JP2003123788A - Single cell for fuel cell and solid electrolyte fuel cell - Google Patents

Single cell for fuel cell and solid electrolyte fuel cell

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JP2003123788A
JP2003123788A JP2001313932A JP2001313932A JP2003123788A JP 2003123788 A JP2003123788 A JP 2003123788A JP 2001313932 A JP2001313932 A JP 2001313932A JP 2001313932 A JP2001313932 A JP 2001313932A JP 2003123788 A JP2003123788 A JP 2003123788A
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cell
fuel cell
solid electrolyte
metal sheet
single cell
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Application number
JP2001313932A
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Japanese (ja)
Inventor
Naoki Hara
直樹 原
Mitsugi Yamanaka
貢 山中
Noritoshi Sato
文紀 佐藤
Masaharu Hatano
正治 秦野
Keiko Kushibiki
圭子 櫛引
Tatsuhiro Fukuzawa
達弘 福沢
Itaru Shibata
格 柴田
Makoto Uchiyama
誠 内山
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Nissan Motor Co Ltd
Original Assignee
Nissan Motor Co Ltd
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    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a single cell for a fuel cell capable of easily reducing thickness of a solid electrolyte layer and exhibiting good operation performance at a high temperature and to provide a cell plate and the solid electrolyte fuel cell. SOLUTION: In this single cell for the fuel cell, the solid electrolyte layer is clamped by means of an oxidation electrode and a reduction electrode, and the oxidation electrode has oxidation resistance and oxygen permeability at a high temperature and includes a metal sheet as a good electric conductor. The metal sheet is formed of silver, gold, platinum, palladium, copper and the like and provided with a thickness below 200 μm. The cell plate for the fuel cell is formed when a plurality of single cells are connected together two- dimensionally to be integrated together. The solid electrolyte fuel cell uses the single cell or the cell plate.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[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)に係り、更に詳細には、固体
電解質を電極で挟持して成る単セル、セル板及び固体電
解質型燃料電池に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a solid oxide fuel cell (SOFC) that uses a solid electrolyte to obtain electric energy by an electrochemical reaction, and more specifically, a solid electrolyte fuel cell (SOFC) sandwiched between electrodes. The present invention relates to a cell, a cell plate and a solid oxide fuel cell.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、高エネルギー変換が可能で、地球
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。固体電解質型燃料電池(以下、「SOF
C」と略す)は、酸素イオンあるいはプロトンなどのイ
オン導電性を有する固体電解質を多孔質の空気極と燃料
極とで挟むように構成され、空気極側に酸素ガスを含む
酸化性ガスを供給し、燃料極側に水素や炭化ガスを含む
還元性ガスを供給し、これらのガスが固体電解質を介し
て電気化学的に反応することにより、起電力を生じる電
池である。
2. Description of the Related Art In recent years, fuel cells have attracted attention as a clean energy source capable of high energy conversion and friendly to the global environment. Solid oxide fuel cell (hereinafter referred to as "SOF
(Abbreviated as “C”) is configured such that a solid electrolyte having ionic conductivity such as oxygen ions or protons is sandwiched between a porous air electrode and a fuel electrode, and an oxidizing gas containing oxygen gas is supplied to the air electrode side. Then, a reducing gas containing hydrogen or carbonized gas is supplied to the fuel electrode side, and these gases electrochemically react through the solid electrolyte to generate electromotive force.

【0003】一般的に、固体電解質には、ジルコニア
(ZrO)にイットリア(Y)やスカンジア
(Sc)を添加した安定化ジルコニアやセリア
(CeO)、Bi系、ペロブスカイト構造のラ
ンタンガレート(LaGdO)系材料が用いられる。
固体電解質層には、電子を通さず、イオンを通す性能が
重要であり、酸素イオンが発電の導体である場合は、酸
素イオンの導電特性が高いことが望まれる。また、固体
電解質層の重要な機能としては、ガス不透過性であるこ
とが挙げられる。
Generally, solid electrolytes include stabilized zirconia obtained by adding yttria (Y 2 O 3 ) or scandia (Sc 2 O 3 ) to zirconia (ZrO 2 ), ceria (CeO 2 ), Bi 2 O 3 A lanthanum gallate (LaGdO 3 ) material having a perovskite structure is used.
It is important that the solid electrolyte layer does not allow electrons to pass therethrough, but allows ions to pass therethrough, and when oxygen ions are a conductor for power generation, it is desirable that the oxygen ions have high conductivity characteristics. An important function of the solid electrolyte layer is that it is gas impermeable.

【0004】また、空気極には、銀(Ag)や白金(P
t)などの金属系とLaSrMnOやLaSrCoOに
代表されるペロブスカイト構造の酸化物材料が一般的に
用いられる。かかる空気極の機能としては、酸化に強
く、酸化ガスを透過し、電気伝導度が高く、酸素分子を
酸素イオンに変換する触媒作用が優れることが必要とさ
れる。
The air electrode has silver (Ag) and platinum (P).
Metal oxides such as t) and oxide materials having a perovskite structure represented by LaSrMnO and LaSrCoO are generally used. The function of the air electrode is required to be strong against oxidation, permeate an oxidizing gas, have high electric conductivity, and have an excellent catalytic action for converting oxygen molecules into oxygen ions.

【0005】更に、燃料極には、ニッケル(Ni)やニ
ッケルと固体電解質のサーメットなどが一般的に用いら
れる。かかる燃料極の機能としては、還元雰囲気に強
く、還元ガスを透過し、電気伝導度が高く、水素分子を
プロトンに変換する触媒作用に優れることが必要とされ
る。
Further, nickel (Ni) or cermet of nickel and solid electrolyte is generally used for the fuel electrode. The function of the fuel electrode is required to be strong in a reducing atmosphere, permeate a reducing gas, have high electric conductivity, and have an excellent catalytic action for converting hydrogen molecules into protons.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】SOFCは、以上のよ
うな特性をもった膜(層)によって構成される。また、
一般的なSOFCの単位発電セル(以下、「単セル」と
略す)は、図1に示すように、固体電解質層が燃料極層
と空気極層に挟持された構造をとる。かかるSOFCに
は、大別すると、円筒の周囲に電極と固体電解質が被覆
されている円筒型と、固体電解質や電極が平板状に形成
されている平板型の2種類がある。円筒型のSOFC
は、ガスシールを特に必要とせず、スタック化が比較的
容易であるが、単セルの発電部の面積(固体電解質の面
積)を大面積化するのが難しく、また、単セルを接続し
た際の単位体積当たりの発電密度が低いため、これを如
何に向上させるかが基本的な課題となっている。一方、
平板型のSOFCは、電池の単位体積当たりの出力密度
を高くするうえで有利な構造であり、単セルの発電部の
面積を大面積化するのが比較的容易なため、移動体の電
源に適したSOFCと期待されている。
SOFC is composed of a film (layer) having the above characteristics. Also,
A general SOFC unit power generation cell (hereinafter abbreviated as “single cell”) has a structure in which a solid electrolyte layer is sandwiched between a fuel electrode layer and an air electrode layer, as shown in FIG. Such SOFCs are roughly classified into two types: a cylindrical type in which an electrode and a solid electrolyte are coated around a cylinder, and a flat plate type in which a solid electrolyte and an electrode are formed in a flat plate shape. Cylindrical SOFC
Does not require a gas seal and is relatively easy to stack, but it is difficult to increase the area of the power generation part of the single cell (area of the solid electrolyte), and when connecting the single cells, Since the power generation density per unit volume of is low, how to improve it is a basic issue. on the other hand,
The flat-plate SOFC has a structure that is advantageous for increasing the power density per unit volume of the battery, and it is relatively easy to increase the area of the power generation part of a single cell. It is expected to be a suitable SOFC.

【0007】また、従来のSOFCは、800〜100
0℃の作動温度が想定されていたが、この温度は高温で
あり、SOFCの運転の安定性や信頼性、耐高温材料の
高コストなどの問題を抱えていた。このため、SOFC
の低温作動化が重要な課題として取り上げられ、低温作
動化を実現するための材料開発、特に低温作動化の鍵と
なる固体電解質材料の開発が精力的に行われている。そ
の結果、これまで一般的に用いられてきたイットリア安
定化ジルコニアよりも低温で高いイオン伝導度を示すラ
ンタンガレート(LaGdO)系などの固体電解質材
料が開発されている。更に、固体電解質層を薄膜化する
ことによって、低温での発電効率を向上させる薄膜支持
型のSOFC構造も報告されている。
Further, the conventional SOFC is 800-100
An operating temperature of 0 ° C was assumed, but this temperature was high, and there were problems such as the stability and reliability of SOFC operation and the high cost of high temperature resistant materials. Therefore, SOFC
Low-temperature operation is taken up as an important issue, and the development of materials for realizing low-temperature operation, especially the solid electrolyte material that is the key to low-temperature operation, is being energetically carried out. As a result, solid electrolyte materials such as a lanthanum gallate (LaGdO 3 ) system, which exhibits higher ionic conductivity at a lower temperature than conventionally used yttria-stabilized zirconia, have been developed. Further, a thin film-supported SOFC structure that improves the power generation efficiency at low temperature by thinning the solid electrolyte layer has also been reported.

【0008】固体電解質層を薄膜化するためには、空気
極や燃料極に固体電解質層を成膜しなければならない。
しかし、空気極(燃料極)は、ガスを透過する機能を有
するため表面が緻密ではなく、その面にガスを透過しな
い固体電解質膜を成膜することが困難であった。
In order to make the solid electrolyte layer thin, it is necessary to form the solid electrolyte layer on the air electrode or the fuel electrode.
However, since the air electrode (fuel electrode) has a function of transmitting gas, the surface is not dense and it is difficult to form a solid electrolyte membrane that does not transmit gas on the surface.

【0009】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、固体電解質層の薄膜化が容易である燃料電池用単セ
ル、セル板及び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 the above problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide a single cell for a fuel cell, a cell plate, and a fuel cell in which the solid electrolyte layer can be easily thinned. The object is to provide a solid oxide fuel cell.

【0010】[0010]

【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、スパッタなどのP
VDを始めとする薄膜成膜の基板として好適であり、酸
化に強く、高温時に酸素透過性を有する金属シートを空
気極或いは空気極支持基板に用いることにより、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。
Means for Solving the Problems The inventors of the present invention have made extensive studies to solve the above problems, and as a result, P
It has been found that the above problems can be solved by using a metal sheet, which is suitable as a substrate for thin film deposition such as VD, which is strong against oxidation and has oxygen permeability at high temperature, as an air electrode or an air electrode supporting substrate. The invention was completed.

【0011】即ち、本発明の燃料電池用単セルは、固体
電解質層を空気極及び燃料極で挟持して成る固体電解質
型燃料電池用の単セルであって、上記空気極が、耐酸化
性を有し、300〜800℃で酸素を透過し、電気良導
体である金属シートを含んで成ることを特徴とする。
That is, the single cell for a fuel cell of the present invention is a single cell for a solid oxide fuel cell in which a solid electrolyte layer is sandwiched between an air electrode and a fuel electrode, and the air electrode is resistant to oxidation. And is permeable to oxygen at 300 to 800 ° C., and includes a metal sheet that is a good electric conductor.

【0012】また、本発明の燃料電池用単セルの好適形
態は、上記金属シートが、銀、金、白金、パラジウム及
び銅から成る群より選ばれた少なくとも1種の金属、又
はこれら金属を主成分とする合金より成ることを特徴と
する。
In a preferred embodiment of the unit cell for fuel cells of the present invention, the metal sheet is at least one metal selected from the group consisting of silver, gold, platinum, palladium and copper, or mainly these metals. It is characterized by being composed of an alloy as a component.

【0013】更に、本発明の燃料電池用単セルの他の好
適形態は、上記金属シートが、上記金属に金属酸化物を
添加した複合材料より成ることを特徴とする。
Further, another preferred embodiment of the unit cell for fuel cell of the present invention is characterized in that the metal sheet is made of a composite material in which a metal oxide is added to the metal.

【0014】更にまた、本発明の燃料電池用セル板は、
上記燃料電池用単セルを、積層方向とほぼ垂直の方向へ
2次元的に複数個連結し一体化して成ることを特徴とす
る。
Furthermore, the fuel cell plate of the present invention comprises:
It is characterized in that a plurality of the unit cells for fuel cells are two-dimensionally connected and integrated in a direction substantially perpendicular to the stacking direction.

【0015】また、本発明の固体電解質型燃料電池は、
上記燃料電池用単セル、又は上記燃料電池用セル板を用
いて成ることを特徴とする。
The solid oxide fuel cell of the present invention comprises:
It is characterized by comprising the above-mentioned fuel cell single cell or the above-mentioned fuel cell cell plate.

【0016】[0016]

【発明の実施の形態】以下、本発明の固体電解質型燃料
電池用の単セル及びセル板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、基板や電極層など各
層の一方の面を「上面、表面」、他の面を「下面、裏
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。更に、セル板は、単セルの集積化を促進し
て、得られる燃料電池の高出力化を図るのに実用的な製
品形態である。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The unit cell and cell plate for a solid oxide fuel cell of the present invention will be described in detail below. In the present specification, “%” indicates a mass percentage unless otherwise specified. Further, for convenience of description, one surface of each layer such as a substrate or an electrode layer is referred to as “upper surface, front surface”, and the other surface is referred to as “lower surface, rear surface”, but these are equivalent elements and are mutually replaced. It goes without saying that the configuration is also included in the scope of the present invention. Furthermore, the cell plate is a practical product form for promoting the integration of single cells and increasing the output of the obtained fuel cell.

【0017】上述のように、本発明の単セル及びセル板
は、固体電解質層を空気極(カソード)及び燃料極(ア
ノード)で挟持して成る。ここで、上記空気極は、耐酸
化性を有し、300〜800℃で酸素を透過し、電気良
導体である金属シートを含んで成る。これより、単セル
やセル板を製造するときは、空気極面上に緻密な固体電
解質膜、具体的には数μmの固体電解質層を容易に形成
し、その上に燃料極を形成できる。また、基材に金属シ
ートを用いることにより、平板型に作製した単セルやセ
ル板を円筒基材に貼り付けて円筒型SOFCを作製する
ことができ、SOFCの大面積化を容易に行なうことが
できる(図10)。
As described above, the unit cell and cell plate of the present invention have the solid electrolyte layer sandwiched between the air electrode (cathode) and the fuel electrode (anode). Here, the air electrode comprises a metal sheet that has oxidation resistance, transmits oxygen at 300 to 800 ° C., and is a good electric conductor. Thus, when manufacturing a single cell or a cell plate, a dense solid electrolyte membrane, specifically a solid electrolyte layer of several μm, can be easily formed on the air electrode surface, and the fuel electrode can be formed thereon. Further, by using a metal sheet as a base material, it is possible to attach a single cell or a cell plate manufactured in a flat plate shape to a cylindrical base material to manufacture a cylindrical SOFC, and to easily increase the area of the SOFC. (Fig. 10).

【0018】上記金属シートとしては、銀(Ag)、金
(Au)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)又は銅
(Cu)、及びこれらの任意の組合せに係る金属や、こ
れら金属を主成分とする合金を材料として用いることが
できる。特に、Ag及び/又はAuを主成分とする合金
を用いることがより好ましい。これら金属は、空気極材
料として望ましい電気良導体であり、上記温度範囲(3
00〜800℃)で酸素を透過する機能を有するので有
効である。また、固体電解質層が薄膜化できるため、S
OFCの内部抵抗を低減できる。更に、上記金属は酸素
を酸素イオンに変換する触媒機能を有するので空気極の
材料として好適である。また、延性のある金属を用いる
ことにより、熱ストレスに強いSOFCが形成できる。
また、上記金属とともに金属酸化物を添加した複合材料
により、金属シートを形成することもできる。この場合
は、シートの強度が向上し、熱膨張率が調整可能となる
ので有効である。
Examples of the metal sheet include silver (Ag), gold (Au), platinum (Pt), palladium (Pd) or copper (Cu), and metals related to any combination thereof, and these metals as main components. Can be used as a material. In particular, it is more preferable to use an alloy containing Ag and / or Au as a main component. These metals are good electric conductors desirable as air electrode materials, and have the above temperature range (3
It is effective because it has a function of permeating oxygen at 0 to 800 ° C. In addition, since the solid electrolyte layer can be thinned, S
The internal resistance of the OFC can be reduced. Further, the above metal has a catalytic function of converting oxygen into oxygen ions, and is therefore suitable as a material for the air electrode. Also, by using a ductile metal, an SOFC that is resistant to thermal stress can be formed.
Further, a metal sheet can be formed from a composite material in which a metal oxide is added together with the above metal. In this case, the strength of the sheet is improved and the coefficient of thermal expansion can be adjusted, which is effective.

【0019】更に、上記金属シートは、厚さが200μ
m未満であることが好ましい。シートが厚くなると、酸
素が十分に固体電解質まで伝わらず、特にシート厚さが
200μm以上になるとSOFCの発電特性に影響を与
えることがある。
Further, the metal sheet has a thickness of 200 μm.
It is preferably less than m. When the sheet is thick, oxygen is not sufficiently transmitted to the solid electrolyte, and particularly when the sheet thickness is 200 μm or more, the power generation characteristics of SOFC may be affected.

【0020】更にまた、かかる金属シートに、LaSr
MnOやLaSrCoOに代表されるぺロブスカイト構
造を有する酸化物から成る層を積層して、その上に固体
電解質層及び燃料極を積層して、単セル及びセル板を得
ることもできる。この場合は、金属極よりも燃料電池の
空気極として分極抵抗が低い空気極を用いるため出力特
性も高くなるので有利である。
Furthermore, such a metal sheet is provided with LaSr.
It is also possible to obtain a single cell and a cell plate by laminating a layer made of an oxide having a perovskite structure represented by MnO or LaSrCoO, and laminating a solid electrolyte layer and a fuel electrode on the layer. In this case, since an air electrode having a lower polarization resistance is used as the air electrode of the fuel cell than the metal electrode, the output characteristic is also improved, which is advantageous.

【0021】本発明の単セル及びセル板では、単セルや
単セル間の電気抵抗が小さくなり、SOFCに好適に用
い得る。
The unit cell and cell plate of the present invention have a small electric resistance between unit cells and unit cells, and can be suitably used for SOFC.

【0022】なお、本発明の燃料電池用セル板は、上述
の単セルを空気極、固体電解質層及び燃料極の積層方向
とほぼ垂直の方向へ2次元的に複数個連結し一体化して
成る。
The fuel cell cell plate of the present invention is formed by integrally connecting the above-mentioned single cells two-dimensionally in a direction substantially perpendicular to the stacking direction of the air electrode, the solid electrolyte layer and the fuel electrode. .

【0023】次に、本発明の固体電解質型燃料電池につ
いて説明する。かかる固体電解質型燃料電池(SOF
C)は、上述の燃料電池用単セル又はセル板を用いて成
る。このとき、各単セル又は各セル板は、反応ガス通路
(空気流路又は燃料流路)と、これに対応する電極層
(空気極又は燃料極)とが接していればよく、燃料極
(空気極)の被覆位置を変えたり、単セル又はセル板の
上下を変えて連結することができる。
Next, the solid oxide fuel cell of the present invention will be described. Such a solid oxide fuel cell (SOF
C) is formed by using the above-mentioned single cell or cell plate for a fuel cell. At this time, in each unit cell or each cell plate, the reaction gas passage (air passage or fuel passage) and the electrode layer (air electrode or fuel electrode) corresponding thereto may be in contact with each other. It is possible to change the coating position of the air electrode) or change the upper and lower sides of the single cell or the cell plate for connection.

【0024】次に、上記燃料電池用単セルの製造方法に
ついて説明する。かかる製造方法では、まず、金属シー
ト(例えば、Agシート)の片面上に、スパッタリング
やイオンプレーティングなどの物理的気相成長法、プラ
ズマCVDなどの化学的気相成長法、又はドクターブレ
ード法などの印刷法により、固体電解質層(例えば、イ
ットリア安定化ジルコニア)を成膜する。次いで、固体
電解質層と同様の方法により、燃料極を成膜し、図2に
示すような単セルを形成する。
Next, a method for manufacturing the above fuel cell single cell will be described. In such a manufacturing method, first, on one surface of a metal sheet (eg, Ag sheet), a physical vapor deposition method such as sputtering or ion plating, a chemical vapor deposition method such as plasma CVD, a doctor blade method, or the like is used. A solid electrolyte layer (for example, yttria-stabilized zirconia) is formed by the printing method of 1. Then, a fuel electrode is formed into a film by a method similar to that for the solid electrolyte layer to form a single cell as shown in FIG.

【0025】なお、金属シートは、例えば圧延法及び電
解法などを採用して製造することができる。また、上記
固体電解質層はガス不透過層としなければならず、燃料
極はガス透過層としなければならない。更に、上記方法
により製造された単セルは、金属シートを用いて形成さ
れているため、自立すること(電池要素として用いるこ
と)ができない。そこで、例えば、図3に示すように、
Niろうを用いてエッチング等による化学的加工、放電
加工、又は機械加工によりガス流路を形成した還元雰囲
気に強い基材(例えば、Ni)と重ねることができる。
また、図4に示すように、エッチング等による化学的加
工、放電加工、又は機械加工によりガス流路を形成した
酸化雰囲気に強い基材(例えば、SUS430)にAg
ろうを塗布し、その上から単セルを付着するなどの手段
により自立する単セルの形成が可能である。
The metal sheet can be manufactured by employing, for example, a rolling method or an electrolytic method. The solid electrolyte layer must be a gas impermeable layer, and the fuel electrode must be a gas permeable layer. Further, since the single cell manufactured by the above method is formed by using the metal sheet, it cannot stand on its own (use it as a battery element). So, for example, as shown in FIG.
It can be overlaid with a base material (for example, Ni) that is resistant to a reducing atmosphere and has a gas flow path formed by chemical processing such as etching using Ni brazing, electric discharge processing, or mechanical processing.
In addition, as shown in FIG. 4, Ag is applied to a base material (for example, SUS430) that is resistant to an oxidizing atmosphere and has a gas flow path formed by chemical processing such as etching, electric discharge processing, or mechanical processing.
It is possible to form a self-supporting single cell by means such as applying a wax and then adhering the single cell thereon.

【0026】次に、固体電解質型燃料電池の製造方法に
ついて説明する。上述の燃料電池は、代表的には、上記
単セル又はセル板を反応ガスの流通口が確保されるよう
に基板などを用いて配置し、この基板などの少なくとも
一部に無機接着剤を塗布して上記単セル又はセル板を積
層方向に複数個連結させた後、加圧・加熱により接合し
て得られる。
Next, a method for manufacturing the solid oxide fuel cell will be described. In the above-mentioned fuel cell, typically, the single cell or cell plate is arranged by using a substrate or the like so as to secure a reaction gas flow port, and an inorganic adhesive is applied to at least a part of the substrate or the like. Then, a plurality of the above-mentioned single cells or cell plates are connected in the stacking direction, and then joined by pressurizing and heating.

【0027】[0027]

【実施例】以下、本発明を図面を参照して実施例により
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。なお、実施例1に導通確認を示し、
実施例2に発電効率の測定を示し、実施例3〜5に好適
実施形態を示す。
The present invention will be described in more detail with reference to the following examples with reference to the drawings, but the present invention is not limited to these examples. In addition, the conduction confirmation is shown in Example 1,
Example 2 shows the measurement of power generation efficiency, and Examples 3 to 5 show preferred embodiments.

【0028】(実施例1)厚さ50μm、30mm×3
0mmのAgシートをスパッタ成膜装置の基板ホルダー
に固定し、イットリア8mol添加のイットリア安定化
ジルコニア電解質(以下、「8YSZ」と略す)をAg
シート上に500nm成膜した。更に、8YSZ上にN
iを800nm成膜し、SOFC単セルを作製した。こ
の単セルのNi面とAgシート導通確認をテスターを用
いて実施したところ、導通は認められず、500nmの
薄い電解質層がAgシートとNiが導通しないように成
膜されていることが確認できた。また、同様にランタン
ガレート系電解質(La0.9,Sr0.1)(Ga
0.8,Mg0.2)O3−d(以下、LSGM)とN
iを成膜し、導通確認を実施したところ、やはりAgシ
ートとNiの導通は認められなかった。この概略を図5
に示す。
Example 1 Thickness 50 μm, 30 mm × 3
A 0 mm Ag sheet was fixed to a substrate holder of a sputtering film forming apparatus, and a yttria-stabilized zirconia electrolyte (hereinafter abbreviated as “8YSZ”) containing 8 mol of yttria was used as Ag.
A 500 nm film was formed on the sheet. Furthermore, N on 8YSZ
A film of i was formed to a thickness of 800 nm to prepare a SOFC single cell. When the conduction of the Ni surface of this single cell and the Ag sheet was confirmed using a tester, no conduction was observed, and it was confirmed that a thin electrolyte layer of 500 nm was formed so that the Ag sheet and Ni were not conducted. It was Similarly, a lanthanum gallate-based electrolyte (La0.9, Sr0.1) (Ga
0.8, Mg0.2) O3-d (hereinafter, LSGM) and N
When i was formed into a film and conduction was checked, conduction between the Ag sheet and Ni was not recognized. This outline is shown in FIG.
Shown in.

【0029】(実施例2)厚さ50μm、100μm、
200μmの3水準の膜厚のAgシート(30mm×3
0mm)にスパッタ成膜装置を用いてLSGMを800
nm成膜し、更に、LSGM上にNiを1μm成膜し、
SOFC単セルを作製した。単セル形成後、Ni面にN
iペーストを環状に塗布し、その上に外径20mmφ、
内径16mmφのNiリングを貼り付け、図6に示すよ
うな、自立可能なSOFC単セルを作製した。 図7に
示すように、これら単セルのAgシート側に空気を、N
i膜側に水素を供給し、600℃で単セルのOCV(開
放端電圧)を測定した。その結果、Agシート厚50μ
m、100μmの単セルでは約1.0VのOCVを確認
することができたが、Agシート厚200μmの単セル
では、1.0VのOCVは確認することができなかっ
た。
Example 2 Thickness of 50 μm, 100 μm,
200μm 3 level Ag sheet (30mm × 3
LSGM of 800 mm using a sputter film forming device
nm film formation, and further 1 μm Ni film formation on LSGM,
An SOFC single cell was produced. After forming a single cell, N on the Ni surface
i paste is applied in a ring shape, and the outer diameter is 20 mmφ,
A Ni ring having an inner diameter of 16 mmφ was attached to produce a self-supporting SOFC single cell as shown in FIG. As shown in FIG. 7, air is supplied to the Ag sheet side of these unit cells by N
Hydrogen was supplied to the i film side, and the OCV (open end voltage) of the single cell was measured at 600 ° C. As a result, Ag sheet thickness 50μ
An OCV of about 1.0 V could be confirmed in the single cell of m and 100 μm, but an OCV of 1.0 V could not be confirmed in the single cell of Ag sheet thickness of 200 μm.

【0030】(実施例3)厚さ50μmのAgシート
(30mm×30mm)にスパッタ成膜装置を用いてL
SGMを800nm成膜し、さらに、LSGM上にNi
を500nm成膜し、SOFC単セルを作製した。単セ
ル形成後、AgシートやLSGMが表層に現れないよう
に、Ni面にSiN膜を200nmマスク成膜した。次
に、Ni膜およびSiN膜にNiペーストを塗布し、そ
の上にNi系合金の発泡金属板を貼り付け、自立可能な
発泡金属板支持のSOFC単セルを作製した。この構成
を図8に示す。
(Embodiment 3) An Ag sheet (30 mm × 30 mm) having a thickness of 50 μm was set to L by using a sputtering film forming apparatus.
SGM 800nm film is formed, and Ni is further deposited on LSGM.
Was deposited to a thickness of 500 nm to prepare an SOFC single cell. After forming the single cell, a 200 nm thick SiN film was formed as a mask on the Ni surface so that the Ag sheet and LSGM did not appear in the surface layer. Next, a Ni paste was applied to the Ni film and the SiN film, and a foamed metal plate of a Ni-based alloy was attached on the Ni paste to fabricate a self-supporting foamed metal plate-supported SOFC single cell. This configuration is shown in FIG.

【0031】(実施例4)AgにAlを3wt%
程度添加した複合材料シート(30mm×30mm,5
0μmt)にスパッタ成膜装置を用いてLSGMを80
0nm成膜し、さらに、LSGM上にNiを500nm
成膜し、SOFC単セルを作製した。その単セルを、機
械加工によりガス流路を形成したSUS430板(30
mm×30mm,2mmt)セパレータにAgろう付け
し、SUS430セパレータ支持のSOFC単セルを作
製した。この構成を図9に示す。
Example 4 Ag 2 % by weight Al 2 O 3
Composite material sheet (30mm × 30mm, 5
LSGM to 80 μm) using a sputter film forming apparatus.
0nm film is formed, and Ni is further 500nm on LSGM.
A film was formed and a SOFC single cell was produced. The single cell was processed into a SUS430 plate (30
(mm × 30 mm, 2 mmt) was brazed with Ag to a separator to prepare a SOFC single cell supporting a SUS430 separator. This configuration is shown in FIG.

【0032】(実施例5)厚さ100μmのAgシート
(15mm×100mm)にスパッタ成膜装置を用いて
LSGMを800nm成膜し、さらに、LSGM上にN
iを1μm成膜し、SOFC単セルを作製した。また、
他方で外径5mmφ、内径3mmφの長さ100mmの
Agシース材に1mmφの貫通穴を多数空けたAgシー
スを作製した。Agシースの空孔外の部分にAgペース
トを塗布し、単セルを巻き、円筒型SOFCを作製し
た。この構成を図10に示す。従来の技術では、このよ
うな大きな空孔を持つ円筒型セルは作製できなかった
が、本発明ではこのような円筒型セルを作製できる。
(Embodiment 5) 800 nm of LSGM was formed on a 100 μm thick Ag sheet (15 mm × 100 mm) using a sputtering film forming apparatus, and N was formed on the LSGM.
A film of i was formed to a thickness of 1 μm to prepare a SOFC single cell. Also,
On the other hand, an Ag sheath was prepared by forming a large number of 1 mmφ through holes in an Ag sheath material having an outer diameter of 5 mmφ and an inner diameter of 3 mmφ and a length of 100 mm. The Ag paste was applied to the portion outside the pores of the Ag sheath, and a single cell was wound to produce a cylindrical SOFC. This structure is shown in FIG. With the conventional technique, a cylindrical cell having such large pores could not be produced, but with the present invention, such a cylindrical cell can be produced.

【0033】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。
Although the present invention has been described in detail with reference to the embodiments, the present invention is not limited to these, and various modifications can be made within the scope of the gist of the present invention. For example, in the present invention, the shapes of the unit cell and the cell plate can be arbitrarily selected, and the fuel cell can be manufactured according to the target output.

【0034】[0034]

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明によれ
ば、スパッタなどのPVDを始めとする薄膜成膜の基板
として好適であり、酸化に強く、高温時に酸素透過性を
有する金属シートを空気極或いは空気極支持基板に用い
ることとしたため、固体電解質層の薄膜化が容易である
燃料電池用単セル、セル板及び固体電解質型燃料電池を
提供することができる。
As described above, according to the present invention, a metal sheet that is suitable as a substrate for thin film deposition such as PVD such as sputtering, is resistant to oxidation, and has oxygen permeability at high temperature. Since it is used for the air electrode or the air electrode supporting substrate, it is possible to provide a single cell for fuel cells, a cell plate and a solid oxide fuel cell in which the solid electrolyte layer can be easily thinned.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】SOFC単位発電セルの一例を示す概略図であ
る。
FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of an SOFC unit power generation cell.

【図2】本発明による単位発電セルの一例を示す概略図
である。
FIG. 2 is a schematic view showing an example of a unit power generation cell according to the present invention.

【図3】本発明による単位発電セルの応用例を示す断面
図である。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing an application example of a unit power generation cell according to the present invention.

【図4】本発明による単位発電セルの他の応用例を示す
断面図である。
FIG. 4 is a cross-sectional view showing another application example of the unit power generation cell according to the present invention.

【図5】実施例1を示す概略図である。FIG. 5 is a schematic view showing Example 1.

【図6】実施例2で用いた単セルの概略図である。6 is a schematic diagram of a single cell used in Example 2. FIG.

【図7】実施例2の評価方法を示す概略図である。FIG. 7 is a schematic diagram showing an evaluation method of Example 2.

【図8】実施例3の単セルの構成を示す概略図である。FIG. 8 is a schematic diagram showing the configuration of a single cell of Example 3.

【図9】実施例4の単セルを示す概略図である。FIG. 9 is a schematic view showing a single cell of Example 4.

【図10】実施例5の単セルを示す概略図である。FIG. 10 is a schematic view showing a unit cell of Example 5.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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 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 櫛引 圭子 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 柴田 格 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) 5H018 AA06 AS03 EE02 EE13 HH03 HH04 HH08 5H026 AA06 CX04 EE02 EE08 EE12 HH03 HH08    ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page    (72) Inventor Bunki Sato             Nissan, Takaracho, Kanagawa-ku, Yokohama-shi, Kanagawa Nissan             Inside the automobile corporation (72) Inventor Shoji Hadano             Nissan, Takaracho, Kanagawa-ku, Yokohama-shi, Kanagawa Nissan             Inside the automobile corporation (72) Inventor Keiko Kushibiki             Nissan, Takaracho, Kanagawa-ku, Yokohama-shi, Kanagawa Nissan             Inside the automobile corporation (72) Inventor Tatsuhiro Fukuzawa             Nissan, Takaracho, Kanagawa-ku, Yokohama-shi, Kanagawa Nissan             Inside the automobile corporation (72) Inventor Satoshi Shibata             Nissan, Takaracho, Kanagawa-ku, Yokohama-shi, Kanagawa Nissan             Inside the automobile corporation (72) Inventor Makoto Uchiyama             Nissan, Takaracho, Kanagawa-ku, Yokohama-shi, Kanagawa Nissan             Inside the automobile corporation F-term (reference) 5H018 AA06 AS03 EE02 EE13 HH03                       HH04 HH08                 5H026 AA06 CX04 EE02 EE08 EE12                       HH03 HH08

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 固体電解質層を空気極及び燃料極で挟持
して成る固体電解質型燃料電池用の単セルであって、 上記空気極が、耐酸化性を有し、300〜800℃で酸
素を透過し、電気良導体である金属シートを含んで成る
ことを特徴とする燃料電池用単セル。
1. A single cell for a solid oxide fuel cell, comprising a solid electrolyte layer sandwiched between an air electrode and a fuel electrode, wherein the air electrode has oxidation resistance and oxygen at 300 to 800 ° C. A single cell for a fuel cell, characterized in that it comprises a metal sheet that is transparent to electricity and is a good electric conductor.
【請求項2】 上記空気極が、上記金属シートとぺロブ
スカイト構造を有する酸化物から成る層との積層体であ
ることを特徴とする請求項1記載の燃料電池用単セル。
2. The unit cell for a fuel cell according to claim 1, wherein the air electrode is a laminate of the metal sheet and a layer made of an oxide having a perovskite structure.
【請求項3】 上記金属シートが、銀、金、白金、パラ
ジウム及び銅から成る群より選ばれた少なくとも1種の
金属、又はこれら金属を主成分とする合金より成ること
を特徴とする請求項1又は2記載の燃料電池用単セル。
3. The metal sheet is made of at least one metal selected from the group consisting of silver, gold, platinum, palladium and copper, or an alloy containing these metals as a main component. The single cell for a fuel cell according to 1 or 2.
【請求項4】 上記金属シートが、銀及び/又は金を主
成分とする合金より成ることを特徴とする請求項1〜3
のいずれか1つの項に記載の燃料電池用単セル。
4. The metal sheet is made of an alloy containing silver and / or gold as a main component.
The single cell for a fuel cell according to any one of items.
【請求項5】 上記金属シートが、上記金属に金属酸化
物を添加した複合材料より成ることを特徴とする請求項
3又は4に記載の燃料電池用単セル。
5. The unit cell for a fuel cell according to claim 3 or 4, wherein the metal sheet is made of a composite material in which a metal oxide is added to the metal.
【請求項6】 上記金属シートの厚さが200μm未満
であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1つの
項に記載の燃料電池用単セル。
6. The unit cell for a fuel cell according to claim 1, wherein the metal sheet has a thickness of less than 200 μm.
【請求項7】 請求項1〜6のいずれか1つの項に記載
の燃料電池用単セルを、積層方向とほぼ垂直の方向へ2
次元的に複数個連結し一体化して成ることを特徴とする
燃料電池用セル板。
7. The fuel cell unit cell according to claim 1 is provided in a direction substantially perpendicular to the stacking direction.
A cell plate for a fuel cell, characterized in that a plurality of cells are dimensionally connected and integrated.
【請求項8】 請求項1〜6のいずれか1つの項に記載
の燃料電池用単セル、又は請求項7記載の燃料電池用セ
ル板を用いて成ることを特徴とする固体電解質型燃料電
池。
8. A solid oxide fuel cell comprising the single cell for fuel cell according to any one of claims 1 to 6 or the cell plate for fuel cell according to claim 7. .
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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