JP2005216761A - 燃料電池セル及び燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 酸素極と固体電解質層との間に反応防止層を形成した場合においても、酸素極本来の特性が損なわれず、十分な出力を確保することが可能な固体電解質形燃料電池セルを提供する
【解決手段】 固体電解質層の一方の面に酸素極層を有し、他方の面に燃料極層を有しているとともに、該酸素極層は反応防止層を介して固体電解質層上に設けられている固体電解質形燃料電池セルにおいて、前記酸素極層は、下記式（１）：
Ｗ＝ｎ_１・Ｌ …（１）
式中、ｎ_１は、前記界面の単位長さ（１０μｍ）当りでの反応防止層と酸素極層との
接点数を示し、
Ｌは、前記酸素極層の厚み（μｍ）を示す、
で定義される極機能指数Ｗが３００〜５００となるように形成されていることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、固体電解質型燃料電池に関するものであり、より詳細には、酸素極を反応防止層を介して固体電解質層上に設けた固体電解質形の燃料電池セル及び燃料電池に関するものである。

次世代エネルギーとして、近年、燃料電池セルを複数接続してなるセルスタックを収納容器に収容した燃料電池が種々提案されている。このような燃料電池には、固体高分子形、リン酸形、溶融炭酸塩形、固体電解質形など、各種のものが知られているが、中でも固体電界質形の燃料電池は、作動温度が８００〜１０００℃と高いものの、発電効率が高く、また排熱利用ができるなどの利点を有しており、その研究開発が推し進められている。

固体電解質形の燃料電池セルは、固体電解質層の一方の面に、燃料極を設け、他方の面に酸素極（空気極）を設けた基本構造を有している。このような固体電解質形燃料電池セルにおいては、一般に、固体電解質の酸素イオン伝導性は６００℃程度から高くなるため、６００℃以上の温度域で、酸素極側に酸素を含むガスを、燃料極側に水素を含むガスを各々供給することで、酸素極と燃料極間の酸素濃度差に基づき、両極間で電位差が発生する。

酸素極から固体電解質を通じて燃料極へ移動した酸素イオンは、燃料極で水素イオンと結合して水となる。このとき、同時に電子の移動が起こる。従って、燃料電池では、酸素を含むガスと水素を含むガスとを供給することで、以上の反応を連続して起こし、発電する。即ち、酸素極及び燃料極で、それぞれ、下記式で表される電極反応を生じることによって発電する。

酸素極： １／２Ｏ_２＋２ｅ⁻ →Ｏ^２−（固体電解質）
燃料極： Ｏ^２−（固体電解質）＋Ｈ_２ → Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻

通常、使用される固体電解質形燃料電池セルでは、例えば、上記のようなセル構造を、内部にガス通路を備えた多孔質の導電性支持体上に形成し、導電性支持体内部のガス通路に燃料ガス（水素ガス）を流すことにより、導電性支持体を介して燃料極表面に水素を供給すると同時に、酸素極の外面に空気等の酸素含有ガスを流すことにより、酸素極表面に酸素を供給し、これにより、各電極で上記のような電極反応を生じせしめ、発電した電流を、導電性支持体に設けられているインターコネクタにより取り出すようになっている。このような構造の燃料電池セルは、その複数を集電部材により互いに直列に接続してセルスタックとし、このようなセルスタックを複数、適当な収容容器内に収容し、各セルスタックを導電部材により接続することにより、燃料電池として使用される。

上記の様な固体電解質形燃料電池セルにおいては、特に酸素極形成材料として、Ｌａ−Ｓｒ−Ｃｏ系ペロブスカイト型複合酸化物が、酸素イオンに対して表面拡散機能と体積拡散とを有し、低温での動作性に優れているという点で広く使用されるようになっている（例えば特許文献１参照）。

また、発電時や製造時における加熱により、酸素極から固体電解質層への元素拡散を生じ、このような元素拡散によって酸素極と固体電解質層の界面に絶縁層が形成されてしまうことが知られており、このような元素拡散を防止するために、固体電解質層と酸素極との間に、例えばイオン伝導性や電子伝導性材料（例えばＣｅ酸化物）からなる反応防止層を設けることが提案されている（例えば特許文献２参照）
特開平０８−１３００１８号公報 特開２００２−１５７５４号公報

しかしながら、上記のように反応防止層を酸素極と固体電解質層との界面に設けた場合には、酸素極の本来の特性が低下してしまうという問題があった。特に、前述した酸素イオンに対して表面拡散機能と体積拡散とを有する電極材料によって酸素極を形成した場合にも、その性能が十分に発揮されず、高出力を得ることができないという問題があった。

従って本発明の目的は、酸素極と固体電解質層との間に反応防止層を形成した場合においても、酸素極本来の特性が損なわれず、十分な出力を確保することが可能な固体電解質形燃料電池セル及び燃料電池を提供することを目的とする。

本発明によれば、固体電解質層の一方の面に酸素極層を有し、他方の面に燃料極層を有しているとともに、該酸素極層は反応防止層を介して固体電解質層上に設けられている固体電解質形燃料電池セルにおいて、
前記酸素極層は、下記式（１）：
Ｗ＝ｎ_１・Ｌ …（１）
式中、ｎ_１は、前記界面の単位長さ（１０μｍ）当りでの反応防止層と酸素極層との
接点数を示し、
Ｌは、前記酸素極層の厚み（μｍ）を示す、
で定義される極機能指数Ｗが３００〜５００となるように形成されていることを特徴とする燃料電池セルが提供される。
本発明によれば、また、上記の燃料電池セルを収納容器内に収納してなることを特徴とする燃料電池が提供される。

本発明においては、
（ａ）前記反応防止層が、ＣｅＯ_２にＳｍ_２Ｏ_３が固溶した複合酸化物の焼結体からなること、
（ｂ）前記複合酸化物が、下記一般式：
（ＣｅＯ_２）_１−ｘ（ＳｍＯ_３／２）_ｘ
式中、ｘは、０＜ｘ≦０．３の数である、
で表されるモル組成を有していること、
（ｃ）前記酸素極層がペロブスカイト型複合酸化物の焼結体粒子からなること、
（ｄ）前記ペロブスカイト型複合酸化物が（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ_３系酸化物であること、
（ｅ）前記酸素極層が、反応防止層側に位置する内層と、表面側に位置する表面層との２層構造を有しており、内層が、ＣｅＯ_２にＳｍ_２Ｏ_３が固溶した複合酸化物の粒子と、ペロブスカイト型複合酸化物の粒子との混合焼結体粒子から形成され、表面層が、ペロブスカイト型複合酸化物の焼結体粒子から形成されていること、
（ｆ）前記酸素極層における内層及び表面層は、下記式（２）乃至（６）：
Ｗ_１＝ｎ_１・Ｌ_１ …（２）
Ｗ_２＝ｎ_２・Ｌ_２ …（３）
Ｗ＝Ｗ_１＋Ｗ_２ …（４）
ｎ_１＞ｎ_２ …（５）
Ｌ_１＜Ｌ_２ …（６）
上記式中、
Ｗ及びｎ_１は、前記の通りであり、
Ｌ_１は、内層の厚みを示す
ｎ_２は、内層と表面層との接点数を示し、
Ｌ_２は、表面層の厚みを示す、
で表される条件を満足するように形成されていること、
が好適である。

本発明では、反応防止層を介して固体電解質層上に形成される酸素極層を、前記式（１）で定義される機能指数Ｗが３００〜５００となるように形成することにより、酸素極層の本来の特性が十分に発揮され、例えばＬａ−Ｓｒ−Ｃｏ系のペロブスカイト型酸化物のように、酸素イオンに対して表面拡散機能と体積拡散とを有する材料で酸素極を形成した場合にも、その表面拡散機能と体積拡散機能とが十分に発現し、高出力を得ることができるのである。

即ち、酸素イオンに対する酸素極の機能には、表面拡散機能と体積拡散機能とがあり、表面拡散機能は、気相の酸素が酸素極表面で活性な原子状酸素となり、これが反応場となって電極表面を通って反応防止層（或いは固体電解質層）との界面に移行し、その界面から電子を受け取り酸素イオンを生成するというものであり、一方、体積拡散機能は、気相酸素が酸素極から電子を受け取り、生成した酸素イオンが反応防止層（或いは固体電解質層）との界面に移行するというものである。本発明においては、機能指数Ｗが一定の範囲となるように酸素極を形成することにより、表面拡散機能と体積拡散機能の両方がバランスよく発現することとなる。

例えば、本発明の機能を説明するための図４を参照されたい。図４において、Ａは反応防止層を示し、Ｂは酸素極層を示す。

即ち、反応防止層Ａと酸素極層Ｂとの接点数ｎ_１が多く、且つ酸素極層Ｂの厚みＬが厚いと（図１（ａ）参照）、体積拡散が主となり、反応防止層Ｂとの界面まで空気（酸素）が行き渡りにくいため、表面拡散機能がほとんど発現しない。また、接点数ｎ_１が少なく、且つ酸素極層Ｂの厚みＬが厚いと（図１（ｂ）参照）、体積拡散が生じにくくなり、表面拡散が主となるが、反応場が少なく、表面拡散機能も低い。さらに、接点数ｎ_１が多く、且つ酸素極層Ｂの厚みＬが薄いと（図１（ｃ）参照）、反応場が多く、表面拡散機能は十分に発現するが、体積拡散する粒子数が少なく、体積拡散機能が不満足となってしまう。しかるに、本発明にしたがって、機能指数Ｗが前述した一定の範囲となるように酸素極層Ｂを形成すると、接点数ｎ_１及び酸素極層Ｂの厚みＬが何れも適度な範囲となり、この結果、体積拡散及び表面拡散の両方が十分に機能し、空気（酸素）利用率が高められ、高出力を確保することができるのである。

本発明を、以下、添付図面に示す具体例に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明の燃料電池セルの横断面図であり、
図２は、本発明の燃料電池セルの他の例を示す要部断面図であり、
図３は、本発明の燃料電池セルを用いて形成されたセルスタックを示す概略断面図である。

図１において、全体として１で示す本発明の燃料電池セルは、細長棒状であり、断面が扁平状で、全体的にみて楕円形状（平板棒状）の支持基板２を備えている。支持基板２の内部には、適当な間隔で複数の燃料ガス通路２ａが軸方向に貫通して形成されており、この支持基板１上に、以下に述べるセル構造が形成されており、このような燃料電池セル１の複数を、図３に示すように、集電部材３０により互いに直列に接続することにより、燃料電池を構成するセルスタックが形成される。

支持基板２は、図１に示されているように、平坦部Ａと平坦部Ａの両端に形成された曲率部Ｂとからなっている。平坦部Ａの両面は互いにほぼ平行に形成されており、平坦部Ａの一方の面上に、燃料極層５が設けられており、この燃料極層５を覆うように緻密質な固体電解質層７が積層されている。また、固体電解質層７の上には、燃料極層５と対面するように、平坦部Ａの一方の表面から両側の弧状部Ｂにかけて反応防止層９及び酸素極層１１が、この順に積層されている。さらに、支持基板２の平坦部Ａの他方の表面には、インターコネクタ１３が形成されている。図１から明らかな通り、固体電解質層７は、インターコネクタ１３の両サイドにまで延びており、支持基板２の表面が外部に露出しないように構成されている。

上記のような構造の燃料電池セルでは、固体電解質層７を間に挟んで燃料極層５と酸素極層１１とが対面する部分が発電部となる。即ち、酸素極層１１の外側に空気等の酸素含有ガスを流し、且つ支持基板２内のガス通路２ａに燃料ガス（水素）を流し、所定の作動温度まで加熱することにより、酸素極層１１及び燃料極層５で前述した電極反応を生じることによって発電する。

かかる発電によって生成した電流は、支持基板２に取り付けられているインターコネクタ１３を介して集電される。

（支持基板２）
上記のような構造を有する本発明の燃料電池セル１において、支持基板２は、燃料ガスを燃料極層５まで透過させるためにガス透過性であること、及びインターコネクタ１３を介しての集電を行うために導電性であることが要求されるが、このような要求を満たすと同時に、同時焼成により生じる不都合を回避するために、鉄属金属成分と特定の希土類酸化物とから支持基板２を構成するのがよい。

鉄族金属成分は、支持基板２に導電性を付与するためのものであり、鉄族金属単体であってもよいし、また鉄族金属酸化物、鉄族金属の合金もしくは合金酸化物であってもよい。鉄族金属には、鉄、ニッケル及びコバルトがあり、本発明では、何れをも使用することができるが、安価であること及び燃料ガス中で安定であることからＮｉ及び／またはＮｉＯを鉄族成分として含有していることが好ましい。

また希土類酸化物成分は、支持基板２の熱膨張係数を、固体電解質層７の熱膨張係数と近似させるために使用されるものであり、高い導電率を維持し且つ固体電解質層７等への元素拡散を防止するために、Ｙ，Ｌｕ，Ｙｂ，Ｔｍ，Ｅｒ，Ｈｏ，Ｄｙ，Ｇｄ，Ｓｍ，Ｐｒからなる群より選ばれた少なくとも１種の希土類元素を含む希土類酸化物が、上記鉄族成分と組合せで使用することが好適である。このような希土類酸化物としては、Ｙ_２Ｏ_３、Ｌｕ_２Ｏ_３、Ｙｂ_２Ｏ_３、Ｔｍ_２Ｏ_３、Ｅｒ_２Ｏ_３、Ｈｏ_２Ｏ_３、Ｄｙ_２Ｏ_３、Ｇｄ_２Ｏ_３、Ｓｍ_２Ｏ_３、Ｐｒ_２Ｏ_３を例示することができ、特に安価であるという点で、Ｙ_２Ｏ_３、Ｙｂ_２Ｏ_３が好適である。

これらの希土類酸化物は、焼成時や発電中において、鉄族金属やその酸化物との固溶、反応をほとんど生じることがなく、しかも、支持基板２中の鉄族金属或いはその酸化物、及び上記希土類酸化物は、何れも拡散しにくい。従って、支持基板２と固体電解質層７とが同時焼成された場合においても、希土類元素の固体電解質層７への拡散が有効に抑制され、固体電解質層７のイオン伝導度等への悪影響を回避することができる。

本発明においては、特に支持基板２の熱膨張係数を固体電解質層７の熱膨張係数に近似させるという点で、上記の鉄族成分は、支持基板２中に６５〜３５体積％の量で含まれ、上記の希土類酸化物は、支持基板２中に３５〜６５体積％の量で含まれていることが好適である。尚、支持基板２中には、要求される特性が損なわれない限りの範囲で他の金属成分や酸化物成分を含有していてもよい。

上記のような鉄族金属成分と希土類酸化物とから構成される支持基板２は、燃料ガス透過性を有していることが必要であるため、通常、開気孔率が３０％以上、特に３５乃至５０％の範囲にあることが好適である。また、支持基板２の導電率は、３００Ｓ／ｃｍ以上、特に４４０Ｓ／ｃｍ以上であることが好ましい。

また、支持基板３１の平坦部Ａの長さは、通常、１５〜３５ｍｍ、曲率部Ｂの長さ（弧の長さ）は、３〜８ｍｍ程度であり、支持基板２の厚みは（平坦部Ａの両面の間隔）は２．５〜５ｍｍ程度であることが望ましい。

（燃料極層５）
本発明において、燃料極層５は、電極反応を生じせしめるものであり、それ自体公知の多孔質のサーメットから形成される。例えば、希土類元素が固溶しているＺｒＯ_２或いはＣｅＯ_２と、Ｎｉ及び／またはＮｉＯとから形成される。

燃料極層５中の上記ＺｒＯ_２或いはＣｅＯ_２含量は、３５乃至６５体積％の範囲にあるのが好ましく、またＮｉ或いはＮｉＯ含量は、６５乃至３５体積％であるのがよい。さらに、この燃料極層５の開気孔率は、１５％以上、特に２０乃至４０％の範囲にあるのがよく、その厚みは、性能低下及び熱膨張差による剥離等を防止するため、１〜３０μｍであることが望ましい。

また、ＺｒＯ_２或いはＣｅＯ_２中に固溶している希土類元素としては、支持基板２で使用する希土類酸化物に関して示したものと同様のものを例示することができるが、セルの分極値を低くするという点で、ＺｒＯ_２に対してはＹが３乃至１０モル％程度、ＣｅＯ_２に対してはＳｍが５〜２０モル％程度固溶しているものが好ましい。

さらに、この燃料極層５は、少なくとも酸素極層１１に対面する位置に存在していればよい。即ち、図１の例では、支持基板２の一方側の平坦部Ａから他方の平坦部Ａまで延びており、インターコネクタ１３の両端まで延びているが、一方側の平坦部Ａにのみ形成されていてもよいし、更には支持基板２の全周にわたって燃料極層５を形成することも可能である。

尚、図示されていないが、必要により、上記の燃料極層５上に拡散抑制層（反応防止層９とは異なる）を設け、このような拡散抑制層を燃料極層と固体電解質層との間に介在させることもできる。この拡散抑制層は、燃料極層や支持基板２からの固体電解質層７への元素拡散を抑制し、絶縁層形成による性能低下を回避するためのものであり、Ｌａが固溶したＣｅＯ_２、又はＣｅが固溶したＬａ_２Ｏ_３、あるいはそれらの混合体から形成される。さらに、元素拡散を遮断または抑制する効果を高めるために、他の希土類元素の酸化物が、この反応防止層に含有されていてもよい。この希土類元素としては、Ｓｃ，Ｙ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，Ｌｕを例示することができる。

また、このような拡散抑制層は、固体電解質層７と共に、インターコネクタ１３の両端部まで延びていることが好ましい。これにより、支持基板２や燃料極層５から固体電解質層７への元素拡散を確実に防止することができるからである。

（固体電解質層７）
固体電解質層７は、電極間の電子の橋渡しをする電解質としての機能を有すると同時に、燃料ガスと空気等の酸素含有ガスとのリークを防止するためにガス遮断性を有していることが必要である。従って、この層７の形成に用いる固体電解質としては、このような特性を備えている緻密質なセラミックス、例えば、３〜１５モル％の希土類元素が固溶した安定化ＺｒＯ_２を用いるのが好ましい。この安定化ＺｒＯ_２中の希土類元素としては、Ｓｃ，Ｙ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｄ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，Ｌｕを例示することができるが、安価であるという点で、Ｙ，Ｙｂが好適である。

さらには、ＬａとＧａを含むペロブスカイト型ランタンガレート系複合酸化物も固体電解質として使用することができる。この複合酸化物は、高い酸素イオン伝導性を有するものであり、これを固体電解質として使用することにより、高い発電効率を得ることができる。このランタンガレート系複合酸化物は、ＡサイトにＬａおよびＳｒ、ＢサイトにＧａおよびＭｇを有するものであり、例えば下記一般式（ｉ）：
（Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘ）（Ｇａ_１−ｙＭｇ_ｙ）Ｏ_３ …（ｉ）
式中、ｘは、０＜ｘ＜０．３の数であり、
ｙは、０＜ｙ＜０．３の数である、
で表される組成を有していることが望ましい。このような組成の複合酸化物を固体電解質として使用することによっても、高い発電性能を発揮させることができる。

上記の固体電解質層７は、ガス透過を防止するという点から１０〜１００μｍの厚みを有し、さらに相対密度（アルキメデス法による）が９３％以上、特に９５％以上であることが望ましい。

（反応防止層９）
固体電解質層７上に形成され、酸素極層１１と固体電解質層７との間に介在する反応防止層９は、酸素極層１１から固体電解質層７への元素拡散を遮断するためのものであり、一般にＣｅ含有の複合酸化物の焼結体により形成することが好ましい。このＣｅ含有の複合酸化物としては、ＣｅＯ_２にＳｍ_２Ｏ_３が固溶した複合酸化物、特に下記一般式（ii）：
（ＣｅＯ_２）_１−ｘ（ＳｍＯ_３／２）_ｘ …（ii）
式中、ｘは、０＜ｘ≦０．３、特に０．１≦ｘ≦０．２の数である、
で表される組成を有する複合酸化物が、高い元素拡散遮断性に加えて、酸素イオン導電性及び電子伝導性に優れているという点で、極めて好適に使用される。即ち、上記モル組成を有するようなＣｅ系複合酸化物（以下、ＳＤＣ複合酸化物と呼ぶことがある）を用いて反応防止層９を形成することにより、固体電解質層７との界面で三相界面を形成し、電極反応を阻害させたり或いは電極間抵抗を増大することなく、酸素極層１１から固体電解質層７への元素拡散を有効に遮断することが可能となる。尚、上記のＣｅ系複合酸化物の優れた特性を損なわない範囲において、必要により、他の希土類元素酸化物を併用して反応防止層９を形成することもできる。

尚、かかる反応防止層９は、所定の元素拡散遮断機能を示し且つ電極反応を阻害しないため、一般に、相対密度が８０％以上の比較的緻密な焼結体で形成され、且つその厚みは、３乃至１０μｍ程度であるのがよい。

（酸素極層１１）
上記の反応防止層９上に形成される酸素極層１１は、前述した電極反応を生じせしめるものであり、図１に示されているように、固体電解質層７を間に挟んで、前述した燃料極層５と対面するような位置に配置されている。即ち、少なくとも支持体２の一方の平坦部Ａ上に位置する部分に配置される。

かかる酸素極層１１は、所謂ＡＢＯ_３型のペロブスカイト型酸化物の焼結体粒子からなる。このようなペロブスカイト型酸化物としては、遷移金属型ペロブスカイト酸化物、特にＡサイトにＬａを有するＬａＭｎＯ_３系酸化物、ＬａＦｅＯ_３系酸化物、ＬａＣｏＯ_３系酸化物の少なくとも一種が好適であり、６００〜１０００℃程度の比較的低温での電気伝導性が高く、酸素イオンに対して優れた表面拡散機能と体積拡散機能とを示すという点から、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ_３系酸化物（以下、Ｌａ−Ｓｒ−Ｃｏ系複合酸化物と呼ぶことがある）、例えば下記一般式(iii)：
Ｌａ_ｙＳｒ_１−ｙＣｏ_ＺＦｅ_１−ＺＯ_３ …(iii)
式中、ｙは、０．５≦ｙ≦０．７の数であり、
ｚは、０．２≦ｚ≦０．８の数である、
で表される組成を有する複合酸化物が特に好適である。

本発明においては、酸素極層１１の表面拡散機能及び体積拡散機能を十分に発揮させ、出力を高めるために、前記式（１）、即ち、
Ｗ＝ｎ_１・Ｌ …（１）
式中、ｎ_１は、前記界面の単位長さ（１０μｍ）当りでの反応防止層９と酸素極層
１１との接点数を示し、
Ｌは、酸素極層１１の厚み（μｍ）を示す、
で定義される極機能指数Ｗが３００〜５００、好ましくは、３５０〜４５０となるように酸素極層１１が形成される。即ち、既に述べたように、極機能指数Ｗが上記範囲となるように、酸素極層１１と反応防止層９との界面での接点数ｎ_１と酸素極層１１との厚みＬを調整することにより、酸素極層１１の表面拡散機能と体積拡散機能とがバランスよく、十分に発揮され、酸素含有ガス（空気）の利用率が向上し、高出力を確保することができるのである。特に、上述した（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ_３系酸化物を用いて酸素極層１１を形成する場合には、該酸化物の優れた表面拡散機能及び体積拡散機能が十分に発揮されるため、本発明においては、最も効果的である。

尚、酸素極層１１と反応防止層９との接点数ｎ_１は、燃料電池セルを切断し、その切断面において、酸素極層１１と反応防止層９との界面を電子顕微鏡で観察することにより測定することができ、例えば、後述する実施例に示したように、任意の位置に３箇所の切断面を形成し、各切断面において、界面での単位長さ（１０μｍ）当りの接点数を測定し、その平均値として求められる。一般に、この接点数ｎ_１は、酸素極層１１の極端薄層化による強度低下や極端な圧肉化を避けるため、５乃至１５個程度の範囲に設定することが好ましい。

また、接点数ｎ_１の調整は、後述するように、焼成条件や、酸素極層１１の形成に際してのコーティング条件の調整などによって行うことができる。

本発明においては、酸素極層１１を２層に分割して形成することもできる。即ち、図２に示すように、酸素極層１１を、反応防止層９側に位置する内面層１１ａと、その上に形成される表面層１１ｂとから構成することにより、酸素極層１１と反応防止層９との接合強度を高めることができる。例えば、酸素極層１１が単層構造の場合、長時間にわたって発電を行うと、反応防止層９と酸素極層１１との界面で部分的に剥離を生じ、燃料電池セルの性能低下を引き起こすことがあるが、酸素極層１１を上記のような２層構造とすることにより、両層の接合強度を高め、このような不都合を有効に防止することができる。

図２のような酸素極層１１の２層構造において、内面層１１ａは、前述したＬａ−Ｓｒ−Ｃｏ系複合酸化物からなるセラミック粒子に加え、反応防止層９の形成に使用されるＣｅ含有の複合酸化物、特に一般式(ii)のＳＤＣ複合酸化物からなるセラミック粒子との混合粒子から形成され、表面層１１ｂは、前述したＬａ−Ｓｒ−Ｃｏ系複合酸化物からなるセラミック粒子から形成される。即ち、ＳＤＣ複合酸化物は、優れたイオン伝導性と電子伝導性とを有する混合導電体であり、ペロブスカイト型酸化物と混合されることで所謂３相界面を形成し、しかも反応防止層９の形成に使用されている。従って、酸素極層形成材料（Ｌａ−Ｓｒ−Ｃｏ系複合酸化物）に加え、反応防止層形成材料であるＳＤＣ複合酸化物を含有する層（内層）１１ａを、酸素極層１１中の反応防止層９との界面側に形成しておくことにより、酸素極層１１の性能低下を生じることなく、反応防止層９との接合強度を高めることが可能となるのである。

上記の内面層１１ａにおいて、酸素極層形成材料であるＬａ−Ｓｒ−Ｃｏ系複合酸化物の含有量は、７０〜９０質量％の範囲であることが好ましく、ＳＤＣ複合酸化物の含有量は、１０〜３０質量％の範囲であることが望ましい。即ち、Ｌａ−Ｓｒ−Ｃｏ系複合酸化物の含有量が、上記範囲よりも多いと、酸素イオンを移動するためのバイパス能が不足し、上記範囲よりも少ないと、酸素極性能が低下する傾向にある。

また、酸素極層１１の全厚みは、反応防止層９と酸素極層１１（内層１１ａ）との接点数ｎ_１及び酸素極層の厚みＬによって規定される極機能指数Ｗが前述した範囲（３００〜５００、特に３５０〜４５０）となるように設定されるが、酸素極層中の内面層１１ａの厚みＬ_１は、酸素極性能を低下させず、反応防止層９との接合強度を高めるという見地から、通常、３〜２０μｍ、特に５〜１０μｍの範囲にあるのがよく、酸素極層１１中の表面層１１ｂの厚みは、３５〜８５μｍ、特に４０〜６０μｍの範囲にあることが、高い発電性能を確保するという点で好適である。

また、上記のような酸素極層１１の２層構造において、酸素極層１１としての表面拡散機能及び体積拡散機能を十分に発揮させるためには、さらに下記式（２）乃至（６）：
Ｗ_１＝ｎ_１・Ｌ_１ …（２）
Ｗ_２＝ｎ_２・Ｌ_２ …（３）
Ｗ＝Ｗ_１＋Ｗ_２ …（４）
ｎ_１＞ｎ_２ …（５）
Ｌ_１＜Ｌ_２ …（６）
上記式中、
Ｗ及びｎ_１は、前記の通りであり、
Ｌ_１は、内層１１ａの厚みを示す
ｎ_２は、内層１１ａと表面層１１ｂとの接点数を示し、
Ｌ_２は、表面層１１ｂの厚みを示す、
で表される条件を満足するように形成されていることが好ましい。

即ち、上記の条件式（５）は、接合強度を向上させるための内層１１ａは、表面層１１ｂに比して、密な３次元粒子構造を有していることを意味している。

上記のような条件式（５）を満足させることにより、酸素極層１１の表面拡散機能及び体積拡散機能を一層有効に発現させ得ることの理由は解明されていないが、おそらく、このような２層の酸素極層構造では、表面拡散機能及び体積拡散機能を示し得る電極形成材料とは異なる他の材料（ＳＤＣ複合酸化物）を含有する内層１１ａが形成されていることに起因するものと思われる。

（インターコネクタ１３）
上記の酸素極層１１に対面する位置において、支持基板２上に設けられているインターコネクタ１３は、導電性セラミックスからなるが、燃料ガス（水素）及び酸素含有ガスと接触するため、耐還元性、耐酸化性を有していることが必要である。このため、かかる導電性セラミックスとしては、一般に、ランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物（ＬａＣｒＯ_３系酸化物）が使用される。また、支持基板２の内部を通る燃料ガス及び支持基板２の外部を通る酸素含有ガスのリークを防止するため、かかる導電性セラミックスは緻密質でなければならず、例えば９３％以上、特に９５％以上の相対密度を有していることが好適である。

かかるインターコネクタ１３の厚みは、ガスのリーク防止と電気抵抗という点から、１０〜２００μｍであることが望ましい。即ち、この範囲よりも厚みが薄いと、ガスのリークを生じやすく、またこの範囲よりも厚みが大きいと、電気抵抗が大きく、電位降下により集電機能が低下してしまうおそれがあるからである。

また、このインターコネクタ１３は、支持基板２の他方の平坦部Ａ上に直接設けることもできるが、例えば、Ｙ_２Ｏ_３などからなる接合層を介して支持基板２上に形成することもできる。また、先に述べたように、燃料極層５を支持基板２の全周にわたって設けた場合には、このインターコネクタ１３は、燃料極層５を間に挟んで支持基板２上に形成されることとなる。

さらに、インターコネクタ１３の外面（上面）には、Ｐ型半導体層１５を設けることが好ましい。即ち、この燃料電池セルから組み立てられるセルスタック（図３参照）では、インターコネクタ１３には、導電性の集電部材２０が接続されるが、集電部材２０を直接インターコネクタ１３に直接接続すると、非オーム接触により、電位降下が大きくなってしまい、集電性能が低下してしまう。しかるに、集電部材２０を、Ｐ型半導体層１５を介してインターコネクタ１３に接続させることにより、両者の接触がオーム接触となり、電位降下を少なくし、集電性能の低下を有効に回避することが可能となり、例えば、一方の燃料電池セル１の酸素極層１１からの電流を、他方の燃料電池セル１の支持基板２に効率良く伝達できる。

上記のようなＰ型半導体としては、遷移金属ペロブスカイト型酸化物を例示することができる。
具体的には、インターコネクタ１３を構成するＬａＣｒＯ_３系酸化物よりも電子伝導性が大きいもの、例えば、ＢサイトにＭｎ、Ｆｅ、Ｃｏなどが存在するＬａＭｎＯ_３系酸化物、ＬａＦｅＯ_３系酸化物、ＬａＣｏＯ_３系酸化物などの少なくとも一種からなるＰ型半導体セラミックスを使用することができる。このようなＰ型半導体層１５の厚みは、一般に、３０乃至１００μｍの範囲にあることが好ましい。

（燃料電池セルの製造）
以上のような構造を有する燃料電池セルは、極機能指数Ｗが前述した所定の範囲内となるように接点数ｎ_１及び酸素極層１１の厚みＬの調整を行うことを除けば、それ自体公知の方法によって製造される。

また、接点数ｎ_１及び酸素極層１１の厚み調整Ｌの調整を行うために、酸素極層１１は、所定の酸素極層形成材料を含有する塗布液を用い、この塗布液を予め固体電解質層７上に形成された反応防止層９上にコーティングし、焼付けることにより形成するのがよい。

上記の塗布液は、酸素極形成材料である所定の酸化物（前述したＬａ−Ｓｒ−Ｃｏ系複合酸化物など）の粒子を、イソプロピルアルコールやトルエンなどの有機溶剤に分散させることにより調製される。

かかる塗布液において、酸化物粒子としては、累積平均粒径（Ｄ_５０）が０．４乃至１μｍ、特に０．６乃至０．８μｍの範囲にあるものを使用することが、接点数ｎ_１の調整を行う上で好ましい。即ち、累積平均粒径が上記範囲外のものを使用すると、以下に述べる焼付けにより、接点数ｎ_１が必要以上に多くなったり、或いは少なくなってしまい、極機能指数Ｗを所望の範囲とするためには、著しく厚みを薄くし或いは厚くしなければならなくなってしまうからである。また、上記酸化物粒子は、できるだけシャープな粒度分布を有していることが好ましく、例えば、１．２μｍ以上の大径の粒子が５質量％以下であり、且つ０．３μｍ以下の微粒子が３質量％以下であることが好ましい。即ち、累積平均粒径（Ｄ_５０）が上記範囲内であったとしても、粒度分布がブロードであると、接点数ｎ_１が大きくばらついてしまうおそれがあるからである。

上記塗布液のコーティングは、任意の方法で行うことが可能であるが、接点数ｎ_１の調整を行うという点で、スプレーによる行うことが好ましい。即ち、スプレーが可能となる程度の量の溶媒を用いて塗布液を調製し、その溶媒量に応じて、スプレー距離や噴霧圧力を調整することにより、接点数ｎ_１をコントロールすることができる。例えば、スプレー距離や噴霧圧力を大きくすると、スプレー中での溶媒の乾燥量が大きくなるため、反応防止層９上のコーティング層の溶媒含量が少なくなり、接点数ｎ_１を大きくすることができ、逆にスプレー距離や噴霧圧力を小さくすると、スプレー中での溶媒の乾燥量が少なくなり、反応防止層９上のコーティング層の溶媒含量が多くなり、この結果、接点数ｎ_１を小さくすることができる。

このように、接点数ｎ_１の調整を行いながら、目的とする接点数ｎ_１に応じて、所望の極機能指数Ｗが得られるような厚みＬが形成されるように、塗布液を反応防止層９上にスプレー塗布する。

塗布後の焼付けは、１０００乃至１２００℃程度の比較的低温で行うのがよい。あまり低温で焼付けを行うと、粒子の焼結が生ぜず、層形成が困難となってしまうし、あまり高温で焼付けを行うと、粒子相互が一体化してしまい、接点数ｎ_１の著しい低下が生じたり、或いは形成される酸素極層１１のガス透過性が損なわれてしまい、電極特性が低下してしまうからである。

尚、酸素極層１１を内層１１ａと表面層１１ｂとの２層構造とする場合には、上記の方法に従って、内層１１ａ及び表面層１１ｂを順次形成することにより、所望の極機能指数Ｗと、条件式（２）及び（３）を満足するような２層構造の酸素極層１１を得ることができる。

本発明において、上記のような酸素極層１１を除く部分は、以下のような同時焼成により作製することができる。

先ず、支持基板形成用材料の粉末を、有機バインダー及び溶媒とを混合してスラリーを調製し、このスラリーを用いての押出成形により、支持基板成形用シート（支持基板成形体）を作製し、これを乾燥する。この支持基板成形体を９００〜１０００℃で仮焼し、支持基板仮焼体を作製する。尚、支持基板成形体は、所定の強度を有するならば、仮焼しないでもよい。

また、所定の燃料極層形成材料の粉末を、有機バインダー及び溶媒と混合してスラリーを調製し、このスラリーをドクターブレード法等によって燃料極成形用シート（燃料極成形体）を作製し、上記の支持基板仮焼体に積層する。尚、燃料極成形体を作製する代りに、燃料極原料を溶媒中に分散したペーストを、上記で形成された支持基板仮焼体の所定位置に塗布し乾燥して、燃料極層用のコーティング層を形成することもできる。

さらに、固体電解質形成用材料の粉末（通常、粒径が０．５〜３μｍの範囲にあるのがよい）に、トルエン、バインダー、市販の分散剤を加えてスラリー化したものをドクターブレード法等により、例えば、１０〜５０μｍの厚さに成形してシート状の固体電解質成形体を作製する。この固体電解質層用成形体を、上記支持基板仮焼体上の燃料極層成形体上に積層し、乾燥する。この場合、上記の燃料極層成形体上に、拡散抑制層形成材料を含有するスラリーを用いて、拡散抑制層成形体を形成しておき、この拡散抑制成形体層上に固体電解質用成形体を配置することもできる。

尚、上記のように燃料極層成形体及び固体電解質用成形体と支持基板用成形体上に設けた後に、仮焼を行ってもよい。

次いで、上記の焼成用積層成形体上に、反応防止層成形体を設ける。この反応防止層成形体は、反応防止層形成材料のセラミック粉末を、アクリル樹脂等のバインダー及びトルエン等の溶媒に混合してスラリーを調製し、このスラリーを、上記の固体電解質用成形体に塗布することにより形成される。

尚、このセラミック粉末は、凝集度が５〜３５に調整されていることが好ましく、これにより、焼成収縮を制御でき、固体電解質の剥離やクラック発生を防止することができる。特に、発電性能が低下を防止できるという点で、凝集度を５〜１５に調整することが望ましい。尚、凝集度は、下記式により求められる。
凝集度＝（レーザー光散乱法で求めた粒子の径）／（ＢＥＴ比表面積から求めた擬似的球の直径）

凝集度が大きい場合、凝集粒子内の１次粒子が非常に小さく焼結活性が高いために、凝集粒子間の焼結よりも早く１次粒子間の焼結が進行する。これにより、凝集粒子の収縮が進行し、全体の収縮が遅れた形となり、石垣のような凝集粒子間に隙間が生じたようなクラックが生じる。一方、固体電解質原料は支持体との共焼結の兼ね合いから粒径を０．５〜３μｍとしているために、反応防止層９と接触している固体電解質層７は反応防止層９の焼成収縮に引っ張られて石垣のようなクラックや剥離が生じてしまう。凝集度が小さい場合、１次粒子の焼結と凝集粒子間の焼結、ならびに固体電解質の焼結がほぼ同時に始まるために均一な焼結体となる。凝集度は、例えば原料粉末を振動ミルなどを用いて解砕して粒度調整した後、８００乃至１０００℃程度の温度で数時間仮焼を行った後、ボールミルなどを用いて、再度、解砕することにより行うことができる。

上記のように反応防止層成形体を設けた後、インターコネクタ用材料を、有機バインダー及び溶媒と混合してスラリーを調製し、インターコネクタ用シートを作製する。このインターコネクタ用シートを、上記で得られた積層成形体の所定位置にさらに積層し、焼成用積層成形体を作製する。

次いで、上記の焼成用積層成形体を脱バインダー処理し、大気中、１３５０〜１６００℃で同時焼成し、得られた焼結体の所定の位置に、前述した方法にしたがって、酸素極層１１を形成することにより、目的とする燃料電池セルを製造することができる。尚、酸素極層１１の形成とともに、必要により、Ｐ型半導体層材料（例えば、ＬａＦｅＯ_３系酸化物粉末）と溶媒を含むペーストを、ディッピング等により塗布し、１０００〜１３００℃で焼き付けることにより、インターコネクタ１３上にＰ型半導体層１５を形成することができる。

（セルスタック）
セルスタックは、図３に示すように、上述した燃料電池セル１が複数集合して、上下に隣接する一方の燃料電池セル１ａと他方の燃料電池セル１ｂとの間に、金属フェルト及び／又は金属板からなる集電部材２０を介在させ、両者を互いに直列に接続することにより構成されている。即ち、一方の燃料電池セル１ａの支持基板２は、インターコネクタ１３、Ｐ型半導体層１５、集電部材２０を介して、他方の燃料電池セル１ｂの酸素極層１１に電気的に接続されている。また、このようなセルスタックは、図３に示すように、隣接して配置されており、隣接するセルスタック同士は、導電部材２２によって直列に接続されている。

本発明の燃料電池は、図３のセルスタックを、収納容器内に収容して構成される。この収納容器には、外部から水素等の燃料ガスを燃料電池セル１に導入する導入管、及び空気等の酸素含有ガスを燃料電池セル１の外部空間に導入するための導入管が設けられており、燃料電池セルが所定温度（例えば、６００乃至９００℃）に加熱されることにより発電し、余剰の燃料ガス、酸素含有ガスは、燃焼して収納容器外に排出される。

尚、本発明は上記形態に限定されるものではなく、酸素極層１１が所定の条件を満足するように形成されている限り、種々の変更が可能である。例えば、支持基板２の形状を円筒状とすることも可能である。

本発明を、次の実験例で説明する。
尚、以下の実験例において、反応防止層と酸素極層との界面の接点数ｎ_１及び２層構造の酸素極層における接点数ｎ_２は、以下の方法で求めた。

接点数の測定；
試料の燃料電池セルを、縦方向に、異なる３箇所で切断し、各切断面（１０μｍ）において、電子顕微鏡により、反応防止層との界面での接点数ｎ_１及び内層と表面層との界面での接点数ｎ_２を、平均値として求めた。
また厚みは、上記切断面の接点数の測定範囲において電子顕微鏡観察により求め、最大厚みを内層、表面層の厚みとした。

また、以下の実験例において、単層での酸素極層形成材料及び２層構造での内層形成材料、表面層形成材料としては、以下の粉末を用いた。

単層での酸素極層形成材料
Ｌａ_０．６Ｓｒ_０．４Ｃｏ_０．８Ｆｅ_０．２Ｏ_３粉末
平均粒径（Ｄ_５０）：０．８μｍ
粗粒（粒径１．２μｍ以上）含量：５重量％以下
微粒（粒径０．３μｍ以下）含量：３重量積％以下

内層形成材料
Ｌａ_０．６Ｓｒ_０．４Ｃｏ_０．８Ｆｅ_０．２Ｏ_３粉末と
（ＣｅＯ_２）_８５（ＳｍＯ_３／２）_１５粉末（ＳＤＣ１５と呼ぶ）との混合粉末
ＳＤＣ１５含量：１０質量％（混合粉末中）
混合粉末の粒度分布
平均粒径（Ｄ_５０）：０．６μｍ
粗粒（粒径１．２μｍ以上）含量：５重量％以下
微粒（粒径０．３μｍ以下）含量：３重量％以下

表面層
Ｌａ_０．６Ｓｒ_０．４Ｃｏ_０．８Ｆｅ_０．２Ｏ_３粉末
平均粒径（Ｄ_５０）：０．８μｍ
粗粒（粒径１．２μｍ以上）含量：５重量％以下
微粒（粒径０．３μｍ以下）含量：３重量％以下

（実験例１）
先ず、平均粒径０．５μｍのＮｉＯ粉末と、平均粒径０．９μｍのＹ_２Ｏ_３粉末とを、焼成−還元後における体積比率が、Ｎｉ：４８体積％、Ｙ_２Ｏ_３：５２体積％になるように混合し、有機バインダーと溶媒にて作製したスラリーを押し出し成型法にて成形し、乾燥、脱脂して支持基板成形体を作製した。

また、平均粒径０．５μｍのＮｉ粉末と、希土類元素が固溶したＺｒＯ_２粉末と、有機バインダーと、溶媒とを混合したスラリーを作製し、前記支持基板成形体に、スクリーン印刷法にて塗布、乾燥して、燃料極層用のコーティング層を形成した。

次に、１０ｍｏｌ％のスカンジウムが固溶したＺｒＯ_２粉末と、有機バインダーと、溶媒とを混合して得られたスラリーを、ドクターブレード法にて厚み４０μｍの固体電解質層用シートを作製し、支持基板成形体上の燃料極層用のコーティング層に貼り付け、乾燥した。この積層成形体を、１０００℃にて仮焼処理した。

さらに、ＣｅＯ_２を８５モル％、Ｓｍ_２Ｏ_３を１５モル％含む複合酸化物（ＳＤＣ１５）を振動ミルにて２４時間解砕した後、９００℃−４時間仮焼処理を行い、再度ボールミルにて解砕処理を行い、粉体の凝集度（レーザ回折による粒径／ＢＥＴ比表面積から計算した疑似球形状粒径）を１３〜１６に合わせた。この粉体にアクリル系バインダーとトルエンを添加し、混合して作製したスラリーを、上記で得られた仮焼体の固体電解質成形体の表面に、スクリーン印刷法にて塗布して反応防止層用成形体を作製した。

また、ＬａＣｒＯ_３系酸化物と、有機バインダーと、溶媒とを混合したスラリーを作製し、これを、上記の積層成形体の支持基板成形体露出部上に積層し、酸素含有雰囲気中で、１４８５℃焼成温度で同時焼成した。

得られた焼結体における支持基板の厚さは３ｍｍ、開気孔率３５％、燃料極層の厚さは１０μｍ、開気孔率２４％、固体電解質層の厚さは３０μｍ、相対密度は９７％、反応防止層の厚みは５μｍであった。

次に、単層酸素極形成材料粉末と、イソプロピルアルコールとを混合して得られた塗布液を、スプレー塗布し、酸素極層用コーティング層を形成し、１１５０℃で焼き付け、酸素極層を形成し、燃料電池セルを作製した。なお、作製した燃料電池セルの寸法は２５ｍｍ×１４０ｍｍである。

上記のようにして、酸素極層用コーティング層の形成条件（塗布液の溶媒濃度、スプレー圧及びスプレー間隔）及び厚みを種々変更して、試料Ｎｏ．１〜１５の燃料電池セルを作製し、その接点数ｎ１、極機能指数Ｗ、形成された酸素極層の厚みを表１に示した。

また、上記で作製された各燃料電池セルの内部に、水素ガスを流し、８５０℃で、支持基板及び燃料極層の還元処理を施した後、各燃料電池セルの燃料ガス流路に燃料ガスを流通させ、セルの外側に酸素含有ガスを流通させ、燃料電池セルを電気炉を用いて７５０℃まで加熱し、発電試験を行った。このときの発電特性（出力密度）を表１に示した。

表１の結果から、極機能指数Ｗが５００より大きい試料Ｎｏ．１（接点数ｎ_１が少なく、酸素極層厚みＬが厚い）、及び極機能指数Ｗが３００に満たない試料Ｎｏ．４（接点数ｎ_１が少なく空気極厚みが薄い）は、発電性能が悪い。
試料Ｎ０．１は反応場が少ない上に、表面拡散によって酸素イオンを運ぼうとしても厚みが厚く反応場までの距離があるために吸着酸素の移動が律速となるためであり、試料Ｎｏ．４は反応場が少ない上に吸着酸素を作製するための酸素極そのものが少ないためである。

また、接点数ｎ_１が１２で指数Ｗが２４０の試料Ｎｏ．９も出力密度が低い。これも接点場に対して吸着酸素を形成するための酸素極が不足しているためである。更に、接点数ｎ_１が２０で指数Ｗが６００の試料Ｎｏ．１４は、接点数が多いため、酸素極自体が密に詰まっており、この結果、酸素イオンの運搬は体積拡散になるが、厚みが厚いために体積拡散にて運搬される酸素イオンが多くの粒界を通るために抵抗が高くなり性能が劣化すると考える。その他の試料Ｎｏ．２、３、５〜８、１０〜１３（本発明例）は、接点数ｎ_１と厚みＬのバランスにより表面拡散と体積拡散のバランスから高い出力を有していると考える。

（実験例２）
単層の酸素極層を形成する代わりに、内層形成材料粉末とイソプロピルアルコールとを混合して得られた塗布液を形成条件を変えながら（塗布液の溶媒濃度、スプレー圧、スプレー間隔）、厚みを種々変更して、スプレー塗布し、内層空気極層用コーティング層を形成し、１２０℃にて乾燥した後、表面層形成材料粉末とイソプロピルアルコールとを混合して得られた塗布液を形成条件を変えながら（塗布液の溶媒濃度、スプレー圧、スプレー間隔）、厚みを種々変更してスプレー塗布し、表面層空気極層用コーティング層を形成氏、１２０℃で乾燥した後に１０５０℃で焼き付け、２層酸素極層を形成し、燃料電池セルを作製した。なお、作製した燃料電池セルの寸法は２５ｍｍ×１４０ｍｍである。

この後、実験例１と同様の発電試験を行い、このときの発電特性（出力密度）を表２に示した。

表２に示すように、機能指数が５００より大きい試料Ｎｏ．１８、２０は（表面層の空気極の接点数が少なく、厚みが厚い）発電性能が悪い。共に内層との接点数が少ない割に厚みが厚いため表面拡散によって酸素イオンを運ぼうとしても厚みが厚く内層までの距離が有るために吸着酸素の移動が律速となるためである。また、内層の方が厚みの厚い試料Ｎｏ．２３は表面層にて運ばれてきた吸着酸素を内層の密な空気極層では厚みが厚すぎて吸着酸素の移動が律速となり発電特性（出力密度）が悪い。また、接点数が逆転している（内層より表層の方が緻密）試料Ｎｏ．２７は表面から送られてきた吸着酸素に対して、電解質との界面に生じる反応場が少ないために、有効に活用できず発電性能が低下してしまう。
その他の試料Ｎｏ．１５〜１７、１９、２１、２２、２４〜２６、２８、２９（本発明例）は接点数と厚みのバランスにより表面拡散と体積拡散のバランスから高い出力を有している。

本発明の燃料電池セルの縦断面図。 本発明の燃料電池セルの他の例を示す要部断面図。 本発明の燃料電池セルを用いて形成されたセルスタックを示す概略断面図。 本発明の機能を説明するための説明図。

符号の説明

１：燃料電池セル
２：支持体
２ａ：燃料ガス流路
５：燃料極層
７：固体電解質層
９：反応防止層
１１：酸素極層
１３：インターコネクタ

Claims (8)

1. 固体電解質層の一方の面に酸素極層を有し、他方の面に燃料極層を有しているとともに、該酸素極層は反応防止層を介して固体電解質層上に設けられている固体電解質形燃料電池セルにおいて、
   前記酸素極層は、下記式（１）：
   Ｗ＝ｎ_１・Ｌ …（１）
   式中、ｎ_１は、前記界面の単位長さ（１０μｍ）当りでの反応防止層と酸素極層との
   接点数を示し、
   Ｌは、前記酸素極層の厚み（μｍ）を示す、
   で定義される極機能指数Ｗが３００〜５００となるように形成されていることを特徴とする燃料電池セル。
2. 前記反応防止層が、ＣｅＯ_２にＳｍ_２Ｏ_３が固溶した複合酸化物の焼結体からなる請求項１に記載の燃料電池セル。
3. 前記複合酸化物が、下記一般式：
   （ＣｅＯ_２）_１−ｘ（ＳｍＯ_３／２）_ｘ
   式中、ｘは、０＜ｘ≦０．３の数である、
   で表されるモル組成を有している請求項２に記載の燃料電池セル。
4. 前記酸素極層がペロブスカイト型複合酸化物の焼結体粒子からなる請求項１乃至３の何れかに記載の燃料電池セル。
5. 前記ペロブスカイト型複合酸化物が、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ_３系酸化物である請求項４に記載の燃料電池セル。
6. 前記酸素極層が、反応防止層側に位置する内層と、表面側に位置する表面層との２層構造を有しており、内層が、ＣｅＯ_２にＳｍ_２Ｏ_３が固溶した複合酸化物の粒子と、ペロブスカイト型複合酸化物の粒子との混合焼結体粒子から形成され、表面層が、ペロブスカイト型複合酸化物の焼結体粒子から形成されている請求項１乃至３の何れかに記載の燃料電池セル。
7. 前記酸素極層における内層及び表面層は、下記式（２）乃至（６）：
   Ｗ_１＝ｎ_１・Ｌ_１ …（２）
   Ｗ_２＝ｎ_２・Ｌ_２ …（３）
   Ｗ＝Ｗ_１＋Ｗ_２ …（４）
   ｎ_１＞ｎ_２ …（５）
   Ｌ_１＜Ｌ_２ …（６）
   上記式中、
   Ｗ及びｎ_１は、前記の通りであり、
   Ｌ_１は、内層の厚みを示す
   ｎ_２は、内層と表面層との接点数を示し、
   Ｌ_２は、表面層の厚みを示す、
   で表される条件を満足するように形成されている請求項６に記載の燃料電池セル。
8. 請求項１ないし７のいずれかに記載の燃料電池セルを収納容器内に収納してなることを特徴とする燃料電池。

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