JP3841149B2 - 固体電解質型燃料電池用単セル - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体電解質を用い、電気化学反応により電気エネルギーを得る固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）用の単セルに係り、更に詳細には、固体電解質を電極で挟持して成る固体電解質型燃料電池用単セル及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、２つの電極、即ち燃料極（アノード）と空気極（カソード）で固体酸化物電解質を挟持する構成を発電要素としてもち、燃料極側に水素、メタンなどの炭化水素系燃料ガスを通じ、空気極側側に酸素、空気などの酸化性ガスを通じて発電する固体電解質型燃料電池（以下「ＳＯＦＣ」と略す）が知られている。
かかるＳＯＦＣは、その発電効率が高く、また排熱利用も可能であり第三世代の燃料電池として期待されている。
【０００３】
従来から知られているＳＯＦＣのセル構造としては、図１に示すような電解質支持型セルを例示できる。このセルは、電解質材料粉を高密度に焼結して緻密電解質体１２とし、その表裏にスクリーン印刷等で燃料極１０及び空気極１１を形成して成る。また、このセルは電解質を発電要素の支持部材として使用している。
また、他の例として、図２に電極支持型セルを例示する。このセルは、電極材料粉を焼結し多孔質電極体１０とし、その上に電解質層１２及び電極層１１をスクリーン印刷等で形成して成る。更に、このセルは、多孔質電極体を発電要素の支持部材として使用している。
【０００４】
具体的には、特開平９−５０８１２号公報では、気孔率が板厚方向に異なるセラミックス電極材料粉の焼結体より成る多孔質電極基板が報告されている。
また、特開平２０００−２００６１４号公報では、同様にセラミックス電極材料粉の焼結体より成る多孔質電極基板が報告されている。
更に、燃料極／電解質／空気極（以下「発電要素」と略す）の支持部材として、図３に示すような燃料極１０／電解質１２／空気極１１を多孔質金属基体１に溶射法にて製膜したセルが報告されている。
更にまた、ＤＬＲセル（Ｐｌａｓｍａ Ｓｐｒａｙｅｄ Ｔｈｉｎ−ＦｉｌｍＳＯＦＣ ｆｏｒ Ｒｅｄｕｃｅｄ Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ，Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ Ｂｕｌｌｅｔｉｎ，ｐｐ５９７−６００，２０００）が提案されている。
【０００５】
また、特開平７−４５２９７号公報、実開昭６３−１０６０６３号公報などで開示されているように、従来から知られているＳＯＦＣでは、燃料極、空気極で発生した電力を集電するために電極とは別個にＮｉフェルトなどの集電体が使用されている。
更に、かかるＳＯＦＣは、多数の電池要素を電気的に直列又は並列に接続して使用されており、その際に、各電池要素を電気的に接続する部材（以下「Ｉ．Ｃ．（インタコネクタ）」と略す）を必要としている。このＩ．Ｃ．は集電体機能を備える場合もある。
更にまた、ＳＯＦＣは、燃料極側に水素、メタンなどの炭化水素系燃料ガスを、空気極側側に酸素、空気などの酸化性ガスを通じて発電するため、ガスを電極表面に導くためのガス流路を形成する部材を必要とする。このガス流路はＩ．Ｃ．機能を備える場合もある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１に示す電解質支持型セルは、電解質を発電要素の支持部材として使用するため、電解質の厚みは機械的な強度要請からおおよそ数百μｍ〜数ｍｍとなり、電解質部分の内部抵抗が増加することがあった。
また、図２に示す電極支持型セルは、電極を発電要素の支持部材として使用するため、電極体の厚みは機械的な強度要請からおおよそ数ｍｍ以上となり、電極部分の内部抵抗が増加することに加え、燃料ガス又は酸化性ガスの通気性・拡散性が悪化することがあった。
更に、通気性を改善した特開平９−５０８１２号公報及び特開平２０００−２００６１４号公報に開示された多孔質セラミックス電極基板は、電気伝導に対して十分ではなく、またセラミックス材料特有の脆性がある。
更にまた、Ｉ．Ｃ．及びガス流路部材は、図１及び図２に示したセルとは別個に設置する必要があり、ＳＯＦＣの小型化の障害となっていた。
【０００７】
また、図３に示したセルでは、▲１▼溶射成膜の制約のためか、電極、電解質の各膜厚が数十μｍと厚く、内部抵抗が減じられない、▲２▼多孔金属体表面が粗いためか、電極、電解質を薄膜化できず内部抵抗を減じられない、▲３▼セル下部燃料極へのガス流路として、多孔質金属体をガス流路として使用せず、概凹状断面を有するプレートを使用しているためセル小型化が図れない、▲４▼セル上部空気極へのガス流路として、多孔質金属体をガス流路として使用せず、概波状断面を有するプレート１５を使用しているためセル小型化が図れない、ことがあった。
【０００８】
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、電極（空気極及び燃料極）及び固体電解質を薄膜化して内部抵抗を低減し、小型化を達成した固体電解質型燃料電池用単セル及びその製造方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、電池要素の支持基体として所望の強度を有する多孔性金属基体を用い、電池出力の集電機能とガス流路機能を担わせることにより、上記課題が解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１０】
即ち、本発明の固体電解質型燃料電池用単セルは、固体電解質を空気極及び燃料極で挟持して成る挟持体の表面及び／又は裏面に多孔質金属基体を被覆して成る固体電解質型燃料電池用の単セルであって、
上記多孔質金属基体が、ニッケルクロム鉄又は鉄クロムアルミを含む合金であり、燃料ガス及び／又は酸化性ガスを流通するとともに上記挟持体が形成する反応場より電池出力を集電することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の他の固体電解質型燃料電池用単セルは、固体電解質を空気極及び燃料極で挟持して成る挟持体の表面及び／又は裏面に多孔質金属基体を被覆して成る固体電解質型燃料電池用の単セルであって、
上記多孔質金属基体が、ニッケル又は銀をセラミックスにメッキして成り、燃料ガス及び／又は酸化性ガスを流通するとともに上記挟持体が形成する反応場より電池出力を集電することを特徴とする。
【００１２】
更に、本発明の固体電解質型燃料電池用単セルの好適形態は、上記多孔質金属基体を被覆された空気極及び／又は燃料極が、１〜５０μｍの厚さであることを特徴とする。
【００１３】
更にまた、本発明の固体電解質型燃料電池用単セルの他の好適形態は、上記固体電解質が、５０μｍ以下の厚さであることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の固体電解質型燃料電池用単セルの更に他の好適形態は、上記多孔質金属基体が、０．５〜５ｍｍの厚さであることを特徴とする。
【００１５】
更に、本発明の固体電解質型燃料電池用単セルの他の好適形態は、上記多孔質金属基体が、空孔率の異なる同種又は異種の多孔質基体層を２層以上積層して成る積層体であることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明の固体電解質型燃料電池用単セルの製造方法は、多孔質金属基体、空気極、燃料極及び固体電解質を加熱及び加圧して接合し、上記固体電解質型燃料電池用単セルを製造するに当たり、
多孔質金属基体Ａに空気極又は燃料極を被覆する工程と、該空気極又は燃料極に固体電解質を被覆する工程と、該固体電解質に燃料極又は空気極を被覆する工程と、該燃料極又は空気極に多孔質金属基体Ｂを被覆する工程と、を行うことを特徴とする。
【００１８】
更に、本発明の固体電解質型燃料電池用単セルの他の製造方法は、多孔質金属基体、空気極、燃料極及び固体電解質を加熱及び加圧して接合し、上記固体電解質型燃料電池用単セルを製造するに当たり、
多孔質金属基体Ａに空気極又は燃料極を被覆する工程と、該空気極又は燃料極に固体電解質を被覆する工程と、多孔質金属基体Ｂに燃料極又は空気極を被覆する工程と、該多孔質金属基体Ａと該多孔質金属基体Ｂとを該空気極及び燃料極が該固体電解質を挟持するように接合する工程と、を行うことを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の固体電解質型燃料電池用単セルについて詳細に説明する。なお、本明細書において、「％」は特記しない限り質量百分率を示す。
また、説明の便宜上、基体や電極などの一方の面を「表面」及び「上面」、他の面を「裏面」及び「下面」などと記載するが、これらは等価な要素であり、相互に置換した構成も本発明の範囲に含まれるのは言うまでもない。
【００２０】
かかる固体電解質型燃料電池用単セル（以下「単セル」と略す）は、固体電解質を空気極及び燃料極で挟持して成る挟持体の表面及び／又は裏面に多孔質金属基体を被覆して成る。
例えば、図４に示すように上記挟持体の一方の面に多孔質金属基体１を被覆した単セル（多孔質金属基体１／燃料極１０／固体電解質１２／空気極１１、又は多孔質金属基体１／空気極１０／固体電解質１２／燃料極１１の構成を採る）や、図５に示すように上記挟持体の両面に多孔質金属基体１及び２を被覆した単セル（多孔質金属基体１／燃料極１０／固体電解質１２／空気極１１／多孔質金属基体２、又は多孔質金属基体１／空気極１０／固体電解質１２／燃料極１１／多孔質金属基体２の構成を採る）を挙げることができる。なお、図４に示す構成の単セルを用いてスタックを形成するときには、上記挟持体が多孔質金属基体１に挟まれる構成となることはいうまでもない。
【００２１】
また、本発明の単セルは、上記多孔質金属基体が、燃料ガス及び／又は酸化性ガスを流通するとともに上記挟持体が形成する反応場より電池出力を集電することを特徴とする。
これより、図５に示す構成の単セルでは、図６に示すようにガス通気性・拡散性を有する多孔質金属を支持基体として使用することで、該多孔質金属基体１に密着設置される燃料極１０には燃料ガスを、該多孔質金属基体２に密着設置される空気極１１には空気を供給することができる。即ち、本発明の単セルの一部を構成する多孔質金属基体は支持基体としての役割及びガス流路としての役割を兼ねるため、固体電解質、空気極及び燃料極の全てを薄膜化し、単セルの内部抵抗を低減し得る。
なお、図１や図２に示すような従来型の単セルにおいて、燃料極、空気極及び電解質を薄膜化した薄膜型単セルを形成する場合は、固体電解質、空気極及び燃料極（電池要素）自体では自立（支持）できなくなるが、本発明の単セルは、電池要素を支えるための支持基体が設けられており、薄膜化した電池要素であっても支持することができる。
【００２２】
ここで、上記多孔質金属基体は、電気伝導性を有し、上記挟持体が形成する反応場より電池出力を集電する。即ち、上記多孔質金属基体は集電部材としての役割をも兼ねるため、本発明の単セルを用いて製造したＳＯＦＣは小型化することができる。
かかる多孔質金属基体としては、ニッケルクロム鉄（Ｎｉ−Ｃｒ−Ｆｅ）又は鉄クロムアルミ（Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ）を含む合金を使用する。また、セラミックスにＮｉ又はＡｇによりメッキを施したものを使用する。
なお、上記以外の多孔質金属基体では、燃料ガス又は酸化性ガスの作り出す、還元雰囲気又は酸化雰囲気に十分な耐性が得られないことがある。また、本単セルを用いて製造したＳＯＦＣは、燃料ガスとしてメタノール、天然ガス、ガソリンなど炭化水素系ガスを使用できるが、このとき燃料極側に設置される多孔質金属基体が燃料ガス中に含まれる硫黄などに犯されないようにする必要がある。更に、本単セルを用いて製造したＳＯＦＣは、酸化性ガスとして酸素ガス、空気を使用できるが、このとき空気極側に設置される多孔質金属基体は酸化性ガス中で酸化されないようにする必要がある。
【００２３】
また、上記多孔質金属基体は、０．５〜５ｍｍの厚さであることが好ましい。この場合は、支持部材としての強度性、Ｉ．Ｃ．（インタコネクタ）としての電気伝導性、及びガス流路としてのガス通気性・拡散性を確保できる。なお、多孔質金属基体の厚さが０．５ｍｍ未満では支持体としての強度が不足することがあり、５ｍｍを超えると支持体の熱変形が大きくなることがある。
【００２４】
更に、上記多孔質金属基体としては、空孔率の異なる同種又は異種の多孔質基体層を２層以上積層して成る積層体を使用することが好適である。これより、空孔率の低い層（表面層）には、電極、固体電解質の順に薄膜を良好に被覆できる機能（以下「膜形成機能」と称する）、電極から集電する機能及びＩ．Ｃ．機能、また、表面層以外の層に、表面層支持機能、ガス流路機能及びＩ．Ｃ．機能を分担させて発揮させることができる。例えば、図７に示すように、電極と接する表面層３と、この表面層３とは空孔率の異なる表面層以外の層４との積層構造とすることができる。
なお、上記多孔質金属基体は、薄膜電池要素である燃料極や空気極の全面に密着配置することができるので、薄膜電池要素を良好に支持でき、且つ良好な集電を行うことができる。また、積層体の各層を構成する上記多孔質金属基体は、同種であっても又は異種であってもよく、上述した金属材料などから適宜選択できる。
【００２５】
更にまた、上述の多孔質金属基体の積層体では、上記空気極及び／又は燃料極を被覆した多孔質金属基体層（表面層）と、上記空気極及び／又は燃料極を被覆しない多孔質金属基体層（表面層以外の層）とに分けて、層厚、空孔径及び空孔率などを制御することがよい。但し、かかる積層体において、上記表面層以外の層は、電極（空気極及び／又は燃料極）を被覆する構成であってもよい。
具体的には、表面層は、５０〜５００μｍの厚さであることが好ましい。このときは、上記膜形成機能、集電機能及びＩ．Ｃ．機能をより有効に発揮させることができる。なお、５０μｍより薄い場合は表面層支持体としてＰＶＤ法、ＣＶＤ法、スクリーン印刷法、スプレーコート法、メッキ法、電気泳動法及びゾル・ゲル法などの各種成膜基板としての役割を果たすことが困難となる。また、表面層自身も自立した連続体となり難く集電機能が低下し易い。更に、電気抵抗が高くなりＩ．Ｃ．機能が低下し易い。一方、５００μｍより厚い場合は表面層がガスの通気に対して抵抗となり、十分な燃料ガス又は酸化性ガスをそれぞれ燃料極、空気極に供給することが困難となる。
【００２６】
また、上記表面層は、５０μｍ以下の空孔を有することが好適である。これより、十分な燃料ガス又は酸化性ガスをそれぞれ燃料極又は空気極に供給することができ、且つ膜形成機能を発揮させることができる。なお、空孔が５０μｍを超える粗さである場合は表面層自体がＰＶＤ法、ＣＶＤ法、スクリーン印刷法、スプレーコート法、メッキ法、電気泳動法及びゾル・ゲル法などで得られる各種成膜基板としての役割を果たすことができず、連続して電極膜次いで電解質膜を形成することが困難となる。
【００２７】
更に、上記表面層は、２０％以上の空孔率を有することが好適である。これより、十分な燃料ガス又は酸化性ガスをそれぞれ燃料極、空気極に供給することができる。なお、２０％に満たない空孔率では表面層がガスの通気に対して抵抗となり、十分な燃料ガス又は酸化性ガスをそれぞれ燃料極、空気極に供給することが困難となる。
なお、上記空気極及び／又は燃料極を被覆した多孔質金属基体層（表面層）としては、金属繊維の焼結体、金属微粒子の焼結体及び金属メッシュなどを使用することが望ましい。
【００２８】
一方、上記空気極及び／又は燃料極を被覆しない多孔質金属基体層（表面層以外の層）は、１００μｍ以上の厚さであることが好適である。これより、上記表面層支持機能、ガス流路機能及びＩ．Ｃ．機能を発揮させることができる。なお、１００μｍより薄い場合には、表面層を支持するための十分な剛性を得ることができず、またガス流路として圧力損失が大きくなり易い。更に、電気抵抗が高くなりＩ．Ｃ．機能が低下し易い。
また、上記表面層以外の層は、１００〜１０００μｍの空孔を有することが好適である。これより、ガス流路として圧力損失を小さくすることができ、且つ表面層を支持することができる。なお、１００μｍ未満ではガス通気抵抗が大きくなることがあり、１０００μｍを超えると表面層を支持することが困難となることがある。
更に、上記表面層以外の層は、６０％以上の空孔率を有することが好適である。これより、ガス流路として圧力損失を小さくすることができる。
なお、上記空気極及び／又は燃料極を被覆しない多孔質金属基体層（表面層以外の層）としては、金属繊維の焼結体、金属微粒子の焼結体（メッキ焼結体を含む）及び細孔を有する金属金網体などを使用することが望ましい。
【００２９】
本発明では、上述のような多孔質金属体を使用することにより、膜厚方向に集電可能な薄膜型単セルを形成できる。これより、膜厚方向のセル内部抵抗を低減できる。
具体的には、多孔質金属基体を被覆された空気極及び／又は燃料極、言い換えれば、上記空気極及び燃料極のうち多孔質金属基体が接触している電極は、１〜５０μｍの厚さとすることができる。この場合は、図２に示す電極支持型セルに比べ、厚みを少なくとも１／２０以下に低減ことができ、電極部分の内部電気抵抗を単純には１／２０程度低減できるので有効である。
また、上記固体電解質は、５０μｍ以下の厚さとすることができる。この場合は、図１に示す電解質支持型セルに比べ、厚みを少なくとも１／２０以下に低減ことができ、電解質部分の内部電気抵抗を単純には１／２０程度低減できるので有効である。
なお、かかる電極及び固体電解質は、ＰＶＤ法、ＣＶＤ法、溶射法、スクリーン印刷法、スプレーコート法、メッキ法、電気泳動法及びゾル・ゲル法などなどの各種成膜方法を採用して被覆できる。
【００３０】
次に、本発明の固体電解質型燃料電池用単セルの製造方法について詳細に説明する。
かかる製造方法では、多孔質金属基体Ａに空気極又は燃料極を被覆する工程と、該空気極又は燃料極に固体電解質を被覆する工程と、該固体電解質に燃料極又は空気極を被覆する工程と、該燃料極又は空気極に多孔質金属基体Ｂを被覆する工程と、を行い、これら多孔質金属基体、空気極、燃料極及び固体電解質を加熱及び加圧して接合し、上述の固体電解質型燃料電池用単セルが得られる。
ここで、上記接合方法としては、例えば図８に示すように、電極１０、固体電解質１２及び電極１１をこの順に被覆した多孔質金属基体１の表面側に多孔質金属基体２を、電極１１と対向するようにして加熱・加圧することで、電極１１を介して多孔質金属基体１と多孔質金属基体２とを接合することができる。また、上記加熱温度は、代表的には８００〜１２００℃程度であることが望ましく、加圧力は５〜１０Ｐａ程度であることが望ましい。なお、電極及び固体電解質は、代表的にＰＶＤ法、ＣＶＤ法、スクリーン印刷法、スプレーコート法、メッキ法、電気泳動法及びゾル・ゲル法などで被覆することができる。
【００３１】
また、本発明の他の製造方法では、多孔質金属基体Ａに空気極又は燃料極を被覆する工程と、該空気極又は燃料極に固体電解質を被覆する工程と、多孔質金属基体２に燃料極又は空気極を被覆する工程と、該多孔質金属基体Ａと該多孔質金属基体Ｂとを該空気極及び燃料極が該固体電解質を挟持するように接合する工程と、を行い、これら多孔質金属基体、空気極、燃料極及び固体電解質を加熱及び加圧して接合し、上述の固体電解質型燃料電池用単セルが得られる。
ここで、上記接合方法としては、例えば図９に示すように、電極１０及び固体電解質１２を順次被覆した多孔質金属基体１に、予め電極１１を被覆した多孔質金属基体２を、電極１１と固体電解質１２が対向するようにして加熱・加圧することで、電極１２を介して多孔質金属基体１と多孔質金属基体２とを接合することができる。
【００３２】
【実施例】
以下、本発明を実施例及び比較例により更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００３３】
（実施例１）
図８に示すように、セラミックスにＮｉを施した多孔質基体１に、電極１０（Ｎｉ−８％ＹＳＺ）固体電解質１２（８％ＹＳＺ）及び電極１１（ＬＳＣ）をこの順にスクリーン印刷法で被覆し、更にその上からセラミックスにＡｇメッキを施した多孔質基体２を被覆し、８５０℃、１０Ｐａで加熱・加圧し、図５に示すような固体電解質型燃料電池用単セルを得た。なお、多孔質基体と電池要素（電極及び固体電解質）の構成を表１に示す。
【００３４】
（実施例２）
金属微粒子焼結体（Ｎｉ−１６Ｃｒ−８Ｆｅ）を多孔質基体として使用し、固体電解質をスパッタ法により被覆し、多孔質基体及び電池要素の厚み、多孔質基体の空孔径及び空孔率を変更した以外は実施例１と同様の操作を繰り返して、本例の単セルを得た。なお、多孔質基体と電池要素（電極及び固体電解質）の構成を表１に示す。
【００３５】
（実施例３）
図９に示すように、金属繊維結体（Ｆｅ−２０Ｃｒ−５Ａｌのシート）の多孔質基体１に、電極１０（Ｎｉ−８％ＹＳＺ）及び固体電解質１２（８％ＹＳＺ）をこの順にスクリーン印刷法で被覆し、予め電極１１（ＬＳＣ）をスクリーン印刷法で被覆した多孔質基体２を、固体電解質１２と電極１１とが対向するように９８０℃、５Ｐａで加熱・加圧し、図５に示すような固体電解質型燃料電池用単セルを得た。なお、多孔質基体と電池要素（電極及び固体電解質）の構成を表１に示す。
【００３６】
（実施例４）
金属微粒子焼結体（Ｎｉ−１６Ｃｒ−８Ｆｅ）を多孔質基体として使用し、多孔質基体及び電池要素の厚み、多孔質基体の空孔径及び空孔率を変更した以外は実施例３と同様の操作を繰り返して、本例の単セルを得た。なお、多孔質基体と電池要素（電極及び固体電解質）の構成を表１に示す。
【００３７】
【表１】
【００３８】
以上、本発明を実施例により詳細に説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形が可能である。
例えば、本発明において、単セル及びセル板の形状等は任意に選択でき、目的の出力に応じた燃料電池を作製できる。また、多孔質金属基体と絶縁体とを組合わせて所望の電池回路を形成することができる。更に、燃料極及び空気極はガス流路を流れるガス種（水素や空気など）に合わせて、配置を入れ替えられることはいうまでもない。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明によれば、電池要素の支持基体として所望の強度を有する多孔性金属基体を用い、電池出力の集電機能とガス流路機能を担わせることとしたため、電極（空気極及び燃料極）及び固体電解質を薄膜化して内部抵抗を低減し、小型化を達成した固体電解質型燃料電池用単セル及びその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】電解質支持型の燃料電池用単セルの一例を示す概略図である。
【図２】電極支持型の燃料電池用単セルの一例を示す概略図である。
【図３】多孔質金属基体をを使用した燃料電池用単セル構造の一例を示す概略図である。
【図４】本発明の燃料電池用単セルの一例を示す概略図である。
【図５】本発明の燃料電池用単セルの他の例を示す概略図である。
【図６】燃料電池用単セルの動作作用とその回路の一例を示す断面図及び回路図である。
【図７】多孔質金属基体の構成の一例を示す概略図である。
【図８】本発明の燃料電池用単セルの製造方法の一例を示す概略図である。
【図９】本発明の燃料電池用単セルの製造方法の他の例を示す概略図である。
【符号の説明】
１ 多孔質金属基体（Ａ）
２ 多孔質金属基体（Ｂ）
３ 表面層
４ 表面層以外の層
１０ 電極（燃料極又は空気極）
１１ 電極（空気極又は燃料極）
１２ 固体電解質
１３ 燃料ガス流路
１４ 空気ガス流路
１５ 保護膜
１６ 集電体
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体電解質を用い、電気化学反応により電気エネルギーを得る固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）用の単セルに係り、更に詳細には、固体電解質を電極で挟持して成る固体電解質型燃料電池用単セル及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、２つの電極、即ち燃料極（アノード）と空気極（カソード）で固体酸化物電解質を挟持する構成を発電要素としてもち、燃料極側に水素、メタンなどの炭化水素系燃料ガスを通じ、空気極側側に酸素、空気などの酸化性ガスを通じて発電する固体電解質型燃料電池（以下「ＳＯＦＣ」と略す）が知られている。
かかるＳＯＦＣは、その発電効率が高く、また排熱利用も可能であり第三世代の燃料電池として期待されている。
【０００３】
従来から知られているＳＯＦＣのセル構造としては、図１に示すような電解質支持型セルを例示できる。このセルは、電解質材料粉を高密度に焼結して緻密電解質体１２とし、その表裏にスクリーン印刷等で燃料極１０及び空気極１１を形成して成る。また、このセルは電解質を発電要素の支持部材として使用している。
また、他の例として、図２に電極支持型セルを例示する。このセルは、電極材料粉を焼結し多孔質電極体１０とし、その上に電解質層１２及び電極層１１をスクリーン印刷等で形成して成る。更に、このセルは、多孔質電極体を発電要素の支持部材として使用している。
【０００４】
具体的には、特開平９−５０８１２号公報では、気孔率が板厚方向に異なるセラミックス電極材料粉の焼結体より成る多孔質電極基板が報告されている。
また、特開平２０００−２００６１４号公報では、同様にセラミックス電極材料粉の焼結体より成る多孔質電極基板が報告されている。
更に、燃料極／電解質／空気極（以下「発電要素」と略す）の支持部材として、図３に示すような燃料極１０／電解質１２／空気極１１を多孔質金属基体１に溶射法にて製膜したセルが報告されている。
更にまた、ＤＬＲセル（Ｐｌａｓｍａ Ｓｐｒａｙｅｄ Ｔｈｉｎ−ＦｉｌｍＳＯＦＣ ｆｏｒ Ｒｅｄｕｃｅｄ Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ，Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ Ｂｕｌｌｅｔｉｎ，ｐｐ５９７−６００，２０００）が提案されている。
【０００５】
また、特開平７−４５２９７号公報、実開昭６３−１０６０６３号公報などで開示されているように、従来から知られているＳＯＦＣでは、燃料極、空気極で発生した電力を集電するために電極とは別個にＮｉフェルトなどの集電体が使用されている。
更に、かかるＳＯＦＣは、多数の電池要素を電気的に直列又は並列に接続して使用されており、その際に、各電池要素を電気的に接続する部材（以下「Ｉ．Ｃ．（インタコネクタ）」と略す）を必要としている。このＩ．Ｃ．は集電体機能を備える場合もある。
更にまた、ＳＯＦＣは、燃料極側に水素、メタンなどの炭化水素系燃料ガスを、空気極側側に酸素、空気などの酸化性ガスを通じて発電するため、ガスを電極表面に導くためのガス流路を形成する部材を必要とする。このガス流路はＩ．Ｃ．機能を備える場合もある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１に示す電解質支持型セルは、電解質を発電要素の支持部材として使用するため、電解質の厚みは機械的な強度要請からおおよそ数百μｍ〜数ｍｍとなり、電解質部分の内部抵抗が増加することがあった。
また、図２に示す電極支持型セルは、電極を発電要素の支持部材として使用するため、電極体の厚みは機械的な強度要請からおおよそ数ｍｍ以上となり、電極部分の内部抵抗が増加することに加え、燃料ガス又は酸化性ガスの通気性・拡散性が悪化することがあった。
更に、通気性を改善した特開平９−５０８１２号公報及び特開平２０００−２００６１４号公報に開示された多孔質セラミックス電極基板は、電気伝導に対して十分ではなく、またセラミックス材料特有の脆性がある。
更にまた、Ｉ．Ｃ．及びガス流路部材は、図１及び図２に示したセルとは別個に設置する必要があり、ＳＯＦＣの小型化の障害となっていた。
【０００７】
また、図３に示したセルでは、▲１▼溶射成膜の制約のためか、電極、電解質の各膜厚が数十μｍと厚く、内部抵抗が減じられない、▲２▼多孔金属体表面が粗いためか、電極、電解質を薄膜化できず内部抵抗を減じられない、▲３▼セル下部燃料極へのガス流路として、多孔質金属体をガス流路として使用せず、概凹状断面を有するプレートを使用しているためセル小型化が図れない、▲４▼セル上部空気極へのガス流路として、多孔質金属体をガス流路として使用せず、概波状断面を有するプレート１５を使用しているためセル小型化が図れない、ことがあった。
【０００８】
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、電極（空気極及び燃料極）及び固体電解質を薄膜化して内部抵抗を低減し、小型化を達成した固体電解質型燃料電池用単セル及びその製造方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、電池要素の支持基体として所望の強度を有する多孔性金属基体を用い、電池出力の集電機能とガス流路機能を担わせることにより、上記課題が解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１０】
即ち、本発明の固体電解質型燃料電池用単セルは、固体電解質を空気極及び燃料極で挟持して成る挟持体の表面及び／又は裏面に多孔質金属基体を被覆して成る固体電解質型燃料電池用の単セルであって、
上記多孔質金属基体が、ニッケルクロム鉄又は鉄クロムアルミを含む合金であり、燃料ガス及び／又は酸化性ガスを流通するとともに上記挟持体が形成する反応場より電池出力を集電することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の他の固体電解質型燃料電池用単セルは、固体電解質を空気極及び燃料極で挟持して成る挟持体の表面及び／又は裏面に多孔質金属基体を被覆して成る固体電解質型燃料電池用の単セルであって、
上記多孔質金属基体が、ニッケル又は銀をセラミックスにメッキして成り、燃料ガス及び／又は酸化性ガスを流通するとともに上記挟持体が形成する反応場より電池出力を集電することを特徴とする。
【００１２】
更に、本発明の固体電解質型燃料電池用単セルの好適形態は、上記多孔質金属基体を被覆された空気極及び／又は燃料極が、１〜５０μｍの厚さであることを特徴とする。
【００１３】
更にまた、本発明の固体電解質型燃料電池用単セルの他の好適形態は、上記固体電解質が、５０μｍ以下の厚さであることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の固体電解質型燃料電池用単セルの更に他の好適形態は、上記多孔質金属基体が、０．５〜５ｍｍの厚さであることを特徴とする。
【００１５】
更に、本発明の固体電解質型燃料電池用単セルの他の好適形態は、上記多孔質金属基体が、空孔率の異なる同種又は異種の多孔質基体層を２層以上積層して成る積層体であることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明の固体電解質型燃料電池用単セルの製造方法は、多孔質金属基体、空気極、燃料極及び固体電解質を加熱及び加圧して接合し、上記固体電解質型燃料電池用単セルを製造するに当たり、
多孔質金属基体Ａに空気極又は燃料極を被覆する工程と、該空気極又は燃料極に固体電解質を被覆する工程と、該固体電解質に燃料極又は空気極を被覆する工程と、該燃料極又は空気極に多孔質金属基体Ｂを被覆する工程と、を行うことを特徴とする。
【００１８】
更に、本発明の固体電解質型燃料電池用単セルの他の製造方法は、多孔質金属基体、空気極、燃料極及び固体電解質を加熱及び加圧して接合し、上記固体電解質型燃料電池用単セルを製造するに当たり、
多孔質金属基体Ａに空気極又は燃料極を被覆する工程と、該空気極又は燃料極に固体電解質を被覆する工程と、多孔質金属基体Ｂに燃料極又は空気極を被覆する工程と、該多孔質金属基体Ａと該多孔質金属基体Ｂとを該空気極及び燃料極が該固体電解質を挟持するように接合する工程と、を行うことを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の固体電解質型燃料電池用単セルについて詳細に説明する。なお、本明細書において、「％」は特記しない限り質量百分率を示す。
また、説明の便宜上、基体や電極などの一方の面を「表面」及び「上面」、他の面を「裏面」及び「下面」などと記載するが、これらは等価な要素であり、相互に置換した構成も本発明の範囲に含まれるのは言うまでもない。
【００２０】
かかる固体電解質型燃料電池用単セル（以下「単セル」と略す）は、固体電解質を空気極及び燃料極で挟持して成る挟持体の表面及び／又は裏面に多孔質金属基体を被覆して成る。
例えば、図４に示すように上記挟持体の一方の面に多孔質金属基体１を被覆した単セル（多孔質金属基体１／燃料極１０／固体電解質１２／空気極１１、又は多孔質金属基体１／空気極１０／固体電解質１２／燃料極１１の構成を採る）や、図５に示すように上記挟持体の両面に多孔質金属基体１及び２を被覆した単セル（多孔質金属基体１／燃料極１０／固体電解質１２／空気極１１／多孔質金属基体２、又は多孔質金属基体１／空気極１０／固体電解質１２／燃料極１１／多孔質金属基体２の構成を採る）を挙げることができる。なお、図４に示す構成の単セルを用いてスタックを形成するときには、上記挟持体が多孔質金属基体１に挟まれる構成となることはいうまでもない。
【００２１】
また、本発明の単セルは、上記多孔質金属基体が、燃料ガス及び／又は酸化性ガスを流通するとともに上記挟持体が形成する反応場より電池出力を集電することを特徴とする。
これより、図５に示す構成の単セルでは、図６に示すようにガス通気性・拡散性を有する多孔質金属を支持基体として使用することで、該多孔質金属基体１に密着設置される燃料極１０には燃料ガスを、該多孔質金属基体２に密着設置される空気極１１には空気を供給することができる。即ち、本発明の単セルの一部を構成する多孔質金属基体は支持基体としての役割及びガス流路としての役割を兼ねるため、固体電解質、空気極及び燃料極の全てを薄膜化し、単セルの内部抵抗を低減し得る。
なお、図１や図２に示すような従来型の単セルにおいて、燃料極、空気極及び電解質を薄膜化した薄膜型単セルを形成する場合は、固体電解質、空気極及び燃料極（電池要素）自体では自立（支持）できなくなるが、本発明の単セルは、電池要素を支えるための支持基体が設けられており、薄膜化した電池要素であっても支持することができる。
【００２２】
ここで、上記多孔質金属基体は、電気伝導性を有し、上記挟持体が形成する反応場より電池出力を集電する。即ち、上記多孔質金属基体は集電部材としての役割をも兼ねるため、本発明の単セルを用いて製造したＳＯＦＣは小型化することができる。
かかる多孔質金属基体としては、ニッケルクロム鉄（Ｎｉ−Ｃｒ−Ｆｅ）又は鉄クロムアルミ（Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ）を含む合金を使用する。また、セラミックスにＮｉ又はＡｇによりメッキを施したものを使用する。
なお、上記以外の多孔質金属基体では、燃料ガス又は酸化性ガスの作り出す、還元雰囲気又は酸化雰囲気に十分な耐性が得られないことがある。また、本単セルを用いて製造したＳＯＦＣは、燃料ガスとしてメタノール、天然ガス、ガソリンなど炭化水素系ガスを使用できるが、このとき燃料極側に設置される多孔質金属基体が燃料ガス中に含まれる硫黄などに犯されないようにする必要がある。更に、本単セルを用いて製造したＳＯＦＣは、酸化性ガスとして酸素ガス、空気を使用できるが、このとき空気極側に設置される多孔質金属基体は酸化性ガス中で酸化されないようにする必要がある。
【００２３】
また、上記多孔質金属基体は、０．５〜５ｍｍの厚さであることが好ましい。この場合は、支持部材としての強度性、Ｉ．Ｃ．（インタコネクタ）としての電気伝導性、及びガス流路としてのガス通気性・拡散性を確保できる。なお、多孔質金属基体の厚さが０．５ｍｍ未満では支持体としての強度が不足することがあり、５ｍｍを超えると支持体の熱変形が大きくなることがある。
【００２４】
更に、上記多孔質金属基体としては、空孔率の異なる同種又は異種の多孔質基体層を２層以上積層して成る積層体を使用することが好適である。これより、空孔率の低い層（表面層）には、電極、固体電解質の順に薄膜を良好に被覆できる機能（以下「膜形成機能」と称する）、電極から集電する機能及びＩ．Ｃ．機能、また、表面層以外の層に、表面層支持機能、ガス流路機能及びＩ．Ｃ．機能を分担させて発揮させることができる。例えば、図７に示すように、電極と接する表面層３と、この表面層３とは空孔率の異なる表面層以外の層４との積層構造とすることができる。
なお、上記多孔質金属基体は、薄膜電池要素である燃料極や空気極の全面に密着配置することができるので、薄膜電池要素を良好に支持でき、且つ良好な集電を行うことができる。また、積層体の各層を構成する上記多孔質金属基体は、同種であっても又は異種であってもよく、上述した金属材料などから適宜選択できる。
【００２５】
更にまた、上述の多孔質金属基体の積層体では、上記空気極及び／又は燃料極を被覆した多孔質金属基体層（表面層）と、上記空気極及び／又は燃料極を被覆しない多孔質金属基体層（表面層以外の層）とに分けて、層厚、空孔径及び空孔率などを制御することがよい。但し、かかる積層体において、上記表面層以外の層は、電極（空気極及び／又は燃料極）を被覆する構成であってもよい。
具体的には、表面層は、５０〜５００μｍの厚さであることが好ましい。このときは、上記膜形成機能、集電機能及びＩ．Ｃ．機能をより有効に発揮させることができる。なお、５０μｍより薄い場合は表面層支持体としてＰＶＤ法、ＣＶＤ法、スクリーン印刷法、スプレーコート法、メッキ法、電気泳動法及びゾル・ゲル法などの各種成膜基板としての役割を果たすことが困難となる。また、表面層自身も自立した連続体となり難く集電機能が低下し易い。更に、電気抵抗が高くなりＩ．Ｃ．機能が低下し易い。一方、５００μｍより厚い場合は表面層がガスの通気に対して抵抗となり、十分な燃料ガス又は酸化性ガスをそれぞれ燃料極、空気極に供給することが困難となる。
【００２６】
また、上記表面層は、５０μｍ以下の空孔を有することが好適である。これより、十分な燃料ガス又は酸化性ガスをそれぞれ燃料極又は空気極に供給することができ、且つ膜形成機能を発揮させることができる。なお、空孔が５０μｍを超える粗さである場合は表面層自体がＰＶＤ法、ＣＶＤ法、スクリーン印刷法、スプレーコート法、メッキ法、電気泳動法及びゾル・ゲル法などで得られる各種成膜基板としての役割を果たすことができず、連続して電極膜次いで電解質膜を形成することが困難となる。
【００２７】
更に、上記表面層は、２０％以上の空孔率を有することが好適である。これより、十分な燃料ガス又は酸化性ガスをそれぞれ燃料極、空気極に供給することができる。なお、２０％に満たない空孔率では表面層がガスの通気に対して抵抗となり、十分な燃料ガス又は酸化性ガスをそれぞれ燃料極、空気極に供給することが困難となる。
なお、上記空気極及び／又は燃料極を被覆した多孔質金属基体層（表面層）としては、金属繊維の焼結体、金属微粒子の焼結体及び金属メッシュなどを使用することが望ましい。
【００２８】
一方、上記空気極及び／又は燃料極を被覆しない多孔質金属基体層（表面層以外の層）は、１００μｍ以上の厚さであることが好適である。これより、上記表面層支持機能、ガス流路機能及びＩ．Ｃ．機能を発揮させることができる。なお、１００μｍより薄い場合には、表面層を支持するための十分な剛性を得ることができず、またガス流路として圧力損失が大きくなり易い。更に、電気抵抗が高くなりＩ．Ｃ．機能が低下し易い。
また、上記表面層以外の層は、１００〜１０００μｍの空孔を有することが好適である。これより、ガス流路として圧力損失を小さくすることができ、且つ表面層を支持することができる。なお、１００μｍ未満ではガス通気抵抗が大きくなることがあり、１０００μｍを超えると表面層を支持することが困難となることがある。
更に、上記表面層以外の層は、６０％以上の空孔率を有することが好適である。これより、ガス流路として圧力損失を小さくすることができる。
なお、上記空気極及び／又は燃料極を被覆しない多孔質金属基体層（表面層以外の層）としては、金属繊維の焼結体、金属微粒子の焼結体（メッキ焼結体を含む）及び細孔を有する金属金網体などを使用することが望ましい。
【００２９】
本発明では、上述のような多孔質金属体を使用することにより、膜厚方向に集電可能な薄膜型単セルを形成できる。これより、膜厚方向のセル内部抵抗を低減できる。
具体的には、多孔質金属基体を被覆された空気極及び／又は燃料極、言い換えれば、上記空気極及び燃料極のうち多孔質金属基体が接触している電極は、１〜５０μｍの厚さとすることができる。この場合は、図２に示す電極支持型セルに比べ、厚みを少なくとも１／２０以下に低減ことができ、電極部分の内部電気抵抗を単純には１／２０程度低減できるので有効である。
また、上記固体電解質は、５０μｍ以下の厚さとすることができる。この場合は、図１に示す電解質支持型セルに比べ、厚みを少なくとも１／２０以下に低減ことができ、電解質部分の内部電気抵抗を単純には１／２０程度低減できるので有効である。
なお、かかる電極及び固体電解質は、ＰＶＤ法、ＣＶＤ法、溶射法、スクリーン印刷法、スプレーコート法、メッキ法、電気泳動法及びゾル・ゲル法などなどの各種成膜方法を採用して被覆できる。
【００３０】
次に、本発明の固体電解質型燃料電池用単セルの製造方法について詳細に説明する。
かかる製造方法では、多孔質金属基体Ａに空気極又は燃料極を被覆する工程と、該空気極又は燃料極に固体電解質を被覆する工程と、該固体電解質に燃料極又は空気極を被覆する工程と、該燃料極又は空気極に多孔質金属基体Ｂを被覆する工程と、を行い、これら多孔質金属基体、空気極、燃料極及び固体電解質を加熱及び加圧して接合し、上述の固体電解質型燃料電池用単セルが得られる。
ここで、上記接合方法としては、例えば図８に示すように、電極１０、固体電解質１２及び電極１１をこの順に被覆した多孔質金属基体１の表面側に多孔質金属基体２を、電極１１と対向するようにして加熱・加圧することで、電極１１を介して多孔質金属基体１と多孔質金属基体２とを接合することができる。また、上記加熱温度は、代表的には８００〜１２００℃程度であることが望ましく、加圧力は５〜１０Ｐａ程度であることが望ましい。なお、電極及び固体電解質は、代表的にＰＶＤ法、ＣＶＤ法、スクリーン印刷法、スプレーコート法、メッキ法、電気泳動法及びゾル・ゲル法などで被覆することができる。
【００３１】
また、本発明の他の製造方法では、多孔質金属基体Ａに空気極又は燃料極を被覆する工程と、該空気極又は燃料極に固体電解質を被覆する工程と、多孔質金属基体２に燃料極又は空気極を被覆する工程と、該多孔質金属基体Ａと該多孔質金属基体Ｂとを該空気極及び燃料極が該固体電解質を挟持するように接合する工程と、を行い、これら多孔質金属基体、空気極、燃料極及び固体電解質を加熱及び加圧して接合し、上述の固体電解質型燃料電池用単セルが得られる。
ここで、上記接合方法としては、例えば図９に示すように、電極１０及び固体電解質１２を順次被覆した多孔質金属基体１に、予め電極１１を被覆した多孔質金属基体２を、電極１１と固体電解質１２が対向するようにして加熱・加圧することで、電極１２を介して多孔質金属基体１と多孔質金属基体２とを接合することができる。
【００３２】
【実施例】
以下、本発明を実施例及び比較例により更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００３３】
（実施例１）
図８に示すように、セラミックスにＮｉを施した多孔質基体１に、電極１０（Ｎｉ−８％ＹＳＺ）固体電解質１２（８％ＹＳＺ）及び電極１１（ＬＳＣ）をこの順にスクリーン印刷法で被覆し、更にその上からセラミックスにＡｇメッキを施した多孔質基体２を被覆し、８５０℃、１０Ｐａで加熱・加圧し、図５に示すような固体電解質型燃料電池用単セルを得た。なお、多孔質基体と電池要素（電極及び固体電解質）の構成を表１に示す。
【００３４】
（実施例２）
金属微粒子焼結体（Ｎｉ−１６Ｃｒ−８Ｆｅ）を多孔質基体として使用し、固体電解質をスパッタ法により被覆し、多孔質基体及び電池要素の厚み、多孔質基体の空孔径及び空孔率を変更した以外は実施例１と同様の操作を繰り返して、本例の単セルを得た。なお、多孔質基体と電池要素（電極及び固体電解質）の構成を表１に示す。
【００３５】
（実施例３）
図９に示すように、金属繊維結体（Ｆｅ−２０Ｃｒ−５Ａｌのシート）の多孔質基体１に、電極１０（Ｎｉ−８％ＹＳＺ）及び固体電解質１２（８％ＹＳＺ）をこの順にスクリーン印刷法で被覆し、予め電極１１（ＬＳＣ）をスクリーン印刷法で被覆した多孔質基体２を、固体電解質１２と電極１１とが対向するように９８０℃、５Ｐａで加熱・加圧し、図５に示すような固体電解質型燃料電池用単セルを得た。なお、多孔質基体と電池要素（電極及び固体電解質）の構成を表１に示す。
【００３６】
（実施例４）
金属微粒子焼結体（Ｎｉ−１６Ｃｒ−８Ｆｅ）を多孔質基体として使用し、多孔質基体及び電池要素の厚み、多孔質基体の空孔径及び空孔率を変更した以外は実施例３と同様の操作を繰り返して、本例の単セルを得た。なお、多孔質基体と電池要素（電極及び固体電解質）の構成を表１に示す。
【００３７】
【表１】
以上、本発明を実施例により詳細に説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形が可能である。
例えば、本発明において、単セル及びセル板の形状等は任意に選択でき、目的の出力に応じた燃料電池を作製できる。また、多孔質金属基体と絶縁体とを組合わせて所望の電池回路を形成することができる。更に、燃料極及び空気極はガス流路を流れるガス種（水素や空気など）に合わせて、配置を入れ替えられることはいうまでもない。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明によれば、電池要素の支持基体として所望の強度を有する多孔性金属基体を用い、電池出力の集電機能とガス流路機能を担わせることとしたため、電極（空気極及び燃料極）及び固体電解質を薄膜化して内部抵抗を低減し、小型化を達成した固体電解質型燃料電池用単セル及びその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】電解質支持型の燃料電池用単セルの一例を示す概略図である。
【図２】電極支持型の燃料電池用単セルの一例を示す概略図である。
【図３】多孔質金属基体をを使用した燃料電池用単セル構造の一例を示す概略図である。
【図４】本発明の燃料電池用単セルの一例を示す概略図である。
【図５】本発明の燃料電池用単セルの他の例を示す概略図である。
【図６】燃料電池用単セルの動作作用とその回路の一例を示す断面図及び回路図である。
【図７】多孔質金属基体の構成の一例を示す概略図である。
【図８】本発明の燃料電池用単セルの製造方法の一例を示す概略図である。
【図９】本発明の燃料電池用単セルの製造方法の他の例を示す概略図である。
【符号の説明】
１ 多孔質金属基体（Ａ）
２ 多孔質金属基体（Ｂ）
３ 表面層
４ 表面層以外の層
１０ 電極（燃料極又は空気極）
１１ 電極（空気極又は燃料極）
１２ 固体電解質
１３ 燃料ガス流路
１４ 空気ガス流路
１５ 保護膜
１６ 集電体
Claims (14)
- 固体電解質を空気極及び燃料極で挟持して成る挟持体の表面及び／又は裏面に多孔質金属基体を被覆して成る固体電解質型燃料電池用の単セルであって、
上記多孔質金属基体が、ニッケルクロム鉄又は鉄クロムアルミを含む合金であり、燃料ガス及び／又は酸化性ガスを流通するとともに上記挟持体が形成する反応場より電池出力を集電することを特徴とする固体電解質型燃料電池用単セル。 - 固体電解質を空気極及び燃料極で挟持して成る挟持体の表面及び／又は裏面に多孔質金属基体を被覆して成る固体電解質型燃料電池用の単セルであって、
上記多孔質金属基体が、ニッケル又は銀をセラミックスにメッキして成り、燃料ガス及び／又は酸化性ガスを流通するとともに上記挟持体が形成する反応場より電池出力を集電することを特徴とする固体電解質型燃料電池用単セル。 - 上記多孔質金属基体を被覆された空気極及び／又は燃料極が、１〜５０μｍの厚さであることを特徴とする請求項１又は２に記載の固体電解質型燃料電池用単セル。
- 上記固体電解質が、５０μｍ以下の厚さであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の固体電解質型燃料電池用単セル。
- 上記多孔質金属基体が、０．５〜５ｍｍの厚さであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つの項に記載の固体電解質型燃料電池用単セル。
- 上記多孔質金属基体が、空孔率の異なる同種又は異種の多孔質基体層を２層以上積層して成る積層体であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つの項に記載の固体電解質型燃料電池用単セル。
- 上記積層体を構成し、上記空気極及び／又は燃料極を被覆した多孔質金属基体層が、５０〜５００μｍの厚さであることを特徴とする請求項６記載の固体電解質型燃料電池用単セル。
- 上記積層体を構成し、上記空気極及び／又は燃料極を被覆した多孔質金属基体層が、５０μｍ以下の空孔を有することを特徴とする請求項６又は７に記載の固体電解質型燃料電池用単セル。
- 上記積層体を構成し、上記空気極及び／又は燃料極を被覆した多孔質金属基体層が、２０％以上の空孔率を有することを特徴とする請求項６〜８のいずれか１つの項に記載の固体電解質型燃料電池用単セル。
- 上記積層体を構成し、上記空気極及び／又は燃料極を必ずしも被覆しない多孔質金属基体層が、１００μｍ以上の厚さであることを特徴とする請求項６〜９のいずれか１つの項に記載の固体電解質型燃料電池用単セル。
- 上記積層体を構成し、上記空気極及び／又は燃料極を必ずしも被覆しない多孔質金属基体層が、１００〜１０００μｍの空孔を有することを特徴とする請求項６〜１０のいずれか１つの項に記載の固体電解質型燃料電池用単セル。
- 上記積層体を構成し、上記空気極及び／又は燃料極を被覆しない多孔質金属基体層が、６０％以上の空孔率を有することを特徴とする請求項６〜１１のいずれか１つの項に記載の固体電解質型燃料電池用単セル。
- 多孔質金属基体、空気極、燃料極及び固体電解質を接合し、請求項１〜１２のいずれか１つの項に記載の固体電解質型燃料電池用単セルを製造するに当たり、
多孔質金属基体Ａに空気極又は燃料極を被覆する工程と、該空気極又は燃料極に固体電解質を被覆する工程と、該固体電解質に燃料極又は空気極を被覆する工程と、該燃料極又は空気極に多孔質金属基体Ｂを被覆する工程と、を行うことを特徴とする固体電解質型燃料電池用単セルの製造方法。 - 多孔質金属基体、空気極、燃料極及び固体電解質を加熱及び加圧して接合し、請求項１〜１２のいずれか１つの項に記載の固体電解質型燃料電池用単セルを製造するに当たり、
多孔質金属基体Ａに空気極又は燃料極を被覆する工程と、該空気極又は燃料極に固体電解質を被覆する工程と、多孔質金属基体Ｂに燃料極又は空気極を被覆する工程と、該多孔質金属基体Ａと該多孔質金属基体Ｂとを該空気極及び燃料極が該固体電解質を挟持するように接合する工程と、を行うことを特徴とする固体電解質型燃料電池用単セルの製造方法。
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