JP2002289221A

JP2002289221A - 燃料電池用セル板、その製造方法および固体電解質型燃料電池

Info

Publication number: JP2002289221A
Application number: JP2001087355A
Authority: JP
Inventors: Noritoshi Sato; 文紀佐藤; Keiko Kushibiki; 圭子櫛引; Naoki Hara; 直樹原; Mitsugi Yamanaka; 貢山中; Makoto Uchiyama; 誠内山; Masaharu Hatano; 正治秦野
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2001-03-26
Filing date: 2001-03-26
Publication date: 2002-10-04

Abstract

(57)【要約】【課題】基板上に緻密で十分に薄い電解質層を備え、
電解質層の膜抵抗が小さく、電極反応面積を十分に確保
することができ、起動停止が頻繁に行なわれるような使
用状況においても信頼性が高い固体電解質型燃料電池用
のセル板およびその製造方法、さらにはこのようなセル
板を用いた固体電解質型燃料電池を提供する。【解決手段】固体電解質層４を上部電極層５と下部電
極層６の間に積層した固体電解質型燃料電池のセル板で
あって、開口部８を備えた基板１と、この基板の上面の
開口部８およびその周辺部を除く領域に被覆された絶縁
層２を備える。固体電解質層４が絶縁層４の上面と、開
口部８およびその周辺部を覆うように形成され、上部電
極層５が固体電解質層４の上面に形成され、下部電極層
６が基板１の下面側から開口部８を介して固体電解質層
４の下面に被覆されており、この固体電解質層４が開口
部８において下部電極層６に、開口周辺部において基板
にそれぞれ直接接触している。

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）に係わり、さらに詳しくは電
極と固体電解質を積層したセル構造と、このような構造
を備えたセル板の製造方法、そしてこのようなセル板を
備えた固体電解質型燃料電池に関するものである。

【０００２】

【発明が解決しようとする課題】近年、発電効率が高
く、しかも有害な排ガスをほとんど発生せず、地球環境
に優しいクリーンなエネルギー源として燃料電池が注目
されている。

【０００３】各種燃料電池のうち、固体電解質型の燃料
電池は、電解質としてイットリア安定化ジルコニアなど
の酸化物イオン導電性固体電解質を用い、その両面に多
孔性電極を取付け、固体電解質を隔壁として一方の側に
水素や炭化水素などの燃料ガスを、他方の側に空気ある
いは酸素ガスを供給する形式の燃料電池であり、一般的
に約１０００℃で動作する。

【０００４】上記固体電解質の導電率は、りん酸型燃料
電池や溶融炭酸塩型燃料電池の電解質の導電率に比較し
て約１桁低い値となることが知られている。一般に、電
解質部分の電気抵抗は発電損失となることから、発電出
力密度を向上させるためには、固体電解質を薄膜化して
膜抵抗を極力低減させることが重要となる。

【０００５】このように固体電解質が薄膜であり、しか
も電解質には電池としての機能を確保するためにある程
度以上の大きさの面積が必要となることから、固体電解
質型燃料電池においては、機械的強度を備えた支持体上
に電解質膜を形成したセル構造が採用されている。従
来、具体的な燃料電池の構造として以下のような構造が
提案されている。

【０００６】（１）円筒型支持体として円筒状で多孔質の基体管を用い、基体管表
面に燃料極層、電解質層および空気極層を積層したセル
構造を形成したものであり、一本の基体管に単セル構造
を複数個配列した円筒横縞型と、一本の基体管に１個の
単セルを形成した円筒縦縞型がある。どちらも複数の円
筒をインターコネクタによって電気的に接続して電池を
構成する。基体管の内側に燃料ガスおよび空気のいずれ
か一方のガスを導入し、基体管の外側に他方のガスを導
入して発電する。このようなタイプの固体電解質型燃料
電池においては、燃料ガスと空気の一方を基体管内に流
すため、燃料ガスと空気との間に特にシールを必要とし
ないという特徴がある。

【０００７】（２）平板型燐酸型や炭酸溶融塩型と基本的に同等の構造を有する。
すなわちインターコネクター平板の両面に燃料ガス流路
を形成した燃料極板と空気流路を形成した空気極板を貼
りあわせたセパレータ板と、シート状電解質層の両面に
燃料極層と空気極層を積層した平面状のセル板とを交互
に貼り合わせた構造である。電解質層を薄膜化するため
に、多孔質の燃料極および空気極のどちらか一方の電極
層を支持体として電解質膜と他方の電極層を形成したセ
ル構造が提案されている。例えば１．５ｍｍ厚のＮｉサ
ーメット製燃料極層上に真空スリップキャスティング法
によって膜厚１５μｍの電解質層を形成した構成が知ら
れている(ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆＴｈｅ３
ｒｄＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＦｕｅｌＣｅｌ
ｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，Ｐ３４９)。

【０００８】(３)モノリス型平板型と類似した構造である。インターコネクタ平板の
両面にガス流路を形成していない燃料極層と空気極層を
形成したセパレータ板と、波板形状の燃料極層、電解質
層、空気極層の三層一体のセル膜とを交互に貼りあわせ
た構造を有し、セル膜の波形形状を利用することによっ
て流路を形成するとともに、電解質の面積を大きくする
ことによって電解質膜抵抗を低減している特徴がある。

【０００９】（４）さらに電解質の膜厚を薄くした燃料
電池の構造として、基板に多数の小開口部が形成され、
この開口部に燃料極層、電解質層および空気極層の三層
膜を被着させた構成のセル板と、流路を形成したセパレ
ータ板とを交互に積層した構造が提案されている(特開
平８-６４２１６号公報)。このような積層構造において
は、多孔質でないシリコンウェハを支持基板として用
い、これに成膜することによって電解質膜厚を約２μｍ
とすることができる。具体的には、シリコン基板上もし
くはシリコン基板上に形成した配向性ＣｅＯ_２(酸化セ
シウム)層上に、単結晶膜の安定化ジルコニアからなる
電解質層を形成するものである。

【００１０】また同様に、シリコン窒化膜で絶縁被覆さ
れたシリコン単結晶基板に、小開口部が形成されると共
に、燃料極層、電解質層および空気極層の三層膜が形成
された構成のセル構造が提案されている(Ｍａｔ．Ｒｅ
ｓ．Ｓｏｃ．Ｓｙｍｐ．Ｐｒｏｃ．Ｖｏｌ．４９６，ｐ
１５５)。

【００１１】上記したように、発電出力を向上させるた
めには、固体電解質層を薄膜化し、電解質層部分の導電
率を低減させることが重要である。一方、燃料ガスと空
気は電解質層を隔壁としているため、電解質膜の緻密性
も重要となる。例えば、電解質膜にピンホールが形成さ
れることにより、わずかでもリークが生じた場合には、
ガスが直接反応して発電出力が損なわれることになる。

【００１２】そこで、上記(１)円筒型固体電解質型燃料
電池においては、多孔質の支持基板上に気密な電解質膜
を形成する製造方法が重要となり、例えば、１９９４年
にコロナ社から発行された「燃料電池発電」には、電気化
学蒸着法、すなわち第１段階で封孔し、第2段階で緻密
化する成膜方法が記載されている。しかしながら、この
ような電気化学蒸着法では、電解質の膜厚は数百μｍと
厚くなってしまうという課題がある。

【００１３】固体電解質型燃料電池においては、その動
作温度を低下させることによって、セル板とセパレータ
の間の接合部や、ガス導入管と燃料電池との接合部など
にかかる熱応力を低減させることができるため電池の耐
久性が向上すると共に、燃料電池の起動や停止にかかる
時間やエネルギーを低減することができるという効果が
得られる。（２）に記載した平板型固体電解質型燃料電
池においては、電解質層の厚さを数十μｍとすることが
できる特徴を有する。しかし、電解質の膜抵抗は動作温
度の低下に比例して急激に増加するので、上記の観点か
ら、一般的に作動温度が１０００℃である燃料電池を６
００℃〜８００℃の低温で動作させる場合には、膜抵抗
率が約１桁増加することとなるため、上述の薄膜化では
十分ではないという課題がある。

【００１４】また、（３）で述べたモノリス型固体電解
質型燃料電池においては、電解質層の面積を増加させる
ことによって、電解質全体の膜抵抗を低下できる特徴が
ある。しかし、その形状が複雑であるため、薄膜化した
電解質を形成するには製造コストが高くなるという課題
がある。また、６００〜８００℃で動作する燃料電池に
適用するには、電解質層の膜抵抗の低減が不十分である
という課題がある。

【００１５】さらに、（４）で述べた特開平８−６４２
１６号公報記載のセル構造には、多数の開口部を具備す
る一枚の基板に、電解質層と電極層が全面的に形成され
た構成を備え、絶縁処理していないシリコン基板上に直
接電解質膜を形成することによって単結晶膜を形成する
ところに特徴があり、多孔質でない平面性に優れた基板
上に電解質膜を形成するため、数μｍ以下の緻密な薄膜
を形成することができる利点がある。一般的に、セルの
発電出力は、ガスの流れ方や温度分布に依存して変動す
る。特に自動車などの移動体に搭載する燃料電池におい
ては、一般的な定置型の燃料電池システムに比較して、
始動および停止が頻繁に行われ、始動開始までの温度上
昇時間も短時間で行われることが要求される。そのた
め、セル部分には温度の上昇・下降による温度ストレス
が頻繁に加わるとともに、始動停止時の温度分布による
ストレスが頻繁に加わることになる。特開平８−６４２
１６号公報記載のセル構造においては、シリコン基板と
安定化ジルコニアの熱膨張係数が約3〜6倍違うために、
電解質膜である安定化ジルコニア単結晶膜では、剥離や
クラックが発生するなど、特に大面積になるに従って耐
熱衝撃性が深刻な問題となる。また、アノード、カソー
ド両電極も基板全面に形成されていることから、電解質
膜に欠陥やクラック等が発生した場合に電極間にショー
トが発生しやすいといった問題も発生することになると
いう課題があった。

【００１６】さらに、電解質層の薄膜化によって膜抵抗
が低減すればするほど、これまで電池反応の律速過程が
電解質層内の酸素イオンの伝導であったのに代わって、
電極表面での酸素分子の分解イオン化反応あるいは燃料
ガス分子の酸化反応が律速過程となってくる。そのた
め、発電出力を向上させるには、電極層を多孔性とし、
電極反応面積を十分確保することが必要となる。上記の
従来例においては、基板に下部電極層−電解質層−上部
電極層の三層を形成した構成であり、この構成では、下
部電極層上に電解質層が形成されることになるため、電
極の反応面積を大きくするために電極層の多孔率を十分
に高くすると、緻密性を備えかつ十分に薄い電解質膜を
形成することが困難になるという問題がある。一方、平
面性の高い下部電極を形成した場合には、良好な電解質
膜を形成することが可能になるものの、下部電極の多孔
質性が不十分となって電極反応面積を十分に確保できな
くなるという課題があった。

【００１７】

【発明の目的】本発明は、従来の固体電解質型燃料電池
のセル構造における上記課題に鑑みてなされたものであ
って、基板上に緻密で十分に薄い電解質層を備え、電解
質層の膜抵抗が小さく、電極反応面積を十分に確保する
ことができ、起動停止が頻繁に行なわれるような使用状
況においても信頼性が高い固体電解質型燃料電池用のセ
ル板およびその製造方法、さらにはこのようなセル板を
用いた固体電解質型燃料電池を提供することを目的とし
ている。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明に係わる燃料電池
用セル板は、固体電解質層を上部電極層と下部電極層の
間に積層した固体電解質型燃料電池のセル板において、
上面から下面に貫通する開口部を備えた基板と、この基
板の少なくとも上面に形成され、基板上面の開口部およ
び開口周辺部以外の領域に被覆された絶縁層を備え、上
記固体電解質層が前記基板の上面に、少なくとも前記絶
縁層上面の一部と、前記開口部および開口周辺部を覆う
ように形成されると共に、上記上部電極層が前記固体電
解質層、または固体電解質層と絶縁層の上面に形成さ
れ、上記下部電極層が前記基板の下面から開口部を介し
て固体電解質層の下面に被覆され、当該固体電解質層が
開口部において下部電極層に、前記開口周辺部において
前記基板にそれぞれ直接接触している構成とし、燃料電
池用セル板におけるこのような構成を前述した従来の課
題を解決するための手段としたことを特徴としている。

【００１９】本発明に係わる燃料電池用セル板実施の好
適な形態としては、上記基板面内において、固体電解質
層と上部電極層の成膜面または下部電極層の成膜面が２
個以上の領域に分割されている構成とし、本発明に係わ
る燃料電池用セル板の他の好適形態としては、上記基板
がシリコンウェハである構成とし、さらに他の好適形態
としては、上記絶縁層がシリコン酸化物、シリコン窒化
物、燐珪酸ガラス（ＰＳＧ）、燐硼珪酸ガラス（ＢＰＳ
Ｇ）、アルミナ、チタニア、ジルコニア、マグネシアか
らなる群から選ばれた少なくとも１種の材料を含有する
構成としたことを特徴としている。

【００２０】また、本発明に係わる燃料電池用セル板の
製造方法は、上記のような燃料電池用セル板の製造に好
適なものであって、以下の〜の工程、すなわち：基板に開口部を形成するためのマスク層を基板の下
面に形成する工程、：前記基板の上面に絶縁層を形成する工程、：工程より後でかつ下記工程より前に実施され、
前記基板の開口部および開口周辺部に相当する部分を覆
う絶縁層をエッチングする工程、：工程より後でかつ下記工程より前に実施され、
前記基板の開口部に相当する部分を覆うマスク層をエッ
チングする工程、：工程より後でかつ下記工程より前に実施され、
エッチングにより形成された絶縁層の開口部分および残
存する絶縁層上に固体電解質層を形成する工程、：工程で形成された固体電解質層上に上部電極層を
形成する工程、：工程より後でかつ下記工程より前に実施され、
前記基板をエッチングして基板に開口部を形成する工
程、：工程で形成された開口部を含む基板の下面に下部
電極層を形成する工程、を含むことを特徴としている。

【００２１】さらに、本発明に係わる固体電解質型燃料
電池は、上記のような燃料電池用セル板を用いてなるこ
とを特徴としている。

【００２２】

【発明の作用】本発明に係わる燃料電池用セル板におい
ては、開口部と絶縁層を備えた基板を用い、これら基板
と絶縁層が電極層と固体電解質層の間に介在しており、
固体電解質層が開口部において下部電極層に、開口周辺
部において基板にそれぞれ直接接触する構成となってい
るので、燃料電池の起動・停止時に大きな温度変化が生
じ、基板と固体電解質膜の熱膨張係数の違いに起因する
熱応力によって、固体電解質層が部分的に剥離したり、
割れたりして欠陥が発生したとしても、絶縁層によって
アノードとカソードのショートが防止され、セル板の信
頼性が高められる。これによって、燃料電池の起動およ
び停止作業を素早く行うことができるようになり、温度
変化の原因となる燃料ガスや空気や排気の流量、流路制
御、燃料ガス成分の制御、および燃料ガスの加湿度の制
御などに極めて高い制御精度が要求されてきた制御系が
簡略化されることになる。

【００２３】また、本発明に係わる燃料電池用セル板に
おいては、固体電解質層と上部電極層の成膜面、あるい
は下部電極層の成膜面が基板面内において２個以上の領
域に分割されている構成とすることによって、すなわち
固体電解質層を島状に形成することによって、燃料電池
の起動・停止時に生じる温度変化に対して、基板と固体
電解質膜の熱膨張係数の違いに起因する熱応力が分散さ
れることになり、固体電解質層の剥離や、割れ等の欠陥
の発生が防止され、燃料電池用セル板の信頼性が向上す
ることになる。そして、これによって燃料電池の起動お
よび停止作業が素早く行われるようになり、上記したよ
うに高い制御精度が要求されてきた制御系の簡略化がさ
らに推進されることになる。

【００２４】さらに、基板としてシリコンウェハを用い
ることにより、半導体量産技術を利用した緻密で欠陥の
少ない固体電解質層や絶縁層、電極層の薄膜が形成され
るようになり、当該セル板が量産に適したものとなる。

【００２５】本発明に係わる燃料電池用セル板の製造方
法においては、半導体の量産技術を利用して、基板状に
形成したマスク層や絶縁層をエッチングによって部分的
に除去した上で、固体電解質層や電極層を成膜したり、
基板に開口部を形成したりするようにしているので、燃
料電池用セル板の寸法精度および生産性が向上すること
になる。このとき、シリコン基板を使用することによ
り、緻密で平滑性に優れた基板上に固体電解質層が形成
されるため、薄くて欠陥のない非常に良好な膜質の固体
電解質層が得られることになる。また、下部電極に直接
接する固体電解質層の裏面（下面）は、シリコン基板を
ウエットエッチングすることによって得られるようにな
るため、例えばプラズマを用いたドライエッチングを用
いた場合に較べてダメージや欠陥の少ないきわめて良好
な平滑面が得られる。

【００２６】本発明に係わる固体電解質型燃料電池は、
本発明に係わる上記燃料電池用セル板を使用したもので
あるから、加熱や冷却速度を速くしても、絶縁層によっ
て電極のショートが防止され、セル板に剥離や割れなど
の欠陥が発生し難く、当該固体電解質型燃料電池の起動
や停止作業を迅速に行うことができるようになり、極め
て高い制御精度が要求されてきた制御系が簡略化される
ことになる。

【００２７】なお、本明細書においては、説明の便宜
上、基板や電解質層など各層の一方の面を「上面」、他
方の面を「下面」と称し、これに応じて電極層を「上部
電極層」、「下部電極層」などと記載しているが、これ
らは、相対的な位置関係を示すものに過ぎなく、使用状
態において必ずしも上部電極層が下部電極層の上方に位
置するとは限らず、状況によっては「上面」が鉛直状態
や斜めとなった状態で使用されることもあり得る。

【００２８】

【実施例】以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説
明するが、本発明はこれら実施例のみに限定されるもの
ではない。

【００２９】実施例１図１は、この実施例に係わる燃料電池用セル板の完成し
た状態を示すものであって、図１（ａ）は当該セル板の
外観斜視図、図１（ｂ）は図１（ａ）の切断線Ａ−Ａ′
についての断面図、図１（ｃ）はセル部分の拡大図であ
る。

【００３０】燃料電池用セル板は１０ｃｍ角のシリコン
基板１を備え、このシリコン基板１に５ｍｍ角程度の開
口部を持つセル７が５個×５個形成されている。シリコ
ン基板１の片面（上面）に絶縁層２が、他の面（下面）
にマスク層３が形成され、かつ開口部８が多数形成され
ており、絶縁層２が形成された基板１の上面において開
口部８を覆うように固体電解質層４と上部電極層５が形
成され、開口部８においては電解質膜４の裏面に下部電
極６が直接接触するように形成されており、開口部８の
周辺部において電解質層４とシリコン基板２が直接接す
るようになっている。

【００３１】以下、前記燃料電池用セル板の作製プロセ
スを図２および図３を参照しながら順を追って説明す
る。図２および図３は、各製造工程におけるセル板の部
分断面図および平面図である。

【００３２】まず、図２（ａ）に示すように、シリコン
基板１の両面に、表面側（上面）では絶縁層２となり、
裏面（下面）側ではシリコンエッチングの際のマスク層
３となる膜、例えばシリコン窒化膜を減圧ＣＶＤ法によ
り２０００Å程度成膜した。

【００３３】次いで、図２（ｂ）に示すように、シリコ
ン基板１の表面側に形成したシリコン窒化膜２を後工程
においてシリコンエッチングによって開口される開口部
８よりも数μｍ〜数百μｍ程度広い領域をフォトリソグ
ラフィおよびＣＦ_４＋Ｏ_２ガスを用いたケミカルドライ
エッチングによって除去し絶縁層３とした。このときの
絶縁層パターンを図４に示した。

【００３４】次に、図２（ｃ）に示すように、例えばＹ
ＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）などの固体電解質
層４をＲＦスパッタ法により厚さ２μｍ程度に形成し
た。

【００３５】次いで、図２（ｄ）に示すように、この基
板１の裏面側に形成したシリコン窒化膜３の所望の領域
をフォトリソグラフィおよびＣＦ_４＋Ｏ_２ガスを用いた
ケミカルドライエッチングによって除去し、シリコンエ
ッチングの際マスクとなるマスク層３を形成した。

【００３６】そして、図３（ｅ）に示すように、シリコ
ンエッチング液たとえばヒドラジンを用いて８０℃程度
の温度でシリコンエッチングを行い、シリコン基板１の
裏面側に基板開口部８を形成した。これによりシリコン
基板１の表面には周辺部がシリコン基板１と直接接した
電解質層４のダイアフラムが形成される。

【００３７】次に、図３（ｆ）に示すように、シリコン
基板１の表面に、ＲＦスパッタ法により蒸着マスクを用
いて、電解質層４を覆うように、例えば（Ｌａ，Ｓｒ）
ＭｎＯ_３（以下ＬＳＭ）を５００ｎｍ程度成膜し、上部
電極層５を形成した。

【００３８】そして、図３（ｇ）に示すように、シリコ
ン基板１の裏面側よりＥＢ蒸着法を用いてＮｉ膜を５０
０ｎｍ程度成膜することによって、固体電解質層４の裏
面に直接接触する下部電極層６を形成した。

【００３９】以上のような工程を経てセルが形成された
シリコン基板(セル板)を燃料電池スタックとして積層す
るため、図５に示すセパレータを別途用意した。１０ｃ
ｍ角のシリコン基板の両面にダイシングソーを用いてガ
ス流路を形成加工した。上記セル板の両面にセパレータ
を公知の方法で積層し、２枚のセパレータとその間に積
層されたセル板からなる燃料電池を電気炉中に設置し
た。セル板上面に形成されたセパレータ流路に酸素ガ
ス、セル板下面に積層したセパレータ流路に水素ガスを
流し、電気炉温度を７００℃として発電特性を評価し
た。開放電圧０．９５Ｖ、最大出力０．２Ｗ／ｃｍ^２で
あった。

【００４０】この実施例においては、電解質層４のダイ
アフラム形成にあたり、電池として機能する部分よりや
や大きい領域においてシリコン基板面に直接電解質膜層
４を形成した後、シリコン基板１をウェットエッチング
によって除去している。このため、緻密で平滑性に優れ
たシリコン基板上に電解質層４を形成できるため非常に
良好な膜質で薄く、かつ欠陥のない電解質層４が得られ
る。更に、下部電極６と直接接することになる電解質層
４の裏面はシリコン基板１をウェットエッチングするこ
とで得られるため、プラズマを用いたドライエッチング
を用いた場合に比べダメージや欠陥が少ない非常に良好
な面が得られる。また、シリコン基板１と電解質層４の
重なるほとんどの領域に絶縁膜２が形成されているた
め、燃料電池の起動および停止時に対応する温度変化に
おいて、基板１と電解質膜４の熱膨張係数の違いに起因
する熱応力によって、電解質層４が部分的に剥離した
り、割れたりして欠陥が発生したとしても、絶縁膜２に
よってアノードとカソードのショートを防止することが
でき信頼性の高いセル板を提供することが可能になる。

【００４１】これにより、起動、停止作業が素早く行う
ことができる燃料電池を供給することができ、温度変化
の原因となる、燃料ガスや空気、排気の流量、流路制
御、燃料ガス成分の制御、燃料ガスの加湿度の制御など
極めて高い制御精度が要求されてきた制御系の簡略化が
可能になる。

【００４２】また、本実施例では、シリコン基板１の表
裏両面に、絶縁層２とマスク層３を同時に成膜した例を
示しているが、これに限定されるものではない。また、
絶縁層２として、シリコン窒化膜を用いているがこれに
限定されるものでもなく、物理的に絶縁ができる材料で
あればよい。例えば、シリコン酸化物、燐珪酸ガラス
（ＰＳＧ）、燐硼珪酸ガラス（ＢＰＳＧ）、アルミナ
（Ａｌ_２Ｏ_３）、チタニア（ＴｉＯ_２）、ジルコニア
（ＺｒＯ_２）、マグネシア（ＭｇＯ）およびこれらのい
ずれかを含む材料などを使用することができる。

【００４３】実施例２図６は、この実施例に係わる燃料電池用セル板の完成し
た状態を示すものであって、図６（ａ）は当該セル板の
外観斜視図、図６（ｂ）は図６（ａ）の切断線Ａ−Ａ′
についての断面図、図６（ｃ）はセル部分の拡大図であ
る。

【００４４】燃料電池用セル板は、前記第１実施例と同
様に、１０ｃｍ角のシリコン基板１を備え、このシリコ
ン基板１に５ｍｍ角程度の開口部を持つセル７が５個×
５個形成されている。シリコン基板１の片面に絶縁層２
が、他の面にマスク層３が形成され、かつ開口部８が多
数形成されており、絶縁層２が形成された基板１の上面
において開口部８を覆うように固体電解質層４と上部電
極層５が形成され、開口部８においては電解質膜４の裏
面に下部電極６が直接接触するように形成されており、
開口部８の周辺部において電解質層４とシリコン基板２
が直接接触するようになっている。なお、この実施例に
おいては、固体電解質層4が面内で多数に分割されてい
る。

【００４５】製造プロセスについては、実施例１とほぼ
同じであるが、電解質層４を成膜する際に、マスク蒸着
法またはリフトオフ法、あるいは電解質層４を全面に成
膜した後フォトリソグラフィ技術およびドライエッチン
グ技術により不要な部分を除去する等、電解質層４を少
なくとも開口部８を覆うように島状に形成する点におい
て異なっている。

【００４６】当該実施例においては、電解質層４を島状
に形成することによって、燃料電池の起動および停止時
に対応する温度変化において、基板１と電解質膜４の熱
膨張係数の違いに起因する熱応力が分散され、電解質層
４が剥離したり、割れたりする欠陥の発生を防止して、
信頼性の高いセル板を提供することが可能になる。これ
により、起動、停止作業が素早く行うことができる燃料
電池を供給することができるとともに、温度変化の原因
となる、燃料ガスや空気、排気の流量、流路制御、燃料
ガス成分の制御、燃料ガスの加湿度の制御などに極めて
高い制御精度が要求されてきた制御系を大幅に簡略化す
ることができるようになる。

【００４７】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明に係わ
る燃料電池用セル板においては、開口部と絶縁層を備え
た基板が固体電解質層と電極層の間に介在し、開口部に
おいて固体電解質層が下部電極層に、開口周辺部におい
て固体電解質層が基板にそれぞれ直接接触しているの
で、燃料電池の起動および停止時における温度変化によ
って、固体電解質層が基板から部分的に剥離したり、割
れたりしたとしても、絶縁層によって電極のショートを
防止することができ、セル板およびこれを用いた固体電
解質型燃料電池の信頼性を向上させることができると共
に、燃料電池の起動および停止を速やかに行なうことが
できるようになり、温度制御などにおける精度がさほど
高くなくても済むようになり、制御系の簡略化が可能に
なるという極めて優れた効果がもたらされる。

【００４８】また、本発明に係わる燃料電池用セル板の
製造方法においては、基板上にマスク層や絶縁層を成膜
した後、これらをエッチングすることによって所望の位
置に開口部を設けた上で、電解質層や電極層を成膜する
ようにしており、半導体量産技術を活用したものである
から、燃料電池用のセル板を効率よく、高精度に、鹿の
低コストで製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）本発明の第１の実施例に係わる燃料電
池用セル板の外観を示す斜視図である。（ｂ）図１（ａ）の切断線Ａ−Ａ′についての断面図
である。（ｃ）図１（ｂ）におけるセル部分の拡大断面図であ
る。

【図２】（ａ）ないし（ｄ）は図１に示した燃料電池用
セル板の製造工程を順次説明する断面図および平面図で
ある。

【図３】（ｅ）ないし（ｇ）は図２に示した製造工程の
後工程を示す順次説明する断面図および平面図である。

【図４】絶縁層のエッチングパターンを示す平面図であ
る。

【図５】燃料電池スタック用のセパレータを示す平面図
および側面図である。

【図６】（ａ）本発明の第２の実施例に係わる燃料電
池用セル板の外観を示す斜視図である。（ｂ）図６（ａ）の切断線Ａ−Ａ′についての断面図
である。（ｃ）図６（ｂ）におけるセル部分の拡大断面図であ
る。

【符号の説明】

１シリコン基板２絶縁層４固体電解質層５上部電極層６下部電極層８開口部

フロントページの続き (72)発明者原直樹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 (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Ｆターム(参考） 5H026 AA06 BB04 CC01 CV06 CX04 EE11 EE12

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固体電解質層を上部電極層と下部電極層
の間に積層した固体電解質型燃料電池のセル板におい
て、上面から下面に貫通する開口部を備えた基板と、この基
板の少なくとも上面に形成され、基板上面の開口部およ
び開口周辺部以外の領域に被覆された絶縁層を備え、上記固体電解質層が前記基板の上面に、少なくとも前記
絶縁層上面の一部と、前記開口部および開口周辺部を覆
うように形成されると共に、上記上部電極層が前記固体
電解質層、または固体電解質層と絶縁層の上面に形成さ
れ、上記下部電極層が前記基板の下面から開口部を介して固
体電解質層の下面に被覆され、当該固体電解質層が開口
部において下部電極層に、前記開口周辺部において前記
基板にそれぞれ直接接触していることを特徴とする燃料
電池用セル板。
【請求項２】上記基板面内において、固体電解質層と
上部電極層の成膜面または下部電極層の成膜面が２個以
上の領域に分割されていることを特徴とする請求項１記
載の燃料電池用セル板。
【請求項３】上記基板がシリコンウェハであることを
特徴とする請求項１または２記載の燃料電池用セル板。
【請求項４】上記絶縁層がシリコン酸化物、シリコン
窒化物、燐珪酸ガラス、燐硼珪酸ガラス、アルミナ、チ
タニア、ジルコニア、マグネシアからなる群から選ばれ
た少なくとも１種の材料を含有することを特徴とする請
求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池用セル板。
【請求項５】請求項１ないし４のいずれかに記載の燃
料電池用セル板の製造方法であって、以下の工程〜：基板に開口部を形成するためのマスク層を基板の下
面に形成する工程、：前記基板の上面に絶縁層を形成する工程、：工程より後でかつ下記工程より前に実施され、
前記基板の開口部および開口周辺部に相当する部分を覆
う絶縁層をエッチングする工程、：工程より後でかつ下記工程より前に実施され、
前記基板の開口部に相当する部分を覆うマスク層をエッ
チングする工程、：工程より後でかつ下記工程より前に実施され、
エッチングにより形成された絶縁層の開口部分および残
存する絶縁層上に固体電解質層を形成する工程、：工程で形成された固体電解質層上に上部電極層を
形成する工程、：工程より後でかつ下記工程より前に実施され、
前記基板をエッチングして基板に開口部を形成する工
程、：工程で形成された開口部を含む基板の下面に下部
電極層を形成する工程、を含むことを特徴とする燃料電
池用セル板の製造方法。
【請求項６】請求項１ないし４のいずれかに記載の燃
料電池用セル板を用いてなることを特徴とする固体電解
質型燃料電池。