JP2007042356A - 燃料電池セルの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池セルの製膜を均一に行うことができる燃料電池セルの製造方法を提供すること。
【解決手段】多孔質セラミックス製のセル管２０上に、燃料極膜、電解質膜、空気極膜およびインタコネクタ膜の少なくともいずれかを製膜する燃料電池セルの製造方法において、セル管２０上に所定のパターンにマスキングされたスクリーン版１を設置するスクリーン版設置工程と、セル管２０の内部から吸引してスクリーン版１を吸着するスクリーン版吸着工程と、セル管２０内部を吸引するとともに、燃料極膜、電解質膜、空気極膜およびインタコネクタ膜のいずれかの原料スラリをスクリーン版１に塗布する吸引塗布工程とを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、基材上に、燃料極膜、電解質膜、空気極膜およびインタコネクタ膜を製膜する燃料電池セルの製造方法に関するものである。

例えば、円筒形ＳＯＦＣ（Solid Oxide Fuel Cell：固体酸化物燃料電池）には、長尺化された円筒状の燃料電池セル管が多数用いられる。
図４には、円筒型ＳＯＦＣに用いる燃料電池セル管（以下、単に「セル管」という。）２０の部分断面斜視図が示されている。
セル管２０は、基体管（基材）２１の外表面に複数のセル２５が軸線方向に並べられて形成された構成とされている。セル２５は、燃料極膜２２、電解質膜２３及び空気極膜２４から構成される。各セル２５間には、インタコネクタ２６が設けられている

基体管２１は、例えば直径約３０mm、長さ約１５００mmの長尺状とされたドーナツ状の横断面を有する多孔質のセラミック管である。基体管２１は、例えば、カルシア安定化ジルコニアやイットリア安定化ジルコニアで形成されている。

セル２５は、水素又は一酸化炭素を含む燃料ガスを燃料極膜２２（アノード電極）に供給し、かつ酸素を含む酸化剤ガスを空気極膜２４（カソード電極）に供給することにより、水又は二酸化炭素の合成反応を生じさせることによって電解質膜２３の両端で起電力を発生するものである。
燃料極膜２２は、例えば、ニッケル／イットリア安定化ジルコニアで形成されている。電解質膜２３は、例えば、イットリア安定化ジルコニアで形成されている。空気極膜２４は、例えば、ランタンマンガネートで形成されている。

インタコネクタ膜２６は、隣り合うセル２５同士を電気的に接続する。インタコネクタ膜２６は、例えば、ランタンクロマイトで形成されている。

セル２５は、基体管２１の外周に次のように形成される。先ず、基体管２１の長手方向に所定間隔ごとに、所定幅で基体管２１の燃料極膜２２が形成される。次に、その上に少し長手方向にずらした位置に、所定間隔、所定幅で電解質膜２３が形成される。続いて、隣り合う電解質膜２３と燃料極膜２２とが電気的に接続するようにインタコネクタ膜２６が形成される。そして、電解質膜２３とインタコネクタ膜２６とを覆うように、所定間隔、所定幅で空気極膜２４が形成される。

このように構成されたセル管２０は、発電運転の際に、セル管２０の内部に水素等の燃料ガスが供給され、セル管２０の外部には空気等の酸化剤が供給される。

上記の燃料極膜２２、電解質膜２３、空気極膜２４およびインタコネクタ膜２６は、一般に、スクリーン印刷によって製膜される（特許文献１参照）。
スクリーン印刷では、メッシュシート材の所望位置にマスク材を形成することによって得たスクリーン版を用いる。マスク材が形成されずにメッシュシート材が残っている部分をインキ（原料スラリ）が透過する部分とし、マスク材が形成されている部分をインキ（原料スラリ）が透過しない部分とする。そして、印刷時には、スキージでスクリーン版を被印刷面に押圧することにより、所望位置のみスクリーンを介してスラリを透過させて被印刷面に印刷する。

特開２００４−１３４１８０号公報

ところで、発電容量の増加に伴い基体管２１が大型化すると、スキージによって全ての位置に対して均一に圧力をかけることが困難になる。これでは、スクリーン印刷によって均一な膜を形成することが難しい。
均一に圧力をかけることができないと、谷間部分に製膜をすることが必要なインタコネクタ２６（図４参照）の製膜が確実に行われないおそれがある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、燃料電池セルの製膜を均一に行うことができる燃料電池セルの製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の燃料電池セル管の製造方法は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる燃料電池セル管の製造方法は、多孔質の基材上に、燃料極膜、電解質膜、空気極膜およびインタコネクタ膜の少なくともいずれかを製膜する燃料電池セルの製造方法において、前記基材上に所定のパターンにマスキングされたスクリーン版を設置するスクリーン版設置工程と、前記スクリーン版に対して前記基材の反対側に位置する基材背面側から該基材を吸引して前記スクリーン版を吸着するスクリーン版吸着工程と、前記基材背面側から該基材を吸引するとともに、前記燃料極膜、前記電解質膜、前記空気極膜および前記インタコネクタ膜のいずれかの原料スラリを前記スクリーン版に塗布する吸引塗布工程とを有することを特徴とする。

基材の基材背面側からスクリーンを吸引することにより、スクリーンは基材側に吸引され、固定される（スクリーン版吸着工程）。そして、スクリーン版を吸引した状態で原料スラリをスクリーンに塗布する（吸引塗布工程）ので、原料スラリは吸引されて基材表面に定着する。これにより、製膜前の表面が凹凸等を有する複雑な形状となっていても、簡便にかつ均一に製膜することができる。
また、塗布後にも吸引することとすれば、原料スラリの乾燥を促進することができる。
なお、基材としては、例えば多孔質セラミックス製が用いられる。

さらに、本発明の燃料電池セルの製造方法では、前記基材が円管とされていることを特徴とする。

基材が円管とされているので、円管内を吸引すれば良く、簡便な構成で吸引工程を実現することができる。基材が円管とされているので、円筒形ＳＯＦＣの燃料電池セル管に好適である。
なお、基材を平板としても良い。

さらに、本発明の燃料電池セルの製造方法では、前記吸引塗布工程は、前記原料スラリが貯留された原料スラリ貯留部に前記基材および前記スクリーン版を浸漬することを特徴とする。

原料スラリ貯留部に浸漬するだけで塗布できるので、簡便な構成で吸引塗布工程を実現することができる。

また、吸引塗布工程として、スプレーヘッドの先端から、各膜に応じた原料スラリを噴出させるようにしても良い。

基材を吸引することによってスクリーンを基材に吸着固定し、スラリを基材側に定着することとしたので、簡便にかつ均一に製膜することができる。

以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
図１には、セル管（基材）２０にスクリーン版１を設置する工程が示されている。
セル管２０は、例えば直径約３０mm、長さ約１５００mmの長尺状とされたドーナツ状の横断面を有する多孔質のセラミック管である。基体管２１は、例えば、カルシア安定化ジルコニアやイットリア安定化ジルコニアで形成されている。
スクリーン版１は、マスク材３がメッシュシート材４上に形成された構成とされている。
マスク材３は、露光現像などによってメッシュシート材４上に固定化されている。マスク材３が固定化されたマスク部３ａは原料スラリが透過しない部分となり、マスク材３が固定化されていない部分すなわちメッシュシート材４が露出している部分は原料スラリが透過する透過部分４ａとなる。つまり、透過部分４ａが所望の製膜位置となるように、メッシュシート材４がマスク材３によりマスキングされている。
メッシュシート材４は、ナイロン、テトロン、ＳＵＳ等の材料で形成されており、厚さが約１００μｍとされた１枚のシートである。メッシュシート材４の大きさは、セル管２０の展開面積とほぼ同等とされている。

図１（ｂ）にはスクリーン版１のスクリーン版設置工程が示されており、スクリーン版１は、セル管２０の外周面に巻回されて仮止めされた状態で設置される。

セル管２０内部を吸引するために、図１（ｃ）に示すように、セル管２０の下端にシールキャップ５、上端に吸引キャップ７がそれぞれ取り付けられる。
シールキャッップ５は、金属製とされており、セル管２０の下端を気密に固定する。
吸引キャップ７は、金属製とされており、図示しない吸引手段に接続されている。
この吸引キャップ７を介してセル管２０内（基材背面側）の空間が吸引され、負圧に保たれる。これにより、多孔質セラミックス製のセル管２０壁部を介してスクリーン版１が吸引される。このように、スクリーン版１をセル管２０外周面上に吸着することにより、スクリーン版吸着工程が実現される。

図２には、セル管２０内を吸引しつつ原料スラリを塗布する吸引塗布工程が示されている。
スクリーン版１が設置されたセル管２０は、セル管２０内部が吸引された状態で、燃料極膜、電解質膜、空気極膜およびインタコネクタ膜のいずれかの原料を主成分とする原料スラリ９が貯留されたスラリ貯留タンク（原料スラリ貯留部）１０内に浸漬される（吸引塗布工程）。
スクリーン版１が設置されたセル管２０は、所定時間浸漬された後に、スラリ貯留タンク１０から引き上げられる。そして、スクリーン版１をセル管２０から取り外した後に、乾燥工程において塗布された原料スラリを乾燥させて所望の膜を得る。この乾燥工程の際にもセル管２０内を吸引することとし、乾燥を促進させる。
次に、さらに積層する膜に対応するようにスクリーン版１をセル管２０に巻回し、上述のように、対応する原料スラリが貯留されたスラリ貯留タンク１０に浸漬し、第２の膜を得る。これを繰り返し、最終的に、燃料極膜、電解質膜、空気極膜およびインタコネクタ膜が製膜されたセル管２０を得る。
そして、各膜が製膜されたセル管２０は、電気炉において焼成される。

図３には、図２の変形例として、異なる吸引塗布工程が示されている。
同図に示すように、スクリーン版１が設置され、吸引が行われているセル管２０に対して、スプレーヘッド１２が対向配置されている。スプレーヘッド１２の先端からは、各膜に応じた原料スラリが噴出するようになっている。
スプレーヘッド１２の噴射方式としては、エアガン方式やインクジェット方式を採用することができる。同図には、噴射空気とともにスラリを噴出させるエアガン方式が示されている。インクジェット式は、熱膨張や圧電素子によりスプレーヘッド１２内の原料スラリを圧縮してノズルの先端から原料スラリを噴射させるものである。
スプレーヘッド１２は、固定配置されたセル管２０に対して、セル管２０の軸線方向に往復動するとともに、セル管２０の円周方向に回転移動する。これにより、セル管２０の全体に原料スラリを塗布する。

本実施形態にかかる製膜方法を用いた燃料電池セルの製造方法によれば、以下の効果を奏する。
セル管２０の内周側からスクリーン版１を吸引することにより、スクリーン版１はセル管２０側に吸引されてセル管２０の外表面上に固定される。この状態で原料スラリをスクリーン版１に塗布するので、原料スラリは吸引されてセル管２０の外表面上に定着する。これにより、例えば燃料極膜２２及び電解質膜２３が製膜された上にインタコネクタ膜２６を製膜する場合のように、表面に凹凸が形成された複雑な形状になっていても、従来のようにスキージを用いる必要がないので、簡便にかつ均一に製膜することができる。
また、塗布工程中および塗布工程後にもセル管２０内部から吸引しているので、塗布された原料スラリの乾燥を促進することができる。
また、セル管２０が円管とされているので、円管内を吸引すれば良く、簡便な構成で吸引工程を実現することができる。
また、スラリ貯留タンク１０内に浸漬するだけで原料スラリを塗布できるので、簡便な構成で塗布工程を実現することができる。

なお、本実施形態では、ＳＯＦＣに用いるセル管２０を用いて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば高温水蒸気電解装置（ＳＯＳＥ）のセル管に用いても良い。
また、円筒形の燃料電池に限らず、平板型燃料電池のセルに用いることとしても良い。

本実施形態にかかる燃料電池の製造工程を示したものであり、（ａ）はマスクされたスクリーンを示した斜視図、（ｂ）は燃料電池セル管にスクリーンを設置する工程を示した斜視図、（ｃ）は燃料電池セル管にスクリーンを設置した後に、燃料電池セル管内部を吸引する工程を示した斜視図である。 スクリーンが設置された燃料電池セル管を原料スラリタンクに浸漬する工程を示した斜視図である。 図２に示した塗布工程の変形例として、スプレー方式を示した斜視図である。 円筒形ＳＯＦＣに用いる燃料電池セル管を示した部分断面斜視図である。

符号の説明

１ スクリーン版
３ マスク材
１０ スラリ貯留タンク（原料スラリ貯留部）
２０ セル管（基材）

Claims (5)

1. 多孔質の基材上に、燃料極膜、電解質膜、空気極膜およびインタコネクタ膜の少なくともいずれかを製膜する燃料電池セルの製造方法において、
   前記基材上に所定のパターンにマスキングされたスクリーン版を設置するスクリーン版設置工程と、
   前記スクリーン版に対して前記基材の反対側に位置する基材背面側から該基材を吸引して前記スクリーン版を吸着するスクリーン版吸着工程と、
   前記基材背面側から該基材を吸引するとともに、前記燃料極膜、前記電解質膜、前記空気極膜および前記インタコネクタ膜のいずれかの原料スラリを前記スクリーン版に塗布する吸引塗布工程と、
   を有することを特徴とする燃料電池セルの製造方法。
2. 前記基材は、多孔質セラミックス製とされていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池セルの製造方法。
3. 前記基材は、円管または平板とされていることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池セルの製造方法。
4. 前記吸引塗布工程は、前記原料スラリが貯留された原料スラリ貯留部に前記基材および前記スクリーン版を浸漬することを特徴とする請求項１〜３のいずれか記載の燃料電池セルの製造方法。
5. 前記吸引塗布工程は、スプレーヘッドの先端から、各膜に応じた原料スラリが噴出することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池セルの製造方法。

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