JP2002329511A - Stack for solid electrolyte fuel cell and solid electrolyte fuel cell - Google Patents
Stack for solid electrolyte fuel cell and solid electrolyte fuel cellInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】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
及びこれに用いられるスタックに係り、更に詳細には、
特に電極と固体電解質を形成したセル板の構造及びセル
板を積層したスタックの改良に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a solid electrolyte fuel cell which obtains electric energy by an electrochemical reaction using a solid electrolyte, and a stack used for the fuel cell.
In particular, the present invention relates to a structure of a cell plate on which an electrode and a solid electrolyte are formed and an improvement of a stack in which the cell plates are stacked.
【0002】[0002]
【従来の技術】近年、高エネルギー変換が可能で、環境
に優しいクリーンエネルギー源として燃料電池が注目さ
れているが、このうちの固体電解質型の燃料電池は、電
解質としてイットリア安定化ジルコニアなどの酸化物イ
オン導電性固体電解質を用い、その両面に多孔性電極を
取付け、固体電解質を隔壁として一方の側に水素や炭化
水素などの燃料ガス、他方の側に空気又は酸素ガスを供
給する形式の電池であり、一般的に約1000℃で動作
する燃料電池である。2. Description of the Related Art In recent years, fuel cells have attracted attention as clean energy sources that are capable of high energy conversion and are environmentally friendly. Among them, solid electrolyte type fuel cells are known to use oxidized fuel such as yttria-stabilized zirconia as an electrolyte. A battery in which a solid electrode is used to supply a fuel gas such as hydrogen or hydrocarbon to one side and air or oxygen gas to the other side, using a solid electrolyte as a partition, using a solid ion-conductive solid electrolyte. And is generally a fuel cell operating at about 1000 ° C.
【0003】かかる固体電解質の導電率は、リン酸型燃
料電池や溶融炭酸塩型燃料電池の電解質の導電率に比較
して約1桁低い値となることが知られている。一般に、
電解質部分の電気抵抗は発電損失となるため、発電出力
密度を向上させるためには、固体電解質を薄膜化して膜
抵抗を極力低減させることが重要となるが、電解質部分
には電池としての機能を確保すべく、ある程度以上の大
きさの面積が要求されることから、固体電解質型燃料電
池では、機械的強度を持つ支持体上に固体電解質膜を形
成したセル構造(単セル構造)が採用されている。な
お、具体的な燃料電池の構造としては、以下のような構
造が提案されている。It is known that the conductivity of such a solid electrolyte is about one digit lower than the conductivity of the electrolyte of a phosphoric acid fuel cell or a molten carbonate fuel cell. In general,
Since the electrical resistance of the electrolyte part results in power generation loss, it is important to reduce the film resistance as much as possible by making the solid electrolyte thinner in order to improve the power generation output density, but the electrolyte part has a function as a battery. In order to secure a certain amount of area, a solid electrolyte fuel cell adopts a cell structure (single cell structure) in which a solid electrolyte membrane is formed on a support having mechanical strength. ing. The following structure has been proposed as a specific structure of the fuel cell.
【0004】(1)円筒型 支持体として円筒状で多孔質の基体管を用い、基体管表
面に燃料極層、電解質層及び空気極層を積層したセル構
造を形成したものである。一本の基体管に単セル構造を
複数個配列した円筒横縞型と、一本の基体管に1個の単
セルを形成した円筒縦縞型がある。どちらの形式におい
ても、複数の円筒をインターコネクタによって電気的に
接続して電池を構成し、基体管の内側に燃料ガス又は空
気のどちらか一方のガスを導入し、基体管の外側に他方
のガスを導入して発電する。このような円筒型固体電解
質型燃料電池では、燃料ガスと空気の一方を基体管内に
流すため、燃料ガスと空気との間に特にシールを必要と
しない特徴がある。また、円筒状であるため、燃料電池
の起動・停止に伴う熱衝撃に強いという利点もあり、ガ
ス配管と接続するマニホールド部分を比較的低温に保持
したスタックを設計することができ、熱耐久性が高いと
いう特徴がある。(1) Cylindrical type A cylindrical structure is used in which a cylindrical porous base tube is used as a support, and a fuel electrode layer, an electrolyte layer and an air electrode layer are laminated on the surface of the base tube. There are a cylindrical horizontal stripe type in which a plurality of single cell structures are arranged in one base tube, and a cylindrical vertical stripe type in which one single cell is formed in one base tube. In either case, a plurality of cylinders are electrically connected by an interconnector to form a battery, a fuel gas or air gas is introduced inside the base tube, and the other gas is introduced outside the base tube. Power is generated by introducing gas. In such a cylindrical solid electrolyte fuel cell, one of the fuel gas and the air flows into the base tube, and therefore, there is a feature that a seal is not particularly required between the fuel gas and the air. In addition, since it is cylindrical, it has the advantage of being resistant to thermal shock caused by starting and stopping the fuel cell, and it is possible to design a stack in which the manifold connected to the gas piping is kept at a relatively low temperature, and it has thermal durability. Is high.
【0005】(2)平板型 基本的にリン酸型や炭酸溶融塩型と同等の構造を有す
る。即ち、インターコネクター平板の両面に燃料ガス流
路を形成した燃料極板と空気流路を形成した空気極板を
貼り合わせたセパレータ板と、シート状電解質層の両面
に燃料極層と空気極層を積層した平面状のセル板とを交
互に貼り合わせた構造である。発電出力のIR損失を低
減して出力密度を向上させるためには、電解質層を薄膜
化することが重要だとされており、多孔質の燃料極又は
空気極のどちらか一方の電極層を支持体として電解質膜
と他方の電極層を形成したセル構造が提案されている。
例えば、1.5mm厚のNiサーメット製燃料極層上に
真空スリップキャスティング法によって膜厚15μmの
電解質層を形成した構成が開示されている(Proce
edings of The 3rd Interna
tional Fuel Cell Conferen
ce,P349)。なお、かかる平板型では、円筒型に
比較して、燃料電池の単位体積当たりに設置できる有効
発電セル面積を大きくすることができるため、出力密度
を向上させることができる。(2) Flat plate type Basically, it has the same structure as that of phosphoric acid type or molten carbonate type. That is, a separator plate in which a fuel electrode plate having a fuel gas flow path formed on both surfaces of an interconnector flat plate and an air electrode plate having an air flow path formed thereon is bonded, and a fuel electrode layer and an air electrode layer are formed on both surfaces of a sheet electrolyte layer. Are stacked alternately on a planar cell plate in which the layers are laminated. It is considered important to reduce the thickness of the electrolyte layer in order to reduce the IR loss of the power generation output and improve the power density, and supports either the porous fuel electrode or the air electrode. A cell structure in which an electrolyte membrane and the other electrode layer are formed as a body has been proposed.
For example, a configuration is disclosed in which a 15 μm-thick electrolyte layer is formed on a 1.5-mm-thick Ni cermet fuel electrode layer by a vacuum slip casting method (Procee).
edings of The 3rd International
Tional Fuel Cell Conferen
ce, P349). In addition, in the flat plate type, the effective power generation cell area that can be installed per unit volume of the fuel cell can be increased as compared with the cylindrical type, so that the output density can be improved.
【0006】(3)平板型 上述のような平板型においては、セパレータ板を構成
する燃料極板と空気極板とインターコネクタ平板の間の
熱膨張係数差に起因する破損を防止して熱耐久性を向上
すること、又はインターコネクタ平板の燃料ガス(還元
雰囲気)と空気(酸化雰囲気)の両方に対する耐熱性を
向上することが大きな技術課題となっている。これを改
善するため、燃料極同士及び空気極同士を互いに対向さ
せて積層させるとともに、燃料極同士の間に燃料極材料
で燃料ガス流路を、空気極同士の間に空気極材料で空気
流路を形成した構成の燃料電池スタックが提案されてい
る(特開平9−45355号公報)。かかる構成によれ
ば、セパレータを用いなくてもよいので、更に小型化を
図ることが可能であるとともに、熱耐久性を向上できる
ことが記載されている。(3) Flat plate type In the flat plate type as described above, damage due to a difference in thermal expansion coefficient between a fuel electrode plate, an air electrode plate, and an interconnector plate which constitute a separator plate is prevented to endure heat. It is a major technical problem to improve the heat resistance or to improve the heat resistance of the interconnector flat plate to both fuel gas (reducing atmosphere) and air (oxidizing atmosphere). In order to improve this, the fuel electrodes and the air electrodes are stacked so as to face each other, the fuel gas flow path is formed between the fuel electrodes with the fuel electrode material, and the air flow is formed between the air electrodes with the air electrode material. A fuel cell stack having a configuration in which a passage is formed has been proposed (Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-45355). According to this configuration, it is described that the separator can be omitted, so that the size can be further reduced and the heat durability can be improved.
【0007】(4)モノリス型 平板型と類似する構造である。即ち、インターコネクタ
平板の両面にガス流路を形成していない燃料極層と、空
気極層を形成したセパレータ板と、波板形状の燃料極
層、電解質層及び空気極層の三層一体のセル膜とを交互
に貼りあわせた構造である。波形のセル板によって流路
を形成するとともに、燃料電池スタックの単位体積当た
りに設置できる有効発電セル面積を大きくすることがで
きるため、出力密度を向上させることができる。(4) Monolith type The structure is similar to the flat type. That is, a fuel electrode layer having no gas flow path formed on both surfaces of the interconnector flat plate, a separator plate having an air electrode layer formed thereon, a corrugated fuel electrode layer, an electrolyte layer, and an air electrode layer. This is a structure in which cell films are alternately bonded. The flow path is formed by the corrugated cell plates, and the effective power generation cell area that can be installed per unit volume of the fuel cell stack can be increased, so that the output density can be improved.
【0008】[0008]
【発明が解決しようとする課題】上述のように、燃料電
池スタックを小型化して高出力密度にするためには、ス
タック単位体積当たりに設置することができる有効セル
面積を大きくすることと、単位セル面積当たりの発電出
力を大きくすることが重要である。しかしながら、従来
技術(1)においては、一般的に燃料電池スタックの単
位体積当たりに設置できる有効発電セル面積を大きくす
ることが困難であるという課題がある。特に、自動車な
どの移動体に搭載するためには、燃料電池スタックの小
型化は重要であり、また、車載するためには、起動性を
向上させることが重要となり、スタックの体積が大きい
と、発電が可能な温度に昇温するのに時間がかかり、燃
料電池スタックの起動性が悪くなるという課題がある。As described above, in order to reduce the size of the fuel cell stack and increase the power density, it is necessary to increase the effective cell area that can be installed per unit volume of the stack. It is important to increase the power generation output per cell area. However, the prior art (1) has a problem that it is generally difficult to increase the effective power generation cell area that can be installed per unit volume of the fuel cell stack. In particular, in order to mount the fuel cell on a moving body such as an automobile, it is important to reduce the size of the fuel cell stack. There is a problem in that it takes time to raise the temperature to a temperature at which power generation is possible, and the startability of the fuel cell stack deteriorates.
【0009】一方、従来技術(2)は、一般的に有効セ
ル面積の密度を大きく取り易い構成である。しかしなが
ら、セパレータ板の片面が燃料ガス、もう一方の面が空
気に曝されるため、両方のガスに対する熱耐久性を向上
させることが難しく、熱耐久性の向上に課題がある。ま
た、セラミックス材料を主とするスタックと金属製ガス
配管を連結するマニホールド部分のガスシール性が十分
ではなく、更には、セラミックスと金属との異種材料の
接合部を含むため、熱衝撃性に弱いという課題もある。On the other hand, the prior art (2) generally has a configuration in which the effective cell area density can be easily increased. However, since one surface of the separator plate is exposed to the fuel gas and the other surface is exposed to the air, it is difficult to improve the heat durability against both gases, and there is a problem in improving the heat durability. In addition, the gas seal of the manifold connecting the stack composed mainly of the ceramic material and the gas pipe made of metal is not sufficient, and furthermore, since it includes a joint of different materials of ceramic and metal, it is weak in thermal shock resistance. There is also a problem.
【0010】従来技術(3)においては、セパレータを
用いない構成とすることにより、従来技術(2)の課題
である耐久性向上を図るとともに、単位スタック体積当
たりの有効セル面積密度を向上することができる。しか
しながら、上記同様にマニホールド部のガスシール性や
耐熱衝撃性が十分ではないという課題がある。またこの
構成では、積層したセル板が全て電気的に並列に接続し
た構成となるため、燃料電池スタックとしては低電圧高
電流型となり、高電圧が要求される場合には、スタック
の発電出力を設計をするのが困難であり、昇圧する場合
や送電する場合、配線部分において損失が大きくなると
いう課題がある。In the prior art (3), by adopting a structure without using a separator, it is possible to improve the durability, which is a problem of the prior art (2), and to increase the effective cell area density per unit stack volume. Can be. However, as described above, there is a problem that the gas sealing property and the thermal shock resistance of the manifold portion are not sufficient. Further, in this configuration, since all the stacked cell plates are electrically connected in parallel, the fuel cell stack is a low-voltage high-current type, and when a high voltage is required, the power generation output of the stack is reduced. It is difficult to design, and there is a problem that a loss increases in a wiring portion when boosting or transmitting power.
【0011】更に、従来技術(4)は、電解質層と両電
極層から成るセル板部分を波型に形成してガス流路を分
割している構成を採用しているため、単位スタック体積
当たりの有効セル面積密度を向上することができる。し
かしながら、機械的強度が十分ではないという不具合が
あり、強度を向上するためには電解質厚さを厚くする必
要があり、厚すぎる場合は、電解質部分での酸素イオン
伝導の膜抵抗が大きくなることにより、単位セル面積当
たりの発電出力を低下させてしまうという課題がある。Further, the prior art (4) employs a configuration in which a cell plate portion composed of an electrolyte layer and both electrode layers is formed in a wave shape to divide a gas flow path. Effective cell area density can be improved. However, there is a problem that the mechanical strength is not sufficient, and it is necessary to increase the thickness of the electrolyte in order to improve the strength. If the thickness is too large, the membrane resistance of oxygen ion conduction in the electrolyte portion increases. Therefore, there is a problem that the power generation output per unit cell area is reduced.
【0012】本発明は、このような従来技術の有する課
題に着目してなされたものであり、その目的とするとこ
ろは、電解質層を薄膜化して膜抵抗を低減し、電極反応
面積が十分に確保でき、起動・停止が頻繁に起きる使用
態様に対して信頼性が高い固体電解質型燃料電池用のス
タック及びこれを用いた固体電解質型燃料電池を提供す
ることにある。The present invention has been made in view of such problems of the prior art. It is an object of the present invention to reduce the film resistance by reducing the thickness of the electrolyte layer so that the electrode reaction area can be sufficiently increased. An object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell stack which can be ensured and has high reliability in a use mode in which starting and stopping frequently occur, and a solid oxide fuel cell using the same.
【0013】[0013]
【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記目的
を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、所定の基板を用い
て電極層などに特定形状を付与したり、各層の積層仕様
を適宜選定することなどにより、上記目的が達成される
ことを見出し、本発明を完成するに至った。Means for Solving the Problems The inventors of the present invention have made intensive studies to achieve the above object, and as a result, given a specific shape to an electrode layer or the like by using a predetermined substrate, and changed the lamination specification of each layer. It has been found that the above objects can be achieved by appropriate selection and the like, and the present invention has been completed.
【0014】即ち、本発明の第1の固体電解質型燃料電
池用スタックは、固体電解質層に空気極層と燃料極層を
挟着したセル板を積層して成る固体電解質型燃料電池用
スタックにおいて、上記セル板が、上面及び/又は下面
に凹溝を有する基板と、この凹溝側の基板面上に燃料極
層、固体電解質層及び空気極層、又は空気極層、固体電
解質層及び燃料極層の順で、且つ上記凹溝の形状をほぼ
転写するように積層されたこれらの層とを備え、少なく
とも1対の上記セル板が、上記燃料極層同士又は空気極
層同士を対向させて接合するように積層され、上記燃料
極層同士又は空気極層同士の接合により形成される管状
溝が、燃料又は空気のガス流路として機能する、ことを
特徴とする。That is, a first solid oxide fuel cell stack according to the present invention is a solid oxide fuel cell stack comprising a solid electrolyte layer and a cell plate having an air electrode layer and a fuel electrode layer sandwiched therebetween. A substrate in which the cell plate has a concave groove on an upper surface and / or a lower surface; and a fuel electrode layer, a solid electrolyte layer and an air electrode layer, or an air electrode layer, a solid electrolyte layer and a fuel on the substrate surface on the concave groove side. These layers are stacked in the order of the electrode layers and so as to substantially transfer the shape of the groove, and at least one pair of the cell plates causes the fuel electrode layers or the air electrode layers to face each other. The tubular grooves formed by joining the fuel electrode layers or the air electrode layers are stacked so as to join together, and function as a fuel or air gas flow path.
【0015】また、本発明の第1の固体電解質型燃料電
池用スタックの好適形態は、上記基板が多孔質材料から
成り、上記管状溝が担当するガス流路とは極性が逆のガ
ス流路として機能することを特徴とする。In a preferred embodiment of the first solid oxide fuel cell stack according to the present invention, the substrate is made of a porous material, and the gas flow channel has a polarity opposite to that of the gas flow channel served by the tubular groove. It is characterized by functioning as.
【0016】更に、第1の固体電解質型燃料電池用スタ
ックの他の好適形態は、貫通した開口部が上記凹溝の底
部に部分的に形成されており、この開口部から上記燃料
極層又は空気極層が突出していることを特徴とする。Further, in another preferred embodiment of the first solid oxide fuel cell stack, a penetrating opening is formed partially at the bottom of the concave groove, and the fuel electrode layer or the fuel electrode layer is formed through the opening. The air electrode layer is protruding.
【0017】更にまた、第1の固体電解質型燃料電池用
スタックの更に他の好適形態は、上記基板の上面又は下
面における、上記貫通開口部以外の領域、又はこの領域
とこの貫通開口部の一部の領域とにおいて、この基板と
上記空気極層又は燃料極層との間に絶縁応力緩和層を付
加して成ることを特徴とする。Still another preferred embodiment of the first solid oxide fuel cell stack is a region other than the through-opening on the upper or lower surface of the substrate, or one of the region and the through-opening. In another embodiment, an insulating stress relaxation layer is added between the substrate and the air electrode layer or the fuel electrode layer.
【0018】一方、本発明の第2の固体電解質型燃料電
池用スタックは、固体電解質層に空気極層と燃料極層を
挟着したセル板を積層して成る固体電解質型燃料電池用
スタックにおいて、上記セル板が、上面又は下面に凹溝
を有し所定の電極材料の焼結体から成る燃料極層上又は
空気極層上に、固体電解質層及び空気極層又は燃料極層
をこの順で、且つ上記凹溝の形状をほぼ転写するように
積層した、燃料極層−固体電解質層−空気極層、又は空
気極層−固体電解質層−燃料極層の積層構造を有し、少
なくとも1対の上記セル板が、上記燃料極層同士又は空
気極層同士を対向させて接合するように積層され、上記
燃料極層同士又は空気極層同士の接合により形成される
管状溝が、燃料又は空気のガス流路として機能する、こ
とを特徴とする。On the other hand, the second solid oxide fuel cell stack according to the present invention is a solid oxide fuel cell stack comprising a solid electrolyte layer and a cell plate having an air electrode layer and a fuel electrode layer sandwiched therebetween. The solid electrolyte layer and the air electrode layer or the fuel electrode layer are arranged in this order on the fuel electrode layer or the air electrode layer, wherein the cell plate has a concave groove on the upper or lower surface and is made of a sintered body of a predetermined electrode material. And a laminated structure of fuel electrode layer-solid electrolyte layer-air electrode layer or air electrode layer-solid electrolyte layer-fuel electrode layer laminated so as to substantially transfer the shape of the concave groove, The pair of cell plates are stacked so that the fuel electrode layers or the air electrode layers face each other and are joined, and a tubular groove formed by joining the fuel electrode layers or the air electrode layers is formed of fuel or It functions as an air gas flow path.
【0019】また、本発明の固体電解質型燃料電池は、
上述の如き第1又は第2の燃料電池用スタックを用いて
成る固体電解質型燃料電池であって、上記1対のセル板
から成るセル板組と、流路を有するセパレータとを交互
に積層して成ることを特徴とする。Further, the solid oxide fuel cell of the present invention comprises:
A solid oxide fuel cell using the first or second fuel cell stack as described above, wherein a cell plate set including the pair of cell plates and a separator having a flow path are alternately stacked. It is characterized by comprising.
【0020】更に、本発明の他の固体電解質型燃料電池
は、上述の如き第1又は第2の燃料電池用スタックを用
いて成る固体電解質型燃料電池であって、上記1対のセ
ル板から成るセル板組と、隣接するセル板組との間に、
電気的絶縁層を介挿して成ることを特徴とする。Further, another solid oxide fuel cell according to the present invention is a solid oxide fuel cell using the first or second fuel cell stack as described above, wherein the solid electrolyte fuel cell comprises a pair of cell plates. Between a cell plate set and an adjacent cell plate set,
It is characterized by being formed by interposing an electrical insulating layer.
【0021】[0021]
【発明の実施の形態】以下、本発明の固体電解質型燃料
電池用スタック、及び固体電解質型燃料電池について詳
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ものとする。また、説明の
便宜上、基板や電極層などの各層の一方の面を「表面」
又は「上面」、他方の面を「裏面」又は「下面」、これ
に応じて、空気極層又は燃料極層などの電極層を「表面
電極」又は「上部電極」、「裏面電極」又は「下部電
極」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。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, a stack for a solid oxide fuel cell and a solid oxide fuel cell according to the present invention will be described in detail. In addition, in this specification, "%" indicates a mass percentage unless otherwise specified. For convenience of explanation, one surface of each layer such as a substrate and an electrode layer is referred to as a “front surface”.
Or `` upper surface '', the other surface is `` back surface '' or `` lower surface '', and accordingly, the electrode layer such as the air electrode layer or the fuel electrode layer is `` front electrode '' or `` upper electrode '', `` back electrode '' or `` Although described as "lower electrode" and the like, these are equivalent elements, and a configuration in which they are replaced with each other is also included in the scope of the present invention.
【0022】上述の如く、本発明の燃料電池用スタック
は、固体電解質層を空気極層と燃料極層で挟んだ構造、
即ち空気極層−固体電解質層−燃料極層、又はこの積層
順を逆転させた態様である、燃料極層−固体電解質層−
空気極層の積層構造を有するセル板を用いて成るもので
ある。As described above, the fuel cell stack of the present invention has a structure in which a solid electrolyte layer is sandwiched between an air electrode layer and a fuel electrode layer.
That is, the air electrode layer-solid electrolyte layer-fuel electrode layer, or the fuel electrode layer-solid electrolyte layer-in which the stacking order is reversed.
It is formed using a cell plate having a laminated structure of an air electrode layer.
【0023】ここで、第1スタックでは、上記積層構造
の支持体として機能する基板に凹溝を形成し、この凹溝
付き基板の上に電極層、固体電解質層及び電極層を順次
積層して、これらの層に該基板の凹溝形状をほぼ転写さ
せ、最表面に位置する電極層、即ち燃料極層又は空気極
層にも凹溝を形成してセル板を形成する。そして、かか
るセル板を少なくとも1対準備し、両セル板の凹溝同士
が対向するように両セル板を接合してセル板組を得、必
要に応じてこのようなセル板組を複数個積層してスタッ
クを形成する。この結果、セル板組では、凹溝同士で管
状溝が形成されることになり、この管状溝は燃料極層同
士又は空気極層同士で形成され、極性が一致しているの
で、この管状溝を燃料ガス流路又は空気ガス流路として
も不具合は生じない。Here, in the first stack, a concave groove is formed in a substrate functioning as a support of the above-mentioned laminated structure, and an electrode layer, a solid electrolyte layer and an electrode layer are sequentially laminated on the substrate with the concave groove. The groove shape of the substrate is substantially transferred to these layers, and a groove is also formed in the electrode layer located on the outermost surface, ie, the fuel electrode layer or the air electrode layer, to form a cell plate. Then, at least one pair of such cell plates is prepared, and the two cell plates are joined so that the concave grooves of both cell plates face each other to obtain a cell plate set. If necessary, a plurality of such cell plate sets are provided. Laminate to form a stack. As a result, in the cell plate set, a tubular groove is formed by the concave grooves, and the tubular groove is formed by the fuel electrode layers or the air electrode layers, and has the same polarity. No problem occurs even if is used as a fuel gas flow path or an air gas flow path.
【0024】本発明の第1スタックは、上述のような構
成を利用するものであり、セパレータを必須構成要件と
しないものである。なお、本発明においては、後述する
ように半導体集積技術を適用することにより、従来のセ
ル板に比し軽薄短小なセル板を形成し得るものであり、
更には、後述するように表裏面を貫通した開口部を有す
る基板(開口部付き基板)をも使用可能であり、これら
の点においても上述した特開平9−45355号と異な
る。The first stack of the present invention utilizes the above-described configuration, and does not require a separator as an essential component. In the present invention, by applying a semiconductor integrated technology as described later, it is possible to form a light, thin and short cell plate as compared with a conventional cell plate,
Further, as described later, a substrate having an opening penetrating the front and back surfaces (a substrate with an opening) can also be used, and these points are also different from the above-mentioned JP-A-9-45355.
【0025】一方、本発明の第2スタックは、空気極層
及び燃料極層のいずれか一方の電極層又は双方の電極層
に凹溝を形成するとともに、最表面に位置しない方の電
極層に支持体としての機能も持たせたものであり、管状
溝の形成やセル板組の積層などについては第1スタック
の場合と同様である。On the other hand, according to the second stack of the present invention, a groove is formed in one or both of the air electrode layer and the fuel electrode layer, and a groove is formed on the electrode layer which is not located on the outermost surface. It also has a function as a support, and the formation of the tubular groove and the lamination of the cell plate set are the same as in the case of the first stack.
【0026】上述のように、本発明のスタック及び固体
電解質型燃料電池においては、燃料ガスと空気のうちの
一方のガス、例えば、燃料ガスは凹溝付きセル板を接合
して形成される管状路に流すようにし、固体電解質層に
よって空気と隔離されるようにしている。これにより、
燃料ガスが燃料極層と固体電解質層で密閉された管状流
路を流れる構成となっているため、燃料ガスと空気の両
方に曝され、両方のガスに対する高温耐久性が要求され
るセパレータを必要としない構成とすることができる。As described above, in the stack and the solid oxide fuel cell of the present invention, one of the fuel gas and the air, for example, the fuel gas is a tubular gas formed by joining the cell plates with the grooves. It is made to flow in a channel, and is isolated from air by a solid electrolyte layer. This allows
Since the fuel gas flows through a tubular flow path enclosed by the fuel electrode layer and the solid electrolyte layer, a separator that is exposed to both the fuel gas and air and requires high-temperature durability for both gases is required. Is not required.
【0027】本発明において、セル板の凹溝の断面形状
は、2つの凹溝を接合した際に管状流路を形成し得るよ
うな形状であれば特に限定されるものではないが、円
形、楕円形、矩形及び多角形を適当に分割した形状、代
表的には半円形、半楕円形、矩形又は多角形の半分の形
状などとすることができる。なお、2枚のセル板の凹溝
を対向させて各セル板の電極層同士を接合する場合、接
合材として機能させる目的、又は電極層の集電機能を補
助する目的、機械的熱的応力を緩和する目的で、2つの
電極層間の一部分に中間層を形成して積層することがで
きる。In the present invention, the cross-sectional shape of the groove of the cell plate is not particularly limited as long as it can form a tubular flow path when the two grooves are joined. The shape may be a shape obtained by appropriately dividing an ellipse, a rectangle, and a polygon, typically a half circle, a half ellipse, a half of a rectangle or a polygon, or the like. When the electrode layers of each cell plate are joined with the concave grooves of the two cell plates facing each other, the purpose is to function as a joining material, to assist the current collecting function of the electrode layers, In order to alleviate this, an intermediate layer can be formed and laminated at a part between two electrode layers.
【0028】また、本発明においては、上記セル板の基
板として多孔質基板を使用することが可能であり、この
場合、基板はセル板の強度を保持する機能、電極層や固
体電解質層を膜形成する際の支持基板としての機能を果
たす他に、管状流路を流れない方のガス、例えば、管状
流路を燃料ガスが流れる場合は空気を流すガス流路とし
ても機能することができる。この場合、流路を形成した
セパレータ板を用いないでセル板組みだけを積層した積
層密度の高いスタックを形成することができる。また、
この多孔質基板が電気導電性である場合は、セルで発電
した電流を集電する機能を併有することも可能である。
更に、発電電圧を発電要求値に合わせるため、隣接する
セル板組みの間に電気的絶縁層を挿入して積層し、セル
板組みを電気的に直列に接続することもできる。この場
合の電気絶縁層の両面については、同種のガスが流れる
ため、やはり両方のガスに対する耐久性が要求されるセ
パレータを必要としない。In the present invention, it is possible to use a porous substrate as the substrate of the cell plate. In this case, the substrate has a function of maintaining the strength of the cell plate, and a film having an electrode layer or a solid electrolyte layer. In addition to functioning as a support substrate during formation, it can also function as a gas flow path that does not flow through the tubular flow path, such as a gas flow path through which air flows when fuel gas flows through the tubular flow path. In this case, it is possible to form a stack having a high stacking density in which only the cell plate assemblies are stacked without using the separator plate in which the flow path is formed. Also,
When the porous substrate is electrically conductive, it can also have a function of collecting current generated by the cell.
Furthermore, in order to adjust the generated voltage to the required power generation value, an electric insulating layer may be inserted between adjacent cell plate assemblies and stacked, and the cell plate assemblies may be electrically connected in series. Since the same type of gas flows on both sides of the electric insulating layer in this case, a separator which also requires durability against both gases is not required.
【0029】一方、セル板の基板として、多孔質でガス
は透過するがガス流路としての機能が不十分である場合
や、ガス不透過性基板で開口部を有する基板を使用する
場合は、セル板強度を保持する機能、電極層又は固体電
解質層膜を支持する機能に優れることになる。特に、ガ
スの隔壁として機能する固体電解質層を緻密で且つ薄膜
に形成することが容易になる利点がある。更に、基板が
起動時に加熱された熱エネルギーを伝熱する機能に優れ
る利点もある。On the other hand, when the substrate of the cell plate is porous and allows gas to permeate but has insufficient function as a gas flow path, or when a gas-impermeable substrate having an opening is used, The function of maintaining the strength of the cell plate and the function of supporting the electrode layer or the solid electrolyte layer film are excellent. In particular, there is an advantage that the solid electrolyte layer functioning as a gas partition can be easily formed into a dense and thin film. Further, there is an advantage that the substrate has an excellent function of transferring the heat energy heated at the time of starting.
【0030】かかるガス不透過性や開口部付きの基板を
用いてスタックを形成する場合、1対のセル板(セル板
組)とガス流路を形成したセパレータとを交互に積層す
ることができる。即ち、セル板2枚ごとにセパレータが
1枚積層された構成となり、従来のように、セル板1枚
ごとにセパレータを挿入した構成よりも発電機能を有す
る部分の積層密度を向上させることができる。セパレー
タの積層方向の両面が電気的に絶縁されている場合は、
セパレータ上部のセル板組と下部のセル板組を電気的に
絶縁することができ、セル板同士を電気的に直列に接続
することが可能になる。例えば、セパレータを絶縁性セ
ラミックスなどで形成したり、金属製のセパレータの少
なくとも一方のセル板と接合又は接触する面を絶縁処理
するなどして形成することができる。When a stack is formed using such a substrate having gas impermeability and openings, a pair of cell plates (cell plate set) and a separator having a gas flow path can be alternately stacked. . In other words, the configuration is such that one separator is laminated for every two cell plates, and the lamination density of the portion having the power generation function can be improved as compared with the conventional configuration in which the separator is inserted for each cell plate. . If both sides of the separator in the stacking direction are electrically insulated,
The cell plate set above the separator and the cell plate set below can be electrically insulated, and the cell plates can be electrically connected in series. For example, the separator can be formed of insulating ceramics or the like, or can be formed by insulating a surface of a metal separator that is in contact with or in contact with at least one cell plate.
【0031】更に、上述の如く、本発明の第2スタック
では、セル板の基板を空気極又は燃料極層の一方が兼ね
ることができる。ガス流路の機能を補助する目的や、発
電電圧を制御する目的で、2枚から成るセル板組みごと
に、セパレータや電気絶縁性ガス不透過層を挿入したス
タック構成とすることができる。Further, as described above, in the second stack of the present invention, one of the air electrode and the fuel electrode layer can serve as the substrate of the cell plate. For the purpose of assisting the function of the gas flow path or controlling the generated voltage, a stack configuration in which a separator and an electrically insulating gas impermeable layer are inserted for each two-cell plate assembly can be provided.
【0032】次に、本発明のスタック及び固体電解質型
燃料電池における固体電解質層、電極層の材質及びこれ
らの製造方法について説明する。本発明においては、固
体電解質層や電極層の材料は、特に限定されるものでは
なく、それぞれ公知の材料を使用することができる。例
えば、燃料極材料としては、公知のニッケル、ニッケル
サーメット及び白金などを使用することができる。空気
極としは、例えばLa1−xSrxMnO3、La
1−xSrxCoO3などのペロブスカイト型酸化物を
使用することができる。一方、固体電解質層としては、
公知のNd2O3、Sm2O3、Y2O3及びGd2O
3などを固溶した安定化ジルコニアや、CeO2系固溶
体、酸化ビスマス及びLaGaO3などを使用すること
ができる。Next, the materials of the solid electrolyte layer and the electrode layer in the stack and the solid oxide fuel cell of the present invention, and the method of manufacturing these will be described. In the present invention, the materials of the solid electrolyte layer and the electrode layer are not particularly limited, and known materials can be used. For example, as the fuel electrode material, known nickel, nickel cermet, platinum, and the like can be used. As the air electrode, for example, La 1-x Sr x MnO 3 , La
A perovskite-type oxide such as 1-x Sr x CoO 3 can be used. On the other hand, as the solid electrolyte layer,
Known Nd 2 O 3 , Sm 2 O 3 , Y 2 O 3 and Gd 2 O
For example, stabilized zirconia in which 3 is dissolved, CeO 2 -based solid solution, bismuth oxide, LaGaO 3, or the like can be used.
【0033】また、固体電解質層や電極層の形成方法と
しては、公知のEVD法、溶射法、スパッタ法及び蒸着
法などの成膜方法や、テープキャスティング法、ディッ
ピング法、ゾルゲル法、塗布法及びスプレー法などを適
用することができる。なお、電極層の一方を基板として
使用する場合は、公知の粉末冶金手法で形成した原料粉
を押し出し形成法などで所望の凹溝付き基板に成形し、
焼結することにより、凹溝付き基板兼電極層を製造する
ことができる。Examples of the method for forming the solid electrolyte layer and the electrode layer include a known film forming method such as an EVD method, a thermal spraying method, a sputtering method and a vapor deposition method, a tape casting method, a dipping method, a sol-gel method, a coating method, and the like. A spray method or the like can be applied. When one of the electrode layers is used as a substrate, a raw material powder formed by a known powder metallurgy technique is formed into a desired grooved substrate by an extrusion forming method or the like,
By sintering, a substrate / electrode layer having a concave groove can be manufactured.
【0034】更に、本発明で多孔質基板を用いることが
できるのは上述の通りであるが、かかる多孔質基板とし
ては、ガス透過性を有する多孔質性の金属やセラミック
スを使用することができる。例えば、公知のCaOを1
5mol添加した安定化ZrO2やAl2O3などのセ
ラミックス焼結体や、Ni、Ni合金、SUS及びFe
合金などの発泡金属や、焼結体合金及び焼結体サーメッ
トなどを使用することができる。また、凹溝付きの多孔
質基板も公知の製造方法で製造することができる。例え
ば、所望の形状に押し出し成形した後に焼成する方法
や、公知の発泡金属を製造する方法で製造できる。更
に、多孔質基板は、ガス流路としての機能を主に果たす
比較的気孔率が高い層と、電極層や固体電解質層を膜形
成する場合の支持基板としての機能を主に果たす比較的
気孔率の低い層との少なくとも2層以上の層から形成さ
れる基板とすることもできる。Further, as described above, a porous substrate can be used in the present invention. As such a porous substrate, a porous metal or ceramic having gas permeability can be used. . For example, a known CaO
And ceramics sintered body such as 5mol added stabilized ZrO 2 and Al 2 O 3, Ni, Ni alloy, SUS and Fe
A foamed metal such as an alloy, a sintered body alloy, a sintered body cermet, or the like can be used. Further, a porous substrate with a concave groove can also be manufactured by a known manufacturing method. For example, it can be manufactured by a method of extruding into a desired shape and then firing, or a method of manufacturing a known foamed metal. Further, the porous substrate has a relatively high porosity layer mainly serving as a gas passage and a relatively porous layer mainly serving as a support substrate when forming an electrode layer or a solid electrolyte layer. A substrate formed of at least two or more layers having a low ratio can also be used.
【0035】更にまた、本発明で使用される開口部を有
する基板は、基板の上面及び下面の少なくとも一方に凹
溝が形成され、この凹溝の一部に基板上面から下面に貫
通する開口部が形成されている基板であり、ガス透過性
又は不透過性のどちらでも使用することができる。例え
ば、石英、高融点ガラス、アルミナ、マグネシア、部分
安定化ジルコニア、シリコン、Ni、Ni基合金、SU
S及びFe基合金などを使用することができる。Further, in the substrate having an opening used in the present invention, a concave groove is formed on at least one of the upper surface and the lower surface of the substrate, and an opening penetrating from the upper surface of the substrate to the lower surface is partially formed in the concave groove. Is formed on the substrate, and either gas-permeable or impermeable can be used. For example, quartz, high melting point glass, alumina, magnesia, partially stabilized zirconia, silicon, Ni, Ni-based alloy, SU
S and Fe based alloys can be used.
【0036】基板が電気導電性である場合は、基板と一
方の電極を電気的に絶縁する目的で又は、基板と固体電
解質層や電極層の熱応力を緩和する目的で、基板開口部
以外の部分又は基板開口部の一部で少なくとも片面に、
電気絶縁・熱応力緩和層を形成した構成とすることがで
きる。この場合、例えば、シリコン酸化物、シリコン窒
化物、リン珪酸ガラス(PSG)、リンホウ珪酸ガラス
(BPSG)、アルミナ、チタニア、ジルコニア、セリ
ア又はMgO及びこれらの任意の混合物を含有し、好ま
しくはこれらを主成分とする材料を使用することができ
る。また、シリコン、チタン、クロム、鉄、コバルト、
ニッケル、ジルコニウム、モリブデン、タングステン又
はタンタル及びこれらの混合金属を主成分とする金属を
使用することができる。In the case where the substrate is electrically conductive, the other portions than the substrate opening are provided for the purpose of electrically insulating the substrate and one electrode or for reducing the thermal stress between the substrate and the solid electrolyte layer or the electrode layer. Part or part of the substrate opening on at least one side,
A configuration in which an electric insulation / thermal stress relaxation layer is formed can be employed. In this case, it contains, for example, silicon oxide, silicon nitride, phosphosilicate glass (PSG), phosphoborosilicate glass (BPSG), alumina, titania, zirconia, ceria or MgO, and preferably any mixture thereof. A material serving as a main component can be used. Also, silicon, titanium, chromium, iron, cobalt,
Metals containing nickel, zirconium, molybdenum, tungsten or tantalum and mixed metals thereof as main components can be used.
【0037】[0037]
【実施例】以下、本発明を好適実施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。Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to preferred embodiments, but the present invention is not limited to these embodiments.
【0038】(実施例1)図1に、本実施例で用いるセ
ル板の製造工程を示す。多孔質基板1は、公知の多孔質
金属体の製造方法に従って、凸部を有する型材5上に作
成した。即ち有機溶剤、水溶性樹脂結合剤、界面活性
剤、可塑剤及び水とともに、平均粒径0.5〜5μmの
Ni製原料粉を主成分とする混合物をドクターブレード
法により凸型5上に塗布して比較的気孔率が低い表面層
を形成し、次いで、原料混合物の有機溶剤、水溶性樹脂
結合剤及び界面活性剤の混合比率を変えることにより、
比較的気孔率が高い基板層を同様に重ねて成形体を形成
した。更に、気泡形成工程、脱脂工程及び焼結工程から
成る熱処理を行い、気孔率20%、膜厚10μmの比較
的気孔率が低い表面層1aと、気孔率80%、最も薄い
部分で膜厚が500μmである凹溝を有する多孔質基板
層1bとから成る多孔質基板1を形成した。Embodiment 1 FIG. 1 shows a manufacturing process of a cell plate used in this embodiment. The porous substrate 1 was formed on a mold 5 having a convex portion according to a known method for manufacturing a porous metal body. That is, a mixture mainly composed of a Ni raw material powder having an average particle size of 0.5 to 5 μm, together with an organic solvent, a water-soluble resin binder, a surfactant, a plasticizer and water, is applied on the convex 5 by a doctor blade method. By forming a relatively low porosity surface layer and then, by changing the mixing ratio of the organic solvent of the raw material mixture, the water-soluble resin binder and the surfactant,
Substrate layers having relatively high porosity were similarly overlapped to form a molded body. Further, a heat treatment including a bubble forming step, a degreasing step, and a sintering step is performed, and a relatively low porosity surface layer 1a having a porosity of 20% and a film thickness of 10 μm and a porosity of 80% and a film thickness at the thinnest portion are obtained. A porous substrate 1 comprising a porous substrate layer 1b having a concave groove of 500 μm was formed.
【0039】次に、基板1の凹溝面側に、燃料極層2、
電解質層3及び空気極層4を公知のスパッタ法により成
膜した。即ち、RFマグネトロンスパッタ装置に基板1
を設置し、まずArイオンビームにて、5分間基板上を
逆スパッタ法によりクリーニングし、続いてNiとイッ
トリア安定化ジルコニアのサーメットのターゲットを用
いて、RF出力300W、成膜圧力5Pa条件下で5μ
m成膜した。次に、ターゲットをイットリア安定化ジル
コニアに交換し、RF出力300W、圧力1Pa条件下
にて2μm成膜した。更にターゲットをLSMに交換
し、RF出力300W、成膜圧力5Pa条件で、5μm
成膜し、セル板6を形成した。Next, the fuel electrode layer 2,
The electrolyte layer 3 and the air electrode layer 4 were formed by a known sputtering method. That is, the substrate 1 is placed in the RF magnetron sputtering apparatus.
First, the substrate is cleaned by reverse sputtering with an Ar ion beam for 5 minutes, and then, using a cermet target of Ni and yttria-stabilized zirconia, at an RF output of 300 W and a film forming pressure of 5 Pa, 5μ
m was formed. Next, the target was replaced with yttria-stabilized zirconia, and a film having a thickness of 2 μm was formed under the conditions of an RF output of 300 W and a pressure of 1 Pa. Further, the target was exchanged for LSM, and RF output was set to 300 W, film forming pressure was set to 5 Pa, and 5 μm.
The film was formed, and the cell plate 6 was formed.
【0040】次に、本実施例のスタックを図2に示す要
領で作成した。2枚のセル板6を凹溝が相対するように
積層し(a及びb)、凹溝以外の部分にリボン形状のP
t線両面に低温焼き付けが可能なAg基ろう材を塗布し
た接合層7を挿入し積層し、900℃にて焼成してセル
板組8を形成した。2枚のセル板6の凹溝で形成される
管状ガス流路には、SUS製ガス導入管9を挿入し、同
時に焼き付けした(c)。次に、セル板組8を3層重ね
た両端に厚さ1mmのSUS製端板10を設置し、SU
S製端板10同士をボルト(図示せず)にて機械的に締
結して、スタック11を形成した(d)。Next, the stack of the present embodiment was prepared in the manner shown in FIG. Two cell plates 6 are laminated so that the grooves are opposed to each other (a and b), and a ribbon-shaped P
A joining layer 7 coated with an Ag-based brazing material capable of being baked at a low temperature was inserted and laminated on both surfaces of the t-line, and fired at 900 ° C. to form a cell plate set 8. A SUS gas introduction pipe 9 was inserted into a tubular gas flow path formed by the concave grooves of the two cell plates 6 and baked simultaneously (c). Next, a SUS end plate 10 having a thickness of 1 mm was placed at both ends of the three cell plate sets 8 stacked, and the SU
The S-made end plates 10 were mechanically fastened with bolts (not shown) to form a stack 11 (d).
【0041】得られたスタック11につき、セル板組8
により形成され、SUS製ガス導入管(図示せず)を設
置した管状流路(X方向)に空気を導入し、これと直角
をなす方向(Y方向)から多孔質基板1内に燃料水素ガ
スを導入し、600℃で発電特性の評価を行った
(e)。セル有効面積に対し、0.1W/cm2の発電
を行うことができた。なお、図2(e)に示すように、
X−Y断面において、燃料を導入するセル板積層断面積
を制限したり、SUS製ガス導入管を接続した部分が、
比較的温度が低く急激な昇温に対して熱応力がかかりに
くくなるように、スタック温度を調整することができ
る。With the obtained stack 11, the cell plate set 8
Air is introduced into a tubular flow path (X direction) provided with a SUS gas introduction pipe (not shown), and fuel hydrogen gas is introduced into the porous substrate 1 from a direction (Y direction) perpendicular to this. Was introduced, and the power generation characteristics were evaluated at 600 ° C. (e). Power generation of 0.1 W / cm 2 was possible with respect to the cell effective area. In addition, as shown in FIG.
In the XY cross section, the portion where the cell plate lamination cross-sectional area for introducing the fuel is limited or the portion where the SUS gas introduction pipe is connected is
The stack temperature can be adjusted so that the temperature is relatively low and thermal stress is less likely to be applied to a rapid temperature rise.
【0042】以上のような本実施例のスタックによる
と、一方のガスをセル板組によって形成される管状流路
に導入する構成とすることができるため、ガス導入部の
ガスシール性が向上するとともに、高温又は熱衝撃に対
して耐久性が向上する利点が得られる。また、耐久性を
低下させる一つの原因であった燃料ガスと空気の両方に
高温で曝されるセパレータを用いないので、高温耐久性
が向上した固体電解質型燃料電池を得ることが可能にな
る。更に、セパレータを使用しないので、図2(e)の
Z方向につき、単位長さ当たりに積層できるセル板積層
数を増加することができる。これにより、スタック容量
当たり出力密度を向上することができ、小型で起動性に
優れた燃料電池の製造が可能になる。According to the stack of the present embodiment as described above, one of the gases can be introduced into the tubular flow path formed by the cell plate assembly, so that the gas sealing property of the gas introduction portion is improved. At the same time, there is obtained an advantage that durability against high temperature or thermal shock is improved. Further, since a separator that is exposed to both fuel gas and air at a high temperature, which is one of the causes for lowering the durability, is not used, it is possible to obtain a solid oxide fuel cell having improved high-temperature durability. Furthermore, since no separator is used, the number of cell plates that can be stacked per unit length in the Z direction in FIG. 2E can be increased. As a result, the output density per stack capacity can be improved, and a small-sized fuel cell having excellent start-up properties can be manufactured.
【0043】(実施例2)本実施例で用いるセル板の製
造プロセスを図3を用いて説明する。図3は、各製造工
程におけるセル板の部分断面図及び平面図である。ま
ず、図3に示すように、Si基板21の両面に絶縁応力
緩和層22、例えばシリコン窒化膜を減圧CVD法によ
り2000Å程度成膜した(a)。次いで、この基板裏
面のシリコン窒化膜22の所望の領域をフォトリソグラ
フィ及びCF4ガスを用いたケミカルドライエッチング
によって除去し、シリコンエッチング口26を形成した
(b)。次いで、シリコンエッチング液、例えばヒドラ
ジンを用いて80℃程度の温度でシリコンエッチングを
行い、Si基板21の表面−裏面間に基板開口部27を
形成するとともにシリコン窒化膜22のダイアフラム2
9を形成した(c)。次いで、例えばYSZ(イットリ
ア安定化ジルコニア)などの電解質膜23をRFスパッ
タ法により蒸着マスクを用いてダイアフラム29を覆う
ように1.5cm角の領域に厚さ2μm程度形成した
(d)。(Embodiment 2) A manufacturing process of a cell plate used in this embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a partial sectional view and a plan view of the cell plate in each manufacturing process. First, as shown in FIG. 3, an insulating stress relieving layer 22, for example, a silicon nitride film was formed on both surfaces of a Si substrate 21 by a low pressure CVD method at about 2000 ° (a). Next, a desired region of the silicon nitride film 22 on the back surface of the substrate was removed by photolithography and chemical dry etching using CF 4 gas to form a silicon etching opening 26 (b). Next, silicon etching is performed at a temperature of about 80 ° C. using a silicon etchant, for example, hydrazine, to form a substrate opening 27 between the front surface and the back surface of the Si substrate 21 and to form a diaphragm 2 of the silicon nitride film 22.
9 was formed (c). Next, an electrolyte film 23 made of, for example, YSZ (yttria-stabilized zirconia) was formed to a thickness of about 2 μm in an area of 1.5 cm square so as to cover the diaphragm 29 by an RF sputtering method using an evaporation mask (d).
【0044】次いで、図4に示すように、再びCF4ガ
スを用いたケミカルドライエッチングによりSi基板裏
面よりエッチングを行い、電解質膜23の裏面と接する
シリコン窒化膜ダイアフラム28を除去し、電解質膜2
3の裏面を露出させた。これと同時にSi基板21裏面
のシリコン窒化膜も除去された(e)。次いで、Si基
板表面にLSMをRFスパッタ法により蒸着マスクを用
いて電解質膜23を形成した領域を覆うように1.8c
m角の領域に500nm程度成膜し、下部電極層24を
形成した(f)。次いで、Si基板21裏面よりEB蒸
着法を用いてNi膜を500nm程度成膜し電解質膜2
3裏面に直接接触する上部電極25を形成し、上部電極
25が凹溝25gを有するセル板29を作成した
(g)。Next, as shown in FIG. 4, etching is again performed from the back surface of the Si substrate by chemical dry etching using CF 4 gas to remove the silicon nitride film diaphragm 28 in contact with the back surface of the electrolyte film 23, and
3 was exposed. At the same time, the silicon nitride film on the back surface of the Si substrate 21 was also removed (e). Next, 1.8 cm of LSM was applied to the surface of the Si substrate by RF sputtering so as to cover the region where the electrolyte film 23 was formed using a deposition mask.
A film having a thickness of about 500 nm was formed in an m-square region to form a lower electrode layer 24 (f). Next, a Ni film is formed to a thickness of about 500 nm from the back surface of the Si substrate 21 by using the EB evaporation method to form an electrolyte film 2.
(3) The upper electrode 25 directly in contact with the back surface was formed, and a cell plate 29 in which the upper electrode 25 had a concave groove 25g was formed (g).
【0045】得られた2枚のセル板29を、図5に示す
ように基板エッチングにより形成した凹溝25gが相対
するように積層してセル板組29Pとした。このセル板
組29Pと、絶縁性セラミックス製で流路が形成された
セパレータ30とを交互に10層ずつ積層し、本実施例
のスタックを作成した(a)。得られたスタックの電気
配線図を図5(b)に、斜視図を図5(c)に示す。こ
のスタックにつき、セル板凹溝により形成された管状流
路に燃料H2ガス、セパレータ側面に空気を導入して7
00℃で発電特性を評価した。スタックの発電電圧とし
て11Vを得ることができた。The obtained two cell plates 29 were stacked so that the concave grooves 25g formed by the substrate etching face each other as shown in FIG. 5 to obtain a cell plate set 29P. The cell plate set 29P and the separators 30 made of insulating ceramics and having flow paths formed thereon were alternately laminated by 10 layers to form a stack of this example (a). FIG. 5B shows an electric wiring diagram of the obtained stack, and FIG. 5C shows a perspective view. For this stack, fuel H 2 gas was introduced into the tubular flow path formed by the cell plate groove, and air was introduced into the side of the separator.
Power generation characteristics were evaluated at 00 ° C. 11 V was obtained as the power generation voltage of the stack.
【0046】以上のように、本実施例のスタックによる
と、一方のガスをセル板組によって形成される管状流路
に導入する構成とすることができるため、ガスシール性
が向上し、耐久性に優れたスタックを形成することがで
きる。また、従来のセル板とセパレータを交互に積層し
た構成のスタックに比較して、本実施例では、セル板2
枚とセパレータ1枚とが交互に積層された構成とするこ
とができるため、積層密度が高い燃料電池が製造可能に
なる。更に、本実施例において、セパレータは燃料と空
気の両方に高温下で曝されることがなくなるので、耐久
性に優れた燃料電池を得ることができる。As described above, according to the stack of this embodiment, one of the gases can be introduced into the tubular flow path formed by the cell plate assembly, so that the gas sealing property is improved and the durability is improved. It is possible to form an excellent stack. In this embodiment, as compared with a stack in which a conventional cell plate and a separator are alternately stacked, the cell plate
Since the fuel cell and the separator can be alternately stacked, a fuel cell having a high stacking density can be manufactured. Further, in this embodiment, the separator is not exposed to both fuel and air at high temperature, so that a fuel cell having excellent durability can be obtained.
【0047】また、電気的絶縁性のセパレータを積層し
たことにより、セル板組を電気的直列に接続することが
可能となり、発電要求に応じた高電圧発電を行うことが
容易になる。更に、セル板の基板密度が高く平面性が良
好なものを使用することができるため、より薄膜で緻密
性の高い電解質層を形成することができ、これにより発
電損失を低減することができる。そのため、出力密度が
高く小型で起動性が向上した燃料電池の製造が可能にな
る。なお、ガス不透過性基板を使用する場合は、電解質
層を基板全面に形成しなくても、ガスの分離が可能であ
るため、熱衝撃に対し、各層の熱膨張係数差により破損
する不具合を低減することができる効果が得られる。Further, by stacking the electrically insulating separators, it is possible to connect the cell plate sets electrically in series, and it becomes easy to perform high-voltage power generation according to the power generation request. Furthermore, since a cell plate having a high substrate density and good flatness can be used, a thinner and denser electrolyte layer can be formed, thereby reducing power generation loss. Therefore, it is possible to manufacture a fuel cell having a high output density, a small size, and an improved startability. When a gas-impermeable substrate is used, the gas can be separated without forming an electrolyte layer on the entire surface of the substrate. The effect that can be reduced is obtained.
【0048】また、本実施例の変形例として、セル板の
構成を図6に示すものとすることができる。即ち、基板
の凹溝が形成された面から電解質層が形成された構成
や、電解質層の強度を向上させて凹溝を大きくする目的
で、基板の片面に形成された絶縁応力緩和層が電解質層
を補強した構成などを採用することができる。As a modification of this embodiment, the structure of the cell plate can be as shown in FIG. In other words, the structure in which the electrolyte layer is formed from the surface of the substrate on which the groove is formed, or the purpose of increasing the groove by increasing the strength of the electrolyte layer, is to provide an insulating stress relaxation layer formed on one surface of the substrate with an electrolyte. A configuration in which the layers are reinforced can be employed.
【0049】(実施例3)本実施例で用いるセル板の製
造プロセスを図7を用いて説明する。実施例1と同様の
型35を使用し、公知のテープキャスティング法及び塗
布法で空気極層基板34の焼結体を形成した。原料粉平
均粒径0.5〜1μmのLSMを含有する混合物を型3
5上にテープキャストし、1200℃の大気中で焼成を
行った。膜厚は凹部分の最も薄い部分で200μm、気
孔率20%であった。凹溝側に実施例1と同様に電解質
層33と燃料極層32を成膜して、セル板36を製造し
た。得られた2枚のセル板36を相対するように積層し
て、セル板組37を形成し、このセル板組37とセパレ
ータ38とを交互に積層してスタック39を形成した。
実施例2と同様にして発電特性を評価したところ、0.
15W/cm2が得られた。(Embodiment 3) A manufacturing process of a cell plate used in this embodiment will be described with reference to FIG. Using the same mold 35 as in Example 1, a sintered body of the air electrode layer substrate 34 was formed by a known tape casting method and coating method. A mixture containing LSM having an average particle size of the raw material powder of 0.5 to 1 μm was prepared using a mold
5, and baked in the air at 1200 ° C. The film thickness was 200 μm at the thinnest portion of the concave portion and the porosity was 20%. An electrolyte layer 33 and a fuel electrode layer 32 were formed on the groove side in the same manner as in Example 1 to manufacture a cell plate 36. The obtained two cell plates 36 were stacked so as to face each other to form a cell plate set 37, and the cell plate set 37 and the separator 38 were alternately stacked to form a stack 39.
The power generation characteristics were evaluated in the same manner as in Example 2, and
15 W / cm 2 was obtained.
【0050】本実施例によれば、凹溝を有し基板をも兼
ねる空気極基板34を有する2枚のセル板を相対して積
層し、管状流路を形成することにより、熱衝撃に強いチ
ューブ型セルが配列したスタックに類似するスタックを
構成することができる。この一方で、製造工程が簡便で
大量生産性に優れる平板型の製造方法に準じた製造工程
を採用することができる優れた利点を有する。According to the present embodiment, two cell plates having an air electrode substrate 34 having a concave groove and also serving as a substrate are laminated one on the other, and a tubular flow path is formed. A stack similar to the stack in which the tubular cells are arranged can be formed. On the other hand, there is an excellent advantage that the manufacturing process is simple and the manufacturing process according to the flat plate manufacturing method excellent in mass productivity can be adopted.
【0051】(実施例4)実施例1と同様に製造したセ
ル板組を、アルミナ系絶縁平板と交互に10層積層し
て、本実施例のスタックを作成した(図8)。実施例1
と同様に発電特性を評価し、発電電圧として8Vを得る
ことができた。このように、本実施例のセル板及びスタ
ックの構造とすることにより、高電圧の発電を行うこと
ができ、且つセル板の積層密度が高い小型の固体電解質
型燃料電池を製造することが可能になる。(Example 4) A stack of this example was prepared by alternately stacking 10 layers of cell plate assemblies manufactured in the same manner as in Example 1 with alumina-based insulating flat plates (FIG. 8). Example 1
The power generation characteristics were evaluated in the same manner as described above, and a power generation voltage of 8 V was obtained. As described above, by employing the structure of the cell plate and the stack of this embodiment, high-voltage power generation can be performed, and a small solid oxide fuel cell having a high cell plate stacking density can be manufactured. become.
【0052】以上、本発明を若干の好適実施例により詳
細に説明したが、本発明はこれら実施例に限定されるも
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、第1スタックに係るセル板につ
き、表面又は裏面(上面又は下面)のいずれか一方にの
み凹溝を有するセル板を用いたが、これに限定されるも
のではなく、表面及び裏面の双方に凹溝を有するセル板
を用いて第1スタックを形成することも可能である。Although the present invention has been described in detail with reference to some preferred embodiments, the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications can be made within the scope of the present invention. For example, for the cell plate relating to the first stack, a cell plate having a groove only on one of the front surface and the back surface (upper surface or lower surface) is used, but the present invention is not limited to this, and both the front surface and the back surface are used. It is also possible to form the first stack using a cell plate having a concave groove.
【0053】[0053]
【発明の効果】以上説明してきたように、本発明によれ
ば、所定の基板を用いて電極層などに特定形状を付与し
たり、各層の積層仕様を適宜選定することなどとしたた
め、電解質層を薄膜化して膜抵抗を低減し、電極反応面
積が十分に確保でき、起動・停止が頻繁に起きる使用態
様に対して信頼性が高い固体電解質型燃料電池用のスタ
ック及びこれを用いた固体電解質型燃料電池を提供する
ことができる。別紙箇条書き参照As described above, according to the present invention, a specific shape is given to an electrode layer or the like by using a predetermined substrate, and a lamination specification of each layer is appropriately selected. And a solid electrolyte fuel cell stack that has a high reliability with respect to a usage mode in which start-up and shutdown frequently occur. Type fuel cell can be provided. See attached bullet
【図1】本発明の固体電解質型燃料電池用スタックの一
実施例に用いるセル板の製造工程を示す断面説明図であ
る。FIG. 1 is an explanatory sectional view showing a manufacturing process of a cell plate used in one embodiment of a solid oxide fuel cell stack according to the present invention.
【図2】図1に示すセル板を用いたスタックを示す断面
及び斜視図である。2 is a sectional view and a perspective view showing a stack using the cell plate shown in FIG. 1;
【図3】本発明のスタックの他の実施例に用いるセル板
の製造工程を示す部分断面及び平面説明図である。FIG. 3 is a partial cross-sectional view and a plan explanatory view showing a manufacturing process of a cell plate used in another embodiment of the stack of the present invention.
【図4】本発明のスタックの他の実施例に用いるセル板
の製造工程を示す部分断面及び平面説明図である。FIG. 4 is a partial cross-sectional view and a plan view showing a manufacturing process of a cell plate used in another embodiment of the stack of the present invention.
【図5】図4に示すセル板を用いたスタックを示す断
面、配線及び斜視図である。FIG. 5 is a cross-sectional, wiring, and perspective view showing a stack using the cell plate shown in FIG. 4;
【図6】図4に示すセル板の変形例を示す部分断面図で
ある。FIG. 6 is a partial sectional view showing a modification of the cell plate shown in FIG.
【図7】本発明のスタックの更に他の実施例に用いるセ
ル板の製造工程及びこれを用いたスタックを示す断面図
である。FIG. 7 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of a cell plate used in still another embodiment of the stack of the present invention and a stack using the same.
【図8】本発明のスタックの他の実施例を示す配線及び
断面図である。FIG. 8 is a wiring and sectional view showing another embodiment of the stack of the present invention.
1、21 基板 1a 基板表面層 1b 基板層 2、32 燃料極層 3、33 電解質層 4、34 空気極層 5、35 型 6、36 セル板 7 接合層 8 セル板組 9 ガス導入管 10 端板 11、39 スタック 22 絶縁応力緩和層 23 電解質層 24 下部電極層 25 上部電極層 25g 凹溝 26 エッチング口 27 開口部 28 ダイアフラム 29 セル板 29P セル板組 30、38 セパレータ 37 セル板組 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 21 Substrate 1a Substrate surface layer 1b Substrate layer 2, 32 Fuel electrode layer 3, 33 Electrolyte layer 4, 34 Air electrode layer 5, 35 Type 6, 36 Cell plate 7 Joining layer 8 Cell plate set 9 Gas introduction pipe 10 End Plates 11, 39 Stack 22 Insulating stress relieving layer 23 Electrolyte layer 24 Lower electrode layer 25 Upper electrode layer 25g Concave groove 26 Etching port 27 Opening 28 Diaphragm 29 Cell plate 29P Cell plate set 30, 38 Separator 37 Cell plate set
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01M 8/24 H01M 8/24 E R (72)発明者 秦野 正治 神奈川県横浜市神奈川区宝町2番地 日産 自動車株式会社内 (72)発明者 福沢 達弘 神奈川県横浜市神奈川区宝町2番地 日産 自動車株式会社内 (72)発明者 原 直樹 神奈川県横浜市神奈川区宝町2番地 日産 自動車株式会社内 (72)発明者 佐藤 文紀 神奈川県横浜市神奈川区宝町2番地 日産 自動車株式会社内 (72)発明者 山中 貢 神奈川県横浜市神奈川区宝町2番地 日産 自動車株式会社内 (72)発明者 内山 誠 神奈川県横浜市神奈川区宝町2番地 日産 自動車株式会社内 Fターム(参考) 5H026 AA06 BB00 CC00 CC03 CV06 HH04 ──────────────────────────────────────────────────の Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat ゛ (Reference) H01M 8/24 H01M 8/24 ER (72) Inventor Shoji Hatano 2 Takaracho, Kanagawa-ku, Yokohama-shi, Kanagawa Nissan Inside the Automobile Co., Ltd. (72) Inventor Tatsuhiro Fukuzawa, 2 Takaracho, Kanagawa-ku, Yokohama, Kanagawa Pref. Nissan Motor Co., Ltd. (72) Inventor Naoki Hara 2 Takaracho, Kanagawa-ku, Yokohama, Kanagawa Pref. Nissan Motor Co., Ltd. (72) Invention Person Fumi Sato Nissan Motor Co., Ltd., 2 Takara-cho, Kanagawa-ku, Yokohama, Kanagawa Prefecture (72) Inventor Mitsugu Mitsuru Yamanaka 2 Nissan Motor Co., Ltd., Nissan Motor Co., Ltd. (72) Inventor Makoto Uchiyama, Kanagawa Yokohama, Kanagawa Prefecture 2 Takaracho, Ward Nissan Motor Co., Ltd. F-term (reference) 5H026 AA06 BB00 CC00 CC03 CV06 H H04
Claims (11)
着したセル板を積層して成る固体電解質型燃料電池用ス
タックにおいて、 上記セル板が、上面及び/又は下面に凹溝を有する基板
と、この凹溝側の基板面上に燃料極層、固体電解質層及
び空気極層、又は空気極層、固体電解質層及び燃料極層
の順で、且つ上記凹溝の形状をほぼ転写するように積層
されたこれらの層とを備え、 少なくとも1対の上記セル板が、上記燃料極層同士又は
空気極層同士を対向させて接合するように積層され、 上記燃料極層同士又は空気極層同士の接合により形成さ
れる管状溝が、燃料又は空気のガス流路として機能す
る、ことを特徴とする固体電解質型燃料電池用スタッ
ク。1. A solid electrolyte fuel cell stack comprising a solid electrolyte layer and a cell plate having an air electrode layer and a fuel electrode layer sandwiched therebetween, wherein the cell plate has a concave groove on an upper surface and / or a lower surface. A substrate having a fuel electrode layer, a solid electrolyte layer and an air electrode layer, or an air electrode layer, a solid electrolyte layer and a fuel electrode layer, and the shape of the groove is substantially transferred onto the substrate surface on the groove side. At least one pair of the cell plates are laminated so that the fuel electrode layers or the air electrode layers face each other and are joined to each other, and the fuel electrode layers or the air A stack for a solid oxide fuel cell, wherein a tubular groove formed by joining the pole layers functions as a gas passage for fuel or air.
状溝が担当するガス流路とは極性が逆のガス流路として
機能することを特徴とする請求項1に記載の固体電解質
型燃料電池用スタック。2. The solid electrolyte fuel according to claim 1, wherein the substrate is made of a porous material, and functions as a gas flow channel having a polarity opposite to that of the gas flow channel served by the tubular groove. Stack for batteries.
的に形成されており、この開口部から上記燃料極層又は
空気極層が突出してい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スタック。3. The fuel cell according to claim 1, wherein a through hole is partially formed at the bottom of the groove, and the fuel electrode layer or the air electrode layer protrudes from the opening. 5. The stack for a solid oxide fuel cell according to 4.
層とが、上記凹溝側と反対側の基板面から上記貫通開口
部を閉塞するように積層され、燃料極層又は空気極層が
上記凹溝側の基板面から積層され、 この貫通開口部の断面において、上記凹溝側の基板面か
ら順に、燃料極層−固体電解質層−空気極層、又は空気
極層−固体電解質層−燃料極層の積層構造を有すること
を特徴とする請求項3に記載の固体電解質型燃料電池ス
タック。4. The fuel electrode layer or the air electrode layer, wherein the solid electrolyte layer and the air electrode layer or the fuel electrode layer are stacked so as to close the through opening from the substrate surface opposite to the groove side. Are laminated from the substrate surface on the concave groove side, and in the cross section of the through-opening, in order from the substrate surface on the concave groove side, the fuel electrode layer-solid electrolyte layer-air electrode layer, or air electrode layer-solid electrolyte layer 4. The solid oxide fuel cell stack according to claim 3, wherein the solid oxide fuel cell stack has a stacked structure of a fuel electrode layer.
と反対側の基板面から上記貫通開口部を閉塞するように
積層され、上記燃料極層又は空気極層と固体電解質層と
が上記凹溝側の基板面から積層され、 この貫通開口部の断面において、上記凹溝側の基板面か
ら順に、燃料極層−固体電解質層−空気極層、又は空気
極層−固体電解質層−燃料極層の積層構造を有すること
を特徴とする請求項3に記載の固体電解質型燃料電池ス
タック。5. The air electrode layer or the fuel electrode layer is stacked so as to close the through opening from the substrate surface opposite to the concave groove side, and the fuel electrode layer or the air electrode layer and the solid electrolyte layer are Are laminated from the substrate surface on the concave groove side, and in the cross section of the through-opening, in order from the substrate surface on the concave groove side, the fuel electrode layer-solid electrolyte layer-air electrode layer, or air electrode layer-solid electrolyte layer 4. The solid oxide fuel cell stack according to claim 3, wherein the solid oxide fuel cell stack has a stacked structure of a fuel electrode layer.
貫通開口部以外の領域、又はこの領域とこの貫通開口部
の一部の領域とにおいて、この基板と上記空気極層又は
燃料極層との間に絶縁応力緩和層を付加して成ることを
特徴とする請求項3〜5のいずれか1つの項に記載の固
体電解質型燃料電池用スタック。6. The substrate and the air electrode layer or the fuel electrode layer in a region other than the through-opening, or in this region and a part of the through-opening on the upper or lower surface of the substrate. The solid oxide fuel cell stack according to any one of claims 3 to 5, wherein an insulating stress relaxation layer is added between the stacks.
面において、上記凹溝側の基板面近傍の気孔率が基板内
部の気孔率よりも低く形成されていることを特徴とする
請求項2〜6のいずれか1つの項に記載の固体電解質型
燃料電池用スタック。7. A porosity of the substrate made of the porous material, wherein a porosity near the substrate surface on the concave groove side is formed lower than a porosity inside the substrate in a cross section thereof. Item 7. The solid oxide fuel cell stack according to any one of Items 6 to 6.
着したセル板を積層して成る固体電解質型燃料電池用ス
タックにおいて、 上記セル板が、上面又は下面に凹溝を有し所定の電極材
料の焼結体から成る燃料極層上又は空気極層上に、固体
電解質層及び空気極層又は燃料極層をこの順で、且つ上
記凹溝の形状をほぼ転写するように積層した、燃料極層
−固体電解質層−空気極層、又は空気極層−固体電解質
層−燃料極層の積層構造を有し、少なくとも1対の上記
セル板が、上記燃料極層同士又は空気極層同士を対向さ
せて接合するように積層され、 上記燃料極層同士又は空気極層同士の接合により形成さ
れる管状溝が、燃料又は空気のガス流路として機能す
る、ことを特徴とする固体電解質型燃料電池用スタッ
ク。8. A solid oxide fuel cell stack comprising a solid electrolyte layer and a cell plate having an air electrode layer and a fuel electrode layer sandwiched therebetween, wherein the cell plate has a concave groove on an upper surface or a lower surface. A solid electrolyte layer and an air electrode layer or a fuel electrode layer are laminated in this order on the fuel electrode layer or the air electrode layer made of a sintered body of a predetermined electrode material so as to substantially transfer the shape of the groove. Having a laminated structure of fuel electrode layer-solid electrolyte layer-air electrode layer, or air electrode layer-solid electrolyte layer-fuel electrode layer, wherein at least one pair of the cell plates is formed between the fuel electrode layers or the air electrode. The solid layer, wherein the layers are stacked so that the layers are opposed to each other, and the tubular groove formed by joining the fuel electrode layers or the air electrode layers functions as a fuel or air gas flow path. Stack for electrolyte fuel cell.
の燃料電池用スタックを用いて成る固体電解質型燃料電
池であって、 上記1対のセル板から成るセル板組と、流路を有するセ
パレータとを交互に積層して成ることを特徴とする固体
電解質型燃料電池。9. A solid oxide fuel cell comprising the fuel cell stack according to claim 1, wherein the fuel cell stack comprises a pair of cell plates, A solid oxide fuel cell comprising alternately stacked separators having passages.
載の燃料電池用スタックを用いて成る固体電解質型燃料
電池であって、 上記1対のセル板から成るセル板組と、隣接するセル板
組との間に、電気的絶縁層を介挿して成ることを特徴と
する固体電解質型燃料電池。10. A solid oxide fuel cell using the fuel cell stack according to any one of claims 1 to 8, wherein the fuel cell stack comprises a pair of cell plates and an adjacent cell plate set. A solid oxide fuel cell, comprising an electric insulating layer interposed between the solid electrolyte fuel cell and the cell plate set.
載の燃料電池用スタックを用いて成る固体電解質型燃料
電池であって、 上記1対のセル板から成るセル板組と、隣接するセル板
組との間に、セパレータと電気的絶縁層を介挿して成る
ことを特徴とする固体電解質型燃料電池。11. A solid oxide fuel cell using the fuel cell stack according to any one of claims 1 to 8, wherein the fuel cell stack comprises a pair of cell plates and an adjacent cell plate set. A solid oxide fuel cell, comprising a separator and an electrically insulating layer interposed between a cell plate set to be used.
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