JP2006019044A - 固体酸化物形燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 良好な耐久性を維持しつつ、高い出力を得ることができる固体酸化物形燃料電池を提供する。
【解決手段】 燃料極５、空気極９、及び電解質７を有する単電池セル１を備えた燃料電池であって、単電池セル１を支持する基板３の少なくとも一方の面上に燃料極５、電解質７、及び空気極９の層がこの順に、もしくは、この逆の順に積層されていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池に関し、より詳しくは、主に炭化水素系ガスからなる燃料ガスと酸化剤ガスとの混合ガス中において安定的に発電する固体酸化物形燃料電池に関するものである。

燃料電池とは外部からの燃料供給と燃焼生成物の排気とを連続的に行いながら、燃料が酸化する際に発生する化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換できる電池である。燃料電池の種類は電解質により分類分けされ、電解質にイオン伝導性を持つ固体酸化物を用いたものを固体酸化物形燃料電池と呼んでいる。固体酸化物形燃料電池の特徴としては、作動温度が５００〜１０００℃と高いため、燃料の改質が必要なく、また、排熱を利用できるため、非常に高い出力及び燃料効率を得ることができる。

また、固体酸化物形燃料電池の構造は反応ガスの供給方法に着目すると、燃料ガスと酸化剤ガスとを分離して供給するタイプ（以下、隔膜式という）と、燃料ガスと酸化剤ガスとの混合ガスを供給するタイプ（以下、非隔膜式という）とに分けることができる。

従来より、隔膜式固体酸化物形燃料電池のセルデザインとして、平板型、円筒型などが提案されている。

平板型セルは、板状の電解質の表面及び裏面に燃料極及び空気極をそれぞれ配置したものであり、こうして形成されたセルはセパレーターを介して複数個積層された状態で使用される。セパレーターは各セルに供給される燃料ガスと酸化剤ガスとを完全に分離する役割を果たしており、各セルとセパレーターとの間にはガスシールが施されている（特許文献１等）。しかしながら、この平板型セルでは、セルに対して圧力をかけてガスシールを施すため、セルが振動や熱サイクルなどに対して脆弱であるなどの欠点があり、実用化に大きな課題を有している。

一方、円筒型セルは、円筒形の電解質の外周面及び内周面に燃料極及び空気極をそれぞれ配置したものであり、円筒縦縞型、円筒横縞型などが提案されている（特許文献２等）。ところが円筒型セルは、ガスシール性に優れるという利点を有する一方、平板型セルに比べて構造が複雑であるため、製造プロセスが複雑になり、製造コストが高くなるという欠点がある。

このため、上述した平板型、円筒型に代わる燃料電池として、燃料極及び空気極を固体電解質からなる基板の同一平面上に配置し、燃料及び空気の混合ガスを供給することにより電解質の表面付近にイオン伝導を生じさせて発電を行う非隔膜式固体酸化物形燃料電池が提案されている（特許文献３等）。これによれば、燃料ガスと酸化剤ガスとを分離する必要がないため、セパレーター及びガスシールが不要となり、構造及び製造工程の大幅な簡略化を図ることができる。
特開平５−３０４５号公報 特開平５−９４８３０号公報 特開平８−２６４１９５号公報

しかしながら、上述した非隔膜式固体酸化物形燃料電池の電池性能を向上させるには、同一平面上に配置した燃料極と空気極とを近づける必要があるが、スクリーン印刷による従来の電極の作成方法では、電極形成時のにじみや制御方法の限界により、燃料極及び空気極間の距離を１００μｍ以下となるように正確に制御することは困難であった。

また、上述した非隔膜式固体酸化物形燃料電池は、電解質を基板としても用いるため、電解質を薄膜化した場合、セル自身の耐久性が損なわれ、脆弱化してしまうというような問題があった。また、このような脆弱化を防止するため、電解質を割れが生じない程度に厚くすると、イオン伝導は電解質の表面付近にて主に生じるため、電池反応にあまり寄与しない部分が存在してしまい、コストパフォーマンスが低下するという問題があった。

そこで、本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、コストパフォーマンスを増大しつつ、電池性能も向上し、更に良好な耐久性を維持することが可能な燃料電池を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る固体酸化物形燃料電池は、燃料極、空気極、及び電解質を有する単電池セルを備えた燃料電池であって、前記単電池セルを支持する基板の少なくとも一方の面に、前記燃料極、電解質、及び空気極の層がこの順に、もしくはこの逆の順に積層されていることを特徴とする。このとき、前記積層された単電池セルは、前記基板側となる前記燃料極又は空気極の層の少なくとも一つの側面が露出するように積層されていることが好ましい。また、電解質の一方側に積層された燃料極又は空気極と、電解質の他方側に積層された空気極又は燃料極とが非接触となるように積層されていることが好ましい。

基板側となる燃料極又は空気極の複数領域に電解質が積層されていても良い。このとき、隣り合う電解質上に積層された空気極又は燃料極をインターコネクターにより接続しても良い。また、このインターコネクターの下層に、当該インターコネクターと、基板側となる燃料極又は空気極とを絶縁する絶縁層が形成されていることが好ましい。

上記燃料極及び空気極を多孔体にすることもできる。

また、基板は、セラミック系絶縁材料、もしくは多孔質セラミック系材料とすることができる。

また、基板に、積層された単電池セルを複数具備し、その隣り合う各単電池セル間の一方の単電池セルの最上層と他方の単電池セルの最下層とがインターコネクターで接続された固体酸化物形燃料電池であって、インターコネクターの下層に該インターコネクターと一方の単電池セルの最下層とを絶縁する絶縁層を形成することができる。もしくは、隣り合う各単電池セル間の最上層同士をインターコネクターで接続するときは、インターコネクターの下層に該インターコネクターと、隣り合う単電池セルの最下層とを絶縁する絶縁層を形成することができる。

また、固体酸化物形燃料電池の製造方法として、燃料極、空気極、電解質、インターコネクター、及び絶縁層を印刷により形成することができる。

本発明によれば、燃料極、空気極、及び電解質が基板によって支持されているため、コストパフォーマンスを高め、良好な耐久性が維持できるとともに、電解質を薄膜化することができ、より高い出力を得ることができる。

また、同一基板に多数の燃料極、空気極、及び電解質からなる単電池セルを形成し、インターコネクターにより直列又は並列に接続することができるため、必要な電流、電圧を制御可能とすることができる。特に単電池セルを直列に接続した場合には、単電池セル内のみに電解質が存在し、隣り合う単電池セル間に電解質が存在しないため、複数の単電池セルを直列に接続しても、起電力の相殺の発生が無く、高い出力を得ることができる。

以下、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。
まず、本発明に係る固体酸化物形燃料電池の第１実施形態について説明する。図１は本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池の断面図（ａ）及び平面図（ｂ）である。

図１に示すように、この固体酸化物形燃料電池は、燃料極５、電解質７、及び空気極９を有する一つの単電池セル１を備え、この単電池セル１が基板３上に支持されている。

単電池セル１は、次のように構成されている。基板３の上面に燃料極５が矩形に形成されており、その燃料極５の上面にこれより小さく電解質７が矩形に形成されており、さらにその電解質７の上面にこれと同等の大きさの空気極９が形成されている。ここで、電解質７は燃料極５よりも小さくしているが、これを同等の大きさにすることもできる。また、電解質７と空気極９との大きさは同等としたが、電解質７よりも空気極９の大きさを小さくすることもできる。このように、燃料極５は電解質７及び空気極９と同等もしくは大きいので、単電池セル１の最下層にある燃料極５は露出し混合ガスと接触することができる。また、空気極９は電解質７と同等もしくは小さいので、単電池セル１の最上層に積層された空気極９と、最下層に積層された燃料極５は非接触となっている。

次に、上記固体酸化物形燃料電池を構成する材料について説明する。基板３は、十分な強度と高温（５００〜１７００℃）の製造や使用に耐えられるだけの耐熱性を有する材料を用いるのが好ましい。具体的には、アルミナ系材料、チタン系材料、及びシリカ系材料等のセラミック系材料を好ましく用いることができる。なお、基板３の厚みは特には限定されないが、強度面及びコスト面から５０μｍ〜１０mm程度とすることができる。

電解質７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、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等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。また、電解質の膜厚としては、０．０１〜５０００μｍが好ましく、１〜１００μｍが特に好ましい。

燃料極５及び空気極９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に従って計測することができる。

燃料極５は、例えば、金属触媒と酸化物形イオン導電体からなるセラミック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４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５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９を形成するセラミックス粉末材料としては、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）ＣｏＯ_３，（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ_３，（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３，（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｆｅ，Ｃｏ）Ｏ_３，（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ）Ｏ_３などの酸化物が挙げられ、好ましくは（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ_３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５、及び空気極９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。

次に上述した固体酸化物形燃料電池の製造方法の一例を、図２を参照しながら説明する。まず、上述した電解質７、燃料極５、及び空気極９の粉末材料を主成分として、バインダー樹脂、有機溶媒などを適量加えて混練し、電解質ペースト、燃料極ペースト、空気極ペーストをそれぞれ作成する。各ペーストの粘度は１０^３〜１０^６ｍＰａ・ｓ程度に調整されることが好ましい。

次いで、図２（ａ）に示すように、基板３上に燃料極ペーストを矩形状に塗布した後、所定の時間及び温度で乾燥させる。燃料極ペーストを塗布する方法としては、スクリーン印刷法が好適であるが、ＣＶＤ法、ＰＶＤ法、蒸着、スパッタリング、溶射、イオンプレーティング、イオン注入法、ティッピング、スピンコーティング、電気泳動法、ロールコート法、グラビアコート法、リソグラフィー法、ディスペンサー法などを適用することも可能である。同様にして、図２（ｂ）に示すように、電解質ペーストを乾燥させた燃料極ペーストの上面に矩形状に塗布した後、乾燥させ、所定の時間及び温度で焼結を行うことにより燃料極５及び電解質７を形成する。続いて、図２（ｃ）に示すように、空気極ペーストを電解質７の上面に矩形状に塗布した後、乾燥・焼結を行うことにより空気極９を形成すると、図１で説明した燃料電池が形成される。電解質７、燃料極５及び空気極９のそれぞれの厚さは、使用材料の粒径やガス拡散、電極・電解質７中の内部抵抗を考慮すると、電解質７は１〜１００μｍ程度、燃料極５及び空気極９は１〜１００μｍ程度で、好ましくは１０〜５０μｍであることが望ましい。なお、図示を省略するが、各電極５、９には、電流を取り出すための集電部が設けられる。

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、各単電池セル１の一方面上に、メタンやエタンなどの炭化水素からなる燃料ガスと空気との混合ガスを高温の状態（例えば４００〜１０００℃）で供給する。これにより、燃料極５と空気極９との間の電解質７で、酸素イオン伝導が起こって発電が行われる。

以上のように、本実施形態に係る燃料電池によれば、電解質７、燃料極５及び空気極９が基板３に支持されているため、良好な耐久性を維持することができるとともに、電解質７を薄膜化することで高い出力を得ることができ、コストパフォーマンスを増大させることができる。

ところで、上記説明では、燃料極５上には電解質７と空気極９との組を一組しか形成していないが、電解質７と空気極９との組を燃料極５上に複数組積層することもできる。図３（ｃ）にその例を示す。同図に示すように、この例ではインターコネクター１３により空気極９ａ，９ｂを接続している。また、このとき、インターコネクター１３が燃料極５と接触しないように、絶縁層１１は、空気極９ａと９ｂとの間を表面形状に沿って積層されている。

次に、図３に示す燃料電池の製造方法について説明する。電解質７、燃料極５及び空気極９を構成する材料は、上述したものと同じである。インターコネクター１３は、Ｐｔ，Ａｕ，Ｎｉ，Ａｇ，Ｃｕ，ＳＵＳ等の導電性金属、或いは金属材料、又はＬａ（Ｃｒ，Ｍｇ）Ｏ_３，（Ｌａ，Ｃａ）ＣｒＯ_３，（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｒＯ_３などのランタン・クロマイト系等の導電性セラミックス材料によって形成することができ、これらのうちの１種を単独で使用してもよいし、２種以上を混合して使用してもよい。そして、電解質等と同様の添加物を加え、粘度１０^３〜１０^６ｍＰａ・ｓ程度のインターコネクター用ペーストを形成する。

また、絶縁層１１は、アルミナ、チタニア、シリカ等によって形成することができ、好ましくは融点の低いガラス等が用いられる。そして、電解質等と同様の添加物を加え、絶縁層ペーストを形成する。

続いて、先程と同様に基板３上に、燃料極ペーストを塗布し乾燥させ、その上面に電解質ペーストを２つ塗布し乾燥させ、所定の時間及び温度で焼結を行い、燃料極５及び電解質７ａ，７ｂを形成した。次いで、それぞれの電解質７の上面に空気極９を形成する（図３（ａ）参照）。

次に、空気極９ａ及び９ｂ間を表面形状に沿って絶縁層ペーストをスクリーン印刷によって塗布し、所定の時間及び温度で乾燥させる（図３（ｂ）参照）。

次いで、空気極９ａ，９ｂを接続するように、空気極９ａ，９ｂの上面及び絶縁層１１の上面に、インターコネクター用ペーストをスクリーン印刷によって塗布し、乾燥させ、所定の時間及び温度で焼結を行い、絶縁層１１及びインターコネクター１３を形成する（図３（ｃ）参照）。

次に、本発明に係る固体酸化物形燃料電池の第２実施形態について図４を参照しつつ説明する。

図４（ｃ）に示すように、この固体酸化物形燃料電池は、燃料極５ａ，５ｂ、電解質７ａ，７ｂ及び空気極９ａ，９ｂを有する二つの単電池セル１，２を備え、この単電池セル１，２が基板３上に支持されている。また、単電池セル１の空気極９ａと単電池セル２の燃料極５ｂとを接続するようインターコネクター１３を有しており、このインターコネクター１３が燃料極５ａと接触しないように、絶縁層１１を備えている。

単電池セル１，２はそれぞれ第１実施形態と同様に構成されている。すなわち基板３上に、燃料極５ａ，５ｂ、電解質７ａ，７ｂ、及び空気極９ａ，９ｂがこの順で形成されている。また、空気極９ａと燃料極５ｂを接続するようにインターコネクター１３が形成されており、このインターコネクター１３が燃料極５ａに接続しないように、絶縁層１１が形成されている。これらの材料は第１実施形態と同様とすることができる。

この第２実施形態の燃料電池も第１実施形態で示したものと同様の方法で製造することができる。すなわち、基板３上に、燃料極ペーストを２つ塗布し乾燥させ、その各上面に電解質ペーストを塗布し乾燥させ、所定の時間及び温度で焼結を行い、燃料極５ａ，５ｂ及び電解質７ａ，７ｂを形成する。更にその各上面に空気極９ａ，９ｂを形成する（図４（ａ）参照）。続いて、単電池セル１の単電池セル２と向かい合う側面の表面形状に沿って絶縁層用ペーストを塗布し、乾燥させる（図４（ｂ））。その後、空気極９ａと、燃料極５ｂの単電池セル１側上面との間を、表面形状に沿ってインターコネクター用ペーストを塗布し、乾燥させた後、所定の時間及び温度で焼結を行い、絶縁層１１及びインターコネクター１３を形成する。このとき、インターコネクター１３は、単電池セル１の空気極９ａ及び単電池セル２の燃料極５ｂを接続するのみで、これ以外の燃料極及び空気極には接続されないように塗布する（図４（ｃ）参照）。

こうして形成された非隔膜式固体酸化物形燃料電池は、第１実施形態と同様の混合ガスを供給することで、発電が行われる。

上記第２実施形態によれば、単電池セルを二つ設けることができるので、前記第１実施形態よりも高い起電力を得ることができる。

また第２実施形態では、インターコネクター１３が単電池セル１の空気極９ａ及び単電池セル２の燃料極５ｂを接続するように形成されているが、単電池セル１の空気極９ａ及び単電池セル２の空気極９ｂを接続するように形成することもできる。このとき、絶縁層１１は、インターコネクター１３が空気極９ａ，９ｂ以外の電極と接触しないようにするため、単電池セル１、２間の表面形状を覆うように形成される（図５参照）。

以下に実施例を挙げて、本発明を更に詳細に説明する。以下では、図１に示す燃料電池を実施例として作成した場合について説明する。

電解質７の材料として、ＳＤＣ［（Ｃｅ，Ｓｍ）Ｏ_３］粉末（粒径０．０１〜１０μｍ：平均粒径０．１μｍ）を使用し、セルロース系バインダー樹脂と混合して電解質ペーストを作製した。電解質ペーストの粘度は、スクリーン印刷に適した５×１０^５ｍＰａ・ｓとした。また、燃料極５の材料として、ＮｉＯ粉末（粒径０．０１〜１０μｍ：平均粒径１μｍ）と、ＳＤＣ［（Ｃｅ，Ｓｍ）Ｏ_３］粉末（粒径０．０１〜１０μｍ：平均粒径０．１μｍ）とを重量比で７：３となるように混合した後、セルロース系バインダー樹脂と混合して燃料極ペーストを作製した。燃料極ペーストの粘度は、スクリーン印刷に適した５×１０^５ｍＰａ・ｓとした。また、空気極９の材料として、ＳＳＣ［（Ｓｍ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３］粉末（粒径０．１〜１０μｍ、平均粒径３μｍ）を使用し、セルロース系ワニスと混合して空気極ペーストを作製した。空気極ペーストの粘度は、スクリーン印刷に適した５×１０^５ｍＰａ・ｓとした。基板３には、厚みが２ｍｍで１０ｍｍ角のアルミナ系基板を使用した。

まず、上述した燃料極ペーストを基板３上にスクリーン印刷により、７．５ｍｍ^２、塗布厚み１００μｍとなるように塗布した。そして、１３０℃で５分間乾燥させた。

次に、この上面に上述した電解質ペーストを３．５ｍｍ^２，塗布厚み２００μｍとなるようにスクリーン印刷により塗布し、１３０℃で５分間乾燥させた後、１４５０℃、１時間で焼結させ、燃料極５及び電解質７を形成した。

続いて、上述した空気極ペーストを、電解質７の上面にスクリーン印刷により、３．５ｍｍ^２，塗布厚み２０μｍとなるように塗布し、１３０℃で５分間乾燥させた後、１２００℃、１時間で焼結させ、空気極９を形成した。

以上により作製した燃料電池にメタンガスと空気との混合ガスを８００℃で導入し、電池特性の評価を行った結果、起電力で６００±１０ｍＶ、出力で２．３０ｍＷを得ることができた。

以下では図３に示す燃料電池を実施例として作製した場合について説明する。

電解質７の材料として、ＳＤＣ［（Ｃｅ，Ｓｍ）Ｏ_３］粉末（粒径０．０１〜１０μｍ：平均粒径０．１μｍ）を使用し、セルロース系ワニスと混合して電解質ペーストを作製した。電解質ペーストの粘度は、スクリーン印刷に適した５×１０^５ｍＰａ・ｓとした。また、燃料極５の材料として、ＮｉＯ粉末（粒径０．０１〜１０μｍ：平均粒径１μｍ）と、ＳＤＣ［（Ｃｅ，Ｓｍ）Ｏ_３］粉末（粒径０．０１〜１０μｍ：平均粒径０．１μｍ）とを重量比で７：３となるように混合した後、セルロース系ワニスと混合して燃料極ペーストを作製した。燃料極ペーストの粘度は、スクリーン印刷に適した５×１０^５ｍＰａ・ｓとした。また、空気極９の材料として、ＳＳＣ［（Ｓｍ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３］粉末（粒径０．１〜１０μｍ、平均粒径３μｍ）を使用し、セルロース系ワニスと混合して空気極ペーストを作製した。空気極ペーストの粘度は、スクリーン印刷に適した５×１０^５ｍＰａ・ｓとした。インターコネクター１３の材料として、Ａｕ粉末（粒径１μｍ）を使用し、セルロース系ワニスと混合してインターコネクター用ペーストを作製した。インターコネクター用ペーストの粘度はスクリーン印刷に適した５×１０^５ｍＰａ・ｓとした。絶縁層１１の材料としては、ガラス粉末（粒径０．０１〜１０μｍ：平均粒径１μｍ）を使用し、セルロース系ワニスと混合して絶縁層用ペーストを作製した。絶縁層用ペーストの粘度はスクリーン印刷に適した５×１０^５ｍＰａ・ｓとした。基板３には、厚みが２ｍｍで１０ｍｍ角のアルミナ系基板を使用した。

まず、上述した燃料極ペーストを基板３上にスクリーン印刷により、９．５ｍｍ^２、塗布厚み１００μｍとなるように塗布した。そして、１３０℃で５分間乾燥させた。

次に、この上面に上述した電解質ペーストを３．５ｍｍ^２、塗布厚み２００μｍとなるように２つスクリーン印刷により塗布し、１３０℃で５分間乾燥させた後、１４５０℃、１時間で焼結させ、燃料極５、及び電解質７ａ，７ｂを形成した。

続いて、上述した空気極ペーストを、電解質７ａ，７ｂの上面にそれぞれスクリーン印刷により、３．２５ｍｍ^２、塗布厚み２０μｍとなるように二つ塗布し、１３０℃で５分間乾燥させた後、１２００℃、１時間で焼結させ、空気極９ａ，９ｂを形成した。

次いで、上述した絶縁層用ペーストをスクリーン印刷により、隣り合う空気極９ａ，９ｂ間に、幅３００μｍとなるように塗布し、１３０℃で５分間乾燥させた。

そして、上述したインターコネクター用ペーストをスクリーン印刷により、空気極９ａ，９ｂを接続するように、幅２５０μｍで塗布した。このとき、インターコネクター１３と、空気極９ａ又は９ｂとの接触面積は１．０ｍｍ^２となるようにした。これを１３０℃で５分間乾燥させた後、１０００℃、１時間で焼結させ、絶縁層１１及びインターコネクター１３を形成した。

以上により作製した燃料電池にメタンガスと空気との混合ガスを８００℃で導入し、電池特性の評価を行った結果、実施例１と同等の起電力、実施例１と約２倍の出力を得ることができた。

以下では、図４に示す燃料電池を実施例として作製した場合について説明する。

基板３、電解質７、燃料極５ａ，５ｂ、空気極９ａ，９ｂ、絶縁層１１及びインターコネクター１３の材料は、実施例２と同様のものを使用し、電解質ペースト、燃料極ペースト、空気極ペースト、絶縁層用ペースト及びインターコネクター用ペーストを作製する。

まず、上述した燃料極ペーストを基板３上にスクリーン印刷により、８．５ｍｍ^２、塗布厚み１００μｍとなるように二つ塗布した。そして、１３０℃で５分間乾燥させた。

次に、この上面に上述した電解質ペーストをそれぞれ、３．５ｍｍ^２、塗布厚み２００μｍとなるようにスクリーン印刷により二つ塗布し、１３０℃で５分間乾燥させた後、１４５０℃で１時間焼結させ、燃料極５ａ，５ｂ及び電解質７ａ，７ｂを形成した。

続いて、上述した空気極ペーストを、電解質７ａ，７ｂの上面にそれぞれスクリーン印刷により、３．５ｍｍ^２、塗布厚み２０μｍとなるように二つ塗布し、１３０℃で５分間乾燥させた後、１２００℃で１時間焼結させ、空気極９ａ，９ｂを形成した。

次いで、上述した絶縁層用ペーストをスクリーン印刷により、幅３００μｍとなるように、単電池セル１の単電池セル２と向かい合う側面を覆うように塗布し、１３０℃で５分間乾燥させた。

そして、上述したインターコネクター用ペーストをスクリーン印刷により、空気極９ａと燃料極５ｂとを接続するように幅２５０μｍで塗布した。このとき、インターコネクター１３と、空気極９ａ又は燃料極５ｂとの接触面積は１．０ｍｍ^２となるようにした。これを１３０℃で５分間乾燥させた後、１０００℃，１時間で焼結させ、絶縁層１１及びインターコネクタ１３を形成した。

以上により作製した燃料電池にメタンガスと空気との混合ガスを８００℃で導入し、電池特性の評価を行った結果、実施例１と比較し、２倍の起電力及び出力を得ることができた。

以下では、図５に示す燃料電池を実施例として作製した場合について説明する。

基板３、電解質７、燃料極５ａ，５ｂ、空気極９ａ，９ｂ、絶縁層１１及びインターコネクター１３の材料は実施例２と同様のものを使用し、電解質ペースト、燃料極ペースト、空気極ペースト、絶縁層用ペースト及びインターコネクター用ペーストを作製する。

燃料極５ａ，５ｂ、電解質７ａ，７ｂ及び空気極９ａ，９ｂは、実施例３と同様に形成する。

次に、絶縁層用ペーストを、スクリーン印刷により、幅３００μｍとなるように燃料極９ａ，９ｂ間に塗布し、１３０℃で５分間乾燥させた。

そして、インターコネクター用ペーストをスクリーン印刷により、空気極９ａ，９ｂを接続するように幅２５０μｍで塗布した。これを１３０℃で５分間乾燥させた後、１０００℃で１時間焼結させ、絶縁層１１及びインターコネクター１３を形成した。このとき、インターコネクター１３と、空気極９ａ又は９ｂとの接触面積は１．０ｍｍ^２となるようにした。

以上により作製した燃料電池にメタンガスと空気との混合ガスを８００℃で導入し、電池特性の評価を行った結果、実施例１と比較し、同等の起電力、約２倍の出力を得ることができた。

本発明に係る燃料電池の第１実施形態の断面図（ａ）及び平面図（ｂ）である。 図１に示す燃料電池の製造方法の一例を示す説明図である。 図１に示す燃料電池の他の例の製造方法を示す説明図である。 本発明に係る燃料電池の第２実施形態の製造方法の一例を示す説明図である。 第２実施形態の他の例を示す断面図である。

符号の説明

１，２ 単電池セル
３ 基板
５ 燃料極
７ 電解質
９ 空気極
１１ 絶縁体
１３ インターコネクター

Claims (12)

1. 燃料極、空気極、及び電解質を有する単電池セルを備えた燃料電池であって、
   前記単電池セルを支持する基板の少なくとも一方の面に、前記燃料極、前記電解質、及び前記空気極の層がこの順に、もしくはこの逆の順に積層されていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
2. 前記積層された単電池セルは、前記基板側となる前記燃料極又は前記空気極の層の少なくとも一つの側面が露出するように積層されていることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池。
3. 前記電解質の一方側に積層された前記燃料極又は前記空気極と、前記電解質の他方側に積層された前記空気極又は前記燃料極とが非接触となるように積層されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の固体酸化物形燃料電池。
4. 前記基板側となる前記燃料極又は前記空気極の複数領域に前記電解質が積層されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の固体酸化物形燃料電池。
5. 前記隣り合う電解質上に積層された前記空気極又は燃料極をインターコネクターにより接続していることを特徴とする請求項４に記載の固体酸化物形燃料電池。
6. 前記インターコネクターの下層に、当該インターコネクターと、前記基板側となる燃料極又は空気極とを絶縁する絶縁層が形成されていることを特徴とする請求項５に記載の固体酸化物形燃料電池。
7. 前記燃料極及び前記空気極が多孔体であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の固体酸化物形燃料電池。
8. 前記基板は、セラミック系絶縁材料からなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の固体酸化物形燃料電池。
9. 前記基板は、多孔質セラミック系材料からなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の固体酸化物形燃料電池。
10. 前記基板に、前記積層された単電池セルを複数具備し、その隣り合う各単電池セル間の一方の単電池セルの最上層と他方の単電池セルの最下層とがインターコネクターで接続された固体酸化物形燃料電池であって、
    前記インターコネクターの下層に該インターコネクターと一方の単電池セルの最下層とを絶縁する絶縁層が形成されていることを特徴とする請求項１〜３，７〜９のいずれか１項に記載の固体酸化物形燃料電池。
11. 前記基板に、前記積層された単電池セルを複数具備し、その隣り合う各単電池セル間の最上層同士がインターコネクターで接続された固体酸化物形燃料電池であって、
    前記インターコネクターの下層に該インターコネクターと、前記隣り合う単電池セルの最下層とを絶縁する絶縁層が形成されていることを特徴とする請求項１〜３，７〜９のいずれか１項に記載の固体酸化物形燃料電池。
12. 請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の固体酸化物形燃料電池を製造する方法であって、
    前記燃料極、前記空気極、前記電解質、前記インターコネクター、及び前記絶縁層が印刷により形成されていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池の製造方法。

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