CN100438168C - 固体氧化物型燃料电池 - Google Patents

Abstract

本发明的固体氧化物型燃料电池是改善了以往的平板型、圆筒型固体氧化物型燃料电池的脆弱性和高成本，可以通过供给燃料气体和氧化剂气体的混合气体进行发电的非隔膜式固体燃料电池，具有：基板(1)，配置在该基板(1)的一个面上的电解质(3)，和由在该电解质(3)的同一个面上隔开规定间隔配置的燃料极(5)和空气极(7)构成的至少一个电极体(E)。

Description

固体氧化物型燃料电池

技术领域

本发明涉及一种燃料电池，更详细地说，主要涉及一种在燃料气体和氧化剂气体的混合气体中稳定地发电的固体氧化物型燃料电池。

背景技术

以往，作为固体氧化物型燃料电池的元件设计，已提出平板型和圆筒型等。

平板型电池是将燃料极和空气极分别配置在板状电解质表面和背面上的电池，这样形成的多个电池在通过内部连结器(interconnector)(隔板(separator))叠层的状态下使用。内部连结器(隔板)将单个电池串联或者并联连接，并实现将供给到各个电池的燃料气体和氧化剂气体完全分离的作用。另外，在各电池与隔板之间实施气封(例如特开平5-3045号公报)。但是，由于在这种平板型电池中，对电池施加压力进行气封，所以存在电池对于振动和热循环等脆弱等缺点，在实用上有很大的问题。

另一方面，圆筒型电池是将燃料极和空气极分别配置在圆筒型的电解质的外周面和内周面的电池，已提出圆筒纵缟型、圆筒横缟型等(例如，特开平5-94830号公报)。圆筒型电池具有气封性优异的优点，但是由于构造比平板型电池复杂，所以存在制造工艺复杂、制造成本高的缺点。

另外，为了提高性能，平板型电池和圆筒型电池都要求使电解质薄膜化，必须降低电解质材料的欧姆阻抗，但是若电解质过薄，则变得脆弱，有抗振性和耐久性下降的问题。

因此，作为替代上述的平板型、圆筒型的燃料电池，已提出将燃料极和空气极配置在由固体电解质构成的基板的同一个面上，可以通过供给燃料气体和氧化剂气体的混合气体进行发电的非隔膜式(membrane-free)固体氧化物型燃料电池(例如，特开平8-264195号公报)。根据这种燃料电池，由于不需要将燃料气体和氧化剂气体分离，所以不需要隔板和气封，可以大幅地简化构造和制造工序。

另外，在这种非隔膜式固体氧化物型燃料电池中，燃料极和空气极在固体电解质的同一个面上靠近地形成，由于可以认为氧离子的传导主要在固体电解质的表层附近发生，所以电解质的厚度不会象平板型和圆筒型那样对电池的性能造成大的影响。所以，可以既维持电池的性能又增加电解质的厚度，由此可以改善脆弱性(vulnerability)。

如上所述，在以往的固体氧化物型燃料电池中，通过增加电解质的厚度改善脆弱性。但是，对电池反应有贡献的大多主要在电解质的表面附近，所以，即使这样增加电解质的厚度，作为电池的性能也不会大幅提高，增加电解质的厚度反而会有制造成本升高的问题。

本发明是为了解决上述的问题而做出的发明，目的在于提供一种能够改善脆弱性、并且可以降低成本、而且可以得到高发电输出的固体氧化物型燃料电池。

发明内容

本发明的第一固体氧化物型燃料电池是为了解决上述问题而做出的电池，具有：基板；配置在该基板的一个面上的电解质；和由在该电解质的同一个面上隔开规定间隔配置的燃料极和空气极构成的至少一个电极体。

在上述燃料电池中，优选还具有配置在上述基板的另一面上的电解质和由在该电解质的同一个面上隔开规定间隔配置的燃料极和空气极构成的电极体。

电极体可以通过电解质在基板的各个面上配置多个。此时，这些电极体可以通过燃料电池上配置的内部连结器连接，也可以构成为：在配置该燃料电池的装置上设置内部连结器，在设置燃料电池时、电极体通过装置的内部连结器连接。

另外，在电解质中，优选在相邻的电极体之间形成有将它们分隔的槽。这种槽可以按照贯穿电解质到达上述基板的方式形成。

或者，可以使电解质在相邻电极体之间被隔断。此时，优选在相邻的上述电解质之间配置有绝缘材料。通过这样，可以容易实施用内部连结器进行的连接并确实地隔断电解质。

在上述燃料电池中，优选通过印刷形成电解质。或者，可以使电解质形成为板状或者薄片状，通过粘结剂将该电解质安装在基板上。

在上述燃料电池中，电极体优选构成为：另一个电极隔开规定间隔包围一个电极的周围。

另外，本发明的第二固体氧化物型燃料电池是具备多个具有电解质、燃料极和空气极的单电池单元的固体氧化物型燃料电池，具备支撑上述多个单电池单元的基板，上述各单电池单元的电解质隔开规定间隔配置在基板上。

单电池单元可以在基板的各个面上配置多个。此时，这些单电池单元可以通过配置在燃料电池上的内部连结器连接，也可以构成为：在配置该燃料电池上的装置上设置内部连结器，在设置燃料电池时、单电池单元通过装置的内部连结器连接。

在这种燃料电池中，电解质优选通过印刷形成。或者，可以将电解质形成为板状，通过粘结剂将该电解质安装在基板上。

在上述各燃料电池中，基板优选由陶瓷材料构成。

附图说明

图1是本发明的燃料电池的第一实施方式的部分放大截面图。

图2是图1的概略平面图。

图3是表示图1所示的燃料电池的制造方法的一个例子的图。

图4是本发明的第二实施方式的燃料电池的部分截面图(a)和概略平面图(b)。

图5是表示图4所示的燃料电池的制造方法的一个例子的图。

图6是本发明的第三实施方式的燃料电池的部分截面图(a)和概略平面图(b)。

图7是表示图6所示的燃料电池的制造方法的一个例子的图。

图8是表示第三实施方式的燃料电池的制造方法的另一个例子的图。

图9是表示本发明的燃料电池的其他例子的截面图。

图10是表示本发明的燃料电池的又一个其他例子的平面图。

图11是表示图6的其他例子的截面图。

图12是表示本发明的燃料电池的又一个其他例子的平面图。

图13是图12的部分放大截面图。

图14是表示图6的其他例子的截面图(a)和概略平面图(b)。

图15是实施例1的燃料电池的平面图(a)和截面图(b)。

图16是实施例3的燃料电池的平面图(a)和截面图(b)。

图17是实施例4的燃料电池的截面图。

具体实施方式

(第一实施方式)

以下，参照附图对本发明的固体氧化物型燃料电池的第一实施方式进行说明。图1是本实施方式的燃料电池的部分放大截面图，图2是该燃料电池的概略平面图。

如图1和图2所示，该燃料电池具备薄片状的基板1和叠层在其一个面上的电解质3，在电解质3上的同一个面上配置有多个由一对燃料极5和空气极7构成的电极体(单电池单元)E。各电极体E的燃料极5和空气极7形成为带状，按照规定间隔配置。此时，燃料极5和空气极7之间的间隔例如优选为1～500μm、更优选为10～500μm。

在电解质3上，按照上述那样形成有多个电极体E，这些电极体通过内部连结器9串联连接。即，各电极体E的空气极7和与其相邻的电极体E的燃料极5通过内部连结器9连接。

接下来，对如上述那样构成的燃料电池的材质进行说明。基板1优选使用与电解质3粘合性优异的材料形成，具体地说，可以优选使用SUS、或者氧化铝类材料、二氧化硅类材料、钛类材料等陶瓷类材料。特别优选使用1000℃以上的耐热性优异的陶瓷类材料。此外，基板1的厚度优选为50μm以上。

作为电解质3的材料，可以使用固体氧化物型燃料电池的电解质的众所周知的材料，例如可以使用添加了钐和钆等的氧化铈类氧化物、添加了锶和镁的镧镓(ランタン·カレ一ト)类氧化物、含有钪和钇的氧化锆类氧化物等氧离子传导性陶瓷材料。另外电解质3的膜厚优选为10～5000μm，更优选为50～2000μm。

燃料极5和空气极7可以由陶瓷粉末材料形成。此时使用的粉末的平均粒径优选为10nm～100μm，进一步优选为50nm～50μm，特别优选为100nm～10μm。并且，平均粒径例如可以按照JISZ8901进行测量。

燃料极5可以使用例如金属催化剂和由氧化物离子导电体构成的陶瓷粉末材料的混合物。作为此时使用的金属催化剂，可以使用镍、铁、钴和贵金属(铂、钌、钯等)等在还原性气氛中稳定、具有氢氧化活性的材料。另外，作为氧化物离子导电体，可以优选使用具有萤石型结构或者钙钛矿型结构的材料。作为具有萤石型结构的材料，可以举出例如添加了钐和钆等的氧化铈类氧化物和含有钪和钇的氧化锆类氧化物等。另外，作为具有钙钛矿型结构的材料，可以举出添加了锶和镁的镧镓类氧化物。在上述材料中，优选使用氧化物离子导电体和镍的混合物形成燃料极4。此外，由氧化物离子导电体构成的陶瓷材料和镍的混合方式可以是物理的混合方式，也可以是对镍的粉末修饰等方式。另外，上述的陶瓷材料可以单独使用1种、或者将2种以上混合使用。另外，燃料极5也可以用单体构成金属催化剂。

作为形成空气极7的陶瓷粉末材料，可以使用例如具有钙钛矿型结构等的由Co、Fe、Ni、Cr或者Mn等构成的金属氧化物。具体地说，可以举出(Sm、Sr)CoO₃、(La、Sr)MnO₃、(La、Sr)CoO₃、(La、Sr)(Fe、Co)O₃、(La、Sr)(Fe、Co、Ni)O₃等氧化物，优选(La、Sr)MnO₃。上述的陶瓷材料可以单独使用1种或者将2种以上混合后使用。

上述燃料极5和空气极7，通过以上述材料作为主要成分，再添加适量的粘结剂树脂、有机溶剂等形成。更详细地说，在上述主要成分与粘结剂树脂的混合中，优选以上述主要成分为50～95重量％的方式添加粘结剂树脂等。而且，空气极3、燃料极5的膜厚以烧结后为1μm～500μm、优选为10μm～100μm的方式形成。

另外，电解质3与上述燃料极5和空气极7相同，也通过以上述材料作为主要成分，再添加适量的粘结剂树脂、有机溶剂等形成，但是在上述主要成分与粘结剂树脂的混合中，优选以上述主要成分为80重量％的方式混合。另外，可以在将由上述材料构成的粉末进行单向压制成形后，进行CIP成形，在规定的温度和时间将烧制出的材料切断成期望的厚度、大小的板状、薄片状。然后，通过用粘结剂将这种板状、薄片状的电解质3粘贴在基板1上，也可以构成燃料电池。此外，在通过印刷形成电解质3时，优选使基板1和电解质3之间存在由具有两者的热膨胀系数的中间的值的粘结材料构成的应力缓和层。通过这样，可以防止由于两者的膨胀系数不同而在烧结时在薄膜的电解质上产生裂缝。

如上述那样构成的燃料电池按以下方式进行发电。首先，将甲烷和乙烷等烃构成的燃料气体和空气等氧化剂气体的混合气体在高温状态(例如400～1000℃)下供给到形成电极体C的基板1的一个面上。由此，主要在燃料极5和空气极7之间的电解质3的表层附近，产生离子传导、进行发电。

在上述结构的燃料电池中，由于电解质3的表层附近以外的部分对于电池反应贡献不大，所以，通过将电解质3薄膜化到不损害电池性能的限度的一定厚度，可以降低制造成本。所以，在本实施方式的燃料电池中，电解质3被支撑在基板1上，所以，即使将电解质3薄膜化，也可以维持对于振动或者热循环的高耐久性。

另外，通过将多个电极体E如上述那样通过内部连结器9进行串联连接，可以得到高电压。内部连结器9可以由Pt、Au、Ag、Ni、Cu、SUS等导电性金属或者金属类材料，或者La(Cr、Mg)O₃、(La、Ca)CrO₃、(La、Sr)CrO₃等镧铬铁矿类等导电性陶瓷材料形成，可以单独使用这些材料中的1种，也可以将2种以上混合使用。另外，可以向这些材料中添加上述的粘结剂树脂等添加剂。

另外，内部连结器9可以经由绝缘层在电解质3上形成。此时，从耐热性的角度看，绝缘层的材料优选陶瓷类材料。作为在此使用的陶瓷材料，可以举出例如氧化铝类材料、二氧化硅类材料或者二氧化钛类材料。这样将内部连结器9经由绝缘层配置在电解质3上时，可以防止内部连结器9和电解质3之间的电气接触。因此，有下述优点。以往那样将内部连结器形成在电解质上、连接相邻的电极体之间时，由于内部连结器有时也显示出导电性以及与电极反应相同的离子传导性，所以，有可能与电极同样地起作用从而降低原来的电动势。与此相反，按照上述那样构成时，由于内部连结器9与电解质3处于电气不接触的状态，所以可以防止电动势的降低。另外，也可以防止电动势的不稳定，可以得到期望的输出特性。

接下来，参照图3，说明上述的燃料电池的制造方法的一个例子。首先，以上述的电解质3、燃料极5和空气极7用的粉末材料为主要成分，向其中分别添加适量的粘结剂树脂、有机溶剂等后进行混合，分别制成电解质糊状物、燃料极糊状物、空气极糊状物。各糊状物的粘度优选10³～10⁶mPa·s左右，以适合以下将要说明的丝网印刷。同样地，内部连结器用糊状物也通过向上述粉末材料中添加粘结剂树脂制成。该糊状物的粘度与上述的粘度相同。

接下来，利用丝网印刷法将电解质糊状物涂敷在基板上后，在规定的时间和温度下进行干燥、烧结，由此形成电解质3(图3(a))。接着，利用丝网印刷法将燃料极糊状物在电解质上的多处涂敷成带状后，在规定的时间和温度下进行干燥、烧结，形成多个燃料极5(图3(b))。接下来，在与各燃料极5相对的位置上，分别利用丝网印刷法涂敷空气极糊状物，在规定的时间和温度下进行干燥、烧结，由此形成多个电极体C(图3(c))。最后，以将多个电极体C串联连接的方式，利用丝网印刷法将内部连结器用糊状物在电极体C之间涂敷为线状，形成内部连结器9(图3(d))。

可是，在上述燃料电池中，在相邻的电极体之间存在有电解质，所以在发电时电解质可以成为氧离子的移动路径。因此，电极体之间的电解质与夹住这些电解质的燃料极和空气极有时会构成燃料电池而发电。由此可以认为，原来的单电池单元的电动势与在单电池单元之间形成的电池的电动势抵消，成为内部短路状态，所以燃料电池的整体电动势下降。所以，有时即使增加电极体的数量，作为整体的电动势也不是“一个电极体产生的电动势×电极体的数量”。以下，说明考虑了这一点的本发明的第二实施方式。

(第二实施方式)

接下来，对本发明的固体氧化物型燃料电池的第二实施方式进行说明。图4为本实施方式的燃料电池的侧面图(a)以及平面图(b)。在此，对具有2个电极体的燃料电池进行说明。

如图4所示，这种燃料电池具有薄片状的基板1和在其一个面上形成的电解质3，在电解质3上的相同面上配置有2个由一对燃料极5和空气极7构成的电极体E。各电极体E的构成与第一实施方式相同。而且，在各电极体E之间，形成有分隔它们的槽V。另外，一个电极体E₁的空气极7和与其相邻的另一个电极体E₂的燃料极5，通过内部连结器9，以跨越这些槽的方式连接。内部连结器9的一部分处于进入该槽V内的状态。

形成该实施方式的基板1、电解质3、燃料极5、空气极7以及内部连结器9的材料与上述第一实施方式中所示的材料相同，所以省略详细的说明。另外，发电方法也与第一实施方式相同。

如上所述，根据本实施方式，由于在两电极体E₁、E₂之间的电解质3上形成槽深D大于剩余的电解质3的厚度R的(例如D＝800μm、R＝200μm)的槽V，所以可以减少两电极体E₁、E₂之间的电解质3中的氧离子的移动路径。其结果是，发电被尽可能抑制，可以防止电压的下降。此外，槽V的宽度与后述的第三实施方式相同，优选为1～5000μm。

接下来，参照图5，说明上述燃料电池的制造方法。在此，使用的电解质用糊状物、燃料极糊状物、空气极糊状物以及内部连结器用糊与第一实施方式所示的相同。首先，如图5(a)～图5(c)所示，在基板1上形成电解质3、燃料极5以及空气极7。到此的形成方法，与第一实施方式相同。

接下来，在电解质基板3上的两电极体E₁、E₂之间形成槽V(图5(d))。此时，槽V可以通过例如喷丸加工、激光加工、切削加工等形成。最后，如图5(e)所示，在一个电极体E₁的燃料极5和另一个电极体E₂的空气极7之间涂敷内部连结器用糊状物形成内部连结器1后，图4所示的燃料电池完成。

在该实施方式中，通过在电极体间的电解质上形成槽，可以减少氧离子的移动路径、抑制电极体之间的发电，但是也可以将与内部连结器连接的电极体间的电解质完全切断。以下，对此进行说明。

(第三实施方式)

以下，参照附图，对本发明的固体氧化物型燃料电池的第三实施方式进行说明。图6是本实施方式的燃料电池的部分截面图(a)以及简略平面图(b)。

如图6所示，该燃料电池具备薄片状的基板1和配置在其一面上的多个单电池单元C(在此，表示两个C₁、C₂)，各单电池单元C通过内部连结器9串联连接。

各单电池单元C具有配置在基板1的一个面上的矩形的电解质3与配置在该电解质3的相同面上的一对燃料极5和空气极7。各单电池单元C的电解质3以与相邻的单电池单元C的电解质3隔开规定间隔形成间隙S的方式进行配置。其间隔例如优选为10～5000μm，更优选为10～500μm。另外，各电解质3上的燃料极5和空气极7被形成为带状，隔开规定间隔配置。此时，燃料极5和空气极7之间的间隔L例如优选为1～5000μm，更优选为10～500μm。另外，如图2所示，在该燃料电池中，在配置在两端的电极、即一个单电池单元C₁的燃料极5和另一个单电池单元C₂的空气极7上分别形成有用于取出电流的集电部8。

内部连结器9如上所述连接相邻的单电池单元C，具体地说，连接一个单电池单元C₁的空气极7和另一个单电池单元C₂的燃料极5。此时，内部连结器9形成在电解质5上，并且，以横穿配置在相邻的单电池单元C之间的基板1上的间隙S的方式形成。

形成该实施方式的基板1、电解质3、燃料极5、空气极7以及内部连结器9的材料与上述第一实施方式中所示的材料相同，所以省略详细的说明。而且，发电方法也与第一实施方式相同。此外，集电部8的材料与内部连结器相同。

如上所述，在本实施方式的燃料电池中，由基板1支撑电解质3，所以与上述各实施方式同样，即使将电解质3薄膜化，也可以维持对振动和热循环的高耐久性。另外，在上述燃料电池中，各单电池单元C通过间隙被分开配置，通过内部连结器9连接。所以，由于在单电池单元C间不存在电解质3，所以可以防止氧离子在单电池单元C间移动，可以防止在单电池单元间形成燃料电池。其结果是，可以防止燃料电池的电动势的降低，从而可以得到高的发电输出。

接下来，参照图7说明上述燃料电池的制造方法的一个例子。首先，将上述电解质3、燃料极5以及空气极7用的粉末材料作为主要成分，分别向其中添加适量的粘结剂树脂、有机溶剂等后进行混炼，分别制成电解质糊状物、燃料极糊状物、空气极糊状物。各糊状物的粘度优选为10³～10⁶mPa·s左右，以适合以下将要说明的丝网印刷法。同样地，内部连结器用糊状物也通过向上述粉末材料中添加粘结剂树脂等添加物后制成。该糊状物的粘度与上述的粘度相同。

接下来，利用丝网印刷法将电解质糊状物涂敷在基板1上的多个位置上后，在规定的时间和温度下进行干燥，由此形成隔开规定间隔S配置的多个矩形的电解质3(图7(a))。接着，利用丝网印刷法将燃料极糊状物7在各电解质3上涂敷成带状后，在规定的时间和温度下干燥、烧结，形成燃料极5(图7(b))。接下来，分别在与各电解质3上的燃料极5相对的位置上，利用丝网印刷法涂敷空气极糊状物，在规定的时间和温度下干燥、烧结，由此形成空气极7。这样，形成了多个单电池单元C(图7(c))。最后，以将多个单电池单元C串联连接的方式，利用丝网印刷法将内部连结器用糊状物在单电池单元C间涂敷成线状，形成内部连结器9。此时，内部连结器9以横穿电解质3间的间隙S并通过基板1的方式形成。另外，在内部连结器9的端部形成集电部8。通过以上的工序，燃料电池完成(图7(d))。此外，使用感光性高分子作为粘结剂树脂形成多个单电池单元时，糊状物的涂敷、干燥后，使用掩模曝光成多个图案形状，经过除去未曝光部分的工序后进行烧结，可以得到任意图案形状的多个单电池单元和电解质。

以上，说明了本发明的实施方式，但是本发明不限于此，可以在不脱离其主旨的范围内进行各种变更。例如，在上述各实施方式中指出的制造方法中，使用丝网印刷法涂敷各糊状物，但是不限于此，可以使用刮匀涂装法、喷涂法、平板印刷法、电泳涂装法、辊涂法、分配涂敷(dispenser coat)法、CVD、EVD、溅射法、转印法等印刷方法等，以及其他一般的印刷方法。另外，作为印刷后的后工序，也可以使用静水压压制、油压压制、以及其他一般的压制工序。

此外，利用上述的印刷法等形成电解质时，优选在基板1和电解质3之间存在由具有两者的热膨胀系数的中间的值的粘结材料构成的应力缓和层。通过这样，可以防止由于两者的膨胀系数的不同而在烧结时在电解质上产生裂纹。

另外，除此之外，准备板状、薄片状的电解质，通过粘结剂等将其粘贴在基板上，也可以构成燃料电池。此时，特别在形成第三实施方式的燃料电池时，可以在每个单电池单元中，将规定大小的多个电解质粘贴在基板上，由此形成燃料电池。或者，可以在粘贴电解质后，通过切削将电解质切断，将每个单电池单元分离。例如，如图8所示，粘贴电解质3，形成两电极5、7后(图8(a))，通过切削形成贯穿电解质3到达基板1的槽V，由此将电解质3分离，可以形成多个单电池单元C(图8(b))。

另外，在上述各实施方式中，虽然仅在基板1的一个面上形成电解质3、燃料极5和空气极7，但是如图9所示，在基板1的另一面上也可以形成电解质3、燃料极5和空气极7。此外，图9(a)～图9(c)与上述第一～第三实施方式相对应。作为此时的制造方法，例如在基板1的一个面上分别形成电解质3、燃料极5和空气极7的各工序中，在基板1的另一个面上也分别同样地形成电解质、燃料极和空气极，在基板1的两面形成相同形式的电池。通过这样，可以使燃料电池密集，并得到高发电输出。

另外，在上述说明中，通过内部连结器9将多个电极体E或者单电池单元C串联连接，但是也可以并联连接。例如，在第一实施方式时，如图10(a)所示，可以通过内部连结器9将2个电极体E的燃料极5之间和空气极7之间连接。或者，如图10(b)所示，可以使串联连接和并联连接并存。通过这样的组合，可以得到期望的电压、电流。此外，当然也可以不使用多个电极体E、用一个电极体E构成燃料电池。

另外，在相邻的电解质3之间可以形成间隙，如图11所示，可以在电解质3之间的间隙S中配置绝缘膜10。由此，相邻的电解质3被绝缘膜10隔开，单电池单元C之间的电气分离变得更可靠，并且用内部连结器9的连接变得容易。所以，可以更可靠地防止在单电池单元C之间形成燃料电池，从而可以得到高发电输出。

此时，绝缘膜10优选用陶瓷类材料形成，例如可以使用氧化铝类或者二氧化硅类陶瓷材料。另外，构成该绝缘膜10的陶瓷材料粉末的粒径与上述电解质等相同，通常为10nm～100μm，优选为100nm～10μm。另外，该绝缘膜10以上述陶瓷材料的粉末为主要成分，可添加适量的粘结剂树脂、有机溶剂等使用。而且，烧结后的膜厚与电解质等相同，形成为1μm～500μm，优选10μm～100μm。

另外，在上述各实施方式中，将各电极形成为带状，以燃料极和空气极交替排列的方式配置，但是各电极的形状不限于如上述说明中的带状，也可以如下构成。如图12和图13所示，在该燃料电池中，具有24个电极体E，这些电极体E通过内部连结器9连接。

各电极体E由燃料极5和空气极7构成，在矩形的空气极7的周围隔开规定间隔配置有框型的燃料极5。燃料极5的外形与空气极7一致，呈矩形形状。此时，燃料极5和空气极7的间隔，例如优选为1～1000μm，更优选为10～500μm。另外，在燃料极5和空气极7上分别形成有用于取出电流的集电部51、71。而且，燃料极5的集电部51和与其相邻的电极体E的空气极7的集电部71通过内部连结器9连接，各电极体E被串联连接。此外，相邻的电极体E之间的间隔，例如优选为10～5000μm，更优选为1000～3000μm。

内部连结器9如图13所示地形成。如该图所示，在各内部连结器两端的集电部51、71之间的区间(交叉区间)中，在燃料极5、空气极7和电解质1上形成有绝缘层11，在该绝缘膜11上形成有内部连结器9。由此，内部连结器9通过燃料极5上，并且不与其发生短路。

通过上述那样构成，容易更集成化，其结果是可以得到高发电输出。另外，燃料极和空气极的形状也可以不是上述的矩形，可以形成例如圆形或者多边形。

另外，在第三实施方式中，在基板1的上面形成电解质3，但是也可以按照下述那样形成。即，如图14所示，在该燃料电池中，在基板1的一个面上，形成有2个平面上看为矩形形状的凹部11，在各凹部11内分别填充有各单电池单元C的电解质3。由此，各电解质3处于被凹部13之间的壁14隔断的状态。此时，各凹部13的深度优选为5μm～5mm。这是因为：小于5μm时，难于以不从凹部13内伸出的方式配置电解质3；大于5mm时，在电解质3中对电池反应没有贡献的部分变多，成本变高。

在该燃料电池中，各单电池单元C的电解质3分别被配置于在基板1上形成的各凹部13中，所以各电解质3处于被在各凹部13之间形成的壁11分隔的状态。因此，在相邻的单电池单元C之间，电解质3处于非接触状态，所以，可以降低如以往例中那样存在于相邻的电极之间的电解质成为氧离子的路径从而减少电动势的可能性。其结果是，可以得到高输出。

此外，上述实施方式中的内部连结器，在各附图中以与各电极的侧面接触的方式进行说明，但是也可以构成为内部连结器的端部连接在各电极的上面。

以下，举出实施例，更加详细地说明本发明。

(实施例1)

实施例1制作图15所示的固体氧化物型燃料电池。图15(a)是实施例1的燃料电池的平面图，图15(b)是其截面图。使用GDC(Ce₀₉Gd₀₁O₁₉)粉末(0.05～5μm、平均粒径0.5μm)作为电解质材料，向其中混合少量的纤维素类粘结剂树脂，制成重量比为95∶5的电解质糊状物。通过用溶剂稀释，使电解质糊状物的粘度成为适于丝网印刷法的5×10⁵mPa·s左右。

另外，将NiO粉末(0.01～10μm、平均粒径1μm)、SDC(Ce₀₈Sm₀₂O₁₉)粉末(粒径0.01～10μm、平均粒径0.1μm)按照重量比7∶3混合作为燃料极材料，然后添加纤维素类粘结剂树脂，制作出上述混合物的比例为80重量％的燃料极糊状物。即，以使上述混合物与粘结剂树脂的重量比为80∶20的方式混合。通过用溶剂稀释，使燃料极糊状物的粘度成为适于丝网印刷的5×10⁵mPa·s左右。

接下来，使用SSC(Sm₀₅Sr₀₅Co_O3)粉末(0.01～10μm、平均粒径1μm)作为空气极材料，添加纤维素类粘结剂树脂，以上述粉末的比例为80％的方式制作空气极糊状物。即，使SSC粉末与粘结剂树脂的重量比为80∶20。用溶剂稀释，使空气极糊状物的粘度与燃料极同样地为适于丝网印刷的5×10⁵mPa·s左右。另外，使用厚度1mm、10mm见方的氧化铝类基板作为基板1。

接下来，利用丝网印刷法将上述电解质糊状物在基板1上涂敷成10mm见方的大小后，在130℃下干燥15分钟，接着在1500℃下烧结10小时，形成烧结后的厚度为200μm的电解质3。然后，利用丝网印刷法将燃料极糊状物涂敷成宽500μm、长7mm。接着，在130℃下干燥15分钟后，在1450℃下烧结1小时，形成烧结后的厚度为30μm的燃料极5。接下来，在上述电解质3的同一个面上，利用丝网印刷法涂敷空气极糊状物。此时，将空气极糊状物涂敷成宽500μm、长7mm、与燃料极的间隔500μm。然后，与燃料极同样地，在130℃下干燥15分钟后，在1200℃下烧结1小时，形成烧结后的厚度为30μm的空气极7。通过以上工序，制成了具有1个电极体的固体氧化物型燃料电池。

对于这样制造的实施例1，进行如下的评价实验。即，在800℃下导入甲烷和氧气的混合气体，通过使反应CH₄+1/2O₂→2H₂+CO发生，对作为燃料极5的氧化镍进行还原处理，进行电流一电压特性的评价。此外，为了进行还原处理，可以导入氢气代替上述混合气体。

其结果是，在实施例1中可以得到65mW/cm²的最大输出密度，确认了可以得到固体氧化物型燃料电池。

(实施例2)

接下来，对实施例2进行说明。与实施例1的不同点是，在电解质和基板之间存在有应力缓和层。在该实施例2中，将GDC和Al₂O₃粉末(0.1～10μm、平均粒径3μm)按照50∶50的重量比混合，做成应力缓和层用糊状物。通过用溶剂稀释，使该应力缓和层用糊状物的粘度成为适于丝网印刷的5×10⁵mPa·s左右。

对于其他的材料，与实施例1相同，所以省略详细的说明。

作为制作方法，首先，将应力缓和层用糊状物以涂敷厚度30μm的方式涂敷在基板1上后，在130℃下干燥15分钟。然后，与上述实施例1同样地，按照电解质、燃料极和空气极的顺序形成。

如以上那样形成的燃料电池与没有应力缓和层的燃料电池相比较，可以防止薄膜的电解质上产生裂纹。另外，就电池性能而言，与实施例1相同，得到65mW/cm²的最大输出密度。

(实施例3)

实施例3制作图16所示的固体氧化物型燃料电池。形成基板、电解质和各电极的材料与实施例1相同。使用Au粉末(0.1～5μm、平均粒径2.5μm)作为连接单电池单元间的内部连结器和集电部用的材料，向其中混合纤维素类粘结剂树脂，制作出内部连结器用和集电部用糊状物。使内部连结器用糊状物的粘度为适于丝网印刷的5×10⁵mPa·s。

接下来，利用丝网印刷法将上述电解质糊状物涂敷在基板1上，形成多个矩形形状的电解质。此时，将电解质糊状物图案化，使得大小为9×4.2mm见方的两个电解质空出0.6mm的间隙、距基板边缘的距离为0.5mm。然后，在130℃下干燥15分钟后，在1500℃下烧结10小时，形成烧结后的厚度为200μm的电解质3。接着，利用丝网印刷法，在各电解质3上涂敷燃料极糊状物。此时，涂敷燃料极糊状物，使得在各电解质3上形成宽500μm、长7mm、涂敷厚度50μm的燃料极5。然后，在130℃下干燥15分钟后，在1450℃下烧结1小时，使烧结后的厚度为30μm。接下来，在上述各电解质3的同一个面上，利用丝网印刷法涂敷空气极糊状物。此时，涂敷空气极糊状物，使得在各电解质3上形成宽500μm、长7mm、涂敷厚度50μm、与燃料极5间隔500μm的空气极7。然后，与燃料极5同样地，在130℃下干燥15分钟后，在1200℃下烧结1小时。使烧结后的厚度为30μm。

接下来，使用丝网印刷法涂敷内部连结器用糊状物(宽2μm、厚度50μm)，将上述单电池单元C按照图16所示串联连接，在电池两端的电极上形成集电部8。这样，制造出了实施例3的固体氧化物型燃料电池。

另外，按下述方法制造与该实施例3对比的对照例1。即，在对照例1中，准备10×10mm大小、厚度为1mm的电解质，用其作为基板。然后，在该电解质上，以与实施例3相同的尺寸和间隔各形成2个燃料极和空气极，通过内部连结器串联连接。另外，也制成具有1个单电池单元的对照例2。

对于这样制造的实施例3和对照例1，进行如下的评价实验。即，在800℃下导入甲烷和氧气的混合气体，通过使反应CH₄+1/2O₂→2H₂+CO发生，对作为燃料极5的氧化镍进行还原处理，进行电流一电压特性的评价。此外，为了进行还原处理，可以导入氢气代替上述混合气体。

其结果是，具有1个单电池单元的对照例2的电动势为610mV，而具有2个单电池单元的实施例3的电动势为1190mV。另一方面，在具有2组电极的对照例1中，得到900mV的电动势。从以上的结果可知，对照例1由于内部短路现象，没有达到对照例2中得到的电动势的2倍。与此相反，在实施例3中可知，因为将电解质隔开规定间隔配置，内部短路现象降低，可以得到对照例2的约2倍的电动势。

(实施例4)

在实施例4中，在图16所示的燃料电池的各单电池单元之间配置绝缘膜。由此，如图17所示，相邻的电解质3被绝缘膜10分隔，单电池单元C之间的电气分离变得更可靠，可以使内部连结器9的连接容易而且可靠。所以，可以更可靠地防止在单电池单元C之间形成燃料电池，可以得到高发电输出。

此时，绝缘膜10优选使用陶瓷类材料形成，可以使用例如氧化铝类或者二氧化硅类陶瓷材料。另外，构成该绝缘膜10的陶瓷材料粉末的粒径与上述电解质等同样，通常为10nm～100μm，优选为100nm～10μm。另外，该绝缘膜10以上述陶瓷材料的粉末作为主要成分，可添加适量的粘结剂树脂、有机溶剂等使用。而且，烧结后的膜厚与电解质等同样地形成为1μm～500μm，优选为10μm～100μm。

电解质糊状物、燃料极糊状物、空气极糊状物和基板，准备与实施例3相同的材料。另外，使用Au粉末(0.1～5μm、平均粒径2.5μm)作为连接单电池单元之间的内部连结器用和集电部的材料，向其中混合纤维素类粘结剂树脂制成内部连结器用糊状物。使内部连结器用糊状物的粘度为适于丝网印刷法的5×10⁵mPa·s。另外，制作出形成绝缘膜的绝缘膜糊状物。这通过在氧化铝粉末(粒径0.1～10μm)里混合纤维素类粘结剂树脂制成。

接下来，将绝缘膜糊状物涂敷在上述基板1上的两个电解质3之间的预定位置，在1800℃下对该糊状物进行烧结、形成绝缘膜10。接下来，与上述实施例3同样地形成电解质3、燃料极5和空气极7。此时，电解质3以夹住绝缘膜糊状物的方式定位。最后，与实施例3同样地，用内部连结器9将两单电池单元C串联连接，在电池两端的电极上形成集电部8。这样，制造出了实施例4的固体氧化物型燃料电池。

对该实施例4，进行与实施例4相同的实验，结果表现出与实施例相同的性能。

产业上的可利用性

根据本发明，可提供一种可以改善脆弱性、可以降低成本、而且可以得到高发电输出的固体氧化物型燃料电池。

Claims (9)

1.一种固体氧化物型燃料电池，其特征在于，具有：

基板；

配置在该基板的一个面上的电解质；

由在该电解质的同一个面上隔开规定间隔配置的燃料极和空气极构成的多个电极体；和

连接所述多个电极体的内部连结器，

在所述电解质上，在相邻的所述电极体之间，形成有分隔这些电极体的槽。

2.如权利要求1所述的固体氧化物型燃料电池，其特征在于：

所述电解质在相邻的所述电极体之间被隔断。

3.如权利要求2所述的固体氧化物型燃料电池，其特征在于：

所述槽贯通所述电解质直至达到所述基板。

4.如权利要求2所述的固体氧化物型燃料电池，其特征在于：

在相邻的所述电解质之间配置有绝缘材料。

5.如权利要求1所述的固体氧化物型燃料电池，其特征在于，还具有：

配置在所述基板的另一面上的电解质；和

由在该电解质的同一个面上隔开规定间隔配置的燃料极和空气极构成的电极体。

6.一种固体氧化物型燃料电池，其特征在于，具有：

基板；

配置在该基板的一个面上的电解质；和

由在该电解质的同一个面上隔开规定间隔配置的燃料极和空气极构成的至少一个电极体，

所述电极体构成为：一个电极隔开规定间隔包围另一个电极的周围。

7.如权利要求1或6所述的固体氧化物型燃料电池，其特征在于：

所述电解质通过印刷形成。

8.如权利要求1或6所述的固体氧化物型燃料电池，其特征在于：

所述电解质被形成为板状，该电解质通过粘结剂安装在所述基板上。

9.如权利要求1或6所述的固体氧化物型燃料电池，其特征在于：

所述基板由陶瓷材料构成。

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