(57)【要約】【課題】  量産に適した固体酸化物型の燃料電池およびその製造方法を提供する。【解決手段】  本発明に係る燃料電池は、多孔状の金属支持体と、前記金属支持体上に設けられ、導電性を有する結晶化ガラスと、前記結晶化ガラス上に設けられ、第１電極、固体酸化物電解質、および第２電極が積層された発電部と、を備える。本発明に係る燃料電池の製造方法は、多孔状の金属支持体上に、導電性の結晶化ガラスのペーストを塗布する塗布工程と、予め焼成され、第１電極、固体酸化物電解質、および第２電極が順に積層された発電部を、前記結晶化ガラスのペースト上に配置する配置工程と、熱処理によって、前記発電部を前記金属支持体に接合する接合工程と、を含む。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多孔状の金属支持体と、
前記金属支持体上に設けられ、導電性を有する結晶化ガラスと、
前記結晶化ガラス上に設けられ、第１電極、固体酸化物電解質、および第２電極が積層された発電部と、を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記結晶化ガラスは、アルミノホウ酸塩、ホウケイ酸塩、アルミノホウケイ酸塩の少なくともいずれかに導電性材料が添加された構造を有することを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記金属支持体は、ステンレスであることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池。
【請求項４】
多孔状の金属支持体上に、導電性の結晶化ガラスのペーストを塗布する塗布工程と、
予め焼成され、第１電極、固体酸化物電解質、および第２電極が順に積層された発電部を、前記結晶化ガラスのペースト上に配置する配置工程と、
熱処理によって、前記発電部を前記金属支持体に接合する接合工程と、を含むことを特徴とする燃料電池の製造方法。
【請求項５】
前記接合工程の熱処理温度は、前記結晶化ガラスの軟化点以上、結晶化温度以下の温度であることを特徴とする請求項４記載の燃料電池の製造方法。
【請求項６】
前記結晶化ガラスは、アルミノホウ酸塩、ホウケイ酸塩、アルミノホウケイ酸塩の少なくともいずれかに導電性材料が添加された構造を有することを特徴とする請求項４または５記載の燃料電池の製造方法。
【請求項７】
前記金属支持体は、ステンレスであることを特徴とする請求項４〜６のいずれか一項に記載の燃料電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、一般的には水素および酸素を燃料として電気エネルギを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れており、また高いエネルギ効率を実現できることから、今後のエネルギ供給システムとして広く開発が進められてきている。
【０００３】
固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）は、固体酸化物電解質が燃料極と酸素極とによって挟持された構造を有する。固体酸化物電解質を薄膜化するために、例えば、支持基板としての金属支持体上に、燃料極、固体酸化物電解質、および酸素極が成膜された構造を有する固体酸化物型燃料電池が開発されている。特許文献１は、固体酸化物電解質などのセラミックス部材と金属支持体とを接合する際に、セラミックス部材の表面に金属ガラス接合層を成膜し、金属ガラス接合層に金属部材を接触させて金属ガラス接合層の過冷却液体域で押圧して接合する技術を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−０４６３２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１で開示されている接合条件は特異であるため、燃料電池の量産が困難である。
【０００６】
本発明は、量産に適した固体酸化物型の燃料電池およびそ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】
【０００７】
本発明に係る燃料電池は、多孔状の金属支持体と、前記金属支持体上に設けられ、導電性を有する結晶化ガラスと、前記結晶化ガラス上に設けられ、第１電極、固体酸化物電解質、および第２電極が積層された発電部と、を備えることを特徴とする。本発明に係る燃料電池は、量産に適している。
【０００８】
前記結晶化ガラスは、アルミノホウ酸塩、ホウケイ酸塩、アルミノホウケイ酸塩の少なくともいずれかに導電性材料が添加された構造を有していてもよい。前記金属支持体は、ステンレスとしてもよい。
【０００９】
本発明に係る燃料電池の製造方法は、多孔状の金属支持体上に、導電性の結晶化ガラスのペーストを塗布する塗布工程と、予め焼成され、第１電極、固体酸化物電解質、および第２電極が順に積層された発電部を、前記結晶化ガラスのペースト上に配置する配置工程と、熱処理によって、前記発電部を前記金属支持体に接合する接合工程と、を含むことを特徴とする。本発明に係る燃料電池の製造方法は、量産に適している。
【００１０】
前記接合工程の熱処理温度は、前記結晶化ガラスの軟化点以上、結晶化温度以下の温度としてもよい。前記結晶化ガラスは、アルミノホウ酸塩、ホウケイ酸塩、アルミノホウケイ酸塩の少なくともいずれかに導電性材料が添加された構造を有していてもよい。前記金属支持体は、ステンレスとしてもよい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、量産に適した固体酸化物型の燃料電池およびその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】固体酸化物形の燃料電池の模式的断面図である。
【図２】（ａ）〜（ｄ）は、燃料電池の製造方法を説明するためのフロー図である。
【図３】作製された燃料電池の発電特性である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明を実施するための形態を説明する。
【００１４】
（実施の形態）
図１は、固体酸化物形の燃料電池１００の模式的断面図である。燃料電池１００は、支持体１０、結晶化ガラス２０、および発電部３０がこの順に接合された構造を有している。発電部３０は、支持体１０側から、アノード３１、電解質膜３２およびカソード３３がこの順に接合された構造を有している。
【００１５】
支持体１０として、ガス透過性を有するとともに発電部３０を支持可能な部材を用いることができる。本実施形態においては、支持体１０の一例として多孔質基材を用いる。多孔質基材の一例として、上面および下面を連通する孔１１を複数有する多孔質金属板を用いる。多孔質金属板の材質としては、特に限定されないが、例えばステンレス等が用いられる。
【００１６】
結晶化ガラス２０は、導電性を有する多孔質状の結晶化ガラスである。結晶化ガラス２０として、例えば、アルミノホウ酸塩（Ａｌ２Ｏ３−Ｂ２Ｏ３ベース）、ホウケイ酸塩（Ｂ２Ｏ３−ＳｉＯ２ベース）、アルミノホウケイ酸塩（Ａｌ２Ｏ３−Ｂ２Ｏ３−ＳｉＯ２ベース）などの結晶化ガラスを用いることができる。この結晶化ガラスは、導電性材料を含むことによって導電性を有する。結晶化ガラスに添加される導電性材料は、燃料電池１００の作動環境下で金属並みの導電率を有するものであれば、特に限定されない。燃料電池１００の作動環境下とは、燃料電池１００の作動温度領域かつ、大気、水素雰囲気などの雰囲気下のことである。上記導電性材料として、例えば、Ｐｔ（白金）、Ｐｄ（パラジウム）、Ａｇ（銀）、支持体１０を構成する金属などを用いることができる。また、ＬａＣｏＯ３系、ＬａＭｎＯ３系、ＬａＴｉＯ３系、Ｌａ２ＮｉＯ４系、Ｐｒ２ＮｉＯ４系などの導電性酸化物を上記導電性材料として用いてもよい。
【００１７】
アノード３１の材質は、アノードとしての電極活性を有するものであれば特に限定されないが、例えばＮｉＯ／ＺｒＯ２系、ＮｉＯ／ＣｅＯ２系、ＮｉＯ／ＢａＺｒＯ３系等の固体酸化物を含む電極構成材料を用いることができる。電解質膜３２の材質は、特に限定されないが、例えばＺｒＯ２系、ＣｅＯ２系、ＬａＧａＯ３系、ＢａＺｒＯ３系等の酸素イオン導電性の固体酸化物電解質を用いることができる。カソード３３の材質は、カソードとしての電極活性を有するものであれば特に限定されないが、例えばＬａＭｎＯ３系、ＬａＣｏＯ３系、Ｌａ２ＮｉＯ４系、ＳｍＣｏＯ３系、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ３系等の固体酸化物を含む電極構成材料を用いることができる。
【００１８】
続いて、燃料電池１００の発電過程について説明する。まず、支持体１０には、水素（Ｈ２）が供給され、カソード３３には、酸素（Ｏ２）が供給される。カソード３３においては、カソード３３に供給された酸素と、外部電気回路から供給される電子と、が反応して酸素イオンになる。酸素イオンは、電解質膜３２を伝導してアノード３１側に移動する。
【００１９】
一方、支持体１０に供給された水素は、支持体１０の孔１１および結晶化ガラス２０の孔２１を通過して、アノード３１に到達する。アノード３１に到達した水素は、アノード３１において電子を放出するとともに、カソード３３側から電解質膜３２を伝導してくる酸素イオンと反応して水（Ｈ２Ｏ）になる。放出された電子は、外部電気回路によって外部に取り出される。外部に取り出された電子は、電気的な仕事をした後に、カソード３３に供給される。以上の作用によって、発電が行われる。
【００２０】
本実施形態に係る燃料電池１００においては、結晶化ガラス２０が支持体１０と発電部３０との間に介在することから、発電部３０を焼成した後に支持体１０と発電部３０とを熱処理によって接合することができる。熱処理を行うだけで支持体１０と発電部３０とを接合できることから、特異な接合条件が不要である。したがって、本実施形態に係る燃料電池１００は、量産に適している。
【００２１】
ところで、支持体１０上に発電部３０を直接接合しようとすると、支持体１０上で粉末上の固体酸化物を焼結させて緻密化する必要がある。電解質膜３２が主として固体酸化物から構成されることから、電解質膜３２の緻密化のためには高温（例えば１２００℃以上）での焼成が必要である。一方、支持体１０は金属から構成されることから、支持体１０上で発電部３０を焼成しようとすると、支持体１０が酸化してしまう。したがって、支持体１０の酸化抑制と電解質膜３２の緻密化とを両立することは困難である。
【００２２】
しかしながら、結晶化ガラス２０を用いることによって、支持体１０と発電部３０との接合時の熱処理温度を、発電部３０の焼成温度ほど上昇させなくてもよい。したがって、支持体１０の酸化を抑制することができる。さらに、結晶化ガラス２０を介在させることによって、焼成後の発電部３０を支持体１０に接合することができる。それにより、事前の焼成時に発電部３０を緻密化することが可能である。このように、支持体１０の酸化の抑制および発電部３０の緻密化の両方が可能である。
【００２３】
結晶化ガラス２０の結晶化温度は、燃料電池１００の最大使用温度（例えば７００℃）以上であることが好ましい。結晶化ガラス２０の液状化による孔１１の閉塞が抑制されるからである。例えば、結晶化ガラス１０の結晶化温度は、８００℃〜９００℃程度であることが好ましい。
【００２４】
結晶化ガラス２０の結晶化温度と軟化点（＜結晶化温度）との差は、大きいことが好ましい。液状化せずに軟化した結晶化ガラス２０を支持体１０と発電部３０との間に十分に行き渡らせることができ、支持体１０と発電部３０との密着性が向上するからである。結晶化ガラス２０の結晶化温度と軟化点との差は、１００℃以上であることが好ましい。例えば、結晶化ガラス２０の軟化点は、７００℃〜８００℃程度であることが好ましい。また、結晶化ガラス２０のガラス転移点は、６００℃〜７００℃程度であることが好ましい。
【００２５】
結晶化ガラス２０は、支持体１０およびアノード３１の熱膨張係数に近い熱膨張係数を有していることが好ましい。この場合、発電および発電停止の繰り返しによって燃料電池１００の温度が室温と高温とを繰り返しても、各部材の熱膨張係数差に起因する応力発生を抑制することができる。例えば、支持体１０としてステンレスを用いた場合、支持体１０の熱膨張係数は１０×１０−６〜１２×１０−６／Ｋ程度である。アノード３１は、例えば１１×１０−６〜１６×１０−６／Ｋ程度である。この場合、結晶化ガラス２０は、１０×１０−６〜１４×１０−６／Ｋ程度の熱膨張率を有していることが好ましい。
【００２６】
図２（ａ）〜図２（ｄ）は、燃料電池１００の製造方法を説明するためのフロー図である。図２（ａ）を参照して、支持体１０を準備する。次に、図２（ｂ）を参照して、支持体１０上に、ペースト状の結晶化ガラス２０を支持体１０上にスクリーン印刷法などにより塗布する。次に、図２（ｃ）を参照して、結晶化ガラス２０上に、事前に焼成された発電部３０を載置する。次に、図２（ｄ）を参照して、結晶化ガラス２０に熱処理を施すことによって、支持体１０と発電部３０とを接合する。以上の工程を経て、燃料電池１００が完成する。
【００２７】
図２（ａ）〜図２（ｄ）の製造方法によれば、事前に発電部３０の電解質膜３２を緻密化しておくことができることから、支持体１０を高温にさらす必要がない。したがって、支持体１０の酸化を抑制することができる。また、特異な条件を用いなくても支持体１０と発電部３０とを接合することができることから、燃料電池１００の量産が可能である。
【００２８】
なお、図２（ｄ）の熱処理温度は、結晶化ガラス２０の軟化点以上、結晶化温度以下の温度であることが好ましい。結晶化ガラス２０の液状化による支持体１０の孔１１の閉塞が抑制されるとともに、軟化した結晶化ガラス２０を支持体１０と発電部３０との間に十分に行き渡らせることができ、支持体１０と発電部３０との密着性が向上するからである。
【実施例】
【００２９】
上記実施形態に係る燃料電池１００を作製し、発電特性を調べた。
【００３０】
支持体１０としてフェライト系ステンレスを用いた。結晶化ガラス２０として、Ａｇ粉末を３０ｖｏｌ％添加されたホウケイ酸塩を用いた。支持体１０上にスクリーン印刷法によりペースト状の結晶化ガラス２０を塗布した。次に、事前に１４００℃で焼成しておいた発電部３０を結晶化ガラス２０上に載せ、数十ｇのＺｒＯ２重石を載せ、大気雰囲気、８２０℃の温度下で０．５ｈ熱処理した。熱処理後の結晶化ガラス２０の軟化点は、７００℃程度であり、結晶化温度は８００℃程度であった。
【００３１】
アノード３１として、ＮｉＯ−ＧＤＣを用いた。ＧＤＣとは、ガドリニウムを添加したセリアのことである。電解質膜３２として、ＧＤＣを用いた。カソード３３として、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ３を用いた。作製された燃料電池１００における支持体１０の厚みは０．１ｍｍであり、結晶化ガラス２０の厚みは０．１ｍｍであり、アノード３１の厚みは０．３ｍｍであり、電解質膜３２の厚みは２０μｍであり、カソード３３の厚みは２０μｍ〜３０μｍであった。
【００３２】
図３は、作製された燃料電池１００の発電特性である。図３において、横軸は燃料電池１００の発電時の電流密度であり、左側の縦軸は発電電圧であり、右側の縦軸は出力密度である。図３を参照して、いずれの温度においても高い発電特性が得られた。これは、事前に発電部３０を焼成しておくことによって、支持体１０の酸化が抑制されたからであると考えられる。
【００３３】
以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【００３４】
１０  支持体
１１  孔
２０  結晶化ガラス
２１  孔
３０  発電部
３１  アノード
３２  電解質膜
３３  カソード
１００  燃料電池
【図１】
2013197067.tif 000003
【図２】
2013197067.tif 000004
【図３】
2013197067.tif 000005