JP5299021B2

JP5299021B2 - Solid oxide fuel cell

Info

Publication number: JP5299021B2
Application number: JP2009078214A
Authority: JP
Inventors: 邦聡芳片; 純子渡邊; 和史小谷
Original assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Current assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Priority date: 2009-03-27
Filing date: 2009-03-27
Publication date: 2013-09-25
Anticipated expiration: 2029-03-27
Also published as: JP2010232008A

Description

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの混合ガスにより発電する固体電解質を用いた単室型固体酸化物形燃料電池（Single chamber −Solid Oxide Fuel Cells (SC-SOFCs)）に関する。 The present invention relates to a single chamber type solid oxide fuel cell (SC-SOFCs) using a solid electrolyte that generates electricity using a mixed gas of a fuel gas and an oxidant gas.

従来、単室型固体酸化物形燃料電池（以下単に、燃料電池という）として図８に示す燃料電池が知られていた（例えば、特許文献１参照）。同図に示すように、この燃料電池１００は、シート状の電解質１０１と、電解質１０１の表面（一方面）に間隔をあけて複数配置された燃料極１０２及び空気極１０３とを備えている。燃料極１０２及び空気極１０３は、電解質１０１の長手方向に沿って交互に配置され、互いに対向するように構成されている。そして、一対の燃料極１０２及び空気極１０３により、１つの電極体１０４が構成されている。隣接する電極体１０４において、一方の電極体１０４の燃料極１０２及び他方の電極体１０４の空気極１０３が、インターコネクタ１０５により接続されている。 Conventionally, a fuel cell shown in FIG. 8 has been known as a single-chamber solid oxide fuel cell (hereinafter simply referred to as a fuel cell) (see, for example, Patent Document 1). As shown in the figure, the fuel cell 100 includes a sheet-like electrolyte 101, and a plurality of fuel electrodes 102 and air electrodes 103 arranged on the surface (one surface) of the electrolyte 101 at intervals. The fuel electrode 102 and the air electrode 103 are alternately arranged along the longitudinal direction of the electrolyte 101 and are configured to face each other. A pair of fuel electrode 102 and air electrode 103 constitutes one electrode body 104. In the adjacent electrode body 104, the fuel electrode 102 of one electrode body 104 and the air electrode 103 of the other electrode body 104 are connected by an interconnector 105.

このような構成の燃料電池１００によれば、燃料極１０２及び空気極１０３が電解質１０１の同一面（表面）に配置されているので、主に電解質１０１の表面近傍で酸素イオンの伝導が起こり、発電が行われる。 According to the fuel cell 100 having such a configuration, since the fuel electrode 102 and the air electrode 103 are disposed on the same surface (surface) of the electrolyte 101, conduction of oxygen ions occurs mainly near the surface of the electrolyte 101, Power generation is performed.

特開平８−２６４１９５号公報JP-A-8-264195

しかし、上述のような燃料電池１００では、電解質１０１が基板となり、電解質は酸素イオン伝導体であることが必要であることから、イットリウムをド−プしたジルコニアやガドリニウムをド−プしたセリアなどを用いる必要がある。このことから、基板としての強度を上げる為の材料選択性が小さく、燃料電池１００全体の強度の向上に限界があった。 However, in the fuel cell 100 as described above, since the electrolyte 101 is a substrate and the electrolyte needs to be an oxygen ion conductor, zirconia doped with yttrium, ceria doped with gadolinium, or the like is used. It is necessary to use it. For this reason, the material selectivity for increasing the strength as a substrate is small, and there is a limit in improving the strength of the entire fuel cell 100.

また、燃料電池１００全体の強度を上げるために電解質１０１の厚みを厚くすることも考えられるが、酸素イオンの伝導が主に電解質１０１の表面近傍で起こることから、電解質１０１の厚みを厚くしたとしても、燃料電池１００の発電能力が大きく向上することはなく、かえって材料コストが高くなるという問題があった。 Although it is conceivable to increase the thickness of the electrolyte 101 in order to increase the strength of the fuel cell 100 as a whole, since the conduction of oxygen ions mainly occurs near the surface of the electrolyte 101, the thickness of the electrolyte 101 is increased. However, there is a problem that the power generation capacity of the fuel cell 100 is not greatly improved, and the material cost is rather high.

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、低コストで強度を上げることができる固形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 an object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell that can increase strength at low cost.

本発明に係る単室型固体酸化物形燃料電池は、上記課題を解決するためになされたものであって、支持基板と、前記支持基板の一方面に配置された少なくとも１つの単セルと、前記支持基板と前記単セルとを接着する接着部とを備え、前記単セルは、前記支持基板に対向する電解質と、当該電解質の一方面に間隔をおいて配置された燃料極及び空気極とを備える。 A single-chamber solid oxide fuel cell according to the present invention has been made to solve the above problems, and includes a support substrate, at least one single cell disposed on one surface of the support substrate, An adhesive portion that bonds the support substrate and the single cell; the single cell includes an electrolyte facing the support substrate; and a fuel electrode and an air electrode disposed on one surface of the electrolyte with a space therebetween. Is provided.

このような構成によれば、支持基板と単セルとを接着部で接着しているので、単セルを支持基板で支持することができる。これにより、燃料電池全体の強度を上げることができる。また、支持基板により強度を上げることができるので、単セルの電解質の厚みを厚くすることなく強度の向上を図ることができる。これにより、電解質の厚みを変更するための材料コストを省くことができる。したがって、低コストで強度を上げることができる。また、予め製造された単セルを支持基板に接着するだけで燃料電池全体の強度を向上させることができるので、容易に強度を上げることができる。 According to such a configuration, since the support substrate and the single cell are bonded by the bonding portion, the single cell can be supported by the support substrate. Thereby, the intensity | strength of the whole fuel cell can be raised. Further, since the strength can be increased by the support substrate, the strength can be improved without increasing the thickness of the electrolyte of the single cell. Thereby, the material cost for changing the thickness of the electrolyte can be omitted. Therefore, the strength can be increased at low cost. Further, since the strength of the entire fuel cell can be improved simply by adhering a pre-manufactured single cell to the support substrate, the strength can be easily increased.

また、上記の燃料電池において、接着部を、支持基板の一方面に塗布して、支持基板と電解質との間に介在させることができる。このような構成によれば、支持基板と電解質とを確実に密着させることができる。したがって、燃料電池全体の強度をより向上させることができる。 Further, in the above fuel cell, the adhesive portion can be applied to one surface of the support substrate and interposed between the support substrate and the electrolyte. According to such a configuration, the support substrate and the electrolyte can be securely adhered. Therefore, the strength of the entire fuel cell can be further improved.

また、単セルが間隔をあけて複数配置されている構成において、各単セル間にそれぞれインターコネクタを配置し、各単セル同士をそれぞれインターコネクタで接続することができる。この構成において、支持基板が、金属からなる構成とすることができる。また、接着部が、絶縁性を有し、インターコネクタと支持基板との間に介在している構成とすることができる。このような構成によれば、各単セルが間隔をあけて配置されているので、隣接する単セルの電解質同士が離間している。これにより、隣接する電解質間で酸素イオンの伝導が起こらないので、内部短絡を防止することが出来、出力を安定に発現させることができる。また、金属製の支持基板により、燃料電池全体の強度をより上げることができる。また、絶縁性を有する接着部がインターコネクタと金属の支持基板との間に介在しているので、両者を絶縁することができる。したがって、出力の安定化が図れ、強度を上げることができる。 Further, in a configuration in which a plurality of single cells are arranged at intervals, an interconnector can be disposed between each single cell, and each single cell can be connected by an interconnector. In this configuration, the support substrate can be made of metal. Moreover, it can be set as the structure which has an adhesiveness and has the adhesive part interposed between an interconnector and a support substrate. According to such a structure, since each single cell is arrange | positioned at intervals, the electrolyte of the adjacent single cell is spaced apart. Thereby, since conduction of oxygen ions does not occur between adjacent electrolytes, an internal short circuit can be prevented, and an output can be stably expressed. Further, the strength of the entire fuel cell can be further increased by the metal support substrate. Moreover, since the adhesion part which has insulation exists between the interconnector and the metal support substrate, both can be insulated. Therefore, the output can be stabilized and the strength can be increased.

また、接着部を、導電性を有する構成とし、隣接する単セルの間に充填し、一方の単セルの燃料極及び他方の単セルの空気極に接触させることができる。このような構成によれば、接着部が、支持基板と単セルとを接着すると共に、各単セル同士を電気的に接続するインターコネクタの機能を果たす。これにより、別途インターコネクタを設置しなくてもよいので、手間がかからず、コストを抑えることができる。 Further, the adhesive portion can be configured to have conductivity, and can be filled between adjacent single cells and brought into contact with the fuel electrode of one single cell and the air electrode of the other single cell. According to such a configuration, the bonding portion functions as an interconnector that bonds the support substrate and the single cells and electrically connects the single cells to each other. Thereby, since it is not necessary to install an interconnector separately, it does not take time and can suppress cost.

本発明の単室型固体酸化物形燃料電池によれば、低コストで強度を上げることができる。 According to the single-chamber solid oxide fuel cell of the present invention, the strength can be increased at low cost.

本発明の一実施形態に係る固体酸化物形燃料電池の一部拡大断面図である。1 is a partially enlarged cross-sectional view of a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention. 固体酸化物形燃料電池の平面図である。It is a top view of a solid oxide fuel cell. 他の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池の一部拡大断面図である。It is a partially expanded sectional view of the solid oxide fuel cell which concerns on other embodiment. 更に他の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池の一部拡大断面図である。It is a partially expanded sectional view of the solid oxide fuel cell which concerns on other embodiment. 更に他の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池の一部拡大断面図である。It is a partially expanded sectional view of the solid oxide fuel cell which concerns on other embodiment. 更に他の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池の一部拡大断面図である。It is a partially expanded sectional view of the solid oxide fuel cell which concerns on other embodiment. 更に他の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池の平面図である。It is a top view of the solid oxide form fuel cell concerning other embodiments. 従来の固体酸化物形燃料電池の斜視図である。It is a perspective view of the conventional solid oxide fuel cell.

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池の一部拡大断面図であり、図２は、燃料電池の平面図である。燃料電池の各構成要素を明確にするために、図２の平面図においてもハッチングを付している。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a partially enlarged sectional view of a fuel cell according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a plan view of the fuel cell. In order to clarify each component of the fuel cell, hatching is also given in the plan view of FIG.

図１及び図２に示すように、この燃料電池１は、板状の基材２と、基材２の表面（一方面）に塗布された接着部３とを備えている。また、燃料電池１は、基材２の表面に接着部３を介して接着された複数の単セル１０を備えている。本実施形態では、基材２により、単セル１０を支持する支持基板が構成されている。 As shown in FIGS. 1 and 2, the fuel cell 1 includes a plate-like base material 2 and an adhesive portion 3 applied to the surface (one surface) of the base material 2. In addition, the fuel cell 1 includes a plurality of single cells 10 that are bonded to the surface of the substrate 2 via the bonding portions 3. In this embodiment, the base material 2 constitutes a support substrate that supports the single cell 10.

接着部３は、絶縁性を有している。また、接着部３は、単セル１０を接着可能なように平面視で四角形状に塗布され、これが等間隔で複数配置されている。また、接着部３は、隣接する上記四角形の塗布領域の間にも塗布されている。このように、接着部３は、基材２にパターン状に塗布されている。この接着部３の塗布パターンは、単セル１０の形状や配置に応じて適宜変更可能である。 The adhesion part 3 has insulation. Moreover, the adhesion part 3 is apply | coated to the square shape by planar view so that the single cell 10 can be adhere | attached, and this is multiply arranged by equal intervals. The adhesive portion 3 is also applied between the adjacent rectangular application regions. Thus, the adhesion part 3 is apply | coated to the base material 2 in the pattern form. The application pattern of the bonding portion 3 can be appropriately changed according to the shape and arrangement of the single cell 10.

複数の単セル１０は、パターン状の接着部３の上に配置されている。また、各単セル１０は、基材２に対向するように配置された電解質４と、電解質４の表面（一方面）に間隔をあけて配置された一対の帯状の燃料極５及び空気極６とを備えている。 The plurality of single cells 10 are disposed on the pattern-like bonding portion 3. Each unit cell 10 includes an electrolyte 4 disposed so as to face the substrate 2, and a pair of strip-shaped fuel electrode 5 and air electrode 6 disposed at a distance from the surface (one surface) of the electrolyte 4. And.

電解質４は、接着部３により基材２の表面に接着されている。また、電解質４は、平面視で四角形状に形成されている。燃料極５及び空気極６は、それぞれ、帯状に形成され、対向するように配置されている。一対の燃料極５及び空気極６により１つの電極体を構成している。 The electrolyte 4 is bonded to the surface of the substrate 2 by the bonding portion 3. The electrolyte 4 is formed in a quadrangular shape in plan view. The fuel electrode 5 and the air electrode 6 are each formed in a band shape and are arranged so as to face each other. A pair of fuel electrode 5 and air electrode 6 constitutes one electrode body.

隣接する単セル１０の間には、インターコネクタ７が配置されており、このインターコネクタ７により単セル１０同士が電気的に接続されている。より詳細には、インターコネクタ７が、隣接する単セル１０において、一方の単セル１０の燃料極５と、他方の単セル１０の空気極６とを接続している。複数の単セル１０はそれぞれ直列に接続されている。インターコネクタ７は、隣接する単セル１０同士の隙間に充填されており、下端が接着部３に接触している。これにより、インターコネクタ７と基材２とが絶縁されている。 An interconnector 7 is disposed between the adjacent single cells 10, and the single cells 10 are electrically connected to each other by the interconnector 7. More specifically, the interconnector 7 connects the fuel electrode 5 of one unit cell 10 and the air electrode 6 of the other unit cell 10 in the adjacent unit cell 10. The plurality of single cells 10 are connected in series. The interconnector 7 is filled in the gap between the adjacent single cells 10, and the lower end is in contact with the bonding portion 3. Thereby, the interconnector 7 and the base material 2 are insulated.

次に、上記の燃料電池１の各構成要素の材質について説明する。基材２の材質としては、燃料電池１の強度を上げる観点から金属が好ましく、例えば、フェライト系ステンレス鋼ＳＵＳ（ＳｔｅｅｌＵｓｅＳｔａｉｎｌｅｓｓ）４３０（１８Ｃｒ）、または、日立金属株式会社製固体酸化物形燃料電池用セパレータ材ＺＭＧ２３２Ｌを好ましく用いることができる。また、基材２の厚みは、２００μｍ〜１０００μｍが好ましい。 Next, the material of each component of the fuel cell 1 will be described. The material of the base material 2 is preferably a metal from the viewpoint of increasing the strength of the fuel cell 1. For example, ferritic stainless steel SUS (Steel Use Stainless) 430 (18Cr) or a solid oxide fuel manufactured by Hitachi Metals, Ltd. Battery separator material ZMG232L can be preferably used. Further, the thickness of the substrate 2 is preferably 200 μm to 1000 μm.

接着部３の材質としては、基材２とインターコネクタ７とを絶縁するために、絶縁性を有するものを用いている。また、基材２と電解質４との接着性を高める観点から、接着部３の材質として無機系材料を好ましく用いることができる。このような材料としては、例えば、マイカ（雲母）や、ジルコニア、シリカ、アルミナ等の材料を主成分として、バインダー樹脂、有機溶媒などを適量加えて混練した接着部用ペーストを用いることができる。接着部３は、接着部用ペーストをスクリーン印刷法により、例えば、１〜５０μｍの厚みに印刷される。接着部３は、上記スクリーン印刷法以外にもシート体を積層させ、溶着させてもよい。厚みは１〜１０００μｍで形成される。 As a material of the bonding part 3, in order to insulate the base material 2 and the interconnector 7, an insulating material is used. Further, from the viewpoint of enhancing the adhesion between the base material 2 and the electrolyte 4, an inorganic material can be preferably used as the material of the bonding portion 3. As such a material, for example, a paste for an adhesive portion in which mica (mica), a material such as zirconia, silica, alumina, or the like is used as a main component and an appropriate amount of a binder resin, an organic solvent, or the like is added and kneaded can be used. The adhesive part 3 is printed with a paste for adhesive part to a thickness of 1 to 50 μm, for example, by screen printing. In addition to the screen printing method, the bonding part 3 may be formed by laminating and welding sheet bodies. The thickness is 1 to 1000 μm.

電解質４の材質としては、固体酸化物形燃料電池の電解質の材料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。 As the material of the electrolyte 4, those known as electrolyte materials for solid oxide fuel cells can be used. For example, ceria oxide doped with samarium or gadolinium, lanthanum doped with strontium or magnesium, Oxygen ion conductive ceramic materials such as galide oxides, zirconia oxides containing scandium and yttrium can be used.

燃料極５の材質としては、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）等の還元性雰囲気において安定で、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５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５は、金属触媒を単体で用いて構成することもできる。 As a material of the fuel electrode 5, 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. Moreover, as what has a perovskite type structure, the lanthanum garade type oxide doped with strontium and magnesium can be mentioned. Among the materials described above, the fuel electrode 5 is preferably formed of 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. Moreover, the fuel electrode 5 can also be comprised using a metal catalyst alone.

空気極６の材質としては、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_３，（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ_３，（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３，（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｆｅ，Ｃｏ）Ｏ_３，（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ）Ｏ_３などの酸化物が挙げられ、上述した材料は、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 a material of the air electrode 6, 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 the materials described above can be used singly or in combination of two or more.

上記燃料極５、及び空気極６は、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ペースト化、印刷、焼結される。ペースト化に関して、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４も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ペースト化、印刷、焼結されるが、ペースト化に関しては、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８０重量％以上となるように混合されることが好ましい。プラズマレーザーデポジション法や、イオンプレーティング法などの真空プロセスにより形成することも出来る。また、電解質４を２００μｍ以上の膜厚で形成する場合は、一旦、粉末をプレス成形し、焼結することにより形成することができる。そして、これら空気極６、燃料極５の膜厚は焼結後に１μｍ〜５００μｍとなるように形成するが、１０μｍ〜１００μｍとすることが好ましく、電解質４の膜厚としては、１０〜５０００μｍであることが好ましく、５０〜２０００μｍであることがさらに好ましい。 The fuel electrode 5 and the air electrode 6 are paste-formed, printed, and sintered by adding the appropriate amount of binder resin, organic solvent, etc., with the above-described materials as main components. Regarding the pasting, 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. The electrolyte 4 is also paste-formed, printed, and sintered by adding an appropriate amount of a binder resin, an organic solvent, etc., with the above-mentioned materials as the main component. The main component is preferably mixed so as to be 80% by weight or more. It can also be formed by a vacuum process such as a plasma laser deposition method or an ion plating method. Moreover, when forming electrolyte 4 with a film thickness of 200 micrometers or more, it can form by once press-molding powder and sintering. The film thickness of the air electrode 6 and the fuel electrode 5 is formed to be 1 μm to 500 μm after sintering, but is preferably 10 μm to 100 μm, and the film thickness of the electrolyte 4 is 10 to 5000 μm. It is preferable that it is 50-2000 micrometers.

また、インターコネクタ７は、Ｐｔ，Ａｕ，Ａｇ，Ｎｉ，Ｃｕ，ＳＵＳ等の導電性金属、又はＬａ（Ｃｒ，Ｍｇ）Ｏ_３，（Ｌａ，Ｃａ）ＣｒＯ_３，（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｒＯ_３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。インターコネクタ７は、上述した材料にバインダー樹脂、有機溶媒などが適量加えられることによりペ−スト化、印刷、焼結される。 The interconnector 7 is made of conductive metal such as Pt, Au, Ag, Ni, Cu, SUS, La (Cr, Mg) O ₃ , (La, Ca) CrO ₃ , (La, Sr) CrO _3, or the like. These lanthanum and chromite-based conductive ceramic materials can be used, and one of these may be used alone, or two or more may be used in combination. The interconnector 7 is pasted, printed, and sintered by adding an appropriate amount of a binder resin, an organic solvent, or the like to the above-described material.

次に、上述した燃料電池の製造方法の一例を説明する。まず、予め、単セル１０を作製しておく。単セル１０は、以下のように作製することができる。すなわち、まず、上述した燃料極５、及び空気極６用の粉末材料を主成分として、これらそれぞれにバインダー樹脂、有機溶媒などを適量加えて混練し、燃料極ペースト、及び空気極ペーストをそれぞれ作製する。次に、電解質４粉末をプレス成形し、焼結を行うことにより、電解質４の基板を形成する。続いて、燃料極ペーストをスクリーン印刷法により電解質４上に帯状に塗布した後、所定の時間及び温度で乾燥・焼結し、燃料極５を形成する。これに続いて、各燃料極５と対向する位置に、空気極ペーストをスクリーン印刷法によって塗布し、所定時間及び温度で乾燥・焼結することにより、空気極６を形成する。これにより、単セル１０が形成される。なお、燃料極ペースト、及び空気極ペーストの粘度は、スクリーン印刷に適合するように１０⁴〜１０^６ｍＰａ・ｓ程度であることが好ましい。 Next, an example of a method for manufacturing the above-described fuel cell will be described. First, the single cell 10 is prepared in advance. The single cell 10 can be manufactured as follows. That is, firstly, the fuel electrode 5 and the air electrode 6 are mainly composed of the powder materials for the fuel electrode 5 and the air electrode 6 described above, and an appropriate amount of binder resin, organic solvent, etc. are added and kneaded to produce the fuel electrode paste and the air electrode paste, respectively. To do. Next, the electrolyte 4 powder is press-molded and sintered to form the electrolyte 4 substrate. Subsequently, the fuel electrode paste is applied in a strip shape on the electrolyte 4 by screen printing, and then dried and sintered at a predetermined time and temperature to form the fuel electrode 5. Subsequently, an air electrode paste is applied to a position facing each fuel electrode 5 by a screen printing method, and dried and sintered at a predetermined time and temperature to form the air electrode 6. Thereby, the single cell 10 is formed. The viscosity of the fuel electrode paste and the air electrode paste is preferably about 10 ⁴ to 10 ⁶ mPa · s so as to be suitable for screen printing.

続いて、単セル１０と基材２とを以下のように接着する。すなわち、まず、基材２の表面に、スクリーン印刷により、接着部ペーストをパターン状に塗布し、次に、接着部ペーストが塗布された基材２の表面に、複数の単セル１０を配置する。単セル１０は、電解質４と基材２が対向するように配置される。そして、接着部ペーストを乾燥、材料によっては、焼結させることにより、基材２と単セル１０とを接着する。 Then, the single cell 10 and the base material 2 are adhere | attached as follows. That is, first, an adhesive paste is applied in a pattern on the surface of the substrate 2 by screen printing, and then a plurality of single cells 10 are arranged on the surface of the substrate 2 to which the adhesive paste has been applied. . The single cell 10 is disposed so that the electrolyte 4 and the substrate 2 face each other. And the base material 2 and the single cell 10 are adhere | attached by drying an adhesive part paste and sintering depending on material.

最後に、各単セル１０を直列に接続するように、各単セル１０間にインターコネクタ用ペーストをスクリーン印刷法によって塗布、印刷、焼結し、インターコネクタ７を形成する。インターコネクタ７用のペーストは、上述したインターコネクタ７用の粉末材料にバインダー樹脂等の添加物を加えることにより、作製することができる。このペーストの粘度は、上述した燃料極ペースト等と同程度にすることができる。 Finally, the interconnector 7 is formed by applying, printing, and sintering an interconnector paste between the single cells 10 by screen printing so that the single cells 10 are connected in series. The paste for the interconnector 7 can be produced by adding an additive such as a binder resin to the above-described powder material for the interconnector 7. The viscosity of this paste can be made comparable to the above-described fuel electrode paste and the like.

上述した製造方法においては、各ペーストの塗布にスクリーン印刷法を用いているが、これに限定されるものではなく、ドクターブレード法、スプレーコート法、リソグラフィー法、スピンコ−ト法、インクジェット法、転写印刷法等の印刷方法、その他一般的な印刷法を用いることができる。また、印刷後の後工程として、ＣＩＰ（静水圧プレス）、ＨＩＰ（熱間静水圧プレス）、ホットプレス、その他一般的なプレス工程を用いることもできる。 In the manufacturing method described above, a screen printing method is used for applying each paste, but the present invention is not limited to this. The doctor blade method, the spray coating method, the lithography method, the spin coating method, the ink jet method, and the transfer method. Printing methods such as a printing method and other general printing methods can be used. Moreover, as a post-process after printing, CIP (hydrostatic pressure press), HIP (hot isostatic press), hot press, and other general press processes can also be used.

上記のように構成された燃料電池１では、次のように発電が行われる。まず、燃料極５及び空気極６が形成されている側に、メタンや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。これにより、燃料極５と空気極６との間の電解質４の主に表層付近で、酸素イオン伝導が起こって発電が行われる。 In the fuel cell 1 configured as described above, power generation is performed as follows. First, on the side where the fuel electrode 5 and the air electrode 6 are formed, a mixed gas of a fuel gas composed of a hydrocarbon such as methane or ethane and an oxidant gas such as air is in a high temperature state (for example, 400 to 1000 ° C. ) Thereby, oxygen ion conduction occurs mainly in the vicinity of the surface layer of the electrolyte 4 between the fuel electrode 5 and the air electrode 6 to generate electric power.

上記の構成を備える燃料電池１によれば、基材２と電解質４とを接着部３を介して接着するので、単セル１０を基材２によって支持することができる。これにより燃料電池１の強度を向上させることができる。また、電解質４が薄い構成であっても基材２により強度を上げることができるので、燃料電池１の強度を上げるために電解質４を厚くしなくてもよい。また、予め製造された単セル１０を基材２に接着するだけで強度を上げることができる。したがって、低コストで容易に強度を上げることができる。また、基材２と電解質４とを、それらの間に介在する接着部３により確実に接着するので、より強度を上げることができる。また、基材２が金属であるとより強度を上げることができる。 According to the fuel cell 1 having the above configuration, the base material 2 and the electrolyte 4 are bonded via the bonding portion 3, so that the single cell 10 can be supported by the base material 2. Thereby, the strength of the fuel cell 1 can be improved. Even if the electrolyte 4 is thin, the strength can be increased by the base material 2, so that the electrolyte 4 does not need to be thickened in order to increase the strength of the fuel cell 1. Further, the strength can be increased by simply bonding the pre-manufactured single cell 10 to the base material 2. Therefore, the strength can be easily increased at low cost. Moreover, since the base material 2 and the electrolyte 4 are reliably adhere | attached by the adhesion part 3 interposed between them, intensity | strength can be raised more. Further, when the substrate 2 is a metal, the strength can be further increased.

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明の具体的な態様は、上記実施形態に限定されるものではない。 As mentioned above, although one Embodiment of this invention was described, the specific aspect of this invention is not limited to the said embodiment.

例えば、上記実施形態では、接着部３は、絶縁性を有する材料から構成されていたが、必ずしもこの構成に限定されることはない。すなわち、接着部３は、導電性を有していてもよい。例えば、銀や、金、白金、銅及びこれら金属を含む化合物等の接着性のある材料を用いることができる。また、接着部３の塗布状態は、基材２と電解質４とを接着できれば、特に限定されず、適宜変更可能である。また、基材２の材質としては、導電性の材質に限られず、絶縁性の材質であってもよい。例えば、基材２の材質として、アルミナ系材料、シリカ系材料、チタン系材料等の強度向上が可能なセラミックス系材料を用いることもできる。 For example, in the above embodiment, the bonding portion 3 is made of an insulating material, but is not necessarily limited to this configuration. That is, the adhesion part 3 may have electroconductivity. For example, an adhesive material such as silver, gold, platinum, copper, and a compound containing these metals can be used. Moreover, the application state of the adhesion part 3 will not be specifically limited if the base material 2 and the electrolyte 4 can be adhere | attached, It can change suitably. The material of the base material 2 is not limited to a conductive material, and may be an insulating material. For example, a ceramic material capable of improving the strength, such as an alumina-based material, a silica-based material, or a titanium-based material, can also be used as the material of the substrate 2.

図３は、他の実施形態に係る燃料電池の一部拡大断面図である。図３において、図１と同様の構成部分については、同一の符号を付して説明を省略する。図３に示すように、接着部３は、基材２の表面に間隔をあけて塗布されている。また、接着部３は、基材２と電解質４との間に介在している。また、接着部３は、インターコネクタ７と接触しないように、インターコネクタ７と間隔をあけて塗布されている。 FIG. 3 is a partially enlarged cross-sectional view of a fuel cell according to another embodiment. 3, the same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted. As shown in FIG. 3, the bonding portion 3 is applied to the surface of the base material 2 with an interval. Further, the bonding portion 3 is interposed between the base material 2 and the electrolyte 4. Further, the bonding portion 3 is applied with a distance from the interconnector 7 so as not to contact the interconnector 7.

インターコネクタ７は、隣接する単セル１０の間に充填されており、下端が基材２に接触している。 The interconnector 7 is filled between adjacent single cells 10, and the lower end is in contact with the base material 2.

基材２は、インターコネクタ７と基材２との導通を防ぐ観点から、導電性を有さない材質から形成されている。 The base material 2 is formed from the material which does not have electroconductivity from a viewpoint of preventing conduction | electrical_connection with the interconnector 7 and the base material 2. FIG.

図４は、更に他の実施形態に係る燃料電池の一部拡大断面図である。図４において、図３と同様の構成部分については、同一の符号を付して説明を省略する。 FIG. 4 is a partially enlarged cross-sectional view of a fuel cell according to still another embodiment. 4, the same components as those in FIG. 3 are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.

上記実施形態では、基材２により単セルを支持する支持基板が構成されていたが、この構成に限定されるものではない。本実施形態では、基材２、及び、基材２の表面（一方面）に配置されたシート状の絶縁体８により支持基板２０が構成されている。 In the said embodiment, although the support substrate which supports a single cell by the base material 2 was comprised, it is not limited to this structure. In the present embodiment, the support substrate 20 is configured by the base material 2 and the sheet-like insulator 8 disposed on the surface (one surface) of the base material 2.

基材２は、例えば金属等の導電性を有する材質から形成されている。絶縁体８の材質としては、基材２に対する接着性及び絶縁性の優れる、セラミックス系材料からなることが好ましく、例えば、ジルコニア、アルミナ、セリアなどの材料を用いることができる。この絶縁体８は、スクリーン印刷法やスパッタリングなどの真空成膜法により形成することができる。 The substrate 2 is made of a conductive material such as metal. The material of the insulator 8 is preferably made of a ceramic material that is excellent in adhesiveness and insulation to the base material 2, and for example, a material such as zirconia, alumina, or ceria can be used. The insulator 8 can be formed by a screen printing method or a vacuum film forming method such as sputtering.

接着部３は、絶縁体８の表面（一方面）に塗布されている。インターコネクタ７の下端は、絶縁体８に接触しており、これにより、基材２とインターコネクタ７とが絶縁されている。 The bonding portion 3 is applied to the surface (one surface) of the insulator 8. The lower end of the interconnector 7 is in contact with the insulator 8, whereby the base material 2 and the interconnector 7 are insulated.

図５は、更に他の実施形態に係る燃料電池の一部拡大断面図である。図５において、図１と同様の構成部分については、同一の符号を付して説明を省略する。 FIG. 5 is a partially enlarged cross-sectional view of a fuel cell according to still another embodiment. In FIG. 5, the same components as those in FIG.

図５に示すように、電解質４は、基材２の表面に、接着部３を介さずに配置されている。基材２は、例えばセラミックスなどの絶縁材料から形成されている。各単セル１０の間には、接着部３が充填されており、接着部３の下端は基材２に接触している。この接着部３は、隣接する単セル１０の上面の一部を覆っている。より詳細には、隣接する単セル１０の燃料極５及び空気極６の一部を覆っている。こうして、接着部３により単セル１０と基材２とが接着される。 As shown in FIG. 5, the electrolyte 4 is disposed on the surface of the substrate 2 without the adhesive portion 3 interposed therebetween. The base material 2 is formed from an insulating material such as ceramics. Between each single cell 10, the bonding portion 3 is filled, and the lower end of the bonding portion 3 is in contact with the base material 2. The bonding portion 3 covers a part of the upper surface of the adjacent unit cell 10. More specifically, the fuel electrode 5 and the air electrode 6 of the adjacent unit cell 10 are partially covered. Thus, the single cell 10 and the base material 2 are bonded by the bonding portion 3.

接着部３は、導電性を有している。この接着部３の材質としては、導電性を有する観点から、例えば、銀や、金、白金、銅及びこれら金属を含む化合物等を用いることができる。また、接着部３の融点は、基材２に熱的損傷を与えない程度の温度であることが好ましく、具体的には、１２００℃以下であることが好ましい。接着部３は、隣接する単セル１０の燃料極５及び空気極６を電気的に接続している。すなわち、接着部３は、インターコネクタの機能を果たしている。 The adhesion part 3 has conductivity. As the material of the bonding part 3, for example, silver, gold, platinum, copper, and a compound containing these metals can be used from the viewpoint of conductivity. Moreover, it is preferable that the melting | fusing point of the adhesion part 3 is a temperature which is a grade which does not give a thermal damage to the base material 2, Specifically, it is preferable that it is 1200 degrees C or less. The bonding portion 3 electrically connects the fuel electrode 5 and the air electrode 6 of the adjacent single cell 10. In other words, the bonding part 3 functions as an interconnector.

このような構成によれば、接着部３がインターコネクタを兼ねているので、別途、インターコネクタを設置する必要がない。したがって、燃料電池１を製造するときに、手間を要することがない。 According to such a configuration, since the bonding portion 3 also serves as an interconnector, it is not necessary to install an interconnector separately. Therefore, no trouble is required when manufacturing the fuel cell 1.

図６は、更に他の実施形態に係る燃料電池の一部拡大断面図である。図６において、図５と同様の構成部分については、同一の符号を付して説明を省略する。 FIG. 6 is a partially enlarged cross-sectional view of a fuel cell according to still another embodiment. In FIG. 6, the same components as those in FIG.

本実施形態では、基材２は、金属等の導電性を有する材質から形成されている。基材２の表面（一方面）には、絶縁体８が配置されている。本実施形態では、基材２及び絶縁体８により、支持基板２０が構成されている。絶縁体８の材質は、図４に係る実施形態の絶縁体８と同様の材質である。接着部３の下端は、絶縁体８に接触している。これにより、接着部３と基材２とが絶縁される。 In this embodiment, the base material 2 is formed from the material which has electroconductivity, such as a metal. An insulator 8 is disposed on the surface (one surface) of the substrate 2. In the present embodiment, the support substrate 20 is constituted by the base material 2 and the insulator 8. The material of the insulator 8 is the same material as the insulator 8 of the embodiment according to FIG. The lower end of the bonding part 3 is in contact with the insulator 8. Thereby, the adhesion part 3 and the base material 2 are insulated.

図５及び図６に示す燃料電池は、次のように製造される。すなわち、支持基板２０の表面に、複数の単セル１０を、間隔をあけて配置する。単セル１０は、電解質４と基材２とが対向するように配置される。次に、インクジェット法により、隣接する単セル１０の間に接着部３を供給する。接着部３は、隣接する単セル１０の間に充填され、その一部は、燃料極５及び空気極６の一部を覆い、下端が支持基板２０に接触する。こうして、燃料電池１が製造される。 The fuel cell shown in FIGS. 5 and 6 is manufactured as follows. That is, the plurality of single cells 10 are arranged on the surface of the support substrate 20 at intervals. The single cell 10 is disposed so that the electrolyte 4 and the substrate 2 face each other. Next, the adhesion part 3 is supplied between the adjacent single cells 10 by the inkjet method. The bonding portion 3 is filled between adjacent unit cells 10, a part of which covers a part of the fuel electrode 5 and the air electrode 6, and a lower end thereof contacts the support substrate 20. Thus, the fuel cell 1 is manufactured.

また、上記実施形態では、複数の単セル１０をインターコネクタ７によって直列に接続しているが、並列に接続することもできる。例えば、図７に示すように、２個の単セル１０の燃料極５同士、及び空気極６同士をインターコネクタ７によって接続することができる。燃料電池の各構成要素を明確にするために、図７の平面図においてもハッチングを付している。 Moreover, although the several single cell 10 is connected in series by the interconnector 7 in the said embodiment, it can also connect in parallel. For example, as shown in FIG. 7, the fuel electrodes 5 and the air electrodes 6 of the two single cells 10 can be connected by the interconnector 7. In order to clarify each component of the fuel cell, hatching is also given in the plan view of FIG.

１固体酸化物形燃料電池
２基材
３接着部
４電解質
５燃料極
６空気極
７インターコネクタ
１０単セル
２０支持基板 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Solid oxide fuel cell 2 Base material 3 Adhesion part 4 Electrolyte 5 Fuel electrode 6 Air electrode 7 Interconnector 10 Single cell 20 Support substrate

Claims

A support substrate made of metal ;
A plurality of single cells arranged at intervals on one side of the support substrate;
An adhesive portion having an insulating property and bonding the support substrate and the single cell ;
A plurality of interconnectors that are arranged between the single cells and connect the single cells to each other ,
The single cell includes an electrolyte facing the support substrate, and a fuel electrode and an air electrode arranged on one surface of the electrolyte with a space therebetween ,
The adhesive portion, the applied to one surface of the supporting substrate, between the supporting substrate and the electrolyte, and a single-chamber solid oxide fuel you are interposed between the interconnector and the support substrate battery.