(57)【要約】  信頼性に優れた燃料電池を提供する。  固体酸化物電解質層３１の一面に空気極３２ａが、他面に燃料極３３ａが設けられており、空気極３２ａ上に、セパレータ１１が配置されており、セパレータ１１のセパレータ本体１１Ａと空気極３２ａとの間に、空気極３２ａの構成元素のセパレータ本体１１Ａへの拡散を抑制するために、中間層１５がさらに備えられている、燃料電池。
2014021446.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体酸化物電解質層と、前記固体酸化物電解質層の一主面の上に配されており、ペロブスカイト型酸化物を含む空気極と、前記固体酸化物電解質層の他主面の上に配された燃料極とを有する発電要素と、
前記空気極の上に配されており、前記空気極に臨む流路を区画形成しているセパレータと、
を備え、
前記セパレータは、
セパレータ本体と、
前記セパレータ本体内に配されており、前記空気極に接続されているインターコネクタと、
有し、
前記セパレータ本体と前記空気極との間に前記空気極の構成元素の前記セパレータ本体への拡散を抑制するための中間層をさらに備える、燃料電池。
【請求項２】
前記中間層が、セラミックスで形成されている、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記セパレータ本体が、セラミックスで形成されている、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記中間層は、（Ｃｅ１−ｘＤｘ）Ｏ２（但し、Ｄは、Ｙ、Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ及びＬｕからなる群から選ばれた少なくとも一種であり、０≦ｘ≦０．５である。）
を含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記ｘが０である、請求項４に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記発電要素は、前記固体酸化物電解質層と前記空気極との間に配された別の中間層をさらに有し、
前記別の中間層は、（Ｃｅ１−ｘＤｘ）Ｏ２（但し、Ｄは、Ｙ、Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ及びＬｕからなる群から選ばれた少なくとも一種であり、０＜ｘ≦０．５である。）を含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記空気極は、ＡＢＯ３（Ａは、希土類元素及びアルカリ土類元素のうちの少なくとも一種、Ｂは、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選ばれた少なくとも一種）である、請求項１〜６のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記空気極が、（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ３、（Ｓｍ，Ｓｒ）ＣｏＯ３、（Ｌａ，Ｓｒ）ＦｅＯ３、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ３、（Ｂａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ３及びＬａ（Ｎｉ，Ｆｅ）Ｏ３からなる群から選ばれた少なくとも一種を含む、請求項７に記載の燃料電池。
【請求項９】
前記セパレータ本体が、安定化材により安定化された安定化ジルコニア及び部分安定化ジルコニアの少なくとも一種を含む、請求項１〜７のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記セパレータ本体は、
前記空気極の上に配されており、前記流路を区画形成している第１の部分と、
前記空気極が設けられていない領域に配されており、前記燃料極に供給される燃料ガスが通過する流路が設けられている第２の部分と、
を有し、
前記中間層は、前記第２の部分と接していない、請求項１〜９のいずれか一項に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関する。特に、本発明は、固体酸化物形燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、新たなエネルギー源として、燃料電池に対する注目が大きくなってきている。燃料電池には、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）、溶融炭酸塩形燃料電池、リン酸形燃料電池、固体高分子形燃料電池等がある。これらの燃料電池の中でも、固体酸化物形燃料電池では、液体の構成要素を用いる必要が必ずしもなく、炭化水素燃料を用いるときに内部での改質も可能である。このため、固体酸化物形燃料電池に対する研究開発が盛んに行われている。例えば特許文献１には、固体酸化物形燃料電池の一例が記載されている。【０００３】
また、特許文献２には、ＡＢＯ３で表されるペロブスカイト型酸化物を含む空気極を用いることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−３６６２号公報
【特許文献２】特開２００８−３０５６６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年、燃料電池の信頼性をさらに改善したいという要望がさらに高まってきている。【０００６】
本発明は、改善された信頼性を有する燃料電池を提供することを主な目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る燃料電池は、発電要素と、セパレータとを備える。発電要素は、固体酸化物電解質層と、空気極と、燃料極とを有する。空気極は、固体酸化物電解質層の一主面の上に配されている。空気極は、ペロブスカイト型酸化物を含む。燃料極は、固体酸化物電解質層の他主面の上に配されている。セパレータは、空気極の上に配されている。セパレータは、空気極に臨む流路を区画形成している。セパレータは、セパレータ本体と、インターコネクタとを有する。インターコネクタは、セパレータ本体内に配されている。インターコネクタは、空気極に接続されている。本発明に係る燃料電池は、空気極の構成元素のセパレータ本体への拡散を抑制するための中間層をさらに備える。中間層は、セパレータ本体と空気極との間に配されている。【０００８】
本発明に係る燃料電池のある特定の局面では、上記中間層がセラミックスで形成されている。【０００９】
本発明に係る燃料電池の他の特定の局面では、上記セパレータ本体が、セラミックスで形成されている。【００１０】
本発明に係る燃料電池では、好ましくは、上記中間層は、（Ｃｅ１−ｘＤｘ）Ｏ２（但し、Ｄは、Ｙ、Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ及びＬｕからなる群から選ばれた少なくとも一種であり、０≦ｘ≦０．５である。）を含む。【００１１】
本発明に係る燃料電池のさらに他の特定の局面では、ｘが０である。【００１２】
本発明に係る燃料電池の別の特定の局面では、発電要素は、固体酸化物電解質層と空気極との間に配された別の中間層をさらに有する。別の中間層は、（Ｃｅ１−ｘＤｘ）Ｏ２（但し、Ｄは、Ｙ、Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ及びＬｕからなる群から選ばれた少なくとも一種であり、０＜ｘ≦０．５である。）を含む。【００１３】
本発明に係る燃料電池の他の特定の局面では、上記空気極が、ＡＢＯ３を含む。ここで、Ａは、希土類元素及びアルカリ土類元素のうちの少なくとも一種である。Ｂは、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選ばれた少なくとも一種である。【００１４】
本発明に係る燃料電池のさらに他の特定の局面では、空気極が、（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ３、（Ｓｍ，Ｓｒ）ＣｏＯ３、（Ｌａ，Ｓｒ）ＦｅＯ３、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ３、（Ｂａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ３及びＬａ（Ｎｉ，Ｆｅ）Ｏ３からなる群から選ばれた少なくとも一種を含む。【００１５】
本発明に係る燃料電池のさらに別の特定の局面では、セパレータ本体が、安定化材により安定化された安定化ジルコニア及び部分安定化ジルコニアの少なくとも一種を含む。【００１６】
本発明に係る燃料電池のまた他の特定の局面では、セパレータ本体は、第１の部分と、第２の部分とを有する。第１の部分は、空気極の上に配されている。第１の部分は、流路を区画形成している。第２の部分は、空気極が設けられていない領域に配されている。第２の部分には、燃料極に供給される燃料ガスが通過する流路が設けられている。中間層は、第２の部分と接していない。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、改善された信頼性を有する燃料電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、第１の実施形態に係る燃料電池の略図的分解斜視図である。
【図２】図２は、第１の実施形態における第１のセパレータ本体の略図的平面図である。
【図３】図３は、第１の実施形態における第１の流路形成部材の略図的平面図である。
【図４】図４は、第１の実施形態における空気極層の略図的平面図である。
【図５】図５は、第１の実施形態における固体酸化物電解質層の略図的平面図である。
【図６】図６は、第１の実施形態における燃料極層の略図的平面図である。
【図７】図７は、第１の実施形態における第２の流路形成部材の略図的平面図である。
【図８】図８は、第１の実施形態における第２のセパレータ本体の略図的平面図である。
【図９】図９は、図３の線ＩＸ−ＩＸにおける略図的断面図である。
【図１０】図１０は、図７の線Ｘ−Ｘにおける略図的断面図である。
【図１１】図１１は、第２の実施形態に係る燃料電池の略図的断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明を実施した好ましい形態の一例について説明する。但し、下記の実施形態は、単なる例示である。本発明は、下記の実施形態に何ら限定されない。
【００２０】
また、実施形態等において参照する各図面において、実質的に同一の機能を有する部材は同一の符号で参照することとする。また、実施形態等において参照する図面は、模式的に記載されたものであり、図面に描画された物体の寸法の比率などは、現実の物体の寸法の比率などとは異なる場合がある。図面相互間においても、物体の寸法比率等が異なる場合がある。具体的な物体の寸法比率等は、以下の説明を参酌して判断されるべきである。
【００２１】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る燃料電池の略図的分解斜視図である。図２は、第１の実施形態における第１のセパレータ本体の略図的平面図である。図３は、第１の実施形態における第１の流路形成部材の略図的平面図である。図４は、第１の実施形態における空気極層の略図的平面図である。図５は、第１の実施形態における固体酸化物電解質層の略図的平面図である。図６は、第１の実施形態における燃料極層の略図的平面図である。図７は、第１の実施形態における第２の流路形成部材の略図的平面図である。図８は、第１の実施形態における第２のセパレータ本体の略図的平面図である。図９は、図３の線ＩＸ−ＩＸにおける略図的断面図である。図１０は、図７の線Ｘ−Ｘにおける略図的断面図である。
【００２２】
図１、図９及び図１０に示されるように、本実施形態の固体酸化物形燃料電池１は、第１のセパレータ１０と、発電要素３０と、第２のセパレータ５０とを有する。固体酸化物形燃料電池１では、第１のセパレータ１０と、発電要素３０と、第２のセパレータ５０とがこの順番で積層されている。
【００２３】
なお、本実施形態の固体酸化物形燃料電池１は、発電要素３０をひとつのみ有している。但し、本発明は、この構成に限定されない。本発明の固体酸化物形燃料電池は、例えば、発電要素を複数有していてもよい。その場合、隣り合う発電要素は、セパレータにより隔離される。発電要素間の電気的接続は、インターコネクタにより行うことができる。インターコネクタは、セパレータと別体に設けてもよいし、セパレータを導電性材料により構成し、セパレータにインターコネクタとしての機能を兼ね備えさせてもよい。すなわち、インターコネクタは、セパレータと一体に形成されていてもよい。
【００２４】
（発電要素３０）
発電要素３０は、酸化剤ガス流路（酸化剤ガス用マニホールド）６１から供給される酸化剤ガスと、燃料ガス流路（燃料ガス用マニホールド）６２から供給される燃料ガスとが反応し、発電が行われる部分である。酸化剤ガスは、例えば、空気や酸素ガスなどの有酸素ガスなどにより構成することができる。また、燃料ガスは、水素ガスや、一酸化炭素ガスなどの炭化水素ガス等を含むガスとすることができる。
【００２５】
（固体酸化物電解質層３１）
発電要素３０は、固体酸化物電解質層３１を備えている。固体酸化物電解質層３１は、イオン導電性が高いものであることが好ましい。固体酸化物電解質層３１は、例えば、安定化ジルコニアや、部分安定化ジルコニアなどにより形成することができる。安定化ジルコニアの具体例としては、８ｍｏｌ％イットリア安定化ジルコニア（８ＹＳＺ）、１０ｍｏｌ％イットリア安定化ジルコニア（１０ＹＳＺ）、１０ｍｏｌ％スカンジア１ｍｏｌ％セリア安定化ジルコニア（１０Ｓｃ１ＣｅＳＺ）、１１ｍｏｌ％スカンジア安定化ジルコニア（１１ＳｃＳＺ）等が挙げられる。部分安定化ジルコニアの具体例としては、３ｍｏｌ％イットリア部分安定化ジルコニア（３ＹＳＺ）、等が挙げられる。また、固体酸化物電解質層３１は、例えば、ＳｍやＧｄ等がドープされたセリア系酸化物や、ＬａＧａＯ３を母体とし、ＬａとＧａとの一部をそれぞれＳｒ及びＭｇで置換したＬａ０．８Ｓｒ０．２Ｇａ０．８Ｍｇ０．２Ｏ（３−δ）などのペロブスカイト型酸化物などにより形成することもできる。
【００２６】
なお、固体酸化物電解質層３１には、図５に示されるように、流路６１，６２の一部を構成している貫通孔３１ａ、３１ｂが形成されている。
【００２７】
固体酸化物電解質層３１は、空気極層３２と燃料極層３３とにより挟持されている。すなわち、固体酸化物電解質層３１の一主面の上に空気極層３２が形成されており、他主面の上に燃料極層３３が形成されている。
【００２８】
（空気極層３２）
図４に示されるように、空気極層３２は、空気極３２ａと、周辺部３２ｂとを有する。周辺部３２ｂには、流路６１，６２の一部を構成している貫通孔３２ｃ、３２ｄが形成されている。
【００２９】
空気極３２ａは、カソードである。空気極３２ａにおいては、酸素が電子を取り込んで、酸素イオンが形成される。空気極３２ａは、多孔質で、電子伝導性が高く、かつ、高温において固体酸化物電解質層３１等と固体間反応を起こしにくいものであることが好ましい。空気極３２ａは、ＡＢＯ３で表されるペロブスカイト型酸化物を含むことが好ましく、実質的に、ＡＢＯ３で表されるペロブスカイト型酸化物により構成されていることがより好ましい。
【００３０】
ＡＢＯ３において、Ａは、例えば、希土類元素及びアルカリ土類元素のうちの少なくとも一種であることが好ましく、Ｂは、例えば、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選ばれた少なくとも一種であることが好ましい。
【００３１】
ＡＢＯ３で表されるペロブスカイト型酸化物の好ましい具体例としては、例えば、（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ３（ＬＳＣ）、（Ｓｍ，Ｓｒ）ＣｏＯ３（ＳＳＣ）、（Ｌａ，Ｓｒ）ＦｅＯ３（ＬＳＦ）、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ３（ＬＳＣＦ）、（Ｂａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ３（ＢＳＣＦ）、Ｌａ（Ｎｉ，Ｆｅ）Ｏ３（ＬＮＦ）及びこれらの混合物等が挙げられる。
【００３２】
周辺部３２ｂは、例えば、下記の第１及び第２のセパレータ本体１１，５１と同様の材料により形成することができる。
【００３３】
（燃料極層３３）
図６に示されるように、燃料極層３３は、燃料極３３ａと、周辺部３３ｂとを有する。周辺部３３ｂには、流路６１，６２の一部を構成している貫通孔３３ｃ、３３ｄが形成されている。
【００３４】
燃料極３３ａは、アノードである。燃料極３３ａにおいては、酸素イオンと燃料ガスとが反応して電子を放出する。燃料極３３ａは、多孔質で、電子伝導性が高く、かつ、高温において固体酸化物電解質層３１等と固体間反応を起こしにくいものであることが好ましい。
【００３５】
燃料極３３ａは、例えば、酸化ニッケル、Ｎｉを含む酸化イットリウム安定化ジルコニア（イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ））、Ｎｉを含む酸化カルシウム安定化ジルコニア、Ｎｉを含む酸化スカンジウム安定化ジルコニア（スカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ））、Ｎｉを含む酸化セリウム安定化ジルコニア、Ｎｉを含む酸化チタン、Ｎｉを含むアルミナ、Ｎｉを含むマグネシア、Ｎｉを含むイットリア、Ｎｉを含む酸化ニオブまたはＮｉを含む酸化タンタル等により構成することができる。
【００３６】
（第２の中間層３５）
図９及び図１０に示されるように、固体酸化物形燃料電池１では、発電要素３０は、第２の中間層３５をさらに備えている。第２の中間層３５は、固体酸化物電解質層３１と空気極３２ａとの間に配されている。このため、第２の中間層３５は、イオン導電性を有する必要がある。第２の中間層３５は、空気極層３２のうち、燃料ガスが通過する燃料ガス流路６２が設けられた周辺部３２ｂには設けられていない。従って、第２の中間層３５は、燃料ガスには実質的に接触しない。
【００３７】
第２の中間層３５は、空気極３２ａと固体酸化物電解質層３１とが反応し、空気極３２ａと固体酸化物電解質層３１との間にイオン導電性が低い層が形成されることを抑制するための層である。第２の中間層３５は、空気極３２ａと固体酸化物電解質層３１との反応を抑制でき、イオン導電性を有する材料により構成することができる。第２の中間層３５は、例えば、（Ｃｅ１−ｘＤｘ）Ｏ２（但し、Ｄは、Ｙ、Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ及びＬｕからなる群から選ばれた少なくとも一種であり、０＜ｘ≦０．５である。）を含むことが好ましく、実質的に、（Ｃｅ１−ｘＤｘ）Ｏ２（但し、Ｄは、Ｙ、Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ及びＬｕからなる群から選ばれた少なくとも一種であり、０＜ｘ≦０．５である。）により構成されていることがより好ましい。また、ｘは、０．１≦ｘ≦０．２であるとイオン導電率が大きくなることからさらに好ましい。
【００３８】
（第１のセパレータ１０）
図１、図９及び図１０に示されるように、発電要素３０の空気極層３２の上には、第１のセパレータ１０が配置されている。この第１のセパレータ１０は、酸化剤ガス流路６１から供給される酸化剤ガスを空気極３２ａに供給するための流路１２ａを形成する機能を有している。また、複数の発電要素を備える燃料電池においては、第１のセパレータは、燃料ガスと酸化剤ガスとを分離する機能も兼ね備えている。
【００３９】
第１のセパレータ１０は、第１のセパレータ本体１１と、インターコネクタ１３と、第１の中間層１５とを有する。第１のセパレータ本体１１は、第１の本体部１１Ａと第２の本体部１１Ｂとを有する。第２の本体部１１Ｂは、空気極３２ａの上に配されている。第２の本体部１１Ｂには、流路６１，６２の一部を構成している貫通孔１１ａ、１１ｂ（図２を参照）が形成されている。
【００４０】
第１の本体部１１Ａは、第２の本体部１１Ｂと空気極層３２との間に配されている。第１の本体部１１Ａは、周辺部（第２の部分）１２ｂと、複数の線状凸部（第１の部分）１２ｃとを有する。
【００４１】
線状凸部１２ｃは、空気極層３２のうち、空気極３２ａの上に配されている。複数の線状凸部１２ｃのそれぞれは、第１のセパレータ本体１１の空気極層３２側の表面から、空気極層３２側に向かって突出するように設けられている。複数の線状凸部１２ｃのそれぞれは、ｘ方向に沿って設けられている。複数の線状凸部１２ｃは、ｙ方向に沿って相互に間隔をおいて配置されている。隣接する線状凸部１２ｃの間と、線状凸部１２ｃと周辺部１２ｂとの間に、上記流路１２ａが区画形成されている。
【００４２】
周辺部１２ｂには、燃料極３３ａへの燃料ガスが通過する燃料ガス流路６２の一部を構成している貫通孔１２ｄ（図３を参照）が形成されている。周辺部１２ｂは、周辺部３２ｂの上に配されている。
【００４３】
複数の線状凸部１２ｃのそれぞれには、複数のビアホール電極１２ｃ１が埋設されている。複数のビアホール電極１２ｃ１は、複数の線状凸部１２ｃをｚ方向に貫通するように形成されている。また、第１のセパレータ本体１１には、複数のビアホール電極１２ｃ１の位置に対応して複数のビアホール電極１１ｃが形成されている。複数のビアホール電極１１ｃは、第１のセパレータ本体１１を貫通するように形成されている。これら複数のビアホール電極１１ｃ及び複数のビアホール電極１２ｃ１により、複数のインターコネクタ１３が構成されている。インターコネクタ１３は、空気極３２ａに電気的に接続されている。インターコネクタ１３は、線状凸部１２ｃの第１のセパレータ本体１１とは反対側の表面から第１のセパレータ本体１１の線状凸部１２ｃとは反対側の表面にまで至っている。なお、インターコネクタ１３の形状は特に限定されない。インターコネクタ１３は、例えば、四角柱状や三角柱な状どの多角柱状であってもよいし、円柱状であってもよい。
【００４４】
第１のセパレータ本体１１の材料は、特に限定されない。第１のセパレータ本体１１は、例えば、安定化ジルコニアや、部分安定化ジルコニア等により形成することができる。好ましく用いられる安定化ジルコニアの具体例としては、８ＹＳＺが挙げられる。好ましく用いられる部分安定化ジルコニアの具体例としては、３ＹＳＺが挙げられる。また、第１のセパレータ本体１１は、例えば、希土類金属がドープされたランタンクロマイト、希土類金属がドープされたチタン酸ストロンチウム、Ａｌで置換されたランタンフェレートなどの導電性セラミックスや、アルミナ、マグネシア、チタン酸ストロンチウムなどの絶縁性セラミックスなどによって構成されていてもよい。
【００４５】
インターコネクタ１３は、例えば、Ａｇ−Ｐｄ合金、Ａｇ−Ｐｔ合金、アルカリ土類金属を添加したランタンクロマイト（ＬａＣｒＯ３）、ランタンフェレート（ＬａＦｅＯ３）や、ＬＳＭ等により構成することができる。
【００４６】
図９及び図１０に示されるように、第１の中間層１５は、空気極３２ａとセパレータ本体１１との間に配されている。具体的には、第１の中間層１５は、空気極３２ａと、セパレータ本体１１の複数の線状凸部（第１の部分）１２ｃとの間に配されている。第１の中間層１５は、燃料ガスが通過する燃料ガス流路６２が設けられた周辺部（第２の部分）１２ｂとは接していない。従って、第１の中間層１５は、燃料ガスには実質的に接触しない。
【００４７】
第１の中間層１５は、（Ｃｅ１−ｘＤｘ）Ｏ２（但し、Ｄは、Ｙ、Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ及びＬｕからなる群から選ばれた少なくとも一種であり、０≦ｘ≦０．５である。）を含む。第１の中間層１５は、実質的に、（Ｃｅ１−ｘＤｘ）Ｏ２（但し、Ｄは、Ｙ、Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ及びＬｕからなる群から選ばれた少なくとも一種であり、０≦ｘ≦０．５である。）により構成されていることが好ましい。
【００４８】
（第２のセパレータ５０）
発電要素３０の燃料極層３３の上には、第２のセパレータ５０が配置されている。この第２のセパレータ５０は、燃料ガス流路６２から供給される燃料ガスを燃料極３３ａに供給するための流路５２ａを形成する機能を有している。また、複数の発電要素を備える燃料電池においては、第２のセパレータは、燃料ガスと酸化剤ガスとを分離する機能も兼ね備えている。
【００４９】
第２のセパレータ５０は、第２のセパレータ本体５１と、第２の流路形成部材５２とを有する。第２のセパレータ本体５１は、燃料極３３ａの上に配されている。第２のセパレータ本体５１には、流路６１，６２の一部を構成している貫通孔５１ａ、５１ｂ（図８を参照）が形成されている。
【００５０】
第２の流路形成部材５２は、第２のセパレータ本体５１と燃料極層３３との間に配されている。第２の流路形成部材５２は、周辺部５２ｂと、複数の線状凸部５２ｃとを有する。周辺部５２ｂには、燃料ガス流路６２の一部を構成している貫通孔５２ｄ（図７を参照）が形成されている。
【００５１】
複数の線状凸部５２ｃのそれぞれは、第２のセパレータ本体５１の燃料極層３３側の表面から、燃料極層３３側に向かって突出するように設けられている。複数の線状凸部５２ｃのそれぞれは、線状凸部５２ｃの延びる方向に対して垂直なｙ方向に沿って設けられている。複数の線状凸部５２ｃは、ｘ方向に沿って相互に間隔をおいて配置されている。隣接する線状凸部５２ｃの間と、線状凸部５２ｃと周辺部５２ｂとの間に、上記流路５２ａが区画形成されている。このため、流路５２ａの延びる方向と、流路１２ａの延びる方向とは直交している。
【００５２】
第２のセパレータ本体５１及び第２の流路形成部材５２の材料は、特に限定されない。第２のセパレータ本体５１及び第２の流路形成部材５２のそれぞれは、例えば、安定化ジルコニアや、部分安定化ジルコニア等により形成することができる。また、第２のセパレータ本体５１及び第２の流路形成部材５２のそれぞれは、例えば、希土類金属などがドープされたランタンクロマイト、希土類金属などがドープされたチタン酸ストロンチウム、Ａｌで置換されたランタンフェレートなどの導電性セラミックスだけではなく、アルミナ、マグネシア、チタン酸ストロンチウムなどの絶縁性セラミックスなどによっても形成することができる。
【００５３】
図９及び図１０に示されるように、複数の線状凸部５２ｃのそれぞれには、複数のビアホール電極５２ｃ１が埋設されている。また、第２のセパレータ本体５１には、複数のビアホール電極５２ｃ１の位置に対応して複数のビアホール電極５１ｃが形成されている。複数のビアホール電極５１ｃは、複数のビアホール電極５２ｃ１と電気的に接続されている。複数のビアホール電極５１ｃは、第２のセパレータ本体５１を貫通するように形成されている。これら複数のビアホール電極５１ｃ及び複数のビアホール電極５２ｃ１により、燃料極３３ａを外部に引き出すインターコネクタ１４が構成されている。
【００５４】
インターコネクタ１４は、Ａｇ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｒｅ及びＡｕからなる群から選ばれる少なくとも一種を含む部分を有する。本実施形態では、具体的には、インターコネクタ１４は、Ａｇを含む部分を有する。より具体的には、インターコネクタ１４は、Ａｇ−Ｐｄ合金からなる部分を有する。さらに具体的には、インターコネクタ１４の全体が、Ａｇ−Ｐｄ合金からなる。Ａｇ−Ｐｄ合金を用いてインターコネクタ１４を構成した場合は、インターコネクタ１４の密度を高めやすいため、インターコネクタ１４のガスバリア性が高い。
【００５５】
上述のように、空気極と固体酸化物電解質層とが反応すると、イオン導電性の低い層が形成される。このため、空気極と固体酸化物電解質層とが反応すると、固体酸化物形燃料電池の発電効率が低下する。一方、セパレータ１０には、インターコネクタ１３が設けられているため、セパレータ本体１１には、イオン導電性は要求されない。従って、空気極とセパレータ本体とが反応し、空気極とセパレータ本体との間にイオン導電性の低い層が形成されても固体酸化物形燃料電池１の発電効率は低下しないように考えられる。しかしながら、本発明者は、鋭意研究の結果、空気極とセパレータ本体とが反応すると、空気極の構成元素がセパレータ本体に拡散し、空気極が劣化し、その結果、固体酸化物形燃料電池の発電効率が低下することを見出した。その結果、第１の中間層１５を配することに想到した。
【００５６】
すなわち、固体酸化物形燃料電池１では、空気極３２ａと固体酸化物電解質層３１との間に、（Ｃｅ１−ｘＤｘ）Ｏ２（但し、Ｄは、Ｙ、Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ及びＬｕからなる群から選ばれた少なくとも一種であり、０≦ｘ≦０．５である。）を含む第１の中間層１５が配されている。このため、空気極３２ａと固体酸化物電解質層３１との反応が抑制されている。従って、発電効率が経時的に劣化し難く、優れた信頼性を有する固体酸化物形燃料電池１を実現することができる。
【００５７】
ｘが０である場合は、空気極３２ａと固体酸化物電解質層３１との反応がより効果的に抑制されるため、さらに好ましい。
【００５８】
ところで、空気極層３２の全体の上に第１の中間層１５を設けることも考えられる。しかしながら、この場合は、（Ｃｅ１−ｘＤｘ）Ｏ２により構成された第１の中間層１５が燃料ガスと接触する。従って、第１の中間層１５にクラックが生じやすい。本実施形態では、第１の中間層１５は、周辺部３２ｂ、１２ｂと接さないように設けられている。このため、第１の中間層１５が燃料ガスと接触することが抑制されている。従って、第１の中間層１５にクラックが生じにくい。その結果、さらに優れた信頼性を実現することができる。
【００５９】
なお、本実施形態の固体酸化物形燃料電池の製造方法は特に限定されない。もっとも、好ましくは、セパレータ及び発電要素をセラミックス一体焼成技術を用いて製造することが望ましい。それによって精度及び量産性を高めることができる。また、このような一体焼成を行った場合でも、本発明によれば、上記中間層により、空気極の構成元素のセパレータ本体への拡散を効果的に抑制することができる。
【００６０】
以下、本発明を実施した好ましい形態の他の例について説明する。以下の説明において、上記第１の実施形態と実質的に共通の機能を有する部材を共通の符号で参照し、説明を省略する。
【００６１】
（第２の実施形態）
図１１は、第２の実施形態に係る燃料電池の略図的断面図である。図１１に示されるように、第１の中間層１５は、第１のセパレータ本体１１と空気極３２ａとの間に加えて、空気極３２ａの流路１２ａが臨む部分の上にも設けられていてもよい。その場合、第１の中間層１５は、連続気泡を有する多孔質体により構成されていることが好ましい。
【００６２】
（実験例１）
各構成部材の組成が下記の組成となるように、材料粉末を、有機溶媒（エタノールとトルエンの混合物）及びポリビニルブチラール系バインダーと混合した後、ドクターブレード法を用いてシート状に整形することにより各構成部材用グリーンシートまたはペーストを作製した。
【００６３】
第２の本体部１１Ｂ：３ＹＳＺ（添加量３ｍｏｌ％のＹ２Ｏ３で安定化されたＺｒＯ２）
第１及び第２の線状凸部１２ｃ、５２ｃ：３ＹＳＺ（添加量３ｍｏｌ％のＹ２Ｏ３で安定化されたＺｒＯ２）７０質量％に、カーボン粉末を３０質量％添加
第１の中間層１５：ＣｅＯ２
空気極３２ａ：Ｌａ０．６Ｓｒ０．４Ｃｏ０．２Ｆｅ０．８Ｏ３６５質量％にカーボン粉末を３５質量％添加
第２の中間層３５：ＣｅＯ２
固体酸化物電解質層３１：ＳｃＳＺ（１０ｍｏｌ％のＳｃ２Ｏ３及び１ｍｏｌ％のＣｅＯ２で安定化されたＺｒＯ２）
燃料極３３ａ：ＮｉＯ（６５質量％）と、ＳｃＳＺ（３５質量％）との混合物に対してカーボン粉末を３０質量％添加
セパレータ本体５１：３ＹＳＺ（添加量３ｍｏｌ％のＹ２Ｏ３で安定化されたＺｒＯ２）
【００６４】
また、インターコネクタに関しては、インターコネクタの組成が下記の組成となるように、材料粉末を、有機溶媒（エタノールとトルエンの混合物）及びエチルセルロース樹脂と混合してペーストを作製した。
【００６５】
インターコネクタ１３：Ｌａ０．６Ｓｒ０．４Ｃｏ０．２Ｆｅ０．８Ｏ３
インターコネクタ１４：ＮｉＯ（７０質量％）と、ＴｉＯ２（３０質量％）との混合物
上記作製のグリーンシート及びペーストを積層し、一体焼成により、第１の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池１と実質的に同様の固体酸化物形燃料電池を下記の条件で作製した。なお、各層の厚み及び焼成条件等などは以下の通りとした。
【００６６】
第１の中間層の厚み：３０μｍ
積層体の温水等方圧プレス条件：１０００ｋｇｆ／ｃｍ２、８０℃、２分間
脱脂：４００℃
焼成：１２００℃、５時間
燃料極の厚み：３０μｍ
固体酸化物電解質層の厚み：３０μｍ
第２の中間層の厚み：１０μｍ
空気極の厚み：３０μｍ
第１の本体部の厚み：３６０μｍ
第２の本体部の厚み：２４０μｍ
【００６７】
（実験例２）
第１の中間層の厚みを１０μｍとしたこと以外は、実験例１と同様にして固体酸化物形燃料電池を作製した。
【００６８】
（実験例３）
第１の中間層を、Ｇｄ０．２Ｃｅ０．８Ｏ２により構成したこと以外は、実験例１と同様にして固体酸化物形燃料電池を作製した。
【００６９】
（実験例４）
第１の中間層の厚みを１０μｍとしたこと以外は、実験例３と同様にして固体酸化物形燃料電池を作製した。
【００７０】
（実験例５）
第１の中間層を設けなかったこと以外は、実験例３と同様にして固体酸化物形燃料電池を作製した。
【００７１】
（評価）
次に、実験例１〜５において作製した固体酸化物形燃料電池に、７５０℃で、１５．５％の水蒸気を含む６６％Ｈ２−Ｎ２ガスと、空気とを供給し、１６時間発電した。その後、交流インピーダンス測定を行い、空気極の抵抗を測定した。結果を下記の表１に示す。
【００７２】
また、作製した固体酸化物燃料電池の断面を電子プローブマイクロアナライザ（ＦＥ−ＥＰＭＡ−ＷＤＸ：型番ＪＸＡ−８５００Ｆ、ＪＥＯＬ）で構成元素を分析することにより空気極とセパレータ間の元素の拡散を確認することにより、空気極とセパレータ本体との反応性を評価した。結果を下記の表１に示す。なお、表１において、「×」は、空気極成分元素の拡散度合いが大きい場合である。「○」は、空気極成分は拡散していないが中間層のＧｄの拡散がみられる場合である。「◎」は、いずれも拡散が見られない場合である。
【００７３】
【表１】
2014021446.tif 000003
【００７４】
表１に示す結果から、第１の中間層を設けることにより空気極の抵抗増大を抑制できることがわかる。また、第１の中間層の組成がＣｅＯ２であり、Ｄを含まない方が、空気極とセパレータ本体との反応をより効果的に抑制できることが分かる。
【符号の説明】
【００７５】
１…固体酸化物形燃料電池
１０…第１のセパレータ
１１…セパレータ本体
１１Ａ…第１の本体部
１１Ｂ…第２の本体部
１１ａ、１１ｂ、１２ｄ、３１ａ、３１ｂ、３２ｃ、３２ｄ、３３ｃ、３３ｄ、５１ａ、５１ｂ、５２ｄ…貫通孔
１２ａ、５２ａ…流路
１２ｂ、５２ｂ、３２ｂ、３３ｂ…周辺部
１２ｃ、５２ｃ…線状凸部
１３，１４…インターコネクタ
１５…第１の中間層
３０…発電要素
３１…固体酸化物電解質層
３２…空気極層
３２ａ…空気極
３３…燃料極層
３３ａ…燃料極
３５…第２の中間層
５０…第２のセパレータ
５１…第２のセパレータ本体
５２…第２の流路形成部材
６１…酸化剤ガス流路
６２…燃料ガス流路
【図１】
2014021446.tif 000004
【図２】
2014021446.tif 000005
【図３】
2014021446.tif 000006
【図４】
2014021446.tif 000007
【図５】
2014021446.tif 000008
【図６】
2014021446.tif 000009
【図７】
2014021446.tif 000010
【図８】
2014021446.tif 000011
【図９】
2014021446.tif 000012
【図１０】
2014021446.tif 000013
【図１１】
2014021446.tif 000014
【手続補正書】
【提出日】平成26年12月12日(2014.12.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５６】
すなわち、固体酸化物形燃料電池１では、空気極３２ａとセパレータ本体１１との間に、（Ｃｅ１−ｘＤｘ）Ｏ２（但し、Ｄは、Ｙ、Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ及びＬｕからなる群から選ばれた少なくとも一種であり、０≦ｘ≦０．５である。）を含む第１の中間層１５が配されている。このため、空気極３２ａとセパレータ本体１１との反応が抑制されている。従って、発電効率が経時的に劣化し難く、優れた信頼性を有する固体酸化物形燃料電池１を実現することができる。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５７】
ｘが０である場合は、空気極３２ａとセパレータ本体１１との反応がより効果的に抑制されるため、さらに好ましい。
【手続補正書】
【提出日】平成27年12月2日(2015.12.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体酸化物電解質層と、前記固体酸化物電解質層の一主面の上に配されており、ペロブスカイト型酸化物を含む空気極と、前記固体酸化物電解質層の他主面の上に配された燃料極とを有する発電要素と、
前記空気極の上に配されており、前記空気極に臨む流路を区画形成しているセパレータと、
を備え、
前記セパレータは、
セパレータ本体と、
前記セパレータ本体内に配されており、前記空気極に接続されているインターコネクタと、
を有し、
前記インターコネクタが設けられた前記セパレータ本体と、前記空気極との間に配されており、前記空気極の構成元素の前記セパレータ本体への拡散を抑制するための中間層をさらに備える、燃料電池。
【請求項２】
固体酸化物電解質層と、前記固体酸化物電解質層の一主面の上に配されており、ペロブスカイト型酸化物を含む空気極と、前記固体酸化物電解質層の他主面の上に配された燃料極とを有する発電要素と、
前記空気極の上に配されており、前記空気極に臨む流路を区画形成しているセパレータと、
を備え、
前記セパレータは、
セパレータ本体と、
前記セパレータ本体内に配されており、前記空気極に接続されているインターコネクタと、
を有し、
前記セパレータ本体と前記空気極との間であって、前記インターコネクタと前記空気極との間を除く位置に配されており、前記空気極の構成元素の前記セパレータ本体への拡散を抑制するための中間層をさらに備える、燃料電池。
【請求項３】
前記中間層が、セラミックスで形成されている、請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記セパレータ本体が、セラミックスで形成されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記中間層は、（Ｃｅ１−ｘＤｘ）Ｏ２（但し、Ｄは、Ｙ、Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ及びＬｕからなる群から選ばれた少なくとも一種であり、０≦ｘ≦０．５である。）
を含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記ｘが０である、請求項５に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記発電要素は、前記固体酸化物電解質層と前記空気極との間に配された別の中間層をさらに有し、
前記別の中間層は、（Ｃｅ１−ｘＤｘ）Ｏ２（但し、Ｄは、Ｙ、Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ及びＬｕからなる群から選ばれた少なくとも一種であり、０＜ｘ≦０．５である。）を含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記空気極は、ＡＢＯ３（Ａは、希土類元素及びアルカリ土類元素のうちの少なくとも一種、Ｂは、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選ばれた少なくとも一種）である、請求項１〜７のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項９】
前記空気極が、（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ３、（Ｓｍ，Ｓｒ）ＣｏＯ３、（Ｌａ，Ｓｒ）ＦｅＯ３、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ３、（Ｂａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ３及びＬａ（Ｎｉ，Ｆｅ）Ｏ３からなる群から選ばれた少なくとも一種を含む、請求項８に記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記セパレータ本体が、安定化材により安定化された安定化ジルコニア及び部分安定化ジルコニアの少なくとも一種を含む、請求項１〜８のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記セパレータ本体は、
前記空気極の上に配されており、前記流路を区画形成している第１の部分と、
前記空気極が設けられていない領域に配されており、前記燃料極に供給される燃料ガスが通過する流路が設けられている第２の部分と、
を有し、
前記中間層は、前記第２の部分と接していない、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の燃料電池。
【国際調査報告】
2014021446.tif 000015
2014021446.tif 000016
2014021446.tif 000017
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