JP2012074306A - 固体酸化物形燃料電池用発電セル - Google Patents

Abstract

【課題】作動温度がたとえば６００℃以下でも、良好な発電性能と信頼性を有する固体酸化物形燃料電池用発電セルを提供すること。
【解決手段】固体電解質（２）と、固体電解質の一方の主面に形成された空気極（３）と、固体電解質の他方の主面に形成され、ＮｉＯ／ＹＳＺからなる燃料極（４）と、を備える固体酸化物形燃料電池用発電セル（１）であって、固体電解質が、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｔｉ，Ｆｅ）Ｏ_３からなる第１固体電解質（２１）と、酸化物イオン輸率が０．９６以上であるＺｒ酸化物からなる第２固体電解質（２２）と、酸化物イオン輸率が０．９６以上であるＣｅ酸化物からなる第３固体電解質（２３）と、を有し、第１固体電解質の一方の主面に空気極が形成され、第２固体電解質の一方の主面に燃料極が形成され、第１固体電解質の他方の主面と第２固体電解質の他方の主面との間に第３固体電解質が形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池用発電セルに関し、さらに詳しくは、作動温度が低温であっても、良好な発電性能を示し、しかも高い信頼性を有する固体酸化物形燃料電池用発電セルに関する。

固体酸化物形燃料電池は、電解質としてイオン伝導性の高い酸化物セラミックスを用い、装置内で生じる電気化学反応を利用して、電力を取り出す装置である。燃料電池の中でも、固体酸化物形燃料電池は、発電効率が高く、高価な触媒も必要ではないため、温室効果ガス削減に貢献する創エネルギーデバイスとして開発が進められている。

従来の固体酸化物形燃料電池は、作動温度が高いため（たとえば８００〜１０００℃）、使用できる材料が制限される、あるいは熱サイクルによる材料の劣化などの問題点があった。そのため、作動温度を低くすることが試みられている。

たとえば、特許文献１では、電解質と燃料極との間に元素拡散抑制のためのバリア層や熱膨張差緩和のための移行層を配置する燃料電池が記載されている。しかしながら、特許文献１に記載された構成では、電解質の酸化物イオン伝導性が低く、しかも電解質の厚みが厚くなるため、抵抗が増加し、低温での性能が低下してしまうという問題があった。また、発電セルを長時間作動させた場合の信頼性については何ら記載されていなかった。

また、特許文献２では、第１電解質として安定化Ｂｉ_２Ｏ_３を用い、低下した酸化物イオン輸率を向上させるために、ＹＳＺ等を第２電解質として用い、電解質を複数層で構成することが記載されている。しかしながら、安定化Ｂｉ_２Ｏ_３の酸化物イオン伝導性がそれほど高くないため、低温での性能が低下してしまうという問題があった。また、発電セルを長時間作動させた場合の信頼性については何ら記載されていなかった。

なお、固体電解質の厚みを薄膜化することで、作動温度を低温にしても、酸化物イオン伝導性を良好にすることは可能であるが、固体電解質の強度が低下し、発電セルの破損を招きやすいという問題があった。

特表２００４−５０７０６１号公報 特開２００２−１７０５７９号公報

本発明は、このような実状に鑑みてなされ、作動温度が低温（たとえば６００℃以下）であっても、良好な発電性能を示し、しかも高い信頼性（耐久性等）を有する固体酸化物形燃料電池用発電セル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、本発明に係る固体酸化物形燃料電池用発電セルは、
固体電解質と、前記固体電解質の一方の主面に形成された空気極と、前記固体電解質の他方の主面に形成され、ＮｉＯとイットリア安定化ジルコニアとのコンポジット材料から構成される燃料極と、を備える固体酸化物形燃料電池用発電セルであって、
前記固体電解質が、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｔｉ，Ｆｅ）Ｏ_３からなる第１固体電解質と、酸化物イオン輸率が０．９６以上であるＺｒの酸化物からなる第２固体電解質と、酸化物イオン輸率が０．９６以上であるＣｅの酸化物からなる第３固体電解質と、を有し、
前記第１固体電解質の一方の主面に前記空気極が形成され、前記第２固体電解質の一方の主面に前記燃料極が形成され、前記第１固体電解質の他方の主面と前記第２固体電解質の他方の主面との間に前記第３固体電解質が形成されていることを特徴とする。

本発明では、低温（たとえば、６００℃以下）においても、酸化物イオン伝導性が極めて高い複合酸化物（（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｔｉ，Ｆｅ）Ｏ_３）を固体電解質として用いている。しかしながら、この複合酸化物は、酸化物イオン輸率が極めて低い、すなわち電子伝導性が極めて高いため、複合酸化物と燃料極とが直接接していると、燃料極で生じた電子が複合酸化物側に移動してしまう。その結果、複合酸化物内で短絡が生じ、電力を外部回路に取り出すことができない。

そこで、本発明では、さらに、固体電解質として、酸化物イオン輸率が非常に高い酸化物を該複合酸化物と燃料極との間に配置することで、電子の固体電解質側への移動を該酸化物によりブロックしている。このようにすることで、作動温度が低温であっても、固体電解質への電子の移動（短絡）を防止し、かつ空気極で生じた酸化物イオンを燃料極に速やかに到達させ、電力を取り出すことができる。

ところが、酸化物イオン輸率が非常に高い酸化物として、Ｚｒの酸化物を、複合酸化物と燃料極との間に配置した場合、複合酸化物（第１固体電解質）とＺｒの酸化物（第２固体電解質）とは反応性を若干有するため、相互拡散が生じることがある。このような相互拡散が起こると、作動時間が長くなるにつれ、発電セルの電圧が徐々に低下してしまい、発電セルの信頼性の低下を招いてしまう。

そこで、本発明では、複合酸化物とＺｒの酸化物との間に、Ｃｅの酸化物を配置している。Ｃｅの酸化物は、複合酸化物およびＺｒの酸化物のいずれとも反応性が低いため、相互拡散を抑制することができる。しかも、Ｃｅの酸化物も酸化物イオン輸率が非常に高いため、固体電解質全体としての酸化物イオン伝導性を低下させない。したがって、高い発電性能を発揮しつつ、長時間の作動による電圧低下が少ないなどの高い信頼性が得られる。

好ましくは、前記（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｔｉ，Ｆｅ）Ｏ_３が、一般式（Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘ）（Ｔｉ_１−ｙＦｅ_ｙ）Ｏ_３−δで表され、前記一般式において、ｘが０．１〜０．５、ｙが０．１〜０．９である関係を満足する。上記の一般式で表される複合酸化物は、母材であるＬａＴｉＯ_３のＬａサイトにＳｒを、ＴｉサイトにＦｅをそれぞれ置換したものであり、このようにすることにより酸化物イオン伝導性が発現する。ｘおよびｙが上記の範囲内であれば、本発明における発電セルの性能に影響を及ぼすほどの酸化物イオン伝導性の変化はない。

好ましくは、前記第１固体電解質の厚みが０．５〜２５μｍである。

好ましくは、前記第２固体電解質の厚みが０．５〜４μｍであり、かつ前記第２固体電解質および前記第３固体電解質の合計の厚みが１．５〜５μｍである。

第１固体電解質、第２固体電解質および第３固体電解質の厚みを制御することで、本発明の効果をより高めることができる。

好ましくは、前記空気極を構成する材料が、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ_３系材料、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｔｉ，Ｆｅ）Ｏ_３系材料、（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３系材料、前記（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ_３系材料と前記（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｔｉ，Ｆｅ）Ｏ_３系材料とのコンポジット材料および前記（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３系材料と前記（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｔｉ，Ｆｅ）Ｏ_３系材料とのコンポジット材料からなる群から選ばれる少なくとも１つである。

好ましくは、前記Ｃｅの酸化物が、サマリウムがドープされたセリア、ガドリニウムがドープされたセリアおよびランタンがドープされたセリアからなる群から選ばれる１つである。

好ましくは、前記Ｚｒの酸化物が、イットリア安定化ジルコニアまたはスカンジア安定化ジルコニアである。

図１は、本発明の一実施形態に係る固体酸化物形燃料電池用発電セルの模式的な断面図である。

以下、本発明を、図面に示す実施形態に基づき説明する。

＜固体酸化物形燃料電池用発電セル１＞
本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池用発電セル１を図１に示す。該発電セル１は、固体電解質２と、固体電解質２の一方の主面に接するように形成されている空気極３と、固体電解質２の他方の主面に接するように形成されている燃料極４と、を有する。

この発電セル１は、電気化学反応により電気を発生させるための最小単位であり、複数の発電セル１を、インターコネクタを介して直列に接続することで、スタックとされ、高出力を得ることができる。

発電セル１の形状は、特に制限されず、用途等に応じて決定すればよい。たとえば、平板状であってもよいし、円筒状であってもよい。また、平板の形状についても制限されず、円形状あるいは楕円形状であってもよいし、三角形以上の多角形状であってもよい。発電セル１の寸法についても、特に制限されず、用途等に応じて決定すればよい。

また、発電セル１の強度を確保するための構造としては、電解質支持型であってもよいし、電極（空気極または燃料極）支持型であってもよい。本実施形態では、燃料極支持型であることが好ましい。

＜固体電解質２＞
本実施形態では、図１に示すように、固体電解質２は、第１固体電解質２１、第３固体電解質２３、第２固体電解質２２の順番で積層された構成を有する。そして、第１固体電解質２１の一方の主面側に空気極３が形成され、第２固体電解質２２の一方の主面側に燃料極４が形成され、第１固体電解質２１の他方の主面と第２固体電解質２２の他方の主面との間に第３固体電解質２３が配置されている。すなわち、第１固体電解質２１と第２固体電解質２２とは、接していない。

＜第１固体電解質２１＞
第１固体電解質２１は、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｔｉ，Ｆｅ）Ｏ_３からなり、具体的には、一般式（Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘ）（Ｔｉ_１−ｙＦｅ_ｙ）Ｏ_３−δ （以下、ＬＳＴＦともいう）で表される緻密質の複合酸化物である。δは酸素欠損を表す。

このＬＳＴＦは、非常に高い酸化物イオン伝導性を有しているが、電気伝導性のうち酸化物イオンが担う割合を示す酸化物イオン輸率は非常に低いため、固体電解質として単独で用いることには適さない。しかしながら、後述するように、第２固体電解質および第３固体電解質と組み合わせて用いることで、良好な酸化物イオン伝導性を有する固体電解質として適用できる。また、ＬＳＴＦを第１固体電解質として用いることで、第１固体電解質と空気極との界面の剥離や元素拡散を抑制することができる。

上記式において、ｘは好ましくは０．１〜０．５、より好ましくは０．２〜０．４である。ｘはＳｒ原子が占める割合を示しており、ｘを上記の範囲とすることで、Ｌａ^３＋サイトをＳｒ^２＋サイトが占めることで、酸素欠陥が生じ、良好な酸化物イオン伝導性を発現できるという利点がある。

上記式において、ｙは好ましくは０．１〜０．９、より好ましくは０．６〜０．９である。ｙはＦｅ原子が占める割合を示しており、ｙを上記の範囲とすることで、電気伝導性を向上できるという利点がある。

固体電解質２、空気極３および燃料極４が積層される方向における第１固体電解質２１の長さを、第１固体電解質２１の厚みとすると、該厚みは好ましくは０．５〜２５μｍ、より好ましくは１〜５μｍである。厚みを上記の範囲とすることで、固体電解質としての強度を確保でき、かつ発電性能を高く保つことができるという利点がある。

＜第２固体電解質２２＞
第２固体電解質２２は、酸化物イオン輸率が０．９６（９６％）以上の緻密質のＺｒの酸化物からなる。該酸化物としては、本実施形態では、イットリア安定化ジルコニア（以下、ＹＳＺともいう）またはスカンジア安定化ジルコニア（以下、ＳｃＳＺともいう）であることが好ましい。

このような酸化物は、酸化物イオン輸率および酸化物イオン伝導性が高いため好ましい。なお、酸化物イオン輸率の上限は１である、すなわち、電気伝導の全てを酸化物イオンが担っていることが好ましいが、現在の技術では０．９９５程度である。

ＹＳＺとしては、イットリア（Ｙ_２Ｏ_３）をジルコニア（ＺｒＯ_２）に３〜１５モル％固溶させたものが好ましい。ＳｃＳＺとしてはスカンジア（Ｓｃ_２Ｏ_３）を、ジルコニアに５〜１０モル％固溶させたものが好ましい。

固体電解質２、空気極３および燃料極４が積層される方向における第２固体電解質２２の長さを、第２固体電解質２２の厚みとすると、該厚みは好ましくは０．５〜４μｍ、より好ましくは１〜３μｍである。厚みを上記の範囲とすることで、固体電解質としての強度を確保でき、かつ発電性能を高く保つことができるという利点がある。

＜第３固体電解質２３＞
第３固体電解質２３は、酸化物イオン輸率が０．９６（９６％）以上の緻密質のＣｅの酸化物からなる。該酸化物としては、本実施形態では、サマリウムがドープされたセリア（以下、ＳＤＣともいう）、ガドリニウムがドープされたセリア（以下、ＧＤＣともいう）およびランタンがドープされたセリア（以下、ＬＤＣともいう）からなる群から選ばれる１つであることが好ましい。

このような酸化物は、ＬＳＴＦとの反応性およびＺｒ酸化物との反応性が低く、しかも酸化物イオン輸率および酸化物イオン伝導性が高いため好ましい。なお、酸化物イオン輸率の上限は１である、すなわち、電気伝導の全てを酸化物イオンが担っていることが好ましいが、現在の技術では０．９９５程度である。

ＳＤＣとしては、サマリウム（Ｓｍ）をセリア（ＣｅＯ_２）に１０〜２０モル％ドープしたものが好ましい。ＧＤＣとしては、ガドリニウム（Ｇｄ）をセリアに１０〜２０モル％ドープしたものが好ましい。ＬＤＣとしては、ランタン（Ｌａ）をセリア（ＣｅＯ_２）に１０〜２０モル％ドープしたものが好ましい。

固体電解質２、空気極３および燃料極４が積層される方向における第３固体電解質２３の長さを、第３固体電解質２３の厚みとすると、該厚みは特に制限されず、以下に示す第２固体電解質および第３固体電解質の合計の厚みの範囲内となるようにすればよい。

第２固体電解質および第３固体電解質の合計の厚みは、１．５〜５μｍであることが好ましく、より好ましくは２〜４μｍである。

本実施形態では、酸化物イオン伝導性が非常に高いものの、酸化物イオン輸率が極めて低い第１固体電解質２１と、酸化物イオン輸率が非常に高い第２固体電解質２２および第３固体電解質２３と、を組み合わせて固体電解質２を構成している。

第１固体電解質を構成するＬＳＴＦは、酸化物イオン伝導性は非常に高いが、酸化物イオン輸率は０．０１（１％）程度である。そのため、ＬＳＴＦ（第１固体電解質２１）と燃料極４とが接していると、ＬＳＴＦ（第１固体電解質２１）と燃料極４との界面で生じた電子がＬＳＴＦに容易に移動し、ＬＳＴＦ内部で回路が形成されてしまい、外部に電力を取り出すことができない。

そこで、電子がＬＳＴＦに移動するのを防ぐために、酸化物イオン輸率が非常に高い酸化物を、ＬＳＴＦと燃料極との間に配置することが考えられる。このようにすることで、電子が該酸化物を透過することは極めて困難となるため、燃料極で生じたほとんどの電子は外部回路を通じて空気極側へ移動することとなる。一方、第１固体電解質と空気極との界面で生成した酸化物イオンは、第１固体電解質および該酸化物中を良好に伝導し、燃料極に到達する。

すなわち、第１固体電解質が有する良好な酸化物イオン伝導性を利用しつつ、酸化物イオン輸率が非常に高い酸化物により電子をブロックして、外部に電力を取り出すことができる。

ここで、酸化物イオン輸率が非常に高い酸化物として、Ｚｒの酸化物を用いた場合、ＬＳＴＦとＺｒの酸化物とは界面反応性を若干有しているため、相互拡散が生じ、Ｆｅを含む抵抗層が界面に生成する傾向にある。そのため、ＬＳＴＦとＺｒの酸化物とが接している固体電解質を用いた発電セルを長時間作動させると、上記の抵抗層が生成するにつれ、セル電圧が低下してしまう。このようなセル電圧の低下は、耐久性（信頼性）の低下に通じるため好ましくない。

そこで、本実施形態では、ＬＳＴＦ（第１固体電解質２１）とＺｒの酸化物（第２固体電解質２２）との間に、Ｃｅの酸化物（第３固体電解質２３）を配置している。Ｃｅの酸化物は、ＬＳＴＦおよびＺｒの酸化物のいずれとも界面反応性が低い。そのため、Ｃｅの酸化物を上記のように配置することで、ＬＳＴＦとＺｒの酸化物との相互拡散を防止し、抵抗層を生成させない。すなわち、Ｃｅの酸化物（第３固体電解質）は、反応抑制層として機能する。

しかも、Ｃｅの酸化物もＺｒの酸化物と同程度の高い酸化物イオン輸率を有しているため、Ｃｅの酸化物が酸化物イオンの伝導を妨げることはない。したがって、本実施形態に係る発電セルは、高い発電性能と信頼性とを両立することができる。

換言すれば、酸化物イオンにとって抵抗成分である固体電解質を構成するに際し、比較的に抵抗の大きい成分（第２固体電解質および第３固体電解質）を、電子伝導性および相互拡散が生じない程度において、非常に抵抗の小さい成分（第１固体電解質）で置換した構成としている。

固体電解質２を上記のような構成とすることで、作動温度が低温（たとえば、６００℃以下）であっても、固体電解質を薄膜化することなく高い発電性能が得られ、発電セルとしての強度を確保することができる。さらに、第３固体電解質（Ｃｅの酸化物）により、第１固体電解質と第２固体電解質との界面反応を効果的に抑制できる。その結果、発電セルを長時間作動させても、セル電圧の低下が少なく、発電セルの信頼性（耐久性）を高めることができる。

なお、発電セルの信頼性（耐久性）の指標として、たとえば、４年間連続で作動させたときに、電圧低下が１０％以内であることが求められる。

＜空気極３＞
空気極３は、ガス透過性や三相界面での反応性を向上させるために多孔質材料で構成され、発電セル１内において陰極として作用する。本実施形態では、空気極３として、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ_３系材料（以下、ＬＳＣＦ系材料ともいう）、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｔｉ，Ｆｅ）Ｏ_３系材料（以下、ＬＳＴＦ系材料ともいう）、（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３系材料（以下、ＬＳＣ系材料ともいう）、ＬＳＣＦ系材料とＬＳＴＦ系材料とのコンポジット材料、ＬＳＣ系材料とＬＳＴＦ系材料とのコンポジット材料からなる群から選ばれる少なくとも１つであることが好ましい。このような材料は、発電セルの一体焼成時において、第１固体電解質との収縮挙動の差を小さくできる。なお、空気極３は、複数の層で形成されていてもよい。

＜燃料極４＞
燃料極４は、ＮｉＯとＹＳＺとのコンポジット材料（以下、ＮｉＯ／ＹＳＺともいう）で構成される。ガス透過性や三相界面での反応性を向上させるために多孔質材料とされ、発電セル１内において陽極として作用する。この材料は、良好な電子伝導性を有するＮｉＯをＹＳＺに分散させることで、焼成時のＮｉＯの凝集を防止し、三相界面を増加させ、反応性を高めることができる。また、第２固体電解質（Ｚｒの酸化物）との反応性が低いことに加え、発電セルの一体焼成時において、第２固体電解質との収縮挙動の差を小さくできる。なお、燃料極４は、空気極３と同様に、複数の層で形成されていてもよい。

＜固体酸化物形燃料電池用発電セル１の製造方法＞
本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池用発電セル１を製造する方法としては、特に制限されず、公知の方法を採用すればよいが、以下では、固体電解質および燃料極についてはシート法を用い、空気極についてはスクリーン印刷を用いて発電セル１を製造する方法に関して具体的に説明する。

まず、固体電解質、空気極および燃料極を形成するための原料を準備し、これを塗料化して、各ペーストを調製する。

上記の原料として、上記した成分の酸化物やその混合物、複合酸化物を用いることができるが、その他、焼成により上記した酸化物や複合酸化物となる各種化合物、たとえば、炭酸塩、シュウ酸塩、硝酸塩、水酸化物、有機金属化合物等から適宜選択し、混合して用いることもできる。

また、上記の原料として、Ｎｉなどの導電性金属や合金からなる導電材、あるいは焼成後に上記した導電材となる各種酸化物、有機金属化合物、レジネート等を用いてもよい。

各ペーストは、通常、上記の原料とバインダ樹脂と有機溶剤とを混練した有機系の塗料とされるが、溶剤を水とした水系の塗料であってもよい。各ペースト中には、必要に応じて可塑剤などの添加物が含有されていてもよい。

また、空気極および燃料極を多孔質材料とするために、空気極用ペーストおよび燃料極用ペーストには気孔形成剤が添加される。気孔形成剤としては、特に制限されないが、本実施形態では、焼成時の保持温度よりも低い温度で分解、気化する樹脂ビーズを用いる。

各ペーストを用いて、たとえばドクターブレード法により、第１固体電解質のグリーンシート、第２固体電解質のグリーンシート、第３固体電解質のグリーンシートおよび燃料極のグリーンシートを形成する。

続いて、形成した各グリーンシートを、第１固体電解質、第３固体電解質、第２固体電解質および燃料極の順番となるように積層し圧着して、グリーンシート積層体を得る。

得られたグリーンシート積層体を所定の形状に切り出し、固体電解質／燃料極積層グリーン体とする。

このグリーン体を焼成して固体電解質／燃料極積層焼結体を得る。焼成する前に脱バインダ処理を行ってもよい。焼成条件としては、保持温度が好ましくは１３００〜１５００℃、保持時間が好ましくは１〜６時間である。また、焼成時の雰囲気は大気中とすることが好ましい。

次いで、この固体電解質／燃料極積層焼結体の燃料極と対向する面の固体電解質上に、スクリーン印刷法により、空気極を形成する。

空気極を形成した後に、固体電解質との密着性を保つために焼き付けを行い、発電セル１を得る。焼成条件としては、保持温度が好ましくは１０００〜１２００℃、保持時間が好ましくは１〜６時間である。また、焼成時の雰囲気は大気中とすることが好ましい。

このようにして製造された本実施形態の発電セルは、所望の出力が得られるように、インターコネクタを介して直列に接続され、スタックを形成し、固体酸化物形燃料電池に使用される。

以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明は、上述した実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々に改変することができる。

たとえば、上述した実施形態では、スクリーン印刷法により空気極を形成する手段を示したが、空気極のグリーンシートをシート法により形成し、固体電解質／燃料極積層焼結体を得た後に、固体電解質上に空気極グリーンシートを積層して焼き付けてもよい。

以下、本発明を、さらに詳細な実施例に基づき説明するが、本発明は、これら実施例に限定されない。

まず、発電セルを製造するための原料を準備した。

第１固体電解質を構成する材料の原料として、Ｌａ_０．６Ｓｒ_０．４Ｔｉ_０．３Ｆｅ_０．７Ｏ_３ （以下、ＬＳＴＦという）粉末を準備した。ＬＳＴＦ粉末：１００重量部と、バインダ樹脂としてのブチラール樹脂：１５重量部と、可塑剤としてのジオクチルフタレート（ＤＯＰ）：４重量部と、溶媒としてのアルコール：８０重量部とをボールミルで混合・分散してペースト化し、第１固体電解質用ペーストを得た。得られたペーストを用いて、ドクターブレード法により、焼成後の厚みが表１に示す厚みとなるようにグリーンシートを形成した。

次いで、第２固体電解質を構成する原料として、８モル％のイットリアで安定化されたジルコニア（以下、８ＹＳＺという）粉末を準備した。８ＹＳＺ粉末：１００重量部と、バインダ樹脂としてのブチラール樹脂：１５重量部と、可塑剤としてのジオクチルフタレート（ＤＯＰ）：４重量部と、溶媒としてのアルコール：８０重量部とをボールミルで混合・分散してペースト化し、第２固体電解質用ペーストを得た。得られたペーストを用いて、ドクターブレード法により、焼成後の厚みが表１に示す厚みとなるようにグリーンシートを形成した。なお、試料番号２０および２１については、８ＹＳＺの代わりに、第２固体電解質を表１に示す材料で構成した。

次いで、第３固体電解質を構成する原料として、２０モル％のガドリニウムがドープされたセリア（以下、２０ＧＤＣという）粉末を準備した。２０ＧＤＣ粉末：１００重量部と、バインダ樹脂としてのブチラール樹脂：１５重量部と、可塑剤としてのジオクチルフタレート（ＤＯＰ）：４重量部と、溶媒としてのアルコール：８０重量部とをボールミルで混合・分散してペースト化し、第３固体電解質用ペーストを得た。得られたペーストを用いて、ドクターブレード法により、焼成後の厚みが表１に示す厚みとなるようにグリーンシートを形成した。なお、試料番号１４および１５については、２０ＧＤＣの代わりに、第３固体電解質を表１に示す材料で構成した。

次いで、空気極を構成する材料の原料として、Ｌａ_０．６Ｓｒ_０．４Ｃｏ_０．８Ｆｅ_０．２Ｏ_３ （以下、ＬＳＣＦ系材料という）粉末と、Ｌａ_０．６Ｓｒ_０．４Ｔｉ_０．３Ｆｅ_０．７Ｏ_３（以下、ＬＳＴＦ系材料という）粉末とが７０：３０の重量比で混合されたＬＳＣＦ系材料とＬＳＴＦ系材料とのコンポジット材料（以下、ＬＳＣＦ／ＬＳＴＦという）粉末を準備した。ＬＳＣＦ／ＬＳＴＦ粉末：１００重量部と、気孔形成剤としてのアクリルビーズ：２０重量部と、バインダ樹脂としてのエチルセルロース：１０重量部と、可塑剤としてのジオクチルフタレート（ＤＯＰ）：２重量部と、溶媒としてのアルコール：１００重量部とをボールミルで混合・分散してペースト化し、空気極用ペーストを得た。なお、試料番号２２〜２５については、ＬＳＣＦ／ＬＳＴＦの代わりに、空気極を表１に示す材料で構成した。

次いで、燃料極を構成する材料の原料として、ＮｉＯと８ＹＳＺとが６０：４０の重量比で混合されたＮｉＯ／ＹＳＺ混合粉末を準備した。ＮｉＯ／ＹＳＺ原料粉末：１００重量部と、気孔形成剤としてのアクリルビーズ：２０重量部と、バインダ樹脂としてのブチラール樹脂：７．５重量部と、可塑剤としてのジオクチルフタレート（ＤＯＰ）：４重量部と、溶媒としてのアルコール：７０重量部とをボールミルで混合・分散してペースト化し、燃料極用ペーストを得た。得られたペーストを用いて、ドクターブレード法により、グリーンシートを形成した。

次いで、上記で作製した各グリーンシートを、第１固体電解質、第３固体電解質、第２固体電解質、燃料極の順になるように積層し、加圧接着することによりグリーンシート積層体を得た。このグリーンシート積層体を、焼成後にφ２０ｍｍとなるように打ち抜くことにより、固体電解質／燃料極積層グリーン体を得た。

得られたグリーン体を、焼成温度：１４００℃、保持時間：５時間、焼成雰囲気：大気中の条件で焼成し、固体電解質／燃料極積層焼結体を得た。

次いで、この固体電解質／燃料極積層焼結体の燃料極と対向する面の固体電解質上に、スクリーン印刷法により、空気極を形成した。

空気極を印刷した後、焼成温度：１２００℃、保持時間：３時間、焼成雰囲気：大気中の条件で焼き付けし、図１に示すような発電セル１を得た。

得られた発電セルについて、発電性能の評価として開回路起電力および最大出力密度の測定をそれぞれ下記に示す方法により行い、さらにセルの信頼性（耐久性）の評価として、１０００時間作動後の電圧低下率の測定を下記に示す方法により行った。

＜開回路起電力＞
得られた発電セルの空気極側に空気を２００ｍｌ／ｍｉｎの流量で供給し、燃料極側に水素を２００ｍｌ／ｍｉｎの流量で供給して、５００℃および６００℃において、発電セルに印加する電流が０Ａの時の電圧を測定し、これを開回路起電力とした。この開回路起電力は、濃淡電池における酸素と水素との標準起電力に近いほど好ましく、本実施例では、０．９５Ｖ以上を良好とした。結果を表１に示す。

＜最大出力密度＞
開回路起電力の測定条件において、発電セルに電流を印加し、印加電流値とその時の発電セルの電圧とから出力を求め、電流を印加していったときに最大となる出力を単位面積で除した値を最大出力密度とした。この最大出力密度は大きいほど好ましく、本実施例では、２００ｍＷ／ｃｍ^２以上を良好とし、３００ｍＷ／ｃｍ^２以上であることがより好ましい。結果を表１に示す。

＜電圧低下率＞
６００℃において、初期のセル電圧が０．７Ｖになるまで電流を印加し、そのときの印加電流を一定として、セル電圧の変化率を測定する。発電セルを１０００時間作動させた時点でのセル電圧を測定し、作動開始時のセル電圧からの低下率を以下に示す式により算出した。
電圧低下率（％）＝１００×（初期のセル電圧−１０００時間後のセル電圧）／初期のセル電圧
電圧低下率は０．２５％以下を良好とした。結果を表１に示す。

表１より、試料番号１では、第１固体電解質と燃料極との間に電子をブロックする固体電解質が配置されていないために、第１固体電解質内で短絡が生じてしまい、外部に電力が取り出せず、開回路起電力がほぼ０になっていることが確認できた。

また、試料番号２では、発電性能（開回路起電力および最大出力密度）は十分に高いものの、第１固体電解質（ＬＳＴＦ）と第２固体電解質（８ＹＳＺ）との界面反応が生じ、抵抗層が生成したと考えられるため、電圧低下率が大きくなっていることが確認できた。

また、試料番号９では、第１固体電解質の強度が低下してしまい、ひび割れが生じたため、発電性能の評価を行うことができなかった。

これに対し、試料番号３〜８、１０〜１２、１４、１５、１７〜２５では、作動温度が６００℃以下であっても、十分な開回路起電力と高い最大出力密度が得られ、さらに電圧低下率も低くなっており、十分な発電性能と信頼性を有することが確認できた。なお、試料番号３、１０および１６では、十分な開回路起電力は得られ、電圧低下率も十分に低いものの、最大出力密度が若干低下する傾向にあった。また、試料番号１３では、第３固体電解質が薄いために、第１固体電解質と第２固体電解質との反応を十分に抑制することができず、電圧低下率が若干悪化する傾向にあった。

なお、６００℃におけるＹＳＺの酸化物イオン伝導度は３．０×１０^−２（Ｓ／ｃｍ）程度であり、６００℃におけるＬＳＴＦの酸化物イオン伝導度（１．７×１０^−１（Ｓ／ｃｍ）程度）よりも低いため、第１固体電解質をＹＳＺ等で構成しても、本発明の効果を得ることはできない。

１… 固体酸化物形燃料電池用発電セル
２… 固体電解質
２１… 第１固体電解質
２２… 第２固体電解質
２３… 第３固体電解質
３… 空気極
４… 燃料極

Claims (7)

1. 固体電解質と、前記固体電解質の一方の主面に形成された空気極と、前記固体電解質の他方の主面に形成され、ＮｉＯとイットリア安定化ジルコニアとのコンポジット材料から構成される燃料極と、を備える固体酸化物形燃料電池用発電セルであって、
   前記固体電解質が、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｔｉ，Ｆｅ）Ｏ_３からなる第１固体電解質と、酸化物イオン輸率が０．９６以上であるＺｒの酸化物からなる第２固体電解質と、酸化物イオン輸率が０．９６以上であるＣｅの酸化物からなる第３固体電解質と、を有し、
   前記第１固体電解質の一方の主面に前記空気極が形成され、前記第２固体電解質の一方の主面に前記燃料極が形成され、前記第１固体電解質の他方の主面と前記第２固体電解質の他方の主面との間に前記第３固体電解質が形成されていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池用発電セル。
2. 前記（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｔｉ，Ｆｅ）Ｏ_３が、一般式（Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘ）（Ｔｉ_１−ｙＦｅ_ｙ）Ｏ_３−δで表され、前記一般式において、ｘが０．１〜０．５、ｙが０．１〜０．９である関係を満足する請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池用発電セル。
3. 前記第１固体電解質の厚みが０．５〜２５μｍである請求項１または２に記載の固体酸化物形燃料電池用発電セル。
4. 前記第２固体電解質の厚みが０．５〜４μｍであり、かつ前記第２固体電解質および前記第３固体電解質の合計の厚みが１．５〜５μｍである請求項１〜３のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池用発電セル。
5. 前記空気極を構成する材料が、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ_３系材料、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｔｉ，Ｆｅ）Ｏ_３系材料、（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３系材料、前記（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ_３系材料と前記（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｔｉ，Ｆｅ）Ｏ_３系材料とのコンポジット材料および前記（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３系材料と前記（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｔｉ，Ｆｅ）Ｏ_３系材料とのコンポジット材料からなる群から選ばれる少なくとも１つである請求項１〜４のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池用発電セル。
6. 前記Ｃｅの酸化物が、サマリウムがドープされたセリア、ガドリニウムがドープされたセリアおよびランタンがドープされたセリアからなる群から選ばれる１つである請求項１〜５のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池用発電セル。
7. 前記Ｚｒの酸化物が、イットリア安定化ジルコニアまたはスカンジア安定化ジルコニアである請求項１〜６のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池用発電セル。

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