JP2023147130A - Thin film type solid oxide fuel cell having stress relaxation structure using porous silicon and method for manufacturing the same - Google Patents

Thin film type solid oxide fuel cell having stress relaxation structure using porous silicon and method for manufacturing the same Download PDF

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Abstract

To provide a thin film type solid oxide fuel cell having a stress relaxation structure of a membrane edge.SOLUTION: A solid oxide fuel cell includes: a silicon substrate; an electrolyte film formed on a first surface of the silicon substrate; a first electrode formed on at least part of the first surface of the electrolyte film; a recess portion formed so as to expose, from a second surface of the silicon substrate that is an opposite surface of the first surface, part of the second surface that opposes the first electrode that is an opposite surface of the first surface of the electrolyte film; and a second electrode formed on the second surface on which at least the electrolyte membrane is exposed. The silicon substrate includes a porous portion formed by porosity at least in the vicinity of an edge of the recess portion.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、多孔性シリコンを用いた応力弛緩構造を有する薄膜型固体酸化物燃料電池及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a thin film solid oxide fuel cell having a stress relaxation structure using porous silicon and a method for manufacturing the same.

固体酸化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell:SOFC)は化学エネルギーを電気エネルギーに変換する高効率のエネルギー変換装置の一種で、電解質として固体酸化物膜を用いる燃料電池である。 A solid oxide fuel cell (SOFC) is a type of highly efficient energy conversion device that converts chemical energy into electrical energy, and is a fuel cell that uses a solid oxide membrane as an electrolyte.

SOFCの電解質膜に用いられる電解質としてはYSZ(Yttria Stabilized Zirconia)が主に用いられ、Micro-electro-mechanical System(MEMS)工程を介して製造する薄膜型(Thinfilm)SOFCはシリコン基板にFree Standing方式で電解質膜と電極を形成する後面エッチングのメンブレン構造を有する(例えば、特許文献1参照)。 As the electrolyte used in the electrolyte membrane of SOFC, YSZ (Yttria Stabilized Zirconia) is mainly used, and thin film SOFCs manufactured through a micro-electro-mechanical system (MEMS) process use a silicon substrate. Free standing method It has a back-etched membrane structure in which an electrolyte membrane and electrodes are formed (for example, see Patent Document 1).

即ち、シリコン基板上に電解質薄膜を形成した後、後面エッチングを介して電解質薄膜の下部を露出した後に、電解質薄膜の上下に電極を形成することで電解質の両面に反応気体が到達できるようにする。 That is, after an electrolyte thin film is formed on a silicon substrate, the lower part of the electrolyte thin film is exposed through backside etching, and then electrodes are formed above and below the electrolyte thin film so that the reactive gas can reach both sides of the electrolyte. .

このように、MEMS基盤の薄膜型SOFCはメンブレンと電極を薄膜で形成することで電解質内のイオン伝導によるオーミック損失を最小化し、低温での動作性能を向上させる長所があるが、動作時に縁の付近に応力が集中し、この付近に位置するセルが損傷する短所がある(例えば、特許文献2参照)。 In this way, MEMS-based thin-film SOFCs have the advantage of minimizing ohmic loss due to ion conduction within the electrolyte by forming membranes and electrodes with thin films, and improving operating performance at low temperatures. There is a disadvantage that stress is concentrated in the vicinity and cells located in this vicinity are damaged (for example, see Patent Document 2).

日本特許公報4、914、831Japanese Patent Publication 4, 914, 831 米国特許公報10、637、088U.S. Patent Publication 10,637,088

本発明は上記に鑑みてなされたものであり、メンブレン縁の応力弛緩構造を有する薄膜型固体酸化物燃料電池を提供することを一つの目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and one object thereof is to provide a thin film solid oxide fuel cell having a stress-relaxing structure at the membrane edge.

さらに、メンブレン縁の応力弛緩構造を有する薄膜型固体酸化物燃料電池の製造方法を提供することをもう一つの目的とする。 Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a thin film solid oxide fuel cell having a stress-relaxing structure at the membrane edge.

本発明の解決課題は以上で言及されたものに限定されず、言及されていない他の解決課題は下記の記載から当該技術分野における通常の知識を有した者に明確に理解できるであろう。 The problems to be solved by the present invention are not limited to those mentioned above, and other problems not mentioned will be clearly understood by those with ordinary knowledge in the technical field from the following description.

本発明の少なくとも一つの実施例においては、シリコン基板と、前記シリコン基板の第1面に形成された電解質膜と、前記電解質膜の第1面の少なくとも一部に形成された第1電極と、前記シリコン基板の前記第1面の反対面である第2面から前記電解質膜の前記第1面の反対面である第2面の前記第1電極に対向する一部が露出するように形成されたリセス部と、少なくとも前記電解質膜の露出した前記第2面に形成された第2電極とを備え、前記シリコン基板は少なくとも前記リセス部の縁の付近に多孔性で形成された多孔質部を含む、固体酸化物燃料電池を提供する。 In at least one embodiment of the present invention, a silicon substrate, an electrolyte membrane formed on a first surface of the silicon substrate, and a first electrode formed on at least a portion of the first surface of the electrolyte membrane, A part of the second surface of the electrolyte membrane opposite to the first surface facing the first electrode is exposed from a second surface of the silicon substrate that is opposite to the first surface. and a second electrode formed on at least the exposed second surface of the electrolyte membrane, and the silicon substrate has a porous portion formed at least near an edge of the recess. A solid oxide fuel cell is provided.

本発明の少なくとも一つの実施例においては、シリコン基板の第1面及び前記第1面の反対面である第2面にそれぞれ誘電体膜を蒸着する工程と、前記第2面に蒸着した誘電体膜を所定のパターンによって除去する工程と、前記第1面に蒸着した前記誘電体膜の第1面に電解質膜を形成する工程と、前記第2面の前記誘電体膜が除去された部分をエッチングし、前記第1面に蒸着した前記誘電体膜が露出するようにリセス部を形成する工程と、前記リセス部を介して露出した前記第1面に蒸着した前記誘電体膜及び前記第2面に残っている前記誘電体膜を除去する工程と、前記シリコン基板の少なくとも前記リセス部の縁の付近を多孔性で形成する工程と、前記電解質膜の第1面の少なくとも一部に第1電極を形成する工程と、前記リセス部を介して露出した前記第1面に蒸着した前記誘電体膜を除去することで露出した前記電解質膜の前記第1面の反対面である第2面に第2電極を形成する工程とを備える、固体酸化物燃料電池の製造方法を提供する。 In at least one embodiment of the present invention, the step of depositing a dielectric film on a first surface and a second surface opposite to the first surface of a silicon substrate, and a step of removing a film in a predetermined pattern, a step of forming an electrolyte film on a first surface of the dielectric film deposited on the first surface, and a step of removing a portion of the second surface from which the dielectric film is removed. etching to form a recess so that the dielectric film deposited on the first surface is exposed; and the dielectric film deposited on the first surface and the second dielectric film exposed through the recess. a step of removing the dielectric film remaining on the surface of the silicon substrate; a step of forming at least the vicinity of the edge of the recessed portion of the silicon substrate to be porous; forming an electrode; and removing the dielectric film deposited on the first surface exposed through the recess, and forming a second surface of the electrolyte membrane that is opposite to the first surface exposed through the recess. and forming a second electrode.

本発明の少なくとも一つの実施例においては、多孔性シリコン基板と、前記多孔性シリコン基板の第1面に形成された電解質膜と、前記電解質膜の第1面の少なくとも一部に形成された第1電極と、前記多孔性シリコン基板の前記第1面の反対面である第2面から前記電解質膜の前記第1面の反対面である第2面の前記第1電極に対向する一部が露出するように形成されたリセス部と、少なくとも前記電解質膜の露出した前記第2面に形成された第2電極とを備える、固体酸化物燃料電池を提供する。 At least one embodiment of the present invention includes a porous silicon substrate, an electrolyte membrane formed on a first surface of the porous silicon substrate, and an electrolyte membrane formed on at least a portion of the first surface of the electrolyte membrane. a second surface of the porous silicon substrate opposite to the first surface, and a portion of the electrolyte membrane facing the first electrode on the second surface opposite to the first surface; A solid oxide fuel cell is provided, comprising an exposed recess portion and a second electrode formed at least on the exposed second surface of the electrolyte membrane.

本発明の少なくとも一つの実施例においては、単結晶シリコン基板の第1面及び前記第1面の反対面である第2面にそれぞれ誘電体膜を蒸着する工程と、前記第2面に蒸着した誘電体膜を所定のパターンによって除去する工程と、前記第1面に蒸着した前記誘電体膜の第1面に電解質膜を形成する工程と、前記第2面の前記誘電体膜が除去された部分をエッチングし、前記第1面に蒸着した前記誘電体膜が露出するようにリセス部を形成する工程と、前記リセス部を介して露出した前記第1面に蒸着した前記誘電体膜及び前記第2面に残っている前記誘電体膜を除去する工程と、前記シリコン基板を多孔性で形成する工程と、前記電解質膜の第1面の少なくとも一部に第1電極を形成する工程と、前記リセス部を介して露出した前記第1面に蒸着した前記誘電体膜を除去することで露出した前記電解質膜の前記第1面の反対面である第2面に第2電極を形成する工程とを備える、固体酸化物燃料電池の製造方法を提供する。 In at least one embodiment of the present invention, the steps include depositing a dielectric film on a first surface and a second surface opposite to the first surface of a single crystal silicon substrate, and depositing a dielectric film on the second surface. a step of removing a dielectric film in a predetermined pattern; a step of forming an electrolyte film on a first surface of the dielectric film deposited on the first surface; and a step of removing the dielectric film on the second surface. forming a recessed portion so that the dielectric film deposited on the first surface is exposed; and the dielectric film deposited on the first surface and the dielectric film exposed through the recessed portion. removing the dielectric film remaining on the second surface; forming the silicon substrate to be porous; and forming a first electrode on at least a portion of the first surface of the electrolyte membrane; forming a second electrode on a second surface opposite to the first surface of the electrolyte membrane exposed by removing the dielectric film deposited on the first surface exposed through the recess; Provided is a method for manufacturing a solid oxide fuel cell, comprising:

本明細書でそれぞれの実施例は互いに独立的に記載されている場合であっても、それぞれの実施例は相互組合せが可能であり、組合せによる実施例も本発明の権利範囲に含まれる。 Even if the embodiments are described independently of each other in this specification, the embodiments can be combined with each other, and embodiments resulting from the combination are also within the scope of the present invention.

上述した要約は単に説明のためのものであり、如何なる形でも限定を意図するものではない。上述した説明様態、実施例、及び特徴に加え、追加の様態、実施例、及び特徴が図面及び詳細な説明を参照することで明確になるはずである。 The above summary is merely illustrative and is not intended to be limiting in any way. In addition to the described aspects, embodiments, and features described above, additional aspects, embodiments, and features will become apparent with reference to the drawings and detailed description.

本発明の少なくとも一つの実施例によれば、メンブレン縁の応力弛緩構造を有する薄膜型固体酸化物燃料電池を提供できるという効果を奏する。 According to at least one embodiment of the present invention, it is possible to provide a thin film solid oxide fuel cell having a stress-relaxing structure at the membrane edge.

さらに、本発明の少なくとも一つの実施例によれば、メンブレン縁の応力弛緩構造を有する薄膜型固体酸化物燃料電池の製造方法を提供できるという効果を奏する。 Furthermore, according to at least one embodiment of the present invention, it is possible to provide a method for manufacturing a thin film solid oxide fuel cell having a stress-relaxing structure at the membrane edge.

本発明の効果は以上で言及されたものなどに限定されず、言及されていない他の効果は下記の記載から当該技術分野における通常の知識を有した者に明確に理解できるはずである。 The effects of the present invention are not limited to those mentioned above, and other effects not mentioned should be clearly understood by those with ordinary knowledge in the technical field from the following description.

本発明の少なくとも一つの実施例に係る薄膜型固体酸化物燃料電池の側断面図である。1 is a side sectional view of a thin film solid oxide fuel cell according to at least one embodiment of the present invention. 本発明の少なくとも一つの実施例に係る薄膜型固体酸化物燃料電池の製造工程を説明するための概略図である。1 is a schematic diagram for explaining a manufacturing process of a thin film solid oxide fuel cell according to at least one embodiment of the present invention.

以下、添付図面を参照し、本発明の少なくとも一つの実施例に係る多孔性シリコンを用いた応力弛緩構造を有する薄膜型固体酸化物燃料電池及びその製造方法について詳しく説明する。 DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a thin film solid oxide fuel cell having a stress relaxation structure using porous silicon and a method for manufacturing the same according to at least one embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

図1は、本発明の少なくとも一つの実施例に係る薄膜型固体酸化物燃料電池100の側断面図である。 FIG. 1 is a side sectional view of a thin film solid oxide fuel cell 100 according to at least one embodiment of the present invention.

図1に示すように、本発明の少なくとも一つの実施例に係る薄膜型固体酸化物燃料電池100は、シリコン基板110、シリコン基板110の第1面(図1に示す例では上面)に形成された電解質膜120、電解質膜120の第1面の少なくとも一部に形成された第1電極130、シリコン基板110の第1面の反対面である第2面(図1に示す例では下面)から電解質膜120の第1面の反対面である第2面の第1電極130に対向する一部が露出するように形成されたリセス部140、及び少なくともリセス部140を介して露出した電解質膜120の第2面に形成された第2電極150で構成される。 As shown in FIG. 1, a thin film solid oxide fuel cell 100 according to at least one embodiment of the present invention includes a silicon substrate 110 formed on a first surface (the upper surface in the example shown in FIG. 1) of the silicon substrate 110. from the electrolyte membrane 120, the first electrode 130 formed on at least a portion of the first surface of the electrolyte membrane 120, and the second surface (lower surface in the example shown in FIG. 1) of the silicon substrate 110, which is the opposite surface to the first surface. A recess 140 formed so that a part of the second surface opposite to the first surface of the electrolyte membrane 120 facing the first electrode 130 is exposed, and the electrolyte membrane 120 exposed through at least the recess 140. The second electrode 150 is formed on the second surface of the substrate.

本発明の少なくとも一つの実施例に係る薄膜型固体酸化物燃料電池100はMEMS基盤の薄膜型SOFCで、メンブレンと電極を薄膜で形成することで電解質内のイオン伝導によるオーミック損失を最小化し、低温での動作性能を向上させる構造を有する。 The thin film solid oxide fuel cell 100 according to at least one embodiment of the present invention is a MEMS-based thin film SOFC, which minimizes ohmic loss due to ion conduction in the electrolyte by forming membranes and electrodes with thin films, and has low temperature. It has a structure that improves operating performance.

動作時にメンブレンの縁の付近(メンブレンにおいてリセス部140の縁の付近)に応力が数中止、この付近に位置するセルが損傷する短所を解決するため、本発明の少なくとも一つの実施例に係る薄膜型固体酸化物燃料電池100はシリコン基板110の少なくともリセス部140の縁の付近に多孔性で形成された多孔質部160を含む。 In order to solve the problem that stress is generated near the edge of the membrane (near the edge of the recessed part 140 in the membrane) during operation, and cells located in this vicinity are damaged, a thin film according to at least one embodiment of the present invention is used. The solid oxide fuel cell 100 includes a porous portion 160 formed at least near the edge of the recessed portion 140 of the silicon substrate 110 .

このように、シリコン基板110の少なくともリセス部140の縁の付近に多孔性で形成された多孔質部160を形成することで、メンブレンの縁の付近(メンブレンにおいてリセス部140の縁の付近)に集中する応力を分散させることができる。 In this way, by forming the porous portion 160 at least near the edge of the recessed portion 140 of the silicon substrate 110, the porous portion 160 is formed near the edge of the membrane (near the edge of the recessed portion 140 in the membrane). Concentrated stress can be dispersed.

図1ではシリコン基板110のリセス部140の縁の付近に多孔性で形成された多孔質部160を形成してメンブレンの縁の付近(メンブレンにおいてリセス部140の縁の付近)に集中する応力を分散させる例を示しているが、シリコン基板110全体を多孔性にしてメンブレンの縁の付近(メンブレンにおいてリセス部140の縁の付近)に集中する応力を分散させることも可能である。 In FIG. 1, a porous portion 160 is formed near the edge of the recessed portion 140 of the silicon substrate 110 to reduce stress concentrated near the edge of the membrane (near the edge of the recessed portion 140 in the membrane). Although an example of dispersion is shown, it is also possible to make the entire silicon substrate 110 porous to disperse stress concentrated near the edge of the membrane (near the edge of the recessed portion 140 in the membrane).

このために、本発明の少なくとも一つの実施例において、薄膜型固体酸化物燃料電池100は、多孔性シリコン基板110、多孔性シリコン基板110の第1面に形成された電解質膜120、電解質膜120の第1面の少なくとも一部に形成された第1電極130、多孔性シリコン基板110の第2面から電解質膜120の第2面の第1電極130に対向する一部が露出するように形成されたリセス部140、及び少なくともリセス部140を介して露出した電解質膜120の第2面に形成された第2電極150で構成される。 To this end, in at least one embodiment of the present invention, the thin film solid oxide fuel cell 100 includes a porous silicon substrate 110, an electrolyte membrane 120 formed on the first surface of the porous silicon substrate 110, and an electrolyte membrane 120 formed on the first surface of the porous silicon substrate 110. The first electrode 130 is formed on at least a portion of the first surface of the porous silicon substrate 110, and a portion of the second surface of the electrolyte membrane 120 facing the first electrode 130 is exposed from the second surface of the porous silicon substrate 110. The second electrode 150 is formed on the second surface of the electrolyte membrane 120 exposed through the recess 140 .

本発明の少なくとも一つの実施例において、電解質膜120はMEMS工程を用いたイオン伝導性セラミック電解質膜で形成することができ、第1電極130及び第2電極150は多孔性白金材質を用いて形成することができる。 In at least one embodiment of the present invention, the electrolyte membrane 120 may be formed using an ion-conducting ceramic electrolyte membrane using a MEMS process, and the first electrode 130 and the second electrode 150 may be formed using a porous platinum material. can do.

本発明の少なくとも一つの実施例において、電解質膜120はイットリア安定化ジルコニア(YSZ)のような個体酸素イオン伝導体またはイットリウムドープドBaZrO(BYZ)のようなプロトン伝導体で形成することができる。 In at least one embodiment of the invention, electrolyte membrane 120 may be formed of a solid oxygen ion conductor such as yttria stabilized zirconia (YSZ) or a proton conductor such as yttrium-doped BaZrO 3 (BYZ). .

図2Aないし図2Gは、本発明の少なくとも一つの実施例に係る薄膜型固体酸化物燃料電池100の製造工程を説明するための概略図である。 2A to 2G are schematic diagrams illustrating a manufacturing process of a thin film solid oxide fuel cell 100 according to at least one embodiment of the present invention.

図2Aに示すように、両面をポリシングしたシリコン基板110の第1面(図2Aに示す例では上面)及び第1面の反対面である第2面(図2Aに示す例では下面)にそれぞれ誘電体膜111及び誘電体膜112を蒸着する。ここで、誘電体膜111及び誘電体膜112にはSiNを用いることができる。 As shown in FIG. 2A, a first surface (top surface in the example shown in FIG. 2A) and a second surface (bottom surface in the example shown in FIG. 2A) opposite to the first surface of the silicon substrate 110, which has been polished on both sides, are respectively coated. A dielectric film 111 and a dielectric film 112 are deposited. Here, SiN can be used for the dielectric film 111 and the dielectric film 112.

その後、図2Bに示すように、第2面に蒸着した誘電体膜112を所定のパターンによって除去する。即ち、第2面に蒸着した誘電体膜に所定のパターンを有するマスクを用いてフォトリソグラフィーを介してSiN誘電体膜112にパターニングをした後に適切なエッチャントを用いたエッチングを介してパターに沿って誘電体膜112を除去する。 Thereafter, as shown in FIG. 2B, the dielectric film 112 deposited on the second surface is removed in a predetermined pattern. That is, the SiN dielectric film 112 is patterned through photolithography using a mask having a predetermined pattern on the dielectric film deposited on the second surface, and then etched along the pattern using an appropriate etchant. Dielectric film 112 is removed.

その後、図2Cに示すように、第1面に蒸着した誘電体膜111の第1面に電解質膜120を形成する。第2面に蒸着した誘電体膜112を所定のパターンによって除去する工程と第1面に蒸着した誘電体膜111の第1面に電解質膜120を形成する工程は順番を逆にしても良い。 Thereafter, as shown in FIG. 2C, an electrolyte film 120 is formed on the first surface of the dielectric film 111 deposited on the first surface. The order of the step of removing the dielectric film 112 deposited on the second surface according to a predetermined pattern and the step of forming the electrolyte film 120 on the first surface of the dielectric film 111 deposited on the first surface may be reversed.

その後、図2Dに示すように、第2面の誘電体膜112が除去された部分をエッチングし、第1面に蒸着した誘電体膜111が露出するようにリセス部140を形成する。このとき、下部からシリコン基板110をエッチングするためにKOH溶液を用いたウェットエッチングを行うことができる。 Thereafter, as shown in FIG. 2D, the portion of the second surface where the dielectric film 112 was removed is etched to form a recessed portion 140 so that the dielectric film 111 deposited on the first surface is exposed. At this time, wet etching using a KOH solution can be performed to etch the silicon substrate 110 from the bottom.

その後、図2Eに示すように、リセス部140を介して露出した第1面に蒸着した誘電体膜111及び第2面に残っている誘電体膜112を除去する。 Thereafter, as shown in FIG. 2E, the dielectric film 111 deposited on the first surface exposed through the recess 140 and the dielectric film 112 remaining on the second surface are removed.

その後、図2Fに示すように、シリコン基板110の少なくともリセス部140の縁の付近を多孔性で形成する。このとき、例えば単結晶シリコンを所定の濃度のフッ酸溶液に浸した後に陽極処理して多孔性シリコンを形成する方法を用いることができる。 Thereafter, as shown in FIG. 2F, at least the vicinity of the edge of the recessed portion 140 of the silicon substrate 110 is made porous. At this time, for example, a method can be used in which single crystal silicon is immersed in a hydrofluoric acid solution of a predetermined concentration and then anodized to form porous silicon.

その後、図2Gに示すように、電解質膜120の第1面の少なくとも一部に第1電極130を形成し、リセス部140を介して露出した第1面に蒸着した誘電体膜111を除去することで露出した電解質膜120の第2面に第2電極150を形成する。 Thereafter, as shown in FIG. 2G, the first electrode 130 is formed on at least a portion of the first surface of the electrolyte membrane 120, and the dielectric film 111 deposited on the first surface exposed through the recess 140 is removed. A second electrode 150 is formed on the second surface of the electrolyte membrane 120 exposed thereby.

このように製造した薄膜型固体酸化物燃料電池100はMEMS基盤の薄膜型SOFCで、メンブレンと電極を薄膜で形成することで電解質内のイオン伝導によるオーミック損失を最小化し、低温での動作性能を向上させることが可能である。 The thin film solid oxide fuel cell 100 manufactured in this way is a MEMS-based thin film SOFC, and by forming the membrane and electrodes with thin films, ohmic loss due to ion conduction in the electrolyte is minimized, and operational performance at low temperatures is improved. It is possible to improve.

動作時にメンブレンの縁の付近(メンブレンにおいてリセス部140の縁の付近)に応力が集中し、この付近に位置するセルが損傷するのを防ぐために、シリコン基板110の少なくともリセス部140の縁の付近に多孔性で形成された多孔質部160を形成することで、メンブレンの縁の付近(メンブレンにおいてリセス部140の縁の付近)に集中する応力を分散させることができる。 In order to prevent stress from concentrating near the edge of the membrane (near the edge of the recessed portion 140 in the membrane) during operation and damaging the cells located near this area, at least the edge of the recessed portion 140 of the silicon substrate 110 is By forming the porous portion 160 which is porous, stress concentrated near the edge of the membrane (near the edge of the recessed portion 140 in the membrane) can be dispersed.

本発明の少なくとも一つの実施例において、電解質膜120はMEMS工程を用いてイオン伝導性セラミック電解質膜として形成することができ、第1電極130及び第2電極150は多孔性白金材質を用いて形成することができる。 In at least one embodiment of the present invention, the electrolyte membrane 120 may be formed as an ion-conducting ceramic electrolyte membrane using a MEMS process, and the first electrode 130 and the second electrode 150 may be formed using a porous platinum material. can do.

本発明の少なくとも一つの実施例において、電解質膜120はイットリア安定化ジルコニア(YSZ)のような個体酸素イオン伝導体またはイットリウムドープドBaZrO(BYZ)のようなプロトン伝導体で形成することができる。 In at least one embodiment of the invention, electrolyte membrane 120 may be formed of a solid oxygen ion conductor such as yttria stabilized zirconia (YSZ) or a proton conductor such as yttrium-doped BaZrO 3 (BYZ). .

図2Aないし図2Gではシリコン基板110のリセス部140の縁の付近に多孔性で形成された多孔質部160を形成してメンブレンの縁の付近(メンブレンにおいてリセス部140の縁の付近)に集中する応力を分散させる例を示しているが、シリコン基板110の全体を多孔性にしてメンブレンの縁の付近(メンブレンにおいてリセス部140の縁の付近)に集中する応力を分散させることも可能である。 In FIGS. 2A to 2G, a porous portion 160 is formed near the edge of the recessed portion 140 of the silicon substrate 110, and the porous portion 160 is concentrated near the edge of the membrane (near the edge of the recessed portion 140 in the membrane). Although an example is shown in which the stress concentrated in the vicinity of the edge of the membrane (near the edge of the recessed portion 140 in the membrane) can be dispersed by making the entire silicon substrate 110 porous, it is also possible to disperse the stress. .

例えば、両面をポリシングした単結晶シリコン基板110の第1面及び第2面にそれぞれ誘電体膜111及び誘電体膜112を蒸着する。ここで、誘電体膜111及び誘電体膜112にはSiNを用いることができる。 For example, a dielectric film 111 and a dielectric film 112 are deposited on the first and second surfaces of a single crystal silicon substrate 110, which has been polished on both sides, respectively. Here, SiN can be used for the dielectric film 111 and the dielectric film 112.

その後、第2面に蒸着した誘電体膜112を所定のパターンによって除去する。即ち、第2面に蒸着した誘電体膜に所定のパターンを有するマスクを用いてフォトリソグラフィーを介してSiN誘電体膜112にパターニングをした後に適切なエッチャントを用いたエッチングを介してパターンに沿って誘電体膜112を除去する。 Thereafter, the dielectric film 112 deposited on the second surface is removed in a predetermined pattern. That is, the SiN dielectric film 112 is patterned through photolithography using a mask having a predetermined pattern on the dielectric film deposited on the second surface, and then etched along the pattern using an appropriate etchant. Dielectric film 112 is removed.

その後、第1面に蒸着した誘電体膜111の第1面に電解質膜120を形成する。第2面に蒸着した誘電体膜112を所定のパターンによって除去する工程と第1面に蒸着した誘電体膜111の第1面に電解質膜120を形成する工程は順番を逆にしても良い。 Thereafter, an electrolyte film 120 is formed on the first surface of the dielectric film 111 deposited on the first surface. The order of the step of removing the dielectric film 112 deposited on the second surface according to a predetermined pattern and the step of forming the electrolyte film 120 on the first surface of the dielectric film 111 deposited on the first surface may be reversed.

その後、第2面の誘電体膜112が除去された部分をエッチングし、第1面に蒸着した誘電体膜111が露出するようにリセス部140を形成する。このとき、下部からシリコン基板110をエッチングするためにKOH溶液を用いたウェットエッチングを行うことができる。 Thereafter, the portion of the second surface where the dielectric film 112 has been removed is etched to form a recessed portion 140 so that the dielectric film 111 deposited on the first surface is exposed. At this time, wet etching using a KOH solution can be performed to etch the silicon substrate 110 from the bottom.

その後、リセス部140を介して露出した第1面に蒸着した誘電体膜111及び第2面に残っている誘電体膜112を除去する。 Thereafter, the dielectric film 111 deposited on the first surface exposed through the recess 140 and the dielectric film 112 remaining on the second surface are removed.

その後、シリコン基板110を多孔性で形成する。このとき、例えば単結晶シリコンを所定の濃度のフッ酸溶液に浸した後に陽極処理して多孔性シリコンを形成する方法を用いることができる。 Thereafter, the silicon substrate 110 is formed to be porous. At this time, for example, a method can be used in which single crystal silicon is immersed in a hydrofluoric acid solution of a predetermined concentration and then anodized to form porous silicon.

その後、電解質膜120の第1面の少なくとも一部に第1電極130を形成し、リセス部140を介して露出した第1面に蒸着した誘電体膜111を除去することで露出した電解質膜120の第2面に第2電極150を形成する。 Thereafter, the first electrode 130 is formed on at least a portion of the first surface of the electrolyte membrane 120, and the dielectric film 111 deposited on the first surface exposed through the recessed portion 140 is removed. A second electrode 150 is formed on the second surface of the substrate.

このように製造した薄膜型固体酸化物燃料電池100はMEMS基盤の薄膜型SOFCで、メンブレンと電極を薄膜で形成することで電解質内のイオン伝導によるオーミック損失を最小化し、低温での動作性能を向上させることが可能である。 The thin film solid oxide fuel cell 100 manufactured in this way is a MEMS-based thin film SOFC, and by forming the membrane and electrodes with thin films, ohmic loss due to ion conduction in the electrolyte is minimized, and operational performance at low temperatures is improved. It is possible to improve.

動作時にメンブレンの縁の付近(メンブレンにおいてリセス部140の縁の付近)に応力が集中し、この付近に位置するセルが損傷するのを防ぐために、シリコン基板110を多孔性で形成することで、メンブレンの縁の付近(メンブレンにおいてリセス部140の縁の付近)に集中する応力を分散させることができる。 In order to prevent stress from concentrating near the edge of the membrane (near the edge of the recessed portion 140 in the membrane) during operation and damaging the cells located near this area, the silicon substrate 110 is made porous. Stress concentrated near the edge of the membrane (near the edge of the recessed portion 140 in the membrane) can be dispersed.

本発明の少なくとも一つの実施例において、電解質膜120はMEMS工程を用いてイオン伝導性セラミック電解質膜として形成することができ、第1電極130及び第2電極150は多孔性白金材質を用いて形成することができる。 In at least one embodiment of the present invention, the electrolyte membrane 120 may be formed as an ion-conducting ceramic electrolyte membrane using a MEMS process, and the first electrode 130 and the second electrode 150 may be formed using a porous platinum material. can do.

本発明の少なくとも一つの実施例において、電解質膜120はイットリア安定化ジルコニア(YSZ)のような個体酸素イオン伝導体またはイットリウムドープドBaZrO(BYZ)のようなプロトン伝導体で形成することができる。 In at least one embodiment of the invention, electrolyte membrane 120 may be formed of a solid oxygen ion conductor such as yttria stabilized zirconia (YSZ) or a proton conductor such as yttrium-doped BaZrO 3 (BYZ). .

以上のように、本発明の少なくとも一つの実施例によれば、多孔性シリコンを用いたメンブレン縁の応力弛緩構造を有する薄膜型固体酸化物燃料電池を提供することができる。 As described above, according to at least one embodiment of the present invention, it is possible to provide a thin film solid oxide fuel cell having a stress relaxation structure at the membrane edge using porous silicon.

さらに、本発明の少なくとも一つの実施例によれば、多孔性シリコンを用いたメンブレン縁の応力弛緩構造を有する薄膜型固体酸化物燃料電池の製造方法を提供することができる。 Further, according to at least one embodiment of the present invention, it is possible to provide a method for manufacturing a thin film solid oxide fuel cell having a stress-relaxing structure at the membrane edge using porous silicon.

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。そのような変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。 Although the present invention has been described above using the embodiments, the technical scope of the present invention is not limited to the range described in the above embodiments. It will be apparent to those skilled in the art that various changes or improvements can be made to the embodiments described above. It is clear from the claims that forms with such changes or improvements may also be included within the technical scope of the present invention.

100:固体酸化物燃料電池
110:シリコン基板
111、112:誘電体膜
120:電解質膜
130:第1電極
140:リセス部
150:第2電極
160:多孔質部
100: Solid oxide fuel cell 110: Silicon substrate 111, 112: Dielectric film 120: Electrolyte membrane 130: First electrode 140: Recessed part 150: Second electrode 160: Porous part

Claims (4)

シリコン基板と、
前記シリコン基板の第1面に形成された電解質膜と、
前記電解質膜の第1面の少なくとも一部に形成された第1電極と、
前記シリコン基板の前記第1面の反対面である第2面から前記電解質膜の前記第1面の反対面である第2面の前記第1電極に対向する一部が露出するように形成されたリセス部と、
少なくとも前記電解質膜の露出した前記第2面に形成された第2電極と
を備え、
前記シリコン基板は少なくとも前記リセス部の縁の付近に多孔性で形成された多孔質部を含む、
固体酸化物燃料電池。
a silicon substrate;
an electrolyte membrane formed on the first surface of the silicon substrate;
a first electrode formed on at least a portion of the first surface of the electrolyte membrane;
A part of the second surface of the electrolyte membrane opposite to the first surface facing the first electrode is exposed from a second surface of the silicon substrate that is opposite to the first surface. a recessed part;
a second electrode formed on at least the exposed second surface of the electrolyte membrane;
The silicon substrate includes a porous portion at least near an edge of the recessed portion.
Solid oxide fuel cell.
シリコン基板の第1面及び前記第1面の反対面である第2面にそれぞれ誘電体膜を蒸着する工程と、
前記第2面に蒸着した誘電体膜を所定のパターンによって除去する工程と、
前記第1面に蒸着した前記誘電体膜の第1面に電解質膜を形成する工程と、
前記第2面の前記誘電体膜が除去された部分をエッチングし、前記第1面に蒸着した前記誘電体膜が露出するようにリセス部を形成する工程と、
前記リセス部を介して露出した前記第1面に蒸着した前記誘電体膜及び前記第2面に残っている前記誘電体膜を除去する工程と、
前記シリコン基板の少なくとも前記リセス部の縁の付近を多孔性で形成する工程と、
前記電解質膜の第1面の少なくとも一部に第1電極を形成する工程と、
前記リセス部を介して露出した前記第1面に蒸着した前記誘電体膜を除去することで露出した前記電解質膜の前記第1面の反対面である第2面に第2電極を形成する工程と
を備える、
固体酸化物燃料電池の製造方法。
Depositing a dielectric film on a first surface of a silicon substrate and a second surface opposite to the first surface, respectively;
removing the dielectric film deposited on the second surface in a predetermined pattern;
forming an electrolyte film on a first surface of the dielectric film deposited on the first surface;
etching a portion of the second surface from which the dielectric film has been removed to form a recessed portion so that the dielectric film deposited on the first surface is exposed;
removing the dielectric film deposited on the first surface exposed through the recess and the dielectric film remaining on the second surface;
forming at least the vicinity of the edge of the recessed portion of the silicon substrate porous;
forming a first electrode on at least a portion of the first surface of the electrolyte membrane;
forming a second electrode on a second surface opposite to the first surface of the electrolyte membrane exposed by removing the dielectric film deposited on the first surface exposed through the recess; Equipped with and
A method for manufacturing a solid oxide fuel cell.
多孔性シリコン基板と、
前記多孔性シリコン基板の第1面に形成された電解質膜と、
前記電解質膜の第1面の少なくとも一部に形成された第1電極と、
前記多孔性シリコン基板の前記第1面の反対面である第2面から前記電解質膜の前記第1面の反対面である第2面の前記第1電極に対向する一部が露出するように形成されたリセス部と、
少なくとも前記電解質膜の露出した前記第2面に形成された第2電極と
を備える、
固体酸化物燃料電池。
a porous silicon substrate;
an electrolyte membrane formed on the first surface of the porous silicon substrate;
a first electrode formed on at least a portion of the first surface of the electrolyte membrane;
A part of the second surface of the electrolyte membrane opposite to the first surface facing the first electrode is exposed from a second surface of the porous silicon substrate that is opposite to the first surface. a recessed portion formed;
a second electrode formed on at least the exposed second surface of the electrolyte membrane;
Solid oxide fuel cell.
単結晶シリコン基板の第1面及び前記第1面の反対面である第2面にそれぞれ誘電体膜を蒸着する工程と、
前記第2面に蒸着した誘電体膜を所定のパターンによって除去する工程と、
前記第1面に蒸着した前記誘電体膜の第1面に電解質膜を形成する工程と、
前記第2面の前記誘電体膜が除去された部分をエッチングし、前記第1面に蒸着した前記誘電体膜が露出するようにリセス部を形成する工程と、
前記リセス部を介して露出した前記第1面に蒸着した前記誘電体膜及び前記第2面に残っている前記誘電体膜を除去する工程と、
前記シリコン基板を多孔性で形成する工程と、
前記電解質膜の第1面の少なくとも一部に第1電極を形成する工程と、
前記リセス部を介して露出した前記第1面に蒸着した前記誘電体膜を除去することで露出した前記電解質膜の前記第1面の反対面である第2面に第2電極を形成する工程と
を備える、
固体酸化物燃料電池の製造方法。
Depositing a dielectric film on a first surface and a second surface opposite to the first surface of a single crystal silicon substrate, respectively;
removing the dielectric film deposited on the second surface in a predetermined pattern;
forming an electrolyte film on a first surface of the dielectric film deposited on the first surface;
etching a portion of the second surface from which the dielectric film has been removed to form a recessed portion so that the dielectric film deposited on the first surface is exposed;
removing the dielectric film deposited on the first surface exposed through the recess and the dielectric film remaining on the second surface;
forming the silicon substrate to be porous;
forming a first electrode on at least a portion of the first surface of the electrolyte membrane;
forming a second electrode on a second surface opposite to the first surface of the electrolyte membrane exposed by removing the dielectric film deposited on the first surface exposed through the recess; Equipped with and
A method for manufacturing a solid oxide fuel cell.
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