(57)【要約】【課題】 セルの内部抵抗を低減することができ、その結果、出力特性の向上を実現することが可能である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】空気極層２及び燃料極層間に電解質層３を挟み込んで形成したセル４を有する固体電解質型燃料電池において、空気極層２と電解質層３との界面に、２種の異なる組成の微粒子５Ａ，５Ｂからなる微粒子層５を配置した。この固体電解質型燃料電池を製造するに際して、スパッタリング法，蒸着法，エアロゾルデポジション法及び噴霧熱分解法のうちの少なくとも一つの手法を用いて、２種の異なる組成の微粒子５Ａ，５Ｂを電解質層３の表面上に交互に分散させて微粒子層５を形成した後、この微粒子層５上に空気極層２を形成する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の電極層間に電解質層を挟み込んで形成したセルを有する固体電解質型燃料電池において、電極と電解質との界面に、２種以上の異なる組成の微粒子からなる微粒子層を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】
微粒子層を形成する組成の異なる微粒子は、各々の粒塊の大きさを２μｍ以下として互いに隣り合って分散している請求項１に記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項３】
微粒子層を形成する組成の異なる微粒子には、電極材料又は電解質材料と化学反応せずに高抵抗相を生じない材料を用いる請求項１又は２に記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項４】
電解質には、安定化ジルコニア固溶体，ランタンガレート系固溶体，セリア系固溶体及びビスマス系固溶体のうちの少なくとも一つの材料を用いる請求項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】
電極には、ランタン−マンガン系酸化物，ランタン−コバルト系酸化物，ランタン−鉄系酸化物，ストロンチウム−コバルト系酸化物及び金属−酸素イオン伝導性物質からなるサーメット材料のうちの少なくとも一つの材料を用いる請求項１〜４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】
請求項１〜５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、スパッタリング法，蒸着法，エアロゾルデポジション法及び噴霧熱分解法のうちの少なくとも一つの手法を用いて、２種類以上の異なる組成の微粒子を電解質の表面上に交互に分散させて微粒子層を形成した後、この微粒子層上に電極層を形成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、一対の電極層間に電解質層を挟み込んで形成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】
従来において、セルの電極層と電解質層との界面反応を阻止して界面抵抗を下げることを目的として、電極層と電解質層との界面にセリア層を設けた構成を成す固体酸化物型燃料電池がある。
【特許文献１】特願２００２−１３９７６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところが、上記した固体酸化物型燃料電池では、セルの電極層と電解質層との界面に挟み込んだセリア層が電子伝導性をほとんど有していないことから、このセリア層を挟むことでオーミック抵抗が増加して、セルの内部抵抗が大きくなってしまうという問題があり、この問題を解決することが従来の課題となっていた。
【０００４】
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、セルの内部抵抗を低減することができ、その結果、出力特性の向上を実現することが可能である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】
【０００５】
本発明は、一対の電極層間に電解質層を挟み込んで形成したセルを有する固体電解質型燃料電池において、電極と電解質との界面に、２種以上の異なる組成の微粒子からなる微粒子層を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。
【０００６】
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、スパッタリング法，蒸着法，エアロゾルデポジション法及び噴霧熱分解法のうちの少なくとも一つの手法を用いて、２種類以上の異なる組成の微粒子を電解質の表面上に交互に分散させて微粒子層を形成した後、この微粒子層上に電極層を形成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。
【発明の効果】
【０００７】
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、電極と電解質との界面の微粒子層中に生じる微小粒界により、酸素イオンの拡散性を向上させることができ、その結果、セルの内部抵抗を低減させて、すなわち、電極性能をアップさせて、出力特性の向上を実現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。
【０００８】
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、上述した優れた出力特性を有する固体電解質型燃料電池を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】
【０００９】
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（空気極層２のみ示す）間に電解質層３を挟み込んで形成したセル４を備えており、空気極層２と電解質層３との界面Ｓに、２種以上の異なる組成の微粒子からなる微粒子層５を配置した構成を成している。上記微粒子層５を形成する２種以上の異なる組成の微粒子は、互いに反応しないものとしてあり、この微粒子層５は空気極層２又は電解質層３としても機能するようになっている。
【００１０】
ここで、微粒子層５が２種の異なる組成の微粒子５Ａ，５Ｂからなっている場合、２種の微粒子５Ａ，５Ｂは互いにほぼ均一に分散されており、一方の微粒子５Ａの周囲は他方の微粒子５Ｂによって覆われる。このようにして両微粒子５Ａ，５Ｂがほぼ均一に分散することにより、隣り合う微粒子５Ａ，５Ｂ間に形成される粒界Ｔが多くなり、これらの粒界Ｔがイオンの拡散経路として機能する。
【００１１】
この際、微粒子層が１種の微粒子のみによって形成されていると、同じ種類の微粒同士の凝集が起こり易く、特に高温で焼結することにより固まってバルクの焼結体になってしまう。つまり、イオンはバルク中を通って移動しなくてはならないため、粒界の表面を拡散する場合よりも抵抗が大きくなる。
【００１２】
上記したように、微粒子層５が２種の異なる組成の微粒子５Ａ，５Ｂから成っていても、固まって粒塊のサイズが２μｍ以上になってしまうと、微小粒界Ｔの数が大幅に減って微粒子層５としての効果が低減することから、２種の異なる組成の微粒子５Ａ，５Ｂがそれぞれ凝集しても固まった粒塊のサイズが２μｍを越えないようにするために、微粒子５Ａ，５Ｂの各々の粒塊の大きさを２μｍ以下として、互いに隣接させて分散させることが望ましい。
【００１３】
また、本発明の固体電解質型燃料電池１において、微粒子層５を形成する組成の異なる微粒子５Ａ，５Ｂには、電極材料又は電解質材料と化学反応せずに高抵抗相を生じない材料を用いることができ、この際、高抵抗というのは、１０００℃において、導電率が１０−２ｓｃｍ−１以下になることである。
【００１４】
さらに、本発明の固体電解質型燃料電池１において、電解質層３には、安定化ジルコニア固溶体，ランタンガレート系固溶体，セリア系固溶体及びビスマス系固溶体のうちの少なくとも一つの材料を用いることができ、空気極層２又は燃料極層の電極材料には、ランタン−マンガン系酸化物，ランタン−コバルト系酸化物，ランタン−鉄系酸化物，ストロンチウム−コバルト系酸化物及び金属−酸素イオン伝導性物質からなるサーメット材料のうちの少なくとも一つの材料を用いることができる。
【実施例】
【００１５】
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。
【００１６】
［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、燃料極支持型基板をセル支持基板とし、電解質層（膜厚１０μｍ）の電解質材料として８ＹＳＺ（８ｍｏｌ％Ｙ添加安定化ジルコニア）を用い、空気極層の電極材料としてＳＳＣ（Ｓｍ０．５Ｓｒ０．５ＣｏＯｘ）を用い、燃料極層の電極材料としてＮｉ−ＹＳＺを用いた。
【００１７】
そして、空気極層と電解質層との界面に位置して微粒子層を形成する組成の異なる２種の微粒子には、ＬＳＭ（Ｌａ０．８Ｓｒ０．２ＭｎＯｘ），ＳＤＣ（Ｓｍ０．２Ｃｅ０．８Ｏｘ）を用い、微粒子層を形成した後のＬＳＭ粒魂の平均粒径を０．３μｍとすると共にＳＤＣ粒魂の平均粒径を０．２μｍとした。
【００１８】
本実施例では、スパッタリング法によって組成の異なる２種の微粒子（ＬＳＭ，ＳＤＣ）を電解質層の表面上に交互に分散させて微粒子層を形成した後、この微粒子層上に空気極層を形成してセルを得た。
【００１９】
［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、燃料極支持型基板をセル支持基板とし、電解質層（膜厚１０μｍ）の電解質材料として１０ＳＳＺ（Ｓｃ０．１Ｚｒ０．９Ｏｘ）を用い、空気極層の電極材料としてＳＳＣ（Ｓｍ０．５Ｓｒ０．５ＣｏＯｘ）を用い、燃料極層の電極材料としてＮｉ−ＹＳＺを用いた。
【００２０】
そして、空気極層と電解質層との界面に位置して微粒子層を形成する組成の異なる２種の微粒子には、ＬＮＦ（ＬａＮｉ０．６Ｆｅ０．４Ｏｘ），ＧＤＣ（Ｇｄ０．１Ｃｅ０．９Ｏｘ）を用い、微粒子層を形成した後のＬＮＦ粒魂の平均粒径を０．３μｍとすると共にＧＤＣ粒魂の平均粒径を０．３μｍとした。
【００２１】
本実施例では、蒸着法によって組成の異なる２種の微粒子（ＬＮＦ，ＧＤＣ）を電解質層の表面上に交互に分散させて微粒子層を形成した後、この微粒子層上に空気極層を形成してセルを得た。
【００２２】
［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、燃料極支持型基板をセル支持基板とし、電解質層（膜厚１０μｍ）の電解質材料として８ＹＳＺ（８ｍｏｌ％Ｙ添加安定化ジルコニア）を用い、空気極層の電極材料としてＬＳＣ（Ｓｒ複合ランタンコバルト酸化物）を用い、燃料極層の電極材料としてＮｉ−ＳＤＣを用いた。
【００２３】
そして、空気極層と電解質層との界面に位置して微粒子層を形成する組成の異なる２種の微粒子には、ＬＳＭ（Ｌａ０．８Ｓｒ０．２ＭｎＯｘ），ＧＤＣ（Ｇｄ０．１Ｃｅ０．９Ｏｘ）を用い、微粒子層を形成した後のＬＳＭ粒魂の平均粒径を０．２μｍとすると共にＧＤＣ粒魂の平均粒径を０．４μｍとした。
【００２４】
本実施例では、エアロゾルデポジション法によって組成の異なる２種の微粒子（ＬＳＭ，ＧＤＣ）を電解質層の表面上に交互に分散させて微粒子層を形成した後、この微粒子層上に空気極層を形成してセルを得た。
【００２５】
［実施例４］
表１に示すように、実施例４の固体電解質型燃料電池において、燃料極支持型基板をセル支持基板とし、電解質層（膜厚１０μｍ）の電解質材料として８ＹＳＺ（８ｍｏｌ％Ｙ添加安定化ジルコニア）を用い、空気極層の電極材料としてＳＳＣ（Ｓｍ０．５Ｓｒ０．５ＣｏＯｘ）を用い、燃料極層の電極材料としてＮｉ−ＹＳＺを用いた。
【００２６】
そして、空気極層と電解質層との界面に位置して微粒子層を形成する組成の異なる２種の微粒子には、ＬＳＭ（Ｌａ０．８Ｓｒ０．２ＭｎＯｘ），ＳＤＣ（Ｓｍ０．２Ｃｅ０．８Ｏｘ）を用い、微粒子層を形成した後のＬＳＭ粒魂の平均粒径を０．１μｍとすると共にＳＤＣ粒魂の平均粒径を０．２μｍとした。
【００２７】
本実施例では、噴霧熱分解法によって組成の異なる２種の微粒子（ＬＳＭ，ＳＤＣ）を電解質層の表面上に交互に分散させて微粒子層を形成した後、この微粒子層上に空気極層を形成してセルを得た。
【００２８】
［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、燃料極支持型基板をセル支持基板とし、電解質層（膜厚１０μｍ）の電解質材料として８ＹＳＺ（８ｍｏｌ％Ｙ添加安定化ジルコニア）を用い、空気極層の電極材料としてＳＳＣ（Ｓｍ０．５Ｓｒ０．５ＣｏＯｘ）を用い、燃料極層の電極材料としてＮｉ−ＹＳＺを用いた。
【００２９】
そして、空気極層と電解質層との界面に位置する微粒子層をＳＤＣ（Ｓｍ０．２Ｃｅ０．８Ｏｘ）のみで形成し、微粒子層を形成した後のＳＤＣ粒魂の平均粒径を５μｍとした。
【００３０】
この比較例では、スパッタリング法によって１種の微粒子（ＳＤＣ）を電解質層の表面上に分散させて微粒子層を形成した後、この微粒子層上に空気極層を形成してセルを得た。
【００３１】
そこで、実施例１〜４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３％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。
【００３２】
【表１】
2006073346.tif 000003
【００３３】
表１の結果が示すとおり、実施例１〜４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。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明の固体電解質型燃料電池では、微粒子層が２種の異なる組成の微粒子からなっている場合、２種の微粒子がほぼ均一に分散することにより、隣り合う微粒子間には多数の粒界が生じ、これらの粒界が酸素イオンの拡散経路として機能する。つまり、酸素イオンがバルクの粒内を通過する場合と比較して酸素イオンの移動が早くなることから、内部抵抗が下がって燃料電池の低温化が図られることとなり、自動車に搭載するのに好適なものとなる。
【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示す部分断面説明図である。（実施例１〜４）
【符号の説明】
【００３６】
１   固体電解質型燃料電池
２   空気極層
３   電解質層
４   セル
５   微粒子層
５Ａ，５Ｂ  微粒子
【図１】
2006073346.tif 000004