固体酸化物形燃料電池
【課題】外部コネクタの反りや破損の発生を抑制できる固体酸化物形燃料電池を提供すること。
【解決手段】外部コネクタ２９、３１は、ＳＯＦＣ１の積層方向における外側より、表面基板６３と調整基板６５と各平板６７〜７１とを積層したものである。第１〜第３平板６７〜７１は、マグネシアを主成分とするセラミック基板７３にビア７４が形成されたものである。調整基板６５は、ジルコニアを主成分とする固体電解質基板８１にビア７５が形成されたものであり、固体電解質基板８１の板厚方向の両側には、全てのビア７５と接するように、Ａｇ−Ｐｄからなる内側電極８２、８３が形成されている。表面基板６３は、マグネシアを主成分とするセラミック基板８４にビア８５が形成されたものであり、表面基板６３の外側には外側電極３、５が形成されている。
【解決手段】外部コネクタ２９、３１は、ＳＯＦＣ１の積層方向における外側より、表面基板６３と調整基板６５と各平板６７〜７１とを積層したものである。第１〜第３平板６７〜７１は、マグネシアを主成分とするセラミック基板７３にビア７４が形成されたものである。調整基板６５は、ジルコニアを主成分とする固体電解質基板８１にビア７５が形成されたものであり、固体電解質基板８１の板厚方向の両側には、全てのビア７５と接するように、Ａｇ−Ｐｄからなる内側電極８２、８３が形成されている。表面基板６３は、マグネシアを主成分とするセラミック基板８４にビア８５が形成されたものであり、表面基板６３の外側には外側電極３、５が形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池セルと（燃料電池セル等との電気的導通を確保する）コネクタとを同時に焼成した固体酸化物形燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、燃料電池として、固体電解質（固体酸化物）を用いた固体酸化物形燃料電池（以下ＳＯＦＣとも記す）が知られている。
このＳＯＦＣでは、発電単位として、例えば固体電解質層の一方の側に燃料ガスに接する燃料極を設けるとともに、他方の側に空気と接する空気極を設けた固体酸化物形燃料電池セル（燃料電池セル；発電セル）が使用されている。また、この燃料電池セルを複数積層した固体酸化物形燃料電池スタック（燃料電池スタック）も開発されている。
【０００３】
上述したＳＯＦＣとしては、円筒形、平板形、モノリス形などのＳＯＦＣが知られている。このうち、モノリス形のＳＯＦＣは、セラミックスグリーンシートの状態で、固体電解質層と（燃料電池セル間の導通を確保する）インターコネクタと（電力を外部に取り出すための）外部コネクタとを積層して焼成した、いわゆる一体焼結型ＳＯＦＣである。このモノリス形ＳＯＦＣは、セル間の接続信頼性が高く、しかもガスシール性が高いため、優れたスタック構造であると考えられている。
【０００４】
また、前記外部コネクタは、燃料電池スタックの積層方向の両側に積層されたものであり、アルミナ等の絶縁性セラミックスからなる基板に、Ａｇ等の導電性材料からなる導電性ビアが形成されているものが知られている（特許文献１、２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−３５１２５３号公報
【特許文献２】特開２００９−２０５９０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述した従来技術では、外部コネクタの構造やその材料と、燃料電池スタックの中心部（主に燃料電池セル）の構造やその材料とが異なるために、上述した同時焼成によってモノリス形ＳＯＦＣを製造すると、外部コネクタに反りが発生したり、破損が生じることがあった。
【０００７】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、外部コネクタの反りや破損の発生を抑制できる固体酸化物形燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（１）本発明は、請求項１に記載の様に、第１固体電解質層を備える層状の燃料電池セルと、隣接する二つの前記燃料電池セルに挟まれて、該隣接する燃料電池セル間の電気的導通を行う第１コネクタ（例えばインターコネクタ）と、前記燃料電池セルと前記第１コネクタとが交互に積層された積層体の積層方向の両端にさらに積層されて、該積層体と外部との電気的導通を行う第２コネクタ（例えば外部コネクタ）と、を有し、前記燃料電池セルと前記第１コネクタと前記第２コネクタとが同時焼成により一体化されてなる固体酸化物形燃料電池であって、前記第２コネクタは、前記積層方向に沿って積層され且つ前記第１固体電解質層を構成する各成分のうち同じ主成分を有する第２固体電解質層と、前記第２固体電解質層を厚み方向に貫通し、該第２固体電解質層の厚み方向の両側面を電気的に導通する第１貫通導体部と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
本発明では、燃料電池セルの第１固体電解質層と第２コネクタの第２固体電解質層とは同じ主成分（例えば、第１固体電解質層がＹＳＺの場合には、ジルコニアが主成分となる。また、例えば、第１固体電解質層がＧＤＣ若しくはＳＤＣの場合には、セリアが主成分となる。）を有しているので、燃料電池セルと第１コネクタと第２コネクタとを同時焼成により一体化した場合でも、第２コネクタに反りや破損が生じ難いという効果がある。
【００１０】
つまり、第２コネクタにも燃料電池セルと同様な主成分を有する固体電解質層を備えているので、従来技術に比べて、第２コネクタと燃料電池セルとの焼結挙動が一致する。そのため、同時焼成を行っても第２コネクタに割れが生じにくいという利点がある。
【００１１】
なお、ここで、固体電解質層の主成分とは、各成分のモル合計に対して、最も含有量の多い成分を言うが、５０モル％以上を占める成分が、より安定した焼結挙動が得られるため好適である。
【００１２】
（２）本発明では、請求項２に記載の様に、前記第２コネクタは、前記第２固体電解質層の前記燃料電池セルに面する側の第１面に積層され、電気絶縁性を有する基板と該基板を厚み方向に貫通し該基板の厚み方向の両側面を電気的に連通する第２貫通導体部（例えばビア）とを備える第１部材と、前記第２固体電解質層の前記燃料電池セルの反対側の第２面に積層され、電気絶縁性を有する基板と該基板を厚み方向に貫通し該基板の厚み方向の両側面を電気的に連通する第３貫通導体部（例えばビア）とを備える第２部材と、前記第１部材と前記第２固体電解質層との間に、前記第２固体電解質層の前記第１面に沿って延び、且つ前記第２貫通導体部と前記第１貫通導体部とを電気的に接続する第１集電層と、前記第２部材と前記第２固体電解質層との間に、前記第２固体電解質層の前記第２面に沿って延び、且つ前記第３貫通導体部と前記第１貫通導体部とを電気的に接続する第２集電層と、を備えることができる。
【００１３】
ここでは、第２コネクタの構成を例示している。このような構造によって、燃料電池セルと外部とを容易に電気的に接続することが可能である。また、第２固体電解質層の両側に、第１集電層と第２集電層とを備えているので、第２、第３貫通導体（例えばビア）を用いて板厚方向に電気的導通を得る場合でも、集電能力が高いという利点がある。更に、第２コネクタには、第１集電層や第２集電層を備えているので、第２コネクタの面積を小さくした場合でも、十分に集電能を確保できる。なお、更に集電能を高くするために、集電層を増やしてもよい。
【００１４】
なお、ここで電気絶縁性とは、電子伝導及びイオン伝導の絶縁性を意味している。
（３）本発明では、請求項３に記載の様に、前記第３貫通導体部は、前記第２部材の前記基板の外縁以外の領域に形成されており、前記第２部材の前記燃料電池セルの反対側の第３面に、該第３面に沿って該第３面における前記第３貫通導体部に対応する領域内に延び、且つ前記第３貫通導体部と電気的に接続して前記燃料電池セルで発生する電力を外部に出力する出力端部を備えることができる。
【００１５】
ここでは、第３貫通導体部は基板の外縁より内側に形成されているので、出力端部も基板の外縁より内側に形成することができる。よって、マニホールドや各種の接合部材がとの絶縁が取りやすくなり、ショート不良を低減できる。
【００１６】
また、出力端部により、燃料電池セルにて発電した電力を取り出すことができる。
（４）本発明では、請求項４に記載の様に、前記第２コネクタの出力端部の面積を、前記第２コネクタの第１集電層及び第２集電層の面積よりも小さくすることが望ましい。
【００１７】
つまり、第２コネクタの出力端部の面積を、第２コネクタの第２集電層の面積（更には、燃料電池セルの電極の面積）よりも小さくすることにより、一層、マニホールドや各種の接合部材がとの絶縁が取りやすくなり、ショート不良を低減できる。
【００１８】
なお、以下に、本発明における各構成について説明する。
・前記電気絶縁性有する基板の材料としては、例えばＳｉＯ2とＡｌ2Ｏ3とＲＯ（Ｒ；Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ）からなるセラミックスを作用でき、この場合には、固体電解質基板との同時焼成がし易いので望ましい。
【００１９】
・前記固体電解質としては、ＹＳＺ、ＳｃＳＺ、ＧＤＣ、ＳＤＣ、ペロブスカイト酸化物など、公知のものを用いることができる。特に、ＹＳＺ、ＳｃＳＺ等のジルコニア固溶体は、材料温度や雰囲気安定性が高く望ましい。このうち、更にＳｃＳＺが望ましいが、これは、ＳｃＳＺは、焼結温度が低く、かつ酸素イオン導電性が高いからである。
【００２０】
・前記導体部、集電層、出力端部の材料としては、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｇ、Ａｕ等の貴金属、及びこれらの少なくとも１種を含む合金などを用いることができる。
特に、Ａｇ−Ｐｄ合金は、Ｐｔよりも安価な金属であり望ましい。また、Ａｇ−Ｐｄの組成は、Ｐｄ含有量が２０〜４０ｍｏｌ％（Ａｇ−Ｐｄ全体を１００ｍｏｌ％としたとき）であることが好ましい。これは、２０ｍｏｌ％を下回ると、融点が低く、固体電解質材料と一体に焼結する際に金属が溶融して、集電層等が形成できないことがあるからである。一方、４０ｍｏｌ％を上回ると、合金が高価になってしまうからである。
【００２１】
・また、前記導体部、集電層、出力端部の材料としては、前記貴金属材料とセラミックスとの複合体とすることが望ましい。複合化するセラミックスとしては、公知のもの、例えば、アルミナ、シリカ、ジルコニア、セリア、カルシア、マグネシア、スピネル等を使用できる。
【００２２】
・前記燃料電池セルに用いられる電極は、空気極及び燃料極であり、その材料としては、公知のものが使用できるが、特に、金属材料又は金属材料とセラミックスとの複合体が好ましい。これは、金属材料とすることで、焼成時の割れや反りを抑制できるからである。
【００２３】
この金属材料としては、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｃｏ等の金属、及びそれらの少なくとも１種を含む合金などを用いることができる。また、空気極としては、Ｐｔ、Ａｇ−Ｐｄ等の貴金属を使用することが望ましい。
【００２４】
特に、Ａｇ−Ｐｄ合金は、Ｐｔよりも安価な金属であり望ましい。また、Ａｇ−Ｐｄの組成は、Ｐｄ含有量が２０〜４０ｍｏｌ％（Ａｇ−Ｐｄ全体を１００ｍｏｌ％としたとき）であることが好ましい。これは、２０ｍｏｌ％を下回ると、融点が低く、固体電解質材料と一体に焼結する際に金属が溶融して、集電層等が形成できないことがあるからである。一方、４０ｍｏｌ％を上回ると、合金が高価になってしまうからである。
【００２５】
・電極を金属材料とセラミックスとの複合体とする場合、固体電解質と同じ材料であると、同時焼成が容易に行えるようになり、また、電極性能が向上するので好ましい。
・また、本発明のモノリス型ＳＯＦＣの場合には、燃料電池セルとインターコネクタと外部コネクタとを未焼成の状態で積層圧着して一体としたものを、脱脂焼成して製造することができる。
【００２６】
この焼成温度としては、１０５０〜１２５０℃（望ましくは１１００〜１２００℃）が好適である。これは、１０５０℃を下回る場合には、固体電解質やインターコネクタが焼結しないからである。一方、１２５０℃を上回る場合には、固体電解質とインターコネクタとの反応が進行して、発電特性が低下したり、Ａｇ−Ｐｄによるビア形状を維持できなくなることがあるからである。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】実施形態の固体酸化物形燃料電池を示す斜視図である。
【図２】固体酸化物形燃料電池を分解して示す斜視図である。
【図３】固体酸化物形燃料電池複合体を示す斜視図である。
【図４】（ａ）は燃料電池セルを示す平面図、（ｂ）はインターコネクタを分解して示す説明図である。
【図５】外部コネクタを分解して示す説明図である。
【図６】固体酸化物形燃料電池を製造するための部材を示す平面図である。
【図７】固体酸化物形燃料電池となる積層体を分解して示す斜視図である。
【図８】固体酸化物形燃料電池の積層体を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明が適用される実施形態について図面を用いて説明する。
［実施形態］
ａ）まず、本実施形態であるモノリス形の固体酸化物型燃料電池（以下固体酸化物型燃料電池をＳＯＦＣと記す）の構成について、図１〜図３に基づいて説明する。
【００２９】
図１に示す様に、本実施形態のＳＯＦＣ１は、燃料ガス（例えば水素）と酸化剤ガス（例えば空気（詳しくは空気中の酸素））との供給を受けて発電を行う装置である。
このＳＯＦＣ１は、後述するＳＯＦＣセル等を積層した柱状のＳＯＦＣスタックであり、例えば縦０．３ｃｍ×横１ｃｍ×長さ５ｃｍの長尺の四角柱である。なお、０．３ｃｍ×１ｃｍの面が底面であり、５ｃｍ×１ｃｍの面が主面であり、５ｃｍ×０．３ｃｍの面が側面である。
【００３０】
このＳＯＦＣ１は、一方の主面側（同図上面）に、出力端部として、カソード端子用の電極（Ａｇ−Ｐｄ電極）３が設けられ、その反対側の主面には、アノード端子用の電極（Ａｇ−Ｐｄ電極）５が設けられている。
【００３１】
また、ＳＯＦＣ１の長手方向の端面（底面）の一方には、燃料導入孔７が設けられるとともに、他方の端面（底面）には、同様に空気導入孔９が設けられている。更に、ＳＯＦＣ１の左右の側面の燃料導入孔７側には、空気排気孔１１が設けられ、燃料導入孔９側には、同様に燃料排気孔１３が設けられている。
【００３２】
図２に分解して示す様に、前記ＳＯＦＣ１は、インターコネクタ２３と、その両側に配置されたＳＯＦＣセル（発電セル）２５、２７と、その両側に配置された外部コネクタ２９、３１とが、板厚方向に積層されたものであり、そのうち、インターコネクタ２３と外部コネクタ２９、３１とは、後に詳述する様に、複数のセラミックス層などから構成されている。
【００３３】
前記インターコネクタ２３は、板厚方向の両側のＳＯＦＣセル２５、２７との電気的導通を行うものであり、ここでは１層のみを例示しているが、積層されるＳＯＦＣセル２５、２７の数に応じて、各セル２５、２７間に１層ずつ（合計複数層）配置される。また、外部コネクタ２９、３１は、各隣接するＳＯＦＣセル２５、２７（従ってＳＯＦＣ１の中心側）と外部との電気的導通を行うものである。
【００３４】
そして、図３に示す様に、このＳＯＦＣ１は、例えば、その長手方向の両側に、ロー材（銀又は銀合金ロー）３３によって金属マニホールド３４、３５を接合してシールしたＳＯＦＣ複合体３６として用いられる。
【００３５】
この金属マニホールド３４、３５は、例えばフェライト系金属からなる長方形の２枚の板材（接合板）３７に、例えば同様なフェライト系金属からなるチューブ３８が接合されたものである。なお、接合板３７の中央には、チューブ３８と連通するガス孔（図示せず）が形成されている。
【００３６】
ｂ）次に、本実施形態のＳＯＦＣ１の要部について、更に詳しく説明する。
(1)ＳＯＦＣセル２５、２７
図４（ａ）に示す様に、ＳＯＦＣセル２５、２７は、ジルコニアを主成分とする（詳しくは１０Ｓｃ１ＣｅＳＺからなる）固体電解質基板（第１固体電解質層）４１の表裏面に、Ａｇ−Ｐｄからなる電極（空気極、燃料極）４３を備えたものである。
【００３７】
(2)インターコネクタ２３
図４（ｂ）に分解して示す様に、インターコネクタ２３は、外側より、一対の第１平板４５、４７と一対の第２平板４９、５１と１枚の第３平板５３とを積層した積層体である。つまり、第３平板５３の板厚方向の両側に第２平板４９、５１を配置し、第２平板４９、５１の外側に第１平板４５、４７を配置して積層したものである。
【００３８】
前記第１〜第３平板４５〜５３は、マグネシアを主成分とする（詳しくは、ＭｇＯ：５８ｍｏｌ％、ＳｉＯ2：３０ｍｏｌ％、Ａｌ2Ｏ3：４ｍｏｌ％、ＭｎＯ：４ｍｏｌ％、ＣｏＯ：２ｍｏｌ％、ＣａＯ：１ｍｏｌ％、ＴｉＯ2：１ｍｏｌ％からなる）電気絶縁性を有するセラミック基板５５と、Ａｇ−Ｐｄ（Ｐｄ：３０ｍｏｌ％）からなる導電性を有するビア５７とから構成されている。
【００３９】
また、第１平板４５、４７には、複数の流路形成用貫通孔５９が形成され、第２平板４９、５１には、前記流路形成用貫通孔５９に連通するように配置された複数の流路形成用貫通孔６１が形成されている。なお、第３平板５３には、貫通孔がなくビア５７のみが形成されている。
【００４０】
なお、第１〜第３平板４５〜５３における各ビア５７は、例えば縦８列×横３列の合計２４個形成されており、その位置は、積層方向において一致するように形成されている。
(3)外部コネクタ２９、３１
図５に分解して示す様に、外部コネクタ２９、３１は、ＳＯＦＣ１の積層方向における外側より、表面基板（第２部材）６３と調整基板６５と各平板（第３平板６７、第２平板６９、第３平板７１）とを積層したものである。
【００４１】
このうち、前記第１〜第３平板６７〜７１（第１部材）は、前記インターコネクタ２３の第１〜第３平板４５〜５３と同様に、マグネシアを主成分とする同様な組成のセラミック基板７３に、同様な配置（縦８列×横３列）でビア（第２貫通導体部）７４が形成されたものである。なお、第１平板７１と第２平板６９には、それぞれ（インターコネクタ２３と同様に）流路形成用貫通孔７７、７９が形成されている。
【００４２】
また、前記調整基板６５は、ジルコニアを主成分とする（ＳＯＦＣセル２５、２７と同様な組成の）固体電解質基板（第２固体電解質層）８１にビア（第１貫通導体部）７５が形成されたものであり、更に、固体電解質基板８１の板厚方向の両側には、全てのビア（縦８列×横３列）と接するように、Ａｇ−Ｐｄ（Ｐｄ：３０ｍｏｌ％）からなる内側電極（裏側の第１集電層８２、表側の第２集電層８３）が形成されている。なお、内側電極８２、８３は固体電解質基板８１の表面全体を覆うように形成されているが、その外周の縁部に達しないように、全周にわたってわずかに内側に引き下がっている。
【００４３】
更に、前記表面基板６３は、前記第１〜第３平板６７〜７１と同様なマグネシアを主成分とする組成のセラミック基板８４にビア（第３貫通導体部）８５が形成されたものである。なお、この表面基板６３のみは、同図左右方向の最外側の各列のビア８５のみが形成されていない。
【００４４】
そして、前記表面基板６３の外側表面には、表面基板６３における全てのビア（即ち中央部分の縦６列×横３列）８５と接するように、Ａｇ−Ｐｄ（Ｐｄ：３０ｍｏｌ％）からなる外側電極（出力端部）３、５が形成されている。つまり、外部コネクタ２９、３１は、ＳＯＦＣ１の両側に形成されているので、各外部コネクタ２９、３１の表面基板６３の外側電極８７が、カソード端子用の電極３及びアノード端子用の電極５に対応している。
【００４５】
また、この外側電極３、５は、前記積層方向に投影した場合に、前記内側電極８２、８３及びＳＯＦＣセル２５、２７の電極４３より外側に広がらないように、内側電極８２、８３の面積及びＳＯＦＣセル２５、２７の電極４３の面積よりも小さく設定されている。
【００４６】
つまり、固体電解質基板８１のビア７５と表面基板６３のビア８５とは、積層方向における位置が一致するように形成されているが、表面基板６３においては、長手方向の両側における各１列分のビアが形成されていない。従って、固体電解質基板８１においては、長手方向における８列のビア７５を覆うように内側電極８２、８３が形成されているが、表面基板６３においては、長手方向における６列のビア８５を覆うように外側電極３、５が形成されているだけである。
【００４７】
ｃ）次に、本実施形態のＳＯＦＣ１の製造方法を説明する。
(1)固体電解質基板用及び調整基板用のグリーンシートの作製
Ｃｅ添加Ｓｃ安定化ジルコニア粉末（１０Ｓｃ１ＣｅＳＺ）とブチラール樹脂と可塑剤と有機溶剤とを混合して、スラリーを調整し、そのスラリーをドクターブレード法でキャスティングし、１５０μｍ厚の固体電解質基板用及び調整基板用のグリーンシートを作製した。
【００４８】
(2)インターコネクタ用及び外部コネクタ用及び表面基板用の電気絶縁グリーンシートの作製
ＭｇＯ：５８ｍｏｌ％、ＳｉＯ2：３０ｍｏｌ％、Ａｌ2Ｏ3：４ｍｏｌ％、ＭｎＯ：４ｍｏｌ％、ＣｏＯ：２ｍｏｌ％、ＣａＯ：１ｍｏｌ％、ＴｉＯ2：１ｍｏｌ％からなる組成のセラミックス粉とブチラール樹脂と可塑剤と有機溶剤とを混合して、スラリーを調整し、そのスラリーをドクターブレード法でキャスティングし、１５０μｍ厚の電気絶縁グリーンシートを作製した。
【００４９】
(3)電極用及びビア用のペーストの作製
Ａｇ−Ｐｄ（Ｐｄ：３０ｍｏｌ％）粉末と１０Ｓｃ１ＣｅＳＺ粉末とエチルセルロースと有機溶剤とを混合し、Ａｇ−Ｐｄペーストを作製した。
【００５０】
(4)未焼成発電セルの作製
図６に示す様に、固体電解質基板用のグリーンシート１０１の表裏面に、Ａｇ−Ｐｄペーストを印刷して電極パターン１０３を形成し、２枚の未焼成発電セル１０５、１０７を作製した。
【００５１】
(5)未焼成インターコネクタの作製
図６に示す様に、電気絶縁グリーンシート１０９に、流路形成用貫通孔５９とＡｇ−Ｐｄペーストにてビア５７を形成した第１平板用シート１１１、１１３（２枚）と、前記流路形成用貫通孔５９に連通するように形成した流路形成用貫通孔６１と同様なビア５７とを形成した第２平板用シート１１５、１１７（２枚）と、貫通孔がなくビア５７のみを形成した第３平板用シート１１９（１枚）とを用意した。
【００５２】
そして、前記流路形成用貫通孔５９、６１に、可燃性ペースト（昇華性有機物とエチルセルロースと有機溶剤とを混合したもの）を充填し、充填部１２１とした。
次に、第１平板用シート１１１、第２平板用シート１１５、第３板用シート１１９、第２平板用シート１１７、第１平板用シート１１３の順で積層して積層体を形成し、その積層体を所定寸法に切断して、未焼成インターコネクタ１２３を形成した。
【００５３】
(6)未焼成外部コネクタの作製
図６に示す様に、前記電気絶縁グリーンシート１０９に、流路形成用貫通孔７７とＡｇ−Ｐｄペーストにてビア７４を形成した第１平板用シート１２５と、前記流路形成用貫通孔７７に連通するように形成した流路形成用貫通孔７９とビア７４とを形成した第２平板用シート１２７と、貫通孔がなくビア７４のみを形成した第３平板用シート１２９とを用意した。
【００５４】
そして、前記流路形成用貫通孔７７、７９に、同様に可燃性ペーストを充填した。
また、前記調整基板用のグリーンシートに、ビア７５を形成するとともに（全ビア７５に接するように）両面にＡｇ−Ｐｄペーストを印刷して電極パターン１３１を形成した調整基板用シート１３３を用意した。
【００５５】
更に、電気絶縁グリーンシート１０９に、ビア８５を形成するとともに（全ビア８５に接するように）外側の表面にＡｇ−Ｐｄペーストを印刷して電極パターン１３５を形成した表面基板用シート１３７を用意した。
【００５６】
次に、第１平板用シート１２５、第２平板用シート１２７、第３平板用シート１２９、調整基板用シー１３３、表面基板用シート１３７の順で積層して積層体を形成し、その積層体を所定寸法に切断して、２枚の未焼成外部コネクタ１３９、１４１を形成した。
【００５７】
(7)積層及び焼成
図７に分解して示す様に、未焼成インターコネクタ１２３の両側に未焼成発電セル１０５、１０７を配置するとともに、未焼成発電セル１０５、１０７の各外側に未焼成外部コネクタ１３９、１４１を配置し、図８に示す様に、それらを積層して圧着して一体とし、積層体１４３を形成した。
【００５８】
この積層体１４３を２５０℃にて加熱して脱脂を行い、その後、１１５０℃、１時間、大気雰囲気という条件で焼成して、前記図１に示した様な四角柱状のモノリス形ＳＯＦＣ１を作製した。
【００５９】
この様にして製造されたＳＯＦＣ１は、緻密化しており、外部コネクタ２９、３１に反りや割れなども確認できなかった。
ｃ）次に、本発明の効果を確認するために行った実験例について説明する。
【００６０】
＜実験例＞
前記実施形態の製造方法でＳＯＦＣ１を製造した。このＳＯＦＣ１においても、外部コネクタ２９、３１に反りや割れなども確認できなかった。
【００６１】
そして、ＳＯＦＣ１の長手方向の両端に、前記ロー材３３を用いて金属マニホールド３４、３５を接合して、ＳＯＦＣ複合体３６のサンプルを作製した。
このサンプルを８００℃に昇温し、各金属マニホールド３４、３５を介して、燃料導入孔７には燃料ガスである露点３０℃のＨ2ガスを供給し、空気導入孔９には酸化剤ガスである空気を供給した。また、外部コネクタ２９、３１の各電極３、５から電気を取り出せるように端子接続した。
【００６２】
この状態で発電を行ったところ、２．１Ｖにて１．５Ｗの発電ができた。
ｄ）次に、本実施形態による効果について説明する。
本実施形態では、燃料電池セル２５、２７の固体電解質基板４１と外部コネクタ２９、３１の固体電解質基板８１とは同じ主成分（ジルコニア）を有しているので、燃料電池セル２５、２７とインターコネクタ２３と外部コネクタ２９、３１とを同時焼成により一体化した場合でも、外部コネクタ２９、３１に反りや破損が生じ難いという効果がある。
【００６３】
また、外部コネクタ２９、３１の固体電解質基板８１の両側に、第１集電層８２と第２集電層８３とを備えているので、ビア７５を用いて板厚方向に電気的導通を得る場合でも、集電能力が高いという利点がある。更に、外部コネクタ２９、３１には、第１集電層８２や第２集電層８３を備えているので、外部コネクタ２９、３１の面積を小さくした場合でも、十分に集電能を確保できる。
【００６４】
しかも、本実施形態では、外部コネクタ２９、３１の第１集電層８２、第２集電層８３、外側電極３、５は、基板に外縁より引き下がっており、しかも、外部コネクタ２９、３１の外側電極３、５の面積は、燃料電池セル２５、２７の電極４３及び外部コネクタ２９、３１の第１、第２集電層８２、８３の面積よりも小さいので、金属マニホールド３４、３５や各種の接合部材との絶縁が取りやすくなり、ショート不良を低減できる。
【００６５】
尚、本発明は前記実施形態になんら限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
【符号の説明】
【００６６】
１…固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）
３…カソード端子用の電極（外側電極：出力端部）
５…アノード端子用の電極（外側電極：出力端部）
７…ガス導入孔
９…空気導入孔
２３…インターコネクタ
２５、２７…固体酸化物形燃料電池セル（ＳＯＦＣセル：発電セル）
２９、３１…外部コネクタ
３４、３５…金属マニホールド
４１、８１…固体電解質基板（第１、第２固体電解質層）
５７、７４、７５、８５…ビア
８２…第１集電層（内側電極）
８３…第２集電層（内側電極）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池セルと（燃料電池セル等との電気的導通を確保する）コネクタとを同時に焼成した固体酸化物形燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、燃料電池として、固体電解質（固体酸化物）を用いた固体酸化物形燃料電池（以下ＳＯＦＣとも記す）が知られている。
このＳＯＦＣでは、発電単位として、例えば固体電解質層の一方の側に燃料ガスに接する燃料極を設けるとともに、他方の側に空気と接する空気極を設けた固体酸化物形燃料電池セル（燃料電池セル；発電セル）が使用されている。また、この燃料電池セルを複数積層した固体酸化物形燃料電池スタック（燃料電池スタック）も開発されている。
【０００３】
上述したＳＯＦＣとしては、円筒形、平板形、モノリス形などのＳＯＦＣが知られている。このうち、モノリス形のＳＯＦＣは、セラミックスグリーンシートの状態で、固体電解質層と（燃料電池セル間の導通を確保する）インターコネクタと（電力を外部に取り出すための）外部コネクタとを積層して焼成した、いわゆる一体焼結型ＳＯＦＣである。このモノリス形ＳＯＦＣは、セル間の接続信頼性が高く、しかもガスシール性が高いため、優れたスタック構造であると考えられている。
【０００４】
また、前記外部コネクタは、燃料電池スタックの積層方向の両側に積層されたものであり、アルミナ等の絶縁性セラミックスからなる基板に、Ａｇ等の導電性材料からなる導電性ビアが形成されているものが知られている（特許文献１、２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−３５１２５３号公報
【特許文献２】特開２００９−２０５９０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述した従来技術では、外部コネクタの構造やその材料と、燃料電池スタックの中心部（主に燃料電池セル）の構造やその材料とが異なるために、上述した同時焼成によってモノリス形ＳＯＦＣを製造すると、外部コネクタに反りが発生したり、破損が生じることがあった。
【０００７】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、外部コネクタの反りや破損の発生を抑制できる固体酸化物形燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（１）本発明は、請求項１に記載の様に、第１固体電解質層を備える層状の燃料電池セルと、隣接する二つの前記燃料電池セルに挟まれて、該隣接する燃料電池セル間の電気的導通を行う第１コネクタ（例えばインターコネクタ）と、前記燃料電池セルと前記第１コネクタとが交互に積層された積層体の積層方向の両端にさらに積層されて、該積層体と外部との電気的導通を行う第２コネクタ（例えば外部コネクタ）と、を有し、前記燃料電池セルと前記第１コネクタと前記第２コネクタとが同時焼成により一体化されてなる固体酸化物形燃料電池であって、前記第２コネクタは、前記積層方向に沿って積層され且つ前記第１固体電解質層を構成する各成分のうち同じ主成分を有する第２固体電解質層と、前記第２固体電解質層を厚み方向に貫通し、該第２固体電解質層の厚み方向の両側面を電気的に導通する第１貫通導体部と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
本発明では、燃料電池セルの第１固体電解質層と第２コネクタの第２固体電解質層とは同じ主成分（例えば、第１固体電解質層がＹＳＺの場合には、ジルコニアが主成分となる。また、例えば、第１固体電解質層がＧＤＣ若しくはＳＤＣの場合には、セリアが主成分となる。）を有しているので、燃料電池セルと第１コネクタと第２コネクタとを同時焼成により一体化した場合でも、第２コネクタに反りや破損が生じ難いという効果がある。
【００１０】
つまり、第２コネクタにも燃料電池セルと同様な主成分を有する固体電解質層を備えているので、従来技術に比べて、第２コネクタと燃料電池セルとの焼結挙動が一致する。そのため、同時焼成を行っても第２コネクタに割れが生じにくいという利点がある。
【００１１】
なお、ここで、固体電解質層の主成分とは、各成分のモル合計に対して、最も含有量の多い成分を言うが、５０モル％以上を占める成分が、より安定した焼結挙動が得られるため好適である。
【００１２】
（２）本発明では、請求項２に記載の様に、前記第２コネクタは、前記第２固体電解質層の前記燃料電池セルに面する側の第１面に積層され、電気絶縁性を有する基板と該基板を厚み方向に貫通し該基板の厚み方向の両側面を電気的に連通する第２貫通導体部（例えばビア）とを備える第１部材と、前記第２固体電解質層の前記燃料電池セルの反対側の第２面に積層され、電気絶縁性を有する基板と該基板を厚み方向に貫通し該基板の厚み方向の両側面を電気的に連通する第３貫通導体部（例えばビア）とを備える第２部材と、前記第１部材と前記第２固体電解質層との間に、前記第２固体電解質層の前記第１面に沿って延び、且つ前記第２貫通導体部と前記第１貫通導体部とを電気的に接続する第１集電層と、前記第２部材と前記第２固体電解質層との間に、前記第２固体電解質層の前記第２面に沿って延び、且つ前記第３貫通導体部と前記第１貫通導体部とを電気的に接続する第２集電層と、を備えることができる。
【００１３】
ここでは、第２コネクタの構成を例示している。このような構造によって、燃料電池セルと外部とを容易に電気的に接続することが可能である。また、第２固体電解質層の両側に、第１集電層と第２集電層とを備えているので、第２、第３貫通導体（例えばビア）を用いて板厚方向に電気的導通を得る場合でも、集電能力が高いという利点がある。更に、第２コネクタには、第１集電層や第２集電層を備えているので、第２コネクタの面積を小さくした場合でも、十分に集電能を確保できる。なお、更に集電能を高くするために、集電層を増やしてもよい。
【００１４】
なお、ここで電気絶縁性とは、電子伝導及びイオン伝導の絶縁性を意味している。
（３）本発明では、請求項３に記載の様に、前記第３貫通導体部は、前記第２部材の前記基板の外縁以外の領域に形成されており、前記第２部材の前記燃料電池セルの反対側の第３面に、該第３面に沿って該第３面における前記第３貫通導体部に対応する領域内に延び、且つ前記第３貫通導体部と電気的に接続して前記燃料電池セルで発生する電力を外部に出力する出力端部を備えることができる。
【００１５】
ここでは、第３貫通導体部は基板の外縁より内側に形成されているので、出力端部も基板の外縁より内側に形成することができる。よって、マニホールドや各種の接合部材がとの絶縁が取りやすくなり、ショート不良を低減できる。
【００１６】
また、出力端部により、燃料電池セルにて発電した電力を取り出すことができる。
（４）本発明では、請求項４に記載の様に、前記第２コネクタの出力端部の面積を、前記第２コネクタの第１集電層及び第２集電層の面積よりも小さくすることが望ましい。
【００１７】
つまり、第２コネクタの出力端部の面積を、第２コネクタの第２集電層の面積（更には、燃料電池セルの電極の面積）よりも小さくすることにより、一層、マニホールドや各種の接合部材がとの絶縁が取りやすくなり、ショート不良を低減できる。
【００１８】
なお、以下に、本発明における各構成について説明する。
・前記電気絶縁性有する基板の材料としては、例えばＳｉＯ2とＡｌ2Ｏ3とＲＯ（Ｒ；Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ）からなるセラミックスを作用でき、この場合には、固体電解質基板との同時焼成がし易いので望ましい。
【００１９】
・前記固体電解質としては、ＹＳＺ、ＳｃＳＺ、ＧＤＣ、ＳＤＣ、ペロブスカイト酸化物など、公知のものを用いることができる。特に、ＹＳＺ、ＳｃＳＺ等のジルコニア固溶体は、材料温度や雰囲気安定性が高く望ましい。このうち、更にＳｃＳＺが望ましいが、これは、ＳｃＳＺは、焼結温度が低く、かつ酸素イオン導電性が高いからである。
【００２０】
・前記導体部、集電層、出力端部の材料としては、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｇ、Ａｕ等の貴金属、及びこれらの少なくとも１種を含む合金などを用いることができる。
特に、Ａｇ−Ｐｄ合金は、Ｐｔよりも安価な金属であり望ましい。また、Ａｇ−Ｐｄの組成は、Ｐｄ含有量が２０〜４０ｍｏｌ％（Ａｇ−Ｐｄ全体を１００ｍｏｌ％としたとき）であることが好ましい。これは、２０ｍｏｌ％を下回ると、融点が低く、固体電解質材料と一体に焼結する際に金属が溶融して、集電層等が形成できないことがあるからである。一方、４０ｍｏｌ％を上回ると、合金が高価になってしまうからである。
【００２１】
・また、前記導体部、集電層、出力端部の材料としては、前記貴金属材料とセラミックスとの複合体とすることが望ましい。複合化するセラミックスとしては、公知のもの、例えば、アルミナ、シリカ、ジルコニア、セリア、カルシア、マグネシア、スピネル等を使用できる。
【００２２】
・前記燃料電池セルに用いられる電極は、空気極及び燃料極であり、その材料としては、公知のものが使用できるが、特に、金属材料又は金属材料とセラミックスとの複合体が好ましい。これは、金属材料とすることで、焼成時の割れや反りを抑制できるからである。
【００２３】
この金属材料としては、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｃｏ等の金属、及びそれらの少なくとも１種を含む合金などを用いることができる。また、空気極としては、Ｐｔ、Ａｇ−Ｐｄ等の貴金属を使用することが望ましい。
【００２４】
特に、Ａｇ−Ｐｄ合金は、Ｐｔよりも安価な金属であり望ましい。また、Ａｇ−Ｐｄの組成は、Ｐｄ含有量が２０〜４０ｍｏｌ％（Ａｇ−Ｐｄ全体を１００ｍｏｌ％としたとき）であることが好ましい。これは、２０ｍｏｌ％を下回ると、融点が低く、固体電解質材料と一体に焼結する際に金属が溶融して、集電層等が形成できないことがあるからである。一方、４０ｍｏｌ％を上回ると、合金が高価になってしまうからである。
【００２５】
・電極を金属材料とセラミックスとの複合体とする場合、固体電解質と同じ材料であると、同時焼成が容易に行えるようになり、また、電極性能が向上するので好ましい。
・また、本発明のモノリス型ＳＯＦＣの場合には、燃料電池セルとインターコネクタと外部コネクタとを未焼成の状態で積層圧着して一体としたものを、脱脂焼成して製造することができる。
【００２６】
この焼成温度としては、１０５０〜１２５０℃（望ましくは１１００〜１２００℃）が好適である。これは、１０５０℃を下回る場合には、固体電解質やインターコネクタが焼結しないからである。一方、１２５０℃を上回る場合には、固体電解質とインターコネクタとの反応が進行して、発電特性が低下したり、Ａｇ−Ｐｄによるビア形状を維持できなくなることがあるからである。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】実施形態の固体酸化物形燃料電池を示す斜視図である。
【図２】固体酸化物形燃料電池を分解して示す斜視図である。
【図３】固体酸化物形燃料電池複合体を示す斜視図である。
【図４】（ａ）は燃料電池セルを示す平面図、（ｂ）はインターコネクタを分解して示す説明図である。
【図５】外部コネクタを分解して示す説明図である。
【図６】固体酸化物形燃料電池を製造するための部材を示す平面図である。
【図７】固体酸化物形燃料電池となる積層体を分解して示す斜視図である。
【図８】固体酸化物形燃料電池の積層体を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明が適用される実施形態について図面を用いて説明する。
［実施形態］
ａ）まず、本実施形態であるモノリス形の固体酸化物型燃料電池（以下固体酸化物型燃料電池をＳＯＦＣと記す）の構成について、図１〜図３に基づいて説明する。
【００２９】
図１に示す様に、本実施形態のＳＯＦＣ１は、燃料ガス（例えば水素）と酸化剤ガス（例えば空気（詳しくは空気中の酸素））との供給を受けて発電を行う装置である。
このＳＯＦＣ１は、後述するＳＯＦＣセル等を積層した柱状のＳＯＦＣスタックであり、例えば縦０．３ｃｍ×横１ｃｍ×長さ５ｃｍの長尺の四角柱である。なお、０．３ｃｍ×１ｃｍの面が底面であり、５ｃｍ×１ｃｍの面が主面であり、５ｃｍ×０．３ｃｍの面が側面である。
【００３０】
このＳＯＦＣ１は、一方の主面側（同図上面）に、出力端部として、カソード端子用の電極（Ａｇ−Ｐｄ電極）３が設けられ、その反対側の主面には、アノード端子用の電極（Ａｇ−Ｐｄ電極）５が設けられている。
【００３１】
また、ＳＯＦＣ１の長手方向の端面（底面）の一方には、燃料導入孔７が設けられるとともに、他方の端面（底面）には、同様に空気導入孔９が設けられている。更に、ＳＯＦＣ１の左右の側面の燃料導入孔７側には、空気排気孔１１が設けられ、燃料導入孔９側には、同様に燃料排気孔１３が設けられている。
【００３２】
図２に分解して示す様に、前記ＳＯＦＣ１は、インターコネクタ２３と、その両側に配置されたＳＯＦＣセル（発電セル）２５、２７と、その両側に配置された外部コネクタ２９、３１とが、板厚方向に積層されたものであり、そのうち、インターコネクタ２３と外部コネクタ２９、３１とは、後に詳述する様に、複数のセラミックス層などから構成されている。
【００３３】
前記インターコネクタ２３は、板厚方向の両側のＳＯＦＣセル２５、２７との電気的導通を行うものであり、ここでは１層のみを例示しているが、積層されるＳＯＦＣセル２５、２７の数に応じて、各セル２５、２７間に１層ずつ（合計複数層）配置される。また、外部コネクタ２９、３１は、各隣接するＳＯＦＣセル２５、２７（従ってＳＯＦＣ１の中心側）と外部との電気的導通を行うものである。
【００３４】
そして、図３に示す様に、このＳＯＦＣ１は、例えば、その長手方向の両側に、ロー材（銀又は銀合金ロー）３３によって金属マニホールド３４、３５を接合してシールしたＳＯＦＣ複合体３６として用いられる。
【００３５】
この金属マニホールド３４、３５は、例えばフェライト系金属からなる長方形の２枚の板材（接合板）３７に、例えば同様なフェライト系金属からなるチューブ３８が接合されたものである。なお、接合板３７の中央には、チューブ３８と連通するガス孔（図示せず）が形成されている。
【００３６】
ｂ）次に、本実施形態のＳＯＦＣ１の要部について、更に詳しく説明する。
(1)ＳＯＦＣセル２５、２７
図４（ａ）に示す様に、ＳＯＦＣセル２５、２７は、ジルコニアを主成分とする（詳しくは１０Ｓｃ１ＣｅＳＺからなる）固体電解質基板（第１固体電解質層）４１の表裏面に、Ａｇ−Ｐｄからなる電極（空気極、燃料極）４３を備えたものである。
【００３７】
(2)インターコネクタ２３
図４（ｂ）に分解して示す様に、インターコネクタ２３は、外側より、一対の第１平板４５、４７と一対の第２平板４９、５１と１枚の第３平板５３とを積層した積層体である。つまり、第３平板５３の板厚方向の両側に第２平板４９、５１を配置し、第２平板４９、５１の外側に第１平板４５、４７を配置して積層したものである。
【００３８】
前記第１〜第３平板４５〜５３は、マグネシアを主成分とする（詳しくは、ＭｇＯ：５８ｍｏｌ％、ＳｉＯ2：３０ｍｏｌ％、Ａｌ2Ｏ3：４ｍｏｌ％、ＭｎＯ：４ｍｏｌ％、ＣｏＯ：２ｍｏｌ％、ＣａＯ：１ｍｏｌ％、ＴｉＯ2：１ｍｏｌ％からなる）電気絶縁性を有するセラミック基板５５と、Ａｇ−Ｐｄ（Ｐｄ：３０ｍｏｌ％）からなる導電性を有するビア５７とから構成されている。
【００３９】
また、第１平板４５、４７には、複数の流路形成用貫通孔５９が形成され、第２平板４９、５１には、前記流路形成用貫通孔５９に連通するように配置された複数の流路形成用貫通孔６１が形成されている。なお、第３平板５３には、貫通孔がなくビア５７のみが形成されている。
【００４０】
なお、第１〜第３平板４５〜５３における各ビア５７は、例えば縦８列×横３列の合計２４個形成されており、その位置は、積層方向において一致するように形成されている。
(3)外部コネクタ２９、３１
図５に分解して示す様に、外部コネクタ２９、３１は、ＳＯＦＣ１の積層方向における外側より、表面基板（第２部材）６３と調整基板６５と各平板（第３平板６７、第２平板６９、第３平板７１）とを積層したものである。
【００４１】
このうち、前記第１〜第３平板６７〜７１（第１部材）は、前記インターコネクタ２３の第１〜第３平板４５〜５３と同様に、マグネシアを主成分とする同様な組成のセラミック基板７３に、同様な配置（縦８列×横３列）でビア（第２貫通導体部）７４が形成されたものである。なお、第１平板７１と第２平板６９には、それぞれ（インターコネクタ２３と同様に）流路形成用貫通孔７７、７９が形成されている。
【００４２】
また、前記調整基板６５は、ジルコニアを主成分とする（ＳＯＦＣセル２５、２７と同様な組成の）固体電解質基板（第２固体電解質層）８１にビア（第１貫通導体部）７５が形成されたものであり、更に、固体電解質基板８１の板厚方向の両側には、全てのビア（縦８列×横３列）と接するように、Ａｇ−Ｐｄ（Ｐｄ：３０ｍｏｌ％）からなる内側電極（裏側の第１集電層８２、表側の第２集電層８３）が形成されている。なお、内側電極８２、８３は固体電解質基板８１の表面全体を覆うように形成されているが、その外周の縁部に達しないように、全周にわたってわずかに内側に引き下がっている。
【００４３】
更に、前記表面基板６３は、前記第１〜第３平板６７〜７１と同様なマグネシアを主成分とする組成のセラミック基板８４にビア（第３貫通導体部）８５が形成されたものである。なお、この表面基板６３のみは、同図左右方向の最外側の各列のビア８５のみが形成されていない。
【００４４】
そして、前記表面基板６３の外側表面には、表面基板６３における全てのビア（即ち中央部分の縦６列×横３列）８５と接するように、Ａｇ−Ｐｄ（Ｐｄ：３０ｍｏｌ％）からなる外側電極（出力端部）３、５が形成されている。つまり、外部コネクタ２９、３１は、ＳＯＦＣ１の両側に形成されているので、各外部コネクタ２９、３１の表面基板６３の外側電極８７が、カソード端子用の電極３及びアノード端子用の電極５に対応している。
【００４５】
また、この外側電極３、５は、前記積層方向に投影した場合に、前記内側電極８２、８３及びＳＯＦＣセル２５、２７の電極４３より外側に広がらないように、内側電極８２、８３の面積及びＳＯＦＣセル２５、２７の電極４３の面積よりも小さく設定されている。
【００４６】
つまり、固体電解質基板８１のビア７５と表面基板６３のビア８５とは、積層方向における位置が一致するように形成されているが、表面基板６３においては、長手方向の両側における各１列分のビアが形成されていない。従って、固体電解質基板８１においては、長手方向における８列のビア７５を覆うように内側電極８２、８３が形成されているが、表面基板６３においては、長手方向における６列のビア８５を覆うように外側電極３、５が形成されているだけである。
【００４７】
ｃ）次に、本実施形態のＳＯＦＣ１の製造方法を説明する。
(1)固体電解質基板用及び調整基板用のグリーンシートの作製
Ｃｅ添加Ｓｃ安定化ジルコニア粉末（１０Ｓｃ１ＣｅＳＺ）とブチラール樹脂と可塑剤と有機溶剤とを混合して、スラリーを調整し、そのスラリーをドクターブレード法でキャスティングし、１５０μｍ厚の固体電解質基板用及び調整基板用のグリーンシートを作製した。
【００４８】
(2)インターコネクタ用及び外部コネクタ用及び表面基板用の電気絶縁グリーンシートの作製
ＭｇＯ：５８ｍｏｌ％、ＳｉＯ2：３０ｍｏｌ％、Ａｌ2Ｏ3：４ｍｏｌ％、ＭｎＯ：４ｍｏｌ％、ＣｏＯ：２ｍｏｌ％、ＣａＯ：１ｍｏｌ％、ＴｉＯ2：１ｍｏｌ％からなる組成のセラミックス粉とブチラール樹脂と可塑剤と有機溶剤とを混合して、スラリーを調整し、そのスラリーをドクターブレード法でキャスティングし、１５０μｍ厚の電気絶縁グリーンシートを作製した。
【００４９】
(3)電極用及びビア用のペーストの作製
Ａｇ−Ｐｄ（Ｐｄ：３０ｍｏｌ％）粉末と１０Ｓｃ１ＣｅＳＺ粉末とエチルセルロースと有機溶剤とを混合し、Ａｇ−Ｐｄペーストを作製した。
【００５０】
(4)未焼成発電セルの作製
図６に示す様に、固体電解質基板用のグリーンシート１０１の表裏面に、Ａｇ−Ｐｄペーストを印刷して電極パターン１０３を形成し、２枚の未焼成発電セル１０５、１０７を作製した。
【００５１】
(5)未焼成インターコネクタの作製
図６に示す様に、電気絶縁グリーンシート１０９に、流路形成用貫通孔５９とＡｇ−Ｐｄペーストにてビア５７を形成した第１平板用シート１１１、１１３（２枚）と、前記流路形成用貫通孔５９に連通するように形成した流路形成用貫通孔６１と同様なビア５７とを形成した第２平板用シート１１５、１１７（２枚）と、貫通孔がなくビア５７のみを形成した第３平板用シート１１９（１枚）とを用意した。
【００５２】
そして、前記流路形成用貫通孔５９、６１に、可燃性ペースト（昇華性有機物とエチルセルロースと有機溶剤とを混合したもの）を充填し、充填部１２１とした。
次に、第１平板用シート１１１、第２平板用シート１１５、第３板用シート１１９、第２平板用シート１１７、第１平板用シート１１３の順で積層して積層体を形成し、その積層体を所定寸法に切断して、未焼成インターコネクタ１２３を形成した。
【００５３】
(6)未焼成外部コネクタの作製
図６に示す様に、前記電気絶縁グリーンシート１０９に、流路形成用貫通孔７７とＡｇ−Ｐｄペーストにてビア７４を形成した第１平板用シート１２５と、前記流路形成用貫通孔７７に連通するように形成した流路形成用貫通孔７９とビア７４とを形成した第２平板用シート１２７と、貫通孔がなくビア７４のみを形成した第３平板用シート１２９とを用意した。
【００５４】
そして、前記流路形成用貫通孔７７、７９に、同様に可燃性ペーストを充填した。
また、前記調整基板用のグリーンシートに、ビア７５を形成するとともに（全ビア７５に接するように）両面にＡｇ−Ｐｄペーストを印刷して電極パターン１３１を形成した調整基板用シート１３３を用意した。
【００５５】
更に、電気絶縁グリーンシート１０９に、ビア８５を形成するとともに（全ビア８５に接するように）外側の表面にＡｇ−Ｐｄペーストを印刷して電極パターン１３５を形成した表面基板用シート１３７を用意した。
【００５６】
次に、第１平板用シート１２５、第２平板用シート１２７、第３平板用シート１２９、調整基板用シー１３３、表面基板用シート１３７の順で積層して積層体を形成し、その積層体を所定寸法に切断して、２枚の未焼成外部コネクタ１３９、１４１を形成した。
【００５７】
(7)積層及び焼成
図７に分解して示す様に、未焼成インターコネクタ１２３の両側に未焼成発電セル１０５、１０７を配置するとともに、未焼成発電セル１０５、１０７の各外側に未焼成外部コネクタ１３９、１４１を配置し、図８に示す様に、それらを積層して圧着して一体とし、積層体１４３を形成した。
【００５８】
この積層体１４３を２５０℃にて加熱して脱脂を行い、その後、１１５０℃、１時間、大気雰囲気という条件で焼成して、前記図１に示した様な四角柱状のモノリス形ＳＯＦＣ１を作製した。
【００５９】
この様にして製造されたＳＯＦＣ１は、緻密化しており、外部コネクタ２９、３１に反りや割れなども確認できなかった。
ｃ）次に、本発明の効果を確認するために行った実験例について説明する。
【００６０】
＜実験例＞
前記実施形態の製造方法でＳＯＦＣ１を製造した。このＳＯＦＣ１においても、外部コネクタ２９、３１に反りや割れなども確認できなかった。
【００６１】
そして、ＳＯＦＣ１の長手方向の両端に、前記ロー材３３を用いて金属マニホールド３４、３５を接合して、ＳＯＦＣ複合体３６のサンプルを作製した。
このサンプルを８００℃に昇温し、各金属マニホールド３４、３５を介して、燃料導入孔７には燃料ガスである露点３０℃のＨ2ガスを供給し、空気導入孔９には酸化剤ガスである空気を供給した。また、外部コネクタ２９、３１の各電極３、５から電気を取り出せるように端子接続した。
【００６２】
この状態で発電を行ったところ、２．１Ｖにて１．５Ｗの発電ができた。
ｄ）次に、本実施形態による効果について説明する。
本実施形態では、燃料電池セル２５、２７の固体電解質基板４１と外部コネクタ２９、３１の固体電解質基板８１とは同じ主成分（ジルコニア）を有しているので、燃料電池セル２５、２７とインターコネクタ２３と外部コネクタ２９、３１とを同時焼成により一体化した場合でも、外部コネクタ２９、３１に反りや破損が生じ難いという効果がある。
【００６３】
また、外部コネクタ２９、３１の固体電解質基板８１の両側に、第１集電層８２と第２集電層８３とを備えているので、ビア７５を用いて板厚方向に電気的導通を得る場合でも、集電能力が高いという利点がある。更に、外部コネクタ２９、３１には、第１集電層８２や第２集電層８３を備えているので、外部コネクタ２９、３１の面積を小さくした場合でも、十分に集電能を確保できる。
【００６４】
しかも、本実施形態では、外部コネクタ２９、３１の第１集電層８２、第２集電層８３、外側電極３、５は、基板に外縁より引き下がっており、しかも、外部コネクタ２９、３１の外側電極３、５の面積は、燃料電池セル２５、２７の電極４３及び外部コネクタ２９、３１の第１、第２集電層８２、８３の面積よりも小さいので、金属マニホールド３４、３５や各種の接合部材との絶縁が取りやすくなり、ショート不良を低減できる。
【００６５】
尚、本発明は前記実施形態になんら限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
【符号の説明】
【００６６】
１…固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）
３…カソード端子用の電極（外側電極：出力端部）
５…アノード端子用の電極（外側電極：出力端部）
７…ガス導入孔
９…空気導入孔
２３…インターコネクタ
２５、２７…固体酸化物形燃料電池セル（ＳＯＦＣセル：発電セル）
２９、３１…外部コネクタ
３４、３５…金属マニホールド
４１、８１…固体電解質基板（第１、第２固体電解質層）
５７、７４、７５、８５…ビア
８２…第１集電層（内側電極）
８３…第２集電層（内側電極）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１固体電解質層を備える層状の燃料電池セルと、
隣接する二つの前記燃料電池セルに挟まれて、該隣接する燃料電池セル間の電気的導通を行う第１コネクタと、
前記燃料電池セルと前記第１コネクタとが交互に積層された積層体の積層方向の両端にさらに積層されて、該積層体と外部との電気的導通を行う第２コネクタと、
を有し、前記燃料電池セルと前記第１コネクタと前記第２コネクタとが同時焼成により一体化されてなる固体酸化物形燃料電池であって、
前記第２コネクタは、
前記積層方向に沿って積層され且つ前記第１固体電解質層を構成する各成分のうち同じ主成分を有する第２固体電解質層と、
前記第２固体電解質層を厚み方向に貫通し、該第２固体電解質層の厚み方向の両側面を電気的に導通する第１貫通導体部と、
を備えることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
【請求項２】
前記第２コネクタは、
前記第２固体電解質層の前記燃料電池セルに面する側の第１面に積層され、電気絶縁性を有する基板と該基板を厚み方向に貫通し該基板の厚み方向の両側面を電気的に連通する第２貫通導体部とを備える第１部材と、
前記第２固体電解質層の前記燃料電池セルの反対側の第２面に積層され、電気絶縁性を有する基板と該基板を厚み方向に貫通し該基板の厚み方向の両側面を電気的に連通する第３貫通導体部とを備える第２部材と、
前記第１部材と前記第２固体電解質層との間に、前記第２固体電解質層の前記第１面に沿って延び、且つ前記第２貫通導体部と前記第１貫通導体部とを電気的に接続する第１集電層と、
前記第２部材と前記第２固体電解質層との間に、前記第２固体電解質層の前記第２面に沿って延び、且つ前記第３貫通導体部と前記第１貫通導体部とを電気的に接続する第２集電層と、
を備え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。
【請求項３】
前記第３貫通導体部は、前記第２部材の前記基板の外縁以外の領域に形成されており、 前記第２部材の前記燃料電池セルの反対側の第３面に、該第３面に沿って該第３面における前記第３貫通導体部に対応する領域内に延び、且つ前記第３貫通導体部と電気的に接続して前記燃料電池セルで発生する電力を外部に出力する出力端部を備えることを特徴とする請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項４】
前記第２コネクタの出力端部の面積を、前記第２コネクタの第１集電層及び第２集電層の面積よりも小さくしたことを特徴とする請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項１】
第１固体電解質層を備える層状の燃料電池セルと、
隣接する二つの前記燃料電池セルに挟まれて、該隣接する燃料電池セル間の電気的導通を行う第１コネクタと、
前記燃料電池セルと前記第１コネクタとが交互に積層された積層体の積層方向の両端にさらに積層されて、該積層体と外部との電気的導通を行う第２コネクタと、
を有し、前記燃料電池セルと前記第１コネクタと前記第２コネクタとが同時焼成により一体化されてなる固体酸化物形燃料電池であって、
前記第２コネクタは、
前記積層方向に沿って積層され且つ前記第１固体電解質層を構成する各成分のうち同じ主成分を有する第２固体電解質層と、
前記第２固体電解質層を厚み方向に貫通し、該第２固体電解質層の厚み方向の両側面を電気的に導通する第１貫通導体部と、
を備えることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
【請求項２】
前記第２コネクタは、
前記第２固体電解質層の前記燃料電池セルに面する側の第１面に積層され、電気絶縁性を有する基板と該基板を厚み方向に貫通し該基板の厚み方向の両側面を電気的に連通する第２貫通導体部とを備える第１部材と、
前記第２固体電解質層の前記燃料電池セルの反対側の第２面に積層され、電気絶縁性を有する基板と該基板を厚み方向に貫通し該基板の厚み方向の両側面を電気的に連通する第３貫通導体部とを備える第２部材と、
前記第１部材と前記第２固体電解質層との間に、前記第２固体電解質層の前記第１面に沿って延び、且つ前記第２貫通導体部と前記第１貫通導体部とを電気的に接続する第１集電層と、
前記第２部材と前記第２固体電解質層との間に、前記第２固体電解質層の前記第２面に沿って延び、且つ前記第３貫通導体部と前記第１貫通導体部とを電気的に接続する第２集電層と、
を備え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。
【請求項３】
前記第３貫通導体部は、前記第２部材の前記基板の外縁以外の領域に形成されており、 前記第２部材の前記燃料電池セルの反対側の第３面に、該第３面に沿って該第３面における前記第３貫通導体部に対応する領域内に延び、且つ前記第３貫通導体部と電気的に接続して前記燃料電池セルで発生する電力を外部に出力する出力端部を備えることを特徴とする請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項４】
前記第２コネクタの出力端部の面積を、前記第２コネクタの第１集電層及び第２集電層の面積よりも小さくしたことを特徴とする請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−６４３４８（Ｐ２０１２−６４３４８Ａ）
【公開日】平成２４年３月２９日（２０１２．３．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２０５７３７（Ｐ２０１０−２０５７３７）
【出願日】平成２２年９月１４日（２０１０．９．１４）
【出願人】（０００００４５４７）日本特殊陶業株式会社 (2,912)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月２９日（２０１２．３．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月１４日（２０１０．９．１４）
【出願人】（０００００４５４７）日本特殊陶業株式会社 (2,912)
【Ｆターム（参考）】
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