(57)【要約】  固体酸化物燃料電池（１０）は、陽極電極（１２）、陰極電極（１４）、及び、陽極電極（１２）と陰極電極（１４）の間の電解質（１６）を備える。気体燃料は陽極電極（１２）で部分的に規定された陽極チャンバ（１８）に供給され、気体オキシダントは陰極電極（１４）によって部分的に規定された陰極チャンバ（２０）に供給される。電解質（１６）は、緻密で非多孔性の第１の層（２２）と、第１の層（２２）に接した多孔性の第２の層（２４）と、第２の層（２４）に接した緻密で非多孔性の第３の層（２６）とを備える。陽極電極（１２）は第１の層（２２）に接して配列され、陰極電極（１４）は第３の層（２６）に接して配列される。第２の層（２４）は第１の層（２２）と第３の層（２６）との間のバッファとして作用して、欠陥が層（２２、２６）の間を伝播するのを防止するとともに、燃料及びオキシダントが電解質（１６）を通って漏れるのを防止する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
陽極電極（１２）、陰極電極（１４）、及び、前記陽極電極（１２）と前記陰極電極（１４）との間の電解質（１６）を備える固体酸化物燃料電池（１１）であって、
前記電解質（１６）が、緻密で非多孔性の第１の層（２２）と、前記緻密で非多孔性の第１の層（２２）に接した多孔性の第２の層（２４）と、前記多孔性の第２の層（２４）に接した緻密で非多孔性の第３の層（２６）とを備えることを特徴とする固体酸化物燃料電池（１１）。
【請求項２】
前記電解質（１６）が、前記緻密で非多孔性の第３の層（２６）に接した多孔性の第４の層（２８）と、前記多孔性の第４の層（２８）に接した緻密で非多孔性の第５の層（３０）とを備える、請求項１に記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項３】
前記電解質（１６）と前記陽極電極（１２）との間に多孔性の層（３２）を備える、請求項１又は２に記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項４】
前記電解質（１６）と前記陰極電極（１４）との間に多孔性の層（３２）を備える、請求項１〜３のいずれかに記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項５】
前記電解質（１６）の前記第１の層（２２）、第２の層（２４）及び第３の層（２６）が同じ組成を有する、請求項１〜４のいずれかに記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項６】
前記電解質（１６）の層のうちの少なくとも１つが、ガドリニアをドープしたセリアを含む、請求項１〜５のいずれかに記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項７】
前記電解質（１６）の全ての層が、ガドリニアをドープしたセリアを含む、請求項６に記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項８】
前記電解質（１６）の層のうちの少なくとも１つが、スカンジアをドープしたジルコニアを含む、請求項１〜５のいずれかに記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項９】
前記電解質（１６）の全ての層が、スカンジアをドープしたジルコニアを含む、請求項８に記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれかに記載された固体酸化物燃料電池を複数備える固体酸化物燃料電池スタック（１０）。
【請求項１１】
複数の固体酸化物燃料電池（１１）を備える固体酸化物燃料電池スタック（１０）であって、
それぞれの前記固体酸化物燃料電池（１１）が、陽極電極（１２）、陰極電極（１４）、及び、前記陽極電極（１２）と前記陰極電極（１４）との間の電解質（１６）を備えており、
それぞれの前記電解質（１６）が、緻密で非多孔性の第１の層（２２）と、前記緻密で非多孔性の第１の層（２２）に接した多孔性の第２の層（２４）と、前記多孔性の第２の層（２４）に接した緻密で非多孔性の第３の層（２６）とを備える固体酸化物燃料電池スタック（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は固体酸化物燃料電池及び固体酸化物燃料電池スタックに関する。
固体酸化物燃料電池は陽極電極、陰極電極、及び、陽極電極と陰極電極との間の電解質を備える。固体酸化物燃料電池スタックは、電気的に直列に又は電気的に並列に接続された複数の固体酸化物を備える。固体酸化物燃料電池では、気体燃料（例えば水素）が陽極電極に供給され、気体オキシダント（例えば酸素又は空気）が陰極電極に供給される。
【０００２】
固体酸化物燃料電池の電解質は、陽極電極に供給される気体燃料と陰極電極に供給される気体オキシダントとの間に物理的な障壁を形成するために必要とされる。電解質は、緻密で非多孔性の層を備える。気体燃料とオキシダントは、陽極電極と陰極電極との間の電解質を通る任意の気体漏れ経路によって接触することができる。この漏れは、燃料利用の観点からは固体酸化物燃料電池の性能の低下をもたらし、固体酸化物燃料電池の機械的完全性及び耐久性にとっては有害であり得る。この気体漏れは気体オキシダント中の気体燃料を燃焼させることがあり、固体酸化物燃料電池に過酷な損傷をもたらすことさえあり得る。
【０００３】
実際に、電解質には、その微細構造に欠陥又は傷がある。この欠陥又は傷は製造プロセスでの汚染及び／又は変動によって生じ得る。さらに精密な製造プロセス制御を実施することによって、こうした欠陥又は傷を最小限にすることは可能であるが、欠陥又は傷を完全に排除しようとすると、製造プロセスは厳しく制御されなければならず、したがって高価になる。
【０００４】
この問題に対する１つの可能な解決策は、電解質の緻密で非多孔性の既存の層の上に、一層緻密で非多孔性の層を設けることであった。しかし、実際には、緻密で非多孔性の層に元々存在した欠陥が、その一層緻密で非多孔性の層へ伝播するので、何のメリットもない。
【０００５】
したがって、本発明は、上述の問題を軽減し、好ましくは克服する新規な固体酸化物燃料電池及び新規な固体酸化物燃料電池スタックを提供することを目的とする。
したがって、本発明は、陽極電極、陰極電極、及び、陽極電極と陰極電極との間の電解質を備え、該電解質が、緻密で非多孔性の第１の層と、緻密で非多孔性の第１の層に接した多孔性の第２の層と、多孔性の第２の層に接した緻密で非多孔性の第３の層とを備える固体酸化物燃料電池を提供する。
【０００６】
電解質は、緻密で非多孔性の第３の層に接した多孔性の第４の層と、多孔性の第４の層に接した緻密で非多孔性の第５の層とを備えることができる。
多孔性の層を、電解質と陽極電極との間に配列することができる。多孔性の層を、電解質と陰極電極との間に配列してもよい。
【０００７】
好ましくは、電解質の第１の層、第２の層及び第３の層は同じ組成を有する。
電解質の層のうちの少なくとも１つは、ガドリニアをドープしたセリアを含むことができる。電解質の全ての層が、ガドリニアをドープしたセリアを含むことができる。
【０００８】
電解質の層のうちの少なくとも１つは、スカンジアをドープしたジルコニアを含むことができる。電解質の全ての層が、スカンジアをドープしたジルコニアを含むことができる。
【０００９】
また、本発明は、複数の固体酸化物燃料電池を備えることができる固体酸化物燃料電池スタックを提供する。それぞれの固体酸化物燃料電池は、陽極電極、陰極電極、及び、陽極電極と陰極電極との間の電解質を備える。それぞれの電解質は、緻密で非多孔性の第１の層と、緻密で非多孔性の第１の層に接した多孔性の第２の層と、多孔性の第２の層に接した緻密で非多孔性の第３の層とを備える。
【００１０】
添付の図面を参照して、本発明を、例として一層十分に説明する。
図１に示すように、固体酸化物燃料電池スタック１０は複数の固体酸化物燃料電池１１を備える。それぞれの固体酸化物燃料電池１１は、陽極電極１２、陰極電極１４、及び、陽極電極１２と陰極電極１４との間の電解質１６を備える。気体燃料（例えば水素）は陽極電極１２によって部分的に規定された陽極チャンバ１８に供給され、気体オキシダント（例えば酸素又は空気）は陰極電極１４によって部分的に規定された陰極チャンバ２０に供給される。
【００１１】
固体酸化物燃料電池１１は支持構造１３の上に配列され、陽極電極１２は支持構造１３と接触している。支持構造１３は気体燃料を陽極電極１２へ流すための多孔性領域を有する。隣り合う固体酸化物燃料電池１１は相互接続体１５によって直列に接続されており、相互接続体１５は、１つの固体酸化物燃料電池１１の陽極電極１２を隣りの固体酸化物燃料電池１１の陰極電極１４と相互接続する。
【００１２】
電解質１６は、緻密で非多孔性の第１の層２２と、緻密で非多孔性の第１の層２２に接した多孔性の第２の層２４と、多孔性の第２の層２４に接した緻密で非多孔性の第３の層２６とを備える。陽極電極１２は、緻密で非多孔性の第１の層２２と支持構造１３との間に、且つ、緻密で非多孔性の第１の層２２に接して配列され、陰極電極１４は緻密で非多孔性の第３の層２６に接して配列される。
【００１３】
電解質１６をこのような配列とした結果、多孔性の第２の層２４は、緻密で非多孔性の第１の層２２と緻密で非多孔性の第３の層２６との間のバッファとして作用するので、緻密で非多孔性の第１の層２２の欠陥の影響は、緻密で非多孔性の第３の層２６に伝わらないことになる。同様に、多孔性の第２の層２４は、緻密で非多孔性の第３の層２６と緻密で非多孔性の第１の層２２との間のバッファとして作用するので、緻密で非多孔性の第３の層２６の欠陥は、緻密で非多孔性の第１の層２２に伝わらない。このように、この配列によって、陽極チャンバ１８と陰極チャンバ２０との間の電解質１６を通る漏れ経路の形成は最小限になる。
【００１４】
図２に示すように、固体酸化物燃料電池スタック１１０は、複数の固体酸化物燃料電池１１を備える。それぞれの固体酸化物燃料電池１１は、陽極電極１２、陰極電極１４、及び陽極電極１２と陰極電極１４の間の電解質１６を備える。気体燃料（例えば水素）は陽極電極１２で部分的に規定された陽極チャンバ１８に供給され、気体オキシダント（例えば酸素又は空気）は陰極電極１４によって部分的に規定された陰極チャンバ２０に供給される。
【００１５】
固体酸化物燃料電池１１は支持構造１３の上に配列され、陽極電極１２はその支持構造１３と接触している。支持構造１３は気体燃料を陽極電極１２に流すための多孔性領域である。隣り合う固体酸化物燃料電池１１は相互接続体１５によって直列に接続されており、相互接続体１５は、１つの固体酸化物燃料電池１１の陽極電極１２を隣りの固体酸化物燃料電池１１の陰極電極１４と相互接続する。
【００１６】
電解質１６は、緻密で非多孔性の第１の層２２と、緻密で非多孔性の第１の層２２に接した多孔性の第２の層２４と、多孔性の第２の層２４に接した緻密で非多孔性の第３の層２６と、緻密で非多孔性の第３の層２６接した多孔性の第４の層２８と、多孔性の第４の層２８に接した緻密で非多孔性の第５の層３０とを備える。陽極電極１２は、緻密で非多孔性の第１の層２２と支持構造１３との間に、且つ、緻密で非多孔性の第１の層２２に接して配列され、陰極電極１４は、緻密で非多孔性の第５の層３０に接して配列される。
【００１７】
電解質１６をこのように配列した結果、図１を参照して上で述べたように、多孔性の第２の層２４は、緻密で非多孔性の第１の層２２と緻密で非多孔性の第３の層２６との間のバッファとして作用することになる。同様に、多孔性の第４の層２８は、緻密で非多孔性の第３の層２６と緻密で非多孔性の第５の層３０との間のバッファとして作用する。このように、この配列は、陽極チャンバ１８と陰極チャンバ２０との間の電解質１６を通過する漏れ経路の形成を最小限にする。
【００１８】
図３に示すように、固体酸化物燃料電池スタック２１０は複数の固体酸化物燃料電池１１を備える。それぞれの固体酸化物燃料電池１１は、陽極電極１２、陰極電極１４、及び陽極電極１２と陰極電極１４との間の電解質１６を備える。気体燃料（例えば水素）は陽極電極１２で部分的に規定された陽極チャンバ１８に供給され、気体オキシダント（例えば酸素又は空気）は陰極電極１４によって部分的に規定された陰極チャンバ２０に供給される。
【００１９】
固体酸化物燃料電池１１は支持構造１３の上に配列され、陽極電極１２はその支持構造１３と接触している。支持構造１３は気体燃料を陽極電極１２に流すための多孔性領域である。隣り合う固体酸化物燃料電池１１は相互接続体１５によって直列に接続されており、相互接続体１５は１つの固体酸化物燃料電池１１の陽極電極１２を隣りの固体酸化物燃料電池１１の陰極電極１４と相互に接続する。
【００２０】
電解質１６は、緻密で非多孔性の第１の層２２と、緻密で非多孔性の第１の層２２に接した多孔性の第２の層２４と、多孔性の第２の層２４に接した緻密で非多孔性の第３の層２６とを備える。多孔性の第４の層３２が、緻密で非多孔性の第３の層２６に接して配列される。陽極電極１２は、緻密で非多孔性の第１の層２２と支持構造１３との間に、且つ、緻密で非多孔性の第１の層２２に接して配列され、陰極電極１４は多孔性の第４の層３２に接して配列される。
【００２１】
電解質１６をこのように配列した結果、多孔性第２の層２４は、緻密で非多孔性の第１の層２２と緻密で非多孔性の第３の層２６との間のバッファとして作用することになる。同様に、多孔性の第４の層３２は、緻密で非多孔性の第３の層２６と陰極電極１４との間のバッファとして作用する。このように、この配列は、陽極チャンバ１８と陰極チャンバ２０との間の電解質１６を通る漏れ経路の形成を最小限にする。
【００２２】
更なる代替えとして、緻密で非多孔性の第１の層２２と陽極電極１４との間に、バッファとして作用する多孔性層を設けることも可能である。他の代替えとして、図１及び２のいずれか又は両方において、陽極電極と電解質との間に多孔性の層を設け、陰極電極と電解質との間に多孔性層を設けることも可能である。
【００２３】
電解質の第１、第２及び第３の層は同じ組成であっても、異なる組成であってもよい。電解質の層のうちの１つは、９２重量％のジルコニアと８重量％のイットリアからなるイットリア安定化ジルコニアを含むことができ、幾つかの例では、電解質の層の全てがイットリア安定化ジルコニアを含む。
【００２４】
多孔性の第２の層を電解質に含めることにより、電解質の両端間のイオン抵抗を増大させることができ、したがって、高い導電率の電解質材料を使用することが有利である。電解質用の適切な高い導電率の材料は、スカンジアをドープしたジルコニア、及び、ガドリニアをドープしたセリアである。代わりに、電解質の層のうちの１つ又は全ては、スカンジアをドープしたジルコニアを含むことができる。更なる代替えとして、電解質の層のうちの１つ又は全てがガドリニアをドープしたセリアを含むことができる。
【００２５】
陽極電極、陰極電極及び電解質の層は、スクリーン印刷、スプレー、テープキャステイング又はインクジェット印刷によって形成される。燃料電池は、陽極電極が最初に支持構造上に形成され、次いで、残りの層が形成されるか、又は、陰極電極が支持構造上に形成され、次いで残りの層が形成されるかのどちらかのやり方で、一般に支持構造上に配列される。支持構造はマグネシウム・アルミネート・スピネルを含むことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明に係る固体酸化物燃料電池スタックを示す図である。
【図２】本発明に係る別の固体酸化物燃料電池スタックを示す図である。
【図３】本発明に係る他の固体酸化物燃料電池スタックを示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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