JP5124968B2 - Solid oxide fuel cell and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

本発明は、燃料ガス及び酸化剤ガスを供給することにより発電する固体酸化物形燃料電池及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a solid oxide fuel cell that generates electric power by supplying a fuel gas and an oxidant gas, and a method for manufacturing the same.

従来より、固体酸化物形燃料電池のセルデザインとして、平板型、円筒型などが提案されている。しかし、現状のセルデザインには問題がある。平板型セル及び円筒型セルのいずれも、性能を向上させるためには電解質を薄膜化することによる内部抵抗の低減が必要となるが、電解質が薄すぎると振動や熱サイクルなどに対して脆弱化してしまい、耐振性や耐久性が低下するという問題である。   Conventionally, a flat plate type, a cylindrical type, and the like have been proposed as cell designs for solid oxide fuel cells. However, there are problems with the current cell design. In order to improve the performance of both flat and cylindrical cells, it is necessary to reduce the internal resistance by thinning the electrolyte. However, if the electrolyte is too thin, it becomes vulnerable to vibration and thermal cycles. This is a problem that vibration resistance and durability are lowered.

また、上記問題点を解決するために、例えば特許文献1、2に示すように、最近では、電極や集電体により電解質及び対電極を支持する構造を取るセル構造がある。
特開2005-327511号公報 特開2004-303508号公報
In order to solve the above problems, for example, as shown in Patent Documents 1 and 2, recently, there is a cell structure in which an electrolyte and a counter electrode are supported by an electrode or a current collector.
JP 2005-327511 A JP 2004-303508 A

ところが、特許文献1、2に記載の構造では、セルを片面から支持するため、製造時の焼成や発電時のように熱が加えられる際には、セルと支持基板との熱膨張率の差に起因して、セルに反りが生じることがある。そして、このような反りは、セルの破損につながるという問題があった。   However, in the structures described in Patent Documents 1 and 2, since the cell is supported from one side, when heat is applied as in firing or power generation during manufacturing, the difference in coefficient of thermal expansion between the cell and the support substrate. Due to this, the cell may be warped. And there existed a problem that such a curvature led to damage of a cell.

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、セルを支持基板によって支持する構造を有する燃料電池において、製造時や発電時等の熱が加えられた際のセルの反りを防止し、破損を防ぐことができる固体酸化物形燃料電池を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above problems, and in a fuel cell having a structure in which a cell is supported by a support substrate, the cell is prevented from warping when heat is applied during production or power generation. It is an object of the present invention to provide a solid oxide fuel cell capable of preventing damage.

本発明に係る固体酸化物形燃料電池は、上記問題を解決するためになされたものであり、薄膜状の電解質と、前記電解質の一方面に配置された薄膜状の燃料極と、前記電解質の他方面に配置された薄膜状の空気極と、前記燃料極及び空気極それぞれの前記電解質とは反対側の面に配置された一対の支持基板と、前記各支持基板の前記燃料極または空気極とは反対側の面に配置された一対のセパレータと、を備え、前記支持基板は、多孔質でかつ、導電性を有しており、焼成により、燃料極又は空気極に接合されている。 A solid oxide fuel cell according to the present invention has been made to solve the above-described problems, and includes a thin film electrolyte, a thin film fuel electrode disposed on one surface of the electrolyte, and the electrolyte. A thin film-like air electrode disposed on the other surface, a pair of support substrates disposed on the surfaces of the fuel electrode and the air electrode opposite to the electrolyte, and the fuel electrode or air electrode of each support substrate A pair of separators disposed on the opposite side of the support substrate, the support substrate is porous and conductive, and is bonded to the fuel electrode or the air electrode by firing.

この構成によれば、電解質、燃料極及び空気極からなるセルを同一の材料からなる一対の支持基板で挟んだ構造を有している。したがって、セルと支持基板との間に熱膨張率の差があったとしても、同じ熱膨張率を有する支持基板によってセルが挟まれているので、例えば製造時のように熱が加えられた場合にも、セルが反るのを防止することができる。その結果、セルの破損を防止することができる。   According to this structure, it has the structure which pinched | interposed the cell which consists of electrolyte, a fuel electrode, and an air electrode with a pair of support substrate which consists of the same material. Therefore, even if there is a difference in the coefficient of thermal expansion between the cell and the support substrate, since the cell is sandwiched between the support substrates having the same coefficient of thermal expansion, for example, when heat is applied as in manufacturing In addition, the cell can be prevented from warping. As a result, cell damage can be prevented.

また、上述したように、セルが一対の支持基板で挟まれているため、支持基板がセルを保護する役割も果たす。したがって、このことによってもセルの破損を防止することができる。   Further, as described above, since the cell is sandwiched between the pair of support substrates, the support substrate also serves to protect the cells. Therefore, this also prevents cell damage.

上記燃料電池において、各支持基板が、焼成により、燃料極又は空気極に接合されていることにより、電極と支持基板との密着性が高まるため、支持基板の集電性能を向上し、電極と支持基板間の接触抵抗を下げることができる。 In the above fuel cell, the support substrate, by firing, by being joined to the fuel electrode or air electrode, the adhesion between the electrode and the supporting substrate is increased to improve the current collecting performance of the supporting substrate, and the electrode The contact resistance between the support substrates can be lowered.

上記電解質、燃料極及び空気極は、薄膜状に形成されるが、その厚さは、1〜100μmであることが好ましい。   The electrolyte, fuel electrode, and air electrode are formed in a thin film shape, and the thickness is preferably 1 to 100 μm.

本発明に係る固体酸化物形燃料電池の第1の製造方法は、上記問題を解決するためになされたものであり、多孔質でかつ導電性を有する第1の支持基板の一方面上に薄膜状の燃料極を形成する工程と、多孔質でかつ導電性を有する第2の支持基板の一方面上に薄膜状の空気極を形成する工程と、前記燃料極又は空気極上に薄膜状の電解質を形成する工程と、前記電解質と、前記燃料極又は空気極とが対向するように前記第1及び第2の支持基板を貼り合わせ、加圧しつつ焼成する工程と、前記第1及び第2の支持基板の他方面上にそれぞれセパレータを設ける工程と、を備えている。 A first manufacturing method of a solid oxide fuel cell according to the present invention is made in order to solve the above-described problem, and a thin film is formed on one surface of a porous and conductive first support substrate. Forming a thin fuel electrode, forming a thin air electrode on one surface of a porous and conductive second support substrate , and forming a thin film electrolyte on the fuel electrode or air electrode A step of bonding the first and second support substrates so that the electrolyte and the fuel electrode or the air electrode face each other, and firing while pressing , and the first and second Providing a separator on the other surface of the support substrate .

上記製造方法においては、電解質、燃料極、及び空気極を例えば、印刷によって形成することができる。或いは、これらを形成するための粉末材料とバインダーとの混合体からなるいわゆるグリーン体を転写シート上に形成したものを準備し、これを転写することで、電解質等を形成することもできる。その他、テープキャスト法で形成したテープによって電解質等を形成したり、スパッタリング等の真空法、電着などの溶液法、静電噴霧法等でも形成することができる。   In the manufacturing method, the electrolyte, the fuel electrode, and the air electrode can be formed by printing, for example. Alternatively, an electrolyte or the like can be formed by preparing and transferring a so-called green body made of a mixture of a powder material and a binder for forming these on a transfer sheet. In addition, an electrolyte or the like can be formed by a tape formed by a tape casting method, a vacuum method such as sputtering, a solution method such as electrodeposition, an electrostatic spraying method, or the like.

また、本発明に係る固体酸化物形燃料電池の第2の製造方法は、多孔質でかつ導電性を有する第1の支持基板の一方面上に薄膜状の燃料極を形成する工程と、多孔質でかつ導電性を有する第2の支持基板の一方面上に薄膜状の空気極を形成する工程と、電解質を形成するための電解質用材料ペーストを前記燃料極及び空気極にそれぞれ塗布する工程と、前記電解質用材料ペーストが対向するように、前記第1及び第2の支持基板を貼り合わせ、加圧しつつ焼成する工程と、前記第1及び第2の支持基板の他方面上にそれぞれセパレータを設ける工程と、を備えている。 Further, a second method for producing a solid oxide fuel cell according to the present invention includes a step of forming a thin film-like fuel electrode on one surface of a porous and conductive first support substrate, Forming a thin film-like air electrode on one surface of the second support substrate having high quality and conductivity, and applying an electrolyte material paste for forming an electrolyte to the fuel electrode and the air electrode, respectively And bonding the first and second support substrates so that the electrolyte material paste faces each other, firing them while applying pressure , and separating the separators on the other surfaces of the first and second support substrates, respectively. And providing a step .

また、本発明に係る固体酸化物形燃料電池の第3の製造方法は、多孔質でかつ導電性を有する第1の支持基板の一方面上に、薄膜状の燃料極及び空気極の間に電解質が形成された単セルを形成する工程と、前記単セルにおいて、前記第の支持基板とは反対側の面に導電性のペーストを塗布する工程と、多孔質でかつ導電性を有する第2の支持基板の一方面上に導電性のペーストを塗布する工程と、前記導電性ペーストが対向するように、前記第1及び第2の支持基板を貼り合わせ、加圧しつつ焼成する工程と、前記第1及び第2の支持基板の他方面上にそれぞれセパレータを設ける工程と、を備えている。 Moreover, the third method for producing a solid oxide fuel cell according to the present invention includes a thin film-like fuel electrode and an air electrode on one surface of a porous first conductive substrate. A step of forming a single cell in which an electrolyte is formed; a step of applying a conductive paste to a surface of the single cell opposite to the first support substrate; and a porous and conductive first layer. A step of applying a conductive paste on one side of the two support substrates, a step of bonding the first and second support substrates so that the conductive pastes face each other, and firing while pressing , Providing a separator on each of the other surfaces of the first and second support substrates .

上記第2及び第3の方法においては、電解質用材料ペーストを用いる代わりに、電解質用のグリーン体が塗布されたシートを用いて電解質を形成することもできる。   In the second and third methods, instead of using the electrolyte material paste, the electrolyte can be formed using a sheet coated with an electrolyte green body.

また、本発明に係る固体酸化物形燃料電池の第4製造方法は、薄膜状の電解質の両面それぞれに燃料極及び空気極が形成された単セルを形成する工程と、多孔質で且つ導電性を有する第1及び第2の支持基板を準備し、これら支持基板の間に前記単セルを挟み、加圧した状態で焼成する工程と、前記第1及び第2の支持基板において、それぞれ前記単セルとは反対側の面にセパレータを設ける工程と、を備えている。 The fourth manufacturing method of the solid oxide fuel cell according to the present invention includes a step of forming a single cell in which a fuel electrode and an air electrode are formed on both surfaces of a thin film electrolyte, and a porous and conductive material. First and second support substrates having the above structure, sandwiching the single cell between the support substrates, firing in a pressurized state, and the first and second support substrates, respectively. And a step of providing a separator on the surface opposite to the cell .

本発明によれば、単セルを支持基板によって支持する構造を有する燃料電池において、製造時等の熱が加えられた際のセルの反りを防止し、破損を防ぐことができる。   According to the present invention, in a fuel cell having a structure in which a single cell is supported by a support substrate, it is possible to prevent warpage of the cell when heat is applied during production or the like and to prevent damage.

以下、本発明に係る固体酸化物形燃料電池の位置実施形態について図面を参照しつつ説明する。図1は、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池の断面図である。   Hereinafter, position embodiments of a solid oxide fuel cell according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view of a solid oxide fuel cell according to this embodiment.

図1に示すように、この固体酸化物形燃料電池は、平面視矩形状の電解質1、燃料極2、及び空気極3からなるセルを第1及び第2の支持基板4,5によって挟むことにより構成されている。セルは、燃料極2及び空気極3によって電解質1を挟むことによって構成されている。これらはいずれも薄膜状に形成されており、その厚さは、例えば、1〜100μmとすることが好ましい。各支持基板4,5は、多孔質体によって形成されるとともに、電子導電性を有している。したがって、各支持基板4,5は、集電層としての役割も果たす。また、セルを支持する基板としての役割を果たすことから、その厚さは、0.2〜3mmにすることが好ましい。   As shown in FIG. 1, in this solid oxide fuel cell, a cell composed of an electrolyte 1, a fuel electrode 2 and an air electrode 3 having a rectangular shape in plan view is sandwiched between first and second support substrates 4 and 5. It is comprised by. The cell is configured by sandwiching the electrolyte 1 between the fuel electrode 2 and the air electrode 3. These are all formed in a thin film shape, and the thickness is preferably, for example, 1 to 100 μm. Each of the support substrates 4 and 5 is formed of a porous body and has electronic conductivity. Therefore, each support substrate 4 and 5 also serves as a current collecting layer. Moreover, since it plays the role as a board | substrate which supports a cell, it is preferable that the thickness shall be 0.2-3 mm.

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

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

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

また、支持基板4,5は、Pt,Au,Pd,Ag,Ni,Cu,SUS(ステンレス鋼)、インコネル等の導電性金属、或いはLa(Cr,Mg)O,(La,Ca)CrO,(La,Sr)CrOなどのランタン・クロマイト系等の導電性セラミックス材料によって形成することができ、これらのうちの1種を単独で使用してもよいし、2種以上を混合して使用してもよい。このような支持基板4,5の成形には、一般的に乾式加圧成形が用いられるが、これに特定する必要は無く、押し出し成形、射出成形、鋳込み成形等を用いて作製することができる。こうして作製された支持基板4,5の気孔率は20〜60%であることが好ましい。20%より小さいと、燃料ガス、酸化剤ガスを電極に供給することが難しくなる一方、60%より大きくなると集電能力が低下するからである。 The support substrates 4 and 5 are made of conductive metal such as Pt, Au, Pd, Ag, Ni, Cu, SUS (stainless steel), Inconel, or La (Cr, Mg) O 3 , (La, Ca) CrO. 3 , (La, Sr) CrO 3 and other conductive ceramic materials such as lanthanum and chromite. One of these may be used alone, or two or more may be mixed. May be used. In general, dry pressure molding is used for forming the support substrates 4 and 5, but it is not necessary to specify this, and the support substrates 4 and 5 can be manufactured using extrusion molding, injection molding, casting molding, or the like. . The support substrates 4 and 5 thus manufactured preferably have a porosity of 20 to 60%. This is because if it is less than 20%, it becomes difficult to supply the fuel gas and the oxidant gas to the electrode, while if it exceeds 60%, the current collecting ability decreases.

電解質1、燃料極2、及び空気極3の原材料となるセラミック粉末の平均粒径は、好ましくは10nm〜100μmであり、さらに好ましくは50nm〜50μmであり、特に好ましくは100nm〜10μmである。なお、平均粒径は、例えば、JISZ8901にしたがって計測することができる。   The average particle size of the ceramic powder that is a raw material for the electrolyte 1, the fuel electrode 2, and the air electrode 3 is preferably 10 nm to 100 μm, more preferably 50 nm to 50 μm, and particularly preferably 100 nm to 10 μm. In addition, an average particle diameter can be measured according to JISZ8901, for example.

電解質1、燃料極2、及び空気極3の形成方法としては、例えば印刷法を用いることができ、具体的には、スクリーン印刷法やナイフコ−ト法、ドクターブレード法、スプレーコート等の印刷方法を用いることができる。これ以外にも、燃料極2、及び空気極3を形成する粉末材料をバインダーと混合して、シート上に塗布しておき(いわゆるグリーン体)、これらを転写することによって電極を形成することもできる。   As a method for forming the electrolyte 1, the fuel electrode 2, and the air electrode 3, for example, a printing method can be used, and specifically, a printing method such as a screen printing method, a knife coating method, a doctor blade method, or a spray coating method. Can be used. In addition to this, the powder material forming the fuel electrode 2 and the air electrode 3 is mixed with a binder, applied on a sheet (so-called green body), and these are transferred to form an electrode. it can.

燃料極2、空気極3を印刷形成する際には、まず、燃料極及び空気極のペーストを作製する。上述した材料を主成分として、さらにバインダー樹脂、有機溶媒などが適量加えられることにより形成される。より詳細には、上記主成分とバインダー樹脂との混合において、上記主成分が50〜95重量%となるように、バインダー樹脂等を加えることが好ましい。また、電解質も印刷形成する際に、上記燃料極及び空気極と同様に、上述した材料を主成分として、バインダー樹脂、有機溶媒などが適量加えられることにより形成されるが、上記主成分とバインダーとの混合において、上記主成分の割合が80重量%以上となるように混合されることが好ましい。   When the fuel electrode 2 and the air electrode 3 are printed and formed, first, a paste of the fuel electrode and the air electrode is prepared. It is formed by adding an appropriate amount of a binder resin, an organic solvent, etc. with the above-described material as a main component. More specifically, it is preferable to add a binder resin or the like so that the main component is 50 to 95% by weight in the mixing of the main component and the binder resin. In addition, when the electrolyte is also formed by printing, as in the case of the fuel electrode and the air electrode, it is formed by adding an appropriate amount of a binder resin, an organic solvent, etc. with the above-mentioned material as the main component. Is preferably mixed so that the ratio of the main component is 80% by weight or more.

上述したバインダーは、有機樹脂と溶媒とを含む。バインダーに含まれる有機樹脂は焼成過程にて低温で燃焼/分解/気化することが必要であり、アクリル系樹脂、スチレン系樹脂、エチルセルロース誘導体、或いはスチレンアクリル共重合体等の熱可塑性樹脂を、単独または混合して使用することができる。   The binder described above includes an organic resin and a solvent. The organic resin contained in the binder needs to be combusted / decomposed / vaporized at a low temperature during the baking process, and a thermoplastic resin such as an acrylic resin, a styrene resin, an ethyl cellulose derivative, or a styrene acrylic copolymer is used alone. Or it can be mixed and used.

また、有機溶媒としては、ケトン類、エステル類、エーテル類、アミド類等を、単独又は混合して使用することができ、具体的には、イソプロパノール、ノルマルプロパノール、ジアセトンアルコール、グリコール・ジアセテート、メチルセルソルブ、カルビトール、シクロヘキサン、テルピネオールなどが使用できる。また、溶媒としては、グリセリン、ジブチルフタレート、ジオクチルフタレートなどの化合物を使用できる。   As the organic solvent, ketones, esters, ethers, amides, etc. can be used alone or in combination. Specifically, isopropanol, normal propanol, diacetone alcohol, glycol diacetate. , Methyl cellosolve, carbitol, cyclohexane, terpineol and the like can be used. As the solvent, compounds such as glycerin, dibutyl phthalate and dioctyl phthalate can be used.

上記のように構成された燃料電池は、次のように発電が行われる。つまり、電池に対して、水素、又はメタン、エタンなどの炭化水素からなる燃料ガスと空気等の酸化剤ガスとの混合ガスを高温の状態(例えば、400〜1000℃)で供給する。各電極2,3及び支持基板4,5は多孔質であるため、供給された混合ガスは、支持基板4,5を介して燃料極2及び空気極3に接触するため、燃料極2と空気極3との間で、電解質1を介した酸素イオン伝導が起こり、発電が行われる。なお、混合ガスを供給するのではなく、燃料ガス及び酸化剤ガスを別個に供給することもできる。この場合、表面に溝が形成された公知のセパレータを支持基板4,5上にそれぞれ配置し、2つのガスを各セパレータの溝部に供給する。これにより、各ガスは混合することなく、燃料ガスが燃料極に供給される一方、酸化剤ガスが空気極に供給され、その結果、供給され、発電が行われる。   The fuel cell configured as described above generates power as follows. That is, a mixed gas of a fuel gas composed of hydrogen or a hydrocarbon such as methane or ethane and an oxidant gas such as air is supplied to the battery at a high temperature (for example, 400 to 1000 ° C.). Since the electrodes 2 and 3 and the support substrates 4 and 5 are porous, the supplied mixed gas comes into contact with the fuel electrode 2 and the air electrode 3 through the support substrates 4 and 5. Oxygen ion conduction occurs between the electrode 3 and the electrolyte 1 to generate electricity. Note that the fuel gas and the oxidant gas may be supplied separately instead of supplying the mixed gas. In this case, known separators having grooves formed on the surface are respectively disposed on the support substrates 4 and 5, and two gases are supplied to the groove portions of the respective separators. Thereby, without mixing each gas, while fuel gas is supplied to a fuel electrode, oxidant gas is supplied to an air electrode, As a result, it is supplied and electric power generation is performed.

以上のように、本実施形態に係る燃料電池は、電解質1、燃料極2及び空気極3からなるセルを同一の材料からなる一対の支持基板4,5で挟んだ構造を有している。したがって、セルと支持基板との間に熱膨張率の差があったとしても、同じ熱膨張率を有する支持基板4,5によってセルが挟まれているので、例えば製造時に焼成が行われた場合にも、セルが反ったり変形したりするのを防止することができる。その結果、セルの破損を防止することができる。   As described above, the fuel cell according to this embodiment has a structure in which a cell including the electrolyte 1, the fuel electrode 2, and the air electrode 3 is sandwiched between the pair of support substrates 4 and 5 made of the same material. Therefore, even if there is a difference in thermal expansion coefficient between the cell and the support substrate, since the cell is sandwiched between the support substrates 4 and 5 having the same thermal expansion coefficient, for example, when firing is performed during manufacturing In addition, the cell can be prevented from warping or deforming. As a result, cell damage can be prevented.

また、上述したように、セルが一対の支持基板4,5で挟まれているため、支持基板4,5がセルを保護する役割も果たす。したがって、このことによってもセルの破損を防止することができる。   Further, as described above, since the cell is sandwiched between the pair of support substrates 4 and 5, the support substrates 4 and 5 also serve to protect the cell. Therefore, this also prevents cell damage.

次に、上記のように構成された燃料電池の製造方法について説明する。この燃料電池は、印刷方法、転写方法など種々の方法を用いて製造することができる。   Next, a method for manufacturing the fuel cell configured as described above will be described. This fuel cell can be manufactured using various methods such as a printing method and a transfer method.

印刷方法1(図2参照)
(1)第1の支持基板4の一方面に燃料極用材料ペーストを印刷し、乾燥後、800〜1500℃で1〜10時間焼成することで、燃料極2を形成する。
(2)燃料極2上に電解質用材料ペーストを印刷し、乾燥後、800〜1500℃で1〜10時間焼成することで、電解質1を形成する。
(3)第2の支持基板5に空気極用材料ペーストを印刷し、乾燥後、800〜1500℃で1〜10時間焼成することで、空気極を形成する。
(4)第1及び第2の支持基板4,5を、電解質1及び空気極3が対向するように貼り合わせ、支持基板の自重程度の重しなどによって加圧しながら、800〜1500℃で1〜10時間焼成する。
以上の工程を経ることで、固体酸化物形料電池が完成する。
Printing method 1 (see Fig. 2)
(1) A fuel electrode material paste is printed on one surface of the first support substrate 4, dried, and then fired at 800 to 1500 ° C. for 1 to 10 hours to form the fuel electrode 2.
(2) The electrolyte material paste is printed on the fuel electrode 2, dried, and then baked at 800 to 1500 ° C. for 1 to 10 hours to form the electrolyte 1.
(3) The air electrode material paste is printed on the second support substrate 5, dried, and then baked at 800 to 1500 ° C. for 1 to 10 hours to form the air electrode.
(4) The first and second support substrates 4 and 5 are bonded together so that the electrolyte 1 and the air electrode 3 face each other, and are pressed at 800-1500 ° C. while being pressurized by the weight of the support substrate. Bake for ~ 10 hours.
Through the above steps, a solid oxide shaped battery is completed.

印刷方法2
(1)第1の支持基板4の一方面に燃料極用材料ペーストを印刷し、乾燥後、800〜1500℃で1〜10時間焼成することで、燃料極2を形成する。
(2)第2の支持基板5に空気極用材料ペーストを印刷し、乾燥後、800〜1500℃で1〜10時間焼成することで、空気極3を形成する。
(3)空気極3上に電解質用材料ペーストを印刷し、乾燥後、800〜1500℃で1〜10時間焼成することで、電解質1を形成する。
(4)第1及び第2の支持基板4,5を、燃料極2及び電解質1が対向するように貼り合わせ、重しなどによって加圧した状態で、800〜1500℃で1〜10時間焼成する。
以上の工程を経ることで、固体酸化物形料電池が完成する。
Printing method 2
(1) A fuel electrode material paste is printed on one surface of the first support substrate 4, dried, and then fired at 800 to 1500 ° C. for 1 to 10 hours to form the fuel electrode 2.
(2) The air electrode material paste is printed on the second support substrate 5, dried, and then baked at 800 to 1500 ° C. for 1 to 10 hours to form the air electrode 3.
(3) The electrolyte material paste is printed on the air electrode 3, dried, and then baked at 800 to 1500 ° C. for 1 to 10 hours to form the electrolyte 1.
(4) The first and second support substrates 4 and 5 are bonded together so that the fuel electrode 2 and the electrolyte 1 face each other and pressed by weight or the like, and fired at 800 to 1500 ° C. for 1 to 10 hours. To do.
Through the above steps, a solid oxide shaped battery is completed.

印刷方法3
(1)第1の支持基板4の一方面に燃料極用材料ペーストを印刷し、乾燥後、800〜1500℃で1〜10時間焼成することで、燃料極2を形成する。
(2)燃料極2上に電解質用材料ペーストを印刷し、乾燥後、800〜1500℃で1〜10時間焼成することで、電解質1を形成する。
(3)第2の支持基板5に空気極用ペーストを印刷し、乾燥後、800〜1500℃で1〜10時間焼成することで、空気極を形成する。
(4)電解質用材料ペーストと、空気極用材料ペーストとを混合した混合ペーストを準備し、これを第1の支持基板4の電解質1上に印刷する。
(5)上記(4)で準備した混合ペーストを、第2の支持基板5の空気極3上に印刷する。
(6)第1及び第2の支持基板4,5を、混合ペースト同士が対向するように貼り合わせ、100℃、30kg/cm2の条件で熱圧着する。その後、重しなどによって加圧した状態で、800〜1500℃で1〜10時間焼成する。
以上の工程を経ることで、固体酸化物形料電池が完成する。
Printing method 3
(1) A fuel electrode material paste is printed on one surface of the first support substrate 4, dried, and then fired at 800 to 1500 ° C. for 1 to 10 hours to form the fuel electrode 2.
(2) The electrolyte material paste is printed on the fuel electrode 2, dried, and then baked at 800 to 1500 ° C. for 1 to 10 hours to form the electrolyte 1.
(3) The air electrode paste is printed on the second support substrate 5, dried, and then baked at 800 to 1500 ° C. for 1 to 10 hours to form the air electrode.
(4) A mixed paste obtained by mixing the electrolyte material paste and the air electrode material paste is prepared and printed on the electrolyte 1 of the first support substrate 4.
(5) The mixed paste prepared in (4) above is printed on the air electrode 3 of the second support substrate 5.
(6) The first and second support substrates 4 and 5 are bonded together so that the mixed pastes face each other, and thermocompression bonded under conditions of 100 ° C. and 30 kg / cm 2 . Thereafter, it is baked at 800-1500 ° C. for 1-10 hours in a state of being pressurized with a weight or the like.
Through the above steps, a solid oxide shaped battery is completed.

印刷方法4
(1)第1の支持基板4の一方面に燃料極用材料ペーストを印刷し、乾燥後、800〜1500℃で1〜10時間焼成することで、燃料極2を形成する。
(2)第2の支持基板5に空気極用材料ペーストを印刷し、乾燥後、800〜1500℃で1〜10時間焼成することで、空気極3を形成する。
(3)空気極3上に電解質用材料ペーストを印刷し、乾燥後、800〜1500℃で1〜10時間焼成することで、電解質1を形成する。
(4)電解質用材料ペーストと、燃料極用ペーストとを混合した混合ペーストを準備し、これを第1の支持基板4の燃料極2上に印刷する。
(5)上記(4)で準備した混合ペーストを、第2の支持基板5の電解質1上に印刷する。
(6)第1及び第2の支持基板4,5を、混合ペースト同士が対向するように貼り合わせ、熱圧着する。その後、重しなどによって加圧しながら、800〜1500℃で1〜10時間焼成する。
以上の工程を経ることで、固体酸化物形料電池が完成する。
Printing method 4
(1) A fuel electrode material paste is printed on one surface of the first support substrate 4, dried, and then fired at 800 to 1500 ° C. for 1 to 10 hours to form the fuel electrode 2.
(2) The air electrode material paste is printed on the second support substrate 5, dried, and then baked at 800 to 1500 ° C. for 1 to 10 hours to form the air electrode 3.
(3) The electrolyte material paste is printed on the air electrode 3, dried, and then baked at 800 to 1500 ° C. for 1 to 10 hours to form the electrolyte 1.
(4) A mixed paste obtained by mixing the electrolyte material paste and the fuel electrode paste is prepared and printed on the fuel electrode 2 of the first support substrate 4.
(5) The mixed paste prepared in (4) above is printed on the electrolyte 1 of the second support substrate 5.
(6) The first and second support substrates 4 and 5 are bonded together so that the mixed pastes are opposed to each other and thermocompression bonded. Thereafter, firing is performed at 800 to 1500 ° C. for 1 to 10 hours while pressing with a weight or the like.
Through the above steps, a solid oxide shaped battery is completed.

印刷方法5
(1)第1の支持基板4の一方面に燃料極用材料ペーストを印刷し、乾燥後、800〜1500℃で1〜10時間焼成することで、燃料極2を形成する。
(2)第2の支持基板5に空気極用材料ペーストを印刷し、乾燥後、800〜1500℃で1〜10時間焼成することで、空気極3を形成する。
(3)燃料極2上に電解質用材料ペーストを印刷する。
(4)空気極3上に電解質用材料ペーストを印刷する。
(5)第1及び第2の支持基板4,5を、電解質用材料ペースト同士が対向するように貼り合わせ、熱圧着する。その後、重しなどによって加圧した状態で、800〜1500℃で1〜10時間焼成する。
以上の工程を経ることで、固体酸化物形料電池が完成する。
Printing method 5
(1) A fuel electrode material paste is printed on one surface of the first support substrate 4, dried, and then fired at 800 to 1500 ° C. for 1 to 10 hours to form the fuel electrode 2.
(2) The air electrode material paste is printed on the second support substrate 5, dried, and then baked at 800 to 1500 ° C. for 1 to 10 hours to form the air electrode 3.
(3) An electrolyte material paste is printed on the fuel electrode 2.
(4) The electrolyte material paste is printed on the air electrode 3.
(5) The first and second support substrates 4 and 5 are bonded and thermocompression bonded so that the electrolyte material pastes face each other. Thereafter, it is baked at 800-1500 ° C. for 1-10 hours in a state of being pressurized with a weight or the like.
Through the above steps, a solid oxide shaped battery is completed.

印刷方法6
(1)第1の支持基板4の一方面に燃料極用材料ペーストを印刷し、乾燥後、800〜1500℃で1〜10時間焼成することで、燃料極2を形成する。
(2)燃料極2上に電解質用材料ペーストを印刷し、乾燥後、800〜1500℃で1〜10時間焼成することで、電解質1を形成する。
(3)電解質1上に空気極用材料ペーストを印刷し、乾燥後、800〜1500℃で1〜10時間焼成することで、空気極3を形成する。
(4)Au等の電子導電性を有する導電性ペーストを準備し、これを空気極3上に印刷する。
(5)第2の支持基板5上に、(4)で準備した導電性ペーストを印刷する。
(6)第1及び第2の支持基板4,5を、導電性ペースト同士が対向するように貼り合わせ、熱圧着する。その後、重しなどによって加圧した状態で、1000℃で1時間焼成する。
以上の工程を経ることで、固体酸化物形料電池が完成する。
Printing method 6
(1) A fuel electrode material paste is printed on one surface of the first support substrate 4, dried, and then fired at 800 to 1500 ° C. for 1 to 10 hours to form the fuel electrode 2.
(2) The electrolyte material paste is printed on the fuel electrode 2, dried, and then baked at 800 to 1500 ° C. for 1 to 10 hours to form the electrolyte 1.
(3) The air electrode material paste is printed on the electrolyte 1, dried, and then baked at 800 to 1500 ° C. for 1 to 10 hours to form the air electrode 3.
(4) A conductive paste having electronic conductivity such as Au is prepared and printed on the air electrode 3.
(5) Print the conductive paste prepared in (4) on the second support substrate 5.
(6) The first and second support substrates 4 and 5 are bonded and thermocompression bonded so that the conductive pastes face each other. Thereafter, it is baked at 1000 ° C. for 1 hour in a state of being pressurized by a weight or the like.
Through the above steps, a solid oxide shaped battery is completed.

印刷方法7
(1)第1の支持基板4の一方面に空気極用材料ペーストを印刷し、乾燥後、800〜1500℃で1〜10時間焼成することで、空気極3を形成する。
(2)空気極3上に電解質用材料ペーストを印刷し、乾燥後、800〜1500℃で1〜10時間焼成することで、電解質1を形成する。
(3)電解質1上に燃料極用材料ペーストを印刷し、乾燥後、800〜1500℃で1〜10時間焼成することで、燃料極2を形成する。
(4)Au等の電子導電性を有する導電性ペーストを準備し、これを燃料極2上に印刷する。
(5)第2の支持基板5上に、(4)で準備した導電性ペーストを印刷する。
(6)第1及び第2の支持基板4,5を、導電性ペースト同士が対向するように貼り合わせ、熱圧着する。その後、重しなどによって加圧した状態で、1000℃で1時間焼成する。
以上の工程を経ることで、固体酸化物形料電池が完成する。
Printing method 7
(1) The air electrode material paste is printed on one surface of the first support substrate 4, dried, and then baked at 800 to 1500 ° C. for 1 to 10 hours to form the air electrode 3.
(2) The electrolyte material paste is printed on the air electrode 3, dried, and then baked at 800 to 1500 ° C. for 1 to 10 hours to form the electrolyte 1.
(3) A fuel electrode material paste is formed by printing a fuel electrode material paste on the electrolyte 1 and drying it, followed by firing at 800-1500 ° C. for 1-10 hours.
(4) A conductive paste having electronic conductivity such as Au is prepared and printed on the fuel electrode 2.
(5) Print the conductive paste prepared in (4) on the second support substrate 5.
(6) The first and second support substrates 4 and 5 are bonded and thermocompression bonded so that the conductive pastes face each other. Thereafter, it is baked at 1000 ° C. for 1 hour in a state of being pressurized by a weight or the like.
Through the above steps, a solid oxide shaped battery is completed.

テープキャスト成形法
(1)燃料極・電解質・空気極は、テープキャスト法を用いて各電極・電解質毎にシート化した。各シートは、セラミックスシート上にドクターブレードを用いて各電極・電解質ペーストを印刷・乾燥を行うことで作製した。
(2)第1の支持基板4上に、テープキャスト法で作製した燃料極シートを熱圧着した後、続いて、テープキャスト法で作製した電解質シートを熱圧着した後、800〜1500℃で1〜10時間共焼結を行い、燃料極2と電解質1を形成する。
(3)第2の支持基板5上に、テープキャスト法で作製した空気極シートを熱圧着した後、800〜1500℃で1〜10時間焼成することで、空気極3を形成する。
(4)第1及び第2の支持基板4,5を、電解質1及び空気極3が対向するように貼り合わせ、熱圧着する。その後、重しなどによって加圧した状態で、800〜1500℃で1〜10時間焼成する。
以上の工程を経ることで、固体酸化物形料電池が完成する。
Tape casting method
(1) The fuel electrode, electrolyte, and air electrode were made into sheets for each electrode and electrolyte using the tape casting method. Each sheet was produced by printing and drying each electrode / electrolyte paste on a ceramic sheet using a doctor blade.
(2) The fuel electrode sheet produced by the tape casting method is thermocompression-bonded on the first support substrate 4, and then the electrolyte sheet produced by the tape casting method is thermocompression-bonded, followed by 1 at 800 to 1500 ° C. Co-sintering is performed for ˜10 hours to form the fuel electrode 2 and the electrolyte 1.
(3) After the air electrode sheet produced by the tape casting method is thermocompression-bonded on the second support substrate 5, the air electrode 3 is formed by baking at 800 to 1500 ° C. for 1 to 10 hours.
(4) The first and second support substrates 4 and 5 are bonded and thermocompression bonded so that the electrolyte 1 and the air electrode 3 face each other. Thereafter, it is baked at 800-1500 ° C. for 1-10 hours in a state of being pressurized with a weight or the like.
Through the above steps, a solid oxide shaped battery is completed.

この方法は、種々のバリエーションが可能であり、上述した印刷方法2〜7と同様の方法で、電池を作製することができる。すなわち、印刷方法2〜7における材料ペーストの代わりにテープキャスト法で作製したシートを用い、印刷方法2〜7と同様の手順を経て電池を作製することができる。   Various variations of this method are possible, and a battery can be manufactured by the same method as the printing methods 2 to 7 described above. That is, a battery can be produced through the same procedure as in printing methods 2 to 7, using a sheet produced by a tape casting method instead of the material paste in printing methods 2 to 7.

真空形成法
(1)第1の支持基板4の一方面に燃料極用材料ペーストを印刷し、乾燥後、800〜1500℃で1〜10時間焼成することで、燃料極2を形成する。
(2)燃料極2上に、真空蒸着法、スパッタリグ等の真空法により、電解質1を形成する。
(3)第2の支持基板5に空気極ペーストを印刷し、乾燥後、800〜1500℃で1〜10時間焼成することで、空気極を形成する。
(4)第1及び第2の支持基板4,5を、電解質1及び空気極3が対向するように貼り合わせ、重しなどによって加圧しながら、800〜1500℃で1〜10時間間焼成する。
以上の工程を経ることで、固体酸化物形料電池が完成する。
Vacuum forming method
(1) A fuel electrode material paste is printed on one surface of the first support substrate 4, dried, and then fired at 800 to 1500 ° C. for 1 to 10 hours to form the fuel electrode 2.
(2) The electrolyte 1 is formed on the fuel electrode 2 by a vacuum method such as vacuum deposition or sputtering.
(3) An air electrode paste is printed on the second support substrate 5, dried, and then baked at 800 to 1500 ° C. for 1 to 10 hours to form an air electrode.
(4) The first and second support substrates 4 and 5 are bonded so that the electrolyte 1 and the air electrode 3 face each other, and baked at 800 to 1500 ° C. for 1 to 10 hours while being pressed by weight. .
Through the above steps, a solid oxide shaped battery is completed.

この方法は、種々のバリエーションが可能であり、電解質1のみならず、電極2,3も上述した真空法で形成することもできる。また、電解質、電極をその他の方法、例えば静電噴霧法、電着などの溶液法によって形成することできる。   Various variations of this method are possible, and not only the electrolyte 1 but also the electrodes 2 and 3 can be formed by the above-described vacuum method. The electrolyte and the electrode can be formed by other methods, for example, a solution method such as electrostatic spraying or electrodeposition.

本発明に係る固体酸化物形燃料電池の一実施形態を示す断面図である。1 is a cross-sectional view showing an embodiment of a solid oxide fuel cell according to the present invention. 図1の固体酸化物形燃料電池の製造方法の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the manufacturing method of the solid oxide fuel cell of FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1 電解質
2 燃料極
3 空気極
4 第1の支持基板
5 第2の支持基板
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Electrolyte 2 Fuel electrode 3 Air electrode 4 1st support substrate 5 2nd support substrate

Claims (6)

薄膜状の電解質と、
前記電解質の一方面に配置された薄膜状の燃料極と、
前記電解質の他方面に配置された薄膜状の空気極と、
前記燃料極及び空気極それぞれの前記電解質とは反対側の面に配置された一対の支持基板と、
前記各支持基板の前記燃料極または空気極とは反対側の面に配置された一対のセパレータと、を備え、
前記各支持基板は、多孔質でかつ、導電性を有しており、焼成により、燃料極又は空気極に接合されている、固体酸化物形燃料電池。
A thin-film electrolyte;
A thin-film fuel electrode disposed on one surface of the electrolyte;
A thin film air electrode disposed on the other surface of the electrolyte;
A pair of support substrates disposed on surfaces of the fuel electrode and the air electrode opposite to the electrolyte; and
A pair of separators disposed on the surface of each supporting substrate opposite to the fuel electrode or air electrode,
Each of the supporting substrates is porous and conductive, and is bonded to a fuel electrode or an air electrode by firing, and is a solid oxide fuel cell.
前記電解質、燃料極及び空気極の厚さは、1〜100μmである、請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池。 2. The solid oxide fuel cell according to claim 1 , wherein the electrolyte, the fuel electrode, and the air electrode have a thickness of 1 to 100 μm. 多孔質でかつ導電性を有する第1の支持基板の一方面上に薄膜状の燃料極を形成する工程と、
多孔質でかつ導電性を有する第2の支持基板の一方面上に薄膜状の空気極を形成する工程と、
前記燃料極又は空気極上に薄膜状の電解質を形成する工程と、
前記電解質と、前記燃料極又は空気極とが対向するように前記第1及び第2の支持基板を貼り合わせ、加圧した状態で焼成する工程と、
前記第1及び第2の支持基板の他方面上にそれぞれセパレータを設ける工程と、
を備えている固体酸化物形燃料電池の製造方法。
Forming a thin film-like fuel electrode on one surface of a porous and electrically conductive first support substrate;
Forming a thin film-like air electrode on one surface of a porous and conductive second support substrate;
Forming a thin film electrolyte on the fuel electrode or the air electrode;
Bonding the first and second support substrates so that the electrolyte and the fuel electrode or air electrode face each other, and firing in a pressurized state;
Providing a separator on each of the other surfaces of the first and second support substrates;
A method for producing a solid oxide fuel cell comprising:
多孔質でかつ導電性を有する第1の支持基板の一方面上に薄膜状の燃料極を形成する工程と、
多孔質でかつ導電性を有する第2の支持基板の一方面上に薄膜状の空気極を形成する工程と、
電解質を形成するための電解質用材料ペーストを前記燃料極及び空気極にそれぞれ塗布する工程と、
前記電解質用材料ペースト同士が対向するように、前記第1及び第2の支持基板を貼り合わせ、加圧した状態で焼成する工程と、
前記第1及び第2の支持基板の他方面上にそれぞれセパレータを設ける工程と、
を備えている、固体酸化物形燃料電池の製造方法。
Forming a thin film-like fuel electrode on one surface of a porous and electrically conductive first support substrate;
Forming a thin film-like air electrode on one surface of a porous and conductive second support substrate;
Applying an electrolyte material paste for forming an electrolyte to each of the fuel electrode and the air electrode;
Bonding the first and second support substrates so that the electrolyte material pastes face each other, and firing in a pressurized state;
Providing a separator on each of the other surfaces of the first and second support substrates;
A method for producing a solid oxide fuel cell.
多孔質でかつ導電性を有する第1の支持基板の一方面上に、薄膜状の燃料極及び空気極の間に電解質が形成された単セルを形成する工程と、
前記単セルにおいて、前記第1の支持基板とは反対側の面に導電性のペーストを塗布する工程と、
多孔質でかつ導電性を有する第2の支持基板の一方面上に導電性のペーストを塗布する工程と、
前記導電性ペースト同士が対向するように、前記第1及び第2の支持基板を貼り合わせ、加圧した状態で焼成する工程と、
前記第1及び第2の支持基板の他方面上にそれぞれセパレータを設ける工程と、
を備えている、固体酸化物形燃料電池の製造方法。
Forming a single cell in which an electrolyte is formed between a thin film fuel electrode and an air electrode on one surface of a porous and conductive first support substrate;
In the single cell, a step of applying a conductive paste on a surface opposite to the first support substrate;
Applying a conductive paste on one side of a porous and conductive second support substrate;
Bonding the first and second support substrates so that the conductive pastes face each other, and firing in a pressurized state;
Providing a separator on each of the other surfaces of the first and second support substrates;
A method for producing a solid oxide fuel cell.
薄膜状の電解質の両面それぞれに燃料極及び空気極が形成された単セルを形成する工程と、
多孔質で且つ導電性を有する第1及び第2の支持基板を準備し、前記第1及び第2の支持基板の間に前記単セルを挟み、加圧した状態で焼成する工程と、
前記第1及び第2の支持基板において、それぞれ前記単セルとは反対側の面にセパレータを設ける工程と、
を備えている、固体酸化物形燃料電池の製造方法。
Forming a single cell in which a fuel electrode and an air electrode are formed on both surfaces of a thin-film electrolyte; and
Preparing porous and electrically conductive first and second support substrates, sandwiching the single cell between the first and second support substrates, and firing in a pressurized state;
In the first and second support substrates, a step of providing a separator on the surface opposite to the single cell,
A method for producing a solid oxide fuel cell.
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