JP5718194B2 - 固体酸化物形燃料電池セル及び固体酸化物形燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、空気極の表面側を金属集電体に接触させて使用する固体酸化物形燃料電池セル、及び、固体酸化物形燃料電池セルと金属集電体とセル間セパレータとを積層配置してなる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、例えば固体電解質層（固体酸化物層）を備えた固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell ；ＳＯＦＣ）が知られている。このＳＯＦＣは、燃料ガスに接する燃料極と酸化剤ガスに接する空気極とが固体電解質層の両側に配置された発電セル（固体酸化物形燃料電池セル）を備えている。そして、燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素とが固体電解質層を介して反応（発電反応）することにより、空気極を正極、燃料極を負極とする直流の電力が発生するようになる。なお、発電セルは、空気極の表面に金属集電体（及びインターコネクタ）を接触させた状態で使用されるため、金属集電体が正極となる（例えば特許文献１参照）。

特開平６−７６８４２号公報（図１等）

ところで、発電セルでは、金属集電体の材料として、耐熱性に優れたクロム（Ｃｒ）含有合金が用いられることが多い。ところが、燃料電池の起動時や起動後に周囲の空気が高温になると、金属集電体に含まれるクロムなどの不純物が三相界面（酸化剤ガス中の酸素と、固体電解質層と、空気極との界面）に拡散する可能性が高い。この場合、空気極に含まれるストロンチウム（Ｓｒ）などの元素がクロムと反応して消費されるため、空気極の組成ずれ（即ち、組成が変わること）が生じ、組成ずれに起因して空気極の電気抵抗が増加してしまう。その結果、酸化剤ガスの反応が阻害され、起動時から数時間〜数十時間以内に空気極の電圧が著しく増加することにより、燃料電池の発電性能が極端に低下するといった問題（いわゆるクロム被毒）が生じてしまう。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、金属集電体からの不純物の拡散を抑えることにより、発電性能の低下を防止することができる固体酸化物形燃料電池セル及び固体酸化物形燃料電池を提供することにある。

上記課題を解決するための手段（手段１）としては、固体電解質層、前記固体電解質層の第１主面側に配置された空気極及び前記固体電解質層の第２主面側に配置された燃料極を備え、前記空気極の表面側を金属集電体に接触させて使用する固体酸化物形燃料電池セルであって、前記空気極は、第１の厚さを有する基準部と、前記基準部の表面から突出し前記第１の厚さよりも厚い第２の厚さを有する凸部とを備えるとともに、前記凸部の先端部が接触部として前記金属集電体に接触するようになっており、前記凸部の先端部には、前記金属集電体中の不純物と反応して酸化物を形成するトラップ層が存在し、前記基準部、前記凸部及び前記トラップ層は、下記の一般式で表される１種または２種以上のペロブスカイト型酸化物（Ｐ）により構成されるとともに、前記トラップ層を構成しているペロブスカイト型酸化物は、前記基準部及び前記凸部を構成しているペロブスカイト型酸化物よりもＡサイトにおける第２族元素の含有比率が高いことを特徴とした固体酸化物形燃料電池セルがある。
一般式 ＡＢＯ _３ …Ｐ
（式中、Ａ：Ａサイトの元素であり、Ｌａを含む少なくとも１種の元素。
Ｂ：Ｂサイトの元素であり、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｓｂ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｓｃ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｇａ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選ばれた少なくとも１種の元素。
Ｏ：酸素元素。）

手段１に記載の発明によると、空気極は、基準部に加えて、基準部の表面から突出する凸部を備えている。これに伴い、空気極が肉厚になるため、金属集電体から空気極と固体電解質層との界面までの距離が長くなる。その結果、金属集電体に含まれる不純物が基準部と固体電解質層との界面に存在する三相界面に到達しにくくなる。よって、不純物の三相界面での拡散が防止されるため、基準部及び凸部に含まれる元素が不純物と反応しにくくなる。従って、基準部及び凸部の組成ずれが防止され、組成ずれに起因する空気極の電気抵抗の増加が防止されるため、固体酸化物形燃料電池セルの発電性能の低下を防止することができる。ゆえに、固体酸化物形燃料電池セルの耐久性能が向上する。

しかも、凸部は、基準部の厚さ（第１の厚さ）よりも厚い第２の厚さを有するため、隣接する凸部間に酸化剤ガス用の流路を深く形成することができる。よって、凸部間を酸化剤ガスが通過しやすくなるため、空気極全体に酸化剤ガスを拡散させやすくなる。その結果、酸化剤ガス中の酸素を、固体電解質層を介して燃料ガス中の水素と確実に反応（発電反応）させることができるため、固体酸化物形燃料電池セルの発電性能を向上させることができる。

固体酸化物形燃料電池セルを構成する固体電解質層は、燃料極に接する燃料ガス及び空気極に接する酸化剤ガスなどの一部がイオンとなって移動する性質（イオン電導性）を有している。固体電解質層中を移動するイオンとしては、例えば酸素イオンや水素イオンなどが挙げられる。

固体電解質層（固体酸化物層）の形成材料としては、例えばＺｒＯ_２系セラミック、ＬａＧａＯ_３系セラミック、ＢａＣｅＯ_３系セラミック、ＳｒＣｅＯ_３系セラミック、ＳｒＺｒＯ_３系セラミック、ＣａＺｒＯ_３系セラミックなどがある。

また、固体酸化物形燃料電池セルを構成する燃料極は、還元剤となる燃料ガスと接触し、固体酸化物形燃料電池セルにおける負電極として機能する。ここで、燃料極の形成材料としては、例えば、希土類元素（Ｓｃ、Ｙなど）により安定化されたＺｒＯ_２系セラミック、及び、希土類元素（Ｓｍ、Ｇｄなど）をドープしたＣｅＯ_２系セラミック等のうち、少なくとも１つのセラミック材料と、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｎｉ、Ｆｅ等の金属材料及びそれら金属材料の合金のうちの少なくとも１つと、を混合した金属セラミック材料の混合物（サーメット）を使用することができる。

また、燃料ガスとしては、例えば、水素ガス、炭化水素ガス、水素ガスと炭化水素ガスとの混合ガスなどが挙げられる。燃料ガスとして炭化水素ガスを選択した場合、炭化水素ガスの種類は特に限定されないが、例えば、天然ガス、ナフサ、石炭ガス化ガス等であることが好ましい。なお、水中にガス（水素ガス、炭化水素ガス、混合ガス）を通過させて加湿することによって得られる燃料ガスや、ガス（水素ガス、炭化水素ガス、混合ガス）に水蒸気を混合させることによって得られる燃料ガスを選択してもよい。また、１種類の燃料ガスのみを用いてもよいし、複数種類の燃料ガスを併用してもよい。さらに、燃料ガスは、窒素やアルゴン等の不活性ガスを含有していてもよい。また、液体の原料を気化したものを燃料ガスとして使用したり、水素ガス以外のガスを改質して生成した水素ガスを燃料ガスとして使用したりすることもできる。

固体酸化物形燃料電池セルを構成する空気極は、酸化剤となる酸化剤ガスと接触し、固体酸化物形燃料電池セルにおける正電極として機能する。ここで、空気極の形成材料としては、例えば、金属材料、金属の酸化物、金属の複合酸化物などを挙げることができる。金属材料の好適例としては、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｒｈ等やそれらの合金などがある。金属の酸化物の好適例としては、例えば、Ｌａ、Ｓｒ、Ｃｅ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｆｅの酸化物（Ｌａ_２Ｏ_３、ＳｒＯ、Ｃｅ_２Ｏ_３、Ｃｏ_２Ｏ_３、ＭｎＯ_２、ＦｅＯ）などがある。金属の複合酸化物の好適例としては、例えば、Ｌａ、Ｐｒ、Ｓｍ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｍｎを含有する複合酸化物（Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＣｏＯ_３系複合酸化物、Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＦｅＯ_３系複合酸化物、Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＣｏ_１−ｙＦｅ_ｙＯ_３系複合酸化物、Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＭｎＯ_３系複合酸化物、Ｐｒ_１−ｘＢａ_ｘＣｏＯ_３系複合酸化物、Ｓｍ_１−ｘＳｒ_ｘＣｏＯ_３系複合酸化物）などがある。

また、酸化剤ガスとしては、例えば、酸素と他の気体との混合ガスなどが挙げられる。この混合ガスは、窒素やアルゴン等の不活性ガスを含有していてもよい。なお、混合ガスは、安全で安価な空気であることが好ましい。

なお、セル厚さ方向から見たときの空気極の面積に対する接触部の面積は、５０％未満であることが好ましく、特には１０％以上５０％未満であることが好ましい。仮に、空気極の面積に対する接触部の面積が１０％未満になると、空気極から金属集電体に電流が流れにくくなるため、固体酸化物形燃料電池セルの性能が低下してしまう。一方、空気極の面積に対する接触部の面積が５０％以上になると、接触部を有する凸部の外形も大きくなるため、凸部同士の隙間が小さくなる。その結果、酸化剤ガスは、凸部間を通過しにくくなるため、空気極全体に拡散されにくくなる。この場合、酸化剤ガス中の酸素を、固体電解質層を介して燃料ガス中の水素と十分に反応（発電反応）させることができないため、固体酸化物形燃料電池セルの発電性能が低下してしまう。

また、第２の厚さ（凸部の厚さ）は、第１の厚さ（基準部の厚さ）よりも厚いことが好ましく、特には、第１の厚さの１０倍以上であることが好ましい。仮に、第２の厚さが第１の厚さの１０倍未満であると、金属集電体から空気極と固体電解質層との界面までの距離をあまり長くすることができなくなる。その結果、金属集電体から拡散した不純物が上記した三相界面に拡散しやすくなるため、固体酸化物形燃料電池セルの発電性能が低下してしまう。

なお、空気極を構成する凸部は帯状でありかつ複数並列に配置され、凸部のピッチは５ｍｍ以下、凸部の幅は２ｍｍ以下であることが好ましい。仮に、凸部のピッチが５ｍｍよりも大きくなると、複数の凸部を基準部上に配置することが困難になる。また、凸部の幅が２ｍｍよりも大きくなった場合であっても、凸部のピッチが５ｍｍ以下であれば、複数の凸部を基準部上に配置することが困難になる。これらの場合、凸部の合計の断面積が小さくなり、凸部の先端部（接触部）と金属集電体との接触面積を十分に確保できなくなるため、空気極と金属集電体とをつなぐ経路の電気抵抗が大きくなってしまう。その結果、空気極から金属集電体に電流が流れにくくなるため、固体酸化物形燃料電池セルの性能が低下してしまう。

さらに、空気極を構成する凸部が帯状でありかつ複数並列に配置されている場合、第２の厚さは０．１ｍｍ以上３ｍｍ以下であることが好ましい。仮に、第２の厚さが０．１ｍｍ未満であると、凸部同士の隙間が浅くなりすぎるため、凸部間を酸化剤ガスが通過しにくくなり、空気極全体に酸化剤ガスが拡散されにくくなる。その結果、酸化剤ガス中の酸素を、固体電解質層を介して燃料ガス中の水素と充分に反応（発電反応）させることができないため、固体酸化物形燃料電池セルの発電性能が低下してしまう。一方、第２の厚さが３ｍｍよりも大きくなると、凸部の高くなりすぎるため、凸部の高さ方向への電気抵抗が大きくなってしまう。この場合、空気極から金属集電体に電流が流れにくくなるため、固体酸化物形燃料電池セルの性能が低下してしまう。

なお、空気極を構成する基準部の第１の厚さは、０．０１ｍｍ以上０．１ｍｍ以下であることが好ましい。仮に、第１の厚さが０．０１ｍｍ未満であると、空気極の性能が低下し、固体酸化物形燃料電池セルの発電性能が低下してしまう。一方、第１の厚さが０．１ｍｍよりも大きいと、その分だけ第２の厚さ（凸部の厚さ）を小さくせざるを得ないため、凸部同士の隙間が小さくなる。その結果、凸部間を酸化剤ガスが通過しにくくなり、空気極全体に酸化剤ガスが拡散されにくくなる。この場合、酸化剤ガス中の酸素を、固体電解質層を介して燃料ガス中の水素と反応（発電反応）させることが困難になるため、固体酸化物形燃料電池セルの発電性能が低下してしまう。

ところで、空気極が例えばＬＳＣＦ（Ｌａ_０．６Ｓｒ_０．４Ｃｏ_０．２Ｆｅ_０．８Ｏ_３）によって構成され、金属集電体が例えばクロム含有合金によって構成される場合、空気極を構成するストロンチウムと金属集電体中の不純物であるクロムとが反応してしまう。その結果、空気極中のストロンチウムが減少するため、空気極の組成ずれが発生し、空気極の電気抵抗が増加してしまう。そこで、凸部の先端部には、金属集電体中の不純物と反応して酸化物を形成するトラップ層が存在することが好ましい。この場合、空気極を構成する元素が金属集電体中の不純物と反応するのではなく、トラップ層が金属集電体中の不純物と反応して酸化物を形成するため、空気極を構成する元素の減少に起因した空気極の組成ずれを防止できる。ゆえに、空気極の組成ずれに起因した空気極の電気抵抗の増加を抑制することができる。

なお、トラップ層の組成は特に限定されないが、例えば、トラップ層は、第２族元素の酸化物を含有することが好ましい。第２族元素は、金属集電体中の不純物と反応しやすいため、空気極の組成ずれをより確実に防止でき、ひいては、空気極の電気抵抗の増加をより確実に抑制することができる。ここで、第２族元素の酸化物としては、Ｂａ，Ｃａ，Ｓｒなどの酸化物などを挙げることができる。

また、基準部、凸部及びトラップ層は、下記の一般式で表される１種または２種以上のペロブスカイト型酸化物（便宜上「Ｐ」で示す）により構成されるとともに、トラップ層を構成しているペロブスカイト型酸化物は、基準部及び凸部を構成しているペロブスカイト型酸化物よりもＡサイトにおける第２族元素の含有比率が高いことが好ましい。
一般式 ＡＢＯ_３…Ｐ
（式中、Ａ：Ａサイトの元素であり、Ｌａを含む少なくとも１種の元素。
Ｂ：Ｂサイトの元素であり、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｓｂ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｓｃ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｇａ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選ばれた少なくとも１種の元素。
Ｏ：酸素元素。
Ａサイト元素とＢサイト元素と酸素元素とのモル比は１：１：３が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれていてもよい。）

上記のようにすれば、トラップ層の機械的強度や耐電圧性が向上するため、固体酸化物形燃料電池セルの駆動耐久性を向上させることができる。また、固体酸化物形燃料電池セルを長期間使用する際にトラップ層に生じるクラックや絶縁破壊を防止することができる。

また、上記一般式で表されるトラップ層を構成するペロブスカイト型酸化物は、Ｌａ_ｘＳｒ_ｙＣａ_{（１−ｘ−ｙ）}・Ｃｏ_ＺＦｅ_{（１−Ｚ）}Ｏ_３（ｘ＋Ｙ＋ｚ＞１、ｙ＋ｚ＞０．４）であることが好ましい。このようにした場合、Ａサイト元素にカルシウムが含まれることにより、トラップ層が金属集電体中の不純物と反応しやすくなる。その結果、空気極の組成ずれに起因した空気極の電気抵抗の増加をより確実に抑制できる。

なお、トラップ層は、基準部及び凸部よりも平均気孔径が大きくてもよい。さらに、トラップ層は、基準部及び凸部よりも気孔率が高くてもよい。

上記課題を解決するための別の手段（手段２）としては、上記手段１に記載の固体酸化物形燃料電池セルと、金属集電体と、セル間セパレータとを積層配置してなることを特徴とする固体酸化物形燃料電池がある。

手段２に記載の発明によると、固体酸化物形燃料電池セルを構成する空気極は、基準部に加えて、基準部の表面から突出する凸部を備えている。これに伴い、空気極が肉厚になるため、金属集電体から空気極と固体電解質層との界面までの距離が長くなる。その結果、金属集電体に含まれる不純物が基準部と固体電解質層との界面に存在する三相界面に到達しにくくなる。よって、不純物の三相界面での拡散が防止されるため、基準部及び凸部に含まれる元素が不純物と反応しにくくなる。従って、基準部及び凸部の組成ずれが防止され、組成ずれに起因する空気極の電気抵抗の増加が防止されるため、固体酸化物形燃料電池セル、ひいては、固体酸化物形燃料電池の発電性能の低下を防止することができる。ゆえに、固体酸化物形燃料電池の耐久性能が向上する。

しかも、凸部は、基準部の厚さ（第１の厚さ）よりも厚い第２の厚さを有するため、隣接する凸部間に酸化剤ガス用の流路を深く形成することができる。よって、凸部間を酸化剤ガスが通過しやすくなるため、空気極全体に酸化剤ガスを拡散させやすくなる。その結果、酸化剤ガス中の酸素を、固体電解質層を介して燃料ガス中の水素と確実に反応（発電反応）させることができるため、固体酸化物形燃料電池セル、ひいては、固体酸化物形燃料電池の発電性能を向上させることができる。

なお、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、ＺｒＯ_２系セラミックなどを電解質とする燃料電池である。固体酸化物形燃料電池の稼働温度（即ち、イオンが電解質中を移動可能となる温度）は、７００℃〜１０００℃程度である。

本実施形態における固体酸化物形燃料電池を示す概略斜視図。 図１のＡ−Ａ線断面図。 固体酸化物形燃料電池セルを示す概略断面図。 固体酸化物形燃料電池セルを示す要部断面図。 固体酸化物形燃料電池セルを示す要部平面図。 原料粉の時点、焼成後及び発電後におけるモル比Ａ／Ｂの大小関係を示すグラフ。 原料粉の時点、焼成後及び発電後におけるＳｒ（のモル量）／Ｌａ（のモル量）の大小関係を示すグラフ。 他の実施形態における固体酸化物形燃料電池セルを示す要部断面図。 他の実施形態における固体酸化物形燃料電池セルを示す要部断面図。 他の実施形態における固体酸化物形燃料電池セルを示す要部断面図。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に基づき詳細に説明する。

図１，図２に示されるように、本実施形態の燃料電池１は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）である。燃料電池１は、発電反応により電力を発生する燃料電池スタック１０を備えている。また、燃料電池スタック１０は、発電の最小単位である略矩形板状の発電セル１１（固体酸化物形燃料電池セル）を複数積層してなるものである。燃料電池スタック１０は、縦１８０ｍｍ×横１８０ｍｍ×高さ８０ｍｍの略直方体状をなしている。また、燃料電池スタック１０は、同燃料電池スタック１０を厚さ方向に貫通する８つの貫通孔４０を有している。なお、燃料電池スタック１０の四隅にある４つの貫通孔４０に締結ボルト４１を挿通させ、燃料電池スタック１０の下面から突出する締結ボルト４１の下端部分にナット（図示略）を螺着させる。また、残り４つの貫通孔４０にガス流通用締結ボルト４２を挿通させ、燃料電池スタック１０の上面及び下面から突出するガス流通用締結ボルト４２の両端部分にナット４３を螺着させる。その結果、複数の発電セル１１が固定されるようになっている。

図２，図３に示されるように、燃料電池１は、発電セル１１と、空気極集電体６６（金属集電体）と、コネクタプレート５１，６０とを積層配置することによって構成されている。発電セル１１は、空気極フレーム５２、上側絶縁フレーム５３、セパレータ５４、空気極５５、固体電解質層５６、燃料極５７、下側絶縁フレーム５８及び燃料極フレーム５９を順番に積層することによって構成されている。

コネクタプレート５１，６０は、耐熱性及び導電性に優れたステンレスなどの金属材料によって略矩形板状に形成され、発電セル１１の上端部及び下端部に配置されている。コネクタプレート５１，６０は、発電セル１１内にガス流路を形成するとともに、隣接する発電セル１１同士を導通させるようになっている。詳述すると、隣接する発電セル１１同士の間に位置するコネクタプレート５１，６０は、いわゆるインターコネクタ（セル間セパレータ）となり、隣接する発電セル１１同士を区画するようになっている。なお、本実施形態のコネクタプレート６０は、下側に隣接する発電セル１１のコネクタプレート５１を兼ねている。また、燃料電池スタック１０の上端部に配置されたコネクタプレート５１は上側エンドプレート１２となり、燃料電池スタック１０の下端部に配置されたコネクタプレート６０は下側エンドプレート１３となっている。両エンドプレート１２，１３は、燃料電池スタック１０を挟持しており、燃料電池スタック１０から出力される電流の出力端子となっている。なお、エンドプレート１２，１３となるコネクタプレート５１，６０は、インターコネクタとなるコネクタプレート５１，６０よりも肉厚になっている。

図２，図３に示される空気極フレーム５２及び燃料極フレーム５９は、ステンレスなどの導電性材料によって略矩形枠状に形成されている。よって、空気極フレーム５２の中央部には、同空気極フレーム５２を厚さ方向に貫通する矩形状の開口部６１が設けられ、燃料極フレーム５９の中央部には、同燃料極フレーム５９を厚さ方向に貫通する矩形状の開口部６２が設けられている。また、絶縁フレーム５３，５８は、厚さ０．５ｍｍのマイカシートによって略矩形枠状に形成されている。よって、上側絶縁フレーム５３の中央部には、同上側絶縁フレーム５３を厚さ方向に貫通する矩形状の開口部６３が設けられ、下側絶縁フレーム５８の中央部には、同下側絶縁フレーム５８を厚さ方向に貫通する矩形状の開口部６４が設けられている。さらに、セパレータ５４は、ステンレスなどの導電性材料によって略矩形枠状に形成されている。よって、セパレータ５４の中央部には、同セパレータ５４を厚さ方向に貫通する矩形状の開口部６５が設けられている。

図２〜図４に示されるように、固体電解質層５６は、例えばイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）などのセラミック材料によって形成され、厚さ０．０１ｍｍの矩形板状をなしている。固体電解質層５６は、セパレータ５４の下面に固定されるとともに、セパレータ５４の開口部６５を塞ぐように配置されている。固体電解質層５６は、酸素イオン伝導性固体電解質体として機能するようになっている。また、固体電解質層５６の第１主面９１（図２〜図４では上面）には、燃料電池スタック１０に供給された空気（酸化剤ガス）に接する空気極５５が貼付され、固体電解質層５６の第２主面９２（図２〜図４では下面）には、同じく燃料電池スタック１０に供給された燃料ガスに接する燃料極５７が貼付されている。即ち、空気極５５及び燃料極５７は、固体電解質層５６の両側に配置されている。空気極５５は、セパレータ５４の開口部６５内に配置され、セパレータ５４と接触しないようになっている。また、燃料極５７は、ニッケルとイットリア安定化ジルコニアとの混合物（Ｎｉ−ＹＳＺ）によって形成され、厚さ０．８ｍｍの平面視矩形状をなしている。

なお、固体電解質層５６と空気極５５との界面には、多数の三相界面（空気中の酸素と、固体電解質層５６と、空気極５５との界面）が存在している。各三相界面は、固体電解質層５６及び空気極５５によって全体的に覆われているため、発電セル１１の外部に露出しない非露出状態となっている。

図４に示されるように、空気極５５は、基準部９３と、基準部９３の表面９４から突出する複数の凸部９５とを備えている。基準部９３及び各凸部９５は、ともに第２族元素の酸化物を含有するペロブスカイト型酸化物（本実施形態ではＬＳＣＦ：Ｌａ_０．６Ｓｒ_０．４Ｃｏ_０．２Ｆｅ_０．８Ｏ_３）によって構成されている。

また、図５に示されるように、基準部９３は、縦１００ｍｍ×横１００ｍｍの平面視矩形状をなしている。各凸部９５は、帯状であり、かつ基準部９３上において並列に配置されている。また、各凸部９５の長さは２０ｍｍに設定され、各凸部９５の幅は２ｍｍ以下（本実施形態では１ｍｍ）に設定されている。そして、各凸部９５のピッチは５ｍｍ以下（本実施形態では２．５ｍｍ）に設定されている。

さらに、図４に示されるように、基準部９３は第１の厚さｔ１を有しており、第１の厚さｔ１は、０．０１ｍｍ以上０．１ｍｍ以下（本実施形態では０．０２ｍｍ）に設定されている。また、各凸部９５は第２の厚さｔ２を有しており、第２の厚さｔ２は、０．１ｍｍ以上３ｍｍ以下（本実施形態では０．６ｍｍ）に設定されている。即ち、第２の厚さｔ２は、第１の厚さｔ１よりも厚くなっており、本実施形態では第１の厚さｔ１の３０倍となっている。そして、空気極５５全体の厚さ（第１の厚さｔ１＋第２の厚さｔ２）は、０．２ｍｍ以上２ｍｍ以下（本実施形態では０．６２ｍｍ）に設定されている。なお、各凸部９５の先端部は、接触部９６として空気極集電体６６に接触するようになっている。即ち、発電セル１１は、空気極５５の表面側を空気極集電体６６に接触させた状態で使用されるようになっている。なお、セル厚さ方向から見たときの空気極５５の面積に対する接触部９６の面積（各接触部９６の合計の面積）は、５０％未満（本実施形態では３０％）である。また、本実施形態の空気極集電体６６は、クロム含有合金であるフェライト系ステンレスによって平板状に形成されている。空気極集電体６６の厚さは１ｍｍに設定され、空気極集電体６６における裏面９８はフラットになっている。

図４に示されるように、凸部９５の先端部には、空気極集電体６６中の不純物（本実施形態ではクロム）と反応して酸化物を形成するトラップ層９７が存在している。トラップ層９７は、第２族元素の酸化物を含有するペロブスカイト型酸化物（本実施形態ではＬａ_０．５Ｓｒ_０．４Ｃａ_０．１・Ｃｏ_０．２Ｆｅ_０．８Ｏ_３）によって構成されている。なお、トラップ層９７を構成するペロブスカイト型酸化物は、Ａサイト（Ｌａ_０．５Ｓｒ_０．４Ｃａ_０．１）における第２族元素（Ｓｒ，Ｃａ）の含有比率が０．５となっている。一方、基準部９３及び凸部９５を構成するペロブスカイト型酸化物は、Ａサイト（Ｌａ_０．６Ｓｒ_０．４）における第２族元素（Ｓｒ）の含有比率が０．４となっている。よって、トラップ層９７を構成しているペロブスカイト型酸化物は、基準部９３及び凸部９５を構成しているペロブスカイト型酸化物よりもＡサイトにおける第２族元素の含有比率が高くなっている。また、本実施形態において、トラップ層９７の厚さは１５０μｍに設定されている。なお、上記した第２の厚さｔ２は、トラップ層９７の厚さを含む厚さである。

さらに、トラップ層９７は、平均気孔径が０．１μｍ以上１０μｍ以下（本実施形態では１．０μｍ）、気孔率が１５％以上５５％以下（本実施形態では３０％）となっている。なお、基準部９３及び凸部９５は、平均気孔径が０．０１μｍ以上１０μｍ未満（本実施形態では０．５μｍ）、気孔率が５％以上１５％未満（本実施形態では１０％）となっている。従って、トラップ層９７は、基準部９３及び凸部９５よりも、平均気孔径が大きく、かつ気孔率が高くなっている。

図２，図３に示されるように、本実施形態の発電セル１１では、下側絶縁フレーム５８の開口部６４、燃料極フレーム５９の開口部６２、及びコネクタプレート６０等により、セパレータ５４の下方に燃料室１５が形成されるようになっている。なお、燃料室１５内には、固体電解質層５６、燃料極５７及び燃料極集電体６７が収容されている。

また、本実施形態の発電セル１１では、コネクタプレート５１、空気極フレーム５２の開口部６１、及び、上側絶縁フレーム５３の開口部６３等により、セパレータ５４の上方に空気室１６が形成されるようになっている。そして、空気極５５の表面側には、空気極集電体６６が設置されるようになっている。その結果、空気極５５及びコネクタプレート５１は、空気極集電体６６を介して電気的に接続されるようになる。

さらに、図２に示されるように、燃料電池スタック１０は、各発電セル１１の燃料室１５に燃料ガスを供給する燃料供給経路７０と、燃料室１５から燃料ガスを排出する燃料排出経路８０とを備えている。燃料供給経路７０は、ガス流通用締結ボルト４２の中心部において軸方向に沿って延びる燃料供給孔７１と、燃料供給孔７１及び燃料室１５を連通させる燃料供給横孔７２とによって構成されている。また、燃料排出経路８０は、ガス流通用締結ボルト４２の中心部において軸方向に沿って延びる燃料排出孔８１と、燃料排出孔８１及び燃料室１５を連通させる燃料排出横孔８２とによって構成されている。よって、燃料ガスは、燃料供給孔７１及び燃料供給横孔７２を順番に通過して燃料室１５に供給され、燃料排出横孔８２及び燃料排出孔８１を順番に通過して燃料室１５から排出される。

また、図２に示されるように、燃料電池スタック１０は、各発電セル１１の空気室１６に空気を供給する空気供給経路（図示略）と、空気室１６から空気を排出する空気排出経路（図示略）とを備えている。空気供給経路は、燃料供給経路７０と略同様の構造を有しており、ガス流通用締結ボルト４２の中心部において軸方向に沿って延びる空気供給孔（図示略）と、空気供給孔及び空気室１６を連通させる空気供給横孔（図示略）とによって構成されている。また、空気排出経路は、燃料排出経路８０と略同様の構造を有しており、ガス流通用締結ボルト４２の中心部において軸方向に沿って延びる空気排出孔（図示略）と、空気排出孔及び空気室１６を連通させる空気排出横孔（図示略）とによって構成されている。よって、空気は、空気供給孔及び空気供給横孔を順番に通過して空気室１６に供給され、空気排出横孔及び空気排出孔を順番に通過して空気室１６から排出される。

例えば、燃料電池１を稼働温度に加熱した状態で、燃料供給経路７０から燃料室１５に燃料ガスを導入するとともに、空気供給経路から空気室１６に空気を供給する。その結果、燃料ガス中の水素と空気中の酸素とが固体電解質層５６を介して反応（発電反応）し、空気極５５を正極、燃料極５７を負極とする直流の電力が発生する。なお、本実施形態の燃料電池スタック１０は、発電セル１１を複数積層して直列に接続しているため、空気極５５に電気的に接続される上側エンドプレート１２が正極となり、燃料極５７に電気的に接続される下側エンドプレート１３が負極となる。

次に、燃料電池１の製造方法を説明する。

まず、ステンレス板を打ち抜くことにより、コネクタプレート５１，６０、空気極フレーム５２、セパレータ５４及び燃料極フレーム５９を形成する。また、マイカシートを所定形状に形成することにより、絶縁フレーム５３，５８を形成する。具体的には、市販のマイカシート（マイカと成形用樹脂との複合体からなるシート）を他の部材（コネクタプレート５１，６０、空気極フレーム５２、セパレータ５４及び燃料極フレーム５９など）とほぼ同じ形状に形成する。なお、マイカシートに含まれている樹脂成分は、他の部材とともに積層された後に行われる熱処理によって蒸発する。さらに、マイカシートは、各発電セル１１を積層方向にボルト締めした際に他の部材に挟まれることによって、各部材をシールするようになっている。

次に、発電セル１１を、従来周知の手法に従って形成する。具体的には、酸化ニッケル（ＮｉＯ）の粉末とイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）の粉末とを混合する。次に、分散剤を加えるとともに、トルエンとメチルエチルケトン（ＭＥＫ）とを混合した溶液を有機溶媒として加え、アルミナ製ポットミルを用いて２４時間混合する。その後、フタル酸ブチル（ＤＢＰ）を可塑剤として加えるとともに、ポリビニルアルコールをバインダーとして加え、さらに３時間混合して燃料極用スラリーとする。そして、得られた燃料極用スラリーをドクターブレード法によりシート状に成形することにより、燃料極５７となる燃料極用グリーンシートが製造される。

また、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）の粉末に、ポリビニルアルコール及びブチルカルビトールをバインダーとして混合し、固体電解質層用スラリーを調製する。そして、得られた固体電解質層用スラリーをドクターブレード法によりシート状に成形することにより、固体電解質層５６となる固体電解質層用グリーンシートが製造される。

さらに、市販のＧＤＣの粉末に、ポリビニルアルコール及びブチルカルビトールをバインダーとして混合することにより、保護膜用ペーストが製造される。

その後、燃料極用グリーンシート上に固体電解質層用グリーンシートを積層し、焼成する。さらに、固体電解質層用グリーンシート上に保護膜用ペーストをスクリーン印刷し、１２５０℃で１時間焼成する。その結果、燃料極用グリーンシートが燃料極５７となり、固体電解質用グリーンシートが固体電解質層５６となり、保護膜用ペーストが保護膜となる。

次に、固体電解質層５６上に空気極５５（基準部９３、凸部９５）の形成材料を印刷した後、焼成する。詳述すると、まず、基準部９３及び凸部９５の材料として、市販のＬＳＣＦ（Ｌａ_０．６Ｓｒ_０．４Ｃｏ_０．２Ｆｅ_０．８Ｏ_３）の粉末を準備する。次に、ＬＳＣＦの粉末に対して、ポリビニルアルコール及びブチルカルビトールをバインダーとして混合し、空気極用ペーストを調製する。その後、保護膜上に、基準部９３となる空気極用ペーストをスクリーン印刷し、乾燥させる。次に、基準部９３となる空気極用ペーストに、凸部９５となる空気極用ペーストをスクリーン印刷し、乾燥させる。そして、１１００℃で１時間焼成することにより、固体電解質層５６上に空気極５５が形成される。

次に、凸部９５上にトラップ層９７の形成材料を印刷する。詳述すると、まず、トラップ層９７の材料として、Ｌａ_０．５Ｓｒ_０．４Ｃａ_０．１・Ｃｏ_０．２Ｆｅ_０．８Ｏ_３の粉末を準備する。次に、Ｌａ_０．５Ｓｒ_０．４Ｃａ_０．１・Ｃｏ_０．２Ｆｅ_０．８Ｏ_３の粉末に対して、ポリビニルアルコール及びブチルカルビトールをバインダーとして混合し、トラップ層用ペーストを調製する。その後、凸部９５の先端部（接触部９６）に、トラップ層用ペーストをスクリーン印刷し、乾燥させる。その結果、凸部９５の先端部にトラップ層９７が形成される。

その後、固体電解質層５６を、ロウ付けによってセパレータ５４に対して固定する。そして、空気極フレーム５２、絶縁フレーム５３，５８、（固体電解質層５６がロウ付けによって固定された）セパレータ５４及び燃料極フレーム５９などを積層して一体化する。この時点で、発電セル１１が形成される。

次に、複数の発電セル１１やコネクタプレート５１，６０などを積層して一体化することにより、燃料電池スタック１０を形成する。そして、燃料電池スタック１０の四隅にある４つの貫通孔４０に締結ボルト４１を挿通させ、燃料電池スタック１０の下面から突出する締結ボルト４１の下端部分にナット（図示略）を螺着させる。また、残り４つの貫通孔４０にガス流通用締結ボルト４２を挿通させ、燃料電池スタック１０の上面及び下面から突出するガス流通用締結ボルト４２の両端部分にナット４３を螺着させる。その結果、各発電セル１１が固定され、燃料電池１が完成する。

次に、基準部９３、凸部９５及びトラップ層９７を構成するペロブスカイト型酸化物（一般式ＡＢＯ_３）の評価方法及びその結果を説明する。

まず、基準部９３及び凸部９５からなる集電層の材料として、Ａサイトの元素がＬａ，Ｓｒ，Ｃａからなり、Ｂサイトの元素がＣｏ，Ｆｅからなる粉末（原料粉）を準備した。また、トラップ層９７からなる機能層の材料として、集電層と同様の元素からなる粉末（原料粉）を準備した。

次に、蛍光Ｘ線測定による定量分析を行い、集電層及び機能層の原料粉を構成する各元素の重量を測定した。そして、測定した各元素の重量（Ｖ１）と各元素の分子量（Ｖ２）とに基づいて、各元素のモル量（＝Ｖ１／Ｖ２）を算出した。以上の算出結果を表１，表２に示す。

さらに、算出した各元素のモル量に基づいて、Ａサイト元素とＢサイト元素とのモル比Ａ／Ｂ（Ａは（Ｌａのモル量）＋（Ｓｒのモル量）＋（Ｃａのモル量）、Ｂは（Ｃｏのモル量）＋（Ｆｅのモル量））を算出した。以上の算出結果を表３に示す。

また、算出した各元素のモル量に基づいて、Ｓｒ（のモル量）／Ｌａ（のモル量）を算出した。以上の算出結果を表４に示す。

次に、集電層の原料粉を１２００℃で１時間焼成し、焼成後の集電層を構成する各元素の重量を測定した。なお、この時点で、集電層の元素のうちＣａが消費されていることが確認された。そして、測定した各元素の重量に基づいて、各元素のモル量を算出した。以上の結果を表５に示す。また、算出した各元素のモル量に基づいて、モル比Ａ／Ｂ、Ｓｒ（のモル量）／Ｌａ（のモル量）を算出した（表３，表４参照）。

さらに、機能層の原料粉から機能層用ペーストを調製した。そして、得られた機能層用ペーストを集電層の先端部にスクリーン印刷し、乾燥させた。次に、焼成後の集電層及び乾燥後の機能層からなる空気極を用いて、燃料電池による発電を行った。その後、空気極を燃料電池から取り外し、発電後の集電層及び機能層を構成する各元素の重量を測定した。そして、測定した各元素の重量に基づいて、各元素のモル量を算出した。以上の結果を表６，表７に示す。また、算出した各元素のモル量に基づいて、モル比Ａ／Ｂ、Ｓｒ（のモル量）／Ｌａ（のモル量）を算出した（表３，表４参照）。なお、原料粉の時点、焼成後及び発電後におけるモル比Ａ／Ｂの大小関係を図６に示す。また、原料粉の時点、焼成後及び発電後におけるＳｒ／Ｌａの大小関係を図７に示す。

以上の結果、表３，図６に示されるように、集電層のモル比Ａ／Ｂの値は、原料粉の時点で１．０５１１２３、焼成後に１．１１５８２６、発電後に１．１４７９４３であるため、焼成しても発電しても減少しないことが確認された。一方、機能層のモル比Ａ／Ｂの値は、原料粉の時点で１．０８０９５１、発電後に０．９３８９２５であるため、Ａサイト元素が発電時に消費されることが確認された。

また、表４，図７に示されるように、集電層のＳｒ／Ｌａの値は、原料粉の時点で０．６３７０９７、焼成後に０．６２２３４、発電後に０．８３３８６６であるため、焼成しても発電しても減少しないことが確認された。一方、機能層のＳｒ／Ｌａの値は、原料粉の時点で０．６２３６４１、発電後に０．２０３４４１であるため、Ｓｒが発電時に消費されることが確認された。また、この時点で、機能層の元素のうちＣａが消費されることも確認された。

以上のことから、集電層とは別に機能層を設けたり、Ａサイト元素にＣａを含有させたりすれば、集電層中のストロンチウムが減少しにくくなり、集電層の組成ずれが防止されるため、空気極の電気抵抗の増加を防止できることが確認された。

従って、本実施形態によれば以下の効果を得ることができる。

（１）本実施形態の燃料電池１では、空気極５５が、基準部９３に加えて、基準部９３の表面９４から突出する凸部９５を備えている。これに伴い、空気極５５が肉厚になるため、空気極集電体６６から空気極５５と固体電解質層５６との界面までの距離が長くなる。その結果、空気極集電体６６に含まれる不純物（クロム）が基準部９３と固体電解質層５６との界面に存在する三相界面に到達しにくくなる。ゆえに、クロムの三相界面での拡散が防止されるため、基準部９３及び凸部９５に含まれるストロンチウムがクロムと反応しにくくなる。従って、基準部９３及び凸部９５の組成ずれが防止され、組成ずれに起因する空気極５５の電気抵抗の増加（いわゆるクロム被毒）が防止されるため、発電セル１１、ひいては、燃料電池１の発電性能の低下を防止することができる。ゆえに、発電セル１１の耐久性能が向上する。

しかも、凸部９５は、基準部９３の厚さ（第１の厚さｔ１）よりも厚い第２の厚さｔ２を有するため、隣接する凸部９５間に空気用の流路を深く形成することができる。よって、凸部９５間を空気が通過しやすくなるため、空気極５５全体に空気を拡散させやすくなる。その結果、空気中の酸素を、固体電解質層５６を介して燃料ガス中の水素と確実に反応（発電反応）させることができるため、発電セル１１の発電性能を向上させることができる。

（２）本実施形態では、凸部９５の先端部に、Ｌａ_０．５Ｓｒ_０．４Ｃａ_０．１・Ｃｏ_０．２Ｆｅ_０．８Ｏ_３によって構成されたトラップ層９７が存在している。この場合、空気極５５を構成する元素が空気極集電体６６中のクロムと反応するのではなく、トラップ層９７中のＳｒやＣａが空気極集電体６６中のクロムと反応して酸化物を形成するため、空気極５５を構成する元素の減少に起因した空気極５５の組成ずれを防止できる。ゆえに、空気極５５の組成ずれに起因した空気極５５の電気抵抗の増加を抑制することができる。

なお、本実施形態を以下のように変更してもよい。

上記実施形態では、基準部９３及び凸部９５を構成するＬＳＣＦがＬａ_０．６Ｓｒ_０．４Ｃｏ_０．２Ｆｅ_０．８Ｏ_３であったが、例えば（Ｌａ_６Ｓｒ_４）_１．１Ｃｏ_２Ｆｅ_８Ｏ_３などの別の組成に変更してもよい。

上記実施形態では、基準部９３及び凸部９５を構成するペロブスカイト型酸化物がＬＳＣＦであり、トラップ層９７を構成するペロブスカイト型酸化物がＬａ_０．５Ｓｒ_０．４Ｃａ_０．１・Ｃｏ_０．２Ｆｅ_０．８Ｏ_３であった。しかし、基準部９３、凸部９５及びトラップ層９７を構成するペロブスカイト型酸化物を、全てＬＳＣＦに変更してもよい。

上記実施形態の燃料電池１は、裏面９８がフラットな平板状の空気極集電体６６を有していた。しかし、空気極集電体６６の形状を変更してもよい。例えば、図８に示されるように、集電体本体１６６と、集電体本体１６６の裏面１６７から突出する複数の凸部１６８とを備えた空気極集電体１６９を有する燃料電池１１０であってもよい。同様に、図１０に示されるように、集電体本体３６６と、集電体本体３６６の裏面３６７から突出する複数の凸部３６８とを備えた空気極集電体３６９を有する燃料電池３１０であってもよい。なお、集電体本体１６６，３６６は、縦１００ｍｍ×横１００ｍｍの平面視矩形状をなしている。各凸部１６８，３６８は、帯状であり、かつ集電体本体１６６，３６６上において並列に配置されている。また、集電体本体１６６，３６６の厚さは０．４ｍｍに設定され、各凸部１６８，３６８の厚さは０．６ｍｍに設定されている。そして、空気極集電体１６９，３６９全体の厚さは１ｍｍに設定されている。なお、各凸部１６８の先端面は、空気極１１５側の凸部１１２の先端面に接触するようになっている。一方、各凸部３６８の先端面は、空気極３７０側のトラップ層３７１に接触するようになっている。

上記実施形態の発電セル１１は、隣接する凸部９５間に断面矩形状をなす空気用流路を有する空気極５５を備えていた。しかし、図９に示される発電セル２１１のように、隣接する凸部２１２間に断面台形状をなす空気用流路２１３を有する空気極２１４を備えていてもよい。また、図８に示される発電セル１１１のように、隣接する凸部１１２間に、三角形状をなす空気用流路１１３や、底面にアール形状を有する空気用流路１１４を有する空気極１１５を備えていてもよい。

１，１１０，３１０…固体酸化物形燃料電池（燃料電池）
１１，１１１，２１１…固体酸化物形燃料電池セルとしての発電セル
５１，６０…セル間セパレータとしてのコネクタプレート
５５，１１５，２１４，３７０…空気極
５６…固体電解質層
５７…燃料極
６６，１６９，３６９…金属集電体としての空気極集電体
９１…第１主面
９２…第２主面
９３…基準部
９４…基準部の表面
９５，１１２，２１２…凸部
９６…接触部
９７，３７１…トラップ層
ｔ１…第１の厚さ
ｔ２…第２の厚さ

Claims (7)

1. 固体電解質層、前記固体電解質層の第１主面側に配置された空気極及び前記固体電解質層の第２主面側に配置された燃料極を備え、前記空気極の表面側を金属集電体に接触させて使用する固体酸化物形燃料電池セルであって、
   前記空気極は、第１の厚さを有する基準部と、前記基準部の表面から突出し前記第１の厚さよりも厚い第２の厚さを有する凸部とを備えるとともに、前記凸部の先端部が接触部として前記金属集電体に接触するようになっており、
   前記凸部の先端部には、前記金属集電体中の不純物と反応して酸化物を形成するトラップ層が存在し、
   前記基準部、前記凸部及び前記トラップ層は、下記の一般式で表される１種または２種以上のペロブスカイト型酸化物（Ｐ）により構成されるとともに、前記トラップ層を構成しているペロブスカイト型酸化物は、前記基準部及び前記凸部を構成しているペロブスカイト型酸化物よりもＡサイトにおける第２族元素の含有比率が高い
   ことを特徴とした固体酸化物形燃料電池セル。
   一般式 ＡＢＯ _３ …Ｐ
   （式中、Ａ：Ａサイトの元素であり、Ｌａを含む少なくとも１種の元素。
   Ｂ：Ｂサイトの元素であり、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｓｂ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｓｃ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｇａ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選ばれた少なくとも１種の元素。
   Ｏ：酸素元素。）
2. セル厚さ方向から見たときの前記空気極の面積に対する前記接触部の面積は、５０％未満であることを特徴とした請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池セル。
3. 前記第２の厚さは、前記第１の厚さの１０倍以上であることを特徴とした請求項１または２に記載の固体酸化物形燃料電池セル。
4. 前記凸部は帯状でありかつ複数並列に配置され、前記凸部のピッチは５ｍｍ以下、前記凸部の幅は２ｍｍ以下、前記第２の厚さは０．１ｍｍ以上３ｍｍ以下であることを特徴とした請求項１乃至３のいずれか１項に記載の固体酸化物形燃料電池セル。
5. 前記トラップ層は、第２族元素の酸化物を含有することを特徴とした請求項１乃至４のいずれか１項に記載の固体酸化物形燃料電池セル。
6. 前記トラップ層を構成するペロブスカイト型酸化物は、Ｌａ_ｘＳｒ_ｙＣａ_{（１−ｘ−ｙ）}・Ｃｏ_ＺＦｅ_{（１−Ｚ）}Ｏ_３であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の固体酸化物形燃料電池セル。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の固体酸化物形燃料電池セルと、金属集電体と、セル間セパレータとを積層配置してなることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。

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