JP2005166422A - Solid oxide fuel battery cell, cell plate, and its manufacturing method - Google Patents

Solid oxide fuel battery cell, cell plate, and its manufacturing method Download PDF

Info

Publication number
JP2005166422A
JP2005166422A JP2003403177A JP2003403177A JP2005166422A JP 2005166422 A JP2005166422 A JP 2005166422A JP 2003403177 A JP2003403177 A JP 2003403177A JP 2003403177 A JP2003403177 A JP 2003403177A JP 2005166422 A JP2005166422 A JP 2005166422A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
layer
electrode layer
cell
substrate
porous
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2003403177A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Itaru Shibata
格 柴田
Hiromi Sugimoto
博美 杉本
Kazufumi Takeuchi
和史 竹内
Tatsuya Yaguchi
竜也 矢口
Mitsugi Yamanaka
貢 山中
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nissan Motor Co Ltd
Original Assignee
Nissan Motor Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nissan Motor Co Ltd filed Critical Nissan Motor Co Ltd
Priority to JP2003403177A priority Critical patent/JP2005166422A/en
Publication of JP2005166422A publication Critical patent/JP2005166422A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid oxide fuel battery cell which is superior in strength of a substrate, high in rigidity of the substrate even when its thickness is reduced, capable of preventing exfoliation or crack of an electrode or an electrolyte layer caused by thermal expansion, and capable of current collection without causing current collecting loss or short circuit; and to provide a cell plate and a manufacturing method of these fuel battery cell and cell plate. <P>SOLUTION: A first electrode layer 3 is formed by filling a first electrode material in the upper face side of a battery element forming portion of a porous substrate 2, and a porous insulative material 7 having gas-permeability is filled in the lower face side. In the upper face side of the peripheral portion except the battery element forming portion, an insulative layer 8 is formed by filling a gas-impermeable insulative material therein. In the lower face side, a gas-impermeable conductive material 9 is filled in. On the upper face side of the porous substrate 2, an electrolyte layer 4 extending to the peripheral insulative layer 8 is formed on the first electrode layer 3 which is formed in the battery element forming portion, and a second electrode layer 5 is formed on the electrolyte layer 4. On the second electrode layer 5, a current collecting layer 6 extending to the insulative layer 8 is formed in a mesh shape. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、固体酸化物から成る電解質を空気極及び燃料極で挟持した電池要素をガス透過性を備えた多孔質金属基板によって支持した基板支持型の固体酸化物形燃料電池に係わり、特に、固体酸化物形燃料電池用セル及びセル板、さらにはこのようなセル及びセル板の製造方法に関するものである。   The present invention relates to a substrate-supported solid oxide fuel cell in which a cell element in which an electrolyte composed of a solid oxide is sandwiched between an air electrode and a fuel electrode is supported by a porous metal substrate having gas permeability. The present invention relates to a cell and a cell plate for a solid oxide fuel cell, and a method for manufacturing such a cell and cell plate.

固体酸化物形燃料電池(SOFC)は、電解質としての固体酸化物と、この酸化物から成る固体電解質を間に挟んで互いに対向する状態に配置された燃料極と空気極とを基本構成要素として備えており、燃料極側に水素などの燃料ガスを、一方空気極側に空気などの酸化性ガスを供給することによって、電気化学反応に基づく直流電力を得ることができる。   A solid oxide fuel cell (SOFC) has, as basic components, a solid oxide as an electrolyte, and a fuel electrode and an air electrode arranged to face each other with the solid electrolyte made of the oxide interposed therebetween. In addition, by supplying a fuel gas such as hydrogen to the fuel electrode side and an oxidizing gas such as air to the air electrode side, DC power based on an electrochemical reaction can be obtained.

一般に固体酸化物形燃料電池においては、電池の内部抵抗を減じることが電池性能の向上に繋がるために、内部抵抗を減じるための手段が種々検討されている。
この内部抵抗は、電解質抵抗と反応抵抗が支配的であって、このうち反応抵抗は材料的要素や電極ミクロ構造など、種々の要素に影響される一方、電解質抵抗は電解質材料の電気伝導性及び膜厚に影響されることから、上記電解質の膜厚を減じ、電解質部分の抵抗を減じることができるセル構造として燃料極支持型セルが提案されている(例えば、特許文献1参照)。
すなわち、燃料極支持型セルは、図6(a)に示すように、ガス透過性を備えた多孔質構造をなす燃料極基板51上に、固体酸化物から成る電解質層52と、空気極層53を形成したものであって、当該セルにおいては、電荷の移動方向が膜厚方向となるため、電解質層52の膜厚を減ずることによって電解質の抵抗を少なくすることができる。
In general, in a solid oxide fuel cell, since reducing the internal resistance of the battery leads to improvement in battery performance, various means for reducing the internal resistance have been studied.
This internal resistance is dominated by electrolyte resistance and reaction resistance, of which reaction resistance is affected by various factors such as material elements and electrode microstructure, while electrolyte resistance is the electrical conductivity of the electrolyte material and Since it is influenced by the film thickness, a fuel electrode support type cell has been proposed as a cell structure capable of reducing the thickness of the electrolyte and reducing the resistance of the electrolyte portion (see, for example, Patent Document 1).
That is, as shown in FIG. 6 (a), the fuel electrode-supporting cell has an electrolyte layer 52 made of a solid oxide and an air electrode layer on a fuel electrode substrate 51 having a porous structure with gas permeability. In the cell, since the charge transfer direction is the film thickness direction, the resistance of the electrolyte can be reduced by reducing the film thickness of the electrolyte layer 52.

一方、セラミックス材料から成る燃料極を基板として使用する燃料極支持型セルに対して、延性のある金属材料基板を使用する多孔質金属支持型セルが知られている(例えば、特許文献2参照)。
多孔質金属支持型セルは、図6(b)に示すように、例えばステンレス鋼などから成る多孔質金属基板55に、燃料極層56、電解質層52及び空気極層53を順次成膜した構造を有し、図6(a)に示したセラミックス材料から成る燃料極基板51に比べて、基板55の板厚を薄板化することができるので、小型燃料電池を容易に構成できると共に、セルの周囲が金属材料であることから、スタック化に際して、セル間の接合に種々の金属加工法を適用することができ、さらには金属基板を集電体として利用することができるので集電ロスを減じることができる。
特開2002−25576号公報 特開平11−162483号公報
On the other hand, a porous metal support cell using a ductile metal material substrate is known as compared with a fuel electrode support cell using a fuel electrode made of a ceramic material as a substrate (see, for example, Patent Document 2). .
As shown in FIG. 6B, the porous metal supporting cell has a structure in which a fuel electrode layer 56, an electrolyte layer 52, and an air electrode layer 53 are sequentially formed on a porous metal substrate 55 made of, for example, stainless steel. Compared to the fuel electrode substrate 51 made of the ceramic material shown in FIG. 6A, the thickness of the substrate 55 can be reduced, so that a small fuel cell can be easily constructed and the cell Since the surrounding is a metal material, various metal processing methods can be applied to the connection between cells when stacking, and furthermore, a metal substrate can be used as a current collector, reducing current collection loss. be able to.
JP 2002-25576 A Japanese Patent Laid-Open No. 11-162483

しかしながら、上記燃料極支持型セルにおいては、薄膜電解質52を支持する基板強度の観点から、1〜5mm程度の板厚を必要とし、このような構造のセルを複数個積層し、集合化して燃料電池スタックを組み立てる場合、基板の板厚が厚いことによってスタックも大型化し、小型の燃料電池を構成する障害となることがある。
なお、セラミックス成形技術を改良することによって、燃料極基板の薄板化が検討されているが、燃料極基板はガス透過性が要求され、そのため多孔質基板であることが必要であり、強度を確保しながら薄板化することは、現状では極めて困難である。
また、別のタイプの電極支持型セルとして、空気極を支持基板として使用することも考えられるが、基本的に同様の問題を有している。
However, the above fuel electrode support type cell requires a plate thickness of about 1 to 5 mm from the viewpoint of the strength of the substrate supporting the thin film electrolyte 52, and a plurality of cells having such a structure are stacked and assembled into a fuel. When assembling a battery stack, the thickness of the substrate may be increased, resulting in an increase in the size of the stack, which may be an obstacle to configuring a small fuel cell.
Although the thinning of the fuel electrode substrate has been studied by improving the ceramic forming technology, the fuel electrode substrate is required to be gas permeable, so it must be a porous substrate and ensure strength. However, it is extremely difficult to reduce the thickness of the sheet.
In addition, as another type of electrode supporting cell, it is conceivable to use an air electrode as a supporting substrate, but basically has the same problem.

他方、多孔質金属支持型セルは、基板の柔軟性のためにスタック化したときの接合部も柔軟ではあるが、一方でセルの剛性が低く、スタック化に際してセルの外周部が破損し易いばかりでなく、金属材料と電解質層や電極層などのセラミックス材料との熱膨張係数の相違によって、セルの昇温・降温時に、多孔質金属基板上に形成されたセラミックス材料が割れたり、剥離したりし易いという強度上の問題がある。
また、多孔質金属支持型セルにおいては、その構造上多孔質金属基板が一方の電極、図5に示した構造では燃料極の集電体としての機能を果すが、このようなセルを積層、集合化して燃料電池スタックを組み立てる場合、空気極の集電体として、導電性を有するフェルト状部材を別途設置する必要があり、部品点数が増加すると共に、空気極用集電体と金属基板との短絡防止などの配慮が必要となる。さらに、空気極からの集電を確実なものとするには、集電体を強く空気極に押し付ける必要があり、セルを破損するおそれがある。また集電体を多く設置する必要があり、運転時における酸化剤ガス(空気)の導入に際して、これらの集電体が通気抵抗となり兼ねないという問題がある。
On the other hand, porous metal-supported cells have flexible joints when stacked due to the flexibility of the substrate, but on the other hand, the rigidity of the cells is low, and the outer periphery of the cells is easily damaged during stacking. In addition, the ceramic material formed on the porous metal substrate may crack or peel off when the cell is heated or cooled due to the difference in thermal expansion coefficient between the metal material and the ceramic material such as the electrolyte layer or electrode layer. There is a problem in strength that it is easy to do.
Further, in the porous metal support type cell, the porous metal substrate serves as one electrode due to its structure, and the structure shown in FIG. 5 functions as a current collector for the fuel electrode. When assembling and assembling the fuel cell stack, it is necessary to separately install a felt-like member having electrical conductivity as a current collector for the air electrode, and the number of parts increases, and the current collector for the air electrode and the metal substrate Consideration of short circuit prevention is necessary. Furthermore, in order to ensure current collection from the air electrode, it is necessary to strongly press the current collector against the air electrode, which may damage the cell. In addition, it is necessary to install a large number of current collectors, and there is a problem that these current collectors can serve as ventilation resistance when the oxidant gas (air) is introduced during operation.

本発明は、従来の固体酸化物形燃料電池用セルにおける上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、基板強度に優れ、薄肉化した場合でも基板剛性が高く、熱膨張による電極や電解質層の剥離や割れを防止することができ、しかも集電ロスや短絡を生じることなく集電が可能な固体酸化物形燃料電池用セルを提供すると共に、このような燃料電池用セルを2次元的に配列させた燃料電池用セル板、さらにこれら燃料電池用セル及びセル板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-described problems in conventional solid oxide fuel cell cells. The object of the present invention is to provide excellent substrate strength, high substrate rigidity even when thinned, and heat resistance. Provided is a solid oxide fuel cell that can prevent electrode and electrolyte layers from peeling and cracking due to expansion and can collect current without causing a current collection loss or short circuit. Another object of the present invention is to provide a fuel cell plate having two-dimensionally arranged cells, and a fuel cell and a method of manufacturing the cell plate.

本発明の固体酸化物形燃料電池用セルは、多孔質金属基板に固体酸化物電解質層を第1及び第2の電極層で挟持した積層構造の電池要素を形成して成る基板支持型セルであって、多孔質基板の電池要素形成部分上面側には第1の電極材料が埋め込まれて第1の電極層が形成されると共に、下面側にはガス透過性を備えた多孔質絶縁材料が埋め込まれ、上記多孔質基板の電池要素形成部分以外の部分の上面側にはガス不透過性の絶縁材料が埋め込まれて絶縁層が形成され、下面側にはガス不透過性の導電材料が埋め込まれており、上記多孔質基板の上面側には、電池要素形成部分に形成された第1の電極層からその周囲の絶縁層に跨って電解質層が形成され、上記電解質層の上にはさらに第2の電極層が形成されると共に、当該第2の電極層から絶縁層に跨って導電体から成る集電層がメッシュ状に形成されている構成とし、本発明の固体酸化物形燃料電池用セル板は、上記燃料電池用セルが積層方向とほぼ直角をなす方向に2次元的に複数個連結されて一体化している構成としたことを特徴としている。   A cell for a solid oxide fuel cell according to the present invention is a substrate-supporting cell formed by forming a battery element having a laminated structure in which a solid oxide electrolyte layer is sandwiched between a first electrode layer and a second electrode layer on a porous metal substrate. The first electrode material is embedded on the upper surface side of the battery element forming portion of the porous substrate to form the first electrode layer, and the porous insulating material having gas permeability is formed on the lower surface side. A gas-impermeable insulating material is embedded on the upper surface side of the porous substrate other than the battery element forming portion to form an insulating layer, and a gas-impermeable conductive material is embedded on the lower surface side. An electrolyte layer is formed on the upper surface side of the porous substrate from the first electrode layer formed in the battery element forming portion to the surrounding insulating layer, and further on the electrolyte layer. The second electrode layer is formed and the second electrode layer The current collecting layer made of a conductor is formed in a mesh shape across the insulating layer, and the solid oxide fuel cell plate according to the present invention is such that the fuel cell is substantially perpendicular to the stacking direction. It is characterized in that a plurality of two-dimensionally connected directions are integrated.

また、本発明の固体酸化物形燃料電池用セルの製造方法は、上記固体酸化物形燃料電池用セル又はセル板の製造に好適なものであって、[1]多孔質金属基板における電池要素形成部分以外の部分の下面側にガス不透過性導電材料を充填する工程と、[2]上記電池要素形成部分以外の部分の上面側にガス不透過性絶縁材料を充填する工程と、[3]多孔質金属基板における電池要素形成部分の下面側に多孔質絶縁材料を充填する工程と、[4]ガス不透過性導電材料、ガス不透過性絶縁材料及び多孔質絶縁材料を充填した多孔質金属基材を仮焼成する工程と、[5]上記電池要素形成部分の上面側に第1の電極層を形成する工程と、[6]上記第1の電極層の上面側に電解質層を形成する工程と、[7]上記電解質層の上面に第2の電極層を形成する工程と、[8]上記第2の電極層の上面に集電層をメッシュ状に形成する工程を含むことを特徴としている。   The method for producing a solid oxide fuel cell according to the present invention is suitable for producing the above solid oxide fuel cell or cell plate, and [1] a battery element in a porous metal substrate. A step of filling the gas impermeable conductive material on the lower surface side of the portion other than the formation portion, and [2] a step of filling the gas impermeable insulating material on the upper surface side of the portion other than the battery element formation portion, and [3 A step of filling a porous metal substrate with a porous insulating material on a lower surface side of a battery element forming portion, and [4] a porous material filled with a gas impermeable conductive material, a gas impermeable insulating material and a porous insulating material. A step of pre-firing the metal substrate, [5] a step of forming a first electrode layer on the upper surface side of the battery element forming portion, and [6] an electrolyte layer being formed on the upper surface side of the first electrode layer. [7] a second electrode layer on the upper surface of the electrolyte layer Forming, it is characterized by comprising the step of forming a collector layer in a mesh form on the top surface [8] The second electrode layer.

本発明の固体酸化物形燃料電池用セルあるいはセル板においては、多孔質金属基板上面側の電池要素形成部分に第1の電極材料が埋め込まれ、この上に電解質層及び第2の電極層が形成されていると共に、多孔質金属基板の他の部分には、その部位に応じてガス透過性(多孔質)あるいはガス不透過性の絶縁材料及び導電材料がそれぞれ埋め込まれているので、基板の剛性が向上すると共に、基板全体の熱膨張率を電極材料や電解質材料の熱膨張率に近付けることができ、熱衝撃による電極層や電解質層の割れや剥離を防止することができる。また、第1の電極層と多孔質金属基板とは、電気的な接触が確保されるので、当該多孔質金属基板を第1の電極側の集電体として使用できる一方、多孔質金属基板の上面側においては、第1の電極層の外周部分にガス不透過性の絶縁材料が埋め込まれて緻密な絶縁層が形成され、第1の電極層からその周囲の絶縁層に跨って電解質層が形成されていると共に、この電解質層の上に形成された第2の電極層の上には、第2の電極層から絶縁層に跨って集電層がメッシュ状に形成されているので、集電層と第1電極層及び多孔質金属基板との間が絶縁状態に保持される一方、第2の電極層との電気的接続状態が確保されることになるので、上記集電層を第2電極側の集電体として使用することができ、集電ロスが減少し、電池出力の取り出しが容易なものとなる。   In the solid oxide fuel cell or cell plate of the present invention, the first electrode material is embedded in the battery element forming portion on the upper surface side of the porous metal substrate, and the electrolyte layer and the second electrode layer are formed thereon. In addition, the gas permeable (porous) or gas impermeable insulating material and conductive material are embedded in the other portions of the porous metal substrate depending on the portion. While the rigidity is improved, the thermal expansion coefficient of the entire substrate can be brought close to the thermal expansion coefficient of the electrode material or the electrolyte material, and cracking or peeling of the electrode layer or the electrolyte layer due to thermal shock can be prevented. Further, since the electrical contact between the first electrode layer and the porous metal substrate is ensured, the porous metal substrate can be used as a current collector on the first electrode side. On the upper surface side, a gas-impermeable insulating material is embedded in the outer peripheral portion of the first electrode layer to form a dense insulating layer, and the electrolyte layer extends from the first electrode layer to the surrounding insulating layer. Since the current collecting layer is formed in a mesh shape from the second electrode layer to the insulating layer on the second electrode layer formed on the electrolyte layer, the current collecting layer is formed. While the electrical layer, the first electrode layer, and the porous metal substrate are kept in an insulating state, the electrical connection state with the second electrode layer is ensured. Can be used as a current collector on the 2 electrode side, current collection loss is reduced, and battery output can be taken out easily Become a thing.

また、本発明の製造方法によれば、多孔質金属基板の電池要素形成部分及びこれ以外の部位における上面側及び下面側に、それぞれガス透過性あるいは不透過性を備えた絶縁材料及び導電材料を埋め込んで焼成した後、電池要素形成部分の上面側に第1の電極層、電解質層、第2の電極層及びメッシュ状の集電層を形成するようにしていることから、本発明の固体酸化物形燃料電池用セル及びセル板を無理なく円滑に、しかも低コストで製造することができるという優れた効果がもたらされる。   Moreover, according to the manufacturing method of the present invention, the insulating material and the conductive material having gas permeability or impermeability are respectively provided on the upper surface side and the lower surface side of the battery element forming portion of the porous metal substrate and other portions. After embedding and firing, the first electrode layer, the electrolyte layer, the second electrode layer, and the mesh-like current collecting layer are formed on the upper surface side of the battery element forming portion. The excellent effect that the cell and the cell plate for a physical fuel cell can be manufactured without difficulty and at low cost is brought about.

以下、本発明の固体酸化物形燃料電池用セルについて、さらに詳細に説明する。   Hereinafter, the solid oxide fuel cell of the present invention will be described in more detail.

なお、本明細書及び特許請求の範囲の記載において、「%」は特記しない限り質量百分率を意味する。
また、本明細書においては、説明の便宜上、基板や電解質層など各層の一方の面を「上面(あるいは表面)」、他方の面を「下面(あるいは裏面)」と称しているが、これらは、相対的な位置関係を示すに過ぎないものであって、使用状態における上下関係を示すとは必ずしも限らず、状況によっては「上面」が下方側を向いていたり、鉛直状態や斜めとなったりした状態で使用されることもあり得る。したがって、これらを相互に置換した構成についても本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。
In the description of the present specification and claims, “%” means mass percentage unless otherwise specified.
Further, in this specification, for convenience of explanation, one surface of each layer such as a substrate or an electrolyte layer is referred to as an “upper surface (or front surface)” and the other surface is referred to as a “lower surface (or back surface)”. It is merely a relative positional relationship, and does not necessarily indicate the vertical relationship in the usage state. Depending on the situation, the “upper surface” may face downward, or may be vertical or slanted. May be used in the Therefore, it goes without saying that configurations in which these are mutually replaced are also included in the scope of the present invention.

図1(a)及び(b)は、本発明の固体酸化物形燃料電池用セルの実施形態の一例を示す断面図及び平面図であって、図に示す固体酸化物形燃料電池用セル1は、例えばNiやステンレス鋼などからなる多孔質金属基板2の中央部、すなわち電池要素形成部分に、第1の電極層として例えば燃料極層3と、固体酸化物から成る電解質層4と、第2の電極層としての空気極5をこの順序に積層し、さらにこの上に、導電材料から成るメッシュ状の集電層6を形成した構造を有している。
なお、本発明の固体酸化物形燃料電池用セル板は、1枚の多孔質金属基板に上記のようなセルが面方向に多数形成されており、これらセルが2次元的に連結されて一体化した構造をなすものである。
1A and 1B are a cross-sectional view and a plan view showing an example of an embodiment of a solid oxide fuel cell according to the present invention, and the solid oxide fuel cell 1 shown in FIG. Are formed in the central portion of the porous metal substrate 2 made of, for example, Ni or stainless steel, that is, the cell element forming portion, for example, the fuel electrode layer 3 as the first electrode layer, the electrolyte layer 4 made of solid oxide, The air electrode 5 as two electrode layers is laminated in this order, and a mesh-like current collecting layer 6 made of a conductive material is further formed thereon.
The cell plate for a solid oxide fuel cell of the present invention has a large number of cells as described above formed in a plane direction on a single porous metal substrate, and these cells are two-dimensionally connected and integrated. It has a structured structure.

そして、上記燃料極層3(第1の電極層)は、多孔質金属基板2の中央部である電池要素形成部分の上面側に埋め込まれており、当該多孔質金属基板2の燃料極層3の下側部分には、ガス透過性を備えたセラミックス材等の多孔質絶縁材料が埋め込まれている。
一方、上記多孔質金属基板2の電池要素形成部分以外の部位(電池要素形成部分の外周部分)については、その図中上面側部分には、ガス不透過性を備えた緻密な絶縁材料が埋め込まれて絶縁層8が形成されていると共に、その図中下面側部分には、金属などの緻密なガス不透過性導電材料9が埋め込まれている。
The fuel electrode layer 3 (first electrode layer) is embedded on the upper surface side of the battery element forming portion, which is the central portion of the porous metal substrate 2, and the fuel electrode layer 3 of the porous metal substrate 2. A porous insulating material such as a ceramic material having gas permeability is embedded in the lower portion of the lower portion.
On the other hand, with respect to the portion other than the battery element forming portion of the porous metal substrate 2 (the outer peripheral portion of the battery element forming portion), a dense insulating material having gas impermeability is embedded in the upper surface side portion in the drawing. In addition, an insulating layer 8 is formed, and a dense gas-impermeable conductive material 9 such as metal is embedded in a lower surface side portion in the drawing.

そして、上記電解質層4は、基板2の中央部の電池要素形成部分に埋め込まれた燃料極層3の上に、当該燃料極層3の部分からその周囲の絶縁層8の部分に跨って(はみ出して)成膜されると共に、上記集電層6は、さらに当該電解質層4の上に形成された空気極5の上に、当該空気極層5から絶縁層8に跨って形成されている。   The electrolyte layer 4 is straddled on the fuel electrode layer 3 embedded in the cell element forming portion in the center of the substrate 2 so as to extend from the fuel electrode layer 3 to the surrounding insulating layer 8 ( The current collecting layer 6 is further formed on the air electrode 5 formed on the electrolyte layer 4 so as to straddle the insulating layer 8 from the air electrode layer 5. .

上記構造を備えた本発明の燃料電池用セル1においては、セルの大部分を占める電池要素形成部分の下方部分がガス透過性を備えたセラミックス材などの多孔質絶縁材料7によって充填されていることから、多孔質金属基板2に剛性を付与することができ、基板2を薄板化した場合でも容易に変形することがない。
また、このような材料で充填することにより基板2の全体の熱膨張を電解質材料や電極材料の熱膨張率により近いものとすることができ、加熱−冷却の繰り返しに伴う電極層や電解質層の割れや剥離の防止が可能になる。
In the fuel cell 1 of the present invention having the above structure, the lower part of the battery element forming portion occupying most of the cell is filled with a porous insulating material 7 such as a ceramic material having gas permeability. Therefore, rigidity can be imparted to the porous metal substrate 2, and even when the substrate 2 is thinned, it is not easily deformed.
Further, by filling with such a material, the thermal expansion of the entire substrate 2 can be made closer to the thermal expansion coefficient of the electrolyte material or the electrode material, and the electrode layer or the electrolyte layer accompanying the repeated heating and cooling can be made. It is possible to prevent cracking and peeling.

そして、当該下方部分に多孔質絶縁材料7が存在することによって、一般の燃料極支持型セルに比べて燃料極層3をはるかに薄くすることができ、燃料極材料のNiの酸化・還元に伴う膨張・収縮の影響を低減することができる。
なお、電池性能上、基板2における上記電池要素形成部分を全て電極材料で埋めることも可能であるが、電極材料は一般に高価であると共に高重量であるので、電池要素形成部分の下方部分についてはガス透過性を有する多孔質絶縁材料7で充填することがコスト及び軽量化の観点から望ましい。
Further, the presence of the porous insulating material 7 in the lower portion makes it possible to make the fuel electrode layer 3 much thinner than a general fuel electrode supporting cell, and to oxidize and reduce Ni of the fuel electrode material. The influence of the accompanying expansion / contraction can be reduced.
In addition, in terms of battery performance, it is possible to completely fill the battery element forming portion of the substrate 2 with an electrode material. However, since the electrode material is generally expensive and heavy, the lower part of the battery element forming portion is Filling with a porous insulating material 7 having gas permeability is desirable from the viewpoint of cost and weight reduction.

さらに、多孔質金属基板2の外周部分についても、ガス不透過性の絶縁材料及び導電材料によって充填されているので、同様に合成が向上し、スタック化に際して接合部として好適に使用することができるようになると共に、上記絶縁及び導電材料がガス不透過性を有していることによって、燃料極側と空気極側でのガスのクロスリークが防止されることになる。   Furthermore, since the outer peripheral portion of the porous metal substrate 2 is filled with the gas-impermeable insulating material and the conductive material, the synthesis can be improved in the same manner, and it can be suitably used as a joint when stacking. In addition, since the insulating and conductive materials are gas-impermeable, gas cross-leakage between the fuel electrode side and the air electrode side is prevented.

また、両電極から外部に発電出力を取り出す場合には、電極と集電体との間の接触抵抗を減じることが求められるが、本発明の燃料電池用セル1においては、燃料極3(第1の電極層)と基板2とが電気的に接触した構造を備えているので、当該多孔質金属基板2を燃料極(第1の電極層)側集電体として使用することができる。   Further, when the power generation output is taken out from both electrodes, it is required to reduce the contact resistance between the electrode and the current collector. In the fuel cell 1 of the present invention, the fuel electrode 3 (the first electrode) 1) and the substrate 2 are in electrical contact with each other, the porous metal substrate 2 can be used as a fuel electrode (first electrode layer) side current collector.

一方、空気極5(第2の電極層)の側の集電体としては、当該空気極5の上に形成されたメッシュ状の集電層6を使用することができる。
すなわち、上記燃料電池用セル1においては、電池要素形成部分の外周部上面側部分にガス不透過性の絶縁材料が充填されて絶縁層8が形成されていると共に、電解質層4が燃料極層3から当該絶縁層8に跨って形成されていることから、空気極5及び上記メッシュ状集電層6と、燃料極3及び多孔質金属基板2との間が絶縁状態に保持され空気極側集電体として機能することになる。
On the other hand, as a current collector on the air electrode 5 (second electrode layer) side, a mesh-shaped current collecting layer 6 formed on the air electrode 5 can be used.
That is, in the fuel cell 1 described above, an insulating layer 8 is formed by filling a gas impervious insulating material on the upper surface portion of the outer peripheral portion of the battery element forming portion, and the electrolyte layer 4 is the fuel electrode layer. 3 and the insulating layer 8, the air electrode 5 and the mesh current collecting layer 6, the fuel electrode 3 and the porous metal substrate 2 are kept in an insulated state, and the air electrode side It will function as a current collector.

上記固体酸化物形燃料電池用セル1において、多孔質金属基板2の材料としては、ニッケルのほか、各種ステンレス鋼、インコネルやハステロイなどの耐熱性Ni系合金、アンバーなどのFe−Ni合金など、Ni,Fe及びCrから成る群より選ばれた少なくとも1種の元素を含む金属材料からなるものを好適に使用することができる。
なお、多孔質金属基板2としては、図1に示したような、微細金属粒子を焼結したもののみならず、例えば図2に示すように、繊維状金属をフエルト状に固めたものを用いることも可能である。
In the solid oxide fuel cell 1, the material of the porous metal substrate 2 is not only nickel, but also various stainless steels, heat-resistant Ni-based alloys such as Inconel and Hastelloy, Fe-Ni alloys such as amber, etc. What consists of a metal material containing the at least 1 sort (s) of element chosen from the group which consists of Ni, Fe, and Cr can be used conveniently.
As the porous metal substrate 2, not only one obtained by sintering fine metal particles as shown in FIG. 1 but also one obtained by solidifying a fibrous metal into a felt shape as shown in FIG. 2 is used. It is also possible.

多孔質金属基板2の電池要素形成部分以外の部分(外周部)の下面側に埋め込むガス不透過性導電材料9としては、多孔質金属基板2と同様の上記金属材料から選択することができ、多孔質金属基板2と同種の金属材料を用いることがより望ましい。   The gas-impermeable conductive material 9 embedded in the lower surface side of the portion (outer peripheral portion) other than the battery element forming portion of the porous metal substrate 2 can be selected from the above metal materials similar to the porous metal substrate 2, It is more desirable to use the same type of metal material as the porous metal substrate 2.

そして、多孔質金属基板2の電池要素形成部分以外(外周部)上面側部分に埋め込まれて絶縁層8を形成するガス不透過性絶縁材料としては、特に限定されず、任意に選択することできるが、セラミックス材料、例えばアルミナ及びジルコニアの一方又は両方と10%以下の硼珪酸ガラスの混合物を使用することが好ましい。
また、多孔質金属基板2における電池要素形成部分の下面側部分に充填される多孔質(ガス透過性)絶縁材料7としても、特に限定されないが、同様にアルミナ及びジルコニアの一方又は両方と硼珪酸ガラスの混合物を使用することが好ましい。なお、この場合、例えば、上記材料に樹脂やカーボン微粒子を混合したスラリーとして塗布したのち、焼成することによって、当該セラミックス材料を多孔質なものとし、ガス透過性を付与することができる。
The gas impermeable insulating material that is embedded in the upper surface side portion (outer peripheral portion) other than the battery element forming portion of the porous metal substrate 2 to form the insulating layer 8 is not particularly limited and can be arbitrarily selected. However, it is preferred to use a ceramic material, for example a mixture of one or both of alumina and zirconia and up to 10% borosilicate glass.
Further, the porous (gas permeable) insulating material 7 filled in the lower surface portion of the battery element forming portion in the porous metal substrate 2 is not particularly limited. Similarly, one or both of alumina and zirconia and borosilicate are used. Preference is given to using a mixture of glasses. In this case, for example, the ceramic material is made porous by applying the slurry as a slurry obtained by mixing the above material with resin or carbon fine particles, followed by firing, so that gas permeability can be imparted.

上記燃料極層3の材料としては、Pt、Ni、Cuなどの金属材料や、Ni−SDC(サマリウム・ドープ・セリア)、Ni−YSZ(イットリア安定化ジルコニア)、Ni−CGO(セリウム−ガリウム複合酸化物)、Cu−CeO(セリア)などのサーメット材料、あるいはこれらの混合材料を用いることができる。
また、空気極層5の材料としては、Pt、Agなどの金属材料の他、LSM(La1−XSrMnO)、LCM(La1−XCaMnO)、LSC(La1−XSrCoO)、SSC(Sm1−XSrCoO)などの複合酸化物を用いることができる。
Examples of the material of the fuel electrode layer 3 include metal materials such as Pt, Ni, and Cu, Ni-SDC (samarium-doped ceria), Ni-YSZ (yttria stabilized zirconia), and Ni-CGO (cerium-gallium composite). oxide), cermet material such as Cu-CeO 2 (ceria), or can be used a mixture of these materials.
The material of the air electrode layer 5, Pt, other metal materials such as Ag, LSM (La 1-X Sr X MnO 3), LCM (La 1-X Ca X MnO 3), LSC (La 1- A composite oxide such as X Sr X CoO 3 ) or SSC (Sm 1-X Sr X CoO 3 ) can be used.

さらに、電解質層4としては、例えばYSZ、SSZ(スカンジウム安定化ジルコニア)、SDC、LSGM(ランタンガレート)などを用いることができる。   Furthermore, as the electrolyte layer 4, YSZ, SSZ (scandium stabilized zirconia), SDC, LSGM (lanthanum gallate), etc. can be used, for example.

次に、本発明の固体酸化物形燃料電池用セルの製造方法について説明する。
図3(a)は、本発明の固体酸化物形燃料電池用セルに用いる多孔質金属基板の一例を示し、当該多孔質金属基板2は、上記したような金属材料から成る微細な粒子を焼結したものであって、多数のポア(通気孔)を有している。なお、このような多孔質金属基板としては、上述したように、細径の金属繊維をプレス後焼結して成る基板を使用することもできる。
Next, the manufacturing method of the cell for solid oxide fuel cells of this invention is demonstrated.
FIG. 3 (a) shows an example of a porous metal substrate used in the solid oxide fuel cell of the present invention. The porous metal substrate 2 is formed by sintering fine particles made of the metal material as described above. It has a large number of pores (vents). In addition, as such a porous metal substrate, as described above, a substrate obtained by pressing and sintering a small-diameter metal fiber can also be used.

まず、上記多孔質金属基板2の外周辺部、すなわち図中の中央部を占める電池要素形成部分以外の部分の下面側、すなわち後工程において電池要素を積層する側の裏面側外周辺部に緻密なガス不透過性導電材料9を埋め込み、当該部位の通気孔を封孔する。具体的には、金属微粒子を含むスラリー、ペーストなどをディスペンサ、ロールコータ、スクリーン印刷などの手法を用いて基板2の多孔質部分に充填し、固化させる。
このような金属微粒子の材料としては、任意に選択することができるが、好ましくは上記基板2と同種の材料を使用する。
First, the outer peripheral portion of the porous metal substrate 2, that is, the lower surface side of the portion other than the battery element forming portion occupying the central portion in the drawing, that is, the back side outer peripheral portion on the side where the battery elements are laminated in the subsequent process A gas-impermeable conductive material 9 is embedded, and the vent hole in the part is sealed. Specifically, the porous portion of the substrate 2 is filled and solidified with a slurry, paste, or the like containing fine metal particles using a method such as dispenser, roll coater, or screen printing.
The material of such metal fine particles can be arbitrarily selected, but the same material as that of the substrate 2 is preferably used.

次に、図3(b)に示すように、上記多孔質金属基板2の外周辺部上面側、すなわち上記ガス不透過性導電材料9を埋め込んだ部分の図中上方部分に緻密なガス不透過性絶縁材料を同様に埋め込んで封孔し、絶縁層8とする。
このときのガス不透過性絶縁材料としても特に限定されないが、上記したように、アルミナ(Al)及び/又はジルコニア(ZrO)と10%以下の硼珪酸ガラスの混合物を使用することが望ましい。
Next, as shown in FIG. 3 (b), dense gas impermeability is formed on the upper surface side of the outer peripheral portion of the porous metal substrate 2, that is, in the upper part of the portion where the gas impermeable conductive material 9 is embedded. Insulating layer 8 is similarly embedded and sealed to form insulating layer 8.
The gas-impermeable insulating material at this time is not particularly limited, but as described above, a mixture of alumina (Al 2 O 3 ) and / or zirconia (ZrO 2 ) and 10% or less borosilicate glass should be used. Is desirable.

次いで、図3(c)に示すように、外周部が緻密な導電材料9及び絶縁材料によって封孔処理された上記基板2の中央部分、すなわち電池要素形成部分の下面側部分に、ガス透過性を有する多孔質絶縁材料7を埋め込む。
このような多孔質絶縁材料7としては、任意に選択することができるが、セラミックス材料、例えばアルミナ及び/又はジルコニアと硼珪酸ガラスの混合物を使用することが望ましい。具体的には、樹脂又はカーボン微粒子と共に上記のようなセラミックス材料を含むスラリー、ペーストをディスペンサ、ロールコータ、スクリーン印刷などの手法を用いて基板2の中央部多孔質部分に充填、固化させる。
Next, as shown in FIG. 3 (c), the gas permeability is applied to the central portion of the substrate 2 whose outer peripheral portion is sealed with the dense conductive material 9 and the insulating material, that is, the lower surface side portion of the battery element forming portion. A porous insulating material 7 having the following is embedded.
Such a porous insulating material 7 can be arbitrarily selected, but it is desirable to use a ceramic material, for example, a mixture of alumina and / or zirconia and borosilicate glass. Specifically, slurry or paste containing the above ceramic material together with resin or carbon fine particles is filled and solidified in the central porous portion of the substrate 2 by using a method such as dispenser, roll coater, or screen printing.

そして、電池要素形成部分としての中央部と、その外周部がそれぞれの材料によって充填された上記多孔質金属基板2を不活性雰囲気中で仮焼成し、中央部分に含まれる樹脂やカーボン微粒子を燃焼させ、当該部分を多孔質化してガス透過性を付与すると共に、多孔質金属基材2とそれぞれの充填材料とを密着、硬化させる。   Then, the porous metal substrate 2 in which the central portion as the battery element forming portion and the outer peripheral portion thereof are filled with the respective materials is temporarily fired in an inert atmosphere, and the resin and carbon fine particles contained in the central portion are burned. The portion is made porous to impart gas permeability, and the porous metal substrate 2 and each filler material are adhered and cured.

仮焼成後、図3(d)に示すように、基板2の中央部、電池要素形成部分の上面側、すなわち絶縁層8の内側部分であって多孔質絶縁材料7からなる層の直上部分に燃料極材料を埋め込み、一方の電極層、例えば燃料極層3を成膜したのち、この上に、燃料極層3から周囲の絶縁層8に跨って電解質層4を形成した後、不活性雰囲気中で燃料極層3及び電解質層4を共焼成する。
このように、燃料極層3から絶縁層8の側にはみ出した状態に緻密な電解質層4を成膜することによって、燃料極側から空気極側へのガスリークを防止することができる。なお、これら燃料極層3及び電解質層4の成膜方法としては、スクリーン印刷、スプレー塗装あるいは真空成膜などの手法を用いることができる。
After the preliminary firing, as shown in FIG. 3 (d), in the central portion of the substrate 2, the upper surface side of the battery element forming portion, that is, the inner portion of the insulating layer 8 and immediately above the layer made of the porous insulating material After embedding the fuel electrode material and forming one electrode layer, for example, the fuel electrode layer 3, the electrolyte layer 4 is formed on the electrode layer 3 from the fuel electrode layer 3 to the surrounding insulating layer 8. The fuel electrode layer 3 and the electrolyte layer 4 are co-fired therein.
In this way, by forming the dense electrolyte layer 4 so as to protrude from the fuel electrode layer 3 to the insulating layer 8 side, gas leakage from the fuel electrode side to the air electrode side can be prevented. As a method for forming the fuel electrode layer 3 and the electrolyte layer 4, a method such as screen printing, spray coating, or vacuum film formation can be used.

焼成後、上記電解質層4の上に,図3(e)に示すように空気極層5を形成する。このときの成膜方法としては、上記同様にスクリーン印刷、スプレー塗装あるいはスパッタ法、蒸着法等の真空成膜などの手法を用いることができる。   After firing, an air electrode layer 5 is formed on the electrolyte layer 4 as shown in FIG. As the film formation method at this time, a method such as vacuum film formation such as screen printing, spray coating, sputtering, or vapor deposition can be used as described above.

そして、図1(a)及び(b)に示したように、燃料極層3、電解質層4及び空気極層5(電池要素)が積層された基板2の上面全体に、導電材料から成り、メッシュ状部分を有する集電層6を形成し、これによって、図1に示したような固体酸化物形燃料電池用セル1が完成する。
このとき、集電層6のメッシュ状部分は、成膜時にマスクパターンを使用することによって、簡単に形成することができる。なお、多孔質金属基板2として、上記のような金属繊維からなるものを用いた場合には、図2に示したような構造のものが得られる。
1 (a) and 1 (b), the entire upper surface of the substrate 2 on which the fuel electrode layer 3, the electrolyte layer 4 and the air electrode layer 5 (battery element) are laminated is made of a conductive material. A current collecting layer 6 having a mesh portion is formed, whereby a solid oxide fuel cell 1 as shown in FIG. 1 is completed.
At this time, the mesh portion of the current collecting layer 6 can be easily formed by using a mask pattern during film formation. In addition, when the thing made from the above metal fibers is used as the porous metal substrate 2, the structure as shown in FIG. 2 is obtained.

また、上記製造工程においては、第1の電極層として燃料極層を形成した例を示したが、第1の電極層として先に空気極層を形成し、電解層質4の上に燃料極層を成膜するようにしても差し支えない。
さらに、上記製造工程においては、金属粒子や金属繊維を焼成することによって予め用意された基板に、封孔用スラリーや燃料極ペーストなどを順次塗布、焼成するようにしたが、焼成後所望の多孔質構造となるように調整されたシートを使用し、当該シートに上記各層を塗布して一体化し、焼成する方法を採用することも可能である。
In the above manufacturing process, an example in which the fuel electrode layer is formed as the first electrode layer has been shown. However, the air electrode layer is first formed as the first electrode layer, and the fuel electrode layer is formed on the electrolyte layer 4. A layer may be deposited.
Further, in the above manufacturing process, sealing slurry, fuel electrode paste, etc. are sequentially applied and fired on a substrate prepared in advance by firing metal particles and metal fibers. It is also possible to employ a method of using a sheet adjusted so as to have a texture structure, applying the above layers to the sheet, integrating them, and firing.

以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。なお、本発明は、これらの実施例のみに限定されることはない。   Hereinafter, the present invention will be specifically described based on examples. In addition, this invention is not limited only to these Examples.

(実施例1)
まず、多孔質金属基板2として、平均粒径5μmのフェライト系ステンレス鋼(SUS430:Fe−17%Cr)から成り、平均ポア径が50μm、厚さが200μmの焼結基板を用意した(図3(a)参照)。
(Example 1)
First, as the porous metal substrate 2, a sintered substrate made of ferritic stainless steel (SUS430: Fe-17% Cr) having an average particle diameter of 5 μm, an average pore diameter of 50 μm, and a thickness of 200 μm was prepared (FIG. 3). (See (a)).

次に、当該基板2の中央部である電池要素形成部分を除く外周部分の下面側部分にガス不透過性導電材料9として、平均粒径5μmのニッケル微粒子を含むスラリーをスクリーン印刷の手法によって充填したのち、大気中で200℃に加熱し、スラリーに含まれる溶媒成分を揮発させた。
さらに、上記基板2の外周部分の上面側部分にガス不透過性絶縁材料として、平均粒径0.5μmのアルミナ微粒子(90%)と、融点580℃の硼珪酸ガラス(10%)を含有するスラリーをスクリーン印刷の手法によって充填し、同様に、大気中で200℃に加熱し、スラリーに含まれる溶媒成分を揮発させることによって、絶縁層8を形成した(図3(b)参照)。
Next, a slurry containing nickel fine particles having an average particle diameter of 5 μm as a gas-impermeable conductive material 9 is filled in the lower surface side portion of the outer peripheral portion excluding the battery element forming portion which is the central portion of the substrate 2 by a screen printing technique. Then, it heated at 200 degreeC in air | atmosphere, and the solvent component contained in a slurry was volatilized.
Furthermore, the upper surface portion of the outer peripheral portion of the substrate 2 contains alumina fine particles (90%) having an average particle size of 0.5 μm and borosilicate glass (10%) having a melting point of 580 ° C. as a gas impermeable insulating material. The slurry was filled by screen printing, and similarly heated to 200 ° C. in the atmosphere to volatilize the solvent component contained in the slurry, thereby forming the insulating layer 8 (see FIG. 3B).

次に、基板2の中央部である電池要素形成部分の下面側に、多孔質絶縁材料7の層を形成すべく、平均粒径0.5μmのアルミナ微粒子(40%)及び平均粒径0.8μmのジルコニア微粒子(55%)と、融点580℃の硼珪酸ガラス(5%)を含有するスラリーに、前記アルミナ微粒子、ジルコニア微粒子及び硼珪酸ガラス100重量部に対して、平均粒径20μmのグラファイト粒子20重量部加えたスラリーをスクリーン印刷の手法で充填したのち、同様に大気中で200℃に加熱し、スラリーに含まれる溶媒成分を揮発させた(図3(c)参照)。
そして、上記のように、電池要素形成部分である中央部とその外周部にそれぞれの材料を充填した基板2をアルゴン雰囲気中で600℃で仮焼結した。
Next, alumina fine particles (40%) having an average particle diameter of 0.5 μm and an average particle diameter of 0. In a slurry containing 8 μm zirconia fine particles (55%) and borosilicate glass (5%) having a melting point of 580 ° C., graphite having an average particle diameter of 20 μm with respect to 100 parts by weight of the alumina fine particles, zirconia fine particles and borosilicate glass. After the slurry added with 20 parts by weight of the particles was filled by screen printing, it was similarly heated to 200 ° C. in the atmosphere to volatilize the solvent component contained in the slurry (see FIG. 3C).
And as mentioned above, the board | substrate 2 which filled each material with the center part which is a battery element formation part, and its outer peripheral part was temporarily sintered at 600 degreeC in argon atmosphere.

次いで、仮焼結を終えた基板2の中央部電池要素形成部分の上面側部分、すなわち多孔質絶縁材料7から成る層の上に、NiO(55%)及びYSZ(45%)を含む燃料極ペーストをスクリーン印刷の手法で充填したのち、同様に大気中で200℃に加熱し、ペーストに含まれる溶媒成分を揮発させたのち、さらにこの上に、YSZ微粒子を含む電解質ペーストを同じくスクリーン印刷の手法で塗布したのち、大気中200℃でペースト中の溶媒成分を揮発させた。
そして、燃料極材料及び電解質材料が塗布された多孔質金属基板2をアルゴン雰囲気中において1300℃で焼結することによって、それぞれ60μm及び30μmの膜厚の燃料極層3及び電解質層4を形成した(図3(d)参照)。
Next, the fuel electrode containing NiO (55%) and YSZ (45%) on the upper surface side portion of the central battery element forming portion of the substrate 2 after the preliminary sintering, that is, on the layer made of the porous insulating material 7. After filling the paste with the screen printing method, similarly, heating to 200 ° C. in the atmosphere to volatilize the solvent component contained in the paste, and then further depositing the electrolyte paste containing YSZ fine particles on the screen printing After coating by the technique, the solvent component in the paste was volatilized at 200 ° C. in the atmosphere.
The porous metal substrate 2 coated with the fuel electrode material and the electrolyte material was sintered at 1300 ° C. in an argon atmosphere to form the fuel electrode layer 3 and the electrolyte layer 4 having a thickness of 60 μm and 30 μm, respectively. (See FIG. 3 (d)).

焼結後の基板2の上に、LSM微粒子を含む空気極ペーストをスクリーン印刷の手法により、膜厚30μmの空気極層5となるように塗布した後、大気中200℃でペースト中の溶媒成分を揮発させた(図3(e)参照)。   On the substrate 2 after sintering, an air electrode paste containing LSM fine particles is applied by screen printing so as to form an air electrode layer 5 with a film thickness of 30 μm, and then the solvent component in the paste at 200 ° C. in the atmosphere. Was volatilized (see FIG. 3 (e)).

そしてさらに、空気極層5が塗布された基板2の上面全体に、Ag及びNi微粒子を含む集電体ペーストを80メッシュの格子状パターンを有するマスクを使用して、同様のスクリーン印刷の手法により、膜厚10μmとなるように塗布したのち、アルゴン雰囲気中において1100℃で焼結することによって集電層6を成膜し、図1(a)及び(b)に示すような固体酸化物形燃料電池用セル1を得た。   Further, a current paste including Ag and Ni fine particles is applied to the entire upper surface of the substrate 2 to which the air electrode layer 5 is applied, using a mask having an 80-mesh grid pattern by a similar screen printing technique. Then, after applying to a film thickness of 10 μm, the current collecting layer 6 is formed by sintering at 1100 ° C. in an argon atmosphere, and the solid oxide form as shown in FIGS. A fuel cell 1 was obtained.

(実施例2)
多孔質金属基板2として、平均線径30μmの金属繊維(Fe−20Cr−2Al)の焼結体であって、平均ポア径が60μm、厚さが100μmの基板を使用し、これ以外は上記実施例1と同様の操作を繰り返し、本例の固体酸化物形燃料電池用セル1を作製した。
(Example 2)
As the porous metal substrate 2, a metal fiber (Fe-20Cr-2Al) sintered body having an average wire diameter of 30 μm and having an average pore diameter of 60 μm and a thickness of 100 μm is used. The same operation as in Example 1 was repeated to produce a solid oxide fuel cell 1 of this example.

(実施例3)
実施例1に示した固体酸化物形燃料電池用セル1を用いて、その集合体であるセル板を作製した。
すなわち、図4及び5は、本例に係わる固体酸化物形燃料電池用セル板の平面図及び断面図であって、当該燃料電池用セル板10は、1枚の燃料極側セル板基板11の上に、上記実施例1で記した固体酸化物形燃料電池用セル1を9個設置すると共に、これら9個の燃料電池用セル1の空気極側に、2枚の空気極側セルコネクタ12が配置されている。
(Example 3)
Using the solid oxide fuel cell 1 shown in Example 1, a cell plate as an aggregate was produced.
4 and 5 are a plan view and a cross-sectional view of a cell plate for a solid oxide fuel cell according to this example. The cell plate 10 for a fuel cell is a single fuel electrode side cell plate substrate 11. Nine solid oxide fuel cell units 1 described in Example 1 above are installed on the air electrode side of these nine fuel cell units 1 and two air electrode side cell connectors 12 is arranged.

図に示すように、9個のセル1は、燃料極側セル板基板11により保持され、燃料極側および空気極側に分離される。そして、その燃料極側は燃料極側セル板基板11により電気的に接続され、空気極側は空気極側セルコネクタ12でそれぞれ電気的に接続されている。
ここで、上記燃料極側セル板基板11は、厚さ20μmのNiメッキ皮膜を付した厚み150μmのステンレス板から成り、固体酸化物形燃料電池用セル1をそれぞれ設置するための9個の開口部11aを有している。
一方、空気極側セルコネクタ12は、30μmのAgのメッキ皮膜を付した厚み100μmのステンレス板から形成されている。
As shown in the figure, the nine cells 1 are held by the fuel electrode side cell plate substrate 11 and separated into the fuel electrode side and the air electrode side. The fuel electrode side is electrically connected by the fuel electrode side cell plate substrate 11, and the air electrode side is electrically connected by the air electrode side cell connector 12.
Here, the fuel electrode side cell plate substrate 11 is made of a stainless steel plate having a thickness of 150 μm with a Ni plating film having a thickness of 20 μm, and has nine openings for installing the cells 1 for solid oxide fuel cells, respectively. It has a portion 11a.
On the other hand, the air electrode side cell connector 12 is formed of a stainless steel plate having a thickness of 100 μm provided with a 30 μm Ag plating film.

上記燃料極側セル板基板11と各固体酸化物形燃料電池用セル1のNi製ガス不透過性導電材料部とは、真空中980℃で加圧・加熱することによって良好な接合状態を得ることができる。
また、空気極側セルコネクタ12と固体酸化物形燃料電池用セル1のAg−Ni製集電層6とは、真空中840℃で加圧・加熱することによって、それぞれ良好な接合が得られる。
The fuel electrode side cell plate substrate 11 and the Ni gas-impermeable conductive material portion of each solid oxide fuel cell 1 are pressurized and heated at 980 ° C. in a vacuum to obtain a good bonded state. be able to.
In addition, the air electrode side cell connector 12 and the Ag—Ni current collecting layer 6 of the solid oxide fuel cell 1 can be bonded to each other by being pressurized and heated at 840 ° C. in a vacuum. .

本発明の固体酸化物形燃料電池用セルの構造の一例を示す断面図(a)及び平面図(b)である。It is sectional drawing (a) and a top view (b) which show an example of the structure of the cell for solid oxide fuel cells of this invention. 本発明の固体酸化物形燃料電池用セルの構造の他の例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the other example of the structure of the cell for solid oxide fuel cells of this invention. (a)〜(e)は本発明の固体酸化物形燃料電池用セルの製造工程を順を追って示す断面図である。(A)-(e) is sectional drawing which shows order for the manufacturing process of the cell for solid oxide fuel cells of this invention later on. 本発明の固体酸化物形燃料電池用セル板の構造を示す平面図である。It is a top view which shows the structure of the cell board for solid oxide fuel cells of this invention. 図4に示した固体酸化物形燃料電池用セル板の断面図である。It is sectional drawing of the cell board for solid oxide fuel cells shown in FIG. 従来の固体酸化物形燃料電池用セルの構造例として燃料極支持型セル(a)及び多孔質金属支持型セル(b)を示す断面写真である。It is a cross-sectional photograph which shows a fuel electrode support type cell (a) and a porous metal support type cell (b) as a structural example of the conventional solid oxide fuel cell.

符号の説明Explanation of symbols

1 固体酸化物形燃料電池用セル
2 多孔質金属基板
3 燃料極層
4 電解質層
5 空気極層
6 集電層
7 多孔質絶縁材料
8 絶縁層
9 ガス不透過性導電材料
10 固体酸化物形燃料電池用セル板
1 Cell for Solid Oxide Fuel Cell 2 Porous Metal Substrate 3 Fuel Electrode Layer 4 Electrolyte Layer 5 Air Electrode Layer 6 Current Collection Layer 7 Porous Insulating Material
8 Insulating layer 9 Gas impermeable conductive material 10 Cell plate for solid oxide fuel cell

Claims (7)

多孔質金属基板に固体酸化物から成る電解質層を第1及び第2の電極層で挟持した積層構造をなす電池要素が形成された基板支持型セルであって、
上記多孔質基板における電池要素形成部分の上面側には第1の電極材料が埋め込まれて第1の電極層が形成されると共に、下面側には多孔質絶縁材料が埋め込まれ、
上記電池要素形成部分以外の多孔質基板上面側にはガス不透過性絶縁材料が埋め込まれて絶縁層が形成されると共に、下面側にはガス不透過性導電材料が埋め込まれており、
上記多孔質基板の上面側には、電池要素形成部分に形成された第1の電極層からその周囲の絶縁層に跨って電解質層が形成され、さらに
上記電解質層上に形成された第2の電極層から上記絶縁層に跨って導電材料から成る集電層がメッシュ状に形成されていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池用セル。
A substrate-supporting cell in which a battery element having a laminated structure in which an electrolyte layer made of a solid oxide is sandwiched between a first electrode layer and a second electrode layer on a porous metal substrate,
A first electrode material is embedded on the upper surface side of the battery element forming portion in the porous substrate to form a first electrode layer, and a porous insulating material is embedded on the lower surface side,
A gas impermeable insulating material is embedded on the upper surface side of the porous substrate other than the battery element forming portion to form an insulating layer, and a gas impermeable conductive material is embedded on the lower surface side,
On the upper surface side of the porous substrate, an electrolyte layer is formed from the first electrode layer formed in the battery element forming portion to the surrounding insulating layer, and further the second layer formed on the electrolyte layer. A solid oxide fuel cell, characterized in that a current collecting layer made of a conductive material is formed in a mesh shape from the electrode layer to the insulating layer.
上記多孔質金属基板及びガス不透過性導電材料がNi,Fe及びCrから成る群より選ばれた少なくとも1種を含む金属材料からなるものであることを特徴とする請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池用セル。   2. The solid oxidation according to claim 1, wherein the porous metal substrate and the gas-impermeable conductive material are made of a metal material containing at least one selected from the group consisting of Ni, Fe and Cr. Cell for fuel cell. 上記多孔質絶縁材料及びガス不透過性絶縁材料がセラミックス材料であることを特徴とする請求項1又は2に記載の固体酸化物形燃料電池用セル。   3. The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the porous insulating material and the gas-impermeable insulating material are ceramic materials. 上記ガス不透過性絶縁材料がアルミナ及び/又はジルコニアと硼珪酸ガラスの混合物であって、当該硼珪酸ガラスの含有量が質量比で10%以下であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つの項に記載の固体酸化物形燃料電池用セル。   The gas impermeable insulating material is a mixture of alumina and / or zirconia and borosilicate glass, and the content of the borosilicate glass is 10% or less by mass ratio. The solid oxide fuel cell according to any one of the items. 請求項1〜4のいずれか1つの項に記載の燃料電池用セルが積層方向と略直交する方向へ2次元的に複数個連結されて一体化していることを特徴とする固体酸化物形燃料電池用セル板。   5. A solid oxide fuel characterized in that a plurality of fuel cell cells according to any one of claims 1 to 4 are two-dimensionally connected and integrated in a direction substantially perpendicular to the stacking direction. Battery cell plate. 請求項1〜4のいずれか1つの項に記載の燃料電池用セル又は請求項5に記載の燃料電池用セル板を製造する方法であって、
[1]多孔質金属基板における電池要素形成部分以外の部分の下面側にガス不透過性導電材料を充填する工程、
[2]上記電池要素形成部分以外の部分の上面側にガス不透過性絶縁材料を充填する工程、
[3]多孔質金属基板における電池要素形成部分の下面側に多孔質絶縁材料を充填する工程、
[4]ガス不透過性導電材料、ガス不透過性絶縁材料及び多孔質絶縁材料を充填した多孔質金属基材を仮焼成する工程、
[5]上記電池要素形成部分の上面側に第1の電極層を形成する工程、
[6]上記第1の電極層の上面側に電解質層を形成する工程、
[7]上記電解質層の上面に第2の電極層を形成する工程、
[8]上記第2の電極層の上面に集電層をメッシュ状に形成する工程、
を含むことを特徴とする固体酸化物形燃料電池用セル又はセル板の製造方法。
A method for producing a fuel cell according to any one of claims 1 to 4 or a fuel cell plate according to claim 5,
[1] A step of filling a gas-impermeable conductive material on the lower surface side of a portion other than the battery element forming portion in the porous metal substrate,
[2] A step of filling a gas impermeable insulating material on the upper surface side of a portion other than the battery element forming portion,
[3] A step of filling a porous insulating material on the lower surface side of the battery element forming portion in the porous metal substrate,
[4] A step of temporarily firing a porous metal substrate filled with a gas-impermeable conductive material, a gas-impermeable insulating material, and a porous insulating material;
[5] A step of forming a first electrode layer on the upper surface side of the battery element forming portion,
[6] A step of forming an electrolyte layer on the upper surface side of the first electrode layer,
[7] A step of forming a second electrode layer on the upper surface of the electrolyte layer,
[8] A step of forming a current collecting layer in a mesh shape on the upper surface of the second electrode layer,
A process for producing a cell or a cell plate for a solid oxide fuel cell, comprising:
第1の電極層、電解質層、第2の電極層及び集電層を真空成膜方法によって形成することを特徴とする固体酸化物形燃料電池用セル又はセル板の製造方法。   A method for producing a cell or a cell plate for a solid oxide fuel cell, wherein the first electrode layer, the electrolyte layer, the second electrode layer, and the current collecting layer are formed by a vacuum film formation method.
JP2003403177A 2003-12-02 2003-12-02 Solid oxide fuel battery cell, cell plate, and its manufacturing method Pending JP2005166422A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2003403177A JP2005166422A (en) 2003-12-02 2003-12-02 Solid oxide fuel battery cell, cell plate, and its manufacturing method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2003403177A JP2005166422A (en) 2003-12-02 2003-12-02 Solid oxide fuel battery cell, cell plate, and its manufacturing method

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2005166422A true JP2005166422A (en) 2005-06-23

Family

ID=34726562

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2003403177A Pending JP2005166422A (en) 2003-12-02 2003-12-02 Solid oxide fuel battery cell, cell plate, and its manufacturing method

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2005166422A (en)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011210566A (en) * 2010-03-30 2011-10-20 Mitsubishi Materials Corp Power generation cell for solid oxide fuel battery, and method for manufacturing the same
JP2011222220A (en) * 2010-04-07 2011-11-04 Ngk Spark Plug Co Ltd Solid oxide fuel cell complex and method of producing the same
JP2012099408A (en) * 2010-11-04 2012-05-24 Toyota Motor Corp Method of manufacturing fuel cell
KR20150077489A (en) * 2013-12-27 2015-07-08 재단법인 포항산업과학연구원 Cell for metal supported solid oxide fuel cell and method for manufacturing the same
WO2016199223A1 (en) * 2015-06-09 2016-12-15 日産自動車株式会社 Solid-oxide fuel cell

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011210566A (en) * 2010-03-30 2011-10-20 Mitsubishi Materials Corp Power generation cell for solid oxide fuel battery, and method for manufacturing the same
JP2011222220A (en) * 2010-04-07 2011-11-04 Ngk Spark Plug Co Ltd Solid oxide fuel cell complex and method of producing the same
JP2012099408A (en) * 2010-11-04 2012-05-24 Toyota Motor Corp Method of manufacturing fuel cell
KR20150077489A (en) * 2013-12-27 2015-07-08 재단법인 포항산업과학연구원 Cell for metal supported solid oxide fuel cell and method for manufacturing the same
KR102163688B1 (en) * 2013-12-27 2020-10-08 재단법인 포항산업과학연구원 Cell for metal supported solid oxide fuel cell and method for manufacturing the same
WO2016199223A1 (en) * 2015-06-09 2016-12-15 日産自動車株式会社 Solid-oxide fuel cell
CN107615540A (en) * 2015-06-09 2018-01-19 日产自动车株式会社 Sofc
JPWO2016199223A1 (en) * 2015-06-09 2018-04-12 日産自動車株式会社 Solid oxide fuel cell
US10483579B2 (en) 2015-06-09 2019-11-19 Nissan Motor Co., Ltd. Solid oxide fuel cell

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6653009B2 (en) Solid oxide fuel cells and interconnectors
JP4811622B2 (en) Solid oxide fuel cell
JP3841149B2 (en) Single cell for solid oxide fuel cell
JP4492119B2 (en) Current collecting structure for fuel cell and solid oxide fuel cell stack
EP1261059B1 (en) Cell plate structure for fuel cell, manufacturing method thereof and solid electrolyte type fuel cell
JP2009507356A (en) Ceramic membrane with integral seal and support, and electrochemical cell and electrochemical cell stack structure including the same
KR101405477B1 (en) A method of producing a cell for a metal-supported solid oxide fuel cell and cell for a metal-supported solid oxide fuel cell
US8252366B2 (en) Method for making toughened electrode-supported ceramic fuel cells
JP5035571B2 (en) Current collecting structure for fuel cell and solid oxide fuel cell stack
JP2003263994A (en) Solid electrolyte fuel cell
JP5294649B2 (en) Cell stack and fuel cell module
JP2005327529A (en) Cylindrical fuel cell and manufacturing method thereof
JP2005251562A (en) Solid oxide fuel cell, cell therefor and cell board
JP7245036B2 (en) Fuel cell stack and manufacturing method thereof
JP4512911B2 (en) Solid oxide fuel cell
JPH10172590A (en) Solid electrolyte type fuel cell
US20120082920A1 (en) Co-fired metal interconnect supported sofc
JP6180628B2 (en) High temperature unit cell with porous gas induction channel layer
JP2005166422A (en) Solid oxide fuel battery cell, cell plate, and its manufacturing method
JP2004362913A (en) Electrolyte for solid oxide fuel cell, and manufacturing method of the same
JP5501484B1 (en) Fuel cell stack structure
JP7330689B2 (en) Fuel cells and fuel cell stacks
JP5217567B2 (en) Solid oxide fuel cell and method for producing the same
JP2005166455A (en) Solid oxide fuel battery cell, cell plate, and its manufacturing method
JP2020113503A (en) Electrochemical reaction cell stack