(57)【要約】【課題】  燃料電池セルで使用する固体電解質層の耐熱衝撃性を改善し、且つその体積当たりの発電密度を向上させた固体電解質燃料電池を提供すること。【解決手段】  本発明の燃料電池は、固体電解質層５１と、その片面のアノード用の電極材層５２と、反対面のカソード用の電極材層５３の積層体により構成される燃料電池セルを有する燃料電池であって、燃料電池セルの固体電解質層５１として、電極材５５、５５ａ、５５ａ’が分散混入したものを使用する。好ましくは、固体電解質層５１は多孔質であってガス透過性であり、電解質層５１の厚さ方向の３０℃における直流電気抵抗は５００ｋΩ以上であり、電解質層５１の気孔率は１０％以上７０％以下である。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質層と、その片面のアノード用の電極材層と、反対面のカソード用の電極材層の積層体により構成される燃料電池セルを有する燃料電池であって、固体電解質層に電極材が分散混入していることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記電極材がカソード用の電極材である、請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記カソード用電極材が導電性コバルタイト系セラミックス又は導電性マンガナイト系セラミックスである、請求項２記載の燃料電池。
【請求項４】
前記電極材がアノード用の電極材である、請求項１記載の燃料電池。
【請求項５】
前記アノード用電極材がニッケル又は銅である、請求項４記載の燃料電池。
【請求項６】
前記電解質層がガス透過性である、請求項１から５までのいずれか一つに記載の燃料電池。
【請求項７】
前記電解質層の厚さ方向の３０℃における直流電気抵抗が５００ｋΩ以上である、請求項１から６までのいずれか一つに記載の燃料電池。
【請求項８】
前記電解質層の気孔率が１０％以上７０％以下である、請求項６又は７記載の燃料電池。
【請求項９】
前記電解質層の材料がセリア系セラミックス又はジルコニア系セラミックスである、請求項１から８までのいずれか一つに記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記燃料電池セルとして、単一の燃料電池セルを使用する、請求項１から９までのいずれか一つに記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記燃料電池セルとして、複数の単位セルの集成体で構成される燃料電池セルを使用する、請求項１から９までのいずれか一つに記載の燃料電池。
【請求項１２】
前記集成体が前記単位セルの積層体である、請求項１１記載の燃料電池。
【請求項１３】
前記集成体が、前記単位セルを全体として中空体を形成するように配列して得られる集成体である、請求項１１記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関し、より詳しく言えば、電極と電解質との界面積が増大し、発電効率を向上させることができる燃料電池セルを使用する固体電解質燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、火力発電などに替わる低公害の発電手段として、あるいはガソリンなどを燃料とするエンジンに取って代わる電動自動車の電気エネルギー源として、燃料電池が開発され、実用化されるに至っている。
【０００３】
この燃料電池には、種々の発電形式があるが、この中に、固体電解質を用いた形式の燃料電池がある。この固体電解質による燃料電池の一例として、イットリア（Ｙ2Ｏ3）が添加された安定化ジルコニアからなる焼成体を酸素イオン伝導型の固体電解質層として用いたものがある。この固体電解質層の一面にカソード層を、その反対面にアノード層を形成し、そしてカソード層側に酸素又は酸素含有気体を供給し、アノード層にメタン等の燃料ガスを供給して、発電が行われる。
【０００４】
この燃料電池内では、カソード層側に供給された酸素（Ｏ2）がカソード層と固体電解質層との境界で酸素イオン（Ｏ2-）にイオン化される。この酸素イオンは、固体電解質層によってアノード層に伝導されて、アノード層側に供給された燃料ガス、例えばメタン（ＣＨ4）ガスと反応し、そこで最終的には水（Ｈ2Ｏ）と二酸化炭素（ＣＯ2）が生成される。この反応において、酸素イオンが電子を放出するため、カソード層とアノード層との間に電位差が生じる。そこで、カソード層とアノード層とにリード線を取付ければ、アノード層の電子がリード線を介してカソード層側に流れ、燃料電池として発電することになる。なお、この燃料電池の駆動温度は約１０００℃である。
【０００５】
しかし、この形式の燃料電池は、カソード層側に酸素又は酸素含有ガス供給チャンバーを、そしてアノード層側に燃料ガス供給チャンバーを、別々に用意しなければならず（セパレート型チャンバー形式の燃料電池）、しかも、高温下で酸化性雰囲気と還元性雰囲気とにさらされるため、燃料電池セルとしての耐久性を向上することが困難であった。
【０００６】
一方、固体電解質層の対向した面にカソード層とアノード層とを設けて形成した燃料電池セルを、メタンガスなどの燃料ガスと酸素ガスとが混合された混合燃料ガス中に置いて、カソード層とアノード層との間に起電力を発生させる形式の燃料電池が開発されている。この形式の燃料電池では、カソード層とアノード層との間に起電力を発生する原理は上述したセパレート型チャンバー形式の燃料電池の場合と同様であるが、燃料電池セル全体を実質的に同一雰囲気中に配置することができるため、燃料ガスと酸素含有気体の混合燃料ガスが供給されるシングル型チャンバーとすることができ、燃料電池セルの耐久性を向上できる。
【０００７】
しかし、このシングル型チャンバーの燃料電池においても、約１０００℃の高温下で駆動しなければならないので、混合燃料ガスの爆発の危険性がある。この危険性を回避するために、酸素濃度を発火限界よりも低い濃度にすると、メタン等の燃料の炭化が進み、電池性能が低下するという問題が生じた。そのため、混合燃料ガスの爆発を防止しつつ、燃料の炭化の進行を防止し得る酸素濃度の混合燃料ガスを使用できるシングル型チャンバーの燃料電池が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００８】
この提案されたシングル型チャンバーの燃料電池の構成を、図１０（ａ）に示した。この燃料電池は、固体電解質層を含む燃料電池セルが、混合燃料ガスの流れに対して平行に積層された構造である。燃料電池セルは、緻密構造の固体電解質層１と、固体電解質層１の両面に形成された多孔質層のカソード層２とアノード層３とで構成され、同じ構成の複数の燃料電池セルＣ１が、セラミック製の容器４内に積層される。容器４内の燃料電池セルは、充填物７、８を介して端板９、１０により密封される。
【０００９】
容器４には、メタン等の燃料と酸素とを含む混合燃料ガスの供給配管５や排ガスの排出配管６が設けられる。このシングル型チャンバーの燃料電池では、容器４内の燃料電池セルを除く部分であって、混合燃料ガスや排ガスが流動する容器４内の空間部に、充填物７、８が充填され、適宜の間隔とすることにより、燃料電池として駆動されたとき、発火限界内の混合燃料ガスが存在しても発火することがなくなる。
【００１０】
もう一つのシングル型チャンバーの燃料電池を図１０（ｂ）に示す。この図の燃料電池は、その基本的構成は図１０（ａ）に示したシングル型チャンバーの燃料電池と同様であるが、固体電解質層を含む燃料電池セルＣ１が、混合燃料ガスの流れに対して直交して容器４の軸方向に積層された構造になっている。この場合には、燃料電池セルＣ１は、多孔質の固体電解質層１と、固体電解質層１の両面に形成された多孔質のカソード層２とアノード層３とで構成され、同じ構成の複数の燃料電池セルＣ１が、容器４内に積層される。
【００１１】
特許文献２には、シングル型チャンバーの燃料電池において、燃料と酸素の混合ガスの流動を容易にする目的で、積層構造の燃料電池セルを構成する隣り合う単一セル間に、導電性で且つ多孔質のガス透過性層を配置することが記載されている。この燃料電池を図１１に示す。いずれも多孔質である、固体電解質層２２ａ、２２ｂ、カソード層２４ａ、２４ｂ、アノード層２６ａ、２６ｂから形成される単一燃料電池用セル２０ａ、２０ｂが、容器１２内に配置され、隣り合う単一燃料電池用セルの間に多孔質のガス透過性層１６が配置される。
【００１２】
固体電解質燃料電池セルを火炎中、あるいはその近傍に配置し、火炎の熱によって固体電解質燃料電池セルをその動作温度に保持して、発電を行う装置も提案されている（例えば、特許文献３を参照）。この発電装置の構成を、図１２に示した。
【００１３】
図１２に示した発電装置の燃料電池セルは、ジルコニア固体電解質層１１からなる管体と、その管体の外側に形成された燃料極であるアノード層１３と、管体内側に形成された空気極であるカソード層１２とからなる。この固体電解質の燃料電池セルを、燃料ガスが供給される燃焼装置１５から発生する火炎ｆの還元炎部分に、アノード層１３をさらした状態で設置する。こうすることにより、還元炎中に存在するラジカル成分等を燃料として利用し、管内部のカソード層２には、対流又は拡散によって、空気が供給され、燃料電池セルとして発電が行われる。
【００１４】
【特許文献１】特開２００３−９２１２４号公報
【特許文献２】特開２００４−１７２０６２号公報
【特許文献３】特開平６−１９６１７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
特許文献１、２に記載されたシングル型チャンバーの燃料電池（図１０（ａ）、１０（ｂ）、図１１）、及び特許文献３に記載された燃料電池セルが火炎にさらされるタイプのシングル型チャンバーの燃料電池（図１２）では、始動時に常温からそれよりはるかに高い燃料電池の駆動温度まで加熱する必要がある。ところが、この始動時の加熱を急激に行うと、燃料電池セルを形成している固体電解質層などに割れが発生しかねない。これを防止するため、燃料電池セルは高温になるまで徐々に昇温しなければならない。そのため、これまでのシングル型チャンバーの燃料電池では、起電するまでの時間が長く、手間がかかっているのが実状である。
【００１６】
また、特に固体電解質層を多孔質にした場合、電解質層に存在する気孔のために、電解質層の内部抵抗が増して体積当たりの発電密度が低くならざるを得なかった。
【００１７】
本発明は、燃料電池セルで使用する固体電解質層の耐熱衝撃性を改善し、且つその体積当たりの発電密度を向上させた固体電解質燃料電池の提供を目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明による燃料電池は、固体電解質層と、その片面のアノード用の電極材層と、反対面のカソード用の電極材層の積層体により構成される燃料電池セルを有する燃料電池であって、固体電解質層に電極材が分散混入していることを特徴とする。
【００１９】
固体電解質層に分散混入する電極材は、カソード用の電極材とアノード用の電極材のいずれでもよい。好ましいカソード用電極材は、導電性コバルタイト系セラミックス又は導電性マンガナイト系セラミックスである。好ましいアノード用電極材は、ニッケル又は銅である。
【００２０】
本発明の燃料電池は、シングル型チャンバータイプの燃料電池として使用するのが好ましい。そのため、燃料電池セルの固体電解質層はガス透過性（多孔質）であるのが好ましい。好ましくは、電解質層の厚さ方向の３０℃における直流電気抵抗は５００ｋΩ以上であり、電解質層の気孔率は１０％以上７０％以下であるのが好ましい。電解質層の好適な材料の例は、セリア系セラミックス又はジルコニア系セラミックスである。
【００２１】
本発明の燃料電池で使用する燃料電池セルとして、単一の燃料電池セルを使用してもよく、あるいは複数の単位セルの集成体で構成される燃料電池セルを使用することもできる。そのような集成体を使用する場合、それは単位セルの積層体であってもよく、単位セルを全体として中空体を形成するように配列して得られるものであってもよい。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、固体電解質層の耐熱衝撃性の向上により特に燃料電池始動時の操作性が改善され、且つ電解質層の体積当たりの発電密度が向上した燃料電池の提供が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明による燃料電池では、電解質材料中に電極材が分散混入している電解質層を含む燃料電池セルを使用する。図１に、そのような燃料電池セルを模式的に示す。この図の燃料電池セル５４は、固体電解質層５１と、その片面のアノード用の電極材層５２と、反対面のカソード用の電極材層５３の積層体により構成され、電解質層５１には、アノード層用電極材あるいはカソード層用電極材のいずれかが分散混入している。
【００２４】
図２に、電極材が分散混入した電解質層の模式的な部分断面図を示す。この図において、５１は電解質層であり、これに分散混入した電極材は５５で示されている。電解質層５１は、シングル型チャンバーの燃料電池で使用するのを可能にするよう、開放型の多孔質であるのが好ましく、気孔の一部は電解質層５１の片側から他方の側に通じている。図２に示した気孔５６ａ、５６ｂのうちで、５６ｂが電解質層５１を片側から他方の側に貫通する気孔であり、５６ａはいきどまりの開放気孔である。
【００２５】
異種材料である電解質材料と電極材は、熱膨張係数を異にする。その差が大きい場合、例えば燃料電池の始動時の加熱などの熱衝撃により、電極材層あるいは電解質層に割れが発生することがある。本発明における電解質層５１は、電極材５５が分散混入していることにより、電極材層との熱膨張係数差が減少し、それにより耐熱衝撃性が向上すると考えられる。また、分散混入した電極材５５が補強用充填材の役割を演じることが、電解質層５１の耐熱衝撃性の向上に寄与していることも考えられる。
【００２６】
その一方で、分散混入した電極材は電極材層と電解質層との界面積を増大させる。例えば、図２において、電極材５５がカソード用の電極材層５３のそれであるとすると、電解質層５１のカソード用電極材層５３と接触する面、すなわち電解質層５１とカソード用電極材層５３とが接する界面５８、に電極材（カソード材）が位置することにより、電解質層５１とのカソード用電極材層５３との界面積が増大する。その結果、それらの界面における電極反応（ここで説明している例ではカソード反応）の効率が上昇する。
【００２７】
その上、電解質層５１の片面にのみ開放している気孔５６ａの表面に露出し、一方の電極材層（図２ではアノード用電極材層５２）に接する電極材５５ａと、対向する他方の面に露出し、他方の電極材層（カソード用電極材層５３）に接する電極材５５ａ’との距離Ｌは、電解質層５１の厚さｔよりも短くなる。これにより、この部分においてカソード用電極材層５３からアノード用電極材層５２への酸素イオンの伝導距離が短くなり、電解質層５１における内部抵抗が低下して、燃料電池の発電効率が向上する。
【００２８】
とは言え、アノード電極材層５２とカソード電極材層５３を隔てる電解質層５１は、電子伝導に対して絶縁体であることが必要である。具体的に言うなら、電解質層５１は、３０℃における直流電気抵抗が５００ｋΩ以上であるのが好ましい。
【００２９】
電極材５５は、電解質層５１の耐熱衝撃性を向上させ、且つ電極反応効率を向上させて燃料電池の発電効率を向上させるという上述の効果を奏するのに少なくとも有効な量で、電解質層５１に分散混入される必要がある。一方、電極材の電解質層５１への混入量が多くなると、電極材粒子が電解質層の一方の面から他方の面まで連続して連なることにより電子伝導を可能にする確率が増大する。例えば、電解質層材料の粒子と電極材粒子が同じ大きさであるとして、導体としての電極材が絶縁体としての電解質材料中に分散された理想的モデルについて、電極材の分散率に対するその導電率をシミュレーションすると、図３に示した結果が得られる。この図の横軸は電極材の分散率（電解質材料中に分散した電極材の割合（体積％））を表し、縦軸は導体としての電極材自体の導電率に対する相対導電率（％）を表している。この例の場合、電極材の分散率が８０体積％を超えると導電率が急激に上昇することが分る。
【００３０】
現実には、電極材粒子にも電解質粒子にも粒度分布があり、また、例えば同じ公称粒度の同じ電極材粒子であっても、製造条件などによって二次粒子の大きさなどがまちまちになることもあることから、電解質層に混入する電極材の量は実際に使用するそれらの材料に応じて決定すべきである。
【００３１】
先に触れたように、電解質層５１（図２）には開放型の気孔５６ａ、５６ｂがあり、そのうちの一部（５６ｂ）は電解質層５１の片側から他方の側に通じている。シングル型チャンバーの燃料電池において申し分なく機能するためには、電解質層５１は十分なガス透過性を示すのが好ましい。従って、電解質層５１はそのために有効な数の貫通型気孔５６ｂを有するべきである。この場合、電解質層５１のガス透過性は、気孔５６ｂの径にも依存することに留意すべきである。やはり先に触れたように、電解質層５１のいきどまり型の開放気孔５６ａは、電解質層５１における内部抵抗の低下とそれによる発電効率の向上に寄与する。従って、電解質層５１はやはりそのために有効な数のいきどまり型の開放気孔５６ａを有するべきである。その一方、電解質層における貫通型開放気孔といきどまり型開放気孔の割合は、電解質層を作製するのに使用する材料の種類や焼成条件に左右される。例えば、それは、電解質層をグリーンシート法で作製する場合、グリーンシートに添加する気孔形成剤を含めた材料粉末の種類と配合割合や、焼成温度、焼成時間、予備焼成の有無その他の焼成条件等により、様々になる。とは言え、概して言えば、電解質層の気孔率を１０％以上、７０％以下の範囲から選ぶようにすることにより、上記の要件を満足する電解質層を得ることができる。
【００３２】
電解質層５１を構成する固体電解質材料としては、燃料電池で使用される公知の固体電解質を使用することができ、例として、次のものを挙げることができる。
（ａ）ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、ＳｃＳＺ（スカンジア安定化ジルコニア）、これらにＣｅ、Ａｌ等をドープしたジルコニア系セラミックス。
（ｂ）ＳＤＣ（サマリアドープドセリア）、ＧＤＣ（ガドリアドープドセリア）等のセリア系セラミックス。
（ｃ）ＬＳＧＭ（ランタンガレート）。
（ｄ）酸化ビスマス系セラミックス。
これらのうち、特に（ａ）、（ｂ）が好ましい。
【００３３】
アノード層５２を形成する材料も、公知の材料を使用することができ、例として、次のものを挙げることができる。
（ａ）ニッケル又は銅などの金属材料。
（ｂ）ニッケルと、イットリア安定化ジルコニア系、スカンジア安定化ジルコニア系、又はセリア系（ＳＤＣ、ＧＤＣ、ＹＤＣ等）セラミックとのサーメット。
（ｃ）導電性酸化物、例えばリチウムが固溶された酸化ニッケル等、を主成分（５０重量％以上９９重量％以下）とする焼結体。
（ｄ）（ｂ）、（ｃ）に挙げたものに、白金族元素からなる金属、又はその酸化物が１〜１０重量％程度配合されたもの。
【００３４】
これらのうち、特に（ａ）が好ましい。
（ｃ）の導電性酸化物を主成分とする焼結体は、優れた耐酸化性を有するので、アノード層の酸化に起因して発生する、アノード層の電極抵抗の上昇による発電効率の低下、あるいは発電不能、アノード層の固体電解質層からの剥離といった現象を防止できる。また、導電性酸化物としては、先に例示したリチウムが固溶された酸化ニッケルが好適である。更に、上記（ｂ）、（ｃ）に挙げたものに白金族元素から成る金属、又はその酸化物を配合した材料を使用することにより、高い発電性能を得ることができる。
【００３５】
カソード層５３の材料も、やはり公知のものを使用することができ、例えば、導電性コバルタイト系セラミックス、導電性マンガナイト系セラミックス等を挙げることができる。導電性コバルタイト系セラミックスの例としては、サマリウムストロンチウムコバルタイト、ランタンストロンチウムコバルタイト等が挙げられる。導電性マンガナイト系セラミックスの例としては、ストロンチウム（Ｓｒ）等の周期律表第３族元素が添加されたランタンの、マンガン酸化合物（例えばランタンストロンチウムマンガナイト）などを挙げることができる。このほかに、ガリウム酸化合物などもカソード層５３の材料として使用可能である。
【００３６】
アノード層５２とカソード層５３は、ともに多孔質体で形成される。
【００３７】
燃料電池セル５４（図１）は、例えば、次のように製作することができる。まず、固体電解質材料のグリーンシートを作製する。その片面にアノード用電極材層の材料のペーストを塗布し、他面にカソード用電極材層の材料のペーストを塗布する。こうして得られた積層体の２つの電極材層材料のペーストに、リード線となる金属線（図示せず）を埋設又は貼着して、積層体を焼成し焼結することで、積層構造の燃料電池セルが作製される。各層の気孔率は、グリーンシートあるいはペーストに添加する気孔形成剤を含めた材料粉末の種類や配合割合、また、焼成温度、焼成時間、予備焼成の有無その他の焼成条件等により、調整することができる。
【００３８】
固体電解質層に電極材が分散混入した燃料電池セルを使用する本発明の燃料電池は、例えば、
（１）特許文献１に記載された燃料電池に代表される、燃料ガスと酸素含有ガスとの混合ガスを使用するシングル型チャンバーの燃料電池と同様の燃料電池として、あるいは、
（２）特許文献３に記載された燃料電池に代表される、円筒状の燃料電池セルのアノードが燃焼火炎にさらされるタイプのシングル型チャンバーの燃料電池として、あるいは、
（３）出願人が先に出願した特願２００４−３６９２３１、特願２００４−３７０７１８、特願２００４−３７０８９８、特願２００４−３７０９７２の各明細書に記載したような、アノード層を直接火炎にさらす円筒状タイプの燃料電池セルを使用するシングル型チャンバーの燃料電池として、
利用することができる。
【００３９】
上記（１）のタイプの燃料電池を図４（ａ）、４（ｂ）に示す。図４（ａ）は、燃料電池セルの各層が混合ガスの流れの方向と同じになるようセルを配置したシングル型チャンバーの燃料電池５０を示し、図４（ｂ）は、燃料電池セルの各層が混合ガスの流れの方向に垂直になるようセルを配置したシングル型チャンバーの燃料電池５０’を示している。これらの図において、４は燃料電池の容器であり、その中に電解質層５１、アノード用電極材層５２、カソード用電極材層５３から構成される単位セル５４ａが複数収容されている。
【００４０】
上記（２）のタイプの燃料電池を図５に示す。この図の燃料電池５０”では、電解質層５１、アノード用電極材層５２、カソード用電極材層５３から構成される燃料電池セル５４が、燃焼装置１５からの火炎ｆにさらされる。
【００４１】
上記（３）のタイプの燃料電池の一例を図６（ａ）（上面図）、６（ｂ）（部分断面図）に模式的に示す。この燃料電池５０”’は、固体電解質材料で製作した円筒状の中空体として製作した固体電解質層５１の内側にアノード用電極材層５２、外側にカソード用電極材層５３を設けた中空積層体の燃料電池セル５４を有する。アノード用電極材層５２は、燃料電池セル５４内の中央部に設けた燃焼器６０の吹き出し口６０ａからの火炎６１にさらされる（図６（ａ）、６（ｂ）では、簡単にするために火炎は１つだけ図示されている）。カソード層５３は酸素を含む外気にさらされる。図中の６３は、火傷防止と燃料電池の保温のための保護具である。
【００４２】
いずれの場合も、燃料電池に含まれる燃料電池セルは、１つであっても２以上の複数であってもよい。特許文献１に記載された燃料電池に代表されるタイプの、燃料ガスと酸素含有ガスとの混合ガスを使用するシングル型チャンバーの燃料電池において、複数のセルを用いる場合、電解質層とアノード層とカソード層の積層体として構成された単位セルを積層して構成される燃料電池セルを使用することができる。燃料電池セルのアノードが燃焼火炎にさらされるタイプのシングル型チャンバーの燃料電池において、複数のセルを使用する場合には、図７に模式的に示したような、短冊状の単位セル５４ａを円周方向に配列して構成される円筒状燃料電池セル、図８に示したような、環状の単位セル５４ｂを軸線方向に配列して構成される円筒状燃料電池セル、あるいは図９に示したような、矩形等の単位セル５４ｃ（図４）を碁盤目ないし格子状に配置して全体として円筒状にされた燃料電池セルを使用することができる。複数の単位セルの集成体である燃料電池セルを使用する場合は、単位セルを直列又は並列に接続することができ、あるいは単位セルの直列の接続と並列の接続が混在してもよい。
【実施例】
【００４３】
実施例により、本発明を更に具体的に説明するが、言うまでもなく、本発明はここで説明する例に限定されるものではない。
【００４４】
粒径約０．６μｍののＳＤＣ（サマリアドープドセリア、Ｃｅ0.8Ｓｍ0.2Ｏ1.9）粉末と粒径約１μｍのＳＳＣ（サマリウムストロンチウムコバルタイト、Ｓｍ0.5Ｓｒ0.5ＣｏＯ3）粉末を、ＳＳＣが約１０体積％となるように混合し、ポリビニルブチルブチラールバインダー、フタル酸ジブチル、有機溶剤とともにボールミル法にてスラリー化し、グリーンシートを成形した。これをディスク状に打ち抜き、大気中９００℃にて脱脂・焼成した。得られた径約１５ｍｍ、厚さ約０．２ｍｍの焼結体（カソード電極材のＳＳＣが分散混入したＳＤＣ電解質の焼結体）の相対密度は約６８％（気孔率約３２％）であり、厚さ方向の抵抗は１０ＭΩ以上であることが確認された。このディスク（電解質焼結体）の一方の面に、ＳＳＣ−ＳＤＣの５０ｗｔ％−５０ｗｔ％組成のペーストを印刷し、他面にＲｈ2Ｏ3を５ｗｔ％添加した８ｍｏｌ％ＬｉドープＮｉ酸化物とＳＤＣの２５ｗｔ％−７０ｗｔ％組成のペーストを印刷し、電解質焼結体とともに９００℃で焼成して、燃料電池セルを作製した。得られたセルを、ブタンガス燃焼火炎にて発電させると、開回路電圧約０．８Ｖ、短絡電流約２００ｍＡが確認された。
【００４５】
一般に、材料の多孔質化によりその材料の耐熱衝撃性が向上することが知られており（例えば、Ｌ．Ｉ．Ｖａｎｄｅｐｅｒｒｅ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｐｏｒｏｓｉｔｙ  ａｎｄ  ｉｔｓ  ｅｆｆｅｃｔ  ｏｎ  ｃｒａｃｋｉｎｇ  ａｎｄ  ｔｈｅｒｍａｌ  ｓｈｏｃｋ”，Ｅｘｔｅｎｄｅｄ  Ａｂｓｔｒａｃｔ  ｏｆ  ｔｈｅ  ８ｔｈ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ  ｏｎ  Ｓｙｎｅｒｇｙ  Ｃｅｒａｍｉｃｓ，Ｆｅｂｒｕａｒｙ  ５−６，２００４，Ｔｏｋｙｏ  Ｊａｐａｎ）、気孔率約３２％のこの例の電解質焼結体においても耐熱衝撃性が向上しているものと推察される。
【００４６】
上記ＳＳＣ及びＳＤＣ粉末を用いて、ＳＳＣが約２０体積％となるように混合したことと大気中１０００℃で焼成したことを除いて上記と同じようにして得たディスクの相対密度は約９８％（気孔率約２％、また気孔は閉鎖気孔と見られる）であり、厚さ方向の抵抗は約２０ｋΩであった。一般的な導体混合則によれば、この組成では十分な高抵抗が得られると思われたが、実際には低い抵抗になり、セルに適用することはできなかった。混合材料の抵抗は、各成分の抵抗率に加え、粒径や相対密度に影響されて変わる。（従って、電極材の混合率で単純に規定できない。）また、電極材と電解質材とで二次層を形成する場合も、抵抗に影響を及ぼすと考えられる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明の燃料電池は、特に、多孔質の電解質層が有効であるシングル型チャンバーの燃料電池として利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の燃料電池で使用する燃料電池セルを模式的に説明する図である。
【図２】図１の燃料電池セルの模式部分断面図である。
【図３】本発明の燃料電池で使用する燃料電池セルにおける電解質層の一つの理想的モデルについて、電極材の分散率に対する電解質層の導電率のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図４】本発明によるシングル型チャンバーの燃料電池の例を説明する図である。
【図５】円筒状の燃料電池セルを使用する、本発明による燃料電池の例を説明する図である。
【図６】円筒状の燃料電池セルを使用する、本発明による燃料電池のもう一つの例を説明する図である。
【図７】複数の短冊状単位セルにより構成される円筒状燃料電池セルを説明する斜視図である。
【図８】複数の環状単位セルにより構成される円筒状燃料電池セルを説明する斜視図である。
【図９】複数の矩形単位セルにより構成される円筒状燃料電池セルを説明する斜視図である。
【図１０】従来技術の燃料電池の一つを説明する図である。
【図１１】従来技術の別の燃料電池を説明する図である。
【図１２】従来技術のもう一つの燃料電池を説明する図である。
【符号の説明】
【００４９】
５０、５０’、５０”、５０”’    燃料電池
５１    固体電解質層
５２    アノード用電極材層
５３    カソード用電極材層
５４    燃料電池セル
５４ａ    単位セル
５５、５５ａ、５５ａ’    電極材
５６ａ、５６ｂ    気孔
５８、５９ａ、５９ｂ    金属メッシュ
６０    燃焼器
６０ａ    吹き出し口
６１    火炎
６３    保護具
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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