(57)【要約】【課題】  燃料電池のシール性を向上させること。【解決手段】  本燃料電池１００は、支持体１０と、電池部２０と、封止部４２（４０）とを備える。電池部２０は支持体上１０に形成され、支持体１０側から順に積層された第１電極膜２２、電解質膜２４、及び第２電極膜２６を含む。封止部４２は、支持体１０上に電池部２０を囲むように設けられている。支持体１０は、電池部２０が形成された領域にガス通過用の貫通孔１６が形成され、電池部２０の外周端に沿って凹部１６が形成されている。製造工程において、電池部２０の形成領域からはみ出した電池部２０ａは、支持体１０の凹部１６に収納されるため、電池部２０が支持体４０と封止部４２との間に入り込むことを抑制し、シール性を向上させることができる。【選択図】    図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持体と、
前記支持体上に形成され、前記支持体側から順に積層された第１電極膜、電解質膜、及び第２電極膜を含む電池部と、
前記支持体上に前記電池部を囲むように設けられた封止部と、を備え、
前記支持体は、前記電池部が形成された領域にガス通過用の貫通孔が形成され、前記電池部の外周端に沿って凹部が形成されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記電池部の外周端は、前記封止部と重複しており、
前記凹部は、前記電池部と前記封止部との重複部分に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記電池部の外周端は、前記封止部と離間しており、
前記凹部は、前記電池部と前記封止部との離間部分に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記封止部における前記支持体との接触領域は、絶縁体を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項５】
前記絶縁体は、ガラスシールを含むことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記絶縁体は、ガスケットを含むことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記燃料電池は、固体酸化物型燃料電池であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかに記載の燃料電池が積層された燃料電池スタック。
【請求項９】
電池形成領域に貫通孔を有し、前記電池形成領域の外周に凹部を有する支持体を形成する工程と、
前記電池形成領域上に、前記支持体側から順に積層された第１電極膜、電解質膜、及び第２電極膜を含む電池部を、前記電池部の外周端が前記凹部に沿うように形成する工程と、
前記支持体上に、前記電池部を囲むように封止部を設ける工程と、
を備えることを特徴とする燃料電池の製造方法。
【請求項１０】
前記貫通孔は、前記支持体を両面からハーフエッチングすることにより形成され、
前記凹部は、前記支持体を片面からハーフエッチングすることにより形成されることを特徴とする請求項９に記載の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、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
貫通孔を有する金属製の支持体上に、アノード電極、電解質膜、及びカソード電極を含む電池部を形成し、さらに支持体上に電池部を覆うように封止部（セパレータ）を設けた燃料電池が知られている（例えば、特許文献１を参照）。このような構成は、例えば固体酸化物型燃料電池において多く採用されている。金属製の支持体により電池部を支持することで、燃料電池の強度を向上させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−２７３２１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記の燃料電池では、封止部を支持体上に設ける際に、支持体上に形成された電池部が支持体と封止部との間に入り込み、燃料電池のシール性が低下してしまう場合があった。
【０００５】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、燃料電池のシール性を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本燃料電池は、支持体と、前記支持体上に形成され、前記支持体側から順に積層された第１電極膜、電解質膜、及び第２電極膜を含む電池部と、前記支持体上に前記電池部を囲むように設けられた封止部と、を備え、前記支持体は、前記電池部が形成された領域にガス通過用の貫通孔が形成され、前記電池部の外周端に沿って凹部が形成されている。
【０００７】
上記構成において、前記電池部の外周端は、前記封止部と重複しており、前記凹部は、前記電池部と前記封止部との重複部分に形成されている構成とすることができる。
【０００８】
上記構成において、前記電池部の外周端は、前記封止部と離間しており、前記凹部は、前記電池部と前記封止部との離間部分に形成されている構成とすることができる。
【０００９】
上記構成において、前記封止部における前記支持体との接触領域は、絶縁体を含む構成とすることができる。
【００１０】
上記構成において、前記絶縁体は、ガラスシールを含む構成とすることができる。
【００１１】
上記構成において、前記絶縁体は、ガスケットを含む構成とすることができる。
【００１２】
上記構成において、前記燃料電池は、固体酸化物型燃料電池である構成とすることができる。
【００１３】
燃料電池スタックは、上記のいずれかの燃料電池を積層することにより構成される。
【００１４】
本燃料電池の製造方法は、電池形成領域に貫通孔を有し、前記電池形成領域の外周に凹部を有する支持体を形成する工程と、前記支持体上の前記電池形成領域の外周に凹部を形成する工程と、前記電池形成領域上に、前記支持体側から順に積層された第１電極膜、電解質膜、及び第２電極膜を含む電池部を、前記電池部の外周端が前記凹部に沿うように形成する工程と、前記支持体上に、前記電池部を囲むように封止部を設ける工程と、を備える。
【００１５】
上記構成において、前記貫通孔は、前記支持体を両面からハーフエッチングすることにより形成され、前記凹部は、前記支持体を片面からハーフエッチングすることにより形成される構成とすることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、燃料電池のシール性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、比較例に係る燃料電池の構成を示す図である。
【図２】図２は、比較例に係る燃料電池の詳細な構成を示す図である。
【図３】図３は、実施例１に係る燃料電池の製造方法を示す図である。
【図４】図４は、実施例１に係る燃料電池の構成を示す図である。
【図５】図５は、実施例１に係る燃料電池の詳細な構成を示す図である。
【図６】図６は、実施例２に係る燃料電池の構成を示す図である。
【図７】図７は、実施例２に係る燃料電池の詳細な構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
最初に、比較例に係る燃料電池について説明する。
（比較例）
【００１９】
図１は、比較例に係る燃料電池の構成を示す図である。燃料電池２００は、発電を行う燃料電池セルが複数積層された構成を有する。ここでは、複数の燃料電池セルのうち１つの燃料電池セル１８０の構成について説明する。
【００２０】
燃料電池セル１８０は、支持体１０、電池部２０、集電体３０、及びセパレータ４０を備える。支持体１０は、ガスが通過するための複数の貫通孔１２を有する金属製の板である。支持体１０上における貫通孔１２が形成された領域の上面には、電池部２０が形成されている（以下、支持体１０上における電池部２０を形成するための領域を電池形成領域と称する）。
【００２１】
電池部２０は、支持体１０の側から順に、アノード電極膜２２（第１電極膜）、電解質膜２４、及びカソード電極膜２６（第２電極膜）が積層されることにより形成されている。集電体３０は、波板形状の金属板（図１参照）または多孔質の部材等により構成され、電池部２０のカソード側に設けられている。セパレータ４０は、支持体１０の上面（電池部２０が形成された側）に、電池部２０及び集電体３０を覆うように設けられている。セパレータ４０及び支持体１０により、燃料電池セル１８０の上面及び側面が封止されると共に、燃料電池セル１８０のアノード側とカソード側とが絶縁されている。
【００２２】
燃料電池セル１８０のアノード側に供給されたアノードガスは、支持体１０の貫通孔１２を透過して電池部２０のアノード電極膜２２に到達する。燃料電池セル１８０のカソード側に供給されたカソードガスは、多孔質の集電体３０を透過して電池部２０のカソード電極膜２６に到達する。これにより、燃料電池セル１８０において発電が行われる。発電により生じた電流（または電圧）は、導電性の支持体１０及び集電体３０を介して、外部へと出力される。
【００２３】
ここで、燃料電池セル１８０の出力を向上させるためには、支持体１０における電池形成領域を大きくし（すなわち、電池部２０をセパレータ４０の内壁ぎりぎりの位置まで形成し）、発電有効面積を増加させることが好ましい。しかし、上記の構成では、製造工程において電池形成領域からはみ出した電池部２０が、支持体１０とセパレータ４０との間に入り込み、燃料電池セル１８０のシール性が低下してしまう場合がある。
【００２４】
図２（ａ）は、比較例に係る燃料電池セルの詳細な構成を示す図である。図示するように、支持体１０に形成された電池部２０が、支持体１０とセパレータ４０との接触部分にまで延び、支持体１０とセパレータ４０との間に空隙５０が形成されている。この空隙５０により、燃料電池セル１８０のシール性が低下してしまっている。
【００２５】
図２（ｂ）は、図２（ａ）の変形例であり、支持体１０とセパレータ４０との接触部分にガラスシール４４を施した例である。ガラスシール４４は、製造工程においてはペースト状であり、支持体１０とセパレータ４０との間に充填されている。しかし、上記の構成では、空隙５０からはみ出たガラスシール４４が電池部２０の上面を覆ってしまい（図中の符号５２）、電池部２０の発電有効面積が減少してしまう場合がある。
【００２６】
以上のように、比較例に係る燃料電池２００では、燃料電池セル１８０の出力向上とシール性の向上とを両立させることが難しい。以下の実施例では、上記の課題を解決するための燃料電池について説明する。
【実施例１】
【００２７】
図３（ａ）〜（ｅ）は、実施例１に係る燃料電池１００の製造方法を示す図である。最初に、図３（ａ）に示すように、支持体１０の電池形成領域１４に貫通孔１２を形成すると共に、電池形成領域１４の外側に凹部１６を形成する。支持体１０には、例えばステンレス系の金属板を用いることができるが、電池部２０を支持する機能を有するものであれば他の素材（例えば、フェライト系の金属板または非金属素材等）を用いてもよい。
【００２８】
本実施例では、貫通孔１２を両面からのハーフエッチングにより形成し、凹部１６を片面（電池形成領域１４側）からのハーフエッチングにより形成する。これにより、貫通孔１２及び凹部１６を共通の工程で形成することができ、製造工程の効率化を図ることができる。ただし、貫通孔１２及び凹部１６は、上記以外の方法で形成してもよい。
【００２９】
次に、図３（ｂ）に示すように、支持体１０上の電池形成領域１４にアノード電極膜２２を形成する。アノード電極膜２２は、アノード活性を有していれば特に限定されるものではないが、例えば、Ｎｉ／ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）サーメット（５０／５０ｗｔ％）、Ｎｉ／ＧＤＣ（Gadolinium Doped Ceria）サーメット（５０／５０ｗｔ％）等を用いることができる。アノード電極膜２２は、例えばスクリーン印刷により成膜することができる。電池形成領域１４からはみ出たアノード電極膜２２ａは、電池形成領域１４の両側に形成された凹部１６に収容される。
【００３０】
次に、図３（ｃ）に示すように、アノード電極膜２２上に電解質膜２４を形成する。電解質膜２４は、酸素イオン電導性を有していれば特に限定されるものではないが、例えば、８ＹＳＺ(8mol% Yttrium Stabilised Zirconia)、３ＹＳＺ（3mol% Yttrium Stabilised Zirconia）、Ｃｅ０．８Ｇｄ０．２Ｏ２、Ｃｅ０．８Ｓｍ０．２Ｏ２、Ｌａ０．８Ｓｒ０．２Ｇａ０．９Ｍｇ０．１Ｏ３等を用いることができる。電解質膜２４は、例えばスクリーン印刷により成膜することができる。電池形成領域１４からはみ出た電解質膜２４ａは、電池形成領域１４の両側に形成された凹部１６に収容される。
【００３１】
次に、図３（ｄ）に示すように、電解質膜２４上にカソード電極膜２６を形成する。カソード電極膜２６は、カソード活性を有していれば特に限定されるものではないが、例えば、Ｌａ０．８Ｓｒ０．２ＣｏＯ３、Ｌａ０．８Ｓｒ０．２ＭｎＯ３、Ｌａ０．８Ｓｒ０．２Ｃｏ０．５Ｆｅ０．５Ｏ３等を用いることができる。カソード電極膜２６は、アノード側との短絡を抑制するために、電池形成領域１４からはみ出ないように形成する。カソード電極膜２６は、例えばスクリーン印刷により成膜することができる。以上のように、支持体１０上の電池形成領域１４に電池部２０が形成され、電池形成領域１４からはみ出た電池部２０ａは、電池形成領域１４の両側に形成された凹部１６に収容される。
【００３２】
次に、図３（ｅ）に示すように、電池部２０のカソード側に集電体３０を設け、さらに電池部２０及び集電体３０を覆うようにセパレータ４０を設ける。集電体３０には、例えばフェライト系ＳＵＳを用いることができる。セパレータ４０は、燃料電池セル８０を封止するための封止部の一例であり、支持体１０上に電池部２０を囲むように設けられる。本実施例では、セパレータ４０の一部（燃料電池セル８０の側面を封止する部分で、支持体１０との接触部分）は、絶縁性のガスケット４２となっている。ガスケットの材料としては、例えばマイカ系材料を用いることができる。
【００３３】
以上の工程により、実施例１に係る燃料電池セル８０が完成する。また、燃料電池セル８０を複数積層することにより、実施例１に係る燃料電池１００が完成する。このとき、図３（ｅ）に示すように、支持体１０は前段のセパレータ４０ａの上面に取り付けられる。取り付けの方法としては、例えば溶接を用いることができる。
【００３４】
図４は、実施例１に係る燃料電池の構成を示す図である。燃料電池１００は、支持体１０上に凹部１６を有する他は、比較例（図１）と基本的に同じ構成であり、詳細な説明を省略する。凹部１６は、電池部２０の外周端に沿って形成されている。凹部１６には、電池部２０の製造工程において電池形成領域１４からはみ出した電池部２０ａが収納されている。より詳細には、電池部２０ａには、アノード電極膜２２及び電解質膜２４のうち電池形成領域１４からはみ出した部分が含まれ、カソード電極膜２６は電池部２０ａに含まれない。
【００３５】
実施例１に係る燃料電池によれば、電池部２０の外周端に沿って支持体１０に凹部１６が形成されている。これにより、電池形成領域１４から電池部２０がはみ出した場合でも、電池部２０は凹部１６に収納され、電池部２０が支持体１０とガスケット４２（セパレータ４０）との間に入り込んでしまうことが抑制される。これにより、燃料電池１００のシール性を向上させることができる。また、電池形成領域１４を大きくした場合でも、凹部１６により燃料電池１００のシール性の低下が抑制されるため、燃料電池セル８０の出力向上とシール性の向上との両立を図ることができる。
【００３６】
支持体１０上の電池形成領域１４を図３（ａ）のように規定して電池部２０を形成する場合、実際に製造される燃料電池セル８０において、電池部２０、凹部１６及びガスケット４２の位置関係にはいくつかのバリエーションが考えられる。以下、この点について説明する。
【００３７】
図５（ａ）〜（ｃ）は、実施例１に係る燃料電池セルの詳細な構成を示す図である。図５（ａ）では、ガスケット４２の内壁面が凹部１６上に位置し、凹部１６の大部分に電池部２０が充填されている。換言すれば、電池部２０の外周端はガスケット４２と重複し、凹部１６は当該重複部分に形成されている。本構成によれば、電池部２０をガスケット４２の内壁のぎりぎりの位置まで形成することができるため、電池形成領域１４を大きくすることができる。
【００３８】
図５（ｂ）では、ガスケット４２の内壁面が凹部１６の外側（電池部２０を挟んだ反対側）に位置し、凹部１６の一部に電池部２０が充填されている。換言すれば、電池部２０の外周端はガスケット４２と離間し、凹部１６は当該離間部分に形成されている。本構成によれば、電池形成領域１４からはみ出た電池部２０が、支持体１０とガスケット４２との間に入り込むことを、より確実に抑制することができる。図５（ｃ）では、図５（ｂ）と同じく電池部２０の外周端がガスケット４２と離間しているが、電池部２０は電池形成領域（図３（ａ）の符号１４）からほとんどはみ出していない。
【００３９】
以上のように、「電池部２０の外周端に沿って凹部１６が形成されている」という表現は、図５（ａ）〜（ｃ）のいずれの場合も含むものとする。すなわち、電池部２０の外周端とガスケット４２とは、重複していてもよいし、重複していなくともよい。
【００４０】
また、支持体１０における凹部１６は、少なくとも電池部２０の外周端の一部に沿って形成されていればよく、必ずしも電池部２０外周端全域に沿って凹部１６が形成されていなくともよい。ただし、電池部２０の外周端全域に沿って凹部１６を形成する場合、電池形成領域１４からはみ出した電池部２０をより大量に収納することができる。
【実施例２】
【００４１】
実施例２は、封止部の一部にガラスシールを用いた例である。
【００４２】
図６は、実施例２に係る燃料電池の構成を示す図である。図示するように、セパレータ４０の一部（燃料電池セル８０の側面を封止する部分で、支持体１０との接触部分）が、絶縁性のガラスシール４４となっている。実施例２に係る燃料電池の構成及び製造方法は、上記ガラスシール４４に関する部分を除き実施例１（図３、図４）と共通であり、支持体１０には実施例１と同様に電池部２０の外周端に沿って凹部１６が形成されている。
【００４３】
比較例にて説明したように、ガラスシール４４は製造工程においてはペースト状である。実施例２に係る燃料電池によれば、図６に示すように、支持体１０とセパレータ４０との接触部分からはみ出たガラスシール４４ａは、支持体１０に形成された凹部１６に収容される。これにより、ガラスシール４４が電池部２０の上面を覆ってしまい、電池部２０の発電有効面積が減少してしまうことを抑制することができる。また、支持体１０とセパレータ４０との接触部分にガラスシール４４を用いることで、シール性を向上させることができる。
【００４４】
図７（ａ）〜（ｃ）は、実施例２に係る燃料電池セルの詳細な構成を示す図である。実施例１と同様に、上記燃料電池セル８０を実際に製造する際、電池部２０、凹部１６及びガラスシール４４の位置関係にはいくつかのバリエーションが考えられる。図７（ａ）では、ガラスシール４４が凹部１６に収容された電池部２０の上部を覆っている。図７（ｂ）では、電池部２０及びガラスシール４４の一部がそれぞれ凹部１６に収納され、両者は重複していない。図７（ｃ）では、電池部２０が電池形成領域からほとんどはみ出していない。このように、封止部として機能するガラスシール４４と、電池部２０の外周端とは、重複していてもよいし、重複していなくともよい。それぞれの場合における作用効果は実施例１と同様である。
【００４５】
実施例１〜２では、封止部として機能するセパレータ４０が絶縁体（ガスケット４２またはガラスシール４４）を含む構成としたが、燃料電池セル８０のアノード側とカソード側とが何らかの方法で絶縁されていれば、上記以外の構成であってもよい。また、封止部の一部を絶縁体とする場合に、ガスケットやガラスシール以外の部材を用いてもよい。また、実施例１〜２では、支持体１０に貫通孔１２及び凹部１６をエッチングにより形成したが、予め貫通孔１２や凹部１６が形成された支持体を用いて燃料電池セル８０を形成してもよい。また、実施例１〜２の構成は、支持体上に電池部が成膜法により形成されている燃料電池に対して好適であり、固体酸化物型の燃料電池に対して特に好適である
【符号の説明】
【００４６】
１０    支持体
１２    貫通孔
１４    電池形成領域
１６    凹部
２０    電池部
２２    アノード電極膜
２４    電解質膜
２６    カソード電極膜
３０    集電体
４０    セパレータ
４２    ガスケット
４４    ガラスシール
８０    燃料電池セル
１００  燃料電池
【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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