(57)【要約】  【課題】  一枚の電解質板で高い電圧を実現可能な固体酸化物形燃料電池を提供する。  【解決手段】  本発明に係る固体酸化物形燃料電池は、板状に形成された電解質１と、この電解質１上に形成され燃料極３及び空気極５からなる複数の電極体Ｅと、電極体Ｅ間を接続するインターコネクタ７とを備え、各電極体Ｅを構成する電極３，５は、電解質１の一方面及び他方面で当該電解質を挟むように対向配置されており、インターコネクタ７は、電解質１の一方面及び他方面の少なくとも一方の面において、異なる電極体Ｅの電極を接続している。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状に形成された電解質と、
当該電解質上に形成され燃料極及び空気極からなる複数の電極体と、
前記電極体間を接続するインターコネクタとを備え、
前記各電極体を構成する電極は、前記電解質の一方面及び他方面で当該電解質を挟むように対向配置されており、
前記インターコネクタは、前記電解質の一方面及び他方面の少なくとも一方の面において、異なる電極体の電極を接続する、固体酸化物形燃料電池。
【請求項２】
前記異なる電極体において接続される電極は、燃料極及び空気極である、請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項３】
前記電解質の一方面及び他方面には、異なる電極体の燃料極及び空気極が交互に隣接して配置されている、請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項４】
前記電解質の一方面及び他方面において、前記電極を収容する空間を形成するとともに、前記燃料極及び空気極の間を仕切る隔壁部材をさらに備え、
前記燃料極を収容する空間に燃料ガスが供給される一方、前記空気極を収容する空間に酸化剤ガスが供給される請求項１から３のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体電解質を用いた固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、固体酸化物形燃料電池のセルデザインとして、平板型（スタック型）、円筒型（チューブ型）などが提案されている。
【０００３】
平板型セルは、板状の電解質の表面及び裏面に燃料極及び空気極をそれぞれ配置したものであり、こうして形成されたセルはセパレーターを介して複数個積層された状態で使用される。セパレーターは各セルに供給される燃料ガスと酸化剤ガスとを完全に分離する役割を果たしており、各セルとセパレーターとの間にはガスシールが施されている（例えば、特許文献１）。一方、円筒型セルは、円筒形の電解質の外周面及び内周面に燃料極及び空気極をそれぞれ配置したものであり、円筒縦縞型、円筒横縞型などが提案されている（例えば、特許文献２）。ところが、円筒型セルは、ガスシール性に優れるという利点を有する一方、平板型セルに比べて構造が複雑であるため、製造プロセスが複雑になり、製造コストが高くなるという欠点がある。
【特許文献１】特開平５−３０４５号公報（第１頁、第６図）
【特許文献２】特開平５−９４８３０号公報（第１頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のように平板型セルは、複数のセルを積層することで構成されているが、積層時には、セルに対して圧力をかけてガスシールを施すため、セルが振動や熱サイクルなどに対して脆弱であるなどの欠点があり、実用化に大きな課題を有している。また、高出力を得るためには積層するセルの数を増やす必要があるが、セルの数が多くなると、かさ高になり、電池が大型化するという問題があった。
【０００５】
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、一定面積の電解質上でより高い電圧を得ることができる固体酸化物形燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る固体酸化物形燃料電池は、上記問題を解決するためになされたものであり、板状に形成された電解質と、当該電解質上に形成され燃料極及び空気極からなる複数の電極体と、前記電極体間を接続するインターコネクタとを備え、前記各電極体を構成する電極は、前記電解質の一方面及び他方面で当該電解質を挟むように対向配置されており、前記インターコネクタは、前記電解質の一方面及び他方面の少なくとも一方の面において、異なる電極体の電極を接続している。
【０００７】
この構成によれば、燃料極及び空気極で電極体を挟むことによって単電池セルを構成するとともに、このような燃料極及び空気極を電解質の一方面及び他方面に複数配置している。すなわち、単電池セルを積層することなく、平面上に複数個の燃料極及び空気極を設けている。そのため、電池をコンパクトにしたままで、電極体の集積度を向上することができ、その結果、高い電圧を得ることができる。また、複数の電極体は、従来例のようにセパレータを使用して接続するのではなく、電解質上に配置されるインターコネクタによって接続している。したがって、従来問題であったガスシールが不要になるため、高い耐久性を得ることができる。
【０００８】
上記燃料電池において、異なる電極体の燃料極と空気極とを接続すれば、複数の電極体を直列に接続することができる。或いは、同極同士を接続すれば、並列に接続することができる。
【０００９】
上記燃料電池において、電解質の一方面及び他方面には、異なる電極体の燃料極及び空気極が混在して配置されるが、これら燃料極及び空気極を交互に隣接して配置すると、インターコネクタを短くすることができ、装置コストを低減することができる。また、これに起因してインターコネクタの内部抵抗も低減できるため、出力の低下を防止することもできる。
【００１０】
ところで、上記燃料電池では、電解質の各面に燃料極と空気極とが混在して配置されているため、発電を行う際には、電解質の各面に燃料ガスと酸化剤ガスとの混合ガスを供給する必要がある。ここで、電解質の一方面及び他方面において、各電極を収容する空間を形成するとともに、燃料極及び空気極の間を仕切る隔壁部材を設けることもできる。このようにすると、燃料極を収容する空間に燃料ガスを供給する一方、空気極を収容する空間に酸化剤ガスを供給することができるため、混合ガスを供給する場合に比べ、発電効率を向上することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る固形酸化物形燃料電池によれば、一定面積の電解質上で、より高い電圧を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明に係る固体酸化物形燃料電池の一実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１は本実施形態に係る燃料電池の平面図（ａ）及びそのＡ−Ａ線断面図（ｂ）である。
【００１３】
図１に示すように、この燃料電池は、板状の電解質１と、この電解質１の一方面及び他方面に配置された計３個の電極体、つまり第１，第２及び第３電極体Ｅ1〜Ｅ3とを備えている。各電極体Ｅ1〜Ｅ3は、電解質１を挟んで対向配置された燃料極３及び空気極５で構成されている。燃料極３及び空気極５はともに帯状に形成され、第１及び第３電極体Ｅ1、Ｅ3の燃料極３は、電解質１の一方面（図１（ｂ）の上面）に配置されるとともに、第２電極体Ｅ2の燃料極３は電解質１の他方面（図１（ｂ）の下面）に配置されている。そして、各電極体Ｅ1〜Ｅ3の空気極５は燃料極３とは反対側の面に配置されている。すなわち、本実施形態では、電解質１の一方面及び他方面に燃料極３と空気極５とが混在した状態で平行に並んでいる。
【００１４】
また、これら電極体Ｅ1〜Ｅ3は、インターコネクタ７によって直列に接続されている。より詳細に説明すると、第１電極体Ｅ1の燃料極３と第２電極体Ｅ2の空気極５とが、電解質１の一方面に配置されたインターコネクタ７によって接続されている。また、第２電極体Ｅ2の燃料極３と第３電極体Ｅ3の空気極５とは、電解質１の他方面に配置されたインターコネクタ７によって接続されている。なお、図示を省略するが、直列に接続された電極体Ｅ1〜Ｅ3の両端、つまり第１電極体Ｅ1の燃料極３及び第３電極体Ｅ3の空気極５には、電流を取り出すための集電体を設けることができる。この場合、集電体は電極の端部に設けることもできるし電極の上面全体に設けることもできる。
【００１５】
次に、各電極の寸法について説明する。電解質１の厚みは、１００〜５０００μｍであることが好ましい。この範囲以外にすることもできるが、電解質１の厚みが薄すぎると基板として用いる電解質の強度が弱くなるという問題がある一方、電解質１の厚みが厚すぎると燃料極３と空気極５との間隔が大きくなりすぎて出力が低下するという問題がある。
【００１６】
また、燃料極３の膜厚は、１〜３００μｍ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。これは、膜厚が小さすぎると三相界面長の低下により出力が低くなるからであり、膜厚が大きすぎると反応ガスの拡散不足による過電圧が増大しやすくなるため、膜厚が大きくなっても、それに応じた出力が得られないからである。つまり、コストパフォーマンスが低くなるからである。また、電極のオーム損も一因である。一方、空気極５の膜厚も、同様に、１〜３００μｍ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。その理由は、燃料極の場合と同様である。
【００１７】
また、後述するように、燃料極３をセリア系酸化物を有する材料、空気極５をサマリウム（Ｓｍ）をベースとしてコバルトを含んだ材料、そして電解質１をガドリニウムをドープしたセリア系酸化物（ＧＤＣ）からなる材料で形成した場合には、両電極３，５の膜厚は１０〜５０μｍとすることが好ましい。
【００１８】
次に、上記のように構成された燃料電池の材質について説明する。電解質１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（Ｃｅ，Ｓｍ）Ｏ3，（Ｃｅ，Ｇｄ）Ｏ3等のセリア系酸化物，（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｇａ，Ｍｇ）Ｏ3等のランタン・ガレード系酸化物，スカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ），イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等の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系材料を用いることができる。電解質１は、基板として用いられるため、ある程度の強度が必要であることから、その厚みは、例えば２００〜１０００μｍであることが好ましい。
【００１９】
燃料極３及び空気極５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。
【００２０】
燃料極３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（Ｃｅ，Ｓｍ）Ｏ3，（Ｃｅ，Ｇｄ）Ｏ3などのセリア系酸化物、スカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）やイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）などのジルコニア系酸化物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（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｇａ，Ｍｇ）Ｏ3などの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５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。また、燃料極５は、金属触媒を単体で用いて構成することもできる。
【００２１】
空気極５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で形成することができる。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などを挙げることができる。これらセラミックス粉末は、１種を単独で使用することもできるし、２種以上を混合して使用することもできる。なお、コバルトを含有するペロブスカイト型金属酸化物で空気極５を形成すると、電子伝導性及びイオン伝導性がともに向上されるため、好ましい。
【００２２】
また、インターコネクタ７及び集電体は、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。
【００２３】
上記燃料極３、及び空気極５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、インターコネクタ７及び集電体も、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。なお、集電体は導電性金属、或いは金属系材料からなるワイヤーやメッシュ状のもの等から形成されていてもよい。
【００２４】
次に、上述した燃料電池の製造方法の一例を図２を参照しつつ説明する。まず、上述した材料からなる板状の電解質１を準備する。続いて、上述した燃料極３、及び空気極５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、燃料極ペースト、空気極ペーストをそれぞれ作成する。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ー樹脂等の添加物を加えて作成しておく。このペーストの粘度は上述した燃料極ペースト等と同じである。
【００２５】
次に、電解質１の一方面の２箇所に、第１及び第３電極体Ｅ1、Ｅ3に対応する燃料極ペーストをスクリーン印刷法により帯状に塗布し、乾燥する（図２（ａ））。続いて、電解質１を反転して他方面を上方に向けた後、先に塗布した２つの燃料極ペーストの中間の対応する他方面の位置に、第２電極体Ｅ2用の燃料極ペーストをスクリーン印刷により同様に帯状に塗布し、乾燥する（図２（ｂ））。そして、これら燃料極ペーストを所定の時間及び温度で焼結し、３つの燃料極３を形成する。次に、電解質１の他方面において、燃料極３を挟む２つの位置に、空気極ペーストを帯状に塗布し、乾燥する（図２（ｃ））。続いて、電解質１を反転して一方面を上方に向けた後、２つの燃料極３の間に、空気極ペーストをスクリーン印刷により同様に帯状に塗布し、乾燥する（図２（ｄ））。そして、これら空気極ペーストを、所定の時間及び温度で焼結し、３つの空気極５を形成する。
【００２６】
続いて、電解質１の一方面で、第１電極体Ｅ1の空気極５と第２電極体Ｅ2の燃料極３とを結ぶように、インターコネクタ用ペーストを線状に塗布し、所定の温度で乾燥することでインターコネクタ７を形成する（図２（ｅ））。最後に、電解質１を再び反転させて他方面を上方に向けた後、第２電極体Ｅ2の空気極５と第３電極体Ｅ3の燃料極３とを結ぶように、インターコネクタ用ペーストを線状に塗布し、所定の温度で乾燥することでインターコネクタ７を形成する（図２（ｆ））。以上の工程により、図１に示すような、３つの電極体Ｅ1〜Ｅ3が直列に接続された燃料電池が作成される。
【００２７】
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。すなわち、電解質１の一方面及び他方面それぞれに、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。これにより、図１（ｂ）に示すように、各電極体Ｅにおける燃料極３と空気極５との間の電解質１で酸素イオン（Ｏ2-）伝導が起こり発電が行われる。
【００２８】
以上のように、本実施形態によれば、燃料極３及び空気極５で電解質を挟むことによって単電池セルを構成するとともに、このような燃料極３及び空気極５を電解質１の一方面及び他方面に複数配置している。すなわち、単電池セルを積層することなく、平面上に複数の単電池セルを配置することで、燃料電池を構成している。そのため、電池をコンパクトにしたままで、電極体Ｅの集積度を向上することができ、その結果、高い電圧を得ることができる。また、複数の電極体Ｅは、従来例のようにセパレータを使用して接続するのではなく、電解質１上にインターコネクタ７を接続している。したがって、従来問題であったガスシールが不要になるため、高い耐久性を得ることができる。
【００２９】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、そ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、上記実施形態では、燃料ガス及び酸化剤ガスの混合ガスを供給して発電を行っているが、次のように構成することもできる。すなわち、図３に示すように、各電極３，５に個別に燃料ガスや酸化剤ガスを供給するための隔壁部材９を、電解質１の各面に設けることもできる。この隔壁部材９は、絶縁性の材料で構成され、電解質１の各面で燃料極３と空気極５との間を仕切る仕切り部材９１と、各仕切り部材９１の端部を連結する蓋部材９２とを備えている。仕切り部材９１は、電解質１上を各電極３，５に沿って延び、各電極３，５より高く形成されている。そして、この例では、燃料極３を収容する３つの第１空間Ｓ1，及び空気極５を収容する３つの第２空間Ｓ2が形成されている。そして、発電時には、第１空間Ｓ1に燃料ガスを供給するとともに、第２空間Ｓ2に酸化剤ガスを供給する。このように構成することで、混合ガスを供給するのに比べて発電効率を向上することができる。
【００３０】
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、リソグラフィー法、泳動電着法、ロールコート法、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、静水圧プレス、油圧プレス、その他の一般的なプレス工程を用いることができる。
【００３１】
また、上記燃料電池では、集電体を必ずしも電解質上に配置する必要はなく、この燃料電池をセットする装置側に集電体等を形成しておき、燃料電池を装置にセットしたときに、各電極に対応する部分に集電体やインターコネクタが配置されるように構成することもできる。
【００３２】
上記実施形態では、インターコネクタで電極体を直列に接続したものを説明したが、並列に接続することもできる。例えば、電解質の一方面に燃料極、他方面に空気極が配置されるように複数の電極体を形成し、一方面の燃料極同士、及び他方面の空気極同士、つまり同極同士それぞれをインターコネクタで接続すれば、電極体を並列に接続することができる。また、すべての電極体を並列に接続することもできるし、直列接続と並列接続とを混在するようにインターコネクタを配置することもできる。
【００３３】
また、上記説明では、燃料極及び空気極は、帯状に形成しているが、勿論、正方形、円形等、いかなる形態でもよく、用途、電池のサイズ等に応じて適宜決定することができる。
【実施例】
【００３４】
以下に実施例を挙げて、本発明をさらに詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００３５】
ここでは、図１に示すような構造を有する燃料電池を作成した。電解質材料としてはＧＤＣ（Ｃｅ0.9Ｇｄ0.1Ｏ1.9）からなる厚さ１ｍｍの板体を使用した。また、燃料極材料としてＮｉＯ粉末（０．０１〜１０μｍ、平均１μｍ)、ＳＤＣ（Ｃｅ0.8Ｓｍ0.2Ｏ1.9）粉末（粒径１〜１０μｍ、平均０．１μｍ）を重量比で７：３となるように混合して混合物を作成した後、セルロース系バインダー樹脂を添加して、上記混合物の割合が８０重量％となるように燃料極ペーストを作製した。つまり、上記混合物と、バインダー樹脂との重量比が８０：２０となるようにした。燃料極ペーストの粘度はスクリーン印刷に適した５×１０5ｍＰａ・ｓとした。続いて、空気極材料としてＳＳＣ（Ｓｍ0.5Ｓｒ0.5ＣｏＯ3）粉末（０．１〜１０μｍ、平均３μｍ)を使用し、セルロース系バインダー樹脂を添加して、上記粉末の割合が８０重量％となるように空気極ペーストを作製した。つまり、ＳＳＣ粉末と、バインダー樹脂との重量比が８０：２０となるようにした。空気極ペーストの粘度は、燃料極と同様にスクリーン印刷に適した５×１０5ｍＰａ・ｓとした。また、インターコネクタ用の材料として、Ａｕ粉末（粒径０．１〜５μｍ、平均２．５μｍ）を使用し、これにセルロース系バインダーを混合した。その粘度は、スクリーン印刷に適した５×１０5ｍＰａ・ｓとした。
【００３６】
続いて、電解質の一方面の２箇所に、図１の第１及び第３電極体に対応する燃料極ペーストをスクリーン印刷法により３ｍｍ角の大きさで、塗布厚み５０μｍとなるように塗布し、１３０℃で１５分間乾燥した。このとき、両燃料極ペーストの間隔は、５ｍｍとした。次に、電解質を反転して他方面を上方に向けた後、先に塗布した２つの燃料極ペーストの中間の対応する他方面の位置に、第２電極体用の燃料極ペーストを上記ペーストと同じ大きさ及び塗布厚みでスクリーン印刷により塗布し１３０℃で１５分間乾燥した。そして、これら燃料極ペーストを１４５０℃で１時間焼結し、３つの燃料極を形成した。次に、電解質の他方面において、燃料極を挟む２つの位置に、空気極ペーストを帯状に塗布し、１３０℃で１５分間乾燥した。続いて、電解質を反転して一方面を上方に向けた後、２つの燃料極の間に、空気極ペーストをスクリーン印刷し、同じく１３０℃で１５分間乾燥した。そして、これら空気極ペーストを、１２００℃で１時間焼結することで、３つの空気極を形成した。
【００３７】
続いて、電解質の一方面で、第１電極体の空気極と第２電極体の燃料極とを結ぶように、インターコネクタ用ペーストを線状に塗布し、１３０℃で１５分間乾燥した。このとき、インターコネクタの長さは４ｍｍとし、両端の１．５ｍｍが電極上に配置されるようにした。最後に、電解質を再び反転させて他方面を上方に向けた後、第２電極体の空気極と第３電極体の燃料極とを結ぶように、インターコネクタ用ペーストを線状に塗布し、１３０℃で１５分間乾燥させ、９００℃で１時間焼き付けを行ってインターコネクタを形成した。このインターコネクタの寸法は、上述した一方面のインターコネクタと同様である。以上の工程により、図１に示すような、３つの電極体が直列に接続された燃料電池が作成された。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明に係る固体酸化物形燃料電池の一実施形態の平面図（ａ）及びＡ−Ａ線断面図（ｂ）である。
【図２】図１の燃料電池の製造方法の一例を示す図である。
【図３】本発明に係る固体酸化物形燃料電池の他の例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３９】
１  電解質
３  燃料極
５  空気極
７  インターコネクタ
９  隔壁部材
【図１】
2005317466.tif 000003
【図２】
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【図３】
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