(57)【要約】 【課題】発電セルの耐割れ性や耐剥離性を向上し、耐久性と発電性能の向上を図る。【解決手段】固体電解質層２の両面に燃料極層４および空気極層３の各電極層を配して成る発電セル５を備える固体酸化物形燃料電池１において、前記固体電解質層２の少なくとも一方の面に相互に交差する線状の凸部１０が複数形成されており、これら凸部１０により全面が複数に区画されている。【選択図】図２
2008218275.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質層の両面に燃料極層および空気極層の各電極層を配して成る発電セルを備える固体酸化物形燃料電池において、
前記固体電解質層の少なくとも一方の面に、相互に交差する線状の凸部が複数形成されており、これら凸部により全面が複数に区画されていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
【請求項２】
前記凸部による区画形状は、格子状または六角形状であることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項３】
前記電極層が、前記凸部によって複数に区画されていることを特徴とする請求項１または請求項２の何れかに記載の固体酸化物形燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体電解質層の両面に燃料極層と空気極層を配して構成した発電セルを備える固体酸化物形燃料電池に関し、特に、発電セルの耐久性向上に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物形燃料電池は、第３世代の発電用燃料電池として開発が進んでいる。現在、この固体酸化物形燃料電池は、円筒型、モノリス型、および平板積層型の３種類が提案されており、何れも酸化物イオン導電体から成る固体電解質層を空気極層と燃料極層との間に挟んだ積層構造を有し、発電時には、反応用ガスとして空気極層側に酸化剤ガス（酸素) が、また燃料極層側に燃料ガス (Ｈ2、ＣＯ等) が供給される。
【０００３】
空気極層側に供給された酸素（例えば空気）は、空気極層内を通って固体電解質層との界面近傍に到達し、この部分で空気極層から電子を受け取って酸化物イオン（Ｏ2-）にイオン化される。この酸化物イオンは、燃料極層に向かって固体電解質層内を拡散移動する。燃料極層との界面近傍に到達した酸化物イオンは、この部分で、燃料ガスと反応して反応生成物（Ｈ2Ｏ、ＣＯ2等）を生じ、燃料極層に電子を放出する。電極反応で生じた電子は、別ルートの外部負荷にて起電力として取り出すことができる。
【０００４】
ところで、上記構造の燃料電池では、長時間運転時の熱サイクルで、発電セル（詳しくは、固体電解質層）にヒビ割れ（クラック）が生じたり、電極層（特に、燃料極層側）に剥離が生じたりするという耐久性に係わる問題があった。
【０００５】
固体電解質層の割れについては、発電時（昇温時）のセル内の温度分布で生じる熱応力に因るところが大きく、固体電解質層として厚さが数百〜数十μｍの薄いセラミックス材を使用することに起因していると考えられる。薄型の固体電解質を用いるのは、固定電解質層を薄くするこで内部抵抗を低減し、発電性能を向上するためである。
他方、電極層の剥離については、固体電解質層と電極層の各材料の熱膨張係数の差により生じる応力によるもので、例えば、燃料極層に含まれるＮｉ等の金属材料が酸化物の状態で固体電解質層に焼き付けられ、発電時の還元で燃料極層が収縮するためであると考えられている。
【０００６】
尚、このような三層構造の発電セルの割れや剥離を防止する技術として、例えば、特許文献１が開示されている。
【特許文献１】特開２００３−２６３９９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記問題に鑑みなされたもので、発電セルの耐割れ性や耐剥離性を向上した耐久性の高い固体酸化物形燃料電池を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
すなわち、請求項１に記載の発明は、固体電解質層の両面に燃料極層および空気極層の各電極層を配した発電セルを備える固体酸化物形燃料電池において、前記固体電解質層の少なくとも一方の面に、相互に交差する線状の凸部が複数形成されており、これら凸部により全面が複数に区画されていることを特徴としている。
【０００９】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池において、前記凸部による区画の形状は、格子状または六角形状であることを特徴としている。
【００１０】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２の何れかに記載の固体酸化物形燃料電池において、前記電極層が、前記凸部によって複数に区画されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１〜３に記載の発明によれば、固体電解質層の全面に線状の凸部を形成して複数に区画することにより、固体電解質層の機械的強度が向上し、発電セルの耐割れ性が向上すると共に、この凸部により電極層の熱収縮に伴う応力が緩和されることになり、電極層の耐剥離性が向上する。
【００１２】
特に、請求項２に記載のように、区画形状を格子状または六角形状にすることにより、固体電解質層の全面が均等に補強されるため、固体電解質層の機械的強度はさらに向上し、優れた耐割れ性が得られるようになる。
【００１３】
また、請求項３に記載のように、凸部によって電極層が複数の小エリアに区画されることにより、電極層の熱収縮に伴う応力が各区画に分散されるため、電極層の耐剥離性は更に向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図１〜図４に基づいて本発明の実施形態を説明する。
図１は本実施形態による平板積層型の固体酸化物形燃料電池の構成を示し、図２は本実施形態による発電セルの内部構造を示し、図３は発電セルの要部拡大を示し、図４は固体電解質層の区画形状を示している。
【００１５】
先ず、図１に基づいて本発明が適用された固体酸化物形燃料電池１の構成を説明する。
図１に示すように、固体酸化物形燃料電池１は、固体電解質層２の両面に燃料極層４と空気極層３を配した発電セル５と、燃料極層４の外側に配した燃料極集電体７と、空気極層３の外側に配した空気極集電体６と各集電体６、７の外側のセパレータ８を順番に繰り返し積層することにより構成されている。
【００１６】
固体電解質層２は、Ｃｏ添加ランタンガレート（ＬＳＧＭＣ）等で構成され、空気極層３は、Ｓｍ0.5Ｓｒ0.5ＣｏＯ3（ＳＳＣ）等で構成され、燃料極層４は、ＮｉとＣｅ0.8Ｓｍ0.2Ｏ2（ＳＤＣ：サマリウム添加セリア）の混合物等で構成され、空気極集電体６は、Ａｇ等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、燃料極集電体７は、Ｎｉ等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、セパレータ８は、ステンレス等で構成されている。
また、セパレータ８は、発電セル５間を電気的に接続すると共に、発電セル５に対して反応用ガスを供給する機能を有し、内部に燃料ガスを燃料極集電体７に誘導する燃料ガス通路（図示せず）と、酸化剤ガスを空気極集電体６に誘導する酸化剤ガス通路（図示せず）を有する。
【００１７】
ところで、上述の固体電解質層２は、図２に示すように、燃料極層４と接する面に線状の凸部１０が複数形成されており、これら線状の凸部１０により固体電解質層２の一方の面の全面が複数に小区画化された状態となっている。
本実施形態では、これら凸部１０による区画形状を、図４（ａ）に示すような格子状、或いは、図４（ｂ）に示すような多数の六角形状としている。
【００１８】
これらは、何れも、固体電解質層２を形成する際に、ドクターブレード法等により薄板状に成形された厚さ約２００μｍ程のグリーンシートの片面上に、例えば、スクリーン印刷等により電解質材料と同じ材料を塗布することにより簡単に形成することができる。
また、区画形状は、印刷に使用するスクリーンパターンの穴形を変えることで自由に設定することが可能であり、形成される凸部１０の幅は０．１ｍｍ程、高さは２０μｍ程である。
【００１９】
また、この固体電解質層２の凸部１０形成面に燃料極層４を形成する場合、図３（ａ）に示すように、凸部１０の頂部１０ａにも燃料極層４を形成するようにしても良く、或いは、図３（ｂ）に示すように、凸部１０の頂部１０ａが露出するように燃料極層４を形成しても良い。後者の場合には、凸部１０によって燃料極層４が複数に小区画化されることになる。
【００２０】
以上のように、本実施形態では、固体電解質層２の全面に線状の凸部１０を形成することにより、固体電解質層２の機械的強度が向上し、熱応力に対する発電セル５の耐割れ性が向上する。この場合、凸部１０による区画形状を、図４に示すように、格子状または六角形状にすると、固体電解質層２の全面が均等に補強されるようになるため、固体電解質層２の機械的強度は更に向上し、優れた耐割れ性が得られるようになる。
【００２１】
また、上記に加え、発電時の燃料極層４の熱収縮に伴う応力が凸部１０を形成することにより緩和されるため、燃料極層４の耐剥離性が向上する。
特に、図３（ｂ）のように、凸部１０の形成によって燃料極層４が複数の小エリアに区画されている場合は、燃料極層４に加わる応力は各区画に分散され、各区画に加わる応力は小さいものとなるため、燃料極層４の耐剥離性は更に向上する。
【００２２】
また、固体電解質層２の材料であるＬＳＧＭＣと燃料極層４の材料であるＳＤＣとは、密着性において相性が良いため、これらの組み合わせが電極剥離の防止に対して有利に作用する。
【００２３】
このように、本実施形態によれば、長時間運転時の熱サイクルにおいて発電セル５の割れや燃料極層４の剥離を防止し、安定した発電性能を維持できる固体酸化物形燃料電池を実現することができる。
【００２４】
また、本実施形態では、固体電解質層２の燃料極層４側の面にのみ凸部１０を形成したが、空気極層３側の面、或いは固体電解質層２の両面に設けることも勿論可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明に係る平板積層型の固体酸化物形燃料電池の構成を示す分解斜視図。
【図２】本発明に係る発電セルの内部構造を示す断面図。
【図３】図２の発電セルの要部拡大を示す断面図。
【図４】固体電解質層の区画形状を示す平面図。
【符号の説明】
【００２６】
１  固体酸化物形燃料電池
２  固体電解質層
３  空気極層
４  燃料極層
５  発電セル
１０  凸部
【図１】
2008218275.tif 000003
【図２】
2008218275.tif 000004
【図３】
2008218275.tif 000005
【図４】
2008218275.tif 000006