JP5124992B2

JP5124992B2 - Method for manufacturing stack structure of solid oxide fuel cell

Info

Publication number: JP5124992B2
Application number: JP2006152906A
Authority: JP
Inventors: 邦聡芳片; 宏年坂元; 和史小谷
Original assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Current assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Priority date: 2006-05-31
Filing date: 2006-05-31
Publication date: 2013-01-23
Anticipated expiration: 2026-05-31
Also published as: JP2007323956A

Description

本発明は、燃料ガス及び酸化剤ガスの混合ガスにより発電を行う固体酸化物形燃料電池のスタック構造の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a stack structure of a solid oxide fuel cell that generates power using a mixed gas of a fuel gas and an oxidant gas.

近年、燃料ガス及び酸化剤ガスを混合して供給することでセパレータやガスシール材を必要とせず、ガス供給ラインの簡略化ができ、簡単なシステム構造を実現できる単室型ＳＯＦＣが提案されている。この単室型ＳＯＦＣで採用される燃料電池としては、燃料極と空気極の２つの電極が、燃料ガスと酸化剤ガスとの混合ガスにさらされながらも、ガス選択性を持ち、それらの間に電圧が発生する特徴がある。 In recent years, a single-chamber SOFC has been proposed in which a gas supply line can be simplified and a simple system structure can be realized by mixing and supplying fuel gas and oxidant gas without requiring a separator or a gas seal material. Yes. The fuel cell employed in this single-chamber SOFC has two electrodes, a fuel electrode and an air electrode, which are exposed to a mixed gas of fuel gas and oxidant gas, and have gas selectivity between them. Is characterized by the generation of voltage.

例えば、特許文献１には、次のような単室型の燃料電池が記載されている。この電池では、板状電解質の両面それぞれに燃料極と空気極を形成した単セルを複数枚積層することで直列に接続し、これを容器に収容している。そして、燃料極及び空気極には、ガスが通過する流路が形成されるとともに、電解質には、一方の電極の流路を通過してきたガスを他方の電極の流路へと流すための貫通孔がその周縁部に形成されている。そして、容器の一端部に形成された供給口から供給された混合ガスは、複数の単セルを通過して、容器の他端部に形成された排出口から排出される。その過程において、混合ガスは、一方の電極の流路から電極内に進入し、電解質の貫通孔を介して他方の電極の流路へ流れることで、両電極と接触し発電を行う。
特許第３５３０８３４号公報 For example, Patent Document 1 describes the following single-chamber fuel cell. In this battery, a plurality of unit cells each having a fuel electrode and an air electrode formed on both sides of the plate electrolyte are connected in series and accommodated in a container. The fuel electrode and the air electrode are formed with a flow path through which gas passes, and the electrolyte is penetrated to flow the gas that has passed through the flow path of one electrode to the flow path of the other electrode. A hole is formed in the peripheral edge. And the mixed gas supplied from the supply port formed in the one end part of the container passes through the plurality of single cells and is discharged from the discharge port formed in the other end part of the container. In the process, the mixed gas enters the electrode from the flow path of one electrode and flows into the flow path of the other electrode through the through hole of the electrolyte, thereby generating power in contact with both electrodes.
Japanese Patent No. 3530834

しかしながら、上記電池では、電解質の周縁部にのみ貫通孔が形成されているため、一方の電極から他方の電極へと流れるガスの量が制限され、ガスの流動性が小さくなるという問題がある。そのため、ガスの拡散性が小さく、得られる出力も大きくないという問題がある。 However, in the battery, since the through-hole is formed only in the peripheral edge portion of the electrolyte, there is a problem that the amount of gas flowing from one electrode to the other electrode is limited, and the gas fluidity is reduced. Therefore, there is a problem that gas diffusibility is small and the output obtained is not large.

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、複数の単セルを積層した構造において、簡易な構成でガスの拡散性を向上することが可能な固体酸化物形燃料電池のスタック構造の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problem, and in a structure in which a plurality of single cells are stacked, a stack of a solid oxide fuel cell capable of improving gas diffusibility with a simple configuration. An object is to provide a method of manufacturing a structure .

本発明に係る固体酸化物形燃料電池のスタック構造の製造方法は、上記問題を解決するためになされたものであり、導電性及び多孔質性を有する基板上に、少なくとも１個の第１の貫通孔を有する燃料極または空気極のいずれか一方を薄膜状に形成する第１工程と、前記一方の電極上に、前記第１の貫通孔と一致する第２の貫通孔を有する電解質を薄膜状に形成する第２工程と、前記電解質上に、前記第１及び第２の貫通孔と一致する第３の貫通孔を有する他方の電極を薄膜状に形成する第３工程と、前記第１から第３工程を経て製造された固体酸化物形燃料電池を複数個準備する第４工程と、前記他方の電極と基板とが対向するように、前記複数の固体酸化物形燃料電池を積層し、圧着する第５工程と、最も上部に配置された固体酸化物形燃料電池の他方の電極上に前記基板を圧着する第６工程とを備えている。 A manufacturing method of a stack structure of a solid oxide fuel cell according to the present invention is made to solve the above-described problem. At least one first structure is provided on a substrate having conductivity and porosity. A first step of forming either a fuel electrode or an air electrode having a through hole in a thin film shape, and a thin film of an electrolyte having a second through hole coinciding with the first through hole on the one electrode A second step of forming a thin film on the electrolyte, a third step of forming the other electrode having a third through hole that coincides with the first and second through holes on the electrolyte, and the first step And a fourth step of preparing a plurality of solid oxide fuel cells manufactured through the third step, and stacking the plurality of solid oxide fuel cells so that the other electrode and the substrate face each other. The fifth step of crimping, and the solid oxide form placed at the top And a sixth step of bonding the substrate on the other electrode of the charge battery.

この構成によれば、単セルを薄膜状に形成し、これに貫通孔を形成していること、及び多孔質性の基板を用いているので、スタック化された燃料電池全体に、十分にガスを拡散させることができ、その結果、高い出力を得ることができる。また、貫通孔は、電解質、燃料極及び空気極を形成するのと同時に形成するので、製造が簡素化することができる。例えば、これらを、パターン印刷によって形成すると、貫通孔も簡単に形成することができる。 According to this configuration, since the single cell is formed in a thin film shape, the through-hole is formed in the single cell, and the porous substrate is used, the gas is sufficiently supplied to the entire stacked fuel cell. As a result, high output can be obtained. Moreover, since the through hole is formed simultaneously with the formation of the electrolyte, the fuel electrode, and the air electrode, manufacturing can be simplified. For example, if these are formed by pattern printing, the through holes can be easily formed.

本発明によれば、複数の単セルを積層した構造において、簡易な構成でガスの拡散性を向上することが可能となる。 According to the present invention, in a structure in which a plurality of single cells are stacked, gas diffusibility can be improved with a simple configuration.

以下、本発明に係る固体酸化物形燃料電池のスタック構造の一実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１は本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池のスタック構造の断面図、図２は、図１のＡ−Ａ線断面図である。 Hereinafter, an embodiment of a stack structure of a solid oxide fuel cell according to the present invention will be described with reference to the drawings. 1 is a cross-sectional view of a stack structure of a solid oxide fuel cell according to the present embodiment, and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA of FIG.

図１に示すように、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池のスタック構造は、４個の基板１と、これら基板１の間に配置される３個の単セル２とを備えている。そして、これら単セル２、及び基板１はケーシング４に収容されている。各単セル２は、矩形の薄膜状の電解質２１の両面それぞれに薄膜状の燃料極２２及び空気極２３を形成することで構成されており、空気極２３が図１の上方を向くように同じ向きに配置されている。また、図２に示すように、各単セル１には、燃料極２２及び空気極２３に開口を有する貫通孔２４が複数個形成されている。 As shown in FIG. 1, the stack structure of the solid oxide fuel cell according to this embodiment includes four substrates 1 and three single cells 2 arranged between these substrates 1. . The single cell 2 and the substrate 1 are accommodated in a casing 4 . Each single cell 2 is configured by forming a thin film fuel electrode 22 and an air electrode 23 on both surfaces of a rectangular thin film electrolyte 21, respectively, so that the air electrode 23 faces upward in FIG. It is arranged in the direction. As shown in FIG. 2, each unit cell 1 is formed with a plurality of through holes 24 having openings in the fuel electrode 22 and the air electrode 23.

基板１は、導電性及び多孔質性を有し、各単セル２とほぼ同じ面積を有する矩形のシート状に形成されている。そして、各基板１が導電性を有することから、３つの単セル２は電気的に直列に接続されている。 The substrate 1 is conductive and porous, and is formed in a rectangular sheet shape having substantially the same area as each single cell 2. And since each board | substrate 1 has electroconductivity, the three single cells 2 are electrically connected in series.

ケーシング４は、上述のように積層構造にある基板１及び単セル２をほぼ隙間なく収容しており、積層方向の両端に、ガスの供給口４１及び排出口４２がそれぞれ形成されている。すなわち、複数の単セル２の両端（図１の上下）に配置されている基板１が供給口４１及び排出口４２を介して外部を臨むようになっている。したがって、供給口４１から流入した混合ガスは、まず基板１に供給される。また、両端に配置されている基板１には、供給口４１及び排出口４２を介して導線（図示省略）が接続されている。 As described above, the casing 4 accommodates the substrate 1 and the single cell 2 in a laminated structure with almost no gap, and gas supply ports 41 and discharge ports 42 are formed at both ends in the stacking direction. That is, the substrates 1 arranged at both ends (upper and lower sides in FIG. 1) of the plurality of single cells 2 face the outside through the supply port 41 and the discharge port 42. Therefore, the mixed gas flowing from the supply port 41 is first supplied to the substrate 1. Conductive wires (not shown) are connected to the substrates 1 disposed at both ends via a supply port 41 and a discharge port 42.

次に、上記燃料電池を構成する材料について説明する。電解質２１の材料としては、固体酸化物形燃料電池の電解質として公知のものを使用することができ、例えば、サマリウムやガドリニウム等をドープしたセリア系酸化物、ストロンチウムやマグネシウムをドープしたランタン・ガレード系酸化物、スカンジウムやイットリウムを含むジルコニア系酸化物などの酸素イオン伝導性セラミックス材料を用いることができる。 Next, materials constituting the fuel cell will be described. As the material of the electrolyte 21, those known as electrolytes for solid oxide fuel cells can be used. For example, ceria-based oxides doped with samarium, gadolinium, etc., lanthanum garade-based doped with strontium or magnesium Oxygen ion conductive ceramic materials such as oxides, zirconia-based oxides containing scandium and yttrium can be used.

燃料極２２及び空気極２３は、セラミックス粉末材料により形成することができる。このとき用いられる粉末の平均粒径は、好ましくは１０ｎｍ〜１００μｍであり、さらに好ましくは５０ｎｍ〜５０μｍであり、特に好ましくは１００ｎｍ〜１０μｍである。なお、平均粒径は、例えば、ＪＩＳＺ８９０１にしたがって計測することができる。 The fuel electrode 22 and the air electrode 23 can be formed of a ceramic powder material. The average particle size of the powder used at this time is preferably 10 nm to 100 μm, more preferably 50 nm to 50 μm, and particularly preferably 100 nm to 10 μm. In addition, an average particle diameter can be measured according to JISZ8901, for example.

燃料極２２は、例えば、金属触媒と酸化物イオン導電体からなるセラミックス粉末材料との混合物を用いることができる。このとき用いられる金属触媒としては、ニッケル、鉄、コバルトや、貴金属（白金、ルテニウム、パラジウム等）等の還元性雰囲気中で安定で、水素酸化活性を有する材料を用いることができる。また、酸化物イオン導電体としては、蛍石型構造又はペロブスカイト型構造を有するものを好ましく用いることができる。蛍石型構造を有するものとしては、例えばサマリウムやガドリニウム等をドープしたセリア系酸化物、スカンジウムやイットリウムを含むジルコニア系酸化物などを挙げることができる。また、ペロブスカイト型構造を有するものとしてはストロンチウムやマグネシウムをドープしたランタン・ガレード系酸化物を挙げることができる。上記材料の中では、酸化物イオン導電体とニッケルとの混合物で、燃料極２２を形成することが好ましい。なお、酸化物イオン導電体からなるセラミックス材料とニッケルとの混合形態は、物理的な混合形態であってもよいし、ニッケルへの粉末修飾またはセラミックス材料へのニッケル修飾などの形態であってもよい。また、上述したセラミックス材料は、１種類を単独で、或いは２種類以上を混合して使用することができる。また、燃料極２２は、金属触媒を単体で用いて構成することもできる。 As the fuel electrode 22, for example, a mixture of a metal catalyst and a ceramic powder material made of an oxide ion conductor can be used. As the metal catalyst used at this time, a material that is stable in a reducing atmosphere such as nickel, iron, cobalt, or a noble metal (platinum, ruthenium, palladium, etc.) and has hydrogen oxidation activity can be used. In addition, as the oxide ion conductor, one having a fluorite structure or a perovskite structure can be preferably used. Examples of those having a fluorite structure include ceria-based oxides doped with samarium, gadolinium, and the like, and zirconia-based oxides containing scandium and yttrium. In addition, examples of those having a perovskite structure include lanthanum galide oxides doped with strontium and magnesium. Among the above materials, the fuel electrode 22 is preferably formed of a mixture of an oxide ion conductor and nickel. The mixed form of the ceramic material made of the oxide ion conductor and nickel may be a physical mixed form, or may be a powder modification to nickel or a nickel modification to ceramic material. Good. Moreover, the ceramic material mentioned above can be used individually by 1 type or in mixture of 2 or more types. Further, the fuel electrode 22 can also be configured using a metal catalyst alone.

空気極２３を形成するセラミックス粉末材料としては、例えば、ペロブスカイト型構造等を有するＣｏ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｒ又はＭｎ等からなる金属酸化物を用いることができる。具体的には（Ｓｍ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３，（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ_３，（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３，（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｆｅ，Ｃｏ）Ｏ_３，（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ）Ｏ_３などの酸化物が挙げられ、好ましくは、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｆｅ，Ｃｏ）Ｏ_３である。上述したセラミックス材料は、１種を単独で、或いは２種以上を混合して使用することができる。 As the ceramic powder material forming the air electrode 23, for example, a metal oxide made of Co, Fe, Ni, Cr, Mn or the like having a perovskite structure or the like can be used. Specifically, (Sm, Sr) CoO ₃ , (La, Sr) MnO ₃ , (La, Sr) CoO ₃ , (La, Sr) (Fe, Co) O ₃ , (La, Sr) (Fe, Co , Ni) O _{3 and the} like, and (La, Sr) (Fe, Co) O ₃ is preferable. The ceramic material mentioned above can be used individually by 1 type or in mixture of 2 or more types.

上記燃料極２２、及び空気極２３は、上述した材料を主成分として、さらにバインダー樹脂、有機溶媒などが適量加えられることにより形成される。より詳細には、上記主成分とバインダー樹脂との混合において、上記主成分が５０〜９５重量％となるように、バインダー樹脂等を加えることが好ましい。 The fuel electrode 22 and the air electrode 23 are formed by adding appropriate amounts of a binder resin, an organic solvent, and the like, with the above-described materials as main components. More specifically, it is preferable to add a binder resin or the like so that the main component is 50 to 95% by weight in the mixing of the main component and the binder resin.

燃料極２２、空気極２３の形成方法としては、例えば印刷法を用いることができ、具体的には、スクリーン印刷法やナイフコ−ト法、ドクターブレード法、スプレーコート等の印刷方法を用いることができる。これ以外にも、燃料極２２、空気極２３を、転写シート上に塗布しておき（いわゆるグリーン体）、これらを転写することによって電極を形成することもできる。また、電解質２１は、上記電極の形成方法を使用でき、また真空法、溶射法等によって形成することができる。 As a method for forming the fuel electrode 22 and the air electrode 23, for example, a printing method can be used. Specifically, a printing method such as a screen printing method, a knife coating method, a doctor blade method, or a spray coating method can be used. it can. In addition, the electrode can be formed by applying the fuel electrode 22 and the air electrode 23 on a transfer sheet (so-called green body) and transferring them. Further, the electrolyte 21 can be formed by the above-described electrode forming method, and can be formed by a vacuum method, a thermal spraying method, or the like.

基板１は、電子伝導性を有するが、イオン伝導性が無視できる程度に小さいことが好ましい。また、熱力学的に安定な材料で構成されていることが好ましい。導電率については、燃料電池の運転温度において、２Ｓ・ｃｍ^−１以上であることが好ましい。このような要求を満たすとともに、各層は次のように構成することができる。また、基板１の気孔率は、ガス透過性及び強度を考慮すると、１０〜８０％の範囲にあることが好ましく、３０〜７０％の範囲にあることがさらに好ましい。また、ガスの拡散の観点から厚みは、０．１〜３ｍｍであることが好ましく、０．２〜１ｍｍであることがさらに好ましい。このような要求を満たすため、基板１を構成する材料は、Ｐｔ，Ａｕ，Ａｇ，Ｎｉ，Ｃｕ，ＳＵＳ等の導電性金属、或いは金属系材料，又はＬａ（Ｃｒ，Ｍｇ）Ｏ_３，（Ｌａ，Ｃａ）ＣｒＯ_３，（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｒＯ_３などのランタン・クロマイト系等の導電性セラミックス材料によって形成することができ、これらのうちの１種を単独で使用してもよいし、２種以上を混合して使用してもよい。 The substrate 1 has electronic conductivity, but it is preferable that the ion conductivity is small enough to be ignored. Moreover, it is preferable to be comprised with the thermodynamically stable material. The conductivity is preferably 2 S · cm ⁻¹ or more at the operating temperature of the fuel cell. While satisfying such requirements, each layer can be configured as follows. The porosity of the substrate 1 is preferably in the range of 10 to 80% and more preferably in the range of 30 to 70% in consideration of gas permeability and strength. From the viewpoint of gas diffusion, the thickness is preferably 0.1 to 3 mm, and more preferably 0.2 to 1 mm. In order to satisfy such a requirement, the material constituting the substrate 1 is a conductive metal such as Pt, Au, Ag, Ni, Cu, SUS, or a metal material, or La (Cr, Mg) O ₃ , (La , Ca) CrO ₃ , (La, Sr) CrO ₃ and other conductive ceramic materials such as lanthanum and chromite, and one of these may be used alone or two You may mix and use the above.

ケーシング４は、絶縁性材料が用いられ、例えば、石英ガラスやバイコールガラスなど一般的な耐熱性ガラスやアルミナ、シリコン窒化物、シリコン炭化物などのセラミックス板を使用することができる。 The casing 4 is made of an insulating material. For example, a general heat-resistant glass such as quartz glass or Vycor glass, or a ceramic plate such as alumina, silicon nitride, or silicon carbide can be used.

次に、上記燃料電池のスタック構造の製造方法について図３及び図４を参照しつつ説明する。図３及び図４は、本実施形態に係るスタック構造の製造工程を示す図である。 Next, a method for manufacturing the fuel cell stack structure will be described with reference to FIGS. 3 and 4 are diagrams showing a manufacturing process of the stack structure according to the present embodiment.

まず、基板１と単セル２からなる燃料電池の製造方法について説明する。はじめに、上述した燃料極２２、及び空気極２３用の粉末材料を主成分として、これらそれぞれにバインダー樹脂、有機溶媒などを適量加えて混練し、燃料極ペースト、空気極ペーストをそれぞれ作製する。各ペーストの粘度は、次に説明するスクリーン印刷法に適合するように、１０^３〜１０^６ｍＰａ・ｓ程度であることが好ましい。また、電解質２１については、材料をプレス加工で成形し、焼結した焼結体をターゲットとしてスパッタリングした方法に適合するように、上述した電解質材料を調整しておく。 First, a method for manufacturing a fuel cell including the substrate 1 and the single cell 2 will be described. First, the above-described powder materials for the fuel electrode 22 and the air electrode 23 are used as main components, and an appropriate amount of a binder resin, an organic solvent, and the like are added and kneaded to prepare a fuel electrode paste and an air electrode paste, respectively. The viscosity of each paste is preferably about 10 ³ to 10 ⁶ mPa · s so as to be compatible with the screen printing method described below. For the electrolyte 21, the above-described electrolyte material is adjusted so as to be compatible with a method in which the material is formed by press working and sputtered using a sintered sintered body as a target.

次に、図３（ａ）に示すように、基板１上に燃料極ペーストをスクリーン印刷により塗布する。このとき、燃料極２２に貫通孔２２１（第１の貫通孔）が形成されるように、パターン印刷を行う。その後、所定の時間及び温度で乾燥・焼結し、燃料極２２を形成する。 Next, as shown in FIG. 3A, the fuel electrode paste is applied on the substrate 1 by screen printing. At this time, pattern printing is performed so that the through hole 221 (first through hole) is formed in the fuel electrode 22. Thereafter, the fuel electrode 22 is formed by drying and sintering at a predetermined time and temperature.

続いて、材料をプレス加工で成形し、焼結した焼結体をターゲットとしてスパッタリングした方法により、燃料極２２上に電解質材料を塗布する（図３（ｂ））。このとき、電解質材料は、燃料極２２の貫通孔２２１と同じ位置に同じ大きさの貫通孔２１１（第２の貫通孔）が形成されるように、塗布する。このような貫通孔２１１を形成するには、例えば、燃料極２２の貫通孔２２１にマスクを施した上で、電解質材料を成膜すればよい。これに続いて、空気極ペーストをスクリーン印刷により塗布する。すなわち、上記貫通孔２２１，２１１と一致するような貫通孔２３１（第３の貫通孔）が形成されるように、空気極ペーストをパターン印刷する（図３（ｃ））。その後、所定の時間及び温度で乾燥・焼結し、空気極２３を形成する。こうして、単体の燃料電池Ｆが完成する。 Subsequently, an electrolyte material is applied onto the fuel electrode 22 by a method in which the material is formed by press working and sputtered using a sintered sintered body as a target (FIG. 3B). At this time, the electrolyte material is applied so that a through hole 211 (second through hole) of the same size is formed at the same position as the through hole 221 of the fuel electrode 22. In order to form such a through hole 211, for example, a mask may be applied to the through hole 221 of the fuel electrode 22 and then an electrolyte material may be deposited. Following this, an air electrode paste is applied by screen printing. That is, the air electrode paste is pattern-printed so that the through holes 231 (third through holes) that coincide with the through holes 221 and 211 are formed (FIG. 3C). Thereafter, drying and sintering are performed at a predetermined time and temperature to form the air electrode 23. Thus, a single fuel cell F is completed.

次に、上記工程を経て製造された３個の燃料電池Ｆと、１枚の基板１と準備する。そして、図４（ａ）に示すように、３個の燃料電池Ｆを、空気極２３と基板１とが対向するように積層し、圧着する。続いて、図４（ｂ）に示すように、最も上部に配置された燃料電池の空気極２３上に基板１を圧着する。こうして、燃料電池のスタック化が完了する。これに続いて、スタック化された燃料電池をケーシング４に収容すると、図１に示すスタック構造が完成する。 Next, three fuel cells F manufactured through the above steps and one substrate 1 are prepared. Then, as shown in FIG. 4A, the three fuel cells F are stacked and pressure-bonded so that the air electrode 23 and the substrate 1 face each other. Subsequently, as shown in FIG. 4B, the substrate 1 is pressure-bonded onto the air electrode 23 of the fuel cell disposed at the uppermost position. Thus, stacking of fuel cells is completed. Subsequently, when the stacked fuel cells are accommodated in the casing 4, the stack structure shown in FIG. 1 is completed.

上記のように構成された燃料電池のスタック構造は、次のように発電が行われる。まず、図１に示すように、ケーシング４の供給口４１に、水素、又はメタン、エタンなどの炭化水素からなる燃料ガスと空気等の酸化剤ガスとの混合ガスＧを高温の状態（例えば、４００〜１０００℃）で供給する。混合ガスＧは、最上部にある基板１内で拡散しつつ、上側の単セル１の空気極２３に接触する。ここで、混合ガスＧは、多孔質の空気極２３内で拡散しつつ、貫通孔２４を介して燃料極２２側へ流出する。電解質２１は緻密であるが燃料極２２は多孔質であるため、混合ガスＧはこの電極２２内で拡散しつつ、燃料電池Ｆ同士を接続する基板１内に流入する。基板１内においても、混合ガスＧは、面方向に拡散しながら、下側の単セル１の空気極２３内に進入するとともに、貫通孔２４を介して燃料極２３側へ流出する。このように混合ガスは、複数の単セル２及び基板１内で拡散した後、最終的に排出口４２を介してケーシング４外部へと流れ出す。この過程において、燃料極２２及び空気極２３がそれぞれ混合ガスＧと接触するため、各単セル１における燃料極２２と空気極２３との間で、電解質２１を介した酸素イオン伝導が起こり、発電が行われる。 The fuel cell stack structure configured as described above generates power as follows. First, as shown in FIG. 1, a mixed gas G of hydrogen or a fuel gas composed of hydrocarbons such as methane and ethane and an oxidant gas such as air is supplied to a supply port 41 of the casing 4 at a high temperature (for example, 400-1000 ° C). The mixed gas G contacts the air electrode 23 of the upper unit cell 1 while diffusing in the uppermost substrate 1. Here, the mixed gas G flows out to the fuel electrode 22 side through the through hole 24 while diffusing in the porous air electrode 23. Since the electrolyte 21 is dense but the fuel electrode 22 is porous, the mixed gas G flows into the substrate 1 connecting the fuel cells F while diffusing in the electrode 22. Also in the substrate 1, the mixed gas G enters the air electrode 23 of the lower unit cell 1 while diffusing in the surface direction, and flows out to the fuel electrode 23 side through the through hole 24. As described above, the mixed gas diffuses in the plurality of single cells 2 and the substrate 1, and finally flows out of the casing 4 through the discharge port 42. In this process, since the fuel electrode 22 and the air electrode 23 are in contact with the mixed gas G, oxygen ion conduction through the electrolyte 21 occurs between the fuel electrode 22 and the air electrode 23 in each unit cell 1, thereby generating power. Is done.

以上のように、この実施形態によれば、単セル２に複数個の貫通孔２４が形成されているため、単セル２の一方面から他方面へのガスの流通をスムーズに行うことができる。特に、本実施形態では、単セル２が薄膜状であるので、貫通孔２４の長さを短くすることができる。したがって、ガスの流通をより効率的に行うことができる。また、単セル２間に配置された基板１が多孔質であるため、ガスが拡散しやすく、これに接触する各単セル２の電極２２，２４へガスを十分に供給することが可能になる。したがって、複数の単セル２をスタックした場合に、各単セル２へガスの供給を十分に行うことができ、高い出力を得ることができる。 As described above, according to this embodiment, since the plurality of through holes 24 are formed in the single cell 2, the gas can be smoothly distributed from one surface of the single cell 2 to the other surface. . In particular, in this embodiment, since the single cell 2 is a thin film, the length of the through-hole 24 can be shortened. Therefore, the gas can be circulated more efficiently. Further, since the substrate 1 disposed between the single cells 2 is porous, the gas is easily diffused, and the gas can be sufficiently supplied to the electrodes 22 and 24 of the single cells 2 that are in contact with the substrate 1. . Therefore, when a plurality of single cells 2 are stacked, gas can be sufficiently supplied to each single cell 2 and a high output can be obtained.

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて、種々の変更が可能である。例えば、上記実施形態では、電解質２１をスパッタリングによって形成しているが、これに限定されるものではなく、燃料極及び空気極の焼結温度よりも低い温度で、形成できる方法であれば、特には限定されない。例えば、スクリーン印刷、ＣＶＤ，溶射法、スピンコート法などを適用することもできる。 As mentioned above, although one Embodiment of this invention was described, this invention is not limited to this, A various change is possible unless it deviates from the meaning. For example, in the above embodiment, the electrolyte 21 is formed by sputtering. However, the present invention is not limited to this, and any method can be used as long as it can be formed at a temperature lower than the sintering temperature of the fuel electrode and the air electrode. Is not limited. For example, screen printing, CVD, thermal spraying, spin coating, etc. can be applied.

また、単セル２及び基板１の数は、上述したものに限定されず、その数は所望の出力に応じて適宜決定することができる。また、貫通孔２４の数も、少なくとも１個あればよく、必要に応じて、その数を増減させればよい。 Moreover, the number of the single cells 2 and the substrates 1 is not limited to that described above, and the number can be appropriately determined according to a desired output. Moreover, the number of the through-holes 24 should just be at least one, and the number should just be increased / decreased as needed.

本発明に係る固体酸化物形燃料電池のスタック構造の一実施形態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows one Embodiment of the stack structure of the solid oxide fuel cell which concerns on this invention. 図１のＡ−Ａ線断面図である。It is the sectional view on the AA line of FIG. 図１のスタック構造の製造工程を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing process of the stack structure of FIG. 図１のスタック構造の製造工程を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing process of the stack structure of FIG.

符号の説明Explanation of symbols

１基板
２１電解質
２１１貫通孔（第１の貫通孔）
２２燃料極
２２１貫通孔（第２の貫通孔）
２３空気極
２３１貫通孔（第３の貫通孔）
２４貫通孔
４ケーシング
４１供給口
４２排出口 1 Substrate 21 Electrolyte 211 Through Hole (First Through Hole)
22 Fuel electrode 221 Through hole (second through hole)
23 Air electrode 231 Through hole (third through hole)
24 Through-hole 4 Casing 41 Supply port 42 Discharge port

Claims

導電性及び多孔質性を有する基板上に、少なくとも１個の第１の貫通孔を有する燃料極または空気極のいずれか一方を薄膜状に形成する第１工程と、
前記一方の電極上に、前記第１の貫通孔と一致する第２の貫通孔を有する電解質を薄膜状に形成する第２工程と、
前記電解質上に、前記第１及び第２の貫通孔と一致する第３の貫通孔を有する他方の電極を薄膜状に形成する第３工程と、
前記第１から第３工程を経て製造された固体酸化物形燃料電池を複数個準備する第４工程と、
前記他方の電極と基板とが対向するように、前記複数の固体酸化物形燃料電池を積層し、圧着する第５工程と、
最も上部に配置された固体酸化物形燃料電池の他方の電極上に前記基板を圧着する第６工程と
を備えている固体酸化物形燃料電池のスタック構造の製造方法。 A first step of forming either a fuel electrode or an air electrode having at least one first through-hole in a thin film shape on a conductive and porous substrate;
A second step of forming, on the one electrode, an electrolyte having a second through hole coinciding with the first through hole in a thin film;
A third step of forming, on the electrolyte, the other electrode having a third through hole coinciding with the first and second through holes in a thin film shape;
A fourth step of preparing a plurality of solid oxide fuel cells manufactured through the first to third steps;
A fifth step of laminating and pressure-bonding the plurality of solid oxide fuel cells so that the other electrode and the substrate face each other;
And a sixth step of pressure-bonding the substrate onto the other electrode of the solid oxide fuel cell disposed at the top. A method for manufacturing a stack structure of a solid oxide fuel cell.