(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気極若しくは燃料極とその保形体とを兼用する角筒形状の電極支持管の複数体をセパレータ上に等間隔で配列し、次に前記複数体の電極支持管それぞれの開放外周面に固体電解質を積層形成し、続いて前記固体電解質の外周に前記電極支持管と反対の極性の電極層を積層形成することによって、前記セパレータ上に等間隔に複数体の角筒式固体電解質燃料電池が列設された固体電解質燃料電池アセンブリユニットを製造することを特徴とする固体電解質燃料電池アセンブリユニットの製造方法。
【請求項２】
請求項１の製造方法にて製造された固体電解質燃料電池アセンブリユニットの複数体を複数段に積層し、前記電極支持管それぞれの内部に酸化ガスと燃料ガスのいずれか一方を通流させ、前記角筒式固体電解質燃料電池の列間の間隙に酸化ガスと燃料ガスのいずれか他方を通流させるようにした固体電解質燃料電池アセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体電解質燃料電池アセンブリユニットの製造方法及び固体電解質燃料電池アセンブリに関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体電解質燃料電池には、図６に示すような円筒縦縞方式のもの、図７に示すような平板方式のものが知られている。
【０００３】
図６に示す円筒縦縞方式固体電解質燃料電池は、内側から順に電池全体に強度保持、導電管兼空気供給管をなす基体管１の外周に多孔質ランタンマンガネート系の空気極２、イットリウム安定化ジルコニア（ＹＳＺ）の固体電解質３、ニッケル又はニッケル合金とＹＳＺとのサーメットを素材とする燃料電極４の積層構造にして、外周面の一部にインタコネクタ５を燃料極４から絶縁し、かつ内部の空気極２に接続する形で配置している。なお、これとは逆に最内層に導電管兼燃料供給管をなす基体管を配し、その外周に燃料極、固体電解質、空気極を積層形成した構造の円筒方式固体電解質燃料電池も知られている。
【０００４】
図７に示す平板方式固体電解質燃料電池は、平板状の空気極６上に固体電解質７、燃料極８を積層形成し、このユニットをセパレータ９を介して多段に直列にスタックする構造である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、これらの従来の固体電解質燃料電池の場合、次のような問題点があった。円筒縦縞方式固体電解質燃料電池では、機械強度が比較的優れ、ガスシールも容易であるが、発電効率が比較的に低くて単位容積当たりの出力密度が低い問題点を有している。平板方式固体電解質燃料電池では逆に発電効率が比較的高く、単位容積当たりの出力密度を高くすることができるが、ガスシールが難しい問題点、また製造において高い薄膜製造技術を要する問題点があった。
【０００６】
本発明はこのような従来の問題点に鑑みてなされたもので、強度的に強く、シーリングも容易であり、その上に発電効率も高い固体電解質燃料電池アセンブリユニットの製造方法及び固体電解質燃料電池アセンブリを提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明の固体電解質燃料電池アセンブリユニットの製造方法は、空気極若しくは燃料極とその保形体とを兼用する角筒形状の電極支持管の複数体をセパレータ上に等間隔で配列し、次に前記複数体の電極支持管それぞれの開放外周面に固体電解質を積層形成し、続いて前記固体電解質の外周に前記電極支持管と反対の極性の電極層を積層形成することによって、前記セパレータ上に等間隔に複数体の角筒式固体電解質燃料電池が列設された固体電解質燃料電池アセンブリユニットを製造することを特徴とするものである。
【００１９】
この請求項１の発明の固体電解質燃料電池アセンブリユニットの製造方法によれば、セパレータとその上の固体電解質燃料電池とが一体化したインタコネクタレスの固体電解質アセンブリユニットが形成でき、これを複数段に積層することによって容易に固体電解質燃料電池アセンブリを製作することができる。
【００２０】
請求項２の発明の固体電解質燃料電池アセンブリは、請求項１の製造方法にて製造された固体電解質燃料電池アセンブリユニットの複数体を複数段に積層し、前記電極支持管それぞれの内部に酸化ガスと燃料ガスのいずれか一方を通流させ、前記角筒式固体電解質燃料電池の列間の間隙に酸化ガスと燃料ガスのいずれか他方を通流させるようにしたものである。
【００２１】
この請求項２の発明の固体電解質燃料電池アセンブリでは、機械的強度があり、かつ平板方式固体電解質燃料電池に準じた高い発電効率を有する。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。図１は本発明の固体電解質燃料電池の第１の実施の形態を示している。この実施の形態の固体電解質燃料電池１は、ランタンマンガネート系のポーラスな角筒形状の空気極支持管１１の外周面の３側面にＹＳＺの固体電解質１２を積層形成し、さらにこの固体電解質１２の外周面にニッケル又はニッケル合金とＹＳＺとのサーメット製のポーラスな燃料極１３を積層形成し、空気極支持管１１の残る１側面にランタンクロマイト系酸化物（ＬａＣｒＯｎ）のインタコネクタ１４を積層形成した構造である。
【００２３】
空気極支持管１１を制作するにあたってはその素材が高い電子導電性を持ち、固体電解質１２との密着性が良く、かつ多孔質である特性を有するものとして、３〜１５μｍの粒径のランタンマンガネート系酸化物セラミックス、例えば、ランタンストロンチウムマンガネート（Ｌａ（Ｓｒ）ＭｎＯ3 ）、ランタンカルシウムマンガネート（ＬａＣａＭｎＯ3 ）などのランタンマンガネート（ＬａＭｎＯｎ）系酸化物の微粉末をバインダ３〜１０％、水分５〜２０％（いずれも重量％）と共に混練し、押出し成形あるいはスリップキャストによって所定の長さ、肉厚、径の角筒形状に成形し、これを乾燥させて自己保形できる成形体を得、さらに焼成炉に入れて１３００〜１６００℃の高温状態で所望時間焼成することによって作成する。気孔率は約３０％程度である。
【００２４】
固体電解質１２には一般にイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）を素材とし、空気極支持管１１に対して電気化学蒸着法（ＣＶＤ−ＥＶＤ）、スラリーコーティング法、プラズマ溶射法などの薄膜積層技術を用いて積層形成する。さらに燃料極１３の素材にはニッケル、コバルト、あるいはこれらの合金、さらにはこれらとジルコニアとのサーメットが用いられ、固体電解質１２の上に電気化学蒸着法（ＣＶＤ−ＥＶＤ）、スラリーコーティング法、プラズマ溶射法などの薄膜積層技術を用いて積層形成する。この燃料極１３に気孔率も約３０％程度である。
【００２５】
そしてインタコネクタ１４の素材には、高温耐性があり、化学的に安定し、導電率が高いことなどの特性を有しているものとしてランタンクロマイト（ＬａＣｒＯ3 ）系酸化物を用い、電気化学蒸着法（ＣＶＤ−ＥＶＤ）、スラリーコーティング法、プラズマ溶射法などの薄膜積層技術を用いて空気極支持管１１の１側面に積層形成する。
【００２６】
実際の固体電解質燃料電池の製造に当たっては、上記の方法で得た空気極支持管１１の１側面をマスキングして、他の３側面に上記の各方法で固体電解質１２、燃料極１３を積層形成し、その後に、マスキングしていた空気極支持管１１の１側面のマスクを外し、逆に他の３側面にマスキングを行い、インタコネクタ１４を上述した方法によって積層形成する。
【００２７】
またこれとは逆に、空気極支持管１１の３側面にマスキングを行い、残りの１側面にインタコネクタ１４をまず形成し、その後に形成されたインタコネクタ１４にはマスキングし、他の３側面のマスキングを外してそこに固体電解質１２及び燃料極１３を積層形成する方法を採用することもできる。
【００２８】
こうして得られる角筒形状の固体電解質燃料電池は、肉厚が１〜２ｍｍ、１辺が１．５〜２．５ｃｍ程度の外形寸法を有し、長さは通常の円筒縦縞方式の固体電解質燃料電池と同程度で、例えば、５０〜２００ｃｍのものとする。
【００２９】
このような角筒形状の固体電解質燃料電池Ａは、図２に示す構造に組み立てて固体電解質燃料電池アセンブリとし、実際の燃料電池発電に用いる。この固体電解質燃料電池アセンブリの構造について説明すると、集電体をなすセパレータ２１上にインタコネクタ１４が同じ向きを向くようにして複数段、複数列のマトリクス配列に固体電解質燃料電池Ａをスタックし、下側のセパレータ２１と固体電解質燃料電池Ａとの間、上下の固体電解質燃料電池Ａ，Ａ間、固体電解質燃料電池Ａと上側のセパレータ２１との間には燃料改質作用と導電作用を行うニッケル又はニッケル合金のフェルト２２を介在させる。セパレータ２１はインタコネクタ１４とほぼ同じ組成物の成形体である。
【００３０】
こうしてアセンブルされた固体電解質燃料電池アセンブリでは、各固体電解質燃料電池Ａの長さ方向の端部には閉塞栓体（図示せず）を取り付け、外部から酸化ガスとしての空気を空気極支持管１１内を通流させるように空気供給管をその閉塞栓体に接続し、また複数段にスタックされている固体電解質燃料電池Ａの列間の空隙２３には燃料ガスを通流させることによって、燃料電池発電を行わせる。
【００３１】
得られる発電力は、固体電解質燃料電池Ａ単体の起電力が１．０Ｖ程度とすると、図２に示した３段１スタックのセパレータ２１，２１間での起電力は３．０Ｖ程度となり、電流の強さは並列に配置した固体電解質燃料電池Ａの列数によって決まる。
【００３２】
図２に示したアセンブリを複数段直列に配置すればその起電力をさらに大きくすることができる。
【００３３】
なお、上記の固体電解質燃料電池Ａは内側に空気支持管１１、外側に燃料極１３を配置した構造であるが、これとは逆に内側に燃料極支持管を配し、外側に空気極を配した構造の角筒形状の固体電解質燃料電池を構成することも可能である。そしてこの場合には、図２に示したようにアセンブルし、燃料ガスを各固体電解質燃料電池の内部に通流させ、外部に空気を通流させることによって燃料電池発電を行うことになる。
【００３４】
またこれらの固体電解質燃料電池アセンブリは、上記のような平板方式固体電解質燃料電池アセンブリに似たとものとする代わりに、従来の円筒方式固体電解質燃料電池アセンブリと同様のものにすることもできる。
【００３５】
次に、本発明の第２の実施の形態を図３に基づいて説明する。この実施の形態の特徴は、固体電解質燃料電池Ａ´の構造をインタコネクタなしとし、内部に角筒形状の導電体、空気極、形状支持の働きをなす空気極支持管１１´を配し、この外周全面に固体電解質１２´を積層形成し、さらにその外周全面に導電体を兼用する燃料極１３´を積層形成した構造である。
【００３６】
空気極支持管１１´は、第１の実施の形態と同様に３〜１５μｍの粒径のランタンマンガネート系酸化物セラミックスの微粉末をバインダ３〜１０％、水５〜２０％（いずれも重量％）と共に混練し、押出し成形あるいはスリップキャストによって所定の長さ、肉厚、径の角筒形状に成形し、これを乾燥させて自己保形できる成形体を得、さらに焼成炉に入れて１３００〜１６００℃の高温状態で所望時間焼成することによって作成する。
【００３７】
固体電解質１２´はイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）を空気極支持管１１´に対して電気化学蒸着法（ＣＶＤ−ＥＶＤ）、スラリーコーティング法、プラズマ溶射法などの薄膜積層技術を用いて積層形成し、燃料極１３´はニッケル、コバルト、あるいはこれらの合金、さらにはこれらとジルコニアとのサーメットを固体電解質１２の上に電気化学蒸着法（ＣＶＤ−ＥＶＤ）、スラリーコーティング法、プラズマ溶射法などの薄膜積層技術を用いて積層形成する。
【００３８】
図３に示す角筒形状の固体電解質燃料電池Ａ´も、１辺は１．５〜２．５ｃｍ程度の外形寸法を有し、長さは通常の円筒縦縞方式の固体電解質燃料電池と同程度で、例えば、５０〜２００ｃｍのものである。
【００３９】
この第２の実施の形態の角筒形状の固体電解質燃料電池Ａ´の場合も、固体電解質燃料電池アセンブリに組み立てるには図２に示す構造とする。
【００４０】
次に、本発明の第３の実施の形態を図４及び図５に基づいて説明する。この第３の実施の形態は、図５（ａ）に示すようにセパレータ３１と複数体の等間隔に配列された空気極支持管３２とを一体化し、この各空気極支持管３２の開放外周面に固体電解質３３を積層形成し、さらにその外周面に燃料極３４を積層形成して図５（ｂ）に示すような固体電解質燃料電池アセンブリユニット３５を作成し、この固体電解質燃料電池アセンブリユニット３５を図４に示すように複数段、積層することによって固体電解質燃料電池アセンブリを構成することを特徴とする。なお、各燃料極３４とその上側のセパレータ３１との間にはニッケル又はニッケル合金のような導電性の高い素材のフェルト３６を介在させて固体電解質燃料電池アセンブリユニット３５を積層する。
【００４１】
セパレータ３１と空気極支持管３２との一体化はセパレータ３１用の成形体と第１の実施の形態の空気極支持管１１用の成形体とを図５（ａ）に示すように配置させた状態で焼成することによって行う。
【００４２】
この固体電解質燃料電池アセンブリユニット３５では、セパレータ３１、空気極支持管３２、固体電解質３３、燃料極３４それぞれは第１、第２の実施の形態と組成、形成方法は共通である。そしてこの第３の実施の形態の場合、複数体の空気極支持管３２が並列に配列されていて、その各々に固体電解質３３、燃料極３４を積層形成した固体電解質燃料電池アセンブリユニット３５を複数段積層することによって固体電解質燃料電池アセンブリを組み立てることができるので、１体、１体の固体電解質燃料電池Ａを多段、複数列のマトリクスに配列して固体電解質燃料電池アセンブリを構成する場合よりもアセンブルに要する手間や時間を節約することができる。
【００４３】
なお、この第３の実施の形態においても、セパレータと燃料極支持管とを一体化し、中間に固体電解質、外側に空気極を配した構造の角筒形状の固体電解質燃料電池アセンブリユニットを構成することも可能である。そしてこの場合には、図４に示したようにアセンブルし、燃料ガスを各固体電解質燃料電池の内部に通流させ、外部に空気を通流させることによって燃料電池発電を行うことになる。
【００４８】
【発明の効果】
請求項１の発明の固体電解質燃料電池アセンブリユニットの製造方法によれば、セパレータとその上の固体電解質燃料電池とが一体化したインタコネクタレスの固体電解質アセンブリユニットが形成でき、これを複数段に積層することによって容易に固体電解質燃料電池アセンブリを製作することができる。
【００４９】
請求項２の発明の固体電解質燃料電池アセンブリによれば、機械的強度があり、かつ平板方式固体電解質燃料電池に準じた高い発電効率が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の固体電解質燃料電池の斜視図。
【図２】本発明の第１の実施の形態の固体電解質燃料電池により形成した固体電解質燃料電池アセンブリの正面図。
【図３】本発明の第２の実施の形態の固体電解質燃料電池の斜視図。
【図４】本発明の第３の実施の形態の固体電解質燃料電池アセンブリの斜視図。
【図５】本発明の第３の実施の形態の固体電解質燃料電池アセンブリに用いるアセンブリユニットの製造方法の説明図。
【図６】従来例の斜視図。
【図７】他の従来例の斜視図。
【符号の説明】
１１，１１´  空気極支持管
１２，１２´  固体電解質
１３，１３´  燃料極
１４  インタコネクタ
２１  集電体
２２  フェルト
２３  空隙
３１  セパレータ
３２  空気極支持管
３３  固体電解質
３４  燃料極
３５  固体電解質燃料電池アセンブリユニット
３６  フェルト
Ａ，Ａ´  固体電解質燃料電池
【図１】
0003722927.tif 000002
【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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【図７】
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