(57)【要約】【課題】歩留まりが高い固体酸化物型燃料電池の製造方法を提供する。【解決手段】固体酸化物型燃料電池の製造方法は、第１工程と、第１工程の後で実施される第２工程とを備える。第１工程では、同一極性である複数の電極層と、隣接する二つの前記電極層に挟まれる緻密絶縁体層とが多孔質支持基板上に、前記電極層と前記緻密絶縁体層との厚みの差が所定値未満になるように形成される。第２工程では、複数の前記電極層それぞれに対応する複数の固体酸化物電解質層が、各々対応している前記電極層及び各々対応している前記電極層に接している前記緻密絶縁体層の上に形成される。前記所定値は、前記固体酸化物電解質層を焼成する前の前記固体酸化物電解質層の厚みである。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
同一極性である複数の電極層と、隣接する二つの前記電極層に挟まれる緻密絶縁体層とを多孔質支持基板上に、前記電極層と前記緻密絶縁体層との厚みの差が所定値未満になるように形成する第１工程と、
前記第１工程の後で、複数の前記電極層それぞれに対応する複数の固体酸化物電解質層を、各々対応している前記電極層及び各々対応している前記電極層に接している一方の前記緻密絶縁体層の上に形成する第２工程とを備え、
前記所定値は、前記固体酸化物電解質層を焼成する前の前記固体酸化物電解質層の厚みであることを特徴とする固体酸化物型燃料電池の製造方法。
【請求項２】
前記第１工程の後、且つ、前記第２工程の前又は後で、複数の前記電極層それぞれに対応する複数の緻密導電体層を、各々対応している前記電極層及び各々対応している前記電極層に接している他方の前記緻密絶縁体層の上に、所定の条件を満たすように形成する第３工程をさらに備え、
前記所定の条件は、複数の前記緻密導電体層が、各々対応している前記固体酸化物電解質層に接することであることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池の製造方法。
【請求項３】
同一極性である複数の電極層と、隣接する二つの前記電極層に挟まれる緻密導電体層及び緻密絶縁体層とを多孔質支持基板上に、所定の条件を満たすように形成する第１工程と、
前記第１工程の後で、複数の前記電極層それぞれに対応する複数の固体酸化物電解質層を、各々対応している前記電極層並びに各々対応している前記電極層に接している前記緻密導電体層及び前記緻密絶縁体層の上に形成する第２工程とを備え、
前記所定の条件は、隣接する二つの前記電極層の一方に前記緻密絶縁体層の一端が接し、隣接する二つの前記電極層の他方に前記緻密導電体層の一端が接し、前記緻密絶縁体層と前記緻密導電体層の他端同士が接し、前記電極層と前記緻密絶縁体層との厚みの差及び前記電極層と前記緻密導電体層との厚みの差がそれぞれ所定値未満になることであり、
前記所定値は、前記固体酸化物電解質層を焼成する前の前記固体酸化物電解質層の厚みであることを特徴とする固体酸化物型燃料電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物型燃料電池の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、典型的には、固体ポリマーイオン交換膜を用いた固体高分子電解質膜、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）を用いた固体酸化物電解質膜等を、燃料極（アノード）と酸化剤極（カソード）とで両側から挟み込んだものを１つのセル構成としている。そして、燃料極に燃料ガス（例えば水素）を供給する燃料ガス流路と、酸化剤極に酸化剤ガス（例えば酸素や空気）を供給する酸化剤ガス流路とが設けられ、これらの流路を介して燃料ガス、酸化剤ガスがそれぞれ燃料極、酸化剤極に供給されることにより発電が行われる。
【０００３】
燃料電池は、原理的に取り出せる電力エネルギーの効率が高いため、省エネルギーになるだけでなく、環境に優れた発電方式であり、地球規模でのエネルギーや環境問題解決の切り札として期待されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表平１１−５０１４４８号公報
【特許文献２】国際公開第２００４／０８８７８３号
【特許文献３】特開２０１０―２０５６１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１では、多孔質の外側電極と、多孔質の内側電極と、両電極に挟まれた固体酸化物電解質とを有し、片端を閉塞した円筒形状である固体酸化物型燃料電池セルが用いられており、その固体酸化物型燃料電池セルを複数相互に接続することで、燃料電池の出力を高めている。
【０００６】
しかしながら、上記の構成の場合、燃料電池の出力をさらに高くしようとすると、必要な固体酸化物型燃料電池セルの個数が増えるため、燃料電池の体積が大きくなると共に固体酸化物型燃料電池セル同士の接続が煩雑になるという問題がある。
【０００７】
上記の問題を解決することができる燃料電池として、複数の固体酸化物型燃料電池セルを同一の支持体上に形成した、いわゆる横縞型の固体酸化物型燃料電池が知られている。横縞型の固体酸化物型燃料電池では、燃料ガスと酸化剤ガスとの混合を防ぐために、各固体酸化物型燃料電池セル間を電気絶縁性及びガス遮断性を有する材料で覆う必要がある。
【０００８】
特許文献２及び特許文献３では、固体酸化物電解質を、固体酸化物型燃料電池セルの電解質として本来不必要な部分にも余分に形成して、燃料ガスと酸化剤ガスとの混合を防止している。
【０００９】
余分に固体酸化物電解質を形成することで、固体酸化物電解質に厚みのバラツキや曲りが生じる。固体酸化物電解質に厚みのバラツキや曲りが生じると、固体酸化物電解質の焼成時に、厚みが変化している部分や曲りの部分に応力が集中して、固体酸化物電解質の割れや剥がれ等が発生しやすく、歩留まりが下がるという課題がある。
【００１０】
本発明は、上記の状況に鑑み、歩留まりが高い固体酸化物型燃料電池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】
【００１１】
上記目的を達成するために本発明の一局面に係る固体酸化物型燃料電池の製造方法は、同一極性である複数の電極層と、隣接する二つの前記電極層に挟まれる緻密絶縁体層とを多孔質支持基板上に、前記電極層と前記緻密絶縁体層との厚みの差が所定値未満になるように形成する第１工程と、前記第１工程の後で、複数の前記電極層それぞれに対応する複数の固体酸化物電解質層を、各々対応している前記電極層及び各々対応している前記電極層に接している一方の前記緻密絶縁体層の上に形成する第２工程とを備える構成とする。なお、前記所定値は、前記固体酸化物電解質層を焼成する前の前記固体酸化物電解質層の厚みである。
【００１２】
上記の製造方法において、前記第１工程の後、且つ、前記第２工程の前又は後で、複数の前記電極層それぞれに対応する複数の緻密導電体層を、各々対応している前記電極層及び各々対応している前記電極層に接している他方の前記緻密絶縁体層の上に、所定の条件を満たすように形成する第３工程をさらに備えることが好ましい。なお、前記所定の条件は、複数の前記緻密導電体層が、各々対応している前記固体酸化物電解質層に接することである。
【００１３】
上記目的を達成するために本発明の他の局面に係る固体酸化物型燃料電池の製造方法は、同一極性である複数の電極層と、隣接する二つの前記電極層に挟まれる緻密導電体層及び緻密絶縁体層とを多孔質支持基板上に、所定の条件を満たすように形成する第１工程と、前記第１工程の後で、複数の前記電極層それぞれに対応する複数の固体酸化物電解質層を、各々対応している前記電極層並びに各々対応している前記電極層に接している前記緻密導電体層及び前記緻密絶縁体層の上に形成する第２工程とを備える構成とする。なお、前記所定の条件は、隣接する二つの前記電極層の一方に前記緻密絶縁体層の一端が接し、隣接する二つの前記電極層の他方に前記緻密導電体層の一端が接し、前記緻密絶縁体層と前記緻密導電体層の他端同士が接し、前記電極層と前記緻密絶縁体層との厚みの差及び前記電極層と前記緻密導電体層との厚みの差がそれぞれ所定値未満になることである。また、前記所定値は、前記固体酸化物電解質層を焼成する前の前記固体酸化物電解質層の厚みである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る固体酸化物型燃料電池の製造方法によると、段差がない又は微小な段差しかない面の上に、より具体的には、段差がない又は固体酸化物電解質層を焼成する前の固体酸化物電解質層の厚み未満の段差しかない面の上に、固体酸化物電解質層が形成されるので、固体酸化物電解質層が厚み方向に完全にずれている部分を有することを防止することができる。これにより、固体酸化物電解質の焼成時に、固体酸化物電解質にかかる応力の均一化を図ることができ、固体酸化物電解質の割れや剥がれ等が発生しにくくなり、歩留まりが高くなる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の１実施形態に係る製造方法によって得られる固体酸化物型燃料電池の第１ステップ完了時点での部分断面図である。
【図２】本発明の１実施形態に係る製造方法によって得られる固体酸化物型燃料電池の第２ステップ完了時点での部分断面図である。
【図３】本発明の１実施形態に係る製造方法によって得られる固体酸化物型燃料電池の第３ステップ完了時点での部分断面図である。
【図４】本発明の１実施形態に係る製造方法によって得られる固体酸化物型燃料電池の第４ステップ完了時点での部分断面図である。
【図５】本発明の１実施形態に係る製造方法によって得られる固体酸化物型燃料電池の第５ステップ完了時点での部分断面図である。
【図６】本発明の１実施形態に係る製造方法によって得られる固体酸化物型燃料電池の部分断面図である。
【図７】本発明の２実施形態に係る製造方法によって得られる固体酸化物型燃料電池の第１ステップ完了時点での部分断面図である。
【図８】本発明の２実施形態に係る製造方法によって得られる固体酸化物型燃料電池の第２ステップ完了時点での部分断面図である。
【図９】本発明の２実施形態に係る製造方法によって得られる固体酸化物型燃料電池の第３ステップ完了時点での部分断面図である。
【図１０】本発明の２実施形態に係る製造方法によって得られる固体酸化物型燃料電池の第４ステップ完了時点での部分断面図である。
【図１１】本発明の２実施形態に係る製造方法によって得られる固体酸化物型燃料電池の第５ステップ完了時点での部分断面図である。
【図１２】本発明の２実施形態に係る製造方法によって得られる固体酸化物型燃料電池の部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の実施形態について図面を参照して以下に説明する。なお、本発明は、後述する実施形態に限られない。
【００１７】
＜第１実施形態＞
本発明の第１実施形態に係る固体酸化物型燃料電池の製造方法について図１〜図６を参照して説明する。図１〜図５は、本実施形態に係る製造方法によって得られる固体酸化物型燃料電池の第１〜第５ステップ完了時点での部分断面図である。図６は、本実施形態に係る製造方法によって得られる固体酸化物型燃料電池の部分断面図である。
【００１８】
まず始めに、電気絶縁性及びガス通過性を有する多孔質支持基板１を作製する。多孔質支持基板１の作製方法は例えば、３mol％のイットリウムで安定化させたジルコニア（３ＹＳＺ）等に、バインダーと、例えばＰＭＭＡ樹脂等の造孔剤とを加えたものを混練し、粘土状にしたものを焼成することで、３ＹＳＺを焼結するとともに造孔剤の加熱分解除去によって焼結体内部に空孔を形成する方法を挙げることができる。多孔質支持基板１の形状は特に限定されず、例えば筒状、平板状、柱状等の形状を挙げることができる。筒状や柱状の場合は外周面に後述する燃料極層３等を形成するとよい。また、筒状の場合、中空部分を、流路抵抗が小さいガス流路、又は、燃料ガスを発生する燃料発生部材の収容空間として用いることができる。
【００１９】
次に、多孔質支持基板１上に、電気絶縁性及びガス遮断性を有する複数の緻密絶縁体層２を間隔を空けて形成する。これにより、図１に示す状態になる。緻密絶縁体層２や後述する他の層を形成する方法としては例えば、スクリーン印刷等を用いて形成する方法、形成しない部分をマスキングテープ等で覆ってディッピングによって形成する方法等を挙げることができる。緻密絶縁体層２の材料としては例えば、３ＹＳＺ、固体酸化物電解質材料等を挙げることができる。
【００２０】
次に、多孔質支持基板１上の緻密絶縁体層２が形成されていない部分に燃料極層３を形成する。これにより、図２に示す状態になる。なお、隣り合う緻密絶縁体層２と燃料極層３とは互いに接している。このとき、燃料極層３と緻密絶縁体層２との厚みの差が、後述する固体酸化物電解質層４を焼成する前の固体酸化物電解質層４の厚み未満になるように、燃料極層３の厚みを調整して燃料極層３を形成する。燃料極層３と緻密絶縁体層２との厚みの差は零に近ければ近いほど望ましい。燃料極層３の材料としては例えば、Ｎｉと固体酸化物電解質材料とのサーメット、Ｎｉ―Ｆｅと固体酸化物電解質材料とのサーメット等を挙げることができる。
【００２１】
なお、本実施形態では、緻密絶縁体層２を形成した後に燃料極層３を形成したが、緻密絶縁体層２と燃料極層３の形成順序を逆にしても構わない。
【００２２】
次に、複数の燃料極層３それぞれに対応する複数の固体酸化物電解質層４を、各々対応している燃料極層３及び各々対応している燃料極層３に接している一方の緻密絶縁体層２の上に形成する。これにより、図３に示す状態になる。このとき、複数の燃料極層３それぞれにおいて、燃料極層３の表面の一部が露出した状態になり、複数の緻密絶縁体層２それぞれにおいて、緻密絶縁体層２の表面の一部が露出した状態になるように、固体酸化物電解質層４の位置及び大きさを調整して固体酸化物電解質層４を形成する。固体酸化物電解質層４の材料としては例えば、８mol％のイットリウムで安定化させたジルコニア（８ＹＳＺ）、ＬａＳｒＧaＭｇＯ3（ＬＳＧＭ）等を挙げることができる。
【００２３】
本実施形態では、上記の通り、段差がない又は微小な段差しかない面の上に、より具体的には、段差がない又は固体酸化物電解質層４を焼成する前の固体酸化物電解質層４の厚み未満の段差しかない面の上に、固体酸化物電解質層４が形成される。このため、固体酸化物電解質層４において、厚み方向に完全に（固体酸化物電解質層４の厚み以上に）ずれている部分がない。
【００２４】
次に、焼成を行い、緻密絶縁体層２、燃料極層３、及び固体酸化物電解質層４を焼結させる。固体酸化物電解質層４において厚み方向に完全にずれている部分がないため、焼成時に固体酸化物電解質層４の収縮が起こっても、固体酸化物電解質層４にかかる応力の均一化を図ることができ、固体酸化物電解質層４の割れや剥がれ等が発生しにくくなり、歩留まりが高くなる。
【００２５】
なお、焼成は、後述する緻密インターコネクタ層５及び酸化剤極層６を形成した後に一括して行ってもよいが、一般的に酸化剤極層６に用いられる材料は他の層に用いられる材料よりも焼結温度が低いため、酸化剤極層６と他の層とは別々に温度を変えて焼成することが好ましい。
【００２６】
次に、複数の燃料極層３それぞれに対応する導電性及びガス遮断性を有する複数の緻密インターコネクタ層５を、各々対応している燃料極層３及び各々対応している燃料極層３に接している他方の緻密絶縁体層２の上に形成する。これにより、図４に示す状態になる。このとき、複数の緻密インターコネクタ層５が各々対応している固体酸化物電解質層４に接するように、緻密インターコネクタ層５の位置及び大きさを調整して緻密インターコネクタ層５を形成する。これにより、緻密絶縁体層２、固体酸化物電解質層４、及び緻密インターコネクタ層５からなる、切れ目のないガス遮断層が形成されるので、燃料ガスと酸化剤ガスとの混合を防ぐことができる。緻密インターコネクタ層５の材料としては例えば、ガラスにＰｔ、Ａｕ、Ａｇ等の導電性材料を添加したもの、ＳｒＴｉＯ3系の材料等を挙げることができる。
【００２７】
次に、各々の固体酸化物電解質層４上に酸化剤極層６を形成する。これにより、図５に示す状態になる。酸化剤極層６の材料としては例えば、ＬａＳｒＦｅＣｏＯ3（ＬＳＣＦ）、ＬａＳｒＭｎＯ3（ＬＳＭ）等を挙げることができる。
【００２８】
なお、本実施形態では、緻密インターコネクタ層５を形成した後に酸化剤極層６を形成したが、緻密インターコネクタ層５と酸化剤極層６の形成順序を逆にしても構わない。
【００２９】
最後に、各固体酸化物型燃料電池セルの酸化剤極層６と隣接する片側の固体酸化物型燃料電池セルの緻密インターコネクタ層５とを、Ｐｔ、Ａｕ等の導電性ワイヤー７のボンディングによって電気的に接続する。これにより、図６に示す状態になる。
【００３０】
なお、本実施形態とは異なり、導電性ワイヤー７を用いずに酸化剤極層６と緻密インターコネクタ層５とを電気的に接続してもよい。例えば、酸化剤極層６と緻密インターコネクタ層５とを電気的に接続するための接続経路を、Ａｇペースト等の導電性ペーストを塗布・焼成することで形成しても構わない。
【００３１】
＜第２実施形態＞
本発明の第２実施形態に係る固体酸化物型燃料電池の製造方法について図７〜図１２を参照して説明する。なお、第１実施形態と共通する例示や変形例等は適宜説明を省略する。また、図７〜図１２において図１〜図６と同一の部分には同一の符号を付す。図７〜図１１は、本実施形態に係る製造方法によって得られる固体酸化物型燃料電池の第１〜第５ステップ完了時点での部分断面図である。図１２は、本実施形態に係る製造方法によって得られる固体酸化物型燃料電池の部分断面図である。
【００３２】
まず始めに、電気絶縁性及びガス通過性を有する多孔質支持基板１を作製する。
【００３３】
次に、多孔質支持基板１上に、電気絶縁性及びガス遮断性を有する複数の緻密絶縁体層２を間隔を空けて形成する。これにより、図７に示す状態になる。
【００３４】
次に、多孔質支持基板１上の緻密絶縁体層２が形成されていない部分に燃料極層３を形成する。これにより、図８に示す状態になる。このとき、隣接する二つの燃料極層３の一方に緻密絶縁体層２の一端が接し、隣接する二つの燃料極層３の他方と緻密絶縁体層２の他端との間で多孔質支持基板１の表面が露出した状態になるように、燃料極層３の位置及び大きさを調整して燃料極層３を形成する。さらに、燃料極層３と緻密絶縁体層２との厚みの差が、後述する固体酸化物電解質層４を焼成する前の固体酸化物電解質層４の厚み未満になるように、燃料極層３の厚みを調整して燃料極層３を形成する。
【００３５】
次に、多孔質支持基板１上の緻密絶縁体層２及び燃料極層３が形成されていない部分に導電性及びガス遮断性を有する緻密インターコネクタ層５を形成する。なお、隣り合う緻密インターコネクタ層５と緻密絶縁体層２とは互いに接し、隣り合う緻密インターコネクタ層５と燃料極層３とは互いに接している。これにより、図９に示す状態になる。このとき、燃料極層３と緻密インターコネクタ層５との厚みの差が、後述する固体酸化物電解質層４を焼成する前の固体酸化物電解質層４の厚み未満になるように、緻密インターコネクタ層５の厚みを調整して緻密インターコネクタ層５を形成する。
【００３６】
なお、本実施形態では、緻密絶縁体層２、燃料極層３、緻密インターコネクタ層５の順で緻密絶縁体層２、燃料極層３、及び緻密インターコネクタ層５を形成したが、緻密絶縁体層２、燃料極層３、及び緻密インターコネクタ層５はどの順番で形成しても構わない。
【００３７】
次に、複数の燃料極層３それぞれに対応する複数の固体酸化物電解質層４を、各々対応している燃料極層３並びに各々対応している燃料極層３に接している緻密絶縁体層２及び緻密インターコネクタ層５の上に形成する。これにより、図１０に示す状態になる。このとき、複数の緻密絶縁体層２それぞれにおいて、緻密絶縁体層２の表面の一部が露出した状態になり、複数の緻密インターコネクタ層５それぞれにおいて、緻密インターコネクタ層５の表面の一部が露出した状態になるように、固体酸化物電解質層４の位置及び大きさを調整して固体酸化物電解質層４を形成する。これにより、緻密絶縁体層２、固体酸化物電解質層４、及び緻密インターコネクタ層５からなる、切れ目のないガス遮断層が形成されるので、燃料ガスと酸化剤ガスとの混合を防ぐことができる。
【００３８】
本実施形態では、上記の通り、段差がない又は微小な段差しかない面の上に、より具体的には、段差がない又は固体酸化物電解質層４を焼成する前の固体酸化物電解質層４の厚み未満の段差しかない面の上に、固体酸化物電解質層４が形成される。このため、固体酸化物電解質層４において、厚み方向に完全に（固体酸化物電解質層４の厚み以上に）ずれている部分がない。
【００３９】
次に、焼成を行い、緻密絶縁体層２、燃料極層３、固体酸化物電解質層４、及び緻密インターコネクタ層５を焼結させる。固体酸化物電解質層４において厚み方向に完全にずれている部分がないため、焼成時に固体酸化物電解質層４の収縮が起こっても、固体酸化物電解質層４にかかる応力の均一化を図ることができ、固体酸化物電解質層４の割れや剥がれ等が発生しにくくなり、歩留まりが高くなる。
【００４０】
なお、焼成は、後述する酸化剤極層６を形成した後に一括して行ってもよいが、一般的に酸化剤極層６に用いられる材料は他の層に用いられる材料よりも焼結温度が低いため、酸化剤極層６と他の層とは別々に温度を変えて焼成することが好ましい。
【００４１】
次に、各々の固体酸化物電解質層４上に酸化剤極層６を形成する。これにより、図１１に示す状態になる。
【００４２】
最後に、各固体酸化物型燃料電池セルの酸化剤極層６と隣接する片側の固体酸化物型燃料電池セルの緻密インターコネクタ層５とを、Ｐｔ、Ａｕ等の導電性ワイヤー７のボンディングによって電気的に接続する。これにより、図１２に示す状態になる。
【００４３】
＜その他＞
上述した第１実施形態及び第２実施形態では、多孔質支持基板１上に燃料極層３を形成したが、燃料極層３と酸化剤極層６との配置を入れ替え、多孔質支持基板１上に酸化剤極層６を形成しても構わない。
【符号の説明】
【００４４】
１  多孔質支持基板
２  緻密絶縁体層
３  燃料極層
４  固体酸化物電解質層
５  緻密インターコネクタ層
６  酸化剤極層
７  導電性ワイヤー
【図１】
2014191992.tif 000003
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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