JP2008243723A - Solid oxide fuel cell and its manufacturing method - Google Patents

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邦聡 芳片
Kazufumi Kotani
和史 小谷
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid oxide fuel cell, and its manufacturing method capable of forming precise electrolyte at a low temperature inexpensively. <P>SOLUTION: The manufacturing method of the solid oxide fuel cell includes steps: coating paste for electrolyte on a metal substrate 4; forming a plurality of through-holes 41 communicating with the paste for electrolyte on the metal substrate 4 after drying the coated paste for electrolyte; pressing a surface of the paste for electrolyte including parts exposed from the through-holes 41; forming an electrolyte 1 by burning the paste for electrolyte; forming a fuel electrode 3 on a lower surface of the electrolyte 1 exposed from the through-holes 41; and forming an air electrode 2 on an upper surface of the electrolyte 1. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料ガス及び酸化剤ガスにより動作する固体酸化物形燃料電池、及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a solid oxide fuel cell that operates with a fuel gas and an oxidant gas, and a method for manufacturing the same.

燃料電池とは外部からの燃料供給と燃焼生成物の排気とを連続的に行いながら、燃料が酸化する際に発生する化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換できる電池である。燃料電池の種類は電解質により分類され、電解質にイオン伝導性を持つ金属酸化物を用いたものを固体酸化物形燃料電池と呼んでいる。この固体酸化物形燃料電池としては、種々のものが提案されているが、例えば、特許文献1には、多孔質の支持基体上に燃料極(アノード)を形成し、その燃料極の上に電解質を形成し、さらにその電解質の上に空気極(カソード)を形成した固体酸化物形燃料電池が開示されている。
特開平11−111309号公報
A fuel cell is a cell that can directly convert chemical energy generated when fuel is oxidized into electric energy while continuously supplying fuel from the outside and exhausting combustion products. The types of fuel cells are classified according to the electrolyte, and those using metal oxides having ion conductivity for the electrolyte are called solid oxide fuel cells. Various types of solid oxide fuel cells have been proposed. For example, in Patent Document 1, a fuel electrode (anode) is formed on a porous support substrate, and the fuel electrode is formed on the fuel electrode. A solid oxide fuel cell is disclosed in which an electrolyte is formed and an air electrode (cathode) is formed on the electrolyte.
Japanese Patent Laid-Open No. 11-11309

ところで、上記燃料電池は、燃料極と空気極に個別にガスを供給して発電を行う電池である。そのため、両電極の境界となる電解質はガスが透過しないように緻密に形成される必要がある。このような緻密な膜の形成方法としては、例えば、スクリーン印刷で電解質用の材料を塗布した後、1400℃程度の高温で焼結する方法がある。しかしながら、このような高温で電解質を形成すると、支持基板として金属が使用できないという問題がある。これを解決するため、CVD等の低温成膜方法も提案されているが、歩留まりが悪いため、コストが高くなるという問題があった。   By the way, the fuel cell is a battery that generates power by separately supplying gas to the fuel electrode and the air electrode. Therefore, it is necessary to form an electrolyte that is a boundary between both electrodes densely so that gas does not permeate. As a method for forming such a dense film, for example, there is a method in which an electrolyte material is applied by screen printing and then sintered at a high temperature of about 1400 ° C. However, when the electrolyte is formed at such a high temperature, there is a problem that a metal cannot be used as the support substrate. In order to solve this, a low-temperature film forming method such as CVD has been proposed, but there is a problem that the cost is increased because the yield is poor.

そこで、本発明は、低温で、しかも低コストで緻密な電解質を形成することが可能な固体酸化物形燃料電池及びその製造方法を提供することを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell capable of forming a dense electrolyte at a low temperature and at a low cost, and a method for producing the same.

本発明に係る第1の固体酸化物形燃料電池の製造方法は、上記問題を解決するためになされたものであり、金属基板上に電解質用材料を塗布するステップと、前記金属基板に、前記電解質用材料と連通する複数の貫通孔を形成するステップと、前記貫通孔から露出する部分を含む前記電解質用材料の表面に、プレスを施すステップと、前記電解質用材料の焼成を行い、電解質を形成するステップと、前記貫通孔から露出する電解質の一方面に燃料極及び空気極のいずれか一方の電極を形成するステップと、前記電解質の他方面に他方の電極を形成するステップと、を備えている。   A first method for producing a solid oxide fuel cell according to the present invention has been made to solve the above-described problem, and includes a step of applying a material for an electrolyte on a metal substrate; Forming a plurality of through-holes communicating with the electrolyte material; pressing a surface of the electrolyte material including a portion exposed from the through-hole; firing the electrolyte material; Forming, forming one electrode of the fuel electrode and the air electrode on one surface of the electrolyte exposed from the through hole, and forming the other electrode on the other surface of the electrolyte. ing.

この構成によれば、電解質用材料の焼成の前に、この電解質用材料にプレスを施すことで、焼成時の温度が低くても、焼成された電解質を緻密に形成することができる。したがって、焼成温度を低温にすることができるため、金属基板を用いても、焼成中にこの金属基板が変形及び、損傷されることはない。その結果、CVD等の低温成膜方法を用いず、スクリーン印刷などの簡易な方法で電解質を形成できるため、歩留まりを向上することができ、製造コストの低減も可能になる。   According to this configuration, the baked electrolyte can be densely formed even if the temperature during firing is low by pressing the electrolyte material before firing the electrolyte material. Therefore, since the firing temperature can be lowered, even when a metal substrate is used, the metal substrate is not deformed or damaged during firing. As a result, the electrolyte can be formed by a simple method such as screen printing without using a low temperature film formation method such as CVD, so that the yield can be improved and the manufacturing cost can be reduced.

また、本発明においては、金属基板に複数の貫通孔を形成し、この貫通孔内に電解質の一方面と接触する電極を形成するとともに、電解質の他方面にもう一つの電極を形成している。このように、本発明では、焼成前の電解質において貫通孔及びその反対側の面を露出させているため、少なくとも電極が形成される面には、プレスを施すことができる。その結果、電解質において両電極と接触する部分を緻密に形成できるため、固体酸化物形燃料電池として、両電極に供給されるガスの混合を防止することができる。   Further, in the present invention, a plurality of through holes are formed in the metal substrate, an electrode in contact with one surface of the electrolyte is formed in the through hole, and another electrode is formed on the other surface of the electrolyte. . Thus, in the present invention, since the through hole and the surface on the opposite side are exposed in the electrolyte before firing, at least the surface on which the electrode is formed can be pressed. As a result, the portion in contact with both electrodes in the electrolyte can be densely formed, and as a solid oxide fuel cell, mixing of gases supplied to both electrodes can be prevented.

ここで、電解質用材料を塗布するための方法は、例えば、上述したスクリーン印刷の他、ディップコート法、スピンコート法など種々の方法を用いることができる。また、本発明でいう電解質用材料とは、上述した各種方法に適した、電解質形成用の液状またはペースト状の材料を指す。   Here, as a method for applying the electrolyte material, for example, various methods such as a dip coating method and a spin coating method can be used in addition to the screen printing described above. In addition, the electrolyte material referred to in the present invention refers to a liquid or paste-like material for forming an electrolyte suitable for the various methods described above.

また、本発明に係る第2の固体酸化物形燃料電池の製造方法は、上記問題を解決するためになされたものであり、金属基板に、複数の貫通孔を形成するステップと、前記貫通孔を覆うように前記金属基板上に、電解質用材料を配置するステップと、前記貫通孔から露出する部分を含む前記電解質用材料の表面に、プレスを施すステップと、前記電解質用材料の焼成を行い、電解質を形成するステップと、前記貫通孔から露出する電解質の一方面に燃料極及び空気極のいずれか一方の電極を形成するステップと、前記電解質の他方面に他方の電極を形成するステップと、を備えている。   The second method for producing a solid oxide fuel cell according to the present invention has been made to solve the above-described problem, and includes a step of forming a plurality of through holes in a metal substrate, and the through holes. A step of disposing an electrolyte material on the metal substrate so as to cover the surface, a step of pressing the surface of the electrolyte material including a portion exposed from the through hole, and firing the electrolyte material A step of forming an electrolyte; a step of forming one of a fuel electrode and an air electrode on one surface of the electrolyte exposed from the through hole; and a step of forming the other electrode on the other surface of the electrolyte; It is equipped with.

この方法が上記第1の発明と異なるのは、貫通孔を形成した金属基板上に電解質用材料を配置する点である。このような電解質材料としては、例えば、いわゆるグリーン体を用いることができる。これにより、貫通孔が形成されていても、電解質材料を金属基板上に配置することができる。そして、このような構成であっても、上記第1の発明と同様の効果を得ることができる。   This method is different from the first invention in that an electrolyte material is disposed on a metal substrate in which a through hole is formed. As such an electrolyte material, for example, a so-called green body can be used. Thereby, even if the through-hole is formed, the electrolyte material can be disposed on the metal substrate. And even if it is such a structure, the effect similar to the said 1st invention can be acquired.

本発明におけるプレスは、例えば、静水圧プレスとすることができる。この場合、冷間、熱間のいずれの静水圧プレスを用いることもできるが、例えば、熱間静水圧プレスを用いる場合には、80〜200℃の熱を付与することが好ましい。80℃以上の温度を負荷することにより、温度と圧力の相乗効果を利用して、冷間よりも空孔の除去が可能であり高密度化が図れる。一方、200℃以上にすると、材料中のバインダーなどの溶融や揮発が発生し、成形性が悪くなる。このほか、露出した電解質用材料の表面に、公知の一軸プレスなどを施すこともできる。   The press in the present invention can be, for example, an isostatic press. In this case, either a cold isostatic press or a hot isostatic press can be used. For example, when a hot isostatic press is used, it is preferable to apply heat of 80 to 200 ° C. By applying a temperature of 80 ° C. or higher, the synergistic effect of temperature and pressure can be used to remove vacancies rather than cold and increase the density. On the other hand, when the temperature is 200 ° C. or higher, melting or volatilization of the binder in the material occurs, resulting in poor moldability. In addition, a known uniaxial press or the like can be applied to the exposed surface of the electrolyte material.

プレスの圧力は、例えば、1〜4×10kg/cmであるとすることが好ましい。プレス圧力を1×10kg/cm以上にすることで、電解質が緻密になり、ガスのリークを防止することができる。また、プレス圧力を高めすぎると、電解質や電極が損傷するおそれがあるため、4×10kg/cm以下とすることが好ましい。 The pressure of the press is preferably 1 to 4 × 10 3 kg / cm 2 , for example. By setting the pressing pressure to 1 × 10 3 kg / cm 2 or more, the electrolyte becomes dense and gas leakage can be prevented. Moreover, since there exists a possibility that an electrolyte and an electrode may be damaged when press pressure is raised too much, it is preferable to set it as 4 x10 < 3 > kg / cm < 2 > or less.

また、本発明に係る固体酸化物形燃料電池は、少なくとも一つの貫通孔が形成された金属基板と、前記金属基板の一方面に、前記貫通孔を塞ぐように形成された電解質と、前記貫通孔から露出する電解質の一方面に形成された燃料極または空気極のいずれか一方の電極と、前記電解質の他方面に形成された他方の電極と、を備え、前記電解質は、前記一方面及び他方面に緻密な層を有している。   The solid oxide fuel cell according to the present invention includes a metal substrate having at least one through-hole formed therein, an electrolyte formed on one surface of the metal substrate so as to close the through-hole, and the through-hole. A fuel electrode or an air electrode formed on one surface of the electrolyte exposed from the hole, and the other electrode formed on the other surface of the electrolyte, the electrolyte comprising the one surface and It has a dense layer on the other side.

本発明に係る固体酸化物形燃料電池の製造方法によれば、低温で、しかも低コストで緻密な電解質を形成することが可能となる。   According to the method for producing a solid oxide fuel cell according to the present invention, a dense electrolyte can be formed at a low temperature and at a low cost.

以下、本発明に係る固体酸化物形燃料電池の一実施形態について図面にしたがって説明する。図1は本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池の断面図であり、図2は図1のA−A線断面図である。   Hereinafter, an embodiment of a solid oxide fuel cell according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view of a solid oxide fuel cell according to the present embodiment, and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA of FIG.

本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池は、図1に示すように、複数の貫通孔41が形成された金属基板4の上面に、この貫通孔41を塞ぐように配置された薄膜状の電解質1と、その上面に配置された薄膜状の空気極2とを備えている。そして、金属基板4の貫通孔41内には、電解質1の下面に接触する薄膜状の燃料極3が形成されている。図2に示すように、金属基板4は、複数の貫通孔41が形成されることにより、平面視網目状に形成されている。   As shown in FIG. 1, the solid oxide fuel cell according to the present embodiment is a thin film-like fuel disposed on the upper surface of a metal substrate 4 on which a plurality of through holes 41 are formed so as to close the through holes 41. An electrolyte 1 and a thin film-like air electrode 2 disposed on the upper surface thereof are provided. A thin-film fuel electrode 3 that contacts the lower surface of the electrolyte 1 is formed in the through hole 41 of the metal substrate 4. As shown in FIG. 2, the metal substrate 4 is formed in a mesh shape in plan view by forming a plurality of through holes 41.

続いて、上記燃料電池を構成する材料について説明する。金属基板4を構成する材料としては、耐熱性や強度導電性などを考慮して、Fe, Ti, Cr, Cu, Ni, Ag, Au, Pt等の導電性金属を用いることが出来、1種を単独で使用してもよいし、2種以上を混合してもよく、例えばステンレス系耐熱材料などが使用出来、具体的には、オーステナイト系ステンレス鋼、フェライト系ステンレス鋼、インコネルやハステロイなどのニッケル基の耐熱合金などを用いることができる。   Subsequently, materials constituting the fuel cell will be described. As a material constituting the metal substrate 4, in consideration of heat resistance and strength conductivity, conductive metals such as Fe, Ti, Cr, Cu, Ni, Ag, Au, and Pt can be used. May be used alone, or two or more may be mixed. For example, stainless steel heat-resistant materials can be used. Specifically, austenitic stainless steel, ferritic stainless steel, Inconel, Hastelloy, etc. A nickel-based heat-resistant alloy or the like can be used.

電解質1の材料としては、固体酸化物形燃料電池の電解質として公知のものを使用することができ、例えば、サマリウムやガドリニウム等をドープしたセリア系酸化物(GDC)、ストロンチウムやマグネシウムをドープしたランタン・ガレード系酸化物、スカンジウムやイットリウムを含むジルコニア系酸化物(YSZ)などの酸素イオン伝導性セラミックス材料を用いることができる。   As the material of the electrolyte 1, those known as electrolytes for solid oxide fuel cells can be used. For example, ceria oxide (GDC) doped with samarium or gadolinium, lanthanum doped with strontium or magnesium An oxygen ion conductive ceramic material such as a galide oxide, zirconia oxide (YSZ) containing scandium or yttrium can be used.

燃料極3及び空気極2は、セラミックス粉末材料により形成することができる。このとき用いられる粉末の平均粒径は、好ましくは10nm〜100μmであり、さらに好ましくは50nm〜50μmであり、特に好ましくは100nm〜10μmである。なお、平均粒径は、例えば、JISZ8901にしたがって計測することができる。   The fuel electrode 3 and the air electrode 2 can be formed of a ceramic powder material. The average particle size of the powder used at this time is preferably 10 nm to 100 μm, more preferably 50 nm to 50 μm, and particularly preferably 100 nm to 10 μm. In addition, an average particle diameter can be measured according to JISZ8901, for example.

燃料極3は、例えば、金属触媒と酸化物イオン導電体からなるセラミックス粉末材料との混合物を用いることができる。このとき用いられる金属触媒としては、ニッケル、鉄、コバルトや、貴金属(白金、ルテニウム、パラジウム等)等の還元性雰囲気中で安定で、水素酸化活性を有する材料を用いることができる。また、酸化物イオン導電体としては、蛍石型構造又はペロブスカイト型構造を有するものを好ましく用いることができる。蛍石型構造を有するものとしては、例えばサマリウムやガドリニウム等をドープしたセリア系酸化物、スカンジウムやイットリウムを含むジルコニア系酸化物などを挙げることができる。また、ペロブスカイト型構造を有するものとしてはストロンチウムやマグネシウムをドープしたランタン・ガレード系酸化物を挙げることができる。上記材料の中では、酸化物イオン導電体とニッケルとの混合物で、燃料極2を形成することが好ましい。なお、酸化物イオン導電体からなるセラミックス材料とニッケルとの混合形態は、物理的な混合形態であってもよいし、ニッケルへの粉末修飾またはセラミックス材料へのニッケル修飾などの形態であってもよい。また、上述したセラミックス材料は、1種類を単独で、或いは2種類以上を混合して使用することができる。また、燃料極3は、金属触媒を単体で用いて構成することもできる。   As the fuel electrode 3, for example, a mixture of a metal catalyst and a ceramic powder material made of an oxide ion conductor can be used. As the metal catalyst used at this time, a material that is stable in a reducing atmosphere, such as nickel, iron, cobalt, or a noble metal (platinum, ruthenium, palladium, etc.) and has hydrogen oxidation activity can be used. In addition, as the oxide ion conductor, one having a fluorite structure or a perovskite structure can be preferably used. Examples of those having a fluorite structure include ceria-based oxides doped with samarium, gadolinium, and the like, and zirconia-based oxides containing scandium and yttrium. In addition, examples of those having a perovskite structure include lanthanum galide oxides doped with strontium and magnesium. Among the above materials, it is preferable to form the fuel electrode 2 with a mixture of an oxide ion conductor and nickel. The mixed form of the ceramic material made of the oxide ion conductor and nickel may be a physical mixed form, or may be a powder modification to nickel or a nickel modification to ceramic material. Good. Moreover, the ceramic material mentioned above can be used individually by 1 type or in mixture of 2 or more types. Moreover, the fuel electrode 3 can also be comprised using a metal catalyst alone.

空気極2を形成するセラミックス粉末材料としては、例えば、ペロブスカイト型構造等を有するCo,Fe,Ni,Cr又はMn等からなる金属酸化物を用いることができる。具体的には(Sm,Sr)CoO,(La,Sr)MnO,(La,Sr)CoO,(La,Sr)(Fe,Co)O,(La,Sr)(Fe,Co,Ni)Oなどの酸化物が挙げられ、好ましくは、(La,Sr)(Fe,Co)Oである。上述したセラミックス材料は、1種を単独で、或いは2種以上を混合して使用することができる。 As the ceramic powder material forming the air electrode 2, for example, a metal oxide made of Co, Fe, Ni, Cr, Mn or the like having a perovskite structure or the like can be used. Specifically, (Sm, Sr) CoO 3 , (La, Sr) MnO 3 , (La, Sr) CoO 3 , (La, Sr) (Fe, Co) O 3 , (La, Sr) (Fe, Co , Ni) O 3 and the like, and (La, Sr) (Fe, Co) O 3 is preferable. The ceramic material mentioned above can be used individually by 1 type or in mixture of 2 or more types.

上記燃料極3、及び空気極2は、上述した材料を主成分として、さらにバインダー樹脂、有機溶媒などが適量加えられることにより形成される。より詳細には、上記主成分とバインダー樹脂との混合において、上記主成分が50〜95重量%となるように、バインダー樹脂等を加えることが好ましい。また、電解質1も、上記燃料極3及び空気極2と同様に、上述した材料を主成分として、バインダー樹脂、有機溶媒などが適量加えられることにより成型されるが、上記主成分とバインダーとの混合において、上記主成分の割合が80重量%以上となるように混合されることが好ましい。そして、燃料極3及び空気極2の膜厚は5〜100μmとなるように形成するが、20〜50μmとすることが好ましい。また、電解質1の膜厚は、1〜100μmであることが好ましく、5〜50μmであることがさらに好ましい。   The fuel electrode 3 and the air electrode 2 are formed by adding appropriate amounts of a binder resin, an organic solvent, and the like with the above-described material as a main component. More specifically, it is preferable to add a binder resin or the like so that the main component is 50 to 95% by weight in the mixing of the main component and the binder resin. Similarly to the fuel electrode 3 and the air electrode 2, the electrolyte 1 is molded by adding an appropriate amount of a binder resin, an organic solvent, or the like with the above-described material as a main component. In the mixing, it is preferable to mix so that the ratio of the main component is 80% by weight or more. And the film thickness of the fuel electrode 3 and the air electrode 2 is formed so that it may become 5-100 micrometers, but it is preferable to set it as 20-50 micrometers. The thickness of the electrolyte 1 is preferably 1 to 100 μm, and more preferably 5 to 50 μm.

次に、上記燃料電池の製造方法について図3及び図4を参照しつつ説明する。図3は本実施形態に係る燃料電池の製造方法の説明図、図4は電解質の拡大断面を示す模式図である。まず、上述した金属基板4を準備する。続いて、上述した電解質1、燃料極3、及び空気極2用の粉末材料を主成分として、これらそれぞれにバインダー樹脂、有機溶媒などを適量加えて混練し、電解質用ペースト(電解質用材料)、燃料極用ペースト(燃料極用材料)、空気極用ペースト(空気極用材料)をそれぞれ作製する。各ペーストの粘度は、10〜10mPa・s程度であることが好ましい。 Next, a method for manufacturing the fuel cell will be described with reference to FIGS. FIG. 3 is an explanatory view of a method for producing a fuel cell according to this embodiment, and FIG. 4 is a schematic view showing an enlarged cross section of the electrolyte. First, the metal substrate 4 described above is prepared. Subsequently, the above-described powder materials for the electrolyte 1, the fuel electrode 3, and the air electrode 2 are used as main components, and an appropriate amount of a binder resin, an organic solvent, and the like are added and kneaded to each of them, and an electrolyte paste (electrolyte material), A fuel electrode paste (fuel electrode material) and an air electrode paste (air electrode material) are prepared. The viscosity of each paste is preferably about 10 3 to 10 6 mPa · s.

そして、電解質用ペーストを、金属基板4の上面に薄膜状に塗布した後、所定時間、所定温度にて乾燥する(図3(a))。次に、エッチングなどにより、金属基板4に複数の貫通孔41を形成する(図3(b))。すなわち、金属基板4の下面に適宜マスクを施した後、エッチングにより貫通孔41を形成し、この貫通孔41から電解質ペースト1が露出するようにする。なお、貫通孔41は、電解質1ペーストが配置されている範囲にのみ形成する。続いて、乾燥した電解質用ペーストにプレスを施す(図3(c))。すなわち、公知の静水圧プレス機によって、外部に露出する電解質用ペーストの表面、つまり電解質用ペーストの上面と、貫通孔41から露出する下面に、冷間静水圧プレス(CIP)をする。ここでの圧力は、例えば、1〜4×10kg/cmとすることができる。 And after apply | coating the paste for electrolyte to the upper surface of the metal substrate 4 in the shape of a thin film, it dries at predetermined temperature for predetermined time (FIG. 3 (a)). Next, a plurality of through holes 41 are formed in the metal substrate 4 by etching or the like (FIG. 3B). That is, after appropriately masking the lower surface of the metal substrate 4, a through hole 41 is formed by etching, and the electrolyte paste 1 is exposed from the through hole 41. The through hole 41 is formed only in a range where the electrolyte 1 paste is disposed. Subsequently, the dried electrolyte paste is pressed (FIG. 3C). That is, cold isostatic pressing (CIP) is performed on the surface of the electrolyte paste exposed to the outside, that is, the upper surface of the electrolyte paste and the lower surface exposed from the through hole 41 by a known hydrostatic press. The pressure here can be set to, for example, 1 to 4 × 10 3 kg / cm 2 .

プレス後、900〜1100℃にて焼結して電解質1を形成する。この工程により、図4に示すように、電解質1においてプレスが施された面の近傍が緻密になり、それ以外の部分は多孔質になる。続いて、金属基板4の貫通孔41内に電解質1の下面に接触するように、スクリーン印刷によって燃料極用ペーストを塗布し、所定時間・所定温度で乾燥・焼結し、多孔質の燃料極3を得る(図3(d))。焼結時の温度は、例えば、900〜1100℃にすることができる。最後に、電解質1の上面に、スクリーン印刷によって上述した材料からなる空気極用のペーストを塗布し、所定時間乾燥・焼結して多孔質の空気極2を得る。焼結時の温度は、例えば、900〜1100℃にすることができる。こうして、図1に示す燃料電池が完成する。なお、電解質ペースト、燃料極ペースト及び空気極ペーストは、種々の方法で塗布することができ、例えば、スクリーン印刷法、転写法、電気泳動法、ドクターブレード法、ディスペンサーコート法、スプレーコート法、ディップコート法などで形成することができる。   After pressing, the electrolyte 1 is formed by sintering at 900 to 1100 ° C. By this step, as shown in FIG. 4, the vicinity of the pressed surface of the electrolyte 1 becomes dense, and the other portions become porous. Subsequently, a fuel electrode paste is applied by screen printing so as to be in contact with the lower surface of the electrolyte 1 in the through hole 41 of the metal substrate 4, and is dried and sintered at a predetermined time and at a predetermined temperature. 3 is obtained (FIG. 3 (d)). The temperature at the time of sintering can be 900-1100 degreeC, for example. Finally, an air electrode paste made of the above-described material is applied to the upper surface of the electrolyte 1 by screen printing, and dried and sintered for a predetermined time to obtain a porous air electrode 2. The temperature at the time of sintering can be 900-1100 degreeC, for example. Thus, the fuel cell shown in FIG. 1 is completed. The electrolyte paste, fuel electrode paste, and air electrode paste can be applied by various methods, for example, screen printing method, transfer method, electrophoresis method, doctor blade method, dispenser coating method, spray coating method, dip coating. It can be formed by a coating method or the like.

その後、必要に応じて、集電層や導線、また燃料極2と空気極4とを仕切るシール部材などを設けると、固体酸化物形燃料電池が完成する。   Thereafter, if necessary, a current collecting layer, a conductive wire, a seal member for partitioning the fuel electrode 2 and the air electrode 4 and the like are provided, thereby completing the solid oxide fuel cell.

上記の方法では、金属基板4に電解質材料を塗布した後に、貫通孔41を形成しているが、予め貫通孔41を形成した金属基板4を用いることもできる。この場合、電解質材料は、いわゆるグリーン体として製造することが好ましい。以下、グリーン体を用いた場合の製造方法について説明する。まず、上述した電解質作製用の材料をバインダー、溶剤、可塑剤、分散剤を混合し、ボールミルで分散後、真空脱法を行い、電解質ペーストを作製する。このペーストを、離型層がコートされたポリエチレンテレフタレート(PET)等のフィルム上に所定膜厚になるようにドクターブレード等により印刷する。そして、約120℃で乾燥することにより、フィルム上に電解質のグリーン体を形成する。   In the above method, the through hole 41 is formed after applying the electrolyte material to the metal substrate 4, but the metal substrate 4 in which the through hole 41 is formed in advance can also be used. In this case, the electrolyte material is preferably manufactured as a so-called green body. Hereinafter, a manufacturing method in the case of using a green body will be described. First, a binder, a solvent, a plasticizer, and a dispersant are mixed with the above-described material for preparing an electrolyte, and dispersed by a ball mill, and then subjected to vacuum degassing to prepare an electrolyte paste. This paste is printed on a film of polyethylene terephthalate (PET) or the like coated with a release layer with a doctor blade or the like so as to have a predetermined film thickness. Then, by drying at about 120 ° C., an electrolyte green body is formed on the film.

続いて、電解質用グリーン体を、貫通孔41を形成した金属基板4の上面に貼り合わせる。そして、フィルム上から熱をかけてプレスし、グリーン体を金属基板4上に融着させた後、フィルムを剥がす。次に、金属基板4上の電解質用グリーン体に、公知の静水圧プレス機によってプレスをする。すなわち、外部に露出する電解質用ペーストの表面、つまり電解質用ペーストの上面と、貫通孔41から露出する下面に、冷間静水圧プレス(CIP)をする。ここでの圧力は、例えば、1〜4×10kg/cmとすることができる。この後の工程は、上述した工程と同様であるため、省略する。 Subsequently, the electrolyte green body is bonded to the upper surface of the metal substrate 4 in which the through holes 41 are formed. Then, the film is pressed by applying heat from the film, the green body is fused on the metal substrate 4, and then the film is peeled off. Next, the green body for electrolyte on the metal substrate 4 is pressed by a known hydrostatic press. That is, cold isostatic pressing (CIP) is performed on the surface of the electrolyte paste exposed to the outside, that is, the upper surface of the electrolyte paste and the lower surface exposed from the through hole 41. The pressure here can be set to, for example, 1 to 4 × 10 3 kg / cm 2 . The subsequent steps are the same as those described above, and thus are omitted.

上記のように構成された燃料電池は、次のように発電が行われる。まず、水素、又はメタン、エタンなどの炭化水素からなる燃料ガスを、金属基板4の貫通孔41を介して、燃料極3に供給する。一方、空気極2には、空気などの酸化剤ガスを供給する。このとき供給される燃料ガスと空気等の酸化剤ガスとは、例えば、400〜1000℃の高温で供給する。こうして、燃料極3及び空気極2がそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスと接触するため、燃料極3と空気極2との間で、電解質1を介した酸素イオン伝導が起こり、発電が行われる。このとき、電解質1は緻密な層を含有しているため、各燃料電池内では、燃料ガス及び酸化剤ガスは、電解質1によって遮断され、混合されることなく各電極2,4に供給される。   The fuel cell configured as described above generates power as follows. First, a fuel gas composed of hydrogen or a hydrocarbon such as methane or ethane is supplied to the fuel electrode 3 through the through hole 41 of the metal substrate 4. On the other hand, an oxidant gas such as air is supplied to the air electrode 2. The fuel gas and the oxidant gas such as air supplied at this time are supplied at a high temperature of 400 to 1000 ° C., for example. Thus, since the fuel electrode 3 and the air electrode 2 are in contact with the fuel gas and the oxidant gas, respectively, oxygen ion conduction through the electrolyte 1 occurs between the fuel electrode 3 and the air electrode 2, and power generation is performed. At this time, since the electrolyte 1 contains a dense layer, the fuel gas and the oxidant gas are blocked by the electrolyte 1 and supplied to the electrodes 2 and 4 without being mixed in each fuel cell. .

以上のように、本実施形態によれば、電解質用ペーストの焼成の前に、この電解質用ペーストに静水圧プレスを施すことで、焼成時の温度が低くても、焼成された電解質を緻密に形成することができる。したがって、焼成温度を低温にすることができるため、金属基板1を用いても、焼成中にこの金属基板が変形、損傷されることはない。その結果、CVD等の低温成膜方法を用いず、スクリーン印刷などの簡易な方法で電解質を形成できるため、歩留まりを向上することができ、製造コストの低減も可能になる。また、上記燃料電池では、燃料極3の中に金属基板4が入り込んでいるため、この金属基板4が導電の経路になり、その結果、集電効果を大きく増大することができ、高出力を期待することができる。   As described above, according to the present embodiment, before the electrolyte paste is fired, the electrolyte paste is subjected to an isostatic press so that the fired electrolyte can be made dense even at a low firing temperature. Can be formed. Therefore, since the firing temperature can be lowered, even when the metal substrate 1 is used, the metal substrate is not deformed or damaged during firing. As a result, the electrolyte can be formed by a simple method such as screen printing without using a low temperature film formation method such as CVD, so that the yield can be improved and the manufacturing cost can be reduced. Further, in the fuel cell, since the metal substrate 4 enters the fuel electrode 3, the metal substrate 4 becomes a conductive path. As a result, the current collecting effect can be greatly increased, and high output can be achieved. You can expect.

さらに、本実施形態においては、金属基板4に複数の貫通孔41を形成し、この貫通孔41内に電解質1の下面と接触する燃料極3を形成するとともに、電解質1の上面に空気極2を形成している。このように、焼成前の電解質1において貫通孔41から露出する下面及び上面を露出させているため、電極2,3が形成される面には、プレスを施すことができる。その結果、電解質1において両電極2,3と接触する部分を緻密に形成できるため、二室型の固体酸化物形燃料電池として、両電極に供給されるガスの混合を防止することができる。   Further, in the present embodiment, a plurality of through holes 41 are formed in the metal substrate 4, the fuel electrode 3 that contacts the lower surface of the electrolyte 1 is formed in the through hole 41, and the air electrode 2 is formed on the upper surface of the electrolyte 1. Is forming. Thus, since the lower surface and the upper surface exposed from the through hole 41 are exposed in the electrolyte 1 before firing, the surface on which the electrodes 2 and 3 are formed can be pressed. As a result, the portion in contact with both electrodes 2 and 3 in electrolyte 1 can be densely formed, and as a two-chamber solid oxide fuel cell, mixing of gases supplied to both electrodes can be prevented.

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。例えば、上記実施形態では、金属基板4の貫通孔41内に燃料極3を形成しているが、ここに空気極2を形成し、電解質1の上面に燃料極3を形成することもできる。   The embodiment of the present invention has been described above, but the present invention is not limited to this, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. For example, in the above embodiment, the fuel electrode 3 is formed in the through hole 41 of the metal substrate 4, but the air electrode 2 may be formed here and the fuel electrode 3 may be formed on the upper surface of the electrolyte 1.

また、上記方法では、電解質1をプレスするのに冷間静水圧プレスを用いたが、これ以外にも熱間静水圧プレスなどを用いることができる。こうすることで、温度と圧力の相乗効果を利用して、通常の冷間静水圧プレスよりも、空孔の除去が可能であり更なる高密度化が図れるという利点があり、この場合、80〜200℃の熱を付与することが好ましい。また、公知の一軸プレスによってプレスを施すこともできる。   In the above method, a cold isostatic press is used to press the electrolyte 1, but a hot isostatic press or the like can also be used. In this way, there is an advantage that pores can be removed and further densification can be achieved compared to a normal cold isostatic press by utilizing the synergistic effect of temperature and pressure. It is preferable to apply heat of ˜200 ° C. Moreover, it can also press by a well-known uniaxial press.

以下、本発明に係る実施例について説明する。但し、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。以下では、図1に示す複数の電池を作成する。その際、各電池の作製においては、乾燥した電解質用ペーストに異なる圧力を作用させることとする。まず、以下の材料を準備する。
(実施例1)
金属基板
SUS系材料のZMG232(日立金属製)を準備した。
電解質用ペースト
GDC(Ce:Gd:O=0.9:0.1:1.9)粉末(粒径範囲0.1-〜3μm、平均粒径:1μm)及びエチルセルロ−スを質量比が90:10となるようにエチルカルピト−ルに加えてペ−ストを調整した。
燃料極用ペースト
エチルカルピト−ルに、NiO粉末(平均粒径:1μm)及びSDC(Ce:Sm:O=0.8:0.2:1.9)を加え、更にバインダ−としてエチルセルロ−スを質量比が80:20となるようにを加えた後、これらをボ−ルミルで混合して燃料極層を形成するための燃料極ペ−スト(粘度:5×105mPa・s)を調整した。
空気極用ペースト
エチルカルピト−ルに、Sm0.5Sr0.5CoO3粉末(平均粒径:3μm)を加え、更にバインダ−としてエチルセルロ−スを質量比が80:20となるようにを加えた後、これらをボ−ルミルで混合して空気極層を形成するための空気極ペ−スト(粘度:5×105mPa・s)を調整した。
Examples according to the present invention will be described below. However, the present invention is not limited to the following examples. Below, the some battery shown in FIG. 1 is created. At that time, in manufacturing each battery, different pressures are applied to the dried electrolyte paste. First, the following materials are prepared.
Example 1
Metal substrate
SUS material ZMG232 (manufactured by Hitachi Metals) was prepared.
Electrolyte paste
Add GDC (Ce: Gd: O = 0.9: 0.1: 1.9) powder (particle size range 0.1--3μm, average particle size: 1μm) and ethyl cellulose to ethyl carbitol so that mass ratio is 90:10 The paste was adjusted.
NiO powder (average particle size: 1 μm) and SDC (Ce: Sm: O = 0.8: 0.2: 1.9) were added to the paste for fuel electrode ethyl carpitol, and ethyl cellulose was used as a binder in a mass ratio of 80:20. Then, the fuel electrode paste (viscosity: 5 × 10 5 mPa · s) for forming the fuel electrode layer was adjusted by mixing them with a ball mill.
After adding Sm0.5Sr0.5CoO3 powder (average particle size: 3 μm) to the ethyl carpitol paste for air electrode, and adding ethyl cellulose as a binder so that the mass ratio becomes 80:20, An air electrode paste (viscosity: 5 × 10 5 mPa · s) for forming an air electrode layer by mixing with a ball mill was adjusted.

次に、金属基板上に、膜厚約20μmで電解質用ペーストをスクリーン印刷で塗布し、130℃で15分乾燥する。そして、金属基板の下面に適宜マスクを施した後、エッチングにより貫通孔を形成し、この貫通孔から乾燥した電解質ペーストが露出するようにする。その後、冷間温水兼用等方圧プレス(日機装株式会社 型番CWL4-14-60)によって電解質ペーストに上下から冷間静水圧プレス(CIP)を施す。作用させる圧力は、約2t/cmである。プレス後、電解質用ペーストを1100℃で5時間焼結する。より詳細には、220℃/時で1100℃まで昇温し、1時間保持した後、自然降温した。続いて、貫通孔を介して、金属基板の貫通孔を介して電解質の下面に膜厚約30μmで燃料極用ペーストをスクリーン印刷で塗布し、130℃で15分乾燥した後、1100℃で5時間焼結し、燃料極を形成する。これに続いて、電解質の上面に膜厚約30μmで空気極用ペーストをスクリーン印刷で塗布し、130℃で15分乾燥した後、1000℃で5時間焼結し、空気極を形成する。 Next, an electrolyte paste having a film thickness of about 20 μm is applied on the metal substrate by screen printing and dried at 130 ° C. for 15 minutes. Then, after appropriately masking the lower surface of the metal substrate, a through hole is formed by etching so that the dried electrolyte paste is exposed from the through hole. Thereafter, cold isostatic pressing (CIP) is applied to the electrolyte paste from above and below by a cold hot water combined isotropic pressure press (Nikkiso Co., Ltd., model number CWL4-14-60). The applied pressure is about 2 t / cm 2 . After pressing, the electrolyte paste is sintered at 1100 ° C. for 5 hours. More specifically, the temperature was raised to 1100 ° C. at 220 ° C./hour, held for 1 hour, and then naturally cooled. Subsequently, a fuel electrode paste was applied by screen printing to the lower surface of the electrolyte through the through hole of the metal substrate to a film thickness of about 30 μm, dried at 130 ° C. for 15 minutes, and then 5 at 1100 ° C. Sintering for a time to form a fuel electrode. Subsequently, an air electrode paste having a film thickness of about 30 μm is applied to the upper surface of the electrolyte by screen printing, dried at 130 ° C. for 15 minutes, and then sintered at 1000 ° C. for 5 hours to form an air electrode.

(実施例2)
この実施例では、電解質をグリーン体を用いて作製する。その他の材料は、実施例1と同様である。
電解質用グリ−ン体
GDC(Ce:Gd:O=0.9:0.1:1.9)粉末(粒径範囲0.1-〜3μm、平均粒径:1μm)及びバインダ−としてエチルセルロ−ス、分散剤としてポリアクリル酸アンモニウム、可塑剤としてジブチルフタレ−トを質量比が100:13:2.5:10となるように加え、エチルカルピト−ルに加えてペーストを調整した。その後、ボ−ルミルで24h攪拌後、真空脱泡し、ドクターブレードにより、シリコン系樹脂の剥離性付与剤をコーティングしたPETフィルム上に塗布し、100℃で乾燥させ、成型した。
(Example 2)
In this embodiment, the electrolyte is produced using a green body. Other materials are the same as those in the first embodiment.
Green body for electrolyte
GDC (Ce: Gd: O = 0.9: 0.1: 1.9) powder (particle size range 0.1--3 μm, average particle size: 1 μm) and ethyl cellulose as binder, ammonium polyacrylate as dispersant, dibutyl phthalate as plasticizer -The paste was prepared by adding to the mass ratio of 100: 13: 2.5: 10 and adding to ethyl carbitol. Thereafter, the mixture was stirred for 24 hours with a ball mill, vacuum degassed, applied onto a PET film coated with a silicone resin peelability-imparting agent with a doctor blade, dried at 100 ° C., and molded.

上述した材料を準備した後、まず、金属基板の下面に適宜マスクを施した後、ブラスト加工により貫通孔を形成する。そして、この金属基板上に、貫通孔を覆うようにグリーン体を貼り付け、膜厚約50μmの電解質用グリーン体を130℃、50kg/cm2の熱プレスにて融着させた後、フィルムを剥がす。こうして、貫通孔から貼り付けた電解質用グリーン体が露出するようにする。その後、冷間温水兼用等方圧プレス(日機装株式会社 型番CWL4-14-60)によって電解質グリ−ン体に上下から冷間静水圧プレス(CIP)を施す。作用させる圧力は、約2t/cmである。プレス後、電解質用ペーストを1100℃で5時間焼結する。具体的な温度調整は、実施例1と同様である。そして、実施例1と同様に燃料極及び空気極を形成し、燃料電池を完成させる。 After preparing the above-described materials, first, a mask is appropriately provided on the lower surface of the metal substrate, and then a through hole is formed by blasting. Then, a green body is pasted on the metal substrate so as to cover the through hole, and an electrolyte green body having a film thickness of about 50 μm is fused by a hot press at 130 ° C. and 50 kg / cm 2 , and then the film is formed. Remove. Thus, the electrolyte green body attached from the through hole is exposed. Thereafter, cold isostatic pressing (CIP) is applied to the electrolyte green body from above and below by a cold hot water combined isotropic pressure press (Nikkiso Co., Ltd., model number CWL4-14-60). The applied pressure is about 2 t / cm 2 . After pressing, the electrolyte paste is sintered at 1100 ° C. for 5 hours. Specific temperature adjustment is the same as that in the first embodiment. And a fuel electrode and an air electrode are formed like Example 1, and a fuel cell is completed.

こうして、完成した実施例1および2について検討する。図5は、実施例1の燃料電池の製造において、空気極を形成する前の電解質上面とその近傍を示す電子顕微鏡写真であり、プレスを施していない場合と、約2t/cmでプレスを施した場合を示している。これによると、プレスをした際には、焼結温度が1100℃程度であっても、電解質の表面近傍に緻密な層が形成されているのが分かる。また、図示を省略するが、実施例2についても同様の緻密な層が観測された。 Thus, the completed Examples 1 and 2 are examined. FIG. 5 is an electron micrograph showing the upper surface of the electrolyte before the air electrode is formed and its vicinity in the manufacture of the fuel cell of Example 1, and the case where the press is not performed and the press at about 2 t / cm 2. The case where it gave is shown. According to this, it can be seen that a dense layer is formed in the vicinity of the surface of the electrolyte even when the sintering temperature is about 1100 ° C. when pressed. Although not shown, a similar dense layer was also observed in Example 2.

本発明に係る固体酸化物形燃料電池の実施形態を示す断面図である。1 is a cross-sectional view showing an embodiment of a solid oxide fuel cell according to the present invention. 図1のA−A線断面図である。It is the sectional view on the AA line of FIG. 図1の燃料電池の製造方法を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the fuel cell of FIG. 電解質において、CIPを施した際の前後を示す模式図である。In electrolyte, it is a schematic diagram which shows the front and back at the time of giving CIP. 実施例1の燃料電池の製造において、空気極を形成する前の電解質上面とその近傍を示す電子顕微鏡写真である。In manufacture of the fuel cell of Example 1, it is an electron micrograph which shows the electrolyte upper surface before forming an air electrode, and its vicinity.

符号の説明Explanation of symbols

1 電解質
2 空気極
3 燃料極
4 金属体
41 貫通孔
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Electrolyte 2 Air electrode 3 Fuel electrode 4 Metal body 41 Through-hole

Claims (6)

金属基板上に電解質用材料を塗布するステップと、
前記金属基板に、前記電解質用材料と連通する複数の貫通孔を形成するステップと、
前記貫通孔から露出する部分を含む前記電解質用材料の表面に、プレスを施すステップと、
前記電解質用材料の焼成を行い、電解質を形成するステップと、
前記貫通孔から露出する電解質の一方面に燃料極及び空気極のいずれか一方の電極を形成するステップと、
前記電解質の他方面に他方の電極を形成するステップと、
を備えている、固体酸化物形燃料電池の製造方法。
Applying an electrolyte material on a metal substrate;
Forming a plurality of through holes communicating with the electrolyte material in the metal substrate;
Pressing the surface of the electrolyte material including a portion exposed from the through hole; and
Firing the electrolyte material to form an electrolyte; and
Forming one electrode of the fuel electrode and the air electrode on one surface of the electrolyte exposed from the through hole;
Forming the other electrode on the other surface of the electrolyte;
A method for producing a solid oxide fuel cell.
金属基板に、複数の貫通孔を形成するステップと、
前記貫通孔を覆うように前記金属基板上に、電解質用材料を配置するステップと、
前記貫通孔から露出する部分を含む前記電解質用材料の表面に、プレスを施すステップと、
前記電解質用材料の焼成を行い、電解質を形成するステップと、
前記貫通孔から露出する電解質の一方面に燃料極及び空気極のいずれか一方の電極を形成するステップと、
前記電解質の他方面に他方の電極を形成するステップと、
を備えている、固体酸化物形燃料電池の製造方法。
Forming a plurality of through holes in a metal substrate;
Disposing an electrolyte material on the metal substrate so as to cover the through hole;
Pressing the surface of the electrolyte material including a portion exposed from the through hole; and
Firing the electrolyte material to form an electrolyte; and
Forming one electrode of the fuel electrode and the air electrode on one surface of the electrolyte exposed from the through hole;
Forming the other electrode on the other surface of the electrolyte;
A method for producing a solid oxide fuel cell.
前記プレスは、静水圧プレスである、請求項1または2に記載の固体酸化物形燃料電池の製造方法。   The method for producing a solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the press is an isostatic press. 前記プレスは、熱間静水圧プレスであり、80〜200℃の熱が付与される、請求項3に記載の固体酸化物形燃料電池の製造方法。   The said press is a hot isostatic press, The manufacturing method of the solid oxide fuel cell of Claim 3 to which the heat | fever of 80-200 degreeC is provided. 前記プレスの圧力は、1〜4×10kg/cmである、請求項1から4のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池の製造方法。 5. The method for producing a solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the pressure of the press is 1 to 4 × 10 3 kg / cm 2 . 少なくとも一つの貫通孔が形成された金属基板と、
前記金属基板の一方面に、前記貫通孔を塞ぐように形成された電解質と、
前記貫通孔から露出する電解質の一方面に形成された燃料極または空気極のいずれか一方の電極と、
前記電解質の他方面に形成された他方の電極と、を備え、
前記電解質は、前記一方面及び他方面に緻密な層を有している、固体酸化物形燃料電池。
A metal substrate on which at least one through hole is formed;
An electrolyte formed on one surface of the metal substrate so as to close the through hole;
Either the fuel electrode or the air electrode formed on one surface of the electrolyte exposed from the through hole;
The other electrode formed on the other surface of the electrolyte, and
The electrolyte is a solid oxide fuel cell having a dense layer on the one side and the other side.
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