(57)【要約】【課題】従来と同様に部品点数の削減を実現したうえで、燃料効率及び出力密度をいずれも向上させることが可能である固体電解質型燃料電池及びその製造方法を提供する。【解決手段】イオン伝導型の電解質２を備えていると共にこの電解質２に積層した燃料極３及び空気極４を備え、炭化水素，アルコール，水素などの可燃性ガスから成る燃料ガスと、空気又は酸素との混合ガスＡ流中で発電可能としたイオン伝導型の固体電解質型燃料電池であって、電解質２には、混合ガスＡが流通可能な気孔を多数設けた。電解質をスラリー化した前駆体に熱焼失性部材を混合又は含浸した後、焼成済の電極３に前駆体を塗布して電解質２を焼成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン伝導型の電解質を備えていると共にこの電解質に積層した燃料極及び空気極を備え、炭化水素，アルコール，水素などの可燃性ガスから成る燃料ガスと、空気又は酸素との混合ガス流中で発電可能としたイオン伝導型の固体電解質型燃料電池であって、電解質には、混合ガスが流通可能な気孔を多数設けたことを特徴とする固体電解質型燃料電池。
【請求項２】
燃料極及び空気極の両電極に、混合ガスが流通可能な気孔をそれぞれ多数設けた請求項１に記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項３】
混合ガス流の下流方向に向けて気孔率を漸次大きくしてある請求項１又は２に記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項４】
請求項１に記載の固体電解質型燃料電池を製造するに際して、電解質をスラリー化した前駆体に熱焼失性部材を混合又は含浸した後、焼成済の電極に上記前駆体を塗布して電解質を焼成することを特徴とする固体電解質型燃料電池の製造方法。
【請求項５】
請求項２に記載の固体電解質型燃料電池を製造するに際して、燃料極及び空気極のうちのいずれか一方の電極をスラリー化した電極前駆体に熱焼失性部材を混合又は含浸した後、この電極前駆体を基板上に塗布して一方の電極を焼成するのに続いて、電解質をスラリー化した電解質前駆体に熱焼失性部材を混合又は含浸した後、この電解質前駆体を上記焼成済の電極に塗布して電解質を焼成し、さらに、燃料極及び空気極のうちのいずれか他方の電極をスラリー化した電極前駆体に熱焼失性部材を混合又は含浸した後、この電極前駆体を上記焼成済の電解質に塗布して他方の電極を焼成することを特徴とする固体電解質型燃料電池の製造方法。
【請求項６】
混合ガス流の下流方向に向けて熱焼失性部材の混合量又は含浸量を漸次増やす請求項４又は５に記載の固体電解質型燃料電池の製造方法。
【請求項７】
電解質前駆体又は電極前駆体にバインダを混合する請求項４〜６のいずれか一つの項に記載の固体電解質型燃料電池の製造方法。
【請求項８】
請求項１〜３のいずれかに記載の固体電解質型燃料電池を積層してなることを特徴とする燃料電池スタック構造体。
【請求項９】
イオン伝導型の電解質を備えていると共にこの電解質に積層した燃料極及び空気極を備え、炭化水素，アルコール，水素などの可燃性ガスから成る燃料ガスと、空気又は酸素との混合ガス流中で発電可能としたイオン伝導型の固体電解質型燃料電池を積層して成る燃料電池スタック構造体であって、少なくとも燃料極及び空気極の両電極に、混合ガスが流通可能な気孔をそれぞれ多数設けたことを特徴とする燃料電池スタック構造体。
【請求項１０】
互いに重なり合う固体電解質型燃料電池のうちの一方の固体電解質型燃料電池の燃料極と他方の固体電解質型燃料電池の空気極とを接触させて積層してある請求項９に記載の燃料電池スタック構造体。
【請求項１１】
少なくとも電極前駆体にバインダを混合して請求項４〜６に記載の固体電解質型燃料電池の製造方法により製造した固体電解質型燃料電池を積層して請求項１０に記載の燃料電池スタック構造体を製造することを特徴とする燃料電池スタック構造体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオン伝導型の電解質と、この電解質に積層した電極を具備して、炭化水素，アルコール，水素などの可燃性ガスから成る燃料ガスと、空気又は酸素との混合ガス流中で発電可能とした単室タイプの固体電解質型燃料電池及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、上記した単室タイプの固体電解質型燃料電池としては、例えば、プレート状を成すイオン伝導型の電解質の同一面に燃料極及び空気極を積層した構成を成すものや、同じくプレート状を成すイオン伝導型の電解質の一方の面に燃料極を積層すると共に他方の面に空気極を積層した構成を成すものがあった。
【特許文献１】特開２００２−２８００１５号公報
【特許文献２】特開２００２−２８００１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところが、上記した従来の単室タイプの固体電解質型燃料では、イオン伝導型の電解質の同一面に燃料極及び空気極を積層した前者の固体電解質型燃料の場合、電解質がプレート状を成している都合上、燃料ガスと空気との混合ガスの中で電解質の燃料極及び空気極を積層していない面にのみ触れる混合ガスが存在する。
【０００４】
また、イオン伝導型の電解質の一方の面に燃料極を積層すると共に他方の面に空気極を積層した後者の固体電解質型燃料の場合も、電解質がプレート状を成している都合上、燃料ガスと空気との混合ガスの中で電解質の他方の面に位置する空気極にのみ触れる混合ガスが存在することから、いずれの場合も、燃料の利用効率が良いとは言えないうえ、単位体積あたりの反応面積が少ない分だけ出力密度が低いという問題を有しており、これらの問題を解決することが従来の課題となっていた。
【０００５】
本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたものであり、従来と同様に部品点数の削減を実現したうえで、燃料効率及び出力密度をいずれも向上させることが可能である固体電解質型燃料電池及びその製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、イオン伝導型の電解質を備えていると共にこの電解質に積層した燃料極及び空気極を備え、炭化水素，アルコール，水素などの可燃性ガスから成る燃料ガスと、空気又は酸素との混合ガス流中で発電可能としたイオン伝導型の固体電解質型燃料電池であって、電解質には、混合ガスが流通可能な気孔を多数設けた構成としたことを特徴としており、この固体電解質型燃料電池の構成を前述した従来の課題を解決するための手段としている。
【０００７】
本発明において、電解質に気孔を多数設けているので、燃料ガスと空気又は酸素との混合ガスが電解質を流通することとなり、この際、電解質は、必ず燃料極及び空気極の双方に接していることから、電解質を流通した混合ガスは、必然的に燃料極及び空気極に接触することとなり、したがって、燃料の利用効率が良くなるのに加えて、単位体積あたりの反応面積が増す分だけ出力密度が高くなる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、上記した構成としているので、従来と同様に部品点数の削減を実現しつつ、燃料の利用効率を向上させることができると共に、出力密度をも高めることが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の固体電解質型燃料電池において、電解質には気孔が多数設けてあるが、電解質の気孔率が７０体積％以下では、混合ガスを流通させるための高圧供給系が必要になり、一方、電解質の気孔率が８５体積％以上では、構造強度が不足することから、混合ガスを不都合なく流通させる電解質の気孔率は、少なくとも７０体積％とすることが望ましく、７５〜８５体積％とすることがより望ましい。
【００１０】
また、本発明の固体電解質型燃料電池において、燃料極及び空気極の両電極に、混合ガスが流通可能な気孔をそれぞれ多数設けた構成を採用することができる。
【００１１】
上記した構成を採用すると、燃料ガスと空気又は酸素との混合ガスが電解質だけでなく、電極をもを流通することとなり、その結果、電解質及び電極を流通する混合ガスは、流路を如何なる方向に設定したとしても、必ず燃料極及び空気極に接触することとなり、したがって、燃料の利用効率が良くなると共に、単位体積あたりの反応面積が増す分だけ出力密度が高くなり、加えて、燃料電池の設計の自由度が大幅に拡がることとなる。
【００１２】
さらに、本発明の固体電解質型燃料電池において、混合ガス流の下流方向に向けて気孔率を漸次大きくしてある構成とすることが可能であり、この場合、混合ガス流の流れの方向は、電極及び電解質の表面に対して直交する方向と、電極及び電解質の表面に沿う方向のいずれでもよい。
【００１３】
単室タイプの固体電解質型燃料電池において、燃料に炭化水素などを用いた場合、燃料電池に導入された混合ガスは、燃料電池の反応によって下流側へ流れるに従って体積流量が増えるが、上記した構成を採用すると、下流側においても混合ガスが円滑に流れることとなる。
【００１４】
ここで、本発明の固体電解質型燃料電池の燃料極は、炭化水素を部分酸化する触媒金属と酸素イオン電解質とから成り、触媒金属としては、ニッケル，白金，パラジウム，ロジウム等を好適な一例として挙げることができ、電解質としては、イットリア安定化ジルコニア，カルシア安定化ジルコニア，スカンジア安定化ジルコニア，セリア安定化ジルコニア，セリア，ビスマス酸化物，マグネシア，アルミナ等を好適な一例として挙げることができる。
【００１５】
この燃料極に含まれる触媒金属及び電解質の比率は、触媒金属による炭化水素酸化活性及び電子伝導性が得られるように、触媒金属及び固体酸化物電解質の材質に応じて適宜選択することができ、例えば、燃料極としてＮｉ担持セリア安定化ジルコニアを調製した場合には、Ｎｉの比率を３５重量％以上で且つ８５重量％以下とすることが好ましい。
【００１６】
また、本発明の固体電解質型燃料電池の空気極には、炭化水素酸化活性が低い又は活性を有していない材料で、且つ、酸素分子に電子を供給してイオン化して電解質中へ溶け込ませる機能を有する材料が用いられ、材料組成としては、ストロンチウムをドープしたＬｎ１−ＸＳｒＸＣｏＯ３±δを用いることができる。但し、Ｌｎ は希土類元素であり、Ｌａ，Ｓｍが好ましく、Ｘは、０．２≦Ｘ≦０．８とする。また、δは酸素欠損等の量であって、０≦δ＜１である。
【００１７】
そして、本発明の固体電解質型燃料電池の電解質には、イットリア安定化ジルコニア，カルシア安定化ジルコニア，スカンジア安定化ジルコニア，セリア安定化ジルコニア，セリア，ビスマス酸化物，マグネシア，アルミナ等を用いることができる。
【００１８】
一方、上記した電解質に気孔を多数設けた固体電解質型燃料電池を製造するに際しては、電解質をスラリー化した前駆体に熱焼失性部材を混合又は含浸した後、焼成済の電極に上記前駆体を塗布して電解質を焼成する構成を採用することができる。
【００１９】
また、上記した電解質及び電極に気孔を多数設けた固体電解質型燃料電池を製造するに際しては、燃料極及び空気極のうちのいずれか一方の電極をスラリー化した電極前駆体に熱焼失性部材を混合又は含浸した後、この電極前駆体を基板上に塗布して一方の電極を焼成するのに続いて、電解質をスラリー化した電解質前駆体に熱焼失性部材を混合又は含浸した後、この電解質前駆体を上記焼成済の電極に塗布して電解質を焼成し、さらに、燃料極及び空気極のうちのいずれか他方の電極をスラリー化した電極前駆体に熱焼失性部材を混合又は含浸した後、この電極前駆体を上記焼成済の電解質に塗布して他方の電極を焼成する構成を採用することができる。
【００２０】
いずれの製造方法においても、熱焼失性部材として、炭素粒子，高分子粒子，高分子繊維，有機系発泡体（ポリウレタンフォームなど）のうちの少なくとも一種類の部材を用いることができ、これにより、多孔質状の電解質及び電極を得ることができる。
【００２１】
この際、混合ガス流の下流方向に向けて熱焼失性部材の混合量又は含浸量を漸次増やすように成せば、混合ガス流の下流方向に向けて気孔率が漸次大きくなる多孔質状の電解質及び電極を得ることができる。
【００２２】
また、上記した固体電解質型燃料電池の製造方法において、電解質前駆体又は電極前駆体にバインダを混合する構成としてもよく、この場合、バインダとして、低軟化点温度を示すＡｌ含有ＳｉＯ２などの複合酸化物を用いることができるほか、スラリー化した電解質前駆体又は電極前駆体中でコロイドを形成するコロイダルシリカやベーマイトアルミナなどの無機酸化物前駆体を用いることができ、これらをスラリー化した電解質前駆体又は電極前駆体に混合し、積層対象（既に焼成済みの電解質又は電極）に塗布して焼成する。
【００２３】
このように、スラリー化した電解質前駆体又は電極前駆体と積層対象とを焼成することで、積層対象と、新たに形成された層の界面との密着性をバインダが向上させることとなり、これにより、イオン伝導抵抗や電気抵抗の低減及び機械的強度の向上をいずれも実現し得ることとなる。
【００２４】
上記した本発明の固体電解質型燃料電池は、複数積層して燃料電池スタック構造体と成すことができる。通常、スタック構造体の中層部の電極には、気体分配機能及び電気的導通機能を有するセパレータなどの部材を介してガスの供給が行なわれるが、本発明の固体電解質型燃料電池を積層した場合には、電解質や電極が気流を流通させる機能を有し、そして、電極が電気的導通機能を併せ持つこととなる。
【００２５】
つまり、本発明の固体電解質型燃料電池を複数積層して成る燃料電池スタック構造体では、流路を形成するセパレータなどの部材を省略し得ることとなり、加えて、燃料ガスの燃料極に対する接触機会及び空気の空気極に対する接触機会がいずれも増加していることから、燃料と空気とを分離して流通させる必要がなくなって、シール部材を省略したり、ガスケット構造や積層圧着構造を省いたりし得ることとなる。
【００２６】
本発明の燃料電池スタック構造体として、イオン伝導型の電解質を備えていると共にこの電解質に積層した燃料極及び空気極を備え、炭化水素，アルコール，水素などの可燃性ガスから成る燃料ガスと、空気又は酸素との混合ガス流中で発電可能としたイオン伝導型の固体電解質型燃料電池を積層して成り、少なくとも燃料極及び空気極の両電極に、混合ガスが流通可能な気孔をそれぞれ多数設けた構成の燃料電池スタック構造体とすることも可能である。
【００２７】
この燃料電池スタック構造体では、多数の気孔を通して、空気極から燃料極への混合ガスの流通や、燃料極から空気極への混合ガスの流通が可能になり、例えば、空気極のみに触れる燃料ガスが存在するといった無駄が減ることとなって、燃料の利用効率が向上することとなる。
【００２８】
また、本発明の燃料電池スタック構造体において、互いに重なり合う固体電解質型燃料電池のうちの一方の固体電解質型燃料電池の燃料極と他方の固体電解質型燃料電池の空気極とを接触させて積層してある構成とすることができ、このように燃料極と空気極とを隣り合わせに積層することで、電極間のガスの流通性及び電気的導通性を確保し得ることとなる。
【００２９】
そして、この燃料電池スタック構造体を製造するに際しては、少なくとも電極前駆体にバインダを混合して上記製造方法により製造した固体電解質型燃料電池を積層する構成を採用することができ、このように、製造時に電極前駆体にバインダを混合した固体電解質型燃料電池を用いると、セパレータや圧着構造の省略に大いに寄与することとなる。
【実施例】
【００３０】
以下、本発明の固体電解質型燃料電池の一実施例を図面に基づいて詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００３１】
［実施例１］
図１に示すように、この固体電解質型燃料電池１は、イオン伝導型の電解質２と、この電解質２の一方側（図示上側）に積層した燃料極３と、電解質２の他方側（図示下側）に積層した空気極４を備えており、炭化水素，アルコール，水素などの可燃性ガスから成る燃料ガスと、空気又は酸素との混合ガスＡの流路Ｆ中で発電可能となっている。
【００３２】
電解質２には、混合ガスＡが流通可能な気孔が多数設けてあり、燃料極３及び空気極４の双方に接している電解質２中を流れる混合ガスＡは、必ず燃料極３または空気極４に接触することとなり、したがって、燃料の利用効率が良くなるのに加えて、単位体積あたりの反応面積が増す分だけ出力密度が高くなる。
【００３３】
この実施例において、燃料極３として、Ｎｉ担持セリア安定化ジルコニアを調製した。すなわち、ＮｉＯ 粉末７５重量％と、８ｍｏｌ％のＹ２Ｏ３を含むＺｒＯ２２５重量％とをボールミルで２４時間混合粉砕し、これで得た粉末を１４００℃で２時間焼成して、燃料極用粉末とした。
【００３４】
一方、空気極４には、ボールミルで２４時間粉砕して得たＬａ０．５Ｓｒ０．５ＣｏＯ３±δ粉末を用い、電解質には、８ｍｏｌ％のＹ２Ｏ３を含むＺｒＯ２粉末を用いた。
【００３５】
そして、上記した燃料極用粉末，空気極用粉末及び電解質用粉末に対してそれぞれ有機溶媒を混合してボールミルで混合粉砕することにより、燃料極スラリー，空気極スラリー及び電解質スラリー（スラリー化した電極前駆体及び電解質前駆体）を得た。
【００３６】
この場合、電解質用粉末に対しては、平均粒径１μｍの熱焼失性部材としてのポリスチレン粒子懸濁液（固形分：１０重量％）をボールミルに同時に投入混合して電解質スラリーを得た。混合比は、電解質：懸濁液＝１：２０（重量比）とした。
【００３７】
次に、上記のようにして得た燃料極スラリー，空気極スラリー及び電解質スラリーを用いて固体電解質型燃料電池１を製造する要領を説明する。
【００３８】
図２に示すように、まず、工程Ｓ１において、表面が平滑な基盤表面上に燃料極スラリーをスクリーン印刷（塗布）し、工程Ｓ２において、１２０℃で２時間乾燥させた後、工程Ｓ３において、７００℃で４時間焼成する。
【００３９】
次いで、工程Ｓ４において、上記工程を経て得た燃料極３の表面上に電解質スラリーをスクリーン印刷（塗布）し、工程Ｓ５において、１２０℃で２時間乾燥させた後、工程Ｓ６において、３００℃で２時間焼成する。
【００４０】
このとき、工程Ｓ６における焼成温度を、電解質スラリー中のポリスチレン粒子の焼失温度以下に抑えることで、この後塗布する空気極スラリーを平面状に形成することが可能となる。
【００４１】
そして、工程Ｓ７において、上記工程を経て得た電解質２の表面上に空気極スラリーをスクリーン印刷（塗布）し、工程Ｓ８において、１２０℃で２時間乾燥させた後、工程Ｓ９において、７００℃で４時間焼成する。
【００４２】
上記した焼成により、電解質２中のポリスチレン粒子が消失して多数の気孔が形成された電解質２（気孔率約８３％の電解質２）が得られ、これにより、多孔質状の電解質２を有する固体電解質型燃料電池１を得る。
【００４３】
［実施例２］
図３に示すように、この実施例の固体電解質型燃料電池１１では、電解質１２に混合ガスＡが流通可能な気孔が多数設けてあるのに加えて、燃料極１３及び空気極１４の両電極にも混合ガスＡが流通可能な気孔をそれぞれ多数設けている。
【００４４】
つまり、この固体電解質型燃料電池１１において、電解質１２及び電極１３，１４を流通する混合ガスＡは、流路Ｆを如何なる方向に設定したとしても、例えば、図４に示すように、流路Ｆを電解質１２及び電極１３，１４の表面に対して直交する方向に設定したとしても、必ず燃料極１３及び空気極１４に接触することとなり、したがって、燃料の利用効率が良くなると共に、単位体積あたりの反応面積が増す分だけ出力密度が高くなり、加えて、燃料電池の設計の自由度が大幅に拡がることとなる。
【００４５】
この実施例において、先の実施例で用いた燃料極用粉末，空気極用粉末及び電解質用粉末に対してそれぞれ有機溶媒を混合すると共に、平均粒径１μｍの熱焼失性部材としてのポリスチレン粒子懸濁液（固形分：１０重量％）及びバインダとしてのコロイダルシリカ（固形分：４０重量％）をそれぞれ混合してボールミルで同時に粉砕することにより、燃料極スラリー，空気極スラリー及び電解質スラリー（スラリー化した電極前駆体及び電解質前駆体）を得た。混合比は、電解質（又は電極）：懸濁液＝１：２０：１（重量比）とした。
【００４６】
上記のようにして得た燃料極スラリー，空気極スラリー及び電解質スラリーを用いて固体電解質型燃料電池１１を製造する場合、図５に示すように、まず、工程Ｓ１１において、基盤表面上に燃料極スラリーをスクリーン印刷（塗布）し、工程Ｓ１２において、１２０℃で２時間乾燥させた後、工程Ｓ１３において、３００℃で２時間焼成するのに続いて、工程Ｓ１４において、上記工程で得た燃料極１３の表面上に電解質スラリーをスクリーン印刷（塗布）し、工程Ｓ１５において、１２０℃で２時間乾燥させた後、工程Ｓ１６において、３００℃で２時間焼成する。
【００４７】
このときも、先の実施例と同様に、工程Ｓ１６における焼成温度を、電解質スラリー中のポリスチレン粒子の焼失温度以下に抑えることで、この後塗布する空気極スラリーを平面状に形成することが可能となる。
【００４８】
そして、工程Ｓ１７において、上記工程で得た電解質１２の表面上に空気極スラリーをスクリーン印刷（塗布）し、工程Ｓ１８において、１２０℃で２時間乾燥させた後、工程Ｓ１９において、７００℃で４時間焼成することにより、電解質１２中のポリスチレン粒子が消失して多数の気孔が形成された電解質１２（気孔率約８５％の電解質１２）が得られ、これにより、多孔質状の電解質１２を有する固体電解質型燃料電池１１を得る。
【００４９】
この実施例において、多孔質状の電解質１２を得るのと同時に、各層表面ではバインダとしてのコロイダルシリカが酸化物化して層間の密着性が向上しており、これにより、機械的強度も高まることとなる。
【００５０】
［実施例３］
図６は、本発明の燃料電池スタック構造体の一実施例を示しており、図６に示すように、この燃料電池スタック構造体３１は、上記した実施例２における固体電解質型燃料電池１１を８層積層して成っている。
【００５１】
つまり、この燃料電池スタック構造体３１において、互いに直交する３方向（図６に白抜き矢印で示す３つの方向）を基本にして、混合ガスＡを全方向から流通させ得ることとなり、したがって、燃料の利用効率が良くなると共に、単位体積あたりの反応面積が増す分だけ出力密度が高くなり、加えて、燃料電池スタック構造体の設計の自由度が大幅に拡がることとなる。
【００５２】
上記した実施例２の燃料極スラリー，空気極スラリー及び電解質スラリーを用いて固体電解質型燃料電池１１を製造し、そして、燃料電池スタック構造体３１を製造する場合、図７に示すように、まず、工程Ｓ２１において、基盤表面上に燃料極スラリーをスクリーン印刷（塗布）し、工程Ｓ２２において、１２０℃で２時間乾燥させた後、工程Ｓ２３において、３００℃で２時間焼成するのに続いて、工程Ｓ２４において、上記工程で得た燃料極１３の表面上に電解質スラリーをスクリーン印刷（塗布）し、工程Ｓ２５において、１２０℃で２時間乾燥させた後、工程Ｓ２６において、３００℃で２時間焼成する。
【００５３】
このときも、先の実施例と同様に、工程Ｓ２６における焼成温度を、電解質スラリー中のポリスチレン粒子の焼失温度以下に抑えることで、この後塗布する空気極スラリーを平面状に形成することが可能となる。
【００５４】
そして、工程Ｓ２７において、上記工程で得た電解質１２の表面上に空気極スラリーをスクリーン印刷（塗布）し、工程Ｓ２８において、１２０℃で２時間乾燥させた後、工程Ｓ２９において、３００℃で２時間焼成することにより、１層目の固体電解質型燃料電池１１を得る。
【００５５】
この後、判定工程Ｓ３０で固体電解質型燃料電池１１の積層数が８ユニットであると判定されるまで、工程Ｓ３１〜Ｓ３３及び工程Ｓ２４〜Ｓ２９を順次繰り返し、判定工程Ｓ３０において、固体電解質型燃料電池１１の積層数が８ユニットであると判定された段階で、工程Ｓ３４において、７００℃で４時間焼成することにより、実施例２における固体電解質型燃料電池１１を８層積層して成る燃料電池スタック構造体３１を得る。
【００５６】
［実施例４］
図８は、本発明の燃料電池スタック構造体の他の実施例を示しており、図８に示すように、この燃料電池スタック構造体４１は、電解質２２を燃料極２３及び空気極２４で挟持して成る固体電解質型燃料電池２１を８層積層して成っている。
【００５７】
この燃料電池スタック構造体４１が、上記した実施例３における燃料電池スタック構造体３１と相違するところは、実施例１で用いた燃料極用粉末及び空気極用粉末に、熱焼失性部材としての平均粒径１μｍのポリスチレン粒子懸濁液（固形分：２０重量％）を有機溶媒とともに混合して燃料極スラリー及び空気極スラリーを得て、これらの燃料極スラリー及び空気極スラリーと実施例２の電解質スラリーを用いて固体電解質型燃料電池２１を製造し、そして、燃料電池スタック構造体４１を製造した点にあり、他の構成は先の実施例３における燃料電池スタック構造体３１と同じである。
【００５８】
したがって、この燃料電池スタック構造体４１において、互いに直交する２方向（図８に白抜き矢印で示す２つの方向）のうちのいずれかを選択して混合ガスＡを流通させ得ることとなり、その結果、燃料の利用効率が良くなると共に、単位体積あたりの反応面積が増す分だけ出力密度が高くなり、加えて、燃料電池スタック構造体の設計の自由度が大幅に拡がることとなる。
【００５９】
［比較例１］
図９は、一比較例としての固体電解質型燃料電池１０１を示しており、この固体電解質型燃料電池１０１では、その製造において、実施例１の電解質用粉末に対して熱焼失性部材としてのポリスチレン粒子懸濁液を混合しない仕様の電解質スラリーを用いており、他の構成は実施例１における固体電解質型燃料電池１と同じである。
【００６０】
この比較例の固体電解質型燃料電池１０１は、電解質１０２と、この電解質１０２の一方側（図示上側）に積層した燃料極１０３と、電解質１０２の他方側（図示下側）に積層した空気極１０４を備えているが、この固体電解質型燃料電池１０１を燃料ガスと空気との混合ガスＡの流路Ｆ中に位置させると、空気極１０４にのみ触れる混合ガスＡの燃料蒸気が存在することとなり、したがって、燃料利用率（効率）が低いものとなる。
【００６１】
［比較例２］
図１０は、一比較例としての燃料電池スタック構造体を示しており、図１０に示すように、この燃料電池スタック構造体１２１は、電解質１１２を燃料極１１３及び空気極１１４で挟持して成る固体電解質型燃料電池１１１を複数積層して成っている。
【００６２】
この燃料電池スタック構造体１２１の固体電解質型燃料電池１１１では、その製造において、実施例１の燃料極用粉末，空気極用粉末及び電解質用粉末に対して熱焼失性部材としてのポリスチレン粒子懸濁液を混合しない仕様の燃料極スラリー，空気極スラリー及び電解質スラリーを用いており、他の構成は先の比較例における固体電解質型燃料電池１０１と同じである。
【００６３】
上記したポリスチレン粒子懸濁液を混合しない仕様の燃料極スラリー，空気極スラリー及び電解質スラリーを用いて固体電解質型燃料電池１１１を製造し、そして、燃料電池スタック構造体１２１を製造する場合、まず、片側にのみ流路１１５ａが形成されたインコネル製のプレート１１５の流路１１５ａに、分散剤としてポリカルボン酸アンモニウムを８％含有させたポリスチレン粒子（平均粒径０．５μｍ）のペーストを充填し、スクレーパーでならした後、３００℃で２時間焼成して平滑な表面を得る。
【００６４】
次いで、このプレート１１５の流路１１５ａ側表面上に燃料極スラリーをスクリーン印刷し、１２０℃で１時間乾燥させた後、３００℃で２時間焼成するのに続いて、これで得た燃料極１１３の表面上に電解質スラリーをスクリーン印刷し、１２０℃で１時間乾燥させた後、３００℃で２時間焼成する。
【００６５】
上記で得た電解質１１２の表面上に空気極スラリーをスクリーン印刷し、１２０℃で１時間乾燥させた後、両面側に形成された流路１１６ａにポリスチレン粒子（平均粒径0.５μｍ）のペーストを充填したインコネル製のセパレータ１１６を電極上に載せて３００℃で２時間焼成する。
【００６６】
そして、これで得たセパレータ１１６の表面上に燃料極スラリーをスクリーン印刷し、１２０℃で１時間乾燥させた後、３００℃で２時間焼成し、以降これまでの作業を８層分だけ繰り返し、最後に形成した空気極１１４上に片側にのみ流路１１５ａが形成されたインコネル製のプレート１１５の流路１１５ａ側を配置し、３００℃で２時間焼成した後、７００℃で４時間焼成することで、燃料電池スタック構造体１２１を得る。
【００６７】
上記のようにして得られた燃料電池スタック構造体１２１は、１方向の流路からのみ混合ガスを導入し、混合ガスは、燃料極１１３及び空気極１１４のういちのいずれか一方の電極にしか接することができず、したがって、例えば、空気極１１４にのみ触れる混合ガスの燃料蒸気が存在することとなり、その結果、燃料利用率（効率）が低いものとなる。
【００６８】
また、上記した実施例３，４の各燃料電池スタック構造体３１，４１では必要としなかった流路分配用のセパレータ１１６分の体積が増化するため、出力密度が低いものとなる。
【００６９】
さらに、燃料電池スタック構造体１２１中に金属とセラミックが混在することから、起動停止に伴う熱膨張及び収縮による接合部の耐久強度維持が困難であり、その結果、連続運転用として使用する以外の用途への適用が難しい。
【００７０】
そこで、図１１に示す評価システムを用いて、上記した実施例３，４の各燃料電池スタック構造体３１，４１及び比較例２の燃料電池スタック構造体１２１の性能評価を行なった。
【００７１】
図１１に示す評価システムにおいて、エタノールと空気との混合ガスＡの流路に、評価対象となる燃料電池スタック構造体３１（４１，１２１）を２個並べて配置し、これらの燃料電池スタック構造体３１，３１間に、２次空気Ｂを導入するようにしている。
【００７２】
すなわち、単室型の燃料電池スタック構造体へ導入する燃料と空気の混合ガスは、導入部の燃料濃度において少なくとも発火濃度以上であることが求められる。発火濃度は、燃料の種類や温度、あるいは、触媒によって変化するが、完全燃焼の空気量を１とした場合、約０．４以下の空気導入に制限されることになる。この空気量の制限により、未燃焼ないし燃焼途中の可燃ガスを常に排出しなければならないため、残留している燃料に応じた量の空気Ｂを供給するようにしている。
【００７３】
実施例３の燃料電池スタック構造体３１の発電最高効率は５２％であり、出力密度は３．４ｋＷ／Ｌであった。また、実施例４の燃料電池スタック構造体４１の発電最高効率は５０％であり、出力密度は２．９ｋＷ／Ｌであった。
【００７４】
これに対して、比較例２の燃料電池スタック構造体１２１の発電最高効率は４５％であり、出力密度は１．７ｋＷ／Ｌであったことから、実施例３，４の各燃料電池スタック構造体３１，４１が、燃料の利用効率及び出力密度の両性能面で比較例２の燃料電池スタック構造体１２１を上回ることが実証できた。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明の一実施例による固体電解質型燃料電池を混合ガス流路中に位置させた状態の断面説明図である。（実施例１）
【図２】図１の固体電解質型燃料電池の製造工程説明図である。（実施例１）
【図３】本発明の他の実施例による固体電解質型燃料電池を混合ガス流路中に位置させた状態の断面説明図である。（実施例２）
【図４】図３の固体電解質型燃料電池を異なる方向に流れる混合ガス流路中に位置させた状態の断面説明図である。（実施例２）
【図５】図３の固体電解質型燃料電池の製造工程説明図である。（実施例２）
【図６】本発明の燃料電池スタック構造体の一実施例を示す全体斜視説明図である。（実施例３）
【図７】図６の燃料電池スタック構造体の製造工程説明図である。（実施例３）
【図８】本発明の燃料電池スタック構造体の他の実施例を示す全体斜視説明図である。（実施例４）
【図９】比較例による固体電解質型燃料電池を混合ガス流路中に位置させた状態の断面説明図である。
【図１０】比較例による燃料電池スタック構造体の組み立て要領説明図である。
【図１１】実施例３，４の各燃料電池スタック構造体及び比較例２の燃料電池スタック構造体の性能を評価をするために用いる評価システムの説明図である。
【符号の説明】
【００７６】
１，１１    固体電解質型燃料電池
２，１２    電解質
３，１３    燃料極
４，１４    空気極
３１，４１  燃料電池スタック構造体
Ａ          混合ガス
【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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