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JP5404973B1 - 固体酸化物形燃料電池セルおよび燃料電池モジュールならびに燃料電池装置 - Google Patents

固体酸化物形燃料電池セルおよび燃料電池モジュールならびに燃料電池装置 Download PDF

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Abstract

【課題】 中間層の剥離を低減できる固体酸化物形燃料電池セルおよび燃料電池モジュールならびに燃料電池装置を提供する。
【解決手段】 固体電解質層４と、該固体電解質層４の一方側の面に配置された燃料極層３と、固体電解質層４の他方側の面に配置された酸素極層６とを具備してなり、固体電解質層４と酸素極層６との間に、セリウム以外の希土類元素を含有するセリア系粒子５ａと、該セリア系粒子５ａとは異なる金属元素の酸化物からなるセラミック粒子５ｂとを含有する中間層５を具備するとともに、該中間層５のセリア系粒子５ａの粒界に、セリア系粒子５ａよりも小さな平均粒径を有するセラミック粒子５ｂが存在している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、固体電解質層と酸素極層との間に中間層を具備する固体酸化物形燃料電池セルおよび燃料電池モジュールならびに燃料電池装置に関するものである。
近年、次世代エネルギーとして、固体酸化物形燃料電池セル（以下、単に燃料電池セルということがある）を収納容器内に収容した燃料電池モジュールが種々提案されている。
従来、燃料電池セルとして、互いに平行な一対の平坦面を有し、内部に燃料ガスを流通させるための燃料ガス流路を有するとともに、Ｎｉを含有してなる導電性支持体を有するものが知られている。燃料電池セルは、導電性支持体の一方側の平坦面上に、燃料極層、固体電解質層および酸素極層を順に積層し、他方側の平坦面上にインターコネクタを積層して構成されている。
そして、固体電解質層と酸素極層との間には、固体電解質層と酸素極層との間での反応生成物の生成を抑制するための中間層が形成されている（例えば、特許文献１、２参照）。
このような燃料電池セルの中間層は、固体電解質層側に形成された緻密質な第１中間層と、酸素極層側に形成された多孔質な第２中間層とから構成されている。
特開２００８−７８１２６号公報 特開２０１０−３４７８号公報
上記特許文献１、２に示された中間層は、セリウム以外の希土類元素を含有するセリア（ＣｅＯ２）系粒子から構成されていたため、例えば、ジルコニア（ＺｒＯ２）系粒子から構成された固体電解質層上に、セリア（ＣｅＯ２）系粒子からなる中間層を形成する場合には、固体電解質層と中間層との焼成収縮挙動が異なることに起因し、固体電解質層上に形成された中間層に応力集中が生じており、発電中に中間層が固体電解質層から剥離するおそれがあった。
本発明は、中間層の剥離を低減できる固体酸化物形燃料電池セルおよび燃料電池モジュールならびに燃料電池装置を提供することを目的とする。
本発明の固体酸化物形燃料電池セルは、固体電解質層と、該固体電解質層の一方側の面に配置された燃料極層と、前記固体電解質層の他方側の面に配置された酸素極層とを具備してなり、前記固体電解質層と前記酸素極層との間に、セリウム以外の希土類元素を含有するセリア系粒子と、該セリア系粒子とは異なる金属元素の酸化物からなるセラミック粒子とを含有する中間層を具備するとともに、該中間層の前記セリア系粒子の粒界に、前記セリア系粒子よりも小さな平均粒径を有する前記セラミック粒子が存在していることを特徴とする。
本発明の燃料電池モジュールは、上記した固体酸化物形燃料電池セルを収納容器内に収納してなることを特徴とする。
本発明の燃料電池装置は、上記した燃料電池モジュールと、該燃料電池モジュールを動作させるための補機とを外装ケース内に収納してなることを特徴とする。
本発明の固体酸化物形燃料電池セルでは、中間層の固体電解質層からの剥離を低減でき、このような固体酸化物形燃料電池セルを収納容器内に収納した燃料電池モジュール、燃料電池装置では、長期信頼性を向上できる。
平板型の燃料電池セルを示すもので、（ａ）は横断面図、（ｂ）は固体電解質層上の中間層およびその近傍を示す走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。 （ａ）は中間層の組織を示す概念図、（ｂ）は焼成温度に対する収縮率を示すグラフである。 中空平板型の燃料電池セルを示すもので、（ａ）は横断面図、（ｂ）は縦断面図である。 燃料電池セルスタック装置の一例を示し、（ａ）は燃料電池セルスタック装置を概略的に示す側面図、（ｂ）は（ａ）の燃料電池セルスタック装置の破線で囲った部分の一部を拡大して示す断面図である。 燃料電池モジュールの一例を示す外観斜視図である。 燃料電池装置の一部を省略して示す斜視図である。
図１は、本実施形態の平板型の燃料電池セルの一例を示すものであり、（ａ）はその縦断面図、（ｂ）は固体電解質層上の中間層およびその近傍の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。
燃料電池セル１０は、固体電解質層４の一方側の面に燃料極層３を、固体電解質層４の他方側の面に中間層５、酸素極層６を順次積層して構成されている。固体電解質層４と酸素極層６との間の中間層５は、固体電解質層４と酸素極層６との接合を強固とするとともに、固体電解質層４の成分と酸素極層６の成分とが反応して電気抵抗の高い反応層が形成されることを抑制する目的で形成されている。
燃料極層３は、電極反応を生じさせるものであり、それ自体公知の多孔質の導電性セラミックスにより形成することが好ましい。例えば、希土類元素酸化物が固溶したＺｒＯ２または希土類元素酸化物が固溶したＣｅＯ２と、Ｎｉおよび／またはＮｉＯとから構成することができる。なお、希土類元素としては、Ｙ、Ｌｕ、Ｙｂ、Ｔｍ、Ｅｒ、Ｈｏ、Ｄｙ、Ｇｄ、Ｓｍ、Ｐｒからなる群より選択される少なくとも１種の元素を用いることができ、例えばＹ２Ｏ３が固溶したＺｒＯ２（ＹＳＺ）とＮｉおよび／またはＮｉＯとから構成することができる。
燃料極層３中の希土類元素酸化物が固溶したＺｒＯ２または希土類元素酸化物が固溶したＣｅＯ２の含有量は、３５〜６５体積％の範囲にあるのが好ましく、またＮｉあるいはＮｉＯの含有量は、６５〜３５体積％であるのが好ましい。さらに、この燃料極層３の開気孔率は、１５％以上、特に２０〜４０％の範囲にあるのが好ましく、その厚みは、１〜３０μｍであるのが好ましい。
固体電解質層４は、３〜１５モル％のＹ、Ｓｃ、Ｙｂ等の希土類元素を含有した部分安定化あるいは安定化ＺｒＯ２からなる緻密質なセラミックスを用いるのが好ましい。また、希土類元素としては、安価であるという点からＹが好ましい。さらに、固体電解質層４は、ガス透過を防止するという点から、相対密度（アルキメデス法による）が９３％以上、特に９５％以上の緻密質であることが望ましく、かつその厚みが５〜５０μｍであることが好ましい。固体電解質層４としては、ランタンガレート系セラミックスを用いることもできる。
酸素極層６としては、いわゆるＡＢＯ３型のペロブスカイト型酸化物からなる導電性セラミックスにより構成することが好ましい。かかる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、特にＡサイトにＳｒとＬａが共存する、ＬａＭｎＯ３系酸化物、ＬａＦｅＯ３系酸化物、ＬａＣｏＯ３系酸化物の少なくとも１種が好ましく、６００〜１０００℃程度の作動温度での電気伝導性が高いという点からＬａＣｏＯ３系酸化物が特に好ましい。なお、上記ペロブスカイト型酸化物においては、Ｂサイトに、ＣｏとともにＦｅやＭｎが存在しても良い。
また、酸素極層６は、ガス透過性を有する必要があり、従って、酸素極層６を形成する導電性セラミックス（ペロブスカイト型酸化物）は、開気孔率が２０％以上、特に３０〜５０％の範囲にあることが好ましい。さらに、酸素極層６の厚みは、集電性という点から３０〜１００μｍであることが好ましい。
そして、中間層５は、図２（ａ）に模式図で示すように、セリア（ＣｅＯ２）系セラミックスから構成されている。中間層５は、Ｃｅ以外の他の希土類元素を含有するセリア（ＣｅＯ２）系粒子５ａと、該ＣｅＯ２系粒子５ａとは異なる金属元素の酸化物からなるセラミック粒子５ｂとを含有している。中間層５の組織は、ＣｅＯ２系粒子５ａの粒界、特に３重点に、ＣｅＯ２系粒子５ａよりも小さな平均粒径のセラミック粒子５ｂが存在した状態で、ＣｅＯ２系粒子５ａ同士が焼結した組織を有しており、多数の気孔を有している。ＣｅＯ２系粒子５ａの３重点にはセラミック粒子５ｂが複数存在していてもよい。中間層５の気孔率は２０〜４０％とされている。ＣｅＯ２系粒子５ａの平均粒径は１〜３μｍ、セラミック粒子５ｂの平均粒径は、０．１〜０．５μｍとされている。平均粒径は、中間層の断面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真を用いて、画像解析装置で求めることができる。
Ｃｅ以外の他の希土類元素としては、Ｙ、Ｌｕ、Ｙｂ、Ｔｍ、Ｅｒ、Ｈｏ、Ｄｙ、Ｇｄ、Ｓｍ、Ｐｒからなる群より選択される少なくとも１種の元素があり、Ｃｅ以外の他の希土類元素を含有するＣｅＯ２系粒子５ａとは、例えば、（ＣｅＯ２）１−ｘ（ＲＥＯ１．５）ｘ（式中、ＲＥはＳｍ、Ｙ、Ｙｂ、Ｇｄの少なくとも１種であり、ｘは０＜ｘ≦０．３を満足する数）で表される組成のものが好ましい。さらには、電気抵抗を低減するという点から、ＲＥとしてＳｍやＧｄを用いることが好ましく、例えば１５〜２５モル％のＳｍＯ１．５またはＧｄＯ１．５が固溶したＣｅＯ２からなることが好ましい。
セラミック粒子５ｂは、図２（ａ）に示したように、中間層５のＣｅＯ２系粒子５ａの３重点に、ＣｅＯ２系粒子５ａよりも小さいセラミック粒子５ｂが単数、もしくは複数存在しているため、セラミック粒子５ｂは、ＣｅＯ２系粒子５ａの焼結を抑制する金属元素の酸化物ということもできる。従って、中間層５は、ＣｅＯ２系粒子５ａからなるマトリックス中に、ＣｅＯ２系粒子５ａの焼結を抑制する金属元素の酸化物からなるセラミック粒子５ｂが分散した組織ということもできる。分散した組織とは、上記したように、セラミック粒子５ｂが、マトリックスを構成するＣｅＯ２系粒子５ａの粒界、例えば３重点に存在している組織である。
セラミック粒子５ｂとしては、ＣｅＯ２系粒子５ａの焼結を抑制するために、ＣｅＯ２系粒子５ａと実質的に反応しない、すなわち、ＣｅＯ２系粒子５ａに実質的に固溶しないものである。例えば、図２（ａ）に示すＣｅＯ２系粒子５ａ同士は焼結して接合しており、ＣｅＯ２系粒子５ａとセラミック粒子５ｂ、あるいはセラミック粒子５ｂ同士は接合していない。
セラミック粒子５ｂとしては、アルミナ、チタニア、イットリア、酸化鉄のうち少なくとも１種であることが望ましい。特には、ＣｅＯ２系粒子５ａの焼結を抑制するためには、セラミック粒子５ｂの焼結温度が、ＣｅＯ２系粒子５ａの焼結温度よりも高い焼結温度であることが望ましい。ＣｅＯ２系粒子５ａ、セラミック粒子５ｂの焼結温度は、ＣｅＯ２系粒子５ａからなるセラミックスの焼結温度、セラミック粒子５ｂからなるセラミックスの焼結温度で比較できる。
中間層５中におけるセラミック粒子５ｂの比率は、特に、ＣｅＯ２系粒子５ａの焼結挙動を、固体電解質層４に近づけることができる量であれば特に限定されるものではないが、中間層全量中１〜３０質量％であることが、酸素イオン伝導性による発電性能向上という観点から望ましい。特には、１〜１０質量％、さらには１〜５質量％であることが望ましい。
さらに、ＺｒＯ２系粒子で構成される固体電解質層４の熱膨張係数は、１０．０×１０−６／℃〜１０．７×１０−６／℃であり、ＣｅＯ２系粒子５ａからなるセラミックスの熱膨張率は１１．６×１０−６／℃〜１２．５×１０−６／℃であるため、固体電解質層４からの中間層５の剥離やクラック発生を抑制するという点から、セラミック粒子５ｂは、ＣｅＯ２系粒子５ａよりも熱膨張係数の小さい材料からなることが望ましい。これにより、固体電解質層４との接合強度をさらに向上できる。ＣｅＯ２系粒子５ａよりも熱膨張率の小さいセラミック粒子としては、アルミナ、チタニア、イットリアがある。中間層５中におけるセラミック粒子５ｂの比率についても、中間層５の熱膨張係数を考慮して決定することができる。ＣｅＯ２系粒子５ａ、セラミック粒子５ｂの熱膨張係数は、ＣｅＯ２系粒子５ａからなるセラミックスの熱膨張係数、セラミック粒子５ｂからなるセラミックスの熱膨張係数で比較できる。
中間層５の厚みは、固体電解質層４の成分と酸素極層６の成分とが反応して電気抵抗の高い反応層が形成されるのを抑制するという点から、０．５μｍ以上、１μｍ以上、特には、３μｍ以上が望ましく、接合強度を向上し、長期信頼性を向上するという点から、１０μｍ以下、５μｍ以下が望ましい。中間層５は一層または多層からなるもので、合計厚みが３μｍ以上であることが望ましい。
このような燃料電池セルは、ＺｒＯ２系組成物からなる固体電解質層４に、中間層ペーストを塗布し、焼成することにより作製することができる。中間層ペーストは、例えば、Ｃｅ以外の他の希土類元素を含有するＣｅＯ２系粉末に、微粒のセラミック粉末を付着させた粉末を作製し、これに、有機バインダーおよび溶媒を混合して作製する。
ＣｅＯ２系粉末に、微粒のセラミック粉末を付着させるには、例えば、ＣｅＯ２系粉末に微粒のセラミックス粒子を添加してボールミルして混合する方法や、セラミック粉末を構成する金属が溶解した有機金属塩をＣｅＯ２系粉末に塗布し、乾燥させる方法がある。
固体電解質層４上に中間層ペーストを塗布し、乾燥させ、ＣｅＯ２系粉末が焼結しうる温度以上で、かつ、微粒のセラミック粉末が焼結しない温度の範囲で熱処理することにより、固体電解質層４上に中間層５を形成することができる。その後、中間層５上に酸素極層６を形成し、燃料電池セル１０を作製できる。なお、燃料極層３は、固体電解質層４と同時に作製したり、中間層５を形成した後、作製することができる。また、固体電解質層の成形体と中間層の成形体を同時に焼成することにより作製することもできる。
図２（ｂ）に、ＺｒＯ２系粉末からなる固体電解質層と、ＣｅＯ２系粉末とセラミック粉末とからなる中間層（ＧＤＣ＋アルミナ）と、セラミック粒子を含有しないＣｅＯ２系粉末からなる中間層（ＧＤＣ）との焼成収縮挙動を記載した。ＺｒＯ２系組成物からなる固体電解質層としては、８モル％のＹを含有した平均粒径０．８μｍのＺｒＯ２、ＣｅＯ２系粉末とセラミック粉末とからなる中間層としては、２０モル％のＧｄＯ１．５が固溶したＣｅＯ２（ＧＤＣ）とアルミナからなるもの、セラミック粒子を含有しないＣｅＯ２系粉末からなる中間層としては、２０モル％のＧｄＯ１．５が固溶したＣｅＯ２（ＧＤＣ）からなるものを用いた。
セラミック粒子を含有しないＣｅＯ２系粉末からなる中間層では、１１００℃程度から大きく収縮するのに対して、ＺｒＯ２系組成物からなる固体電解質層は１３００℃程度から収縮するため、ＣｅＯ２系粉末からなる中間層の収縮が殆ど終わった後に固体電解質層が収縮し始めるため、中間層に大きな応力が生じ、クラックや剥離が生じるおそれがあり、クラックや剥離が生じなくても、中間層５に大きな応力集中が生じていることがわかる。これに対して、ＣｅＯ２系粉末とセラミック粉末とからなる中間層では、収縮開始温度が固体電解質層に近くなり、焼成収縮挙動が固体電解質層に近くなるため、中間層に応力集中が生じにくいことがわかる。
従って、本実施形態では、ＣｅＯ２粒子５ａの焼結をセラミック粒子５ｂが抑制しており、中間層５の焼成収縮挙動を固体電解質層４の焼結挙動に近づけることができ、固体電解質層４上の中間層５における応力集中を低減でき、中間層５におけるクラックの発生や、中間層５の固体電解質層４からの剥離を低減できる。中間層５に大きな応力集中が生じていないため、発電時や停止時においても中間層５の固体電解質層４からの剥離、中間層５のクラック発生を低減できる。よって、固体電解質層４と中間層５との接合強度が高くなり、１層の厚い中間層５を固体電解質層４上に形成することができる。また、１層の厚い中間層５を反応防止層とした場合には、従来の２層構造の反応防止層ではないため、構造が簡単で、製法が容易となる。
図３は、中空平板型の燃料電池セルを示すものであり、（ａ）はその横断面図、（ｂ）は縦断面図である。なお、図３には、燃料電池セル１０’の各構成を一部拡大して示している。
この燃料電池セル１０’は、断面が扁平状で、全体的に見て楕円柱状をしたＮｉを含有してなる多孔質の導電性支持体１を備えている。導電性支持体１の内部には、適当な間隔で複数の燃料ガス流路２が長さ方向（図３（ａ）では紙面に対して垂直方向）に形成されており、燃料電池セル１０’は、この導電性支持体１上に各種の部材が設けられた構造を有している。
導電性支持体１は、図３に示されている形状から理解されるように、互いに平行な一対の平坦面ｎと、一対の平坦面ｎをそれぞれ接続する弧状面（側面）ｍとで構成されている。平坦面ｎの両面は互いにほぼ平行に形成されており、一方の平坦面ｎ（下面）と両側の弧状面ｍを覆うように多孔質な燃料極層３が設けられており、さらに、この燃料極層３を覆うように、緻密質な固体電解質層４が積層されている。また、固体電解質層４の上には、中間層５を介して、燃料極層３と対面するように、多孔質な酸素極層６が積層されている。また、燃料極層３および固体電解質層４が積層されていない他方の平坦面ｎ（上面）には、密着層７を介してインターコネクタ８が形成されている。
すなわち、燃料極層３および固体電解質層４は、両端の弧状面ｍを経由して他方の平坦面ｎ（上面）まで形成されており、ＺｒＯ２系粒子からなる固体電解質層４の両端部に、ＬａＣｒＯ３系焼結体からなるインターコネクタ８の両端部が接合され、固体電解質層４とインターコネクタ８とで導電性支持体１を取り囲み、内部を流通する燃料ガスが外部に漏出しないように構成されている。
燃料電池セル１０’は、燃料極層３と酸素極層６とが固体電解質層４を介して対面している部分が電極として機能して発電する。即ち、酸素極層６の外側に空気等の酸素含有ガスを流し、且つ導電性支持体１内の燃料ガス流路２に燃料ガス（水素含有ガス）を流し、所定の作動温度まで加熱することにより発電する。そして、かかる発電によって生成した電流は、導電性支持体１に取り付けられているインターコネクタ８を介して集電される。
以下に、燃料電池セル１０’を構成する各部材について説明する。導電性支持体１は、燃料ガスを燃料極層３まで透過させるためにガス透過性であること、インターコネクタ８を介して集電を行うために導電性であることが要求されることから、例えば、Ｎｉおよび／またはＮｉＯと、セラミック粉末、例えば特定の希土類酸化物とにより形成されることが好ましい。
特定の希土類酸化物とは、導電性支持体１の熱膨張係数を固体電解質層４の熱膨張係数に近づけるために使用されるものであり、Ｙ、Ｌｕ、Ｙｂ、Ｔｍ、Ｅｒ、Ｈｏ、Ｄｙ、Ｇｄ、Ｓｍ、Ｐｒからなる群より選択される少なくとも１種の元素を含む希土類酸化物が、Ｎｉおよび／またはＮｉＯとの組み合わせで使用することができる。このような希土類酸化物の具体例としては、Ｙ２Ｏ３、Ｌｕ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３、Ｔｍ２Ｏ３、Ｅｒ２Ｏ３、Ｈｏ２Ｏ３、Ｄｙ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、Ｓｍ２Ｏ３、Ｐｒ２Ｏ３を例示することができ、Ｎｉおよび／またはＮｉＯとの固溶、反応が殆どなく、また、熱膨張係数が固体電解質層４と同程度であり、かつ安価であるという点から、Ｙ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３が好ましい。
また、本実施形態においては、導電性支持体１の良好な導電率を維持し、かつ熱膨張係数を固体電解質層４と近似させるという点で、Ｎｉおよび／またはＮｉＯ：希土類酸化物＝３５：６５〜６５：３５の体積比で存在することが好ましい。なお、導電性支持体１中には、要求される特性が損なわれない限りの範囲で、他の金属成分や酸化物成分を含有していてもよい。
また、導電性支持体１は、燃料ガス透過性を有していることが必要であるため、通常、開気孔率が３０％以上、特に３５〜５０％の範囲にあることが好ましい。また、導電性支持体１の導電率は、３００Ｓ／ｃｍ以上、特に４４０Ｓ／ｃｍ以上であることが好ましい。
なお、導電性支持体１の平坦面ｎの長さ（導電性支持体１の幅方向の長さ）は、通常、１５〜３５ｍｍ、弧状面ｍの長さ（弧の長さ）は、２〜８ｍｍであり、導電性支持体１の厚み（平坦面ｎ間の厚み）は１．５〜５ｍｍであることが好ましい。導電性支持体１の長さは、１００〜１５０ｍｍとされている。燃料極層３、固体電解質層４、酸素極層６は、上述したものを使用できる、
また、図３（ａ）の例では、燃料極層３が、密着層７の両サイドにまで延びているが、酸素極層６に対面する位置に形成されていればよいため、例えば酸素極層６が設けられている側の平坦面ｎにのみ燃料極層３が形成されていてもよい。すなわち、燃料極層３は平坦面ｎにのみ設けられ、固体電解質層４が、燃料極層３上、導電性支持体１の両弧状面ｍ上および燃料極層３が形成されていない他方の平坦面ｎ上に形成された構造であってもよい。
また、導電性支持体１の酸素極層６側と反対側の平坦面ｎ上には、密着層７を介してインターコネクタ８が積層されている。
インターコネクタ８は、導電性セラミックスにより形成されている。燃料ガス（水素含有ガス）および酸素含有ガスと接触するため、耐還元性、耐酸化性を有していることが必要である。このため、耐還元性、耐酸化性を有する導電性セラミックスとしては、一般に、ランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物（ＬａＣｒＯ３系酸化物）が使用され、特に導電性支持体１および固体電解質層４の熱膨張係数に近づける目的から、ＢサイトにＭｇが存在するＬａＣｒＭｇＯ３系酸化物が用いられる。
また、インターコネクタ８の厚みは、ガスのリーク防止と電気抵抗という点から、１０〜５０μｍであることが好ましい。この範囲ならばガスのリークを防止できるとともに、電気抵抗を小さくできる。
さらに、導電性支持体１とインターコネクタ８との間には、インターコネクタ８と導電性支持体１との間の熱膨張係数差を軽減する等のために密着層７が形成されている。
このような密着層７としては、燃料極層３と類似した組成とすることができる。例えば、希土類元素酸化物、希土類元素酸化物が固溶したＺｒＯ２、希土類元素酸化物が固溶したＣｅＯ２のうち少なくとも１種と、Ｎｉおよび／またはＮｉＯとから形成することができる。より具体的には、例えばＹ２Ｏ３とＮｉおよび／またはＮｉＯからなる組成や、Ｙ２Ｏ３が固溶したＺｒＯ２（ＹＳＺ）とＮｉおよび／またはＮｉＯからなる組成、Ｙ、Ｓｍ、Ｇｄ等の酸化物が固溶したＣｅＯ２とＮｉおよび／またはＮｉＯからなる組成から形成することができる。なお、希土類元素酸化物や希土類元素酸化物が固溶したＺｒＯ２（ＣｅＯ２）と、Ｎｉおよび／またはＮｉＯとは、体積比で４０：６０〜６０：４０の範囲とすることが好ましい。
そして、本形態の燃料電池セル１０’では、図１に示した燃料電池セル１０と同様な中間層５を有している。
以上説明した燃料電池セル１０’の作製方法の一例について説明する。先ず、例えば、Ｎｉおよび／またはＮｉＯ粉末と、Ｙ２Ｏ３などの希土類酸化物の粉末と、有機バインダーと、溶媒とを混合して坏土を調製し、この坏土を用いて押出成形により導電性支持体成形体を作製し、これを乾燥する。なお、導電性支持体成形体として、導電性支持体成形体を９００〜１０００℃にて２〜６時間仮焼した仮焼体を用いてもよい。
次に、例えば所定の調合組成に従いＮｉＯ、Ｙ２Ｏ３が固溶したＺｒＯ２（ＹＳＺ）の素原料を秤量、混合する。この後、混合した粉体に、有機バインダーおよび溶媒を混合して燃料極層用スラリーを調製する。
さらに、希土類元素酸化物が固溶したＺｒＯ２粉末に、トルエン、バインダー、市販の分散剤等を加えてスラリー化したものをドクターブレード等の方法により、７〜７５μｍの厚さに成形してシート状の固体電解質層成形体を作製する。得られたシート状の固体電解質層成形体上に燃料極層用スラリーを塗布して燃料極層成形体を形成し、この燃料極層成形体側の面を導電性支持体成形体に積層する。なお、燃料極層用スラリーを導電性支持体成形体の所定位置に塗布し乾燥して、固体電解質層成形体を導電性支持体成形体（燃料極層成形体）に積層しても良い。
続いて固体電解質層４に中間層５を形成する。例えば、上記した中間層用ペーストを作製し、塗布して中間層の塗布膜を形成し、成形体を作製する。なお、中間層用のペーストを用いてシート状の成形体を作製し、これを固体電解質層成形体上に積層してもよい。
続いて、インターコネクタ用材料（例えば、ＬａＣｒＭｇＯ３系酸化物粉末）、有機バインダー及び溶媒を混合してスラリーを調製し、インターコネクタ用シートを作製する。
続いて、導電性支持体１とインターコネクタ８との間に位置する密着層成形体を形成する。例えば、Ｙ２Ｏ３が固溶したＺｒＯ２とＮｉＯが体積比で４０：６０〜６０：４０の範囲となるように混合して乾燥し、有機バインダー等を加えて密着層用スラリーを調整し、導電性支持体成形体に塗布して密着層成形体を形成し、この密着層成形体にインターコネクタ用シートを積層する。
次いで、上記の積層成形体を脱バインダー処理し、大気中等の酸素含有雰囲気中、１４００〜１４５０℃にて２〜６時間、同時焼結（同時焼成）する。これにより、固体電解質層の表面に中間層が形成される。
さらに、酸素極層用材料（例えば、ＬａＣｏＯ３系酸化物粉末）、溶媒および増孔剤を含有するスラリーをディッピング等により中間層５上に塗布し、１０００〜１３００℃で、２〜６時間焼き付けることにより、図３に示す構造の燃料電池セル１０’を製造できる。なお、燃料電池セル１０’は、その後、内部に水素ガスを流し、導電性支持体１および燃料極層３の還元処理を行なうのが好ましい。その際、たとえば７５０〜１０００℃にて５〜２０時間還元処理を行なうのが好ましい。
図４は、上述した燃料電池セル１０’の複数個を、集電部材１３を介して電気的に直列に接続して構成された燃料電池セルスタック装置の一例を示したものであり、（ａ）は燃料電池セルスタック装置１１を概略的に示す側面図、（ｂ）は（ａ）の燃料電池セルスタック装置１１の一部拡大断面図であり、（ａ）で示した破線で囲った部分を抜粋して示している。なお、（ｂ）において（ａ）で示した破線で囲った部分に対応する部分を明確とするために矢印にて示しており、（ｂ）で示す燃料電池セル１０においては、上述した中間層５等の一部の部材を省略して示している。
なお、燃料電池セルスタック装置１１においては、各燃料電池セル１０’を集電部材１３を介して配列することで燃料電池セルスタック１２を構成しており、各燃料電池セル１０’の下端部が、燃料電池セル１０’に燃料ガスを供給するためのガスタンク１６に、ガラスシール材等の接着剤により固定されている。また、燃料電池セル１０’の配列方向の両端から燃料電池セルスタック１２を挟持するように、ガスタンク１６に下端部が固定された弾性変形可能な導電部材１４を具備している。
また、図４に示す導電部材１４においては、燃料電池セル１０’の配列方向に沿って外側に向けて延びた形状で、燃料電池セルスタック１２（燃料電池セル１０’）の発電により生じる電流を引出すための電流引出し部１５が設けられている。
ここで、本形態の燃料電池セルスタック装置１１においては、上述した燃料電池セル１０’を用いて、燃料電池セルスタック１２を構成することにより、長期信頼性が向上した燃料電池セルスタック装置１１とすることができる。
図５は、燃料電池セルスタック装置１１を収納容器内に収納してなる燃料電池モジュール１８の一例を示す外観斜視図であり、直方体状の収納容器１９の内部に、図４に示した燃料電池セルスタック装置１１を収納して構成されている。
なお、燃料電池セル１０’にて使用する燃料ガスを得るために、天然ガスや灯油等の原燃料を改質して燃料ガスを生成するための改質器２０を燃料電池セルスタック１２の上方に配置している。そして、改質器２０で生成された燃料ガスは、ガス流通管２１を介してガスタンク１６に供給され、ガスタンク１６を介して燃料電池セル１０’の内部に設けられたガス流路２に供給される。
なお、図５においては、収納容器１９の一部（前後面）を取り外し、内部に収納されている燃料電池セルスタック装置１１および改質器２０を後方に取り出した状態を示している。図５に示した燃料電池モジュール１８においては、燃料電池セルスタック装置１１を、収納容器１９内にスライドして収納することが可能である。なお、燃料電池セルスタック装置１１は、改質器２０を含むものとしても良い。
また収納容器１９の内部に設けられた酸素含有ガス導入部材２２は、図５においてはガスタンク１６に並置された燃料電池セルスタック１２の間に配置されるとともに、酸素含有ガスが燃料ガスの流れに合わせて、燃料電池セル１０’の側方を下端部から上端部に向けて流れるように、燃料電池セル１０’の下端部に酸素含有ガスを供給する。そして、燃料電池セル１０’のガス流路２より排出される燃料ガスを燃料電池セル１０’の上端部側で燃焼させることにより、燃料電池セル１０’の温度を上昇させることができ、燃料電池セルスタック装置１１の起動を早めることができる。また、燃料電池セル１０’の上端部側にて、燃料電池セル１０’のガス流路２から排出される燃料ガスを燃焼させることにより、燃料電池セル１０’（燃料電池セルスタック１２）の上方に配置された改質器２０を温めることができる。それにより、改質器２０で効率よく改質反応を行うことができる。
さらに、本形態の燃料電池モジュール１８においても、上述した燃料電池セルスタック装置１１を収納容器１９内に収納してなることから、長期信頼性が向上した燃料電池モジュール１８とすることができる。
図６は、外装ケース内に、図５で示した燃料電池モジュール１８と、燃料電池セルスタック装置１１を動作させるための補機とを収納してなる燃料電池装置の一例を示す分解斜視図である。なお、図６においては一部構成を省略して示している。
図６に示す燃料電池装置２３は、支柱２４と外装板２５とから構成される外装ケース内を仕切板２６により上下に区画し、その上方側を上述した燃料電池モジュール１８を収納するモジュール収納室２７とし、下方側を燃料電池モジュール１８を動作させるための補機類を収納する補機収納室２８として構成されている。なお、補機収納室２８に収納する補機類は省略して示している。
また、仕切板２６には、補機収納室２８の空気をモジュール収納室２７側に流すための空気流通口２９が設けられており、モジュール収納室２７を構成する外装板２５の一部に、モジュール収納室２７内の空気を排気するための排気口３０が設けられている。
このような燃料電池装置２３においては、上述したように、信頼性を向上することができる燃料電池モジュール１８をモジュール収納室２７に収納して構成されることにより、信頼性の向上した燃料電池装置２３とすることができる。
以上、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。
なお、上記形態では、中空平板型の固体電解質形燃料電池セルについて説明したが、円筒型の固体電解質形燃料電池セルであっても良いことは勿論である。
また、上記形態では、中間層５を１層で形成したが、中間層を２層で形成しても良いことは勿論である。
マイクロトラック法による平均粒径が０．８μｍの８モル％のＹ２Ｏ３が固溶したＺｒＯ２粉末（固体電解質層原料粉末）と有機バインダーと溶媒とを混合して得られたスラリーを用いて、ドクターブレード法にて固体電解質層用シートを作製した。この固体電解質層用シートを１０００℃にて３時間仮焼処理し、固体電解質層仮焼体を得た。
次に、表１に示す中間層用粉末に、アクリル系バインダーと溶媒とを添加し、混合して作製した中間層用ペーストを、固体電解質層仮焼体上に、スクリーン印刷法にて塗布し、中間層成形体を作製し、大気中において、１４９０℃で焼成した。固体電解質層の厚みは３０μｍ、中間層の厚みは、試料Ｎｏ．１〜１０が３μｍであり、Ｎｏ．１１が５μｍ、Ｎｏ．１２が７μｍであった。
中間層用粉末は、２０モル％のＧｄＯ１．５が固溶した平均粒径０．８μｍのＣｅＯ２（ＧＤＣ）粉末、または２０モル％のＳｍＯ１．５が固溶した平均粒径０．８μｍのＣｅＯ２（ＳＤＣ）粉末と、アルミナ、チタニア、イットリア、酸化鉄の平均粒径０．２μｍのセラミック粉末とを、ボールミルで１２〜２４時間混合した粉末を用いた。
焼成後における中間層の固体電解質層からの剥離や中間層のクラックの有無について、ＳＥＭにて確認し、表１に記載した。なお、中間層の組織は、試料Ｎｏ．２〜１０では、図２（ａ）に示すように、ＣｅＯ２系粒子の粒界に、ＣｅＯ２系粒子よりも小さな平均粒径のセラミック粒子が存在していた。ＣｅＯ２系粒子の平均粒径は１μｍ以上であり、セラミック粒子の平均粒径は、原料粉末として添加したセラミック粉末とほぼ同じ粒径であった。試料Ｎｏ．２の焼成時における収縮率を図２（ｂ）に記載した。
また、試料Ｎｏ．２〜４、７〜９について、電気炉を用いて７５０℃まで加熱し、３時間保持した後、室温まで自然冷却し、中間層の固体電解質層からの剥離状況をＳＥＭにて確認し、その結果も表１に示した。
この表１から、セラミック粉末を添加しない試料Ｎｏ．１では、中間層にクラックや剥離が生じたのに対して、ＣｅＯ２粉末にアルミナ、チタニア、イットリア、酸化鉄を添加した試料Ｎｏ．２〜１０では、中間層の固体電解質層からの剥離がなく、中間層にクラックが生じていないことがわかる。
また、発電温度である７５０℃まで加熱し（発電中）、室温まで冷却した場合（発電停止）であっても、本願発明の試料では、中間層の固体電解質層からの剥離や、中間層のクラックが生じていないことがわかる。
１：導電性支持体
２：燃料ガス流路
３：燃料極層
４：固体電解質層
５：中間層
５ａ：ＣｅＯ２系粒子
５ｂ：セラミック粒子
６：酸素極層
８：インターコネクタ
１１：燃料電池セルスタック装置
１８：燃料電池モジュール
２３：燃料電池装置

Claims (8)

  1. 固体電解質層と、該固体電解質層の一方側の面に配置された燃料極層と、前記固体電解質層の他方側の面に配置された酸素極層とを具備してなり、前記固体電解質層と前記酸素極層との間に、セリウム以外の希土類元素を含有するセリア系粒子と、該セリア系粒子とは異なる金属元素の酸化物からなるセラミック粒子とを含有する中間層を具備するとともに、該中間層の前記セリア系粒子の粒界に、前記セリア系粒子よりも小さな平均粒径を有する前記セラミック粒子が存在していることを特徴とする固体酸化物形燃料電池セル。
  2. 前記中間層は一層または多層からなり、合計厚みが３μｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池セル。
  3. 前記セラミック粒子の熱膨張係数は前記セリア系粒子の熱膨張係数よりも小さいことを特徴とする請求項１または２に記載の固体酸化物形燃料電池セル。
  4. 前記セラミック粒子の焼結温度は、前記セリア系粒子の焼結温度よりも高いことを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池セル。
  5. 前記セラミック粒子は、アルミナ、チタニア、イットリア、酸化鉄のうち少なくとも１種であることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池セル。
  6. 前記セラミック粒子は、前記セリア系粒子の３重点に存在することを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池セル。
  7. 請求項１乃至６のうちのいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池セルを収納容器内に収納してなることを特徴とする燃料電池モジュール。
  8. 請求項７に記載の燃料電池モジュールと、該燃料電池モジュールを動作させるための補機とを外装ケース内に収納してなることを特徴とする燃料電池装置。
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