JP2010044934A - Fuel cell, and manufacturing method for fuel cell - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell in which an electrolyte membrane is thinly formed, and to provide a manufacturing method thereof. <P>SOLUTION: The fuel cell has the electrolyte membrane for passing ions, a fuel electrode formed on one surface of the electrolyte membrane, and an air electrode formed on the other surface of the electrolyte membrane. The fuel electrode includes porous nickel as a principal component, and does not include an oxide included in the electrolyte membrane. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池及び燃料電池の製造方法に関する。   The present invention relates to a fuel cell and a method for manufacturing the fuel cell.

燃料電池は、酸化剤と還元剤との電気化学反応により電力を取り出す次世代の主流となる電源システムとして燃料電池の研究・開発が広く行われている。燃料電池装置の一種である固体酸化物型燃料電池では固体酸化物型電解質の一方の面に燃料極が、他方の面に空気極が形成された発電セルが用いられる。   Fuel cells are widely researched and developed as a next-generation mainstream power supply system that extracts power by an electrochemical reaction between an oxidizing agent and a reducing agent. In a solid oxide fuel cell which is a kind of fuel cell device, a power generation cell in which a fuel electrode is formed on one surface of a solid oxide electrolyte and an air electrode is formed on the other surface is used.

固体酸化物形燃料電池を製造する方法としては、従来、例えばイットリア安定化ジルコニア(YSZ)等のジルコニア系酸化物などの酸素イオン伝導性セラミックス系材料が用いられる電解質上に、燃料極ペーストをスクリーン印刷法により帯状に塗布した後、所定の時間及び温度で乾燥・焼結し、燃料極を形成する方法が知られている(特許文献1参照)。
特開2005−276535号公報
As a method for producing a solid oxide fuel cell, a fuel electrode paste is conventionally screened on an electrolyte in which an oxygen ion conductive ceramic material such as a zirconia oxide such as yttria stabilized zirconia (YSZ) is used. A method is known in which a fuel electrode is formed by applying a belt shape by a printing method, followed by drying and sintering at a predetermined time and temperature (see Patent Document 1).
JP 2005-276535 A

ところで、上述の方法により固体酸化物型燃料電池を製造する場合、電解質は、基板として用いられるため、ある程度の強度が必要であることから、その厚みは、例えば200〜1000μmであることが好ましいことが知られている。また、多孔質な燃料極を予め形成しておき、その後、緻密な電解質膜をその上面に形成する方法も知られている。しかしながら、いずれの方法により固体酸化物形燃料電池を製造する場合も、電解質膜を例えば数ミクロンからサブミクロン程度といった厚みまで薄く形成することは大変困難であるのが実状であった。
本発明の課題は、電解質膜が薄く形成された燃料電池及びその製造方法を提供することである。
By the way, when a solid oxide fuel cell is manufactured by the above-mentioned method, since the electrolyte is used as a substrate, a certain degree of strength is required. Therefore, the thickness is preferably, for example, 200 to 1000 μm. It has been known. A method is also known in which a porous fuel electrode is formed in advance and then a dense electrolyte membrane is formed on the upper surface thereof. However, even when a solid oxide fuel cell is manufactured by any method, it is actually difficult to form a thin electrolyte membrane to a thickness of, for example, several microns to about a submicron.
An object of the present invention is to provide a fuel cell having a thin electrolyte membrane and a method for manufacturing the fuel cell.

請求項1記載の発明に係る燃料電池は、
イオンを通す電解質膜と、当該電解質膜の一方の面に形成された燃料極と、前記電解質膜の他方の面に形成された空気極とを備え、
前記燃料極は、多孔質なNiを主成分として含み、なおかつ前記電解質膜に含まれる酸化物を含まないことを特徴としている。
A fuel cell according to claim 1 is provided.
An electrolyte membrane through which ions pass, a fuel electrode formed on one surface of the electrolyte membrane, and an air electrode formed on the other surface of the electrolyte membrane,
The fuel electrode includes porous Ni as a main component and does not include an oxide included in the electrolyte membrane.

請求項2記載の発明は、請求項1に記載の燃料電池において、
前記燃料極は、表面にAlの薄膜が存在していることを特徴としている。
The invention according to claim 2 is the fuel cell according to claim 1,
The fuel electrode is characterized in that an Al 2 O 3 thin film is present on the surface.

請求項3記載の発明は、請求項1又は2記載の燃料電池において、
前記電解質膜は、YSZであることを特徴としている。
The invention according to claim 3 is the fuel cell according to claim 1 or 2, wherein
The electrolyte membrane is YSZ.

請求項4記載の発明は、請求項1〜3のいずれか一項に記載の燃料電池において、
前記空気極は、LSM又はLSCであることを特徴としている。
The invention according to claim 4 is the fuel cell according to any one of claims 1 to 3,
The air electrode is LSM or LSC.

請求項5記載の発明に係る燃料電池の製造方法は、
Niを主成分として含む板状の基体の少なくとも一部に、イオンを通す電解質を含む電解質膜を形成する工程と、
次に、前記電解質膜上の少なくとも一部に、空気極を形成する工程と、
次に、前記基体における前記電解質膜によって覆われていない領域のうち少なくとも一部をアルコールと塩化リチウムとを含む電解液を用いて電解エッチングする工程とを含むことを特徴としている。
A method of manufacturing a fuel cell according to the invention of claim 5 comprises:
Forming an electrolyte membrane containing an electrolyte that allows ions to pass through at least part of a plate-like substrate containing Ni as a main component;
Next, forming an air electrode on at least a part of the electrolyte membrane;
Next, the method includes a step of electrolytically etching at least a part of a region of the substrate that is not covered with the electrolyte membrane using an electrolytic solution containing alcohol and lithium chloride.

請求項6記載の発明は、請求項5記載の燃料電池の製造方法において、
前記電解質膜を形成する工程は、
前記基体の表面のうち前記電解質膜及び空気極を形成する部分にYSZ膜を形成する工程を含み、
前記空気極を形成する工程は、
前記YSZ膜における前記基体とは反対側の面にLSM膜又はLSC膜を形成する工程を含むことを特徴としている。
A sixth aspect of the present invention is the method of manufacturing a fuel cell according to the fifth aspect,
The step of forming the electrolyte membrane includes:
Including a step of forming a YSZ film on a portion of the surface of the substrate where the electrolyte film and the air electrode are formed,
The step of forming the air electrode includes:
The method includes a step of forming an LSM film or an LSC film on a surface of the YSZ film opposite to the base.

請求項7記載の発明は、請求項5又は6記載の燃料電池の製造方法において、
前記空気極を形成する工程の後であって、前記電解エッチングする工程の前に、前記基体における前記電解質膜によって覆われていない領域のうち少なくとも一部にNiCr膜を形成する工程を含み、
前記電解エッチングする工程は、前記基体のNiCr膜が形成された部分の少なくとも一部をエッチングすることを特徴としている。
The invention according to claim 7 is the method of manufacturing a fuel cell according to claim 5 or 6,
After the step of forming the air electrode, and before the step of electrolytic etching, including a step of forming a NiCr film on at least a part of a region of the substrate that is not covered with the electrolyte film,
The electrolytic etching step is characterized in that at least a part of a portion of the base on which the NiCr film is formed is etched.

請求項8記載の発明は、請求項5又は6に記載の燃料電池の製造方法において、
前記電解質膜及び前記空気極を形成する工程の後であって、前記電解エッチングする工程の前に、前記基体における前記電解質膜によって覆われていない領域のうち少なくとも一部にAl膜を形成する工程を含み、
前記電解エッチングする工程は、前記基体のAl膜が形成された部分の少なくとも一部をエッチングすることを特徴としている。
Invention of Claim 8 is a manufacturing method of the fuel cell of Claim 5 or 6,
After the step of forming the electrolyte membrane and the air electrode, and before the step of electrolytic etching, an Al 2 O 3 film is formed on at least a part of a region of the substrate that is not covered with the electrolyte membrane. Including the step of forming,
The electrolytic etching step is characterized in that at least a part of the portion of the substrate on which the Al 2 O 3 film is formed is etched.

請求項9記載の発明は、請求項5〜8のいずれか一項に記載の燃料電池の製造方法において、
前記電解エッチングする工程は、少なくとも前記空気極を覆うようにマスクを形成する工程を含むことを特徴としている。
The invention according to claim 9 is the method of manufacturing a fuel cell according to any one of claims 5 to 8,
The electrolytic etching step includes a step of forming a mask so as to cover at least the air electrode.

請求項10記載の発明は、請求項5〜8のいずれか一項に記載の燃料電池の製造方法において、
前記電解エッチングする工程は、前記基体における前記電解質膜及び前記空気極が形成された領域を除く部分のうち少なくとも一部を前記電解液に浸漬する工程を含むことを特徴としている。
Invention of Claim 10 is a manufacturing method of the fuel cell as described in any one of Claims 5-8,
The step of performing the electrolytic etching includes a step of immersing at least a part of the portion of the substrate excluding the region where the electrolyte membrane and the air electrode are formed in the electrolytic solution.

本発明によれば、電解質膜が薄く形成された固体酸化物型燃料電池及びその製造方法を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a solid oxide fuel cell having a thin electrolyte membrane and a method for manufacturing the same.

以下に、本発明を実施するための最良の形態について図面を用いて説明する。ただし、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、発明の範囲を以下の実施形態及び図示例に限定するものではない。   The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings. However, although various technically preferable limitations for implementing the present invention are given to the embodiments described below, the scope of the invention is not limited to the following embodiments and illustrated examples.

〔電子機器〕
図1は燃料電池装置1を搭載した携帯用の電子機器100を示すブロック図である。この電子機器100は、例えばノート型パーソナルコンピュータ、PDA、電子手帳、デジタルカメラ、携帯電話機、腕時計、レジスタ及びプロジェクタ等といった携帯型の電子機器である。
〔Electronics〕
FIG. 1 is a block diagram showing a portable electronic device 100 equipped with a fuel cell device 1. The electronic device 100 is a portable electronic device such as a notebook personal computer, a PDA, an electronic notebook, a digital camera, a mobile phone, a wristwatch, a register, and a projector.

電子機器100は、電子機器本体901、DC/DCコンバータ902、二次電池903等と、燃料電池装置1とを備える。
電子機器本体901はDC/DCコンバータ902または二次電池903により供給される電力により駆動する。DC/DCコンバータ902は燃料電池装置1により生成された電力を適切な電圧に変換したのちに電子機器本体901に供給する。また、DC/DCコンバータ902は燃料電池装置1により生成された電力を二次電池903に充電し、燃料電池装置1が動作していない時に、二次電池903に蓄電された電力を電子機器本体901に供給する。
The electronic device 100 includes an electronic device main body 901, a DC / DC converter 902, a secondary battery 903, and the like, and the fuel cell device 1.
The electronic device main body 901 is driven by electric power supplied from the DC / DC converter 902 or the secondary battery 903. The DC / DC converter 902 converts the electric power generated by the fuel cell device 1 into an appropriate voltage and then supplies it to the electronic device main body 901. In addition, the DC / DC converter 902 charges the secondary battery 903 with the power generated by the fuel cell device 1, and when the fuel cell device 1 is not operating, the power stored in the secondary battery 903 is used as the electronic device main body. 901 is supplied.

〔燃料電池装置〕
この燃料電池装置1は、燃料容器2、ポンプ3、反応装置10等を備える。燃料電池装置1の燃料容器2は、例えば電子機器100に対して着脱可能に設けられており、ポンプ3、反応装置10は、例えば電子機器100の本体に内蔵されている。
[Fuel cell device]
The fuel cell device 1 includes a fuel container 2, a pump 3, a reaction device 10, and the like. The fuel container 2 of the fuel cell device 1 is detachably provided, for example, with respect to the electronic device 100, and the pump 3 and the reaction device 10 are incorporated in the main body of the electronic device 100, for example.

燃料容器2には、液体の燃料(例えば、メタノール等の炭化水素系燃料)と水との混合液が貯留されている。なお、液体の燃料と水とを別々の容器に貯留してもよい。
ポンプ3は、燃料容器2内の混合液を吸引して、反応装置10内の気化器4に送液するものである。
The fuel container 2 stores a liquid mixture of liquid fuel (for example, hydrocarbon fuel such as methanol) and water. Liquid fuel and water may be stored in separate containers.
The pump 3 sucks the liquid mixture in the fuel container 2 and sends it to the vaporizer 4 in the reaction apparatus 10.

反応装置10内には気化器4、改質器6、発電セル8及び触媒燃焼器9が収容されている。反応装置10の内部空間は、気体分子による熱伝導や対流を防ぐため、例えば10Pa以下、より好ましくは1Pa以下といった、大気圧より低い気圧に保たれている。
気化器4、改質器6、触媒燃焼器9にはそれぞれ電気ヒータ兼温度センサ4a,6a,9aが設けられている。電気ヒータ兼温度センサ4a,6a,9aの電気抵抗値と温度は、その測定温度範囲において一対一対応するので、この電気ヒータ兼温度センサ4a,6a,9aが気化器4、改質器6、触媒燃焼器9の温度を測定する温度センサとしても機能する。
A vaporizer 4, a reformer 6, a power generation cell 8 and a catalytic combustor 9 are accommodated in the reaction apparatus 10. In order to prevent heat conduction and convection due to gas molecules, the internal space of the reaction apparatus 10 is maintained at a pressure lower than the atmospheric pressure, for example, 10 Pa or less, more preferably 1 Pa or less.
The vaporizer 4, the reformer 6, and the catalytic combustor 9 are provided with electric heaters and temperature sensors 4a, 6a, and 9a, respectively. Since the electric resistance values and temperatures of the electric heater / temperature sensors 4a, 6a, 9a have a one-to-one correspondence in the measurement temperature range, the electric heater / temperature sensors 4a, 6a, 9a are connected to the vaporizer 4, the reformer 6, It also functions as a temperature sensor that measures the temperature of the catalytic combustor 9.

ポンプ3から気化器4に送られた混合液は電気ヒータ兼温度センサ4aの熱や触媒燃焼器9から伝播した熱により約110〜160℃程度に加熱されて気化し、混合気が生成される。気化器4で生成された混合気(反応物)は改質器6へ送られる。   The liquid mixture sent from the pump 3 to the vaporizer 4 is heated to about 110 to 160 ° C. by the heat of the electric heater / temperature sensor 4a or the heat propagated from the catalyst combustor 9, and is vaporized to generate a mixture. . The air-fuel mixture (reactant) generated in the vaporizer 4 is sent to the reformer 6.

改質器6は、本発明に係る反応器である。図2は改質器6の概略構成を示す分解斜視図である。図2に示すように、改質器6の本体(反応器本体)61は、一面で開口した箱体62と、箱体62の開口を閉塞する底板63と、箱体62及び底板63によって形成された内部空間に収容され、その内部空間を仕切る複数の仕切板(触媒)65〜71と、を備える。箱体62及び底板63はステンレス綱といった金属材料から形成されている。なお、仕切板65〜71の形成材料についての詳細は後述するが、主材料はNi鋼である。   The reformer 6 is a reactor according to the present invention. FIG. 2 is an exploded perspective view showing a schematic configuration of the reformer 6. As shown in FIG. 2, a main body (reactor main body) 61 of the reformer 6 is formed by a box body 62 opened on one surface, a bottom plate 63 closing the opening of the box body 62, and the box body 62 and the bottom plate 63. And a plurality of partition plates (catalysts) 65 to 71 that are accommodated in the internal space and partition the internal space. The box 62 and the bottom plate 63 are made of a metal material such as stainless steel. In addition, although the detail about the formation material of the partition plates 65-71 is mentioned later, the main material is Ni steel.

インレットポート72が底板63の四つ角のうち1つの角73の近傍に形成され、アウトレットポート74がその隣の角75に形成されている。インレットポート72、アウトレットポート74は底板63を貫通した孔である。   An inlet port 72 is formed in the vicinity of one corner 73 of the four corners of the bottom plate 63, and an outlet port 74 is formed in the corner 75 adjacent thereto. The inlet port 72 and the outlet port 74 are holes that penetrate the bottom plate 63.

仕切板65〜71がL字状に折り曲げられており、これによりフランジ65a〜71a(フランジ70a,71aは不図示)が仕切板65〜71の一辺に形成されている。フランジ65a〜71aが底板63の一方の面に接合されることによって、仕切板65a〜71aが底板63に対して直角に立った状態で底板63の一方の面に設けられている。   The partition plates 65 to 71 are bent in an L shape, whereby flanges 65 a to 71 a (flanges 70 a and 71 a are not shown) are formed on one side of the partition plates 65 to 71. By joining the flanges 65 a to 71 a to one surface of the bottom plate 63, the partition plates 65 a to 71 a are provided on one surface of the bottom plate 63 while standing at a right angle to the bottom plate 63.

仕切板65〜71は底板63の四辺631〜634のうち向かい合う2つの辺633,634に平行となるように配置されている。また、仕切板65〜68はそれらと平行でない1つの辺631寄りに設けられ、仕切板69〜71がその辺631の対辺632寄りに設けられ、仕切板65〜68と仕切板69〜71が互い違いに配置されている。   The partition plates 65 to 71 are arranged so as to be parallel to two opposite sides 633 and 634 of the four sides 631 to 634 of the bottom plate 63. The partition plates 65 to 68 are provided near one side 631 that is not parallel to them, the partition plates 69 to 71 are provided near the opposite side 632 of the side 631, and the partition plates 65 to 68 and the partition plates 69 to 71 are provided. They are staggered.

完成された反応器6では、仕切板65〜71が箱体62に入り込むようにして、底板63が箱体62の開口を塞ぎ、底板63が箱体62に接合されている。仕切板65〜68における底板63に対して直角な辺のうち、底板63の辺631に近い方の辺が箱体62の4つの側壁のうち底板63の辺631に沿って配置された1つ側壁621に当接し、底板63の辺632に近い方の辺が底板63の辺632に沿って配置された対向の側壁622から離れている。仕切り板69〜71における底板63に対して直角な辺のうち底板63の辺632に近い方の辺が側壁622に当接し、底板63の辺631に近い方の辺が側壁621から離れている。仕切板65〜68のうち側壁621と当接する辺と側壁621とは接合されていてもよい。仕切板69〜71のうち側壁632と当接する辺と側壁632とも同様である。   In the completed reactor 6, the partition plates 65 to 71 enter the box body 62, the bottom plate 63 blocks the opening of the box body 62, and the bottom plate 63 is joined to the box body 62. Of the sides perpendicular to the bottom plate 63 in the partition plates 65 to 68, one side closer to the side 631 of the bottom plate 63 is arranged along the side 631 of the bottom plate 63 among the four side walls of the box 62. The side that is in contact with the side wall 621 and is closer to the side 632 of the bottom plate 63 is separated from the opposing side wall 622 that is disposed along the side 632 of the bottom plate 63. Of the sides perpendicular to the bottom plate 63 in the partition plates 69 to 71, the side closer to the side 632 of the bottom plate 63 contacts the side wall 622, and the side closer to the side 631 of the bottom plate 63 is separated from the side wall 621. . Of the partition plates 65 to 68, the side that contacts the side wall 621 and the side wall 621 may be joined. The same applies to the side wall 632 and the side that contacts the side wall 632 among the partition plates 69 to 71.

箱体62及び底板63によって包囲された内部空間が仕切板65〜71によって仕切られることによって、その内部空間に流路95が形成される。仕切板65〜68と仕切板69〜71が互い違いに配置されているので、内部の流路95は蛇行した流路となる。   The internal space surrounded by the box body 62 and the bottom plate 63 is partitioned by the partition plates 65 to 71, whereby a flow path 95 is formed in the internal space. Since the partition plates 65 to 68 and the partition plates 69 to 71 are alternately arranged, the internal flow path 95 is a meandering flow path.

仕切板65〜71における底板63の辺633,634に対して平行な2つの主面には多孔質部90が形成されている。この多孔質部90は図面上均等な升目で表現しているが実際には不規則な凹凸となっている。多孔質部90では、触媒としてのNi基体が露出している。これにより、流路95を通過する混合気(反応物)がNiに触れて触媒反応を起こすことになる。燃料と水の混合気とによる改質反応によって燃料としての水素、二酸化炭素及び副生成物である微量な一酸化炭素等の混合気体(改質ガス)が生成される。なお、燃料がメタノールの場合、改質器6では主に次式(1)に示すような水蒸気改質反応が起こる。   Porous portions 90 are formed on two main surfaces of the partition plates 65 to 71 parallel to the sides 633 and 634 of the bottom plate 63. The porous portion 90 is represented by uniform grids in the drawing, but actually has irregular irregularities. In the porous portion 90, the Ni base as a catalyst is exposed. As a result, the air-fuel mixture (reactant) passing through the flow path 95 comes into contact with Ni to cause a catalytic reaction. A gas mixture (reformed gas) such as hydrogen as a fuel, carbon dioxide, and a small amount of carbon monoxide as a by-product is generated by a reforming reaction between the fuel and water mixture. When the fuel is methanol, the reformer 6 mainly performs a steam reforming reaction as shown in the following formula (1).

CHOH+HO→3H+CO …(1) CH 3 OH + H 2 O → 3H 2 + CO 2 (1)

一酸化炭素は化学反応式(1)についで逐次的に起こる次式(2)のような式によって微量に副生される。   Carbon monoxide is by-produced in a trace amount by an equation such as the following equation (2) that occurs sequentially following the chemical reaction equation (1).

+CO→HO+CO …(2) H 2 + CO 2 → H 2 O + CO (2)

化学反応式(1)、(2)により生成された改質ガスは発電セル8に送出される。
図3は発電セル8の模式図である。図3に示すように、発電セル8は、本発明に係る電解質膜である固体酸化物型電解質81と、固体酸化物型電解質81の両面に形成された燃料極82(アノード)及び空気極83(カソード)と、燃料極82に接合してその接合面に流路86を形成したアノード集電極84と、空気極83に接合してその接合面に流路87を形成したカソード集電極85とを備える。また、発電セル8は筐体91内に収容される。
The reformed gas generated by the chemical reaction formulas (1) and (2) is sent to the power generation cell 8.
FIG. 3 is a schematic diagram of the power generation cell 8. As shown in FIG. 3, the power generation cell 8 includes a solid oxide electrolyte 81 that is an electrolyte membrane according to the present invention, and a fuel electrode 82 (anode) and an air electrode 83 formed on both surfaces of the solid oxide electrolyte 81. (Cathode), an anode collector electrode 84 joined to the fuel electrode 82 and having a flow path 86 formed on its joint surface, and a cathode collector electrode 85 joined to the air electrode 83 and formed with a flow path 87 on its joint surface Is provided. The power generation cell 8 is accommodated in the housing 91.

固体酸化物型電解質81には、ジルコニア系の(Zr1−x)O2−x/2(YSZ)等を、空気極83にはLa1−xSrMnO(LSM)やLa1−xSrCoO(LSC)等を、燃料極82にはNi等を、アノード集電極84及びカソード集電極85にはLaCr(Mg)O、(La,Sr)CrO、NiAl+Al等を、それぞれ用いることができる。なお、後述するが、従来、燃料極には構造上の理由によりNi+YSZ等が用いられていた。 The solid oxide electrolyte 81 is made of zirconia-based (Zr 1-x Y x ) O 2-x / 2 (YSZ) or the like, and the air electrode 83 is made of La 1-x Sr x MnO 3 (LSM) or La. 1-x Sr x CoO 3 (LSC) or the like, Ni or the like for the fuel electrode 82, LaCr (Mg) O 3 , (La, Sr) CrO 3 , NiAl + Al 3 for the anode collector electrode 84 and the cathode collector electrode 85. O 3 or the like can be used respectively. As will be described later, Ni + YSZ or the like has conventionally been used for the fuel electrode for structural reasons.

発電セル8は電気ヒータ兼温度センサ9aや触媒燃焼器9の熱により約500〜1000℃程度に加熱され、後述する反応が起こる。   The power generation cell 8 is heated to about 500 to 1000 ° C. by the heat of the electric heater / temperature sensor 9a and the catalytic combustor 9, and the reaction described later takes place.

空気極83にはカソード集電極85の流路87を介して空気が送られる。空気極83では酸素とカソード出力電極21bより供給される電子により、次式(3)に示すように酸素イオンが生成される。   Air is sent to the air electrode 83 via the flow path 87 of the cathode collector electrode 85. In the air electrode 83, oxygen ions are generated by oxygen and electrons supplied from the cathode output electrode 21b as shown in the following equation (3).

+4e→2O …(3) O 2 + 4e → 2O 2 (3)

固体酸化物型電解質81は酸素イオンの透過性を有し、空気極83で化学反応式(3)により生成された酸素イオンを透過させて燃料極82に到達させる。
燃料極82にはアノード集電極84の流路86を介して改質器6から排出された改質ガスが送られる。燃料極82では固体酸化物型電解質81を透過した酸素イオンと改質ガスとの次式(4)、(5)のような反応が起こる。
The solid oxide electrolyte 81 has oxygen ion permeability, and allows the oxygen ions generated by the chemical reaction formula (3) to pass through the air electrode 83 to reach the fuel electrode 82.
The reformed gas discharged from the reformer 6 is sent to the fuel electrode 82 through the flow path 86 of the anode collector electrode 84. In the fuel electrode 82, a reaction represented by the following equations (4) and (5) occurs between oxygen ions that have permeated the solid oxide electrolyte 81 and the reformed gas.

+O →HO+2e …(4)
CO+O →CO+2e …(5)
H 2 + O 2 → H 2 O + 2e (4)
CO + O 2 → CO 2 + 2e (5)

化学反応式(4)、(5)により放出される電子は、燃料極82、アノード出力電極21a、DC/DCコンバータ902等の外部回路を経てカソード出力電極21bより空気極83に供給される。   Electrons emitted by the chemical reaction formulas (4) and (5) are supplied to the air electrode 83 from the cathode output electrode 21b through external circuits such as the fuel electrode 82, the anode output electrode 21a, and the DC / DC converter 902.

アノード集電極84及びカソード集電極85には、アノード出力電極21a、カソード出力電極21bがそれぞれ接続され、筐体91を貫通して引き出される。ここで、筐体91は例えばNi系の合金で形成され、アノード出力電極21a及びカソード出力電極21bはガラス、セラミック等の絶縁材により筐体91から絶縁されて引き出される。図1に示すように、アノード出力電極21a及びカソード出力電極21bは、例えばDC/DCコンバータ902に接続される。   An anode output electrode 21 a and a cathode output electrode 21 b are connected to the anode collector electrode 84 and the cathode collector electrode 85, respectively, and are drawn out through the housing 91. Here, the casing 91 is made of, for example, a Ni-based alloy, and the anode output electrode 21a and the cathode output electrode 21b are insulated from the casing 91 and drawn out by an insulating material such as glass or ceramic. As shown in FIG. 1, the anode output electrode 21a and the cathode output electrode 21b are connected to, for example, a DC / DC converter 902.

アノード集電極84の流路を通過した改質ガス(オフガス)には、未反応の水素、水蒸気及び二酸化炭素が含まれている。オフガスは触媒燃焼器9に供給される。   The reformed gas (off gas) that has passed through the flow path of the anode collector electrode 84 contains unreacted hydrogen, water vapor, and carbon dioxide. The off gas is supplied to the catalytic combustor 9.

触媒燃焼器9には、オフガスとともに、カソード集電極85の流路87を通過した空気が供給される。空気は未反応の酸素を含む。触媒燃焼器9の内部には流路が形成され、その流路の壁面にPt系の触媒が担持されている。   Air that has passed through the flow path 87 of the cathode collector electrode 85 is supplied to the catalytic combustor 9 together with the off-gas. Air contains unreacted oxygen. A flow path is formed inside the catalytic combustor 9, and a Pt-based catalyst is supported on the wall surface of the flow path.

オフガスと空気の混合気体(燃焼ガス)は触媒燃焼器9の流路を流れ、電気ヒータ兼温度センサ9aにより加熱される。触媒燃焼器9の流路を流れている燃焼ガスのうち水素が触媒により燃焼され、これにより燃焼熱が発生する。水蒸気と二酸化炭素を含む燃焼後の排ガスは触媒燃焼器9から反応装置10の外部に放出される。   A mixed gas (combustion gas) of off gas and air flows through the flow path of the catalytic combustor 9 and is heated by the electric heater / temperature sensor 9a. Of the combustion gas flowing through the flow path of the catalytic combustor 9, hydrogen is combusted by the catalyst, thereby generating combustion heat. The exhaust gas after combustion containing water vapor and carbon dioxide is discharged from the catalytic combustor 9 to the outside of the reaction apparatus 10.

この触媒燃焼器9で発生した燃焼熱は発電セル8の温度を高温(約500〜1000℃程度)に維持するのに用いられる。そして、発電セル8の熱は、改質器6、気化器4に伝導し、気化器4における蒸発、改質器6における水蒸気改質反応に用いられる。   The combustion heat generated in the catalytic combustor 9 is used to maintain the temperature of the power generation cell 8 at a high temperature (about 500 to 1000 ° C.). The heat of the power generation cell 8 is conducted to the reformer 6 and the vaporizer 4 and used for evaporation in the vaporizer 4 and a steam reforming reaction in the reformer 6.

[改質器における触媒の製造方法]
次に、改質器6における触媒の製造方法について説明する。この触媒の製造方法については、Ni基体に対して直接電解エッチングを施す方法(第1の触媒製造方法)、Ni基体にNiCr膜を形成した後に電解エッチングを施す方法(第2の触媒製造方法)及びNi基体にAl膜を形成した後に電解エッチングを施す方法(第3の触媒製造方法)があり、以下順番に説明する。
[Method for producing catalyst in reformer]
Next, a method for producing a catalyst in the reformer 6 will be described. As for the production method of this catalyst, a method of directly performing electrolytic etching on a Ni substrate (first catalyst production method), a method of performing electrolytic etching after forming a NiCr film on the Ni substrate (second catalyst production method) In addition, there is a method (third catalyst production method) in which electrolytic etching is performed after an Al 2 O 3 film is formed on a Ni substrate, which will be described in order below.

[第1の触媒製造方法]
図4は、第1の触媒製造方法で用いられるエッチング装置の概略構成を示す概念図である。図4に示すように、エッチング装置200には、容器201と、DC電源202とが備えられている。DC電源202のアノード側にはエッチングされる部材としてのNi基体203aが、カソード側には例えば金系材料等からなる貴金属板204が接続されている。容器201内にはNi基体203aと貴金属板204とが対向するように収容されていて、これらが浸かるように電解液205が収容されている。
[First Catalyst Production Method]
FIG. 4 is a conceptual diagram showing a schematic configuration of an etching apparatus used in the first catalyst manufacturing method. As shown in FIG. 4, the etching apparatus 200 includes a container 201 and a DC power source 202. A Ni base 203a as a member to be etched is connected to the anode side of the DC power source 202, and a noble metal plate 204 made of, for example, a gold-based material is connected to the cathode side. In the container 201, the Ni base body 203a and the noble metal plate 204 are accommodated so as to face each other, and an electrolytic solution 205 is accommodated so that they are immersed.

電解液205は、アルコール(例えばエタノール)を溶媒にして、所定量の塩化リチウムを溶解させたものである。
Ni基体203aは、仕切板65〜71となるものであり、電解液205に浸される前には、多孔質部90となる部分以外の領域は電解液205に接触しないようにマスクされている。なお、Ni基体203aは、触媒として作用するNiを主成分として含む基体であればよい。この場合、固体酸化物型電解質81に含まれる酸化物を含んでいなくともよい。
そして、電解液205内でNi基体203aと貴金属板204とが対向配置されてから、DC電源202により、Ni基体203aと貴金属板204間に直流電圧を印加する。これにより、Ni基体203aの表面、具体的には多孔質部90となる部分の表面は電解エッチングされて、多孔質化することになる。上述の方法によれば、Niを主成分として含み、固体酸化物型電解質81に含まれる酸化物を含まない触媒を製造することができる。
The electrolytic solution 205 is obtained by dissolving a predetermined amount of lithium chloride using alcohol (for example, ethanol) as a solvent.
The Ni base body 203 a becomes the partition plates 65 to 71, and before being immersed in the electrolytic solution 205, the region other than the portion that becomes the porous portion 90 is masked so as not to contact the electrolytic solution 205. . Note that the Ni substrate 203a may be any substrate that includes Ni as a main component acting as a catalyst. In this case, the oxide contained in the solid oxide electrolyte 81 may not be included.
Then, after the Ni base 203 a and the noble metal plate 204 are disposed to face each other in the electrolytic solution 205, a DC voltage is applied between the Ni base 203 a and the noble metal plate 204 by the DC power source 202. As a result, the surface of the Ni substrate 203a, specifically, the surface of the portion that becomes the porous portion 90 is electrolytically etched to become porous. According to the above-described method, a catalyst that contains Ni as a main component and does not contain an oxide contained in the solid oxide electrolyte 81 can be produced.

[第2の触媒製造方法]
図5(a)〜(c)は、第2の触媒製造方法を実行した際のNi基体203bの状態変動を示す模式断面図である。図5(a)及び(b)に示すように、第2の触媒製造方法では、まず加工前のNi基体203bの両面に対して、周知のスパッタリング法により、NiCr膜206を形成する。スパッタリング後においてはNiCr膜206のうちCrの分布は不均一であり、NiCr膜206の表面にCrがより多い部分と、より少ない部分とが形成されることになる。
[Second Catalyst Production Method]
FIGS. 5A to 5C are schematic cross-sectional views showing state fluctuations of the Ni base 203b when the second catalyst production method is executed. As shown in FIGS. 5A and 5B, in the second catalyst manufacturing method, first, NiCr films 206 are formed on both surfaces of the Ni base 203b before processing by a well-known sputtering method. After sputtering, the distribution of Cr in the NiCr film 206 is not uniform, and a portion with more Cr and a portion with less Cr are formed on the surface of the NiCr film 206.

製膜後のNi基体203bをエッチング装置200にセットして、第1の触媒製造方法と同様の電解液205により電解エッチングを施す。この際、NiCr膜206のうち、Crがより多い部分ではエッチングされにくく、Crがより少ない部分ではエッチングがされやすい。このため、図5(c)に示すように、Crがより少ない部分でエッチングが進行して孔207が多数形成される。これにより、Ni基体203bが多孔質化することになる。   The Ni substrate 203b after film formation is set in the etching apparatus 200, and electrolytic etching is performed with the same electrolytic solution 205 as in the first catalyst manufacturing method. At this time, in the NiCr film 206, the portion with more Cr is difficult to be etched, and the portion with less Cr is easily etched. For this reason, as shown in FIG. 5C, etching proceeds in a portion where Cr is less and a large number of holes 207 are formed. Thereby, the Ni substrate 203b becomes porous.

なお、ここでの説明では、電解液205が第1の触媒製造方法と同様にエタノールを溶媒にして、所定量の塩化リチウムを溶解させた電解液を例示して説明したが、溶媒としてさらに水が加えられていれば、より効果的な触媒反応を発生させることが可能となる。   In the description here, the electrolytic solution 205 has been described by exemplifying an electrolytic solution in which a predetermined amount of lithium chloride is dissolved using ethanol as a solvent in the same manner as in the first catalyst manufacturing method. If is added, it becomes possible to generate a more effective catalytic reaction.

[第3の触媒製造方法]
図6(a)〜(d)は、第3の触媒製造方法を実行した際のNi基体203cの状態変動を示す模式断面図である。図6(a)及び(b)に示すように、第3の触媒製造方法では、まず加工前のNi基体203cの両面に対して、周知のスパッタリング法により、Al膜208を形成する。
[Third Catalyst Production Method]
FIGS. 6A to 6D are schematic cross-sectional views showing state fluctuations of the Ni base 203c when the third catalyst production method is executed. As shown in FIGS. 6A and 6B, in the third catalyst manufacturing method, first, an Al film 208 is formed on both surfaces of the Ni base 203c before processing by a known sputtering method.

製膜後のNi基体203cに対して周知の陽極酸化処理(例えば益田秀樹,未来材料,5(2005)等)を施すと、図6(c)に示すように、Al膜208は酸化してAl膜209となる。また、陽極酸化によってAl膜208を酸化させる際には、サブミクロン単位の微細孔210が多数規則的に形成されることになる。 When a well-known anodizing process (for example, Hideki Masuda, Future Materials, 5 (2005), etc.) is applied to the Ni substrate 203c after film formation, the Al film 208 is oxidized as shown in FIG. The Al 2 O 3 film 209 is formed. Further, when the Al film 208 is oxidized by anodic oxidation, a large number of fine holes 210 in submicron units are regularly formed.

その後、多孔性のAl膜209が形成されたNi基体203cをエッチング装置200にセットして、第1の触媒製造方法と同様の電解液205により電解エッチングを施す。この際、図6(d)に示すように、Al膜209の微細孔210からエッチングが進行し、Ni基体203cにも孔211が形成される。これにより、Ni基体203cが多孔質化することになる。 Thereafter, the Ni substrate 203c on which the porous Al 2 O 3 film 209 is formed is set in the etching apparatus 200, and electrolytic etching is performed with the electrolytic solution 205 similar to the first catalyst manufacturing method. At this time, as shown in FIG. 6D, etching proceeds from the micro holes 210 of the Al 2 O 3 film 209, and holes 211 are also formed in the Ni base 203c. Thereby, the Ni substrate 203c becomes porous.

[燃料電池の製造方法]
次に、本発明に係る燃料電池としての発電セル8の製造方法について説明する。この発電セル8の製造方法には、NiCrを用いる方法(第1の電池製造方法)と、Alを用いる方法(第2の電池製造方法)とがあり、以下順番に説明する。
[Fuel Cell Manufacturing Method]
Next, a method for manufacturing the power generation cell 8 as a fuel cell according to the present invention will be described. There are two methods for manufacturing the power generation cell 8: a method using NiCr (first battery manufacturing method) and a method using Al (second battery manufacturing method), which will be described in order below.

[第1の電池製造方法]
図7(a)〜(e)は、第1の電池製造方法を実行した際のNi基体203dの状態変動を示す模式断面図である。ここで、各膜の厚みは他の比率であってもよく、図示例に限られるものではない。図7(a)及び(b)に示すように、第1の電池製造方法では、燃料極82となるNi基体203dの一方の面220に、周知のスパッタリング法によりYSZ膜221を形成する。このYSZ膜221が上述の固体酸化物型電解質81となる。
[First Battery Manufacturing Method]
FIGS. 7A to 7E are schematic cross-sectional views showing state fluctuations of the Ni base 203d when the first battery manufacturing method is executed. Here, the thickness of each film may be other ratios, and is not limited to the illustrated example. As shown in FIGS. 7A and 7B, in the first battery manufacturing method, a YSZ film 221 is formed on one surface 220 of the Ni base 203d that becomes the fuel electrode 82 by a known sputtering method. The YSZ film 221 becomes the solid oxide electrolyte 81 described above.

次に、図7(c)に示すように、YSZ膜221の露出している面222、つまりNi基体203dと反対側の面222に、周知の塗布法若しくはスパッタリング法により、LSM膜223を形成する。このLSM膜223が空気極83となる。   Next, as shown in FIG. 7C, an LSM film 223 is formed on the exposed surface 222 of the YSZ film 221, that is, the surface 222 opposite to the Ni base 203d by a known coating method or sputtering method. To do. The LSM film 223 becomes the air electrode 83.

LSM膜223の形成方法である塗布法の一例について説明する。まず1メチル−2ピロリドンからなる溶媒に、La硝酸塩、Sr硝酸塩、Mn硝酸塩を所定量溶かす。この溶液をスピンコートでYSZ膜221の露出している面222に塗布する。塗布後、乾燥させて、結晶化させることで、LSM膜223が形成される。この方式の特性として、LSM膜223の膜厚が100nm程度の場合には表面が滑らかなきれいな膜となる。また、膜厚が200nm程度の場合には表面に気泡が発生するものの、密着性は良好である。この特性を用いることにより、1μm程度の薄膜な多孔質のLSM膜223を形成することが可能となる。   An example of a coating method that is a method of forming the LSM film 223 will be described. First, a predetermined amount of La nitrate, Sr nitrate, and Mn nitrate is dissolved in a solvent composed of 1-methyl-2-pyrrolidone. This solution is applied to the exposed surface 222 of the YSZ film 221 by spin coating. After application, the LSM film 223 is formed by drying and crystallization. As a characteristic of this method, when the film thickness of the LSM film 223 is about 100 nm, it becomes a clean film with a smooth surface. Moreover, when the film thickness is about 200 nm, bubbles are generated on the surface, but the adhesion is good. By using this characteristic, it is possible to form a porous LSM film 223 having a thickness of about 1 μm.

なお、LSM膜223以外にもLSC膜を形成し、そのLSC膜を空気極83とすることも可能である。   It is also possible to form an LSC film other than the LSM film 223 and use the air electrode 83 as the LSC film.

その後、図7(d)に示すように、Ni基体203dの他方の面224に対して、周知のスパッタリング法により、NiCr膜225を形成する。スパッタリング後においてはNiCr膜225のうちCrの分布は不均一となり、NiCr膜225の表面にCrがより多い部分と、より少ない部分とが形成されることになる。   Thereafter, as shown in FIG. 7D, a NiCr film 225 is formed on the other surface 224 of the Ni base 203d by a known sputtering method. After sputtering, the distribution of Cr in the NiCr film 225 becomes non-uniform, and a portion with more Cr and a portion with less Cr are formed on the surface of the NiCr film 225.

NiCr膜225の製膜後、Ni基体203dをエッチング装置200にセットして、第1の触媒製造方法と同様の電解液205により電解エッチングを施す。この際、NiCr膜225のうちCrがより多い部分ではエッチングされにくく、Crがより少ない部分ではエッチングがされやすいために、図7(e)に示すように少ない部分でエッチングが進行して孔226が多数形成されることになる。これにより、Ni基体203dが多孔質化することになる。また、電解エッチングの間、LSM膜223の露出している面、つまりYSZ膜221と反対側の面222は、電解液205に接触しないようにマスクされ、電解エッチング後、このマスクは除去される。   After forming the NiCr film 225, the Ni substrate 203d is set in the etching apparatus 200, and electrolytic etching is performed with the electrolytic solution 205 similar to the first catalyst manufacturing method. At this time, in the NiCr film 225, the portion with more Cr is difficult to be etched, and the portion with less Cr is easy to be etched. Therefore, as shown in FIG. Many will be formed. As a result, the Ni substrate 203d becomes porous. Further, during the electrolytic etching, the exposed surface of the LSM film 223, that is, the surface 222 opposite to the YSZ film 221 is masked so as not to come into contact with the electrolytic solution 205, and this mask is removed after the electrolytic etching. .

なお、ここでの説明では、電解液205が第1の触媒製造方法と同様にエタノールを溶媒にして、所定量の塩化リチウムを溶解させた電解液を例示して説明したが、溶媒としてさらに水が加えられていれば、より効果的な触媒反応を発生させることが可能となる。
そして、燃料極82となるNi基体203dに対してアノード集電極84を接合するとともに、空気極83となるLSM膜223に対してカソード集電極85を接合することで、図3に示すような発電セル8が製造されることになる。
In the description here, the electrolytic solution 205 has been described by exemplifying an electrolytic solution in which a predetermined amount of lithium chloride is dissolved using ethanol as a solvent in the same manner as in the first catalyst manufacturing method. If is added, it becomes possible to generate a more effective catalytic reaction.
Then, the anode collector electrode 84 is joined to the Ni base 203d that becomes the fuel electrode 82, and the cathode collector electrode 85 is joined to the LSM film 223 that becomes the air electrode 83, thereby generating power as shown in FIG. The cell 8 will be manufactured.

[第2の電池製造方法]
図8(a)〜(f)は、第2の電池製造方法を実行した際のNi基体203eの状態変動を示す模式断面図である。ここで、角膜の厚みは他の比率であってもよく、図示例に限るものではない。図8(a)及び(b)に示すように、第2の電池製造方法では、燃料極82となるNi基体203eの一方の面230に、周知のスパッタリング法によりYSZ膜231を形成する。このYSZ膜231が固体酸化物型電解質81となる。
[Second Battery Manufacturing Method]
FIGS. 8A to 8F are schematic cross-sectional views showing state fluctuations of the Ni base 203e when the second battery manufacturing method is executed. Here, the thickness of the cornea may be other ratios and is not limited to the illustrated example. As shown in FIGS. 8A and 8B, in the second battery manufacturing method, a YSZ film 231 is formed on one surface 230 of the Ni base 203e to be the fuel electrode 82 by a known sputtering method. This YSZ film 231 becomes the solid oxide electrolyte 81.

次に、図8(c)に示すように、YSZ膜231の露出している面232、つまりNi基体203eと反対側の面232に、周知の塗布法若しくはスパッタリング法により、LSM膜233を形成する。このLSM膜233が空気極83となる。なお、LSM膜233以外にもLSC膜を形成し、そのLSC膜を空気極83とすることも可能である。   Next, as shown in FIG. 8C, an LSM film 233 is formed on the exposed surface 232 of the YSZ film 231, that is, the surface 232 opposite to the Ni base 203e by a known coating method or sputtering method. To do. The LSM film 233 becomes the air electrode 83. It is also possible to form an LSC film other than the LSM film 233 and use the LSC film as the air electrode 83.

その後、図8(d)に示すように、Ni基体203eの他方の面234に対して、周知のスパッタリング法により、Al膜235を形成する。   Thereafter, as shown in FIG. 8D, an Al film 235 is formed on the other surface 234 of the Ni base 203e by a known sputtering method.

Al膜235の製膜後、Ni基体203eに対して周知の陽極酸化処理を施すと、図8(e)に示すように、Al膜235は酸化してAl膜236となる。また、陽極酸化によってAl膜235を酸化させる際には、サブミクロン単位の微細孔237が多数規則的に形成されることになる。
その後、多孔性のAl膜236が形成されたNi基体203eをエッチング装置200にセットして、第1の触媒製造方法と同様の電解液205により電解エッチングを施す。この際、図8(f)に示すように、Al膜236の微細孔237からエッチングが進行し、Ni基体203eにも孔238が形成される。これにより、Ni基体203eが多孔質化することになる。また、電解エッチングの間、LSM膜223の露出している面、つまりYSZ膜231と反対側の面は、電解液205に接触しないようにマスクされ、電解エッチング後、このマスクは除去される。
When the Ni base 203e is subjected to a known anodizing process after the Al film 235 is formed, the Al film 235 is oxidized to become an Al 2 O 3 film 236 as shown in FIG. Further, when the Al film 235 is oxidized by anodic oxidation, a large number of fine holes 237 in submicron units are regularly formed.
Thereafter, the Ni substrate 203e on which the porous Al 2 O 3 film 236 is formed is set in the etching apparatus 200, and electrolytic etching is performed with the electrolytic solution 205 similar to the first catalyst manufacturing method. At this time, as shown in FIG. 8F, etching proceeds from the fine hole 237 of the Al 2 O 3 film 236, and a hole 238 is also formed in the Ni base 203e. Thereby, the Ni substrate 203e becomes porous. During the electrolytic etching, the exposed surface of the LSM film 223, that is, the surface opposite to the YSZ film 231 is masked so as not to come into contact with the electrolytic solution 205, and this mask is removed after the electrolytic etching.

そして、燃料極82となるNi基体203dに対してアノード集電極84を接合するとともに、空気極83となるLSM膜223に対してカソード集電極85を接合することで、図3に示すような発電セル8が製造されることになる。   Then, the anode collector electrode 84 is joined to the Ni base 203d that becomes the fuel electrode 82, and the cathode collector electrode 85 is joined to the LSM film 223 that becomes the air electrode 83, thereby generating power as shown in FIG. The cell 8 will be manufactured.

以上のように、本実施形態によれば、改質器6の触媒としてのNi基体203a,203b,203cや、発電セルの燃料極82としてのNi基体203d,203eが、アルコールと塩化リチウムとを含有する電解液を用いて電解エッチングされることで、多孔質化されている。これにより、Ni基体203a,203b,203c,203d,203eの表面積を増加させることができ、当該Ni基体203a,203b,203c,203d,203eによる触媒効果を十分得ることができる。   As described above, according to the present embodiment, the Ni bases 203a, 203b, and 203c as the catalyst of the reformer 6 and the Ni bases 203d and 203e as the fuel electrode 82 of the power generation cell contain alcohol and lithium chloride. It is made porous by electrolytic etching using the electrolytic solution contained. Thereby, the surface area of the Ni bases 203a, 203b, 203c, 203d, and 203e can be increased, and the catalytic effect by the Ni bases 203a, 203b, 203c, 203d, and 203e can be sufficiently obtained.

ここで、第2の触媒製造方法や第1の電池製造方法のように、電解エッチングを行う前に、Ni基体203b,203dの表面にNiCr膜206,225を形成する場合には、NiCr膜206,225のうちCrの分布のバラツキを活用して、Ni基体203b,203dに多数の孔207,226を形成することができる。   Here, in the case where the NiCr films 206 and 225 are formed on the surfaces of the Ni bases 203b and 203d before the electrolytic etching, as in the second catalyst manufacturing method and the first battery manufacturing method, the NiCr film 206 is formed. , 225, a large number of holes 207, 226 can be formed in the Ni bases 203b, 203d by utilizing the variation in Cr distribution.

一方、第3の触媒製造方法や、第2の電池製造方法のように、電解エッチングを行う前に、Ni基体203c,203eの表面に多孔性なAl膜209,237を形成する場合には、陽極酸化によりAl膜209,237に形成された規則的な微細孔210,237を活用して、Ni基体203c,203eに多数の孔211,238を形成することができる。 On the other hand, when the porous Al 2 O 3 films 209 and 237 are formed on the surfaces of the Ni bases 203c and 203e before the electrolytic etching, as in the third catalyst manufacturing method and the second battery manufacturing method. In this case, a large number of holes 211 and 238 can be formed in the Ni bases 203c and 203e by utilizing the regular fine holes 210 and 237 formed in the Al 2 O 3 films 209 and 237 by anodic oxidation.

ところで、従来、Ni微粒子と、YSZを用いて燃料極を製造する場合、Niのミクロンオーダーの微細粒子が昇温により互いに焼結して成長してしまうことを防ぐため、NiとYSZとを混合したものを使用していた。このように、NiとYSZを混合していたのは、製造上の理由によるものであり、燃料極としては、本来、YSZは不要である。また、従来、YSZを多孔質化する方法は、通常の製膜方法とは異質であるため、YSZ層自体を薄く形成することは困難であった。これらの理由により、発電セル8全体を薄型化及び小型化することが困難であった。   By the way, conventionally, when a fuel electrode is manufactured using Ni fine particles and YSZ, Ni and YSZ are mixed in order to prevent Ni micron-order fine particles from sintering and growing together with a temperature rise. I was using what I did. The reason why Ni and YSZ are mixed in this way is due to manufacturing reasons, and as a fuel electrode, YSZ is essentially unnecessary. Conventionally, since the method for making YSZ porous is different from the usual film forming method, it has been difficult to form a thin YSZ layer itself. For these reasons, it has been difficult to reduce the thickness and size of the entire power generation cell 8.

一方、上述した第1及び第2の電池製造方法では、Ni基体203d,203eを電解エッチングによって多孔質化するので、YSZが不要である。したがって、YSZ層を多孔質に形成する必要もなくなる。このため、上述したように周知のスパッタリング法等の一般的な製膜方法によって、薄く、緻密なYSZ膜221,231を形成することが可能となる。これにより、従来の多孔質化されたYSZを空気極にした場合に比して、電解質膜であるYSZ膜221,231をより薄く形成することができ、ひいては発電セル8全体の小型化を図ることが可能となる。そして、YSZ膜221,231の薄型化が実現することで、発電セル8を高性能化することができ、また、発電セル8の動作温度をも低温にすることが可能となる。
なお、本発明は上記実施形態に限らず適宜変更可能である。
On the other hand, in the first and second battery manufacturing methods described above, since the Ni bases 203d and 203e are made porous by electrolytic etching, YSZ is unnecessary. Therefore, it is not necessary to form the YSZ layer porous. Therefore, as described above, thin and dense YSZ films 221 and 231 can be formed by a general film forming method such as a well-known sputtering method. As a result, the YSZ films 221 and 231 that are electrolyte films can be formed thinner than in the case where the conventional porous YSZ is used as the air electrode, and thus the entire power generation cell 8 can be reduced in size. It becomes possible. By realizing thinning of the YSZ films 221 and 231, the power generation cell 8 can be improved in performance, and the operating temperature of the power generation cell 8 can be lowered.
Note that the present invention is not limited to the above embodiment, and can be modified as appropriate.

本実施形態に係る燃料電池装置を搭載した携帯用の電子機器を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the portable electronic device carrying the fuel cell apparatus which concerns on this embodiment. 図1の燃料電池装置に備わる改質器の概略構成を示す分解斜視図である。It is a disassembled perspective view which shows schematic structure of the reformer with which the fuel cell apparatus of FIG. 1 is equipped. 図1の燃料電池装置に備わる発電セルの模式図である。It is a schematic diagram of the power generation cell with which the fuel cell apparatus of FIG. 1 is equipped. 第1の触媒製造方法で用いられるエッチング装置の概略構成を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows schematic structure of the etching apparatus used with the 1st catalyst manufacturing method. 第2の触媒製造方法を実行した際のNi基体の状態変動を示す模式断面図であり、(a)は加工前の状態、(b)は製膜後の状態、(c)は電解エッチング後の状態を示している。It is a schematic cross section which shows the state fluctuation | variation of Ni base | substrate at the time of performing the 2nd catalyst manufacturing method, (a) is the state before a process, (b) is the state after film forming, (c) is after electrolytic etching. Shows the state. 第3の触媒製造方法を実行した際のNi基体の状態変動を示す模式断面図であり、(a)は加工前の状態、(b)は製膜後の状態、(c)は陽極酸化後の状態、(d)は電解エッチング後の状態を示している。It is a schematic cross section which shows the state fluctuation | variation of Ni base | substrate at the time of performing the 3rd catalyst manufacturing method, (a) is the state before a process, (b) is the state after film forming, (c) is after anodization (D) shows the state after electrolytic etching. 第1の電池製造方法を実行した際のNi基体の状態変動を示す模式断面図であり、(a)は加工前の状態、(b)はYSZ膜形成後の状態、(c)はLSM膜形成後の状態、(d)はNiCr膜形成後の状態、(e)は電解エッチング後の状態を示している。It is a schematic cross section which shows the state fluctuation | variation of Ni base | substrate at the time of performing a 1st battery manufacturing method, (a) is the state before a process, (b) is the state after YSZ film formation, (c) is an LSM film | membrane. The state after formation, (d) shows the state after forming the NiCr film, and (e) shows the state after electrolytic etching. 第2の電池製造方法を実行した際のNi基体の状態変動を示す模式断面図であり、(a)は加工前の状態、(b)はYSZ膜形成後の状態、(c)はLSM膜形成後の状態、(d)はAl膜形成後の状態、(e)はAl膜形成後の状態、(f)は電解エッチング後の状態を示している。It is a schematic cross section which shows the state fluctuation | variation of Ni base | substrate at the time of performing a 2nd battery manufacturing method, (a) is a state before a process, (b) is a state after YSZ film formation, (c) is an LSM film | membrane. The state after formation, (d) shows the state after the formation of the Al film, (e) shows the state after the formation of the Al 2 O 3 film, and (f) shows the state after the electrolytic etching.

符号の説明Explanation of symbols

1 燃料電池装置
6 改質器(反応器)
8 発電セル(燃料電池)
61 本体(反応器本体)
65〜71 仕切板(触媒)
81 固体酸化物型電解質(電解質膜)
82 燃料極
83 空気極
95 流路
100 電子機器
200 エッチング装置
203a,203b,203c,203d,203e 基体(Ni基体)
205 電解液
206,225 NiCr膜
209,237 Al
221,231 YSZ膜
223,233 LSM膜
1 Fuel cell device 6 Reformer (reactor)
8 Power generation cell (fuel cell)
61 Body (Reactor body)
65-71 Partition plate (catalyst)
81 Solid oxide electrolyte (electrolyte membrane)
82 Fuel electrode 83 Air electrode 95 Flow path 100 Electronic device 200 Etching apparatus 203a, 203b, 203c, 203d, 203e Base (Ni base)
205 Electrolyte 206,225 NiCr film 209,237 Al 2 O 3 film 221,231 YSZ film 223,233 LSM film

Claims (10)

イオンを通す電解質膜と、当該電解質膜の一方の面に形成された燃料極と、前記電解質膜の他方の面に形成された空気極とを備え、
前記燃料極は、多孔質なNiを主成分として含み、なおかつ前記電解質膜に含まれる酸化物を含まないことを特徴とする燃料電池。
An electrolyte membrane through which ions pass, a fuel electrode formed on one surface of the electrolyte membrane, and an air electrode formed on the other surface of the electrolyte membrane,
The fuel electrode according to claim 1, wherein the fuel electrode contains porous Ni as a main component and does not contain an oxide contained in the electrolyte membrane.
請求項1に記載の燃料電池において、
前記燃料極は、表面にAlの薄膜が存在していることを特徴とする燃料電池。
The fuel cell according to claim 1, wherein
The fuel electrode is characterized in that a thin film of Al 2 O 3 is present on the surface thereof.
請求項1又は2記載の燃料電池において、
前記電解質膜は、YSZであることを特徴とする燃料電池。
The fuel cell according to claim 1 or 2,
The fuel cell, wherein the electrolyte membrane is YSZ.
請求項1〜3のいずれか一項に記載の燃料電池において、
前記空気極は、LSM又はLSCであることを特徴とする燃料電池。
In the fuel cell as described in any one of Claims 1-3,
The fuel cell, wherein the air electrode is LSM or LSC.
Niを主成分として含む板状の基体の少なくとも一部に、イオンを通す電解質を含む電解質膜を形成する工程と、
次に、前記電解質膜上の少なくとも一部に、空気極を形成する工程と、
次に、前記基体における前記電解質膜によって覆われていない領域のうち少なくとも一部をアルコールと塩化リチウムとを含む電解液を用いて電解エッチングする工程とを含むことを特徴とする燃料電池の製造方法。
Forming an electrolyte membrane containing an electrolyte that allows ions to pass through at least part of a plate-like substrate containing Ni as a main component;
Next, forming an air electrode on at least a part of the electrolyte membrane;
And a step of electrolytically etching at least a part of a region of the substrate that is not covered with the electrolyte membrane using an electrolytic solution containing alcohol and lithium chloride. .
請求項5記載の燃料電池の製造方法において、
前記電解質膜を形成する工程は、
前記基体の表面のうち前記電解質膜及び空気極を形成する部分にYSZ膜を形成する工程を含み、
前記空気極を形成する工程は、
前記YSZ膜における前記基体とは反対側の面にLSM膜又はLSC膜を形成する工程を含むことを特徴とする燃料電池の製造方法。
In the manufacturing method of the fuel cell according to claim 5,
The step of forming the electrolyte membrane includes:
Including a step of forming a YSZ film on a portion of the surface of the substrate where the electrolyte film and the air electrode are formed,
The step of forming the air electrode includes:
A method of manufacturing a fuel cell, comprising: forming an LSM film or an LSC film on a surface of the YSZ film opposite to the base.
請求項5又は6記載の燃料電池の製造方法において、
前記空気極を形成する工程の後であって、前記電解エッチングする工程の前に、前記基体における前記電解質膜によって覆われていない領域のうち少なくとも一部にNiCr膜を形成する工程を含み、
前記電解エッチングする工程は、前記基体のNiCr膜が形成された部分の少なくとも一部をエッチングすることを特徴とする燃料電池の製造方法。
In the manufacturing method of the fuel cell of Claim 5 or 6,
After the step of forming the air electrode, and before the step of electrolytic etching, including a step of forming a NiCr film on at least a part of a region of the substrate that is not covered with the electrolyte film,
The method of manufacturing a fuel cell, wherein the electrolytic etching step etches at least a part of a portion of the base on which the NiCr film is formed.
請求項5又は6に記載の燃料電池の製造方法において、
前記電解質膜及び前記空気極を形成する工程の後であって、前記電解エッチングする工程の前に、前記基体における前記電解質膜によって覆われていない領域のうち少なくとも一部にAl膜を形成する工程を含み、
前記電解エッチングする工程は、前記基体のAl膜が形成された部分の少なくとも一部をエッチングすることを特徴とする燃料電池の製造方法。
In the manufacturing method of the fuel cell according to claim 5 or 6,
After the step of forming the electrolyte membrane and the air electrode, and before the step of electrolytic etching, an Al 2 O 3 film is formed on at least a part of a region of the substrate that is not covered with the electrolyte membrane. Including the step of forming,
The method of manufacturing a fuel cell, wherein the electrolytic etching step etches at least a part of a portion of the substrate on which the Al 2 O 3 film is formed.
請求項5〜8のいずれか一項に記載の燃料電池の製造方法において、
前記電解エッチングする工程は、少なくとも前記空気極を覆うようにマスクを形成する工程を含むことを特徴とする燃料電池の製造方法。
In the manufacturing method of the fuel cell as described in any one of Claims 5-8,
The electrolytic etching step includes a step of forming a mask so as to cover at least the air electrode.
請求項5〜8のいずれか一項に記載の燃料電池の製造方法において、
前記電解エッチングする工程は、前記基体における前記電解質膜及び前記空気極が形成された領域を除く部分のうち少なくとも一部を前記電解液に浸漬する工程を含むことを特徴とする燃料電池の製造方法。
In the manufacturing method of the fuel cell as described in any one of Claims 5-8,
The electrolytic etching step includes a step of immersing at least a part of the substrate excluding the region where the electrolyte membrane and the air electrode are formed in the electrolytic solution. .
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