JP2003317740A - Thin film functioning structural body, single cell for solid electrolyte fuel cell using it, and method for manufacturing it - Google Patents

Thin film functioning structural body, single cell for solid electrolyte fuel cell using it, and method for manufacturing it

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JP2003317740A
JP2003317740A JP2002125216A JP2002125216A JP2003317740A JP 2003317740 A JP2003317740 A JP 2003317740A JP 2002125216 A JP2002125216 A JP 2002125216A JP 2002125216 A JP2002125216 A JP 2002125216A JP 2003317740 A JP2003317740 A JP 2003317740A
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porous support
cell
coating film
thin film
film
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Japanese (ja)
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Azuma So
東 宋
Hiromi Sugimoto
博美 杉本
Keiko Kushibiki
圭子 櫛引
Yoshiko Hishitani
佳子 菱谷
Noritoshi Sato
文紀 佐藤
Makoto Uchiyama
誠 内山
Mitsugi Yamanaka
貢 山中
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Nissan Motor Co Ltd
Original Assignee
Nissan Motor Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a thin film functioning structural body having excellent durability, a thin film functioning structure precursor, a hydrogen separating cell causing a small loss in a generated power output, hydrogen separating efficiency and the like even if the flow rate and the feeding pressure of gas are fluctuated, and a single cell for solid electrolyte fuel cell, and to provide a method for manufacturing it. <P>SOLUTION: In this thin film functioning structural body, a porous supporting body having an opening is coated with a coating film, porosity of the porous supporting body is 30-97%, the ratio of communicating holes among total holes is 80-100%, and the maximum film thickness of the coating film is 0.1-100 μm. The maximum opening diameter a of the hole and the maximum film thickness d of the coating film satisfy 0.01≤d/a≤10. The maximum opening diameter of the hole is 1 μm-10 mm, and the non-contact area ratio of the porous supporting body is 10-90%. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

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、薄膜機能構造体、
薄膜機能構造前駆体、薄膜機能構造体を用いた水素分離
セル、固体電解質型燃料電池用単セル及びその製造方法
に係り、更に詳細には、ガスの拡散に好適な多孔性支持
体の空孔開口を機能性且つ薄い被覆膜で被覆した薄膜機
能構造体、薄膜機能構造前駆体、薄膜機能構造体を用い
た水素分離セル、固体電解質型燃料電池用単セル及びそ
の製造方法に関する。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a thin film functional structure,
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a thin film functional structure precursor, a hydrogen separation cell using the thin film functional structure, a single cell for a solid oxide fuel cell and a method for producing the same, and more specifically, pores of a porous support suitable for gas diffusion. The present invention relates to a thin film functional structure having an opening covered with a functional thin coating film, a thin film functional structure precursor, a hydrogen separation cell using the thin film functional structure, a single cell for a solid oxide fuel cell, and a method for producing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】多孔質支持体に機能性の被覆膜を形成し
た構造体の応用としては、フィルター、ガス分離膜構造
体(セル)、ガスセンサー及び固体電解質型燃料電池な
どが挙げられる。これらに適用される場合、多孔質支持
体には、機能性の被覆膜を支持する機能、ガスを拡
散させる機能、及びガス流路としての機能が要求され
る。
2. Description of the Related Art Applications of a structure having a functional support film formed on a porous support include a filter, a gas separation membrane structure (cell), a gas sensor and a solid oxide fuel cell. When applied to these, the porous support is required to have a function of supporting a functional coating film, a function of diffusing a gas, and a function of a gas flow path.

【0003】機能性の被覆膜として、ガス分子を透過し
たりイオンや電子を伝導したりする機能が要求される場
合、一般的には、膜厚が薄い程、またピンホールなどの
膜欠陥がなく緻密な程、透過性や伝導性などの特性が良
好となる。また、膜が薄膜化するに従い、膜を保持する
支持体が必要である。しかし、多孔質支持体の表面に、
緻密で薄い膜を形成することは極めて困難である。ま
た、被覆膜との界面近傍における多孔質支持体の空孔率
が大きくなるほど、膜欠陥を減少させるために被覆膜の
膜厚を厚くすることになる。一方、膜厚を薄くする場合
は、多孔質基板の空孔率は小さくしなければならない。
また、多孔質支持体における被覆膜との接触面の表面平
滑性も重要となる。即ち、被覆膜が薄くても、支持体表
面が粗く、大きな凹凸部がある場合は、均一膜厚に膜形
成することは難しく、凹凸部周辺で膜厚が極端に薄い箇
所が形成されたり、膜割れが生じたりして膜欠陥を引き
起こすことになる。
When a functional coating film is required to have a function of transmitting gas molecules and conducting ions and electrons, generally, the thinner the film is, the more film defects such as pinholes occur. The more dense there is, the better the characteristics such as permeability and conductivity. Further, as the film becomes thinner, a support for holding the film is required. However, on the surface of the porous support,
It is extremely difficult to form a dense and thin film. In addition, the larger the porosity of the porous support near the interface with the coating film, the thicker the coating film in order to reduce film defects. On the other hand, when reducing the film thickness, the porosity of the porous substrate must be reduced.
Further, the surface smoothness of the contact surface of the porous support with the coating film is also important. That is, even if the coating film is thin, if the surface of the support is rough and there are large irregularities, it is difficult to form a film with a uniform thickness, and an extremely thin portion is formed around the irregularities. However, film cracks may occur and cause film defects.

【0004】また、上記ガスを拡散させる機能とは、機
能性の被覆膜全体に均質にガスが供給される機能であ
る。被覆膜の一部に偏った成分濃度や圧力のガスが供給
されると、被覆膜が破損したり、これらの機能性構造体
を組み込んだシステム全体としての効率や特性が低下し
てしまう。
The function of diffusing the gas is a function of uniformly supplying the gas to the entire functional coating film. If a gas with a biased component concentration or pressure is supplied to a part of the coating film, the coating film will be damaged, and the efficiency and characteristics of the entire system incorporating these functional structures will decrease. .

【0005】更に、上記ガス流路としての機能とは、被
覆膜と多孔質支持体との界面まで、多孔質支持体を通っ
てガスを供給する通気機能である。これらの機能性構造
体を組み込んだシステムへガスを導入する観点から見た
場合、ガス流を制御するとともにガスの通気抵抗(ガス
圧損)を低減することが重要になる。一般的には、空孔
率は大きい方が良好であり、これらが小さい場合はこの
機能性の被覆膜にガスを供給する速度が律速となり、効
率や特性が低下してしまう。また、通気抵抗を低減する
ためには、同じ空孔率でもガス流路として機能するべく
つながっている開気孔の比率や空孔径、空孔形状が重要
となる。開気孔比率が低い場合や空孔径が小さい場合
は、通気抵抗が大きくなってしまう。更に、ガス流の上
流から下流へ、途中で空孔径が極端に細くなっていた
り、複雑な網目構造になっている場合は、通気抵抗が大
きくなりやすい。特に、ガス流量やガス圧が変動するよ
うな車載用の機能構造体の場合は、破損の原因となりや
すい。従って、特にガスを拡散させる機能及びガス流路
としての機能を向上するためには、多孔質支持体の空孔
率だけでなく孔形状が重要な役割を果たすこととなる。
Further, the function as the gas flow path is a ventilation function for supplying gas through the porous support to the interface between the coating film and the porous support. From the viewpoint of introducing gas into a system incorporating these functional structures, it is important to control the gas flow and reduce the gas ventilation resistance (gas pressure loss). In general, the larger the porosity, the better. If the porosity is small, the rate of supplying the gas to the functional coating film is rate-determining, and the efficiency and the characteristics decrease. Further, in order to reduce the ventilation resistance, the ratio of open pores, the pore diameter, and the pore shape that are connected so as to function as a gas flow path are important even with the same porosity. When the ratio of open pores is low or the diameter of pores is small, ventilation resistance increases. Further, if the pore size is extremely thin on the way from the upstream side to the downstream side of the gas flow, or if the hole has a complicated mesh structure, the ventilation resistance tends to increase. In particular, in the case of a vehicle-mounted functional structure in which the gas flow rate and gas pressure fluctuate, it is likely to cause damage. Therefore, not only the porosity of the porous support but also the pore shape plays an important role in improving the function of diffusing the gas and the function of the gas passage.

【0006】このような多孔質支持体に機能性の被覆膜
を形成した構造体の一例としては、固体電解質型燃料電
池がある。近年、固体電解質型燃料電池は、発電効率が
高く、有害な排ガスがほとんど発生せず、地球環境に優
しいクリーンなエネルギー源として注目されている。固
体電解質型の燃料電池は、電解質としてイオン導電性固
体電解質を用い、その両面に多孔性電極を取り付け、固
体電解質をガス隔壁として一方の電極側に水素や炭化水
素などの燃料ガスを供給し、他方の電極側に空気や酸素
ガスを供給する形式の燃料電池である。
A solid electrolyte fuel cell is an example of a structure in which a functional coating film is formed on such a porous support. In recent years, solid oxide fuel cells have been attracting attention as a clean energy source that has high power generation efficiency, generates almost no harmful exhaust gas, and is environmentally friendly. A solid electrolyte type fuel cell uses an ion conductive solid electrolyte as an electrolyte, attaches porous electrodes to both surfaces thereof, and supplies a fuel gas such as hydrogen or hydrocarbon to one electrode side using the solid electrolyte as a gas partition wall, This is a fuel cell of the type that supplies air or oxygen gas to the other electrode side.

【0007】また、固体電解質型燃料電池の高出力化を
目的として、以下のような構成が提案されている。 1)孔質性セル基板を支持体とし、その上に電極、電解
質及び電極を順に積層する構成。 2)電極自身がセル支持体を兼ね、その上に電解質及び
電極を順に積層する構成。
Further, the following constitution has been proposed for the purpose of increasing the output of the solid oxide fuel cell. 1) A structure in which a porous cell substrate is used as a support, and an electrode, an electrolyte, and an electrode are laminated in that order on the support. 2) The electrode itself also serves as a cell support, on which an electrolyte and an electrode are laminated in order.

【0008】更に、機能性の被覆膜である電解質層が厚
くなると、厚さ方向によるセルの内部抵抗(特にIR抵
抗)が大きくなり、燃料電池の出力が低下する欠点があ
るため、電解質層はより薄い方が望ましい。固体酸化物
型燃料電池においては、動作温度を低温化するに伴い、
IR抵抗の低減が特に重要な課題となる。更にまた、電
解質層はガス隔壁の機能も果たすので、緻密性が要求さ
れる。また、多孔質支持体であるセル基板又は電極自身
は、電解質薄膜を支持する機能の他に、燃料ガス又は空
気が電解質層と電極層界面に形成される三相界面に到達
できるのに好適な多孔性を有すること、即ち、ガス拡散
機能とガス流路機能を担うことが重要である。例えば、
ガスが電解質層との界面に偏って供給されると、その部
分で局所的に発熱を伴う発電反応が生じるので、電解質
層が破壊されてしまう。また、燃料ガスとして、水素ガ
スばかりでなく、分子量の大きい天然ガスやガソリンな
どの炭化水素燃料ガスを用いる場合、多孔質支持体に通
気に好適な孔が形成されていない場合は、ガス供給が不
足したり成分が偏ったりするために、発電出力が低下し
てしまう。更に、多孔質支持体側に水が生成する構成の
場合、不要な水の排除が効率よく行われないため、発電
出力が低下してしまう。
Further, when the electrolyte layer, which is a functional coating film, becomes thicker, the internal resistance (especially IR resistance) of the cell in the thickness direction becomes large, and there is a drawback that the output of the fuel cell is lowered. Is preferable to be thinner. In the solid oxide fuel cell, as the operating temperature is lowered,
Reducing IR resistance is a particularly important issue. Furthermore, since the electrolyte layer also functions as a gas partition wall, denseness is required. Further, the cell substrate or the electrode itself, which is a porous support, has a function of supporting the electrolyte thin film and is suitable for allowing fuel gas or air to reach the three-phase interface formed at the interface between the electrolyte layer and the electrode layer. It is important to have porosity, that is, to have a gas diffusion function and a gas flow path function. For example,
When the gas is unevenly supplied to the interface with the electrolyte layer, a power generating reaction locally generating heat occurs at that portion, and the electrolyte layer is destroyed. Further, when not only hydrogen gas but also hydrocarbon fuel gas such as natural gas or gasoline having a large molecular weight is used as the fuel gas, if the porous support is not provided with suitable pores for ventilation, the gas is not supplied. The power generation output is reduced due to lack or uneven distribution of components. Furthermore, in the case of a structure in which water is generated on the side of the porous support, unnecessary water is not efficiently removed, resulting in a decrease in power generation output.

【0009】従って、高出力のセルを形成するには、 1)ガス供給及び拡散に好適な形状を有し、なるべく多
孔質な基板上に電解質層を形成する、 2)なるべく薄く緻密な電解質層とする、ような構成を
有することが望ましい。
Therefore, in order to form a high-power cell, 1) an electrolyte layer is formed on a substrate that has a shape suitable for gas supply and diffusion and is as porous as possible, 2) an electrolyte layer that is as thin and dense as possible It is desirable to have such a configuration.

【0010】また、機能性の被覆膜を有する構造体の他
の例としては、水素ガスを精製回収する水素分離セルが
ある。省エネルギー、分離効率、装置の小型化などの観
点から、膜分離法が注目されており、中でも、水素分離
膜としてパラジウム又はパラジウム合金からなる膜を多
孔質の金属支持体上に形成した水素分離セルが提案され
ている。水素分離膜は、水素ガスに炭化水素ガス、一酸
化炭素及び水蒸気などを含有する混合ガスから水素ガス
のみを透過して精製する機能を有する。水素分離膜が厚
くなると、水素透過抵抗が大きくなり、水素分離効率が
低下するという欠点がある。このため、水素透過膜はよ
り薄い方が望ましい。また、水素透過膜は水素以外のガ
ス分子に対してはガス隔壁の機能も果たすので、ピンホ
ールなどの膜欠陥がない緻密性が要求される。水素分離
膜とともに用いる多孔質支持体は、水素分離膜を支持す
る機能の他に、水素分離膜表面に水素を含むガスが到達
するのに好適な多孔性を有することが重要である。例え
ば、通気抵抗が大きい場合は、被覆膜の水素分離速度に
比較して、被覆膜へガスを供給又は排気する速度が遅い
ために、水素分離効率が低下してしまう。
Another example of the structure having a functional coating film is a hydrogen separation cell for purifying and recovering hydrogen gas. From the viewpoints of energy saving, separation efficiency, miniaturization of equipment, etc., a membrane separation method has been attracting attention. Among them, a hydrogen separation cell in which a membrane made of palladium or a palladium alloy is formed as a hydrogen separation membrane on a porous metal support. Is proposed. The hydrogen separation membrane has a function of permeating and purifying only hydrogen gas from a mixed gas containing hydrocarbon gas, carbon monoxide, steam and the like in hydrogen gas. If the hydrogen separation membrane becomes thicker, the hydrogen permeation resistance increases, and the hydrogen separation efficiency decreases. Therefore, it is desirable that the hydrogen permeable film be thinner. Further, since the hydrogen permeable film also functions as a gas partition wall for gas molecules other than hydrogen, it is required that the hydrogen permeable film be dense without any film defects such as pinholes. It is important that the porous support used with the hydrogen separation membrane has, in addition to the function of supporting the hydrogen separation membrane, a porosity suitable for the gas containing hydrogen to reach the surface of the hydrogen separation membrane. For example, when the ventilation resistance is high, the rate of supplying or exhausting gas to or from the coating film is slower than the rate of hydrogen separation of the coating film, so that the hydrogen separation efficiency is reduced.

【0011】このような背景から、以下のような燃料電
池及び水素分離セルが提案されている。 <燃料電池I>公知の燃料電池作成方法として、多孔質
基板上に電解質層をスラリーコーティング法によって形
成し、焼結熱処理を行う方法がある。スラリー中の原料
粉粒径や成分を調整することにより、極めて薄く、緻密
な膜を形成できる。図2に、スラリーコーティング法で
作製した燃料電極支持体を用いた燃料電池セルのSEM
観察写真を示す[SOFC(VII),16,1002
(2001)]。この燃料電池セルは、電解質の膜厚が
5μmと非常に薄い点に特徴がある。
From such a background, the following fuel cells and hydrogen separation cells have been proposed. <Fuel Cell I> As a known fuel cell production method, there is a method of forming an electrolyte layer on a porous substrate by a slurry coating method and performing a sintering heat treatment. By adjusting the particle size and composition of the raw material powder in the slurry, an extremely thin and dense film can be formed. FIG. 2 is a SEM of a fuel battery cell using a fuel electrode support manufactured by a slurry coating method.
An observation photograph is shown [SOFC (VII), 16,1002
(2001)]. This fuel cell is characterized in that the thickness of the electrolyte film is as very thin as 5 μm.

【0012】<燃料電池II>特開平4−92369号
公報には、空孔率30〜50%の焼結体からなる多孔質
基体上に有機材料をスピンコートすることにより表面付
近の孔を封孔処理し、20μm以下の電解質層を形成
し、有機材料を熱処理して除去する方法が提案されてい
る。
<Fuel Cell II> In Japanese Patent Laid-Open No. 4-92369, a porous substrate made of a sintered body having a porosity of 30 to 50% is spin-coated with an organic material to seal the pores near the surface. A method has been proposed in which pore treatment is performed to form an electrolyte layer having a thickness of 20 μm or less, and an organic material is heat-treated and removed.

【0013】<燃料電池III>特開平10−6456
5号公報には、多孔質支持体と電解質層のグリーン体を
積層し、共焼結法によって作製する方法が提案されてい
る。両層のグリーン体成分及び共焼結条件を検討するこ
とにより、多孔性の支持体と緻密な電解質層を同時に焼
結することが可能になってきた。図3に、作製した固体
電解質燃料電池セルのSEM観察写真を示す[SOFC
(VII),16,94(2001)]。比較的空孔率
大きい電極層兼多孔質支持体上に緻密な電解質が形成さ
れている。
<Fuel Cell III> JP-A-10-6456
Japanese Unexamined Patent Publication No. 5 (1994) proposes a method in which a porous support and a green body of an electrolyte layer are laminated and produced by a co-sintering method. By examining the green body components and co-sintering conditions of both layers, it has become possible to simultaneously sinter a porous support and a dense electrolyte layer. FIG. 3 shows an SEM observation photograph of the manufactured solid oxide fuel cell [SOFC
(VII), 16, 94 (2001)]. A dense electrolyte is formed on a porous support that also serves as an electrode layer having a relatively high porosity.

【0014】<燃料電池IV>多孔質支持体上に電解質
層を溶射法で成膜する方法が公知である。溶射法は原料
粉粒径や成膜条件を最適化することにより、ある程度封
孔処理しながら成膜することができ、成膜速度が速い特
長がある。しかし、通常形成される溶射膜は数%の気孔
を有し、膜の緻密性が充分でない。 そこで、特開平9
−50818号公報では、電解質層を溶射法で形成した
後、電解質の構成元素を含む有機金属溶液を塗布するこ
とよって封孔処理して緻密化する方法が提案されてい
る。
<Fuel Cell IV> A method is known in which an electrolyte layer is formed on a porous support by a thermal spraying method. The thermal spraying method has a feature that the film can be formed while the sealing treatment is performed to some extent by optimizing the raw material powder particle size and the film forming conditions, and the film forming speed is high. However, a sprayed film that is usually formed has several percent of pores, and the film is not dense enough. Therefore, JP-A-9
Japanese Patent No. 50818 proposes a method in which an electrolyte layer is formed by a thermal spraying method, and then an organometallic solution containing a constituent element of the electrolyte is applied to seal and densify.

【0015】<水素分離セルI>特開平6−91144
号公報では、多孔質支持体上にプラズマ溶射法により、
パラジウム合金からなる膜を形成した後、膜表面をブラ
スト処理、次いで高温加熱処理を行うことにより、膜を
緻密化する製造方法が提案されている。
<Hydrogen Separation Cell I> JP-A-6-91144
In the publication, by plasma spraying method on a porous support,
A manufacturing method has been proposed in which, after forming a film made of a palladium alloy, the film surface is blasted and then subjected to high temperature heat treatment to densify the film.

【0016】[0016]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
燃料電池及び水素分離セルには、以下のような問題点が
あった。 <燃料電池I>スラリーが多孔質燃料電極支持体の空孔
へ染み込んでしまわないように、原料粉粒径やスラリー
成分、支持体の多孔形状を調整する必要がある。そのた
め、支持体の空孔率は30%に達しないので、ガスの供
給拡散が不十分である。
However, the above-mentioned fuel cell and hydrogen separation cell have the following problems. <Fuel Cell I> It is necessary to adjust the particle size of the raw material powder, the slurry component, and the porous shape of the support so that the slurry does not soak into the pores of the porous fuel electrode support. Therefore, since the porosity of the support does not reach 30%, the gas supply and diffusion are insufficient.

【0017】<燃料電池II>膜厚が薄い膜を形成する
ほど、有機材料で封孔した基体表面を平滑にピンホール
レスにすることが重要になる。スピンコート前に燃料極
を形成する工程Iが、ある程度、支持体を封孔できる場
合は、スピンコート法によって封孔処理が可能である。
しかし、空孔率が比較的高い場合において、特に開気孔
の比率が高い又は空孔径が大きくなるなど、ガス通気性
に優れるほど、スピンコートされた有機材料は基体表面
に留まることが難しく、封孔が不十分となる。表面凹凸
より薄い薄膜をその上に形成した場合、膜は基体表面全
体を覆うことが難しく、膜厚が極端に薄い箇所ができた
り成膜されないという膜欠陥が生じてしまう問題があ
る。燃料電池は、ガスが漏れることにより、発電出力が
低下したり、電解質層破損の問題が生じる。また、スピ
ンコート前にある程度の封孔処理が可能で、燃料極とし
て特性が高いセルを形成するためには、支持体及び燃料
極材料の組合わせが限定される問題があった。
<Fuel Cell II> The thinner the film is formed, the more important it is to make the surface of the substrate sealed with the organic material smooth and pinhole-free. In the step I of forming the fuel electrode before spin coating, if the support can be sealed to some extent, the sealing treatment can be performed by the spin coating method.
However, when the porosity is relatively high, the more excellent the gas permeability, such as a high ratio of open pores or a large pore size, the more difficult it is for the spin-coated organic material to remain on the surface of the substrate, and it is difficult to seal the organic material. Poor holes. When a thin film that is thinner than the surface irregularities is formed on it, it is difficult for the film to cover the entire surface of the substrate, and there is a problem that an extremely thin portion is formed or a film defect that a film is not formed occurs. In a fuel cell, gas leakage causes a problem in that the power generation output is reduced and the electrolyte layer is damaged. Further, there is a problem that the combination of the support and the fuel electrode material is limited in order to form a cell having high characteristics as a fuel electrode, which can be sealed to some extent before spin coating.

【0018】<燃料電池III>比較的空孔率が大きい
電極層兼多孔質支持体上に緻密な電解質を形成されてい
るが、電解質の膜厚が数十μmと厚い。被覆膜の薄膜化
には不十分である。そのため、電解質層のIR抵抗の低
減効果が不十分で、発電出力が低下する問題が生じる。
<Fuel Cell III> A dense electrolyte is formed on an electrode layer / porous support having a relatively high porosity, but the thickness of the electrolyte is as thick as several tens of μm. This is insufficient for thinning the coating film. Therefore, the effect of reducing the IR resistance of the electrolyte layer is insufficient, which causes a problem that the power generation output decreases.

【0019】<燃料電池IV・水素分離セルI>溶射法
の原料粉粒径は数〜数十μmと大きいため、ある程度支
持体の封孔処理を行いながら成膜することができるが、
膜厚は数十〜数百μm程度と厚くなってしまう問題があ
る。また、高温溶融した原料粉を支持体に照射して成膜
するため、支持体の成膜表面は局所的に急加熱され、急
冷される。そのため、支持体と膜の熱膨張係数などが大
きく異なる場合など、支持体と膜の界面にクラックが入
り易い問題がある。機能性の被覆膜の場合、界面が機能
を果たす場合もあるので、密着力向上のための中間層を
挿入できない問題がある。
<Fuel Cell IV / Hydrogen Separation Cell I> Since the raw material powder particle size in the thermal spraying method is as large as several to several tens of μm, the film can be formed while the support is sealed to some extent.
There is a problem that the film thickness becomes as thick as several tens to several hundreds μm. Further, since the support is irradiated with the raw material powder melted at a high temperature to form a film, the film formation surface of the support is locally rapidly heated and rapidly cooled. Therefore, there is a problem that cracks easily occur at the interface between the support and the film, for example, when the thermal expansion coefficient of the support and the film differ greatly. In the case of a functional coating film, the interface sometimes fulfills the function, so that there is a problem that an intermediate layer for improving the adhesion cannot be inserted.

【0020】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、耐久性に優れた薄膜機能構造体、薄膜機能構造前駆
体、ガスの流量や供給圧力が変化しても発電出力や水素
分離効率などの損失が少ない水素分離セル、固体電解質
型燃料電池用単セル及びその製造方法を提供することに
ある。
The present invention has been made in view of the above problems of the prior art, and an object thereof is to provide a thin film functional structure having excellent durability, a thin film functional structure precursor, and a gas flow rate. Another object of the present invention is to provide a hydrogen separation cell, a single cell for a solid oxide fuel cell, and a method for producing the same, in which power generation output, hydrogen separation efficiency, and other losses are small even when supply pressure changes.

【0021】[0021]

【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、ガスの供給拡散に
好適な連通空孔を有する多孔質支持体に、機能特性に優
れ、緻密且つ薄膜である被覆膜を被覆したことにより、
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。
As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have found that a porous support having communicating pores suitable for gas supply and diffusion has excellent functional characteristics. By coating a dense and thin coating film,
The inventors have found that the above problems can be solved and completed the present invention.

【0022】即ち、本発明の薄膜機能構造体は、多孔質
支持体が表面及び/又は裏面に有する開口を覆うように
被覆膜を設け、上記多孔質支持体の空孔率が30〜97
%であり、全空孔のうち表裏に貫通する連通空孔の割合
が80〜100%であり、上記被覆膜の膜厚が0.1〜
100μmである。
That is, in the thin film functional structure of the present invention, a coating film is provided so as to cover the openings provided on the front surface and / or the back surface of the porous support, and the porosity of the porous support is 30 to 97.
%, The ratio of communicating holes penetrating to the front and back of all the holes is 80 to 100%, and the thickness of the coating film is 0.1 to 0.1%.
It is 100 μm.

【0023】[0023]

【発明の実施の形態】以下、本発明の薄膜機能構造体及
びその前駆体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、多孔質支持体、電解質及び電極の
一方の面を「表面」や「上面」、他の面を「裏面」や
「下面」などと記載するが、これらは等価な要素であ
り、相互に置換した構成も本発明の範囲に含まれる。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The thin film functional structure and its precursor 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 the porous support, the electrolyte and the electrode is described as “front surface” or “upper surface”, and the other surface is described as “rear surface” or “lower surface”, but these are equivalent elements. However, configurations in which they are mutually replaced are also included in the scope of the present invention.

【0024】本発明の薄膜機能構造体は、多孔質支持体
の表面及び/又は裏面を被覆膜で被覆して成る。ここ
で、上記多孔質支持体は空孔を有し、その空孔率は30
〜97%である。30%未満の場合はガス流路としての
機能又はガス拡散機能が不十分となる。97%を超える
場合は支持体としての機械的強度が低下する。また、全
空孔のうち表裏に貫通する連通空孔の割合は80〜10
0%である。かかる割合で連通空孔を有することによ
り、多孔質支持体がガス流路として機能し、外部から被
覆膜(電解質層など)へガスを供給し得る。連続気孔率
が80%未満の場合は、ガス流路の機能を果たせないだ
けでなく、支持体としての強度が低下する。なお、上記
連通空孔は、1つの空孔が表裏に通じている場合に限定
されず、複数の空孔が互いに連通する結果、表裏に通じ
ている場合も含む。また、多孔質支持体とは、発泡法、
焼結法、溶出法及び相分離法等で形成されたある割合の
気孔をもつ構造体全般を示す。
The thin film functional structure of the present invention is formed by coating the front surface and / or the back surface of the porous support with a coating film. Here, the porous support has pores, and the porosity is 30.
~ 97%. If it is less than 30%, the function as a gas flow path or the gas diffusion function becomes insufficient. If it exceeds 97%, the mechanical strength as a support decreases. In addition, the ratio of communication holes penetrating to the front and back of all the holes is 80 to 10
It is 0%. By having the communicating pores at such a ratio, the porous support functions as a gas flow path, and gas can be supplied from the outside to the coating film (electrolyte layer or the like). When the continuous porosity is less than 80%, not only the function of the gas flow channel cannot be achieved, but also the strength as a support is lowered. The communicating holes are not limited to the case where one hole communicates with the front and back surfaces, and includes the case where the plurality of holes communicate with each other as a result of communication with each other. The porous support means a foaming method,
A general structure having a certain proportion of pores formed by a sintering method, an elution method, a phase separation method or the like is shown.

【0025】上記多孔質支持体としては、一般的な焼結
体が使用できる他、例えば、金属粉、界面活性剤水、水
溶性樹脂結合剤及び非水溶性有機溶剤の混合物を用い、
非水溶性有機溶剤を気化発泡させて焼結した三次元網目
構造を有する焼結体を使用でき、この場合は空孔率を極
めて高くし易い。また、繊維状の金属線を用いた金属フ
ェルト、金属布又は金属網などを積層し焼結した多孔体
を使用でき、この場合は比較的空孔率や空孔径が調整し
易い。更に、金属薄板やセラミックス薄板にエッチング
法や機械加工法等で規則的にパターニングして貫通孔を
形成したボード状のパンチング材を使用でき、この場合
は100%の開気孔率(連通空孔)が得られる。更にま
た、グリーン体で孔加工を施した後、焼結したセラミッ
クス基板を用いることもできる。特に、ガス流路として
機能させるため、開気孔比率の高さが必要な事から、多
孔質支持体は発泡材又はパンチング材を用いて成ること
が好適である。また、多孔質支持体の形状は特に限定さ
れるものではなく、平板、円筒等で使用できる。
As the above-mentioned porous support, a general sintered body can be used, and for example, a mixture of metal powder, surfactant water, a water-soluble resin binder and a non-water-soluble organic solvent is used.
A sintered body having a three-dimensional network structure obtained by evaporating and foaming a non-water-soluble organic solvent and sintering it can be used, and in this case, the porosity can be made extremely high. Further, a porous body obtained by laminating and sintering a metal felt using a fibrous metal wire, a metal cloth, a metal net, or the like can be used. In this case, the porosity and the pore diameter are relatively easy to adjust. Further, a board-shaped punching material in which through holes are formed by regularly patterning a metal thin plate or a ceramic thin plate by an etching method or a machining method can be used. In this case, 100% open porosity (open pores) Is obtained. Furthermore, it is also possible to use a ceramics substrate that has been sintered after being subjected to hole processing with a green body. In particular, since a high open-pore ratio is required in order to function as a gas flow path, it is preferable that the porous support is made of a foam material or a punching material. The shape of the porous support is not particularly limited, and it may be a flat plate, a cylinder or the like.

【0026】また、上記多孔質支持体は連通空孔を有し
ており、表面及び裏面には複数の開口が存在するが、こ
の開口は被覆膜に覆われている。本発明では、この被覆
膜の最大膜厚を0.1〜100μmとする。膜厚が0.
1μm未満であるとガス隔壁の機能を果たすのに充分で
ない。100μmを超えると、例えば、燃料電池用セル
に用いた場合は厚さ方向によるセルの内部抵抗(特にI
R抵抗)が大きくなり、また、水素分離セルに用いた場
合は水素透過抵抗が大きくなり、デバイスの性能が低下
する。上記被覆膜には、後述する電極層、電解質層又は
水素分離膜などが採用できる。
Further, the porous support has communicating pores, and there are a plurality of openings on the front surface and the back surface, and these openings are covered with a coating film. In the present invention, the maximum film thickness of this coating film is 0.1 to 100 μm. The film thickness is 0.
When it is less than 1 μm, it is not sufficient to fulfill the function of the gas partition wall. If it exceeds 100 μm, for example, when used in a fuel cell, the internal resistance of the cell in the thickness direction (particularly I
R resistance) becomes large, and when used in a hydrogen separation cell, hydrogen permeation resistance becomes large, and the performance of the device deteriorates. An electrode layer, an electrolyte layer, a hydrogen separation membrane, or the like, which will be described later, can be used as the coating film.

【0027】更に、上記被覆膜の最大膜厚dは、上記空
孔の最大開口径aと次式 0.01≦d/a≦10 で表される関係を満たすことが好適である。この場合
は、多孔質支持体の空孔率が高く開口径が大きいときで
も、被覆膜は緻密であることを意味する。d/aが0.
01未満の場合は、被覆膜の材料にも大きく依存する
が、開口径に対して膜厚が薄すぎるため、ガス流量やガ
ス圧が変動したり動作温度と室温との間の熱衝撃が繰り
返し加わると、耐久性が低下して被覆膜が破損すること
などがある。d/aが10より大きい場合は、開口径に
対して膜厚が厚いため、例えば、燃料電池用セル又は水
素分離セルに用いるときは、その特性が低下し易い。
Further, it is preferable that the maximum film thickness d of the coating film satisfies the relationship expressed by the following equation 0.01 ≦ d / a ≦ 10 with the maximum opening diameter a of the holes. In this case, it means that the coating film is dense even when the porous support has a high porosity and a large opening diameter. d / a is 0.
When it is less than 01, the film thickness depends on the material of the coating film, but the film thickness is too thin with respect to the opening diameter, so that the gas flow rate and the gas pressure fluctuate, and the thermal shock between the operating temperature and room temperature is reduced. Repeated addition may reduce durability and damage the coating film. When d / a is greater than 10, the film thickness is large with respect to the opening diameter, and therefore, when used in a fuel cell or a hydrogen separation cell, the characteristics are likely to deteriorate.

【0028】更にまた、上記空孔の最大開口径は1μm
〜10mmであることが好ましく、上記被覆膜の成膜面
積に対する当該多孔質支持体の非接触面積率は10〜9
0%であることが好ましい。空孔の開口径が1μmの場
合はガス拡散が不充分となり易く、10mmを超える場
合は被覆膜の耐久性が低下し破損し易い。ここで、非接
触面積率とは、多孔質支持体上に積層される被覆膜との
成膜面に対する多孔質支持体空孔部分の面積比率のこと
である。非接触面積率が10%未満の場合は被覆膜と支
持体が接着している面積が大きいため、ガス拡散が不充
分となり易い。90%を超える場合は被覆膜が支持体と
接着せず自立している比率が高いため、耐久性が低下
し、ガス流量やガス圧が変動するときなどに被覆膜が破
損し易い。
Furthermore, the maximum opening diameter of the holes is 1 μm.
10 to 10 mm is preferable, and the non-contact area ratio of the porous support to the film formation area of the coating film is 10 to 9 mm.
It is preferably 0%. If the opening diameter of the pores is 1 μm, gas diffusion tends to be insufficient, and if it exceeds 10 mm, the durability of the coating film is lowered and the coating film is easily damaged. Here, the non-contact area ratio is the area ratio of the porous support pores to the film formation surface of the coating film laminated on the porous support. When the non-contact area ratio is less than 10%, the area in which the coating film and the support are bonded is large, and gas diffusion tends to be insufficient. When it exceeds 90%, the coating film has a high proportion of being self-supporting without being adhered to the support, and thus the durability is lowered, and the coating film is easily damaged when the gas flow rate or the gas pressure changes.

【0029】また、上記薄膜機能構造前駆体は、上記空
孔の開口に充填材が含浸された多孔質支持体の表面又は
裏面に、上記被覆膜を被覆して成る。このような構成と
することにより、充填材を除去することで薄膜機能構造
体が容易に得られる。充填材としては、例えば、イミド
系樹脂、トリアジン系樹脂、アクリル系樹脂、ビニル系
樹脂、エポキシ系樹脂、シリコン系樹脂、スチレン系樹
脂、フェノール系樹脂、ウレタン系樹脂、ポリオレフィ
ン系樹脂及びフッ素樹脂等の樹脂材料、カルコゲン化物
ガラス、ハライドガラス、カルコハライドガラス及びオ
キシハライドガラス等の低融点ガラス、はんだ等の低融
点合金、無機塩等の材料を適宜使用できる。また、充填
材が含浸された空孔の開口と多孔質支持体の表面又は裏
面とがなす面の粗さRaは、被覆膜の膜厚dと以下の式
Ra≦d/10を満たす関係にあることが、被覆膜の密
着性、被覆膜の強度及びガス拡散性などから好適であ
る。上記式が満たされないときは膜厚が極端に薄くなっ
てしまう箇所やピンホールが形成されることがある。
The thin film functional structure precursor is formed by coating the coating film on the front surface or the back surface of the porous support having the openings of the pores impregnated with the filler. With such a structure, the thin film functional structure can be easily obtained by removing the filler. Examples of the filler include imide resin, triazine resin, acrylic resin, vinyl resin, epoxy resin, silicon resin, styrene resin, phenol resin, urethane resin, polyolefin resin, and fluororesin. Materials such as the resin material, low-melting glass such as chalcogenide glass, halide glass, chalcogenide glass and oxyhalide glass, low-melting alloy such as solder, and inorganic salt can be appropriately used. Further, the roughness Ra of the surface formed by the opening of the pores impregnated with the filler and the front surface or the back surface of the porous support has a relationship satisfying the following formula Ra ≦ d / 10 with the film thickness d of the coating film. It is preferable that the above condition be satisfied from the viewpoint of the adhesion of the coating film, the strength of the coating film, the gas diffusibility, and the like. If the above formula is not satisfied, a portion where the film thickness becomes extremely thin or a pinhole may be formed.

【0030】次に、本発明の固体電解質型燃料電池用単
セルについて詳細に説明する。まず、本発明の第1の固
体電解質型燃料電池用単セル(以下「単セル」と略す)
は、上記薄膜機能構造体を用いて成り、上記被覆膜とし
て電解質層を被覆し、その上に空気極層又は燃料極層を
被覆し、上記多孔質支持体の裏面には、燃料極層又は空
気極層を連通空孔を通じて当該電解質層と密着するよう
に被覆して成る。この場合は、上記多孔質支持体は、電
解質層を支持する機能、ガスを拡散する機能及びガス流
路としての機能を発揮する。また、特に、電解質層の薄
膜構成により、IR抵抗や電極反応抵抗が低減され、燃
料電池としての出力密度、発電効率が向上する。例え
ば、図4に示すように、パンチング材である多孔質支持
体の表面にパターニングされた多数の連通空孔(貫通
孔)を備え、この連通空孔を覆うように電解質層が形成
され、この電解質層上に燃料極層が形成され、一方、多
孔質支持体の裏面に空気極層が形成され、連通空孔部分
では電解質層の裏面と開口を介して接触する単セルが挙
げられる。なお、上記単セルを用いた燃料電池におい
て、多孔質支持体が電極層を兼ねる場合、且つ非接触面
積率が10〜90%の範囲内にない場合は、電極反応が
起こる三相界面が減少し易く、電極反応抵抗が増加し燃
料電池の出力が低下し易いため好ましくない。
Next, the single cell for a solid oxide fuel cell of the present invention will be described in detail. First, the first single cell for a solid oxide fuel cell of the present invention (hereinafter abbreviated as “single cell”)
Is formed by using the thin film functional structure, covers an electrolyte layer as the covering film, and coats an air electrode layer or a fuel electrode layer thereon, and a fuel electrode layer on the back surface of the porous support. Alternatively, the air electrode layer is coated so as to be in close contact with the electrolyte layer through the communication holes. In this case, the porous support has a function of supporting the electrolyte layer, a function of diffusing gas, and a function as a gas flow path. Further, in particular, the thin film structure of the electrolyte layer reduces IR resistance and electrode reaction resistance, and improves the output density and power generation efficiency of the fuel cell. For example, as shown in FIG. 4, a large number of patterned communication holes (through holes) are provided on the surface of a porous support which is a punching material, and an electrolyte layer is formed so as to cover the communication holes. A fuel cell layer is formed on the electrolyte layer, while an air electrode layer is formed on the back surface of the porous support, and a single cell that contacts the back surface of the electrolyte layer through an opening in the communicating pores can be mentioned. In the fuel cell using the above single cell, when the porous support also serves as the electrode layer, and when the non-contact area ratio is not within the range of 10 to 90%, the three-phase interface where the electrode reaction takes place decreases. And the reaction resistance of the electrode increases and the output of the fuel cell tends to decrease.

【0031】また、本発明の第2の単セルは、上記薄膜
機能構造体を用いて成り、上記多孔質支持体の表面に
は、被覆膜として空気極層又は燃料極層を被覆し、その
上に電解質層と燃料極層又は空気極層とを順次被覆して
成る。例えば、図5に示すように、パンチング材である
多孔質支持体の表面にパターニングされた多数の連通空
孔(貫通孔)を備え、この連通空孔を覆うように空気極
層が形成され、この空気極層上に電解質層が形成され、
更に燃料極層が形成されて成る単セルが挙げられる。ま
た、この単セルには、多孔質支持体の裏面に集電体層が
形成され、連通空孔部分では空気極層の裏面と開口を介
して接触している。集電体としては、金属などの電気導
電性材料を使用できる。更に、上記多孔質支持体が集電
機能を担う場合は、被覆膜には三相界面での界面反応を
主に担う層として機能する層を含ませることができる。
例えば、一般的に空気極材料として使用されるランタン
コバルト酸化物と電解質材料として使用されるセリア系
酸化物の混合体から被覆膜を構成することができる。
A second unit cell of the present invention is formed by using the thin film functional structure, wherein the surface of the porous support is coated with an air electrode layer or a fuel electrode layer as a coating film, An electrolyte layer and a fuel electrode layer or an air electrode layer are sequentially coated thereon. For example, as shown in FIG. 5, a large number of patterned communication holes (through holes) are provided on the surface of a porous support which is a punching material, and an air electrode layer is formed so as to cover the communication holes. An electrolyte layer is formed on this air electrode layer,
Further, a single cell formed by forming a fuel electrode layer can be mentioned. Further, in this unit cell, a current collector layer is formed on the back surface of the porous support and is in contact with the back surface of the air electrode layer through the opening at the communicating pores. An electrically conductive material such as metal can be used as the current collector. Further, when the porous support has a current collecting function, the coating film may include a layer functioning as a layer mainly responsible for an interfacial reaction at the three-phase interface.
For example, the coating film can be composed of a mixture of lanthanum cobalt oxide generally used as an air electrode material and a ceria-based oxide generally used as an electrolyte material.

【0032】上記第1の単セル及び第2の単セルにおけ
る被覆膜(第1の単セルでは電解質層、第2の単セルで
は電極層)の厚さは1〜20μmであることが好適であ
る。膜厚が1μm未満であると、例えば、電解質層は水
素ガスなどを透過する恐れがあり、この場合は電解質が
充分に機能せず、燃料電池に用いると出力が低下してし
まう。また、電極表面での触媒反応が充分に行えず、過
電圧が上昇してしまう。一方、20μmを超えると、電
解質の厚み方向によるセルの内部抵抗(特にIR抵抗)
が大きくなり、燃料電池に用いると出力が低下する恐れ
がある。また、ガスの供給拡散が律速となり、機能が低
下、特に燃料極では電極還元に時間を要し、始動性が低
下する。
The thickness of the coating film (electrolyte layer in the first unit cell, electrode layer in the second unit cell) in the first unit cell and the second unit cell is preferably 1 to 20 μm. Is. If the film thickness is less than 1 μm, for example, the electrolyte layer may be permeable to hydrogen gas or the like, in which case the electrolyte does not function sufficiently and the output decreases when used in a fuel cell. In addition, the catalytic reaction cannot be sufficiently performed on the electrode surface, and the overvoltage increases. On the other hand, when it exceeds 20 μm, the internal resistance of the cell (especially IR resistance) depending on the thickness direction of the electrolyte.
Becomes larger and the output may decrease when used in a fuel cell. Further, the supply and diffusion of the gas becomes rate-determining, and the function deteriorates. Particularly, in the fuel electrode, it takes time to reduce the electrode, and the startability deteriorates.

【0033】本発明の第1の単セル及び第2の単セルに
おいて、被覆膜とする電極層、電解質層又は多孔質支持
体としては、従来公知の固体電解質型燃料電池で用いら
れている空気極材料、燃料極材料などの全ての材料が挙
げられ、特に限定されるものではない。例えば、空気極
材料としては、ストロンチウム、カルシウムをドープし
たランタンマンガン酸化物、カルシウム又はストロンチ
ウムをドープしたランタンコバルト酸化物、プラセオジ
ムコバルト酸化物、ストロンチウムをドープしたプラセ
オジムマンガン酸化物、ビスマスをドープしたランタン
ニッケル酸化物、スズをドープしたインジウム酸化物、
ストロンチウムとコバルトをドープしたランタンマンガ
ン酸化物、ストロンチウムとクロムをドープしたランタ
ンマンガン酸化物などが挙げられる。また、電解質材料
としては、ルテニア又はイットリア又はサマリアが添加
された安定化ジルコニア、ガドリア又はイットリア又は
サマリアが添加された酸化セリウム、ストロンチウム、
マグネシウム、コバルト、銅又は鉄、及びこれらの任意
の組合せに係るものをドープしたランタンガリウム酸化
物、イットリア、ガドリアなどをドープした酸化ビスマ
ス固溶体などが挙げられる。更に、燃料極材料として
は、ニッケル、コバルト、白金、パラジウム、ルテニウ
ムを含有する合金や、上記電解質材料とこれら金属が混
合したもの、サーメットなどを使用できる。更にまた、
電極を兼ねない多孔質支持体としては、Ni基合金、N
i−Cr合金、鉄−ニッケル合金、SUS、Siなどの
金属、アルミナ、チタニア、ジルコニア、石英、コージ
ェライトなどのセラミックス、又はガラスなどを使用で
きる。
In the first unit cell and the second unit cell of the present invention, the electrode layer, the electrolyte layer or the porous support as the coating film is used in a conventionally known solid oxide fuel cell. All the materials such as the air electrode material and the fuel electrode material can be mentioned, and the materials are not particularly limited. For example, as the cathode material, strontium, calcium-doped lanthanum manganese oxide, calcium- or strontium-doped lanthanum cobalt oxide, praseodymium cobalt oxide, strontium-doped praseodymium manganese oxide, bismuth-doped lanthanum nickel. Oxide, indium oxide doped with tin,
Examples thereof include lanthanum manganese oxide doped with strontium and cobalt, and lanthanum manganese oxide doped with strontium and chromium. Further, as the electrolyte material, stabilized zirconia added with ruthenia or yttria or samaria, cerium oxide added with gadria or yttria or samaria, strontium,
Examples thereof include lanthanum gallium oxide doped with magnesium, cobalt, copper or iron, and any combination thereof, bismuth oxide solid solution doped with yttria, gadria, and the like. Further, as the fuel electrode material, an alloy containing nickel, cobalt, platinum, palladium, ruthenium, a mixture of the above electrolyte material and these metals, cermet, or the like can be used. Furthermore,
Examples of the porous support that does not serve as an electrode include Ni-based alloy, N
Metals such as i-Cr alloys, iron-nickel alloys, SUS and Si, ceramics such as alumina, titania, zirconia, quartz, cordierite, or glass can be used.

【0034】なお、被覆膜は、上述のように電解質層又
は電極層として機能し得る他、膜強度を増加したり、膜
応力を調整したり、支持体との密着力を増加したり、更
には支持体との熱膨張係数差を調整する機能を発揮し得
るが、これらの機能を発揮させるため各種添加材を混合
することもできる。
The coating film can function as an electrolyte layer or an electrode layer as described above, and can also increase the film strength, adjust the film stress, increase the adhesive force with the support, Furthermore, although it can exert a function of adjusting the difference in thermal expansion coefficient from the support, various additives can be mixed in order to exert these functions.

【0035】次に、本発明の水素分離セルについて詳細
に説明する。本発明の水素分離セルは、上記薄膜機能構
造体を用いて成り、上記多孔質支持体として金属を用
い、上記被覆膜は水素分離機能を有する。このような構
成により、水素分離効率が良好な水素分離セルとなる。
上記被覆膜としては、例えば、パラジウム又はパラジウ
ム合金を使用できる。また、上記金属としては、例え
ば、Ni基合金、Ni−Cr合金、鉄−ニッケル合金、
SUS、Siなどの金属を使用できる。
Next, the hydrogen separation cell of the present invention will be described in detail. The hydrogen separation cell of the present invention comprises the thin film functional structure, uses a metal as the porous support, and the coating film has a hydrogen separation function. With such a configuration, the hydrogen separation cell has good hydrogen separation efficiency.
As the coating film, for example, palladium or palladium alloy can be used. Examples of the metal include Ni-based alloys, Ni-Cr alloys, iron-nickel alloys,
Metals such as SUS and Si can be used.

【0036】次に、本発明の固体電解質型燃料電池用単
セルの製造方法について詳細に説明する。本製造方法で
は、図1に示すような、以下の工程 1)多孔質支持体を形成する工程 2)充填材を多孔質支持体に含浸する工程 3)多孔質支持体の表面を研磨する工程 4)多孔質支持体上へ被覆膜を形成する工程 5)充填材を除去する工程 を行い、多孔質支持体、空気極層、燃料極層及び電解質
層を接合して、上述の固体電解質型燃料電池用単セルを
得る。このような製造方法により、被覆膜を支持する多
孔質支持体の空孔率及び空孔径を極めて大きくして作製
でき、更に従来品よりも極めて薄い電極層又は電解質層
を被覆膜として設けた構成となる。従って、得られた単
セルを用いた燃料電池は、多孔質支持体や電極層に要求
されるガスの透過性、吸着面積及び吸着速度が向上さ
れ、燃料の利用率が増大する。また、得られる単セル構
成は燃料電池の軽量化を実現する。更に、簡便な工程に
より単セルを作製できるため、コスト面でも経済的であ
り、工業的にも有効である。
Next, the method for producing the single cell for a solid oxide fuel cell of the present invention will be described in detail. In the present manufacturing method, as shown in FIG. 1, the following steps 1) a step of forming a porous support 2) a step of impregnating a porous support with a filler 3) a step of polishing the surface of the porous support 4) Step of forming coating film on porous support 5) Step of removing filler to join porous support, air electrode layer, fuel electrode layer and electrolyte layer to form solid electrolyte described above A unit cell for a fuel cell of a type is obtained. By such a manufacturing method, it is possible to manufacture by making the porosity and the pore diameter of the porous support supporting the coating film extremely large, and further providing an electrode layer or an electrolyte layer which is extremely thinner than the conventional product as the coating film. It will be configured. Therefore, in the fuel cell using the obtained single cell, the gas permeability, the adsorption area and the adsorption rate required for the porous support and the electrode layer are improved, and the fuel utilization rate is increased. Further, the obtained single cell structure realizes weight reduction of the fuel cell. Furthermore, since a single cell can be manufactured by a simple process, it is economical in terms of cost and industrially effective.

【0037】ここで、多孔質支持体を形成する工程で
は、例えば、公知の発泡法、焼結法、溶出法及び相分離
法等を採用できる。具体的には、金属やセラミックスの
原料粉を焼結する方法がある。また、空孔率が極めて高
い多孔質体を得るには、金属粉と界面活性剤水と水溶性
樹脂結合剤及び非水溶性有機溶剤の混合物を用い、非水
溶性有機溶剤が気化発砲するように焼結して三次元網目
構造を有する焼結体とする方法がある。更に、比較的空
孔率や空孔径(開口径)を調整し易い方法として、繊維
状の金属線から成る金属フェルト、金属布及び金属網な
どを積層して焼結する方法がある。更にまた、開気孔率
を100%にする方法として、金属薄板やセラミックス
薄板にエッチング法や機械加工法等で規則的にパターニ
ングして貫通孔を形成したパンチングボード状の支持体
を形成する方法がある。また、グリーン体で孔加工を施
した後、焼結したセラミックス基板やを用いることもで
きる。
Here, in the step of forming the porous support, for example, a known foaming method, sintering method, elution method, phase separation method or the like can be adopted. Specifically, there is a method of sintering raw material powder of metal or ceramics. Further, in order to obtain a porous body having an extremely high porosity, a mixture of metal powder, surfactant water, a water-soluble resin binder and a non-water-soluble organic solvent is used, and the water-insoluble organic solvent is vaporized and foamed. There is a method of sintering into a sintered body having a three-dimensional network structure. Further, as a method for easily adjusting the porosity and the pore diameter (opening diameter), there is a method of laminating and sintering a metal felt made of fibrous metal wire, a metal cloth, a metal net, and the like. Furthermore, as a method of making the open porosity 100%, there is a method of forming a punching board-like support body in which through holes are formed by regularly patterning a metal thin plate or a ceramic thin plate by an etching method or a machining method. is there. Further, it is also possible to use a ceramics substrate or the like, which is sintered after the holes are formed in the green body.

【0038】また、充填材を多孔質支持体に含浸する工
程では、例えば、真空含浸法、溶融含浸法及びディッピ
ング法等を採用できる。上記充填材としては、例えば、
イミド系樹脂、トリアジン系樹脂、アクリル系樹脂、ビ
ニル系樹脂、エポキシ系樹脂、シリコン系樹脂、スチレ
ン系樹脂、フェノール系樹脂、ウレタン系樹脂、ポリオ
レフィン系樹脂及びフッ素樹脂等の樹脂材料、カルコゲ
ン化物ガラス、ハライドガラス、カルコハライドガラス
及びオキシハライドガラス等の低融点ガラス、はんだ等
の低融点合金、無機塩等の材料を使用できる。これら充
填材は、多孔質支持体の材質、空孔の表面状態や空孔形
状、被覆膜の厚さや膜形成時の多孔質支持体の温度、及
び研磨工程の方法条件などに応じて適宜選択されること
が望ましい。
In the step of impregnating the porous support with the filler, for example, a vacuum impregnation method, a melt impregnation method, a dipping method or the like can be adopted. As the filler, for example,
Resin materials such as imide resin, triazine resin, acrylic resin, vinyl resin, epoxy resin, silicon resin, styrene resin, phenol resin, urethane resin, polyolefin resin and fluororesin, chalcogenide glass Materials such as low melting point glass such as halide glass, chalcohalide glass and oxyhalide glass, low melting point alloy such as solder, and inorganic salt can be used. These fillers are appropriately selected depending on the material of the porous support, the surface state and shape of the pores, the thickness of the coating film, the temperature of the porous support at the time of film formation, and the method conditions of the polishing step. It is desirable to be selected.

【0039】上記充填材は研磨工程で研磨されるので、
被覆膜が形成される表面近傍は、充填欠陥がなく平滑で
あることが重要である。但し、支持体の厚さ方向に全て
均質に充填されている必要はない。具体的には、モノマ
ー又はプレポリマーを空孔に含浸し、含浸後に硬化処理
を行うことができる。このとき、含浸工程と硬化処理を
2回以上繰り返して行い、表面近傍の充填欠陥を減少さ
せることができる。また、硬化処理の際は、被覆膜が形
成される面から反対側の面までに温度勾配をつけるなど
して順次硬化させることができる。また、充填材には各
種添加材を混合することができ、これより、支持体と硬
化後の充填材の硬度の差を調整したり、支持体と硬化前
の充填材のぬれ性を調整したり、硬化前の充填材の粘度
を調整することなどができる。
Since the filler is polished in the polishing step,
It is important that the vicinity of the surface where the coating film is formed is smooth without any filling defect. However, it is not necessary that the support is uniformly filled in the thickness direction. Specifically, the monomer or prepolymer can be impregnated into the pores, and a curing treatment can be performed after the impregnation. At this time, the impregnation step and the curing treatment are repeated twice or more to reduce the filling defects near the surface. Further, during the curing treatment, it is possible to sequentially cure the surface by forming a temperature gradient from the surface on which the coating film is formed to the surface on the opposite side. In addition, the filler can be mixed with various additives, which allows adjustment of the difference in hardness between the support and the cured filler, and the wettability of the support and the cured filler. Alternatively, the viscosity of the filler before curing can be adjusted.

【0040】なお、多孔質支持体単独では、空孔率が高
くなるほど加工エッジ部が脆くなり割れやクラックが生
じてしまうため、微細な溝や穿孔の加工は困難である。
そこで、上記含浸工程の後、溝加工や穿孔加工などの機
械的加工工程を挿入することができる。これより、充填
材を含浸した多孔質支持体にガス流路確保したり、スタ
ックを組む際のフランジを加工することができる。ま
た、溝加工や穿孔加工により、機能性構造体(セル)を
燃料電池スタックや水素分離膜システムに組み込む場
合、支持部材やガスマニホールドと接合するためのフラ
ンジ加工を容易に行うことができる。これより、スタッ
クの組み立て部品を簡略化し、異種材料を用いた接合部
を大幅に減少し得る。例えば、500℃程度以上の高温
で使用される水素分離膜スタックや燃料電池スタックで
は、異種接合部を減少させることにより、熱衝撃や高温
による破壊を大幅に改善できるという優れた効果が得ら
れる。
It should be noted that with a porous support alone, it is difficult to process fine grooves and perforations because the processed edge becomes brittle and cracks or cracks occur as the porosity increases.
Therefore, after the impregnation step, a mechanical processing step such as groove processing or perforation processing can be inserted. As a result, it is possible to secure a gas flow path in the porous support impregnated with the filler and to process the flange when assembling the stack. Further, when the functional structure (cell) is incorporated into the fuel cell stack or the hydrogen separation membrane system by the groove processing or the hole processing, the flange processing for joining with the supporting member or the gas manifold can be easily performed. This can simplify the assembly parts of the stack and significantly reduce joints using dissimilar materials. For example, in a hydrogen separation membrane stack or a fuel cell stack that is used at a high temperature of about 500 ° C. or higher, by reducing the number of dissimilar joints, it is possible to obtain an excellent effect that damage due to thermal shock or high temperature can be significantly improved.

【0041】更に、多孔質支持体の表面を研磨する工程
では、例えば、公知のラッピング法やポリッシング法、
メカノケミカルな研磨方法などを採用できる。この場合
の表面粗さRaは、この後形成する被覆膜の膜厚dに対
し、d/10以下とすることが重要である。d/10よ
り大きい場合、膜厚が極端に薄くなってしまう箇所やピ
ンホールが形成されるため好ましくない。なお、上記含
浸工程及び研磨工程は2回以上繰り返すこともできる。
Further, in the step of polishing the surface of the porous support, for example, a known lapping method or polishing method,
Mechanochemical polishing methods can be adopted. In this case, it is important that the surface roughness Ra is d / 10 or less with respect to the film thickness d of the coating film formed thereafter. When it is larger than d / 10, a portion where the film thickness becomes extremely thin and pinholes are formed, which is not preferable. The impregnation step and the polishing step can be repeated twice or more.

【0042】更にまた、多孔質支持体上へ被覆膜を形成
する工程では、乾式法及び湿式法を適宜採用できる。乾
式法としては、例えばスパッタ法、真空蒸着法、イオン
プレーティング法、レーザアブレーション法などのPV
D法(物理的気相成長法)、やプラズマ溶射法、AD法
(エアロゾルデポジション法)、ガスデポジション法
(GD法)、CVD法(化学気相成長法)などが挙げら
れる。湿式法としては、電極材料又は電解質材料をスク
リーン印刷法やスラリーコーティング法などによって支
持体表面に塗布した後、1000〜1500℃で焼結す
る方法などが挙げられる。また、ゾルゲル法などの従来
公知の電極形成法なども挙げられ、特に限定されるもの
ではない。このような膜形成方法により、粒径の小さい
原料紛を用いて、特に、緻密且つ薄膜であり三相界面が
増加された膜を、空孔率や空孔径の大きい多孔質支持体
に形成できる。
Furthermore, in the step of forming the coating film on the porous support, a dry method and a wet method can be appropriately adopted. As a dry method, for example, a PV method such as a sputtering method, a vacuum deposition method, an ion plating method, or a laser ablation method is used.
D method (physical vapor deposition method), plasma spraying method, AD method (aerosol deposition method), gas deposition method (GD method), CVD method (chemical vapor deposition method) and the like can be mentioned. Examples of the wet method include a method in which an electrode material or an electrolyte material is applied to the surface of a support by a screen printing method, a slurry coating method, or the like, and then sintered at 1000 to 1500 ° C. Further, a conventionally known electrode forming method such as a sol-gel method may be mentioned, and the method is not particularly limited. By such a film forming method, it is possible to form a dense and thin film having an increased three-phase interface on a porous support having a large porosity and a large pore size by using a raw material powder having a small particle size. .

【0043】また、充填材を除去する工程では、酸、ア
ルカリ、有機溶剤等によるウェットエッチング、ドライ
エッチング、熱分解又は溶融、及びこれらの方法を適宜
組み合わせて充填材を除去できる。なお、充填材の除去
工程の前に、引き続き電極層や集電体層などを形成する
工程や、支持体の表面、開口及び被覆膜表面などに改質
触媒等を添加して各種機能を付与する工程などを行うこ
ともできる。
In the step of removing the filler, the filler can be removed by appropriately combining wet etching with acid, alkali, organic solvent or the like, dry etching, thermal decomposition or melting, and these methods. Prior to the step of removing the filler, a step of forming an electrode layer or a current collector layer is continuously performed, and a reforming catalyst or the like is added to the surface of the support, the opening, the surface of the coating film or the like to perform various functions. It is also possible to perform a step of applying.

【0044】[0044]

【実施例】以下、本発明を実施例及び比較例により更に
詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定される
ものではない。なお、実施例1〜8では燃料電池用単セ
ルを、実施例9では水素分離セルを、得ているが、これ
ら各々が本発明の薄膜機能構造体を用いて成るものであ
る。
EXAMPLES The present invention will be described in more detail with reference to Examples and Comparative Examples, but the present invention is not limited to these Examples. In addition, although the single cells for fuel cells are obtained in Examples 1 to 8 and the hydrogen separation cells are obtained in Example 9, each of them is formed by using the thin film functional structure of the present invention.

【0045】(実施例1)まず、セル支持体として多孔
質電極であるLSM(LaSr0.3Mn0.7
の焼結体を用いた。LSMの粒径は数十μmであり、空
孔率は40%、空孔径は100μm程度であった。LS
M焼結体を重合前のポリイミド原料中に入れ、真空含浸
処理を行った後、硬化させた。このような工程を二回繰
り返して含浸体を得た。得られた含浸体成膜面の鏡面研
磨を行い、焼結体の表面をRa=0.1μmにした。そ
の後、EB蒸着法により基板温度を室温で電解質材料Y
SZの1μmの膜を形成した。成膜した含浸体をヒドラ
ジンでエッチングして樹脂を除去した後、図6に示すよ
うに、LSM電極上に空孔率が40%である薄いYSZ
膜を得た。更に、その上に燃料極材料Ni電極(5μ
m)をスパッタ法で形成しセルを作製した。このような
単セルについて、発電試験を700℃で行った結果、開
回路電圧は1.0Vであり、出力密度は0.2W/cm
であった。
Example 1 First, LSM (LaSr 0.3 Mn 0.7 O 3 ) which is a porous electrode as a cell support is used.
Was used. The particle size of LSM was several tens of μm, the porosity was 40%, and the pore size was about 100 μm. LS
The M sintered body was placed in a polyimide raw material before polymerization, vacuum impregnated, and then cured. Such a process was repeated twice to obtain an impregnated body. The obtained impregnated body film-forming surface was mirror-polished to adjust the surface of the sintered body to Ra = 0.1 μm. After that, the substrate temperature is set to room temperature and the electrolyte material Y is formed by the EB deposition method.
A 1 μm film of SZ was formed. After removing the resin by etching the formed impregnated body with hydrazine, as shown in FIG. 6, a thin YSZ having a porosity of 40% is formed on the LSM electrode.
A film was obtained. In addition, a Ni electrode (5μ
m) was formed by a sputtering method to prepare a cell. As a result of conducting a power generation test on such a single cell at 700 ° C., an open circuit voltage is 1.0 V and an output density is 0.2 W / cm.
It was 2 .

【0046】(実施例2)実施例1で得られたLSM焼
結体のポリイミド樹脂含浸体を鏡面研磨し、スパッタ法
により電解質材料YSZの5μmの膜を形成し、更に、
その上に燃料極材料Ni/YSZ電極(5μm)をスパ
ッタ法で形成した。その後、ヒドラジンでエッチングし
てセルを作製した。このような単セルについて、発電試
験を700℃で行った結果、開回路電圧は1.0Vであ
り、出力密度は0.15W/cmであった。
(Example 2) The polyimide resin impregnated body of the LSM sintered body obtained in Example 1 was mirror-polished to form a 5 μm film of the electrolyte material YSZ by the sputtering method.
A Ni / YSZ electrode (5 μm) as a fuel electrode material was formed thereon by a sputtering method. Then, it was etched with hydrazine to prepare a cell. As a result of performing a power generation test on such a single cell at 700 ° C., the open circuit voltage was 1.0 V and the output density was 0.15 W / cm 2 .

【0047】(実施例3)充填材にカルコゲン化物ガラ
スを用いて溶融含浸した以外は、実施例1と同様な操作
を繰り返してセルを作製し、発電試験を行った。その結
果、開回路電圧は1.1Vであり、出力密度は0.20
W/cmであった。
Example 3 A cell was prepared by repeating the same operation as in Example 1 except that the chalcogenide glass was melt-impregnated as the filler, and a power generation test was conducted. As a result, the open circuit voltage was 1.1 V and the power density was 0.20.
It was W / cm 2 .

【0048】(実施例4)セル支持体の空孔率を30%
とした以外は、実施例1と同様な操作を繰り返してセル
を作製し、発電試験を行った。その結果、開回路電圧は
1.1Vであり、出力密度は0.15W/cmであっ
た。
Example 4 The porosity of the cell support is 30%.
A cell was prepared by repeating the same operation as in Example 1 except for the above, and a power generation test was performed. As a result, the open circuit voltage was 1.1 V and the power density was 0.15 W / cm 2 .

【0049】(実施例5)セル支持体の空孔率を30%
とし、YSZ膜厚を5μmとした以外は、実施例1と同
様な操作を繰り返してセルを作製し、発電試験を行っ
た。その結果、開回路電圧は1.1Vであり、出力密度
は0.15W/cmであった。
Example 5 The porosity of the cell support is 30%.
Then, the same operation as in Example 1 was repeated except that the YSZ film thickness was set to 5 μm to fabricate a cell, and a power generation test was performed. As a result, the open circuit voltage was 1.1 V and the power density was 0.15 W / cm 2 .

【0050】(比較例1)電極支持体として、LSM
(LaSr0.3Mn0.7)の焼結体を用いた。
粒径を数十μmとし、空孔率を20%とした。印刷法に
よってYSZ電解質を形成しその上に燃料極としてNi
/YSZを形成した。SEMで観察した結果、YSZ電
解質の膜厚は20μmであった。これら以外は、実施例
1と同様な操作を繰り返してセルを作製し、発電試験を
行った。その結果、開回路電圧は0.8Vであり、出力
密度は0.1W/cmであった。
(Comparative Example 1) As an electrode support, LSM was used.
A sintered body of (LaSr 0.3 Mn 0.7 O 3 ) was used.
The particle size was several tens of μm, and the porosity was 20%. A YSZ electrolyte is formed by a printing method, and Ni is used as a fuel electrode on the YSZ electrolyte.
/ YSZ was formed. As a result of SEM observation, the film thickness of the YSZ electrolyte was 20 μm. Other than these, the same operation as in Example 1 was repeated to fabricate a cell, and a power generation test was performed. As a result, the open circuit voltage was 0.8 V and the power density was 0.1 W / cm 2 .

【0051】(実施例6)セル支持体にSUSパンチン
グボードを用い、支持体上部に電解質YSZ、燃料極N
i/YSZの順で積層し、パンチングポード裏面から空
気極LSCを成膜した以外は、実施例1と同様な操作を
繰り返して、図7に示すようなセルを作製し、発電試験
を行った。その結果、開回路電圧は1.0Vであり、出
力密度は0.2W/cmであった。
(Example 6) A SUS punching board was used as a cell support, and an electrolyte YSZ and a fuel electrode N were provided above the support.
The same operation as in Example 1 was repeated except that i / YSZ was laminated in this order, and the air electrode LSC was formed from the back surface of the punching pod, and a cell as shown in FIG. 7 was produced and a power generation test was conducted. . As a result, the open circuit voltage was 1.0 V and the power density was 0.2 W / cm 2 .

【0052】(実施例7)セル支持体に多孔質Ni−C
r合金基板のものを用い、支持体上部に空気極LSM、
電解質LSGM、燃料極Ni/YSZの順で積層した以
外は、実施例1と同様な操作を繰り返してセルを作製
し、発電試験を行った。その結果、開回路電圧は1.1
Vであり、出力密度は0.18W/cmであった。
Example 7 Porous Ni-C was used as a cell support.
Using an r alloy substrate, an air electrode LSM on the support,
A cell was prepared by repeating the same operation as in Example 1 except that the electrolyte LSGM and the fuel electrode Ni / YSZ were laminated in this order, and a power generation test was performed. As a result, the open circuit voltage is 1.1
V, and the power density was 0.18 W / cm 2 .

【0053】(実施例8)セル支持体に発泡金属を用
い、支持体上部に燃料極Ni/SDC、電解質SDC、
空気極LSCの順で積層空気極を積層した以外は、実施
例1と同様な操作を繰り返してセルを作製し、発電試験
を行った。その結果、開回路電圧は1.0Vであり、出
力密度は0.16W/cmであった。
(Embodiment 8) Foam metal was used for the cell support, and the fuel electrode Ni / SDC, electrolyte SDC, and
The same operation as in Example 1 was repeated except that the laminated air electrodes were laminated in the order of the air electrode LSC to fabricate a cell and a power generation test was performed. As a result, the open circuit voltage was 1.0 V and the power density was 0.16 W / cm 2 .

【0054】(実施例9)実施例6と同様に支持体を使
用し、被覆膜としてパラジウム膜をEB蒸着法により3
μm形成した。実施例6と同様にして充填材を除去し、
水素分離セルを形成した。セルを400℃の評価装置に
設置し、混合ガス(H:70%、CH:2%、C
O:1%、CO残)を支持体側から導入し、膜を透過
したガスの流量及び組成をガスクロマトグラフ法で測定
した。透過ガスは100%水素で、透過速度は90cm
/(cm・min)であった。
Example 9 A support was used in the same manner as in Example 6, and a palladium film as a coating film was formed by EB vapor deposition.
μm formed. Remove the filler in the same manner as in Example 6,
A hydrogen separation cell was formed. The cell was installed in an evaluation device at 400 ° C., and mixed gas (H 2 : 70%, CH 4 : 2%, C
O: 1%, CO 2 residue) was introduced from the support side, and the flow rate and composition of the gas passing through the membrane were measured by gas chromatography. The permeation gas is 100% hydrogen and the permeation rate is 90 cm.
It was 3 / (cm 2 · min).

【0055】[0055]

【表1】 [Table 1]

【0056】[0056]

【表2】 [Table 2]

【0057】表1より、実施例1〜5で得られた単セル
は、比較例1及び2に比べて空孔率が大きいにもかかわ
らず、極めて薄い被覆膜を有することがわかる。また、
出力密度も大きいことがわかる。また、表2より、実施
例6〜8では、多孔質支持体に他の材料を用いている
が、本発明の好適範囲内にあるd/a比を有するので、
出力密度が大きいことがわかる。更に、実施例9で得ら
れた水素分離セルには、水素のみが優れた透過速度で透
過することがわかる。
From Table 1, it can be seen that the unit cells obtained in Examples 1 to 5 have an extremely thin coating film in spite of the higher porosity as compared with Comparative Examples 1 and 2. Also,
It can be seen that the output density is also large. In addition, from Table 2, in Examples 6 to 8, although other materials are used for the porous support, since they have d / a ratios within the preferred range of the present invention,
It can be seen that the output density is high. Further, it can be seen that only hydrogen is permeated into the hydrogen separation cell obtained in Example 9 at an excellent permeation rate.

【0058】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、単セル及び水素分離セルの形状
等は任意に選択でき、目的の出力に応じた燃料電池を作
製できる。また、多孔質支持体と絶縁体とを組合わせて
所望の電池回路を形成することができる。更に、単セル
の燃料極及び空気極はガス流路を流れるガス種(水素や
空気など)に合わせて、任意に配置を入れ替えることが
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 shape and the like of the single cell and the hydrogen separation cell can be arbitrarily selected, and a fuel cell can be manufactured according to the target output. Also, a desired battery circuit can be formed by combining the porous support and the insulator. Further, the fuel electrode and the air electrode of the single cell can be arbitrarily arranged according to the gas species (hydrogen, air, etc.) flowing through the gas flow path.

【0059】[0059]

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明によれ
ば、ガスの供給拡散に好適な連通空孔を有する多孔質支
持体に、機能特性に優れ、緻密且つ薄膜である被覆膜を
被覆したこととしたため、耐久性に優れた薄膜機能構造
体、薄膜機能構造前駆体、ガスの流量や供給圧力が変化
しても発電出力や水素分離効率などの損失が少ない水素
分離セル、固体電解質型燃料電池用単セル及びその製造
方法を提供することができる。
As described above, according to the present invention, a porous support having communication pores suitable for gas supply and diffusion is provided with a dense and thin coating film having excellent functional characteristics. Since it is covered, a thin film functional structure with excellent durability, a thin film functional structure precursor, a hydrogen separation cell and a solid electrolyte with little loss in power generation output and hydrogen separation efficiency even when the gas flow rate and supply pressure change A single cell for a fuel cell and a method for manufacturing the same can be provided.

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

【図1】燃料電池用単セルの製造工程を示すフローチャ
ートである。
FIG. 1 is a flowchart showing a manufacturing process of a fuel cell unit cell.

【図2】従来の燃料電池セルの一例(スラリーコーティ
ング法)を示すSEM観察写真である。
FIG. 2 is an SEM observation photograph showing an example of a conventional fuel cell (slurry coating method).

【図3】従来の燃料電池セルの他の例(共焼結方法)を
示すSEM観察写真である。
FIG. 3 is an SEM observation photograph showing another example of a conventional fuel cell (co-sintering method).

【図4】本発明の燃料電池用単セルの一構成例を示す概
略図である。
FIG. 4 is a schematic view showing a configuration example of a single cell for a fuel cell of the present invention.

【図5】本発明の燃料電池用単セルの他の構成例を示す
概略図である。
FIG. 5 is a schematic view showing another configuration example of the unit cell for fuel cells of the present invention.

【図6】実施例1で得られたLSM多孔質支持体及びY
SZ被覆膜を示すSEM観察写真である。
FIG. 6 LSM porous support obtained in Example 1 and Y
It is a SEM observation photograph which shows a SZ coating film.

【図7】実施例6で得られた燃料電池用単セルの構成を
示す概略図である。
FIG. 7 is a schematic diagram showing the structure of a fuel cell single cell obtained in Example 6.

───────────────────────────────────────────────────── 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 8/12 C25B 9/00 L (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 菱谷 佳子 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 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 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 (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 Fターム(参考) 4K011 AA04 AA07 AA12 BA04 BA07 CA04 CA13 DA11 4K021 DB40 DB53 5H018 AA06 AS02 AS03 BB01 BB05 BB07 BB09 BB12 DD01 DD08 EE13 EE17 HH02 HH03 HH04 HH05 5H026 AA06 BB03 BB04 CC05 CX01 CX04 HH02 HH03 HH04 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (51) Int.Cl. 7 Identification code FI theme code (reference) H01M 8/12 C25B 9/00 L (72) Inventor Keiko Kushibiki 2 Takaracho, Kanagawa-ku, Yokohama, Kanagawa Nissan Motor Co., Ltd. Incorporated (72) Inventor Yoshiko Nishitani 2 Takaracho, Kanagawa-ku, Yokohama, Kanagawa Nissan Motor Co., Ltd. (72) Inventor Bunki Sato 2 Takaracho, Kanagawa-ku, Yokohama, Kanagawa (72) Inventor Makoto Uchiyama 2 Takara-cho, Kanagawa-ku, Yokohama, Kanagawa Nissan Motor Co., Ltd. (72) Inventor Mitsugu Yamanaka 2 Takara-cho, Kanagawa-ku, Yokohama, Kanagawa Nissan Motor Co., Ltd. F-term (reference) 4K011 AA04 AA07 AA12 BA04 BA07 CA04 CA13 DA11 4K021 DB40 DB53 5H018 AA06 AS02 AS03 BB01 BB05 BB07 BB09 BB12 DD01 DD08 EE13 EE17 HH02 HH03 HH04 HH05 5H026 AA06 BB03 BB04 CC05 CX01 CX04 HH02 HH03 HH04

Claims (11)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 表面及び裏面に複数の開口を有する多孔
質支持体の表面及び/又は裏面を被覆膜で被覆して成る
薄膜機能構造体であって、 上記多孔質支持体の空孔率が30〜97%であり、全空
孔のうち表裏に貫通する連通空孔の割合が80〜100
%であり、 上記被覆膜の最大膜厚が0.1〜100μmであること
を特徴とする薄膜機能構造体。
1. A thin film functional structure comprising a front surface and / or a back surface of a porous support having a plurality of openings on the front surface and a back surface thereof, which is covered with a coating film, wherein the porosity of the porous support is high. Is 30 to 97%, and the ratio of communicating holes penetrating to the front and back of all the holes is 80 to 100.
%, And the maximum film thickness of the coating film is 0.1 to 100 μm.
【請求項2】 上記空孔の最大開口径aと上記被覆膜の
最大膜厚dとが、次式 0.01≦d/a≦10 で表される関係を満たすことを特徴とする請求項1に記
載の薄膜機能構造体。
2. The maximum opening diameter a of the holes and the maximum film thickness d of the coating film satisfy the relation expressed by the following equation 0.01 ≦ d / a ≦ 10. Item 3. The thin film functional structure according to item 1.
【請求項3】 上記空孔の最大開口径が1μm〜10m
mであり、上記被覆膜の成膜面積に対する当該多孔質支
持体の非接触面積率が10〜90%であることを特徴と
する請求項1又は2に記載の薄膜機能構造体。
3. The maximum opening diameter of the holes is 1 μm to 10 m.
3. The thin film functional structure according to claim 1 or 2, wherein the porous support has a non-contact area ratio of 10 to 90% with respect to the film formation area of the coating film.
【請求項4】 上記多孔質支持体が発泡材又はパンチン
グ材より成ることを特徴とする請求項1〜3のいずれか
1つの項に記載の薄膜機能構造体。
4. The thin film functional structure according to claim 1, wherein the porous support is made of a foam material or a punching material.
【請求項5】 充填材を除去することで請求項1〜4の
いずれか1つの項に記載の薄膜機能構造体と成る薄膜機
能構造前駆体であって、 上記多孔質支持体が表面及び裏面に複数の開口を有し、
当該開口に充填材が含浸され、表面又は裏面のどちらか
一方のみを被覆膜で被覆して成ることを特徴とする薄膜
機能構造前駆体。
5. A thin film functional structure precursor which becomes the thin film functional structure according to any one of claims 1 to 4 by removing the filler, wherein the porous support has front and back surfaces. Has multiple openings in
A thin film functional structure precursor characterized in that the opening is impregnated with a filler, and only one of the front surface and the back surface is covered with a coating film.
【請求項6】 充填材が含浸された空孔の開口と多孔質
支持体の表面又は裏面とがなす面の粗さRaが、被覆膜
の膜厚dと以下の式 Ra≦d/10 を満たす関係にあることを特徴とする請求項5に記載の
薄膜機能構造前駆体。
6. The roughness Ra of the surface formed by the opening of the pores impregnated with the filler and the front surface or the back surface of the porous support is such that the film thickness d of the coating film and the following formula Ra ≦ d / 10. The thin film functional structure precursor according to claim 5, wherein the precursor satisfies the following condition.
【請求項7】 請求項1〜4のいずれか1つの項に記載
の薄膜機能構造体を用いて成る固体電解質型燃料電池用
の単セルであって、 上記被覆膜が電解質層であり、その表面には空気極層又
は燃料極層が被覆され、上記多孔質支持体の裏面には、
燃料極層又は空気極層が連通空孔を通じて当該電解質層
と密着するように被覆されて成ることを特徴とする固体
電解質型燃料電池用単セル。
7. A single cell for a solid oxide fuel cell comprising the thin film functional structure according to claim 1, wherein the coating film is an electrolyte layer. The surface thereof is coated with an air electrode layer or a fuel electrode layer, and on the back surface of the porous support,
A single cell for a solid oxide fuel cell, characterized in that a fuel electrode layer or an air electrode layer is coated so as to be in close contact with the electrolyte layer through communicating pores.
【請求項8】 請求項1〜4のいずれか1つの項に記載
の薄膜機能構造体を用いて成る固体電解質型燃料電池用
の単セルであって、 上記被覆膜が空気極層又は燃料極層であり、その表面に
電解質層と燃料極層又は空気極層とを順次被覆して成る
ことを特徴とする固体電解質型燃料電池用単セル。
8. A single cell for a solid oxide fuel cell, which comprises the thin film functional structure according to claim 1, wherein the coating film is an air electrode layer or a fuel. A single cell for a solid oxide fuel cell, which is an electrode layer and is formed by successively coating an electrolyte layer and a fuel electrode layer or an air electrode layer on the surface thereof.
【請求項9】 上記被覆膜の厚さが1〜20μmである
ことを特徴とする請求項7又は8に記載の固体電解質型
燃料電池用単セル。
9. The unit cell for a solid oxide fuel cell according to claim 7, wherein the coating film has a thickness of 1 to 20 μm.
【請求項10】 請求項1〜4のいずれか1つの項に記
載の薄膜機能構造体を用いて成る水素分離セルであっ
て、 上記多孔質支持体が金属であり、上記被覆膜が水素分離
機能を有することを特徴とする水素分離セル。
10. A hydrogen separation cell using the thin film functional structure according to any one of claims 1 to 4, wherein the porous support is a metal, and the coating film is hydrogen. A hydrogen separation cell having a separation function.
【請求項11】 多孔質支持体、空気極層、燃料極層及
び電解質層を接合し、請求項7〜9のいずれか1項に記
載の固体電解質型燃料電池用単セルを製造するに当た
り、 多孔質支持体を形成する工程、充填材を多孔質支持体に
含浸する工程、多孔質支持体の表面を研磨する工程、多
孔質支持体上へ被覆膜を形成する工程、及び充填材を除
去する工程、を行うことを特徴とする固体電解質型燃料
電池用単セルの製造方法。
11. A porous support, an air electrode layer, a fuel electrode layer, and an electrolyte layer are joined together to manufacture the unit cell for a solid oxide fuel cell according to any one of claims 7 to 9. A step of forming a porous support, a step of impregnating the porous support with a filler, a step of polishing the surface of the porous support, a step of forming a coating film on the porous support, and a filler. A method for producing a single cell for a solid oxide fuel cell, which comprises performing a removing step.
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