JP2002203580A

JP2002203580A - 燃料電池用単セル及び固体電解質型燃料電池

Info

Publication number: JP2002203580A
Application number: JP2000402953A
Authority: JP
Inventors: Itaru Shibata; 格柴田; Tatsuo Sugiyama; 龍男杉山; Masaharu Hatano; 正治秦野; Mitsugi Yamanaka; 貢山中; Makoto Uchiyama; 誠内山
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2000-12-28
Filing date: 2000-12-28
Publication date: 2002-07-19

Abstract

(57)【要約】【課題】低価格且つ電気絶縁性を有する基板を使用し
た新規な単セル、セル板及びこれらの製造方法、並びに
これらを備えた固体電解質型燃料電池を提供すること。【解決手段】下部電極層１０、固体電解質層２０及び
上部電極層３０を積層した積層電極部を、上部基板２及
び下部基板１で挟持して成り、上部基板２及び下部基板
１は、上面から下面に貫通した開口部を有し、上部基板
開口部４は下面側から上部電極層３０で閉塞され、下部
基板開口部は上面側から下部電極層１０で閉塞され、上
部基板３０の下面又は上部基板開口部４の近傍に、上部
電極層３０と電気的に接続する上部電極層用電極３１
と、下部電極層１０と電気的に接続する下部電極層用電
極１１とが配設されている固体電解質型燃料電池用の単
セルである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体電解質を用
い、電気化学反応により電気エネルギーを得る固体電解
質型燃料電池（ＳＯＦＣ）に係り、更に詳細には、固体
電解質を電極で挟持して成る単セル、セル板及びこれら
の製造方法、並びにこれらを備えた固体電解質型燃料電
池に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、高エネルギー変換が可能で、地球
環境に優しいクリーンエネルギー源として燃料電池が注
目されている。各種燃料電池のうち、固体電解質型燃料
電池（以下、「ＳＯＦＣ」と略す）は、他の燃料電池に
比べ発電効率が高いものの、電解質の抵抗値を低くする
ために８００℃以上の高い温度で運転する必要があっ
た。そのために以下の問題点があった。（１）電極、支持体などＳＯＦＣを構成する多くの材料
・部品を耐熱性の高いセラミックス材料を使用しなけれ
ばならず、機器の小型化が困難であった。（２）加工性の悪いセラミックスを多用するため高価な
機器であった。（３）熱伝導の悪いセラミックスを多用し、また大型
であるため制御性が悪い機器であった。

【０００３】薄膜型ＳＯＦＣの問題点である電解質抵抗
の低抵抗化の方策としては、以下の方策が検討されてい
る。

【０００４】（電解質材料の開発）例えば、従来から、
代表的電解質材料イットリア・ドープ・ジルコニア（以
下、「ＹＳＺ」と略す）に比べ、より低温でも高い電気
伝導率を示すランタン・ガレート系電解質材料が開発さ
れている。

【０００５】（電解質の薄膜化）従来、電解質は粉末焼
結技術で作製されていたため、電流・電圧方向の長さ、
厚さは１００μｍが限界であった。近年、電解質の作製
にスパッタ法や電子ビーム蒸着などの真空成膜法、ゾル
・ゲル法や電気泳動法などの湿式成膜法が電解質膜の作
製に適用され、５μｍから十数μｍの膜厚の膜が得られ
ている。電解質は電気伝導性、ガス（燃料ガス及び空
気）不透過性が要求され、電解質膜には高い緻密性が要
求される。そのため、電解質薄膜は非常に平坦な基板上
に成膜する必要がある。また、ＳＯＦＣとしては電極を
介してガスを電極／電解質界面に導く必要がある。その
ため、特開平８−６４２１６号公報では、基板としてシ
リコンウェハ上に成膜後、シリコン異方性エッチングの
手法により、シリコン基板の一部を除去する方法が開示
されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述の電解質の薄膜化
は優れた方法であるが、以下のシリコンウェハ特有の課
題がある。（１）シリコンウェハの価格半導体産業で大量に使用されているものの、成膜基板又
は薄膜支持体としては高価である。（２）シリコンウェハの電気伝導性シリコンウェハには電気伝導性があり、ウェハ内に複数
配置される単位電池（以下、「単セル」と略す）間を電
気配線する際に配線部分との絶縁性を確保する必要があ
る。

【０００７】本発明は、このような従来技術の有する課
題に鑑みてなされたものであり、その目的とするとこと
は、低価格且つ電気絶縁性を有する基板を使用した新規
な単セル、セル板及びこれらの製造方法、並びにこれら
を備えた固体電解質型燃料電池を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記課題
を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、電気配線する配線
部分の絶縁性や耐久性を確保する構造とし、薄膜支持体
として比較的低価格な基板を用いることにより、上記課
題が解決できることを見出し、本発明を完成するに至っ
た。

【０００９】即ち、本発明の燃料電池用単セルは、下部
電極層、固体電解質層及び上部電極層をこの順に積層し
た積層電極部を、電気絶縁性を有する上部基板及び下部
基板で挟持して成る固体電解質型燃料電池用の単セルで
あって、上記上部基板及び下部基板は、上面から下面に
貫通した開口部を有し、該上部基板開口部は下面側から
上記上部電極層で閉塞され、該下部基板開口部は上面側
から上記下部電極層で閉塞され、上記上部基板の下面又
は上記上部基板開口部の近傍に、上記上部電極層と電気
的に接続する上部電極層用電極と、上記下部電極層と電
気的に接続する下部電極層用電極とが配設されているこ
とを特徴とする。

【００１０】また、本発明の燃料電池用単セルは、上記
燃料電池用単セルを、積層方向とほぼ垂直の方向へ２次
元的に複数個連結し一体化して成ることを特徴とする。

【００１１】更に、本発明の固体電解質型燃料電池は、
上記燃料電池用単セル又はセル板を用いて成ることを特
徴とする。

【００１２】更にまた、本発明の燃料電池用単セル又は
セル板の製造方法は、上記燃料電池用単セル又はセル板
を製造する方法であって、上記下部基板上に、上記下部
電極層、固体電解質層及び上部電極層をこの順に積層し
て積層電極部を形成し、この下部基板に、開口部を有す
る上部基板を積層して、上記積層電極部を該開口部に収
納・密着させ、上記下部基板の一部を除去して開口部を
形成し、上記下部電極層を露出させることを特徴とす
る。

【００１３】また、本発明の固体電解質型燃料電池の製
造方法は、上記固体電解質型燃料電池を製造する方法で
あって、上記上部基板又は下部基板の少なくとも一部に
無機接着剤を塗布して上記単セル又はセル板を積層方向
に複数個連結させた後、加圧・加熱により接合すること
を特徴とする。

【００１４】

【作用】固体電解質膜厚を５μｍ以下に薄膜化しようと
すると、従来の印刷成膜法などでは膜が多孔質となり、
この膜がガス不透過性を達成するには少なくとも５０μ
ｍ以上の膜厚が必要とされていた。本発明では、真空め
っき成膜法により、所望のガス不透過性を有する０．１
〜５０μｍの緻密な膜を得ることができる。

【００１５】また、真空成膜によりガス不透過性の緻密
な固体電解質膜を得るには、平坦な基板が必要であり、
工業的にはＳｉウェハ、ガラス基板を使用することがで
きる。しかし、Ｓｉウェハは、面平滑性及び異方性エ
ッチングなどに優れ、燃料電池用基板材料として好適な
素材ではあるが、高価であり、また本質的に電気伝導性
を有するため基板として使用する際、燃料電池セル間の
電極配線を行うには表面に絶縁性皮膜を形成しなければ
ならない。一方、ガラス基板は、Ｓｉウェハが有する価
格や電気絶縁性などの問題はなく好適な基板材料ではあ
るが、ガスを電極部に導入するための基板除去手段とし
ては、Ｓｉウェハで使用できる異方性エッチングが使用
できず、フッ酸系のエッチャントを使用するが、そのエ
ッチング速度は遅く、またガラス基板の厚さを３０〜１
００μｍと薄くする必要があり、構造体としてはワレな
どが生じることがある。本発明では、積層電極部を設け
た薄いガラス基板（図３）を、構造支持体となるセラミ
ックス基板（図２）に、図４に示すように収納・密着す
ることにより、ガラス基板の機械的脆弱性を抑制するこ
とができる。

【００１６】更に、単セルやセル板に用いる基板電極
は、燃料電池の単位要素（単セルやセル板）間を接合す
る配線電極の機能を有する。従来の燃料電池では、高温
酸化環境で作動させるため、配線電極の酸化劣化対策か
ら酸化物電極を使用していた。しかし、酸化物電極は金
属電極に比べ、電気伝導性に劣り、電極の厚さや幅（最
大径）を大きくとる必要があった。本発明では、基板電
極（電極層用電極）を酸化雰囲気から遮断できるよう
に、ガスに直接触れることのない、上部基板と下部基板
との間に設置したので、基板電極用材料として電気伝導
性の良い金属を使用できる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の固体電解質型燃料
電池用の単セル及びセル板について詳細に説明する。な
お、本明細書において、「％」は特記しない限り質量百
分率を示す。また、説明の便宜上、基板や電極層など各
層の一方の面を「上面」、他の面を「下面」、これに応
じて、電極層を「上部電極」、「下部電極」などと記載
するが、これらは等価な要素であり、相互に置換した構
成も本発明の範囲に含まれるのは言うまでもない。

【００１８】なお、セル板は、単セルの集積化を促進し
て、得られる燃料電池の高出力化を図るのに実用的な製
品形態であるが、セル板にかかる機械的応力や熱応力は
単セルにかかるものより大きくなる。本発明で採用して
いる上部基板及び下部基板は、このような応力作用によ
る不具合を抑制ないし解消するものであるが、この作用
効果は、単セルの場合よりもセル板の場合にいっそう重
要なものとなる。

【００１９】上述のように、本発明の単セル及びセル板
は、下部電極層、固体電解質層及び上部電極層をこの順
に積層した積層電極部を、電気絶縁性を有する上部基板
及び下部基板で挟持して成る。

【００２０】ここで、上記下部電極層としては、代表的
には、いわゆる燃料極（アノード）材料として、公知の
ニッケル（Ｎｉ）、ニッケルサーメット及び白金（Ｐ
ｔ）などを使用することができる。また、上記上部電極
層としては、代表的には、空気極（カソード）材料とし
て、Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＭｎＯ_３やＬａ_１−ｘＳｒ_ｘＣｏ
Ｏ_３などのペロブスカイト型酸化物を使用することがで
きる。なお、かかる上部電極及び下部電極については、
一方を燃料極層、他方を空気極層として用いることがで
き、場合によっては両極層を同一材料で形成することも
可能である（図７）。

【００２１】また、上記固体電解質層は、発電機能を発
現するのに必要であり、酸素イオン伝導性などを有する
従来公知の材料、例えば酸化ネオジウム（Ｎｄ
_２Ｏ_３）、酸化サマリウム（Ｓｍ_２Ｏ_３）、イットリア
（Ｙ_２Ｏ_３）及び酸化ガドリニウム（Ｇｄ_２Ｏ_３）など
を固溶した安定化ジルコニアや、セリア（ＣｅＯ_２）系
固溶体、酸化ビスマス及びＬａＧａＯ_３などを使用する
ことができるが、これに限定されるものではない。

【００２２】更に、上記積層電極部は、上記上部電極層
及び下部電極層の厚さが１〜１００μｍであり、上記固
体電解質層の厚さが０．１〜５０μｍであることが好ま
しい。電極層の厚さが上記範囲内であれば固体電解質層
の形態を損なうことは少ない。また、後述する成膜法に
より緻密な膜を得られるので、固体電解質層の厚さが上
記範囲内であれば所望のガス不透過性を達成できる。

【００２３】また、上部基板及び下部基板は電気絶縁性
を有し、例えば、図１に示すように、その上面−下面間
を貫通する開口部を有し、上部基板開口部４は下面側か
ら上部電極層３０で閉塞され、下部基板開口部３は上面
側から下部電極層１０で閉塞される。このような構成と
することで、各電極層にガス（燃料ガス又は空気）が確
実に供給されるとともに単セルごとの絶縁性が確保され
る。

【００２４】かかる上部基板開口部は、上面から下面に
かけて拡開しており、該開口部の上面側は、下部基板開
口部より狭く、該開口部の下面側は下部基板開口部より
広いことが好ましい。また、上記上部基板の厚さは、下
部基板及び積層電極部の総厚よりも厚いことが好まし
い。このような構成とすることで単セル及びセル板の耐
久性を向上しうるので有効である。また、積層電極部及
び下部基板を上部基板開口部内に収納・密着し易くな
る。例えば、図４に示すように、上部基板開口部は、上
部側と下部側とで開口径の異なる段付き構造とすること
ができる。これより上記積層電極部を上部基板の内部に
収納・密着し易くなる。また、下部基板の厚さを３０〜
１００μｍとし、上部基板の厚さを０．１〜１ｍｍとす
ることができる。このときは上記積層電極部に加えて下
部基板をも上部基板開口部内に収納・密着させることが
できる。

【００２５】また、かかる上部基板及び下部基板として
は、上述の機能を考慮して、平滑性に優れ、開口部形成
の加工性に優れたものが望ましく、上記下部基板として
はガラス基板を用い、上記上部基板としてはセラミック
ス基板を用いることができる。この場合には、低コスト
で電気絶縁性を確保できるとともに、ガラス基板のみを
用いる場合の機械的脆弱性の問題を解決できるので有効
である。具体的には、上記ガラス基板として、Ｎａ等の
拡散しない低アルカリホウ珪酸ガラスを用い、上記セラ
ミックス基板としてアルミナ又は窒化珪素を用いること
ができる。

【００２６】更に、本発明の単セル及びセル板は、上記
上部基板の下面又は上記上部基板開口部の近傍に、上部
電極層と電気的に接続する上部電極層用電極と、下部電
極層と電気的に接続する下部電極層用電極とを配設して
成る。これら電極層用電極は燃料電池の単位要素（単セ
ルやセル板）間を接合する配線電極の機能を有する。か
かる上部電極層用電極及び下部電極層用電極は、外部に
露出しないように設けることが好ましく、例えば、図２
のように、上部基板の下面（内部）に埋設することがで
きる。このとき、上記積層電極部を積層した下部基板
と、上部電極層用電極及び下部電極層用電極が配設され
た上部基板とを組合せて、かかる構造とすることがよ
い。なお、これら電極層用電極が外部に露出してしまう
と腐食酸化等の障害が発生し易くなってしまう。更にま
た、上述のように、電極層用電極をガスに接触しないよ
うに配設することにより電極の腐食を防止できるため、
金属材料を含む電極層用電極を用いることができる。例
えば、Ｎｉ、Ｎｉ−Ｆｅ、Ｎｉ−Ｃｕ、Ｎｉ−Ｃｒ、Ｐ
ｔ及びＡｇなどの電気伝導性が大きい金属を用いること
ができる。また、腐食を防止して上記電極層用電極が配
設されるため、該電極層用電極の最大径を１〜５００μ
ｍとすることができる。これより、従来の燃料電池で
は、高温酸化環境で使用される電極が酸化劣化するのを
防止すべく、酸化物電極を使用しており、この酸化物電
極は金属を用いた電極に比べ電気伝導性が小さいため電
極の厚さや幅を大きくとる必要があったが、これを改善
できる。なお、上記最大径が１μｍ未満であると電気抵
抗が大きくなり易く、５００μｍを超えると熱サイクル
等を受けた場合、剥離などが起こり易くなってしまう。

【００２７】また、上記上部基板の上面及び／又は下面
に、凹凸形状部を設けることができる。このときは、単
セルやセル板を組合せてガス通路を形成したり上記凹凸
形状部にガスが出入可能な管などを設けてガス通路を形
成することができるので有効である。また、凹凸形状部
により電極層にガスを接触し易くすることも可能であ
る。更に、上記積層電極部や下部基板を上部基板開口部
内に収納し易くなり、上部基板のみを積層方向に連結・
接着して燃料電池を形成することができる。

【００２８】上述のように、上部基板及び下部基板は、
上記積層電極部を安定に保持するのに有用であり、ま
た、積層電極部の形成や集積化を容易にする機能を果た
すとともに、得られた単セルやセル板で燃料電池を形成
する際の電気接続も容易にする機能がある。なお、セル
板用の基板としては、上記開口部が複数個形成されてい
るものを用いることができる（図５）。

【００２９】また、上記上部電極層及び／又は上記下部
電極層に、多孔質電極材料を積層することもできる。こ
のときは上記上部電極層及び／又は上記下部電極層は外
部に露出してもよい。なお、図１５に示すように、上記
多孔質電極材料は基板表面まで積層することもできる。

【００３０】更に、上記積層電極部と上記下部基板との
間に保護層を設けることができる。これより、下部基板
開口部を湿式エッチングなどで形成する際に、上記積層
電極部（上部電極層、下部電極層及び固体電解質層）が
エッチャント（ＣＦ_４とＯ_２など）に犯されるのを防止
できる。また、この保護層としては、代表的には、図１
０に示すように、厚さが１０〜５００ｎｍであるＳｉＮ
薄膜などを例示できる。

【００３１】更にまた、上記上部電極層用電極及び下部
電極層用電極と上記上部電極層及び下部電極層との接触
部分がロウ材、並びにこれ以外の接触部分が無機接着剤
で構成された接着層を設けることができる。この場合に
は、上部基板と下部基板及び積層電極部との密着性が向
上するので有効である。

【００３２】また、上記上部基板の少なくとも一部及び
／又は上記下部基板の少なくとも一部に、補強層を設け
ることもできる。この場合は、固体電解質層などに加わ
る熱応力や機械的応力を緩和して単セル構造やセル板構
造を補強することができる。

【００３３】なお、本発明の燃料電池用セル板は、積層
方向とほぼ垂直の方向へ２次元的に複数個連結し一体化
して成る。代表的には、図３に示すように、積層電極部
４０を積層した下部基板複数個を、上部電極層用電極及
び下部電極層用電極が配設され且つ複数個の上部基板開
口部を有する上部基板２に組込んで成ることが好まし
い。

【００３４】次に、本発明の固体電解質型燃料電池につ
いて説明する。かかる固体電解質型燃料電池は、上述の
燃料電池用単セル又はセル板を用いて成る。このとき、
各単セル又は各セル板における上部電極層及び下部電極
層は、ガス通路（空気流路又は燃料流路）に同一電極層
が面していればよいので、燃料極層（空気極層）の順序
を変えたり、単セル等の上下を変えて、単セル又はセル
板を連結することができる。例えば、図８に示すよう
に、セル板を積層方向に複数個連結して成り、上部電極
層３０が隣接する下部電極層１０’と対向し、下部電極
層１０が隣接する上部電極層３０’と対向するように連
結し一体化して成る固体電解質型燃料電池とすることが
できる。この場合には、対向する上部電極層３０と下部
電極層１０’は同一の電極材料であり、同様に対向する
下部電極層１０と上部電極層３０’は同一の電極材料と
することができる。また、図９に示すように、セル板を
積層方向に複数個連結して成り、上部電極層３０が隣接
する上部電極層３０’と対向し、下部電極層１０が隣接
する下部電極層１０’と対向するように連結し一体化し
て成る固体電解質型燃料電池とすることができる。この
場合には、対向する上部電極層３０と上部電極層３０’
は同一の電極材料であり、同様に対向する下部電極層１
０と下部電極層１０’は同一の電極材料とすることがで
きる。なお、図１１に示すように、ガス通路７１は燃料
電池の周囲にスペーサを設けること（図８）や各単セル
ごとにスペーサを設けること（図９）により形成でき
る。

【００３５】次に、本発明の燃料電池用単セル又はセル
板の製造方法について説明する。本発明では、まず、下
部基板上に、下部電極層、固体電解質層及び上部電極層
をこの順に積層して積層電極部を形成し、次いで、この
下部基板に、開口部を有する上部基板を積層して、上記
積層電極部を該開口部に収納・密着させ、更に、上記下
部基板の一部を除去して開口部を形成し、上記下部電極
層を露出させて、燃料電池用単セル又はセル板を製造す
る。このとき、図４や図６に示すような単セル及びセル
板であれば、上部電極層用電極が上部電極層と、また、
下部電極層用電極が下部電極層と電気的に接続するよう
に各電極層は耳を形成するように積層することがよい
（図３）。

【００３６】かかる製造方法では、種々の成膜法を用い
て、上記下部電極層、固体電解質層又は上部電極層を形
成することができる。例えば、上記下部電極層及び上部
電極層は、めっき成膜法により形成することができる。
このときは、下部電極層及び上部電極層が金属材料の場
合、密着力の優れた膜を成膜できるので好ましい。ま
た、上記下部電極層、固体電解質層及び上部電極層は、
真空めっき成膜法により形成することができる。このと
きは、所望の緻密な薄膜を容易に形成できるので好まし
い。特に固体電解質層の成膜に好適に使用できる。更
に、上記下部電極層及び上部電極層は、印刷成膜法によ
り形成することができる。このときは、多孔質膜を得る
ことが容易であり、特に下部電極層及び上部電極層の成
膜に好適に使用できるので好ましい。

【００３７】また、上記製造方法では、上記上部基板の
積層前に、該上部基板に上部電極層用電極及び下部電極
層用電極を配設することが好ましい。これより、各電極
層と電極層用電極とを電気的に接続し易くなる。かかる
電極層用電極は、上記上部基板に金属線又は金属箔を配
設して形成できる。このとき、金属線又は金属箔を配設
する方法としては、印刷成膜法やめっき成膜法を用いる
ことができる。なお、印刷成膜法は、電極層用電極とし
ての厚膜の成膜に適しており、めっき成膜法は電極層用
電極としての薄膜の成膜に適する。

【００３８】更に、上述のように、上記積層電極部と上
記下部基板との間に保護層を設けるときは、該下部基板
に開口部を形成後、この開口部から露出している保護層
を除去することが好ましい。例えば、図１０に示すよう
に、湿式エッチング後の開口部から露出している保護層
を、ＣＦ_４とＯ_２を用いた乾式エッチングにより除去で
きる。

【００３９】更にまた、上記下部基板の一部除去は、湿
式エッチング及び／又は乾式エッチングにより行うこと
が好ましい。このような方法であれば下部基板除去と保
護層の除去を、各々最適な条件で行うことができる。代
表的には、上記湿式エッチングは、フッ酸系エッチング
液を用いて行うことができ、上記乾式エッチングは、フ
ッ化炭素系エッチングガスを用いて行うことができる。

【００４０】また、上述のように、上記上部電極層及び
／又は上記下部電極層に多孔質電極材料を積層するとき
は、電極材料をスラリー化して、スプレー成膜法（スプ
レー塗布法）により積層することができる。この方法で
あれば、小形のセル、セル板に対してマスク等が簡易に
できるので有効である。

【００４１】次に、本発明の固体電解質型燃料電池の製
造方法について説明する。本発明の燃料電池は、上述の
単セル又はセル板を用い、上記上部基板又は下部基板の
少なくとも一部に無機接着剤を塗布して上記単セル又は
セル板を積層方向に複数個連結させた後、加圧・加熱に
より接合して得られる。なお、上記無機接着剤の塗布
は、上部基板に設けた凹凸形状部のみでもよいことは言
うまでもない。

【００４２】

【実施例】以下、本発明を図面を参照して実施例及び比
較例により更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施
例に限定されるものではない。

【００４３】[固体電解質型燃料電池用セル板] （実施例１）５ｍｍ角、厚さ３０μｍの低アルカリホウ
珪酸ガラスの下部基板１に、下部電極層１０としてＮｉ
膜１μｍ、固体電解質層２０として８ｍｏｌ％イットリ
アジルコニア膜（以下、「ＹＳＺ膜」と略す）１．２μ
ｍ、及び上部電極層３０としてＬａ_０．８Ｓｒ_０．２Ｍ
ｎＯ_３（以下、「ＬＳＭ膜」と略す）３μｍ、をスパッ
タで成膜し、図１２に示すような積層電極部４０を有す
るガラス基板１を製作した。上面側が２．５ｍｍ角であ
り、下面側が５．１ｍｍ角である段付きの開口部を１６
個有するアルミナ基板２を上部基板として製作した。こ
の上部基板２の厚さは２００μｍとし、上面側開口部４
を形成した部分の厚さを１００μｍ、下面側開口部５を
形成した部分の厚さを１００μｍとした。また、上部基
板２には上部電極層用電極３１及び下部電極層用電極１
１として厚さ５０μｍのＮｉ箔を図１３に示すように予
め接合した。更に、電極層用電極（１１及び３１）上に
Ｎｉ粉を含有するインキを印刷法により厚さ１０μｍ形
成した。更にまた、電極層用電極部以外には鉛系ガラス
フリットを含有する無機接着剤を印刷法により厚さ８μ
ｍ形成した。

【００４４】次に、１６枚の下部基板１を上部基板２の
１６個の開口部の下面側より収納・設置し、圧力２ｋｇ
／ｃｍ^２、温度７５０℃で下部基板１を上部基板２に加
圧・加熱接着した。また、下部基板１の裏面を有機レジ
スト材でマスキングし、２．５ｍｍ角の下部基板１を３
％フッ酸で除去した。その後、有機レジスト材をアセト
ンで除去し、本例の燃料電池用セル板を得た（図１
４）。

【００４５】（実施例２）図１５に示すように、下部電
極１０及び上部電極３０の電気抵抗を下げるために下部
電極１０上にＮｉ多孔質膜３０μｍをスプレー塗布法
（＊１）で形成し、更に上部電極３０上にＬＳＭ多孔質
膜６０μｍをスプレー塗布法で形成した以外は、実施例
１と同様の操作を繰返して、本例の燃料電池用セル板を
得た。（＊１）スプレー塗布法Ｎｉ又はＬＳＭ微粒子を含むスラリをスプレー成膜後、
焼成して皮膜を得る方法で、スパッタ等の真空成膜法に
比べ、厚い多孔質膜が得易い特徴をもつ。

【００４６】（実施例３）図１６に示すような凸状の突
起物を有するアルミナ基板２を製作し、この凸状突起物
は厚さ１．５ｍｍ、幅０．８ｍｍとした以外は、実施例
１と同様の操作を繰返して、本例の燃料電池用セル板を
得た。なお、図１６に示すように、凸状突起物は開口部
の周辺に配置されており、上部電極層３０及び下部電極
層１０に燃料ガス又は空気を供給する際の流路を形成し
た（図１７）。

【００４７】[固体電解質型燃料電池] （実施例４）実施例１と同様の操作を繰返して、下部基
板１を上部基板２の開口部に内包して成る燃料電池用セ
ル板を複数枚得た。図１８に示すように、これらセル板
を厚さ０．５ｍｍのアルミナ製スペーサを介して積層
し、本例の燃料電池を得た。なお、図１８は２枚のセル
板をスペーサを介して積層する様子を示している。ま
た、積層にあたっては図１９に示すように、鉛系ガラス
フリットを含有する無機接着剤を印刷法により厚さ５０
μｍ形成し、加圧・加熱接着後、更に図２０のように基
板２、スペーサ周囲にも、ガラス接着剤で封止した。

【００４８】（実施例５）実施例４において、セル板と
スペーサとの接着及び外周部の封止に用いたガラス接着
剤の代わりにＮｉ−Ｐメッキ皮膜を使用した以外は、実
施例１と同様の操作を繰返して、本例の燃料電池を得
た。なお、予めセル板及びスペーサの所定の位置にＮｉ
−Ｐ無電界メッキを施しておき、セル板とスペーサを積
層後、８５０℃以上に加熱・加圧し接合を得ることがで
きる。

【００４９】以上、本発明を実施例により詳細に説明し
たが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発
明の要旨の範囲内において種々の変形が可能である。例
えば、本発明において、単セル及びセル板の形状等は任
意に選択でき、目的の出力に応じた燃料電池を作製でき
る。また、基板開口部の形成パターンとしては、例えば
正方形、長方形、多角形及び円形などを適宜選択でき
る。更に、上部基板開口部を閉塞する上部電極層は、開
口部より凸状に設置されてても凹状に設置されても良
い。

【００５０】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明によれ
ば、電気配線する配線部分の絶縁性や耐久性を確保する
構造とし、薄膜支持体として比較的低価格な基板を用い
ることとしたため、低価格且つ電気絶縁性を有する基板
を使用した新規な単セル、セル板及びこれらの製造方
法、並びにこれらを備えた固体電解質型燃料電池を提供
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の単セル（セル板）の一実施例を示す斜
視及び断面図である。

【図２】図１の単セルにおける上部基板を示す断面図で
ある。

【図３】下部基板及び積層電極部（下部電極層、固体電
解質層及び上部電極層）を示す断面図である。

【図４】上部基板に積層電極部を有する下部基板を組込
む状態を示す断面図である。

【図５】複数の開口部を有する上部基板に積層電極部を
有する下部基板を組込む状態を示す断面図である。

【図６】本発明のセル板を示す断面図である。

【図７】上部電極層をアノード／カソードとし、下部電
極層をカソード／アノードとした場合の単セルを示す断
面図及び等価回路図である。

【図８】上部電極と下部電極の積層順序が異なる２種の
セル板を用いた燃料電池を示す断面図である。

【図９】セル板の積層方向を異ならせて成る燃料電池を
示す断面図である。

【図１０】保護層を設けた下部基板のエッチング工程を
示す概略図である。

【図１１】ガス通路を設けた上部基板を示す断面図であ
る。

【図１２】積層電極部及び下部基板を示す断面図であ
る。

【図１３】上部基板を示す断面図である。

【図１４】単セルを示す断面図である。

【図１５】図１４の単セルの電極層に多孔質電極材料を
積層した単セル示す断面図である。

【図１６】図１３の上部基板に凹凸形状部を設けた状態
を示す断面図である。

【図１７】図１６の上部基板に下部基板を組込んだ状態
を示す断面図である。

【図１８】セル板とスペーサの積層状態を示す斜視図で
ある。

【図１９】無機接着剤を用いる部位を示す断面図であ
る。

【図２０】無機接着剤を用いる部位を示す断面図であ
る。

【符号の説明】

１下部基板２上部基板３下部基板開口部４上部基板開口部４ａ上部基板開口部（上面側）４ｂ上部基板開口部（下面側）１０、１０’ 下部電極層１１下部電極層用電極２０固体電解質層３０、３０’ 上部電極層３１上部電極層用電極４０積層電極部５０保護層６０多孔質電極材料層７０凹凸形状部７１ガス通路８０セル板８１スペーサ９０無機接着剤（ガラス接着剤）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者秦野正治神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地日産自動車株式会社内 (72)発明者山中貢神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地日産自動車株式会社内 (72)発明者内山誠神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地日産自動車株式会社内Ｆターム(参考） 5H026 AA06 BB01 BB02 BB10 CV03 EE12 HH03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】下部電極層、固体電解質層及び上部電極
層をこの順に積層した積層電極部を、電気絶縁性を有す
る上部基板及び下部基板で挟持して成る固体電解質型燃
料電池用の単セルであって、上記上部基板及び下部基板は、上面から下面に貫通した
開口部を有し、該上部基板開口部は下面側から上記上部
電極層で閉塞され、該下部基板開口部は上面側から上記
下部電極層で閉塞され、上記上部基板の下面又は上記上部基板開口部の近傍に、
上記上部電極層と電気的に接続する上部電極層用電極
と、上記下部電極層と電気的に接続する下部電極層用電
極とが配設されていることを特徴とする燃料電池用単セ
ル。
【請求項２】上記上部基板開口部が上面から下面にか
けて拡開しており、該開口部の上面側は上記下部基板開
口部より狭く、該開口部の下面側は上記下部基板開口部
より広く、上記上部基板の厚さが、上記下部基板及び上記積層電極
部の総厚よりも厚いことを特徴とする請求項１記載の燃
料電池用単セル。
【請求項３】上記下部基板の厚さが３０〜１００μｍ
であり、上記上部基板の厚さが０．１〜１ｍｍであるこ
とを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池用単セ
ル。
【請求項４】上記積層電極部は、上記上部電極層及び
下部電極層の厚さが１〜１００μｍであり、上記固体電
解質層の厚さが０．１〜５０μｍであることを特徴とす
る請求項１又は２記載の燃料電池用単セル。
【請求項５】上記下部基板がガラス基板であることを
特徴とする請求項１〜４のいずれか１つの項に記載の燃
料電池用単セル。
【請求項６】上記上部基板がセラミックス基板である
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つの項に記
載の燃料電池用単セル。
【請求項７】上記ガラス基板が低アルカリホウ珪酸ガ
ラスであり、上記セラミックス基板がアルミナ又は窒化
珪素であることを特徴とする請求項６記載の燃料電池用
単セル。
【請求項８】上記上部電極層用電極及び下部電極層用
電極が、外部に露出しないことを特徴とする請求項１〜
７のいずれか１つの項に記載の燃料電池用単セル。
【請求項９】上記上部電極層用電極及び下部電極層用
電極が、金属材料を含んで成ることを特徴とする請求項
１〜８のいずれか１つの項に記載の燃料電池用単セル。
【請求項１０】上記上部電極層用電極及び下部電極層
用電極の最大径が１〜５００μｍであることを特徴とす
る請求項１〜９のいずれか１つの項に記載の燃料電池用
単セル。
【請求項１１】上記上部基板の上面及び／又は下面
に、凹凸形状部を設けて成ることを特徴とする請求項１
〜１０のいずれか１つの項に記載の燃料電池用単セル。
【請求項１２】上記凹凸形状部が、ガス通路を形成す
ることを特徴とする請求項１１記載の燃料電池用単セ
ル。
【請求項１３】上記積層電極部を積層した下部基板
と、上部電極層用電極及び下部電極層用電極が配設され
た上部基板とを組合せて成ることを特徴とする請求項１
〜１２のいずれか１つの項に記載の燃料電池用単セル。
【請求項１４】上記上部電極層及び／又は上記下部電
極層に、多孔質電極材料を積層して成ることを特徴とす
る請求項１〜１３のいずれか１つの項に記載の燃料電池
用単セル。
【請求項１５】上記積層電極部と上記下部基板との間
に保護層を設けることを特徴とする請求項１〜１４のい
ずれか１つの項に記載の燃料電池用単セル。
【請求項１６】上記上部電極層用電極及び下部電極層
用電極と上記上部電極層及び下部電極層との接触部分が
ロウ材、並びにこれ以外の接触部分が無機接着剤で構成
される接着層を設けることを特徴とする請求項１〜１５
のいずれか１つの項に記載の燃料電池用単セル。
【請求項１７】上記上部基板の少なくとも一部及び／
又は上記下部基板の少なくとも一部に、補強層を設けて
成ることを特徴とする請求項１〜１６のいずれか１つの
項に記載の燃料電池用単セル。
【請求項１８】請求項１〜１７のいずれか１つの項に
記載の燃料電池用単セルを、積層方向とほぼ垂直の方向
へ２次元的に複数個連結し一体化して成ることを特徴と
する燃料電池用セル板。
【請求項１９】上記積層電極部を積層した下部基板複
数個を、上部電極層用電極及び下部電極層用電極が配設
され且つ複数個の上部基板開口部を有する上部基板に組
込んで成ることを特徴とする請求項１８記載の燃料電池
用セル板。
【請求項２０】請求項１〜１７のいずれか１つの項に
記載の燃料電池用単セル、又は請求項１８若しくは１９
記載の燃料電池用セル板を用いて成ることを特徴とする
固体電解質型燃料電池。
【請求項２１】上記単セル又はセル板を積層方向に複
数個連結して成り、上記上部電極層が隣接する単セル又はセル板の下部電極
層と対向し、上記下部電極層が隣接する単セル又はセル
板の上部電極層と対向するように連結し一体化して成る
ことを特徴とする請求項２０記載の固体電解質型燃料電
池。
【請求項２２】上記単セル又はセル板を積層方向に複
数個連結して成り、上記上部電極層が隣接する単セル又はセル板の上部電極
層と対向し、上記下部電極層が隣接する単セル又はセル
板の下部電極層と対向するように連結し一体化して成る
ことを特徴とする請求項２０記載の固体電解質型燃料電
池。
【請求項２３】請求項１〜１７のいずれか１つの項に
記載の燃料電池用単セル又は請求項１８若しくは１９記
載の燃料電池用セル板を製造する方法であって、上記下部基板上に、上記下部電極層、固体電解質層及び
上部電極層をこの順に積層して積層電極部を形成し、この下部基板に、開口部を有する上部基板を積層して、
上記積層電極部を該開口部に収納・密着させ、上記下部基板の一部を除去して開口部を形成し、上記下
部電極層を露出させることを特徴とする燃料電池用単セ
ル又はセル板の製造方法。
【請求項２４】上記下部電極層及び上部電極層をめっ
き成膜法により形成することを特徴とする請求項２３記
載の燃料電池用単セル又はセル板の製造方法。
【請求項２５】上記下部電極層、固体電解質層及び上
部電極層を真空めっき成膜法により形成することを特徴
とする請求項２３記載の燃料電池用単セル又はセル板の
製造方法。
【請求項２６】上記下部電極層及び上部電極層を印刷
成膜法により形成することを特徴とする請求項２３記載
の燃料電池用単セル又はセル板の製造方法。
【請求項２７】上記上部基板の積層前に、該上部基板
に上部電極層用電極及び下部電極層用電極を配設するこ
とを特徴とする請求項２３〜２６のいずれか１つの項に
記載の燃料電池用単セル又はセル板の製造方法。
【請求項２８】上記上部基板に金属線又は金属箔を配
設し、上記上部電極層用電極及び下部電極層用電極を形
成することを特徴とする請求項２７記載の燃料電池用単
セル又はセル板の製造方法。
【請求項２９】上記上部電極層用電極及び下部電極層
用電極を印刷成膜法により形成することを特徴とする請
求項２７又は２８記載の燃料電池用単セル又はセル板の
製造方法。
【請求項３０】上記上部電極層用電極及び下部電極層
用電極をめっき成膜法により形成することを特徴とする
請求項２７又は２８記載の燃料電池用単セル又はセル板
の製造方法。
【請求項３１】上記積層電極部と上記下部基板との間
に保護層を設け、該下部基板に開口部を形成後、この開
口部から露出している保護層を除去することを特徴とす
る請求項２３〜３０のいずれか１つの項に記載の燃料電
池用単セル又はセル板の製造方法。
【請求項３２】上記上部基板と上記下部基板との間に
接着層を塗布し、加圧・加熱により上記上部基板と下部基板とを接合する
ことを特徴とする請求項２３〜３１のいずれか１つの項
に記載の燃料電池用単セル又はセル板の製造方法。
【請求項３３】上記下部基板の一部除去が、湿式エッ
チング及び／又は乾式エッチングによることを特徴とす
る請求項２３〜３２のいずれか１つの項に記載の燃料電
池用単セル又はセル板の製造方法。
【請求項３４】上記湿式エッチングが、フッ酸系エッ
チング液を用いることを特徴とする請求項３３記載の燃
料電池用単セル又はセル板の製造方法。
【請求項３５】上記乾式エッチングが、フッ化炭素系
エッチングガスを用いることを特徴とする請求項３３記
載の燃料電池用単セル又はセル板の製造方法。
【請求項３６】上記上部電極層及び／又は上記下部電
極層に、多孔質電極材料をスプレー成膜法により積層す
ることを特徴とする請求項２３〜３５のいずれか１つの
項に記載の燃料電池用単セル又はセル板の製造方法。
【請求項３７】請求項２０〜２２のいずれか１つの項
に記載の固体電解質型燃料電池を製造する方法であっ
て、上記上部基板又は下部基板の少なくとも一部に無機接着
剤を塗布して上記単セル又はセル板を積層方向に複数個
連結させた後、加圧・加熱により接合することを特徴と
する燃料電池製造方法。