(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
屈曲部を有する一体の多孔質支持体チューブと、
複数の燃料電池セルと、
複数の導電部と、
ガスバリア特性を有する緻密膜を備え、
前記燃料電池セルが、燃料極層、電解質層、及び酸化剤極層の三層を少なくとも含む多層構造であって、前記多孔質支持体チューブの外周面に形成され、
隣り合う前記燃料電池セル同士が、一方の前記燃料電池セルの前記燃料極層と他方の前記燃料電池セルの前記酸化剤極層とが前記屈曲部において前記導電部を介して接続されることにより、電気的に直列接続されており、
前記多孔質支持体チューブの外周面全面の各領域が、前記電解質層及び前記緻密膜の少なくとも一方によって覆われていることを特徴とする燃料電池構造体。
【請求項２】
前記電解質層の端部と前記緻密膜の端部とがオーバーラップしていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池構造体。
【請求項３】
前記多孔質支持体チューブの軸が螺旋形状であることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池構造体。
【請求項４】
前記多孔質支持体チューブが複数の内孔を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
いわゆる横縞型燃料電池構造体は直管状のものが古くから知られ、蒸着、容射、スクリーン印刷等の方法で作製されている（例えば特許文献１及び特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭５４−７３２４６号公報（第１図、第２図）
【特許文献２】特開昭６３−１３３４６４号公報（第２図、第４図）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、直管状の横縞型燃料電池構造体では、管の全長に対し、燃料電池セル同士を直列に接続するためのインターコネクタ部が占める割合が高くなると、発電に寄与する部分が少なくなってしまうため、インターコネクタ部をできるだけ短くする必要がある。
【０００５】
また、直管状の横縞型燃料電池構造体では、燃料極、電解質、空気極、及びインターコネクタ部の各層を形成する毎に異なるマスキングが必要である上、各層を正確に位置合わせして作製する必要があるため、作製に手間がかかる上、位置ずれ等のトラブルが多く、信頼性も低いという問題があった。
【０００６】
尚、特許文献２で開示されている固体電解質型燃料電池は、直管状の横縞型燃料電池構造体同士をＵ字形状の金属管でつなぐ構成であり、直管状の横縞型燃料電池構造体自体の構造は上述した通りである。
【０００７】
本発明は、上記の状況に鑑み、量産性に優れ、信頼性の向上を図ることができる燃料電池構造体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】
【０００８】
上記目的を達成するために本発明に係る燃料電池構造体は、屈曲部を有する一体の多孔質支持体チューブと、複数の燃料電池セルと、複数の導電部と、ガスバリア特性を有する緻密膜を備え、前記燃料電池セルが、燃料極層、電解質層、及び酸化剤極層の三層を少なくとも含む多層構造であって、前記多孔質支持体チューブの外周面に形成され、隣り合う前記燃料電池セル同士が、一方の前記燃料電池セルの前記燃料極層と他方の前記燃料電池セルの前記酸化剤極層とが前記屈曲部において前記導電部を介して接続されることにより、電気的に直列接続されており、前記多孔質支持体チューブの外周面全面の各領域が、前記電解質層及び前記緻密膜の少なくとも一方によって覆われている構成（第１の構成）とする。
【０００９】
上記構成によると、燃料電池セル同士を直列接続するためのインターコネクタ部を屈曲部に配置したため、燃料電池セルの各層を、マスキング等が不要なディッピング等の方法を用いて各層の塗布高さを制御するだけの簡易な制御で形成することができ、一度に多数の燃料電池セルを作製できるので、低コスト化が期待できる。すなわち、量産性に優れている。
【００１０】
また、上記構成によると、燃料電池セル同士を直列接続するためのインターコネクタ部を屈曲部に配置したため、インターコネクタ部の全長が多少長くなっても、直管状の横縞型燃料電池構造体のようにインターコネクタ部の全長がインターコネクタ部の数だけ燃料電池構造体の全長に影響することは無く、１つのインターコネクタ部の全長の半分が燃料電池構造体の高さ方向に影響するだけであるため、信頼性を優先した設計が可能になる。すなわち、信頼性の向上を図ることできる。
【００１２】
また、上記第１の構成の燃料電池構造体において、前記電解質層の端部と前記緻密膜の端部とがオーバーラップしている構成（第２の構成）にすることが望ましい。
【００１３】
また、上記第１または第２の構成の燃料電池構造体において、前記多孔質支持体チューブの軸が螺旋形状である構成（第３の構成）にしてもよい。
【００１４】
また、上記第１〜第３のいずれかの構成の燃料電池構造体において、前記多孔質支持体チューブが複数の内孔を有するようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によると、量産性に優れ、信頼性の向上を図ることができる燃料電池構造体を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１実施形態に係る燃料電池構造体の斜視図である。
【図２Ａ】本発明の第１実施形態に係る燃料電池構造体を製造する第１工程を示す斜視図である。
【図２Ｂ】本発明の第１実施形態に係る燃料電池構造体を製造する第２工程を示す斜視図である。
【図２Ｃ】本発明の第１実施形態に係る燃料電池構造体を製造する第３工程を示す斜視図である。
【図２Ｄ】本発明の第１実施形態に係る燃料電池構造体を製造する第４工程を示す斜視図である。
【図２Ｅ】本発明の第１実施形態に係る燃料電池構造体を製造する第５工程を示す斜視図である。
【図２Ｆ】本発明の第１実施形態に係る燃料電池構造体を製造する第６工程を示す斜視図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る燃料電池構造体の上部屈曲部の縦断面図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係る燃料電池構造体を収容する容器の斜視図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係る燃料電池構造体の斜視図である。
【図６】本発明の第３実施形態に係る燃料電池構造体の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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。各図において、同一又は類似の部分には原則として同一の符号を付す。尚、本発明は、後述する実施形態に限られない。また、後述する各実施形態や各実施形態における変形例の内容は、矛盾がない限り、任意に組み合わせて実施することが可能である。
【００１８】
＜第１実施形態＞
図１は本発明の第１実施形態に係る燃料電池構造体の斜視図である。本発明の第１実施形態に係る燃料電池構造体では、屈曲部を有する一体の多孔質支持体チューブ１の両端部及び上部屈曲部を除いた外周面に、燃料電池セル８が形成されている。図１に示す例では、Ｕ字形状の５つの燃料電池セル８が多孔質支持体チューブ１上に形成されている。
【００１９】
尚、図１では、図を見やすくするために、多孔質支持体チューブ１の内孔を示す点線の図示を省略している。また、後述する図１以外の斜視図においても多孔質支持体チューブ１の内孔を示す点線の図示を省略する。
【００２０】
また、以下の説明では、多孔質支持体チューブ１の直管部分の軸方向を燃料電池構造体の高さ方向とする。
【００２１】
多孔質支持体チューブ１の上部屈曲部にはインターコネクタ部として機能する第１の導電部３及び第２の導電部７が配置される。隣り合う燃料電池セル８同士が、一方の燃料電池セル８の燃料極層４（図３参照）と他方の燃料電池セル８の酸化剤極層６とが多孔質支持体チューブ１の上部屈曲部において第１の導電部３及び第２の導電部７を介して接続されることにより、電気的に直列接続されている。すなわち、図１に示す例では、５つの燃料電池セル８が直列接続されている燃料電池構造体となっている。
【００２２】
多孔質支持体チューブ１の一方の端部には、多孔質支持体チューブ１の一方の端部に最も近い位置に形成される燃料電池セル８の酸化剤極層６に接続される第２の導電部７が形成され、多孔質支持体チューブ１の他方の端部には、多孔質支持体チューブ１の他方の端部に最も近い位置に形成される燃料電池セル８の燃料極層４（図３参照）に接続される第１の導電部３が形成される。水素ガス等の燃料ガスを多孔質支持体チューブ１の内孔に導入し、空気等の酸化剤ガスを燃料電池構造体の周囲に供給することにより、各燃料電池セル８において発電が行われ、多孔質支持体チューブ１の両端部に形成された第１の導電部３及び第２の導電部７から電力を外部に取り出すことができる。
【００２３】
次に、本発明の第１実施形態に係る燃料電池構造体の製造方法について図２Ａ〜図２Ｆを参照して説明する。図２Ａは、本発明の第１実施形態に係る燃料電池構造体を製造する第１工程を示す斜視図である。図２Ｂは、本発明の第１実施形態に係る燃料電池構造体を製造する第２工程を示す斜視図である。図２Ｃは、本発明の第１実施形態に係る燃料電池構造体を製造する第３工程を示す斜視図である。図２Ｄは、本発明の第１実施形態に係る燃料電池構造体を製造する第４工程を示す斜視図である。図２Ｅは、本発明の第１実施形態に係る燃料電池構造体を製造する第５工程を示す斜視図である。図２Ｆは、本発明の第１実施形態に係る燃料電池構造体を製造する第６工程を示す斜視図である。
【００２４】
第１工程において、スラリーを押し出し成型等でチューブ形状にし、さらに図２Ａに示すような屈曲部を有する形状に成型して乾燥させる。上記スラリーとして、溶媒にジルコニア系等の絶縁性セラミック粒子が分散されたものを用いるため、ジルコニア系等の絶縁性セラミックチューブが得られる。また、上記スラリーには造孔材を含有させており、上記絶縁性セラミックチューブは焼結することで多孔質になる。したがって、上記絶縁性セラミックチューブを多孔質支持体チューブ１として用いることができる。
【００２５】
次に、第２工程において、図２Ｂに示す通り、多孔質支持体チューブ１の両端部及び上部屈曲部の外周面にガスバリア特性を有する緻密膜２の材料を塗布する。緻密膜２の材料としては、例えば、溶媒にジルコニア系等の絶縁性セラミック粒子が分散され、造孔材を含有していないスラリーを用いることができる。
【００２６】
次に、第３工程において、図２Ｃに示す通り、緻密膜２が形成される領域の一部に第１の導電部３を形成する。第１の導電部３は、シルク印刷等によって一度に形成することができる。尚、第１の導電部３それぞれにおいて両端の高さを変えている。第１の導電部３としては、例えば、ランタンクロマイト系酸化物（ＬａＣｒＯ３）や、ＮｉＡｌ、ＮｉＣｒ等のサーメットのガスバリア特性を有する緻密導電膜を用いることができる。
【００２７】
次に、第４工程において、図２Ｄに示す通り、多孔質支持体チューブ１の両端部及び上部屈曲部以外の外周面に燃料極層４の材料を塗布する。また、燃料極層４の材料は、多孔質支持体チューブ１の両端部及び上部屈曲部の外周面にも一部オーバーラップして塗布される。各燃料極層４の高さ（上端）は揃えられており、各第１の導電部３の一端は燃料極層４に接続されるが、各第１の導電部３の他端は燃料極層４に接続されない。
【００２８】
次に、第５工程において、図２Ｅに示す通り、多孔質支持体チューブ１の両端部及び上部屈曲部以外の外周面に電解質層５の材料を塗布する。また、電解質層５の材料は、多孔質支持体チューブ１の両端部及び上部屈曲部の外周面にも一部オーバーラップして塗布される。各電解質層５の高さ（上端）は各燃料極層４の高さ（上端）よりも高い位置で揃えられている。一般的には酸化剤極層６と他の層との焼結温度が異なるため、通常、第５工程が終了した段階で一旦焼結することになる。
【００２９】
多孔質支持体チューブ１の外周面全面の各領域が、電解質層５及び緻密膜２の少なくとも一方によって覆われていることになるので、多孔質支持体チューブ１の内孔を流れる燃料ガスが本発明の第１実施形態に係る燃料電池構造体の周囲に漏れ出すことを防ぐことができる。また、本実施形態のように、電解質層５の端部と緻密膜２の端部とをオーバーラップさせることにより、燃料ガスが漏れることをより確実に防ぐことができる。
【００３０】
次に、第６工程において、図２Ｆに示す通り、多孔質支持体チューブ１の両端部及び上部屈曲部以外の外周面に酸化剤極層６の材料を塗布する。また、酸化剤極層６の材料は、多孔質支持体チューブ１の両端部及び上部屈曲部の外周面にも一部オーバーラップして塗布される。各酸化剤極層６の高さ（上端）は、酸化剤極層６と第１の導電部３との接続を避けるため、各電解質層５の高さ（上端）よりも低い位置で揃えられている。
【００３１】
最後に、隣り合う燃料電池セル８同士が、一方の燃料電池セル８の燃料極層４（図２Ｄ参照）と他方の燃料電池セル８の酸化剤極層６とが多孔質支持体チューブ１の上部屈曲部において第１の導電部３及び第２の導電部７を介して接続されることにより、電気的に直列接続されているように、緻密膜２が形成される領域の一部に第２の導電部７（図１参照）を形成する。第２の導電部７は、シルク印刷等によって一度に形成することができる。第２の導電部７の形成後、再度焼結して図１に示す本発明の第１実施形態に係る燃料電池構造体を得る。本発明の第１実施形態に係る燃料電池構造体の上部屈曲部の縦断面は図３に示すようになる。
【００３２】
各燃料電池セル８は、内側から燃料極層（アノード層）４、電解質層５、酸化剤極層（カソード層）６の順で積層された三層構造である。電解質層５は、ガスを通さず酸素イオン、水酸化物イオン、水素イオン等のイオンのみを通す必要があることから緻密な構造であり、例えば公知のランタンガレード系電解質（ＬＳＧＭ）、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、セリア系電解質（ＧＤＣ）等を用いることができる。一方、燃料極層４及び酸化剤極層６は反応ガスを通す必要があることから多孔質であり、燃料極層４には、例えばＮｉＯ−ＬＳＧＭ、ＮｉＯ−ＹＳＺ、ＮｉＯ−ＧＤＣ等が用いられ、酸化剤極層６には、例えばランタンストロンチウムマンガナイト（ＬＳＭ）、ランタンストロンチウムコバルタイト（ＬＳＣ）、サマリウムストロンチウムコバルタイト（ＳＳＣ）等が用いられる。
【００３３】
本発明の第１実施形態に係る燃料電池構造体によると、燃料電池セル同士を直列接続するためのインターコネクタ部を屈曲部に配置したため、燃料電池セルの各層を、マスキング等が不要なディッピング等の方法を用いて各層の塗布高さを制御するだけの簡易な制御で形成することができ、一度に多数の燃料電池セルを作製できるので、低コスト化が期待できる。すなわち、本発明の第１実施形態に係る燃料電池構造体は量産性に優れている。
【００３４】
また、本発明の第１実施形態に係る燃料電池構造体によると、燃料電池セル同士を直列接続するためのインターコネクタ部を屈曲部に配置したため、インターコネクタ部の全長が多少長くなっても、直管状の横縞型燃料電池構造体のようにインターコネクタ部の全長がインターコネクタ部の数だけ燃料電池構造体の全長に影響することは無く、１つのインターコネクタ部の全長の半分が燃料電池構造体の高さ方向に影響するだけであるため、信頼性を優先した設計が可能になる。すなわち、本発明の第１実施形態に係る燃料電池構造体は信頼性の向上を図ることできる。例えば、緻密膜２と電解質層５とのオーバーラップ領域、第１の導電部３と電解質層５とのオーバーラップ領域を十分取ることによって、シール性を向上させること、あるいは、線膨張率の違いから剥離することがある第１の導電部３を電解質層５でしっかり押さえることができる。また、緻密膜２の領域を十分取ることによって、多孔質支持体チューブ１から第１の導電部３及び第２の導電部７へのガスの流入を遮断して第１の導電部３及び第２の導電部７の酸化や還元による劣化を抑えることができる。
【００３５】
本発明の第１実施形態に係る燃料電池構造体９は高温下で使用されるため、例えば図４に示すように、断熱容器を構成する蓋体１０及び容器本体１１を用意し、燃料電池構造体９の両端部を蓋体１０に貫通させて燃料電池構造体９の両端部を蓋体１０に固定し、蓋体１０を容器本体１１に取り付けることで燃料電池構造体９が断熱容器に収容されるようにすればよい。また、図４に示すように、容器本体１１の正面及び背面に開口部１２を設け、空気を断熱容器の内部に供給できるようにすればよい。必要に応じて、ヒーターや温度センサを断熱容器の内部に設けてもよい。
【００３６】
尚、燃料電池セルは、本実施形態とは異なり、内側から酸化剤極層（カソード層）６、電解質層５、燃料極層（アノード層）４の順で積層された構造であってもよい。この場合、空気等の酸化剤ガスを多孔質支持体チューブ１の内孔に導入し、水素ガス等の燃料ガスを燃料電池構造体の周囲に供給するとよい。
【００３７】
また、燃料極層４と電解質層５との間に、燃料極材料と電解質材料との混合物を含有する中間層を設けてもよく、電解質層５と酸化剤極層６との間に、電解質材料と酸化剤極材料との混合物を含有する中間層を設けてもよい。
【００３８】
＜第２実施形態＞
図５は本発明の第２実施形態に係る燃料電池構造体の斜視図である。本発明の第２実施形態に係る燃料電池構造体は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池構造体では多孔質支持体チューブ１の軸が同一平面上にあるのに対して、本発明の第２実施形態に係る燃料電池構造体では多孔質支持体チューブ１の軸が螺旋形状であって同一平面上にない点で、本発明の第１実施形態に係る燃料電池構造体と異なっている。
【００３９】
本発明の第２実施形態に係る燃料電池構造体は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池構造体と同様の効果を奏し、さらに、本発明の第１実施形態に係る燃料電池構造体と比較して、より一層スペース効率を向上させることができる。
【００４０】
＜第３実施形態＞
図６は本発明の第３実施形態に係る燃料電池構造体の斜視図である。本発明の第３実施形態に係る燃料電池構造体は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池構造体では多孔質支持体チューブ１が単一の内孔を有しているのに対して、本発明の第３実施形態に係る燃料電池構造体では多孔質支持体チューブ１が複数の内孔を有している点で、本発明の第１実施形態に係る燃料電池構造体と異なっている。
【００４１】
本発明の第３実施形態に係る燃料電池構造体は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池構造体と同様の効果を奏し、さらに、本発明の第１実施形態に係る燃料電池構造体を複数並列接続したものと等価であるため、本発明の第１実施形態に係る燃料電池構造体単体よりも電流を増やすことができる。また、本発明の第３実施形態に係る燃料電池構造体は、一体構造物であるため、本発明の第１実施形態に係る燃料電池構造体を複数並列接続したものよりも製造や取り扱いが簡単である。
【符号の説明】
【００４２】
１  多孔質支持体チューブ
２  緻密膜
３  第１の導電部
４  燃料極層
５  電解質層
６  酸化剤極層
７  第２の導電部
８  燃料電池セル
９  本発明の第１実施形態に係る燃料電池構造体
１０  蓋体
１１  容器本体
１２  開口部
【図２Ａ】
0005786635.tif 000002
【図４】
0005786635.tif 000003
【図１】
0005786635.tif 000004
【図２Ｂ】
0005786635.tif 000005
【図２Ｃ】
0005786635.tif 000006
【図２Ｄ】
0005786635.tif 000007
【図２Ｅ】
0005786635.tif 000008
【図２Ｆ】
0005786635.tif 000009
【図３】
0005786635.tif 000010
【図５】
0005786635.tif 000011
【図６】
0005786635.tif 000012