(57)【要約】【課題】多孔質基板上に薄膜電池要素を直接形成でき、更に低温動作可能な小型ＳＯＦＣに好適に使用できる固体酸化物形燃料電池用単セル及びその製造方法を提供すること。【解決手段】基板（ａ）上に電池要素（ｂ〜ｄ）を配設して成り、基板上部にガス透過性の緻密層（ｂ）を有し、この緻密層（ｂ）表面に１０μｍ以下の開孔及び／又は空隙を有するＳＯＦＣ用単セルである。緻密層（ｂ）や基板（ａ）の気孔率を、板厚方向に被覆した多層構造や傾斜的に変化させ、徐々に大きくする。基板（ａ）上に緻密層（ｂ）をスラリー塗布法又はグリーンシート焼結法により形成して製造する。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に電池要素を配設して成る固体酸化物形燃料電池用単セルであって、
該基板上部にガス透過性の緻密層を有し、この緻密層に、表面に１０μｍ以下の開孔及び／又は空隙を有することを特徴とする固体酸化物形燃料電池用単セル。
【請求項２】
上記緻密層が、燃料極又は空気極又は中間層であることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池用単セル。
【請求項３】
上記緻密層の層厚が５００μｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の固体酸化物形燃料電池用単セル。
【請求項４】
上記緻密層の表面粗さＲａが５μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の固体酸化物形燃料電池用単セル。
【請求項５】
上記緻密層上に、厚さ５０μｍ以下の電解質層又は電極中間層を被覆して成ることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つの項に記載の固体酸化物形燃料電池用単セル。
【請求項６】
上記緻密層の気孔率が１０％以上であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つの項に記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項７】
上記緻密層及び／又は上記基板の気孔率が、板厚方向に被覆した多層構造及び／又は傾斜的に変化し、徐々に大きくなることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つの項に記載の固体酸化物形燃料電池用単セル。
【請求項８】
上記基板がガス透過性を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つの項に記載の固体酸化物形燃料電池用単セル。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１つの項に記載の固体酸化物形燃料電池用単セルを製造する方法であって、
上記基板上に緻密層をスラリー塗布法又はグリーンシート焼結法により形成することを特徴とする固体酸化物形燃料電池用単セルの製造方法。
【請求項１０】
上記緻密層上に、電解質層及び／又は電極層をＰＶＤ法により形成することを特徴とする請求項９に記載の固体酸化物形燃料電池用単セルの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体電解質を用い、電気化学反応により電気エネルギーを得る固体酸化物形燃料電池用単セルに係り、更に詳細には、固体電解質を電極で挟持して成る固体酸化物形燃料電池用単セル及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、高エネルギー変換が可能で、地球環境に優しいクリーンエネルギー源として燃料電池が注目されている。各種燃料電池のうち、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、電解質としてイットリア安定化ジルコニアなどの酸化物イオン導電性固体電解質を用い、その両面（表裏面）に多孔性電極を取付け、固体電解質を隔壁として一方の側に水素や炭化水素などの燃料ガス、他方の側に空気又は酸素ガスを供給する形式の電池であり、一般的に約１０００℃で動作する燃料電池である。
【０００３】
かかるＳＯＦＣを構成する単セルとしては、例えば、特開平４−９２３６９号公報には、無機多孔質基体上に燃料極、膜厚２０μｍ以下のセリア系電解質及び多孔質酸素極を形成し、該無機多孔質基体を集電体及び燃料ガス通路、該多孔質酸素極を酸化剤ガス通路とする燃料電池が提案されている。この技術では、燃料極、電解質、酸素極膜をＰＶＤ、ＣＶＤ、メッキなどで形成すること、燃料極を封孔して電解質を形成し、酸素極形成後に封止剤を除去することを特徴としている。
【０００４】
また、燃料極／電解質／空気極の支持部材として多孔質金属基体を使用したセル構成を採用したＤＬＲセルが知られている（Ｐｌａｓｍａ　Ｓｐｒａｙｅｄ　Ｔｈｉｎ−Ｆｉｌｍ　ＳＯＦＣ　ｆｏｒ　Ｒｅｄｕｃｅｄ　ＯｐｅｒａｔｉｎｇＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，Ｆｕｅｌ　Ｃｅｌｌｓ　Ｂｕｌｌｅｔｉｎ，ｐｐ５９７−６００，２０００）。この技術では、燃料極／電解質／空気極膜を多孔質金属基体に溶射法にて製膜することを特徴としている。
【０００５】
更に、水素分離機能を有する機能膜、箔又はシートをガス透過性を有する基体に設置して成る水素分離部品が知られている。この部品は、水素分離膜／ガス透過性基体（多孔質基体又は基板）の構成を有し、基体板板厚方向に加圧した被分離ガスを通じることで、水素を分離できる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平４−９２３６９号公報に記載の単セルでは、多孔質基体に成膜した燃料極に電解質成膜を行える緻密性はなく、有機材料でその封孔処理を行っている。このため、封孔剤の注入処理・除去処理による工程数の増加が回避できない。また、除去処理時に６００℃の熱処理は多孔質基板を酸化させ集電体としての電気伝導性を劣化させ、また残留有機成分が電池特性を低下させる恐れがある。
【０００７】
また、ＤＬＲセルでは、溶射成膜可能な表面を得るため多孔金属基体が緻密であり、多孔金属基体にガス流路を形成できず、別途ガス流路を設けている。従って、部品点数の増加及び集電体、ガス通路を含むセル部分が厚くなり小型化が阻害されるという問題点があった。
【０００８】
更に、水素分離部品では、多孔質基体の電気伝導性は必要としないが、ＳＯＦＣに用いるときは、多孔質基体に集電体機能を付与するので電気伝導性が要求される。また、この場合は多孔質基体板の平面方向にガスを流通することとなるので、より高い通気性が必要となる。
【０００９】
このように、電池要素を支持する多孔質基体にガス通路及び集電機能を付与しようとする場合、次の問題点▲１▼〜▲３▼があった。
▲１▼多孔質基体表面に薄膜電池要素を形成するには、該多孔質基体の孔を一旦封孔処理する必要がある。
▲２▼薄膜電池要素が形成できる表面を得ようとすると、多孔質基体が緻密となり通気抵抗が大きくなる。
▲３▼薄膜電池要素を形成する表面に凹凸や開孔部があると、欠陥のない薄膜を得にくくなる。
【００１０】
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、多孔質基板上に薄膜電池要素を直接形成でき、更に低温動作可能な小型ＳＯＦＣに好適に使用できる固体酸化物形燃料電池用単セル及びその製造方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、基板上に所定の緻密層を設けることにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の固体酸化物形燃料電池用単セルについて詳細に説明する。なお、本明細書において、「％」は特記しない限り質量百分率を示す。
また、説明の便宜上、基板や電極層など各層の一方の面を「表面」及び「上面」、他の面を「裏面」及び「下面」などと記載するが、これらは等価な要素であり、相互に置換した構成も本発明の範囲に含まれるのは言うまでもない。
【００１３】
上述の如く、本発明の固体酸化物形燃料電池用単セル（以下、「ＳＯＦＣ用単セル」と略す）は、基板上に電池要素を配設して成る。そして、この基板は上部にガス透過性の緻密層を有する。ここで、基板の「上部」とは、基板表面を示す他、基板自体のうちの上側を示す場合もある。また、「電池要素」とは、電解質層を電極層（空気極及び燃料極）で狭持した構成を示す。
また、上記緻密層は、表面に１０μｍ以下の開孔、空隙のいずれか一方又は双方を複数有する。これら開孔や空隙の内径は５μｍ以下であることがより好ましい。なお、１０μｍを超えると欠陥のない連続膜を成膜するために厚膜化が必要となる。かかる緻密層を設けることで、緻密層上にＰＶＤ法、ＣＶＤ法及びゾルゲル法、スラリー塗布法などにより、薄膜層を研磨処理がなくても形成できる。よって、内部抵抗が低減し、高出力、また低温作動型のＳＯＦＣの設計が可能となる。また、セル全体が薄板化されるので軽量小型の設計が可能となる。
【００１４】
上記緻密層は、燃料極材料又は空気極材料、電極中間層より構成できる。また、緻密層直上には薄膜層として、電解質層や電極中間層を設けることができる。例えば、緻密層を燃料極とするときは、ニッケル又はニッケルサーメット及び白金等の燃料極材料を使用できる。このときは、緻密層が薄膜形成の支持体であるとともに燃料極を兼ねて機能する部材となり、ＳＯＦＣの小型化が可能となる。
一方、緻密層を空気極とするときは、ランタンコバルト系酸化物、ランタンマンガン系酸化物等空気極材料を使用できる。このときは、緻密層が薄膜形成の支持体であるとともに空気極を兼ねて機能する部材となり、ＳＯＦＣの小型化が可能となる。
【００１５】
また、上記緻密層の層厚は、５００μｍ以下であることが好適である。より好ましくは１００μｍ以下であることがよい。５００μｍを超えると、ガス拡散律速となり性能が低下することがある。
更に、上記緻密層の表面粗さＲａは、５μｍ以下であることが好適である。より好ましくは１μｍ以下であることがよい。５μｍを超えると、上部に形成される薄膜にピンホール等の欠陥が生じ易くなる。なお、更に平滑な表面を得るために、研磨等の手法を用いることもできる。
【００１６】
更にまた、上記緻密層上に電解質層を被覆するときは、その厚さは５０μｍ以下であることが好適である。電解質を薄膜化することで電池の内部抵抗が低減し、高出力、また低温作動型のＳＯＦＣの設計が可能となる。また、多孔質基板上へ直接薄膜層を形成するのは困難であるが、本発明では上記緻密層の存在により薄膜化が達成できる。なお、電解質層の厚みが５０μｍを超えると、電解質の厚み方向によるセルの内部抵抗（特にＩＲ抵抗）が大きくなり電池出力が低下する恐れがある。
上記電解質層を構成する材料としては、酸素イオン伝導性などを有する従来公知の電解質材料、例えば酸化ネオウジム（Ｎｄ２Ｏ３）、酸化サマリウム（Ｓｍ２Ｏ３）、イットリア（Ｙ２Ｏ３）、酸化スカンジウム（Ｓｃ２Ｏ３）及び酸化ガドリニウム（Ｇｄ２Ｏ３）などを固溶した安定化ジルコニアや、セリア（ＣｅＯ２）系固溶体、酸化ビスマス固溶体及びＬａＧａ固溶体ぺロブスカイトなどを好適に使用できる。また、電解質層を形成する方法としては、例えばスパッタ法、ＥＢ蒸着法、イオンプレーティング法、プラズマ溶射法、ＡＤ法（エアロゾルデポジション法）、ガスデポジション法、レーザアブレーション法などのＰＶＤ法（物理的気相成長法）、ＣＶＤ法（化学気相成長法）、湿式法、例えばスクリーン印刷法、スラリーコーティング法、スプレー法、ゾルゲル法などの従来公知の電解質形成法なども挙げられ、特に限定されない。
【００１７】
なお、上記電池要素においては、上部側の電極層及び下部側の電極層のいずれか一方をいわゆる燃料極層、他方を空気極層として用いることができ、場合によっては両極層を同一材料で形成することも可能である。
代表的には、燃料極材料として、公知のニッケル、ニッケルサーメット及び白金などを使用することができ、空気極材料として、例えばＬａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３、Ｌａ１−ｘＳｒｘＣｏＯ３などのペロブスカイト型酸化物を使用することができるが、これに限定されるものではない。
【００１８】
また、上記緻密層の気孔率は、１０％以上であることが好適である。より好ましくは２０％以上であることが良い。１０％未満では、ガスの拡散律速が起こり性能が低下し易い。
更に、上記緻密層及び／又は上記基板の気孔率は、板厚方向に被覆した多層構造及び／又は傾斜的に変化し、徐々に大きくなることが好適である。
代表的には、緻密層及び基板において、上面側は薄膜形成下地のために必要な緻密構造とし、下面側はガス供給に有利な多孔構造とすることができる。このときは、支持体としての強度とガス流路としての機能を良好に兼ねることができる。
【００１９】
更にまた、上記基板は、ガス透過性を有することが好適である。これより、ガス流路としての機能を発揮できる。また、例えば、基板内部に改質触媒を担持させるときは、導入された燃料ガスが改質され、電解質層近傍へ水素濃度の高い燃料を流すことができるので、より性能を向上させうる。
ガス透過性を有する基板材料としては、多孔質金属系、多孔質合金系（Ｎｉ−Ｃｒ）、多孔質系セラミックス、機械的に加工した基板、例えば、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＳＵＳ、Ｎｉ等から成るパンチングボード、メッシュ、焼結体、セラミックス発泡体、金属発泡体及び金属不織布等のガス透過性構造体が好適に用いられる。また、これらは緻密層と同じ材質であっても良い。
【００２０】
次に、本発明のＳＯＦＣ用単セルの製造方法について説明する。
本発明の製造方法では、上記基板上に緻密層を被覆し、この緻密層上に電解質層及び電極層を被覆してＳＯＦＣ用単セルを得る。また、緻密層と電解質層の間に中間電極層を設けることもできる。かかる製造方法により、緻密層を安価且つ簡便に作製できる。また、緻密層、電解質層及び電極層を連続的に形成できるので単セルの性能が向上する。
本製造方法では、上記緻密層をスラリー塗布法又はグリーンシート焼結法により形成する。具体的な形成方法としては従来公知の方法、例えば、スプレー法やスクリーン印刷法、スリップキャスト法等のスラリー塗布法、グリーンシート焼結法、溶射法等のＰＶＤ法、めっき法等が挙げられ、特に薄膜の形成方法としては、例えば、スプレー法やスクリーン印刷法等のスラリー塗布法、蒸着法、スパッタ法、溶射法等のＰＶＤ法、ＣＶＤ法、ゾルゲル法、公知の成膜方法が好適に用いられる。
また、上記緻密層上に配設する電解質層及び／又は電極層は、ＰＶＤ法により形成することが好適である。これより、電池要素をＰＶＤで形成してセル全体を薄膜化することができ、ＳＯＦＣの小型化が可能となる。
【００２１】
【実施例】
以下、本発明を実施例及び比較例により更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００２２】
（実施例１）
図１に本実施例の完成したＳＯＦＣ用単セル板の概略図を示す。この単セルは基板として用いる多孔質基体上に薄膜電池要素を配設して成る。
以下、その作製プロセスを説明する。
まず、多孔質基体中の低密度層として、気孔率８０％、膜厚２ｍｍのＮｉ層をＮｉ粉焼結より得た（ａ）。
次いで、この上に薄膜電池要素中の緻密電極層として、気孔率２５％、膜厚３００μｍのＮｉ＋ＳＤＣ層をグリーンシート法より得た（ｂ）。
また、この上に薄膜電池要素中の電解質層として、膜厚６μｍのＹＳＺ層をＥＢ蒸着法より得た（ｃ）。
更に、この上に薄膜電池要素中の電極層として、気孔率３０％、膜厚１．５μｍのＬＳＣ層をスパッタ法より得た（ｄ）。
なお、図２にａ〜ｄ、図３にｂ−ｃ−ｄの断面拡大写真を示す。
【００２３】
（実施例２）
図４に本実施例の完成したＳＯＦＣ用単セル板の概略図を示す。この単セルは多孔質基体上に薄膜電池要素を配設して成る。
以下、その作製プロセスを説明する。
まず、多孔質基体中の低密度層１として、気孔率６０％、膜厚０．７ｍｍのＮｉ＋ＳＤＣ層をグリーンシート法より得た（ａ）。
次いで、この上に多孔質基体中の低密度層２として、気孔率３０％、膜厚０．３ｍｍのＮｉ＋ＳＤＣ層をグリーンシート法より得た（ｂ）。
また、この上に薄膜電池要素中の緻密電極層として、気孔率１０％、膜厚５０μｍのＳＤＣ層をスリップキャスト法より得た（ｃ）。
更に、この上に薄膜電池要素中の電解質層として、膜厚５０μｍのＹＳＺ層を印刷法より得た（ｄ）。
更にまた、この上に薄膜電池要素中の電極層として、気孔率３０％、膜厚４０μｍのＳＳＣ層をスプレー法より得た（ｅ）。
【００２４】
（実施例３）
図５に本実施例の完成したＳＯＦＣ用単セル板の概略図を示す。この単セルは多孔質基体上に薄膜電池要素を配設して成る。
以下、その作製プロセスを説明する。
まず、多孔質基体中の低密度層１として、気孔率６０％、膜厚２ｍｍのＳＵＳ３０４層をＳＵＳ板エッチング法より得た（ａ）。
次いで、この上に多孔質基体中の低密度層２として、気孔率３０％、膜厚２００μｍのＮｉ＋ＳＤＣ層をグリーンシート法より得た（ｂ）。
また、この上に薄膜電池要素中の緻密電極層として、気孔率１０％、膜厚２００μｍのＮｉ＋ＳＤＣ層をグリーンシート法より得た（ｃ）。
更に、この上に薄膜電池要素中の電解質層として、膜厚８μｍのＹＳＺ層をＥＢ蒸着法より得た（ｄ）。
更にまた、この上に薄膜電池要素中の電極層として、気孔率３０％、膜厚４０μｍのＳＳＣ層をスパッタ法より得た（ｅ）。
【００２５】
（実施例４）
図６に本実施例の完成したＳＯＦＣ用単セル板の概略図を示す。この単セルは多孔質基体上に薄膜電池要素を配設して成る。
以下、その作製プロセスを説明する。
まず、多孔質基体中の低密度層として、気孔率７０％、膜厚２５０μｍのＳＵＳ３０４の不織布を用いた（ａ）。
次いで、この上に薄膜電池要素中の緻密電極層として、気孔率３０％、膜厚１００μｍのＬＳＣ層をスプレー法より得た（ｂ）。
また、この上に薄膜電池要素中の電解質層として、膜厚８μｍのＹＳＺ層をスパッタ法より得た（ｃ）。
更にまた、この上に薄膜電池要素中の電極層として、気孔率３０％、膜厚１０μｍのＮｉ＋ＳＤＣ層を共スパッタ法より得た（ｄ）。
【００２６】
（比較例１）
図７に本例の完成したＳＯＦＣ用単セル板の概略図を示す。この単セルは多孔質基体上に薄膜電池要素を配設して成る。
以下、その作製プロセスを説明する。
まず、多孔質基体中の低密度層として、気孔率６０％、膜厚０．７ｍｍのＮｉ＋ＳＤＣ層をグリーンシート法より得た（ａ）。
次いで、この上に薄膜電池要素中の電解質層として、膜厚８μｍのＹＳＺ層をＥＢ蒸着法より得た（ｂ）。
また、この上に薄膜電池要素中の電極層として、気孔率３０％、膜厚２μｍのＬＳＣ層をスパッタ法より得た（ｃ）。
なお、図８に電解質膜欠陥部の断面拡大写真を示す。
【００２７】
【表１】
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【００２８】
図２、図３及び図８に示すように、実施例１〜４で得られたＳＯＦＣ用単セルでは連続層が形成されているが、比較例１では１０μｍ以上の開口部があり、連続層が得られていないことがわかる。
【００２９】
以上、本発明を実施例により詳細に説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の要旨内であれば種々の変形が可能である。
例えば、実施例で得られたＳＯＦＣ用単セルの緻密層は電極材料で構成されているが、薄膜の形成に適した表面を有する緻密層であれば特に限定されず、アルミナ等の絶縁体で構成されていても良い。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明によれば、多孔質基板上に所定の緻密層を設けることとしたため、ガス通気抵抗の低い基板上に薄膜電池要素を直接形成でき、更に低温動作可能な小型ＳＯＦＣに好適に使用できる固体酸化物形燃料電池用単セル及びその製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＳＯＦＣ用単セルの一実施例を示す断面概略図である。
【図２】図１の単セルの一部を示す断面拡大図である。
【図３】図１の単セルの一部を示す断面拡大図である。
【図４】本発明のＳＯＦＣ用単セルの一実施例を示す断面概略図である。
【図５】本発明のＳＯＦＣ用単セルの一実施例を示す断面概略図である。
【図６】本発明のＳＯＦＣ用単セルの一実施例を示す断面概略図である。
【図７】比較例１で得られた単セルを示す断面概略図である。
【図８】図７の単セルの一部を示す断面拡大図である。
【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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【図８】
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