(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体酸化物燃料電池の単位セルの構成素材である陰極、陽極、電解質及び連結材それぞれの粉末を、それぞれエポキシ系バインダーと混合して各ペーストを製造し；
前記製造された各ペーストを転写紙上にスクリーンプリンティングし；
前記スクリーンプリンティングされ、且つセルの構成素材が形成された転写紙を乾燥した後、蒸留水に浸し、前記スクリーンプリンティングされた陰極、陽極、電解質及び連結材をそれぞれ前記転写紙から分離した後、支持体上に積層して乾燥及び焼結処理して単位セルを形成することを含むことを特徴とする転写方法を用いた固体酸化物燃料電池用単位セル製造方法。
【請求項２】
前記スクリーンプリンティング段階では、陰極、陽極、電解質及び連結材それぞれの積層厚を制御するために、前記製造された各ペーストを使用して、スクリーンプリンティングと乾燥過程を複数回繰り返すことを特徴とする、請求項１に記載の転写方法を用いた固体酸化物燃料電池用単位セル製造方法。
【請求項３】
前記ペースト製造段階は、陰極、陽極、電解質及び連結材それぞれの粉末とエポキシ系バインダーとを、それぞれ１：０．５〜１：２の比率で混合して製造することを特徴とする、請求項１に記載の転写方法を用いた固体酸化物燃料電池用単位セル製造方法。
【請求項４】
前記支持体は、酸化アルミニウム、炭酸マグネシウム及び活性炭を混合した後で乾燥し、バインダー、離型剤及び可塑剤を添加して混合した後、熟成して成形したものであることを特徴とする、請求項１に記載の転写方法を用いた固体酸化物燃料電池用単位セル製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、平板型、平管型、円筒型及び分割（ｓｅｇｍｅｎｔｅｄ）型などの多様な形態の固体酸化物燃料電池の単位セルを製作するとき、支持体上に転写方法で陰極、電解質、陽極及び連結材を積層する転写方法を用いた固体酸化物燃料電池用単位セルの製造方法に関するもので、より詳細には、単位セルの積層と配置による多様な形態のＳＯＦＣ製造において、陰極、陽極、電解質、連結材などの燃料電池の構成素材を転写方法で所望の形状に積層することができ、大面積又は複雑な構造の電池構成素材の積層時にも大きさ及び形状に制限を受けず、転写紙の積層回数に応じて電池構成素材の厚さを容易に制御し、相対的に低コストで支持体上にコーティング膜を製造できる転写方法を用いた固体酸化物燃料電池用単位セルの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
次世代のエネルギー変換装置として脚光を浴びている固体酸化物燃料電池（Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ、以下、ＳＯＦＣという。）は、主にジルコニア系を電解質として使用し、陰極及び空気極で単位セルを構成しており、この単位セルが多数集まることによってスタックを構成する。ＳＯＧＣは、他の燃料電池と異なり、燃料ガスを改質することなく水素以外の炭化水素系ガスを燃料として使用し、発電効率が最も高く、且つＮＯＸ、ＳＯＸを排出しないので、環境にやさしいエネルギー変換装置である。
【０００３】
一般に、このようなＳＯＦＣは、単位セルの形状及びスタックの配置によって平板型、円筒型、平管型及び分割型に区分することができる。
【０００４】
平板型のＳＯＦＣは、電流経路が短いために他の形態に比べて効率が高く、円筒型のＳＯＦＣに比べて電力密度が高いという長所を有するが、ほとんどの材料がセラミックス複合体からなっているので、脆性破壊の問題があり、大面積の具現が難しく、単位セルの構造的特性上、ガスの密封が難しいという短所を有する。
【０００５】
その一方、円筒型のＳＯＦＣの場合、構造的特性上、熱衝撃に対する抵抗性が高く、単位セルとの密封が容易であり、大面積の単位セルの製造が容易なため商用化に近接しているが、単位面積当たりの電力密度が低く、高コストの製造工程が必要である。
【０００６】
平板型と円筒型のＳＯＦＣにおける問題を解決するためにこれらを相互補完した平管型のＳＯＦＣは、平板型のＳＯＦＣの密封問題を解決すると同時に、円筒型のＳＯＦＣの低電力密度の問題を解決することができる。
【０００７】
分割（ｓｅｇｍｅｎｔｅｄ）型のＳＯＦＣは、支持体上に単位セルが直列に連続して連結された構造を有しており、スタック効率を増加させ、単位セル間の間隔が短いので電力の抵抗損失が小さく、機械的強度に優れているという長所を有するが、陰極と陽極を通した長い電流の流れが内部抵抗の損失をもたらすという短所を有する。
【０００８】
このような多様な形状のＳＯＦＣの単位セルを製造するために、支持体上に構成素材を積層又はコーティングする方法を用いている。
【０００９】
気相コーティング及び積層のためにはＥＶＤ法、ＣＶＤ法、スパッタリング法、プラズマ溶射などを行う多様な工程を経るが、出発原料と試片の大きさに限界があり、薄膜の成長速度が遅いので、厚い試片の製作が難しい。また、基板との付着性が低下し、高価な装備が必要なことから工程費用が嵩むという問題がある。
【００１０】
相対的に容易な液相コーティング及び積層工程のためには、スクリーン印刷法、テープキャスティング法、スピンコーティング法、ディップコーティング法、スリップコーティング法、電気化学法などを行う。
【００１１】
一般に、これらのうち最も広く用いられているスクリーン印刷法は、ペーストを用いる方法であるが、コーティング基板の大きさと形態に制限を受けるので、円筒型及び平管型のＳＯＦＣには適用することができない。
【００１２】
そのため、最近、商用化に最も近接した円筒型及び平管型のＳＯＦＣを製造するときは主にディップコーティングプラズマ溶射を用いるが、所望の膜厚の制御が難しく、工程が複雑であり、製造コストが非常に高い。
【００１３】
したがって、前記のような問題を解決するために、工程が簡単で且つ厚さを厚く又は均一にすることができる新しい膜形成工程では転写方法を用いている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は、前記問題を解決するためになされたもので、単位セルの積層とコーティングによるＳＯＦＣの製造において、陰極、陽極、電解質、連結材などの燃料電池の構成素材を転写方法で所望の形状に積層することができ、大面積や複雑な構造の電池構成素材の積層時にも大きさ及び形状に制限を受けず、転写紙の積層回数に応じて電池構成素材の厚さを容易に制御し、相対的に低コストで支持体にコーティング膜を製造できる転写方法を用いた固体酸化物燃料電池用単位セル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】
【００１５】
本発明は、前記目的を達成するために下記のような特徴を有する。
【００１６】
本発明は、固体酸化物燃料電池の単位セルの構成素材である陰極、陽極、電解質及び連結材の粉末を、人体に有害でなく、且つ硬化が速いエポキシ系バインダーと混合してペーストを製造し；製造されたペーストを転写紙にスクリーンプリンティングし；スクリーンプリンティングされた転写紙を乾燥した後、蒸留水で転写紙とスクリーンされた陰極、陽極、電解質及び連結材をそれぞれ分離し、これを支持体に積層して乾燥した後、焼結処理して単位セルを形成することを含んで構成される。
【００１７】
ここで、前記スクリーンプリンティング段階は、各陰極、陽極、電解質及び連結材の積層厚を制御するために転写を繰り返し、目的とする厚さに積層が行われるように構成し、転写の繰り返し工程は、各陰極、陽極、電解質及び連結材をスクリーンプリンティングした後、乾燥してコーティングする過程を繰り返し行い、前記ペースト製造段階は、前記陰極、陽極、電解質及び連結材の粉末をエポキシ系バインダーと１：０．５〜１：２の比率で混合して行う。
【００１８】
また、前記スクリーンプリンティング段階は、エポキシ系転写コーティング液を用いてコーティング層を形成し、前記支持体は、酸化アルミニウム、炭酸マグネシウム及び活性炭を混合した後で乾燥し、バインダー、離型剤及び可塑剤を添加して混合した後、熟成して押出成形する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、固体酸化物燃料電池に単位セルを製作するとき、構成素材を転写法で製作することによって、高価な装備が必要ないので、製造コストが安価であり、平板型、円筒型及び平管型などのＳＯＦＣに所望の大きさに多様に積層して形成することが可能であると同時に、構成素材の転写回数によって積層厚を容易に制御し、製造工程が簡便になるという効果がある。
【００２０】
特に、平管型のＳＯＦＣの場合、支持体の曲面にも転写法でコーティングすることが可能であるので、電極の有効面積が既存に比べて画期的に増加するという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施例に係る転写紙の製作工程図である。
【図２】積層厚を制御するための各転写回数による陰極層の厚さを示す図である。
【図３】本発明の一実施例に係る多孔性セラミックス支持体の構造を示す図である。
【図４】本発明の一実施例に係る平管型セラミックス支持体上に固体酸化物燃料電池の構成素材である陰極、電解質、陽極及び連結材で分割型に膜を形成した構造を示す図である。
【図５】本発明の一実施例に係る平板型セラミックス支持体上にＳＯＦＣ構成素材である陰極、電解質、陽極及び連結材で分割型に膜を形成した構造を示す図である。
【図６】本発明の一実施例に係る円筒型セラミックス支持体上にＳＯＦＣ構成素材である陰極、電解質、陽極及び連結材で分割型に膜を形成した構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の好適な実施例を参照して本発明の技術内容を詳細に説明する。
【実施例１】
【００２３】
単位セルは、転写方法で構成素材を積層して形成したが、転写方法は、構成素材を転写紙上にコーティングして行う。
【００２４】
転写紙を製作するためには、図１に示すように、陰極（燃料極）、陽極（空気極）、電解質及び連結材の粉末をエポキシ系バインダーと１：０．５〜１：２で混合し、３本ロールミルで数回繰り返し混合してスラリーを製造した後、転写紙に陰極、陽極、電解質及び連結材の粉末をそれぞれスクリーンプリンティングする。
【００２５】
このとき、スクリーンプリンティングされる陰極、陽極、電解質及び連結材の積層厚はスクリーンプリンティング回数によって制御可能であり、このために、スクリーンプリンティング後に乾燥し、多重コーティングを繰り返す。
【００２６】
支持体に積層するとき、転写された構成素材の損傷を防止するとともに、その形態を維持するために、エポキシ系転写コーティング液を用いてコーティング層をスクリーンプリンティングする。
【００２７】
陰極、陽極、電解質及び連結材がそれぞれスクリーンプリンティングされた転写紙を乾燥した後、蒸留水で転写紙と陰極、陽極、電解質及び連結材をそれぞれ分離して支持体に積層し、８０℃で１時間乾燥した後、焼結して各構成素材膜を形成する。
【００２８】
図２は、積層厚を制御するための各転写回数による陰極層の厚さを示す図で、転写を１回から６回まで繰り返し行った。焼結後、断面を電子走査顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した結果、１〜４０μｍまで多様にコーティング層が形成されることが分かる。
【実施例２】
【００２９】
図３に示すように、多孔性セラミックス支持体は、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、炭酸マグネシウム（ＭｇＣＯ３）、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）又はフッ化カルシウム（ＣａＦ２）と、気孔形成剤として活性炭ＰＭＭＡをボールミルで混合し、乾燥した試料にバインダー、離型剤及び可塑剤を添加して混合した後、熟成して押出成形及び乾燥工程を行い、１４５０〜１６００℃で焼成して支持層を製作した。
【実施例３】
【００３０】
○分割型・平管型の固体酸化物燃料電池に適用
実施例２で製造した多孔性セラミックス支持体上に、実施例１で製造した陰極、電解質、陽極及び連結材素材の転写紙で図４に示すような所望の厚さの分割型に膜を形成して製作した。
【実施例４】
【００３１】
○平板型の固体酸化物燃料電池に適用
平板型の多孔性セラミックス支持体上に、実施例１で製造した陰極、電解質、陽極及び連結材素材の転写紙で図５に示すような所望の厚さの分割型に膜を形成して製作した。
【実施例５】
【００３２】
○円筒型の固体酸化物燃料電池に適用
円筒型の多孔性セラミックス支持体上に、実施例１で製造した陰極、電解質、陽極及び連結材素材の転写紙で図６に示すような所望の厚さの分割型に膜を形成して製作した。
【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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【図６】
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