(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質の同一平面上に一対の燃料極及び空気極を形成した単セルを複数セル形成し、異なる単セルの電極間をインターコネクタにより接続した集積セル構造を有する固体酸化物形燃料電池であって、前記インターコネクタを反応ガスから保護する保護層を該インターコネクタに被覆し、
前記保護層は、複数層の積層構造であることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
【請求項２】
前記保護層が、反応ガスに対するガス遮断性を有することを特徴とする請求項１記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項３】
前記保護層が、反応ガスに対する耐酸化性を有することを特徴とする請求項２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、燃料電池に関し、より詳しくは、主に燃料ガスと空気との混合ガスからなる反応ガス中において安定的に発電する固体酸化物形燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池のセルデザインとして、平板型（スタック型）、円筒型（チューブ型）などが提案されている。
【０００３】
このようなセルは、電解質の表面及び裏面に燃料極及び空気極をそれぞれ配置したものであり、電解質を隔壁として燃料ガスと酸化剤ガスとが別々に供給されることによって発電が行われている。
【０００４】
このような隔壁式のセルは、性能を向上させるためには電解質の薄膜化が要求され、電解質材料の内部抵抗の低減が必要となるが、電解質が薄すぎると脆弱化してしまい、耐振性や耐久性が低下するという問題があった。
【０００５】
このため、上述した隔壁式のセルに代わる燃料電池として、燃料極及び空気極を固体電解質からなる基板の同一面上に配置し、燃料ガス及び酸化剤ガスの混合ガスを供給することにより発電が可能な非隔膜式固体酸化物形燃料電池が提案されている（例えば、特許文献１）。この燃料電池によれば、燃料ガスと酸化剤ガスとを分離する必要がないため、セパレーター及びガスシールが不要となり、構造及び製造工程の大幅な簡略化を図ることができる。
【０００６】
また、この非隔膜式固体酸化物形燃料電池では、酸素イオンの伝導が固体電解質の表層付近で起こり、燃料極と空気極とを固体電解質の同一面上に近接して形成するため、平板型や円筒型のように電解質の厚みが電池の性能に直接影響することはない。したがって、電池の性能を維持したまま電解質の厚みを増すことができ、これによって脆弱性を改善することが可能となる。
【特許文献１】特開平８−２６４１９５号公報（第２−３頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記従来の非隔膜式固体電解質形燃料電池においては、燃料ガスと酸化剤ガスの混合ガスを流すことで、インターコネクタの一部で酸化が進行する。このことで、インターコネクタにおいて化学的変化(抵抗成分を形成)及び物理的変化(体積膨張に伴う膜劣化)が起こることにより抵抗が増加し、よって電池性能が低下するという問題が発生する。
【０００８】
そこで、本発明は、非隔膜式の固体電解質形燃料電池において、インターコネクタの酸化及び還元に伴う劣化を防止することができ、長期運転にも安定した電池特性を維持し得る固体酸化物形燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明に係る固体酸化物形燃料電池は、固体電解質の同一平面上に一対の燃料極及び空気極を形成した単セルを複数セル形成し、異なる単セルの電極間をインターコネクタにより接続した集積セル構造を有する固体酸化物形燃料電池であって、前記インターコネクタを反応ガスから保護する保護層を該インターコネクタに被覆し、前記保護層は、複数層の積層構造であることを特徴とする。
【００１０】
前記保護層は、反応ガスに対するガス遮断性を有することが好ましい。
【００１１】
また、前記インターコネクタが酸化されやすい材料によって形成されている場合は、前記保護層を、反応ガスに対して耐酸化性を有する材料によって形成することが好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明に係る固体酸化物形燃料電池の好適な実施形態について、以下に図１〜３を参照しつつ説明する。図１は平面図、図２は図１のＡ−Ａ縦断面図、図３は図１のＢ−Ｂ縦断面図を、それぞれ示している。尚、全図を通し、同様の構成部分には同符号を付した。
【００１４】
固体酸化物形燃料電池１は、固体電解質２の同一平面上に一対の燃料極３及び空気極４を形成した単セルを複数セル形成し、異なる単セルの電極間をインターコネクタ５により接続した集積セル構造を有し、インターコネクタ５は、インターコネクタ５を反応ガスから保護する保護層６により被覆されている。図示例では、インターコネクタ５によって単セルを直列接続した例を示しているが、並列接続する場合もある。
【００１５】
固体電解質２の材料としては、固体電解質型燃料電池の電解質として公知のものを使用することができ、例えば、（Cｅ，Ｓｍ）Ｏ3，（Cｅ，Ｇｄ）Ｏ3等のセリア系酸化物、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｇａ，Ｍｇ）Ｏ3等のランタンガレード系酸化物、スカンジウム安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ），イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等のジルコニア系酸化物などのセラミックス系材料を例示することができる。
【００１６】
燃料極３及び空気極４は、セラミックス粉末により形成することができる。粉末粒径は、通常１０ｎｍ〜１００μmであり、好ましくは１００ｎｍ〜１０μmである。
【００１７】
燃料極３は、例えば、金属触媒と酸化物イオン導電体からなるセラミックス粉末材料との混合物を用いることができる。このとき用いられる金属触媒としては、ニッケル、鉄、コバルトや、貴金属（白金、ルテニウム、パラジウム等）等の還元性雰囲気中で安定で、水素酸化活性を有する材料を用いることができる。また、酸化物イオン導電体としては、蛍石型構造又はペロブスカイト型構造を有するものを好ましく用いることができる。蛍石型構造を有するものとしては、例えば（Ｃｅ，Ｓｍ）Ｏ３，（Ｃｅ，Ｇｄ）Ｏ３などのセリア系酸化物、スカンジウム安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）やイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）などのジルコニア系酸化物を挙げることができる。また、ペロブスカイト型構造を有するものとしては（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｇａ，Ｍｇ）Ｏ３などのランタンガレード系酸化物を挙げることができる。上記材料の中では、酸化物イオン導電体とニッケルとの混合物で、燃料極３を形成することが好ましい。なお、酸化物イオン導電体からなるセラミックス材料とニッケルとの混合形態は、物理的な混合形態であってもよいし、ニッケルへの粉末修飾などの形態であってもよい。また、上述したセラミックス材料は、１種を単独で、或いは２種以上を混合して使用することができる。また、燃料極３は、金属触媒を単体で用いて構成することもできる。
【００１８】
空気極４を形成するセラミックス粉末材料としては、例えば、ペロブスカイト型構造を有する金属酸化物で形成することができる。具体的には（Ｓｍ，Ｓｒ）ＣｏＯ３，（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ３，（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ３，（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｆｅ，Ｃｏ）Ｏ３，（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ）Ｏ３などを挙げることができる。これらセラミックス粉末は、１種を単独で使用することもできるし、２種以上を混合して使用することもできる。なお、コバルトを含有するペロブスカイト型金属酸化物で空気極４を形成すると、電子伝導性及びイオン伝導性がともに向上されるため、好ましい。
【００１９】
インターコネクタ５は、金属及び導電性セラミックスからなる群から選ばれる少なくとも１種の材料によって形成することができる。そのようなインターコネクタ５の材料としては、Pt、Au、Ag、Ni、Cu、ステンレス鋼、又はランタン・クロマイト系材料を例示することができる。
【００２０】
保護層６は、反応ガスがインターコネクタ５と接触することを防ぐため、反応ガスに対するガス遮断性を有するもの好適に使用される。ガス遮断性を有する保護層６としては、例えば、アルミナ、シリカ、ジルコニア、チタニア、ランタン、セリアなどの導電性のない金属酸化物が例示される。このような材料を用いることにより、保護層６として必要な耐熱性、耐酸化性をも満足するものである。尚、耐熱性、耐酸化性に特に優れたものとしては、アルミナ、ジルコニアが挙げられる。
【００２１】
保護層６は、単層構造又は複数層の積層構造とすることができる。焼成時にインターコネクタ５と保護層６との間にて剥離が生じる可能性がある場合は、インターコネクタ形成材料と保護層形成材料の両方を混合した材料を中間層として積層しても良いものである。例えば、インターコネクタがＮｉ、保護層がアルミナ（Al2O3）の場合、それらを５０％ずつ混合した材料からなる層をインターコネクタと保護層の中間に形成すれば良い。
【００２２】
上記構成を有する固体酸化物形燃料電池１は、以下のようにして製造することができる。
【００２３】
先ず、固体電解質２を基板として、固体電解質２の上に、燃料極３及び空気極４が湿式法若しくは乾式法によって塗布又は堆積される。湿式法としては、燃料極３及び空気極４を形成する材料となる粉末材料を、樹脂バインダーに混合してペースト状にしたものをスクリーン印刷法、スプレーコート法によって所定のパターンに塗布する方法や、燃料極３及び空気極４を形成する材料となる粉末材料をイソプロパノール等の溶剤に分散させたスラリーを、リソグラフィー法、ドクターブレード法等によって薄膜形成する方法、或いは、スラリーを泳動電着法により所定パターンに電着させる方法等があり、乾式法としてはCVD、EVD、スパッタリング等によって所定パターンに堆積させる方法がある。
【００２４】
湿式法の場合、燃料極用ペーストは、６０〜１５０℃、５〜１２０分程度で乾燥させられる。
【００２５】
燃料極３及び空気極４は、どちらを先に塗布・乾燥又は堆積させても良いが、セラミック材料の場合は、一方を塗布・乾燥又は堆積させた後、その一方を焼成し焼結させた後、他方を塗布・乾燥又は堆積させ、その他方を焼成して焼結さても良いし、両極同時に焼成させても良い。
【００２６】
インターコネクタ５及び保護層６についても、燃料極３及び空気極４と同様の湿式法若しくは乾式法によって形成することができ、インターコネクタを所定パターンに塗布・乾燥又は堆積させ、必要に応じて焼成して焼結させた後、インターコネクタ５を覆うようにして保護層６を塗布・乾燥又は堆積させ、焼成し焼結させても良いし、両極同時に焼成させても良い。こうして固体酸化物形燃料電池が得られる。
【００２７】
上記構成を有する固体酸化物形燃料電池は、インターコネクタ５を保護層によって反応ガスから保護しているので、安定した電池性能を維持することができ、電池性能の低下を防止することを図ることができる。
【実施例】
【００２８】
以下に実施例を掲げて、本発明をより一層明らかにする。
【００２９】
燃料極の材料として、NiO粉末（０．０１〜１0μｍ、平均１μｍ）とSDC（(Ce0.8,Sm0.2)O1.9）粉末（粒径０．０１〜１０μｍ、平均粒径０．１μｍ）を重量比でNiO粉末：SDC粉末＝７：３となるように混合した混合物を使用し、この混合物に更にセルロース系ワニスを混合し、燃料極用ペーストを作製した。燃料極用ペーストの粘度はスクリーン印刷に適した５×１０５mPa・ｓとした。
【００３０】
また、空気極の材料として、SSC（（Sm0.5,Sr0.5）Co1.0O3）粉末（粒径０．１〜１０μｍ、平均粒径3μｍ）を使用し、このSSC粉末にセルロース系ワニスを混合し、空気極用ペーストを作製した。空気極用ペーストの粘度はスクリーン印刷に適した５×１０５mPa・ｓとした。
【００３１】
また、インターコネクタを形成する材料としては、Ni粉末（粒径０．１〜５μｍ、平均粒径２．５μｍ）を使用し、このNi粉末にセルロース系ワニスを混合してインターコネクタ用ペーストを作製した。インターコネクタ用ペーストの粘度はスクリーン印刷に適した５×１０５mPa・ｓとした。
【００３２】
更に、保護層として、アルミナ（Al2O3）の粉末を用い、これにセルロース系ワニスを混合して保護層用ペーストを作製した。保護層用ペーストの粘度はスクリーン印刷に適した５×１０５mPa・ｓとした。
【００３３】
固体電解質上に、上記の燃料極用ペーストをスクリーン印刷法によって、線幅５００μｍ、塗布厚み５０μｍになるように塗布後、１３０℃で１５分間乾燥した。その後、１４５０℃、１時間で焼成して焼結させ、燃料極を形成した。燃料極の焼結後の膜厚は３０μｍであった。
【００３４】
次いで、固体電解質上に上記の空気極用ペーストをスクリーン印刷法によって、線幅５００μｍ、塗布厚み５０μｍになるように塗布後、１３０℃で１５分間乾燥した。その後、１２００℃、１時間で焼成して焼結させ、空気極を形成し、複数の単セルを形成した。空気極の焼結後の膜厚は３０μｍであった。
【００３５】
更に、異なる単セルの空気極と燃料極とを電気的に接続するようにインターコネクタ用ペーストをスクリーン印刷によって、線幅を３ｍｍ、塗布厚みを３０μｍとなるように印刷後、１３０℃で１５分乾燥した。その後、温度１０００℃で１時間焼成して焼結させ、インターコネクタを形成した。
【００３６】
次に、インターコネクタを被覆するように保護層用ペーストをスクリーン印刷によって、線幅４ｍｍ、厚み３０μｍとなるように印刷した後、１３０℃で１５分乾燥した。その後、温度１０００℃で１時間焼成して焼結させ、２集積セルを作製した。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明に係る固体酸化物形燃料電池の一実施形態を示す平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ縦断面図である。
【図３】図１のＢ−Ｂ縦断面図である。
【符号の説明】
【００３８】
１  固体酸化物形燃料電池
２  固体電解質
３  燃料極
４  空気極
５  インターコネクタ
６  保護層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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