JP5368062B2 - 固体酸化物型燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、固体酸化物型燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：ＳＯＦＣ）に係わり、特に、薄板体（「単セル」とも称呼される。）と支持部材（「セパレータ」とも称呼される。）とが１つずつ交互に積層されてなる（平板）スタック構造を有するものに関する。

従来から、上記スタック構造を有するＳＯＦＣが知られている（例えば、特許文献１を参照）。このＳＯＦＣでは、薄板体として、例えばジルコニアから構成される固体電解質層と、その固体電解質層の上面に形成された燃料極層と、その固体電解質層の下面に形成された空気極層と、が積層されてなる焼成体が使用され得る。

また、各薄板体について、薄板体と薄板体の上方に隣接する支持部材との間にて燃料ガス（水素ガス）の流路（燃料流路）が区画・形成され、薄板体と薄板体の下方に隣接する支持部材との間にて酸素を含むガス（空気）の流路（空気流路）が区画・形成される。

係る構成にて、ＳＯＦＣの作動温度（例えば、８００℃）までＳＯＦＣ（具体的には、薄板体）を昇温・加熱した状態で、燃料流路及び空気流路に燃料ガス及び空気がそれぞれ供給される。これにより、各薄板体の上面（燃料極層）及び下面（空気極層）に燃料ガス及び空気がそれぞれ接触し、各薄板体にて発電反応（後述する(1)式、(２)式を参照）が発生する。この結果、このスタック構造体は電池として機能し得る。以下、説明の便宜上、積層された薄板体（或いは、支持部材）の平面方向を単に「平面方向」と称呼し、薄板体及び支持部材が積層される方向（平面方向と垂直な方向）を「積層方向」と称呼する。
特開２００４−３４２５８４号公報

ところで、上述した３層構造を有する薄板体の内部では、積層方向に電流（具体的には、電子ｅ−、酸素イオンＯ^２−）を通す際の電気抵抗、並びに、上記発電反応に起因する燃料極層及び空気極層での反応抵抗が不可避的に存在する。このことに起因して、図１２に示すように、薄板体を流れる電流Ｉの増加に応じて薄板体の出力電圧Ｖが理論起電力Ｖ０から低下する。ここで、薄板体の上記電気抵抗に起因する電圧低下分を「ＩＲロス」と称呼し、薄板体の上記反応抵抗に起因する電圧低下分を「反応ロス」と称呼する。

薄板体の出力は、図１２に斜線で示す領域の面積で表すことができ、例えば、電流Ｉ＝Ｉ１の場合、薄板体の出力は「Ｉ１・Ｖ１」となる。従って、ＩＲロス、及び反応ロスを低減することで、薄板体の出力（従って、ＳＯＦＣの出力）を増大することができる。

薄板体のＩＲロスは、固体電解質層のＩＲロス、燃料極層のＩＲロス、空気極層のＩＲロス、及びこれらの層間界面部のＩＲロスから構成される。ここで、本発明者は、これらのなかでＩＲロスが最も大きい固体電解質層のＩＲロスに特に着目し、固体電解質層のＩＲロスを大幅に低減できる構成を見出した。

以上より、本発明の目的は、スタック構造を有するＳＯＦＣにおいて、固体電解質層のＩＲロス（電気抵抗）を大幅に低減して、ＳＯＦＣの出力を増大し得るものを提供することにある。

本発明によるＳＯＦＣは、上述したものと同様、固体電解質層と、前記固体電解質層の上面に形成された燃料極層と、前記固体電解質層の下面に形成された空気極層とが積層・焼成されてなる１又は複数の薄板体と、前記１又は複数の薄板体を支持する複数の支持部材とを備え、前記薄板体と前記支持部材とが１つずつ交互に積層されている。

前記各薄板体について、前記薄板体と前記薄板体の上方に隣接する前記支持部材との間にて燃料ガスの流路（燃料流路）が区画・形成され、前記薄板体と前記薄板体の下方に隣接する前記支持部材との間にて酸素を含むガスの流路（空気流路）が区画・形成されている。

本発明によるＳＯＦＣの特徴は、前記固体電解質層の厚さが、０．３μｍ以上且つ５μｍ以下であって、前記固体電解質層は、前記固体電解質層の厚さ方向において単一の粒子から構成されたことにある。前記薄板体の厚さは、２０μｍ以上且つ２００μｍ以下であることが好適である。

固体電解質層のＩＲロスは、厚さ方向（積層方向）に酸素イオンＯ^２−を通す際の電気抵抗に起因する。ここで、固体電解質層の厚さが薄いほど、固体電解質層のＩＲロス（電気抵抗）を小さくすることができる。この観点から、発明者は、固体電解質層の極薄化を検討した。この結果、厚さが０．３μｍ以上且つ５μｍ以下であって、且つ厚さ方向において単一の粒子から構成された固体電解質層を作製することに成功した。

このように、固体電解質層が厚さ方向において単一の粒子から構成されることで、その厚さ方向において、電気抵抗を増大させる要因となる粒界（粒子と粒子との境界）が少なくなる。従って、上記構成によれば、厚さが極めて薄いことに加えて、厚さ方向における粒界が少ないことにより、例えば、厚さが１０μｍ程度であって且つ厚さ方向において２以上の粒子から構成される固体電解質層と比較して、固体電解質層のＩＲロスを大幅に低減できることが判明した。この結果、ＳＯＦＣの出力を増大することができる。

更には、このように固体電解質層のＩＲロスが極めて小さいと、固体電解質層内の酸素イオン伝導度が十分に大きくなる。これにより、空気極層における「酸素をイオン化する触媒反応」が促進されて、固体電解質層の厚さが大きい場合に比して、空気極層の反応ロスが小さくなる。上記構成によれば、このことにも起因して、ＳＯＦＣの出力を増大することができると考えられる。

加えて、薄板体を構成する３層のうちで最もヤング率が大きい固体電解質層の厚さが極めて薄いから、薄板体全体が変形し易くなる。従って、例えば、ＳＯＦＣの急速昇温時等において薄板体内部で温度分布が発生して薄板体内部で局所的に伸縮量差が生じるような場合であっても、その伸縮量差に応じて薄板体が容易に変形し得る。この結果、係る伸縮量差に起因する内部応力（熱応力）がキャンセルされ得るから、熱応力に対して耐久性が高い薄板体を提供することができる。また、このように最もヤング率が大きい固体電解質層の厚さを極めて薄くすることにより、薄板体の焼成後や燃料極層の還元後における薄板体の反りを低減することも可能となる。

また、上述のように、０．３μｍ以上且つ５μｍ以下の厚さを有し且つ厚さ方向において単一の粒子から構成されるＩＲロスの小さい固体電解質層を作製すると、側面視にて、前記固体電解質層を構成する２以上の所定個数の粒子を含む視野内において、前記所定個数の粒子について前記固体電解質層の平面方向における幅に対する前記固体電解質層の厚さ方向における高さの割合の平均値が３以下となることが判明した。即ち、固体電解質層を構成する各粒子は、平面方向に膨らんだ扁平形状を呈する。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態に係る固体酸化物型燃料電池について説明する。

（燃料電池の全体構造）
図１は、本発明の実施形態に係るデバイスである固体酸化物型燃料電池（以下、単に「燃料電池」と称呼する。）１０の破断斜視図である。図２は、燃料電池１０の部分分解斜視図である。燃料電池１０は、薄板体１１とセパレータ１２（支持部材）とが交互に積層されることにより形成されている。即ち、燃料電池１０は、平板スタック構造を備えている。

なお、係る平板スタック構造において、最も上方に位置する薄板体１１の上側には上側蓋部材２１が、最も下方に位置する薄板体１１の下側には下側蓋部材２２がそれぞれ配置・固定されている。薄板体１１は、燃料電池１０の「単セル」とも称呼される。

図２の円Ａ内に拡大して示したように、薄板体１１は、電解質層（固体電解質層）１１ａと、電解質層１１ａの上（上面）に形成された燃料極層１１ｂと、電解質層１１ａ上の燃料極層１１ｂとは反対の面（下面）に形成された空気極層１１ｃと、を有する焼成体である。薄板体１１の平面形状は、互いに直交するｘ軸及びｙ軸の方向に沿う辺を有する正方形（１辺の長さ＝Ａ’）であり、薄板体１１は、ｘ軸及びｙ軸に直交するｚ軸方向に厚み方向を有する板体（厚さ＝ｔ１）である。

本例において、電解質層１１ａはＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）の焼成体である。燃料極層１１ｂは、ＮｉＯ−ＹＳＺからなる焼成体であり、多孔質電極層である。この燃料極層１１ｂは、還元処理後においてＮｉ−ＹＳＺサーメットとなって燃料極電極として機能する。空気極層１１ｃは、ＬＳＣＦ（Ｌａ０．６Ｓｒ０．４Ｃｏ０．２Ｆｅ０．８Ｏ３：ランタンストロンチウムコバルトフェライト）からなる焼成体であり、多孔質電極層である。電解質層１１ａ、燃料極層１１ｂ、及び空気極層１１ｃの常温から１０００℃での平均熱膨張率はそれぞれ、およそ、１０．８ｐｐｍ／Ｋ、１２．５ｐｐｍ／Ｋ、及び１１．５ｐｐｍ／Ｋである。

薄板体１１は、一対のセル貫通孔１１ｄ，１１ｄを備えている。それぞれのセル貫通孔１１ｄは、電解質層１１ａ、燃料極層１１ｂ及び空気極層１１ｃを貫通している。一対のセル貫通孔１１ｄ，１１ｄは、薄板体１１の一つの辺の近傍であってその辺の両端部近傍領域に形成されている。なお、薄板体１１の形状等の詳細については後に詳述する。

図３は、図２においてｘ軸と平行な１−１線を含むとともにｘ−ｚ平面と平行な平面に沿ってセパレータ１２を切断したセパレータ１２の断面図である。図２及び図３に示したように、セパレータ１２は、平面部１２ａと、上方枠体部１２ｂと、下方枠体部１２ｃと、を備えている。ここで、上方、下方枠体部１２ｂ，１２ｃは「セパレータの枠体部」を構成する。セパレータ１２の平面形状は、互いに直交するｘ軸及びｙ軸の方向に沿う辺を有する正方形（１辺の長さ＝Ａ、ＡはＡ’より若干大きい）である。平面部１２ａの厚さはｔｚであり、「枠体部」の厚さはｔ２（＞ｔｚ）である。

セパレータ１２の１辺の長さＡは、本例では、５ｍｍ以上且つ２００ｍｍ以下である。セパレータ１２の平面部１２ａの平面形状（＝正方形）の１辺の長さＬは、本例では、４ｍｍ以上且つ１９０ｍｍ以下である。セパレータ１２の「枠体部」の厚さｔ２は、２００μｍ以上且つ１０００μｍ以下である。セパレータ１２の平面部１２ａの厚さｔｚは５０μｍ以上且つ１００μｍ以下である。

セパレータ１２は、Ｎｉ系耐熱合金（例えば、フェライト系ＳＵＳ、インコネル６００及びハステロイ等）から構成されている。セパレータ１２の常温から１０００℃での平均熱膨張率は、例えばフェライト系ＳＵＳであるＳＵＳ４３０の場合、およそ１２．５ｐｐｍ／Ｋである。従って、セパレータ１２の熱膨張率は、薄板体１１の平均熱膨張率よりも大きい。従って、燃料電池１０の温度が変化したとき、薄板体１１とセパレータ１２との間にて伸縮量差が生じる。

平面部１２ａは、ｚ軸方向に厚み方向を有する薄い平板体である。平面部１２ａの平面形状は、ｘ軸及びｙ軸方向に沿う辺を有する正方形（１辺の長さ＝Ｌ（＜Ａ））である。

上方枠体部１２ｂは、平面部１２ａの周囲（４つの辺の近傍領域、即ち、外周近傍領域）において上方に向けて立設された枠体である。上方枠体部１２ｂは、外周枠部１２ｂ１と段差形成部１２ｂ２とからなっている。

外周枠部１２ｂ１は、セパレータ１２の最外周側に位置している。外周枠部１２ｂ１の縦断面（例えば、ｙ軸方向に長手方向を有する外周枠部１２ｂ１をｘ−ｚ平面に平行な平面に沿って切断した断面）の形状は長方形（又は正方形）である。

段差形成部１２ｂ２は、平面部１２ａの４つの角部のうちの一つの角部において、外周枠部１２ｂ１の内周面からセパレータ１２の中央に向けて延設された部分である。段差形成部１２ｂ２の下面は平面部１２ａと連接している。段差形成部１２ｂ２の平面視における形状は略正方形である。段差形成部１２ｂ２の上面（平面）は、外周枠部１２ｂ１の上面（平面）と連続している。段差形成部１２ｂ２には、貫通孔ＴＨが形成されている。貫通孔ＴＨは、段差形成部１２ｂ２の下方に位置する平面部１２ａにも貫通している。

下方枠体部１２ｃは、平面部１２ａの周囲（４つの辺の近傍領域、即ち、外周近傍領域）において下方に向けて立設された枠体である。下方枠体部１２ｃは、平面部１２ａの厚さ方向の中心線ＣＬに対して上方枠体部１２ｂと対称形状を有している。従って、下方枠体部１２ｃは、外周枠部１２ｂ１、及び段差形成部１２ｂ２とそれぞれ同一形状の外周枠部１２ｃ１、及び段差形成部１２ｃ２を備えている。但し、段差形成部１２ｃ２は、平面部１２ａの四つの角部のうち段差形成部１２ｂ２が形成されている角部と隣り合う２つの角部のうちの一方の角部に配置・形成されている。

図４は、薄板体１１及び薄板体１１を支持（挟持）した状態における一対のセパレータ１２を、図２においてｙ軸と平行な２−２線を含むとともにｙ−ｚ平面と平行な平面に沿って切断した縦断面図である。上述したように、燃料電池１０は、薄板体１１とセパレータ１２とが交互に積層されることにより形成されている。

ここで、この一対のセパレータ１２のうち、薄板体１１に対してその下方・上方に隣接するものをそれぞれ、便宜上、下方セパレータ１２１及び上方セパレータ１２２と称呼する。図４に示したように、下方セパレータ１２１及び上方セパレータ１２２は、下方セパレータ１２１の上方枠体部１２ｂの上に上方セパレータ１２２の下方枠体部１２ｃが対向するように互いに同軸的に配置される。

薄板体１１は、その周縁部全周が、下方セパレータ１２１の上方枠体部１２ｂ（周縁部）の上面と上方セパレータ１２２の下方枠体部１２ｃ（周縁部）の下面との間に挟持される。このとき、薄板体１１は、下方セパレータ１２１の平面部１２ａの上面に空気極層１１ｃが対向するように配置され、上方セパレータ１２２の平面部１２ａの下面に燃料極層１１ｂが対向するように配置される。

薄板体１１の周縁部全周と、下方セパレータ１２１の上方枠体部１２ｂと、上方セパレータ１２２の下方枠体部１２ｃとは、シール材１３により互いに接合（シール）されている。

シール材１３は、薄板体１１の周縁部の上面と上方セパレータ１２２の下方枠体部１２ｃの下面との間の空間（境界部分）、及び、薄板体１１の周縁部の下面と下方セパレータ１２１の上方枠体部１２ｂの上面との間の空間（境界部分、第１接合部）をそれぞれ接合（シール）する第１シール部１３ａを有する。また、シール材１３は、上方セパレータ１２２の下方枠体部１２ｃの下側端（側面の下端）と下方セパレータ１２１の上方枠体部１２ｂの上側端（側面の上端）との間の空間（隙間、第２接合部）を接合（シール）する、第１シール部１３ａとは分離した第２シール部１３ｂを有する。この第２シール部１３ｂは、スタック構造を有する燃料電池１０の側面全域に亘って連続している。

第１シール部１３ａは、その全体が燃料電池１０の作動温度（例えば、６００℃〜８００℃）よりも低い第１軟化点を有する非晶質ガラスからなる。第１シール部１３ａは、上記第１接合部をシールする機能を発揮する。加えて、第１シール部１３ａは、燃料電池１０の温度（具体的には、第１シール部１３ａの温度）が第１軟化点未満の場合、上記第１接合部の相対移動を不能とする。一方、第１シール部１３ａは、燃料電池１０の温度（具体的には、第１シール部１３ａの温度）が第１軟化点以上の場合、第１シール部１３ａが軟化することに起因して、上記第１接合部の相対移動を可能とする。これにより、上述した薄板体１１とセパレータ１２との間での伸縮量差に起因する内部応力（熱応力）をキャンセルすることができる。

一方、第２シール部１３ｂは、セラミックス（具体的には、結晶化ガラス、ガラスセラミックス等、結晶質を含む材料、非晶質と結晶質とが混在していてもよい）からなる。第２シール部１３ｂは、上記第２接合部をシールする機能を発揮する。加えて、第２シール部１３ｂは、上記第２接合部の相対移動を常時不能とする。これにより、燃料電池１０全体の形状（スタック構造を有する形状）が維持され得る。

また、上述のように、熱応力の緩衝機能を有する第１シール部１３ａと、ガスシール機能を有する第２シール部１３ｂとの材料選択に関し、同一組成の材料を使用することもできる。同一組成の材料を使用することで、組成の異なる材料を使用した場合においてＳＯＦＣ作動時にて熱履歴に起因して発生し得る接合部の変質を抑制することができる。

具体的には、組成を同一とする一方でガラスの粒径に差を設けることで、結晶化の進行度を異ならせて両シール部１３ａ，１３ｂの機能を異ならせる。例えば、第１シール部１３ａの材料として粒径の大きいガラス材料（例えば１μｍ程度）を使用し、第２シール部１３ｂの材料として粒径の小さいガラス材料（例えば０．３μｍ以下）を使用する。これにより、スタック組立時におけるガラス接合のための熱処理温度時（例えば８５０℃）における結晶化の進行度に差を持たせることができる。即ち、粒径の大きい第１シール部１３ａでは結晶化が完全に進行せずに一部非晶質層が残留した半結晶状態が保持され、粒径の小さい第２シール部１３ｂでは結晶化を完了させることができる。これにより、半結晶状態にある第１シール部１３ａには熱応力の緩衝機能を持たせ、結晶化が完了した第２シール部１３ｂにはガスシール機能を持たせることができる。

以上により、図４に示したように、下方セパレータ１２１の平面部１２ａの上面と、下方セパレータ１２１の上方枠体部１２ｂ（外周枠部１２ｂ１及び段差形成部１２ｂ２）の内側壁面と、薄板体１１の空気極層１１ｃの下面と、により酸素を含む気体（空気）が供給される空気流路２１が形成される。酸素を含む気体は、図４の破線の矢印により示したように、上方セパレータ１２２の貫通孔ＴＨと薄板体１１のセル貫通孔１１ｄとを通して空気流路２１に流入する。

また、上方セパレータ１２２の平面部１２ａの下面と、上方セパレータ１２２の下方枠体部１２ｃ（外周枠部１２ｃ１及び段差形成部１２ｃ２）の内側壁面と、薄板体１１の燃料極層１１ｂの上面と、により水素を含む燃料が供給される燃料流路２２が形成される。燃料は、図４の実線の矢印により示したように、下方セパレータ１２１の貫通孔ＴＨと薄板体１１のセル貫通孔１１ｄとを通して燃料流路２２に流入する。なお、図４では示していないが、空気流路２１、及び／又は燃料流路２２中において、集電用の金属メッシュが内装されていても良い。

以上のように構成された燃料電池１０は、例えば、図５に示したように、薄板体１１の燃料極層１１ｂとセパレータ１２の平面部１２ａの下面との間に形成された燃料流路２２に燃料が供給され、且つ、薄板体１１の空気極層１１ｃとセパレータ１２の平面部１２ａの上面との間に形成された空気流路２１に空気が供給されることにより、以下に示す化学反応式（１）及び（２）に基づく発電を行う。
（１／２）・Ｏ_２＋２^ｅ−→Ｏ^２− （於：空気極層１１ｃ） …（１）
Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２^ｅ− （於：燃料極層１１ｂ） …（２）

燃料電池（ＳＯＦＣ）１０は、固体電解質層１１ａの酸素伝導度を利用して発電するので、燃料電池１０としての作動温度は最低６００℃以上であることが一般的である。このため、燃料電池１０は、常温から作動温度（例えば８００℃）まで外部の加熱機構（例えば、抵抗加熱ヒータ方式の加熱機構、或いは、燃料ガスを燃焼して得られる熱を利用する加熱機構等）により昇温された状態で使用される。

（薄板体の詳細）
以下、薄板体１１の詳細について説明する。薄板体１１の部分側面図である図６に示すように、燃料極層１１ｂは、Ｎｉ及びＹＳＺの微細な（例えば、１μｍ未満の粒径を有する）粒子からなる多孔質層である。空気極層１１ｃは、ＬＳＣＦの微細な（例えば、１μｍ未満の粒径を有する）粒子からなる多孔質層である。

一方、図６、並びに、電解質層１１ａの部分平面図である図７に示すように、電解質層１１ａは、厚さ方向においてＹＳＺの単一の粒子から構成されている。なお、電解質層１１ａは、厚さ方向においてＳｃＳＺ（スカンジアドープジルコニア）の単一の粒子から構成されていてもよい。側面視において２以上の所定個数の粒子を含む視野内（例えば、図６に示す視野内では、７個）において、前記所定個数の粒子について電解質層１１ａの平面方向の幅Ｗに対する電解質層１１ａの厚さ方向の高さＴの割合（Ｔ/Ｗ）の平均値が３以下となっている。即ち、電解質層１１ａを構成する各粒子は、電解質層１１ａの平面方向に膨らんだ扁平形状を呈している。

薄板体１１の厚さｔ１は、全体に渡って均一であり、本例では、２０μｍ以上且つ５００μｍ以下であり、２０μｍ以上且つ２００μｍ以下であることが好ましい。また、電解質層１１ａ、燃料極層１１ｂ、及び空気極層１１ｃの厚さｔａ，ｔｂ，ｔｃはそれぞれ、例えば、０．３μｍ以上且つ５μｍ以下、５μｍ以上且つ５００μｍ以下、及び、５μｍ以上且つ２００μｍ以下である。

このように、本例では、薄板体１１において燃料極層１１ｂが最も厚く、従って、燃料極層１１ｂが薄板体１１全体を支持する構造となっている。燃料極層１１ｂには金属（Ｎｉ）が含まれているから、燃料極層１１ｂは、電解質層１１ａ及び空気極層１１ｃよりも柔軟性（靭性）に富む。従って、薄板体１１において燃料極層１１ｂを最も厚くすることで、薄板体１１を柔軟性に富む構造体とすることができる。更には、電解質層１１ａの厚さが０．３μｍ以上且つ５μｍ以下と極めて薄く且つ燃料極層１１ｂが薄板体１１全体を支持する厚い層であることから、起動性に富む燃料電池（ＳＯＦＣ）１０が得られる。

（製造方法の一例）
以下、燃料電池１０の製造方法の一例について簡単に説明する。先ず、薄板体１１の製造方法について説明する。先ず、シート（燃料極層１１ｂとなる層）の下面に、図８に示すように、ＹＳＺの微細な粒径（例えば、１μｍ以下）の粉末からなるセラミックグリーンシート（電解質層１１ａとなる層）が積層される。なお、シート（燃料極層１１ｂとなる層）の下面に、上記粉末からなるシート（電解質層１１ａとなる層）が印刷法により形成されてもよい。

次いで、この積層体（電解質層１１ａとなる層と燃料極層１１ｂとなる層の積層体）が所定条件下にて焼成される。この焼成過程において、シート（電解質層１１ａとなる層）について、図９に示すように、ＹＳＺの各粒子が成長して次第に大きくなっていくと共に、シートの厚さ方向における粒子数が減少していく。そして、最終的には、上述した図６、図７と同様、図１０に示すように、各粒子が更に成長して扁平形状となり、且つ、層が厚さ方向にてＹＳＺの単一の粒子から構成されるようになる。このようにして、電解質層１１ａ及び燃料極層１１ｂが形成される。なお、このシート（電解質層１１ａとなる層）を構成する粉末に、添加剤として、イットリアＹ_２Ｏ_３、スカンジアＳｃ_２Ｏ_３等の安定化剤を加えておくと、上述の粒子の成長を促進することができる。

そして、その焼成体（具体的には、電解質層１１ａ）の下面に、シート（空気極層１１ｃとなる層）が印刷法により形成され、そのシートが８００−１１００℃・１時間にて焼成されて空気極層１１ｃが形成される。以上により、３層からなる薄板体１１が作製される。

セパレータ１２は、エッチング、切削等により形成され得る。

次に、各セパレータ１２の外周部において薄板体１１を挟持する部分（即ち、下方枠体部１２ｃの下面、及び上方枠体部１２ｂの上面）に第１シール部１３ａを構成するガラス材料（ホウ酸珪ガラス）が印刷法によりそれぞれ塗布される。次いで、セパレータ１２と薄板体１１とが交互に積層され、熱処理（８３０℃／１ｈｒ）を施してスタック構造が一体化される。その後、スタックの外周部に対し、第２シール部１３ｂを構成する材料（ホウ酸珪系結晶化ガラス等）が塗布され、熱処理（例えば８５０℃／１ｈｒ）を施してスタック構造が補強される。これにより、燃料電池１０が完成する。

（作用・効果）
以下、上述のように、薄板体１１の電解質層１１ａを、厚さが０．３μｍ以上且つ５μｍ以下であって、且つ厚さ方向において単一の粒子から構成したことによる作用・効果について述べる。

薄板体１１のＩＲロス（電気抵抗）は、電解質層１１ａ内を厚さ方向に酸素イオンＯ^２−が通過する際の電気抵抗に起因する電解質層１１ａのＩＲロス、燃料極層１１ｂ内を厚さ方向に電子ｅ⁻が通過する際の電気抵抗に起因する燃料極層１１ｂのＩＲロス、空気極層１１ｃ内を厚さ方向に電子ｅ⁻が通過する際の電気抵抗に起因する空気極層１１ｃのＩＲロス、及びこれらの層間界面部のＩＲロスから構成される。上述のように、薄板体１１のＩＲロスが小さいほど、薄板体１１の出力（従って、燃料電池１０の出力）を増大することができる。

薄板体１１のＩＲロスを構成する上記ＩＲロスのうちで、電解質層１１ａのＩＲロスが最も大きい。従って、電解質層１１ａのＩＲロスを低減できれば、薄板体１１の出力（従って、燃料電池１０の出力）を効果的に増大することができる。

ここで、電解質層１１ａの厚さが薄いほど、電解質層１１ａのＩＲロスが小さくなる傾向がある。従って、上述のように、電解質層１１ａの厚さを０．３μｍ以上且つ５μｍ以下のように極めて薄くすることだけで、電解質層１１ａのＩＲロスを小さくすることができる。加えて、電解質層１１ａを厚さ方向において単一の粒子から構成したことで、厚さ方向において電気抵抗を増大させる要因となる粒界（粒子と粒子との境界）が少なくなる。これによっても、電解質層１１ａのＩＲロスが小さくなる。

即ち、厚さが極めて薄いことに加えて、厚さ方向における粒界が少ないことにより、例えば、厚さが１０μｍ程度であって且つ厚さ方向において２以上の粒子から構成される電解質層と比較して、電解質層１１ａのＩＲロスを大幅に低減できる。

更には、このように電解質層１１ａのＩＲロスが極めて小さいと、電解質層１１ａ内の酸素イオン伝導度が十分に大きくなる。これにより、空気極層１１ｃにおける「酸素をイオン化する触媒反応」が促進される。従って、電解質層１１ａの厚さが大きい場合に比して、空気極層１１ｃの反応ロスが小さくなる。このことによっても、薄板体１１の出力（従って、燃料電池１０の出力）を効果的に増大することができると考えられる。

以下、このことを確認した実験について説明する。この実験では、電解質層１１ａの厚さｔａが０．２μｍ〜１０μｍの範囲内で異なる複数種類の薄板体１１が準備された。これらの薄板体１１は、厚さが１５０μｍの燃料極層１１ｂ（ＮｉＯ−８ＹＳＺ）の支持体上に極薄の電解質層１１ａが形成され、その上に厚さ１５μｍの空気極層１１ｃ（ＬＳＣＦ）が形成されることで作製された。極薄の電解質層は、ドクターブレード法、リバースドクター法、リバースロールコーター法などを利用して作製・形成された。

ここで、厚さｔａが５μｍ以下のものでは、電解質層１１ａが厚さ方向において単一の粒子から構成されていた。一方、厚さｔａが５μｍより大きいものでは、電解質層１１ａが厚さ方向において２以上の粒子から構成されていた。

そして、各薄板体１１について、薄板体１１の出力電圧を所定値（一定）に調整した状態において薄板体１１の出力密度がそれぞれ計測された。この計測は、出力測定温度８００℃、且つ、水素、空気の利用率が１０％以下のガスリッチの条件の下で、φ１０ｍｍのコインセルを作製して行われた。この計測結果を表１、及び図１１に示す。

表１、及び図１１に示すように、電解質層１１ａの厚さｔａが薄くなるほど、薄板体１１の出力密度が大きくなる。これは、電解質層１１ａの厚さｔａが薄くなるほど、電解質層１１ａのＩＲロスが小さくなって（加えて、空気極層１１ｃの反応ロスが小さくなって）電解質層１１ａを流れる電流（酸素イオンＯ^２−）が増大することに基づく。そして、特に厚さｔａが５μｍ以下になると、厚さｔａの減少に対する出力密度の増加勾配が顕著に大きくなる。このように、出力密度の増加勾配が顕著に大きくなるのは、「電解質層１１ａのＩＲロスが小さくなること」と「空気極層１１ｃの反応ロスが小さくなること」との相乗効果によるものと推測される。なお、厚さｔａが０．２μｍの場合、電解質層１１ａにクラックが発生した。

以上より、薄板体１１の電解質層１１ａを、厚さが０．３μｍ以上且つ５μｍ以下であって、且つ厚さ方向において単一の粒子から構成すると、電解質層１１ａのＩＲロスを大幅に低減できる。更には、空気極層１１ｃの反応ロスをも大幅に低減できると考えられる。この結果、燃料電池１０の出力を増大することができる。

更には、薄板体１１を構成する３層のうちで最もヤング率が大きい電解質層１１aの厚さｔａが極めて薄いから、薄板体１１全体が変形し易い。従って、例えば、燃料電池１０を急速に昇温する場合等において薄板体１１内部で温度分布が発生して薄板体１１内部で局所的に伸縮量差が生じるような場合であっても、その伸縮量差に応じて薄板体１１が容易に変形し得る。この結果、係る伸縮量差に起因する内部応力（熱応力）がキャンセルされ得、熱応力に対する薄板体１１の耐久性が高くなる。

以下、このことを確認した実験の結果を表２に示す。この実験では、上述の実験で使用したものと同じ厚さが異なる複数種類の薄板体１１が準備され、薄板体１１の種類毎に、３枚の薄板体１１とセパレータ１２とを交互に積層して３段スタック構造体がそれぞれ作製された。

そして、各スタック構造体に対して、８００℃まで２時間で昇温して燃料極層１１ｂの還元処理を行った後、急速温度変化試験が実施された。この急速温度変化試験では、燃料極層側に水素を、空気極層側に空気を、それぞれ、１００ｃｃ／ｍｉｎで流しながら、常温から８００℃まで５分で昇温し、次いで８００℃から常温まで３０分で降温するパターンが１０回繰り返し行なわれた。その後において、スタック構造を構成する薄板体１１に破損が発生したか否かが評価された。破損は、スタック内にガスを流してスタック内部についてリーク試験を実施することで確認された。

表２から理解できるように、厚さｔａが０．３μｍ以上且つ５μｍ以下では、薄板体１１に破損が発生しない。即ち、熱応力に対する薄板体１１の耐久性が高くなる。なお、表２では、上述のように、常温から８００℃まで５分で昇温した場合における評価結果が示されているが、赤外線ランプ炉を用いて常温から８００℃まで１分で昇温した場合（その他の条件は全て同じ）についても、全く同様の評価結果（厚さｔａが０．３μｍ以上且つ５μｍ以下では薄板体１１に破損が発生しない）が得られることが確認できている。

以上、説明したように、本発明の実施形態に係る平板スタック構造を有する固体酸化物型燃料電池１０では、薄板体１１の電解質層１１ａが、厚さが０．３μｍ以上且つ５μｍ以下と極めて薄く、且つ厚さ方向において単一の粒子から構成される。これにより、電解質層１１ａのＩＲロスを大幅に低減できる。この結果、燃料電池１０の出力を増大することができる。加えて、ヤング率の高い電解質層１１aの厚さｔａが極めて薄いから、薄板体１１全体が変形し易い。この結果、熱応力に対する薄板体１１の耐久性が高くなる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、上記実施形態において、燃料極層１１ｂは、白金、白金−ジルコニアサーメット、白金−酸化セリウムサーメット、ルテニウム、ルテニウム−ジルコニアサーメット等から構成することができる。

また、空気極層１１ｃは、例えば、ランタンを含有するペロブスカイト型複合酸化物（例えば、上述のランタンストロンチウムコバルトフェライトのほか、ランタンマンガナイト、ランタンコバルタイト、ランタンフェライト）から構成することができる。これらは、ストロンチウム、カルシウム、クロム、コバルト、鉄、ニッケル、アルミニウム等をドープしたものであってよい。また、パラジウム、白金、ルテニウム、白金−ジルコニアサーメット、パラジウム−ジルコニアサーメット、ルテニウム−ジルコニアサーメット、白金−酸化セリウムサーメット、パラジウム−酸化セリウムサーメット、ルテニウム−酸化セリウムサーメットであってもよい。

また、上記実施形態においては、薄板体１１及びセパレータ１２の平面形状は正方形であるが、長方形、円形、楕円形等であってもよい。

本発明の実施形態に係る固体酸化物型燃料電池の破断斜視図である。 図１に示した燃料電池の部分分解斜視図である。 図２に示した１−１線を含むとともにｘ−ｚ平面と平行な平面に沿ってセパレータを切断したセパレータの断面図である。 図１に示した薄板体及び薄板体を支持した状態におけるセパレータを、図２に示した２−２線を含むとともにｙ−ｚ平面と平行な平面に沿って切断した縦断面図である。 図１に示した燃料電池における燃料と空気の流通を説明する図である。 図２に示した薄板体の部分側面図である。 図２に示した電解質層の部分平面図である。 図２に示した電解質層を作製する過程における焼成前の層の状態を示した図（ａは平面図、ｂは側面図）である。 図２に示した電解質層を作製する過程における焼成中の層の状態を示した図（ａは平面図、ｂは側面図）である。 図２に示した電解質層を作製する過程における焼成後の層の状態を示した図（ａは平面図、ｂは側面図）である。 薄板体の出力電圧を一定に調整した状態における、薄板体の厚さと薄板体の出力密度との関係を示したグラフである。 ＩＲロス、及び反応ロスを説明するための図である。

符号の説明

１０…燃料電池、１１…薄板体、１１ａ…ジルコニア固体電解質層、１１ｂ…燃料極層、１１ｃ…空気極層、１２…セパレータ、１２ａ…平面部、１２ｂ…上方枠体部、１２ｃ…下方枠体部、２１…空気流路、２２…燃料流路

Claims (5)

1. 固体電解質層と、前記固体電解質層の上面に形成された燃料極層と、前記固体電解質層の下面に形成された空気極層とが積層・焼成されてなる１又は複数の薄板体と、
   前記１又は複数の薄板体を支持する複数の支持部材と、
   を備え、前記薄板体と前記支持部材とが１つずつ交互に積層されてなり、
   前記各薄板体について、前記薄板体と前記薄板体の上方に隣接する前記支持部材との間にて燃料ガスの流路である燃料流路が区画・形成され、前記薄板体と前記薄板体の下方に隣接する前記支持部材との間にて酸素を含むガスの流路である空気流路が区画・形成された固体酸化物型燃料電池において、
   前記固体電解質層の厚さは、０．３μｍ以上且つ５μｍ以下であって、前記固体電解質層は、前記固体電解質層の厚さ方向において単一の粒子から構成され、前記粒子は、前記固体電解質層の平面方向に膨らんだ扁平形状を呈している固体酸化物型燃料電池。
2. 請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池において、
   前記薄板体の厚さは、２０μｍ以上且つ２００μｍ以下である固体酸化物型燃料電池。
3. 請求項１又は請求項２に記載の固体酸化物型燃料電池において、
   前記固体電解質層の厚さは、０．３μｍ以上且つ２μｍ以下である、固体酸化物型燃料電池。
4. 固体電解質層と、
   前記固体電解質層の上面に形成された燃料極層と、
   前記固体電解質層の下面に形成された空気極層と、
   が積層・焼成されてなる固体酸化物型燃料電池であって、
   前記固体電解質層の厚さは、０．３μｍ以上且つ５μｍ以下であって、前記固体電解質層は、前記固体電解質層の厚さ方向において単一の粒子から構成され、前記粒子は、前記固体電解質層の平面方向に膨らんだ扁平形状を呈している固体酸化物型燃料電池。
5. 請求項４に記載の固体酸化物型燃料電池において、
   前記固体電解質層の厚さは、０．３μｍ以上且つ２μｍ以下である、固体酸化物型燃料電池。

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