JP5217572B2 - 固体酸化物形燃料電池及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池及びその製造方法に関するものである。

従来、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、板状の電解質を支持体として使用し、その電解質の一方面に燃料極を、他方面に空気極を形成した、いわゆる自立膜式のもの（例えば、特許文献１参照）や、燃料極又は空気極のどちらか一方の電極を支持体として使用し、その上に電解質、他方の電極を順に形成した、いわゆる支持膜式のもの（例えば特許文献２参照）などがある。

しかし、上記自立膜式の燃料電池や支持膜式の燃料電池は、それぞれ、支持体として使用される電解質や燃料極、空気極の強度は十分でなく割れやすいという問題がある。そこで、支持体として金属基板を使用し、この金属基板上に燃料極、電解質、空気極を、ペーストにして塗工し焼結することで形成した、いわゆる金属支持型のもの（例えば特許文献３）ものがある。
特開２００４−０５５１９４号公報 特開２００６−２５３０７１号公報 特開２００５−１７４６６４号公報

しかしながら、上記燃料電池は、燃料極と空気極に個別にガスを供給して発電を行うため、両電極の境界となる電解質はガスが透過しないように緻密に形成される必要がある。このような緻密な膜の形成方法としては、例えば、スクリーン印刷で電解質を塗布した後、１４００℃程度の高温で焼結する方法がある。しかしながら、このような高温で電解質を形成すると、支持基板に強度のある金属を用いた場合、酸化や変形といった熱的損傷を受けるという問題がある。これを解決するため、ＣＶＤ等の低温成膜方法も提案されているが、歩留まりが低く、コストが高いという問題があった。また、上記発明のように、従来の固体酸化物形燃料電池は、燃料ガスと酸化剤ガスを別々に供給する二室型方式であるため、ガスシ−ル材やセパレ−タを必要とし、モジュ−ルやシステム構造を複雑化させていた。

そこで、本発明は、強度を向上させるとともに、熱的損傷を防止でき、しかも、燃料ガスと酸化剤ガスの混合ガスで発電する単室型方式とすることにより、モジュ−ルやシステム構造を簡易化でき、出力性能のばらつきを抑えることの出来る固体酸化物形燃料電池及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る第１の固体酸化物形燃料電池は、上記課題を解決するためになされたものであり、燃料ガス及び酸化剤ガスの混合ガスが供給される固体酸化物形燃料電池であって、 燃料極、電解質及び空気極をこの順で積層し、当該積層方向に混合ガスが流通する第１の供給通路が形成された自立膜式又は支持膜式の単セルと、前記単セルを支持するとともに、混合ガスが流通する第２の供給通路が形成された導電性を有する支持基板と、前記単セルと支持基板との間に介在して前記単セル及び支持基板に溶着する、導電性の溶着層と、を備え、前記第１及び第２の供給通路が前記溶着層を介して連通している。

この構成によれば、支持基板によって単セルを支持しているため、電池の機械的強度を向上させることができる。また、ガス透過可能な溶着層が単セルと支持基板との間に介在し、この溶着層が単セル及び支持基板に溶着している。このため、単セルをまず作製し、その後、溶着層を介して支持基板を単セルに設置することができる。よって、単セルの電解質を緻密にするために必要な高温が支持基板に加わることがないため、支持基板が熱的損傷を受けることを防止することができる。なお、この結果、高温に曝されることによって熱的損傷を受ける材料であっても支持基板として使用することが可能となり、支持基板の材料選択の幅を広げることができる。

特に、単セルの厚み方向に第１の供給通路が形成されていることから、ガスをセル内全体に亘って均一に供給することができる。例えば、単セルに対して水平方向に燃料ガスと酸化剤ガスの混合ガスを供給すると、電極上で、ガスの濃度分布が生じ、出力性能にばらつきが生じ易い問題もあった。これに対して、本発明に係る固体酸化物形燃料電池では、上記のように、単セルの厚み方向に第１の供給通路が形成されているため、セルの厚み方向、面方向に亘る全域に、混合ガスを均一に供給することができる。その結果、出力性能のばらつきを抑えることができる。

なお、上記溶着層は、支持基板が熱的損傷を受けない程度の温度で溶融するような融点を有するものを使用する。この融点は、支持基板の材料によっても変わってくるが、８００〜１２００℃程度であることが好ましい。第１の供給通路は、種々の方法で形成することができる。例えば、電解質を多孔質としたり、または少なくとも１つの貫通孔を形成しておけば、通常、各電極は多孔質であるため、単セルの厚み方向にガスの流路を形成することができる。また、単セルを厚み方向に貫く少なくとも１つの貫通孔を形成することもできる。また、基板に形成された第２の供給通路は、基板に貫通孔を形成するほか、基板作製時に造孔剤を添加することで、基板を多孔質にし、これによって第２の供給通路を形成することもできる。なお、第１及び第２の供給通路は、以下の発明についても同様に形成することができる。

また、本発明に係る第２の固体酸化物形燃料電池は、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給される固体酸化物形燃料電池であって、上記問題を解決するためになされたものであり、燃料ガス及び酸化剤ガスの混合ガスが供給される固体酸化物形燃料電池であって、燃料極、電解質及び空気極をこの順で積層し、当該積層方向に混合ガスが流通する第１の供給通路が形成された自立膜式又は支持膜式の単セルと、前記単セルを、前記燃料極側及び空気極側からを狭持するとともに、混合ガスが流通する第２の供給通路が形成された導電性を有する一対の支持基板と、前記単セルと各支持基板との間に介在して前記単セル及び支持基板に溶着する導電性の溶着層と、を備え、前記第１及び第２の供給通路が前記溶着層を介して連通している。

この構成によれば、上述した効果に加え、単セルが一対の支持基板で挟まれているため、セルの耐衝撃性、機械性能を向上することができる。特に、セルの厚さ方向からの衝撃に対して有効である。

また、本発明では、支持基板が導電性を有していることを特徴としているが、これは、支持基板を形成する材料自体が導電性を有していることのほか、支持基板を、絶縁性の板材と、これに形成された上記第２の供給通路に充填される導電材とで構成することによって導電性を得ることも意味している。また、第２の供給通路に充填され、支持基板以上の厚さを有する導電性の多孔質集電体をさらに備えることもできる。これにより、支持基板が導電性を有していなくても、導電経路を確保することができる。したがって、支持基板の材料選択の幅が広がり、作動温度下において絶縁性となるような安価な材料も用いることができ、コストの低減が可能となる。

上記発明においては、溶着層はパターン状に形成するほか、多孔を有するようなポーラスな層に形成することもでき、こうすることで、ガスが透過可能であるため、電池の面方向にガスを行き渡らせることができる。

上記各固体酸化物形燃料電池は、種々の構成をとることができるが、例えば、上記溶着層は、銀又は銀を含む化合物により構成されていることが好ましい。

また上記溶着層は、１２００℃以下の融点を有していることが好ましい。

また、本発明に係る第１の固体酸化物形燃料電池の製造方法は、上記課題を解決するためになされたものであり、燃料極、電解質及び空気極をこの順で積層した自立膜式又は支持膜式の単セルを準備する工程と、前記単セルを支持するための、導電性を有する支持基板を準備する工程と、前記支持基板及び単セルの少なくとも一方に、導電性を有する溶着層を形成する工程と、前記支持基板と単セルとをその間に溶着層が介在するよう積層し、前記溶着層を溶融させて前記支持基板及び単セルに溶着させる工程と、前記支持基板、溶着層、及び単セルを貫通する、少なくとも一つの貫通孔を形成する工程と、を備えている。

また、本発明に係る第２の固体酸化物形燃料電池の製造方法は、上記課題を解決するためになされたものであり、燃料極、電解質及び空気極をこの順で積層した自立膜式又は支持膜式の単セルを準備する工程と、前記単セルを支持するための、導電性を有する２つの支持基板を準備する工程と、前記各支持基板と単セルとの間に、導電性を有する溶着層を形成する工程と、前記両支持基板で前記単セルを挟んで、それらの間に溶着層が介在するよう積層し、前記溶着層を溶融させて前記両支持基板及び単セルに溶着させる工程と、前記両支持基板、両溶着層、及び単セルを貫通する、少なくとも一つの貫通孔を形成する工程と、を備えている。

本発明に係る第３の固体酸化物形燃料電池の製造方法は、上記問題を解決するためになされたものであり、燃料極、電解質及び空気極をこの順で積層するとともに、積層方向にガスが流通する第１の供給流路を有する自立膜式又は支持膜式の単セルを準備する工程と、ガスが流通する第２の供給通路を有し、前記単セルを支持するための、導電性を有する支持基板を準備する工程と、前記支持基板及び単セルの少なくとも一方に、導電性を有する溶着層を形成する工程と、前記支持基板と単セルとをその間に前記溶着層が介在するよう積層し、当該溶着層を溶融させて前記支持基板及び単セルを溶着する工程と、を備え、前記第１及び第２の供給通路が前記溶着層を介して連通している。

本発明に係る第４の固体酸化物形燃料電池の製造方法は、上記問題を解決するためになされたものであり、燃料極、電解質及び空気極をこの順で積層するとともに、積層方向にガスが流通する第１の供給流路を有する自立膜式又は支持膜式の単セルを準備する工程と、ガスが流通する第２の供給通路を有し、前記単セルを支持するための、導電性を有する２つの支持基板を準備する工程と、前記両支持基板で前記単セルを挟んで、それらの間に溶着層が介在するよう積層し、前記溶着層を溶融させて前記両支持基板及び単セルに溶着させる工程と、を備え、前記第１及び第２の供給通路が前記溶着層を介して連通している。

第１の製造方法では、支持基板及び単セルの少なくとも一方に、導電性を有するガス透過可能な溶着層を形成すればよい。すなわち、支持基板及び単セルのいずれか一方に溶着層を形成してもよいし、両方に形成してもよい。そして、次の工程において、溶着層が形成された層を介在させるように、支持基板と単セルとを積層させればよい。このとき、支持基板と単セルの両方に溶着層が形成されていると、両者の密着性が増し、機械的強度が向上する。

また、第２の製造方法では、溶着層を形成する工程において、各支持基板と単セルとの向かい合う面において、少なくとも一方の面に、溶着層を形成することができる。各支持基板と単セルの両方に溶着層を形成すると、密着性が増し、機械的強度の向上が期待できる。また、第３及び第４の製造方法においても、上記と同様の効果を得ることができる。

上記各製造方法に用いられる溶着層は、銀又は銀を含む化合物により構成されていることが好ましい。

また、上記各製造方法に用いられる溶着層は、１２００℃以下の融点を有していることが好ましい。

また、上記第３及び第４の発明において、支持基板の貫通孔内を充填するように多孔質性を有する集電体を形成する工程をさらに設けることができる。

本発明によれば、強度を向上させるとともに、熱的損傷を防止できる固体酸化物形燃料電池を提供することができる。

本発明に係る固体酸化物形燃料電池の実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１は、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池の正面断面図、図２は、図１のＡ−Ａ線断面図である。

図１に示すように、固体酸化物形燃料電池１は、支持基板２、溶着層３，及び単セル４がこの順に積層されることで構成されている。そして、これら支持基板２、溶着層３、及び単セル４は、溶着層３が支持基板２及び単セル４に溶着することで、一体化されている。単セル４は、平面視矩形状で板状の電解質４１を備えており、この電解質４１の上面に電解質４１よりも一回り小さい平面視矩形状の空気極４２が薄膜状に形成されている。また、電解質４１の下面には、電解質４１よりも一回り小さい平面視矩形状の燃料極４３が薄膜状に形成されている。このように、単セル４は、電解質４１を支持体とした、いわゆる自立膜式である。また、支持基板２は、導電性である。さらに、上述した単セル４、溶着層３、及び支持基板２には、これらを貫く複数の貫通孔２１が形成されている。なお、燃料極４３、空気極４２は多孔質であり、ガス透過性を有している。一方、支持基板２、溶着層３、電解質４１は緻密に形成されており、ガス非透過性である。

図２に示すように、溶着層３は単セル４の燃料極４３上に溶着されて、パターン状に形成されており、例えば、蛇行状（図２（ａ））や渦巻き状（図２（ｂ））、斑点状（図２（ｃ））など種々の形状とすることができる。

続いて、上記燃料電池を構成する材料について説明する。支持基板２は、緻密な材料で構成されており、金属及び金属酸化物からなる材料で構成されていれば良い。例えば、金属材料としては、Ｆｅ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ａｇを用いることができ、１種を単独で使用してもよいし、２種以上が合金化されていてもよい。例えば、ステンレス系耐熱材料などが使用でき、具体的には、オーステナイト系ステンレス鋼、フェライト系ステンレス鋼を用いることができる。この支持基板２の厚さは、５０〜５０００μｍであることが好ましい。

溶着層３の材料として、銀や、金、白金、銅及びこれら金属を含む化合物等を挙げることができる。多孔質からなる溶着シート３は、ガス透過性及びその強度を考慮すると、支持基板２及び単セル４に溶着された状態で、その気孔率が２０〜８０％の範囲にあることが好ましい。溶着層３は、溶融して支持基板２と単セル４に溶着した後の厚さが１〜２００μｍであることが好ましい。この溶着層３の融点は、支持基板２に熱的損傷を与えない程度の温度であることが好ましく、具体的には、１２００℃以下であることが好ましい。

電解質４１の材料としては、固体酸化物形燃料電池の電解質として公知のものを使用することができ、例えば、サマリウムやガドリニウム等をドープしたセリア系酸化物（ＧＤＣ）、ストロンチウムやマグネシウムをドープしたランタン・ガレード系酸化物、スカンジウムやイットリウムを含むジルコニア系酸化物（ＹＳＺ）などの酸素イオン伝導性セラミックス材料を用いることができる。支持体として使用される際の電解質４１の厚さは、２００〜１０００μｍとすることが好ましい。

燃料極４３及び空気極４２は、セラミックス粉末材料により形成することができる。このとき用いられる粉末の平均粒径は、好ましくは１０ｎｍ〜１００μｍであり、さらに好ましくは５０ｎｍ〜５０μｍであり、特に好ましくは１００ｎｍ〜１０μｍである。なお、平均粒径は、例えば、ＪＩＳＺ８９０１にしたがって計測することができる。

燃料極４３は、例えば、金属触媒と酸化物イオン導電体からなるセラミックス粉末材料との混合物を用いることができる。このとき用いられる金属触媒としては、ニッケル、鉄、コバルトや、貴金属（白金、ルテニウム、パラジウム等）等の還元性雰囲気中で安定で、水素酸化活性を有する材料を用いることができる。また、酸化物イオン導電体としては、蛍石型構造又はペロブスカイト型構造を有するものを好ましく用いることができる。蛍石型構造を有するものとしては、例えばサマリウムやガドリニウム等をドープしたセリア系酸化物、スカンジウムやイットリウムを含むジルコニア系酸化物などを挙げることができる。また、ペロブスカイト型構造を有するものとしてはストロンチウムやマグネシウムをドープしたランタン・ガレード系酸化物を挙げることができる。上記材料の中では、酸化物イオン導電体とニッケルとの混合物で、燃料極４３を形成することが好ましい。なお、酸化物イオン導電体からなるセラミックス材料とニッケルとの混合形態は、物理的な混合形態であってもよいし、ニッケルへの粉末修飾またはセラミックス材料へのニッケル修飾などの形態であってもよい。また、上述したセラミックス材料は、１種類を単独で、或いは２種類以上を混合して使用することができる。また、燃料極４３は、金属触媒を単体で用いて構成することもできる。

空気極４２を形成するセラミックス粉末材料としては、例えば、ペロブスカイト型構造等を有するＣｏ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｒ又はＭｎ等からなる金属酸化物を用いることができる。具体的には（Ｓｍ，Ｓｒ）ＣｏＯ３，（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ３，（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ３，（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｆｅ，Ｃｏ）Ｏ３，（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ）Ｏ３などの酸化物が挙げられ、好ましくは、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｆｅ，Ｃｏ）Ｏ３である。上述したセラミックス材料は、１種を単独で、或いは２種以上を混合して使用することができる。

上記燃料極４３、及び空気極４２は、例えば、ウエットコ−ティング法或いは、ドライコーティング法によって形成することができる。ウエットコ−ティング法としては、スクリーン印刷法、電気泳動（ＥＰＤ）法、ドクターブレード法、スプレーコート法、インクジェット法、スピンコ−ト法、ディップコート法等が例示できる。その際、これら燃料極４３、及び空気極４２は、ペースト状にする必要があり、上述した材料を主成分として、さらにバインダー樹脂、有機溶媒などが適量加えられることにより形成される。より詳細には、上記主成分とバインダー樹脂との混合において、上記主成分が５０〜９５重量％となるように、バインダー樹脂等を加えることが好ましい。また、ドライコーティング法としては、例えば蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、化学気相成長（ＣＶＤ）法、電気化学気相成長法、イオンビーム法、レーザーアブレーション法、大気圧プラズマ成膜法、減圧プラズマ成膜法等で形成することもできる。燃料極４３及び空気極４２の膜厚は、５〜１００μｍとなるように形成するが、５〜５０μｍであることがさらに好ましい。

次に上記のように構成された固体酸化物形燃料電池の製造方法について図面を参照しつつ説明する。図３は、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池の製造方法を示す説明図である。

まず、単セル４を準備する（図３（ａ））。なお、単セル４を作製する方法は公知の方法を採用することができ、例えば、以下の方法で作成することができる。すなわち、上述した材料からなる電解質４１を準備し、上述した材料からなる燃料極ペーストをスクリーン印刷によって、電解質４１の下面に塗布し、所定時間、乾燥・焼結して多孔質の燃料極４３を形成する。次に、電解質４１の上面に上述した材料からなる空気極ペーストをスクリーン印刷し、所定時間、乾燥・焼結して多孔質の空気極４２を形成する。以上によって、単セル４を作製することができる。

次に、単セル４の下面に溶着層３をパターン状に形成する（図３（ｂ））。より詳細には、単セル４の下面に、溶着層材料をペースト状にした溶着層ペーストを所定のパターンになるようにスクリーン印刷にて燃料極上に塗布し、所定時間、乾燥・焼結して形成する。このとき、同様の条件で、支持基板２側にも溶着層ペーストを塗布して溶着層を形成してもよい。

続いて、溶着層３が形成された単セル４の下に、支持基板２を配置する（図３（ｃ））。このとき、支持基板２側にも溶着層３を形成している場合には、燃料極４３と支持基板２の溶着層同士が接触するように、単セル４の下に支持基板２を配置する。

そして、支持基板２、単セル４の順に積層された状態で、単セル４の上面及び支持基板２の下面から圧力をかけながら、溶着層３の融点付近の高い温度で、且つ、支持基板２に熱的損傷を与えない程度の温度となるように加熱する（図３（ｄ））。なお、溶着層３の材質によっても異なるが、溶着層３を銀で構成した場合は、８００〜１０００℃の温度で１〜１０時間加熱することが好ましい。また、圧力は１００〜１０，０００ｇ／ｃｍ^２とすることが好ましい。

最後に、支持基板２、溶着層３、及び単セル４を貫く複数の貫通孔２１を形成する。この貫通孔２１を形成する方法は、いくつかあるが、例えば、ドリル加工などの切削加工を用いることができる。以上の工程により、溶着層３が一旦溶融して支持基板２及び単セル４に溶着し、固体酸化物形燃料電池１が完成する（図３（ｅ））。

上記のように構成された燃料電池は、次のように発電が行われる。まず、燃料ガスと酸化剤ガスの混合ガスを電池に向かって供給する。燃料ガスは、水素、又はメタン、エタンなどの炭化水素からなるガスであり、酸化剤ガスは空気などからなるガスである。この混合ガスは、貫通孔２１を介して、単セル４内に入り込み、燃料極４３及び空気極４２と接触する。こうして、燃料極４３及び空気極４２がそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスと選択的に接触するため、燃料極４３と空気極４２との間で、電解質４１を介した酸素イオン伝導が起こり、発電が行われる。

以上のように、上記実施形態によれば、支持基板２によって単セル４が支持されているため、燃料電池１の機械的強度を向上させることができる。また、まず、単セル４を作製した後に、溶着層３によって、この単セル４と支持基板２とを一体化させている。このため、単セル４の電解質４１を緻密にする際に必要な高温が支持基板２に加わることがなく、支持基板２が熱的損傷を受けることを防止することができる。なお、その結果、高温に曝されることによって熱的損傷を受ける材料であっても支持基板２として使用することが可能となり、支持基板２の材料選択の幅を広げることができる。しかも、単セル４に厚み方向に延びる貫通孔２１が形成されていることから、ガスを単セル内全体に亘って均一に供給することができる。よって、単セル２の面方向における出力性能のばらつきを押さえることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。例えば、図４に示すように、支持基板２の貫通孔２１に多孔質の集電体５を充填し、さらにその集電体５が下面まで覆うように構成することができる。つまり、この集電体５の層厚は、支持基板２の層厚以上の厚さとなっている。この集電体５は、Ｆｅ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ａｇ，Ａｕ，Ｐｔ等の導電性金属を用いることができ、１種を単独で使用してもよいし、２種以上を混合してもよい。

このような固体酸化物形燃料電池１の製造方法は、上記実施形態で説明した製造方法（図３）のあと、さらに、貫通孔２１に集電体５をスクリーン印刷などによって形成すればよい。より詳細には、集電体５は、上述した材料を主成分として、さらにバインダー樹脂、有機溶媒などが加えられ、より詳細には主成分とバインダー樹脂との混合において上記主成分が５０〜９０重量％となるように、バインダー樹脂などを加える。このような材料で集電体ペーストを形成する。この集電体ペーストには、発泡剤などの熱分解性のある樹脂を含有させておき、このペーストを印刷した後、焼結すると、熱分解性のある樹脂が分解され除去される。その結果、集電体５には、多数の気孔が形成され、多孔質となる。

以上のように、支持基板２の貫通孔２１に集電体５を充填させることで、支持基板２自体が導電性を有していなくても、この集電体５によって導電経路を確保することができ、その結果、支持基板２の材料選択の幅が広がり、作動温度下において絶縁性となるような安価な材料を用いてコストの低減を図ることができる。

また、上記実施形態では、単セル４の下面に溶着層３を形成しているが、特にこれに限定されるものではなく、支持基板２上に溶着層３を形成することもできる。

また、上記実施形態では、電解質４１を支持体とした、いわゆる自立膜式の単セル４を採用したが、燃料極４３や空気極４２を支持体とした、いわゆる支持膜式の単セル４とすることもできる。

また、図５に示すように、支持基板２を２個準備し、単セル４を２個の支持基板２を挟んで燃料電池１を作製してもよい。また、支持基板２に貫通孔２１を形成した場合には、図６に示すように、集電体５を貫通孔２１に充填することもできる。ここで、用いる支持基板等の材料は、上記実施形態で示したのと同じである。このように、２個の支持基板で単セルを挟むことにより、機械的強度がさらに向上し、特に、厚さ方向からの衝撃に対する強度が向上する。

また、溶着層３は、上記のように種々のパターンを形成してガスの透過を確保する以外に、 集電体ペーストに造孔剤を添加することや、焼結条件を調節して多孔質の溶着層３を形成することもできる。これによって、ガスの透過が可能になる。

なお、溶着層３はパターン状に形成されているため、単セル４と支持基板２との間の全てに充填されているわけではなく、溶着層３が形成されていない隙間部分が形成されている。このため、溶着層３自体が緻密に形成されていても、貫通孔２１から導入された燃料ガスは、溶着層３が形成されていない隙間部分を通って単セル４の燃料極４３に接触する。このように、溶着層３をガス透過可能に形成すると、ガスが単セルに行き渡りやすいが、複数の貫通孔２１が形成されているため、緻密な溶着層３を単セル４と支持基板２との間の全面に亘って形成しても、貫通孔２１を介して単セル４内にガスを流入させることができる。

また、上記実施形態では、電解質４１の上面に空気極４２を形成し下面に燃料極４３を形成しているが、これを逆にする、すなわち、電解質４１の上面に燃料極を下面に空気極を形成することもできる。

さらに、上記実施形態では、支持基板２、溶着層３、及び単セル４を貫く貫通孔２１を形成し、これによって単セル２にガスを導いているが、例えば、以下のような３つの態様にすることもできる。

まず、図７に示すように、単セルの電解質基板４１に、予め、ブラスト加工やドリル加工などの切削加工により、電解質基板４１に貫通孔４１１を形成する。その後、上述したように、燃料極４３及び空気極４２を形成する。一方で支持基板２にブラスト加工やドリル加工などの切削加工或いは、支持基板２が金属の場合のみ、エッチィングにより貫通孔２１を形成する。その後、上述したのと同様に、支持基板２と単セル４とを溶着層３で貼り合せ、両貫通孔４１１、２１を溶着層３を介して連通させる。なお、両電極４２，４３は多孔質であるため、ガスは、支持基板２及び単セル４を厚さ方向に亘って貫通するので、上述した効果を得ることができる。

また、図８に示すように、電解質４１を多孔質状に形成する。すなわち、空気極４２、電解質４１、燃料極４３の全てを多孔質とする。支持基板２については図７と同様の貫通孔２１を形成する。この構成によっても、ガスが支持基板２及び単セル４を厚さ方向に貫通することができる。

或いは、図９に示すように、単セル４の電解質基板４１に、予めブラスト加工やドリル加工などの切削加工によりに貫通孔４１１を形成する。その後、その両面に燃料極４３及び空気極４２を形成する。一方で支持基板２を作製する際に、造孔剤を添加することで、多孔質化した基板とする。その後、支持基板２と単セル４とを溶着層３で貼り合せ、貫通孔４１１と多孔質基板２とを溶着層３を介して連通させる。

以上のように、単セル４、支持基板２及び溶着層３は、貫通孔を形成したり、或いは多孔質体で形成することができ、溶着層３に関しては、上記のようなパターン状に形成することもできる。要するに、単セル４にガスが導けるように構成されていればよい。また、貫通孔を形成する場合でも、上記実施形態のように、すべての層を貫く貫通孔を形成する必要はなく、単セル４、支持基板２、及び溶着層３に別個に貫通孔を形成した後、最終的にこれらが連通するように、位置あわせされていればよい。

本発明に係る固体酸化物形燃料電池の実施形態を示す正面断面図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池の製造方法を示す説明図である。 本発明に係る他の固体酸化物形燃料電池の実施形態を示す正面断面図である。 本発明に係るさらに他の固体酸化物形燃料電池の実施形態を示す正面断面図である。 本発明に係るさらに他の固体酸化物形燃料電池の実施形態を示す正面断面図である。 本発明に係るさらに他の固体酸化物形燃料電池の実施形態を示す正面断面図である。 本発明に係るさらに他の固体酸化物形燃料電池の実施形態を示す正面断面図である。 本発明に係るさらに他の固体酸化物形燃料電池の実施形態を示す正面断面図である。

符号の説明

１ 固体酸化物形燃料電池
２ 支持基板
２１ 貫通孔
３ 溶着層
４ 単セル
４１ 電解質
４２ 空気極
４３ 燃料極
５ 集電体

Claims (16)

1. 燃料ガス及び酸化剤ガスの混合ガスが供給される固体酸化物形燃料電池であって、
   燃料極、電解質及び空気極をこの順で積層し、当該積層方向に混合ガスが流通する第１の供給通路が形成された自立膜式又は支持膜式の単セルと、
   前記単セルを支持するとともに、混合ガスが流通する第２の供給通路が形成された導電性を有する支持基板と、
   前記単セルと支持基板との間に介在して前記単セル及び支持基板に溶着する、導電性の溶着層と、を備え、
   前記第１及び第２の供給通路が前記溶着層を介して連通している、固体酸化物形燃料電池。
2. 燃料ガス及び酸化剤ガスの混合ガスが供給される固体酸化物形燃料電池であって、
   燃料極、電解質及び空気極をこの順で積層し、当該積層方向に混合ガスが流通する第１の供給通路が形成された自立膜式又は支持膜式の単セルと、
   前記単セルを、前記燃料極側及び空気極側からを狭持するとともに、混合ガスが流通する第２の供給通路が形成された導電性を有する一対の支持基板と、
   前記単セルと各支持基板との間に介在して前記単セル及び支持基板に溶着する導電性の溶着層と、を備え、
   前記第１及び第２の供給通路が前記溶着層を介して連通している、固体酸化物形燃料電池。
3. 前記支持基板には、少なくとも一つの貫通孔が形成されており、前記貫通孔によって前記第２の供給通路が構成されている、請求項１または２に記載の固体酸化物形燃料電池。
4. 前記支持基板は、多孔質性であり、当該支持基板内の複数の気孔によって前記第２の供給通路が構成されている、請求項１または２に記載の固体酸化物形燃料電池。
5. 前記電解質には、厚さ方向に少なくとも１つの貫通孔が形成されている、請求項１から４のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池。
6. 前記電解質は、多孔質性であり、当該電解質内の複数の気孔によって前記第１の供給通路が形成されている、請求項１から４のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池。
7. 前記支持基板は、絶縁性の板材と、当該板材に形成され前記第２の供給通路に充填された導電性で多孔質性を有する導電材とを備えている、請求項１から６のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池。
8. 前記支持基板の第２の供給通路に充填され、前記支持基板以上の厚さを有する導電性の多孔質集電体をさらに備えている、請求項１から６のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池。
9. 前記溶着層は、銀又は銀を含む化合物により構成されている、請求項１から８のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池。
10. 前記溶着層は、１２００℃以下の融点を有している、請求項１から９のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池。
11. 燃料極、電解質及び空気極をこの順で積層した自立膜式又は支持膜式の単セルを準備する工程と、
    前記単セルを支持するための、導電性を有する支持基板を準備する工程と、
    前記支持基板及び単セルの少なくとも一方に、導電性を有する溶着層を形成する工程と、
    前記支持基板と単セルとをその間に前記溶着層が介在するよう積層し、当該溶着層を溶融させて前記支持基板及び単セルに溶着させる工程と、
    前記支持基板、溶着層、及び単セルを貫通する、少なくとも一つの貫通孔を形成する工程と、
    を備えた固体酸化物形燃料電池の製造方法。
12. 燃料極、電解質及び空気極をこの順で積層した自立膜式又は支持膜式の単セルを準備する工程と、
    前記単セルを支持するための、導電性を有する２つの支持基板を準備する工程と、
    前記各支持基板と単セルとの間に、導電性を有する溶着層を形成する工程と、
    前記両支持基板で前記単セルを挟んで、それらの間に溶着層が介在するよう積層し、前記溶着層を溶融させて前記両支持基板及び単セルに溶着させる工程と、
    前記両支持基板、両溶着層、及び単セルを貫通する、少なくとも一つの貫通孔を形成する工程と、
    を備えた固体酸化物形燃料電池の製造方法。
13. 燃料極、電解質及び空気極をこの順で積層するとともに、積層方向にガスが流通する第１の供給流路を有する自立膜式又は支持膜式の単セルを準備する工程と、
    ガスが流通する第２の供給通路を有し、前記単セルを支持するための、導電性を有する支持基板を準備する工程と、
    前記支持基板及び単セルの少なくとも一方に、導電性を有する溶着層を形成する工程と、
    前記支持基板と単セルとをその間に前記溶着層が介在するよう積層し、当該溶着層を溶融させて前記支持基板及び単セルを溶着する工程と、を備え、
    前記第１及び第２の供給通路が前記溶着層を介して連通している、固体酸化物形燃料電池の製造方法。
14. 燃料極、電解質及び空気極をこの順で積層するとともに、積層方向にガスが流通する第１の供給流路を有する自立膜式又は支持膜式の単セルを準備する工程と、
    ガスが流通する第２の供給通路を有し、前記単セルを支持するための、導電性を有する２つの支持基板を準備する工程と、
    前記両支持基板で前記単セルを挟んで、それらの間に溶着層が介在するよう積層し、前記溶着層を溶融させて前記両支持基板及び単セルに溶着させる工程と、を備え、
    前記第１及び第２の供給通路が前記溶着層を介して連通している、固体酸化物形燃料電池の製造方法。
15. 前記溶着層を形成する工程では、
    前記各支持基板と単セルとの向かい合う面において、少なくとも一方の面に、前記溶着層を形成する、請求項１２または１４に記載の固体酸化物形燃料電池の製造方法。
16. 前記支持基板の貫通孔内を充填するように多孔質性を有する集電体を形成する工程をさらに備えている、請求項１１から１５に記載の固体酸化物形燃料電池の製造方法。

Images