固体酸化物形燃料電池および固体酸化物形燃料電池の製造方法
【課題】 強度を向上させると共に電池性能を向上することができる固体酸化物形燃料電池およびその製造方法を提供する。
【解決手段】多孔質の少なくとも１層の金属基板２と、金属基板２の一方面に配置された燃料極３と、燃料極３の一方面に配置された電解質４と、電解質４の一方面に配置された空気極５と、を備え、金属基板２には、厚み方向に貫通する貫通孔６が複数形成されている固体酸化物形燃料電池。
【解決手段】多孔質の少なくとも１層の金属基板２と、金属基板２の一方面に配置された燃料極３と、燃料極３の一方面に配置された電解質４と、電解質４の一方面に配置された空気極５と、を備え、金属基板２には、厚み方向に貫通する貫通孔６が複数形成されている固体酸化物形燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガス及び酸化剤ガスと反応することにより発電する固体酸化物形燃料電池およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。この固体酸化物形燃料電池として、例えば、特許文献１に記載のものが従来から知られている。
【０００３】
図８は、従来の固体酸化物形燃料電池の断面図である。図８に示すように、従来の固体酸化物形燃料電池１００（以下、「燃料電池１００」という）は、金属基板１０１と、金属基板１０１の一方面に配置された燃料極１０２と、燃料極１０２の一方面に配置された電解質１０３と、電解質１０３の一方面に配置された空気極１０４と、を備えている。そして、金属基板１０１には、厚み方向に貫通する貫通孔１０５が複数形成されており、これらの貫通孔１０５は、金属基板１０１に対して化学的エッチングを施すことにより形成されている。そして、この燃料電池１００により発電するときは、燃料極１０２に燃料ガスを供給し、空気極１０４に酸化剤ガスを供給することにより発電を行う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３９４０９４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記の燃料電池１００では、金属基板１０１に対して化学的エッチングを施すため、金属基板１０１の材料および厚みに制限があるという問題や、コストが高いといった問題があった。
さらには、ガス拡散性を向上させるために貫通孔１０５を多くすると金属基板１０１と燃料極１０２との接触面積、すなわち集電面積が小さくなるため性能が低下するという問題や、強度が低下するといった問題があった。
【０００６】
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであって、強度を向上させると共に、電池性能を向上することができる固体酸化物形燃料電池およびその製造方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の１つは、上記課題を解決するための固体酸化物形燃料電池であって、多孔質の少なくとも１層の金属基板と、前記少なくとも１層の金属基板の一方面に配置された燃料極と、前記燃料極の一方面に配置された電解質と、前記電解質の一方面に配置された空気極と、を備え、前記金属基板には、厚み方向に貫通する貫通孔が複数形成されていることを特徴としている。
【０００８】
あるいは、本発明は、上記に限定されず、多孔質の少なくとも１層の金属基板と、前記少なくとも１層の金属基板の一方面に配置された電解質と、前記電解質の一方面に配置された空気極と、を備え、前記金属基板は、燃料極の活性を有しており、当該金属基板には厚み方向に貫通する貫通孔が複数形成されている固体酸化物形燃料電池であってもよい。
上記の燃料極の活性とは、燃料極の表面で、水素等の燃料ガスの酸化反応を生じることをいう。
【０００９】
また、上記固体酸化物形燃料電池において、前記金属基板は、基板用グリーンシートに厚み方向に貫通する貫通孔を複数形成し、当該貫通孔を有する基板用グリーンシートを焼結することにより多孔質に形成されることが好ましい。
【００１０】
このような構成によれば、多孔質の金属基板を用いることで貫通孔とともに金属基板内をガスが拡散できる。そのため、ガス拡散性を向上させるために多くの貫通孔を設ける必要もないため、強度も維持することが可能である。また、ガスの拡散性を向上させつつ十分な集電面積を確保できるため電池性能を向上させることができる。また、金属基板に貫通孔を形成するときに、化学的エッチングを用いることがないので、金属基板の材料および厚さに制限がなく、低コストで貫通孔を形成することができる。したがって、本発明によれば、強度を向上させると共に、電池性能を向上することができる。
【００１１】
また、本発明の固体酸化物形燃料電池は、積層された複数の前記金属基板を備え、前記複数の金属基板を構成する各金属基板における前記貫通孔が、積層方向に隣接する前記金属基板における前記貫通孔のいずれかと互いに連通しており、積層方向の上層側の前記金属基板における前記貫通孔の孔径がそれに隣接する下層側の前記金属基板における前記貫通孔の孔径より小さいことが好ましい。
このような構成によれば、燃料極と接触する最上層の金属基板における貫通孔が最も縮径することになり、燃料極と金属基板との接触面積を大きくすることができる。したがって、貫通孔の孔径を徐々に縮径することにより、燃料極へのガスの拡散性（到達時間）を維持したまま、集電面積を大きくすることができる。
【００１２】
また、本発明は、上記課題を解決するために次のような構成であってもよい。すなわち、多孔質の少なくとも１層の金属基板と、当該少なくとも１層の金属基板の一方面に配置された燃料極と、当該燃料極の一方面に配置された電解質と、当該電解質の一方面に配置された空気極と、を備える固体酸化物形燃料電池の製造方法であって、前記金属基板を形成する基板形成ステップを備え、前記基板形成ステップは、基板用グリーンシートに厚み方向に貫通する貫通孔を複数形成する貫通ステップと、当該貫通孔を有する基板用グリーンシートを焼結する焼結ステップと、を備える固体酸化物形燃料電池の製造方法であってもよい。
【００１３】
また、これに限定されるものではなく、多孔質の少なくとも１層の金属基板と、当該少なくとも１層の金属基板の一方面に配置された電解質と、当該電解質の一方面に配置された空気極と、を備える固体酸化物形燃料電池の製造方法であって、前記金属基板を形成する基板形成ステップを備え、前記基板形成ステップは、基板用グリーンシートに厚み方向に貫通する貫通孔を複数形成する貫通ステップと、当該貫通孔を有する基板用グリーンシートを焼結する焼結ステップと、を備え、前記基板用グリーンシートは、燃料極の活性を有する物質を含む固体酸化物形燃料電池の製造方法であってもよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の固体酸化物形燃料電池および固体酸化物形燃料電池の製造方法によれば、強度を向上させると共に発電性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に係る固体酸化物形燃料電池の断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る固体酸化物形燃料電池の下面図である。
【図３】固体酸化物形燃料電池の製造方法を説明する図である。
【図４】固体酸化物形燃料電池の製造方法のフローチャートである。
【図５】他の一実施形態に係る固体酸化物形燃料電池の断面図である。
【図６】更に他の一実施形態に係る固体酸化物形燃料電池の断面図である。
【図７】更に他の一実施形態に係る固体酸化物形燃料電池の断面図である。
【図８】従来の固体酸化物形燃料電池の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る固体酸化物形燃料電池の断面図であり、図２は固体酸化物形燃料電池の下面図である。図１及び図２に示すように、この固体酸化物形燃料電池１（以下、「燃料電池１」という）は、平板状の金属基板２と、金属基板２の一方面（表面）に配置された薄膜状の燃料極３と、燃料極３の一方面（表面）に配置された薄膜状の電解質４と、電解質４の一方面（表面）に配置された薄膜状の空気極５とを備えている。
【００１７】
金属基板２は、多孔質の金属から形成されている。ここで、多孔質とは、金属基板２の内部に多数の細孔を有している構成であり、当該多数の細孔を介してガスが通過可能な構成をいう。また、金属基板２には複数の貫通孔６，６・・が形成されており、これら貫通孔６，６・・は、金属基板２の他方面（裏面）から燃料極３に向かって延びており、燃料ガスを燃料極３に導入できるように構成されている。また、これら複数の貫通孔６，６・・は、上記の多孔質とは異なる概念である。また、金属基板２の厚みは、強度の観点から、５μｍ〜１０００μｍが好ましく、１００μｍ〜５００μｍがより好ましい。また、貫通孔６の孔径は、０．１μｍ〜２５０μｍが好ましく、５μｍ〜５０μｍがより好ましい。
また、上記多孔質金属基板２の内部の細孔の体積は、金属基板２全体の体積の5〜５0％が好ましく、多孔質金属基板２における貫通孔６の占有体積としては、多孔質金属基板２全体の体積の10〜70％が好ましい。
【００１８】
燃料極３及び空気極５の厚さは、それぞれ、１〜１００μｍとすることができ、好ましくは５〜５０μｍとすることができる。
また、電解質の厚みは、例えば０．１μｍ〜１００μｍとすることができ、好ましくは１〜５０μｍとすることができる。
【００１９】
次に、上述した燃料電池１の各構成要素の材料について説明する。
【００２０】
金属基板２の材料としては、例えば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く、また、２種以上の合金として用いてもよい。合金としては、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、インコネルやハステロイなどニッケル系合金などを用いることができる。
【００２１】
燃料極３の材料としては、固体酸化物形燃料電池の燃料極の材料として公知のものを使用することができ、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）等の還元性雰囲気において安定で、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３は、金属触媒を単体で用いて構成することもできる。
【００２２】
電解質４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。
【００２３】
空気極５の材料としては、固体酸化物形燃料電池の空気極の材料として公知のものを使用することができ、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。
【００２４】
次に、固体酸化物形燃料電池の製造方法について説明する。図３は、固体酸化物形燃料電池の製造方法を説明する図である。また、図４は、固体酸化物形燃料電池の製造方法のフローチャートである。
【００２５】
図３及び図４に示すように、上記の燃料電池１は、基板用グリーンシート１０、燃料極用グリーンシート１３、電解質用グリーンシート１４および空気極ペースト１５を用いて製造することができる。これらの各グリーンシートは、固体酸化物形燃料電池を製造するための公知のグリーンシートであり、原料粉末、バインダー、分散剤、可塑剤および溶媒等を混合してスラリー作製し、このスラリーを薄膜状に延ばし、溶媒を除去した状態のシートのことである。
【００２６】
ここで、上記各グリーンシートを製造する方法の一例について説明する。例えばドクターブレード法により製造する場合、基板用グリーンシート１０および燃料極用グリーンシート１３は、以下の方法で作製することができる。まず、上述した金属基板２または燃料極３の材料の粉末に、造孔剤を添加し、バインダー、分散剤および可塑剤を加え、エタノール、２−プロパノールといったアルコール系溶媒からなる分散媒体に分散されているスラリーを作製する。造孔剤の添加量は、５〜２０ｗ％が好ましい。添加されている造孔剤は、焼結の際に燃焼して気化するため、造孔剤が存在していた箇所には気孔が形成される。なお、造孔剤としては、カーボン系粉末や樹脂系粉末が挙げられるが、焼結の際に気化して気孔が形成可能な材料であれば、他の材料を用いるようにしてもよい。
【００２７】
また、上記スラリー組成物あるいは混練組成物を作製する際に用いられるバインダーの種類にも制限はなく、公知の有機質もしくは無機質のバインダーを使用することができる。有機質バインダーとしては、エチレン系共重合体、スチレン系共重合体、アクリレート系及びメタクリレート系共重合体、酢酸ビニル系共重合体、マレイン酸系共重合体、ビニルアセタール系樹脂、ビニルホルマール樹脂、ポリビニルブチラール樹脂、ビニルアルコール系樹脂、エチルセルロース等のセルロース類、ワックス類等が例示される。
【００２８】
次に、作製したスラリーを公知のドクターブレード法により成形してポリエチレンテレフタレートなどのフィルム上にスラリーの層を形成し、このスラリーの層より分散媒体を除去することで乾燥させ、基板用グリーンシート１０または燃料極用グリーンシート１３が形成された状態とする。分散媒体としては、アルコール系溶媒に限らず、トルエン，キシレン，及びケトン系などの他の有機溶媒を用いてもよい。また、有機溶媒に限らず、上記混合粉末が、水に分散されたスラリーを用いるようにしてもよい。例えば、所定の分散剤を用いることで、上記混合粉末が水に分散された状態とすることができる。
【００２９】
電解質用グリーンシート１４は以下の方法で作製する。上述した電解質４の材料の粉末に、バインダー及び分散剤および可塑剤を加え、有機溶媒からなる分散媒体に分散されているスラリーを作製する。作製したスラリーは燃料極等と同様にドクターブレード法にてポリエチレンテレフタレートなどのフィルム上にスラリー層を形成する。このスラリーの層より分散媒体を除去することで乾燥させ、電解質用グリーンシート１４が形成された状態とする。
また、空気極ペースト１５は、固体酸化物形燃料電池を製造するための公知のペーストであり、上述した空気極５の材料の原料粉末に、バインダー、有機溶媒などを混練することにより作製できる。
【００３０】
続いて燃料電池１を製造する方法を説明する。
【００３１】
燃料電池１を製造するときはまず、図３（ａ）、（ｂ）及び図４に示すように、１枚の基板用グリーンシート１０を準備し、この基板用グリーンシート１０に対して厚み方向に貫通する貫通孔１２，１２・・を複数形成する（貫通ステップＳ１）。具体的には、公知の打ち抜き治具などにより、基板用グリーンシート１０に貫通孔１２を形成する。貫通孔１２の数、孔径、形成位置などは特に限定されず適宜変更可能である。
【００３２】
次に、図３（ｃ）に示すように、貫通孔１２が形成された基板用グリーンシート１０の一方面（表面）に燃料極用グリーンシート１３を積層する（燃料極用積層ステップＳ２）。
【００３３】
次に、図３（ｄ）に示すように、燃料極用グリーンシート１３の一方面（表面）に電解質用グリーンシート１４を積層する（電解質用積層ステップＳ３）。これにより、各グリーンシート１０，１３，１４が積層された状態となる。
【００３４】
次に、上記の基板用グリーンシート１０、燃料極用グリーンシート１３及び電解質用グリーンシート１４が積層されたものを共焼結する（第１焼結ステップＳ４）。このときの焼結温度は、１１００℃〜１５００℃が好ましい。焼結により、図３（ｅ）に示すように、基板用グリーンシート１０、燃料極用グリーンシート１３、電解質用グリーンシート１４はそれぞれ、金属基板２、燃料極３、電解質４になる。また、このとき、金属基板２が例えばフェライト系ステンレス鋼やＮｉなどの金属材料から作製される場合は、酸化を防止するために、Ｎ２やＡｒガスなどの不活性雰囲気下あるいは還元雰囲気下で焼結することが好ましい。一方、金属基板２が例えばＮｉＯなどの金属酸化物材料から作製される場合は、酸化雰囲気下で焼結することもできる。
【００３５】
続いて、図３（ｆ）に示すように、焼結により形成された電解質４の一方面（表面）に空気極ペースト１５を塗布する（塗布ステップＳ５）。空気極ペースト１５の塗布は、例えば、公知のスクリーン印刷法、ドクターブレード法、スプレーコート法、スパッタリング法等により行うことができる。
その後、空気極ペースト１５を焼結することにより空気極５が形成され、これにより図１に示す燃料電池１が製造される（第２焼結ステップＳ６）。このときの焼結温度は、１１００℃〜１５００℃が好ましい。また、焼結はＮ２やＡｒガスなどの不活性雰囲気下あるいは還元雰囲気下で行うことが好ましいが、金属基板２の酸化を防止できる温度であれば酸化雰囲気下で焼結をすることもできる。また、上記の第１焼結ステップＳ４において酸化雰囲気下で焼結を行った場合は、第２焼結ステップＳ６の前に金属基板２を還元処理後、上記方法で空気極を焼結することができるが、第２焼結ステップＳ６の後に、金属基板２を還元処理することもできる。
【００３６】
上記実施形態に係る燃料電池１およびその製造方法によれば、金属基板２を形成する基板形成ステップにおいて、金属基板２を基板用グリーンシート１０から形成するので、金属基板２の材料および厚みに制限がないため、金属基板２の強度を向上させることができる。また、金属基板２に貫通孔６を形成するときに、化学的エッチングを用いることがないので、低コストで貫通孔６を形成することができる。したがって、本発明によれば、強度を向上させると共に、コストを抑制することができる。
【００３７】
また、上記燃料電池１によれば、燃料極３に燃料ガスを供給するときに、貫通孔６を介して燃料ガスを導入できると共に、多孔質の金属基板２により燃料ガスを拡散させることができる。したがって、燃料ガスの導入と拡散とを同時に行うことができるので、燃料ガスを効率的に燃料極３に供給できる。
【００３８】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明の具体的な態様は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、金属基板２の貫通孔６は、金属基板２の厚み方向に貫通するように形成されていればその構成は特に限定されず、図５に示すように、金属基板２の厚み方向に対して傾斜していてもよい。傾斜した貫通孔６を形成する場合は、上記の貫通ステップＳ２において、基板用グリーンシート１０に傾斜した貫通孔１２を形成する。このような構成でも燃料ガスを燃料極３に導入することができる。
【００３９】
また、図６（ａ）〜（ｅ）は、更に他の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池の断面図である。図６（ａ）〜（ｅ）に示すように、金属基板２の数は特に限定されるものではなく、厚み方向に複数の金属基板２、２・・を積層してもよい。
【００４０】
また、図６（ａ）〜（ｅ）に示すように、複数の貫通孔６，６・・の形成位置や孔径は特に限定されるものではなく、適宜変更可能である。例えば、積層された金属基板２、２・・の貫通孔６，６・・は、積層方向において互いの孔の中心が一致していてもよく、また、孔の中心が互いにずれていてもよい。また、図６に点線Ｘで示すように、積層された金属基板２，２・・の各層の貫通孔６，６・・は、それぞれ積層方向において連通していることが好ましい。また、必ずしも積層方向に連通していなくてもよい。また、図６（ｃ）、（ｄ）に示すように、各層の金属基板２において、異なる孔径の貫通孔６を複数形成してもよい。
また、図６（ｅ）に示すように、複数の貫通孔６，６・・の孔径が金属基板２の積層方向において段階的に縮径する構成であってもよい。図６（ｅ）に示す構成では、積層された複数の金属基板２を構成する各金属基板２における各貫通孔６が、積層方向に隣接する金属基板２における貫通孔６のいずれかと互いに連通している。このように複数の金属基板２の積層方向において貫通孔６がつながっているので、積層された金属基板２の最下層から最上層まで連通した貫通孔６を介してガスを通過させることができる。また、この実施形態では、隣り合って重なる金属基板２において、上層の金属基板２における貫通孔６の孔径が下層の金属基板２における貫通孔６の孔径より小さくなっている。つまり、積層方向の上層側の金属基板２における貫通孔６の孔径がそれに隣接する下層側の金属基板２における貫通孔６の孔径より小さくなっている。したがって、最下層の金属基板２から最上層の金属基板２に向かって貫通孔６の孔径が徐々に縮径している。このような構成によれば、燃料極３と接触する最上層の金属基板２における貫通孔６が最も縮径しているので、貫通孔の孔径を徐々に縮径することにより、燃料極へのガスの拡散性（到達時間）を維持したまま、集電面積を大きくすることができる。
【００４１】
また、複数の金属基板２が積層された燃料電池１を製造する場合は、上述した貫通ステップＳ１において、複数の基板用グリーンシート１０を準備し、これら複数の基板用グリーンシート１０のそれぞれに複数の貫通孔１２を形成する。そして、貫通孔１２が形成された複数の基板用グリーンシート１０を積層し、その後の各ステップＳ３〜Ｓ６を行うと、積層された複数の金属基板２を有する燃料電池１が製造される。
また、貫通孔６が金属基板２の積層方向に沿って段階的に縮径している燃料電池１を製造する場合は、複数の基板用グリーンシート１０を積層するときに、貫通孔１２が大きい基板用グリーンシート１０を下層に積層し、その上層に貫通孔１２が小さい基板用グリーンシート１０を積層する。これにより、基板用グリーンシート１０を焼結したときに、上層の金属基板２における貫通孔６の孔径が下層の金属基板２における貫通孔６の孔径より小さくなる。
【００４２】
また、上記実施形態では、金属基板２の一方面（表面）に燃料極３が配置されていたが、この燃料極３を省略し、図７（ａ）、（ｂ）に示すように、金属基板２の一方面（表面）に電解質４を配置する構成であってもよい。図７（ａ）、（ｂ）において、図１又は図６と同様の構成部分については、同一の符号を付してその説明を省略する。このように金属基板２に電解質４を直接配置する場合、金属基板２の材料としては、燃料極の活性を有することが好ましく、例えば酸化ニッケルと酸化鉄との混合材料を用いることができる。上記燃料極の活性を有する材料としては、Ｃｕや，Ｎｉ、Ｐｔ、Ｒｕ等を挙げることができ、これらを単独若しくはＦｅ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｎｂなどと２種以上を組み合わせて使用することができる。このような構成によっても、燃料極の活性を有する金属基板２が燃料極として機能することにより発電することができる。
【００４３】
また、金属基板２の一方面（表面）に電解質４が配置された燃料電池１を製造する場合は、上述した燃料極用積層ステップＳ２を行わずに、電解質用積層ステップＳ３を行う。そして、その後の各ステップ（第１焼結ステップＳ４、塗布ステップＳ５、第２焼結ステップＳ６）を行うと、金属基板２の一方面に電解質４が配置された燃料電池１が製造される。なお、燃料極の活性を有する材料を用いる場合は、還元雰囲気で共焼結を行っても構わないし、酸化雰囲気で焼結を実施し、その後、金属基板２のみを還元することによって、燃料電池1を形成することができる。
【００４４】
また、上記実施形態では、基板形成ステップにおいて金属基板２を形成するときに１枚の基板用グリーンシート１０から形成していたが、この構成に限定されるものではなく、少なくとも１層（１枚）の基板用グリーンシート１０があれば金属基板２を形成することができる。したがって、複数の基板用グリーンシート１０を用いて金属基板２を形成してもよい。この場合は、基板形成ステップにおいてまず、複数の基板用グリーンシート１０を準備し、これら複数の基板用グリーンシート１０を厚み方向に積層する（基板用積層ステップ）。続いて、積層された複数の基板用グリーンシート１０に対して厚み方向に貫通する貫通孔１２を複数形成する（貫通ステップＳ１）。そして、その後の各ステップＳ３〜Ｓ６を行うと、複数の基板用グリーンシート１０から形成された金属基板２を有する燃料電池１が製造される。また、積層された金属基板２を形成する場合は、積層された複数の基板用グリーンシート１０を更に積層して焼結することにより形成できる。
【００４５】
また、上記実施形態では、金属基板２上に燃料極３を配置しているが、燃料極活性を有さない金属基板２を用いる場合、空気極５を形成し、その上面に、電解質４、燃料極３を配置してもかまわない。
【００４６】
また、上記実施形態では、空気極ペースト１５を用いた方法により空気極５を形成していたが、空気極５の形成方法はこれに限定されるものではなく、上述の燃料極３及び電解質４と同様に、グリーンシートを用いた方法により形成することもできる。
また、上記実施形態では、グリーンシートを用いた方法により燃料極３及び電解質４を形成していたが、燃料極３及び電解質４の形成方法はこれに限定されるものではなく、上述の空気極５と同様に、ペーストを用いた方法により形成することもできる。
このように、燃料極３、電解質４および空気極５の形成方法は特に限定されるものではなく、スプレーコート法、スピンコ−ト法、電気泳動法、インクジェット法、ＣＶＤ法（化学蒸着法）、ＥＶＤ法（電気化学蒸着法）、PLD法（パルスレーザーデポジッション法）、エアロゾルデポジッション法、イオンプレーティング法、スパッタリング法等の一般的な印刷法を用いて作製することができる。
【００４７】
また、上記実施形態では、造孔剤が含まれた基板用グリーンシート１０を焼結することにより、多孔質の金属基板２を作製していたが、多孔質の金属基板２を作製する方法はこの構成に限定されるものではない。例えば、造孔剤を含まない基板用グリーンシート１０を用いて、基板用グリーンシート１０を焼結するときの焼結温度を調節することにより、多孔質の金属基板２を作製することができる。具体的には、酸化ニッケルと酸化鉄の混合材料であるＮｉＯ−Ｆｅ２Ｏ３（質量比９：１、酸化ニッケル：平均粒子径１μｍ、酸化鉄：平均粒子径３μｍ）を用いて、基板用グリーンシート１０を１５００℃で焼結すると緻密な基板２となる場合に、この温度より低い１４００℃で焼結することにより、基板２の内部に多数の細孔を形成することができる。
また、上記材料の場合、基板を還元処理するが、その際の体積収縮により多孔質化することも可能である。
【符号の説明】
【００４８】
１ 固体酸化物形燃料電池
２ 金属基板
３ 燃料極
４ 電解質
５ 空気極
６ 貫通孔
１０ 基板用グリーンシート
１１ 基板用積層体
１３ 燃料極用グリーンシート
１４ 電解質用グリーンシート
１５ 空気極グリーンシート
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガス及び酸化剤ガスと反応することにより発電する固体酸化物形燃料電池およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。この固体酸化物形燃料電池として、例えば、特許文献１に記載のものが従来から知られている。
【０００３】
図８は、従来の固体酸化物形燃料電池の断面図である。図８に示すように、従来の固体酸化物形燃料電池１００（以下、「燃料電池１００」という）は、金属基板１０１と、金属基板１０１の一方面に配置された燃料極１０２と、燃料極１０２の一方面に配置された電解質１０３と、電解質１０３の一方面に配置された空気極１０４と、を備えている。そして、金属基板１０１には、厚み方向に貫通する貫通孔１０５が複数形成されており、これらの貫通孔１０５は、金属基板１０１に対して化学的エッチングを施すことにより形成されている。そして、この燃料電池１００により発電するときは、燃料極１０２に燃料ガスを供給し、空気極１０４に酸化剤ガスを供給することにより発電を行う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３９４０９４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記の燃料電池１００では、金属基板１０１に対して化学的エッチングを施すため、金属基板１０１の材料および厚みに制限があるという問題や、コストが高いといった問題があった。
さらには、ガス拡散性を向上させるために貫通孔１０５を多くすると金属基板１０１と燃料極１０２との接触面積、すなわち集電面積が小さくなるため性能が低下するという問題や、強度が低下するといった問題があった。
【０００６】
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであって、強度を向上させると共に、電池性能を向上することができる固体酸化物形燃料電池およびその製造方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の１つは、上記課題を解決するための固体酸化物形燃料電池であって、多孔質の少なくとも１層の金属基板と、前記少なくとも１層の金属基板の一方面に配置された燃料極と、前記燃料極の一方面に配置された電解質と、前記電解質の一方面に配置された空気極と、を備え、前記金属基板には、厚み方向に貫通する貫通孔が複数形成されていることを特徴としている。
【０００８】
あるいは、本発明は、上記に限定されず、多孔質の少なくとも１層の金属基板と、前記少なくとも１層の金属基板の一方面に配置された電解質と、前記電解質の一方面に配置された空気極と、を備え、前記金属基板は、燃料極の活性を有しており、当該金属基板には厚み方向に貫通する貫通孔が複数形成されている固体酸化物形燃料電池であってもよい。
上記の燃料極の活性とは、燃料極の表面で、水素等の燃料ガスの酸化反応を生じることをいう。
【０００９】
また、上記固体酸化物形燃料電池において、前記金属基板は、基板用グリーンシートに厚み方向に貫通する貫通孔を複数形成し、当該貫通孔を有する基板用グリーンシートを焼結することにより多孔質に形成されることが好ましい。
【００１０】
このような構成によれば、多孔質の金属基板を用いることで貫通孔とともに金属基板内をガスが拡散できる。そのため、ガス拡散性を向上させるために多くの貫通孔を設ける必要もないため、強度も維持することが可能である。また、ガスの拡散性を向上させつつ十分な集電面積を確保できるため電池性能を向上させることができる。また、金属基板に貫通孔を形成するときに、化学的エッチングを用いることがないので、金属基板の材料および厚さに制限がなく、低コストで貫通孔を形成することができる。したがって、本発明によれば、強度を向上させると共に、電池性能を向上することができる。
【００１１】
また、本発明の固体酸化物形燃料電池は、積層された複数の前記金属基板を備え、前記複数の金属基板を構成する各金属基板における前記貫通孔が、積層方向に隣接する前記金属基板における前記貫通孔のいずれかと互いに連通しており、積層方向の上層側の前記金属基板における前記貫通孔の孔径がそれに隣接する下層側の前記金属基板における前記貫通孔の孔径より小さいことが好ましい。
このような構成によれば、燃料極と接触する最上層の金属基板における貫通孔が最も縮径することになり、燃料極と金属基板との接触面積を大きくすることができる。したがって、貫通孔の孔径を徐々に縮径することにより、燃料極へのガスの拡散性（到達時間）を維持したまま、集電面積を大きくすることができる。
【００１２】
また、本発明は、上記課題を解決するために次のような構成であってもよい。すなわち、多孔質の少なくとも１層の金属基板と、当該少なくとも１層の金属基板の一方面に配置された燃料極と、当該燃料極の一方面に配置された電解質と、当該電解質の一方面に配置された空気極と、を備える固体酸化物形燃料電池の製造方法であって、前記金属基板を形成する基板形成ステップを備え、前記基板形成ステップは、基板用グリーンシートに厚み方向に貫通する貫通孔を複数形成する貫通ステップと、当該貫通孔を有する基板用グリーンシートを焼結する焼結ステップと、を備える固体酸化物形燃料電池の製造方法であってもよい。
【００１３】
また、これに限定されるものではなく、多孔質の少なくとも１層の金属基板と、当該少なくとも１層の金属基板の一方面に配置された電解質と、当該電解質の一方面に配置された空気極と、を備える固体酸化物形燃料電池の製造方法であって、前記金属基板を形成する基板形成ステップを備え、前記基板形成ステップは、基板用グリーンシートに厚み方向に貫通する貫通孔を複数形成する貫通ステップと、当該貫通孔を有する基板用グリーンシートを焼結する焼結ステップと、を備え、前記基板用グリーンシートは、燃料極の活性を有する物質を含む固体酸化物形燃料電池の製造方法であってもよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の固体酸化物形燃料電池および固体酸化物形燃料電池の製造方法によれば、強度を向上させると共に発電性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に係る固体酸化物形燃料電池の断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る固体酸化物形燃料電池の下面図である。
【図３】固体酸化物形燃料電池の製造方法を説明する図である。
【図４】固体酸化物形燃料電池の製造方法のフローチャートである。
【図５】他の一実施形態に係る固体酸化物形燃料電池の断面図である。
【図６】更に他の一実施形態に係る固体酸化物形燃料電池の断面図である。
【図７】更に他の一実施形態に係る固体酸化物形燃料電池の断面図である。
【図８】従来の固体酸化物形燃料電池の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る固体酸化物形燃料電池の断面図であり、図２は固体酸化物形燃料電池の下面図である。図１及び図２に示すように、この固体酸化物形燃料電池１（以下、「燃料電池１」という）は、平板状の金属基板２と、金属基板２の一方面（表面）に配置された薄膜状の燃料極３と、燃料極３の一方面（表面）に配置された薄膜状の電解質４と、電解質４の一方面（表面）に配置された薄膜状の空気極５とを備えている。
【００１７】
金属基板２は、多孔質の金属から形成されている。ここで、多孔質とは、金属基板２の内部に多数の細孔を有している構成であり、当該多数の細孔を介してガスが通過可能な構成をいう。また、金属基板２には複数の貫通孔６，６・・が形成されており、これら貫通孔６，６・・は、金属基板２の他方面（裏面）から燃料極３に向かって延びており、燃料ガスを燃料極３に導入できるように構成されている。また、これら複数の貫通孔６，６・・は、上記の多孔質とは異なる概念である。また、金属基板２の厚みは、強度の観点から、５μｍ〜１０００μｍが好ましく、１００μｍ〜５００μｍがより好ましい。また、貫通孔６の孔径は、０．１μｍ〜２５０μｍが好ましく、５μｍ〜５０μｍがより好ましい。
また、上記多孔質金属基板２の内部の細孔の体積は、金属基板２全体の体積の5〜５0％が好ましく、多孔質金属基板２における貫通孔６の占有体積としては、多孔質金属基板２全体の体積の10〜70％が好ましい。
【００１８】
燃料極３及び空気極５の厚さは、それぞれ、１〜１００μｍとすることができ、好ましくは５〜５０μｍとすることができる。
また、電解質の厚みは、例えば０．１μｍ〜１００μｍとすることができ、好ましくは１〜５０μｍとすることができる。
【００１９】
次に、上述した燃料電池１の各構成要素の材料について説明する。
【００２０】
金属基板２の材料としては、例えば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く、また、２種以上の合金として用いてもよい。合金としては、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、インコネルやハステロイなどニッケル系合金などを用いることができる。
【００２１】
燃料極３の材料としては、固体酸化物形燃料電池の燃料極の材料として公知のものを使用することができ、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）等の還元性雰囲気において安定で、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３は、金属触媒を単体で用いて構成することもできる。
【００２２】
電解質４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。
【００２３】
空気極５の材料としては、固体酸化物形燃料電池の空気極の材料として公知のものを使用することができ、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。
【００２４】
次に、固体酸化物形燃料電池の製造方法について説明する。図３は、固体酸化物形燃料電池の製造方法を説明する図である。また、図４は、固体酸化物形燃料電池の製造方法のフローチャートである。
【００２５】
図３及び図４に示すように、上記の燃料電池１は、基板用グリーンシート１０、燃料極用グリーンシート１３、電解質用グリーンシート１４および空気極ペースト１５を用いて製造することができる。これらの各グリーンシートは、固体酸化物形燃料電池を製造するための公知のグリーンシートであり、原料粉末、バインダー、分散剤、可塑剤および溶媒等を混合してスラリー作製し、このスラリーを薄膜状に延ばし、溶媒を除去した状態のシートのことである。
【００２６】
ここで、上記各グリーンシートを製造する方法の一例について説明する。例えばドクターブレード法により製造する場合、基板用グリーンシート１０および燃料極用グリーンシート１３は、以下の方法で作製することができる。まず、上述した金属基板２または燃料極３の材料の粉末に、造孔剤を添加し、バインダー、分散剤および可塑剤を加え、エタノール、２−プロパノールといったアルコール系溶媒からなる分散媒体に分散されているスラリーを作製する。造孔剤の添加量は、５〜２０ｗ％が好ましい。添加されている造孔剤は、焼結の際に燃焼して気化するため、造孔剤が存在していた箇所には気孔が形成される。なお、造孔剤としては、カーボン系粉末や樹脂系粉末が挙げられるが、焼結の際に気化して気孔が形成可能な材料であれば、他の材料を用いるようにしてもよい。
【００２７】
また、上記スラリー組成物あるいは混練組成物を作製する際に用いられるバインダーの種類にも制限はなく、公知の有機質もしくは無機質のバインダーを使用することができる。有機質バインダーとしては、エチレン系共重合体、スチレン系共重合体、アクリレート系及びメタクリレート系共重合体、酢酸ビニル系共重合体、マレイン酸系共重合体、ビニルアセタール系樹脂、ビニルホルマール樹脂、ポリビニルブチラール樹脂、ビニルアルコール系樹脂、エチルセルロース等のセルロース類、ワックス類等が例示される。
【００２８】
次に、作製したスラリーを公知のドクターブレード法により成形してポリエチレンテレフタレートなどのフィルム上にスラリーの層を形成し、このスラリーの層より分散媒体を除去することで乾燥させ、基板用グリーンシート１０または燃料極用グリーンシート１３が形成された状態とする。分散媒体としては、アルコール系溶媒に限らず、トルエン，キシレン，及びケトン系などの他の有機溶媒を用いてもよい。また、有機溶媒に限らず、上記混合粉末が、水に分散されたスラリーを用いるようにしてもよい。例えば、所定の分散剤を用いることで、上記混合粉末が水に分散された状態とすることができる。
【００２９】
電解質用グリーンシート１４は以下の方法で作製する。上述した電解質４の材料の粉末に、バインダー及び分散剤および可塑剤を加え、有機溶媒からなる分散媒体に分散されているスラリーを作製する。作製したスラリーは燃料極等と同様にドクターブレード法にてポリエチレンテレフタレートなどのフィルム上にスラリー層を形成する。このスラリーの層より分散媒体を除去することで乾燥させ、電解質用グリーンシート１４が形成された状態とする。
また、空気極ペースト１５は、固体酸化物形燃料電池を製造するための公知のペーストであり、上述した空気極５の材料の原料粉末に、バインダー、有機溶媒などを混練することにより作製できる。
【００３０】
続いて燃料電池１を製造する方法を説明する。
【００３１】
燃料電池１を製造するときはまず、図３（ａ）、（ｂ）及び図４に示すように、１枚の基板用グリーンシート１０を準備し、この基板用グリーンシート１０に対して厚み方向に貫通する貫通孔１２，１２・・を複数形成する（貫通ステップＳ１）。具体的には、公知の打ち抜き治具などにより、基板用グリーンシート１０に貫通孔１２を形成する。貫通孔１２の数、孔径、形成位置などは特に限定されず適宜変更可能である。
【００３２】
次に、図３（ｃ）に示すように、貫通孔１２が形成された基板用グリーンシート１０の一方面（表面）に燃料極用グリーンシート１３を積層する（燃料極用積層ステップＳ２）。
【００３３】
次に、図３（ｄ）に示すように、燃料極用グリーンシート１３の一方面（表面）に電解質用グリーンシート１４を積層する（電解質用積層ステップＳ３）。これにより、各グリーンシート１０，１３，１４が積層された状態となる。
【００３４】
次に、上記の基板用グリーンシート１０、燃料極用グリーンシート１３及び電解質用グリーンシート１４が積層されたものを共焼結する（第１焼結ステップＳ４）。このときの焼結温度は、１１００℃〜１５００℃が好ましい。焼結により、図３（ｅ）に示すように、基板用グリーンシート１０、燃料極用グリーンシート１３、電解質用グリーンシート１４はそれぞれ、金属基板２、燃料極３、電解質４になる。また、このとき、金属基板２が例えばフェライト系ステンレス鋼やＮｉなどの金属材料から作製される場合は、酸化を防止するために、Ｎ２やＡｒガスなどの不活性雰囲気下あるいは還元雰囲気下で焼結することが好ましい。一方、金属基板２が例えばＮｉＯなどの金属酸化物材料から作製される場合は、酸化雰囲気下で焼結することもできる。
【００３５】
続いて、図３（ｆ）に示すように、焼結により形成された電解質４の一方面（表面）に空気極ペースト１５を塗布する（塗布ステップＳ５）。空気極ペースト１５の塗布は、例えば、公知のスクリーン印刷法、ドクターブレード法、スプレーコート法、スパッタリング法等により行うことができる。
その後、空気極ペースト１５を焼結することにより空気極５が形成され、これにより図１に示す燃料電池１が製造される（第２焼結ステップＳ６）。このときの焼結温度は、１１００℃〜１５００℃が好ましい。また、焼結はＮ２やＡｒガスなどの不活性雰囲気下あるいは還元雰囲気下で行うことが好ましいが、金属基板２の酸化を防止できる温度であれば酸化雰囲気下で焼結をすることもできる。また、上記の第１焼結ステップＳ４において酸化雰囲気下で焼結を行った場合は、第２焼結ステップＳ６の前に金属基板２を還元処理後、上記方法で空気極を焼結することができるが、第２焼結ステップＳ６の後に、金属基板２を還元処理することもできる。
【００３６】
上記実施形態に係る燃料電池１およびその製造方法によれば、金属基板２を形成する基板形成ステップにおいて、金属基板２を基板用グリーンシート１０から形成するので、金属基板２の材料および厚みに制限がないため、金属基板２の強度を向上させることができる。また、金属基板２に貫通孔６を形成するときに、化学的エッチングを用いることがないので、低コストで貫通孔６を形成することができる。したがって、本発明によれば、強度を向上させると共に、コストを抑制することができる。
【００３７】
また、上記燃料電池１によれば、燃料極３に燃料ガスを供給するときに、貫通孔６を介して燃料ガスを導入できると共に、多孔質の金属基板２により燃料ガスを拡散させることができる。したがって、燃料ガスの導入と拡散とを同時に行うことができるので、燃料ガスを効率的に燃料極３に供給できる。
【００３８】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明の具体的な態様は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、金属基板２の貫通孔６は、金属基板２の厚み方向に貫通するように形成されていればその構成は特に限定されず、図５に示すように、金属基板２の厚み方向に対して傾斜していてもよい。傾斜した貫通孔６を形成する場合は、上記の貫通ステップＳ２において、基板用グリーンシート１０に傾斜した貫通孔１２を形成する。このような構成でも燃料ガスを燃料極３に導入することができる。
【００３９】
また、図６（ａ）〜（ｅ）は、更に他の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池の断面図である。図６（ａ）〜（ｅ）に示すように、金属基板２の数は特に限定されるものではなく、厚み方向に複数の金属基板２、２・・を積層してもよい。
【００４０】
また、図６（ａ）〜（ｅ）に示すように、複数の貫通孔６，６・・の形成位置や孔径は特に限定されるものではなく、適宜変更可能である。例えば、積層された金属基板２、２・・の貫通孔６，６・・は、積層方向において互いの孔の中心が一致していてもよく、また、孔の中心が互いにずれていてもよい。また、図６に点線Ｘで示すように、積層された金属基板２，２・・の各層の貫通孔６，６・・は、それぞれ積層方向において連通していることが好ましい。また、必ずしも積層方向に連通していなくてもよい。また、図６（ｃ）、（ｄ）に示すように、各層の金属基板２において、異なる孔径の貫通孔６を複数形成してもよい。
また、図６（ｅ）に示すように、複数の貫通孔６，６・・の孔径が金属基板２の積層方向において段階的に縮径する構成であってもよい。図６（ｅ）に示す構成では、積層された複数の金属基板２を構成する各金属基板２における各貫通孔６が、積層方向に隣接する金属基板２における貫通孔６のいずれかと互いに連通している。このように複数の金属基板２の積層方向において貫通孔６がつながっているので、積層された金属基板２の最下層から最上層まで連通した貫通孔６を介してガスを通過させることができる。また、この実施形態では、隣り合って重なる金属基板２において、上層の金属基板２における貫通孔６の孔径が下層の金属基板２における貫通孔６の孔径より小さくなっている。つまり、積層方向の上層側の金属基板２における貫通孔６の孔径がそれに隣接する下層側の金属基板２における貫通孔６の孔径より小さくなっている。したがって、最下層の金属基板２から最上層の金属基板２に向かって貫通孔６の孔径が徐々に縮径している。このような構成によれば、燃料極３と接触する最上層の金属基板２における貫通孔６が最も縮径しているので、貫通孔の孔径を徐々に縮径することにより、燃料極へのガスの拡散性（到達時間）を維持したまま、集電面積を大きくすることができる。
【００４１】
また、複数の金属基板２が積層された燃料電池１を製造する場合は、上述した貫通ステップＳ１において、複数の基板用グリーンシート１０を準備し、これら複数の基板用グリーンシート１０のそれぞれに複数の貫通孔１２を形成する。そして、貫通孔１２が形成された複数の基板用グリーンシート１０を積層し、その後の各ステップＳ３〜Ｓ６を行うと、積層された複数の金属基板２を有する燃料電池１が製造される。
また、貫通孔６が金属基板２の積層方向に沿って段階的に縮径している燃料電池１を製造する場合は、複数の基板用グリーンシート１０を積層するときに、貫通孔１２が大きい基板用グリーンシート１０を下層に積層し、その上層に貫通孔１２が小さい基板用グリーンシート１０を積層する。これにより、基板用グリーンシート１０を焼結したときに、上層の金属基板２における貫通孔６の孔径が下層の金属基板２における貫通孔６の孔径より小さくなる。
【００４２】
また、上記実施形態では、金属基板２の一方面（表面）に燃料極３が配置されていたが、この燃料極３を省略し、図７（ａ）、（ｂ）に示すように、金属基板２の一方面（表面）に電解質４を配置する構成であってもよい。図７（ａ）、（ｂ）において、図１又は図６と同様の構成部分については、同一の符号を付してその説明を省略する。このように金属基板２に電解質４を直接配置する場合、金属基板２の材料としては、燃料極の活性を有することが好ましく、例えば酸化ニッケルと酸化鉄との混合材料を用いることができる。上記燃料極の活性を有する材料としては、Ｃｕや，Ｎｉ、Ｐｔ、Ｒｕ等を挙げることができ、これらを単独若しくはＦｅ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｎｂなどと２種以上を組み合わせて使用することができる。このような構成によっても、燃料極の活性を有する金属基板２が燃料極として機能することにより発電することができる。
【００４３】
また、金属基板２の一方面（表面）に電解質４が配置された燃料電池１を製造する場合は、上述した燃料極用積層ステップＳ２を行わずに、電解質用積層ステップＳ３を行う。そして、その後の各ステップ（第１焼結ステップＳ４、塗布ステップＳ５、第２焼結ステップＳ６）を行うと、金属基板２の一方面に電解質４が配置された燃料電池１が製造される。なお、燃料極の活性を有する材料を用いる場合は、還元雰囲気で共焼結を行っても構わないし、酸化雰囲気で焼結を実施し、その後、金属基板２のみを還元することによって、燃料電池1を形成することができる。
【００４４】
また、上記実施形態では、基板形成ステップにおいて金属基板２を形成するときに１枚の基板用グリーンシート１０から形成していたが、この構成に限定されるものではなく、少なくとも１層（１枚）の基板用グリーンシート１０があれば金属基板２を形成することができる。したがって、複数の基板用グリーンシート１０を用いて金属基板２を形成してもよい。この場合は、基板形成ステップにおいてまず、複数の基板用グリーンシート１０を準備し、これら複数の基板用グリーンシート１０を厚み方向に積層する（基板用積層ステップ）。続いて、積層された複数の基板用グリーンシート１０に対して厚み方向に貫通する貫通孔１２を複数形成する（貫通ステップＳ１）。そして、その後の各ステップＳ３〜Ｓ６を行うと、複数の基板用グリーンシート１０から形成された金属基板２を有する燃料電池１が製造される。また、積層された金属基板２を形成する場合は、積層された複数の基板用グリーンシート１０を更に積層して焼結することにより形成できる。
【００４５】
また、上記実施形態では、金属基板２上に燃料極３を配置しているが、燃料極活性を有さない金属基板２を用いる場合、空気極５を形成し、その上面に、電解質４、燃料極３を配置してもかまわない。
【００４６】
また、上記実施形態では、空気極ペースト１５を用いた方法により空気極５を形成していたが、空気極５の形成方法はこれに限定されるものではなく、上述の燃料極３及び電解質４と同様に、グリーンシートを用いた方法により形成することもできる。
また、上記実施形態では、グリーンシートを用いた方法により燃料極３及び電解質４を形成していたが、燃料極３及び電解質４の形成方法はこれに限定されるものではなく、上述の空気極５と同様に、ペーストを用いた方法により形成することもできる。
このように、燃料極３、電解質４および空気極５の形成方法は特に限定されるものではなく、スプレーコート法、スピンコ−ト法、電気泳動法、インクジェット法、ＣＶＤ法（化学蒸着法）、ＥＶＤ法（電気化学蒸着法）、PLD法（パルスレーザーデポジッション法）、エアロゾルデポジッション法、イオンプレーティング法、スパッタリング法等の一般的な印刷法を用いて作製することができる。
【００４７】
また、上記実施形態では、造孔剤が含まれた基板用グリーンシート１０を焼結することにより、多孔質の金属基板２を作製していたが、多孔質の金属基板２を作製する方法はこの構成に限定されるものではない。例えば、造孔剤を含まない基板用グリーンシート１０を用いて、基板用グリーンシート１０を焼結するときの焼結温度を調節することにより、多孔質の金属基板２を作製することができる。具体的には、酸化ニッケルと酸化鉄の混合材料であるＮｉＯ−Ｆｅ２Ｏ３（質量比９：１、酸化ニッケル：平均粒子径１μｍ、酸化鉄：平均粒子径３μｍ）を用いて、基板用グリーンシート１０を１５００℃で焼結すると緻密な基板２となる場合に、この温度より低い１４００℃で焼結することにより、基板２の内部に多数の細孔を形成することができる。
また、上記材料の場合、基板を還元処理するが、その際の体積収縮により多孔質化することも可能である。
【符号の説明】
【００４８】
１ 固体酸化物形燃料電池
２ 金属基板
３ 燃料極
４ 電解質
５ 空気極
６ 貫通孔
１０ 基板用グリーンシート
１１ 基板用積層体
１３ 燃料極用グリーンシート
１４ 電解質用グリーンシート
１５ 空気極グリーンシート
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多孔質の少なくとも１層の金属基板と、
前記少なくとも１層の金属基板の一方面に配置された燃料極と、
前記燃料極の一方面に配置された電解質と、
前記電解質の一方面に配置された空気極と、を備え、
前記金属基板には、厚み方向に貫通する貫通孔が複数形成されている固体酸化物形燃料電池。
【請求項２】
多孔質の少なくとも１層の金属基板と、
前記少なくとも１層の金属基板の一方面に配置された電解質と、
前記電解質の一方面に配置された空気極と、を備え、
前記金属基板は、燃料極の活性を有しており、当該金属基板には厚み方向に貫通する貫通孔が複数形成されている固体酸化物形燃料電池。
【請求項３】
前記金属基板は、基板用グリーンシートに厚み方向に貫通する貫通孔を複数形成し、当該貫通孔を有する基板用グリーンシートを焼結することにより形成されている請求項１又は２に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項４】
積層された複数の前記金属基板を備え、
前記複数の金属基板を構成する各金属基板における前記貫通孔が、積層方向に隣接する前記金属基板における前記貫通孔のいずれかと互いに連通しており、積層方向の上層側の前記金属基板における前記貫通孔の孔径がそれに隣接する下層側の前記金属基板における前記貫通孔の孔径より小さい請求項１から３のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項５】
多孔質の少なくとも１層の金属基板と、当該少なくとも１層の金属基板の一方面に配置された燃料極と、当該燃料極の一方面に配置された電解質と、当該電解質の一方面に配置された空気極と、を備える固体酸化物形燃料電池の製造方法であって、
前記金属基板を形成する基板形成ステップを備え、
前記基板形成ステップは、基板用グリーンシートに厚み方向に貫通する貫通孔を複数形成する貫通ステップと、当該貫通孔を有する基板用グリーンシートを焼結する焼結ステップと、を備える固体酸化物形燃料電池の製造方法。
【請求項６】
多孔質の少なくとも１層の金属基板と、当該少なくとも１層の金属基板の一方面に配置された電解質と、当該電解質の一方面に配置された空気極と、を備える固体酸化物形燃料電池の製造方法であって、
前記金属基板を形成する基板形成ステップを備え、
前記基板形成ステップは、基板用グリーンシートに厚み方向に貫通する貫通孔を複数形成する貫通ステップと、当該貫通孔を有する基板用グリーンシートを焼結する焼結ステップと、を備え、
前記基板用グリーンシートは、燃料極の活性を有する物質を含む固体酸化物形燃料電池の製造方法。
【請求項１】
多孔質の少なくとも１層の金属基板と、
前記少なくとも１層の金属基板の一方面に配置された燃料極と、
前記燃料極の一方面に配置された電解質と、
前記電解質の一方面に配置された空気極と、を備え、
前記金属基板には、厚み方向に貫通する貫通孔が複数形成されている固体酸化物形燃料電池。
【請求項２】
多孔質の少なくとも１層の金属基板と、
前記少なくとも１層の金属基板の一方面に配置された電解質と、
前記電解質の一方面に配置された空気極と、を備え、
前記金属基板は、燃料極の活性を有しており、当該金属基板には厚み方向に貫通する貫通孔が複数形成されている固体酸化物形燃料電池。
【請求項３】
前記金属基板は、基板用グリーンシートに厚み方向に貫通する貫通孔を複数形成し、当該貫通孔を有する基板用グリーンシートを焼結することにより形成されている請求項１又は２に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項４】
積層された複数の前記金属基板を備え、
前記複数の金属基板を構成する各金属基板における前記貫通孔が、積層方向に隣接する前記金属基板における前記貫通孔のいずれかと互いに連通しており、積層方向の上層側の前記金属基板における前記貫通孔の孔径がそれに隣接する下層側の前記金属基板における前記貫通孔の孔径より小さい請求項１から３のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項５】
多孔質の少なくとも１層の金属基板と、当該少なくとも１層の金属基板の一方面に配置された燃料極と、当該燃料極の一方面に配置された電解質と、当該電解質の一方面に配置された空気極と、を備える固体酸化物形燃料電池の製造方法であって、
前記金属基板を形成する基板形成ステップを備え、
前記基板形成ステップは、基板用グリーンシートに厚み方向に貫通する貫通孔を複数形成する貫通ステップと、当該貫通孔を有する基板用グリーンシートを焼結する焼結ステップと、を備える固体酸化物形燃料電池の製造方法。
【請求項６】
多孔質の少なくとも１層の金属基板と、当該少なくとも１層の金属基板の一方面に配置された電解質と、当該電解質の一方面に配置された空気極と、を備える固体酸化物形燃料電池の製造方法であって、
前記金属基板を形成する基板形成ステップを備え、
前記基板形成ステップは、基板用グリーンシートに厚み方向に貫通する貫通孔を複数形成する貫通ステップと、当該貫通孔を有する基板用グリーンシートを焼結する焼結ステップと、を備え、
前記基板用グリーンシートは、燃料極の活性を有する物質を含む固体酸化物形燃料電池の製造方法。
【図２】
【図４】
【図８】
【図１】
【図３】
【図５】
【図６】
【図７】
【図４】
【図８】
【図１】
【図３】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１３−３３６１７（Ｐ２０１３−３３６１７Ａ）
【公開日】平成２５年２月１４日（２０１３．２．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１６８７７１（Ｐ２０１１−１６８７７１）
【出願日】平成２３年８月１日（２０１１．８．１）
【出願人】（０００００２８９７）大日本印刷株式会社 (14,506)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月１４日（２０１３．２．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月１日（２０１１．８．１）
【出願人】（０００００２８９７）大日本印刷株式会社 (14,506)
【Ｆターム（参考）】
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