(57)【要約】      （修正有）【課題】固体電解質層の損傷を抑制可能な電気化学セルスタックを提供する。【解決手段】内部にガス流路２１を有する絶縁性の支持基板２と、支持基板２上に配置される第１〜第４発電部１１、１２とを有する燃料電池３０１。第１〜第４発電部１１、１２は、燃料極３と、空気極６と、燃料極３と空気極６との間に配置され、ジルコニア系材料を主成分とする固体電解質層４とを含み、第１〜第４発電部１１、１２のうちマニホールドに最も近い第１発電部１１において、固体電解質層４が、燃料極側表面４Ｓから３μｍ以内の第１領域４１と、第１領域４１上に設けられる第２領域４２とを有し、第１領域４１のラマンスペクトルにおける立方晶系ジルコニアに対する正方晶系ジルコニアの強度割合Ｒ１が、第２領域４２のラマンスペクトルにおける立方晶系ジルコニアに対する正方晶系ジルコニアの強度割合Ｒ２よりも大きい、燃料電池３０。【選択図】図４
2018026336.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電池化学セルと、
前記電池化学セルの基端部を支持するマニホールドと、
を備え、
前記電気化学セルは、内部にガス流路を有する絶縁性の支持基板と、前記支持基板上に配置される複数の発電部とを有し、
前記複数の発電部それぞれは、燃料極と、空気極と、前記燃料極と前記空気極との間に配置され、ジルコニア系材料を主成分とする固体電解質層とを含み、
前記複数の発電部のうち前記マニホールドに最も近い基端側発電部において、前記固体電解質層は、燃料極側表面から３μｍ以内の第１領域と、前記第１領域上に設けられる第２領域とを有し、
前記第１領域のラマンスペクトルにおける立方晶系ジルコニアに対する正方晶系ジルコニアの強度割合は、前記第２領域のラマンスペクトルにおける立方晶系ジルコニアに対する正方晶系ジルコニアの強度割合よりも大きい、
電気化学セルスタック。
【請求項２】
前記第１領域のラマンスペクトルにおける立方晶系ジルコニアに対する正方晶系ジルコニアの強度割合は、１％以上である、
請求項１に記載の電気化学セルスタック。
【請求項３】
前記第２領域のラマンスペクトルにおける立方晶系ジルコニアに対する正方晶系ジルコニアの強度割合は、０．１％以下である、
請求項１又は２に記載の電気化学セルスタック。
【請求項４】
電池化学セルと、
前記電池化学セルの基端部を支持するマニホールドと、
を備え、
前記電気化学セルは、内部にガス流路を有する導電性の支持基板と、前記支持基板上に配置される発電部とを有し、
前記発電部は、前記支持基板の一主面上に配置される燃料極と、空気極と、前記燃料極と前記空気極との間に配置され、ジルコニア系材料を主成分とする固体電解質層とを含み、
前記固体電解質層は、前記基端部側に位置する基端部位と、前記基端部から離れて位置する離間部位とを有し、
前記基端部位は、燃料極側表面から３μｍ以内の第１領域と、前記第１領域上に設けられる第２領域とを有し、
前記第１領域のラマンスペクトルにおける立方晶系ジルコニアに対する正方晶系ジルコニアの強度割合は、前記第２領域のラマンスペクトルにおける立方晶系ジルコニアに対する正方晶系ジルコニアの強度割合よりも大きい、
電気化学セルスタック。
【請求項５】
前記基端部位は、前記ガス流路が延びる方向における前記固体電解質層の全長の１／４の領域である、
請求項４に記載の電気化学セルスタック。
【請求項６】
前記第１領域のラマンスペクトルにおける立方晶系ジルコニアに対する正方晶系ジルコニアの強度割合は、１％以上である、
請求項４又は５に記載の電気化学セルスタック。
【請求項７】
前記第２領域のラマンスペクトルにおける立方晶系ジルコニアに対する正方晶系ジルコニアの強度割合は、０．１％以下である、
請求項４乃至６のいずれかに記載の電気化学セルスタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気化学セルスタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電気化学セルスタックの一種として、燃料電池と、燃料電池の基端部を支持するマニホールドとを備える燃料電池スタックが知られている（例えば、特許文献１参照）。燃料電池は、内部にガス流路を有する支持基板と、支持基板上に配置される発電部とを備える。燃料電池は、燃料極と、空気極と、燃料極と空気極の間に配置される固体電解質層とを含む。燃料電池の運転時、燃料ガスは、マニホールドの内部から燃料電池のガス流路に供給される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１３５２７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、ガス流路のうちマニホールドに近い側（燃料電池の基端部側）では燃料ガスの予熱が十分ではないため、発電部のマニホールドに近い側の温度が低下する場合がある。この場合、固体電解質層に熱応力がかかり、固体電解質層が損傷を受けるおそれがある。固体電解質層の損傷は、燃料電池を初めて運転開始する際だけでなく、いったん運転を停止した後に再度運転開始する際にも起こりうる。
【０００５】
本発明は、上述の状況に鑑みてなされたものであり、固体電解質層の損傷を抑制可能な電気化学セルスタックを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１の態様に係る電気化学セルスタックは、電池化学セルと、電池化学セルの基端部を支持するマニホールドとを備える。電気化学セルは、内部にガス流路を有する絶縁性の支持基板と、支持基板上に配置される複数の発電部とを有する。複数の発電部それぞれは、燃料極と、空気極と、燃料極と空気極との間に配置され、ジルコニア系材料を主成分とする固体電解質層とを含む。複数の発電部のうちマニホールドに最も近い基端側発電部において、固体電解質層は、燃料極側表面から３μｍ以内の第１領域と、第１領域上に設けられる第２領域とを有する。第１領域のラマンスペクトルにおける立方晶系ジルコニアに対する正方晶系ジルコニアの強度割合は、第２領域のラマンスペクトルにおける立方晶系ジルコニアに対する正方晶系ジルコニアの強度割合よりも大きい。
【０００７】
本発明の第２の態様に係る電気化学セルスタックは、電池化学セルと、電池化学セルの基端部を支持するマニホールドとを備える。電気化学セルは、内部にガス流路を有する導電性の支持基板と、支持基板上に配置される発電部とを有する。発電部は、支持基板の一主面上に配置される燃料極と、空気極と、燃料極と空気極との間に配置され、ジルコニア系材料を主成分とする固体電解質層とを含む。固体電解質層は、基端部側に位置する基端部位と、基端部から離れて位置する離間部位とを有しする。基端部位は、燃料極側表面から３μｍ以内の第１領域と、第１領域上に設けられる第２領域とを有する。第１領域のラマンスペクトルにおける立方晶系ジルコニアに対する正方晶系ジルコニアの強度割合は、第２領域のラマンスペクトルにおける立方晶系ジルコニアに対する正方晶系ジルコニアの強度割合よりも大きい。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、固体電解質層の損傷を抑制可能な電気化学セルスタックを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】燃料電池スタックの斜視図
【図２】マニホールドの斜視図
【図３】横縞型燃料電池の斜視図
【図４】図３のＡ−Ａ断面図
【図５】縦縞型燃料電池の斜視図
【図６】図５のＢ−Ｂ断面図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
１．第１実施形態
（燃料電池スタック１００）
図１は、燃料電池スタック１００の斜視図である。図２は、マニホールド２００の斜視図である。図３は、燃料電池３０１の斜視図である。図４は、図３のＡ−Ａ断面図である。
【００１１】
図１に示すように、燃料電池スタック１００は、マニホールド２００と複数の燃料電池３０１を備える。
【００１２】
（１）マニホールド２００
図２に示すように、マニホールド２００は、燃料ガスを各燃料電池３０１に供給するように構成されている。マニホールド２００は、中空状であり、内部空間を有する。燃料ガスは、導入管２０１を介してマニホールド２００の内部空間に供給される。マニホールド２００は、天板２０３と、マニホールド本体２０４とを有する。
【００１３】
天板２０３は、複数の貫通孔２０２を有する。各貫通孔２０２は、マニホールド２００の内部空間と外部空間に連通する。各貫通孔２０２には、各燃料電池３０１の基端部３０２が挿入される。天板２０３は、導電性材料によって構成される。天板２０３は、金属材料によって構成することができる。金属材料としては、例えばステンレス等を用いることができるが、これに限られるものではない。
【００１４】
マニホールド本体２０４は、上方が開口した直方体状に形成される。マニホールド本体２０４の上方は、天板２０３によって封止される。マニホールド本体２０４は、導電性を有していてもよいし、導電性を有していなくてもよい。
【００１５】
（２）燃料電池３０１
図３及び図４に示すように、各燃料電池３０１は、いわゆる横縞型の固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）である。各燃料電池３０１の基端部３０２は、マニホールド２００の各貫通孔２０２に挿入される。燃料電池３０１の外周には酸素含有ガス（空気）が供給される。
【００１６】
各燃料電池３０１の基端部３０２は、貫通孔２０２に挿入された状態で、接合材によってマニホールド２００の天板２０３に固定される。接合材には、例えば、結晶化ガラス、非晶質ガラス、ろう材、及びセラミックスなどを用いることができる。
【００１７】
各燃料電池３０１は、図示しない集電部材によって互いに接続される。集電部材には、酸化物セラミックスの焼成体、貴金属系（Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ）、及び卑金属系（Ｎｉ、Ｎｉ基合金、Ｎｉとセラミックスのコンポジット）材料などを用いることができる。
【００１８】
図３及び図４に示すように、燃料電池３０１は、支持基板２と、第１乃至第４発電部１１〜１４とを備える。
【００１９】
第１乃至第４発電部１１〜１４それぞれは、燃料極３、固体電解質層４、反応防止層５、空気極６、空気極集電層７及びインターコネクタ８を有する。なお、図３では、空気極集電層７が省略されている。
【００２０】
支持基板２は、扁平かつ一方向に長い板状である。支持基板２の厚さは特に制限されないが、１ｍｍ〜５ｍｍとすることができる。支持基板２の気孔率は特に制限されないが、還元雰囲気において２０％〜６０％とすることができる。
【００２１】
支持基板２は、電気絶縁性の多孔質材料を主成分として含有する。支持基板２を構成する材料としては、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）、ＭｇＡｌ２Ｏ４（マグネシアアルミナスピネル）とＭｇＯ（酸化マグネシウム）の混合物、ＣＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）、８ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、Ｙ２Ｏ３（イットリア）、ＣＺＯ（カルシウムジルコネート）などの絶縁性セラミックスを用いることができる。
【００２２】
本実施形態において、「主成分として含有する」とは、対象成分を７０重量％以上含有することを意味する。
【００２３】
支持基板２は、燃料ガスの改質反応を促す触媒として機能する遷移金属又は当該遷移金属の酸化物を含んでいてもよい。遷移金属としては、Ｎｉ（ニッケル）が好適である。
【００２４】
支持基板２の内部には、５本のガス流路２１が設けられる。各ガス流路２１は、支持基板２の長手方向に沿って延びる。発電時、マニホールド２００から各ガス流路２１に流される燃料ガスは、支持基板２の細孔を通って燃料極３に供給される。ガス流路２１の本数は、５本に限られない。
【００２５】
燃料極３は、アノードとして機能する。燃料極３は、燃料極集電層３１と燃料極活性層３２とを含む。
【００２６】
燃料極集電層３１は、支持基板２上に配置される。燃料極集電層３１は、電子伝導性を有する物質によって構成される。燃料極集電部３１は、酸素イオン伝導性を有する物質を含んでいてもよい。燃料極集電層３１は、例えば、ＮｉＯ−８ＹＳＺ、ＮｉＯ−Ｙ２Ｏ３、ＮｉＯ−ＣＳＺなどによって構成することができる。燃料極集電部３１の厚さは特に制限されないが、５０μｍ〜５００μｍとすることができる。燃料極集電部３１の気孔率は特に制限されないが、２５％〜５０％とすることができる。
【００２７】
燃料極活性層３２は、燃料極集電層３１上に配置される。燃料極活性層３２は、電子伝導性を有する物質と酸素イオン伝導性を有する物質とによって構成される。燃料極活性層３２は、例えば、ＮｉＯ−８ＹＳＺやＮｉＯ−ＧＤＣ（ガドリニウムドープセリア）などによって構成することができる。燃料極活性層３２における酸素イオン伝導性を有する物質の体積割合は、燃料極集電部３１における酸素イオン伝導性を有する物質の体積割合よりも大きいことが好ましい。燃料極活性層３２の厚さは特に制限されないが、５μｍ〜３０μｍとすることができる。燃料極活性層３２の気孔率は特に制限されないが、２５％〜５０％とすることができる。
【００２８】
固体電解質層４は、燃料極３と空気極６の間に配置される。固体電解質層４は、支持基板２及び燃料極３を覆うように形成されるとともに、隣接する２つの発電部それぞれのインターコネクタ８に接続される。図４に示す例では、第１発電部１１の固体電解質層４が、第２発電部１２のインターコネクタ８に接続されている。このように、固体電解質層４とインターコネクタ８とが面方向（厚み方向に垂直な方向）に連なることによって、燃料ガスと酸素含有ガスとの混合を防止するシール膜が形成される。
【００２９】
固体電解質層４は、ジルコニア系材料を主成分として含有する。ジルコニア系材料としては、例えば、３ＹＳＺ、８ＹＳＺ、ＳｃＳＺ（スカンジア安定化ジルコニア）などを用いることができる。第１発電部１１の固体電解質層４の構成については後述する。
【００３０】
固体電解質層４の厚さは特に制限されないが、３μｍ〜５０μｍとすることができる。固体電解質層４は、緻密質である。固体電解質層４の気孔率は、２０％以下が好ましく、１０％以下がより好ましい。
【００３１】
反応防止層５は、固体電解質層４上に配置される。反応防止層５を構成する材料としては、例えば、セリア及びセリアに固溶した希土類金属酸化物を含むセリア系材料を用いることができる。このようなセリア系材料としては、ＧＤＣ、ＳＤＣ（サマリウムドープセリア）などが挙げられる。反応防止膜５の厚さは特に制限されないが、３μｍ〜５０μｍとすることができる。
【００３２】
空気極６は、反応防止層５上に配置される。空気極６を構成する材料としては、例えば、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ３（ＬＳＣＦ、ランタンストロンチウムコバルトフェライト）、（Ｌａ，Ｓｒ）ＦｅＯ３（ＬＳＦ、ランタンストロンチウムフェライト）、Ｌａ（Ｎｉ，Ｆｅ）Ｏ３（ＬＮＦ、ランタンニッケルフェライト）、（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ３（ＬＳＣ、ランタンストロンチウムコバルタイト）などが挙げられる。空気極６の厚さは特に制限されないが、１０〜１００μｍとすることができる。
【００３３】
空気極集電層７は、空気極６上に形成される。図４に示す例では、第１発電部１１の空気極集電層７が、第２発電部１２のインターコネクタ８に接続されている。空気極集電層７は、電子伝導性を有する多孔質材料によって構成される。空気極集電層７は、例えば、ＬＳＣＦ、ＬＳＣ、Ａｇ（銀）、Ａｇ−Ｐｄ（銀パラジウム合金）などによって構成することができる。空気極集電層７の厚さは特に制限されないが、５０μｍ〜５００μｍとすることができる。
【００３４】
インターコネクタ８は、燃料極３上に配置される。図４に示す例では、第２発電部１２のインターコネクタ８の一端部には、第１発電部１１の固体電解質層４が接続され、第２発電部１２のインターコネクタ８の他端部には、第２発電部１２の固体電解質層４が接続されている。また、図示しないが、インターコネクタ８の長手方向における両端部も固体電解質層４に接続されている。
【００３５】
インターコネクタ８は、支持基板２や燃料極３に比べて緻密な層である。インターコネクタ８の気孔率は特に制限されないが、２０％以下が好ましく、１０％以下がより好ましい。インターコネクタ８の厚さは特に制限されないが、１０μｍ〜１００μｍとすることができる。
【００３６】
インターコネクタ８は、カルシウムがドープされたランタンクロマイト（以下、「カルシウムドープランタンクロマイト」という。）を主成分として含むことができる。カルシウムドープランタンクロマイトは、一般式Ｌａ1-ＸＣａＸＣｒ１−Ｙ−ＺＡＹＯ３(ＡはＴｉ，Ｖ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｚｎ，ＭｇおよびＡｌからなる群より選択される少なくとも１種類の元素であり、０．０２５≦Ｘ≦０．３，０≦Ｙ≦０．２２，０≦Ｚ≦０．１５である。)で表される。
【００３７】
（第１発電部１１の固体電解質層４の構成）
次に、第１発電部１１の固体電解質層４の構成について説明する。第１発電部１１は、第１乃至第４発電部１１〜１４のうちマニホールド２００に最も近い「基端側発電部」の一例である。第１発電部１１は、第１乃至第４発電部１１〜１４の中では、燃料電池３０１の基端部３０２に最も近い。
【００３８】
図４に示すように、第１発電部１１の固体電解質層４は、第１領域４１と第２領域４２を含む。
【００３９】
第１領域４１は、燃料極側表面４Ｓにおいて燃料極３と接する。第１領域４１は、固体電解質層４のうち燃料極側表面４Ｓから３μｍ以内の領域である。燃料極側表面４Ｓは、燃料極３と固体電解質層４との界面である。燃料極側表面４Ｓは、燃料電池３０１の断面において成分濃度をマッピングした場合に、固体電解質層４に含まれる元素濃度が急激に変化するラインを最小二乗法で近似した直線である。
【００４０】
第１領域４１は、ジルコニア系材料を主成分として含有する。第１領域４１は、ジルコニア系材料として、立方晶系ジルコニアと正方晶系ジルコニアを含有する。
【００４１】
立方晶系ジルコニアとは、結晶相が主として立方晶の相からなるジルコニアである。立方晶系ジルコニアとしては、例えば、８ＹＳＺや１０ＹＳＺ（１０ｍｏｌ％のイットリアで安定化されたジルコニア）が挙げられる。
【００４２】
正方晶系ジルコニアとは、結晶相が主として正方晶の相からなるジルコニアである。正方晶系ジルコニアとしては、例えば、２．５ＹＳＺ（２．５ｍｏｌ％のイットリアで安定化されたジルコニア）や３ＹＳＺ（３ｍｏｌ％のイットリアで安定化されたジルコニア）のように３ｍｏｌ％以下のイットリアで安定化されたジルコニアが挙げられる。
【００４３】
第２領域４２は、固体電解質層４のうち第１領域４１上に設けられる領域である。第２領域４２は、第１領域４１を挟んで燃料極３の反対側に設けられる。第２領域４２の厚みは特に制限されないが、１μｍ以上５０μｍ以下とすることができる。第２領域４２の厚みは、固体電解質層４の損傷を抑制することを考慮すると、固体電解質層４の全厚みの８０％以下であることが好ましい。第２領域４２の厚みは、固体電解質層４の酸化物イオン伝導性の低下を抑制することを考慮すると、固体電解質層４の全厚みの２０％以上であることが好ましい。
【００４４】
第２領域４２は、ジルコニア系材料を主成分として含有する。第２領域４２は、ジルコニア系材料として立方晶系ジルコニアを含有する。第２領域４２は、正方晶系ジルコニアを含有していてもよい。
【００４５】
ここで、第１領域４１のラマンスペクトルにおける立方晶系ジルコニアのピーク強度に対する正方晶系ジルコニアのピーク強度の割合Ｒ１（以下、「第１領域４１の強度割合Ｒ１」と適宜略称する。）は、第２領域４２のラマンスペクトルにおける立方晶系ジルコニアのピーク強度に対する正方晶系ジルコニアのピーク強度の割合Ｒ２（以下、「第２領域４２の強度割合Ｒ２」と適宜略称する。）よりも大きい。そのため、立方晶系ジルコニア粒子よりも粒径が比較的小さい正方晶系ジルコニア粒子で立方晶系ジルコニア粒子同士を強固に連結することによって、多孔質な第１領域４１の骨格構造を強化することができる。従って、ガス流路２１のうち燃料電池３０１の基端部３０２側における燃料ガスの予熱が十分ではないことに起因して第１発電部１１の温度が低下したとしても、第１発電部１１の固体電解質層４が熱応力によって損傷を受けることを抑制できる。
【００４６】
第１領域４１の強度割合Ｒ１は、以下のようにして取得される。
【００４７】
まず、第１領域４１の厚み方向に平行な断面において、厚み方向に垂直な面方向に第１領域４１を等分する５箇所でラマンスペクトルを取得する。ラマンスペクトルを取得する５箇所の厚み方向における位置は、おおよそ同じ位置であることが好ましい。
【００４８】
次に、立方晶系ジルコニア及び正方晶系ジルコニアそれぞれに固有のラマンスペクトル（既知のスペクトルデータ）を用いて５箇所のラマンスペクトルそれぞれを解析することによって、立方晶系ジルコニアのスペクトル強度に対する正方晶系ジルコニアのスペクトル強度の比を算出する。ラマンスペクトルを既知のスペクトルデータを用いて解析する手法としては、ラマンスペクトルから化学種を推定するための周知の手法であるＣＬＳ法を用いるものとする。
【００４９】
次に、５箇所のラマンスペクトルそれぞれから算出された強度割合を算術平均することによって、第１領域４１の強度割合Ｒ１が算出される。強度割合Ｒ１は、第１領域４１における立方晶系ジルコニアに対する正方晶系ジルコニアの濃度比率（存在比率）を示す指標である。第１領域４１の強度割合Ｒ１の単位は、“％”である。
【００５０】
第１領域４１の強度割合Ｒ１は特に制限されないが、０．５％以上１０％以下とすることができる。第１領域４１の強度割合Ｒ１は、１％以上が好ましく、８％以下がより好ましい。
【００５１】
第２領域４２の強度割合Ｒ２は、第１領域４１の強度割合Ｒ１と同様、以下のようにして取得される。
【００５２】
まず、第２領域４２の厚み方向に平行な断面において、面方向に第２領域４２を等分する５箇所でラマンスペクトルを取得する。ラマンスペクトルを取得する５箇所の厚み方向における位置は、おおよそ同じ位置であることが好ましい。
【００５３】
次に、立方晶系ジルコニア及び正方晶系ジルコニアそれぞれに固有のラマンスペクトル（既知のスペクトルデータ）を用いて５箇所のラマンスペクトルそれぞれを解析することによって、立方晶系ジルコニアのスペクトル強度に対する正方晶系ジルコニアのスペクトル強度の比を算出する。
【００５４】
次に、５箇所のラマンスペクトルそれぞれから算出された強度割合を算術平均することによって、第２領域４２の強度割合Ｒ２が算出される。強度割合Ｒ２は、第２領域４２における立方晶系ジルコニアに対する正方晶系ジルコニアの濃度比率（存在比率）を示す指標である。第２領域４２の強度割合Ｒ２の単位は、“％”である。
【００５５】
第２領域４２の強度割合Ｒ２は、第１領域４１の強度割合Ｒ１以下であればよく特に制限されないが、０．１％以下とすることができる。第２領域４２の強度割合Ｒ２は、０．０５％以下がより好ましい。
【００５６】
（燃料電池３０１の製造方法）
次に、燃料電池３０１の製造方法の一例について説明する。
【００５７】
まず、上述の支持基板材料を押出成形することによって、５本のガス流路２１を有する支持基板２の成形体を形成する。
【００５８】
次に、上述の燃料極材料をペースト化して支持基板２の成形体上にスクリーン印刷することによって、燃料極３の成形体を形成する。
【００５９】
次に、上述のインターコネクタ材料をペースト化して燃料極３上にスクリーン印刷することによって、インターコネクタ８の成形体を形成する。
【００６０】
次に、支持基板２及び燃料極３の成形体上のうち第１発電部１１に対応する領域に、第１領域４１用のジルコニア系材料をディップ成形した後、第２領域４２用のジルコニア系材料をディップ成形することによって、第１発電部１１の固体電解質層４の成形体を形成する。この際、第１領域４１用のジルコニア系材料に含まれる正方晶系ジルコニアの混合割合を、第２領域４２用のジルコニア系材料に含まれる正方晶系ジルコニアの混合割合よりも多くする。第１領域４１の強度割合Ｒ１は、第１領域４１用のジルコニア系材料に含まれる立方晶系ジルコニアに対する正方晶系ジルコニアの混合割合によって調整することができる。同様に、第２領域４２の強度割合Ｒ２は、第２領域４２用のジルコニア系材料に含まれる立方晶系ジルコニアに対する正方晶系ジルコニアの混合割合によって調整することができる。ただし、第２領域４２用のジルコニア系材料には立方晶系ジルコニアのみが含まれていてもよい
【００６１】
次に、支持基板２及び燃料極３の成形体上のうち第２乃至第４発電部１２〜１４に対応する領域に、ジルコニア系材料をディップ成形することによって、第２乃至第４発電部１２〜１４の固体電解質層４の成形体を形成する。なお、第２乃至第４発電部１２〜１４の固体電解質層４に用いるジルコニア系材料は、正方晶系ジルコニアを含有していなくてもよい。従って、第２乃至第４発電部１２〜１４の固体電解質層４には、第１発電部１１の固体電解質層４のうち第２領域４２に用いたのと同じジルコニア系材料を用いることができる。
【００６２】
次に、固体電解質層４の成形体上に反応防止層材料をディップ成形することによって、反応防止層５の成形体を形成する。
【００６３】
次に、支持基板２、燃料極３、固体電解質層４、反応防止層５及びインターコネクタ８それぞれの成形体を共焼成（１３００〜１６００℃、２〜２０時間）する。
【００６４】
次に、空気極材料をペースト化して反応防止層５上にスクリーン印刷することによって、空気極６の成形体を形成する。
【００６５】
次に、空気極集電層材料をペースト化して空気極６の成形体上にスクリーン印刷することによって、空気極集電層７の成形体を形成する。
【００６６】
次に、空気極６及び空気極集電層７の成形体を焼成（９００〜１１００℃、１〜２０時間）する。
【００６７】
２．第２実施形態
上記第１実施形態では、本発明に係る固体電解質層を横縞型の燃料電池に適用した場合について説明したが、縦縞型の燃料電池にも適用可能である。以下、縦縞型の燃料電池に適用した態様について説明する。ただし、第１実施形態と第２実施形態との相違点は、燃料電池の構成にあるため、この点について主に説明する。
【００６８】
（燃料電池４０１の構成）
図５は、燃料電池４０１の斜視図である。図６は、燃料電池４０１の断面図である。
【００６９】
燃料電池４０１は、いわゆる縦縞型の固体酸化物型燃料電池である。燃料電池４０１の基端部４０２は、マニホールド２００の貫通孔２０２（図２参照）に挿入された状態で、接合材によって貫通孔２０２に固定される。燃料電池４０１の先端部４０３は、自由端である。
【００７０】
燃料電池４０１は、支持基板４１０、発電部４２０及びインターコネクタ４３０を備える。
【００７１】
（１）支持基板４１０
支持基板４１０は、扁平な板状に形成されている。支持基板４１０は、発電部４２０とインターコネクタ４３０とを支持する。支持基板４１０は、第１主面４１０Ｓと第２主面４１０Ｔとを有する。発電部４２０は、第１主面４１０Ｓ上に配置される。インターコネクタ４３０は、第２主面４１０Ｔ上に配置される。
【００７２】
支持基板４１０の内部には、燃料電池４０１の長手方向に延びるガス流路４１０ａが形成される。発電時、ガス流路４１０ａにはマニホールド２００（図２参照）から燃料ガスが供給される。ガス流路４１０ａの本数は適宜設定可能である。
【００７３】
支持基板４１０は、燃料ガスを燃料極４２１まで透過させるためのガス透過性と、インターコネクタ４３０を介して集電するための導電性とを有する。支持基板４１０は、鉄属金属成分とセラミック成分（例えば、希土類酸化物など）とによって構成することができる。鉄族金属成分としては、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏなどが挙げられる。希土類酸化物としては、Ｙ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３などが挙げられる。
【００７４】
支持基板４１０の厚さは特に制限されないが、例えば２〜３５ｍｍとすることができる。支持基板４１０の長さは特に制限されないが、例えば５０〜２５０ｍｍとすることができる。
【００７５】
（２）発電部４２０
発電部４２０は、燃料極４２１、固体電解質層４２２、反応防止層４２３及び空気極４２４を有する。
【００７６】
燃料極４２１は、支持基板４１０の第１主面４１０Ｓ上に配置される。燃料極４２１は、例えば、希土類酸化物が固溶しているＺｒＯ２又はＣｅＯ２と、Ｎｉおよび／またはＮｉＯとによって構成することができる。
【００７７】
燃料極４２１は、少なくとも空気極４２４に対向する位置に配置されていればよい。従って、図５及び図６では、燃料極４２１が第２主面４１０Ｔ上のインターコネクタ４３０の両端まで延ばされているが、第１主面４１０Ｓにのみ配置されていてもよい。
【００７８】
固体電解質層４２２は、燃料極４２１と空気極４２４との間に配置される。固体電解質層４２２は、燃料ガスと酸素含有ガスとのリークを防止するためのガス遮断性を有する。固体電解質層４２２の相対密度は、９３％以上が好ましく、９５％以上がより好ましい。
【００７９】
固体電解質層４２２は、ジルコニア系材料を主成分として含有する。ジルコニア系材料としては、例えば、３ＹＳＺ、８ＹＳＺ、ＳｃＳＺ（スカンジア安定化ジルコニア）などを用いることができる。
【００８０】
ここで、本実施形態に係る固体電解質層４２２は、基端部位４２２ａと、離間部位４２２ｂとを有する。
【００８１】
基端部位４２２ａは、離間部位４２２ｂと一体的に形成される。基端部位４２２ａは、燃料電池４０１の基端部４０２側（マニホールド２００側）に位置する。すなわち、基端部位４２２ａは、固体電解質層４２２のうち基端部４０２に近い領域である。具体的に、長手方向における固体電解質層４２２の全長の１／４の領域に設定することができる。基端部位４２２ａの詳細な構成については後述する。
【００８２】
離間部位４２２ｂは、固体電解質層４２２のうち基端部位４２２ａ以外の領域である。離間部位４２２ｂは、燃料電池４０１の基端部４０２（マニホールド２００側）から離れて位置する。すなわち、離間部位４２２ｂは、固体電解質層４２２のうち基端部４０２から離れた領域である。離間部位４２２ｂは、長手方向における固体電解質層４２２の全長の３／４の領域に設定することができる。
【００８３】
反応防止層４２３は、固体電解質層４２２と空気極４２４との間に配置される。反応防止層４２３は、空気極４２４から固体電解質層４２２への元素拡散を遮断するために設けられる。反応防止層４２３は、例えば、Ｃｅを含有する酸化物によって構成することができる。
【００８４】
空気極４２４は、固体電解質層４２２を間に挟んで、燃料極４２１と対向する位置に配置される。空気極４２４は、一般式ＡＢＯ３で表されるペロブスカイト型酸化物によって構成することができる。このようなペロブスカイト型酸化物としては、遷移金属型ペロブスカイト酸化物などが挙げられる。遷移金属型ペロブスカイト酸化物としては、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ３系酸化物、ＬａＭｎＯ３系酸化物、ＬａＦｅＯ３系酸化物、ＬａＣｏＯ３系酸化物などが挙げられる。
【００８５】
（３）インターコネクタ４３０
インターコネクタ４３０は、支持基板４１０の第２主面４１０Ｔ上に配置される。インターコネクタ４３０は、耐還元性、耐酸化性及び緻密性を有する導電性セラミックスによって構成することができる。このような導電性セラミックスとしては、ランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物（ＬａＣｒＯ３系酸化物）などが挙げられる。インターコネクタ４３０の相対密度は、例えば９３％以上が好ましく、９５％以上がより好ましい。インターコネクタ４３０の厚みは特に制限されないが、例えば１０〜２００μｍとすることができる。
【００８６】
（固体電解質層４２２の基端部位４２２ａの構成）
次に、固体電解質層４２２の基端部位４２２ａの構成の構成について説明する。
【００８７】
図５及び図６に示すように、基端部位４２２ａは、第１領域４１と第２領域４２を含む。
【００８８】
第１領域４１は、基端部位４２２ａのうち燃料極側表面４２２Ｓから３μｍ以内の領域である。燃料極側表面４２２Ｓは、燃料極４２１と固体電解質層４２２との界面である。燃料極側表面４２２Ｓは、燃料電池４０１の断面において成分濃度をマッピングした場合に、固体電解質層４２２に含まれる元素濃度が急激に変化するラインを最小二乗法で近似した直線である。
【００８９】
第１領域４１は、ジルコニア系材料を主成分として含有する。第１領域４１は、ジルコニア系材料として、立方晶系ジルコニアと正方晶系ジルコニアを含有する。
【００９０】
立方晶系ジルコニアとは、結晶相が主として立方晶の相からなるジルコニアである。立方晶系ジルコニアとしては、例えば、８ＹＳＺや１０ＹＳＺ（１０ｍｏｌ％のイットリアで安定化されたジルコニア）が挙げられる。
【００９１】
正方晶系ジルコニアとは、結晶相が主として正方晶の相からなるジルコニアである。正方晶系ジルコニアとしては、例えば、２．５ＹＳＺ（２．５ｍｏｌ％のイットリアで安定化されたジルコニア）や３ＹＳＺ（３ｍｏｌ％のイットリアで安定化されたジルコニア）のように３ｍｏｌ％以下のイットリアで安定化されたジルコニアが挙げられる。
【００９２】
第２領域４２は、固体電解質層４２２のうち第１領域４１上に設けられる領域である。第２領域４２は、第１領域４１を挟んで燃料極４２１の反対側に設けられる。第２領域４２の厚みは特に制限されないが、１μｍ以上５０μｍ以下とすることができる。第２領域４２の厚みは、固体電解質層４２２の損傷を抑制することを考慮すると、固体電解質層４２２の全厚みの８０％以下であることが好ましい。第２領域４２の厚みは、固体電解質層４２２の酸化物イオン伝導性の低下を抑制することを考慮すると、固体電解質層４２２の全厚みの２０％以上であることが好ましい。
【００９３】
第２領域４２は、ジルコニア系材料を主成分として含有する。第２領域４２は、ジルコニア系材料として立方晶系ジルコニアを含有する。第２領域４２は、正方晶系ジルコニアを含有していてもよい。
【００９４】
ここで、第１領域４１のラマンスペクトルにおける立方晶系ジルコニアのピーク強度に対する正方晶系ジルコニアのピーク強度の割合Ｒ１（以下、「第１領域４１の強度割合Ｒ１」と適宜略称する。）は、第２領域４２のラマンスペクトルにおける立方晶系ジルコニアのピーク強度に対する正方晶系ジルコニアのピーク強度の割合Ｒ２（以下、「第２領域４２の強度割合Ｒ２」と適宜略称する。）よりも大きい。そのため、立方晶系ジルコニア粒子よりも粒径が比較的小さい正方晶系ジルコニア粒子で立方晶系ジルコニア粒子同士を強固に連結することによって、多孔質な第１領域４１の骨格構造を強化することができる。従って、ガス流路４１０ａのうち燃料電池４０１の基端部４０２側における燃料ガスの予熱が十分ではないことに起因して基端部４０２の温度が低下したとしても、固体電解質層４２２の基端部位４２２ａが熱応力によって損傷を受けることを抑制できる。
【００９５】
第１領域４１の強度割合Ｒ１は、以下のようにして取得される。
【００９６】
まず、第１領域４１の厚み方向に平行な断面において、厚み方向に垂直な面方向に第１領域４１を等分する５箇所でラマンスペクトルを取得する。ラマンスペクトルを取得する５箇所の厚み方向における位置は、おおよそ同じ位置であることが好ましい。
【００９７】
次に、立方晶系ジルコニア及び正方晶系ジルコニアそれぞれに固有のラマンスペクトル（既知のスペクトルデータ）を用いて５箇所のラマンスペクトルそれぞれを解析することによって、立方晶系ジルコニアのスペクトル強度に対する正方晶系ジルコニアのスペクトル強度の比を算出する。ラマンスペクトルを既知のスペクトルデータを用いて解析する手法としては、ラマンスペクトルから化学種を推定するための周知の手法であるＣＬＳ法を用いるものとする。
【００９８】
次に、５箇所のラマンスペクトルそれぞれから算出された強度割合を算術平均することによって、第１領域４１の強度割合Ｒ１が算出される。強度割合Ｒ１は、第１領域４１における立方晶系ジルコニアに対する正方晶系ジルコニアの濃度比率（存在比率）を示す指標である。第１領域４１の強度割合Ｒ１の単位は、“％”である。
【００９９】
第１領域４１の強度割合Ｒ１は特に制限されないが、０．５％以上１０％以下とすることができる。第１領域４１の強度割合Ｒ１は、１％以上が好ましく、８％以下がより好ましい。
【０１００】
第２領域４２の強度割合Ｒ２は、第１領域４１の強度割合Ｒ１と同様、以下のようにして取得される。
【０１０１】
まず、第２領域４２の厚み方向に平行な断面において、面方向に第２領域４２を等分する５箇所でラマンスペクトルを取得する。ラマンスペクトルを取得する５箇所の厚み方向における位置は、おおよそ同じ位置であることが好ましい。
【０１０２】
次に、立方晶系ジルコニア及び正方晶系ジルコニアそれぞれに固有のラマンスペクトル（既知のスペクトルデータ）を用いて５箇所のラマンスペクトルそれぞれを解析することによって、立方晶系ジルコニアのスペクトル強度に対する正方晶系ジルコニアのスペクトル強度の比を算出する。
【０１０３】
次に、５箇所のラマンスペクトルそれぞれから算出された強度割合を算術平均することによって、第２領域４２の強度割合Ｒ２が算出される。強度割合Ｒ２は、第２領域４２における立方晶系ジルコニアに対する正方晶系ジルコニアの濃度比率（存在比率）を示す指標である。第２領域４２の強度割合Ｒ２の単位は、“％”である。
【０１０４】
第２領域４２の強度割合Ｒ２は、第１領域４１の強度割合Ｒ１以下であればよく特に制限されないが、０．１％以下とすることができる。第２領域４２の強度割合Ｒ２は、０．０５％以下がより好ましい。
【０１０５】
（燃料電池４０１の製造方法）
まず、支持基板４１０を形成するための混合粉末（鉄族金属又はその酸化物粉末と希土類酸化物粉末との混合粉末）に造孔材、有機バインダー、溶媒及び分散剤を混合することによってスラリーを調製する。このスラリーを押出成形することによって、ガス流路を有する板状の支持基板４１０の成形体を作製する。
【０１０６】
次に、燃料極４２１を形成するための混合粉末（例えば、ＮｉＯ粉末とＹＳＺ粉末との混合粉末）に有機バインダー及び溶媒を混合することによってスラリーを調製する。そして、このスラリーを用いて作製した燃料極用シートを、支持基板４１０の成形体の第１主面４１０Ｓを覆うように巻き付けて、燃料極４２１の成形体を作製する。
【０１０７】
次に、燃料極４２１の成形体のうち基端部４０２側から長手方向に１／４以内の領域に、第１領域４１用のジルコニア系材料をディップ成形した後、さらに第２領域４２用のジルコニア系材料をディップ成形することによって、固体電解質層４２２のうち基端部位４２２ａの成形体を形成する。
【０１０８】
この際、第１領域４１用のジルコニア系材料に含まれる正方晶系ジルコニアの混合割合を、第２領域４２用のジルコニア系材料に含まれる正方晶系ジルコニアの混合割合よりも多くする。第１領域４１の強度割合Ｒ１は、第１領域４１用のジルコニア系材料に含まれる立方晶系ジルコニアに対する正方晶系ジルコニアの混合割合によって調整することができる。同様に、第２領域４２の強度割合Ｒ２は、第２領域４２用のジルコニア系材料に含まれる立方晶系ジルコニアに対する正方晶系ジルコニアの混合割合によって調整することができる。ただし、第２領域４２用のジルコニア系材料には立方晶系ジルコニアのみが含まれていてもよい。
【０１０９】
次に、燃料極４２１の成形体のうち基端部４０２側から長手方向に１／４超の領域に、ジルコニア系材料をディップ成形することによって、固体電解質層４２２のうち離間部位４２２ｂの成形体を形成する。離間部位４２２ｂに用いるジルコニア系材料は、正方晶系ジルコニアを含有していなくてもよい。従って、離間部位４２２ｂには、基端部位４２２ａの第２領域４２と同じジルコニア系材料を用いることができる。
【０１１０】
次に、反応防止層４２３を形成するための粉末（例えば、ＧＤＣ）を有機バインダー及び溶媒と混合することによって、スラリーを調製する。そして、このスラリーを用いて作製した反応防止層用シートを、固体電解質層４２２（基端部位４２２ａ及び離間部位４２２ｂ）の成形体に巻き付けることによって、反応防止層４２３の成形体を作製する。
【０１１１】
次に、インターコネクタ４３０を形成するための粉末（例えば、ＬａＣｒＯ３系材料）を有機バインダー及び溶媒と混合することによって、スラリーを調製する。そして、このスラリーを用いて作製したインターコネクタ用シートを支持基板４１０の成形体の第２主面４１０Ｔ上に配置する。
【０１１２】
次に、以上の積層体に脱バインダー処理のための熱処理を施した後、酸素含有雰囲気中、１３００〜１６００℃で共焼成することによって、支持基板４１０、発電部４２０（ただし、空気極４２４を除く）及びインターコネクタ４３０の焼結体が得られる。
【０１１３】
次に、空気極４２４を形成するための粉末（例えば、ＬａＦｅＯ３系酸化物粉末）を溶媒に分散させた塗布液を反応防止層４２３の表面にディップ成形することによって、空気極４２４の成形体を形成する。
【０１１４】
次に、空気極４２４の成形体を１０００〜１３００℃で焼成することによって、空気極４２４を形成する。
【０１１５】
（他の実施形態）
本発明は以上のような実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない範囲で種々の変形又は変更が可能である。
【０１１６】
上記実施形態では、本発明にかかる固体電解質層を固体酸化物型燃料電池に適用した場合について説明したが、本発明にかかる固体電解質層は、固体酸化物型燃料電池のほか、固体酸化物型電解セルを含む固体酸化物型電気化学セルに適用可能である。
【０１１７】
上記実施形態では、支持基板２上に第１乃至第４発電部１１〜１４が配置されることとしたが、発電部の個数は適宜設定可能である。
【０１１８】
上記実施形態では、マニホールド２００に最も近い「基端側発電部」である第１発電部１１の固体電解質層４について説明したが、第２乃至第４発電部それぞれの固体電解質層４は第１発電部１１の固体電解質層４とは異なる構成を有していてもよい。例えば、第２乃至第４発電部それぞれの固体電解質層４の全体を、第１発電部１１の固体電解質層４のうち第２領域４２と同じ構成にしてもよい。ただし、第２乃至第４発電部それぞれの固体電解質層４は、第１発電部１１の固体電解質層４と同じ構成であってもよい。
【符号の説明】
【０１１９】
２    支持基板
２１  ガス流路
３    燃料極
４    固体電解質層
４１  第１領域
４２  第２領域
５    反応防止層
６    空気極
７    空気極集電層
８    インターコネクタ
１１  第１発電部（基端側発電部の一例）
１２  第２発電部
１３  第３発電部
１４  第４発電部
【図１】
2018026336.tif 000003
【図２】
2018026336.tif 000004
【図３】
2018026336.tif 000005
【図４】
2018026336.tif 000006
【図５】
2018026336.tif 000007
【図６】
2018026336.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成29年10月25日(2017.10.25)
【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】
電池化学セルと、
前記電池化学セルの基端部を支持するマニホールドと、
を備え、
前記電気化学セルは、内部にガス流路を有する絶縁性の支持基板と、前記支持基板上に配置される複数の発電部とを有し、
前記複数の発電部それぞれは、燃料極と、空気極と、前記燃料極と前記空気極との間に配置され、ジルコニア系材料を主成分とする固体電解質層とを含み、
前記複数の発電部のうち前記マニホールドに最も近い基端側発電部において、前記固体電解質層は、燃料極側表面から３μｍ以内の第１領域と、前記第１領域上に設けられる第２領域とを有し、
前記第１領域のラマンスペクトルにおける立方晶系ジルコニアに対する正方晶系ジルコニアの強度割合は、前記第２領域のラマンスペクトルにおける立方晶系ジルコニアに対する正方晶系ジルコニアの強度割合よりも大きく、
前記第１領域は、立方晶系ジルコニアよりも粒径の小さい正方晶系ジルコニアを含む、
電気化学セルスタック。
【請求項２】
前記第１領域のラマンスペクトルにおける立方晶系ジルコニアに対する正方晶系ジルコニアの強度割合は、１％以上である、
請求項１に記載の電気化学セルスタック。
【請求項３】
前記第２領域のラマンスペクトルにおける立方晶系ジルコニアに対する正方晶系ジルコニアの強度割合は、０．１％以下である、
請求項１又は２に記載の電気化学セルスタック。
【請求項４】
前記第１領域のラマンスペクトルにおける立方晶系ジルコニアに対する正方晶系ジルコニアの強度割合は、前記複数の発電部のうち前記基端側発電部以外の発電部の固体電解質層のラマンスペクトルにおける立方晶系ジルコニアに対する正方晶系ジルコニアの強度割合よりも大きい、
請求項１乃至３のいずれかに記載の電気化学セルスタック。
【請求項５】
電池化学セルと、
前記電池化学セルの基端部を支持するマニホールドと、
を備え、
前記電気化学セルは、内部にガス流路を有する導電性の支持基板と、前記支持基板上に配置される発電部とを有し、
前記発電部は、前記支持基板の一主面上に配置される燃料極と、空気極と、前記燃料極と前記空気極との間に配置され、ジルコニア系材料を主成分とする固体電解質層とを含み、
前記固体電解質層は、前記基端部側に位置する基端部位と、前記基端部から離れて位置する離間部位とを有し、
前記基端部位は、燃料極側表面から３μｍ以内の第１領域と、前記第１領域上に設けられる第２領域とを有し、
前記第１領域のラマンスペクトルにおける立方晶系ジルコニアに対する正方晶系ジルコニアの強度割合は、前記第２領域のラマンスペクトルにおける立方晶系ジルコニアに対する正方晶系ジルコニアの強度割合よりも大きく、
前記第１領域は、立方晶系ジルコニアよりも粒径の小さい正方晶系ジルコニアを含む、
電気化学セルスタック。
【請求項６】
前記基端部位は、前記ガス流路が延びる方向における前記固体電解質層の全長の１／４の領域である、
請求項５に記載の電気化学セルスタック。
【請求項７】
前記第１領域のラマンスペクトルにおける立方晶系ジルコニアに対する正方晶系ジルコニアの強度割合は、１％以上である、
請求項５又は６に記載の電気化学セルスタック。
【請求項８】
前記第２領域のラマンスペクトルにおける立方晶系ジルコニアに対する正方晶系ジルコニアの強度割合は、０．１％以下である、
請求項５乃至７のいずれかに記載の電気化学セルスタック。
【請求項９】
前記第１領域のラマンスペクトルにおける立方晶系ジルコニアに対する正方晶系ジルコニアの強度割合は、前記離間部位のラマンスペクトルにおける立方晶系ジルコニアに対する正方晶系ジルコニアの強度割合よりも大きい、
請求項５乃至８のいずれかに記載の電気化学セルスタック。