JP2003059523A - 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
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 電極層と固体電解質層の間の層間剥離をより
確実に防止することができ、高温使用時の耐熱性、昇温
・降温時の耐熱性のさらなる改善が可能な固体電解質型
燃料電池を提供する。 【解決手段】 電極層Ａ，Ｃと固体電解質層Ｂの間に、
電極材料で構成される薄膜層２ａと、固体電解質材料と
電極材料との共相で構成される薄膜層２ｂとの交互積層
構造部２、あるいは電極材料で構成される薄膜層２ａ
と、固体電解質材料と還元極材料の中間もしくは固体電
解質材料と同等の熱膨張係数を有しかつ電気伝導性を備
えた材料で構成される薄膜層２ｂとの交互積層構造部２
を介在させる。
確実に防止することができ、高温使用時の耐熱性、昇温
・降温時の耐熱性のさらなる改善が可能な固体電解質型
燃料電池を提供する。 【解決手段】 電極層Ａ，Ｃと固体電解質層Ｂの間に、
電極材料で構成される薄膜層２ａと、固体電解質材料と
電極材料との共相で構成される薄膜層２ｂとの交互積層
構造部２、あるいは電極材料で構成される薄膜層２ａ
と、固体電解質材料と還元極材料の中間もしくは固体電
解質材料と同等の熱膨張係数を有しかつ電気伝導性を備
えた材料で構成される薄膜層２ｂとの交互積層構造部２
を介在させる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、固体電解質を用
い、電気化学反応により電気エネルギーを得る固体電解
質型燃料電池（以下、ＳＯＦＣと記す）に係わり、さら
に詳しくは電極層と固体電解質との間に薄膜層を相互積
層してなる中間層を形成することによって、電極層と固
体電解質の層間剥離の防止を可能にした固体電解質型燃
料電池に関するものである。
い、電気化学反応により電気エネルギーを得る固体電解
質型燃料電池（以下、ＳＯＦＣと記す）に係わり、さら
に詳しくは電極層と固体電解質との間に薄膜層を相互積
層してなる中間層を形成することによって、電極層と固
体電解質の層間剥離の防止を可能にした固体電解質型燃
料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】ＳＯＦＣは、酸素イオンあるいはプロト
ンなどのイオン導電性を有する固体電解質を多孔質の酸
化極と還元極とで挟むようにして構成され、酸化極側に
酸素ガスを含む酸化性ガスを、還元極側に水素や炭化ガ
スを含む還元性ガスを供給し、これらのガスが固体電解
質を介して電気化学的に反応することにより、起電力を
生じる電池である。
ンなどのイオン導電性を有する固体電解質を多孔質の酸
化極と還元極とで挟むようにして構成され、酸化極側に
酸素ガスを含む酸化性ガスを、還元極側に水素や炭化ガ
スを含む還元性ガスを供給し、これらのガスが固体電解
質を介して電気化学的に反応することにより、起電力を
生じる電池である。
【０００３】一般的に固体電解質には、ジルコニア（Ｚ
ｒＯ２）にイットリア（Ｙ２Ｏ３)やスカンジア(Ｓｃ２
Ｏ３)を添加した安定化ジルコニアやセリア（Ｃｅ
Ｏ２）、Ｂｉ２Ｏ３系、ペロブスカイト構造のランタン
ガレート（ＬａＧｄ３）系材料が用いられる。固体電解
質層には、電子を通さず、イオンを通す性能が重要であ
り、酸素イオンが発電の導体である場合は、酸素イオン
の導電特性が高いことが望まれる。また、固体電解質層
の重要な特性として、ガス不透過性であることが挙げら
れる。
ｒＯ２）にイットリア（Ｙ２Ｏ３)やスカンジア(Ｓｃ２
Ｏ３)を添加した安定化ジルコニアやセリア（Ｃｅ
Ｏ２）、Ｂｉ２Ｏ３系、ペロブスカイト構造のランタン
ガレート（ＬａＧｄ３）系材料が用いられる。固体電解
質層には、電子を通さず、イオンを通す性能が重要であ
り、酸素イオンが発電の導体である場合は、酸素イオン
の導電特性が高いことが望まれる。また、固体電解質層
の重要な特性として、ガス不透過性であることが挙げら
れる。
【０００４】酸化極としては、銀（Ａｇ）や白金（Ｐ
ｔ）などの金属系とＬａＳｒＭｎＯやＬａＳｒＣｏＯに
代表されるペロブスカイト構造の酸化物材料が一般的に
用いられる。酸化極に必要な特性としては、酸化に強
く、酸化ガスを透過し、電気伝導度が高く、酸素分子を
酸素イオンに変換する触媒作用に優れていることが挙げ
られる。
ｔ）などの金属系とＬａＳｒＭｎＯやＬａＳｒＣｏＯに
代表されるペロブスカイト構造の酸化物材料が一般的に
用いられる。酸化極に必要な特性としては、酸化に強
く、酸化ガスを透過し、電気伝導度が高く、酸素分子を
酸素イオンに変換する触媒作用に優れていることが挙げ
られる。
【０００５】また、還元極としては、ニッケル（Ｎｉ）
やニッケルと固体電解質のサーメットなどが一般的に用
いられる。還元極に要求される特性としては、還元雰囲
気に強く、還元ガスを透過し、電気伝導度が高く、水素
分子をプロトンに変換する触媒作用に優れていることが
挙げられる。
やニッケルと固体電解質のサーメットなどが一般的に用
いられる。還元極に要求される特性としては、還元雰囲
気に強く、還元ガスを透過し、電気伝導度が高く、水素
分子をプロトンに変換する触媒作用に優れていることが
挙げられる。
【０００６】ＳＯＦＣは以上のような特性をもった膜に
よって構成され、一般的なＳＯＦＣの単位発電セルは、
図１に示すように、固体電解質層Ｂが還元極層Ａと酸化
極層Ｃに挟持された構造、すなわち異なる材質を有する
３つの材料が積層されて構成されている。従って、ＳＯ
ＦＣの使用に際して、各層の熱膨張率の違いに起因する
層間剥離の問題が生じることがある。
よって構成され、一般的なＳＯＦＣの単位発電セルは、
図１に示すように、固体電解質層Ｂが還元極層Ａと酸化
極層Ｃに挟持された構造、すなわち異なる材質を有する
３つの材料が積層されて構成されている。従って、ＳＯ
ＦＣの使用に際して、各層の熱膨張率の違いに起因する
層間剥離の問題が生じることがある。
【０００７】そこで、このような層間剥離の問題に対処
するため、例えば特開平５−１２１０８４公報には、燃
料電極として作用する金属の比率を電解質層の表面に相
当する部分から外側に向けて連続的に増加させ、電解質
層と還元極層の組成的な界面をなくすことにより、還元
極と固体電解質の高温での剥離を防止することが提案さ
れている。また、米国特許第５７５３３８５号や第６０
０７６８３号においては、固体電解質層と各電極層との
熱膨張係数差を緩和するために、電解質層と還元極・酸
化極層の中間層に電解質材料と電極材料の混合層を形成
し、電極層と電解質層の高温での剥離を防止することが
記載されている。
するため、例えば特開平５−１２１０８４公報には、燃
料電極として作用する金属の比率を電解質層の表面に相
当する部分から外側に向けて連続的に増加させ、電解質
層と還元極層の組成的な界面をなくすことにより、還元
極と固体電解質の高温での剥離を防止することが提案さ
れている。また、米国特許第５７５３３８５号や第６０
０７６８３号においては、固体電解質層と各電極層との
熱膨張係数差を緩和するために、電解質層と還元極・酸
化極層の中間層に電解質材料と電極材料の混合層を形成
し、電極層と電解質層の高温での剥離を防止することが
記載されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記公
報に開示された方法、すなわち電極成分濃度を連続的に
増加させて組成を傾斜させる手法や、電解質材料と電極
材料の混合層を１層介在させる手法によって、ＳＯＦＣ
の層間剥離の問題は少なからず改善されるものの、その
効果はまだ十分とは言えず、このような層間剥離をより
確実に防止することが可能な技術の開発が課題となって
いた。
報に開示された方法、すなわち電極成分濃度を連続的に
増加させて組成を傾斜させる手法や、電解質材料と電極
材料の混合層を１層介在させる手法によって、ＳＯＦＣ
の層間剥離の問題は少なからず改善されるものの、その
効果はまだ十分とは言えず、このような層間剥離をより
確実に防止することが可能な技術の開発が課題となって
いた。
【０００９】
【発明の目的】本発明は、従来のＳＯＦＣにおける上記
課題に鑑みてなされたものであって、電極層と固体電解
質層の間の層間剥離をより確実に防止することができ、
高温使用時の耐熱性、昇温・降温時の耐熱性のさらなる
改善が可能なＳＯＦＣを提供することを目的としてい
る。
課題に鑑みてなされたものであって、電極層と固体電解
質層の間の層間剥離をより確実に防止することができ、
高温使用時の耐熱性、昇温・降温時の耐熱性のさらなる
改善が可能なＳＯＦＣを提供することを目的としてい
る。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明に係わる固体電解
質型燃料電池（ＳＯＦＣ）は、還元極と酸化極の間に固
体電解質を挟持してなる固体電解質型燃料電池におい
て、還元極層と固体電解質層の間に、還元極材料で構成
される第１の薄膜層と、固体電解質材料と還元極材料と
の共相で構成される第２の薄膜層との交互積層構造部が
介在している構成、あるいは酸化極層と固体電解質層の
間に、酸化極材料で構成される第３の薄膜層と、固体電
解質材料と酸化極材料との共相で構成される第４の薄膜
層との交互積層構造部が介在している構成としており、
さらには還元極層と固体電解質層の間および酸化極層と
固体電解質層の間のそれぞれに上記のような交互積層構
造部が介在している構成とすることができ、ＳＯＦＣに
おけるこのような構成を前述した従来の課題を解決する
ための手段としたことを特徴としている。
質型燃料電池（ＳＯＦＣ）は、還元極と酸化極の間に固
体電解質を挟持してなる固体電解質型燃料電池におい
て、還元極層と固体電解質層の間に、還元極材料で構成
される第１の薄膜層と、固体電解質材料と還元極材料と
の共相で構成される第２の薄膜層との交互積層構造部が
介在している構成、あるいは酸化極層と固体電解質層の
間に、酸化極材料で構成される第３の薄膜層と、固体電
解質材料と酸化極材料との共相で構成される第４の薄膜
層との交互積層構造部が介在している構成としており、
さらには還元極層と固体電解質層の間および酸化極層と
固体電解質層の間のそれぞれに上記のような交互積層構
造部が介在している構成とすることができ、ＳＯＦＣに
おけるこのような構成を前述した従来の課題を解決する
ための手段としたことを特徴としている。
【００１１】本発明に係わる他のＳＯＦＣは、還元極と
酸化極の間に固体電解質を挟持してなる固体電解質型燃
料電池において、還元極層と固体電解質層の間に、還元
極材料で構成される第１の薄膜層と、固体電解質材料と
還元極材料の中間もしくは固体電解質材料と同等の熱膨
張係数を有し、かつ電気伝導性を備えた材料で構成され
る第５の薄膜層との交互積層構造部が介在している構
成、あるいは酸化極層と固体電解質層の間に、酸化極材
料で構成される第３の薄膜層と、固体電解質材料と酸化
極材料の中間もしくは固体電解質材料と同等の熱膨張係
数を有し、かつ電気伝導性を備えた材料で構成される第
６の薄膜層との交互積層構造部が介在している構成とし
ており、さらには還元極層と固体電解質層の間および酸
化極層と固体電解質層の間のそれぞれに上記のような交
互積層構造部が介在している構成としたことを特徴とし
ている。
酸化極の間に固体電解質を挟持してなる固体電解質型燃
料電池において、還元極層と固体電解質層の間に、還元
極材料で構成される第１の薄膜層と、固体電解質材料と
還元極材料の中間もしくは固体電解質材料と同等の熱膨
張係数を有し、かつ電気伝導性を備えた材料で構成され
る第５の薄膜層との交互積層構造部が介在している構
成、あるいは酸化極層と固体電解質層の間に、酸化極材
料で構成される第３の薄膜層と、固体電解質材料と酸化
極材料の中間もしくは固体電解質材料と同等の熱膨張係
数を有し、かつ電気伝導性を備えた材料で構成される第
６の薄膜層との交互積層構造部が介在している構成とし
ており、さらには還元極層と固体電解質層の間および酸
化極層と固体電解質層の間のそれぞれに上記のような交
互積層構造部が介在している構成としたことを特徴とし
ている。
【００１２】本発明に係わるＳＯＦＣの好適形態として
は、還元極層と固体電解質層の間に交互積層される第１
の薄膜層を構成する還元極材料を還元極層材料とは異な
る還元極機能をもつ材料で構成することができ、酸化極
層と固体電解質層の間に交互積層される第３の薄膜層に
ついても、これを構成する酸化極材料を酸化極層材料と
は異なる酸化極機能をもつ材料で構成することができ
る。また、還元極層と固体電解質層の間に介在する交互
積層構造部については、第１の薄膜層の膜厚が還元電極
に近いほど厚く、電解質層に近づくほど薄くなり、第２
の薄膜層の膜厚が還元電極に近いほど薄く、電解質層に
近づくほど厚くなるように交互積層することができ、酸
化極層と固体電解質層の間に介在する交互積層構造部に
ついても、第３の薄膜層の膜厚が酸化電極に近いほど厚
く、電解質層に近づくほど薄くなり、第４の薄膜層の膜
厚が酸化電極に近いほど薄く、電解質層に近づくほど厚
くなるように交互積層することができ、ＳＯＦＣにおけ
るこのような構成を前記課題の解決手段としている。
は、還元極層と固体電解質層の間に交互積層される第１
の薄膜層を構成する還元極材料を還元極層材料とは異な
る還元極機能をもつ材料で構成することができ、酸化極
層と固体電解質層の間に交互積層される第３の薄膜層に
ついても、これを構成する酸化極材料を酸化極層材料と
は異なる酸化極機能をもつ材料で構成することができ
る。また、還元極層と固体電解質層の間に介在する交互
積層構造部については、第１の薄膜層の膜厚が還元電極
に近いほど厚く、電解質層に近づくほど薄くなり、第２
の薄膜層の膜厚が還元電極に近いほど薄く、電解質層に
近づくほど厚くなるように交互積層することができ、酸
化極層と固体電解質層の間に介在する交互積層構造部に
ついても、第３の薄膜層の膜厚が酸化電極に近いほど厚
く、電解質層に近づくほど薄くなり、第４の薄膜層の膜
厚が酸化電極に近いほど薄く、電解質層に近づくほど厚
くなるように交互積層することができ、ＳＯＦＣにおけ
るこのような構成を前記課題の解決手段としている。
【００１３】本発明に係わるＳＯＦＣのさらに他の好適
形態は、両電極と固体電解質層の間に介在する交互積層
構造部における各層の膜厚がそれぞれ１μｍ以下とした
ことを特徴としている。
形態は、両電極と固体電解質層の間に介在する交互積層
構造部における各層の膜厚がそれぞれ１μｍ以下とした
ことを特徴としている。
【００１４】
【発明の実施の形態】例えば、ＳＯＦＣでよく用いられ
る組合せとして８ｍｏｌ％イットリア置換安定化ジルコ
ニア（以下、８ＹＳＺと記す）固体電解質とＮｉ還元極
の組合せが知られているが、これらの熱膨張係数は、８
ＹＳＺが９．９×１０−６／℃、Ｎｉが１３．３×１０
−６／℃であり、この熱膨張係数の違いによって、両層
の界面が恒温時に剥離することになる。
る組合せとして８ｍｏｌ％イットリア置換安定化ジルコ
ニア（以下、８ＹＳＺと記す）固体電解質とＮｉ還元極
の組合せが知られているが、これらの熱膨張係数は、８
ＹＳＺが９．９×１０−６／℃、Ｎｉが１３．３×１０
−６／℃であり、この熱膨張係数の違いによって、両層
の界面が恒温時に剥離することになる。
【００１５】しかし、高温時の層間剥離が熱膨張率の違
いが主因であるとしても、この剥離は、単に熱膨張率が
異なるだけで生じるわけではなく、簡単に言えば、層間
の密着力が熱膨張率の違いによる熱応力の上昇による層
間の応力（歪）増加に耐えられず剥離すると説明でき
る。そして、このときの熱応力は膜が厚いほど大きくな
る。つまり、層間の剥離を抑制するには、熱膨張係数の
差を縮めるということではなく、熱膨張係数の異なる材
料の層間の密着力がお互いの層がもつ層間の熱応力を上
回るようにすることが剥離を抑制するポイントとなる。
熱膨張係数の差を緩和する層を介在させたり、材料組成
を傾斜させたりする熱膨張係数に主眼をおいた手法と併
せて、膜厚を薄くして熱応力を小さくする手法は、層間
剥離を抑制する手法の一つと言うことができる。
いが主因であるとしても、この剥離は、単に熱膨張率が
異なるだけで生じるわけではなく、簡単に言えば、層間
の密着力が熱膨張率の違いによる熱応力の上昇による層
間の応力（歪）増加に耐えられず剥離すると説明でき
る。そして、このときの熱応力は膜が厚いほど大きくな
る。つまり、層間の剥離を抑制するには、熱膨張係数の
差を縮めるということではなく、熱膨張係数の異なる材
料の層間の密着力がお互いの層がもつ層間の熱応力を上
回るようにすることが剥離を抑制するポイントとなる。
熱膨張係数の差を緩和する層を介在させたり、材料組成
を傾斜させたりする熱膨張係数に主眼をおいた手法と併
せて、膜厚を薄くして熱応力を小さくする手法は、層間
剥離を抑制する手法の一つと言うことができる。
【００１６】本発明に係わるＳＯＦＣは、膜の密着力と
いう膜自体が本来持っている層間に働く力を活用するこ
とによって耐熱性をさらに向上させることができる積層
構造を備えたものであり、具体的には、還元極と酸化
極、固体電解質を備えたＳＯＦＣにおいて、電極層と固
体電解質層の間に、電極材料で構成される薄膜層と、固
体電解質材料と電極材料との共相で構成される薄膜層と
の交互積層構造部、あるいは電極材料で構成される薄膜
層と、固体電解質材料と還元極材料の中間もしくは固体
電解質材料と同等の熱膨張係数を有しかつ電気伝導性を
備えた材料で構成される薄膜層との交互積層構造部が介
在した構造を有するものである。このように、熱膨張係
数の異なる材料からなる薄膜層を交互に積層することに
よって、各層の密着力が各膜自体の応力を抑え、耐熱特
性が向上することから、このような交互積層構造部を介
在させることによって、電極材料と電解質材料の共相を
１層介在させるよりも、あるいは電極成分濃度を連続的
に変化させた中間層よりも高温での耐剥離性が向上する
ことになる。また、上記のような交互積層構造部の形成
は、電極金属の比率を連続的に変化させることに較べて
容易に行うことができ、種々のプロセスに対応すること
ができる。
いう膜自体が本来持っている層間に働く力を活用するこ
とによって耐熱性をさらに向上させることができる積層
構造を備えたものであり、具体的には、還元極と酸化
極、固体電解質を備えたＳＯＦＣにおいて、電極層と固
体電解質層の間に、電極材料で構成される薄膜層と、固
体電解質材料と電極材料との共相で構成される薄膜層と
の交互積層構造部、あるいは電極材料で構成される薄膜
層と、固体電解質材料と還元極材料の中間もしくは固体
電解質材料と同等の熱膨張係数を有しかつ電気伝導性を
備えた材料で構成される薄膜層との交互積層構造部が介
在した構造を有するものである。このように、熱膨張係
数の異なる材料からなる薄膜層を交互に積層することに
よって、各層の密着力が各膜自体の応力を抑え、耐熱特
性が向上することから、このような交互積層構造部を介
在させることによって、電極材料と電解質材料の共相を
１層介在させるよりも、あるいは電極成分濃度を連続的
に変化させた中間層よりも高温での耐剥離性が向上する
ことになる。また、上記のような交互積層構造部の形成
は、電極金属の比率を連続的に変化させることに較べて
容易に行うことができ、種々のプロセスに対応すること
ができる。
【００１７】すなわち、図２は本発明に係わる個体電解
質型燃料電池の構造を示す概念図であって、図に示す燃
料電池（ＳＯＦＣ）１は、還元極層Ａと、固体電解質層
Ｂと、酸化極層Ｃを備え、還元極層Ａと固体電解質層Ｂ
の間に第１の交互積層構造部２が介在すると共に、酸化
極層Ｃと固体電解質層Ｂの間に第２の交互積層構造部３
が介在するものであって、還元極層Ａと固体電解質層Ｂ
の間に介在する交互積層構造部２は、右側の楕円中に拡
大して示すように、還元極材料からなる第１の薄膜層２
ａと、還元極材料と固体電解質材料との共相からなる第
２の薄膜層２ｂとが交互に積層された構造を有してい
る。このとき、還元極材料と固体電解質材料との共相か
らなる第２の薄膜層２ｂに替えて、還元極材料と固体電
解質材料との中間、もしくは固体電解質材料と同等の熱
膨張係数を有し、かつ電気伝導性を備えた材料からなる
第５の薄膜層を用いることもできる。
質型燃料電池の構造を示す概念図であって、図に示す燃
料電池（ＳＯＦＣ）１は、還元極層Ａと、固体電解質層
Ｂと、酸化極層Ｃを備え、還元極層Ａと固体電解質層Ｂ
の間に第１の交互積層構造部２が介在すると共に、酸化
極層Ｃと固体電解質層Ｂの間に第２の交互積層構造部３
が介在するものであって、還元極層Ａと固体電解質層Ｂ
の間に介在する交互積層構造部２は、右側の楕円中に拡
大して示すように、還元極材料からなる第１の薄膜層２
ａと、還元極材料と固体電解質材料との共相からなる第
２の薄膜層２ｂとが交互に積層された構造を有してい
る。このとき、還元極材料と固体電解質材料との共相か
らなる第２の薄膜層２ｂに替えて、還元極材料と固体電
解質材料との中間、もしくは固体電解質材料と同等の熱
膨張係数を有し、かつ電気伝導性を備えた材料からなる
第５の薄膜層を用いることもできる。
【００１８】一方、酸化極層Ｃと固体電解質層Ｂの間に
介在する交互積層構造部３は、図中には省略されている
が、酸化極材料からなる第３の薄膜層と、酸化極材料と
固体電解質材料との共相からなる第４の薄膜層とが交互
に積層された構造を有している。このとき、酸化極材料
と固体電解質材料との共相からなる第４の薄膜層に替え
て、酸化極材料と固体電解質材料との中間、もしくは固
体電解質材料と同等の熱膨張係数を有し、かつ電気伝導
性を備えた材料からなる第６の薄膜層を用いることもで
きる。
介在する交互積層構造部３は、図中には省略されている
が、酸化極材料からなる第３の薄膜層と、酸化極材料と
固体電解質材料との共相からなる第４の薄膜層とが交互
に積層された構造を有している。このとき、酸化極材料
と固体電解質材料との共相からなる第４の薄膜層に替え
て、酸化極材料と固体電解質材料との中間、もしくは固
体電解質材料と同等の熱膨張係数を有し、かつ電気伝導
性を備えた材料からなる第６の薄膜層を用いることもで
きる。
【００１９】ここで、固体電解質層Ｂと各電極層Ａ，Ｃ
との層間に介入させる交互積層構造部２および３は、電
極面から電解質層面までガスが拡散することを阻害しな
い膜であり、かつ電気伝導性が良好な膜でなければなら
ない。すなわち、交互積層する薄膜の一方が緻密な電気
絶縁膜であった場合、電極側から入ってくるガスを遮蔽
し、電解質層Ｂと電極層Ａ，Ｃの間の電気的導通をも遮
断するため、燃料電池として機能しなくなる。
との層間に介入させる交互積層構造部２および３は、電
極面から電解質層面までガスが拡散することを阻害しな
い膜であり、かつ電気伝導性が良好な膜でなければなら
ない。すなわち、交互積層する薄膜の一方が緻密な電気
絶縁膜であった場合、電極側から入ってくるガスを遮蔽
し、電解質層Ｂと電極層Ａ，Ｃの間の電気的導通をも遮
断するため、燃料電池として機能しなくなる。
【００２０】なお、上記交互積層構造部は、還元極側と
酸化極側の両方に設けることが望ましいが、固体電解質
層と両電極層の材質の組み合わせによって層間剥離の恐
れがない場合には、一方だけに形成することもあり得
る。また、交互積層構造部を構成する第１の薄膜層の還
元極材料は、必ずしも還元極層Ａの材料と同じである必
要はなく、同様に、第３の薄膜層を形成する酸化極材料
も、酸化極層Ｃの材料と同じである必要はない。
酸化極側の両方に設けることが望ましいが、固体電解質
層と両電極層の材質の組み合わせによって層間剥離の恐
れがない場合には、一方だけに形成することもあり得
る。また、交互積層構造部を構成する第１の薄膜層の還
元極材料は、必ずしも還元極層Ａの材料と同じである必
要はなく、同様に、第３の薄膜層を形成する酸化極材料
も、酸化極層Ｃの材料と同じである必要はない。
【００２１】さらに、交互積層構造部における各薄膜層
の膜厚については、必ずしも一定でなくてもよく、電極
材料層が電極側から電解質側に向けて徐々に薄くなるよ
うに形成することができる。このとき、交互積層する薄
膜層の積層数や、中間層としての交互積層構造部の厚さ
については、特に限定されないが、交互積層する薄膜層
の膜厚については、それぞれ１μｍ以下とすることが望
ましい。すなわち、膜厚が１μｍを超えて厚くなると、
交互積層膜の各層における応力の影響が顕著となり、交
互積層構造の効果が失われる傾向があることによる。
の膜厚については、必ずしも一定でなくてもよく、電極
材料層が電極側から電解質側に向けて徐々に薄くなるよ
うに形成することができる。このとき、交互積層する薄
膜層の積層数や、中間層としての交互積層構造部の厚さ
については、特に限定されないが、交互積層する薄膜層
の膜厚については、それぞれ１μｍ以下とすることが望
ましい。すなわち、膜厚が１μｍを超えて厚くなると、
交互積層膜の各層における応力の影響が顕著となり、交
互積層構造の効果が失われる傾向があることによる。
【００２２】本発明に係わるＳＯＦＣにおいては、上記
したように、固体電解質として、安定化ジルコニア、セ
リア含有固溶体、ランタンガレートなど、酸化極とし
て、ＬＳＭ（ＬａＳｒＭｎＯ）、ＬＳＣ（ＬａＳｒＣｏ
Ｏ）、Ａｇ、Ｐｔなど、還元極としては、Ｎｉ、Ｎｉサ
ーメットなどを用いることができるが、これらのみに限
定されるものではない。
したように、固体電解質として、安定化ジルコニア、セ
リア含有固溶体、ランタンガレートなど、酸化極とし
て、ＬＳＭ（ＬａＳｒＭｎＯ）、ＬＳＣ（ＬａＳｒＣｏ
Ｏ）、Ａｇ、Ｐｔなど、還元極としては、Ｎｉ、Ｎｉサ
ーメットなどを用いることができるが、これらのみに限
定されるものではない。
【００２３】
【実施例】以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説
明するが、本発明はこれら実施例のみに限定されるもの
ではない。
明するが、本発明はこれら実施例のみに限定されるもの
ではない。
【００２４】まず、耐熱性の比較をするため、本発明に
よる実施例１〜４と、従来技術による比較例１〜２を同
様の基板上に作製し、電気炉による熱処理試験を実施し
た。
よる実施例１〜４と、従来技術による比較例１〜２を同
様の基板上に作製し、電気炉による熱処理試験を実施し
た。
【００２５】〔基板の作製〕厚さ０．６５ｍｍ、１０ｍ
ｍ角の（１００）配向単結晶シリコン基板を用意し、当
該基板の表面側には減圧プラズマＣＶＤによってＳｉＮ
の成膜（２００ｎｍ）を全面に施すと共に、裏面側には
中心部の１ｍｍ角部分を除いて、同様にＳｉＮを成膜
（２００ｎｍ）した。次に、この基板を約６０℃に保っ
た抱水ヒドラジン液中に浸漬し、ＳｉＮが成膜されてい
ない１ｍｍ角の部分のＳｉを異方性エッチングし、１ｍ
ｍ角、厚み２００ｎｍのＳｉＮダイアフラム構造を形成
した。そして、これを比較試験の基板Ｓとして用い、異
方性エッチングがされずＳｉＮが全面に成膜されている
表面側に、以下のような積層構造を形成した。
ｍ角の（１００）配向単結晶シリコン基板を用意し、当
該基板の表面側には減圧プラズマＣＶＤによってＳｉＮ
の成膜（２００ｎｍ）を全面に施すと共に、裏面側には
中心部の１ｍｍ角部分を除いて、同様にＳｉＮを成膜
（２００ｎｍ）した。次に、この基板を約６０℃に保っ
た抱水ヒドラジン液中に浸漬し、ＳｉＮが成膜されてい
ない１ｍｍ角の部分のＳｉを異方性エッチングし、１ｍ
ｍ角、厚み２００ｎｍのＳｉＮダイアフラム構造を形成
した。そして、これを比較試験の基板Ｓとして用い、異
方性エッチングがされずＳｉＮが全面に成膜されている
表面側に、以下のような積層構造を形成した。
【００２６】（実施例１）まず最初に、還元極層Ａとし
て、金属Ｎｉターゲットを用いてＲＦスパッタにより上
記基板ＳのＳｉＮ面にＮｉを１μｍ成膜した。この成膜
はＡｒ雰囲気中において１０Ｐａの圧力で行った。
て、金属Ｎｉターゲットを用いてＲＦスパッタにより上
記基板ＳのＳｉＮ面にＮｉを１μｍ成膜した。この成膜
はＡｒ雰囲気中において１０Ｐａの圧力で行った。
【００２７】引き続きＦＲスパッタにより、成膜された
Ｎｉ面上に交互積層構造部を形成した。すなわち、まず
交互積層構造の第１層として、Ｎｉ金属と８ｍｏｌ％イ
ットリア置換安定化ジルコニア（８ＹＳＺ）焼結体のタ
ーゲットを用いた共スパッタ層を５０ｎｍ成膜した（第
２の薄膜層２ｂ）。このとき、Ｎｉと８ＹＳＺの比率が
質量比で５０：５０となるようにＮｉターゲットと８Ｙ
ＳＺターゲットのサイズやスパッタ出力を設定した。ま
た、成膜雰囲気はＮｉ層と同じＡｒ雰囲気で、圧力は１
０Ｐａとした。このＮｉ−８ＹＳＺ共スパッタ層の上
に、交互積層構造の第２層として、Ｎｉを５０ｎｍ成膜
した（第１の薄膜層２ａ）。このときの成膜条件は、還
元極層Ａの成膜時と同じとした。そしてさらに、このよ
うなＮｉ−８ＹＳＺ共スパッタ層（第２の薄膜層２ｂ）
５０ｎｍとＮｉ層（第１の薄膜層２ａ）５０ｎｍの交互
成膜を同様に４回実施したのち、さらに交互積層構造の
第８層であるＮｉ層の上面に再度Ｎｉ−８ＹＳＺ層を５
０ｎｍ形成し、Ｎｉ−８ＹＳＺ共スパッタ層（第２の薄
膜層２ｂ）が計５層、Ｎｉ層（第１の薄膜層２ａ）が計
４層の交互積層構造部２を形成した。
Ｎｉ面上に交互積層構造部を形成した。すなわち、まず
交互積層構造の第１層として、Ｎｉ金属と８ｍｏｌ％イ
ットリア置換安定化ジルコニア（８ＹＳＺ）焼結体のタ
ーゲットを用いた共スパッタ層を５０ｎｍ成膜した（第
２の薄膜層２ｂ）。このとき、Ｎｉと８ＹＳＺの比率が
質量比で５０：５０となるようにＮｉターゲットと８Ｙ
ＳＺターゲットのサイズやスパッタ出力を設定した。ま
た、成膜雰囲気はＮｉ層と同じＡｒ雰囲気で、圧力は１
０Ｐａとした。このＮｉ−８ＹＳＺ共スパッタ層の上
に、交互積層構造の第２層として、Ｎｉを５０ｎｍ成膜
した（第１の薄膜層２ａ）。このときの成膜条件は、還
元極層Ａの成膜時と同じとした。そしてさらに、このよ
うなＮｉ−８ＹＳＺ共スパッタ層（第２の薄膜層２ｂ）
５０ｎｍとＮｉ層（第１の薄膜層２ａ）５０ｎｍの交互
成膜を同様に４回実施したのち、さらに交互積層構造の
第８層であるＮｉ層の上面に再度Ｎｉ−８ＹＳＺ層を５
０ｎｍ形成し、Ｎｉ−８ＹＳＺ共スパッタ層（第２の薄
膜層２ｂ）が計５層、Ｎｉ層（第１の薄膜層２ａ）が計
４層の交互積層構造部２を形成した。
【００２８】次に、交互積層構造部２の第９層であるＮ
ｉ−８ＹＳＺ層の上面に８ＹＳＺからなる層を同様にＲ
Ｆスパッタにより１μｍ成膜して固体電解質層Ｂを形成
した。このときの成膜雰囲気も、これまでと同様に１０
ＰａのＡｒ雰囲気である。
ｉ−８ＹＳＺ層の上面に８ＹＳＺからなる層を同様にＲ
Ｆスパッタにより１μｍ成膜して固体電解質層Ｂを形成
した。このときの成膜雰囲気も、これまでと同様に１０
ＰａのＡｒ雰囲気である。
【００２９】続いて、８ＹＳＺからなる固体電解質層Ｂ
の上面に交互積層構造部２を前記交互積層構造部２と同
様の方法で作製した。まず、８ＹＳＺ層上に金属Ａｇと
８ＹＳＺ焼結体ターゲットを用いた共スパッタ層を５０
ｎｍ成膜した（第４の薄膜層）。このとき、Ａｇと８Ｙ
ＳＺの比率が質量比で４０：６０となるようにＡｇター
ゲットと８ＹＳＺターゲットのスパッタ出力を設定し
た。また、成膜雰囲気については、上記同様圧力１０Ｐ
ａのＡｒ雰囲気である。次いで、このＡｇ−８ＹＳＺ共
スパッタ層の上に、交互積層構造の第２層として、Ａｇ
を５０ｎｍ成膜した（第３の薄膜層）。このＡｇ層の成
膜条件は、還元極層ＡのＮｉ層成膜時と同じ条件とし
た。このＡｇ−８ＹＳＺ共スパッタ層（第４の薄膜層）
５０ｎｍとＡｇ層（第３の薄膜層）５０ｎｍの成膜を同
様に交互4回に実施し、さらに、交互積層構造の第８層
であるＡｇ層の上面に再度Ａｇ−８ＹＳＺ層を５０ｎｍ
形成して、Ａｇ−８ＹＳＺ共スパッタ層（第４の薄膜
層）が計５層、Ａｇ層（第３の薄膜層）が計４層の交互
積層構造部３を形成した。
の上面に交互積層構造部２を前記交互積層構造部２と同
様の方法で作製した。まず、８ＹＳＺ層上に金属Ａｇと
８ＹＳＺ焼結体ターゲットを用いた共スパッタ層を５０
ｎｍ成膜した（第４の薄膜層）。このとき、Ａｇと８Ｙ
ＳＺの比率が質量比で４０：６０となるようにＡｇター
ゲットと８ＹＳＺターゲットのスパッタ出力を設定し
た。また、成膜雰囲気については、上記同様圧力１０Ｐ
ａのＡｒ雰囲気である。次いで、このＡｇ−８ＹＳＺ共
スパッタ層の上に、交互積層構造の第２層として、Ａｇ
を５０ｎｍ成膜した（第３の薄膜層）。このＡｇ層の成
膜条件は、還元極層ＡのＮｉ層成膜時と同じ条件とし
た。このＡｇ−８ＹＳＺ共スパッタ層（第４の薄膜層）
５０ｎｍとＡｇ層（第３の薄膜層）５０ｎｍの成膜を同
様に交互4回に実施し、さらに、交互積層構造の第８層
であるＡｇ層の上面に再度Ａｇ−８ＹＳＺ層を５０ｎｍ
形成して、Ａｇ−８ＹＳＺ共スパッタ層（第４の薄膜
層）が計５層、Ａｇ層（第３の薄膜層）が計４層の交互
積層構造部３を形成した。
【００３０】そして最後に、このＡｇ−８ＹＳＺ層の上
に、同様にＲＦスパッタを用いて酸化極層ＣとしてのＡ
ｇ層を２μｍ厚さに成膜することによって、図３に示す
ように、ＳｉＮダイアフラム基板Ｓの上に実施例１に係
わる単位セル構造を形成した。
に、同様にＲＦスパッタを用いて酸化極層ＣとしてのＡ
ｇ層を２μｍ厚さに成膜することによって、図３に示す
ように、ＳｉＮダイアフラム基板Ｓの上に実施例１に係
わる単位セル構造を形成した。
【００３１】（実施例２）上記のように準備したＳｉＮ
ダイアフラム基板Ｓの上に、基本的に上記実施例１と同
様の手法によって実施例２に係わる単位セル構造を形成
した。実施例１と異なるのは、交互積層構造部２をＮｉ
−Ｙ１５％置換ＣｅＯ２（ＹＤＣ）共スパッタ層（第２
の薄膜層）とＮｉ（第1の薄膜層）で構成したことであ
る。なお、Ｎｉ−ＹＤＣ共スパッタ層については、Ｎｉ
とＹＤＣの比率が質量比で４０：６０になるようにＮｉ
ターゲットとＹＤＣターゲットのサイズとスパッタ出力
を設定した。
ダイアフラム基板Ｓの上に、基本的に上記実施例１と同
様の手法によって実施例２に係わる単位セル構造を形成
した。実施例１と異なるのは、交互積層構造部２をＮｉ
−Ｙ１５％置換ＣｅＯ２（ＹＤＣ）共スパッタ層（第２
の薄膜層）とＮｉ（第1の薄膜層）で構成したことであ
る。なお、Ｎｉ−ＹＤＣ共スパッタ層については、Ｎｉ
とＹＤＣの比率が質量比で４０：６０になるようにＮｉ
ターゲットとＹＤＣターゲットのサイズとスパッタ出力
を設定した。
【００３２】（実施例３）上記ＳｉＮダイアフラム基板
Ｓの上に、基本的に上記実施例と同様の手法によって実
施例３に係わる単位セル構造を形成した。実施例１と異
なるのは、交互積層構造部２をＮｉ−８ＹＳＺ共スパッ
タ層（第２の薄膜層）とＮｉ−ＹＤＣ共スパッタ層（第
1の薄膜層）で構成したことである。なお、当該実施例
においては、Ｎｉ−８ＹＳＺ共スパッタ層におけるＮｉ
と８ＹＳＺの比率が量比で５０：５０になるようにＮｉ
ターゲットと８ＹＳＺターゲットのスパッタ出力を設定
すると共に、Ｎｉ−ＹＤＣ共スパッタ層については、Ｎ
ｉとＹＤＣの比率が質量比で７０：３０になるようにＮ
ｉターゲットとＹＤＣターゲットのサイズとスパッタ出
力を設定した。
Ｓの上に、基本的に上記実施例と同様の手法によって実
施例３に係わる単位セル構造を形成した。実施例１と異
なるのは、交互積層構造部２をＮｉ−８ＹＳＺ共スパッ
タ層（第２の薄膜層）とＮｉ−ＹＤＣ共スパッタ層（第
1の薄膜層）で構成したことである。なお、当該実施例
においては、Ｎｉ−８ＹＳＺ共スパッタ層におけるＮｉ
と８ＹＳＺの比率が量比で５０：５０になるようにＮｉ
ターゲットと８ＹＳＺターゲットのスパッタ出力を設定
すると共に、Ｎｉ−ＹＤＣ共スパッタ層については、Ｎ
ｉとＹＤＣの比率が質量比で７０：３０になるようにＮ
ｉターゲットとＹＤＣターゲットのサイズとスパッタ出
力を設定した。
【００３３】（実施例４）上記ＳｉＮダイアフラム基板
Ｓの上に、基本的に上記実施例と同様の手法によって実
施例４に係わる単位セル構造を形成した。実施例１との
相違点は、交互積層構造部２をＮｉとＹＤＣの存在比が
異なる二種類のＮｉ−ＹＤＣ共スパッタ層で構成したこ
とである。すなわち、当該実施例における交互積層構造
部２の第１層（第５の薄膜層）は、ＮｉとＹＤＣの比率
が質量比で４０：６０になるようにＮｉターゲットとＹ
ＤＣターゲットのスパッタ出力を設定したものであり、
交互積層構造部２の第２層（第１の薄膜層）は、Ｎｉと
ＹＤＣの比率が質量比で７０：３０になるようにＮｉタ
ーゲットとＹＤＣターゲットのサイズとスパッタ出力を
設定したものである。なお、交互積層構造部２の第１層
の熱膨張係数は、１１×１０−６／℃であり、第２層の
熱膨張係数は、１２×１０−６／℃である。
Ｓの上に、基本的に上記実施例と同様の手法によって実
施例４に係わる単位セル構造を形成した。実施例１との
相違点は、交互積層構造部２をＮｉとＹＤＣの存在比が
異なる二種類のＮｉ−ＹＤＣ共スパッタ層で構成したこ
とである。すなわち、当該実施例における交互積層構造
部２の第１層（第５の薄膜層）は、ＮｉとＹＤＣの比率
が質量比で４０：６０になるようにＮｉターゲットとＹ
ＤＣターゲットのスパッタ出力を設定したものであり、
交互積層構造部２の第２層（第１の薄膜層）は、Ｎｉと
ＹＤＣの比率が質量比で７０：３０になるようにＮｉタ
ーゲットとＹＤＣターゲットのサイズとスパッタ出力を
設定したものである。なお、交互積層構造部２の第１層
の熱膨張係数は、１１×１０−６／℃であり、第２層の
熱膨張係数は、１２×１０−６／℃である。
【００３４】（比較例１）上記ＳｉＮダイアフラム基板
Ｓの上に、まず、還元極層Ａとして、同様にＲＦスパッ
タによりＳｉＮ面にＮｉを１μｍ成膜した。成膜方法
は、実施例１の還元極Ｎｉ層と同じである。引き続きＲ
Ｆスパッタを用いて、成膜されたＮｉ面上に金属Ｎｉと
８ＹＳＺ焼結体のターゲットを用いた共スパッタ層を上
記実施例の交互積層構造部２と同じ厚さとなるように４
５０ｎｍ成膜して中間層５を得た。このとき、Ｎｉと８
ＹＳＺの比率が質量比で５０：５０になるようにＮｉタ
ーゲットと８ＹＳＺターゲットのサイズとスパッタ出力
を設定した。このときの成膜雰囲気は、上記実施例と同
様にＡｒ雰囲気とし、圧力は１０Ｐａとした。
Ｓの上に、まず、還元極層Ａとして、同様にＲＦスパッ
タによりＳｉＮ面にＮｉを１μｍ成膜した。成膜方法
は、実施例１の還元極Ｎｉ層と同じである。引き続きＲ
Ｆスパッタを用いて、成膜されたＮｉ面上に金属Ｎｉと
８ＹＳＺ焼結体のターゲットを用いた共スパッタ層を上
記実施例の交互積層構造部２と同じ厚さとなるように４
５０ｎｍ成膜して中間層５を得た。このとき、Ｎｉと８
ＹＳＺの比率が質量比で５０：５０になるようにＮｉタ
ーゲットと８ＹＳＺターゲットのサイズとスパッタ出力
を設定した。このときの成膜雰囲気は、上記実施例と同
様にＡｒ雰囲気とし、圧力は１０Ｐａとした。
【００３５】次に、成膜されたＮｉ−８ＹＳＺ層の上面
に、８ＹＳＺからなる層を同様にＲＦスパッタにより１
μｍ成膜して固体電解質層Ｂを形成した。このときの成
膜雰雰囲気も、これまでと同様に１０ＰａのＡｒ雰囲気
である。
に、８ＹＳＺからなる層を同様にＲＦスパッタにより１
μｍ成膜して固体電解質層Ｂを形成した。このときの成
膜雰雰囲気も、これまでと同様に１０ＰａのＡｒ雰囲気
である。
【００３６】続いて、８ＹＳＺからなる固体電解質層Ｂ
の上面に、金属Ａｇと８ＹＳＺ焼結体のターゲットを用
いた共スパッタ層を上記実施例の交互積層構造部３と同
様の厚さに４５０ｎｍ成膜して中間層６とした。このと
き、Ａｇと８ＹＳＺの比率が重量比で５０：５０になる
ようにＡｇターゲットと８ＹＳＺターゲットのサイズと
スパッタ出力を設定した。そして最後に、このＡｇ−Ｙ
ＳＺ層の上に、同様にＲＦスパッタを用いて２μｍ厚さ
のＡｇ層を成膜して酸化極層Ｃとし、図４に示すよう
に、ＳｉＮダイアフラム基板Ｓの上に当該比較例に係わ
る単位セル構造を形成した。
の上面に、金属Ａｇと８ＹＳＺ焼結体のターゲットを用
いた共スパッタ層を上記実施例の交互積層構造部３と同
様の厚さに４５０ｎｍ成膜して中間層６とした。このと
き、Ａｇと８ＹＳＺの比率が重量比で５０：５０になる
ようにＡｇターゲットと８ＹＳＺターゲットのサイズと
スパッタ出力を設定した。そして最後に、このＡｇ−Ｙ
ＳＺ層の上に、同様にＲＦスパッタを用いて２μｍ厚さ
のＡｇ層を成膜して酸化極層Ｃとし、図４に示すよう
に、ＳｉＮダイアフラム基板Ｓの上に当該比較例に係わ
る単位セル構造を形成した。
【００３７】（比較例２）上記ＳｉＮダイアフラム基板
Ｓの上に、まず、還元極層Ａとして、同様にＲＦスパッ
タによりＳｉＮ面にＮｉを１μｍ成膜した。成膜方法
は、実施例１の還元極Ｎｉ層と同じである。
Ｓの上に、まず、還元極層Ａとして、同様にＲＦスパッ
タによりＳｉＮ面にＮｉを１μｍ成膜した。成膜方法
は、実施例１の還元極Ｎｉ層と同じである。
【００３８】引き続きＲＦスパッタを用いて、上記Ｎｉ
面上にＮｉと８ＹＳＺからなる組成傾斜層７を４５０ｎ
ｍの厚さに形成した。すなわち、Ｎｉ還元極層Ａに接す
る部分についてはＮｉ：８ＹＳＺ＝１００：１の存在比
とし、Ｎｉのスパッタ出力を徐々に小さくしつつ、逆に
８ＹＳＺのスパッタ出力を徐々に大きくしながら成膜を
行い、固体電解質層Ｂに接する箇所ではＮｉ：８ＹＳＺ
＝１：１００の存在比となるようにスパッタ出力を制御
することによって組成傾斜層７を得た。このときの成膜
雰囲気は同様に圧力１０ＰａのＡｒ雰囲気とした。
面上にＮｉと８ＹＳＺからなる組成傾斜層７を４５０ｎ
ｍの厚さに形成した。すなわち、Ｎｉ還元極層Ａに接す
る部分についてはＮｉ：８ＹＳＺ＝１００：１の存在比
とし、Ｎｉのスパッタ出力を徐々に小さくしつつ、逆に
８ＹＳＺのスパッタ出力を徐々に大きくしながら成膜を
行い、固体電解質層Ｂに接する箇所ではＮｉ：８ＹＳＺ
＝１：１００の存在比となるようにスパッタ出力を制御
することによって組成傾斜層７を得た。このときの成膜
雰囲気は同様に圧力１０ＰａのＡｒ雰囲気とした。
【００３９】組成傾斜層７の成膜において、Ｎｉのスパ
ッタ出力が０となり、８ＹＳＺのみの成膜になったとこ
ろから、８ＹＳＺからなる固体電解質層Ｂの成膜が始ま
り、組成傾斜層７に引き続いて、同様にＲＦスパッタに
より８ＹＳＺを１μｍの厚さに成膜して固体電解質層Ｂ
とした。成膜雰囲気はこれまでと同様にＡｒ雰囲気と
し、圧力は１０Ｐａとした。
ッタ出力が０となり、８ＹＳＺのみの成膜になったとこ
ろから、８ＹＳＺからなる固体電解質層Ｂの成膜が始ま
り、組成傾斜層７に引き続いて、同様にＲＦスパッタに
より８ＹＳＺを１μｍの厚さに成膜して固体電解質層Ｂ
とした。成膜雰囲気はこれまでと同様にＡｒ雰囲気と
し、圧力は１０Ｐａとした。
【００４０】続いて、８ＹＳＺ固体電解質層Ｂの上面
に、８ＹＳＺとＡｇの組成傾斜層８を同様に４５０ｎｍ
形成した。Ｎｉ還元極Ａと８ＹＳＺ固体電解質層Ｂ間の
組成傾斜層７と同様に、８ＹＳＺ面に接する部分につい
ては８ＹＳＺ：Ａｇ＝１００：０の存在比とし、８ＹＳ
Ｚのスパッタ出力を徐々に小さくしつつ、逆にＡｇのス
パッタ出力を徐々に大きくしながら成膜し、Ａｇ酸化極
層Ｃに接する部分では存在比が８ＹＳＺ：Ａｇ＝０:１
００になるようにスパッタ出力を制御することによって
組成傾斜層８を得た。このときの成膜雰囲気は同様に圧
力１０ＰａのＡｒ雰囲気とした。
に、８ＹＳＺとＡｇの組成傾斜層８を同様に４５０ｎｍ
形成した。Ｎｉ還元極Ａと８ＹＳＺ固体電解質層Ｂ間の
組成傾斜層７と同様に、８ＹＳＺ面に接する部分につい
ては８ＹＳＺ：Ａｇ＝１００：０の存在比とし、８ＹＳ
Ｚのスパッタ出力を徐々に小さくしつつ、逆にＡｇのス
パッタ出力を徐々に大きくしながら成膜し、Ａｇ酸化極
層Ｃに接する部分では存在比が８ＹＳＺ：Ａｇ＝０:１
００になるようにスパッタ出力を制御することによって
組成傾斜層８を得た。このときの成膜雰囲気は同様に圧
力１０ＰａのＡｒ雰囲気とした。
【００４１】組成傾斜層８の成膜において、８ＹＳＺの
スパッタ出力が０になり、Ａｇのみの成膜になったとこ
ろから、Ａｇの成膜が始まり、組成傾斜層８に引き続き
Ａｇ酸化極層ＣをＲＦスパッタにより２μｍ成膜した。
成膜雰囲気はこれまでと同様にＡｒ雰囲気とし、圧力は
１０Ｐａとした。このようにして、図５に示すように、
ＳｉＮダイアフラム基板Ｓの上に当該比較例に係わる単
位セル構造を形成した。
スパッタ出力が０になり、Ａｇのみの成膜になったとこ
ろから、Ａｇの成膜が始まり、組成傾斜層８に引き続き
Ａｇ酸化極層ＣをＲＦスパッタにより２μｍ成膜した。
成膜雰囲気はこれまでと同様にＡｒ雰囲気とし、圧力は
１０Ｐａとした。このようにして、図５に示すように、
ＳｉＮダイアフラム基板Ｓの上に当該比較例に係わる単
位セル構造を形成した。
【００４２】＜比較試験１＞上記実施例１〜４、および
比較例１〜２の都合６種類の試料について、Ｎ２雰囲気
中において、４００℃、５００℃、６００℃および７０
０℃の各温度にそれぞれ４時間保持する耐熱試験を実施
した。なお、各保持温度への昇温速度および保持温度か
ら室温への降温速度については、１００℃／ｈとした。
そして、表面観察により、ＳｉＮダイアフラム基板Ｓ上
に形成された単セル構造にクラックや膜の剥離がないか
どうかを調査した。その結果を表１に示す。
比較例１〜２の都合６種類の試料について、Ｎ２雰囲気
中において、４００℃、５００℃、６００℃および７０
０℃の各温度にそれぞれ４時間保持する耐熱試験を実施
した。なお、各保持温度への昇温速度および保持温度か
ら室温への降温速度については、１００℃／ｈとした。
そして、表面観察により、ＳｉＮダイアフラム基板Ｓ上
に形成された単セル構造にクラックや膜の剥離がないか
どうかを調査した。その結果を表１に示す。
【００４３】
【表１】
【００４４】表１に示した結果から明らかなように、両
電極層Ａ，Ｃと固体電解質層Ｂの間に、交互積層構造部
２，３を形成した本発明の実施例１〜４においては、７
００℃でもクラックや剥離が発生しないのに対し、これ
らの間に電極材料と電解質材料との共相５，６あるいは
組成傾斜層７，８を形成した比較例１，２においては、
６００℃で剥離が生じることが確認された。
電極層Ａ，Ｃと固体電解質層Ｂの間に、交互積層構造部
２，３を形成した本発明の実施例１〜４においては、７
００℃でもクラックや剥離が発生しないのに対し、これ
らの間に電極材料と電解質材料との共相５，６あるいは
組成傾斜層７，８を形成した比較例１，２においては、
６００℃で剥離が生じることが確認された。
【００４５】（実施例５〜８）交互積層構造部２，３を
構成する各薄膜層の膜厚の影響を確認するために、実施
例１と同様のプロセスにより、交互積層薄膜層の膜厚を
５ｎｍ（実施例５）、２０ｎｍ（実施例礼６）、１００
ｎｍ（実施例７）および５００ｎｍ（実施例８）に変え
たセル構造を作製した。
構成する各薄膜層の膜厚の影響を確認するために、実施
例１と同様のプロセスにより、交互積層薄膜層の膜厚を
５ｎｍ（実施例５）、２０ｎｍ（実施例礼６）、１００
ｎｍ（実施例７）および５００ｎｍ（実施例８）に変え
たセル構造を作製した。
【００４６】（実施例９）実施例１と同様のプロセスに
より、還元極層Ａの厚みを２μｍ、交互積層構造部２，
３の薄膜層の各膜を１μｍ、酸化極層Ｃの厚みを４μｍ
のセル構造を作製した。
より、還元極層Ａの厚みを２μｍ、交互積層構造部２，
３の薄膜層の各膜を１μｍ、酸化極層Ｃの厚みを４μｍ
のセル構造を作製した。
【００４７】（実施例１０）交互積層構造部２,３を構
成している各薄膜層の膜厚が一様ではなく、グラディエ
ーションを持つように成膜した。まず、還元極層Ａとし
て、金属Ｎｉターゲットを用いてＲＦスパッタにより上
記基板ＳのＳｉＮ面にＮｉを1μｍ成膜した。成膜は同
様にＡｒ雰囲気中で、１０Ｐａの圧力で行った。
成している各薄膜層の膜厚が一様ではなく、グラディエ
ーションを持つように成膜した。まず、還元極層Ａとし
て、金属Ｎｉターゲットを用いてＲＦスパッタにより上
記基板ＳのＳｉＮ面にＮｉを1μｍ成膜した。成膜は同
様にＡｒ雰囲気中で、１０Ｐａの圧力で行った。
【００４８】引き続きＲＦスパッタを用により、成膜さ
れたＮｉ面上に、各薄膜層の膜厚がグラディエーション
を持つ交互積層構造部２を形成した。すなわち、図６に
示すように、交互積層構造の第１層としてＮｉ金属と８
ＹＳＺ焼結体のターゲットを用いた共スパッタ層を１０
ｎｍ成膜した。このとき、Ｎｉと８ＹＳＺの比率が質量
比で５０：５０となるようにＮｉターゲットと８ＹＳＺ
ターゲットのスパッタ出力を設定した。また、成膜雰囲
気はＮｉ層と同じＡｒ雰囲気で、圧力は１０Ｐａとし
た。このＮｉ−８ＹＳＺ共スパッタ層の上に、交互積層
構造の第２層として、Ｎｉを５０ｎｍ成膜した。このと
きの成膜条件も還元極層Ａの成膜時と同じとした。そし
て、このＮｉ層の上に、交互積層構造の第３層として、
Ｎｉ−８ＹＳＺ共スパッタ層を２０ｎｍ成膜し、さらに
第４層としてＮｉを４０ｎｍといったように、Ｎｉ−８
ＹＳＺ層を還元極層Ａから固体電解質層Ｂに向けて徐々
に膜厚を増し、逆にＮｉ層は徐々に膜厚が減るように膜
厚を制御した。つまり、Ｎｉ−８ＹＳＺ共スパッタ層に
ついては、Ｎｉ還元極層側から１０→２０→３０→４０
→５０ｎｍ、Ｎｉ層については５０→４０→３０→２０
ｎｍと交互に成膜した。なお、交互積層構造部２の厚み
は実施例１の場合よりもよりも薄いが、積層パターンと
繰り返し数は同じである。
れたＮｉ面上に、各薄膜層の膜厚がグラディエーション
を持つ交互積層構造部２を形成した。すなわち、図６に
示すように、交互積層構造の第１層としてＮｉ金属と８
ＹＳＺ焼結体のターゲットを用いた共スパッタ層を１０
ｎｍ成膜した。このとき、Ｎｉと８ＹＳＺの比率が質量
比で５０：５０となるようにＮｉターゲットと８ＹＳＺ
ターゲットのスパッタ出力を設定した。また、成膜雰囲
気はＮｉ層と同じＡｒ雰囲気で、圧力は１０Ｐａとし
た。このＮｉ−８ＹＳＺ共スパッタ層の上に、交互積層
構造の第２層として、Ｎｉを５０ｎｍ成膜した。このと
きの成膜条件も還元極層Ａの成膜時と同じとした。そし
て、このＮｉ層の上に、交互積層構造の第３層として、
Ｎｉ−８ＹＳＺ共スパッタ層を２０ｎｍ成膜し、さらに
第４層としてＮｉを４０ｎｍといったように、Ｎｉ−８
ＹＳＺ層を還元極層Ａから固体電解質層Ｂに向けて徐々
に膜厚を増し、逆にＮｉ層は徐々に膜厚が減るように膜
厚を制御した。つまり、Ｎｉ−８ＹＳＺ共スパッタ層に
ついては、Ｎｉ還元極層側から１０→２０→３０→４０
→５０ｎｍ、Ｎｉ層については５０→４０→３０→２０
ｎｍと交互に成膜した。なお、交互積層構造部２の厚み
は実施例１の場合よりもよりも薄いが、積層パターンと
繰り返し数は同じである。
【００４９】次に、交互積層構造の第９層であるＮｉ−
８ＹＳＺ層の上面に、８ＹＳＺ固体電解質層ＢをＲＦス
パッタにより１μｍ同様に成膜した。このときの成膜雰
囲気も、これまでと同様に１０ＰａのＡｒ雰囲気であ
る。
８ＹＳＺ層の上面に、８ＹＳＺ固体電解質層ＢをＲＦス
パッタにより１μｍ同様に成膜した。このときの成膜雰
囲気も、これまでと同様に１０ＰａのＡｒ雰囲気であ
る。
【００５０】続いて、８ＹＳＺ電解質層Ｂの上面に、交
互積層構造部３を上記交互積層構造部２と同様な方法で
作製した。まず、８ＹＳＺ層Ｂの上にＡｇ金属と８ＹＳ
Ｚ焼結体ターゲットを用いた共スパッタ層を５０ｎｍ成
膜した。このとき、Ａｇと８ＹＳＺの比率が質量比で４
０：６０になるようにＡｇターゲットと８ＹＳＺターゲ
ットのスパッタ出力を設定した。このときの成膜雰囲気
は上記同様圧力１０ＰａのＡｒ雰囲気である。このＡｇ
−８ＹＳＺ共スパッタ層の上に、交互積層構造の第２層
として、Ａｇを２０ｎｍ成膜した。このＡｇ層の成膜条
件は、還元極層Ａと同じ成膜条件である。このようにし
てＡｇ−８ＹＳＺ共スパッタ層とＡｇ層の成膜を交互積
層構造部２と同様に交互に実施した。
互積層構造部３を上記交互積層構造部２と同様な方法で
作製した。まず、８ＹＳＺ層Ｂの上にＡｇ金属と８ＹＳ
Ｚ焼結体ターゲットを用いた共スパッタ層を５０ｎｍ成
膜した。このとき、Ａｇと８ＹＳＺの比率が質量比で４
０：６０になるようにＡｇターゲットと８ＹＳＺターゲ
ットのスパッタ出力を設定した。このときの成膜雰囲気
は上記同様圧力１０ＰａのＡｒ雰囲気である。このＡｇ
−８ＹＳＺ共スパッタ層の上に、交互積層構造の第２層
として、Ａｇを２０ｎｍ成膜した。このＡｇ層の成膜条
件は、還元極層Ａと同じ成膜条件である。このようにし
てＡｇ−８ＹＳＺ共スパッタ層とＡｇ層の成膜を交互積
層構造部２と同様に交互に実施した。
【００５１】最後に１０ｎｍ厚さのＡｇ−８ＹＳＺ層の
上に、ＲＦスパッタを用いてＡｇ層を２μｍ成膜して酸
化極層Ｃとし、これによって、ＳｉＮダイアフラム基板
Ｓの上に、交互積層構造部２，３に薄膜層厚さのグラデ
ィエーションを持つ実施例１０に係わる単位セル構造を
形成した。
上に、ＲＦスパッタを用いてＡｇ層を２μｍ成膜して酸
化極層Ｃとし、これによって、ＳｉＮダイアフラム基板
Ｓの上に、交互積層構造部２，３に薄膜層厚さのグラデ
ィエーションを持つ実施例１０に係わる単位セル構造を
形成した。
【００５２】＜比較試験２＞上記実施例１，５〜１０お
よび比較例１の８種類の試料について、比較試験１と同
じ耐熱試験を実施し、表面観察によりＳｉＮダイアフラ
ム基板上の単セル構造にクラックや膜の剥離がないかど
うかを調査した。その結果を表２に示す。当該比較試験
の結果、交互積層構造部を形成する薄膜層が１μｍとも
なると、交互積層構造の効果が認められなくなることが
判った。
よび比較例１の８種類の試料について、比較試験１と同
じ耐熱試験を実施し、表面観察によりＳｉＮダイアフラ
ム基板上の単セル構造にクラックや膜の剥離がないかど
うかを調査した。その結果を表２に示す。当該比較試験
の結果、交互積層構造部を形成する薄膜層が１μｍとも
なると、交互積層構造の効果が認められなくなることが
判った。
【００５３】
【表２】
【００５４】＜比較試験３＞上記比較試験２で用いた実
施例１、５〜１０、比較例１の８種類の試料について、
Ｎ２雰囲気中において、６００℃の温度に４時間保持す
る耐熱試験を実施し、室温−６００℃間の昇降温時間を
６時間，５時間，４時間および３時間に変化させて昇降
温速度の影響を調査した。すなわち、表面観察により耐
熱試験後の単セル構造にクラックや膜の剥離がないかど
うかを調べた。この結果を表３に示す。この結果、交互
積層構造を形成する各薄膜層の膜厚には、より効果が高
くなる領域があることが確認された。
施例１、５〜１０、比較例１の８種類の試料について、
Ｎ２雰囲気中において、６００℃の温度に４時間保持す
る耐熱試験を実施し、室温−６００℃間の昇降温時間を
６時間，５時間，４時間および３時間に変化させて昇降
温速度の影響を調査した。すなわち、表面観察により耐
熱試験後の単セル構造にクラックや膜の剥離がないかど
うかを調べた。この結果を表３に示す。この結果、交互
積層構造を形成する各薄膜層の膜厚には、より効果が高
くなる領域があることが確認された。
【００５５】
【表３】
【００５６】（実施例１１）（Ｌａ０．８，Ｓ
ｒ０．２）ＣｏＯ３−ｄ焼結体（以下、ＬＳＣと記す）
ターゲット、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｇａ，Ｍｇ）Ｏ３−ｄ焼
結体（以下、ＬＳＧＭと記す）ターゲット、Ｎｉ金属タ
ーゲット、Ａｇ金属ターゲットを持つ基板にバイアス印
加可能なＲＦスパッタ装置を用いて、気孔率３５％、平
均気孔径０．５μｍ、サイズ５０ｍｍ角、厚さ１．５ｍ
ｍのＬＳＣ酸化極基板上に単電池セルを作製した。
ｒ０．２）ＣｏＯ３−ｄ焼結体（以下、ＬＳＣと記す）
ターゲット、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｇａ，Ｍｇ）Ｏ３−ｄ焼
結体（以下、ＬＳＧＭと記す）ターゲット、Ｎｉ金属タ
ーゲット、Ａｇ金属ターゲットを持つ基板にバイアス印
加可能なＲＦスパッタ装置を用いて、気孔率３５％、平
均気孔径０．５μｍ、サイズ５０ｍｍ角、厚さ１．５ｍ
ｍのＬＳＣ酸化極基板上に単電池セルを作製した。
【００５７】すなわち、まずＲＦスパッタを用いて、図
７に示すように、ＬＳＣ酸化極基板（酸化極層Ｃ）上に
交互積層構造部３を形成する。交互積層構造の第１層と
してＡｇとＬＳＧＭの共スパッタ層を５０ｎｍ成膜し
た。このとき、ＡｇとＬＳＧＭの比率が質量比で５０：
５０になるようにＡｇターゲットとＬＳＧＭターゲット
のスパッタ出力を設定した。また、成膜はＬＳＣ基板と
各ターゲット間に７５Ｖのバイアスを印加しながら行
い、成膜雰囲気はＡｒ雰囲気、圧力は１０Ｐａとした。
このＡｇ−ＬＳＧＭ共スパッタ層の上に、交互積層構造
の第２層として、ＬＳＣを５０ｎｍ成膜した。このＬＳ
Ｃ層の成膜条件は、交互積層構造の第１層と同じ成膜条
件とした。そして、このようなＡｇ−ＬＳＧＭ共スパッ
タ層５０ｎｍとＬＳＣ層５０ｎｍの成膜を同様に交互に
４回実施した。さらに、交互積層構造の第８層であるＬ
ＳＣ面上に再度Ａｇ−ＬＳＧＭ層を５０ｎｍ形成し、Ａ
ｇ−ＬＳＧＭ共スパッタ層が合計５層、ＬＳＣ層が合計
４層の交互積層構造部３を形成した。
７に示すように、ＬＳＣ酸化極基板（酸化極層Ｃ）上に
交互積層構造部３を形成する。交互積層構造の第１層と
してＡｇとＬＳＧＭの共スパッタ層を５０ｎｍ成膜し
た。このとき、ＡｇとＬＳＧＭの比率が質量比で５０：
５０になるようにＡｇターゲットとＬＳＧＭターゲット
のスパッタ出力を設定した。また、成膜はＬＳＣ基板と
各ターゲット間に７５Ｖのバイアスを印加しながら行
い、成膜雰囲気はＡｒ雰囲気、圧力は１０Ｐａとした。
このＡｇ−ＬＳＧＭ共スパッタ層の上に、交互積層構造
の第２層として、ＬＳＣを５０ｎｍ成膜した。このＬＳ
Ｃ層の成膜条件は、交互積層構造の第１層と同じ成膜条
件とした。そして、このようなＡｇ−ＬＳＧＭ共スパッ
タ層５０ｎｍとＬＳＣ層５０ｎｍの成膜を同様に交互に
４回実施した。さらに、交互積層構造の第８層であるＬ
ＳＣ面上に再度Ａｇ−ＬＳＧＭ層を５０ｎｍ形成し、Ａ
ｇ−ＬＳＧＭ共スパッタ層が合計５層、ＬＳＣ層が合計
４層の交互積層構造部３を形成した。
【００５８】次に、交互積層構造の第９層であるＡｇ−
ＬＳＧＭ層の上面にＬＳＧＭをＲＦスパッタにより１μ
ｍの厚さに成膜して固体電解質層Ｂとした。このＬＳＧ
Ｍ固体電解質層Ｂの成膜は、交互積層構造部３とは異な
り、基板とターゲット間にバイアスを印加することなく
行った。成膜雰囲気は、これまでと同様にＡｒ雰囲気１
０Ｐａである。
ＬＳＧＭ層の上面にＬＳＧＭをＲＦスパッタにより１μ
ｍの厚さに成膜して固体電解質層Ｂとした。このＬＳＧ
Ｍ固体電解質層Ｂの成膜は、交互積層構造部３とは異な
り、基板とターゲット間にバイアスを印加することなく
行った。成膜雰囲気は、これまでと同様にＡｒ雰囲気１
０Ｐａである。
【００５９】続いて、ＬＳＧＭ電解質層Ｂの上面に、同
様にＲＦスパッタを用いて交互積層構造部２を形成し
た。まず、ＬＳＧＭ層上にＮｉ金属とＬＳＧＭ焼結体タ
ーゲットを用いた共スパッタ層を５０ｎｍ成膜した。こ
のとき、ＮｉとＬＳＧＭの比率が質量比で５０：５０に
なるようにＮｉターゲットとＬＳＧＭターゲットのスパ
ッタ出力を設定した。また、成膜は基板と各ターゲット
間に７５Ｖのバイアスを印加しながら行い、成膜雰囲気
はＡｒ雰囲気、圧力は１０Ｐａとした。このＮｉ−ＬＳ
ＧＭ共スパッタ層の上に、交互積層構造の第２層とし
て、Ｎｉを５０ｎｍ成膜した。このＮｉ層の成膜条件
は、交互積層構造の第１層と同じ成膜条件である。この
Ｎｉ−ＬＳＧＭ共スパッタ層５０ｎｍとＮｉ層５０ｎｍ
の成膜を同様に交互4回に実施し、さらに交互積層構造
の第８層の上面に再度Ｎｉ−ＬＳＧＭ層を５０ｎｍ形成
し、Ｎｉ−ＬＳＧＭ共スパッタ層が合計５層、Ｎｉ層が
合計４層の交互積層構造部２を形成した。
様にＲＦスパッタを用いて交互積層構造部２を形成し
た。まず、ＬＳＧＭ層上にＮｉ金属とＬＳＧＭ焼結体タ
ーゲットを用いた共スパッタ層を５０ｎｍ成膜した。こ
のとき、ＮｉとＬＳＧＭの比率が質量比で５０：５０に
なるようにＮｉターゲットとＬＳＧＭターゲットのスパ
ッタ出力を設定した。また、成膜は基板と各ターゲット
間に７５Ｖのバイアスを印加しながら行い、成膜雰囲気
はＡｒ雰囲気、圧力は１０Ｐａとした。このＮｉ−ＬＳ
ＧＭ共スパッタ層の上に、交互積層構造の第２層とし
て、Ｎｉを５０ｎｍ成膜した。このＮｉ層の成膜条件
は、交互積層構造の第１層と同じ成膜条件である。この
Ｎｉ−ＬＳＧＭ共スパッタ層５０ｎｍとＮｉ層５０ｎｍ
の成膜を同様に交互4回に実施し、さらに交互積層構造
の第８層の上面に再度Ｎｉ−ＬＳＧＭ層を５０ｎｍ形成
し、Ｎｉ−ＬＳＧＭ共スパッタ層が合計５層、Ｎｉ層が
合計４層の交互積層構造部２を形成した。
【００６０】最後に、Ｎｉ−ＬＳＧＭ層の上に、ＲＦス
パッタを用いてＮｉ層を２μｍ成膜して還元極層Ａとし
た。成膜は基板と各ターゲット間に７５Ｖのバイアスを
印加しながら行い、成膜雰囲気はＡｒ雰囲気、圧力は１
０Ｐａとした。
パッタを用いてＮｉ層を２μｍ成膜して還元極層Ａとし
た。成膜は基板と各ターゲット間に７５Ｖのバイアスを
印加しながら行い、成膜雰囲気はＡｒ雰囲気、圧力は１
０Ｐａとした。
【００６１】このようにして、気孔率３５％、平均気孔
径０．５μｍ、サイズ５０ｍｍ角、厚さ１．５ｍｍのＬ
ＳＣ酸化極基板上に作製した単電池セルについて、発電
試験を実施した。発電試験は、セルを１００℃／ｈで７
００℃まで加熱し、還元ガスにＨ２、酸化ガスにＯ２を
供給しながら測定した。
径０．５μｍ、サイズ５０ｍｍ角、厚さ１．５ｍｍのＬ
ＳＣ酸化極基板上に作製した単電池セルについて、発電
試験を実施した。発電試験は、セルを１００℃／ｈで７
００℃まで加熱し、還元ガスにＨ２、酸化ガスにＯ２を
供給しながら測定した。
【００６２】その結果、最大出力１５０ｍＷ／ｃｍ２が
得られた。また、発電試験後、１００℃／ｈで室温まで
降温した後に、セルの断面観察をしたところ、各層間の
剥離も無く、耐熱性に問題がないことが確認された。
得られた。また、発電試験後、１００℃／ｈで室温まで
降温した後に、セルの断面観察をしたところ、各層間の
剥離も無く、耐熱性に問題がないことが確認された。
【００６３】なお、上記各実施例においては、各層の成
膜にＲＦスパッタを用いた例を示したが、本発明におい
ては、この他にＰＶＤ，ＣＶＤ，印刷，電気泳動法など
を適用することも可能である。
膜にＲＦスパッタを用いた例を示したが、本発明におい
ては、この他にＰＶＤ，ＣＶＤ，印刷，電気泳動法など
を適用することも可能である。
【００６４】
【発明の効果】以上説明したように、本発明に係わる固
体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）は、還元極と酸化極の
間に固体電解質を挟持してなるＳＯＦＣにおいて、電極
層と固体電解質層の間に、電極材料で構成される薄膜層
と、固体電解質材料と電極材料との共相で構成される薄
膜層との交互積層構造部、あるいは電極材料で構成され
る薄膜層と、固体電解質材料と還元極材料の中間もしく
は固体電解質材料と同等の熱膨張係数を有しかつ電気伝
導性を備えた材料で構成される薄膜層との交互積層構造
部が介在した構造を有するものであって、熱膨張係数の
異なる材料からなる薄膜層を交互に積層することによっ
て、各層の密着力が各膜自体の応力を抑えることがで
き、耐熱特性が向上することから、このような交互積層
構造部を介在させることによって、各層の高温での耐剥
を効果的に抑制することが可能になるというきわめて優
れた効果がもたらされる。
体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）は、還元極と酸化極の
間に固体電解質を挟持してなるＳＯＦＣにおいて、電極
層と固体電解質層の間に、電極材料で構成される薄膜層
と、固体電解質材料と電極材料との共相で構成される薄
膜層との交互積層構造部、あるいは電極材料で構成され
る薄膜層と、固体電解質材料と還元極材料の中間もしく
は固体電解質材料と同等の熱膨張係数を有しかつ電気伝
導性を備えた材料で構成される薄膜層との交互積層構造
部が介在した構造を有するものであって、熱膨張係数の
異なる材料からなる薄膜層を交互に積層することによっ
て、各層の密着力が各膜自体の応力を抑えることがで
き、耐熱特性が向上することから、このような交互積層
構造部を介在させることによって、各層の高温での耐剥
を効果的に抑制することが可能になるというきわめて優
れた効果がもたらされる。
【図１】固体電解質型燃料電池における一般的な単位セ
ルの構造を示す斜視図である。
ルの構造を示す斜視図である。
【図２】本発明に係わる固体電解質型燃料電池の構造を
示す概略説明図である。
示す概略説明図である。
【図３】本発明の実施例１〜９に係わる固体電解質型燃
料電池の基本構造を示す概略説明図である。
料電池の基本構造を示す概略説明図である。
【図４】本発明の比較例１に係わる固体電解質型燃料電
池の構造を示す概略説明図である。
池の構造を示す概略説明図である。
【図５】本発明の比較例２に係わる固体電解質型燃料電
池の構造を示す概略説明図である。
池の構造を示す概略説明図である。
【図６】本発明の実施例１０に係わる固体電解質型燃料
電池の構造を示す概略説明図である。
電池の構造を示す概略説明図である。
【図７】本発明の実施例１１に係わる固体電解質型燃料
電池の構造を示す概略説明図である。
電池の構造を示す概略説明図である。
１ 固体電解質型燃料電池
Ａ 還元極層
Ｂ 固体電解質型燃料電池
Ｃ 酸化極層
２ 交互積層構造部
２ａ 第１の薄膜層
２ｂ 第１の薄膜層
フロントページの続き
(72)発明者 佐藤 文紀
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
(72)発明者 秦野 正治
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
(72)発明者 櫛引 圭子
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
(72)発明者 福沢 達弘
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
(72)発明者 柴田 格
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
(72)発明者 内山 誠
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 CX04 EE12 EE13 HH03
Claims (13)
- 【請求項１】 還元極と酸化極の間に固体電解質を挟持
してなる固体電解質型燃料電池において、還元極層と固
体電解質層の間に、還元極材料で構成される第１の薄膜
層と、固体電解質材料と還元極材料との共相で構成され
る第２の薄膜層との交互積層構造部が介在していること
を特徴とする固体電解質型燃料電池。 - 【請求項２】 還元極と酸化極の間に固体電解質を挟持
してなる固体電解質型燃料電池において、酸化極層と固
体電解質層の間に、酸化極材料で構成される第３の薄膜
層と、固体電解質材料と酸化極材料との共相で構成され
る第４の薄膜層との交互積層構造部が介在していること
を特徴とする固体電解質型燃料電池。 - 【請求項３】 還元極と酸化極の間に固体電解質を挟持
してなる固体電解質型燃料電池において、還元極層と固
体電解質層の間に、還元極材料で構成される第１の薄膜
層と、固体電解質材料と還元極材料との共相で構成され
る第２の薄膜層との交互積層構造部が介在していると共
に、酸化極層と固体電解質層の間に、酸化極材料で構成
される第３の薄膜層と、固体電解質材料と酸化極材料と
の共相で構成される第４の薄膜層との交互積層構造部が
介在していることを特徴とする固体電解質型燃料電池。 - 【請求項４】 還元極と酸化極の間に固体電解質を挟持
してなる固体電解質型燃料電池において、還元極層と固
体電解質層の間に、還元極材料で構成される第１の薄膜
層と、固体電解質材料と還元極材料の中間もしくは固体
電解質材料と同等の熱膨張係数を有し、かつ電気伝導性
を備えた材料で構成される第５の薄膜層との交互積層構
造部が介在していることを特徴とする固体電解質型燃料
電池。 - 【請求項５】 還元極と酸化極の間に固体電解質を挟持
してなる固体電解質型燃料電池において、酸化極層と固
体電解質層の間に、酸化極材料で構成される第３の薄膜
層と、固体電解質材料と酸化極材料の中間もしくは固体
電解質材料と同等の熱膨張係数を有し、かつ電気伝導性
を備えた材料で構成される第６の薄膜層との交互積層構
造部が介在していることを特徴とする固体電解質型燃料
電池。 - 【請求項６】 還元極と酸化極の間に固体電解質を挟持
してなる固体電解質型燃料電池において、還元極層と固
体電解質層の間に、還元極材料で構成される第１の薄膜
層と、固体電解質材料と還元極材料の中間もしくは固体
電解質材料と同等の熱膨張係数を有し、かつ電気伝導性
を備えた材料で構成される第５の薄膜層との交互積層構
造部が介在していると共に、酸化極層と固体電解質層の
間に、酸化極材料で構成される薄膜層と、固体電解質材
料と酸化極材料の中間もしくは固体電解質材料と同等の
熱膨張係数を有し、かつ電気伝導性を備えた材料で構成
される第６の薄膜層との交互積層構造部が介在している
ことを特徴とする固体電解質型燃料電池。 - 【請求項７】 還元極層と固体電解質層の間に交互積層
される第１の薄膜層を構成する還元極材料が還元極層材
料とは異なる還元極機能をもつ材料で構成されているこ
とを特徴とする請求項１または４記載の固体電解質型燃
料電池。 - 【請求項８】 酸化極層と固体電解質層の間に交互積層
される第３の薄膜層を構成する酸化極材料が酸化極層材
料とは異なる酸化極機能をもつ材料で構成されているこ
とを特徴とする請求項２または５記載の固体電解質型燃
料電池。 - 【請求項９】 還元極層と固体電解質層の間に交互積層
される第１の薄膜層を構成する還元極材料が還元極層材
料とは異なる還元極機能をもつ材料で構成され、かつ、
酸化極層と固体電解質層の間に交互積層される第３の薄
膜層を構成する酸化極材料が酸化極層材料とは異なる酸
化極機能をもつ材料で構成されていることを特徴とする
請求項３または６記載の固体電解質型燃料電池。 - 【請求項１０】 第１の薄膜層の膜厚が還元電極に近い
ほど厚く、電解質層に近づくほど薄くなり、第２の薄膜
層の膜厚が還元電極に近いほど薄く、電解質層に近づく
ほど厚くなるように交互積層されていることを特徴とす
る請求項１，４および７のいずれかに記載の固体電解質
型燃料電池。 - 【請求項１１】 第３の薄膜層の膜厚が酸化電極に近い
ほど厚く、電解質層に近づくほど薄くなり、第４の薄膜
層の膜厚が酸化電極に近いほど薄く、電解質層に近づく
ほど厚くなるように交互積層されていることを特徴とす
る請求項２，５および８のいずれかに記載の固体電解質
型燃料電池。 - 【請求項１２】 第１の薄膜層の膜厚が還元電極に近い
ほど厚く、電解質層に近づくほど薄くなり、第２の薄膜
層の膜厚が還元電極に近いほど薄く、電解質層に近づく
ほど厚くなるように交互積層されていると共に、第３の
薄膜層の膜厚が酸化電極に近いほど厚く、電解質層に近
づくほど薄くなり、第４の薄膜層の膜厚が酸化電極に近
いほど薄く、電解質層に近づくほど厚くなるように交互
積層されていることを特徴とする請求項３，６および９
のいずれかに記載の固体電解質型燃料電池。 - 【請求項１３】 両電極と固体電解質層の間に介在する
交互積層構造部における各層の膜厚がそれぞれ１μｍ以
下であることを特徴とする請求項１ないし１２のいずれ
かに記載の固体電解質型燃料電池。
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