JP4807605B2 - STACK FOR SOLID ELECTROLYTE FUEL CELL AND SOLID ELECTROLYTE FUEL CELL - Google Patents

STACK FOR SOLID ELECTROLYTE FUEL CELL AND SOLID ELECTROLYTE FUEL CELL Download PDF

Info

Publication number
JP4807605B2
JP4807605B2 JP2001134692A JP2001134692A JP4807605B2 JP 4807605 B2 JP4807605 B2 JP 4807605B2 JP 2001134692 A JP2001134692 A JP 2001134692A JP 2001134692 A JP2001134692 A JP 2001134692A JP 4807605 B2 JP4807605 B2 JP 4807605B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
fuel cell
stack
electrode layer
conductive material
solid oxide
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2001134692A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2002329513A (en
Inventor
達弘 福沢
圭子 櫛引
格 柴田
正治 秦野
直樹 原
文紀 佐藤
貢 山中
誠 内山
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nissan Motor Co Ltd
Original Assignee
Nissan Motor Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nissan Motor Co Ltd filed Critical Nissan Motor Co Ltd
Priority to JP2001134692A priority Critical patent/JP4807605B2/en
Publication of JP2002329513A publication Critical patent/JP2002329513A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP4807605B2 publication Critical patent/JP4807605B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Fuel Cell (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体電解質を用い、電気化学反応により電気エネルギーを得る固体電解質型燃料電池(SOFC)に係り、更に詳細には、固体電解質を電極層で挟持して成る単セルを備えた燃料電池用スタック及び固体電解質型燃料電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、高エネルギー変換が可能で、地球環境に優しいクリーンエネルギー源として燃料電池が注目されており、自動車用電源としての応用が検討されている。
固体電解質型燃料電池(以下、「SOFC」と略す)は、効率の高い燃料電池として注目されている。
しかし、燃料電池単セルの起電力は約1Vと低いため、高電圧化のために複数の単セルを直列に接続してスタックを形成する必要があるため、スタッキングの方法が重要である。
また、自動車用電源としての応用を考えたときには、高出力化が必要となり、SOFCを高出力化するための技術のひとつとして、固体電解質や電極を薄膜化することが挙げられるが、従来例である特開平8−64216号公報などに開示されている構造では、集電機能が不十分であり、電流の取り出しをスムーズに行うための配線構造が必要である。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
上述のような、従来の燃料電池スタックでは、電極部が集電機能を兼ねているため、電極が薄くなると導電経路の断面積が小さくなってしまい、電気抵抗が大きくなってしまう。
また、集電機能を向上させるために、セル要素間にセパレーターやインタコネクタを配置すると、燃料電池スタックにおける非発電要素の占める割合が大きくなり、出力密度が低下してしまう。
更に、従来のインタコネクタは、高温下で酸化ガス雰囲気、還元ガス雰囲気の両方にさらされるため、高い耐久性が要求され、使用できる材料が限られていた。
更にまた、高電圧化のためには単セルを直列化することが必要だが、ガスセパレーターがない平板型のスタックにおいて、スタック内部で各単セルを直列接続することは非常に困難であり、スタック外部で直列接続を行わなければならず、配線構造の複雑化、部品点数の増加などに係る課題があった。
【0004】
そこで本発明は、小型化、高出力化が可能で、信頼性の高い固体電解質型燃料電池用スタック及び固体電解質型燃料電池の提供を目的としている。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、集電を担う導電性材料を所定形状で配置したことにより、上記課題が解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【0006】
請求項1に記載した固体電解質型燃料電池用スタックは、固体電解質層を空気極層及び燃料極層で挟持して電気的かつ機械的に接合し、その固体電解質層界面に電気化学的な反応場を形成する燃料電池用単セルを、導電性基板又は絶縁性基板に設けた複数の溝又は孔に配置した燃料電池用セル板を有し、上記各燃料電池用セル板の溝又は孔が存在しない部位であって、その燃料電池用セル板の上面の一部から下面の一部まで反応場から集電した電流を外部に導通するための導電性材料を貫入しているとともに、それらの燃料電池用セル板を、これらに貫入した導電性材料どうしを互いに直列接続させ、かつ、空気極層、燃料極層及び固体電解質層の積層方向とほぼ同一方向へ2次元的に連結して一体化したことを特徴としている。
【0007】
請求項2に記載の固体電解質型燃料電池用スタックは、請求項1に記載した燃料電池用セル板に貫入した導電性材料の電子伝導度が、空気極層及び燃料極層を形成する材料の電子伝導度以上である。
【0008】
請求項3に記載の固体電解質型燃料電池用スタックは、請求項1又は2に記載した燃料電池用セル板に貫入した導電性材料が、ランタン−ストロンチウム−マンガン複合酸化物、ランタン−ストロンチウム−コバルト複合酸化物、ランタンクロマイト、銀、ニッケル、銅、白金及び鉄から成る群より選ばれた少なくとも1種のものを含んで成る合金、並びに/又はステンレス鋼より成る。
【0009】
請求項4に記載の固体電解質型燃料電池用スタックは、請求項1〜3のいずれか1項に記載した燃料電池用セル板に、これに配置した溝又は孔と隣接する溝又は孔との間隙且つ上記基板の延在方向に上記導電性材料を埋設している。
【0010】
請求項5に記載の固体電解質型燃料電池用スタックは、請求項4に記載した燃料電池用セル板の延在方向に埋設される導電性材料が、その燃料電池用セル板の表面側又は裏面側に配設され、その燃料電池用セル板の裏面側又は表面側に上記ガス流路を配設している。
【0011】
請求項6に記載の固体電解質型燃料電池用スタックは、請求項1〜5のいずれか1項に記載したセル板の厚さt、上記導電性材料の埋設深さd1及び上記ガス流路の深さd2が、t>d1+d2の関係を満たしている。
【0012】
請求項7に記載の固体電解質型燃料電池用スタックは、請求項1〜6のいずれか1項に記載した燃料電池用単セル又は導電性材料に絶縁部を設け、一又は複数の燃料電池用単セルごと且つ空気極層側及び燃料極層側の集電を担う集電部を形成している。
【0013】
請求項8に記載の固体電解質型燃料電池用スタックは、請求項7に記載した集電部の横断面又は縦断面の平均面積Scが、上記反応場の横断面又は縦断面の平均面積Srより大きいものである。
【0014】
請求項9に記載の固体電解質型燃料電池用スタックは、請求項8に記載した平均面積Scと上記平均面積Srとが、Sc/Sr≧10の関係を満たしている。
【0015】
請求項10に記載の固体電解質型燃料電池用スタックは、請求項1〜9のいずれか1項にした燃料電池用単セル又は導電性材料に絶縁部を設けている。
【0016】
請求項11に記載の固体電解質型燃料電池用スタックは、請求項1〜10のいずれか1項に記載の固体電解質型燃料電池用スタックを発電要素として構成したものである。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の固体電解質型燃料電池用の単セル及びセル板について詳細に説明する。なお、本明細書において、「%」は特記しない限り質量百分率を示す。
また、説明の便宜上、単セルや電極層など各層の一方の面を「上面、表面」、他の面を「下面、裏面」などと記載するが、これらは等価な要素であり、相互に置換した構成も本発明の範囲に含まれるのは言うまでもない。更に、セル板は、単セルの集積化を促進して、得られる燃料電池の高出力化を図るのに実用的な製品形態である。
【0018】
上述のように、本発明の単セルは、固体電解質層を空気極層及び燃料極層で挟持し、これを基板に配置して成る。
ここで、基板は、特にシリコン(Si)基板に限定されず、導電性基板及び絶縁性基板のいずれでも採用でき、例えばガラス基板や金属基板などを使用できる。これより、基板にかかるコストを低下できる。
また、上記挟持体(空気極層、固体電解質層及び燃料極層の積層体)は、基板に設けた溝又は孔に配置される。これより、原料ガス(空気ガス及び燃料ガス)の接触により形成される反応場(発電部)が所望形態で固定される。なお、かかる溝や孔は、燃料電池としたときの出力や原料ガス流路などを考慮して種々の形状とすることが可能であり、溝や孔の深さも特に限定されない。
【0019】
また、上記空気極層及び燃料極層の構成材料としては、例えば、燃料極層としては、ニッケル(Ni)又は銅(Cu)、及びこれらのサーメットなどを使用でき、空気極層としては、LSM、LSC、Pt及びAgなどを使用できる。
【0020】
更に、上記固体電解質層は、発電機能を発現するのに必要であり、酸素イオン伝導性などを有する従来公知の材料、例えば、酸化ネオジウム(Nd)、酸化サマリウム(Sm)、イットリア(Y)及び酸化ガドリニウム(Gd)などを固溶した安定化ジルコニアや、セリア(CeO)系固溶体、酸化ビスマス及びLaGaOなどを使用することができるが、これに限定されるものではない。
【0021】
また、本発明の単セルは、上記空気極層及び燃料極層を上記固体電解質層と電気的且つ機械的に接合し、該固体電解質層界面に電気化学的な反応場を形成することを特徴とし、また、上面の一部から下面の一部まで且つ上記溝又は孔が存在しない部位に、該反応場から集電した電流を外部に導通可能な導電性材料を貫入して成ることを特徴とする。
これより、スタックとしたときの直流抵抗(オームの法則に基づく抵抗)を低減し、スタック内で単セルを直列接続することができる。また、上記導電性材料を原料ガスに触れさせないため、耐久性の低い材料であっても使用できる。更に、上記導電性材料として強度の強い材料を使用することにより、セル板を構成したときの機械的強度を向上させることができる。
【0022】
例えば、上記導電性材料として、ランタン−ストロンチウム−マンガン(La−Sr−Mn)複合酸化物、ランタン−ストロンチウム−コバルト(La−Sr−Co)複合酸化物、ランタンクロマイト、銀(Ag)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、白金(Pt)又は鉄(Fe)、及びこれらの任意の組合せに係る金属を主に含む合金、並びに/又はステンレス鋼を用いることができる。このように、他の部分の熱膨張係数差を緩和できる材料を選択することにより、スタックとしたときの熱ショックを緩和し、燃料電池スタックを高速で昇温させることができる。また、集電機能が高く、高温でも安定な電極層集電部を形成することができる。
なお、上記導電性材料として、例えば、ニッケル−クロム合金などの発熱体を用いることも有効であり、この場合は通電によりスタックなどの起動用熱源として利用できる。
【0023】
更に、上記導電性材料の電子伝導度は、上記空気極層及び燃料極層を形成する材料の電子伝導度以上であることが好適である。これより、セル板を構成したときにセル板内の温度分布を均一化し、スタックの熱耐久性を向上させることができる。また、各電極層における集電がスムーズになり易い。
【0024】
なお、本発明の燃料電池用セル板は、上述の単セルを上記空気極層、燃料極層及び固体電解質層の積層方向とほぼ垂直の方向へ2次元的且つ連続的又は断続的に複数個接合して成る。この場合、導電性材料が担当する単セル数を適宜変更することにより、電気抵抗と発電出力のバランスを調整できるので有効である。
ここで、かかるセル板が該単セルを断続的に接合してなる場合とは、本発明の単セルから導電性材料を除いた構成の単セルを組合わせて成るセル板であることを意味し、言い換えれば、2以上のセルユニットごとに導電性材料を設置した構成となる。
【0025】
また、集電をよりスムーズに行う面から、上記導電性材料を上記溝又は孔と隣接する溝又は孔との間隙且つ上記基板の延在方向に埋設して、燃料電池用セル板を得ることが好適である。
この場合は、基板の空きスペースに導電性材料を埋設するので、反応場(発電部)を減らすことがなくデッドスペースを有効利用できる。また、電子伝導性(反応により生じた電子を集電する機能)が向上できる。更に、導電性材料がガスに触れないため、高温でのガス耐久性を考慮しなくてよい。また、セル板の縦方向(厚さ方向)に貫入した導電性材料に加えて、横方向(面方向)にも導電性材料を埋設することで、反応場(発電部)のより広い領域から効率良く集電することができ、また、直流抵抗が低減できるので有効である。
なお、上記「溝又は孔の間」は、全ての溝又は孔の間に限定されず、複数の単セルで構成したセルユニット中の一部の溝又は孔であってもよいことは言うまでもない。また、基板の延在方向に埋設する導電性材料としては、ほぼ縦方向に貫入する導電性材料と同様のものを使用することができ、更に両者は接続して配置することができる。更に、基板の延在方向に埋設する導電性材料は、セル板の強度等を保持できる限りは多く配置するのが望ましい。
【0026】
また、上記溝又は孔は、隣接する3以上の溝又は孔とガス流路を介して連通されていることが好適である。ガスを一方向のみに流通すると、ほぼ縦方向に貫入する導電性材料によってガスの流通が遮られることがあるが、これを防止できるので有効である。更に、ガス流路は、網目状などの所望形状に配置でき、例えば、図12に示すようなガス流路を挙げることができる。なお、セル板を後述するスタックに構成するときは、かかるガス流路を縦方向(積層方向)に接続することも可能である。
【0027】
更に、上記基板の延在方向に埋設される導電性材料は、該基板の表面側又は裏面側に配設され、上記ガス流路は、上記基板の裏面側又は表面側に配設されることが好ましい。例えば、図12に示すように、表面に導電性部材を埋設し、裏面にガス流路を形成することで、セル板の強度を確保しつつ、これらを所望形状に配置できる。なお、これらを同一面に形成すると、該導電性材料が該ガス流路に遮断され又は該ガス流路が該導電性材料に遮断されて、所望形状に配置することが困難である。
また、セル板厚さt、上記導電性材料の埋設深さd及び上記ガス流路の深さdが、t>d+dの関係を満たすことがよい。特に、セル基板の強度を考慮すると、上記導電性材料とガス流路とが5μm以上の間隔を有することが望ましい。なお、t>d+dの関係を満たさないときは、埋設深さ及びガス流路の深さが深過ぎて、基板を貫通し、セル板の強度が低下すること、集電部にガスが接触すること、ガスがリークすることなどがある。
【0028】
次に、本発明の固体電解質型燃料電池用スタックについて説明する。
かかる固体電解質型燃料電池用スタックは、上述の燃料電池用単セル又はセル板を上記空気極層、燃料極層及び固体電解質層の積層方向とほぼ同一方向へ2次元的に複数個連結し一体化して成る。このようなスタックを発電要素とするときは、出力特性に優れた(自動車用電源に適した)燃料電池が得られる。
【0029】
また、上記燃料電池用単セル又は導電性材料に絶縁部を設け、1又は複数の単セルごと且つ空気極層側及び燃料極層側の集電を担う集電部を形成することが好適である。即ち、電極反応を担う反応場と電流輸送を担う集電部とに任意に分けることができ、スタックの直流抵抗を低減し、スタック内で単セルを直列接続することができる。
上記絶縁部は、直列に接続されるように設けることができ、例えば、図4及び図8に示すように、セルを分割する絶縁部11a、セルの短絡を防止する絶縁部11b及び隣接する直列部同士を分割する絶縁部11cを設けて直列接続を形成することができる。また、絶縁部を構成する絶縁体としては、SiN、Al(アルミナ)及びガラスなどを例示できる。
一方、図3及び図7に示すように、各セルの空気極層2のみに接続されている空気極層側集電部9と、燃料極層3のみに接続されている燃料極層側集電部10とが形成されるように上記絶縁部11を設けて並列接続を形成することもできる。このときは各電極層における集電がスムーズになり易い。
【0030】
更に、上記集電部の横断面又は縦断面の平均面積Scは、上記反応場の横断面又は縦断面の平均面積Srより大きいことが好適であり、具体的には、上記平均面積Scと上記平均面積Srとが、Sc/Sr≧10の関係を満たすことがよい。この場合は、電極層集電部の抵抗を十分に小さくし、集電をスムーズに行うことができる。なお、上記Sc/Srが10以上の方が、導電性が十分で抵抗が小さく、出力が低下する恐れがない。
【0031】
次に、本発明の固体電解質型燃料電池について説明する。
かかる燃料電池は、上述の固体電解質型燃料電池用スタックを発電要素として構成して得られる。これより、導電性材料を貫入したスタックで構成されているため、該導電性材料をインタコネクタ(電気伝導路)として利用でき、燃料電池を薄膜化、小型化することが容易になる。
【0032】
【実施例】
以下、本発明を図面を参照して実施例及び比較例により更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【0033】
以下の実施例では、シリコン基板(Si基板)を用いてセル板(単電池板A及び単電池板B)を作製し、これらを複数枚積層して、各例の固体電解質型燃料電池を作製し、その性能評価を実施した。
【0034】
(実施例1:並列接続)
1)基板の作製(μセルの作り方)
アンチモンが混入された抵抗率10〜11Ωcmの(100)配向単結晶シリコン基板(5インチ径、厚さ1.0mm)として、その片面を鏡面研磨したものを用い、これをダイシング・ソーで各辺が(110)方向となるように、5cm角の正方形状に切断した。この方形物を90℃に保った水:過酸化水素:水酸化アンモニウム=5:1:0.05の混合溶液中10分間の浸漬処理に付したのち、5%フッ酸水溶液に1分、純水に1分浸してから取り出し、次いで窒素ガス噴射で乾燥後直ちに超高真空仕様、複数ターゲット・スパッタリング装置に搬入した。該装置の基板ホルダーに収容した正方形シリコン基板の成膜面について、その外縁部をインコネル製マスクで覆って周辺部分が成膜されないようにした。成膜面積は正方形基板の中心部分の4cm角部分となるようにした。
【0035】
2)単電池板Aの作製
上記のSi基板に輻射ヒーターを用いて基板温度を700℃まで昇温させ、金属ニッケルのターゲットを用い、RFスパッタにて膜厚約5000Åの酸化ニッケル膜を成長させた。
次に、基板温度を600℃まで低下させ、10モル%イットリア添加安定化ジルコニア(以下、「10YSZ」とする)の焼結体ターゲットを用い、上記酸化ニッケル膜上に膜厚約2μmの10YSZ薄膜を成長させた。
更に、基板温度を500℃まで低下させ、LSMの焼結体ターゲットを用いて、膜厚約3000Åの多結晶LSM膜を成長させた。
このようにして、Si基板の片面上に酸化ニッケル膜、10YSZ膜及び多結晶LSM膜を順次積層した。
【0036】
次に、図1に示すように、上記Si基板1の両面に、常圧CVD法で約5000Å厚のPSG膜を析出させ、次いでSi基板1の裏面(10YSZ膜等が積層された面の裏面)に、図1に示すパターンをフォトリソグラフィー法で転写し、白抜き部分に相応する転写部のみをフッ酸系エッチング液への浸漬処理により除去した。ここで、エッチングパターンの幅に狭いエリアがあるのは、異方性エッチングの際、基板途中でエッチングが停止するようにするためである。
フォトレジストをアッシングして除去した後、約60℃に保った抱水ヒドラジンの異方性エッチング液中に上記Si基板を約8時間浸漬し、図1に示すように、Si基板1を上記パターンに相応させてエッチング除去し、基板面内に小開口7をあけ、積層薄膜が一部自立状態となるようにする。次いで、シリコン基板1をフッ酸系エッチング液中に浸し、保護PSG膜20を除去した。
続いて、上記積層膜の形成されていない面に対し、輻射ヒーターを用い基板温度を500℃まで昇温し、金属ニッケルの焼結体ターゲットを用いて、RFスパッタにて、ガス流路に沿って膜厚約3000Åの酸化ニッケル膜を成長させた。
更に、単電池板を積層してスタックを形成した際に、図3及び図4(並列接続、直列接続)のような回路構成になるように、集電部と電極層が接触する部分の一部に、Al粉(材料)をスプレーコートし絶縁皮膜を形成し、その後集電部となる開口部(セル孔)にニッケル金属ペーストを充填し、乾燥して集電部とした。
以上のように単電池板Aを作製した。各要素部のサイズは、開口部は1.0mm×1.0mm、開口部の間隔は1.0mmであった。
【0037】
3)単電池板Bの作製
上記のシリコン基板に対し、輻射ヒーターを用い基板温度を700℃まで昇温し、LSMの焼結体ターゲットを用いて、RFスパッタにて膜厚約5000Åの多結晶LSM膜を成長させた。
次に、基板温度を600℃まで低下させ、10モル%イットリア添加安定化ジルコニア(以下、「10YSZ」とする)の焼結体ターゲットを用いて、LSM膜上に膜厚約2μmの10YSZ薄膜を成長させた。
次に、基板温度を500℃まで低下させ、金属ニッケルのターゲットを用いて、膜厚約3000Åの酸化ニッケル膜を成長させた。このようにして、シリコン基板の片面上に順次多結晶LSM膜、10YSZ膜、酸化ニッケル膜を積層した。
【0038】
次に、上記の基板両面に、常圧CVD法で約5000Å厚のPSG膜を析出させ、次いでシリコン基板の裏面(10YSZ膜等が積層された面の裏面)に、図1に示すパターンをフォトリソグラフィー法で転写し、図1の白抜き部分に相応する転写部のみをフッ酸系エッチング液への浸漬処理により除去した。ここで、エッチングパターンの幅に狭いエリアがあるのは、異方性エッチングの際、基板途中でエッチングが停止するようにするためである。
フォトレジストをアッシングして除去したのち、約60℃に保った抱水ヒドラジンの異方性エッチング液中に基板を約8時間浸漬し、図1に示すように、シリコン基板を上記パターンに相応させてエッチング除去し、基板面内に小開口7をあけ、積層薄膜が一部自立状態となるようにする。次いで、シリコン基板1をフッ酸系エッチング液中に浸し、保護PSG膜20を除去した。
続いて、上記積層膜の形成されていない面に対し、輻射ヒーターを用い基板温度を500℃まで昇温し、LSMの焼結体ターゲットを用いて、RFスパッタにて、ガス流路に沿って膜厚約3000Åの多結晶LSM膜を成長させた。
更に、単電池板を積層してスタックを形成した際に、図3、4のような回路構成になるように、集電部と電極層が接触する部分の一部に、Al粉(材料)をスプレーコートし絶縁皮膜を形成し、その後集電部となる開口部にニッケル金属ペーストを充填し、乾燥して集電部とした。
以上のように単電池板Bを作製した。各要素部のサイズは、開口部は1.0mm×1.0mm、開口部の間隔は1.0mmであった。
【0039】
4)固体電解質型燃料電池の作製(各単電池板の積層)
上記手順にて作製した単電池板Aの平坦な面に被着している電極層材料と同じLSM空気電極層材料のスラリーを単電池板Aの平坦な面の電極層上に塗布し、次いで、上記単電池板の平坦な面の最表面に被着している電極層材料と同じ酸化ニッケル燃料電極層材料のスラリーを単電池板の平坦な面の電極層上に塗布し、図2に示すように、各単電池板を対向させて積層した。それらを積層したのち、焼成炉にて600℃で一括焼成し、固体電解質型燃料電池を作製した。
【0040】
図3に示すように、電気炉中に単電池板A2枚と、単電池板B1枚を積層した燃料電池を設置し、700℃に昇温させ、純酸素と純水素をそれぞれ原料ガスとして用い、交流インピーダンス測定と、発電試験を行った。
交流インピーダンス測定の結果、直流抵抗は、電極層集電部9、10を形成していないものは0.5Ωだったのに対し、本実施例で作製したものは、0.03Ωと小さな抵抗値を示した。
また、発電試験の結果、開放起電力1.05V、最大出力0.8W/cmであった。
【0041】
(実施例2:直列接続)
図4に示すように、電気炉中に単電池板A5枚と、単電池板B5枚を積層した燃料電池を設置し、700℃に昇温させ、純酸素と純水素をそれぞれ原料ガスとして用い、発電試験を行った。
直列部の総電圧は5.1Vを示し、直列化による高電圧化がなされた。また、発電試験の結果、開放起電力5.1V、最大出力3.2W/cmであった。
【0042】
(実施例3:ガラス基板直列接続▲1▼)
本実施例のセル板の製造工程を図6に示す。また、図5にセル板の一部の断面図及び平面図を示す。
(a)厚さ0.5mm、5cm角の高珪酸ガラスを基板1として、2mmφのセル孔7を6個穴を加工した。なお、これらセル孔7の一部には導電性材料を貫入し電極集電部8とした。
(b)次いで、仮基板1’としてSi基板表面にシランカップリング材を塗布して基板1の上面に設置し、200℃で熱処理し張り合わせた。
(c)基板下面から蒸着マスクを使用して所望のパターンでセル孔7に電解質層4としてYSZをRFスパッタ法により1μm成膜した。
(d)続いて下部電極層2(3)として基板下面から電解質層4に直接接着するように、LSMをRFスパッタ法により5μm形成した。
(e)フッ酸系のエッチング液により、仮基板1’を剥離除去した。
(f)基板上面から上部電極層3(2)としてYSZとNiを2源スパッタ法により5μm形成した。
このようにして作製した単電池板を、単電池板Aとした。
【0043】
また、上記製造工程において、工程(d)で下部電極層をYSZとNiを2源スパッタ法により5μm形成し、工程(g)で上部電極層をLSMをRFスパッタ法により5μm形成した単電池板を、単電池板Bとした。
実施例2と同様にして、上記単電池板A5枚と単電池板B5枚を図4のように積層した燃料電池を用いて、500℃で発電特性を評価した。開放端電圧4.5V、出力1.05W/cmであった。
【0044】
(実施例4:ガラス基板直列接続▲2▼)
本実施例のセル板の製造工程を図10に示す。また、図9にセル板の一部の断面図及び平面図を示す。
(a)厚さ0.5mm、5cm角の高珪酸ガラスを基板1として、2mmφのセル孔7を6個穴と、電極集電部8となるべき溝(サイズ)12を加工した。
(b)次いで、仮基板1’としてSi基板表面にシランカップリング材を塗布して基板1の上面に設置し、200℃で熱処理し張り合わせた。
(c)基板下面から蒸着マスクを使用して所望のパターンでセル孔7に電解質層4としてYSZをRFスパッタ法により1μm成膜した。
(d)続いて下部電極層2(3)として基板下面から電解質層4に直接接着するように、LSMをRFスパッタ法により5μm形成した。
(e)更に、フッ酸系のエッチング液により、仮基板1’を剥離除去した。
(f)また、基板上面の溝(サイズ)12にニッケル金属ペーストを充填し、乾燥させ、電極集電部8を形成した。
(g)基板上面から上部電極層3(2)としてYSZとNiを2源スパッタ法により5μm形成した。
このようにして作製した単電池板を、単電池板Aとした。
【0045】
また、上記製造工程において、工程(d)で下部電極層2(3)をYSZとNiを2源スパッタ法により5μm形成し、工程(g)で上部電極層3(2)をLSMをRFスパッタ法により5μm形成した単電池板を、単電池板Bとした。
また所定のセル孔7に導電性材料を貫入し電極集電部8を形成した。
実施例2と同様にして、上記単電池板A5枚と単電池板B5枚を図8及び図11に示すように積層した燃料電池を用いて、500℃で発電特性を評価した。開放端電圧4.3V、出力0.98W/cmであった。
【0046】
以上、本発明を実施例により詳細に説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形が可能である。
例えば、本発明において、単セル及びセル板の形状等は任意に選択でき、目的の出力に応じた固体電解質型燃料電池を作製できる。
【0047】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明によれば、集電を担う導電性材料を所定形状で配置したこととしたため、小型化、高出力化が可能で、信頼性の高い単セル、セル板、これらを備えた燃料電池用スタック及び固体電解質型燃料電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】基板のエッチングパターンの一例を示す断面図である。
【図2】燃料電池用スタックの一例を示す断面図及び斜視図である。
【図3】燃料電池用スタックの他の例を示す断面図及び回路図である。
【図4】燃料電池用スタックの更に他の例を示す断面図及び回路図である。
【図5】セル板の一部の一例を示す断面図及び平面図である。
【図6】セル板の製造工程の一例を示す断面図である。
【図7】燃料電池用スタックの他の例を示す断面図及び回路図である。
【図8】燃料電池用スタックの更に他の例を示す断面図及び回路図である。
【図9】セル板の一部の他の例を示す断面図及び平面図である。
【図10】セル板の製造工程の他の例を示す断面図である。
【図11】燃料電池用スタックの他の例を示す断面図及び斜視図である。
【図12】基板のエッチングパターンの他の例を示す断面図である。
【符号の説明】
1 基板(ガラス基板)
1’仮基板
2 空気極
3 燃料極
4 電解質
5 空気ガス流路
6 燃料ガス流路
7 セル孔
8 集電部(導電部)
9 空気極層集電部
10 燃料極層集電部
11、11a、11b、11c 絶縁部
12 溝(サイズ)
13 反応場(発電部)
20 保護PSG膜
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a solid electrolyte fuel cell (SOFC) that uses a solid electrolyte and obtains electric energy by an electrochemical reaction, and more specifically, a fuel cell including a single cell in which a solid electrolyte is sandwiched between electrode layers. The present invention relates to a stack and a solid oxide fuel cell.
[0002]
[Prior art]
In recent years, fuel cells have been attracting attention as clean energy sources that are capable of high energy conversion and are friendly to the global environment, and their application as power sources for automobiles is being studied.
Solid oxide fuel cells (hereinafter abbreviated as “SOFC”) are attracting attention as highly efficient fuel cells.
However, since the electromotive force of a single fuel cell is as low as about 1 V, it is necessary to form a stack by connecting a plurality of single cells in series in order to increase the voltage, so the stacking method is important.
Also, when considering application as a power source for automobiles, it is necessary to increase the output, and one of the technologies for increasing the output of SOFC is to reduce the thickness of the solid electrolyte and electrode. The structure disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-64216 or the like has an insufficient current collecting function and requires a wiring structure for smoothly extracting current.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional fuel cell stack as described above, since the electrode portion also serves as a current collecting function, when the electrode is thinned, the cross-sectional area of the conductive path is reduced and the electric resistance is increased.
Further, if a separator or an interconnector is disposed between the cell elements in order to improve the current collecting function, the proportion of the non-power generation elements in the fuel cell stack increases, and the output density decreases.
Furthermore, since the conventional interconnector is exposed to both an oxidizing gas atmosphere and a reducing gas atmosphere at a high temperature, high durability is required and usable materials are limited.
Furthermore, in order to increase the voltage, it is necessary to connect single cells in series. However, in a flat stack without a gas separator, it is very difficult to connect each single cell in series inside the stack. There is a problem related to complicated wiring structure and an increase in the number of components because serial connection must be performed outside.
[0004]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell stack and a solid oxide fuel cell that can be reduced in size and output and are highly reliable.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
As a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the present inventors have found that the above-mentioned problems can be solved by arranging the conductive material responsible for current collection in a predetermined shape, and the present invention has been completed. It was.
[0006]
The stack for a solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the solid electrolyte layer is sandwiched between the air electrode layer and the fuel electrode layer to be electrically and mechanically joined, and an electrochemical reaction occurs at the interface of the solid electrolyte layer. A fuel cell unit plate in which a single cell for a fuel cell forming a field is disposed in a plurality of grooves or holes provided in a conductive substrate or an insulating substrate, and the groove or hole of each of the cell plates for a fuel cell It is a non-existing part, and a conductive material for conducting the current collected from the reaction field to the outside from a part of the upper surface of the fuel cell plate to a part of the lower surface is penetrated, and those A fuel cell plate is integrated by connecting two conductive materials penetrating in series to each other and two-dimensionally connecting them in the same direction as the air electrode layer, fuel electrode layer, and solid electrolyte layer. It is characterized by that.
[0007]
The stack for a solid oxide fuel cell according to claim 2 is a material for forming an air electrode layer and a fuel electrode layer in which the electronic conductivity of the conductive material penetrating the cell plate for fuel cell according to claim 1 is the same. It is more than electronic conductivity.
[0008]
The solid oxide fuel cell stack according to claim 3, wherein the conductive material penetrating the fuel cell plate according to claim 1 is a lanthanum-strontium-manganese composite oxide, lanthanum-strontium-cobalt. It consists of a complex oxide, lanthanum chromite, an alloy comprising at least one selected from the group consisting of silver, nickel, copper, platinum and iron, and / or stainless steel.
[0009]
The stack for a solid oxide fuel cell according to claim 4 includes a groove or a hole adjacent to the groove or hole disposed in the fuel cell plate according to any one of claims 1 to 3. The conductive material is embedded in the gap and the extending direction of the substrate.
[0010]
The solid oxide fuel cell stack according to claim 5 is characterized in that the conductive material embedded in the extending direction of the fuel cell plate according to claim 4 is a surface side or back surface of the fuel cell plate. The gas flow path is disposed on the back side or the front side of the fuel cell plate.
[0011]
The stack for a solid oxide fuel cell according to claim 6 includes the thickness t of the cell plate, the embedding depth d1 of the conductive material, and the gas flow path according to any one of claims 1 to 5. The depth d2 satisfies the relationship t> d1 + d2.
[0012]
The stack for a solid oxide fuel cell according to claim 7 is provided with an insulating portion in the single cell for fuel cell or the conductive material according to any one of claims 1 to 6, and for one or a plurality of fuel cells. A current collecting unit for collecting current for each unit cell and for the air electrode layer side and the fuel electrode layer side is formed.
[0013]
In the stack for a solid oxide fuel cell according to claim 8, the average area Sc of the cross section or vertical section of the current collector described in claim 7 is greater than the average area Sr of the cross section or vertical section of the reaction field. It ’s a big one.
[0014]
In the solid oxide fuel cell stack according to claim 9, the average area Sc described in claim 8 and the average area Sr satisfy the relationship of Sc / Sr ≧ 10.
[0015]
The stack for a solid oxide fuel cell according to claim 10 is provided with an insulating portion in the single cell for fuel cell or the conductive material according to any one of claims 1 to 9.
[0016]
The stack for a solid oxide fuel cell according to claim 11 comprises the stack for a solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 10 as a power generation element.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the single cell and the cell plate for the solid oxide fuel cell of the present invention will be described in detail. In the present specification, “%” indicates a mass percentage unless otherwise specified.
For convenience of explanation, one surface of each layer such as a single cell or an electrode layer is described as “upper surface, front surface” and the other surface is described as “lower surface, back surface”, etc., but these are equivalent elements and are mutually replaced. It goes without saying that such a configuration is also included in the scope of the present invention. Furthermore, the cell plate is a practical product form for promoting the integration of single cells and increasing the output of the resulting fuel cell.
[0018]
As described above, the unit cell of the present invention is formed by sandwiching a solid electrolyte layer between an air electrode layer and a fuel electrode layer, and arranging this on a substrate.
Here, the substrate is not particularly limited to a silicon (Si) substrate, and any of a conductive substrate and an insulating substrate can be employed. For example, a glass substrate or a metal substrate can be used. Thereby, the cost concerning a board | substrate can be reduced.
Moreover, the said clamping body (laminated body of an air electrode layer, a solid electrolyte layer, and a fuel electrode layer) is arrange | positioned in the groove | channel or hole provided in the board | substrate. Thus, the reaction field (power generation unit) formed by the contact of the raw material gas (air gas and fuel gas) is fixed in a desired form. Such grooves and holes can be formed in various shapes in consideration of the output of the fuel cell, the raw material gas flow path, and the like, and the depths of the grooves and holes are not particularly limited.
[0019]
Moreover, as a constituent material of the said air electrode layer and a fuel electrode layer, nickel (Ni) or copper (Cu), these cermets, etc. can be used as a fuel electrode layer, for example, LSM can be used as LSM. , LSC, Pt, and Ag can be used.
[0020]
Further, the solid electrolyte layer is necessary for developing a power generation function, and is a conventionally known material having oxygen ion conductivity, such as neodymium oxide (Nd 2 O 3 ), Samarium oxide (Sm 2 O 3 ), Yttria (Y 2 O 3 ) And gadolinium oxide (Gd) 2 O 3 ) And the like, and stabilized ceria (CeO 2 ) System solid solution, bismuth oxide and LaGaO 3 However, the present invention is not limited to this.
[0021]
The unit cell of the present invention is characterized in that the air electrode layer and the fuel electrode layer are electrically and mechanically joined to the solid electrolyte layer to form an electrochemical reaction field at the interface of the solid electrolyte layer. And a conductive material capable of conducting the current collected from the reaction field to the outside from a part of the upper surface to a part of the lower surface and not having the groove or hole. And
Thus, the direct current resistance (resistance based on Ohm's law) when the stack is formed can be reduced, and single cells can be connected in series in the stack. In addition, since the conductive material is not exposed to the source gas, even a material having low durability can be used. Furthermore, by using a material having high strength as the conductive material, the mechanical strength when the cell plate is constructed can be improved.
[0022]
For example, as the conductive material, lanthanum-strontium-manganese (La-Sr-Mn) composite oxide, lanthanum-strontium-cobalt (La-Sr-Co) composite oxide, lanthanum chromite, silver (Ag), nickel ( Ni), copper (Cu), platinum (Pt) or iron (Fe), and alloys mainly containing metals according to any combination thereof, and / or stainless steel can be used. In this way, by selecting a material that can alleviate the difference in thermal expansion coefficient of other portions, it is possible to alleviate the heat shock when the stack is formed, and to raise the temperature of the fuel cell stack at high speed. In addition, an electrode layer current collector having a high current collecting function and stable even at high temperatures can be formed.
In addition, it is also effective to use a heating element such as a nickel-chromium alloy as the conductive material. In this case, it can be used as a heat source for starting up a stack or the like by energization.
[0023]
Furthermore, the electronic conductivity of the conductive material is preferably equal to or higher than the electronic conductivity of the material forming the air electrode layer and the fuel electrode layer. Thus, when the cell plate is configured, the temperature distribution in the cell plate can be made uniform, and the thermal durability of the stack can be improved. Moreover, current collection in each electrode layer tends to be smooth.
[0024]
In the fuel cell plate according to the present invention, a plurality of the above-described single cells are two-dimensionally and continuously or intermittently provided in a direction substantially perpendicular to the stacking direction of the air electrode layer, the fuel electrode layer, and the solid electrolyte layer. Joined. In this case, it is effective because the balance between the electric resistance and the power generation output can be adjusted by appropriately changing the number of single cells handled by the conductive material.
Here, the case where the cell plate is formed by intermittently joining the single cells means that the cell plate is a cell plate formed by combining single cells having a configuration in which the conductive material is removed from the single cell of the present invention. In other words, a conductive material is provided for every two or more cell units.
[0025]
In addition, from the surface where current is collected more smoothly, the conductive material is buried in the gap between the groove or the hole and the groove or hole adjacent to the groove or in the extending direction of the substrate to obtain a fuel cell plate. Is preferred.
In this case, since the conductive material is embedded in the empty space of the substrate, the dead space can be effectively used without reducing the reaction field (power generation unit). In addition, electron conductivity (function of collecting electrons generated by the reaction) can be improved. Furthermore, since the conductive material does not come into contact with gas, it is not necessary to consider gas durability at high temperatures. In addition to the conductive material penetrating in the vertical direction (thickness direction) of the cell plate, the conductive material is also embedded in the horizontal direction (plane direction), so that a wider reaction field (power generation unit) can be obtained. It is effective because current can be collected efficiently and direct current resistance can be reduced.
In addition, it is needless to say that “between grooves or holes” is not limited to all the grooves or holes, and may be a part of grooves or holes in a cell unit constituted by a plurality of single cells. . Further, as the conductive material embedded in the extending direction of the substrate, the same material as the conductive material penetrating substantially in the vertical direction can be used, and the both can be connected and arranged. Further, it is desirable to dispose a large amount of conductive material embedded in the extending direction of the substrate as long as the strength of the cell plate can be maintained.
[0026]
Further, it is preferable that the groove or hole communicates with three or more adjacent grooves or holes through a gas flow path. If the gas is circulated in only one direction, the gas flow may be blocked by the conductive material penetrating substantially in the vertical direction, which is effective because it can be prevented. Further, the gas flow path can be arranged in a desired shape such as a mesh shape, for example, a gas flow path as shown in FIG. When the cell plate is configured as a stack described later, it is possible to connect the gas flow paths in the vertical direction (stacking direction).
[0027]
Furthermore, the conductive material embedded in the extending direction of the substrate is disposed on the front side or the back side of the substrate, and the gas flow path is disposed on the back side or the front side of the substrate. Is preferred. For example, as shown in FIG. 12, by embedding a conductive member on the front surface and forming a gas flow path on the back surface, these can be arranged in a desired shape while ensuring the strength of the cell plate. If these are formed on the same surface, the conductive material is blocked by the gas flow path or the gas flow path is blocked by the conductive material, and it is difficult to arrange them in a desired shape.
In addition, the cell plate thickness t, the embedding depth d of the conductive material 1 And the depth d of the gas flow path 2 But t> d 1 + D 2 It is better to satisfy the relationship. In particular, considering the strength of the cell substrate, it is desirable that the conductive material and the gas flow path have an interval of 5 μm or more. T> d 1 + D 2 If the above relationship is not satisfied, the embedded depth and the gas flow path are too deep, the substrate penetrates, the strength of the cell plate decreases, the gas contacts the current collector, and the gas leaks. There are things to do.
[0028]
Next, the stack for the solid oxide fuel cell of the present invention will be described.
Such a solid oxide fuel cell stack is formed by connecting a plurality of the above-mentioned single cells or cell plates for a fuel cell two-dimensionally in substantially the same direction as the stacking direction of the air electrode layer, fuel electrode layer, and solid electrolyte layer. It is made up of. When such a stack is used as a power generation element, a fuel cell excellent in output characteristics (suitable for an automobile power source) can be obtained.
[0029]
In addition, it is preferable that an insulating part is provided in the single cell or the conductive material for the fuel cell to form a current collecting part for collecting current on one or a plurality of single cells and on the air electrode layer side and the fuel electrode layer side. is there. That is, it can be arbitrarily divided into a reaction field responsible for electrode reaction and a current collector responsible for current transport, and the direct current resistance of the stack can be reduced, and single cells can be connected in series in the stack.
The insulating part can be provided so as to be connected in series. For example, as shown in FIGS. 4 and 8, the insulating part 11a for dividing the cell, the insulating part 11b for preventing the short circuit of the cell, and the adjacent series. An insulating part 11c that divides the parts can be provided to form a series connection. Further, as the insulator constituting the insulating portion, SiN, Al 2 O 3 Examples include (alumina) and glass.
On the other hand, as shown in FIGS. 3 and 7, the air electrode layer side current collector 9 connected only to the air electrode layer 2 of each cell, and the fuel electrode layer side current collector connected only to the fuel electrode layer 3. The insulating part 11 may be provided so as to form the electric part 10 to form a parallel connection. At this time, current collection in each electrode layer tends to be smooth.
[0030]
Furthermore, the average area Sc of the cross section or vertical section of the current collector is preferably larger than the average area Sr of the cross section or vertical section of the reaction field, specifically, the average area Sc and the above It is preferable that the average area Sr satisfies the relationship Sc / Sr ≧ 10. In this case, the resistance of the electrode layer current collector can be made sufficiently small, and current can be collected smoothly. Note that when the Sc / Sr is 10 or more, the conductivity is sufficient and the resistance is small, and there is no fear that the output is lowered.
[0031]
Next, the solid oxide fuel cell of the present invention will be described.
Such a fuel cell is obtained by configuring the above-described solid oxide fuel cell stack as a power generation element. As a result, since the conductive material is formed in a stack, the conductive material can be used as an interconnector (electric conduction path), and the fuel cell can be easily made thin and small.
[0032]
【Example】
EXAMPLES Hereinafter, although an Example and a comparative example demonstrate this invention further in detail with reference to drawings, this invention is not limited to these Examples.
[0033]
In the following examples, cell plates (unit cell plate A and unit cell plate B) are produced using a silicon substrate (Si substrate), and a plurality of these are laminated to produce a solid oxide fuel cell of each example. The performance was evaluated.
[0034]
(Example 1: Parallel connection)
1) Fabrication of substrate (How to make μ cell)
As a (100) -oriented single crystal silicon substrate (5 inch diameter, thickness 1.0 mm) having a resistivity of 10 to 11 Ωcm mixed with antimony, one side of which is mirror-polished is used for each side with a dicing saw. Was cut into a square shape of 5 cm square so as to be in the (110) direction. This square product was immersed in a mixed solution of water: hydrogen peroxide: ammonium hydroxide = 5: 1: 0.05 kept at 90 ° C. for 10 minutes, and then purified with a 5% hydrofluoric acid aqueous solution for 1 minute. It was taken out after being immersed in water for 1 minute, and was then carried into an ultra-high vacuum specification, multi-target sputtering apparatus immediately after drying by nitrogen gas injection. With respect to the film formation surface of the square silicon substrate housed in the substrate holder of the apparatus, the outer edge portion was covered with an Inconel mask so that the peripheral portion was not formed. The film formation area was set to be a 4 cm square portion of the central portion of the square substrate.
[0035]
2) Manufacture of cell plate A
The substrate temperature was raised to 700 ° C. using a radiation heater on the Si substrate, and a nickel oxide film having a thickness of about 5000 mm was grown by RF sputtering using a metallic nickel target.
Next, the substrate temperature is lowered to 600 ° C., and a 10 mol% yttria-added stabilized zirconia (hereinafter referred to as “10YSZ”) sintered body target is used, and a 10 YSZ thin film having a thickness of about 2 μm is formed on the nickel oxide film. Grew.
Further, the substrate temperature was lowered to 500 ° C., and a polycrystalline LSM film having a thickness of about 3000 mm was grown using a sintered compact target of LSM.
In this way, a nickel oxide film, a 10YSZ film, and a polycrystalline LSM film were sequentially laminated on one side of the Si substrate.
[0036]
Next, as shown in FIG. 1, a PSG film having a thickness of about 5000 mm is deposited on both surfaces of the Si substrate 1 by atmospheric pressure CVD, and then the back surface of the Si substrate 1 (the back surface of the surface on which the 10YSZ film or the like is laminated). 1), the pattern shown in FIG. 1 was transferred by photolithography, and only the transfer portion corresponding to the white portion was removed by immersion in a hydrofluoric acid etching solution. Here, the reason why the width of the etching pattern is narrow is that the etching stops in the middle of the substrate during anisotropic etching.
After the photoresist is removed by ashing, the Si substrate is immersed in an anisotropic etching solution of hydrazine hydrate kept at about 60 ° C. for about 8 hours. As shown in FIG. According to the above, etching is removed and a small opening 7 is formed in the substrate surface so that the laminated thin film is partially self-supporting. Next, the silicon substrate 1 was immersed in a hydrofluoric acid-based etching solution, and the protective PSG film 20 was removed.
Subsequently, with respect to the surface where the laminated film is not formed, the substrate temperature is raised to 500 ° C. using a radiation heater, and along the gas flow path by RF sputtering using a sintered nickel metal target. Thus, a nickel oxide film having a thickness of about 3000 mm was grown.
Further, when the cell plates are stacked to form a stack, one of the portions where the current collector and the electrode layer are in contact with each other so that the circuit configuration is as shown in FIG. 3 and FIG. 4 (parallel connection, series connection). Part with Al 2 O 3 Powder (material) was spray-coated to form an insulating film, and then a nickel metal paste was filled in the opening (cell hole) serving as a current collector and dried to obtain a current collector.
A single battery plate A was produced as described above. The size of each element part was 1.0 mm × 1.0 mm in the opening part, and the interval between the opening parts was 1.0 mm.
[0037]
3) Manufacture of cell plate B
With respect to the silicon substrate, the substrate temperature was raised to 700 ° C. using a radiation heater, and a polycrystalline LSM film having a film thickness of about 5000 mm was grown by RF sputtering using a sintered compact target of LSM.
Next, the substrate temperature is lowered to 600 ° C., and a 10 YSZ thin film having a thickness of about 2 μm is formed on the LSM film using a sintered target of 10 mol% yttria-added stabilized zirconia (hereinafter referred to as “10YSZ”). Grown up.
Next, the substrate temperature was lowered to 500 ° C., and a nickel oxide film having a thickness of about 3000 mm was grown using a metallic nickel target. In this manner, a polycrystalline LSM film, a 10YSZ film, and a nickel oxide film were sequentially laminated on one surface of the silicon substrate.
[0038]
Next, a PSG film having a thickness of about 5000 mm is deposited on both surfaces of the substrate by atmospheric pressure CVD, and then the pattern shown in FIG. 1 is applied to the back surface of the silicon substrate (the back surface of the surface on which the 10YSZ film or the like is laminated). Transfer was performed by a lithography method, and only the transfer portion corresponding to the white portion in FIG. 1 was removed by immersion in a hydrofluoric acid-based etching solution. Here, the reason why the width of the etching pattern is narrow is that the etching stops in the middle of the substrate during anisotropic etching.
After removing the photoresist by ashing, the substrate is immersed in an anisotropic etching solution of hydrazine hydrate kept at about 60 ° C. for about 8 hours, and the silicon substrate is made to correspond to the above pattern as shown in FIG. Etching is removed to make a small opening 7 in the substrate surface so that the laminated thin film is partially self-supporting. Next, the silicon substrate 1 was immersed in a hydrofluoric acid-based etching solution, and the protective PSG film 20 was removed.
Subsequently, with respect to the surface where the laminated film is not formed, the substrate temperature is raised to 500 ° C. using a radiation heater, and RF sputtering is performed along the gas flow path using an LSM sintered body target. A polycrystalline LSM film having a thickness of about 3000 mm was grown.
Further, when a stack is formed by stacking unit cell plates, a part of the portion where the current collector and the electrode layer are in contact with each other so as to have a circuit configuration as shown in FIGS. 2 O 3 Powder (material) was spray-coated to form an insulating film, and then the nickel metal paste was filled into the opening serving as the current collector, and dried to form a current collector.
A single battery plate B was produced as described above. The size of each element part was 1.0 mm × 1.0 mm in the opening part, and the interval between the opening parts was 1.0 mm.
[0039]
4) Production of solid oxide fuel cell (lamination of each cell plate)
A slurry of the same LSM air electrode layer material as the electrode layer material deposited on the flat surface of the unit cell plate A produced by the above procedure is applied onto the electrode layer on the flat surface of the unit cell plate A, and then Then, a slurry of the same nickel oxide fuel electrode layer material as the electrode layer material deposited on the outermost surface of the flat surface of the unit cell plate is applied on the electrode layer of the flat surface of the unit cell plate, and FIG. As shown, the single cell plates were stacked facing each other. After stacking them, they were fired at 600 ° C. in a firing furnace to produce a solid oxide fuel cell.
[0040]
As shown in FIG. 3, a fuel cell in which two unit cell plates A and one unit cell plate B are stacked is installed in an electric furnace, heated to 700 ° C., and pure oxygen and pure hydrogen are used as source gases, respectively. AC impedance measurement and power generation test were conducted.
As a result of AC impedance measurement, the DC resistance was 0.5Ω when the electrode layer current collectors 9 and 10 were not formed, whereas the resistance produced by this example was as small as 0.03Ω. showed that.
Moreover, as a result of the power generation test, an open electromotive force of 1.05 V and a maximum output of 0.8 W / cm 2 Met.
[0041]
(Example 2: Series connection)
As shown in FIG. 4, a fuel cell in which five cell plates A and five cell plates B are stacked in an electric furnace is installed, heated to 700 ° C., and pure oxygen and pure hydrogen are used as source gases, respectively. A power generation test was conducted.
The total voltage of the series part was 5.1 V, and the voltage was increased by serialization. Moreover, as a result of the power generation test, the open electromotive force was 5.1 V, and the maximum output was 3.2 W / cm. 2 Met.
[0042]
(Example 3: Glass substrate serial connection (1))
The manufacturing process of the cell board of a present Example is shown in FIG. FIG. 5 shows a cross-sectional view and a plan view of a part of the cell plate.
(A) Six holes of 2 mmφ cell holes 7 were processed using a high silicate glass of 0.5 mm thickness and 5 cm square as the substrate 1. A conductive material was penetrated into a part of these cell holes 7 to form an electrode current collector 8.
(B) Next, a silane coupling material was applied to the surface of the Si substrate as the temporary substrate 1 ′, placed on the upper surface of the substrate 1, and heat-treated at 200 ° C. for bonding.
(C) Using an evaporation mask from the lower surface of the substrate, 1 μm of YSZ was formed as an electrolyte layer 4 in the cell hole 7 in a desired pattern by RF sputtering.
(D) Subsequently, 5 μm of LSM was formed by RF sputtering so that the lower electrode layer 2 (3) was directly adhered to the electrolyte layer 4 from the lower surface of the substrate.
(E) The temporary substrate 1 ′ was peeled and removed with a hydrofluoric acid-based etching solution.
(F) From the upper surface of the substrate, 5 μm of YSZ and Ni were formed as the upper electrode layer 3 (2) by the two-source sputtering method.
The single battery plate thus produced was designated as single battery plate A.
[0043]
Further, in the above manufacturing process, the unit cell plate in which the lower electrode layer is formed with 5 μm of YSZ and Ni by the two-source sputtering method in the step (d), and the upper electrode layer is formed with LSM of 5 μm by the RF sputtering method in the step (g). Was designated as a unit cell plate B.
In the same manner as in Example 2, the power generation characteristics were evaluated at 500 ° C. using a fuel cell in which the above single cell plate A and five single cell plates B were laminated as shown in FIG. Open end voltage 4.5V, output 1.05W / cm 2 Met.
[0044]
(Example 4: glass substrate series connection (2))
The manufacturing process of the cell board of a present Example is shown in FIG. FIG. 9 shows a cross-sectional view and a plan view of a part of the cell plate.
(A) Using a high-silicate glass having a thickness of 0.5 mm and a 5 cm square as a substrate 1, six 2 mmφ cell holes 7 and a groove (size) 12 to be an electrode current collector 8 were processed.
(B) Next, a silane coupling material was applied to the surface of the Si substrate as the temporary substrate 1 ′, placed on the upper surface of the substrate 1, and heat-treated at 200 ° C. for bonding.
(C) Using an evaporation mask from the lower surface of the substrate, 1 μm of YSZ was formed as an electrolyte layer 4 in the cell hole 7 in a desired pattern by RF sputtering.
(D) Subsequently, 5 μm of LSM was formed by RF sputtering so that the lower electrode layer 2 (3) was directly adhered to the electrolyte layer 4 from the lower surface of the substrate.
(E) Further, the temporary substrate 1 ′ was peeled and removed with a hydrofluoric acid-based etching solution.
(F) Further, the groove (size) 12 on the upper surface of the substrate was filled with a nickel metal paste and dried to form the electrode current collector 8.
(G) From the upper surface of the substrate, 5 μm of YSZ and Ni were formed as the upper electrode layer 3 (2) by the two-source sputtering method.
The single battery plate thus produced was designated as single battery plate A.
[0045]
Further, in the above manufacturing process, the lower electrode layer 2 (3) is formed to have a thickness of 5 μm by YSZ and Ni by the two-source sputtering method in the step (d), and the upper electrode layer 3 (2) is RF sputtered from the LSM in the step (g). A cell plate formed by the method was formed as a cell plate B.
Further, a conductive material was inserted into the predetermined cell hole 7 to form an electrode current collector 8.
In the same manner as in Example 2, the power generation characteristics were evaluated at 500 ° C. using a fuel cell in which the above unit cell plate A5 and unit cell plate B5 were stacked as shown in FIGS. Open end voltage 4.3V, output 0.98W / cm 2 Met.
[0046]
As mentioned above, although this invention was demonstrated in detail by the Example, this invention is not limited to these, A various deformation | transformation is possible within the range of the summary of this invention.
For example, in the present invention, the shape and the like of the single cell and the cell plate can be arbitrarily selected, and a solid oxide fuel cell according to the target output can be produced.
[0047]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, since the conductive material responsible for current collection is arranged in a predetermined shape, it is possible to reduce the size and increase the output, and the highly reliable single cell, cell plate, A fuel cell stack and a solid oxide fuel cell including these can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of an etching pattern of a substrate.
FIG. 2 is a cross-sectional view and a perspective view showing an example of a fuel cell stack.
FIG. 3 is a cross-sectional view and a circuit diagram showing another example of a fuel cell stack.
FIG. 4 is a cross-sectional view and a circuit diagram showing still another example of a fuel cell stack.
FIG. 5 is a cross-sectional view and a plan view showing an example of a part of a cell plate.
FIG. 6 is a cross-sectional view showing an example of a manufacturing process of a cell plate.
FIG. 7 is a cross-sectional view and a circuit diagram showing another example of a fuel cell stack.
FIG. 8 is a cross-sectional view and a circuit diagram showing still another example of a fuel cell stack.
FIG. 9 is a cross-sectional view and a plan view showing another example of a part of the cell plate.
FIG. 10 is a cross-sectional view showing another example of the manufacturing process of the cell plate.
FIG. 11 is a cross-sectional view and a perspective view showing another example of a fuel cell stack.
FIG. 12 is a cross-sectional view showing another example of the etching pattern of the substrate.
[Explanation of symbols]
1 Substrate (glass substrate)
1 'temporary substrate
2 Air electrode
3 Fuel electrode
4 electrolyte
5 Air gas flow path
6 Fuel gas flow path
7 Cell hole
8 Current collector (conductive part)
9 Air electrode layer current collector
10 Fuel electrode layer current collector
11, 11a, 11b, 11c Insulating part
12 Groove (size)
13 Reaction Field (Power Generation Unit)
20 Protective PSG film

Claims (11)

固体電解質層を空気極層及び燃料極層で挟持して電気的かつ機械的に接合し、その固体電解質層界面に電気化学的な反応場を形成する燃料電池用単セルを、導電性基板又は絶縁性基板に設けた複数の溝又は孔に配置した燃料電池用セル板を有し、
上記各燃料電池用セル板の溝又は孔が存在しない部位であって、その燃料電池用セル板の上面の一部から下面の一部まで反応場から集電した電流を外部に導通するための導電性材料を貫入しているとともに、
その燃料電池用セル板に貫入した導電性材料どうしを互いに直列接続させ、かつ、空気極層、燃料極層及び固体電解質層の積層方向とほぼ同一方向へ2次元的に連結して一体化したことを特徴とする固体電解質型燃料電池用スタック
A single cell for a fuel cell that sandwiches a solid electrolyte layer between an air electrode layer and a fuel electrode layer and is electrically and mechanically joined to form an electrochemical reaction field at the interface of the solid electrolyte layer is formed as a conductive substrate or A fuel cell plate disposed in a plurality of grooves or holes provided in the insulating substrate;
In each of the fuel cell plate, there is no groove or hole for conducting the current collected from the reaction field from a part of the upper surface to a part of the lower surface of the fuel cell plate to the outside. While penetrating conductive material,
The conductive materials penetrating into the fuel cell plate were connected in series with each other, and two-dimensionally connected and integrated in the same direction as the stacking direction of the air electrode layer, the fuel electrode layer, and the solid electrolyte layer. A stack for a solid oxide fuel cell .
上記燃料電池用セル板に貫入した導電性材料の電子伝導度が、空気極層及び燃料極層を形成する材料の電子伝導度以上である請求項1に記載の固体電解質型燃料電池用スタック2. The solid oxide fuel cell stack according to claim 1, wherein an electronic conductivity of the conductive material penetrating the fuel cell plate is equal to or higher than an electronic conductivity of a material forming the air electrode layer and the fuel electrode layer. 上記燃料電池用セル板に貫入した導電性材料が、ランタン−ストロンチウム−マンガン複合酸化物、ランタン−ストロンチウム−コバルト複合酸化物、ランタンクロマイト、銀、ニッケル、銅、白金及び鉄から成る群より選ばれた少なくとも1種のものを含んで成る合金、並びに/又はステンレス鋼より成る請求項1又は2に記載の固体電解質型燃料電池用スタックThe conductive material penetrating the fuel cell plate is selected from the group consisting of lanthanum-strontium-manganese composite oxide, lanthanum-strontium-cobalt composite oxide, lanthanum chromite, silver, nickel, copper, platinum and iron. The stack for a solid oxide fuel cell according to claim 1 or 2, wherein the stack comprises at least one alloy comprising at least one kind and / or stainless steel. 上記燃料電池用セル板に、これに配置した溝又は孔と隣接する溝又は孔との間隙且つ上記基板の延在方向に上記導電性材料を埋設している請求項1〜3のいずれか1項に記載の固体電解質型燃料電池用スタック 4. The fuel cell plate according to claim 1, wherein the conductive material is embedded in the gap between the groove or hole disposed in the cell plate for the fuel cell and the groove or hole adjacent thereto and in the extending direction of the substrate. A stack for a solid oxide fuel cell according to Item . 上記燃料電池用セル板の延在方向に埋設される導電性材料が、その燃料電池用セル板の表面側又は裏面側に配設され、その燃料電池用セル板の裏面側又は表面側に上記ガス流路を配設している請求項4に記載の固体電解質型燃料電池用スタック The conductive material embedded in the extending direction of the fuel cell plate is disposed on the front side or back side of the fuel cell plate, and the conductive material is disposed on the back side or front side of the fuel cell plate. The stack for a solid oxide fuel cell according to claim 4, wherein a gas flow path is provided . セル板の厚さt、上記導電性材料の埋設深さd1及び上記ガス流路の深さd2が、t>d1+d2の関係を満たしている請求項1〜5のいずれか1項に記載の固体電解質型燃料電池用スタック The solid according to any one of claims 1 to 5, wherein a thickness t of the cell plate, an embedding depth d1 of the conductive material, and a depth d2 of the gas flow path satisfy a relationship of t> d1 + d2. Stack for electrolyte fuel cell . 上記燃料電池用単セル又は導電性材料に絶縁部を設け、1又は複数の燃料電池用単セルごと且つ空気極層側及び燃料極層側の集電を担う集電部を形成した請求項1〜6のいずれか1項に記載の固体電解質型燃料電池用スタック 2. An insulating part is provided in the single cell or conductive material for the fuel cell, and a current collecting part for collecting current on the air electrode layer side and the fuel electrode layer side is formed for each one or a plurality of fuel cell single cells. The stack for a solid oxide fuel cell according to any one of -6 . 上記集電部の横断面又は縦断面の平均面積Scを、上記反応場の横断面又は縦断面の平均面積Srより大きくしている請求項7に記載の固体電解質型燃料電池用スタック The stack for a solid oxide fuel cell according to claim 7, wherein an average area Sc of a cross section or a vertical section of the current collector is larger than an average area Sr of a cross section or a vertical section of the reaction field . 上記平均面積Scと上記平均面積Srとが、Sc/Sr≧10の関係を満たすことを特徴とする請求項8に記載の固体電解質型燃料電池用スタック。 9. The solid oxide fuel cell stack according to claim 8, wherein the average area Sc and the average area Sr satisfy a relationship of Sc / Sr ≧ 10 . 上記燃料電池用単セル又は導電性材料に絶縁部を設けた請求項1〜10のいずれか1項に記載の固体電解質型燃料電池用スタック。 The stack for a solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 10, wherein an insulating part is provided in the single cell or the conductive material for the fuel cell. 請求項1〜10のいずれか1項に記載の固体電解質型燃料電池用スタックを発電要素として構成したことを特徴とする固体電解質型燃料電池 A solid oxide fuel cell comprising the stack for a solid oxide fuel cell according to claim 1 as a power generation element .
JP2001134692A 2001-05-01 2001-05-01 STACK FOR SOLID ELECTROLYTE FUEL CELL AND SOLID ELECTROLYTE FUEL CELL Expired - Fee Related JP4807605B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2001134692A JP4807605B2 (en) 2001-05-01 2001-05-01 STACK FOR SOLID ELECTROLYTE FUEL CELL AND SOLID ELECTROLYTE FUEL CELL

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2001134692A JP4807605B2 (en) 2001-05-01 2001-05-01 STACK FOR SOLID ELECTROLYTE FUEL CELL AND SOLID ELECTROLYTE FUEL CELL

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2002329513A JP2002329513A (en) 2002-11-15
JP4807605B2 true JP4807605B2 (en) 2011-11-02

Family

ID=18982327

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2001134692A Expired - Fee Related JP4807605B2 (en) 2001-05-01 2001-05-01 STACK FOR SOLID ELECTROLYTE FUEL CELL AND SOLID ELECTROLYTE FUEL CELL

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP4807605B2 (en)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7527888B2 (en) * 2003-08-26 2009-05-05 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Current collector supported fuel cell
JP5157095B2 (en) * 2006-07-13 2013-03-06 カシオ計算機株式会社 Double-sided separator, fuel cell structure and fuel cell stack using the same
JP5192723B2 (en) * 2007-05-10 2013-05-08 京セラ株式会社 Horizontally-striped fuel cell and fuel cell

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0828234B2 (en) * 1986-02-27 1996-03-21 三菱電機株式会社 Fuel cell

Also Published As

Publication number Publication date
JP2002329513A (en) 2002-11-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP3674840B2 (en) Fuel cell stack and method for manufacturing the same
US6623881B2 (en) High performance solid electrolyte fuel cells
US7816055B2 (en) Compact fuel cell
TW200406949A (en) Fuel cell and method for forming
US8399147B2 (en) Electrolyte-electrode assembly comprising an apatite-type oxide electrolyte and method for manufacturing the same
JP3705485B2 (en) Single cell for fuel cell and solid oxide fuel cell
JP6170002B2 (en) Cell stack and module and module housing device
JP5079991B2 (en) Fuel cell and fuel cell
JP5061408B2 (en) STACK FOR SOLID ELECTROLYTE FUEL CELL AND SOLID ELECTROLYTE FUEL CELL
JP2007273358A (en) Collector member for fuel cell, cell stack and fuel cell
JP2007317610A (en) Cell stack and fuel battery
JP3617814B2 (en) Air electrode material for alkaline-earth-added nickel-iron perovskite-type low-temperature solid fuel cell
KR20120021850A (en) Anode supported flat-tube sofc and manufacturing method thereof
JP2004303508A (en) Unit cell structure for fuel cell, and solid oxide type fuel cell using it
JP6389133B2 (en) Fuel cell stack
JP5170815B2 (en) Solid oxide fuel cell unit and stack
JP4249960B2 (en) Fuel cell
JP4807605B2 (en) STACK FOR SOLID ELECTROLYTE FUEL CELL AND SOLID ELECTROLYTE FUEL CELL
JP4807606B2 (en) STACK FOR SOLID ELECTROLYTE FUEL CELL AND SOLID ELECTROLYTE FUEL CELL
JP4352447B2 (en) Solid oxide fuel cell separator with excellent conductivity
JP2003346817A (en) Solid electrolyte fuel cell and method for manufacturing the same
JP2001102060A (en) Fuel pole for solid electrolyte fuel electrode
JP2002203580A (en) Single cell for fuel cell and solid electrolyte fuel cell
JP2005129281A (en) Solid electrolyte fuel battery cell
JP2002170578A (en) Cell for fuel battery and manufacturing method thereof

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20080325

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20110414

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20110425

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20110621

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20110722

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20110804

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140826

Year of fee payment: 3

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees