(57)【要約】【課題】性能を向上させることが可能な単室型燃料電池、及び、当該単室型燃料電池の製造方法を提供する。【解決手段】中空形状の電解質層と、該電解質層の内周面に間隔を開けて形成された第１電極層及び第２電極層と、を備える単室型燃料電池とし、屈曲面又は湾曲面を有する第１電解質板及び／又は第２電解質板を形成する第１工程と、該第１工程を経た第１電解質板及び第２電解質板に、第１電極層と第２電極層とを形成する第２工程と、第１電極層及び第２電極層が形成された面が内周面となるように、第２工程を経た第１電解質板及び第２電解質板を接合して、中空形状の電解質層を作製する第３工程と、を有する単室型燃料電池の製造方法とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空形状の電解質層と、該電解質層の内周面に間隔を開けて形成された第１電極層及び第２電極層と、を備えることを特徴とする、単室型燃料電池。
【請求項２】
前記第１電極層が、前記電解質層の長手方向に沿って形成され、
前記電解質層の長手方向を法線方向とする複数の平面で前記第１電極層を切断した際の断面形状が、略同一であることを特徴とする、請求項１に記載の単室型燃料電池。
【請求項３】
前記第２電極層が、前記電解質層の長手方向に沿って形成され、
前記電解質層の長手方向を法線方向とする複数の平面で前記第２電極層を切断した際の断面形状が、略同一であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の単室型燃料電池。
【請求項４】
屈曲面又は湾曲面を有する、第１電解質板及び／又は第２電解質板を形成する、第１工程と、
前記第１工程を経た前記第１電解質板及び前記第２電解質板に、第１電極層と第２電極層とを形成する、第２工程と、
前記第１電極層及び前記第２電極層が形成された面が内周面となるように、前記第２工程を経た前記第１電解質板及び前記第２電解質板を接合して、中空形状の電解質層を作製する、第３工程と、
を有することを特徴とする、単室型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、燃料ガスと酸化剤ガスとの混合ガスがアノード及びカソードへと供給される単室型燃料電池、及び、当該単室型燃料電池の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電解質層と、電解質層の表面に配設される電極（アノード及びカソード）とを備える積層体で電気化学反応を起こし、当該電気化学反応により発生した電気エネルギーを、電極と接続された集電体を介して外部に取り出す装置である。燃料電池の中でも、家庭用コージェネレーション・システムや自動車等に使用される固体高分子型燃料電池（以下「ＰＥＦＣ」という。）は、低温領域での運転が可能であり、起動時間が短く、システムが小型軽量であることから、電気自動車の動力源や携帯用電源として注目されている。
【０００３】
しかし、８０℃程度等の低温領域で電気化学反応を生じさせるＰＥＦＣでは、使用可能な触媒が極めて限定され、高コスト化を招きやすいという問題がある。また、水素以外の改質ガスをＰＥＦＣで使用すると、電極の触媒が被毒し、性能が低下しやすいという問題もある。それゆえ、低コスト化と高性能化とを両立可能な燃料電池を得る等の観点からは、ＰＥＦＣとは異なる形態の燃料電池を用いることが好ましい。
【０００４】
ＰＥＦＣとは異なる形態の燃料電池のうち、固体酸化物型燃料電池（以下「ＳＯＦＣ」という。）は、発電効率が高く、多種類の燃料を使用することができる。このＳＯＦＣは、セラミック系のイオン伝導体を電解質として使用する燃料電池であり、２００℃以上の温度領域（例えば、５００℃〜８００℃程度の温度領域）で電気化学反応を生じさせる。ＳＯＦＣでは、ＰＥＦＣよりも高温領域で電気化学反応を生じさせるため、触媒の選択肢が広く、低コスト化を図りやすい。したがって、ＳＯＦＣは、低コスト化と高性能化とを両立可能な燃料電池として、注目されている。
【０００５】
ＳＯＦＣには、酸化物イオン伝導型及び水素イオン伝導型があり、反応ガスの供給形態によって、一室型（以下「単室型」という。）と二室型とに分類することができる。ここで、単室型とは、燃料ガスと酸化剤ガスとの混合ガスを一つの空間に配設されたアノード及びカソードへと供給する形態を意味し、二室型とは、燃料ガスを供給されるアノードと酸化剤ガスを供給されるカソードとが隔離された異なる空間に配設される形態を意味する。これらの中でも、単室型のＳＯＦＣは、燃料ガスと酸化剤ガスとを分離する必要がなく、セパレータが不要になるため、二室型のＳＯＦＣと比較して小型化を図りやすい。それゆえ、単室型のＳＯＦＣによれば、単位体積当たりの発電量を増大させることが容易になる。
【０００６】
単室型のＳＯＦＣに関する技術として、例えば、特許文献１には、固体電解質の同一平面上に一対の燃料極及び空気極を形成した単セルを複数セル形成し、異なる単セルの電極間をインターコネクタにより接続した集積セル構造を有するＳＯＦＣであって、インターコネクタを反応ガスから保護する保護層をインターコネクタに被覆したものが開示されている。また、特許文献２には、固体酸化物から成る多孔性電解質層を炭化水素の酸化反応に対する活性度が異なる２種類の電極層で狭持した電池要素が、導電性を有する中空管体内面の一部又は全域に形成されていることを特徴とする管状単室型ＳＯＦＣ用セル体に関する技術が開示されている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−１７３０５５号公報
【特許文献２】特開２００４−３４９１４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、特許文献１及び特許文献２に開示されている技術では、セルへと供給された反応ガスの流れが、燃料極及び空気極によって乱されやすい。そのため、反応ガスの利用効率が低下して、燃料電池の性能が低下しやすいという問題があった。
【０００９】
そこで本発明は、性能を向上させることが可能な単室型燃料電池、及び、当該単室型燃料電池の製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
第１の本発明は、中空形状の電解質層と、該電解質層の内周面に間隔を開けて形成された第１電極層及び第２電極層と、を備えることを特徴とする、単室型燃料電池である。
【００１１】
第１の本発明及び以下に示す本発明（以下において単に「本発明」ということがある。）において、「電解質層」とは、２００℃以上１０００℃以下の温度領域で酸化物イオン又は水素イオンの伝導性能を発現し、かつ、燃料電池運転時の環境（耐熱性等）に耐え得るイオン伝導体を意味する。本発明の単室型燃料電池に備えられる電解質層としては、ＳＯＦＣの電解質として公知のものを使用することができる。さらに、本発明において、「第１電極層」及び「第２電極層」は、上記温度領域において、アノードやカソードとして機能するものであれば特に限定されるものではなく、供給される燃料ガスに含まれる反応物（例えば、水素や炭化水素等）の酸化反応に対する活性度が互いに異なる物質を適宜組合せて使用することができる。
【００１２】
上記第１の本発明において、第１電極層が、電解質層の長手方向に沿って形成され、電解質層の長手方向を法線方向とする複数の平面で第１電極層を切断した際の断面形状が、略同一であることが好ましい。
【００１３】
ここに、「第１電極層が、電解質層の長手方向に沿って形成され、電解質層の長手方向を法線方向とする複数の平面で第１電極層を切断した際の断面形状が、略同一である」とは、電解質層の長手方向へ所定の長さを有する第１電極層が、電解質層の内周面に形成されていることを意味し、一の電解質層の長手方向に複数の第１電極層が間隔を開けて形成されている形態は除く趣旨である。
【００１４】
上記第１の本発明において、第２電極層が、電解質層の長手方向に沿って形成され、電解質層の長手方向を法線方向とする複数の平面で第２電極層を切断した際の断面形状が、略同一であることが好ましい。
【００１５】
ここに、「第２電極層が、電解質層の長手方向に沿って形成され、電解質層の長手方向を法線方向とする複数の平面で第２電極層を切断した際の断面形状が、略同一である」とは、電解質層の長手方向へ所定の長さを有する第２電極層が、電解質層の内周面に形成されていることを意味し、一の電解質層の長手方向に複数の第２電極層が間隔を開けて形成されている形態は除く趣旨である。
【００１６】
第２の本発明は、屈曲面又は湾曲面を有する、第１電解質板及び／又は第２電解質板を形成する第１工程と、該第１工程を経た第１電解質板及び第２電解質板に、第１電極層と第２電極層とを形成する第２工程と、第１電極層及び第２電極層が形成された面が内周面となるように、第２工程を経た第１電解質板及び第２電解質板を接合して、中空形状の電解質層を作製する第３工程と、を有することを特徴とする、単室型燃料電池の製造方法である。
【００１７】
第２の本発明において、「屈曲面又は湾曲面を有する、第１電解質板及び／又は第２電解質板を形成する」とは、第１工程が、屈曲面又は湾曲面を有する第１電解質板と第２電解質板とを形成する形態、屈曲面又は湾曲面を有する第１電解質板と、平板形状の第２電解質板とを形成する形態、及び、平板形状の第１電解質板と、屈曲面又は湾曲面を有する第２電解質板とを形成する形態の、何れかを採り得ることを意味する。さらに、「第１工程を経た第１電解質板及び第２電解質板に、第１電極層と第２電極層とを形成する」とは、第２工程が、第１電極層及び第２電極層を第１電解質板に間隔を開けて形成するとともに、第１電極層及び第２電極層を第２電解質板にも間隔を開けて形成する形態、第１電解質板及び第２電解質板の一方に、第１電極層及び第２電極層を間隔を開けて形成し、他方には第１電極層及び第２電極層を形成しない形態、及び、第１電解質板に第１電極層又は第２電極層を形成し、第２電解質板に第２電極層又は第１電極層を形成する形態の、何れかを採り得ることを意味する。
【発明の効果】
【００１８】
第１の本発明によれば、中空形状の電解質層の内周面に第１電極層及び第２電極層が形成されるので、第１電極層及び第２電極層が形成された電解質層の内周面に囲まれた筒型の反応ガス流路を形成することができる。かかる形態の反応ガス流路に混合ガスを供給すると、当該混合ガスの流れが第１電極層及び第２電極層によって乱されない。したがって、第１の本発明によれば、混合ガスの利用効率を向上させることにより性能を向上させることが可能な、単室型燃料電池を提供することができる。さらに、第１電極層及び／又は第２電極層を、電解質層の長手方向に沿って形成し、電解質層の長手方向を法線方向とする複数の平面で第１電極層及び／又は第２電極層を切断した際の断面形状を略同一とすることにより、混合ガスの利用効率を容易に向上させることができる。
【００１９】
第２の本発明によれば、中空形状の電解質層の内周面に第１電極層及び第２電極層が形成された形態の単室型燃料電池を製造することができる。したがって、第２の本発明によれば、ガスの利用効率を向上させて性能向上させ得る単室型燃料電池を製造することが可能な、単室型燃料電池の製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図面を参照しつつ、本発明について以下に説明する。
【００２１】
１．単室型燃料電池
１．１．第１実施形態
図１は、第１実施形態にかかる本発明の単室型燃料電池の形態例を示す斜視図である。図２は、従来の単室型燃料電池の形態例を示す断面図である。図３は、従来の単室型燃料電池の他の形態例を示す断面図である。以下、図１乃至図３を参照しつつ、第１実施形態にかかる本発明の単室型燃料電池について説明する。
【００２２】
図１に示すように、第１実施形態にかかる本発明の単室型燃料電池１０は、長手方向を法線方向とする断面がコの字型の、セラミック系のイオン伝導体からなる第１電解質板１ａ及び第２電解質板１ｂを、金属製のインターコネクタを介して接合することにより作製された中空形状の電解質層１と、当該電解質層１の内周面に間隔を開けて形成された第１電極層２及び第２電極層３と、を備える。第１電極層２は、第１電解質板１ａの内周面に形成された第１電極層２ａ及び第２電解質板１ｂの内周面に形成された第１電極層２ｂによって構成されるとともに、第２電極層３は、第１電解質板１ａの内周面に形成された第２電極層３ａ及び第２電解質板１ｂの内周面に形成された第２電極層３ｂによって構成され、第１電極層２及び第２電極層３には、インターコネクタが接触している。かかる形態の単室型燃料電池１０の運転時には、電解質層１の中空部へ、還元ガス（例えば水素ガスや炭化水素ガス）と酸化剤ガス（例えば空気）との混合ガスを供給する。第１電極層２がアノードとして機能するとともに、第２電極層３がカソードとして機能し、電解質層１が酸化物イオンを伝導させる場合には、第１電極層２において、
２Ｈ２ ＋ ２Ｏ２− → ２Ｈ２Ｏ ＋ ４ｅ−
の反応が生じ、第２電極層３において、
Ｏ２ ＋ ４ｅ− → ２Ｏ２−
の反応が生じる。かかる形態の単室型燃料電池１０では、第２電極層３で発生させた酸化物イオンＯ２−を、電解質層１を介して第１電極層２へと伝導させ、当該第１電極層２において酸化物イオンと水素とを反応させることにより、第１電極層２と第２電極層３との間で起電力を得る。
これに対し、電解質層１が水素イオンを伝導させる場合には、第１電極層２において、
２Ｈ２ → ４Ｈ＋ ＋ ４ｅ−
の反応が生じ、第２電極層３において、
４Ｈ＋ ＋ Ｏ２ ＋ ４ｅ− → ２Ｈ２Ｏ
の反応が生じる。かかる形態の単室型燃料電池１０では、第１電極層２で発生させた水素イオンＨ＋を、電解質層１を介して第２電極層３へと伝導させ、当該第２電極層３において水素イオンと酸素とを反応させることにより、第１電極層２と第２電極層３との間で起電力を得る。
【００２３】
図１に示すように、単室型燃料電池１０では、電解質層１の中空部が混合ガスの流路として機能し、当該中空部を形成する電解質層１の内周面に、第１電極層２及び第２電極層３が、混合ガスの流れに沿って形成されている。そのため、単室型燃料電池１０によれば、第１電極層２及び第２電極層３によって混合ガスの流れが乱されず、混合ガスの利用効率を向上させることができる。したがって、本発明によれば、混合ガスの利用効率を向上させることによって性能を向上させることが可能な、単室型燃料電池１０を提供することができる。
【００２４】
これに対し、図２に示す従来の単室型燃料電池９０では、電解質層２１の一方の面に、第１電極層２２及び第２電極層２３が間隔を開けて形成されている。かかる形態の単室型燃料電池９０では、図示されていない他の部材で電解質層２１の周囲を囲むことにより、混合ガスの流路を形成する必要があるため、部品点数が増大する虞がある。また、単室型燃料電池９０に、図２に矢印で示す方向へ混合ガスを供給すると、第１電極層２２及び第２電極層２３によって混合ガスの流れが乱され、混合ガスの利用効率が低下しやすい。他方、図３に示す従来の単室型燃料電池９１では、電解質層２１の一方の面に第１電極層２４が、他方の面に第２電極層２５が、それぞれ形成されている。かかる形態の単室型燃料電池９１でも、図示されていない他の部材で電解質層２１を囲むことにより、混合ガスの流路を形成する必要があるため、部品点数が増大する虞がある。また、単室型燃料電池９１に、図３に矢印で示す方向へ混合ガスを供給すると、第１電極層２４及び第２電極層２５によって混合ガスの流れが乱され、混合ガスの利用効率が低下しやすい。このように、従来の単室型燃料電池９０、９１では、部品点数の増大により高コスト化を招きやすく、混合ガスの利用効率低下により性能低下を招きやすかった。そこで、本発明の単室型燃料電池１０では、中空形状の電解質層１の内周面に第１電極層２及び第２電極層３を形成することで、部品点数の増加を抑制しつつ性能を向上させることが可能な形態としている。
【００２５】
本発明の単室型燃料電池に関する上記説明では、第１電解質板１ａに形成された第１電極層２ａの下側に、第２電解質板１ｂに形成された第１電極層２ｂが配置され、第１電解質板１ａに形成された第２電極層３ａの下側に、第２電解質板１ｂに形成された第２電極層３ｂが配置される形態を例示したが、本発明の単室型燃料電池は当該形態に限定されるものではない。そこで、本発明の単室型燃料電池が採り得る他の形態について以下に説明する。
【００２６】
１．２．第２実施形態
図４は、第２実施形態にかかる本発明の単室型燃料電池の形態例を示す断面図である。図４の紙面奥／手前方向が、電解質層の長手方向であり、かつ、混合ガスの流通方向である。図４に示すように、第２実施形態にかかる本発明の単室型燃料電池１１は、長手方向を法線方向とする断面がコの字型の第１電解質板１ｃ及び第２電解質板１ｄを接合することにより作製された中空形状の電解質層４と、当該電解質層４の内周面に間隔を開けて形成された第１電極層２ｃ、２ｄ、及び、第２電極層３ｃ、３ｄと、を備える。そして、第１電極層２ｃ、２ｄ、及び、第２電極層３ｃ、３ｄには、図示されていない集電部材が接触している。
【００２７】
単室型燃料電池１１では、第１電解質板１ｃの内周面に形成された第１電極層２ｃの下側に、第２電解質板１ｄの内周面に形成された第２電極層３ｄが配置され、第１電解質板１ｃの内周面に形成された第２電極層３ｃの下側に、第２電解質板１ｄの内周面に形成された第１電極層２ｄが配置されている。そして、第１電極層２ｃと第２電極層３ｄとの間のイオン伝導、及び、第２電極層３ｃと第１電極層２ｄとの間のイオン伝導経路を確保するため、これらの間にはセラミック系のイオン伝導体が配置され、当該イオン伝導体を介して、第１電解質板１ｃと第２電解質板１ｄとが接合されている。さらに、第１電極層２ｃと第２電極層３ｃとの間のイオン伝導、及び、第１電極層２ｄと第２電極層３ｄとの間のイオン伝導を防止するため、第１電解質板１ｃ及び第２電解質板１ｄには、非イオン伝導材料（例えば、金属からなるインターコネクタ等）９、９が備えられている。
【００２８】
かかる形態の単室型燃料電池１１であっても、電解質層４の中空部へ混合ガスを供給することにより、流れが乱されていない混合ガスを、第１電極層２ｃ、２ｄ、及び、第２電極層３ｃ、３ｄへと供給できる。そのため、単室型燃料電池１１によっても、混合ガスの利用効率を向上させて性能を向上させることが可能になる。しかし、第１電極層２ｃ及び第２電極層３ｄと、第２電極層３ｃ及び第１電極層２ｄとが、上下に隣接するように配置した単室型燃料電池１１は、図１に示す単室型燃料電池１０と比較して、構造が複雑化しやすい。それゆえ、簡易な構造で性能を向上させ得る形態の単室型燃料電池を提供する等の観点からは、図１に示す形態の単室型燃料電池１０とすることが好ましい。
【００２９】
本発明の単室型燃料電池に関する上記説明では、長手方向を法線方向とする電解質層の断面の外形が四角形であり、かつ、内周面の右側面及び左側面に第１電極層及び第２電極層が形成された形態を例示したが、本発明の単室型燃料電池は当該形態に限定されるものではない。そこで、本発明の単室型燃料電池が採り得る他の形態について、以下に説明する。
【００３０】
１．３．第３実施形態
図５は、第３実施形態にかかる本発明の単室型燃料電池の形態例を示す断面図である。図５の紙面奥／手前方向が、電解質層の長手方向であり、かつ、混合ガスの流通方向である。図５に示すように、第３実施形態にかかる本発明の単室型燃料電池１２は、長手方向を法線方向とする断面がコの字型の第１電解質板１ｅ及び第２電解質板１ｆを接合することにより作製された中空形状の電解質層５と、第１電解質板１ｅの内周面に形成された第１電極層２ｅと、第２電解質板１ｆの内周面に形成された第２電極層３ｆと、を備える。そして、第１電極層２ｅ及び第２電極層３ｆには、図示されていない集電部材が接触している。
【００３１】
単室型燃料電池１２では、電解質層５の内周面の上面に形成された第１電極層２ｅと同下面に形成された第２電極層３ｆとの間のイオン伝導経路を確保すべく、第１電解質板１ｅと第２電解質板１ｆとの間にセラミック系のイオン伝導体が配置され、当該イオン伝導体を介して、第１電解質板１ｅと第２電解質板１ｆとが接合されている。かかる形態の単室型燃料電池１２であっても、電解質層５の中空部へ混合ガスを供給することにより、流れが乱されていない混合ガスを、第１電極層２ｅ及び第２電極層３ｆへと供給できる。そのため、単室型燃料電池１２によっても、混合ガスの利用効率を向上させて性能を向上させることが可能になる。ただし、上述のように、かかる形態の単室型燃料電池１２を作製する場合には、第１電解質板１ｅと第２電解質板１ｆとをイオン伝導体を介して接合する必要があり、単室型燃料電池１０を作製する場合と比較して、製造工程が複雑になる虞がある。そのため、性能を向上させ得る単室型燃料電池を容易に作製可能とする等の観点からは、図１に示す形態の単室型燃料電池１０とすることが好ましい。
【００３２】
本発明の単室型燃料電池に関する上記説明では、長手方向を法線方向とする断面の外形が四角形の電解質層が備えられる形態を例示したが、本発明の単室型燃料電池は当該形態に限定されるものではない。そこで、本発明の単室型燃料電池が採り得る他の形態について、以下に説明する。
【００３３】
１．４．第４実施形態
図６は、第４実施形態にかかる本発明の単室型燃料電池の形態例を示す断面図である。図６の紙面奥／手前方向が、電解質層の長手方向であり、かつ、混合ガスの流通方向である。図６に示すように、第４実施形態にかかる本発明の単室型燃料電池１３は、第１電解質板１ｇ及び第２電解質板１ｈを接合することにより作製された、長手方向を法線方向とする断面の外形が六角形形状である中空形状の電解質層６と、当該電解質層６の内周面に間隔を開けて形成された第１電極層２ｘ及び第２電極層３ｘと、を備える。第１電極層２ｘは、第１電解質板１ｇの内周面に形成された第１電極層２ｇ及び第２電解質板１ｈの内周面に形成された第１電極層２ｈによって構成されるとともに、第２電極層３ｘは、第１電解質板１ｇの内周面に形成された第２電極層３ｇ及び第２電解質板１ｈの内周面に形成された第２電極層３ｈによって構成され、第１電極層２ｘ及び第２電極層３ｘには、金属製のインターコネクタが接触している。
【００３４】
図６に示すように、単室型燃料電池１３では、電解質層６の中空部が混合ガスの流路として機能し、当該中空部を形成する電解質層６の内周面に、第１電極層２ｘ及び第２電極層３ｘが、混合ガスの流れに沿って形成されている。そのため、単室型燃料電池１３によれば、電解質層６の中空部へ混合ガスを供給することにより、流れが乱されていない混合ガスを、第１電極層２ｘ及び第２電極層３ｘへと供給できる。したがって、単室型燃料電池１３によっても、混合ガスの利用効率を向上させて性能を向上させることが可能になる。
【００３５】
１．５．第５実施形態
図７は、第５実施形態にかかる本発明の単室型燃料電池の形態例を示す断面図である。図７の紙面奥／手前方向が、電解質層の長手方向であり、かつ、混合ガスの流通方向である。図７に示すように、第５実施形態にかかる本発明の単室型燃料電池１４は、第１電解質板１ｉ及び第２電解質板１ｊを接合することにより作製された、長手方向を法線方向とする断面の外形が円形である中空形状の電解質層７と、当該電解質層７の内周面に間隔を開けて形成された第１電極層２ｙ及び第２電極層３ｙと、を備える。第１電極層２ｙは、第１電解質板１ｉの内周面に形成された第１電極層２ｉ及び第２電解質板２ｊの内周面に形成された第１電極層２ｊによって構成されるとともに、第２電極層３ｙは、第１電解質板１ｉの内周面に形成された第２電極層３ｉ及び第２電解質板１ｊの内周面に形成された第２電極層３ｊによって構成され、第１電極層２ｙ及び第２電極層３ｙには、金属製のインターコネクタが接触している。
【００３６】
図７に示すように、単室型燃料電池１４では、電解質層７の中空部が混合ガスの流路として機能し、当該中空部を形成する電解質層７の内周面に、第１電極層２ｙ及び第２電極層３ｙが、混合ガスの流れに沿って形成されている。そのため、単室型燃料電池１４によれば、電解質層７の中空部へ混合ガスを供給することにより、流れが乱されていない混合ガスを、第１電極層２ｙ及び第２電極層３ｙへと供給できる。したがって、単室型燃料電池１４によっても、混合ガスの利用効率を向上させて性能を向上させることが可能になる。
【００３７】
本発明の単室型燃料電池に関する上記説明では、屈曲面又は湾曲面が形成された第１電解質板及び第２電解質板を接合して形成される電解質層が備えられる形態を例示したが、本発明の単室型燃料電池は当該形態に限定されるものではない。そこで、本発明の単室型燃料電池が採り得る他の形態について、以下に説明する。
【００３８】
１．６．第６実施形態
図８は、第６実施形態にかかる本発明の単室型燃料電池の形態例を示す断面図である。図８の紙面奥／手前方向が、電解質層の長手方向であり、かつ、混合ガスの流通方向である。図８に示すように、第６実施形態にかかる本発明の単室型燃料電池１５は、屈曲面が形成された第１電解質板１ｋと平板形状の第２電解質板１ｍとを接合することにより作製された、長手方向を法線方向とする断面の外形が三角形である中空形状の電解質層８と、第１電解質板１ｋの内周面に形成された第１電極層２ｋと、第２電解質板１ｍの内周面に形成された第２電極層３ｍと、を備える。そして、第１電極層２ｋ及び第２電極層３ｍには、図示されていない集電部材が接触している。
【００３９】
単室型燃料電池１５では、電解質層８の内周面の上面に形成された第１電極層２ｋと同下面に形成された第２電極層３ｍとの間のイオン伝導経路を確保すべく、第１電解質板１ｋと第２電解質板１ｍとの間にセラミック系のイオン伝導体が配置され、当該イオン伝導体を介して、第１電解質板１ｋと第２電解質板１ｍとが接合されている。かかる形態の単室型燃料電池１５であっても、電解質層８の中空部へ混合ガスを供給することにより、流れが乱されていない混合ガスを、第１電極層２ｋ及び第２電極層３ｍへと供給できる。そのため、単室型燃料電池１５によっても、混合ガスの利用効率を向上させて性能を向上させることが可能になる。
【００４０】
このように、本発明の単室型燃料電池１０、１１、１２、１３、１４、１５によれば、混合ガスの利用効率を向上させることによって、性能を向上させることが可能になる。本発明の単室型燃料電池１０、１１、１２、１３、１４、１５を複数積層することにより、出力（電圧値・電流値）を増大させた燃料電池スタックを構成する場合には、所定数の単室型燃料電池を電気的に直列・並列に接続すればよい。図９に、電気的に直列に接続した複数の単室型燃料電池の形態例を示す。
【００４１】
図９は、複数の単室型燃料電池１０、１０、…を、インターコネクタを介して横方向に積層することにより、単室型燃料電池１０、１０、…を電気的に直列に接続した形態を示している。図９では、電気的に直列に接続された複数の単室型燃料電池１０、１０、…を備える燃料電池スタック３０の一部を示している。このように、複数の単室型燃料電池１０、１０、…を直列に接続することで、燃料電池スタック３０の電圧値を容易に増大させることができる。
【００４２】
２．単室型燃料電池の製造方法
図１０は、本発明にかかる単室型燃料電池の製造方法の形態例を示すフローチャートである。図１１は、本発明の単室型燃料電池の製造方法によって、図１に示す単室型燃料電池１０を製造する過程を簡略化して示す概念図である。以下、図１、図１０、及び、図１１を参照しつつ、本発明の単室型燃料電池の製造方法について説明する。
【００４３】
図１０及び図１１に示すように、本発明の単室型燃料電池の製造方法は、第１工程（工程Ｓ１）と、第２工程（工程Ｓ２）と、第３工程（工程Ｓ３）と、を備え、工程Ｓ１乃至工程Ｓ３を経て、単室型燃料電池１０を製造することができる。
【００４４】
＜工程Ｓ１＞
工程Ｓ１は、屈曲面又は湾曲面を有する、第１電解質板及び／又は第２電解質板を形成する工程である。単室型燃料電池１０を製造する場合、単室型燃料電池１０の電解質層１は、長手方向を法線方向とする断面がコの字型の第１電解質板１ａ及び第２電解質板１ｂを接合することにより作製される。そのため、単室型燃料電池１０を製造する場合の工程Ｓ１は、長手方向を法線方向とする断面がコの字型の第１電解質板１ａ及び第２電解質板１ｂを作製する工程とすることができる。当該形態の第１電解質板１ａ及び第２電解質板１ｂを作製する方法は特に限定されるものではなく、公知の方法により作製することができる。
【００４５】
＜工程Ｓ２＞
工程Ｓ２は、上記工程Ｓ１を経た第１電解質板及び第２電解質板に、第１電極層と第２電極層とを形成する工程である。単室型燃料電池１０を製造する場合、電解質層１を構成する第１電解質板１ａの内周面には、第１電極層２ａ及び第２電極層３ａが間隔を開けて形成され、第２電解質板１ｂの内周面には、第１電極層２ｂ及び第２電極層３ｂが間隔を開けて形成されている。そのため、単室型燃料電池１０を製造する場合の工程Ｓ２は、上記工程Ｓ１で作製された第１電解質板１ａの内周面に、第１電極層２ａ及び第２電極層３ａを形成するとともに、上記工程Ｓ１で作製された第２電解質板１ｂの内周面に、第１電極層２ｂ及び第２電極層３ｂを形成する工程とすることができる。第１電極層２ａ及び第２電極層３ａ、並びに、第１電極層２ｂ及び第２電極層３ｂを形成する方法は特に限定されるものではなく、ＳＯＦＣの電極層を形成する公知の方法により形成することができる。
【００４６】
＜工程Ｓ３＞
工程Ｓ３は、第１電極層及び第２電極層が形成された面が内周面となるように、上記工程Ｓ２を経た第１電解質板及び第２電解質板を接合して、中空形状の電解質層を作製する工程である。単室型燃料電池１０を製造する場合、中空形状の電解質層１は、セラミック系のイオン伝導体からなる第１電解質板１ａ及び第２電解質板１ｂを、金属製のインターコネクタを介して接合することにより作製される。そのため、単室型燃料電池１０を製造する場合の工程Ｓ３は、上記工程Ｓ２で第１電解質板１ａの内周面に形成した第１電極層２ａ及び第２電極層３ａ、並びに、上記工程Ｓ２で第２電解質板１ｂの内周面に形成した第１電極層２ｂ及び第２電極層３ｂが電解質層１の内周面となるように、上記工程Ｓ２を経た第１電解質板１ａ及び第２電解質板１ｂを接合して、中空形状の電解質層１を作製する工程とすることができる。インターコネクタとして銀ペーストを用いる場合、工程Ｓ３は、第１電解質板１ａの端面と、インターコネクタが配置された第２電解質板１ｂの端面とを、８００℃の温度環境下で接触させ、かかる状態を１５分間に亘って保持した後、温度を室温まで降下させることにより、第１電解質板１ａと第２電解質板１ｂとを接合させる工程、とすることができる。
【００４７】
このように、本発明の単室型燃料電池の製造方法によれば、上記工程Ｓ１乃至工程Ｓ３を経ることにより、単室型燃料電池１０を製造することができる。かかる形態により単室型燃料電池１０を製造すれば、第１電極層２及び第２電極層３のそれぞれとインターコネクタとを接触させることができ、当該インターコネクタは金属により構成されるので、集電部材として機能させることができる。したがって、上記形態の工程Ｓ３によれば、第１電極層２及び第２電極層３のそれぞれと集電部材とが接触した形態の単室型燃料電池１０を製造することができる。
上述のように、単室型燃料電池１０によれば、混合ガスの利用効率を向上させることができ、これによって、性能を向上させることができる。したがって、本発明によれば、ガスの利用効率を向上させて性能向上させ得る単室型燃料電池を製造することが可能な、単室型燃料電池の製造方法を提供することができる。
【００４８】
本発明において、電解質層１、４、５、６、７、８は、２００℃以上１０００℃以下の温度領域で酸化物イオン又は水素イオンの伝導性能を発現し、かつ、燃料電池運転時の環境（耐熱性等）に耐え得るイオン伝導体（イオン伝導材料）により構成されていれば、その構成材料は特に限定されるものではない。上記温度領域で酸化物イオンの伝導性能を発現するイオン伝導材料の具体例としては、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ：Ｙ２Ｏ３安定化ＺｒＯ２）、スカンジア安定化ジルコニア（ＳＳＺ：Ｓｃ２Ｏ３安定化ＺｒＯ２）、ランタンガレート（ＬａＧａＯ３）、セリア系酸化物（例えば、ＳＤＣ：ＣｅｘＳｍ１−ｘＯｙ）、ランタンガリウムペロブスカイト型複合酸化物（ＬＳＧＭ：（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｇａ，Ｍｇ）Ｏ３）、ＧＤＣ（ＣｅｘＧｄ１−ｘＯ２）、ＥＳＢ（Ｂｉ２−ｘＥｒｘＯ３）、及び、ＤＷＳＢ（Ｂｉ２−（ｘ＋ｙ）ＤｙｘＷｙＯ３）等を挙げることができる。一方、上記温度領域で水素イオンの伝導性能を発現するイオン伝導材料の具体例としては、バリウム・セリア（ＢａＣｅＯ３）、及び、ストロンチウム・セリア（ＳｒＣｅＯ３）等を挙げることができる。
【００４９】
また、本発明において、第１電極層２、２ａ〜２ｅ、２ｇ〜２ｋ、２ｘ〜２ｙ、及び、第２電極層３、３ａ〜３ｄ、３ｆ〜３ｊ、３ｍ、３ｘ〜３ｙは、上記温度領域で単室型燃料電池のアノード又はカソードとして機能する、燃料電池運転時の環境に耐え得る材料により構成されていれば、その形態は特に限定されるものではない。当該要件を満たすアノード構成材料の具体例としては、ニッケル・ジルコニアサーメット等を挙げることができ、当該要件を満たすカソード構成材料の具体例としては、ランタンマンガナイト（ＬａＭｎＯ３）等を挙げることができる。
【００５０】
また、本発明において、第１電解質板及び第２電解質板を接合する際に金属製のインターコネクタを用いる場合、当該インターコネクタは、ＳＯＦＣのインターコネクタを構成する公知の材料によって構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】第１実施形態にかかる本発明の単室型燃料電池の形態例を示す斜視図である。
【図２】従来の単室型燃料電池の形態例を示す断面図である。
【図３】従来の単室型燃料電池の他の形態例を示す断面図である。
【図４】第２実施形態にかかる本発明の単室型燃料電池の形態例を示す断面図である。
【図５】第３実施形態にかかる本発明の単室型燃料電池の形態例を示す断面図である。
【図６】第４実施形態にかかる本発明の単室型燃料電池の形態例を示す断面図である。
【図７】第５実施形態にかかる本発明の単室型燃料電池の形態例を示す断面図である。
【図８】第６実施形態にかかる本発明の単室型燃料電池の形態例を示す断面図である。
【図９】電気的に直列に接続した複数の単室型燃料電池の形態例を示す図である。
【図１０】本発明にかかる単室型燃料電池の製造方法の形態例を示すフローチャートである。
【図１１】単室型燃料電池１０を製造する過程を簡略化して示す概念図である。
【符号の説明】
【００５２】
１、４、５、６、７、８…電解質層
１ａ、１ｃ、１ｅ…第１電解質板
１ｂ、１ｄ、１ｆ…第２電解質板
１ｇ、１ｉ、１ｋ…第１電解質板
１ｈ、１ｊ、１ｍ…第２電解質板
２、２ａ、２ｂ…第１電極層
２ｃ、２ｄ、２ｅ…第１電極層
２ｘ、２ｇ、２ｈ…第１電極層
２ｙ、２ｉ、２ｊ、２ｋ…第１電極層
３、３ａ、３ｂ…第２電極層
３ｃ、３ｄ、３ｆ…第２電極層
３ｘ、３ｇ、３ｈ…第２電極層
３ｙ、３ｉ、３ｊ、３ｍ…第２電極層
９…非イオン伝導材料
１０、１１、１２…単室型燃料電池
１３、１４、１５…単室型燃料電池
２１…電解質層
２２、２４…第１電極層
２３、２５…第２電極層
３０…燃料電池スタック
９０、９１…単室型燃料電池
【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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