燃料電池セル、およびその製造方法
【課題】 イオン伝導性膜の積層数が実用的な範囲で構成され、空気極と燃料極が隣接せず従来と同程度の発電効率を備えた燃料電池セル、及びその燃料電池セルの製造方法を提供する。
【解決手段】 燃料電池セルの一断面を見たとき、前記燃料電池セルは、第１の板材、積層電解質、第２の板材、積層電解質の順に繰り返しつづら折り状に配置され、燃料極が、隣り合う前記積層電解質の対向した積層断面同士を接続し、空気極が、別の隣り合う前記積層電解質の対向した積層断面同士を接続し、前記燃料極と空気極が交互に配置され、複数の前記燃料極が前記第１の板材又は第２の板材を覆うように互いに接続され、複数の前記空気極が前記第２の板材又は第１の板材を覆うように互いに接続されることを特徴とする燃料電池セル。
【解決手段】 燃料電池セルの一断面を見たとき、前記燃料電池セルは、第１の板材、積層電解質、第２の板材、積層電解質の順に繰り返しつづら折り状に配置され、燃料極が、隣り合う前記積層電解質の対向した積層断面同士を接続し、空気極が、別の隣り合う前記積層電解質の対向した積層断面同士を接続し、前記燃料極と空気極が交互に配置され、複数の前記燃料極が前記第１の板材又は第２の板材を覆うように互いに接続され、複数の前記空気極が前記第２の板材又は第１の板材を覆うように互いに接続されることを特徴とする燃料電池セル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物型の燃料電池に用いる燃料電池セル、およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は水素を燃料として発電するため、環境負荷が小さく次世代のエネルギーシステムとして注目されてきた。中でも固体酸化物燃料電池（Ｓｏｌｉｄ ｏｘｉｄｅ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ、以下ＳＯＦＣと言う）は発電効率が高く、数多くの研究開発がなされている。
【０００３】
このＳＯＦＣは固体酸化物を電解質に用いており、電解質の役割は酸素イオンを伝導することである。ＳＯＦＣにおいては固体酸化物の電解質に電極（燃料極と空気極）が形成されたものを燃料電池セルと呼ぶ。燃料電池セルを複数積層させて直列に接続させた構造体をセルスタックと呼ぶ。ＳＯＦＣの作動原理は空気極側で酸素を還元し、電解質がその酸素イオンを通過させ、燃料極側で水素と酸素を反応させることで発電するものである。
【０００４】
電解質に要求されるイオン伝導度はシステムの内部抵抗低減の観点から、１×１０−２Ｓ／ｃｍ以上が目安とされ、ＳＯＦＣに用いられる固体電解質は５００℃以上の高温にならないと上記の特性を満足しないのが現状である。そのためＳＯＦＣの動作温度は通常８００℃前後で動作させている。この動作温度の高さからＳＯＦＣは経時劣化しやすいという問題がある。
【０００５】
これらの問題を解決するため５００℃未満で高いイオン伝導性を示す固体酸化物電解質に関する研究がなされており、その一例が非特許文献１に開示されている。非特許文献１の電解質は、厚さが１〜３０ｎｍの０．９２ＺｒＯ２−０．０８Ｙ２Ｏ３（イットリウム安定化ＺｒＯ２（以下、ＹＳＺと言う））からなるイオン伝導性膜を、厚さが１０ｎｍのＳｒＴｉＯ３（チタン酸ストロンチウム（以下、ＳＴＯと言う））からなるイオン非伝導性膜で挟み込んだ構造の積層電解質である。この積層電解質は、イオン伝導性膜とイオン非伝導性膜との界面の酸素イオン伝導が飛躍的に向上すること、１００℃付近でのイオン伝導度が１×１０−２Ｓ／ｃｍと高く、電解質として要求される１×１０−２Ｓ／ｃｍ以上を満足する特性を有することが報告されている。この積層電解質はイオン伝導性膜とイオン非伝導性膜との界面のイオン伝導度が高くなるため、積層するイオン伝導性膜とイオン非伝導性膜の数を増やすと界面の数が増えてイオン伝導量が向上する。
【０００６】
実際の電解質のイオン伝導度は（イオン伝導率×イオン伝導面積／イオン伝導方向の長さ）で決まる。イオン伝導面積は電解質と電極の接触した面積であり、燃料電池反応の反応場でもあるので、イオン伝導面積が小さいと十分な発電量が得られない。一般的な燃料電池はイオン伝導面積が数ｍｍ２〜数ｃｍ２である。
【０００７】
積層電解質は積層した面に沿う方向に高いイオン伝導性を示す。空気極、燃料極はイオン伝導性膜のイオン伝導方向に垂直な面に形成する必要が有る。
非特許文献１では、イオン伝導性膜は膜厚がｎｍオーダーの薄膜材であるのでイオン伝導面積を大きくするには積層数を増やす必要が有る。
ただし上記の積層電解質で一般的な燃料電池と同等のイオン伝導面積を得るにはイオン伝導性膜とイオン非伝導性膜を数万〜数億層重ねなければならず、実用的な燃料電池セルを形成することは困難であった。
【０００８】
特許文献１では、この非常に多層である積層電解質を備えた燃料電池セルを従来技術として挙げ、１００ｎｍ程度の間隔で直径５０〜２００ｎｍの穴の開いた多孔体の中に積層した電解質を形成することで実用的な工程で積層構造の電解質を有した燃料電池セルを形成する方法を提案している。しかし、この方法によれば多孔体の中に積層した電解質を隣接させた状態で形成させるため、空気極の内部を通過する空気と燃料極の内部を通過する燃料ガスが混ざってしまい、発電効率が低下する可能性が有る。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】J.Garcia-Barriocanal et-al, Science, 321(2008) 676
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２０１０-２５１３０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は上記問題に鑑み、イオン伝導性膜の積層数が実用的な範囲で構成され、空気極と燃料極が隣接せず従来と同程度の発電効率を備えた燃料電池セル、及びその燃料電池セルの製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
第１の本発明は、イオン伝導性膜とイオン非伝導性膜が交互に積層された積層電解質と、前記積層電解質の積層断面に燃料極と空気極を備えた燃料電池セルであって、
第１の仮想面に沿って並ぶ複数の第１の板材と、第１の仮想面と平行な第２の仮想面に沿って並ぶ複数の第２の板材を備え、
前記第１の板材と前記第２の板材の間に、前記積層電解質が積層方向を前記第１及び第２の仮想面の垂直方向になるように配置され、
前記燃料電池セルの一断面を見たとき、
前記燃料電池セルは、第１の板材、積層電解質、第２の板材、積層電解質の順に繰り返しつづら折り状に配置され、
前記燃料極が、隣り合う前記積層電解質の積層断面同士を接続し、かつ前記第１の板材又は第２の板材を覆うように形成され、
前記空気極が、別の隣り合う前記積層電解質の積層断面同士を接続し、かつ前記第２の板材又は第１の板材を覆うように形成され、
前記燃料極と空気極が前記第１の仮想面と第２の仮想面の間において交互に配置されることを特徴とする。
【００１３】
第２の本発明は、第１の本発明に記載の燃料電池セルであって、
前記イオン伝導性膜がイットリウム安定化ＺｒＯ２膜（ＹＳＺ膜）からなり、前記イオン非伝導性膜がＳｒＴｉＯ３（ＳＴＯ膜）からなることを特徴とする。
【００１４】
第３の本発明は、第１又は第２の本発明の何れかに記載の燃料電池セルであって、
前記第１または第２の板材の一方がシリコン単結晶またはＳｒＴｉＯ３単結晶からなることを特徴とする。
【００１５】
第４の本発明は、第１乃至第３の本発明の何れかに記載の燃料電池セルであって、
前記第１または第２の板材の他方がＳｉＯ２、ＳｒＴｉＯ３、ＺｒＯ２のいずれか一つからなることを特徴とする。
【００１６】
第５の本発明は、
第１の薄板の上にイオン伝導性膜とイオン非伝導性膜を交互に積層し、その積層膜の上に第２の薄板を形成する工程と、
前記第１の薄板側から第１の溝を複数平行に形成し、前記第２の薄板側から第２の溝を積層方向に見て前記第１の溝同士の間にそれぞれ複数平行に形成することで複数の積層電解質、複数の第１の板材、複数の第２の板材を形成し、前記第１の板材、積層電解質、第２の板材、積層電解質の順に繰り返しつづら折り状に配置される構成とする工程と、
燃料極として、前記第１の溝の内部において両側の前記積層電解質の面同士を接続し、かつ、前記第１の板材又は第２の板材を覆うように形成する工程と、
空気極として、前記第２の溝の内部において両側の前記積層電解質の面同士を接続し、かつ、前記第２の板材又は第１の板材を覆うように形成する工程と、を有することを特徴とする燃料電池セルの製造方法である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、イオン伝導性膜の積層数が実用的な範囲で構成され、空気極と燃料極が隣接せず従来よりも簡易な方法で製造でき、従来よりも小型で狭い範囲で設置できるとともに、同程度の発電効率を備えた燃料電池セル、及びその燃料電池セルの製造方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の燃料電池セルを説明するための断面模式図である。
【図２】本発明の燃料電池セルの製造方法を示す図である。
【図３】本発明の燃料電池セルを説明するための模式図である。
【図４】従来の燃料電池セルの模式図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の一実施形態を図面により説明する。
図１は平板型の燃料電池セルの部分的な断面模式図であり、イオン伝導性膜１１とイオン非伝導性膜１２を交互に積層した積層電解質C1〜C4と、前記積層電解質C1〜C4の積層断面に燃料極15と空気極16を備える。
図３は燃料電池セルの全体の斜視図である。
なお、図１や図３は模式図であって、説明のために積層電解質同士の間隔の幅や、イオン伝導性膜、イオン非伝導性膜、第１及び第２の板材、燃料極、空気極の厚さを広げて記載している。
【００２０】
積層電解質Ｃ１〜Ｃ４は板状に形成できる。なお、イオン伝導性膜１１とイオン非伝導性膜１２は、板状の面に沿う方向に積層される。板状の積層電解質Ｃ１〜Ｃ４は、後述するように、間隔を介して平行に配置される。
燃料極１５は、燃料電池における負電極として機能し、H2,CO,CH4等の燃料ガスが通過可能な導電性セラミックが用いられる。
また空気極１６は、燃料電池における正電極として機能し、酸素源となる酸化ガスが通過可能な導電性セラミックが用いられる。
燃料極１５、空気極１６とも積層電解質Ｃ１〜Ｃ４のイオン伝導性膜１１とイオン非伝導性膜１２の端部が露出する積層断面に形成される。
【００２１】
イオン伝導性膜として、ＹＳＺ膜を用いることができる。また、イオン非伝導性膜としてＳＴＯ膜を用いることができる。
かかる構成とすることで、５００℃未満の低温でも内部抵抗の低い燃料電池セルとすることができる。
ＹＳＺ膜の厚みは５ｎｍ以上４０ｎｍ以下が好ましい。ＹＳＺ膜が５ｎｍ未満の薄さであると電解質のイオン伝導面積が小さくなるため内部抵抗が高くなる。またＹＳＺ膜が４０ｎｍ超の厚さであると界面の酸素イオン伝導性が損なわれてしまい同様に内部抵抗が高くなる。
ＳＴＯ膜は５ｎｍ以上２０ｎｍ以下の厚みが好ましい。ＳＴＯ膜は５ｎｍ未満では十分なイオン伝導度が得られず、２０ｎｍ超であるとイオンを通さない部分が増えてしまい、内部抵抗が高くなる。
【００２２】
本実施形態において、燃料電池セルは、第１の仮想面V1に沿って並ぶ複数の第１の板材13a〜13cと、第１の仮想面V1と平行な第２の仮想面V2に沿って並ぶ複数の第２の板材14a,14bを備える。第１及び第２の仮想面は、第１及び第２の板材の位置関係を明確にするためのものであり、本実施形態における構成部材ではない。
第１の板材13a〜13cは、後述するように一体の第１の薄板をそれぞれ分割するか、複数の溝を形成することで、燃料電池セルの断面で見て、図１のように形成される。また、同様に第２の板材も、一体の基板状の板材をそれぞれ分割するか、複数の溝を形成することで、燃料電池セルの断面で見て、図１のように形成される。
第１及び第２の板材は、燃料ガスや酸化ガスの通過を遮断できる材質で形成される。
【００２３】
燃料電池セルの一断面を見たとき、燃料電池セルは、第１の板材、積層電解質、第２の板材、積層電解質の順に繰り返しつづら折り状に配置される。図１で説明すれば、第１の板材13a、積層電解質C1、第２の板材14a、積層電解質C2とつづら折れ状に配置され、さらに、第１の板材13b、積層電解質C3、第２の板材14b、積層電解質C4、第１の板材13c、・・と、以後は同じようにして繰り返しつづら折れ状に配置される。
積層電解質Ｃ１〜Ｃ４は、積層方向が平行かつ間隔ｙを開けた状態で複数配置されている。個々の積層電解質Ｃ１〜Ｃ４は、イオン伝導性膜１１とイオン非伝導性膜１２の積層体で形成され、イオン伝導性膜１１の面に平行な方向（矢印で示す）にイオンが容易に伝導する性質を有する。
【００２４】
燃料極１５が、隣り合う積層電解質の対向した積層断面同士(例えば面S1と面S2,面S5と面S6)を接続する。
空気極16が、別の隣り合う前記積層電解質の対向した積層断面同士(例えば面S3と面S4)を接続する。
燃料極と空気極が、図１の断面図において第１及び第２の仮想面V1,V2に沿って交互に配置される。
図１の実施形態では、積層電解質Ｃ１〜Ｃ４と第１の板材１３ａ，１３ｂ，１３ｃ又は第２の板材１４ａ，１４ｂ等で囲まれた溝１０１ａ、１０１ｂ、１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃが形成され、燃料極１５は溝１０１ａ、１０１ｂの内面に沿うように両側の積層電解質の面同士を接続し、空気極１６は溝１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃの内面に沿うように両側の積層電解質の面同士を接続する。燃料極１５、空気極１６は、溝の内部全体を埋めるように形成することもできる。
【００２５】
燃料極が第１の板材１３ａ，１３ｂ，１３ｃ又は第２の板材１４ａ，１４ｂを覆うように互いに接続される。また、空気極が前記第２の板材１４ａ，１４ｂ又は第１の板材１３ａ，１３ｂ，１３ｃを覆うように互いに接続される。つまり、積層電解質Ｃ１〜Ｃ４の積層方向の一方の端面側（図では下側）で前記燃料極１５が電気的に接続されており、他方の端面側（図では上側）で前記空気極１６が電気的に接続されている。
第１及び第２の板材は燃料電池セルにおける燃料と空気を遮断する特性を持つ。燃料極１５と空気極１６はこの第１の板材又は第２の板材を介して近接するので、燃料極１５と空気極１６の間で燃料ガスと酸化ガスが混合するのを防止できる。
図１では、第１の板材１３ｂは隣り合う積層電界質Ｃ２とＣ３に接するように配置され、その隣りの積層電解質Ｃ１又はＣ４は、図示していない隣り合う積層電解質に接するように、別の第１の板材１３ａや１３ｃが配置される。同様に、第２の板材１４ａは隣り合う積層電界質Ｃ１とＣ２に接するように配置され、その隣りの積層電解質Ｃ３は別の第２の板材１４ｂが配置される。第２の板材１４ｂはさらに隣の積層電解質Ｃ４に接するように配置される。
【００２６】
第１又は第２の板材はシリコン単結晶又はＳｒＴｉＯ３単結晶を用いることができる。界面の酸素イオン伝導度を高めるには結晶学的に方位の揃った膜を形成する必要がある。上記単結晶材を板材として用いることで容易に酸素イオン伝導度を高めた積層電解質を得ることが可能となる。さらにシリコンウエハを用いた場合はＭＥＭＳでの加工が容易になり、製造上有利である。
【００２７】
第１又は第２の板材の他方がＳｉＯ２、ＳｒＴｉＯ３、ＺｒＯ２のいずれか一つを用いることができる。かかる構成とすることで電極材料や燃料ガスとの反応が少なく、信頼性の高い燃料電池セルを得ることができる。また積層電解質を形成する際にＳｒＴｉＯ３、ＺｒＯ２のいずれかの組成で厚いスパッタ膜を形成するだけで燃料極と空気極のガスを遮断できるので製造上有利である。
【００２８】
イオン伝導面積が小さいと内部抵抗が大きくなり、発電効率が低下する。
図４に示すようなイオン伝導性膜の平面に垂直な向きにイオンを流す従来の燃料電池セルでは、一方の対向する辺の長さがａ、他方の対向する辺の長さがｂである場合、膜の全面に電極３１、３３を形成するため、イオン伝導面積はａ×ｂで算出される。
しかし図３に示す本発明のイオン伝導性膜の面に平行な方向にイオンを流す積層電解質では、イオン伝導面積が、イオン伝導性膜の総厚みｚ（ｚは積層電解質のイオン伝導性膜の各厚さｚ１、ｚ２、ｚ３・・ｚｎ（ｎは正の整数）を足した厚さ）であり、薄膜材料を用いるとイオン伝導性膜の各厚さが極端に薄くなるのでイオン伝導性膜の総厚みも小さくなり、イオン伝導面積が小さくなってしまうが、本発明では複数の積層電解質を、第１及び第２の板材とともにつづら折り状に配置するため、従来と同程度のイオン伝導面積を形成することが容易である。
【００２９】
図１、図３により本実施形態の燃料電池セルにおけるイオン伝導面積を説明する。
イオン伝導面積は、図１の断面図における積層電解質の幅をｘ、積層電解質同士の間隔の幅をｙとし、イオン伝導性膜の総厚みをｚとし、図３に示すように、燃料電池セルの積層電解質が並ぶ方向（図１の左右方向）の幅をＢ、積層電解質の幅方向（図１の紙面垂直方向）の幅をＡとしたとき、次に示す３つのパラメーターの積で決定される。
（１）積層電解質の幅方向（図１の紙面垂直方向）の幅（Ａ）
（２）燃料電池セルの一段面での積層電解質の数（Ｂ/（ｘ＋ｙ））
（３）イオン伝導性膜の総厚み（ｚ）
【００３０】
従来の燃料電池セルと比較すると、（２）の項が追加される点で異なる。すなわち、電解質の幅ｘを狭くし、積層電解質同士の間隔の幅ｙを狭くすることで積層電解質の数を増やし、イオン伝導面積を増やすことができる。これにより発電力が従来と同等で、積層電解質の積層膜を数１０４〜１０８層も設けてｚを極端に大きくすることなく実用的な積総数で構成され、空気極と燃料極が隣接しない燃料電池セルを得ることができる。
【００３１】
積層電解質同士の間隔ｙを狭くすることが望ましく、０．１μｍ以上１０μｍ以下とすることができる。積層電解質同士の間隔が０．１μｍより狭くなると燃料ガスの供給が阻害されて発電効率が低下する。また、間隔の幅ｙが１０μｍよりも広くなると燃料電池セルのサイズが大型化する。また、積層電解質の配置できる数が減ってイオン伝導面積が少なくなり発電効率が低下する。好ましい間隔の幅ｙは０．５μｍ以上５μｍ以下である。
【００３２】
積層電解質の幅ｘは、特に規定はないが、製造上の容易さを考えると１ｃｍ以上１ｍ以下であることが好ましい。幅ｘが１ｃｍよりも小さなセルが必要な場合は大きなセルを加工すれば良いし、１ｍよりも大きなセルを作るのは製造プロセス上困難である。
【００３３】
製造方法の一実施形態を図２により説明する。
まず、第１の薄板２３の上にイオン伝導性膜２１とイオン非伝導性膜２２を交互に積層し、その積層体Ｃの上に第２の薄板２４を形成する。
第１の薄板２３として例えば直径１５２．４ｍｍ、厚さ０．６２５ｍｍのシリコン単結晶のウエハを用いる。０．０００３ＭＰaの酸素雰囲気中、９００℃で加熱しながらスパッタで厚さ１０ｎｍのＳＴＯ膜２２と厚さ３０ｎｍのＹＳＺ膜２１を交互に成膜して積層し、その積層体Ｃの上に第２の薄板２４として厚さ０．５μｍのＳｉＯ２層を形成する（図２ａ）。
次に、ＳＴＯ膜とＹＳＺ膜の積層体Ｃを、第１の薄板２３と第２の薄板２４ごと１００ｍｍ×１００ｍｍの寸法に切り出す。切り出した基板に、９０ｍｍ×３μｍの面積で１μｍ間隔にレジスト２５ａ、２５ｂ、２５ｃを塗布する。（図２ｂ）
本実施形態においては図３に示すように、フォトリソグラフィでさらに外周縁部を幅５ｍｍでレジスト２６を塗布している。外周縁部を形成するのは、燃料電池セルとした後も外周縁部を残し、燃料電池セルの機械強度を高めるためである。
【００３４】
次に、第１の薄板２３側から第１の溝を複数平行に形成する。また、第２の薄板２４側から第２の溝を積層方向に見て第１の溝同士の間にそれぞれ複数平行に形成する。これにより積層方向が平行で、かつ間隔を介して並んだ積層電解質C1〜C5、第１の板材２３ａ，２３ｂ，２３ｃ、第２の板材２４ａ，２４ｂ，２４ｃを形成する。
本実施形態においては、まず第２の薄板２４側からドライエッチングで第１の薄板２３まで深さを持つ第１の溝２０３ａ，２０３ｂを加工する。（図２ｃ）
その後レジスト２５ａ、２５ｂ、２５ｃを除去し、第１の薄板２３側に外周縁部を幅５ｍｍでレジスト（図示せず）を塗布し、さらに９ｃｍ×３μｍの面積で１μｍ間隔にレジスト２７ａ，２７ｂ，２７ｃを塗布する（図２ｄ）。
次にドライエッチングで第１の薄板２３側から第２の板材２４ａ、２４ｂ、２４ｃまで深さを持つ溝２０４ａ、２０４ｂを加工し（図２（ｅ））、その後レジスト２７ａ，２７ｂ，２７ｃを除去する（図２ｆ）。これにより燃料電池セルは、一段面でみて、第１の板材、積層電解質、第２の板材、積層電解質の順に繰り返しつづら折り状に配置された構造となる。
【００３５】
その後、燃料極２９を、前記第１の溝２０４ａ，２０４ｂの内部において両側の積層電解質の面同士を接続し、かつ、第１の板材又は第２の板材を覆うように形成する。また、空気極２８を、第２の溝２０３ａ，２０３ｂの内部において両側の積層電解質の面同士を接続し、かつ、第２の板材又は第１の板材を覆うように形成する。本実施形態においては、空気極２８、燃料極２９はそれぞれスパッタリングによりＰｔ多孔質電極を形成した（図２ｇ）。
以上により、平板型の燃料電池セルを少ない積層工程で容易に得ることができる。
【符号の説明】
【００３６】
１１，２１：イオン伝導性膜、
１２，２２：イオン非伝導性膜、
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，２３ａ，２３ｂ，２３ｃ：第１の板材、
１４ａ，１４ｂ，２４ａ，２４ｂ，２４ｃ：第２の板材、
１５，２９：燃料極、
１６，２８：空気極、
２３：第１の薄板、
２４：第２の薄板、
２５ａ，２５ｂ，２５ｃ、２７ａ，２７ｂ，２７ｃ：レジスト
１０１ａ，１０１ｂ、２０４ａ，２０４ｂ：第１の溝、
１０２ａ,１０２ｂ,２０３ａ，２０３ｂ：第２の溝、
Ｃ１〜Ｃ５：積層電解質
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物型の燃料電池に用いる燃料電池セル、およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は水素を燃料として発電するため、環境負荷が小さく次世代のエネルギーシステムとして注目されてきた。中でも固体酸化物燃料電池（Ｓｏｌｉｄ ｏｘｉｄｅ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ、以下ＳＯＦＣと言う）は発電効率が高く、数多くの研究開発がなされている。
【０００３】
このＳＯＦＣは固体酸化物を電解質に用いており、電解質の役割は酸素イオンを伝導することである。ＳＯＦＣにおいては固体酸化物の電解質に電極（燃料極と空気極）が形成されたものを燃料電池セルと呼ぶ。燃料電池セルを複数積層させて直列に接続させた構造体をセルスタックと呼ぶ。ＳＯＦＣの作動原理は空気極側で酸素を還元し、電解質がその酸素イオンを通過させ、燃料極側で水素と酸素を反応させることで発電するものである。
【０００４】
電解質に要求されるイオン伝導度はシステムの内部抵抗低減の観点から、１×１０−２Ｓ／ｃｍ以上が目安とされ、ＳＯＦＣに用いられる固体電解質は５００℃以上の高温にならないと上記の特性を満足しないのが現状である。そのためＳＯＦＣの動作温度は通常８００℃前後で動作させている。この動作温度の高さからＳＯＦＣは経時劣化しやすいという問題がある。
【０００５】
これらの問題を解決するため５００℃未満で高いイオン伝導性を示す固体酸化物電解質に関する研究がなされており、その一例が非特許文献１に開示されている。非特許文献１の電解質は、厚さが１〜３０ｎｍの０．９２ＺｒＯ２−０．０８Ｙ２Ｏ３（イットリウム安定化ＺｒＯ２（以下、ＹＳＺと言う））からなるイオン伝導性膜を、厚さが１０ｎｍのＳｒＴｉＯ３（チタン酸ストロンチウム（以下、ＳＴＯと言う））からなるイオン非伝導性膜で挟み込んだ構造の積層電解質である。この積層電解質は、イオン伝導性膜とイオン非伝導性膜との界面の酸素イオン伝導が飛躍的に向上すること、１００℃付近でのイオン伝導度が１×１０−２Ｓ／ｃｍと高く、電解質として要求される１×１０−２Ｓ／ｃｍ以上を満足する特性を有することが報告されている。この積層電解質はイオン伝導性膜とイオン非伝導性膜との界面のイオン伝導度が高くなるため、積層するイオン伝導性膜とイオン非伝導性膜の数を増やすと界面の数が増えてイオン伝導量が向上する。
【０００６】
実際の電解質のイオン伝導度は（イオン伝導率×イオン伝導面積／イオン伝導方向の長さ）で決まる。イオン伝導面積は電解質と電極の接触した面積であり、燃料電池反応の反応場でもあるので、イオン伝導面積が小さいと十分な発電量が得られない。一般的な燃料電池はイオン伝導面積が数ｍｍ２〜数ｃｍ２である。
【０００７】
積層電解質は積層した面に沿う方向に高いイオン伝導性を示す。空気極、燃料極はイオン伝導性膜のイオン伝導方向に垂直な面に形成する必要が有る。
非特許文献１では、イオン伝導性膜は膜厚がｎｍオーダーの薄膜材であるのでイオン伝導面積を大きくするには積層数を増やす必要が有る。
ただし上記の積層電解質で一般的な燃料電池と同等のイオン伝導面積を得るにはイオン伝導性膜とイオン非伝導性膜を数万〜数億層重ねなければならず、実用的な燃料電池セルを形成することは困難であった。
【０００８】
特許文献１では、この非常に多層である積層電解質を備えた燃料電池セルを従来技術として挙げ、１００ｎｍ程度の間隔で直径５０〜２００ｎｍの穴の開いた多孔体の中に積層した電解質を形成することで実用的な工程で積層構造の電解質を有した燃料電池セルを形成する方法を提案している。しかし、この方法によれば多孔体の中に積層した電解質を隣接させた状態で形成させるため、空気極の内部を通過する空気と燃料極の内部を通過する燃料ガスが混ざってしまい、発電効率が低下する可能性が有る。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】J.Garcia-Barriocanal et-al, Science, 321(2008) 676
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２０１０-２５１３０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は上記問題に鑑み、イオン伝導性膜の積層数が実用的な範囲で構成され、空気極と燃料極が隣接せず従来と同程度の発電効率を備えた燃料電池セル、及びその燃料電池セルの製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
第１の本発明は、イオン伝導性膜とイオン非伝導性膜が交互に積層された積層電解質と、前記積層電解質の積層断面に燃料極と空気極を備えた燃料電池セルであって、
第１の仮想面に沿って並ぶ複数の第１の板材と、第１の仮想面と平行な第２の仮想面に沿って並ぶ複数の第２の板材を備え、
前記第１の板材と前記第２の板材の間に、前記積層電解質が積層方向を前記第１及び第２の仮想面の垂直方向になるように配置され、
前記燃料電池セルの一断面を見たとき、
前記燃料電池セルは、第１の板材、積層電解質、第２の板材、積層電解質の順に繰り返しつづら折り状に配置され、
前記燃料極が、隣り合う前記積層電解質の積層断面同士を接続し、かつ前記第１の板材又は第２の板材を覆うように形成され、
前記空気極が、別の隣り合う前記積層電解質の積層断面同士を接続し、かつ前記第２の板材又は第１の板材を覆うように形成され、
前記燃料極と空気極が前記第１の仮想面と第２の仮想面の間において交互に配置されることを特徴とする。
【００１３】
第２の本発明は、第１の本発明に記載の燃料電池セルであって、
前記イオン伝導性膜がイットリウム安定化ＺｒＯ２膜（ＹＳＺ膜）からなり、前記イオン非伝導性膜がＳｒＴｉＯ３（ＳＴＯ膜）からなることを特徴とする。
【００１４】
第３の本発明は、第１又は第２の本発明の何れかに記載の燃料電池セルであって、
前記第１または第２の板材の一方がシリコン単結晶またはＳｒＴｉＯ３単結晶からなることを特徴とする。
【００１５】
第４の本発明は、第１乃至第３の本発明の何れかに記載の燃料電池セルであって、
前記第１または第２の板材の他方がＳｉＯ２、ＳｒＴｉＯ３、ＺｒＯ２のいずれか一つからなることを特徴とする。
【００１６】
第５の本発明は、
第１の薄板の上にイオン伝導性膜とイオン非伝導性膜を交互に積層し、その積層膜の上に第２の薄板を形成する工程と、
前記第１の薄板側から第１の溝を複数平行に形成し、前記第２の薄板側から第２の溝を積層方向に見て前記第１の溝同士の間にそれぞれ複数平行に形成することで複数の積層電解質、複数の第１の板材、複数の第２の板材を形成し、前記第１の板材、積層電解質、第２の板材、積層電解質の順に繰り返しつづら折り状に配置される構成とする工程と、
燃料極として、前記第１の溝の内部において両側の前記積層電解質の面同士を接続し、かつ、前記第１の板材又は第２の板材を覆うように形成する工程と、
空気極として、前記第２の溝の内部において両側の前記積層電解質の面同士を接続し、かつ、前記第２の板材又は第１の板材を覆うように形成する工程と、を有することを特徴とする燃料電池セルの製造方法である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、イオン伝導性膜の積層数が実用的な範囲で構成され、空気極と燃料極が隣接せず従来よりも簡易な方法で製造でき、従来よりも小型で狭い範囲で設置できるとともに、同程度の発電効率を備えた燃料電池セル、及びその燃料電池セルの製造方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の燃料電池セルを説明するための断面模式図である。
【図２】本発明の燃料電池セルの製造方法を示す図である。
【図３】本発明の燃料電池セルを説明するための模式図である。
【図４】従来の燃料電池セルの模式図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の一実施形態を図面により説明する。
図１は平板型の燃料電池セルの部分的な断面模式図であり、イオン伝導性膜１１とイオン非伝導性膜１２を交互に積層した積層電解質C1〜C4と、前記積層電解質C1〜C4の積層断面に燃料極15と空気極16を備える。
図３は燃料電池セルの全体の斜視図である。
なお、図１や図３は模式図であって、説明のために積層電解質同士の間隔の幅や、イオン伝導性膜、イオン非伝導性膜、第１及び第２の板材、燃料極、空気極の厚さを広げて記載している。
【００２０】
積層電解質Ｃ１〜Ｃ４は板状に形成できる。なお、イオン伝導性膜１１とイオン非伝導性膜１２は、板状の面に沿う方向に積層される。板状の積層電解質Ｃ１〜Ｃ４は、後述するように、間隔を介して平行に配置される。
燃料極１５は、燃料電池における負電極として機能し、H2,CO,CH4等の燃料ガスが通過可能な導電性セラミックが用いられる。
また空気極１６は、燃料電池における正電極として機能し、酸素源となる酸化ガスが通過可能な導電性セラミックが用いられる。
燃料極１５、空気極１６とも積層電解質Ｃ１〜Ｃ４のイオン伝導性膜１１とイオン非伝導性膜１２の端部が露出する積層断面に形成される。
【００２１】
イオン伝導性膜として、ＹＳＺ膜を用いることができる。また、イオン非伝導性膜としてＳＴＯ膜を用いることができる。
かかる構成とすることで、５００℃未満の低温でも内部抵抗の低い燃料電池セルとすることができる。
ＹＳＺ膜の厚みは５ｎｍ以上４０ｎｍ以下が好ましい。ＹＳＺ膜が５ｎｍ未満の薄さであると電解質のイオン伝導面積が小さくなるため内部抵抗が高くなる。またＹＳＺ膜が４０ｎｍ超の厚さであると界面の酸素イオン伝導性が損なわれてしまい同様に内部抵抗が高くなる。
ＳＴＯ膜は５ｎｍ以上２０ｎｍ以下の厚みが好ましい。ＳＴＯ膜は５ｎｍ未満では十分なイオン伝導度が得られず、２０ｎｍ超であるとイオンを通さない部分が増えてしまい、内部抵抗が高くなる。
【００２２】
本実施形態において、燃料電池セルは、第１の仮想面V1に沿って並ぶ複数の第１の板材13a〜13cと、第１の仮想面V1と平行な第２の仮想面V2に沿って並ぶ複数の第２の板材14a,14bを備える。第１及び第２の仮想面は、第１及び第２の板材の位置関係を明確にするためのものであり、本実施形態における構成部材ではない。
第１の板材13a〜13cは、後述するように一体の第１の薄板をそれぞれ分割するか、複数の溝を形成することで、燃料電池セルの断面で見て、図１のように形成される。また、同様に第２の板材も、一体の基板状の板材をそれぞれ分割するか、複数の溝を形成することで、燃料電池セルの断面で見て、図１のように形成される。
第１及び第２の板材は、燃料ガスや酸化ガスの通過を遮断できる材質で形成される。
【００２３】
燃料電池セルの一断面を見たとき、燃料電池セルは、第１の板材、積層電解質、第２の板材、積層電解質の順に繰り返しつづら折り状に配置される。図１で説明すれば、第１の板材13a、積層電解質C1、第２の板材14a、積層電解質C2とつづら折れ状に配置され、さらに、第１の板材13b、積層電解質C3、第２の板材14b、積層電解質C4、第１の板材13c、・・と、以後は同じようにして繰り返しつづら折れ状に配置される。
積層電解質Ｃ１〜Ｃ４は、積層方向が平行かつ間隔ｙを開けた状態で複数配置されている。個々の積層電解質Ｃ１〜Ｃ４は、イオン伝導性膜１１とイオン非伝導性膜１２の積層体で形成され、イオン伝導性膜１１の面に平行な方向（矢印で示す）にイオンが容易に伝導する性質を有する。
【００２４】
燃料極１５が、隣り合う積層電解質の対向した積層断面同士(例えば面S1と面S2,面S5と面S6)を接続する。
空気極16が、別の隣り合う前記積層電解質の対向した積層断面同士(例えば面S3と面S4)を接続する。
燃料極と空気極が、図１の断面図において第１及び第２の仮想面V1,V2に沿って交互に配置される。
図１の実施形態では、積層電解質Ｃ１〜Ｃ４と第１の板材１３ａ，１３ｂ，１３ｃ又は第２の板材１４ａ，１４ｂ等で囲まれた溝１０１ａ、１０１ｂ、１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃが形成され、燃料極１５は溝１０１ａ、１０１ｂの内面に沿うように両側の積層電解質の面同士を接続し、空気極１６は溝１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃの内面に沿うように両側の積層電解質の面同士を接続する。燃料極１５、空気極１６は、溝の内部全体を埋めるように形成することもできる。
【００２５】
燃料極が第１の板材１３ａ，１３ｂ，１３ｃ又は第２の板材１４ａ，１４ｂを覆うように互いに接続される。また、空気極が前記第２の板材１４ａ，１４ｂ又は第１の板材１３ａ，１３ｂ，１３ｃを覆うように互いに接続される。つまり、積層電解質Ｃ１〜Ｃ４の積層方向の一方の端面側（図では下側）で前記燃料極１５が電気的に接続されており、他方の端面側（図では上側）で前記空気極１６が電気的に接続されている。
第１及び第２の板材は燃料電池セルにおける燃料と空気を遮断する特性を持つ。燃料極１５と空気極１６はこの第１の板材又は第２の板材を介して近接するので、燃料極１５と空気極１６の間で燃料ガスと酸化ガスが混合するのを防止できる。
図１では、第１の板材１３ｂは隣り合う積層電界質Ｃ２とＣ３に接するように配置され、その隣りの積層電解質Ｃ１又はＣ４は、図示していない隣り合う積層電解質に接するように、別の第１の板材１３ａや１３ｃが配置される。同様に、第２の板材１４ａは隣り合う積層電界質Ｃ１とＣ２に接するように配置され、その隣りの積層電解質Ｃ３は別の第２の板材１４ｂが配置される。第２の板材１４ｂはさらに隣の積層電解質Ｃ４に接するように配置される。
【００２６】
第１又は第２の板材はシリコン単結晶又はＳｒＴｉＯ３単結晶を用いることができる。界面の酸素イオン伝導度を高めるには結晶学的に方位の揃った膜を形成する必要がある。上記単結晶材を板材として用いることで容易に酸素イオン伝導度を高めた積層電解質を得ることが可能となる。さらにシリコンウエハを用いた場合はＭＥＭＳでの加工が容易になり、製造上有利である。
【００２７】
第１又は第２の板材の他方がＳｉＯ２、ＳｒＴｉＯ３、ＺｒＯ２のいずれか一つを用いることができる。かかる構成とすることで電極材料や燃料ガスとの反応が少なく、信頼性の高い燃料電池セルを得ることができる。また積層電解質を形成する際にＳｒＴｉＯ３、ＺｒＯ２のいずれかの組成で厚いスパッタ膜を形成するだけで燃料極と空気極のガスを遮断できるので製造上有利である。
【００２８】
イオン伝導面積が小さいと内部抵抗が大きくなり、発電効率が低下する。
図４に示すようなイオン伝導性膜の平面に垂直な向きにイオンを流す従来の燃料電池セルでは、一方の対向する辺の長さがａ、他方の対向する辺の長さがｂである場合、膜の全面に電極３１、３３を形成するため、イオン伝導面積はａ×ｂで算出される。
しかし図３に示す本発明のイオン伝導性膜の面に平行な方向にイオンを流す積層電解質では、イオン伝導面積が、イオン伝導性膜の総厚みｚ（ｚは積層電解質のイオン伝導性膜の各厚さｚ１、ｚ２、ｚ３・・ｚｎ（ｎは正の整数）を足した厚さ）であり、薄膜材料を用いるとイオン伝導性膜の各厚さが極端に薄くなるのでイオン伝導性膜の総厚みも小さくなり、イオン伝導面積が小さくなってしまうが、本発明では複数の積層電解質を、第１及び第２の板材とともにつづら折り状に配置するため、従来と同程度のイオン伝導面積を形成することが容易である。
【００２９】
図１、図３により本実施形態の燃料電池セルにおけるイオン伝導面積を説明する。
イオン伝導面積は、図１の断面図における積層電解質の幅をｘ、積層電解質同士の間隔の幅をｙとし、イオン伝導性膜の総厚みをｚとし、図３に示すように、燃料電池セルの積層電解質が並ぶ方向（図１の左右方向）の幅をＢ、積層電解質の幅方向（図１の紙面垂直方向）の幅をＡとしたとき、次に示す３つのパラメーターの積で決定される。
（１）積層電解質の幅方向（図１の紙面垂直方向）の幅（Ａ）
（２）燃料電池セルの一段面での積層電解質の数（Ｂ/（ｘ＋ｙ））
（３）イオン伝導性膜の総厚み（ｚ）
【００３０】
従来の燃料電池セルと比較すると、（２）の項が追加される点で異なる。すなわち、電解質の幅ｘを狭くし、積層電解質同士の間隔の幅ｙを狭くすることで積層電解質の数を増やし、イオン伝導面積を増やすことができる。これにより発電力が従来と同等で、積層電解質の積層膜を数１０４〜１０８層も設けてｚを極端に大きくすることなく実用的な積総数で構成され、空気極と燃料極が隣接しない燃料電池セルを得ることができる。
【００３１】
積層電解質同士の間隔ｙを狭くすることが望ましく、０．１μｍ以上１０μｍ以下とすることができる。積層電解質同士の間隔が０．１μｍより狭くなると燃料ガスの供給が阻害されて発電効率が低下する。また、間隔の幅ｙが１０μｍよりも広くなると燃料電池セルのサイズが大型化する。また、積層電解質の配置できる数が減ってイオン伝導面積が少なくなり発電効率が低下する。好ましい間隔の幅ｙは０．５μｍ以上５μｍ以下である。
【００３２】
積層電解質の幅ｘは、特に規定はないが、製造上の容易さを考えると１ｃｍ以上１ｍ以下であることが好ましい。幅ｘが１ｃｍよりも小さなセルが必要な場合は大きなセルを加工すれば良いし、１ｍよりも大きなセルを作るのは製造プロセス上困難である。
【００３３】
製造方法の一実施形態を図２により説明する。
まず、第１の薄板２３の上にイオン伝導性膜２１とイオン非伝導性膜２２を交互に積層し、その積層体Ｃの上に第２の薄板２４を形成する。
第１の薄板２３として例えば直径１５２．４ｍｍ、厚さ０．６２５ｍｍのシリコン単結晶のウエハを用いる。０．０００３ＭＰaの酸素雰囲気中、９００℃で加熱しながらスパッタで厚さ１０ｎｍのＳＴＯ膜２２と厚さ３０ｎｍのＹＳＺ膜２１を交互に成膜して積層し、その積層体Ｃの上に第２の薄板２４として厚さ０．５μｍのＳｉＯ２層を形成する（図２ａ）。
次に、ＳＴＯ膜とＹＳＺ膜の積層体Ｃを、第１の薄板２３と第２の薄板２４ごと１００ｍｍ×１００ｍｍの寸法に切り出す。切り出した基板に、９０ｍｍ×３μｍの面積で１μｍ間隔にレジスト２５ａ、２５ｂ、２５ｃを塗布する。（図２ｂ）
本実施形態においては図３に示すように、フォトリソグラフィでさらに外周縁部を幅５ｍｍでレジスト２６を塗布している。外周縁部を形成するのは、燃料電池セルとした後も外周縁部を残し、燃料電池セルの機械強度を高めるためである。
【００３４】
次に、第１の薄板２３側から第１の溝を複数平行に形成する。また、第２の薄板２４側から第２の溝を積層方向に見て第１の溝同士の間にそれぞれ複数平行に形成する。これにより積層方向が平行で、かつ間隔を介して並んだ積層電解質C1〜C5、第１の板材２３ａ，２３ｂ，２３ｃ、第２の板材２４ａ，２４ｂ，２４ｃを形成する。
本実施形態においては、まず第２の薄板２４側からドライエッチングで第１の薄板２３まで深さを持つ第１の溝２０３ａ，２０３ｂを加工する。（図２ｃ）
その後レジスト２５ａ、２５ｂ、２５ｃを除去し、第１の薄板２３側に外周縁部を幅５ｍｍでレジスト（図示せず）を塗布し、さらに９ｃｍ×３μｍの面積で１μｍ間隔にレジスト２７ａ，２７ｂ，２７ｃを塗布する（図２ｄ）。
次にドライエッチングで第１の薄板２３側から第２の板材２４ａ、２４ｂ、２４ｃまで深さを持つ溝２０４ａ、２０４ｂを加工し（図２（ｅ））、その後レジスト２７ａ，２７ｂ，２７ｃを除去する（図２ｆ）。これにより燃料電池セルは、一段面でみて、第１の板材、積層電解質、第２の板材、積層電解質の順に繰り返しつづら折り状に配置された構造となる。
【００３５】
その後、燃料極２９を、前記第１の溝２０４ａ，２０４ｂの内部において両側の積層電解質の面同士を接続し、かつ、第１の板材又は第２の板材を覆うように形成する。また、空気極２８を、第２の溝２０３ａ，２０３ｂの内部において両側の積層電解質の面同士を接続し、かつ、第２の板材又は第１の板材を覆うように形成する。本実施形態においては、空気極２８、燃料極２９はそれぞれスパッタリングによりＰｔ多孔質電極を形成した（図２ｇ）。
以上により、平板型の燃料電池セルを少ない積層工程で容易に得ることができる。
【符号の説明】
【００３６】
１１，２１：イオン伝導性膜、
１２，２２：イオン非伝導性膜、
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，２３ａ，２３ｂ，２３ｃ：第１の板材、
１４ａ，１４ｂ，２４ａ，２４ｂ，２４ｃ：第２の板材、
１５，２９：燃料極、
１６，２８：空気極、
２３：第１の薄板、
２４：第２の薄板、
２５ａ，２５ｂ，２５ｃ、２７ａ，２７ｂ，２７ｃ：レジスト
１０１ａ，１０１ｂ、２０４ａ，２０４ｂ：第１の溝、
１０２ａ,１０２ｂ,２０３ａ，２０３ｂ：第２の溝、
Ｃ１〜Ｃ５：積層電解質
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン伝導性膜とイオン非伝導性膜が交互に積層された積層電解質と、前記積層電解質の積層断面に燃料極と空気極を備えた燃料電池セルであって、
第１の仮想面に沿って並ぶ複数の第１の板材と、第１の仮想面と平行な第２の仮想面に沿って並ぶ複数の第２の板材を備え、
前記第１の板材と前記第２の板材の間に、前記積層電解質が積層方向を前記第１及び第２の仮想面の垂直方向になるように配置され、
前記燃料電池セルの一断面を見たとき、
前記燃料電池セルは、第１の板材、積層電解質、第２の板材、積層電解質の順に繰り返しつづら折り状に配置され、
前記燃料極が、隣り合う前記積層電解質の積層断面同士を接続し、かつ前記第１の板材又は第２の板材を覆うように形成され、
前記空気極が、別の隣り合う前記積層電解質の積層断面同士を接続し、かつ前記第２の板材又は第１の板材を覆うように形成され、
前記燃料極と空気極が前記第１の仮想面と第２の仮想面の間において交互に配置されることを特徴とする燃料電池セル。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池セルであって、
前記イオン伝導性膜がイットリウム安定化ＺｒＯ２膜（ＹＳＺ膜）からなり、前記イオン非伝導性膜がＳｒＴｉＯ３（ＳＴＯ膜）からなることを特徴とする燃料電池セル。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池セルであって、
前記第１又は第２の板材の一方がシリコン単結晶又はＳｒＴｉＯ３単結晶からなることを特徴とする燃料電池セル。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３の何れかに記載の燃料電池セルであって、
前記第１又は第２の板材の他方がＳｉＯ２、ＳｒＴｉＯ３、ＺｒＯ２のいずれか一つからなることを特徴とする燃料電池セル。
【請求項５】
第１の薄板の上にイオン伝導性膜とイオン非伝導性膜を交互に積層し、その積層膜の上に第２の薄板を形成する工程と、
前記第１の薄板側から第１の溝を複数平行に形成し、前記第２の薄板側から第２の溝を積層方向に見て前記第１の溝同士の間にそれぞれ複数平行に形成することで複数の積層電解質、複数の第１の板材、複数の第２の板材を形成し、前記第１の板材、積層電解質、第２の板材、積層電解質の順に繰り返しつづら折り状に配置される構成とする工程と、
燃料極として、前記第１の溝の内部において両側の前記積層電解質の面同士を接続し、かつ、前記第１の板材又は第２の板材を覆うように形成する工程と、
空気極として、前記第２の溝の内部において両側の前記積層電解質の面同士を接続し、かつ、前記第２の板材又は第１の板材を覆うように形成する工程と、を有することを特徴とする燃料電池セルの製造方法。
【請求項１】
イオン伝導性膜とイオン非伝導性膜が交互に積層された積層電解質と、前記積層電解質の積層断面に燃料極と空気極を備えた燃料電池セルであって、
第１の仮想面に沿って並ぶ複数の第１の板材と、第１の仮想面と平行な第２の仮想面に沿って並ぶ複数の第２の板材を備え、
前記第１の板材と前記第２の板材の間に、前記積層電解質が積層方向を前記第１及び第２の仮想面の垂直方向になるように配置され、
前記燃料電池セルの一断面を見たとき、
前記燃料電池セルは、第１の板材、積層電解質、第２の板材、積層電解質の順に繰り返しつづら折り状に配置され、
前記燃料極が、隣り合う前記積層電解質の積層断面同士を接続し、かつ前記第１の板材又は第２の板材を覆うように形成され、
前記空気極が、別の隣り合う前記積層電解質の積層断面同士を接続し、かつ前記第２の板材又は第１の板材を覆うように形成され、
前記燃料極と空気極が前記第１の仮想面と第２の仮想面の間において交互に配置されることを特徴とする燃料電池セル。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池セルであって、
前記イオン伝導性膜がイットリウム安定化ＺｒＯ２膜（ＹＳＺ膜）からなり、前記イオン非伝導性膜がＳｒＴｉＯ３（ＳＴＯ膜）からなることを特徴とする燃料電池セル。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池セルであって、
前記第１又は第２の板材の一方がシリコン単結晶又はＳｒＴｉＯ３単結晶からなることを特徴とする燃料電池セル。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３の何れかに記載の燃料電池セルであって、
前記第１又は第２の板材の他方がＳｉＯ２、ＳｒＴｉＯ３、ＺｒＯ２のいずれか一つからなることを特徴とする燃料電池セル。
【請求項５】
第１の薄板の上にイオン伝導性膜とイオン非伝導性膜を交互に積層し、その積層膜の上に第２の薄板を形成する工程と、
前記第１の薄板側から第１の溝を複数平行に形成し、前記第２の薄板側から第２の溝を積層方向に見て前記第１の溝同士の間にそれぞれ複数平行に形成することで複数の積層電解質、複数の第１の板材、複数の第２の板材を形成し、前記第１の板材、積層電解質、第２の板材、積層電解質の順に繰り返しつづら折り状に配置される構成とする工程と、
燃料極として、前記第１の溝の内部において両側の前記積層電解質の面同士を接続し、かつ、前記第１の板材又は第２の板材を覆うように形成する工程と、
空気極として、前記第２の溝の内部において両側の前記積層電解質の面同士を接続し、かつ、前記第２の板材又は第１の板材を覆うように形成する工程と、を有することを特徴とする燃料電池セルの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１３−５８３６０（Ｐ２０１３−５８３６０Ａ）
【公開日】平成２５年３月２８日（２０１３．３．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１９５３８５（Ｐ２０１１−１９５３８５）
【出願日】平成２３年９月７日（２０１１．９．７）
【出願人】（０００００５０８３）日立金属株式会社 (2,051)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月２８日（２０１３．３．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月７日（２０１１．９．７）
【出願人】（０００００５０８３）日立金属株式会社 (2,051)
【Ｆターム（参考）】
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