固体酸化物形燃料電池セルと固体酸化物形燃料電池セルユニット、及びそれを備える燃料電池モジュール
【課題】 集電部と空気極の密着性がなく、初期発電性能が低いという不具合があった。
【解決手段】 固体酸化物形燃料電池セルは、固体酸化物形燃料電池セルにAg/Pd合金を含む第一溶液を適用し、次に第一溶液よりもAg量が多いAg/Pd合金を含む第二溶液を適用し、焼成することを特徴とする固体酸化物形燃料電池セルを提供する。
【解決手段】 固体酸化物形燃料電池セルは、固体酸化物形燃料電池セルにAg/Pd合金を含む第一溶液を適用し、次に第一溶液よりもAg量が多いAg/Pd合金を含む第二溶液を適用し、焼成することを特徴とする固体酸化物形燃料電池セルを提供する。
【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セルと固体酸化物形燃料電池セルユニット、及びそれを備える燃料電池モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、管状の燃料電池セルを有する燃料電池セルが知られている（例えば、特許文献１参照）。まず、特許文献１に記載された従来の固体酸化物形燃料電池セルの一例を説明する。特許文献１に記載された固体酸化物形燃料電池セルユニットは、空気極に銀ペーストが塗布されている。銀は、空気に露出している。
【０００３】
また、特許文献２には、平板状の固体酸化物形燃料電池セルが記載され、この固体酸化物形燃料電池セルの内側の空気極集電体は、セパレーターと空気極に挟まれている。空気極集電体は、銀の多孔質体、表面に酸化物層を形成した銀の多孔質体、銀の素地中に酸化物が分散した分散強化形銀の多孔質体、または銀よりも高温強度の優れた合金の多孔質体の少なくとも片面に銀メッキした多孔質体の何れかからなる固体酸化物形燃料電池の空気極集電体である。
【０００４】
また、特許文献３には、扁平状の固体酸化物形燃料電池セルが記載され、この固体酸化物形燃料電池セルの酸素極は、Ag又はAgを含有する合金が分散された導電性セラミックスからなっている。
【特許文献１】特開２００７−９５４４２号公報
【特許文献２】特許３９２４７７２号公報
【特許文献３】特開２００６−１００００７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１〜３にあるように集電部にAgやAg/Pd合金を用いることが知られていた。しかし、集電部としての機能は良いが、空気極に対して集電部が密着する性能が不十分であり、密着性を向上した集電部が望まれていた。
【０００６】
そこで本発明者らは、集電部が空気極と密着性が確保でき、かつ発電性能が良好な固体酸化物形燃料電池セルを提供するために検討を行なった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために本発明に係る固体酸化物形燃料電池セルは、固体酸化物形燃料電池セルにAg/Pd合金を含む第一溶液を適用し、次に第一溶液よりもAg量が多いAg/Pd合金を含む第二溶液を適用し、焼成することを特徴とする固体酸化物形燃料電池セルを提供する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、集電部と空気極の密着性が良好な固体酸化物形燃料電池セルと固体酸化物形燃料電池セルユニット、及びそれを備える燃料電池モジュールを提供可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明を実施するための最良の形態を説明するに先立って、本発明の作用効果について説明する。
【００１０】
本発明に係る固体酸化物形燃料電池セルは、固体酸化物形燃料電池セルにAg/Pd合金を含む第一溶液を適用し、次に第一溶液よりもAg量が多いAg/Pd合金を含む第二溶液を適用し、焼成することを特徴とする固体酸化物形燃料電池セルを提供する。
【００１１】
本発明によれば、セルの表面側に第一溶液よりもAg量が多いAg/Pd合金を含む第二溶液を適用するので、集電部と空気極の密着性が確保される。さらに第一溶液よりもAg量が多いAg/Pd合金を含む第二溶液を適用するので、発電性能が良好である固体酸化物形燃料電池セルを提供することができる。
【００１２】
本発明に係る固体酸化物形燃料電池セルは、固体酸化物形燃料電池セルにAg/Pd合金を含む第一溶液を適用し、次にAg100重量%である溶液を適用し、焼成することを特徴とする固体酸化物形燃料電池セルを提供する。
【００１３】
本発明によれば、Ag/Pd合金を含む第一溶液を適用し、次にAg100重量%である溶液を適用し、焼成するので、集電部と空気極の密着性を確保できる。特に、抵抗の低いAg100重量％が表層にあるため、Ag/Pd合金より電気を多く流す通り道が表層にでき発電性能が良好である固体酸化物形燃料電池セルを提供することができる。
【００１４】
更に、本発明に係る固体酸化物形燃料電池セルは、燃料極と、前記燃料極に配置される電解質と、前記電解質に配置される空気極と、を備える固体酸化物形燃料電池セルであって、前記空気極に配置される集電部を備え、前記集電部はAg/Pd合金であり、前記Ag/PdのAg割合が前記集電部の表側の方が高いことを特徴とする固体酸化物形燃料電池セルを提供する。
【００１５】
本発明によれば、集電部はAg/Pd合金であり、Ag/PdのAg割合が前記集電部の表側の方が高い。従って、集電部と空気極の密着性を確保でき、抵抗の低いAgの割合が表層に多くあるため、電気を流す通り道が表層に確保でき発電性能が良好である固体酸化物形燃料電池セルを提供することができる。
【００１６】
更に、本発明に係る固体酸化物形燃料電池セルは、燃料極と、前記燃料極に配置される電解質と、前記電解質に配置される空気極と、を備える固体酸化物形燃料電池セルであって、前記空気極に配置される集電部を備え、前記集電部はAg/Pd合金であり、また表側にはPdが露出せず、Agのみが露出していることを特徴とする固体酸化物形燃料電池セルを提供する。
【００１７】
本発明によれば、空気極側の集電部はAg/Pd合金であり、表側にはPdが露出せず、Agのみが露出している。従って、集電部と空気極の密着性を確保でき、Ag/Pd合金より抵抗の低いAgが露出しているため、Ag/Pd合金に比べAgにより多くの電気が流れ、発電性能が良好である固体酸化物形燃料電池セルを提供することができる。
【００１８】
更に、本発明に係る固体酸化物形燃料電池セルユニットは、空気極に配置される集電部を備え、集電部はAg/Pd合金であり、Ag/PdのAg割合が集電部の表側の方が高いことを特徴とする固体酸化物形燃料電池セルと、空気極に配置される集電部と、集電部と電気的に接続され、固体酸化物形燃料電池セルの軸方向から電流を取り出すための端子と、を備えることを特徴とする固体酸化物形燃料電池セルユニットを提供する。本発明によれば、集電部にAg/Pd合金を用いた固体酸化物形燃料電池セルユニットを提供するので、集電部と空気極の密着性を確保し、かつ発電性能が良好である固体酸化物形燃料電池セルユニットを提供することができる。
【００１９】
更に、本発明の一形態は、固体酸化物形燃料電池セルユニットを備えた燃料電池モジュールを提供する。本発明によれば、固体酸化物形燃料電池セルユニットの集電部にAg/Pd合金を用いた燃料電池モジュールを提供するので、集電部と空気極の密着性を確保し、かつ発電性能が良好である燃料電池モジュールを提供することができる。
【００２０】
更に、本発明の一形態は、空気極に配置される集電部を備え、集電部はAg/Pd合金であり、Ag/PdのAg割合が集電部の表側の方が高いことを特徴とする固体酸化物形燃料電池セルを備えた燃料電池モジュールを提供する。本発明によれば、固体酸化物形燃料電池セルの集電部にAg/Pd合金を用いた燃料電池モジュールを提供するので、集電部と空気極の密着性を確保し、かつ発電性能が良好である燃料電池モジュールを提供することができる。
【００２１】
以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。
【００２２】
まず、図１を参照して、本発明による固体酸化物形燃料電池セルユニットの実施形態を説明する。図１は、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池セルユニットの断面図である。
【００２３】
図１に示すように、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池セルユニット１は、１本の管状の固体酸化物形燃料電池セルを有している。本実施形態では、固体酸化物形燃料電池セルは、１本の固体酸化物形燃料電池セル６（管状体）からなり、固体酸化物形燃料電池セル６は、円筒形である。
【００２４】
固体酸化物形燃料電池セル６は、酸化剤ガスにさらされている面から集電部４４a、空気極２０、電解質１８、燃料極１６の積層構造になっており、燃料極１６の内側に構成される燃料ガスの通路となる貫通流路１５を有している。集電部４４aは固体酸化物形燃料電池セル６の他方の端部６ｂに固定された空気極端子２６に接続されいる。空気極２０全体又は一部は、集電部４４aで覆われており、空気極で発生した電気は、集電部４４aのセルの軸方向に流れ、空気極端子２６から電気を取り出す。
なおセルの軸方向とは、貫通流路１５に流れる燃料ガスの方向と同一方向を示す。即ち、図中の矢印Aの方向を示す。
【００２５】
一方、固体酸化物形燃料電池セル６の一方の端部６ａに固定された燃料極端子２４は、燃料極１６と接しており、燃料極１６で発生した電気を燃料極端子２４から取り出す。
【００２６】
集電部４４ａは、導電性膜であって、より具体的には、AgとPdを備えている。集電部４４ａの厚さは、０．１〜５０μｍであることが好ましく、より好ましくは0．５〜３０μｍであることが好ましい。集電部４４ａは、空気極２０が薄くて電気を通しにくい場合や導電率の低い材料で構成されている場合に電気の通路として機能している。
【００２７】
燃料極１６は、例えば、Ｎｉと、ＣａやＹ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Ｎｉと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Ｎｉと、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレートとの混合体、の少なくとも一種から形成される。
【００２８】
電解質１８は、例えば、Ｙ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Ｓｒ、Ｍｇから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種から形成される。
【００２９】
空気極２０は、例えば、Ｓｒ、Ｃａから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Ｓｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Ｓｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたサマリウムコバルト、銀、などの少なくとも一種から形成される。燃料極１６の厚さは、例えば、１ｍｍであり、電解質１８の厚さは、例えば、３０μｍであり、空気極２０の厚さは、例えば、３０μｍである。
【００３０】
固体酸化物形燃料電池セル６の一方の端部６ａに、燃料極１６が電解質１８及び空気極２０に対して突出した燃料極突出周面１６ａと、電解質１８が空気極２０に対して突出した電解質突出周面１８ａとが設けられ、燃料極突出周面１６ａ及び電解質突出周面１８ａは、固体酸化物形燃料電池セル６の外周面を構成している。固体酸化物形燃料電池セル６の他方の端部６ｂを含む残部の外周面は、空気極２０が集電部４４aで覆われている。本実施形態では、燃料極突出周面１６ａは、燃料極１６と電気的に通じる燃料極外周面２１でもある。
【００３１】
燃料極端子２４は、燃料極外周面２１を全周にわたって外側から覆うように配置され且つそれと電気的に接続された本体部分２４ａと、固体酸化物形燃料電池セル６から遠ざかるように固体酸化物形燃料電池セル６の長手方向に延びる管状部分２４ｂとを有している。好ましくは、本体部分２４ａ及び管状部分２４ｂは、円筒形であり且つ同心に配置され、管状部分２４ｂの管径は、本体部分２４ａの管径よりも細い。本体部分２４ａ及び管状部分２４ｂは、貫通流路１５と連通し且つ外部と通じる接続流路２４ｃを有している。本体部分２４ａと管状部分２４ｂとの間の段部２４ｄは、燃料極１６の端面１６ｂと当接している。
【００３２】
尚、本発明の一形態に用いる空気極端子２６は、空気極外周面２２を全周にわたって外側から覆うように配置され且つそれと電気的に接続された本体部分２６ａと、固体酸化物形燃料電池セル６から遠ざかるように固体酸化物形燃料電池セル６の長手方向に延びる管状部分２６ｂとを有している。好ましくは、本体部分２６ａ及び管状部分２６ｂは、円筒形であり且つ同心であり、管状部分２６ｂの管径は、本体部分２６ａの管径よりも細い。本体部分２６ａ及び管状部分２６ｂは、貫通流路１５と連通し且つ外部と通じる接続流路２６ｃを有している。本体部分２６ａと管状部分２６ｂとの間の段部２６ｄは、環状の絶縁部材２８を介して集電部４４a、空気極２０、電解質１８及び燃料極１６の端面１６ｃと当接している。
【００３３】
燃料極端子２４及び空気極端子２６の管状部分２４ｂ、２６ｂは、好ましくは、それらの外輪郭断面形状が同一である。更に好ましくは、燃料極端子２４及び空気極端子２６の全体形状が同一である。燃料極端子２４及び空気極端子２６は、例えばAg、ステンレス鋼、ニッケル基合金、クロム基合金などの耐熱金属である。
【００３４】
燃料極端子２４と固体酸化物形燃料電池セル６、及び、空気極端子２６と燃料電池セル６とは、その全周にわたって導電性のシール材３２によってシールされ且つ固定されている。
【００３５】
一方の端部６ａにおいて、燃料極突出周面１６ａ及び電解質突出周面１８ａは、固体酸化物形燃料電池セル６の全周にわたって延び、互いに長手方向Ａに隣接している。また、燃料極突出周面１６ａは、固体酸化物形燃料電池セル６の先端部６ｃに位置している。燃料極突出周面１６ａと電解質突出周面１８ａとの間の境界３４は、燃料極端子２４の本体部分２４ａの内部にあり、電解質突出周面１８と集電部突出周面４４との間の境界３６は、本体部分２４ａの外側に位置している。また、電解質突出周面１８ａは、燃料極突出周面１６ａに向かって薄肉となるテーパ部１８ｂを有している。
【００３６】
一方の端部６ａにおいて、シール材３２は、燃料極突出周面１６ａ及び電解質突出周面１８ａに跨がって全周にわたって延び、燃料極端子２４の本体部分２４ａに充填され、電解質突出周面１８ａを介して空気極２０と間隔をおいている。また、他方の端部６ｂにおいて、シール材３２は、空気極突出周面２０ａの上を全周にわたって延び、空気極端子２６の本体部分２６ａと絶縁部材２８との間の空間に充填されている。シール材３２は、燃料極１６と作用するガスの領域、即ち、貫通流路１５及び接続流路２４ｃ、２６ｃと、空気極２０と作用するガスの領域とを仕切るように設けられている。シール材３２は、例えば、銀、銀とガラスの混合物、金、ニッケル、銅、チタンなどを含む各種ロウ材である。
【００３７】
ここで固体酸化物形燃料電池の作動原理を以下に記す。空気極側に酸化剤ガスを流し、燃料極側に燃料ガス（Ｈ2、ＣＯなど）を流すと酸化剤ガス中の酸素が、空気極と固体電解質との界面近傍で酸素イオンに変わり、この酸素イオンが固体電解質を通って燃料極に達する。そして燃料ガスと酸素イオンが反応して水および二酸化炭素になる。これらの反応は(1)、(2)および(3)式で表される。発生した電子は、空気極または燃料極へと移動し、端子に集電されるので、電流は管状セルの長軸方向を流れることになる。空気極と燃料極を外部回路で接続することによって、外部に電気を取り出すことが出来る。
H 2 ＋ O 2 - → H 2 O＋ 2 e - （1）
C O＋ O 2 - → C O 2 ＋ 2 e - （2）
1 / 2 O２ ＋ 2 e - → O 2 - （3）
【００３８】
より具体的には、図１において燃料極１６と作用するガス（燃料ガス）を、貫通流路１５及び接続流路２４ｃ、２６ｃに通す。また、空気極２０と作用するガス（酸化剤ガス）を、空気極２０の周りに流す。それにより、燃料電池セルユニット１が作動する。また、燃料極１６の電気をシール材３２及び燃料極端子２４を介して取出し、空気極２０の電気をシール材３２及び空気極端子２６を介して取出す。
【００３９】
図２は、固体酸化物形燃料電池セルユニットの変形例である。このセルユニット２はセル７と2つの端子からなっている。セルの構成は、内部に貫通流路を有する燃料極支持体の外側に配置された固体電解質と、該固体電解質の外側に配置された空気極とから構成され、空気極の更に外側には集電部が配置されたものである。固体酸化物形燃料電池セル７には一方の端部５６aと他方の端部５６ｂを備え、他方の端部５６ｂの内側に燃料極端子１０４、および外側に空気極端子１０６の2つの端子が設けられている。図３は、内側の燃料極端子１０４を示す。燃料極端子１０４は、燃料極の貫通流路に挿入され、燃料極と接する。燃料極端子１０４は、中心部に固体酸化物形燃料電池セル７との接触面積を増やすため略円筒形をしている。図４は、外側の空気極端子１０６を示す。空気極端子１０６は、空気極の外側に覆われた集電部１４４aと接する。空気極端子１０６は、中心部に固体酸化物形燃料電池セル７を挿入できるように略円筒形をしている。それぞれの端子は、Ag、ステンレス鋼、ニッケル基合金、クロム基合金などの耐熱金属からなり、金属の持つバネ力により端子とセルが固定される。図１の仕様と同様に空気極側に酸化剤ガスを流し、燃料極側に燃料ガス（Ｈ2、ＣＯなど）を流した時、空気極と燃料極で電気が発生し、それぞれの端子に集電されるので、電流は管状セルの長軸方向を流れることになる。
【００４０】
更に、図５は、別の変形例である固体酸化物形燃料電池セルユニット３である。セルの構成は、内部に貫通流路を有する燃料極支持体の外側に配置された固体電解質と、該固体電解質の外側に配置された空気極とから構成され、空気極の更に外側には集電部が配置されたものである。固体酸化物形燃料電池セル８には一方の端部６６aと他方の端部６６ｂをもち、一方の端部６６aには電解質が空気極に対して突出した電解質突出部２１４を備える。空気極端子２０６であるAgワイヤは、集電部２４４aの外周に巻きつけられ、固体酸化物形燃料電池セル８の中心付近に形成した。外周に巻きつける位置は、中心付近に限定されず、固体酸化物形燃料電池セル８の他方の端部６６ｂでも良い。燃料極端子２０４は、貫通流路の内径より大きな円筒状のAgメッシュを備えている。燃料極端子２０４は、固体酸化物形燃料電池セル８に一方の端部６６aから10〜100mmの深さまで挿入し、Agメッシュのバネ力により燃料極と接している。図１の仕様と同様に空気極側に酸化剤ガスを流し、燃料極側に燃料ガス（Ｈ2、ＣＯなど）を流した時、空気極と燃料極で電気が発生し、それぞれの端子に集電されるので、電流は管状セルの長軸方向を流れることになる。
【００４１】
これまで説明してきたのは固体酸化物形燃料電池セルユニットであるが、端子を除くと本発明の固体酸化物形燃料電池セルに相当する。
【００４２】
また、これまで説明してきた固体酸化物形燃料電池セルユニットまたは固体酸化物形燃料電池セルの周囲を覆う断熱容器を備えた燃料電池モジュールに適用されても良い。
【００４３】
また、これまで説明した固体酸化物形燃料電池セルは円筒形状であるが、本発明の実施形態は円筒形状に限定されず、扁平形状などに適用されても良い。
【実施例】
【００４４】
以下、実施例を挙げて、本発明をより具体的に説明する。
燃料極支持体の外側に配置された固体電解質と、該固体電解質の外側に配置された空気極とから構成され、空気極の更に外側には集電部が配置されたものである。以下に作製手順について示した。
【００４５】
（実施例１）
N i O粉末と、(ZrO2)0.90(Y2O3)0.10(以下YSZと略称する)粉末の混合物を湿式混合法で作製後、熱処理、粉砕を行い燃料極支持体原料粉末を得た。NiO粉末とYSZ粉末の混合比は重量比で65/35とした。該粉末を押出し成形法によって円筒状成形体を作製した。成形体を900℃で熱処理して仮焼体とした。仮焼体の表面に、スラリーコート法により固体電解質を成形した。この支持体を1300℃で焼成した。次に、固体電解質の表面にスラリーコート法により空気極を形成し、1100℃で焼成した。なお、燃料極支持体は、焼成後の寸法で、外径10.4mm、肉厚1.5mm、有効セル長100mmとした。空気極の面積は、25.2cm2になるようにした。
【００４６】
表１に示すように空気極としてLa０．６Sr０．４Co０．２Fe０．８O3(略称：LSCF)を用い、その上に集電部を塗布した。
本実施例での集電部の溶液として、次に挙げる樹脂と溶剤と金属粉を備えている。樹脂としてアクリル樹脂を用い、溶剤としてα-テルピネオールを用い、金属粉としてAgおよびPdを用いた。表１に示す割合、すなわち第一溶液の金属粉としてAg90.0重量% 、Pd10.0重量%で秤量し、第一溶液が塗布された表面に塗布する第二溶液として、第一溶液に混合されている同種類の樹脂と溶剤、Ag99.5重量% とPd0.5重量%を秤量した。樹脂、溶剤、金属粉を調合したコーティング液は、混合攪拌した。尚、ここでいう金属粉の割合とは、集電部を100重量％としたときに含まれる金属粉（Ag、Pd）の割合を示す。
空気極上への集電部の形成方法としては、本発明における固体電解質の作製方法については、特に制限はなく、スラリーコート法、テープキャスティング法、ドクターブレード法、スクリーン印刷法、スピンコート法、スプレー法、フローコート法、ロールコート法ならびにこれらの併用など、既知の塗布手段を適宜採用することができる。
固体酸化物形燃料電池セルにスクリーン印刷法でコーティング液を塗布後、80℃30分乾燥し、室温にて冷却後700℃１時間焼成し、空気極の外側に集電部を形成した固体酸化物形燃料電池セルを得た。よって、集電部は、ＡｇとＰｄを備える合金となった。
なお、得られた集電部のAgとPdを含有する合金の割合は、このセル集電部表面または断面をEPMA分析により定量値を求めることができる。この割合は、後述する表１に示す割合と等しいものであった。即ち、第一溶液を塗布された箇所は、Ag90.0重量% 、Pd10.0重量%のAg／Pd合金になり、第二溶液を塗布された箇所は、Ag99.5重量% 、Pd0.5重量%のAg／Pd合金になった。
【００４７】
（実施例２）
表１に示すように集電部の第一溶液 にAg90.0重量% 、Pd10.0重量%、集電部第二溶液にAg99.0重量%、 Pd1.0重量%、集電部第三溶液にAg99.5重量% 、Pd0.5重量%を用い、塗り回数を3回にした以外は、実施例１と同様にして空気極の外側に集電部を配置した固体酸化物形燃料電池セルを得た。
【００４８】
（実施例３）
表１に示すように集電部の第一溶液に Ag97.0重量%、 Pd3.0重量%、集電部第二溶液にAg99.0重量%、 Pd1.0重量%、集電部第三溶液にAg99.5重量% 、Pd0.5重量%を用い、塗り回数を3回にした以外は、実施例１と同様にして空気極の外側に集電部を配置した固体酸化物形燃料電池セルを得た。
【００４９】
（比較例１）
表１に示すように集電部のAg100重量%溶液、集電部第二溶液にAg99.8重量% 、Pd0.2重量%を用いた以外は、実施例１と同様にして空気極の外側に集電部を配置した固体酸化物形燃料電池セルを得た。
【００５０】
（比較例２）
表１に示すように集電部の第一溶液 にAg99.5重量% 、Pd0.5重量%、集電部第二溶液にAg90.0重量% 、Pd10.0重量%を用いた以外は、実施例１と同様にして空気極の外側に集電部を配置した固体酸化物形燃料電池セルを得た。
【００５１】
（比較例３）
表１に示すように集電部の第一溶液に Ag99.5重量%、 Pd0.5重量%、集電部第二溶液にAg99.0重量%、 Pd1.0重量%、集電部第三溶液にAg90.0重量% 、Pd10.0重量%を用いた以外は、実施例１と同様にして空気極の外側に集電部を配置した固体酸化物形燃料電池セルを得た。
【００５２】
次に表２に関する説明を行なう。
【００５３】
（実施例４）
N i O粉末と、(ZrO2)0.90(Y2O3)0.10(以下YSZと略称する)粉末の混合物を湿式混合法で作製後、熱処理、粉砕を行い燃料極支持体原料粉末を得た。NiO粉末とYSZ粉末の混合比は重量比で65/35とした。該粉末を押出し成形法によって円筒状成形体を作製した。成形体を900℃で熱処理して仮焼体とした。仮焼体の表面に、スラリーコート法により固体電解質を成形した。この支持体を1300℃で焼成した。次に、固体電解質の表面にスラリーコート法により空気極を形成し、1100℃で焼成した。なお、燃料極支持体は、焼成後の寸法で、外径10.4mm、肉厚1.5mm、有効セル長100mmとした。空気極の面積は、25.2cm2になるようにした。
【００５４】
表２に示すように空気極としてLa０．６Sr０．４Co０．２Fe０．８O3(略称：LSCF)を用い、その上に集電部を塗布した。
本実施例での集電部の溶液として、次に挙げる樹脂と溶剤と金属粉を備えている。
樹脂としてアクリル樹脂を用い、溶剤としてα-テルピネオールを用い、金属粉としてAgおよびPdを用いた。表２に示す割合、すなわち第一溶液の金属粉としてAg99.8重量%、 Pd0.2重量%で秤量し、第一溶液の上に塗布する溶液としてAg100重量%溶液を準備し、第一溶液に混合されている同種類の樹脂と溶剤とAg100重量%を秤量した。樹脂、溶剤、金属粉を調合したコーティング液は、混合攪拌した。尚、ここでいう金属粉の割合とは、集電部を100重量％としたときに含まれる金属粉（Ag、Pd）の割合を示す。
空気極上への集電部の形成方法としては、スラリーコート法、テープキャスティング法、ドクターブレード法、スクリーン印刷法、スピンコート法、スプレー法、フローコート法、ロールコート法ならびにこれらの併用など、既知の塗布手段を適宜採用することができる。
固体酸化物形燃料電池セルにスクリーン印刷法でコーティング液を塗布後、８０℃３０分乾燥し、室温にて冷却後７００℃１時間焼成し、空気極の外側に集電部を配置した固体酸化物形燃料電池セルを得た。
固体酸化物形燃料電池セルの空気極に第一溶液を塗布後、８０℃３０分乾燥し、室温にて冷却後、集電部Ag100重量%溶液を塗布し、８０℃３０分乾燥し、室温にて冷却後、７００℃１時間焼成し、空気極の外側に集電部を配置した固体酸化物形燃料電池セルを得た。前記集電部は、AgとPdを備える合金である。前記集電部は、Ag/Pd合金であり、また表側にはPdが露出せず、Agのみが露出している固体酸化物形燃料電池セルを得た。
なお、得られた集電部のAgとPdを含有する合金の割合は、このセル集電部表面または断面をEPMA分析により定量値を求めることができる。この割合は、後述する表２に示す割合と等しいものであった。即ち、第一溶液を塗布された箇所は、Ag99.8重量% 、Pd0.2重量%のAg／Pd合金になり、Ag100重量%溶液を塗布された箇所は、Ag100重量%になった。
【００５５】
（実施例５）
表２に示すように集電部の第一溶液をAg99.5重量% 、Pd0.5重量%にした以外は、実施例４と同様にして空気極の外側に集電部を配置した固体酸化物形燃料電池セルを得た。
【００５６】
（実施例６）
表２に示すように集電部の第一溶液をAg99.0重量% 、Pd1.0重量%にした以外は、実施例４と同様にして空気極の外側に集電部を配置した固体酸化物形燃料電池セルを得た。
【００５７】
（実施例７）
表２に示すように集電部の第一溶液をAg98.5重量% 、Pd1.5重量%にした以外は、実施例４と同様にして空気極の外側に集電部を配置した固体酸化物形燃料電池セルを得た。
【００５８】
（実施例８）
表２に示すように集電部の第一溶液をAg98.0重量% 、Pd2.0重量%にした以外は、実施例４と同様にして空気極の外側に集電部を配置した固体酸化物形燃料電池セルを得た。
【００５９】
（実施例９）
表２に示すように集電部の第一溶液をAg95.0重量% 、Pd5.0重量%にした以外は、実施例４と同様にして空気極の外側に集電部を配置した固体酸化物形燃料電池セルを得た。
【００６０】
（比較例４）
表２に示すように集電部第一溶液をAg100重量%にした以外は、実施例４と同様にして空気極の外側に集電部を配置した固体酸化物形燃料電池セルを得た。即ち、Ag100重量％溶液を塗布した後に乾燥させ、再度Ag100重量％溶液を塗布した。
【００６１】
（比較例５）
表２に示すように集電部の第一溶液及び第二溶液をAg99.9重量%、 Pd0.1重量%にした以外は、実施例４と同様にして空気極の外側に集電部を配置した固体酸化物形燃料電池セルを得た。即ち、Ag99.9重量%、 Pd0.1重量%溶液を塗布した後に乾燥させ、再度Ag99.9重量%、 Pd0.1重量%溶液を塗布した。
【００６２】
（比較例６）
表２に示すように集電部の第一溶液及び第二溶液をAg90.0重量% 、Pd10.0 重量%にした以外は、実施例４と同様にして空気極の外側に集電部を配置した固体酸化物形燃料電池セルを得た。即ち、Ag90.0重量%、 Pd10.0重量%溶液を塗布した後に乾燥させ、再度Ag90.0重量%、 Pd10.0重量%溶液を塗布した。
【００６３】
次に表３に関する説明を行なう。
【００６４】
（実施例１０）
N i O粉末と、(ZrO2)0.90(Y2O3)0.10(以下YSZと略称する)粉末の混合物を湿式混合法で作製後、熱処理、粉砕を行い燃料極支持体原料粉末を得た。NiO粉末とYSZ粉末の混合比は重量比で65/35とした。該粉末を押出し成形法によって円筒状成形体を作製した。成形体を900℃で熱処理して仮焼体とした。仮焼体の表面に、スラリーコート法により固体電解質を成形した。この支持体を1300℃で焼成した。次に、固体電解質の表面にスラリーコート法により空気極を形成し、1100℃で焼成した。なお、燃料極支持体は、焼成後の寸法で、外径10.4mm、肉厚1.5mm、有効セル長100mmとした。空気極の面積は、25.2cm2になるようにした。
【００６５】
表３に示すように空気極としてSm0.5Sr0.5CoO3 (略称：SSC)を用い、その上に集電部を塗布した。
本実施例での集電部の溶液として、次に挙げる樹脂と溶剤と金属粉を備えている。
樹脂としてアクリル樹脂を用い、溶剤としてα-テルピネオールを用い、金属粉としてAgおよびPdを用いた。表３に示す割合、すなわち第一溶液の金属粉としてAg90.0重量% 、Pd10.0重量%で秤量し、第一溶液の上に塗布する第二溶液として、第一溶液に混合されている同種類の樹脂と溶剤とAg99.5重量% とPd0.5重量%を秤量した。樹脂、溶剤、金属粉を調合したコーティング液は、混合攪拌した。尚、ここでいう金属粉の割合とは、集電部を100重量％としたときに含まれる金属粉（Ag、Pd）の割合を示す。
空気極上への集電部の形成方法としては、スラリーコート法、テープキャスティング法、ドクターブレード法、スクリーン印刷法、スピンコート法、スプレー法、フローコート法、ロールコート法ならびにこれらの併用など、既知の塗布手段を適宜採用することができる。
固体酸化物形燃料電池セルにスクリーン印刷法でコーティング液を塗布後、８０℃３０分乾燥し、室温にて冷却後７００℃１時間焼成し、空気極の外側に集電部を配置した固体酸化物形燃料電池セルを得た。
固体酸化物形燃料電池セルの空気極に第一溶液を塗布後、８０℃３０分乾燥し、室温にて冷却後、第二溶液を塗布し、８０℃３０分乾燥し、室温にて冷却後、７００℃１時間焼成し、空気極の外側に集電部を配置した固体酸化物形燃料電池セルを得た。集電部は、AgとPdを備える合金である。すなわち Ag/Pd合金であり、Ag/PdのAg割合が集電部の表側の方が高い固体酸化物形燃料電池セルを得た。
なお、得られた集電部のAgとPdを含有する合金の割合は、このセル集電部表面または断面をEPMA分析により定量値を求めることができる。この割合は、後述する表３に示す割合と等しいものであった。即ち、第一溶液を塗布された箇所は、Ag90.0重量% 、Pd10.0重量%のAg／Pd合金になり、第二溶液を塗布された箇所は、Ag99.5重量% 、Pd0.5重量%のAg／Pd合金になった。
【００６６】
（実施例１１）
表３に示すように集電部の第一溶液 にAg90.0重量% 、Pd10.0重量%、集電部第二溶液にAg99.0重量%、 Pd1.0重量%、集電部第三溶液にAg99.5重量% 、Pd0.5重量%を用い、塗り回数を3回にした以外は、実施例１０と同様にして空気極の外側に集電部を配置した固体酸化物形燃料電池セルを得た。
【００６７】
（実施例１２）
表３に示すように集電部の第一溶液に Ag97.0重量%、 Pd3.0重量%、集電部第二溶液にAg99.0重量%、 Pd1.0重量%、集電部第三溶液にAg99.5重量% 、Pd0.5重量%を用い、塗り回数を3回にした以外は、実施例１０と同様にして空気極の外側に集電部を配置した固体酸化物形燃料電池セルを得た。
【００６８】
（比較例７）
表３に示すように集電部にAg100重量%溶液、集電部第二溶液にAg99.8重量% 、Pd0.2重量%を用いた以外は、実施例１０と同様にして空気極の外側に集電部を配置した固体酸化物形燃料電池セルを得た。
【００６９】
次に表４に関する説明を行なう。
【００７０】
（実施例１３）
N i O粉末と、(ZrO2)0.90(Y2O3)0.10(以下YSZと略称する)粉末の混合物を湿式混合法で作製後、熱処理、粉砕を行い燃料極支持体原料粉末を得た。NiO粉末とYSZ粉末の混合比は重量比で65/35とした。該粉末を押出し成形法によって円筒状成形体を作製した。成形体を900℃で熱処理して仮焼体とした。仮焼体の表面に、スラリーコート法により固体電解質を成形した。この支持体を1300℃で焼成した。次に、固体電解質の表面にスラリーコート法により空気極を形成し、1100℃で焼成した。なお、燃料極支持体は、焼成後の寸法で、外径10.4mm、肉厚1.5mm、有効セル長100mmとした。空気極の面積は、25.2cm2になるようにした。
【００７１】
表４に示すように空気極としてSm0.5Sr0.5CoO3 (略称：SSC)を用い、その上に集電部を塗布した。
本実施例での集電部の溶液として、次に挙げる樹脂と溶剤と金属粉を備えている。
樹脂としてアクリル樹脂を用い、溶剤としてα-テルピネオールを用い、金属粉としてAgおよびPdを用いた。表４に示す割合、すなわち第一溶液の金属粉としてAg99.8重量%、 Pd0.2重量%で秤量し、第一溶液の上に塗布する溶液としてAg100重量%溶液を準備し、第一溶液に混合されている同種類の樹脂と溶剤とAg100重量%を秤量した。樹脂、溶剤、金属粉を調合したコーティング液は、混合攪拌した。尚、ここでいう金属粉の割合とは、集電部を100重量％としたときに含まれる金属粉（Ag、Pd）の割合を示す。
空気極上への集電部の形成方法としては、スラリーコート法、テープキャスティング法、ドクターブレード法、スクリーン印刷法、スピンコート法、スプレー法、フローコート法、ロールコート法ならびにこれらの併用など、既知の塗布手段を適宜採用することができる。
固体酸化物形燃料電池セルにスクリーン印刷法でコーティング液を塗布後、８０℃３０分乾燥し、室温にて冷却後７００℃１時間焼成し、空気極の外側に集電部を配置した固体酸化物形燃料電池セルを得た。
固体酸化物形燃料電池セルの空気極に第一溶液を塗布後、８０℃３０分乾燥し、室温にて冷却後、集電部Ag100重量%溶液を塗布し、８０℃３０分乾燥し、室温にて冷却後、７００℃１時間焼成し、空気極の外側に集電部を配置した固体酸化物形燃料電池セルを得た。前記集電部は、AgとPdを備える合金である。前記集電部は、Ag/Pd合金であり、また表側にはPdが露出せず、Agのみが露出している固体酸化物形燃料電池セルを得た。
なお、得られた集電部のAgとPdを含有する合金の割合は、このセル集電部表面または断面をEPMA分析により定量値を求めることができる。この割合は、後述する表４に示す割合と等しいものであった。即ち、第一溶液を塗布された箇所は、Ag99.8重量% 、Pd0.2重量%のAg／Pd合金になり、Ag100重量%溶液を塗布された箇所は、Ag100重量%になった。
【００７２】
（実施例１４）
表４に示すように集電部の第一溶液をAg99.5重量% 、Pd0.5重量%にした以外は、実施例１３と同様にして空気極の外側に集電部を配置した固体酸化物形燃料電池セルを得た。
【００７３】
（実施例１５）
表４に示すように集電部の第一溶液をAg99.0重量% 、Pd1.0重量%にした以外は、実施例１３と同様にして空気極の外側に集電部を配置した固体酸化物形燃料電池セルを得た。
【００７４】
（実施例１６）
表４に示すように集電部の第一溶液をAg98.5重量% 、Pd1.5重量%にした以外は、実施例１３と同様にして空気極の外側に集電部を配置した固体酸化物形燃料電池セルを得た。
【００７５】
（実施例１７）
表４に示すように集電部の第一溶液をAg98.0重量% 、Pd2.0重量%にした以外は、実施例１３と同様にして空気極の外側に集電部を配置した固体酸化物形燃料電池セルを得た。
【００７６】
（実施例１８）
表４に示すように集電部の第一溶液をAg95.0重量% 、Pd5.0重量%にした以外は、実施例１３と同様にして空気極の外側に集電部を配置した固体酸化物形燃料電池セルを得た。
【００７７】
（比較例８）
表４に示すように集電部第一溶液をAg100重量%にした以外は、実施例１３と同様にして空気極の外側に集電部を配置した固体酸化物形燃料電池セルを得た。即ち、Ag100重量％溶液を塗布した後に乾燥させ、再度Ag100重量％溶液を塗布した。
【００７８】
（比較例９）
表４に示すように集電部の第一溶液及び第二溶液をAg99.9重量%、 Pd0.1重量%にした以外は、実施例１３と同様にして空気極の外側に集電部を配置した固体酸化物形燃料電池セルを得た。即ち、Ag99.9重量%、 Pd0.1重量%溶液を塗布した後に乾燥させ、再度Ag99.9重量%、 Pd0.1重量%溶液を塗布した。
【００７９】
（比較例１０）
表４に示すように集電部の第一溶液及び第二溶液をAg90.0重量% 、Pd10.0 重量%にした以外は、実施例１３と同様にして空気極の外側に集電部を配置した固体酸化物形燃料電池セルを得た。即ち、Ag90.0重量%、 Pd10.0重量%溶液を塗布した後に乾燥させ、再度Ag90.0重量%、 Pd10.0重量%溶液を塗布した。
【００８０】
（評価方法）
集電部の密着性試験
コーティング液を塗布し、焼成した後、固体酸化物形燃料電池セルの半周に市販のセロハンテープを気泡が入らないように貼り付け、剥離させた。その際に、セル表面に集電部が残っているか否かを目視で判定した。
2． 固体酸化物形燃料電池セルユニットの発電試験
得られた固体酸化物形燃料電池セルユニット(電極有効面積：25.2cm2 )を用いて発電試験を行った。燃料極側の集電は、図１に示す燃料極端子２４にAg線を外周に巻きつけ行った。空気極側の集電も、空気極端子２６にAg線を外周に巻きつけ行った。発電条件としては、燃料は（ H2 ＋ 3%H2O）とN2の混合ガスとした。燃料利用率は80%とした。酸化剤ガスは空気とした。測定温度は700℃ とし、電流密度0.2A/cm2での発電電位を測定した。
【００８１】
表１〜４に本発明の実施例および比較例を示し、以下に説明する。
【００８２】
【表１】
【００８３】
表１を用い、空気極にＬＳＣＦを用い、固体酸化物形燃料電池セルにAg/Pd合金を含む第一溶液を適用し、次に第一溶液よりもAg量が多いAg/Pd合金を含む第二溶液を適用し、焼成することを特徴とする固体酸化物形燃料電池セルについて説明する。より詳しくは、集電部はAg/Pd合金であり、前記Ag/PdのAg割合が前記集電部の表側の方が高い固体酸化物形燃料電池セルについて説明する。実施例１〜３は集電部と空気極の密着性評価が良好であった。それに対して、比較例１はAg100重量%溶液を用い、第二溶液にAgにPdを少量加えたAg99.8重量%、Pd0.2重量%を用いたが、空気極と集電部との密着性が確保できなかった。比較例２は第一溶液にAg99.5重量%、Pd0.5重量%溶液を用い、第二溶液にAgにPdを少量加えたAg90.0重量%、Pd10.0重量%を用いたが、空気極と集電部との密着性が確保できず、初期発電電位も低い値になった。比較例３は第一溶液にAg99.5重量%、Pd0.5重量%溶液を用い、第二溶液にAg99.0重量%、Pd1.0重量%を用い、第三溶液にAg90.0重量%、Pd10.0重量%を用いたが、空気極と集電部との密着性が確保できず、初期発電電位も低い値になった。
【００８４】
【表２】
【００８５】
表２を用い、空気極がＬＳＣＦであり、固体酸化物形燃料電池セルにAg/Pd合金を含む第一溶液を適用し、次にAg100重量%である溶液を適用し、焼成する固体酸化物形燃料電池セルに関する。集電部はAg/Pd合金であり、また表側にはPdが露出せず、Agのみが露出している固体酸化物形燃料電池セルについて説明する。実施例４〜９は集電部と空気極の密着性評価が良好であり、初期発電電位を高くすることができた。それに対して比較例４は、空気極LSCFに配置する集電部にAg100重量%溶液を用いたところ、空気極と集電部との密着性が確保できなかった。比較例５は、第一溶液、第二溶液ともにAgにPd を少量加えたAg99.9重量%、Pd0.1重量%を用いたが、空気極と集電部との密着性が確保できなかった。比較例６は、第一溶液、第二溶液ともにAgに更に多くのPdを加えたAg90.0重量%、Pd10.0重量%を用いたところ、空気極と集電部との密着性は確保したが、セルの発電電位が低い結果となり燃料電池としての性能を満たさないものとなった。
【００８６】
【表３】
【００８７】
表３を用い、空気極がＳＳＣであり、固体酸化物形燃料電池セルにAg/Pd合金を含む第一溶液を適用し、次に第一溶液よりもAg量が多いAg/Pd合金を含む第二溶液を適用し、焼成する固体酸化物形燃料電池セルについて説明する。より詳しくは、集電部はAg/Pd合金であり、前記Ag/PdのAg割合が前記集電部の表側の方が高い固体酸化物形燃料電池セルについて説明する。実施例１０〜１２は集電部と空気極の密着性評価が良好であった。それに対して比較例５は、比較例１と同様に集電部にAg100重量%溶液を用い、第二溶液にAgと少量のＰｄを加えたAg99.8重量%、Pd0.2重量%を用いたが、空気極と集電部との密着性が確保できなかった。
【００８８】
【表４】
【００８９】
表４を用い、空気極がＳＳＣであり、固体酸化物形燃料電池セルにAg/Pd合金を含む第一溶液を適用し、次にAg100重量%である溶液を適用し、焼成する固体酸化物形燃料電池セルに関して説明する。より詳しくは集電部はAg/Pd合金であり、また表側にはPdが露出せず、Agのみが露出している固体酸化物形燃料電池セルについて説明する。実施例１３〜１８は集電部と空気極の密着性評価が良好であった。それに対して比較例８は、比較例４と同様に溶液にAg100重量%を用いたところ空気極と集電部との密着性が確保できなかった。比較例９は、比較例５と同様に第一溶液、第二溶液ともにAg99.9重量%、Pd0.1重量%を用いたところ空気極と集電部との密着性が確保できなかった。比較例１０は、比較例６と同様に第一溶液、第二溶液ともにAg90.0重量%、Pd10.0重量%を用いたところ、空気極SSCと集電部の密着性が確保できたが、発電電位が低い結果となり、使用には適さない結果となった。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池セルユニットを示す図である。
【図２】本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池セルユニットの変形例を示す図である。
【図３】本実施形態に係る燃料極端子の変形例を示す図である。
【図４】本実施形態に係る空気極端子の変形例を示す図である。
【図５】本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池セルユニットの変形例を示す図である。
【符号の説明】
【００９１】
１…燃料電池セルユニット、６…固体酸化物形燃料電池セル（固体酸化物形燃料電池セル体）、６ａ…一方の端部、６ｂ…他方の端部、１５…貫通流路、１６…燃料極、１６ａ…燃料極突出周面、１８…電解質、２０…空気極、２１…燃料極外周面、２２…空気極外周面、２４…燃料極端子、２４ｂ…管状部分、２４ｃ…接続流路、２６…空気極端子、２６ｂ…管状部分、２６ｃ…接続流路、３２…シール材、４４ａ…集電部、 ２…燃料電池セルユニット、７…固体酸化物形燃料電池セル、５６ａ…一方の端部、５６ｂ…他方の端部、１４４ａ…集電部、１０４…燃料極端子、１０６…空気極端子、 ３…燃料電池セルユニット、８…固体酸化物形燃料電池セル、６６ａ…一方の端部、６６ｂ…他方の端部、２４４ａ…集電部、２０４…燃料極端子、２０６…空気極端子、２１４…電解質突出部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物形燃料電池セルと固体酸化物形燃料電池セルユニット、及びそれを備える燃料電池モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、管状の燃料電池セルを有する燃料電池セルが知られている（例えば、特許文献１参照）。まず、特許文献１に記載された従来の固体酸化物形燃料電池セルの一例を説明する。特許文献１に記載された固体酸化物形燃料電池セルユニットは、空気極に銀ペーストが塗布されている。銀は、空気に露出している。
【０００３】
また、特許文献２には、平板状の固体酸化物形燃料電池セルが記載され、この固体酸化物形燃料電池セルの内側の空気極集電体は、セパレーターと空気極に挟まれている。空気極集電体は、銀の多孔質体、表面に酸化物層を形成した銀の多孔質体、銀の素地中に酸化物が分散した分散強化形銀の多孔質体、または銀よりも高温強度の優れた合金の多孔質体の少なくとも片面に銀メッキした多孔質体の何れかからなる固体酸化物形燃料電池の空気極集電体である。
【０００４】
また、特許文献３には、扁平状の固体酸化物形燃料電池セルが記載され、この固体酸化物形燃料電池セルの酸素極は、Ag又はAgを含有する合金が分散された導電性セラミックスからなっている。
【特許文献１】特開２００７−９５４４２号公報
【特許文献２】特許３９２４７７２号公報
【特許文献３】特開２００６−１００００７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１〜３にあるように集電部にAgやAg/Pd合金を用いることが知られていた。しかし、集電部としての機能は良いが、空気極に対して集電部が密着する性能が不十分であり、密着性を向上した集電部が望まれていた。
【０００６】
そこで本発明者らは、集電部が空気極と密着性が確保でき、かつ発電性能が良好な固体酸化物形燃料電池セルを提供するために検討を行なった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために本発明に係る固体酸化物形燃料電池セルは、固体酸化物形燃料電池セルにAg/Pd合金を含む第一溶液を適用し、次に第一溶液よりもAg量が多いAg/Pd合金を含む第二溶液を適用し、焼成することを特徴とする固体酸化物形燃料電池セルを提供する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、集電部と空気極の密着性が良好な固体酸化物形燃料電池セルと固体酸化物形燃料電池セルユニット、及びそれを備える燃料電池モジュールを提供可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明を実施するための最良の形態を説明するに先立って、本発明の作用効果について説明する。
【００１０】
本発明に係る固体酸化物形燃料電池セルは、固体酸化物形燃料電池セルにAg/Pd合金を含む第一溶液を適用し、次に第一溶液よりもAg量が多いAg/Pd合金を含む第二溶液を適用し、焼成することを特徴とする固体酸化物形燃料電池セルを提供する。
【００１１】
本発明によれば、セルの表面側に第一溶液よりもAg量が多いAg/Pd合金を含む第二溶液を適用するので、集電部と空気極の密着性が確保される。さらに第一溶液よりもAg量が多いAg/Pd合金を含む第二溶液を適用するので、発電性能が良好である固体酸化物形燃料電池セルを提供することができる。
【００１２】
本発明に係る固体酸化物形燃料電池セルは、固体酸化物形燃料電池セルにAg/Pd合金を含む第一溶液を適用し、次にAg100重量%である溶液を適用し、焼成することを特徴とする固体酸化物形燃料電池セルを提供する。
【００１３】
本発明によれば、Ag/Pd合金を含む第一溶液を適用し、次にAg100重量%である溶液を適用し、焼成するので、集電部と空気極の密着性を確保できる。特に、抵抗の低いAg100重量％が表層にあるため、Ag/Pd合金より電気を多く流す通り道が表層にでき発電性能が良好である固体酸化物形燃料電池セルを提供することができる。
【００１４】
更に、本発明に係る固体酸化物形燃料電池セルは、燃料極と、前記燃料極に配置される電解質と、前記電解質に配置される空気極と、を備える固体酸化物形燃料電池セルであって、前記空気極に配置される集電部を備え、前記集電部はAg/Pd合金であり、前記Ag/PdのAg割合が前記集電部の表側の方が高いことを特徴とする固体酸化物形燃料電池セルを提供する。
【００１５】
本発明によれば、集電部はAg/Pd合金であり、Ag/PdのAg割合が前記集電部の表側の方が高い。従って、集電部と空気極の密着性を確保でき、抵抗の低いAgの割合が表層に多くあるため、電気を流す通り道が表層に確保でき発電性能が良好である固体酸化物形燃料電池セルを提供することができる。
【００１６】
更に、本発明に係る固体酸化物形燃料電池セルは、燃料極と、前記燃料極に配置される電解質と、前記電解質に配置される空気極と、を備える固体酸化物形燃料電池セルであって、前記空気極に配置される集電部を備え、前記集電部はAg/Pd合金であり、また表側にはPdが露出せず、Agのみが露出していることを特徴とする固体酸化物形燃料電池セルを提供する。
【００１７】
本発明によれば、空気極側の集電部はAg/Pd合金であり、表側にはPdが露出せず、Agのみが露出している。従って、集電部と空気極の密着性を確保でき、Ag/Pd合金より抵抗の低いAgが露出しているため、Ag/Pd合金に比べAgにより多くの電気が流れ、発電性能が良好である固体酸化物形燃料電池セルを提供することができる。
【００１８】
更に、本発明に係る固体酸化物形燃料電池セルユニットは、空気極に配置される集電部を備え、集電部はAg/Pd合金であり、Ag/PdのAg割合が集電部の表側の方が高いことを特徴とする固体酸化物形燃料電池セルと、空気極に配置される集電部と、集電部と電気的に接続され、固体酸化物形燃料電池セルの軸方向から電流を取り出すための端子と、を備えることを特徴とする固体酸化物形燃料電池セルユニットを提供する。本発明によれば、集電部にAg/Pd合金を用いた固体酸化物形燃料電池セルユニットを提供するので、集電部と空気極の密着性を確保し、かつ発電性能が良好である固体酸化物形燃料電池セルユニットを提供することができる。
【００１９】
更に、本発明の一形態は、固体酸化物形燃料電池セルユニットを備えた燃料電池モジュールを提供する。本発明によれば、固体酸化物形燃料電池セルユニットの集電部にAg/Pd合金を用いた燃料電池モジュールを提供するので、集電部と空気極の密着性を確保し、かつ発電性能が良好である燃料電池モジュールを提供することができる。
【００２０】
更に、本発明の一形態は、空気極に配置される集電部を備え、集電部はAg/Pd合金であり、Ag/PdのAg割合が集電部の表側の方が高いことを特徴とする固体酸化物形燃料電池セルを備えた燃料電池モジュールを提供する。本発明によれば、固体酸化物形燃料電池セルの集電部にAg/Pd合金を用いた燃料電池モジュールを提供するので、集電部と空気極の密着性を確保し、かつ発電性能が良好である燃料電池モジュールを提供することができる。
【００２１】
以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。
【００２２】
まず、図１を参照して、本発明による固体酸化物形燃料電池セルユニットの実施形態を説明する。図１は、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池セルユニットの断面図である。
【００２３】
図１に示すように、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池セルユニット１は、１本の管状の固体酸化物形燃料電池セルを有している。本実施形態では、固体酸化物形燃料電池セルは、１本の固体酸化物形燃料電池セル６（管状体）からなり、固体酸化物形燃料電池セル６は、円筒形である。
【００２４】
固体酸化物形燃料電池セル６は、酸化剤ガスにさらされている面から集電部４４a、空気極２０、電解質１８、燃料極１６の積層構造になっており、燃料極１６の内側に構成される燃料ガスの通路となる貫通流路１５を有している。集電部４４aは固体酸化物形燃料電池セル６の他方の端部６ｂに固定された空気極端子２６に接続されいる。空気極２０全体又は一部は、集電部４４aで覆われており、空気極で発生した電気は、集電部４４aのセルの軸方向に流れ、空気極端子２６から電気を取り出す。
なおセルの軸方向とは、貫通流路１５に流れる燃料ガスの方向と同一方向を示す。即ち、図中の矢印Aの方向を示す。
【００２５】
一方、固体酸化物形燃料電池セル６の一方の端部６ａに固定された燃料極端子２４は、燃料極１６と接しており、燃料極１６で発生した電気を燃料極端子２４から取り出す。
【００２６】
集電部４４ａは、導電性膜であって、より具体的には、AgとPdを備えている。集電部４４ａの厚さは、０．１〜５０μｍであることが好ましく、より好ましくは0．５〜３０μｍであることが好ましい。集電部４４ａは、空気極２０が薄くて電気を通しにくい場合や導電率の低い材料で構成されている場合に電気の通路として機能している。
【００２７】
燃料極１６は、例えば、Ｎｉと、ＣａやＹ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Ｎｉと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Ｎｉと、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレートとの混合体、の少なくとも一種から形成される。
【００２８】
電解質１８は、例えば、Ｙ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Ｓｒ、Ｍｇから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種から形成される。
【００２９】
空気極２０は、例えば、Ｓｒ、Ｃａから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Ｓｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Ｓｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたサマリウムコバルト、銀、などの少なくとも一種から形成される。燃料極１６の厚さは、例えば、１ｍｍであり、電解質１８の厚さは、例えば、３０μｍであり、空気極２０の厚さは、例えば、３０μｍである。
【００３０】
固体酸化物形燃料電池セル６の一方の端部６ａに、燃料極１６が電解質１８及び空気極２０に対して突出した燃料極突出周面１６ａと、電解質１８が空気極２０に対して突出した電解質突出周面１８ａとが設けられ、燃料極突出周面１６ａ及び電解質突出周面１８ａは、固体酸化物形燃料電池セル６の外周面を構成している。固体酸化物形燃料電池セル６の他方の端部６ｂを含む残部の外周面は、空気極２０が集電部４４aで覆われている。本実施形態では、燃料極突出周面１６ａは、燃料極１６と電気的に通じる燃料極外周面２１でもある。
【００３１】
燃料極端子２４は、燃料極外周面２１を全周にわたって外側から覆うように配置され且つそれと電気的に接続された本体部分２４ａと、固体酸化物形燃料電池セル６から遠ざかるように固体酸化物形燃料電池セル６の長手方向に延びる管状部分２４ｂとを有している。好ましくは、本体部分２４ａ及び管状部分２４ｂは、円筒形であり且つ同心に配置され、管状部分２４ｂの管径は、本体部分２４ａの管径よりも細い。本体部分２４ａ及び管状部分２４ｂは、貫通流路１５と連通し且つ外部と通じる接続流路２４ｃを有している。本体部分２４ａと管状部分２４ｂとの間の段部２４ｄは、燃料極１６の端面１６ｂと当接している。
【００３２】
尚、本発明の一形態に用いる空気極端子２６は、空気極外周面２２を全周にわたって外側から覆うように配置され且つそれと電気的に接続された本体部分２６ａと、固体酸化物形燃料電池セル６から遠ざかるように固体酸化物形燃料電池セル６の長手方向に延びる管状部分２６ｂとを有している。好ましくは、本体部分２６ａ及び管状部分２６ｂは、円筒形であり且つ同心であり、管状部分２６ｂの管径は、本体部分２６ａの管径よりも細い。本体部分２６ａ及び管状部分２６ｂは、貫通流路１５と連通し且つ外部と通じる接続流路２６ｃを有している。本体部分２６ａと管状部分２６ｂとの間の段部２６ｄは、環状の絶縁部材２８を介して集電部４４a、空気極２０、電解質１８及び燃料極１６の端面１６ｃと当接している。
【００３３】
燃料極端子２４及び空気極端子２６の管状部分２４ｂ、２６ｂは、好ましくは、それらの外輪郭断面形状が同一である。更に好ましくは、燃料極端子２４及び空気極端子２６の全体形状が同一である。燃料極端子２４及び空気極端子２６は、例えばAg、ステンレス鋼、ニッケル基合金、クロム基合金などの耐熱金属である。
【００３４】
燃料極端子２４と固体酸化物形燃料電池セル６、及び、空気極端子２６と燃料電池セル６とは、その全周にわたって導電性のシール材３２によってシールされ且つ固定されている。
【００３５】
一方の端部６ａにおいて、燃料極突出周面１６ａ及び電解質突出周面１８ａは、固体酸化物形燃料電池セル６の全周にわたって延び、互いに長手方向Ａに隣接している。また、燃料極突出周面１６ａは、固体酸化物形燃料電池セル６の先端部６ｃに位置している。燃料極突出周面１６ａと電解質突出周面１８ａとの間の境界３４は、燃料極端子２４の本体部分２４ａの内部にあり、電解質突出周面１８と集電部突出周面４４との間の境界３６は、本体部分２４ａの外側に位置している。また、電解質突出周面１８ａは、燃料極突出周面１６ａに向かって薄肉となるテーパ部１８ｂを有している。
【００３６】
一方の端部６ａにおいて、シール材３２は、燃料極突出周面１６ａ及び電解質突出周面１８ａに跨がって全周にわたって延び、燃料極端子２４の本体部分２４ａに充填され、電解質突出周面１８ａを介して空気極２０と間隔をおいている。また、他方の端部６ｂにおいて、シール材３２は、空気極突出周面２０ａの上を全周にわたって延び、空気極端子２６の本体部分２６ａと絶縁部材２８との間の空間に充填されている。シール材３２は、燃料極１６と作用するガスの領域、即ち、貫通流路１５及び接続流路２４ｃ、２６ｃと、空気極２０と作用するガスの領域とを仕切るように設けられている。シール材３２は、例えば、銀、銀とガラスの混合物、金、ニッケル、銅、チタンなどを含む各種ロウ材である。
【００３７】
ここで固体酸化物形燃料電池の作動原理を以下に記す。空気極側に酸化剤ガスを流し、燃料極側に燃料ガス（Ｈ2、ＣＯなど）を流すと酸化剤ガス中の酸素が、空気極と固体電解質との界面近傍で酸素イオンに変わり、この酸素イオンが固体電解質を通って燃料極に達する。そして燃料ガスと酸素イオンが反応して水および二酸化炭素になる。これらの反応は(1)、(2)および(3)式で表される。発生した電子は、空気極または燃料極へと移動し、端子に集電されるので、電流は管状セルの長軸方向を流れることになる。空気極と燃料極を外部回路で接続することによって、外部に電気を取り出すことが出来る。
H 2 ＋ O 2 - → H 2 O＋ 2 e - （1）
C O＋ O 2 - → C O 2 ＋ 2 e - （2）
1 / 2 O２ ＋ 2 e - → O 2 - （3）
【００３８】
より具体的には、図１において燃料極１６と作用するガス（燃料ガス）を、貫通流路１５及び接続流路２４ｃ、２６ｃに通す。また、空気極２０と作用するガス（酸化剤ガス）を、空気極２０の周りに流す。それにより、燃料電池セルユニット１が作動する。また、燃料極１６の電気をシール材３２及び燃料極端子２４を介して取出し、空気極２０の電気をシール材３２及び空気極端子２６を介して取出す。
【００３９】
図２は、固体酸化物形燃料電池セルユニットの変形例である。このセルユニット２はセル７と2つの端子からなっている。セルの構成は、内部に貫通流路を有する燃料極支持体の外側に配置された固体電解質と、該固体電解質の外側に配置された空気極とから構成され、空気極の更に外側には集電部が配置されたものである。固体酸化物形燃料電池セル７には一方の端部５６aと他方の端部５６ｂを備え、他方の端部５６ｂの内側に燃料極端子１０４、および外側に空気極端子１０６の2つの端子が設けられている。図３は、内側の燃料極端子１０４を示す。燃料極端子１０４は、燃料極の貫通流路に挿入され、燃料極と接する。燃料極端子１０４は、中心部に固体酸化物形燃料電池セル７との接触面積を増やすため略円筒形をしている。図４は、外側の空気極端子１０６を示す。空気極端子１０６は、空気極の外側に覆われた集電部１４４aと接する。空気極端子１０６は、中心部に固体酸化物形燃料電池セル７を挿入できるように略円筒形をしている。それぞれの端子は、Ag、ステンレス鋼、ニッケル基合金、クロム基合金などの耐熱金属からなり、金属の持つバネ力により端子とセルが固定される。図１の仕様と同様に空気極側に酸化剤ガスを流し、燃料極側に燃料ガス（Ｈ2、ＣＯなど）を流した時、空気極と燃料極で電気が発生し、それぞれの端子に集電されるので、電流は管状セルの長軸方向を流れることになる。
【００４０】
更に、図５は、別の変形例である固体酸化物形燃料電池セルユニット３である。セルの構成は、内部に貫通流路を有する燃料極支持体の外側に配置された固体電解質と、該固体電解質の外側に配置された空気極とから構成され、空気極の更に外側には集電部が配置されたものである。固体酸化物形燃料電池セル８には一方の端部６６aと他方の端部６６ｂをもち、一方の端部６６aには電解質が空気極に対して突出した電解質突出部２１４を備える。空気極端子２０６であるAgワイヤは、集電部２４４aの外周に巻きつけられ、固体酸化物形燃料電池セル８の中心付近に形成した。外周に巻きつける位置は、中心付近に限定されず、固体酸化物形燃料電池セル８の他方の端部６６ｂでも良い。燃料極端子２０４は、貫通流路の内径より大きな円筒状のAgメッシュを備えている。燃料極端子２０４は、固体酸化物形燃料電池セル８に一方の端部６６aから10〜100mmの深さまで挿入し、Agメッシュのバネ力により燃料極と接している。図１の仕様と同様に空気極側に酸化剤ガスを流し、燃料極側に燃料ガス（Ｈ2、ＣＯなど）を流した時、空気極と燃料極で電気が発生し、それぞれの端子に集電されるので、電流は管状セルの長軸方向を流れることになる。
【００４１】
これまで説明してきたのは固体酸化物形燃料電池セルユニットであるが、端子を除くと本発明の固体酸化物形燃料電池セルに相当する。
【００４２】
また、これまで説明してきた固体酸化物形燃料電池セルユニットまたは固体酸化物形燃料電池セルの周囲を覆う断熱容器を備えた燃料電池モジュールに適用されても良い。
【００４３】
また、これまで説明した固体酸化物形燃料電池セルは円筒形状であるが、本発明の実施形態は円筒形状に限定されず、扁平形状などに適用されても良い。
【実施例】
【００４４】
以下、実施例を挙げて、本発明をより具体的に説明する。
燃料極支持体の外側に配置された固体電解質と、該固体電解質の外側に配置された空気極とから構成され、空気極の更に外側には集電部が配置されたものである。以下に作製手順について示した。
【００４５】
（実施例１）
N i O粉末と、(ZrO2)0.90(Y2O3)0.10(以下YSZと略称する)粉末の混合物を湿式混合法で作製後、熱処理、粉砕を行い燃料極支持体原料粉末を得た。NiO粉末とYSZ粉末の混合比は重量比で65/35とした。該粉末を押出し成形法によって円筒状成形体を作製した。成形体を900℃で熱処理して仮焼体とした。仮焼体の表面に、スラリーコート法により固体電解質を成形した。この支持体を1300℃で焼成した。次に、固体電解質の表面にスラリーコート法により空気極を形成し、1100℃で焼成した。なお、燃料極支持体は、焼成後の寸法で、外径10.4mm、肉厚1.5mm、有効セル長100mmとした。空気極の面積は、25.2cm2になるようにした。
【００４６】
表１に示すように空気極としてLa０．６Sr０．４Co０．２Fe０．８O3(略称：LSCF)を用い、その上に集電部を塗布した。
本実施例での集電部の溶液として、次に挙げる樹脂と溶剤と金属粉を備えている。樹脂としてアクリル樹脂を用い、溶剤としてα-テルピネオールを用い、金属粉としてAgおよびPdを用いた。表１に示す割合、すなわち第一溶液の金属粉としてAg90.0重量% 、Pd10.0重量%で秤量し、第一溶液が塗布された表面に塗布する第二溶液として、第一溶液に混合されている同種類の樹脂と溶剤、Ag99.5重量% とPd0.5重量%を秤量した。樹脂、溶剤、金属粉を調合したコーティング液は、混合攪拌した。尚、ここでいう金属粉の割合とは、集電部を100重量％としたときに含まれる金属粉（Ag、Pd）の割合を示す。
空気極上への集電部の形成方法としては、本発明における固体電解質の作製方法については、特に制限はなく、スラリーコート法、テープキャスティング法、ドクターブレード法、スクリーン印刷法、スピンコート法、スプレー法、フローコート法、ロールコート法ならびにこれらの併用など、既知の塗布手段を適宜採用することができる。
固体酸化物形燃料電池セルにスクリーン印刷法でコーティング液を塗布後、80℃30分乾燥し、室温にて冷却後700℃１時間焼成し、空気極の外側に集電部を形成した固体酸化物形燃料電池セルを得た。よって、集電部は、ＡｇとＰｄを備える合金となった。
なお、得られた集電部のAgとPdを含有する合金の割合は、このセル集電部表面または断面をEPMA分析により定量値を求めることができる。この割合は、後述する表１に示す割合と等しいものであった。即ち、第一溶液を塗布された箇所は、Ag90.0重量% 、Pd10.0重量%のAg／Pd合金になり、第二溶液を塗布された箇所は、Ag99.5重量% 、Pd0.5重量%のAg／Pd合金になった。
【００４７】
（実施例２）
表１に示すように集電部の第一溶液 にAg90.0重量% 、Pd10.0重量%、集電部第二溶液にAg99.0重量%、 Pd1.0重量%、集電部第三溶液にAg99.5重量% 、Pd0.5重量%を用い、塗り回数を3回にした以外は、実施例１と同様にして空気極の外側に集電部を配置した固体酸化物形燃料電池セルを得た。
【００４８】
（実施例３）
表１に示すように集電部の第一溶液に Ag97.0重量%、 Pd3.0重量%、集電部第二溶液にAg99.0重量%、 Pd1.0重量%、集電部第三溶液にAg99.5重量% 、Pd0.5重量%を用い、塗り回数を3回にした以外は、実施例１と同様にして空気極の外側に集電部を配置した固体酸化物形燃料電池セルを得た。
【００４９】
（比較例１）
表１に示すように集電部のAg100重量%溶液、集電部第二溶液にAg99.8重量% 、Pd0.2重量%を用いた以外は、実施例１と同様にして空気極の外側に集電部を配置した固体酸化物形燃料電池セルを得た。
【００５０】
（比較例２）
表１に示すように集電部の第一溶液 にAg99.5重量% 、Pd0.5重量%、集電部第二溶液にAg90.0重量% 、Pd10.0重量%を用いた以外は、実施例１と同様にして空気極の外側に集電部を配置した固体酸化物形燃料電池セルを得た。
【００５１】
（比較例３）
表１に示すように集電部の第一溶液に Ag99.5重量%、 Pd0.5重量%、集電部第二溶液にAg99.0重量%、 Pd1.0重量%、集電部第三溶液にAg90.0重量% 、Pd10.0重量%を用いた以外は、実施例１と同様にして空気極の外側に集電部を配置した固体酸化物形燃料電池セルを得た。
【００５２】
次に表２に関する説明を行なう。
【００５３】
（実施例４）
N i O粉末と、(ZrO2)0.90(Y2O3)0.10(以下YSZと略称する)粉末の混合物を湿式混合法で作製後、熱処理、粉砕を行い燃料極支持体原料粉末を得た。NiO粉末とYSZ粉末の混合比は重量比で65/35とした。該粉末を押出し成形法によって円筒状成形体を作製した。成形体を900℃で熱処理して仮焼体とした。仮焼体の表面に、スラリーコート法により固体電解質を成形した。この支持体を1300℃で焼成した。次に、固体電解質の表面にスラリーコート法により空気極を形成し、1100℃で焼成した。なお、燃料極支持体は、焼成後の寸法で、外径10.4mm、肉厚1.5mm、有効セル長100mmとした。空気極の面積は、25.2cm2になるようにした。
【００５４】
表２に示すように空気極としてLa０．６Sr０．４Co０．２Fe０．８O3(略称：LSCF)を用い、その上に集電部を塗布した。
本実施例での集電部の溶液として、次に挙げる樹脂と溶剤と金属粉を備えている。
樹脂としてアクリル樹脂を用い、溶剤としてα-テルピネオールを用い、金属粉としてAgおよびPdを用いた。表２に示す割合、すなわち第一溶液の金属粉としてAg99.8重量%、 Pd0.2重量%で秤量し、第一溶液の上に塗布する溶液としてAg100重量%溶液を準備し、第一溶液に混合されている同種類の樹脂と溶剤とAg100重量%を秤量した。樹脂、溶剤、金属粉を調合したコーティング液は、混合攪拌した。尚、ここでいう金属粉の割合とは、集電部を100重量％としたときに含まれる金属粉（Ag、Pd）の割合を示す。
空気極上への集電部の形成方法としては、スラリーコート法、テープキャスティング法、ドクターブレード法、スクリーン印刷法、スピンコート法、スプレー法、フローコート法、ロールコート法ならびにこれらの併用など、既知の塗布手段を適宜採用することができる。
固体酸化物形燃料電池セルにスクリーン印刷法でコーティング液を塗布後、８０℃３０分乾燥し、室温にて冷却後７００℃１時間焼成し、空気極の外側に集電部を配置した固体酸化物形燃料電池セルを得た。
固体酸化物形燃料電池セルの空気極に第一溶液を塗布後、８０℃３０分乾燥し、室温にて冷却後、集電部Ag100重量%溶液を塗布し、８０℃３０分乾燥し、室温にて冷却後、７００℃１時間焼成し、空気極の外側に集電部を配置した固体酸化物形燃料電池セルを得た。前記集電部は、AgとPdを備える合金である。前記集電部は、Ag/Pd合金であり、また表側にはPdが露出せず、Agのみが露出している固体酸化物形燃料電池セルを得た。
なお、得られた集電部のAgとPdを含有する合金の割合は、このセル集電部表面または断面をEPMA分析により定量値を求めることができる。この割合は、後述する表２に示す割合と等しいものであった。即ち、第一溶液を塗布された箇所は、Ag99.8重量% 、Pd0.2重量%のAg／Pd合金になり、Ag100重量%溶液を塗布された箇所は、Ag100重量%になった。
【００５５】
（実施例５）
表２に示すように集電部の第一溶液をAg99.5重量% 、Pd0.5重量%にした以外は、実施例４と同様にして空気極の外側に集電部を配置した固体酸化物形燃料電池セルを得た。
【００５６】
（実施例６）
表２に示すように集電部の第一溶液をAg99.0重量% 、Pd1.0重量%にした以外は、実施例４と同様にして空気極の外側に集電部を配置した固体酸化物形燃料電池セルを得た。
【００５７】
（実施例７）
表２に示すように集電部の第一溶液をAg98.5重量% 、Pd1.5重量%にした以外は、実施例４と同様にして空気極の外側に集電部を配置した固体酸化物形燃料電池セルを得た。
【００５８】
（実施例８）
表２に示すように集電部の第一溶液をAg98.0重量% 、Pd2.0重量%にした以外は、実施例４と同様にして空気極の外側に集電部を配置した固体酸化物形燃料電池セルを得た。
【００５９】
（実施例９）
表２に示すように集電部の第一溶液をAg95.0重量% 、Pd5.0重量%にした以外は、実施例４と同様にして空気極の外側に集電部を配置した固体酸化物形燃料電池セルを得た。
【００６０】
（比較例４）
表２に示すように集電部第一溶液をAg100重量%にした以外は、実施例４と同様にして空気極の外側に集電部を配置した固体酸化物形燃料電池セルを得た。即ち、Ag100重量％溶液を塗布した後に乾燥させ、再度Ag100重量％溶液を塗布した。
【００６１】
（比較例５）
表２に示すように集電部の第一溶液及び第二溶液をAg99.9重量%、 Pd0.1重量%にした以外は、実施例４と同様にして空気極の外側に集電部を配置した固体酸化物形燃料電池セルを得た。即ち、Ag99.9重量%、 Pd0.1重量%溶液を塗布した後に乾燥させ、再度Ag99.9重量%、 Pd0.1重量%溶液を塗布した。
【００６２】
（比較例６）
表２に示すように集電部の第一溶液及び第二溶液をAg90.0重量% 、Pd10.0 重量%にした以外は、実施例４と同様にして空気極の外側に集電部を配置した固体酸化物形燃料電池セルを得た。即ち、Ag90.0重量%、 Pd10.0重量%溶液を塗布した後に乾燥させ、再度Ag90.0重量%、 Pd10.0重量%溶液を塗布した。
【００６３】
次に表３に関する説明を行なう。
【００６４】
（実施例１０）
N i O粉末と、(ZrO2)0.90(Y2O3)0.10(以下YSZと略称する)粉末の混合物を湿式混合法で作製後、熱処理、粉砕を行い燃料極支持体原料粉末を得た。NiO粉末とYSZ粉末の混合比は重量比で65/35とした。該粉末を押出し成形法によって円筒状成形体を作製した。成形体を900℃で熱処理して仮焼体とした。仮焼体の表面に、スラリーコート法により固体電解質を成形した。この支持体を1300℃で焼成した。次に、固体電解質の表面にスラリーコート法により空気極を形成し、1100℃で焼成した。なお、燃料極支持体は、焼成後の寸法で、外径10.4mm、肉厚1.5mm、有効セル長100mmとした。空気極の面積は、25.2cm2になるようにした。
【００６５】
表３に示すように空気極としてSm0.5Sr0.5CoO3 (略称：SSC)を用い、その上に集電部を塗布した。
本実施例での集電部の溶液として、次に挙げる樹脂と溶剤と金属粉を備えている。
樹脂としてアクリル樹脂を用い、溶剤としてα-テルピネオールを用い、金属粉としてAgおよびPdを用いた。表３に示す割合、すなわち第一溶液の金属粉としてAg90.0重量% 、Pd10.0重量%で秤量し、第一溶液の上に塗布する第二溶液として、第一溶液に混合されている同種類の樹脂と溶剤とAg99.5重量% とPd0.5重量%を秤量した。樹脂、溶剤、金属粉を調合したコーティング液は、混合攪拌した。尚、ここでいう金属粉の割合とは、集電部を100重量％としたときに含まれる金属粉（Ag、Pd）の割合を示す。
空気極上への集電部の形成方法としては、スラリーコート法、テープキャスティング法、ドクターブレード法、スクリーン印刷法、スピンコート法、スプレー法、フローコート法、ロールコート法ならびにこれらの併用など、既知の塗布手段を適宜採用することができる。
固体酸化物形燃料電池セルにスクリーン印刷法でコーティング液を塗布後、８０℃３０分乾燥し、室温にて冷却後７００℃１時間焼成し、空気極の外側に集電部を配置した固体酸化物形燃料電池セルを得た。
固体酸化物形燃料電池セルの空気極に第一溶液を塗布後、８０℃３０分乾燥し、室温にて冷却後、第二溶液を塗布し、８０℃３０分乾燥し、室温にて冷却後、７００℃１時間焼成し、空気極の外側に集電部を配置した固体酸化物形燃料電池セルを得た。集電部は、AgとPdを備える合金である。すなわち Ag/Pd合金であり、Ag/PdのAg割合が集電部の表側の方が高い固体酸化物形燃料電池セルを得た。
なお、得られた集電部のAgとPdを含有する合金の割合は、このセル集電部表面または断面をEPMA分析により定量値を求めることができる。この割合は、後述する表３に示す割合と等しいものであった。即ち、第一溶液を塗布された箇所は、Ag90.0重量% 、Pd10.0重量%のAg／Pd合金になり、第二溶液を塗布された箇所は、Ag99.5重量% 、Pd0.5重量%のAg／Pd合金になった。
【００６６】
（実施例１１）
表３に示すように集電部の第一溶液 にAg90.0重量% 、Pd10.0重量%、集電部第二溶液にAg99.0重量%、 Pd1.0重量%、集電部第三溶液にAg99.5重量% 、Pd0.5重量%を用い、塗り回数を3回にした以外は、実施例１０と同様にして空気極の外側に集電部を配置した固体酸化物形燃料電池セルを得た。
【００６７】
（実施例１２）
表３に示すように集電部の第一溶液に Ag97.0重量%、 Pd3.0重量%、集電部第二溶液にAg99.0重量%、 Pd1.0重量%、集電部第三溶液にAg99.5重量% 、Pd0.5重量%を用い、塗り回数を3回にした以外は、実施例１０と同様にして空気極の外側に集電部を配置した固体酸化物形燃料電池セルを得た。
【００６８】
（比較例７）
表３に示すように集電部にAg100重量%溶液、集電部第二溶液にAg99.8重量% 、Pd0.2重量%を用いた以外は、実施例１０と同様にして空気極の外側に集電部を配置した固体酸化物形燃料電池セルを得た。
【００６９】
次に表４に関する説明を行なう。
【００７０】
（実施例１３）
N i O粉末と、(ZrO2)0.90(Y2O3)0.10(以下YSZと略称する)粉末の混合物を湿式混合法で作製後、熱処理、粉砕を行い燃料極支持体原料粉末を得た。NiO粉末とYSZ粉末の混合比は重量比で65/35とした。該粉末を押出し成形法によって円筒状成形体を作製した。成形体を900℃で熱処理して仮焼体とした。仮焼体の表面に、スラリーコート法により固体電解質を成形した。この支持体を1300℃で焼成した。次に、固体電解質の表面にスラリーコート法により空気極を形成し、1100℃で焼成した。なお、燃料極支持体は、焼成後の寸法で、外径10.4mm、肉厚1.5mm、有効セル長100mmとした。空気極の面積は、25.2cm2になるようにした。
【００７１】
表４に示すように空気極としてSm0.5Sr0.5CoO3 (略称：SSC)を用い、その上に集電部を塗布した。
本実施例での集電部の溶液として、次に挙げる樹脂と溶剤と金属粉を備えている。
樹脂としてアクリル樹脂を用い、溶剤としてα-テルピネオールを用い、金属粉としてAgおよびPdを用いた。表４に示す割合、すなわち第一溶液の金属粉としてAg99.8重量%、 Pd0.2重量%で秤量し、第一溶液の上に塗布する溶液としてAg100重量%溶液を準備し、第一溶液に混合されている同種類の樹脂と溶剤とAg100重量%を秤量した。樹脂、溶剤、金属粉を調合したコーティング液は、混合攪拌した。尚、ここでいう金属粉の割合とは、集電部を100重量％としたときに含まれる金属粉（Ag、Pd）の割合を示す。
空気極上への集電部の形成方法としては、スラリーコート法、テープキャスティング法、ドクターブレード法、スクリーン印刷法、スピンコート法、スプレー法、フローコート法、ロールコート法ならびにこれらの併用など、既知の塗布手段を適宜採用することができる。
固体酸化物形燃料電池セルにスクリーン印刷法でコーティング液を塗布後、８０℃３０分乾燥し、室温にて冷却後７００℃１時間焼成し、空気極の外側に集電部を配置した固体酸化物形燃料電池セルを得た。
固体酸化物形燃料電池セルの空気極に第一溶液を塗布後、８０℃３０分乾燥し、室温にて冷却後、集電部Ag100重量%溶液を塗布し、８０℃３０分乾燥し、室温にて冷却後、７００℃１時間焼成し、空気極の外側に集電部を配置した固体酸化物形燃料電池セルを得た。前記集電部は、AgとPdを備える合金である。前記集電部は、Ag/Pd合金であり、また表側にはPdが露出せず、Agのみが露出している固体酸化物形燃料電池セルを得た。
なお、得られた集電部のAgとPdを含有する合金の割合は、このセル集電部表面または断面をEPMA分析により定量値を求めることができる。この割合は、後述する表４に示す割合と等しいものであった。即ち、第一溶液を塗布された箇所は、Ag99.8重量% 、Pd0.2重量%のAg／Pd合金になり、Ag100重量%溶液を塗布された箇所は、Ag100重量%になった。
【００７２】
（実施例１４）
表４に示すように集電部の第一溶液をAg99.5重量% 、Pd0.5重量%にした以外は、実施例１３と同様にして空気極の外側に集電部を配置した固体酸化物形燃料電池セルを得た。
【００７３】
（実施例１５）
表４に示すように集電部の第一溶液をAg99.0重量% 、Pd1.0重量%にした以外は、実施例１３と同様にして空気極の外側に集電部を配置した固体酸化物形燃料電池セルを得た。
【００７４】
（実施例１６）
表４に示すように集電部の第一溶液をAg98.5重量% 、Pd1.5重量%にした以外は、実施例１３と同様にして空気極の外側に集電部を配置した固体酸化物形燃料電池セルを得た。
【００７５】
（実施例１７）
表４に示すように集電部の第一溶液をAg98.0重量% 、Pd2.0重量%にした以外は、実施例１３と同様にして空気極の外側に集電部を配置した固体酸化物形燃料電池セルを得た。
【００７６】
（実施例１８）
表４に示すように集電部の第一溶液をAg95.0重量% 、Pd5.0重量%にした以外は、実施例１３と同様にして空気極の外側に集電部を配置した固体酸化物形燃料電池セルを得た。
【００７７】
（比較例８）
表４に示すように集電部第一溶液をAg100重量%にした以外は、実施例１３と同様にして空気極の外側に集電部を配置した固体酸化物形燃料電池セルを得た。即ち、Ag100重量％溶液を塗布した後に乾燥させ、再度Ag100重量％溶液を塗布した。
【００７８】
（比較例９）
表４に示すように集電部の第一溶液及び第二溶液をAg99.9重量%、 Pd0.1重量%にした以外は、実施例１３と同様にして空気極の外側に集電部を配置した固体酸化物形燃料電池セルを得た。即ち、Ag99.9重量%、 Pd0.1重量%溶液を塗布した後に乾燥させ、再度Ag99.9重量%、 Pd0.1重量%溶液を塗布した。
【００７９】
（比較例１０）
表４に示すように集電部の第一溶液及び第二溶液をAg90.0重量% 、Pd10.0 重量%にした以外は、実施例１３と同様にして空気極の外側に集電部を配置した固体酸化物形燃料電池セルを得た。即ち、Ag90.0重量%、 Pd10.0重量%溶液を塗布した後に乾燥させ、再度Ag90.0重量%、 Pd10.0重量%溶液を塗布した。
【００８０】
（評価方法）
集電部の密着性試験
コーティング液を塗布し、焼成した後、固体酸化物形燃料電池セルの半周に市販のセロハンテープを気泡が入らないように貼り付け、剥離させた。その際に、セル表面に集電部が残っているか否かを目視で判定した。
2． 固体酸化物形燃料電池セルユニットの発電試験
得られた固体酸化物形燃料電池セルユニット(電極有効面積：25.2cm2 )を用いて発電試験を行った。燃料極側の集電は、図１に示す燃料極端子２４にAg線を外周に巻きつけ行った。空気極側の集電も、空気極端子２６にAg線を外周に巻きつけ行った。発電条件としては、燃料は（ H2 ＋ 3%H2O）とN2の混合ガスとした。燃料利用率は80%とした。酸化剤ガスは空気とした。測定温度は700℃ とし、電流密度0.2A/cm2での発電電位を測定した。
【００８１】
表１〜４に本発明の実施例および比較例を示し、以下に説明する。
【００８２】
【表１】
【００８３】
表１を用い、空気極にＬＳＣＦを用い、固体酸化物形燃料電池セルにAg/Pd合金を含む第一溶液を適用し、次に第一溶液よりもAg量が多いAg/Pd合金を含む第二溶液を適用し、焼成することを特徴とする固体酸化物形燃料電池セルについて説明する。より詳しくは、集電部はAg/Pd合金であり、前記Ag/PdのAg割合が前記集電部の表側の方が高い固体酸化物形燃料電池セルについて説明する。実施例１〜３は集電部と空気極の密着性評価が良好であった。それに対して、比較例１はAg100重量%溶液を用い、第二溶液にAgにPdを少量加えたAg99.8重量%、Pd0.2重量%を用いたが、空気極と集電部との密着性が確保できなかった。比較例２は第一溶液にAg99.5重量%、Pd0.5重量%溶液を用い、第二溶液にAgにPdを少量加えたAg90.0重量%、Pd10.0重量%を用いたが、空気極と集電部との密着性が確保できず、初期発電電位も低い値になった。比較例３は第一溶液にAg99.5重量%、Pd0.5重量%溶液を用い、第二溶液にAg99.0重量%、Pd1.0重量%を用い、第三溶液にAg90.0重量%、Pd10.0重量%を用いたが、空気極と集電部との密着性が確保できず、初期発電電位も低い値になった。
【００８４】
【表２】
【００８５】
表２を用い、空気極がＬＳＣＦであり、固体酸化物形燃料電池セルにAg/Pd合金を含む第一溶液を適用し、次にAg100重量%である溶液を適用し、焼成する固体酸化物形燃料電池セルに関する。集電部はAg/Pd合金であり、また表側にはPdが露出せず、Agのみが露出している固体酸化物形燃料電池セルについて説明する。実施例４〜９は集電部と空気極の密着性評価が良好であり、初期発電電位を高くすることができた。それに対して比較例４は、空気極LSCFに配置する集電部にAg100重量%溶液を用いたところ、空気極と集電部との密着性が確保できなかった。比較例５は、第一溶液、第二溶液ともにAgにPd を少量加えたAg99.9重量%、Pd0.1重量%を用いたが、空気極と集電部との密着性が確保できなかった。比較例６は、第一溶液、第二溶液ともにAgに更に多くのPdを加えたAg90.0重量%、Pd10.0重量%を用いたところ、空気極と集電部との密着性は確保したが、セルの発電電位が低い結果となり燃料電池としての性能を満たさないものとなった。
【００８６】
【表３】
【００８７】
表３を用い、空気極がＳＳＣであり、固体酸化物形燃料電池セルにAg/Pd合金を含む第一溶液を適用し、次に第一溶液よりもAg量が多いAg/Pd合金を含む第二溶液を適用し、焼成する固体酸化物形燃料電池セルについて説明する。より詳しくは、集電部はAg/Pd合金であり、前記Ag/PdのAg割合が前記集電部の表側の方が高い固体酸化物形燃料電池セルについて説明する。実施例１０〜１２は集電部と空気極の密着性評価が良好であった。それに対して比較例５は、比較例１と同様に集電部にAg100重量%溶液を用い、第二溶液にAgと少量のＰｄを加えたAg99.8重量%、Pd0.2重量%を用いたが、空気極と集電部との密着性が確保できなかった。
【００８８】
【表４】
【００８９】
表４を用い、空気極がＳＳＣであり、固体酸化物形燃料電池セルにAg/Pd合金を含む第一溶液を適用し、次にAg100重量%である溶液を適用し、焼成する固体酸化物形燃料電池セルに関して説明する。より詳しくは集電部はAg/Pd合金であり、また表側にはPdが露出せず、Agのみが露出している固体酸化物形燃料電池セルについて説明する。実施例１３〜１８は集電部と空気極の密着性評価が良好であった。それに対して比較例８は、比較例４と同様に溶液にAg100重量%を用いたところ空気極と集電部との密着性が確保できなかった。比較例９は、比較例５と同様に第一溶液、第二溶液ともにAg99.9重量%、Pd0.1重量%を用いたところ空気極と集電部との密着性が確保できなかった。比較例１０は、比較例６と同様に第一溶液、第二溶液ともにAg90.0重量%、Pd10.0重量%を用いたところ、空気極SSCと集電部の密着性が確保できたが、発電電位が低い結果となり、使用には適さない結果となった。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池セルユニットを示す図である。
【図２】本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池セルユニットの変形例を示す図である。
【図３】本実施形態に係る燃料極端子の変形例を示す図である。
【図４】本実施形態に係る空気極端子の変形例を示す図である。
【図５】本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池セルユニットの変形例を示す図である。
【符号の説明】
【００９１】
１…燃料電池セルユニット、６…固体酸化物形燃料電池セル（固体酸化物形燃料電池セル体）、６ａ…一方の端部、６ｂ…他方の端部、１５…貫通流路、１６…燃料極、１６ａ…燃料極突出周面、１８…電解質、２０…空気極、２１…燃料極外周面、２２…空気極外周面、２４…燃料極端子、２４ｂ…管状部分、２４ｃ…接続流路、２６…空気極端子、２６ｂ…管状部分、２６ｃ…接続流路、３２…シール材、４４ａ…集電部、 ２…燃料電池セルユニット、７…固体酸化物形燃料電池セル、５６ａ…一方の端部、５６ｂ…他方の端部、１４４ａ…集電部、１０４…燃料極端子、１０６…空気極端子、 ３…燃料電池セルユニット、８…固体酸化物形燃料電池セル、６６ａ…一方の端部、６６ｂ…他方の端部、２４４ａ…集電部、２０４…燃料極端子、２０６…空気極端子、２１４…電解質突出部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体酸化物形燃料電池セルにAg/Pd合金を含む第一溶液を適用し、
次に第一溶液よりもAg量が多いAg/Pd合金を含む第二溶液を適用し、
焼成することを特徴とする固体酸化物形燃料電池セル。
【請求項２】
固体酸化物形燃料電池セルにAg/Pd合金を含む第一溶液を適用し、
次にAg100重量%である溶液を適用し、
焼成することを特徴とする固体酸化物形燃料電池セル。
【請求項３】
燃料極と、
前記燃料極に配置される電解質と、
前記電解質に配置される空気極と、
を備える固体酸化物形燃料電池セルであって、
前記空気極に配置される集電部を備え、
前記集電部はAg/Pd合金であり、
前記Ag/PdのAg割合が前記集電部の表側の方が高いことを特徴とする固体酸化物形燃料電池セル。
【請求項４】
燃料極と、
前記燃料極に配置される電解質と、
前記電解質に配置される空気極と、
を備える固体酸化物形燃料電池セルであって、
前記空気極に配置される集電部を備え、
前記集電部はAg/Pd合金であり、
また表側にはPdが露出せず、Agのみが露出していることを特徴とする固体酸化物形燃料電池セル。
【請求項５】
請求項３乃至４いずれか1項に記載の固体酸化物形燃料電池セルと、
前記空気極に配置される集電部と、
前記集電部と電気的に接続され、
前記固体酸化物形燃料電池セルの軸方向から電流を取り出すための端子と、
を備えることを特徴とする固体酸化物形燃料電池セルユニット。
【請求項６】
請求項５に記載の固体酸化物形燃料電池セルユニットを備えた燃料電池モジュール。
【請求項７】
請求項１乃至４いずれか1項に記載の固体酸化物形燃料電池セルを備えた燃料電池モジュール。
【請求項１】
固体酸化物形燃料電池セルにAg/Pd合金を含む第一溶液を適用し、
次に第一溶液よりもAg量が多いAg/Pd合金を含む第二溶液を適用し、
焼成することを特徴とする固体酸化物形燃料電池セル。
【請求項２】
固体酸化物形燃料電池セルにAg/Pd合金を含む第一溶液を適用し、
次にAg100重量%である溶液を適用し、
焼成することを特徴とする固体酸化物形燃料電池セル。
【請求項３】
燃料極と、
前記燃料極に配置される電解質と、
前記電解質に配置される空気極と、
を備える固体酸化物形燃料電池セルであって、
前記空気極に配置される集電部を備え、
前記集電部はAg/Pd合金であり、
前記Ag/PdのAg割合が前記集電部の表側の方が高いことを特徴とする固体酸化物形燃料電池セル。
【請求項４】
燃料極と、
前記燃料極に配置される電解質と、
前記電解質に配置される空気極と、
を備える固体酸化物形燃料電池セルであって、
前記空気極に配置される集電部を備え、
前記集電部はAg/Pd合金であり、
また表側にはPdが露出せず、Agのみが露出していることを特徴とする固体酸化物形燃料電池セル。
【請求項５】
請求項３乃至４いずれか1項に記載の固体酸化物形燃料電池セルと、
前記空気極に配置される集電部と、
前記集電部と電気的に接続され、
前記固体酸化物形燃料電池セルの軸方向から電流を取り出すための端子と、
を備えることを特徴とする固体酸化物形燃料電池セルユニット。
【請求項６】
請求項５に記載の固体酸化物形燃料電池セルユニットを備えた燃料電池モジュール。
【請求項７】
請求項１乃至４いずれか1項に記載の固体酸化物形燃料電池セルを備えた燃料電池モジュール。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１０−１５８０７（Ｐ２０１０−１５８０７Ａ）
【公開日】平成２２年１月２１日（２０１０．１．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１７４３９７（Ｐ２００８−１７４３９７）
【出願日】平成２０年７月３日（２００８．７．３）
【出願人】（００００１００８７）ＴＯＴＯ株式会社 (3,889)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１月２１日（２０１０．１．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年７月３日（２００８．７．３）
【出願人】（００００１００８７）ＴＯＴＯ株式会社 (3,889)
【Ｆターム（参考）】
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