(57)【要約】【課題】電解質層と電極の材料の違いによる熱応力の影響を低減し、電解質と電極との層間剥離を確実に防止し、安定した発電と長寿命化を可能にした平板型固体酸化物形燃料電池セルを提供する。【解決手段】固体酸化物からなる電解質層１と、この電解質層１の両面にそれぞれ形成された空気極２０および燃料極３とからなる平板型固体酸化物形燃料電池セル１０において、前記空気極２０を複数の分割極片２０ａ〜２０ｎで構成する。分割極片２０ａ〜２０ｎは、電解質層１の中央部より径方向外側に向かうにしたがって小さくなるように大きさを異ならせて形成されている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体酸化物からなる電解質層と、この電解質層の両面にそれぞれ形成された空気極および燃料極とからなる平板型固体酸化物形燃料電池セルにおいて、
前記空気極と前記燃料極の少なくともいずれか一方を複数の分割極片で構成したことを特徴とする平板型固体酸化物形燃料電池セル。
【請求項２】
前記複数の分割極片は、電解質層の中央部より径方向外側に向かうにしたがって表面積が小さくなるように大きさを異ならせて形成されていることを特徴とする請求項１記載の平板型固体酸化物形燃料電池セル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、平板型の固体酸化物からなる電解質層を備えた平板型固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）に関し、特に電解質層とその両面にそれぞれ積層形成される２つの電極に特長を有する平板型固体酸化物形燃料電池セルに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
平板型固体酸化物形燃料電池（SOFC:Solid Oxide Fuel Cell）は、平板型の固体酸化物からなる電解質層を用いて発電する電池であり、他の燃料電池に比べて発電効率が高く、また作動温度が高い（７００°〜１０００℃）ため高温の熱を利用することができるという利点を有している。
【０００３】
図５（ａ）〜（ｃ）は従来の平板型固体酸化物形燃料電池セルの側面図、平面図および底面図である。同図において、１は円板状に形成された電解質（以下、電解質層ともいう）、２，３は電解質層１の両面にそれぞれ形成された空気極および燃料極で、これらによって電解質支持型の単セル４を構成している。
【０００４】
電解質層１の材質としては、電子を通さず、酸素イオンの導伝特性が高いセラミックス材料、例えばアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）添加スカンジア（Ｓｃ2Ｏ3）安定化ＺｒＯ2 （ＳＡＳＺ）やイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）などのジルコニア材料が用いられる。
【０００５】
空気極２の材料としては、電子導電性を有する酸化物あるいは金属、例えば銀（Ａｇ）や白金（Ｐｔ）や、ランタンストロンチウムマンガナイト（ＬＳＭ）などの一般的な空気極材料が用いられる。
【０００６】
燃料極３としては、同じく電子導電性を有する貴金属、例えばニッケル（Ｎｉ）−ＹＳＺサーメット、Ｐｔ等の材料が用いられる。
【０００７】
このような平板型固体酸化物形燃料電池の単セル４において、空気極２と燃料極３は、電解質層１を介して隔離されており、空気極２には酸化剤が供給され、燃料極３には燃料である水素と一酸化炭素がそれぞれ供給されている。電解質層１と空気極２の界面では、電極反応に寄与する三層界面が形成されており、下記（１）式に示す空気極反応により酸化剤中の酸素と電子が反応して酸素イオンに変わる。
【０００８】
（空気極反応）
1/2Ｏ2 ＋２ｅ- →Ｏ2-
【０００９】
空気極２で生成した酸素イオンは、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）などの電解質層１の内部を移動して燃料極３に到達する。燃料極３では、Ｎｉ−ＹＳＺサーメット、Ｐｔ等から形成された燃料極３の働きで、空気極２から電解質層１の内部を通って移動してきた酸素イオンが下記（２）式および（３）式に示す反応により燃料極３に供給された水素および一酸化炭素と反応し、水蒸気または二酸化炭素と電子が生成する。
【００１０】
（燃料極反応）
Ｈ2 ＋Ｏ2- →Ｈ2Ｏ＋２ｅ-
ＣＯ＋Ｏ2- →ＣＯ2＋２ｅ-
【００１１】
燃料極３で生成した電子は、外部回路を移動し空気極２に到達する。空気極２に到達した電子は、前記（１）式で示した空気極反応により酸素と反応する。この電子が外部回路を移動する過程で電気エネルギーを出力として取り出すことができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、上記したような電解質層１の両面に空気極２と燃料極３とからなる電極をそれぞれ形成してなる平板型固体酸化物形燃料電池セル４においては、作動温度が７００〜１０００℃程度の高温で発電を行うために、室温から作動温度へ温度上昇あるいは作動温度から大気温度へ下降する際に、電解質層１、空気極２、燃料極３の各材料の熱膨張係数の違いに起因して電解質層１と空気極２あるいは電解質層１と燃料極３との間で伸び縮みによる熱応力が発生し、電解質層１と空気極２または燃料極３が剥離するという問題があった。例えば、電解質層１、空気極２および燃料極３に用いられるランランマンガナイト酸化物、イットリア添加安定化ジルコニア酸化物、ニッケル酸化物の熱膨張係数は、それぞれ１０．５ｐｐｍＫ-1、１０．７ｐｐｍＫ-1、１８．５ｐｐｍＫ-1であるため、熱膨張係数差により層間剥離が発生すると、電極反応に寄与する三層界面が減少しセルの発電性能や寿命を低下させる。
【００１３】
本発明は上記したような従来の問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、電解質層と電極との材料の違いによる熱応力による影響を低減し、電解質と電極との層間剥離を確実に防止し、安定した発電と長寿命化を可能にした平板型固体酸化物形燃料電池セルを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するために本発明は、固体酸化物からなる電解質層と、この電解質層の両面にそれぞれ形成された空気極および燃料極とからなる平板型固体酸化物形燃料電池セルにおいて、前記空気極と前記燃料極の少なくともいずれか一方を複数の分割極片で構成したものである。
【００１５】
また、本発明は、前記複数の分割極片を電解質層の中央部より径方向外側に向かうにしたがって表面積が小さくなるように大きさを異ならせて形成したものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明においては、空気極と燃料極の少なくともいずれか一方を分割して形成された複数の分割極片で構成したので、材料の違いによる昇温、降温時の熱膨張係数の差に起因する分割極片の伸縮の変位量が単一の電極に比べて小さく、熱応力による影響を低減することができる。このため、電解質と分割極片との間の層間剥離を確実に防止でき、セルの耐久性を向上させることができる。
【００１７】
また、セルの発電効率を向上させることも可能である。すなわち、電極自体の外形の大きさは変えないで複数の分割極片にすると、分割極片全体の面積は単一の電極を形成した場合に比べて分割極片間の隙間分だけ減少するため、発電性能は低下する。
一方、複数の分割極片にすると、各分割極片は長さが短く、昇温、降温時の伸縮による変位量は小さい。このため、分割極片全体の変位量の総和は、単一の電極における変位量よりも小さくなるので、表面積の減少を少なく抑えるために分割極片間の隙間を小さくしておけば、単一の電極を形成した場合に比べて層間剥離による電極反応に寄与する三層界面の減少が少なく、結果としてセルの発電性能は向上する。
【００１８】
また、本発明においては、複数の分割極片を電解質層の中央部より外側に向かうにしたがって表面積が小さくなるように大きさを異ならせて形成しているので、電解質層と分割極片との層間剥離をより一層確実に防止することができる。すなわち、電解質は温度変化によって厚み方向に変形し、その変位量は中央において最も小さく、外周に向かうにしたがって大きくなる。そこで、分割極片を電解質層の中央より外側に向かうほど小さくなるように形成しておくと、分割極片を全て同一の大きさに形成した場合に比べて電解質層の外周部における層間剥離をより少なくすることができる。したがって、セルの発電性能および耐久性はより一層向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明を図面に示す実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図１（ａ）〜（ｃ）は本発明に係る平板型固体酸化物形燃料電池セルの一実施の形態を示す側面図、平面図および底面図である。なお、図５に示した従来の電池セルと同一構成部材のものについては同一符号をもって示し、その説明を省略する。
【００２０】
図１において、本実施の形態における平板型固体酸化物形燃料電池セル１０は、電解質層１と、この電解質層１の両面にそれぞれ形成された空気極２０および燃料極３とからなり、空気極２０を電解質層１の半径方向および周方向に分割された複数の分割空気極片（以下、分割極片という）２０ａ〜２０ｎで構成し、燃料極３を単一の薄膜で円板状に形成したものである。また、複数の分割極片２０ａ〜２０ｎは、同心円状で、かつ電解質層１の中央より外側に向かうにしたがって表面積が小さくなるように形成されている。なお、その他の構成は図５に示した従来のセル４と同一である。
【００２１】
空気極２０は、従来の空気極３と同様に電子導電性を有する酸化物あるいは金属、例えば銀（Ａｇ）や白金（Ｐｔ）や、ランタンストロンチウムマンガナイト（ＬＳＭ）などの一般的な空気極材料を電解質層１の一方の面にスクリーン印刷等によって塗布して焼成することにより形成される。分割極片２０ａ〜２０ｎの形成に際しては、単一の空気極２に比べて表面積の減少を少なくするために、隣り合う分割極片２０ａ〜２０ｎ間の隙間を可及的小とすることが望ましい。
【００２２】
分割極片２０ａ〜２０ｎの形状としては、本実施の形態においては、電解質層１の中央部に位置する分割極片２０ａを円形に形成し、それ以外を長い円弧状に形成したが、これに限らず種々の形状とすることが可能である。その場合、分割極片２０ｂ〜２０ｎの長さ（電解質層１の円周方向の長さ）が幅（電解質層の半径方向の長さ）より長くなるように各分割極片を形成することが好ましい。
【００２３】
このような構造からなる平板型固体酸化物形燃料電池セル１０において、複数の分割極片２０ａ〜２０ｎからなる空気極２０側では、それぞれの分割極片２０ａ〜２０ｎと電解質層１との界面において上記（１）式に示す空気極反応により酸化剤中の酸素と電子が反応して酸素イオンに変わる。このため、図５に示した従来の電池セルと同様に発電することができる。
【００２４】
また、空気極２０を複数の分割極片２０ａ〜２０ｎで構成しておくと、昇温、降温時の電解質層１との材料の違いによる熱膨張係数の差に起因する各分割極片２０ａ〜２０ｎの伸縮の変位量が小さいので、分割極片全体の変位量も単一に形成した従来の空気極２における変位量に比べて小さくすることができ、熱応力による影響を低減することができる。このため、電解質層１と分割極片２０ａ〜２０ｎ間の層間剥離を防止でき、電池セル１０の耐久性を向上させることができる。
【００２５】
また、電池セル１０の発電性能も向上させることが可能である。すなわち、空気極２０自体の外形の大きさは図５に示す従来の単一の空気極２と同じであっても複数の分割極片２０ａ〜２０ｎにすると、分割極片全体の表面積は単一の空気極２に比べて隣り合う分割極片間の隙間分だけ減少する。そして、この隙間による表面積の減少は発電性能の低下となる。一方、複数の分割極片２０ａ〜２０ｎにすると、各分割極片２０ａ〜２０ｎの昇温、降温時の伸縮による変位量の総和は、単一の空気極２の変位量よりも小さくなるので、隣り合う分割極片間の隙間を可及的小さくして表面積の減少を少なく抑えると、単一の空気極２を形成した場合に比べて層間剥離による電極反応に寄与する三層界面の減少が少なく、これにより電池セル１０の発電性能は従来の電池セルに比べて向上する。
【００２６】
また、複数の分割極片２０ａ〜２０ｎを電解質層１の中央部より径方向外側に向かうにしたがって表面積が小さくなるように大きさを異ならせて形成しているので、電解質層１と分割極片２０ａ〜２０ｎとの層間剥離をより一層確実に防止することができる。すなわち、電解質層１と分割極片２０ａ〜２０ｎは温度変化によって厚み方向に変位し、その変位量は中央の分割極片において最も小さく、外側の分割極片ほど大きくなる。そこで、分割極片２０ａ〜２０ｎを電解質層１の中央より外側ほど小さくなるように形成しておくと、分割極片２０ａ〜２０ｎを全て同一の大きさに形成した場合に比べて電解質層１の外周部における層間剥離を少なくすることができる。したがって、電池セル１０の発電性能および耐久性は従来の電池セルに比べて向上する。
【００２７】
図２は電池セルの出力密度と電流密度の関係を示す図である。図中、曲線Ｉは図５に示した従来の電池セル４の出力密度と電流密度の関係を示す曲線、曲線IIは図１に示した本発明に係る電池セル１０の出力密度と電流密度の関係を示す曲線である。この図から明らかなように、本発明による電池セル１０によれば、図５に示した従来の電池セル４に比べて電流密度を増大させることができる。これは、上記した通り空気極２０を複数の分割極片２０ａ〜２０ｎで構成したことによる効果であるといえる。
【００２８】
図３（ａ）〜（ｃ）は本発明に係る平板型固体酸化物形燃料電池セルの他の実施の形態を示す側面図、平面図および底面図である。
【００２９】
図３において、本実施の形態における平板型固体酸化物形燃料電池セル１１は、電解質層１と、この電解質層１の両面にそれぞれ形成された空気極２および燃料極３０とからなり、燃料極３０を電解質層１の径方向および周方向に分割された複数の分割燃料極片（以下、分割極片という）３０ａ〜３０ｎで構成したものである。また、複数の分割極片３０ａ〜３０ｎは、同心円状で、かつ電解質層１の中央より外側に向かうにしたがって表面積が小さくなるように形成されている。なお、その他の構成は図５に示した従来の電池セル４と同一である。
【００３０】
燃料極３０は、従来の燃料極３と同様に電子導電性を有する貴金属、例えばニッケル（Ｎｉ）−ＹＳＺサーメット、Ｐｔ等の材料をスクリーン印刷等により電解質層１に塗布し、焼成することにより形成される。分割極片３０ａ〜３０ｎの形成に際しては、燃料極３０の表面積の減少を少なくするために、隣り合う分割極片３０ａ〜３０ｎ間の隙間を可及的小さくすることが望ましい。
【００３１】
分割極片３０ａ〜３０ｎの形状としては、本実施の形態においては、図１に示した空気極２０の分割空気極片２０ａ〜２０ｎと同様に、中央部に位置する分割極片３０ａを円形に形成し、それ以外の分割極片３０ｂ〜３０ｎを円弧状に形成したが、これに限らず種々の形状とすることが可能である。その場合、各分割極片３０ｂ〜３０ｎの長さ（電解質層１の円周方向の長さ）が幅（電解質層の半径方向の長さ）より長くなるように分割極片を形成することが好ましい。
【００３２】
このような構造からなる平板型固体酸化物形燃料電池セル１１において、複数の分割極片３０ａ〜３０ｎからなる燃料極３０側では、空気極２から電解質層１の内部を通って燃料極３０に移動してきた酸素イオンが、それぞれの分割極片３０ａ〜３０ｎと電解質層１との界面において上記（２）式および（３）式に示す燃料極反応により水素および一酸化炭素と反応し、水蒸気または二酸化炭素と電子が生成される。このため、図５に示した従来の電池セル４や図１に示した電池セル１０と同様に発電することができる。
【００３３】
また、燃料極３０を複数の分割極片３０ａ〜３０ｎで構成しているので、図１に示した実施の形態と同様に、昇温、降温時の電解質層１との材料の違いによる熱膨張係数の差に起因する各分割極片３０ａ〜３０ｎの伸縮の変位量を小さくすることができる。このため、分割極片全体の変位量も単一に形成した燃料極３における変位量に比べて小さくすることができ、熱応力を低減することができる。したがって、電解質層１と分割極片３０ａ〜３０ｎ間の層間剥離やクラックの発生を防止でき、電池セル１１の耐久性および発電性能を向上させることができる。
【００３４】
図４（ａ）〜（ｃ）は本発明に係る平板型固体酸化物形燃料電池セルのさらに他の実施の形態を示す側面図、平面図および底面図である。
【００３５】
図４において、本実施の形態における平板型固体酸化物形燃料電池セル１２は、図１および図３に示した電池セル１０，１１を組合わせることにより電解質層１と、この電解質層１の両面にそれぞれ形成された空気極２０および燃料極３０とで構成したものである。
【００３６】
このような構成からなる平板型固体酸化物形燃料電池セル１２においても、空気極２０と燃料極３０をそれぞれ複数の分割極片２０ａ〜２０ｎ、３０ａ〜３０ｎで構成しているので、電解質層１と分割極片２０ａ〜２０ｎ、３０ａ〜３０ｎとの層間剥離を防止することができ、電池セル１２の発電性能および耐久性を一層向上させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
なお、上記した実施の形態では、いずれも電解質支持型のセル１０，１１，１２を示したが、本発明はこれに何ら特定されるものではなく、燃料極支持型のセルにも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】（ａ）〜（ｃ）は本発明に係る平板型固体酸化物形燃料電池セルの一実施の形態を示す側面図、平面図および底面図である。
【図２】電圧密度と電流密度の関係を示す図である。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は本発明に係る平板型固体酸化物形燃料電池セルの他の実施の形態を示す側面図、平面図および底面図である。
【図４】（ａ）〜（ｃ）は本発明に係る平板型固体酸化物形燃料電池セルのさらに他の実施の形態を示す側面図、平面図および底面図である。
【図５】（ａ）〜（ｃ）は従来の平板型固体酸化物形燃料電池セルの側面図、平面図および底面図である。
【符号の説明】
【００３９】
１…電解質、２…空気極、３…燃料極、４，１０，１１，１２…平板型固体酸化物形燃料電池セル、２０…空気極、２０ａ〜２０ｎ…分割空気極片（分割極片）、３０…燃料極、３０ａ〜３０ｎ…分割燃料極片（分割極片）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2006310132.tif 000006
【図５】
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