(57)【要約】【課題】量産性に優れた燃料電池構造体の製造方法を提供する。【解決手段】燃料電池構造体の製造方法は、構造体形成工程と、除去工程とを備える。前記構造体形成工程は、吸気部と、前記吸気部から分岐した複数の分岐部と、前記複数の分岐部の下流側が合流する排気部とを含む気体流路の形状に対応する外形形状を有する犠牲部材の表面に、燃料極層５、電解質層６、及び酸化剤極層７の三層を少なくとも含む多層膜構造である燃料電池構造体を形成する工程である。前記除去工程は、前記構造体形成工程の途中又は完了後において前記犠牲部材を除去する工程である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸気部と、前記吸気部から分岐した複数の分岐部と、前記複数の分岐部の下流側が合流する排気部とを含む気体流路の形状に対応する外形形状を有する犠牲部材の表面に、燃料極層、電解質層、及び酸化剤極層の三層を少なくとも含む多層膜構造である燃料電池構造体を形成する構造体形成工程と、
前記構造体形成工程の途中又は完了後において前記犠牲部材を除去する除去工程とを備えることを特徴とする燃料電池構造体の製造方法。
【請求項２】
前記構造体形成工程において、第１保持部材の吸気口に対して、前記吸気部に対応する前記犠牲部材の端部が挿入され、第２保持部材の排気口に対して、前記排気部に対応する前記犠牲部材の端部が挿入され、前記第１保持部材及び前記第２保持部材と前記犠牲部材との接続境界を完全に覆う層が形成された後に、
前記除去工程が実行されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池構造体の製造方法。
【請求項３】
前記電解質層が、
前記電解質層よりも内側に形成される前記燃料極層又は前記酸化剤極層の外表面全面を覆い、且つ、前記第１保持部材及び前記第２保持部材と前記電解質層よりも内側に形成される前記燃料極層又は前記酸化剤極層との接続境界を完全に覆うように、形成されることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池構造体の製造方法。
【請求項４】
前記除去工程が、前記構造体形成工程の途中において前記犠牲部材を熱処理により除去する工程であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池構造体の製造方法。
【請求項５】
前記犠牲部材を、前記分岐部同士の結合点が形成されるような形状にすることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池構造体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池構造体の製造方法に関し、特に、吸気部と、前記吸気部から分岐した複数の分岐部と、前記複数の分岐部の下流端が合流する排気部とを含む気体流路を有する燃料電池構造体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は平面状の単セルをセパレータと呼ばれる部材を挟んで積層するスタック構造が最も一般的である。燃料電池の構造としては、上記のスタック構造の他にチューブ状の単セルを多数並べる構造もある。
【０００３】
上記の単セルは、典型的には、固体ポリマーイオン交換膜を用いた固体高分子電解質膜、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）を用いた固体酸化物電解質膜等を、燃料極（アノード）と酸化剤極（カソード）とで両側から挟み込んだ構成である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−２９７３８７号公報（要約、段落００６０）
【特許文献２】特開２００４−１３９９８０号公報（要約、請求項１０）
【特許文献３】特開２００４−１５２７７１号公報（要約、段落００２６）
【特許文献４】特開２００８−１２６５６１号公報（段落００３５、００４０）
【特許文献５】特開２００８−１３０２８６号公報（要約）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したいずれの構造も、単セルを多数配列し、燃料ガスと酸化剤ガスを供給する配管等を組み立てる必要があり、接続部が多い複雑な構造になる。このため量産性が悪く、また部品点数も多いことから高コストになっていた。さらに、接続部からのガス漏れを防ぐシールが不十分である場合には、接続部からのガス漏れによって発電効率が低下してしまうという問題があった。
【０００６】
ここで、特許文献１〜特許文献５で開示されている燃料電池セルの製造方法を採用した場合、これらの製造方法では犠牲層を利用しているため燃料電池セルの量産性は若干向上するが、吸気部と、前記吸気部から分岐した複数の分岐部と、前記複数の分岐部の下流端が合流する排気部とを含む気体流路を有する燃料電池を製造するには、燃料電池セルの製造以外に配管等の組み立てが必要になるため、当該燃料電池の量産性は依然として悪いままである。
【０００７】
本発明は、上記の状況に鑑み、量産性に優れた燃料電池構造体の製造方法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】
【０００８】
上記目的を達成するために本発明に係る燃料電池構造体の製造方法は、吸気部と、前記吸気部から分岐した複数の分岐部と、前記複数の分岐部の下流側が合流する排気部とを含む気体流路の形状に対応する外形形状を有する犠牲部材の表面に、燃料極層、電解質層、及び酸化剤極層の三層を少なくとも含む多層膜構造である燃料電池構造体を形成する構造体形成工程と、前記構造体形成工程の途中又は完了後において前記犠牲部材を除去する除去工程とを備える構成とする。
【０００９】
このような製造方法によると、吸気部と、前記吸気部から分岐した複数の分岐部と、前記複数の分岐部の下流側が合流する排気部とを含む気体流路を有する複雑な形状の燃料電池構造体を継ぎ目無く一体的に形成することができるので、組み立て工程が不要になり、量産性が向上する。また、従来のスタック構造では必要であったセパレータ、スペーサ等が不要になるので、燃料電池構造体の軽量小型化、高密度化、低価格化の面でも有利である。
【００１０】
また、前記構造体形成工程において、第１保持部材の吸気口に対して、前記吸気部に対応する前記犠牲部材の端部が挿入され、第２保持部材の排気口に対して、前記排気部に対応する前記犠牲部材の端部が挿入され、前記第１保持部材及び前記第２保持部材と前記犠牲部材との接続境界を完全に覆う層が形成された後に、前記除去工程が実行されるようにしてもよい。
【００１１】
これにより、燃料電池構造体（製造途中のものを含む）が第１保持部材及び第２保持部材に接続保持されているので、薄膜である燃料電池構造体に過大な力をかけずに燃料電池構造体をハンドリングすることができる。なお、第１保持部材及び第２保持部材は一体構造であってもよい。
【００１２】
また、前記電解質層が、前記電解質層よりも内側に形成される前記燃料極層又は前記酸化剤極層の外表面全面を覆い、且つ、前記第１保持部材及び前記第２保持部材と前記電解質層よりも内側に形成される前記燃料極層又は前記酸化剤極層との接続境界を完全に覆うように、形成されるようにしてもよい。
【００１３】
これにより、第１保持部材及び第２保持部材と緻密でガスを通さない電解質層とによる気密性が高いガスシールを実現することができる。さらに、外部との配管接続は、比較的低温に維持できる第１保持部材の吸気口及び第２保持部材の排気口で行えるので、ガスシールが容易であり信頼性を高めることができる。
【００１４】
また、前記除去工程が、前記構造体形成工程の途中において前記犠牲部材を熱処理により除去する工程であるようにしてもよい。
【００１５】
これにより、除去工程を簡素化することができる。
【００１６】
また、前記犠牲部材を、前記分岐部同士の結合点が形成されるような形状にするようにしてもよい。
【００１７】
これにより、燃料電池構造体の機械強度が向上する。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係る燃料電池構造体の製造方法によると、組み立て工程が不要になり、量産性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態に係る製造方法によって得られる燃料電池構造体の斜視図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る製造方法によって得られる燃料電池構造体の図１に示す断面Ａ−Ａ’での断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る製造方法によって得られる燃料電池構造体の第１工程完了時点での図２に示す断面Ａ−Ａ’での断面図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る製造方法によって得られる燃料電池構造体の第２工程完了時点での図２に示す断面Ａ−Ａ’での断面図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る製造方法によって得られる燃料電池構造体の第３工程完了時点での図２に示す断面Ａ−Ａ’での断面図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る製造方法によって得られる燃料電池構造体の第４工程完了時点での図２に示す断面Ａ−Ａ’での断面図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る製造方法によって得られる燃料電池構造体の第５工程完了時点での図２に示す断面Ａ−Ａ’での断面図である。
【図８】犠牲部材の変形例を示す図である。
【図９】保持部材の形状を変えた場合の燃料電池構造体の斜視図である。
【図１０】図９に示す燃料電池構造体の図９に示す断面Ａ−Ａ’での断面図である。
【図１１】直列接続される複数の燃料電池構造体の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の実施形態について図面を参照して以下に説明する。尚、本発明は、後述する実施形態に限られない。
【００２１】
図１は本発明の一実施形態に係る製造方法によって得られる燃料電池構造体の斜視図である。但し、図１においては集電パターンの図示を省略している。また、図２は本発明の一実施形態に係る製造方法によって得られる燃料電池構造体の図１に示す断面Ａ−Ａ’での断面図である。
【００２２】
吸気口１及び排気口２を有するセラミック製の保持部材３に、ここではＳＯＦＣ（Solid Oxide Fuel Cell）を構成する多層膜（以下、ＳＯＦＣ膜という）からなる燃料電池構造体４が接続されている。
【００２３】
燃料電池構造体４は、吸気部と、前記吸気部から分岐した複数の分岐部と、前記複数の分岐部の下流端が合流する排気部とを含む気体流路を有している。保持部材３の吸気口１に前記吸気部の上流端がつながっており、前記排気部の下流端に保持部材３の排気口２がつながっている。上記のように、前記吸気部及び前記排気部よりも流路が狭い分岐部を複数設けることにより、比較的小さな空間内で燃料電池における反応面積を十分に確保することができる。
【００２４】
ＳＯＦＣ膜は内側から燃料極層（アノード層）５、固体酸化物電解質層６、酸化剤極層（カソード層）７の順で積層された三層膜である。固体酸化物電解質層６は、ガスを通さず酸素イオンのみを通す必要があることから緻密な構造であり、例えば公知のランタンガレード系電解質（ＬＳＧＭ）、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、セリア系電解質（ＧＤＣ）等を用いることができる。一方、燃料極層５及び酸化剤極層７は反応ガスを通す必要があることから多孔質であり、燃料極層５には、例えばＮｉＯ−ＬＳＧＭ、ＮｉＯ−ＹＳＺ、ＮｉＯ−ＧＤＣ等が用いられ、酸化剤極層７には、例えばランタンストロンチウムマンガナイト（ＬＳＭ）、ランタンストロンチウムコバルタイト（ＬＳＣ）、サマリウムストロンチウムコバルタイト（ＳＳＣ）等が用いられる。各層は数μｍから数十μｍの厚さであるが、構造体としての強度を確保するために、三層のうちいずれか（例えば燃料極層５）をより厚くし、そのより厚くした層を支持体層としてもよい。
【００２５】
燃料ガス（例えば水素ガス）を保持部材３の吸気口１から燃料電池構造体４内の気体流路（燃料極層５側）に導入し、酸化剤ガス（例えば酸素や空気）を燃料電池構造体４の周囲（酸化剤極７側）に供給することにより、発電が行われる。そして、発電の際に生成された水（水蒸気）を含むガスが排気ガスとして保持部材３の排気口２から排出される。
【００２６】
保持部材３にはアノード集電パターン８及びカソード集電パターン９を形成し、燃料電池構造体４にも同様にアノード集電パターン８及びカソード集電パターン９を形成する。なお、アノード集電パターン８及びカソード集電パターン９は、保持部材３のアノード集電パターン８と燃料電池構造体４のアノード集電パターン８とが電気的に接続され、保持部材３のカソード集電パターン９と燃料電池構造体４のカソード集電パターン９とが電気的に接続されるようなパターンレイアウトとする。また、アノード集電パターン８及びカソード集電パターン９はそれぞれ導電性材料からなる。
【００２７】
続いて本発明の一実施形態に係る製造方法について図３〜図７を参照して説明する。図３は、本発明の一実施形態に係る製造方法によって得られる燃料電池構造体の第１工程完了時点での図２に示す断面Ａ−Ａ’での断面図である。図４は、本発明の一実施形態に係る製造方法によって得られる燃料電池構造体の第２工程完了時点での図２に示す断面Ａ−Ａ’での断面図である。図５は、本発明の一実施形態に係る製造方法によって得られる燃料電池構造体の第３工程完了時点での図２に示す断面Ａ−Ａ’での断面図である。図６は、本発明の一実施形態に係る製造方法によって得られる燃料電池構造体の第４工程完了時点での図２に示す断面Ａ−Ａ’での断面図である。図７は、本発明の一実施形態に係る製造方法によって得られる燃料電池構造体の第５工程完了時点での図２に示す断面Ａ−Ａ’での断面図である。
【００２８】
保持部材３として、例えば未焼成のセラミック材料で成型された成型体を用意する。当該成型体は、吸気口１及び排気口２を有し、さらに保持部材３及び燃料電池構造体４からなる構造物を収容容器などに設置するための固定部を有する形状である。例えば、保持部材３の板形状部（図１参照）の長手方向側面部に対応するスリット状のレールが前記収容容器に設けられていれば、前記板形状部の長手方向側面部が前記固定部となる。また、例えば、前記構造物を固定するためのネジ穴が前記収容容器に形成されていれば、保持部材３の前記ネジ穴に対応する箇所に貫通穴を設け、当該貫通穴を前記固定部とすればよい。
【００２９】
さらに、犠牲部材１０として、例えば熱可塑性樹脂で成型された成型物を用意する。当該成型物は、燃料電池構造体４の気体流路の形状に対応する外形形状を有する。
【００３０】
次に、第１工程において、アノード集電パターン８を保持部材３の吸気口１の上流部及び排気口２の下流部並びにそれらの周辺にスクリーン印刷等で形成し、犠牲部材１０の表面にもアノード集電パターン８をスクリーン印刷等で形成し、その後、保持部材３の吸気口１及び排気口２に対して犠牲部材１０の両端部を挿入する。これにより、図３に示す状態になる。なお、犠牲部材１０に形成したアノード集電パターン８は紙面の奥側に位置しているため、図３では隠れている。
【００３１】
次に、第２工程において、燃料極層５（図２参照）の材料と多孔質にするための造孔材であるポリマ粒子等とを溶媒に拡散した液相ペースト５’を、犠牲部材１０の露出面全面並びに保持部材３の吸気口１の下流部外周及び排気口２の上流部外周にディッピング等の方法で塗布し、液相ペースト５’によって保持部材３と犠牲部材１０との接続境界が完全に覆われるようにする。これにより、図４に示す状態になる。燃料極層５（図２参照）を支持体層とするために、液相ペースト５’の塗布回数を増やして液相ペースト５’の厚みを増やすこともできる。
【００３２】
次に、第３工程において、液相ペースト５’を乾燥させた後、犠牲部材１０を除去してから、適切な条件（例えば１２００〜１５００℃）で液相ペースト５’及び保持部材３を焼成する。これにより、図５に示す状態になる。犠牲部材１０を除去する方法としては、例えば、犠牲部材１０の融点以上に加熱して犠牲部材１０を液状にして保持部材３の吸気口１及び排気口２から排出する方法、あるいは、犠牲部材１０の融点より高温に徐々に加熱して犠牲部材１０を液相ペースト５’中の造孔材と共に焼失させる方法がある。なお、セラミックは焼成時に体積が大きく収縮するので、この体積収縮によって壊れないようにするために、燃料極５の材料と保持部材３の材料とで焼成時の収縮率が揃うように各材料の配合を調整することが望ましい。
【００３３】
次に、第４工程において、固体酸化物電解質層６を溶媒に拡散した液相ペーストを、燃料極層５の外表面全面並びに保持部材３の吸気口１の下流部外周及び排気口２の上流部外周にディッピング等の方法で塗布し、当該液相ペーストによって保持部材３と燃料極層５との接続境界が完全に覆われるようにし、その後焼成する。これにより、図６に示す状態になり、保持部材３と燃料電池構造体４（図２参照）との接続部において、保持部材３と緻密でガスを通さない固体酸化物電解質層６とによる気密性が高いガスシールを実現することができる。
【００３４】
次に、第５工程において、酸化剤極層７の材料と多孔質にするための造孔材であるポリマ粒子等とを溶媒に拡散した液相ペーストを、固体酸化物電解質層６の外表面のうち固体酸化物電解質層内側の燃料極層形成領域に対応する領域にディッピング等の方法で塗布し、その後焼成する。これにより、図７に示す状態になる。
【００３５】
最後に、カソード集電パターン９を保持部材３及び燃料電池構造体４にスクリーン印刷等で形成すると、図２に示す構造物が完成する。
【００３６】
上述した本発明の一実施形態に係る製造方法では、燃料電池構造体４を内側から燃料極層５、固体酸化物電解質層６、酸化剤極層７の順で積層された三層膜（ＳＯＦＣ膜）としたが、逆の順で積層することも当然可能である。逆の順で積層した場合、酸化剤ガスを保持部材３の吸気口１から燃料電池構造体４内の気体流路に導入し、燃料ガスを燃料電池構造体４の周囲に供給すればよい。
【００３７】
また、ＳＯＦＣ膜の三層のうちいずれかをより厚くし、そのより厚くした層を支持体層とすることができることを上記の説明において既に述べたが、ＳＯＦＣ膜以外に第４のセラミック膜を支持体層として構成することもできる。例えば、犠牲部材上に最初にこの支持体層を形成・焼成し、その後のＳＯＦＣ膜を形成・焼成すればよい。但し、この場合、第４のセラミック膜は反応ガスの拡散を阻害しないように多孔質に形成する必要がある。
【００３８】
また、上述した本発明の一実施形態に係る製造方法では、燃料極層５を焼成した後に他の層を形成したが、犠牲部材１０の材料を溶解あるいはガス化して保持部材３の吸気口１及び排気口２から排出することができれば、多孔質の燃料極層５だけでなく、緻密な固体酸化物電解質層６も含めた二層あるいはさらに酸化剤極層７も含めた三層を塗布してから複数層をまとめて焼成する工程を採用することもできる。
【００３９】
また、上述した本発明の一実施形態に係る製造方法で得られる燃料電池構造体４では、気体流路の各分岐部が平行に配置されていたが、例えば図８に示すような網目形状を有する犠牲部材を用いることによって、分岐部同士の結合点を設け、燃料電池構造体の機械強度を向上させてもよい。なお、図面上は図８に示す犠牲部材上に多層膜を形成する空間が無いように見えるが、実際には、多層膜の膜厚が犠牲部材の外形形状に比べて非常に小さいため、何ら問題なく多層膜を形成することができる。
【００４０】
また、上述した本発明の一実施形態に係る製造方法では、吸気口１及び排気口２を有する保持部材３を用いたが、吸気口１及び排気口２を有する保持部材３の代わりに図９及び図１０に示すような吸気口１を有する第１保持部材３１と排気口２を有する第２保持部材３２を用いるようにしてもよい。この場合、第１保持部材３１と第２保持部材３２とが互いに独立しているため、燃料極５の材料と第１保持部材３１及び第２保持部材２の材料との間での焼成時の収縮率差による破損が起こりにくくなる。
【００４１】
また、吸気口１及び排気口２を一つずつ有する保持部材３の代わりに図１１に示すような吸気口１及び排気口２をそれぞれ複数有する保持部材３３を用いるようにしてもよい。この場合、複数の燃料電池構造体４を同時に形成することができる。さらに、アノード集電パターン８及びカソード集電パターン９を複数の燃料電池構造体４が直列接続されるようなレイアウト（図１１中の矢印部分において紙面の奥側でアノード集電パターン８とカソード集電パターン９とを接続するレイアウト）にすることにより、高電圧出力を実現することができる。
【００４２】
また、上述した本発明の一実施形態に係る製造方法では、犠牲部材１０を熱処理により除去したが、例えば、犠牲部材１０の材料によっては犠牲部材１０をエッチング処理により除去することも可能である。この場合、ＳＯＦＣ膜が完成した後（全ての焼成が終了した後）に犠牲部材１０を除去してもよい。
【符号の説明】
【００４３】
１  吸気口
２  排気口
３、３３  保持部材
４  燃料電池構造体
５  燃料極層
５’  液相ペースト
６  固体酸化物電解質層
７  酸化剤極層
８  アノード集電パターン
９  カソード集電パターン
１０  犠牲部材
３１  第１保持部材
３２  第２保持部材
【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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