JP2002352832A - 燃料電池用セル板、その製造方法および燃料電池スタック - Google Patents

燃料電池用セル板、その製造方法および燃料電池スタック

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JP2002352832A JP2001152947A JP2001152947A JP2002352832A JP 2002352832 A JP2002352832 A JP 2002352832A JP 2001152947 A JP2001152947 A JP 2001152947A JP 2001152947 A JP2001152947 A JP 2001152947A JP 2002352832 A JP2002352832 A JP 2002352832A
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Mitsugi Yamanaka
貢 山中
Noritoshi Sato
文紀 佐藤
Naoki Hara
直樹 原
Keiko Kushibiki
圭子 櫛引
Masaharu Hatano
正治 秦野
Itaru Shibata
格 柴田
Tatsuhiro Fukuzawa
達弘 福沢
Makoto Uchiyama
誠 内山
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Nissan Motor Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 小型でしかも複数の負荷に対してそれぞれ異
なる電圧出力を独立に供給することができる固体電解質
型燃料電池に対応することができる燃料電池用セル板と
その製造方法、およびこのようなセル板からなる燃料電
池スタック、さらにはこのようなセル板やスタックを用
いた固体電解質型燃料電池を提供する。 【解決手段】 基板１に形成された複数の開口部５を覆
うように第１の電極層２と、固体電解質層３と、第２の
電極層４を積層して、同一セル板内に複数の単セルを形
成し、これら単セル同士をセル板内に作製されたスイッ
チング素子６を介して電気的に接続する。

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、さらにはこのようなセル板
を備えた燃料電池スタックおよび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】燃料電池は、酸素イオ
ンあるいはプロトンなどのイオン導電性を有する固体電
解質を多孔質の空気極と燃料極とで挟んだ構造を有し、
空気極側に酸素ガスを含む酸化性ガス、燃料極側に水素
や炭化水素ガスを含む還元性ガスを供給し、これらのガ
スが固体電解質を介して電気化学的に反応することによ
り、起電力を生じる電池である。
【０００３】しかし、単体の燃料電池(単セル)で得られ
る起電力は、１．１２Ｖ程度と小さく、しかも出力電流
の増加に伴って低下するため、家庭用電源や自動車用電
源として用いるには、複数の単セルを直列に接続して、
電圧を高くしなければならない。
【０００４】このような燃料電池のひとつである固体電
解質型燃料電池（以下、ＳＯＦＣと略称する）の単セル
を大別すると、円筒の周囲に電極と固体電解質が被覆さ
れている構造の円筒型と、固体電解質や電極が平板状に
形成されている構造を備えた平板型の二種類がある。
【０００５】円筒型の単セルを組み合わせた円筒型ＳＯ
ＦＣは、単セルの発電部の面積(固体電解質の面積)を大
きくするのが難しく、また単セルを接続した際の単位体
積当たりの発電密度が低いため、これを如何に向上させ
るかが基本的な課題となっている。これに対して、平板
型の単セル（単電池板）を組み合わせた平板型ＳＯＦＣ
は、電池の単位体積当たりの発電密度を高くするうえで
有利な構造であり、移動体の電源に適したＳＯＦＣと言
える。従来の平板型ＳＯＦＣでは、単電池板が、第１の
電極と固体電解質と第２の電極が積層された一枚の板構
造をしているため、この単電池板を複数枚積層して作成
したスタックでは、異なる出力電圧での出力を同時に得
ることはできない。
【０００６】一方、燃料電池の出力性能を向上させるた
めに、固体電解質の厚さを１〜２μｍと薄くして、固体
電解質の電気抵抗の低減を図り、図９に示すような一枚
の基板５０に、第１の電極層５１と、固体電解質層５２
と、第２の電極層５３を積層し、基板５０に開口部５４
を形成することにより複数の単セルを形成して単電池板
（セル板）とし、このような単電池板を積層することに
よって燃料電池を構成することが提案されている（特開
平８−６４２１６号公報）。
【０００７】しかしながら、この場合でも、単電池板を
複数枚積層して作製したスタックでは、異なる出力電圧
での出力を同時に得ることはできない。すなわち、自動
車用電源としては、例えば、３００Ｖ程度の主動力電源
と、５０Ｖ程度以下の補助電源とが必要であり、一つの
燃料電池スタックから独立に出力が得られないため、２
種類以上の異なる型の燃料電池が必要になるという問題
点があった。
【０００８】また、上記のような構造の単電池板を用い
た場合、単電池板内の一つの燃料電池セル（単セル）が
破壊した場合、そのセルを除外して発電を継続すること
ができないため、破壊したセルを有する単電池板を交換
するか、あるいは、燃料電池スタックそのものを交換し
なければならず、セル破壊時の応急対応ができないとい
う問題点があり、１基の燃料電池スタックを用いて、出
力電圧の異なる出力を独立して、同時に得ることがで
き、さらにセル破壊時の応急対応ができるようにするこ
とが上記した従来の燃料電池用セル板における課題とな
っていた。
【０００９】
【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、小型でしかも複数の負荷に対して独立に出力を供
給することができる固体電解質型燃料電池に対応可能な
燃料電池用セル板とその製造方法、およびこのようなセ
ル板からなる燃料電池スタック、さらにはこのようなセ
ル板やスタック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。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明に係わる第１の燃
料電池用セル板は、第１の電極と固体電解質と第２の電
極からなる複数組の単セルを基板上に積層してなる固体
電解質型燃料電池のセル板であって、前記基板には複数
の開口部が形成されており、これら開口部のそれぞれを
覆うように第１の電極層と固体電解質層と第２の電極層
がこの順序に積層されて個々の単セルが構成され、該単
セル同士が当該セル板内に形成されたスイッチング素子
を介して電気的に接続されている構成としており、本発
明に係わる第２の燃料電池用セル板は、第１の電極と固
体電解質と第２の電極からなる複数組の単セルを基板上
に積層してなる固体電解質型燃料電池のセル板であっ
て、前記基板には複数の開口部が形成されており、該基
板の一方の面に前記開口部のそれぞれを覆うように形成
された固体電極層と、該固体電解質層の表面上に形成さ
れた第１の電極層と、基板の他方の面側から形成されて
開口部において前記固体電解質層の裏面に直接接触する
第２の電極から個々の単セルが構成され、該単セル同士
が当該セル板内に形成されたスイッチング素子を介して
電気的に接続されている構成としており、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。
【００１１】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、複数の単セル群を一単位として、一
単位の単セル群同士が当該セル板内に形成されたスイッ
チング素子を介して電気的に接続されている構成とし、
他の好適形態としては、スイッチング素子が半導体素子
である構成とし、当該半導体素子がシリコンカーバイド
である構成としたことを特徴とし、さらに他の好適形態
としては、基板と第１の電極層との間に電気絶縁層が形
成されている構成とし、当該電気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（ＢＰＳＧ）、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、さらに当該燃料電池用セル
板の別の好適形態としては、上記基板がシリコンである
構成としたことを特徴としている。
【００１２】本発明に係わる燃料電池用セル板の第１の
製造方法は、上記した第１の燃料電池用セル板、および
これに従属するセル板の製造に好適なものであって、以
下の工程、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一
方の面に形成する工程、 ：前記基板の他方の面に電気絶縁層を形成する工程、 ：工程で形成された電気絶縁層上にスイッチング素
子を形成する工程、 ：工程より後でかつ下記工程より前に実施され、
前記基板に開口部を形成する工程、 ：工程より後に実施され、電気絶縁層上に第１の電
極層をパターン形成する工程、 ：工程で形成された第１の電極層上に固体電解質層
をパターン形成する工程、 ：工程で形成された固体電解質層上に第２の電極層
をパターン形成する工程、 ：工程より後に実施され、前記基板に形成された開
口部を覆っている電気絶縁層を除去する工程、を含む構
成としたことを特徴としている。
【００１３】本発明に係わる燃料電池用セル板の第２の
製造方法は、上記した第２の燃料電池用セル板、および
これに従属するセル板の製造に好適なものであって、以
下の工程、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一
方の面に形成する工程、 ：前記基板の他方の面に電気絶縁層を形成する工程、 ：工程で形成された電気絶縁層上にスイッチング素
子を形成する工程、 ：工程より後でかつ下記工程より前に実施され、
前記基板に開口部を形成する工程、 ：工程形成された電気絶縁層上に固体電解質層をパ
ターン形成する工程、 ：工程で形成された固体電解質層上に第１の電極層
をパターン形成する工程、：工程より後に実施さ
れ、前記基板に形成された開口部を覆っている電気絶 縁層を除去する工程、 ：工程より後に実施され、前記開口部に第２の電極
層を形成する工程、を含む構成としたことを特徴として
いる。
【００１４】本発明に係わる燃料電池スタックは、本発
明に係わる上記燃料電池用セル板を複数枚積層してなる
構成とし、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または燃料電池スタ
ックを用いてなる構成としたことを特徴とし、固体電解
質型燃料電池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ている。
【００１５】
【発明の実施の形態】本発明に係わる燃料電池用セル板
は、基板に形成された複数の開口部に単セルが形成され
ていることに特徴があり、開口部を覆うように第１の電
極層と、発電機能を発現するのに必要な電解質層と、第
２の電極層が積層されてそれぞれの単セルが構成され、
これら単セルがセル板内に作製されたスイッチング素子
を介して電気的に接続されている。したがって、スイッ
チング素子の切り換えによって、出力電圧の異なる出力
が独立して同時に得られることになる、また、一部のセ
ルが破壊したとしても、そのセルを回避して運転するこ
とによって、セル板や電池スタックを交換することなく
発電が継続されることになる。なお、固体電解質は、基
板に形成された開口部のそれぞれ１個ごとに、あるいは
複数の開口部にまたがって形成することができ、１枚の
セル板において、用途に応じた出力電圧を備えた燃料電
池用セル板が得られることになる。
【００１６】本発明に係わる燃料電池用セル板に用いる
基板としては、平滑性に優れ、開口部形成工程における
加工性に優れたものを使用することが好ましく、例え
ば、シリコンウェハ、多結晶Ｓｉ基板、ＭｇＯ基板、ア
ルミナ基板、石英基板、耐熱性ガラス基板、窒化アルミ
ニウム基板などを使用することができる。
【００１７】基板としてシリコン（シリコンウェハ）を
使用した場合、シリコンは、高純度で高抵抗なものにお
いても、３００℃を越えると電気的に導体となるため、
第１の電極層と固体電解質層と第２の電極層、およびス
イッチング素子を形成する前に、当該基板上にシリコン
酸化物、シリコン窒化物、燐珪酸ガラス（ＰＳＧ）、燐
硼珪酸ガラス（ＢＰＳＧ）、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電気絶縁層を形成する。この電気
絶縁層は、スイッチング素子を介して電気的に接続され
た各単セルが基板を介して電気的に接続されることを防
ぐと共に、基板であるシリコンウェハと固体電解質層と
の応力緩和層としても機能する。
【００１８】また、基板としては、ニッケル、ステンレ
ススチール等の金属材料を用いることもでき、この場合
にも、上述と同様の材料からなる電気絶縁層を当該基板
と第１の電極層の間に形成する。この電気絶縁層も同様
に、各単セルが基板を介して電気的に接続されることを
防ぐと共に、基板である金属材料板と固体電解質層との
応力緩和層として機能する。
【００１９】なお、基板として石英、耐熱性ガラス、ア
ルミナ、窒化アルミニウム等の電気絶縁材料を用いるこ
とも可能であり、この場合には、第１の電極層と固体電
解質層と第２の電極層、およびスイッチング素子を基板
上に直接形成することができるが、この場合にも上記同
様の材料からなる電気絶縁層を基板上に形成して応力緩
和層とすることも可能である。
【００２０】第１の電極層は燃料極と空気極のどちらか
一方とすることができ、第２の電極層は他方の電極とす
ることができる。燃料極材料としては、例えば公知のニ
ッケル、ニッケルサーメット、白金などを使用すること
ができるが、これらのみに限定されるものではない。ま
た、空気極材料としては、例えば、Ｌａ１−ｘＳｒｘＭ
ｎＯ３、Ｌａ１−ｘＳｒｘＣｏＯ３などのペロブスカイ
ト型酸化物、銀などを使用することができるが、これら
のみに限定されるものではない。
【００２１】固体電解質としては、公知のＮｄ２Ｏ３、
Ｓｍ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、Ｓｃ２Ｏ３などを
固溶した安定化ジルコニア（ＺｒＯ２）や、ＣｅＯ２、
Ｂｉ ２Ｏ３、ＬａＧａＯ３などを主成分とする材料を使
用することができるが、必ずしもこれらのみに限定され
るものではない。
【００２２】本発明に係わる燃料電池用セル板に用いる
スイッチング素子としては、例えば６００℃以上の高温
においてもトランジスタ動作が確認されている公知のシ
リコンカーバイドを用いた電界効果型トランジスタを使
用することができる。燃料電池の動作温度が低い場合に
はシリコン等の半導体材料を使用することもでき、限定
されるものではない。
【００２３】本発明に係わる燃料電池用セル板の第１の
製造方法は、マスク層形成工程、絶縁層形成工程、
スイッチング素子形成工程、開口部形成工程、第
１電極層形成工程、固体電解質層形成工程、第２電
極層形成工程、電気絶縁層除去工程からなり、半導体
の量産技術を利用して、基板状にマスク層や絶縁層を形
成した上で、固体電解質層や電極層を成膜したり、エッ
チングによって開口部を形成したりするようにしている
ので、上記構造を備えた燃料電池用セル板の精度および
生産性が大幅に向上することになる。
【００２４】上記工程において、基板の一方の面にマス
ク層を形成する工程と他方の面に絶縁層を形成する工
程は、どちらを先に実施してもよく、マスク層と電気
絶縁層を同一の材料を用いて同時に形成することも可能
である。本発明の製造方法は、電気絶縁膜上に、スイッ
チング素子を作製し、第１の電極層、固体電解質層、第
２の電極層をパターン形成するところに特徴があり、基
板を加工する工程は、第１の電極層を形成する工程
、固体電解質層を形成する工程および第２の電極層
を形成する工程の前でも後でも限定されるものではな
い。また、固体電解質層を形成する工程および第２の
電極層を形成する工程は、第１の電極層下層の電気絶
縁層を基板裏面より除去する工程の前でも後でもよ
い。
【００２５】本発明に係わる上記製造方法おいて、マス
ク層および電気絶縁層は、熱酸化法により形成し、フォ
トリソグラフィー法によって所望のパターンに形成する
ことができる。また、化学気相成長（ＣＶＤ）法、ゾル
ゲル法、塗布法等によって、所望のパターンを形成する
ことも可能である。基板の加工は、シリコンウェハを用
いた場合には、水酸化カリウムを主成分とする溶液やヒ
ドラジンを主成分とする溶液を用いた公知の湿式エッチ
ングによって所望のパターンに開口部を形成することが
できる。あるいは、ドライエッチング法や、レーザー加
工法も用いることも可能である。
【００２６】固体電解質層を形成する方法としては、マ
スクを用いた蒸着法、スパッタ法、イオンプレーティン
グ法等により所望のパターンで形成することができる。
また、第１の電極層、第２の電極層も、マスクを用いた
蒸着法、スパッタ法、溶射法、塗布法、スプレー法によ
り所望のパターンで形成することができる。
【００２７】スイッチング素子を形成する方法として
は、化学気相成長法、蒸着法等により、シリコンカーバ
イド膜を作成し、フォトリソグラフィー法により所望の
パターンを形成する。そして、シリコンカーバイド膜を
熱酸化することにより、電気絶縁膜を作成し、フォトリ
ソグラフィー法により所望のパターンを形成する。次
に、電気絶縁膜上にゲート電極としてＮｉなどの金属材
料を蒸着法、スパッタ法、イオンプレーティング法等に
より形成し、フォトリソグラフィー法により所望のパタ
ーンで形成することができる。これにより、金属−酸化
物−半導体（以下、ＭＯＳ）の電界効果型トランジスタ
（以下、ＦＥＴ）のスイッチング素子が作製できる。所
望のパターン形成は、フォトリソグラフィー法に限定さ
れるものではなく、マスクを用いた蒸着法等の成膜技術
も適用することができる。また、ＦＥＴは、ＭＯＳＦＥ
Ｔに限られるものではなく、シリコンカーバイドのｐｎ
接合を利用したＪＦＥＴ、シリコンカーバイドと金属の
接合を利用したＭＥＳＦＥＴを使用することもできる。
【００２８】本発明に係わる燃料電池用セル板の第２の
製造方法は、マスク層形成工程、絶縁層形成工程、
スイッチング素子形成工程、開口部形成工程、固
体電解質層形成工程、第１電極層形成工程、電気絶
縁層除去工程、第２電極層形成工程からなり、上記第
１の製造方法と同様に、上記構造を備えた燃料電池用セ
ル板の精度および生産性が大幅に向上させることができ
る。
【００２９】上記工程において、基板の一方の面にマス
ク層を形成する工程と他方の面に絶縁層を形成する工
程は、どちらを先に形成してもよく、マスク層と電気
絶縁層を同一の材料を用いて同時に形成してもよい。本
発明の製造方法は、電気絶縁膜上に、スイッチング素子
を作製し、固体電解質層、第１の電極層をパターン形成
するところに特徴があり、基板を加工する工程は、固
体電解質層を形成する工程および第１の電極層を形成
する工程の前でも後でも限定されるものではない。ま
た、第１の電極層を形成する工程と固体電解質層下層
の電気絶縁層を基板裏面より除去する工程とはどちら
を先に行なってもよい。
【００３０】
【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。
【００３１】（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、
これは、１００ｍｍ角のＳｉ基板１に２ｍｍ角程度の開
口部５を持つ単セルが１０個×１０個形成されたうち
の、隣接する２個のセルを示したものである。
【００３２】電気絶縁層１ａが形成された基板１には、
開口部５が形成されており、開口部を覆うように第１の
電極層２、固体電解質層３、第２の電極層４が形成さ
れ、隣接するセルの第１の電極層２と第２の電極層４が
スイッチング素子６を介して電気的に接続されている。
【００３３】図２は、上記燃料電池用セル板の製造過程
を順次示すものであり、まず、Ｓｉ基板１の両面に電気
絶縁層１ａ、例えばシリコン窒化膜を減圧ＣＶＤ法によ
って２００ｎｍ厚程度に形成する。次に、図２（Ａ）に
示すように、シリコン窒化膜からなる電気絶縁層１ａ上
に、ＣＶＤ法により、ホウ素を添加したｐ型シリコンカ
ーバイト膜を３０００ｎｍ厚程度、連続して不純物を添
加しない、あるいは窒素を添加したｎ型シリコンカーバ
イド膜を１０００〜２０００ｎｍ厚に形成し、所望の領
域をフォトリソグラフィー法、およびＣＦ４ ガスを用
いたケミカルドライエッチングにより除去し、シリコン
カーバイド膜６ａ（半導体）のパターン形成を行なう。
【００３４】次に、図２（Ｂ）に示すように、熱酸化法
により、シリコンカーバイド膜６ａを酸化し、５０ｎｍ
厚程度のシリコン酸化膜６ｂ（絶縁膜）を形成し、所望
の領域をフォトリソグラフィー法、およびＣＦ４ガスを
用いたケミカルドライエッチングによりパターン形成を
行なう。そして図２（Ｃ）に示すように、蒸着マスクを
用いた電子ビーム蒸着法により、Ｎｉなどのゲート電極
６ｃを５００ｎｍ厚程度形成してスイッチング素子６を
作製する。
【００３５】さらに、図２（Ｄ）に示すように、このＳ
ｉ基板１の裏面側におけるシリコン窒化膜１ａの所望の
領域をフォトリソグラフィー法、およびＣＦ４ガスを用
いたケミカルドライエッチングにより除去し、シリコン
エッチング口を形成する。次いで、シリコンエッチング
液、例えば、ヒドラジンを用いて８０℃程度の温度でエ
ッチングを行ない、Ｓｉ基板１の表面に開口部５を形成
するとともに、シリコン窒化膜１ａのダイアフラムを形
成する。
【００３６】次に、図２（Ｅ）に示すように、例えば蒸
着マスクを用いて、電子ビーム蒸着法によりＮｉ等など
からなる第１の電極層（燃料極）２ａ，２ｂを５００ｎ
ｍ厚程度に形成して、シリコン窒化膜１ａからなるダイ
アフラムを覆い、図中右側の電極層２ｂの端部がスイッ
チング素子６のシリコンカーバイド６ａの接続部に重な
るように形成したのち、図２（Ｆ）に示すように、イッ
トリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）などの固体電解質層
３ａ，３ｂを高周波スパッタ法により蒸着マスクを用い
て、第１の電極層２ａ，２ｂの一部、すなわち図中左側
端部が露出するように形成する。
【００３７】そして、図２（Ｇ）に示すように、Ｌａ
１−ｘＳｒｘＭｎＯ３からなる第２の電極層（空気極）
４ａ，４ｂを高周波スパッタ法により蒸着マスクを用い
て、固体電解質層３ａ，３ｂを覆い、図中左側電極層４
ａの端部がスイッチング素子６のシリコンカーバイド６
ａの接続部に重なるように形成する。そして、再度、Ｃ
Ｆ４ガスを用いたケミカルドライエッチングによりＳｉ
基板１の裏面よりエッチングを行ない、第１の電極層２
ａ，２ｂの裏面にあるシリコン窒化膜ダイアフラムを除
去し、第１の電極層２ａ，２ｂを表出させる。このと
き、第１の電極層２ａ，２ｂ、および第２の電極層４
ａ，４ｂとスイッチング素子６のシリコンカーバイド６
ａとの接続部には、シリコンカーバイドとの接触抵抗の
低い公知のＴｉなどの金属層をその間に形成することも
でき、これによって燃料電池の内部抵抗が低下し、出力
ロスの低減に有効である。
【００３８】以上の工程を経て形成された単セルを備え
た燃料電池用セル板Ａを燃料電池スタックとして積層す
るため、セパレーター７を別途用意した。このセパレー
ター７は、１００ｍｍ角のＳｉ基板の両面にダイシング
ソーを用いてガス流路７ａが加工形成されたものであ
る。そして、上下段に端板８を配設すると共に、セル板
Ａの両面に上記セパレーター７を公知の方法でシール９
を介して積層することによって、図３に示すように、３
枚のセル板Ａとその間に積層された３枚のセパレーター
７からなる燃料電池スタックを形成した。
【００３９】次に、前記燃料電池スタックを組み込んで
固体電解質型燃料電池とし、当該燃料電池を電気炉中に
設置した。セル板Ａの上面に形成されたセパレーター流
路７ａに空気を、セル板Ａの下面に積層したセパレータ
ー７の流路７ａには水素ガスを流し、電気炉温度６００
℃として発電特性を評価した。その結果、スイッチング
素子を順次ＯＮ−ＯＦＦすることによって、隣接する燃
料電池セル（単セル）が接続され、開放電圧が変化する
ことが確認された。また、ＯＦＦしたスイッチング素子
を境として、各単セルが独立に、かつ異なる電圧で出力
することが確認できた。
【００４０】以上のように、各燃料電池セルが、同一単
電池板内で、スイッチング素子を介して電気的に接続さ
れた構成としたことにより、１台の燃料電池スタックを
用いて、出力電圧の異なる出力を同時に得ることができ
ることが確認された。
【００４１】（実施例２）実施例１と同様の基板１を用
いて、実施例１における燃料極（第１の電極層２）と空
気極（第２の電極層４）を入れ替えてセル板Ｂを作製し
た、すなわち、シリコン窒化膜からなるダイアフラムの
形成までは実施例１と同様に行なう。次に、第１の電極
層としてＬａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３からなる空気極４を
高周波スパッタ法により蒸着マスクを用いて、５００ｎ
ｍ厚程度に形成してダイアフラムを覆い、スイッチング
素子６のシリコンカーバイド６ａとの接続部が重なるよ
うに形成し、ＹＳＺからなる固体電解質層３を高周波ス
パッタ法により蒸着マスクを用いて、第１の電極層の一
部が露出するように形成し、さらに、第２の電極層とし
てＮｉからなる燃料極２を電子ビーム蒸着法により蒸着
マスクを用いて電解質層３を覆い、スイッチング素子６
のシリコンカーバイド６ａとの接続部が重なるように形
成する。そして、再度ＣＦ４ガスを用いたケミカルドラ
イエッチングによりＳｉ基板１の裏面側からエッチング
を行ない、第１の電極層（空気極４）の裏面にあるシリ
コン窒化膜ダイアフラムを除去し、空気極４を表出させ
て、実施例1における第１の電極層２と第２の電極層３
の材質を入れ替えたセル板を作製した。
【００４２】そして、以上のように形成した単セルを備
えたセル板Ｂと、実施例１で作製したセル板Ａを用い
て、燃料電池スタックとして積層する。図４に示すよう
に、公知の方法で、セル板Ａとセル板Ｂとを交互に積層
して作製した燃料電池スタックは、実施例１で作製した
燃料電池スタックと同等の効果が確認された。さらに、
この実施例に係わる燃料電池スタックは、実施例１のも
のに比較して、セパレーター７が不要となり、同程度の
出力を得る場合には、コンパクト化が可能となる。
【００４３】（実施例３）図５は、この第３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、１００ｍｍ角のＳｉ基板１に、２ｍｍ角程度の開
口部５を持つセルが１０個×１０個形成されており、こ
のうちの２個×２個のセル群を一単位として、隣接する
２個のセル群を示したものである。電気絶縁層１ａが形
成された基板１には、開口部５が形成されており、一セ
ル群の４個の開口部を覆うように第１の電極層２（２
ａ，２ｂ）、固体電解質層３（３ａ，３ｂ）、第２の電
極層４（４ａ，４ｂ）が形成され、隣接するセル群同士
がスイッチング素子６を介して電気的に直列に接続され
るように、第１のセル群の第２電極層４ａとこれに隣接
する第２のセル群の第１電極層２ｂがスイッチング素子
６のシリコンカーバイド６ａ上に、実施例１と同様に重
ねられることによって接続されている。
【００４４】この実施例に係わるセル板は、実施例１と
同様のプロセスを経て作製され、別途用意したセパレー
ター６とを積層して燃料電池スタックとし、実施例１と
同様の方法により出力電圧を測定したところ、実施例１
と同様の効果が確認された。
【００４５】（実施例４）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、
これは、１００ｍｍ角のＳｉ基板１に２ｍｍ角程度の開
口部５を持つ単セルが１０個×１０個形成されたうち
の、隣接する２個のセルを示したものである。電気絶縁
層１ａが形成された基板１には、開口部５が形成されて
おり、基板１の図中上面側には、開口部を覆うように固
体電解質層３および第１の電極層２がこの順序に形成さ
れ、基板１の図中裏面側には、第２の電極層４が形成さ
れ、開口部５において固体電解質層３に直接接触するよ
うになっており、隣接するセルの第１の電極層２同士が
スイッチング素子６を介して電気的に接続されている。
【００４６】図７は、上記燃料電池用セル板の製造過程
を順次示すものであって、まず実施例１と同様に、Ｓｉ
基板１の両面に電気絶縁層１ａ、例えばシリコン窒化膜
を減圧ＣＶＤ法によって２００ｎｍ厚程度に形成する。
そして、図７（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、上記実施例
と同様の手順によって、シリコン窒化膜からなる電気絶
縁層１ａ上に、スイッチング素子６を作製したのち、図
７（Ｄ）に示すように、同様の手法によって、Ｓｉ基板
１の表面に開口部５を形成するとともに、シリコン窒化
膜１ａのダイアフラムを形成する。
【００４７】次に、図７（Ｅ）に示すように、ＹＳＺな
どの固体電解質層３ａ，３ｂを高周波スパッタ法により
蒸着マスクを用いて、ダイアフラムを覆うように形成し
たのち、図７（Ｆ）に示すように、蒸着マスクを用い
て、Ｎｉなどの第１の電極層（燃料極）２ａ，２ｂを電
子ビーム蒸着法で５００ｎｍ厚程度に形成して固体電解
質層３ａ，３ｂを覆い、スイッチング素子６のシリコン
カーバイド６ａとの接続部が重なるように形成する。
【００４８】そして、Ｓｉ基板１の裏面側から、ＣＦ４
ガスを用いたケミカルドライエッチングによって再度エ
ッチングを行ない、固体電解質層３ａ，３ｂの裏面に形
成されたシリコン窒化膜ダイアフラムを除去して、固体
電解質層３ａ，３ｂを表出させたのち、図７（Ｇ）に示
すように、Ｌａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３からなる第２の電
極層（空気極）４を高周波スパッタ法により蒸着マスク
を用いて、開口部５の電解質膜３ａ，３ｂの裏面に直接
接触するように形成する。このとき、第１の電極層２
ａ，２ｂとスイッチング素子６のシリコンカーバイド６
ａとの接続部には、シリコンカーバイドとの接触抵抗の
低い公知のＴｉなどの金属層をその間に形成することが
でき、これによって燃料電池の内部抵抗を低下させるこ
とができ、出力ロスの低減に効果的である。
【００４９】以上のように形成された単セルを備えた燃
料電池用セル板Ｃをセパレーター７と共に公知の方法で
積層することにより、図８に示すような燃料電池スタッ
クを形成し、実施例１と同様な評価をしたところ、実施
例１と同様の効果が確認された。
【００５０】
【発明の効果】本発明に係わる燃料電池用セル板は、基
板に形成された複数の開口部を覆うように第１の電極層
と固体電解質層と第２の電極層が積層されて単セルが構
成され、これら単セルがセル板内のスイッチング素子を
介して電気的に接続された構造のものであるから、異な
る出力電圧での出力を独立して、同時に得ることができ
ると共に、各燃料電池セル（単セル）を独立に運転する
ことができることから、一部のセルが破壊したとしても
そのセルを回避して運転するという応急対応が可能にな
るという極めて優れた効果をもたらすものである。
【００５１】本発明に係わる燃料電池用セル板の製造方
法は、マスク層形成工程、絶縁層形成工程、スイ
ッチング素子形成工程、開口部形成工程、第１電極
層形成工程、固体電解質層形成工程、第２電極層形
成工程、電気絶縁層除去工程からなるもの、あるいは
マスク層形成工程、絶縁層形成工程、スイッチン
グ素子形成工程、開口部形成工程、固体電解質層形
成工程、第１電極層形成工程、電気絶縁層除去工
程、第２電極層形成工程からなるものであって、パタ
ーン成膜やエッチングなどといった半導体の量産技術を
利用したものであるから、上記構造の燃料電池用セル板
を高い生産性のもとに高精度に製造することができると
いう極めて優れた効果がもたらされる。
【００５２】本発明に係わる燃料電池スタックは、上記
構成の燃料電池用セル板を複数積層したものであり、セ
ル板の積層方向に対して、同等な位置のスイッチング素
子を連動して作動（ＯＮ−ＯＦＦ）させることにより、
１台の燃料電池を複数の燃料電池として独立に作動させ
ることができ、本発明に係わる固体電解質型燃料電池
は、上記燃料電池用セル板あるいは燃料電池スタックを
使用したものであるから、２種類以上の異なる型の燃料
電池を用意することなく、複数の負荷に対して異なる出
力電圧をそれぞれ独立に供給することができると共に、
単セルが部分的に破壊された場合にも、故障したセルを
回避して運転するこことが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】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。
【図２】（Ａ）ないし（Ｇ）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斜視図である。
【図３】図１に示した燃料電池用セル板からなる燃料電
池スタックの構造を示す断面図である。
【図４】本発明の第２の実施例に係わる燃料電池スタッ
クの構造を示す断面図である。
【図５】本発明の第３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。
【図６】本発明の第４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。
【図７】（Ａ）ないし（Ｇ）は図６に示した燃料電池用
セル板の製造工程を順次説明する斜視図である。
【図８】図６に示した燃料電池用セル板からなる燃料電
池スタックの構造を示す断面図である。
【図９】従来の燃料電池用セル板の外観を示す斜視図で
ある。
【符号の説明】
Ａ，Ｂ，Ｃ 燃料電池用セル板 １ 基板 １ａ 電気絶縁層 ２（２ａ，２ｂ） 第１の電極層（燃料極） ３（３ａ，３ｂ） 固体電解質層 ４（４ａ，４ｂ） 第２の電極層（空気極） ５ 開口部 ６（６ａ，６ｂ，６ｃ） スイッチング素子
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｍ 8/24 Ｈ０１Ｍ 8/24 Ｅ (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 櫛引 圭子 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 (72)発明者 柴田 格 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 福沢 達弘 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） 5H018 AA06 AS01 BB01 BB07 BB11 BB16 BB17 CC06 EE02 EE11 EE12 EE13 5H026 AA06 BB04 CC03 EE02 EE11 EE12 EE13 EE14 5H027 AA06

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 第１の電極と固体電解質と第２の電極か
    らなる複数組の単セルを基板上に積層してなる固体電解
    質型燃料電池のセル板であって、前記基板には複数の開
    口部が形成されており、これら開口部のそれぞれを覆う
    ように第１の電極層と固体電解質層と第２の電極層がこ
    の順序に積層されて個々の単セルが構成され、該単セル
    同士が当該セル板内に形成されたスイッチング素子を介
    して電気的に接続されていることを特徴とする燃料電池
    用セル板。
  2. 【請求項２】 第１の電極と固体電解質と第２の電極か
    らなる複数組の単セルを基板上に積層してなる固体電解
    質型燃料電池のセル板であって、前記基板には複数の開
    口部が形成されており、該基板の一方の面に前記開口部
    のそれぞれを覆うように形成された固体電極層と、該固
    体電解質層の表面上に形成された第１の電極層と、基板
    の他方の面側から形成されて開口部において前記固体電
    解質層の裏面に直接接触する第２の電極から個々の単セ
    ルが構成され、該単セル同士が当該セル板内に形成され
    たスイッチング素子を介して電気的に接続されているこ
    とを特徴とする燃料電池用セル板。
  3. 【請求項３】 複数の単セル群を一単位として、一単位
    の単セル群同士が当該セル板内に形成されたスイッチン
    グ素子を介して電気的に接続されていることを特徴とす
    る請求項１または２記載の燃料電池用セル板。
  4. 【請求項４】 スイッチング素子が半導体素子であるこ
    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。
  5. 【請求項５】 半導体素子がシリコンカーバイドである
    ことを特徴とする請求項４記載の燃料電池用セル板。
  6. 【請求項６】 基板と第１の電極層の間に、電気絶縁層
    が形成されてい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。
  7. 【請求項７】 電気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６記載の燃料電池用セル板。
  8. 【請求項８】 基板がシリコンであることを特徴とする
    請求項４記載の燃料電池用セル板。
  9. 【請求項９】 第１の電極層と固体電解質層と第２の電
    極層を積層した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一
    方の面に形成する工程、 ：前記基板の他方の面に電気絶縁層を形成する工程、 ：工程で形成された電気絶縁層上にスイッチング素
    子を形成する工程、 ：工程より後でかつ下記工程より前に実施され、
    前記基板に開口部を形成する工程、 ：工程より後に実施され、電気絶縁層上に第１の電
    極層をパターン形成する工程、 ：工程で形成された第１の電極層上に固体電解質層
    をパターン形成する工程、 ：工程で形成された固体電解質層上に第２の電極層
    をパターン形成する工程、 ：工程より後に実施され、前記基板に形成された開
    口部を覆っている電気絶縁層を除去する工程、を含むこ
    とを特徴とする燃料電池用セル板の製造方法。
  10. 【請求項１０】 第１の電極層と固体電解質層と第２の
    電極層を積層した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一
    方の面に形成する工程、 ：前記基板の他方の面に電気絶縁層を形成する工程、 ：工程で形成された電気絶縁層上にスイッチング素
    子を形成する工程、 ：工程より後でかつ下記工程より前に実施され、
    前記基板に開口部を形成する工程、 ：工程形成された電気絶縁層上に固体電解質層をパ
    ターン形成する工程、 ：工程で形成された固体電解質層上に第１の電極層
    をパターン形成する工程、 ：工程より後に実施され、前記基板に形成された開
    口部を覆っている電気絶縁層を除去する工程、 ：工程より後に実施され、前記開口部に第２の電極
    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。
  11. 【請求項１１】 請求項１ないし８のいずれかに記載の
    燃料電池用セル板を複数枚積層してなることを特徴とす
    る燃料電池スタック。
  12. 【請求項１２】 請求項１ないし８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。
  13. 【請求項１３】 請求項１１記載の燃料電池スタックを
    用いてなることを特徴とする固体電解質型燃料電池。
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