JP2009181928A - 固体酸化物形燃料電池セル体およびその固体酸化物形燃料電池セル体を用いた燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】導電率のよいＬａ_１−ｙＳｒ_ｙＮｉ_１−ｘＦｅ_ｘＯ_３を空気極支持体として用いた固体酸化物形燃料電池セル体を提供すること。
【解決手段】空気極支持体と、前記空気極支持体に配置される電解質と、を備える固体酸化物形燃料電池セル体であって、前記空気極支持体がＬａ_１−ｙＳｒ_ｙＮｉ_１−ｘＦｅ_ｘＯ_３からなり、また前記電解質が少なくとも安定化ジルコニアとＦｅ元素を含み、前記電解質における前記Ｆｅ元素の含有量がＦｅ_２Ｏ_３の酸化物換算量で０．５重量％以上、２０重量％以下であることで、導電率のよいＬａ_１−ｙＳｒ_ｙＮｉ_１−ｘＦｅ_ｘＯ_３を空気極支持体として用いた固体酸化物形燃料電池セル体を提供することが可能になった。
【選択図】 図１

Description

本発明は空気極支持体を備えた固体酸化物形燃料電池セル体に関する。

従来の固体酸化物形燃料電池用空気極材料として、Ｌａ_１−ｙＳｒ_ｙＮｉ_１−ｘＦｅ_ｘＯ_３で表される空気極材料が提案されている（例えば特許文献１参照）。前記空気極材料は導電率が高いので、固体酸化物形燃料電池セル体の出力性能の向上を行なう上で有望な材料として検討されている。

また、固体酸化物形燃料電池の電解質としては、電解質材料として安定化ジルコニアを用い、前記安定化ジルコニアにＦｅ元素を含ませた電解質が提案されている（例えば特許文献２、３）。特許文献２、３では安定化ジルコニアにＦｅ元素を含ませることで、電解質のガス機密性や導電率を向上させている。

さらに、固体酸化物形燃料電池セル体として、（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ_３で表されるようなペロブスカイト型酸化物を空気極支持体とした固体酸化物形燃料電池セル体も提案されている（例えば特許文献４）。
特開２００２−１５１０９１号公報 特開平６−１０３９８８号公報 特開２００１−１１８５９０号公報 特開２００７−７３３３６号公報

ところで、本発明者らは固体酸化物形燃料電池セル体の出力性能を向上させるために様々な検討を行なった結果、導電率のよいＬａ_１−ｙＳｒ_ｙＮｉ_１−ｘＦｅ_ｘＯ_３を空気極支持体として用いた際に不具合の発生する場合があることを見出した。

本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、導電率のよいＬａ_１−ｙＳｒ_ｙＮｉ_１−ｘＦｅ_ｘＯ_３を空気極支持体として用いた固体酸化物形燃料電池セル体を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明の固体酸化物形燃料電池セル体は、空気極支持体と、前記空気極支持体に配置される電解質と、を備える固体酸化物形燃料電池セル体であって、前記空気極支持体がＬａ_１−ｙＳｒ_ｙＮｉ_１−ｘＦｅ_ｘＯ_３からなり、また前記電解質が少なくとも安定化ジルコニアとＦｅ元素を含み、前記電解質における前記Ｆｅ元素の含有量がＦｅ_２Ｏ_３の酸化物換算量で０．５重量％以上、２０重量％以下であることを特徴とする。

本発明によれば、導電率のよいＬａ_１−ｙＳｒ_ｙＮｉ_１−ｘＦｅ_ｘＯ_３を空気極支持体として用いた固体酸化物形燃料電池セル体を提供することができる。

本発明を実施するための最良の形態を説明するのに先立って、本発明の作用効果について説明する。

本発明に係る固体酸化物形燃料電池セル体は、空気極支持体と、前記空気極支持体に配置される電解質と、を備える固体酸化物形燃料電池セル体であって、前記空気極支持体がＬａ_１−ｙＳｒ_ｙＮｉ_１−ｘＦｅ_ｘＯ_３からなり、また前記電解質が少なくとも安定化ジルコニアとＦｅ元素を含み、前記電解質における前記Ｆｅ元素の含有量がＦｅ_２Ｏ_３の酸化物換算量で０．５重量％以上、２０重量％以下であることを特徴とする。

この好ましい様態によれば、電解質にＦｅ_２Ｏ_３の酸化物換算量で０．５重量％以上、２０重量％以下のＦｅ元素を含むことで導電率の高いＬａ_１−ｙＳｒ_ｙＮｉ_１−ｘＦｅ_ｘＯ_３空気極支持体を用いた際に不具合なくセルを作製することができる。そのため、導電率のよいＬａ_１−ｙＳｒ_ｙＮｉ_１−ｘＦｅ_ｘＯ_３を空気極支持体として用いた固体酸化物形燃料電池セル体を提供することができる。

また、本発明に係る固体酸化物形燃料電池セル体は、空気極支持体と、前記空気極支持体に配置される空気極中間層と、前記空気極中間層に配置される電解質と、を備える固体酸化物形燃料電池セル体であって、前記空気極支持体がＬａ_１−ｙＳｒ_ｙＮｉ_１−ｘＦｅ_ｘＯ_３からなり、また前記電解質が少なくとも安定化ジルコニアとＦｅ元素を含み、前記電解質における前記Ｆｅ元素の含有量がＦｅ_２Ｏ_３の酸化物換算量で０．５重量％以上、２０重量％以下であることを特徴とする。

この好ましい様態によれば、電解質にＦｅ_２Ｏ_３の酸化物換算量で０．５重量％以上、２０重量％以下のＦｅ元素を含むことで導電率の高いＬａ_１−ｙＳｒ_ｙＮｉ_１−ｘＦｅ_ｘＯ_３空気極支持体を用い、空気極支持体に空気極中間層を配置した際にも不具合なくセルを作製することができる。そのため、導電率のよいＬａ_１−ｙＳｒ_ｙＮｉ_１−ｘＦｅ_ｘＯ_３を空気極支持体として用いた固体酸化物形燃料電池セル体を提供することができる。さらに空気極中間層を空気極支持体に配置させることで、空気極支持体内部を流れてきた電子と外部の酸素ガスが反応し、酸素イオンを生じる反応が進みやすくなるので、より出力性能の高い固体酸化物形燃料電池セル体を提供することができる。

また、本発明に係る固体酸化物形燃料電池セル体は、前記固体酸化物形燃料電池セル体が円筒型であることが好ましい。

この好ましい様態によれば、固体酸化物形燃料電池セル体が円筒型であることで、ガスシール性に優れ、温度の昇降温に対する熱応力に強く、また機械的強度に優れた固体酸化物形燃料電池セル体とすることができる。

また、本発明に係る固体酸化物形燃料電池は、空気極支持体と、前記空気極支持体に配置される空気極中間層と、前記空気極中間層に配置される電解質と、を備える固体酸化物形燃料電池セル体であって、前記空気極支持体がＬａ_１−ｙＳｒ_ｙＮｉ_１−ｘＦｅ_ｘＯ_３からなり、また前記電解質が少なくとも安定化ジルコニアとＦｅ元素を含み、前記電解質における前記Ｆｅ元素の含有量がＦｅ_２Ｏ_３の酸化物換算量で０．５重量％以上、２０重量％以下であることを特徴とする固体酸化物形燃料電池セル体を備えることが好ましい。

この好ましい様態によれば、出力性能の高い、高導電性空気極支持体を用いてセル体を作製することができたので、必要出力を得るためのセル体数を少なくすることが可能となり、ダウンサイジングしたコンパクトな固体酸化物形燃料電池とすることができる。

以下、本発明における固体酸化物形燃料電池セル体について、詳細に説明する。

代表的な固体酸化物形燃料電池セル体の一例である、円筒型セル体を図１に示す。空気極支持体１上に固体電解質３、さらに固体電解質３の上にインターコネクタ２と接触しないように燃料極４が構成されている。発電に際して、空気極支持体１と固体電解質３の界面で、インターコネクタ２を経由して空気極内部を流れてきた電子と外部の酸素ガスが反応し、（１）式に示すように酸素イオンを生じる。この酸素イオンが固体電解質３を通って燃料極４に達し、燃料ガス中の水素や一酸化炭素と酸素イオンが反応して水あるいは二酸化炭素と電子を生成する。これらの反応は（２）、（３）式で示される。
Ｏ_２＋４ｅ⁻ → ２Ｏ^２− …（１）
Ｈ_２＋Ｏ^２− → Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ …（２）
ＣＯ＋Ｏ^２− → ＣＯ_２＋２ｅ⁻ …（３）

円筒型タイプの支持体としては、カルシア安定化ジルコニア等の支持機能のみを持たせたタイプ、（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ_３等の空気極と支持機能の２機能をあわせもつタイプ、および燃料極と支持機能の２機能をあわせもつタイプがある。このうち、支持機能のみを持たせたタイプは、空気極を支持体とするタイプと比較して電子伝導性が低下し出力性能が低下する。一方、燃料極を支持体とするタイプでは、作動温度７００℃〜１０００℃において、固体酸化物形燃料電池で発電した電気を長時間安定に集電する方法に課題がある。また、燃料極は通常、セル体作製時には酸化物であり発電時に金属に還元されるが、このとき体積変化が生じるため、燃料極を支持体とする場合はセル体が破損しやすい恐れがある。このように、空気極を支持体とするタイプは出力性能、信頼性ともに高く、安定して電気を供給することができる。なお、この場合の支持体は円筒型タイプに限らず、他の型であっても同様のことが言える。

高い出力性能を得るために、空気極には高い電子導電性をもつことが求められる。円筒型セル体は空気極内部を流れる電流の流路が長いため、セル体の総抵抗における空気極の寄与率が大きい。そのため、電子導電性の高い材料を空気極に用いることにより、出力性能が大きく向上することが、発明者らのシミュレーション結果から明らかになっている。

本発明の固体酸化物形燃料電池セル体は、空気極支持体と電解質の間に電子導電性材料及び酸素イオン導電性材料を含む空気極中間層を備えていてもよい。空気極中間層を備えることで、インターコネクタを経由して空気極内部を流れてきた電子と外部の酸素ガスが反応し、酸素イオンを生じる反応が促進され、出力性能が向上するので好ましい。

本発明の安定化ジルコニアには、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、スカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）、イッテルビウム安定化ジルコニア（ＹｂＳＺ）、カルシア安定化ジルコニア（ＣＳＺ）、その他、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｅｒなどの希土類酸化物で安定化したジルコニアなどが用いられる。また、前記安定化ジルコニアにはさらにＣｅＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３、Ｅｒ_２Ｏ_３などの希土類酸化物やＡｌ_２Ｏ_３が１種または２種以上、適量固溶されていてもよい。酸素イオン導電性が高い点から、ＳｃＳＺが好ましく、コストの点からはＹＳＺやＣＳＺが好ましい。

電解質は複数層で構成されていてもよい。導電率の高いＳｃＳＺと安価なＹＳＺやＣＳＺを積層させてもよい。複数層とすることで、性能向上とコスト低減の両方を兼ね備えることができるのでより好ましい。さらに、酸素イオン導電性の高い材料が電極と接しているほうが、電極過電圧が低減する。前記点から、空気極及び燃料極にＳｃＳＺが接するように電解質をＳｃＳＺ／ＹＳＺ／ＳｃＳＺのように３層積層体としたほうが更なる性能向上の点からより好ましい。

以下に本発明の実施例を添付の図面を参照して説明する。なお、当然のことであるが本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

（空気極の導電率評価）
空気極の導電率を評価するために、以下のような実験を行なった。まず、各実験用試料の作製方法について、以下に記載する。

（参考例１）
空気極の組成はＬａ_０．９５Ｓｒ_０．０５Ｎｉ_０．５Ｆｅ_０．５Ｏ_３（ＬＳＮＦ）組成で表されるＳｒを固溶させたランタンニッケル鉄系ペロブスカイト型酸化物であって、粉末混合法で作製後熱処理して原料粉末を得た。原料粉末を押し出し成形し、焼成することで円筒型空気極支持体を得た。前記円筒型空気極支持体を実験用試料とした。

（参考例２）
空気極の組成はＬａ_０．７５Ｓｒ_０．２５ＭｎＯ_３（ＬＳＭ）組成で表されるＳｒを固溶させたランタンマンガン系ペロブスカイト型酸化物であって、粉末混合法で作製後熱処理して原料粉末を得た。原料粉末を押し出し成形し、焼成することで円筒型空気極支持体を得た。前記円筒型空気極支持体を実験用試料とした。

（評価方法）
参考例１及び参考例２の導電率について、次のように評価した。まず作製した実験用試料の両端表面にＰｔペーストを円周方向に一周塗布し、乾燥させて電流用電極とした。次に電流用電極から５ｍｍ距離をとった内側にＰｔペーストを円周方向に一周塗布し、乾燥させて電圧用電極とした。前記電流用電極上及び電圧用電極上にφ５ｍｍのＰｔ線を円周方向に一周巻きつけ、Ｐｔペーストを塗布し、乾燥後、１０００℃、１時間で焼付けることで電流端子及び電圧端子を取り付けた。前記実験用試料を９００℃、大気雰囲気の条件下にて、直流４端子法による導電率測定を行ない、（４）式より導電率を算出した。
σe＝L／A×（V／I） ・・・（４）
ここで、σeは導電率、Lは電位端子間距離、Aは試料の断面積、Vは電位、Iは電流を示す。

（評価結果）
導電率評価結果について、表１に示す。表１より参考例１は参考例２に比べ導電率が２倍以上であることが確認された。導電率が高いほどインターコネクタを経由して流れてくる電子を効率よく空気極支持体の円周方向に流すことができるので、出力性能に優れる、特には電流量の多くなる高電流密度領域での出力性能を向上させた固体酸化物形燃料電池セル体を提供することができる。

（電解質の製膜評価）
次に、電解質が製膜でき、セル体が作製可能であるかどうかを評価するために、以下のような実験を行なった。まず、各実験用試料の作製方法について、以下に記載する。

（実施例１）
（１）空気極支持体の作製
空気極の組成はＬａ_０．９５Ｓｒ_０．０５Ｎｉ_０．５Ｆｅ_０．５Ｏ_３（ＬＳＮＦ）組成で表されるＳｒを固溶させたランタンニッケル鉄系ペロブスカイト型酸化物であって、粉末混合法で作製後熱処理して原料粉末を得た。原料粉末を押し出し成形法し、焼成することで円筒型空気極支持体を得た。

（２）空気極中間層の作製
空気極中間層として、Ｌａ_０．７５Ｓｒ_０．２５ＭｎＯ_３と９０ｍｏｌ％ＺｒＯ_２‐１０ｍｏｌ％Ｓｃ_２Ｏ_３とからなる材料（以下、ＬＳＭ/ＳｃＳＺと示す）を用いた。前記ＬＳＭ／ＳｃＳＺの重量比率は、５０：５０とした。Ｌａ，Ｓｒ，Ｍｎ，ＺｒおよびＳｃの各々の硝酸塩水溶液を用いて、前記組成になるように調合した後、シュウ酸を加え沈殿させた。該沈殿物と上澄み液を乾燥し、さらに熱処理し、粒径を制御した後原料粉末を得た。該電極反応層粉末４０重量部と溶媒(エタノール)１００重量部、バインダー（エチルセルロース）２重量部、分散剤(ポリオキシエチレンアルキルリン酸エステル)１重量部、消泡剤(ソルビタンセスキオレート)１重量部とを混合した後、十分攪拌してスラリーを調整した。前記スラリーを、空気極支持体上にスラリーコート法で成膜、焼成することで空気極中間層膜を得た。

（３）電解質の作製
電解質材料として、９０ｍｏｌ％ＺｒＯ_２‐１０ｍｏｌ％Ｙ_２Ｏ_３（以下１０ＹＳＺと示す）を用いた。ＺｒＯ_２を１００℃で加熱した３Ｎ以上の濃硝酸に溶解させ、蒸留水で希釈した後、硝酸塩水溶液を得た。Ｙ_２Ｏ_３についても同様の方法から硝酸塩水溶液を得た。各々の硝酸塩水溶液を前記組成になるように調合し、シュウ酸水溶液を加え、共沈させた。共沈して得られた沈殿物と上澄み液を２００℃程度で乾燥し、５００℃で熱分解、さらに８００℃で１０時間熱処理をして原料粉末を得た。該粉末３９．８重量部とＦｅ_２Ｏ_３粉末０．２重量部を溶媒(エタノール)１００重量部、バインダー（エチルセルロース）２重量部、分散剤(ポリオキシエチレンアルキルリン酸エステル)１重量部、消泡剤(ソルビタンセスキオレート)１重量部とを混合した後、十分攪拌してスラリーを調整した。空気極中間層上に、スラリーコート法で成膜、焼成することで電解質膜を得た。

（実施例２）
１０ＹＳＺ粉末を３９．６重量部、Ｆｅ_２Ｏ_３粉末を０．４重量部としたこと以外は実施例１と同様である。

（実施例３）
１０ＹＳＺ粉末を３９．２重量部、Ｆｅ_２Ｏ_３粉末を０．８重量部としたこと以外は実施例１と同様である。

（実施例４）
１０ＹＳＺ粉末を３８．８重量部、Ｆｅ_２Ｏ_３粉末を１．２重量部としたこと以外は実施例１と同様である。

（実施例５）
１０ＹＳＺ粉末を３８．４重量部、Ｆｅ_２Ｏ_３粉末を１．６重量部としたこと以外は実施例１と同様である。

（実施例６）
１０ＹＳＺ粉末を３７．６重量部、Ｆｅ_２Ｏ_３粉末を２．４重量部としたこと以外は実施例１と同様である。

（実施例７）
１０ＹＳＺ粉末を３７．２重量部、Ｆｅ_２Ｏ_３粉末を２．８重量部としたこと以外は実施例１と同様である。

（実施例８）
１０ＹＳＺ粉末を３６．８重量部、Ｆｅ_２Ｏ_３粉末を３．２重量部としたこと以外は実施例１と同様である。

（実施例９）
１０ＹＳＺ粉末を３６重量部、Ｆｅ_２Ｏ_３粉末を４重量部としたこと以外は実施例１と同様である。

（実施例１０）
１０ＹＳＺ粉末を３４重量部、Ｆｅ_２Ｏ_３粉末を６重量部としたこと以外は実施例１と同様である。

（実施例１１）
１０ＹＳＺ粉末を３２重量部、Ｆｅ_２Ｏ_３粉末を８重量部としたこと以外は実施例１と同様である。

（比較例１）
１０ＹＳＺ粉末を４０重量部とし、Ｆｅ_２Ｏ_３粉末を加えなかったこと以外は実施例１と同様である。

（比較例２）
１０ＹＳＺ粉末を３９．８８重量部、Ｆｅ_２Ｏ_３粉末を０．１２重量部としたこと以外は実施例１と同様である。

（比較例３）
１０ＹＳＺ粉末を３０重量部、Ｆｅ_２Ｏ_３粉末を１０重量部としたこと以外は実施例１と同様である。

（実施例１２）
電解質材料として、８９ｍｏｌ％ＺｒＯ_２‐１０ｍｏｌ％Ｓｃ_２Ｏ_３‐１ｍｏｌ％ＣｅＯ_２（以下１０ＳｃＳＺと示す）を用いた。ＺｒＯ_２を１００℃で加熱した３Ｎ以上の濃硝酸に溶解させ、蒸留水で希釈した後、硝酸塩水溶液を得た。Ｓｃ_２Ｏ_３、ＣｅＯ_２についても同様の方法から硝酸塩水溶液を得た。各々の硝酸塩水溶液を前記組成になるように調合し、シュウ酸水溶液を加え、共沈させた。共沈して得られた沈殿物と上澄み液を２００℃程度で乾燥し、５００℃で熱分解、さらに８００℃で１０時間熱処理をして原料粉末を得た。該粉末３９．８重量部とＦｅ_２Ｏ_３粉末０．２重量部を溶媒(エタノール)１００重量部、バインダー（エチルセルロース）２重量部、分散剤(ポリオキシエチレンアルキルリン酸エステル)１重量部、消泡剤(ソルビタンセスキオレート)１重量部とを混合した後、十分攪拌してスラリーを調整した。実施例１と同様の空気極中間層上に、スラリーコート法で成膜、焼成することで電解質膜を得た。

（実施例１３）
１０ＳｃＳＺ粉末を３９．６重量部、Ｆｅ_２Ｏ_３粉末を０．４重量部としたこと以外は実施例１２と同様である。

（実施例１４）
１０ＳｃＳＺ粉末を３９．２重量部、Ｆｅ_２Ｏ_３粉末を０．８重量部としたこと以外は実施例１２と同様である。

（実施例１５）
１０ＳｃＳＺ粉末を３８．８重量部、Ｆｅ_２Ｏ_３粉末を１．２重量部としたこと以外は実施例１２と同様である。

（実施例１６）
１０ＳｃＳＺ粉末を３８重量部、Ｆｅ_２Ｏ_３粉末を２重量部としたこと以外は実施例１２と同様である。

（実施例１７）
１０ＳｃＳＺ粉末を３７．６重量部、Ｆｅ_２Ｏ_３粉末を２．４重量部としたこと以外は実施例１２と同様である。

（実施例１８）
１０ＳｃＳＺ粉末を３７．２重量部、Ｆｅ_２Ｏ_３粉末を２．８重量部としたこと以外は実施例１２と同様である。

（実施例１９）
１０ＳｃＳＺ粉末を３６．８重量部、Ｆｅ_２Ｏ_３粉末を３．２重量部としたこと以外は実施例１２と同様である。

（比較例４）
１０ＳｃＳＺ粉末を４０重量部とし、Ｆｅ_２Ｏ_３粉末を加えなかったこと以外は実施例１２と同様である。

（比較例５）
１０ＳｃＳＺ粉末を３９．８８重量部、Ｆｅ_２Ｏ_３粉末を０．１２重量部としたこと以外は実施例１２と同様である。

（実施例２０）
実施例１と同様の空気極中間層上に実施例２で作製したＹＳＺ電解質をスラリーコート法で成膜した後、ＹＳＺ電解質上に実施例１３で作製したＳｃＳＺ電解質をスラリーコート法で成膜し、焼成することでＹＳＺ／ＳｃＳＺ積層電解質膜を得た。すなわちＹＳＺにＦｅ元素がＦｅ_２Ｏ_３の酸化物換算で１重量％、ＳｃＳＺにＦｅ元素がＦｅ_２Ｏ_３の酸化物換算で１重量％含まれており、電解質全体としてＦｅ元素がＦｅ_２Ｏ_３の酸化物換算量で２重量％含まれている電解質膜である。

（実施例２１）
実施例１と同様の空気極中間層上に実施例３で作製したＹＳＺ電解質をスラリーコート法で成膜した後、ＹＳＺ電解質上に実施例１４で作製したＳｃＳＺ電解質をスラリーコート法で成膜し、焼成することでＹＳＺ／ＳｃＳＺ積層電解質膜を得た。すなわちＹＳＺにＦｅ元素がＦｅ_２Ｏ_３の酸化物換算で２重量％、ＳｃＳＺにＦｅ元素がＦｅ_２Ｏ_３の酸化物換算で２重量％含まれており、電解質全体としてＦｅ元素がＦｅ_２Ｏ_３の酸化物換算量で４重量％含まれている電解質膜である。

（実施例２２）
実施例１と同様の空気極中間層上に実施例１３で作製したＳｃＳＺ電解質をスラリーコート法で成膜した後、実施例２で作製したＹＳＺ電解質をスラリーコート法で成膜し、さらにＹＳＺ電解質上に実施例１３で作製したＳｃＳＺ電解質をスラリーコート法で成膜し、焼成することでＳｃＳＺ／ＹＳＺ／ＳｃＳＺ積層電解質膜を得た。すなわち空気極中間層側ＳｃＳＺにＦｅ元素がＦｅ_２Ｏ_３の酸化物換算で１重量％、ＹＳＺにＦｅ元素がＦｅ_２Ｏ_３の酸化物換算で１重量％、ＹＳＺ電解質上のＳｃＳＺにＦｅ元素がＦｅ_２Ｏ_３の酸化物換算で１重量％含まれており、電解質全体としてＦｅ元素がＦｅ_２Ｏ_３の酸化物換算量で３重量％含まれている電解質膜である。

（実施例２３）
実施例１と同様の空気極中間層上に実施例１４で作製したＳｃＳＺ電解質をスラリーコート法で成膜した後、実施例３で作製したＹＳＺ電解質をスラリーコート法で成膜し、さらにＹＳＺ電解質上に実施例１４で作製したＳｃＳＺ電解質をスラリーコート法で成膜し、焼成することでＳｃＳＺ／ＹＳＺ／ＳｃＳＺ積層電解質膜を得た。すなわち空気極中間層側ＳｃＳＺにＦｅ元素がＦｅ_２Ｏ_３の酸化物換算で２重量％、ＹＳＺにＦｅ元素がＦｅ_２Ｏ_３の酸化物換算で２重量％、ＹＳＺ電解質上のＳｃＳＺにＦｅ元素がＦｅ_２Ｏ_３の酸化物換算で２重量％含まれており、電解質全体としてＦｅ元素がＦｅ_２Ｏ_３の酸化物換算量で６重量％含まれている電解質膜である。

（比較例６）
実施例１と同様の空気極中間層上に比較例１で作製したＹＳＺ電解質をスラリーコート法で成膜した後、ＹＳＺ電解質上に比較例４で作製したＳｃＳＺ電解質をスラリーコート法で成膜し、焼成することでＹＳＺ／ＳｃＳＺ積層電解質膜を得た。すなわち電解質にはＦｅ元素が含まれていない積層電解質膜である。

（Ｆｅ元素含有量分析方法）
実施例及び比較例の電解質に含まれるＦｅ元素の含有量の分析方法を以下に示す。作製した試料を電解質の断面が露出するように切断し、樹脂包埋した後、鏡面研磨し電解質断面の平面を出した。前記のように調整した試料の電解質断面を島津製作所製の島津電子線マイクロアナライザーＥＰＭＡ−８７０５を用いて定量分析を行なった。測定条件は以下の測定条件で行った。
加速電圧：１５ｋＷ
照射電流量：５０ｎＡ
分光結晶：ＬｉＦ
分析線：ＦｅＫα線（１．９３７Å）

（評価方法）
実施例１〜２３及び比較例１〜６の試料について、電解質焼成後の膜が製膜されているかどうかの確認を目視にて行なった。

（評価結果）
実施例１〜２３は電解質焼成後の電解質膜が剥がれることなく製膜されており、比較例１〜６は電解質焼成後に電解質膜が剥がれてしまっていた。製膜可否の結果を表２に示す。電解質焼成後の膜が製膜できたものを○、製膜できずに膜が剥がれてしまったものを×で表記した。表２の電解質におけるＦｅ元素含有量はＦｅ_２Ｏ_３の酸化物換算量で示した。また、表２の実施例２０〜２３及び比較例６は積層電解質に含まれるＦｅ元素含有量の全量をＦｅ_２Ｏ_３の酸化物換算量で示している。表２より、実施例１〜２３は電解質膜が剥がれず、製膜することが出来た。一方、比較例１〜６は焼成後に膜が剥がれてしまい、セルを作製できなかった。従って、ＹＳＺ及びＳｃＳＺにＦｅ元素を０．５重量％以上、２０重量％以下含むことで、ＬＳＮＦを空気極支持体とした固体酸化物形燃料電池セル体を作製することが可能になった。また、実施例２０〜２３及び比較例６より電解質を複数層とした場合でもＹＳＺ及びＳｃＳＺ電解質にＦｅ元素を含むことで製膜が出来ることが確認された。

以上より、電解質が少なくとも安定化ジルコニアとＦｅ元素を含み、前記Ｆｅ元素がＦｅ_２Ｏ_３の酸化物換算量で０．５重量％以上、２０重量％以下であることで、Ｌａ_１−ｙＳｒ_ｙＮｉ_１−ｘＦｅ_ｘＯ_３からなる空気極支持体を用いた際に電解質を製膜できることが明らかになった。従って、空気極の導電率を向上させて、かつ電解質が製膜できる固体酸化物形燃料電池セル体を提供することが可能になった。本発明によって、出力性能の高い固体酸化物形燃料電池セル体を提供することができる。さらには、出力性能の高い、高導電性空気極支持体を用いてセル体を作製することができたので、必要出力を得るためのセル体数を少なくすることが可能となり、モジュールとしてダウンサイジングしたコンパクトな固体酸化物形燃料電池モジュールを提供することが可能となる。

円筒縦縞型の固体酸化物形燃料電池セル体の断面を示す図である。

符号の説明

１…空気極支持体
２…インターコネクター
３…固体電解質
４…燃料極

Claims (4)

1. 空気極支持体と、前記空気極支持体に配置される電解質と、を備える固体酸化物形燃料電池セル体であって、前記空気極支持体がＬａ_１−ｙＳｒ_ｙＮｉ_１−ｘＦｅ_ｘＯ_３からなり、また前記電解質が少なくとも安定化ジルコニアとＦｅ元素を含み、前記電解質における前記Ｆｅ元素の含有量がＦｅ_２Ｏ_３の酸化物換算量で０．５重量％以上、２０重量％以下であることを特徴とする固体酸化物形燃料電池セル体。
2. 空気極支持体と、前記空気極支持体に配置される空気極中間層と、前記空気極中間層に配置される電解質と、を備える固体酸化物形燃料電池セル体であって、前記空気極支持体がＬａ_１−ｙＳｒ_ｙＮｉ_１−ｘＦｅ_ｘＯ_３からなり、また前記電解質が少なくとも安定化ジルコニアとＦｅ元素を含み、前記電解質における前記Ｆｅ元素の含有量がＦｅ_２Ｏ_３の酸化物換算量で０．５重量％以上、２０重量％以下であることを特徴とする固体酸化物形燃料電池セル体。
3. 前記固体酸化物形燃料電池セル体が円筒型であることを特徴とする請求項１または２に記載の固体酸化物形燃料電池セル体。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の固体酸化物形燃料電池セル体を備える固体酸化物形燃料電池。

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