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JP2002170577A - Separator for fuel battery and fuel battery using it - Google Patents

Separator for fuel battery and fuel battery using it

Info

Publication number
JP2002170577A
JP2002170577A JP2000361882A JP2000361882A JP2002170577A JP 2002170577 A JP2002170577 A JP 2002170577A JP 2000361882 A JP2000361882 A JP 2000361882A JP 2000361882 A JP2000361882 A JP 2000361882A JP 2002170577 A JP2002170577 A JP 2002170577A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
cell
separator
electrode layer
fuel cell
electrode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2000361882A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Naoki Hara
直樹 原
Keiko Kushibiki
圭子 櫛引
Noritoshi Sato
文紀 佐藤
Mitsugi Yamanaka
貢 山中
Makoto Uchiyama
誠 内山
Masaharu Hatano
正治 秦野
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nissan Motor Co Ltd
Original Assignee
Nissan Motor Co Ltd
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 Nissan Motor Co Ltd filed Critical Nissan Motor Co Ltd
Priority to JP2000361882A priority Critical patent/JP2002170577A/en
Publication of JP2002170577A publication Critical patent/JP2002170577A/en
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    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y02E60/50Fuel cells
    • YGENERAL 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
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    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Fuel Cell (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a separator for a fuel battery, a fuel battery using it, and a method for manufacturing a fuel battery wherein a joint part is suppressed from cracking or the like under a thermal stress to prevent increase of an internal resistance while an output density is improved, resulting in a lower manufacturing cost. SOLUTION: The separator for a fuel battery is provided wherein a conductive substrate 1 is held between an upper part electrode layer 3a and a lower part electrode layer 4a, with a lower surface comprising a groove 20a. Here, the material of the upper part electrode layer is identical with an electrode material which is at the bottom part of a cell laminated on the upper surface while the material of the lower part electrode layer is identical with an electrode material which is at the top of a cell coated on the lower surface. The fuel battery comprises a fuel battery stack where the cell and the separator for the fuel battery are combined.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池用セパレ
ータ、これを用いた燃料電池及び燃料電池製造方法に係
り、更に詳細には、小型で且つ信頼性が高い平板型SO
FCに利用し得る燃料電池用セパレータ、これを用いた
燃料電池及び燃料電池製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fuel cell separator, a fuel cell using the same, and a fuel cell manufacturing method. More specifically, the present invention relates to a small and highly reliable flat type SO.
The present invention relates to a fuel cell separator that can be used for FC, a fuel cell using the same, and a fuel cell manufacturing method.

【0002】[0002]

【従来の技術】燃料電池は、酸素イオンあるいはプロト
ンなどのイオン導電性を有する固体電解質を多孔質の空
気極と燃料極とで挟むように構成され、空気極側に酸素
ガスを含む酸化性ガスを、燃料極側に水素や炭化ガスを
含む還元性ガスを供給し、これらのガスが固体電解質を
介して電気化学的に反応することにより、起電力を生じ
る電池である。しかし、燃料電池単体(セル)で得られ
る起電力は、1.12V程度と小さく、家庭内電源や自
動車用電源として用いるには、複数のセルを直並列に接
続しなければならない。
2. Description of the Related Art A fuel cell is constructed such that a solid electrolyte having ion conductivity such as oxygen ions or protons is sandwiched between a porous air electrode and a fuel electrode, and an oxidizing gas containing oxygen gas is provided on the air electrode side. Is supplied to the fuel electrode side with a reducing gas containing hydrogen or carbonized gas, and these gases electrochemically react via a solid electrolyte to generate an electromotive force. However, the electromotive force obtained by a single fuel cell (cell) is as small as about 1.12 V, and a plurality of cells must be connected in series / parallel to be used as a home power supply or a vehicle power supply.

【0003】燃料電池の1つである固体電解質型燃料電
池(以下「SOFC」と略す)のセルを大別すると、円
筒の周囲に電極と固体電解質が被覆されている円筒型
と、固体電解質や電極が平板状に形成されている平板型
の2種類がある。円筒型のセルを組合わせた円筒型SO
FCは、セルの発電部の面積(固体電解質の面積)を大
面積化するのが難しく、また、セルを接続した際の単位
体積当たりの発電密度が低いため、これを如何に向上さ
せるかが基本的な問題となっている。これに対して、平
板型のセル板(セルプレート)を組合わせた平板型SO
FCは、電池の単位体積当たりの出力密度を高くする上
で有利な構造であり、より小さな体積が要求される移動
電源に適したSOFCである。また、この平板型SOF
Cの出力密度を更に高める技術として、SOFCの直列
抵抗成分を低下させるために、薄膜プロセスで固体電解
質層の厚みを薄く形成した平板型SOFCがある。これ
までの一般的な薄膜プロセスを用いた平板型SOFCの
製造方法としては、多孔質電極基板上にプラズマ溶射や
印刷法などの薄膜プロセスを用いて、固体電解質薄膜を
被着させるものであった。しかしながら、多孔質基材上
にピンホールを持たない均質な固体電解質膜を形成する
には、膜厚を十分に大きくする必要があり、SOFCの
直列抵抗成分の大幅な低減は難しかった。
[0003] The cells of a solid oxide fuel cell (hereinafter abbreviated as "SOFC"), which is one type of fuel cell, can be roughly classified into a cylindrical type in which an electrode and a solid electrolyte are coated around a cylinder, a solid electrolyte, and the like. There are two types of flat type in which the electrodes are formed in a flat shape. Cylindrical SO combining cylindrical cells
In FC, it is difficult to increase the area of the power generation section of the cell (the area of the solid electrolyte), and the power generation density per unit volume when the cell is connected is low. It is a fundamental problem. On the other hand, a flat-plate SO that combines a flat-type cell plate (cell plate)
The FC is a structure advantageous for increasing the power density per unit volume of the battery, and is an SOFC suitable for a mobile power supply requiring a smaller volume. In addition, this flat type SOF
As a technique for further increasing the output density of C, there is a flat panel SOFC in which the thickness of a solid electrolyte layer is formed thin by a thin film process in order to reduce the series resistance component of the SOFC. A conventional method of manufacturing a flat-plate SOFC using a general thin film process has been to deposit a solid electrolyte thin film on a porous electrode substrate using a thin film process such as plasma spraying or printing. . However, in order to form a homogeneous solid electrolyte membrane having no pinholes on a porous substrate, it is necessary to make the thickness sufficiently large, and it has been difficult to greatly reduce the series resistance component of the SOFC.

【0004】そこで、特開平8−64216において
は、多孔質でないSiウエハを支持基板として成膜する
ことにより、固体電解質膜厚を2μmとしたSOFCが
提案されている。この平板型SOFCの構造を図4〜6
に示す。この平板型SOFCは、セル板11とセパレー
タ12を積層することによって構成されている。セル板
11の構造は、均一に分布させた多数の小開孔を持つS
i基板7と、それに被着された固体電解質薄膜8(安定
化ジルコニア単結晶薄膜)と、固体電解質薄膜上に被着
された空気電極膜9(La0.8Sr0.2MnO3)
と、空気電極膜9と反対の面に被着された燃料電極膜1
0(CeO2)、Si基板の空気電極膜が被着された面
とは反対の面から被着された燃料極(酸化Ni)からな
る。また、Si基板7は、リンドープにより抵抗率が
0.001〜0.002Ωcmの(100)配向単結晶
Si基板で、両面を鏡面に研磨したものを用いている
(図12)。更に、セパレータ12の構造は、図4に示
すように、ダイシング・ソーを用いて、Si基板の両面
に深さ2mmのガス通路部分を加工した構造である。セ
パレータ12で用いるSi基板はセル11で用いる基板
と同じ材料で、厚みが約5mmの両面鏡面研磨済みSi
基板を用いている。
Therefore, Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-64216 proposes an SOFC in which a solid electrolyte film thickness is 2 μm by forming a non-porous Si wafer as a supporting substrate. The structure of this flat type SOFC is shown in FIGS.
Shown in This flat type SOFC is configured by stacking a cell plate 11 and a separator 12. The structure of the cell plate 11 has a large number of small holes uniformly distributed.
i-substrate 7, solid electrolyte thin film 8 deposited thereon (stabilized zirconia single crystal thin film), and air electrode film 9 deposited on the solid electrolyte thin film 9 (La0.8Sr0.2MnO3)
And the fuel electrode film 1 attached to the surface opposite to the air electrode film 9
0 (CeO2), which is composed of a fuel electrode (Ni oxide) deposited on the surface of the Si substrate opposite to the surface on which the air electrode film is deposited. The Si substrate 7 is a (100) -oriented single-crystal Si substrate having a resistivity of 0.001 to 0.002 Ωcm by phosphorous doping and having both surfaces mirror-polished (FIG. 12). Further, as shown in FIG. 4, the structure of the separator 12 is a structure in which a gas passage portion having a depth of 2 mm is formed on both surfaces of the Si substrate using a dicing saw. The Si substrate used for the separator 12 is made of the same material as the substrate used for the cell 11, and has a thickness of about 5 mm and is mirror-polished on both sides.
A substrate is used.

【0005】また、上記セル板11及びセパレータ12
の積層方法は、セル板11の下部とセパレータ12の上
部は鏡面Si同士のSi接合を用い(図6−15)、セ
ル板11の下部とセパレータ12の上面に電気的導通を
可能としている。セル板11の上部とセパレータ12の
下部の積層は、セル板11の上部の周辺部分に燐ケイ酸
ガラス13を被着させ、セパレータ12の下部と高温で
圧着する(図6−14)。このときセパレータ12の下
部でありセル板11の最上面の空気電極9に接触する部
分に、導電性の銀ペースト16を予め塗布しておき、よ
り確実な電気的導通を確保している(図6)。
The cell plate 11 and the separator 12
In the lamination method of (1), the lower part of the cell plate 11 and the upper part of the separator 12 use Si bonding of mirror-surface Si (FIG. 6-15), and electrical conduction is possible between the lower part of the cell plate 11 and the upper surface of the separator 12. For lamination of the upper part of the cell plate 11 and the lower part of the separator 12, a phosphor silicate glass 13 is applied to the peripheral part of the upper part of the cell plate 11, and the lower part of the separator 12 is pressed at high temperature (FIG. 6-14). At this time, a conductive silver paste 16 is applied in advance to a portion below the separator 12 and in contact with the air electrode 9 on the uppermost surface of the cell plate 11 to ensure more reliable electrical conduction (FIG. 6).

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】上述したセル板11と
セパレータ12を用いた平板型SOFCでは、多孔質で
はないSi基板に固体電解質薄膜を形成することができ
るため、セル板間の直列抵抗成分を大幅に低減すること
が可能となった。しかしながら、セル板11とセパレー
タ12の積層において、セル板11の上部とセパレータ
12の下部の接合部が、燐ケイ酸ガラス13による接合
であり、周囲との材料特性の違いから、熱応力による接
合部の割れと、割れに伴うガスリークが懸念されてい
た。また、セル板11の上部とセパレータ12の下部と
の導通を確保するための導電性ペーストが酸化ガスに触
れるため、導電性ペーストの酸化による伝導度の劣化、
つまり電池内部の抵抗増加が懸念されていた。
In the above-mentioned flat type SOFC using the cell plate 11 and the separator 12, a solid electrolyte thin film can be formed on a non-porous Si substrate. Can be greatly reduced. However, in the lamination of the cell plate 11 and the separator 12, the joining portion between the upper portion of the cell plate 11 and the lower portion of the separator 12 is joined by the phosphosilicate glass 13, and due to a difference in material characteristics from the surroundings, joining by thermal stress is performed. There was a concern about cracking of the part and gas leakage accompanying the cracking. In addition, since the conductive paste for ensuring conduction between the upper part of the cell plate 11 and the lower part of the separator 12 comes into contact with the oxidizing gas, deterioration of conductivity due to oxidation of the conductive paste,
That is, there was a concern that the resistance inside the battery would increase.

【0007】本発明は、このような従来技術の有する課
題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところ
は、接合部の熱応力による割れ等を抑制でき、内部抵抗
の増大を防止し、出力密度を向上し、製造時のコストを
低減し得る燃料電池用セパレータ、これを用いた燃料電
池及び燃料電池製造方法を提供することにある。
The present invention has been made in view of such problems of the prior art, and an object of the present invention is to prevent cracks and the like caused by thermal stress in a joint portion and prevent an increase in internal resistance. Another object of the present invention is to provide a fuel cell separator capable of improving output density and reducing manufacturing costs, a fuel cell using the same, and a fuel cell manufacturing method.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記課題
を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、セパレータの接合
面とセルとの接合面を同一材料とすること、ガス流路
(溝)を燃料電極材料又は空気電極材料で囲まれた構造
とすること、セパレータの片面にのみガス流路を設ける
こと、及び同一工程でセパレータ及びセルを作製するこ
とにより、上記課題が解決されることを見出し、本発明
を完成するに至った。
Means for Solving the Problems The inventors of the present invention have conducted intensive studies to solve the above-mentioned problems. As a result, the joint surface of the separator and the joint surface of the cell are made of the same material, and the gas passage (groove) is formed. The above problems can be solved by forming a structure surrounded by a fuel electrode material or an air electrode material, providing a gas flow path only on one side of the separator, and fabricating the separator and the cell in the same process. And completed the present invention.

【0009】即ち、本発明の燃料電池用セパレータは、
セル間に挿入配置される燃料電池用セパレータにおい
て、導電性基板を上部電極層と下部電極層で挟持して成
り、下面に溝を有し、上記上部電極層の材料が上面に積
層されるセルの最下部にある電極材料と同一であり、上
記下部電極層の材料が下面に被覆されるセルの最上部に
ある電極材料と同一であることを特徴とする。
That is, the fuel cell separator of the present invention comprises:
In a fuel cell separator inserted between cells, a cell is formed by sandwiching a conductive substrate between an upper electrode layer and a lower electrode layer, has a groove on the lower surface, and has the upper electrode layer material laminated on the upper surface. And the material of the lower electrode layer is the same as the uppermost electrode material of the cell covered on the lower surface.

【0010】また、本発明の燃料電池は、上記燃料電池
用セパレータとセルとを組合せて成る燃料電池用スタッ
クを含むことを特徴とする。
[0010] The fuel cell of the present invention is characterized by including a fuel cell stack formed by combining the fuel cell separator and the cell.

【0011】更に、本発明の燃料電池の好適形態は、上
記セルが、固体電解質層及び導電性基板を上部電極層と
下部電極層で狭持した積層構造を有し、上記固体電解質
層は下面に導電性基板を備え、この導電性基板は一部に
貫通孔を有する溝が設けられ、上記上部電極層が上記固
体電解質層の上面に積層され、上記下部電極層が上記導
電性基板の下面の全部から上記貫通孔を介して上記固体
電解質層の下面に被覆されていることを特徴とする。
In a preferred embodiment of the fuel cell according to the present invention, the cell has a laminated structure in which a solid electrolyte layer and a conductive substrate are sandwiched between an upper electrode layer and a lower electrode layer, and the solid electrolyte layer has a lower surface. A conductive substrate, the conductive substrate is provided with a groove having a through hole in a part thereof, the upper electrode layer is laminated on the upper surface of the solid electrolyte layer, and the lower electrode layer is disposed on the lower surface of the conductive substrate. Is coated on the lower surface of the solid electrolyte layer via the through hole.

【0012】更にまた、本発明の燃料電池の他の好適形
態は、上記セルの上部電極層の材料が、該セルの上部に
あるセパレータの最下部の電極層の材料と同一であり、
且つ上記セルの下部電極層の材料が、該セルの下部にあ
るセパレータの最上部の電極層の材料と同一であること
を特徴とする。
Further, in another preferred embodiment of the fuel cell of the present invention, the material of the upper electrode layer of the cell is the same as the material of the lowermost electrode layer of the separator above the cell.
The material of the lower electrode layer of the cell is the same as the material of the uppermost electrode layer of the separator below the cell.

【0013】また、本発明の燃料電池製造方法は、上記
燃料電池を製造する方法であって、上記セパレータ及び
上記セルを相互に積層し、一括焼成して燃料電池スタッ
クを作成することを特徴とする。
[0013] Further, a fuel cell manufacturing method according to the present invention is a method for manufacturing the fuel cell, wherein the separator and the cell are stacked on each other and fired at a time to form a fuel cell stack. I do.

【0014】[0014]

【発明の実施の形態】以下、本発明の燃料電池用セパレ
ータについて、好適形態である図1及び図2に基づき詳
細に説明する。なお、本明細書において「%」は、特記
しない限り質量百分率を示す。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a fuel cell separator of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. In this specification, “%” indicates mass percentage unless otherwise specified.

【0015】本発明の燃料電池用セパレータは、図1に
示すように、セル間に挿入配置され、隣接するセルを直
列につなぐ接続子として機能するものである。また、こ
のセパレータは、図2に示すように、導電性基板1を上
部電極層(空気電極層3a)と下部電極層(燃料電極層
4a)とで挟持して成り、下面に溝(ガス流路20a)
を有する。言い換えれば、平坦な表面とガス流路20a
が形成された裏面とを有する導電性基板1の表面に空気
電極層3aを被覆し、裏面に燃料電極層4aを被覆して
成る。なお、図2に示す溝(ガス流路20a)は、導電
性基板1を貫通しない構造であるが、かかる溝はその一
部が基板1を貫通し、空気電極層3aと燃料電極層4a
とが接触する構造であってもよい。また、ガス流路20
aは、代表的にダイシング・ソーなどの機械加工、放電
加工、及びエッチング等による化学的加工により形成す
ることができる。
As shown in FIG. 1, the fuel cell separator of the present invention is inserted between cells and functions as a connector for connecting adjacent cells in series. As shown in FIG. 2, the separator includes a conductive substrate 1 sandwiched between an upper electrode layer (air electrode layer 3a) and a lower electrode layer (fuel electrode layer 4a). Road 20a)
Having. In other words, the flat surface and the gas passage 20a
Is formed by coating the air electrode layer 3a on the surface of the conductive substrate 1 having the back surface on which is formed, and coating the fuel electrode layer 4a on the back surface. The groove (gas flow path 20a) shown in FIG. 2 has a structure that does not penetrate the conductive substrate 1, but a part of the groove penetrates the substrate 1, and the air electrode layer 3a and the fuel electrode layer 4a
May be in contact with the structure. In addition, the gas flow path 20
a can be typically formed by mechanical processing such as dicing saw, electric discharge processing, and chemical processing such as etching.

【0016】更に、上記上部電極層3aの材料を上面に
積層されるセルの最下部にある電極材料(図3−3b)
と同一とし、上記下部電極層4aの材料を下面に被覆さ
れるセルの最上部にある電極材料(図3−4b)と同一
とする。この結果、上記セパレータがセルと積層構造を
なすときは、ガス流路(20a及び20b)は燃料電極
層又は空気電極層のみで囲まれる構成となるため、ガス
の影響による電極間の抵抗の増大が抑制される。即ち、
燃料電池として用いたときに、電池の内部抵抗の増大を
防止し得る。
Further, the material of the upper electrode layer 3a is applied to the electrode material at the bottom of the cell laminated on the upper surface (FIG. 3B).
The material of the lower electrode layer 4a is the same as the electrode material (FIG. 3-4b) at the uppermost part of the cell covered on the lower surface. As a result, when the separator has a laminated structure with the cell, the gas flow path (20a and 20b) is configured to be surrounded by only the fuel electrode layer or the air electrode layer. Is suppressed. That is,
When used as a fuel cell, an increase in the internal resistance of the cell can be prevented.

【0017】なお、隣接するセルの構成に応じて、上記
上部電極層を還元電極又は酸化電極とし、上記下部電極
層を酸化電極又は還元電極とすることができる。例え
ば、図2に示すセパレータの空気電極層3aと燃料電極
層4aの被覆位置(被着面)を逆にすることができる。
The upper electrode layer may be a reduction electrode or an oxidation electrode, and the lower electrode layer may be an oxidation electrode or a reduction electrode, depending on the configuration of the adjacent cells. For example, the covering position (adhering surface) of the air electrode layer 3a and the fuel electrode layer 4a of the separator shown in FIG. 2 can be reversed.

【0018】次に、本発明の燃料電池について、好適形
態である図1及び図3に基づき詳細に説明する。この燃
料電池は、上述のセパレータと図3に示すセルとを組合
せて成る燃料電池用スタックを含むものであり、かかる
燃料電池用スタックは、図1に示すように、上記セパレ
ータ及びセルが相互に積層されて成る。なお、図1に示
す燃料電池スタックでは、上記セパレータ及びセルが、
これらの積層方向とほぼ垂直方向へ2次元的に複数固連
結された状態である。
Next, the fuel cell of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. This fuel cell includes a fuel cell stack formed by combining the above-described separator and the cell shown in FIG. 3, and such a fuel cell stack is configured such that the separator and the cell are mutually connected as shown in FIG. It is composed of stacked layers. Note that, in the fuel cell stack shown in FIG.
It is a state where a plurality of these are rigidly connected two-dimensionally in a direction substantially perpendicular to the laminating direction.

【0019】ここで、上記セルは、図3に示すように、
固体電解質層2及び導電性基板1を上部電極層(燃料電
極層4b)と下部電極層(空気電極層3b)で狭持した
積層構造を有することがよい。この導電性基板1は一部
に貫通孔を有する溝が設けられており、貫通孔を有する
ことにより溝を通過する燃料ガス又は空気が電極、電解
質との三層界面を形成し、燃料電池として機能する。
Here, as shown in FIG.
It is preferable to have a laminated structure in which the solid electrolyte layer 2 and the conductive substrate 1 are sandwiched between an upper electrode layer (fuel electrode layer 4b) and a lower electrode layer (air electrode layer 3b). The conductive substrate 1 is provided with a groove having a through hole in a part thereof, and by having the through hole, a fuel gas or air passing through the groove forms a three-layer interface with an electrode and an electrolyte. Function.

【0020】なお、隣接するセパレータの構成に応じ
て、上記上部電極層4bを還元電極又は酸化電極とし、
上記下部電極層3bを酸化電極又は還元電極とすること
ができる。例えば、図3に示すセルの空気電極3bと燃
料電極4bとの被着面を逆にすることができる。
The upper electrode layer 4b may be a reduction electrode or an oxidation electrode depending on the configuration of the adjacent separator.
The lower electrode layer 3b can be an oxidation electrode or a reduction electrode. For example, the surfaces of the air electrode 3b and the fuel electrode 4b of the cell shown in FIG. 3 can be reversed.

【0021】また、上記セルの上部電極層4bの材料
が、該セルの上部にあるセパレータの最下部の電極層
(図2−4b)の材料と同一であり、且つ上記セルの下
部電極層3bの材料が、該セルの下部にあるセパレータ
の最上部の電極層(図2−3b)の材料と同一であるこ
とがよい。これより、セルとセパレータの接合面を同一
材料で構成することができ、熱膨張係数等の違いによる
セルとセパレータの接合面の破壊を抑止することができ
る。更に、上記セル及びセパレータが有する導電性基板
の材料として、シリコンを用いることが好ましい。この
ときは、セル及びセパレータの溝加工を、Siの異方性
エッチング技術を用いることにより容易にすることがで
き、また、半導体デバイスの作製技術で用いられる各種
成膜技術を容易に固体電解質、電極層の形成に用いるこ
とができる。
The material of the upper electrode layer 4b of the cell is the same as the material of the lowermost electrode layer (FIG. 2-4b) of the separator above the cell, and the lower electrode layer 3b of the cell is formed. Is preferably the same as the material of the uppermost electrode layer (FIG. 2-3B) of the separator below the cell. Thus, the joint surface between the cell and the separator can be made of the same material, and destruction of the joint surface between the cell and the separator due to a difference in thermal expansion coefficient or the like can be suppressed. Further, it is preferable to use silicon as a material of the conductive substrate included in the cell and the separator. In this case, the groove processing of the cell and the separator can be facilitated by using the anisotropic etching technique of Si, and various film forming techniques used in the fabrication technique of the semiconductor device can be easily changed to the solid electrolyte, It can be used for forming an electrode layer.

【0022】次に、本発明の燃料電池の製造方法につい
て説明する。かかる燃料電池製造方法は、上記セパレー
タ及び上記セルを相互に積層し、一括焼成して燃料電池
用スタックを作成することを特徴とする。
Next, a method for manufacturing the fuel cell of the present invention will be described. Such a fuel cell manufacturing method is characterized in that the separator and the cells are stacked on each other and fired at a time to form a fuel cell stack.

【0023】ここで、上記セパレータの製造方法の一例
を図7に基づき説明する。なお、図7で製造するセパレ
ータは、複数のセル(セル板)と組合せて燃料電池を形
成し得るものである。まず、電子導電性を持つ基板1
(例えば、単結晶シリコン基板)の上面に、空気電極膜
3a(例えば、Sr混入型ランタンマンガン複合酸化
物)を被覆する。このときの被覆方法としては、代表的
にスパッタリングやイオンプレーティングなどの物理的
気相成長法、プラズマCVDなどの化学的気相成長法、
及び無電界メッキなどの液相成長法などを採用できる。
次いで、導電性基板1の下面(被着されていない面)の
一部を取り除き、ガス流路20aを形成する。このガス
流路20aは、代表的にダイシング・ソーなどの機械加
工、放電加工、及びエッチング等による化学的加工など
により形成できる。更に、電導性基板1の下面(ガス流
路形成面)に、燃料電極層4a(例えば、酸化ニッケ
ル)を被覆し、片面にガス流路20aを有するセパレー
タが得られる。なお、燃料電極層4aの被覆には、代表
的に上述の空気電極層3aと同様の方法を採用できる。
Here, an example of a method of manufacturing the separator will be described with reference to FIG. The separator manufactured in FIG. 7 can form a fuel cell in combination with a plurality of cells (cell plates). First, a substrate 1 having electronic conductivity
The upper surface of (for example, a single crystal silicon substrate) is coated with an air electrode film 3a (for example, a lanthanum manganese composite oxide mixed with Sr). The coating method at this time is typically a physical vapor deposition method such as sputtering or ion plating, a chemical vapor deposition method such as plasma CVD,
And a liquid phase growth method such as electroless plating.
Next, a part of the lower surface (the surface that is not adhered) of the conductive substrate 1 is removed to form the gas flow path 20a. The gas flow path 20a can be typically formed by mechanical processing such as a dicing saw, electric discharge processing, and chemical processing such as etching. Further, a fuel electrode layer 4a (for example, nickel oxide) is coated on the lower surface (the gas flow channel forming surface) of the conductive substrate 1, and a separator having a gas flow channel 20a on one surface is obtained. Note that the fuel electrode layer 4a can be typically covered by the same method as the above-described air electrode layer 3a.

【0024】次に、上記セルの製造方法の一例を図8に
基づき説明する。なお、ここでは、セルを電導性基板や
固体電解質層等との積層方向とほぼ垂直方向へ2次元的
に複数個連結して一体化したもの、を製造する方法につ
いて説明するが、これはセルの製造方法と何ら異なるも
のではない。
Next, an example of a method for manufacturing the above cell will be described with reference to FIG. Here, a method for manufacturing a cell in which a plurality of cells are two-dimensionally connected and integrated in a direction substantially perpendicular to the laminating direction of a conductive substrate, a solid electrolyte layer, and the like will be described. It is not at all different from the manufacturing method.

【0025】まず、電子導電性を持つ基板1(例えば、
単結晶シリコン基板)の上面に、固体電解質2(例え
ば、イットリア安定化ジルコニア)、燃料電極4b(例
えば、酸化ニッケル)をこの順序で積層させ、導電性基
板1の上面に固体電解質層2/燃料電極層4bを形成す
る(図8)。このときの積層方法としては、代表的に
は、スパッタリングやイオンプレーティングなどの物理
的気相成長法、プラズマCVDなどの化学的気相成長
法、及び無電界メッキなどの液相成長法を採用できる。
次いで、固体電解質層2/燃料電極層4bの形成されて
いない導電性基板1の下面にガス流路20b(溝)を形
成し、このガス流路20bの一部に貫通孔30を設け、
ガス流路側の電極層3bと固体電解質層2とが接する部
分を基板面内に分布させる。例えば、図11に示すよう
な貫通孔30を形成できる。このとき、ガス流路・貫通
孔形成方法としては、代表的には、ダイシング・ソーな
どの機械加工、放電加工、及びエッチング等による化学
的加工などを採用できる。なお、貫通孔30の径(幅)
はガス流路20bの幅と同一でもよいし、これより大き
くても小さくてもよい。更に、導電性基板1の下面(ガ
ス流路・貫通孔形成面)に、空気電極層3b(例えば、
Sr混入型ランタンマンガン複合酸化物)を被覆して、
セル板が得られる。なお、空気電極層3bの被覆方法と
しては、代表的には、スパッタリングやイオンプレーテ
ィングなどの物理的気相成長法、プラズマCVDなどの
化学的気相成長法、及び無電界メッキなどの液相成長法
などを採用できる。得られたセル板は、所定の位置に開
口部を有するガス流路20bを有し、この開口部から上
面に空気電極層3b/固体電解質層2/燃料電極層4b
の順で積層構造をなす。
First, a substrate 1 having electronic conductivity (for example,
A solid electrolyte 2 (for example, yttria-stabilized zirconia) and a fuel electrode 4b (for example, nickel oxide) are laminated in this order on the upper surface of a single-crystal silicon substrate). The electrode layer 4b is formed (FIG. 8). As the lamination method at this time, typically, a physical vapor deposition method such as sputtering or ion plating, a chemical vapor deposition method such as plasma CVD, and a liquid phase growth method such as electroless plating are employed. it can.
Next, a gas flow path 20b (groove) is formed on the lower surface of the conductive substrate 1 where the solid electrolyte layer 2 / fuel electrode layer 4b is not formed, and a through hole 30 is provided in a part of the gas flow path 20b.
A portion where the electrode layer 3b on the gas flow path side and the solid electrolyte layer 2 are in contact with each other is distributed in the substrate surface. For example, a through hole 30 as shown in FIG. 11 can be formed. At this time, as a method of forming a gas flow path and a through hole, typically, machining such as a dicing saw, electric discharge machining, and chemical machining by etching or the like can be adopted. The diameter (width) of the through hole 30
May be the same as the width of the gas flow path 20b, or may be larger or smaller than this. Furthermore, an air electrode layer 3b (for example, a gas flow path / through hole forming surface)
Sr mixed lanthanum manganese composite oxide)
A cell plate is obtained. As a method of coating the air electrode layer 3b, typically, a physical vapor deposition method such as sputtering or ion plating, a chemical vapor deposition method such as plasma CVD, or a liquid vapor deposition method such as electroless plating are used. A growth method can be adopted. The obtained cell plate has a gas flow path 20b having an opening at a predetermined position, and the air electrode layer 3b / solid electrolyte layer 2 / fuel electrode layer 4b
To form a laminated structure.

【0026】次に、燃料電池用スタックの作製方法につ
いて、好適形態である図9に基づき説明する。かかる燃
料電池用スタックは、上述のセパレータ及びセル板(セ
ル)を積層して得られる。図9に、セパレータA1/セ
ルB/セパレータA2を下からこの順で積層したときの
状態を示す。即ち、セパレータA1の上面(平坦面)は
セルBの下面(ガス流路形成面)と接合し、セパレータ
A2の下面(ガス流路形成面)はセルの上面(平坦面)
と接合する。このとき、セパレータとセルとの接合面
(電極層)は、上述のように同一材料となる。例えば、
セルBの下面の電極層と同一材料のスラリーをセパレー
タA1の上面に塗布し、セパレータA2のガス流路側の
電極層と同一材料のスラリーをセルBの上面に塗布し、
これらを積層し、一括焼成して、燃料電池(SOFC)
用スタックが得られる。
Next, a method of manufacturing a fuel cell stack will be described with reference to FIG. 9 showing a preferred embodiment. Such a fuel cell stack is obtained by stacking the above-described separators and cell plates (cells). FIG. 9 shows a state where the separator A1 / cell B / separator A2 are stacked in this order from the bottom. That is, the upper surface (flat surface) of the separator A1 is joined to the lower surface (gas flow channel forming surface) of the cell B, and the lower surface (gas flow channel forming surface) of the separator A2 is bonded to the upper surface (flat surface) of the cell.
To join. At this time, the joining surface (electrode layer) between the separator and the cell is made of the same material as described above. For example,
A slurry of the same material as the electrode layer on the lower surface of the cell B is applied to the upper surface of the separator A1, and a slurry of the same material as the electrode layer on the gas flow path side of the separator A2 is applied to the upper surface of the cell B;
These are laminated and fired at once to produce a fuel cell (SOFC)
A stack is obtained.

【0027】また、セパレータのガス流路20aとセル
のガス流路20bとは、セパレータとセルとの積層方向
からほぼ垂直且つ相互に直角となる配置、言い換えれば
クロスフロー型となっていることが積層した際の全体の
構造的強度の面から好適である。なお、セパレータ及び
セルの電極層は、積層時に被覆させるのではなく、スパ
ッタリングやイオンプレーティングなどの物理的気相成
長法、プラズマCVDなどの化学的気相成長法、及び無
電界メッキなどの液相成長法により予めセパレータ又は
セルに被着されていることがセパレータ及びセル基板、
固体電解質層と電極層との密着強度の面から有効であ
る。なぜなら、上記被着法は、焼結による接合に比べ、
異種材料間の密着強度が優れているからである。また、
上述の燃料電池製造方法では、セパレータの上面(平坦
面)に空気電極3aを、セルの上面(平坦面)の最上面
に燃料電極4bを被覆して形成したが、空気電極(3a
及び3b)と燃料電極(4a及び4b)の位置関係は、
この組合せに限ったものではなく、これらを相互に交換
して燃料電池を製造してもよい。
Further, the gas flow path 20a of the separator and the gas flow path 20b of the cell are arranged so as to be substantially perpendicular to each other and at right angles to each other from the laminating direction of the separator and the cell. It is preferable from the viewpoint of the overall structural strength when laminated. The electrode layers of the separator and the cell are not coated at the time of lamination, but are coated by physical vapor deposition such as sputtering or ion plating, chemical vapor deposition such as plasma CVD, and liquid plating such as electroless plating. Separator and cell substrate that have been previously attached to the separator or cell by the phase growth method,
This is effective from the viewpoint of the adhesion strength between the solid electrolyte layer and the electrode layer. Because, the above-mentioned deposition method, compared with joining by sintering,
This is because the adhesion strength between different kinds of materials is excellent. Also,
In the fuel cell manufacturing method described above, the air electrode 3a is formed on the upper surface (flat surface) of the separator and the fuel electrode 4b is formed on the uppermost surface of the cell upper surface (flat surface).
And 3b) and the fuel electrode (4a and 4b)
The fuel cell is not limited to this combination, and may be exchanged with each other to manufacture a fuel cell.

【0028】本発明の燃料電池では、上記セパレータと
上記セルとを上述のように組合せることによって、セパ
レータ及びセルが同じ材料同士で接合・積層されること
となり、従来の技術で課題となっていた燐ケイ酸ガラス
による接合部の熱応力による割れ等を克服することがで
きる。また、還元ガス・酸化ガスが、燃料電極層・空気
電極層のみに囲まれた溝(ガス流路)を流れる構成とな
るため、ガスの影響による電極間の抵抗の増大を抑制、
即ち電池の内部抵抗の増大を防ぐことができる。更に、
セパレータの片面にのみガス流路を有するため、両面に
ガス流路を有する構造よりもセパレータが薄くなり、こ
の結果、SOFCの出力密度を向上させることができ
る。更にまた、本発明では、セパレータとセルとをほぼ
同一の製造工程により作製できるため、燃料電池の製造
工程が簡素化できる。言い換えれば、製造時のコストを
低減し得る。
In the fuel cell of the present invention, by combining the separator and the cell as described above, the separator and the cell are joined and laminated with the same material, which is a problem in the prior art. Cracks due to the thermal stress of the joint made of the phosphosilicate glass can be overcome. In addition, since the reducing gas and the oxidizing gas flow through a groove (gas flow path) surrounded only by the fuel electrode layer and the air electrode layer, the resistance between the electrodes due to the gas is suppressed from increasing,
That is, an increase in the internal resistance of the battery can be prevented. Furthermore,
Since the gas flow path is provided only on one side of the separator, the thickness of the separator is thinner than a structure having gas flow paths on both sides, and as a result, the output density of the SOFC can be improved. Furthermore, in the present invention, since the separator and the cell can be manufactured by substantially the same manufacturing process, the manufacturing process of the fuel cell can be simplified. In other words, manufacturing costs can be reduced.

【0029】[0029]

【実施例】以下、本発明を、実施例及び比較例により更
に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定され
るものではない。
EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples and Comparative Examples, but the present invention is not limited to these Examples.

【0030】(実施例)アンチモンが混入された抵抗率
10〜11Ωcmの(100)配向単結晶シリコン基板
(5インチ径、厚さ0.65mm)として、その片面を
鏡面研磨したものを用い、これをダイシング・ソーで各
辺が(110)方向となるように、5cm角の正方形状
に切断した。この方形物を90℃に保った水:過酸化水
素:水酸化アンモニウム=5:1:0.05の混合溶液
中10分間の浸漬処理に付した後、5%フッ酸水溶液に
1分、純水に1分浸してから取り出し、次いで窒素ガス
噴射で乾燥後、直ちに超高真空仕様、複数ターゲット・
スパッタリング装置に搬入した。該装置の基板ホルダー
に収容した正方形シリコン基板の成膜面について、その
外縁部をインコネル製マスクで覆って周辺部分が成膜さ
れないようにした。成膜面積は正方形基板の中心部分の
4cm角部分となるようにした。
EXAMPLE A (100) oriented single crystal silicon substrate (5 inch diameter, thickness 0.65 mm) having a resistivity of 10 to 11 Ωcm into which antimony was mixed was used. Was cut by a dicing saw into a square of 5 cm square so that each side was in the (110) direction. This square was subjected to a 10 minute immersion treatment in a mixed solution of water: hydrogen peroxide: ammonium hydroxide = 5: 1: 0.05 kept at 90 ° C., and then pure water was added to a 5% aqueous hydrofluoric acid solution for 1 minute. Immerse in water for 1 minute, take out, then dry with nitrogen gas injection, immediately with ultra-high vacuum specification, multiple targets
It was carried into a sputtering device. The outer peripheral portion of the film formation surface of the square silicon substrate housed in the substrate holder of the apparatus was covered with an Inconel mask to prevent the peripheral portion from being formed. The film formation area was set to be a 4 cm square portion at the center of the square substrate.

【0031】上記Si基板を用いて、セパレータ及びセ
ル板を作製した。 1)セパレータの作製 上記のシリコン基板に対し、輻射ヒーターを用い基板温
度を500℃まで昇温し、La0.8Sr0.2MnO
3(以下「LSM」と略す)の焼結体ターゲットを用い
て、RFスパッタにて膜厚約5000Åの多結晶LSM
膜を成長させた。次に、基板両面に、常圧CVD法で約
5000Å厚の燐ケイ酸ガラス膜(以下「PSG膜」と
略す)を析出させ、次いで基板の裏面に、図10に示す
ように、ガス流路を呈するパターンをフォトリソグラフ
ィー法で転写し、白抜き部分に相応する転写部のみをフ
ッ酸系エッチング液への浸漬処理により除去した。フォ
トレジストをアッシングして除去した後、約60℃に保
った抱水ヒドラジンの異方性エッチング液中に基板を浸
漬し、図7に示すように、シリコン基板を上記パターン
に相応させてエッチング除去し、ガス流路を形成した。
この工程でエッチング液に浸漬する時間は、エッチング
が基板途中で終了するように、基板を貫通する時間より
も短い時間とした。本実施例では、約8時間の浸漬時間
で基板を貫通したため、セパレータ作製時のエッチング
液の浸漬時間は8時間以内とした。続いて、シリコン基
板をフッ酸系エッチング液中に浸し、保護PSG膜を除
去した。以上の工程により、酸素イオン導電体薄膜を作
製した。次に、ガス流路を形成した基板面に対し、金属
ニッケルの蒸着源を用いて、電子ビーム蒸着により膜厚
約5000Åの酸化ニッケル膜をガス流路にそって成膜
し、セパレータを作製した。
Using the above Si substrate, a separator and a cell plate were produced. 1) Preparation of Separator The substrate temperature of the above silicon substrate was raised to 500 ° C. using a radiant heater, and La0.8Sr0.2MnO
3 (hereinafter abbreviated as "LSM"), and a polycrystalline LSM having a thickness of about 5000
The film was grown. Next, a phosphorous silicate glass film (hereinafter, abbreviated as “PSG film”) having a thickness of about 5000 mm is deposited on both surfaces of the substrate by a normal pressure CVD method. Was transferred by a photolithography method, and only a transfer portion corresponding to a blank portion was removed by immersion treatment in a hydrofluoric acid-based etching solution. After the photoresist is removed by ashing, the substrate is immersed in an anisotropic etching solution of hydrazine hydrate kept at about 60 ° C., and as shown in FIG. 7, the silicon substrate is removed by etching according to the above pattern. Thus, a gas flow path was formed.
In this step, the time of immersion in the etching solution was shorter than the time of penetrating the substrate so that the etching was completed in the middle of the substrate. In this example, since the substrate was penetrated by the immersion time of about 8 hours, the immersion time of the etching solution during the production of the separator was within 8 hours. Subsequently, the silicon substrate was immersed in a hydrofluoric acid-based etchant to remove the protective PSG film. Through the above steps, an oxygen ion conductor thin film was manufactured. Next, a nickel oxide film having a thickness of about 5,000 ° was formed along the gas flow path on the substrate surface on which the gas flow path was formed by electron beam evaporation using a metal nickel vapor deposition source to produce a separator. .

【0032】2)セル板の作製 上記のシリコン基板に対し、輻射ヒーターを用い基板温
度を700℃まで昇温し、LSMの焼結体ターゲットを
用いて、マグネトロンスパッタにて膜厚約5000Åの
多結晶LSM膜を成長させた。次に、基板温度を600
℃まで低下させ、10モル%イットリア添加安定化ジル
コニア(以下10YSZとする)の焼結体ターゲットを
用いて、LSM膜上に膜厚約2μmの10YSZ薄膜を
成長させた。次に、基板温度を500℃まで低下させ、
金属ニッケルのターゲットを用いて、膜厚約3000Å
の酸化ニッケル膜を成長させた。このようにして、シリ
コン基板の片面上に順次多結晶LSM膜、10YSZ
膜、酸化ニッケル膜を積層した。次に、上記の基板両面
に、常圧CVD法で約5000Å厚のPSG膜を析出さ
せ、次いでシリコン基板の裏面(10YSZ膜等が積層
された面の裏面)に、図11に示すように、パターンを
フォトリソグラフィー法で転写し、白抜き部分に相応す
る転写部のみをフッ酸系エッチング液への浸漬処理によ
り除去した。ここで、エッチングパターンの幅に狭いエ
リアがあるのは、異方性エッチングの際、基板途中でエ
ッチングが停止するようにするためである。フォトレジ
ストをアッシングして除去したのち、約60℃に保った
抱水ヒドラジンの異方性エッチング液中に基板を約8時
間浸漬し、図8に示すように、シリコン基板を上記パタ
ーンに相応させてエッチング除去し、基板面内に小開口
をあけ、積層薄膜が一部自立状態となるようにした。次
いで、シリコン基板をフッ酸系エッチング液中に浸し、
保護PSG膜を除去した。続いて、上記積層膜の形成さ
れていない面に対し、輻射ヒーターを用い基板温度を5
00℃まで昇温し、LSMの焼結体ターゲットを用い
て、マグネトロンスパッタにて、ガス流路に沿って膜厚
約3000Åの多結晶LSM膜を成長させ、セル板を作
製した。
2) Preparation of Cell Plate The above silicon substrate was heated to a temperature of 700 ° C. using a radiant heater, and was subjected to magnetron sputtering using a sintered target of LSM to a film thickness of about 5000 ° C. A crystalline LSM film was grown. Next, the substrate temperature was set to 600
The temperature was lowered to 10 ° C., and a 10 YSZ thin film having a thickness of about 2 μm was grown on the LSM film using a sintered target of 10 mol% yttria-added stabilized zirconia (hereinafter referred to as 10 YSZ). Next, the substrate temperature is lowered to 500 ° C.
Approximately 3000mm thick using a nickel metal target
Was grown. In this manner, the polycrystalline LSM film, 10YSZ
A film and a nickel oxide film were laminated. Next, a PSG film having a thickness of about 5000 mm is deposited on both surfaces of the substrate by a normal pressure CVD method, and then on the back surface of the silicon substrate (the back surface of the surface on which the 10YSZ film and the like are stacked) as shown in FIG. The pattern was transferred by photolithography, and only the transfer portion corresponding to the white portion was removed by immersion in a hydrofluoric acid-based etchant. Here, the reason why the area of the width of the etching pattern is narrow is to stop the etching in the middle of the substrate during the anisotropic etching. After the photoresist was removed by ashing, the substrate was immersed in an anisotropic etching solution of hydrazine hydrate kept at about 60 ° C. for about 8 hours, and as shown in FIG. Then, a small opening was formed in the substrate surface so that the laminated thin film was partially free standing. Next, the silicon substrate is immersed in a hydrofluoric acid-based etching solution,
The protective PSG film was removed. Subsequently, the surface where the laminated film was not formed was heated to a substrate temperature of 5 using a radiant heater.
The temperature was raised to 00 ° C., and a polycrystalline LSM film having a film thickness of about 3000 ° was grown along the gas flow path by magnetron sputtering using an LSM sintered target to produce a cell plate.

【0033】3)セパレータとセル板の積層 上記手順にて作製したセパレータの平坦な面に被着して
いる電極材料と同じLSM空気電極材料のスラリーをセ
パレータの平坦な面の電極上に塗布し、次いで、上記セ
ル板の平坦な面の最表面に被着している電極材料と同じ
酸化ニッケル燃料電極材料のスラリーをセル板の平坦な
面の電極上に塗布し、図9に示すように、セパレータの
平坦な主面とセルのガス流路が形成されている主面、セ
パレータのガス流路が形成されている主面とセルの平坦
な主面を対向させて積層した。これらを積層した後、焼
成炉にて600℃で一括焼成し、燃料電池用スタックを
作製し、これと外部取りだし電極やガス供給システムな
どを組合せて燃料電池を得た。
3) Lamination of Separator and Cell Plate A slurry of the same LSM air electrode material as the electrode material adhered to the flat surface of the separator prepared by the above procedure is applied to the flat surface electrode of the separator. Then, a slurry of the same nickel oxide fuel electrode material as the electrode material applied to the outermost surface of the flat surface of the cell plate is applied on the flat surface electrode of the cell plate, as shown in FIG. The flat main surface of the separator and the main surface of the cell where the gas flow path was formed, and the main surface of the separator where the gas flow path was formed and the flat main surface of the cell were stacked facing each other. After laminating them, they were fired at 600 ° C. in a firing furnace to produce a fuel cell stack, and a fuel cell was obtained by combining this with external extraction electrodes and a gas supply system.

【0034】(比較例)従来例の燃料電池として、特開
平8−64216号公報の実施例で紹介されている技術
を用いて作製した燃料電池を用いた。
(Comparative Example) As a conventional fuel cell, a fuel cell manufactured by using the technique introduced in the example of JP-A-8-64216 was used.

【0035】(性能評価)得られた燃料電池(セパレー
タ2枚、セル板1枚)及び従来例の燃料電池を用いて、
その性能評価を実施した。電気炉中に該燃料電池を設置
し、700℃で純酸素と純水素をそれぞれ原料ガスとし
て用い、発電試験を行った。
(Evaluation of Performance) Using the obtained fuel cell (two separators, one cell plate) and a conventional fuel cell,
Its performance was evaluated. The fuel cell was placed in an electric furnace, and a power generation test was performed at 700 ° C. using pure oxygen and pure hydrogen as raw material gases.

【0036】図13に示すように、発電試験の結果、実
施例の燃料電池は、開放起電力が1.05V、最大出力
が0.45W/cmであった。この結果は、従来例の
燃料電池とほぼ同等の出力特性であるが、本発明の燃料
電池は従来例の燃料電池に比べ、体積が4分の1程度
(セパレータの厚みの差)であるため、本発明の燃料電
池の出力密度は約3倍に向上しているといえる。
As shown in FIG. 13, as a result of the power generation test, the fuel cell of the example had an open electromotive force of 1.05 V and a maximum output of 0.45 W / cm 2 . Although this result has almost the same output characteristics as the conventional fuel cell, the volume of the fuel cell of the present invention is about one-fourth (the difference in the thickness of the separator) as compared with the conventional fuel cell. Thus, it can be said that the output density of the fuel cell of the present invention is improved about three times.

【0037】以上、本発明を好適実施形態及び実施例に
より詳細に説明したが、本発明はこれらに限定されるも
のではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形
が可能である。例えば、本発明において、セパレータ及
びセル(セル板)の形状等は任意に選択でき、目的の出
力に応じた燃料電池用スタックを作製できる。また、説
明の便宜上、基板や電極層など各層の一方の面を「表
面」及び「上面」、他の面を「裏面」及び「下面」、こ
れに応じて、電極層を「上部電極」、「下部電極」など
と記載したが、これらは等価な要素であり、相互に置換
した構成も本発明の範囲に含まれるのは言うまでもな
い。更に、貫通孔形状の形成パターンとしては、例えば
正方形、長方形、多角形及び円形などを適宜選択でき
る。
Although the present invention has been described in detail with reference to preferred embodiments and examples, the present invention is not limited to these, and various modifications can be made within the scope of the present invention. For example, in the present invention, the shape and the like of the separator and the cell (cell plate) can be arbitrarily selected, and a fuel cell stack corresponding to a desired output can be manufactured. For convenience of explanation, one surface of each layer such as a substrate or an electrode layer is referred to as a “front surface” and “upper surface”, the other surface is referred to as a “back surface” and a “lower surface”, and accordingly, the electrode layer is referred to as an “upper electrode”. Although described as "lower electrode" and the like, these are equivalent elements, and it is needless to say that a configuration in which they are replaced with each other is also included in the scope of the present invention. Further, as the formation pattern of the through-hole shape, for example, a square, a rectangle, a polygon, a circle and the like can be appropriately selected.

【0038】[0038]

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明によれ
ば、セパレータの接合面とセルとの接合面を同一材料と
すること、ガス流路(溝)を燃料電極材料又は空気電極
材料で囲まれた構造とすること、セパレータの片面にの
みガス流路を設けること、及び同一工程でセパレータ及
びセルを作製することこととしたため、接合部の熱応力
による割れ等を抑制でき、内部抵抗の増大を防止し、出
力密度を向上し、製造時のコストを低減し得る燃料電池
用セパレータ、これを用いた燃料電池及び燃料電池製造
方法を提供することができる。
As described above, according to the present invention, the joint surface of the separator and the joint surface of the cell are made of the same material, and the gas flow passage (groove) is made of a fuel electrode material or an air electrode material. Since the structure is enclosed, the gas flow path is provided only on one side of the separator, and the separator and the cell are manufactured in the same process, cracks and the like due to thermal stress at the joint can be suppressed, and the internal resistance can be reduced. It is possible to provide a fuel cell separator capable of preventing an increase in power density, improving power density, and reducing manufacturing costs, a fuel cell using the same, and a fuel cell manufacturing method.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】燃料電池用スタックの一実施形態を示す概略図
である。
FIG. 1 is a schematic view showing one embodiment of a fuel cell stack.

【図2】セパレータの一例を示す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating an example of a separator.

【図3】セルの一例を示す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating an example of a cell.

【図4】従来型の燃料電池用スタックの一例を示す概略
図である。
FIG. 4 is a schematic view showing an example of a conventional fuel cell stack.

【図5】従来型のセル板の一例を示す断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view showing an example of a conventional cell plate.

【図6】従来型の燃料電池用スタックの作製方法を示す
概略図である。
FIG. 6 is a schematic view showing a method for manufacturing a conventional fuel cell stack.

【図7】セパレータの製造方法の一例を示す概略図であ
る。
FIG. 7 is a schematic view illustrating an example of a method for manufacturing a separator.

【図8】セルの製造方法の一例を示す概略図である。FIG. 8 is a schematic view illustrating an example of a method for manufacturing a cell.

【図9】セパレータ及びセルを積層している状態を示す
概略図である。
FIG. 9 is a schematic view showing a state where separators and cells are stacked.

【図10】セパレータに形成するガス流路の一例を示す
図である。
FIG. 10 is a diagram illustrating an example of a gas flow path formed in a separator.

【図11】セルに形成するガス流路及び貫通孔の一例を
示す図である。
FIG. 11 is a diagram showing an example of a gas flow path and a through hole formed in a cell.

【図12】実施例で用いたセルを示す図である。FIG. 12 is a diagram showing a cell used in the example.

【図13】本発明の一例である燃料電池及び従来例の出
力特性を比較したグラフである。
FIG. 13 is a graph comparing output characteristics of a fuel cell as an example of the present invention and a conventional example.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1、7 導電性基板(シリコン基板) 2、8 固体電解質層(膜) 3a、3b、9 空気電極層(膜) 4a、4b、10 燃料電極層(膜) 11 セル 12 セパレータ 13 燐ケイ酸ガラス 14 高温圧着 15 Si接合 16 銀ペースト 20a、20b 溝(ガス流路) 30 貫通孔 1, 7 Conductive substrate (silicon substrate) 2, 8 Solid electrolyte layer (film) 3a, 3b, 9 Air electrode layer (film) 4a, 4b, 10 Fuel electrode layer (film) 11 Cell 12 Separator 13 Phosphosilicate glass 14 High-temperature compression bonding 15 Si bonding 16 Silver paste 20a, 20b Groove (gas flow path) 30 Through hole

フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01M 8/24 H01M 8/24 E (72)発明者 佐藤 文紀 神奈川県横浜市神奈川区宝町2番地 日産 自動車株式会社内 (72)発明者 山中 貢 神奈川県横浜市神奈川区宝町2番地 日産 自動車株式会社内 (72)発明者 内山 誠 神奈川県横浜市神奈川区宝町2番地 日産 自動車株式会社内 (72)発明者 秦野 正治 神奈川県横浜市神奈川区宝町2番地 日産 自動車株式会社内 Fターム(参考) 5H018 AA06 AS02 AS03 DD08 EE12 EE13 5H026 AA06 CC03 CX04 EE01 Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat II (Reference) H01M 8/24 H01M 8/24 E (72) Inventor Fumi Sato 2 Takaracho, Kanagawa-ku, Yokohama-shi, Kanagawa Nissan Motor Co., Ltd. (72) Inventor Mitsuru Yamanaka, Nissan Motor Co., Ltd., 2 Takaracho, Kanagawa-ku, Yokohama, Kanagawa Prefecture (72) Inventor Makoto Uchiyama 2nd Takaracho, Kanagawa-ku, Yokohama, Kanagawa Prefecture, Nissan Motor Co., Ltd. F-term (reference) in Nissan Motor Co., Ltd. 2 Takaracho, Kanagawa-ku, Yokohama 5H018 AA06 AS02 AS03 DD08 EE12 EE13 5H026 AA06 CC03 CX04 EE01

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 セル間に挿入配置される燃料電池用セパ
レータにおいて、 導電性基板を上部電極層と下部電極層で挟持して成り、
下面に溝を有し、 上記上部電極層の材料が上面に積層されるセルの最下部
にある電極材料と同一であり、上記下部電極層の材料が
下面に被覆されるセルの最上部にある電極材料と同一で
あることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
1. A fuel cell separator inserted between cells, comprising a conductive substrate sandwiched between an upper electrode layer and a lower electrode layer.
It has a groove on the lower surface, and the material of the upper electrode layer is the same as the electrode material at the bottom of the cell laminated on the upper surface, and the material of the lower electrode layer is at the uppermost portion of the cell covered on the lower surface. A fuel cell separator characterized by being the same as the electrode material.
【請求項2】 上記上部電極層が還元電極又は酸化電極
であり、上記下部電極層が酸化電極又は還元電極である
ことを特徴とする請求項1記載の燃料電池用セパレー
タ。
2. The fuel cell separator according to claim 1, wherein the upper electrode layer is a reduction electrode or an oxidation electrode, and the lower electrode layer is an oxidation electrode or a reduction electrode.
【請求項3】 請求項1又は2記載の燃料電池用セパレ
ータとセルとを組合せて成る燃料電池用スタックを含む
ことを特徴とする燃料電池。
3. A fuel cell comprising a fuel cell stack comprising a combination of the fuel cell separator according to claim 1 and a cell.
【請求項4】 上記セルが、固体電解質層及び導電性基
板を上部電極層と下部電極層で狭持した積層構造を有
し、 上記固体電解質層は下面に導電性基板を備え、この導電
性基板は一部に貫通孔を有する溝が設けられ、 上記上部電極層が上記固体電解質層の上面に積層され、
上記下部電極層が上記導電性基板の下面の全部から上記
貫通孔を介して上記固体電解質層の下面に被覆されてい
ることを特徴とする請求項3記載の燃料電池。
4. The cell has a laminated structure in which a solid electrolyte layer and a conductive substrate are sandwiched between an upper electrode layer and a lower electrode layer, and the solid electrolyte layer has a conductive substrate on a lower surface thereof. The substrate is provided with a groove having a through hole in a part thereof, the upper electrode layer is laminated on the upper surface of the solid electrolyte layer,
4. The fuel cell according to claim 3, wherein the lower electrode layer covers the lower surface of the solid electrolyte layer from the entire lower surface of the conductive substrate via the through hole.
【請求項5】 上記セルの上記上部電極層が還元電極又
は酸化電極であり、上記下部電極層が酸化電極又は還元
電極であることを特徴とする請求項4記載の燃料電池。
5. The fuel cell according to claim 4, wherein the upper electrode layer of the cell is a reduction electrode or an oxidation electrode, and the lower electrode layer is an oxidation electrode or a reduction electrode.
【請求項6】 上記セルの上部電極層の材料が、該セル
の上部にあるセパレータの最下部の電極層の材料と同一
であり、且つ上記セルの下部電極層の材料が、該セルの
下部にあるセパレータの最上部の電極層の材料と同一で
あることを特徴とする請求項3〜5のいずれか1つの項
に記載の燃料電池。
6. The material of the upper electrode layer of the cell is the same as the material of the lowermost electrode layer of the separator on the upper part of the cell, and the material of the lower electrode layer of the cell is the lower part of the cell. The fuel cell according to any one of claims 3 to 5, wherein the material is the same as the material of the uppermost electrode layer of the separator.
【請求項7】 上記セル及びセパレータの導電性基板の
材料がシリコンであることを特徴とする請求項3〜6の
いずれか1つの項に記載の燃料電池。
7. The fuel cell according to claim 3, wherein the material of the conductive substrate of the cell and the separator is silicon.
【請求項8】 請求項3〜7のいずれか1つの項に記載
の燃料電池を製造する方法であって、 上記セパレータ及び上記セルを相互に積層し、一括焼成
して燃料電池スタックを作成することを特徴とする燃料
電池製造方法。
8. The method for manufacturing a fuel cell according to claim 3, wherein the separator and the cells are stacked on each other and fired at a time to form a fuel cell stack. A method for manufacturing a fuel cell, comprising:
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2006108006A (en) * 2004-10-08 2006-04-20 Nissan Motor Co Ltd Separator, solid electrolyte fuel cell using this, and its manufacturing method
JP2018163811A (en) * 2017-03-27 2018-10-18 株式会社豊田中央研究所 Fuel cell

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US10727494B2 (en) 2017-03-27 2020-07-28 Kabushiki Kaisha Toyota Chuo Kenkyusho Fuel cell

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