JP2006073230A - 燃料電池セル - Google Patents

Abstract

【課題】 固体電解質層と酸素極層との接触抵抗を高めることなく、両層の密着強度が高められ、初期において高い発電性能を得ることができるとともに、長期に亘って高い発電性能を維持できる固体電解質型燃料電池セルを提供する。
【解決手段】 酸素極層と燃料極層との間にペロブスカイト型固体電解質層が配置されている燃料電池セルにおいて、前記固体電解質層と前記酸素極層との間に、ＣｅＯ_２とＬｎ_２Ｏ_３（Ｌｎは希土類元素）からなる複合酸化物で構成された中間層が形成されており、前記酸素極層が、第１の酸素極層と第２の酸素極層との２層構造を有し、第１の酸素極層は、前記中間層上に設けられた第２の酸素極層上に位置し、且つペロブスカイト型酸化物から形成され、前記中間層上に設けられた第２の酸素極層は、前記中間層形成用複合酸化物と前記ペロブスカイト型酸化物とから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セルに関するものである。

次世代エネルギーとして、近年、燃料電池セルのスタックを収納容器内に収容した燃料電池が種々提案されている。例えば、図４は、従来の固体電解質型燃料電池のセルスタックを示すもので、このセルスタックは、複数の燃料電池セル１（１ａ、１ｂ）を整列集合させ、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からなる集電部材５を介在させ、一方の燃料電池セル１ａの燃料極７と他方の燃料電池セル１ｂの酸素極１１とを電気的に接続して構成されていた。即ち、この燃料電池セル１（１ａ、１ｂ）は、円筒状の金属からなる燃料極７の外周面に、固体電解質９、導電性セラミックスからなる酸素極１１を順次設けて構成されており、固体電解質９、酸素極１１から露出した燃料極７には、酸素極１１に接続しないようにインターコネクタ１２が設けられ、燃料極７と電気的に接続している。

上記の燃料電池セル１（１ａ、１ｂ）におけるインターコネクタ１２は、燃料極７の内部を流れる燃料ガスと、酸素極１１の外側を流れる酸素含有ガスとを確実に遮断するため緻密で、燃料ガス及び酸素含有ガスで変質しにくい導電性セラミックスで形成されている。また、一方の燃料電池セル１ａと他方の燃料電池セル１ｂとの電気的接続は、一方の燃料電池セル１ａの燃料極７を、該燃料極７に設けられたインターコネクタ１２、集電部材５を介して、他方の燃料電池セル１ｂの酸素極１１に接続することにより行われていた。

燃料電池は、上記セルスタックを収納容器内に収容して構成され、燃料極７内部に燃料（水素）を流し、酸素極１１に空気（酸素）を流して１０００℃程度で発電される。

このような燃料電池を構成する燃料電池セルでは、一般に、燃料極７が、Ｎｉと、Ｙ_２Ｏ_３を含有する安定化ジルコニア（ＹＳＺ）とからなり、固体電解質９が安定化ジルコニア（ＹＳＺ）からなり、酸素極１１がＬａＭｎＯ_３系ペロブスカイト酸化物から構成されている。

ところで、近年になって、安定化ジルコニアよりも高い酸素イオン伝導性が得られる物質として、下記式：
（Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘ）（Ｇａ_１−ｙＭｇ_ｙ）Ｏ_３
で表されるランタンガリウムペロブスカイト型酸化物（以下ＬＳＧＭ又はランタンガレートと略す）が注目されており、多くの研究が行われている。

上記のＬＳＧＭ焼結体は、６００〜８００℃という低温でも酸素イオン伝導性の低下が少ない物質で、ＬａやＧａの一部が、それより低原子価のＳｒやＭｇ等に、置換固溶により置き代わったものであり、これにより、焼結体の酸素イオン伝導性が大きくなるという性質を有する。この材料は、現在では最も優れた酸化物イオン伝導体と考えられている。

しかしながら、上記のようなＬＳＧＭにより固体電解質層を形成した燃料電池セルでは、低温作動であるものの、酸素極層と固体電解質層との接触抵抗が高くなり、初期における燃料電池セルの性能低下を引き起こすという問題があった。

上記のような問題を解決する方法として、酸素極層と固体電解質層との界面に、ペロブスカイト型酸化物からなる中間層を形成させた構造が提案されている（特許文献１、２参照）。
特開２０００−１８８１１７号公報 特開２００２−５２７２２号公報

しかしながら、上記のような中間層を設けた燃料電池セルでは、固体電解質層のイオン伝導度が低下し、燃料電池セルの性能低下を引き起こすという問題があった。即ち、本発明者等の研究によると、このような燃料電池セルでは、酸素極層と中間層と固体電解質層とが全て同じペロブスカイト型結晶構造を有しているため、層間での元素の拡散が円滑に進行してしまい、各層間の組成が連続的に変化する濃度勾配が生成し、密着強度が向上する一方で、長時間に亘って発電を行うと、元素の拡散に起因して固体電解質層のイオン伝導度が低下してしまい、この結果として、燃料電池セルの性能低下を生じてしまうことが判った。

従って、本発明の目的は、固体電解質層と酸素極層との接触抵抗を高めることなく、両層の密着強度が高められ、初期において高い発電性能を得ることができるとともに、長期に亘って高い発電性能を維持できる固体電解質型燃料電池セルを提供するにある。

本発明者は、上記課題について鋭意検討した結果、固体電解質層と酸素極層との間にイオン伝導性を有する材料で構成された非ペロブスカイト系の複合酸化物により形成された中間層を設け、且つ酸素極層を、ペロブスカイト型酸化物からなる第１の層と、前記中間層形成材料と上記ペロブスカイト型酸化物とからなる第２の層との２層構造とすることにより、初期において高い発電性能を得ることができるとともに、長期に亘って高い発電性能を維持できることを見出し、本発明に至った。

即ち、本発明によれば、酸素極層と燃料極層との間にペロブスカイト型固体電解質層が配置されている燃料電池セルにおいて、
前記固体電解質層と前記酸素極層との間に、ＣｅＯ_２とＬｎ_２Ｏ_３（Ｌｎは希土類元素）からなる複合酸化物で構成された中間層が形成されており、
前記酸素極層が、第１の酸素極層と第２の酸素極層との２層構造を有し、第１の酸素極層は、前記中間層上に設けられた第２の酸素極層上に位置し、且つペロブスカイト型酸化物から形成され、前記中間層上に設けられた第２の酸素極層は、前記中間層形成用複合酸化物と前記ペロブスカイト型酸化物とから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。

本発明の燃料電池セルでは、固体電解質層と酸素極層との間に、ＣｅＯ_２とＬｎ_２Ｏ_３（Ｌｎは希土類元素）からなるＣｅ−希土類元素系複合酸化物により形成された中間層を設けると同時に、酸素極層を２層構造とし、該中間層に隣接する第２の酸素極層を、Ｃｅ−希土類元素系複合酸化物と第１の酸素極層形成材料であるペロブスカイト型酸化物とにより形成することにより、固体電解質層と酸素極層との密着性を高め、両層の接触抵抗を低減させることができ、製造時等におけるこれらの層の剥離を防止し、製造歩留まりを高めることができる。しかも、このような層構造によれば、酸素極層、中間層、固体電解質層において、各層の結晶構造が異なるため、元素拡散が起こりにくく、その結果として、長時間に亘って発電を行った場合の固体電解質層のイオン伝導性の劣化を防止することができ、燃料電池セルの性能低下を有効に回避することができる。

本発明においては、前記中間層を構成する複合酸化物（Ｃｅ−希土類元素系複合酸化物）は、下記式：
（ＣｅＯ_２）_１−ｘ（ＬｎＯ_１．５）_ｘ
式中、Ｌｎは、Ｌａ、Ｓｍ、Ｙの少なくとも１種であり、
ｘは、０．１≦ｘ≦０．３を満足する数である、
で表される組成を有していることが好ましい。かかる組成のＣｅ−希土類元素系複合酸化物を使用することにより、中間層の熱膨張係数を、他のセル構成層である固体電解質層や酸素極層或いは燃料極層等との熱膨張係数に近似させることができ、熱膨張差によるクラックの発生や層剥離を有効に防止することができる。また、このようなＣｅ−希土類元素系複合酸化物は、固体電解質と機能し、イオン導電性と電子伝導性とを有する混合導電体であるため、燃料電池セルの発電性能に悪影響を与えることはない。

また、上記中間層の厚みが１０μｍ以下であることが好ましい。中間層の厚みを必要以上に厚くすると、中間層自身が抵抗成分となってしまい、酸素極層と固体電解質層との界面の接触抵抗が若干高くなってしまう。従って、燃料電池セルの発電性能を十分に発揮させるためには、中間層の厚みを上記範囲内とすることが好適となる。

さらに、前記固体電解質層がランタンガレート系ペロブスカイト型酸化物から形成されていることが好ましい。既に述べたように、かかるペロブスカイト型酸化物は、現在では最も優れた酸化物イオン伝導体であり、このような酸化物によって固体電解質層を形成することにより、例えば５００〜７００℃の低温で燃料電池セルを作動させ、高出力を得ることができる。

また、本発明においては、前記燃料極層が導電性支持基板上に設けられており、該燃料極層上に、前記固体電解質層、中間層及び酸素極層が設けられていることが、強度特性を確保する上で好適である。特に、上記のランタンガレート系ペロブスカイト型酸化物により形成された固体電解質層は低強度であるが、導電性支持基板を用い、この上にセル構成層を形成することにより、強度低下を有効に回避することができる。

さらには、上述した２層構造の酸素極層においては、第２の酸素極層の気孔率Ｂと第１の酸素極層の気孔率Ａとの気孔率比Ｂ／Ａが、０．５よりも低く、第２の酸素極層の厚みＣが第１の酸素極層の厚みＤよりも薄く、且つ第１の酸素極層の厚みＤが３５〜８５μｍであることが、発電のために使用される空気等の酸素含有ガスを電気化学的反応場に効率よく供給し、セル抵抗を増大させず、しかも中間層と酸素極層との接合強度を高め、長期間にわたって高い発電性能を確保することができる。

以下、添付図面に示す具体例に基づいて、本発明を説明する。
図１は、本発明の燃料電池セルの代表的な構造を示す図であり、図１中（ａ）は、横断面図であり、（ｂ）は部分斜視図である。
図２は、本発明の燃料電池セルの他の例の構造を示す図であり、図２中（ａ）は、横断面図であり、（ｂ）は部分斜視図である。
図３は、本発明の燃料電池セルにおける発電部分の層構造を示す概略横断面図である。

本発明の燃料電池セルの代表的な構造を示す図１において、全体として３０で示す燃料電池セルは、中空平板型で棒板形状であり、断面が扁平状で、全体的に見て楕円柱状の導電性支持基板３１を備えている。支持基板３１の内部には、適当な間隔で複数の燃料ガス通路３１ａが長さ方向に貫通して形成されており、燃料電池セル３０は、この支持基板３１上に各種のセル構成部材が設けられた構造を有している。

図１の例において、支持基板３１は、平坦部と平坦部の両端の弧状部とからなっている。平坦部の両面は互いにほぼ平行に形成されており、平坦部の一方の面と両側の弧状部を覆うように燃料極層３２が設けられており、さらに、この燃料極層３２を覆うように、緻密質な固体電解質層３３が積層されており、この固体電解質層３３の上には、燃料極層３２と対面するように、平坦部の一方の表面に、中間層３４を介して酸素極３５が積層されている。また、燃料極層３２及び固体電解質層３３が積層されていない平坦部の他方の表面には、インターコネクタ３７が形成されている。図１から明らかな通り、燃料極層３２及び固体電解質層３３は、インターコネクタ３７の両サイドにまで延びており、支持基板３１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、燃料極層３２の酸素極層３５と対面している部分が燃料極として作動して発電する。即ち、酸素極層３５の外側に空気等の酸素含有ガスを流し、且つ支持基板３１内のガス通路に燃料ガス（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３５で下記式（１）の電極反応を生じ、また燃料極層３２の燃料極となる部分では例えば下記式（２）の電極反応を生じることによって発電し、かかる発電によって生成した電流は、インターコネクタ３７を介して集電される。
酸素極層： １／２Ｏ_２＋２ｅ⁻ → Ｏ^２− （固体電解質） （１）
燃料極層： Ｏ^２− （固体電解質）＋ Ｈ_２ → Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ …（２）

即ち、上記のような構造の燃料電池セル３０の複数を、集電部材４０により互いに直列に接続することによりセルスタックを形成し、このセルスタックを所定の収容容器に収容して、燃料ガス（水素）及び酸素含有ガスを所定の部位に流すことにより、燃料電池として機能させることができる。

（支持基板３１）
支持基板３１は、燃料ガスを燃料極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３７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。このことから、支持基板３１は、例えば鉄属等の金属成分と特定の希土類酸化物とから支持基板３１を構成することが望ましい。

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を鉄族成分として用いることが好ましい。

また希土類酸化物成分は、支持基板３１の熱膨張係数を、固体電解質層３３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３３等への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酸化物が、上記鉄族成分と組合せで使用される。このような希土類酸化物の具体例としては、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。

尚、支持基板３１を構成する鉄族金属成分と希土類酸化物成分とは、良好な導電率を維持し且つ適度な熱膨張係数を有するために、一般に、鉄族金属成分：希土類酸化物成分＝３５：６５乃至６５：３５の体積比で存在することが好適である。

また、支持基板３１の平坦部の長さは、通常、１５〜３５ｍｍ、支持基板３１の厚みは２．５〜５ｍｍ程度であることが望ましい。これにより、セル構成成分の実抵抗値を低くできるからである。

本発明において、上記のような支持基板３１を用い、この支持基板３１に各種のセル構成部材を設けることにより、セルの機械的強度を高めることができる。

（燃料極層３２）
燃料極層３２は、前述した式（２）の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導電性セラミックスから形成される。例えば、希土類元素が固溶しているセリア（ＣｅＯ_２）と、Ｎｉ及び／またはＮｉＯとから形成される。

燃料極層３２中の希土類元素が固溶しているセリア含量は、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３２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、５〜３０μｍであることが望ましい。例えば、燃料極３２の厚みがあまり薄いと、性能が低下するおそれがあり、またあまり厚いと、固体電解質層３３と燃料極層３２との間で熱膨張差による剥離等を生じるおそれがある。

（固体電解質層３３）
支持基板３１上に設けられている固体電解質層３３は、それ自体公知であり、例えば各種のペロブスカイト型酸化物から形成されるが、特にランタンガレート系酸化物が好適に使用される。このランタンガレート系酸化物は、ＡＢＯ_３型のペロブスカイト型酸化物であり、ＡサイトにＬａを有し、ＢサイトにＧａを有している。特に、下記式：
（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｇａ，Ｍｇ）Ｏ_３
で表されるように、Ｌａの一部（特に１０〜２０原子％）がＳｒで置換され、さらにＧａの一部（特に１０〜２０原子％）がＭｇで置換されたランタンガレートは、優れた酸化物イオン伝導体であり、このような酸化物によって固体電解質層３３を形成することにより、例えば５００〜７００℃の低温で燃料電池セルを作動させ、高出力を得ることができる。また、上記のランタンガレートは、Ｇａ位置にさらにＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ等を１〜２０原子％置換することにより、さらにイオン伝導度を高めることができる。

さらに、上記の固体電解質層３３には、上記のペロブスカイト型酸化物以外に、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＳｉＣ等の微粉末フィラーが、例えば２質量％以下の量で含有されていてもよく、このような微粉末フィラーにより、固体電解質層３３の強度を高めることもできる。

また、この固体電解質層３３は、ガス透過を防止するという点から、相対密度（アルキメデス法による）が９３％以上、特に９５％以上の緻密質であることが望ましく、且つその厚みが１０〜５０μｍであることが望ましい。

（中間層３４）
本発明において、固体電解質層３３と酸素極層３５との間に設けられる中間層３４は、ＣｅＯ_２とＬｎ_２Ｏ_３（Ｌｎは希土類元素）からなるＣｅ−希土類元素系複合酸化物により形成される。即ち、このＣｅ−希土類元素系複合酸化物は、固体電解質と機能し、イオン導電性と電子伝導性とを有する混合導電体であるため、燃料電池セルの発電性能に悪影響を与えることがないばかりか、固体電解質層３３や後述する酸素極層３５のようにペロブスカイト型酸化物を含有せず、各層の結晶構造が異なるため、元素拡散が起こりにくく、その結果として、長時間に亘って発電を行った場合の固体電解質層のイオン伝導性の劣化を防止することができ、燃料電池セルの性能低下を有効に回避することができる。

また、このようなＣｅ−希土類元素系複合酸化物としては、下記式（３）：
（ＣｅＯ_２）_１−ｘ（ＬｎＯ_１．５）_ｘ （３）
式中、Ｌｎは、Ｌａ、Ｓｍ、Ｙの少なくとも１種であり、
ｘは、０．１≦ｘ≦０．３を満足する数である、
で表される組成を有していることが好ましい。即ち、希土類元素ＬｎがＬａ、Ｓｍ或いはＹであり、且つ上記組成を有するものにより中間層３４を形成した場合には、中間層３４の熱膨脹係数を他のセル構成部材熱膨張係数に近づけることができため、熱膨張差に起因するクラックの発生や剥離を抑制することができる。

本発明においては、中間層３４の厚みが１０μｍ以下、特に２乃至７μｍの範囲にあることが好ましい。中間層３４の厚みを必要以上に厚くすると、中間層３４自身が抵抗成分となってしまい、酸素極層３５と固体電解質層３４との界面の接触抵抗が若干高くなるおそれがあり、また、あまり薄いと、中間層３４の元素拡散防止機能が十分に発現せず、長時間に亘って発電を行った場合の固体電解質層３３のイオン伝導性が劣化するおそれがあるからである。

（酸素極層３５）
酸素極層３５は、通常、ＡＢＯ_３型のペロブスカイト型酸化物から形成されるが、特に本発明においては、この酸素極層３５を第１の酸素極層３５ａと第２の酸素極層３５ｂとの２層構造とすることが重要である。即ち、この第１の酸素極層３５ａは、中間層３４上に設けられている第２の酸素極層３５ｂ上に形成され、この第１の酸素極層３５ａを、ＡＢＯ_３型のペロブスカイト型酸化物から形成し、中間層３４に設けられている第２の酸素極層３５ｂを、上記のペロブスカイト型酸化物と中間層３４を形成しているＣｅ−希土類元素系複合酸化物とから形成することが重要である。即ち、このような２層構造とすることにより、第２の酸素極層３５ｂが第１の酸素極層３５ａと中間層３４との接着剤層的な役割を果たし、両層の密着強度を高め、これら層の剥離を有効に防止することができ、長期にわたって安定した発電性能を確保することができる。しかも、第２の酸素極層３５ｂ中のＣｅ−希土類元素系複合酸化物は、イオン導電性と電子伝導性を有する混合導電体であるため、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、酸素極層３５中に電子の反応場である３層界面が増加することとなり、燃料電池セル１０の出力を高めることができる。従って、第２の酸素極層３５ｂ中のＣｅ−希土類元素系複合酸化物としては、中間層３４と同様、前記式（３）で表される組成を有するものが好適である。

また、第１の酸素極層３５ａ或いは第２の酸素極層３５ｂにおけるペロブスカイト型酸化物としては、遷移金属ペロブスカイト型酸化物、特にＡサイトにＬａを有するＬａ系ペロブスカイト型酸化物（例えばＬａＭｎＯ_３系酸化物、ＬａＦｅＯ_３系酸化物、ＬａＣｏＯ_３系酸化物）が好適であり、６００〜１０００℃程度の作動温度での電気伝導性が高いという点から、ＬａＦｅＯ_３系酸化物が特に好適である。尚、上記ペロブスカイト型酸化物においては、ＡサイトにＬａと共にＳｒなどが存在していてもよいし、さらにＢサイトには、ＦｅとともにＣｏやＭｎが存在していてもよい。さらに、第２の酸素極層３５ｂにおけるＣｅ−希土類元素系複合酸化物と上記ペロブスカイト型酸化物との量比は、重量基準で、Ｃｅ−希土類元素系複合酸化物：ペロブスカイト型酸化物＝１：９乃至３：７の範囲であることが好ましい。

また、このような２層構造の酸素極層３５は、ガス透過性を有していなければならず、従って、その開気孔率が２０％以上、特に３０乃至５０％の範囲にあることが望ましい。

さらに、本発明においては、第２の酸素極層３５ｂの気孔率Ｂと第１の酸素極層３５ａの気孔率Ａとの比Ｂ／Ａが、０．５よりも小さいことが好ましく、特には、０．０１＜Ｂ／Ａ＜０．３の範囲にあることが好適である。即ち、第２の酸素極層３５ｂを第１の酸素極層３５ａに比して緻密に形成することにより、酸素極層３５の外側に供給される酸素を電気化学的反応場に供給しやすくなり、セルの抵抗成分を低下させることができる。

また、第２の酸素極層３５ｂの厚みＣが第１の酸素極層３５ａの厚みＤよりも薄いことが好ましく、特に第２の酸素極層３５ｂの厚みＣが、３〜３０μｍであることが最も好適である。第２の酸素極層３５ｂの厚みＣが第１の酸素極層３５ａの厚みＤよりも厚いと、機械的接合強度が弱くなり、中間層３４と酸素極層３５との間で剥離が生じ易くなり、しかもセルの抵抗が高くなって、発電特性が低下するおそれがある。さらに、十分な発電機能を確保し、長期にわたって高い発電性能を維持するためには、特に第１の酸素極層の厚みＤが３５〜８５μｍ、特に４０〜６０μｍの範囲にあることが好ましい。

（接合層３６）
本発明においては、インターコネクタ３７を支持基板３１に接合するために、接合層３６を設けることができる。かかる接合層３６は、Ｎｉ金属及び／又はＮｉ金属の酸化物と希土類で安定化したジルコニアからなり、接合層３６中の安定化ジルコニア含量は、３５乃至４５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５５体積％であるのがよい。即ち、燃料極層３２のＮｉ含有量より接合層３６中のＮｉ含有量の方を大きくすることで、接合層３６による電位降下を小さくすることができるため、発電性能の低下を回避することができる。

このような接合層３６の厚みは、インターコネクタ３７でのクラック発生、或いはインターコネクタ３７の支持基板３１からの剥離を抑えるために、１０μｍ以下であることが望ましく、特に７μｍ以下であることが好適である。

（インターコネクタ３７）
上記の酸素極層３２に対面するように、支持基板３１上に設けられているインターコネクタ３７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３１の内部を通る燃料ガス及び支持基板３１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３７は、ガスのリーク防止と電気抵抗という点から、１００〜５００μｍの厚みを有していることが望ましい。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。

（Ｐ型半導体層３８）
また、図１に示されているように、インターコネクタ３７の外面（上面）には、Ｐ型半導体層３８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（図示せず）では、インターコネクタ３７には、導電性の集電部材が接続される。この集電部材を、Ｐ型半導体層３８を介してインターコネクタ３７に接続させることにより、接触抵抗による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３０の酸素極層３５からの電流を、他方の燃料電池セル３０の支持基板３１に効率良く伝達できる。このような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３７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、特に酸素極層３５の形成に使用されている材料から形成することが望ましい。

このようなＰ型半導体層３８の厚みは、一般に、３０乃至１００μｍの範囲にあることが好ましい。また、Ｐ型半導体層３８は、開気孔率が２０％以上、特に３０〜５０％の範囲にあることが望ましい。

（反応防止層３９）
本発明においては、燃料極層３２と固体電解質層３３との相互元素拡散による界面抵抗層の形成を回避するために、燃料極層３２上に反応防止層３９を設けることが好ましい。この反応防止層３９は、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。このような複合酸化物は、一般に、下記式（４）：
（ＣｅＯ_２）_１−ｙ（ＬａＯ_１．５）_ｙ （４）
式中、ｙは、０．３＜ｙ≦０．６を満足する数である、
であらわされる組成を有していることが、燃料極層３２から固体電解質層３３へのＮｉの拡散を遮断または抑制する効果を高くできるという点で好ましい。特に式（４）中のｙの値が０．３５≦ｙ≦０．４５の範囲にあるものは、反応防止層３９の熱膨脹係数を他のセル構成部材の値に近づけることができ、熱膨張差に起因するクラックの発生や剥離を抑制することができるという点で最も好適である。

また、この反応防止層３９中には、元素拡散を遮断または抑制する効果を高くするために、Ｌａ以外の他の希土類元素、例えばＳｃ，Ｙ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，Ｌｕ等の酸化物を含有していてもよい。

また、反応防止層３９を構成する上記の複合酸化物は、イオン導電性と電子伝導性を有する混合導電体であるが、固体電解質層３３と比較して導電性は低い。しかし、反応防止層３９の厚みを１〜２０μｍ程度とすることにより、所望の元素拡散防止効果を維持しつつ、燃料電池セルの発電性能に殆ど影響を与えないようにすることができる。

（集電補助層４０）
また、本発明においては、Ｐ型半導体層３８の上面及び酸素極層３５の上面には、集電補助層４０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（図示せず）では、インターコネクタ３７には、導電性の集電部材が接続されるが、集電部材をＰ型半導体層３８に接続すると、接触抵抗が大きいため、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、集電部材を、集電補助層４０及びＰ型半導体層３８を介してインターコネクタ３７に接続させることにより、接触抵抗が小さくなり、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３０の酸素極層３５からの電流を、他方の燃料電池セル３０の支持基板３１に効率良く伝達できる。このような集電補助層４０としては、貴金属を例示することができ、特に酸素含有ガス雰囲気下で酸化され難く、高融点であるＰｔ、Ａｇ、Ｐｄ等により集電補助層４０を形成することが好適である。このような集電補助層４０の厚みは、一般に、１０〜８０μｍの範囲にあることが好ましい。

上述した図１に示す構造の本発明の燃料電池セル３０は、所謂扁平楕円形の断面を有する形状を有しているが、本発明は、このような形状に限定されず、例えば図２に示すような円筒型燃料電池セルに本発明を適用することもできる。

この図２の円筒型燃料電池セルにおいては、実質上円筒形状の導電性支持体３１の外面に、一部の空間を残して、燃料極層３２、反応防止層３９、固体電解質層３３、中間層３４及び酸素極層３５（第１の酸素極層３５ａ，第２の酸素極層３５ｂ）が、この順に積層された構造となっており、これらが積層されていない空間部分に、接合層３６を介して、集電機能を有するインターコネクタ３７が設けられた構造となっている。また、外面の中間層３４及び酸素極層３５は、電気的リークを防止するために、インターコネクタ３７とは非接触に形成されている。

図２の燃料電池セルにおいて、セルの構成部分は、全て図１と同じ材料で形成されているが、円筒状の導電性支持基板３１の内部空間が燃料ガスを流すガス流路となっており、酸素含有ガスはこのセルの外部（酸素極層３５の外側）に流されるようになっている。セルスタックを形成する場合には、このセルを積み重ね、例えばインターコネクタ３７上のＰ型半導体層３８及び集電補助層４０を介して、一のセルのインターコネクタ３７が上方のセルの酸素極層３５に接合された構造とすればよい。このような燃料電池セルにおいても、図１の燃料電池セル１０と全く同様の効果を示す。

尚、図２の燃料電池セルにおいては、層構造を逆にすることもでき、例えば円筒状支持基板３１の内側に、燃料極層３２、固体電解質層３３及び酸素極層３５が形成された層構造とすることも可能である。この場合には、支持基板３１の内部空間に酸素含有ガスが流され、外部に燃料ガスが流されることとなる。

即ち、本発明においては、図３の発電部の概略断面構造に示されているように、導電性支持基板３１の一方の面に、燃料極層３２及び固体電解質層３３が形成され、さらに、その上に中間層３３を介して２層の酸素極層３５が形成されている限り、種々の構造を取ることができ、さらには、所定の強度が保持される限り、導電性支持基板３１を設けず、例えば燃料極層３２自体で、このような支持基板を形成することも可能である。

（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、以下のようにして製造される。

先ず、所定の鉄族金属成分（例えばＮｉやＮｉＯ）の粉末と、希土類元素酸化物（例えばＹ_２Ｏ_３）の粉末と、有機バインダーと、溶媒と、必要により市販の造孔剤とを混合して成形用スラリーを調製し、このスラリーを用いて、常法にしたがい、所定形状の支持基板用成形体を作製する。

また、所定の微細な粒径を有する希土類元素が固溶したＣｅＯ_２粉末と、Ｎｉ及び／又はＮｉＯ粉末とを所定量比で混合した混合粉末に、有機バインダーと、溶媒と、市販の分散剤とを加えてスラリーを調製し、このスラリーを用いて、スクリーン印刷等の方法で、上記の支持基板用成形体の所定位置に、塗布し、乾燥することにより、燃料極コーティング層を形成する。

次に、Ｌａが固溶したＣｅＯ_２粉末或いはＣｅが固溶したＬａ_２Ｏ_３粉末などの複合酸化物粉末と、有機バインダー（アクリル樹脂）と、溶媒（トルエン）とを混合した反応防止層用ペーストを、スクリーン印刷等で、上記の燃料極コーティング層上に塗布し、乾燥させることにより、反応防止層用のコーティング層を形成することにより、支持基板用成形体の一方の面に、燃料極コーティング層及び反応防止層用コーティング層が積層された積層成形体を得る。

さらに、ランタンガレート粉末等の固体電解質原料粉末に、トルエン等の溶媒、バインダー、市販の分散剤を加えて成形用スラリーを調製し、ドクターブレード等の方法により成形して、シート状の固体電解質成形体を作製する。この場合、固体電解質原料粉末は、ペチニ法等の液相法で作製されたものであることが、不純物量が少なく、合成率が非常に高いという点で好ましい。また、この固体電解質原料粉末の平均粒径は、０．５〜１．５μｍ、特に０．６〜１．２μｍの範囲にあることが、より低温で焼結できるという点で好適である。即ち、このような微粒の原料粉末を用いて成形されたＬＳＧＭ固体電解質成形体は、例えば、以下に述べる低温での焼成により、緻密な（例えば相対密度が９８％以上）の固体電解質層３３を形成することが可能となるため、焼成時における支持基板３１や酸素極層３５から固体電解質層３３への元素の拡散を抑えるという点で極めて有利である。

次いで、上記の固体電解質成形体を、先に得られた積層成形体の反応防止層用コーティング層上に積層し、乾燥させ、必要により６００乃至１０００℃程度の温度で仮焼する。

一方、前記式（３）で表される組成のＣｅ−希土類元素系複合酸化物粉末などの中間層形成用原料粉末を、溶媒や、アクリルバインダーなどの有機バインダーと混合して中間層形成用スラリーを調製し、このスラリーをスクリーン印刷などにより、上記の積層成形体の固体電解質成形体上に塗布し、乾燥することにより、中間層用コーティング層を形成する。尚、上記の中間層形成用原料粉末は、必要により、解砕、仮焼及び再度の解砕などにより、粒子形状や粒度調整して使用することもできる。

また、ランタンクロマイト酸化物などのインターコネクタ用原料粉末を、溶媒や有機バインダーと混合してスラリーを調製し、このスラリーを用いてドクターブレード法などによってシート状のインターコネクタ用成形体を作製する。このインターコネクタの一方の面には、Ｎｉ粉末や安定化ジルコニア粉末などを含む混合粉末を用いて調製されたスラリーを塗布し、接合層用コーティング層を形成しておく。また、インターコネクタの他面に、Ｐ型半導体層の原料粉末を含むスラリー乃至ペーストを塗布し乾燥してＰ型半導体層用コーティング層を形成しておく。

次いで、上記のインターコネクタ成形体を、上記の積層成形体の所定部位に、接合層用コーティング層が対面するようにして積層し、脱脂処理した後、酸素含有雰囲気中で、例えば１２００乃至１４５０℃の温度で同時焼成を行い、Ｐ型半導体層／インターコネクタ／接合層／支持基板／燃料極層／反応防止層／固体電解質層／中間層からなる積層焼結体を作製する。（尚、Ｐ型半導体層は、この積層焼結体のインターコネクタ上にコーティング層を形成し、このコーティング層を、以下に述べる酸素極層と同時に焼付けることによって形成することもできる。

この後、ペロブスカイト酸化物粉末とＣｅ−希土類元素系複合酸化物粉末とを含む第２酸素極層用原料粉末を、トルエン等の溶媒、有機バインダー、市販の分散剤などと混合してスラリーを調製し、このスラリーを、スクリーン印刷等の方法で上記積層焼結体の中間層上に塗布し、乾燥することにより、第２酸素極層用コーティング層を形成する。

また、ペロブスカイト酸化物粉末などの第１酸素極層用原料粉末を、溶媒及び市販の分散剤等と混合してスラリーを調製し、このスラリーを、上記第２酸素極層用コーティング層上に塗布し、乾燥及び焼付けを行うことにより、第２酸素極層上に第１酸素極層が設けられた２層構造の酸素極層を形成することができる。この場合、第２酸素極層の気孔率Ｂと第１酸素極層の気孔率Ａとの気孔率比Ｂ／Ａを前述した範囲に調製するためには、第２酸素極層の形成に際してはスラリー塗布をスクリーン印刷法などの印刷法により行い、第１酸素極層の形成に際しては、スプレー噴霧により行うことが好ましい。即ち、スプレー噴霧によるコーティング層を焼き付けることにより形成される第１酸素極層は、印刷法による第２酸素極層に比して気孔率が高くなり、気孔率比Ｂ／Ａを前述した所定の範囲に調整することができる。また、スプレー噴霧によりスラリーの塗布を行うために、かかるスラリー（第１酸素極形成用スラリー）は、バインダーを使用せずに調製されることが好ましく、さらに、該スラリー層の焼付けは、高温（例えば９００乃至１２００℃程度）で行うこともできる。

上記のようにして第１及び第２の酸素極層を形成した後、第１酸素極層及びＰ型半導体層上に、集電補助層としてＰｔペースト等の貴金属ペーストを塗布し、１３０℃〜２００℃程度で乾燥することで、図１或いは図２に示すような燃料電池セルを作製することができ、このような燃料電池セルの複数を直列に接続してセルスタックとし、これを所定の収容容器に配置し、所定の部位に燃料ガス及び酸素含有ガスを流し、所定の作動温度に加熱することにより、燃料電池として機能させることができる。

尚、燃料電池セル３０は、酸素含有雰囲気での焼成により、燃料極層３２中のＮｉ成分が、ＮｉＯとなっているため、その後、ガス流路３１ａから還元性の燃料ガスを流し、ＮｉＯを８００〜１０００℃で還元処理する。また、この還元処理は発電時に行ってもよい。

本発明を次の実験例で説明する。

（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をＮｉが４８体積％、Ｙ_２Ｏ_３が５２体積％となるように混合し、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。

次に平均粒径０．５μｍのＮｉ粉末と、Ｙ_２Ｏ_３を２０モル％固溶したＣｅＯ_２（以下ＹＤＣ２０と略す）粉末又はＳｍ_２Ｏ_３を２０モル％固溶したＣｅＯ_２（以下ＳＤＣ２０と略す）粉末とを、有機バインダー及び溶媒に混合してスラリーを調製し、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。

Ｙ_２Ｏ_３を４０モル％固溶したＣｅＯ_２（以下ＹＤＣ４０と略す）粉末と、有機バインダーと溶媒とを混合してスラリーを調製し、支持基板成形体上の燃料極層用のコーティング層の上に、スクリーン印刷法にて塗布、乾燥して、反応防止層用のコーティング層を形成した。

次に、ペロブスカイト型の（Ｌａ_０．９Ｓｒ_０．１）（Ｇａ_０．８Ｍｇ_０．２）Ｏ_３粉末と有機バインダーと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ドクターブレード法にて厚み３０μｍの固体電解質層用シートを作製し、上記の反応防止層用のコーティング層上に貼り付け、乾燥して積層成形体を作製した。

上記で作製された積層成形体を、６００℃、４時間で脱脂処理し、次いで１０００℃で１時間、仮焼処理した。

次に、Ｌａ_２Ｏ_３を２０モル％固溶したＣｅＯ_２（以下ＬＤＣ２０と略す）粉末を、振動ミルにて２４時間解砕した後、９００℃で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（レーザー回折による粒径／比表面積から計算した疑似球形状粒径）を１０〜２０に調整した。この粉末に、アクリル系バインダーとトルエンとを添加混合して中間層用のスラリー調製し、このスラリーを、上記積層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、乾燥した。

また、平均粒径が０．３μｍのＬａＣｒＯ_３粉末と、有機バインダーと溶媒を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にて成形し、シート状のインターコネクタ成形体を作製した。

さらに、ＹＤＣ２０粉末又はＳＤＣ２０粉末とＮｉＯ粉末とを、４５：５５の体積比で混合し、有機バインダーと溶媒とを添加して接合層用スラリーを調製し、スクリーン印刷法にて、このスラリーをインターコネクタ成形体に塗布し、接合層用コーティング層を形成した。

次いで、このインターコネクタ成形体を、上記の仮焼体の支持基板成形体露出面に積層し、酸素含有雰囲気中で、１４００℃で２時間、同時焼成を行い、積層焼結体を得た。

また、酸素極層用ペロブスカイト酸化物粉末として、平均粒径が０．８μｍの下記のＬＳＣＦ粉末を用意した。
（Ｌａ_０．６Ｓｒ_０．４）（Ｃｏ_０．６Ｆｅ_０．４）Ｏ_３粉末：６４６４と略す。
（Ｌａ_０．６Ｓｒ_０．４）（Ｃｏ_０．２Ｆｅ_０．８）Ｏ_３粉末：６４２８と略す。

先に用いたＬＤＣ２０粉末と上記のＬＳＣＦ粉末とを、表１に示す割合で混合し、有機バインダーと溶媒とを添加してスラリー調製し、このスラリーを、スクリーン印刷法にて積層焼結体に形成されている中間層上に種々の厚みで塗布し、１３０℃にて乾燥して、第２酸素極層を形成した。

また、表１に示すＬＳＣＦ粉末とイソプロピルアルコールとを混合してスラリーを調製し、このスラリーを、第２酸素極層用コーティング層上に噴霧塗布し、第１酸素極層用コーティング層を形成し、表１で示した温度で焼き付け、２層構造の酸素極層を形成し、燃料電池セルを得た。

得られた燃料電池セルを、走査型電子顕微鏡を用いて第１及び第２酸素極層の厚みを測定し表１に示した。また、第１及び第２酸素極層の気孔率も測定し、表１に示した。尚、気孔率は、作製された燃料電池セルを横断面方向に一部切り出し、樹脂に埋め込んだ後、観察面を研磨し、該研磨面を走査型電子顕微鏡（SEM）にて観察し、画像解析装置により算出した。

なお、作製した燃料電池セルの寸法は２５ｍｍ×２００ｍｍで、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％、酸素極層のトータル厚みは５０μｍ（開気孔率４０％）、固体電解質層の厚さは２５μｍ、相対密度は９７％、反応防止層の厚みは１０μｍ、中間層の厚みは５μｍであった。

次に、この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。この後、得られた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８５０℃まで加熱し、発電試験を行った。このときの発電特性を確認し、表１に示した。

表１の結果から、第２酸素極層を持たない試料Ｎｏ．１は、表面拡散に対する反応場が少なく、第２酸素極層の体積拡散に頼っているため出力密度が低い。また、第２酸素極層にＬＤＣ２０を含まない試料Ｎｏ２、４は、第２酸素極層での表面拡散が空気極内部での反応場の数が少なく、充分に生かし切れていない為に出力密度が低い。

一方、第２酸素極層の厚みが２５μｍを越えると（試料Ｎｏ．３）、酸素ガスが第２酸素極層に到達しても厚みが厚く、電解質界面の反応場への移動が体積拡散のみとなり、発電特性が低い。

また、第１酸素極層にて体積拡散で供給される酸素イオンと第１酸素極層の空隙を通って第２酸素極層に供給された空気を表面拡散で反応場へ酸素を送る機構のバランスの取れた試料Ｎｏ．５〜１８は高い出力特性を示していることから、第２酸素極層のＬＤＣ２０とＬＳＣＦの重量比率は１：９〜３：７の間が良く、第２酸素極層の厚みは５μｍ〜２０μｍがよい。ＬＳＣＦの組成は焼き付け時のＣｏの分解を考えた温度域で有れば特に影響しない。

本発明の燃料電池セルの代表的な構造を示す図であり、図１中（ａ）は、横断面図であり、（ｂ）は部分斜視図である。 本発明の燃料電池セルの他の例の構造を示す図であり、図２中（ａ）は、横断面図であり、（ｂ）は部分斜視図である。 本発明の燃料電池セルにおける発電部分の層構造を示す概略横断面図である。 従来の燃料電池セルからなるセルスタックを示す横断面図である。

符号の説明

３０・・・燃料電池セル
３１・・・支持基板
３１ａ・・・燃料ガス通路
３２・・・燃料極層
３３・・・固体電解質層
３４・・・中間層
３５ａ・・・第２酸素極層
３５ｂ・・・第１酸素極層

Claims (7)

1. 酸素極層と燃料極層との間にペロブスカイト型固体電解質層が配置されている燃料電池セルにおいて、
   前記固体電解質層と前記酸素極層との間に、ＣｅＯ_２とＬｎ_２Ｏ_３（Ｌｎは希土類元素）からなる複合酸化物で構成された中間層が形成されており、
   前記酸素極層が、第１の酸素極層と第２の酸素極層との２層構造を有し、第１の酸素極層は、前記中間層上に設けられた第２の酸素極層上に位置し、且つペロブスカイト型酸化物から形成され、前記中間層上に設けられた第２の酸素極層は、前記中間層形成用複合酸化物と前記ペロブスカイト型酸化物とから形成されていることを特徴とする燃料電池セル。
2. 前記中間層を構成する複合酸化物は、下記式：
   （ＣｅＯ_２）_１−ｘ（ＬｎＯ_１．５）_ｘ
   式中、Ｌｎは、Ｌａ、Ｓｍ、Ｙの少なくとも１種であり、
   ｘは、０．１≦ｘ≦０．３を満足する数である、
   で表される組成を有している請求項１に記載の燃料電池セル。
3. 前記中間層の厚みが１０μｍ以下である請求項１または２に記載の燃料電池セル。
4. 前記固体電解質層がランタンガレート系ペロブスカイト型酸化物から形成されている請求項１乃至３のいずれかに記載の燃料電池セル。
5. 前記燃料極層が導電性支持基板上に設けられており、該燃料極層上に、前記固体電解質層、中間層及び酸素極層が設けられている請求項１乃至４のいずれかに記載の燃料電池セル。
6. 第２の酸素極層の気孔率Ｂと第１の酸素極層の気孔率Ａとの気孔率比Ｂ／Ａが、０．５よりも低く、第２の酸素極層の厚みＣが第１の酸素極層の厚みＤよりも薄く、且つ第２の酸素極層の厚みＤが３５〜８５μｍである請求項１乃至５のいずれかに記載の燃料電池セル。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載の燃料電池セルの複数を電気的に直列に接続してなる少なくとも１個のセルスタックを収容容器に収容してなることを特徴とする燃料電池。

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