(57)【要約】【課題】電極および電解質の薄膜化を図って内部抵抗の低減を実現すると共に、単位体積あたりの電極面積を広くして小型化をも実現する。【解決手段】線径が０．２ｍｍのＮｉ−１６Ｃｒ−８Ｆｅ合金からなる金属製細線Ｗを線間隔５０μｍでコイルスプリング状に成形してなる内径１ｍｍ，外径２ｍｍ，長さ２０ｍｍの金属製管状体２を備え、この金属製管状体２をＮｉ−ＹＳＺからなる膜厚１００μｍの燃料極３，ＹＳＺからなる膜厚３０μｍの電解質４およびＳＳＣからなる膜厚４０μｍの空気極５を積層してなる電池要素６で被覆した。【選択図】　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属製細線をコイルスプリング状に成形してなる金属製管状体を備え、この金属製管状体を一方の電極，電解質および他方の電極を積層してなる電池要素で被覆したことを特徴とする固体電解質型燃料電池セル。
【請求項２】
金属製細線は、Ｎｉ，Ｎｉ−Ｃｒ合金，Ｆｅ−Ｃｒ合金およびＣｕ，Ｗ，Ｍｏ，Ｔａ，Ｔｉの各単体ならびにＣｕ，Ｗ，Ｍｏ，Ｔａ，Ｔｉを含む合金から任意に選択される材料からなっている請求項１に記載の固体電解質型燃料電池セル。
【請求項３】
電解質の膜厚を５０μｍ以下とした請求項１または２に記載の固体電解質型燃料電池セル。
【請求項４】
一方の電極および他方の電極のうちの少なくともいずれかの電極の膜厚を５００μｍ以下とした請求項１ないし３のいずれかに記載の固体電解質型燃料電池セル。
【請求項５】
金属製細線の線の間隔を１μｍ以上でかつ１００μｍ以下とした請求項１ないし４のいずれかに記載の固体電解質型燃料電池セル。
【請求項６】
金属製細線の線径を０．０５ｍｍ以上でかつ０．５ｍｍとした請求項１ないし５のいずれかに記載の固体電解質型燃料電池セル。
【請求項７】
電池要素で被覆した金属製管状体が渦巻き状あるいはらせん状に形成してある請求項１ないし６のいずれかに記載の固体電解質型燃料電池セル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、２つの電極、すなわち、燃料極（アノード）と空気極（カソード）とで固体酸化物電解質を挟持する構成を発電要素として有し、燃料極側に水素やメタンなどの炭化水素系燃料ガスを流すと共に、空気極側に酸素や空気などの酸化性ガスを流して発電する固体電解質型燃料電池セルに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の固体酸化物型燃料電池セルとしては、電解質材料粉を高密度に焼結してなる緻密電解質体の表裏にスクリーン印刷などで燃料極および空気極を形成した構成をなして、電解質を発電要素の支持部材として使用するようにした電解質支持型セルや、電極材料粉を焼結してなる多孔質電極体の上に電解質層および電極層をスクリーン印刷などによつて順次積層した構成をなして、多孔質電極体を発電要素の支持部材として使用するようにした電極支持型セルがある。
【０００３】
また、気孔率が板厚方向に異なるセラミックス電極材料粉の焼結体からなる多孔質電極基板が、特開平９−５０８１２号および特開２０００−２００６１４号にそれぞれ記載されているほか、支持部材としての多孔質金属基体を具備し、この多孔質金属基体に燃料極，電解質および空気極からなる発電要素を溶射法にて製膜した構成をなすセルが報告されている（“Ｐｌａｓｍａ　Ｓｐｒａｙｅｄ　Ｔｈｉｎ−Ｆｉｌｍ　ＳＯＦＣ　ｆｏｒ　Ｒｅｄｕｃｅｄ　Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ”，Ｆｕｅｌ　Ｃｅｌｌｓ　Ｂｕｌｌｅｔｉｎ，ｐｐ５９７−６００，２０００）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した電解質支持型セルおよび電極支持型セルでは、いずれも機械的強度を持たせる都合上、電解質や電極体の肉厚を大きくしなくてはならず（電解質の場合おおよそ数百μｍ〜数ｍｍ、電極体の場合おおよそ数ｍｍ以上）、その結果、電解質部分や電極部分の内部抵抗が増加してしまうという問題があるうえ、電極支持型セルでは、燃料ガスまたは酸化性ガスの通気性や拡散性に難があるという問題も有していた。
【０００５】
また、通気性を改善した特開平９−５０８１２号および特開２０００−２００６１４号に示された多孔質セラミックス電極基板は、電気伝導性や脆性の面で問題があり、加えて、インターコネクタおよびガス流路部材を上記各セルとは別個に設置する必要があることから、固体酸化物型燃料電池の小型化の障害となっていた。
【０００６】
さらに、多孔質金属基体を具備したセルでは、この多孔質金属基体をセル下部燃料極へのガス流路として使用せずに、凹状断面を有するプレートを用いる必要があるため、セルの小型化を図ることができず、これらの問題を解決することが従来の課題となっていた。
【０００７】
【発明の目的】
本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたもので、電極および電解質の薄膜化を図って内部抵抗の低減を実現すると共に、単位体積あたりの電極面積を広くして小型化をも実現することが可能である固体電解質型燃料電池セルを提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らが鋭意検討した結果、コイルスプリング状に成形してなる金属製管状体を電池要素で被覆することで、電極および電解質の薄膜化が図られると共に、単位体積あたりの電極面積が広がることを見出すに至った。
【０００９】
すなわち、本発明に係わる固体電解質型燃料電池セルは、金属製細線をコイルスプリング状に成形してなる金属製管状体を備え、この金属製管状体を一方の電極，電解質および他方の電極を積層してなる電池要素で被覆した構成としたことを特徴としており、この固体電解質型燃料電池セルの構成を前述した従来の課題を解決するための手段としている。
【００１０】
【発明の効果】
本発明に係わる固体電解質型燃料電池セルによれば、金属製細線をコイルスプリング状に成形してなる金属製管状体を電池要素の支持体としていることから、燃料極，空気極および電解質からなる電池要素を薄膜化することができ、その結果、膜厚方向のセル内部抵抗を低減することが可能であり、加えて、良好なガス通気性およびガス拡散性が得られ、一方の電極を燃料極とし他方の電極を空気極とした場合において、金属製管状体に一方の電極を接触させれば、管状体内には燃料ガスを供給することができ、また、金属製管状体に他方の電極を接触させれば、管状体内には空気を供給することができ、すなわち、金属製管状体をガス流路部材とすることで単位体積あたりの電極面積を拡げることができ、したがって、固体電解質型燃料電池を小型化することが可能になるという非常に優れた効果がもたらされる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明に係わる固体電解質型燃料電池セルにおいて、金属製細線をコイルスプリング状に成形してなる金属製管状体を電池要素の支持体とすることで、燃料極，空気極および電解質からなる電池要素をそれ自体では自立できなくなる程度に薄膜化でき、その結果、セルの内部抵抗が低減すると共に、膜厚方向での集電がなされることとなる。
【００１２】
本発明に係わる固体電解質型燃料電池セルにおいて、金属製管状体／一方の電極／電解質／他方の電極、あるいは、金属製管状体／他方の電極／電解質／一方の電極／他の支持体の構成を採用することができる。
【００１３】
この場合、一方の電極を燃料極とし他方の電極を空気極とすると、金属製管状体に一方の電極を接触させれば、管状体内には燃料ガスを供給することができ、また、金属製管状体に他方の電極を接触させれば、管状体内には空気を供給することができ、すなわち、金属製管状体にガス流路部材を兼用させることで、固体電解質型燃料電池の小型化が図られることとなる。
【００１４】
また、本発明に係わる固体電解質型燃料電池セルにおいて、電解質の膜厚を５０μｍ以下とすることが望ましく、このように電解質の膜厚を５０μｍ以下とすることで、従来の電極支持型セルに比べて、厚みを少なくとも１／２０以下に減らすことができ、電解質部分の内部電気抵抗を単純に１／２０に減らすことができる。
【００１５】
さらに、本発明に係わる固体電解質型燃料電池セルにおいて、一方の電極および他方の電極のうちの少なくともいずれかの電極の膜厚を５００μｍ以下とすることが望ましく、このように電極の膜厚を５００μｍ以下とすることで、従来の電極支持型セルに比べて、厚みを少なくとも１／２０以下に減らすことができ、電極部分の内部電気抵抗を単純に１／２０に減らすことができる。
【００１６】
上記電極および電解質は、ＰＶＤ，ＣＶＤ，溶射，スクリーン印刷，スプレーコート，メッキ，電気泳動法，ゾル・ゲル法などの各種成膜方法を採用することができる。
【００１７】
さらにまた、本発明に係わる固体電解質型燃料電池セルにおいて、金属製細線をコイルスプリング状に成形してなる金属製管状体を電池要素の支持体とすることで、ガス通気性およびガス拡散性が得られることとなり、この金属製管状体に密着設置される一方の電極（あるいは他方の電極）から集電できることとなる、すなわち、金属製管状体が集電部材を兼ねることとなって、固体電解質型燃料電池の小型化が図られることとなる。
【００１８】
金属製細線をコイルスプリング状に成形してなる金属製管状体において、金属製細線の線の間隔が１μｍ以下であると、電池要素へのガスの供給が阻害され、一方、金属製細線の線の間隔が１００μｍ以上であると、薄膜の電池要素を形成することができないため、金属製細線の線の間隔を１μｍ以上でかつ１００μｍ以下とすることが望ましい。
【００１９】
また、金属製管状体を構成する金属製細線の線径を０．０５〜０．５ｍｍとすることで、支持部材としての強度、インターコネクタとしての電気伝導性および基体としての成形性を確保することができる。
【００２０】
さらに、金属製管状体を構成する金属製細線は、Ｎｉ，Ｎｉ−Ｃｒ合金，Ｆｅ−Ｃｒ合金およびＣｕ，Ｗ，Ｍｏ，Ｔａ，Ｔｉの各単体ならびにＣｕ，Ｗ，Ｍｏ，Ｔａ，Ｔｉを含む合金から任意に選択される材料からなっていることが望ましく、これら以外の金属材料では、燃料ガスおよび酸化性ガスが作り出す還元雰囲気および酸化雰囲気に対して十分な耐性を得ることができない。
【００２１】
さらにまた、金属製細線をコイルスプリング状に成形してなる金属製管状体は成形が容易であり、その断面形態は円形状に限らず、矩形状や三角形状とすることが可能であるほか、多様な断面形態を採用することが可能であり、加えて、この金属製管状体は、平面的に渦巻き状に成形したり、設置状況に応じてらせん状に成形したりすることが可能である。
【００２２】
なお、固体電解質型燃料電池セルにおいて、燃料ガスとしてメタノール，天然ガス，ガソリンなどの炭化水素系ガスを使用するため、燃料極側に設置する多孔質金属基体には、燃料ガス中に含まれる硫黄などに犯されないものを使用する必要があり、また、酸化性ガスとして酸素ガスあるいは空気を使用するため、空気極側に設置される多孔質金属基体には、酸化性ガス中で酸化されないものを使用する必要があることは言うまでもない。
【００２３】
【実施例】
以下、本発明を図面に基づいて説明する。
【００２４】
［実施例１］
図１〜図４は本発明に係わる固体電解質型燃料電池セルの一実施例を示している。
【００２５】
図１〜図３に示すように、この固体電解質型燃料電池セル１は、金属製細線Ｗをコイルスプリング状に成形してなる金属製管状体２を備えていると共に、一方の電極としての燃料極３，電解質４および他方の電極としての空気極５を積層してなる電池要素６を備えており、この電池要素６は、燃料極３を電解質４に接触させた状態で金属製管状体２に被覆してある。
【００２６】
この場合、金属製細線Ｗに線径が０．２ｍｍのＮｉ−１６Ｃｒ−８Ｆｅ合金からなる線材を用い、この金属製細線Ｗを線間隔５０μｍでコイルして、内径１ｍｍ，外径２ｍｍ，長さ２０ｍｍの金属製管状体２を成形し、図４にも示すように、この金属製管状体２の両端にはパイプ部２ａ，２ａを配置した。
【００２７】
また、電解質４の材料にはＹＳＺを用いて、スプレーコート法により膜厚３０μｍに成膜した。
【００２８】
さらに、一方の電極としての燃料極３の材料にはＮｉ−ＹＳＺを用いて、印刷により膜厚１００μｍに成膜し、他方の電極としての空気極５の材料にはＳＳＣを用いて、スプレーコート法により膜厚４０μｍに成膜した。
【００２９】
上記したように、この実施例による固体電解質型燃料電池セル１では、金属製細線Ｗをコイルスプリング状に成形してなる金属製管状体２を電池要素６の支持体としたため、電池要素６を薄膜化することができ、その結果、膜厚方向のセル内部抵抗を低減し得ることとなる。
【００３０】
加えて、良好なガス通気性およびガス拡散性が得られることとなって、この実施例のように、金属製管状体２に燃料極３を接触させて、金属製管状体２にガス流路部材を兼用させることで、単位体積あたりの電極面積を拡げることができ、したがって、固体電解質型燃料電池の小型化が図られることとなる。
【００３１】
また、この実施例による固体電解質型燃料電池セル１では、電解質４の膜厚を３０μｍとしているので、従来の電極支持型セルに比べて厚みが少なくとも１／２０以下に減り、電解質４の部分の内部電気抵抗が単純に１／２０に減ることとなり、さらに、燃料極３の膜厚を１００μｍとしていると共に、空気極５の膜厚を４０μｍとしているので、従来の電極支持型セルに比べて厚みが少なくとも１／２０以下に減り、電極３，５の部分の内部電気抵抗が単純に１／２０に減ることとなる。
【００３２】
さらにまた、この実施例による固体電解質型燃料電池セル１では、金属製細線Ｗの線径を０．２ｍｍとしていると共に、線間隔を５０μｍとしているので、支持部材としての強度、インターコネクタとしての電気伝導性および基体としての成形性を確保することができ、加えて、電池要素６へのガスの供給が阻害されたり、電池要素６の薄膜化が図られなかったりすることが回避されることとなる。
【００３３】
［実施例２］
この実施例に係わる固体電解質型燃料電池セルでは、金属製細線Ｗに線径が０．３ｍｍのＮｉからなる線材を用い、この金属製細線Ｗを線間隔２０μｍでコイルして、内径１ｍｍ，外径２ｍｍ，長さ１５ｍｍの金属製管状体２を成形した。
【００３４】
また、電解質４の材料にはＳＤＣを用いて、スパッタ法により膜厚４μｍに成膜し、一方の電極としての燃料極３の材料にはＮｉ−ＳＤＣを用いて、グリーンシート法により膜厚３００μｍに成膜し、他方の電極としての空気極５の材料にはＳＳＣを用い、スパッタ法により膜厚５μｍに成膜した。
【００３５】
上記したように、この実施例においても、電池要素６を薄膜化することができるので、膜厚方向のセル内部抵抗を低減し得ることとなり、加えて、この実施例のように、金属製管状体２にガス流路部材を兼用させることで、固体電解質型燃料電池の小型化が図られることとなる。
【００３６】
また、この実施例による固体電解質型燃料電池セル１では、電解質４の膜厚を４μｍとしているので、従来の電極支持型セルに比べて電解質４の部分の内部電気抵抗が単純に１／２０に減り、燃料極３の膜厚を３００μｍとしていると共に、空気極５の膜厚を５μｍとしているので、従来の電極支持型セルに比べて電極部分の内部電気抵抗が単純に１／２０に減ることとなる。
【００３７】
さらに、この実施例による固体電解質型燃料電池セル１では、金属製細線Ｗの線径を０．３ｍｍとしていると共に、線間隔を２０μｍとしているので、実施例１と同じく、支持部材としての強度、インターコネクタとしての電気伝導性および基体としての成形性を確保することができるうえ、電池要素６への円滑なガスの供給および電池要素６の薄膜化が図られることとなる。
【００３８】
［実施例３］
この実施例に係わる固体電解質型燃料電池セルでは、金属製細線Ｗに線径が０．０８ｍｍのＮｉからなる線材を用い、この金属製細線Ｗを線間隔２０μｍでコイルして、内径０．８ｍｍ，外径１．５ｍｍ，長さ１５ｍｍの金属製管状体２を成形した。
【００３９】
また、電解質４の材料にはＹＳＺを用いて、スプレーコート法により膜厚８μｍに成膜し、一方の電極としての燃料極３の材料にはＮｉ−ＳＤＣを用いて、グリーンシート法により膜厚３００μｍに成膜し、他方の電極としての空気極５の材料にはＳＳＣを用い、スプレーコート法により膜厚１０μｍに成膜した。
【００４０】
上記したように、この実施例においても、電池要素６を薄膜化することができ、したがって、膜厚方向のセル内部抵抗を低減し得ることとなるのに加えて、この実施例のように、金属製管状体２にガス流路部材を兼用させることで、固体電解質型燃料電池の小型化が図られることとなる。
【００４１】
また、この実施例による固体電解質型燃料電池セル１では、電解質４の膜厚を８μｍとしているので、従来の電極支持型セルに比べて電解質４の部分の内部電気抵抗が単純に１／２０に減り、燃料極３の膜厚を３００μｍとしていると共に、空気極５の膜厚を１０μｍとしているので、従来の電極支持型セルに比べて電極部分の内部電気抵抗が単純に１／２０に減ることとなる。
【００４２】
さらに、この実施例による固体電解質型燃料電池セル１では、金属製細線Ｗの線径を０．０８ｍｍとしていると共に、線間隔を２０μｍとしているので、実施例１，２と同じく、支持部材としての強度、インターコネクタとしての電気伝導性および基体としての成形性を確保することができるうえ、電池要素６への円滑なガスの供給および電池要素６の薄膜化が図られることとなる。
【００４３】
［実施例４］
図５に示すように、この実施例に係わる固体電解質型燃料電池セル１１では、金属製細線Ｗに線径が０．３ｍｍのＮｉからなる線材を用い、この金属製細線Ｗを線間隔２０μｍでコイルして、内径１ｍｍ，外径２ｍｍ，長さ２００ｍｍの金属製管状体２を渦巻状に成形した。また、電池要素６の構成は、実施例３と同じにした。
【００４４】
この実施例においても、電池要素６を薄膜化することができ、したがって、膜厚方向のセル内部抵抗を低減し得ることとなるのに加えて、この実施例のように、渦巻状をなす金属製管状体２の内部に燃料ガスを通し、金属製管状体２の外側に空気を流すことで、固体電解質型燃料電池の小型化が図られることとなる。
【００４５】
また、この実施例による固体電解質型燃料電池セル１１においても、従来の電極支持型セルに比べて電解質４の部分の内部電気抵抗が単純に１／２０に減ると共に、従来の電極支持型セルに比べて電極部分の内部電気抵抗が単純に１／２０に減り、さらに、実施例１〜３と同様に、支持部材としての強度、インターコネクタとしての電気伝導性および基体としての成形性を確保することができるうえ、電池要素６への円滑なガスの供給および電池要素６の薄膜化が図られることとなる。
【００４６】
上記した実施例１〜４の仕様を表１にまとめて示す。
【００４７】
【表１】
2004055368.tif 000003
【００４８】
上記した実施例では、金属製管状体２の断面形態が円形状をなす場合を示したが、これに限定されるものではなく、例えば、金属製管状体２の断面が、図６に示すように矩形状をなしていたり、図７に示すように三角形状をなしていたりしてもよい。
【００４９】
また、上記した実施例４では、金属製管状体２が平面的に渦巻き状をなしている場合を示したが、これに限定されるものではなく、例えば、設置状況に応じてらせん状に成形したりすることも可能である。
【００５０】
本発明に係わる固体電解質型燃料電池セルの詳細な構成は、上記した実施例に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる固体電解質型燃料電池セルの一実施例を示す部分断面説明図である。
【図２】図１に示した固体電解質型燃料電池セルの正面説明図である。
【図３】図１に示した固体電解質型燃料電池セルの断面説明図である。
【図４】図１に示した固体電解質型燃料電池セルの金属製管状体を示す正面説明図である。
【図５】本発明に係わる固体電解質型燃料電池セルの他の実施例を示す正面説明図である。
【図６】本発明に係わる固体電解質型燃料電池セルの他の断面形態を示す断面説明図である。
【図７】本発明に係わる固体電解質型燃料電池セルのさらに他の断面形態を示す断面説明図である。
【符号の説明】
１，１１　固体電解質型燃料電池セル
２　金属製管状体セル板
３　燃料極（一方の電極）
４　電解質
５　空気極（他方の電極）
６　電池要素
Ｗ　金属製細線
【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】
2004055368.tif 000008
【図６】
2004055368.tif 000009
【図７】
2004055368.tif 000010