(57)【要約】【課題】燃料極と空気極との短絡を確実に防止することのできる単室型固体酸化物形燃料電池及びその製造方法を提供することを課題とする。【解決手段】多孔質基板２と、多孔質基板２の上面２１に形成された燃料極６、燃料極６を覆いその周縁が多孔質基板２の上面２１と連結するように形成された電解質７、及び電解質７上に形成された空気極８、を有する少なくとも１つの単セル３，４と、を備えている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多孔質基板と、
前記多孔質基板の一方面に接するよう形成された燃料極及び空気極のいずれか一方の電極、前記一方の電極を覆いその周縁が前記多孔質基板の一方面と連結するように形成された電解質、及び前記電解質に接するよう形成された他方の電極、を有する少なくとも１つの単セルと、
を備えた単室型固体酸化物形燃料電池。
【請求項２】
複数の前記単セルを備えており、
前記各単セルは、
前記一方の電極に接続される第１のインターコネクタと、
前記他方の電極に接続される第２のインターコネクタと、を有しており、
前記第１のインターコネクタは前記基板上に配置され、前記一方の電極及び電解質は前記第１のインターコネクタの一部を覆うように形成されており、
前記第２のインターコネクタは前記基板上に配置され、前記他方の電極が前記第２のインターコネクタの一部を覆うように基板側に延びており、
前記第１及び第２のインターコネクタを介して前記複数の単セルが接続されている、請求項１に記載の単室型固体酸化物形燃料電池。
【請求項３】
複数の前記単セルを備えており、
前記各単セルは、
前記一方の電極に接続される第１のインターコネクタと、
前記他方の電極に接続される第２のインターコネクタと、を有しており、
前記第１のインターコネクタは前記基板上に配置され、前記一方の電極及び電解質は前記第１のインターコネクタの一部を覆うように形成されており、
前記第２のインターコネクタは前記他方の電極の一部を覆い、前記基板上に延びるように形成されており、
前記第１及び第２のインターコネクタを介して前記複数の単セルが接続されている、請求項１に記載の単室型固体酸化物形燃料電池。
【請求項４】
前記多孔質基板は、一方面に凹部が設けられ、
前記各インターコネクタは、前記凹部内に形成されている、請求項２又は３に記載の単室型固体酸化物形燃料電池。
【請求項５】
多孔質基板の一方面に燃料極及び空気極のいずれか一方の電極を形成する工程と、
前記一方の電極を覆い、その周縁が前記多孔質基板の一方面と連結するような電解質を形成する工程と、
前記電解質上に他方の電極を形成する工程と、
を備えた、単室型固体酸化物形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、単室型固体酸化物形燃料電池及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池とは外部からの燃料供給と燃焼生成物の排気とを連続的に行いながら、燃料が酸化する際に発生する化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換できる電池である。燃料電池の種類は電解質により分類され、電解質にイオン伝導性を持つ固体酸化物を用いたものを固体酸化物形燃料電池と呼んでいる。この固体酸化物形燃料電池としては、種々のものが提案されているが、例えば、特許文献１には、多孔質の支持基体上に燃料極（アノード）を形成し、その燃料極の上に電解質を形成し、さらにその電解質の上に空気極（カソード）を形成した固体酸化物形燃料電池が開示されている。
【特許文献１】特開平１１−１１１３０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記固体酸化物形燃料電池では、空気極を電解質上に形成する際の位置決めに精度が要求される。すなわち、この位置精度が低いと、空気極が燃料極と接触してしまう可能性があり、これによって短絡が生じるという問題がある。
【０００４】
そこで、本発明は、燃料極と空気極との短絡を確実に防止することのできる単室型固体酸化物形燃料電池及びその製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明に係る単室型固体酸化物形燃料電池は、上記課題を解決するためになされたものであり、多孔質基板と、前記多孔質基板の一方面に接するよう形成された燃料極及び空気極のいずれか一方の電極、前記一方の電極を覆いその周縁が前記多孔質基板の一方面と連結するように形成された電解質、及び前記電解質に接するよう形成された他方の電極、を有する少なくとも１つの単セルと、を備えている。
【０００６】
このように、電解質が一方の電極を覆い、その周縁が多孔質基板の一方面と連結しているために、電解質の上に形成する他方の電極の位置精度が低くても、一方の電極と他方の電極とが接触するのを防止することができる。その結果、電池の短絡が生じることを確実に防止することができる。
【０００７】
また、上記単室型固体酸化物形燃料電池は、複数の単セルを備えていてもよい。このとき、各単セルは、一方の電極に接続される第１のインターコネクタと、他方の電極に接続される第２のインターコネクタとを有している。第１のインターコネクタは基板上に配置され、一方の電極及び電解質が第１のインターコネクタの一部を覆うように形成されている。
【０００８】
第２のインターコネクタは基板上に配置され、他方の電極が第２のインターコネクタの一部を覆うように形成されている。または、第２のインターコネクタは他方の電極の一部を覆い、基板上に延びるように形成されている。
【０００９】
以上のように第１及び第２のインターコネクタを介して複数の単セルを接続することができる。このように複数の単セルをインターコネクタで電気的に接続することによって、より大きな電圧を取り出すことができる。
【００１０】
なお、上記インターコネクタは、多孔質基板の一方面に設けた凹部内に形成することもできる。このようにインターコネクタを多孔質基板の凹部内に形成することで、インターコネクタを多孔質基板から剥離しにくくすることができる。
【００１１】
また、本発明に係る単室型固体酸化物形燃料電池の製造方法は、上記課題を解決するためになされたものであり、多孔質基板の一方面に燃料極及び空気極のいずれか一方の電極を形成する工程と、前記一方の電極を覆い、その周縁が前記多孔質基板の一方面と連結するよう電解質を形成する工程と、前記電解質上に他方の電極を形成する工程と、
を備えている。
【００１２】
このように、一方の電極を覆いその周縁が基板の一方面と連結するように電解質を形成しているので、電解質上に他方の電極を形成する際の位置精度が低くても、一方の電極と他方の電極とが接触することがなく、短絡が生じることを確実に防止することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、燃料極と空気極との短絡を確実に防止することができる単室型固体酸化物形燃料電池及びその製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明に係る単室型固体酸化物形燃料電池及びその製造方法の実施形態について添付図面に従って説明する。図１は本実施形態に係る単室型固体酸化物形燃料電池の平面図、図２は図１のＡ−Ａ線断面図である。
【００１５】
図１及び図２に示すように、本実施形態に係る単室型固体酸化物形燃料電池１は、多孔質基板２と、その多孔質基板２の上面（一方面）２１に形成された複数の第１の単セル３及び第２の単セル４を備えている。複数の第１の単セル３及び第２の単セル４は、図１に示すように、矩形状の多孔質基板２の上面２１に縦４列・横４列となるよう交互に配置されており、このように配置された複数の第１の単セル３と第２の単セル４とをインターコネクタ５によって直列に接続している。
【００１６】
図２に示すように、第１の単セル３は、基板２の上面２１側から、燃料極６、電解質７及び空気極８を、この順で積層形成することによって構成されている。ここで、電解質７は、その周縁が燃料極６の周縁に沿って下方へ延び、基板２の上面２１と連結することで燃料極６を覆っている。
【００１７】
第２の単セル４は、第１の単セル３と逆の構成となっている。すなわち、基板２の上面２１側から、空気極８、電解質７及び燃料極６を、この順で積層形成することによって構成されている。ここで、電解質７は、上記第１の単セル３と同様に、その周縁が下方へ延びて基板２の上面２１と連結することで空気極８を覆っている。
【００１８】
各単セル３，４は、隣接する単セル４，３と、基板２の上面２１に形成されたインターコネクタ５によって電気的に接続されている。以下では、図２を参照しつつ、第２の単セル４ａを中心に説明する。まず、第２の単セル４ａと隣接する左側の第１の単セル３ａとは、第１の単セル３ａの燃料極６がインターコネクタ５ａ（第１のインターコネクタ）の左側端部と接触し、第２の単セル４ａの空気極８がそのインターコネクタ５ａの右側端部と接触することによって、接続されている。そして、右側に隣接する第１の単セル３ｂとは、その間に形成されたインターコネクタ５ｂ（第２のインターコネクト）の左側端部に第２の単セル４ａの燃料極６が接触し、右側端部に第１の単セル３ｂの空気極８が接触することで、接続されている。ここで、第２の単セル４ａの燃料極６は、第１の単セル３ｂ側に延び、電解質７の周縁に沿って下方へ延びてインターコネクタ５ｂの上面と接触している。同様に第１の単セル３ｂの空気極８は、第２の単セル４ａ側に延び、電解質７の周縁に沿って下方へ延びてインターコネクタ５ｂの上面と接触している。
【００１９】
次に、上記燃料電池を構成する材料について説明する。多孔質基板２は、ガス透過性及びその強度を考慮すると、その気孔率が１０〜８０％の範囲にあることが好ましい。このような要求を満たすため、基板２を構成する材料は、アルミナやジルコニア等の絶縁性セラミックス材料が用いられる。
【００２０】
電解質７の材料としては、固体酸化物形燃料電池の電解質として公知のものを使用することができ、例えば、サマリウムやガドリニウム等をドープしたセリア系酸化物、ストロンチウムやマグネシウムをドープしたランタン・ガレード系酸化物、スカンジウムやイットリウムを含むジルコニア系酸化物などの酸素イオン伝導性セラミックス材料を用いることができる。
【００２１】
燃料極６及び空気極８は、セラミックス粉末材料により形成することができる。このとき用いられる粉末の平均粒径は、好ましくは１０ｎｍ〜１００μｍであり、さらに好ましくは５０ｎｍ〜５０μｍであり、特に好ましくは１００ｎｍ〜１０μｍである。なお、平均粒径は、例えば、ＪＩＳＺ８９０１にしたがって計測することができる。
【００２２】
燃料極６は、例えば、金属触媒と酸化物イオン導電体からなるセラミックス粉末材料との混合物を用いることができる。このとき用いられる金属触媒としては、ニッケル、鉄、コバルトや、貴金属（白金、ルテニウム、パラジウム等）等の還元性雰囲気中で安定で、水素酸化活性を有する材料を用いることができる。また、酸化物イオン導電体としては、蛍石型構造又はペロブスカイト型構造を有するものを好ましく用いることができる。蛍石型構造を有するものとしては、例えばサマリウムやガドリニウム等をドープしたセリア系酸化物、スカンジウムやイットリウムを含むジルコニア系酸化物などを挙げることができる。また、ペロブスカイト型構造を有するものとしてはストロンチウムやマグネシウムをドープしたランタン・ガレード系酸化物を挙げることができる。上記材料の中では、酸化物イオン導電体とニッケルとの混合物で、燃料極６を形成することが好ましい。なお、酸化物イオン導電体からなるセラミックス材料とニッケルとの混合形態は、物理的な混合形態であってもよいし、ニッケルへの粉末修飾またはセラミックス材料へのニッケル修飾などの形態であってもよい。また、上述したセラミックス材料は、１種類を単独で、或いは２種類以上を混合して使用することができる。また、燃料極６は、金属触媒を単体で用いて構成することもできる。
【００２３】
空気極８を形成するセラミックス粉末材料としては、例えば、ペロブスカイト型構造等を有するＣｏ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｒ又はＭｎ等からなる金属酸化物を用いることができる。具体的には（Ｓｍ，Ｓｒ）ＣｏＯ３，（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ３，（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ３，（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｆｅ，Ｃｏ）Ｏ３，（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ）Ｏ３などの酸化物が挙げられ、好ましくは、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｆｅ，Ｃｏ）Ｏ３である。上述したセラミックス材料は、１種を単独で、或いは２種以上を混合して使用することができる。
【００２４】
また、インターコネクタ５は、Ｐｔ，Ａｕ，Ａｇ，Ｎｉ，Ｃｕ，ＳＵＳ等の導電性金属、或いは金属系材料，又はＬａ（Ｃｒ，Ｍｇ）Ｏ３，（Ｌａ，Ｃａ）ＣｒＯ３，（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｒＯ３などのランタン・クロマイト系等の導電性セラミックス材料によって形成することができ、これらのうちの１種を単独で使用してもよいし、２種以上を混合して使用してもよい。
【００２５】
上記燃料極６、及び空気極８は、上述した材料を主成分として、さらにバインダー樹脂、有機溶媒などが適量加えられることにより形成される。より詳細には、上記主成分とバインダー樹脂との混合において、上記主成分が５０〜９５重量％となるように、バインダー樹脂等を加えることが好ましい。また、電解質７も、上記燃料極６及び空気極８と同様に、上述した材料を主成分として、バインダー樹脂、有機溶媒などが適量加えられることにより成型されるが、上記主成分とバインダーとの混合において、上記主成分の割合が８０重量％以上となるように混合されることが好ましい。さらに、インターコネクタ５も、上述した材料に上記添加物を加えることにより形成される。そして、空気極８及び燃料極６の膜厚は焼結後に５〜１００μmとなるように形成するが、１０〜５０μmとすることが好ましい。また、インターコネクタ５の膜厚は、５〜５００μｍであることが好ましく、１０〜１００μｍであることがさらに好ましい。さらには、電解質３の膜厚は、１〜２００μｍであることが好ましく、５〜１００μｍであることがさらに好ましい。
【００２６】
次に、上述した燃料電池１の製造方法について図３を参照しつつ説明する。図３は、燃料電池１の製造方法を示す説明図である。
【００２７】
まず、上述した材料からなる多孔質基板２を準備する。続いて、上述した電解質７、燃料極６、及び空気極８用の粉末材料を主成分として、これらそれぞれにバインダー樹脂、有機溶媒などを適量加えて混練し、電解質ペースト、燃料極ペースト、空気極ペーストをそれぞれ作製する。各ペーストの粘度は、次に説明するスクリーン印刷法に適合するように１０３〜１０６ｍＰａ・ｓ程度であることが好ましい。同様に、インターコネクタ用ペーストも、上述した粉末材料にバインダ−樹脂等の添加物を加えて作製しておく。このペーストの粘度は上述したものと同じである。
【００２８】
次に、インターコネクタ用ペーストをスクリーン印刷法により、基板２の上面２１上の複数箇所に所定間隔をおいて塗布した後、所定の時間及び温度で乾燥・焼結することにより、インターコネクタ５ａ，５ｂ，５ｃを成形する（図３（ａ））。
【００２９】
次に、燃料極ペーストを、インターコネクタ５ａ，５ｃの左側端部５１をそれぞれ覆うようにスクリーン印刷法により基板２の上面２１上に塗布した後、所定の時間及び温度で乾燥・焼結し、燃料極６をそれぞれ形成する（図３（ｂ））。
【００３０】
続いて、空気極ペーストを、インターコネクタ５ａ，５ｃの右側端部５２をそれぞれ覆うようにスクリーン印刷法により基板２の上面２１上に塗布した後、所定の時間及び温度で乾燥・焼結し、空気極８をそれぞれ形成する（図３（ｂ））。これにより、第１の単セル３ａと第２の単セル４ａとがインターコネクタ５ａにより電気的に接続され、また、第１の単セル３ｂと第２の単セル４ｂとがインターコネクタ５ｃにより電気的に接続される。なお、上記燃料極６，空気極８の形成は、同時に行ってもよい。
【００３１】
そして、この基板２の上面２１上に形成された燃料極６、空気極８上を覆うように、電解質ペ−ストを燃料極６，空気極８より一回り大きくし、電解質７の周縁が基板２の上面２１と連結するようにスクリーン印刷により塗布する。これにより、燃料極６、空気極８は電解質７により覆われている。このように電解質ペーストを塗布した後、所定の時間及び温度で乾燥・焼結することにより電解質７を形成する（図３（ｃ））。なお、電解質７は、種々の方法で形成することができるが、燃料極６および空気極８を多孔体として形成するには、これらよりも低温で焼結することが好ましく、例えば真空法、溶射法等による低温焼成手法で形成することができる。
【００３２】
次に、第１の単セル３ａ，３ｂの電解質７上に、空気極ペーストをスクリーン印刷法によって塗布し、所定時間及び温度で乾燥・焼結することにより、空気極８を形成する（図３（ｄ））。これにより、第１の単セル３ａ，３ｂが形成される。ここで、第１の単セル３ｂの空気極ペーストを塗布する際は、空気極ペーストを電解質７上の単セル４ａ側周縁まで塗布し、さらにその周縁に沿って下方に延ばしてインターコネクタ５ｂの上面と連結するように塗布する。
【００３３】
続いて、第２の単セル４の電解質７上に、燃料極ペーストをスクリーン印刷によって塗布し、所定時間及び温度で乾燥・焼結することにより、燃料極６を形成する（図３（ｄ））。これにより、第２の単セル４ａ、４ｂが形成される。ここで、第２の単セル４ａの燃料極ペーストを塗布する際は、燃料極ペーストを電解質７上の単セル３ｂ側周縁まで塗布し、さらにその周縁に沿って下方に延ばしてインターコネクタ５ｂの上面と連結するように塗布する。これにより、第２の単セル４ａと第１の単セル３ｂとがインターコネクタ５ｂにより電気的に接続される。なお、上記空気極８及び燃料極６の形成は同時に行ってもよい。
【００３４】
上記のように構成された燃料電池は、次のように発電が行われる。まず、電池に対して水素、又はメタン、エタンなどの炭化水素からなる燃料ガスと空気等の酸化剤ガスとの混合ガスを高温の状態（例えば、４００〜１０００℃）で供給する。このとき混合ガスは、基板２の上面２１及び下面２２の両側に供給される。基板２の上面２１側の混合ガスは、各単セル３，４の電解質７上に形成された空気極８及び燃料極６に直接供給される。また基板２の下面２２側の混合ガスは、多孔質体である基板２内を通って、各単セル３，４の電解質７に覆われた燃料極６及び空気極８の基板２の上面と接触している面に供給される。こうして、各単セル３，４の燃料極６及び空気極８がそれぞれ混合ガスと接触するため、各単セル３，４における燃料極６と空気極８との間で、電解質７を介した酸素イオン伝導が起こり、発電が行われる。
【００３５】
以上のように、本実施形態によれば、電解質７が、基板２上に形成された電極を覆うよう形成され、その周縁が多孔質基板２の上面２１と連結しているために、その電解質７の上に形成する電極の位置精度が低くても、基板２上の電極と電解質７上の電極とが接触することがなく、短絡が生じることを確実に防止することができる。
【００３６】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。例えば、本実施形態では、基板２上にインターコネクタ５を形成しているが、図４に示すように、基板２の上面２１上にブラストやエッチング等の方法により凹部２３を形成し、その凹部２３内にインターコネクタ５を形成することができる。このように形成することで、インターコネクタ５が基板２から剥離するのを防止することができる。
【００３７】
また、上記実施形態では、まず全てのインターコネクタ５を形成した後に各単セル３，４を形成しているが、一部のインターコネクタを単セルが形成された後に形成することができる。すなわち、図５に示すように、まず、基板２の上面２１上にインターコネクタ５ａ，５ｃを形成する（図５（ａ））。その後、上述した実施形態と同様に各単セル３，４を形成する（図５（ｂ））。そして、第２の単セル４ａと第１の単セル３ｂとを電気的に接続するために、これらの単セルにまたがるようにインターコネクタ５ｂを形成する。つまり、第２の単セル４ａにおける燃料極６の上面と第１の単セル３ｂにおける空気極８の上面とを連結するようにインターコネクタ５ｂを形成する（図５（ｃ））。このように単セルを形成した後に、その上にまたがるようにインターコネクタ５ｂを形成することで、インターコネクタ５ｂを形成する際に要求される位置精度は、上記実施形態に比べて低くくすることができる。
【００３８】
また、上記実施形態では、各ペーストの塗布にスクリーン印刷法を用いているが、これに限定されるものではなく、ドクターブレード法、スプレーコート法、スピンコート法、リソグラフィー法、電気泳動法、ロールコート法、グラビアロ−ルコ−ト法、ディスペンサーコート法、ＣＶＤ，ＥＶＤ，スパッタリング法、転写法等の印刷方法等、その他一般的な印刷法を用いることができる。また、印刷後の後工程として、ＣＩＰ（静水圧プレス）、ＨＩＰ（熱間静水圧プレス）、ホットプレス、その他の一般的なプレス工程を用いることができる。
【００３９】
また、上記実施形態では、基板２の上面２１のみに各単セル３，４を形成しているが、図６に示すように、基板の下面２２にも単セル３，４を形成することができる。これにより、省スペースを図りつつ、より大きな電圧、電流を取り出すことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明に係る単室型固体酸化物形燃料電池の実施形態を示す平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線断面図である。
【図３】本発明に係る単室型固体酸化物形燃料電池の製造方法の実施形態を示す説明図である。
【図４】本発明に係る単室型固体酸化物形燃料電池の他の実施形態を示す正面断面図である。
【図５】本発明に係る単室型固体酸化物形燃料電池の他の実施形態を示す正面断面図である。
【図６】本発明に係る単室型固体酸化物形燃料電池の他の実施形態を示す正面断面図である。
【符号の説明】
【００４１】
１  固体酸化物形燃料電池
２  基板
２１  上面
２３  凹部
３、４  単セル
５  インターコネクタ
６  燃料極
７  電解質
８  空気極
【図１】
2008041540.tif 000003
【図２】
2008041540.tif 000004
【図３】
2008041540.tif 000005
【図４】
2008041540.tif 000006
【図５】
2008041540.tif 000007
【図６】
2008041540.tif 000008