JP5920880B2 - 積層型固体酸化物形燃料電池の実装構造 - Google Patents

Description

本発明は、積層型固体酸化物形燃料電池の実装構造に関する。

固体酸化物形燃料電池は他の方式の燃料電池に比べエネルギー効率が高く、また、触媒として貴金属を使用しなくとも動作可能であるので、低コストで製造できるといった利点がある。

その固体酸化物形燃料電池の構成の一例としては、電解質としての平板状の固体酸化物基板（以下、電解質としての固体酸化物を「固体電解質」ということがある）の一面にカソード(空気極)が、その反対面にアノード(燃料極)が形成され、固体酸化物基板、カソードおよびアノードによって、一つの固体酸化物形燃料電池セルが構成される。

通常、固体酸化物形燃料電池セル(以下、電解質を介してカソードよびアノードが対向する構成を「単セル」ということがある)１個当たりの発電量は小さいので、インターコネクタ等を用いて単セルを集積化することで発電装置が形成される。しかし、単セルを集積化することにより、アノード、カソードからの集電構造、ならびに、燃料ガス配管および酸素（もしくは空気等酸素含有ガス）配管の取り回しが複雑化し、また、小型化することが困難となるという問題がある。

集積化が容易な固体酸化物形燃料電池として、燃料ガスおよび酸素（もしくは空気等酸素含有ガス）を混合して、同時に供給する、単室型方式の構造を持つものが挙げられる。この構造をとることにより、セパレーターやガスシール材を必要とせず、ガス供給ラインの簡略化が出来、簡単なシステムでの発電が可能となる。例えば、特許文献１に記載の固体酸化物形燃料電池では、安定化ジルコニアやペロブスカイト型酸化物から成る固体電解質基板の同一表面上に、炭化水素の部分酸化反応に対して触媒能が異なる２種類の電極を交互に印刷し、単電池間をインターコネクタで接続することで、電池を直列化している。

また、固体電解質を介してアノードおよびカソードを配置した構造であり、固体電解質が隔壁になり、一方の電極室に燃料ガス、他方の電極室に酸素（もしくは空気等酸素含有ガス）を供給する二室型方式の構造をとる固体酸化物形燃料電池の基板上への集積化も可能である。たとえば特許文献２においては、固体電解質を介して内側電極と外側電極を積層した固体酸化物形燃料電池が、中空部および固体酸化物形燃料電池設置用の穴を設けた緻密な基板の同一平面上に複数個形成され、さらに、隣接した電池同士が導電性接続部材で直列及び並列に連結されている。この構造をとることで、たとえば中空部に水素を、電池の外部に空気を供給することで、複数の電池に同時にガスを供給することが可能となる。

さらに、二室型の固体酸化物形燃料電池を容易に集積する別の構造としては、特許文献３に記載の、複数のアノードと複数のカソードとが、固体電解質を介して交互に積層されて一体化されたチップ形状を持つ固体酸化物形燃料電池（以下、この構造を持つ固体酸化物形燃料電池を積層型固体酸化物形燃料電池と呼ぶ）を、図１のように基板に配置する構造がある。たとえば、基板１００の一面に燃料ガスを、もう一面に空気を導入することにより、個々の積層型固体酸化物形燃料電池１に個別に燃料ガスや空気を供給する必要はなく、容易に高集積化が可能となる。また積層型固体酸化物形燃料電池の発電に寄与する面積（以下、「電極有効面積」という）は、アノード及びカソードの積層枚数を増すにつれ増加していくため、高発電量が期待できる。

特開平８−２６４１９５号公報 特許第２５９９８１０号公報 特開２０１１−３４６８８号公報

特許文献１に係る単室型の固体酸化物形燃料電池においては、電気的な接続は容易になるが、燃料ガスと酸素（もしくは空気等酸素含有ガス）の混合ガスを用いるために、発電効率は二室型のものに比べて低いものとなる。また１０００℃程度の高温下での使用となるため、混合ガスの爆発の危険性も伴うという問題がある。

また、特許文献２に係る二室型の固体酸化物形燃料電池においては、まず中空部および固体酸化物形燃料電池設置用の穴を設けた基板を作製し、さらに複数の固体酸化物形燃料電池を基板の同一平面上に配置し、さらに固体酸化物形燃料電池同士を導電性部材で接続するという、複雑な製造工程を経るため、コスト増につながるという問題がある。また、装置の面積は、おおよそ電極有効面積であり、単セル面積の総和に略等しくなる。このため、基板平面に固体酸化物形燃料電池を並べて配置することで集積化はできるが発電量としては効果が表れない。

これに対し、特許文献３に係る積層型固体酸化物形燃料電池は、複数のアノードと複数のカソードとを固体電解質を介して交互に積層することにより、燃料ガスおよび酸素を供給する部分の面積（ガス供給面積）以上の電極有効面積が得られる。このため、高発電量が期待でき、かつ簡便な方法での集積化が可能である。しかし、特許文献３においては、積層型固体酸化物形燃料電池へのガスの供給方法が記載されているのみであり、電気的な接続手法は全く記載されていない。特に複数の積層型固体酸化物形燃料電池を直列に接続する方法に関しては特許文献３においては想定されていない。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、複数の積層型固体酸化物形燃料電池を集積化し、簡便に電気的に接続する実装構造を提供するものである。

本発明は、積層型固体酸化物形燃料電池と基板とを備える積層型固体酸化物形燃料電池の実装構造であって、積層型固体酸化物形燃料電池は、内部に複数のアノードと複数のカソードを固体電解質を介して積層した直方体形状を成すチップ状素子であり、アノードは、それぞれチップ状素子の対向する一対の面の一方に露出し、アノード側端子電極と電気的に接続し、カソードは、それぞれチップ状素子の対向する一対の面の他方に露出し、カソード側端子電極と電気的に接続しており、基板は、積層型固体酸化物形燃料電池を保持する差込孔を有し、基板の一方の主面には、アノード側端子電極と接続する配線を有しており、および基板の他方の主面には、カソード側端子電極と接続する配線を有していることを特徴とする。

基板の差込孔に、積層型固体酸化物燃料電池を差し込むことで複数の積層型固体酸化物燃料電池を集積化することが可能となる。また、基板の両主面には、導体ペーストで導通ルートを形成すること、あるいは基板全面をメタライズすることにより、配線が形成されており、複数の積層型固体酸化物燃料電池同士を並列に接続することが可能となる。また基板の両主面間に、ビアフィルやリード線等で導通ルートを形成することにより、複数の積層型固体酸化物燃料電池同士を直列に接続することが可能となる。

簡便に複数の積層型固体酸化物形燃料電池を並列および直列に接続することが可能となり、高出力が得られるようになる。

従来の積層型固体酸化物形燃料電池の基板実装構造を示す図である。 燃料電池の動作原理を示す概略図である。 本発明に係る実施形態で用いる積層型固体酸化物形燃料電池の断面図である。 本発明に係る実施形態で用いる積層型固体酸化物形燃料電池の外観図である。 本発明の実施形態１に係る実装構造を示す概略図である。 本発明の実施形態２に係る実装構造を示す概略図である。 本発明の実施形態３に係る実装構造を示す概略図である。 本発明の実施形態４に係る実装構造を示す概略図である。 本発明の実施形態５に係る実装構造を示す概略図である。 本発明の実施形態５を利用して炎で発電を行う際の概略図である。

以下、本発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、下記の発明を実施するための形態（以下実施形態という）により本発明が限定されるものではない。また、下記の実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、下記の実施形態における構成要素は適宜組み合わせることが可能である。図面はあくまでも例示を目的としたものであって、必ずしも実寸法を示すものではない。図面をより明瞭にする目的またはある部分を目立たせる目的で、他の部分とは相対的に誇張された部分もあり得る。また、実施形態と図面においてそれぞれ対応する部材には同一の符号を付してある。

図２は、燃料電池の動作原理を示す概略図である。図２を用いて、燃料電池ＦＣの一般的な動作原理を説明する。本実施形態で対象とする燃料電池ＦＣは固体酸化物形燃料電池である。燃料電池ＦＣは、燃料ガスと空気等酸素含有ガス中の酸素を電気化学的に反応させ、燃料ガスのもつ化学的なエネルギーを直接電気エネルギーに変換する発電装置である。例えば、燃料ガスとして水素Ｈ_２を用いた場合には、カソードＣａでは、空気中の酸素（Ｏ_２）が外部回路から電子ｅ⁻を受け取り、酸素イオンＯ^２−となって、固体酸化物からなる電解質Ｅを伝ってアノードＡｎへ移動する。アノードＡｎでは、酸素イオンＯ^２−と外部から供給された燃料ガス（水素Ｈ_２）とが反応して、２個の電子ｅ⁻を外部回路へ送り出す。この電子ｅ⁻は、負荷を通って反対側のカソードＣａに流れる。そして水素Ｈ_２は、酸素イオンＯ^２−と結合し、水Ｈ_２Ｏとなる。これを化学式で示せば、
カソード：（１／２）Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２−・・・・・（１）
アノード：Ｏ^２−＋Ｈ_２→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻・・・・・（２）
全体：（１／２）Ｏ_２＋Ｈ_２→Ｈ_２Ｏ・・・・・（３）
となる。電子ｅ⁻の流れる方向と反対方向に電流Ｉが流れる。となる。なお、固体酸化物形燃料電池では、Ｈ_２以外（例えば、ＣＯ）も燃料として使用できる。

燃料電池ＦＣから電力を十分に取り出すためには、電極有効面積の増加および固体電解質の薄層化が必要である。本実施形態における燃料電池ＦＣは、電極（アノードＡｎおよびカソードＣａ）と固体電解質Ｅとを交互に積層して一体とした積層構造をとることにより、単位体積あたりの電極有効面積を増加させ、発電効率を向上させている。このように積層構造をとる積層型固体酸化物形燃料電池の詳細な構造について以下に述べる。

＜積層型固体酸化物形燃料電池＞
図３（ａ）は、本実施形態に用いる積層型固体酸化物形燃料電池（以下、「ＳＯＦＣ」と示す）の断面図である。図３（ｂ）は、本実施形態で用いるＳＯＦＣの外観図である。図３（ａ）に示すように、ＳＯＦＣ１は、複数のアノード２と、複数のカソード３と、各アノード２と各カソード３との間に配置される固体電解質４と、アノード２またはカソード３を介して隣接する固体電解質４同士の間に配置される仕切り部５ａおよび仕切り部５ｃとからなり、一体に構成されてＳＯＦＣ１となる。ＳＯＦＣ１は、各アノード２および各カソード３が固体電解質４を介して交互に対向して積層されている。各アノード２および各カソード３の一部は、両者が重ならない非重なり部６を有して配置されている。また、図３（ｂ）に示すように、ＳＯＦＣ１は、略直方体形状に形成されており、各アノード２は前記略直方体の対向する端面の一方に引き出するように形成されており、各カソード３は前記略直方体の対向する端面に他方（すなわち各アノード２の引き出されている端面と対向する端面）に引き出すように形成されている。さらに、ＳＯＦＣ１は、複数のアノード２の引き出された各端部と共通に電気的に接続されるアノード側端子電極１１および複数のカソード３の引き出された各端部と共通に電気的に接続されるカソード側端子電極１２とを有する。以下、図３（ｂ）に示すように、ＳＯＦＣ１は、アノード側端子電極１１からカソード側端子電極１２までの端面方向の距離を長さＬ、積層方向の距離を厚みＴ、端面方向並びに積層方向と直行する方向の距離を幅Ｗとすることがある。

ＳＯＦＣ１は、一つのアノード２と一つのカソード３と両者の間の固体電解質４との組み合わせ（以下、「発電単位という」）で電力を発生する。図３（ａ）に示すように、本実施形態に用いるＳＯＦＣ１においては、複数のアノード２と、複数のカソード３と、アノード２とカソード３との間に配置される固体電解質４とが一体に構成されて、アノード２およびカソード３が固体電解質４を介して交互に対向して積層されている。これにより複数の発電単位が積み重ねられた構造となる。なお、ＳＯＦＣ１全体は、アノード側端子電極１１で電気的に接続された複数のアノード２、およびカソード側端子電極１２で電気的に接続された複数のカソード３がそれぞれ並列に接続したものである。これにより、一対の端子電極、すなわち、アノード側端子電極１１とカソード側端子電極１２とによって、アノード２とカソード３が一体に構成された燃料電池とみなすことができる。また、複数の発電単位間それぞれには、いわゆるインターコネクタに相当するものは有していない。このため、ＳＯＦＣ１は、一対の端子電極（アノードとカソード）が固体電解質上に形成されている一般的な燃料電池でいう単セル構造と見なすことができる。

ＳＯＦＣ１を動作させるには、燃料ガスを複数のアノード２に、酸素を複数のカソード３にそれぞれ供給する供給系統が必要である。本実施形態のＳＯＦＣ1では、複数のアノード２がアノード側端子電極１１に、複数のカソード３がアノード側端子電極１１とは反対側に配置されるカソード側端子電極１２に接続されている。これによって、燃料ガスの供給系統と酸素の供給系統とを簡便に形成することができる。

＜固体電解質＞
本実施形態に用いるＳＯＦＣ１において、固体電解質４の材料は、Ｚｒ_０．８１Ｙ_０．１９Ｏ_２−δに示すようなイットリアドープジルコニア（ＹＳＺ）を用いる。固体電解質４の材料としてはＹＳＺ等の安定化ジルコニア系のほか、Ｃｅ_０．８５Ｓｍ_０．１５Ｏ_２−δに示すようなサマリアドープセリア（ＳＤＣ）等のセリア系、Ｌａ_０．８Ｓｒ_０．２Ｇａ_０．８Ｍｇ_０．２Ｏ_３−δに示すようなＬＳＧＭ等のペロブスカイト型酸化物系の材料を用いることができる。なお、固体電解質４の材料は、上述したものに限定されるものではなく、固体酸化物形燃料電池の固体電解質として適用可能な材料全般を使用できる。

＜アノードおよびカソード＞
本実施形態に用いるＳＯＦＣ１において、複数のアノード２および複数のカソード３の材料は、白金（Ｐｔ）で構成された多孔質材料を用いる。各アノード２は燃料ガスを、各カソード３は酸素をそれぞれの内部に行き渡らせる必要があるため、多孔質体や気体通路を持つ構造である必要がある。また、各アノード２および各カソード３を多孔質体とするために、アノード用およびカソード用ペーストに電子伝導性を示す材料のほかに空隙形成剤を含むと良い。空隙形成剤は、例えばアクリル系のポリマー等、焼成時に消失するものを用いることができる。このように、焼成時に消失する空隙形成剤を用いることにより、多孔質体のアノードやカソードを簡単に作製できる。尚、アノード２とカソード３とは異なる材料であってもよい。各アノード２は、Ｐｔの他、高温還元雰囲気で電子伝導性を示す材料が使用できる。このようなアノード２の材料としては、ニッケル（Ｎｉ）、上述したＹＳＺやＳＤＣ等の固体電解質とＮｉとのサーメット等がある。各カソード３は、Ｐｔの他、高温酸化雰囲気で電子伝導性を示すものが使用できる。このようなカソード３の材料としては、例えば、ＣｏＦｅ_２Ｏ_４、ＭｎＦｅ_２Ｏ_４、ＮｉＦｅ_２Ｏ_４、ＢＳＣＦ等がある。ここで、ＢＳＣＦとは、バリウム（Ｂａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）の酸化物である。なお、アノード２およびカソード３の材料は、上述したものに限定されるものではなく、固体酸化物形燃料電池のアノードおよびカソードとして適用可能な材料全般を使用することができる。

＜アノード側端子電極及びカソード側端子電極＞
本実施形態に用いるＳＯＦＣ１において図３（ａ）に示すように、アノード側端子電極１１は、複数のアノード２を電気的に接続しており、カソード側端子電極１２は複数のカソード３を電気的に接続している。これにより複数のアノード２および複数のカソード３はそれぞれ並列に接続したものとみなすことができる。また、アノード側端子電極１１およびカソード側端子電極１２は、Ｐｔ多孔質体で構成される。これは、アノード側端子電極１１側から供給された燃料ガスを各アノード２の内部に、カソード側端子電極１２側から供給された酸素を各カソード３の内部にそれぞれ行き渡らせるためである。また、アノード側端子電極１１およびカソード側端子電極１２を多孔質体とするために、アノード側端子電極用およびカソード側端子電極用ペーストは導電性粉末粒子のほかに空隙形成剤を含むと良い。空隙形成剤は、例えばアクリル系のポリマー等、焼成時に消失するものを用いることができる。このように、焼付け時に消失する空隙形成剤を用いることにより、多孔質体のアノード側端子電極１１およびカソード側端子電極１２を簡単に作製できる。

アノード側端子電極１１に用いることが出来る材料としては、アノード２に使用できる材料のほか、貴金属（例えば、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ）が好適である。また、カソード側端子電極１２に用いることが出来る材料としては、カソード３に使用できる材料のほか、貴金属（例えば、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ）が好適である。

＜仕切り部＞
アノード２とカソード３との間で電流や気体（燃料ガスや酸素）の漏れが発生すると、ＳＯＦＣ１の単位体積あたりの発電効率が低下する。これを防止するため、図３（ａ）に示すように、アノード２とカソード３との間にある固体電解質４および隣接する固体電解質４同士の間に配置される仕切り部５ａ、５ｃは、電流を絶縁し、ガスタイト（気体を透過させない構造）であることが好ましい。

固体電解質４と仕切り部５ａ、５ｃとを同じ材料とすると、ＳＯＦＣ１の製造が容易になるという利点がある。また、固体電解質４と仕切り部５ａ、５ｃとは異なる材料で構成してもよい。より絶縁やガスタイトを確保しやすい材料を用いることで、電流やガス漏れによるＳＯＦＣ１の性能低下を効果的に抑制することも可能である。

仕切り部５ａ、５ｃに用いることができる材料としては、固体電解質４の材料以外では、例えば、ジルコニア（二酸化ジルコニウム、ＺｒＯ_２）、アルミナ（酸化アルミニウム、Ａｌ_２Ｏ_３）、シリカ（二酸化ケイ素、ＳｉＯ_２）、マグネシア（酸化マグネシウム、ＭｇＯ）を用いることができる。特に、仕切り部５ａ、５ｃは、固体電解質４よりも電子伝導度が低い材料で構成することが発電効率を向上させる観点から好ましく、このような材料としては、ジルコニアが好ましい。

＜各部材の大きさ＞
固体電解質４の厚みは、できる限り薄い方が好ましく、１μｍ〜５０μｍ、より好ましくは１μｍ〜２０μｍとすることができる。また、アノード２の厚みおよびカソード３の厚みは、燃料ガスや酸素を通過させる必要があることから、あまり薄くすることができないため、１０μｍ〜１００μｍ程度とすることができる。さらに、仕切り部５ａ、５ｃは、アノード２の厚みおよびカソード３の厚みと同等になるようにすればよい。

ＳＯＦＣ１において、一つの発電単位において電極有効面積は、非重なり部６を除くアノード２とカソード３とが重なり合う部分の面積である。ＳＯＦＣ１は、この発電単位を複数積層した構造であり、モノリシックな構造となっている。このような構造によって、ＳＯＦＣ１全体の電極有効面積を大きくすることができる。すなわち、ＳＯＦＣ１は、同じ体積であれば、平板型や円筒型等のＳＯＦＣと比較して、高い電力密度を実現できる。

ＳＯＦＣ１は、チップ状素子の形状として外形寸法を例えば長さＬを４．５ｍｍ、幅Ｗを３．２ｍｍ、厚みＴを１．０ｍｍとすることが出来る。そして、チップ状素子の内部の、アノード２およびカソード３の枚数をそれぞれ２枚とすることが出来る。この形状をとる場合、アノード２とカソード３の間の固体電解質４の枚数は３枚となるため、本実施形態における発電単位は３組とみなすことが出来る。

＜強度＞
また、ＳＯＦＣ１は、複数のアノード２と、複数のカソード３と、複数の固体電解質４との層が一体となってモノリシックな構造となり全体の強度を受け持つので、変形に対して強い構造となる。このため、固体電解質４を薄くしたとしても、複数のアノード２および複数のカソード３により、ＳＯＦＣ１全体の強度を確保できる。このように、ＳＯＦＣ１は、固体電解質４を薄くすることが可能であるため、より大きな電力を取り出しやすい構造であるといえる。

また、アノード２およびカソード３を多孔質体とした場合には、加熱時において、空隙が電子伝導性材料の熱膨張を吸収し、アノード２、または、カソード３と、固体電解質４との間に働く応力を緩和する。ゆえに、アノード２およびカソード３を多孔質体とした場合、アノード２と、カソード３と、固体電解質４とのそれぞれの材料の線膨張係数がある程度異なっていても、アノード２、カソード３、固体電解質４の割れ等を抑制できる。

さらに、ＳＯＦＣ１は、アノード２と、カソード３と、固体電解質４とをそれぞれ複数層積層した構造なので、加熱時において、ＳＯＦＣ１は、全体的には均一に熱膨張し、局所的に大きな変形が発生しにくくなる。このような構造によって、ＳＯＦＣ１は、熱膨張を均一化できるので、全体の反りを抑制できる。これらの作用によって、ＳＯＦＣ１は、耐熱衝撃性に優れる。このように、ＳＯＦＣ１は、耐熱衝撃性に優れるため、急な温度上昇に曝すことが可能となり、迅速な起動が可能になるという利点が得られる。

＜実施形態１＞
図４は本発明の実施形態１に係るＳＯＦＣの実装構造を示す概略図であり、複数のＳＯＦＣ１を並列に接続する構造である。基板２００にはＳＯＦＣ１を差し込むことが出来るよう、複数の差込孔２２０が開けられている。なお、本実施形態においては、酸素含有ガスとして空気を使用する。各々のＳＯＦＣ１は、基板２００の一方の面側である燃料ガス供給面２０１にアノード側端子電極１１が配置され、その反対面側である空気供給面２１１にカソード側端子電極１２が配置されるように各々の差込孔２２０に差し込まれている。基板２００のアノード側端子電極１１側の燃料ガス供給面２０１へ燃料ガスＦが、カソード側端子電極１２側の空気供給面２１１へ空気Ａが供給される。

基板２００においては、燃料供給面２０１と空気供給面２１１との間が電気的に絶縁していなくてはならない。そのため基板２００の材料としてはセラミックスを用いることが好しい。あるいは、金属など導電性の材料を絶縁性の材料でコーティングしたものも利用できる。セラミックスとしては、ジルコニア、アルミナ、マグネシア等、融点の高いものが特に好適である。また金属としては、融点が高いものが好ましく、タングステンやモリブデンやニッケル等が好適である。これらの金属に先に示したジルコニア、アルミナ、マグネシア等をコーティング、あるいは金属の表面に酸化処理を施し、皮膜を形成することで、絶縁性を得たものが、基板２００として好適である。

各々の差込孔２２０は、基板２００を貫通するようにドリル等で小型の孔を開け、その後やすり等で所望の形状に成形すればよい。また、ＮＣ旋盤等ではじめから所望の形状に差込孔２２０を切り出してもよい。またセラミックスを用いる場合には基板２００の材料を原料として作製した厚さ数１０μｍ程度のグリーンシートに、打ち抜き等で孔を形成し、孔の位置を合わせながらグリーンシートを多数積層して焼成することで、差込孔２２０が予め備わった基板２００を形成してもよい。さらに、差込孔２２０についても絶縁性が必要であるので、基板２００に金属材料を用いる場合には、基板表面と同様、差込孔２２０の内周壁面にもコーティングや酸化処理を行い、絶縁性を確保する。

また基板２００は、使用時の熱衝撃でも壊れないよう、またＳＯＦＣ１を破壊しないよう、耐熱衝撃性に優れた材料が望ましく、多孔質体から成ることが望ましい。しかし、同時に基板２００は、燃料ガスＦと空気Ａを遮断する必要があるため、緻密性も必要である。そこで基板２００は閉気孔を有する多孔質体の基板からなることが好適である。

燃料ガス供給面２０１側には、アノード側ライン２０２およびアノード側ライン２０２に接続するように、各々の差込孔２２０開口部周囲にアノード側ランド２０３を導体パターンによって形成する。アノード側ライン２０２およびアノード側ランド２０３は、導電性の材料を使用して形成される。燃料ガス供給面２０１側は燃料ガスＦが供給されるため、具体的にはＰｔ、Ａｕ、Ａｇなどの貴金属のほか、アノード側端子電極１１の材料に用いられるものが使用可能である。ただし、アノード側端子電極１１とは異なり、通気性は不要であるので、多孔質体である必要は無い。導体パターンの形成方法としては、上記材料の導体ペーストを作製して所定のパターン形状に塗布する方法が挙げられる。導体ペーストは、導電性粉末粒子に溶剤およびバインダーを添加して作製する。溶剤およびバインダーの含有量には制限はないが、例えば、溶剤の含有量は１０質量％以上５０質量％以下、バインダーの含有量は１質量％以上１０質量％以下程度の範囲で設定することができる。導体ペースト塗布後は所定の温度および雰囲気で焼付けを行う。導体ペースト中には、必要に応じて分散剤等を１０質量％以下の範囲で含有させてもよい。

また、ＳＯＦＣ１とアノード側ランド２０３は電気的に接続されている必要がある。ＳＯＦＣ１を基板２００の差込孔２２０に差し込んだ後、アノード側ランド２０３とアノード側端子電極１１の両方にまたがるようにして、導体ペーストを塗布し、所定の温度で焼き付けることにより、アノード側接着部２０４が形成される。アノード側接着部２０４の材料としてはアノード側ライン２０２およびアノード側ランド２０３と同様の材料が使用できる。アノード側ライン２０２およびアノード側ランド２０３とアノード側接着部２０４は同じ材料であれば、同時に焼成してもよい。また、アノード側接着部２０４は、アノード側ランド２０３とアノード側端子電極１１の両方にまたがるようにして形成されることによって、ＳＯＦＣ１と差込孔２２０との隙間を埋めるガスシール材としての機能を備える。アノード側ライン２０３からさらに外部へ接続するためにアノード側リード線２０５が接続される。

一方、空気供給面２１１側にも同様に、カソード側ライン２１２およびカソード側ランド２１３を導体パターンによって形成する。カソード側ライン２１２およびカソード側ランド２１３においても、導電性の材料を使用して形成される。空気供給面２１１側は空気Ａが供給されるため、具体的にはＰｔ、Ａｕ、Ａｇなどの貴金属のほか、カソード側端子電極１２の材料に用いられるものが使用可能である。カソード側ライン２１２およびカソード側ランド２１３においても通気性は不要であり、アノード側ライン２０２およびアノード側ランド２０３と同様の手法で形成される。さらに、カソード側接着部２１４は、アノード側接着部２０４と同様の手法で形成される。また、カソード側リード線２１５は、アノード側リード線２０５と同様の手法で接続される。

以上のように、実施形態１の形状を取ることにより、個々のＳＯＦＣ１に個別に燃料ガスＦあるいは空気Ａを供給する必要無く、燃料ガス供給側と空気供給側とが簡単かつ確実に分離でき、さらに、複数のＳＯＦＣ１が電気的に並列に接続され、アノード側リード線２０５およびカソード側リード線２１５によって外部回路に接続することで、容易に電力を外部に取り出すことが可能となる。

＜実施形態２＞
図５は本発明の実施形態２に係るＳＯＦＣの実装構造を示す概略図であり、複数のＳＯＦＣ１を並列に接続する構造である。実施形態１と異なりアノード側ライン２０３などの導体パターンに変えて、燃料ガス供給面２０１の全面に、導電性を持つアノード側導電層２０６が形成されているメタライズ基板である。アノード側導電層２０６の形成方法としては、導体ペーストを塗布する方法や、あるいはスパッタリングなど薄膜を形成する方法を適用することができる。アノード側導電層２０６の材料としては実施形態１のアノード側ライン２０２、アノード側ランド２０３と同様の材料を使用することができる。また、空気供給面２１１側にも同様の構成や方法により、カソード側導電層２１６を形成する。カソード側導電層２１６の材料としては実施形態１のカソード側ライン２１２、カソード側ランド２１３と同様の材料を使用することができる。

さらに、実施形態１と同様の手法で、ＳＯＦＣ１を差込孔２２０に取り付け、アノード側接着部２０４およびカソード側接着部２１４を形成し、アノード側リード線２０５およびカソード側リード線２１５を接続する。電気回路としては、複数のＳＯＦＣ１が並列に接続された回路となり、アノード側リード線２０５およびカソード側リード線２１５によって外部回路に接続することで、並列に接続されたＳＯＦＣ１の電力を外部に取り出すことが可能となる。以上説明した以外は実施形態１と同様の構成を備えている。

＜実施形態３＞
図６は本発明の実施形態３に係るＳＯＦＣの実装構造を示す概略図であり、複数のＳＯＦＣ１を直列に接続する構造である。実施形態１と同様に基板２００上に導体パターンを形成するものであるが、燃料ガス供給面２０１から空気供給面２１１への貫通孔２２１を複数開けている。各々の貫通孔２２１の中にビアフィル２２２を形成している。電気的な配線方法としては、１つのＳＯＦＣ１のアノード側端子電極１１から隣接するＳＯＦＣ１のカソード側端子電極１２に直列に接続される構造をとる。具体的には、ある１つのビアフィル２２２の一端とアノード側ランド２０３とを接続するようにアノード側ライン２０２’を形成する。またこのビアフィル２２２の他端と隣接するＳＯＦＣ１のカソード側ランド２１３とを接続するようにカソード側ライン２１２’を形成する。さらに電気的に最端部にあるＳＯＦＣ１のカソード側ランド２１３にカソード側リード線２１５を接続する。あるいは、実施形態１と同様に電気的に最端部にあるＳＯＦＣ１のカソード側ランド２１３に接続するカソード側ライン２１２’（図示せず）を形成し、このカソード側ライン２１２’にカソード側リード線２１５を接続してもよい。さらに電気的に反対側の最端部にあるビアフィル２２２とアノード側リード線２１５’を空気供給面２１１側から接続する。あるいは、電気的に反対側の最端部にあるビアフィル２２２に接続するアノード側ライン２０２’（図示せず）を空気供給面２１１側に形成し、このアノード側ライン２０２’にアノード側リード線２１５’を接続してもよい。ビアフィル２２２の材料としては、燃料ガスのある還元雰囲気にも、空気のある酸化雰囲気にも両方に対して劣化することが少ない材料が好ましく、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇなどの貴金属が好適である。貫通孔２２１については絶縁性が必要であるので、基板２００に金属材料を用いた場合は、基板表面と同様、貫通孔２２１の壁面にもコーティングや酸化処理を行い、絶縁性を確保する必要がある。また、基板２００は、燃料ガスＦと空気Ａとを分離する機能を備える必要があるため貫通孔２２１にビアフィル２２２を形成することによって、ガスシール材としての機能を備える。そのたためにビアフィル２２２は多孔質体である必要は無い。アノード側ランド２０３などの導体パターンの材料がビアフィル２２２は同じ材料であれば、同時に焼成してもよい。以上説明した以外は実施形態１と同様の構成を備えている。

＜実施形態４＞
図７は本発明の実施形態４に係るＳＯＦＣの実装構造を示す概略図であり、複数のＳＯＦＣ１を直列に接続する構造である。実施形態３と異なりビアフィル２２２に変えて、導電性のワイヤ２２３を備える。各ワイヤ２２３は、それぞれ貫通孔２２１の中を通り１つのＳＯＦＣ１のアノード側端子電極１１に接続するアノード側ランド２０３から隣接するＳＯＦＣ１のカソード側端子電極１２に接続するカソード側ランド２１３へと直列に接続される構造をとる。さらに電気的に最端部にあるＳＯＦＣ１のカソード側ランド２１３にカソード側リード線２１５を接続する。また電気的に反対側の最端部にあるＳＯＦＣ１のアノード側ランド２０３に接続するアノード側リード線２１５’は貫通孔２２１の中を通り空気供給面２１１側へ直接引き出して外部回路へ接続する。ワイヤ２２３の材料としては燃料ガスのある還元雰囲気にも、空気のある酸化雰囲気にも両方に対して劣化することが少ない材料が好ましく、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇなどの貴金属が好適である。また、基板２００は、燃料ガスＦと空気Ａとを分離する機能を備える必要があるため貫通孔２２１とワイヤ２２３との隙間を埋める耐熱性のガスシール材を施すと良い。以上説明した以外は実施形態３と同様の構成を備えている。

＜実施形態５＞
図８は本発明の実施形態５に係るＳＯＦＣの実装構造を示す概略図であり、実施形態３と同様、複数のＳＯＦＣ１を直列に接続した実施形態である。実施形態３と異なる部分は、基板２００’は円弧を描くように曲げられた形状をとることである。このように本発明の実施形態の実装構造に使用する基板は平板ではなく、曲面を持つ形状であってもかまわない。これ以外は実施形態３と同様の構成を備えている。円弧状の基板２００’の内側面が燃料ガス供給面２０１となるような形状とすることで、図９のようにガスコンロなどの火口に円弧状に配列された複数の炎ＦＬに近接もしくは接するように複数のＳＯＦＣ１を配置することが可能となる。これにより発電効率を高めることが可能となる。

まず、ＳＯＦＣ１を作製した。ＳＯＦＣ１の固体電解質材料４としてはＺｒ_０．８１Ｙ_０．１９Ｏ_２−δを、アノード２およびカソード３には多孔質Ｐｔを選択した。アノード２およびカソード３が固体電解質を介して対向するようにそれぞれ２枚積層し、アノード電極とカソード電極とが重なる電極有効面積は３０ｍｍ^２とした。

固体電解質４の材料としてのＺｒ_０．８１Ｙ_０．１９Ｏ_２−δ粉末：５１質量％と、バインダーとしてのブチラール：５質量％と、可塑剤としてのベンジルブチルフタレート（ＢＢＰ）：３質量％と、溶媒としてのアルコール：４１質量％とをボールミルで混合・分散し、固体電解質用スラリーを得た。次いで、得られた固体電解質用スラリーを用いて、ドクターブレード法により、固体電解質グリーンシートを焼成後厚み２０μｍとなるよう作製した。

次いでアノード２の材料、およびカソード３の材料としてのＰｔ粉末：４９質量％と、空隙形成剤としてのアクリルビーズ：８質量％と、バインダーとしてのブチラール：３質量％と、可塑剤としてのベンジルブチルフタレート（ＢＢＰ）：1質量％と、溶媒としてのアルコール：３９質量％とを三本ロールで混合・分散して電極用多孔質Ｐｔペーストを得た。得られた電極用多孔質Ｐｔペーストを用いて、スクリーン印刷により固体電解質グリーンシート上に、焼成後の電極厚みが５０μｍとなるように電極パターンを形成した。仕切り部は上述した固体電解質用スラリーを用いて電極パターンと逆のパターンでスクリーン印刷を行い形成した。

次いで、アノードおよびカソード電極用多孔質Ｐｔペーストが印刷されたグリーンシートを４枚交互に積層し、さらにその上下に電極用多孔質Ｐｔペーストの印刷されていない固体電解質グリーンシートを積層した。その際、略直方体形状でチップ状素子となるＳＯＦＣ１の対向する一方の端面にアノードが露出するように、また、他方の端面にカソードが露出するようにグリーンシートを積層した。こうすることにより、２つのアノード、２つのカソードを有する積層型固体酸化物形燃料電池用のシート積層体を得た。なお、シート積層体の焼成後の厚みＴが１．０ｍｍになるよう、電極用多孔質Ｐｔペーストの印刷されていない固体電解質グリーンシートの積層数を調整した。次いで、上記で作製したシート積層体を、焼成後に長さＬが４．５ｍｍ、幅Ｗが３．２ｍｍのサイズとなるように切り出し、部品単位グリーン積層体を得た。

得られた部品単位グリーン積層体を、６００℃で脱バインダー処理し、次いで、焼成温度：１３５０℃、保持時間：２時間、焼成雰囲気：大気中の条件で焼成し、積層型固体酸化物形燃料電池の焼結体を得た。

上述した電極用多孔質Ｐｔペーストを用いて、アノード側端子電極１１およびカソード側端子電極１２を形成した。電極用多孔質Ｐｔペーストを積層型固体酸化物形燃料電池の焼結体の対向する端面、すなわち、アノード２およびカソード３が露出する端面にそれぞれ塗布し、６００℃で脱バインダー処理し、次いで、焼成温度：１３５０℃、保持時間：１０分、焼成雰囲気：大気中の条件で焼き付けし、ＳＯＦＣ１が完成した。

次に、上記の実施形態５の構成で５個のＳＯＦＣ１を基板２００’に実装し、ガスコンロを用いた発電試験を行った。使用するガスコンロとしては、ブタンガスを主体とするカセットガス式のものを用いた。

基板２００‘の材料としては、多孔質の金属Ｎｉを用い、ＳＯＦＣ１の長さとほぼ同じ、厚み４．５ｍｍとし、長さ５ｃｍ、幅２ｃｍに切り出した。多孔質の金属Ｎｉは自由に曲げることが可能であるので、使用するガスコンロの炎ＦＬの配列に合せて炎が良く当たるような形状に曲げることに適している。所望の形状に成形したのち、ＳＯＦＣ１をはめ込むための差込孔２２０を、５ｍｍ間隔で５個形成した。差込孔２２０の開口形状におおよそ合致するようにφ１ｍｍのドリルで小孔を格子状に配列して形成し、小孔を連続するように広げていき、やすりで差込孔２２０の形に整えた。ＳＯＦＣ１の幅Ｗ（３．２ｍｍ）×厚みＴ（１ｍｍ）とほぼ等しい大きさの差込孔２２０を形成した。さらに、φ１ｍｍのドリルおよびやすりを用い、ビアフィル２２２用の貫通孔２２１を差込孔２２０同士の略中間位置と一方の最端部となる差込孔２２０の近傍に形成した。さらに、基板を空気中７００℃１時間加熱することにより、基板表面に絶縁性である酸化Ｎｉの被膜を形成し、基板２００’の両面を絶縁した。このとき同時に、差込孔２２０および貫通孔２２１についても酸化Ｎｉの皮膜が形成され、絶縁性が付与された。

次いで、ライン形成用およびランド形成用の表面電極用Ａｇペーストを作製した。表面電極材料としてのＡｇ粉末：５３質量％と、バインダーとしてのブチラール：４質量％と、可塑剤としてのベンジルブチルフタレート（ＢＢＰ）：２質量％と、溶媒としてのアルコール：４１質量％とを三本ロールで混合・分散して表面電極用Ａｇペーストを得た。

次いで、隣り合うＳＯＦＣ１同士が直列に接続されるよう、基板２００’上にアノード側ライン２０２、カソード側ライン２１２、アノード側ランド２０３、カソード側ランド２１３およびビアフィル２２２からなる配線のパターンを表面電極用Ａｇペーストを用いて形成した。表面電極用Ａｇペーストは大気中８５０度で焼付けを行った。焼付け後のアノード側ライン２０２、カソード側ライン２１２およびアノード側ランド２０３、カソード側ランド２１３の厚みは約１００μｍであった。

次いで、ＳＯＦＣ１を差込孔２２０に差し込んだ。その後、上記ビアフィル等に用いた表面電極用Ａｇペーストを塗布することにより、アノード側接着部２０４およびカソード側接着部２１４を形成した。次いで、表面電極用Ａｇペーストを大気中８５０℃で焼き付けた。こうすることにより、各ＳＯＦＣ１のアノード側端子電極１１がアノード側接着部２０４によりアノード側ランド２０３と接続された。また各ＳＯＦＣ１のカソード側端子電極１２がカソード側接着部２１４によりカソード側ランド２１３と接続された。アノード側接着部２０４およびカソード側接着部２１４の厚みは約１００μｍであった。さらに電気的に最端部にあるＳＯＦＣ１のカソード側ランド２１３にカソード側リード線２１５を接続した。また電気的に反対側の最端部にあるビアフィル２２２とアノード側リード線２１５’を空気供給面２１１側から接続した。カソード側リード線２１５およびアノード側リード線２１５‘を同じ表面電極用Ａｇペーストを用いて焼き付け、外部回路へ接続できるようにした。カソード側リード線２１５およびアノード側リード線２１５’としてはφ０．２ｍｍのＰｔ線を用いた。

ガスコンロに火をつけ、３０秒経過し十分ＳＯＦＣ１および基板２００‘が加熱された後、テスターで開回路起電力を測定した。その結果約４．５Ｖの起電力が確認された。同等の測定方法におけるＳＯＦＣ１の１個での起電力は約０．９Ｖであったので、電圧のロスがなく、使用したＳＯＦＣ１の個数分の直列接続を行うことが出来ることが確認された。また、特に密閉を行わない本実施形態のような構造においても、たとえば８００℃における水素−空気でのＳＯＦＣ１の理論起電力は１Ｖ強であるので、完全ではないが、基板２００’が仕切り板として働くことで、空気Ａと燃料ガスＦの混合による起電力の低下は抑えることができた。

また、アノード側リード線２１５’とカソード側リード線２１５をそれぞれ外部回路と接続することにより、電流を取り出すことが可能となった。このモジュールの発電特性(アノード―カソード間の電圧Ｖおよび電流Ｉ)をポテンショガルバノスタットを用いて測定した。その結果、電圧３．０Ｖ―電流４ｍＡのとき最大電力１２ｍＷが得られた。この発電量は、例えば携帯ラジオを動作させるには十分な大きさであった。また、連続１時間の動作を行っても発電量の変化は見られず、特段の劣化は確認できなかった。

以上の結果から、本発明に係る積層型固体酸化物形燃料電池の実装構造を用いることで、安定に、簡便に複数の積層型固体酸化物形燃料電池を接続することが可能となることが確認された。

以上のように、本発明に係る積層型固体酸化物形燃料電池の実装構造を用いることで、簡便に複数の積層型固体酸化物形燃料電池を並列または直列に接続することが可能となり、高出力が得られるようになる。

１ ＳＯＦＣ（積層型固体酸化物形燃料電池）
２ アノード
３ カソード
４ 固体電解質
５ａ、５ｃ 仕切り部
６ 非重なり部
１１ アノード側端子電極
１２ カソード側端子電極
１００、２００、２００’ 基板
２０１ 燃料ガス供給面
２１１ 空気供給面
２０２、２０２’ アノード側ライン
２１２、２１２’ カソード側ライン
２０３ アノード側ランド
２１３ カソード側ランド
２０４ アノード側接着部
２１４ カソード側接着部
２０５、２１５’ アノード側リード線
２１５ カソード側リード線
２０６ アノード側導電層
２１６ カソード側導電層
２２０ 差込孔
２２１、２２１’ 貫通孔
２２２ ビアフィル
２２３ ワイヤ
ＦＣ 燃料電池
Ａｎ アノード
Ｃａ カソード
Ａ 空気
Ｆ 燃料ガス
ＦＬ 炎

Claims (6)

1. 積層型固体酸化物形燃料電池と基板とを備える積層型固体酸化物形燃料電池の実装構造であって、
   積層型固体酸化物形燃料電池は、内部に複数のアノードと複数のカソードを固体酸化物からなる電解質を介して交互に積層した直方体形状を成すチップ状素子であり、
   前記アノードは、それぞれ前記チップ状素子の対向する一対の面の一方に露出し、アノード側端子電極と電気的に接続し、
   前記カソードは、それぞれ前記対向する一対の面の他方に露出しており、カソード側端子電極と電気的に接続し、
   前記基板は、前記積層型固体酸化物形燃料電池を保持する差込孔を有し、前記基板の一方の主面には、前記アノード側端子電極と接続する配線を有しており、および前期基板の他方の主面には、前記カソード側端子電極と接続する配線を有していることを特徴とする積層型固体酸化物形燃料電池の実装構造。
2. 前記基板には、複数の前記積層型固体酸化物形燃料電池を保持しており、
   前記配線が並列回路を形成することを特徴とする請求項１に記載の積層型固体酸化物形燃料電池の実装構造。
3. 前記基板には、複数の前記積層型固体酸化物形燃料電池を保持しており、
   前記配線が直列回路を形成することを特徴とする請求項１に記載の積層型固体酸化物形燃料電池の実装構造。
4. 前記直列回路がビアフィルを用いることを特徴とする請求項３に記載の積層型固体酸化物形燃料電池の実装構造。
5. 前記直列回路がワイヤを用いることを特徴とする請求項３に記載の積層型固体酸化物形燃料電池の実装構造。
6. 請求項１〜５に記載の積層型固体酸化物形燃料電池の実装構造を用いた直接火炎を利用した発電装置。

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