(57)【要約】【課題】作動温度が低温（たとえば６００℃以下）であっても、良好な発電性能を示し、しかも発電セルの反りや割れ等を効果的に防止できる固体酸化物形燃料電池用発電セルを提供すること。【解決手段】固体電解質（２）と、固体電解質の一方の主面に形成された空気極（３）と、固体電解質の他方の主面に形成された燃料極（４）と、を備える固体酸化物形燃料電池用発電セル（１）であって、固体電解質が、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｔｉ，Ｆｅ）Ｏ３からなる第１固体電解質（２１）と、酸化物イオン輸率が０．９６以上である酸化物からなる複数の第２固体電解質（２２）と、を有し、第１固体電解質の一方の主面と空気極との間に、空気極側第２固体電解質が形成され、第１固体電解質の他方の主面と燃料極との間に、燃料極側第２固体電解質が形成されている。【選択図】図１
2012074304.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質と、前記固体電解質の一方の主面に形成された空気極と、前記固体電解質の他方の主面に形成された燃料極と、を備える固体酸化物形燃料電池用発電セルであって、
前記固体電解質が、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｔｉ，Ｆｅ）Ｏ３からなる第１固体電解質と、酸化物イオン輸率が０．９６以上である酸化物からなる複数の第２固体電解質と、を有し、
前記第１固体電解質の一方の主面と前記空気極との間に、空気極側第２固体電解質が形成され、前記第１固体電解質の他方の主面と前記燃料極との間に、燃料極側第２固体電解質が形成されていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池用発電セル。
【請求項２】
前記（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｔｉ，Ｆｅ）Ｏ３が、一般式（Ｌａ１−ｘＳｒｘ）（Ｔｉ１−ｙＦｅｙ）Ｏ３−δで表され、前記一般式において、ｘが０．１〜０．５、ｙが０．１〜０．９である関係を満足する請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池用発電セル。
【請求項３】
前記第１固体電解質の厚みが０．５〜２５μｍである請求項１または２に記載の固体酸化物形燃料電池用発電セル。
【請求項４】
前記空気極側第２固体電解質および前記燃料極側第２固体電解質の合計の厚みが０．５〜５μｍである請求項１〜３のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池用発電セル。
【請求項５】
前記空気極側第２固体電解質の厚みと前記燃料極側第２固体電解質の厚みとの比が、空気極側：燃料極側＝１：４〜４：１である請求項１〜４のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池用発電セル。
【請求項６】
前記酸化物が、イットリア安定化ジルコニア、スカンジア安定化ジルコニア、サマリウムがドープされたセリア、ガドリニウムがドープされたセリアおよび（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｇａ，Ｍｇ）Ｏ３からなる群から選ばれる少なくとも１つである請求項１〜５のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池用発電セル。
【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発電セルに関し、さらに詳しくは、作動温度が低温であっても、良好な発電性能を示し、しかも発電セルの反りや割れなどを効果的に防止できる固体酸化物形燃料電池用発電セルに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物形燃料電池は、電解質としてイオン伝導性の高い酸化物セラミックスを用い、装置内で生じる電気化学反応を利用して、電力を取り出す装置である。燃料電池の中でも、固体酸化物形燃料電池は、発電効率が高く、高価な触媒も必要ではないため、温室効果ガス削減に貢献する創エネルギーデバイスとして開発が進められている。
【０００３】
従来の固体酸化物形燃料電池は、作動温度が高いため（たとえば８００〜１０００℃）、使用できる材料が制限される、あるいは熱サイクルによる材料の劣化などの問題点があった。そのため、作動温度を低くすることが試みられている。
【０００４】
たとえば、特許文献１では、電解質と燃料極との間に元素拡散抑制のためのバリア層や熱膨張差緩和のための移行層を配置する燃料電池が記載されている。しかしながら、特許文献１に記載された構成では、電解質の酸化物イオン伝導性が低く、しかも電解質の厚みが厚くなるため、抵抗が増加し、低温での性能が低下してしまうという問題があった。
【０００５】
また、特許文献２では、第１電解質として安定化Ｂｉ２Ｏ３を用い、低下した酸化物イオン輸率を向上させるために、ＹＳＺ等を第２電解質として用い、電解質を複数層で構成することが記載されている。しかしながら、安定化Ｂｉ２Ｏ３の酸化物イオン伝導性がそれほど高くないため、低温での性能が低下してしまうという問題があった。
【０００６】
なお、固体電解質の厚みを薄膜化することで、作動温度を低温にしても、酸化物イオン伝導性を良好にすることは可能であるが、固体電解質の強度が低下し、発電セルの信頼性が低下してしまうという問題があった。
【０００７】
また、発電セルを製造する際には、通常、固体電解質および燃料極を一体にして焼成される。このような異材質を一体として焼成した場合、収縮挙動（熱膨張差）に起因して生じる応力により焼結体に反りや割れ等が発生するという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特表２００４−５０７０６１号公報
【特許文献２】特開２００２−１７０５７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、このような実状に鑑みてなされ、作動温度が低温（たとえば６００℃以下）であっても、良好な発電性能を示し、しかも発電セルの反りや割れ等を効果的に防止できる固体酸化物形燃料電池用発電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】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明に係る固体酸化物形燃料電池用発電セルは、
固体電解質と、前記固体電解質の一方の主面に形成された空気極と、前記固体電解質の他方の主面に形成された燃料極と、を備える固体酸化物形燃料電池用発電セルであって、
前記固体電解質が、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｔｉ，Ｆｅ）Ｏ３からなる第１固体電解質と、酸化物イオン輸率が０．９６以上である酸化物からなる複数の第２固体電解質と、を有し、
前記第１固体電解質の一方の主面と前記空気極との間に、空気極側第２固体電解質が形成され、前記第１固体電解質の他方の主面と前記燃料極との間に、燃料極側第２固体電解質が形成されていることを特徴とする。
【００１１】
本発明では、低温（たとえば、６００℃以下）においても、酸化物イオン伝導性が極めて高い複合酸化物（（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｔｉ，Ｆｅ）Ｏ３）を固体電解質として用いている。しかしながら、この複合酸化物は、酸化物イオン輸率が極めて低い、すなわち電子伝導性が極めて高いため、複合酸化物と燃料極とが直接接していると、燃料極で生じた電子が複合酸化物側に移動してしまう。その結果、複合酸化物内で短絡が生じ、電力を外部回路に取り出すことができない。
【００１２】
そこで、本発明では、さらに、固体電解質として、酸化物イオン輸率が高い酸化物を、該複合酸化物と空気極との間および該複合酸化物と燃料極との間に配置することで、電子の固体電解質側への移動を該酸化物によりブロックしている。このようにすることで、作動温度が低温であっても、固体電解質への電子の移動（短絡）を防止し、かつ空気極で生じた酸化物イオンを燃料極に速やかに到達させ、電力を取り出すことができる。
【００１３】
しかも、該酸化物を、該複合酸化物の両主面に配置しているため、異材質で構成された発電セルを一体焼成した場合であっても、発生する応力の分布を対称にすることができる。その結果、焼成後の発電セルの反りや割れを効果的に防止することができる。
【００１４】
好ましくは、前記（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｔｉ，Ｆｅ）Ｏ３が、一般式（Ｌａ１−ｘＳｒｘ）（Ｔｉ１−ｙＦｅｙ）Ｏ３−δで表され、前記一般式において、ｘが０．１〜０．５、ｙが０．１〜０．９である関係を満足する。上記の一般式で表される複合酸化物は、母材であるＬａＴｉＯ３のＬａサイトにＳｒを、ＴｉサイトにＦｅをそれぞれ置換したものであり、このようにすることにより酸化物イオン伝導性が発現する。ｘおよびｙが上記の範囲内であれば、本発明における発電セルの性能に影響を及ぼすほどの酸化物イオン伝導性の変化はない。
【００１５】
好ましくは、前記第１固体電解質の厚みが０．５〜２５μｍである。
【００１６】
好ましくは、前記空気極側第２固体電解質および前記燃料極側第２固体電解質の合計の厚みが０．５〜５μｍである。
【００１７】
好ましくは、前記空気極側第２固体電解質の厚みと前記燃料極側第２固体電解質の厚みとの比が、空気極側：燃料極側＝１：４〜４：１である。
【００１８】
第１固体電解質および第２固体電解質の厚みを制御することで、本発明の効果をより高めることができる。
【００１９】
好ましくは、前記酸化物が、イットリア安定化ジルコニア、スカンジア安定化ジルコニア、サマリウムがドープされたセリア、ガドリニウムがドープされたセリアおよび（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｇａ，Ｍｇ）Ｏ３からなる群から選ばれる少なくとも１つである。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る固体酸化物形燃料電池用発電セルの模式的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明を、図面に示す実施形態に基づき説明する。
【００２２】
＜固体酸化物形燃料電池用発電セル１＞
本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池用発電セル１を図１に示す。該発電セル１は、固体電解質２と、固体電解質２の一方の主面に接するように形成されている空気極３と、固体電解質２の他方の主面に接するように形成されている燃料極４と、を有する。
【００２３】
この発電セル１は、電気化学反応により電気を発生させるための最小単位であり、複数の発電セル１を、インターコネクタを介して直列に接続することで、スタックとされ、高出力を得ることができる。
【００２４】
発電セル１の形状は、特に制限されず、用途等に応じて決定すればよい。たとえば、平板状であってもよいし、円筒状であってもよい。また、平板の形状についても制限されず、円形状あるいは楕円形状であってもよいし、三角形以上の多角形状であってもよい。発電セル１の寸法についても、特に制限されず、用途等に応じて決定すればよい。
【００２５】
また、発電セル１の強度を確保するための構造としては、電解質支持型であってもよいし、電極（空気極または燃料極）支持型であってもよい。本実施形態では、燃料極支持型であることが好ましい。
【００２６】
＜固体電解質２＞  
本実施形態では、図１に示すように、固体電解質２は、第１固体電解質２１の両主面が、２層の第２固体電解質２２に直接挟持された構成を有する。そして、第１固体電解質２１の一方の主面と空気極３との間に、空気極側第２固体電解質２２が配置され、第１固体電解質２１の他方の主面と燃料極４との間に、燃料極側第２固体電解質２２が配置されている。すなわち、第１固体電解質２１は空気極３および燃料極４とは接していない。
【００２７】
＜第１固体電解質２１＞
第１固体電解質２１は、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｔｉ，Ｆｅ）Ｏ３からなり、具体的には、一般式（Ｌａ１−ｘＳｒｘ）（Ｔｉ１−ｙＦｅｙ）Ｏ３−δ （以下、ＬＳＴＦともいう）で表される緻密質の複合酸化物である。δは酸素欠損を表す。
【００２８】
このＬＳＴＦは、非常に高い酸化物イオン伝導性を有しているが、電気伝導性のうち酸化物イオンが担う割合を示す酸化物イオン輸率は非常に低いため、固体電解質として単独で用いることには適さない。しかしながら、後述するように、第２固体電解質と組み合わせて用いることで、良好な酸化物イオン伝導性を有する固体電解質として適用できる。
【００２９】
上記式において、ｘは好ましくは０．１〜０．５、より好ましくは０．２〜０．４である。ｘはＳｒ原子が占める割合を示しており、ｘを上記の範囲とすることで、Ｌａ３＋サイトをＳｒ２＋サイトが占めることで、酸素欠陥が生じ、良好な酸化物イオン伝導性を発現できるという利点がある。
【００３０】
上記式において、ｙは好ましくは０．１〜０．９、より好ましくは０．６〜０．９である。ｙはＦｅ原子が占める割合を示しており、ｙを上記の範囲とすることで、電気伝導性を向上できるという利点がある。
【００３１】
固体電解質２、空気極３および燃料極４が積層される方向における第１固体電解質２１の長さを、第１固体電解質２１の厚みとすると、該厚みは好ましくは０．５〜２５μｍ、より好ましくは１〜５μｍである。厚みを上記の範囲とすることで、固体電解質としての強度を確保でき、かつ発電性能を高く保つことができるという利点がある。
【００３２】
＜第２固体電解質２２＞
第２固体電解質２２は、酸化物イオン輸率が０．９６（９６％）以上の緻密質の酸化物からなる。該酸化物としては、本実施形態では、イットリア安定化ジルコニア（以下、ＹＳＺともいう）、スカンジア安定化ジルコニア（以下、ＳｃＳＺともいう）、サマリウムがドープされたセリア（以下、ＳＤＣともいう）、ガドリニウムがドープされたセリア（以下、ＧＤＣともいう）および（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｇａ，Ｍｇ）Ｏ３（以下、ＬＳＧＭともいう）からなる群から選ばれる少なくとも１つであることが好ましい。
【００３３】
このような酸化物は、酸化物イオン輸率および酸化物イオン伝導性が高いため好ましい。なお、酸化物イオン輸率の上限は１である、すなわち、電気伝導の全てを酸化物イオンが担っていることが好ましいが、現在の技術では０．９９５程度である。
【００３４】
ＹＳＺとしては、イットリア（Ｙ２Ｏ３）をジルコニア（ＺｒＯ２）に３〜１５モル％固溶させたものが好ましい。ＳｃＳＺとしてはスカンジア（Ｓｃ２Ｏ３）を、ジルコニアに５〜１０モル％固溶させたものが好ましい。ＳＤＣとしては、サマリウム（Ｓｍ）をセリア（ＣｅＯ２）に１０〜２０モル％ドープしたものが好ましい。ＧＤＣとしては、ガドリニウム（Ｇｄ）をセリアに１０〜２０モル％ドープしたものが好ましい。ＬＳＧＭとしては、一般式（Ｌａ１−ｘＳｒｘ）（Ｇａ１−ｙＭｇｙ）Ｏ３−δで表される酸化物であって、ｘが０．１〜０．４、ｙが０．１〜０．４であることが好ましい。
【００３５】
なお、空気極側第２固体電解質と燃料極側第２固体電解質とは同材質とされる。ここで、「同材質」とは、母材が同じであればよい趣旨であり、ドープされる元素の種類や量が異なっていてもよい。
【００３６】
固体電解質２、空気極３および燃料極４が積層される方向における第２固体電解質２２の長さを、第２固体電解質２２の厚みとすると、空気極側第２固体電解質および燃料極側第２固体電解質の合計の厚みが、好ましくは０．５〜５μｍ、より好ましくは１〜３μｍである。
【００３７】
また、空気極側第２固体電解質の厚みと燃料極側第２固体電解質の厚みとの比が、好ましくは空気極側：燃料極側＝１：４〜４：１、より好ましくは１：２〜２：１である。例を挙げると、空気極側第２固体電解質の厚みが１μｍである場合には、燃料極側の厚みは０．２５〜４μｍの範囲が好ましく、燃料極側の厚みが１μｍである場合には、空気極側の厚みを０．２５〜４μｍの範囲が好ましい。
【００３８】
厚みおよびその比を上記の範囲とすることで、固体電解質としての強度を確保でき、かつ発電性能を高く保つことができると共に、焼成時の応力の分布を対称にできるという利点がある。
【００３９】
本実施形態では、酸化物イオン伝導性が非常に高いものの、酸化物イオン輸率が極めて低い第１固体電解質２１と、酸化物イオン輸率が非常に高い第２固体電解質２２と、を組み合わせて固体電解質２を構成している。
【００４０】
第１固体電解質を構成するＬＳＴＦは、酸化物イオン伝導性は非常に高いが、酸化物イオン輸率は０．０１（１％）程度である。そのため、ＬＳＴＦ（第１固体電解質２１）と燃料極４とを接すると、ＬＳＴＦ（第１固体電解質２１）と燃料極４との界面で生じた電子がＬＳＴＦに容易に移動し、ＬＳＴＦ内部で回路が形成されてしまい、外部に電力を取り出すことができない。
【００４１】
そこで、本実施形態では、酸化物イオン輸率の非常に高い酸化物（第２固体電解質２２）を、ＬＳＴＦ（第１固体電解質２１）と空気極３との間およびＬＳＴＦ（第１固体電解質２１）と燃料極４との間に配置している。このようにすることで、電子が第２固体電解質２２を透過することは極めて困難となるため、燃料極で生じたほとんどの電子は外部回路を通じて空気極側へ移動する。一方、第２固体電解質２２と空気極３との界面で生成した酸化物イオンは、第１固体電解質２１および第２固体電解質２２中を良好に伝導し、燃料極４に到達する。
【００４２】
すなわち、第１固体電解質２１が有する良好な酸化物イオン伝導性を利用しつつ、第２固体電解質２２により電子の伝導のみをブロックして、外部に電力を取り出すことができる。
【００４３】
換言すれば、酸化物イオンにとって抵抗成分である固体電解質を構成するに際し、比較的に抵抗の大きい成分（第２固体電解質）を、電子伝導性が生じない程度において、非常に抵抗の小さい成分（第１固体電解質）で置換した構成としている。
【００４４】
しかも、第１固体電解質２１の両主面を、同材質である第２固体電解質２２で挟み込んでいる。このようにすることで、発電セル１を一体焼成した場合であっても、構成材料の収縮挙動の差に起因する応力の分布が対称となり、一部の応力がキャンセルされ、トータルの応力が緩和される。その結果、焼成後の発電セル１において、応力に起因する反りや割れを防止することができる。
【００４５】
固体電解質を上記のような構成とすることで、作動温度が低温（たとえば、６００℃以下）であっても、固体電解質を薄膜化することなく高い発電性能が得られ、発電セルとしての強度を確保することができる。さらに、発電セルの反りや割れも防止できるため、セルの信頼性を高めることができる。
【００４６】
＜空気極３＞
空気極３は、ガス透過性や三相界面での反応性を向上させるために多孔質材料で構成され、発電セル１内において陰極として作用する。本実施形態では、空気極３として、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ３系材料（以下、ＬＳＣＦ系材料ともいう）、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｔｉ，Ｆｅ）Ｏ３系材料（以下、ＬＳＴＦ系材料ともいう）、（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ３系材料（以下、ＬＳＣ系材料ともいう）、ＬＳＣＦ系材料とＬＳＴＦ系材料とのコンポジット材料、ＬＳＣ系材料とＬＳＴＦ系材料とのコンポジット材料からなる群から選ばれる少なくとも１つであることが好ましい。このような材料は、発電セルの一体焼成時において、第２固体電解質との収縮挙動の差を小さくできる。なお、空気極３は、複数の層で形成されていてもよい。
【００４７】
＜燃料極４＞
燃料極４は、ガス透過性や三相界面での反応性を向上させるために多孔質材料で構成され、発電セル１内において陽極として作用する。燃料極４としては、特に制限されず、公知の材料を用いればよいが、本実施形態では、ＮｉＯとＹＳＺとのコンポジット材料（以下、ＮｉＯ／ＹＳＺともいう）を用いる。この材料は、良好な電子伝導性を有するＮｉＯをＹＳＺに分散させることで、焼成時のＮｉＯの凝集を防止し、三相界面を増加させ、反応性を高めることができる。また、発電セルの一体焼成時において、第２固体電解質との収縮挙動の差を小さくできる。なお、燃料極４は、空気極３と同様に、複数の層で形成されていてもよい。
【００４８】
＜固体酸化物形燃料電池用発電セル１の製造方法＞
本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池用発電セル１を製造する方法としては、特に制限されず、公知の方法を採用すればよいが、以下では、固体電解質および燃料極についてはシート法を用い、空気極についてはスクリーン印刷を用いて発電セル１を製造する方法に関して具体的に説明する。
【００４９】
まず、第１固体電解質、第２固体電解質、空気極および燃料極を形成するための原料を準備し、これを塗料化して、各ペーストを調製する。
【００５０】
上記の原料として、上記した成分の酸化物やその混合物、複合酸化物を用いることができるが、その他、焼成により上記した酸化物や複合酸化物となる各種化合物、たとえば、炭酸塩、シュウ酸塩、硝酸塩、水酸化物、有機金属化合物等から適宜選択し、混合して用いることもできる。
【００５１】
また、上記の原料として、Ｎｉなどの導電性金属や合金からなる導電材、あるいは焼成後に上記した導電材となる各種酸化物、有機金属化合物、レジネート等を用いてもよい。
【００５２】
各ペーストは、通常、上記の原料とバインダ樹脂と有機溶剤とを混練した有機系の塗料とされるが、溶剤を水とした水系の塗料であってもよい。各ペースト中には、必要に応じて可塑剤などの添加物が含有されていてもよい。
【００５３】
また、空気極および燃料極を多孔質材料とするために、空気極用ペーストおよび燃料極用ペーストには気孔形成剤を添加される。気孔形成剤としては、特に制限されないが、本実施形態では、焼成時の保持温度よりも低い温度で分解、気化する樹脂ビーズを用いる。
【００５４】
各ペーストを用いて、たとえばドクターブレード法により、第１固体電解質のグリーンシート、第２固体電解質のグリーンシートおよび燃料極のグリーンシートを形成する。
【００５５】
続いて、形成した各グリーンシートを、第２固体電解質、第１固体電解質、第２固体電解質および燃料極の順番となるように積層し圧着して、グリーンシート積層体を得る。
【００５６】
得られたグリーンシート積層体を所定の形状に切り出し、固体電解質／燃料極積層グリーン体とする。
【００５７】
このグリーン体を焼成して固体電解質／燃料極積層焼結体を得る。焼成する前に脱バインダ処理を行ってもよい。焼成条件としては、保持温度が好ましくは１３００〜１５００℃、保持時間が好ましくは１〜６時間である。また、焼成時の雰囲気は大気中とすることが好ましい。
【００５８】
次いで、この固体電解質／燃料極積層焼結体の燃料極と対向する面の固体電解質上に、スクリーン印刷法により、空気極を形成する。
【００５９】
空気極を形成したあとに、固体電解質との密着性を保つために焼付けを行い、発電セル１を得る。焼成条件としては、保持温度が好ましくは１０００〜１２００℃、保持時間が好ましくは１〜６時間である。また、焼成時の雰囲気は大気中とすることが好ましい。
【００６０】
このようにして製造された本実施形態の発電セルは、所望の出力が得られるように、インターコネクタを介して直列に接続され、スタックを形成し、固体酸化物形燃料電池に使用される。
【００６１】
以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明は、上述した実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々に改変することができる。
【００６２】
たとえば、上述した実施形態では、スクリーン印刷法により空気極を形成する手段を示したが、空気極のグリーンシートをシート法により形成し、固体電解質／燃料極積層焼結体を得た後に、固体電解質上に空気極グリーンシートを積層して焼き付けてもよい。
【実施例】
【００６３】
以下、本発明を、さらに詳細な実施例に基づき説明するが、本発明は、これら実施例に限定されない。
【００６４】
まず、発電セルを製造するための原料を準備した。
【００６５】
第１固体電解質を構成する材料の原料として、Ｌａ０．６Ｓｒ０．４Ｔｉ０．３Ｆｅ０．７Ｏ３  （以下、ＬＳＴＦという）粉末を準備した。ＬＳＴＦ粉末：１００重量部と、バインダ樹脂としてのブチラール樹脂：１５重量部と、可塑剤としてのジオクチルフタレート（ＤＯＰ）：４重量部と、溶媒としてのアルコール：８０重量部とをボールミルで混合・分散してペースト化し、第１固体電解質用ペーストを得た。得られたペーストを用いて、ドクターブレード法により、焼成後の厚みが表１に示す厚みとなるようにグリーンシートを形成した。
【００６６】
次いで、第２固体電解質の原料として、８モル％のイットリアで安定化されたジルコニア（以下、８ＹＳＺという）粉末を準備した。８ＹＳＺ粉末：１００重量部と、バインダ樹脂としてのブチラール樹脂：１５重量部と、可塑剤としてのジオクチルフタレート（ＤＯＰ）：４重量部と、溶媒としてのアルコール：８０重量部とをボールミルで混合・分散してペースト化し、第２固体電解質用ペーストを得た。得られたペーストを用いて、ドクターブレード法により、焼成後の厚みが表１に示す厚みとなるようにグリーンシートを形成した。なお、試料番号１８〜２３については、８ＹＳＺの代わりに、第２固体電解質を表１に示す材料で構成した。
【００６７】
次いで、空気極を構成する材料の原料として、Ｌａ０．６Ｓｒ０．４Ｃｏ０．８Ｆｅ０．２Ｏ３ （以下、ＬＳＣＦ系材料という）粉末と、Ｌａ０．６Ｓｒ０．４Ｔｉ０．３Ｆｅ０．７Ｏ３（以下、ＬＳＴＦ系材料という）粉末とが７０：３０の重量比で混合されたＬＳＣＦ系材料とＬＳＴＦ系材料とのコンポジット材料（以下、ＬＳＣＦ／ＬＳＴＦという）粉末を準備した。ＬＳＣＦ／ＬＳＴＦ粉末：１００重量部と、気孔形成剤としてのアクリルビーズ：２０重量部と、バインダ樹脂としてのエチルセルロース：１０重量部と、可塑剤としてのジオクチルフタレート（ＤＯＰ）：２重量部と、溶媒としてのアルコール：１００重量部とをボールミルで混合・分散してペースト化し、空気極用ペーストを得た。
【００６８】
次いで、燃料極を構成する材料の原料として、ＮｉＯと８ＹＳＺとが６０：４０の重量比で混合されたＮｉＯ／ＹＳＺ混合粉末を準備した。ＮｉＯ／ＹＳＺ原料粉末：１００重量部と、気孔形成剤としてのアクリルビーズ：２０重量部と、バインダ樹脂としてのブチラール樹脂：７．５重量部と、可塑剤としてのジオクチルフタレート（ＤＯＰ）：４重量部と、溶媒としてのアルコール：７０重量部とをボールミルで混合・分散してペースト化し、燃料極用ペーストを得た。得られたペーストを用いて、ドクターブレード法により、グリーンシートを形成した。
【００６９】
次いで、上記で作製した各グリーンシートを、第２固体電解質、第１固体電解質、第２固体電解質、燃料極の順になるように積層し、加圧接着することによりグリーンシート積層体を得た。このグリーンシート積層体を、焼成後にφ２０ｍｍとなるように打ち抜くことにより、固体電解質／燃料極積層グリーン体を得た。
【００７０】
得られたグリーン体を、焼成温度：１４００℃、保持時間：５時間、焼成雰囲気：大気中の条件で焼成し、固体電解質／燃料極積層焼結体を得た。
【００７１】
この固体電解質／燃料極積層焼結体の燃料極と対向する面、すなわち空気極側第２固体電解質上に、上記で得られた空気極用ペーストを用いて、スクリーン印刷法により、空気極を形成した。
【００７２】
空気極を印刷した後、焼成温度：１２００℃、保持時間：３時間、焼成雰囲気：大気中の条件で焼き付けし、図１に示すような発電セル１を得た。
【００７３】
得られた発電セルについて、目視による外観検査を行い、さらに、発電セルを定盤上に載置し、発電セルの上に１ｋｇの荷重を加えて反りを評価した。結果を表１に示す。また、発電性能の評価として開回路起電力および最大出力密度の測定をそれぞれ下記に示す方法により行った。
【００７４】
＜開回路起電力＞
得られた発電セルの空気極側に空気を２００ｍｌ／ｍｉｎの流量で供給し、燃料極側に水素を２００ｍｌ／ｍｉｎの流量で供給して、５００℃および６００℃において、発電セルに印加する電流が０Ａの時の電圧を測定し、これを開回路起電力とした。この開回路起電力は、濃淡電池における酸素と水素との標準起電力に近いほど好ましく、本実施例では、０．９５Ｖ以上を良好とした。結果を表１に示す。
【００７５】
＜最大出力密度＞
開回路起電力の測定条件において、発電セルに電流を印加し、印加電流値とその時の発電セルの電圧とから出力を求め、電流を印加していったときに最大となる出力を単位面積で除した値を最大出力密度とした。この最大出力密度は大きいほど好ましく、本実施例では、２００ｍＷ／ｃｍ２以上を良好とし、３００ｍＷ／ｃｍ２以上であることがより好ましい。結果を表１に示す。
【００７６】
【表１】
2012074304.tif 000003
【００７７】
表１より、試料番号１では、第１固体電解質の主面に第２固体電解質が配置されていないために、第１固体電解質内で短絡が生じてしまい、外部に電力が取り出せず、開回路起電力がほぼ０になっていることが確認できた。
【００７８】
また、試料番号８では、第１固体電解質の強度が低下してしまい、外観検査においてひび割れが生じていることが観察された。そのため、発電性能および反りの評価を行うことができなかった。
【００７９】
また、試料番号１３では、第２固体電解質が薄いために、電子を十分にブロックすることができず、開回路起電力が急激に低下することが確認できた。
【００８０】
また、試料番号１４では、第２固体電解質の合計の厚みが大きすぎ、さらに空気極側の厚みと燃料極側の厚みとの比が大きすぎるために、焼成後に発電セルに反りが生じることが確認できた。
【００８１】
また、試料番号１８では、第２固体電解質の酸化物イオン輸率が低いため、開回路起電力が若干低下し、最大出力密度も若干低下する傾向にあることが確認できた。
【００８２】
これに対し、試料番号２〜７、９〜１２、１５〜１７、１９〜２３では、作動温度が６００℃以下であっても、十分な開回路起電力と高い最大出力密度が得られており、十分な発電性能を有しており、しかも焼成後の発電セルにはひび割れや反りが生じていないことが確認できた。なお、試料番号２および９では、十分な開回路起電力は得られるものの、最大出力密度が若干低下する傾向にあった。
【００８３】
なお、６００℃におけるＹＳＺの酸化物イオン伝導度は３．０×１０−２（Ｓ／ｃｍ）程度であり、６００℃におけるＬＳＴＦの酸化物イオン伝導度（１．７×１０−１（Ｓ／ｃｍ）程度）よりも低いため、第１固体電解質をＹＳＺ等で構成しても、本発明の効果を得ることはできない。
【符号の説明】
【００８４】
１…  固体酸化物形燃料電池用発電セル
２…  固体電解質
２１…  第１固体電解質
２２…  第２固体電解質
３…  空気極
４…  燃料極
【図１】
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