(57)【要約】【課題】金属支持体である基板の機械的な強度を補強し、効率的なガス供給路を確保し、かつ高品質であり発電性能に優れた燃料電池用セル、このセルを積層した燃料電池スタック、及びそれらの製造方法を提供する。【解決手段】燃料電池用セル１の基板６は、エッチングにより基板６が除去される基板除去凹部９と、燃料極３までガスを透過させる微細孔１６を有する微細孔部１０とから構成され、燃料極３に供給される燃料ガスが流通するガス供給部１５に連通する基板除去部１２を備え、製作の際には基板６に燃料極３と電解質５と酸化剤極４とを積層させる前にエッチングにより基板除去凹部９を除去し、その後エッチングにより微細孔部１０を除去して燃料極３まで燃料ガスを透過させる微細孔１６を設ける。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の一方の面に、燃料極及び酸化剤極のいずれか一方である第１の電極と、電解質と、燃料極及び酸化剤極のいずれか他方である第２の電極と、からなる発電要素が、第１の電極が基板に隣接するように順次積層され、
基板の他方の面には、第１の電極に対向する位置においてエッチングにより除去される基板除去部と、基板から第１の電極と反対側に突出して接着される補強基板とが設けられ、
前記基板除去部は、基板が凹部を形成するように除去される基板除去凹部と、基板を貫通して第１の電極までガスを透過させる微細孔を有する微細孔部とから構成されることを特徴とする燃料電池用セル。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池用セルであって、補強基板は、基板除去部に連通し、燃料ガス又は酸化剤ガスを第１の電極に供給するガス供給部を形成するよう基板から突出することを特徴とする燃料電池用セル。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の燃料電池用セルであって、基板と第１の電極との間には、ガス拡散層が設けられることを特徴とする燃料電池用セル。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池用セルであって、基板は、厚さが略０．００５ｍｍから略１．０ｍｍの範囲内であり、ニッケル合金、ニッケル・クロームステンレス鋼、又はクロームステンレス鋼からなることを特徴とする燃料電池用セル。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池用セルを複数個積層してなる燃料電池スタックであって、ガス供給部は、基板、補強基板、及び基板に隣接して設置されるセパレータに包囲されて設けられ、補強基板の一部には、隣接されたガス供給部同士を連通するガス流路が設けられることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池スタックであって、基板には、燃料ガス又は酸化剤ガスを第１の電極に供給するガス供給部及びガス流路からなるセルガス供給路が設けられ、セパレータには、燃料ガス又は酸化剤ガスを第２の電極に供給するセパレータガス供給路が設けられることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項７】
基板の一方の面に、燃料極及び酸化剤極のいずれか一方である第１の電極と、電解質と、燃料極及び酸化剤極のいずれか他方である第２の電極と、からなる発電要素が、第１の電極が基板に隣接するように順次積層される燃料電池用セルの製造方法において、
基板の他方の面に、第１の電極に対向する位置において、エッチングにより凹部を形成するように基板を除去するステップと、
基板の一方の面に、第１の電極と電解質と第２の電極とを積層させるステップと、
基板の他方の面に、エッチングにより基板を貫通させて第１の電極までガスを透過させる微細孔を設けるステップと、
を備えることを特徴とする燃料電池用セルの製造方法。
【請求項８】
請求項７に記載の燃料電池用セルの製造方法であって、基板の他方の面において、基板を補強してガス供給部を形成する補強基板が接着されるステップを備えることを特徴とする燃料電池用セルの製造方法。
【請求項９】
請求項８に記載の燃料電池用セルを複数個積層してなる燃料電池スタックの製造方法であって、基板は、セパレータを介して積層され、セパレータの一方の面は、基板と補強基板との間にガス供給部を形成するように基板に隣接して設置され、セパレータの他方の面は、第２の電極にガスを供給するガス供給路を確保するように基板に隣接して設置されることを特徴とする燃料電池スタックの製造方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の燃料電池スタックの製造方法であって、第１の電極へは、ガス供給部及びガス流路からなるセルガス供給路を介して燃料ガス又は酸化剤ガスが供給され、第２の電極へは、セパレータに設けられたセパレータガス供給路を介して燃料ガス又は酸化剤ガスが供給される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、燃料電池用セル、燃料電池スタック、及びそれらの製造方法に係り、特に、固体酸化物形燃料電池において、固体酸化物からなる電解質、燃料極、及び酸化剤極を保持する金属支持材である基板を備えた燃料電池用セル、燃料電池スタック、及びそれらの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ, Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）は、固体電解質形燃料電池とも称され、固体電解質にイットリア安定化ジルコニア等、酸化物イオンを伝導する固体電解質が用いられる燃料電池である。この固体電解質を隔壁として、一方の側面に燃料極（アノード）が設けられて水素などの燃料ガスが燃料極に供給され、他方の側面に酸化剤極が設けられて空気などの酸化剤ガスが酸化剤極（カソード）に供給される。そして、この固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、酸化剤極で生成された酸化物イオン（O２−）を固体電解質に透過させ、燃料極で水素などの燃料ガスと反応させることにより電気エネルギーを発生する燃料電池である。
【０００３】
上述したように、この燃料極（アノード）及び酸化剤極（カソード）が電解質を挟んで設置されると発電要素を構成して「単セル」となる。本明細書では、この「単セル」を「燃料電池用セル」と称する。そして、この発電要素（単セル）を積層させて高出力にしたのが「スタック」であり、本明細書では、これを「燃料電池スタック」と称する。この「スタック」ではセルとセルとの間に挟んで、燃料ガスや空気を遮断する役割を果たす板状の部品が設けられる。これを一般的に「セパレータ」又は「インターコネクタ」と称するが、本明細書では「セパレータ」と称する。このセパレータは、各セルをシールする機能のほかに、一般的にガスが流れる流路を作り込んで、燃料ガスや酸化剤ガスを送り込む機能を担う。
【０００４】
固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）には、代表的なセル構造として平板状ＳＯＦＣ及び円筒型ＳＯＦＣがある。平板状ＳＯＦＣは、平板状の燃料極（アノード）、電解質、酸化剤極（カソード）を重ね合わせて平板状の発電要素（単セル）を構成し、セパレータを挟んで何層にも積層して高出力を得る構造である。一方、円筒型ＳＯＦCは、円筒状の電解質の外側を燃料極（アノード）及び酸化剤極（カソード）の一方で巻き、電解質の内側を燃料極（アノード）及び酸化剤極（カソード）の他方で巻いた構造である。本発明に係る燃料電池用セル、燃料電池スタック、及びそれらの製造方法では、平板状ＳＯＦＣに適用した場合について説明するが、本発明の特徴は円筒型ＳＯＦＣの場合に適用されてもよい。
【０００５】
図９に、従来の燃料電池スタック４０の構成を示す。燃料電池用セル３０は、セパレータ３１と交互に積層されるが、図９では、１枚の燃料電池用セル３０と、その燃料電池用セル３０を挟む２枚の第１セパレータ３１ａ及び第２セパレータ３１ｂのみを取り出して示す。燃料電池用セル３０は、平板状の燃料極３及び酸化剤極４が積層され、燃料極３と酸化剤極４とが電解質５を挟み込むことで発電要素２を構成する。
【０００６】
第１セパレータ３１ａ及び第２セパレータ３１ｂには、それぞれ燃料ガス流路３２及び酸化剤ガス流路３３が設けられる。燃料ガス流路３２からは、水素などの燃料ガス２４が燃料極３に供給される。酸化剤ガス流路３３からは、空気などの酸化剤ガス２５が酸化剤極４に供給される。図９に示すように、燃料ガス流路３２と酸化剤ガス流路３３とは、共に一方向の流路であり、第１セパレータ３１ａ，第２セパレータ３１ｂの両面にそれぞれ独立して設けられる。これにより、第１セパレータ３１ａに隣接する一方の燃料電池用セル３０が燃料極３であれば、隣接する他方の燃料電池用セル３０は酸化剤極４になり、燃料ガス流路３２と酸化剤ガス流路３３とがそれぞれ対応する。また、燃料ガス流路３２と酸化剤ガス流路３３とは、例えば、同一の方向に向かって流路が設けられるパラレル流路方式、逆方向に向かって流路が設けられるカウンター流路方式、相互に交差する方向に向かって流路が設けられるクロス流路方式などが採用されている。これらの流路方式は、いずれもセパレータ３１により燃料ガス２４と酸化ガス２５とが混合しないように分離されて供給される。
【０００７】
上述したように、燃料極及び酸化剤極が固体電解質を挟んで設置されると発電要素となる。一般に固体電解質の電気抵抗は発電要素にとって発電損失となるため、発電出力密度を向上させるためには、固体電解質を薄膜化して膜抵抗を低減させる必要がある。一方、固体電解質は、発電要素を構成する要素であることからある程度の面積が要求される。つまり、セルの構成要素には機械的な強度を持たせなければならない。
【０００８】
平板型ＳＯＦＣの場合、例えば、アノードを支持基板としたアノード支持セル、カソードを支持基板としたカソード支持セルなどが考案されているが、いずれもセルの支持体としては十分な強度が確保できないという問題があった。そこで、これらの発電要素以外に、ポーラスな金属の層である金属支持体（メタル・サポート・セル（Ｍｅｔａｌ−Ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ  Ｃｅｌｌ））を基板として発電要素に加えた構造が考案されている。このメタル・サポート・セル（Ｍｅｔａｌ-Ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ  Ｃｅｌｌ）は、機械的強度に優れる金属基板を採用して発電要素を支持し、固体電解質の薄膜化を実現させ、発電効率を向上させる。
【０００９】
この金属支持体を用いた平板型固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、固体電解質の薄膜化を実現させ、発電効率を向上させるが、一方で、燃料極、酸化剤極、電解質の発電要素にさらに基板が加わるため、その構成及び機能が複雑となる。そこで、発電要素と基板との位置関係、燃料極への燃料ガスの供給路、酸化剤極への酸化剤ガスの供給路などについての各種の構成及び機能が提案されている。
【００１０】
特許文献１には、耐熱衝撃性に優れ、出力密度の高い固体酸化物形燃料電池用セルを提供し、かつ固体酸化物形燃料電池を生産性良く生産することができる製造方法が開示されている。ここでは、金属支持体である基板に固体酸化物から成る電解質と燃料極と空気極が形成されている。この基板は緻密なガス不透過部分とガス透過性を備えた多孔化部分から成り、この多孔化部分を覆うようにエアロゾルデポジッション法にて電解質層が形成されている。そして、この電解質層が形成された後に、燃料極及び空気極のいずれか一方の電極層が電解質層上に形成される。そして、電解質層が形成された部分の基板がエッチングされて多孔化される。さらに、多孔化部分の下部に燃料極及び空気極のいずれか他方が形成され、燃料極及び空気極が基板を挟んで対向した面に形成されて発電要素を構成することが記載されている。
【００１１】
このように、特許文献１では、基板としての金属支持体を設けることで電解質層の薄膜化が達成されている。そして、基板の一方に空気極（又は燃料極）と電解質層が、基板の他方に燃料極（又は空気極）が分離して積層されて発電要素を形成している。また、基板に多孔化部分が形成されて燃料極（又は空気極）が電解質層と接し、発電要素を形成している。さらに、基板を挟んで燃料極への燃料ガスの供給路、及び酸化剤極への酸化剤ガスの供給路が確保されている。
【００１２】
特許文献２には、基板の所望の位置に緻密な固体電解質薄膜を含む発電要素とガス流路を構成することができ、出力体積密度に優れた固体電解質型燃料電池を低コストに得ることができる燃料電池用セル体と、このような燃料電池用セル体の製造方法を提供することが開示されている。ここでは、燃料電池用セル体は、例えば成膜基板としての金属支持体の所望部位に電解質層および電極層を形成した後、この金属支持体の成膜位置に任意のパターンで凹部を形成し、凹部の底に多孔質部をエッチング加工により形成してガス透過性を与えることにより発電要素を構成することが記載されている。
【００１３】
そして、特許文献２の図１に示す燃料電池用セル板では、金属支持体を燃料極と兼用させ、金属支持体を隔壁として燃料ガスと酸化剤ガスとを分離して供給できるようにガス流路を形成し、金属支持体の多孔質部により燃料ガスが供給される構成が示されている。一方、図２，図４及び図５に示す燃料電池用セル板では、燃料極を電解質層により覆うことで、燃料ガスと酸化剤ガスとを分離して供給できるようにガス流路を形成し、金属支持体の多孔質部により燃料極に燃料ガスが供給される構成が示されている。
【００１４】
このように、特許文献２では、金属支持体である基板を設けてその上に発電要素を構成することで構造的な強度を確保し電解質の薄肉化を達成している。また、基板を隔壁とすることで燃料ガスと酸化剤ガスとを分離して供給できるようにガス流路を形成し、基板の孔部分により燃料ガスが供給される構成が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開２００５−１２９３７０号公報
【特許文献２】特開２００３−３２３９０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
特許文献１に示す金属支持体を用いた燃料電池用セルの場合には、金属支持体を挟んで燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するガス供給路が設けられるため、十分なガス供給が確保できる。しかし、金属支持体である基板の一部に多孔化部分を設けて燃料極と電解質と酸化剤極とで十分な発電を行うためには、ガス供給が十分に行われる広さを有する多孔化部分を設ける必要がある。しかし、この基板は多孔化部分により機械的な強度が脆弱であり、多孔化部分を拡大してガス供給の効率を上げると機械的な強度が低下するという問題がある。このように、特許文献１には、多孔化部分により機械的な強度が脆弱な基板を補強する構成がないため基板の強度上の問題が発生する。
【００１７】
また、この多孔化部分はガスを安定的に透過させなければならない部分であり、その品質が発電性能に大きく影響する。特許文献１では、基板が１回のエッチングにより多孔化されるが、基板に対して高い圧力で化学薬品などを噴射するため粗い加工となり、エッチング深さや多孔質の穴径のばらつきが大きくなり品質が安定しないという問題が発生する。
【００１８】
特許文献２に示す金属支持体を用いた燃料電池用セルの場合、図１に示す燃料電池用セル板では金属支持体を燃料極と兼用させるため、特許文献１と同様な構成となる。従って、多孔質部は機械的な強度が脆弱であるという問題がある。また、図２，図４及び図５に示す燃料電池用セル板でも、多孔質部は、燃料極に燃料ガスを供給しなければならないため、十分に広い多孔質部を備える必要がある。しかし、この多孔質部は、機械的な強度が脆弱であるという問題がある。このように、特許文献２にも、多孔質部により機械的な強度が脆弱な基板を補強する構成がないため基板の強度上の問題が発生する。なお、図２，図４及び図５に示す燃料電池用セル板の場合、金属支持体がフレームと接着しているものの、金属支持体を補強する補強材は示されていない。
【００１９】
また、この多孔質部は、特許文献１と同様にガスを安定的に透過させなければならない部分であり、その品質が発電性能に大きく影響する。従って、特許文献２でも、基板が１回のエッチングにより多孔質化されるが、基板に対して高い圧力で化学薬品などを噴射するため粗い加工となり、エッチング深さや多孔質の穴径のばらつきが大きくなり品質が安定しないという問題が発生する。
【００２０】
さらに、燃料電池用セルを積層した燃料電池スタックにおいて、電解質、燃料極、酸化剤極という発電要素の構成に金属支持体である基板が設けられた場合、効率的に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給する燃料ガス供給路及び酸化剤ガス供給路を確保しなければならないという問題がある。
【００２１】
本願の目的は、かかる課題を解決し、金属支持体である基板の機械的な強度を補強し、効率的なガス供給路を確保し、かつ高品質であり発電性能に優れた燃料電池用セル、このセルを積層した燃料電池スタック、及びそれらの製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
上記目的を達成するため、本発明に係る燃料電池用セルは、基板の一方の面に、燃料極及び酸化剤極のいずれか一方である第１の電極と、電解質と、燃料極及び酸化剤極のいずれか他方である第２の電極と、からなる発電要素が、第１の電極が基板に隣接するように順次積層され、基板の他方の面には、第１の電極に対向する位置においてエッチングにより除去される基板除去部と、基板から第１の電極と反対側に突出して接着される補強基板とが設けられ、前記基板除去部は、基板が凹部を形成するように除去される基板除去凹部と、基板を貫通して第１の電極までガスを透過させる微細孔を有する微細孔部とから構成されることを特徴とする。
【００２３】
上記構成により、基板には第１の電極に対向する位置においてエッチングにより除去される基板除去部が設けられる。このように、基板に基板除去部を設けることでエッチングにより除去した微細孔とし、燃料ガス又は酸化剤ガスを第１の電極に透過して供給させることができる。そして、この基板除去部は、基板除去凹部及び微細孔部から構成される。すなわち、基板除去凹部は、基板を貫通させずに基板が凹部を形成するようにエッチングにより除去するが、微細孔部は、基板を貫通するエッチングにより微細孔を形成させてガスを第１の電極まで透過させる。このように、基板を２つの除去部分に分けてエッチングすることでエッチング深さや微細孔の穴径のばらつきを小さくし、高品質であり発電性能に優れた燃料電池用セルとすることができる。
【００２４】
また、基板には補強基板が接着される。この補強基板により基板の機械的な強度を補強することができ、基板を薄肉化することが可能となる。この基板の薄肉化により、基板を２つの除去部分に分けてエッチングする際にエッチングにより削除する量を削減することができ、より高品質であり発電性能に優れた燃料電池用セルとすることが可能となる。また、基板６に微細孔を設ける際に、薄肉化された基板の発電要素を保持する隔壁としての役割を補助することができる。すなわち、基板に基板除去凹部及び微細孔部から構成される基板除去部が設けられるが、この過程において、燃料極、電解質、酸化剤極から構成される発電要素が基板に積層される。この微細孔部は機械的な強度が脆弱であるため基板から発電要素が漏れ出るか或いは崩れ出てしまう現象を防止し、補強基板は基板の隔壁としての役割を補助することができる。さらに、この補強基板は基板から第１の電極と反対側に突出して接着される。これにより、基板除去部に隣接される補強基板を活用して効率的なガス供給路を確保することができる。
【００２５】
また、燃料電池用セルは、補強基板が基板除去部に連通し、燃料ガス又は酸化剤ガスを第１の電極に供給するガス供給部を形成するよう基板から突出することが好ましい。これにより、補強基板により基板の機械的な強度を補強し、同時にこの補強基板を活用して効率的なガス供給路を確保することができる。
【００２６】
また、燃料電池用セルは、基板と第１の電極との間には、ガス拡散層が設けられることが好ましい。これにより、基板に設けられた微細孔を透過したガスが拡散されて第１の電極のより広い範囲に拡散して到達し、発電性能に優れた燃料電池用セルとすることができる。
【００２７】
また、燃料電池用セルは、基板はその厚さが略０．００５ｍｍから略１．０ｍｍの範囲内であり、ニッケル合金、ニッケル・クロームステンレス鋼、又はクロームステンレス鋼からなることにより、機械的強度に優れた金属支持体とし、機械的な強度を有する燃料電池用セルとすることができる。
【００２８】
また、燃料電池用セルを複数個積層してなる燃料電池スタックは、ガス供給部が基板、補強基板、及び基板に隣接して設置されるセパレータに包囲されて設けられ、補強基板の一部には、隣接されたガス供給部同士を連通するガス流路が設けられることが好ましい。これにより、燃料電池スタックにおいて効率的な燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を容易に確保することができる。
【００２９】
また、燃料電池スタックは、基板には燃料ガス又は酸化剤ガスを第１の電極に供給するガス供給部及びガス流路からなるセルガス供給路が設けられ、セパレータには燃料ガス又は酸化剤ガスを第２の電極に供給するセパレータガス供給路が設けられることが好ましい。これにより、従来、セパレータに共に設けられていた燃料ガス供給路及び酸化剤ガス供給路のいずれかを基板及び補強基板に分担させてセパレータの薄肉化を可能とし、基板を補強して基板の薄肉化を図る補強基板を活用して燃料ガス供給路及び酸化剤ガス供給路のいずれかを確保することができる。
【００３０】
また、上記目的を達成するため、本発明に係る燃料電池用セルの製造方法は、基板の一方の面に、燃料極及び酸化剤極のいずれか一方である第１の電極と、電解質と、燃料極及び酸化剤極のいずれか他方である第２の電極と、からなる発電要素が、第１の電極が基板に隣接するように順次積層される燃料電池用セルの製造方法において、基板の他方の面に、第１の電極に対向する位置において、エッチングにより凹部を形成するように基板を除去するステップと、基板の一方の面に、第１の電極と電解質と第２の電極とを積層させるステップと、基板の他方の面に、エッチングにより基板を貫通させて第１の電極までガスを透過させる微細孔を設けるステップと、を備えることを特徴とする。
【００３１】
上記構成により、基板には、第１の電極に対向する位置において凹部を形成するように基板を除去されるステップと、基板を貫通させて第１の電極までガスを透過させる微細孔を設けるステップとの２つのステップに分けてエッチングが行われる。このように、基板を２つの除去部分に分けて段階的にエッチングすることでエッチング深さや微細孔の穴径のばらつきを小さくし、高品質であり発電性能に優れた燃料電池用セルとすることができる。
【００３２】
また、燃料電池用セルの製造方法は、基板の他方の面において、基板を補強してガス供給部を形成する補強基板が接着されるステップを備えることが好ましい。これにより、基板の機械的な強度を補強する補強基板を活用して効率的なガス供給部を設けることができる。
【００３３】
また、燃料電池用セルを複数個積層してなる燃料電池スタックの製造方法は、基板がセパレータを介して積層され、セパレータの一方の面は、基板と補強基板との間にガス供給部を形成するように基板に隣接して設置され、セパレータの他方の面は、第２の電極にガスを供給するガス供給路を確保するように基板に隣接して設置されることが好ましい。これにより、燃料電池スタックにおいて効率的な燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を容易に確保することができる。
【００３４】
さらに、燃料電池スタックの製造方法は、第１の電極へはガス供給部及びガス流路からなるセルガス供給路を介して燃料ガス又は酸化剤ガスが供給され、第２の電極へはセパレータに設けられたセパレータガス供給路を介して燃料ガス又は酸化剤ガスが供給されることが好ましい。これにより、従来、セパレータに共に設けられていた燃料ガス供給路及び酸化剤ガス供給路のいずれかを基板及び補強基板に分担させてセパレータの薄肉化を可能とし、基板を補強して基板の薄肉化を図る補強基板を活用して燃料ガス供給路及び酸化剤ガス供給路のいずれかを確保することができる。
【発明の効果】
【００３５】
以上のように、本発明に係る燃料電池用セル、燃料電池スタック、及びそれらの製造方法によれば、金属支持体である基板の機械的な強度を補強し、効率的なガス供給路を確保し、かつ高品質であり発電性能に優れた燃料電池用セル、このセルを積層した燃料電池スタック、及びそれらの製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明に係る燃料電池用セルの１つの実施形態の概略構成を示す平面図及び断面図である。
【図２】本発明に係る燃料電池用セルの他の実施形態の概略構成を示す平面図及び断面図である。
【図３】発電要素、基板、補強基板、及び基板と補強基板とからなるガス供給部の構成を示す詳細断面図である。
【図４】燃料電池用セルの基板除去部及びガス供給部の詳細を示す拡大断面図である。
【図５】本発明に係る燃料電池スタックの構成及びガス供給路を示す斜視図である。
【図６】燃料電池用セルのガス供給路及び補強基板を示す、図１及び図２の底面図である。
【図７】燃料電池用セルの製造方法のステップを示す説明図である。
【図８】燃料電池用セルの製造方法を示すフローチャートである。
【図９】従来の燃料電池スタックの構成及びガス供給路を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下に、図面を用いて本発明に係る燃料電池用セル１、燃料電池スタック２０、及びそれらの製造方法の実施形態につき、詳細に説明する。
【００３８】
（燃料電池用セルの構成）
図１に、本発明に係る燃料電池用セル１の１つの実施形態の概略構成を示す。また、図２に、本発明に係る燃料電池用セル１の他の実施形態の概略構成を示す。すなわち、図１（ａ）に、第１発電要素２ａが基板６上に設置された燃料電池用セル１の平面図を示す。また、図１（ｂ）に図１（ａ）のＡ−Ａ断面を示し、図１（ｃ）に図１（ａ）のＢ−Ｂ断面を示し、図１（ｄ）に図１（ａ）のＣ−Ｃ断面を示し、図１（ｅ）に図１（ａ）のＤ−Ｄ断面を示す。また、図２（ａ）に、第２発電要素２ｂが基板６上に設置された燃料電池用セル１の平面図を示す。図２（ｂ）に図２（ａ）のＥ−Ｅ断面を示し、図２（ｃ）に図２（ａ）のＦ−Ｆ断面を示し、図２（ｄ）に図２（ａ）のＧ−Ｇ断面を示し、図２（ｅ）に図２（ａ）のＨ−Ｈ断面を示す。また、図３に、発電要素２、基板６、補強基板７、及びガス供給部１５の詳細を断面で示す。更に、図４（ａ）に、図３を拡大して燃料電池用セル１の基板除去部１２及びガス供給部１５の詳細を示し、図４（ｂ）に、図４（ａ）のＪ-Ｊ断面を示す。
【００３９】
図１及び図２に示すように、燃料電池用セル１は、基板６、補強基板７、及び発電要素２ａ，２ｂから構成され、発電要素２ａ，２ｂは燃料極３，酸化剤極４，及び電解質５から構成される。すなわち、本発明に係る燃料電池用セル１は、発電要素２に対して金属支持体を基盤６として用いる金属支持型セルである。
【００４０】
基板６は、本実施形態では略正方形の板であるが、これに限らず、例えば長方形、円形等、他の形状であっても良い。この基板６の厚さは略０．００５ｍｍから略１．０ｍｍの範囲内である。そして、基板６は、例えばニッケル・クロームステンレス鋼又はクロームステンレス鋼などからなる金属であるが、これらの材料には限らない。
【００４１】
基板６の一方の面には、燃料極及び酸化剤極のいずれか一方である第１電極３と、電解質５と、燃料極及び酸化剤極のいずれか他方である第２電極４と、からなる発電要素２ａ，２ｂが積層される。すなわち、本実施形態では、この発電要素２ａ，２ｂは第１電極３が基板６に対向し、第２電極４と第１電極３が電解質５を挟むように順次積層されるが、第１電極３と第２電極４とが逆であっても良い。また、本実施形態では、燃料極を第１電極３とし、酸化剤極を第２電極４とするが、燃料極と酸化剤極とは逆であっても良い。なお、本明細書では、図中の符号は燃料極を“３”とし、酸化剤極を“４”として表示する。このように、燃料極３と酸化剤極４とが電解質５を挟んで積層されることで、酸化剤極４で生成された酸化物イオン（O２−）が電解質５を透過し、燃料極３で燃料ガスと反応することにより電気エネルギーを発生させる燃料電池となる。
【００４２】
図１には、四角形の第１発電要素２ａを用いた場合の燃料電池用セル１を示し、図２には、円形の第２発電要素２ｂを用いた場合の燃料電池用セル１を示す。このように、発電要素２の形状には四角形、円形が採用されるが、これに限らず、三角形などの多角形や楕円形など他の形状であっても良い。本実施形態では、燃料電池用セル１には、２５個の発電要素２が５行、５列に整然と配列されるが、燃料電池用セル１当たりの発電要素２の個数及び配列はこれに限らない。
【００４３】
図３及び図４に示すように、基板６は、基板６を補強する補強基板７と接着される。この補強基板７は、接着面１７に示す面で基板に接着される。この補強基板７は、基板６と同じ寸法の板であるが、これに限らず、例えば長方形、円形等、他の形状であっても良い。この補強基板７は、基板６と同様な素材からなり、例えばニッケル・クロームステンレス鋼又はクロームステンレス鋼などからなるが、これらの材料には限らない。この基板６と補強基板７との接着は、拡散接着、又はロウ付けなどにより行われる。
【００４４】
（燃料極への燃料ガスの供給）
燃料電池用セル１は、酸化剤極４に酸化剤ガスが供給され、燃料極３へは燃料ガスが供給され、電気エネルギーを発生させる燃料電池となる。本実施形態では、第２電極である酸化剤極４は発電要素２の最外端に積層されるため酸化剤ガスの供給は問題なく行われる。一方、第１電極である燃料極３は基板６に接しているためガス供給部１５に供給された燃料ガスを燃料極３へ連通させる必要がある。
【００４５】
図４（ａ）に示すように、基板６は、燃料極３と反対側の面において、発電要素２に対向する位置にエッチングにより除去される基板除去部１２を有する。基板除去部１２、基板６が凹部を形成するように除去される基板除去凹部９と、基板６を貫通して燃料極３までガスを透過させる微細孔１６を有する微細孔部１０とから構成され、燃料極３に供給される燃料ガス２４が流通するガス供給部１５に連通する。すなわち、基板除去部１２は、２段階のエッチングにより形成される。この微細孔１６は、エッチングにより微細孔部１０の領域にほぼ所定の密度で明けられた微細な孔であり、この微細孔１６を燃料ガス２４が流通する。
【００４６】
第１回目のエッチングでは、基板除去凹部９が除去される。この基板除去凹部９は、お椀状或いはドーム状に除去されるが、基板６を貫通しない程度に、基板６の厚さの５０％〜９０％の深さが除去される。第２回目のエッチングでは、基板６と補強基板７との表面除去部１８、及び微細孔部１０が除去される。この第２回目のエッチングにおいて、基板６を貫通する微細孔１６が設けられる。すなわち、第２回目のエッチングにより基板６及び補強基板７の表面が層状に削られると共に、図４（ｂ）に示す開口部である微細孔部１０が設けられる。このように、基板を２つの除去部分に分けて段階的にエッチングすることでエッチング深さや微細孔１６の穴径のばらつきを小さくし、高品質であり発電性能に優れた燃料電池用セル１とすることができる。
【００４７】
なお、図３に示すように、発電要素２ａ，２ｂの基板６と燃料極３との間には、ガス拡散層１９が設けられても良い。このガス拡散層１９を挟み込むことで、基板６に設けられた微細孔部１０の微細孔１６を透過した燃料ガス２４が拡散されて燃料極３のより広い範囲に到達し、発電効率を向上させることができる。
【００４８】
（補強基板の３つの役割）
本発明における補強基板７は、下記に示す３つの役割を有する。まず第１の役割は、基板６の機械的な強度を補強して「基板６の薄肉化を可能とする」ことである。つまり、補強基板７が基板６に対して“Ｔ型”となる突出部１１を有して接着されることで、基板６の面外方向の剛性が補強されて薄肉化が可能となる。図６に、燃料電池用セル１の補強基板７を、図１及び図２を裏面からみた底面図で示す。補強基板７は、中央部の補強基板７と両端部の補強基板８から構成され、一体となって基板６に接着され、基板６の面外方向の機械的な強度を補強することができる。これにより、基板６の薄肉化が可能となり、基板６の基板除去部１２に微細孔１６が設けられる際に、エッチングにより削除する量を削減することができ、より高品質であり発電性能に優れた燃料電池用セル１とすることが可能となる。
【００４９】
補強基板７の第２の役割は、基板６に微細孔１６を設ける際に、薄肉化された基板６が有する「発電要素２を保持する隔壁としての役割」を補助することである。基板６に基板除去凹部９、及び微細孔１６が設けられる微細孔部１０から構成される基板除去部１２が設けられる。この過程において、燃料極３、電解質５、酸化剤極４から構成される発電要素２が基板６に積層されるが、微細孔１６が設けられる微細孔部１０は機械的な強度が脆弱であるため基板６から漏れ出るか或いは崩れ出てしまう虞がある。つまり、基板６は加工の際に「発電要素２を保持する隔壁としての役割」を有する。基板６に接着された補強基板７は基板６の隔壁としての役割を補助する。
【００５０】
補強基板７の第３の役割は、基板６に対して“Ｔ型”となる部分を有して接着されることで、図３及び図４に示すように、「セパレータ２１との間にガス供給部１５のスペースを形成すること」である。これにより、基板６の厚みを薄くしても十分なガス供給部１５が確保できる。そして、補強基板７の一部に、隣接されたガス供給部１５同士を連通するガス流路１３が設けられる。本実施形態では、補強基板７の先端部でセパレータ２１との間にガス流路１３を設けるが、この位置に限らず、補強基板７の任意の位置に通過孔をあけても良い。このように、燃料電池用セル１とセパレータ２１とが交互に積層される燃料電池スタック２０では、セパレータ２１により十分なガス供給部１５が確保され、ガス供給部１５はガス流路１３により連通する。
【００５１】
（燃料電池スタックの構成）
図５に、本発明に係る燃料電池スタック２０の構成を示す。燃料電池用セル１は、セパレータ２１と交互に積層されるが、図５では、１枚の燃料電池用セル１と、その燃料電池用セル１を挟む２枚の第１セパレータ２１ａ及び第２セパレータ２１ｂのみを取り出して示す。燃料電池用セル１は、平板状の第１電極である燃料極３、第２電極である酸化剤極４が積層され、燃料極３と酸化剤極４とが電解質５を挟み込むことで発電要素２を構成する。
【００５２】
第１セパレータ２１ａ及び第２セパレータ２１ｂには、それぞれセパレータガス供給路１４ｂが設けられ、燃料電池用セル１には、セルガス供給路１４ａが設けられる。セパレータガス供給路１４ｂには、燃料電池用セル１に積層された発電要素２の内セパレータ２１に対向する酸化剤極４に酸化剤ガス２５を供給する。このセパレータガス供給路１４ｂは、セパレータ２１に設けられる一方向の流路である。図９に示す従来の燃料電池スタック４０のセパレータ２１と比較すると、流路が一方向になりセパレータ２１自体を薄肉化することができ、加工が簡素化される。
【００５３】
一方、セルガス供給路１４ａには、燃料電池用セル１に積層された発電要素２のうち基板６に対向する燃料極３に燃料ガス２４を供給する。すなわち、燃料ガス２４がガス供給部１５に供給され、図３、図４に示すように、燃料ガス２４は、ガス供給部１５に連通する基板除去凹部９、及び微細孔部１０の微細孔１６を通過して燃料極３に供給される。このように、図９に示す従来の燃料電池用セル３０では、セパレータ３１に設けられていた燃料ガス流路３２が本発明に係る燃料電池用セル１では、燃料電池用セル１の基板６にガス供給部１５、基板除去凹部９、及び微細孔部１０として設けられる。
【００５４】
図３に示すように、本発明に係る燃料電池スタック２０では、ガス供給部１５は、基板６、補強基板７、及び基板６に隣接して設置されるセパレータ２１に包囲されて設けられ、補強基板７の一部には、隣接されたガス供給部１５同士を連通するガス流路１３が設けられる。
【００５５】
図６に、燃料電池用セル１のセルガス供給路１４ａを示す。燃料極３へは、ガス供給部１５及びガス流路１３からなるセルガス供給路１４ａを介して燃料ガス２４が供給される。すなわち、ガス供給部１５及びガス流路１３が連続することで燃料ガス流路２２が形成される。一方、酸化剤極４へは、セパレータ２１に設けられたセパレータガス供給路１４ｂを介して酸化剤ガス２５が供給される。
【００５６】
（燃料電池用セルの製造方法）
図７に、燃料電池用セル１の製造方法を示す。図７(ａ)から図７(ｄ)に燃料電池用セル１の製造方法の説明図をステップごとに示す。また、図８に、燃料電池用セル１の製造方法をＳ１からＳ４までにフローチャートにて示す。なお、図７（ａ）から図７（ｄ）までの４つの図面は、図８の４つのステップにそれぞれ対応している。
【００５７】
まず、図７(ａ)に示すように、基板６において発電要素２が設けられる側と反対側に、エッチングによりお椀状或いはドーム状に基板６を除去する（Ｓ１）。この除去される基板除去凹部９は、発電要素２の第１電極３の設置位置に対向する位置に設けられる。そして、基板６の板厚の５０％〜９０％程度の深さまで除去され、基板６には貫通孔は設けられないように基板６を除去する。このように、エッジングにより予め基板６から基板除去凹部９を除去する。このエッジングは、基板６に対して高い圧力で化学薬品などを噴射して基板６を除去するものだが、加工前の基板６の状態で板厚の５０％〜９０％程度の深さまで除去しておくことで、後の第２回目の基板６の除去においてより精度の高い除去が可能となる。これにより、エッジングの深さや微細孔１６の孔径のばらつきを減少させることができる。
【００５８】
次に、図７(ｂ)に示すように、基板除去凹部９が除去された平板状の基板６と補強基板７とを接着する（Ｓ２）。基板６と補強基板７とは図７（ｂ）の符号１７で示す接着面で接着される。この補強基板７は、基板６において発電要素２が設けられる側と反対側に接着され、図６に示すように、縦と横の長さが基板６と略同じ長さの平板状をした金属である。そして、図７(ｂ)に示すように、基板６において発電要素２が設けられる側と反対側に“Ｔ型”に突出した突出部１１を備える。この基板６に突出部１１を有する補強基板７が接着されることで、基板６は機械的強度を上げることができ、薄肉化が可能となる。
【００５９】
また、図７（ｄ）に示すように、補強基板７が基板６に対して“Ｔ型”に接着されることでガス供給部１５のスペースが生じ、このガス供給部１５とガス流路１３とが連通して燃料ガス流路２２を形成する。このように、燃料ガス流路２２を形成する補強基板７を基板６に接着することで、基板６の厚みを薄くしても十分なガス供給部１５を確保できる。
【００６０】
次に、図７（ｃ）に示すように、基板６に第１電極３、電解質５、第２電極４からなる発電要素２を積層させる（Ｓ３）。このように、基板６の板厚全体を加工しない段階で発電要素２を積層させることで、第１電極３、電解質５、第２電極４が基板６から漏れ出すことが防止できる。また、基板６は既に補強基板７と接着されているため、発電要素２が積層させても十分な機械的強度を備えている。さらに、図３に示すように、発電要素２の基板６と第１電極３との間には、ガス拡散層１９が設けられても良い。これにより、基板６に設けられた微細孔部１０の微細孔１６を透過したガスが拡散されて第１電極３のより広い範囲に到達し、発電効率を向上させることができる。
【００６１】
次に、図７（ｄ）に示すように、基板６に発電要素２が設けられる側と反対側に、エッチングにより再度基板６を除去する。この除去される表面除去部１８は、発電要素２の燃料極３に対向する位置に設けられ、図７（ｃ）の波線のラインで示される。そして、このエッチングにより除去で、第１電極３までガスを透過させる微細孔１６を有する微細孔部１０が設けられる（Ｓ４）。この微細孔１６は、エッチングにより微細孔部１０の領域にほぼ所定の密度で明けられた微細な孔であり、この微細孔１６を燃料ガス２４が流通する。このエッチングは、図７（ａ）に示すように、加工前の基板６の状態で板厚の５０％〜９０％程度の深さまで除去されているため、より精度の高い除去が可能となる。これにより、エッジングの深さや微細孔１６の孔径のばらつきを減少させることができる。
【００６２】
上述したように、燃料電池用セル１の製造方法として、基板６に対して基板６の燃料極３に対向する位置において凹部を形成するように基板６を除去するステップと、基板６を貫通させて燃料極３までガスを透過させる微細孔１６を設けるステップとの２つのステップに分けてエッチングが行われる。このように、基板６を２つの除去部分に分けて段階的にエッチングすることで高品質であり発電性能に優れた燃料電池用セル１とすることができる。
【００６３】
（燃料電池スタックの製造方法）
基板６に隣接されるセパレータ２１は、基板６と補強基板７との間にガス供給部１５を形成するように設けられる。このように、燃料電池用セル１とセパレータ２１とが交互に積層される燃料電池スタック２０は、セパレータ２１により十分なガス供給部１５が確保される。また、補強基板７は、隣接されたガス供給部１５同士を連通するガス流路１３が設けられるように基板６に接着される。このガス流路１３によりガス供給部１５が貫通し、燃料電池用セル１にセルガス供給路１４ａが設けられる。
【００６４】
第１電極３へは、ガス供給部１５及びガス流路１３からなるセルガス供給路１４ａを介して燃料ガス２４又は酸化剤ガス２５が供給される。また、第２電極４へは、セパレータ２１に設けられたセパレータガス供給路１４ｂを介して燃料ガス２４又は酸化剤ガス２５が供給される。このように、燃料電池スタック２０において、燃料ガス２４及び酸化剤ガス２５のそれぞれのガス供給路１４が構成され、高品質な燃料電池スタック２０が可能となる。
【符号の説明】
【００６５】
１，３０  燃料電池用セル、２  発電要素，２ａ  第１発電要素，２ｂ  第２発電要素、３  第１電極（燃料極）、４  第２電極（酸化剤極）、５  電解質、６  基板、７  補強基板（中央部）、８  補強基板（両端部）、９  基板除去凹部、１０  微細孔部、１１  突出部、１２  基板除去部、１３  ガス流路、１４  ガス供給路，１４ａ  セルガス供給路，１４ｂ  セパレータガス供給路、１５  ガス供給部、１６  微細孔、１７  基板と補強基板との接着面、１８  表面除去部、１９  ガス拡散層、２０，４０  燃料電池スタック、２１，３１  セパレータ，２１ａ，３１ａ  第１セパレータ，２１ｂ，３１ｂ  第２セパレータ、２２，３２  燃料ガス流路、２３，３３  酸化剤ガス流路、２４  燃料ガス、２５  酸化剤ガス。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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