JP5313518B2

JP5313518B2 - 固体電解質形燃料電池

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Publication number: JP5313518B2
Application number: JP2008042967A
Authority: JP
Inventors: 泰正小熊; 昌宏柴田; 浩也石川
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 2008-02-25
Filing date: 2008-02-25
Publication date: 2013-10-09
Anticipated expiration: 2028-02-25
Also published as: JP2009199994A

Description

本発明は、固体電解質体に燃料極と空気極とが設けられた固体酸化物形燃料電池に関するものである。

従来より、燃料電池として、固体電解質（固体酸化物）を用いた固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）が知られている。
この固体酸化物形燃料電池は、固体電解質層の各面に燃料極と空気極とを形成した発電セル（燃料電池セル）を備え、空気極に酸化剤ガス（通常は空気）を供給するとともに、燃料極に燃料ガス（Ｈ₂、メタン、メタノール等）を供給して発電するものである。

前記固体酸化物形燃料電池では、固体電解質層の一面に配置された燃料極には、燃料極集電体を接触させ、固体電解質層の他面に配置された空気極には、空気極集電体を接触させて電気を取り出している。

この集電する構成として、例えば引用文献１には、電極表面に印刷した集電体を焼き付けることで、電極の上層に低い電気抵抗を有する集電体を形成したとの内容や、その集電体は焼成時に生成した気孔を有するため、ガスの拡散性を確保できるという内容が開示されている。また、この集電体の材料として、空気極においては、Ｐｔ，Ａｕ，Ｐｄ，Ｎｉ，Ｃｕ，ＳＵＳ等の導電性金属あるいは金属系材料、又は、Ｌａ（Ｃｒ，Ｈｇ）Ｏ₃，（Ｌａ，Ｃａ）ＣｒＯ₃、（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｒＯ₃等のランタン・クロマイト系などの導電性セラミックス材料の記載がある。

また、特許文献２には、空気極表面に銀合金粉末とペロブスカイト系酸化物粉末とを含む空気極集電体の材料によって、発電性能が向上するとの開示があり、更に、空気極集電体の耐熱性を向上するために、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ａｕなどを混合するとの記載がある。
特開２００６−１３９９６６号公報特開２００５−５０６３６号公報

ところで、固体酸化物形燃料電池における発電性能に寄与する一つの要因として、接触抵抗や抵抗層などを考慮して電気的なロスを少なくして集電する構造が挙げられるが、特に、(1)空気極と空気極集電体との接触抵抗、(2)空気極集電体の耐熱性、(3)空気極における横方向の集電抵抗、(4)インターコネクタ等と集電体との接触抵抗などの課題を解決することは非常に重要である。更に、電気化学的な反応を促進するには、(5)反応場を多くするために気体と電子とイオンとの三相界面を増加させることも重要である。

しかしながら、前記特許文献１、２の技術では、上述した集電性能を高めるための検討が十分ではなく、一層の対策が求められていた。
例えば前記特許文献１の技術では、電極の上層に低い電気抵抗の集電体を設けたが、空気極集電体中に混合している導電性セラミックは、酸素イオン導電性を示すペロブスカイト型酸化物ではないので、三相界面が十分に得られないという問題があった。また、空気極と空気極集電体との材料が大きく異なり熱膨張係数に差が生じるため、密着性に問題があり、局所的に剥離が生じた場合には、接触抵抗が増大し十分な出力特性が得られないという問題もあった。

また、特許文献２の技術では、空気極用の集電体材料として、銀合金粉末とペロブスカイト系酸化物粉末とを主成分としているが、銀合金粉末を主成分とした集電体では、低融点であるため、空気極と空気極集電体とを焼き付けて密着性を向上すること（従って接触抵抗を低減すること）は困難であった。また、他の貴金属を混合することで耐熱性の向上を試みているが、主成分が銀である以上問題は十分に解決できなかった。

本発明は、(1)空気極と空気極集電体との接触抵抗の低減、(2)空気極集電体の耐熱性の向上、(3)空気極における横方向の集電抵抗の低減、(4)インターコネクタ等と集電体との接触抵抗の低減を実現できるとともに、(5)電気化学的な反応をも促進できる固体電解質形燃料電池を提供することである。

（１）請求項１の発明は、固体電解質体と、該固体電解質体の一面に設けられ燃料ガスに接する燃料極と、前記固体電解質体の他面に設けられ酸化剤ガスに接する空気極と、を備えた固体酸化物形燃料電池において、前記空気極にペロブスカイト系酸化物を含むとともに、該空気極の表面に該空気極と一体化されて該空気極からの集電を行う空気極集電体を備え、且つ、前記空気極集電体は、主として混合導電体であるペロブスカイト系酸化物と貴金属とからなり、前記貴金属として、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、及び金のうち少なくとも１種を、前記貴金属中に５０体積％以上含むとともに、該貴金属中に銀を２５体積％以上５０体積％以下含むことを特徴とする。

本発明では、空気極に（焼き付け等により）一体に形成される空気極集電体に、空気極の材料の共素地としてペロブスカイト系酸化物を含んでいるので、両者の密着性が向上する。しかも、空気極集電体に貴金属の主成分として所定量以上含まれる「白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、金」（以下特定貴金属と記す）は、銀に比べて融点が高いので、高い温度での焼き付けが可能である。これにより、(1)空気極と空気極集電体との接触抵抗を低減できる。

また、前記特定貴金属は、銀に比べて融点が高いので、燃料電池の高温での運転の際に揮発しにくく、よって、(2)空気極集電体の耐熱性が向上する。
更に、前記特定貴金属は、高い導電性を有するので、(3)空気極における横方向の集電抵抗を低減することができ（即ち容易にインターコネクタ側への集電ができ）、(4)インターコネクタ等と空気極集電体との接触抵抗の低減を実現できる。

その上、空気極集電体には、混合導電体であるペロブスカイト系酸化物を含むので、三相界面が増加して反応場が増し、よって、(5)電気化学的な反応を促進できる。
従って、本発明では、上述した作用効果により、電気的なロスを低減して発電性能を大きく高めることができるという顕著な効果を奏する。
しかも、本発明では、貴金属に含むことができるＡｇ量を上述のように規定している。これにより、貴金属中に前記特定金属量が十分に含有されるので、上述した本発明の効果を十分に発揮できる。

（２）請求項２の発明では、前記白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、及び金のうち少なくとも１種を、前記空気極集電体中に１０体積％以上含むことを特徴とする。

本発明は、空気極集電体に含まれる前記特定貴金属の好ましい含有量を例示したものであり、本発明の範囲であれば、一層発電性能を向上できる。

（３）請求項３の発明では、前記空気極が、前記ペロブスカイト系酸化物を主成分とするとともに、前記空気極集電体に、前記空気極に含まれるペロブスカイト系酸化物と同種のペロブスカイト系酸化物を含むことを特徴とする。

本発明では、空気極集電体に空気極と同種の共素地が用いられているので、密着性が向上し、しかも、電気化学的な反応を促進できるという利点がある。
＜以下に、固体電解質形燃料電池の各構成について説明する＞
・前記固体酸化物形燃料電池は、固体酸化物体（固体電解質体）と燃料極と空気極とを備えており、固体電解質体は、燃料電池の作動時に、燃料極に導入される燃料ガス又は空気極に導入される酸化剤ガスのうちの一方の一部をイオンとして移動させることができるイオン伝導性を有する。

このイオンとしては、例えば酸素イオン及び水素イオン等が挙げられる。また、燃料極は、還元剤となる燃料ガスと接触し、燃料電池における負電極として機能する。空気極は、酸化剤となる酸化剤ガスと接触し、燃料電池における正電極として機能する。

・固体電解質体の材料としては、例えばＺｒＯ₂系セラミック、ＬａＧａＯ₃系セラミック、ＢａＣｅＯ₃系セラミック、ＳｒＣｅＯ₃系セラミック、ＳｒＺｒＯ₃系セラミック、及びＣａＺｒＯ₃系セラミック等が挙げられる。

・燃料極の材料としては、例えば、Ｎｉ及びＦｅ等の金属と、Ｓｃ、Ｙ等の希土類元素のうちの少なくとも１種により安定化されたジルコニア等のＺｒＯ₂系セラミック、ＣｅＯ₂系セラミック等のセラミックのうちの少なくとも１種との混合物などが挙げられる。また、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｎｉ及びＦｅ等の金属が挙げられる。これらの金属は１種のみでもよいし、２種以上の金属の合金でもよい。更に、これらの金属及び／又は合金と、上記セラミックの各々の少なくとも１種との混合物（サーメットを含む）が挙げられる。また、Ｎｉ及びＦｅ等の金属の酸化物と、上記セラミックの各々の少なくとも１種との混合物などが挙げられる。

・空気極の材料としては、ペロブスカイト系酸化物に他の材料を加える場合には、例えば、ジルコニア等のＺｒＯ₂系セラミック、ＣｅＯ₂系セラミック等のセラミックを採用できる。

ここで、ペロブスカイト系酸化物としては、ＬａＳｒＦｅ酸化物、ＬａＳｒＣｏ酸化物、ＬａＳｒＣｏＦｅ酸化物、ＳｍＳｒＣｏ酸化物が挙げられる。
また、空気極におけるペロブスカイト系酸化物の好ましい含有量としては、５０体積％以上が挙げられる。

・空気極集電体の材料としては、混合導電体であるペロブスカイト系酸化物と、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、及びＡｕのうち少なくとも１種からなる貴金属が用いられる。なお、これらの貴金属は合金として用いてもよい。

ここで、ペロブスカイト系酸化物としては、ＬａＳｒＦｅ酸化物、ＬａＳｒＣｏ酸化物、ＬａＳｒＣｏＦｅ酸化物、ＳｍＳｒＣｏ酸化物が挙げられる。
また、空気極集電体におけるペロブスカイト系酸化物の好ましい含有量としては、１０〜９０体積％が挙げられる。

・固体酸化物形燃料電池を用いて発電を行う場合、燃料極側には燃料ガスを導入し、空気極側には酸化剤ガスを導入する。
燃料ガスとしては、水素、炭化水素、水素と炭化水素との混合ガス、及びこれらのガスを所定温度の水中を通過させ加湿した燃料ガス、これらのガスに水蒸気を混合させた燃料ガス等が挙げられる。炭化水素は特に限定されず、例えば、天然ガス、ナフサ、石炭ガス化ガス等が挙げられる。この燃料ガスとしては水素が好ましい。これらの燃料ガスは１種のみを用いてもよいし、２種以上を併用することもできる。また、５０体積％以下の窒素及びアルゴン等の不活性ガスを含有していてもよい。

酸化剤ガスとしては、酸素と他の気体との混合ガス等が挙げられる。更に、この混合ガスには８０体積％以下の窒素及びアルゴン等の不活性ガスが含有されていてもよい。これらの酸化剤ガスのうちでは安全であって、且つ安価であるため、空気（約８０体積％の窒素が含まれている。）が好ましい。

次に、本発明の最良の形態について、すなわち、固体電解質形燃料電池の実施形態について説明する。
［実施形態］
ａ）まず、固体酸化物形燃料電池モジュールの構成について説明する。

図１に示す様に、固体酸化物形燃料電池モジュール１は、燃料ガス（例えば水素）と酸化剤ガス（例えば空気（詳しくは空気中の酸素））との供給を受けて発電を行う装置である。

この固体酸化物形燃料電池モジュール１は、平板状の固体酸化物形燃料電池セル３が複数個（例えば１８枚）積層された固体酸化物形燃料電池スタック５と、固体酸化物形燃料電池スタック５の積層方向（図１の上下方向）の両側に密着して積層された第１、第２発熱器７、９と、上方の第１発熱器７の上側に密着して積層された空気予熱器１１と、下方の第２発熱器９の下側に密着して積層された燃料改質器１３と、固体酸化物形燃料電池モジュール１を積層方向に貫く第１〜第１０固定部材１５〜３３などを備えている。

なお、固体酸化物形燃料電池スタック５と第１、第２発熱器７、９と空気予熱器１１と燃料改質器１３の積層体を、モジュール本体３４と称する。
図２に空気の流路に沿った断面を示す様に、固体酸化物形燃料電池セル３は、いわゆる燃料極支持膜タイプの発電単位であり、燃料ガス流路３５側には、燃料極（アノード）３７が配置されるとともに、燃料極３７の同図上側の表面には薄膜の固体電解質層（固体酸化物層）３９が形成され、その固体電解質層３９の空気流路４１側の表面には、空気極（カソード）４３が形成されている。なお、固体電解質層３９の空気極４３側の表面には、固体電解質層３９と空気極４３との反応を防止する反応防止層４４が形成されている。

このうち、固体電解質層３９は、例えばイットリアで安定化されたジルコニアからなり、燃料極３７は、例えばニッケルを含有するジルコニアからなり、空気極４３は、例えば白金を含むペロブスカイト系酸化物からなり、反応防止層４４は、例えばセリア系酸化物からなる。

更に、空気極４３と上方の金属製のインターコネクタ（セル３間の導通を確保するとともにガス流路を遮断するプレート）４５との間には、その導通を確保するために、空気極集電体４７が設けられている。一方、燃料極３７と下方の金属製のインターコネクタ４９との間にも、その導通を確保するために、燃料極集電体５１が配置されている。

つまり、燃料極３７と固体電解質層３９と反応防止層４４と空気極４３とから、セル本体５３が一体に構成され、このセル本体５３の空気極４３の表面上に、空気極集電体４７が焼き付けられて一体に形成されている。

また、前記固体酸化物形燃料電池セル３は、空気流路４１側に、セラミックス製の絶縁フレーム５５及び金属製の空気極フレーム５７を備え、空気流路４１と燃料ガス流路３５との間に、セル本体５３を接合して配置するとともに、ガス流路を遮断する金属製の熱応力吸収可能な薄板であるセパレータ５９を備え、燃料ガス流路３５側に、金属製の燃料極フレーム６１及びセラミックス製の絶縁フレーム６３を備えている。

尚、両インターコネクタ（その外周縁部）４５、４９と両絶縁フレーム５５、６３と空気極フレーム５７とセパレータ５９と燃料極フレーム６１とにより、固体酸化物形燃料電池セル３の枠部６５が構成され、この枠部６５を貫く様に形成された貫通孔６７、６９に、第１〜第１０固定部材１５〜３３を構成するボルト７１、７３が貫挿されている。なお、図２では一部の貫通孔及びボルトのみを示している。

前記インターコネクタ４５、４９、空気極フレーム５７、セパレータ５９、燃料極フレーム６１は、例えばＳＵＳ４３０等のステンレス鋼などの耐熱性合金板からなり、絶縁フレーム５５、６３は、例えばアルミナ等のセラミックス板からなる。また、燃料極集電体５１は、燃料ガスの通過が可能な様に、例えばニッケル製の多孔体からなる。

特に本実施形態では、空気極集電体４７は、主としてペロブスカイト系酸化物と貴金属とからなるとともに、この貴金属は、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、及び金のうち少なくとも１種の貴金属（特定貴金属）からなる。更に、この特定貴金属は、空気極集電体４７中の全貴金属中に対して５０体積％以上含まれるとともに、空気極集電体４７中に１０体積％以上含まれる。

また、上部のインターコネクタ４５には、各貫通孔６７、６９に連通するように、空気の流路となる第１、第２溝７５、７７が形成されている。従って、一方の貫通孔６７から、第１溝７５を介してセル内の空気流路４１に空気が導入され、その空気が空気極４３と接触した後に、第２溝７７を介して他方の貫通孔６９に排出される。なお、貫通孔６９から排出された空気（空気残ガス）は、発熱器９、７にて燃料ガス（燃料残ガス）と反応して、排出ガスとして外部に排出される。

一方、図３に燃料ガスの流路に沿った断面を示す様に、下部のインターコネクタ４９にも、（前記空気の流路とは異なる）各貫通孔７９、８１に連通するように、燃料ガスの流路となる第３、第４溝８３、８４が形成されている。従って、一方の貫通孔８１から、第４溝８４を介してセル内の燃料ガス流路３５に燃料ガスが導入され、その燃料ガスが燃料極３７に接触した後に、第３溝８３を介して他方の貫通孔７９に排出される。なお、貫通孔７９から排出された燃料ガス（燃料残ガス）は、発熱器９、７にて空気（空気残ガス）と反応して、排出ガスとして外部に排出される。

ｂ）次に、固体酸化物形燃料電池モジュール１の製造方法について、簡単に説明する。
まず、例えばＳＵＳ４３０からなる板材を打ち抜いて、インターコネクタ４５、４９、空気極フレーム５７、燃料極フレーム６１、セパレータ５９を製造した。

また、定法により、アルミナを主成分とするグリーンシートを所定形状に形成し、焼成して、絶縁フレーム５５、６３を製造した。
更に、固体酸化物形燃料電池セル３のセル本体５３を、定法に従って製造した。具体的には、後に実施例にて詳述する様にして、燃料極３７のグリーンシート上に、固体電解質層３９の材料を印刷し、その上に反応防止層４４の材料を印刷し、その上に、空気極４３の材料を印刷し、更にその上に空気極集電体４７を印刷し、その後焼成した。

尚、（空気極集電体４７が焼き付けられた）セル本体５３は、セパレータ５９にロウ付けして固定した。
そして、上述したインターコネクタ４５、４９、空気極フレーム５７、絶縁フレーム５５、６３、燃料極フレーム６１、セル本体５３をロウ付けしたセパレータ５９、空気極集電体４７、燃料極集電体５１などを、図２に示す様に配置して、各固体酸化物形燃料電池セル３を組み付けるとともに、各固体酸化物形燃料電池セル３を積層して固体酸化物形燃料電池スタック５を構成した。

そして、この固体酸化物形燃料電池スタック５の一方の側に、第１発熱器７と空気予熱器１１を積層配置し、他方の側に、第２発熱器９と燃料改質器１３を積層配置して、モジュール本体３４を構成した。

次に、モジュール本体３４の貫通孔６７、６９、７９、８１に、図示しないスペーサを配置して、第１〜第１０固定部材１５〜３３のボルト７１、７３を嵌め込むとともに、その先端にナット９１を螺合させてモジュール本体３４を押圧して一体化して、固体酸化物形燃料電池モジュール１を完成した。

ｃ）この様に、本実施形態では、空気極集電体４７に、空気極４３の共素地としてペロブスカイト系酸化物を含んでいるので、両者の密着性が向上する。しかも、空気極集電体４７に含まれる前記特定貴金属は、銀に比べて融点が高いので、高い温度での焼き付けが可能である。これにより、空気極４３と空気極集電体４７との接触抵抗を低減できる。

また、前記特定貴金属は、銀に比べて融点が高いので、燃料電池の高温での運転の際に揮発しにくく、よって、空気極集電体４７の耐熱性が向上する。
更に、前記特定貴金属は、高い導電性を有するので、空気極４３における横方向の集電抵抗を低減することができ、且つ、インターコネクタ４５と空気極集電体４７との接触抵抗の低減を実現できる。

その上、空気極集電体４７には、混合導電体であるペロブスカイト系酸化物を含むので、三相界面が増加して反応場が増し、よって、電気化学的な反応が促進される。
従って、本実施形態では、電気的なロスを低減して発電性能を大きく高めることができるという顕著な効果を奏する。

＜＜実験例＞＞
次に、本発明の効果を確認するために行った実験例について説明する。
ａ）実験試料
ここでは、実験に用いる試料として、下記実施例１〜１２に記載の方法で、単セルの固体酸化物形燃料電池（実験用サンプル）を作製した。なお、実施例１〜１０は参考例であり、実施例１１、１２が本発明例である。

具体的には、前記実施形態と同様な構成の固体酸化物形燃料電池セル（図２、図３参照）を作成し、貫通孔にボルトを挿入して一体に固定したサンプル（表１の実施例１〜１２）を作製した。

また、下記表１に示す様に、本発明の範囲外の比較例のサンプル（比較例１〜７）も作成した。
［実施例１］
以下では、実験用サンプルの固体酸化物形燃料電池のうち、空気極集電体が接合されたセル本体の製造方法について説明する。なお、その他の構成及びその製造方法は、前記実施形態と同様である。

(1)燃料極グリーン基板の作製
酸化ニッケル（ＮｉＯ）粉末６０重量部と、イットリアを８モル％固溶させたジルコニア（８ＹＳＺ）粉末４０重量部とを混合して成分原料とし、気孔形成材として人造黒鉛粉を３０重量部加えた。

次に、分散剤１重量部と、有機溶媒としてトルエンとメチルエチルケトン（ＭＥＫ）を２：３の割合で混合した溶液３５重量部とを、それぞれ加え、アルミナ製ポットミルを用いて２４時間混合した。

その後、可塑剤として、フタル酸ブチル（ＤＢＰ）７重量部と、バインダーとしてポリビニルアルコール１６重量部とを加えて、更に３時間混合し、スラリーとした。
そのスラリーを用い、ドクターブレード法にてグリーンシートを得た。

このグリーンシートを積層圧着し、縦３０ｍｍ×横３０ｍｍに切断して、厚さ１０００μｍの燃料極グリーン基板を得た。
(2)固体電解質層及び反応防止層（セリア系酸化物層）の形成と焼成条件
固体電解質層の材料として８ＹＳＺ粉末を用いた。この８ＹＳＺ粉末１００重量部と、バインダーとしてポリビニルアルコール１３重量部及びブチルカルビトール３５重量部とを、それぞれ混合して、固体電解質層用スラリーを調製した。このスラリーを、上記燃料極グリーン基板に厚さ２５μｍとなるようにスクリーン印刷した。

反応防止層の材料には、サマリアをドープしたセリア（Ｓｍ_0.2Ｃｅ_0.8Ｏ_1.9：以下ＳＤＣ）を用いた。詳しくは、原料粉末として、酸化サマリウムと酸化セリウムとを用い、それぞれを所定量秤量し、エタノールを溶媒として湿式混合した。そして、この混合物を、１４００℃を６ｈｒキープする条件で仮焼し、ＳＤＣ粉末を得た。その後、エタノール溶媒を加えて湿式粉砕して、平均粒径が０．５３μｍのＳＤＣ粉末を得た。

このＳＤＣ粉末１００重量部に、バインダーとしてポリビニルアルコール１３重量部及びブチルカルビトール３５重量部をそれぞれ混合して、反応防止層用スラリーを調製した。

このスラリーを、固体電解質層用スラリーの印刷層上に、厚さが１〜２０μｍ、縦１５ｍｍ×横１５ｍｍのサイズとなるようにスクリーン印刷し、燃料極グリーン基板、固体電解質層用の印刷層、反応防止層用の印刷層の三成分積層体の成形体を得た。

この三成分積層体の成形体を、１４００℃で１時間キープする条件で同時焼成し、三成分積層体の焼結体を得た。
(3)空気極の形成
空気極材料には、平均粒径２μｍの市販のＬａ_0.6Ｓｒ_0.4Ｃｏ_0.2Ｆｅ_0.8Ｏ_x（以下ＬＳＣＦと記す）粉末を用いた。

上記ＬＳＣＦ１００重量部に、バインダーとしてポリビニルアルコール１３重量部及びブチルカルビトール３５重量部をそれぞれ混合して、空気極用スラリーを調製した。
そして、このスラリーを、上記三成分積層体の焼結体の反応防止層上に、縦１２ｍｍ×横１２ｍｍのサイズとなるようにスクリーン印刷し乾燥した。なお、焼き付け後には３０μｍ厚となるように印刷した。

その後、１２００℃で１時間キープする条件で焼き付けた。
(4)空気極集電体の形成
空気極集電体の材料には、平均粒径２μｍの市販のＬＳＣＦ粉末と平均粒径２μｍの市販のＰｔ粉末とを用いた。なお、ＬＳＣＦ粉末とＰｔ粉末との混合比は、体積比で１０：９０とした。

上記の混合粉末１００重量部にバインダーとしてポリビニルアルコール１３重量部及びブチルカルビトール３５重量部をそれぞれ混合して、空気極集電体用スラリーを調製した。

このスラリーを、空気極上の同位置に、縦１２ｍｍ×横１２ｍｍのサイズで焼き付け後に１０μｍ厚となるようにスクリーン印刷し、乾燥した。その後、１０００℃で１時間キープする条件で焼き付けた。

これにより、セル本体に空気極集電体が焼き付けられた一体の部材が得られた。
従って、この部材を用いて、上述した実施形態のようにして、実験に供する単セルの固体酸化物形燃料電池のサンプルを製造した。
［実施例２］
本実施例２は、前記実施例１とは、「(4)空気極集電体の形成方法」のみが異なるので、空気極集電体の形成方法を説明する。

空気極集電体材料には、平均粒径２μｍの市販のＬＳＣＦ粉末と平均粒径２μｍの市販のＰｔ粉末とを用いた。なお、ＬＳＣＦ粉末とＰｔ粉末との混合比は、体積比で３０：７０とした。

上記の混合粉末１００重量部に、バインダーとしてポリビニルアルコール１３重量部及びブチルカルビトール３５重量部をそれぞれ混合して、空気極集電体用スラリーを調製した。

このスラリーを、上記空気極上の同位置に、縦１２ｍｍ×横１２ｍｍのサイズで焼き付け後に１０μｍ厚となるようにスクリーン印刷し、乾燥した。その後、１０００℃で１時間キープする条件で焼き付けた。
［実施例３］
本実施例３は、前記実施例１とは、「(4)空気極集電体の形成方法」のみが異なるので、空気極集電体の形成方法を説明する。

空気極集電体材料には、平均粒径２μｍの市販のＬＳＣＦ粉末と平均粒径２μｍの市販のＰｔ粉末とを用いた。なお、ＬＳＣＦ粉末とＰｔ粉末との混合比は、体積比で５０：５０とした。

そして、上記粉末材料を用いて、以下前記実施例２と同様にして、空気極集電体を形成した。
［実施例４］
本実施例４は、前記実施例１とは、「(4)空気極集電体の形成方法」のみが異なるので、空気極集電体の形成方法を説明する。

空気極集電体材料には、平均粒径２μｍの市販のＬＳＣＦ粉末と平均粒径２μｍの市販のＰｔ粉末とを用いた。なお、ＬＳＣＦ粉末とＰｔ粉末との混合比は、体積比で７０：３０とした。

そして、上記粉末材料を用いて、以下前記実施例２と同様にして、空気極集電体を形成した。
［実施例５］
本実施例５は、前記実施例１とは、「(4)空気極集電体の形成方法」のみが異なるので、空気極集電体の形成方法を説明する。

空気極集電体材料には、平均粒径２μｍの市販のＬＳＣＦ粉末と平均粒径２μｍの市販のＰｔ粉末とを用いた。なお、ＬＳＣＦ粉末とＰｔ粉末との混合比は、体積比で９０：１０とした。

そして、上記粉末材料を用いて、以下前記実施例２と同様にして、空気極集電体を形成した。
［実施例６］
本実施例６は、前記実施例１とは、「(4)空気極集電体の形成方法」のみが異なるので、空気極集電体の形成方法を説明する。

空気極集電体材料には、平均粒径２μｍの市販のＬＳＣＦ粉末と平均粒径２μｍの市販のＰｄ粉末とを用いた。なお、ＬＳＣＦ粉末とＰｄ粉末との混合比は、体積比で５０：５０とした。

そして、上記粉末材料を用いて、以下前記実施例２と同様にして、空気極集電体を形成した。
［実施例７］
本実施例７は、前記実施例１とは、「(4)空気極集電体の形成方法」のみが異なるので、空気極集電体の形成方法を説明する。

空気極集電体材料には、平均粒径２μｍの市販のＬＳＣＦ粉末と平均粒径２μｍの市販のＲｕ粉末とを用いた。なお、ＬＳＣＦ粉末とＲｕ粉末との混合比は、体積比で５０：５０とした。

そして、上記粉末材料を用いて、以下前記実施例２と同様にして、空気極集電体を形成した。
［実施例８］
本実施例８は、前記実施例１とは、「(4)空気極集電体の形成方法」のみが異なるので、空気極集電体の形成方法を説明する。

空気極集電体材料には、平均粒径２μｍの市販のＬＳＣＦ粉末と平均粒径２μｍの市販のＲｈ粉末とを用いた。なお、ＬＳＣＦ粉末とＲｈ粉末との混合比は、体積比で５０：５０とした。

そして、上記粉末材料を用いて、以下前記実施例２と同様にして、空気極集電体を形成した。
［実施例９］
本実施例９は、前記実施例１とは、「(4)空気極集電体の形成方法」のみが異なるので、空気極集電体の形成方法を説明する。

空気極集電体材料には、平均粒径２μｍの市販のＬＳＣＦ粉末と平均粒径２μｍの市販のＩｒ粉末とを用いた。なお、ＬＳＣＦ粉末とＩｒ粉末との混合比は、体積比で５０：５０とした。

そして、上記粉末材料を用いて、以下前記実施例２と同様にして、空気極集電体を形成した。
［実施例１０］
本実施例１０は、前記実施例１とは、「(4)空気極集電体の形成方法」のみが異なるので、空気極集電体の形成方法を説明する。

空気極集電体材料には、平均粒径２μｍの市販のＬＳＣＦ粉末と平均粒径２μｍの市販のＡｕ粉末とを用いた。なお、ＬＳＣＦ粉末とＡｕ粉末との混合比は、体積比で５０：５０とした。

そして、上記粉末材料を用いて、以下前記実施例２と同様にして、空気極集電体を形成した。
［実施例１１］
本実施例１１は、前記実施例１とは、「(4)空気極集電体の形成方法」のみが異なるので、空気極集電体の形成方法を説明する。

空気極集電体材料には、平均粒径２μｍの市販のＬＳＣＦ粉末と平均粒径２μｍの市販のＰｔ粉末及びＡｇ粉末とを用いた。なお、ＬＳＣＦ粉末とＰｔ粉末及びＡｇ粉末との混合比は、体積比で５０：５０とし、Ｐｔ粉末とＡｇ粉末との混合比は、体積比で７５：２５とした。

そして、上記粉末材料を用いて、以下前記実施例２と同様にして、空気極集電体を形成した。
［実施例１２］
本実施例１２は、前記実施例１とは、「(4)空気極集電体の形成方法」のみが異なるので、空気極集電体の形成方法を説明する。

空気極集電体材料には、平均粒径２μｍの市販のＬＳＣＦ粉末と平均粒径２μｍの市販のＰｔ粉末及びＡｇ粉末とを用いた。なお、ＬＳＣＦ粉末とＰｔ粉末及びＡｇ粉末との混合比は、体積比で５０：５０とし、Ｐｔ粉末とＡｇ粉末との混合比は、体積比で５０：５０とした。

そして、上記粉末材料を用いて、以下前記実施例２と同様にして、空気極集電体を形成した。
［比較例１］
本比較例１は、前記実施例１とは、「(4)空気極集電体の形成方法」のみが異なるので、空気極集電体の形成方法を説明する。

空気極集電体材料には、平均粒径２μｍの市販のＬＳＣＦ粉末を用い、貴金属は加えなかった。
そして、上記粉末材料を用いて、以下前記実施例２と同様にして、空気極集電体を形成した。
［比較例２］
本比較例２は、前記実施例１とは、「(4)空気極集電体の形成方法」のみが異なるので、空気極集電体の形成方法を説明する。

空気極集電体材料には、平均粒径２μｍの市販のＰｔ粉末を用い、ＬＳＣＦは加えなかった。
そして、上記粉末材料を用いて、以下前記実施例２と同様にして、空気極集電体を形成した。
［比較例３］
本比較例３は、前記実施例１とは、「(4)空気極集電体の形成方法」のみが異なるので、空気極集電体の形成方法を説明する。

空気極集電体材料には、平均粒径２μｍの市販のＬＳＣＦ粉末と平均粒径２μｍの市販のＡｇ粉末とを用いた。なお、ＬＳＣＦ粉末とＡｇ粉末との混合比は、体積比で５０：５０とした。

そして、上記粉末材料を用いて、以下前記実施例２と同様にして、空気極集電体を形成した。
［比較例４］
本比較例４は、前記実施例１とは、「(4)空気極集電体の形成方法」のみが異なるので、空気極集電体の形成方法を説明する。

空気極集電体材料には、平均粒径２μｍの市販のＬＳＣＦ粉末と平均粒径２μｍの市販のＡｇ−Ｐｄ合金粉末（Ｐｄは１０体積％）とを用いた。なお、ＬＳＣＦとＡｇとの体積比が５０：５０となるように、ＬＳＣＦ粉末とＡｇ−Ｐｄ合金粉末とを混合した。

そして、上記粉末材料を用いて、以下前記実施例２と同様にして、空気極集電体を形成した。
［比較例５］
本比較例５は、前記実施例１とは、「(4)空気極集電体の形成方法」のみが異なるので、空気極集電体の形成方法を説明する。

空気極集電体材料には、平均粒径２μｍの市販のＬＳＣＦ粉末と平均粒径２μｍの市販のＰｔ粉末及びＡｇ粉末とを用いた。なお、ＬＳＣＦ粉末とＰｔ粉末及びＡｇ粉末との混合比は、体積比で５０：５０とし、Ｐｔ粉末とＡｇ粉末との混合比は、体積比で３０：７０とした。

そして、上記粉末材料を用いて、以下前記実施例２と同様にして、空気極集電体を形成した。
［比較例６］
本比較例６は、前記実施例１とは、「(4)空気極集電体の形成方法」のみが異なるので、空気極集電体の形成方法を説明する。

空気極集電体材料には、平均粒径２μｍの市販のＬＳＣＦ粉末と平均粒径２μｍの市販のＰｔ−Ａｇ−Ｐｄ合金粉末（Ｐｄは１０体積％）とを用いた。なお、ＬＳＣＦとＰｔ−Ａｇとの体積比が５０：５０となるように、ＬＳＣＦ粉末とＰｔ−Ａｇ−Ｐｄ合金粉末とを混合した。また、ＰｔとＡｇの体積比は、３０：７０とした。

そして、上記粉末材料を用いて、以下前記実施例２と同様にして、空気極集電体を形成した。
［比較例７］
本比較例７は、前記実施例１とは、「(4)空気極集電体の形成方法」のみが異なるので、空気極集電体の形成方法を説明する。

空気極集電体材料には、平均粒径２μｍの市販のＬａ_0.8Ｓｒ_0.2ＣｒＯ_x粉末と平均粒径２μｍの市販のＰｔ粉末を用いた。なお、Ｌａ_0.8Ｓｒ_0.2ＣｒＯ_x粉末とＰｔ粉末との混合比は、体積比で５０：５０とした。

そして、上記粉末材料を用いて、以下前記実施例２と同様にして、空気極集電体を形成した。
ｂ）実験内容
ここでは、下記の発電試験と剥離試験と耐久試験とを行った。

＜発電試験＞
上記各実施例１〜１２、比較例１〜７の実験サンプルに、水素ガス：３Ｌ／ｍｉｎ、空気ガス：９Ｌ／ｍｉｎを投入して、７５０℃にて発電試験を行った。

その結果、下記表１に示す様な出力密度が得られた。
＜剥離試験＞
空気極と空気極集電体との密着性を確認するために、市販の商品No.ＳＴ−１２Ｓのセロテープ（登録商標）を用いて、空気極集電体の剥離試験を行った。

その評価方法は、セル本体の空気極上に焼き付けられた空気極集電体の表面に、縦５００ｍｍ×横１２ｍｍのセロテープ片を貼り付けて、１０ｋｇｆの押圧力で押圧し、直後に、そのセロテープ片を剥離し、セロテープ側に付着した空気極集電体材料の面積を調べ、下記式にて、密着性の比較を行った。その結果を、下記表に記す。

剥離した割合（％）＝｛（セロテープに付着した空気極集電体の面積）
／（印刷した空気極集電体の面積）｝×１００
＜耐久試験＞
発電試験で用いた実験サンプルに対して、温度７５０℃、電流密度１Ａ／ｃｍ²にて、連続的に通電した状態で、２０００時間にわたり発電試験を行い、劣化率（即ち、出力密度の低下率）について調査を行った。その結果を、下記表１に記す。

表１から明らかなように、実施例１〜１２では、０．５８Ｗ／ｃｍ以上の十分な出力密度を確保できた。また、空気極集電体の剥離も少なく、高い密着性を確保できた。更に、劣化率が２．５％以下と低く、高い耐久性を実現できた。

これに対して、本発明の範囲外の比較例１〜７では、出力密度、密着性、耐久性のいずれかに問題があり、好ましくない。
具体的には、比較例１では、空気極集電体にＰｔを添加しないので、(3)空気極における横方向の集電抵抗と(4)インターコネクタ等と集電体との接触抵抗が高く、発電性能が低い。比較例２では、空気極集電体にペロブスカイト酸化物を添加しないので、(5)電気化学的な反応場が少なく、発電性能が低い。比較例３〜６では、空気極集電体中のＡｇ含有量が多いので、(2)空気極集電体の耐熱性等に問題があり、発電性能及び密着性も低い。比較例７では、空気極集電体にランタン・クロマイト系セラミックスを含むので、(5)電気化学的な反応場が少なく、発電性能が低い。

尚、本発明は前記実施形態になんら限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。

実施形態における固体酸化物形燃料電池モジュールを示す斜視図である。固体酸化物形燃料電池セルを空気の流路を示す様に破断した説明図である。固体酸化物形燃料電池セルを燃料ガスの流路を示す様に破断した説明図である。

符号の説明

１…固体酸化物形燃料電池モジュール
３…固体酸化物形燃料電池セル
５…固体酸化物形燃料電池スタック
３７…燃料極
３９…固体電解質層
４３…空気極
４５、４９…インターコネクタ
４７…空気極集電体
５１…燃料極集電体

Claims

固体電解質体と、該固体電解質体の一面に設けられ燃料ガスに接する燃料極と、前記固体電解質体の他面に設けられ酸化剤ガスに接する空気極と、を備えた固体酸化物形燃料電池において、
前記空気極にペロブスカイト系酸化物を含むとともに、該空気極の表面に該空気極と一体化されて該空気極からの集電を行う空気極集電体を備え、
且つ、前記空気極集電体は、主として混合導電体であるペロブスカイト系酸化物と貴金属とからなり、
前記貴金属として、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、及び金のうち少なくとも１種を、前記貴金属中に５０体積％以上含むとともに、
該貴金属中に銀を２５体積％以上５０体積％以下含むことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
前記白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、及び金のうち少なくとも１種を、前記空気極集電体中に１０体積％以上含むことを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池。
前記空気極が、前記ペロブスカイト系酸化物を主成分とするとともに、前記空気極集電体に、前記空気極に含まれるペロブスカイト系酸化物と同種のペロブスカイト系酸化物を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の固体酸化物形燃料電池。