(57)【要約】【課題】必要且つ十分な電極有功面積を確保したうえで、電極層に生じる熱応力が少なく抑えられ、その結果、製造が容易で、しかも、電極層が下地層から剥離する懸念がほとんどない固体電解質型燃料電池及びその製造方法を提供する。【解決手段】下地層３と、この下地層３上に積層した電極層２を備えたセル５を有する固体電解質型燃料電池において、電極層２を分割して複数の分割電極層２Ａとし、これらの分割電極層２Ａを下地層３上に互いに間隔ｄをおいて配置した。固体電解質型燃料電池１を製造するに際して、下地層３上に複数の分割電極層２Ａを互いに間隔ｄをおいて積層した後、複数の分割電極層２Ａのそれぞれの一部を電極剥離防止層４で被覆すると共に、この電極剥離防止層４を下地層３に固定する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
下地層と、この下地層上に積層した電極層を備えたセルを有する固体電解質型燃料電池において、上記電極層を分割して複数の分割電極層とし、これらの分割電極層を下地層上に互いに間隔をおいて配置したことを特徴とする固体電解質型燃料電池。
【請求項２】
複数の分割電極層のそれぞれの一部を覆って下地層に固定される電極剥離防止層を設けた請求項１に記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項３】
電極剥離防止層には、下地層と同じ材料又は下地層の材料の熱膨張係数に近似する熱膨張係数の材料を用いている請求項２に記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項４】
複数の分割電極層のうちの互いに隣接する分割電極層間の間隔を１ｍｍ以下とした請求項１〜３のいずれか一つの項に記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項５】
電極剥離防止層と複数の分割電極層との接触面積率を５％以上で且つ２０％以下とした請求項２〜４のいずれか一つの項に記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項６】
電極剥離防止層は複数の線状剥離防止層を組み合わせて成っている請求項２〜５のいずれか一つの項に記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項７】
電極剥離防止層は複数の線状剥離防止層を縞状に配置して成っている請求項２〜６のいずれか一つの項に記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項８】
電極剥離防止層は複数の線状剥離防止層を格子状に配置して成っている請求項２〜６のいずれか一つの項に記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項９】
電極層の材料としてＳｒ複合Ｓｍコバルト酸化物，Ｓｒ複合ランタンコバルト酸化物及びＳｒＦｅ複合ランタンコバルト酸化物のうちのいずれかを用い、下地層の材料としてセリア，ジルコニア及びランタンガレートのうちのいずれかを用いている請求項１〜８のいずれか一つの項に記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項１０】
請求項２〜９のいずれかに記載の固体電解質型燃料電池を製造するに際して、下地層上に複数の分割電極層を互いに間隔をおいて積層した後、複数の分割電極層のそれぞれの一部を電極剥離防止層で被覆すると共に、この電極剥離防止層を下地層に固定することを特徴とする固体電解質型燃料電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、下地層、例えば、電解質層上に電極層を積層したセルを有する固体電解質型燃料電池、特に、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
上記したような固体酸化物型燃料電池では、すなわち、下地層と、この下地層上に積層した電極層を備えたセルを有する固体酸化物型燃料電池では、その下地層材料及び電極層材料の各熱膨張係数の差が大きい関係上、高温焼成時に電極層側に生じる熱応力によって、電極層が下地層から剥離してしまう可能性がないとは言えない。
【０００３】
従来において、この欠点をカバーすべく、電極層の表面まで電極材料を増やしていく、いわゆる傾斜構造を採用した固体酸化物型燃料電池がある。
【特許文献１】特願２００２−５８１６１３号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、上記した固体酸化物型燃料電池では、多層構造を採用している分だけ製造工程が複雑になり、加えて、電極として実際に機能する面積（電極有効反応面積）が減少してしまうという問題があり、これらの問題を解決することが従来の課題となっていた。
【０００５】
本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたものであり、必要且つ十分な電極有功面積を確保したうえで、電極層に生じる熱応力が少なく抑えられ、その結果、製造が容易で、しかも、電極層が下地層から剥離する懸念がほとんどない固体電解質型燃料電池及びその製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、下地層と、この下地層上に積層した電極層を備えたセルを有する固体電解質型燃料電池において、上記電極層を分割して複数の分割電極層とし、これらの分割電極層を下地層上に互いに間隔をおいて配置した構成としたことを特徴としており、この固体電解質型燃料電池の構成を前述した従来の課題を解決するための手段としている。
【０００７】
一方、本発明の固体電解質型燃料電池の製造方法は、上記固体電解質型燃料電池を製造するに際して、下地層上に複数の分割電極層を互いに間隔をおいて積層した後、複数の分割電極層のそれぞれの一部を電極剥離防止層で被覆すると共に、この電極剥離防止層を下地層に固定する構成としたことを特徴としており、この固体電解質型燃料電池の製造方法の構成を前述した従来の課題を解決するための手段としている。
【０００８】
本発明の固体電解質型燃料電池において、電極層を分割して複数の分割電極層としているので、高温焼成時に生じる熱応力が分散されることとなり、従来のような一体物の電極層と比較して、電極層が下地層から剥離してしまう可能性が極めて少なくなる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の固体電解質型燃料電池によれば、上記した構成としているので、必要且つ十分な電極有功面積を確保しつつ、電極層に生じる熱応力を少なく抑えることができ、したがって、製造の複雑化を招くことなく、電極層の下地層からの剥離を防ぐことが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。
【００１０】
また、本発明の固体電解質型燃料電池の製造方法によれば、上述した固体電解質型燃料電池を簡単且つ低コストで製造することが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１に示すように、本発明の固体電解質型燃料電池１は、一対の電極層２（空気極層のみ示す）間に下地層３を挟み込んで形成したセル５を有しており、電極層２を分割して複数の分割電極層２Ａとし、これらの分割電極層２Ａを下地層３上に互いに間隔ｄをおいて配置した構成を成している。
【００１２】
ここで、複数の分割電極層２Ａのそれぞれの一部上に、分割電極層２Ａの剥離を阻止する層を形成し、この層を各分割電極層２Ａの両側で下地層３と接続させるように成せば、これで生じる物理的接合力によって、各分割電極層２Ａはいずれも下地層３に密着した状態で固定されることとなり、その下地層３からの剥離が阻止されることとなる。
【００１３】
したがって、本発明において、図２にも示すように、複数の分割電極層２Ａのそれぞれの一部を覆って下地層３に固定される電極剥離防止層４を設けた構成を採用することが望ましい。
【００１４】
上記した電極剥離防止層４には、下地層３と同じ材料を用いることが最も望ましいが、下地層３の材料の熱膨張係数に近似する熱膨張係数の材料を用いてもよい。ただし、両材料の熱膨張係数の差が２ｐｐｍＫ−１以下であれば、高温燒結時において、界面の密着性を良好に形成することができるのに加えて、電極剥離防止層４にクラックが生じないこととから、両材料の熱膨張係数の差を２ｐｐｍＫ−１以下とすることが望ましい。
【００１５】
この際、複数の分割電極層２Ａのうちの互いに隣接する分割電極層２Ａ，２Ａ間の間隔ｄが１ｍｍを超えると、電極として機能する面積が減少してセルの出力が低下することから、互いに隣接する分割電極層２Ａ，２Ａ間の間隔ｄを１ｍｍ以下とすることが望ましい。
【００１６】
また、電極剥離防止層４と複数の分割電極層２Ａとの接触面積率が５％に満たないと、分割電極層２Ａの剥離を阻止する機能が低下し、一方、上記接触面積率が２０％を超えると、分割電極層２Ａが電極として機能する面積が減少してセルの出力が低下することから、電極剥離防止層４と複数の分割電極層２Ａとの接触面積率を５％以上で且つ２０％以下とすることが望ましい。
【００１７】
本発明の固体電解質型燃料電池において、電極剥離防止層４は複数の線状剥離防止層４Ａを組み合わせて成っている構成とすることができ、具体的には、図１及び図２に示したように、複数の線状剥離防止層４Ａを縞状に配置した構成や、図３に示すように、複数の線状剥離防止層４Ａを格子状に配置した構成とすることができる。
【００１８】
また、本発明の固体電解質型燃料電池において、電極層２の材料としてＳｒ複合Ｓｍコバルト酸化物，Ｓｒ複合ランタンコバルト酸化物及びＳｒＦｅ複合ランタンコバルト酸化物のうちのいずれかを用い、下地層３の材料としてセリア，ジルコニア及びランタンガレートのうちのいずれかを用いている構成を採用することができる。
【００１９】
電極層２の材料として用いるＳｒ複合Ｓｍコバルト酸化物，Ｓｒ複合ランタンコバルト酸化物及びＳｒＦｅ複合ランタンコバルト酸化物の熱膨張係数（線膨張係数）は約２０ｐｐｍＫ−１であり、これに対して、下地層３の材料として用いるセリア，ジルコニア及びランタンガレートの熱膨張係数（線膨張係数）は約１０ｐｐｍＫ−１であり、熱膨張係数の差が１０ｐｐｍＫ−１となっているが、このような電極層２の材料と下地層３の材料とを組み合わせて用いる際に、上記したように、電極剥離防止層４の材料として、下地層３と同じ材料を用いたり、下地層３の材料の熱膨張係数に近似する熱膨張係数の材料を用いたりすれば、電極層２と下地層３との密着性の改善が最も顕著に現れる。
【実施例】
【００２０】
以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。なお、以下に示す実施例中の固体電解質型燃料電池はいずれも燃料極支持型セルを有するものである。
【００２１】
［実施例１］
表１に示すように、実施例１の固体電解質型燃料電池において、下地層の材料としてＳＤＣ（Ｓｍ添加セリア）を用い、電極層の材料としてＳＳＣ（Ｓｒ複合Ｓｍコバルト酸化物）を用い、電極剥離防止層の材料として下地層の材料と同じくＳＤＣ（Ｓｍ添加セリア）を用いた。
【００２２】
そして、電極層が複数の分割電極層から成るものとして、互いに隣接する分割電極層間の間隔ｄを０．１ｍｍとした。また、電極剥離防止層が複数の線状剥離防止層を格子状に配置して成るものとして、この電極剥離防止層と複数の分割電極層との接触面積率を１０％とした。
【００２３】
本実施例では、下地層上に複数の分割電極層を互いに０．１ｍｍの間隔をおいて積層した後、線状剥離防止層を格子状に配置して成る電極剥離防止層で複数の分割電極層のそれぞれの一部を被覆すると共に、これらの線状剥離防止層を下地層に固定するようにした。
【００２４】
［実施例２］
表１に示すように、実施例２の固体電解質型燃料電池において、下地層の材料としてＧＤＣ（Ｇｄ添加セリア）を用い、電極層の材料としてＬＳＣ（Ｓｒ複合ランタンコバルト酸化物）を用い、電極剥離防止層の材料として下地層の材料であるＧＤＣと熱膨張係数が近似するＳＤＣ（Ｓｍ添加セリア）を用いた。
【００２５】
そして、電極層が複数の分割電極層から成るものとして、互いに隣接する分割電極層間の間隔ｄを０．２ｍｍとした。また、電極剥離防止層が複数の線状剥離防止層を縞状に配置して成るものとして、この電極剥離防止層と複数の分割電極層との接触面積率を１５％とした。
【００２６】
本実施例では、下地層上に複数の分割電極層を互いに０．２ｍｍの間隔をおいて積層した後、複数の線状剥離防止層を縞状に配置して成る電極剥離防止層で複数の分割電極層のそれぞれの一部を被覆すると共に、これらの線状剥離防止層を下地層に固定するようにした。
【００２７】
［実施例３］
表１に示すように、実施例３の固体電解質型燃料電池において、下地層の材料としてＹＳＺ（８ｍｏｌ％Ｙ添加安定化ジルコニア）を用い、電極層の材料としてＬＳＣＦ（ＳｒＦｅ複合ランタンコバルト酸化物）を用い、電極剥離防止層の材料として下地層の材料と同じくＹＳＺ（８ｍｏｌ％Ｙ添加安定化ジルコニア）を用いた。
【００２８】
そして、電極層が複数の分割電極層から成るものとして、互いに隣接する分割電極層間の間隔ｄを０．３ｍｍとした。また、電極剥離防止層が複数の線状剥離防止層を格子状に配置して成るものとして、この電極剥離防止層と複数の分割電極層との接触面積率を８％とした。
【００２９】
本実施例では、下地層上に複数の分割電極層を互いに０．３ｍｍの間隔をおいて積層した後、線状剥離防止層を格子状に配置して成る電極剥離防止層で複数の分割電極層のそれぞれの一部を被覆すると共に、これらの線状剥離防止層を下地層に固定するようにした。
【００３０】
［比較例］
表１に示すように、比較例の固体電解質型燃料電池において、下地層の材料としてＳＤＣ（Ｓｍ添加セリア）を用い、電極層の材料としてＳＳＣ（Ｓｒ複合Ｓｍコバルト酸化物）を用いた。
【００３１】
そこで、実施例１〜３と比較例の各セルの高温焼成後における電極層の密着状態を観察したところ、表１に示すように、実施例１〜３では、いずれも電極層にクラックが生じておらず、電極層の下地層界面への密着性が良好であったのに対して、比較例では、電極層にクラックが発生し、電極層が下地層界面から部分的に剥離していた。つまり、実施例１〜３の固体電解質型燃料電池では、高温焼成後における電極層の密着性が比較例と比べて良好であることが判る。
【００３２】
また、実施例１〜３と比較例の各セルを用いて発電評価を行った。発電温度は６００℃とし、燃料極側には５％の水蒸気を含む水素ガスを用いると共に空気極側には乾燥空気を用いて発電試験を行い、電流密度及び端子間電圧の測定結果から最高出力を計算して、発電能力を評価した。この結果を表１に併せて示す。
【００３３】
【表１】
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【００３４】
表１の結果が示すとおり、実施例１〜３の固体電解質型燃料電池では、比較例と比べて高い出力で発電していることが判る。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の固体電解質型燃料電池の一実施例を部分的に示す斜視説明図である。（実施例２）
【図２】図１の固体電解質型燃料電池の部分平面説明図である。
【図３】本発明の固体電解質型燃料電池の他の実施例を示す部分平面説明図である。（実施例１，３）
【符号の説明】
【００３６】
１   固体電解質型燃料電池
２   電極層
２Ａ 分割電極層
３   下地層
４   電極剥離防止層
４Ａ 線状剥離防止層
５   セル
ｄ   隣接する分割電極層の間隔
【図１】
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【図２】
2006185644.tif 000005
【図３】
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