(57)【要約】  ガス漏れが生じ難い、固体酸化物燃料電池を提供する。  第１，第２の電極層４，６及び固体酸化物電解質層５を有する発電膜７と、第１，第２のガス流路１３，１４を形成するように設けられている第１，第２の基材２，３と、第１の電極層４に接続しているビアホール導体ユニット１１とを備え、前記ビアホール導体ユニット１１が、第１の端面８ａを有する第１のビアホール導体８と、第２の端面９ａを有する第２のビアホール導体９とを有し、前記第１のビアホール導体８の第１の端面８ａと、前記第２のビアホール導体９の第２の端面９ａとが接触しており、前記第１のビアホール導体８の第１の端面８ａの外周縁と、該外周縁の外側に位置している第１の基材２部分との境界部２ｃが、前記第２のビアホール導体９の第２の端面９ａ内に位置している、固体酸化物燃料電池１。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１，第２の主面を有する固体酸化物電解質層と、前記固体酸化物電解質層の第１の主面に積層されている第１の電極層と、前記固体酸化物電解質層の第２の主面に積層されている第２の電極層とを有する発電膜と、
前記固体酸化物電解質層の第１の主面側に、第１のガス流路を形成するように設けられており、かつセラミックスからなる第１の基材と、
前記固体酸化物電解質層の第２の主面側に、第２のガス流路を形成するように設けられており、かつセラミックスからなる第２の基材と、
前記第１の基材内に設けられており、かつ一端が前記第１の電極層の前記固体酸化物電解質層と接している面とは反対側の面に接続している、ビアホール導体ユニットとを備え、
前記ビアホール導体ユニットが、第１の端面を有する第１のビアホール導体と、第２の端面を有する第２のビアホール導体とを有し、
前記第１のビアホール導体の第１の端面と、前記第２のビアホール導体の第２の端面とが接触しており、
前記第２のビアホール導体の第２の端面の面積が、前記第１のビアホール導体の第１の端面の面積より大きく、
前記第１のビアホール導体の第１の端面の外周縁と、該外周縁の外側に位置している第１の基材部分との境界部が、前記第２のビアホール導体の第２の端面内に位置している、固体酸化物燃料電池。
【請求項２】
前記第１のビアホール導体の第１の端面の面積Ｓ１と、前記第２のビアホール導体の第２の端面の面積Ｓ２との面積比（Ｓ１／Ｓ２）が０．３６以下である、請求項１に記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項３】
前記第２のビアホール導体の第２の端面の面積Ｓ２と、前記第１のビアホール導体の第１の端面の面積Ｓ１との面積比（Ｓ２／Ｓ１）が２．７８以上である、請求項１に記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項４】
前記第１，第２のビアホール導体が金属により形成されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項５】
前記第１，第２の基材と、前記第１，第２のビアホール導体とが共焼結されることにより形成されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項６】
前記第２の電極層の前記固体酸化物電解質層と接している面とは反対側の面に接続されており、かつセラミックスからなるビアホール導体をさらに備える、請求項１〜５のいずれか１項に記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項７】
前記第１の電極層がアノード層であり、前記第２の電極層がカソード層である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の固体酸化物燃料電池が積層されてなる、固体酸化物燃料電池スタック。
【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該固体酸化物燃料電池が積層されてなる、固体酸化物燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池としては、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）、溶融炭酸塩形燃料電池、リン酸形燃料電池、固体高分子形燃料電池等が知られている。なかでも、ＳＯＦＣは、液体の構成要素を使用しなくてもよく、炭化水素燃料を用いる場合において、内部の改質も可能である。従って、固体酸化物形燃料電池がより注目を集めている。【０００３】
下記特許文献１には、セラミックスからなる基材内において、発電膜に金属からなるビアホール導体が電気的に接続されている固体酸化物形燃料電池が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第５０７７２３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１のようにビアホール導体に金属が用いられると、共焼結の際、基材とビアホール導体との界面に空隙が生じることがあった。セラミックにより構成される基材と、金属からなるビアホール導体では、収縮率が大きく異なるためである。そして、この空隙から、ガス漏れが生じることがあった。【０００６】
本発明の目的は、ガス漏れが生じ難い、固体酸化物燃料電池及び固体酸化物燃料電池スタックを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る固体酸化物燃料電池は、第１，第２の主面を有する固体酸化物電解質層と、上記固体酸化物電解質層の第１の主面に積層されている第１の電極層と、上記固体酸化物電解質層の第２の主面に積層されている第２の電極層とを有する発電膜と、上記固体酸化物電解質層の第１の主面側に、第１のガス流路を形成するように設けられており、かつセラミックスからなる第１の基材と、上記固体酸化物電解質層の第２の主面側に、第２のガス流路を形成するように設けられており、かつセラミックスからなる第２の基材と、上記第１の基材内に設けられており、かつ一端が上記第１の電極層の上記固体酸化物電解質層と接している面とは反対側の面に接続している、ビアホール導体ユニットとを備え、上記ビアホール導体ユニットが、第１の端面を有する第１のビアホール導体と、第２の端面を有する第２のビアホール導体とを有し、上記第１のビアホール導体の第１の端面と、上記第２のビアホール導体の第２の端面とが接触しており、上記第２のビアホール導体の第２の端面の面積が、上記第１のビアホール導体の第１の端面の面積より大きく、上記第１のビアホール導体の第１の端面の外周縁と、該外周縁の外側に位置している第１の基材部分との境界部が、上記第２のビアホール導体の第２の端面内に位置している。【０００８】
本発明に係る固体酸化物燃料電池のある特定の局面では、上記第１のビアホール導体の第１の端面の面積Ｓ１と、上記第２のビアホール導体の第２の端面の面積Ｓ２との面積比（Ｓ１／Ｓ２）が０．３６以下である。【０００９】
本発明に係る固体酸化物燃料電池の他の特定の局面では、上記第２のビアホール導体の第２の端面の面積Ｓ２と、上記第１のビアホール導体の第１の端面の面積Ｓ１との面積比（Ｓ２／Ｓ１）が２．７８以上である。【００１０】
本発明に係る固体酸化物燃料電池の別の特定の局面では、上記第１，第２のビアホール導体が金属により形成されている。【００１１】
本発明に係る固体酸化物燃料電池のさらに別の特定の局面では、上記第１，第２の基材と、上記第１，第２のビアホール導体とが共焼結されることにより形成されている。【００１２】
本発明に係る固体酸化物燃料電池のさらに他の特定の局面では、上記第２の電極層の上記固体酸化物電解質層と接している面とは反対側の面に接続されており、かつセラミックスからなるビアホール導体をさらに備える。【００１３】
本発明に係る固体酸化物燃料電池のさらに他の特定の局面では、上記第１の電極層がアノード層であり、上記第２の電極層がカソード層である。【００１４】
本発明に係る固体酸化物燃料電池スタックは、本発明の固体酸化物燃料電池が積層されてなる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、ガス漏れが生じ難い、固体酸化物燃料電池及び固体酸化物燃料電池スタックを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態に係る固体酸化物燃料電池の模式的正面断面図である。
【図２】図２は、本発明の第２の実施形態に係る固体酸化物燃料電池の模式的正面断面図である。
【図３】図３は、本発明の第３の実施形態に係る固体酸化物燃料電池の模式的正面断面図である。
【図４】図４は、本発明の第４の実施形態に係る固体酸化物燃料電池の模式的正面断面図である。
【図５】図５は、本発明の第５の実施形態に係る固体酸化物燃料電池の模式的正面断面図である。
【図６】図６は、本発明の一実施形態に係る固体酸化物燃料電池スタックの模式的正面断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。
【００１８】
（固体酸化物燃料電池）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る固体酸化物燃料電池の模式的正面断面図である。
【００１９】
第１の実施形態に係る固体酸化物燃料電池１は、第１，第２の基材２，３と、発電膜７と、ビアホール導体ユニット１１とを備える。図１に示すように、上記発電膜７は、固体酸化物電解質層５、第１の電極層４及び第２の電極層６により構成されている。
【００２０】
固体酸化物電解質層５は、第１，第２の主面５ａ，５ｂを有する。固体酸化物電解質層５としては、特に限定されないが、イオン導電性が高い材料からなることが好ましい。上記のような材料としては、例えば、安定化ジルコニアや、セリア（ＣｅＯ２）系固溶体、酸化ビスマス固溶体及びＬａＧａＯ３の元素置換体などを使用できる。安定化ジルコニアの具体例としては、１０ｍｏｌ％イットリア安定化ジルコニア（１０ＹＳＺ）や、１１ｍｏｌ％スカンジア安定化ジルコニア（１１ＳｃＳＺ）等が挙げられる。部分安定化ジルコニアの具体例としては、３ｍｏｌ％イットリア部分安定化ジルコニア（３ＹＳＺ）等が挙げられる。
【００２１】
固体酸化物電解質層５の第１の主面５ａには、第１の電極層４が積層されている。第１の電極層４は、第１，第２の主面４ａ，４ｂを有する。
【００２２】
固体酸化物電解質層５の第２の主面５ｂには、第２の電極層６が積層されている。第２の電極層６は、第１，第２の主面６ａ，６ｂを有する。
【００２３】
本実施形態においては、第１の電極層４がアノード層であり、第２の電極層６がカソード層である。もっとも、第１の電極層４がカソード層であり、第２の電極層６がアノード層であってもよい。
【００２４】
アノード層においては、酸素イオンと燃料ガスとが反応して電子を放出する。従って、多孔質で、電子伝導性が高く、かつ、高温において固体酸化物電解質層５等と固体間反応を起こしにくい材料が好ましい。このような材料としては、例えば、Ｎｉを含むイットリア安定化ジルコニア、Ｎｉを含むスカンジニア安定化ジルコニア、Ｎｉを含むスカンジニアセリア安定化ジルコニア又はＰｔが用いられる。なお、本実施形態において、アノード層は、多孔質のセラミックスにより構成される。
【００２５】
カソード層においては、酸素が電子を取り込んで、酸素イオンが形成される。従って、多孔質で、電子伝導性が高く、かつ、高温において固体酸化物電解質層５等と固体間反応を起こしにくい材料が好ましい。このような材料としては、例えば、ＬａＭｎＯ３系酸化物や、ＬａＣｏＯ３系酸化物が用いられる。ＬａＭｎＯ３系酸化物としては、Ｌａ０．８Ｓｒ０．２ＭｎＯ３が挙げられる。ＬａＣｏＯ３系酸化物としては、Ｌａ０．８Ｓｒ０．２Ｃｏ０．２Ｆｅ０．８Ｏ３等が挙げられる。
【００２６】
第１の基材２は、固体酸化物電解質層５の第１の主面５ａの外側に第１のガス流路１３を形成するように設けられている。第１の基材２は、第１のガス流路１３を形成するための第１のガス流路形成部２ａ及びセパレータ部２ｂを有する。第１のガス流路１３は、第１のガス流路形成部２ａ、セパレータ部２ｂ及び第１の電極層４により区画形成されている部分である。この第１のガス流路１３を通じて、第１の電極層４にガスを供給することが可能となる。なお、本実施形態においては、第１のガス流路１３がアノードガス流路である。
【００２７】
他方、上記第２の基材３は、固体酸化物電解質層５の第２の主面５ｂの外側に第２のガス流路１４を形成するように設けられている。第２の基材３についても、第２のガス流路１４を形成するための第２のガス流路形成部３ａ及びセパレータ部３ｂを有する。第２のガス流路１４は、第２のガス流路形成部３ａ、セパレータ部３ｂ及び第２の電極層６により区画形成されている部分である。この第２のガス流路１４を通じて、第２の電極層６にガスを供給することが可能となる。なお、本実施形態においては、第２のガス流路１４がカソードガス流路である。
【００２８】
第１，第２の基材２，３は、セラミックスにより形成されている。第１，第２の基材２，３は、同じ材料により形成されていてもよいし、異なる材料により形成されていてもよい。第１，第２の基材２，３を形成するためのセラミックスとしては、部分安定化ジルコニアが挙げられる。
【００２９】
上記第１の基材２内には、ビアホール導体ユニット１１が設けられている。ビアホール導体ユニット１１は、一端が第１の電極層４の第１の主面４ａに接続するように設けられている。本実施形態においては、複数のビアホール導体ユニット１１が、上記第１の基材２内に設けられている。もっとも、上記ビアホール導体ユニット１１の数は特に限定されない。
【００３０】
ビアホール導体ユニット１１は、第１のビアホール導体８と、第２のビアホール導体９とを有している。本実施形態においては、ビアホール導体ユニット１１は２つのビアホール導体により構成されているが、後述する本発明の第３の実施形態のように、ビアホール導体ユニット１１は３以上のビアホール導体により構成されていてもよい。
【００３１】
図１に示す第１の実施形態においては、複数の第１のビアホール導体８が設けられている。上記第１のビアホール導体８間には、第１のガス流路１３が配置されている。もっとも、複数の第１のビアホール導体８間に、第１のガス流路１３が配置される限り、上記第１のビアホール導体８の数は特に限定されない。
【００３２】
上記第１のビアホール導体８の一端が、第１の電極層４の第１の主面４ａに接続されている。そして、第１のビアホール導体８の他端に位置している第１の端面８ａに第２のビアホール導体９の第２の端面９ａが接触するように、第２のビアホール導体９が設けられている。
【００３３】
第１，第２のビアホール導体８，９に用いられる材料は特に限定されないが、緻密な金属により構成することが好ましい。これによって、ガス漏れをより効果的に抑制することができる。上記緻密な金属としては、Ａｇ−Ｐｄ合金、Ａｕ、Ｐｔを用いることができる。
【００３４】
また、本実施形態において、第１，第２のビアホール導体８，９の断面形状は矩形である。第２のビアホール導体９の第２の端面９ａの面積は、第１のビアホール導体８の第１の端面８ａの面積よりも大きい。そして、第１のビアホール導体８の第１の端面８ａの外周縁と、該外周縁の外側に位置している第１の基材２のセパレータ部分２ｂとの境界部２ｃは、第２のビアホール導体９の第２の端面９ａ内に位置している。
【００３５】
第１，第２の基材２，３及び第１，第２のビアホール導体８，９は、基材となるセラミックグリーンシートと、ビアホール導体となる金属ペーストとを共焼結することにより、作製される。ここで、金属とセラミックスの収縮率は大きく異なる。従って、共焼結の際、図１に示す空隙１５のように、金属からなる第１，第２のビアホール導体８，９の側面とセラミックスからなる第１の基材２との界面に空隙１５が生じる。
【００３６】
しかしながら、本実施形態においては、この空隙１５、すなわち、第１のビアホール導体８の第１の端面８ａの外周縁と、該外周縁の外側に位置している第１の基材２のセパレータ部分２ｂとの境界部２ｃが、第２のビアホール導体９の第２の端面９ａ内に位置している。従って、空隙１５は、第２のビアホール導体９の第２の端面９ａにより封止されることとなる。このように、本発明においては、空隙１５が形成されている場合においても、空隙１５の第１の端面８ａ側の開口部が第２のビアホール導体９の第２の端面９ａにより封止される。従って、多孔質の第１の電極層４に供給されるガスが空隙１５を通過し、ガス漏れが生じることをより効果的に抑制することができる。
【００３７】
なお、図２に示す第２の実施形態に係る固体酸化物燃料電池２１のように、空隙１５が観察されない構造であってもよい。第２の実施形態においても、第１のビアホール導体８の第１の端面８ａの外周縁と、該外周縁の外側に位置している第１の基材２のセパレータ部分２ｂとの境界部２ｃは、第２のビアホール導体９の第２の端面９ａ内に位置している。従って、空隙１５が観察できない場合においても、共焼結により観察され得ないわずかな空隙が生じる場合があるが、このような場合においても、ガス漏れを効果的に抑制できる。
【００３８】
また、本発明においては、第１のビアホール導体８の第１の端面８ａの面積Ｓ１と、第２のビアホール導体９の第２の端面９ａの面積Ｓ２との面積比（Ｓ１／Ｓ２）が０．３６以下であることが好ましい。あるいは、第２のビアホール導体９の第２の端面９ａの面積Ｓ２と、第１のビアホール導体８の第１の端面８ａの面積Ｓ１との面積比（Ｓ２／Ｓ１）が２．７８以上であることが好ましい。面積比が上記範囲内にある場合、より一層確実にガス漏れを防止することができるためである。
【００３９】
第１の実施形態においては、第２の基材３の内部にさらに第４のビアホール導体１６が設けられている。上記第４のビアホール導体１６は、第２の電極層６の第２の主面６ｂに接続されている。第４のビアホール導体１６は、導電性セラミックスにより形成されている。導電性セラミックスとしては特に限定されないが、ランタンストロンチウムマンガナイト（ＬＳＭ）、ランタンクロマイトなどを用いることができる。第４のビアホール導体１６は上記のようにセラミックスにより形成されるため、セラミックスからなる第２の基材３との収縮率差が小さい。従って、第４のビアホール導体１６と第２の基材３との界面には、空隙が生じ難い。
【００４０】
図３は、本発明の第３の実施形態に係る固体酸化物燃料電池３１の模式的正面断面図である。
【００４１】
第３の実施形態においては、第２のビアホール導体９の第２の端面９ａとは、反対側の端面に第３のビアホール導体１０が接触している。その他の点は第１の実施形態に係る固体酸化物燃料電池と同様である。なお、第３のビアホール導体１０を構成する材料としては、第１，第２のビアホール導体８，９と同じものが使用できる。
【００４２】
本発明において、第１〜第３のビアホール導体８〜１０は、基材となるセラミックシートにレーザー加工を施すことにより貫通孔を形成し、上記貫通孔に金属ペーストを充填することにより作製し得る。従って、貫通孔の大きさや形状を容易に変更することができる。なお、上記貫通孔はパンチングにより形成してもよく、その場合においても貫通孔の大きさや形状を容易に変更することができる。
【００４３】
例えば、図４及び図５に示す第４，第５の実施形態のように、断面形状が台形であるビアホール導体を容易に作製することができる。
【００４４】
第４の実施形態に係る固体酸化物燃料電池４１においては、断面形状が矩形ではなく、台形である第２，第３のビアホール導体９，１０が第１のビアホール導体８に接続されている。その他の点は、第３の実施形態と同様である。
【００４５】
なお、第３，第４の実施形態においても、第１のビアホール導体８の第１の端面８ａの外周縁と、該外周縁の外側に位置している第１の基材２のセパレータ部分２ｂとの境界部２ｃが、第２のビアホール導体９の第２の端面９ａ内に位置している。よって、空隙１５が生じた場合においても、空隙１５からのガス漏れを確実に抑制することができる。
【００４６】
第５の実施形態に係る固体酸化物燃料電池５１においては、断面形状が矩形である第２のビアホール導体９の一端が、第１の電極層４の第１の主面４ａに接続されている。そして、第２のビアホール導体９の他端に位置している第２の端面９ａに、第１のビアホール導体８の第１の端面８ａが接触するように、第１のビアホール導体８が設けられている。第１のビアホール導体８の第１の端面８ａとは、反対側の端面に第３のビアホール導体１０が接触している。第１，第３のビアホール導体８，１０の断面形状は台形である。その他の点は、第３の実施形態に係る固体酸化物燃料電池３１と同様である。
【００４７】
図５に示すように、第５の実施形態においても、第２のビアホール導体９の第２の端面９ａの面積は、第１のビアホール導体８の第１の端面８ａの面積よりも大きい。そして、第１のビアホール導体８の第１の端面８ａの外周縁と、該外周縁の外側に位置している第１の基材２のセパレータ部分２ｂとの境界部２ｃは、第２のビアホール導体９の第２の端面９ａ内に位置している。従って、第５の実施形態においても、空隙１５は、第２のビアホール導体９の第２の端面９ａにより封止されている。
【００４８】
なお、上述したように第５の実施形態においては、第２のビアホール導体９の第２の端面９ａよりも、面積が小さい第１のビアホール導体８の端面８ａが、第２のビアホール導体９に接続されている。従って、第２のビアホール導体９の第２の端面９ａの一部は、第１の基材２と接している。そのため、第２のビアホール導体９の第２の端面９ａの側方に形成されている空隙１５の開口部は、第１の基材２により封止されている。
【００４９】
このように、第５の実施形態においては、第１，第２のビアホール導体８，９の側方に形成されている空隙１５が、第２のビアホール導体９の第２の端面９ａ又は第１の基材２により封止されているため、空隙１５からのガス漏れを抑制することができる。
【００５０】
（固体酸化物燃料電池スタック）
図６に本発明の一実施形態に係る固体酸化物燃料電池スタックの模式的正面断面図を示す。固体酸化物燃料電池スタックは、上述した本発明に係る固体酸化物燃料電池１が積層されてなる。図６において、２つの固体酸化物燃料電池１が積層されているが、３以上積層されていてもよい。
【００５１】
図６に示すように、固体酸化物燃料電池スタックは、金属からなるビアホール導体ユニット１１と、セラミックからなる第４のビアホール導体１６とが接触するように積層されている。そして、ビアホール導体ユニット１１においては、上述したように、第１のビアホール導体８の第１の端面８ａの外周縁と、該外周縁の外側に位置している第１の基材２のセパレータ部分２ｂとの境界部２ｃが、第２のビアホール導体９の第２の端面９ａ内に位置している。
【００５２】
従って、第１のガス流路１３から、多孔質である第１の電極層４に供給されるガスは、第１，第２のビアホール電極８，９により封止されるため、第４のビアホール導体１６の方へガスが漏れることを防止できる。本発明に係る固体酸化物燃料電池スタックでは、このように、第４のビアホール導体１６へのガス漏れが抑制されるため、第４のビアホール導体１６を構成するＬＳＭなどのセラミックが、ガスにより劣化することを抑制することができる。
【００５３】
以上のように、本発明に係る固体酸化物燃料電池及び固体酸化物燃料電池スタックでは、ビアホール導体ユニットにおいて、第１のビアホール導体の第１の端面の外周縁と、該外周縁の外側に位置している第１の基材のセパレータ部分との境界部が、第２のビアホール導体の第２の端面内に位置している。従って、共焼結により空隙が生じた場合においても、空隙からガス漏れが生じることを抑制することができる。
【符号の説明】
【００５４】
１，２１，３１，４１，５１・・・固体酸化物燃料電池
２・・・第１の基材
３・・・第２の基材
２ａ・・・第１のガス流路形成部
３ａ・・・第２のガス流路形成部
２ｂ，３ｂ・・・セパレータ部
２ｃ・・・境界部
４・・・第１の電極層
５・・・固体酸化物電解質層
６・・・第２の電極層
４ａ，５ａ，６ａ・・・第１の主面
４ｂ，５ｂ，６ｂ・・・第２の主面
７・・・発電膜
８・・・第１のビアホール導体
８ａ・・・第１の端面
９・・・第２のビアホール導体
９ａ・・・第２の端面
１０・・・第３のビアホール導体
１１・・・ビアホール導体ユニット
１３・・・第１のガス流路
１４・・・第２のガス流路
１５・・・空隙
１６・・・第４のビアホール導体
【図１】
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【図２】
2015115125.tif 000004
【図３】
2015115125.tif 000005
【図４】
2015115125.tif 000006
【図５】
2015115125.tif 000007
【図６】
2015115125.tif 000008
【国際調査報告】
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2015115125.tif 000010
2015115125.tif 000011
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