(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質層と、前記固体電解質層の一方の側に形成されてなる燃料極と、前記固体電解質層の他方の側に形成されてなる空気極とを有する固体酸化物形電気化学セルであって、
前記燃料極は、酸化ニッケルと（ＳｒｘＬａｙ）αＴｉＯ３−δ（ここで、ｘは０．６〜０．９、ｙは０．１〜０．４、αは０．９５〜１．０５である。）とを含有し、
前記固体電解質層は、Ｌａ０．９Ｓｒ０．１Ｇａ０．８Ｍｇ０．２Ｏ３−δを含有し、
前記固体電解質層の切断面において、前記固体電解質層と前記燃料極との界面を示す線分上の任意の３点からそれぞれ前記線分に直交する方向に５μｍ、１０μｍ、及び１５μｍの距離の点をエネルギー分散型Ｘ線分析により点分析し、各分析点において検出された全元素の合計物質量に対するＣａ及びＳｒの合計物質量の割合を元素濃度とすると、各分析点の前記元素濃度の標準偏差が２．０以下であることを特徴とする固体酸化物形電気化学セル。
【請求項２】
請求項１に記載の固体酸化物形電気化学セルを有することを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の固体酸化物形電気化学セルを有することを特徴とする高温水蒸気分解装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物形電気化学セル、固体酸化物形燃料電池、及び高温水蒸気電気分解装置に関し、さらに詳しくは、固体電解質層から燃料極への元素拡散による固体電解質層における組成ずれを抑制することにより高い性能を有する固体酸化物形電気化学セル、並びに前記固体酸化物形電気化学セルを備えた固体酸化物形燃料電池及び高温水蒸気電気分解装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素と酸素とを用いて発電することのできる固体酸化物形燃料電池、又は水を分解して水素と酸素とを発生させる高温水蒸気電気分解装置を構成する部材として、固体酸化物形電気化学セルが用いられる。固体酸化物形電気化学セルは、酸素極と固体電解質層と燃料極とを有する。固体電解質層は、高性能を目論んでペロブスカイト型酸化物からなることがある。燃料極は、通常、触媒機能及び電子伝導性等を得るためにＮｉを含有する。
【０００３】
固体酸化物形電気化学セルを作製する際には、固体電解質層の焼成前駆体と、燃料極の焼成前駆体とを、積層した後に焼成する方法が用いられることがある。焼成の過程において、燃料極の焼成前駆体に含有されるＮｉ等が、固体電解質層の焼成前駆体へと拡散する。Ｎｉ等が固体電解質層へと深く拡散及び進入した場合、固体電解質層の燃料極から空気極までの電子伝導パスが形成され、空気極と燃料極との間における電気的な内部短絡が起こり、固体酸化物形電気化学セルの起電力低下や性能低下等を引き起こすことがある。
【０００４】
従来、燃料極におけるＮｉが固体電解質層側へと拡散することを抑制する技術が知られている。例えば、特許文献１には、「前記燃料極は、Ｎｉ及びＮｉＯの少なくとも一方を含み、前記固体電解質層は、Ｌａ及びＧａを少なくとも含むペロブスカイト型複合酸化物とＭｇＯとを含み、前記固体電解質層において前記ＭｇＯは粒子状のＭｇＯ粒子となって前記一側面側に偏在することを特徴とする固体酸化物形燃料電池」（特許文献１の請求項１参照）が開示されている。特許文献１に開示された発明によると、固体電解質層の燃料極側に偏在するＭｇＯとＮｉとが反応することにより、Ｎｉが固体電解質層におけるペロブスカイト型酸化物と反応することを抑制することができる（特許文献１の０００９欄等）。
【０００５】
また、特許文献２には、「電解質層と燃料極層との間に設置される固体酸化物形燃料電池セル用中間層であって、前記固体酸化物形燃料電池セル用中間層は、ランタンをドープしたセリアに酸化チタンを添加してなる固体酸化物形燃料電池セル用中間層前駆体を焼結することによって形成されたものである、固体酸化物形燃料電池セル用中間層」（特許文献２の請求項１参照）が開示されている。特許文献２に開示された発明によると、ランタンをドープしたセリアに酸化チタンを添加することで、焼結性の向上をはかり、緻密な中間層を形成し、Ｎｉが固体電解質層におけるペロブスカイト型酸化物と反応することを抑制することができる（特許文献２の０００４欄及び００２６欄等）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１２−１５６００７号公報
【特許文献２】特開２０１４−６３５９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
このように、これまで、燃料極中のＮｉが固体電解質層へ拡散することを抑制する技術は盛んに開発されてきた。しかしながら、固体電解質層から燃料極への元素拡散を抑制する技術は知られていない。
【０００８】
固体酸化物形電気化学セルを作製するために、固体電解質層の焼成前駆体と燃料極の焼成前駆体とを積層した後に焼成する過程において、固体電解質層に含まれる元素が燃料極の焼成前駆体へと拡散することで、固体電解質層を形成するペロブスカイト型酸化物ａの組成がずれる。ペロブスカイト型酸化物ａが組成ずれを起こすことにより、固体電解質層における酸化物イオンの伝導率が低下し、固体酸化物形電気化学セルの性能低下を引き起こすことがある。すなわち、所望の性能を有する固体電解質層を形成するために所定の組成比で材料を配合したにもかかわらず、焼成の過程において固体電解質層に含まれる元素が燃料極の焼成前駆体へと拡散すると、想定した組成比を有するペロブスカイト型酸化物ａが得られなかったり別の酸化物が形成されたりすることで性能低下を引き起こすことがある。したがって、固体電解質層から燃料極への元素拡散を抑制することは、高性能な固体酸化物形電気化学セルを得るために必要不可欠な技術である。
【０００９】
本発明の課題は、固体電解質層から燃料極への元素拡散による固体電解質層の組成ずれを抑制することにより、高性能な固体酸化物形電気化学セルを提供することである。
本発明の別の課題は、固体電解質層から燃料極への元素拡散による固体電解質層の組成ずれを抑制することにより、発電能力に優れた固体酸化物形燃料電池を提供することである。
本発明のまた別の課題は、固体電解質層から燃料極への元素拡散による固体電解質層の組成ずれを抑制することにより、水の分解能力に優れた高温水蒸気電気分解装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記課題を解決するための手段は、
（１）  固体電解質層と、前記固体電解質層の一方の側に形成されてなる燃料極と、前記固体電解質層の他方の側に形成されてなる空気極とを有する固体酸化物形電気化学セルであって、
前記燃料極は、酸化ニッケルと（ＳｒｘＬａｙ）αＴｉＯ３−δ（ここで、ｘは０．６〜０．９、ｙは０．１〜０．４、αは０．９５〜１．０５である。）とを含有し、
前記固体電解質層は、Ｌａ０．９Ｓｒ０．１Ｇａ０．８Ｍｇ０．２Ｏ３−δを含有し、
前記固体電解質層の切断面において、前記固体電解質層と前記燃料極との界面を示す線分上の任意の３点からそれぞれ前記線分に直交する方向に５μｍ、１０μｍ、及び１５μｍの距離の点をエネルギー分散型Ｘ線分析により点分析し、各分析点において検出された全元素の合計物質量に対するＣａ及びＳｒの合計物質量の割合を元素濃度とすると、各分析点の前記元素濃度の標準偏差が２．０以下であることを特徴とする固体酸化物形電気化学セルである。
【００１１】
前記（１）の固体酸化物形電気化学セルの好ましい態様は、以下の通りである。
（２）前記（１）に記載の固体酸化物形電気化学セルにおいて、前記固体電解質層の厚さは、２０μｍ以上１００μｍ以下である。
【００１２】
前記別の課題を解決するための手段は、
（３）前記（１）又は（２）に記載の固体酸化物形電気化学セルを有することを特徴とする固体酸化物形燃料電池である。
【００１３】
前記別の課題を解決するための手段は、
（４）前記（１）又は（２）に記載の固体酸化物形電気化学セルを有することを特徴とする高温水蒸気分解装置である。
【発明の効果】
【００１４】
（１）Ｌａ及びＧａを含有し、かつＣａ及びＳｒの少なくとも一つを含有するペロブスカイト型酸化物ａは、酸化物イオンの伝導性を有する固体電解質材料である。一方で、固体電解質層及び燃料極を形成する材料の成形体を積層して焼成する際に、前記固体電解質層におけるＣａ及びＳｒは燃料極へと拡散し易い。Ｃａ及びＳｒが拡散すると、固体電解質層を形成するペロブスカイト型酸化物ａの想定していた組成比からずれてしまい、固体電解質層における酸化物イオンの伝導率が低下し、固体酸化物形燃料電池セルの性能が低下する。しかしながら、この発明によると、固体電解質層と燃料極との界面から固体電解質層に向かって所定の距離において点分析をし、各分析点におけるＣａ及びＳｒの元素濃度の標準偏差が２．０以下であるので、固体電解質層におけるペロブスカイト型酸化物ａの組成ずれが抑制されており、その結果固体電解質層における酸化物イオン伝導率の低下が抑制され、高性能な固体酸化物形電気化学セルを提供することができる。
（２）固体電解質層の厚さが２０μｍ未満の場合、固体電解質層内で短絡し易くなり、固体酸化物形電気化学セルの性能が低下するおそれがある。また、固体電解質層の厚さが１００μｍを超える場合、固体電解質層の抵抗が大きくなることにより固体酸化物形電気化学セルの性能が低下するおそれがある。よって、固体電解質層の厚さが２０μｍ以上１００μｍ以下であると、短絡を抑制しつつ高性能な固体酸化物形電気化学セルを提供することができる。
（３）前記（３）に記載の固体酸化物形電気化学セルは、固体電解質層におけるペロブスカイト型酸化物ａに含まれるアルカリ土類金属元素の種類と燃料極に含まれるアルカリ土類金属元素の種類とが同じであるので、固体電解質層における元素組成と燃料極における元素組成とが比較的類似している。隣接する層における元素組成が類似すると、層間での元素の拡散が抑制され、固体電解質層におけるペロブスカイト型酸化物ａの組成ずれがより一層抑制される。
（４）燃料極に含有されるアルカリ土類金属元素と希土類元素との原子数比（Ｎａ：Ｎｒ）は、ペロブスカイト型酸化物ｂにおけるアルカリ土類金属元素と希土類元素との原子数の比にほぼ対応する。ペロブスカイト型酸化物ｂは、ペロブスカイト型酸化物の中でも特に電気伝導率が高く、アルカリ土類金属元素を多く含有することにより、より一層電気伝導率が高くなる。よって、前記（４）に記載の手段によると、燃料極における電気伝導性が優れることにより、高性能な固体酸化物形電気化学セルを提供することができる。
（５）ペロブスカイト型酸化物ｂがＬａを含む場合、固体電解質層におけるペロブスカイト型酸化物ａがＬａを含むので、固体電解質層における元素組成と燃料極における元素組成とがより一層類似する。よって、前記（５）に記載の手段によると、固体電解質層におけるペロブスカイト型酸化物ａの組成ずれがより一層抑制される。
（６）前記（６）に記載の一般式で示されるペロブスカイト型酸化物ａは、Ｌａ及びＧａを含有するペロブスカイト型酸化物の中でも、特に酸化物イオン伝導率が高い。よって、前記（６）に記載の手段によると、固体電解質層における酸化物イオンの伝導性に優れ、高性能な固体酸化物形電気化学セルを提供することができる。
（７）前記（７）に記載の手段によると、固体電解質層から燃料極への元素拡散による固体電解質層におけるペロブスカイト型酸化物ａの組成ずれが抑制され、発電能力に優れた固体酸化物形燃料電池を提供することができる。
（８）前記（８）に記載の手段によると、固体電解質層から燃料極への元素拡散による固体電解質層におけるペロブスカイト型酸化物ａの組成ずれが抑制され、水の分解能力に優れた高温水蒸気電気分解装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、本発明に係る固体酸化物形電気化学セルの一例を示す円筒型の固体酸化物形電気化学セルの横断面図である。
【図２】図２は、本発明に係る固体酸化物形電気化学セルを備えた固体酸化物形燃料電池スタックの一例を示す斜視図である。
【図３】図３は、図２のＡ−Ａ´断面概略図であり、固体酸化物形電気化学セルの軸線長手方向における略中央部において、固体酸化物形電気化学セルの軸線長手方向とは垂直方向に切断した際の固体酸化物形燃料電池スタックの断面概略図である。
【図４】図４は、図２に示す固体酸化物形燃料電池スタックのＢ−Ｂ´断面において、固体酸化物形電気化学セルを取り出して観察した際の断面図である。
【図５】図５は、図３に示す絶縁性多孔体の一例を示す斜視図である。
【図６】図６は、図２に示す固体酸化物形燃料電池スタックのＢ−Ｂ´断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
固体酸化物形電気化学セル（以下、「単セル」と称することがある。）は、固体電解質層と、固体電解質層の一方の側に形成されてなる燃料極と、固体電解質層の他方の側に形成されてなる空気極と、を有する。
【００１７】
固体電解質層は、燃料極と空気極との間に設けられる。固体電解質層は、ペロブスカイト型の結晶構造を有し、Ｌａ及びＧａを含有し、かつＣａ及びＳｒの少なくとも一つを含有するペロブスカイト型酸化物ａを含有する。ペロブスカイト型酸化物ａは、酸化物イオン伝導性を有する固体電解質材料である。ペロブスカイト型酸化物ａは、通常、Ａサイトに配置されるＬａの一部がＣａ及び／又はＳｒで置換される。より具体的には、ペロブスカイト型酸化物ａは、Ｌａの一部がＣａのみで置換されていてもよいし、Ｓｒのみで置換されていてもよいし、ＣａとＳｒとの両方によって置換されていてもよい。ペロブスカイト型酸化物ａに含まれるＣａ及び／又はＳｒによる置換率は特に制限されないが、例えば、ペロブスカイト型の結晶構造におけるＡサイトの原子数（例えば、Ｌａの原子数とＳｒの原子数との合計）を１としたときに、０．０５以上０．２以下の原子数のＬａがＳｒに置換されているのが好ましい。また、ペロブスカイト型酸化物ａの好適例として、以下の一般式（Ｉ）で示されるペロブスカイト型酸化物を挙げることができる。
（Ｌａ１−αＡα）（Ｇａ１−βＭｇβ）Ｏ３−δ（元素ＡはＣａ及びＳｒの少なくとも一方、０．０５≦α≦０．２、０．０５≦β≦０．３）・・・一般式（Ｉ）
一般式（Ｉ）で示されるペロブスカイト型酸化物ａは、ペロブスカイト型酸化物ａの中でも、特に酸化物イオンの伝導率が高いので、固体電解質層が一般式（Ｉ）で示されるペロブスカイト型酸化物ａを含有すると、固体電解質層における酸化物イオンの伝導率が高く、高性能な固体酸化物形電気化学セルを提供することができる。
【００１８】
固体電解質層は、その切断面において、固体電解質層と燃料極との界面を示す線分上の任意の３点からそれぞれ前記線分に直交する方向に５μｍ、１０μｍ、及び１５μｍの距離の点をエネルギー分散型Ｘ線分析により点分析し、各分析点において検出された全元素の合計物質量に対するＣａ及びＳｒの合計物質量の割合を元素濃度とすると、各分析点の前記元素濃度の標準偏差が２．０以下である。
【００１９】
ペロブスカイト型酸化物ａは、酸化物イオンの伝導性を有する固体電解質材料である。一方で、固体電解質層及び燃料極を形成する材料の成形体を積層して焼成する際に、前記固体電解質層におけるＣａ及びＳｒは燃料極へと拡散し易い。Ｃａ及びＳｒが拡散すると、固体電解質層を形成するペロブスカイト型酸化物ａの想定していた組成比からずれてしまい、固体電解質層における酸化物イオンの伝導率が低下し、固体酸化物形燃料電池セルの性能が低下することがある。しかしながら、この発明によると、固体電解質層と燃料極との界面から固体電解質層の方向に向かって所定の距離において点分析をしたときの、各分析点におけるＣａ及びＳｒの元素濃度の標準偏差が２．０以下であるので、ペロブスカイト型酸化物ａの組成ずれが抑制されており、その結果固体電解質層における酸化物イオン伝導率の低下が抑制され、高性能な固体酸化物形電気化学セルを提供することができる。
【００２０】
前記点分析は、具体的には次のようにして行う。まず、単セルをエポキシ樹脂に埋め込み、固化した後、燃料極と固体電解質層と空気極との配列方向に切断して切断面を鏡面状に研磨する。その後、観察面にカーボン蒸着を施し、走査型顕微鏡（ＳＥＭ）又は透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）等に付属されているエネルギー分散型Ｘ線分析装置（ＥＤＳ）にて所定の位置において点分析を行う。点分析は、スポット径１μｍ、加速電圧１５ｋＶで行う。
【００２１】
固体電解質層の厚さは、２０μｍ以上１００μｍ以下であるのが好ましい。固体電解質層の厚さが２０μｍ未満の場合、固体電解質層内で短絡し易くなり、固体酸化物形電気化学セルの性能が低下するおそれがある。また、固体電解質層の厚さが大きくなるほど内部抵抗が大きくなり、１００μｍを超える場合、固体電解質層の抵抗が大きくなることにより固体酸化物形電気化学セルの性能が低下するおそれがある。よって、固体電解質層の厚さが２０μｍ以上１００μｍ以下であると、短絡を抑制しつつ高性能な固体酸化物形電気化学セルを提供することができる。
【００２２】
固体電解質層の厚さは、単セルを燃料極と固体電解質層と空気極とが配列されている方向に切断したときの切断面を研磨して研磨面を形成し、この研磨面において、固体電解質層と燃料極との界面と固体電解質層と空気極との界面との距離を電子顕微鏡等により複数箇所において測定し、得られた測定値の算術平均を算出することにより求めることができる。
【００２３】
燃料極は、固体電解質層の空気極が形成されている面とは反対側の面に設けられる。燃料極は、酸化還元反応についての触媒機能、電子伝導性、ガス透過性、及び高温条件下における安定性等を有する材料によって形成されていればよい。燃料極は、希土類元素のうちの少なくとも一つ、アルカリ土類金属元素のうちの少なくとも一つ、及びＴｉを含有するペロブスカイト型酸化物ｂとＮｉとを有するのが好ましい。前記ペロブスカイト型酸化物ｂは、ぺロブスカイト型の結晶構造を有する酸化物であり、電子伝導性を有する。希土類元素としては、Ｙ、Ｌａ、Ｎｄ等を挙げることができる。アルカリ土類金属元素としては、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ等を挙げることができる。燃料極がＮｉを含有すると、高い反応活性と電子伝導性とを有する燃料極を備えた高性能な固体酸化物形電気化学セルを提供することができる。燃料極は、Ｎｉを金属として含有してもよいし、２種以上の合金として含有してもよいし、Ｎｉの酸化物又は複合酸化物として含有してもよい。また、燃料極は、Ｎｉとペロブスカイト型酸化物ｂとの混合物であるサーメットにより形成されてもよい。サーメットには、必要に応じてＮｉ以外の金属を含有させてもよい。
【００２４】
燃料極におけるペロブスカイト型酸化物ｂは、アルカリ土類金属元素のうちの少なくとも一つを含有するのが好ましい。固体電解質層におけるペロブスカイト型酸化物ａは、アルカリ土類金属元素のうちの少なくともＣａ又はＳｒを含有する。ペロブスカイト型酸化物ｂとぺロブスカイト型酸化物ａとに含有されるアルカリ土類金属元素の種類の一部が同じであるのが好ましく、すべての種類が同じであることがより好ましい。ペロブスカイト型酸化物ｂとペロブスカイト型酸化物ａとに含有されるアルカリ土類金属元素の種類が同じであると、固体電解質層における元素組成と燃料極における元素組成とが比較的類似する。隣接する層における元素組成が類似すると、層間での元素の拡散が抑制され、固体電解質層におけるペロブスカイト型酸化物ａの組成ずれがより一層抑制され、高性能な固体酸化物形電気化学セルを提供することができる。
【００２５】
ペロブスカイト型酸化物ｂは、Ｌａを含むことが好ましい。ペロブスカイト型酸化物ｂがＬａを含む場合、固体電解質層におけるペロブスカイト型酸化物ａがＬａを含むので、固体電解質層における元素組成と燃料極における元素組成とがより一層類似する。よって、ペロブスカイト型酸化物ｂがＬａを含むと、層間での元素の拡散が抑制され、固体電解質層におけるペロブスカイト型酸化物ａの組成ずれがより一層抑制される。
【００２６】
燃料極に含まれる、アルカリ土類金属元素の原子数Ｎａと希土類元素の原子数Ｎｒとの比（Ｎａ：Ｎｒ）が、６：４〜９．５：０．５の範囲にあるのが好ましい。燃料極に含有されるアルカリ土類金属元素と希土類元素との原子数比（Ｎａ：Ｎｒ）は、ペロブスカイト型酸化物ｂにおけるアルカリ土類金属元素と希土類元素との原子数の比にほぼ対応する。ペロブスカイト型酸化物ｂは、ペロブスカイト型酸化物の中でも特に電気伝導性に優れ、アルカリ土類金属元素を多く含有することにより、電気伝導性により一層優れる。よって、前記比（Ｎａ：Ｎｒ）が、６：４〜９．５：０．５の範囲にあると、燃料極における電気伝導性が優れることにより、高性能な固体酸化物形電気化学セルを提供することができる。
【００２７】
固体電解質層がペロブスカイト型酸化物ａを有すること及び燃料極がペロブスカイト型酸化物ｂを有することは、燃料極と固体電解質層と空気極との配列方向に切断したときの切断面において、Ｘ線回折装置（ＸＲＤ）にて分析し、固体電解質層及び燃料極に含まれる物質の同定を行うことにより確認することができる。また、ペロブスカイト型酸化物ａ及びｂに含有される元素の種類、質量及び原子数比は、前記切断面における各領域の中央付近において、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）及び透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）等に付属されているエネルギー分散型Ｘ線分析装置（ＥＤＳ）を用いて元素分析を行うことにより、求めることができる。
【００２８】
空気極は、固体電解質層の燃料極が形成されている面とは反対側の面に設けられる。空気極は、触媒機能、電子伝導性、酸化物イオン伝導性、ガス透過性、及び高温条件下における安定性等を有する材料によって形成されていればよい。空気極を形成する材料として、例えば、Ｌａ１−ｘＳｒｘＣｏｙＦｅ１−ｙＯ３−δ（０＜ｘ＜０．５、０＜ｙ＜０．４）、Ｌａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３−δ（０＜ｘ＜０．３）、Ｌａ１−ｘＳｒｘＣｏＯ３−δ（０＜ｘ＜０．５）、Ｓｍ１−ｘＳｒｘＣｏＯ３−δ（０＜ｘ＜０．６）、Ｂａ１−ｘＬａｘＣｏＯ３−δ（０＜ｘ＜０．８）（以下、「ＢＬＣ」と称されることがある。）等を挙げることができる。また、空気極には必要に応じてその他の材料が含有されてもよい。
【００２９】
次に、図面を用いて、本発明に係る単セルの一例について説明する。
【００３０】
図１に示すように、この実施形態の単セル１は筒状である。単セル１は、筒状体の軸線長手方向に垂直な平面で切断したときの断面形状が円形である。単セル１の断面形状において、半径方向における最も内側には、円筒形状の燃料極３が設けられる。燃料極３の前記半径方向における外側には、それぞれ同心円状に、円筒形状の固体電解質層２、及び円筒形状の空気極４がこの順に設けられる。単セル１において、燃料極３の外側面と固体電解質層２の内側面とが面接合し、固体電解質層２の外側面と空気極４の内側面とが面接合する。燃料極３は、単セル１におけるその他の層よりも、半径方向において肉厚の形状に形成され、単セル１を機械的に支持する支持体としての機能を有する。
なお、筒型の単セルの断面形状は、円形に制限されず、楕円形、多角形等であってもよい。また、本発明における単セルの形状は筒型には制限されず、平板型であってもよい。平板型の単セルは、板状の固体電解質層の一方の面に燃料極が設けられ、燃料極が設けられている面の反対側の面に空気極が設けられる。
【００３１】
次に、本発明に係る単セルの製造方法の一例について説明する。
【００３２】
（１）燃料極成形体の作製
酸化ニッケルの粉末と、希土類元素、アルカリ土類金属元素、及びＴｉを含有するペロブスカイト型酸化物ｂの粉末又は焼成により前記ペロブスカイト型酸化物ｂが形成されるように配合された各種酸化物の粉末の混合物との混合粉末に、バインダー及び造孔材の粉末を加え、十分に混合した後に、水を添加することにより粘土状の混合物を得る。この粘土状の混合物を押出成形機に投入し、所定の形状に形成することにより、燃料極成形体が得られる。
【００３３】
このとき、ペロブスカイト型酸化物ｂを形成する材料において、Ｔｉの原子数Ｎｔに対する、燃料極に含まれる希土類元素及びアルカリ土類金属元素の合計原子数Ｎｒａの比（Ｎｒａ／Ｎｔ）が、０．９より大きく１．１より小さいことが好ましい。前記比（Ｎｒａ／Ｎｔ）が、０．９より大きく１．１より小さいと、形成された固体電解質層の断面において、固体電解質層と燃料極との界面から所定の距離において点分析をしたときの、各分析点におけるＣａ及びＳｒの元素濃度の標準偏差が２．０以下となるように容易に調製することができる。
【００３４】
（２）固体電解質層形成用スラリーの作製
ペロブスカイト型酸化物ａの粉末又は焼成によりペロブスカイト型酸化物ａが形成されるように配合された各種酸化物の粉末の混合物に、ポリビニルブチラール等に代表されるバインダー、分散剤、可塑剤、及び溶媒を混合し、固体電解質層形成用スラリーが得られる。
【００３５】
（３）電解質層成形体の作製
次に、前記燃料極成形体の表面を必要に応じてマスキングした後に、固体電解質層形成用スラリーに燃料極成形体を浸漬させ、ゆっくりと引き上げることにより、燃料極成形体の表面に固体電解質層前駆体の被膜が形成された電解質層成形体が得られる。
【００３６】
（４）同時焼成体の作製
その後、電解質層成形体を、約１３５０℃の条件下で、固体電解質層前駆体被膜及び燃料極成形体を同時焼成する。焼成後に、固体電解質層及び燃料極からなる同時焼成体が得られる。
【００３７】
電解質層成形体を同時焼成する際に、固体電解質層に含有されるＣａ及びＳｒ等の元素が燃料極に向かって拡散する。しかしながら、この発明の単セルは、固体電解質層の断面において、固体電解質層と燃料極との界面から所定の距離において点分析をしたときの、各分析点におけるＣａ及びＳｒの元素濃度の標準偏差が２．０以下であるので、固体電解質層におけるペロブスカイト型酸化物ａの組成ずれが抑制される。
【００３８】
（５）空気極形成用スラリーの作製
ＢＬＣ等の空気極を形成する材料に、必要に応じてＧＤＣ等の他の粉末を混合し、バインダー、分散剤、可塑剤、及び溶媒を混合し、空気極形成用スラリーを作製する。
【００３９】
（６）空気極成形体の作製
前記同時焼成体の表面を必要に応じてマスキングした後に、この同時焼成体を前記空気極形成用スラリーに浸漬させ、その後ゆっくりと引き上げることにより、同時焼成体における固体電解質層の表面に空気極前駆体の被膜が形成された空気極成形体が得られる。
【００４０】
（７）空気極の作製
その後、空気極成形体を、約１０００℃の条件下で、空気極前駆体の被膜を焼き付けることにより、空気極が形成される。これにより、空気極、固体電解質層、及び燃料極を有する単セルが得られる。
【００４１】
なお、ペロブスカイト型酸化物ａの粉末が、前記一般式（Ｉ）に示されるペロブスカイト型酸化物である場合、又は焼成により一般式（Ｉ）に示されるペロブスカイト型酸化物ａが形成されるように配合された各種酸化物の粉末の混合物である場合には、酸化物イオン伝導率が高くなるので、高性能な固体酸化物形電気化学セルを提供することができる。また、ペロブスカイト型酸化物ｂの粉末が、ペロブスカイト型酸化物ａの粉末に含有されるアルカリ土類金属元素と同じ種類のアルカリ土類金属元素を含む場合には、形成される燃料極と固体電解質層との元素組成比が比較的類似し、さらにペロブスカイト型酸化物ｂの粉末がＬａを含む場合には、元素組成がより類似しているので、燃料極及び固体電解質層相互の元素の拡散が抑制され、固体電解質層におけるペロブスカイト型酸化物ａの組成ずれをより一層抑制することができる。
【００４２】
次に、この発明の固体酸化物形燃料電池の一例について説明する。
【００４３】
図２に示すように、この実施形態の固体酸化物形燃料電池スタック３１（以下、単に「燃料電池スタック」と称することがある。）は、直方体形状のブロックであり、この燃料電池スタック３１では、多数の円筒形状の単セル１が軸方向に平行となるように配置される。例えば、図２では、単セル１が水平方向に３本、垂直方向に８本配置されている。図３に示すように、水平方向に並んだ３本の単セル１と絶縁性多孔体３４と導電性集積用材料からなる導電性集積用材料層３５の一部とによって、リアクターセル層状部４３が形成される。また、単セル１の軸線方向の両側には、ガスのリークを防止するガスシール層３３が形成される。
【００４４】
図３に示されるように、前記リアクターセル層状部４３は、図の上下方向に平行に複数形成される。図３のリアクターセル層状部４３における単セル１は、その周囲に配置された導電性集積用材料層３５により電気的に接続されるとともに一体化される。また、導電性集積用材料層３５は、絶縁性多孔体層３４を間に挟みながら、上下方向に複数配置される。
【００４５】
図２及び図３に示されるように、単セル１は、細径及び長尺の円筒型の部材であり、中心部において燃料ガスが流される燃料ガス導通孔３９が形成される。単セル１の断面形状における大きさは、特に制限されず、例えば、０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下の外径を有する円形であればよい。
【００４６】
単セル１の一端部、例えば図４に示される単セル１の右側では、燃料極３が露出するまで固体電解質層２の一部が帯状に除去されている。この固体電解質層２が除去された部分には、燃料極３の露出部分を覆うように、金属シール層４１が形成される。この金属シール層４１は、ガスの流通を阻止するとともに燃料極３の集電用端子となる緻密な金属層であり、導電性シール材料によって帯状に形成される。
【００４７】
図５に示されるように、絶縁性多孔体３４は、空気の流通が可能な板状の多孔質のセラミック部材である。この絶縁性多孔体３４の上面には、単セル１が嵌め込まれる多数の配列溝２５が平行に形成され、その下面には、他の絶縁性多孔体３４の配列溝２５に嵌り込んで位置決めする位置決め用凸部２７が形成される。また、各配列溝２５には、絶縁性多孔体の上下面を貫いて電気を導通するために、図６で示される電気接続パス４２が設けられる連通孔３２が形成される。なお、燃料電池スタック３１の最上層の絶縁性多孔体３４には配列溝２５はなく、最下層の絶縁性多孔体３４には位置決め用凸部２７はない。
【００４８】
図２における矢印ＦＧで示されるように、燃料電池スタック３１を用いて固体酸化物形燃料電池の発電を行う際には、燃料ガス導通孔３９の内部を、水素を含む燃料ガスが導通する。燃料ガス導通孔３９において、燃料ガスは燃料極３と接触し、燃料ガス中の水素が固体電解質層から運ばれてくる酸化物イオンと反応し、水が発生する。また、図２における矢印ＡＧで示されるように、燃料電池スタック３１による発電時には、絶縁性多孔体３４の外部から、単セル１の積層方向とは垂直な方向に、酸素を含む空気ガスが供給される。空気ガスは、絶縁性多孔体３４、及び導電性集積用材料層３５を透過して空気極４と接触する。空気極４において、酸素ガスに含まれる酸素分子から酸化物イオンが発生する。
【００４９】
図６に示されるように、燃料電池スタック３１は、同図上側が負極であり、下側が正極となるように、リアクターセル層状部４３が上下方向に組み付けられる。具体的に、単セル１は、絶縁性多孔体３４の配列溝２５の中に収容されるとともに、その周囲には導電性集積用材料層３５が形成され、更に、導電性集積用材料層３５は、絶縁性材料層４０により図６における左右方向に分離されている。図６の左方向には、第１導電性集積用材料層３５ａが形成され、図６の右方向には、第２導電性集積用材料層３５ｂが形成される。
【００５０】
図６に示されるように、導電性集積用材料層３５は、金属シール層４１の周囲に配置されて、金属シール層４１と他の絶縁性多孔体３４の電気接続パス４２とを電気的に接続している。図６の左側に配置された第１導電性集積用材料層３５ａは、空気極４の周囲に配置され、図６の単セル１の下方向において空気極４と他の絶縁性多孔体３４における電気接続パス４２とを電気的に接続している。図６における矢印で示されるように、それぞれの単セル１において燃料極３から空気極４へと電子が伝達され、さらに電気接続パス４２を通って隣り合う単セル１へと電子が流れることになる。
【００５１】
本発明に係る固体酸化物形燃料電池として、前述の燃料電池スタック３１を用いることができる。より具体的には、燃料電池スタック３１の正極側と負極側には集電部材が設けられ、集電部材に接続された導線等を通して、外部へと電力が取り出される。また、複数の燃料電池スタック３１を所定方向に配列することにより電気的に接続した固体酸化物形燃料電池モジュールを、本発明に係る固体酸化物形燃料電池として用いることもできる。
【００５２】
前述したように、本発明の単セルは、固体電解質層の断面において、固体電解質層と燃料極との界面を示す線分から所定の距離において点分析をしたときの、各分析点におけるＣａ及びＳｒの元素濃度の標準偏差が２．０以下であり、固体電解質層におけるペロブスカイト型酸化物ａの組成ずれが抑制される。したがって、本発明における単セルを有する燃料電池スタックは発電性能が高い。
【００５３】
次に、燃料電池スタック３１の製造方法の一例について説明する。
【００５４】
（１）絶縁性多孔体３４の作製
例えば、酸化マグネシウム粉末と、セルロース系バインダーと、造孔材とを混ぜ、水を加えて混合して粘土状体を得る。この粘土状体を押出成形機に投入し、絶縁性多孔体３４において配列溝や位置決め凸部２７となる部分が形成されるようにシートを成形する。このシートを約１５００℃の温度で焼成を行った後に、所定の寸法に切断し、連通孔を開けることによって、燃料電池スタック３１を作製するのに適した形状の絶縁性多孔体３４が形成される。
【００５５】
（２）導電性集積用材料層成形用ペーストの作製
例えば、ＬＳＣＦ粉末、α−テルピネオール、及びアミン系分散剤を混合することにより導電性集積用材料層成形用ペーストが得られる。
【００５６】
（３）絶縁性材料層成形用ペーストの作製
例えば、酸化マグネシウム、α−テルピネオール、及びアミン系分散剤を混合することにより絶縁性材料層成形用ペーストが得られる。
【００５７】
（４）燃料電池スタック３１の組立
絶縁性多孔体３４における所定の位置に、絶縁性材料層成形用ペーストを塗布する。次に、絶縁性材料層成形用ペーストの表面における所定の位置に、導電性材料層成形用ペーストを塗布する。さらに、絶縁性多孔体３４の配列溝２５に、単セル１を配置する。具体的には、単セル１には所定の位置に金属シール層４１を設けておき、この金属シール層４１の位置と絶縁性多孔体３４における連通孔３２の位置とが対応するように、単セル１を配置すればよい。単セル１が埋め込まれた絶縁性多孔体３４同士を、多数積層することにより積層体が得られる。この積層体を、大気中において約１０００℃で２時間焼成することにより、スタック体が得られる。
【００５８】
（５）ガスシール層３３の形成
例えば、軟化点が７００℃であり、平均粒子径が４μｍのＢａ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｓｉ、及びＡｌを含むガラス粉末に、ポリビニルブチラール、アミン系分散剤、及び可塑剤を適量添加し、エタノールとトルエンを溶媒としてスラリーが得られる。得られたスラリーを用いて、ドクターブレード法により厚さ約３００μｍのガラスシートを成形する。このガラスシートに、打ち抜き加工を行い、単セルが貫挿される多数の貫通孔が形成される。
【００５９】
また、前記ガラス粉末と、所定量、例えばガラスに対して１０体積％の前記マグネシア粉末とに、エチルセルロース、アミン系分散剤を適量添加し、ブチルカルビトールを溶媒としてペーストを作製する。このペーストを、前記ガラスシートの一方の平面に塗布し、ペースト層が形成される。このペースト層を備えたガラスシートを、ペースト層をスタック体側に向けながら、貫通孔に単セルを通して、スタック体の端面に接合させる。その後、このスタック体をガラスの軟化点よりも高い温度で約２時間程度加熱し、ペースト層を軟化させて、ガラスシートをスタック体に強固に接合させることにより、スタック体の端面にガスシール層が接合された燃料電池スタック３１が得られる。
【００６０】
次に、この発明の高温水蒸気分解装置の一例について説明する。
【００６１】
本発明の固体酸化物形燃料電池において、電池の発電時とは逆方向に電流を通電可能な外部電源を、燃料電池の正極及び燃料電池の負極に接続することによって、高温水蒸気電気分解装置が得られ、それぞれ陽極及び陰極として機能する。高温水蒸気電気分解装置では、約９００℃前後の高温条件下において、水蒸気を吹き込みながら外部電源によって燃料極及び空気極に通電することにより、水分子が分解される。具体的には、燃料極において水分子由来の水素ガスが取り出され、空気極において水分子由来の酸素ガスが取り出される。
【００６２】
本発明に係る高温水蒸気電気分解装置は、固体電解質層の断面において、固体電解質層と燃料極との界面を示す線分から所定の距離において点分析をしたときの、各分析点におけるＣａ及びＳｒの元素濃度の標準偏差が２．０以下であり、固体電解質層におけるペロブスカイト型酸化物ａの組成ずれが抑制された単セルを有する。したがって、本発明における単セルを有する高温水蒸気電気分解装置は、水蒸気の分解能に優れる。
【実施例】
【００６３】
（実施例１）
＜試験体の作製＞
酸化ニッケルと表１に示す種々の組成を有するペロブスカイト型酸化物ｂ （ＳｒｘＬａｙ）αＴｉＯ３−δ（以下、「ＳＬＴ」と称することがある。）との混合粉末を、製造後の燃料極が還元された状態においてＮｉ：ＳＬＴ＝５０：５０（体積％）の比率となるように、酸化ニッケルとＳＬＴとを秤量し、混合することにより作製した。この秤量した混合粉末と、セルロース系バインダーとを十分に混合した後、水を添加して粘土体を得た。粘土体を、押出成形機に投入して、外径２．５ｍｍの円筒状の燃料極成形体を作製した。
【００６４】
一方、固体電解質層を形成するために、ペロブスカイト型酸化物ａ Ｌａ０．９Ｓｒ０．１Ｇａ０．８Ｍｇ０．２Ｏ３−δ（以下、「ＬＳＧＭ」と称することがある。）の粉末と、ポリビニルブチラールと、アミン系分散剤と、可塑剤とを、メチルエチルケトン及びエタノールを溶媒として混合し、固体電解質層形成用スラリーを作製した。
【００６５】
前記燃料極成形体を所定の長さに切断し、固体電解質層を形成しない位置にマスキングを行った後、固体電解質層形成用スラリーに浸漬し、ゆっくりと引き上げることにより、燃料極成形体の表面に固体電解質層前駆体の被膜を形成した。その後、１３５０℃にて、燃料極成形体及び固体電解質層前駆体の被膜を同時焼成することにより、燃料極及び固体電解質層からなる同時焼成体を得た。
【００６６】
＜固体電解質層におけるＳｒ濃度の標準偏差＞
同時焼成体を所定の長さに切断し、エポキシ樹脂に埋め込み、固化した後、同時焼成体の断面が観察できるように切断して、鏡面状に研磨した。その後、カーボン蒸着を観察面に行った後、エネルギー分散型Ｘ線分析を搭載した走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ−ＥＤＳと称されることがある。）にて、画像取得及び点分析を行った。点分析は、スポット径１μｍ、加速電圧１５ｋＶにて行った。また、点分析は、燃料極と固体電解質層との界面を示す線分上の任意の３点からそれぞれ前記線分に直交する方向であって固体電解質層に向かう方向に５μｍ、１０μｍ、１５μｍの距離の合計９点について、行った。各分析点において検出された全元素の合計物質量に対するＳｒの物質量の割合をＳｒ濃度として求め、各分析点の「Ｓｒ濃度の標準偏差」を算出した。結果を表１に示す。
【００６７】
＜固体電解質層の厚さ＞
固体電解質層の厚さは、前記研磨面において、固体電解質層と燃料極との界面と、固体電解質層の表面との距離を、電子顕微鏡により複数箇所において測定し、得られた測定値の算術平均を算出することにより求めた。結果を表１に示す。
【００６８】
＜ペロブスカイト型酸化物ａ及びｂの同定＞
前記研磨面において、固体電解質層及び燃料極それぞれについてＸ線回折装置（ＸＲＤ）にて分析したところ、ペロブスカイト型酸化物ａ及びｂが同定された。
【００６９】
＜固体電解質層中のＡサイトを占めるＳｒの割合＞
前記観察面において、燃料極と固体電解質層との界面を示す線分上の３点からそれぞれ前記線分に直交する方向であって固体電解質層に向かう方向に１０μｍの位置で、ＳＥＭ−ＥＤＳにより点分析を行った。各分析点において検出されたＡサイトに配置される全元素（Ｌａ及びＳｒ）の合計原子数に対するＳｒの原子数の割合を求め、３点の平均値を算出し、これを「Ａサイトを占めるＳｒの割合」とした。
【００７０】
＜燃料極に含まれる元素＞
前記研磨面において、燃料極の厚さ方向の中央付近をＳＥＭ−ＥＤＳにて点分析したところ、いずれの試験体もＳｒとＬａとを含み、Ｓｒの原子数ＮａとＬａの原子数Ｎｒとの比（Ｎａ：Ｎｒ）が、６：４〜９．５：０．５の範囲内にあった。
【００７１】
【表１】
0006317711.tif 000002
【００７２】
表１に示すように、固体電解質層における「Ｓｒ濃度の標準偏差」が２．０以下である実施例１〜１２の試験体は、固体電解質層におけるペロブスカイト型酸化物ａの「Ａサイトを占めるＳｒの割合」が９〜１１ａｔ％の範囲にある。固体電解質層を形成するためのペロブスカイト型酸化物ａの粉末は、ＬａとＳｒとの原子数比が０．９：０．１であることから、表１における「Ａサイトを占めるＳｒの割合」が１０ａｔ％に近いほど固体電解質層におけるペロブスカイト型酸化物ａの組成ずれが抑制されていると言える。よって、実施例１〜１２の試験体は、固体電解質層におけるペロブスカイト型酸化物ａの組成ずれが抑制されていることが分かる。
【００７３】
実施例１〜１２の試験体は、燃料極を形成するためのペロブスカイト型酸化物ｂの粉末において、Ｔｉの原子数に対するＳｒ及びＬａの合計原子数の比を示すαの値が０．９より大きく１．１より小さい。αの値が１に近いほどＡサイトの欠損が少ないことを示し、実施例１〜１２の試験体は、燃料極におけるＡサイトの欠損が少ないので、固体電解質層から燃料極へのＳｒの拡散が抑制され、固体電解質層における「Ｓｒ濃度の標準偏差」が２．０以下になっていると推測される。
【００７４】
一方、固体電解質層における「Ｓｒ濃度の標準偏差」が２．０を超える比較例１〜３の試験体は、固体電解質層におけるペロブスカイト型酸化物ａの「Ａサイトを占めるＳｒの割合」が４〜６ａｔ％であり、固体電解質層を形成するためのペロブスカイト型酸化物ａの粉末におけるＳｒ濃度に比べて固体電解質層中のＳｒ濃度が減少している。したがって、固体電解質層から燃料極にＳｒが拡散することによりペロブスカイト型酸化物ａの組成ずれが生じていることが分かる。
また、燃料極を形成するためのペロブスカイト型酸化物ｂの粉末におけるαの値が０．９０以下又は１．１０であり、Ａサイトの欠損が実施例１〜１２に比べて大きいので、固体電解質層から燃料極へＳｒが拡散され、固体電解質層における「Ｓｒ濃度の標準偏差」が２．０を超えていると推測される。
【００７５】
固体電解質層におけるペロブスカイト型酸化物ａ中のＳｒ濃度は、Ａサイトを占める割合が１０ａｔ％のときに最大であり、それより減少すると酸素イオンの伝導率が低下することが知られている（例えば、J. Am. Chem. Soc, 1994, 116, 3801-3803）。したがって、固体電解質層における「Ｓｒ濃度の標準偏差」が２．０を超えて、ペロブスカイト型酸化物ａの組成ずれが生じると、酸素イオンの伝導率が低下して高性能な固体酸化物形電気化学セルを提供することができない。一方、固体電解質層における「Ｓｒ濃度の標準偏差」が２．０以下であり、ペロブスカイト型酸化物ａの組成ずれが抑制されていると、高い酸素イオンの伝導率が得られ、高性能な固体酸化物形電気化学セルを提供することができる。
【符号の説明】
【００７６】
１        単セル
２        固体電解質層
３        燃料極
４        空気極
２５      配列溝
２７      位置決め用凸部
３１      固体酸化物形燃料電池スタック
３２      連通孔
３３      ガスシール層
３４      絶縁性多孔体
３５      導電性集積用材料層
３５ａ    第１導電性集積用材料層
３５ｂ    第２導電性集積用材料層
３９      燃料ガス導通孔
４０      絶縁性材料層
４１      金属シール層
４２      電気接続パス
４３      リアクターセル層状部
【図１】
0006317711.tif 000003
【図２】
0006317711.tif 000004
【図３】
0006317711.tif 000005
【図４】
0006317711.tif 000006
【図５】
0006317711.tif 000007
【図６】
0006317711.tif 000008