(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
円柱の外側表面としての円柱面を有する円筒型で、肉厚が厚い厚肉部分と前記厚肉部分より肉厚が薄く前記円柱面に対して凹部を形成する薄肉部分とが前記円柱面の軸方向にそれぞれ複数交互に並べられて設けられた基体管と、
前記複数の薄肉部分に対応して設けられた複数のセルと、
前記複数のセル同士を接続する複数のインターコネクタと
を具備し、
前記複数のセルの各々は、
前記薄肉部分の外表面に接合された燃料極と、
前記燃料極の外表面に接合された電解質膜と、
前記電解質膜及び前記インターコネクタの外表面に接合された空気極と
を備え、
前記インターコネクタは、隣り合うセルのうちの一方のセルの前記燃料極と、他方のセルの前記空気極とを接続し、前記厚肉部分及び前記燃料極の成す前記円柱面上に設けられ、
前記凹部に前記燃料極が設けられて、前記厚肉部分の外表面と前記燃料極の外表面とが、いずれも前記円柱面内にあり、
前記電解質膜の外表面と前記インターコネクタの外表面とが、いずれも、前記円柱面と同軸で前記円柱面よりも直径の大きい他の円柱面内にある
固体酸化物型燃料電池。
【請求項２】
円柱の外側表面としての円柱面を有する円筒型で、肉厚が厚い厚肉部分と前記厚肉部分より肉厚が薄く前記円柱面に対して凹部を形成する薄肉部分とが前記円柱面の軸方向にそれぞれ複数交互に並べられて設けられた基体管と、
前記複数の薄肉部分に対応して設けられた複数のセルと、
前記複数のセル同士を接続する複数のインターコネクタと
を具備し、
前記複数のセルの各々は、
前記薄肉部分の外表面に接合された燃料極と、
前記燃料極の外表面に接合された電解質膜と、
前記電解質膜及び前記インターコネクタの外表面に接合された空気極と
を備え、
前記インターコネクタは、隣り合うセルのうちの一方のセルの前記燃料極と、他方のセルの前記空気極とを接続し、前記厚肉部分及び前記燃料極の成す前記円柱面上に設けられ、
前記凹部に前記燃料極及び前記電解質膜が設けられて、前記厚肉部分の外表面と前記電解質膜の外表面とが、いずれも前記円柱面内にある
固体酸化物型燃料電池。
【請求項３】
円柱の外側表面としての円柱面を有する円筒型で、前記円柱面より窪み肉厚が厚い厚肉部分と前記厚肉部分より肉厚が薄く前記円柱面に対して凹部を形成する薄肉部分とが前記円柱面の軸方向にそれぞれ複数交互に並べられて設けられた基体管と、
前記複数の薄肉部分に対応して設けられた複数のセルと、
前記複数のセル同士を接続する複数のインターコネクタと
を具備し、
前記複数のセルの各々は、
前記薄肉部分の外表面に接合された燃料極と、
前記燃料極の外表面に接合された電解質膜と、
前記電解質膜及び前記インターコネクタの外表面に接合された空気極と
を備え、
前記インターコネクタは、隣り合うセルのうちの一方のセルの前記燃料極と、他方のセルの前記空気極とを接続し、
前記凹部に前記燃料極及び前記電解質膜が設けられて、前記厚肉部分の外表面に前記インターコネクタが設けられて、前記電解質膜の外表面と前記インターコネクタの外表面とが、いずれも前記円柱面内にある
固体酸化物型燃料電池。
【請求項４】
円柱の外側表面としての円柱面を有する円筒型で、前記円柱面より窪み肉厚が厚い厚肉部分と前記厚肉部分より肉厚が薄く前記円柱面に対して凹部を形成する薄肉部分とが前記円柱面の軸方向にそれぞれ複数交互に並べられて設けられた基体管と、
前記複数の薄肉部分に対応して設けられた複数のセルと、
前記複数のセル同士を接続する複数のインターコネクタと
を具備し、
前記複数のセルの各々は、
前記薄肉部分の外表面に接合された燃料極と、
前記燃料極の外表面に接合された電解質膜と、
前記電解質膜の外表面に接合された空気極と
を備え、
前記インターコネクタは、隣り合うセルのうちの一方のセルの前記燃料極と、他方のセルの前記空気極とを接続し、
前記凹部に前記燃料極、前記電解質膜及び前記空気極が設けられて、前記厚肉部分の外表面に前記インターコネクタが設けられて、前記インターコネクタの外表面と前記空気極の外表面とが、いずれも前記円柱面内にある
固体酸化物型燃料電池。
【請求項５】
（ａ）円柱の外側表面としての円柱面を有する基体管材料に、肉厚が厚い厚肉部分と肉厚が薄く前記円柱面に対して凹部を形成する薄肉部分とを前記円柱面の軸方向にそれぞれ複数交互に並べて設け、複数の前記薄肉部分の各々において、外表面に燃料極材料を接合し、前記燃料極材料の外表面に電解質材料を接合し、前記基体管材料の前記厚肉部分にインターコネクタ材料を接合する工程と、
（ｂ）前記基体管材料、前記燃料極材料、前記電解質材料、及び、インターコネクタ材料を焼成する工程と、
（ｃ）焼成された前記電解質材料の外表面に空気極材料を接合する工程と、
（ｄ）前記空気極材料を焼成する工程と
を具備し、
前記（ａ）工程は、
（ａ２）前記基体管材料を円筒型に押し出して第１部分を形成する工程と、
（ａ３）前記基体管材料の外周に燃料極材料が設けられるように前記基体管材料と前記燃料極材料とを多層の円筒型に押し出して第２部分を形成する工程と
を備え、
前記（ａ２）工程と前記（ａ３）工程とは交互に連続して行われ、
前記第１部分は、基体管と、前記基体管上に設けられた燃料極と電解質膜と空気極とを備える複数のセルと、前記複数のセル同士を接続する複数のインターコネクタとを備える燃料電池における前記基体管であり、
前記第２部分は、前記基体管と前記燃料極とが積層された部分であり、
前記第１部分と前記第２部分とは同じ外径を有する
固体酸化物型燃料電池の製造方法。
【請求項６】
（ａ）円柱の外側表面としての円柱面を有する基体管材料に、肉厚が厚い厚肉部分と肉厚が薄く前記円柱面に対して凹部を形成する薄肉部分とを前記円柱面の軸方向にそれぞれ複数交互に並べて設け、複数の前記薄肉部分の各々において、外表面に燃料極材料を接合し、前記燃料極材料の外表面に電解質材料を接合し、前記基体管材料の前記厚肉部分にインターコネクタ材料を接合する工程と、
（ｂ）前記基体管材料、前記燃料極材料、前記電解質材料、及び、インターコネクタ材料を焼成する工程と、
（ｃ）焼成された前記電解質材料の外表面に空気極材料を接合する工程と、
（ｄ）前記空気極材料を焼成する工程と
を具備し、
前記（ａ）工程は、
（ａ４）前記基体管材料を円筒型に押し出して第１部分を形成する工程と、
（ａ５）前記基体管材料の外周に前記燃料極材料が設けられるように前記基体管材料と前記燃料極材料とを多層の円筒型に押し出して第２部分を形成する工程と、
（ａ６）前記基体管材料の外周に前記燃料極材料が設けられ、前記燃料極材料の外周に前記電解質材料が設けられるように前記基体管材料と前記燃料極材料と前記電解質材料とを多層の円筒型に押し出して第３部分を形成する工程と
を備え、
前記（ａ４）工程、前記（ａ５）工程及び前記（ａ６）とはこの順番に連続して行われ、
前記第１部分は、基体管と、前記基体管上に設けられた燃料極と電解質膜と空気極とを備える複数のセルと、前記複数のセル同士を接続する複数のインターコネクタとを備える燃料電池における前記基体管であり、
前記第２部分は、前記基体管と前記燃料極とが積層された部分であり、
前記第３部分は、前記基体管と前記燃料極と前記電解質膜とが積層された部分であり、
前記第１部分と前記第２部分と前記第３部分とは同じ外径を有する
固体酸化物型燃料電池の製造方法。
【請求項７】
（ａ）円柱の外側表面としての円柱面を有する基体管材料に、前記円柱面より窪み肉厚が厚い厚肉部分と肉厚が薄く前記円柱面に対して凹部を形成する薄肉部分とを前記円柱面の軸方向にそれぞれ複数交互に並べて設け、複数の前記薄肉部分の各々において、外表面に燃料極材料を接合し、前記燃料極材料の外表面に電解質材料を接合し、前記基体管材料の前記厚肉部分にインターコネクタ材料を接合する工程と、
（ｂ）前記基体管材料、前記燃料極材料、前記電解質材料、及び、インターコネクタ材料を焼成する工程と、
（ｃ）焼成された前記電解質材料の外表面に空気極材料を接合する工程と、
（ｄ）前記空気極材料を焼成する工程と
を具備し、
前記（ａ）工程は、
（ａ７）前記基体管材料を円筒型に押し出して第１部分を形成する工程と、
（ａ８）前記基体管材料の外周に前記燃料極材料が設けられるように前記基体管材料と前記燃料極材料とを多層の円筒型に押し出して第２部分を形成する工程と、
（ａ９）前記基体管材料の外周に前記燃料極材料が設けられ、前記燃料極材料の外周に前記電解質材料が設けられるように前記基体管材料と前記燃料極材料と前記電解質材料とを多層の円筒型に押し出して第３部分を形成する工程と、
（ａ１０）前記燃料極材料の外周に設けられた前記電解質材料と接し、前記基体管材料の外周に前記インターコネクタ材料が設けられるように、前記基体管材料と前記インターコネクタ材料とを多層の円筒型に押し出して第４部分を形成する工程と、
を備え、
前記（ａ７）工程が実施された後、前記（ａ８）工程、前記（ａ９）工程及び前記（ａ１０）工程がこの順番に連続して行われ、その後に再び前記（ａ７）工程が実施され、
前記第１部分は、基体管と、前記基体管上に設けられた燃料極と電解質膜と空気極とを備える複数のセルと、前記複数のセル同士を接続する複数のインターコネクタとを備える燃料電池における前記基体管であり、
前記第２部分は、前記基体管と前記燃料極とが積層された部分であり、
前記第３部分は、前記基体管と前記燃料極と前記電解質膜とが積層された部分であり、
前記第４部分は、前記基体管と前記インターコネクタとが積層された部分であり、
前記第１部分と前記第２部分と前記第３部分と前記第４部分とは同じ外径を有する
固体酸化物型燃料電池の製造方法。
【請求項８】
（ａ）円柱の外側表面としての円柱面を有する基体管材料に、前記円柱面より窪み肉厚が厚い厚肉部分と肉厚が薄く前記円柱面に対して凹部を形成する薄肉部分とを前記円柱面の軸方向にそれぞれ複数交互に並べて設け、複数の前記薄肉部分の各々において、外表面に燃料極材料を接合し、前記燃料極材料の外表面に電解質材料を接合し、前記電解質材料の外表面に空気極材料を接合し、前記基体管材料の前記厚肉部分にインターコネクタ材料を接合する工程と、
（ｂ）前記基体管材料、前記燃料極材料、前記電解質材料、前記空気極材料、及び、インターコネクタ材料を焼成する工程と、
を具備し、
前記（ａ）工程は、
（ａ１１）前記基体管材料を円筒型に押し出して第１部分を形成する工程と、
（ａ１２）前記基体管材料の外周に前記燃料極材料が設けられるように前記基体管材料と前記燃料極材料とを多層の円筒型に押し出して第２部分を形成する工程と、
（ａ１３）前記基体管材料の外周に前記燃料極材料が設けられ、前記燃料極材料の外周に前記電解質材料が設けられるように前記基体管材料と前記燃料極材料と前記電解質材料とを多層の円筒型に押し出して第３部分を形成する工程と、
（ａ１４）前記基体管材料の外周に前記燃料極材料が設けられ、前記燃料極材料の外周に前記電解質材料が設けられ、前記電解質材料の外周に前記空気極材料が設けられるように前記基体管材料と前記燃料極材料と前記電解質材料と前記空気極材料とを多層の円筒型に押し出して第４部分を形成する工程と、
（ａ１５）前記電解質材料の外周に設けられた前記空気極材料と接し、前記基体管材料の外周に前記インターコネクタ材料が設けられるように、前記基体管材料と前記インターコネクタ材料とを多層の円筒型に押し出して第５部分を形成する工程と、
を備え、
前記（ａ１１）工程が実施された後、前記（ａ１２）工程、前記（ａ１３）工程、前記（ａ１４）工程及び前記（ａ１５）工程がこの順番に連続して行われ、その後に再び前記（ａ１１）工程が実施され、
前記第１部分は、基体管と、前記基体管上に設けられた燃料極と電解質膜と空気極とを備える複数のセルと、前記複数のセル同士を接続する複数のインターコネクタとを備える燃料電池における前記基体管であり、
前記第２部分は、前記基体管と前記燃料極とが積層された部分であり、
前記第３部分は、前記基体管と前記燃料極と前記電解質膜とが積層された部分であり、
前記第４部分は、前記基体管と前記燃料極と前記電解質膜と前記空気極とが積層された部分であり、
前記第５部分は、前記基体管と前記インターコネクタとが積層された部分であり、
前記第１部分と前記第２部分と前記第３部分と前記第４部分と前記第５部分とは同じ外径を有する
固体酸化物型燃料電池の製造方法。
【請求項９】
円柱の外側表面としての円柱面を有する円筒型で、肉厚が厚い厚肉部分と前記厚肉部分より肉厚が薄く前記円柱面に対して凹部を形成する薄肉部分とが前記円柱面の軸方向にそれぞれ複数交互に並べられて設けられ、前記厚肉部分を挟んで前記薄肉部分と隣接する他の薄肉部分を含む基体管と、
前記薄肉部分の外表面に接合された燃料極、前記燃料極の外表面に接合された電解質膜及び前記電解質膜の外表面に接合された空気極とを備えたセルと、
前記基体管の外表面に接合されたインターコネクタと、
前記セルに隣接して設けられ、前記他の薄肉部分の外表面に接合された他の燃料極、前記他の燃料極の外表面に接合された他の電解質膜及び前記他の電解質膜の外表面に接合された他の空気極とを備える他のセルと
を具備し、
前記インターコネクタは前記燃料極と前記他の空気極とを電気的に接続し、
前記凹部に前記燃料極が設けられて、前記厚肉部分の外表面と前記燃料極の前記外表面とが、いずれも前記円柱面内にあり、
前記電解質膜の外表面と前記インターコネクタの外表面とが、いずれも、前記円柱面と同軸で前記円柱面よりも直径の大きい他の円柱面内にある
水電解セル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は固体酸化物型燃料電池及び水電解セルに関し、特に性能及び効率を向上させた固体酸化物型燃料電池及び水電解セルに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物型燃料電池は、炭化水素や含酸素炭化水素を水蒸気と反応させて改質した燃料ガスと酸素とが電気化学的反応をすることによって発電する燃料電池である。そのとき、水が生成される。燃料電池で逆反応を行うと、水から水素と酸素とが生成する。このように用いる燃料電池を水電解セルという。
【０００３】
固体酸化物型燃料電池は、空気極、固体酸化物の電解質膜、燃料極からなるセルで構成される。空気極には酸素が、燃料極には燃料ガスがそれぞれ供給される。空気極に供給された酸素は、イオン化されて電解質膜中を透過し、燃料極に達する。燃料極に達した酸素と燃料ガスとの電気化学的反応によって燃料極と空気極との間に生じる電位差が外部に取り出されることにより発電が行われる。
【０００４】
図１は、従来の固体酸化物型燃料電池１００の断面図である。公知のこの固体酸化物型燃料電池１００は、基体管１０１の外表面１０２に設けられた複数のセル１０６と、隣接するセル１０６同士を電気的に直列に接続するインターコネクタ１０７とを備えている。それぞれのセル１０６は、燃料極１０３、固体酸化物である電解質膜１０４、空気極１０５を備える。燃料極１０３、電解質膜１０４及び空気極１０５は、層をなすように接合されている。一つのセル１０６の燃料極１０３とそれに隣接する他のセル１０６の空気極１０５とは、インターコネクタ１０７によって電気的に接続されている。基体管１０１、燃料極１０３、空気極１０５は多孔質である。基体管１０１は一定の肉厚を有する円筒で、外表面１０２は円柱面をなしている。
【０００５】
固体酸化物型燃料電池１００は下記の動作によって電池反応をする。電池反応の燃料となる燃料ガスは、基体管１０１の内側を流れ、基体管１０１の細孔を通過して燃料極１０３に達する。燃料ガスは、燃料極１０３に含まれる活性金属により水蒸気改質される。水蒸気改質により生成された水素は、燃料極１０３の細孔を通過して電解質膜１０４まで達する。一方、空気は、基体管１０１の外側を流れる。空気中の酸素は、空気極１０５の細孔を通過する途中又は電解質膜１０４まで達してイオン化する。イオン化した酸素は電解質膜１０４を通過し、燃料極１０３に達する。電解質膜１０４を通過した酸素イオンは燃料ガスと反応する。このような電池反応によって生じる電位差は、燃料極１０３及び空気極１０５から外部に取り出される。
【０００６】
上記の固体酸化物型燃料電池１００は、例えば以下の手順で製造される。まず、基体管１０１を押し出し成形により筒状に成形する。次に、基体管１０１の外表面１０２に燃料極材料のスラリーを塗布する。燃料極材料は、隣り合うセル１０６を分離するために所定の間隔をおいて塗布される。その後、電解質材料のスラリー、インターコネクタ材料のスラリーを重ねて塗布し、焼結する。次に空気極材料のスラリーを電解質膜１０４上に塗布し、再度焼結する。
【０００７】
ところで、固体酸化物型燃料電池には更なる高性能化／高効率化が望まれている。固体酸化物型燃料電池の効率を向上させるためには、基体管における燃料ガスの拡散抵抗を抑え、ガス透過性をよくすることが重要である。その他に、燃料極及び空気極の厚さを増して電気抵抗を低下させること、電解質の厚さを薄くして電気抵抗を低下させることが重要である。
【０００８】
固体酸化物型燃料電池に関連する技術として、特開平１０−１３４８２５号公報に、固体電解質型電気化学セルの技術が開示されている。この固体電解質型電気化学セルは、基材と、固体電解質膜と、燃料極と、空気極と、インタコネクタとを具備する。固体電解質膜は、この基材の外周側に設けられ、酸素イオン導電性である。燃料極は、この固体電解質膜と前記基材間に設けられている。空気極は、前記固体電解質膜の外側に設けられている。インタコネクタは、前記基材の外周側に設けられ、前記燃料極と空気極間を電気的に接続する。作動温度が８００℃〜１０００℃である。そして、前記燃料極が活性金属と酸化物との混合物からなる。
【０００９】
押し出し成形に関連する技術として、特開２００２−１７８３２１号公報に、積層体の押出成形装置の技術が開示されている。この押出成形装置は、複数の層からなり、隣接する前記層を構成する坏土が異なっている積層体を押し出し成形する装置である。口金、各坏土移送機構、坏土分配部材を備えている。口金は、前記層体を成形するための口金であって、前記複数の層を同時に成形する。各坏土移送機構は、前記口金の方へと向かって複数種類の坏土をそれぞれ移送する。坏土分配部材は、前記各坏土移送機構から送られてきた各坏土をそれぞれ前記口金の前記各層に対応する位置に分配する。前記坏土分配部材は、第一の分配部と、第二の分配部とを備えている。第一の分配部は、前記坏土分配部材が、前記口金の中心軸に対して傾斜する方向に前記各坏土を移送する。第二の分配部は、この第一の分配部と前記口金との間に設けられた、前記中心軸とほぼ平行な方向へと前記各坏土を移送する。
【００１０】
【特許文献１】特開平１０−１３４８２５号公報
【特許文献２】特開２００２−１７８３２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、基体管の強度を保ちつつ、より高い性能を有する固体酸化物型燃料電池、水電解セル、固体酸化物型燃料の電池製造方法及び水電解セルの製造方法を提供することである。
【００１２】
本発明の他の目的は、基体管の強度を保ちつつ、基体管における燃料ガスの拡散抵抗が低い固体酸化物型燃料電池、水電解セル、固体酸化物型燃料の電池製造方法及び水電解セルの製造方法を提供することである。
【００１３】
本発明の更に他の目的は、電解質の電気抵抗を低く抑えた固体酸化物型燃料電池、水電解セル、固体酸化物型燃料の電池製造方法及び水電解セルの製造方法を提供することである。
【００１４】
本発明の別の目的は、燃料極の電気抵抗を低く抑えた固体酸化物型燃料電池、水電解セル、固体酸化物型燃料の電池製造方法及び水電解セルの製造方法を提供することである。
【００１５】
本発明の更に別の目的は、モジュール効率を向上することが可能な固体酸化物型燃料電池、水電解セル、固体酸化物型燃料の電池製造方法及び水電解セルの製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
以下に、発明を実施するための最良の形態で使用される番号・符号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号・符号は、特許請求の範囲の記載と発明を実施するための最良の形態との対応関係を明らかにするために括弧付きで付加されたものである。ただし、それらの番号・符号を、特許請求の範囲に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
【００１７】
上記課題を解決するために、本発明に係る固体酸化物型燃料電池（１０、２０，３０，４０）は、基体管（１、１１、２１，３１）と、セル（６、１６、２６，３６）とを具備する。基体管（１、１１、２１，３１）は、円柱面（２ｂ、１２ｂ、２２ｂ，３２ｂ）をなす内壁面を有する筒型であって、肉厚が厚い厚肉部分（９、１９、２９，３９）と厚肉部分（９、１９、２９，３９）よりも肉厚が薄い薄肉部分（８、１８、２８，３８）とが円柱面（２ｂ、１２ｂ、２２ｂ，３２ｂ）の軸方向に並べて設けられている。セル（６、１６、２６，３６）は、薄肉部分（８、１８、２８，３８）の外表面に接合された燃料極（３、１３、２３，３３）、燃料極（３、１３、２３，３３）の外表面に接合された電解質膜（４、１４、２４，３４）及び電解質膜（４、１４、２４，３４）の外表面に接合された空気極（５、１５、２５，３５）を備える。薄肉部分（８、１８、２８，３８）が複数設けられ、それら複数の薄肉部分（８、１８、２８，３８）の外表面にセル（６、１６、２６，３６）が設けられてもよい。その際、基体管（１、１１、２１，３１）の外表面に接合され、一つのセル（６、１６、２６，３６）の燃料極（３、１３、２３，３３）とセル（６、１６、２６，３６）に隣接する他のセル（６、１６、２６，３６）の空気極（５、１５、２５，３５）とを電気的に接続するインターコネクタ（７、１７、２７，３７）を更に備えることができる。
【００１８】
上記の固体酸化物型燃料電池（１０、２０、３０，４０）において、セル（６、１６、２６，３６）は基体管（１、１１、２１，３１）の薄肉部分（８、１８、２８，３８）に設けられる。燃料ガスは基体管（１、１１、２１，３１）の薄肉部分（８、１８、２８，３８）を通過して燃料極（３、１３、２３，３３）に達するため基体管（１、１１、２１，３１）における燃料ガスの拡散抵抗が低減され、燃料極（３、１３、２３，３３）に効率よく燃料ガスが供給される。基体管（１、１１、２１，３１）の薄肉部分（８、１８、２８，３８）には少なくとも燃料極（３、１３、２３，３３）が充填され、厚肉部分（９、１９、２９，３９）と同じ厚みになっているため、基体管（１、１１、２１，３１）の強度は損なわれない。
【００１９】
上述の固体酸化物型燃料電池（１０）において、基体管（１）の厚肉部分（９）の外表面と燃料極（３）の外表面とが一つの円柱面（２ａ）内にあることが望ましい。このとき燃料極（３）は、基体管（１）の厚肉部分（９）に挟まれた薄肉部分（８）に形成される溝を埋めるように設けられる。燃料極（３）の厚さは、厚肉部分（９）と薄肉部分（８）との肉厚の差分である。該肉厚の差分が所望の厚さになるように厚くすることができるので、燃料極（３）の電気抵抗が低減される。更に、上述の固体酸化物型燃料電池（１０）は、電解質膜（４）を接合させる面が円柱面（２ａ）をなしており、凹凸がない。従来のように凹凸のある面に薄膜を接合させる場合は凹部に合わせて印刷するので電解質膜（４）が厚くなってしまっていた。しかし、上述の固体酸化物型燃料電池（１０）は凹凸がない面に電解質膜（４）を塗布できるので電解質膜（４）を均一に薄くでき、電解質膜（４）の電気抵抗を低くすることができる。
【００２０】
上述の固体酸化物型燃料電池（２０）において、基体管（１１）の厚肉部分（１９）の外表面と電解質膜（１４）の外表面とが一つの円柱面（１２ａ）内にあるように設けられてもよい。燃料極（１３）と燃料極（１３）の外表面に設けられた電解質膜（１４）とは、基体管（１１）の薄肉部分（１８）を埋めるように設けられる。更に、電解質膜（２４）の外表面とインターコネクタ（２７）の外表面とが一つの円柱面（２２ａ）内にあるように設けられてもよい。燃料極（２３）と電解質膜（２４）とインターコネクタ（２７）とは基体管（２１）の薄肉部分（２８）を埋めるように設けられる。
【００２１】
更に、インターコネクタ（３７）の外表面と空気極（３５）の外表面とが一つの円柱面（３２ａ）内にあるように設けられてもよい。この場合、燃料極（３３）と電解質膜（３４）と空気極（３５）とは基体管（３１）の薄肉部分（３８）を埋めるように設けられる。
【００２２】
上記課題を解決するために本発明の固体酸化物型燃料電池の製造方法は、（ａ）〜（ｂ）工程を具備する。（ａ）工程では、円柱面（２ｂ、１２ｂ、２２ｂ、３２ｂ）をなす内壁面を有する基体管材料に、肉厚が厚い厚肉部分と肉厚が薄い薄肉部分とを円柱面（２ｂ、１２ｂ、２２ｂ、３２ｂ）の軸方向にそれぞれ複数交互に並べて設け、複数のその薄肉部分の各々において、外表面に燃料極材料を接合し、その燃料極材料の外表面に電解質材料を接合し、その基体管材料のその厚肉部分にインターコネクタ材料を接合する。（ｂ）工程では、その基体管材料、その燃料極材料、その電解質材料、及び、インターコネクタ材料を焼成する。
【００２３】
上記の固体酸化物型燃料電池の製造方法において、（ａ）工程は、（ａ１）その電解質材料の外表面に空気極材料を接合する工程を含む。（ｂ）工程は、（ｂ１）その基体管材料、その燃料極材料、その電解質材料、及び、インターコネクタ材料に加えてその空気極材料を焼成する工程とを含む。
【００２４】
上記の固体酸化物型燃料電池の製造方法において、（ｄ）焼成されたその電解質材料の外表面に空気極材料を接合する工程と、（ｅ）その空気極を焼成する工程とを更に具備する。
【００２５】
上記の固体酸化物型燃料電池の製造方法において、（ａ）工程は、（ａ２）その基体管材料を円筒型に押し出して第１部分を形成する工程と、（ａ３）その基体材料の外周に燃料極材料が設けられるようにその基体材料とその燃料極材料とを多層の円筒型に押し出して第２部分を形成する工程とを備える。その（ａ２）工程とその（ａ３）工程とは交互に連続して行われる。その第１部分とその第２部分とは同じ外径を有する。
【００２６】
上記の固体酸化物型燃料電池の製造方法において、（ａ）工程は、（ａ４）〜（ａ６）工程を備える。（ａ４）工程では、その基体管材料を円筒型に押し出して第１部分を形成する。（ａ５）工程では、その基体材料の外周にその燃料極材料が設けられるようにその基体材料とその燃料極材料とを多層の円筒型に押し出して第２部分を形成する。（ａ６）工程では、その基体材料の外周にその燃料極材料が設けられ、その燃料極材料の外周にその電解質材料がもうけられるようにその基体材料とその燃料極材料とその電解質材料とを多層の円筒型に押し出して第３部分を形成する。（ａ４）工程、（ａ４）工程及びその（ａ６）とはこの順番に連続して行われる。その第１部分とその第２部分とその第３部分とは同じ外径を有する。
【００２７】
上記の固体酸化物型燃料電池の製造方法において、（ａ）工程は、（ａ７）〜（ａ１０）工程を備える。（ａ７）工程では、その基体管材料を円筒型に押し出して第１部分を形成する。（ａ８）工程では、その基体材料の外周にその燃料極材料が設けられるようにその基体材料とその燃料極材料とを多層の円筒型に押し出して第２部分を形成する。（ａ９）工程では、その基体材料の外周にその燃料極材料が設けられ、その燃料極材料の外周にその電解質材料が設けられるようにその基体材料とその燃料極材料とその電解質材料とを多層の円筒型に押し出して第３部分を形成する。（ａ１０）工程では、その燃料極材料の外周に設けられたその電解質材料と接し、その基体材料の外周にそのインターコネクタ材料が設けられるように、その基体材料とそのインターコネクタ材料とを多層の円筒型に押し出して第４部分を形成する。（ａ７）工程、（ａ８）工程、（ａ９）工程及び（ａ１０）工程とはこの順番に連続して行われる。その第１部分とその第２部分とその第３部分とその第４部分とは同じ外径を有する。
【００２８】
請求項８に記載の固体酸化物型燃料電池の製造方法において、（ａ）工程は、（ａ１１）〜（ａ１５）工程を備える。（ａ１１）工程では、その基体管材料を円筒型に押し出して第１部分を形成する。（ａ１２）工程では、その基体材料の外周にその燃料極材料が設けられるようにその基体材料とその燃料極材料とを多層の円筒型に押し出して第２部分を形成する。（ａ１３）工程では、その基体材料の外周にその燃料極材料が設けられ、その燃料極材料の外周にその電解質材料がもうけられるようにその基体材料とその燃料極材料とその電解質材料とを多層の円筒型に押し出して第３部分を形成する。（ａ１４）工程では、その基体材料の外周にその燃料極材料が設けられ、その燃料極材料の外周にその電解質材料が設けられ、その電解質材料の外周にその空気極材料が設けられるようにその基体材料とその燃料極材料とその電解質材料とその空気極材料とを多層の円筒型に押し出して第４部分を形成する。（ａ１５）工程では、その電解質材料の外周に設けられたその空気極材料と接し、その基体材料の外周にそのインターコネクタ材料が設けられるように、その基体材料とそのインターコネクタ材料とを多層の円筒型に押し出して第５部分を形成する。（ａ１１）工程、（ａ１２）工程、（ａ１３）工程、（ａ１４）工程及び（ａ１５）工程とはこの順番に連続して行われる。その第１部分とその第２部分とその第３部分とその第４部分とその第５部分とは同じ外径を有する。
【００２９】
上記の固体酸化物型燃料電池の製造方法において、（ａ）工程は、（ａ１６）その基体管材料を成形して円筒型を形成する工程と、（ａ１７）その円筒型の所望の箇所の肉厚を薄くしてその薄肉部分を形成する工程とを備える。
【００３０】
上記の固体酸化物型燃料電池の製造方法において、（ａ）工程は、（ａ１８）その燃料極材料を印刷によって接合する工程を含む。
【００３１】
上記の固体酸化物型燃料電池の製造方法において、（ａ）工程は、（ａ１９）膜状に形成されたその燃料極材料を張り付ける工程を含む。
【００３２】
上記課題を解決するために本発明の水電解セルは、基体管（１）と、セル（６）と、インターコネクタ（７）と、他のセル（６）とを具備する。基体管（１）は、円柱面（２ｂ）をなす内壁面を有する筒型で、肉厚が厚い厚肉部分面（９）と厚肉部分（９）より肉厚が薄い薄肉部分（８）とが円柱面（２ｂ）の軸方向に並べて設けられ、厚肉部分（９）を挟んで薄肉部分（８）と隣接する他の薄肉部分（８）を含む。セル（６）は、薄肉部分（８）の外表面に接合された燃料極（３）、燃料極（３）の外表面に接合された電解質膜（４）及び電解質膜（４）の外表面に接合された空気極（５）とを備える。インターコネクタ（７）は、基体管（１）の外表面に接合されている。他のセル（６）は、セル（６）に隣接して設けられ、他の薄肉部分（８）の外表面に接合された他の燃料極（３）、他の燃料極（３）の外表面に接合された他の電解質膜（４）及び他の電解質膜（４）の外表面に接合された他の空気極（５）とを備える。インターコネクタ（７）は燃料極（３）と他の空気極（５）とを電気的に接続する。
【００３３】
上記の水電解セルにおいて、厚肉部分（９）の外表面と燃料極（３）のその外表面とが一つの円柱面（２ａ）内にある。
【発明の効果】
【００３４】
本発明の固体酸化物型燃料電池（及び水電解セル）では、基体管に厚肉部と薄肉部とが設けられ、燃料極がその薄肉部に接合するようにして、燃料電池がその薄肉部を埋めている。そのため、基体管の強度を損なうことなく燃料ガス（生成ガス）の基体管壁中の拡散抵抗を抑えることができる。更に、燃料極を薄肉部分に埋め込むように設けることで、従来の製造方法による燃料極より厚くすることができ、燃料極の電気抵抗を低く抑えることができる。加えて、電解質膜を凹凸のない面に塗布できるため、電解質を均一で薄くでき、電解質の電気抵抗を低く抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下、本発明の固体酸化物型燃料電池及び固体酸化物型燃料電池の製造方法の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。ここでは、固体酸化物型燃料電池について説明するが、反応を逆にすることにより水電解セルに適用することも可能である。
【００３６】
（第１の実施の形態）
まず、本発明の固体酸化物型燃料電池の第１の実施の形態について説明する。
【００３７】
図２は、本発明の第１の実施の形態にかかる固体酸化物型燃料電池１０の断面図である。固体酸化物型燃料電池１０は、基体管１と、基体管１の外表面に設けられた複数のセル６と、隣接するセル６を電気的に直列に接続するインターコネクタ７とを備えている。それぞれのセル６は、燃料極３、電解質膜４及び空気極５を備える。燃料極３、電解質膜４及び空気極５は、この順に積層されている。インターコネクタ７は、一つのセル６の空気極５と他のセル６の燃料極３とを電気的に接続する。
【００３８】
基体管１は、内壁面が円柱面２ｂをなす筒である。その筒の肉厚が厚い厚肉部分９と肉厚が薄い薄肉部分８とが、その円柱面の軸方向に交互に並べて設けられている。厚肉部分９に挟まれた薄肉部分８に形成される溝を埋めるように燃料極３が設けられている。厚肉部分９の外表面と燃料極３の外表面とは、一つの円柱面２ｂをなしている。燃料極３の外表面には、電解質４及び空気極５が、順次層を成すように設けられている。インターコネクタ７は、円柱面２ｂ上に設けられる。
【００３９】
基体管１の主成分は、ＺｒＯ２―ＣａＯ（ＣＳＺ）のようなジルコニア（ＺｒＯ２）系複合酸化物に例示される。厚肉部分９の厚みは、必要な強度に応じて設定される。本実施の形態では、３ｍｍである。薄肉部分８の厚みは、埋め込まれる層の厚みに応じて設定される。本実施の形態の場合、燃料極３が埋め込まれるので、薄肉部分８の厚み＝厚肉部分９の厚み−燃料極３の厚みとなる。燃料極３が１００μｍ〜１．０ｍｍの場合、２．９ｍｍ〜２．０ｍｍとなる。基体管１は、多孔質である。
【００４０】
燃料極３の主成分は、ＮｉＯ−ＹＳＺのような酸化ニッケルと他の金属酸化物の混合物に例示される。燃料極３の厚みは、必要な電気抵抗の大きさに基づいて設定される。電気抵抗の面から１００μｍ以上が好ましく、５００μｍ以上がより好ましい。一方、ガス拡散抵抗の面から１．０ｍｍ以下が好ましい。燃料極３は多孔質である。
【００４１】
電解質膜４の主成分は、ＺｒＯ２―Ｙ２Ｏ３（ＹＳＺ）のようなジルコニア（ＺｒＯ２）系酸化物に例示される。電解質膜の厚みは、薄ければ薄いほどよいが、製造上ピンホールや割れ目が出来難い１０μｍ以上が好ましい。一方、電気抵抗の面から０．２ｍｍ以下が好ましい。より好ましくは０．１ｍｍ以下である。電解質膜４は、緻密膜であり、気体のガスが透過しない。
【００４２】
空気極５の主成分は、ＬａＳｒＭｎＯ３のようなランタンマンガネート（ＬａＭｎＯ３）系酸化物に例示される。空気極５の厚みは、必要な電気抵抗の大きさに基づいて設定される。電気抵抗の面から０．２ｍｍ以上が好ましく、より好ましくは０．３ｍｍ以上である。一方、ガス拡散抵抗の面から２ｍｍ以下が好ましく、より好ましくは１．０ｍｍ以下である。空気極５は多孔質である。
【００４３】
インターコネクタ７の主成分は、チタン酸化物に例示される。インターコネクタ７の厚みは、必要な電気抵抗の大きさに基づい設定される。ガスタイト性及び電気抵抗の面から２０μｍ以上が好ましい。他の層との形状的な関係から、１００μｍ以下が好ましい。基体管１、燃料極３、空気極５は多孔質である。電解質膜４及びインターコネクタ７は、緻密膜であり、気体のガスが透過しない。
【００４４】
次に、本発明の固体電解質型燃料電池の製造方法の第１の実施の形態について説明する。
【００４５】
図６は、本発明の固体電解質型燃料電池の製造方法に用いる押出成形装置である。押出成形装置６０は、押出部Ａ４１、押出部Ｂ４２、混合部４５、整流部４６、成形部Ａ４７、成形部Ｂ４８、軸芯４９及び制御部５５を備える。
【００４６】
押出部Ａ４１は、押出部Ａ４１と混合部４５とを接続する配管４３を介して、基体管材料（スラリー）を混合部４５へ押し出す。押し出し圧力を制御部５５に制御される。押出部Ｂ４２は、押出部Ｂ４２と混合部４５とを接続する配管４４を介して、燃料極材料（スラリー）を混合部４５へ押し出す。押し出し圧力を制御部５５に制御される。
【００４７】
混合部４５は、供給路４５−１と、供給路４５−２とを備える。供給路４５−１は、円筒状である。配管４３から押し出された基体管材料を通過させて、整流部４６へ吐出する。供給路４５−２は、円筒状である。配管４４から押し出された燃料極材料を通過させて、整流部４６へ吐出する。供給路４５−１の基体管材料の流入口と、供給路４５−２の燃料極材料の流入口とは、異なる方向に向いている。しかし、供給路４５−１の吐出口と、供給路４５−２の吐出口とは、軸が一致し、供給路４５−２が供給路４５−１を含むような二重管構造になっている。そして、整流部４６へ吐出される燃料極材料と基体管材料とを２層構造にすることができる。
【００４８】
整流部４６は、混合部４５から押し出されるされる燃料極材料及び基体管材料の流れを整える。成形部Ａ４７及び成形部Ｂ４８は、整流部４６から押し出される燃料極材料及び基体管材料を所望の外径を有する円筒となるように成形する。その際、軸芯４９は、整流部４６から押し出される燃料極材料及び基体管材料を所望の内径を有する円筒となるように成形する。
【００４９】
制御部５５は、基体管材料の外側に周期的に燃料極材料を供給するように、押出部Ａ４１及び押出部Ｂ４２の押し出し圧力を制御する。そのようにすることで、図６に示すような基体管１ａの外側に燃料極３ａを含む円筒管１０ａを成形する。
【００５０】
図７は、整流部４６の構成を示す正面図である。整流部４６は、整流板５０、整流板５１及び枠５２を備える。燃料極材料及び基体管材料は、整流板５１、整流板５２及び枠５２の内壁が形成する隙間４６−１を通ることにより整流され、各材料の密度のムラが解消される。
【００５１】
固体電解質型燃料電池の製造方法について説明する。
【００５２】
図１２は、本発明の固体電解質型燃料電池の製造方法の第１の実施の形態を示すフロー図である。まず、基体管材料を押出部Ａ４１に、燃料極材料を押出部Ｂ４２にそれぞれ導入し、基体管材料及び燃料極材料を混合部４５へ押し出す。混合部４５へ押し出された各材料は、整流部４６で整流、積層されながら、成形部４７へ押し出される。そして、積層された各材料は、軸芯４９の周りを通り、成形部４７及び成形部４８から円筒管１０ａとして押し出される。その後、円筒管１０ａを、乾燥する（ステップＳ０１）。
【００５３】
このとき、制御部５５において、押出部Ｂ４２の押し出し圧力を、押出部Ａ４１の押し出し圧力に対して、相対的に周期的に変動させる。それにより、図６に示すように、基体管１ａの外側に燃料極３ａを含む円筒管１０ａが成形される。すなわち、押出部Ｂ４２の押し出し圧力が、押出部Ａ４１の押し出し圧力に対して相対的に低くなると、厚肉部分９’が形成される。逆に相対的に高くなると、薄肉部分８’が形成される。その圧力を周期的に変動させることで、厚肉部分９’と肉厚が薄い薄肉部分８’とが、その円柱面の軸方向に交互に並び、薄肉部分８’に燃料極３が設けられる。円柱面２ａ’と円柱面２ｂ’とは互いに平行である。
【００５４】
燃料極材料は、円柱面２ａ’の内側に入る。そのため、円柱面２ｂ’から燃料極材料までの距離が、従来の場合と比較して短くなる。それにより、固体酸化物型燃料電池１０完成後の燃料ガスのガス拡散抵抗を低く抑えることができる。加えて、電解質材料、インターコネクタ材料及び空気極材料を塗布する際に影響を及ぼす凸部が円柱面２ａ’上に発生しないので、燃料極材料の厚みをより厚くすることができる。それにより、。固体酸化物型燃料電池１０完成後の燃料極３の電気抵抗を低く抑制することができる。
【００５５】
押出部Ｂ４２の押し出し圧力の大きさ、押出部Ａ４１の押し出し圧力の大きさ、及びそれらの変動の周期については、押出成形装置６０の実際の構成や、各材料の成分や粘度などに基づいて、実験的に決定される。
【００５６】
円筒管１０ａを乾燥後、その円柱面２ａ’に、スクリーン印刷法により電解質材料を塗布し、乾燥する。このとき、電解質材料を印刷する面は凹凸のない円柱面２ａ’であるので、電解質材料を均一に薄く印刷することができる。電解質材料を薄く塗布できるので、固体酸化物型燃料電池１０完成後の電解質４の厚みを薄くすることが可能となる。次いで、厚肉部分１８’の外表面にインターコネクタコネクタ材料を印刷し、乾燥する。インターコネクタ材料は、一方の燃料極材料と少なくとも一部で接触するように印刷される。その後、それらを乾燥する（ステップＳ０２）。
【００５７】
基体管材料と、その外表面に積層された燃料極材料、電解質材料、インターコネクタ材料について、所定の温度で一度に焼結する（ステップＳ０３）。これにより、基体管１、燃料極３、電解質膜４、インターコネクタ７が完成する。次に、電解質膜４の外表面とインターコネクタ７の一部とを覆うように空気極材料を印刷し、乾燥する（ステップＳ０４）。このとき、円柱面２ａ’上には、電解質膜４又はインターコネクタ７の凸部しかないので、その表面は比較的平らである。そのため、所望の範囲外に垂れたり、流れたりすること無く、それらの上に空気極材料を厚く塗ることができる。従って、固体酸化物型燃料電池１０完成後の空気極５の電気抵抗を低く抑えることが可能となる。その後、各材料を塗布された円筒管１０ａを再度所定の温度で焼結する（ステップＳ０５）。これにより、図２に示す固体酸化物型燃料電池１０が完成する。
【００５８】
上述の方法で製造された固体酸化物型燃料電池１０は、下記の動作により発電する。９００〜１０００℃の運転温度のもと、基体管１の内側に炭化水素と水蒸気の混合ガスが導入される。その混合ガスは多孔質である基体管１の薄肉部分８の細孔を通過して燃料極３に達する。その混合ガスは、燃料極３に含まれる活性金属のニッケルによって水蒸気改質され、水素、一酸化炭素、水蒸気が混合した燃料ガスになる。燃料ガスは、燃料極３の細孔を通過して電解質４まで達する。
【００５９】
一方、基体管１の外側には空気が流れる。空気中の酸素は、多孔質である空気極５の細孔を通過して電解質４に達する。酸素は、空気極５においてイオン化されて電解質４中を透過し、燃料極３に達する。燃料極３に達した酸素と燃料ガスとの電気化学的反応によって燃料極３と空気極５との間に電位差が生じ、これを外部に取り出すことによって発電が行われる。
【００６０】
上述の方法によって製造された図２に示す固体酸化物型燃料電池１０によれば、発電の高性能化／高効率化が可能になる。基体管１は、燃料極３と接合している部分が薄肉化されており、基体管１の管壁におけるガス拡散抵抗が低減され、燃料ガスが燃料極３に達しやすくなる。従来の固体酸化物型燃料電池において基体管の肉厚を薄くすると、基体管の機械的強度を損なうため薄肉化は困難であった。本実施の形態では、厚肉部分９と薄肉部分８を設け、薄肉部分８を燃料極３で埋めることにより、機械的強度の保持とガス拡散抵抗の低減とが同時に実現される。
【００６１】
図１の従来の基体管１に燃料極材料を印刷する場合、燃料極材料を多量に塗布すると燃料極材料がだれて厚膜化が困難であった。図２に示す本実施の形態の固体酸化物型燃料電池１０によれば、燃料極材料が厚肉部分９に囲まれた溝の部分に印刷されるので、厚く塗布しても燃料極材料がだれることなく厚さを保って接合されることができる。その結果、燃料極３の電気抵抗が低減される。
【００６２】
更に、厚肉部分９の外表面と燃料極３の外表面とが一つの円柱面２ａをなすので、凹凸のない面に電解質材料を塗布することができる。それにより、従来に比較して薄く電解質膜４を形成することができる。
【００６３】
加えて、空気極材料を凹凸の少ない面に塗布できるので、所望の範囲外に垂れたり、流れたりすること無く、空気極材料を厚く塗ることができる。従って、固体酸化物型燃料電池１０完成後の空気極５の電気抵抗を低く抑えることが可能となる。
【００６４】
本実施の形態の固体酸化物型燃料電池１０は以下の手順によっても製造される。
【００６５】
図１３は、本発明の固体電解質型燃料電池の製造方法の第１の実施の形態の変形例を示すフロー図である。まず、基体管材料を押出成形機により、円筒型の円筒管６１に形成する（ステップＳ１１）。次に、円筒管６１を、乾燥させながら、表面に凹凸を有するように成形する（ステップＳ１２）。図８は、円筒管６１及び円筒管６１を成形する装置の概観図である。円筒型に成形された円筒管６１は、円筒の内側に中子６６が入れられた状態で、近接して平行に設けられ互いに同方向に回転する２本のローラ６７の上に載置され、乾燥される。２本のローラ６７の外表面には、凸部７２と凹部７１とが周期的に設けられている。円筒管６１のうち凸部７２が当接する部分は肉厚が薄くなり薄肉部分６８になり、凹部７１が当接する部分は厚肉部分６９になる。
【００６６】
次に、厚肉部分６９に挟まれた薄肉部分６８に形成される溝を埋めるように燃料極材料を印刷する。図９は、円筒管６１に燃料極材料を印刷する状態を示す断面図である。燃料極材料供給口７３から供給される燃料極材料６３ａは、厚肉部分６９に挟まれた薄肉部分６８に形成される溝に印刷され、乾燥される。燃料極６３の厚さは、厚肉部分６９と薄肉部分６８との肉厚差分になり、厚肉部分６９の外表面と燃料極６３の外表面とは一つの円柱面６２ａをなす。円筒管６１の内側の円柱面６２ｂと円柱面６２ａとは平行である。
【００６７】
更に、燃料極６３の外表面に電解質材料を印刷し、乾燥する。次いで、厚肉部分６９の外表面にインターコネクタコネクタ材料を印刷し、乾燥する（ステップＳ１３）。インターコネクタ材料は、一方の燃料極６３と少なくとも一部で接触するように印刷される。
【００６８】
基体管材料と、その外表面に積層された燃料極材料、電解質材料、インターコネクタ材料について、所定の温度で一度に焼結する（ステップＳ１４）。これにより、基体管１、燃料極３、電解質膜４、インターコネクタ７が完成する。次に、電解質膜４の外表面とインターコネクタ７の一部とを覆うように空気極材料を印刷し、乾燥する（ステップＳ１５）。その後、再度所定の温度で焼結する（ステップＳ１６）。これにより、図２に示す固体酸化物型燃料電池１０が完成する。
【００６９】
この場合にも、図１３で説明した場合と同様の効果を得ることができる。
【００７０】
本実施の形態の固体酸化物型燃料電池１０の製造方法において、印刷に替えて、燃料極材料、電解質材料、インターコネクタ材及び空気極材料を張り付けによって接合させることもできる。
【００７１】
図１４は、本発明の固体電解質型燃料電池の製造方法の第１の実施の形態の他の変形例を示すフロー図である。ステップＳ２１及びステップＳ２２は、ステップＳ１１及びステップＳ１２と同じである。
【００７２】
次に、厚肉部分６９に挟まれた薄肉部分６８に形成される溝を埋めるように燃料極材料を張り付ける（ステップＳ２３）。図１０は、円筒管６１に燃料極材料７６を張り付ける状態を示す断面図である。膜状に形成された燃料極材料７６を円筒管６１の薄肉部分６８内に張り付け、圧着ローラ７４（７４ａ及び７４ｂ）により圧着する。図１１は、図１０のＤＤ’断面図である。圧着ローラ７４は、円筒管６１の外周を囲むように燃料極材料７６を張り付ける。
【００７３】
その後のステップＳ２４〜ステップＳ２７は、ステップＳ１３〜ステップＳ１６と同様である。これにより、図２に示す固体酸化物型燃料電池１０が完成する。
【００７４】
この場合にも、図１３で説明した場合と同様の効果を得ることができる。
【００７５】
（第２の実施の形態）
次に、本発明の固体酸化物型燃料電池の第２の実施の形態について説明する。本実施の形態の固体酸化物型燃料電池２０は、基体管１１の厚肉部分１９に挟まれた薄肉部分１８に形成される溝に燃料極１３及び電解質１４が接合されるものである。
【００７６】
図３は、本発明の第２の実施の形態にかかる固体酸化物型燃料電池２０の断面図である。固体酸化物型燃料電池２０において、基体管１１は第１の実施の形態における基体管１と同一である。基体管１１の外表面に設けられた複数のセル１６と、隣接するセル１６を電気的に接続するインターコネクタ１７とは第１の実施の形態におけるセル６あるいはインターコネクタ７と同じ作用をする。
【００７７】
本実施の形態の固体酸化物型燃料電池２０は、燃料極１３及び電解質膜１４１が厚肉部分１９に挟まれた薄肉部分１７に形成される溝を埋めるように設けられている点で第１の実施の形態と異なる。厚肉部分１９の外表面と電解質膜１４の外表面とが一つの円柱面１２ａ内にある。円柱面１２ａと円柱面１２ｂとは平行である。電解質膜１４の外表面には、空気極１５が層を成すように設けられている。厚肉部分１９の外表面にはインターコネクタ１７が接合している。
【００７８】
上述の固体酸化物型燃料電池２０は、第１の実施の形態と同様の方法で製造することができる。すなわち、図６の押出成形装置を用いる場合、混合部４５の供給路４５を供給口を３箇所、吐出口を三重管構造とする。そして制御部５５で、燃料極材料と電解質材料の周期を少しずらすなど、それぞれの押出し圧力を適切に制御することにより、基体管１１と燃料極１３と電解質膜１４とで形成される円筒管が成形される（図１２：ステップＳ０１）。その後、インターコネクタ材料を所定の位置に塗布、乾燥した（ステップＳ０２）後、全体を焼成する（ステップＳ０３）。その後、空気極材料を所定の位置に塗布、乾燥した（ステップＳ０４）後、全体を焼成する（ステップＳ０５）ことで、図３の固体酸化物型燃料電池２０を得られる。
【００７９】
図８及び図９で説明した方法を用いる場合、押出成形した（図１３：ステップＳ１１）基体管１１を成形して厚肉部分１９と薄肉部分１８とを形成する（ステップＳ１２）。次に、薄肉部分１８に、燃料極材料を塗布、乾燥する。このとき、薄肉部分１８の溝を完全に埋めないようにする。その後、電解質材料を少しずらして塗布、乾燥し、薄肉部分１８の溝を完全に埋める。続いて、インターコネクタ材料を所定の位置に塗布、乾燥し（ステップＳ１３）、全体を焼成する（ステップＳ１４）。その後、空気極材料を所定の位置に塗布、乾燥した（ステップＳ１５）後、全体を焼成する（ステップＳ１６）ことで、図３の固体酸化物型燃料電池２０を得られる。
【００８０】
本実施の形態にかかる固体酸化物型燃料電池２０は第１の実施の形態と同様の動作によって発電する。
【００８１】
本実施形態にかかる固体酸化物型燃料電池２０によれば、発電の高効率化が可能になる。基体管１１は、燃料極１３と接合している部分が薄肉化されており、基体管１１の管壁におけるガス拡散抵抗が低減され燃料ガスが燃料極１３に達しやすくなる。従来の固体酸化物型燃料電池において基体管の肉厚を薄くすることは、基体管の機械的強度を損なうため薄肉化は困難であった。本実施の形態では、厚肉部分１９と薄肉部分１８を設け、薄肉部分１８を燃料極１３及び電解質膜１４で埋めることにより、機械的強度の保持とガス拡散抵抗の低減とが同時に実現される。
【００８２】
図１の従来の基体管１に燃料極材料を印刷する場合、燃料極材料を多量に塗布すると燃料極材料がだれて厚膜化が困難であった。図３に示す本実施の形態の固体酸化物型燃料電池２０によれば、燃料極材料が厚肉部分１９に囲まれた溝の部分に印刷されるので、厚く塗布しても燃料極材料がだれることなく厚さを保って接合されることができる。その結果、燃料極１３の電気抵抗が低減される。
【００８３】
更に、燃料極１３の厚みを調節することで、電解質材料が厚肉部分１９に囲まれた溝の部分（底は燃料極１３）に印刷されるので、薄く塗布しても電解質材料が周囲にだれることが無く、ピンホールやクラックの無い薄い電解質膜４を得ることができる。その結果、電解質膜４の内部抵抗を低くすることができる。
【００８４】
更に、厚肉部分１９の外表面と燃料極３の外表面とが一つの円柱面２ａをなすので、凹凸のない面に電解質材料を塗布することができる。それにより、従来に比較して薄く電解質膜４を形成することができる。
【００８５】
加えて、空気極材料を凹凸の少ない面に塗布できるので、所望の範囲外に垂れたり、流れたりすること無く、空気極材料を厚く塗ることができる。従って、固体酸化物型燃料電池２０完成後の空気極１５の電気抵抗を低く抑えることが可能となる。
【００８６】
（第３の実施の形態）
次に、本発明の固体酸化物型燃料電池の第３の実施の形態について説明する。本実施の形態の固体酸化物型燃料電池３０は、基体管２１の厚肉部分２９に挟まれた薄肉部分２８に形成される溝に燃料極２３、電解質２４及びインターコネクタ２７が接合されるものである。
【００８７】
図４は、本発明の第３の実施の形態にかかる固体酸化物型燃料電池３０の断面図である。固体酸化物型燃料電池３０は、基体管２１と、基体管２１の外表面に設けられた複数のセル２６と、隣接するセル２６を電気的に接続するインターコネクタ２７とを備えている。基体管２１は、厚肉部分２９と厚肉部分２９より肉厚の薄い薄肉部分２８とを交互に備えている。セル２６と、隣接するセル２６を電気的に接続するインターコネクタ２７とは他の実施の形態におけるセルあるいはインターコネクタと同じ作用をする。
【００８８】
固体酸化物型燃料電池３０において、燃料極２３及び電解質膜２４は厚肉部分２９に挟まれた薄肉部分２８に形成される溝に接合される。インターコネクタ２７は厚肉部分２９の外表面に接合する。インターコネクタ２７の外表面と電解質膜２４の外表面とが一つの円柱面内にあるように接合される。本実施の形態の固体酸化物型燃料電池３０は、電解質２３の外表面とインターコネクタ２７の外表面とが一つの円柱面２２ａ内にある点で第１及び第２の実施の形態と異なる。円柱面２２ａと円柱面２２ｂとは平行である。電解質膜２４の外表面には空気極２５が、一方のインターコネクタ２７と接するように設けられている。
【００８９】
上述の固体酸化物型燃料電池３０は、第１の実施の形態と同様の方法で製造することができる。すなわち、図６の押出成形装置を用いる場合、混合部４５の供給路４５を供給口を４箇所、吐出口を四重管構造とする。そして制御部５５で、燃料極材料と電解質材料とインターコネクタ材との周期を少しずらすなど、それぞれの押出し圧力を適切に制御することにより、基体管１１と燃料極２３と電解質膜２４とインターコネクタ２７で形成される円筒管が成形される（図１２：ステップＳ０１）。その後、空気極材料を所定の位置に塗布、乾燥した（ステップＳ０２）後、全体を焼成する（ステップＳ０３）。なお、図１２のステップにおいては、ステップＳ０４及びステップＳ０５は行わない。この方法で、図４の固体酸化物型燃料電池２０を得られる。
【００９０】
上述の固体酸化物型燃料電池３０は、図８及び図９で説明した方法によっても製造される。押出成形した（図１３：ステップＳ１１）基体管２１を成形して厚肉部分２９と薄肉部分２８とを形成する（ステップＳ１２）。次に、薄肉部分２８に、燃料極材料を塗布、乾燥する。このとき、薄肉部分２８の溝を完全に埋めないようにする。その後、電解質材料を少しずらして塗布、乾燥しする。更に、インターコネクタ材料を電解質材料と隣の燃料極材料との間に塗布し、乾燥する（ステップＳ１３）。このように薄肉部分２８の溝を完全に埋めた後、全体を焼成する（ステップＳ１４）。その後、空気極材料を所定の位置に塗布、乾燥した（ステップＳ１５）後、全体を焼成する（ステップＳ１６）ことで、図４の固体酸化物型燃料電池３０を得られる。
【００９１】
本実施の形態にかかる固体酸化物型燃料電池３０は第１の実施の形態と同様の動作によって発電する。
【００９２】
本実施の形態にかかる固体酸化物型燃料電池３０によれば、第２の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００９３】
（第４の実施の形態）
次に、本発明の固体酸化物型燃料電池の第４の実施の形態について説明する。本実施の形態の固体酸化物型燃料電池４０は、基体管３１の厚肉部分３９に挟まれた薄肉部分３８に形成される溝に燃料極３３、電解質３４及びインターコネクタ３７が接合されるものである。
【００９４】
図５は、本発明の第４の実施の形態にかかる固体酸化物型燃料電池４０の断面図である。固体酸化物型燃料電池４０において、基体管３１には厚肉部分３９と厚肉部分３９より肉厚の薄い薄肉部分３８とが設けられている。基体管３１の外表面に設けられた複数のセル３６と、隣接するセル３６を電気的に接続するインターコネクタ３７とは他の実施の形態におけるセルあるいはインターコネクタと同じ作用をする。
【００９５】
本実施の形態の固体酸化物型燃料電池４０において、燃料極３３と電解質膜３４とは厚肉部分３９で挟まれた薄肉部分３８に形成される溝に接合されている。電解質膜３４の外側には空気極３５が設けられている。インターコネクタ３７は厚肉部分３９の外表面に設けられる。空気極３５の外表面とインターコネクタ３７の外表面とは一つの円柱面３２ａ内にある点で第１、第２及び第３の実施の形態と異なる。円柱面３２ａと円柱面３２ｂとは平行である。
【００９６】
次に、本発明の固体電解質型燃料電池の製造方法について説明する。
図１５は、本発明の固体電解質型燃料電池の製造方法に用いる押出成形装置の一部を示す図である。すなわち、図６に示す押出成形装置６０のうちの整流部４６、成形部Ａ４７、成形部Ｂ４８、軸芯４９を除く部分を示し、押出部Ａ４１、押出部Ｂ４２、混合部４５（４５−１〜４５−５）、押出部Ｃ８１、押出部Ｄ８３、押出部Ｅ８５、及び制御部５５を備える。
【００９７】
押出部Ｅ８５は、押出部Ｅ８５と混合部４５とを接続する配管８６を介して、基体管材料（スラリー）を混合部４５へ押し出す。押し出し圧力を制御部５５に制御される。
押出部Ｄ８３は、押出部Ｄ８３と混合部４５とを接続する配管８４を介して、燃料極材料（スラリー）を混合部４５へ押し出す。押し出し圧力を制御部５５に制御される。
押出部Ｃ８１は、押出部Ｃ８１と混合部４５とを接続する配管８２を介して、電解質材料（スラリー）を混合部４５へ押し出す。押し出し圧力を制御部５５に制御される。
押出部Ａ４１は、押出部Ａ４１と混合部４５とを接続する配管４３を介して、インターコネクタ材料（スラリー）を混合部４５へ押し出す。押し出し圧力を制御部５５に制御される。
押出部Ｂ４２は、押出部Ｂ４２と混合部４５とを接続する配管４４を介して、空気極材料（スラリー）を混合部４５へ押し出す。押し出し圧力を制御部５５に制御される。
【００９８】
混合部４５は、円筒状の供給路４５−１、供給路４５−２、供給路４５−３、供給路４５−４及び供給路４５−５を備える。供給路４５−５は、配管８６から押し出された基体管材料を通過させて、整流部４６へ吐出する。供給路４５−４は、配管８４から押し出された燃料極材料を通過させて、整流部４６へ吐出する。供給路４５−３は、配管８２から押し出された電解質材料を通過させて、整流部４６へ吐出する。供給路４５−１は、配管４３から押し出されたインターコネクタ材料を通過させて、整流部４６へ吐出する。供給路４５−２は、配管４４から押し出された空気極材料を通過させて、整流部４６へ吐出する。各供給路の各材料の流入口は、互いに異なる。しかし、各供給路の吐出口は、軸が一致し、五重管構造になっている。そして、整流部４６へ吐出される。
【００９９】
整流部４６、成形部Ａ４７、成形部Ｂ４８及び軸芯４９は、図６において説明した通りである。
【０１００】
制御部５５は、基体管材料の外側に周期的に燃料極材料、電解質材料、インターコネクタ材料、空気極材料をそれぞれ供給するように、押出部Ａ４１、押出部Ｂ４２、押出部Ｃ８１、押出部Ｄ８３、及び押出部Ｅ８５の押し出し圧力を制御する。そのようにすることで、図５に示す固体酸化物型燃料電池４０のような４層５種膜の構造を成形することができる。
【０１０１】
この装置を用いれば、第２及び第３の実施の形態の固体酸化物型燃料電池２０及び３０についても製造することができる。
【０１０２】
固体電解質型燃料電池の製造方法について説明する。
【０１０３】
まず、基体管材料を押出部Ｅ８５に、燃料極材料を押出部Ｄ８３に、電解質材料を押出部Ｃ８１に、インターコネクタ材料を押出部Ａ４１に、空気極材料を押出部Ｂ４２にそれぞれ導入し、基体管材料、燃料極材料、電解質材料、インターコネクタ材料及び空気極材料を混合部４５へ押し出す。混合部４５へ押し出された各材料は、整流部４６で整流、積層されながら、成形部４７へ押し出される。そして、積層された各材料は、軸芯４９の周りを通り、成形部４７及び成形部４８から円筒管として押し出される。その後、円筒管を、乾燥する。
【０１０４】
このとき、制御部５５において、押出部Ａ４１、押出部Ｂ４２、押出部Ｃ８１、押出部Ｄ８３及び押出部Ｅ８５の押し出し圧力を、相対的に適切に周期的に変動させる。それにより、図５に示すような、基体管の外側に燃料極、電解質膜、インターコネクタ及び空気極を含む円筒管が成形される。押出された円筒管の外側の円柱面と内側の円柱面２とは互いに平行である。
【０１０５】
押出部Ａ４１、押出部Ｂ４２、押出部Ｃ８１、押出部Ｄ８３及び押出部Ｅ８５の押し出し圧力の大きさ、及びそれらの変動の周期については、押出成形装置６０の実際の構成や、各材料の成分や粘度などに基づいて、実験的に決定される。
【０１０６】
円筒管を乾燥後、所定の温度で一度に焼結するこれにより、基体管３１、燃料極３３、電解質膜３４、インターコネクタ３７、空気極３５が一度に完成する。すなわち、図５に示す固体酸化物型燃料電池４０が完成する。
【０１０７】
上述の固体酸化物型燃料電池４０は、図８及び図９で説明した方法によっても製造される。押出成形した（図１３：ステップＳ１１）基体管３１を成形して厚肉部分３９と薄肉部分３８とを形成する（ステップＳ１２）。次に、薄肉部分３８に、燃料極材料を塗布、乾燥する。このとき、薄肉部分３８の溝を完全に埋めないようにする。その後、電解質材料を少しずらして塗布、乾燥しする。更に、インターコネクタ材料を電解質材料と隣の燃料極材料との間に塗布し、乾燥する（ステップＳ１３）。この段階でも、薄肉部分３８の溝を完全に埋めず、空気極３５の厚み分を残すようにする。全体を焼成する（ステップＳ１４）。その後、空気極材料を所定の位置に塗布し、薄肉部分２８の溝を完全に埋めた後、乾燥する（ステップＳ１５）。その後、全体を焼成する（ステップＳ１６）ことで、図５の固体酸化物型燃料電池４０を得られる。
【０１０８】
本実施の形態にかかる固体酸化物型燃料電池４０は第１の実施の形態と同様の動作によって発電する。
【０１０９】
本実施の形態にかかる固体酸化物型燃料電池４０によれば、第３の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【０１１０】
本実施の形態にかかる固体酸化物型燃料電池４０によれば、燃料電池が円柱面３２ａの外側に飛び出していないため、固体酸化物型燃料電池４０を複数並べたモジュールを製造する場合、その充填率を上げることができる。それにより、モジュールの単位体積あたりの発電効率を向上させることが可能となる。
【０１１１】
本発明の固体酸化物型燃料電池（１０〜４０）は、逆の反応を行わせることで、水を電気分解し水素を製造する水電解セルとして用いることができる。すなわち、所定の温度（例示：９００℃〜１０００℃）において、空気極側に水蒸気を供給し、燃料極と空気極との間に電力を供給することにより、空気極の水蒸気が電気分解して、空気極側に酸素が、燃料極側に水素がそれぞれ発生する。従って、本発明の固体酸化物型燃料電池（１０〜４０）は、本発明の水電解セルとして用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１１２】
【図１】図１は、従来の固体酸化物型燃料電池の断面図である。
【図２】図２は、本発明の第１の実施の形態にかかる固体酸化物型燃料電池の断面図である。
【図３】図３は、本発明の第２の実施の形態にかかる固体酸化物型燃料電池の断面図である。
【図４】図４は、本発明の第３の実施の形態にかかる固体酸化物型燃料電池の断面図である。
【図５】図５は、本発明の第４の実施の形態にかかる固体酸化物型燃料電池の断面図である。
【図６】図６は、本発明の固体電解質型燃料電池の製造方法に用いる押出成形装置である。
【図７】図７は、整流部の構成を示す正面図である。
【図８】図８は、円筒管及び円筒管を成形する装置の概観図である。
【図９】図９は、円筒管に燃料極材料を印刷する状態を示す断面図である。
【図１０】図１０は、円筒管に燃料極材料を張り付ける状態を示す断面図である。
【図１１】図１１は、図１０のＤＤ’断面図である。
【図１２】図１２は、本発明の固体電解質型燃料電池の製造方法の第１の実施の形態を示すフロー図である。
【図１３】図１３は、本発明の固体電解質型燃料電池の製造方法の第１の実施の形態の変形例を示すフロー図である。
【図１４】図１４は、本発明の固体電解質型燃料電池の製造方法の第１の実施の形態の他の変形例を示すフロー図である。
【図１５】図１５は、本発明の固体電解質型燃料電池の製造方法に用いる押出成形装置の一部を示す図である。
【符号の説明】
【０１１３】
１、１１、２１、３１、１０１    基体管
２ａ（’）、１２ａ、２２ａ、３２ａ、６２ａ、２ｂ（’）、１２ｂ、２２ｂ、３２ｂ、６２ｂ、１０２    円柱面
３（ａ）、１３、２３、３３、６３、１０３    燃料極
４、１４、２４、３４、１０４    電解質
５、１５、２５、３５、１０５    空気極
６、１６、２６、３６、１０６    セル
７、１７、２７、３７、１０７    インターコネクタ
８（’）、１８、２８、３８、６８    薄肉部分
９（’）、１９、２９、３９、６９    厚肉部分
１０、２０、３０、４０、１００    固体酸化物型燃料電池
１０ａ、６１    円筒管
４１    押出部Ａ
４２    押出部Ｂ
４３、４４、８２、８４、８６    配管
４５    混合部
４５−１、４５−２、４５−３、４５−４、４５−５    供給路
４６    整流部
４６−１    隙間
４７    成形部Ａ
４８    成形部Ｂ
４９    軸芯
５０    整流板
５１    整流板
５２    枠
６３ａ、７６    燃料極材料
６６    中子
６７    ローラ
７１    凹部
７２    凸部
７３    燃料極材料供給口
７４、７４ａ、７４ｂ    圧着ローラ
８１    押出部Ｃ
８３    押出部Ｄ
８５    押出部Ｅ
【図１】
0004718772.tif 000002
【図２】
0004718772.tif 000003
【図３】
0004718772.tif 000004
【図４】
0004718772.tif 000005
【図５】
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【図６】
0004718772.tif 000007
【図７】
0004718772.tif 000008
【図８】
0004718772.tif 000009
【図９】
0004718772.tif 000010
【図１０】
0004718772.tif 000011
【図１１】
0004718772.tif 000012
【図１２】
0004718772.tif 000013
【図１３】
0004718772.tif 000014
【図１４】
0004718772.tif 000015
【図１５】
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