特許 6552708 電気化学装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6552708

(24)【登録日】2019年7月12日

(45)【発行日】2019年7月31日

(54)【発明の名称】電気化学装置

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/0662 20160101AFI20190722BHJP

   H01M 8/04 20160101ALI20190722BHJP

   H01M 8/12 20160101ALI20190722BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/0662

   H01M8/04 N

   H01M8/12 101

   H01M8/12 102A

   H01M8/12 102C

【請求項の数】2

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2018-238372(P2018-238372)

(22)【出願日】2018年12月20日

(62)【分割の表示】特願2018-196730(P2018-196730)の分割

【原出願日】2018年10月18日

(65)【公開番号】特開2019-106377(P2019-106377A)

(43)【公開日】2019年6月27日

【審査請求日】2018年12月20日

(31)【優先権主張番号】特願2017-235772(P2017-235772)

(32)【優先日】2017年12月8日

(33)【優先権主張国】JP

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000004064

【氏名又は名称】日本碍子株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000202

【氏名又は名称】新樹グローバル・アイピー特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 梨沙子

(72)【発明者】

【氏名】大森 誠

【審査官】 笹岡 友陽

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１３−０５４９７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−０２０９８２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／００− ８／２４９５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料極と、酸素イオン伝導性及び電子伝導性を有する空気極と、前記燃料極と前記空気極の間に配置される固体電解質層と、前記空気極に接続される空気極側集電部とを有する電気化学セルと、
前記空気極に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給口を有する酸化剤ガス供給部と、
前記空気極のうち前記酸化剤ガス供給口側の部分上に配置され、酸素イオン伝導性及び電子伝導性を有する汚染物質トラップ部と、
を備え、
前記汚染物質トラップ部は、前記空気極側集電部から離れている、
電気化学装置。

【請求項2】

燃料極と、酸素イオン伝導性及び電子伝導性を有する空気極と、前記燃料極と前記空気極の間に配置される固体電解質層と、前記空気極に接続される空気極側集電部とを有する電気化学セルと、
前記空気極に供給された酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出口を有する酸化剤ガス排出部と、
前記空気極のうち前記酸化剤ガス排出口側の部分上に配置され、酸素イオン伝導性及び電子伝導性を有する汚染物質トラップ部と、
を備え、
前記汚染物質トラップ部は、前記空気極側集電部から離れている、
電気化学装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電気化学装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、固体酸化物形燃料電池は、燃料極と空気極との間に配置された固体電解質層を備える。固体酸化物形燃料電池の作動中、燃料極には燃料ガス（例えば、水素ガス）が供給され、空気極には酸化剤ガス（例えば、空気）が供給される。

【0003】

特許文献１では、酸化剤ガス中の汚染物質による空気極の触媒活性低下を抑制するために、酸化剤ガス供給口と空気極との間に汚染物質トラップ部を設ける手法が提案されている。汚染物質トラップ部は、電子の移動経路として機能しないよう、空気極から離されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１５−０９０７８８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、特許文献１の手法では、汚染物質トラップ部に電流が流れないため、汚染物質トラップ部を活性な状態にすることができず、汚染物質を効率的にトラップするにも限界がある。

【0006】

本発明は、上述の状況に鑑みてなされたものであり、酸化剤ガス中の汚染物質を効率的にトラップ可能な電気化学装置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】

【0007】

本発明の第1の側面に係る電気化学装置は、電気化学セルと、酸化剤ガス供給部と、汚染物質トラップ部とを備える。電気化学セルは、燃料極と、酸素イオン伝導性及び電子伝導性を有する空気極と、燃料極と空気極の間に配置される固体電解質層とを有する。酸化剤ガス供給部は、空気極に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給口を有する。汚染物質トラップ部は、空気極のうち酸化剤ガス供給口側の部分上に配置され、酸素イオン伝導性及び電子伝導性を有する。

【0008】

本発明の第２の側面に係る電気化学装置は、電気化学セルと、酸化剤ガス排出部と、汚染物質トラップ部とを備える。電気化学セルは、燃料極と、酸素イオン伝導性及び電子伝導性を有する空気極と、燃料極と空気極の間に配置される固体電解質層とを有する。酸化剤ガス排出部は、空気極に供給された酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出口を有する。汚染物質トラップ部は、空気極のうち酸化剤ガス排出口側の部分上に配置され、酸素イオン伝導性及び電子伝導性を有する。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、酸化剤ガス中の汚染物質を効率的にトラップ可能な電気化学装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】第１実施形態に係る燃料電池スタックの斜視図

【図2】第１実施形態に係る燃料電池セルの斜視図

【図3】第１実施形態に係る燃料電池セルの断面図

【図4】第２実施形態に係る燃料電池装置の断面図

【図5】第２実施形態の変形例に係る燃料電池装置の断面図

【発明を実施するための形態】

【0011】

１．第１実施形態
（燃料電池スタック１００）
図１は、燃料電池スタック１００の斜視図である。燃料電池スタック１００は、複数の燃料電池セル１及びマニホールド２を備える。本実施形態において、燃料電池セル１は電気化学セルの一例であり、燃料電池スタック１００は電気化学装置の一例である。

【0012】

複数の燃料電池セル１は、配列方向に沿って一列に並べられる。各燃料電池セル１は、略等間隔で略平行に配置される。各燃料電池セル１の基端部３は、マニホールド２に固定される。各燃料電池セル１の先端部４は、自由端である。このように、各燃料電池セル１は、マニホールド２によって片持ち状態で支持される。燃料電池セル１の構成については後述する。

【0013】

マニホールド２は、各燃料電池セル１にガスを分配するように構成されている。マニホールド２は、中空状であり、内部空間を有している。マニホールド２の内部空間には、図示しない燃料ガス供給源から燃料ガス（例えば、水素）が供給される。

【0014】

マニホールド２は、各燃料電池セル１を支持する。マニホールド２は、マニホールド本体２ａ、天板２ｂ、及び導入管２ｃを備える。本実施形態において、マニホールド本体２ａ、天板２ｂ、及び導入管２ｃは、互いに別部材であるが、これらは一体的に形成されていてもよい。

【0015】

マニホールド本体２ａは、略直方体状であって、上面が開口した内部空間を有する。マニホールド本体２ａは、例えば、耐熱性を有する金属材料（例えば、フェライト系ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、及びＮｉ基合金など）によって構成できる。

【0016】

天板２ｂは、マニホールド本体２ａの上面を塞ぐように、マニホールド本体２ａ上に配置される。天板２ｂは、例えば結晶化ガラスによって、マニホールド本体２ａに接合される。天板２ｂは、マニホールド本体２ａと同様の材料によって構成できる。

【0017】

天板２ｂは、複数の貫通孔２ｄを有する。各貫通孔２ｄは、マニホールド２の内部空間と外部空間に連通する。各貫通孔２ｄには、各燃料電池セル１の基端部３が挿入される。各燃料電池セル１の基端部３は、接合材（例えば、結晶化ガラスなど）によって貫通孔２ｄに固定される。結晶化ガラスとしては、例えば、ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３系、ＳｉＯ_２−ＣａＯ系、又はＳｉＯ_２−ＭｇＯ系を用いることができる。

【0018】

（燃料電池セル１の外観構成）
次に、燃料電池セル１の外観構成について説明する。図２は、燃料電池セル１の斜視図である。

【0019】

燃料電池セル１は、いわゆる横縞型の固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）である。燃料電池セル１は、８つの発電素子部Ａ、支持基板１０、シール膜１１、及び表裏間接続部材１２を備える。

【0020】

８つの発電素子部Ａのうち４つの発電素子部Ａは、支持基板１０の表面上において、支持基板１０の長手方向に沿って所定間隔で配置され、電気的に直列に接続される。残りの４つの発電素子部Ａは、支持基板１０の裏面上において、支持基板１０の長手方向に沿って所定間隔で配置され、電気的に直列に接続される。

【0021】

以下の説明では、支持基板１０の表面上に配置された４つの発電素子部Ａのうちマニホールド２に最も近い発電素子部Ａのことを「基端側発電素子部Ａｋ」と称し、支持基板１０の裏面上に配置された４つの発電素子部Ａのうちマニホールド２に最も近い発電素子部Ａのことを「基端側発電素子部Ａｊ」と称する。基端側発電素子部Ａｋ及び基端側発電素子部Ａｊは、それぞれ基端部３上に配置された発電素子部Ａである。基端側発電素子部Ａｋ及び基端側発電素子部Ａｊは、それぞれ後述するガス流路１０ａの流入口に最も近い発電素子部Ａである。

【0022】

各発電素子部Ａの外表面には、酸化剤ガスが供給される。酸化剤ガスは、支持基板１０の基端側から先端側に向かって流れる。酸化剤ガスとしては、例えば、酸素と他の気体との混合ガスを用いることができる。酸化剤ガスとしては、安全かつ安価な空気が特に好ましい。酸化剤ガスには、窒素及びアルゴンなどの不活性ガスが含有されていてもよい。

【0023】

支持基板１０は、長手方向に延びる平板である。支持基板１０は、電子伝導性を有さない多孔質の材料によって構成される。支持基板１０は、例えば、ＣＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）で構成することができる。支持基板１０は、８つの発電素子部Ａを支持する。

【0024】

支持基板１０の内部には、複数のガス流路１０ａが形成される。各ガス流路１０ａは、支持基板１０の短手方向において略等間隔で略平行に形成される。各ガス流路１０ａは、支持基板１０の長手方向に沿って延びる。各ガス流路１０ａは、支持基板１０の長手方向両端面で開口している。各ガス流路１０ａは、支持基板１０の基端側端面に形成された燃料ガスの流入口と、支持基板１０の先端部側端面に形成された燃料ガスの流出口とを有する。

【0025】

燃料ガスとしては、水素、炭化水素、及び、水素と炭化水素との混合ガスが挙げられる。炭化水素としては、例えば、天然ガス、ナフサ、及び石炭ガス化ガスなどが挙げられるが、これに限られない。燃料ガスは、１種類の炭化水素であってもよく、２種類以上の炭化水素の混合物であってもよい。燃料ガスは、窒素及びアルゴンなどの不活性ガスを含有していてもよい。

【0026】

シール膜１１は、支持基板１０の外表面を覆う。シール膜１１は、緻密質材料によって構成することができる。緻密質材料としては、例えば、ＹＳＺ、ＳｃＳＺ、ガラス、スピネル酸化物などが挙げられる。シール膜１１は、後述する各発電素子部Ａの固体電解質層４０と同じ材料によって一体的に構成されていてもよい。

【0027】

表裏間接続部材１２は、先端部４を周回するように設けられる。表裏間接続部材１２は、先端部４上に配置された表裏２つの発電素子部Ａどうしを電気的に直列に接続する。

【0028】

表裏間接続部材１２は、例えば、ＬＳＣＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ_３（ランタンストロンチウムコバルトフェライト）、ＬＳＣ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３（ランタンストロンチウムコバルタイト）、或いは、Ｌａ（Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｕ）Ｏ_３等で構成することができる。

【0029】

（燃料電池セル１の内部構造）
次に、燃料電池セル１の内部構造について説明する。図３は、燃料電池セル１のＰ面における断面図である。

【0030】

燃料電池セル１の各発電素子部Ａは、燃料極２０、インターコネクタ３０、固体電解質層４０、反応防止層５０、空気極活性部６０、及び空気極集電部７０を備える。

【0031】

燃料極２０は、燃料極集電部２１と燃料極活性部２２とを有する。燃料極集電部２１は、支持基板１０上に配置される。燃料極集電部２１は、例えば、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）とによって構成され得る。燃料極集電部２１の厚さは特に制限されないが、５０〜５００μｍ程度とすることができる。燃料極活性部２２は、燃料極集電部２１上に配置される。燃料極活性部２２は、例えば、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）とによって構成され得る。燃料極活性部２２の厚さは特に制限されないが、５〜３０μｍ程度とすることができる。

【0032】

インターコネクタ３０は、燃料極集電部２１上において、燃料極活性部２２から離れた位置に配置される。インターコネクタ３０は、電子伝導性を有する緻密材料によって構成される。インターコネクタ３０は、例えば、ＬａＣｒＯ_３（ランタンクロマイト）によって構成され得る。インターコネクタ３０の厚さは特に制限されないが、例えば、１０〜１００μｍ程度とすることができる。

【0033】

固体電解質層４０は、燃料極２０を覆うように配置される。固体電解質層４０は、隣り合う発電素子部Ａそれぞれのインターコネクタ３０に接続される。固体電解質層４０は、イオン伝導性を有し、電子伝導性を有さない緻密材料によって構成される。固体電解質層４０は、例えば、ＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）によって構成され得る。固体電解質層４０の厚さは特に制限されないが、例えば、３〜５０μｍ程度とすることができる。

【0034】

反応防止層５０は、固体電解質層４０を覆うように配置される。反応防止層５０は、緻密材料によって構成される。反応防止層５０は、例えば、ＧＤＣ（（Ｃｅ，Ｇｄ）Ｏ_２：ガドリニウムドープセリア）によって構成され得る。反応防止層５０の厚さは特に制限されないが、例えば、３〜５０μｍ程度とすることができる。

【0035】

空気極活性部６０は、反応防止層５０上に配置される。空気極活性部６０は、燃料電池セル１のうち発電反応を担う部分である。空気極活性部６０は、酸素イオン伝導性と電子伝導性を有する。空気極活性部６０は、酸素イオン伝導性材料と電子伝導性材料とを混合したコンポジット材料、或いは、酸素イオン伝導性と電子伝導性との両方を有する混合導電性材料を主成分として含有する。

【0036】

本実施形態において、組成物Ｘが物質Ｙを「主成分として含む」とは、組成物Ｘ全体のうち、物質Ｙが好ましくは６０重量％以上を占め、より好ましくは７０重量％以上を占め、さらに好ましくは９０重量％以上を占めることを意味する。

【0037】

混合導電性材料としては、一般式ＡＢＯ_３で表され、ＡサイトにＬａ及びＳｒの少なくとも一方を含むペロブスカイト型複合酸化物が挙げられる。このようなペロブスカイト型複合酸化物としては、ＬＳＦつまり（Ｌａ，Ｓｒ）ＦｅＯ_３、ＬＳＣつまり（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３等の材料が挙げられ、特にＬＳＣＦつまり（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ_３が好適である。なお、空気極活性部６０は、３ＹＳＺ、８ＹＳＺ及び１０ＹＳＺ等のイットリア安定化ジルコニアやＳｃＳＺ等のスカンジア安定化ジルコニアを含むジルコニア系材料を含有していてもよい。

【0038】

空気極活性部６０の厚みは特に制限されないが、例えば、５〜１００μｍ程度とすることができる。

【0039】

空気極集電部７０は、空気極活性部６０上に配置される。空気極集電部７０は、隣り合う発電素子部Ａのインターコネクタ３０と空気極活性部６０とに接続される。空気極集電部７０は、多孔質焼成体である。空気極集電部７０は、燃料電池セル１の発電反応に必要な電子を空気極活性部６０に供給する部分である。

【0040】

空気極集電部７０は、空気極活性部６０よりも高い電子伝導性を有している。空気極集電部７０は、酸素イオン伝導性を有していなくてもよいが、酸素イオン伝導性を有していてもよい。空気極集電部７０の材料としては、Ａｇ（銀）、Ａｇ−Ｐｄ（銀パラジウム合金）などの金属材料を用いることができるが、一般式ＡＢＯ_３で表され、ＡサイトにＬａ及びＳｒの少なくとも一方を含むペロブスカイト型複合酸化物を主成分として含有する材料が好適である。一般式ＡＢＯ_３で表され、ＡサイトにＬａ及びＳｒの少なくとも一方を含むペロブスカイト型複合酸化物を主成分として含有する材料としては、例えば、（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３やＬａ（Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃｕ）Ｏ_３などが挙げられ、特に、次の式（１）で表されるペロブスカイト型複合酸化物が好適である。

【0041】

Ｌａ（Ｎｉ_{１−ｘ−ｙ}Ｆｅ_ｘＣｕ_ｙ）Ｏ_３−δ・・・（１）
式（１）において、ｘは０．０３以上０．３以下であり、ｙは０．０５以上０．５以下であり、δは０以上０．８以下である。ただし、ＢサイトにおけるＮｉ_{１−ｘ−ｙ}Ｆｅ_ｘＣｕ_ｙの組成は、ｘ値及びｙ値の影響を受けることはないものとする。

【0042】

空気極集電部７０の厚みは特に制限されないが、例えば、３０〜５００μｍとすることができる。

【0043】

ここで、基端側発電素子部Ａｋ及び基端側発電素子部Ａｊのそれぞれは、汚染物質トラップ部８０をさらに有する。

【0044】

汚染物質トラップ部８０は、空気極集電部７０上に配置される。汚染物質トラップ部８０は、表面及び／又は内部を流通する酸化剤ガスに含まれる汚染物質をトラップ（吸着、除去）する。

【0045】

汚染物質とは、酸化剤ガスに含有される物質のうち、空気極活性部６０に吸着して触媒活性を低下させる物質である。例えば、汚染物質が空気極活性部６０の複合酸化物と反応して反応生成物が生成されると、空気極活性部６０内の空孔が塞がれて、酸化剤ガスが空気極活性部６０内に充分に供給されなくなって、空気極活性部６０の触媒活性が不充分となる。また、汚染物質が空気極活性部６０の複合酸化物と反応して、触媒活性を有しない他の物質に変性してしまうおそれがある。空気極活性部６０の触媒活性が低下すると、燃料電池セル１の発電性能が低下してしまう。

【0046】

汚染物質としては、例えば、Ｓ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｂ、及びＣｌの少なくとも１種の元素を含有する物質（例えば、ＳＯｘなど）が挙げられる。汚染物質には、Ｈ_２Ｏが含まれていてもよい。

【0047】

汚染物質トラップ部８０は、酸素イオン伝導性と電子伝導性を有する。汚染物質トラップ部８０は、酸素イオン伝導性材料と電子伝導性材料とを混合したコンポジット材料、或いは、酸素イオン伝導性と電子伝導性との両方を有する混合導電性材料を主成分として含有する。混合導電性材料としては、上述した空気極活性部６０の構成材料として例示した材料を用いることができる。汚染物質トラップ部８０は、空気極活性部６０の構成材料を含んでいてもよいが、空気極活性部６０の構成材料を含んでいなくてもよい。

【0048】

汚染物質トラップ部８０は、上述した汚染物質を含有していることが更に好ましい。これにより、汚染物質トラップ部８０における反応活性が高まるため、汚染物質を効率的にトラップすることができる。汚染物質トラップ部８０に汚染物質を含有させるには、上述した酸素イオン伝導性と電子伝導性を有する材料に汚染物質をドーピングした後に熱処理（６００℃〜１１２００℃、１時間〜１２０時間）すればよい。

【0049】

汚染物質トラップ部８０は、酸化剤ガスを透過可能である。汚染物質トラップ部８０の開気孔率は特に制限されないが、アルキメデス法によって測定される開気孔率を１０％以上５０％以下とすることができる。汚染物質トラップ部８０の形状は特に制限されず、例えば、膜状、層状、或いは板状のほか、直方体状、球体状などであってもよい。

【0050】

このように、酸素イオン伝導性と電子伝導性を有する汚染物質トラップ部８０が、マニホールド２に最も近い基端側発電素子部Ａｋ及び基端側発電素子部Ａｊのそれぞれにおいて、空気極集電部７０上に配置されている。従って、汚染物質トラップ部８０が、空気極集電部７０とともに、燃料電池セル１０内での化学反応に伴う電流経路の一部として機能するため、汚染物質トラップ部８０自体の活性を高めることができる。そのため、汚染物質トラップ部８０によって汚染物質を効率的にトラップすることができる。また、汚染物質トラップ部８０は、マニホールド２に最も近い基端側発電素子部Ａｋ及び基端側発電素子部Ａｊのそれぞれに設けられているため、汚染物質がトラップ（吸着、除去）された後の酸化剤ガスを各発電素子部Ａに供給することができる。

【0051】

（燃料電池セル１の製造方法）
次に、燃料電池セル１の製造方法の一例について説明する。

【0052】

まず、上述した支持基板材料を押出成形することによって、ガス流路１０ａを有する支持基板１０の成形体を形成する。そして、支持基板１０の成形体の表裏面に、燃料極集電部２１の成形体を収容するための凹部を形成する。

【0053】

次に、上述した燃料極集電部材料をペースト化してスクリーン印刷することによって、支持基板１０の凹部内に燃料極集電部２１の成形体を形成する。そして、燃料極集電部２１の成形体の表面に、燃料極活性部２２とインターコネクタ３０の成形体を収容するための凹部を形成する。

【0054】

次に、上述した燃料極活性部材料をペースト化してスクリーン印刷することによって、燃料極集電部２１の凹部内に燃料極活性部２２の成形体を形成する。

【0055】

次に、上述したインターコネクタ材料をペースト化してスクリーン印刷することによって、燃料極集電部２１の凹部内にインターコネクタ３０の成形体を形成する。

【0056】

次に、上述した固体電解質層材料をペースト化してスクリーン印刷することによって、燃料極２０とインターコネクタ３０の成形体上に固体電解質層４０の成形体を形成する。

【0057】

次に、固体電解質層４０の成形体上に反応防止層材料をディップ成形することによって、反応防止層５０の成形体を形成する。

【0058】

次に、支持基板１０、燃料極２０、インターコネクタ３０、固体電解質層４０、及び反応防止層５０それぞれの成形体を共焼成（１３００〜１６００℃、２〜２０時間）する。

【0059】

次に、空気極活性部材料をペースト化して反応防止層５０上にスクリーン印刷することによって、空気極活性部６０の成形体を形成する。

【0060】

次に、空気極集電部材料をペースト化して空気極活性部６０の成形体上にスクリーン印刷することによって、空気極集電部７０の成形体を形成する。

【0061】

次に、汚染物質トラップ部材料をペースト化して空気極集電部７０の成形体上にスクリーン印刷することによって、汚染物質トラップ部８０の成形体を形成する。

【0062】

次に、空気極活性部６０、空気極集電部７０及び汚染物質トラップ部８０の各成形体を焼成（９００〜１１００℃、１〜２０時間）する。

【0063】

２．第２実施形態
（燃料電池装置１０１の構成）
第２実施形態に係る燃料電池装置１０１の構成について、図面を参照しながら説明する。図４は、燃料電池装置１０１の構成を示す断面図である。

【0064】

燃料電池装置１０１は、燃料電池セル１１０、インターコネクタ１２０、セパレータ１３０、酸化剤ガス供給部１４０、酸化剤ガス排出部１５０、及び汚染物質トラップ部１６０を備える。燃料電池装置１０１を複数積層することによって、燃料電池セルスタックを構成しうる。本実施形態において、燃料電池セル１１０は電気化学セルの一例であり、燃料電池装置１０１は電気化学装置の一例である。

【0065】

（燃料電池セル１１０）
燃料電池セル１１０は、固体電解質層１１１、燃料極１１２、空気極１１３、燃料極側集電部１１４、及び空気極側集電部１１５を有する。

【0066】

本実施形態に係る燃料電池セル１１０は、空気極１１３及び固体電解質層１１１に比べて燃料極１１２が顕著に厚い燃料極支持型セルであるが、これに限定されない。燃料電池セル１１０は、固体電解質層１１１及び燃料極１１２に比べて空気極１１３が顕著に厚い空気極支持型セルであってもよく、燃料極１１２及び空気極１１３に比べて固体電解質層１１１が顕著に厚い電解質支持型セルであってもよい。

【0067】

固体電解質層１１１は、薄板状に形成される。固体電解質層１１１の厚みは、３μｍ以上２０μｍ以下とすることができる。固体電解質層１１１は、空気極１１３において発生する酸素イオンを燃料極１１２に移動させる酸素イオン伝導性を有する電解質材料によって構成される。このような電解質材料としては、例えば、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、スカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）、サマリウム添加セリア（ＣｅＳｍＯ_２）、ガドリウム添加セリア（ＣｅＧｄＯ_２）、及びカルシア安定化ジルコニア（ＣａＳＺ）の１種、或いは２種以上の組み合わせが挙げられる。

【0068】

固体電解質層１１１は、緻密質である。固体電解質層１１１は、酸化剤ガスの燃料極１１２側への透過、及び、燃料ガスの空気極１１３側への透過を防止する。アルキメデス法によって求められる固体電解質層１１１の相対密度は、９５％以上が好ましい。

【0069】

燃料極１１２は、固体電解質層１１１の第１主面１１１Ｓ上に配置される。燃料極１１２は、燃料電池セル１１０のアノードとして機能する。燃料極１１２は、多孔質体である。

【0070】

燃料極１１２は、燃料ガス室Ｓ１内に配置される。燃料ガス室Ｓ１には、図示しない燃料ガス供給部から燃料ガスが供給される。燃料ガスとしては、水素、炭化水素、及び、水素と炭化水素との混合ガスが挙げられる。炭化水素としては、例えば、天然ガス、ナフサ、及び石炭ガス化ガスなどが挙げられるが、これに限られない。燃料ガスは、１種類の炭化水素であってもよく、２種類以上の炭化水素の混合物であってもよい。燃料ガスは、窒素及びアルゴンなどの不活性ガスを含有していてもよい。

【0071】

燃料極１１２は、周知の燃料極材料によって構成される。燃料極１１２は、例えば、Ｎｉ及び／又はＦｅ等の金属と上述した電解質材料との混合物によって構成することができる。

【0072】

空気極１１３は、固体電解質層１１１の第２主面１１１Ｔ上に配置される。空気極１１３は、燃料電池セル１１０のカソードとして機能する。空気極１１３は、多孔質体である。空気極１１３の気孔率は特に制限されないが、１１０％以上とすることができる。空気極１１３の厚みは特に制限されないが、例えば１３０μｍ以上１２００μｍ以下とすることができる。

【0073】

空気極１１３は、酸化剤ガス室Ｓ２内に配置される。酸化剤ガス室Ｓ２には、酸化剤ガス供給部１４０から酸化剤ガスが供給される。空気極１１３を通過した後の酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出部１５０によって酸化剤ガス室Ｓ２から排出される。酸化剤ガスとしては、空気が好ましい。

【0074】

空気極１１３は、酸素イオン伝導性及び電子伝導性を有する材料によって構成することができる。このような材料としては、Ｌａ、Ｓｒ、Ｃｏ、及びＦｅの少なくとも１種の元素を含む複合酸化物が好適である。このような複合酸化物としては、Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＣｏＯ_３系複合酸化物、Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＦｅＯ_３系複合酸化物、Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＣｏ_１−ｙＦｅ_ｙＯ_３系複合酸化物、Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＭｎＯ_３系複合酸化物、Ｐｒ_１−ｘＢａ_ｘＣｏＯ_３系複合酸化物、及びＳｍ_１−ｘＳｒ_ｘＣｏＯ_３系複合酸化物などが挙げられる。

【0075】

燃料極側集電部１１４は、燃料極１１２と電気的かつ機械的に接合される。燃料極側集電部１１４の構成材料としては、例えば、通気性を有するＮｉフェルト等が挙げられる。燃料極側集電部１１４は、燃料電池装置１０１が複数積層された場合、燃料極１１２とインターコネクタ１２０との間に挟まれる。なお、燃料極側集電部１１４は、インターコネクタ１２０と一体的に形成されていてもよい。

【0076】

空気極側集電部１１５は、空気極１１３と電気的かつ機械的に接合される。空気極側集電部１１５の構成材料としては、例えば、Ａｇ−Ｐｄ等の金属材料が挙げられる。空気極側集電部１１５は、空気極１１３とインターコネクタ１２０との間に挟まれる。なお、空気極側集電部１１５は、インターコネクタ１２０と一体的に形成されていてもよい。

【0077】

（インターコネクタ１２０）
インターコネクタ１２０は、空気極１１３と電気的に接合される。本実施形態において、インターコネクタ１２０は、空気極側集電部１１５を介して空気極１１３と電気的に接合されている。インターコネクタ１２０は、空気極側集電部１１５と電気的かつ機械的に接合される。インターコネクタ１２０は、燃料電池装置１０１が複数積層された場合、隣接する２つの燃料電池セル１１０の間に挟まれる。この場合、インターコネクタ１２０は、燃料極側集電部１１４及び空気極側集電部１１５それぞれと電気的かつ機械的に接合される。

【0078】

インターコネクタ１２０は、金属によって構成することができ、ステンレスによって構成されるのが好ましい。

【0079】

（セパレータ１３０）
セパレータ１３０は、燃料電池セル１１０の周囲を取り囲むように配置される。本実施形態に係るセパレータ１３０は、固体電解質層１１１の第２主面１１１Ｔに接合され、空気極１１３を取り囲むように配置されている。

【0080】

セパレータ１３０は、燃料ガス室Ｓ１と酸化剤ガス室Ｓ２とを隔てる。すなわち、セパレータ１３０は、固体電解質層１１１と同様、酸化剤ガスの燃料極１１２側への透過、及び、燃料ガスの空気極１１３側への透過を防止する。

【0081】

セパレータ１３０は、金属によって構成することができ、ステンレスによって構成されるのが好ましい。

【0082】

（酸化剤ガス供給部１４０）
酸化剤ガス供給部１４０は、燃料電池セル１１０の側方に配置される。酸化剤ガス供給部１４０は、酸化剤ガス供給路１４１と酸化剤ガス供給口１４２とを有する。

【0083】

酸化剤ガス供給路１４１は、燃料電池セル１１０の積層方向に沿って延びる。燃料電池装置１０１が複数積層された場合、酸化剤ガス供給路１４１どうしが連なることによって、１本の酸化剤ガス供給経路が形成される。

【0084】

酸化剤ガス供給口１４２は、酸化剤ガス供給路１４１に連なる。酸化剤ガス供給口１４２は、酸化剤ガス室Ｓ２に開口する。酸化剤ガス供給口１４２は、燃料電池セル１１０に向かって開口する。

【0085】

酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給路１４１と酸化剤ガス供給口１４２とを順次通過して、酸化剤ガス室Ｓ２に供給される。酸化剤ガス供給部１４０から酸化剤ガス室Ｓ２に供給される酸化剤ガスは、図１に示すように、流通方向Ｄ１に沿って酸化剤ガス室Ｓ２内を流れる。流通方向Ｄ１は、酸化剤ガス供給口１４２から後述する酸化剤ガス排出口１５２へと向かう方向である。流通方向Ｄ１は、酸化剤ガス供給口１４２の中心と酸化剤ガス排出口５２の中心とを結ぶ直線によって規定される。酸化剤ガス供給口１４２及び酸化剤ガス排出口１５２の少なくとも一方が複数存在する場合、流通方向Ｄ１は、いずれか１つの酸化剤ガス供給口１４２の中心といずれか１つの酸化剤ガス排出口１５２の中心とを結ぶ直線によって規定される。

【0086】

（酸化剤ガス排出部１５０）
酸化剤ガス排出部１５０は、燃料電池セル１１０の側方に配置される。酸化剤ガス排出部１５０は、酸化剤ガス排出路１５１と酸化剤ガス排出口１５２とを有する。

【0087】

酸化剤ガス排出路１５１は、燃料電池セル１１０の積層方向に沿って延びる。燃料電池装置１０１が複数積層された場合、酸化剤ガス排出路１５１どうしが連なることによって、１本の酸化剤ガス排出経路が形成される。

【0088】

酸化剤ガス排出口１５２は、酸化剤ガス排出路１５１に連なる。酸化剤ガス排出口１５２は、酸化剤ガス室Ｓ２に開口する。酸化剤ガス排出口１５２は、燃料電池セル１１０に向かって開口する。

【0089】

酸化剤ガス供給口１４２から酸化剤ガス室Ｓ２に供給され、流通方向Ｄ１に沿って酸化剤ガス室Ｓ２内を通過した酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出口１５２から酸化剤ガス排出路１５１に排出される。

【0090】

（汚染物質トラップ部１６０）
本実施形態において、汚染物質トラップ部１６０は、空気極１１３のうち酸化剤ガス供給口１４２側の部分上に配置される。空気極１１３のうち酸化剤ガス供給口１４２側の部分とは、流通方向Ｄ１における空気極１１３の中央を基準として、酸化剤ガス供給口１４２に近い部分のことである。汚染物質トラップ部１６０は、酸化剤ガス供給口１４２の近くに配置されるのが好ましく、図４に示すように、空気極１１３のうち酸化剤ガス供給口１４２側の端部上に配置されるのが特に好ましい。

【0091】

汚染物質とは、酸化剤ガスに含有される物質のうち、空気極１１３に吸着して触媒活性を低下させる物質である。例えば、汚染物質が空気極１１３の複合酸化物と反応して反応生成物が生成されると、空気極１１３内の空孔が塞がれて、酸化剤ガスが空気極１１３内に充分に供給されなくなって、空気極１１３の触媒活性が不充分となる。また、汚染物質が空気極１１３の複合酸化物と反応して、触媒活性を有しない他の物質に変性してしまうおそれがある。空気極１１３の触媒活性が低下すると、燃料電池セル１１０の発電性能が低下してしまう。

【0092】

汚染物質としては、例えば、Ｓ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｂ、及びＣｌの少なくとも１種の元素を含有する物質（例えば、ＳＯｘなど）が挙げられる。汚染物質には、Ｈ_２Ｏが含まれていてもよい。

【0093】

汚染物質トラップ部１６０は、酸素イオン伝導性と電子伝導性を有する。汚染物質トラップ部１６０は、酸素イオン伝導性材料と電子伝導性材料とを混合したコンポジット材料、或いは、酸素イオン伝導性と電子伝導性との両方を有する混合導電性材料を主成分として含有する。

【0094】

汚染物質トラップ部１６０は、金属酸化物を含有していることが好ましい。金属酸化物は、Ｌａ、Ｓｒ、Ｓｍ、Ｇｄ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｃｏ、及びＦｅよりなる群から選択される少なくとも１種の元素を含む酸化物であることが好ましい。金属酸化物は、複合酸化物であることが好ましい。

【0095】

汚染物質トラップ部１６０は、上述した汚染物質を含有していることが更に好ましい。これにより、汚染物質トラップ部１６０における反応活性が高まるため、汚染物質を効率的にトラップすることができる。汚染物質トラップ部１６０に汚染物質を含有させるには、上述した金属酸化物に汚染物質をドーピングした後に熱処理（６００℃〜１１２００℃、１時間〜１２０時間）すればよい。

【0096】

汚染物質トラップ部１６０は、酸化剤ガスを透過可能である。汚染物質トラップ部１６０の開気孔率は特に制限されないが、アルキメデス法によって測定される開気孔率を１０％以上５０％以下とすることができる。汚染物質トラップ部１６０の形状は特に制限されず、例えば、膜状、層状、或いは板状のほか、直方体状、球体状などであってもよい。

【0097】

このように、酸素イオン伝導性と電子伝導性を有する汚染物質トラップ部１６０が、空気極１１３のうち酸化剤ガス供給口１４２側の部分上に配置されている。

【0098】

従って、汚染物質トラップ部１６０が、空気極１１３とともに、燃料電池セル１１０内での化学反応に伴う電流経路の一部として機能するため、汚染物質トラップ部１６０自体の活性を高めることができる。そのため、汚染物質トラップ部１６０によって汚染物質を効率的にトラップすることができる。

【0099】

また、汚染物質トラップ部１６０が、酸化剤ガス供給口１４２側の部分上に配置されているため、酸化剤ガス室Ｓ２内の雰囲気温度で酸化剤ガスが昇温する前に、酸化剤ガスを汚染物質トラップ部１６０に供給できる。従って、比較的低温の酸化剤ガスを汚染物質トラップ部１６０に供給できるため、汚染物質トラップ部１６０の分子運動がおだやかになる。その結果、汚染物質トラップ部１６０によって効率的に汚染物質をトラップすることができる。

【0100】

（燃料電池装置１０１の製造方法）
燃料電池装置１０１の製造方法の一例について説明する。

【0101】

まず、燃料極１１２用グリーンシート上に重ねた固体電解質層１１１用グリーンシートの第２主面１１１Ｔ上に空気極１１３用スラリーと汚染物質トラップ部１６０用スラリーとを順に塗布・乾燥させた後に焼成することによって、燃料電池セル１１０と汚染物質トラップ部１６０とが形成される。

【0102】

次に、固体電解質層１１１の第２主面１１１Ｔにセパレータ１３０をロウ付けする。

【0103】

次に、燃料極１１２に燃料極側集電部１１４を接合するとともに、空気極１１３に空気極側集電部１１５とインターコネクタ１２０とを順次接合する。

【0104】

次に、インターコネクタ１２０とセパレータ１３０が接合された燃料電池セル１１０の側方に酸化剤ガス供給部１４０と酸化剤ガス排出部１５０とを配置する。

【0105】

３．第２実施形態の変形例
第２実施形態の変形例に係る燃料電池装置１０２の構成について、図面を参照しながら説明する。図５は、燃料電池装置１０２の構成を示す断面図である。

【0106】

上記第２実施形態と本変形例との相違点は、汚染物質トラップ部の配置位置になる。よって、以下の説明では、当該相違点について主に説明する。

【0107】

燃料電池装置１０１は、汚染物質トラップ部１７０を備える。汚染物質トラップ部１７０は、空気極１１３のうち酸化剤ガス排出口１５２側の部分上に配置される。空気極１１３のうち酸化剤ガス排出口１５２側の部分とは、流通方向Ｄ１における空気極１１３の中央を基準として、酸化剤ガス排出口１５２に近い部分のことである。汚染物質トラップ部１７０は、酸化剤ガス排出口１５２の近くに配置されるのが好ましく、図５に示すように、空気極１１３のうち酸化剤ガス排出口１５２側の端部上に配置されるのが特に好ましい。

【0108】

汚染物質トラップ部１７０は、酸素イオン伝導性と電子伝導性を有する。汚染物質トラップ部１７０は、酸素イオン伝導性材料と電子伝導性材料とを混合したコンポジット材料、或いは、酸素イオン伝導性と電子伝導性との両方を有する混合導電性材料を主成分として含有する。

【0109】

汚染物質トラップ部１７０は、金属酸化物を含有していることが好ましい。金属酸化物は、Ｌａ、Ｓｒ、Ｓｍ、Ｇｄ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｃｏ、及びＦｅよりなる群から選択される少なくとも１種の元素を含む酸化物であることが好ましい。金属酸化物は、複合酸化物であることが好ましい。

【0110】

汚染物質トラップ部１７０は、汚染物質（例えば、Ｓ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｂ、及びＣｌの少なくとも１種の元素）を含有していることが更に好ましい。これにより、汚染物質トラップ部１７０における反応活性が高まるため、汚染物質を効率的にトラップすることができる。汚染物質トラップ部１７０に汚染物質を含有させるには、上述した金属酸化物に汚染物質をドーピングした後に熱処理（６００℃〜１１２００℃、１時間〜１２０時間）すればよい。

【0111】

汚染物質トラップ部１７０は、酸化剤ガスを透過可能である。汚染物質トラップ部１７０の開気孔率は特に制限されないが、アルキメデス法によって測定される開気孔率を１０％以上５０％以下とすることができる。汚染物質トラップ部１７０の形状は特に制限されず、例えば、膜状、層状、或いは板状のほか、直方体状、球体状などであってもよい。

【0112】

このように、酸素イオン伝導性と電子伝導性を有する汚染物質トラップ部１７０が、空気極１１３のうち酸化剤ガス排出口１５２側の部分上に配置されている。

【0113】

従って、汚染物質トラップ部１７０が、空気極１１３とともに、燃料電池セル１１０内での化学反応に伴う電流経路の一部として機能するため、汚染物質トラップ部１７０自体の活性を高めることができる。そのため、汚染物質トラップ部１７０によって汚染物質を効率的にトラップすることができる。

【0114】

また、汚染物質トラップ部１７０が、酸化剤ガス排出口１５２側の部分上に配置されているため、燃料電池装置１０１が停止した場合に、温度低下に伴って負圧になる酸化剤ガス室Ｓ２内に酸化剤ガス排出口１５２から逆流する酸化剤ガス中の汚染物質をトラップすることができる。

【0115】

（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。

【0116】

上記第１実施形態では、電気化学セルを備える電気化学装置の一例として、燃料電池セル１０を備える燃料電池装置１について説明し、上記第２実施形態では、電気化学セルを備える電気化学装置の一例として燃料電池装置１００について説明したがこれに限られない。電気化学装置には、水蒸気から水素と酸素を生成する電解セルを電気化学セルとして備えるものが含まれる。

【0117】

上記第１実施形態では、電気化学セルの一例として横縞型の燃料電池セル１について説明し、上記第２実施形態では、電気化学セルの一例として平板型の燃料電池セル１００について説明したが、本発明にかかる汚染物質トラップ部８０は、縦縞型の燃料電池セルにも適用可能である。

【0118】

上記第１実施形態では、マニホールド２に最も近い基端側発電素子部Ａｋ及び基端側発電素子部Ａｊのそれぞれが汚染物質トラップ部８０を有することとしたが、これに限られるものではない。基端側発電素子部Ａｋ及び基端側発電素子部Ａｊ以外の発電素子部Ａが汚染物質トラップ部８０を有していてもよいし、基端側発電素子部Ａｋ及び基端側発電素子部Ａｊの少なくとも一方が汚染物質トラップ部８０を有していなくてもよい。汚染物質トラップ部８０は、酸化剤ガスのガス流方向における上流側の発電素子部Ａに設けられていることが好ましい。また、汚染物質トラップ部８０は、空気極側集電部７０の表面のうち、酸化剤ガスのガス流方向における上流側の領域に設けられていることが好ましい。

【符号の説明】

【0119】

１ 燃料電池
２ マニホールド
１００ 燃料電池スタック
Ａ 発電素子部
Ａｋ 基端側発電素子部
Ａｊ 基端側発電素子部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】