特許 7197747 セル、セルスタック装置、モジュールおよびモジュール収容装置

(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】

(24)【登録日】2022-12-19

(45)【発行日】2022-12-27

(54)【発明の名称】セル、セルスタック装置、モジュールおよびモジュール収容装置

(51)【国際特許分類】

   H01M 4/86 20060101AFI20221220BHJP

   H01M 8/2475 20160101ALI20221220BHJP

   H01M 8/04 20160101ALI20221220BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20221220BHJP

【ＦＩ】

H01M4/86 U

H01M8/2475

H01M8/04 Z

H01M8/12 101

H01M8/12 102C

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2022512793

(86)(22)【出願日】2021-10-28

(86)【国際出願番号】 JP2021039906

(87)【国際公開番号】W WO2022092235

(87)【国際公開日】2022-05-05

【審査請求日】2022-02-24

(31)【優先権主張番号】P 2020183197

(32)【優先日】2020-10-30

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000006633

【氏名又は名称】京セラ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】村松 大樹

(72)【発明者】

【氏名】原 章洋

【審査官】高木 康晴

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１０－２３１９１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－１６６３１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－１４６３３４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ ４／８６

Ｈ０１Ｍ ８／２４

Ｈ０１Ｍ ８／０４

Ｈ０１Ｍ ８／１２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

空気極層と、
第１希土類元素および前記第１希土類元素とは異なる第２希土類元素を含有する燃料極層と、
前記空気極層および前記燃料極層の間に位置し、前記第２希土類元素を含有する固体電解質層と
を備え、
前記燃料極層は、第１部位と、前記第１部位および前記固体電解質層の間に位置し、少なくとも前記第２希土類元素を含有する第２部位とを有し、
前記燃料極層は、電子伝導性および触媒作用を有する第１粒子体と、イオン伝導性を有する第２粒子体とを含み、
前記第２粒子体は、前記第１希土類元素を含有する酸化物である第１粒子と、前記第２希土類元素を含有する酸化物であり、前記第１粒子よりもイオン伝導性が高い第２粒子とを含み、
前記第１粒子体は、前記燃料極層の全体にわたって一様に分布し、
前記第２部位は、前記第２希土類元素の含有率が前記第１希土類元素の含有率よりも大きく、
前記固体電解質層は、ＺｒおよびＣｅのうち少なくともいずれかを含むセル。

【請求項2】

空気極層と、
第１希土類元素および前記第１希土類元素とは異なる第２希土類元素を含有する燃料極層と、
前記空気極層および前記燃料極層の間に位置し、前記第２希土類元素を含有する固体電解質層と
を備え、
前記燃料極層は、第１部位と、前記第１部位および前記固体電解質層の間に位置し、少なくとも前記第２希土類元素を含有する第２部位とを有し、
前記燃料極層は、電子伝導性および触媒作用を有する第１粒子体と、イオン伝導性を有する第２粒子体とを含み、
前記第２粒子体は、前記第１希土類元素を含有する酸化物である第１粒子と、前記第２希土類元素を含有する酸化物であり、前記第１粒子よりもイオン伝導性が高い第２粒子とを含み、
前記第１粒子体は、前記燃料極層の全体にわたって一様に分布し、
前記第２部位は、前記第２希土類元素の含有率が前記第１部位よりも大きく、
前記固体電解質層は、ＺｒおよびＣｅのうち少なくともいずれかを含むセル。

【請求項3】

前記第１希土類元素の含有率は、前記第１部位の方が前記第２部位よりも大きい
請求項１または２に記載のセル。

【請求項4】

前記第１希土類元素および前記第２希土類元素の含有率の総和に対する前記第１希土類元素の含有率の割合は、前記第１部位の方が前記第２部位よりも大きい
請求項１～３のいずれか１つに記載のセル。

【請求項5】

空気極層と、
第１希土類元素および前記第１希土類元素とは異なる第２希土類元素を含有する燃料極層と、
前記空気極層および前記燃料極層の間に位置し、前記第２希土類元素を含有する固体電解質層と
を備え、
前記燃料極層は、前記固体電解質層に接する第１面と、前記固体電解質層の反対側に位置する第２面とを有し、
前記燃料極層は、電子伝導性および触媒作用を有する第１粒子体と、イオン伝導性を有する第２粒子体とを含み、
前記第２粒子体は、前記第１希土類元素を含有する酸化物である第１粒子と、前記第２希土類元素を含有する酸化物であり、前記第１粒子よりもイオン伝導性が高い第２粒子とを含み、
前記第１粒子体は、前記燃料極層の全体にわたって一様に分布し、
前記燃料極層は、前記第２希土類元素の含有率が前記第１面から前記第２面にかけて漸減しており、
前記固体電解質層は、ＺｒおよびＣｅのうち少なくともいずれかを含むセル。

【請求項6】

請求項１～５のいずれか１つに記載のセルを１つ以上備えるセルスタックを有する
セルスタック装置。

【請求項7】

請求項６に記載のセルスタック装置と、
前記セルスタック装置を収納する収納容器と
を備えるモジュール。

【請求項8】

請求項７に記載のモジュールと、
前記モジュールの運転を行うための補機と、
前記モジュールおよび前記補機を収容する外装ケースと
を備えるモジュール収容装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、セル、セルスタック装置、モジュールおよびモジュール収容装置に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、次世代エネルギーとして、燃料電池セルを複数有する燃料電池セルスタック装置が種々提案されている。燃料電池セルは、水素含有ガスなどの燃料ガスと空気などの酸素含有ガスとを用いて電力を得ることができるセルの１種である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１５－３５４１６号公報

【発明の概要】

【0004】

実施形態の一態様に係るセルは、空気極層と、燃料極層と、固体電解質層とを備える。燃料極層は、第１希土類元素および前記第１希土類元素とは異なる第２希土類元素を含有する。固体電解質層は、前記空気極層および前記燃料極層の間に位置し、前記第２希土類元素を含有する。前記燃料極層は、第１部位と第２部位とを有する。第２部位は、前記第１部位および前記固体電解質層の間に位置し、少なくとも前記第２希土類元素を含有する。

【0005】

また、本開示のセルスタック装置は、上記に記載のセルを１つ以上備えるセルスタックを有する。

【0006】

また、本開示のモジュールは、上記に記載のセルスタック装置と、セルスタック装置を収納する収納容器とを備える。

【0007】

また、本開示のモジュール収容装置は、上記に記載のモジュールと、モジュールの運転を行うための補機と、モジュールおよび補機を収容する外装ケースとを備える。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1A】図１Ａは、第１の実施形態に係るセルの一例を示す横断面図である。

【図1B】図１Ｂは、第１の実施形態に係るセルの一例を空気極層側からみた側面図である。

【図1C】図１Ｃは、第１の実施形態に係るセルの一例をインターコネクタ側からみた側面図である。

【図2A】図２Ａは、第１の実施形態に係るセルスタック装置の一例を示す斜視図である。

【図2B】図２Ｂは、図２Ａに示すＸ－Ｘ線の断面図である。

【図2C】図２Ｃは、第１の実施形態に係るセルスタック装置の一例を示す上面図である。

【図3A】図３Ａは、燃料極層の概略の一例を示す図である。

【図3B】図３Ｂは、図１Ａに示す領域Ｒ１を拡大した断面図である。

【図4】図４は、第１の実施形態に係るモジュールの一例を示す外観斜視図である。

【図5】図５は、第１の実施形態に係るモジュール収容装置の一例を概略的に示す分解斜視図である。

【図6】図６は、第２の実施形態に係るセルを概略的に示す断面図である。

【図7】図７は、第２の実施形態に係るセルの一例を示す斜視図である。

【図8】図８は、図７に示すセルの部分断面図である。

【図9】図９は、図８に示す領域Ｒ２を拡大した断面図である。

【図10A】図１０Ａは、第３の実施形態に係るセルの一例を示す斜視図である。

【図10B】図１０Ｂは、図１０Ａに示すセルの部分断面図である。

【図10C】図１０Ｃは、図１０Ｂに示す領域Ｒ３を拡大した断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、添付図面を参照して、本願の開示するセル、セルスタック装置、モジュールおよびモジュール収容装置の実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。

【0010】

また、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、現実と異なる場合があることに留意する必要がある。さらに、図面の相互間においても、互いの寸法の関係、比率などが異なる部分が含まれている場合がある。

【0011】

［第１の実施形態］
＜セルの構成＞
まず、図１Ａ～図１Ｃを参照しながら、第１の実施形態に係るセルとして、固体酸化物形の燃料電池セルの例を用いて説明する。

【0012】

図１Ａは、第１の実施形態に係るセル１の一例を示す横断面図であり、図１Ｂは、第１の実施形態に係るセル１の一例を空気極層側からみた側面図であり、図１Ｃは、第１の実施形態に係るセル１の一例をインターコネクタ側からみた側面図である。なお、図１Ａ～図１Ｃは、セル１の各構成の一部を拡大して示している。

【0013】

図１Ａ～図１Ｃに示す例において、セル１は中空平板型で、細長い板状である。図１Ｂに示すように、セル１の全体を側面から見た形状は、たとえば、長さ方向Ｌの辺の長さが５ｃｍ～５０ｃｍで、この長さ方向Ｌに直交する幅方向Ｗの長さが１ｃｍ～１０ｃｍの長方形である。このセル１の全体の厚み方向Ｔの厚さは、たとえば１ｍｍ～５ｍｍである。

【0014】

図１Ａに示すように、セル１は、導電性の支持基板２と、素子部３と、インターコネクタ４とを備えている。支持基板２は、一対の対向する平坦面ｎ１、ｎ２、およびかかる平坦面ｎ１、ｎ２を接続する一対の円弧状の側面ｍを有する柱状である。

【0015】

素子部３は、支持基板２の平坦面ｎ１上に位置している。かかる素子部３は、燃料極層５と、固体電解質層６と、空気極層８とを有している。また、図１Ａに示す例では、セル１の平坦面ｎ２上にインターコネクタ４が位置している。なお、セル１は、固体電解質層６と空気極層８との間に中間層７を備えていてもよい。

【0016】

また、図１Ｂに示すように、空気極層８はセル１の下端まで延びていない。セル１の下端部では、固体電解質層６のみが平坦面ｎ１の表面に露出している。また、図１Ｃに示すように、インターコネクタ４がセル１の下端まで延びていてもよい。セル１の下端部では、インターコネクタ４および固体電解質層６が表面に露出している。なお、図１Ａに示すように、セル１の一対の円弧状の側面ｍにおける表面では、固体電解質層６が露出している。インターコネクタ４は、セル１の下端まで延びていなくてもよい。

【0017】

以下、セル１を構成する各構成部材について説明する。

【0018】

支持基板２は、ガスが流れるガス流路２ａを内部に有している。図１Ａに示す支持基板２の例は、６つのガス流路２ａを有している。支持基板２は、ガス透過性を有し、ガス流路２ａに流れる燃料ガスを燃料極層５まで透過させる。支持基板２は導電性を有していてもよい。導電性を有する支持基板２は、素子部３で生じた電気をインターコネクタ４に集電する。

【0019】

支持基板２の材料は、たとえば、鉄族金属成分および無機酸化物を含む。鉄族金属成分は、たとえば、Ｎｉ（ニッケル）および／またはＮｉＯである。無機酸化物は、たとえば、特定の希土類元素酸化物であってもよい。希土類元素酸化物は、たとえば、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｇｄ、ＤｙおよびＹｂから選択される１以上の希土類元素を含んでよい。

【0020】

燃料極層５の材料には、一般的に公知のものを使用することができる。燃料極層５は、多孔質の導電性セラミックス、たとえば希土類元素酸化物が固溶しているＺｒＯ_２などのイオン伝導性材料と、Ｎｉおよび／またはＮｉＯとを含むセラミックスなどを用いてもよい。この希土類元素酸化物は、たとえば、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｇｄ、ＤｙおよびＹｂから選択される複数の希土類元素を含む。希土類元素酸化物が固溶しているＺｒＯ_２を安定化ジルコニアと称する場合もある。安定化ジルコニアは、部分安定化ジルコニアも含む。なお、燃料極層５の詳細については、後述する。

【0021】

固体電解質層６は、電解質であり、燃料極層５と空気極層８との間のイオンの橋渡しをする。同時に、固体電解質層６は、ガス遮断性を有し、燃料ガスと酸素含有ガスとのリークを生じにくくする。

【0022】

固体電解質層６の材料は、たとえば、３モル％～１５モル％の希土類元素酸化物が固溶したＺｒＯ_２などのイオン伝導性材料であってもよい。希土類元素酸化物は、たとえば、Ｓｃ、Ｌａ、Ｎｄ、ＧｄおよびＹｂから選択される１以上の希土類元素を含んでよい。以下、希土類元素酸化物が固溶した材料を、単に希土類元素が固溶した材料という場合がある。固体電解質層６は、たとえば、Ｙｂ、ＳｃまたはＧｄが固溶したＺｒＯ_２を含んでもよく、Ｌａ、ＮｄまたはＹｂが固溶したＣｅＯ_２を含んでもよく、ＳｃまたはＹｂが固溶したＢａＺｒＯ_３を含んでもよく、ＳｃまたはＹｂが固溶したＢａＣｅＯ_３を含んでもよい。固体電解質層６は、第２希土類元素が固溶した材料を含む。換言すれば、固体電解質層６に含まれるイオン伝導性材料に固溶している希土類元素は、第２希土類元素である。

【0023】

空気極層８は、ガス透過性を有している。空気極層８の開気孔率（空隙率）は、たとえば２０％～５０％、特に３０％～５０％の範囲であってもよい。

【0024】

空気極層８の材料は、一般的に空気極に用いられるものであれば特に制限はない。空気極層８の材料は、たとえば、いわゆるＡＢＯ_３型のペロブスカイト型酸化物などの導電性セラミックスであってもよい。

【0025】

空気極層８の材料は、たとえば、ＡサイトにＳｒ（ストロンチウム）とＬａ（ランタン）が共存する複合酸化物であってもよい。このような複合酸化物の例としては、Ｌａ_ｘＳｒ_１－ｘＣｏ_ｙＦｅ_１－ｙＯ_３、Ｌａ_ｘＳｒ_１－ｘＭｎＯ_３、Ｌａ_ｘＳｒ_１－ｘＦｅＯ_３、Ｌａ_ｘＳｒ_１－ｘＣｏＯ_３などが挙げられる。なお、ｘは０＜ｘ＜１、ｙは０＜ｙ＜１である。

【0026】

また、素子部３が中間層７を有する場合、中間層７は、拡散抑制層としての機能を有する。中間層７は、空気極層８に含まれるＳｒ（ストロンチウム）がたとえばＺｒを含有する固体電解質層６に拡散されにくくすることで、かかる固体電解質層６にＳｒＺｒＯ_３の抵抗層を形成させにくくする。

【0027】

中間層７の材料は、一般的にＳｒの拡散抑制層に用いられるものであれば特に制限はない。中間層７の材料は、たとえば、Ｃｅ（セリウム）を除く希土類元素が固溶した酸化セリウム（ＣｅＯ_２）を含んでもよい。かかる希土類元素としては、たとえば、Ｇｄ（ガドリニウム）、Ｓｍ（サマリウム）などを用いてもよい。

【0028】

また、インターコネクタ４は、緻密質であり、支持基板２の内部に位置するガス流路２ａを流通する燃料ガス、および支持基板２の外側を流通する酸素含有ガスのリークを生じにくくする。インターコネクタ４は、９３％以上、特に９５％以上の相対密度を有していてもよい。

【0029】

インターコネクタ４の材料には、ランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物（ＬａＣｒＯ_３系酸化物）、ランタンストロンチウムチタン系のペロブスカイト型酸化物（ＬａＳｒＴｉＯ_３系酸化物）を用いてもよい。これらの材料は、導電性を有し、かつ水素含有ガスなどの燃料ガスおよび空気などの酸素含有ガスと接触しても還元も酸化もされにくい。

【0030】

＜セルスタック装置の構成＞
次に、上述したセル１を用いた本実施形態に係るセルスタック装置１０について、図２Ａ～図２Ｃを参照しながら説明する。図２Ａは、第１の実施形態に係るセルスタック装置の一例を示す斜視図であり、図２Ｂは、図２Ａに示すＸ－Ｘ線の断面図であり、図２Ｃは、第１の実施形態に係るセルスタック装置の一例を示す上面図である。

【0031】

図２Ａに示すように、セルスタック装置１０は、セル１の厚み方向Ｔ（図１Ａ参照）に配列（積層）された複数のセル１を有するセルスタック１１と、固定部材１２とを備える。

【0032】

固定部材１２は、固定材１３と、支持部材１４とを有する。支持部材１４は、セル１を支持する。固定材１３は、セル１を支持部材１４に固定する。また、支持部材１４は、支持体１５と、ガスタンク１６とを有する。支持部材１４である支持体１５およびガスタンク１６は、金属製であり導電性を有している。

【0033】

図２Ｂに示すように、支持体１５は、複数のセル１の下端部が挿入される挿入孔１５ａを有している。複数のセル１の下端部と挿入孔１５ａの内壁とは、固定材１３で接合されている。

【0034】

ガスタンク１６は、挿入孔１５ａを通じて複数のセル１に反応ガスを供給する開口部と、かかる開口部の周囲に位置する凹溝１６ａとを有する。支持体１５の外周の端部は、ガスタンク１６の凹溝１６ａに充填された接合材２１によって、ガスタンク１６と接合されている。

【0035】

図２Ａに示す例では、支持部材１４である支持体１５とガスタンク１６とで形成される内部空間２２に燃料ガスが貯留される。ガスタンク１６にはガス流通管２０が接続されている。燃料ガスは、このガス流通管２０を通してガスタンク１６に供給され、ガスタンク１６からセル１の内部のガス流路２ａ（図１Ａ参照）に供給される。ガスタンク１６に供給される燃料ガスは、後述する改質器１０２（図４参照）で生成される。

【0036】

水素リッチな燃料ガスは、原燃料を水蒸気改質などすることによって生成することができる。水蒸気改質により燃料ガスを生成する場合には、燃料ガスは水蒸気を含む。

【0037】

図２Ａに示す例では、２列のセルスタック１１、２つの支持体１５、およびガスタンク１６を備えている。２列のセルスタック１１は、複数のセル１をそれぞれ有する。各セルスタック１１は、各支持体１５に固定されている。ガスタンク１６は上面に２つの貫通孔を有している。各貫通孔には、各支持体１５が配置されている。内部空間２２は、１つのガスタンク１６と、２つの支持体１５とで形成される。

【0038】

挿入孔１５ａの形状は、たとえば、上面視で長円形状である。挿入孔１５ａは、たとえば、セル１の配列方向すなわち厚み方向Ｔの長さが、セルスタック１１の両端に位置する２つの端部集電部材１７の間の距離よりも大きい。挿入孔１５ａの幅は、たとえば、セル１の幅方向Ｗ（図１Ａ参照）の長さよりも大きい。

【0039】

図２Ｂに示すように、挿入孔１５ａの内壁とセル１の下端部との接合部は、固定材１３が充填され、固化されている。これにより、挿入孔１５ａの内壁と複数個のセル１の下端部とがそれぞれ接合・固定され、また、セル１の下端部同士が接合・固定されている。各セル１のガス流路２ａは、下端部で支持部材１４の内部空間２２と連通している。

【0040】

固定材１３および接合材２１は、ガラスなどの導電性が低いものを用いることができる。固定材１３および接合材２１の具体的な材料としては、非晶質ガラスなどを用いてもよく、特に結晶化ガラスなどを用いてもよい。

【0041】

結晶化ガラスとしては、たとえば、ＳｉＯ_２－ＣａＯ系、ＭｇＯ－Ｂ_２Ｏ_３系、Ｌａ_２Ｏ_３－Ｂ_２Ｏ_３－ＭｇＯ系、Ｌａ_２Ｏ_３－Ｂ_２Ｏ_３－ＺｎＯ系、ＳｉＯ_２－ＣａＯ－ＺｎＯ系などの材料のいずれかを用いてもよく、特にＳｉＯ_２－ＭｇＯ系の材料を用いてもよい。

【0042】

また、図２Ｂに示すように、複数のセル１のうち隣接するセル１の間には、導電部材１８が介在している。導電部材１８は、隣接する一方のセル１と他方のセル１とを電気的に直列に接続する。より具体的には、導電部材１８は、一方のセル１の燃料極層５と他方のセル１の空気極層８とを接続する。

【0043】

また、図２Ｂに示すように、複数のセル１の配列方向における最も外側に位置するセル１に、端部集電部材１７が電気的に接続されている。端部集電部材１７は、セルスタック１１の外側に突出する導電部１９に接続されている。導電部１９は、セル１の発電により生じた電気を集電して外部に引き出す。なお、図２Ａでは、端部集電部材１７の図示を省略している。

【0044】

また、図２Ｃに示すように、セルスタック装置１０は、２つのセルスタック１１Ａ、１１Ｂが直列に接続された一つの電池であってもよい。かかる場合、セルスタック装置１０の導電部１９は、正極端子１９Ａと、負極端子１９Ｂと、接続端子１９Ｃとを有していてもよい。

【0045】

正極端子１９Ａは、セルスタック１１が発電した電力を外部に出力する場合の正極であり、セルスタック１１Ａにおける正極側の端部集電部材１７に電気的に接続される。負極端子１９Ｂは、セルスタック１１が発電した電力を外部に出力する場合の負極であり、セルスタック１１Ｂにおける負極側の端部集電部材１７に電気的に接続される。

【0046】

接続端子１９Ｃは、セルスタック１１Ａにおける負極側の端部集電部材１７と、セルスタック１１Ｂにおける正極側の端部集電部材１７とを電気的に接続する。

【0047】

＜燃料極層の詳細＞
つづいて、第１の実施形態に係る燃料極層５の詳細について、図３Ａ、図３Ｂを参照しながら説明する。図３Ａは、燃料極層の概略の一例を示す図である。

【0048】

図３Ａに示すように、燃料極層５は、第１粒子体Ｐ１と第２粒子体Ｐ２とを含む。第１粒子体Ｐ１は、電子伝導性および触媒作用を有する。第１粒子体Ｐ１は、たとえば、Ｐｔ、Ｎｉ等である。なお、第１粒子体Ｐ１は、０℃における電気伝導度が１．０×１０^５Ｓ／ｍ以上であれば、上記したものに限られない。第１粒子体Ｐ１は、たとえば、断面視した円相当径の平均が０．１μｍ～１０μｍ程度の粒子状を有している。第１粒子体Ｐ１は、発電状態においてその表面が電子伝導性及び触媒作用を有していれば、内部に酸化物を含んでいてもよい。また、発電していない状態の燃料極層５は、表面が酸化した第１粒子体Ｐ１を含んでいてもよい。

【0049】

第２粒子体Ｐ２は、イオン伝導性を有し、希土類元素を含有する酸化物である。第２粒子体Ｐ２は、たとえば、断面視した円相当径の平均が０．１μｍ～２μｍ程度の粒子状（１次粒子）を有している。また、第２粒子体Ｐ２は、第１希土類元素を含有する第１粒子５１と、第１希土類元素とは異なる第２希土類元素を含有する第２粒子５２とを含む。

【0050】

第１粒子体Ｐ１および第２粒子体Ｐ２（第１粒子５１、第２粒子５２）は、ＥＰＭＡ（Electron Probe Micro Analyzer）を用いた燃料極層５の断面観察により、その存在箇所をそれぞれ確認することができる。また、第１粒子体Ｐ１および第２粒子体Ｐ２（第１粒子５１、第２粒子５２）の円相当径は、燃料極層５の断面をＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）で観察した結果に基づいてそれぞれ算出することができる。

【0051】

第１粒子５１は、たとえば、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｇｄ、ＤｙおよびＹｂから選択される希土類元素を、第１希土類元素として含有する。第１粒子５１は、複数の第１希土類元素を含有してもよい。

【0052】

第２粒子５２は、固体電解質層６に含有される第２希土類元素を含有する。第２粒子は、たとえば、Ｎｄ、Ｓｃ、Ｌａ、ＧｄおよびＹｂから選択される希土類元素を、第２希土類元素として含有してもよい。第１粒子５３は、Ｎｄ、Ｓｃ、Ｌａ、ＧｄおよびＹｂのうち、第２粒子５２に含有されない希土類元素を含有してもよい。

【0053】

また、第２粒子５２は、第１粒子５１よりもイオン伝導性が高い。ここで、第１粒子５１および第２粒子５２のイオン伝導性は、たとえば、第１粒子５１の組成を有する矩形状の焼結体および第２粒子５２の組成を有する矩形状の焼結体を作製し、６００℃～９００℃で四端子法により各焼結体のイオン伝導度を測定することで、それぞれ評価することができる。

【0054】

第１粒子体Ｐ１は、燃料極層５の全体にわたって一様に分布している。これに対し、第２粒子体Ｐ２は、第１粒子５１および第２粒子５２が燃料極層５の内部で偏在している。この点につき、図３Ａ、図３Ｂを用いてさらに説明する。

【0055】

図３Ｂは、図１Ａに示す領域Ｒ１を拡大した断面図である。図３Ｂに示すように、燃料極層５は、第１部位５Ａおよび第２部位５Ｂを有している。

【0056】

第１部位５Ａは、支持基板２に接するように位置している。第２部位５Ｂは、第１部位５Ａと固体電解質層６との間に位置し、少なくとも第２希土類元素を含有している。第２部位５Ｂでは、第２希土類元素の含有率が第１希土類元素の含有率よりも大きくてもよい。ここで、第２部位５Ｂにおける第１希土類元素および第２希土類元素の含有率は、たとえば、ＥＰＭＡを用いた元素分析により確認できる。具体的には、たとえば素子部３の積層方向の断面を鏡面研磨し、燃料極層５を厚さ方向に二等分し、支持基板２側を第１部位５Ａとし、固体電解質層６側を第２部位５Ｂとする。第２部位５Ｂとした断面において所定の面積で、第１希土類元素および第２希土類元素をそれぞれ半定量分析することにより、それぞれの含有率を算出することができる。元素分析を行う面積は、たとえば第２部位５Ｂの厚さ以下の長さを一辺の長さとする四角形の面積としてもよい。また、後述する第１部位５Ａにおける各希土類元素の含有率についても、同様に算出することができる。なお、第１希土類元素または第２希土類元素の含有率とは、第２粒子体Ｐ２すなわちイオン伝導性材料に含まれる元素のうちＯ（酸素）を除く元素の合計を分母とし、第１希土類元素または第２希土類元素を分子としたモル比率（原子比率）である。燃料極層５における第１粒子体Ｐ１と第２粒子体Ｐ２の分布状態が概ね均一であれば、燃料極層５に含まれる元素のうちＯ（酸素）を除く元素の合計を分母として、第１希土類元素または第２希土類元素を分子としたモル比率（原子比率）を、第１希土類元素または第２希土類元素の含有率とみなしてもよい。

【0057】

このように、第１希土類元素よりも第２希土類元素の含有率が大きい第２部位５Ｂを有することにより、第１部位５Ａよりも固体電解質層６に近い第２部位５Ｂのイオン伝導度を高くすることができる。このため、第２部位５Ｂにおける実抵抗を低減することができることから、燃料極層５における分極抵抗が低減される。これにより、セル１の電池性能を向上することができる。

【0058】

また、第１部位５Ａは、支持基板２に含まれる希土類元素と同じ希土類元素を含有してもよい。第１部位５Ａおよび支持基板２が同じ希土類元素を含有することにより、支持基板２から燃料極層５が剥離しにくくすることができる。このため、セル１の耐久性を高めることができる。また、かかる第１部位５Ａを、支持基板２と第２部位５Ｂとの間に位置させることにより、たとえば支持基板２から第２部位５Ｂへの元素拡散を抑えることができることから、第２部位５Ｂのイオン伝導度が低下しにくくすることができる。

【0059】

また、第２部位５Ｂは、固体電解質層６に含まれる希土類元素と同じ希土類元素を含有してもよい。第２部位５Ｂおよび固体電解質層６が同じ希土類元素を含有することにより、固体電解質層６から燃料極層５が剥離しにくくすることができる。このため、セル１の耐久性を高めることができる。

【0060】

なお、燃料極層５の第１部位５Ａおよび第２部位５Ｂは、たとえば、ＥＰＭＡを用いた元素分析により、第１希土類元素よりも第２希土類元素の含有率が大きいと判断される部分を第２部位５Ｂとし、残りの部分を第１部位５Ａとすることにより区分することができる。具体的には、たとえば素子部３の積層方向の断面を鏡面研磨し、ＥＰＭＡにより各元素をそれぞれ面分析、または積層方向に線分析し、各元素の濃度マッピング、または濃度プロファイルを得る。得られた各元素の濃度マッピング結果または濃度プロファイル結果から、燃料極層５のうち第１希土類元素が第２希土類元素よりも少ない領域を第２部位５Ｂとし、それ以外を第１部位５Ａとする。

【0061】

また、第１希土類元素の含有率が、たとえば、第１部位５Ａの方が第２部位５Ｂよりも大きくなるように燃料極層５を位置させてもよい。これにより、第１部位５Ａの熱膨張率を、第２部位５Ｂの熱膨張率よりも小さくすることができる場合があることから、燃料極層５の変形を抑えることができる。このため、セル１の耐久性を高めることができる。たとえば、Ｙｂ_２Ｏ_３が８モル％固溶したＺｒＯ_２（８ＹｂＳＺ）のイオン伝導度は、Ｙ_２Ｏ_３が８モル％固溶したＺｒＯ_２（８ＹＳＺ）のイオン伝導度よりも高い。また、８ＹＳＺとＮｉとがそれぞれ５０体積％である多孔質の焼結体の線熱膨脹係数は、１０００℃で１３．２ｐｐｍであり、８ＹｂＳＺとＮｉとがそれぞれ５０体積％である多孔質の焼結体の線熱膨脹係数は、１０００℃で１３．４ｐｐｍである。すなわち、ＹＳＺを含む焼結体の線熱膨脹係数は、ＹｂＳＺを含む焼結体の線熱膨脹係数より小さい。第１粒子５１を、第１希土類元素としてＹを含むＹＳＺとし、第２粒子５２を、第２希土類元素としてＹｂを含むＹｂＳＺとして第１部位５Ａ、第２部位５Ｂをそれぞれ構成することで、第２部位５Ｂのイオン伝導性が高く、第１部位５Ａの線熱膨脹係数が小さい燃料極層５とすることができ、電池性能が高く、耐久性の高いセル１とすることができる。

【0062】

また、第１希土類元素および第２希土類元素の含有率の総和に対する第１希土類元素の含有率の割合（（第１希土類元素の含有率）／（（第１希土類元素の含有率）＋（第２希土類元素の含有率）））が、第１部位５Ａの方が第２部位５Ｂよりも大きくなるように燃料極層５を位置させてもよい。これにより、第１部位５Ａの熱膨張率を、第２部位５Ｂの熱膨張率よりも小さくすることができる場合があることから、燃料極層５の変形を抑えることができる。このため、セル１の耐久性を高めることができる。

【0063】

また、第１部位５Ａの線熱膨張率が、第２部位５Ｂの線熱膨張率よりも小さくなるように燃料極層５を位置させてもよい。これにより、燃料極層５の変形を抑えることができることから、セル１の耐久性を高めることができる。ここで、第２部位５Ｂにおける第１希土類元素および第２希土類元素の含有率は、たとえば、ＥＰＭＡを用いた元素分析により確認できる。具体的には、素子部３の積層方向の断面を鏡面研磨し、第１部位５Ａの断面において所定の面積で、第１希土類元素および第２希土類元素をそれぞれ半定量分析することにより、それぞれ測定することができる。元素分析を行う面積は、たとえば第１部位５Ａの厚さ以下の長さを一辺の長さとする四角形の面積としてもよい。

【0064】

なお、燃料極層５は、必ずしも第１部位５Ａおよび第２部位５Ｂを有する必要はなく、たとえば、燃料極層５の内部において第２希土類元素の含有率が段階的に変化してもよい。たとえば、燃料極層５の固体電解質層６に接する面を第１面とし、固体電解質層６の反対側に位置する面を第２面としたとき、燃料極層５は、第２希土類元素の含有率が、第１面から第２面にかけて漸減していてもよい。このように、第２希土類元素の含有率が第１面から第２面にかけて漸減することにより、固体電解質層６から離れた燃料極層５よりも固体電解質層６に近い燃料極層５のイオン伝導度を高くすることができる。このため、固体電解質層６に近い燃料極層５における実抵抗を低減することができることから、燃料極層５における分極抵抗が低減される。これにより、セル１の電池性能を向上することができる。

【0065】

＜モジュール＞
次に、上述したセルスタック装置１０を用いた本開示の実施形態に係るモジュール１００について、図４を用いて説明する。図４は、第１の実施形態に係るモジュールを示す外観斜視図である。図４は、収納容器１０１の一部である前面および後面を取り外し、内部に収納される燃料電池のセルスタック装置１０を後方に取り出した状態を示している。

【0066】

図４に示すように、モジュール１００は、収納容器１０１、および収納容器１０１内に収納されたセルスタック装置１０を備えている。また、セルスタック装置１０の上方には、改質器１０２が配置されている。

【0067】

かかる改質器１０２は、天然ガス、灯油などの原燃料を改質して燃料ガスを生成し、セル１に供給する。原燃料は、原燃料供給管１０３を通じて改質器１０２に供給される。なお、改質器１０２は、水を気化させる気化部１０２ａと、改質部１０２ｂとを備えていてもよい。改質部１０２ｂは、図示しない改質触媒を備えており、原燃料を燃料ガスに改質する。このような改質器１０２は、効率の高い改質反応である水蒸気改質を行うことができる。

【0068】

そして、改質器１０２で生成された燃料ガスは、ガス流通管２０、ガスタンク１６、および支持部材１４を通じて、セル１のガス流路２ａ（図１Ａ参照）に供給される。

【0069】

また、上述の構成のモジュール１００では、ガスの燃焼およびセル１の発電に伴い、通常発電時におけるモジュール１００内の温度が５００℃～１０００℃程度となる。

【0070】

このようなモジュール１００においては、上述したように、電池性能が向上されるセルスタック装置１０を収納して構成されることにより、電池性能が向上されるモジュール１００とすることができる。

【0071】

＜モジュール収容装置＞
図５は、第１の実施形態に係るモジュール収容装置の一例を示す分解斜視図である。本実施形態に係るモジュール収容装置１１０は、外装ケース１１１と、図４で示したモジュール１００と、図示しない補機と、を備えている。補機は、モジュール１００の運転を行う。モジュール１００および補機は、外装ケース１１１内に収容されている。なお、図５においては一部構成を省略して示している。

【0072】

図５に示すモジュール収容装置１１０の外装ケース１１１は、支柱１１２と外装板１１３とを有する。仕切板１１４は、外装ケース１１１内を上下に区画している。外装ケース１１１内の仕切板１１４より上側の空間は、モジュール１００を収容するモジュール収容室１１５であり、外装ケース１１１内の仕切板１１４より下側の空間は、モジュール１００を運転する補機を収容する補機収容室１１６である。なお、図５では、補機収容室１１６に収容する補機を省略して示している。

【0073】

また、仕切板１１４は、補機収容室１１６の空気をモジュール収容室１１５側に流すための空気流通口１１７を有している。モジュール収容室１１５を構成する外装板１１３は、モジュール収容室１１５内の空気を排気するための排気口１１８を有している。

【0074】

このようなモジュール収容装置１１０においては、上述したように、電池性能が向上されるモジュール１００をモジュール収容室１１５に備えていることにより、電池性能が向上されるモジュール収容装置１１０とすることができる。

【0075】

なお、上述の実施形態では、中空平板型の支持基板を用いた場合を例示したが、円筒型の支持基板を用いたセルスタック装置に適用することもできる。

【0076】

［第２の実施形態］
つづいて、第２の実施形態に係るセルおよびセルスタック装置について、図６～図９を参照しながら説明する。

【0077】

上述の実施形態では、支持基板の表面に燃料極層、固体電解質層および空気極層を含む素子部が１つのみ設けられたいわゆる「縦縞型」を例示したが、支持基板の表面の互いに離れた複数個所にて素子部がそれぞれ設けられ、隣り合う素子部の間が電気的に接続されたいわゆる「横縞型」のセルを配列した横縞型セルスタック装置に適用することができる。

【0078】

図６は、第２の実施形態に係るセルを概略的に示す断面図である。図６に示すように、セルスタック装置１０Ａは、燃料ガスを流通させる配管７３から複数のセル１Ａが長さ方向Ｌに延びている。セル１Ａは、支持基板２上に複数の素子部３を有している。支持基板２の内部には、配管７３からのガスが流れるガス流路２ａが設けられている。支持基板２上の各素子部３は、後述する接続層８Ａにより電気的に接続されている。複数のセル１Ａは、導電部材１８を介して互いに電気的に接続されている。導電部材１８は、各セル１Ａがそれぞれ有する素子部３の間に位置しており、隣り合うセル１Ａを接続している。

【0079】

図７は、第２の実施形態に係るセルの一例を示す斜視図である。図８は、第２の実施形態に係るセルの一例を示す断面図である。セル１Ａは、素子部３と接続部３ＡとがＸ軸方向に沿って交互に位置している。

【0080】

セル１Ａは、厚さ方向（Ｚ軸方向）の中心を通り且つ支持基板２の主面に平行な面に対して上下対称の形状である。

【0081】

素子部３は、燃料極層５、固体電解質層６、中間層７および空気極層８がこの順に積層されている。空気極層８の表面には、Ｘ軸方向に隣り合う素子部３同士を電気的に接続するための接続層８Ａが位置している。また、燃料極層５の表面には、電子伝導性を有する燃料極集電部５ａが位置している。

【0082】

図９は、図８に示す領域Ｒ２を拡大した断面図である。図９に示すように、燃料極層５は、固体電解質層６側から順に第２部位５Ｂおよび第１部位５Ａがそれぞれ位置している。第２部位５Ｂは、少なくとも第２希土類元素を含有する。

【0083】

固体電解質層６は、第２希土類元素を含有している。また、第２部位５Ｂは、第２希土類元素の含有率が第１希土類元素の含有率よりも大きくてもよい。これにより、第１部位５Ａよりも固体電解質層６に近い第２部位５Ｂのイオン伝導度を高くすることができる。このため、第２部位５Ｂにおける実抵抗を低減することができることから、燃料極層５における分極抵抗が低減される。これにより、セル１Ａの電池性能を向上することができる。

【0084】

［第３の実施形態］
図１０Ａは、第３の実施形態に係るセルの一例を示す斜視図である。図１０Ｂは、図１０Ａに示すセルの部分断面図である。

【0085】

図１０Ａに示すように、セル１Ｂは、燃料極層５、固体電解質層６および空気極層８が積層された素子部３Ｂを有している。素子部３Ｂは、固体電解質層６が、燃料極層５および空気極層８に挟まれた部位である。複数の平板型セルを積層させたセルスタック装置は、たとえば複数のセル１Ｂが、互いに隣り合う金属層である導電部材９１，９２により電気的に接続されている。導電部材９１，９２は、隣接するセル１Ｂ同士を電気的に接続するとともに、燃料極層５または空気極層８にガスを供給するガス流路を有している。

【0086】

図１０Ｂに示すように、平板型セルスタックの燃料ガスの流路９８と酸素含有ガスの流路９７とを気密に封止する封止材を有している。封止材はセル１Ｂの固定部材９６であり、接合材９３およびフレームである支持部材９４，９５を有する。接合材９３は、ガラスであってもよいし、銀ロウなどの金属材料であってもよい。

【0087】

支持部材９４は、燃料ガスの流路９８と酸素含有ガスの流路９７とを区画するいわゆるセパレータであってもよい。支持部材９４，９５の材料は、例えば導電性の金属であってもよいし、絶縁性のセラミックスであってもよい。接合材９３が、絶縁性の例えばガラスであった場合、支持部材９４，９５は両方が金属であってもよいし、いずれか一方が絶縁性の材料であってもよい。接合材９３が、導電性の金属であった場合、支持部材９４，９５は両方またはいずれか一方が絶縁性の材料であってもよい。支持部材９４，９５が金属であった場合、支持部材９４，９５は導電部材９２と一体化していてもよい。

【0088】

接合材９３、支持部材９４，９５のうちいずれか１つは絶縁性であり、平板型セルを挟む２つの導電部材９１，９２を互いに電気的に絶縁している。

【0089】

図１０Ｃは、図１０Ｂに示す領域Ｒ３を拡大した断面図である。図１０Ｃに示すように、燃料極層５は、固体電解質層６側から順に第２部位５Ｂおよび第１部位５Ａがそれぞれ位置している。第２部位５Ｂは、少なくとも第２希土類元素を含有する。

【0090】

固体電解質層６は、第２希土類元素を含有している。また、第２部位５Ｂは、第２希土類元素の含有率が第１希土類元素の含有率よりも大きくてもよい。これにより、第１部位５Ａよりも固体電解質層６に近い第２部位５Ｂのイオン伝導度を高くすることができる。このため、第２部位５Ｂにおける実抵抗を低減することができることから、燃料極層５における分極抵抗が低減される。これにより、セル１Ｂの電池性能を向上することができる。

【0091】

＜その他の変形例＞
つづいて、実施形態のその他の変形例に係るセルスタック装置について説明する。

【0092】

上記実施形態では、「セル」、「セルスタック装置」、「モジュール」および「モジュール収容装置」の一例として燃料電池セル、燃料電池セルスタック装置、燃料電池モジュールおよび燃料電池装置を示したが、他の例としてはそれぞれ、電解セル、電解セルスタック装置、電解モジュールおよび電解装置であってもよい。

【0093】

以上、本開示について詳細に説明したが、本開示は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本開示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。

【0094】

以上のように、実施形態に係るセル１は、空気極層８と、燃料極層５と、固体電解質層６とを備える。燃料極層５は、第１希土類元素および第１希土類元素とは異なる第２希土類元素を含有する。固体電解質層６は、空気極層８および燃料極層５の間に位置し、第２希土類元素を含有する。燃料極層５は、第１部位５Ａと第２部位５Ｂとを有する。第２部位５Ｂは、第１部位５Ａおよび固体電解質層６の間に位置し、少なくとも第２希土類元素を含有する。これにより、セル１の電池性能を向上することができる。

【0095】

また、実施形態に係るセルスタック装置１０は、上記に記載のセル１を１つ以上備えるセルスタック１１を有する。これにより、電池性能を向上するセルスタック装置１０とすることができる。

【0096】

また、実施形態に係るモジュール１００は、上記に記載のセルスタック装置１０と、セルスタック装置１０を収納する収納容器１０１とを備える。これにより、電池性能を向上するモジュール１００とすることができる。

【0097】

また、実施形態に係るモジュール収容装置１１０は、上記に記載のモジュール１００と、モジュール１００の運転を行うための補機と、モジュール１００および補機を収容する外装ケースとを備える。これにより。電池性能を向上するモジュール収容装置１１０とすることができる。

【0098】

今回開示された実施形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。実に、上記した実施形態は多様な形態で具現され得る。また、上記の実施形態は、添付の請求の範囲及びその趣旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更されてもよい。

【符号の説明】

【0099】

１ セル
５ 燃料極層
５Ａ 第１部位
５Ｂ 第２部位
６ 固体電解質層
７ 中間層
８ 空気極層
１０ セルスタック装置
１１ セルスタック
１２ 固定部材
１３ 固定材
１４ 支持部材
１５ 支持体
１６ ガスタンク
１７ 端部集電部材
１８ 導電部材
１００ モジュール
１１０ モジュール収容装置

【図1A】

【図1B】

【図1C】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図3A】

【図3B】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10A】

【図10B】

【図10C】