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、を備える。シール部は、支持基板上に形成される第１シール膜と、第１シール膜上に形成される第２シール膜と、を有する。第１シール膜は、イットリアを含有している。
【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、を備える。シール部は、支持基板上に形成される第１シール膜と、第１シール膜上に形成される第２シール膜と、を有する。第１シール膜は、イットリアを含有している。
【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。燃料電池セルは、一般的に、支持基板と、支持基板上に配置される発電部と、を備える。発電部は、燃料極と、空気極と、燃料極および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）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７９−２００７６１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、支持基板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、を備える。シール部は、支持基板上に形成される第１シール膜と、第１シール膜上に形成される第２シール膜と、を有する。第１シール膜は、イットリアを含有している。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、シール部と燃料側電極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】図１の部分拡大図
【図３】支持基板と固体電解質層との界面付近におけるイットリア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イットリア濃度プロファイルを示すグラフ
【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】図６の部分拡大図
【図８】燃料電池セルの構成を示す断面図
【図９】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、イットリアを含む層が配置されている（図２参照）。
【００１５】
なお、支持基板１０と燃料極活性層３１とは、本実施形態にかかる“燃料側電極”を構成する。
【００１６】
（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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
（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。
【００２１】
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。
【００２２】
（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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
なお、固体電解質層３２の詳細構成については後述する。
【００２８】
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。
【００２９】
（固体電解質層３２の詳細構成）
図２は、固体電解質層３２（具体的には、第１シール部３２ｂ）の詳細構成を示す図１の部分拡大図である。図３は、支持基板１０と固体電解質層３２との界面Ｐ付近におけるイットリア濃度分布を示す解析画像である。図４は、界面Ｐ付近におけるイットリア濃度プロファイルを示すグラフである。
【００３０】
なお、図３の解析画像は、セル１００の断面のＳＥＭ（Scanning Electron Microscopy）画像を用いて、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。同様に、図４のグラフは、厚み方向に沿ってＥＰＭＡでライン分析を行うことにより取得される。
【００３１】
図２に示すように、固体電解質層３２は、第１シール膜３２Ａと、第２シール膜３２Ｂと、によって構成されている。第１シール膜３２Ａは、支持基板１０上に形成されている。第２シール膜３２Ｂは、第１シール膜３２Ａ上に形成されている。
【００３２】
図３に示すように、多孔質な支持基板１０と緻密質な固体電解質層３２との界面Ｐは、ＳＥＭ画像上において明確に確認できる。固体電解質層３２のうち界面Ｐ付近には、イットリアの濃度が高い領域が広がっており、この領域が第１シール膜３２Ａに対応している。第１シール膜３２Ａと第２シール膜３２Ｂとの境界は必ずしも明確ではないが、例えば、界面Ｐから所定距離（例えば、４μｍ程度）のラインを両者の境界として定義することができる。ただし、これに限られるものではなく、図４に示されるように、イットリアの所定濃度（例えば、８mol％程度）のラインを、第１シール膜３２Ａと第２シール膜３２Ｂとの境界として定義することもできる。
【００３３】
図４に示すように、固体電解質層３２における平均イットリア濃度は、支持基板１０における平均イットリア濃度よりも低い。また、第１シール膜３２Ａにおける平均イットリア濃度は、第２シール膜３２Ｂにおける平均イットリア濃度よりも高い。図４に示す例では、第１シール膜３２Ａにおけるイットリア濃度は、８mol％以上かつ３１mol％以下である。第２シール膜３２Ｂにおけるイットリア濃度は、約８mol％である。
【００３４】
ここで、セル１００では、支持基板１０、燃料極活性層３１及び固体電解質層３２の焼成タイミングや焼成収縮量の違いから、共焼成後にセル側端部に歪みが残留する。そのため、セル側端部における緻密質のシール部３２ｂと多孔質の支持基板１０との界面強度の向上が望まれている。
【００３５】
一方で、一般的に、シール部３２ｂの材料に比べて支持基板の材料の熱膨張係数を高くすることによって、共焼成後の降温過程においてもシール部３２ｂに圧縮応力を負荷させ、シール部３２ｂの破損が抑制されている。
【００３６】
しかしながら、シール部３２ｂ/支持基板１０の界面Ｐには、焼成時の残留応力が負荷されているために、降温時の熱膨張差に伴う圧縮応力によって界面Ｐに剥離が発生する場合がある。
【００３７】
本実施形態において、第１シール膜３２Ａは、Y２O３−ZrO２−NiO/Niを主成分として構成されることが特に望ましい。この成分で第１シール膜３２Ａを構成することで、以下の３つの理由からシール部３２ｂと支持基板１０との界面強度の向上が実現される。
・ Y２O３の易焼結性により欠陥を低減できる。
・ ZrO２を含むことで、第２シール膜３２ＢがＹＳＺで構成される場合に接合性が向上する。
・ 支持基板の還元時に発生する還元収縮に伴う歪に対して、第１シール膜３２ＡがNiOを適度に含むことで応力緩衝効果が得られ、その結果、各シール部の破損が抑制される。
【００３８】
《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。
【００３９】
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、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。
【００４０】
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。
【００４１】
次に、イットリウムが固溶した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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
次に、積層体を所定の温度（例えば、１０００℃程度）で仮焼処理する。
【００４５】
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。
【００４６】
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℃）で焼き付けて酸素極層を形成する。
【００４７】
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。
【００４８】
《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。
【００４９】
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。
【００５０】
（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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
（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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
（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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
（固体電解質層２３２の詳細構成）
図７は、固体電解質層２３２（具体的には、第１シール部２３２ｂ）の詳細構成を示す図６の部分拡大図である。
【００６７】
図７に示すように、固体電解質層２３２は、第１シール膜２３２Ａと、第２シール膜２３２Ｂと、によって構成されている。
【００６８】
第１シール膜２３２Ａは、支持基板２１０上に形成されている。第２シール膜２３２Ｂは、第１シール膜２３２Ａ上に形成されている。第１シール膜２３２Ａにおける平均イットリア濃度は、第２シール膜２３２Ｂにおける平均イットリア濃度よりも高い。具体的には、第１シール膜２３２Ａにおけるイットリア濃度は、８mol％以上かつ３１mol％以下とすることができ、第２シール膜２３２Ｂにおけるイットリア濃度は、約８mol％とすることができる。
【００６９】
なお、第１シール膜２３２Ａと第２シール膜２３２Ｂとの境界は必ずしも明確ではないが、例えば、第１シール膜２３２Ａと支持基板２１０との界面から所定距離（例えば、４μｍ程度）のラインを両者の境界として定義することができる。ただし、これに限られるものではなく、イットリアの所定濃度（例えば、８mol％程度）のラインを、第１シール膜２３２Ａと第２シール膜２３２Ｂとの境界として定義することもできる。
【００７０】
本実施形態においても、上記第１実施形態と同様に、第１シール膜２３２Ａは、Y２O３−ZrO２−NiO/Niを主成分として構成されることが望ましい。このような成分で第１シール膜２３２Ａを構成することによって、以下の３つの理由から第１シール膜２３２Ａと支持基板２１０との界面強度の向上が実現される。
・ Y２O３の易焼結性により欠陥を低減できる。
・ ZrO２を含むことで、第２シール膜２３２ＢがＹＳＺで構成される場合に接合性が向上する。
・ 燃料極の還元時に発生する還元収縮に伴う歪に対して、第１シール膜２３２ＡがNiOを適度に含むことで応力緩衝効果が得られ、その結果、各シール部の破損が抑制される。
≪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。
【００７１】
（Ａ）上記実施形態において、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。
【００７２】
（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８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。
【００７３】
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。
【００７４】
（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６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。
【００７５】
（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】
【００７６】
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。
【００７７】
［サンプルNo.１〜No.１４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.１４を作製した。
【００７８】
まず、平均粒径１μｍのＮｉＯ粉末（Ｎｉ換算で４５体積％）と平均粒径１μｍのＹ２Ｏ３粉末を混合した粉末に、平均粒径５μｍのＰＭＭＡ粒子を外配１０重量％添加して支持基板用坏土を形成した。
【００７９】
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。
【００８０】
次に、第１シール膜と第２シール膜とによって構成される固体電解質層用シートを作製した。具体的には、Y２O３-ZrO２-NiOの混合組成を有する５μｍ厚の第１シール膜上に、平均粒径０．７μｍの８ＹＳＺで構成される３０μｍ厚の第２シール膜を積層した。この際、サンプルNo.１〜No.６では、表１に示すように、Y２O３-ZrO２-NiOの混合組成が異なるように調整した。ただし、表１に示される各成分の濃度は、平均値である。サンプルNo.８〜No.１４では、サンプルNo.３の混合組成を用いつつ、表２に示すように、第１シール膜の厚みが異なるように調整した。なお、サンプルNo.７には、８ＹＳＺで構成される３０μｍ厚の固体電解質層用シートを作製した。
【００８１】
次に、平均粒径１μｍのＮｉＯ粉末（Ｎｉ換算で４０体積％）と平均粒径１μｍの８ＹＳＺ粉末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、第１シール膜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、１０μｍ厚の燃料極層用コーティング層を形成した。
【００８２】
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。
【００８３】
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、１４５０℃で５時間焼成することによってインターコネクタを形成した。
【００８４】
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、１０００℃で３時間焼き付けて空気極層を形成した。
【００８５】
［還元後のクラックの有無］
サンプルNo.１〜No.１４を８００℃で水素雰囲気に５時間暴露し、常温まで降温させた後、セルの断面を顕微鏡で観察することによって第２シール膜におけるクラックの有無を確認した。観察結果を表１及び表２に示す。なお、表１及び表２では、各サンプル（ｎ＝１０個）のいずれにもクラックが無いものを○、いずれか１つにでもクラックあれば×と評価した。
【００８６】
【表１】
【００８７】
【表２】
表１に示すように、イットリアを含有する第１シール膜を備えるサンプルＮｏ．１〜６では、第１シール膜を備えないサンプルＮｏ．７に比べて、シール部内におけるクラックの発生を抑制できることが確認された。
【００８８】
また、表１に示すように、イットリアの平均濃度が１２mol％以上かつ３１mol％以下の場合に、特にクラックの発生を抑制できることが確認された。
【００８９】
さらに、表２に示すように、第１シール膜の膜厚は、１μｍ以上、２０μｍ以下が好ましいことが確認された。
【符号の説明】
【００９０】
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
３２Ａ 第１シール膜
３２Ｂ 第２シール膜
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。燃料電池セルは、一般的に、支持基板と、支持基板上に配置される発電部と、を備える。発電部は、燃料極と、空気極と、燃料極および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）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７９−２００７６１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、支持基板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、を備える。シール部は、支持基板上に形成される第１シール膜と、第１シール膜上に形成される第２シール膜と、を有する。第１シール膜は、イットリアを含有している。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、シール部と燃料側電極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】図１の部分拡大図
【図３】支持基板と固体電解質層との界面付近におけるイットリア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イットリア濃度プロファイルを示すグラフ
【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】図６の部分拡大図
【図８】燃料電池セルの構成を示す断面図
【図９】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、イットリアを含む層が配置されている（図２参照）。
【００１５】
なお、支持基板１０と燃料極活性層３１とは、本実施形態にかかる“燃料側電極”を構成する。
【００１６】
（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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
（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。
【００２１】
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。
【００２２】
（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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
なお、固体電解質層３２の詳細構成については後述する。
【００２８】
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。
【００２９】
（固体電解質層３２の詳細構成）
図２は、固体電解質層３２（具体的には、第１シール部３２ｂ）の詳細構成を示す図１の部分拡大図である。図３は、支持基板１０と固体電解質層３２との界面Ｐ付近におけるイットリア濃度分布を示す解析画像である。図４は、界面Ｐ付近におけるイットリア濃度プロファイルを示すグラフである。
【００３０】
なお、図３の解析画像は、セル１００の断面のＳＥＭ（Scanning Electron Microscopy）画像を用いて、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。同様に、図４のグラフは、厚み方向に沿ってＥＰＭＡでライン分析を行うことにより取得される。
【００３１】
図２に示すように、固体電解質層３２は、第１シール膜３２Ａと、第２シール膜３２Ｂと、によって構成されている。第１シール膜３２Ａは、支持基板１０上に形成されている。第２シール膜３２Ｂは、第１シール膜３２Ａ上に形成されている。
【００３２】
図３に示すように、多孔質な支持基板１０と緻密質な固体電解質層３２との界面Ｐは、ＳＥＭ画像上において明確に確認できる。固体電解質層３２のうち界面Ｐ付近には、イットリアの濃度が高い領域が広がっており、この領域が第１シール膜３２Ａに対応している。第１シール膜３２Ａと第２シール膜３２Ｂとの境界は必ずしも明確ではないが、例えば、界面Ｐから所定距離（例えば、４μｍ程度）のラインを両者の境界として定義することができる。ただし、これに限られるものではなく、図４に示されるように、イットリアの所定濃度（例えば、８mol％程度）のラインを、第１シール膜３２Ａと第２シール膜３２Ｂとの境界として定義することもできる。
【００３３】
図４に示すように、固体電解質層３２における平均イットリア濃度は、支持基板１０における平均イットリア濃度よりも低い。また、第１シール膜３２Ａにおける平均イットリア濃度は、第２シール膜３２Ｂにおける平均イットリア濃度よりも高い。図４に示す例では、第１シール膜３２Ａにおけるイットリア濃度は、８mol％以上かつ３１mol％以下である。第２シール膜３２Ｂにおけるイットリア濃度は、約８mol％である。
【００３４】
ここで、セル１００では、支持基板１０、燃料極活性層３１及び固体電解質層３２の焼成タイミングや焼成収縮量の違いから、共焼成後にセル側端部に歪みが残留する。そのため、セル側端部における緻密質のシール部３２ｂと多孔質の支持基板１０との界面強度の向上が望まれている。
【００３５】
一方で、一般的に、シール部３２ｂの材料に比べて支持基板の材料の熱膨張係数を高くすることによって、共焼成後の降温過程においてもシール部３２ｂに圧縮応力を負荷させ、シール部３２ｂの破損が抑制されている。
【００３６】
しかしながら、シール部３２ｂ/支持基板１０の界面Ｐには、焼成時の残留応力が負荷されているために、降温時の熱膨張差に伴う圧縮応力によって界面Ｐに剥離が発生する場合がある。
【００３７】
本実施形態において、第１シール膜３２Ａは、Y２O３−ZrO２−NiO/Niを主成分として構成されることが特に望ましい。この成分で第１シール膜３２Ａを構成することで、以下の３つの理由からシール部３２ｂと支持基板１０との界面強度の向上が実現される。
・ Y２O３の易焼結性により欠陥を低減できる。
・ ZrO２を含むことで、第２シール膜３２ＢがＹＳＺで構成される場合に接合性が向上する。
・ 支持基板の還元時に発生する還元収縮に伴う歪に対して、第１シール膜３２ＡがNiOを適度に含むことで応力緩衝効果が得られ、その結果、各シール部の破損が抑制される。
【００３８】
《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。
【００３９】
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、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。
【００４０】
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。
【００４１】
次に、イットリウムが固溶した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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
次に、積層体を所定の温度（例えば、１０００℃程度）で仮焼処理する。
【００４５】
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。
【００４６】
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℃）で焼き付けて酸素極層を形成する。
【００４７】
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。
【００４８】
《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。
【００４９】
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。
【００５０】
（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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
（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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
（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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
（固体電解質層２３２の詳細構成）
図７は、固体電解質層２３２（具体的には、第１シール部２３２ｂ）の詳細構成を示す図６の部分拡大図である。
【００６７】
図７に示すように、固体電解質層２３２は、第１シール膜２３２Ａと、第２シール膜２３２Ｂと、によって構成されている。
【００６８】
第１シール膜２３２Ａは、支持基板２１０上に形成されている。第２シール膜２３２Ｂは、第１シール膜２３２Ａ上に形成されている。第１シール膜２３２Ａにおける平均イットリア濃度は、第２シール膜２３２Ｂにおける平均イットリア濃度よりも高い。具体的には、第１シール膜２３２Ａにおけるイットリア濃度は、８mol％以上かつ３１mol％以下とすることができ、第２シール膜２３２Ｂにおけるイットリア濃度は、約８mol％とすることができる。
【００６９】
なお、第１シール膜２３２Ａと第２シール膜２３２Ｂとの境界は必ずしも明確ではないが、例えば、第１シール膜２３２Ａと支持基板２１０との界面から所定距離（例えば、４μｍ程度）のラインを両者の境界として定義することができる。ただし、これに限られるものではなく、イットリアの所定濃度（例えば、８mol％程度）のラインを、第１シール膜２３２Ａと第２シール膜２３２Ｂとの境界として定義することもできる。
【００７０】
本実施形態においても、上記第１実施形態と同様に、第１シール膜２３２Ａは、Y２O３−ZrO２−NiO/Niを主成分として構成されることが望ましい。このような成分で第１シール膜２３２Ａを構成することによって、以下の３つの理由から第１シール膜２３２Ａと支持基板２１０との界面強度の向上が実現される。
・ Y２O３の易焼結性により欠陥を低減できる。
・ ZrO２を含むことで、第２シール膜２３２ＢがＹＳＺで構成される場合に接合性が向上する。
・ 燃料極の還元時に発生する還元収縮に伴う歪に対して、第１シール膜２３２ＡがNiOを適度に含むことで応力緩衝効果が得られ、その結果、各シール部の破損が抑制される。
≪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。
【００７１】
（Ａ）上記実施形態において、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。
【００７２】
（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８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。
【００７３】
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。
【００７４】
（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６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。
【００７５】
（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】
【００７６】
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。
【００７７】
［サンプルNo.１〜No.１４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.１４を作製した。
【００７８】
まず、平均粒径１μｍのＮｉＯ粉末（Ｎｉ換算で４５体積％）と平均粒径１μｍのＹ２Ｏ３粉末を混合した粉末に、平均粒径５μｍのＰＭＭＡ粒子を外配１０重量％添加して支持基板用坏土を形成した。
【００７９】
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。
【００８０】
次に、第１シール膜と第２シール膜とによって構成される固体電解質層用シートを作製した。具体的には、Y２O３-ZrO２-NiOの混合組成を有する５μｍ厚の第１シール膜上に、平均粒径０．７μｍの８ＹＳＺで構成される３０μｍ厚の第２シール膜を積層した。この際、サンプルNo.１〜No.６では、表１に示すように、Y２O３-ZrO２-NiOの混合組成が異なるように調整した。ただし、表１に示される各成分の濃度は、平均値である。サンプルNo.８〜No.１４では、サンプルNo.３の混合組成を用いつつ、表２に示すように、第１シール膜の厚みが異なるように調整した。なお、サンプルNo.７には、８ＹＳＺで構成される３０μｍ厚の固体電解質層用シートを作製した。
【００８１】
次に、平均粒径１μｍのＮｉＯ粉末（Ｎｉ換算で４０体積％）と平均粒径１μｍの８ＹＳＺ粉末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、第１シール膜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、１０μｍ厚の燃料極層用コーティング層を形成した。
【００８２】
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。
【００８３】
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、１４５０℃で５時間焼成することによってインターコネクタを形成した。
【００８４】
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、１０００℃で３時間焼き付けて空気極層を形成した。
【００８５】
［還元後のクラックの有無］
サンプルNo.１〜No.１４を８００℃で水素雰囲気に５時間暴露し、常温まで降温させた後、セルの断面を顕微鏡で観察することによって第２シール膜におけるクラックの有無を確認した。観察結果を表１及び表２に示す。なお、表１及び表２では、各サンプル（ｎ＝１０個）のいずれにもクラックが無いものを○、いずれか１つにでもクラックあれば×と評価した。
【００８６】
【表１】
【００８７】
【表２】
表１に示すように、イットリアを含有する第１シール膜を備えるサンプルＮｏ．１〜６では、第１シール膜を備えないサンプルＮｏ．７に比べて、シール部内におけるクラックの発生を抑制できることが確認された。
【００８８】
また、表１に示すように、イットリアの平均濃度が１２mol％以上かつ３１mol％以下の場合に、特にクラックの発生を抑制できることが確認された。
【００８９】
さらに、表２に示すように、第１シール膜の膜厚は、１μｍ以上、２０μｍ以下が好ましいことが確認された。
【符号の説明】
【００９０】
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
３２Ａ 第１シール膜
３２Ｂ 第２シール膜
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、
を備え、
前記シール部は、前記支持基板上に形成される第１シール膜と、前記第１シール膜上に形成される第２シール膜と、を有し、
前記第１シール膜は、イットリアを含有している、
燃料電池セル。
【請求項２】
前記第２シール膜は、イットリアを含有しており、
前記第１シール膜における平均イットリア濃度は、前記第２シール膜における平均イットリア濃度よりも高い、
請求項１に記載の燃料電池セル。
【請求項３】
前記第１シール膜におけるイットリア濃度の平均値は、１２mol％以上かつ３１mol％以下である、
請求項２に記載の燃料電池セル。
【請求項４】
前記第２シール膜におけるイットリア濃度の平均値は、３mol％以上かつ１２mol％以下である、
請求項２又は３に記載の燃料電池セル。
【請求項５】
前記第１シール膜の厚みは、１μｍ以上２０μｍ以下である、
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６】
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４のいずれかに記載の燃料電池セル。
【請求項７】
前記固体電解質層は、イットリア安定化ジルコニアを含む、
請求項１乃至５のいずれかに記載の燃料電池セル。
【請求項８】
前記シール部は、前記固体電解質層と一体的に連結されており、イットリア安定化ジルコニアを含む、
請求項１乃至７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、
を備え、
前記シール部は、前記支持基板上に形成される第１シール膜と、前記第１シール膜上に形成される第２シール膜と、を有し、
前記第１シール膜は、イットリアを含有している、
燃料電池セル。
【請求項２】
前記第２シール膜は、イットリアを含有しており、
前記第１シール膜における平均イットリア濃度は、前記第２シール膜における平均イットリア濃度よりも高い、
請求項１に記載の燃料電池セル。
【請求項３】
前記第１シール膜におけるイットリア濃度の平均値は、１２mol％以上かつ３１mol％以下である、
請求項２に記載の燃料電池セル。
【請求項４】
前記第２シール膜におけるイットリア濃度の平均値は、３mol％以上かつ１２mol％以下である、
請求項２又は３に記載の燃料電池セル。
【請求項５】
前記第１シール膜の厚みは、１μｍ以上２０μｍ以下である、
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６】
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４のいずれかに記載の燃料電池セル。
【請求項７】
前記固体電解質層は、イットリア安定化ジルコニアを含む、
請求項１乃至５のいずれかに記載の燃料電池セル。
【請求項８】
前記シール部は、前記固体電解質層と一体的に連結されており、イットリア安定化ジルコニアを含む、
請求項１乃至７のいずれかに記載の燃料電池セル。
【図１】
【図２】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図３】
【図２】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図３】
【公開番号】特開２０１３−１０１９０７（Ｐ２０１３−１０１９０７Ａ）
【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２０１２−１３３７８０（Ｐ２０１２−１３３７８０）
【出願日】平成２４年６月１３日（２０１２．６．１３）
【特許番号】特許第５１５３９５４号（Ｐ５１５３９５４）
【特許公報発行日】平成２５年２月２７日（２０１３．２．２７）
【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５１５３９５４号（Ｐ５１５３９５４）
【特許公報発行日】平成２５年２月２７日（２０１３．２．２７）
【出願人】（０００００４０６４）日本碍子株式会社 (2,325)
【Ｆターム（参考）】
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