JP3858261B2 - 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 - Google Patents
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Description
【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、さらに詳しくは多孔質基板上に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燃料電池用セル板の製造方法、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】
【従来の技術】
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。これら燃料電池のうち、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、その両面に多孔質電極を取付け、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、他方の側に空気や酸素といった酸化性ガスを供給する形式の燃料電池であり、一般的に約１０００℃で動作するものである。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
このような燃料電池の構造例として、特開平５−３６４１７号および特開平９−５０８１２号公報には、どちらか一方の電極材料、例えば空気極材料からなる板状かつ中空状の基板上に、固体電解質層と、他方の電極である燃料電極を形成した構造、すなわち電解質膜を支持する基板と一方の電極とを兼ねた構造のものが開示されている。また、Ｅｕｒｏｐｅａｎ ＳＯＦＣ Ｆｏｒｕｍ（２０００年発行）の第２３１〜２４０頁には、多孔質金属基板上に、発電三層（第１電極層／固体電解質層／第２電極層）をプラズマ溶射法によって形成することが記載されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記特開平５−３６４１７号公報に記載されているように、一方の電極を兼ねた基板上に電解質層、さらにその上に他方の電極を形成する場合、基板材料には、基板としての機能と電極としての機能の両方が求められることになる。すなわち、
（１）セル板の強度保持：高温での耐熱強度が必要であり、気孔率が小さい方が好ましい、
（２）電極反応場の形成：反応場の表面積を大きくする観点から、適度な気孔率が必要、
（３）発電電流の集電：電気抵抗を小さくするため、気孔率が小さい方が好ましい、
（４）ガスの拡散：電極反応場へ供給する酸化性ガスあるいは燃料ガス量を増加させる観点から、気孔率が大きい方が好ましい、
（５）電解質層の形成：より薄くかつ緻密な電解質層を形成する観点から、気孔率が小さく、平面性の高い面であることが好ましい、
ことになり、これら全ての機能を十分に発揮する気孔率の電極板を得ることは極めて困難である。
【０００７】
また、特開平９−５０８１２号公報には、上記（１）〜（５）の機能の向上を図るために、電極基板を気孔率の異なる層からなる３層構造とすることが記載されているが、このような密度の異なる層を一体焼成するには製造条件の制御が難しく、生産歩留まりが悪いという問題がある。さらに、多孔質金属基板上に、発電三層をプラズマ溶射によって形成したものにおいては、一般に強度および電気伝導性が高い金属材料を用いることから、上記機能（４）に適した大きな気孔率とすることによって、（１）および（３）の条件をも満足させることができ、発電性能を向上させることができるが、基板材料と電極材料あるいは電解質材料との熱膨張率の差に起因する剥離や破損が生じ易く、耐熱衝撃性に劣るという問題点があり、これら問題点の解消が従来の固体電解質型燃料電池における課題となっていた。
【０００８】
【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、基板上に形成された固体電解質層の剥離や破損を効果的に防止することができ、耐熱性および耐熱衝撃性に優れた燃料電池用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。
【０００９】
【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、多孔質基板上に下部電極層と固体電解質層と上部電極層を積層してなる固体電解質型燃料電池のセル板において、少なくとも固体電解質層が積層方向と略直交する方向に２次元的に複数に分割して形成されており、当該電解質層が形成されていない領域がガス不透過層で被覆されている構成とし、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。
【００１０】
本発明に係わる燃料電池用セル板の好適形態としては、ガス不透過層の上面と下部電極層の上面が略同一平面上にある構成、ガス不透過層の上面と固体電解質層の上面が略同一平面上にある構成、ガス不透過層の下面と固体電解質層の下面が略同一平面上にあって、固体電解質層の上面がガス不透過層の上に張り出している構成とすることができ、他の好適形態としては、前記多孔質基板が電気絶縁性を有し、ガス不透過層が電気伝導性を有している構成、前記多孔質基板が電気伝導性を有し、ガス不透過層の少なくとも固体電解質層が形成された面が電気絶縁性を有している構成、前記多孔質基板およびガス不透過層が共に金属である構成、前記ガス不透過層の少なくとも固体電解質層が形成された面が金属層と電気絶縁層の２層構造をなしている構成、そして前記多孔質基板が気孔率の異なる２以上の層からなる多層構造をなしている構成、さらには前記多孔質基板の表面層が下部電極層を兼ねている構成とすることができる。
【００１１】
本発明に係わる燃料電池用セル板の製造方法は、上記燃料電池用セル板の製造に好適なものであって、多孔質基板にガス不透過層を形成する工程Ａと、下部電極層を形成する工程Ｂと、固体電解質層をパターニングして形成する工程Ｃと、上部電極層を形成する工程Ｄからなり、工程Ｂに先立って工程Ａを実施し、多孔質基板のガス不透過層が形成されていない部分に下部電極層をパターニングして形成する構成、あるいは工程Ｂと工程Ｃの間に工程Ａを実施する構成としたことを特徴としており、燃料電池用セル板の製造方法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。
【００１２】
また、上記燃料電池用セル板の製造方法における好適形態としては、前記工程Ｂが膜形成工程と、形成された膜の表面研磨工程からなる構成、さらには前記工程Ｂが複数の膜形成工程からなる構成としたことを特徴といている。
【００１３】
本発明の他の請求項に係わる燃料電池用セル板の製造方法は、多孔質基板にガス不透過層を形成する工程Ａと、下部電極層を形成する工程Ｂと、固体電解質層をパターニングして形成する工程Ｃと、上部電極層を形成する工程Ｄからなり、工程Ｂと工程Ｃがガス不透過層を形成した多孔質基板と、仮基板上に形成された固体電解質層を接合機能を有する下部電極層材料で貼り合わせる工程と、前記仮基板を固体電解質層から除去する工程からなる構成としたことを特徴としている。
【００１４】
そして、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、多孔質基板上に下部電極層と固体電解質層と上部電極層が積層されていると共に、少なくとも固体電解質層が２次元的に複数に分割された状態に形成され、この電解質層が形成されていない領域がガス不透過層で被覆された構造のものであって、基板が電極を兼ねることなく別体のものであるから、電極層や電解質層との熱膨張係数差を考慮して材料の最適化を図ることができ、耐熱性、耐熱衝撃性が向上することになる。また、電解質層が２次元的に、すなわち平面上の異なる方向に複数に分割されているので、ガス隔壁である電解質層の破損が効果的に防止されることになる。
【００１６】
このとき、上記多孔質基板の材料としては、ガス流路として機能する気孔率を有する多孔質材料であれば特に限定されることはなく、例えば、アルミナ、チタニア、ジルコニア、コージェライト、石膏などの多孔質体や、ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４繊維の不織布などを使用することができる。また、Ｌａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３（ＬＳＭ）、Ｌａ１−ｘＳｒｘＣｏＯ３（ＬＳＣ）、Ｎｉ、ステンレス鋼などのような電極材料の焼結体を使用することもでき、下部電極層や固体電解質層と熱膨張係数が近い材料を選択することができる。
【００１７】
また、ガス不透過層としては、燃料ガスや空気をシールする機能が要求され、ガラスやセラミックスなどの電気絶縁性材料、電気伝導性を備えた金属材料や酸化物材料をも使用することができる。さらに、例えば表面に電気絶縁処理を施した金属材料など、２層構造とすることもできる。
【００１８】
上部あるいは下部電極層の材料については、燃料極材料として、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、空気極材料としては、例えば、Ｌａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３、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、燃料極、空気極共に、上記材料のみに限定されるものではない。
【００１９】
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、Ｂｉ２Ｏ３、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。
【００２０】
固体電解質層は、１枚の基板上に複数、すなわち２個以上に分割された状態に形成されており、丸型、四角形、多角形など種々の形状に形成することができる。この固体電解質層の分割は、ガス流路の形成を目的とするものではなく、耐熱衝撃性の向上を目的とするものであるからして、隣接する電解質層との間隔は、出力密度が向上することから、狭い方が望ましい。したがって、当該電解質層は、パターニングして形成することもできるし、全面に形成した後に、所定の位置にクラックを生じさせることによって分割することもできる。例えば、後述する図３に示すようなエッジ形状や熱膨張率差を制御し、ガス不透過層を形成した基板を用い、スパッタ法や溶射法などの乾式成膜方法で電解質層を形成した後、熱処理によって所定の位置にクラックを入れることができる。
【００２１】
本発明に係わる燃料電池用セル板においては、ガス不透過層の上面と下部電極層の上面とが略同一平面をなすようにすることができ、これによってガス不透過層と下部電極層からなる面の段差が少ないものとなり、段差の少ない平滑な面上に固体電解質層が成膜されることになるので、緻密な電解質層が得られる条件を選択して成膜することができるようになることから、電解質層を薄くすることができ、ガスの漏れが防止されて、発電損失を低減させることができる。
【００２２】
また、ガス不透過層の上面と固体電解質層の上面とが略同一平面をなすようにすることによって、印刷やペースト塗布法、溶射法などを使用して簡単に精度よくパターニングした電解質層を形成することができ、量産性および耐久性に優れたものとなる。このとき、固体電解質の上層にさらに電解質層を形成することもでき、ガス不透過層の下面と固体電解質層の下面とが略同一平面をなすようにし、かつ固体電解質層の上面がガス不透過層上に張り出すものとすることによって、ガス不透過層が電気伝導性に場合、量産性に優れると共に、上部電極と下部電極の間の電気リークが確実に防止されるようになる。
【００２３】
本発明に係わる燃料電池用セル板においては、前記多孔質基板が電気絶縁性を有し、ガス不透過層が電気伝導性を有するものとすることができる。この場合、ガス不透過層がセル板内の集電機能を担うこととなり、集電する電解質面積が小さいため、ガス供給量が増加する一方、集電の際の電気抵抗を増大させることなく、気孔率の高い電極層を形成することができ、発電出力が向上することになる。
【００２４】
このとき、前記ガス不透過層は、電解質層が形成されている面だけでなく、多孔質基板の側面や裏面側にも形成することができ、これによって当該セル板をスタックに積層する場合に、基板の側面や裏面に形成された導電性ガス不透過層を利用してセル板間の電気接続ができるようになり、スタック構造が簡単なものになると共に、電気的な接続損失が低減して発電出力が向上することになる。さらに、表面と側面・裏面に形成したガス不透過層の材料を同一材料で形成することにより、ガスシール性を向上させることができ、発電出力がさらに向上することになる。
【００２５】
さらに、本発明に係わる燃料電池用セル板においては、多孔質基板が電気伝導性を有し、ガス不透過層の少なくとも固体電解質層が形成された面が電気絶縁性を有しているものとすることができる。この場合、多孔質基板がセル板内の集電機能を担うこととなり、一般に、上部電極層は気孔率が高いため、パターニングして形成しなくても熱衝撃を緩和することができるので、工程が簡略化されることになる。
【００２６】
また、多孔質基板およびガス不透過層を共に金属とすることもでき、これにより多孔質基板とガス不透過層の接合部の耐久性が向上することになる。このとき、例えば金属性多孔質基板の表面に溶射法や熱酸化法によって絶縁層を形成したり、電気絶縁性箔の下層に金属膜を成膜したり、溶着したりすることによって、ガス不透過層の少なくとも固体電解質層が形成された面を金属層と電気絶縁層の２層構造とすることができる。これによりガス不透過層の金属層が集電機能を果たすと共に、上部電極をパターニングして形成する必要がないので、工程が簡略化される。
【００２７】
ガス不透過層は、前述のように、電解質層が形成されている面だけでなく、多孔質基板の側面や裏面側にも形成することができ、このとき、例えば多孔質基板の電解質層形成面を電気絶縁性材料とし、多孔質基板の側面や裏面を金属箔にするなど材質を変えることも可能である。これによって当該セル板をスタックに積層する場合に、基板の側面や裏面に形成された導電性ガス不透過層を利用してセル板間の電気接続ができるようになり、電気的な接続損失を低減させて発電出力を向上させることができると共に、スタック構造が簡単なものになる。
【００２８】
本発明に係わる燃料電池用セル板においては、また、多孔質基板を気孔率の異なる層からなる多層構造とすることもでき、ガス流路としての多孔質基板と、成膜基板としての表面層を分離することによって、つまり、電極層に次いで電解質層が形成される表面層は、基板としての成膜機能を優先した気孔径、気孔率の小さい層とし、当該表面層以外の部分については、ガス拡散機能を優先した気孔径、気孔率の大きい層とすることにより、ガス供給量を損なうことなく、品質の良好な電極層および固体電解質層を形成することができるようになり、発電出力が向上することになる。
【００２９】
そして、本発明に係わる燃料電池用セル板においては、前記多孔質基板の表面層が下部電極層を兼ねるようになすことができ、これによって上部電極をパターニングして成膜する必要がなくなり、また、スタックとして積層した場合のセル板間の電気接続を取るのが容易なものとなる。このとき、下部電極層を兼ねる基板表面層としては、空気極の場合には、公知のＬＳＭ、ＬＳＣ、Ａｇなど、燃料極の場合には、公知のＮｉサーメットなどを用いることができる。
【００３０】
本発明に係わる燃料電池用セル板の製造方法は、多孔質基板にガス不透過層を形成する工程Ａと、下部電極層を形成する工程Ｂと、固体電解質層をパターニングして形成する工程Ｃと、上部電極層を形成する工程Ｄからなるものであって、工程Ｂに先立って工程Ａを実施し、多孔質基板のガス不透過層が形成されていない部分に下部電極層をパターニングして形成したり、工程Ｂと工程Ｃの間に工程Ａを実施したりするようにしているので、固体電解質層がパターニングによって小さな面積に分割されて形成されていることから、薄板の焼結体を形成することができ、本発明に係わる上記燃料電池用セル板を高い生産性のもとに量産することができる。
【００３１】
このとき、多孔質基板にガス不透過層を形成する工程Ａにおいては、ガラス薄板や金属箔などを接合剤で貼る方法や、金属箔を拡散接合法や溶接法によって直接接合する方法、溶射法などの乾式成膜方法によって成膜する方法、ペースト塗布焼成法、ゾルゲル法などの湿式成膜方法などを採用することができる。また、下部電極層、固体電解質層および上部電極層を形成する工程Ｂ、ＣおよびＤにおいては、スパッタ法、蒸着法、イオンプレーティング法、レーザーアブレーション法などのＰＶＤ法、溶射法、ペースト塗布法、ゾルゲル法などの成膜方法を採用することができる。さらに、工程ＢおよびＣにおいて、電解質焼結体薄板を下部電極剤を含有するペーストにより貼付し、加熱焼き付けによって下部電極層および固体電解質層を形成することも可能である。
【００３２】
上記製造方法においては、工程Ｂにおいて下部電極層を形成するに際して、下部電極層を成膜する膜形成工程と、成膜された下部電極層を研磨する表面研磨工程とによって行うことができ、これによって、微細なパターニングは難しいが、量産性に優れる溶射法を採用して、歩留まりよくパターニングして成膜することができるようになり、生産性が向上すると共に、耐熱衝撃性が向上することになる。
【００３３】
このとき、例えば溶射法による成膜後にスパッタ法によって成膜したり、ペースト塗布焼成法による成膜後にイオンプレーティング法によって成膜したりするなど、下部電極層を形成する工程Ｂを複数の膜形成工程からなるものとすることができる。
【００３４】
本発明の他の請求項に係わる燃料電池用セル板の製造方法においては、上記各工程のうちの工程Ｂと工程Ｃにおいて、ガス不透過層を形成した多孔質基板と、仮基板上に形成された固体電解質層を接合機能を有する下部電極層材料で貼り合わせる工程と、前記仮基板を固体電解質層から除去する工程とによって下部電極層および固体電解質層を形成するようになすことができ、平滑性に優れた仮基板を用いることによって、その上に形成される固体電解質層の薄膜化および緻密化が可能になり、電解質の内部抵抗による発電損失が低減することになる。
【００３５】
このとき、上記の仮基板としては、緻密かつ薄膜の電解質層を形成するに適した表面平滑性を有するものの使用が望ましく、例えばガラス板、セラミックス板などを使用することができる。なお、固体電解質層を下部電極層材料で貼り合わせたのち、仮基板を除去するに際しては、酸やアルカリなどによるエッチング処理や、熱処理によって電解質層と仮基板界面とを剥離させることができる。また、仮基板上に電解質層を形成した後、さらに下部電極材接着層との接着性を向上させる目的で、あるいは界面反応抵抗を低減させる目的などから、下部電極材を含む層を成膜するなどの表面処理を行うこともできる。
【００３６】
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。
【００３７】
【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、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。
【００３８】
（実施例１）
図１は、本発明の第１の実施例に係わる燃料電池用セル板の製造工程を示す断面図および平面図である。
【００３９】
まず、図１（ａ）に示すように、公知のＳＵＳ材（ステンレス鋼）からなり、厚さ２ｍｍ、気孔率７０％、平均気孔径５μｍの多孔質金属基板２の上に、ガス不透過層３として厚さ１０μｍのＮｉ箔を公知のＮｉ基ろう材ペーストを用いてろう付けした。なお、当該Ｎｉ箔には、直径４ｍｍの孔３ａがあらかじめ形成してある。
【００４０】
次いで、図１（ｂ）に示すように、多孔質基板２上にろう付けされたガス不透過層３の上に、下部電極層４としてのＮｉ層をプラズマ溶射法によって５０μｍの厚さに形成した。
【００４１】
次に、上記下部電極層４としてのＮｉ層の表面を、図１（ｃ）に示すように、ガス不透過層３のパターンが現れるまで研磨した。このときの研磨面の表面粗さは鏡面仕上げとした。
【００４２】
そして、研磨によってほぼ同一平面となったガス不透過層３と下部電極層４の上面に、図１（ｄ）に示すように、固体電解質層５としてＹＳＺ（イットリア部分安定化ジルコニア）をスパッタ法によって分割したパターンに成膜し、下部電極層４を完全に覆うようにした。なお、このときの電解質層５の膜厚は３μｍとした。
【００４３】
最後に、図１（ｅ）に示すように、ＬＳＭをスパッタ法によって電解質層５からはみ出さないパターンで膜厚５μｍに成膜して上部電極層６とし、燃料電池用セル板１を得た。これによって、多孔質基板２の上に膜厚が３μｍと薄く、ガス隔壁として働き、ＩＲ抵抗の小さい緻密な固体電解質層５を備えたセルを製造できることが確認された。
【００４４】
そして、このようにして得られた燃料電池用セル板１をセル板評価装置に組み込み、上部電極６の側に空気を、多孔質基板２の側に水素ガスを導入し、７００℃において発電出力を測定したところ、０．２Ｗ／ｃｍ２の出力が得られた。また、上記セル板評価装置内で発電出力をモニターしながら、セル板温度を７００℃〜２００℃の温度範囲で、２００℃／Ｈｒの昇降温を繰り返すことによって耐熱衝撃性を評価した。その結果、１０回の昇降温に対しても出力の低下は全く認められなかった。
【００４５】
（実施例２）
図２は、本発明の第２の実施例に係わる燃料電池用セル板の製造工程を示す断面図および平面図である。
【００４６】
まず、図２（ａ）に示すように、公知のジルコニアからなり、厚さ２ｍｍ、気孔率４０％、平均気孔径２μｍの多孔質基板２の表面全面に、下部電極層４としてＬＳＭを厚さ３０μｍにプラズマ溶射法を用いて形成した。そして、その上にガス不透過層３としてのＮｉ箔を公知のＴｉ添加Ｎｉ基ろう材ペーストを用いてろう付けした。なお、当該Ｎｉ箔には、直径１０ｍｍの孔３ａがあらかじめ形成してある。
【００４７】
次いで、図２（ｂ）に示すように、下部電極層４の上にろう付けされたガス不透過層３の上から、平均粒径０．５μｍのセリア系材料およびガラスフリットを含むペーストを塗布した後、１０００℃で焼成することによって固体電解質層５を形成した。
【００４８】
次に、上記固体電解質層５の表面を、図２（ｃ）に示すように、ガス不透過層３が現れるように研磨した。このときの表面粗さを▽▽仕上げとした。
【００４９】
そして、研磨によってほぼ同一平面となったガス不透過層３と電解質層５の上面に、図２（ｄ）に示すように、Ｎｉ層を電解質層５からはみ出さないパターンで、スパッタ法によって膜厚１０μｍに成膜して上部電極層６とし、燃料電池用セル板１を得た。
【００５０】
（実施例３）
図３は、本発明の第３の実施例に係わる燃料電池用セル板の構造を示す断面図および平面図である。
【００５１】
当該実施例においては、前記実施例２と同様に、まず、多孔質基板２の表面全面に下部電極層４を形成する。そして、その上にガス不透過層３を同様に形成するに際して、当該ガス不透過層３の断面形状を鋭角のものとすることによって、後述する電解質層５の焼成工程において電解質層５に所望の位置でクラックを発生させ、電解質層５を分割するようにしている。
【００５２】
すなわち、鋭角断面の隔壁３ｂを備えたガス不透過層３を下部電極層４の上に形成したのち、当該ガス不透過層３の上から固体電解質層５ａを上記実施例２と同様に形成し、これによって、ガス不透過層３と電解質層５ａの下面が略同一平面となる。そして、ガス不透過層３上に形成された電解質層５ａの表面をガス不透過層３が現れるまで研磨し、ほぼ同一平面となったガス不透過層３と電解質層５ａの上面に、電解質層５ｂをガス不透過層３の上にはみ出すように形成したのち、１０００℃で焼成することによって、当該電解質層５ｂにクラックＣを発生させて、電解質層５ｂを分割することができる。この後、クラックＣによって分割された電解質層５ｂからはみ出さないパターンで、上部電極層６を成膜することにより燃料電池用セル板１が得られる。
【００５３】
このようにして得られた燃料電池用セル板１においては、電解質層５がガス不透過層３の上に張り出しているので、上部電極６と下部電極４の電気リークを確実に防止することができる。
【００５４】
（実施例４）
図４は、本発明の第４の実施例に係わる燃料電池用セル板の構造を示す断面図であって、当該実施例に係わる燃料電池用セル板１は、多孔質基板２に、ガラス薄板を貼付したり、アルミナなどのセラミックスを溶射したりすることによって、電気絶縁性のガス不透過層３を形成したのち、上記実施例１と同様に下部電極層４および固体電解質層５を形成したものであり、上部電極層６の形成に際してパターニングする必要がなく、当該上部電極層層５の気孔率が特に低い場合を除いて耐熱衝撃性の向上効果が十分に得られ、製造工程を簡略化することができる。
【００５５】
（実施例５）
図５は、本発明の第５の実施例に係わる燃料電池用セル板の構造を示す断面図であって、当該実施例に係わる燃料電池用セル板１は、多孔質金属基板２に、導電性のガス不透過層３として金属箔を貼付したのち、絶縁層３ｃを成膜したり、酸化性雰囲気で焼成して酸化層を形成して絶縁層３ｃとしたりすることによって、少なくとも上部電極６と接触する表面を絶縁処理したものであって、このような構造の用セル板１においては、ガス不透過層３としての金属箔が集電機能を果たす一方、上記実施例４の場合と同様に、上部電極層６をパターニングする必要がないので、製造工程の簡略化が可能になる。
【００５６】
（実施例６）
図６は、本発明の第６の実施例に係わる燃料電池用セル板の構造を示す断面図であって、当該実施例に係わる燃料電池用セル板１においては、多孔質基板２の表面に下部電極５とは別の材料による層２ａや気孔率などが異なる層２ａが形成されている。多孔質基板２をこのような多層構造とすることによって、多孔質基板に要求される種々の機能、すなわち電極層や固体電解質層を形成する成膜機能、電極からの集電機能、インターコネクター機能にそれぞれ適した物性のものを使い分けることができ、発電出力を向上させることができる。
【００５７】
（実施例７）
図７は、本発明の第７の実施例に係わる燃料電池用セル板の製造工程を示す断面図である。
【００５８】
まず、金属微粒子焼結体（Ｎｉ−１６Ｃｒ−８Ｆｅ）を用いた厚み２ｍｍ、空孔径２５０μｍ、気孔率９２％である多孔質金属基板２の表面全体に、金属微粒子焼結体（Ｎｉ−１６Ｃｒ−８Ｆｅ）を用いた厚み５０μｍ、空孔径５μｍ、気孔率５０％である、表面層２ａを形成したのち、図７（ａ）に示すようにＮｉペーストを用いてパターニング印刷し、１０００℃にて焼成することによって、下部電極層４を形成した。
【００５９】
次いで、下部電極層４の上に、ガス不透過層３としてのアルミナをプラズマ溶射したのち、図７（ｂ）に示すように下部電極層４が現れるまで表面を研磨した。そして、図７（ｃ）に示すように、実施例１と同様に、スパッタ法によって下部電極層４を完全に覆うように固体電解質層５を分割パターンに成膜すると共に、さらにその上に、スパッタ法により上部電極層６を電解質層５の上に同様にパターン成膜することにより、図７（ｄ）に示すような燃料電池用セル板１が得られた。
【００６０】
（実施例８）
図８は、本発明の第８の実施例に係わる燃料電池用セル板の製造工程を示す断面図である。
【００６１】
まず、表面を鏡面研磨仕上げした石英板を仮基板７として使用し、当該仮基板１の上に、図８（ａ）に示すように固体電解質層５をパターニングして膜厚３μｍのスパッタ成膜した。なお、このときゾルゲル法によって成膜することも可能である。
【００６２】
一方、前記実施例１と同様の方法によってガス不透過層３を形成した多孔質基板２を用意し、図８（ｂ）に示すように、電解質層５を成膜した仮基板７に下部電極層４となるＮｉペースト８を介して対向させ、図８（ｃ）に示すように多孔質基板２のガス不透過層３が形成されていない部分にＮｉペースト８を埋め、この電極材ペースト８を接合層として仮基板７上の固体電解質層５を貼付したのち、１０００℃にて焼成した。
【００６３】
この焼成に伴って、図８（ｄ）に示すように、仮基板７が電解質層５との熱膨張差によって剥離する。このとき、仮基板７と固体電解質層５の間の密着力を低下させ、焼成時の剥離を容易にするために、有機系ポリマーなどからなる離型剤をあらかじめ塗布した仮基板１を使用することが望ましい。また、仮基板７を酸溶液に浸漬するなどして剥離を助長する離型剤をあらかじめ塗布しておくことも可能である。
【００６４】
そして、仮基板７を剥離させた固体電解質層５の上に、実施例１と同様に、電解質層４をはみ出さないようなパターンで上部電極層６を成膜することにより、図８（ｅ）に示すような燃料電池用セル板１が得られた。このようにして得られた燃料電池用セル板１においては、電解質層５が鏡面仕上げした仮基板７上に形成されているので緻密な薄膜とすることができるので、電解質のＩＲ抵抗による発電損失を低減することができる。
【００６５】
（実施例９）
図９は、本発明の第９の実施例に係わる燃料電池用セル板の構造を示す断面図であって、当該実施例に係わる燃料電池用セル板１は、電気伝導性を備えた多孔質基板２に、前記実施例４と同様に電気絶縁性のガス不透過層３ｄを形成したのち、下部電極層４、電解質層５および上部電極層６を積層し、さらに多孔質基板２の側面および裏面に電気伝導性ガス不透過層３ｅを形成したものである。当該燃料電池用セル板１においては、電気伝導性多孔質基板２がセル板内集終機能を担うと共に、多孔質基板２の側面および裏面の電気伝導性ガス不透過層３ｅがセル板間の電気接続機能を果たすことになる。
【００６６】
（実施例１０）
図１０は、前記実施例２と同様に作製した燃料電池用セル板１を積層したスタックの構造例を示す断面図であって、各多孔質基板２の側面および裏面にも同様の導電性ガス不透過層３を形成することによって、セル板間の電気的接続に利用するようにしている。
【００６７】
（実施例１１）
図１１は、前記実施例５と同様に、導電性ガス不透過層３の電解質層側に絶縁処理を施して絶縁層３ｃを形成した燃料電池用セル板１を用いて積層したスタックの構造例を示す断面図であって、各多孔質基板２の側面および裏面にも導電性ガス不透過層３が形成されており、このガス不透過層３がセル板内集電機能とセル板間の電気接続機能を果たすと共に、インターコネクター９がセル板間の電気接続機能を担っている。
【００６８】
【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、基板が電極を兼ねていないので電極層や電解質層との熱膨張係数差を考慮して基板材料の最適化を図ることができ、耐熱性、耐熱衝撃性の向上が可能になり、さらに電解質層が２次元的に複数に分割されて形成されているので、熱応力を分散させて電解質層の破損を効果的に防止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。
【００６９】
また、本発明に係わる燃料電池用セル板の製造方法は、多孔質基板にガス不透過層を形成する工程Ａと、下部電極層を形成する工程Ｂと、固体電解質層をパターニングして形成する工程Ｃと、上部電極層を形成する工程Ｄからなり、工程Ｂに先立って工程Ａを実施し、多孔質基板のガス不透過層が形成されていない部分に下部電極層をパターニングして形成したり、工程Ｂと工程Ｃの間に工程Ａを実施したり、あるいは工程Ｂと工程Ｃにおいて、ガス不透過層を形成した多孔質基板と仮基板上に形成された固体電解質層とを接合機能のある下部電極層材料で貼り合わせる工程と、前記仮基板を固体電解質層から除去する工程によって下部電極層および固体電解質層を形成したりするようにしているので、本発明に係わる燃料電池用セル板を効率よく高品質に製造することができるという極めて優れた効果をもたらすものである。
【００７０】
そして、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を用いたものであるから、耐熱性および対熱衝撃性に優れ、燃料電池の起動や停止に要する時間を短縮することができるという優れた効果がもたらされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）ないし（ｅ）は本発明の第１の実施例に係わる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２】（ａ）ないし（ｄ）は本発明の第２の実施例に係わる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】焼成時に電解質層にクラックを発生させて電解質層を分割した本発明の第３の実施例に係わる燃料電池用セル板の構造を示す断面図および平面図である。
【図４】絶縁性ガス不透過層を用いた本発明の第４の実施例に係わる燃料電池用セル板の構造を示す断面図である。
【図５】表面が絶縁処理された金属からなるガス不透過層を用いた本発明の第５の実施例に係わる燃料電池用セル板の構造を示す断面図である。
【図６】２層構造の多孔質基板を用いた本発明の第６の実施例に係わる燃料電池用セル板の構造を示す断面図である。
【図７】（ａ）ないし（ｄ）は本発明の第７の実施例に係わる燃料電池用セル板の製造工程を順次説明する断面図である。
【図８】（ａ）ないし（ｅ）は本発明の第８の実施例に係わる燃料電池用セル板の製造工程を順次説明する断面図である。
【図９】多孔質基板の側面および裏面にも電気伝導性ガス不透過層を形成した本発明の第９の実施例に係わる燃料電池用セル板の構造を示す断面図である。
【図１０】本発明に係わる燃料電池用セル板を用いたスタックの構造例を示す断面図である。
【図１１】本発明に係わる燃料電池用セル板を用いたスタックの他の構造例を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池用セル板
２ 多孔質基板
３ ガス不透過層
４ 下部電極層
５ 固体電解質層
６ 上部電極層
７ 仮基板
【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、さらに詳しくは多孔質基板上に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燃料電池用セル板の製造方法、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】
【従来の技術】
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。これら燃料電池のうち、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、その両面に多孔質電極を取付け、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、他方の側に空気や酸素といった酸化性ガスを供給する形式の燃料電池であり、一般的に約１０００℃で動作するものである。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
このような燃料電池の構造例として、特開平５−３６４１７号および特開平９−５０８１２号公報には、どちらか一方の電極材料、例えば空気極材料からなる板状かつ中空状の基板上に、固体電解質層と、他方の電極である燃料電極を形成した構造、すなわち電解質膜を支持する基板と一方の電極とを兼ねた構造のものが開示されている。また、Ｅｕｒｏｐｅａｎ ＳＯＦＣ Ｆｏｒｕｍ（２０００年発行）の第２３１〜２４０頁には、多孔質金属基板上に、発電三層（第１電極層／固体電解質層／第２電極層）をプラズマ溶射法によって形成することが記載されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記特開平５−３６４１７号公報に記載されているように、一方の電極を兼ねた基板上に電解質層、さらにその上に他方の電極を形成する場合、基板材料には、基板としての機能と電極としての機能の両方が求められることになる。すなわち、
（１）セル板の強度保持：高温での耐熱強度が必要であり、気孔率が小さい方が好ましい、
（２）電極反応場の形成：反応場の表面積を大きくする観点から、適度な気孔率が必要、
（３）発電電流の集電：電気抵抗を小さくするため、気孔率が小さい方が好ましい、
（４）ガスの拡散：電極反応場へ供給する酸化性ガスあるいは燃料ガス量を増加させる観点から、気孔率が大きい方が好ましい、
（５）電解質層の形成：より薄くかつ緻密な電解質層を形成する観点から、気孔率が小さく、平面性の高い面であることが好ましい、
ことになり、これら全ての機能を十分に発揮する気孔率の電極板を得ることは極めて困難である。
【０００７】
また、特開平９−５０８１２号公報には、上記（１）〜（５）の機能の向上を図るために、電極基板を気孔率の異なる層からなる３層構造とすることが記載されているが、このような密度の異なる層を一体焼成するには製造条件の制御が難しく、生産歩留まりが悪いという問題がある。さらに、多孔質金属基板上に、発電三層をプラズマ溶射によって形成したものにおいては、一般に強度および電気伝導性が高い金属材料を用いることから、上記機能（４）に適した大きな気孔率とすることによって、（１）および（３）の条件をも満足させることができ、発電性能を向上させることができるが、基板材料と電極材料あるいは電解質材料との熱膨張率の差に起因する剥離や破損が生じ易く、耐熱衝撃性に劣るという問題点があり、これら問題点の解消が従来の固体電解質型燃料電池における課題となっていた。
【０００８】
【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、基板上に形成された固体電解質層の剥離や破損を効果的に防止することができ、耐熱性および耐熱衝撃性に優れた燃料電池用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。
【０００９】
【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、多孔質基板上に下部電極層と固体電解質層と上部電極層を積層してなる固体電解質型燃料電池のセル板において、少なくとも固体電解質層が積層方向と略直交する方向に２次元的に複数に分割して形成されており、当該電解質層が形成されていない領域がガス不透過層で被覆されている構成とし、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。
【００１０】
本発明に係わる燃料電池用セル板の好適形態としては、ガス不透過層の上面と下部電極層の上面が略同一平面上にある構成、ガス不透過層の上面と固体電解質層の上面が略同一平面上にある構成、ガス不透過層の下面と固体電解質層の下面が略同一平面上にあって、固体電解質層の上面がガス不透過層の上に張り出している構成とすることができ、他の好適形態としては、前記多孔質基板が電気絶縁性を有し、ガス不透過層が電気伝導性を有している構成、前記多孔質基板が電気伝導性を有し、ガス不透過層の少なくとも固体電解質層が形成された面が電気絶縁性を有している構成、前記多孔質基板およびガス不透過層が共に金属である構成、前記ガス不透過層の少なくとも固体電解質層が形成された面が金属層と電気絶縁層の２層構造をなしている構成、そして前記多孔質基板が気孔率の異なる２以上の層からなる多層構造をなしている構成、さらには前記多孔質基板の表面層が下部電極層を兼ねている構成とすることができる。
【００１１】
本発明に係わる燃料電池用セル板の製造方法は、上記燃料電池用セル板の製造に好適なものであって、多孔質基板にガス不透過層を形成する工程Ａと、下部電極層を形成する工程Ｂと、固体電解質層をパターニングして形成する工程Ｃと、上部電極層を形成する工程Ｄからなり、工程Ｂに先立って工程Ａを実施し、多孔質基板のガス不透過層が形成されていない部分に下部電極層をパターニングして形成する構成、あるいは工程Ｂと工程Ｃの間に工程Ａを実施する構成としたことを特徴としており、燃料電池用セル板の製造方法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。
【００１２】
また、上記燃料電池用セル板の製造方法における好適形態としては、前記工程Ｂが膜形成工程と、形成された膜の表面研磨工程からなる構成、さらには前記工程Ｂが複数の膜形成工程からなる構成としたことを特徴といている。
【００１３】
本発明の他の請求項に係わる燃料電池用セル板の製造方法は、多孔質基板にガス不透過層を形成する工程Ａと、下部電極層を形成する工程Ｂと、固体電解質層をパターニングして形成する工程Ｃと、上部電極層を形成する工程Ｄからなり、工程Ｂと工程Ｃがガス不透過層を形成した多孔質基板と、仮基板上に形成された固体電解質層を接合機能を有する下部電極層材料で貼り合わせる工程と、前記仮基板を固体電解質層から除去する工程からなる構成としたことを特徴としている。
【００１４】
そして、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、多孔質基板上に下部電極層と固体電解質層と上部電極層が積層されていると共に、少なくとも固体電解質層が２次元的に複数に分割された状態に形成され、この電解質層が形成されていない領域がガス不透過層で被覆された構造のものであって、基板が電極を兼ねることなく別体のものであるから、電極層や電解質層との熱膨張係数差を考慮して材料の最適化を図ることができ、耐熱性、耐熱衝撃性が向上することになる。また、電解質層が２次元的に、すなわち平面上の異なる方向に複数に分割されているので、ガス隔壁である電解質層の破損が効果的に防止されることになる。
【００１６】
このとき、上記多孔質基板の材料としては、ガス流路として機能する気孔率を有する多孔質材料であれば特に限定されることはなく、例えば、アルミナ、チタニア、ジルコニア、コージェライト、石膏などの多孔質体や、ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４繊維の不織布などを使用することができる。また、Ｌａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３（ＬＳＭ）、Ｌａ１−ｘＳｒｘＣｏＯ３（ＬＳＣ）、Ｎｉ、ステンレス鋼などのような電極材料の焼結体を使用することもでき、下部電極層や固体電解質層と熱膨張係数が近い材料を選択することができる。
【００１７】
また、ガス不透過層としては、燃料ガスや空気をシールする機能が要求され、ガラスやセラミックスなどの電気絶縁性材料、電気伝導性を備えた金属材料や酸化物材料をも使用することができる。さらに、例えば表面に電気絶縁処理を施した金属材料など、２層構造とすることもできる。
【００１８】
上部あるいは下部電極層の材料については、燃料極材料として、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、空気極材料としては、例えば、Ｌａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３、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、燃料極、空気極共に、上記材料のみに限定されるものではない。
【００１９】
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、Ｂｉ２Ｏ３、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。
【００２０】
固体電解質層は、１枚の基板上に複数、すなわち２個以上に分割された状態に形成されており、丸型、四角形、多角形など種々の形状に形成することができる。この固体電解質層の分割は、ガス流路の形成を目的とするものではなく、耐熱衝撃性の向上を目的とするものであるからして、隣接する電解質層との間隔は、出力密度が向上することから、狭い方が望ましい。したがって、当該電解質層は、パターニングして形成することもできるし、全面に形成した後に、所定の位置にクラックを生じさせることによって分割することもできる。例えば、後述する図３に示すようなエッジ形状や熱膨張率差を制御し、ガス不透過層を形成した基板を用い、スパッタ法や溶射法などの乾式成膜方法で電解質層を形成した後、熱処理によって所定の位置にクラックを入れることができる。
【００２１】
本発明に係わる燃料電池用セル板においては、ガス不透過層の上面と下部電極層の上面とが略同一平面をなすようにすることができ、これによってガス不透過層と下部電極層からなる面の段差が少ないものとなり、段差の少ない平滑な面上に固体電解質層が成膜されることになるので、緻密な電解質層が得られる条件を選択して成膜することができるようになることから、電解質層を薄くすることができ、ガスの漏れが防止されて、発電損失を低減させることができる。
【００２２】
また、ガス不透過層の上面と固体電解質層の上面とが略同一平面をなすようにすることによって、印刷やペースト塗布法、溶射法などを使用して簡単に精度よくパターニングした電解質層を形成することができ、量産性および耐久性に優れたものとなる。このとき、固体電解質の上層にさらに電解質層を形成することもでき、ガス不透過層の下面と固体電解質層の下面とが略同一平面をなすようにし、かつ固体電解質層の上面がガス不透過層上に張り出すものとすることによって、ガス不透過層が電気伝導性に場合、量産性に優れると共に、上部電極と下部電極の間の電気リークが確実に防止されるようになる。
【００２３】
本発明に係わる燃料電池用セル板においては、前記多孔質基板が電気絶縁性を有し、ガス不透過層が電気伝導性を有するものとすることができる。この場合、ガス不透過層がセル板内の集電機能を担うこととなり、集電する電解質面積が小さいため、ガス供給量が増加する一方、集電の際の電気抵抗を増大させることなく、気孔率の高い電極層を形成することができ、発電出力が向上することになる。
【００２４】
このとき、前記ガス不透過層は、電解質層が形成されている面だけでなく、多孔質基板の側面や裏面側にも形成することができ、これによって当該セル板をスタックに積層する場合に、基板の側面や裏面に形成された導電性ガス不透過層を利用してセル板間の電気接続ができるようになり、スタック構造が簡単なものになると共に、電気的な接続損失が低減して発電出力が向上することになる。さらに、表面と側面・裏面に形成したガス不透過層の材料を同一材料で形成することにより、ガスシール性を向上させることができ、発電出力がさらに向上することになる。
【００２５】
さらに、本発明に係わる燃料電池用セル板においては、多孔質基板が電気伝導性を有し、ガス不透過層の少なくとも固体電解質層が形成された面が電気絶縁性を有しているものとすることができる。この場合、多孔質基板がセル板内の集電機能を担うこととなり、一般に、上部電極層は気孔率が高いため、パターニングして形成しなくても熱衝撃を緩和することができるので、工程が簡略化されることになる。
【００２６】
また、多孔質基板およびガス不透過層を共に金属とすることもでき、これにより多孔質基板とガス不透過層の接合部の耐久性が向上することになる。このとき、例えば金属性多孔質基板の表面に溶射法や熱酸化法によって絶縁層を形成したり、電気絶縁性箔の下層に金属膜を成膜したり、溶着したりすることによって、ガス不透過層の少なくとも固体電解質層が形成された面を金属層と電気絶縁層の２層構造とすることができる。これによりガス不透過層の金属層が集電機能を果たすと共に、上部電極をパターニングして形成する必要がないので、工程が簡略化される。
【００２７】
ガス不透過層は、前述のように、電解質層が形成されている面だけでなく、多孔質基板の側面や裏面側にも形成することができ、このとき、例えば多孔質基板の電解質層形成面を電気絶縁性材料とし、多孔質基板の側面や裏面を金属箔にするなど材質を変えることも可能である。これによって当該セル板をスタックに積層する場合に、基板の側面や裏面に形成された導電性ガス不透過層を利用してセル板間の電気接続ができるようになり、電気的な接続損失を低減させて発電出力を向上させることができると共に、スタック構造が簡単なものになる。
【００２８】
本発明に係わる燃料電池用セル板においては、また、多孔質基板を気孔率の異なる層からなる多層構造とすることもでき、ガス流路としての多孔質基板と、成膜基板としての表面層を分離することによって、つまり、電極層に次いで電解質層が形成される表面層は、基板としての成膜機能を優先した気孔径、気孔率の小さい層とし、当該表面層以外の部分については、ガス拡散機能を優先した気孔径、気孔率の大きい層とすることにより、ガス供給量を損なうことなく、品質の良好な電極層および固体電解質層を形成することができるようになり、発電出力が向上することになる。
【００２９】
そして、本発明に係わる燃料電池用セル板においては、前記多孔質基板の表面層が下部電極層を兼ねるようになすことができ、これによって上部電極をパターニングして成膜する必要がなくなり、また、スタックとして積層した場合のセル板間の電気接続を取るのが容易なものとなる。このとき、下部電極層を兼ねる基板表面層としては、空気極の場合には、公知のＬＳＭ、ＬＳＣ、Ａｇなど、燃料極の場合には、公知のＮｉサーメットなどを用いることができる。
【００３０】
本発明に係わる燃料電池用セル板の製造方法は、多孔質基板にガス不透過層を形成する工程Ａと、下部電極層を形成する工程Ｂと、固体電解質層をパターニングして形成する工程Ｃと、上部電極層を形成する工程Ｄからなるものであって、工程Ｂに先立って工程Ａを実施し、多孔質基板のガス不透過層が形成されていない部分に下部電極層をパターニングして形成したり、工程Ｂと工程Ｃの間に工程Ａを実施したりするようにしているので、固体電解質層がパターニングによって小さな面積に分割されて形成されていることから、薄板の焼結体を形成することができ、本発明に係わる上記燃料電池用セル板を高い生産性のもとに量産することができる。
【００３１】
このとき、多孔質基板にガス不透過層を形成する工程Ａにおいては、ガラス薄板や金属箔などを接合剤で貼る方法や、金属箔を拡散接合法や溶接法によって直接接合する方法、溶射法などの乾式成膜方法によって成膜する方法、ペースト塗布焼成法、ゾルゲル法などの湿式成膜方法などを採用することができる。また、下部電極層、固体電解質層および上部電極層を形成する工程Ｂ、ＣおよびＤにおいては、スパッタ法、蒸着法、イオンプレーティング法、レーザーアブレーション法などのＰＶＤ法、溶射法、ペースト塗布法、ゾルゲル法などの成膜方法を採用することができる。さらに、工程ＢおよびＣにおいて、電解質焼結体薄板を下部電極剤を含有するペーストにより貼付し、加熱焼き付けによって下部電極層および固体電解質層を形成することも可能である。
【００３２】
上記製造方法においては、工程Ｂにおいて下部電極層を形成するに際して、下部電極層を成膜する膜形成工程と、成膜された下部電極層を研磨する表面研磨工程とによって行うことができ、これによって、微細なパターニングは難しいが、量産性に優れる溶射法を採用して、歩留まりよくパターニングして成膜することができるようになり、生産性が向上すると共に、耐熱衝撃性が向上することになる。
【００３３】
このとき、例えば溶射法による成膜後にスパッタ法によって成膜したり、ペースト塗布焼成法による成膜後にイオンプレーティング法によって成膜したりするなど、下部電極層を形成する工程Ｂを複数の膜形成工程からなるものとすることができる。
【００３４】
本発明の他の請求項に係わる燃料電池用セル板の製造方法においては、上記各工程のうちの工程Ｂと工程Ｃにおいて、ガス不透過層を形成した多孔質基板と、仮基板上に形成された固体電解質層を接合機能を有する下部電極層材料で貼り合わせる工程と、前記仮基板を固体電解質層から除去する工程とによって下部電極層および固体電解質層を形成するようになすことができ、平滑性に優れた仮基板を用いることによって、その上に形成される固体電解質層の薄膜化および緻密化が可能になり、電解質の内部抵抗による発電損失が低減することになる。
【００３５】
このとき、上記の仮基板としては、緻密かつ薄膜の電解質層を形成するに適した表面平滑性を有するものの使用が望ましく、例えばガラス板、セラミックス板などを使用することができる。なお、固体電解質層を下部電極層材料で貼り合わせたのち、仮基板を除去するに際しては、酸やアルカリなどによるエッチング処理や、熱処理によって電解質層と仮基板界面とを剥離させることができる。また、仮基板上に電解質層を形成した後、さらに下部電極材接着層との接着性を向上させる目的で、あるいは界面反応抵抗を低減させる目的などから、下部電極材を含む層を成膜するなどの表面処理を行うこともできる。
【００３６】
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。
【００３７】
【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、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。
【００３８】
（実施例１）
図１は、本発明の第１の実施例に係わる燃料電池用セル板の製造工程を示す断面図および平面図である。
【００３９】
まず、図１（ａ）に示すように、公知のＳＵＳ材（ステンレス鋼）からなり、厚さ２ｍｍ、気孔率７０％、平均気孔径５μｍの多孔質金属基板２の上に、ガス不透過層３として厚さ１０μｍのＮｉ箔を公知のＮｉ基ろう材ペーストを用いてろう付けした。なお、当該Ｎｉ箔には、直径４ｍｍの孔３ａがあらかじめ形成してある。
【００４０】
次いで、図１（ｂ）に示すように、多孔質基板２上にろう付けされたガス不透過層３の上に、下部電極層４としてのＮｉ層をプラズマ溶射法によって５０μｍの厚さに形成した。
【００４１】
次に、上記下部電極層４としてのＮｉ層の表面を、図１（ｃ）に示すように、ガス不透過層３のパターンが現れるまで研磨した。このときの研磨面の表面粗さは鏡面仕上げとした。
【００４２】
そして、研磨によってほぼ同一平面となったガス不透過層３と下部電極層４の上面に、図１（ｄ）に示すように、固体電解質層５としてＹＳＺ（イットリア部分安定化ジルコニア）をスパッタ法によって分割したパターンに成膜し、下部電極層４を完全に覆うようにした。なお、このときの電解質層５の膜厚は３μｍとした。
【００４３】
最後に、図１（ｅ）に示すように、ＬＳＭをスパッタ法によって電解質層５からはみ出さないパターンで膜厚５μｍに成膜して上部電極層６とし、燃料電池用セル板１を得た。これによって、多孔質基板２の上に膜厚が３μｍと薄く、ガス隔壁として働き、ＩＲ抵抗の小さい緻密な固体電解質層５を備えたセルを製造できることが確認された。
【００４４】
そして、このようにして得られた燃料電池用セル板１をセル板評価装置に組み込み、上部電極６の側に空気を、多孔質基板２の側に水素ガスを導入し、７００℃において発電出力を測定したところ、０．２Ｗ／ｃｍ２の出力が得られた。また、上記セル板評価装置内で発電出力をモニターしながら、セル板温度を７００℃〜２００℃の温度範囲で、２００℃／Ｈｒの昇降温を繰り返すことによって耐熱衝撃性を評価した。その結果、１０回の昇降温に対しても出力の低下は全く認められなかった。
【００４５】
（実施例２）
図２は、本発明の第２の実施例に係わる燃料電池用セル板の製造工程を示す断面図および平面図である。
【００４６】
まず、図２（ａ）に示すように、公知のジルコニアからなり、厚さ２ｍｍ、気孔率４０％、平均気孔径２μｍの多孔質基板２の表面全面に、下部電極層４としてＬＳＭを厚さ３０μｍにプラズマ溶射法を用いて形成した。そして、その上にガス不透過層３としてのＮｉ箔を公知のＴｉ添加Ｎｉ基ろう材ペーストを用いてろう付けした。なお、当該Ｎｉ箔には、直径１０ｍｍの孔３ａがあらかじめ形成してある。
【００４７】
次いで、図２（ｂ）に示すように、下部電極層４の上にろう付けされたガス不透過層３の上から、平均粒径０．５μｍのセリア系材料およびガラスフリットを含むペーストを塗布した後、１０００℃で焼成することによって固体電解質層５を形成した。
【００４８】
次に、上記固体電解質層５の表面を、図２（ｃ）に示すように、ガス不透過層３が現れるように研磨した。このときの表面粗さを▽▽仕上げとした。
【００４９】
そして、研磨によってほぼ同一平面となったガス不透過層３と電解質層５の上面に、図２（ｄ）に示すように、Ｎｉ層を電解質層５からはみ出さないパターンで、スパッタ法によって膜厚１０μｍに成膜して上部電極層６とし、燃料電池用セル板１を得た。
【００５０】
（実施例３）
図３は、本発明の第３の実施例に係わる燃料電池用セル板の構造を示す断面図および平面図である。
【００５１】
当該実施例においては、前記実施例２と同様に、まず、多孔質基板２の表面全面に下部電極層４を形成する。そして、その上にガス不透過層３を同様に形成するに際して、当該ガス不透過層３の断面形状を鋭角のものとすることによって、後述する電解質層５の焼成工程において電解質層５に所望の位置でクラックを発生させ、電解質層５を分割するようにしている。
【００５２】
すなわち、鋭角断面の隔壁３ｂを備えたガス不透過層３を下部電極層４の上に形成したのち、当該ガス不透過層３の上から固体電解質層５ａを上記実施例２と同様に形成し、これによって、ガス不透過層３と電解質層５ａの下面が略同一平面となる。そして、ガス不透過層３上に形成された電解質層５ａの表面をガス不透過層３が現れるまで研磨し、ほぼ同一平面となったガス不透過層３と電解質層５ａの上面に、電解質層５ｂをガス不透過層３の上にはみ出すように形成したのち、１０００℃で焼成することによって、当該電解質層５ｂにクラックＣを発生させて、電解質層５ｂを分割することができる。この後、クラックＣによって分割された電解質層５ｂからはみ出さないパターンで、上部電極層６を成膜することにより燃料電池用セル板１が得られる。
【００５３】
このようにして得られた燃料電池用セル板１においては、電解質層５がガス不透過層３の上に張り出しているので、上部電極６と下部電極４の電気リークを確実に防止することができる。
【００５４】
（実施例４）
図４は、本発明の第４の実施例に係わる燃料電池用セル板の構造を示す断面図であって、当該実施例に係わる燃料電池用セル板１は、多孔質基板２に、ガラス薄板を貼付したり、アルミナなどのセラミックスを溶射したりすることによって、電気絶縁性のガス不透過層３を形成したのち、上記実施例１と同様に下部電極層４および固体電解質層５を形成したものであり、上部電極層６の形成に際してパターニングする必要がなく、当該上部電極層層５の気孔率が特に低い場合を除いて耐熱衝撃性の向上効果が十分に得られ、製造工程を簡略化することができる。
【００５５】
（実施例５）
図５は、本発明の第５の実施例に係わる燃料電池用セル板の構造を示す断面図であって、当該実施例に係わる燃料電池用セル板１は、多孔質金属基板２に、導電性のガス不透過層３として金属箔を貼付したのち、絶縁層３ｃを成膜したり、酸化性雰囲気で焼成して酸化層を形成して絶縁層３ｃとしたりすることによって、少なくとも上部電極６と接触する表面を絶縁処理したものであって、このような構造の用セル板１においては、ガス不透過層３としての金属箔が集電機能を果たす一方、上記実施例４の場合と同様に、上部電極層６をパターニングする必要がないので、製造工程の簡略化が可能になる。
【００５６】
（実施例６）
図６は、本発明の第６の実施例に係わる燃料電池用セル板の構造を示す断面図であって、当該実施例に係わる燃料電池用セル板１においては、多孔質基板２の表面に下部電極５とは別の材料による層２ａや気孔率などが異なる層２ａが形成されている。多孔質基板２をこのような多層構造とすることによって、多孔質基板に要求される種々の機能、すなわち電極層や固体電解質層を形成する成膜機能、電極からの集電機能、インターコネクター機能にそれぞれ適した物性のものを使い分けることができ、発電出力を向上させることができる。
【００５７】
（実施例７）
図７は、本発明の第７の実施例に係わる燃料電池用セル板の製造工程を示す断面図である。
【００５８】
まず、金属微粒子焼結体（Ｎｉ−１６Ｃｒ−８Ｆｅ）を用いた厚み２ｍｍ、空孔径２５０μｍ、気孔率９２％である多孔質金属基板２の表面全体に、金属微粒子焼結体（Ｎｉ−１６Ｃｒ−８Ｆｅ）を用いた厚み５０μｍ、空孔径５μｍ、気孔率５０％である、表面層２ａを形成したのち、図７（ａ）に示すようにＮｉペーストを用いてパターニング印刷し、１０００℃にて焼成することによって、下部電極層４を形成した。
【００５９】
次いで、下部電極層４の上に、ガス不透過層３としてのアルミナをプラズマ溶射したのち、図７（ｂ）に示すように下部電極層４が現れるまで表面を研磨した。そして、図７（ｃ）に示すように、実施例１と同様に、スパッタ法によって下部電極層４を完全に覆うように固体電解質層５を分割パターンに成膜すると共に、さらにその上に、スパッタ法により上部電極層６を電解質層５の上に同様にパターン成膜することにより、図７（ｄ）に示すような燃料電池用セル板１が得られた。
【００６０】
（実施例８）
図８は、本発明の第８の実施例に係わる燃料電池用セル板の製造工程を示す断面図である。
【００６１】
まず、表面を鏡面研磨仕上げした石英板を仮基板７として使用し、当該仮基板１の上に、図８（ａ）に示すように固体電解質層５をパターニングして膜厚３μｍのスパッタ成膜した。なお、このときゾルゲル法によって成膜することも可能である。
【００６２】
一方、前記実施例１と同様の方法によってガス不透過層３を形成した多孔質基板２を用意し、図８（ｂ）に示すように、電解質層５を成膜した仮基板７に下部電極層４となるＮｉペースト８を介して対向させ、図８（ｃ）に示すように多孔質基板２のガス不透過層３が形成されていない部分にＮｉペースト８を埋め、この電極材ペースト８を接合層として仮基板７上の固体電解質層５を貼付したのち、１０００℃にて焼成した。
【００６３】
この焼成に伴って、図８（ｄ）に示すように、仮基板７が電解質層５との熱膨張差によって剥離する。このとき、仮基板７と固体電解質層５の間の密着力を低下させ、焼成時の剥離を容易にするために、有機系ポリマーなどからなる離型剤をあらかじめ塗布した仮基板１を使用することが望ましい。また、仮基板７を酸溶液に浸漬するなどして剥離を助長する離型剤をあらかじめ塗布しておくことも可能である。
【００６４】
そして、仮基板７を剥離させた固体電解質層５の上に、実施例１と同様に、電解質層４をはみ出さないようなパターンで上部電極層６を成膜することにより、図８（ｅ）に示すような燃料電池用セル板１が得られた。このようにして得られた燃料電池用セル板１においては、電解質層５が鏡面仕上げした仮基板７上に形成されているので緻密な薄膜とすることができるので、電解質のＩＲ抵抗による発電損失を低減することができる。
【００６５】
（実施例９）
図９は、本発明の第９の実施例に係わる燃料電池用セル板の構造を示す断面図であって、当該実施例に係わる燃料電池用セル板１は、電気伝導性を備えた多孔質基板２に、前記実施例４と同様に電気絶縁性のガス不透過層３ｄを形成したのち、下部電極層４、電解質層５および上部電極層６を積層し、さらに多孔質基板２の側面および裏面に電気伝導性ガス不透過層３ｅを形成したものである。当該燃料電池用セル板１においては、電気伝導性多孔質基板２がセル板内集終機能を担うと共に、多孔質基板２の側面および裏面の電気伝導性ガス不透過層３ｅがセル板間の電気接続機能を果たすことになる。
【００６６】
（実施例１０）
図１０は、前記実施例２と同様に作製した燃料電池用セル板１を積層したスタックの構造例を示す断面図であって、各多孔質基板２の側面および裏面にも同様の導電性ガス不透過層３を形成することによって、セル板間の電気的接続に利用するようにしている。
【００６７】
（実施例１１）
図１１は、前記実施例５と同様に、導電性ガス不透過層３の電解質層側に絶縁処理を施して絶縁層３ｃを形成した燃料電池用セル板１を用いて積層したスタックの構造例を示す断面図であって、各多孔質基板２の側面および裏面にも導電性ガス不透過層３が形成されており、このガス不透過層３がセル板内集電機能とセル板間の電気接続機能を果たすと共に、インターコネクター９がセル板間の電気接続機能を担っている。
【００６８】
【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、基板が電極を兼ねていないので電極層や電解質層との熱膨張係数差を考慮して基板材料の最適化を図ることができ、耐熱性、耐熱衝撃性の向上が可能になり、さらに電解質層が２次元的に複数に分割されて形成されているので、熱応力を分散させて電解質層の破損を効果的に防止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。
【００６９】
また、本発明に係わる燃料電池用セル板の製造方法は、多孔質基板にガス不透過層を形成する工程Ａと、下部電極層を形成する工程Ｂと、固体電解質層をパターニングして形成する工程Ｃと、上部電極層を形成する工程Ｄからなり、工程Ｂに先立って工程Ａを実施し、多孔質基板のガス不透過層が形成されていない部分に下部電極層をパターニングして形成したり、工程Ｂと工程Ｃの間に工程Ａを実施したり、あるいは工程Ｂと工程Ｃにおいて、ガス不透過層を形成した多孔質基板と仮基板上に形成された固体電解質層とを接合機能のある下部電極層材料で貼り合わせる工程と、前記仮基板を固体電解質層から除去する工程によって下部電極層および固体電解質層を形成したりするようにしているので、本発明に係わる燃料電池用セル板を効率よく高品質に製造することができるという極めて優れた効果をもたらすものである。
【００７０】
そして、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を用いたものであるから、耐熱性および対熱衝撃性に優れ、燃料電池の起動や停止に要する時間を短縮することができるという優れた効果がもたらされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）ないし（ｅ）は本発明の第１の実施例に係わる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２】（ａ）ないし（ｄ）は本発明の第２の実施例に係わる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】焼成時に電解質層にクラックを発生させて電解質層を分割した本発明の第３の実施例に係わる燃料電池用セル板の構造を示す断面図および平面図である。
【図４】絶縁性ガス不透過層を用いた本発明の第４の実施例に係わる燃料電池用セル板の構造を示す断面図である。
【図５】表面が絶縁処理された金属からなるガス不透過層を用いた本発明の第５の実施例に係わる燃料電池用セル板の構造を示す断面図である。
【図６】２層構造の多孔質基板を用いた本発明の第６の実施例に係わる燃料電池用セル板の構造を示す断面図である。
【図７】（ａ）ないし（ｄ）は本発明の第７の実施例に係わる燃料電池用セル板の製造工程を順次説明する断面図である。
【図８】（ａ）ないし（ｅ）は本発明の第８の実施例に係わる燃料電池用セル板の製造工程を順次説明する断面図である。
【図９】多孔質基板の側面および裏面にも電気伝導性ガス不透過層を形成した本発明の第９の実施例に係わる燃料電池用セル板の構造を示す断面図である。
【図１０】本発明に係わる燃料電池用セル板を用いたスタックの構造例を示す断面図である。
【図１１】本発明に係わる燃料電池用セル板を用いたスタックの他の構造例を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池用セル板
２ 多孔質基板
３ ガス不透過層
４ 下部電極層
５ 固体電解質層
６ 上部電極層
７ 仮基板
Claims (16)
- 多孔質基板上に下部電極層と固体電解質層と上部電極層を積層してなる固体電解質型燃料電池のセル板において、
少なくとも固体電解質層が積層方向と略直交する方向に２次元的に複数に分割して形成されており、当該電解質層が形成されていない領域がガス不透過層で被覆されていることを特徴とする燃料電池用セル板。 - ガス不透過層の上面と下部電極層の上面が略同一平面上にあることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用セル板。
- ガス不透過層の上面と固体電解質層の上面が略同一平面上にあることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用セル板。
- ガス不透過層の下面と固体電解質層の下面が略同一平面上にあって、固体電解質層の上面がガス不透過層の上に張り出し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。
- 多孔質基板が電気絶縁性を有し、ガス不透過層が電気伝導性を有していることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の燃料電池用セル板。
- 多孔質基板が電気伝導性を有し、ガス不透過層の少なくとも固体電解質層が形成された面が電気絶縁性を有していることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の燃料電池用セル板。
- 多孔質基板およびガス不透過層が共に金属であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の燃料電池用セル板。
- ガス不透過層の少なくとも固体電解質層が形成された面が金属層と電気絶縁層の２層構造をなしていることを特徴とする請求項７記載の燃料電池用セル板。
- 多孔質基板が気孔率の異なる２以上の層からなる多層構造をなしていることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の燃料電池用セル板。
- 多孔質基板の表面層が下部電極層を兼ねていることを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載の燃料電池用セル板。
- 請求項１ないし１０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、
多孔質基板にガス不透過層を形成する工程Ａと、
下部電極層を形成する工程Ｂと、
固体電解質層をパターニングして形成する工程Ｃと、
上部電極層を形成する工程Ｄからなり、
工程Ｂに先立って工程Ａを実施し、多孔質基板のガス不透過層が形成されていない部分に下部電極層をパターニングして形成することを特徴とする燃料電池用セル板の製造方法。 - 請求項１ないし１０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、
多孔質基板にガス不透過層を形成する工程Ａと、
下部電極層を形成する工程Ｂと、
固体電解質層をパターニングして形成する工程Ｃと、
上部電極層を形成する工程Ｄからなり、
工程Ｂと工程Ｃの間に工程Ａを実施することを特徴とする燃料電池用セル板の製造方法。 - 工程Ｂが膜形成工程と、形成された膜の表面研磨工程からなることを特徴とする請求項１１または１２記載の燃料電池用セル板の製造方法。
- 工程Ｂが複数の膜形成工程からなることを特徴とする請求項１２記載の燃料電池用セル板の製造方法。
- 請求項１ないし１０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、
多孔質基板にガス不透過層を形成する工程Ａと、
下部電極層を形成する工程Ｂと、
固体電解質層をパターニングして形成する工程Ｃと、
上部電極層を形成する工程Ｄからなり、
工程Ｂと工程Ｃがガス不透過層を形成した多孔質基板と、仮基板上に形成された固体電解質層を接合機能を有する下部電極層材料で貼り合わせる工程と、前記仮基板を固体電解質層から除去する工程からなることを特徴とする燃料電池用セル板の製造方法。 - 請求項１ないし１０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。
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