JP5449636B1 - 固体酸化物型燃料電池 - Google Patents

Abstract

固体酸化物型燃料電池セル２０は、ＮｉとＹ_２Ｏ_３を含む燃料極集電層１１と、ＮｉとＹ含有酸化物とＹ_４Ｚｒ_３Ｏ_１２を含む多孔質の中間層１２と、Ｎｉと酸素イオン伝導性を有するＹ含有酸化物を含む燃料極活性層１３とを備える。燃料極集電層と前記中間層と前記燃料極活性層は、共焼成されている。中間層１２の固相におけるＹの含有率は、燃料極集電層１１の固相におけるＹの含有率よりも低く、かつ、燃料極活性層１３の固相におけるＹの含有率よりも高い。中間層の厚みは、１９４．１μｍ以下である。還元された中間層の気孔率は、４８．１％以下である。

Description

本発明は、固体酸化物型燃料電池に関する。

従来、ＮｉとＹ_２Ｏ_３を含む燃料極集電層と、ＮｉとＹＳＺを含む燃料極活性層と、によって構成される燃料極を備える固体酸化物型燃料電池が広く知られている（特許文献１参照）。

特開２００５−３４６９９１号公報

（発明が解決しようとする課題）
しかしながら、上述の燃料極の原材料を焼結すると、燃料極集電層と燃料極活性層の間に絶縁性の緻密層が形成される場合がある。このような緻密層が形成されると、燃料極集電層から燃料極活性層への燃料ガスの供給が妨げられるとともに、燃料極集電層と燃料極活性層との間の電気抵抗が増大してしまう。

本発明は、この問題点に鑑みてなされたものであり、燃料極集電層と燃料極活性層の間における燃料ガス透過性と導電性を向上可能な固体酸化物型燃料電池を提供することを目的とする。
（課題を解決するための手段）
本発明に係る固体酸化物型燃料電池は、ＮｉとＹ_２Ｏ_３を含む燃料極集電層と、燃料極集電層上に配置され、ＮｉとＹ含有酸化物とＹ_４Ｚｒ_３Ｏ_１２を含む多孔質の中間層と、中間層上に配置され、Ｎｉと酸素イオン伝導性を有するＹ含有酸化物を含む燃料極活性層と、燃料極活性層上に配置される固体電解質層と、固体電解質層を挟んで燃料極活性層の反対側に配置される空気極と、を備える。燃料極集電層と中間層と燃料極活性層は、共焼成されている。中間層の固相におけるＹの第１含有率は、燃料極集電層の固相におけるＹの第２含有率よりも低く、かつ、燃料極活性層の固相におけるＹの第３含有率よりも高い。中間層の厚みは、１９４．１μｍ以下である。還元された前記中間層の気孔率は、４８．１％以下である。
（発明の効果）
本発明によれば、燃料極集電層と燃料極活性層の間における燃料ガス透過性と導電性を向上可能な固体酸化物型燃料電池を提供することができる。

固体酸化物型燃料電池の構成を示す斜視図 図１のII−II断面図 従来の固体酸化物型燃料電池において、ＥＰＭＡによるマッピング分析で得られたＺｒ，Ｙ，Ｎｉの濃度分布データを示す写真 還元後におけるサンプルＮｏ．４のＳＥＭ写真 サンプルＮｏ.５の酸化体に係る中間層のＸＲＤパターン サンプルＮｏ.５の酸化体に係る燃料極集電層，中間層，燃料極活性層の熱膨張カーブ

＜固体酸化物型燃料電池１００の構成＞
固体酸化物型燃料電池１００の構成について、図面を参照しながら説明する。図１は、固体酸化物型燃料電池１００の構成を示す斜視図である。ただし、図１では、後述する空気極集電層５（図２参照）が省略されている。
固体酸化物型燃料電池（以下、「燃料電池」と略称する）１００は、支持基板１０と、複数の固体酸化物型燃料電池セル（以下、「セル」と略称する）セル２０と、複数のインターコネクタ３０と、を備える。燃料電池１０は、支持基板１０上において複数のセル２０が複数のインターコネクタ３０を介して電気的に直列に接続された、いわゆる横縞型の燃料電池である。

支持基板１０は、扁平板状の多孔質部材である。支持基板１０の厚みは、１ｍｍ〜１０ｍｍ程度である。支持基板１０の表面は、複数のセル２０が配置される領域を除いて、後述する固体電解質層２によって覆われている。支持基板１０の内部には、発電時に水素ガスを流すための流路１０ａが形成されている。流路１０ａは、支持基板１０の長手方向に沿って延びる。

また、支持基板１０は、複数のセル２０間における電気的ショートを抑えるために電気絶縁性を有する。支持基板１０は、Ｎｉ（ニッケル）又はＮｉ酸化物（ＮｉＯ）と、希土類元素酸化物と、ＭｇＯと、を含む。希土類元素酸化物を構成する希土類元素としては、Ｙ（イットリウム）、Ｌａ（ランタン）、Ｙｂ（イッテルビウム）などが挙げられる。具体的に、支持基板１０は、ＭｇＯ-Ｙ_２Ｏ_３（マグネシア‐イットリア）を主成分として含有していてもよい。なお、支持基板１０がＮｉＯを含む場合、発電時において、ＮｉＯは水素ガスによってＮｉに還元されてもよい。

なお、本明細書において、「主成分として含有する」とは、その成分を５０重量％以上含有することであってもよく、６０重量％以上、８０重量％以上、又は９０重量％以上含有することであってもよい。また、「主成分として含有する」とは、その成分のみからなる場合も包含する概念である。
複数のセル２０は、支持基板１０上において長手方向に並べられている。複数のセル２０は、複数のインターコネクタ３０によって電気的に直列に接続されている。セル２０の構成については後述する。

複数のインターコネクタ３０は、複数のセル２０に対応して設けられる。複数のインターコネクタ３０は、導電性、耐還元性及び耐酸化性を有する材料によって構成されている。このような材料としては、クロマイト系材料が挙げられる。クロマイト系材料とは、クロマイト系ペロブスカイト型酸化物とも称される複合酸化物である。クロマイト系材料の組成は、次の一般式（１）で表すことができる。

Ｌｎ_１−ｘＡ_ｘＣｒ_{１−ｙ-ｚ}Ｂ_ｙＯ_３ （１）
（式（１）において、Ｌｎは、Ｙ及びランタノイド（Ｌａ，Ｃｅ，Ｅｕ，Ｓｍ，Ｙｂ，Ｇｄなど）からなる群より選択される少なくとも１種類の元素である。Ａは、Ｃａ，Ｓｒ及びＢａからなる群より選択される少なくとも１種類の元素を含有する。Ｂは、Ｔｉ，Ｖ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｚｎ，Ｍｇ及びＡｌからなる群より選択される少なくとも１種類の元素を含有する。式（１）では、０．０２５≦ｘ≦０．３、０≦ｙ≦０．２２、０≦ｚ≦０．１５が成立する。）
＜セル２０の構成＞
セル２０の構成について、図面を参照しながら説明する。図２は、図１のII−II断面図である。

セル２０は、燃料極１と、固体電解質層２と、バリア層３と、空気極４と、集電層５と、を備える。
燃料極１は、支持基板１０上に配置される。燃料極１は、燃料極集電層１１と、中間層１２と、燃料極活性層１３と、によって構成される。燃料極集電層１１と中間層１２と燃料極活性層１３は、積層された状態で共焼成されている。

燃料極集電層１１は、支持基板１０上に配置される。燃料極集電層１１上には、上述のインターコネクタ３０が配置されている。燃料極集電層１１の厚みは、５０μｍ以上５００μｍ以下とすることができる。燃料極集電層１１は、Ｎｉ又はＮｉ酸化物と、Ｙ_２Ｏ_３とを主成分として含有する。燃料極集電層１１がＮｉＯを含む場合、発電時において、ＮｉＯは水素ガスによってＮｉに還元されてもよい。

また、“燃料極集電層１１の固相におけるＹの含有率（第２含有率の一例）”は、２０．０ａｔｏｍ％以上７５．０ａｔｏｍ％以下であることが好ましい。また、還元時における燃料極集電層１１の気孔率は、１５％以上５０％以下であることが好ましい。
ただし、燃料極集電層１１の固相には、炭素、酸素、及び分析時に試料表面に蒸着される物質（例えば、金、銀、炭素など）は含まれていない。これは、分析時に試料が樹脂埋めされるため、樹脂に含まれる炭素や酸素の影響を避ける必要があるためである。

本実施形態において、Ｙの含有率とは、各層におけるＹ成分の平均含有量である。Ｙの含有率は、例えば、原子濃度プロファイルによる分析、つまりＥＰＭＡ（Electron Probe Micro Analyzer）による特性Ｘ線強度の比較によって取得することができる。具体的には、セル２０の厚み方向に平行な断面において、厚み方向に沿ってＥＰＭＡ分析を行うことにより、Ｙの濃度分布データが取得される。また、Ｙの含有率は、ＥＤＳ（エネルギー分散型Ｘ線分光法：Energy Dispersive x-ray Spectroscopy）でも同様に分析可能である。

中間層１２は、燃料極集電層１１上に配置される。中間層１２は、燃料極集電層１１の表面のうちインターコネクタ３０が配置される領域以外を覆っており，燃料極活性層１３の直下に位置している。中間層１２の厚みは、５．８μｍ以上１９４．１μｍ以下であることが好ましい。
中間層１２は、Ｎｉ又はＮｉ酸化物と、Ｙ含有酸化物と、Ｙ_４Ｚｒ_３Ｏ_１２とを含む。中間層１２がＮｉＯを含む場合、発電時において、ＮｉＯは水素ガスによってＮｉに還元されてもよい。Ｙ含有酸化物としては、イットリア（Ｙ_２Ｏ_３）やイットリア安定化ジルコニア（８ＹＳＺ、１０ＹＳＺなど）などが挙げられる。また、中間層１２は、ＺｒＯ_２（ジルコニア）を含んでいてもよい。なお、Ｙ含有酸化物とＹ_４Ｚｒ_３Ｏ_１２の体積比は、１：９〜９：１に設定することができる。

また、“中間層１２の固相におけるＹの含有率（第１含有率の一例）”は、“燃料極集電層１１の固相におけるＹの含有率”よりも低い。“中間層１２の固相におけるＹの含有率”は、後述する“燃料極活性層１３の固相におけるＹの含有率（第３含有率の一例）”よりも高い。具体的に、“中間層１２の固相におけるＹの含有率”の“燃料極集電層１１の固相におけるＹの含有率”に対する比は、０．１０以上０．９５以下であることが好ましい。“中間層１２の固相におけるＹの含有率”の“燃料極活性層１３の固相におけるＹの含有率”に対する比は、１．７９以上１４．６６以下であることが好ましい。

また、“中間層１２の固相におけるＹの含有率”は、８．０６ａｔｏｍ％以上６０．１６ａｔｏｍ％以下であることが好ましい。還元時における中間層１２の気孔率は、１４．３％以上４８．１％以下であることが好ましい。
ここで、“中間層１２の熱膨張係数（第１熱膨張係数の一例）”は、“燃料極集電層１１の熱膨張係数（第２熱膨張係数の一例）”よりも大きく、かつ、“燃料極活性層１３の熱膨張係数（第３熱膨張係数の一例）”よりも小さい。また、“中間層１２の熱膨張係数”から“燃料極集電層１１の熱膨張係数”を引いた値（以下、「第１係数差」という）は、“燃料極活性層１３の熱膨張係数”から“中間層１２の熱膨張係数”を引いた値（以下、「第２係数差」という）よりも小さいことが好ましい。上述のように中間層１２がＹ_４Ｚｒ_３Ｏ_１２を含む場合には、第１係数差を第２係数差よりも小さくしやすい。

なお、燃料極集電層１１と中間層１２の界面、及び中間層１２と燃料極活性層１３の界面は、各層を構成する元素（Ｎｉ、Ｙ、その他の成分）の濃度分布に基づいて定義することができる。具体的には、ＥＰＭＡ又はＥＤＳを用いて厚み方向における構成元素の濃度分布をマッピングし、濃度が急激に変化するラインを界面と規定することができる。この場合、４００倍程度の倍率で断面を拡大して分析すればよく、燃料極１の膜厚が厚い場合には厚み方向に複数視野で連続して分析することが好ましい。

燃料極活性層１３は、中間層１２上に配置される。燃料極活性層１３の厚みは、５μｍ以上１００μｍ以下とすることができる。
燃料極活性層１３は、Ｎｉ又はＮｉ酸化物と、酸素イオン伝導性を有するＹ含有酸化物とを含む。燃料極活性層１３がＮｉＯを含む場合、発電時において、ＮｉＯは水素ガスによってＮｉに還元されてもよい。酸素イオン伝導性を有するＹ含有酸化物としては、イットリア安定化ジルコニア（８ＹＳＺ、１０ＹＳＺなど）などが挙げられる。

また、“燃料極活性層１３の固相におけるＹの含有率”は、０．５ａｔｏｍ％以上１０．０ａｔｏｍ％以下であることが好ましい。還元時における燃料極活性層１３の気孔率は、１５％以上５０％以下であることが好ましい。
固体電解質層２は、燃料極活性層１３上に配置される。固体電解質層２は、燃料極集電層１１、中間層１２、燃料極活性層１３及びバリア層３と共焼成されていることが好ましい。固体電解質層２は、ＺｒＯ_２を主成分として含んでいてもよい。具体的に、固体電解質層２は、３ＹＳＺ、８ＹＳＺ等のイットリア安定化ジルコニアやＳｃＳＺ（スカンジア安定化ジルコニア）等のジルコニア系材料によって構成することができる。

バリア層３は、固体電解質層２上に設けられる。バリア層３は、固体電解質層２と共焼成されていることが好ましい。バリア層３は、希土類元素を含有するセリア（ＣｅＯ_２）系材料を主成分として含んでいてもよい。具体的に、バリア層３は、ＧＤＣ（（Ｃｅ,Ｇｄ）Ｏ_２：ガドリニウムドープセリア）、ＳＤＣ（（Ｃｅ, Ｓｍ）Ｏ_２：サマリウムドープセリア）等によって構成することができる。

空気極４は、バリア層３上に配置される。空気極４は、固体電解質層２を挟んで燃料極１の反対側に配置されている。空気極４は、ランタン含有ペロブスカイト型複合酸化物を主成分として含んでいてもよい。具体的に、ランタン含有ペロブスカイト型複合酸化物としては、ＬＳＣＦ（ランタンストロンチウムコバルトフェライト）、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が挙げられる。また、ランタン含有ペロブスカイト型複合酸化物には、ストロンチウム、カルシウム、クロム、コバルト、鉄、ニッケル、アルミニウム等がドープされていてもよい。

空気極集電層５は、セル２０の空気極４上に配置されており、当該セル２０の空気極４と隣接するセル２０の燃料極１とをインターコネクタ３０を介して電気的に接続する。集電層５の厚みは、５０〜５００μｍ程度にすることができる。
＜燃料電池１００の製造方法＞
燃料電池１００の製造方法の一例について説明する。

まず、ＭｇＯ粉末、ＮｉＯ粉末及びＹ_２Ｏ_３粉末を所定の混合比になるように秤量して、混合粉末に所定量の造孔材（例えば、セルロースなど）やＩＰＡなどを添加する。
次に、造孔材などが添加された粉末原料をボールミルで混合した後に乾燥することによって混合原料粉を得る。続いて、混合原料粉に一軸加圧成形及びＣＩＰ成形を順次行うことによって、支持基板用１０の成形体を作製する。

次に、還元時におけるＮｉ：Ｙ_２Ｏ_３が所定値となるように、ＮｉＯとＹ_２Ｏ_３を秤量して混合し、混合粉末に所定量の造孔材（例えば、セルロースなど）を添加する。
次に、造孔材が添加されたＮｉＯとＹ_２Ｏ_３をボールミルで混合した後に乾燥して得られる混合原料粉に有機溶剤（テルピネオールなど）及びバインダ（ポリビニルブラチールなど）を混合することによって、燃料極集電層用ペーストを作製する。

次に、還元時におけるＮｉ：Ｙ含有酸化物が所定値となるように、Ｙ含有粉末（Ｙ_４Ｚｒ_３Ｏ_１２を含む）とＮｉＯを秤量して混合し、混合粉末に所定量の造孔材を添加する。この際、Ｙ含有粉末の混合量を調整することによって、燃料極集電層用ペーストに比べてＹ含有率を低くしておく。
次に、造孔材が添加された混合粉末をボールミルで混合した後に乾燥して得られる混合原料粉に有機溶剤（テルピネオールなど）及びバインダ（ポリビニルブラチールなど）を混合することによって、中間層用ペーストを作製する。

次に、還元時におけるＮｉ：Ｙ含有酸化物が所定値となるように、Ｙ含有粉末とＮｉＯを秤量して混合する。この際、Ｙ含有粉末の混合量を調整することによって、中間層用ペーストに比べてＹ含有率を低くしておく。これにより、Ｙ含有率について、燃料極集電層１１＞中間層１２＞燃料極活性層１３の関係を成立させることができる。
次に、混合粉末をボールミルで混合した後に乾燥して得られる混合原料粉に有機溶剤及びバインダを混合することによって、燃料極活性層用ペーストを作製する。

次に、支持基板用の成形体の両面に、燃料極集電層用ペースト、中間層用ペースト、及び燃料極活性層用ペーストを順次スクリーン印刷することによって、燃料極１の積層体を作製する。この際、中間層用ペーストを繰り返し印刷することによって、中間層１２の厚みを調整することができる。
次に、ジルコニア系材料からなる固体電解質層用ペーストとセリア系材料からなるバリア層用ペーストを作製する。

次に、燃料極１の積層体の表面に固体電解質層用ペーストとバリア層用ペーストを順次スクリーン印刷することによって、共焼成用の積層体を作製する。
次に、共焼成用の積層体を共焼成（１−２０時間、１０００〜１５００℃）することによって、共焼成体を作製する。
次に、共焼成体のうち固体電解質層２上に空気極４の材料を塗布し、空気極４の材料を焼成する。以上によって、燃料電池１００が完成する。

＜その他の実施形態＞
（Ａ）上記実施形態では、固体酸化物型燃料電池の一例として横縞型の燃料電池について説明したが、横縞型の燃料電池に限定されるものではない。本発明は、縦縞型、平板型及び円筒型などの種々のタイプの固体酸化物型燃料電池に適用可能である。
なお、縦縞型の燃料電池とは、燃料極集電層として機能する支持体と、支持体の第１主面上に形成される１つの発電部と、支持体の第２主面上に形成される１つのインターコネクタと、を備えるタイプの燃料電池である。発電部は、燃料極活性層と固体電解質層と空気極とを備えている。このような縦縞型の燃料電池においても、上記実施形態と同様に、Ｙ含有率について燃料極集電層１１＞中間層１２＞燃料極活性層１３の関係を成立させることによって、燃料極１の燃料ガス透過性と導電性を向上させることができる。

（Ｂ）上記実施形態において、セル２０は、固体電解質層２と空気極４との間にバリア層３を有することとしたが、バリア層３を有していなくてもよい。

（サンプルＮｏ.１〜Ｎｏ.５３の作製）
以下のようにして、サンプルＮｏ.１〜Ｎｏ.５３を作製した。
まず、還元時においてＮｉ：Ｙ_２Ｏ_３が４０ｖｏｌ％：６０ｖｏｌ％となるようにＮｉＯとＹ_２Ｏ_３を秤量して、外配で２０ｗｔ％のセルロースを添加した。
次に、セルロースが添加されたＮｉＯとＹ_２Ｏ_３をボールミルで混合した後に乾燥して得られた混合原料粉に、３０ＭＰａの一軸加圧成形及び１００ＭＰａのＣＩＰ成形を順次行うことによって、燃料極集電層の成形体を作製した。

次に、還元時におけるＮｉとＹ含有酸化物及びＹ_４Ｚｒ_３Ｏ_１２との比が３０ｖｏｌ％〜４０ｖｏｌ％：７０ｖｏｌ％〜６０ｖｏｌ％となるように表１に示す材料を秤量して、中間層の気孔率を変化させるために外配で０〜２０ｗｔ％のセルロースを適宜添加した。なお、Ｙ含有酸化物とＹ_４Ｚｒ_３Ｏ_１２の体積比は、１：９〜９：１に適宜調整した。
次に、造孔材が添加された混合粉末をボールミルで混合した後に乾燥して得られた混合原料粉にテルピネオール及びポリビニルブラチールを混合することによって、中間層用ペーストを作製した。

次に、還元時におけるＮｉとＹ含有酸化物の比が４０ｖｏｌ％：６０ｖｏｌ％となるように表１に示す材料を秤量して混合した。次に、混合粉末をボールミルで混合した後に乾燥して得られる混合原料粉にテルピネオール及びポリビニルブラチールを混合することによって、燃料極活性層用ペーストを作製した。
次に、燃料極集電層用の成形体の両面に、中間層用ペーストと燃料極活性層用ペーストを順次スクリーン印刷することによって、燃料極用の積層体を作製した。ただし、従来例に相当するサンプルＮｏ.４２では、中間層用のペーストを印刷せず、燃料極活性層用のペーストだけを印刷した。なお、中間層用ペーストの印刷回数を変更することによって、表１に示すように中間層の厚みを約５μｍ〜約２５０μｍに調整した。

次に、燃料極用の積層体を焼成（１５００℃、１時間、大気雰囲気）することによって、燃料極を作製した。この燃料極の寸法は，おおよそφ１６ｍｍ、厚み２ｍｍであった。
次に、燃料極をφ１５ｍｍ、厚み１ｍｍに平面研削した。このとき、燃料極の片面のみを平面研削することによって、燃料極の厚みを調整した。
次に、平面研削した燃料極に還元処理（７５０℃、２時間、１００％Ｈ_２雰囲気）を施すことによって、サンプルＮｏ.１〜Ｎｏ.５３を作製した。

［断面の観察と気孔率の測定］
サンプルＮｏ.１〜Ｎｏ.５３（ｎ＝３）の断面のＳＥＭ（日本電子製：ＪＳＭ−６６１０ＬＶ）写真を撮り、その写真を観察することによって、燃料極内の界面における緻密層の有無を確認した。また、サンプルＮｏ.４２以外のサンプルのＳＥＭ写真を画像解析することによって、中間層の気孔率を測定した。図４は、還元後におけるサンプルＮｏ．４のＳＥＭ写真である。観察結果及び気孔率は、表１にまとめて示されている。

なお、燃料極内の界面は、ＥＰＭＡ（倍率：４００倍）によって取得されるＮｉ、Ｙ、Ｚｒの厚み方向における濃度分布が急激に変化するラインに基づいて規定した。
［Ｙ含有率の測定］
サンプルＮｏ.１〜Ｎｏ.４１，Ｎｏ.４３〜Ｎｏ.５３（ｎ＝３）の断面において５μｍ×５μｍの領域をＥＤＳ（Ｏｘｆｏｒｄ Instruments社製：Ｘ−ａｃｔ）で分析することによって、各層の固相におけるＹ含有率の平均値を測定した。各層の固相におけるＹ含有率の平均値は、表１にまとめて示されている。ただし、ここで言う固相には、炭素、酸素、分析時の蒸着物質は含まれていない。

［圧力損失の測定］
サンプルＮｏ.１〜Ｎｏ.５３を圧力損失用の治具にセットし、各サンプルの片面に１００ｍＬ/ｍｉｎでＨｅガスを供給し、Ｈｅガスが各サンプルを通過したときの圧力損失を、燃料極集電層単体の圧力損失を基準として測定した。中間層及び燃料極集電層は還元された薄膜多孔質体であるので、測定された圧力損失は、燃料極集電層/中間層の界面と中間層/燃料極活性層の界面とにおける圧力損失に近似することができる。圧力損失値は、表１にまとめて示されている。

［電気抵抗の測定］
表裏にＰｔペーストを塗布したサンプルＮｏ.１〜Ｎｏ.５３に、８００℃のＨ_２雰囲気で１Ａの定電流を流したときの電圧を測定し、測定された電圧値に基づいて電気抵抗値を算出した。電気抵抗値は、表１にまとめて示されている。
［各層の熱膨膨張係数の測定］
次に、燃料極集電層/中間層/燃料極活性層それぞれの熱膨張係数を測定した。図６は、サンプルＮｏ．５の酸化体における各層の熱膨張係数を示すグラフである。

図６に示すように、中間層の熱膨張係数（第１熱膨張係数の一例）は、燃料極集電層の熱膨張係数（第２熱膨張係数の一例）より大きく、かつ、燃料極活性層の熱膨張係数（第３熱膨張係数の一例）より小さい。また、中間層の熱膨張係数と燃料極集電層の熱膨張係数の差は、中間層の熱膨張係数と燃料極活性層の熱膨張係数の差よりも小さい。すなわち、中間層の熱膨張係数の値は、燃料極活性層の熱膨張係数の値よりも燃料極集電層の熱膨張係数の値に近い。

従って、中間層や燃料極活性層よりも厚めに形成される燃料極集電層では、ヤング率が比較的高くなりやすいと予想される。そのため、中間層の熱膨張係数の値を燃料極集電層の熱膨張係数の値に近づけることによって、燃料極集電層/中間層の界面に残留する応力を低減することができる。その結果、燃料極集電層/中間層の界面にクラックや剥離が発生することを抑制することができる。

表１に示すように、Ｙ含有率について燃料極集電層＞中間層＞燃料極活性層の関係を成立するサンプルでは、燃料極の内部に緻密層が形成されることを抑制できた。これによって、燃料極における圧力損失を低減することができた。また、緻密層の形成を抑制できたサンプルのうち中間層の厚みが１９４．１μｍ以下であり、かつ、中間層の気孔率が４８．１％以下のサンプルでは、電気抵抗値を１．９３ｍΩｃｍ^２よりも小さくすることができた。

本発明によれば、燃料極集電層と燃料極活性層の間における燃料ガス透過性と導電性を向上できるため、燃料電池分野において有用である。

１００ 横縞型固体酸化物型燃料
１０ 支持基板
２０ 固体酸化物型燃料電池セル
３０ インターコネクタ
１ 燃料極
１１ 燃料極集電層
１２ 中間層
１３ 燃料極活性層
２ 固体電解質層
３ バリア層
４ 空気極
５ 集電層

Claims (6)

1. ＮｉとＹ_２Ｏ_３を含む燃料極集電層と、
   前記燃料極集電層上に配置され、ＮｉとＹ含有酸化物とＹ_４Ｚｒ_３Ｏ_１２を含む多孔質の中間層と、
   前記中間層上に配置され、Ｎｉと酸素イオン伝導性を有するＹ含有酸化物を含む燃料極活性層と、
   前記燃料極活性層上に配置される固体電解質層と、
   前記固体電解質層を挟んで前記燃料極活性層の反対側に配置される空気極と、
   を備え、
   前記燃料極集電層と前記中間層と前記燃料極活性層は、共焼成されており、
   前記中間層の固相におけるＹの第１含有率は、前記燃料極集電層の固相におけるＹの第２含有率よりも低く、かつ、前記燃料極活性層の固相におけるＹの第３含有率よりも高く、
   前記中間層の厚みは、１９４．１μｍ以下であり、
   還元された前記中間層の気孔率は、４８．１％以下である、
   固体酸化物型燃料電池。
2. 前記第１含有率は、８．０６ａｔｏｍ％以上である、
   請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池。
3. 前記第１含有率は、６０．１６ａｔｏｍ％以下である、
   請求項１又は２に記載の固体酸化物型燃料電池。
4. 前記第１含有率の前記第２含有率に対する比は、０．１０以上０．９５以下である、
   請求項１乃至３のいずれかに記載の固体酸化物型燃料電池。
5. 前記第１含有率の前記第３含有率に対する比は、１．７９以上１４．６６以下である、
   請求項１乃至４のいずれかに記載の固体酸化物型燃料電池。
6. 前記中間層の第１熱膨張係数は、前記燃料極集電層の第２熱膨張係数より大きく、かつ、前記燃料極活性層の第３熱膨張係数より小さく、
   前記第１熱膨張係数と前記第２熱膨張係数の差は、前記第１熱膨張係数と前記第３熱膨張係数の差よりも小さい、
   請求項１乃至５のいずれかに記載の固体酸化物型燃料電池。