(57)【要約】【課題】  三相界面の面積を増加させることが可能な燃料電池製造方法を提供する。【解決手段】  電解質１０としてＹＳＺを用意し、その電解質１０上に、ＰＶＤによって、一面に白金（Ｐｔ）を堆積させて、電極１２を形成する。形成された電極１２の上に、ＰＶＤによって、一面にＳＵＳを堆積させて、集電体１４を形成する。形成された集電体１４の上に、所望のエッチングマスクを形成し、フッ酸系のエッチング液を用いて、集電体１４及び電極１２の不要な部分をエッチングにより除去し、その後、エッチングマスクを取り除く。これにより、電極１２及び集電体１４を、電解質１０上において、島状に点在するように残す。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池を製造するための燃料電池製造方法であって、
（ａ）電解質を用意する工程と、
（ｂ）前記電解質上に電極を物理的気相成長法または化学的気相成長法で形成する工程と、
（ｃ）前記電解質の表面の一部が露出するように、前記電極の一部を除去する工程と、  を含む燃料電池製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池製造方法において、
前記工程（ｃ）において、前記電極の除去されずに残る部分は島状に点在することを特徴とする燃料電池製造方法。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料電池製造方法において、
前記工程（ｃ）において、前記電解質の露出部分は島状に点在することを特徴とする燃料電池製造方法。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のうちの任意の１つに記載の燃料電池製造方法において、
前記工程（ｃ）では、前記電極の一部をエッチングにより除去することを特徴とする燃料電池製造方法。
【請求項５】
請求項１ないし請求項３のうちの任意の１つに記載の燃料電池製造方法において、
前記工程（ｃ）の前に、
（ｄ）前記電極上に集電体を物理的気相成長法または化学的気相成長法で形成する工程をさらに含み、
前記工程（ｃ）では、前記電解質の表面の一部が露出するように、前記電極の一部だけでなく、前記集電体の一部も除去することを特徴とする燃料電池製造方法。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池製造方法において、
前記工程（ｃ）では、前記電極の一部及び前記集電体の一部をエッチングにより除去することを特徴とする燃料電池製造方法。
【請求項７】
燃料電池を製造するための燃料電池製造方法であって、
（ａ）電解質を用意する工程と、
（ｂ）前記電解質上に、前記電解質の表面の一部が露出するように、電極を物理的気相成長法または化学的気相成長法で形成する工程と、
を含む燃料電池製造方法。
【請求項８】
請求項７に記載の燃料電池製造方法において、
前記電極は、所定のエッチング液に対しエッチングしにくい材料から成ることを特徴とする燃料電池製造方法。
【請求項９】
請求項７または請求項８に記載の燃料電池製造方法において、
前記工程（ｂ）において、前記電極の形成部分は島状に点在することを特徴とする燃料電池製造方法。
【請求項１０】
請求項７または請求項８に記載の燃料電池製造方法において、
前記工程（ｂ）において、前記電解質の露出部分は島状に点在することを特徴とする燃料電池製造方法。
【請求項１１】
請求項７ないし請求項１０のうちの任意の１つに記載の燃料電池製造方法において、
前記工程（ｂ）の後に、
（ｃ）前記電極の形成された前記電解質上に集電体を物理的気相成長法または化学的気相成長法で形成する工程と、
（ｄ）前記電解質の表面の一部が露出するように、前記集電体の一部を除去する工程と、
をさらに含む燃料電池製造方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の燃料電池製造方法において、
前記工程（ｄ）では、前記集電体の一部をエッチングにより除去することを特徴とする燃料電池製造方法。
【請求項１３】
請求項７ないし請求項１０のうちの任意の１つに記載の燃料電池製造方法において、
前記工程（ｂ）の後に、
（ｂ）前記電解質の表面の一部が露出するように、前記電極上に集電体を物理的気相成長法または化学的気相成長法で形成する工程を含む燃料電池製造方法。
【請求項１４】
電解質と電極とを接合して成る電解質−電極接合体であって、
前記電極は、前記電解質上に物理的気相成長法または化学的気相成長法で形成して成ると共に、前記電解質の表面の一部が露出するように、前記電解質上に部分的に形成して成ることを特徴とする電解質−電極接合体。
【請求項１５】
請求項１４に記載の電解質−電極接合体において、
前記電極の形成部分は、島状に点在することを特徴とする電解質−電極接合体。
【請求項１６】
請求項１４に記載の電解質−電極接合体において、
前記電解質の露出部分は、島状に点在することを特徴とする電解質−電極接合体。
【請求項１７】
請求項１４ないし請求項１６のうちの任意の１つに記載の電解質−電極接合体において、
前記電極上に物理的気相成長法または化学的気相成長法で形成して成る集電体をさらに備える電解質−電極接合体。
【請求項１８】
燃料電池であって、
請求項１４ないし請求項１７のうちの任意の１つに記載の電解質−電極接合体を備えることを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に係り、特に、電解質上に電極を形成する技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の主要構成要素であって、電解質と電極とを接合して成る電解質−電極接合体は、従来において、例えば、下記の特許文献１に記載されているように、製造されていた。
【０００３】
すなわち、かかる特許文献１に記載の技術では、電解質であるイットリウム安定化ジルコニア基板上に、有機金属ＣＤＶ（化学的気相成長法）によって、インリジウム電極を形成していた。
【０００４】
このように、従来においては、電解質上に有機金属ＣＤＶによって電極を形成することにより、電解質と電極との間の密着性を高めて、その間における接触抵抗を低減すると共に、剥がれなどを抑制するようにしていた。
【０００５】
【特許文献１】特開平６−２９０７８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記したように、単に、電解質上に有機金属ＣＤＶによって電極を形成すると、電極を構成する細かい粒子が電解質の表面全体を覆うことになるため、反応ガスの電極と電解質との接する部分への拡散が阻害され、反応ガスと電極と電解質とが接する、いわゆる三相界面の面積が減少して、燃料電池の発電効率が低下するという問題があった。
【０００７】
従って、本発明の目的は、上記した従来技術の問題点を解決し、三相界面の面積を増加させることが可能な燃料電池製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記した目的の少なくとも一部を達成するために、本発明の第１の燃料電池製造方法は、
（ａ）電解質を用意する工程と、
（ｂ）前記電解質上に電極を物理的気相成長法または化学的気相成長法で形成する工程と、
（ｃ）前記電解質の表面の一部が露出するように、前記電極の一部を除去する工程と、  を含むことを要旨とする。
【０００９】
このように、第１の燃料電池製造方法では、電解質上に電極を物理的気相成長法（ＰＶＤ）または化学的気相成長法（ＣＶＤ）で形成し、電解質の表面の一部が露出するように、電極の一部を除去するようにしている。従って、電解質の露出部分では、反応ガスが電解質に接することが可能となるため、電解質の露出部分と電極との境界部分は、全て、反応ガスと電極と電解質とが接する、いわゆる三相界面となる。よって、三相界面の面積を増加させることができるため、燃料電池の発電効率を向上させることができる。また、電極をＰＶＤまたはＣＶＤによって形成しているため、電解質と電極との間の密着性を高めることができ、その間における接触抵抗を低減できると共に、剥がれなどを抑制することができる。
【００１０】
本発明の第１の燃料電池製造方法において、前記工程（ｃ）において、前記電極の除去されずに残る部分は島状に点在することが望ましい。
【００１１】
電極の除去されずに残る部分の周囲は、電解質の露出部分との境界に当たり、上記した三相界面となるため、このように、電極の除去されずに残る部分を島状に点在させることにより、三相界面の面積を大幅に増加させることができる。
【００１２】
本発明の第１の燃料電池製造方法において、前記工程（ｃ）において、前記電解質の露出部分は島状に点在することが望ましい。
【００１３】
電解質の露出部分の周囲は、電極との境界に当たり、上記した三相界面となるため、このように、電解質の露出部分を島状に点在させることにより、三相界面の面積を大幅に増加させることができる。
【００１４】
本発明の第１の燃料電池製造方法において、前記工程（ｃ）の前に、
（ｄ）前記電極上に集電体を物理的気相成長法または化学的気相成長法で形成する工程をさらに含み、
前記工程（ｃ）では、前記電解質の表面の一部が露出するように、前記電極の一部だけでなく、前記集電体の一部も除去するようにしてもよい。
【００１５】
このように、集電体についても、ＰＶＤまたはＣＶＤによって形成することにより、電極と集電体との間の密着性を高めることができ、その間における接触抵抗を低減できると共に、剥がれなどを抑制することができる。しかも、電解質の表面の一部が露出するように、電極の一部だけでなく、集電体の一部も除去しているので、反応ガスが電解質に接するのを、集電体によって妨げられることはない。
【００１６】
本発明の第１の燃料電池製造方法において、前記工程（ｃ）では、前記電極の一部、または、前記電極の一部及び前記集電体の一部をエッチングにより除去することが好ましい。
エッチングを用いることにより、不要な部分のみ的確に除去することができる。
【００１７】
本発明の第２の燃料電池製造方法は、
（ａ）電解質を用意する工程と、
（ｂ）前記電解質上に、前記電解質の表面の一部が露出するように、電極を物理的気相成長法または化学的気相成長法で形成する工程と、
を含むことを要旨とする。
【００１８】
このように、第２の燃料電池製造方法では、電解質上に、電解質の表面の一部が露出するように、電極を物理的気相成長法（ＰＶＤ）または化学的気相成長法（ＣＶＤ）で形成している。従って、この場合も、電解質の露出部分では、反応ガスが電解質に接することが可能となるため、電解質の露出部分と電極との境界部分は、全て、反応ガスと電極と電解質とが接する、いわゆる三相界面となる。よって、三相界面の面積を増加させることができるため、燃料電池の発電効率を向上させることができる。また、電極をＰＶＤまたはＣＶＤによって形成しているため、電解質と電極との間の密着性を高めることができ、その間における接触抵抗を低減できると共に、剥がれなどを抑制することができる。
【００１９】
本発明の第２の燃料電池製造方法において、前記電極は、所定のエッチング液に対しエッチングしにくい材料から成っていてもよい。
【００２０】
電極をＰＶＤまたはＣＶＤによって形成することにより、電極のエッチングを行う必要がないので、電極の材料が、所定のエッチング液によってはエッチングしにくい材料であっても、電解質の表面の一部が露出するようにすることができる。
【００２１】
本発明の第２の燃料電池製造方法において、前記工程（ｂ）において、前記電極の形成部分は島状に点在することが好ましい。
【００２２】
電極の形成部分の周囲は、電解質の露出部分との境界に当たり、上記した三相界面となるため、このように、電極の形成部分を島状に点在させることにより、三相界面の面積を大幅に増加させることができる。
【００２３】
本発明の第２の燃料電池製造方法において、前記工程（ｂ）において、前記電解質の露出部分は島状に点在することが望ましい。
【００２４】
電解質の露出部分の周囲は、電極との境界に当たり、上記した三相界面となるため、このように、電解質の露出部分を島状に点在させることにより、三相界面の面積を大幅に増加させることができる。
【００２５】
本発明の第２の燃料電池製造方法において、前記工程（ｂ）の後に、
（ｃ）前記電極の形成された前記電解質上に集電体を物理的気相成長法または化学的気相成長法で形成する工程と、
（ｄ）前記電解質の表面の一部が露出するように、前記集電体の一部を除去する工程と、
をさらに含むようにしてもよい。
【００２６】
本発明の第２の燃料電池製造方法において、前記工程（ｄ）では、前記集電体の一部をエッチングにより除去することが好ましい。
エッチングを用いることにより、不要な部分のみ的確に除去することができる。
【００２７】
また、本発明の第２の燃料電池製造方法において、前記工程（ｂ）の後に、
（ｂ）前記電解質の表面の一部が露出するように、前記電極上に集電体を物理的気相成長法または化学的気相成長法で形成する工程を含むようにしてもよい。
【００２８】
このように、集電体についても、ＰＶＤまたはＣＶＤによって形成することにより、電極と集電体との間の密着性を高めることができ、その間における接触抵抗を低減できると共に、剥がれなどを抑制することができる。しかも、電解質の表面の一部が露出するように、集電体の一部を除去したり、電極上に集電体を形成したりしているので、反応ガスが電解質に接するのを、集電体によって妨げられることはない。
【００２９】
なお、本発明は、上記した燃料電池製造方法などの方法発明の態様に限ることなく、電解質−電極接合体や、それを備える燃料電池などの装置発明としての態様で実現することも可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．第１の実施例：
Ｂ．第２の実施例：
Ｃ．第３の実施例：
Ｄ．変形例：
【００３１】
Ａ．第１の実施例：
図１は本発明の第１の実施例としての燃料電池製造方法における主要製造工程を示す工程図である。具体的には、燃料電池の主要構成要素である電解質−電極接合体の製造工程を示している。
【００３２】
本実施例の製造工程では、図１に示すように、まず、電解質１０として、イットリウム安定化ジルコニア（ＹＳＺ）を用意し、その電解質１０上に、ＰＶＤ（物理的気相成長法）によって、一面に白金（Ｐｔ）を堆積させて、電極１２を形成する（ステップＳ１０１）。
【００３３】
電極１２の材料としては、白金（Ｐｔ）に代えて、パラジウム（Ｐｄ）を用いるようにしてもよい。
【００３４】
次に、形成された電極１２の上に、ＰＶＤによって、一面にＳＵＳ（Steel Use Stainless）を堆積させて、集電体１４を形成する（ステップＳ１０２）。
【００３５】
なお、ステップＳ１０１，Ｓ１０２において、ＰＶＤとしては、例えば、真空蒸着，スパッタ法，イオンプレーティングなどを用いることができる。
【００３６】
続いて、形成された集電体１４の上に、所望のエッチングマスク（図示せず）を形成し、フッ酸系のエッチング液を用いて、集電体１４及び電極１２の不要な部分をエッチングにより除去し、その後、エッチングマスクを取り除く（ステップＳ１０３）。これにより、電極１２及び集電体１４は、電解質１０上において、島状に点在するように残り、除去された部分は、電解質１０の表面が露出することになる。
こうして、燃料電池における電解質−電極接合体を製造することができる。
【００３７】
図２は完成された電解質−電極接合体の一例を上方から見た平面図である。図２に示すように、本実施例においては、電解質１０上に、矩形を成す電極１２及び集電体１４が島状に点在することになる。
【００３８】
以上説明したように、本実施例においては、電解質１０上に、電極１２が島状に点在するよう、エッチングによって電極１２の不要な部分を除去することにより、点在する電極１２ごとに、図１にＡで示す部分に、反応ガスと電極と電解質とが接する、いわゆる三相界面ができ、電解質−電極接合体全体として、三相界面の面積を大幅に増加させることができるため、燃料電池の発電効率を向上させることができる。
【００３９】
また、電極１２及び集電体１４をそれぞれＰＶＤによって形成しているため、電解質１０と電極１２との間、及び、電極１２と集電体１４との間の密着性をそれぞれ高めることができ、それらの間における接触抵抗を低減できると共に、剥がれなどを抑制することができる。
【００４０】
さらに、電解質−電極接合体を燃料電池に使用した際に、燃料電池作動時において温度が上昇し、電解質１０と電極１２との間の熱膨張率の差により、両者の間に応力が生じたとしても、上記のように、電解質１０上に電極１２は島状に点在しているので、その応力を逃がすことができ、その応力による電極１２の剥離や割れを抑制することができる。
【００４１】
Ｂ．第２の実施例：
図３は本発明の第２の実施例としての燃料電池製造方法における主要製造工程を示す工程図である。図３においても、図１と同様に、燃料電池の主要構成要素である電解質−電極接合体の製造工程を示している。
【００４２】
上記した第１の実施例においては、電解質１０上に一面に電極１２を形成し、その後、エッチングにより不要な部分を除去するようにしていた。しかしながら、電極１２の材料とエッチング液との組み合わせによっては、電極１２をエッチングすることができない場合もある。そこで、本実施例では、そのような場合に対処するために、電極１２のエッチングを行わない製造方法を提供する。
【００４３】
本実施例の製造工程では、図３に示すように、まず、電解質１０としてＹＳＺを用意し、その電解質１０上に所望のマスク（図示せず）を形成した上で、ＰＶＤによって、電解質１０上の必要な部分に、セラミックスであるランタン・ストロンチウム・マンガネート（ＬＳＭ：La0.8Sr0.2MnO3）を堆積させて、電解質１０上に電極１２を島状に点在するよう形成し、その後、マスクを取り除く（ステップＳ２０１）。
【００４４】
次に、電極１２の形成された電解質１０上に、ＰＶＤによって、一面にＳＵＳを堆積させて、集電体１４を形成する（ステップＳ２０２）。
【００４５】
なお、ステップＳ２０１，Ｓ２０２において、ＰＶＤとしては、第１の実施例と同様に、例えば、真空蒸着，スパッタ法，イオンプレーティングなどを用いることができる。
【００４６】
続いて、形成された集電体１４の上に、所望のエッチングマスク（図示せず）を形成し、集電体１４のうち、点在する各電極１２上の部分のみ残して、フッ酸系のエッチング液を用いて、それ以外の不要な部分をエッチングにより除去し、その後、エッチングマスクを取り除く（ステップＳ２０３）。これにより、集電体１４は、点在する各電極１２上の部分のみが残り、除去された部分は、電解質１０の表面が露出することになる。
こうして、燃料電池における電解質−電極接合体を製造することができる。
【００４７】
完成された電解質−電極接合体は、図２に示したのと同様に、電解質１０上に、電極１２及び集電体１４が島状に点在することになる。
【００４８】
以上説明したように、本実施例においては、電解質１０上に、電極１２を島状に点在するよう形成することにより、点在する電極１２ごとに、図３にＡで示す部分に三相界面ができ、電解質−電極接合体全体として、三相界面の面積を大幅に増加させることができるため、燃料電池の発電効率を向上させることができる。
【００４９】
また、本実施例においても、第１の実施例と同様に、電極１２及び集電体１４をそれぞれＰＶＤによって形成しているため、電解質１０と電極１２との間、及び、電極１２と集電体１４との間の密着性をそれぞれ高めることができ、接触抵抗を低減できると共に、剥がれなどを抑制することができる。
【００５０】
また、第１の実施例と同様に、電解質１０上に電極１２は島状に点在しているので電解質１０と電極１２との間に、熱膨張率の差により応力が生じたとしても、その応力を逃がすことができ、電極１２の剥離や割れを抑制することができる。
【００５１】
さらに、本実施例においては、電極１２をＰＶＤによって島状に点在するよう形成することにより、電極１２のエッチングを行う必要がないので、電極１２の材料が、セラミックスなど、フッ酸系のエッチング液によってはエッチングしにくい材料であっても、電解質１０上に電極１２を島状に点在させることができる。
【００５２】
Ｃ．第３の実施例：
図４は本発明の第３の実施例としての燃料電池製造方法における主要製造工程を示す工程図である。図４においても、図１及び図３と同様に、燃料電池の主要構成要素である電解質−電極接合体の製造工程を示している。
【００５３】
上記した第２の実施例においては、電極１２の形成された電解質１０上に一面に集電体１４を形成し、その後、エッチングにより不要な部分を除去するようにしていた。しかし、集電体１４についても、電極１２と同様に、エッチングを行わないようにすることができる。本実施例では、そのよう製造方法について説明する。
【００５４】
本実施例の製造工程では、図４に示すように、まず、電解質１０としてＹＳＺを用意し、その電解質１０上に所望のマスク（図示せず）を形成した上で、ＰＶＤによって、電解質１０上の必要な部分に、ＬＳＭを堆積させて、電解質１０上に電極１２を島状に点在するよう形成する（ステップＳ３０１）。
【００５５】
次に、電極１２の形成された電解質１０上に、上記したマスクを残したまま、ＰＶＤによって、ＳＵＳを堆積させて、集電体１４を、点在する各電極１２の上の部分のみにそれぞれ形成し、その後、マスクを取り除く（ステップＳ３０２）。このように、同じマスクを用いて、ＰＶＤにより集電体１４を形成することにより、点在する各電極１２の上の部分のみに、位置精度よく、集電体１４を形成することができる。
【００５６】
なお、ステップＳ３０１，Ｓ３０２において、ＰＶＤとしては、第１及び第２の実施例と同様に、例えば、真空蒸着，スパッタ法，イオンプレーティングなどを用いることができる。
こうして、燃料電池における電解質−電極接合体を製造することができる。
【００５７】
完成された電解質−電極接合体は、図２に示したのと同様に、電解質１０上に、電極１２及び集電体１４が島状に点在することになる。
【００５８】
従って、本実施例においても、第２の実施例と同様の効果を奏することができる。さらに、本実施例においては、電極１２及び集電体１４を、ＰＶＤによって島状に点在するよう形成しているので、エッチング自体を行う必要がなく、その分、工程数を削減することができる。
【００５９】
Ｄ．変形例：
なお、本発明は上記した実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様にて実施することが可能である。
【００６０】
上記した各実施例においては、電極１２及び集電体１４をＰＶＤによって形成したが、ＰＶＤに代えて、ＣＶＤ（化学的気相成長法）を用いるようにしてもよい。ＣＤＶとしては、例えば、熱ＣＶＤ，光ＣＶＤ，プラズマＣＶＤなどを用いることができる。
【００６１】
上記した各実施例においては、図２に示したように、電解質１０上に、電極１２及び集電体１４を島状に点在するようにしていたが、本発明はこれに限定されるものではなく、図５に示すように、電解質１０の露出した部分が島状に点在するようにするようにてもよい。
【００６２】
図５は完成された電解質−電極接合体の他の例を上方から見た平面図である。図５に示すように、この変形例においては、電解質１０の露出した部分が島状に点在している。
【００６３】
具体的には、第１の実施例において、電極１２及び集電体１４の不要な部分をエッチングにより除去する際、除去する部分が島状に点在するようにすればよい。また、第２または第３の実施例においては、電極１２をＰＶＤによって形成する際に、電極１２を形成しない部分が島状に点在するようにすればよい。
【００６４】
上記した各実施例においては、集電体１４を形成するようにしていたが、本発明においては、集電体１４を形成することは必須ではなく、電解質１０と電極１２のみで電解質−電極接合体を構成するようにしても良い。
【００６５】
上記した各実施例では、具体的には、電解質１０，電極１２，集電体１４の材料を特定したが、本発明はこれらの材料に限定されるものではなく、燃料電池の電解質−電極接合体を構成する材料として、適正な種々の材料を用いることができる。
【００６６】
上記した第２及び第３の実施例では、電極１２の材料として、エッチングしにい材料を用いるものとして説明したが、エッチングしやすい材料を用いる場合であっても、これら実施例と同様の製造方法を適用するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の第１の実施例としての燃料電池製造方法における主要製造工程を示す工程図である。
【図２】完成された電解質−電極接合体の一例を上方から見た平面図である。
【図３】本発明の第２の実施例としての燃料電池製造方法における主要製造工程を示す工程図である。
【図４】本発明の第３の実施例としての燃料電池製造方法における主要製造工程を示す工程図である。
【図５】完成された電解質−電極接合体の他の例を上方から見た平面図である。
【符号の説明】
【００６８】
１０...電解質
１２...電極
１４...集電体
【図１】
2005310456.tif 000003
【図２】
2005310456.tif 000004
【図３】
2005310456.tif 000005
【図４】
2005310456.tif 000006
【図５】
2005310456.tif 000007