(57)【要約】【課題】半導体製造技術を利用して製造可能な携帯機器用電源に好適な超小型固体酸化物燃料電池を提供する。【解決手段】固体電解質層１１と、固体電解質層１１の一方の面に設ける空気極層１２と、固体電解質層１１の他方の面に設ける燃料極層１３とを、空気極層、電解質層、燃料極層の順で積層形成した電池層２と、下部電極を兼ねる基板２１上に、誘電体層２２と上部電極層２３とを順次積層形成し、上部電極層２３と基板２１の間に交流電圧を印加して誘電体層２２を発熱させる誘電加熱層３とを備え、誘電加熱層３上に絶縁層４を介して電池層２を積層して燃料電池セル５を形成した。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化物からなる固体電解質層と、該固体電解質層の一方の面に設ける空気極層と、前記固体電解質層の他方の面に設ける燃料極層とを、前記空気極層、電解質層、燃料極層の順で積層して形成した電池層と、
誘電体層と、該誘電体層の一方の面に設ける上部電極層と、該誘電体層の他方の面に設ける下部電極層とを、前記下部電極層、誘電体層、上部電極層の順で基板上に積層して形成し、前記上部電極層と下部電極層の間に交流電圧を印加して前記誘電体層を発熱させる誘電加熱層とを備え、
前記誘電加熱層上に絶縁層を介して前記電池層を積層して燃料電池セルを形成したことを特徴とする固体酸化物燃料電池。
【請求項２】
前記燃料電池セルは、その周縁部と中央部との間に、前記周縁部に前記中央部を支持する支持部を残して空間部を設ける構成である請求項１に記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項３】
前記中央部が、前記空間部で複数に分割され、各中央部はそれぞれの支持部を介して前記周縁部に支持される構成である請求項２に記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項４】
前記中央部に、多数の貫通孔を形成した請求項２又は３に記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項５】
前記誘電加熱層は、前記基板を導電材で形成し、前記基板が前記下部電極層を兼ねる構成である請求項１〜４のいずれか１つに記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項６】
燃料ガス及び酸素又は酸素含有気体をそれぞれ供給する各供給口と、排ガス等の排出口とを設けた単一の容器内に、前記燃料電池セルを互いに所定の間隔を設けて複数収容し、前記所定の間隔を、前記燃料ガスと酸素又は酸素含有気体の混合ガスの消炎距離以下とした請求項１〜５のいずれか１つに記載の固体酸化物燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物燃料電池に関し、特に、半導体製造技術を用いて製造する超小型の固体酸化物燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、電気エネルギ源として種々の発電形式の燃料電池が開発され実用化されるに至っており、その１つとして固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）がある。固体酸化物燃料電池は、固体電解質燃料電池とも呼ばれ、酸化物イオンの透過性が高いイオン伝導性セラミックスを用いた固体電解質の一面に空気極（カソード）を形成し、固体電解質の他方の面に燃料極（アノード）を形成し、酸素又は酸素含有気体と水素等の燃料ガスを供給する。これにより、空気極側において、酸素（Ｏ2）が空気極と固体電解質との境界で酸素イオン（Ｏ2-）にイオン化され、この酸素イオンが固体電解質を介して燃料極側に伝導され、燃料極側において、伝導された酸素イオンが燃料ガスと反応して水（Ｈ2Ｏ）が生成される。この反応で、酸素イオンが電子を放出し、空気極と燃料極との間に電位差が生じるので、空気極と燃料極とを電気結線することで、燃料極側の電子が空気極側に流れ、燃料電池として発電する。
【０００３】
このような固体酸化物燃料電池として、空気極側に酸素又は酸素含有気体を導入するためのチャンバーと燃料極側に水素等の燃料ガスを導入するためのチャンバーとを、それぞれ分離して設けるセパレートチャンバー方式（例えば、特許文献１参照）や、固体電解質、空気極及び燃料極からなる電池セルを単一のチャンバー内に配置し、酸素又は酸素含有気体と燃料ガスを混合した混合燃料ガスを導入するシングルチャンバー方式がある（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−３２６４９号公報
【特許文献２】特許第４４０５１９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、固体酸化物燃料電池は、電解質に固体を使用するため、電解質の漏れ等がなく、また、発電効率も高く、携帯機器用電源として適している。しかしながら、固体酸化物燃料電池は動作温度が８００〜１０００℃と高く、従来、例えば特許文献２に記載されているように、火炎を利用して電池セルを加熱する等の加熱方式が採用されており、携帯機器用電源に要求される小型化、薄型化が難しいという問題があった。
【０００６】
本発明は上記問題点に着目してなされたもので、半導体製造技術を利用して電池層と誘電加熱層を一体化した燃料電池セルを形成することにより、携帯機器用電源に好適な超小型の固体酸化物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】
【０００７】
このため、本発明の固体酸化物燃料電池は、酸化物からなる固体電解質層と、該固体電解質層の一方の面に設ける空気極層と、前記固体電解質層の他方の面に設ける燃料極層とを、前記空気極層、電解質層、燃料極層の順で積層して形成した電池層と、誘電体層と、該誘電体層の一方の面に設ける上部電極層と、該誘電体層の他方の面に設ける下部電極層とを、前記下部電極層、誘電体層、上部電極層の順で基板上に積層して形成し、前記上部電極層と下部電極層の間に交流電圧を印加して前記誘電体層を発熱させる誘電加熱層とを備え、前記誘電加熱層上に絶縁層を介して前記電池層を積層して燃料電池セルを形成したことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の固体酸化物燃料電池によれば、下部電極層、誘電体層、上部電極層、絶縁層、空気極層、電解質層及び燃料極層を、順々に基板上に積層することで、電池層と誘電加熱層とを一体化した燃料電池セルを形成できるので、半導体製造技術を用いて極めて容易に製造でき、携帯機器用電源に好適な超小型の固体酸化物燃料電池を容易に実現できる。
また、例えば、燃料電池セルを、その周縁部と中央部との間に、周縁部に中央部を支持する支持部を残して空間部を設けて中央部からの放熱を抑制する構成にすることで、中央部を実質的な発電領域とし、この発電領域のみを局所的に加熱可能にして動作温度まで短時間で昇温することが可能となり、固体酸化物燃料電池の起動・停止時間の短縮化を図れる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明に係る固体酸化物燃料電池の一実施形態を示す平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ矢視断面図である。
【図３】図１のＢ−Ｂ矢視断面図である。
【図４】図１の燃料電池セルを複数積層したセルスタックの一例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１及び図２に、本発明に係る固体酸化物燃料電池の一実施形態を示し、図１は平面図であり、図２は図１のＡ-Ａ矢視断面図で、図３は図１のＢ−Ｂ矢視断面図である。
図１〜図３において、本実施形態の固体酸化物燃料電池１は、電気エネルギを発生する電池層２と、この電池層２を誘電加熱により加熱する誘電加熱層３とを備え、誘電加熱層３上に絶縁層４を介して電池層２を積層することで、電気エネルギを発生させる電池部（電池層２）とこの電池部をその動作温度（８００〜１０００℃）まで加熱するための加熱部（誘電加熱層３）を一体化した燃料電池セル５を形成している。
【００１１】
前記電池層２は、固体電解質層１１と、固体電解質層１１の一方の面に設ける空気極層１２と、固体電解質層１１の他方の面に設ける燃料極層１３とを、図２のように、空気極層１２と、電解質層１１と、燃料極層１３とを、順次積層して形成されている。
【００１２】
前記固体電解質層１１には、公知の材料を用いることができ、例えば、イットリア安定化ジルコニア(ＹＳＺ)等、酸化物イオンの透過性の高い安定化ジルコニアやランタン、ガリウムのペロブスカイト酸化物等のイオン伝導性セラミックスが挙げられる。
【００１３】
前記空気極層１２には、公知の材料を用いることができ、例えば、ニッケルや白金等が挙げられる。
【００１４】
燃料極層１３には、公知の材料を用いることができ、例えば、ストロンチウム等の周期律表第３族元素が添加されたランタンのマンガン、ガリウム又はコバルト酸化化合物（例えば、ＬＳＣＯ）等が挙げられる。
【００１５】
前記誘電加熱層３は、導電材である例えばステンレス鋼（ＳＵＳ）等の薄板を用いて下部電極層を兼ねる基板２１とし、この基板２１上に、誘電体層２２と上部電極層２３とを順次積層して形成され、上部電極層２３と下部電極層を兼ねる基板２１の間に、図２に示すように交流電源６から交流電圧を印加して誘電体層２２を発熱させるよう構成されている。尚、本実施形態の誘電加熱層３は、基板２１下面側に電気的絶縁のために絶縁層２４を設けているが、絶縁層２４は省略してもよい。
【００１６】
前記誘電体層２２には、例えば比誘電率の高いチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等を用いる。また、前記上部電極層２３には、例えばニッケルや白金等を用いる。
【００１７】
前記燃料電池セル５は、図１に示すように、その平面形状が、周縁部５Ａと中央部５Ｂとの間に、中央部５Ｂを周縁部５Ａに支持する支持部５Ｃを残して空間部７を有する形状とし、前記中央部５Ｂが、空間部７で複数（本実施形態では８つ）に分割され、各中央部５Ｂはそれぞれの支持部５Ｃを介して周縁部５Ａに支持される形状としている。更に、各中央部５Ｂには、多数の貫通孔８を形成してある。
【００１８】
本実施形態の固体酸化物燃料電池１の燃料電池セル５は、半導体製造技術を用いて製造する。
例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ）の薄板を準備し、これを基板２１としてその下側に、例えば酸化ジルコニア（ＺｒＯ2）を成膜して絶縁層２４を形成する。次いで、基板２１上に、例えばＭＯＣＶＤ装置を用いてチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を成膜して誘電体層２２を形成する。次いで、誘電体層２２上に例えばスパッタ法等を用いてニッケ層を成膜して上部電極層２３を形成して誘電加熱層３を形成する。次いで、上部電極層２３上に酸化ジルコニア（ＺｒＯ2）を成膜して絶縁層４を形成する。
【００１９】
続いて、絶縁層４上に、例えばスパッタ法等を用いてニッケ層を成膜して空気極層１２を形成する。次いで、空気極層１２上に例えばＭＯＣＶＤ装置を用いてイットリア安定化ジルコニア(ＹＳＺ)を成膜して固体電解質層１１を形成し、固体電解質層１１上に例えばＭＯＣＶＤ装置を用いてＬＳＣＯを成膜して燃料極層１３を形成して電池層２を形成する。
【００２０】
その後、誘電加熱層３と絶縁層４と電池層２を積層形成した積層体の表面に、空間部７及び貫通孔８形成のためのエッチング用マスクパターンを形成し、このマスクパターンにより、空間部７及び貫通孔８領域以外の周縁部５Ａ、中央部５Ｂ及び支持部５Ｃに相当する領域をマスクして例えばＲＩＥ（Reactive Ion Etching）により空間部７及び各中央部５Ｂの貫通孔８に相当する部分をエッチングする。これにより、図１に示すような、周縁部５Ａの内側に、各支持部５Ｃで支持されそれぞれが多数の貫通孔８を設けた８つの中央部５Ｂを有する燃料電池セル５が形成される。
【００２１】
その後、電池層２の空気極層１２と燃料極層１３や誘電加熱層３の下部電極層を兼ねる基板２１と上部電極層２３に、図２に示すように例えばボンディングワイヤ等による電気配線９を取付ける。
【００２２】
次に、本実施形態の固体酸化物燃料電池１による発電動作について説明する。
誘電加熱層３の基板２１と上部電極層２３の間に、交流電源６により例えば１００ｋＨｚ、５Ｖ程度の交流電圧を印加すると、誘電体層２２が誘電加熱の原理により発熱する。誘電加熱による発熱量Ｐは、下記の（１）式で表される。
Ｐ＝２πｆε0εrtanδＥ2[Ｗ／ｍ3]      （１）
ここで、ｆは印加交流電圧の周波数、ε0は真空の誘電率、εrは誘電体の比誘電率、tanδは誘電体の誘電正接（損失角）、Ｅは電界の強さである。
上記の（１）式から明らかなように、誘電加熱による発熱量Ｐは、印加交流電圧の周波数や誘電体の比誘電率に比例する。従って、誘電体層２２としてＰＺＴのような比誘電率の高い材料を用いることで、１００ｋＨｚ程度の周波数で、電池層２をその動作温度（８００〜１０００℃）まで加熱するのに十分な発熱量を得ることが可能である。
【００２３】
そして、各中央部５Ｂを支持する支持部５Ｃの幅Ｌ（図１に図示）を狭くすることで、加熱された各中央部５Ｂの熱が周縁部５Ａ側へ逃げ難くして各中央部５Ｂからの放熱を抑制している。このため、各中央部５Ｂが局所的に加熱され、各中央部５Ｂの電池層２が短時間で昇温し、各中央部５Ｂにおける電池層２が実質的な発電部としてその動作温度（８００〜１０００℃）まで急速に昇温する。
【００２４】
この状態で、燃料ガスとして例えば水素ガスを、酸素又は酸素含有気体として例えば空気を、混合した混合ガスとして燃料電池セル５の周囲に供給する。これにより、混合ガスに含まれる空気中の酸素が、空気極層２１と固体電解質層２２の境界で酸素イオン（Ｏ2-）にイオン化され、酸素イオンは固体電解質層２２を介して燃料極層２３側に伝導され、燃料極層２３側で水素ガスと反応して水（Ｈ2Ｏ）を生成する。この反応で、酸素イオンが電子を放出し、空気極層２１と燃料極層２３との間に電位差が生じ、電気配線９，９により空気極層２１と燃料極層２３とを電気結線することで、燃料極層２３側の電子が空気極層２１側に流れて発電する。
【００２５】
空気極層２１側における電極反応は、空気と電極と固体電解質の３相が接する三相界面の領域（図３中、点線円で囲んだ領域）で活発に起こる。そして、本実施形態では中央部５Ｂに多数の貫通孔８を形成することで、前記三相界面領域の面積を多くしたので、高い発電効率を得ることができる。
【００２６】
本実施形態の固体酸化物燃料電池１によれば、半導体製造技術を利用して、下部電極層を兼ねた基板２１上に、誘電体層２２、上部電極層２３、絶縁層４、空気極層１２、固体電解質層１１、燃料極層１３を、順次成膜した積層体を製造した後、この積層体の空間部７及び貫通孔８に相当する領域をエッチング除去するだけで、誘電加熱層と電池層とが一体化された燃料電池セル５を製造することができるので、例えば、１ｃｍ角程度の大きさの超小型固体酸化物燃料電池を、容易且つ安価に製造することができるようになる。また、誘電加熱層３によって電池層２を局所的に加熱することが可能であるので、電池層２を固体酸化物燃料電池の動作温度（８００〜１０００℃）まで短時間で昇温することが可能となり、固体酸化物燃料電池の起動・停止時間の短縮化が図れる。従って、固体酸化物燃料電池を携帯機器用電源として適用することが可能になる。
【００２７】
尚、上記実施形態では、基板２１に導電材を用いて、基板２１で下部電極層を兼ねる構成としたが、基板２１上に、基板とは別に下部電極層を積層形成する構成でもよいことは言うまでもない。
【００２８】
次に、図１の燃料電池セル５を複数積層するセルスタックの一例を図４に示す。尚、図１と同一要素には同一符号を付してある。
図４は、セルスタックの断面図で、本実施形態のセルスタック３０は、燃料ガスの供給口３１と、酸素又は酸素含有気体として例えば空気の供給口３２と、排ガス等の排出口３３とを設け、断面形状が矩形状の容器３４内に、燃料電池セル５を所定の間隔を設けて複数積層して収容してある。ここで、前記所定の間隔は、容器３４内に燃料ガスと空気が供給され混合されたときに、この混合ガスが発火し得ない距離（消炎距離）以下に設定する。燃料ガスとして水素ガスを使用した場合、水素ガスの消炎距離は、０．６ｍｍであり、従って、本実施形態のセルスタック３０では、互いの燃料電池セル５間の間隔が０．６ｍｍ以下となるよう、各燃料電池セル５を容器３４内に積層して配置する。尚、燃料電池セル５間の間隔だけでなく、容器３４と燃料電池セル５との隙間や燃料電池セル５における貫通孔８の径は勿論、周縁部５Ａと中央部５Ｂとの間に存在する空間部７の幅も、前記消炎距離以下に設定されている。
【００２９】
各燃料電池セル５の電池層２を直列接続する。即ち、各燃料電池セル５の空気極層１２を隣接する燃料電池セル５の燃料極層１３に電気的に接続し、その燃料極層１３を別の隣接する燃料電池セル５の空気極層１２に接続するようにして、順次各燃料電池セル５を電気的に接続することで、燃料電池セル５の電池層２を直列接続する。
【００３０】
また、各燃料電池セル５の誘電加熱層３は並列接続する。即ち、各燃料電池セル５の下部電極層を兼ねる基板２１同士を電気的に接続し、上部電極層２３同士を電気的に接続することで、燃料電池セル５の誘電加熱層３を並列接続する。
【００３１】
かかる構成のセルスタック３０では、各供給口３１、３２から水素ガスと空気を容器３４内に供給すると、容器３４内の各燃料電池セル５において前述したような電極反応により、各燃料電池セル５の電池層２で電気エネルギが発生し、複数の燃料電池セル５を直列接続したセルスタック３０により、高電圧の出力を得ることができる。
【００３２】
燃料電池セル５を用いたセルスタック３０は、高温部が図４に点線で示した燃料電池セル５の一部分（中央部５Ｂ）に限定されるため、容器３４等に高温対応の耐熱材料を使用する必要がなく安価な材料を使用できる。また、セパレータの不要なシングルチャンバー方式を採用できる。従って、構造が簡素で安価な超小型の固体酸化物燃料電池のセルスタックを実現できる。
【符号の説明】
【００３３】
１    固体酸化物燃料電池
２    電池層
３    誘電加熱層
４    絶縁層
５    燃料電池セル
５Ａ    周縁部
５Ｂ    中央部
５Ｃ    支持部
７    空間部
８    貫通孔
１１    電解質層
１２    空気極層
１３    燃料極層
２１    基板
２２    誘電体層
２３    上部電極層
３０    セルスタック
３１    燃料供給口
３２    空気供給口
３３    排気口
３４    容器
【図１】
2012155931.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2012155931.tif 000006