WO2021229729A1 - 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 PDF

Info

Publication number
WO2021229729A1
WO2021229729A1 PCT/JP2020/019145 JP2020019145W WO2021229729A1 WO 2021229729 A1 WO2021229729 A1 WO 2021229729A1 JP 2020019145 W JP2020019145 W JP 2020019145W WO 2021229729 A1 WO2021229729 A1 WO 2021229729A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
holes
layer
fuel cell
electrode layer
substrate
Prior art date
Application number
PCT/JP2020/019145
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
佳孝 笹子
憲之 佐久間
夏樹 横山
篤 宇根本
貴志 堤
有俊 杉本
徹 荒巻
信行 三瀬
Original Assignee
株式会社日立ハイテク
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 株式会社日立ハイテク filed Critical 株式会社日立ハイテク
Priority to CN202080099981.3A priority Critical patent/CN115516676A/zh
Priority to US17/921,019 priority patent/US20230127271A1/en
Priority to JP2022522416A priority patent/JP7383137B2/ja
Priority to PCT/JP2020/019145 priority patent/WO2021229729A1/ja
Priority to KR1020227036535A priority patent/KR20220158019A/ko
Priority to TW110112855A priority patent/TWI769778B/zh
Publication of WO2021229729A1 publication Critical patent/WO2021229729A1/ja

Links

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
    • H01M8/02—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
    • 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
    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell and a method for manufacturing the same, for example, a solid electrolyte layer formed by a film forming process.
  • Non-Patent Document 1 describes a cell technique for forming an anode layer, a solid electrolyte layer, and a cathode layer of a fuel cell film by a thin film film forming process in a fuel cell.
  • the internal resistance As the internal resistance, the ohmic resistance of the solid electrolyte layer can be reduced by thinning the solid electrolyte layer, but the polarization resistance of the cathode layer and the anode layer cannot be reduced. Therefore, there is a limit to the improvement of the output power by reducing the internal resistance, and it is necessary to increase the output power by other measures.
  • Non-Patent Document 2 an anode layer, a solid electrolyte layer, and a cathode layer of a fuel cell membrane having a three-dimensional structure are formed on a substrate by a thin film film forming process, and the surface area is increased to increase the output per projected area on the substrate. Techniques for improving power are disclosed.
  • Patent Document 1 discloses a continuous solid phase matrix and a stack containing a tubular fuel cell embedded in the matrix.
  • Patent Document 2 a fuel cell in which a porous substrate having a plurality of through holes is provided with a tubular fuel cell element having a solid electrolyte layer sandwiched between an air electrode layer and a fuel electrode layer in the through holes. It discloses the structure of being a block.
  • Non-Patent Document 2 when a fuel cell film having a three-dimensional structure is produced on a substrate by a thin film film forming process, the mechanical strength of the thin film is weakened. Therefore, it is difficult to form a fuel cell membrane having a three-dimensional structure in a wide area.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and is capable of increasing the output power per projected area on the substrate and forming a fuel cell film in a wide area of the substrate. It is an object of the present invention to provide a battery cell and a method for manufacturing the same.
  • An example of a fuel cell according to the present invention is The first board and The first support material layer formed on one side or both sides of the first substrate, and In the first support material layer, a plurality of holes or columns formed so as to extend in a direction perpendicular to the main surface of the first substrate.
  • the laminate is supported by the first support material layer at least at the upper end and the lower end of the plurality of holes or columns.
  • An example of the method for manufacturing a fuel cell according to the present invention is The process of forming a metal oxide layer on the surface of the substrate, The step of forming an uneven structure on the metal oxide layer and A step of forming a lower electrode layer, a solid electrolyte layer, and an upper electrode layer on the surface of the uneven structure in this order. A step of removing a part of the substrate in contact with the metal oxide layer, The step of making the metal oxide layer porous by reduction annealing and It is characterized by having.
  • An example of the method for manufacturing a fuel cell according to the present invention is The process of forming the first support material layer on both sides of the first substrate, and A step of forming a plurality of first through holes penetrating the first substrate and the first support material layer, and A step of forming a laminate on the inner peripheral surface of the plurality of first through holes and the surface of at least one side of the first support material layer, wherein the laminate is a solid with a lower electrode layer.
  • a step of forming a laminate comprising an electrolyte layer and an upper electrode layer A step of forming a hole in the first substrate by removing a portion of the first substrate that is in contact with the laminated body formed in the plurality of first through holes. It is characterized by having.
  • the fuel cell according to the present invention it is possible to increase the output power per projected area on the substrate and to form the fuel cell film in a wide area of the substrate.
  • FIG. 1 It is a figure which shows the structural example of the conventional fuel cell. It is a schematic diagram which shows the structural example of the fuel cell module which concerns on Embodiment 1 of this invention. It is the figure which looked at the shield plate from the side of a fuel cell. It is the figure which looked at the shield plate from the back side (that is, the side opposite to the fuel cell). It is a schematic diagram which shows the structural example of the fuel cell 1 which concerns on Embodiment 1.
  • FIG. It is an enlarged perspective view of a part of the fuel cell 1 which concerns on Embodiment 1.
  • FIG. It is a figure explaining an example of the method of manufacturing the fuel cell 1 which concerns on Embodiment 1.
  • FIG. 1 It is a figure explaining an example of the method of manufacturing the fuel cell 1 which concerns on Embodiment 1.
  • FIG. It is a figure explaining an example of the method of manufacturing the fuel cell 1 which concerns on Embodiment 1.
  • FIG. It is a figure explaining an example of the method of manufacturing the fuel cell 1 which concerns on Embodiment 1.
  • FIG. It is a figure explaining an example of the method of manufacturing the fuel cell 1 which concerns on Embodiment 1.
  • FIG. It is a figure explaining an example of the method of manufacturing the fuel cell 1 which concerns on Embodiment 1.
  • FIG. It is a figure explaining an example of the method of manufacturing the fuel cell 1 which concerns on Embodiment 1.
  • FIG. It is a figure explaining an example of the method of manufacturing the fuel cell 1 which concerns on Embodiment 1.
  • FIG. It is a figure explaining an example of the method of manufacturing the fuel cell 1 which concerns on Embodiment 1.
  • FIG. It is a figure explaining an example of the method of manufacturing the fuel cell 1 which concerns
  • FIG. It is a figure explaining an example of the method of manufacturing the fuel cell 1 which concerns on Embodiment 1.
  • FIG. It is a figure explaining an example of the method of manufacturing the fuel cell 1 which concerns on Embodiment 1.
  • FIG. It is a figure which shows the structural example of the 1st modification of Embodiment 1.
  • FIG. It is a figure which shows the structural example of the 2nd modification of Embodiment 1.
  • FIG. It is a figure which shows one time point of the manufacturing process of the 3rd modification of Embodiment 1.
  • FIG. It is a figure which shows the structural example of the 3rd modification of Embodiment 1.
  • FIG. It is a figure which shows the structural example of the 4th modification of Embodiment 1.
  • FIG. It is a graph explaining the effect of Embodiment 1.
  • FIG. 1 It is a figure explaining an example of the method of manufacturing the fuel cell 1 which concerns on Embodiment 2.
  • FIG. It is a figure explaining an example of the method of manufacturing the fuel cell 1 which concerns on Embodiment 2.
  • FIG. It is a figure explaining an example of the method of manufacturing the fuel cell 1 which concerns on Embodiment 2.
  • FIG. It is a figure explaining an example of the method of manufacturing the fuel cell 1 which concerns on Embodiment 2.
  • FIG. It is a figure explaining an example of the method of manufacturing the fuel cell 1 which concerns on Embodiment 2.
  • FIG. It is a figure explaining an example of the method of manufacturing the fuel cell 1 which concerns on Embodiment 2.
  • FIG. It is a figure explaining an example of the method of manufacturing the fuel cell 1 which concerns on Embodiment 2.
  • FIG. It is a figure explaining an example of the method of manufacturing the fuel cell 1 which concerns on Embodiment 2.
  • FIG. It is a figure explaining an example of the method of manufacturing the fuel cell 1 which concerns
  • FIG. 1 It is a figure explaining an example of the method of manufacturing the fuel cell 1 which concerns on Embodiment 2.
  • FIG. It is a figure explaining an example of the method of manufacturing the fuel cell 1 which concerns on Embodiment 2.
  • FIG. It is a figure explaining an example of the method of manufacturing the fuel cell 1 which concerns on Embodiment 2.
  • FIG. It is a figure explaining an example of the method of manufacturing the fuel cell 1 which concerns on Embodiment 2.
  • FIG. It is a figure explaining an example of the method of manufacturing the fuel cell 1 which concerns on Embodiment 2.
  • FIG. It is a figure explaining an example of the method of manufacturing the fuel cell 1 which concerns on Embodiment 2.
  • FIG. It is a figure explaining an example of the method of manufacturing the fuel cell 1 which concerns on Embodiment 2.
  • FIG. It is a figure explaining an example of the method of manufacturing the fuel cell 1 which concerns on Embodiment 2.
  • FIG. It is a figure explaining an example of the method of manufacturing the fuel cell 1 which concerns
  • the X direction, the Y direction, and the Z direction are used as explanatory directions.
  • the X direction and the Y direction are orthogonal to each other and form a horizontal plane.
  • the Z direction is a vertical direction with respect to the horizontal plane and is a vertical direction.
  • the positive direction in the Z direction is the upward direction
  • the negative direction in the Z direction is the downward direction. It should be noted that these directions are defined for convenience of explanation and are not related to the directions when the fuel cell is actually installed or used.
  • hatching may be omitted in order to make the drawings easier to see even if they are cross-sectional views. Further, even if it is a plan view, hatching may be added to make the drawing easier to see.
  • the size of each part does not correspond to the actual device, and in order to make the drawing easy to understand, a specific part may be displayed relatively large. Further, even when the cross-sectional view and the plan view correspond to each other, a specific portion may be displayed in a relatively large size in order to make the drawing easy to understand.
  • FIG. 1 shows a configuration example of a conventional fuel cell. This fuel cell is a thin film process type. With reference to FIG. 1, the prior art relating to the improvement of the output power per projected area on the substrate and the reduction of the operating temperature will be described.
  • the fuel cell has a thinned solid electrolyte layer.
  • a thin film process type fuel cell that forms a solid electrolyte layer in the film formation process is optimal for this purpose.
  • silicon, ceramic, glass, metal, etc. can be used for the substrate.
  • an insulating film is formed on a substrate, a solid electrolyte layer is formed on the insulating film, and an upper electrode layer is formed on the solid electrolyte layer. Further, a lower electrode layer is formed from the lower side of the substrate through the opening formed in the substrate.
  • the upper electrode layer and the lower electrode layer can be formed of a porous material.
  • FIG. 2 is a schematic view showing a configuration example of the fuel cell module according to the first embodiment of the present invention.
  • This fuel cell module includes a thin film process type SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) as a fuel cell.
  • the gas flow path in the module is separated into a flow path of a fuel gas (for example, a gas containing hydrogen) and a flow path of an oxidant gas (for example, a gas containing oxygen, and as a specific example, air).
  • the fuel gas flow path includes a fuel inlet, a fuel chamber, and a fuel exhaust.
  • the flow path of the oxidant gas includes an air inlet (Air intake), an air chamber (Air chamber), and an air exhaust port (Air exhaust).
  • the fuel gas and the oxidant gas are shielded by the shielding plate (Partition) of FIG. 2 so as not to be mixed in the module.
  • Wiring is drawn out from the anode electrode and the cathode electrode of the fuel cell by a connector, and the wiring is connected to an external load.
  • FIG. 3 is a view of the shielding plate from the side of the fuel cell.
  • the fuel cell is mounted on the shielding plate. Although one fuel cell may be used, a plurality of fuel cells are generally arranged.
  • FIG. 4 is a view of the shielding plate from the back side (that is, the side opposite to the fuel cell). A hole is formed in the shielding plate for each fuel cell, so that fuel gas is supplied to the fuel cell from the fuel chamber.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing a configuration example of the fuel cell 1 according to the first embodiment.
  • the fuel cell 1 corresponds to the fuel cell shown in FIGS. 2 to 4.
  • the fuel cell 1 includes a silicon substrate 2 (first substrate).
  • the insulating film 3 is formed on a part of the upper surface of the silicon substrate 2.
  • the insulating film 3 can be formed of, for example, a silicon oxide film or a silicon nitride film.
  • An opening 50 from which the silicon substrate 2 has been removed is formed in the central portion of the silicon substrate 2.
  • a porous support material layer 5 (first support material layer) is formed on the upper side surface of the silicon substrate 2.
  • the periphery of the porous support material layer 5 in the XY direction is surrounded by the insulating film 3.
  • the porous support material layer 5 can be formed of, for example, metallic nickel.
  • a nickel oxide layer 4 (first support material layer) may be formed on the outer edge of the porous support material layer 5 in the XY direction by a manufacturing process described later.
  • a plurality of holes 60 are formed on the upper surface of the porous support material layer 5.
  • the hole 60 is a bottomed hole and is formed so as to extend in the vertical direction (that is, the direction perpendicular to the main surface of the silicon substrate 2).
  • a lower electrode layer 20 is formed on the porous support material layer 5. The lower electrode layer 20 is formed so as to cover the bottom portion of the hole 60, the side wall portion of the hole 60, and one side surface of the porous support material layer 5.
  • the lower electrode layer 20 may be formed of, for example, platinum, or may be formed of a cermet material composed of platinum and a metal oxide.
  • a solid electrolyte layer 100 is formed on the upper side of the lower electrode layer 20.
  • the solid electrolyte layer 100 is formed of, for example, an yttria-doped zirconia thin film.
  • the doping amount of yttria can be, for example, 3% or 8%.
  • the solid electrolyte layer 100 is formed so as to completely cover the opening 50, and like the lower electrode layer 20, the bottom portion of the hole 60, the side wall portion of the hole 60, and one side surface of the porous support material layer 5. It is formed to cover and.
  • the film thickness of the solid electrolyte layer 100 can be, for example, 1000 nm or less.
  • the electron current and the Hall current which are the internal leak currents of the fuel cell 1, are extremely small even at high temperatures, so that the solid electrolyte layer 100 can be thinned to 100 nm or less.
  • the solid electrolyte layer 100 does not exist on the upper surface of a part of the lower electrode layer 20 as shown in FIG. 5, and it is exposed.
  • the wiring connection portion is placed on the insulating film 3 so as not to damage other parts of the fuel cell (such as the porous support material layer 5). It is formed.
  • the lower electrode layer 20 connected to the wiring is electrically connected to the lower electrode layer 20 formed on the side wall and the bottom in the plurality of holes 60.
  • the upper electrode layer 10 is formed on the upper side of the solid electrolyte layer 100.
  • the upper electrode layer 10 may be formed of, for example, platinum, or may be formed of a cermet material composed of platinum and a metal oxide.
  • the upper electrode layer 10 is also formed so as to cover the bottom portion of the hole 60, the side wall portion of the hole 60, and one side surface of the porous support material layer 5.
  • a region where the lower electrode layer 20 does not exist is formed in the lower layer of the upper electrode layer 10 as in the right side portion of the paper in the cross-sectional view of FIG. This is to prevent an electrical short circuit between the upper electrode layer 10 and the lower electrode layer 20 when the solid electrolyte layer 100 is damaged due to damage when connecting the wiring. Further, in order not to damage other parts of the fuel cell (such as the porous support material layer 5), it is preferable to form the wiring connection portion above the insulating film 3.
  • the upper electrode layer 10 connected to the wiring is electrically connected to the upper electrode layer 10 formed on the side wall and the bottom in the plurality of holes 60.
  • the thin film process type fuel cell 1 includes a membrane electrode assembly as a laminate composed of a lower electrode layer 20, a solid electrolyte layer 100, and an upper electrode layer 10.
  • the membrane electrode assembly is formed in a plurality of holes 60 on a surface not parallel to the main surface of the silicon substrate 2 (that is, a side wall portion of the holes 60) by a film forming process.
  • the membrane electrode assembly is also formed at the bottoms of the plurality of holes 60.
  • the membrane electrode assembly is the upper surface of the porous support material layer 5 in which a plurality of holes 60 are formed (that is, the bottom of the holes 60, the side walls of the holes 60, and the non-formed parts of the holes 60). It is formed to cover the. That is, the upper electrode layer 10 is also formed on a surface parallel to the main surface of the silicon substrate 2 so as to be continuous (or connected) with the upper electrode layer 10 formed in the plurality of holes 60. Further, the lower electrode layer 20 is also formed on a surface parallel to the main surface of the silicon substrate 2 so as to be continuous (or connected) with the lower electrode layer 20 formed in the plurality of holes 60. The same applies to the solid electrolyte layer 100.
  • both the upper electrode layer 10 and the lower electrode layer 20 are formed on a surface parallel to the main surface of the silicon substrate 2, but only one of them is formed on the main surface of the silicon substrate 2. May be good.
  • the membrane electrode assembly is formed on the side wall portion of the hole 60 in this way, the output power per projected area on the silicon substrate 2 becomes large. Further, since the membrane electrode assembly is further formed on a surface parallel to the main surface of the silicon substrate 2, the membrane electrode assembly is formed in a wide region of the silicon substrate 2.
  • the membrane electrode assembly is entirely supported by the porous support material layer 5, including the upper end and the lower end of the hole 60.
  • the dimensions of the hole 60 can be, for example, a diameter of 500 nanometers to 10 micrometers. It is necessary to design the dimensions of the hole 60 and the thickness of the membrane electrode assembly so that the hole 60 is not completely embedded by the membrane electrode assembly formed in the hole 60.
  • FIG. 6 is an enlarged perspective view of a part of the fuel cell 1.
  • Fuel gas is supplied to the lower electrode layer 20 side of the fuel cell 1, and oxidant gas is supplied to the upper electrode layer 10 side.
  • the lower electrode layer 20 is the anode layer and the upper electrode layer 10 is the cathode layer.
  • the supplied fuel gas diffuses inside the porous support material layer 5 and reaches the lower electrode layer 20.
  • the supplied oxidant gas is supplied by diffusion to the surface of the upper electrode layer 10 inside the hole 60.
  • the fuel cell 1 operates in the same manner as a known fuel cell by reacting the oxidant gas with the fuel gas by ion conduction through the solid electrolyte layer 100.
  • the lower electrode layer 20 side and the upper electrode layer 10 side are sealed so that the oxidant gas and the fuel gas do not mix with each other in the gas state.
  • the oxidant gas can be supplied to the lower electrode layer 20 side and the fuel gas can be supplied to the upper electrode layer 10 side.
  • the lower electrode layer 20 is a cathode layer
  • the upper electrode layer 10 is an anode layer.
  • the supplied oxidant gas diffuses inside the porous support material layer 5 to reach the lower electrode layer 20, and the supplied fuel gas diffuses to the surface of the upper electrode layer 10 inside the hole 60. Supplied by. Even in this case, the fuel cell 1 operates in the same manner.
  • ⁇ Embodiment 1 Manufacturing method of fuel cell> 7 to 16 are diagrams illustrating an example of a method for manufacturing the fuel cell 1 according to the first embodiment.
  • the insulating film 3 is formed on the silicon substrate 2 (FIG. 7).
  • the insulating film 3 is removed, leaving the outer edge portion of the insulating film 3 in the XY direction (FIG. 8).
  • a flat nickel oxide layer 4 (metal oxide layer) is formed on the surface of the silicon substrate 2 exposed by this, the side wall of the insulating film 3, and the upper surface of the insulating film 3 (FIG. 9). In this way, the nickel oxide layer 4 is formed on the surface of the silicon substrate 2.
  • a part of the nickel oxide layer 4 is removed to expose the upper surface of the insulating film 3 (FIG. 10).
  • a plurality of holes 60 extending in a direction perpendicular to the surface of the silicon substrate 2 are formed as an uneven structure (FIG. 11).
  • the bottom of the hole 60 is formed so as not to penetrate the nickel oxide layer 4.
  • the cross-sectional shape of the hole 60 can be, for example, a circle, but it can also be an oval or a polygon such as a square, a rectangle, a pentagon, or a hexagon. Further, the cross-sectional shape of the hole 60 may be constant in the vertical direction or may change along the vertical direction.
  • the method for forming the uneven structure can be appropriately determined by those skilled in the art, but can be formed by, for example, lithography and dry etching. Further, the uneven structure is preferably formed periodically in the X direction and / or the Y direction, but is not limited to this. Further, it is preferable that all the uneven structures are formed into the same shape, but the uneven structure is not limited to this.
  • the lower electrode layer 20 is formed on the upper side of the nickel oxide layer 4 and the insulating film 3 (FIG. 12). At this time, the lower electrode layer 20 is formed so as to cover the bottom and side walls of the plurality of holes 60 and the region of the upper surface of the nickel oxide layer 4 in which the holes 60 are not formed. The lower electrode layer 20 is also formed on the upper side of the insulating film 3, but a region where the lower electrode layer 20 is not formed is left in a part of the upper side of the insulating film 3. This is to create a region for connecting the upper electrode layer 10 and the wiring in a later step.
  • a Chemical Vapor Deposition (CVD) method or an Atomic Layer Deposition (ALD) method can be used.
  • CVD Chemical Vapor Deposition
  • ALD Atomic Layer Deposition
  • a part of the lower electrode layer 20 can be removed by using lithography and dry etching after forming the lower electrode layer 20.
  • the lower electrode layer 20 can be prevented from being formed in the region.
  • a solid electrolyte layer 100 is formed (FIG. 13).
  • the lower electrode covers the bottom and side walls of the plurality of holes 60 and the region of the upper surface of the nickel oxide layer 4 where the holes 60 are not formed.
  • a solid electrolyte layer 100 is formed on the upper side of the layer 20.
  • the solid electrolyte layer 100 is also formed above the insulating film 3, but a region where the solid electrolyte layer 100 is not formed is left in a part of the region where the lower electrode layer 20 is formed on the insulating film 3. This is to create a region connecting the lower electrode layer 20 and the wiring in a later step.
  • the solid electrolyte layer 100 can be formed of, for example, an yttria-doped zirconia thin film.
  • the doping amount of yttria can be, for example, 3% or 8%.
  • a Chemical Vapor Deposition (CVD) method or an Atomic Layer Deposition (ALD) method can be used for the film formation of the solid electrolyte layer 100.
  • CVD Chemical Vapor Deposition
  • ALD Atomic Layer Deposition
  • a part of the solid electrolyte layer 100 can be removed by using lithography and dry etching after forming the solid electrolyte layer 100.
  • the solid electrolyte layer 100 can be prevented from being formed in the region.
  • the upper electrode layer 10 is formed into a film (FIG. 14).
  • the upper electrode layer 10 is formed on the upper side of the solid electrolyte layer 100 so as to cover the above.
  • the upper electrode layer 10 is also formed above the insulating film 3, but a region where the upper electrode layer 10 is not formed is left in a part of the region where the lower electrode layer 20 is formed on the insulating film 3. This is to prevent the upper electrode layer 10 and the lower electrode layer 20 from being electrically directly connected to each other to cause a short circuit defect, and to create a region for connecting the lower electrode layer 20 and the wiring in a later step. Is.
  • the upper electrode layer 10 may be formed of, for example, porous platinum or a cermet material composed of platinum and a metal oxide.
  • a Chemical Vapor Deposition (CVD) method or an Atomic Layer Deposition (ALD) method can be used for the film formation of the upper electrode layer 10.
  • CVD Chemical Vapor Deposition
  • ALD Atomic Layer Deposition
  • a part of the upper electrode layer 10 can be removed by using lithography and dry etching after forming the upper electrode layer 10.
  • a metal mask or a resist mask when forming the upper electrode layer 10 it is possible to prevent the upper electrode layer 10 from being formed in that region.
  • the lower electrode layer 20, the solid electrolyte layer 100, and the upper electrode layer 10 are formed in this order in the region including the surface of the hole 60.
  • the nickel oxide layer 4 is made porous by reduction annealing.
  • the lower side surface of the silicon substrate 2 is exposed to a hydrogen atmosphere, and heat treatment is performed at about 500 ° C.
  • heat treatment is performed at about 500 ° C.
  • the portion of the nickel oxide layer 4 exposed at the opening 50 is reduced and changed into a porous support material layer 5 (for example, a porous metallic nickel layer) (FIG. 16).
  • a part of the region of the nickel oxide layer 4 covered by the silicon substrate 2 may remain as the nickel oxide layer 4 without being reduced. As a result, the structure of FIG. 5 can be produced.
  • porous support material layer 5 By forming the porous support material layer 5 in this way, gas can be diffused through this layer.
  • FIG. 17 shows a configuration example of the first modification of the first embodiment.
  • the wiring connected to the lower electrode layer 20 is formed on the upper surface of the silicon substrate 2, but in the first modification, this wiring is not provided on the upper surface of the silicon substrate 2.
  • a conductive silicon substrate doped with impurities is used as the silicon substrate 2.
  • a conductive metal substrate is used as the first substrate.
  • the lower electrode layer 20 is electrically connected to one side surface of the substrate 2 (lower surface in the cross-sectional view of FIG. 17) via the porous support material layer 5 and the substrate 2.
  • the porous support material layer 5 is limited to the metal layer, for example, a metallic nickel layer.
  • the lower electrode layer 20 and the wiring can be connected on the lower surface of the substrate, it is not necessary to form a connection portion between the lower electrode layer 20 and the wiring on the upper surface side of the substrate. As a result, all the outer edge portions in the XY direction on the upper surface of the substrate can be the connection portions between the upper electrode layer 10 and the wiring.
  • the outer edge 70 of the lower electrode layer 20 stays on the nickel oxide layer 4, and the lower electrode layer 20 is not formed on the upper surface of the insulating film 3. Therefore, the region in which only the solid electrolyte layer 100 and the upper electrode layer 10 are formed can be formed on the entire outer edge portion of the fuel cell 1 to serve as a connection portion between the upper electrode layer 10 and the wiring.
  • FIG. 18 shows a configuration example of the second modification of the first embodiment.
  • the surface opposite to the surface on which the plurality of holes 60 are formed (lower surface in the cross-sectional view of FIG. 18) is the mesh-like support material layer 6a (second support).
  • the support material layer 6a can be formed of, for example, a silicon nitride film, a dense metallic nickel, a silicon oxide film, or the like.
  • the porous support material layer 5 By supporting the porous support material layer 5 with the support material layer 6a, even if the area of the opening 50 is increased, the lower electrode layer 20, the solid electrolyte layer 100, the upper electrode layer 10 and the porous support material layer are formed. Sufficient mechanical strength can be ensured in the structure of 5.
  • FIG. 19 shows one time point in the manufacturing process
  • FIG. 20 shows the configuration after completion.
  • a plurality of holes 60 are formed as an uneven structure in the porous support material layer 5, but in the third modification, as shown in FIGS. 19 and 20, as shown in FIGS. 19 and 20.
  • a plurality of columns 40 are formed as an uneven structure on the porous support material layer 5.
  • the pillar 40 is a protrusion, and may form a columnar pattern, for example.
  • a plurality of holes 60 are formed on the surface of the nickel oxide layer 4, but in the third modification, as shown in FIG. 19, the surface of the nickel oxide layer 4 is formed.
  • a plurality of columns 40 are formed as an uneven structure.
  • the pillar 40 is formed so as to extend in the vertical direction (that is, the direction perpendicular to the main surface of the silicon substrate 2).
  • a membrane electrode assembly is formed on the upper surface and side surfaces of the plurality of columns 40 and the portion (bottom) of the nickel oxide layer 4 where the columns 40 are not formed in the same manner as in the first embodiment. do.
  • This membrane electrode assembly is formed on a surface of a plurality of columns 40 that is not parallel to the main surface of the silicon substrate 2 by a film forming process. Further, the membrane electrode assembly is also formed on the tops (top surfaces) of the plurality of columns 40.
  • the nickel oxide layer 4 is made porous by reduction annealing from the lower side to form the porous support material layer 5 (FIG. 20).
  • the cross-sectional shape of the pillar 40 in the XY plane can be, for example, a circle, but can also be an ellipse, a square, a rectangle, a pentagon, a hexagon, or the like. Further, the cross-sectional shape of the pillar 40 may be constant in the vertical direction or may change along the vertical direction.
  • the membrane electrode assembly formed on the outer peripheral portion of the pillar 40 formed on the silicon substrate 2 has the same structure as the membrane electrode assembly formed on the side wall portion of the hole 60 in the first embodiment.
  • the membrane electrode assembly is the upper surface of the porous support material layer 5 in which a plurality of columns 40 are formed (that is, the top of the column 40, the outer peripheral portion of the column 40, and the non-formed portion of the column 40). It is formed to cover the. That is, the upper electrode layer 10 is also formed on a surface parallel to the main surface of the silicon substrate 2 so as to be continuous (or connected) with the upper electrode layers 10 formed on the plurality of pillars 40. Further, the lower electrode layer 20 is also formed on a surface parallel to the main surface of the silicon substrate 2 so as to be continuous (or connected) with the lower electrode layers 20 formed on the plurality of pillars 40.
  • both the upper electrode layer 10 and the lower electrode layer 20 are formed on a surface parallel to the main surface of the silicon substrate 2, but only one of them is a surface parallel to the main surface of the silicon substrate 2. May be formed in.
  • the membrane electrode assembly is supported by the porous support material layer 5 in the whole including the upper end portion and the lower end portion of the plurality of columns 40.
  • the dimensions of the pillar 40 can be, for example, a diameter of 100 nanometers to 10 micrometers. It is necessary to design the dimensions of the column 40 and the thickness of the membrane electrode assembly so that the space between the adjacent columns 40 is not completely embedded in the membrane electrode assembly formed on the outer periphery of the column 40.
  • fuel gas is supplied to the lower electrode layer 20 side, and oxidant gas is supplied to the upper electrode layer 10 side.
  • the lower electrode layer 20 is an anode layer
  • the upper electrode layer 10 is a cathode layer.
  • the supplied fuel gas diffuses inside the porous support material layer 5 and reaches the lower electrode layer 20.
  • the supplied oxidant gas is supplied by diffusion to the surface of the upper electrode layer 10. In this way, the fuel cell 1 operates in the same manner as in the case of FIG.
  • the oxidant gas can be supplied to the lower electrode layer 20 side and the fuel gas can be supplied to the upper electrode layer 10 side.
  • the lower electrode layer 20 is a cathode layer
  • the upper electrode layer 10 is an anode layer.
  • the supplied oxidant gas diffuses inside the porous support material layer 5 to reach the lower electrode layer 20, and the supplied fuel gas diffuses to the surface of the upper electrode layer 10 inside the hole 60. Supplied by. Even in this case, the fuel cell 1 operates in the same manner.
  • the hole 60 according to the first embodiment and the pillar 40 according to the third modification are examples of an uneven structure that can be easily manufactured. Further, depending on the configuration of the fuel cell 1, one of them may be more easily manufactured. For example, as a characteristic of the nickel oxide layer 4 or a layer corresponding thereto, when it is easy to form pores precisely, the configuration of the first embodiment can be manufactured more efficiently. On the other hand, when it is easy to form the pillar precisely, the configuration of the third modification can be manufactured more efficiently.
  • the configuration of the first embodiment can be manufactured more efficiently.
  • the configuration of the third modification can be manufactured more efficiently.
  • FIG. 21 shows a configuration example of the fourth modification of the first embodiment.
  • the lower surface of the porous support material layer 5 has a flat shape, but in the fourth modification, irregularities are formed along the side walls of the plurality of holes 60. ing.
  • the thickness of the portion where the plurality of holes 60 are formed is constant.
  • the configuration of the membrane electrode assembly is the same as that of the first embodiment.
  • fuel gas is supplied to the lower electrode layer 20 side, and oxidant gas is supplied to the upper electrode layer 10 side.
  • the lower electrode layer 20 is an anode layer
  • the upper electrode layer 10 is a cathode layer.
  • the supplied fuel gas diffuses inside the porous support material layer 5 and reaches the lower electrode layer 20.
  • the structure is complicated but porous. Since the thickness of the quality support material layer 5 is constant, the diffusion distance is also constant, which is advantageous for supplying fuel gas.
  • the supplied oxidant gas is supplied by diffusion to the surface of the upper electrode layer 10. In this way, the fuel cell 1 operates in the same manner as in the case of FIG.
  • the oxidant gas can be supplied to the lower electrode layer 20 side and the fuel gas can be supplied to the upper electrode layer 10 side.
  • the lower electrode layer 20 is a cathode layer
  • the upper electrode layer 10 is an anode layer.
  • the supplied oxidant gas diffuses inside the porous support material layer 5 to reach the lower electrode layer 20, and the supplied fuel gas diffuses to the surface of the upper electrode layer 10 inside the hole 60. Supplied by. Since the porous support material layer 5 is thin, the diffusion distance is short, which is advantageous for supplying the oxidant gas. Even in this case, the fuel cell 1 operates in the same manner.
  • FIG. 22 is a graph illustrating the effect of the first embodiment. The relationship between the aspect ratio of the holes or columns and the cell area per projected area on the substrate in the fuel cell according to the prior art and the fuel cell 1 according to the first embodiment is shown.
  • the aspect ratio of the hole is a value obtained by dividing the depth of the hole by the diameter
  • the aspect ratio of the column is a value obtained by dividing the height of the column by the diameter.
  • the cell area per projected area on the substrate can be increased. That is, according to the first embodiment, since the cell area that contributes to power generation can be increased with a small substrate area, the output power per substrate area can be increased.
  • a large number of holes 60 can be formed in parallel, and it is not necessary to form the holes 60 individually. Therefore, for example, the fuel cell 1 can be manufactured at a lower cost as compared with the methods of Patent Documents 1 and 2, and the cost per output power can be reduced.
  • a bottomed hole 60 or a pillar 40 is formed, and a tip portion in the depth direction (the bottom of the hole 60 or the top of the pillar 40) is also formed.
  • a membrane electrode assembly was formed.
  • a through hole is provided instead of a bottomed hole.
  • FIG. 23 shows a configuration example of the fuel cell according to the second embodiment.
  • the support material layer 6 (first support material layer) is formed on one side (upper surface or lower surface) or both sides (that is, upper surface and lower surface) of the silicon substrate 2. Further, a plurality of through holes 61 (first through holes) that penetrate the support material layer 6 and the silicon substrate 2 are formed.
  • the through hole 61 is formed so as to extend in the vertical direction (that is, the direction perpendicular to the main surface of the silicon substrate 2).
  • the size of the through hole 61 can be, for example, a diameter (diameter of the through hole provided in the support material layer 6) of 10 micrometers.
  • the side wall of the plurality of through holes 61 is configured to include a membrane electrode assembly. This membrane electrode assembly is formed in a plurality of through holes 61 on a surface that is not parallel to the main surface of the silicon substrate 2 by a film forming process. A membrane electrode assembly is also formed on the upper surface of the support material layer 6 formed on the upper surface of the silicon substrate 2. A hole 52 is formed on the outer peripheral side of the side wall of the plurality of through holes 61.
  • a region in which the lower electrode layer 20 does not exist may be formed in the lower layer of the upper electrode layer 10 as in the right side portion of the paper in the cross-sectional view of FIG. 5 of the first embodiment.
  • the upper electrode layer 10 is also formed on a surface parallel to the main surface of the silicon substrate 2 so as to be continuous (or connected) with the upper electrode layers 10 formed in the plurality of through holes 61.
  • the lower electrode layer 20 is also formed on a surface parallel to the main surface of the silicon substrate 2 so as to be continuous (or connected) with the lower electrode layers 20 formed in the plurality of through holes 61. The same applies to the solid electrolyte layer 100.
  • the upper electrode layer 10 connected to the wiring on the upper surface of the silicon substrate 2 is continuous with the upper electrode layer 10 formed on the side walls of the plurality of through holes 61 and is electrically connected.
  • a lower electrode layer 20 is formed on the lower surface of the support material layer 6 formed on the lower surface of the silicon substrate 2, and the lower electrode layer 20 is formed on the side wall of the plurality of through holes 61. It is continuous with the lower electrode layer 20.
  • the lower electrode layer 20 connected to the wiring on the lower surface side of the silicon substrate 2 is continuous with the lower electrode layer 20 formed on the side wall of the plurality of through holes 61 and is electrically connected.
  • both the upper electrode layer 10 and the lower electrode layer 20 are formed on a surface parallel to the main surface of the silicon substrate 2, but only one of them is a surface parallel to the main surface of the silicon substrate 2. May be formed in.
  • the membrane electrode assembly is supported by the support material layer 6 at the upper end and the lower end of the plurality of through holes 61.
  • the fuel gas is supplied to the outer peripheral side of the through hole 61, and the oxidant gas is supplied to the inner peripheral side of the through hole 61.
  • power generation is generated at the side wall portion of the through hole 61, and the output power per projected area on the silicon substrate 2 becomes large.
  • ⁇ Embodiment 2 Manufacturing method> 24 to 36 are diagrams illustrating an example of a method for manufacturing the fuel cell 1 according to the second embodiment.
  • the support material layer 6 is formed on the upper surface and the lower surface on the silicon substrate 2 (FIG. 24).
  • the support material layer 6 is, for example, a silicon nitride film layer.
  • the groove 8 is formed in the support material layer 6 on the upper surface of the silicon substrate 2 (FIG. 25).
  • the electrode material layer 7 is formed so that the groove 8 is completely embedded (FIG. 26).
  • the electrode material layer 7 for example, tungsten, silicon doped with impurities, or the like can be used.
  • the electrode material layer 7 on the support material layer 6 other than the groove 8 is removed so that the electrode material layer 7 remains only in the groove 8 (FIG. 27).
  • etchback or chemical mechanical polishing (CMP method) can be used to remove the electrode material layer.
  • a plurality of through holes 61 perpendicular to the surface of the silicon substrate 2 are formed in the region where the electrode material layer 7 remains (FIG. 28).
  • the cross-sectional shape of the hole can be, for example, a circle, but it can also be an ellipse or a polygon such as a square, a rectangle, a pentagon, or a hexagon.
  • the lower electrode layer 20 is formed into a film (FIG. 29).
  • the lower electrode layer 20 includes a plurality of upper surfaces of the support material layer 6 on the upper surface of the silicon substrate 2, a surface of the electrode material layer 7, and a lower surface of the support material layer 6 on the lower surface of the silicon substrate 2.
  • a film is formed on the side wall of the through hole 61.
  • the lower electrode layer 20 may be formed of, for example, platinum or a cermet material composed of platinum and a metal oxide.
  • CVD Chemical Vapor Deposition
  • ALD Atomic Layer Deposition
  • the lower electrode layers 20 formed on the side walls of the plurality of through holes 61 are continuous with each other via the lower electrode layers 20 formed on the surface of the electrode material layer 7, respectively.
  • the lower electrode layer 20 is electrically connected to the electrode material layer 7.
  • the lower electrode layer 20 is also formed on the upper surface of the support material layer 6, but a region where the lower electrode layer 20 is not formed is left on a part of the upper surface of the support material layer 6 (FIG. 30). This is because it is attached to the support substrate in a later process.
  • CMP method chemical mechanical polishing method
  • the support board 102 (second board) is prepared (FIG. 31).
  • silicon can be used for the support substrate 102.
  • the fuel cell 1 according to the second embodiment includes the support substrate 102.
  • the positive direction of the Z axis is the downward direction of the paper surface. Also in the following description, the positive direction of the Z axis is the upward direction, and the negative direction of the Z axis is the downward direction. Therefore, the vertical direction of the paper surface in FIGS. 31 to 42 is opposite to the vertical direction in the present specification.
  • a through hole 161 (second through hole) is formed in the support substrate 102.
  • the dimensions of the through hole 161 of the support substrate 102 match the dimensions of the through hole 61 of the silicon substrate 2.
  • the silicon substrate 2 and the support substrate 102 are bonded so that the through holes 61 and the through holes 161 are aligned in position and are connected to each other.
  • a through hole 162 (second through hole) and a through hole 163 (second through hole) are formed in the support substrate 102.
  • the through hole 162 is formed at a position corresponding to the portion where the electrode material layer 7 of the silicon substrate 2 is not formed, and the through hole 163 is a position corresponding to the portion where the electrode material layer 7 of the silicon substrate 2 is formed. Is formed in.
  • a silicon nitride film 103 is formed on the upper and lower surfaces of the support substrate 102 and the side walls of the through holes 161, 162, and 163.
  • the silicon nitride film 103 is an insulating film and is formed as a protective film against etching.
  • a plurality of through holes 162 are formed, and one or more through holes 163 are formed.
  • the silicon substrate 2 in FIG. 30 is turned upside down and bonded to the support substrate 102 as shown in FIG. 31. Thereby, the plurality of through holes 61 (or at least a part thereof) and the plurality of through holes 161 (or at least a part thereof) are connected.
  • the solid electrolyte layer 100 and the upper electrode layer 10 are formed (FIG. 32).
  • the solid electrolyte layer 100 and the upper electrode layer 10 have the side wall portions of the plurality of through holes 61, the side wall portions of the through holes 161 and the lower surface of the support material layer 6 on the lower surface side of the silicon substrate 2. Is formed to cover the.
  • both the upper electrode layer 10 and the lower electrode layer 20 are formed on a surface parallel to the main surface of the silicon substrate 2, but only one of them is a surface parallel to the main surface of the silicon substrate 2. May be formed in.
  • the solid electrolyte layer 100 can be formed of, for example, an yttria-doped zirconia thin film.
  • the doping amount of yttria can be, for example, 3% or 8%.
  • CVD Chemical Vapor Deposition
  • ALD Atomic Layer Deposition
  • the solid electrolyte layer 100 is prevented from being formed on the exposed surface side (that is, the upper surface side) of the support substrate 102.
  • the film thickness of the solid electrolyte layer 100 can be, for example, 100 nanometers to 1 micrometer.
  • the upper electrode layer 10 may be formed of, for example, porous platinum, or may be formed of a cermet material composed of platinum and a metal oxide.
  • a Chemical Vapor Deposition (CVD) method or an Atomic Layer Deposition (ALD) method can be used for the film formation of the upper electrode layer 10.
  • the upper electrode layer 10 is prevented from being formed on the exposed surface side (that is, the upper surface side) of the support substrate 102.
  • this membrane electrode assembly is formed on the inner peripheral surface of the plurality of through holes 61 and the surface of at least one side of the support material layer 6 (lower surface in this embodiment).
  • this membrane electrode assembly is a laminated body including a lower electrode layer 20, a solid electrolyte layer 100, and an upper electrode layer 10.
  • the electrode material layer 107 is formed in the through hole 163 of the support substrate 102 (FIG. 33).
  • the electrode material layer 107 is electrically connected to the lower electrode layer 20.
  • the electrode material layer 107 is used to connect the lower electrode layer 20 to the wiring.
  • the portion inside the through hole 162 of the support substrate 102 is removed to expose the surface of the silicon substrate 2 (FIG. 34).
  • the portion of the silicon substrate 2 exposed through the through hole 162 is removed.
  • the portion in contact with the membrane electrode assembly formed in the plurality of through holes 61 is removed.
  • the removal is performed, for example, by partially etching with an aqueous solution of potassium hydroxide (KOH).
  • KOH potassium hydroxide
  • the through hole 162 can be used as a flow path for the fuel gas, and the manufacturing process is simplified.
  • the through hole 162 is a hole opening 51 through which the hole 52 communicates with the outside.
  • a plurality of through holes through holes 161 and 162 in this example
  • some of them are connected to any of the through holes 61 and others.
  • the through hole 162 is connected to the hole 52 to form the hole opening 51.
  • the membrane electrode assembly is formed on the side wall of the plurality of through holes 61, and is supported by the support material layer 6 at the upper end portion (that is, the end connected to the through hole 161) and the lower end portion of the through hole 61.
  • the lower electrode layer 20, the solid electrolyte layer 100, and the upper electrode layer 10 are continuous between the plurality of through holes 61 via the lower surface of the silicon substrate 2, respectively.
  • FIG. 36 shows the state of FIG. 35 in cross sections in different directions.
  • FIG. 36 is a cross-sectional view taken along the ZZ plane perpendicular to the ZZ plane, and in particular, is a cross-sectional view at a position where the hole opening 51 exists.
  • Fuel gas is supplied to the lower electrode layer 20 side, and oxidant gas is supplied to the upper electrode layer 10 side.
  • the lower electrode layer 20 is an anode layer
  • the upper electrode layer 10 is a cathode layer.
  • the supplied fuel gas flows from one hole opening 51 through the hole 52 to another hole opening 51.
  • Fuel gas is supplied to the lower electrode layer 20 at the side wall portion of the through hole 61 inside the hole 52.
  • the supplied oxidant gas flows through the plurality of through holes 61 and through holes 161 and is supplied to the surface of the upper electrode layer 10 on the side wall portion of the through holes 61 on the way.
  • the fuel cell 1 operates in the same manner as a known fuel cell by reacting the oxidant gas with the fuel gas by ion conduction through the solid electrolyte layer 100.
  • the oxidant gas can be supplied to the lower electrode layer 20 side and the fuel gas can be supplied to the upper electrode layer 10 side.
  • the lower electrode layer 20 is a cathode layer
  • the upper electrode layer 10 is an anode layer.
  • the supplied oxidant gas flows from one hole opening 51 through the hole 52 to another hole opening 51.
  • the oxidant gas is supplied to the lower electrode layer 20 at the side wall portion of the through hole 61 inside the hole 52.
  • the supplied fuel gas flows through the plurality of through holes 61 and through holes 161 and is supplied to the surface of the upper electrode layer 10 on the side wall portion of the through holes 61 on the way. Even in this case, the fuel cell 1 operates in the same manner.
  • FIG. 37 shows a configuration example of the first modification of the second embodiment.
  • the lower electrode layer 20 is formed on the lower surface side of the silicon substrate 2 as well as the solid electrolyte layer 100 and the upper electrode layer 10.
  • the first modification the lower electrode layer 20 on the lower surface side of the silicon substrate 2 is not formed.
  • the upper electrode layer 10 and the lower electrode are formed. It is possible to prevent the layer 20 from being short-circuited.
  • FIG. 38 shows a configuration example of the second modification of the second embodiment.
  • the thickness of the silicon substrate 2 is the same in the region where the plurality of through holes 61 are formed and in the other regions.
  • the lower surface of the silicon substrate 2 is partially removed and thinned in the region where the plurality of through holes 61 are formed. That is, the main surface of the silicon substrate 2 is not flat and has a shape having a recess in a part thereof.
  • the silicon substrate 2 includes a thick region and a thin region having a thickness smaller than this thick region, and the plurality of through holes 61 are provided in the thin region.
  • the lengths of the plurality of through holes 61 can be shortened, so that manufacturing can be easily performed. Further, when connecting the wiring to the upper electrode layer 10 on the lower surface of the silicon substrate 2, a thin region (that is, a mechanically weak portion in which the membrane electrode assembly is formed on the side wall of the plurality of through holes 61). The wiring can be connected in the thick region of the silicon substrate 2 while avoiding the above.
  • FIG. 39 shows a configuration example of the third modification of the second embodiment.
  • the membrane electrode assembly is supported by the support material layer 6 only at both ends of the plurality of through holes 61 in the silicon substrate 2.
  • the membrane electrode assembly is supported not only at both ends of the through hole 61 but also at the side wall portions of the through hole 61.
  • the membrane electrode assembly is supported by the porous support material layer 5 (first support material layer) from the outer peripheral side of the lower electrode layer 20. That is, the side wall of the plurality of through holes 61 is provided with a porous support material layer 5 that supports the membrane electrode assembly on the outer peripheral side thereof.
  • the porous support material layer 5 is formed on the side wall portion of the through hole 61 to increase the mechanical strength around the membrane electrode assembly. Can be done. Further, by using the porous support material layer 5, the fuel gas or the oxidant gas can be supplied to the lower electrode layer 20 by diffusion from the pore 52 side.
  • FIG. 40 shows a configuration example of the fourth modification of the second embodiment.
  • the through holes 61 are formed with the same cross-sectional area along the stretching direction, that is, the Z direction.
  • the cross-sectional area of the through hole 61 changes.
  • the through hole 61 is formed so that the diameter Wt is large on the lower surface side of the silicon substrate 2 and the diameter Wb is smaller on the upper surface side. Therefore, in the plurality of through holes 61, the opening area in the cross section parallel to the main surface of the silicon substrate 2 decreases from one end to the other end of the through holes 61.
  • the concentration is high on the inlet side (lower surface side) and on the outlet side (upper surface side).
  • the concentration becomes low.
  • the higher the concentration the higher the power generation output of the membrane electrode assembly.
  • the flow velocity is small because the cross-sectional area is large on the inlet side, and the flow velocity is large because the cross-sectional area is small on the exit side. The higher the flow velocity, the higher the power generation output of the membrane electrode assembly.
  • the high-concentration gas flows at low speed on the inlet side and the low-concentration gas flows at high speed on the outlet side, so that at least a part of the change in the power generation output of the membrane electrode assembly is offset, and the inlet side and the outlet side It is possible to suppress the non-uniformity of the output in.
  • the cross-sectional area of the through hole 61 is large on the lower surface side of the silicon substrate 2, and the cross-sectional area of the through hole 61 is small on the upper surface side. It is also possible to make the cross-sectional area of the through hole 61 small and the cross-sectional area of the through hole 61 large on the upper surface side. In that case, the oxidant gas or the fuel gas should be flowed from the upper surface side having a large cross-sectional area.
  • FIG. 41 is a schematic view showing a configuration example of the fuel cell module according to the second embodiment.
  • a thin film process type SOFC Solid Oxide Fuel Cell
  • SOFC Solid Oxide Fuel Cell
  • FIG. 42 is a schematic diagram showing an example of a connection method between the shield plate (Partition) and the fuel cell 1.
  • the gas flow path in the fuel cell module is separated into a fuel gas flow path and an oxidant gas flow path.
  • the fuel gas flow path includes a fuel inlet (Fuel intoke), a flow path 251 formed in the shield plate, and a fuel exhaust port (Fuel exhaust).
  • the flow path of the oxidant gas includes an air inlet (Air intake), a plurality of through holes 61, a plurality of through holes 161 and an air exhaust port (Air exhaust).
  • the fuel gas and the oxidizer gas are shielded from being mixed in the module. Wiring is drawn out from the anode electrode and the cathode electrode of the fuel cell 1 by a connector. The connector is connected to an external load.
  • the hole 60 of the first embodiment is not a through hole, it is necessary to diffuse the gas in order to allow the gas to reach the bottom of the hole 60. Therefore, it is suitable when the size (for example, depth) of the hole 60 is relatively small.
  • the through hole 61 is provided in the second embodiment, since the gas needs to pass through the through hole 61, when the dimension (for example, diameter) of the through hole 61 is relatively large in consideration of the fluid resistance of the gas. Suitable.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiments and modifications, and includes various other modifications.
  • the above-described embodiments and modifications have been described in detail in order to explain the present invention in an easy-to-understand manner, and are not necessarily limited to those having all the described configurations.
  • it is possible to replace a part of the configuration of one embodiment with the configuration of another embodiment and it is also possible to add the configuration of another embodiment to the configuration of one embodiment.

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)

Abstract

燃料電池セル１は、シリコン基板２と、多孔質のサポート材料層５と、複数の孔６０または柱４０と、積層体とを備える。積層体は、上部電極層１０と、固体電解質層１００と、下部電極層２０とを備える。上部電極層１０が、複数の孔６０または柱４０に形成された上部電極層１０と連続するように、シリコン基板２の主面と平行な面にも形成されるか、または、下部電極層２０が、複数の孔６０または柱４０に形成された下部電極層２０と連続するように、シリコン基板２の主面と平行な面にも形成される。複数の孔６０または柱４０の少なくとも上端部および下端部において、多孔質のサポート材料層５によって積層体が支持される。

Description

燃料電池セルおよびその製造方法
　本発明は、燃料電池セルおよびその製造方法に関し、たとえば固体電解質層を成膜プロセスによって形成するものに関する。
　非特許文献１は、燃料電池セルにおいて、薄膜成膜プロセスによって燃料電池膜のアノード層、固体電解質層、カソード層を形成するセル技術について記載している。
　固体酸化物形燃料電池の面積当りの出力電力を向上するためには、内部抵抗を低減する必要がある。内部抵抗として、固体電解質層のオーミック抵抗は固体電解質層を薄膜化することで低減できるが、カソード層、アノード層の分極抵抗は低減できない。このため、内部抵抗の低減による出力電力の向上には限界があり、他の方策によって出力電力を増大させる必要がある。
　非特許文献２は、基板上に薄膜成膜プロセスによって３次元構造をもつ燃料電池膜のアノード層、固体電解質層、カソード層を形成し、表面積を増加させることで基板への投影面積当りの出力電力を向上させる技術が開示されている。
　特許文献１は、連続固相マトリクスと、該マトリクスに包埋された管型燃料電池セルを含むスタックを開示している。
　特許文献２では、複数の貫通孔を有する多孔質基体が、その貫通孔内に、固体電解質層を空気極層と燃料極層で狭持して成る筒形燃料電池要素を備えて成る燃料電池ブロックであるという構成を開示している。
特表２００５－５１８０７５号公報 特開２００５－１７４８４６号公報
Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｐｏｗｅｒ Ｓｏｕｒｃｅｓ　１９４（２００９）ｐｐ．１１９－１２９ Ｎａｎｏ　Ｌｅｔｔｅｒ　１３（２０１３）ｐｐ．４５５１－４５５５
　従来の技術では、基板への投影面積当りの出力電力を大きくし、かつ、基板の広い領域に燃料電池膜を形成することが困難であるという課題があった。
　非特許文献２に記載されているように、基板上に３次元構造を持つ燃料電池膜を薄膜成膜プロセスで作製すると、薄膜の機械的強度が弱くなる。このため、３次元構造をもつ燃料電池膜を広い領域に形成することは困難である。
　なお、特許文献１および２の方法では、孔に垂直な投影面を考えた場合に投影面積当りの燃料電池セルの表面積は大きくなる。また、多孔質の基体で燃料電池セルを支持しているので強度を確保することもできる。しかしながら、個々の孔内に形成される燃料電池は個別に形成するので、燃料電池セルの工程は孔の個数に工程数が比例する。したがって出力電力あたりのコストが比較的大きくなる。
　本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであり、基板への投影面積当りの出力電力を大きくし、かつ、基板の広い領域に燃料電池膜を形成することが可能な、燃料電池セルおよびその製造方法を提供することを目的とする。
　本発明に係る燃料電池セルの一例は、
　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。
　本発明に係る燃料電池セルの製造方法の一例は、
　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。
　本発明に係る燃料電池セルの製造方法の一例は、
　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。
　本発明に係る燃料電池セルによれば、基板への投影面積当りの出力電力を大きくし、かつ、基板の広い領域に燃料電池膜を形成することができる。
　上記した以外の課題、構成および効果は、以下の発明を実施するための形態の説明により明らかにされる。
従来の燃料電池セルの構成例を示す図である。 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。 遮蔽板を燃料電池セルの側から見た図である。 遮蔽板を裏側（すなわち燃料電池セルとは反対側）から見た図である。 実施形態１に係る燃料電池セル１の構成例を示す概略図である。 実施形態１に係る燃料電池セル１の一部の拡大斜視図である。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 実施形態１の第１の変形例の構成例を示す図である。 実施形態１の第２の変形例の構成例を示す図である。 実施形態１の第３の変形例の製造過程の一時点を示す図である。 実施形態１の第３の変形例の構成例を示す図である。 実施形態１の第４の変形例の構成例を示す図である。 実施形態１の効果を説明するグラフである。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 実施形態２の第１の変形例の構成例を示す図である。 実施形態２の第２の変形例の構成例を示す図である。 実施形態２の第３の変形例の構成例を示す図である。 実施形態２の第４の変形例の構成例を示す図である。 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。 遮蔽版と燃料電池セル１との接続方法例を示す概略図である。
　以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。実施形態は、本発明を説明するための例示であって、説明の明確化のため、適宜、省略および簡略化がなされている。本発明は、他の種々の形態でも実施することが可能である。特に限定しない限り、各構成要素は単数でも複数でも構わない。
　図面において示す各構成要素の位置、大きさ、形状、範囲などは、発明の理解を容易にするため、実際の位置、大きさ、形状、範囲などを表していない場合がある。このため、本発明は、必ずしも、図面に開示された位置、大きさ、形状、範囲などに限定されない。
　同一あるいは同様の機能を有する構成要素が複数ある場合には、同一の符号に異なる添字を付して説明する場合がある。また、これらの複数の構成要素を区別する必要がない場合には、添字を省略して説明する場合がある。
　以下の各実施形態においては、説明上の方向として、Ｘ方向、Ｙ方向、およびＺ方向を用いる。Ｘ方向とＹ方向とは互いに直交し、水平面を構成する方向である。Ｚ方向は水平面に対して鉛直の方向であり、上下方向である。とくに、Ｚ方向正の向きを上方向とし、Ｚ方向負の向きを下方向とする。なお、これらの方向は、説明の便宜上定義されるものであって、燃料電池セルが実際に設置または使用される際の向きとは関係しない。
　実施形態で用いる図面においては、断面図であっても図面を見易くするためにハッチングを省略する場合もある。また、平面図であっても図面を見易くするためにハッチングを付す場合もある。
　断面図および平面図において、各部位の大きさは実デバイスと対応するものではなく、図面を分かりやすくするため、特定の部位を相対的に大きく表示する場合がある。また、断面図と平面図が対応する場合においても、図面を分かりやすくするため、特定の部位を相対的に大きく表示する場合がある。
＜従来の燃料電池セルの構成＞
　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。
　燃料電池セルは、薄膜化された固体電解質層を備える。燃料電池セルの発電効率を上げて低温動作を実現するためには、膜電極接合体を構成する固体電解質層を薄膜化する必要がある。それには成膜プロセスで固体電解質層を形成する薄膜プロセス型の燃料電池セルが最適である。アノード電極層、固体電解質層、カソード電極層を全て薄膜化すると、膜電極接合体の機械的強度が弱くなるが、図１のように基板支持によって機械的強度を補うことができる。
　基板には例えばシリコン、セラミック、ガラス、金属などを用いることができる。図１では、基板上に絶縁膜が形成され、絶縁膜の上に固体電解質層が形成され、固体電解質層の上に上部電極層が形成されている。さらに、基板に形成された開口部を介して、基板の下側から下部電極層が形成されている。上部電極層および下部電極層は、多孔質の材料で形成することができる。
＜実施形態１：燃料電池の構成＞
　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３は、遮蔽板を燃料電池セルの側から見た図である。燃料電池セルは遮蔽板上に搭載されている。燃料電池セルは１つでもよいが、一般には複数個が並べられる。
　図４は、遮蔽板を裏側（すなわち燃料電池セルとは反対側）から見た図である。遮蔽板には各々の燃料電池セルごとに穴（Ｈｏｌｅ）が形成されていて、燃料電池セルに燃料チャンバから燃料ガスが供給されるようになっている。
　図５は、実施形態１に係る燃料電池セル１の構成例を示す概略図である。燃料電池セル１は、図２～４に示す燃料電池セルに対応する。燃料電池セル１は、シリコン基板２（第１の基板）を備える。シリコン基板２の上側表面の一部に絶縁膜３が形成されている。絶縁膜３は例えば、シリコン酸化膜、またはシリコン窒化膜で形成することができる。シリコン基板２の中央部には、シリコン基板２が除去された開口部５０が形成されている。
　シリコン基板２の上側面上に、多孔質のサポート材料層５（第１のサポート材料層）が形成されている。多孔質のサポート材料層５のＸＹ方向周囲は絶縁膜３で囲われている。多孔質のサポート材料層５は例えば金属ニッケルで形成することができる。多孔質のサポート材料層５のＸＹ方向外縁には、後述する製造工程により、酸化ニッケル層４（第１のサポート材料層）が形成されていてもよい。
　多孔質のサポート材料層５には上側表面に複数の孔６０が形成されている。孔６０は有底孔であり、上下方向（すなわちシリコン基板２の主面に垂直な方向）に延伸するように形成されている。多孔質のサポート材料層５上には下部電極層２０が形成されている。下部電極層２０は、孔６０の底部と、孔６０の側壁部と、多孔質のサポート材料層５の片側表面とを覆うように形成される。
　下部電極層２０は、例えば白金で形成されてもよく、白金および金属酸化物からなるサーメット材料で形成されてもよい。
　下部電極層２０の上側には、固体電解質層１００が形成されている。固体電解質層１００は、たとえばイットリアをドープしたジルコニア薄膜で形成される。イットリアのドープ量は例えば３％または８％とすることができる。固体電解質層１００は開口部５０を完全に覆うように形成されていて、下部電極層２０と同様に、孔６０の底部と、孔６０の側壁部と、多孔質のサポート材料層５の片側表面とを覆うように形成されている。固体電解質層１００の膜厚は、例えば１０００ｎｍ以下とすることができる。ＹＳＺ（Ｙｔｔｒｉａ　Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ　Ｚｉｒｃｏｎｉａ）を用いると、燃料電池セル１の内部リーク電流となる電子電流やホール電流が、高温でも極めて少ないので、固体電解質層１００を１００ｎｍ以下に薄膜化することも可能である。
　下部電極層２０に配線を接続するために、図５のように下部電極層２０の一部の上側表面は固体電解質層１００が存在せず、露出している。下部電極層２０に配線を接続する際に、燃料電池セルの他の部分（多孔質のサポート材料層５など）に損傷を与えないようにするために、配線接続部は絶縁膜３の上に形成される。配線と接続した下部電極層２０は、複数の孔６０内の側壁と底部に形成した下部電極層２０と電気的に接続されている。
　固体電解質層１００の上側に上部電極層１０が形成されている。上部電極層１０は、例えば白金で形成されてもよく、白金および金属酸化物からなるサーメット材料で形成されてもよい。上部電極層１０も、下部電極層２０と同様に、孔６０の底部と、孔６０の側壁部と、多孔質のサポート材料層５の片側表面とを覆うように形成されている。
　上部電極層１０に配線を接続するために、図５の断面図の紙面右側部分のように、上部電極層１０の下層に下部電極層２０が存在しない領域を形成する。配線を接続する際の損傷で固体電解質層１００が破損した場合に、上部電極層１０と下部電極層２０との間が電気的にショートするのを防ぐためである。また、燃料電池セルの他の部分（多孔質のサポート材料層５など）に損傷を与えないようにするために、配線接続部は絶縁膜３の上方に形成すると好適である。配線と接続した上部電極層１０は、複数の孔６０内の側壁と底部に形成した上部電極層１０と電気的に接続されている。
　以上のように、薄膜プロセス型の燃料電池セル１は、下部電極層２０、固体電解質層１００、上部電極層１０で構成された積層体として、膜電極接合体を備える。膜電極接合体は、複数の孔６０において、シリコン基板２の主面に平行でない面（すなわち孔６０の側壁部）に、成膜プロセスによって形成されている。また、膜電極接合体は、複数の孔６０の底部にも形成されている。
　膜電極接合体は、複数の孔６０が形成された多孔質のサポート材料層５の上側表面（すなわち、孔６０の底部と、孔６０の側壁部と、孔６０の形成されていない部分と）を覆うように形成されている。すなわち、上部電極層１０は、複数の孔６０に形成された上部電極層１０と連続する（または、つながる）ように、シリコン基板２の主面と平行な面にも形成されている。また、下部電極層２０は、複数の孔６０に形成された下部電極層２０と連続する（または、つながる）ように、シリコン基板２の主面と平行な面にも形成されている。固体電解質層１００についても同様である。
　なお、この例では上部電極層１０および下部電極層２０の双方がシリコン基板２の主面と平行な面に形成されているが、これらのうち一方のみがシリコン基板２の主面に形成されてもよい。
　このように、孔６０の側壁部に膜電極接合体が形成されるので、シリコン基板２への投影面積当りの出力電力が大きくなる。また、膜電極接合体は、さらにシリコン基板２の主面と平行な面にも形成されるので、シリコン基板２のうち広い領域に膜電極接合体が形成される。
　膜電極接合体は、多孔質のサポート材料層５によって、孔６０の上端部および下端部を含む全体を支持されている。
　孔６０の寸法は、例えば直径を５００ナノメートルから１０マイクロメートルとすることができる。孔６０内に形成される膜電極接合体によって孔６０が完全には埋め込まれないように、孔６０の寸法および膜電極接合体の厚さを設計する必要がある。
　図６は、燃料電池セル１の一部の拡大斜視図である。燃料電池セル１の下部電極層２０側に燃料ガスを供給し、上部電極層１０側に酸化剤ガスを供給する。この場合、下部電極層２０がアノード層、上部電極層１０がカソード層となる。供給された燃料ガスは、多孔質のサポート材料層５の内部を拡散して下部電極層２０に到達する。供給された酸化剤ガスは、孔６０の内部の上部電極層１０表面まで拡散によって供給される。固体電解質層１００を介したイオン伝導により、酸化剤ガスと燃料ガスが反応することによって、燃料電池セル１は公知の燃料電池セルと同様に動作する。酸化剤ガスと燃料ガスとがガスの状態で互いに混合しないように、下部電極層２０側と上部電極層１０側の間はシールされる。
　燃料ガスと酸化剤ガスの供給については、図６とは逆に、下部電極層２０側に酸化剤ガスを供給し、上部電極層１０側に燃料ガスを供給することもできる。下部電極層２０がカソード層、上部電極層１０がアノード層となる。この場合は、供給された酸化剤ガスは多孔質のサポート材料層５の内部を拡散して下部電極層２０に到達し、供給された燃料ガスは孔６０の内部の上部電極層１０表面まで拡散によって供給される。この場合でも燃料電池セル１は同様に動作する。
＜実施形態１：燃料電池セルの製造方法＞
　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）。
　次に、酸化ニッケル層４の上側表面に、凹凸構造として、シリコン基板２の表面に垂直な方向に延伸する複数の孔６０を形成する（図１１）。このとき孔６０の底部は酸化ニッケル層４を貫通しないように形成する。孔６０の断面形状は例えば円とすることができるが、長円とすることもできるし、正方形、長方形、五角形、六角形などの多角形とすることもできる。また、孔６０の断面形状は、上下方向に一定であってもよいし、上下方向に沿って変化してもよい。
　凹凸構造（この例では孔６０）を形成する方法は当業者が適宜決定可能であるが、たとえばリソグラフィおよびドライエッチングによって形成することができる。また、凹凸構造は、Ｘ方向および／またはＹ方向に周期的に形成されると好適であるが、これに限定されない。また、凹凸構造は、すべて同一形状に形成されると好適であるが、これに限定されない。
　次に、酸化ニッケル層４と絶縁膜３の上側に下部電極層２０を成膜する（図１２）。このとき、複数の孔６０の底部および側壁部と、酸化ニッケル層４の上側表面のうち孔６０が形成されていない領域とを覆うように、下部電極層２０を成膜する。絶縁膜３の上側にも下部電極層２０を成膜するが、絶縁膜３の上側の一部には、下部電極層２０が形成されない領域を残す。後の工程で上部電極層１０と配線とを接続するための領域を作製するためである。
　下部電極層２０の成膜には、例えばＣｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ（ＣＶＤ）法またはＡｔｏｍｉｃ　Ｌａｙｅｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ（ＡＬＤ）法を用いることができる。下部電極層２０が形成されない領域を提供するための方法として、たとえば、下部電極層２０を成膜した後にリソグラフィおよびドライエッチングを用いて下部電極層２０の一部を除去することができる。または、下部電極層２０を成膜する際にメタルマスクまたはレジストマスクを用いて一部の領域をカバーすることにより、その領域に下部電極層２０が形成されないようにすることができる。
　次に、固体電解質層１００を成膜する（図１３）。このとき、下部電極層２０の成膜と同様に、複数の孔６０の底部および側壁部と、酸化ニッケル層４の上側表面のうち孔６０の形成されていない領域とを覆うように、下部電極層２０の上側に固体電解質層１００を成膜する。絶縁膜３の上方にも固体電解質層１００を成膜するが、絶縁膜３に下部電極層２０が形成されている領域の一部には、固体電解質層１００が形成されない領域を残す。後の工程で下部電極層２０と配線とを接続する領域を作製するためである。
　固体電解質層１００は例えばイットリアをドープしたジルコニア薄膜で形成することができる。イットリアのドープ量は例えば３％または８％とすることができる。固体電解質層１００の成膜には、例えばＣｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ（ＣＶＤ）法またはＡｔｏｍｉｃ　Ｌａｙｅｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ（ＡＬＤ）法を用いることができる。固体電解質層１００が形成されない領域を提供するための方法として、固体電解質層１００を成膜した後にリソグラフィとドライエッチングを用いて固体電解質層１００の一部を除去することができる。または、固体電解質層１００を成膜する際にメタルマスクまたはレジストマスクを用いて一部の領域をカバーすることにより、その領域に固体電解質層１００が形成されないようにすることができる。
　次に、上部電極層１０を成膜する（図１４）。このとき、下部電極層２０の成膜および固体電解質層１００の成膜と同様に、複数の孔６０の底部および側壁部と、酸化ニッケル層４の上側表面のうち孔６０の形成されていない領域とを覆うように、固体電解質層１００の上側に上部電極層１０を成膜する。絶縁膜３の上方にも上部電極層１０を成膜するが、絶縁膜３に下部電極層２０が形成されている領域の一部には、上部電極層１０が形成されない領域を残す。上部電極層１０と下部電極層２０とが電気的に直接接続されてショート不良が生じるのを防止するためであり、また、後の工程で下部電極層２０と配線を接続する領域を作製するためである。
　上部電極層１０は例えば、多孔質の白金で形成してもよいし、白金および金属酸化物からなるサーメット材料で形成してもよい。上部電極層１０の成膜には、例えばＣｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ（ＣＶＤ）法またはＡｔｏｍｉｃ　Ｌａｙｅｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ（ＡＬＤ）法を用いることができる。上部電極層１０が形成されない領域を提供するための方法として、上部電極層１０を成膜した後にリソグラフィとドライエッチングを用いて上部電極層１０の一部を除去することができる。または、上部電極層１０を成膜する際にメタルマスクやレジストマスクを用いて一部の領域をカバーすることにより、その領域に上部電極層１０が形成されないようにすることができる。
　このように、孔６０の表面を含む領域に、下部電極層２０と、固体電解質層１００と、上部電極層１０とが、この順に形成される。
　次に、シリコン基板２のうち酸化ニッケル層４と接触する部分の一部を下側から除去し、開口部５０を形成する（図１５）。開口部５０を形成した後に、酸化ニッケル層４を還元アニールによって多孔質化する。たとえばシリコン基板２の下側面を水素雰囲気に曝し、５００℃程度で熱処理を行う。そうすることで、酸化ニッケル層４のうち開口部５０部で露出した部分が還元されて、多孔質のサポート材料層５（たとえば多孔質の金属ニッケル層）に変化する（図１６）。この際に、酸化ニッケル層４のうちシリコン基板２でカバーされた領域の一部は、還元されずに酸化ニッケル層４のまま残る場合もある。この結果、図５の構造を作製することができる。
　このように、多孔質のサポート材料層５を形成することにより、この層を介したガスの拡散が可能となる。
＜実施形態１：第１の変形例＞
　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。
　第１の変形例では、シリコン基板２として不純物がドーピングされた導電性のシリコン基板を用いる。あるいは、シリコン基板２の代わりに、第１の基板として導電性の金属基板を用いる。これによって、下部電極層２０は、多孔質のサポート材料層５および基板２を介して、基板２の片側表面（図１７の断面図では下側表面）と電気的に接続される。なお本変形例では、多孔質のサポート材料層５は金属層に限定され、たとえば金属ニッケル層である。
　下部電極層２０と配線とは、基板の下側表面で接続できるので、基板の上側表面側に下部電極層２０と配線の接続部分を形成する必要はなくなる。その結果、基板の上側表面におけるＸＹ方向の外縁部は、全て上部電極層１０と配線との接続部とすることができる。
　下部電極層２０の外縁７０は酸化ニッケル層４上に留まり、絶縁膜３の上側表面上には、下部電極層２０が形成されない。このため、固体電解質層１００および上部電極層１０のみが形成された領域を、燃料電池セル１の外縁部全体に形成して、上部電極層１０と配線の接続部とすることができる。
＜実施形態１：第２の変形例＞
　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。
　サポート材料層６ａで多孔質のサポート材料層５を支持することにより、開口部５０の面積を大きくしても、下部電極層２０、固体電解質層１００、上部電極層１０および多孔質のサポート材料層５の構造において充分な機械的強度を確保することができる。
＜実施形態１：第３の変形例＞
　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。
　実施形態１および上記の各変形例では、多孔質のサポート材料層５に凹凸構造として複数の孔６０が形成されているが、第３の変形例では、図１９および図２０に示すように、多孔質のサポート材料層５に凹凸構造として複数の柱４０が形成される。柱４０は突起であり、たとえば柱状のパタンを形成してもよい。
　とくに、実施形態１では図１１に示すように、酸化ニッケル層４の表面に複数の孔６０が形成されたが、第３の変形例では図１９に示すように、酸化ニッケル層４の表面に凹凸構造として複数の柱４０が形成される。
　柱４０は、上下方向（すなわちシリコン基板２の主面に垂直な方向）に延伸するように形成されている。酸化ニッケル層４において、複数の柱４０の上側表面および側面と、酸化ニッケル層４のうち柱４０が形成されていない部分（底部）とに、実施形態１と同様にして膜電極接合体を形成する。この膜電極接合体は、複数の柱４０において、シリコン基板２の主面に平行でない面に、成膜プロセスによって形成されている。また、膜電極接合体は、複数の柱４０の頂部（頂面）にも形成されている。
　さらに開口部５０（図示しない）を形成した後に、酸化ニッケル層４を下側から還元アニールによって多孔質化することにより、多孔質のサポート材料層５を形成する（図２０）。柱４０の、ＸＹ平面による断面形状は、例えば円とすることができるが、楕円、正方形、長方形、五角形、六角形などとすることもできる。また、柱４０の断面形状は、上下方向に一定であってもよいし、上下方向に沿って変化してもよい。
　シリコン基板２上に形成された柱４０の外周部に形成された膜電極接合体は、実施形態１において孔６０の側壁部に形成された膜電極接合体と同様の構造を有する。
　膜電極接合体は、複数の柱４０が形成された多孔質のサポート材料層５の上側表面（すなわち、柱４０の頂部と、柱４０の外周部と、柱４０の形成されていない部分と）を覆うように形成されている。すなわち、上部電極層１０は、複数の柱４０に形成された上部電極層１０と連続する（または、つながる）ように、シリコン基板２の主面と平行な面にも形成されている。また、下部電極層２０は、複数の柱４０に形成された下部電極層２０と連続する（または、つながる）ように、シリコン基板２の主面と平行な面にも形成されている。
　なお、この例では上部電極層１０および下部電極層２０の双方がシリコン基板２の主面と平行な面に形成されているが、これらのうち一方のみがシリコン基板２の主面と平行な面に形成されてもよい。
　複数の柱４０の上端部および下端部を含む全体において、膜電極接合体は多孔質のサポート材料層５によって支持される。
　柱４０の寸法は、例えば直径を１００ナノメートルから１０マイクロメートルとすることができる。柱４０の外周に形成される膜電極接合体で隣接する柱４０の間が完全には埋め込まれないように、柱４０の寸法および膜電極接合体の厚さを設計する必要がある。
　図２０に示すように、下部電極層２０側に燃料ガスを供給し、上部電極層１０側に酸化剤ガスを供給する。下部電極層２０がアノード層、上部電極層１０がカソード層となる。供給された燃料ガスは、多孔質のサポート材料層５の内部を拡散して下部電極層２０に到達する。供給された酸化剤ガスは、上部電極層１０表面まで拡散によって供給される。このようにして、燃料電池セル１は図６の場合と同様に動作する。
　燃料ガスと酸化剤ガスの供給については、図２０とは逆に、下部電極層２０側に酸化剤ガスを供給し、上部電極層１０側に燃料ガスを供給することもできる。下部電極層２０がカソード層、上部電極層１０がアノード層となる。この場合は、供給された酸化剤ガスは多孔質のサポート材料層５の内部を拡散して下部電極層２０に到達し、供給された燃料ガスは孔６０の内部の上部電極層１０表面まで拡散によって供給される。この場合でも燃料電池セル１は同様に動作する。
　なお、実施形態１に係る孔６０と、第３の変形例に係る柱４０とは、いずれも容易に製造できる凹凸構造の例である。また、燃料電池セル１の構成によって、いずれかがより容易に製造できる場合がある。たとえば、酸化ニッケル層４またはこれに対応する層の特性として、孔を精密に形成しやすい場合には、実施形態１の構成をより効率的に製造することができる。一方、柱を精密に形成しやすい場合には、第３の変形例の構成をより効率的に製造することができる。
　または、膜電極接合体を形成する際に、孔６０の側壁および底部に形成しやすい場合には、実施形態１の構成をより効率的に製造することができる。一方、柱４０の側壁および頂部に形成しやすい場合には、第３の変形例の構成をより効率的に製造することができる。
＜実施形態１：第４の変形例＞
　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。
　多孔質のサポート材料層５のうち、複数の孔６０が形成されている部分の厚さが一定となっている。膜電極接合体の構成は実施形態１と同様である。
　図２１のように下部電極層２０側に燃料ガスを供給し、上部電極層１０側に酸化剤ガスを供給する。下部電極層２０がアノード層、上部電極層１０がカソード層となる。供給された燃料ガスは、多孔質のサポート材料層５の内部を拡散して下部電極層２０に到達する。実施形態１（図５）、第１の変形例（図１７）、第２の変形例（図１８）、および第３の変形例（図２０）と比較すると、構造は複雑になるが、多孔質のサポート材料層５の厚さが一定であるため、拡散距離も一定となり、燃料ガスの供給には有利である。供給された酸化剤ガスは上部電極層１０表面まで拡散によって供給される。このようにして、燃料電池セル１は図６の場合と同様に動作する。
　燃料ガスと酸化剤ガスの供給については、図２１とは逆に、下部電極層２０側に酸化剤ガスを供給し、上部電極層１０側に燃料ガスを供給することもできる。下部電極層２０がカソード層、上部電極層１０がアノード層となる。この場合は、供給された酸化剤ガスは多孔質のサポート材料層５の内部を拡散して下部電極層２０に到達し、供給された燃料ガスは孔６０の内部の上部電極層１０表面まで拡散によって供給される。多孔質のサポート材料層５が薄いため、拡散距離が短いので酸化剤ガスの供給には有利である。この場合でも燃料電池セル１は同様に動作する。
＜実施形態１：効果＞
　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によれば、孔または柱のアスペクト比が大きくなるにつれて、基板への投影面積当りのセル面積を大きくできる。すなわち、実施形態１によれば、少ない基板面積で発電に寄与するセル面積を大きくできるので、基板面積当りの出力電力を大きくできる。
　なお、実施形態１では、多数の孔６０を並行して形成することができ、孔６０をそれぞれ個別に形成する必要がない。このため、たとえば特許文献１および２の方法と比較して低コストで燃料電池セル１を製造することができ、出力電力あたりのコストを低減できる。
＜実施形態２＞
　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２３は、実施形態２における燃料電池セルの構成例を示す。シリコン基板２の、片面上（上側表面または下側表面）あるいは両面上（すなわち上側表面および下側表面）に、サポート材料層６（第１のサポート材料層）が形成される。また、サポート材料層６およびシリコン基板２を貫通する複数の貫通孔６１（第１の貫通孔）が形成されている。貫通孔６１は、上下方向（すなわちシリコン基板２の主面に垂直な方向）に延伸するように形成されている。
　貫通孔６１の寸法は、例えば直径（サポート材料層６に設けられる貫通孔の直径）を１０マイクロメートルとすることができる。複数の貫通孔６１の側壁は膜電極接合体を備えて構成される。この膜電極接合体は、複数の貫通孔６１において、シリコン基板２の主面に平行でない面に、成膜プロセスによって形成されている。シリコン基板２の上側表面に形成されたサポート材料層６の上側表面にも膜電極接合体が形成されている。複数の貫通孔６１の側壁の外周側には、空孔５２が形成される。
　図示されていないが、実施形態１の図５の断面図の紙面右側部分のように、上部電極層１０の下層に下部電極層２０が存在しない領域を形成してもよい。このようにすると、上部電極層１０と配線を接続する際の損傷で固体電解質層１００が破損した場合に、上部電極層１０と下部電極層２０の間で電気的なショートが生じるのを防ぐことができる。
　上部電極層１０は、複数の貫通孔６１に形成された上部電極層１０と連続する（または、つながる）ように、シリコン基板２の主面と平行な面にも形成されている。また、下部電極層２０は、複数の貫通孔６１に形成された下部電極層２０と連続する（または、つながる）ように、シリコン基板２の主面と平行な面にも形成されている。固体電解質層１００についても同様である。
　すなわち、シリコン基板２の上側表面で配線と接続された上部電極層１０は、複数の貫通孔６１の側壁に形成された上部電極層１０と連続し、電気的に接続されている。シリコン基板２の下側表面に形成されたサポート材料層６の下側表面には、下部電極層２０が形成されていて、この下部電極層２０は、複数の貫通孔６１の側壁に形成された下部電極層２０と連続している。シリコン基板２の下側表面側で配線と接続された下部電極層２０は、複数の貫通孔６１の側壁に形成された下部電極層２０と連続し、電気的に接続されている。
　なお、この例では上部電極層１０および下部電極層２０の双方がシリコン基板２の主面と平行な面に形成されているが、これらのうち一方のみがシリコン基板２の主面と平行な面に形成されてもよい。
　膜電極接合体は、複数の貫通孔６１の上端部および下端部において、サポート材料層６によって支持されている。
　このような構成において、貫通孔６１の外周側に燃料ガスが供給され、貫通孔６１の内周側に酸化剤ガスが供給される。これによって、貫通孔６１の側壁部で発電が行われ、シリコン基板２への投影面積当りの出力電力が大きくなる。
＜実施形態２：製造方法＞
　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。
　次に、溝部８以外のサポート材料層６上の電極材料層７を除去し、これによって溝部８内のみに電極材料層７が残るようにする（図２７）。電極材料層の除去には、例えば、エッチバックまたは化学的機械研磨法（ＣＭＰ法）を用いることができる。
　次に、電極材料層７が残っている領域に、シリコン基板２の表面に垂直な複数の貫通孔６１を形成する（図２８）。孔の断面形状は例えば円とすることができるが、楕円とすることもできるし、正方形、長方形、五角形、六角形などの多角形とすることもできる。
　次に、下部電極層２０を成膜する（図２９）。下部電極層２０は、シリコン基板２の上側表面のサポート材料層６の上側表面と、電極材料層７の表面と、シリコン基板２の下側表面のサポート材料層６の下側表面と、複数の貫通孔６１の側壁とに成膜される。下部電極層２０は、例えば、白金で形成してもよいし、白金と金属酸化物からなるサーメット材料で形成してもよい。下部電極層２０の成膜には、例えば、Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ（ＣＶＤ）法またはＡｔｏｍｉｃ　Ｌａｙｅｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ（ＡＬＤ）法を用いることができる。
　複数の貫通孔６１の側壁に成膜される下部電極層２０は、それぞれ、電極材料層７の表面に成膜される下部電極層２０を介して互いに連続している。
　下部電極層２０は電極材料層７と電気的に接続される。サポート材料層６の上側表面にも下部電極層２０を成膜するが、サポート材料層６の上側表面の一部には、下部電極層２０が形成されない領域を残す（図３０）。後の工程で支持基板と貼り合わせるためである。下部電極層２０の一部除去には、例えば化学的機械研磨法（ＣＭＰ法）を用いることができる。
　次に、支持基板１０２（第２の基板）を準備する（図３１）。支持基板１０２には例えばシリコンを用いることができる。このように、実施形態２に係る燃料電池セル１は支持基板１０２を備える。
　ここで、図３１～４２では、シリコン基板２の上下が反転しているので、Ｚ軸正の向きを紙面下方向とする。以下の説明でも、Ｚ軸正の向きを上方向とし、Ｚ軸負の向きを下方向とする。このため、図３１～図４２における紙面の上下方向と、本明細書における上下方向とは逆の向きとなる。
　支持基板１０２には貫通孔１６１（第２の貫通孔）が形成される。支持基板１０２の貫通孔１６１の寸法は、シリコン基板２の貫通孔６１の寸法と整合している。シリコン基板２および支持基板１０２は、貫通孔６１と貫通孔１６１との位置が整合し、これらが接続されるように貼り合わされる。
　支持基板１０２に、貫通孔１６２（第２の貫通孔）および貫通孔１６３（第２の貫通孔）を形成する。貫通孔１６２は、シリコン基板２の電極材料層７が形成されていない部分に対応する位置に形成され、貫通孔１６３は、シリコン基板２の電極材料層７が形成されている部分に対応する位置に形成される。
　支持基板１０２の上側表面および下側表面と、貫通孔１６１、１６２、１６３の側壁とには、シリコン窒化膜１０３を形成する。シリコン窒化膜１０３は絶縁膜であり、エッチングに対する保護膜として形成される。貫通孔１６２は複数個形成され、貫通孔１６３は１つ以上形成される。このように支持基板１０２を加工した後に、図３０のシリコン基板２を上下反転させて、図３１に示すように支持基板１０２と貼り合わせる。これによって、複数の貫通孔６１（またはそれらの少なくとも一部）と、複数の貫通孔１６１（またはそれらの少なくとも一部）とが接続される。
　次に、固体電解質層１００および上部電極層１０を成膜する（図３２）。このとき、固体電解質層１００および上部電極層１０は、複数の貫通孔６１の側壁部と、貫通孔１６１の側壁部と、シリコン基板２の下側表面側のサポート材料層６の下側表面とを覆うように形成される。なお、この例では上部電極層１０および下部電極層２０の双方がシリコン基板２の主面と平行な面に形成されているが、これらのうち一方のみがシリコン基板２の主面と平行な面に形成されてもよい。
　固体電解質層１００は、例えばイットリアをドープしたジルコニア薄膜で形成することができる。イットリアのドープ量は例えば３％または８％とすることができる。固体電解質層１００の成膜には、例えばＣｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ（ＣＶＤ）法またはＡｔｏｍｉｃ　Ｌａｙｅｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ（ＡＬＤ）法を用いることができる。支持基板１０２の露出面側（すなわち上側表面側）には固体電解質層１００が形成されないようにする。固体電解質層１００の膜厚は、例えば１００ナノメートルから１マイクロメートルとすることができる。
　上部電極層１０は例えば多孔質の白金で形成してもよいし、白金と金属酸化物からなるサーメット材料で形成してもよい。上部電極層１０の成膜には、例えばＣｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ（ＣＶＤ）法またはＡｔｏｍｉｃ　Ｌａｙｅｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ（ＡＬＤ）法を用いることができる。支持基板１０２の露出面側（すなわち上側表面側）には、上部電極層１０が形成されないようにする。
　このようにして、複数の貫通孔６１の内周面と、サポート材料層６の少なくとも片側の表面（本実施形態では下側表面）とにおいて、膜電極接合体が形成される。なお上述のように、この膜電極接合体は、下部電極層２０と、固体電解質層１００と、上部電極層１０とを備える積層体である。
　次に、支持基板１０２の貫通孔１６３に電極材料層１０７を形成する（図３３）。電極材料層１０７は下部電極層２０と電気的に接続される。電極材料層１０７は、下部電極層２０を配線と接続するのに用いる。
　次に、シリコン基板２上のサポート材料層６のうち、支持基板１０２の貫通孔１６２内の部分を除去し、シリコン基板２の表面を露出させる（図３４）。
　次に、シリコン基板２のうち、貫通孔１６２を介して露出する部分が除去される。たとえば、複数の貫通孔６１に形成された膜電極接合体に接触している部分が除去される。除去は、例えば水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液を用いて一部エッチングすることにより行われる。これによってシリコン基板２の内部に空孔５２が形成される（図３５）。
　これによって、シリコン基板２の内部に燃料ガスの流路が形成され、シリコン基板２への投影面積当りの出力電力が大きくなる。また、とくに貫通孔１６２を介して露出する部分を除去することにより、貫通孔１６２を燃料ガスの流路として利用することができ、製造工程が簡素になる。
　貫通孔１６２は、空孔５２が外部と連通する空孔開口部５１となる。このように、複数の貫通孔（本例では貫通孔１６１および１６２）が設けられているが、これらのうち、一部（本例では貫通孔１６１）は貫通孔６１のいずれかと接続され、他の一部（本例では貫通孔１６２）は空孔５２と接続されて空孔開口部５１となる。このような構成によって、燃料ガスおよび酸化剤ガス双方の流路を形成することができる。
　膜電極接合体は、複数の貫通孔６１の側壁に形成され、貫通孔６１の上端部（すなわち貫通孔１６１と接続している端）および下端においてサポート材料層６によって支持されている。
　下部電極層２０、固体電解質層１００、上部電極層１０は、それぞれ、シリコン基板２の下側表面を介して、複数の貫通孔６１の間で連続している。
　図３６に、図３５の状態を異なる方向の断面で示す。Ｚ－Ｘ平面と垂直なＺ－Ｙ平面による断面図が図３６であり、とくに、空孔開口部５１が存在する位置における断面図である。
　下部電極層２０側に燃料ガスを供給し、上部電極層１０側に酸化剤ガスを供給する。下部電極層２０がアノード層、上部電極層１０がカソード層となる。供給された燃料ガスは、ある空孔開口部５１から空孔５２を経て別の空孔開口部５１へと流れる。空孔５２の内部の、貫通孔６１の側壁部において、燃料ガスは下部電極層２０に供給される。
　供給された酸化剤ガスは、複数の貫通孔６１および貫通孔１６１を介して流れ、その途中で、貫通孔６１の側壁部の上部電極層１０の表面に供給される。固体電解質層１００を介したイオン伝導により、酸化剤ガスと燃料ガスが反応することによって、燃料電池セル１は公知の燃料電池セルと同様に動作する。
　燃料ガスと酸化剤ガスの供給については、図３６とは逆に、下部電極層２０側に酸化剤ガスを供給し、上部電極層１０側に燃料ガスを供給することもできる。下部電極層２０がカソード層、上部電極層１０がアノード層となる。この場合は、供給した酸化剤ガスはある空孔開口部５１から空孔５２を経て別の空孔開口部５１へと流れる。酸化剤ガスは、空孔５２の内部の、貫通孔６１の側壁部で下部電極層２０に供給される。
　供給された燃料ガスは、複数の貫通孔６１および貫通孔１６１を介して流れ、その途中で貫通孔６１の側壁部の上部電極層１０の表面に供給される。この場合でも燃料電池セル１は同様に動作する。
＜実施形態２：第１の変形例＞
　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。
＜実施形態２：第２の変形例＞
　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。
　このような構成では、複数の貫通孔６１の長さを短くすることができるので、製造を簡易に行うことができる。また、シリコン基板２の下側表面で上部電極層１０と配線を接続する際に、薄い領域（すなわち、複数の貫通孔６１の側壁に膜電極接合体が形成されている機械的に弱い部分）を避けて、シリコン基板２の厚い領域で配線を接続することができる。
＜実施形態２：第３の変形例＞
　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３９に示すように、膜電極接合体は、下部電極層２０の外周側から、多孔質のサポート材料層５（第１のサポート材料層）によって支持されている。すなわち、複数の貫通孔６１の側壁は、その外周側に、膜電極接合体を支持する多孔質のサポート材料層５を備える。
　貫通孔６１の両端をサポート材料層６で支持するのみならず、貫通孔６１の側壁部にも多孔質のサポート材料層５を形成することにより、膜電極接合体周辺の機械的強度を増すことができる。また、多孔質のサポート材料層５を用いることで、空孔５２側から燃料ガスまたは酸化剤ガスを拡散により下部電極層２０に供給できる。
＜実施形態２：第４の変形例＞
　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４０では、貫通孔６１は、シリコン基板２の下側表面側で径Ｗｔが大きく、上側表面側で径Ｗｂが小さくなるよう形成されている。このため、複数の貫通孔６１において、シリコン基板２の主面と平行な断面における開口面積は、当該貫通孔６１の一方の端部から他方の端部に向かって減少する。
　貫通孔６１に酸化剤ガスまたは燃料ガスが流れると、流路に沿って上部電極層１０で消費されるため、入口側（下側表面側）では濃度が高く、出口側（上側表面側）では濃度が低くなる。濃度が高いと膜電極接合体の発電出力がより大きくなる。また、入口側では断面積が大きいため流速が小さく、出口側では断面積が小さいため流速が大きくなる。流速が大きいと膜電極接合体の発電出力がより大きくなる。
　このように、入口側では高濃度のガスが低速で流れ、出口側では低濃度のガスが高速で流れるので、膜電極接合体の発電出力の変化が少なくとも一部相殺され、入口側と出口側での出力の不均一を抑制することができる。
　図４０では、シリコン基板２の下側表面側で貫通孔６１の断面積が大きく、上側表面側で貫通孔６１の断面積が小さくなっているが、逆に、シリコン基板２の下側表面側で貫通孔６１の断面積が小さく、上側表面側で貫通孔６１の断面積が大きくなるようにすることもできる。その場合は、酸化剤ガスまたは燃料ガスは、断面積が大きい上側表面側から流すと良い。
＜実施形態２：燃料電池モジュールの構成＞
　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。
　図４２は、遮蔽版（Ｐａｒｔｉｔｉｏｎ）と燃料電池セル１との接続方法例を示す概略図である。燃料電池モジュール内のガス流路は、燃料ガスの流路と酸化剤ガスの流路とに分離されている。
　図４１および図４２に示すように、燃料ガスの流路は、燃料入口（Ｆｕｅｌ　ｉｎｔａｋｅ）、遮蔽版内に形成される流路２５１、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）、複数の貫通孔６１、複数の貫通孔１６１、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遮蔽されている。燃料電池セル１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いる。コネクタは外部負荷（Ｅｘｔｅｒｎａｌ　ｌｏａｄ）に接続される。
＜実施形態１と実施形態２との比較＞
　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。
＜他の変形例＞
　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。
　たとえば、燃料電池モジュールは、図５に示す複数の孔６０が形成される領域と、図２０に示す複数の柱４０が形成される領域と、図２３に示す複数の貫通孔６１が形成される領域とのうち複数またはすべてを備えてもよい。
　１…燃料電池セル
　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)

  1. 　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
    ことを特徴とする燃料電池セル。
  2. 　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。
  3. 　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。
  4. 　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。
  5. 　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。
  6. 　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。
  7. 　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。
  8. 　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。
  9. 　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。
  10. 　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。
  11. 　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。
  12. 　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燃料電池セルの製造方法。
  13. 　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。
  14. 　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。
  15. 　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。
PCT/JP2020/019145 2020-05-13 2020-05-13 燃料電池セルおよびその製造方法 WO2021229729A1 (ja)

Priority Applications (6)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202080099981.3A CN115516676A (zh) 2020-05-13 2020-05-13 燃料电池单体以及其制造方法
US17/921,019 US20230127271A1 (en) 2020-05-13 2020-05-13 Fuel Cell and Method for Producing Same
JP2022522416A JP7383137B2 (ja) 2020-05-13 2020-05-13 燃料電池セルおよびその製造方法
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
KR1020227036535A KR20220158019A (ko) 2020-05-13 2020-05-13 연료 전지 셀 및 그 제조 방법
TW110112855A TWI769778B (zh) 2020-05-13 2021-04-09 燃料電池胞及其製造方法

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 (1)

Publication Number Publication Date
WO2021229729A1 true WO2021229729A1 (ja) 2021-11-18

Family

ID=78525483

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
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

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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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
CN107078328B (zh) * 2014-11-18 2021-05-04 株式会社Lg化学 用于制造固体氧化物燃料电池的方法
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

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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
TWI769778B (zh) 2022-07-01
JPWO2021229729A1 (ja) 2021-11-18
JP7383137B2 (ja) 2023-11-17
US20230127271A1 (en) 2023-04-27
TW202143539A (zh) 2021-11-16
KR20220158019A (ko) 2022-11-29
CN115516676A (zh) 2022-12-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6969565B2 (en) Solid oxide fuel cell stack and method of manufacturing the same
US8445157B2 (en) Fuel cell stack components
KR101227344B1 (ko) 집적된 마이크로 연료 셀 장치
JP2001273914A (ja) 電気化学装置および集積電気化学装置
US11742510B2 (en) Cell stack device, module, and module housing device
KR20180059518A (ko) 인터커넥터-전기 화학 반응 단셀 복합체, 전기 화학 반응 셀 스택 및 인터커넥터-전기 화학 반응 단셀 복합체의 제조 방법
WO2021229729A1 (ja) 燃料電池セルおよびその製造方法
WO2006090464A1 (ja) 固体高分子型燃料電池及び製造方法
TWI742877B (zh) 燃料電池胞、燃料電池系統、燃料電池胞製造方法
JP6835768B2 (ja) 電気化学反応単位および電気化学反応セルスタック
JP7368402B2 (ja) 電気化学反応単セルおよび電気化学反応セルスタック
WO2021090424A1 (ja) 燃料電池セル、燃料電池セル製造方法
US20230327164A1 (en) Fuel cell and fuel cell stack
JP2002352832A (ja) 燃料電池用セル板、その製造方法および燃料電池スタック
TWI744041B (zh) 燃料電池胞、燃料電池胞製造方法
US20230327141A1 (en) Electrochemical device and manufacturing method thereof
US20230369628A1 (en) Fuel Cell Stack
US20240120520A1 (en) Fuel battery cell and manufacturing method therefor
JP7096644B2 (ja) 電気化学反応単位および電気化学反応セルスタック
JP7096642B2 (ja) 電気化学反応単位および電気化学反応セルスタック
JP6675234B2 (ja) 電気化学反応単位および電気化学反応セルスタック
JP2022111457A (ja) 電気化学反応セルスタックおよび電気化学反応セルスタックの製造方法
KR20190111092A (ko) 전기 화학 반응 단위, 전기 화학 반응 셀 스택, 및, 전기 화학 반응 단위의 제조 방법
JP2002289221A (ja) 燃料電池用セル板、その製造方法および固体電解質型燃料電池
JP2006108036A (ja) 燃料電池スタック

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 20935345

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

DPE2 Request for preliminary examination filed before expiration of 19th month from priority date (pct application filed from 20040101)
ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2022522416

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 20227036535

Country of ref document: KR

Kind code of ref document: A

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 20935345

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1