JP2002170579A - 固体電解質型燃料電池 - Google Patents
固体電解質型燃料電池Info
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- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 安定化Ｂｉ２Ｏ３系固体電解質を用いた固体
電解質型燃料電池において、安定化Ｂｉ２Ｏ３系固体電
解質の電子伝導性を抑えて酸素イオン輸率を高くするこ
とができると共に、Ｂｉの拡散による電気絶縁層の形成
やイオン伝導度の低下を防止して、出力効率を向上させ
ることが可能な固体電解質型燃料電池を提供する。 【解決手段】 安定化Ｂｉ２Ｏ３系の第１固体電解質層
２と燃料極４との間に、当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、プロトンからなる伝導のうち、電子
およびプロトンによる伝導の割合が第１固体電解質層２
より小さく、酸素イオン輸率が高い第２固体電解質層５
を介在させ、さらに望ましくは、同じく当該電池の作動
条件下において、上記伝導担体からなる伝導のうち、ホ
ールによる伝導の割合が第１固体電解質層２より小さ
く、酸素イオン輸率が高い第３固体電解質層６を第１固
体電解質層２と空気極３との間に介在させる。
電解質型燃料電池において、安定化Ｂｉ２Ｏ３系固体電
解質の電子伝導性を抑えて酸素イオン輸率を高くするこ
とができると共に、Ｂｉの拡散による電気絶縁層の形成
やイオン伝導度の低下を防止して、出力効率を向上させ
ることが可能な固体電解質型燃料電池を提供する。 【解決手段】 安定化Ｂｉ２Ｏ３系の第１固体電解質層
２と燃料極４との間に、当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、プロトンからなる伝導のうち、電子
およびプロトンによる伝導の割合が第１固体電解質層２
より小さく、酸素イオン輸率が高い第２固体電解質層５
を介在させ、さらに望ましくは、同じく当該電池の作動
条件下において、上記伝導担体からなる伝導のうち、ホ
ールによる伝導の割合が第１固体電解質層２より小さ
く、酸素イオン輸率が高い第３固体電解質層６を第１固
体電解質層２と空気極３との間に介在させる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、固体電解質型燃料
電池に係わり、特に安定化Ｂｉ２Ｏ３系固体電解質から
なる層を含んだ固体電解質型燃料電池（以下、「ＳＯＦ
Ｃ」と略記する）に関するものである。
電池に係わり、特に安定化Ｂｉ２Ｏ３系固体電解質から
なる層を含んだ固体電解質型燃料電池（以下、「ＳＯＦ
Ｃ」と略記する）に関するものである。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】従来の固体電解質型燃
料電池（ＳＯＦＣ）における電解質材料として多く用い
られているイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）は、
高い酸素イオン輸率（材料中を移動する全伝導体のう
ち、酸素イオンの占める割合）を有しているものの、低
温におけるイオン伝導度が高くないために、ＳＯＦＣの
運転温度は、およそ１０００℃と高温であった。そのた
め、ＳＯＦＣの運転の安定性や信頼性、耐高温材料使用
による高コストなどの問題点を抱えており、これら問題
点を解決するために、ＳＯＦＣの低温作動化への鍵とな
る固体電解質材料の開発が精力的に行われている。
料電池（ＳＯＦＣ）における電解質材料として多く用い
られているイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）は、
高い酸素イオン輸率（材料中を移動する全伝導体のう
ち、酸素イオンの占める割合）を有しているものの、低
温におけるイオン伝導度が高くないために、ＳＯＦＣの
運転温度は、およそ１０００℃と高温であった。そのた
め、ＳＯＦＣの運転の安定性や信頼性、耐高温材料使用
による高コストなどの問題点を抱えており、これら問題
点を解決するために、ＳＯＦＣの低温作動化への鍵とな
る固体電解質材料の開発が精力的に行われている。
【０００３】このような固体電解質材料の中で、Ｂｉ２
Ｏ３−Ｙ２Ｏ３をはじめとする安定化Ｂｉ２Ｏ３系固体
電解質は、高いイオン伝導特性を有し、およそ７００℃
において、１０００℃でのイットリア安定化ジルコニア
と同等のイオン伝導度を示すことが知られており（例え
ば、Takahashi,T. and Iwahara,H.:Mat.Res.Bull.,13,1
447,1978）、ＳＯＦＣの運転温度の低温化に有効な材料
であると期待されていた。
Ｏ３−Ｙ２Ｏ３をはじめとする安定化Ｂｉ２Ｏ３系固体
電解質は、高いイオン伝導特性を有し、およそ７００℃
において、１０００℃でのイットリア安定化ジルコニア
と同等のイオン伝導度を示すことが知られており（例え
ば、Takahashi,T. and Iwahara,H.:Mat.Res.Bull.,13,1
447,1978）、ＳＯＦＣの運転温度の低温化に有効な材料
であると期待されていた。
【０００４】しかしながら、このような安定化Ｂｉ２Ｏ
３系固体電解質は、低酸素分圧下において、Ｂｉ２Ｏ３
の還元反応による電子伝導性を示すために、安定化Ｂｉ
２Ｏ ３系電解質単体では、ＳＯＦＣの電解質として用い
ることができなかった。
３系固体電解質は、低酸素分圧下において、Ｂｉ２Ｏ３
の還元反応による電子伝導性を示すために、安定化Ｂｉ
２Ｏ ３系電解質単体では、ＳＯＦＣの電解質として用い
ることができなかった。
【０００５】また、安定化Ｂｉ２Ｏ３系固体電解質の融
点は、７００〜８００℃程度であるため、安定化Ｂｉ２
Ｏ３系固体電解質が、１０００℃におけるＹＳＺと同等
のイオン伝導度を示す７００℃近辺の温度域では、Ｂｉ
２Ｏ３あるいはＢｉが周囲の電極材料へ拡散してしま
い、電気絶縁層の形成や電解質層におけるイオン伝導度
の大幅な低下の恐れがあり、安定化Ｂｉ２Ｏ３系電解質
単体をＳＯＦＣの電解質として用いることができなかっ
た。
点は、７００〜８００℃程度であるため、安定化Ｂｉ２
Ｏ３系固体電解質が、１０００℃におけるＹＳＺと同等
のイオン伝導度を示す７００℃近辺の温度域では、Ｂｉ
２Ｏ３あるいはＢｉが周囲の電極材料へ拡散してしま
い、電気絶縁層の形成や電解質層におけるイオン伝導度
の大幅な低下の恐れがあり、安定化Ｂｉ２Ｏ３系電解質
単体をＳＯＦＣの電解質として用いることができなかっ
た。
【０００６】すなわち、固体電解質型燃料電池（ＳＯＦ
Ｃ）において、固体電解質層と燃料極の境界では、 ≪燃料極側間≫ ＯoＸ＋Ｈ２ ⇔ Ｈ２Ｏ＋Ｖo＋２ｅ− …（ｆ−１） のような反応が行われており、空気極側へ電子を供給し
ている。ここで、Ｖoは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−は電子を意味
する。
Ｃ）において、固体電解質層と燃料極の境界では、 ≪燃料極側間≫ ＯoＸ＋Ｈ２ ⇔ Ｈ２Ｏ＋Ｖo＋２ｅ− …（ｆ−１） のような反応が行われており、空気極側へ電子を供給し
ている。ここで、Ｖoは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−は電子を意味
する。
【０００７】一方、固体電解質層が低酸素分圧下で還元
反応による電子伝導性を示す場合、個体電解質層と燃料
極の境界では、 ≪燃料極側間≫ ＯoＸ＋Ｈ２ ⇔ Ｈ２Ｏ＋Ｖo＋２ｅ− …（ｆ−２a） Ｂｉ２Ｏ３＋３Ｈ２ ⇒ ２Ｂｉ３＋＋３Ｏ２−＋６Ｈ＋＋６ｅ− ⇔ Ｂｉ＋Ｈ２Ｏ …（ｆ−２b） のような反応が行われている。
反応による電子伝導性を示す場合、個体電解質層と燃料
極の境界では、 ≪燃料極側間≫ ＯoＸ＋Ｈ２ ⇔ Ｈ２Ｏ＋Ｖo＋２ｅ− …（ｆ−２a） Ｂｉ２Ｏ３＋３Ｈ２ ⇒ ２Ｂｉ３＋＋３Ｏ２−＋６Ｈ＋＋６ｅ− ⇔ Ｂｉ＋Ｈ２Ｏ …（ｆ−２b） のような反応が行われている。
【０００８】（ｆ−２b）式からもわかるように、Ｂｉ
の還元反応により、燃料極で生じたｅ−が電解質層側へ
移動する（電子伝導性）結果、両電極間の分極抵抗が増
大し、ＳＯＦＣの出力効率が低下する。
の還元反応により、燃料極で生じたｅ−が電解質層側へ
移動する（電子伝導性）結果、両電極間の分極抵抗が増
大し、ＳＯＦＣの出力効率が低下する。
【０００９】安定化Ｂｉ２Ｏ３系固体電解質は、低温で
の酸素イオン伝導性に優れており、ＳＯＦＣの低温作動
化に有効な固体電解質材料であると考えられている。し
かしながら、低酸素分圧下において電子伝導性を示すこ
とから（６００℃での酸素イオン輸率は９０％程度）、
ＳＯＦＣの出力効率の低下が生じている。
の酸素イオン伝導性に優れており、ＳＯＦＣの低温作動
化に有効な固体電解質材料であると考えられている。し
かしながら、低酸素分圧下において電子伝導性を示すこ
とから（６００℃での酸素イオン輸率は９０％程度）、
ＳＯＦＣの出力効率の低下が生じている。
【００１０】したがって、ＳＯＦＣの低温作動化のため
には、低温での酸素イオン伝導性に優れる安定化Ｂｉ２
Ｏ３系固体電解質の電子伝導性を防ぎ、酸素イオン輸率
を高くする対策が必要である。
には、低温での酸素イオン伝導性に優れる安定化Ｂｉ２
Ｏ３系固体電解質の電子伝導性を防ぎ、酸素イオン輸率
を高くする対策が必要である。
【００１１】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）は低下し、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）は低下し、その結果出力が低下する。
【００１２】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。
【００１３】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。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。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。
【００１４】安定化Ｂｉ２Ｏ３系固体電解質は、前述の
ように融点が７００〜８００℃と低いため、７００℃程
度の温度でも安定化Ｂｉ２Ｏ３系固体電解質層の周囲へ
Ｂｉ元素が拡散し、電気絶縁層の形成、あるいは電解質
層のイオン伝導度の大幅な低下の恐れがあり、固体電解
質層として単体での使用が難しいという問題点があり、
これら問題点の解決が安定化Ｂｉ２Ｏ３系固体電解質を
用いたＳＯＦＣにおける課題となっていた。
ように融点が７００〜８００℃と低いため、７００℃程
度の温度でも安定化Ｂｉ２Ｏ３系固体電解質層の周囲へ
Ｂｉ元素が拡散し、電気絶縁層の形成、あるいは電解質
層のイオン伝導度の大幅な低下の恐れがあり、固体電解
質層として単体での使用が難しいという問題点があり、
これら問題点の解決が安定化Ｂｉ２Ｏ３系固体電解質を
用いたＳＯＦＣにおける課題となっていた。
【００１５】
【発明の目的】本発明は、ＳＯＦＣの電解質材料として
安定化Ｂｉ２Ｏ３系固体電解質を適用した場合の上記課
題に着目してなされたものであって、安定化Ｂｉ２Ｏ３
系固体電解質の電子伝導性を抑えて酸素イオン輸率を高
くすることができると共に、Ｂｉの拡散による電気絶縁
層の形成やイオン伝導度の低下を防止して、出力効率を
向上させることが可能なＳＯＦＣ（固体電解質型燃料電
池）を提供することを目的としている。
安定化Ｂｉ２Ｏ３系固体電解質を適用した場合の上記課
題に着目してなされたものであって、安定化Ｂｉ２Ｏ３
系固体電解質の電子伝導性を抑えて酸素イオン輸率を高
くすることができると共に、Ｂｉの拡散による電気絶縁
層の形成やイオン伝導度の低下を防止して、出力効率を
向上させることが可能なＳＯＦＣ（固体電解質型燃料電
池）を提供することを目的としている。
【００１６】
【課題を解決するための手段】本発明に係わる第１の固
体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）は、安定化Ｂｉ２Ｏ ３
系からなる第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る空気極と、第１固体電解質層の他
方の面側に設けられる燃料極と、第１固体電解質層と燃
料極との間に介在する第２固体電解質層を備えた固体電
解質型燃料電池であって、当該固体電解質型燃料電池の
作動温度条件下において、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、ホールからな
る伝導のうち、電子とプロトンによる伝導の割合が前記
第１固体電解質層より小さく、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。
体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）は、安定化Ｂｉ２Ｏ ３
系からなる第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る空気極と、第１固体電解質層の他
方の面側に設けられる燃料極と、第１固体電解質層と燃
料極との間に介在する第２固体電解質層を備えた固体電
解質型燃料電池であって、当該固体電解質型燃料電池の
作動温度条件下において、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、ホールからな
る伝導のうち、電子とプロトンによる伝導の割合が前記
第１固体電解質層より小さく、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】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２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２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の関係を満たすことが
望ましい。
【００１８】また、本発明に係わる第２の固体電解質型
燃料電池（ＳＯＦＣ）は、安定化Ｂｉ２Ｏ３系からなる
第１固体電解質層と、第１固体電解質層の一方の面側に
設けられる空気極と、第１固体電解質層の他方の面側に
設けられる燃料極と、第１固体電解質層と燃料極との間
に介在する第２固体電解質層と、第１固体電解質層と空
気極との間に介在する第３固体電解質層を備えた固体電
解質型燃料電池であって、当該固体電解質型燃料電池の
作動温度条件下において、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、ホールからな
る伝導のうち、電子とプロトンによる伝導をあわせた割
合が前記第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、ホールから
なる伝導のうち、ホールによる伝導の割合が前記第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が
大きい構成としたことを特徴としている。
燃料電池（ＳＯＦＣ）は、安定化Ｂｉ２Ｏ３系からなる
第１固体電解質層と、第１固体電解質層の一方の面側に
設けられる空気極と、第１固体電解質層の他方の面側に
設けられる燃料極と、第１固体電解質層と燃料極との間
に介在する第２固体電解質層と、第１固体電解質層と空
気極との間に介在する第３固体電解質層を備えた固体電
解質型燃料電池であって、当該固体電解質型燃料電池の
作動温度条件下において、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、ホールからな
る伝導のうち、電子とプロトンによる伝導をあわせた割
合が前記第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、ホールから
なる伝導のうち、ホールによる伝導の割合が前記第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が
大きい構成としたことを特徴としている。
【００１９】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２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、第３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)＋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ｔ
po、第２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、第３固体電解質層の全伝導度をσ
c、層厚をＬｃ、酸素イオン輸率をｔco、前記第２およ
び第３固体電解質層の酸素イオン輸率ｔaoおよびｔco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／ｔa
o・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２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、第３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)＋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ｔ
po、第２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、第３固体電解質層の全伝導度をσ
c、層厚をＬｃ、酸素イオン輸率をｔco、前記第２およ
び第３固体電解質層の酸素イオン輸率ｔaoおよびｔco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／ｔa
o・σa）の関係を満たすことが望ましい。
【００２０】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、安定化Ｂｉ２Ｏ３系固体
電解質がＢｉ２Ｏ３を主成分とする材料にＹおよびラン
タノイド系元素から選ばれた１種以上の元素が３０ｍｏ
ｌ％以内添加された安定化Ｂｉ２Ｏ３系からなる固体電
解質であることが望ましく、さらに、運転温度が第１固
体電解質層の融点以下であることが望ましい。
池における好適形態としては、安定化Ｂｉ２Ｏ３系固体
電解質がＢｉ２Ｏ３を主成分とする材料にＹおよびラン
タノイド系元素から選ばれた１種以上の元素が３０ｍｏ
ｌ％以内添加された安定化Ｂｉ２Ｏ３系からなる固体電
解質であることが望ましく、さらに、運転温度が第１固
体電解質層の融点以下であることが望ましい。
【００２１】
【発明の実施の形態】（第1の実施の形態）本発明の第
１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
の高い第２固体電解質層を設ける。即ち、第１の実施形
態に係わるＳＯＦＣは、安定化Ｂｉ２Ｏ３系固体電解質
層と電子とプロトンの輸率の合計が第１固体電解質より
も小さく、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。
１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
の高い第２固体電解質層を設ける。即ち、第１の実施形
態に係わるＳＯＦＣは、安定化Ｂｉ２Ｏ３系固体電解質
層と電子とプロトンの輸率の合計が第１固体電解質より
も小さく、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。
【００２２】図１（Ａ）に、本発明の第１の実施形態に
係るＳＯＦＣを示す。同図に示すように、第１の実施形
態に係るＳＯＦＣは、第１固体電解質層２である安定化
Ｂｉ ２Ｏ３系固体電解質層と、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２固体電解質層５を備える。
係るＳＯＦＣを示す。同図に示すように、第１の実施形
態に係るＳＯＦＣは、第１固体電解質層２である安定化
Ｂｉ ２Ｏ３系固体電解質層と、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２固体電解質層５を備える。
【００２３】ここで、第１固体電解質層２としては、安
定化Ｂｉ２Ｏ３系化合物を用いることができる。また、
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ＹＳ
Ｚ、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（Ｃｅ
Ｏ２）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。
定化Ｂｉ２Ｏ３系化合物を用いることができる。また、
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ＹＳ
Ｚ、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（Ｃｅ
Ｏ２）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。
【００２４】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２
固体電解質層５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２固体電解質層５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２固体電解質層５により抑制され
る。したがって、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。
すなわち、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。
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２
固体電解質層５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２固体電解質層５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２固体電解質層５により抑制され
る。したがって、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。
すなわち、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。
【００２５】ただし、第２固体電解質層５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。
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。
【００２６】すなわち、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Ｒａ(o)とすると、次式（Ｆ１−１）
を満たすことが望ましい。 Ｒｐ(o) ＞ Ｒａ(o) ・・・ （Ｆ１−1) 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) ＝ Ｌa／ｔao・σa 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２固体電解質層の層厚 σa ：第２の固体電解質層の全伝導度 ｔao ：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／ｔpo・σp ＞ Ｌa／ｔao・σa ・・・ （Ｆ１−２）
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Ｒａ(o)とすると、次式（Ｆ１−１）
を満たすことが望ましい。 Ｒｐ(o) ＞ Ｒａ(o) ・・・ （Ｆ１−1) 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) ＝ Ｌa／ｔao・σa 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２固体電解質層の層厚 σa ：第２の固体電解質層の全伝導度 ｔao ：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／ｔpo・σp ＞ Ｌa／ｔao・σa ・・・ （Ｆ１−２）
【００２７】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。すなわち、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)，Ｅa(Ｊ)は、式（ｆ−５）より、そ
れぞれ Ｅp(Ｊ) ＝ ｔpo・Ｅ0−Ｊ・Ｌp／ｔpo・σp ・・・ （Ｆ１−３） Ｅa(Ｊ) ＝ ｔao・Ｅ0− Ｊ・（Ｌp／ｔpo・σp＋Ｌa／ｔao・σa） … （Ｆ１−４） と表され、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 ・・・ （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と燃料極４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。すなわち、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)，Ｅa(Ｊ)は、式（ｆ−５）より、そ
れぞれ Ｅp(Ｊ) ＝ ｔpo・Ｅ0−Ｊ・Ｌp／ｔpo・σp ・・・ （Ｆ１−３） Ｅa(Ｊ) ＝ ｔao・Ｅ0− Ｊ・（Ｌp／ｔpo・σp＋Ｌa／ｔao・σa） … （Ｆ１−４） と表され、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 ・・・ （Ｆ１−５） となる。
【００２８】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。
【００２９】また、安定化Ｂｉ２Ｏ３系固体電解質層と
電極の間に別の電解質層を介在させることは、ＳＯＦＣ
の内部抵抗の増大を抑えるだけでなく、安定化Ｂｉ２Ｏ
３系固体電解質層が酸化雰囲気や還元雰囲気にさらされ
ることを防ぐのに有効であり、電極層へのＢｉの拡散に
よる電気絶縁層の形成やイオン伝導度の低下が抑制され
ることになる。
電極の間に別の電解質層を介在させることは、ＳＯＦＣ
の内部抵抗の増大を抑えるだけでなく、安定化Ｂｉ２Ｏ
３系固体電解質層が酸化雰囲気や還元雰囲気にさらされ
ることを防ぐのに有効であり、電極層へのＢｉの拡散に
よる電気絶縁層の形成やイオン伝導度の低下が抑制され
ることになる。
【００３０】このとき、安定化Ｂｉ２Ｏ３系固体電解質
層と電極の間に介在している電解質層に対して、Ｂｉ２
Ｏ３の拡散がわずかに生じる場合があるが、１０ｍｏｌ
程度までの拡散であれば、介在させた電解質層のイオン
伝導度にさほど大きな影響を与えることはなく、Ｂｉ２
Ｏ３の拡散ブロック層として有効である。
層と電極の間に介在している電解質層に対して、Ｂｉ２
Ｏ３の拡散がわずかに生じる場合があるが、１０ｍｏｌ
程度までの拡散であれば、介在させた電解質層のイオン
伝導度にさほど大きな影響を与えることはなく、Ｂｉ２
Ｏ３の拡散ブロック層として有効である。
【００３１】そして、本発明に係わるＳＯＦＣの好適形
態においては、安定化Ｂｉ２Ｏ３系固体電解質として、
Ｂｉ２Ｏ３を主成分とする材料に、Ｙおよびランタノイ
ド系元素、すなわちＬａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓ
ｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙ
ｂ，Ｌｕのうちから選ばれた１種以上の元素を用いるこ
とにより、安定な結晶構造が維持される。このとき、上
記元素の添加量を３０ｍｏｌ％以下とすることにより、
添加元素がＢｉ２Ｏ３にうまく取り込まれ、添加元素が
不純物として残存したり、Ｂｉ２Ｏ３と別の組成物を生
成したりすることなく、電解質層の特性が向上すること
になる。
態においては、安定化Ｂｉ２Ｏ３系固体電解質として、
Ｂｉ２Ｏ３を主成分とする材料に、Ｙおよびランタノイ
ド系元素、すなわちＬａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓ
ｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙ
ｂ，Ｌｕのうちから選ばれた１種以上の元素を用いるこ
とにより、安定な結晶構造が維持される。このとき、上
記元素の添加量を３０ｍｏｌ％以下とすることにより、
添加元素がＢｉ２Ｏ３にうまく取り込まれ、添加元素が
不純物として残存したり、Ｂｉ２Ｏ３と別の組成物を生
成したりすることなく、電解質層の特性が向上すること
になる。
【００３２】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。安定化Ｂｉ２Ｏ３系
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。第２固体電解質層５であるＹ
ＳＺ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。安定化Ｂｉ２Ｏ３系
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。第２固体電解質層５であるＹ
ＳＺ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。
【００３３】安定化Ｂｉ２Ｏ３系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、ＣＶ
Ｄ、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。作製順序は、安定化Ｂｉ２Ｏ３系化合物
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５を形成
し、この上に、第１固体電解質（安定化Ｂｉ２Ｏ３系化
合物）層２を形成してもよい。
固体電解質層２は、焼結法に限らず、スパッタ、ＣＶ
Ｄ、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。作製順序は、安定化Ｂｉ２Ｏ３系化合物
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５を形成
し、この上に、第１固体電解質（安定化Ｂｉ２Ｏ３系化
合物）層２を形成してもよい。
【００３４】（第２の実施の形態）本発明における第２
の実施形態に係るＳＯＦＣは、空気極と第１固体電解質
層との間に第１固体電解質よりもホール伝導の割合（輸
率）が小さく、酸素イオン伝導の割合の高い第３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）とプロトン伝導の割合（輸率）が小
さく、酸素イオン伝導の割合の大きい第２固体電解質層
を設けた構造を有する。すなわち、第２の実施形態に係
わるＳＯＦＣは、ホールの輸率の小さい第３固体電解質
層、安定化Ｂｉ２Ｏ３系の第１固体電解質層、および電
子とプロトンの輸率の合計が小さく、酸素イオン輸率の
高い第２固体電解質層を積層した積層固体電解質を用い
たことを特徴としている。
の実施形態に係るＳＯＦＣは、空気極と第１固体電解質
層との間に第１固体電解質よりもホール伝導の割合（輸
率）が小さく、酸素イオン伝導の割合の高い第３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）とプロトン伝導の割合（輸率）が小
さく、酸素イオン伝導の割合の大きい第２固体電解質層
を設けた構造を有する。すなわち、第２の実施形態に係
わるＳＯＦＣは、ホールの輸率の小さい第３固体電解質
層、安定化Ｂｉ２Ｏ３系の第１固体電解質層、および電
子とプロトンの輸率の合計が小さく、酸素イオン輸率の
高い第２固体電解質層を積層した積層固体電解質を用い
たことを特徴としている。
【００３５】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、第２実施形態
に係るＳＯＦＣは、第１固体電解質層２である安定化Ｂ
ｉ２Ｏ３系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、酸素イオン輸率の高い第３固体電解質層６を備え、
第１固体電解質層２と燃料極４との間に、電子の輸率と
プロトン（Ｈ＋）の輸率の合計が小さく、酸素イオン輸
率の高い第２固体電解質層５を備える。
係るＳＯＦＣを示す。同図に示すように、第２実施形態
に係るＳＯＦＣは、第１固体電解質層２である安定化Ｂ
ｉ２Ｏ３系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、酸素イオン輸率の高い第３固体電解質層６を備え、
第１固体電解質層２と燃料極４との間に、電子の輸率と
プロトン（Ｈ＋）の輸率の合計が小さく、酸素イオン輸
率の高い第２固体電解質層５を備える。
【００３６】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の実施の形態で説明したものと同じ材料を使用でき
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の実施の形態で説明したものと同じ材料を使用でき
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。
【００３７】ＳＯＦＣの作動温度は、同様に、ＳＯＦＣ
の周辺材料としてメタル材料を利用できるように、約６
００℃以下とすることが望ましい。この作動温度におい
て、図２（Ｂ）に示すように、第３固体電解質層６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２固体電解質層５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。す
なわち、積層固体電解質全体の酸素イオンの輸率を向上
できる。
の周辺材料としてメタル材料を利用できるように、約６
００℃以下とすることが望ましい。この作動温度におい
て、図２（Ｂ）に示すように、第３固体電解質層６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２固体電解質層５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。す
なわち、積層固体電解質全体の酸素イオンの輸率を向上
できる。
【００３８】しかし、第１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。
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。
【００３９】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。
【００４０】すなわち、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Ｒｃ(o)とすると、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Ｒａ(o)とすると、次式（Ｆ２−１）を満たすこと
が望ましい。 Ｒｐ(o) ＞ Ｒｃ(o) ＋ Ｒａ(o) ・・・ （Ｆ２−1） 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・σa 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３固体電解質層の層厚 σc ：第３の固体電解質層の全伝導度 ｔco ：第３固体電解質層の酸素イオン輸率 Ｌa ：第２固体電解質層の層厚 σa ：第２の固体電解質層の全伝導度 ｔao ：第２固体電解質層の酸素イオン輸率 したがって、（F２−１）は、次式（F２−２）に書き換
えられる。 Ｌp／ｔpo・σp ＞ Ｌc／ｔco・σc ＋ Ｌa／ｔao・σa … （Ｆ２−２）
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Ｒｃ(o)とすると、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Ｒａ(o)とすると、次式（Ｆ２−１）を満たすこと
が望ましい。 Ｒｐ(o) ＞ Ｒｃ(o) ＋ Ｒａ(o) ・・・ （Ｆ２−1） 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・σa 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３固体電解質層の層厚 σc ：第３の固体電解質層の全伝導度 ｔco ：第３固体電解質層の酸素イオン輸率 Ｌa ：第２固体電解質層の層厚 σa ：第２の固体電解質層の全伝導度 ｔao ：第２固体電解質層の酸素イオン輸率 したがって、（F２−１）は、次式（F２−２）に書き換
えられる。 Ｌp／ｔpo・σp ＞ Ｌc／ｔco・σc ＋ Ｌa／ｔao・σa … （Ｆ２−２）
【００４１】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３
固体電解質層６を挿入し、第１固体電解質層２と燃料極
４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。すな
わち、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２，３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 ・・・ （Ｆ２−３） Ｅc+a(Ｊ) ＝ ｔcao・Ｅ0−Ｊ・(Ｌp／ｔpo・σp＋ Ｌc／ｔco・σc＋Ｌa／ｔao・σa) …（Ｆ２−４） 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)のため 、挿入する固体電解質層の層厚を規定する
関係式は、 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) ・・・ （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と空気極３との界面に第３
固体電解質層６を挿入し、第１固体電解質層２と燃料極
４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。すな
わち、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２，３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 ・・・ （Ｆ２−３） Ｅc+a(Ｊ) ＝ ｔcao・Ｅ0−Ｊ・(Ｌp／ｔpo・σp＋ Ｌc／ｔco・σc＋Ｌa／ｔao・σa) …（Ｆ２−４） 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)のため 、挿入する固体電解質層の層厚を規定する
関係式は、 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) ・・・ （Ｆ２−５） となる。
【００４２】式（Ｆ２−５）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、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（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、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、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（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。
【００４３】また、安定化Ｂｉ２Ｏ３系固体電解質層と
電極の間に別の電解質層を介在させることは、ＳＯＦＣ
の内部抵抗の増大を抑えるだけでなく、安定化Ｂｉ２Ｏ
３系固体電解質層が酸化雰囲気や還元雰囲気にさらされ
ることを防ぐのに有効であり、電極層へのＢｉの拡散に
よる電気絶縁層の形成やイオン伝導度の低下が抑制され
ることになる。
電極の間に別の電解質層を介在させることは、ＳＯＦＣ
の内部抵抗の増大を抑えるだけでなく、安定化Ｂｉ２Ｏ
３系固体電解質層が酸化雰囲気や還元雰囲気にさらされ
ることを防ぐのに有効であり、電極層へのＢｉの拡散に
よる電気絶縁層の形成やイオン伝導度の低下が抑制され
ることになる。
【００４４】このとき、安定化Ｂｉ２Ｏ３系固体電解質
層と電極の間に介在している電解質層に対して、Ｂｉ２
Ｏ３の拡散がわずかに生じる場合があるが、１０ｍｏｌ
程度までの拡散であれば、介在させた電解質層のイオン
伝導度にさほど大きな影響を与えることはなく、Ｂｉ２
Ｏ３の拡散ブロック層として有効である。
層と電極の間に介在している電解質層に対して、Ｂｉ２
Ｏ３の拡散がわずかに生じる場合があるが、１０ｍｏｌ
程度までの拡散であれば、介在させた電解質層のイオン
伝導度にさほど大きな影響を与えることはなく、Ｂｉ２
Ｏ３の拡散ブロック層として有効である。
【００４５】そして、本発明の第２の実施形態に係わる
ＳＯＦＣにおいても、同様に安定化Ｂｉ２Ｏ３系固体電
解質として、Ｂｉ２Ｏ３を主成分とする材料に、Ｙおよ
びランタノイド系元素、すなわちＬａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎ
ｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅ
ｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，Ｌｕのうちから選ばれた１種以上の元
素を用いることにより、安定な結晶構造が維持される。
このとき、上記元素の添加量を３０ｍｏｌ％以下とする
ことにより、添加元素がＢｉ２Ｏ３にうまく取り込ま
れ、添加元素が不純物として残存したり、Ｂｉ２Ｏ３と
別の組成物を生成したりすることなく、電解質層の特性
が向上することになる。
ＳＯＦＣにおいても、同様に安定化Ｂｉ２Ｏ３系固体電
解質として、Ｂｉ２Ｏ３を主成分とする材料に、Ｙおよ
びランタノイド系元素、すなわちＬａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎ
ｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅ
ｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，Ｌｕのうちから選ばれた１種以上の元
素を用いることにより、安定な結晶構造が維持される。
このとき、上記元素の添加量を３０ｍｏｌ％以下とする
ことにより、添加元素がＢｉ２Ｏ３にうまく取り込ま
れ、添加元素が不純物として残存したり、Ｂｉ２Ｏ３と
別の組成物を生成したりすることなく、電解質層の特性
が向上することになる。
【００４６】なお、第２の実施の形態に係るＳＯＦＣ
は、第1の実施の形態に係るＳＯＦＣと同様な方法で作
製することができる。即ち、安定化Ｂｉ２Ｏ３系固体電
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、安定化Ｂｉ２Ｏ３系の第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５
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３固体電解質層６、第１固体電解質（安定化Ｂｉ２Ｏ
３系固体電解質）層２、第２固体電解質層５の順に積層
してもよい。あるいは、燃料極４上に第２固体電解質層
５、第１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。
は、第1の実施の形態に係るＳＯＦＣと同様な方法で作
製することができる。即ち、安定化Ｂｉ２Ｏ３系固体電
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、安定化Ｂｉ２Ｏ３系の第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５
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３固体電解質層６、第１固体電解質（安定化Ｂｉ２Ｏ
３系固体電解質）層２、第２固体電解質層５の順に積層
してもよい。あるいは、燃料極４上に第２固体電解質層
５、第１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。
【００４７】
【発明の効果】本発明に係わる第１の固体電解質型燃料
電池の特徴は、安定化Ｂｉ２Ｏ３系の第１固体電解質層
と燃料極との間に、当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、電子による伝導の割合とプ
ロトンの輸率の合計が上記の第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
ていることであり、本発明に係わる第２の固体電解質型
燃料電池の特徴は、安定化Ｂｉ２Ｏ３系の第１固体電解
質と燃料極との間に、当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、プロトンからなる伝導のうち、電子とプ
ロトンの輸率の合計が、第１固体電解質層より小さく、
酸素イオン輸率が高い第２固体電解質層を介在させ、第
１固体電解質層と空気極との間に、当該固体電解質型燃
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、プロト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
３固体電解質層を介在させていることであるから、安定
化Ｂｉ２Ｏ３系の第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あるいは第３の
固体電解質層により、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、上記（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ぎ、ＳＯＦＣ
の出力効率を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。
電池の特徴は、安定化Ｂｉ２Ｏ３系の第１固体電解質層
と燃料極との間に、当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、電子による伝導の割合とプ
ロトンの輸率の合計が上記の第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
ていることであり、本発明に係わる第２の固体電解質型
燃料電池の特徴は、安定化Ｂｉ２Ｏ３系の第１固体電解
質と燃料極との間に、当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、プロトンからなる伝導のうち、電子とプ
ロトンの輸率の合計が、第１固体電解質層より小さく、
酸素イオン輸率が高い第２固体電解質層を介在させ、第
１固体電解質層と空気極との間に、当該固体電解質型燃
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、プロト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
３固体電解質層を介在させていることであるから、安定
化Ｂｉ２Ｏ３系の第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あるいは第３の
固体電解質層により、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、上記（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ぎ、ＳＯＦＣ
の出力効率を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。
【００４８】
【実施例】以下に、本発明を実施例に基づいてより具体
的に説明する。
的に説明する。
【００４９】（実施例１）図１（Ａ）に実施例１に係わ
る固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の概略図を示す。
当該実施例に係わるＳＯＦＣ１は、安定化Ｂｉ２Ｏ３系
固体電解質層２の両側に、空気極３と燃料極４を有し、
前記安定化Ｂｉ２Ｏ３系固体電解質層２と燃料極４の間
に、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）からなる電
解質層（第２固体電解質層）５を介在させた構造を有す
る。
る固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の概略図を示す。
当該実施例に係わるＳＯＦＣ１は、安定化Ｂｉ２Ｏ３系
固体電解質層２の両側に、空気極３と燃料極４を有し、
前記安定化Ｂｉ２Ｏ３系固体電解質層２と燃料極４の間
に、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）からなる電
解質層（第２固体電解質層）５を介在させた構造を有す
る。
【００５０】この場合の製法例としては、安定化Ｂｉ２
Ｏ３系固体電解質（Ｂｉ２Ｏ３）０ ．７３−（Ｙ
２Ｏ３）０．２７，（Ｂｉ２Ｏ３）０．８５−（Ｓｍ２
Ｏ３）０． １５を焼結法により作製し、この安定化Ｂｉ
２Ｏ３系固体電解質層２の片面側に、例えばＲＦスパッ
タなどを用いてＹＳＺを成膜して電解質層５を形成す
る。
Ｏ３系固体電解質（Ｂｉ２Ｏ３）０ ．７３−（Ｙ
２Ｏ３）０．２７，（Ｂｉ２Ｏ３）０．８５−（Ｓｍ２
Ｏ３）０． １５を焼結法により作製し、この安定化Ｂｉ
２Ｏ３系固体電解質層２の片面側に、例えばＲＦスパッ
タなどを用いてＹＳＺを成膜して電解質層５を形成す
る。
【００５１】ＹＳＺ層５の層厚は、第１の実施の形態に
おける式（Ｆ１−５）の条件を満たす層厚とした。
おける式（Ｆ１−５）の条件を満たす層厚とした。
【００５２】このうち、酸素イオン伝導度σについて
は、６００℃の大気中において両電極３，４間の抵抗率
を測定し、その逆数を酸素イオン伝導度σとした。ま
た、電解質中の電気伝導は、大気中６００℃において１
００％の酸素イオンの伝導と仮定した。そして、酸素イ
オン輸率ＴOiについては、燃料極４および空気極３の側
にＡｒガスを流しながら６００℃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
気をそれぞれ流し、３０分放置後の両電極３，４間の自
然電位を測定し、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ＴOiとした。
は、６００℃の大気中において両電極３，４間の抵抗率
を測定し、その逆数を酸素イオン伝導度σとした。ま
た、電解質中の電気伝導は、大気中６００℃において１
００％の酸素イオンの伝導と仮定した。そして、酸素イ
オン輸率ＴOiについては、燃料極４および空気極３の側
にＡｒガスを流しながら６００℃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
気をそれぞれ流し、３０分放置後の両電極３，４間の自
然電位を測定し、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ＴOiとした。
【００５３】測定の結果、燃料極４との間に酸素イオン
輸率が９９％以上のＹＳＺ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がわずかに低下したが、
電子による伝導を抑制できたことによって、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の実施例
１（１−ａ、１−ｂ）の欄に示す。
輸率が９９％以上のＹＳＺ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がわずかに低下したが、
電子による伝導を抑制できたことによって、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の実施例
１（１−ａ、１−ｂ）の欄に示す。
【００５４】なお、安定化Ｂｉ２Ｏ３系固体電解質層２
の作製方法については、焼結法のみに限らず、スパッ
タ，ＣＶＤ，あるいは印刷法などを適用することがで
き、作製方法は限定されない。また、ＹＳＺ層５の作製
方法についても、ＲＦスパッタに限らず、ＣＶＤや印刷
法などの方法を適用することができる。さらに、作製手
順についても、安定化Ｂｉ２Ｏ３系固体電解質層２にＹ
ＳＺ層５を形成する代わりに、燃料極４にＹＳＺ層５を
作製した後に、安定化Ｂｉ２Ｏ３系固体電解質層２およ
び空気極３を形成することもでき、作製手順も限定され
ない。
の作製方法については、焼結法のみに限らず、スパッ
タ，ＣＶＤ，あるいは印刷法などを適用することがで
き、作製方法は限定されない。また、ＹＳＺ層５の作製
方法についても、ＲＦスパッタに限らず、ＣＶＤや印刷
法などの方法を適用することができる。さらに、作製手
順についても、安定化Ｂｉ２Ｏ３系固体電解質層２にＹ
ＳＺ層５を形成する代わりに、燃料極４にＹＳＺ層５を
作製した後に、安定化Ｂｉ２Ｏ３系固体電解質層２およ
び空気極３を形成することもでき、作製手順も限定され
ない。
【００５５】（実施例２）図２（Ａ）に実施例２に係わ
る固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の概略図を示す。
当該実施例に係わるＳＯＦＣ１は、安定化Ｂｉ２Ｏ３系
固体電解質層２の両側に空気極３と燃料極４を有し、安
定化Ｂｉ２Ｏ３系固体電解質層２と燃料極４の間、およ
び当該安定化Ｂｉ２Ｏ３系固体電解質層２と空気極３の
間に、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）からなる
電解質層５（第２固体電解質層）および６（第３固体電
解質層）をそれぞれ介在させた構造を有する。
る固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の概略図を示す。
当該実施例に係わるＳＯＦＣ１は、安定化Ｂｉ２Ｏ３系
固体電解質層２の両側に空気極３と燃料極４を有し、安
定化Ｂｉ２Ｏ３系固体電解質層２と燃料極４の間、およ
び当該安定化Ｂｉ２Ｏ３系固体電解質層２と空気極３の
間に、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）からなる
電解質層５（第２固体電解質層）および６（第３固体電
解質層）をそれぞれ介在させた構造を有する。
【００５６】この場合の製法例としては、安定化Ｂｉ２
Ｏ３系固体電解質（Ｂｉ２Ｏ３）０ ．７３−（Ｙ
２Ｏ３）０．２７，（Ｂｉ２Ｏ３）０．８５−（Ｓｍ２
Ｏ３）０． １５を同様に焼結法により作製し、この安定
化Ｂｉ２Ｏ３系固体電解質層２の両面に、例えばスクリ
ーン印刷法などを用いてＹＳＺを成膜し、電解質層５お
よび６をそれぞれ形成する。ＹＳＺ層の層厚は、第２の
実施の形態における式（Ｆ２−５）の条件を満たす層厚
とした。
Ｏ３系固体電解質（Ｂｉ２Ｏ３）０ ．７３−（Ｙ
２Ｏ３）０．２７，（Ｂｉ２Ｏ３）０．８５−（Ｓｍ２
Ｏ３）０． １５を同様に焼結法により作製し、この安定
化Ｂｉ２Ｏ３系固体電解質層２の両面に、例えばスクリ
ーン印刷法などを用いてＹＳＺを成膜し、電解質層５お
よび６をそれぞれ形成する。ＹＳＺ層の層厚は、第２の
実施の形態における式（Ｆ２−５）の条件を満たす層厚
とした。
【００５７】この電解質層５および６に対し、両ＹＳＺ
面に、Ｐｔ／Ａｇ電極３，４を形成し、実施例１と同様
の測定方法により、酸素イオン伝導度σ［Ｓ／ｃｍ］お
よび酸素イオン輸率ＴOi［％］の測定を行った。
面に、Ｐｔ／Ａｇ電極３，４を形成し、実施例１と同様
の測定方法により、酸素イオン伝導度σ［Ｓ／ｃｍ］お
よび酸素イオン輸率ＴOi［％］の測定を行った。
【００５８】測定の結果、空気極３との間、燃料極４と
の間に、酸素イオン輸率が９９％以上のＹＳＺ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がわ
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って、酸素イオン輸率が改
善されることが判明した。このときの測定結果を表１の
実施例２（２−ａ、２−ｂ）の欄に示す。
の間に、酸素イオン輸率が９９％以上のＹＳＺ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がわ
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って、酸素イオン輸率が改
善されることが判明した。このときの測定結果を表１の
実施例２（２−ａ、２−ｂ）の欄に示す。
【００５９】なお、この場合も、安定化Ｂｉ２Ｏ３系固
体電解質層２の作製方法は焼結法だけに限らず、スパッ
タ，ＣＶＤ，あるいは印刷法などを適用することがで
き、特に限定されない。また、ＹＳＺ層５の作製方法も
スクリーン印刷に限らず、スパッタやＣＶＤなどの方法
を適用することができ、特に限定されない。さらに、作
製手順についても、安定化Ｂｉ２Ｏ３系固体電解質層２
にＹＳＺ層５，６を形成するのではなく、空気極３にＹ
ＳＺ層６を形成した後に、安定化Ｂｉ２Ｏ３系固体電解
質層２、ＹＳＺ層５および燃料極４を形成することもで
き、作製手順は特に問われない。
体電解質層２の作製方法は焼結法だけに限らず、スパッ
タ，ＣＶＤ，あるいは印刷法などを適用することがで
き、特に限定されない。また、ＹＳＺ層５の作製方法も
スクリーン印刷に限らず、スパッタやＣＶＤなどの方法
を適用することができ、特に限定されない。さらに、作
製手順についても、安定化Ｂｉ２Ｏ３系固体電解質層２
にＹＳＺ層５，６を形成するのではなく、空気極３にＹ
ＳＺ層６を形成した後に、安定化Ｂｉ２Ｏ３系固体電解
質層２、ＹＳＺ層５および燃料極４を形成することもで
き、作製手順は特に問われない。
【００６０】（実施例３）図３に実施例３に係わる固体
電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の概略図を示す。当該実
施例に係わるＳＯＦＣ１は、安定化Ｂｉ２Ｏ３系固体電
解質層２の両側に空気極３と燃料極４を有し、安定化Ｂ
ｉ２Ｏ３系固体電解質層２と燃料極４の間にイットリア
安定化ジルコニア（ＹＳＺ）からなる電解質層５が、安
定化Ｂｉ２Ｏ３系固体電解質層２と空気極３の間にＳｍ
２Ｏ３添加の酸化セリア（ＳＤＣ）からなる電解質層
（第３固体電解質層）７がそれぞれ介在した構造を有し
ている。
電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の概略図を示す。当該実
施例に係わるＳＯＦＣ１は、安定化Ｂｉ２Ｏ３系固体電
解質層２の両側に空気極３と燃料極４を有し、安定化Ｂ
ｉ２Ｏ３系固体電解質層２と燃料極４の間にイットリア
安定化ジルコニア（ＹＳＺ）からなる電解質層５が、安
定化Ｂｉ２Ｏ３系固体電解質層２と空気極３の間にＳｍ
２Ｏ３添加の酸化セリア（ＳＤＣ）からなる電解質層
（第３固体電解質層）７がそれぞれ介在した構造を有し
ている。
【００６１】この場合の製法例としては、安定化Ｂｉ２
Ｏ３系固体電解質（Ｂｉ２Ｏ３）０ ．７３−（Ｙ
２Ｏ３）０．２７，（Ｂｉ２Ｏ３）０．８５−（Ｓｍ２
Ｏ３）０． １５を同様に焼結法により作製し、この安定
化Ｂｉ２Ｏ３系固体電解質層２の片面に、例えばスクリ
ーン印刷法などを用いてＳＤＣを成膜して電解質層７を
形成し、前記安定化Ｂｉ２Ｏ３系固体電解質層２のもう
一方の面に、例えばＲＦスパッタなどを用いてＹＳＺを
成膜して電解質層５を形成する。このときのＹＳＺ層５
およびＳＤＣ層７の層厚は、上記実施例２で示した条件
を満たす層厚となるように作製した。
Ｏ３系固体電解質（Ｂｉ２Ｏ３）０ ．７３−（Ｙ
２Ｏ３）０．２７，（Ｂｉ２Ｏ３）０．８５−（Ｓｍ２
Ｏ３）０． １５を同様に焼結法により作製し、この安定
化Ｂｉ２Ｏ３系固体電解質層２の片面に、例えばスクリ
ーン印刷法などを用いてＳＤＣを成膜して電解質層７を
形成し、前記安定化Ｂｉ２Ｏ３系固体電解質層２のもう
一方の面に、例えばＲＦスパッタなどを用いてＹＳＺを
成膜して電解質層５を形成する。このときのＹＳＺ層５
およびＳＤＣ層７の層厚は、上記実施例２で示した条件
を満たす層厚となるように作製した。
【００６２】このような電解質層５および７に対し、Ｓ
ＤＣ面およびＹＳＺ面に、それぞれＰｔ／Ａｇ電極３，
４を形成し、実施例１と同様の測定方法により、酸素イ
オン伝導度σ［Ｓ／ｃｍ］および酸素イオン輸率ＴOi
［％］の測定を行った。
ＤＣ面およびＹＳＺ面に、それぞれＰｔ／Ａｇ電極３，
４を形成し、実施例１と同様の測定方法により、酸素イ
オン伝導度σ［Ｓ／ｃｍ］および酸素イオン輸率ＴOi
［％］の測定を行った。
【００６３】その結果、空気極３との間に、ホール伝導
性の小さいＳＤＣ層７を介在させ、燃料極４との間に、
酸素イオン輸率が９９％以上のＹＳＺ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がわずかに低
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って、酸素イオン輸率が改善される
ことが判明した。このときの測定結果を表１の実施例３
（３−ａ、３−ｂ）の欄に示す。
性の小さいＳＤＣ層７を介在させ、燃料極４との間に、
酸素イオン輸率が９９％以上のＹＳＺ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がわずかに低
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って、酸素イオン輸率が改善される
ことが判明した。このときの測定結果を表１の実施例３
（３−ａ、３−ｂ）の欄に示す。
【００６４】なお、この場合も、安定化Ｂｉ２Ｏ３系固
体電解質層２の作製方法は焼結法だけに限らず、スパッ
タ，ＣＶＤ，あるいは印刷法などを適用することができ
る。ＳＤＣ層７についてもスクリーン印刷に限らず、ス
パッタやＣＶＤなど、作製方法は問われない。ＹＳＺ層
５の作製方法もＲＦスパッタに限定されず、ＣＶＤや印
刷法などを適用することができる。また、作製手順につ
いても、安定化Ｂｉ２Ｏ３系固体電解質層２に、ＹＳＺ
層５およびＳＤＣ層７を形成する代わりに、空気極３に
ＳＤＣ層７を形成した後に、安定化Ｂｉ２Ｏ３系固体電
解質層２、ＹＳＺ層５および燃料極４を形成することも
でき、作製手順は特に問われない。
体電解質層２の作製方法は焼結法だけに限らず、スパッ
タ，ＣＶＤ，あるいは印刷法などを適用することができ
る。ＳＤＣ層７についてもスクリーン印刷に限らず、ス
パッタやＣＶＤなど、作製方法は問われない。ＹＳＺ層
５の作製方法もＲＦスパッタに限定されず、ＣＶＤや印
刷法などを適用することができる。また、作製手順につ
いても、安定化Ｂｉ２Ｏ３系固体電解質層２に、ＹＳＺ
層５およびＳＤＣ層７を形成する代わりに、空気極３に
ＳＤＣ層７を形成した後に、安定化Ｂｉ２Ｏ３系固体電
解質層２、ＹＳＺ層５および燃料極４を形成することも
でき、作製手順は特に問われない。
【００６５】（比較例）安定化Ｂｉ２Ｏ３系固体電解質
単体からなる層２の両側に、ＹＳＺ層やＳＤＣ層を介在
させることなくＰｔ／Ａｇ電極３，４を形成し、実施例
１と同様の測定方法により、酸素イオン伝導度σ［Ｓ／
ｃｍ］および酸素イオン輸率ＴOi［％］の測定を行っ
た。このときの測定結果を表１の比較例（ａ，ｂ）の欄
に示す。
単体からなる層２の両側に、ＹＳＺ層やＳＤＣ層を介在
させることなくＰｔ／Ａｇ電極３，４を形成し、実施例
１と同様の測定方法により、酸素イオン伝導度σ［Ｓ／
ｃｍ］および酸素イオン輸率ＴOi［％］の測定を行っ
た。このときの測定結果を表１の比較例（ａ，ｂ）の欄
に示す。
【００６６】
【表１】
【図１】（Ａ） 本発明の実施例１に係わるＳＯＦＣの
概略図である。 （Ｂ） 図１（Ａ）に示したＳＯＦＣにおける層厚条件
の概念図である。
概略図である。 （Ｂ） 図１（Ａ）に示したＳＯＦＣにおける層厚条件
の概念図である。
【図２】（Ａ） 本発明の実施例２に係わるＳＯＦＣの
概略図である。 （Ｂ） 図２（Ａ）に示したＳＯＦＣにおける層厚条件
の概念図である。
概略図である。 （Ｂ） 図２（Ａ）に示したＳＯＦＣにおける層厚条件
の概念図である。
【図３】本発明の実施例３に係わるＳＯＦＣの概略図で
ある。
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（ＹＳＺ） ７ 第３固体電解質層（ＳＤＣ）
Claims (8)
- 【請求項１】 安定化Ｂｉ２Ｏ３系からなる第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る
空気極と、第１固体電解質層の他方の面側に設けられる
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２固体電解質層を備えた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温度条件下におい
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、ホールからなる伝導のうち、電子と
プロトンによる伝導の割合が前記第１固体電解質層より
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１記載の固体電解質型燃
料電池。 - 【請求項４】 安定化Ｂｉ２Ｏ３系からなる第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る
空気極と、第１固体電解質層の他方の面側に設けられる
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２固体電解質層と、第１固体電解質層と空気極との間
に介在する第３固体電解質層を備えた固体電解質型燃料
電池であって、当該固体電解質型燃料電池の作動温度条
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、ホールからなる伝導のう
ち、電子とプロトンによる伝導をあわせた割合が前記第
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、ホールからなる伝導の
うち、ホールによる伝導の割合が前記第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２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、 第３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)＋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２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、 第３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、 前記第２および第３固体電解質層の酸素イオン輸率ｔao
およびｔco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・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】 安定化Ｂｉ２Ｏ３系固体電解質がＢｉ２
Ｏ３を主成分とする材料にＹおよびランタノイド系元素
から選ばれた１種以上の元素が３０ｍｏｌ％以内添加さ
れた安定化Ｂｉ２Ｏ３系からなる固体電解質であること
を特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載
の固体電解質型燃料電池。 - 【請求項８】 運転温度が第１固体電解質層の融点以下
であることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいず
れかに記載の固体電解質型燃料電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001268246A JP2002170579A (ja) | 2000-09-22 | 2001-09-05 | 固体電解質型燃料電池 |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000288643 | 2000-09-22 | ||
| JP2000-288643 | 2000-09-22 | ||
| JP2001268246A JP2002170579A (ja) | 2000-09-22 | 2001-09-05 | 固体電解質型燃料電池 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002170579A true JP2002170579A (ja) | 2002-06-14 |
Family
ID=26600527
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001268246A Pending JP2002170579A (ja) | 2000-09-22 | 2001-09-05 | 固体電解質型燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2002170579A (ja) |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005222843A (ja) * | 2004-02-06 | 2005-08-18 | Toyota Motor Corp | 燃料電池と燃料電池用電解質膜の製造方法 |
| JP2012502441A (ja) * | 2008-09-11 | 2012-01-26 | コミッサリア ア レネルジー アトミーク エ オ ゼネルジ ザルタナテイヴ | Ｓｏｆｃ電池用電解質およびその製造方法 |
| JP2012506127A (ja) * | 2008-10-14 | 2012-03-08 | ユニバーシティ オブ フロリダ リサーチ ファンデーション インコーポレーティッド | 低温ｓｏｆｃ用の新素材および構造 |
| CN103904351A (zh) * | 2014-03-06 | 2014-07-02 | 湖南有色金属研究院 | 氧化钪掺杂氧化铋固体氧化物燃料电池电解质及制备方法 |
| CN106816651A (zh) * | 2015-12-02 | 2017-06-09 | 台北科技大学 | 陶瓷电池结构 |
| JP2017145445A (ja) * | 2016-02-16 | 2017-08-24 | 国立大学法人九州大学 | 電気化学セル用電極及び電気化学セル |
| JP2020021726A (ja) * | 2018-07-19 | 2020-02-06 | パナソニックＩｐマネジメント株式会社 | 燃料電池システムおよび燃料電池システムの停止方法 |
| CN111801826A (zh) * | 2018-03-06 | 2020-10-20 | 住友电气工业株式会社 | 电池结构体 |
| CN114914500A (zh) * | 2022-04-27 | 2022-08-16 | 中国矿业大学 | 一种抗积碳的固体氧化物燃料电池电解质及其制备方法与应用 |
-
2001
- 2001-09-05 JP JP2001268246A patent/JP2002170579A/ja active Pending
Cited By (12)
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| JP7257640B2 (ja) | 2018-07-19 | 2023-04-14 | パナソニックＩｐマネジメント株式会社 | 燃料電池システムおよび燃料電池システムの停止方法 |
| CN114914500A (zh) * | 2022-04-27 | 2022-08-16 | 中国矿业大学 | 一种抗积碳的固体氧化物燃料电池电解质及其制备方法与应用 |
| CN114914500B (zh) * | 2022-04-27 | 2023-10-10 | 中国矿业大学 | 一种抗积碳的固体氧化物燃料电池电解质及其制备方法与应用 |
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