JP5378062B2 - 固体酸化物型燃料電池の薄板体、及び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、ＳＯＦＣに使用される薄板体（「単セル」とも称呼される。）に関する。

従来から、固体電解質層と、前記固体電解質層の上面に形成されてその上面から燃料ガス（例えば、水素等）の供給を受ける燃料極層と、前記固体電解質層の下面に形成されてその下面から酸素を含むガス（例えば、空気等）の供給を受ける空気極層と、が積層・焼成されてなるＳＯＦＣの単セル用の薄板体が知られている（例えば、特許文献１を参照。）。

特開２００６−１３９９６６号公報

係る薄板体では、一般に、Ｎｉ−ＹＳＺサーメット等から構成される燃料極層の熱膨張率は、ＹＳＺから構成される固体電解質層の熱膨張率よりも大きい。従って、焼成された薄板体は、層間の熱膨張率差に起因する内部応力（熱応力）により変形し易い。また、焼成時の層間の収縮量の差異によっても内部応力（熱応力）が発生して変形することがある。通常、この変形は、空気極層側が凸になる方向（下側が凸となる方向）に発生する。

ところで、近年、ＳＯＦＣの小型化、内部電気抵抗の低減等の目的を達成するために、係る薄板体を極めて薄く形成する試みがなされてきている。このように薄板体を極めて薄く形成すると、薄板体中の支持部（薄板体を支持する層、例えば、燃料極層）が薄くなることから上述した薄板体の変形が顕著となり得る。

この場合、種々の問題が発生する。例えば、燃料極層の上面又は空気極層の下面と対向する部分に形成される燃料ガス流路又は空気流路は極めて狭い。従って、変形した薄板体がこれらの流路を閉じてしまうという問題が発生する可能性がある。また、薄板体が流路を閉じない程度に変形した場合であっても、空気や燃料ガス等の流体が流路を流れる際の圧力損失が薄板体の変形によって増大するという問題が発生する。

係る薄板体の変形（反り）を低減するためには、例えば、燃料極層内に熱膨張率が小さい物質を含ませる等により、燃料極層の平均熱膨張率を低減して固体電解質層の熱膨張率に近づけることが考えられる。しかしながら、燃料極層に含ませられる物質が絶縁体等である場合、絶縁体の添加量や添加形態によっては燃料極層の厚さ方向の電気抵抗が極端に増大するという新たな問題が発生し得る。

従って、本発明の目的は、反りが抑制され得、且つ燃料極層の電気抵抗の増大が抑制された、極めて薄いＳＯＦＣの単セル用の薄板体を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明による固体酸化物型燃料電池の薄板体は、固体電解質層と、前記固体電解質層の上面に形成された（前記固体電解質層よりも熱膨張率が大きい燃料極層であって）前記燃料極層の上面から燃料ガスの供給を受ける燃料極層と、前記固体電解質層の下面に形成された前記空気極層の下面から酸素を含むガスの供給を受ける空気極層と、が積層・焼成されてなる固体酸化物型燃料電池の薄板体である。

本発明による固体酸化物型燃料電池の薄板体の特徴は、前記燃料極層が、酸素イオンを通すための第１物質の粒子と、電子を通すための第２物質の粒子と、ジルコンの粒子とを少なくとも含む焼成体であり、前記燃料極層において、前記燃料極層の平面方向において前記ジルコン粒子が均一に分布すること（換言すれば、前記燃料極層の平面方向において前記ジルコン粒子の分布状態（存在状態）が均質であること）にある。更には、前記燃料極層において、前記燃料極層の厚さ方向において前記固体電解質層から遠い側の方が前記固体電解質層に近い側よりも単位体積当たりの前記ジルコン粒子の含有量が大きいことが好適である。ここにおいて、前記「酸素イオンを通すための第１物質」とは、例えば、ジルコニア等であり、前記「電子を通すための第２物質」とは、例えば、ニッケル等である。

ジルコンは、ジルコニア等に比して熱膨張率が非常に小さい。従って、上記のように、燃料極層にジルコン粒子を含ませることで、燃料極層の平均熱膨張率を低減して固体電解質層の熱膨張率に近づけることができる。これにより、上述した層間の熱膨張率差に起因する薄板体の反り（下側が凸になる方向の反り）が抑制され得る。加えて、燃料極層において固体電解質層から遠い側の方が単位体積当たりのジルコン粒子含有量が大きい（従って、局所的な熱膨張率が小さい）場合、燃料極層単体では、固体電解質層から遠い側が凸になる方向（上側が凸となる方向）に内部応力（熱応力）が発生する。このことにも起因して、上述した薄板体の反り（下側が凸になる方向の反り）が一層抑制され得る。

しかしながら、ジルコンは電子伝導的には絶縁体であるから、仮に、燃料極層の平面方向において、ジルコン粒子を不均一に分布させると、ジルコン粒子が密集した領域について厚さ方向の電気抵抗が極端に大きくなる。このように厚さ方向の電気抵抗が極端に大きい領域が発生すると、薄板体全体の電気抵抗が増大することに加え、発電時に発生するジュール熱によりその領域が高温化して薄板体が破損するという問題が発生し得る。これに対し、上記のように、前記燃料極層の平面方向においてジルコン粒子を均一に分布させることで、厚さ方向の電気抵抗が極端に大きくなる領域が発生しない。この結果、燃料極層全体としての厚さ方向の平均的な電気抵抗の増大が抑制され得る。

以上より、本発明によれば、反りが抑制され得、且つ燃料極層の電気抵抗の増大が抑制された極めて薄いＳＯＦＣの単セル用の薄板体が提供され得る。また、燃料極層にジルコンを含ませることにより以下のような更なる効果も発生し得る。

１．ジルコンは、燃料極層を構成する上記第１、第２物質（例えば、ＮｉＯ、ＹＳＺ等）と反応しない性質を有する。従って、燃料極層内の上記第１、第２物質の変質を抑制できる。
２．ジルコンのヤング率は約３００ＧＰａと非常に大きい。従って、燃料極層が薄板体の支持層として機能する場合、支持層としての燃料極層の剛性を高めることができる。この結果、薄板体の平坦化、薄板化に有利となる。
３．燃料極層を燃料極電極として機能させるためには、燃料極層に所定の還元処理を施す必要がある。この還元処理の際に、ジルコンは、燃料極層の形状維持に寄与し得る。具体的には、還元処理により燃料極層が収縮する。薄板体が極めて薄い場合、この燃料極層の収縮に起因して薄板体に反りが発生する。燃料極層にジルコンを含ませることで、この薄板体の反りが抑制される効果が発生し得る。
４．ＳＯＦＣ使用中においては、上記還元処理後の燃料極層内の上記第２物質（Ｎｉ等）の粒成長（シンタリング）が発生し得る。この粒成長により、燃料極層内において上記第２物質（Ｎｉ等）同士の接触により接続・形成される導電経路（具体的には、電子が通る経路）が変化することで、一般には燃料極層の導電率が低下する。燃料極層にジルコンを含ませることで、この粒成長が抑制される効果が発生し得る。即ち、粒成長による燃料極層の導電率の低下が抑制される効果が発生し得る。
５．ＳＯＦＣ使用中において、ジルコンそのものが燃料極層の被毒源となることはない。

上記本発明に係る薄板体においては、前記燃料極層は、前記固体電解質層の上面に形成されて前記第１、第２物質の粒子からなる第１層と、前記第１層の上面に形成されて前記第１、第２物質の粒子及び前記ジルコン粒子からなり前記平面方向及び厚さ方向において前記ジルコン粒子が均一に分布する第２層とが積層されてなるように構成され得る。

このような２層からなる燃料極層は、例えば、後に前記第１、第２層となるグリーンシート（テープ）をそれぞれ作製しておき、これらを積層・焼成することで容易に作製され得る。これによれば、「燃料極層の平面方向においてジルコン粒子が均一に分布し、且つ、燃料極層の厚さ方向において固体電解質層から遠い側の方が固体電解質層に近い側よりも単位体積当たりのジルコン粒子含有量が大きい」２層からなる燃料極層を容易に作製することができる。

上記本発明に係る薄板体においては、具体的には、前記固体電解質層、前記燃料極層、及び前記空気極層の厚さがそれぞれ、０．１〜３０μｍ、５０〜５００μｍ、及び３〜５０μｍであることが好ましい。また、前記燃料極層の厚さに対する前記第２層の厚さの割合は、５〜８０％であることが好適である。

加えて、前記固体電解質層、前記空気極層、前記第１層、及び前記第２層の熱膨張率はそれぞれ、１０〜１１．５ｐｐｍ／Ｋ、１０〜１４ｐｐｍ／Ｋ、１１．５〜１３．０ｐｐｍ／Ｋ、及び１０．５〜１２ｐｐｍ／Ｋであることが好ましい。また、前記第２層に含まれる前記第１物質の粒子、前記第２物質の粒子、及び前記ジルコン粒子の粒径はそれぞれ、０．３〜１．５μｍ、０．５〜２μｍ、及び０．７〜２．５μｍであることが好適である。更には、前記第２層において、単位体積当たりの前記ジルコン粒子の含有量は、３〜３０体積％であることが好ましい。

以上、説明した本発明に係る薄板体を使用した固体酸化物型燃料電池は、上記構成を有する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・形成されて構成される。

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。 薄板体の比較例の部分側面図である。 ＩＲロス、及び反応ロスを説明するための図である。 薄板体の他の比較例の部分側面図である。

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の上面に形成された燃料極層１１ｂと、電解質層１１ａの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、及びジルコン（ＺｒＳｉＯ_４）からなる焼成体であり、多孔質電極層である（後述するように２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。また。空気極層１１ｃと電解質層１１ａとの間に、セリア（ＣｅＯ２）などの反応防止層が設けられても良い。セリアとしては、具体的には、ＧＤＣ（ガドリニウムドープセリア）、ＳＤＣ（サマリウムドープセリア）等が挙げられる。

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（後述）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（上面視）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。

また、図４に示すように、空気流路２１及び燃料流路２２中において、集電用の金属メッシュ（例えば、エンボス構造の金属メッシュ）が内装されている。これにより、下方セパレータ１２１と薄板体１１との電気的接続、及び上方セパレータ１２２と薄板体１１との電気的接続が確保される。加えて、係る金属メッシュの内装により、ガスの流通経路が規制される。この結果、空気流路２１及び燃料流路２２中において、平面視にてガスの流通により発電反応が実質的に発生し得る領域の面積（流通面積）が拡大され得、薄板体１１にて発電反応が効果的に発生し得る。

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、電解質層１１ａは、ＹＳＺの微細な粒子からなる緻密層（単層）である。電解質層１１ａに含まれるＹＳＺの粒子の粒子径は、本例では、０．３〜３μｍである。この粒子径は、ＹＳＺに対するＹ２Ｏ３の添加量や焼成温度で調整可能である。空気極層１１ｃは、ＬＳＣＦの微細な粒子からなる多孔質層（単層）である。空気極層１１ｃに含まれるＬＳＣＦの粒子の粒子径は、本例では、０．２〜２μｍである。

一方、燃料極層１１ｂ（上記還元処理後）は、Ｎｉ及びＹＳＺの微細な粒子からなる第１層１１ｂ１（電解質層１１ａに近い側）と、Ｎｉ、ＹＳＺ、及びジルコン（ＺｒＳｉＯ_４）の微細な粒子からなる第２層１１ｂ２（電解質層１１ａから遠い側）とから構成される多孔質層である。第１層１１ｂ１に含まれるＮｉ及びＹＳＺの粒子の粒子径はそれぞれ、本例では、０．３〜１．５μｍ、０．５〜２μｍである。第２層１１ｂ２に含まれるＮｉ、ＹＳＺ、及びＺｒＳｉＯ_４の粒子の粒子径はそれぞれ、本例では、０．３〜１．５μｍ、０．５〜２μｍ、及び０．７〜２．５μｍである。なお、第１、第２層１１ｂ１，１１ｂ２において、単位体積当たりのＮｉ粒子含有量（体積％）は同じである。即ち、第２層１１ｂ２は、第１層１１ｂ１においてＹＳＺ粒子の一部をジルコン粒子で置換して得られた層であるといえる。従って、第１、第２層１１ｂ１，１１ｂ２において、上記還元処理による収縮量は同じである。

特に、第２層１１ｂ２について、薄板体１１（燃料極層１１ｂ）の平面方向及び厚さ方向において、ジルコン粒子が均一に分布している（ジルコン粒子の分布状態が均質である）。ここで、「平面方向において均一に分布（ジルコン粒子の分布状態が均質）」とは、第２層１１ｂ２の厚さ方向のいかなる位置においても、単位体積当たりのジルコン粒子の含有量が平面方向に亘って均一であることを意味する。「厚さ方向において均一に分布（ジルコン粒子の分布状態が均質）」とは、第２層１１ｂ２の平面方向のいかなる位置においても、単位体積当たりのジルコン粒子含有量が厚さ方向に亘って均一であることを意味する。即ち、第２層１１ｂ２における単位体積当たりのジルコン粒子含有量は内部に亘って均一であり、本例では、その含有量は、３〜３０体積％である。

このように、この燃料極層１１ｂでは、平面方向においてジルコン粒子が均一に分布している。加えて、第１層１１ｂ１では単位体積当たりのジルコン粒子含有量が「０」であって第２層１１ｂ２では単位体積当たりのジルコン粒子含有量が均一（＞０）であるから、第２層１１ｂ２（厚さ方向において固体電解質層１１ａから遠い側）の方が、第１層１１ｂ１（厚さ方向において固体電解質層１１ａに近い側）よりも単位体積当たりのジルコン粒子含有量が大きい、ということができる。

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以下である。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、０．１〜３０μｍ、５０〜５００μｍ、及び、３〜５０μｍである。ここで、ｔｂは、第１層１１ｂ１の厚さｔｂ１と第２層１１ｂ２の厚さｔｂ２との和である（ｔｂ＝ｔｂ１＋ｔｂ２）。ｔｂに対するｔｂ２の割合（ｔｂ２／ｔｂ）は、本例では、５〜８０％である。

電解質層１１ａ、空気極層１１ｃ、第１層１１ｂ１、及び第２層１１ｂ２の常温から１０００℃での平均熱膨張率はそれぞれ、本例では、１０〜１１．５ｐｐｍ／Ｋ、１０〜１４ｐｐｍ／Ｋ、１１．５〜１３．０ｐｐｍ／Ｋ、及び１０．５〜１２ｐｐｍ／Ｋである。

（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（ＹＳＺ＋ＮｉＯのテープ、第１層１１ｂ１となる層）の上面にシート（ＹＳＺ＋ＮｉＯ＋ＺｒＳｉＯ_４のテープ、第２層１１ｂ２となる層）が積層される。その積層体（燃料極層１１ａとなる層）の下面に、グリーンシート法により作製されたセラミックスシート（ＹＳＺのテープ、電解質層１１ａとなる層）が積層される。なお、前記積層体（燃料極層１１ａとなる層）の下面に、上記セラミックスシート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１４００℃・１時間にて焼成される。そして、その焼成体の下面に、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８５０℃・１時間にて焼成される。以上により、電解質層１１ａ、燃料極層１１ｂ（第１層１１ｂ１＋第２層１１ｂ２）、及び空気極層１１ｃ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。

なお、上述のように、第１、第２シール部１３ａ，１３ｂを構成する材料として、同一組成で粒径が異なるもの（第１シール部１３ａ側の粒径が大きく第２シール部１３ｂ側の粒径が小さい）が使用されてもよい。この場合、第１、第２シール部１３ａ，１３ｂ間で熱処理時における結晶化の進行度が異なる。このことを利用して、上述のように、第１、第２シール部１３ａ，１３ｂを構成する材料が塗布された状態で１回の熱処理を施すのみで、第１シール部１３ａによるスタック構造の一体化と、第２シール部１３ｂによるスタック構造の補強とが達成され得る。

（作用・効果）
以下、上述のように、燃料極層１１ｂを第１、第２層１１ｂ１，１１ｂ２の２層に構成したことによる作用・効果について述べる。

先ず、薄板体の反り量の低減効果について説明する。図７に示したように、上述した図６に示した実施形態において燃料極層１１ｂの第２層１１ｂ２を第１層１１ｂ１と同じ組成の層に置き換えて得られる薄板体を考える。即ち、図７に示した薄板体では、燃料極層１１ｂが、Ｎｉ及びＹＳＺの微細な粒子からなる１層からなり、その１層の厚さｔｂが上記実施形態の第１、第２層１１ｂ１，１１ｂ２の厚さの和（＝ｔｂ１＋ｔｂ２）と等しくなっている。

図７に示した薄板体では、燃料極層１１ｂの熱膨張率が、電解質層１１ａの熱膨張率よりも大きい。従って、層間の熱膨張率差に起因する内部応力（熱応力）、及び焼成時の層間の収縮量の差異に起因する内部応力（熱応力）により、薄板体が、空気極層１１ｃ側が凸になる方向（下側が凸となる方向）に変形し易い。

これに対し、図６に示した上記実施形態では、燃料極層１１ｂのうちで第２層１１ｂ２の領域にジルコン粒子が含まれている。ここで、ジルコンは、ＹＳＺ等に比して熱膨張率が非常に小さい。従って、燃料極層１１ｂにジルコン粒子を含ませることで、燃料極層１１ｂの平均熱膨張率が低減される。この結果、図７に示した形態に比して、燃料極層１１ｂの平均熱膨張率を電解質層１１ａの熱膨張率に近づけることができる。

加えて、図６に示した上記実施形態では、燃料極層１１ｂにおいて電解質層１１ａから遠い側の方（第２層１１ｂ２）が電解質層１１ａに近い側の方（第１層１１ｂ１）に比して単位体積当たりのジルコン粒子含有量が高い。換言すれば、燃料極層１１ｂにおいて電解質層１１ａから遠い側の方が電解質層１１ａに近い側の方に比して局所的な熱膨張率が小さい。従って、燃料極層１１ｂ単体では、電解質層１１ａから遠い側（第２層１１ｂ２側）が凸になる方向（上側が凸となる方向）に内部応力（熱応力）が発生する。

以上の２つのことから、図６に示した上記実施形態では、図７に示した薄板体に比して、薄板体の反り（下側が凸になる方向の反り）が抑制され得る。なお、図６に示した上記実施形態では、空気極層１１ｃの熱膨張率が電解質層１１ａと比較して略等しい（或いは、若干大きい）。しかしながら、この例では、空気極層１１ｃの厚さが燃料極層１１ｂと比較して極めて小さいことで、空気極層１１ｃの熱膨張率の大小が薄板体全体の反りに与える影響は極めて小さい。

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、図６に示した上記実施形態に対応する各層の厚さ等が異なる複数種類の薄板体と、図７に示した態様に対応する各層の厚さ等が異なる複数種類の薄板体とが、上述した製造方法を利用してそれぞれ作製された。各薄板体の平面形状は、１辺の長さＡ’＝３０ｍｍの正方形である。そして、作製された各薄板体について、常温時における反り量がレーザー式の非接触形状測定器を用いてそれぞれ計測された。反り量としては、薄板体中央部が上方に向けて変形する向きで薄板体を平面の台上に載置した場合における、薄板体中央部の最上点の前記平面からの高さを採用した。この計測結果を表１に示す。表１において、第２層が存在するもの（第２層の厚さｔｂ２＞０のもの）が図６に示した実施形態に対応し、第２層が存在しないものが図７に示した態様に対応する。

表１に示すように、図６に示した上記実施形態では、図７に示した薄板体に比して、明らかに反り量が小さいことが分かる。

次に、燃料極層の電気抵抗の増大の抑制効果について説明する。先ず、厚さ方向の電気抵抗について説明する。上述した薄板体の内部では、厚さ方向に電流（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８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８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（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。

ここで、図９に示したように、上述した図６に示した実施形態において第２層１１ｂ２内のジルコン粒子分布を変更し、第２層１１ｂ２内においてジルコン粒子が密集して形成されたジルコン層が平面視にて格子状に埋設された薄板体を考える（ジルコン層の厚さ＝Ｔ、平面視にてジルコン層に対応する各格子の幅＝Ｗ、格子間隔＝Ｈ）。ジルコンは絶縁体であるから、図９に示したように、燃料極層１１ｂの平面方向において、ジルコン粒子を不均一に分布させると、ジルコン粒子が密集した領域（ジルコン層が埋設された領域）について、ジルコンの存在に起因する厚さ方向のＩＲロスが極端に大きくなる。

これに対し、図６に示した上記実施形態では、第２層１１ｂ２内において平面方向においてジルコン粒子が均一に分布している。従って、ジルコンの存在に起因する厚さ方向のＩＲロスが極端に大きくなる領域が発生しない。この結果、燃料極層１１ｂ全体としての厚さ方向の平均的なＩＲロス（電気抵抗）の増大が抑制され得る。この結果、ジルコン粒子を含む第２層１１ｂ２を設けたことに起因する燃料電池１０の出力の減少を抑制することができる。

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、図６に示した上記実施形態に対応する各層の厚さ等が異なる複数種類の薄板体と、図９に示した態様に対応する各層の厚さ等が異なる複数種類の薄板体とが、上述した製造方法を利用してそれぞれ作製された。なお、図９に示した薄板体については、燃料極層を積層する際にジルコン層が印刷により形成され埋設された。各薄板体の平面形状は、１辺の長さＡ’＝３０ｍｍの正方形である。そして、作製された各薄板体について、作動温度＝７００℃、電圧＝０．７Ｖの一定条件のもとで薄板体の出力密度がそれぞれ計測された。この計測中では、水素ガス、空気ガスが共に十分に供給されて、水素ガス、空気ガスのガス利用率が共に１０％以下とされた。この計測結果を表２に示す。表２において、第２層が存在するものが図６に示した実施形態に対応し、ジルコン層が存在するものが図９に示した態様に対応する。

表２に示すように、図６に示した上記実施形態では、図９に示した薄板体に比して、明らかに薄板体の出力密度が大きいことが分かる。これは、図６に示した上記実施形態では、図９に示した薄板体に比して、ジルコン粒子を含む第２層１１ｂ２を設けたことに起因する薄板体の出力密度の減少量が小さいこと、即ち、ジルコンの存在に起因する厚さ方向のＩＲロス（電気抵抗）の増大量が小さいことを意味する。

なお、図９に示した薄板体についても、ジルコン層の埋設により燃料極層の平均熱膨張率が低減されて、燃料極層の平均熱膨張率を電解質層の熱膨張率に近づけることができる。この結果、上述のように、層間の熱膨張率差に起因する薄板体の反り（下側が凸になる方向の反り）が抑制され得ることは確認できた。しかしながら、燃料極層全体の平面形状の面積に対するジルコン層の平面形状（格子状の形状）の面積の割合が大きいほど（即ち、格子の幅Ｗが大きいほど、且つ、格子間隔Ｈが小さいほど）、薄板体の出力密度の減少量が大きいこと（即ち、ジルコンの存在に起因する厚さ方向のＩＲロスの増大量が大きいこと）が確認された。また、ジルコン層が埋設された部分（従って、熱膨張率が極端に小さい部分）が燃料極層中に存在することで、ＳＯＦＣ作製時、或いはＳＯＦＣ使用中において、燃料極層の内部にてクラックが発生する問題が発生し易いことも確認された。

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（ＳＯＦＣ）１０では、薄板体１１の燃料極層１１ｂが、第１層１１ｂ１（電解質層１１ａに近い側）と第２層１１ｂ２（電解質層１１ａから遠い側）の２層で構成され、第２層１１ｂ２では、ジルコン粒子が均一に分布するように含まれている。これにより、薄板体の反りが抑制され得、且つ燃料極層の電気抵抗の増大が抑制された極めて薄いＳＯＦＣの単セル用の薄板体が提供され得る。

以下、第２層１１ｂ２にジルコンを含ませることによる他の効果について述べる。
１．ジルコンは、ＮｉＯ及びＹＳＺと反応しない性質を有する。従って、燃料極層１１ｂ内のＮｉＯ及びＹＳＺの変質を抑制できる。
２．ジルコンのヤング率は約３００ＧＰａと非常に大きい。従って、薄板体の支持層として機能する燃料極層１１ｂの剛性を高めることができる。この結果、薄板体の平坦化、薄板化に有利となる。
３．上述のように燃料極層１１ｂを燃料極電極として機能させるため、燃料極層１１ｂに所定の還元処理を施して、燃料極層１１ｂ内部のＮｉＯをＮｉに変更させる必要がある。この還元処理の際に、ジルコンは、燃料極層１１ｂの形状維持に寄与し得る。具体的には、還元処理によりＮｉＯがＮｉに変更されることで燃料極層１１ｂが収縮する。薄板体が極めて薄い場合、この燃料極層１１ｂの収縮に起因して薄板体に反りが発生する。燃料極層１１ｂにジルコンを含ませることで、この薄板体の反りが抑制される効果が発生し得る。
４．ＳＯＦＣ使用中においては、燃料極層１１ｂ内のＮｉの粒成長（シンタリング）が発生し得る。この粒成長により、燃料極層１１ｂ内においてＮｉ粒子同士の接触により接続・形成される導電経路（具体的には、電子が通る経路）が変化することで、一般には燃料極層１１ｂの導電率が低下する。燃料極層１１ｂにジルコンを含ませることで、この粒成長が抑制される効果が発生し得る。即ち、粒成長による燃料極層１１ｂの導電率の低下が抑制される効果が発生し得る。
５．ＳＯＦＣ使用中において、ジルコンそのものが燃料極層１１ｂの被毒源となることはない。

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は、燃料極層１１ｂが、ジルコンを含まない第１層１１ｂ１と、ジルコンを含む第２層１ｂ２と、の２層から構成されているが、燃料極層１１ｂが、ジルコンを含まない層（電解質層１１ａに最も近い層）と、各層内においてジルコン粒子が平面方向及び厚さ方向において均一に分布する２層以上の複数層であって単位体積当たりのジルコン粒子含有量が電解質層１１ａから遠い層ほど大きくなる複数層とから構成されてもよい（即ち、３層以上）。また、燃料極層１１ｂが、各層内においてジルコン粒子が平面方向及び厚さ方向において均一に分布する２層以上の複数層であって単位体積当たりのジルコン粒子含有量が電解質層１１ａから遠い層ほど大きくなる複数層のみから構成されてもよい。更には、燃料極層１１ｂが、平面方向においてジルコン粒子が均一に分布し、且つ、単位体積当たりのジルコン粒子含有量が電解質層１１ａから遠いほど徐々に増大していく態様（即ち、無段階層）で構成されてもよい。更には、燃料極層１１ｂが、平面方向及び厚さ方向においてジルコン粒子が均一に分布する態様（即ち、燃料極層１１ｂ内に亘って単位体積当たりのジルコン粒子含有量が一定となる態様）で構成されてもよい。

また、上記実施形態においては、燃料極層１１ｂ（第１、第２層１１ｂ１，１１ｂ２）におけるジルコン以外の部分は、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。

加えて、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。

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、１１ｂ１…第１層、１１ｂ２…第２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 (8)

1. 固体電解質層と、前記固体電解質層の上面に形成されその上面から燃料ガスの供給を受ける燃料極層と、前記固体電解質層の下面に形成されその下面から酸素を含むガスの供給を受ける空気極層と、が積層・焼成されてなる固体酸化物型燃料電池の薄板体であって、
   前記燃料極層は、酸素イオンを通すための第１物質の粒子と、電子を通すための第２物質の粒子と、ジルコンの粒子とを少なくとも含む焼成体であり、前記燃料極層において、前記燃料極層の平面方向において前記ジルコン粒子が均一に分布し、
   前記燃料極層において、前記燃料極層の厚さ方向において前記固体電解質層から遠い側の方が前記固体電解質層に近い側よりも単位体積当たりの前記ジルコン粒子の含有量が大きい、固体酸化物型燃料電池の薄板体。
2. 請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池の薄板体において、
   前記燃料極層は、前記固体電解質層の上面に形成されて前記第１、第２物質の粒子からなる第１層と、前記第１層の上面に形成されて前記第１、第２物質の粒子及び前記ジルコン粒子からなり前記平面方向及び厚さ方向において前記ジルコン粒子が均一に分布する第２層とが積層されてなる固体酸化物型燃料電池の薄板体。
3. 請求項２に記載の固体酸化物型燃料電池の薄板体において、
   前記固体電解質層、前記燃料極層、及び前記空気極層の厚さはそれぞれ、０．１〜３０μｍ、５０〜５００μｍ、及び３〜５０μｍである固体酸化物型燃料電池の薄板体。
4. 請求項３に記載の固体酸化物型燃料電池の薄板体において、
   前記燃料極層の厚さに対する前記第２層の厚さの割合は、５〜８０％である固体酸化物型燃料電池の薄板体。
5. 請求項３に記載の固体酸化物型燃料電池の薄板体において、
   前記固体電解質層、前記空気極層、前記第１層、及び前記第２層の熱膨張率はそれぞれ、１０〜１１．５ｐｐｍ／Ｋ、１０〜１４ｐｐｍ／Ｋ、１１．５〜１３．０ｐｐｍ／Ｋ、及び１０．５〜１２ｐｐｍ／Ｋである固体酸化物型燃料電池の薄板体。
6. 請求項３に記載の固体酸化物型燃料電池の薄板体において、
   前記第２層に含まれる前記第１物質の粒子、前記第２物質の粒子、及び前記ジルコン粒子の粒径はそれぞれ、０．３〜１．５μｍ、０．５〜２μｍ、及び０．７〜２．５μｍである固体酸化物型燃料電池の薄板体。
7. 請求項３に記載の固体酸化物型燃料電池の薄板体において、
   前記第２層において、単位体積当たりの前記ジルコン粒子の含有量は、３〜３０体積％である固体酸化物型燃料電池の薄板体。
8. 請求項１乃至請求項７の何れか一項に記載の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。

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