(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｆｅを含む燃料極と、
空気極と、
前記燃料極と前記空気極との間に配置され、Ｚｒ系酸化物材料とＦｅとを含む固体電解質層と、
前記固体電解質層と前記空気極との間に配置され、希土類元素を含有するＣｅ系酸化物材料とＦｅとを含むバリア層と、
を備え、
前記バリア層におけるＦｅの平均含有率は、前記固体電解質層におけるＦｅの平均含有率よりも高く、
前記固体電解質層におけるＦｅの平均含有率は、０．２２ｍｏｌ％以上であり、
前記バリア層におけるＦｅの平均含有率は、１．００ｍｏｌ％以上である、
固体酸化物型燃料電池。
【請求項２】
前記固体電解質層におけるＦｅの平均含有率は、２．０５ｍｏｌ％以下である、
請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項３】
前記バリア層におけるＦｅの平均含有率は、２．１７ｍｏｌ％以下である、
請求項１又は２に記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項４】
前記燃料極におけるＦｅの平均含有率は、前記バリア層におけるＦｅの平均含有率よりも高い、
請求項１乃至３のいずれかに記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項５】
前記燃料極におけるＦｅの平均含有率は、前記固体電解質層におけるＦｅの平均含有率よりも高い、
請求項１乃至４のいずれかに記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項６】
前記燃料極は、燃料極集電層と、前記燃料極集電層と前記固体電解質層との間に配置される燃料極活性層と、を有し、
前記燃料極集電層におけるＦｅの平均含有率は、前記燃料極活性層におけるＦｅの平均含有率よりも高い、
請求項５に記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項７】
前記燃料極と前記固体電解質層と前記バリア層は、共焼成されている、
請求項１乃至６のいずれかに記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項８】
Ｆｅを含む燃料極と、
空気極と、
前記燃料極と前記空気極との間に配置され、Ｚｒ系酸化物材料とＦｅとを含む固体電解質層と、
前記固体電解質層と前記空気極との間に配置され、希土類元素を含有するＣｅ系酸化物材料とＦｅとを含むバリア層と、
を備え、
前記バリア層におけるＦｅの平均含有率は、前記固体電解質層におけるＦｅの平均含有率よりも高く、
前記固体電解質層の相対密度は、９０％以上であり、
前記バリア層の相対密度は、９０％以上である、
固体酸化物型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境問題及びエネルギー資源の有効利用の観点から、燃料電池に注目が集まっている。燃料電池セルは、一般的に、固体電解質層と、固体電解質層を介して対向する燃料極及び空気極と、を備えている。
【０００３】
ここで、固体電解質層と空気極との間に高抵抗層が形成されることを抑制するために、固体電解質層と空気極との間にバリア層を介挿させる手法が提案されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−３４７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、燃料電池セル内部のガスシール性を高めて発電性能を向上させるには、固体電解質層及びバリア層における緻密性は高いことが好ましい。しかしながら、特許文献１に係るバリア層は、空気極からの析出物をトラップするために多孔質に形成されているため、ガスシール性が低いという問題がある。
【０００６】
本発明は、この問題点に鑑みてなされたものであり、固体電解質層及びバリア層のガスシール性を向上可能な燃料電池セル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】
【０００７】
本発明に係る固体酸化物型燃料電池は、Ｆｅを含む燃料極と、空気極と、燃料極と空気極との間に配置され、Ｚｒ系酸化物材料とＦｅとを含む固体電解質層と、固体電解質層と空気極との間に配置され、希土類元素を含有するＣｅ系酸化物材料とＦｅとを含むバリア層と、を備える。バリア層におけるＦｅの平均含有率は、固体電解質層におけるＦｅの平均含有率よりも高い。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、固体電解質層及びバリア層のガスシール性を向上可能な燃料電池セルを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】横縞型固体酸化物型燃料電池の実施の一形態を示す横断面図である。
【図２】図１のII−II断面図である。
【図３】Ｆｅ含有率の測定方法を説明するための図である。
【図４】サンプルNo.1〜No.6の固体電解質層及びバリア層におけるＦｅの平均含有量と相対密度との関係を示すグラフである。
【図５】サンプルNo.1〜No.6のＦｅの固体電解質層及びバリア層における平均含有量と出力密度との関係を示すグラフである。
【図６】サンプルNo.1〜No.6の燃料極におけるＦｅの平均含有量と出力密度との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
＜固体酸化物型燃料電池１の構成＞
図１及び図２に示すように、本実施形態に係る横縞型固体酸化物型燃料電池（以下、「燃料電池」と略称する）１は、支持基板２と、第１固体酸化物型燃料電池セル（以下、「セル」と略称する）セル１１と、第２セル１２と、を備える。第１セル１１及び第２セル１２のそれぞれは、燃料極３、固体電解質層４、バリア層５、空気極６、インターコネクタ７、及び集電層８を備える。なお、図１では、説明の便宜上、集電層８は図示されていない。
【００１１】
支持基板２は、扁平かつ一方向（ｚ軸方向）に長い形状である。支持基板２は多孔質材料で構成されている。支持基板２は、Ｎｉ（ニッケル）を含んでいてもよく、具体的には、Ｎｉ‐Ｙ2Ｏ3（ニッケル‐イットリア）を主成分として含有していてもよい。ニッケルは酸化物（ＮｉＯ）であってもよいが、発電時には、ＮｉＯは水素ガスによってＮｉに還元されてもよい。
【００１２】
なお、本明細書において、「主成分として含有する」とは、その成分を５０重量％以上含有することであってもよく、６０重量％以上、８０重量％以上、又は９０重量％以上含有することであってもよい。また、「主成分として含有する」とは、その成分のみからなる場合も包含する。
【００１３】
図１及び図２に示すように、支持基板２の内部には、流路２１が設けられる。流路２１は、支持基板２の長手方向（ｚ軸方向）に沿って延びている。発電時には、流路２１内に燃料ガスが流され、支持基板２の有する孔を通って、後述の燃料極３へ燃料ガスが供給される。
【００１４】
燃料極３は、支持基板２上に配置され、アノードとして機能する。燃料極３は、燃料極集電層３１と燃料極活性層３２とを有する。燃料極集電層３１は支持基板２上に積層され、燃料極活性層３は燃料極集電層３１上に積層される。燃料極集電層３１の厚みは５０〜５００μｍ程度、燃料極活性層３２の厚みは５〜１００μｍ程度とすることができる。
【００１５】
燃料極３は、Ｆｅ（鉄）を含有していてもよい。燃料極３におけるＦｅの平均含有率については後述する。
【００１６】
燃料極集電層３１は、次の式（１）で表される酸化物を含有する。
（ＡＥ1-xＡx）（Ｂ1-y+zＣｙ）Ｏ3…（１）（ＡＥは少なくとも１種のアルカリ土類金属であり、Ａサイトは、希土類，Ａｌ及びＣｒからなる群から選択される少なくとも１種類の元素を含有し、ＢサイトはＴｉ及びＺｒから選択される少なくとも１種類の元素を含有し、Ｃサイトは、Ｎｂ，Ｖ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｚｎ，Ｍｇ及びＡｌからなる群から選択される少なくとも１種類の元素を含有し、０≦ｘ≦０．３，０≦ｙ≦０．２２，−０．１≦ｚ≦０．１である。）
また、燃料極集電層３１は、式（１）で表される酸化物以外の成分を含有してもよく、例えばニッケルを含有していてもよい。ニッケルは、酸化物（ＮｉＯ）であってもよいが、発電時には、ＮｉＯはＮｉに還元されてもよい。
【００１７】
燃料極活性層３２は、燃料極集電層３１の上に、燃料極集電層３１よりも狭い範囲に設けられる。つまり、燃料極集電層３１の一部は、燃料極活性層３２から露出している。燃料極活性層３２はＺｒ（ジルコニウム）を含有してもよい。燃料極活性層３２を構成する材料として、例えば、Ｎｉ−ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）及びＳｃＳＺ（スカンジア安定化ジルコニア）等が挙げられる。
【００１８】
図２に示すように、第１セル１１の固体電解質層４は、燃料極活性層３２の第２セル側端部以外の全面を覆うように設けられる。第２セル１２の固体電解質層４は、燃料極活性層３２の第１セル側端部から第１セル１１のインターコネクタ７までを覆っている。また、第２セル１２の固体電解質層４は、支持基板２のうち第１及び第２セル１１，１２の燃料極集電層３１から露出している部分を覆っている。固体電解質層４は、燃料極活性層３２及びバリア層５と共焼成されていることが好ましい。
【００１９】
固体電解質層４は、ジルコニア（ＺｒＯ2）を主成分として含むことができる。固体電解質層４は、例えば、３ＹＳＺ、８ＹＳＺ等のイットリア安定化ジルコニアやＳｃＳＺ（スカンジア安定化ジルコニア）等のジルコニア系材料（Ｚｒ系酸化物材料の一例）によって構成することができる。
【００２０】
ここで、固体電解質層４は、Ｆｅを含有している。固体電解質層４は、Ｆｅを酸化物として含有していてもよい。固体電解質層４におけるＦｅの平均含有率については後述する。
【００２１】
バリア層５は、固体電解質層４上に設けられる。バリア層５は、固体電解質層４と共焼成されていることが好ましい。バリア層５は、希土類元素を含有するセリア（ＣｅＯ2）系材料（Ｃｅ系酸化物材料の一例）を主成分として含むことができる。バリア層５は、例えば、ＧＤＣ（（Ｃｅ,Ｇｄ）Ｏ2：ガドリニウムドープセリア）、ＳＤＣ（（Ｃｅ,Ｓｍ）Ｏ2：サマリウムドープセリア）等によって構成することができる。
【００２２】
ここで、バリア層５は、Ｆｅを含有している。バリア層５は、Ｆｅを酸化物として含有していてもよい。バリア層５におけるＦｅの平均含有率については後述する。
【００２３】
空気極６は、バリア層５上に、バリア層５の外縁を越えないように配置される。空気極６は、例えば、ランタン含有ペロブスカイト型複合酸化物を主成分として含有してもよい。ランタン含有ペロブスカイト型複合酸化物としては、具体的には、ＬＳＣＦ（ランタンストロンチウムコバルトフェライト）、ランタンマンガナイト、ランタンコバルタイト、ランタンフェライトが挙げられる。また、ランタン含有ペロブスカイト型複合酸化物には、ストロンチウム、カルシウム、クロム、コバルト、鉄、ニッケル、アルミニウム等がドープされていてもよい。
【００２４】
ここで、空気極６は、Ｆｅを含有していてもよい。空気極６は、Ｆｅを酸化物として含有していてもよい。空気極６におけるＦｅの平均含有率については後述する。
【００２５】
第１セル１１のインターコネクタ７は、図２に示すように、第１セル１１の燃料極集電層３１上に配置される。第１セル１１のインターコネクタ７は、第１及び第２セル１１，１２それぞれの固体電解質層４に連結されている。
【００２６】
インターコネクタ７は、ＬａＣａＣｒＯ3を含む。インターコネクタ７は、ＬａＣａＣｒＯ3を主成分として含んでいてもよい。インターコネクタ７は、支持基板２、燃料極３と比較すると緻密な層である。また，インターコネクタ７と燃料極３との接合性を向上させるために、これらの界面に中間層が形成されていてもよい。
【００２７】
集電層８は、第１セル１１のインターコネクタ７と第２セル１２とを電気的に接続するように配置される。具体的には、集電層８は、第２セル１２の空気極６と第１セル１１のインターコネクタ７とに連結されている。これによって、支持基板２の長手方向（ｚ軸方向）において第１及び第２セル１１，１２が電気的に接続される。
【００２８】
なお、燃料電池１の各部の寸法は、具体的には、以下のように設定可能である。
【００２９】
支持基板２の幅Ｄ１                        ：１〜１０ｃｍ
支持基板２の厚みＤ２                      ：１〜１０ｍｍ
支持基板２の長さＤ３                      ：５〜５０ｃｍ
支持基板２の外面から流路２１までの距離Ｄ４：０．１〜４ｍｍ
固体電解質層４の厚み                      ：３〜５０μｍ
バリア層５の厚み                          ：３〜５０μｍ
空気極６の厚み                            ：１０〜１００μｍ
インターコネクタ７の厚み                  ：１０〜１００μｍ
集電体８の厚み                            ：５０〜５００μｍ
ただし、本発明はこれらの数値に限定されない。
【００３０】
＜Ｆｅの含有率＞
図３は、燃料極３（燃料極集電層３１及び燃料極活性層３２）、固体電解質層４、バリア層５及び空気極６それぞれの１又は２スポットにおけるＦｅ，Ｚｒ，Ｃｅのモル分率の一例を示すグラフである。
【００３１】
各層におけるＦｅ，Ｚｒ，Ｃｅの含有率（モル分率）は、各層の断面において任意の視野内におけるＥＤＳ（エネルギー分散型Ｘ線分光法：Energy Dispersive x-ray Spectroscopy）によるスポット分析で取得できる。また、各層におけるＦｅ，Ｚｒ，Ｃｅの平均含有率は、１つの視野内の複数スポットにおけるＦｅ，Ｚｒ，Ｃｅの含有率の平均値であってもよいし、複数の視野それぞれの１又は複数スポットにおけるＦｅ，Ｚｒ，Ｃｅの含有率の平均値であってもよい。
【００３２】
なお、含有率とは、各層の構成材料全体を１００とした場合における各成分の割合である。また、本実施形態において各成分の含有率について述べる場合、燃料極３、固体電解質層４、バリア層５及び空気極６は還元雰囲気に曝されているものとする。
【００３３】
まず、バリア層５におけるＦｅの平均含有率は、固体電解質層４におけるＦｅの平均含有率よりも高い。具体的に、固体電解質層４におけるＦｅの平均含有率は、０．２２ｍｏｌ％以上であり、バリア層５におけるＦｅの平均含有率は、１．００ｍｏｌ％以上であることが好ましい。これによって、固体電解質層４及びバリア層５それぞれにおける緻密性を向上させることができる。これは、固体電解質層４及びバリア層５の各々にＦｅを含有させることで各層の緻密性を向上させられると共に、共焼結時の緻密化の進行が相乗的に促進される効果によるものと考えられる。
【００３４】
また、固体電解質層４におけるＦｅの平均含有率は、２．０５ｍｏｌ％以下であることがより好ましく、バリア層５におけるＦｅの平均含有率は、２．１７ｍｏｌ％以下であることがより好ましい。これによって、燃料電池１の出力密度が低下することを抑制することができる。これは、Ｆｅの平均含有率を適切な範囲に制限することで異相の析出等が抑えられ、各層におけるイオン導電性の低下を抑制できるためと考えられる。
【００３５】
また、燃料極３におけるＦｅの平均含有率は、バリア層５におけるＦｅの平均含有率よりも高いことが好ましい。これによって、還元後の燃料極３中のＮｉ粒子のシンタリング（焼結の進行）を抑制できる。
【００３６】
また、燃料極３におけるＦｅの平均含有率は、固体電解質層４におけるＦｅの平均含有率よりも高いことが好ましい。これによって、還元後の燃料極３中のＮｉ粒子のシンタリング（焼結の進行）を抑制できる。
【００３７】
また、燃料極集電層３１におけるＦｅの平均含有率は、燃料極活性層３２におけるＦｅの平均含有率よりも高いことが好ましい。このように、Ｎｉ粒子のシンタリング（焼結の進行）を抑制できる範囲に燃料極活性層３２へのＦｅ添加量を抑えながら、燃料極集電層３１に対して燃料極活性層３２よりも多くのＦｅを添加することで、燃料極３全体としての還元収縮量を抑制することができる。すなわち、電気化学反応に寄与する燃料極活性層３２と導電部として寄与する燃料極集電層３１との間にＦｅ添加量差を設けることによって、燃料極３の性能向上を達成することができる。
【００３８】
なお、各層におけるＦｅの平均含有率は、後述するように、各層を構成する原料に添加するＦｅ又はＦｅの酸化物の量を調整することによって容易に制御することができる。
【００３９】
＜燃料電池１の製造方法＞
次に、燃料電池１の製造方法の一例について説明する。
【００４０】
まず、支持基板２の材料を押出成形機により成形し、乾燥させる。
【００４１】
次に、式（１）で表される酸化物とＮｉＯとをポットを用いて混合することによって、燃料極集電層材料のスラリーを作製する。この際、還元時にＮｉ：式（１）で表される酸化物の比が４０vol%：６０vol%となるようにＮｉＯの添加量を調整する。
【００４２】
また、燃料極活性層３２の材料と平均径０．６μｍのＦｅ2Ｏ3粉末とをポットを用いて混合することによって、燃料極活性層３２のスラリーを作製する。この際、燃料極活性層３２におけるＦｅの平均含有率が１２．００ｍｏｌ％以上になるようにＦｅ2Ｏ3粉末の添加量を調整する。
【００４３】
次に、燃料極集電層３１のスラリーと燃料極活性層３２のスラリーとを支持基板２の材料上に順次スクリーン印刷する。
【００４４】
次に、固体電解質層４のＺｒ系酸化物材料と平均径０．６μｍのＦｅ2Ｏ3粉末とをポットを用いて混合することによって、固体電解質層４のスラリーを作製する。この際、固体電解質層４におけるＦｅの平均含有率が０．２２ｍｏｌ％以上になるようにＦｅ2Ｏ3粉末の添加量を調整する。
【００４５】
次に、バリア層５のＣｅ系酸化物材料と平均径０．６μｍのＦｅ2Ｏ3粉末とをポットを用いて混合することによって、バリア層５のスラリーを作製する。この際、バリア層５におけるＦｅの平均含有率が１．００ｍｏｌ％以上になるようにＦｅ2Ｏ3粉末の添加量を調整する。
【００４６】
次に、燃料極集電層３１の材料の表面にインターコネクタ７用のＬＣＣ材料をスクリーン印刷した後に、燃料極活性層３２の材料の表面に固体電解質層４およびバリア層５の材料を順次ディップ形成する。この際、固体電解質層４の端部をインターコネクタ７上に重ねる。
【００４７】
次に、以上の積層体を共焼成する。
【００４８】
次に、共焼成によって形成されたバリア層５上に空気極８の材料を塗布し、乾燥させる。
【００４９】
次に、空気極８の材料を焼成する。
【００５０】
＜その他の実施形態＞
（Ａ）上記実施形態では、燃料電池として横縞型を挙げた。すなわち、燃料電池１においては、１個の支持基板２上に、２個以上のセルが設けられ、インターコネクタ７は、１個の支持基板２上に設けられた２つのセル間を電気的に接続するように配置される。
【００５１】
ただし、本発明は、横縞型に限らず、縦縞型、平板型、円筒型等の種々のＳＯＦＣに適用可能である。
【００５２】
縦縞型のＳＯＦＣについて、簡単に説明する。縦縞型のＳＯＦＣのセルは、支持体（導電性支持部材の一例）と、支持体上に形成される発電部（燃料極集電層、燃料極活性層、固体電解質層及び空気極を含む）と、支持体上に形成され、かつ、他の燃料電池セルの発電部に接続されるインターコネクタと、を備える。このような縦縞型のＳＯＦＣのセルでは、必要に応じて、インターコネクタ以外に、集電層８と同様の層が設けられてもよい。
【００５３】
（Ｂ）また、本発明は、燃料極支持型の燃料電池に適用可能である。具体的には、燃料電池は、燃料極集電層を支持基板として備えることができる。燃料極活性層及びその他の構成要素は、燃料極集電層上に配置される。支持基板としての燃料極集電層は、他の層と比べて、比較的大きな厚みを有する。支持基板としての燃料極集電層の厚みは、具体的な値に限定されるものではないが、上述の支持基板の寸法が適用可能である。
【実施例】
【００５４】
（サンプルNo.1〜No.6の作製）
以下のようにして、サンプルNo.1〜No.6を作製した。
【００５５】
まず、ＮｉＯ粉末とイットリウムが固溶したＺｒＯ2粉末（８ＹＳＺ）と有機バインダーと溶媒とＦｅ2Ｏ3粉末とを混合したスラリーを作製し、燃料極用シートを形成した。この際、サンプルNo.1〜No.6ごとにＦｅ2Ｏ3粉末の添加量を調整することによって、図６に示すように、燃料極におけるＦｅ含有量を制御した。
【００５６】
次に、ＹＳＺで構成される固体電解質層用シートを形成した。この際、サンプルNo.1〜No.6ごとにＦｅ2Ｏ3粉末の添加量を調整することによって、図４（ａ）及び図５（ａ）に示すように、固体電解質層におけるＦｅ含有量を制御した。
【００５７】
次に、ＧＤＣで構成されるバリア層用シートを形成した。この際、サンプルNo.1〜No.6ごとにＦｅ2Ｏ3粉末の添加量を調整することによって、図４（ｂ）及び図５（ｂ）に示すように、バリア層におけるＦｅ含有量を制御した。
【００５８】
次に、ＬＳＣＦ粉末とバインダーを添加して得られるスラリーを、固体電解質層用シート上に印刷した。
【００５９】
次に、燃料極用シート、固体電解質層用シート、バリア層用シート及びを貼り付けて、１４００℃で２時間共焼成した。
【００６０】
（Ｆｅ含有量）
サンプルNo.1〜No.6の燃料極、固体電解質層及びバリア層の断面をＥＤＳでスポット分析することによって、各層の任意の１０スポットにおけるＦｅの平均含有量を取得した。図４，５においてＦｅの平均含有量を以下の実験結果と共に図示する。
【００６１】
なお、固体電解質層及びバリア層におけるＦｅの平均含有量が固体電解質層用シート及びバリア層用シートへのＦｅ2Ｏ3粉末の添加量と一致することは確認済みである。
【００６２】
（相対密度の測定）
サンプルNo.1〜No.6の固体電解質層及びバリア層の相対密度を、固体電解質層断面及びバリア層断面それぞれを画像解析することによって算出した。具体的には、画像解析ソフトを使用して、固体電解質層断面及びバリア層断面それぞれのＳＥＭ写真から気孔率を算出した。
【００６３】
図４（ａ）は、サンプルNo.1〜No.6の固体電解質層におけるＦｅの平均含有量と固体電解質層の相対密度との関係を示している。また、図４（ｂ）は、サンプルNo.1〜No.6のバリア層におけるＦｅの平均含有量とバリア層の相対密度との関係を示している。
【００６４】
図４（ａ）と図４（ｂ）を比較して判るように、バリア層５におけるＦｅの平均含有率を、固体電解質層４におけるＦｅの平均含有率よりも高くすることによって、固体電解質層４及びバリア層５それぞれにおける緻密性を向上させることができた。これは、固体電解質層４及びバリア層５の各々にＦｅを含有させることによって、各層の緻密性を向上させられるだけでなく、共焼結時の緻密化の進行が相乗的に促進されたためであると考えられる。
【００６５】
また、図４（ａ）に示すように、固体電解質層におけるＦｅの平均含有率を０．２２ｍｏｌ％以上とすることによって、固体電解質層において９８％以上の十分な相対密度が得られることがわかった。また、図４（ｂ）に示すように、バリア層におけるＦｅの平均含有率を１．００ｍｏｌ％以上とすることによって、バリア層において９５％以上の十分な相対密度が得られることがわかった。
【００６６】
以上より、固体電解質層におけるＦｅの平均含有量を０．２２ｍｏｌ％以上、かつ、バリア層におけるＦｅの平均含有率を１．００ｍｏｌ％以上とすることによって、固体電解質層及びバリア層のガスシール性を向上させられることが確認された。
【００６７】
（出力密度の測定）
サンプルNo.１〜No.6について、燃料極側に窒素ガス、空気極側に空気を供給しながら７５０℃まで昇温し、７５０℃に達した時点で燃料極に水素ガスを供給しながら還元処理を３時間行った。この後、定格電圧０．８Ｖで７５０℃の条件で、サンプルNo.１〜No.6の出力密度を測定した。
【００６８】
図５（ａ）は、サンプルNo.1〜No.6の固体電解質層におけるＦｅの平均含有量と燃料電池の出力密度との関係を示している。また、図５（ｂ）は、サンプルNo.1〜No.6のバリア層におけるＦｅの平均含有量と燃料電池の出力密度との関係を示している。また、図６は、サンプルNo.1〜No.6の燃料極におけるＦｅの平均含有量と燃料電池の出力密度との関係を示している。
【００６９】
図５（ａ）に示すように、固体電解質層におけるＦｅの平均含有率を２．０５ｍｏｌ％以下とすることによって、０．２３（Ｗ／ｃｍ2）以上の出力密度を維持できることがわかった。また、図５（ｂ）に示すように、バリア層におけるＦｅの平均含有率を２．１７ｍｏｌ％以下とすることによって、０．２３（Ｗ／ｃｍ2）以上の出力密度を維持できることがわかった。これは、Ｆｅの平均含有率を適切な範囲に制限することで異相の析出等を抑えることができたため、各層におけるイオン導電性の低下を抑制できたことによるものと考えられる。
【００７０】
また、図６に示すように、燃料極におけるＦｅの平均含有率を０．２７ｍｏｌ％以上かつ２７ｍｏｌ％以下とすることによって、０．２３（Ｗ／ｃｍ2）以上の出力密度を維持できることがわかった。
【００７１】
さらに、図５（ｂ）と図６を比較して判るように、燃料極のＦｅ平均含有率をバリア層のＦｅ平均含有率よりも高くすることで、相対密度を高められることが判った。これは、還元後における燃料極中のＮｉ粒子のシンタリング（焼結の進行）を抑制できたためと考えられる。この時、０．２３（Ｗ／ｃｍ2）以上の出力密度が得られた条件では、燃料極におけるＦｅの平均含有率は、バリア層におけるＦｅの平均含有率よりも大きくあり、一方、出力密度が低下した条件では逆に小さくなっていた。
【００７２】
同様に、図５（ａ）と図６を比較して判るように、燃料極のＦｅ平均含有率を固体電解質層のＦｅ平均含有率よりも高くすることで、相対密度を高められることが判った。これは、還元後における燃料極中のＮｉ粒子のシンタリング（焼結の進行）を抑制できたためと考えられる。この時、０．２３（Ｗ／ｃｍ2）以上の出力密度が得られた条件では、燃料極におけるＦｅの平均含有率は、固体電解質層におけるＦｅの平均含有率よりも大きくなっており、一方で、出力密度が低下した条件では逆に小さくなっていた。
【符号の説明】
【００７３】
１    横縞型固体酸化物型燃料電池
２    支持基板
３１  燃料極集電層
３２  燃料極活性層
４    固体電解質層
５    バリア層
６    空気極
７    インターコネクタ
８    集電層
１１  第１セル
１２  第２セル
２１  流路
【要約】
【課題】固体電解質層及びバリア層のガスシール性を向上可能な燃料電池セルを提供する。
【解決手段】固体酸化物型燃料電池は、燃料極と、空気極と、燃料極と空気極との間に配置され、Ｚｒ系酸化物材料とＦｅとを含む固体電解質層と、固体電解質層と空気極との間に配置され、希土類元素を含有するＣｅ系酸化物材料とＦｅとを含むバリア層と、を備える。バリア層におけるＦｅの平均含有率は、固体電解質層におけるＦｅの平均含有率よりも高い。
【選択図】図２【図１】
0005270807.tif 000002
【図２】
0005270807.tif 000003
【図３】
0005270807.tif 000004
【図４】
0005270807.tif 000005
【図５】
0005270807.tif 000006
【図６】
0005270807.tif 000007