JP5365050B2 - Solid oxide fuel cell - Google Patents

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Description

本発明は、燃料ガス及び酸化剤ガスにより動作する固体酸化物形燃料電池、及び、固体酸化物形燃料電池の製造方法に関する。   The present invention relates to a solid oxide fuel cell that operates with a fuel gas and an oxidant gas, and a method for manufacturing a solid oxide fuel cell.


燃料電池とは外部からの燃料供給と燃焼生成物の排気とを連続的に行いながら、燃料が酸化する際に発生する化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換できる電池である。燃料電池の種類は電解質により分類され、電解質にイオン伝導性を持つ金属酸化物を用いたものを固体酸化物形燃料電池と呼んでいる。このような固体酸化物形燃料電池としては、例えば、特許文献1に開示されているものが知られている。

A fuel cell is a cell that can directly convert chemical energy generated when fuel is oxidized into electric energy while continuously supplying fuel from the outside and exhausting combustion products. The types of fuel cells are classified according to the electrolyte, and those using metal oxides having ion conductivity for the electrolyte are called solid oxide fuel cells. As such a solid oxide fuel cell, for example, one disclosed in Patent Document 1 is known.

図5に示すように、この固体酸化物形燃料電池101は、基板103上に支持されており、シート状の電解質107と、電解質107の上面(一方面)に積層されたシート状の空気極109とを備えている。また、電解質107の下面(他方面)にはシート状の燃料極105が積層されている。固体酸化物形燃料電池101は、電解質107、燃料極105、及び、空気極109により1つのセルを構成している。そして、電解質107、燃料極105、及び、空気極109は、それぞれ、矩形状に形成されている。
特開2006−19044号公報
As shown in FIG. 5, this solid oxide fuel cell 101 is supported on a substrate 103 and has a sheet-like electrolyte 107 and a sheet-like air electrode laminated on the upper surface (one surface) of the electrolyte 107. 109. A sheet-like fuel electrode 105 is laminated on the lower surface (the other surface) of the electrolyte 107. In the solid oxide fuel cell 101, an electrolyte 107, a fuel electrode 105, and an air electrode 109 constitute one cell. The electrolyte 107, the fuel electrode 105, and the air electrode 109 are each formed in a rectangular shape.
JP 2006-19044 A

ところで、近年、固体酸化物形燃料電池への要求はさらに高まっており、例えば、小型で出力が高い燃料電池が望まれている。   By the way, in recent years, the demand for solid oxide fuel cells is further increased. For example, a small and high output fuel cell is desired.

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであって、単位面積あたりの出力を高めることができる固体酸化物形燃料電池、及び、固体酸化物形燃料電池の製造方法の提供を目的とする。   The present invention has been made to solve such problems, and provides a solid oxide fuel cell capable of increasing the output per unit area, and a method for manufacturing the solid oxide fuel cell. With the goal.

本発明に係る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、電解質と、前記電解質の一方面に配置された燃料極又は空気極からなる一方の電極と、前記電解質の他方面に配置され、前記一方の電極とは異なる電極からなる他方の電極とを備え、前記電解質及び前記一方の電極は、積層方向に切断した断面において、両者の間の境界線が湾曲し、前記境界線の長さが当該境界線の端部間の直線長さより長くなるように積層されている。   A solid oxide fuel cell according to the present invention is made to solve the above-described problems, and includes an electrolyte and one electrode composed of a fuel electrode or an air electrode disposed on one surface of the electrolyte, The other electrode made of an electrode different from the one electrode, and the electrolyte and the one electrode have a boundary line between them in a cross section cut in the stacking direction. The layers are bent so that the length of the boundary line is longer than the straight line length between the end portions of the boundary line.

このような構成によれば、電解質と一方の電極とを単に積層した固体酸化物形燃料電池と比較して、電解質と一方の電極との間の境界線、すなわち、電解質と一方の電極とが接触する領域を長くすることができる。これにより、固体酸化物形燃料電池の単位面積に対する、電解質と一方の電極との接触面積を大きくすることができる。そのため、固体酸化物形燃料電池の単位面積あたりの反応領域を拡大することができ、単位面積あたりの出力を高くすることができる。   According to such a configuration, the boundary line between the electrolyte and one electrode, that is, the electrolyte and one electrode are compared with a solid oxide fuel cell in which the electrolyte and one electrode are simply stacked. The contact area can be lengthened. Thereby, the contact area of an electrolyte and one electrode with respect to the unit area of a solid oxide fuel cell can be enlarged. Therefore, the reaction area per unit area of the solid oxide fuel cell can be expanded, and the output per unit area can be increased.

また、上記構成において、前記電解質及び前記他方の電極は、積層方向に切断した断面において、両者の間の境界線が湾曲し、前記境界線の長さが当該境界線の端部間の直線長さより長くなるように積層されていることが好ましい。   In the above configuration, in the cross section cut in the stacking direction, the electrolyte and the other electrode are curved at the boundary between them, and the length of the boundary is a straight line length between the ends of the boundary. It is preferable that the layers are stacked so as to be longer.

このような構成によれば、電解質と他方の電極との接触面積も大きくすることができ、反応領域が拡がるので、単位面積あたりの出力をさらに高めることができる。   According to such a configuration, the contact area between the electrolyte and the other electrode can be increased, and the reaction region is expanded, so that the output per unit area can be further increased.

また、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、上記課題を解決するためになされたものであって、燃料極材料を含有する燃料極グリーンシート、又は、空気極材料を含有する空気極グリーンシートのいずれか一方のグリーンシートを準備する準備ステップと、電解質材料を含有する電解質グリーンシートの一方面に、前記一方のグリーンシートを積層することにより、グリーンシート積層体を形成するシート積層ステップと、当該グリーンシート積層体を共焼結することにより、電解質及び一方の電極を形成する焼結ステップと、前記電解質及び一方の電極の表面が平行となるように整形する整形ステップと、前記電解質の他方面に、前記一方の電極とは異なる他方の電極を配置する電極積層ステップと、を備える。   The first manufacturing method of the solid oxide fuel cell according to the present invention is made to solve the above-mentioned problem, and is a fuel electrode green sheet containing a fuel electrode material or an air electrode material. A green sheet laminate is prepared by preparing one of the green sheets of the air electrode green sheet containing the green sheet and laminating the one green sheet on one surface of the electrolyte green sheet containing the electrolyte material. A sheet lamination step to be formed, a sintering step to form the electrolyte and one electrode by co-sintering the green sheet laminate, and a shaping to shape the surfaces of the electrolyte and one electrode in parallel And an electrode stacking step of disposing another electrode different from the one electrode on the other surface of the electrolyte.

また、固体酸化物形燃料電池の第2の製造方法は、燃料極材料を含有する燃料極グリーンシート、又は、空気極材料を含有する空気極グリーンシートのいずれか一方のグリーンシートを準備する準備ステップと、電解質材料を含有する電解質グリーンシートの一方面に、前記一方のグリーンシートを積層することにより、グリーンシート積層体を形成するシート積層ステップと、当該グリーンシート積層体を共焼結することにより、電解質及び一方の電極を形成する焼結ステップと、前記電解質の他方面に、前記一方の電極とは異なる他方の電極を配置する電極積層ステップと、前記一方の電極及び他方の電極が平行となるように整形する整形ステップと、を備える。   The second manufacturing method of the solid oxide fuel cell includes a preparation for preparing either a fuel electrode green sheet containing a fuel electrode material or an air electrode green sheet containing an air electrode material. A step of stacking a green sheet laminate by laminating the one green sheet on one side of an electrolyte green sheet containing an electrolyte material, and co-sintering the green sheet laminate The sintering step for forming the electrolyte and one electrode, the electrode stacking step for disposing the other electrode different from the one electrode on the other surface of the electrolyte, and the one electrode and the other electrode in parallel And a shaping step for shaping so that

上記第1及び第2の製造方法によれば、焼結ステップにおいて、電解質グリーンシートと燃料極グリーンシートとは、熱収縮率が相違するため、これらを共焼結すると反りが発生し、両者を湾曲させることができる。これにより、電解質と電極との界面が湾曲するので、固体酸化物形燃料電池の単位面積に対して、電解質と電極との接触面積を大きくすることができる。そのため、固体酸化物形燃料電池の単位面積あたりの反応領域を拡大することができ、単位面積あたりの出力を高くすることができる。   According to the first and second manufacturing methods, in the sintering step, the electrolyte green sheet and the fuel electrode green sheet have different heat shrinkage rates. Can be curved. Thereby, since the interface between the electrolyte and the electrode is curved, the contact area between the electrolyte and the electrode can be increased with respect to the unit area of the solid oxide fuel cell. Therefore, the reaction area per unit area of the solid oxide fuel cell can be expanded, and the output per unit area can be increased.

さらに第2の製造方法によれば、電解質と他方の電極との接触面積も大きくすることができるので、単位面積あたりの出力をさらに高めることができる。   Furthermore, according to the second manufacturing method, since the contact area between the electrolyte and the other electrode can be increased, the output per unit area can be further increased.

また、前記焼結ステップは、前記グリーンシート積層体に例えば押さえ板などの荷重が作用しない状態で共焼結することが好ましい。これにより、電極と電解質界面をさらに湾曲した構造とすることが可能となる。   Moreover, it is preferable that the said sintering step co-sinters in the state which loads, such as a pressing board, do not act on the said green sheet laminated body. Thereby, it becomes possible to make the electrode and electrolyte interface further curved.

本発明の固体酸化物形燃料電池、及び、固体酸化物形燃料電池の製造方法によれば、単位面積あたりの出力を高くすることができる。   According to the solid oxide fuel cell and the manufacturing method of the solid oxide fuel cell of the present invention, the output per unit area can be increased.

(第1の実施形態)
以下、本発明の第1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、本発明の第1の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池の断面図である。
(First embodiment)
A first embodiment of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view of a solid oxide fuel cell according to a first embodiment of the present invention.

図1に示すように、固体酸化物形燃料電池(以下、単に燃料電池という)1は、電解質2と、この電解質2の下面(一方面)に密着された燃料極3(一方の電極)とを備えている。また、電解質2の上面(他方面)には空気極4(他方の電極)が密着されている。電解質2の上面及び燃料極3の下面は、互いに平行となるように平坦に研磨されている。   As shown in FIG. 1, a solid oxide fuel cell (hereinafter simply referred to as a fuel cell) 1 includes an electrolyte 2 and a fuel electrode 3 (one electrode) in close contact with the lower surface (one surface) of the electrolyte 2. It has. An air electrode 4 (the other electrode) is in close contact with the upper surface (the other surface) of the electrolyte 2. The upper surface of the electrolyte 2 and the lower surface of the fuel electrode 3 are polished flat so as to be parallel to each other.

上記燃料電池1では、電解質2と燃料極3との積層方向に切断した断面において、電解質2と燃料極3との間に境界線5が形成されている。この境界線5は、湾曲しており、その長さL1は、境界線5の両端部5a、5bを結んだ仮想的な直線6(図1における点線)の長さL2より長くなっている。燃料電池1全体では、電解質2の下面、及び、燃料極3の上面、すなわち、電解質2と燃料極3との界面が湾曲している。境界線5の長さL1が直線6の長さL2より長いことは、例えば、SEM(Scanning Electron Microscope:走査型電子顕微鏡)を用いて燃料電池1の断面を撮影した画像データに基づいて、判断することができる。この場合、燃料極3の両端部における層厚が、燃料極3の中央部における層厚より薄いことを確認することにより、間接的にL1とL2との長短を判断することもできる。   In the fuel cell 1, a boundary line 5 is formed between the electrolyte 2 and the fuel electrode 3 in a cross section cut in the stacking direction of the electrolyte 2 and the fuel electrode 3. The boundary line 5 is curved, and its length L1 is longer than the length L2 of a virtual straight line 6 (dotted line in FIG. 1) connecting both ends 5a and 5b of the boundary line 5. In the entire fuel cell 1, the lower surface of the electrolyte 2 and the upper surface of the fuel electrode 3, that is, the interface between the electrolyte 2 and the fuel electrode 3 are curved. The length L1 of the boundary line 5 is longer than the length L2 of the straight line 6, for example, based on image data obtained by photographing a cross section of the fuel cell 1 using a scanning electron microscope (SEM). can do. In this case, by confirming that the layer thickness at both end portions of the fuel electrode 3 is thinner than the layer thickness at the center portion of the fuel electrode 3, the length of L1 and L2 can be indirectly determined.

続いて、燃料電池1を構成する材料について説明する。電解質2、燃料極3及び空気極4は、セラミックス粉末材料により形成することができる。このとき用いられる粉末の平均粒径は、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。   Subsequently, materials constituting the fuel cell 1 will be described. The electrolyte 2, the fuel electrode 3, and the air electrode 4 can be formed of a ceramic powder material. The average particle size of the powder used at this time 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2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(GDC)、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(YSZ)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 2, those known as electrolytes for solid oxide fuel cells can be used. For example, ceria oxide (GDC) doped with samarium or gadolinium, lanthanum doped with strontium or magnesium An oxygen ion conductive ceramic material such as a galide oxide, zirconia oxide (YSZ) containing scandium or yttrium can be used.

燃料極3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3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またはセラミックス材料へのニッケル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3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 3, 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 3 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 may be a powder modification to nickel or a nickel modification to ceramic material. Good. 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 3 can also be comprised using a metal catalyst alone.

空気極4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)(Fe,Co)O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 4, 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) (Fe, Co) O 3 is preferable. The ceramic material mentioned above can be used individually by 1 type or in mixture of 2 or more types.

次に、上記燃料電池1の製造方法の一例として、グリーンシートを用いた製造方法について説明する。まず、電解質グリーンシート、燃料極グリーンシート、及び、空気極グリーンシートを製造する方法を説明する。   Next, a manufacturing method using a green sheet will be described as an example of a manufacturing method of the fuel cell 1. First, a method for producing an electrolyte green sheet, a fuel electrode green sheet, and an air electrode green sheet will be described.

例えば、ドクターブレード法の場合、燃料極あるいは空気極グリーンシートは、以下の方法で作製することができる。上記燃料極あるいは空気極粉末に、造孔剤を添加し、バインダー、分散剤および可塑剤を加え、エタノール、2−プロパノールといったアルコール系溶媒からなる分散媒体に分散されているスラリーを作製する。造孔剤の添加量は、5〜20w%が好ましい。添加されている造孔剤は、焼結の際に燃焼して気化するため、造孔剤が存在していた箇所には空孔が形成される。なお、造孔剤としては、カーボン系粉末や樹脂系粉末が挙げられるが、焼結の際に気化して空孔が形成可能な材料であれば、他の材料を用いるようにしてもよい。   For example, in the case of the doctor blade method, the fuel electrode or air electrode green sheet can be produced by the following method. A pore forming agent is added to the fuel electrode or air electrode powder, a binder, a dispersant and a plasticizer are added, and a slurry dispersed in a dispersion medium composed of an alcohol solvent such as ethanol or 2-propanol is prepared. As for the addition amount of a pore making material, 5-20 w% is preferable. Since the added pore former burns and vaporizes during sintering, voids are formed at the locations where the pore former was present. Examples of the pore-forming agent include carbon-based powder and resin-based powder, but other materials may be used as long as they can be vaporized during sintering to form pores.

また、上記スラリー組成物あるいは混練組成物を作製する際に用いられるバインダーの種類にも制限はなく、公知の有機質もしくは無機質のバインダーを使用することができる。有機質バインダーとしては、エチレン系共重合体、スチレン系共重合体、アクリレート系及びメタクリレート系共重合体、酢酸ビニル系共重合体、マレイン酸系共重合体、ビニルアセタール系樹脂、ビニルホルマール樹脂、ポリビニルブチラール樹脂、ビニルアルコール系樹脂、エチルセルロース等のセルロース類、ワックス類等が例示される。   Moreover, there is no restriction | limiting in the kind of binder used when producing the said slurry composition or kneading | mixing composition, A well-known organic or inorganic binder can be used. Organic binders include ethylene copolymers, styrene copolymers, acrylate and methacrylate copolymers, vinyl acetate copolymers, maleic acid copolymers, vinyl acetal resins, vinyl formal resins, polyvinyl Examples include butyral resins, vinyl alcohol resins, celluloses such as ethyl cellulose, and waxes.

次に、作製したスラリーを公知のドクターブレード法により成形してポリエチレンテレフタレートなどのフィルム上にスラリーの層を形成し、このスラリーの層より分散媒体を除去することで乾燥させ、燃料極あるいは空気極グリーンシートが形成された状態とする。分散媒体としては、アルコール系溶媒に限らず、トルエン,キシレン,及びケトン系などの他の有機溶媒を用いてもよい。また、有機溶媒に限らず、上記混合粉末が、水に分散されたスラリーを用いるようにしてもよい。例えば、所定の分散剤を用いることで、上記混合粉末が水に分散された状態とすることができる。   Next, the prepared slurry is formed by a known doctor blade method to form a slurry layer on a film of polyethylene terephthalate or the like, and the dispersion medium is removed from the slurry layer to dry the fuel electrode or air electrode. A green sheet is formed. The dispersion medium is not limited to alcohol solvents, and other organic solvents such as toluene, xylene, and ketones may be used. In addition to the organic solvent, a slurry in which the mixed powder is dispersed in water may be used. For example, by using a predetermined dispersant, the mixed powder can be dispersed in water.

電解質グリーンシートは以下の方法で作製する。上記電解質極粉末に、バインダー及び分散剤および可塑剤を加え、有機溶媒からなる分散媒体に分散されているスラリーを作製する。作製したスラリーは燃料極と同様にドクターブレード法にてポリエチレンテレフタレートなどのフィルム上にスラリー層を形成する。このスラリーの層より分散媒体を除去することで乾燥させ、電解質グリーンシートが形成された状態とする。   The electrolyte green sheet is produced by the following method. A binder, a dispersant, and a plasticizer are added to the electrolyte electrode powder to prepare a slurry that is dispersed in a dispersion medium composed of an organic solvent. The produced slurry forms a slurry layer on a film such as polyethylene terephthalate by the doctor blade method in the same manner as the fuel electrode. The dispersion medium is removed from the slurry layer to dry the electrolyte green sheet.

次に、燃料電池1の製造方法について図2を参照して説明する。図2は、本実施形態に係る燃料電池の製造方法の説明図である。   Next, a method for manufacturing the fuel cell 1 will be described with reference to FIG. FIG. 2 is an explanatory diagram of the fuel cell manufacturing method according to the present embodiment.

まず、図2(a)に示すように、燃料極グリーンシート13(一方のグリーンシート)を準備する(準備ステップ)。   First, as shown in FIG. 2A, a fuel electrode green sheet 13 (one green sheet) is prepared (preparation step).

次に、図2(b)に示すように、燃料極グリーンシート13の上面に電解質グリーンシート12を積層することにより、グリーンシート積層体11を形成する(シート積層ステップ)。シート積層ステップでは、グリーンシート積層体11を熱プレスすることにより、電解質グリーンシート12及び燃料極グリーンシート13を融着させることが好ましい。   Next, as shown in FIG. 2B, the green sheet laminate 11 is formed by laminating the electrolyte green sheet 12 on the upper surface of the fuel electrode green sheet 13 (sheet lamination step). In the sheet stacking step, it is preferable to fuse the electrolyte green sheet 12 and the fuel electrode green sheet 13 by hot pressing the green sheet stack 11.

続いて、グリーンシート積層体11を共焼結することにより、電解質2及び燃料極3を形成する(焼結ステップ)。焼結温度は、1100℃〜1500℃が好ましい。このとき、電解質グリーンシート12と燃料極グリーンシート13との熱収縮率の相違により、グリーンシート積層体11が焼結するに従って電解質2及び燃料極3が湾曲し、両者の境界面が湾曲する。図2(c)に示すように、焼結後の積層体を縦に切断した断面では、電解質2及び燃料極3の境界線5が弧状に湾曲している。焼結ステップでは、グリーンシート積層体11に作用する荷重を調整することにより、形成される電解質2及び燃料極3の湾曲度を調整することができる。電解質2及び燃料極3の湾曲度を大きくする観点から、グリーンシート積層体11に作用する荷重は小さいことが好ましく、グリーンシート積層体11に荷重が作用しない状態で共焼結を行うことがより好ましい。   Subsequently, the electrolyte 2 and the fuel electrode 3 are formed by co-sintering the green sheet laminate 11 (sintering step). The sintering temperature is preferably 1100 ° C to 1500 ° C. At this time, due to the difference in thermal contraction rate between the electrolyte green sheet 12 and the fuel electrode green sheet 13, the electrolyte 2 and the fuel electrode 3 are curved as the green sheet laminate 11 is sintered, and the boundary surface between the two is curved. As shown in FIG. 2C, in the cross section obtained by longitudinally cutting the sintered laminate, the boundary line 5 between the electrolyte 2 and the fuel electrode 3 is curved in an arc shape. In the sintering step, the degree of curvature of the electrolyte 2 and the fuel electrode 3 to be formed can be adjusted by adjusting the load acting on the green sheet laminate 11. From the viewpoint of increasing the degree of curvature of the electrolyte 2 and the fuel electrode 3, it is preferable that the load acting on the green sheet laminate 11 is small, and co-sintering is performed in a state where no load acts on the green sheet laminate 11. preferable.

続いて、図2(d)に示すように、電解質2の上面、及び、燃料極3の下面が平行となるように整形する(整形ステップ)。整形ステップでは、電解質2及び燃料極3の表面を研磨処理することができる。研磨方法としては、例えば、ラッピング法やポリッシング法、メカノケミカルなど公知の方法を用いることができる。また、燃料電池1の寸法に応じて、電解質2及び燃料極3の側面を切断することが好ましい。切断方法としては、セラミックスの切断は主としてダイヤモンド砥石や鋸刃等の刃物による方法や、シャーリング、レーザ、ウォータージェット等などの公知な方法を用いることができる。   Subsequently, as shown in FIG. 2D, the electrolyte 2 is shaped so that the upper surface of the electrolyte 2 and the lower surface of the fuel electrode 3 are parallel (shaping step). In the shaping step, the surfaces of the electrolyte 2 and the fuel electrode 3 can be polished. As a polishing method, for example, a known method such as a lapping method, a polishing method, or a mechanochemical can be used. Further, it is preferable to cut the side surfaces of the electrolyte 2 and the fuel electrode 3 in accordance with the dimensions of the fuel cell 1. As a cutting method, ceramics can be cut mainly by a method using a cutting tool such as a diamond grindstone or a saw blade, or by a known method such as shearing, laser, or water jet.

これに続いて、図2(e)に示すように、電解質2の上面(他方面)に空気極4(他方の電極)を積層する(電極積層ステップ)。空気極4は、例えば、スクリーン印刷法により形成することができる。こうして、燃料電池1が完成する。但し、これ以外の方法であっても特には限定されず、電気泳動(EPD)法、スプレーコート法、インクジェット法、スピンコ−ト法、ディップコート法等がなどのウエットコーティング法によって形成できる。また、ドライコーティング法によって形成することもできる。ドライコーティング法としては、例えば蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、化学気相成長(CVD)法、電気化学気相成長法、イオンビーム法、レーザーアブレーション法、大気圧プラズマ成膜法、減圧プラズマ成膜法等で形成することもできる。   Subsequently, as shown in FIG. 2E, the air electrode 4 (the other electrode) is laminated on the upper surface (the other surface) of the electrolyte 2 (electrode lamination step). The air electrode 4 can be formed by, for example, a screen printing method. Thus, the fuel cell 1 is completed. However, other methods are not particularly limited, and can be formed by a wet coating method such as an electrophoretic (EPD) method, a spray coating method, an ink jet method, a spin coating method, or a dip coating method. It can also be formed by a dry coating method. Examples of dry coating methods include vapor deposition, sputtering, ion plating, chemical vapor deposition (CVD), electrochemical vapor deposition, ion beam, laser ablation, atmospheric pressure plasma deposition, and reduced pressure. It can also be formed by a plasma film formation method or the like.

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。まず、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を多孔質の燃料極3に供給する。一方、空気極4には、空気などの酸化剤ガスを供給する。こうして、燃料ガス及び酸化剤ガスは、それぞれ個別に、燃料極3及び空気極4全体に行き渡る。このとき供給される燃料ガスと空気等の酸化剤ガスとは、例えば、400〜1000℃の高温で供給する。こうして、燃料極3及び空気極4がそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスと接触するため、燃料極3と空気極4との間で、電解質2を介した酸素イオン伝導が起こり、発電が行われる。なお、燃料ガスと酸化剤ガスの混合ガス中で発電する単室型固体酸化物形燃料電池としても使用することができる。このようにしても、各電極2,3が選択的に燃料ガス、或いは酸化剤ガスと反応するので、発電を行うことができる。   The fuel cell configured as described above generates power as follows. First, a fuel gas composed of hydrogen or a hydrocarbon such as methane or ethane is supplied to the porous fuel electrode 3. On the other hand, an oxidant gas such as air is supplied to the air electrode 4. In this way, the fuel gas and the oxidant gas are distributed individually over the fuel electrode 3 and the air electrode 4 individually. The fuel gas and the oxidant gas such as air supplied at this time are supplied at a high temperature of 400 to 1000 ° C., for example. Thus, since the fuel electrode 3 and the air electrode 4 are in contact with the fuel gas and the oxidant gas, respectively, oxygen ion conduction through the electrolyte 2 occurs between the fuel electrode 3 and the air electrode 4, and power generation is performed. It can also be used as a single-chamber solid oxide fuel cell that generates power in a mixed gas of fuel gas and oxidant gas. Even in this case, the electrodes 2 and 3 selectively react with the fuel gas or the oxidant gas, so that power generation can be performed.

以上に述べた本実施形態によれば、電解質2と燃料極3との境界面が湾曲しているので、燃料電池の面積に対して両者の接触面積を大きくすることができる。これにより、単位面積あたりの反応領域を拡大することができ、出力を高くすることができる。   According to the present embodiment described above, since the boundary surface between the electrolyte 2 and the fuel electrode 3 is curved, the contact area between the two can be increased with respect to the area of the fuel cell. Thereby, the reaction area | region per unit area can be expanded and an output can be made high.

(第2の実施形態)
次に、本発明の第2の実施形態について添付図面を参照して説明する。図3は、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池の断面図である。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。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. FIG. 3 is a cross-sectional view of a fuel cell according to the second embodiment of the present invention. 3, the same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.

図3に示すように、電解質2と空気極4との積層方向に燃料電池1を切断した断面において、電解質2と空気極4との間には境界線7が形成されている。境界線7は、湾曲しており、その長さL3は、境界線7の両端部7a、7bを結んだ仮想的な直線8(図3における点線)の長さL4より長くなっている。燃料電池1全体では、電解質2の上面、及び、空気極4の下面、すなわち、電解質2と空気極4との界面が湾曲している。境界線7及び直線8の長さは、燃料電池1の断面を撮影した画像データに基づいて求めることができる。また、空気極4の上面及び燃料極3の下面は、互いに平行となるように平坦に研磨されている。   As shown in FIG. 3, a boundary line 7 is formed between the electrolyte 2 and the air electrode 4 in a cross section in which the fuel cell 1 is cut in the stacking direction of the electrolyte 2 and the air electrode 4. The boundary line 7 is curved, and its length L3 is longer than the length L4 of a virtual straight line 8 (dotted line in FIG. 3) connecting both ends 7a and 7b of the boundary line 7. In the entire fuel cell 1, the upper surface of the electrolyte 2 and the lower surface of the air electrode 4, that is, the interface between the electrolyte 2 and the air electrode 4 are curved. The lengths of the boundary line 7 and the straight line 8 can be obtained based on image data obtained by photographing a cross section of the fuel cell 1. The upper surface of the air electrode 4 and the lower surface of the fuel electrode 3 are polished flat so as to be parallel to each other.

次に、他の実施形態に係る燃料電池の製造方法について説明する。図4は、他の実施形態に係る燃料電池の製造方法の説明図である。図4において、図2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。   Next, a method for manufacturing a fuel cell according to another embodiment will be described. FIG. 4 is an explanatory diagram of a fuel cell manufacturing method according to another embodiment. 4, the same components as those in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.

図4(d)に示すように、上記実施形態における焼結ステップにより、電解質2及び燃料極3を形成した後、電解質2の上面を平坦に研磨せずに、湾曲した状態のままにしておく。燃料極3の下面は、平坦に研磨処理されることが好ましい。また、燃料電池1の寸法に応じて、電解質2及び燃料極3の側面を切断することが好ましい。   As shown in FIG. 4D, after the electrolyte 2 and the fuel electrode 3 are formed by the sintering step in the above embodiment, the upper surface of the electrolyte 2 is not polished flat and is left in a curved state. . The lower surface of the fuel electrode 3 is preferably polished flat. Further, it is preferable to cut the side surfaces of the electrolyte 2 and the fuel electrode 3 in accordance with the dimensions of the fuel cell 1.

続いて、図4(e)に示すように、電解質2の上面に空気極4を積層する(電極積層ステップ)。   Subsequently, as shown in FIG. 4E, the air electrode 4 is laminated on the upper surface of the electrolyte 2 (electrode lamination step).

続いて、空気極4の上面と燃料極3の下面とが平行になるように整形する(整形ステップ)。整形ステップでは、空気極4の上面を研磨することが好ましい。こうして、燃料電池1が完成する。   Subsequently, shaping is performed so that the upper surface of the air electrode 4 and the lower surface of the fuel electrode 3 are parallel to each other (shaping step). In the shaping step, it is preferable to polish the upper surface of the air electrode 4. Thus, the fuel cell 1 is completed.

以上のように、他の実施形態に係る燃料電池及びその製造方法によれば、電解質2と燃料極3(一方の電極)との接触面積だけでなく、電解質2と空気極4(他方の電極)との接触面積も大きくすることができ、反応領域が拡がるので、単位面積あたりの出力をさらに高めることができる。   As described above, according to the fuel cell and the manufacturing method thereof according to another embodiment, not only the contact area between the electrolyte 2 and the fuel electrode 3 (one electrode) but also the electrolyte 2 and the air electrode 4 (the other electrode). ) Can be increased, and the reaction area is expanded, so that the output per unit area can be further increased.

以上、本発明の第1及び第2の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。   Although the first and second embodiments of the present invention have been described above, specific aspects of the present invention are not limited to the above-described embodiments.

例えば、上記実施形態では、電解質2の下面(一方面)に燃料極3、上面(他方面)に空気極4が配置されていたが、これに限定されず、電解質2の両面の電極は適宜変更可能である。また、電解質グリーンシート12の下面(一方面)に配置するグリーンシートも、燃料極グリーンシート13又は空気極グリーンシートのいずれであってもよい。   For example, in the above-described embodiment, the fuel electrode 3 is disposed on the lower surface (one surface) of the electrolyte 2 and the air electrode 4 is disposed on the upper surface (other surface). It can be changed. Further, the green sheet disposed on the lower surface (one surface) of the electrolyte green sheet 12 may be either the fuel electrode green sheet 13 or the air electrode green sheet.

また、上記実施形態では、電解質2と燃料極3のグリーンシートが焼結段階で下方に湾曲した形態を示したが、上方に湾曲してもよい。この場合、燃料極3の両端部における層厚が、燃料極3の中央部における層厚より厚いことを確認することにより、間接的にL1とL2との長短を判断することができる。   Moreover, in the said embodiment, although the green sheet of the electrolyte 2 and the fuel electrode 3 showed the form curved downward at the sintering stage, you may curve upward. In this case, by confirming that the layer thickness at both ends of the fuel electrode 3 is thicker than the layer thickness at the center of the fuel electrode 3, the length of L1 and L2 can be determined indirectly.

本発明の一実施形態に係る固体酸化物形燃料電池の断面図である。1 is a cross-sectional view of a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態に係る固体酸化物形燃料電池の製造方法の説明図である。It is explanatory drawing of the manufacturing method of the solid oxide fuel cell which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の他の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池の断面図である。It is sectional drawing of the solid oxide fuel cell which concerns on other embodiment of this invention. 本発明の他の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池の製造方法の説明図である。It is explanatory drawing of the manufacturing method of the solid oxide fuel cell which concerns on other embodiment of this invention. 従来の固体酸化物形燃料電池の断面図である。It is sectional drawing of the conventional solid oxide fuel cell.

符号の説明Explanation of symbols

1 固体酸化物形燃料電池
2 電解質
3 燃料極
4 空気極
11 グリーンシート積層体
12 電解質グリーンシート
13 燃料極グリーンシート
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Solid oxide fuel cell 2 Electrolyte 3 Fuel electrode 4 Air electrode 11 Green sheet laminated body 12 Electrolyte green sheet 13 Fuel electrode green sheet

Claims (1)

電解質と、
前記電解質の一方面に配置された燃料極又は空気極からなる一方の電極と、
前記電解質の他方面に配置され、前記一方の電極とは異なる電極からなる他方の電極と、を備え、
前記電解質及び前記一方の電極は、積層方向に切断した断面において、両者の間の境界線が湾曲し、前記境界線の長さが当該境界線の端部間の直線長さより長くなるように積層され
前記電解質及び前記他方の電極は、積層方向に切断した断面において、両者の間の境界線が湾曲し、前記境界線の長さが当該境界線の端部間の直線長さより長くなるように積層され、
前記一方の電極の表面及び前記他方の電極の表面は、互いに平行な平坦面である固体酸化物形燃料電池。
Electrolyte,
One electrode composed of a fuel electrode or an air electrode disposed on one surface of the electrolyte;
The other electrode made of an electrode different from the one electrode, disposed on the other surface of the electrolyte,
The electrolyte and the one electrode are laminated such that a boundary line between the electrolyte and the one electrode is curved in a laminating direction, and the length of the boundary line is longer than a straight line length between end portions of the boundary line. It is,
The electrolyte and the other electrode are laminated so that a boundary line between them is curved in a cross section cut in the lamination direction, and the length of the boundary line is longer than the straight line length between the ends of the boundary line. And
Surface and the surface of the other electrode of the one electrode is a solid oxide fuel cell Ru parallel flat surfaces der each other.
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