(57)【要約】【課題】本発明の目的は、一体で成形する為に積層の手間が不要でかつ供給される燃料及び空気のシール性を向上させ、さらに燃料電池システムの組立加工も簡便にせしむる燃料電池を提供することにある。【解決手段】本発明では、空気極層と支持層とインターコネクト層を，それぞれ原材料粉末を圧紛することにより成形を行い、かつ成形途中にて切削加工を行うことにより空気と燃料を流通させる流路を形成する。支持層に形成した燃料極流路溝に電解質層と燃料極層をそれぞれ塗布により形成して単位発電セルを製造するものとする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バインダ成分を含んだ粉末状の空気極原材料を下パンチを搭載した下金型内に充填し、所定の厚み及び密度になるまで上金型にて圧紛して第一圧紛層を形成し、前記第一圧紛層に切削によって空気極流路溝を形成し、空気極流路溝に充填材を充填し、下パンチを所定の距離まで下降させ、下金型内に確保された空間内に空気極原材料を充填し、再度所定の厚み及び密度になるまで上金型にて圧紛して第二圧紛層を形成するとともに前記第一圧紛層と前記第二圧紛層とをあわせて空気極層となし、更に前記下パンチを所定の距離下降させ、不導体な粉末状の支持層原材料を充填し、所定の厚み密度になるまで上金型にて圧紛して支持層を形成し、前記支持層を切削することにより前記空気極流路溝と略直角方向に燃料極流路溝を形成し、特に前記燃料極流路溝の溝深さは前記支持層の厚みと同一であり、前記燃料極流路溝の底面は前記空気極層が露出していることとし、前記燃料極流路溝に充填材を充填し、下パンチを所定の距離下降させ、バインダ成分を含んだインターコネクタ原材料を下金型内に充填し、所定の厚み及び密度になるまで圧紛してインターコネクタ層を形成し、前記空気極層と前記支持層と前記インターコネクタ層とをあわせてセルグリーン体となし、前記セルグリーン体を焼成炉にて前記空気極原材料と前記支持層原材料と前記インターコネクタ原材料を焼結させるとともに前記充填材を燃焼させて飛散させ、前記燃料極流路溝の空気極層に相対する面に電解質層を塗布形成し、更に前記燃料極流路溝内の全面に燃料極層を塗布形成し、焼成炉にて焼成した事で単位発電セルを製造したことを特徴とする一体積層型固体酸化物型燃料電池。
【請求項２】
前記空気極流路溝を溝経路途中にて折れ曲がるように切削し  、前記支持層を直線方向に切削することにより燃料極流路溝を形成したことを特徴とする請求項１に記載の一体積層型固体酸化物型燃料電池。
【請求項３】
バインダ成分を含んだ粉末状の空気極原材料を下パンチを搭載した下金型内に充填し、所定の厚み及び密度になるまで上金型にて圧紛して第一圧紛層を形成し、前記第一圧紛層に切削によって空気極流路溝を形成し、空気極流路溝に充填材を充填し、下パンチを所定の距離まで下降させ、下金型内に確保された空間内に空気極原材料を充填し、再度所定の厚み及び密度になるまで上金型にて圧紛して第二圧紛層を形成するとともに前記第一圧紛層と前記第二圧紛層とをあわせて空気極層となし、更に前記下パンチを所定の距離下降させ、不導体な粉末状の支持層原材料を充填し、所定の厚み密度になるまで上金型にて圧紛して支持層を形成し、前記支持層を切削することにより前記空気極流路溝と略直角方向に燃料極流路溝を形成し、特に前記燃料極流路溝の溝深さは前記支持層の厚みと同一であり、前記燃料極流路溝の底面は前記空気極層が露出していることとし、別工程にてバインダ成分により粘度を持たせた燃料極原材料を略直方体開口部を持つ押出し金型により内部に流路を持つ略直方体の燃料極ペレットを形成し、特に前記燃料極ペレットの高さについては焼成後に前期燃料極流路溝と同一の高さであるように形成するものとし、前記燃料極ペレットの外側の一面に電解質層を塗布形成し、前記燃料極ペレットの相対する外側の一面にインターコネクト層を塗布形成し、前記燃料極ペレットと前記電解質層と前記インターコネクト層とをあわせて燃料極グリーン体となし、前記燃料極流路溝に前記燃料極グリーン体を配置し、前記空気極層と前記支持層と前記燃料極グリーン体とを合せてセルグリーン体となし、セルグリーン体を焼成炉により焼結させることにより単位発電セルを製造したことを特徴とする一体積層型固体酸化物型燃料電池。
【請求項４】
前記セルグリーン体を形成した後に更に前記下パンチを下降させ、所望の回数セルグリーン体の形成工程を繰り返し、得られたセルグリーン体の集合体を一体積層セルグリーン体とし、前記一体積層セルグリーン体を焼成炉にて前記空気極原材料と前記支持層原材料と前記インターコネクタ原材料を焼結させるとともに前記充填材を燃焼させて飛散させ、前記燃料極流路溝の空気極層に相対する面に電解質層を塗布形成し、更に前記燃料極流路溝内の全面に燃料極層を塗布形成し、焼成炉にて焼成した事で発電セルを製造したことを特徴とする請求項１又は２に記載の一体積層型固体酸化物型燃料電池。
【請求項５】
前記燃料極グリーン体に充填材を充填し、前記セルグリーン体を形成した後に更に前記下パンチを下降させ、所望の回数セルグリーン体の形成工程を繰り返し、得られたセルグリーン体の集合体を一体積層セルグリーン体とし、前記一体積層セルグリーン体を焼成炉にて前記空気極原材料と前記支持層原材料と前記インターコネクタ原材料を焼結させるとともに前記充填材を燃焼させて飛散させた事で発電セルを製造したことを特徴とする請求項３に記載の一体積層型固体酸化物型燃料電池。
【請求項６】
前記燃料極流路溝の開口面と、前記空気極流路溝の開口面に、緻密な絶縁性であるガス封止層が塗布形成したことを特徴とする請求項１〜５何れか一項に記載の一体積層型固体酸化物型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は固体酸化物形燃料電池の製造法に関し、特に燃料電池の生産性と、信頼性及び燃料電池発電システムの組立加工性を向上せしむる平板の一体積層型固体酸化物燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の平板型固体酸化物型燃料電池の構成としては、燃料極層、空気極層、インターコネクタ層を別個に成形し、積層させて所望の出力を得るものが主流である。（例えば、特許文献１を参照のこと）
また、別の固体酸化物型燃料電池の方式としては円筒型というものがある。（例えば、特許文献２を参照のこと）
これに対し、粉末を積層し、圧紛した後にエンドミル等の機械加工により流路を形成し、更に積層を繰り返すという粉末積層３次元加工という加工手段が提案されている。（例えば、非特許文献１を参照のこと）
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−２０３５８１号公報（第９頁、第１図）
【特許文献２】
特開平９−３２６２５７号公報（第５頁、第２図）
【非特許文献１】
第２３回  ラピッドプロトタイピングシンポジウム講演論文集、２００２年１１月８日（パシフィコ横浜）  、水上良明  小坂田宏造著  Ｐ６９−７２
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし特許文献１に示すような従来の平板型の固体酸化物形燃料電池では、セル間のガラス等のシール材が燃料電池の起動及び停止を温度の昇降温を伴って行われるため、シール部が膨張と収縮を繰り返し、シール不良が発生する為耐久性に問題があった。
また、特許文献２に示す円筒型の固体酸化物形燃料電池では、燃料電池セルの積層作業と、空気導入間の挿入に非常に手間がかかり、またセルと空気導入管の位置決めについても高精度が要求され、組立性に問題があった。
更に発電システムに組み込む場合も、ガスを供給する機構が複雑となり、組み立てコストの増大を招いていた。
【０００５】
一方、非特許文献１に示す積層粉末体製造法では、粉末材料を圧紛した後にエンドミル等の工具により溝を製作し、充填材を充填した後に更に粉末材料を圧紛して積層する工法を取っているが、使用する粉末材料が一種類のみである為に、少なくとも燃料極、空気極、電解質の３種類の原材料を使用する燃料電池を構成することが不可能である。
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、本発明の目的は、一体で成形する為に積層の手間が不要でかつ供給される燃料及び空気のシール性を向上させ、さらに燃料電池システムの組立加工も簡便にせしむる燃料電池を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１は、バインダ成分を含んだ粉末状の空気極原材料を下パンチを搭載した下金型内に充填し、所定の厚み及び密度になるまで上金型にて圧紛して第一圧紛層を形成し、前記第一圧紛層に切削によって空気極流路溝を形成し、空気極流路溝に充填材を充填し、下パンチを所定の距離まで下降させ、下金型内に確保された空間内に空気極原材料を充填し、再度所定の厚み及び密度になるまで上金型にて圧紛して第二圧紛層を形成するとともに前記第一圧紛層と前記第二圧紛層とをあわせて空気極層となし、更に前記下パンチを所定の距離下降させ、不導体な粉末状の支持層原材料を充填し、所定の厚み密度になるまで上金型にて圧紛して支持層を形成し、前記支持層を切削することにより前記空気極流路溝と略直角方向に燃料極流路溝を形成し、特に前記燃料極流路溝の溝深さは前記支持層の厚みと同一であり、前記燃料極流路溝の底面は前記空気極層が露出していることとし、前記燃料極流路溝に充填材を充填し、下パンチを所定の距離下降させ、バインダ成分を含んだインターコネクタ原材料を下金型内に充填し、所定の厚み及び密度になるまで圧紛してインターコネクタ層を形成し、前記空気極層と前記支持層と前記インターコネクタ層とをあわせてセルグリーン体となし、前記セルグリーン体を焼成炉にて前記空気極原材料と前記支持層原材料と前記インターコネクタ原材料を焼結させるとともに前記充填材を燃焼させて飛散させ、前記燃料極流路溝の空気極層に相対する面に電解質層を塗布形成し、更に前記燃料極流路溝内の全面に燃料極層を塗布形成し、焼成炉にて焼成した事で単位発電セルを製造したことを特徴とするため、単位発電セルが一体として製造可能であり、組立工数を削減することが出来る。また、セル空気極層と支持層との間に隙間がなくなるため、単位発電セルに供給される燃料ガスと、空気とが単位発電セル内部で混合して電池出力が低下するといった不具合が生じなくなり、結果的に電池出力を向上させることができる。
【０００７】
請求項２は、請求項１の手段に加えて前記空気極流路溝を溝経路途中にて折れ曲がるように切削し  、前記支持層を直線方向に切削することにより燃料極流路溝を形成したことを特徴とするため、燃料ガス排出口と空気排出口を同一平面状に位置させることが出来る。このため、発電システムをコンパクトに維持しながら未反応燃料を燃焼させ、処理することが可能となる。
【０００８】
請求項３は、バインダ成分を含んだ粉末状の空気極原材料を下パンチを搭載した下金型内に充填し、所定の厚み及び密度になるまで上金型にて圧紛して第一圧紛層を形成し、前記第一圧紛層に切削によって空気極流路溝を形成し、空気極流路溝に充填材を充填し、下パンチを所定の距離まで下降させ、下金型内に確保された空間内に空気極原材料を充填し、再度所定の厚み及び密度になるまで上金型にて圧紛して第二圧紛層を形成するとともに前記第一圧紛層と前記第二圧紛層とをあわせて空気極層となし、更に前記下パンチを所定の距離下降させ、不導体な粉末状の支持層原材料を充填し、所定の厚み密度になるまで上金型にて圧紛して支持層を形成し、前記支持層を切削することにより前記空気極流路溝と略直角方向に燃料極流路溝を形成し、特に前記燃料極流路溝の溝深さは前記支持層の厚みと同一であり、前記燃料極流路溝の底面は前記空気極層が露出していることとし、別工程にてバインダ成分により粘度を持たせた燃料極原材料を略直方体開口部を持つ押出し金型により内部に流路を持つ略直方体の燃料極ペレットを形成し、特に前記燃料極ペレットの高さについては焼成後に前期燃料極流路溝と同一の高さであるように形成するものとし、前記燃料極ペレットの外側の一面に電解質層を塗布形成し、前記燃料極ペレットの相対する外側の一面にインターコネクト層を塗布形成し、前記燃料極ペレットと前記電解質層と前記インターコネクト層とをあわせて燃料極グリーン体となし、前記燃料極流路溝に前記燃料極グリーン体を配置し、前記空気極層と前記支持層と前記燃料極グリーン体とを合せてセルグリーン体となし、セルグリーン体を焼成炉により焼結させることにより単位発電セルを製造したことを特徴とするために，請求項１の単位発電セルより塗布工程が簡便になり、更に燃料電池の製作が簡便となる。
【０００９】
請求項４では、請求項１ないし２の単位発電セルの製作工程において，前記セルグリーン体を形成した後に更に前記下パンチを下降させ、所望の回数セルグリーン体の形成工程を繰り返し、得られたセルグリーン体の集合体を一体積層セルグリーン体とし、前記一体積層セルグリーン体を焼成炉にて前記空気極原材料と前記支持層原材料と前記インターコネクタ原材料を焼結させるとともに前記充填材を燃焼させて飛散させ、前記燃料極流路溝の空気極層に相対する面に電解質層を塗布形成し、更に前記燃料極流路溝内の全面に燃料極層を塗布形成し、焼成炉にて焼成した事で発電セルを製造したことを特徴とするため，焼成時には積層された単位発電セルが製造できることなり、簡便に単位発電セルの積層体を製造可能である。
【００１０】
請求項５では、請求項３の単位発電セルの製作工程において，前記燃料極グリーン体に充填材を充填し、前記セルグリーン体を形成した後に更に前記下パンチを下降させ、所望の回数セルグリーン体の形成工程を繰り返し、得られたセルグリーン体の集合体を一体積層セルグリーン体とし、前記一体積層セルグリーン体を焼成炉にて前記空気極原材料と前記支持層原材料と前記インターコネクタ原材料を焼結させるとともに前記充填材を燃焼させて飛散させた事で発電セルを製造したことを特徴とするため、焼成時には積層された単位発電セルが製造できることなり、簡便に単位発電セルの積層体を製造可能である。
【００１１】
請求項６では、燃料極流路溝の開口面と、空気極流路溝の開口面に、緻密な絶縁性であるガス封止層を塗布形成した為に、発電セル内部への空気及び燃料の侵入を更に強固に防ぐことが可能となり、発電効率を向上させることが可能となる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
発明の実施の形態を図面により説明する。
図１に請求項１の発明品の全体概略図を示す。また、図２から図９に請求項１の発明品の製造工程の説明の図を示す。
【００１３】
図２では、バインダ成分を含んだ粉末状の空気極原材料３００を下パンチ５０１を搭載した下金型内５０２に充填し、所定の厚み及び密度になるまで上金型５０３にて圧紛して図３のように第一圧紛層１００を形成する。次に、図４のように前記第一圧紛層１００に切削によって空気極流路溝１１を形成する。このとき切削には通常エンドミル等の切削工具を用いる。次に、図５のように空気極流路溝１１に充填材１０３を充填し、下パンチ５０２を所定の距離まで下降させ、下金型５０２内に確保された空間内に空気極原材料３００を充填し、再度所定の厚み及び密度になるまで上金型５０３にて圧紛して第二圧紛層１０２を形成するとともに前記第一圧紛層１００と前記第二圧紛層１０２とをあわせて空気極層１０とする。このとき使用する充填剤１０３はワックス等の、１００℃から１５０℃程度で空気雰囲気中で空気と燃焼して飛散するような材料が望ましい。また、充填時に十分空気極流路溝内に充填材１０３が行き渡るように、燃焼温度以下では粘度の低い流体状になる材料が望ましい。図６では、更に前記下パンチ５０１を所定の距離下降させ、不導体な粉末状の支持層原材料３０１を充填し、所定の厚み密度になるまで上金型５０３にて圧紛して支持層１２を形成し、支持層１２を切削することにより空気極流路溝１１と略直角方向に燃料極流路溝１３を形成する。このとき特に燃料極流路溝１３の溝深さは支持層１２の厚みと同一であり、燃料極流路溝１３の底面は空気極層１０が露出していることとする。図７では燃料極流路溝１３に充填材１０３を充填し、下パンチ５０１を所定の距離下降させ、バインダ成分を含んだインターコネクタ原材料を下金型内５０２に充填し、所定の厚み及び密度になるまで圧紛してインターコネクタ層１５を形成し、空気極層１０と支持層１２とインターコネクタ層１５とをあわせてセルグリーン体１０５とした。セルグリーン体１０５を焼成炉にて空気極層１０と支持層１２とインターコネクタ層１５を焼結させるとともに充填材１０３を燃焼させて飛散させる。図８のように、燃料極流路溝１３の空気極層１０に相対する面に電解質層１４を塗布形成する。このとき電解質層１４の形成方法は、電解質材料を溶液に溶解させた電解質スラリーを塗布することにより形成しても良いし、他に電解質材料をシート状に加工しておき、貼り付けることにより形成しても良い。更に図９のように燃料極流路溝１３内の全面に燃料極層１６を塗布形成する。このとき燃料極層１６の塗布形成は、燃料極材料を溶液に溶解させた燃料極スラリーを流路内に塗布する方法が考えられる。得られたセルグリーン体１０５を焼成炉にて焼成した事で単位発電セルを製造可能となる。
【００１４】
図１０に請求項２の発明品の全体外略図を示す。また、図１１に請求項２の発明品の空気極層の透視図を示す。
【００１５】
図１１の透視図でわかるように、第一圧紛層１００を圧粉した後の切削工程時に、切削経路を略直角に折れ曲がらせることにより空気の流路を折れ曲がらせることが可能となる。
【００１６】
図１２に請求項３の発明品の全体外略図を示す。また、図１３に請求項３の発明品の製造工程にて製造される燃料極グリーン体の略図を示す。図１４に空気極層１０と支持層１２を形成した状態を示す。空気極層１０と支持層１２の製作工程は請求項１の発明品と同じ製作工程である。別工程で燃料極ペレット２０を押出し法により製作するが、その他インジェクション等の方法をとって製作しても良い。製作した燃料極ペレット２０の外側面の片側に電解質層１４を、相対する燃料極ペレット２０の外側面にインターコネクト層１７を塗布形成する。塗布の方法はスクリーン印刷法を用いるが、その他ディップ、刷毛による塗布等の方法をとっても良い。このように製作した燃料極グリーン体２１を図１４の溝部２２にはめ込み、単位発電セルを製作する。
【００１７】
図１５に請求項４の発明品の一例の全体外略図を示す。空気極層１０、支持層１２、インターコネクト層１５の順に繰り返し積層を行うことで、単位発電セル１の積層体であるセルグリーン体を製作する。製作した前記セルグリーン体の空気極流路溝と、燃料極流路溝には充填材が充填されているが、セルグリーン体を焼成処理することにより飛散させる。得られた焼成体の燃料極流路溝に、請求項１の発明品と同様の方法にて電解質層１４と、燃料極層１６を形成することにより単位発電セル１を直列接続した発電セルユニット４を製作する。
【００１８】
図１６に請求項５の発明品の一例の全体外略図を示す。空気極層１０と支持層１２を形成し、燃料極グリーン体２１を溝部２２に配置し、前記工程を繰り返すことにより積層体を製作する。最上面にインターコネクト原材料を充填し、圧紛することにより電極層２３を形成する。得られた積層体を焼成することにより発電セルユニット５を製作する。
【００１９】
図１７に請求項６の発明品の一例の全体外略図を示す。発電セルユニット４の，空気極層１０の開口面と、支持層１２の開口面に、緻密な絶縁性材料を塗布することによりガス封止層２４を形成する。ガス封止層２４の素材としてはガラスペーストが考えられるが、それ以外に前記性質を実現するものであればなんでも良い。また，単位発電セル１ないし３の積層工程において、特に空気極層の１０の開口部以外の側面に，ガラス粉末などの絶縁性材料を充填する層を配置してもよい。
【００２０】
【発明の効果】
本発明によれば、上記構成により次の効果を提供することが可能となる。
請求項１では、空気極層、支持層、インターコネクト層それぞれの専用金型が不要な為に製造コストを低減させることが出来、単位発電セル内のガス拡散を防止することが可能な為に耐久性が向上する。
【００２１】
請求項２では、ガス流路を制御することにより発電システムの小型化を実現することが可能となり、単位発電セル内のガス拡散を防止することが可能な為に耐久性が向上する。
【００２２】
請求項３では、空気極層、支持層それぞれの専用金型が不要な為に製造コストを低減させることが出来、単位発電セル内のガス拡散を防止することが可能な為に耐久性が向上する。
【００２３】
請求項４では、単位発電セルを直列接続した発電ユニットの製造において、組立精度を保持しながら一体で製造することにより組立コストを低減することが可能となり、各単位発電セル間のガスシールも実現されている為に耐久性が向上する。
【００２４】
請求項５では、単位発電セルを直列接続した発電ユニットの製造において、組立精度を保持しながら一体で製造することにより組立コストを低減することが可能となり、各単位発電セル間のガスシールも実現されている為に耐久性が向上する。
【００２５】
請求項６では、発電ユニットの各層へのガスの侵入を防ぐことが可能な為に、更に耐久性を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の請求項１の発明品の一例を示す全体概略図である。
【図２】本発明の請求項１の発明品の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図３】本発明の請求項１の発明品の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図４】本発明の請求項１の発明品の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図５】本発明の請求項１の発明品の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図６】本発明の請求項１の発明品の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図７】本発明の請求項１の発明品の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図８】本発明の請求項１の発明品の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図９】本発明の請求項１の発明品の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図１０】本発明の請求項２の発明品の一例を示す概略図である。
【図１１】本発明の請求項２の発明品の空気極流路溝を示す透視図である。
【図１２】本発明の請求項３の発明品の一例を示す概略図である。
【図１３】本発明の請求項３の発明品の、特に燃料極グリーン体の一例を示す概略図である。
【図１４】本発明の請求項３の発明品の、製造方法の一工程を示す概略図である。
【図１５】本発明の請求項４の発明品の一例を示す概略図である。
【図１６】本発明の請求項５の発明品の一例を示す概略図である。
【図１７】本発明の請求項６の発明品の一例を示す概略図である。
【符号の説明】
１…単位発電セル
２…単位発電セル
３…単位発電セル
４…発電セルユニット
５…発電セルユニット
１０…空気極層
１１…空気極流路溝
１２…支持層
１３…燃料極流路溝
１４…電解質層
１５…インターコネクト層
１６…燃料極層
１８…空気極層
１９…空気極流路溝
２０…燃料極ペレット
２１…燃料極グリーン体
２２…溝部
２３…電極層
２４…ガス封止層
１００…第一圧紛層
１０２…第二圧紛層
１０３…充填材
１０５…セルグリーン体
３００…空気極原材料
３０１…支持層原材料
５０１…下パンチ
５０２…下金型
５０３…上金型
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
2004296382.tif 000017
【図１６】
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【図１７】
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