JP4026411B2 - 固体電解質型燃料電池セルおよびその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、とくに薄膜固体酸化物電解質を用い、電気化学反応により電気エネルギを得る固体電解質型燃料電池セルおよびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、高エネルギー変換が可能であり且つ炭酸ガスや窒素酸化物などの汚染物質を排出しないクリーンエネルギー源として、燃料電池（ＦＣ）が注目されている。燃料電池のなかでも、固体酸化物電解質型燃料電池（以下『ＳＯＦＣ』と略称）は、取扱いが容易なＨ_２やＣＯ、ＣＨ_３などのガス燃料を直接導入可能であることに加え、電極反応に伴う分極が小さいなど、他の方式に比べて大きな長所を有しており、産業や一般家庭、電気自動車システムなどへの普及に大きな弾みをつける技術革新が待望されている。
【０００３】
従来のＳＯＦＣは、焼結体から成る電解質の両面（表裏面）に燃料極と空気極を配置し、電解質を隔壁として燃料極側に水素や炭化水素などの燃料ガスを供給し、空気極側に空気または酸素ガスを供給する構成である（水田進・脇原将孝編著、固体電気化学、１０章（講談社サイエンティフィック社２００１年３月３０日発行））。また、電解質としては、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）が最も一般的な材料であるが、最近では、ＣｅＯ_２やＢｉ_２Ｏ_３あるいはＬａＧａＯ_３を母材とした電解質も検討されている。
【０００４】
従来のＳＯＦＣの製造方法としては、ＹＳＺ電解質を用いた例で説明すると、まず、所定のイットリア（Ｙ_２Ｏ_３）を含有するジルコニア（ＺｒＯ_２）微細粉末を粉末プレス法などで薄板状に成形する。次いで、成形体を電気炉により１０００℃以上で焼成してＹＳＺセラミックス薄板とした後、その両面に、燃料極および空気極として、Ｎｉ−ＹＳＺサーメットやストロンチウム混入型マンガン酸ランタン酸化物などの電極を順に形成する。
【０００５】
このようなＳＯＦＣの難点は、低導電率の電解質しか得られないこと、自立し且つ製造工程に充分耐え得る機械的強度を確保するために電解質の厚みを少なくとも０．１ｍｍ以上にしなければならないことである。
【０００６】
厚い電解質の抵抗成分を低減するためには、１０００℃以上に温度を上げて電解質の導電率を向上させる必要がある。しかし、このような高温に上げると、電極やセパレータなどの構成部材が急速に劣化するという問題がある。また、作動温度まで昇温させるのに時間がかかるので、例えば、電気自動車の動力源のように作動／停止を頻繁に繰り返す断続作動系には適さないという問題もある。言い換えると、セラミックスを用いた従来のＳＯＦＣは、発電効率を上げるために作動温度を高くすると電池の寿命が短くなり、発電開始に時間がかかるものとなっており、逆に、寿命や時間を重視して作動温度を低くすると、発電効率が低下するものとなっていた。
【０００７】
上記のセラミックス型ＳＯＦＣにおける問題を打開する方法としては、電解質の導電率の低さを薄さで補い、燃料電池の直列抵抗成分を低下させて低温で動作させようとする方法がある。この方法を徹底させたＳＯＦＣが薄膜固体酸化物電解質を用いた燃料電池（以下『ＴＦＳＯＦＣ』と略称）である。ここで、「薄膜」とは厚みが概ね５μｍ以下の薄い膜である。
【０００８】
このＴＦＳＯＦＣは、一例として、第６回ＳＯＦＣ国際シンポジウム（１９９９年１０月１７日〜１０月２２日、北米、ホノルル市開催）の議事録(Electrochemical Society Proceedings Volume 99-19, The Electrochemical Society, Inc.)の９３２〜９３７ページに紹介されているものがある。
【０００９】
図１４を用いてこのＴＦＳＯＦＣの構造を説明すると、表裏の主面を有する単結晶シリコン基板（以下『基板』とする）１０１において、図中で上側の第１主面には、厚さ０．２２μｍのＳｉ_３Ｎ_４膜から成る絶縁層１０２が形成してある。基板１０１には、同基板１０１および絶縁層１０２を貫く状態で方形の貫通窓１０３が形成してある。この貫通窓１０３は、図中で下側の第２主面側で０．１４〜１６ｍｍ^２の開口面積を有している。基板１０１の第１主面側には、貫通窓１０３を覆うように、厚さ０．５μｍのＮｉ電極である燃料極１０４と、厚さ約２．５μｍのイットリア安定化ジルコニウムから成る電解質１０５と、多孔性（＝密度の低い）で且つ厚さ０．８５μｍのＡｇ電極である空気極１０６を順に積層した「自立型陽極−電解質−陰極の３層構造体」が設けてある。
【００１０】
電解質１０５の燃料極１０４側の表層および空気極１０６側の表層には、電極／電解質界面での分極抵抗を緩和するために、非常に薄い（〜５０ｎｍ）Ｎｉ−ＹＳＺサーメット層およびＡｇ−ＹＳＺサーメット層が夫々形成してある（図示略）。また、少なくとも貫通窓１０３に露出する燃料極１０４の部分には、電解質１０５への酸素（または空気）の流入を促進し、且つ触媒（Ｎｉ）−電解質界面の面積増大を効果的に調節するために、フォトリソグラフィとウェットエッチングにより直径３〜５μｍの小孔が３μｍ間隔で形成してある。
【００１１】
上記議事録論文によれば、ＴＦＳＯＦＣの基板１０１の第１主面側に、酸化剤としてＡｒ希釈された２０％酸素を導き、第２主面側に、燃料としてＡｒ希釈された加湿４％水素を導いて昇温すると、２１４℃というきわめて低い温度で発電が観察され、３１６℃では出力密度３．８ｍＷ／ｃｍ^２が得られたと報告されている。このような室温に近い温度での発電は、セラミックス型ＳＯＦＣでは到底不可能であったため、セラミックス型ＳＯＦＣが抱えていた問題を解決し得る画期的な成果であった。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記したような薄膜固体酸化物電解質を用いた燃料電池（ＴＦＳＯＦＣ）にあっては、発電開始の低温化の可能性を示したが、従来のセラミックス型の固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）と比べると発電出力が極端に低いという問題点があり、実用に供するために特段の出力向上が求められていた。
【００１３】
【発明の目的】
本発明は、上記従来の状況に鑑みて成されたもので、電極構造を改良することにより、薄膜型固体酸化物電解質を用いた低温作動の燃料電池セルにおいても発電出力を高めることができる固体電解質型燃料電池セルを提供することを目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る固体電解質型燃料電池セルは、電解質を燃料極と空気極で挟持して成る３層構造体を備えた固体電解質型燃料電池セルにおいて、燃料極と空気極の少なくとも一方が、集電を行う集電電極として、電解質の表面が露出する開口部を形成するフレーム電極を備え、フレーム電極の開口部内に、ガスを分解する反応電極として、電解質の表面に多数形成した微細な粒状電極を備えている構成とし、上記構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。
【００１５】
また、本発明に係る固体電解質型燃料電池セルの製造方法は、単結晶固体電解質基板の第１主面に空気極および燃料極のいずれか一方の極の第１フレーム電極と第１粒状電極を形成する工程と、一方の極を形成した電解質の第１主面にエッチング保護膜を形成する工程と、電解質の第２主面に空気極および燃料極の他方の極の第２フレーム電極と第２粒状電極を形成する工程と、第１主面に形成したエッチング保護膜を除去する工程、を備えた構成としており、上記構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。
【００１６】
なお、本発明において、固体電解質型燃料電池セルは、燃料電池の最小の発電要素であって、このセルを複数配列したセル板、セル板とセパレータを交互に積層して成るスタック、さらにはスタックに燃料供給系や空気供給系等を具備して成る燃料電池に当然適用し得るものである。
【００１７】
【発明の作用】
固体電解質型燃料電池セル（ＳＯＦＣセル）においては、電解質、燃料極および空気極のそれぞれの電気抵抗と、燃料極および空気極の反応抵抗（＝過電圧）の和が内部抵抗を構成している。ＳＯＦＣセルの発電出力を向上させるのに有効な方法は、周知の通り内部抵抗を低減することである。
【００１８】
ここで、ＳＯＦＣセルの寿命を伸ばすために作動温度を低くすると、電解質の電気抵抗のみならず空気極と燃料極の反応抵抗も急増する。これに対して、薄膜固体酸化物電解質を用いた燃料電池セル（ＴＦＳＯＦＣセル）は、従来の場合、電解質を薄膜化してその電気抵抗を下げ、これにより内部抵抗を下げようとするものであった。上述したように、電解質の抵抗の低減（＝薄膜化）が図られ、作動温度の低温化の可能性を示すことには成功しているが、発電出力は期待したほど伸びていない。これは、燃料極と空気極の反応抵抗が依然大きいことに起因していると推察される。
【００１９】
そこで、本発明に係わる固体電解質型燃料電池セルでは、電極（燃料極および空気極）の反応抵抗を著しく軽減することにより内部抵抗を下げることで、発電出力を増大させるようにしており、とくに電極の反応抵抗が電池の内部抵抗を強く支配する低温作動のＴＦＳＯＦＣセルに適用すれば、発電出力を大幅に向上し得ることとなる。
【００２０】
以下に、本発明に係わる燃料電池セルによって燃料極と空気極の反応抵抗を低減できる理由を説明する。
【００２１】
電極の反応抵抗（＝過電圧）は「反応過電圧」と「濃度過電圧」が原因である。反応過電圧は、空気極にあっては、気相の酸素分子が解離し、続いて電極から電子を獲得して酸素イオンとなり、固体酸化物電解質に取り込まれるまでの一連の反応で発生する過電圧である。また、燃料極にあっては、気相の水素分子が解離し、固体酸化物電解質の酸素イオンを引き抜き、電極に電子を放出するまでに一連の反応で発生する過電圧である。いずれの電極の場合も、上記した一連の反応は、電解質と電極と気相が同時に接する三相界面とその近傍のせいぜい数ｎｍの範囲、すなわち反応場に局在して起こることが知られていて、三相界面の密度不足が反応過電圧の増大を招いている。
【００２２】
一方、濃度過電圧は、気相から反応場に向かって反応ガスの供給が追いつかないときや、Ｈ_２Ｏなどの生成物が三相界面から離脱しにくいときに、三相界面と気相の間の化学種の濃度差により生じる抵抗成分である。とくに電極のガス透過性の良し悪しは濃度過電圧の発生に重大な影響を与える。
【００２３】
以上の電極の反応抵抗（過電圧）の原因を考慮しながら、例えば従来の電極構造（図１４参照）を見てみると、図１５に貫通窓１０３における燃料極１０４の拡大断面図を示すように、燃料極１０４には直径３〜５μｍの小孔１０７が多数形成してあり、小孔１０７の底には電解質１０５の表面が覗いている。同図から明らかなように、従来のＴＦＳＯＦＣセルにおける燃料極１０４の三相界面は、Ｒ１，Ｒ２で示す小孔１０７の開口縁部だけであり、小孔１０７内における電解質１０５の表面の大部分は役に立たない領域（非反応場）として存在している。このような三相界面の希薄な電極構造が燃料極１０４の反応過電圧の低減を妨げている。
【００２４】
一方、空気極１０６は、電解質１０５へのガスの透過を可能にするために、低真空度で蒸着された多孔性（低密度）の電極膜となっている。ところが、多孔性の電極膜は、通常の電極蒸着膜と比べると抵抗率が数倍高く、電極の電気抵抗（＝内部抵抗の構成要素）の増大を防ぐためには、比較的厚い膜（例えば０．８μｍ）にする必要がある。しかし、厚い電極膜は、反応ガスや生成ガスの透過性を急速に低下させ、電極の濃度過電圧を高め、これらが内部抵抗を上昇させる原因となる。さらに、多孔性の電極膜は、高温に上げたり長期に作動させたりすると、緻密化してガスの通過性が低下するという問題もある。このように多孔性の電極膜は、本質的に不安定で、且つ過電圧を低下させにくいという欠点がある。
【００２５】
これに対して、本発明に係わる固体電解質型燃料電池セルでは、図１および図２に示すように、固体電解質１を燃料極２と空気極３で挟持して成る３層構造体を備え、燃料極２と空気極３が、ガスを分解する反応電極として、電解質１の表面に多数形成した微細な粒状電極２Ａ，３Ａを備えている。
【００２６】
なお、図示の燃料電池セルは、基板４を備えており、基板４に絶縁層５を設けるとともに貫通窓６を形成し、貫通窓６を閉塞する状態で上記の３層構造体を備えている。また、燃料極２と空気極３は、貫通窓６に対応する領域に、集電を行う集電電極として、電解質１の表面が露出する開口部７を形成する格子状のフレーム電極２Ｂ、３Ｂを備え、開口部７内に粒状電極２Ａ，３Ａが設けてある。
【００２７】
フレーム電極２Ｂ，３Ｂは、電気抵抗が低いとともに電解質１との密着性が高く、且つ供給されるガスや高熱に耐えられる材料であれば良い。フレーム電極２Ｂ，３Ｂの開口部７の大きさは数ｍｍ〜数μｍの寸法である。フレーム電極２Ｂ，３Ｂの主たる機能は粒状電極２Ａ，３Ａと電荷の授受を行うことと、夫々の極本体を介して発電出力を外部に送電することである。
【００２８】
粒状電極２Ａ，３Ａは、金属の蒸着や電着（めっき）において、その膜厚が非常に薄いとき、膜が連続とならず、ナノメートル寸法の粒が密集したような不連続構造（図２参照）となる電極膜のことである。フレーム電極２Ｂ，３Ｂの開口部７は小さくても数μｍの寸法であるのに対して、粒状電極２Ａ，３Ａの一個の寸法は数ｎｍと極めて小さく、両者は大きさで３桁の開きがある。図２に示す粒状電極２Ａの寸法および間隔は、説明を容易にするために、実際よりも２桁近く大きく描かれているが、実際には、無数ともいえる膨大な数の粒と間隙が形成されている。この微小な粒状電極２Ａ同士の間には電解質１が露出している。粒状電極２Ａ，３Ａの材料としては、電極反応に高い触媒活性を示す材料が適宜選ばれる。
【００２９】
すなわち、本発明に係わる固体電解質型燃料電池セルでは、各粒状電極２Ａ，３Ａの個々の周辺が三相界面を形成しているので、図１５に示した従来の電極構造と異なって、無数の三相界面（反応場）が存在することとなり、反応過電圧を大きく低減し得ることとなる。また、粒状電極２Ａ，３Ａの先端部は気相に向かって大きく開放されているので、反応ガスの飛来ならびに生成ガスの放出を遮ることがなく、従来の電極構造に比べて、電極の濃度過電圧を極めて効果的に低減し得ることとなる。さらに、粒状電極２Ａ，３Ａは上述のように極端に薄いので、過熱しても、また、長期に作動させても高密度化することなく安定である。
【００３０】
そして、粒状電極２Ａ，３Ａ同士の間隔あるいは粒状電極２Ａ，３Ａとフレーム電極２Ｂ，３Ｂとの間隔は数ｎｍ以下であるから、直接トンネリングあるいは電解質１の表面を経由した電導により、電極反応に参画する電子の受け渡しが自由にでき、粒状電極２Ａ，３Ａの反応で生成した電力は、低抵抗のフレーム電極２Ｂ，３Ｂに集められて効率的に外部回路（負荷）に供給される。
【００３１】
【発明の効果】
本発明に係わる固体電解質型燃料電池セルによれば、電極の反応抵抗すなわち反応過電圧と濃度過電圧の両方を著しく低減することができ、これにより電池の内部抵抗を減少させることができると共に、発電出力を高めることができ、薄膜固体酸化物電解質を用いた燃料電池セルにおいても高い発電出力を実現することができる。
【００３２】
また、本発明に係わる固体電解質型燃料電池セルの製造方法によれば、電極の反応抵抗すなわち反応過電圧と濃度過電圧の両方を著しく低減し得る電極構造を得ることができ、これにより電池の内部抵抗が少なくて発電出力の高い固体電解質型燃料電池セルを得ることができ、薄膜固体酸化物電解質を用いた燃料電池セルにおいても発電出力の向上を図ることができる。
【００３３】
【実施例】
（実施例１）
この実施例の固体電解質型燃料電池セルは、従来の薄膜固体酸化物電解質を用いた燃料電池（ＴＦＳＯＦＣ：図１４参照）に対して発電特性を改善した例である。
【００３４】
図１に示す燃料電池セルは、薄膜酸化固体電解質を用いたものであって、平面状の領域において、基本セル構造部分Ｃ、燃料極の取出し部分Ｂ、空気極の取出し部分Ｔに大別される。なお、図１には１つの基本セル構造Ｃしか示していないが、実際には、大きな出力を得るために基本セル構造Ｃを図面の左右方向および垂直方向に複数配列してセル板を構成し、さらには、複数のセル板と複数のセパレータを交互に積層してスタックを構成する。
【００３５】
上記燃料電池セルは、表裏に第１および第２の主面を有する（１００）単結晶シリコン基板（以下『基板』とする）４を備えている。第１および第２の主面は、いずれもミラー研磨されたきわめて平滑な表面を有している。図１で上側である第１主面には、厚さ２５０ｎｍの緻密なＳｉ_３Ｎ_４（窒化シリコン）膜から成る絶縁層５が形成してある。また、基板４には、絶縁層８とともに厚さ方向に貫通する状態で方形の貫通窓６が形成してある。貫通窓６は、例えば、第１主面側で２ｍｍ×２ｍｍの開口面積を有している。この貫通窓６の形態は方形に限定されるものではなく、例えば円や長方形、あるいは六角形などでもよい。
【００３６】
基板１の第１主面には、貫通窓６を閉塞する状態で、薄い燃料極２と、薄膜固体酸化物電解質として例えば厚さ約２．５μｍのイットリア安定化ジルコニウム膜から成る電解質１と、薄い空気極３が下側から順に積層された「自立型陽極−電解質−陰極の３層構造体」が設けてある。また、電極を外部に取出す必要上、燃料極２の取出し部分Ｂの上側には電解質１および空気極３は無く、空気極３の取出し部分Ｔの下側には燃料極２が無い構成となっている。
【００３７】
なお、この実施例では下側が燃料極２で、上側が空気極３となる構成としているが、燃料極２と空気極３を上下逆の配置にした構成でも良い。また、電解質１は、ＹＳＺ膜のみに限られることは無く、例えばＣｅＯ_２やＢｉ_２Ｏ_３、あるいはＬａＧａＯ_３を母材とした固体酸化物電解質の薄膜でも良い。さらに、電解質１の燃料極２側の表層および空気極３側の表層には、非常に薄い（〜５０ｎｍ）Ｎｉ−ＹＳＺサーメット層及びＡｇ−ＹＳＺサーメット層が夫々形成してある（図示略）。これは、電極／固体電解質界面での分極抵抗を減じるためである。
【００３８】
貫通窓６の上部に配置した燃料極２および空気極３には、電解質１の表面へのガスの流入や同表面からのガス排出を促進するために、フォトリソグラフィにより、５μｍ×５μｍの方形の開口部７が５μｍ間隔で平面的に規則正しく配列してある。これにより、燃料極２および空気極３は、電解質１の表面を露出させる開口部７を規則的に配置した格子状のフレーム電極２Ｂ，３Ｂを備えたものとなっている。フレーム電極２Ｂ，３Ｂは、集電を行う集電電極として用いられるものであって、当然のことながら各電極２，３の本体部分（外側部分）に連続している。
【００３９】
フレーム電極２Ｂ，３Ｂおよびその開口部７は、形状、寸法、間隔および配列といった形態が上記形態に限定されることはなく、円形、三角形、長方形、斜方形、または六方形（ハニカム状）等でもよい。ただし、開口部７の寸法は、貫通窓６の寸法と同じか、これよりも小さいものとし、開口部７が複数ある場合は、その寸法が同じで平面的に規則正しく配列したものとする。また、空気極３のフレーム電極３Ｂにおける開孔部７と、燃料極２のフレーム電極２Ｂにおける開口部７の重なりが最大になるように、互いの位置関係が精密に調節してある。このように、開口部７の寸法を貫通窓６の寸法と同じまたはそれ以下とし、さらに、互いの開口部７の重なりを最大にすることで、電解質１を介した電気化学反応が効率良く行われる。
【００４０】
フレーム電極２Ｂ，３Ｂの材料としては、電気抵抗が低く、電解質１と密着性が強く、供給されるガスや高熱に耐えられる材料が適宜選ばれるが、このような性質に加えて、燃料ガスあるいは酸化ガスに触媒活性を呈する材料が選択できれば一層望ましい。この実施例においては、一例として、燃料極２側には、例えば厚さ３５０ｎｍのＮｉ電極を用い、空気極３側には、例えば厚さ５００ｎｍの緻密なＡｇ電極を用いている。
【００４１】
そして、フレーム電極２Ｂ，３Ｂの開口部７内には、図２に拡大して示すように、質量膜厚２０ｎｍ以下、望ましくは１０ｎｍ以下の粒状電極２Ａ，３Ａが形成してある。これにより、燃料極２および空気極３は、ガスを分解する反応電極である粒状電極２Ａ，３Ａを備えたものとなっている。なお、粒状電極２Ａ，３Ａは、質量膜厚を２０ｎｍよりも大きくすると連続膜になってしまうため、少なくとも質量膜厚を２０ｎｍ以下とするのが良い。また、図２にはフレーム電極２Ｂ，３Ｂと粒状電極２Ａ，３Ａとの関係を模式的に示しているが、実際には、無数ともいえる膨大な数の粒状電極２Ａ，３Ａと間隙が形成してあり、微小な粒状電極２Ａ，３Ａ同士の間には電解質１が露出している。
【００４２】
粒状電極２Ａ，３Ａの材料としては、燃料極２側では、燃料となる水素やメタンガスの解離反応過程に強い触媒活性を呈するものが選択される。同様に空気極３側では、酸素などの酸化剤の解離反応過程に強い触媒活性を示すものが選択される。この実施例においては、一例として、燃料極２側には１０ｎｍ厚のＮｉを用い、空気極３側には５ｎｍのＰｔを用いた。
【００４３】
ここで、空気極３側の例で明らかなように、フレーム電極（Ａｇ）と粒状電極（Ｐｔ）の材料は、異なっても何ら問題は無い。従来のＳＯＦＣやＴＦＳＯＦＣの電極構造にあっては、ＰｔやＩｒ、Ｒｕなどの稀少金属は、顕著な触媒活性を示すにもかかわらず、高価で製造原価を大きく押し上げる要因となるため、その使用が躊躇されていたが、本発明における粒状電極２Ａ，３Ａにあっては、使用量が非常に少ないので、コストアップの大きな要因とはならず、工業的に採用することが可能である。
【００４４】
次に、図３〜図５に基づいて、図１に示す電極構造を備えた燃料電池セルの製造方法を説明する。
【００４５】
図３（ａ）に示すように、第１および第２の主面を研磨仕上げをした（１００）単結晶シリコン基板４を、硫酸＋過酸化水素水洗浄と、ＲＣＡ洗浄（Ｈ_２Ｏ_２＋ＮＨ_４ＯＨ混合溶液とＨ_２Ｏ_２＋ＨＣｌ混合溶液と希釈ＨＦ溶液を用いた単結晶シリコン基板の洗浄法）とで充分洗浄した後、ＳｉＨ_２Ｃｌ_２とＮＨ_３とＨ_２を原料に用いた減圧ＣＶＤ法により、基板１の第１および第２の主面に、緻密なＳｉ_３Ｎ_４膜を２５０ｎｍの厚みで堆積して絶縁層５，８を形成し、続いて、ドライエッチング（Ｃ_２Ｆ_６とＯ_２ガス使用）を用いたフォトリソグラフィで、基板４の第２主面にある絶縁層８に、例えば、一辺２．３ｍｍ×２．３ｍｍの方形のエッチング窓９を形成する。ここで、エッチング窓９は、その各辺が基板４の＜１１０＞軸に平行か垂直になるように方位が調整されている。
【００４６】
次に、図３（ｂ）に示すように、基板４を液温を８０℃に維持したヒドラジン溶液に長時間浸漬して異方性エッチングを行い、貫通窓６を形成する。このようなシリコン基板４の異方性エッチングは、Ｓｉの（１１１）面と絶縁膜で自己停止する性質があるので、図示のように、四角錐で基板４を貫いたような形の貫通窓６は、第１主面側において絶縁層５で閉塞されている状態となる。この貫通窓６の第１主面側の開口寸法はおよそ２ｍｍ×２ｍｍである。
【００４７】
次に、図３（ｃ）に示すように、基板４の第１主面における絶縁層５の上部全面に、直流マグネトロン・スパッタリング法により厚さ３５０ｎｍのＮｉ膜を形成し、ウェットエッチングを用いたフォトリソグラフィで燃料極２のフレーム電極２Ｂを形成する。エッチング液としては、Ｈ_３ＰＯ_４とＨＮＯ_３とＣＨ_３ＣＯＯＨとＨ_２Ｏを１６：１：２：１で混合して４０℃に保温した溶液を用いる。このエッチングにより、貫通窓５の上部に位置するフレーム電極２Ｂは、５μｍ間隔で５μｍ×５μｍの開口部７を平面的に配列させた格子状の構造となる。
【００４８】
次に、図４（ａ）に示すように、燃料極２のフレーム電極２Ｂを形成した第１主面側に、Ｎｉ−ＹＳＺサーメット層（５０ｎｍ厚）とＹＳＺ層（２μｍ厚）、Ａｇ−ＹＳＺサーメット層（５０ｎｍ厚）を順に積層した薄膜ＹＳＺ固体電解質膜１を、多源マグネトロン・スパッタリング装置を用いて４５０℃の温度で連続して形成する。
【００４９】
ＹＳＺ層の成膜にはＹＳＺセラミックターゲットを用いた単独の高周波マグネトロン・スパッタリングが用いられ、Ｎｉ−ＹＳＺサーメット層とＡｇ−ＹＳＺサーメット層の成膜には、ＮｉターゲットあるいはＡｇターゲットを用いた直流マクネトロンスパッタリングとＹＳＺセラミックス・ターゲットを用いた高周波マグネトロン・スパッタリングの２源同時蒸着が用いられる。また、燃料極２の取出し部分Ｂに電解質１が被着するのを防ぐために、Ｍｏ製の耐熱蒸着マスクを使用する。
【００５０】
次に、図４（ｂ）に示すように、電解質１の上部に以下の要領で空気極３を形成する。まず、第１主面側にポジ型のフォトレジストを塗布してベークし、露光し、さらに現像することでフォトレジスト・マスクを形成する。このフォトレジスト・マスクはフレーム電極３Ｂのパターンを反転したパターンを有している。続いて、基板４を酸素ブラズマ（アッシャ）に短時間曝し、現像でレジストが除かれた部分に付着しているレジスト残渣を取り除いた後、直ちに基板４を電子ビーム蒸着装置に設置し、フォトレジスト・マスク面に厚さ５００ｎｍのＡｇを全面蒸着する。
【００５１】
その後、Ａｇを蒸着した基板４を、アセトンあるいはフォトレジストの専用剥離液に超音波振動を加えながら浸漬すると、フォトレジスト・マスクと一緒にその上に堆積されていたＡｇも除去（リフト・オフ）され、所望のＡｇのフレーム電極３Ｂのパターンが残る。この形成工程により、貫通窓６の上部において、５μｍ間隔で５μｍ×５μｍの開口部７を平面的に整然と配列したフレーム電極３Ｂが完成する。
【００５２】
次に、図４（ｃ）に示すように、所定の蒸着マスクを使用した電子ビーム蒸着法により、第１主面側における貫通窓６の領域およびその近傍に、質量膜厚５ｎｍの粒状Ｐｔ膜を成膜する。この成膜により、空気極３のフレーム電極３Ｂの開口部７内において、電解質１の表面に粒状電極３Ａを形成する。このようにして微細な形態である粒状電極３Ａおよびフレーム電極３Ｂを備えた空気極３が高精度に得られる。
【００５３】
次に、図５（ａ）に示すように、基板４の第２主面にＣＨＦ_３とＣＨ_４をエッチャント・ガスとする反応性イオンエッチング処理（エッチ・バック）を施し、第１主面側で貫通窓６を閉塞していた絶縁層５と基板４の第２主面を覆っていた絶縁層８を同時に除去する。これにより、貫通窓６において、燃料極２のフレーム電極２Ｂが露出する。
【００５４】
そして、最後に図５（ｂ）に示すように、蒸着マスクを使用した直流マグネトロン・スパッタリング法により、基板４の第２主面における貫通窓６の領域およびその近傍に質量膜厚１０ｎｍの粒状Ｎｉ膜を蒸着して、フレーム電極２Ｂの開口部７内において電解質１の表面に粒状電極２Ａを形成する。このようにして微細な形態である粒状電極２Ａおよびフレーム電極２Ｂを備えた燃料極２が高精度に得られる。
【００５５】
図６は、完成した燃料電池セルの貫通窓６付近における空気極３の表面を金属顕微鏡で撮影したものである。図中において白く見えるのはフレーム電極３Ｂであると共に、多数の黒い方形は開口部（５μｍ×５μｍ）７であり、その内部には粒状電極３Ａが形成してある。
【００５６】
このようにして製造した燃料電池セルを出力試験装置に設置し、空気極３側にＡｒ希釈２０％酸素を導き、燃料極２側に燃料としてのＡｒ希釈された加湿４％水素を導いて緩やかに昇温したところ、従来のＴＦＳＯＦＣよりも低温の１８０℃で発電が観察され、３１６℃では従来のＴＦＳＯＦＣよりも高い出力密度１５ｍＷ／ｃｍ^２が得られた。
【００５７】
さらに作動温度を上げて試験を行うと、６５０℃では、従来のセラミクス型ＳＯＦＣの１０００℃の作動出力密度に比肩する６００ｍＷ／ｃｍ^２が得られることが明らかになった。このように上記実施例の燃料電池セルは、従来のＴＦＳＯＦＣの問題、すなわち発電開始の低温化の可能性は示したものの発電出力が従来のセラミックス型ＳＯＦＣに比べて極端に低いという問題を解決する。
【００５８】
（実施例２）
本発明に係わる固体電解質型燃料電池セルは、例えば特開平８−６４２１６号公報に開示されている薄膜単結晶固体酸化物電解質を用いたＴＦＳＯＦＣにも適用することができる。なお、先の実施例と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
【００５９】
図７に示す基板４は、第１および第２の主面が鏡面研磨されたを低抵抗（１００）単結晶シリコン基板であって、燃料極２の一部（後述のフレーム電極）を兼ねていると共に、四角錐状に貫くように方形の貫通窓６が形成してある。この貫通窓６は、例えば、第１主面側で２ｍｍ×２ｍｍの開口面積を有している。貫通窓１３の形態は、方形に限定されることなく、例えば円形や長方形、六角形などでもよい。また、基板４には、第２主面（裏面）および貫通窓６の側壁表層にシリサイド層１０が形成してある。シリサイド層１０には、例えば、ＮｉＳｉ_２やＣｏＳｉ_２を用いることができる。
【００６０】
基板４の第１主面には、貫通窓６を覆うように、厚さ１５０ｎｍの単結晶ＣｅＯ_２（酸化セリウム）から成る絶縁膜１１と、厚さ約２μｍの単結晶イットリア安定化ジルコニウム膜から成る電解質１と、薄い空気極３が下側から順に積層してある。また、図示していないが、電解質１の表層には、非常に薄い（〜５０ｎｍ）Ａｇ−ＹＳＺサーメット層が形成してある。
【００６１】
空気極３における貫通窓６の上側部分には、電解質１の表面へのガスの流入を容易にするために、フォトリソグラフィにより、５μｍ×５μｍの開口部７が５μｍ間で平面的に規則正しく形成してあり、これにより、格子状のフレーム電極３Ｂが形成してある。フレーム電極３Ｂとしては、例えば、厚さ１５０ｎｍの緻密なＴｉ／Ｐｔ積層電極が用いられる。一方、燃料極２のフレーム電極２Ｂは、貫通窓６を除く基板４自体であり、また、貫通窓６が電解質１の表面へのガスの流入を助ける役割を果している。
【００６２】
基板４の貫通窓６における絶縁層１１の下面と、空気極３の開口部７内における電解質１の表面には、質量膜厚２０ｎｍ以下、望ましくは１０ｎｍ以下の粒状電極２Ａ，３Ａが形成してある。この粒状電極２Ａ，３Ａの形態と要求される性質は、先の実施例で説明したものと同様であり、この実施例では、一例として、燃料極２には１０ｎｍ厚のＮｉを用い、空気極３には５ｎｍのＰｔを用いた。
【００６３】
次に、図８〜図１０に基づいて、図７に示す電極構造を備えた燃料電池セルの製造方法を説明する。
【００６４】
図８（ａ）に示すように、第１および第２の主面を研磨仕上げをした（１００）単結晶シリコン基板１１を、硫酸＋過酸化水素水洗浄と、ＲＣＡ洗浄とで充分に洗浄した後、乾燥して直ちに超高真空仕様の多源マグネトロン・スパッタリング装置に搬入して排気し、基板温度８５０℃まで昇温させる。圧力が１０^−８Ｔｏｒｒ台に到達したところで、ＣｅＯ_２焼結ターゲットとＡｒ、Ｏ_２ガスを用いて高周波スパッタリングを行い、１５０ｎｍ厚の単結晶ＣｅＯ_２膜を成長させて絶縁層１１を形成した。このとき、スパッタリング開始から約１分間はＡｒガスのみによる成長を行い、その後、Ｏ_２を付加すれば、良質な単結晶ＣｅＯ_２膜１４を得ることができる。
【００６５】
続いて、基板温度を８００℃とし、ＹＳＺセラミックス・ターゲットとＡｒ、Ｏ_２ガスを用いた高周波スパッタリング法により、絶縁層１１上に単結晶ＹＳＺ膜（厚み約２μｍ）をヘテロ・エピタキシャル成長させて電解質１を形成する。また、ＹＳＺのスパッタリングを停止する少し前に、Ｏ_２ガスを停止してＡｒガスのみとし、Ａｇターゲットを用いた直流マグネトロン・スパッタリングを同時に行い、５０ｎｍの厚さのＡｇ−ＹＳＺサーメット層を電解質１の表層に形成する。
【００６６】
次に、図８（ｂ）に示すように、電解質１の上に、以下に述べる手順を経てＴｉ／Ｐｔから成る空気極３を形成する。まず、基板４の第１主面にポジ型のフォトレジストを塗布して、ベークし、露光し、さらに現像することでフォトレジスト・マスクを形成する。このフォトレジスト・マスクはフレーム電極３Ｂのネガ・パターンを有している。続いて、基板４を酸素ブラズマ（アッシャ）に短時間曝し、現像でレシストが除かれた部分に付着しているレジスト残渣を取り除いた後、直ちに基板４を電子ビーム蒸着装置に設置し、フォトレジスト・マスク全面に、初めに厚さ１５ｎｍのＴｉを蒸着し、さらに厚さ１３５ｎｍのＰｔを連続して蒸着する。
【００６７】
そして、Ｔｉ／Ｐｔ積層膜を蒸着した基板４を、アセトンあるいはフォトレジストの専用剥離液に超音波振動を加えながら浸漬すると、フォトレジスト・マスクと一緒にその上に堆積されていたＴｉ／Ｐｔ積層膜も除去（リフト・オフ）され、所望のパターンのＴｉ／Ｐｔフレーム電極３Ｂが残る。この形成工程により、貫通窓６の開口予定領域の上部には、５μｍ間隔で５μｍ×５μｍの開口部７を平面的に整然と配列させたフレーム電極３Ｂが形成される。
【００６８】
次に、図８（ｃ）に示すように、ＳｉＨ_４とＯ_２とを原料に用いたＣＶＤ法により、基板４の第１および第２の主面に、緻密な厚さ４００ｎｍのＳｉＯ_２膜１２を堆積させ、続いて、ドライエッチング（Ｃ_２Ｆ_６とＯ_２ガス使用）を用いたフォトリソグラフィにより、基板４の第２主面のＳｉＯ_２膜１２に、例えば一辺２．３ｍｍ×２．３ｍｍの方形のエッチング窓９を形成する。ここで、エッチング窓９は、その各辺が基板４の＜１１０＞軸に平行か垂直になるように方位が調整されている。
【００６９】
次に、図９（ａ）に示すように、基板４を液温８０℃に維持したヒドラジン溶液に長時間浸漬して異方性エッチングを行い、貫通窓６を形成する。このようなシリコン基板４の異方性エッチングは、Ｓｉの（１１１）面と絶縁膜で自己停止する性質がある。したがって、貫通窓１６は、第１主面側において絶縁層１１で閉塞された状態となる。この貫通窓６の第１主面側の寸法はおよそ２ｍｍ×２ｍｍである。
【００７０】
次に、図９（ｂ）に示すように、基板４を緩衝フッ酸系の溶液に浸漬して、異方性エッチングのマスクとして使用したＳｉＯ_２膜１２を基板４の両面から完全に除去する。
【００７１】
次に、図９（ｃ）に示すように、基板４の第２主面のほぼ全面に、直流マグネトロン・スパッタリング法により厚さ３５０ｎｍのＮｉ膜１３を形成する。このとき、Ｎｉ膜１３が基板４の周辺部に被着するのを防ぐために、蒸着マスクを使用する。
【００７２】
次に、図１０（ａ）に示すように、基板４を高純度Ａｒ雰囲気または真空中で５８０℃に加熱し、Ｎｉ膜１３と基板４とを反応させ、基板４第２主面と貫通窓６の側壁にシリサイド層１０を形成する。この熱処理では、絶縁層１１に被着していたＮｉ膜１３は、剥落するか反応せずにＮｉのまま残る。続いて、基板４の第１主面をフォトレジストで保護し、Ｈ_３ＰＯ_４とＨＮＯ_３とＣＨ_３ＣＯＯＨとＨ_２Ｏを１６：１：２：１で混合して４０℃に保温したエッチング溶液に浸漬すると、絶縁層１１のＮｉ膜１３が除去され、基板４にはシリサイド層１０だけが残る。その後、基板４を専用の剥離液に浸して保護用のレジストを除去する。
【００７３】
次に、図１０（ｂ）に示すように、蒸着マスクを使用した直流マグネトロン・スパッタリング法により、基板４の第２主面における貫通窓６の領域およびその近傍に、質量膜厚１０ｎｍのＮｉを蒸着すると、絶縁層１１の表面にＮｉ粒状電極２Ａが形成され、シリサイド層１０を有する基板４と粒状電極２Ａから成る燃料極２が完成する。なお、シリサイド層１０を有する基板４は燃料極２のフレーム電極に相当する。
【００７４】
そして、最後に図１０（ｃ）に示すように、基板４の第１主面を酸素ブラズマ（アッシャ）に短時間曝した後、所定の蒸着マスクを使用し、電子ビーム蒸着法により、基板４の第１主面における貫通窓６の領域およびその近傍に、質量膜厚５ｎｍの粒状Ｐｔ膜を形成する。これにより、空気極３のＴｉ／Ｐｔフレーム電極３Ｂの開口部７内において、電解質１の表面に粒状電極３Ａが形成され、空気極３が完成する。
【００７５】
このようにして製造したこの実施例の燃料電池セルを出力試験装置に設置し、基板４の空気極３側にＡｒ希釈２０％酸素を導き、燃料極２側に燃料としてＡｒ希釈された加湿４％水素を導て、緩やかに昇温したところ、５８０℃で電力密度６００ｍＷ／ｃｍ^２が得られることが明らかになった。
【００７６】
つまり、当該燃料電池セルは、従来のＴＦＳＯＦＣの問題、すなわち発電開始の低温化の可能性は示したものの発電出力が従来のセラミックス型ＳＯＦＣに比べて極端に低い、という問題を解決するものである。また、特開平８―６４２１６号公報に記載されたＴＦＳＯＦＣでは、電力密度６００ｍＷ／ｃｍ^２を得るのに７００℃の作動温度は必要であったが、当該燃料電池セルは作動温度を１００℃以上低減することができる。
【００７７】
さらに、この実施例で説明した燃料電池セルは、上述した効果をもたらすほかに、特開平８―６４２１６号公報に記載されたＴＦＳＯＦＣが有する２つの問題を解決することができる。
【００７８】
すなわち、図１６は同公報に記載されたＴＦＳＯＦＣの要部断面図である。図中において、２０１は低抵抗単結晶シリコン基板、２０４は単結晶ＣｅＯ_２膜（燃料極）、２０５は単結晶ＹＳＺ膜、２０６はＬａ_０．８Ｓｒ_０．２ＭｎＯ_３膜（空気極）、２１３は低抵抗単結晶シリコン基板２０１に設けた貫通窓である。この構造のＴＦＳＯＦＣでは、燃料極である単結晶ＣｅＯ_２膜２０４において電極反応で発生した電子は、一旦単結晶シリコン基板２０１に引き渡され、これを介して外部回路あるいは他のスタック・セルに送電される。
【００７９】
ところが、単結晶ＣｅＯ_２膜２０４は、元来比抵抗が高い絶縁体に分類される材料であるから、本質的に空気極の電気抵抗（反応抵抗ではない）を低減しにくい構造上の欠点があった。これは基板の有効面積（効率）を高めるために貫通窓２１３の面積を拡大しようとするときに大きな問題となる。
【００８０】
これに対して、上記実施例の燃料電池セルは、単結晶ＣｅＯ２膜である絶縁層１１の表面に伝導性の粒状電極２Ａを形成しているので、空気極３の電気抵抗を容易に下げることができる。すなわち、当該燃料電池セルは、特開平８―６４２１６号公報に記載されたＴＦＳＯＦＣの空気極の電気抵抗を低減しにくいという構造上の欠点を解決している。
【００８１】
また、図１６に示すＴＦＳＯＦＣの第２の問題は、単結晶シリコン基板２０１と空気極である単結晶ＣｅＯ_２膜２０４の接触抵抗が作動時間の経過とともに急速に増大し、これが原因で発電出力が急落することである。この問題の発生原理は、空気極２０６側が７００℃の酸素雰囲気に晒されると、単結晶ＹＳＺ膜２０５と単結晶ＣｅＯ_２膜２０４は、気相の酸素（イオン）を容易に単結晶シリコン基板２０１まで輸送し、単結晶シリコン基板２０１を徐々に熱酸化することである。その結果、基板／ＣｅＯ_２膜界面に絶縁体であるＳｉＯ_２が発生し、接触抵抗が急増する。
【００８２】
これに対して、上記実施例の燃料電池セルは、基板／ＣｅＯ_２膜界面にＳｉＯ_２が生成したとしても、燃料極２のＮｉ粒状電極２Ａを、貫通窓６の側壁と第２主面に埋設したＮｉＳｉ_２シリサイド層１０に直接結線する構成としているので、上記の如き問題が発生することはない。
【００８３】
さらに、当該燃料電池セルは、ＮｉＳｉ_２が耐酸化性の材料であること、シリサイド層１０が還元性（Ｈ_２）雰囲気に晒されて酸化されにくい位置に配置されていることも優れた特徴の一つである。以上のように、本発明に係わる燃料電池セルは、特開平８―６４２１６号公報に記載されたＴＦＳＯＦＣの問題、すなわち作動時間の経過とともに燃料極の接触抵抗が増大し、発電出力が急落するという問題を解決することができる。
【００８４】
（実施例３）
本発明の根幹は、固体酸化物電解質を挟持する空気極と燃料極のどちらか一方または両方にフレーム電極と粒状電極を設けて、燃料電池の内部抵抗の主要因である電極の反応抵抗（反応過電圧と濃度過電圧）を低減し、燃料電池の出力電力を向上させる技術である。
【００８５】
電極反応抵抗が燃料電池の内部抵抗の大きな割合を占めるＴＦＳＯＦＣにおいて、本発明の効果が顕著であることは先の２つの実施例で説明した通りである。ここで、厚い固体電解質を用いた従来のＳＯＦＣにおいても電極の反応抵抗は無視できない大きさである。以下に説明する実施例は、本発明に係わる燃料電池セルが従来のＳＯＦＣに対しても有用であることを示すものである。
【００８６】
図１１は、本発明に係る固体電解質燃料電池セルの要部断面図である。図中において、符号Ｃで示す領域が発電を行うセル構造部分、符号Ｅで示す領域が電池の電極取出し部分である。
【００８７】
図１１に示す基板２１は、表裏に平坦な第１および第２の主面を有する固体酸化物電解質であって、ここでは鏡面研磨した厚さ０．２５ｍｍの単結晶ＹＳＺ基板を一例として挙げているが、これに限定されることはない。図中で上側となる第１主面には空気極２３が設けてあり、下側の第２主面には燃料極２２が設けてある。
【００８８】
空気極２３は、集電電極として、Ｔｉ（１５ｎｍ厚）／Ｐｔ（１３５ｎｍ厚）の積層膜をパターン形成して作製した格子状のフレーム電極２３Ｂを備えると共に、ガスを分解する反応電極として、同フレーム電極２３Ｂの複数の開口部７内において基盤２１の表面に被着された非常に薄いＰｔ粒状電極２３Ａを備えている。同様に、燃料極２２は、集電電極として、３５０ｎｍ厚のＮｉ膜をパターン形成して作製した格子状のフレーム電極２２Ｂを備えると共に、ガスを分解する反応電極として、同フレーム電極２２Ｂの複数の開口部７内において基板２１の表面に被着された非常に薄いＮｉ粒状電極２２Ａを備えている。
【００８９】
また、空気極２３と基板２１の間には、厚さ５０ｎｍのＮｉ−ＹＳＺサーメット層２４が形成してあり、燃料極２２と基板２１の間には、厚さ５０ｎｍのＡｇ−ＹＳＺサーメット層２５が形成してある。
【００９０】
空気極２３および燃料極２２の各フレーム電極２３Ｂ，２２Ｂにおいて、その開口部７の形状は、円形、三角形、方形、長方形、斜方形、または六方形（ハニカム状）などの様々な形状とすることができるが、形が揃い、且つ２次元的に規則正しく配列して、数μｍ〜数百μｍの寸法であるものとする。空気極２３および燃料極２２の材料については第１および第２の実施例と同様であるので説明を省略する。
【００９１】
次に、図１２および図１３に基づいて、図１１に示した電極構造を備えた燃料電池セルの製造方法を説明する。
【００９２】
図１２（ａ）に示すように、鏡面研磨した単結晶（１００）ＹＳＺ基板２１を硫酸＋過酸化水素水洗浄とＲＣＡ洗浄とで充分に洗浄した後、多元マグネトロン・スパッタリング装置に搬入して、第１主面に厚さ５０ｎｍのＡｇ−ＹＳＺサーメット層２４を４５０℃で成膜する。サーメット層２４を形成するためには、ＹＳＺセラミック・ターゲットとＡｇ金属ターゲットを夫々高周波電源と直流電源で同時に放電させる。このとき、電極の取り出し部分に膜が被着するのを防ぐために、Ｍｏ製の耐熱蒸着マスクを使用する。
【００９３】
次に、図１２（ｂ）に示すように、Ａｇ−ＹＳＺサーメット層２４を形成した基板２１の第１主面全面にポジ型のフォトレジストを塗布して、ベークし、露光し、さらに現像することでフォトレジスト・マスクを形成する。このフォトレジスト・マスクはフレーム電極２３Ｂのネガ・パターンを有している。
【００９４】
続いて、基板２１を酸素ブラズマ（アッシャ）に短時間曝し、現像でレシストが除かれた部分に付着しているレジスト残渣を取り除いた後、直ちに基板２１を電子ビーム蒸着装置に設置し、フォトレジスト・マスク全面に、初めに厚さ１５ｎｍのＴｉを蒸着し、さらに厚さ１３５ｎｍのＰｔを連続して蒸着する。
【００９５】
そして、Ｔｉ／Ｐｔ積層膜を蒸着した基板２１を、アセトンあるいはフォトレジストの専用剥離液に超音波振動を加えながら浸漬すると、フォトレジスト・マスクと一緒にその上に堆積されていたＴｉ／Ｐｔ積層膜も除去（リフト・オフ）され、所望のパターンのＴｉ／Ｐｔフレーム電極２３Ｂが残る。この形成工程で基板２１の上部には、５μｍ間隔で５μｍ×５μｍの開口部７を平面的に整然と配列させた空気極２３のフレーム電極２３Ｂが完成する。
【００９６】
次に、図１２（ｃ）に示すように、基板２１の第１主面を酸素ブラズマ（アッシャ）に短時間曝してレジストの残滓を除去した後、所定の蒸着マスクを使用して、電子ビーム蒸着法により、基板２１の第１主面におけるフレーム電極２３Ｂの開口部７内に、質量膜厚５ｎｍの粒状Ｐｔ膜を成膜する。この成膜により合い孔部７内に露出した基板（電解質）２１の表面に粒状電極２３Ａが形成され、空気極２３が完成する。
【００９７】
次に、図１３（ａ）に示すように、基板２１の第２主面を酸素ブラズマ（アッシャ）に短時間曝してレジスト等の有機物汚染を除去した後、再び多元マグネトロン・スパッタリング装置に搬入して、第２主面に厚さ５０ｎｍのＮｉ−ＹＳＺサーメット層２５を４５０℃で成膜する。サーメット層２５を形成するためにＹＳＺセラミック・ターゲットとＮｉ金属ターゲットを夫々高周波電源と直流電源で同時に放電させる。このとき、電極の取出し部分に膜が被着するのを防ぐために、Ｍｏ製の耐熱蒸着マスクを使用する。
【００９８】
サーメット層２５の成膜が終了した後には、基板２１の加熱を停止して、基板２１を蒸着室に置いたままにする。そして、基板２１の温度が低下した後、Ｎｉ金属ターゲットだけを用いて、直流マグネトロン・スパッタリングにより、サーメット層２５を形成した基板２１の第２主面に、厚さ３５０ｎｍのＮｉ膜を蒸着する。このＮｉ膜が後に燃料極２２となる。
【００９９】
次に、図１３（ｂ）に示すように、ウェットエッチングを用いたフォトリソグラフィーによりＮｉ膜をエッチングし、燃料極２２のフレーム電極２２Ｂを形成する。エッチング液としては、Ｈ_３ＰＯ_４とＨＮＯ_３とＣＨ_３ＣＯＯＨとＨ_２Ｏを１６：１：２：１で混合して４０℃に保温した溶液を用いる。このエッチングを実行するときは、必ず第１主面の全面に保護用のレジストを塗布しておく。このエッチングでフレーム電極２２Ｂには、５μｍ間隔で５μｍ×５μｍの開口部７を平面的に配列させた構造が完成する。
【０１００】
続いて、エッチングが終了した基板２１をフォトレジストを残したまま充分水洗し、乾燥させた後、直ちに多元マグネトロン・スパッタリング装置に搬入し、基板２１の第２主面全面に対して質量膜厚１０ｎｍのＮｉを蒸着し、フレーム電極２２Ｂの開口部７内にＮｉ粒状電極２２Ａを蒸着した後、基板２１をアセトンあるいは専用のフォトレジスト剥離液に超音波振動を加えながら浸漬すると、基板２１の第２主面および第１主面に塗布したフォトレジストが除去される。そして、フォトレジストを除去した基板２１を有機溶剤と超純水で濯ぎ、乾燥させることで燃料電池セル（ＳＯＦＣセル）が完成する。
【０１０１】
ここで、上記実施例で説明した製造方法により得た燃料電池セルの効果を確認するために、図１７に示すような従来型のＳＯＦＣセルを作製し、発電特性を比較した。
【０１０２】
図１７において、３０１は厚さ２５０ｎｍの両面鏡面研磨した単結晶ＹＳＺ基板で、図１１に示す基板２１と同じものである。３０２は基板３０１の第１主面に高周波マグネトロン・スパッタリング（８５０℃）で成膜した厚さ５００ｎｍのＬａ_０．８Ｓｒ_０．２ＭｎＯ_３電極膜（空気極）、３０３は基板３０１の第２主面にＹＳＺセラミック・ターゲットとＮｉ金属ターゲットを用いて多源マグネトロン・スパッタリング装置で成膜（４５０℃）した厚さ８００ｎｍのＮｉ−ＹＳＺサーメット膜（燃料極）である。
【０１０３】
図１１に示す本実施例の燃料電池セルと図１７に示す従来型の燃料電池セルを夫々出力試験装置に設置し、空気極側にＡｒ希釈２０％酸素を導き、燃料極側に燃料としてのＡｒ希釈された加湿４％水素を導いて緩やかに昇温し、９５０℃で出力を比較したところ、従来型が８２５ｍＷ／ｃｍ^２であるのに対して、本実施例のものは９７３ｍＷ／ｃｍ^２であり、本実施例の燃料電池セルは従来型に対して約１５％の出力向上が図られることが明らかになった。このように、本実施例の燃料電池セルは、従来の如き厚い固体酸化物電解質を備える延量電池セルにも適用可能であり、電極の反応抵抗の低減させることによって発電出力を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる固体電解質型燃料電池セルの第１の実施例を説明する断面図である。
【図２】図１に示す固体電解質型燃料電池セルの空気極におけるフレーム電極の開口部付近を拡大した断面図である。
【図３】図１に示す固体電解質型燃料電池セルの製造過程を説明する各々断面図（ａ）〜（ｃ）である。
【図４】図３に続いて固体電解質型燃料電池セルの製造過程を説明する各々断面図（ａ）〜（ｃ）である。
【図５】図４に続いて固体電解質型燃料電池セルの製造過程を説明する各々断面図（ａ）（ｂ）である。
【図６】燃料電池セルの貫通窓付近における空気極の表面を撮影した金属顕微鏡写真である。
【図７】本発明に係わる固体電解質型燃料電池セルの第２の実施例を説明する断面図である。
【図８】図７に示す固体電解質型燃料電池セルの製造過程を説明する各々断面図（ａ）〜（ｃ）である。
【図９】図８に続いて固体電解質型燃料電池セルの製造過程を説明する各々断面図（ａ）〜（ｃ）である。
【図１０】図９に続いて固体電解質型燃料電池セルの製造過程を説明する各々断面図（ａ）〜（ｃ）である。
【図１１】本発明に係わる固体電解質型燃料電池セルの第３の実施例を説明する断面図である。
【図１２】図１１に示す固体電解質型燃料電池セルの製造過程を説明する各々断面図（ａ）〜（ｃ）である。
【図１３】図１２に続いて固体電解質型燃料電池セルの製造過程を説明する各々断面図（ａ）（ｂ）である。
【図１４】従来の固体電解質型燃料電池セルを説明する断面図である。
【図１５】図１４に示す固体電解質型燃料電池セルの貫通窓おける燃料極を拡大した断面図である。
【図１６】第２の実施例に対する比較例である従来型のＴＦＳＯＦＣセルを説明する断面図である。
【図１７】第３の実施例に対する比較例である従来型のＳＯＦＣセルを説明する断面図である。
【符号の説明】
１ 電解質
２ 燃料極
２Ａ 粒状電極
２Ｂ フレーム電極
３ 空気極
３Ａ 粒状電極
３Ｂ フレーム電極
４ 基板
６ 貫通窓
７ フレーム電極の開口部
２１ 基板（電解質）
２２ 燃料極
２２Ａ 粒状電極
２２Ｂ フレーム電極
２３ 空気極
２３Ａ 粒状電極
２３Ｂ フレーム電極

Claims (10)

1. 電解質を燃料極と空気極で挟持して成る３層構造体を備えた固体電解質型燃料電池セルにおいて、燃料極と空気極の少なくとも一方が、集電を行う集電電極として、電解質の表面が露出する開口部を形成するフレーム電極を備え、
   フレーム電極の開口部内に、ガスを分解する反応電極として、電解質の表面に多数形成した微細な粒状電極を備えていることを特徴とする固体電解質型燃料電池セル。
2. 厚さ方向に貫通した貫通窓を有する基板を備え、基板の貫通窓を閉塞する状態で３層構造体を備えていることを特徴とする請求項１に記載の固体電解質型燃料電池セル。
3. 基板が、立方晶（１００）面を表面とする単結晶シリコン基板であることを特徴とする請求項２に記載の固体電解質型燃料電池セル。
4. 粒状電極が、質量膜厚で２０ｎｍ以下の導電体薄膜から成ることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体電解質型燃料電池セル。
5. 粒状電極が、質量膜厚で１０ｎｍ以下の導電体薄膜から成ることを特徴とする請求項４に記載の固体電解質型燃料電池セル。
6. フレーム電極が、フォトリソグラフィにより形成してあることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の固体電解質型燃料電池セル。
7. フレーム電極の開口部の大きさが、基板の貫通窓の大きさと同じまたはそれ以下であることを特徴とする請求項２〜６のいずれか１項に記載の固体電解質型燃料電池セル。
8. 燃料極と空気極が、粒状電極およびフレーム電極を備えていると共に、互いのフレーム電極における開口部の重なりが最大となるように対向していることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の固体電解質型燃料電池セル。
9. 請求項１又は６に記載の固体電解質型燃料電池セルを製造するに際し、
   単結晶固体電解質基板の第１主面に空気極および燃料極のいずれか一方の極の第１フレーム電極と第１粒状電極を形成する工程と、
   一方の極を形成した電解質の第１主面にエッチング保護膜を形成する工程と、
   電解質の第２主面に空気極および燃料極の他方の極の第２フレーム電極と第２粒状電極を形成する工程と、
   第１主面に形成したエッチング保護膜を除去する工程、
   を備えたことを特徴とする固体電解質型燃料電池セルの製造方法。
10. 請求項３〜８のいずれか１項に記載の固体電解質型燃料電子セルを製造するに際し、
    （１００）単結晶シリコン基板の第１主面とその裏側の第２主面に第１および第２の絶縁膜を夫々形成する工程と、
    第２主面に形成した第２絶縁膜に、基板の＜１１０＞軸と平行または垂直な４辺を有する方形のエッチング窓を形成する工程と、
    第２絶縁膜にエッチング窓を形成した基板を異方性エッチングして、基板を第２主面から第１主面まで貫通させ、基板に第１絶縁膜により閉塞された貫通窓を形成する工程と、
    基板の貫通窓を含む領域の第１絶縁膜に、所定の成膜手段とフォトリソグラフィにより第１フレーム電極を形成する工程と、
    第１フレーム電極を形成した第１絶縁膜に、貫通窓の領域を閉塞する状態で電解質を形成する工程と、
    電解質に第２フレーム電極と第２粒状電極を形成し、これらの電極を空気極および燃料極のいずれか一方の極とする工程と、
    基板の第２主面側をドライ・エッチングして、第２絶縁膜と貫通窓を閉塞している第１絶縁膜を除去し、貫通窓において電解質と第１フレーム電極を露出させる工程と、
    貫通窓において露出している電解質に導電体を薄く成膜して第１フレーム電極の開口部に第１粒状電極を形成し、これらの電極を他方の極とする工程、
    を備えたことを特徴とする固体電解質型燃料電池セルの製造方法。

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