燃料電池セル
【課題】シール部と支持基板との接合強度を向上可能な燃料電池セルを提供する。
【解決手段】燃料電池セルは、内部に流路を有する平板状の支持基板と、支持基板上に配置され、燃料極活性層と、空気極と、燃料極活性層と空気極との間に配置される固体電解質層と、を有する発電部と、支持基板の外周を覆うシール部と、支持基板とシール部との間に配置されるアルミナ粒子と、を備える。
【解決手段】燃料電池セルは、内部に流路を有する平板状の支持基板と、支持基板上に配置され、燃料極活性層と、空気極と、燃料極活性層と空気極との間に配置される固体電解質層と、を有する発電部と、支持基板の外周を覆うシール部と、支持基板とシール部との間に配置されるアルミナ粒子と、を備える。
【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。一般的に、内部に流路を有する平板状の燃料電池セルは、流路が形成される支持基板としても機能する燃料側電極と、空気極と、燃料側電極と空気極の間に配置される固体電解質層と、を有する（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の燃料電池セルでは、固体電解質層の一部が、燃料側電極を覆うことによって燃料側電極を外部から遮断するシール部として機能している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２００７６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、このような平板状のセルにおいては、セル側端部に応力が集中する傾向がある。そのため、燃料側電極とシール部である固体電解質層との接合強度が低ければ、共焼成時の残留歪や還元/酸化サイクル時の膨張収縮によって、両者の接合界面に剥離が生じるおそれがある。
【０００５】
本発明は、上述の状況に鑑みてなされたものであり、シール部と支持基板との接合強度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】
【０００６】
本発明に係る燃料電池セルは、内部に流路を有する平板状の支持基板と、支持基板上に配置され、燃料極活性層と、空気極と、燃料極活性層と空気極との間に配置される固体電解質層と、を有する発電部と、支持基板の外周を覆うシール部と、支持基板とシール部との間に配置されるアルミナ粒子と、を備える。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、シール部と支持基板との接合強度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】
【０００８】
【図１】第１実施形態に係る縦縞型の固体酸化物型燃料電池セルの構成を示す断面図
【図２】支持基板と固体電解質層との界面付近の断面を示すＳＥＭ画像
【図３】支持基板と固体電解質層との界面付近におけるＡｌ濃度分布を示す解析画像
【図４】支持基板と固体電解質層との界面付近における酸素濃度分布を示す解析画像
【図５】第２実施形態に係る横縞型の固体酸化物型燃料電池セルの構成を示す斜視図
【図６】図５のＡ−Ａ断面図
【図７】燃料電池セルの構成を示す断面図
【図８】燃料電池セルの構成を示す断面図
【発明を実施するための形態】
【０００９】
次に、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には、同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なっている場合がある。従って、具体的な寸法等は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
【００１０】
以下の実施形態では、燃料電池セルの一例として固体酸化物型燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：ＳＯＦＣ）を挙げて説明する。
【００１１】
１．第１実施形態
第１実施形態では、いわゆる縦縞型の固体酸化物型燃料電池セルについて説明する。
【００１２】
《縦縞型の固体酸化物型燃料電池セル１００の構成》
縦縞型の固体酸化物型燃料電池セル（以下、「セル」と略称する。）１００の構成について、図面を参照しながら説明する。図１は、セル１００の構成を示す断面図である。
【００１３】
セル１００は、セラミックス材料によって構成される平板である。セル１００は、例えば、１mm〜１０mm程度の厚みと、１０mm〜１００mm程度の幅と、５０mm〜５００mm程度の長さとを有する。複数のセル１００を直列に接続することによって、燃料電池を構成するセルスタックを形成することができる。
【００１４】
図１に示すように、セル１００は、支持基板１０と、インターコネクタ２０と、発電部３０と、を備える。発電部３０は、燃料極活性層３１と、固体電解質層３２と、空気極３３と、を有する。また、後述するように、支持基板１０と固体電解質層３２との間には、アルミナ粒子が配置されている。
【００１５】
（支持基板１０）
支持基板１０は、扁平断面を有する平板である。支持基板１０は、例えば、１mm〜１０mm程度の厚みを有する。
【００１６】
支持基板１０は、発電部３０で発生する電流をインターコネクタに伝達させるための導電性と、燃料ガスを発電部まで透過させるためのガス透過性とを有する。支持基板１０の内部には、図１に示すように、複数のガス流路１１が形成されている。
【００１７】
支持基板１０は、第１平坦面１０Ａと、第２平坦面１０Ｂと、第１湾曲側面１０Ｃと、第２湾曲側面１０Ｄと、を有する。第１平坦面１０Ａと第２平坦面１０Ｂとが互いに対向し、第１湾曲側面１０Ｃと第２湾曲側面１０Ｄとは互いに対向する。第１平坦面１０Ａ、第２平坦面１０Ｂ、第１湾曲側面１０Ｃおよび第２湾曲側面１０Ｄは、互いに繋がっており、支持基板１０の外周面を構成している。
【００１８】
支持基板１０は、触媒活性金属及びその酸化物のいずれかと、触媒金属及びその酸化物との反応物を生成しない無機骨材とを含有する。触媒金属としてはＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉなどが挙げられる。支持基板１０は、酸化ニッケル（ＮｉＯ）及び／又はニッケル（Ｎｉ）とイットリア（Ｙ２Ｏ３）とを含んでいることが特に好ましい。
【００１９】
（インターコネクタ２０）
インターコネクタ２０は、支持基板１０の第１平坦面１０Ａ上に配置される。インターコネクタ２０は、支持基板１０を介して、発電部で発生する電流を集電する。インターコネクタ２０は、例えば、１０μｍ〜１００μｍ程度の厚みを有する。
【００２０】
インターコネクタ２０は、緻密質な導電性セラミックス、例えば、ランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物によって構成される。ランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物としては、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ等を置換固溶したＬａ（ＣｒＭｇ）Ｏ３系、（ＬａＣａ）ＣｒＯ３系、（ＬａＳｒ）ＣｒＯ３等の材料が挙げられる。
【００２１】
（発電部３０）
発電部３０は、支持基板１０の第２平坦面１０Ｂ上に配置される。従って、発電部３０は、支持基板１０を介して、インターコネクタ２０の反対側に配置されている。発電部３０は、上述のとおり、燃料極活性層３１と、固体電解質層３２と、空気極３３とによって構成されている。
【００２２】
燃料極活性層３１は、支持基板１０の第２平坦面１０Ｂ上に形成されている。燃料極活性層３１は、希土類元素が固溶するＺｒＯ２（安定化ジルコニア）と、Ｎｉ及び／又はＮｉＯとによって構成される。希土類元素が固溶するＺｒＯ２としては、イットリア安定化ジルコニア（３ＹＳＺ、８ＹＳＺ、１０ＹＳＺなど）が好適に用いられる。
【００２３】
なお、本実施形態において、燃料極活性層３１は、支持基板１０の第２平坦面１０Ｂ上に形成されているが、これに限られるものではない。燃料極活性層３１は、支持基板１０の第１湾曲側面１０Ｃ及び第２湾曲側面１０Ｄの少なくとも一方を覆うように延在されていてもよい。
【００２４】
固体電解質層３２は、燃料極活性層３１と空気極３３との間に配置される。また、固体電解質層３２は、燃料極活性層３１上から支持基板１０上に延在された第１シール部３２ａ及び第２シール部３２ｂを有する。第１シール部３２ａ及び第２シール部３２ｂは、支持基板１０の第１湾曲側面１０Ｃ及び第２湾曲側面１０Ｄを覆っており、支持基板１０と直接接している。固体電解質層３２は、例えば、３μｍ〜３０μｍ程度の厚みを有する。
【００２５】
固体電解質層３２は、ジルコニウム（Ｚｒ）を含む。固体電解質層３２は、Ｚｒをジルコニア（ＺｒＯ2）として含んでもよいし、ジルコニアを主成分として含んでいてもよい。また、固体電解質層３２は、ジルコニアの他に、イットリア（Ｙ2Ｏ3）やスカンジア（Ｓｃ2Ｏ3）などの添加剤を含んでいてもよい。これらの添加剤は、安定化剤として機能する。固体電解質層１２において、安定化剤のジルコニアに対するｍｏｌ組成比（安定化剤：ジルコニア）は、３：９７〜２０：８０程度であればよい。すなわち、固体電解質層１２の材料としては、例えば、３ＹＳＺ、８ＹＳＺ及び１０ＹＳＺなどのイットリア安定化ジルコニアやＳｃＳＺなどのジルコニア系材料が挙げられる。また、本実施形態において、固体電解質層３２は、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）を含有していてもよい。固体電解質層３２におけるアルミナの添加率は、例えば、０．０５重量％〜０．５重量％に設定することができる。
【００２６】
空気極３３は、固体電解質層３２上に配置される。空気極３３は、例えば、３０μｍ〜１００μｍ程度の厚みを有する。ＡＢＯ3型のペロブスカイト型酸化物の導電性セラミックスによって構成される。このようなペロブスカイト型酸化物としては、遷移金属ペロブスカイト型酸化物が挙げられ、特に、ＡサイトにＬａを有するＬａＭｎＯ3系酸化物、ＬａＦｅＯ3系酸化物、ＬａＣｏＯ3系酸化物などが好適に用いられる。また、ＡサイトにはＬａと共にＳｒなどが含有されていてもよく、Ｂサイトには、ＦｅとともにＣｏやＭｎが含有されていてもよい。
【００２７】
（アルミナ粒子）
次に、支持基板１０と固体電解質層３２との間に介挿されるアルミナ粒子について、図２乃至図４を参照しながら説明する。図２は、支持基板１０と固体電解質層３２との界面付近の断面を示すＳＥＭ画像である。図３は、支持基板１０と固体電解質層３２との界面付近におけるＡｌ濃度分布を示す解析画像である。図４は、支持基板１０と固体電解質層３２との界面付近における酸素濃度分布を示す解析画像である。
【００２８】
なお、図２のＳＥＭ画像は、セル１００の断面をＳＥＭ及びＳＥＭ−ＥＤＳ（Scanning Electron Microscopy-Energy Dispersive x-ray Spectroscopy）で取得される。また、図３及び図４の解析画像は、原子濃度プロファイルによるライン分析、つまりＥＰＭＡ（Electron Probe Micro Analyzer）による特性Ｘ線強度の比較結果を元素マッピングすることによって取得される。
【００２９】
図２では、多孔質層である支持基板１０と緻密層である固体電解質層３２との界面Ｐが示されている。また、図２及び図３から、界面Ｐ付近におけるアルミウムの存在を確認することができる。また、図２及び図４から、界面Ｐ付近における酸素の存在が確認することができる。さらに、図３及び図４から、アルミウムの位置と酸素の位置とが重なっていること、すなわち、界面Ｐ付近におけるアルミナ粒子の存在が確認できる。
【００３０】
このように、セル１００は、支持基板１０と固体電解質層３２（具体的には、第１シール部３２ａ及び/又は第２シール部３２ｂ）との間に配置されるアルミナ粒子を備えている。このアルミナ粒子は、固体電解質であるＺｒＯ２と適度な反応性を有するとともに、支持基板１０に含まれるＮｉＯ／Ｎｉとも適度な反応性を有している。従って、このようなアルミナ粒子の存在によって、支持基板１０と固体電解質層３２との密着力が向上されている。
【００３１】
アルミナ粒子の平均粒径は、０．３μｍ以上であることが好ましい。なぜならば、接合強度の向上に寄与するためには一定値以上の接合幅が必要とされるからである。また、界面Ｐにおいて、単位長さ当たりにアルミナ粒子が占める割合は、１５％以上であることが好ましい。なぜならば、更なる接合強度の向上を達成するためには、接合性の良好なアルミナ粒子接合部の割合が一定値以上必要となるからである。
【００３２】
《燃料電池セル１００の製造方法》
次に、燃料電池セル１００の製造方法について説明する。
【００３３】
まず、ＮｉＯ粉末とＹ２Ｏ３粉末を、所定の混合比（例えば、Ｎｉ換算で４８体積％、Ｙ２Ｏ３が５２体積％など）で混合し、この混合粉末に、ポアー剤（例えば、平均粒径５−２０μｍのＰＭＭＡ粒子）、有機バインダーと、水とを混合して支持基板用坏土を形成する。
【００３４】
次に、支持基板用坏土を押出成形し、乾燥及び仮焼することによって、支持基板仮焼体を作製する。
【００３５】
次に、支持基板仮焼体の両側湾曲面にアルミナ粒子を塗布する。この際、面積率で両側湾曲面の１５％以上にアルミナ粒子を塗布することが好ましいが、全面をアルミナ粒子で覆う必要はない。アルミナ粒子としては、例えば平均粒径０．３μｍ以上のものを用いることが好ましい。
【００３６】
次に、ＺｒＯ２粉末（8ＹＳＺ）と有機バインダーを混合して得られるスラリーを、ドクターブレード法によって固体電解質層用シートを作製する。
【００３７】
次に、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を混合したスラリーを作製し、固体電解質層用シートの一部分上にスクリーン印刷法で塗布及び乾燥することによって、燃料極層用コーティング層を形成する。
【００３８】
次に、燃料極層用コーティング層が形成された固体電解質層用シートを支持基板成形体上に貼り付けることによって、積層体を作製する。
【００３９】
次に、積層体を所定の温度（例えば、１０００℃程度）で仮焼処理する。
【００４０】
次に、ＬａＣｒＯ３系酸化物と、有機バインダーと溶媒を混合したスラリーを支持基板成形体の露出部分に印刷塗布し、所定の温度（１４００℃）で焼成する。
【００４１】
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及び乾燥し、その後所定の温度（例えば、１１５０℃）で焼き付けて空気極層を形成する。
【００４２】
２．第２実施形態
第２実施形態では、いわゆる横縞型の固体酸化物型燃料電池セルについて説明する。
【００４３】
《横縞型の固体酸化物型燃料電池セル２００の構成》
横縞型の固体酸化物型燃料電池セル（以下、「セル」と略称する。）２００の構成について、図面を参照しながら説明する。図５は、セル１００の構成を示す斜視図である。図６は、図５のＡ−Ａ断面図である。
【００４４】
セル２００は、図５に示すように、支持基板２１０と、複数のインターコネクタ２２０と、複数の発電部２３０と、を備える。複数の発電部２３０のそれぞれは、図６に示すように、燃料極２３１と、固体電解質層２３２と、空気極２３３と、集電層２３４と、を備える。なお、図５では、説明の便宜上、集電層２３４は図示されていない。なお、図６に示すように、複数のインターコネクタ２２０及び複数の発電部２３０は、支持基板２１０の両面に形成されている。
【００４５】
（支持基板１０）
支持基板２１０は、扁平かつ一方向（ｚ軸方向）に長い形状である。支持基板２１０は、多孔質材料によって構成されている。支持基板２１０は、Ｎｉ（ニッケル）を含んでいてもよく、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。
【００４６】
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。
【００４７】
図５及び図６に示すように、支持基板２１０の内部には、流路２１１が設けられる。流路２１１は、支持基板２１０の長手方向（ｚ軸方向）に沿って延びる。発電時には、流路２１１内に流される燃料ガスが、多孔質の支持基板２１０を介して複数の発電部２３０に供給される。
【００４８】
支持基板２１０は、第１平坦面２１０Ａと、第２平坦面２１０Ｂと、第１湾曲側面２１０Ｃと、第２湾曲側面２１０Ｄと、を有する。第１平坦面２１０Ａと第２平坦面２１０Ｂとが互いに対向し、第１湾曲側面２１０Ｃと第２湾曲側面２１０Ｄとは互いに対向する。第１平坦面２１０Ａ、第２平坦面２１０Ｂ、第１湾曲側面２１０Ｃおよび第２湾曲側面２１０Ｄは、互いに繋がっており、支持基板２１０の外周面を形成している。本実施形態では、第１平坦面２１０Ａ上及び第２平坦面２１０Ｂ上に複数の発電部２３０が配置されている。
【００４９】
（インターコネクタ２２０）
インターコネクタ２２０は、図５に示すように、２つの発電部２３０に接続されている。インターコネクタ２２０は、クロマイト系材料を主成分として含有する。クロマイト系材料の組成は、次の一般式（１）で表すことができる。
【００５０】
Ｌｎ１−ｘＡｘＣｒ１−ｙ-ｚＢｙＯ３ （１）
（式（１）において、ＬｎはＹ及びランタノイド（Ｌａ，Ｃｅ，Ｅｕ，Ｓｍ，Ｙｂ，Ｇｄなど）からなる群より選択される少なくとも１種類の元素であり、ＡはＣａ，Ｓｒ及びＢａからなる群より選択される少なくとも１種類の元素を含有し、Ｂは、Ｔｉ，Ｖ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｚｎ，Ｍｇ及びＡｌからなる群より選択される少なくとも１種類の元素を含有し、０．０２５≦ｘ≦０．３、０≦ｙ≦０．２２、０≦ｚ≦０．１５である。）
（発電部２３０）
燃料極２３１は、支持基板２１０上に配置され、アノードとして機能する。燃料極２３１は、燃料極集電層２３１ａと燃料極活性層２３１ｂとを有する。
【００５１】
燃料極集電層２３１ａは支持基板２１０上に配置される。燃料極集電層２３１ａは、次の一般式（２）で表される酸化物を含有する。
【００５２】
（ＡＥ１−ｘＡｘ）（Ｂ１−ｙ＋ｚＣｙ）Ｏ３ （２）
（式（２）において、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２３１ａは、式（２）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。燃料極集電層２３１ａの厚みは、５０〜５００μｍ程度とすることができる。
【００５３】
燃料極活性層２３１ｂは、燃料極集電層２３１ａの上に配置される。燃料極活性層２３１ｂは、Ｚｒ（ジルコニウム）を含有してもよい。燃料極活性層２３１ｂ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。燃料極活性層２３１ｂの厚みは、５〜１００μｍ程度とすることができる。
【００５４】
固体電解質層２３２は、燃料極活性層２３１ｂ上に配置され、燃料極活性層２３１ｂの全面を覆うように設けられる。固体電解質層２３２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２３２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によって構成することができる。また、本実施形態において、固体電解質層２３２は、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）を含有していてもよい。固体電解質層２３２におけるアルミナの添加率は、例えば、０．０５重量％〜０．５重量％に設定することができる。固体電解質層２３２は、燃料極活性層２３１ｂと共焼成されていることが好ましい。
【００５５】
ここで、固体電解質層２３２は、燃料極活性層２３１ｂ上から支持基板２１０上に延在された第１シール部２３２ａ及び第２シール部２３２ｂを有する。第１シール部２３２ａ及び第２シール部２３２ｂは、互いに繋がっている。第１シール部２３２ａは支持基板２１０の第１湾曲側面２１０Ｃを覆う。第２シール部２３２ｂは支持基板２１０の第２湾曲側面２１０Ｄを覆う。
【００５６】
なお、本実施形態では、支持基板２１０上に延在された固体電解質層２３２によって第１シール部２３２ａ及び第２シール部２３２ｂが構成されることとしたが、これに限られるものではない。第１シール部２３２ａ及び第２シール部２３２ｂの少なくとも一方は、固体電解質層２３２とは別の部材によって形成されていてもよい。
【００５７】
空気極２３３は、固体電解質層２３２上に配置される。空気極２３３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。
【００５８】
集電層２３４は、空気極２３３上に配置され、２つの発電部を電気的に接続するように設けられている。
【００５９】
なお、セル２００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。
【００６０】
支持基板２１０の幅Ｄ１ ：１〜１０ｃｍ
支持基板２１０の厚みＤ２ ：１〜１０ｍｍ
支持基板２１０の長さＤ３ ：５〜５０ｃｍ
支持基板２１０の外面から流路２１までの距離Ｄ４：０．１〜４ｍｍ
インターコネクタ２２０の厚み ：１０〜１００μｍ
固体電解質層２３２の厚み ：３〜５０μｍ
空気極２３３の厚み ：１０〜１００μｍ
集電層２３４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。
【００６１】
（アルミナ粒子）
次に、支持基板２１０と第１及び第２シール部２３２ａ，２３２ｂとの間に介挿されるアルミナ粒子について説明する。
【００６２】
支持基板２１０と第１及び第２シール部２３２ａ，２３２ｂとの間には、上記第１実施形態と同様に、アルミナ粒子が介挿されている。このアルミナ粒子は、固体電解質であるＺｒＯ２と適度な反応性を有するとともに、支持基板２１０に含まれるＮｉＯ／Ｎｉとも適度な反応性を有している。従って、このようなアルミナ粒子の存在によって、支持基板２１０と第１及び第２シール部２３２ａ，２３２ｂとの密着力が向上されている。
【００６３】
アルミナ粒子の平均粒径は、０．３μｍ以上であることが好ましい。なぜならば、接合強度の向上に寄与するためには一定値以上の接合幅が必要とされるからである。
【００６４】
また、界面Ｐにおいて、単位長さ当たりにアルミナ粒子が占める割合は、１５％以上であることが好ましい。なぜならば、更なる接合強度の向上を達成するためには、接合性の良好なアルミナ粒子接合部の割合が一定値以上必要となるからである。
【００６５】
≪他の実施形態≫
本発明は以上のような実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない範囲で種々の変形又は変更が可能である。
【００６６】
（Ａ）上記第１実施形態において、発電部３０は、燃料極活性層３１、固体電解質層３２および空気極３３を備えることとしたが、これに限られるものではない。発電部３０は、燃料極活性層３１と固体電解質層３２との間や固体電解質層３２と空気極３３との間には、他の層が介挿されていてもよい。例えば、発電部３０は、固体電解質層３２と空気極３３との間における高抵抗層の形成を抑制するために、固体電解質層３２と空気極３３との間にバリア層を備えていてもよい。
【００６７】
（Ｂ）上記第１実施形態において、第１シール部３２ａ及び第２シール部３２ｂは、支持基板１０の第１湾曲側面１０Ｃ及び第２湾曲側面１０Ｄを覆うこととしたが、これに限られるものではない。例えば、図７に示すように、燃料極活性層３１が支持基板１０の第１湾曲側面１０Ｃ及び第２湾曲側面１０Ｄを覆うように延在されている場合には、第１シール部３２ａ及び第２シール部３２ｂは、燃料極活性層３１を覆っていればよい。この場合、燃料極活性層３１の延在部分は、支持基板１０の一部を構成している。
【００６８】
このことは、第２実施形態に係るセル２００についても同様である。すなわち、燃料極集電層２３１ａ又は/及び燃料極活性層２３１ｂが支持基板２１０の第１湾曲側面２１０Ｃ及び第２湾曲側面２１０Ｄを覆うように延在されている場合、第１シール部２３２ａ及び第２シール部２３２ｂは、燃料極活性層３１又は/及び燃料極活性層２３１ｂの延在部分を覆っていればよい。この場合、燃料極活性層３１又は/及び燃料極活性層２３１ｂの延在部分は、支持基板２１０の一部を構成している。
【００６９】
（Ｃ）上記第１実施形態において、第１シール部３２ａ及び第２シール部３２ｂは、支持基板１０上に延在された固体電解質層３２によって構成されることとしたが、固体電解質層３２とは別の部材として形成されていてもよい。具体的には、図８に示すように、ガラス素材によって構成される第１シール部３２ａ及び第２シール部３２ｂを備えていてもよい。このことは、第２実施形態に係る第１シール部２３２ａ及び第２シール部２３２ｂについても同様である。
【００７０】
（Ｄ）上記第１及び第２実施形態において、燃料電池セルは、２つのシール部を有することとしたが、いずれか一方のシール部を有していればよい。
【実施例】
【００７１】
以下において本発明に係るセルの実施例について説明するが、本発明は以下に説明する実施例に限定されるものではない。
【００７２】
［サンプルNo.１〜No.１２の作製］
以下のようにして、燃料極集電層を支持基板とする燃料極支持型セルのサンプルNo.１〜No.１２を作製した。
【００７３】
まず、ＮｉＯ粉末とＹ２Ｏ３粉末（Ｎｉ換算で４８体積％、それ以外をＹ２Ｏ３）を混合した粉末に、平均粒径５−２０μｍのＰＭＭＡ粒子と有機バインダーと水とを混合して支持基板用坏土を形成した。
【００７４】
次に、支持基板用坏土を押出成形し、乾燥及び仮焼することによって、支持基板仮焼体を作製した。
【００７５】
次に、サンプルNo.１以外のサンプルNo.２〜No.１２について、支持基板仮焼体の両側湾曲面にアルミナ粒子を塗布した。サンプルNo.２〜No.７では、平均粒径０．１６〜３．２μｍのアルミナ粒子を用い、No.８〜No.１２では、平均粒径０．５〜１．５μｍのアルミナ粒子を用いた。また、この際、サンプルNo.８〜No.１２では、アルミナ粒子を塗布する面積率を異ならせた。
【００７６】
次に、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を混合したスラリーを作製し、８ＹＳＺで構成される固体電解質層用シートの一部分上にスクリーン印刷法で塗布及び乾燥することによって、燃料極層用コーティング層を形成した。
【００７７】
次に、燃料極層用コーティング層が形成された固体電解質層用シートを支持基板成形体上に貼り付けて、１０００℃で仮焼処理した。
【００７８】
次に、ＬａＣｒＯ３系酸化物と有機バインダーと溶媒を混合したスラリーを支持基板成形体の露出部分に印刷塗布し、１４００℃で焼成した。
【００７９】
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及び乾燥し、１１５０℃で焼き付けて空気極層を形成した。
【００８０】
［還元後の剥離の有無］
サンプルNo.１〜No.７を８００℃で水素雰囲気に１０時間暴露し、常温まで降温させた後、セルの表面及びセルの断面を顕微鏡で観察することによってシール部の剥離の有無を確認した。また、断面のＳＥＭ画像から燃料側電極とシール部との間に存在するアルミナ粒子の平均粒径を算出した。観察結果を表１に示す。
【００８１】
表１に示されるように、アルミナ粒子が導入されていないサンプルNo.１においてシール部の剥離が確認された。一方で、アルミナ粒子が導入されたサンプルNo.２〜No.７ではシール部の剥離が確認されなかった。
【００８２】
このように、アルミナ粒子の平均粒径を０．３０μｍ以上とすることによって、還元による剥離の発生を抑制できることが確認された。
【００８３】
【表１】
［熱サイクル試験後の剥離の有無］
サンプルNo.８〜No.１２について、還元雰囲気を維持した状態で、常温から８００℃まで３０分で昇温し、その後１時間で常温まで降させるサイクルを１０回繰り返した。その後、セルの表面及びセルの断面を顕微鏡で観察することによってシール部の剥離の有無を確認した。観察結果を表２に示す。
【００８４】
表２に示されるように、アルミナ粒子の占有率が５％であるサンプルNo.１ではシール部の剥離が確認されたが、アルミナ粒子の占有率が１５％以上であるサンプルNo.９〜No.１２ではシール部の剥離が確認されなかった。
【００８５】
このように、アルミナ粒子の単位長さ当たりの占有率を１５％以上とすることによって、熱サイクルによる剥離の発生を抑制できることが確認された。
【００８６】
【表２】
【符号の説明】
【００８７】
１００ 燃料電池セル
１０ 支持基板
２０ インターコネクタ
３０ 発電部
３１ 燃料極
３２ 固体電解質層
３３ 空気極
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物形燃料電池セルに関する。
【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。一般的に、内部に流路を有する平板状の燃料電池セルは、流路が形成される支持基板としても機能する燃料側電極と、空気極と、燃料側電極と空気極の間に配置される固体電解質層と、を有する（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の燃料電池セルでは、固体電解質層の一部が、燃料側電極を覆うことによって燃料側電極を外部から遮断するシール部として機能している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２００７６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、このような平板状のセルにおいては、セル側端部に応力が集中する傾向がある。そのため、燃料側電極とシール部である固体電解質層との接合強度が低ければ、共焼成時の残留歪や還元/酸化サイクル時の膨張収縮によって、両者の接合界面に剥離が生じるおそれがある。
【０００５】
本発明は、上述の状況に鑑みてなされたものであり、シール部と支持基板との接合強度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】
【０００６】
本発明に係る燃料電池セルは、内部に流路を有する平板状の支持基板と、支持基板上に配置され、燃料極活性層と、空気極と、燃料極活性層と空気極との間に配置される固体電解質層と、を有する発電部と、支持基板の外周を覆うシール部と、支持基板とシール部との間に配置されるアルミナ粒子と、を備える。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、シール部と支持基板との接合強度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】
【０００８】
【図１】第１実施形態に係る縦縞型の固体酸化物型燃料電池セルの構成を示す断面図
【図２】支持基板と固体電解質層との界面付近の断面を示すＳＥＭ画像
【図３】支持基板と固体電解質層との界面付近におけるＡｌ濃度分布を示す解析画像
【図４】支持基板と固体電解質層との界面付近における酸素濃度分布を示す解析画像
【図５】第２実施形態に係る横縞型の固体酸化物型燃料電池セルの構成を示す斜視図
【図６】図５のＡ−Ａ断面図
【図７】燃料電池セルの構成を示す断面図
【図８】燃料電池セルの構成を示す断面図
【発明を実施するための形態】
【０００９】
次に、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には、同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なっている場合がある。従って、具体的な寸法等は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
【００１０】
以下の実施形態では、燃料電池セルの一例として固体酸化物型燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：ＳＯＦＣ）を挙げて説明する。
【００１１】
１．第１実施形態
第１実施形態では、いわゆる縦縞型の固体酸化物型燃料電池セルについて説明する。
【００１２】
《縦縞型の固体酸化物型燃料電池セル１００の構成》
縦縞型の固体酸化物型燃料電池セル（以下、「セル」と略称する。）１００の構成について、図面を参照しながら説明する。図１は、セル１００の構成を示す断面図である。
【００１３】
セル１００は、セラミックス材料によって構成される平板である。セル１００は、例えば、１mm〜１０mm程度の厚みと、１０mm〜１００mm程度の幅と、５０mm〜５００mm程度の長さとを有する。複数のセル１００を直列に接続することによって、燃料電池を構成するセルスタックを形成することができる。
【００１４】
図１に示すように、セル１００は、支持基板１０と、インターコネクタ２０と、発電部３０と、を備える。発電部３０は、燃料極活性層３１と、固体電解質層３２と、空気極３３と、を有する。また、後述するように、支持基板１０と固体電解質層３２との間には、アルミナ粒子が配置されている。
【００１５】
（支持基板１０）
支持基板１０は、扁平断面を有する平板である。支持基板１０は、例えば、１mm〜１０mm程度の厚みを有する。
【００１６】
支持基板１０は、発電部３０で発生する電流をインターコネクタに伝達させるための導電性と、燃料ガスを発電部まで透過させるためのガス透過性とを有する。支持基板１０の内部には、図１に示すように、複数のガス流路１１が形成されている。
【００１７】
支持基板１０は、第１平坦面１０Ａと、第２平坦面１０Ｂと、第１湾曲側面１０Ｃと、第２湾曲側面１０Ｄと、を有する。第１平坦面１０Ａと第２平坦面１０Ｂとが互いに対向し、第１湾曲側面１０Ｃと第２湾曲側面１０Ｄとは互いに対向する。第１平坦面１０Ａ、第２平坦面１０Ｂ、第１湾曲側面１０Ｃおよび第２湾曲側面１０Ｄは、互いに繋がっており、支持基板１０の外周面を構成している。
【００１８】
支持基板１０は、触媒活性金属及びその酸化物のいずれかと、触媒金属及びその酸化物との反応物を生成しない無機骨材とを含有する。触媒金属としてはＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉなどが挙げられる。支持基板１０は、酸化ニッケル（ＮｉＯ）及び／又はニッケル（Ｎｉ）とイットリア（Ｙ２Ｏ３）とを含んでいることが特に好ましい。
【００１９】
（インターコネクタ２０）
インターコネクタ２０は、支持基板１０の第１平坦面１０Ａ上に配置される。インターコネクタ２０は、支持基板１０を介して、発電部で発生する電流を集電する。インターコネクタ２０は、例えば、１０μｍ〜１００μｍ程度の厚みを有する。
【００２０】
インターコネクタ２０は、緻密質な導電性セラミックス、例えば、ランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物によって構成される。ランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物としては、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ等を置換固溶したＬａ（ＣｒＭｇ）Ｏ３系、（ＬａＣａ）ＣｒＯ３系、（ＬａＳｒ）ＣｒＯ３等の材料が挙げられる。
【００２１】
（発電部３０）
発電部３０は、支持基板１０の第２平坦面１０Ｂ上に配置される。従って、発電部３０は、支持基板１０を介して、インターコネクタ２０の反対側に配置されている。発電部３０は、上述のとおり、燃料極活性層３１と、固体電解質層３２と、空気極３３とによって構成されている。
【００２２】
燃料極活性層３１は、支持基板１０の第２平坦面１０Ｂ上に形成されている。燃料極活性層３１は、希土類元素が固溶するＺｒＯ２（安定化ジルコニア）と、Ｎｉ及び／又はＮｉＯとによって構成される。希土類元素が固溶するＺｒＯ２としては、イットリア安定化ジルコニア（３ＹＳＺ、８ＹＳＺ、１０ＹＳＺなど）が好適に用いられる。
【００２３】
なお、本実施形態において、燃料極活性層３１は、支持基板１０の第２平坦面１０Ｂ上に形成されているが、これに限られるものではない。燃料極活性層３１は、支持基板１０の第１湾曲側面１０Ｃ及び第２湾曲側面１０Ｄの少なくとも一方を覆うように延在されていてもよい。
【００２４】
固体電解質層３２は、燃料極活性層３１と空気極３３との間に配置される。また、固体電解質層３２は、燃料極活性層３１上から支持基板１０上に延在された第１シール部３２ａ及び第２シール部３２ｂを有する。第１シール部３２ａ及び第２シール部３２ｂは、支持基板１０の第１湾曲側面１０Ｃ及び第２湾曲側面１０Ｄを覆っており、支持基板１０と直接接している。固体電解質層３２は、例えば、３μｍ〜３０μｍ程度の厚みを有する。
【００２５】
固体電解質層３２は、ジルコニウム（Ｚｒ）を含む。固体電解質層３２は、Ｚｒをジルコニア（ＺｒＯ2）として含んでもよいし、ジルコニアを主成分として含んでいてもよい。また、固体電解質層３２は、ジルコニアの他に、イットリア（Ｙ2Ｏ3）やスカンジア（Ｓｃ2Ｏ3）などの添加剤を含んでいてもよい。これらの添加剤は、安定化剤として機能する。固体電解質層１２において、安定化剤のジルコニアに対するｍｏｌ組成比（安定化剤：ジルコニア）は、３：９７〜２０：８０程度であればよい。すなわち、固体電解質層１２の材料としては、例えば、３ＹＳＺ、８ＹＳＺ及び１０ＹＳＺなどのイットリア安定化ジルコニアやＳｃＳＺなどのジルコニア系材料が挙げられる。また、本実施形態において、固体電解質層３２は、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）を含有していてもよい。固体電解質層３２におけるアルミナの添加率は、例えば、０．０５重量％〜０．５重量％に設定することができる。
【００２６】
空気極３３は、固体電解質層３２上に配置される。空気極３３は、例えば、３０μｍ〜１００μｍ程度の厚みを有する。ＡＢＯ3型のペロブスカイト型酸化物の導電性セラミックスによって構成される。このようなペロブスカイト型酸化物としては、遷移金属ペロブスカイト型酸化物が挙げられ、特に、ＡサイトにＬａを有するＬａＭｎＯ3系酸化物、ＬａＦｅＯ3系酸化物、ＬａＣｏＯ3系酸化物などが好適に用いられる。また、ＡサイトにはＬａと共にＳｒなどが含有されていてもよく、Ｂサイトには、ＦｅとともにＣｏやＭｎが含有されていてもよい。
【００２７】
（アルミナ粒子）
次に、支持基板１０と固体電解質層３２との間に介挿されるアルミナ粒子について、図２乃至図４を参照しながら説明する。図２は、支持基板１０と固体電解質層３２との界面付近の断面を示すＳＥＭ画像である。図３は、支持基板１０と固体電解質層３２との界面付近におけるＡｌ濃度分布を示す解析画像である。図４は、支持基板１０と固体電解質層３２との界面付近における酸素濃度分布を示す解析画像である。
【００２８】
なお、図２のＳＥＭ画像は、セル１００の断面をＳＥＭ及びＳＥＭ−ＥＤＳ（Scanning Electron Microscopy-Energy Dispersive x-ray Spectroscopy）で取得される。また、図３及び図４の解析画像は、原子濃度プロファイルによるライン分析、つまりＥＰＭＡ（Electron Probe Micro Analyzer）による特性Ｘ線強度の比較結果を元素マッピングすることによって取得される。
【００２９】
図２では、多孔質層である支持基板１０と緻密層である固体電解質層３２との界面Ｐが示されている。また、図２及び図３から、界面Ｐ付近におけるアルミウムの存在を確認することができる。また、図２及び図４から、界面Ｐ付近における酸素の存在が確認することができる。さらに、図３及び図４から、アルミウムの位置と酸素の位置とが重なっていること、すなわち、界面Ｐ付近におけるアルミナ粒子の存在が確認できる。
【００３０】
このように、セル１００は、支持基板１０と固体電解質層３２（具体的には、第１シール部３２ａ及び/又は第２シール部３２ｂ）との間に配置されるアルミナ粒子を備えている。このアルミナ粒子は、固体電解質であるＺｒＯ２と適度な反応性を有するとともに、支持基板１０に含まれるＮｉＯ／Ｎｉとも適度な反応性を有している。従って、このようなアルミナ粒子の存在によって、支持基板１０と固体電解質層３２との密着力が向上されている。
【００３１】
アルミナ粒子の平均粒径は、０．３μｍ以上であることが好ましい。なぜならば、接合強度の向上に寄与するためには一定値以上の接合幅が必要とされるからである。また、界面Ｐにおいて、単位長さ当たりにアルミナ粒子が占める割合は、１５％以上であることが好ましい。なぜならば、更なる接合強度の向上を達成するためには、接合性の良好なアルミナ粒子接合部の割合が一定値以上必要となるからである。
【００３２】
《燃料電池セル１００の製造方法》
次に、燃料電池セル１００の製造方法について説明する。
【００３３】
まず、ＮｉＯ粉末とＹ２Ｏ３粉末を、所定の混合比（例えば、Ｎｉ換算で４８体積％、Ｙ２Ｏ３が５２体積％など）で混合し、この混合粉末に、ポアー剤（例えば、平均粒径５−２０μｍのＰＭＭＡ粒子）、有機バインダーと、水とを混合して支持基板用坏土を形成する。
【００３４】
次に、支持基板用坏土を押出成形し、乾燥及び仮焼することによって、支持基板仮焼体を作製する。
【００３５】
次に、支持基板仮焼体の両側湾曲面にアルミナ粒子を塗布する。この際、面積率で両側湾曲面の１５％以上にアルミナ粒子を塗布することが好ましいが、全面をアルミナ粒子で覆う必要はない。アルミナ粒子としては、例えば平均粒径０．３μｍ以上のものを用いることが好ましい。
【００３６】
次に、ＺｒＯ２粉末（8ＹＳＺ）と有機バインダーを混合して得られるスラリーを、ドクターブレード法によって固体電解質層用シートを作製する。
【００３７】
次に、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を混合したスラリーを作製し、固体電解質層用シートの一部分上にスクリーン印刷法で塗布及び乾燥することによって、燃料極層用コーティング層を形成する。
【００３８】
次に、燃料極層用コーティング層が形成された固体電解質層用シートを支持基板成形体上に貼り付けることによって、積層体を作製する。
【００３９】
次に、積層体を所定の温度（例えば、１０００℃程度）で仮焼処理する。
【００４０】
次に、ＬａＣｒＯ３系酸化物と、有機バインダーと溶媒を混合したスラリーを支持基板成形体の露出部分に印刷塗布し、所定の温度（１４００℃）で焼成する。
【００４１】
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及び乾燥し、その後所定の温度（例えば、１１５０℃）で焼き付けて空気極層を形成する。
【００４２】
２．第２実施形態
第２実施形態では、いわゆる横縞型の固体酸化物型燃料電池セルについて説明する。
【００４３】
《横縞型の固体酸化物型燃料電池セル２００の構成》
横縞型の固体酸化物型燃料電池セル（以下、「セル」と略称する。）２００の構成について、図面を参照しながら説明する。図５は、セル１００の構成を示す斜視図である。図６は、図５のＡ−Ａ断面図である。
【００４４】
セル２００は、図５に示すように、支持基板２１０と、複数のインターコネクタ２２０と、複数の発電部２３０と、を備える。複数の発電部２３０のそれぞれは、図６に示すように、燃料極２３１と、固体電解質層２３２と、空気極２３３と、集電層２３４と、を備える。なお、図５では、説明の便宜上、集電層２３４は図示されていない。なお、図６に示すように、複数のインターコネクタ２２０及び複数の発電部２３０は、支持基板２１０の両面に形成されている。
【００４５】
（支持基板１０）
支持基板２１０は、扁平かつ一方向（ｚ軸方向）に長い形状である。支持基板２１０は、多孔質材料によって構成されている。支持基板２１０は、Ｎｉ（ニッケル）を含んでいてもよく、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。
【００４６】
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。
【００４７】
図５及び図６に示すように、支持基板２１０の内部には、流路２１１が設けられる。流路２１１は、支持基板２１０の長手方向（ｚ軸方向）に沿って延びる。発電時には、流路２１１内に流される燃料ガスが、多孔質の支持基板２１０を介して複数の発電部２３０に供給される。
【００４８】
支持基板２１０は、第１平坦面２１０Ａと、第２平坦面２１０Ｂと、第１湾曲側面２１０Ｃと、第２湾曲側面２１０Ｄと、を有する。第１平坦面２１０Ａと第２平坦面２１０Ｂとが互いに対向し、第１湾曲側面２１０Ｃと第２湾曲側面２１０Ｄとは互いに対向する。第１平坦面２１０Ａ、第２平坦面２１０Ｂ、第１湾曲側面２１０Ｃおよび第２湾曲側面２１０Ｄは、互いに繋がっており、支持基板２１０の外周面を形成している。本実施形態では、第１平坦面２１０Ａ上及び第２平坦面２１０Ｂ上に複数の発電部２３０が配置されている。
【００４９】
（インターコネクタ２２０）
インターコネクタ２２０は、図５に示すように、２つの発電部２３０に接続されている。インターコネクタ２２０は、クロマイト系材料を主成分として含有する。クロマイト系材料の組成は、次の一般式（１）で表すことができる。
【００５０】
Ｌｎ１−ｘＡｘＣｒ１−ｙ-ｚＢｙＯ３ （１）
（式（１）において、ＬｎはＹ及びランタノイド（Ｌａ，Ｃｅ，Ｅｕ，Ｓｍ，Ｙｂ，Ｇｄなど）からなる群より選択される少なくとも１種類の元素であり、ＡはＣａ，Ｓｒ及びＢａからなる群より選択される少なくとも１種類の元素を含有し、Ｂは、Ｔｉ，Ｖ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｚｎ，Ｍｇ及びＡｌからなる群より選択される少なくとも１種類の元素を含有し、０．０２５≦ｘ≦０．３、０≦ｙ≦０．２２、０≦ｚ≦０．１５である。）
（発電部２３０）
燃料極２３１は、支持基板２１０上に配置され、アノードとして機能する。燃料極２３１は、燃料極集電層２３１ａと燃料極活性層２３１ｂとを有する。
【００５１】
燃料極集電層２３１ａは支持基板２１０上に配置される。燃料極集電層２３１ａは、次の一般式（２）で表される酸化物を含有する。
【００５２】
（ＡＥ１−ｘＡｘ）（Ｂ１−ｙ＋ｚＣｙ）Ｏ３ （２）
（式（２）において、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２３１ａは、式（２）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。燃料極集電層２３１ａの厚みは、５０〜５００μｍ程度とすることができる。
【００５３】
燃料極活性層２３１ｂは、燃料極集電層２３１ａの上に配置される。燃料極活性層２３１ｂは、Ｚｒ（ジルコニウム）を含有してもよい。燃料極活性層２３１ｂ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。燃料極活性層２３１ｂの厚みは、５〜１００μｍ程度とすることができる。
【００５４】
固体電解質層２３２は、燃料極活性層２３１ｂ上に配置され、燃料極活性層２３１ｂの全面を覆うように設けられる。固体電解質層２３２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２３２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によって構成することができる。また、本実施形態において、固体電解質層２３２は、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）を含有していてもよい。固体電解質層２３２におけるアルミナの添加率は、例えば、０．０５重量％〜０．５重量％に設定することができる。固体電解質層２３２は、燃料極活性層２３１ｂと共焼成されていることが好ましい。
【００５５】
ここで、固体電解質層２３２は、燃料極活性層２３１ｂ上から支持基板２１０上に延在された第１シール部２３２ａ及び第２シール部２３２ｂを有する。第１シール部２３２ａ及び第２シール部２３２ｂは、互いに繋がっている。第１シール部２３２ａは支持基板２１０の第１湾曲側面２１０Ｃを覆う。第２シール部２３２ｂは支持基板２１０の第２湾曲側面２１０Ｄを覆う。
【００５６】
なお、本実施形態では、支持基板２１０上に延在された固体電解質層２３２によって第１シール部２３２ａ及び第２シール部２３２ｂが構成されることとしたが、これに限られるものではない。第１シール部２３２ａ及び第２シール部２３２ｂの少なくとも一方は、固体電解質層２３２とは別の部材によって形成されていてもよい。
【００５７】
空気極２３３は、固体電解質層２３２上に配置される。空気極２３３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。
【００５８】
集電層２３４は、空気極２３３上に配置され、２つの発電部を電気的に接続するように設けられている。
【００５９】
なお、セル２００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。
【００６０】
支持基板２１０の幅Ｄ１ ：１〜１０ｃｍ
支持基板２１０の厚みＤ２ ：１〜１０ｍｍ
支持基板２１０の長さＤ３ ：５〜５０ｃｍ
支持基板２１０の外面から流路２１までの距離Ｄ４：０．１〜４ｍｍ
インターコネクタ２２０の厚み ：１０〜１００μｍ
固体電解質層２３２の厚み ：３〜５０μｍ
空気極２３３の厚み ：１０〜１００μｍ
集電層２３４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。
【００６１】
（アルミナ粒子）
次に、支持基板２１０と第１及び第２シール部２３２ａ，２３２ｂとの間に介挿されるアルミナ粒子について説明する。
【００６２】
支持基板２１０と第１及び第２シール部２３２ａ，２３２ｂとの間には、上記第１実施形態と同様に、アルミナ粒子が介挿されている。このアルミナ粒子は、固体電解質であるＺｒＯ２と適度な反応性を有するとともに、支持基板２１０に含まれるＮｉＯ／Ｎｉとも適度な反応性を有している。従って、このようなアルミナ粒子の存在によって、支持基板２１０と第１及び第２シール部２３２ａ，２３２ｂとの密着力が向上されている。
【００６３】
アルミナ粒子の平均粒径は、０．３μｍ以上であることが好ましい。なぜならば、接合強度の向上に寄与するためには一定値以上の接合幅が必要とされるからである。
【００６４】
また、界面Ｐにおいて、単位長さ当たりにアルミナ粒子が占める割合は、１５％以上であることが好ましい。なぜならば、更なる接合強度の向上を達成するためには、接合性の良好なアルミナ粒子接合部の割合が一定値以上必要となるからである。
【００６５】
≪他の実施形態≫
本発明は以上のような実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない範囲で種々の変形又は変更が可能である。
【００６６】
（Ａ）上記第１実施形態において、発電部３０は、燃料極活性層３１、固体電解質層３２および空気極３３を備えることとしたが、これに限られるものではない。発電部３０は、燃料極活性層３１と固体電解質層３２との間や固体電解質層３２と空気極３３との間には、他の層が介挿されていてもよい。例えば、発電部３０は、固体電解質層３２と空気極３３との間における高抵抗層の形成を抑制するために、固体電解質層３２と空気極３３との間にバリア層を備えていてもよい。
【００６７】
（Ｂ）上記第１実施形態において、第１シール部３２ａ及び第２シール部３２ｂは、支持基板１０の第１湾曲側面１０Ｃ及び第２湾曲側面１０Ｄを覆うこととしたが、これに限られるものではない。例えば、図７に示すように、燃料極活性層３１が支持基板１０の第１湾曲側面１０Ｃ及び第２湾曲側面１０Ｄを覆うように延在されている場合には、第１シール部３２ａ及び第２シール部３２ｂは、燃料極活性層３１を覆っていればよい。この場合、燃料極活性層３１の延在部分は、支持基板１０の一部を構成している。
【００６８】
このことは、第２実施形態に係るセル２００についても同様である。すなわち、燃料極集電層２３１ａ又は/及び燃料極活性層２３１ｂが支持基板２１０の第１湾曲側面２１０Ｃ及び第２湾曲側面２１０Ｄを覆うように延在されている場合、第１シール部２３２ａ及び第２シール部２３２ｂは、燃料極活性層３１又は/及び燃料極活性層２３１ｂの延在部分を覆っていればよい。この場合、燃料極活性層３１又は/及び燃料極活性層２３１ｂの延在部分は、支持基板２１０の一部を構成している。
【００６９】
（Ｃ）上記第１実施形態において、第１シール部３２ａ及び第２シール部３２ｂは、支持基板１０上に延在された固体電解質層３２によって構成されることとしたが、固体電解質層３２とは別の部材として形成されていてもよい。具体的には、図８に示すように、ガラス素材によって構成される第１シール部３２ａ及び第２シール部３２ｂを備えていてもよい。このことは、第２実施形態に係る第１シール部２３２ａ及び第２シール部２３２ｂについても同様である。
【００７０】
（Ｄ）上記第１及び第２実施形態において、燃料電池セルは、２つのシール部を有することとしたが、いずれか一方のシール部を有していればよい。
【実施例】
【００７１】
以下において本発明に係るセルの実施例について説明するが、本発明は以下に説明する実施例に限定されるものではない。
【００７２】
［サンプルNo.１〜No.１２の作製］
以下のようにして、燃料極集電層を支持基板とする燃料極支持型セルのサンプルNo.１〜No.１２を作製した。
【００７３】
まず、ＮｉＯ粉末とＹ２Ｏ３粉末（Ｎｉ換算で４８体積％、それ以外をＹ２Ｏ３）を混合した粉末に、平均粒径５−２０μｍのＰＭＭＡ粒子と有機バインダーと水とを混合して支持基板用坏土を形成した。
【００７４】
次に、支持基板用坏土を押出成形し、乾燥及び仮焼することによって、支持基板仮焼体を作製した。
【００７５】
次に、サンプルNo.１以外のサンプルNo.２〜No.１２について、支持基板仮焼体の両側湾曲面にアルミナ粒子を塗布した。サンプルNo.２〜No.７では、平均粒径０．１６〜３．２μｍのアルミナ粒子を用い、No.８〜No.１２では、平均粒径０．５〜１．５μｍのアルミナ粒子を用いた。また、この際、サンプルNo.８〜No.１２では、アルミナ粒子を塗布する面積率を異ならせた。
【００７６】
次に、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を混合したスラリーを作製し、８ＹＳＺで構成される固体電解質層用シートの一部分上にスクリーン印刷法で塗布及び乾燥することによって、燃料極層用コーティング層を形成した。
【００７７】
次に、燃料極層用コーティング層が形成された固体電解質層用シートを支持基板成形体上に貼り付けて、１０００℃で仮焼処理した。
【００７８】
次に、ＬａＣｒＯ３系酸化物と有機バインダーと溶媒を混合したスラリーを支持基板成形体の露出部分に印刷塗布し、１４００℃で焼成した。
【００７９】
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及び乾燥し、１１５０℃で焼き付けて空気極層を形成した。
【００８０】
［還元後の剥離の有無］
サンプルNo.１〜No.７を８００℃で水素雰囲気に１０時間暴露し、常温まで降温させた後、セルの表面及びセルの断面を顕微鏡で観察することによってシール部の剥離の有無を確認した。また、断面のＳＥＭ画像から燃料側電極とシール部との間に存在するアルミナ粒子の平均粒径を算出した。観察結果を表１に示す。
【００８１】
表１に示されるように、アルミナ粒子が導入されていないサンプルNo.１においてシール部の剥離が確認された。一方で、アルミナ粒子が導入されたサンプルNo.２〜No.７ではシール部の剥離が確認されなかった。
【００８２】
このように、アルミナ粒子の平均粒径を０．３０μｍ以上とすることによって、還元による剥離の発生を抑制できることが確認された。
【００８３】
【表１】
［熱サイクル試験後の剥離の有無］
サンプルNo.８〜No.１２について、還元雰囲気を維持した状態で、常温から８００℃まで３０分で昇温し、その後１時間で常温まで降させるサイクルを１０回繰り返した。その後、セルの表面及びセルの断面を顕微鏡で観察することによってシール部の剥離の有無を確認した。観察結果を表２に示す。
【００８４】
表２に示されるように、アルミナ粒子の占有率が５％であるサンプルNo.１ではシール部の剥離が確認されたが、アルミナ粒子の占有率が１５％以上であるサンプルNo.９〜No.１２ではシール部の剥離が確認されなかった。
【００８５】
このように、アルミナ粒子の単位長さ当たりの占有率を１５％以上とすることによって、熱サイクルによる剥離の発生を抑制できることが確認された。
【００８６】
【表２】
【符号の説明】
【００８７】
１００ 燃料電池セル
１０ 支持基板
２０ インターコネクタ
３０ 発電部
３１ 燃料極
３２ 固体電解質層
３３ 空気極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に流路を有する平板状の支持基板と、
前記支持基板上に配置され、燃料極活性層と、空気極と、前記燃料極活性層と前記空気極との間に配置される固体電解質層と、を有する発電部と、
前記支持基板の外周を覆うシール部と、
前記支持基板と前記シール部との間に配置されるアルミナ粒子と、
を備える燃料電池セル。
【請求項２】
前記アルミナ粒子の平均粒径は、０．３μｍ以上である、
請求項１に記載の燃料電池セル。
【請求項３】
前記支持基板と前記シール部との界面に沿って、単位長さ当たりで前記アルミナ粒子が占める割合は、１５％以上である、
請求項１又は２に記載の燃料電池セル。
【請求項４】
前記支持基板は、酸化ニッケル及び／又はニッケルとイットリアとを含む、
請求項１乃至３のいずれかに記載の燃料電池セル。
【請求項５】
前記シール部は、前記固体電解質層と一体的に形成されており、イットリア安定化ジルコニアを含む、
請求項１乃至４のいずれかに記載の燃料電池セル。
【請求項１】
内部に流路を有する平板状の支持基板と、
前記支持基板上に配置され、燃料極活性層と、空気極と、前記燃料極活性層と前記空気極との間に配置される固体電解質層と、を有する発電部と、
前記支持基板の外周を覆うシール部と、
前記支持基板と前記シール部との間に配置されるアルミナ粒子と、
を備える燃料電池セル。
【請求項２】
前記アルミナ粒子の平均粒径は、０．３μｍ以上である、
請求項１に記載の燃料電池セル。
【請求項３】
前記支持基板と前記シール部との界面に沿って、単位長さ当たりで前記アルミナ粒子が占める割合は、１５％以上である、
請求項１又は２に記載の燃料電池セル。
【請求項４】
前記支持基板は、酸化ニッケル及び／又はニッケルとイットリアとを含む、
請求項１乃至３のいずれかに記載の燃料電池セル。
【請求項５】
前記シール部は、前記固体電解質層と一体的に形成されており、イットリア安定化ジルコニアを含む、
請求項１乃至４のいずれかに記載の燃料電池セル。
【図１】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１３−１０１９０６（Ｐ２０１３−１０１９０６Ａ）
【公開日】平成２５年５月２３日（２０１３．５．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１３３７７９（Ｐ２０１２−１３３７７９）
【出願日】平成２４年６月１３日（２０１２．６．１３）
【特許番号】特許第５１５９９７２号（Ｐ５１５９９７２）
【特許公報発行日】平成２５年３月１３日（２０１３．３．１３）
【出願人】（０００００４０６４）日本碍子株式会社 (2,325)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２３日（２０１３．５．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年６月１３日（２０１２．６．１３）
【特許番号】特許第５１５９９７２号（Ｐ５１５９９７２）
【特許公報発行日】平成２５年３月１３日（２０１３．３．１３）
【出願人】（０００００４０６４）日本碍子株式会社 (2,325)
【Ｆターム（参考）】
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