（ａ）に示した第３の
実施形態に係わるＳＯＦＣを作製した。当該実施例４ａ
のＳＯＦＣ１は、ペロブスカイト型化合物である第１固
体電解質層２と空気極３との間に第２固体電解質層であ
るＹＳＺ層５を介在させ、第１固体電解質層２と燃料極
４との間に第３固体電解質層であるＹＳＺ層６を介在さ
せてなるものである。
実施形態に係わるＳＯＦＣを作製した。当該実施例４ａ
のＳＯＦＣ１は、ペロブスカイト型化合物である第１固
体電解質層２と空気極３との間に第２固体電解質層であ
るＹＳＺ層５を介在させ、第１固体電解質層２と燃料極
４との間に第３固体電解質層であるＹＳＺ層６を介在さ
せてなるものである。
【００６６】ペロブスカイト型化合物である第１固体電
解質層２（Ｌａ０．７５Ｎｄ０．１ ５Ｓｒ０．１Ｇａ
０．８Ｍｇ０．２Ｏ３−ｄ）を焼結法により作製した。
このペロブスカイト型の第１固体電解質層２の両面に、
スクリーン印刷法を用いてＹＳＺ層５，６を形成して、
第２および第３固体電解質層とした。ＹＳＺ層５，６の
膜厚は、第３の実施形態の式（Ｆ３−７）を満たすよう
調整した。
解質層２（Ｌａ０．７５Ｎｄ０．１ ５Ｓｒ０．１Ｇａ
０．８Ｍｇ０．２Ｏ３−ｄ）を焼結法により作製した。
このペロブスカイト型の第１固体電解質層２の両面に、
スクリーン印刷法を用いてＹＳＺ層５，６を形成して、
第２および第３固体電解質層とした。ＹＳＺ層５，６の
膜厚は、第３の実施形態の式（Ｆ３−７）を満たすよう
調整した。
【００６７】両ＹＳＺ層５，６の表面にＰｔ／Ａｇ電極
３，４を形成し、酸素イオン伝導度σ［Ｓ／ｃｍ］およ
び酸素イオン輸率ＴＯｉ［％］の測定を行なった。この
ときの酸素イオン伝導度および酸素イオン輸率の測定方
法は、実施例１ａと同じ方法を用いた。
３，４を形成し、酸素イオン伝導度σ［Ｓ／ｃｍ］およ
び酸素イオン輸率ＴＯｉ［％］の測定を行なった。この
ときの酸素イオン伝導度および酸素イオン輸率の測定方
法は、実施例１ａと同じ方法を用いた。
【００６８】測定の結果、第１固体電解質層２と空気極
３の間、および第１固体電解質層２と燃料極４との間
に、酸素イオン輸率が９９％以上のＹＳＺ層５，６をそ
れぞれ介在させることで、積層固体電解質全体の酸素イ
オン伝導度はわずかに低下したが、ホール、電子、およ
びプロトンによる伝導を抑制できたことにより、酸素イ
オン輸率が改善された。このときの測定結果を表１に示
す。
３の間、および第１固体電解質層２と燃料極４との間
に、酸素イオン輸率が９９％以上のＹＳＺ層５，６をそ
れぞれ介在させることで、積層固体電解質全体の酸素イ
オン伝導度はわずかに低下したが、ホール、電子、およ
びプロトンによる伝導を抑制できたことにより、酸素イ
オン輸率が改善された。このときの測定結果を表１に示
す。
【００６９】（実施例４ｂ）ペロブスカイト型第１固体
電解質層２として、Ｌａ０．８Ｓｍ０．１Ｂａ０． １Ｇ
ａ０．８Ｍｇ０．２Ｏ３−ｄを作製した。これ以外の条
件は、実施例４ａと同じ条件のもとにＳＯＦＣ１を作製
した。積層固体電解質全体の酸素イオン伝導度はわずか
に低下したが、ホール、電子、およびプロトンによる伝
導を抑制できたことで、酸素イオン輸率が改善された。
この測定結果を表１に示す。
電解質層２として、Ｌａ０．８Ｓｍ０．１Ｂａ０． １Ｇ
ａ０．８Ｍｇ０．２Ｏ３−ｄを作製した。これ以外の条
件は、実施例４ａと同じ条件のもとにＳＯＦＣ１を作製
した。積層固体電解質全体の酸素イオン伝導度はわずか
に低下したが、ホール、電子、およびプロトンによる伝
導を抑制できたことで、酸素イオン輸率が改善された。
この測定結果を表１に示す。
【００７０】（実施例５ａ）図３（ａ）に示した第３の
実施形態に係わるＳＯＦＣを作製した。当該実施例５ａ
におけるＳＯＦＣ１は、ペロブスカイト型化合物である
第１固体電解質層２と空気極３との間に第２固体電解質
層であるＳＤＣ層５を介在させ、第１固体電解質層２と
燃料極４との間に第３固体電解質層であるＹＳＺ層６を
介在させた。
実施形態に係わるＳＯＦＣを作製した。当該実施例５ａ
におけるＳＯＦＣ１は、ペロブスカイト型化合物である
第１固体電解質層２と空気極３との間に第２固体電解質
層であるＳＤＣ層５を介在させ、第１固体電解質層２と
燃料極４との間に第３固体電解質層であるＹＳＺ層６を
介在させた。
【００７１】まず、ペロブスカイト型の第１固体電解質
層２（Ｌａ０．７５Ｎｄ０．１５Ｓｒ０．１Ｇａ０．８
Ｍｇ０．２Ｏ３−ｄ）を焼結法により作製し、この第１
固体電解質層２の一方の面に、スクリーン印刷法を用い
てＳＤＣ層５を形成した。また、該ペロブスカイト型化
合物固体電解質層２のもう一方の面に、ＲＦスパッタを
用いてＹＳＺ層６を形成した。このとき、ＳＤＣ層５、
ＹＳＺ層６の層厚は、第３の実施形態の式（Ｆ３−７）
を満たすよう調整した。ＳＤＣ面、ＹＳＺ面にそれぞれ
Ｐｔ／Ａｇ電極３，４を形成した。
層２（Ｌａ０．７５Ｎｄ０．１５Ｓｒ０．１Ｇａ０．８
Ｍｇ０．２Ｏ３−ｄ）を焼結法により作製し、この第１
固体電解質層２の一方の面に、スクリーン印刷法を用い
てＳＤＣ層５を形成した。また、該ペロブスカイト型化
合物固体電解質層２のもう一方の面に、ＲＦスパッタを
用いてＹＳＺ層６を形成した。このとき、ＳＤＣ層５、
ＹＳＺ層６の層厚は、第３の実施形態の式（Ｆ３−７）
を満たすよう調整した。ＳＤＣ面、ＹＳＺ面にそれぞれ
Ｐｔ／Ａｇ電極３，４を形成した。
【００７２】積層固体電解質全体の酸素イオン伝導度σ
［Ｓ／ｃｍ］および酸素イオン輸率ＴＯｉ［％］の測定
を行なった。このときの酸素イオン伝導度および酸素イ
オン輸率の測定方法は、実施例１ａと同じ測定方法を用
いた。
［Ｓ／ｃｍ］および酸素イオン輸率ＴＯｉ［％］の測定
を行なった。このときの酸素イオン伝導度および酸素イ
オン輸率の測定方法は、実施例１ａと同じ測定方法を用
いた。
【００７３】測定の結果、第１固体電解質層２と空気極
４との間に、ホール伝導性の小さいＳＤＣよりなる第２
固体電解質層５を介在させ、第１固体電解質層２と燃料
極４との間に、酸素イオン輸率が９９％以上のＹＳＺよ
りなる第３固体電解質層６を介在させることで、積層固
体電解質全体の酸素イオン伝導度はわずかに低下した
が、ホール，電子，およびプロトンによる伝導を抑制で
きたことにより酸素イオン輸率が改善された。この測定
結果を表１に示す。
４との間に、ホール伝導性の小さいＳＤＣよりなる第２
固体電解質層５を介在させ、第１固体電解質層２と燃料
極４との間に、酸素イオン輸率が９９％以上のＹＳＺよ
りなる第３固体電解質層６を介在させることで、積層固
体電解質全体の酸素イオン伝導度はわずかに低下した
が、ホール，電子，およびプロトンによる伝導を抑制で
きたことにより酸素イオン輸率が改善された。この測定
結果を表１に示す。
【００７４】（実施例５ｂ）ペロブスカイト型固体電解
質として、Ｌａ０．８Ｓｍ０．１Ｂａ０．１Ｇａ０ ．８
Ｍｇ０．２Ｏ３−ｄを作製した。これ以外の条件は、実
施例５ａと同じ条件で、ＳＯＦＣ１を作製した。電解質
層全体の酸素イオン伝導度はわずかに低下したが、ホー
ル、電子、およびプロトンによる伝導を抑制できたこと
で、酸素イオン輸率が改善された。この測定結果を表１
に示す。
質として、Ｌａ０．８Ｓｍ０．１Ｂａ０．１Ｇａ０ ．８
Ｍｇ０．２Ｏ３−ｄを作製した。これ以外の条件は、実
施例５ａと同じ条件で、ＳＯＦＣ１を作製した。電解質
層全体の酸素イオン伝導度はわずかに低下したが、ホー
ル、電子、およびプロトンによる伝導を抑制できたこと
で、酸素イオン輸率が改善された。この測定結果を表１
に示す。
【００７５】（比較例ａおよびｂ）従来のＳＯＦＣと同
様に、ペロブスカイト型化合物固体電解質層のみを固体
電解質として用いたＳＯＦＣを作製した。即ち、上記２
種類のペロブスカイト型固体電解質を使用し、当該固体
電解質層と、空気極および燃料極との間のいずれにも、
別の固体電解質を介在させることなくＳＯＦＣを作製し
た。この場合のペロブスカイト型化合物固体電解質層の
酸素イオン伝導度および酸素イオン輸率の測定を同様に
行った。このときの測定結果を表１に示す。
様に、ペロブスカイト型化合物固体電解質層のみを固体
電解質として用いたＳＯＦＣを作製した。即ち、上記２
種類のペロブスカイト型固体電解質を使用し、当該固体
電解質層と、空気極および燃料極との間のいずれにも、
別の固体電解質を介在させることなくＳＯＦＣを作製し
た。この場合のペロブスカイト型化合物固体電解質層の
酸素イオン伝導度および酸素イオン輸率の測定を同様に
行った。このときの測定結果を表１に示す。
【００７６】
【表１】
【００７７】表１の結果から明らかなように、ペロブス
カイト型固体電解質を用いた本発明に係わるＳＯＦＣに
おいては、低温での作動条件において高い酸素イオンの
輸率を有することから、その出力効率を改善することが
できる。また、第１固体電解質層２、第２固体電解質層
５および第３固体電解質層６の層厚を調整することによ
り、固体電解質の抵抗の増大を抑制し、ＳＯＦＣの出力
効率をさらに改善できることが確認された。
カイト型固体電解質を用いた本発明に係わるＳＯＦＣに
おいては、低温での作動条件において高い酸素イオンの
輸率を有することから、その出力効率を改善することが
できる。また、第１固体電解質層２、第２固体電解質層
５および第３固体電解質層６の層厚を調整することによ
り、固体電解質の抵抗の増大を抑制し、ＳＯＦＣの出力
効率をさらに改善できることが確認された。
【００７８】以上、本発明の実施例について説明した
が、本発明はこのような実施例のみに限定されないこと
は言うまでもない。例えば、固体電解質層の形状は、板
状に限られず、円筒でもよい。また、板状の場合には、
その断面形状は円でも、矩形でもよい。さらに、第1〜
第３の各固体電解質層は、それぞれ単層に限らず、複数
層で構成されていてもよい。
が、本発明はこのような実施例のみに限定されないこと
は言うまでもない。例えば、固体電解質層の形状は、板
状に限られず、円筒でもよい。また、板状の場合には、
その断面形状は円でも、矩形でもよい。さらに、第1〜
第３の各固体電解質層は、それぞれ単層に限らず、複数
層で構成されていてもよい。
【図１】（ａ） 本発明の第１の実施形態に係るＳＯＦ
Ｃの構造を示す断面図である。 （ｂ） 図１（ａ）に示したＳＯＦＣにおける固体電解
質内の伝導担体の移動および抵抗の存在を示す概念図で
ある。
Ｃの構造を示す断面図である。 （ｂ） 図１（ａ）に示したＳＯＦＣにおける固体電解
質内の伝導担体の移動および抵抗の存在を示す概念図で
ある。
【図２】（ａ） 本発明の第２の実施形態に係るＳＯＦ
Ｃの構造を示す断面図である。 （ｂ） 図２（ａ）に示したＳＯＦＣにおける固体電解
質内の伝導担体の移動および抵抗の存在を示す概念図で
ある。
Ｃの構造を示す断面図である。 （ｂ） 図２（ａ）に示したＳＯＦＣにおける固体電解
質内の伝導担体の移動および抵抗の存在を示す概念図で
ある。
【図３】（ａ） 本発明の第３の実施形態に係るＳＯＦ
Ｃの構造を示す断面図である。 （ｂ） 図３（ａ）に示したＳＯＦＣにおける固体電解
質内の伝導担体の移動および抵抗の存在を示す概念図で
ある。
Ｃの構造を示す断面図である。 （ｂ） 図３（ａ）に示したＳＯＦＣにおける固体電解
質内の伝導担体の移動および抵抗の存在を示す概念図で
ある。
１ 固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ） ２ 第１固体電解質層 ３ 空気極 ４ 燃料極 ５ 第２固体電解質層 ６ 第３固体電解質層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岩 崎 靖 和 神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日産 自動車株式会社内 Ｆターム(参考） 5H026 AA06 BB01 BB04 BB06 BB08 CV02 CX04 EE02 EE12 EE13 HH00
Claims (12)
- 【請求項１】 ペロブスカイト型化合物からなる第１固
体電解質層と、第１固体電解質層の一方の面側に設けら
れた空気極と、第１固体電解質層の他方の面側に設けら
れた燃料極と、第１固体電解質層と空気極との間に介在
する第２固体電解質層を有する固体電解質型燃料電池で
あって、当該固体電解質型燃料電池の作動条件下におい
て、前記第２固体電解質層における電解質の伝導担体で
あるイオン，電子，ホールによる伝導のうちのホールに
よる伝導の割合が前記第１固体電解質よりも小さく、酸
素イオンによる伝導の割合が大きいことを特徴とする固
体電解質型燃料電池。 - 【請求項２】 第１固体電解質層の酸素イオン輸率をｔ
po，全伝導度をσp，層厚をＬp、 第２固体電解質層の酸素イオン輸率をｔco，全伝導度を
σc，層厚をＬcとするとき、 Ｌp／（ｔpo×σp）＞ Ｌc／（ｔco×σc） であることを特徴とする請求項１記載の固体電解質型燃
料電池。 - 【請求項３】 第１固体電解質層の酸素イオン輸率をｔ
po、 第２固体電解質層の全伝導度をσc，層厚をＬc，酸素イ
オン輸率をｔco、燃料電池への負荷電流密度をJ、燃料
電池の理論起電力をＥ0とするとき、 (ｔco −ｔpo)・Ｅ0 ＞ J・Ｌc／ｔco・σc であることを特徴とする請求項１記載の固体電解質型燃
料電池。 - 【請求項４】 ペロブスカイト型化合物からなる第１固
体電解質層と、第１固体電解質層の一方の面側に設けら
れた空気極と、第１固体電解質層の他方の面側に設けら
れた燃料極と、第１固体電解質層と燃料極との間に介在
する第３固体電解質層を有する固体電解質型燃料電池で
あって、当該固体電解質型燃料電池の作動条件下におい
て、前記第３固体電解質層における電解質の伝導担体で
あるイオン，電子，ホールによる伝導のうちの電子とプ
ロトンによる伝導の割合が前記第１固体電解質よりも小
さく、酸素イオンによる伝導の割合が大きいことを特徴
とする固体電解質型燃料電池。 - 【請求項５】 第１固体電解質層の酸素イオン輸率をｔ
po，全伝導度をσp，層厚をＬp、 第３固体電解質層の酸素イオン輸率をｔao，全伝導度を
σa，層厚をＬaとするとき、 Ｌp／（ｔpo×σp）＞ Ｌa／（ｔao×σa） であることを特徴とする請求項４記載の固体電解質型燃
料電池。 - 【請求項６】 第１固体電解質層の酸素イオン輸率をｔ
po、 第３固体電解質層の全伝導度をσa，層厚をＬa，酸素イ
オン輸率をｔao、 燃料電池への負荷電流密度をJ、燃料電池の理論起電力
をＥ0とするとき、 (ｔao −ｔpo)・Ｅ0 ＞ J・Ｌa ／ｔao・σa であることを特徴とする請求項４記載の固体電解質型燃
料電池。 - 【請求項７】 ペロブスカイト型化合物からなる第１固
体電解質層と、第１固体電解質層の一方の面側に設けら
れた空気極と、第１固体電解質層の他方の面側に設けら
れた燃料極と、第１固体電解質層と空気極との間に介在
する第２固体電解質層と、第１固体電解質層と燃料極と
の間に介在する第３固体電解質層を有する固体電解質型
燃料電池であって、当該固体電解質型燃料電池の作動条
件下において、前記第２固体電解質層における電解質の
伝導担体であるイオン，電子，ホールによる伝導のうち
のホールによる伝導の割合が前記第１固体電解質よりも
小さく、酸素イオンによる伝導の割合が大きく、かつ前
記第３固体電解質層における電解質の伝導担体であるイ
オン，電子，ホールによる伝導のうちの電子と水素イオ
ンによる伝導の割合が前記第１固体電解質よりも小さ
く、酸素イオンによる伝導の割合が大きいことを特徴と
する固体電解質型燃料電池。 - 【請求項８】 第１固体電解質層の酸素イオン輸率をｔ
po，全伝導度をσp，層厚をＬp、 第２固体電解質層の酸素イオン輸率をｔco，全伝導度を
σc，層厚をＬc,第３固体電解質層の酸素イオン輸率を
ｔao，全伝導度をσa，層厚をＬaとするとき、 Ｌp／（ｔpo×σp）＞ Ｌc／（ｔco×σc）＋Ｌa／（ｔ
ao×σa） であることを特徴とする請求項７記載の固体電解質型燃
料電池。 - 【請求項９】 第１固体電解質層の酸素イオン輸率をｔ
po、 第２固体電解質層の全伝導度をσc，層厚をＬc、酸素イ
オン輸率をｔco、 第３固体電解質層の全伝導度をσa，層厚をＬa、酸素イ
オン輸率をｔao、 前記第２および第３固体電解質層の酸素イオン輸率ｔco
およびｔaoのうち値の小さい方をｔcao、 燃料電池への負荷電流密度をJ、燃料電池の理論起電力
をＥ0とするとき、 (ｔcao −ｔpo)・Ｅ0 ＞ J・（Ｌc／ｔco・σc ＋Ｌa／ｔ
ao・σa） であることを特徴とする請求項７記載の固体電解質型燃
料電池。 - 【請求項１０】 第１固体電解質層が組成式 Ｌａ２−ｘ−ｙＬｎｘＡｙＧａ１−ｚＢｚＯ
３−０．５（ｘ＋ｙ＋ｚ） で示されるＬａＧａ系ペロブスカイト型化合物(ここ
で、Ｌｎ：Ｙ，Ｙｂ，Ｇｄ，Ｓｍ，Ｎｄからなる元素か
ら選ばれた１種以上、Ａ：Ｓｒ，Ｂａ，Ｃａからなる元
素から選ばれた１種以上、Ｂ：Ｍｇ，Ｚｎからなる元素
から選ばれた１種もしくは２種、ｘ：０．０５〜０．１
５、ｙ：０．０５〜０．１５、ｚ：０．０５〜０．２
５)であることを特徴とする請求項１ないし９のいずれ
かに記載の固体電解質型燃料電池。 - 【請求項１１】 第２固体電解質層が安定化ジルコニア
またはセリア系酸化物であることを特徴とする請求項
１，２，３，７，８，９および１０のいずれかに記載の
固体電解質型燃料電池。 - 【請求項１２】 第３固体電解質層が安定化ジルコニア
またはセリア系酸化物であることを特徴とする請求項４
ないし１０のいずれかに記載の固体電解質型燃料電池。
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