(57)【要約】【課題】  小型化が可能な燃料電池スタックおよびその製造方法を提供する。【解決手段】  燃料電池スタックは、酸素イオン伝導性を有する固体酸化物電解質層が２層の電極層によって挟持された第１燃料電池および第２燃料電池と、前記第１燃料電池と前記第２燃料電池との間に配置され、緻密金属層と、前記第１燃料電池側に第１金属多孔質部と第１ガス流路とが設けられ、前記第２燃料電池側に第２金属多孔質部と第２ガス流路とが設けられたインターコネクタと、を備えることを特徴とする。【選択図】  図２
2020087792.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素イオン伝導性を有する固体酸化物電解質層が２層の電極層によって挟持された第１燃料電池および第２燃料電池と、
前記第１燃料電池と前記第２燃料電池との間に配置され、緻密金属層と、前記第１燃料電池側に第１金属多孔質部と第１ガス流路とが設けられ、前記第２燃料電池側に第２金属多孔質部と第２ガス流路とが設けられたインターコネクタと、を備えることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
前記緻密金属層の緻密度は、９０％以上であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記緻密金属層の厚さは、１００μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
前記第１金属多孔質部および前記第２金属多孔質部の緻密度は、３０％以上８０％以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池スタック。
【請求項５】
前記第１金属多孔質部、前記緻密金属層、および前記第２金属多孔質部が順に積層され、前記第１金属多孔質部、前記緻密金属層、および前記第２金属多孔質部の積層方向の厚さの合計は、３００μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料電池スタック。
【請求項６】
前記インターコネクタは、前記第１ガス流路に水素を含有する燃料ガスが供給され前記第２ガス流路に酸素を含有する酸化剤ガスが供給された場合に、前記第１燃料電池側の電子伝導性が前記第２燃料電池側の電子伝導性よりも高くなるような材料によって構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃料電池スタック。
【請求項７】
前記インターコネクタは、酸素に触れると表面に酸化被膜が形成される材料によって構成されていることを特徴とする請求項６記載の燃料電池スタック。
【請求項８】
金属粉末層上に、消失材および金属粉末を有する第１パターンが所定の間隔を空けて複数配置され、当該複数の第１パターン上に第１電極層が積層され、前記第１電極層上に電解質層が配置され、前記金属粉末層下に、消失材および金属粉末を有する第２パターンが所定の間隔を空けて複数配置され、当該複数の第２パターン下に第２電極層が積層された積層体を準備する工程と、
前記積層体を焼成する工程と、を含むことを特徴とする燃料電池スタックの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車などで使用可能な固体酸化物型燃料電池システムを開発するためには、振動に耐えられかつ急速昇温でも割れないセルを開発することが望まれている。例えば、インターコネクタをセラミック材料とする燃料電池が開示されている（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、この燃料電池では、機械的な強度および急速昇降温耐性に欠けるため、自動車などに搭載することが困難である。そこで、鋼板をプレスすることで作製されたセパレータを用いた燃料電池が開示されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２０１８／０４２４７６号
【特許文献２】特開２０１６−３９０９９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、鋼板をプレスすることでセパレータを作製しようとすると、セパレータが厚くなってしまう。その結果、燃料電池が大型化してしまう。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、小型化が可能な燃料電池スタックおよびその製造方法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スタックは、酸素イオン伝導性を有する固体酸化物電解質層が２層の電極層によって挟持された第１燃料電池および第２燃料電池と、前記第１燃料電池と前記第２燃料電池との間に配置され、緻密金属層と、前記第１燃料電池側に第１金属多孔質部と第１ガス流路とが設けられ、前記第２燃料電池側に第２金属多孔質部と第２ガス流路とが設けられたインターコネクタと、を備えることを特徴とする。
【０００７】
上記燃料電池スタックにおいて、前記緻密金属層の緻密度は、９０％以上としてもよい。
【０００８】
上記燃料電池スタックにおいて、前記緻密金属層の厚さは、１００μｍ以下としてもよい。
【０００９】
上記燃料電池スタックにおいて、前記第１金属多孔質部および前記第２金属多孔質部の緻密度は、３０％以上８０％以下としてもよい。
【００１０】
上記燃料電池スタックにおいて、前記第１金属多孔質部、前記緻密金属層、および前記第２金属多孔質部が順に積層され、前記第１金属多孔質部、前記緻密金属層、および前記第２金属多孔質部の積層方向の厚さの合計は、３００μｍ以下としてもよい。
【００１１】
上記燃料電池スタックにおいて、前記インターコネクタは、前記第１ガス流路に水素を含有する燃料ガスが供給され前記第２ガス流路に酸素を含有する酸化剤ガスが供給された場合に、前記第１燃料電池側の電子伝導性が前記第２燃料電池側の電子伝導性よりも高くなるような材料によって構成されていてもよい。
【００１２】
上記燃料電池スタックにおいて、前記インターコネクタは、酸素に触れると表面に酸化被膜が形成される材料によって構成されていてもよい。
【００１３】
本発明に係る燃料電池スタックの製造方法は、金属粉末層上に、消失材および金属粉末を有する第１パターンが所定の間隔を空けて複数配置され、当該複数の第１パターン上に第１電極層が積層され、前記第１電極層上に電解質層が配置され、前記金属粉末層下に、消失材および金属粉末を有する第２パターンが所定の間隔を空けて複数配置され、当該複数の第２パターン下に第２電極層が積層された積層体を準備する工程と、前記積層体を焼成する工程と、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、小型化が可能な燃料電池スタックおよびその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】燃料電池スタックの外観斜視図である。
【図２】インターコネクタの詳細を例示する斜視図である。
【図３】インターコネクタの断面写真を模式的に表したものである。
【図４】（ａ）および（ｂ）は燃料電池スタックの製造方法を例示する図である。
【図５】（ａ）〜（ｃ）は燃料電池スタックの製造方法を例示する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照しつつ、実施形態について説明する。
【００１７】
図１で例示するように、燃料電池スタック２００は、複数の燃料電池１００が積層された構造を有している。燃料電池１００は、固体酸化物電解質層１０の上面（第１面）に、カソード２０（第１電極層）と、第１金属多孔質部３０ａおよびガス流路３０ｂを備える第１金属多孔質層３０と、セパレータ６０とがこの順に積層され、固体酸化物電解質層１０の下面（第２面）に、アノード４０（第２電極層）と、第２金属多孔質部５０ａおよびガス流路５０ｂを備える第２金属多孔質層５０と、セパレータ６０と、がこの順に積層された構造を有する。なお、隣接する燃料電池１００において、セパレータ６０は、共通で用いられる部材である。第１金属多孔質層３０、セパレータ６０および第２金属多孔質層５０の組み合わせを、インターコネクタと称することがある。このインターコネクタは、固体酸化物電解質層１０、カソード２０およびアノード４０で構成されたセルを電気の直列的に接続するための部分である。また、固体酸化物電解質層１０、カソード２０、第１金属多孔質層３０、アノード４０および第２金属多孔質層５０の組み合わせを、単位ＳＯＦＣユニットと称することがある。
【００１８】
固体酸化物電解質層１０は、酸素イオン伝導性を有する固体酸化物電解質の緻密層である。カソード２０は、カソードとしての電極活性を有する電極であり、電子伝導性および酸素イオン伝導性を有する。アノード４０は、アノードとしての電極活性を有する電極であり、電子伝導性および酸素イオン伝導性を有する。第１金属多孔質層３０および第２金属多孔質層５０は、ガス透過性を有するとともに、固体酸化物電解質層１０、カソード２０およびアノード４０からなるセル部分を支持可能な部材である。セパレータ６０は、緻密な金属層であり、ガス不透過性を有する。ガス流路３０ｂと５０ｂは消失材で作製された空洞である。
【００１９】
燃料電池１００は、以下の作用によって発電する。第１金属多孔質部３０ａおよびガス流路３０ｂには、一方の反応ガスとして、空気などの、酸素を含有する酸化剤ガスが供給される。酸化剤ガスは、第１金属多孔質部３０ａおよびガス流路３０ｂを介してカソード２０に到達する。カソード２０においては、カソード２０に到達した酸素と、外部電気回路から供給される電子とが反応して酸素イオンになる。酸素イオンは、固体酸化物電解質層１０を伝導してアノード４０側に移動する。一方、第２金属多孔質部５０ａおよびガス流路５０ｂには、他方の反応ガスとして、水素ガス、改質ガスなどの、水素を含有する燃料ガスが供給される。燃料ガスは、第２金属多孔質部５０ａおよびガス流路５０ｂを介してアノード４０に到達する。アノード４０に到達した水素は、アノード４０において電子を放出するとともに、カソード２０側から固体酸化物電解質層１０を伝導してくる酸素イオンと反応して水（Ｈ２Ｏ）になる。放出された電子は、外部電気回路によって外部に取り出される。外部に取り出された電子は、電気的な仕事をした後に、カソード２０に供給される。以上の作用によって、発電が行われる。
【００２０】
固体酸化物電解質層１０、カソード２０、第１金属多孔質層３０、アノード４０、および第２金属多孔質層５０は、略同じサイズの略矩形状を有する。したがって、固体酸化物電解質層１０、カソード２０、第１金属多孔質層３０、アノード４０、および第２金属多孔質層５０によって、略直方体形状が構成される。当該直方体形状において、上面および下面以外の４側面のうち、互いに対向する１対の２側面を第１側面および第２側面と称する。残りの対向する１対の２側面を第３側面および第４側面と称する。第１側面と第２側面とが対向する方向をＸ軸とする。第３側面と第４側面とが対向する方向をＹ軸とする。各層の積層の方向をＺ軸とする。Ｘ軸と、Ｙ軸と、Ｚ軸とは、例えば、互いに直交する。
【００２１】
カソード２０の第３側面および第４側面には、それぞれ枠２１が設けられている。第１金属多孔質層３０の第３側面および第４側面には、それぞれ枠３１が設けられている。枠２１および枠３１は、シール部材として機能する。したがって、枠２１と、枠３１と、第１金属多孔質層３０に接するセパレータ６０とによって、酸化剤ガスの流路が画定されている。それにより、酸化剤ガスは、第１金属多孔質層３０において、第１側面および第２側面のうち、いずれか一方から他方へと流動する。すなわち、酸化剤ガスは、Ｘ軸方向に流動する。
【００２２】
アノード４０の第１側面および第２側面には、それぞれ枠４１が設けられている。第２金属多孔質層５０の第１側面および第２側面には、それぞれ枠５１が設けられている。枠４１および枠５１は、シール部材として機能する。したがって、枠４１と、枠５１と、第２金属多孔質層５０に接するセパレータ６０とによって、燃料ガスの流路が画定されている。それにより、燃料ガスは、第２金属多孔質層５０において、第３側面および第４側面のうち、いずれか一方から他方へと流動する。すなわち、燃料ガスは、Ｙ軸方向に流動する。
【００２３】
図２は、インターコネクタの詳細を例示する斜視図である。図２で例示するように、インターコネクタは、セパレータ６０上に第１金属多孔質層３０が設けられ、セパレータ６０下に第２金属多孔質層５０が設けられた構造を有する。セパレータ６０は、反応ガスの透過を遮断する機能を有するとともに、隣接する２つの燃料電池１００を直列接続する機能を有している。
【００２４】
第１金属多孔質層３０では、Ｘ軸方向に沿って、複数の第１金属多孔質部３０ａが帯状に延びている。各第１金属多孔質部３０ａは、Ｙ軸方向に所定の間隔を空けて配置されている。したがって、隣接する２つの第１金属多孔質部３０ａの間に、Ｘ軸方向に延びるガス流路３０ｂが形成されていることになる。各第１金属多孔質部３０ａのＹ軸方向の間隔は、例えば、５００μｍ〜３０００μｍである。第１金属多孔質層３０に供給された酸化剤ガスは、主としてガス流路３０ｂを流動しつつカソード２０に供給される。酸化剤ガスの一部は、第１金属多孔質部３０ａから拡散しつつカソード２０に供給される。第１金属多孔質部３０ａは、カソード２０に接しているため、集電体としても機能するとともに、支持体としても機能する。
【００２５】
第２金属多孔質層５０では、Ｙ軸方向に沿って、複数の第２金属多孔質部５０ａが帯状に延びている。各第２金属多孔質部５０ａは、Ｘ軸方向に所定の間隔を空けて配置されている。したがって、隣接する２つの第２金属多孔質部５０ａの間に、Ｙ軸方向に延びるガス流路５０ｂが形成されていることになる。各第２金属多孔質部５０ａのＸ軸方向の間隔は、例えば、５００μｍ〜５０００μｍである。第２金属多孔質層５０に供給された燃料ガスは、主としてガス流路５０ｂを流動しつつアノード４０に供給される。燃料ガスの一部は、第２金属多孔質部５０ａから拡散しつつアノード４０に供給される。第２金属多孔質部５０ａは、アノード４０に接しているため、集電体としても機能するとともに、支持体としても機能する。
【００２６】
図３は、インターコネクタの断面写真を模式的に表したものである。図３の断面は、セパレータ６０を第１金属多孔質部３０ａと第２金属多孔質部５０ａとが挟む箇所の断面である。図３に示すように、セパレータ６０では金属が緻密に形成されている。第１金属多孔質部３０ａおよび第２金属多孔質部５０ａでは、金属が緻密に形成されている箇所と、金属が形成されておらず空隙になっている箇所とが混在している。このように、第１金属多孔質部３０ａおよび第２金属多孔質部５０ａでも、反応ガスが拡散できるようになっている。
【００２７】
セパレータ６０は、酸化剤ガスと燃料ガスとを遮断できるように緻密であることが好ましい。したがって、セパレータ６０の緻密度は、高い方が好ましい。例えば、セパレータ６０の緻密度は、９０％以上であることが好ましく、９８％以上であることがより好ましい。緻密度は、断面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）などで観察した画像をもとに、緻密部の面積および、空隙部と緻密部の合計面積を計測して両者の比(緻密部の面積／空隙部と緻密部の合計面積)をとることで算出できる。空隙率は、(空隙部の面積／空隙部と緻密部の合計面積)をとることで算出できる。
【００２８】
セパレータ６０が厚く形成されていると、隣接する２つの燃料電池１００の距離が長くなり、電気抵抗が高くなる。したがって、セパレータ６０は薄く形成されていることが好ましい。例えば、セパレータ６０の厚さは、１００μｍ以下であることが好ましく、６０μｍ以下であることがより好ましい。一方で、セパレータ６０が薄すぎると、セパレータ６０の連続率が低下し、ガスリークの孔が生じやすくなるといった不具合が生じ得る。そこで、セパレータ６０の厚さに下限を設けることが好ましい。例えば、セパレータ６０の厚さは、１０μｍ以上であることが好ましく、４０μｍ以上であることがより好ましい。セパレータ６０が薄く形成されることで、燃料電池スタック２００の小型化を図ることもできる。
【００２９】
第１金属多孔質部３０ａおよび第２金属多孔質部５０ａは、反応ガスを電極に供給できる程度の緻密度を有していることが好ましい。例えば、第１金属多孔質部３０ａおよび第２金属多孔質部５０ａの緻密度は、８０％以下であることが好ましく、６０％以下であることがより好ましい。一方で、第１金属多孔質部３０ａおよび第２金属多孔質部５０ａの緻密度が低すぎると、焼成する際に、層間の密着力が低下し、セパレータ６０と、アノード４０およびカソード２０との間に剥がれが生じるといった不具合が生じ得る。そこで、第１金属多孔質部３０ａおよび第２金属多孔質部５０ａの緻密度に下限を設けることが好ましい。例えば、第１金属多孔質部３０ａおよび第２金属多孔質部５０ａの緻密度は、３０％以上であることが好ましく、５０％以上であることがより好ましい。
【００３０】
また、インターコネクタ全体が厚く形成されていると、隣接する２つの燃料電池１００の距離が長くなり、電気抵抗が高くなる。したがって、インターコネクタ全体が薄く形成されていることが好ましい。例えば、第１金属多孔質層３０、セパレータ６０および第２金属多孔質層５０のトータルの厚さは、４００μｍ以下であることが好ましく、２５０μｍ以下であることがより好ましい。インターコネクタ全体が薄く形成されることで、燃料電池スタック２００の小型化を図ることもできる。
【００３１】
インターコネクタの材料は、金属であれば特に限定されるものではないが、ガス流路３０ｂに酸化剤ガスが供給されかつガス流路５０ｂに燃料ガスが供給された場合に、アノード４０側の電子伝導性がカソード２０側の電子伝導性よりも高くなるような材料によって構成されていることが好ましい。例えば、第１金属多孔質層３０、セパレータ６０および第２金属多孔質層５０は、酸素に触れると表面に酸化被膜が形成される材料によって構成されていることが好ましい。例えば、第１金属多孔質層３０、セパレータ６０および第２金属多孔質層５０は、Ｎｉなどの金属を用いることができる。または、Ｃ，Ｓｉ，Ａｌ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｙ，Ｃｅ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｔｉ，Ｃｕ，Ｍｎ，Ｌａ，Ｗ，Ｎｉ，Ｚｒなどの元素を１種類以上含む合金であって、Ｃｒを１０ｗｔ％〜９５ｗｔ％含み、Ｆｅ、Ｃｒ以外の微量添加元素を１０ｗｔ％以下とし、残りはＦｅ成分の合金を用いることが好ましい。例えば、Ｆｅ−１８〜２２Ｃｒ合金を用いることができる。表面に酸化被膜が形成されることで、内部に至る酸化を抑制することができる。
【００３２】
また、本実施形態に係る燃料電池１００は、焼成時の割れを抑制することができる構成を有している。具体的には、カソード２０およびアノード４０において、電子伝導性を有する材料の主成分と、酸素イオン伝導性を有する材料の主成分を同じ（共通）にすることが好ましい。この構成では、カソード２０およびアノード４０の材質が類似するため、カソード２０およびアノード４０を焼成する過程でバインダを除去する際に、両層の収縮応力の偏りが抑制され、割れが抑制される。それにより、固体酸化物電解質層１０、カソード２０およびアノード４０からなるセル部分を印刷技術および一体焼成技術で形成することができるようになる。それにより、積層数増と小型化とを両立することができる。その結果、所望の発電量を確保しつつ小型化が可能となる。
【００３３】
例えば、カソード２０およびアノード４０で用いられる電子・酸素イオン混合伝導性材料の主成分は、特に限定されるものではない。例えば、カソード２０およびアノード４０として、電子伝導性および酸素イオン伝導性の両方の性質を併せ持つ材料（電子・酸素イオン混合伝導性材料）を用いることが考えられる。例えば、電子・酸素イオン混合伝導性材料として、ＬａＭｎＯ３系、ＬａＣｏＯ３系などを用いることができる。ただし、一体焼成では、第１金属多孔質層３０および第２金属多孔質層５０を形成するために金属粉末を同時に焼成することになるため、雰囲気を還元雰囲気とすることが望まれる。電子・酸素イオン混合伝導性材料の主成分として、ＬａＭｎＯ３系、ＬａＣｏＯ３系などを用いると、良好な発電性能が得られる一方で、還元雰囲気での焼成が困難である。そこで、電子・酸素イオン混合伝導性材料の主成分は、耐還元性を有することが好ましい。例えば、ＧｄをドープしたＣｅＯ２系材料等を用いることが好ましい。
【００３４】
もう一つの方法として、電子伝導性材料および酸素イオン伝導性材料としてそれぞれ異なる材料を用い、トータル的に電子・酸素イオン混合伝導性を実現してもよい。例えば、酸素イオン伝導性材料の主成分として、特に限定されるものではないが、スカンジア・イットリア安定化酸化ジルコニウム（ＳｃＹＳＺ）を用いることが好ましい。例えば、スカンジア（Ｓｃ２Ｏ３）が５ｍｏｌ％〜１６ｍｏｌ％で、イットリア（Ｙ２Ｏ３）が１ｍｏｌ％〜３ｍｏｌ％の組成範囲を有するＳｃＹＳＺを用いることが好ましい。スカンジアとイットリアの添加量が合わせて６ｍｏｌ％〜１５ｍｏｌ％となるＳｃＹＳＺがさらに好ましい。この組成範囲で、酸素イオン伝導性が最も高くなるからである。なお、酸素イオン伝導性材料は、例えば、酸素イオンの輸率が９９％以上の材料のことである。
【００３５】
次に、電子伝導性材料として、特に限定されるものではないが、Ｎｉなどの金属を用いることができる。または、Ｃ，Ｓｉ，Ｙ，Ｃｅ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｔｉ，Ｃｕ，Ｍｎ，Ｌａ，Ｗ，Ｎｉ，Ｚｒなどの元素を１種類以上含む合金であって、Ｃｒを１０ｗｔ％〜９５ｗｔ％含み、他の元素を３０ｗｔ％以下とする合金を用いることが好ましい。具体的には、Ｆｅ−１８〜２２Ｃｒ合金を用いることができる。金属および合金材料を用いることでＳＯＦＣシステムの機械的強度が高くなり、急速昇降温に対応することができる。この特性を生かして、自動車に積載することが可能になる。また、合金の組成について、Ｃｒを増やすことで、カソード２０およびアノード４０の熱膨張率を固体酸化物電解質層１０の熱膨張率に近づけられるため、セルはより割れにくくなる。更に、Ｃｒが多い合金は耐熱性が優れ、発電際のセル劣化が抑えられる。しかしながら、コストおよびカソード側のＣｒ被毒を抑えたいため、Ｃｒの含有量が少ないほうが望ましい。以上のことでＦｅ−１８〜２２Ｃｒの組成は、比較的にバランスが取れた組成であるため、好ましい。
【００３６】
その他、カソード２０およびアノード４０で用いられる電子伝導性材料の主成分として、セラミックを用いてもよい。例えば、ＳｒをドープしたＬａＣｒＯ３、ＬａをドープしたＳｒＴｉＯ３などを用いることができる。これらの材料は還元雰囲気および酸化雰囲気広い分圧範囲で安定な物質であり、他の材料（電解質）との反応性も低く、製造プロセスに適用する材料である。また、セラミックス材料の高温安定性は金属および合金材料より優れているため、耐久性のよいＳＯＦＣシステムなら、セラミックス材料が望ましい。なお、例えば、電子伝導性材料は、４００℃以上の温度で伝導率が１０Ｓ・ｃｍ−１以上であり、金属とほぼ同等な伝導率を有する材料のことである。
【００３７】
なお、酸素イオン伝導性材料および電子伝導性材料をそれぞれ異なる材料とする場合において、複数の酸素イオン伝導性材料を混合して用いる場合には、カソード２０とアノード４０とで、酸素イオン伝導性材料の主成分が共通であればよく、複数の酸素イオン伝導性材料のそれぞれが共通であることが好ましい。また、酸素イオン伝導性材料および電子伝導性材料をそれぞれ異なる材料とする場合において、複数の電子伝導性材料を混合して用いる場合には、カソード２０とアノード４０とで、電子伝導性材料の主成分が共通であればよく、複数の電子伝導性材料のそれぞれが共通であることが好ましい。
【００３８】
カソード２０およびアノード４０の厚みは、５０μｍ以下であることが好ましく、３０μｍ以下であることがより好ましい。改質ガスを燃料として用いた場合に電気化学反応へ有効に寄与できる電極の厚みは一般的に３０μｍ程度であり、直接炭化水素系燃料を用いた場合に、有効電極厚みはより厚くなり、一般的には５０μｍ程度であるからである。
【００３９】
カソード２０およびアノード４０は、触媒を含んでいてもよい。例えば、カソード２０およびアノード４０の触媒として、Ｎｉ（ＮＯ３）、ＮｉＣｌ３などのＮｉ化合物を用いることができる。Ｎｉの添加方法として、焼成後にＮｉ（ＮＯ３）３、ＮｉＣｌ３などの溶液を含浸させる手法を用いることもできる。
【００４０】
固体酸化物電解質層１０は、スカンジア（Ｓｃ２Ｏ３）およびイットリア（Ｙ２Ｏ３）を６ｍｏｌ％〜１５ｍｏｌ％ドープしたＺｒＯ２などを主成分とすることが好ましい。スカンジア（Ｓｃ２Ｏ３）＋イットリア（Ｙ２Ｏ３）の濃度は６ｍｏｌ〜１５ｍｏｌ％の間で酸素イオン伝導性が最も高く、この組成の材料を用いることが望ましい。また、固体酸化物電解質層１０の厚みは、２０μｍ以下であることが好ましく、より望ましいのは１０μｍ以下である。電解質は薄いほど良いが、両側のガスが漏れないように製造するためには、１μｍ以上の厚みが望ましい。
【００４１】
第１金属多孔質層３０および第２金属多孔質層５０は、特に限定されるものではない。例えば、Ｎｉなどの金属を用いることができる。または、Ｃ，Ｓｉ，Ａｌ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｙ，Ｃｅ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｔｉ，Ｃｕ，Ｍｎ，Ｌａ，Ｗ，Ｎｉ，Ｚｒなどの元素を１種類以上含む合金であって、Ｃｒを１０ｗｔ％〜９５ｗｔ％含み、Ｆｅ、Ｃｒ以外の微量添加元素を１０ｗｔ％以下とし、残りはＦｅ成分の合金を用いることが好ましい。具体的には、Ｆｅ−１８〜２２Ｃｒ合金を用いることができる。
【００４２】
また、第１金属多孔質部３０ａおよび第２金属多孔質部５０ａの空隙率は、３０％以上７０％以下であることが好ましく、４０％以上６０％以下であることがより好ましい。空隙率が３０％未満になると、ガス拡散が抑制され、発電量が低下するおそれがあるからである。一方、空隙率が７０％を上回ると金属多孔質部の強度が足りなくなり、ガス流路の支えとしての機能を果たせなくなるおそれがあるからである。また、第１金属多孔質部３０ａおよび第２金属多孔質部５０ａの厚みは、１５０μｍ以下５０μｍ以上であることが好ましく、１００μｍ以下であることがより好ましい。薄くなるとともにＳＯＦＣシステム全体の体積は小さくなり、小型化に有利であるが、必要なガス流量を確保するため、５０μｍ以上の厚さは必要である。また、第１金属多孔質層３０および第２金属多孔質層５０はガス流路を形成するための支えであり、流路の厚さは第１金属多孔質層３０および第２金属多孔質層５０の厚さとほぼ同程度である。なお、ガス流路３０ｂおよびガス流路５０ｂは、２００〜６００℃の温度範囲で消失する材料を用い、スラリを作製してライン・アンド・スペースで印刷される。消失する材料は特に限定しないが、アクリル樹脂などの有機物が上げられる。
【００４３】
本実施形態に係る燃料電池スタック２００においては、鋼板をプレスして作製したようなインターコネクタではなく、セパレータ６０（緻密金属層）の一面に第１金属多孔質部３０ａ（第１金属多孔質部）とガス流路３０ｂ（第１ガス流路）とが設けられ、セパレータ６０の他面に第２金属多孔質部５０ａ（第２金属多孔質部）とガス流路５０ｂ（第２ガス流路）とが設けられたインターコネクタが用いられている。このようなインターコネクタであれば、印刷技術および一体焼成技術を用いて焼結によってインターコネクタを作製することができる。それにより、インターコネクタを薄くすることができる。その結果、燃料電池スタック２００を小型化することができる。
【００４４】
なお、印刷技術および一体焼成技術を用いて作製される燃料電池１００では、金属部分の比率が高くなる。従来のセルではセラミックスＮｉＯが支持体として用いられていたのに対して、本実施形態ではインターコネクタとの一体焼成で作製したため、支持体不要であり、金属の体積比率を向上させることができたからである。例えば、燃料電池スタック２００に対して金属部分の体積比率が７０％以上となる。このような構造では、メタル材料のヤング率が高いことから比較的割れにくくなる。
【００４５】
第１金属多孔質部３０ａおよび第２金属多孔質部５０ａをセパレータ６０の両側に焼結させれば、第１金属多孔質部３０ａおよび第２金属多孔質部５０ａとセパレータ６０との密着性が高くなる。それにより、急速昇降温の際に構造体の変形を有効に抑制することができる。また、第１金属多孔質部３０ａはカソード２０と焼結され、第２金属多孔質部５０ａはアノード４０と焼結されることで、インターコネクタとセル部分との密着性も高くなる。
【００４６】
続いて、燃料電池スタック２００の製造方法について説明する。
【００４７】
（緻密メタル用材料の作製工程）
緻密メタル用材料として、金属粉末（例えば、粒径が１μｍ〜１０μｍ）、可塑剤（例えば、シートの密着性を調整するため、１ｗｔ％〜６ｗｔ％まで調整）、溶剤（トルエン、２−プロパノール（ＩＰＡ）、１−ブタノール、ターピネオール、酢酸ブチル、エタノールなどで、粘度に応じて２０ｗｔ％〜３０ｗｔ％）、バインダ（ＰＶＢ（ポリビニルブチラール）、アクリル樹脂、エチルセルロースなど）を混合してスラリとする。焼結によって緻密体とするために、消失材を混合しない。緻密メタル用材料は、セパレータ６０、枠３１および枠５１を形成するための材料として用いる。有機成分（バインダ固形分と可塑剤）と金属粉末との体積比は、例えば１：４〜１：１の範囲とする。
【００４８】
（多孔質メタル用材料の作製工程）
多孔質メタル用材料として、金属粉末（例えば、粒径が１０μｍ〜１００μｍ）、可塑剤（例えば、シートの密着性を調整するため、１ｗｔ％〜６ｗｔ％まで調整）、溶剤（トルエン、２−プロパノール（ＩＰＡ）、１−ブタノール、ターピネオール、酢酸ブチル、エタノールなどで、粘度に応じて２０ｗｔ％〜３０ｗｔ％）、消失材（有機物）、バインダ（ＰＶＢ、アクリル樹脂、エチルセルロースなど）を混合してスラリとする。多孔質メタル用材料は、第１金属多孔質部３０ａおよび第２金属多孔質部５０ａを形成するための材料として用いる。有機成分（消失材、バインダ固形分、可塑剤）と金属粉末との体積比は、例えば１：１〜２０：１の範囲とし、空隙率に応じて有機成分量を調整する。
【００４９】
（電極層用材料の作製工程）
電極層用材料として、電子伝導性材料粉末（例えば、粒径が１００ｎｍ〜１０μｍ）、酸素イオン伝導性材料粉末（例えば、粒径が１００ｎｍ〜１０μｍ）、触媒（例えば、粒径が１０ｎｍ〜１μｍのＮｉ化合物など）、溶剤（トルエン、２−プロパノール（ＩＰＡ）、１−ブタノール、ターピネオール、酢酸ブチル、エタノールなどで、粘度に応じて２０ｗｔ％〜３０ｗｔ％）、可塑剤（例えば、シートの密着性を調整するため、１ｗｔ％〜６ｗｔ％まで調整）、消失材（有機物）、およびバインダ（ＰＶＢ、アクリル樹脂、エチルセルロースなど）を混合してスラリとする。Ｎｉの添加方法として、焼成後にＮｉ（ＮＯ３）３、ＮｉＣｌ３などの溶液を含浸させる手法を用いることもできる。有機成分（消失材、バインダ固形分、可塑剤）と電子伝導性材料粉末との体積比は、例えば１：１〜５：１の範囲とし、空隙率に応じて有機成分量を調整する。電子伝導性材料粉末と酸素イオン伝導性材料粉末との体積比率は、例えば、３：７〜７：３の範囲とする。
【００５０】
（緻密混合層用材料の作製工程）
緻密混合層用材料として、電子伝導性材料粉末（例えば、粒径が１μｍ〜１０μｍ）、酸素イオン伝導性材料粉末（例えば、粒径が１０ｎｍ〜１０μｍ）、溶剤（トルエン、２−プロパノール（ＩＰＡ）、１−ブタノール、ターピネオール、酢酸ブチル、エタノールなどで、粘度に応じて２０ｗｔ％〜３０ｗｔ％）、可塑剤（例えば、シートの密着性を調整するため、１ｗｔ％〜６ｗｔ％まで調整）、およびバインダ（ＰＶＢ、アクリル樹脂、エチルセルロースなど）を混合してスラリとする。ガスを遮断する目的である層のため、触媒と消失材を混合しない。
【００５１】
（電解質層用材料の作製工程）
電解質層用材料として、酸素イオン伝導性材料粉末（例えば、ＳｃＹＳＺ、ＹＳＺなどであって、粒径が１０ｎｍ〜１０００ｎｍ）、溶剤（トルエン、２−プロパノール（ＩＰＡ）、１−ブタノール、ターピネオール、酢酸ブチル、エタノールなどで、粘度に応じて２０ｗｔ％〜３０ｗｔ％）、可塑剤（例えば、シートの密着性を調整するため、１ｗｔ％〜６ｗｔ％まで調整）、およびバインダ（ＰＶＢ、アクリル樹脂、エチルセルロースなど）を混合してスラリとする。有機成分（バインダ固形分、可塑剤）と酸素イオン伝導性材料粉末との体積比は、例えば６：４〜３：４の範囲とする。
【００５２】
（ガス流路形成材料の作製工程）
消失材（アクリル樹脂、ポリイミド樹脂などの有機物）を用い、可塑剤（例えば、シートの密着性を調整するため、１ｗｔ％〜６ｗｔ％まで調整）、溶剤（トルエン、２−プロパノール（ＩＰＡ）、１−ブタノール、ターピネオール、酢酸ブチル、エタノールなどで、粘度に応じて２０ｗｔ％〜３０ｗｔ％）、バインダ（ＰＶＢ，アクリル樹脂，エチルセルロースなど）を混合してスラリとする。
【００５３】
まず、図４（ａ）の上図で例示するように、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）フィルム７１上に、緻密メタル用材料を、略矩形状となるように２０μｍ〜３５μｍ塗工することで、金属粉末層７２を形成する。例えば、金属粉末層７２は、略矩形状を有し、一例として１辺の長さが６０ｍｍ〜７０ｍｍの正方形状を有する。次に、金属粉末層７２の対向する２側面側の端部に緻密メタル用材料を印刷することで、２つの枠７３を形成する。枠７３については、積層およびカットの精度に応じて、例えば幅を１ｍｍ〜１０ｍｍの範囲とし、長さを６０ｍｍ〜７０ｍｍの範囲とする。次に、金属粉末層７２上において、２つの枠７３の間において、多孔質メタル用材料を印刷することで、金属粉末パターン７４を形成する。例えば、図４（ａ）の下図で例示するように、所定の間隔を空けて複数の帯状の金属粉末パターン７４を形成する。続いて、ガス流路形成材料７９を金属粉末パターン７４の逆パターンで印刷し、空いているスペースを埋めるようにガス流路形成材料７９を形成する。それにより、第１積層体９１が形成される。枠７３の厚みは、例えば１００μｍ〜２００μｍである。金属粉末パターン７４の厚みは、例えば枠７３の厚み±１０μｍである。なお、図４（ａ）の右下図は上面図である。
【００５４】
次に、図４（ｂ）の上図で例示するように、ＰＥＴフィルム７５上に、電解質層用材料を、金属粉末層７２と略同形状となるように５μｍ〜１５μｍ塗工することで、電解質層７６を形成する。次に、電解質層７６の対向する２側面側の端部に、緻密電極層用材料を印刷することで、２つの枠７７を形成する。枠７７については、積層およびカットの精度に応じて、例えば幅を１ｍｍ〜１０ｍｍの範囲とし、長さを６０ｍｍ〜７０ｍｍの範囲とする。次に、電解質層７６上において、２つの枠７７の間に電極層用材料を印刷することで、電極層７８（枠７７に対する逆パターン層）を形成する。それにより、第２積層体９２が形成される。枠７７の厚みは、例えば１５μｍ〜４０μｍである。電極層７８の厚みは、例えば枠７７の厚み±３μｍである。なお、図４（ｂ）の右下図は上面図である。
【００５５】
次に、図５（ａ）で例示するように、第１積層体９１を第２積層体９２上に積層する。この場合、金属粉末パターン７４上に電極層７８が積層されるように、第２積層体９２を反転させる。また、枠７３上に枠７７が積層されるようにする。それにより、第３積層体９３が形成される。なお、ＰＥＴ７５は剥離する。
【００５６】
次に、図５（ｂ）で例示するように、第３積層体９３上に、他の第３積層体９３を積層する。この場合、電解質層７６上に電解質層７６が積層されるように、当該他の第３積層体９３を積層する。なお、当該他の第３積層体９３は、２つの電解質層７６が対向した状態で９０°回転させる。すなわち、第３積層体９３と他の第３積層体９３とにおいて、枠７３および枠７７が配置される側面が異なるようにする。それにより、第４積層体９４が形成される。
【００５７】
次に、図５（ｃ）で例示するように、ＰＥＴフィルム７１を剥離した状態で、第４積層体９４を複数（例えば２００個）積層する。それにより、成型体９５が形成される。なお、成型体９５において、電解質層７６が焼成後の固体酸化物電解質層１０に対応し、電解質層７６の上面（第１面）上の電極層７８が焼成後のカソード２０に対応し、当該電極層７８上の金属粉末パターン７４が焼成後の第１金属多孔質部３０ａに対応し、電解質層７６の下面（第２面）下の電極層７８が焼成後のアノード４０に対応し、当該電極層７８下の金属粉末パターン７４が焼成後の第２金属多孔質部５０ａに対応し、金属粉末層７２が焼成後のセパレータ６０に対応する。
【００５８】
この成型体９５に対して例えば１００ＭＰａの圧力で静水圧プレスを行う。各層が密着した成型体９５を、辺の長さが６０ｍｍ〜６５ｍｍの正方形にカットする。その後、大気雰囲気で脱バインダ処理を行う。有機成分は２００℃〜７００℃の間でゆっくりと分解するため、脱バインダ処理の不良を抑えるために、２００℃〜７００℃の温度範囲に１週間程度の時間をかけてゆっくり昇温する。その後、７００℃で１時間程度維持する。
【００５９】
次に、バインダを除去した成型体９５を還元焼成炉に移し、１００％Ｈ２、０．１〜４％Ｈ２−Ａｒ雰囲気などの還元雰囲気において焼成を行う。公知の焼結一体型のＳＯＦＣスタックの製造方法に準じることができる。すなわち、構成する金属およびセラミックス材料が少なくとも一部が焼結されて緻密質又は多孔質の所望の焼成体を得られるように実施する。好ましくは、全ての要素を共焼結させる。例えば、１２００℃以上１５５０℃以下の温度で加熱処理することができ、より好ましくは１２５０℃以上１４００℃以下である。なお、上記焼成温度での焼成時間は、特に限定するものではないが、ゆっくり焼成したほうが、各層の収縮差を抑制するため、例えば、数時間〜数十時間程度などとすることができる。なお、ガス流路形成材料７９は、いずれかの熱処理において消失する。
【００６０】
その後、必要に応じてカソード２０およびアノード４０に触媒を含侵させることによって、燃料電池スタック２００が完成する。例えば、アノード４０に触媒を含浸する際に、カソード２０をマスキングテープで塞いで、硝酸Ｎｉあるいは塩化Ｎｉの溶液に含浸し、乾燥を行う。一方、カソード２０には硝酸Ａｇ、硝酸ＰｒあるいはＬＳＭ，ＬＳＣ，ＬＳＣＦになるような硝酸塩前駆体溶液に含浸し、乾燥を行う。その後、大気雰囲気、３００℃〜８５０℃で熱処理を行い、含浸した試薬を分解・反応させ、所望の触媒とする。
【００６１】
本実施形態に係る製造方法においては、金属粉末層７２上に、ガス流路形成材料７９および金属粉末を有する金属粉末パターン７４（第１パターン）が所定の間隔を空けて複数配置され、当該複数の金属粉末パターン７４上に電極層７８（第１電極層）が積層され、電極層７８上に電解質層７６が配置され、金属粉末層７２下に、ガス流路形成材料７９および金属粉末を有する金属粉末パターン７４（第２パターン）が所定の間隔を空けて複数配置され、当該複数の金属粉末パターン７４下に電極層７８（第２電極層）が積層された積層体が準備され、その後に当該積層体が焼成される。
【００６２】
この製造方法によれば、印刷技術および一体焼成技術を用いてインターコネクタを作製することができる。それにより、インターコネクタを薄くすることができる。その結果、燃料電池スタック２００を小型化することができる。また、第１金属多孔質部３０ａおよび第２金属多孔質部５０ａをセパレータ６０の両側に焼結させることで、第１金属多孔質部３０ａおよび第２金属多孔質部５０ａとセパレータ６０との密着性を高くすることができる。それにより、急速昇降温の際に構造体の変形を有効に抑制することができる。また、第１金属多孔質部３０ａはカソード２０と焼結され、第２金属多孔質部５０ａはアノード４０と焼結されることで、インターコネクタとセル部分との密着性も高くすることができる。
【実施例】
【００６３】
上記実施形態に従って、燃料電池スタック２００を作製した。緻密メタル用材料として、粒径２０μｍのＦｅ−Ｃｒ合金粉末を用いた。多孔質メタル用材料として、粒径２０μｍのＦｅ−Ｃｒ合金粉末を用いた。電極層用材料として、粒径５μｍのＦｅ−Ｃｒ合金粉末、１００ｎｍの１０Ｓｃ１ＹＳＺ粉末を用いた。緻密混合層用材として、粒径５μｍのＦｅ−Ｃｒ合金粉末、１００ｎｍの１０Ｓｃ１ＹＳＺ粉末を用いた。電解質用材料として、粒径１００ｎｍの１０Ｓｃ１ＹＳＺ粉末を用いた。ガス流路形成材料として、アクリル樹脂を用いた。一体焼成後のインターコネクタにおいて、セパレータ６０は９８％の緻密体であり、厚さは４０μｍであった。ガス流路３０ｂの幅は、１ｍｍであった。空気を流すために比較的に厚く設計したため、ガス流路３０ｂの厚みは９５μｍであった。また、ガス流路５０ｂの幅は、１ｍｍであり、燃料ガスを流すために比較的に薄く設計したため、ガス流路５０ｂの厚みは７０μｍであった。また、第１金属多孔質部３０ａの幅は、１ｍｍであり、ガス流路３０ｂと同じ高さであり、緻密度は約７０ｖｏｌ％であった。第２金属多孔質部５０ａの幅は、１ｍｍであり、ガス流路５０ｂと同じ高さであり、緻密度は約７０ｖｏｌ％であった。セパレータ６０、第１金属多孔質層３０および第２金属多孔質層５０で構成されているインターコネクタのトータル厚さは、２０５μｍであった。
【００６４】
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【００６５】
１０  固体酸化物電解質層
２０  カソード
２１  枠
３０  第１金属多孔質層
３１  枠
４０  アノード
４１  枠
５０  第２金属多孔質層
５１  枠
６０  セパレータ
７１  ＰＥＴフィルム
７２  金属粉末層
７３  枠
７４  金属粉末パターン
７５  ＰＥＴフィルム
７６  電解質層
７７  枠
７８  電極層
７９  ガス流路形成材料
９１  第１積層体
９２  第２積層体
９３  第３積層体
９４  第４積層体
９５  成型体
１００  燃料電池
２００  燃料電池スタック
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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