JP4888682B2 - Electrode for solid oxide fuel cell and method for producing the same - Google Patents
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Description
本発明は、固体酸化物形燃料電池(SOFC)に係わり、面方向の電気抵抗が小さく、耐久性及び集電性能に優れ、特に空気極として好適に用いられる固体酸化物形燃料電池用の電極構造と、その製造方法に関するものである。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a solid oxide fuel cell (SOFC), which has a small electrical resistance in the surface direction, excellent durability and current collecting performance, and particularly an electrode for a solid oxide fuel cell that is suitably used as an air electrode. The present invention relates to a structure and a manufacturing method thereof.
固体酸化物形燃料電池の集電体においては、発電要素と外部インターコネクタとの接続に関して技術的に困難な要素が存在するために、その発電要素の形態に合わせた多くの発明や提案ががなされている。 In the current collector of a solid oxide fuel cell, since there are technically difficult elements regarding the connection between the power generation element and the external interconnector, there are many inventions and proposals that match the form of the power generation element. Has been made.
この中でも特に空気極を対象にした場合、その面内横方向の電気的伝導性を確保するために、多くの場合が非常に厚い空気極を用いる手法を採用している(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、上記特許文献1に記載されているような厚い電極層は、そもそも形成が難しく、発電反応に必須のガス交換を阻害し、出力を増加させ難いばかりか、極端に厚い電極層は、組成が異なることによって熱膨張係数が異なる他の層に熱応力を印加して、剥離や割れを惹き起こし易く、信頼性を低下させるなど、多くの課題を抱えている。
However, a thick electrode layer as described in
一方、他の材料を用いた構造としては、例えば、電極層内に白金メッシュを埋め込むなどの手法も用いられており、性能向上には非常に効果的な手法と考えられるが、反面材料コストが嵩み、非常に高価な手法となる。
また、このような白金メッシュを埋め込む手法は、高価であると共に、焼結プロセスに対応した高温工程を必要とするものであって、昨今の金属構造体を用いた低コストを狙った低温製造工程による低温動作のセルには必ずしも適合するものではない。
On the other hand, as a structure using other materials, for example, a technique such as embedding a platinum mesh in the electrode layer is also used, which is considered to be a very effective technique for improving the performance. It is bulky and very expensive.
In addition, such a method of embedding a platinum mesh is expensive and requires a high-temperature process corresponding to the sintering process, and a low-temperature manufacturing process aiming at low cost using a recent metal structure It is not always suitable for a cell operated at a low temperature.
本発明は、固体酸化物形燃料電池の電極における上記課題を解決すべくなされたものであって、その目的とするところは、600℃程度以下での低温運転を目指した固体酸化物形燃料電池に適合する電極であって、低コストで耐久性に優れ、集電機能及び電気的伝導性にも優れた高性能な電極の構造と、その製造方法、さらにはこのような電極構造を採用した固体酸化物形燃料電池を提供することを目的としている。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems in electrodes of solid oxide fuel cells, and the object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell aimed at low temperature operation at about 600 ° C. or lower. A high-performance electrode structure that is low-cost, excellent in durability, excellent in current collecting function and electrical conductivity, its manufacturing method, and such an electrode structure An object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell.
本発明者らは、固体酸化物形燃料電池用電極における上記課題を解決すべく、電極材料や、その形成方法、成膜条件等について鋭意検討を重ねた結果、電極層内にNiやCo等を主成分とする耐食性金属から成る金属片のサイドウォールを設けることによって、耐久性が増すと共に、電極面方向の伝導性が向上することを見出し、本発明を完成するに到った。 In order to solve the above-mentioned problems in solid oxide fuel cell electrodes, the present inventors have made extensive studies on electrode materials, formation methods, film formation conditions, and the like. It has been found that by providing a sidewall of a metal piece made of a corrosion-resistant metal containing as a main component, durability is increased and conductivity in the electrode surface direction is improved, and the present invention has been completed.
本発明は上記知見に基づくものであって、本発明の固体酸化物形燃料電池用電極は、固体酸化物から成る電解質を備えた燃料電池に用いる電極であって、固体酸化物形燃料電池の運転温度において酸化や軟化を無視することができる耐熱材料から成る突起物が上記電解質の表面に規則的に配列されており、Ni及び/又はCoを含有する耐食金属から成り、多孔質電極材料を構成する粒子の最大径を超える高さを有し、上記突起物の少なくとも側面を囲繞する金属片が間隔をおいて配置され、多孔質電極材料が電解質表面に接続されていると共に、上記金属片の少なくとも一部を被覆していることを特徴としている。
The present invention is based on the above knowledge, and the electrode for a solid oxide fuel cell of the present invention is an electrode used in a fuel cell provided with an electrolyte made of a solid oxide, Protrusions made of a heat-resistant material that can ignore oxidation and softening at the operating temperature are regularly arranged on the surface of the electrolyte, made of a corrosion-resistant metal containing Ni and / or Co, and a porous electrode material. have a height that exceeds the maximum diameter of the particles constituting the metal piece surrounding at least side surfaces of the projections are spaced, with the porous electrode material is connected to the electrolyte surface, the metal strip It is characterized by covering at least a part of.
また、本発明の固体酸化物形燃料電池用電極の製造方法は、固体酸化物から成る電解質の表面に、固体酸化物形燃料電池の運転温度において酸化や軟化を無視することができる耐熱材料層を形成する工程Aと、工程Aにより得られた耐熱材料層をフォトリソグラフィー及びエッチングによりパターニングし、電解質の表面に上記耐熱材料を突起物として残す工程Bと、突起物が形成された電解質の表面をNi及び/又はCoを含有する耐食金属から成る金属膜でコーティングする工程Cと、異方性エッチング法を用いて工程Cにより得られた金属膜に膜厚分エッチングを施して上記突起物の側面に金属片を残す工程Dと、エッチングによって上記突起物の高さを減ずる工程Eと、Eまでの工程を経た電解質の表面に多孔質電極層を形成する工程Fを含むことを特徴としている。
Also, the method for producing an electrode for a solid oxide fuel cell according to the present invention includes a heat resistant material layer on the surface of an electrolyte composed of a solid oxide, which can ignore oxidation and softening at the operating temperature of the solid oxide fuel cell. Forming step A, patterning the refractory material layer obtained by step A by photolithography and etching, leaving the refractory material as a protrusion on the surface of the electrolyte, and the surface of the electrolyte on which the protrusion is formed Coating with a metal film made of a corrosion-resistant metal containing Ni and / or Co, and the metal film obtained by the process C using an anisotropic etching method is etched by a film thickness to form the protrusions. A process D for leaving a metal piece on the side surface, a process E for reducing the height of the protrusion by etching, and a process for forming a porous electrode layer on the surface of the electrolyte after the processes up to E. It is characterized by including F.
さらに、本発明の固体酸化物形燃料電池は、本発明の上記電極を空気極及び/又は燃料極として備えたことを特徴としている。 Furthermore, the solid oxide fuel cell of the present invention is characterized in that the electrode of the present invention is provided as an air electrode and / or a fuel electrode.
本発明によれば、固体酸化物電解質の表面に間隔をおいて配置された金属片が電解質表面を完全に被覆することなく、電極層の横方向の電気的接続を行うので、横方向抵抗が軽減でき、特に、一般に電気抵抗が大きい空気極においては、その厚さを大きく削減することによって、ガス交換性に関する従来の問題点を解決するだけでなく、コストダウンや歩留向上を達成することができる。
また、上記金属片の材料を絶縁性の酸化物とならない金属材料とすることによって、長期にわたる運転で表面が酸化されるような場合でも、従来の単純な電極材用のように酸化金属の分散した微粒子からなる多孔体とは異なり、配線材料のように連続した電気伝導体として機能させることができる。
According to the present invention, since the metal pieces arranged at intervals on the surface of the solid oxide electrolyte make the electrical connection in the lateral direction of the electrode layer without completely covering the electrolyte surface, the lateral resistance is reduced. In particular, in an air electrode with generally high electrical resistance, the thickness can be greatly reduced to not only solve the conventional problems related to gas exchange but also to reduce costs and improve yield. Can do.
In addition, by using a metal material that does not become an insulating oxide as the metal piece material, even if the surface is oxidized during long-term operation, the metal oxide dispersion can be achieved as in the conventional simple electrode material. Unlike a porous body made of fine particles, it can function as a continuous electric conductor like a wiring material.
以下、本発明の固体酸化物形燃料電池用電極について、その構造を製造方法と共にさらに詳細に説明する。 Hereinafter, the structure of the electrode for a solid oxide fuel cell of the present invention will be described in more detail together with the production method.
図1(a)及び(b)は本発明の固体酸化物形燃料電池用電極の参考例を示すものであって、図に示す固体酸化物形燃料電池用電極1は、固体酸化物から成る電解質2の表面に、例えばNiやCo等を主成分とする耐食金属から成る金属片3が間隔を開けて升目状に形成され、これら金属片3及び固体酸化物電解質2を多孔質の電極材料4が覆っており、当該多孔質電極材料4の中に屏風状、サイドウォール状の金属片3が埋め込まれた状態となっている。
なお、電極材料4と電解質2との組み合わせによっては、図1(a)に示すように、これらの間に緩衝用の中間層5を設けることができるが、必ずしも必要なものではない。
1A and 1B show a reference example of a solid oxide fuel cell electrode according to the present invention. The solid oxide
Depending on the combination of the
このとき、上記固体酸化物電解質2としては、特に限定されず、公知の電解質材料、例えばYSZ(イットリウム安定化ジルコニア)、SSZ(スカンジウム安定化ジルコニア)、SDC(サマリウムドープトセリア)、GDC(ガリウムドープトセリア)、LSGM(ランタンガレート)などを用いることができる。
At this time, the
また、電極材料として、Niや、Ni−YSZ、Ni−SSZ、Ni−SDC、Ni−GDC、Co−YSZ、Co−SSZ、Co−SDC、Co−GDCなどのサーメット材料などの燃料極材料を使用することにより、当該電極を燃料極として機能させることができ、LSC(La1−XSrXCoO3)、SSC(Sm1−XSrXCoO3)などのコバルト系酸化物や、LSM(La1−XSrXMnO3)、LCM(La1−XCaXMnO3)などのランタンマンガン系酸化物等の空気極材料を用いることによって、当該電極を燃料極として機能させることができる。 In addition, as an electrode material, a fuel electrode material such as cermet material such as Ni, Ni-YSZ, Ni-SSZ, Ni-SDC, Ni-GDC, Co-YSZ, Co-SSZ, Co-SDC, Co-GDC, etc. the use, can function the electrode as the fuel electrode, LSC (La 1-X Sr X CoO 3), SSC (Sm 1-X Sr X CoO 3) cobalt oxide or the like, LSM ( La 1-X Sr X MnO 3 ), by using the LCM (La 1-X Ca X MnO 3) air electrode materials, lanthanum-manganese oxide or the like, such as, can function the electrode as the fuel electrode.
このような電極構造においては、多孔質電極材料4の中に金属片3が屏風状、若しくはサイドウォール状に埋め込まれて、縦長の断面をなすことによって、厚さ方向の導電性を確保しつつ、ガス交換の阻害要因が少なくなる。
また、図2に示すように、金属片3の間隔aは、プロジェクション露光等でも10〜20μm、下地の平坦性などの条件によっては、1μm程度にもすることができるので、周囲からの集電を細かく分散して横方向の電気抵抗を低減でき、電極厚さに対して遥かに大きな線径を有する集電材料から成る集電体6を接触させたとき、金属片3が電極を薄厚化できることから、ガス透過性の問題を解決するだけでなく、電子供給能力のばらつきにより生ずる電極性能の面内ばらつきを解消し、発電性能を向上させることができる。
In such an electrode structure, the
Further, as shown in FIG. 2, the distance a between the
電極1と接触する集電体6はガス透過性と柔軟性が求められ、図3に示したように耐熱耐酸化金属からなる繊維が用いられるか、ディンプル突起状に加工された薄板が押し付けられることになるが、薄板ではディンプルのピッチはミリメートル以上のオーダーであり、繊維径は細くても50μm程度が現実的なものであるから、メッシュ型集電体の場合でも、繊維間隔bは100μm以上のものとなるが、上記金属片3が集電体6との接触状態を改善する。
また、電極1においては、金属片3が電極材料の下層方向まで達しているので、表面から集電体6を接触させた場合よりも電解質近傍まで低抵抗で電子が供給されるので、これによっても発電性能向上に寄与することになる。
The
Moreover, in the
なお、上記図1においては、金属片3を升形に形成した例を示したが、このような形状のみに限定されることはなく、例えばメッシュ状や丸形、多角形など種々の形状を任意に選択することができる。
1 shows an example in which the
本発明の固体酸化物形燃料電池用電極においては、電解質2の表面に耐熱性を備えた突起物を規則的に配列し、上記金属片3が少なくとも突起物の側面を囲繞するようになす。これによって金属片3が薄い場合でも、インターコネクタの接触圧力を突起物で受け、金属片3が電気伝導を担いつつ、多孔質の脆弱な電極材料層を保護することが可能となる。なお、この場合には、突起物の幅はさほど大きくない方が好ましい。
In the solid oxide fuel cell electrode of the present invention, protrusions having heat resistance are regularly arranged on the surface of the
また、この場合、金属片3の高さを突起物より大きくすることが望ましい。すなわち、上記金属片3が突起物の側壁からさらに上方へ飛び出し、所謂屏風の如き構造となることにより、インターコネクタもしくは集電体の接触時に、金属片3の頭頂部が押されて、場合によっては潰れて、突起物の上端部に被さる形態となり、これがインターコネクタもしくは集電体との電気的接続点となる。
特に、後述する工程により製造される場合には、形状的に耐熱性を有する突起物の頂部へ折れ易く、強固な電気的接続点となる傾向がある。したがって、電気的接続点が電極内部で増加するだけでなく、インターコネクタもしくは集電体への電気的接続を大きく改善する。
In this case, it is desirable that the height of the
In particular, when it is manufactured by a process described later, it tends to bend to the top of a protrusion having heat resistance in shape and tends to be a strong electrical connection point. Thus, not only does the electrical connection point increase within the electrode, it also greatly improves the electrical connection to the interconnector or current collector.
さらに、本発明の固体酸化物形燃料電池用電極においては、上記電解質2と金属片3の底部との間に多孔質の電極材料層を設けることもでき、このような構造とすることによって、金属片3や突起物の下部も活性点として機能することから、電解質表面の有効面積が金属片3を形成しない場合と同様に維持されることになる。
Furthermore, in the electrode for a solid oxide fuel cell of the present invention, a porous electrode material layer can be provided between the
以下に、上記構造の固体酸化物形燃料電池用電極の製造方法について、図3(a)〜(i)に基づいて説明する。 Below, the manufacturing method of the electrode for solid oxide fuel cells of the said structure is demonstrated based on Fig.3 (a)-(i).
まず、図3(a)に示すように、電解質2の表面に耐熱材料層11を蒸着する(工程A)。
このような耐熱材料としては、SiやSiO2、GeO2やAl2O3等を用いることができる。
First, as shown in FIG. 3A, a heat-
As such a heat-resistant material, Si, SiO 2 , GeO 2 , Al 2 O 3 or the like can be used.
次に、図3(b)に示すように、上記耐熱材料層11の上に半導体プロセスに用いられるフォトレジスト12を形成し、図3(c)に示すように、フォトリソグラフィーによりレジストパターンを形成する。
Next, as shown in FIG. 3B, a
図3(d)に示すように、上記レジストパターンをマスクとして、耐熱材料層11の種類に応じたエッチング方法によって、当該耐熱材料層11の側壁が電解質鉛直に近くなるようにエッチングする。
例えば、上記耐熱材料層11がSiの場合には、HBrとNF3とO2とHeを混合したエッチングガスを用いて、13.56MHzの高周波電力を上記電解質2の側に印加するRIE(リアクティブイオンエッチング)法と呼ばれる公知の手法を採用することによって容易にエッチングすることができる。上記の他、種々のガス種の組み合せを耐熱材料の種類に応じて用いることができる。SiO2に関してはCF4及びH2ガスなどを用いたエッチング、Al2O3ではBCl3などの塩素系のエッチングガスを含むガスを用いて可能である。
As shown in FIG. 3D, the resist pattern is used as a mask, and etching is performed according to the type of the heat-
For example, in the case where the heat-
エッチングの後、図3(e)に示すように、レジスト12をアッシング工程により除去することによって、上記耐熱材料から成る突起物13が電解質2の表面に残ることになる(工程B)。
After the etching, as shown in FIG. 3E, the resist 12 is removed by an ashing process, whereby the
次に、図3(f)に示すように、例えばNiのような金属膜14をステップカバレッジ良く成膜して、電解質2及び突起物13の表面をコーティングする(工程C)。なお、これは、半導体の分野では『コンフォーマル』と称するものに相当する。
なお、金属膜14としては、上記Niの他に、Fe、Co、あるいはこれらの合金を用いることができる。
Next, as shown in FIG. 3F, a
As the
次いで、図3(g)に示すように、上記金属膜14を異方性エッチング法を用いて膜厚の分だけ鉛直方向にエッチングすることによって、上記突起物13の側面にのみ金属膜14を残留させる(工程D)。これは半導体のプロセスでは『サイドウォール』と呼ばれるものに相当する。
すなわち、鉛直方向に優先的にエッチングが進行するエッチング手法の場合、突起物13の側面に形成されている膜の厚さは平坦部の厚さに相当するため、平坦部がエッチングによって除去されても、鉛直側面は金属膜14が残ることにより、金属片3となる。
Next, as shown in FIG. 3G, the
That is, in the case of an etching method in which etching proceeds preferentially in the vertical direction, the thickness of the film formed on the side surface of the
半導体の分野では、上記のエッチング手法はRIE法と同様に異方性が求められるが、本発明のように金属膜に遷移金属を用いる場合には、半導体で用いられるようなエッチングガスではエッチングすることができない。
これは、遷移金属の塩化物や弗化物の蒸気圧が非常に低いことから、エッチング操作時に反応物が表面に形成された後にはこれが蒸発により除去されないために、反応が進行せず、結果としてエッチングが進行しないことによる。
In the field of semiconductors, the above etching method requires anisotropy as in the case of the RIE method. However, when a transition metal is used for the metal film as in the present invention, etching is performed with an etching gas used in semiconductors. I can't.
This is because the vapor pressure of transition metal chlorides and fluorides is very low, and after the reactants are formed on the surface during the etching operation, they are not removed by evaporation, so the reaction does not proceed, and as a result This is because etching does not proceed.
本発明においては、Arイオンを鉛直方向より表面に衝突させて物理的に除去する『イオンミリング』と称される手法を用いることによってエッチングすることが可能になる。 この他には、COガスとNH3ガスの混合ガスを低温プラズマ(グロー放電)により活性化して、遷移金属表面に蒸気圧を有するカルボニル化合物を形成し、除去することによりエッチングを行う方法を採用することができ、本手法を用いた場合には上記イオンミリング法に比べて実用的なエッチング速度を得ることができる。 In the present invention, etching can be performed by using a method called “ion milling” in which Ar ions collide with the surface from the vertical direction and are physically removed. In addition, etching is performed by activating a mixed gas of CO gas and NH 3 gas with low-temperature plasma (glow discharge) to form a carbonyl compound having a vapor pressure on the surface of the transition metal and removing it. When this method is used, a practical etching rate can be obtained as compared with the ion milling method.
そして、以上のプロセスにより、上記突起物13の側面に金属片3のサイドウォールを形成した後、図3(h)に示すように、耐熱材料から成る上記突起物13をエッチングによって完全に除去する(工程E)。
この突起物13の除去工程についても、上記RIE法以外にも、他の手法が存在する。除去時にはRIE法の如く異方性を求められないので、弗素系化合物ガスを用いた単純なプラズマエッチングや特にAl2O3などでは燐酸を用いた湿式エッチングでもよく、GeO2の場合には水洗で除去可能である。
Then, after forming the sidewalls of the
In addition to the RIE method, there are other methods for removing the
その後、図3(i)に示すように、上記電解質2及び金属片3のサイドウォール表面に、空気極や燃料極として機能する上記のような多孔質電極材料4を成膜する(工程F)ことによって、図1に示したような構造の固体酸化物形燃料電池用電極1が完成する。
このときの多孔質電極材料4の成膜には、スパッタリング蒸着法、ガスデポジション法、エアロゾルデポジション法、コールドスプレー法、プラズマ溶射法、CVD法、スプレーパイロリシスデポジション法などの手法が単独で、あるいは2種以上の手法を組み合わせて適用することができる。
Thereafter, as shown in FIG. 3 (i), the
For forming the
上記した突起物13は、完全に除去することなく、電解質2の表面に残留させることによって機械的耐圧構造体として用いることにより、本発明の電極構造となる。
この製造工程を図4(a)〜(i)に基づいて説明する。
The
This manufacturing process will be described with reference to FIGS.
すなわち、図4(a)〜(g)までの工程については、基本的に図3に示した工程と変るところはない。
金属片3のサイドウォールを形成した後、突起物13のエッチングにおいて、頭頂部を僅かにエッチングするに留め、図4(h)に示すように、サイドウォール(金属片3)の先端を突起物13の上に突出させた形状とする。
That is, the steps shown in FIGS. 4A to 4G are basically the same as those shown in FIG.
After the side wall of the
そして、この状態で、図4(i)に示すように、上記同様に多孔質電極材料4を成膜することによって、固体酸化物形燃料電池用電極1の形成が完了する。
In this state, as shown in FIG. 4I, the formation of the solid oxide
多孔質電極材料4の成膜後、図5(a)に示すように、当該電極1の表面に集電体6を接触させると、図5(b)に示すようにサイドウォールとしての金属片3の先端が突起物13の上端側へ倒れ、集電体6との電気的接点となる。
このような構造の場合、突起物13が集電体6の押し付け圧力を受け止め、多孔質の電極材料4が潰れるのを防止するだけでなく、さらに熱膨張収縮による集電体6の摩擦による電極の破壊をも防ぐことができる。
After the
In the case of such a structure, the
この場合の突起物13は、固体酸化物形燃料電池の運転温度において酸化や軟化を無視することができる耐熱材料であることが必要であり、例えばSiの他には、上記したような電解質材料や緻密化した(非多孔質)電極材料などを用いることができる。
The
また、図3(a)に示した工程A、すなわち電解質2の表面に耐熱材料層11を形成する工程に先立って、電解質2の表面に電極材料層7を成膜した状態で耐熱材料層11を蒸着し、以下同様の工程を実施することによって、図6に示すように金属片3が電極材料内に浮いたような構造とすることができ、これによって金属片3(サイドウォール)の下部にもガスが透過できるようになり、その分電極面積が増加することになり、電池性能が向上する。
Further, prior to the step A shown in FIG. 3A, that is, the step of forming the heat-
同様に、図4(a)に示した工程Aに先立って電解質2の表面に電極材料層7を成膜した状態で耐熱材料層11を蒸着し、以下同様の工程を繰り返すことによって、図7に示すように金属片3及びこれを補強する突起物13が電極材料内に浮いた構造とすることができ、これによって電解質界面の面積を犠牲にすることなく、集電体6(メッシュ構造のみならず、板状の集電体でも可)からの応力を面で分散して受け止めるようにすることができるようになり、耐圧構造を維持したまま金属片3の下層をも活性部として活用できるようになる。
Similarly, prior to step A shown in FIG. 4A, the heat-
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。なお、本発明は、これらの実施例に限定されないことは言うまでもない。 Hereinafter, the present invention will be specifically described based on examples. Needless to say, the present invention is not limited to these examples.
(参考例1)
電解質2として8YSZ(8モル%イットリウム安定化ジルコニア)を用い、この表面に厚さ2μmのSiを蒸着して、耐熱材料層11とした(図3(a)参照)。
次に、上記Si層の上に、半導体プロセスに用いられるフォトレジスト12を形成(図3(b)参照)し、フォトリソグラフィーによりレジストパターンを形成した(図3(c)参照)。
( Reference Example 1)
8YSZ (8 mol% yttrium-stabilized zirconia) was used as the
Next, a
次いで、上記レジストパターンをマスクとして、Siドライエッチング工程、すなわちRIE法(エッチングガス:HBr+NF3+O2+He混合ガス、印加高周波:13.56MHz)によって、Siの側壁が鉛直に近くなるようにエッチングした(図3(d)参照)。
そして、その後フォトレジスト12をアッシング工程により除去することによって、金属片を形成するための突起物13を形成した(図3(e)参照)。
Next, using the resist pattern as a mask, etching is performed by the Si dry etching process, that is, the RIE method (etching gas: HBr + NF 3 + O 2 + He mixed gas, applied high frequency: 13.56 MHz) so that the side wall of Si becomes nearly vertical. (See FIG. 3 (d)).
Then, by removing the
次に、これら電解質2及び突起物13の表面に、Niから成る金属膜14を1μmの厚さに成膜した(図3(f)参照)。
さらに、Arイオンを鉛直方向から衝突させるイオンミリング法を用いて上記Ni膜14を異方性エッチングし、Ni膜の厚さ分エッチングすることによって、上記突起13の側面にのみNi膜14を残存させて、金属片3とした(図3(g)参照)。
Next, a
Further, the
以上のプロセスにより、上記突起物13の側面にNiから成るサイドウォール(金属片3)を形成した後、Siから成る突起物13をNF3ガスプラズマに晒すことによって完全に除去した(図3(h)参照)。
After forming the side wall (metal piece 3) made of Ni on the side surface of the
この後、AD法(エアロゾルデポジション法)を用いて、上記電解質2及びNiサイドウォール(金属片3)の表面に、多孔質空気極材料4としてSSC(サマリウム−ストロンチウム−コバルト複合酸化物)を成膜することによって、図1に示した構造の固体酸化物形燃料電池用電極(空気極)1を得た(図3(i)参照)。
Thereafter, using the AD method (aerosol deposition method), SSC (samarium-strontium-cobalt composite oxide) is used as the porous
次に、集電体6として、インコネル750から成る100μm径の繊維を1.3mm厚にまとめた繊維体を準備し、厚さ100μmのステンレス系材料(日立金属株式会社製、商品名ZMG232)から成る金属セパレータを用いて、上記工程にて形成した空気極1との間に挟み込み、ガス流路を兼ねる集電体層を構成した。
Next, as the
このような構造のセルを10層積層し、上記繊維体の各々の厚さが1mmとなるように押し付けるとその圧力は20g/cm2となり、繊維体から成る集電体6は、各空気極にそれぞれ同様の圧力で押し付けられている。
各層には、ガス配管が接続されて発電に必要なガスが供給されるようになっており、このような構造のセル積層体を600℃の雰囲気下に保持することによって、発電テストを6回繰り返した。
When 10 layers of cells having such a structure are stacked and pressed so that each of the fibrous bodies has a thickness of 1 mm, the pressure becomes 20 g / cm 2 , and the
Gas pipes are connected to each layer to supply gas necessary for power generation. By holding the cell stack having such a structure in an atmosphere of 600 ° C., six power generation tests are performed. Repeated.
その結果、若干のばらつきはあるものの、電気抵抗成分が1割ほど低減された性能を維持することが確認された。また、上記のような押し付け圧によって、金属片上部への圧痕は多少認められるものの、熱ストレスによる金属繊維の変形や収縮に基づく傷や削れ粉の発生については、電極材料部分に認められず、良好な電極表面が維持されることが判明した。
なお、本発明は燃料極側にも適用できるが、この場合には、ランタンガレート系材料を用いた空気極支持型と呼ばれるタイプのセルにおいて、燃料極層の集電を確保する例が代表的なものとなる。
As a result, although there was some variation, it was confirmed that the performance in which the electrical resistance component was reduced by about 10% was maintained. In addition, due to the pressing pressure as described above, although some indentation on the upper part of the metal piece is recognized, the generation of scratches and chipping powder due to deformation and contraction of the metal fiber due to thermal stress is not recognized in the electrode material part, It has been found that a good electrode surface is maintained.
The present invention can also be applied to the fuel electrode side. In this case, a typical example of securing the current collection in the fuel electrode layer in a cell called an air electrode support type using a lanthanum gallate material is typical. It will be something.
(実施例2)
上記突起物13を電解質2の表面上に残留させることによって、機械的耐圧構造体として用いる例について説明する。
(Example 2)
An example in which the
上記参考例1において、Niサイドウォール(金属片3)を形成した後、突起物13をエッチングするに際して、図4(h)に示すように、突起物13の頭頂部が僅かにエッチングされる程度に留めることによって、サイドウォールの先端部分を突起物13の上端面から突出させた形状とした。
そして、図4(i)に示すように、空気極材料4としてのSSCを成膜することによって、本例の固体酸化物形燃料電池用電極(空気極)1を得た。
In the reference example 1, when the
And as shown in FIG.4 (i), the electrode (air electrode) 1 of the solid oxide fuel cell of this example was obtained by forming SSC as the
本例の空気極1においては、表面に集電体6を接触させるとサイドウォール3の先端は、その形状からして突起物の側に倒れ、図5に示すように、集電体6との電気的接点となり、突起物13によって集電体6の押し付け力が受け止められ、空気極材料4が潰れるのが防止されると共に、集電体6との摩擦による空気極の破壊も防止されることになる。
In the
(参考例3)
ここでは、電解質2の有効面積を確保すべく、金属片3の下層に電極材料層7を形成した例について説明する。
すなわち、電解質2の表面に耐熱材料層11を形成する図3(a)に示した工程に先立って、電解質2の表面に、同じくSSCから成る多孔質の電極材料層7を成膜した。
( Reference Example 3)
Here, an example in which the electrode material layer 7 is formed in the lower layer of the
That is, prior to the step shown in FIG. 3A for forming the heat-
以下、上記参考例1と同様に、図3(a)〜(i)の工程を繰り返すことによって、図6に示すような構造を備えた固体酸化物形燃料電池用電極(空気極)1を得た。
Hereinafter, similarly to the reference example 1, by repeating the steps of FIGS. 3A to 3I, the solid oxide fuel cell electrode (air electrode) 1 having the structure shown in FIG. 6 is obtained. Obtained.
本例の空気極1においては、上記したように、電解質2の有効面積が金属片3を形成しない場合と同じレベルに確保されると共に、金属片3の下部にもガスが透過できるようになることから、電極面積も増加し、電池性能の向上を図ることができる。
In the
(実施例4)
ここでは、突起物13を残すことによって耐圧構造を維持したままで、電解質2の有効面積を確保すべく、金属片3の下層に電極材料層7を形成した例について説明する。
すなわち、電解質2の表面に耐熱材料層11を形成する図4(a)に示した工程に先立って、電解質2の表面に、同じくSSCから成る多孔質の電極材料層7を成膜した。
Example 4
Here, an example in which the electrode material layer 7 is formed in the lower layer of the
That is, prior to the step shown in FIG. 4A for forming the heat-
以下、上記実施例2と同様に、図4(a)〜(i)の工程を繰り返すことによって、図7に示すような構造を備えた固体酸化物形燃料電池用電極(空気極)1を得た。 Thereafter, in the same manner as in Example 2 above, by repeating the steps of FIGS. 4A to 4I, a solid oxide fuel cell electrode (air electrode) 1 having a structure as shown in FIG. Obtained.
本例の空気極1においては、同様に電解質2の有効面積が金属片3を形成しない場合と同じレベルに確保され、金属片3の下層も活性部として活用でき電池性能の向上を図ることができると共に、突起物13と金属片3により、集電体6の圧力を上端面で分散して受け止めることができる。
In the
1 固体酸化物形燃料電池用電極
2 電解質
3 金属片
4 多孔質電極材料
7 電極材料層
11 耐熱材料層
13 突起物
14 金属膜
DESCRIPTION OF
Claims (6)
固体酸化物形燃料電池の運転温度において酸化や軟化を無視することができる耐熱材料から成る突起物が上記電解質の表面に規則的に配列されており、
Ni及び/又はCoを含有する耐食金属から成り、多孔質電極材料を構成する粒子の最大径を超える高さを有し、上記突起物の少なくとも側面を囲繞する金属片が間隔をおいて配置され、
多孔質電極材料が電解質表面に接続されていると共に、上記金属片の少なくとも一部を被覆していることを特徴とする固体酸化物形燃料電池用電極。 An electrode used in a fuel cell having an electrolyte made of a solid oxide ,
Projections made of a heat-resistant material that can ignore oxidation and softening at the operating temperature of the solid oxide fuel cell are regularly arranged on the surface of the electrolyte.
Made corrosion resistant metal containing Ni and / or Co, greater than the maximum diameter of the particles constituting the porous electrode material have a height, metal piece surrounding at least side surfaces of the projections are spaced apart ,
A solid oxide fuel cell electrode, wherein a porous electrode material is connected to an electrolyte surface and covers at least a part of the metal piece.
上記耐熱材料層をフォトリソグラフィー及びエッチングによりパターニングし、当該耐熱材料から成る突起物を電解質の表面に残す工程Bと、
上記工程を経た電解質の表面をNi及び/又はCoを含有する耐食金属から成る金属膜によりコーティングする工程Cと、
異方性エッチング法を用いて上記金属膜に膜厚分エッチングを施して上記突起物の側面に金属片を残す工程Dと、
エッチングにより上記突起物の高さを減ずる工程Eと、
上記工程を経た電解質の表面に多孔質電極層を形成する工程Fを順に施すことを特徴とする固体酸化物形燃料電池用電極の製造方法。
Forming a heat-resistant material layer capable of ignoring oxidation and softening at the operating temperature of the solid oxide fuel cell on the surface of the electrolyte made of solid oxide; and
Patterning the refractory material layer by photolithography and etching to leave a protrusion made of the refractory material on the surface of the electrolyte; and
Coating the surface of the electrolyte that has undergone the above-described process with a metal film made of a corrosion-resistant metal containing Ni and / or Co ; and
A step D of etching the metal film by a thickness using an anisotropic etching method to leave a metal piece on the side surface of the protrusion; and
Step E of reducing the height of the protrusions by etching;
A method for producing an electrode for a solid oxide fuel cell, comprising sequentially performing a step F of forming a porous electrode layer on the surface of the electrolyte that has undergone the above steps.
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