(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素分子を解離する金属と、水素イオンおよび酸化物イオンを伝導するイオン伝導体と、を含み、イオン伝導体の水素イオン輸率が０．５以上０．７５以下である、固体酸化物形燃料電池用燃料極。
【請求項２】
イオン伝導体は下記の組成式（Ｉ）で表わされ、
ＢａＣｅ1-xＳｍxＯ3-(x/2)  …（Ｉ）
組成式（Ｉ）において、ｘは０＜ｘ≦０．２を満たす実数を示すことを特徴とする、請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池用燃料極。
【請求項３】
水素分子を解離する金属は、白金、コバルトおよびニッケルからなる群から選択された少なくとも１種からなることを特徴とする、請求項１または２に記載の固体酸化物形燃料電池用燃料極。
【請求項４】
酸化物イオンを伝導する電解質上に形成されていることを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池用燃料極。
【請求項５】
電解質は下記の組成式（ＩＩ）で表わされ、
Ｌａ1-sＳｒsＧａ1-tＭｇtＯu  …（ＩＩ）
組成式（ＩＩ）において、ｓは０≦ｓ≦０．２を満たす実数を示し、ｔは０．０５≦ｔ≦０．２５を満たす実数を示し、ｕは２．７≦ｕ≦３を満たす実数を示すことを特徴とする、請求項４に記載の固体酸化物形燃料電池用燃料極。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池用燃料極を含む、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、固体酸化物形燃料電池用燃料極および固体酸化物形燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境問題および資源問題などに起因して、クリーンなエネルギ源が求められている。そのようなエネルギ源としては、たとえば燃料電池が期待されている。燃料電池は、燃料を電気化学的に酸化することによって、燃焼によって生じるはずのエネルギを熱エネルギとしてではなく電気エネルギとして取り出すことに特徴がある。
【０００３】
このような燃料電池の中でも固体酸化物形燃料電池は、約１０００℃という極めて高温で作動させるものであるため、たとえば排熱を有効利用できるなどの利点を有している。
【０００４】
図１１に、従来の固体酸化物形燃料電池の一例の模式的な構成図を示す。ここで、固体酸化物形燃料電池１１は、酸化物イオン伝導体である電解質１２の両側にそれぞれ酸素極１３および燃料極１４を配置してなる構造を有している。そして、酸素極１３側に酸素または空気を導入し、燃料極１４側に水素を導入して、約１０００℃で固体酸化物形燃料電池１１を作動させる。すると、酸素極１３では（１／２）Ｏ2＋２ｅ-→Ｏ2-の反応によって酸化物イオン（Ｏ2-）が生じ、酸化物イオン（Ｏ2-）は電解質１２を伝導して燃料極１４に向かって移動する。そして、酸化物イオン（Ｏ2-）が燃料極１４に到達すると、Ｈ2＋Ｏ2-→Ｈ2Ｏ＋２ｅ-の反応によって電子（ｅ-）が放出されて水（Ｈ2Ｏ）が生じ、電子（ｅ-）は外部回路を通って酸素極１３に流れる。
【０００５】
図１２に、図１１に示す固体酸化物形燃料電池の作動時における燃料極の挙動を図解する模式的な拡大概念図を示す。図１２において、燃料極１４はニッケル１５とジルコニア１６とのサーメットからなっており、電解質１２はジルコニアにイットリウムを少量混合して得られるイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）からなっている。
【０００６】
ここで、水素とニッケル１５と電解質１２との三相界面１７においては、燃料極１４側に導入された水素（Ｈ2）と、電解質１２を伝導してきた酸化物イオン（Ｏ2-）と、が反応して電子（ｅ-）を放出して水（Ｈ2Ｏ）が生じる。
【０００７】
また、三相界面１８においては、燃料極１４側に導入された水素（Ｈ2）、またはその水素（Ｈ2）がニッケル１５の表面に接触することによって解離した原子状水素（Ｈad）と、電解質１２およびジルコニア１６を伝導してきた酸化物イオン（Ｏ2-）と、が反応して電子（ｅ-）を放出して水（Ｈ2Ｏ）が生じる。
【０００８】
このような固体酸化物形燃料電池は、インターコネクタを介して複数接続され、セルスタックが構成される。ここで、インターコネクタは、酸素極側に導入される酸素または空気と、燃料極側に導入される水素と、を分離するとともに、個々の固体酸化物形燃料電池を電気的に直列に電気的に接続する機能を有する。
【特許文献１】特許第３１６０９９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来の固体酸化物形燃料電池は約１０００℃という極めて高温で作動させるものであるため、インターコネクタを構成する材料としては、従来から、高温で高い電子伝導性を有するとともに、燃料極側の高温の還元雰囲気と酸素極側の高温の酸化雰囲気の双方に耐えることができるセラミックス材料が使用されている。しかしながら、インターコネクタに使用されるセラミックス材料は非常に高価であるため、固体酸化物形燃料電池の製造コストが高くなるという問題があった。そこで、低温で高性能な固体酸化物形燃料電池の開発が望まれているが、固体酸化物形燃料電池は作動時の温度が低下すると大幅に性能が低下してしまう。
【００１０】
上記の事情に鑑みて、本発明の目的は、作動時の温度の低下による性能の低下を抑制することができる固体酸化物形燃料電池を実現することが可能な固体酸化物形燃料電池用燃料極とそれを含む固体酸化物形燃料電池とを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、水素分子を解離する金属と、水素イオンおよび酸化物イオンを伝導するイオン伝導体と、を含み、イオン伝導体の水素イオン輸率が０．５以上０．７５以下である固体酸化物形燃料電池用燃料極である。
【００１３】
また、本発明の固体酸化物形燃料電池用燃料極においては、下記の組成式（Ｉ）で表わされるイオン伝導体を用いることができる。
【００１４】
ＢａＣｅ1-xＳｍxＯ3-(x/2)  …（Ｉ）
なお、組成式（Ｉ）において、ｘは０＜ｘ≦０．２を満たす実数を示す。
【００１５】
また、本発明の固体酸化物形燃料電池用燃料極において、水素分子を解離する金属としては、白金、コバルトおよびニッケルからなる群から選択された少なくとも１種を用いることができる。
【００１６】
また、本発明の固体酸化物形燃料電池用燃料極は、酸化物イオンを伝導する電解質上に形成することができる。
【００１７】
また、本発明の固体酸化物形燃料電池用燃料極においては、下記の組成式（ＩＩ）で表わされる電解質を用いることができる。
【００１８】
Ｌａ1-sＳｒsＧａ1-tＭｇtＯu  …（ＩＩ）
なお、組成式（ＩＩ）において、ｓは０≦ｓ≦０．２を満たす実数を示し、ｔは０．０５≦ｔ≦０．２５を満たす実数を示し、ｕは２．７≦ｕ≦３を満たす実数を示す。
【００１９】
さらに、本発明は、上記のいずれかの固体酸化物形燃料電池用燃料極を含む、固体酸化物形燃料電池である。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、作動時の温度の低下による性能の低下を抑制することができる固体酸化物形燃料電池を実現することが可能な固体酸化物形燃料電池用燃料極とそれを含む固体酸化物形燃料電池とを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。
【００２２】
図１に、本発明の固体酸化物形燃料電池用燃料極の挙動を図解する模式的な拡大概念図を示す。図１において、本発明の燃料極４は、水素分子を解離する金属５と、水素イオンおよび酸化物イオンを伝導するイオン伝導体６と、から構成されており、燃料極４は電解質２上に形成されている。
【００２３】
ここで、金属５としては、白金、コバルトおよびニッケルからなる群から選択された少なくとも１種を用いることが好ましい。この場合には、燃料極４側に導入された水素分子を効率的に原子状水素に解離することができる傾向にある。
【００２４】
また、イオン伝導体６としては、固体酸化物形燃料電池の性能をより向上する観点から、以下の組成式（Ｉ）で表されるイオン伝導体を用いることが好ましい。
ＢａＣｅ1-xＳｍxＯ3-(x/2)  …（Ｉ）
なお、組成式（Ｉ）において、１−ｘはＣｅ（セリウム）の原子比を示し、ｘはＳｍ（サマリウム）の原子比を示し、３−（ｘ／２）はＯ（酸素）の原子比を示す。また、組成式（Ｉ）において、ｘは０＜ｘ≦０．２を満たす実数を示す。
【００２５】
ここで、組成式（Ｉ）において、ｘが０である場合には酸素空孔がなく酸化物イオン伝導が発現しないために本発明の効果を得ることができず、ｘが０．２よりも大きい場合には純粋な化合物が得られずイオン伝導体の抵抗を増加する不純物が生成しやすくなるために性能が低下する傾向にある。
【００２６】
また、電解質２は、固体酸化物形燃料電池の性能をより向上する観点から、以下の組成式（ＩＩ）で表される酸化物イオン伝導体を用いることが好ましい。
Ｌａ1-sＳｒsＧａ1-tＭｇtＯu  …（ＩＩ）
なお、組成式（ＩＩ）において、１−ｓはＬａ（ランタン）の原子比を示し、ｓはＳｒ（ストロンチウム）の原子比を示し、１−ｔはＧａ（ガリウム）の原子比を示し、ｔはＭｇ（マグネシウム）の原子比を示し、ｕはＯ（酸素）の原子比を示す。また、組成式（ＩＩ）において、ｓは０≦ｓ≦０．２を満たす実数を示し、ｔは０．０５≦ｔ≦０．２５を満たす実数を示し、ｕは２．７≦ｕ≦３を満たす実数を示す。
【００２７】
ここで、組成式（ＩＩ）において、ｓが０．２よりも大きい場合には純粋な化合物が得られず電解質の抵抗を増加する不純物が生成しやすくなるために性能が低下する傾向にある。
【００２８】
また、組成式（ＩＩ）において、ｔが０．０５未満である場合には酸化物イオン伝導が小さくなる傾向にあり、ｔが０．２５よりも大きい場合には純粋な化合物が得られず電解質の抵抗を増加する不純物が生成しやすくなるために性能が低下する傾向にある。
【００２９】
また、組成式（ＩＩ）において、ｕの値は通常ｕ＝３−（ｓ／２）−（ｔ／２）の式により導き出されるが、強酸化雰囲気あるいは強還元雰囲気においては酸素不定比性が発生する可能性があるため、ｕの値が取り得る範囲は上記の式で導き出される値の範囲よりも多少広くなる。
【００３０】
このような構成の本発明の燃料極４に電解質２中を酸素極側から伝導してきた酸化物イオン（Ｏ2-）は、水素と電解質２と金属５との三相界面７において、燃料極４側に導入された水素（Ｈ2）と、Ｈ2＋Ｏ2-→Ｈ2Ｏ＋２ｅ-の反応を行なうことによって、電子（ｅ-）を放出して水（Ｈ2Ｏ）を生成する。
【００３１】
また、燃料極４側に導入された水素（Ｈ2）は金属５によって解離されて原子状水素（Ｈad）となり、原子状水素（Ｈad）は金属５の表面を移動する。そして、原子状水素（Ｈad）の一部は、三相界面８ａにおいて、電解質２およびイオン伝導体６を伝導してきた酸化物イオン（Ｏ2-）と２Ｈ＋Ｏ2-→Ｈ2Ｏ＋２ｅ-の反応によって電子（ｅ-）を放出して水（Ｈ2Ｏ）を生成する。また、原子状水素（Ｈad）の残りの一部は活性化サイト８ｂにおいて２Ｈ→２Ｈ+＋２ｅ-の反応によって電子（ｅ-）を放出して水素イオン（Ｈ+）となり、水素イオン（Ｈ+）はイオン伝導体６中を通ってイオン伝導体６の表面９まで伝導し、電解質２およびイオン伝導体６を伝導してきた酸化物イオン（Ｏ2-）と２Ｈ+＋Ｏ2-→Ｈ2Ｏの反応によって水を生成する。
【００３２】
なお、図１においては、説明の便宜のため、イオン伝導体６の表面９において水素イオン（Ｈ+）と酸化物イオン（Ｏ2-）との反応して水（Ｈ2Ｏ）が生成する反応が起こるように記載しているが、実際にはイオン伝導体６の表面の至るところでこの水（Ｈ2Ｏ）を生成する反応が起こっているものと考えられる。
【００３３】
図１と図１１を比較すればわかるように、本発明の燃料極においては、水を生成する反応がイオン伝導体６の表面の至るところで起こるため、水を生成する反応が起こる箇所を従来の２箇所（図１１の三相界面１７、１８）よりも大幅に増大することができる。したがって、本発明の燃料極においては、水の生成反応によって燃料極に生じる電極抵抗をイオン伝導体６の表面に分散（すなわち、イオン伝導体６における酸化物イオンの移動可能箇所をイオン伝導体６の表面全体に増大）してその電極抵抗を低減することができる。また、このような燃料極における電極抵抗の低減は、原子状水素が電子を放出して水素イオンになるという非常に起こりやすい活性化反応に起因する。このような特性を有する本発明の燃料極を用いた固体酸化物形燃料電池においては、低温で作動させた場合でも高性能になると考えられる。
【００３４】
また、本発明の固体酸化物形燃料電池の構造は、本発明の燃料極を含んでいるものであれば特に限定されず、たとえば酸化物イオン伝導体からなる電解質の両面にそれぞれ本発明の燃料極と酸素極とを設置した構造などにすることができる。ここで、酸素極の材質は特に限定されず、電解質の表面への本発明の燃料極と酸素極の形成方法も特に限定されない。
【実施例】
【００３５】
図２の模式的断面図に示す構成の固体酸化物形燃料電池を作製して、様々な実験を行なった。この固体酸化物形燃料電池１において、円盤状の電解質２の表面には酸素極３および燃料極４がそれぞれ形成されており、酸素極３および燃料極４の表面にはそれぞれ網状の白金電極２６、２７が焼き付けられて、白金電極２６、２７には白金線２４、２５がそれぞれ接続されている。そして、電解質２の表面にはそれぞれ、中空のガス導入路の周囲にガス排気路を備えた二重構造のアルミナ管２０、２１が設置されており、燃料極４側のアルミナ管２１はガラスシール２２を介して電解質２に連結されている。また、電解質２の酸素極３側の表面には白金線２８を備えた参照電極２３が設置されている。
【００３６】
ここで、酸素極３としては電解質２の表面に白金を焼き付けて形成した白金電極が用いられており、燃料極４としてはニッケル粉末とＢＣＳ粉末とをニッケル粉末：ＢＣＳ粉末＝６５：３５の質量比で混合した後に電解質２の表面に焼き付けて形成されたサーメットからなる電極が用いられている。なお、ＢＣＳ粉末は、ＢａＣＯ3（炭酸バリウム）粉末、ＣｅＯ（酸化セリウム）粉末およびＳｍ2Ｏ3（酸化サマリウム）粉末をそれぞれ所定のモル比で混合し、空気中で１１００℃、１０時間の条件で仮焼して、ＢａＣｅ0.9Ｓｍ0.1Ｏ2.95の組成式で表されるイオン伝導体（以下、「ＢＣＳ」という）を作製して得たものである。
【００３７】
また、電解質２としては、厚さ０．５ｍｍのＬａ0.9Ｓｒ0.1Ｇａ0.8Ｍｇ0.2Ｏ2.8の組成式で表される酸化物イオン伝導体（以下、「ＬＳＧＭ」という）と、厚さ０．５ｍｍのＺｒＯ2（ジルコニア）の一部をＳｃ（スカンジウム）およびＣｅ（セリウム）で置換した酸化物イオン伝導体（以下、「ＳｃＳＺ」という）とをそれぞれ用いて、図２に示す構成の固体酸化物形燃料電池を２種類作製した。ここで、ＳｃＳＺとしては、第一稀元素化学工業社製のＳｃＳＺ粉末を２９４ＭＰａの圧力でＣＩＰ（静水圧プレス）成形し、１７００℃で１８時間焼成して作製したものが用いられた。また、ＬＳＧＭとしては、酸化ランタン、炭酸ストロンチウム、酸化ガリウムおよび酸化マグネシウムを所定の比率でエタノール中において湿式混合した後、１１５０℃で１８時間の仮焼と上記の湿式混合とを交互に２回繰り返して作製したＬＳＧＭ粉末を２９４ＭＰａの圧力でＣＩＰ成形し、その後１５００℃で１０時間焼成して作製したものが用いられた。
【００３８】
また、円盤状のＢＣＳペレットの両面にＰｔ電極を焼き付け、そのＰｔ電極間に電圧を印加してＢＣＳペレットの導電率を測定した結果を図３に示す。ここで、導電率は、加湿水素（水素と水蒸気の混合ガス；Humidified H2）、乾燥水素（Dry H2）および乾燥アルゴン（Dry Ar）雰囲気のそれぞれの雰囲気下で５００℃〜１０００℃の範囲で温度をそれぞれ変化させて測定されたものである。なお、図３において、縦軸は導電率を示し、横軸は雰囲気温度の逆数を示している。また、図３中の印はそれぞれ右から５００℃、５５０℃、６００℃、６５０℃、７００℃、７５０℃、８００℃、８５０℃、９００℃、９５０℃および１０００℃の雰囲気温度における導電率に対応している。
【００３９】
乾燥アルゴン雰囲気中では水素イオン源が存在しないため、図３に示す乾燥アルゴン雰囲気における導電率は、ＢＣＳにおける酸化物イオン伝導のみに起因しているものと考えられる。一方、水素イオン源が雰囲気中に存在する加湿水素雰囲気および乾燥水素雰囲気下における導電率は、８００℃〜１０００℃においては乾燥アルゴン雰囲気における導電率とほぼ一致しているが、加湿水素雰囲気においては７５０℃以下、乾燥水素雰囲気においては６００℃以下で乾燥アルゴン雰囲気における導電率よりも高い導電率を示している。
【００４０】
したがって、図３に示す結果から、加湿水素雰囲気および乾燥水素雰囲気においてはそれぞれ８００℃〜１０００℃では酸素イオンが伝導しているが、加湿水素雰囲気では７５０℃以下で、また乾燥水素雰囲気では６００℃以下で水素イオンの伝導の寄与が増大するものと考えられる。
【００４１】
また、上記において作製した図２に示す構成の２種類の固体酸化物形燃料電池の酸素極３と燃料極４との間の電圧と固体酸化物形燃料電池に流れる電流の電流密度との関係を図４（ａ）〜（ｃ）に示す。ここで、図４（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ固体酸化物形燃料電池を９００℃（図４（ａ））、８００℃（図４（ｂ））および７００℃（図４（ｃ））の雰囲気下に設置し、固体酸化物形燃料電池の酸素極３側に空気を導入し、燃料極４側に燃料ガスとして加湿水素を導入して酸素極３と燃料極４との間に印加された電圧と固体酸化物形燃料電池に流れる電流の電流密度との関係を示している。また、図４（ａ）〜（ｃ）において、縦軸は電圧を示し、横軸は電流密度を示している。
【００４２】
図４（ａ）〜（ｃ）から、電解質２にＬＳＧＭを用いた固体酸化物形燃料電池は、電解質２にＳｃＳＺを用いた固体酸化物形燃料電池と比べて、７００℃〜９００℃のいずれの雰囲気下に設置された場合でも、電圧が低いときに流れる電流の電流密度が大きい傾向にある。また、実験後の固体酸化物形燃料電池を分析したところ、電解質２にＳｃＳＺを用いた固体酸化物形燃料電池においては電解質２と燃料極４との間に反応化合物層が生成しており、電解質２にＬＳＧＭを用いた固体酸化物形燃料電池においては電解質２と燃料極４との間に反応化合物層が生成していないことが分かった。したがって、本発明においては、電解質２としてＬＳＧＭまたはＳｃＳＺのいずれも使用することは可能であるが、固体酸化物形燃料電池の性能を向上する観点および反応化合物層の生成を防止する観点からは、電解質２にＳｃＳＺよりもＬＳＧＭを用いた方が好ましいと考えられる。
【００４３】
また、図５（ａ）および図５（ｂ）に、図２に示す構成の固体酸化物形燃料電池の電解質２にＬＳＧＭを用い、酸素極３側に空気を導入し、燃料極４側に燃料ガスとして加湿水素（図５（ａ））および乾燥水素（図５（ｂ））をそれぞれ導入したときの燃料極４における過電圧と固体酸化物形燃料電池に流れる電流の電流密度との関係を示す。ここで、図５（ａ）および図５（ｂ）はそれぞれ、上記の固体酸化物形燃料電池を６５０℃、７００℃、７５０℃および８００℃のそれぞれの雰囲気下に設置して作動させたときの燃料極４の過電圧と電流密度との関係を示している。また、図５（ａ）および図５（ｂ）において、縦軸は過電圧（Ｖ）を示し、横軸は電流密度（ｍＡ／ｃｍ2）を示している。
【００４４】
図５（ａ）と図５（ｂ）とを比較すると、燃料ガスとして加湿水素を用いた場合の方が乾燥水素を用いた場合と比べて雰囲気温度の低下に伴なう燃料極４における過電圧の上昇量が抑制されていることがわかる。
【００４５】
特に、雰囲気温度を７５０℃から７００℃に低下させたときの、加湿水素を用いた場合（図５（ａ））の過電圧の上昇量は、乾燥水素を用いた場合（図５（ｂ））と比べて明らかに抑制されている。
【００４６】
また、図６（ａ）および図６（ｂ）に、図２に示す構成の固体酸化物形燃料電池の電解質２にＬＳＧＭを用い、酸素極３側に空気を導入し、燃料極４側に燃料ガスとして加湿水素（図６（ａ））および乾燥水素（図６（ｂ））をそれぞれ導入したときの界面導電率と雰囲気温度の逆数との関係を示す。ここで、界面導電率は燃料極４における電極反応が活発に行われているかどうかを表わす指標であり、界面導電率が大きいほど燃料極４における電極反応が活発に行われていることを示している。
【００４７】
図６（ａ）および図６（ｂ）はそれぞれ、上記の固体酸化物形燃料電池をそれぞれ６００℃、６５０℃、７００℃、７５０℃、８００℃、８５０℃および９００℃のそれぞれの温度の雰囲気下において作動したときの界面導電率（ｌｎ（Ｔ／Ｒp））と雰囲気温度（Ｔ；単位はＫ）の逆数（１０００／Ｔ；単位はＫ-1）との関係を示している。また、図６（ａ）中および図６（ｂ）中の黒塗りの四角形は右から６００℃、６５０℃、７００℃、７５０℃、８００℃、８５０℃および９００℃のそれぞれの雰囲気温度における界面導電率を示している。また、界面導電率は、固体酸化物形燃料電池に交流電圧を印加したときに白金線２４、２５から取り出される交流電流を測定し、そこから得られるインピーダンスから燃料極４における電極反応に係る界面抵抗値（Ｒp；Ωｃｍ2）を算出して、雰囲気温度と界面抵抗値とから界面導電率を導き出している。
【００４８】
図６（ａ）と図６（ｂ）とを比較すると、燃料ガスとして加湿水素を用いた場合（図６（ａ））の方が乾燥水素を用いた場合と比べて、特に７００℃以上７５０℃以下の雰囲気温度の場合に、雰囲気温度の低下に対する界面導電率の低下率を大幅に低減できていることがわかる。
【００４９】
すなわち、図６（ｂ）を参照すると、雰囲気温度が低下する（図６（ｂ）の横軸の左側から右側に進む）にしたがって界面導電率は直線的に低下する。他方、図６（ａ）を参照すると、雰囲気温度が８００℃以上の場合には雰囲気温度が低下するにしたがって界面導電率は直線的に低下するが、雰囲気温度が７００℃以上７５０℃以下の場合には界面導電率の低下を示す直線の傾きが緩やかになり、雰囲気温度が６５０℃以下の場合には再度、界面導電率の低下を示す直線の傾きが急になる。
【００５０】
このような図６（ａ）に示す結果に加えて、図３に示す水素イオン伝導の結果を考慮すると、本発明の燃料極は、雰囲気温度によって以下のような挙動を示すものと考えられる。
【００５１】
図７に、図６（ａ）の雰囲気温度が８００℃以上の場合における本発明の燃料極の挙動を図解する模式的な拡大概念図を示す。図７に示すように、雰囲気温度が８００℃以上である場合には、従来と同様に、水を生成する反応が起こる箇所が２箇所（三相界面７、８）になるため、水を生成する反応によって生じる電極抵抗を低減することができないことから、雰囲気温度の低下に対する界面導電率の低下量も大きくなると考えられる。
【００５２】
図８に、図６（ａ）の雰囲気温度が７００℃以上７５０℃以下の場合における本発明の燃料極の挙動を図解する模式的な拡大概念図を示す。図８に示すように、雰囲気温度が７００℃以上７５０℃以下である場合には、イオン伝導体６の表面の至るところで水を生成する反応が起こっているため、水を生成する反応によって生じる電極抵抗の発生箇所を分散させて電極抵抗を低減することができることから、雰囲気温度の低下に対する界面導電率の低下量を抑制することができると考えられる。
【００５３】
図９に、図６（ａ）の雰囲気温度が６５０℃以下の場合における本発明の燃料極の挙動を図解する模式的な拡大概念図を示す。図９に示すように、雰囲気温度が６５０℃以下である場合には、雰囲気温度が低すぎて三相界面７でしか水を生成する反応が起こらないため、水の生成によって生じる電極抵抗の発生箇所を分散させることができないことから、雰囲気温度の低下に対する界面導電率の低下量も大きくなると考えられる。
【００５４】
また、図１０に、雰囲気の温度と酸化物イオン（Oxide ion）および水素イオン（Proton）のＢＣＳ中におけるイオン輸率との関係を示す。なお、図１０において、縦軸はイオン輸率を示しており、横軸は雰囲気温度を示している。
【００５５】
図１０に示す関係から、７００℃以上７５０℃以下の雰囲気温度で固体酸化物形燃料電池を作動させるためには、ＢＣＳ中における水素イオン輸率は０．５以上０．７５以下であることが好ましいことがわかる。本発明において、水素イオン輸率は、イオン伝導体中を移動するイオン全体の電荷数を１としたときのイオン伝導体中を移動する水素イオンの電荷数で表される。
【００５６】
なお、上記実施例においては、本発明の燃料極のイオン伝導体として、ＢａＣｅ0.9Ｓｍ0.1Ｏ2.95の組成式で表されるイオン伝導体（ＢＣＳ）を用いているが、ＢａＣｅ1-xＳｍxＯ3-(x/2)の組成式（Ｉ）で表されるイオン伝導体を用いた場合でも、ＢＣＳを用いた場合と同様の効果を得ることができる。なお、組成式（Ｉ）において、ｘは０＜ｘ≦０．２を満たす実数を示す。
【００５７】
また、上記実施例においては、本発明の固体酸化物形燃料電池の電解質として、Ｌａ0.8Ｓｒ0.2Ｇａ0.8Ｍｇ0.2Ｏ2.8の組成式で表される酸化物イオン伝導体（ＬＳＧＭ）を用いているが、Ｌａ1-sＳｒsＧａ1-tＭｇtＯuの組成式（ＩＩ）で表される酸化物イオン伝導体を用いた場合でも、ＬＳＧＭを用いた場合と同様の効果を得ることができる。なお、組成式（ＩＩ）において、ｓは０≦ｓ≦０．２を満たす実数を示し、ｔは０．０５≦ｔ≦０．２５を満たす実数を示し、ｕは２．７≦ｕ≦３を満たす実数を示す。
【００５８】
また、上記実施例においては、本発明の燃料極の水素分子を解離する金属としてニッケルを用いているが、白金、コバルトおよびニッケルからなる群から選択された少なくとも１種を用いた場合でもニッケルを用いた場合と同様の効果を得ることができる。
【００５９】
また、上記の図３〜図６に結果を示す実験においてはそれぞれ図２に示す白金線２４、２５は負荷に接続されておらず開放されている。したがって、上記実施例において乾燥水素を導入した場合には燃料極４から水が発生せず加湿水素を導入した場合と比べて良い結果が得られていないが、白金線２４、２５を負荷に接続した場合には乾燥水素を導入した場合でも燃料極４から水が発生するため加湿水素を導入した場合と同様の効果が得られると考えられる。
【００６０】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明によれば、作動時の温度の低下による性能の低下を抑制することができる固体酸化物形燃料電池を実現することが可能な固体酸化物形燃料電池用燃料極とそれを含む固体酸化物形燃料電池とを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の固体酸化物形燃料電池用燃料極の挙動を図解する模式的な拡大概念図である。
【図２】本発明の実施例における固体酸化物形燃料電池の模式的な断面図である。
【図３】本発明の実施例において円盤状のＢＣＳペレットの導電率を測定した結果を示す図である。
【図４】本発明の実施例における固体酸化物形燃料電池の電圧と電流密度との関係を示す図である。
【図５】本発明の実施例における固体酸化物形燃料電池の燃料極側に燃料ガスとして加湿水素および乾燥水素をそれぞれ導入したときの燃料極における過電圧と電流密度との関係を示す図である。
【図６】本発明の実施例における固体酸化物形燃料電池の燃料極側に燃料ガスとして加湿水素および乾燥水素をそれぞれ導入したときの界面導電率と雰囲気温度の逆数との関係を示す図である。
【図７】本発明の実施例における固体酸化物形燃料電池を８００℃以上の雰囲気温度において作動させたときの本発明の燃料極の挙動を図解する模式的な拡大概念図である。
【図８】本発明の実施例における固体酸化物形燃料電池を７００℃以上７５０℃以下の雰囲気温度において作動させたときの本発明の燃料極の挙動を図解する模式的な拡大概念図である。
【図９】本発明の実施例における固体酸化物形燃料電池を６５０℃以下の雰囲気温度において作動させたときの本発明の燃料極の挙動を図解する模式的な拡大概念図である。
【図１０】雰囲気温度と酸化物イオンおよび水素イオンのイオン輸率との関係を示す図である。
【図１１】従来の固体酸化物形燃料電池の一例の模式的な構成図である。
【図１２】図１１に示す固体酸化物形燃料電池の作動時における燃料極の挙動を図解する模式的な拡大概念図である。
【符号の説明】
【００６３】
１，１１  固体酸化物形燃料電池、２，１２  電解質、３，１３  酸素極、４，１４  燃料極、５  金属、６  イオン伝導体、７，８，８ａ，１７，１８  三相界面、８ｂ  活性化サイト、９  表面、１５  ニッケル、１６  ジルコニア、２０，２１  アルミナ管、２２  ガラスシール、２３  参照電極、２４，２５，２８  白金線、２６，２７  白金電極。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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