JP5995694B2 - 燃料電池及び燃料電池の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、基体管上に複数のセルが形成された円筒型の燃料電池及びその製造方法に関する。

固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：以下「ＳＯＦＣ」と呼ぶ）は、電解質としてジルコニアセラミックスなどのセラミックスが用いられ、都市ガス、天然ガス、石油、メタノール、石炭ガス化ガスなどを燃料として運転される燃料電池である。このＳＯＦＣは、イオン伝導率を高めるために作動温度が約７００〜１０００℃程度と高く、用途の広い高効率な高温型燃料電池として知られている。その一つとして、円筒型の固体酸化物形燃料電池が知られている。円筒型の固体酸化物形燃料電池は、発電室の内部に複数のセルスタックを収容する。セルスタックは、中央部が発電部となり、発電部を挟んで両端は非発電部となっている。セルスタックの発電部において、基体管の周方向に、燃料極、固体電解質、空気極を積層させたセルが複数形成される。セルは、基体管の軸方向に複数配列され、隣り合うセル同士がインターコネクタで電気的に直列に接続される。

上記の固体酸化物形燃料電池において１つのセルスタックでの発電量を増大させるためには、セルを形成する基体管の軸方向で直列接続するセル数を増加させる。セル数を増加させるためにはセル間の距離を縮め、更にインターコネクタの幅を小さくする必要があるが、一方でセル間に漏洩電流が流れることによる短絡の発生が懸念される。

特許文献１は、漏洩電極の発生を抑制して素子電圧の低下を防止するために、隣り合う発電素子の燃料極間に絶縁部を設けた円筒型の固体酸化物形燃料電池を開示している。

特開２０１２−２２８５６号公報

例えば特許文献１の図６では、絶縁部が固体電解質上に形成される。燃料電池の各層をスクリーン印刷などで形成する場合、各層の形成位置にずれが生じた場合、導電パスが形成されて漏洩電流が発生する恐れがある。

特許文献１の構成では絶縁膜上に空気極のみが形成されている。このため、空気極を透過した酸素が固体電解質を通過せずに燃料極に到達することができる。すなわち、特許文献１の構成では発電効率が低下する上、燃料極の酸化が懸念される。

また、セル間の距離を縮めた場合には、セル間に絶縁膜が十分に充填されず、成膜不良により基体管と絶縁部との間にボイドが形成される可能性がある。このボイドが電流リークやセル破壊の起因となる。

本発明は、短絡による漏洩電流を確実に防止するとともに、優れた性能を有する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。

本発明の第１の態様は、基体管と、燃料極と固体電解質と空気極とを備え、前記基体管上に形成された複数のセルと、前記複数のセルとの間で、一方のセルの燃料極と前記一方のセルと隣接するセルの空気極とを電気的に接続するインターコネクタとを備える燃料電池であって、前記燃料極が、前記燃料極の端部に位置し、前記燃料極の膜厚が変化する傾斜部と、該傾斜部と連続する平坦部とを有し、隣接する前記セルの間で前記基体管及び燃料極上に絶縁膜を備え、該絶縁膜は、前記平坦部の始点まで延在する延出部を有する形状であり、前記絶縁膜の前記基体管と反対側の表面が、隣接する前記セル間で前記燃料極の前記平坦部同士を結ぶ線以上に位置し、前記絶縁膜上に前記固体電解質の少なくとも一部及び前記インターコネクタの少なくとも一部が形成されている燃料電池である。

本発明の第２の態様は、基体の表面上に、基体管と、燃料極と固体電解質と空気極とを備え、前記基体管上に形成された複数のセルと、前記複数のセルとの間で、一方のセルの燃料極と前記一方のセルと隣接するセルの空気極とを電気的に接続するインターコネクタとを備える燃料電池の製造方法であって、前記燃料極の端部において前記燃料極の膜厚が変化する傾斜部と、該傾斜部に連続した平坦部とが形成されるように、前記基体管上に前記燃料極が形成される工程と、隣接する前記セルの間において、前記基体管及び前記燃料極上に、絶縁膜が形成される工程と、を備え、前記絶縁膜は、前記燃料極の平坦部の始点まで形成され、該絶縁膜の前記基体管と反対側の表面が、隣接する前記セル間で前記燃料極の前記平坦部同士を結ぶ線以上に位置するように、前記セルの間に前記絶縁膜が充填される燃料電池の製造方法である。

上記態様では、燃料極の平坦部の始点まで延びる延出部を有する形状の絶縁膜を燃料極端部に設けることによって、セル間が近接した時のリーク電流の発生を抑制している。また、上記構成によって膜同士の密着性が向上し、気密性を確保することができる。
特に絶縁膜表面が隣接するセル間で燃料極の平坦部同士を結ぶ線と一致するように絶縁膜を設けた場合、固体電解質膜を平坦面に形成することができる。こうすることにより、固体電解質の形成が容易となる。
本態様の燃料電池の絶縁膜上には、固体電解質及びインターコネクタが形成される。すなわち、絶縁膜と空気極とは直接接触しない。こうすることにより、絶縁膜の緻密性に依らず、空気等の酸化ガスが絶縁膜に到達することを防止することができる。この結果、反応に消費されない酸化ガス量を低減させるとともに燃料極の酸化を防止することができる。

第１の態様において、一の前記セルの前記固体電解質の末端が、前記絶縁膜上であって隣接する前記燃料極の末端の間に位置することが好ましい。

第２の態様において、一の前記セルの前記固体電解質の末端が、前記絶縁膜上であって隣接する前記燃料極の末端の間に位置するように、前記燃料極及び前記絶縁膜上に前記固体電解質が形成される工程と、前記セルの間において、前記絶縁膜、前記燃料極及び前記固体電解質上にインターコネクタを形成する工程とを備えることが好ましい。

このように絶縁膜が厚い部分においてインターコネクタと固体電解質とを重ね合わされると、より高い気密性を確保することができる。また、スクリーン印刷などで各層を形成するに当たって各層の形成位置にずれが生じた場合、導電パスが形成されることを防止することができる。

第１の態様において、前記平坦部での前記燃料極の厚さが、前記燃料極の膜厚と同じである。
あるいは、第１の態様において、前記燃料極の端部において前記燃料極が２つの段とされ、前記基体管に近い方の前記段に、前記平坦部と前記傾斜部とが形成されている。

第２の態様では、前記燃料極が形成される工程において、前記平坦部での前記燃料極の厚さが前記燃料極の膜厚と同じになるように前記燃料極が形成される。
あるいは、第２の態様では、前記燃料極が形成される工程において、前記燃料極の端部が２つの段になるように前記燃料極が形成され、前記基体管に近い方の前記段に、前記平坦部と前記傾斜部とが形成される。

絶縁膜が形成される部分で燃料極の厚さを薄くすると、絶縁膜を燃料極間の空間に確実に埋め込むことができる。従って、基体管と絶縁膜との間でのボイド（空隙）の形成が防止でき、この結果電流リークを防止することができる。

本発明では、燃料極の膜厚が薄くなる傾斜部を覆うように絶縁膜を設けることにより、セル間の絶縁性を向上させるとともに、密着性を向上させて気密性を確保することができる。さらに、絶縁膜上を固体電解質及びインターコネクタで被覆することによって、気密性を確保することができる。この結果、高性能の燃料電池を得ることができる。

第１実施形態に係る円筒型の燃料電池のセルスタックの一態様を示す概略図である。 第１実施形態の燃料電池の一例における燃料電池セル間の断面拡大概略図である。 第１実施形態の燃料電池の一例における燃料電池セル間の断面拡大概略図である。 第１実施形態の燃料電池の一例における燃料電池セル間の断面拡大概略図である。 第１実施形態の燃料電池の一例における燃料電池セル間の断面拡大概略図である。 第１実施形態の燃料電池の一例における燃料電池セル間の断面拡大概略図である。 第２実施形態の燃料電池の一例における燃料電池セル間の断面拡大概略図である。 第２実施形態の燃料電池の一例における燃料電池セル間の断面拡大概略図である。 第２実施形態の燃料電池の一例における燃料電池セル間の断面拡大概略図である。

以下においては、説明の便宜上、紙面を基準として「上」及び「下」の表現を用いて各構成要素の位置関係を特定するが、鉛直方向に対して必ずしもこの限りである必要はない。例えば、紙面における上方向が鉛直方向における下方向に対応してもよい。また、紙面における上下方向が鉛直方向に直行する水平方向に対応してもよい。

＜第１実施形態＞
図１乃至図６を参照して、本発明の第１実施形態に係る燃料電池及びその製造方法を説明する。
図１は、第１実施形態に係る円筒型の燃料電池のセルスタックの一態様を示す概略図である。
セルスタック１０１は、円筒形状の基体管１０３と、基体管１０３の外周面に複数形成された燃料電池セル１０５と、隣り合う燃料電池セル１０５の間に形成された絶縁膜１１７と、隣り合う燃料電池セル１０５の間に形成されたインターコネクタ１０７とを有する。

燃料電池セル１０５は、燃料極１０９と固体電解質１１１と空気極１１３とが積層して形成されている。また、セルスタック１０１は、基体管１０３の外周面に形成された複数の燃料電池セル１０５の内、基体管１０３の軸方向において最も端に形成された燃料電池セル１０５の空気極１１３に、インターコネクタ１０７を介して電気的に接続されたリード膜１１５を有する。

基体管１０３は、多孔質材料からなり、例えば、ＣａＯ安定化ＺｒＯ_２（ＣＳＺ）、又はＹ_２Ｏ_３安定化ＺｒＯ₂（ＹＳＺ）、又はＭｇＡｌ_２Ｏ_４とされる。この基体管１０３は、燃料電池セル１０５とインターコネクタ１０７とリード膜１１５とを支持すると共に、基体管１０３の内周面に供給される燃料ガスを基体管１０３の細孔を介して基体管１０３の外周面に形成される燃料極１０９に拡散させるものである。

燃料極１０９は、Ｎｉとジルコニア系電解質材料との複合材の酸化物で構成され、例えば、Ｎｉ／ＹＳＺが用いられる。この場合、燃料極１０９は、燃料極１０９の成分であるＮｉが燃料ガスに対して触媒作用を有する。この触媒作用は、基体管１０３を介して供給された燃料ガス、例えば、メタン（ＣＨ_４）と水蒸気との混合ガスを反応させ、水素（Ｈ_２）と一酸化炭素（ＣＯ）に改質するものである。また、燃料極１０９は、改質により得られる水素（Ｈ_２）及び一酸化炭素（ＣＯ）と、固体電解質１１１を介して供給される酸素イオン（Ｏ^２−）とを固体電解質１１１との界面付近において電気化学的に反応させて水（Ｈ_２Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ_２）を生成するものである。なお、燃料電池セル１０５は、この時、酸素イオンから放出される電子によって発電する。
燃料極１０９の膜厚は、５０〜１２０μｍとされる。

固体電解質１１１は、ガスを通しにくい気密性と、高温で高い酸素イオン導電性とを有するＹＳＺが主として用いられる。この固体電解質１１１は、空気極で生成される酸素イオン（Ｏ^２−）を燃料極に移動させるものである。
固体電解質１１１の膜厚は、２０〜４０μｍとされる。

空気極１１３は、例えば、ＬａＳｒＭｎＯ_３系酸化物、又はＬａＣｏＯ_３系酸化物で構成される。この空気極１１３は、固体電解質１１１との界面付近において、供給される空気等の酸化性ガス中の酸素を解離させて酸素イオン（Ｏ^２−）を生成するものである。
空気極１１３の膜厚は、７５０〜８５０μｍとされる。

インターコネクタ１０７は、ＳｒＴｉＯ_３系などのＭ_１−ｘＬ_ｘＴｉＯ_３（Ｍはアルカリ土類金属元素、Ｌはランタノイド元素）で表される導電性ペロブスカイト型酸化物から構成され、燃料ガスと酸化性ガスとが混合しないように緻密な膜となっている。また、インターコネクタ１０７は、酸化雰囲気と還元雰囲気との両雰囲気下で安定した電気導電性を有する。このインターコネクタ１０７は、隣り合う燃料電池セル１０５において、一方の燃料電池セル１０５の空気極１１３と他方の燃料電池セル１０５の燃料極１０９とを電気的に接続し、隣り合う燃料電池セル１０５同士を直列に接続するものである。リード膜１１５は、電子伝導性を有すること、及びセルスタック１０１を構成する他の材料との熱膨張係数が近いことが必要であることから、Ｎｉ／ＹＳＺ等のＮｉとジルコニア系電解質材料との複合材で構成されている。このリード膜１１５は、インターコネクタにより直列に接続される複数の燃料電池セル１０５で発電された直流電力をセルスタック１０１の端部付近まで導出すものである。

絶縁膜１１７は、ジルコニア、アルミナ、マグネシアセラミックに代表される電気絶縁性として常温での体積抵抗が１０^１３Ω・ｃｍ程度を有する材料から選択される絶縁膜であって、焼結助剤を加えることでセルスタックを構成する各膜と線膨張係数を合わせた膜である。具体的に、絶縁膜１１７材料としては、Ｌａ_２Ｚｒ_２Ｏ_７、Ｙ_３Ｚｒ_５Ｏ_１２、ＳｒＴｉ_１＋ｘＯ_３（＋Ａｌ_２Ｏ_３）、ＭｇＯ＋ＭｇＡｌ_２Ｏ_４が挙げられる。本実施形態において、絶縁膜１１７は緻密な膜としても良いし、多孔膜としても良い。
なお、本実施形態における緻密な絶縁膜とは気孔率が３％以下である膜を指し、多孔な絶縁膜とは気孔率が１５％以下、望ましくは５〜１０％である膜を指す。

図２は、図１の燃料電池のセルスタック１０１の一例について、燃料電池セル１０５間の断面拡大概略図である。
燃料極１０９ａ，１０９ｂの端部は、基体管１０３からその外側に向かって凸の曲線状の傾斜となるように膜厚が変化する傾斜部１２１ａを有する。傾斜部１２１ａに連続して、燃料極１０９は平坦部１２３ａを有する。ここで、平坦部１２３ａとは、燃料極端部において、幅１００μｍに亘って膜厚が平均から±８〜１６μｍ程度である領域と定義する。本実施形態において、平坦部１２３ａの厚さは、燃料極１０９ａ，１０９ｂの膜厚と一致している。従って燃料極１０９ａ，１０９ｂの平坦部１２３ａ〜１２３ｃの厚さは、４０〜８０μｍとされる。

図２に示すように、絶縁膜１１７ａは、隣接する燃料電池セル１０５ａ，１０５ｂの間において、基体管１０３及び燃料極１０９ａ，１０９ｂの傾斜部１２１ａ上に設けられる。すなわち、絶縁膜１１７ａは、傾斜部１２１ａ上で平坦部１２３ａの始点Ａまで延在する延出部１２５ａを有する形状となっている。絶縁膜１１７ａが始点Ａを超えて平坦部１２３ａ上に形成されていると、発電に寄与する領域の面積が低下し、電極機能が失われて燃料電池の性能が低下し、また、インターコネクタ１０７により隣接する燃料電池セル１０５ａと１０５ｂの間の導電性が低下するので好ましくない。ここで、平坦部１２３ａの始点Ａは、傾斜部１２１ａと平坦部１２３ａを明確に区分けできない場合には、傾斜部１２１ａの微小凹凸を平均するような外挿ラインと、平坦部１２３ａの微小凹凸を直線で平均するような直線外挿ラインの交点として設定する。また本実施形態の効果を奏するに当たり、平坦部１２３ａの始点Ａの位置は、燃料極１０９の膜厚の±２０％までの範囲の変位を許容するものである。この許容変位の±２０％は、絶縁膜１１７ａの成膜工程の精度として発生するもの変位を許容するものであり、また±２０％を越えると本実施形態の効果が十分には得られない値である。

図２において、絶縁膜１１７ａの上表面（基体管１０３と反対側の表面）は、燃料電池セル１０５ａ，１０５ｂ間において隣接する燃料極１０９ａ，１０９ｂの平坦部１２３ａを結ぶ線と一致している。すなわち、図２において、絶縁膜１１７ａは、隣接する燃料極１０９ａ，１０９ｂ間に充填されている。あるいは、図３及び図４に示すように、絶縁膜１１７ａの上表面は、燃料極１０９ａ，１０９ｂの平坦部１２３ａを結ぶ線よりも上側（基体管１０３外側）に位置していても良い。あるいは、本実施形態において、絶縁膜１１７ａが燃料極１０９ａ，１０９ｂの平坦部１２３ａよりも突出して設けられていても良い。この場合、例えば、図３のように絶縁膜１１７ａの上部が矩形の突起部１２７となっていても良いし、図４のように突起部１２７の上側が曲線状となっていても良い。

図５は、第１実施形態の燃料電池のスタックセルの別の例に係る燃料電池セル間の断面拡大概略図である。
図５において、燃料極１０９ａ，１０９ｂの端部は、略直線状の傾斜となるように膜厚が変化する傾斜部１２１ｂを有する。略直線状とは、厳密な直線を示すものでは無く、数μｍ以下の凹凸や膜厚を上回る曲率の曲線部分を含みながら、傾斜部１２１ｂが燃料極１０９の膜厚に対して１０μｍ以内の直進性を示しているとみなされる状態を示している。燃料極１０９ａ，１０９ｂは、傾斜部１２１ｂに連続して、図２と同様の平坦部１２３ｂを有する。本実施形態において、平坦部１２３ｂの厚さは、燃料極１０９ａ，１０９ｂの膜厚と一致している。

絶縁膜１１７ｂは、燃料電池セル１０５ａ，１０５ｂの間において、基体管１０３及び燃料極１０９ａ，１０９ｂの傾斜部１２１ｂ上に設けられる。すなわち、絶縁膜１１７ｂは、傾斜部１２１ｂ上で平坦部１２３ｂの始点Ａまで延在する延出部１２５ｂを有する。

図５において、絶縁膜１１７ｂの上表面が燃料極１０９ａ，１０９ｂの平坦部１２３ｂ同士を結ぶ線と一致するように、絶縁膜１１７ｂが隣接する燃料極１０９ａ，１０９ｂの間に充填されている。なお、絶縁膜１１７ｂの上面は、図３及び図４に例示されるように、燃料極１０９ａ，１０９ｂの平坦部１２３ｂよりも突出して設けられていても良い。

図６は、図１の燃料電池のセルスタック１０１の別の例に係る燃料電池セル１０５間の断面拡大概略図である。
図６において、燃料極１０９ａ，１０９ｂの端部は、階段状に膜厚が変化する傾斜部１２１ｃを有する。また、燃料極１０９ａ，１０９ｂは、傾斜部１２１ｃに連続して、図２と同様の平坦部１２３ｃを有する。本実施形態において、平坦部１２３ｃの厚さは、燃料極１０９ａ，１０９ｂの膜厚と一致している。傾斜部１２１ｃの段数は、以下で説明する燃料極１０９ａ，１０９ｂの形成工程や絶縁膜１１７ｃの充填性を考慮して適宜設定される。

絶縁膜１１７ｃは、燃料電池セル１０５ａ，１０５ｂの間において、基体管１０３及び燃料極１０９ａ，１０９ｂの傾斜部１２１ｃ上に設けられる。従って、絶縁膜１１７ｃは、傾斜部１２１ｃ上において平坦部１２３ｃの始点Ａまで延在する延出部１２５ｃを有している。

図６において、絶縁膜１１７ｃは隣接する燃料極１０９ａ，１０９ｂの間に充填され、絶縁膜１１７ｃの上表面は燃料極１０９ａ，１０９ｂの平坦部１２３ｃ同士を結ぶ線と一致している。なお、絶縁膜１１７ｃの上面は、図３及び図４に例示されるように、燃料極１０９ａ，１０９ｂの平坦部１２３ｃよりも突出して設けられていても良い。

図２乃至図６において、固体電解質１１１は、燃料極１０９及び絶縁膜１１７ａ〜１１７ｃ上に設けられる。この時、固体電解質１１１の一方の末端Ｂは、絶縁膜１１７ａ〜１１７ｃ上であって隣接する燃料極１０９ａ，１０９ｂの各々の末端Ｃの間に位置する。
ここで、図２，４，５，６に示すように絶縁膜１１７ａ〜１１７ｃの上表面が燃料極１０９ａ，１０９ｂの平坦部１２３ａ〜１２３ｃ同士を結ぶ線と一致していると、固体電解質１１１が形成される面が平坦になる。このため、固体電解質１１１が形成されやすくなる。

また、図２乃至図６において、インターコネクタ１０７は、燃料極１０９、絶縁膜１１７ａ〜１１７ｃ、及び、固体電解質１１１上に設けられる。空気極１１３は、インターコネクタ１０７及び固体電解質１１１上に設けられる。従って、本実施形態において、絶縁膜１１７ａ〜１１７ｃは固体電解質１１１及びインターコネクタ１０７で覆われ、空気極１１３とは直接接触していない。

第１実施形態の燃料電池の製造方法を以下で説明する。
（基体管形成工程）
上述した基体管材料を含むスラリーが押出し成形されて、基体管１０３が形成される。

（燃料極形成工程）
上記の燃料極材料を含むスラリー（燃料極スラリー）が、基体管１０３上の所定位置に塗布される。燃料極スラリーの塗布方法として、スクリーン印刷法が採用できる。燃料極１０９，１０９ｂが所定の膜厚に到達するまで、燃料極スラリーが複数回にわたり塗布される。

燃料極１０９ａ，１０９ｂ間の距離は、１つのセルスタック１０１（基体管１０３）に設けられる燃料電池セル１０５の数、１つの燃料電池セル１０５の幅及び発電部（燃料電池セル１０５が設けられる領域）の幅に応じて適宜設定される。

図２乃至図４の傾斜部１２１ａ〜１２１ｃは、スクリーン印刷により燃料極スラリーを複数回に分けて積層させ、端部で各層の重なりをずらすことにより形成される。傾斜部１２１ａ〜１２１ｃの傾斜形状は、一回の塗布膜厚、各層のずれ幅、固体電解質用スラリーの粘度等により調整することができる。また、傾斜部１２１ａ〜１２１ｃの幅は、１つのセルスタック１０１（基体管１０３）に設けられる燃料電池セル１０５の数、１つの燃料電池セル１０５の幅及び発電部（燃料電池セル１０５が設けられる領域）の幅に応じて適宜設定される。

（絶縁膜形成工程）
燃料極１０９が形成された後、基体管１０３及び燃料極１０９ａ，１０９ｂ上の所定位置に、上記絶縁膜材料を含むスラリー（絶縁膜スラリー）が塗布されて、絶縁膜１１７ａ〜１１７ｃが形成される。絶縁膜スラリーの塗布方法として、スクリーン印刷法が採用できる。

本実施形態では、絶縁膜スラリーが燃料極１０９ａ，１０９ｂの間に大きな隙間や離間部分がなく充填され、且つ、上述した所定形状となるように、絶縁膜スラリーの供給量、絶縁膜スラリーの粘度や降伏値などが調整される。例えば、絶縁膜スラリーの降伏値が低い方が、燃料極１０９ａ，１０９ｂの間への充填性が良好となる。また、絶縁膜１１７ａ〜１１７ｃに要求される緻密性（気孔率）に応じて、絶縁膜スラリーの粘度や組成が調整される。

（固体電解質形成工程）
絶縁膜１１７ａ〜１１７ｃが形成された後、上記固体電解質材料を含むスラリー（固体電解質スラリー）がスクリーン印刷法により塗布される。この時、上述したように、固体電解質１１１の一方の末端Ｂが、絶縁膜１１７ａ〜１１７ｃ上であって隣接する燃料極１０９ａ，１０９ｂの各々の末端Ｃの間に位置になるように、固体電解質スラリーが絶縁膜１１７ａ〜１１７ｃ及び燃料極１０９ａ，１０９ｂ上の所定位置に形成される。
１回の塗布で形成される膜の厚さは、スラリーの粘度等により調整できる。固体電解質１１１が所定の膜厚に到達するまで、固体電解質スラリーが複数回にわたり塗布される。

スクリーン印刷法により固体電解質１１１を形成するに当たり、図２，４，５に示すように燃料極１０９及び絶縁膜１１７ａ〜１１７ｃの面に段差がなく平坦であると、固体電解質スラリーの塗布性が良好となる。

（インターコネクタ形成工程）
固体電解質１１１が形成された後、上記インターコネクタ材料を含むスラリー（インターコネクタスラリー）がスクリーン印刷法により塗布される。インターコネクタスラリーは、燃料極１０９、固体電解質１１１及び絶縁膜１１７ａ〜１１７ｃの所定位置に塗布される。

（共焼結工程）
燃料極１０９、絶縁膜１１７ａ〜１１７ｃ、固体電解質１１１及びインターコネクタ１０７が形成された基体管１０３が大気中で共焼結される。焼結温度は、具体的に１３５０℃〜１４５０℃とされる。焼成温度は、１３５０℃未満では固体電解質１１１及びインターコネクタ１０７の焼結が不十分となり、気密性が損なわれる。一方、１４５０℃を越えると燃料極１０９及び基体管１０３の緻密化が進み過ぎてガス透過性が損なわれることになり発電性能が低下する。

（空気極形成工程）
共焼結後、インターコネクタ１０７及び固体電解質１１１上の所定位置に、上記空気極材料を含むスラリー（空気極スラリー）が塗布される。塗布方法としてはスクリーン印刷法が採用できる。空気極１１３が所定の膜厚に到達するまで、空気極スラリーが複数回に亘り塗布される。

（焼結工程）
空気極スラリーが塗布された後の基体管１０３が、大気中にて焼結される。焼結温度は、具体的に１１００℃〜１２５０℃とされる。ここでの焼結温度は、基体管〜インターコネクタを形成した後の共焼結温度よりも低温とされる。

＜第２実施形態＞
図７乃至図９を参照して、本発明の第２実施形態に係る燃料電池及びその製造方法を説明する。
図７は、第２実施形態に係る円筒型の燃料電池のセルスタックの一態様において、燃料電池セル間の拡大概略図である。第２実施形態のセルスタック２０１は、燃料極２０９の端部において、燃料極２０９ａ，２０９ｂが２段構造となっており、それぞれ上段側の２２９ａ，下段側の２２９ｂとなっている。上記以外の構成は、第１実施形態と同じである。

上段側の２２９ａの端部の形状は特に限定されない。本実施形態において、燃料極２０９ａ，２０９ｂの膜厚は、上段側の２２９ａの上面で燃料極が平坦となる領域の膜厚に相当する。なお、ここでの「平坦」とは、上段側の燃料極端部において、幅１００μｍに亘って膜厚が平均から±８〜１６μｍ程度であることを意味する。

下段側の２２９ｂで、燃料極２０９ａ，２０９ｂに傾斜部２２１ａ及び平坦部２２３ａが設けられる。図７において、傾斜部２２１ａ及び平坦部２２３ａの形状は図２と同一である。

図８は、第２実施形態の燃料電池のセルスタックの別の例に係る燃料電池セル間の断面拡大概略図である。図８において、下段側の２２９ｂは、略直線状の傾斜となるように膜厚が変化する傾斜部２２１ｂと、傾斜部２２１ｂと連続した平坦部２２３ｂとを有する。

図９は、第２実施形態の燃料電池のセルスタックの別の例に係る燃料電池セル間の断面拡大概略図である。図９において、下段側の２２９ｂは、階段状に膜厚が変化する傾斜部２２１ｃと、傾斜部２２１ｃと連続した平坦部２２３ｃとを有する。

図７乃至図９に示すように、絶縁膜２１７ａ〜２１７ｃは、隣接する燃料電池セル２０５ａ，２０５ｂの間において、基体管２０３及び燃料極２０９ａ，２０９ｂの傾斜部２２１ａ〜２２１ｃ上に設けられる。絶縁膜２１７ａ〜２１７ｃは、傾斜部２２１ａ〜２２１ｃ上で平坦部２２３ａ〜２２３ｃの始点Ａ’まで延在する延出部２２５ａ〜２２５ｃを有する形状とされる。絶縁膜２１７ａ〜２１７ｃが始点Ａ’を超えて平坦部２２３ａ〜２２３ｃ上に形成されていると、発電に寄与する領域の面積が低下する上、燃料極が薄い部分で導電率が低下するので電極機能が失われる。このため、燃料電池の性能が低下してしまう。

図７乃至図９に示すように、絶縁膜２１７ａ〜２１７ｃの上表面（基体管２０３と反対側の表面）は、燃料電池セル２０５ａ，２０５ｂ間において隣接する燃料極２０９ａ，２０９ｂの平坦部２２３ａ〜２２３ｃを結ぶ線と一致している。つまり、絶縁膜２１７ａ〜２１７ｃは、隣接する燃料極１０９ａ，１０９ｂの間に充填されている。
なお、本実施形態においても、図３及び図４に例示されるように、絶縁膜２１７ａ〜２１７ｃの上部が燃料極２０９ａ，２０９ｂの平坦部２２３ａ〜ｃよりも突出した形状であっても良い。

下段側の２２９ｂの平坦部２２３ａ〜２２３ｃの厚さは、燃料極２０９ａ，２０９よりも薄い。このように端部で燃料極２０９ａ，２０９ｂを段階的に薄くすることで、絶縁膜２１７ａを充填する領域の深さが第１実施形態よりも浅くなる。この結果、基体管１０３と絶縁膜２１７ａ〜２１７ｃとの間にボイド（空隙）が形成されるのを防止することができる。

一方で、下段側の２２９ｂの平坦部２２３ａ〜２２３ｃが長くなると、その部分での導電率が低下した結果、燃料電池の性能が低下する。従って、平坦部２２３ａ〜２２３ｃの長さは、性能と絶縁膜２１７ａの塗布性とを考慮して適宜設定すると良い。例えば、平坦部２２３ａ〜２２３ｃの長さは、１０００μｍ以下であり、好適には５００〜７００μｍとされる。

第２実施形態の燃料電池の製造方法は、燃料極２０９を形成する工程以外は第１実施形態の製造方法と同じ工程である。以下では、第２実施形態での燃料極を形成する工程を説明する。

（燃料極形成工程）
燃料極２０９の形成方法として、スクリーン印刷法が採用できる。燃料極２０９は、所定の膜厚に到達するまで、燃料極スラリーが複数回にわたり塗布されて形成される。このとき、段２２９ａ，２２９ｂは燃料極スラリーの塗布位置をずらして塗布することにより形成される。

段２２９ｂの平坦部２２３ａ〜２２３ｃの厚さは、上述のように燃料極２０９ａ，２０９ｂへの絶縁膜２１７ａの充填性や電池性能を考慮して適宜設定される。平坦部２２３ａ〜２２３ｃの厚さは、１回の塗布で形成される膜厚以上であり、且つ、燃料極２０９ａ，２０９ｂの厚さより１回で塗布できる膜厚分だけ薄い厚さ以下の範囲とされる。例えば、焼結前の燃料極２０９ａ，２０９ｂの膜厚が１５０μｍであり、１回の塗布で形成される膜の厚さが３０μｍであると、下段側の２２９ｂの平坦部２２３ａ〜２２３ｃの厚さは６０μｍとなる。

段２２９ｂが１回の塗布で形成される場合、傾斜部の形状は図７に示される曲線状に限定される。この場合、粘度等の燃料極スラリーの性状を調整することにより、曲線状の傾斜部の曲率を設定することができる。

段２２９ｂが２回以上の塗布で形成される場合、曲線状の傾斜部２２１ａだけでなく、略直線状の傾斜部２２１ｂや階段状の傾斜部２２１ｃを形成することができる。この場合、各層のずれ幅や固体電解質用スラリーの粘度等を適切に設定することによって、所望の形状及び寸法の傾斜部２２１ａ〜２２１ｃをすることができる。

１０１，２０１ セルスタック
１０３，２０３ 基体管
１０５，１０５ａ〜ｂ，２０５ａ〜ｂ 燃料電池セル
１０７，２０７ インターコネクタ
１０９，１０９ａ〜ｂ，２０９ａ〜ｂ 燃料極
１１１，２１１ 固体電解質
１１３，２１３ 空気極
１１５ リード膜
１１７，１１７ａ〜ｃ，２１７ａ〜ｃ 絶縁膜
１２１ａ〜ｃ，２２１ａ〜ｃ 傾斜部
１２３ａ〜ｃ，２２３ａ〜ｃ 平坦部
１２５ａ〜ｃ，２２５ａ〜ｃ 延出部
１２７ 突起部
２２９ａ，２２９ｂ 段

Claims (8)

1. 基体管と、
   燃料極と固体電解質と空気極とを備え、前記基体管上に形成された複数のセルと、
   前記複数のセルとの間で、一方のセルの燃料極と前記一方のセルと隣接するセルの空気極とを電気的に接続するインターコネクタとを備える燃料電池であって、
   前記燃料極が、前記燃料極の端部に位置し、前記燃料極の膜厚が変化する傾斜部と、該傾斜部と連続する平坦部とを有し、
   隣接する前記セルの間で前記基体管及び燃料極上に絶縁膜を備え、
   該絶縁膜は、前記平坦部の始点まで延在する延出部を有する形状であり、前記絶縁膜の前記基体管と反対側の表面が、隣接する前記セル間で前記燃料極の前記平坦部同士を結ぶ線以上に位置し、
   前記絶縁膜上に前記固体電解質の少なくとも一部及び前記インターコネクタの少なくとも一部が形成されている燃料電池。
2. 一の前記セルの前記固体電解質の末端が、前記絶縁膜上であって隣接する前記燃料極の末端の間に位置する請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記平坦部での前記燃料極の厚さが、前記燃料極の膜厚と同じである請求項１または請求項２に記載の燃料電池。
4. 前記燃料極の端部において前記燃料極が２つの段とされ、前記基体管に近い方の前記段に、前記平坦部と前記傾斜部とが形成されている請求項１または請求項２に記載の燃料電池。
5. 基体管と、
   燃料極と固体電解質と空気極とを備え、前記基体管上に形成された複数のセルと、
   前記複数のセルとの間で、一方のセルの燃料極と前記一方のセルと隣接するセルの空気極とを電気的に接続するインターコネクタとを備える燃料電池の製造方法であって、
   前記燃料極の端部において前記燃料極の膜厚が変化する傾斜部と、該傾斜部に連続した平坦部とが形成されるように、前記基体管上に前記燃料極が形成される工程と、
   隣接する前記セルの間において、前記基体管及び前記燃料極上に、絶縁膜が形成される工程と、を備え、
   前記絶縁膜は、前記燃料極の平坦部の始点まで形成され、該絶縁膜の前記基体管と反対側の表面が、隣接する前記セル間で前記燃料極の前記平坦部同士を結ぶ線以上に位置するように、前記セルの間に前記絶縁膜が充填される燃料電池の製造方法。
6. 一の前記セルの前記固体電解質の末端が、前記絶縁膜上であって隣接する前記燃料極の末端の間に位置するように、前記燃料極及び前記絶縁膜上に前記固体電解質が形成される工程と、
   前記セルの間において、前記絶縁膜、前記燃料極及び前記固体電解質上にインターコネクタを形成する工程とを備える請求項５に記載の燃料電池の製造方法。
7. 前記燃料極が形成される工程において、前記平坦部での前記燃料極の厚さが前記燃料極の膜厚と同じになるように前記燃料極が形成される請求項５または請求項６に記載の燃料電池の製造方法。
8. 前記燃料極が形成される工程において、前記燃料極の端部が２つの段になるように前記燃料極が形成され、前記基体管に近い方の前記段に、前記平坦部と前記傾斜部とが形成される請求項５または請求項６に記載の燃料電池の製造方法。

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