JP7383137B2 - 燃料電池セルおよびその製造方法 - Google Patents
燃料電池セルおよびその製造方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JP7383137B2 JP7383137B2 JP2022522416A JP2022522416A JP7383137B2 JP 7383137 B2 JP7383137 B2 JP 7383137B2 JP 2022522416 A JP2022522416 A JP 2022522416A JP 2022522416 A JP2022522416 A JP 2022522416A JP 7383137 B2 JP7383137 B2 JP 7383137B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- layer
- holes
- fuel cell
- substrate
- electrode layer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims description 139
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 43
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 158
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 105
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 72
- 239000007784 solid electrolyte Substances 0.000 claims description 58
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 claims description 20
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 claims description 20
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 12
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 12
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 claims description 7
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 5
- 238000000137 annealing Methods 0.000 claims description 4
- 230000009467 reduction Effects 0.000 claims description 4
- 230000007423 decrease Effects 0.000 claims description 2
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims description 2
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 claims description 2
- 239000011800 void material Substances 0.000 claims 1
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 112
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 84
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 84
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 84
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 48
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 48
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 42
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 42
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 41
- 239000002737 fuel gas Substances 0.000 description 39
- 239000010408 film Substances 0.000 description 38
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 36
- 229910000480 nickel oxide Inorganic materials 0.000 description 22
- GNRSAWUEBMWBQH-UHFFFAOYSA-N oxonickel Chemical compound [Ni]=O GNRSAWUEBMWBQH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 22
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 20
- 230000008569 process Effects 0.000 description 17
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 description 16
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 15
- 238000000231 atomic layer deposition Methods 0.000 description 12
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 12
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 10
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 9
- 210000000170 cell membrane Anatomy 0.000 description 8
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 8
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 7
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 description 6
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N Zirconium dioxide Chemical compound O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 5
- 239000011195 cermet Substances 0.000 description 5
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 5
- RUDFQVOCFDJEEF-UHFFFAOYSA-N yttrium(III) oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Y+3].[Y+3] RUDFQVOCFDJEEF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 238000001312 dry etching Methods 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 238000001459 lithography Methods 0.000 description 4
- 238000000429 assembly Methods 0.000 description 3
- 230000000712 assembly Effects 0.000 description 3
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 3
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000000427 thin-film deposition Methods 0.000 description 3
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 2
- 230000012447 hatching Effects 0.000 description 2
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 2
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 2
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 238000005192 partition Methods 0.000 description 2
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 2
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 229910001233 yttria-stabilized zirconia Inorganic materials 0.000 description 2
- KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M Potassium hydroxide Chemical compound [OH-].[K+] KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 239000007790 solid phase Substances 0.000 description 1
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
- H01M8/1213—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the electrode/electrolyte combination or the supporting material
- H01M8/1226—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the electrode/electrolyte combination or the supporting material characterised by the supporting layer
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
- H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
- H01M8/023—Porous and characterised by the material
- H01M8/0232—Metals or alloys
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/1097—Fuel cells applied on a support, e.g. miniature fuel cells deposited on silica supports
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
- H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
- H01M8/023—Porous and characterised by the material
- H01M8/0241—Composites
- H01M8/0245—Composites in the form of layered or coated products
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/1004—Fuel cells with solid electrolytes characterised by membrane-electrode assemblies [MEA]
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
- H01M8/1213—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the electrode/electrolyte combination or the supporting material
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
- H01M8/124—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the process of manufacturing or by the material of the electrolyte
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
- H01M8/124—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the process of manufacturing or by the material of the electrolyte
- H01M8/1246—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the process of manufacturing or by the material of the electrolyte the electrolyte consisting of oxides
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
- H01M8/124—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the process of manufacturing or by the material of the electrolyte
- H01M8/1246—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the process of manufacturing or by the material of the electrolyte the electrolyte consisting of oxides
- H01M8/1253—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the process of manufacturing or by the material of the electrolyte the electrolyte consisting of oxides the electrolyte containing zirconium oxide
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
- H01M8/1286—Fuel cells applied on a support, e.g. miniature fuel cells deposited on silica supports
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
- H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
- H01M8/2425—High-temperature cells with solid electrolytes
- H01M8/2428—Grouping by arranging unit cells on a surface of any form, e.g. planar or tubular
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
- H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
- H01M8/2425—High-temperature cells with solid electrolytes
- H01M8/2432—Grouping of unit cells of planar configuration
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
- H01M2008/1293—Fuel cells with solid oxide electrolytes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
- Inert Electrodes (AREA)
Description
第1の基板と、
前記第1の基板の片面上あるいは両面上に形成された第1のサポート材料層と、
前記第1のサポート材料層において、前記第1の基板の主面に垂直な方向に延伸するように形成された複数の孔または柱と、
前記複数の孔または柱において、前記主面に平行でない面に、成膜プロセスによって形成された積層体であって、上部電極層と、固体電解質層と、下部電極層とを備える積層体と、
を備え、
前記上部電極層が、前記複数の孔または柱に形成された前記上部電極層と連続するように、前記主面と平行な面にも形成されるか、または、前記下部電極層が、前記複数の孔または柱に形成された前記下部電極層と連続するように、前記主面と平行な面にも形成され、
前記複数の孔または柱の少なくとも上端部および下端部において、前記第1のサポート材料層によって前記積層体が支持されている
ことを特徴とする。
基板の表面に金属酸化物層を形成する工程と、
前記金属酸化物層に凹凸構造を形成する工程と、
前記凹凸構造の表面に、下部電極層と、固体電解質層と、上部電極層とを、この順に形成する工程と、
前記基板のうち前記金属酸化物層と接触する部分の一部を除去する工程と、
前記金属酸化物層を還元アニールによって多孔質化する工程と、
を備えることを特徴とする。
第1の基板の両面に第1のサポート材料層を形成する工程と、
前記第1の基板と前記第1のサポート材料層とを貫通する、複数の第1の貫通孔を形成する工程と、
前記複数の第1の貫通孔の内周面と、前記第1のサポート材料層の少なくとも片側の表面とにおいて、積層体を形成する工程であって、前記積層体は、下部電極層と、固体電解質層と、上部電極層とを備える、積層体を形成する工程と、
前記第1の基板のうち、前記複数の第1の貫通孔に形成された前記積層体に接触している部分を除去することにより、空孔を形成する工程と、
を備えることを特徴とする。
図1に、従来の燃料電池セルの構成例を示す。この燃料電池セルは、薄膜プロセス型のものである。図1を用いて、基板への投影面積当りの出力電力向上および動作温度の低温化に係る従来技術について説明する。
図2は、本発明の実施形態1に係る燃料電池モジュールの構成例を示す概略図である。この燃料電池モジュールは、燃料電池セル(Fuel Cell)として薄膜プロセス型SOFC(Solid Oxide Fuel Cell)を備えるものである。モジュール内のガス流路は、燃料ガス(例えば水素を含むガス)の流路と、酸化剤ガス(例えば酸素を含むガスであり、具体例として空気)の流路とに分離されている。燃料ガスの流路は、燃料入口(Fuel intake)、燃料チャンバ(Fuel chamber)、燃料排気口(Fuel exhaust)を含む。酸化剤ガスの流路は、空気入口(Air intake)、空気チャンバ(Air chamber)、空気排気口(Air exhaust)を含む。燃料ガスと酸化剤ガスはモジュール内で混ざらないように図2の遮蔽板(Partition)で遮蔽されている。燃料電池セル(Fuel Cell)のアノード電極とカソード電極からは、コネクタ(Connector)によって配線が引き出されており、配線は外部負荷(External load)に接続される。
図7~図16は、実施形態1に係る燃料電池セル1を製造する方法の一例を説明する図である。まずシリコン基板2上に絶縁膜3を形成する(図7)。次に、絶縁膜3のXY方向外縁部を残して、絶縁膜3を除去する(図8)。これによって露出したシリコン基板2の表面と、絶縁膜3の側壁と、絶縁膜3の上側表面に、平坦な酸化ニッケル層4(金属酸化物層)を成膜する(図9)。このようにして、シリコン基板2の表面に酸化ニッケル層4が形成される。次に酸化ニッケル層4の一部を除去し、絶縁膜3の上側表面を露出させる(図10)。
図17に、実施形態1の第1の変形例の構成例を示す。実施形態1では、下部電極層20に接続される配線を、シリコン基板2の上側表面に形成したが、第1の変形例ではこの配線をシリコン基板2の上側表面には設けない。
図18に、実施形態1の第2の変形例の構成例を示す。多孔質のサポート材料層5において、複数の孔60が形成されている面とは反対側の面(図18の断面図では下側表面)が、網目状のサポート材料層6a(第2のサポート材料層)によって支持される。サポート材料層6aは、例えばシリコン窒化膜、緻密な金属ニッケル、シリコン酸化膜、などで形成することができる。
図19および図20を用いて、実施形態1の第3の変形例を説明する。図19は製造過程の一時点を示し、図20は完成後の構成を示す。
図21に、実施形態1の第4の変形例の構成例を示す。実施形態1および第1~第3の変形例では、多孔質のサポート材料層5の下面は平坦な形状であるが、第4の変形例では複数の孔60の側壁に沿って凹凸が形成されている。
図22は、実施形態1の効果を説明するグラフである。従来技術に係る燃料電池セルと、実施形態1に係る燃料電池セル1とにおける、孔または柱のアスペクト比と、基板への投影面積当りのセル面積との関係を示す。孔のアスペクト比とは、孔の深さを径で除算した値であり、柱のアスペクト比とは、柱の高さを径で除算した値である。
実施形態1では、図5、17、18、20、21に示したように有底の孔60または柱40が形成され、奥行き方向の先端部(孔60の底部または柱40の頂部)にも膜電極接合体が形成されていた。実施形態2は、有底の孔でなく貫通孔を設けるものである。
図24~図36は、実施形態2に係る燃料電池セル1を製造する方法の一例を説明する図である。まずシリコン基板2上の上側表面および下側表面に、サポート材料層6を形成する(図24)。サポート材料層6は、たとえばシリコン窒化膜層である。次にシリコン基板2の上側表面のサポート材料層6に溝部8を形成する(図25)。次に電極材料層7を溝部8が完全に埋め込まれるように形成する(図26)。電極材料層7には、例えば、タングステン、不純物をドーピングしたシリコン、などを用いることができる。
図37に、実施形態2の第1の変形例の構成例を示す。実施形態2では、下部電極層20は、固体電解質層100および上部電極層10と同様に、シリコン基板2の下側表面側にも形成した。第1の変形例では、シリコン基板2の下側表面側の下部電極層20を形成しない。下部電極層20が形成されていない領域では、シリコン基板2の下側表面において上部電極層10と配線とを接続する際に、固体電解質層100の破損しても、上部電極層10と下部電極層20とがショートするのを防止することができる。
図38に、実施形態2の第2の変形例の構成例を示す。実施形態2および第1の変形例では、シリコン基板2の厚さは複数の貫通孔61が形成されている領域とそれ以外とで同じであった。第2の変形例では、複数の貫通孔61が形成されている領域においてシリコン基板2の下側表面が一部除去され、薄くなっている。すなわち、シリコン基板2の主面が平坦ではなく、一部に凹部を有する形状となっている。このように、シリコン基板2は、厚い領域と、この厚い領域より小さい厚さを有する薄い領域とを備えており、複数の貫通孔61は、薄い領域に設けられる。
図39に、実施形態2の第3の変形例の構成例を示す。実施形態2、第1の変形例および第2の変形例では、膜電極接合体は、シリコン基板2において複数の貫通孔61の両端部でだけサポート材料層6で支持されている。第3の変形例では、貫通孔61の両端部に加え、貫通孔61の側壁部でも膜電極接合体を支持する。
図40に、実施形態2の第4の変形例の構成例を示す。実施形態2および第1~第3の変形例では、貫通孔61は延伸方向すなわちZ方向に沿って同じ断面積で形成されていた。第4の変形例では、貫通孔61の断面積が変化する。
図41は、実施形態2に係る燃料電池モジュールの構成例を示す概略図である。この例では、燃料電池モジュールとして薄膜プロセス型SOFC(Solid OxideFuel Cell)を用いている。
なお、実施形態1の孔60は貫通孔ではないので、孔60の底部までガスを到達させるためにガスの拡散が必要になる。このため、孔60の寸法(たとえば深さ)が比較的小さい場合に好適である。一方、実施形態2では貫通孔61を備えているが、ガスが貫通孔61を通過する必要があるので、ガスの流体抵抗を考慮すると貫通孔61の寸法(たとえば径)が比較的大きい場合に好適である。
本発明は、前述した実施形態および変形例に限定されるものではなく、他の様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態および変形例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
2…シリコン基板(第1の基板)
3…絶縁膜
4…酸化ニッケル層(第1のサポート材料層、金属酸化物層)
5…多孔質のサポート材料層(第1のサポート材料層、金属層)
6…サポート材料層(第1のサポート材料層)
6a…網目状のサポート材料層(第2のサポート材料層)
7,107…電極材料層
8…溝部
10…上部電極層(積層体)
20…下部電極層(積層体)
40…柱(凹凸構造)
50…開口部
51…空孔開口部
52…空孔
60…孔(凹凸構造)
61…貫通孔(第1の貫通孔、凹凸構造)
70…下部電極層の外縁
100…固体電解質層(積層体)
102…支持基板(第2の基板)
103…シリコン窒化膜
161,162,163…貫通孔(第2の貫通孔)
251…流路
Claims (15)
- 第1の基板と、
前記第1の基板の片面上あるいは両面上に形成された第1のサポート材料層と、
前記第1のサポート材料層において、前記第1の基板の主面に垂直な方向に延伸するように形成された複数の孔または柱と、
前記複数の孔または柱において、前記主面に平行でない面に、上部電極層と、固体電解質層と、下部電極層とが形成された積層体と、
を備え、
前記上部電極層が、前記複数の孔または柱に形成された前記上部電極層と連続するように、前記第1のサポート材料層上の前記主面と平行な面にも形成され、および、前記下部電極層が、前記複数の孔または柱に形成された前記下部電極層と連続するように、前記第1のサポート材料層上の前記主面と平行な面にも形成され、
前記複数の孔の上端部の間および前記複数の孔の下端部の間において、または、前記複数の柱の上端部と、下端部の間とにおいて、前記第1のサポート材料層によって前記積層体が支持されている
ことを特徴とする燃料電池セル。 - 前記複数の孔または柱は、前記第1のサポート材料層に形成された複数の有底孔を含み、
前記第1のサポート材料層は、多孔質のサポート材料層であり、
前記積層体は、前記複数の有底孔の側壁および底部に形成されている
ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池セル。 - 前記第1のサポート材料層は金属層を備え、
前記下部電極層は、前記金属層および前記第1の基板を介して、前記第1の基板の片側表面と電気的に接続されている
ことを特徴とする請求項2に記載の燃料電池セル。 - 前記第1のサポート材料層において、前記複数の有底孔が形成されている面とは反対側の面が、第2のサポート材料層で支持されていることを特徴とする請求項2に記載の燃料電池セル。
- 前記複数の孔または柱は、前記第1のサポート材料層に形成された複数の柱を含むことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池セル。
- 前記第1のサポート材料層のうち、前記複数の有底孔が形成されている部分の厚さが一定であることを特徴とする請求項2に記載の燃料電池セル。
- 前記複数の孔または柱は、前記第1のサポート材料層と前記第1の基板とを貫通する複数の第1の貫通孔を含み、
前記複数の第1の貫通孔の側壁は前記積層体を備え、
前記複数の第1の貫通孔の側壁の外周側に空孔が形成される、
ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池セル。 - 前記燃料電池セルは、前記第1の基板を支持する第2の基板をさらに備え、
前記第2の基板には複数の第2の貫通孔が形成され、
前記第1の基板と前記第2の基板とは貼り合わされ、
前記第2の貫通孔のうち、一部は前記第1の貫通孔のいずれかと接続され、他の一部は前記空孔と接続されている、
ことを特徴とする請求項7に記載の燃料電池セル。 - 前記第1の基板は、厚い領域と、前記厚い領域より小さい厚さを有する薄い領域とを備え、
前記複数の第1の貫通孔は前記薄い領域に設けられる、
ことを特徴とする請求項7に記載の燃料電池セル。 - 前記複数の第1の貫通孔の側壁は、その外周側に、前記積層体を支持する多孔質のサポート材料層を備えることを特徴とする請求項7に記載の燃料電池セル。
- 前記複数の第1の貫通孔において、前記主面と平行な断面における開口面積が、当該第1の貫通孔の一方の端部から他方の端部に向かって減少することを特徴とする請求項7に記載の燃料電池セル。
- 基板の表面に金属酸化物層を形成する工程と、
前記金属酸化物層の表面方向から前記基板の方向に向かって前記金属酸化物層を貫通せずに延伸する凹凸であって、該凹凸の延伸方向の距離が該凹凸がない前記金属酸化物部分の厚みよりも大となる凹凸構造を前記金属酸化物層に形成する工程と、
前記凹凸構造の表面に、下部電極層と、固体電解質層と、上部電極層とを、この順に形成する工程と、
前記基板のうち前記金属酸化物層と接触する部分の一部を除去する工程と、
前記金属酸化物層を還元アニールによって多孔質化する工程と、
を備えることを特徴とする燃料電池セルの製造方法。 - 前記凹凸構造は、前記金属酸化物層の表面に形成される複数の有底孔または柱を含むことを特徴とする請求項12に記載の燃料電池セルの製造方法。
- 第1の基板の両面に第1のサポート材料層を形成する工程と、
前記第1の基板と前記第1のサポート材料層とを貫通する、複数の第1の貫通孔を形成する工程と、
前記複数の第1の貫通孔の内周面と、前記第1のサポート材料層の少なくとも片側の表面とにおいて、積層体を形成する工程であって、前記積層体は、下部電極層と、固体電解質層と、上部電極層とを備える、積層体を形成する工程と、
前記第1の基板のうち、前記複数の第1の貫通孔に形成された前記積層体に接触している部分を除去することにより、空孔を形成する工程と、
を備えることを特徴とする燃料電池セルの製造方法。 - 第2の基板に複数の第2の貫通孔を形成する工程と、
前記第1の基板と前記第2の基板を貼り合わせ、前記複数の第1の貫通孔の少なくとも一部と、前記複数の第2の貫通孔の少なくとも一部とを接続する工程と、
をさらに備え、
前記空孔を形成する前記工程は、前記第1の基板のうち、前記第2の貫通孔を介して露出する部分を除去する工程を含む、
ことを特徴とする請求項14に記載の燃料電池セルの製造方法。
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
PCT/JP2020/019145 WO2021229729A1 (ja) | 2020-05-13 | 2020-05-13 | 燃料電池セルおよびその製造方法 |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPWO2021229729A1 JPWO2021229729A1 (ja) | 2021-11-18 |
JPWO2021229729A5 JPWO2021229729A5 (ja) | 2023-02-17 |
JP7383137B2 true JP7383137B2 (ja) | 2023-11-17 |
Family
ID=78525483
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2022522416A Active JP7383137B2 (ja) | 2020-05-13 | 2020-05-13 | 燃料電池セルおよびその製造方法 |
Country Status (6)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US20230127271A1 (ja) |
JP (1) | JP7383137B2 (ja) |
KR (1) | KR20220158019A (ja) |
CN (1) | CN115516676A (ja) |
TW (1) | TWI769778B (ja) |
WO (1) | WO2021229729A1 (ja) |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2002329511A (ja) | 2001-05-01 | 2002-11-15 | Nissan Motor Co Ltd | 固体電解質型燃料電池用スタック及び固体電解質型燃料電池 |
JP2004273213A (ja) | 2003-03-06 | 2004-09-30 | Nissan Motor Co Ltd | 燃料電池用単セル、その製造方法及び固体酸化物形燃料電池 |
JP2005509242A (ja) | 2001-03-30 | 2005-04-07 | モデュセル・インコーポレーテッド | 平面基板ベース燃料電池のメンブレン電極組み立て体および集積回路 |
US20100310961A1 (en) | 2009-06-06 | 2010-12-09 | Dr. Robert Daniel Clark | Integratable and Scalable Solid Oxide Fuel Cell Structure and Method of Forming |
JP2018139186A (ja) | 2017-02-24 | 2018-09-06 | 株式会社豊田中央研究所 | 燃料電池 |
JP2018163811A (ja) | 2017-03-27 | 2018-10-18 | 株式会社豊田中央研究所 | 燃料電池 |
JP2018181448A (ja) | 2017-04-04 | 2018-11-15 | 株式会社豊田中央研究所 | 燃料電池 |
Family Cites Families (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6824907B2 (en) | 2002-01-16 | 2004-11-30 | Alberta Reasearch Council, Inc. | Tubular solid oxide fuel cell stack |
JP2005174846A (ja) | 2003-12-15 | 2005-06-30 | Nissan Motor Co Ltd | 燃料電池ブロック及びその製造方法 |
US20070184322A1 (en) * | 2004-06-30 | 2007-08-09 | Hong Huang | Membrane electrode assembly in solid oxide fuel cells |
US10431841B2 (en) * | 2014-11-18 | 2019-10-01 | Lg Chem, Ltd. | Method for manufacturing solid oxide fuel cell |
CN109755615B (zh) * | 2019-01-24 | 2021-05-28 | 深圳市致远动力科技有限公司 | 具有三维微纳结构的全固态薄膜燃料电池的制备方法 |
-
2020
- 2020-05-13 CN CN202080099981.3A patent/CN115516676A/zh active Pending
- 2020-05-13 US US17/921,019 patent/US20230127271A1/en active Pending
- 2020-05-13 KR KR1020227036535A patent/KR20220158019A/ko unknown
- 2020-05-13 JP JP2022522416A patent/JP7383137B2/ja active Active
- 2020-05-13 WO PCT/JP2020/019145 patent/WO2021229729A1/ja active Application Filing
-
2021
- 2021-04-09 TW TW110112855A patent/TWI769778B/zh active
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2005509242A (ja) | 2001-03-30 | 2005-04-07 | モデュセル・インコーポレーテッド | 平面基板ベース燃料電池のメンブレン電極組み立て体および集積回路 |
JP2002329511A (ja) | 2001-05-01 | 2002-11-15 | Nissan Motor Co Ltd | 固体電解質型燃料電池用スタック及び固体電解質型燃料電池 |
JP2004273213A (ja) | 2003-03-06 | 2004-09-30 | Nissan Motor Co Ltd | 燃料電池用単セル、その製造方法及び固体酸化物形燃料電池 |
US20100310961A1 (en) | 2009-06-06 | 2010-12-09 | Dr. Robert Daniel Clark | Integratable and Scalable Solid Oxide Fuel Cell Structure and Method of Forming |
JP2018139186A (ja) | 2017-02-24 | 2018-09-06 | 株式会社豊田中央研究所 | 燃料電池 |
JP2018163811A (ja) | 2017-03-27 | 2018-10-18 | 株式会社豊田中央研究所 | 燃料電池 |
JP2018181448A (ja) | 2017-04-04 | 2018-11-15 | 株式会社豊田中央研究所 | 燃料電池 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
US20230127271A1 (en) | 2023-04-27 |
TWI769778B (zh) | 2022-07-01 |
TW202143539A (zh) | 2021-11-16 |
JPWO2021229729A1 (ja) | 2021-11-18 |
WO2021229729A1 (ja) | 2021-11-18 |
CN115516676A (zh) | 2022-12-23 |
KR20220158019A (ko) | 2022-11-29 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US6969565B2 (en) | Solid oxide fuel cell stack and method of manufacturing the same | |
KR101227344B1 (ko) | 집적된 마이크로 연료 셀 장치 | |
TW200406949A (en) | Fuel cell and method for forming | |
WO2007027274A1 (en) | Integrated micro fuel cell apparatus | |
US20180187319A1 (en) | Electrochemical hydrogen pump | |
JP2018062707A (ja) | ガス拡散層および電気化学式水素ポンプ | |
JP7383137B2 (ja) | 燃料電池セルおよびその製造方法 | |
KR20190111088A (ko) | 전기 화학 반응 단위 및 전기 화학 반응 셀 스택 | |
WO2006090464A1 (ja) | 固体高分子型燃料電池及び製造方法 | |
US20210320317A1 (en) | Fuel cell system for portable applications | |
TWI742877B (zh) | 燃料電池胞、燃料電池系統、燃料電池胞製造方法 | |
JP2014130804A (ja) | 燃料電池の構造体 | |
CN114600286B (zh) | 燃料电池单元、燃料电池单元制造方法 | |
CN111370724B (zh) | 电极分隔板结构及其应用的燃料电池 | |
TWI811984B (zh) | 燃料電池胞及其製造方法 | |
TWI744041B (zh) | 燃料電池胞、燃料電池胞製造方法 | |
US20230327164A1 (en) | Fuel cell and fuel cell stack | |
JP7181949B2 (ja) | 燃料電池セル及び燃料電池モジュール | |
US20230327141A1 (en) | Electrochemical device and manufacturing method thereof | |
JP2018081770A (ja) | インターコネクタ−電気化学反応単セル複合体および電気化学反応セルスタック | |
KR101544405B1 (ko) | 연료전지 | |
WO2023232238A1 (en) | Mica multilayer plate | |
JP2018174041A (ja) | 電気化学反応単位および電気化学反応セルスタック | |
JP2001035504A (ja) | 固体高分子型燃料電池と同燃料電池用セパレータの製造方法 | |
JP2018041570A (ja) | 電気化学反応単位および電気化学反応セルスタック |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20221017 |
|
A529 | Written submission of copy of amendment under article 34 pct |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A5211 Effective date: 20221017 |
|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20221017 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20230613 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20230731 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20231031 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20231107 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 7383137 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |