(57)【要約】      （修正有）【課題】出力を安定に発現させつつ、低コストで強度を上げることができる固体酸化物形燃料電池を提供する。【解決手段】支持基板２と、支持基板２の一方面に配置された少なくとも１つの単セル１０と、単セル１０を接着するために支持基板２の表面に塗布された接着部３とを備え、単セル１０は、支持基板２に対向する電解質４と、電解質４の一方面に間隔をおいて配置された燃料極５及び空気極６とを備える単室型固体酸化物形燃料電池１である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持基板と、
前記支持基板の一方面に配置された少なくとも１つの単セルと、
前記支持基板と前記単セルとを接着する接着部とを備え、
前記単セルは、前記支持基板に対向する電解質と、当該電解質の一方面に間隔をおいて配置された燃料極及び空気極とを備える単室型固体酸化物形燃料電池。
【請求項２】
前記接着部は、前記支持基板の一方面に塗布され、前記支持基板と前記電解質との間に介在している請求項１に記載の単室型固体酸化物形燃料電池。
【請求項３】
前記単セルは、間隔をあけて複数配置されており、
前記各単セル間にそれぞれ配置され、当該各単セル同士をそれぞれ接続する複数のインターコネクタを備え、
前記支持基板は、金属からなり、
前記接着部は、絶縁性を有し、前記インターコネクタと前記支持基板との間に介在している請求項２に記載の単室型固体酸化物形燃料電池。
【請求項４】
前記接着部は、導電性を有し、隣接する前記単セルの間に充填され、一方の前記単セルの燃料極及び他方の前記単セルの空気極に接触している請求項１に記載の単室型固体酸化物形燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの混合ガスにより発電する固体電解質を用いた単室型固体酸化物形燃料電池（Single chamber −Solid Oxide Fuel Cells (SC-SOFCs)）に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、単室型固体酸化物形燃料電池（以下単に、燃料電池という）として図８に示す燃料電池が知られていた（例えば、特許文献１参照）。同図に示すように、この燃料電池１００は、シート状の電解質１０１と、電解質１０１の表面（一方面）に間隔をあけて複数配置された燃料極１０２及び空気極１０３とを備えている。燃料極１０２及び空気極１０３は、電解質１０１の長手方向に沿って交互に配置され、互いに対向するように構成されている。そして、一対の燃料極１０２及び空気極１０３により、１つの電極体１０４が構成されている。隣接する電極体１０４において、一方の電極体１０４の燃料極１０２及び他方の電極体１０４の空気極１０３が、インターコネクタ１０５により接続されている。
【０００３】
このような構成の燃料電池１００によれば、燃料極１０２及び空気極１０３が電解質１０１の同一面（表面）に配置されているので、主に電解質１０１の表面近傍で酸素イオンの伝導が起こり、発電が行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平８−２６４１９５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、上述のような燃料電池１００では、電解質１０１が基板となり、電解質は酸素イオン伝導体であることが必要であることから、イットリウムをド−プしたジルコニアやガドリニウムをド−プしたセリアなどを用いる必要がある。このことから、基板としての強度を上げる為の材料選択性が小さく、燃料電池１００全体の強度の向上に限界があった。
【０００６】
また、燃料電池１００全体の強度を上げるために電解質１０１の厚みを厚くすることも考えられるが、酸素イオンの伝導が主に電解質１０１の表面近傍で起こることから、電解質１０１の厚みを厚くしたとしても、燃料電池１００の発電能力が大きく向上することはなく、かえって材料コストが高くなるという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、低コストで強度を上げることができる固形酸化物形燃料電池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】
【０００８】
本発明に係る単室型固体酸化物形燃料電池は、上記課題を解決するためになされたものであって、支持基板と、前記支持基板の一方面に配置された少なくとも１つの単セルと、前記支持基板と前記単セルとを接着する接着部とを備え、前記単セルは、前記支持基板に対向する電解質と、当該電解質の一方面に間隔をおいて配置された燃料極及び空気極とを備える。
【０００９】
このような構成によれば、支持基板と単セルとを接着部で接着しているので、単セルを支持基板で支持することができる。これにより、燃料電池全体の強度を上げることができる。また、支持基板により強度を上げることができるので、単セルの電解質の厚みを厚くすることなく強度の向上を図ることができる。これにより、電解質の厚みを変更するための材料コストを省くことができる。したがって、低コストで強度を上げることができる。また、予め製造された単セルを支持基板に接着するだけで燃料電池全体の強度を向上させることができるので、容易に強度を上げることができる。
【００１０】
また、上記の燃料電池において、接着部を、支持基板の一方面に塗布して、支持基板と電解質との間に介在させることができる。このような構成によれば、支持基板と電解質とを確実に密着させることができる。したがって、燃料電池全体の強度をより向上させることができる。
【００１１】
また、単セルが間隔をあけて複数配置されている構成において、各単セル間にそれぞれインターコネクタを配置し、各単セル同士をそれぞれインターコネクタで接続することができる。この構成において、支持基板が、金属からなる構成とすることができる。また、接着部が、絶縁性を有し、インターコネクタと支持基板との間に介在している構成とすることができる。このような構成によれば、各単セルが間隔をあけて配置されているので、隣接する単セルの電解質同士が離間している。これにより、隣接する電解質間で酸素イオンの伝導が起こらないので、内部短絡を防止することが出来、出力を安定に発現させることができる。また、金属製の支持基板により、燃料電池全体の強度をより上げることができる。また、絶縁性を有する接着部がインターコネクタと金属の支持基板との間に介在しているので、両者を絶縁することができる。したがって、出力の安定化が図れ、強度を上げることができる。
【００１２】
また、接着部を、導電性を有する構成とし、隣接する単セルの間に充填し、一方の単セルの燃料極及び他方の単セルの空気極に接触させることができる。このような構成によれば、接着部が、支持基板と単セルとを接着すると共に、各単セル同士を電気的に接続するインターコネクタの機能を果たす。これにより、別途インターコネクタを設置しなくてもよいので、手間がかからず、コストを抑えることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の単室型固体酸化物形燃料電池によれば、低コストで強度を上げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態に係る固体酸化物形燃料電池の一部拡大断面図である。
【図２】固体酸化物形燃料電池の平面図である。
【図３】他の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池の一部拡大断面図である。
【図４】更に他の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池の一部拡大断面図である。
【図５】更に他の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池の一部拡大断面図である。
【図６】更に他の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池の一部拡大断面図である。
【図７】更に他の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池の平面図である。
【図８】従来の固体酸化物形燃料電池の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池の一部拡大断面図であり、図２は、燃料電池の平面図である。燃料電池の各構成要素を明確にするために、図２の平面図においてもハッチングを付している。
【００１６】
図１及び図２に示すように、この燃料電池１は、板状の基材２と、基材２の表面（一方面）に塗布された接着部３とを備えている。また、燃料電池１は、基材２の表面に接着部３を介して接着された複数の単セル１０を備えている。本実施形態では、基材２により、単セル１０を支持する支持基板が構成されている。
【００１７】
接着部３は、絶縁性を有している。また、接着部３は、単セル１０を接着可能なように平面視で四角形状に塗布され、これが等間隔で複数配置されている。また、接着部３は、隣接する上記四角形の塗布領域の間にも塗布されている。このように、接着部３は、基材２にパターン状に塗布されている。この接着部３の塗布パターンは、単セル１０の形状や配置に応じて適宜変更可能である。
【００１８】
複数の単セル１０は、パターン状の接着部３の上に配置されている。また、各単セル１０は、基材２に対向するように配置された電解質４と、電解質４の表面（一方面）に間隔をあけて配置された一対の帯状の燃料極５及び空気極６とを備えている。
【００１９】
電解質４は、接着部３により基材２の表面に接着されている。また、電解質４は、平面視で四角形状に形成されている。燃料極５及び空気極６は、それぞれ、帯状に形成され、対向するように配置されている。一対の燃料極５及び空気極６により１つの電極体を構成している。
【００２０】
隣接する単セル１０の間には、インターコネクタ７が配置されており、このインターコネクタ７により単セル１０同士が電気的に接続されている。より詳細には、インターコネクタ７が、隣接する単セル１０において、一方の単セル１０の燃料極５と、他方の単セル１０の空気極６とを接続している。複数の単セル１０はそれぞれ直列に接続されている。インターコネクタ７は、隣接する単セル１０同士の隙間に充填されており、下端が接着部３に接触している。これにより、インターコネクタ７と基材２とが絶縁されている。
【００２１】
次に、上記の燃料電池１の各構成要素の材質について説明する。基材２の材質としては、燃料電池１の強度を上げる観点から金属が好ましく、例えば、フェライト系ステンレス鋼  ＳＵＳ（Ｓｔｅｅｌ  Ｕｓｅ  Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ）４３０  （１８Ｃｒ）、または、日立金属株式会社製  固体酸化物形燃料電池用セパレータ材  ＺＭＧ２３２Ｌを好ましく用いることができる。また、基材２の厚みは、２００μｍ〜１０００μｍが好ましい。
【００２２】
接着部３の材質としては、基材２とインターコネクタ７とを絶縁するために、絶縁性を有するものを用いている。また、基材２と電解質４との接着性を高める観点から、接着部３の材質として無機系材料を好ましく用いることができる。このような材料としては、例えば、マイカ（雲母）や、ジルコニア、シリカ、アルミナ等の材料を主成分として、バインダー樹脂、有機溶媒などを適量加えて混練した接着部用ペーストを用いることができる。接着部３は、接着部用ペーストをスクリーン印刷法により、例えば、１〜５０μｍの厚みに印刷される。接着部３は、上記スクリーン印刷法以外にもシート体を積層させ、溶着させてもよい。厚みは１〜１０００μｍで形成される。
【００２３】
電解質４の材質としては、固体酸化物形燃料電池の電解質の材料として公知のものを使用することができ、例えば、サマリウムやガドリニウム等をドープしたセリア系酸化物、ストロンチウムやマグネシウムをドープしたランタン・ガレード系酸化物、スカンジウムやイットリウムを含むジルコニア系酸化物などの酸素イオン伝導性セラミックス材料を用いることができる。
【００２４】
燃料極５の材質としては、例えば、金属触媒と酸化物イオン導電体からなるセラミックス粉末材料との混合物を用いることができる。このとき用いられる金属触媒としては、ニッケル、鉄、コバルトや、貴金属（白金、ルテニウム、パラジウム等）等の還元性雰囲気において安定で、水素酸化活性を有する材料を用いることができる。また、酸化物イオン導電体としては、蛍石型構造又はペロブスカイト型構造を有するものを好ましく用いることができる。蛍石型構造を有するものとしては、例えばサマリウムやガドリニウム等をドープしたセリア系酸化物、スカンジウムやイットリウムを含むジルコニア系酸化物などを挙げることができる。また、ペロブスカイト型構造を有するものとしては、ストロンチウムやマグネシウムをドープしたランタン・ガレード系酸化物を挙げることができる。上記材料の中では、酸化物イオン導電体とニッケルとの混合物で、燃料極５を形成することが好ましい。なお、酸化物イオン導電体からなるセラミックス材料とニッケルとの混合形態は、物理的な混合形態であってもよいし、ニッケルへの粉末修飾などの形態であってもよい。また、上述したセラミックス材料は、１種類を単独で、或いは２種類以上を混合して使用することができる。また、燃料極５は、金属触媒を単体で用いて構成することもできる。
【００２５】
空気極６の材質としては、例えば、ペロブスカイト型構造等を有するＣｏ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｒ又はＭｎ等からなる金属酸化物を用いることができる。具体的には（Ｓｍ，Ｓｒ）ＣｏＯ３，（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ３，（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ３，（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｆｅ，Ｃｏ）Ｏ３，（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ）Ｏ３などの酸化物が挙げられ、上述した材料は、１種を単独で、或いは２種以上を混合して使用することができる。
【００２６】
上記燃料極５、及び空気極６は、上述した材料を主成分として、さらにバインダー樹脂、有機溶媒などが適量加えられることによりペ−スト化、印刷、焼結される。ペ−スト化に関して、より詳細には、上記主成分とバインダー樹脂との混合において、上記主成分が５０〜９５重量％となるように、バインダー樹脂等を加えることが好ましい。また、電解質４も上述した材料を主成分としてバインダー樹脂、有機溶媒などが適量加えられることによりペ−スト化、印刷、焼結されるが、ペ−スト化に関しては、上記主成分とバインダー樹脂との混合において、上記主成分が８０重量％以上となるように混合されることが好ましい。プラズマレ−ザ−デポジション法や、イオンプレ−ティング法などの真空プロセスにより形成することも出来る。また、電解質４を２００μm以上の膜厚で形成する場合は、一旦、粉末をプレス成形し、焼結することにより形成することができる。そして、これら空気極３、燃料極５の膜厚は焼結後に１μｍ〜５００μmとなるように形成するが、１０μｍ〜１００μｍとすることが好ましく、電解質４の膜厚としては、１０〜５０００μｍであることが好ましく、５０〜２０００μｍであることがさらに好ましい。
【００２７】
また、インターコネクタ７は、Ｐｔ，Ａｕ，Ａｇ，Ｎｉ，Ｃｕ，ＳＵＳ等の導電性金属、又はＬａ（Ｃｒ，Ｍｇ）Ｏ３，（Ｌａ，Ｃａ）ＣｒＯ３，（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｒＯ３などのランタン・クロマイト系等の導電性セラミックス材料によって形成することができ、これらのうちの１種を単独で使用してもよいし、２種以上を混合して使用してもよい。インターコネクタ７は、上述した材料にバインダー樹脂、有機溶媒などが適量加えられることによりペ−スト化、印刷、焼結される。
【００２８】
次に、上述した燃料電池の製造方法の一例を説明する。まず、予め、単セル１０を作製しておく。単セル１０は、以下のように作製することができる。すなわち、まず、上述した燃料極５、及び空気極６用の粉末材料を主成分として、これらそれぞれにバインダー樹脂、有機溶媒などを適量加えて混練し、燃料極ペースト、及び空気極ペーストをそれぞれ作製する。次に、電解質４粉末をプレス成形し、焼結を行うことにより、電解質４の基板を形成する。続いて、燃料極ペーストをスクリーン印刷法により電解質４上に帯状に塗布した後、所定の時間及び温度で乾燥・焼結し、燃料極５を形成する。これに続いて、各燃料極５と対向する位置に、空気極ペーストをスクリーン印刷法によって塗布し、所定時間及び温度で乾燥・焼結することにより、空気極６を形成する。これにより、単セル１０が形成される。なお、燃料極ペースト、及び空気極ペーストの粘度は、スクリーン印刷に適合するように１０4〜１０６ｍＰａ・ｓ程度であることが好ましい。
【００２９】
続いて、単セル１０と基材２とを以下のように接着する。すなわち、まず、基材２の表面に、スクリーン印刷により、接着部ペーストをパターン状に塗布し、次に、接着部ペーストが塗布された基材２の表面に、複数の単セル１０を配置する。単セル１０は、電解質４と基材２が対向するように配置される。そして、接着部ペーストを乾燥、材料によっては、焼結させることにより、基材２と単セル１０とを接着する。
【００３０】
最後に、各単セル１０を直列に接続するように、各単セル１０間にインターコネクタ用ペーストをスクリーン印刷法によって塗布、印刷、焼結し、インターコネクタ７を形成する。インターコネクタ７用のペーストは、上述したインターコネクタ７用の粉末材料にバインダー樹脂等の添加物を加えることにより、作製することができる。このペーストの粘度は、上述した燃料極ペースト等と同程度にすることができる。
【００３１】
上述した製造方法においては、各ペーストの塗布にスクリーン印刷法を用いているが、これに限定されるものではなく、ドクターブレード法、スプレーコート法、リソグラフィー法、スピンコ−ト法、インクジェット法、転写印刷法等の印刷方法、その他一般的な印刷法を用いることができる。また、印刷後の後工程として、ＣＩＰ（静水圧プレス）、ＨＩＰ（熱間静水圧プレス）、ホットプレス、その他一般的なプレス工程を用いることもできる。
【００３２】
上記のように構成された燃料電池１では、次のように発電が行われる。まず、燃料極５及び空気極６が形成されている側に、メタンやエタンなどの炭化水素からなる燃料ガスと空気等の酸化剤ガスとの混合ガスを高温の状態（例えば、４００〜１０００℃）で供給する。これにより、燃料極５と空気極６との間の電解質４の主に表層付近で、酸素イオン伝導が起こって発電が行われる。
【００３３】
上記の構成を備える燃料電池１によれば、基材２と電解質４とを接着部３を介して接着するので、単セル１０を基材２によって支持することができる。これにより燃料電池１の強度を向上させることができる。また、電解質４が薄い構成であっても基材２により強度を上げることができるので、燃料電池１の強度を上げるために電解質４を厚くしなくてもよい。また、予め製造された単セル１０を基材２に接着するだけで強度を上げることができる。したがって、低コストで容易に強度を上げることができる。また、基材２と電解質４とを、それらの間に介在する接着部３により確実に接着するので、より強度を上げることができる。また、基材２が金属であるとより強度を上げることができる。
【００３４】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明の具体的な態様は、上記実施形態に限定されるものではない。
【００３５】
例えば、上記実施形態では、接着部３は、絶縁性を有する材料から構成されていたが、必ずしもこの構成に限定されることはない。すなわち、接着部３は、導電性を有していてもよい。例えば、銀や、金、白金、銅及びこれら金属を含む化合物等の接着性のある材料を用いることができる。また、接着部３の塗布状態は、基材２と電解質４とを接着できれば、特に限定されず、適宜変更可能である。また、基材２の材質としては、導電性の材質に限られず、絶縁性の材質であってもよい。例えば、基材２の材質として、アルミナ系材料、シリカ系材料、チタン系材料等の強度向上が可能なセラミックス系材料を用いることもできる。
【００３６】
図３は、他の実施形態に係る燃料電池の一部拡大断面図である。図３において、図１と同様の構成部分については、同一の符号を付して説明を省略する。図３に示すように、接着部３は、基材２の表面に間隔をあけて塗布されている。また、接着部３は、基材２と電解質４との間に介在している。また、接着部３は、インターコネクタ７と接触しないように、インターコネクタ７と間隔をあけて塗布されている。
【００３７】
インターコネクタ７は、隣接する単セル１０の間に充填されており、下端が基材２に接触している。
【００３８】
基材２は、インターコネクタ７と基材２との導通を防ぐ観点から、導電性を有さない材質から形成されている。
【００３９】
図４は、更に他の実施形態に係る燃料電池の一部拡大断面図である。図４において、図３と同様の構成部分については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００４０】
上記実施形態では、基材２により単セルを支持する支持基板が構成されていたが、この構成に限定されるものではない。本実施形態では、基材２、及び、基材２の表面（一方面）に配置されたシート状の絶縁体８により支持基板２０が構成されている。
【００４１】
基材２は、例えば金属等の導電性を有する材質から形成されている。絶縁体８の材質としては、基材２に対する接着性及び絶縁性の優れる、セラミックス系材料からなることが好ましく、例えば、ジルコニア、アルミナ、セリアなどの材料を用いることができる。この絶縁体８は、スクリーン印刷法やスパッタリングなどの真空成膜法により形成することができる。
【００４２】
接着部３は、絶縁体８の表面（一方面）に塗布されている。インターコネクタ７の下端は、絶縁体８に接触しており、これにより、基材２とインターコネクタ７とが絶縁されている。
【００４３】
図５は、更に他の実施形態に係る燃料電池の一部拡大断面図である。図５において、図１と同様の構成部分については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００４４】
図５に示すように、電解質４は、基材２の表面に、接着部３を介さずに配置されている。基材２は、例えばセラミックスなどの絶縁材料から形成されている。各単セル１０の間には、接着部３が充填されており、接着部３の下端は基材２に接触している。この接着部３は、隣接する単セル１０の上面の一部を覆っている。より詳細には、隣接する単セル１０の燃料極５及び空気極６の一部を覆っている。こうして、接着部３により単セル１０と基材２とが接着される。
【００４５】
接着部３は、導電性を有している。この接着部３の材質としては、導電性を有する観点から、例えば、銀や、金、白金、銅及びこれら金属を含む化合物等を用いることができる。また、接着部３の融点は、基材２に熱的損傷を与えない程度の温度であることが好ましく、具体的には、１２００℃以下であることが好ましい。接着部３は、隣接する単セル１０の燃料極５及び空気極６を電気的に接続している。すなわち、接着部３は、インターコネクタの機能を果たしている。
【００４６】
このような構成によれば、接着部３がインターコネクタを兼ねているので、別途、インターコネクタを設置する必要がない。したがって、燃料電池１を製造するときに、手間を要することがない。
【００４７】
図６は、更に他の実施形態に係る燃料電池の一部拡大断面図である。図６において、図５と同様の構成部分については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００４８】
本実施形態では、基材２は、金属等の導電性を有する材質から形成されている。基材２の表面（一方面）には、絶縁体８が配置されている。本実施形態では、基材２及び絶縁体８により、支持基板２０が構成されている。絶縁体８の材質は、図４に係る実施形態の絶縁体８と同様の材質である。接着部３の下端は、絶縁体８に接触している。これにより、接着部３と基材２とが絶縁される。
【００４９】
図５及び図６に示す燃料電池は、次のように製造される。すなわち、支持基板２０の表面に、複数の単セル１０を、間隔をあけて配置する。単セル１０は、電解質４と基材２とが対向するように配置される。次に、インクジェット法により、隣接する単セル１０の間に接着部３を供給する。接着部３は、隣接する単セル１０の間に充填され、その一部は、燃料極５及び空気極６の一部を覆い、下端が支持基板２０に接触する。こうして、燃料電池１が製造される。
【００５０】
また、上記実施形態では、複数の単セル１０をインターコネクタ７によって直列に接続しているが、並列に接続することもできる。例えば、図７に示すように、２個の単セル１０の燃料極５同士、及び空気極６同士をインターコネクタ７によって接続することができる。燃料電池の各構成要素を明確にするために、図７の平面図においてもハッチングを付している。
【符号の説明】
【００５１】
１  固体酸化物形燃料電池
２  基材
３  接着部
４  電解質
５  燃料極
６  空気極
７  インターコネクタ
１０  単セル
２０  支持基板
【図１】
2010232008.tif 000003
【図２】
2010232008.tif 000004
【図３】
2010232008.tif 000005
【図４】
2010232008.tif 000006
【図５】
2010232008.tif 000007
【図６】
2010232008.tif 000008
【図７】
2010232008.tif 000009
【図８】
2010232008.tif 000010