JP4802437B2

JP4802437B2 - Solid electrolyte fuel cell and photosensitive paste composition

Info

Publication number: JP4802437B2
Application number: JP2002208257A
Authority: JP
Inventors: 博喜中川; 豪一三上
Original assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Current assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Priority date: 2002-07-17
Filing date: 2002-07-17
Publication date: 2011-10-26
Anticipated expiration: 2022-07-17
Also published as: JP2004055206A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体電解質型燃料電池及び感光性ペースト状組成物に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体電解質型燃料電池のセルデザインとして、平板型、円筒型などが提案されている。
【０００３】
平板型セルは、電力密度が高い利点を有している半面、燃料ガスと空気とを完全に分離するためのセパレータ及びセルとセパレータとの間のガスシールが必要になる。平板型セルでは、セルを構成する材料に圧力をかけることによりガスシールを施しているため、セルが振動、熱サイクルなどに対して脆弱であるなどの欠点があり、実用的ではない。
【０００４】
円筒型セルとしては、円筒縦縞型、円筒横縞型などがある。これら円筒型セルは、ガスシール性に優れているが、電力密度が低く、しかも平板型セルに比べて構造がより複雑であるために、製造プロセスが複雑になり、コスト高になるという欠点を有している。
【０００５】
上記従来の燃料電池に代わる新しい燃料電池として、電解質基板の同一平面上に空気極と燃料極とをある間隔で平行に配置し、ハイドロカーボンなどの燃料ガスと酸素ガスとの混合ガスを供給することで発電する電池が開発されている（例えば、特開平８−２６４１９５号公報など）。
【０００６】
この電池は、表面導電型と呼ばれるものであり、燃料ガスと酸素ガスの混合ガスを利用できることからセパレータを要しないため、従来の平板型で問題の多かったガスシールが不必要となる。
【０００７】
特開平８−２６４１９５号公報によれば、空気極及び燃料極は、通常、刷毛塗布法、スクリーン印刷法などで固体電解質基板上にプリントすることにより形成させている。しかしながら、刷毛塗布法では人手によるためパターン精度が悪く、量産性が低く、大面積化が困難などの観点から製造方法としては適さない。また、スクリーン印刷法ではスクリーンマスクパターン精度、スクイーズ硬度、印刷スピードなどの最適条件を採用しても電極パターン幅（空気極及び燃料極の間隔）を１００μｍ以下に細くすることが困難であった。
【０００８】
燃料極と空気極との電極間隔を狭めることにより、固体電解質型燃料電池の性能向上を図ることができるが、上記方法では燃料電池の性能向上が期待できない。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、電解質基板上の同一平面上に、燃料極及び空気極を複数の微細パターンで形成させることのできるペースト状組成物を提供することにある。
【００１０】
本発明の課題は、電解質基板上の同一平面上に、燃料極及び空気極を複数の微細パターンで形成させた固体電解質型燃料電池を提供することを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、セラミックス粉末及び感光性化合物を含有する特定の感光性ペースト状組成物を使用することにより、セラミックスからなる電解質基板上の同一平面上に、セラミックスからなる燃料極及びセラミックスからなる空気極を複数の微細パターンで形成させ得ることを見い出した。本発明は、斯かる知見に基づき完成されたものである。
１．セラミックス粉末及び感光性化合物を含有し、フォトリソグラフィ技術を適用して、燃料極及び空気極のパターンを形成し、焼成により、セラミックス成分のみで構成される燃料極及び空気極の形成に使用される固体電解質型燃料電池用感光性ペースト状組成物であって、前記セラミックス粉末は、（Ｃｅ，Ｓｍ）Ｏ _３、（Ｃｅ，Ｇｄ）Ｏ _３、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｇａ，Ｍｇ）Ｏ _３、スカンジウム安定化ＳｃＳＺ及びイットリア安定化ＹＳＺよりなる群から選ばれる少なくとも１種の電解質材料と酸化ニッケルとの混合物；又は（Ｓｍ，Ｓｒ）ＣｏＯ _３、（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ _３、（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ _３、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｆｅ，Ｃｏ）Ｏ _３及び（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ）Ｏ _３よりなる群から選ばれる少なくとも１種のペロブスカイト型金属酸化物である、感光性ペースト組成物。
２．感光性化合物が、感光性モノマー、感光性オリゴマー及び感光性ポリマーからなる群より選ばれた少なくとも１種を含む上記１に記載の感光性ペースト状組成物。
３．感光性モノマーが、少なくとも１つの重合可能な炭素−炭素不飽和結合を有する化合物である上記２に記載の感光性ペースト状組成物。
４．感光性オリゴマーが、上記３に記載のモノマーから得られるオリゴマーである上記２に記載の感光性ペースト状組成物。
５．上記１〜４のいずれかに記載の感光性ペースト状組成物をフォトレジストとして用いる燃料電池用電極の製造方法。
６．上記５に記載の製造方法により製造された燃料電池用電極を燃料極及び空気極として有し、且つ、電解質基板上の同一平面に、前記燃料極及び前記空気極が一対となって複数組配置されており、前記一対の燃料極及び空気極がともに平面矩形状で平行に配列されており、その両極間の距離が１００μｍ以下であり、燃料ガスと酸素ガスとの混合ガスを供給することで発電する表面導電型の固体電解質型燃料電池。
７．燃料極及び空気極の線幅がそれぞれ１０〜１０００μｍである上記６に記載の表面導電型の固体電解質型燃料電池。
８．燃料極及び空気極が等間隔で形成されている上記６に記載の表面導電型の固体電解質型燃料電池。
９．前記一対の燃料極及び空気極の両極間距離が１０μｍ〜１００μｍである上記６に記載の表面導電型の固体電解質型燃料電池。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の感光性ペースト状組成物は、電極用セラミックス粉末及び感光性化合物を含有する。
【００１３】
電極用セラミックス粉末は、形成しようとする電極の種類により異なる。
【００１４】
燃料極を形成しようとする場合、電極用セラミックス粉末としては、一般にはNi金属の混合物が用いられ、具体的には(Ce,Sm)O₃、(Ce,Gd)O₃、(La,Sr)(Ga,Mg)O₃、スカンジウム安定化ScSZ、イットリア安定化YSZなどの電解質材料と酸化ニッケルとの混合物などが挙げられ、好ましくはNi-YSZである。ここで酸化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、酸化ニッケルへの粉末修飾などの形態であってもよい。これらセラミック粉末は、１種又は２種以上混合して使用される。
【００１５】
空気極を形成しようとする場合、電極用セラミックス粉末としては、一般にはペロブスカイト型金属酸化物が用いられ、具体的には(Sm,Sr)CoO₃、(La,Sr)MnO₃、(La,Sr)CoO₃、(La,Sr)(Fe,Co)O₃、(La,Sr)(Fe,Co,Ni)O₃などが挙げられ、好ましくは(La,Sr)MnO₃である。これらセラミック粉末は、１種又は２種以上混合して使用される。
【００１６】
上記電極用セラミックス粉末の粒径は、通常数ｎｍ〜数十μｍ、好ましくは１〜１０μｍ程度である。
【００１７】
感光性化合物としては、公知のものを広く使用でき、例えば、感光性モノマー、感光性オリゴマー、感光性ポリマーなどが挙げられる。
【００１８】
本発明において、感光性化合物は、光不溶化型（ネガ型）感光性化合物及び光可溶化型（ポジ型）感光性化合物の両方を包含する。
【００１９】
感光性化合物としては、例えば、（１）不飽和基などの反応性官能基を有するモノマー及び／又はオリゴマーと光重合開始剤との混合物、（２）ジアゾ系アミンとホルムアルデヒドとの縮重合物などの、いわゆるジアゾ樹脂、（３）芳香族ジアゾ化合物、芳香族アジド化合物、有機ハロゲン化合物などの感光性化合物を含有するもの、（４）ナフトキノンジアジド系化合物、などが挙げられる。これらのうち、特に（１）が好適である。
【００２０】
（１）につき、具体的に説明する。
【００２１】
反応性官能基を有するモノマー（感光性モノマー）としては、少なくとも１つの重合可能な炭素−炭素不飽和結合を有する化合物を用いることができる。具体的には、アリルアクリレート、ベンジルアクリレート、ブトキシエチルアクリレート、ブトキシエチレングリコールアクリレート、シクロヘキシルアクリレート、ジシクロペンタニルアクリレート、２−エチルヘキシルアクリレート、グリセロールアクリレート、グリシジルアクリレート、２−ヒドロキシエチルアクリレート、２−ヒドロキシプロピルアクリレート、イソボニルアクリレート、イソデキシルアクリレート、イソオクチルアクリレート、ラウリルアクリレート、２−メトキシエチルアクリレート、メトキシエチレングリコールアクリレート、フェノキシエチルアクリレート、ステアリルアクリレート、エチレングリコールジアクリレート、ジエチレングリコールジアクリレート、１，４−ブタンジオールジアクリレート、１，５−ペンタンジオールジアクリレート、１，６−ヘキサンジオールジアクリレート、１，３−プロパンジオールアクリレート、１，４−シクロヘキサンジオールジアクリレート、２，２−ジメチロールプロパンジアクリレート、グリセロールジアクリレート、トリプロピレングリコールジアクリレート、グリセロールトリアクリレート、トリメチロールプロパントリアクリレート、ポリオキシエチル化トリメチロールプロパントリアクリレート、ペンタエリスリトールトリアクリレート、ペンタエリスリトールテトラアクリレート、トリエチレングリコールジアクリレート、ポリオキシプロピルトリメチロールプロパントリアクリレート、ブチレングリコールジアクリレート、１，２，４−ブタントリオールトリアクリレート、２，２，４−トリメチル−１，３−ペンタンジオールジアクリレート、ジアリルフマレート、１，１０−デカンジオールジメチルアクリレート、ペンタエリスリトールヘキサアクリレートなどのアクリレート化合物、上記のアクリレートをメタクリレートに変えたもの、γ−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン、１−ビニル−２−ピロリドン等が挙げられる。本発明では、上記の反応性モノマーを１種または２種以上の混合物として、あるいは、その他の化合物との混合物として使用することができる。
【００２２】
反応性官能基を有するオリゴマー（感光性オリゴマー）としては、例えば上記感光性モノマーを用いて製造されるオリゴマーなどを挙げることができる。本発明では、これらオリゴマーを１種または２種以上の混合物として使用することができる。
【００２３】
光重合開始剤としては、この分野において公知のものを広く使用できる。光重合開始剤の例として、ベンゾフェノン、ｏ−ベンゾイル安息香酸メチル、４，４−ビス（ジメチルアミン）ベンゾフェノン、４，４−ビス（ジエチルアミン）ベンゾフェノン、α−アミノ・アセトフェノン、４，４−ジクロロベンゾフェノン、４−ベンゾイル−４−メチルジフェニルケトン、ジベンジルケトン、フルオレノン、２，２−ジエトキシアセトフォノン、２，２−ジメトキシ−２−フェニルアセトフェノン、２−ヒドロキシ−２−メチルプロピオフェノン、ｐ−tert−ブチルジクロロアセトフェノン、チオキサントン、２−メチルチオキサントン、２−クロロチオキサントン、２−イソプロピルチオキサントン、ジエチルチオキサントン、ベンジルジメチルケタール、ベンジルメトキシエチルアセタール、ベンゾインメチルエーテル、ベンゾインブチルエーテル、アントラキノン、２−tert−ブチルアントラキノン、２−アミルアントラキノン、β−クロルアントラキノン、アントロン、ベンズアントロン、ジベンズスベロン、メチレンアントロン、４−アジドベンジルアセトフェノン、２，６−ビス（ｐ−アジドベンジリデン）シクロヘキサン、２，６−ビス（ｐ−アジドベンジリデン）−４−メチルシクロヘキサノン、２−フェニル−１，２−ブタジオン−２−（ｏ−メトキシカルボニル）オキシム、１−フェニル−プロパンジオン−２−（ｏ−エトキシカルボニル）オキシム、１，３−ジフェニル−プロパントリオン−２−（ｏ−エトキシカルボニル）オキシム、１−フェニル−３−エトキシ−プロパントリオン−２−（ｏ−ベンゾイル）オキシム、ミヒラーケトン、２−メチル−［４−（メチルチオ）フェニル］−２−モルフォリノ−１−プロパン、ナフタレンスルホニルクロライド、キノリンスルホニルクロライド、ｎ−フェニルチオアクリドン、４，４−アゾビスイソブチロニトリル、ジフェニルジスルフィド、ベンズチアゾールジスルフィド、トリフェニルホスフィン、カンファーキノン、四臭素化炭素、トリブロモフェニルスルホン、過酸化ベンゾインなどが挙げられる。また、エオシン、メチレンブルー等の光還元性色素及びアスコルビン酸、トリエタノールアミン等の還元剤の混合物を光重合開始剤として用いることができる。本発明では、これらの光重合開始剤を１種または２種以上混合して使用することができる。
【００２４】
上記感光性モノマー及び／又はオリゴマー並びに光重合開始剤は、電極用セラミックス粉末と共に配合されて感光性ペースト状組成物とされる。この際、感光性ペースト状組成物には、通常バインダー樹脂、有機溶剤などが配合される。
【００２５】
バインダー樹脂としては、この分野において公知のものを広く使用できる。本発明においては、主にアルカリ現像型樹脂が使用され、例えばメチルアクリレート、メチルメタクリレート、エチルアクリレート、エチルメタクリレート、ｎ−プロピルアクリレート、ｎ−プロピルメタクリレート、イソプロピルアクリレート、イソプロピルメタクリレート、sec-ブチルアクリレート、sec-ブチルメタクリレート、イソブチルアクリレート、イソブチルメタクリレート、tert−ブチルアクリレート、tert−ブチルメタクリレート、ｎ−ペンチルアクリレート、ｎ−ペンチルメタクリレート、ｎ−ヘキシルアクリレート、ｎ−ヘキシルメタクリレート、２−エチルヘキシルアクリレート、２−エチルヘキシルメタクリレート、ｎ−オクチルアクリレート、ｎ−オクチルメタクリレート、ｎ−デシルアクリレート、ｎ−デシルメタクリレート、ヒドロキシエチルアクリレート、ヒドロキシエチルメタクリレート、ヒドロキシプロピルアクリレート、ヒドロキシプロピルメタクリレート、スチレン、α−メチルスチレン、Ｎ−ビニル−２−ピロリドン、アクリル酸、メタクリル酸、アクリル酸の二量体（例えば、東亜合成化学（株）製のＭ−５６００）、イタコン酸、クロトン酸、マレイン酸、フマル酸、ビニル酢酸、これらの酸無水物等の１種以上からなるホモポリマーまたはコポリマー、エチルセルロース等のセルロース誘導体、上記コポリマーにグリシジル基または水酸基を有するエチレン性不飽和化合物を付加させたポリマーなどが挙げられる。
【００２６】
有機溶剤は、感光性樹脂層形成のために配合される。使用される有機溶剤としては、この分野において公知のものを広く使用でき、例えば、メタノール、エタノール、ｎ−プロパノール、イソプロパノール、エチレングリコール、プロピレングリコールなどのアルコール類；α−もしくはβ−テルピネオールなどのテルペン類；アセトン、メチルエチルケトン、シクロヘキサノンなどのケトン類；トルエン、キシレン、テトラメチルベンゼンなどの芳香族炭化水素類；セロソルブ、メチルセロソルブ、エチルセロソルブ、カルビトール、メチルカルビトール、エチルカルビトール、ブチルカルビトール、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル、ジプロピレングリコールモノメチルエーテル、ジプロピレングリコールモノエチルエーテル、トリエチレングリコールモノメチルエーテル、トリエチレングリコールモノエチルエーテルなどのグリコールエーテル類；酢酸エチル、酢酸ブチル、セロソルブアセテート、エチルセロソルブアセテート、ブチルセロソルブアセテート、カルビトールアセテート、エチルカルビトールアセテート、ブチルカルビトールアセテート、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、プロピレングリコールモノエチルエーテルアセテートなどの酢酸エステル類などが挙げられる。
【００２７】
感光性ペースト状組成物中の固形分濃度は、塗工性などを考慮に入れると、通常７０〜９０重量％程度である。固形分中に含まれるセラミックス粉末の量は、固形分全量に対して通常６５〜９０重量％程度、感光性モノマー及び／又はオリゴマーの量は、固形分全量に対して通常５〜２５重量％程度、光重合開始剤の量は、固形分全量に対して通常０．１〜１０重量％程度である。
【００２８】
更に、感光性ペースト状組成物には、その他の添加剤として、可塑剤、分散剤、沈降防止剤、消泡剤、剥離剤、レベリング剤、増感剤、重合停止剤、連鎖移動剤、安定剤、増粘剤などが必要に応じて配合される。
【００２９】
可塑剤としては、公知のものを広く使用でき、例えばジメチルフタレート、ジブチルフタレート、ジ−ｎ−オクチルフタレートなどのノルマルアルキルフタレート類；ジ−２−エチルヘキシルフタレート、ジイソデシルフタレート、ブチルベンジルフタレート、ジイソノニルフタレート、エチルフタリルエチルグリコレート、ブチルフタリルブチルグリコレートなどのフタル酸エステル類；トリ−２−エチルヘキシルトリメリテート、トリ−ｎ−アルキルトリメリテート、トリイソノニルトリメリテート、トリイソデシルトリメリテートなどのトリメリット酸エステル；ジメチルアジペート、ジブチルアジペート、ジ−２−エチルヘキシルアジペート、ジイソデシルアジペート、ジブチルジグリコールアジペート、ジ−２−エチルヘキシルアゼテート、ジメチルセバケート、ジブチルセバケート、ジ−２−エチルヘキシルセバケート、ジ−２−エチルヘキシルマレート、アセチル−トリ−（２−エチルヘキシル）シトレート、アセチル−トリ−ｎ−ブチルシトレート、アセチルトリブチルシトレートなどの脂肪族二塩基酸エステル類；ポリエチレングリコールベンゾエート、トリエチレングリコール−ジ−（２−エチルヘキソエート）、ポリグリコールエーテルなどのグリコール誘導体；グリセロールトリアセテート、グリセロールジアセチルモノラウレートなどのグリセリン誘導体；セバシン酸、アジピン酸、アゼライン酸、フタル酸などからなるポリエステル系、分子量３００〜３０００の低分子量ポリエーテル；分子量３００〜３０００の低分子量ポリ−α−スチレン；分子量３００〜３０００の低分子量ポリスチレン；トリメチルホスフェート、トリエチルホスフェート、トリブチルホスフェート、トリ−２−エチルヘキシルホスフェート、トリブトキシエチルホスフェート、トリフェニルホスフェート、トリクレジルホスフェート、トリキシレニルホスフェート、クレジルジフェニルホスフェート、キシレニルジフェニルホスフェート、２−エチルヘキシルジフェニルホスフェートなどの正リン酸エステル類；メチルアセチルリシノレートなどのリシノール酸エステル類；ポリ−１，３−ブタンジオールアジペート；エポキシ化大豆油などのポリエステル・エポキシ化エステル類；グリセリントリアセテート、２−エチルヘキシルアセテートなどの酢酸エステル類などを挙げることができる。
【００３０】
分散剤ないし沈降防止剤としては、セラミックス粉末の分散性、沈降防止性の向上を目的とするものであり、例えば、リン酸エステル系、シリコーン系、ひまし油エステル系、各種界面活性剤などが挙げられる。
【００３１】
消泡剤としては、例えば、シリコーン系、アクリル系、各種界面活性剤などが挙げられる。
【００３２】
剥離剤としては、例えば、シリコーン系、フッ素油系、パラフィン系、脂肪酸系、脂肪酸エステル系、ひまし油系、ワックス系、コンパウンドタイプなどが挙げられる。
【００３３】
レベリング剤としては、例えば、フッ素系、シリコーン系、各種界面活性剤などが挙げられる。
【００３４】
これらの添加剤は、それぞれ適量添加することができる。
【００３５】
感光性ポリマーとしては、例えばポジ型感光性ポリマーなどが挙げられる。ポジ型感光性ポリマーとしては、公知のものを広く使用でき、例えば、ノボラック樹脂、ポリメチルビニルケトン、ポリビニルフェニルケトン、ポリスルホン、ｐ−ジアゾジフェニルアミン・パラホルムアルデヒド縮重合物などのジアゾニウム塩類、１，２−ナフトキノン−２−ジアジド−５−スルホン酸イソブチルエステルなどのキノンジアジド類、ポリメチルメタクリレート、ポリフェニルメチルシラン、ポリメチルイソプロペニルケトンなどが挙げられる。これらのポジ型感光性ポリマーは、例えば、ＮＰＲ９１００（ナガセ電子化学（株）製）、ＯＦＰＲ８００（東京応化工業（株）製）などとして市場から容易に入手できる。
【００３６】
感光性ペースト状組成物に、電極用セラミックス粉末及び感光性ポリマーを配合する場合、必要に応じて、例えば重合禁止剤などの保存安定剤、染料、顔料、酸化防止剤、消泡剤、界面活性剤などを適宜添加することができる。
【００３７】
本発明の感光性ペースト状組成物の粘度は、該組成物に配合される増粘剤、有機溶媒、可塑剤、その他の添加剤などの量によって適宜調整され、その粘度範囲は、通常２００〜１０万ｃｐである。
【００３８】
次に、本発明の感光性ペースト状組成物の製造方法につき説明する。
【００３９】
本発明の感光性ペースト状組成物は、例えばセラミックス粉末、感光性化合物、光重合開始剤などの各種成分を所定割合で調合した後に、均質に混合することにより製造される。混合には、例えば三本ロール、ボールミル等の公知の混合機、混練機などが用いられる。
【００４０】
本発明の感光性ペースト状組成物を使用すれば、フォトリソグラフィ技術を適用して基板上に微細なパターニングを形成させることが可能となる。ここでフォトリソグラフィ技術とは、フォトマスクを用いた露光、現像によるによるパターン形成、マスクレスなレーザー描画露光、現像によるパターン形成などをいう。
【００４１】
本発明の感光性ペースト状組成物を用いてパターンを形成するには、例えば以下に示す方法に従えばよい。
【００４２】
例えば、セラミックス基板上に本発明組成物を全面ないし部分的に塗布する。塗布方法としては、スクリーン印刷法、スピンコート法、ドクターブレード法、ダイコート法、ナイフコート法などの公知の塗布方法が挙げられる。塗布厚みは、ペースト状組成物の粘度、スクリーンメッシュ、ペースト状組成物の塗布量などによって適宜調整される。
【００４３】
セラミックス基板の材料は、例えば、前記セラミック粉末を用いて板状に成型したものなどを挙げることができる。セラミックス基板材料は、燃料極を構成するセラミックスと同一であってもよいし、空気極を構成するセラミックスと同一であってもよいし、これらセラミックスの混合物であってもよい。
【００４４】
ペースト状組成物を塗布後、乾燥により有機溶媒を除去し、露光装置を用いて露光を行う。露光は通常のフォトリソグラフィで行われるように、フォトマスクを用いてマスク露光する方法が挙げられる。マスク露光するときには、感光性化合物の種類に応じて、ネガ型またはポジ型のどちらかを選択する。所望のパターンを有するフォトマスクを通して、このペースト状組成物による塗膜を露光後、現像すれば、所望のパターンが固体電解質基板上に形成される。
【００４５】
露光後、ネガ型感光性化合物では非露光部分を、ポジ型感光性化合物では露光部分を現像液にて除去する。この場合、スプレー法、浸漬法などによって現像処理を行う。現像後、エアブロー、ドライヤなどの乾燥機にて乾燥し、焼成炉中にて昇温下焼成を行う。焼成温度としては、電極用セラミックス材料により異なるが、通常８００〜１７００℃で焼成を行う。空気極を形成する場合、焼成温度は８００〜１３００℃が好ましく、燃料極を形成する場合、焼成温度は１０００〜１７００℃が好ましい。焼成後得られる電極膜厚は、５〜３０μｍ、好ましくは１０〜２０μｍである。
【００４６】
この電極パターン膜は、焼成によりによりセラミックス成分のみで構成されたものとなり、これらが燃料極および空気極の電極として機能する。
【００４７】
またフォトマスクを用いてマスク露光するのではなく、レーザーなどで直接描画する描画露光によって、用いたレーザー波長に感光して高精度な微細パターンを形成することも可能である。
【００４８】
この場合、レーザー光源としては、例えば、ＫｒＦレーザー、紫外線レーザー、アルゴンイオンレーザーなどの可視光レーザー、半導体レーザーなどを用いることができる。この手法によればフォトマスクを用いないためフォトマスクに関するトラブルを避けることができる。
【００４９】
このようにして、セラミックスからなる電解質基板上の同一平面に、セラミックスからなる燃料極及び空気極が一対となって配置されている固体電解質型燃料電池であって、前記一対の燃料極及び空気極が複数の微細パターンから形成されている固体電解質型燃料電池が製造される。
【００５０】
本発明の燃料電池において、燃料極の線幅及び空気極の線幅がそれぞれ通常１０〜１０００μｍ程度、好ましくは５０〜５００μｍ程度、より好ましくは５０〜２５０μｍ程度である。
【００５１】
本発明の燃料電池は、燃料極及び空気極が等間隔で形成されているのが好ましい。
【００５２】
本発明の固体電解質型燃料電池は、前記一対の燃料極及び空気極が共に平面矩形状で平行に配列されており、その両極間の距離が５００μｍ以下であるのが好ましく、両極間の距離が１０μｍ〜１００μｍであるのがより好ましい。
【００５３】
また、燃料極及び空気極の長さは、線幅、両極間の距離、材質等にもよるが、５００μｍ以上が好ましく、１〜１０ｍｍ程度がより好ましい。
【００５４】
【発明の効果】
本発明の感光性ペースト状組成物を用いることにより、セラミックス基板上に、電極のパターン形成を高精度で行うことができる。これによって、固体電解質型燃料電池の電極（燃料極及び空気極）を微細に形成することが可能となり、特に、パターン精度の向上、量産性の向上、大面積化が可能となる。
【００５５】
本発明の燃料電池は、セラミックス基板上に空気極及び燃料極を形成し、その基板付近で電池反応を起こすシステムである。そのために、セラミックス基板を厚くしても電池性能を高性能に維持できるため、燃料電池の耐振動性を向上させることができる。
【００５６】
本発明によれば、耐振動性に優れた固体電解質型燃料電池の製造が可能となり、移動体への搭載が期待できる。
【００５７】
【実施例】
以下に実施例を掲げて、本発明をより一層明らかにする。
【００５８】
実施例１（燃料極用ペースト状組成物の製造）
セラミックス成分：
NiO粉末（１〜１０μｍ、平均７μｍ）２８重量部
SDC（(Ce,Sm)O₃）粉末（１０〜５０μｍ、平均３０μｍ）４２重量部
有機成分：
メタクリル酸メチル−メタクリル酸共重合体５．０重量部
トリメチロールプロパントリアクリレート５．８重量部
２−メチル−１−［４−（メチルチオ）フェニル］−
２−モルフォリノプロパン−１−オン１．５重量部
エチルカルビトール１７．７重量部
有機成分各成分を加熱溶解させ、その中にセラミックス成分を添加し、3本ロールにて湿式粉砕することにより燃料極用ペースト状組成物を作成した。粘度は、スクリーン印刷に適した５００００ｃＰとした。
【００５９】
実施例２（空気極用ペースト状組成物の製造）
セラミックス成分：
SSC（(Sm,Sr)CoO₃）粉末（０．１〜１０μｍ、平均３μｍ）７０重量部
有機成分：
メタクリル酸メチル−メタクリル酸共重合体５．０重量部
トリメチロールプロパントリアクリレート５．８重量部
２−メチル−１−［４−（メチルチオ）フェニル］−
２−モルフォリノプロパン−１−オン１．５重量部
エチルカルビトール１７．７重量部
有機成分各成分を加熱溶解させ、その中にセラミックス成分を添加し、3本ロールにて湿式粉砕することにより空気極用ペースト状組成物を作成した。粘度は、スクリーン印刷に適した５００００ｃＰとした。
【００６０】
実施例３（燃料電池の製造）
１５ｍｍ角の電解質基板（ＳＤＣ基板）上に、実施例１で得られた燃料極用ペースト状組成物をスクリーン印刷による塗布によって、塗布厚み１５μｍになるように塗布を行ったあと、９０℃で１時間乾燥した。その後、このペースト状塗膜にマスクを通して、超高圧水銀灯光線を１０００ｍＪ／ｃｍ²照射することによって、ペースト状塗膜を露光処理した。この際、マスクとして、ピッチ１５０μｍ、線幅５０μｍとなるようなストライプ状の燃料極電極パターン形成が可能となるようなマスクを用いた。露光後、炭酸ナトリウム０．５重量％水溶液にて現像を行った。さらに、該電解質基板を１４００℃、大気中にて１時間焼成した。このとき得られた電極膜厚は１０μｍであった。
【００６１】
次いで、得られた電解質基板上に、実施例２で得られた空気極用ペースト状組成物をスクリーン印刷によって塗布厚み１５μｍになるように塗布を行ったあと、９０℃で１時間乾燥した。その後、このペースト状塗膜に上記と同様のマスクを通して、超高圧水銀灯光線を１０００ｍＪ／ｃｍ²照射することによって、ペースト状塗膜を露光処理した。この際、先に形成した燃料極のピッチ内に、燃料極と空気極との距離が５０μｍとなるように空気極（線幅５０μｍ）が形成されるようにマスク位置を調整の後、露光処理を行った。露光後、炭酸ナトリウム０．５重量％水溶液にて現像を行った。さらに、該電解質基板を９００℃、大気中にて１時間焼成した。このとき得られた電極膜厚は１０μｍであった。
【００６２】
上記で得られた燃料電池の電極について、顕微鏡観察によって線幅、電極ピッチの測定、ストライプ状部分での断面形状の評価を行った。
【００６３】
その結果、燃料極、空気極ともに線幅５０μｍと設定値どおりであった。電極ピッチは燃料極と空気極間が５０μｍと設定値どおりとなっており、所望のパターン電極を得ることができた。
【００６４】
また断面形状は、電極表面の中央と端部付近での線幅のばらつきなく矩形状を呈していた。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a solid oxide fuel cell and a photosensitive paste-like composition.
[0002]
[Prior art]
As a cell design of a solid oxide fuel cell, a flat plate type, a cylindrical type, and the like have been proposed.
[0003]
The flat plate cell has an advantage of high power density, but requires a separator for completely separating the fuel gas and air and a gas seal between the cell and the separator. In the flat plate type cell, since the gas seal is applied by applying pressure to the material constituting the cell, there is a disadvantage that the cell is vulnerable to vibration, thermal cycle, and the like, which is not practical.
[0004]
Examples of the cylindrical cell include a cylindrical vertical stripe type and a cylindrical horizontal stripe type. These cylindrical cells have excellent gas sealing properties, but have the disadvantages that the power density is low and the structure is more complex than that of flat cells, which complicates the manufacturing process and increases costs. Have.
[0005]
As a new fuel cell that replaces the conventional fuel cell described above, an air electrode and a fuel electrode are arranged in parallel at a certain interval on the same plane of the electrolyte substrate, and a mixed gas of fuel gas such as hydrocarbon and oxygen gas is supplied. Thus, a battery that generates electricity has been developed (for example, JP-A-8-264195).
[0006]
This battery is called a surface conductive type, and since a mixed gas of fuel gas and oxygen gas can be used, a separator is not required, so that a gas seal, which has been problematic in the conventional flat plate type, is unnecessary.
[0007]
According to Japanese Patent Laid-Open No. 8-264195, the air electrode and the fuel electrode are usually formed by printing on a solid electrolyte substrate by a brush coating method, a screen printing method, or the like. However, the brush coating method is not suitable as a manufacturing method from the standpoints of poor pattern accuracy due to manual labor, low mass productivity, and difficulty in increasing the area. Further, in the screen printing method, it is difficult to reduce the electrode pattern width (interval between the air electrode and the fuel electrode) to 100 μm or less even when the optimum conditions such as screen mask pattern accuracy, squeeze hardness, and printing speed are adopted.
[0008]
Although the performance of the solid oxide fuel cell can be improved by narrowing the distance between the fuel electrode and the air electrode, the above method cannot be expected to improve the performance of the fuel cell.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
The subject of this invention is providing the paste-form composition which can form a fuel electrode and an air electrode with a some fine pattern on the same plane on an electrolyte substrate.
[0010]
An object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell in which a fuel electrode and an air electrode are formed in a plurality of fine patterns on the same plane on an electrolyte substrate.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
As a result of intensive studies in order to solve the above problems, the present inventors have used a specific photosensitive paste-like composition containing ceramic powder and a photosensitive compound to thereby provide an electrolyte substrate made of ceramics. It has been found that a fuel electrode made of ceramics and an air electrode made of ceramics can be formed in a plurality of fine patterns on the same plane. The present invention has been completed based on such findings.
1. SEContains ramix powder and photosensitive compound, applying photolithography technologyThe fuel electrode and air electrode pattern is formed and fired to make up only ceramic components.Fuel electrode and air electrodeForm ofPhotosensitive paste-like composition for solid oxide fuel cells used for synthesisThe ceramic powder is (Ce, Sm) O. ₃ , (Ce, Gd) O ₃ , (La, Sr) (Ga, Mg) O ₃ A mixture of at least one electrolyte material selected from the group consisting of scandium stabilized ScSZ and yttria stabilized YSZ and nickel oxide; or (Sm, Sr) CoO ₃ , (La, Sr) MnO ₃ , (La, Sr) CoO ₃ , (La, Sr) (Fe, Co) O ₃ And (La, Sr) (Fe, Co, Ni) O ₃ A photosensitive paste composition which is at least one perovskite metal oxide selected from the group consisting of.
2. 2. The photosensitive paste composition according to 1 above, wherein the photosensitive compound contains at least one selected from the group consisting of a photosensitive monomer, a photosensitive oligomer, and a photosensitive polymer.
3. 3. The photosensitive paste composition according to 2 above, wherein the photosensitive monomer is a compound having at least one polymerizable carbon-carbon unsaturated bond.
4). 3. The photosensitive paste-like composition according to 2 above, wherein the photosensitive oligomer is an oligomer obtained from the monomer according to 3 above.
5. The manufacturing method of the electrode for fuel cells which uses the photosensitive paste-like composition in any one of said 1-4 as a photoresist.
6). A fuel cell electrode manufactured by the manufacturing method according to 5 above is provided as a fuel electrode and an air electrode, and a plurality of pairs of the fuel electrode and the air electrode are arranged on the same plane on the electrolyte substrate. The pair of fuel electrodes and air electrodes are both arranged in parallel in a rectangular plane, the distance between the two electrodes is 100 μm or less, and a mixed gas of fuel gas and oxygen gas is supplied. A surface-conduction type solid oxide fuel cell that generates electricity.
7). 7. The surface conductivity type solid oxide fuel cell as described in 6 above, wherein the line width of the fuel electrode and the air electrode is 10 to 1000 μm, respectively.
8). 7. The surface conductivity type solid oxide fuel cell as described in 6 above, wherein the fuel electrode and the air electrode are formed at equal intervals.
9. 7. The surface conduction type solid oxide fuel cell as described in 6 above, wherein the distance between the pair of fuel electrode and air electrode is 10 μm to 100 μm.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The photosensitive paste-like composition of the present invention contains a ceramic powder for electrodes and a photosensitive compound.
[0013]
The electrode ceramic powder varies depending on the type of electrode to be formed.
[0014]
When the fuel electrode is to be formed, a mixture of Ni metal is generally used as the electrode ceramic powder, specifically, (Ce, Sm) O._Three, (Ce, Gd) O_Three, (La, Sr) (Ga, Mg) O_ThreeIn addition, a mixture of an electrolyte material such as scandium-stabilized ScSZ and yttria-stabilized YSZ and nickel oxide can be used, and Ni-YSZ is preferable. Here, the mixed form with nickel oxide may be a physical mixed form or may be a form such as powder modification to nickel oxide. These ceramic powders are used alone or in combination.
[0015]
When an air electrode is to be formed, a perovskite-type metal oxide is generally used as the electrode ceramic powder. Specifically, (Sm, Sr) CoO_Three, (La, Sr) MnO_Three, (La, Sr) CoO_Three, (La, Sr) (Fe, Co) O_Three, (La, Sr) (Fe, Co, Ni) O_ThreePreferably, (La, Sr) MnO_ThreeIt is. These ceramic powders are used alone or in combination.
[0016]
The particle size of the ceramic powder for electrodes is usually several nm to several tens of μm, preferably about 1 to 10 μm.
[0017]
As a photosensitive compound, a well-known thing can be widely used, For example, a photosensitive monomer, a photosensitive oligomer, a photosensitive polymer etc. are mentioned.
[0018]
In the present invention, the photosensitive compound includes both a light insolubilizing type (negative type) photosensitive compound and a photosolubilizing type (positive type) photosensitive compound.
[0019]
Examples of the photosensitive compound include (1) a mixture of a monomer and / or oligomer having a reactive functional group such as an unsaturated group and a photopolymerization initiator, and (2) a polycondensation product of a diazo amine and formaldehyde. These include so-called diazo resins, (3) those containing photosensitive compounds such as aromatic diazo compounds, aromatic azide compounds, and organic halogen compounds, and (4) naphthoquinone diazide compounds. Of these, (1) is particularly preferred.
[0020]
(1) will be specifically described.
[0021]
As the monomer having a reactive functional group (photosensitive monomer), a compound having at least one polymerizable carbon-carbon unsaturated bond can be used. Specifically, allyl acrylate, benzyl acrylate, butoxyethyl acrylate, butoxyethylene glycol acrylate, cyclohexyl acrylate, dicyclopentanyl acrylate, 2-ethylhexyl acrylate, glycerol acrylate, glycidyl acrylate, 2-hydroxyethyl acrylate, 2-hydroxypropyl Acrylate, isobornyl acrylate, isodexyl acrylate, isooctyl acrylate, lauryl acrylate, 2-methoxyethyl acrylate, methoxyethylene glycol acrylate, phenoxyethyl acrylate, stearyl acrylate, ethylene glycol diacrylate, diethylene glycol diacrylate, 1,4-butane Diol diacrylate, , 5-pentanediol diacrylate, 1,6-hexanediol diacrylate, 1,3-propanediol acrylate, 1,4-cyclohexanediol diacrylate, 2,2-dimethylolpropane diacrylate, glycerol diacrylate, tripropylene Glycol diacrylate, glycerol triacrylate, trimethylolpropane triacrylate, polyoxyethylated trimethylolpropane triacrylate, pentaerythritol triacrylate, pentaerythritol tetraacrylate, triethylene glycol diacrylate, polyoxypropyltrimethylolpropane triacrylate, butylene Glycol diacrylate, 1,2,4-butanetriol triacrylate, 2,2, -Acrylate compounds such as trimethyl-1,3-pentanediol diacrylate, diallyl fumarate, 1,10-decanediol dimethyl acrylate, pentaerythritol hexaacrylate, the above acrylate replaced with methacrylate, γ-methacryloxypropyl tri Examples include methoxysilane and 1-vinyl-2-pyrrolidone. In the present invention, the above reactive monomers can be used as one or a mixture of two or more or as a mixture with other compounds.
[0022]
Examples of the oligomer having a reactive functional group (photosensitive oligomer) include an oligomer produced using the above photosensitive monomer. In the present invention, these oligomers can be used as one kind or a mixture of two or more kinds.
[0023]
As the photopolymerization initiator, those known in this field can be widely used. Examples of photopolymerization initiators include benzophenone, methyl o-benzoylbenzoate, 4,4-bis (dimethylamine) benzophenone, 4,4-bis (diethylamine) benzophenone, α-amino acetophenone, 4,4-dichlorobenzophenone 4-benzoyl-4-methyldiphenyl ketone, dibenzyl ketone, fluorenone, 2,2-diethoxyacetophonone, 2,2-dimethoxy-2-phenylacetophenone, 2-hydroxy-2-methylpropiophenone, p- tert-butyldichloroacetophenone, thioxanthone, 2-methylthioxanthone, 2-chlorothioxanthone, 2-isopropylthioxanthone, diethylthioxanthone, benzyldimethyl ketal, benzylmethoxyethyl acetal, benzoin methyl ether , Benzoin butyl ether, anthraquinone, 2-tert-butylanthraquinone, 2-amylanthraquinone, β-chloroanthraquinone, anthrone, benzanthrone, dibenzsuberon, methyleneanthrone, 4-azidobenzylacetophenone, 2,6-bis (p-azidobenzylidene ) Cyclohexane, 2,6-bis (p-azidobenzylidene) -4-methylcyclohexanone, 2-phenyl-1,2-butadion-2- (o-methoxycarbonyl) oxime, 1-phenyl-propanedione-2- ( o-ethoxycarbonyl) oxime, 1,3-diphenyl-propanetrione-2- (o-ethoxycarbonyl) oxime, 1-phenyl-3-ethoxy-propanetrione-2- (o-benzoyl) oxime, Michlerketo 2-methyl- [4- (methylthio) phenyl] -2-morpholino-1-propane, naphthalenesulfonyl chloride, quinolinesulfonyl chloride, n-phenylthioacridone, 4,4-azobisisobutyronitrile, diphenyl disulfide Benzthiazole disulfide, triphenylphosphine, camphorquinone, carbon tetrabrominated, tribromophenylsulfone, benzoin peroxide and the like. A mixture of a photoreducing dye such as eosin or methylene blue and a reducing agent such as ascorbic acid or triethanolamine can be used as a photopolymerization initiator. In this invention, these photoinitiators can be used 1 type or in mixture of 2 or more types.
[0024]
The photosensitive monomer and / or oligomer and the photopolymerization initiator are blended together with the electrode ceramic powder to form a photosensitive paste composition. At this time, a binder resin, an organic solvent and the like are usually blended in the photosensitive paste composition.
[0025]
A wide variety of binder resins can be used in this field. In the present invention, an alkali developing resin is mainly used. For example, methyl acrylate, methyl methacrylate, ethyl acrylate, ethyl methacrylate, n-propyl acrylate, n-propyl methacrylate, isopropyl acrylate, isopropyl methacrylate, sec-butyl acrylate, sec -Butyl methacrylate, isobutyl acrylate, isobutyl methacrylate, tert-butyl acrylate, tert-butyl methacrylate, n-pentyl acrylate, n-pentyl methacrylate, n-hexyl acrylate, n-hexyl methacrylate, 2-ethylhexyl acrylate, 2-ethylhexyl methacrylate, n-octyl acrylate, n-octyl methacrylate, n-decyl acrylate, n-decyl methacrylate Relate, hydroxyethyl acrylate, hydroxyethyl methacrylate, hydroxypropyl acrylate, hydroxypropyl methacrylate, styrene, α-methylstyrene, N-vinyl-2-pyrrolidone, acrylic acid, methacrylic acid, dimer of acrylic acid (eg Toa Gosei) M-5600 manufactured by Chemical Co., Ltd., homopolymers or copolymers of at least one of itaconic acid, crotonic acid, maleic acid, fumaric acid, vinyl acetic acid, and anhydrides thereof, cellulose derivatives such as ethyl cellulose, Examples thereof include a polymer obtained by adding an ethylenically unsaturated compound having a glycidyl group or a hydroxyl group to a copolymer.
[0026]
The organic solvent is blended for forming the photosensitive resin layer. As the organic solvent used, those known in this field can be widely used, for example, alcohols such as methanol, ethanol, n-propanol, isopropanol, ethylene glycol, propylene glycol; terpenes such as α- or β-terpineol. Ketones such as acetone, methyl ethyl ketone, and cyclohexanone; aromatic hydrocarbons such as toluene, xylene, and tetramethylbenzene; cellosolve, methylcellosolve, ethylcellosolve, carbitol, methylcarbitol, ethylcarbitol, butylcarbitol, Propylene glycol monomethyl ether, propylene glycol monoethyl ether, dipropylene glycol monomethyl ether, dipropylene glycol monoethyl ether, triethylene Glycol ethers such as ethylene glycol monomethyl ether and triethylene glycol monoethyl ether; ethyl acetate, butyl acetate, cellosolve acetate, ethyl cellosolve acetate, butyl cellosolve acetate, carbitol acetate, ethyl carbitol acetate, butyl carbitol acetate, propylene glycol monomethyl Examples include acetates such as ether acetate and propylene glycol monoethyl ether acetate.
[0027]
The solid content concentration in the photosensitive paste-like composition is usually about 70 to 90% by weight in consideration of coating properties and the like. The amount of the ceramic powder contained in the solid content is usually about 65 to 90% by weight with respect to the total amount of the solid content, and the amount of the photosensitive monomer and / or oligomer is usually about 5 to 25% by weight with respect to the total amount of the solid content. The amount of the photopolymerization initiator is usually about 0.1 to 10% by weight with respect to the total solid content.
[0028]
Furthermore, in the photosensitive paste-like composition, as other additives, plasticizer, dispersant, anti-settling agent, antifoaming agent, release agent, leveling agent, sensitizer, polymerization terminator, chain transfer agent, stability Agents, thickeners, etc. are blended as necessary.
[0029]
Known plasticizers can be widely used, for example, normal alkyl phthalates such as dimethyl phthalate, dibutyl phthalate, di-n-octyl phthalate; di-2-ethylhexyl phthalate, diisodecyl phthalate, butyl benzyl phthalate, diisononyl phthalate, Phthalic acid esters such as ethyl phthalyl ethyl glycolate and butyl phthalyl butyl glycolate; tri-2-ethylhexyl trimellitate, tri-n-alkyl trimellitate, triisononyl trimellitate, triisodecyl trimellitate Trimellitic acid esters such as tate; dimethyl adipate, dibutyl adipate, di-2-ethylhexyl adipate, diisodecyl adipate, dibutyl diglycol adipate, di-2-ethylhexyl a Tate, dimethyl sebacate, dibutyl sebacate, di-2-ethylhexyl sebacate, di-2-ethylhexyl malate, acetyl-tri- (2-ethylhexyl) citrate, acetyl-tri-n-butyl citrate, acetyl tributyl citrate Aliphatic dibasic acid esters such as rate; glycol derivatives such as polyethylene glycol benzoate, triethylene glycol-di- (2-ethylhexoate), polyglycol ether; glycerin derivatives such as glycerol triacetate and glycerol diacetyl monolaurate Polyester series composed of sebacic acid, adipic acid, azelaic acid, phthalic acid, etc., low molecular weight polyether having a molecular weight of 300 to 3000; low molecular weight poly-α-styrene having a molecular weight of 300 to 3000; molecular weight 300 to 3000 low molecular weight polystyrene; trimethyl phosphate, triethyl phosphate, tributyl phosphate, tri-2-ethylhexyl phosphate, tributoxyethyl phosphate, triphenyl phosphate, tricresyl phosphate, trixylenyl phosphate, cresyl diphenyl phosphate, xyle Orthophosphoric acid esters such as nildiphenyl phosphate and 2-ethylhexyl diphenyl phosphate; Ricinoleic acid esters such as methylacetylricinoleate; Poly-1,3-butanediol adipate; Polyester epoxidized esters such as epoxidized soybean oil And acetate esters such as glycerin triacetate and 2-ethylhexyl acetate.
[0030]
The dispersant or anti-settling agent is for the purpose of improving the dispersibility and anti-settling property of the ceramic powder, and examples thereof include phosphate ester type, silicone type, castor oil ester type, and various surfactants. .
[0031]
Examples of the antifoaming agent include silicone-based, acrylic-based and various surfactants.
[0032]
Examples of the release agent include silicones, fluorine oils, paraffins, fatty acids, fatty acid esters, castor oils, waxes, and compound types.
[0033]
Examples of the leveling agent include fluorine-based, silicone-based, various surfactants, and the like.
[0034]
Each of these additives can be added in an appropriate amount.
[0035]
Examples of the photosensitive polymer include a positive photosensitive polymer. As the positive photosensitive polymer, known ones can be widely used. For example, novolak resin, polymethyl vinyl ketone, polyvinyl phenyl ketone, polysulfone, diazonium salts such as p-diazodiphenylamine / formaldehyde polycondensate, -Quinonediazides such as naphthoquinone-2-diazide-5-sulfonic acid isobutyl ester, polymethyl methacrylate, polyphenylmethylsilane, polymethylisopropenyl ketone and the like. These positive photosensitive polymers can be easily obtained from the market as NPR9100 (manufactured by Nagase Denshi Kagaku Co., Ltd.), OFPR800 (manufactured by Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd.), and the like.
[0036]
When blending a ceramic powder for electrodes and a photosensitive polymer into a photosensitive paste-like composition, for example, a storage stabilizer such as a polymerization inhibitor, a dye, a pigment, an antioxidant, an antifoaming agent, a surface activity, if necessary. An agent or the like can be added as appropriate.
[0037]
The viscosity of the photosensitive paste-like composition of the present invention is appropriately adjusted depending on the amount of thickener, organic solvent, plasticizer, other additives, etc. blended in the composition, and the viscosity range is usually from 200 to 200. 100,000 cp.
[0038]
Next, a method for producing the photosensitive paste composition of the present invention will be described.
[0039]
The photosensitive paste-like composition of the present invention is produced by, for example, preparing various components such as ceramic powder, a photosensitive compound, and a photopolymerization initiator at a predetermined ratio and then mixing them uniformly. For mixing, for example, a known mixer such as a three-roll or ball mill, a kneader, or the like is used.
[0040]
If the photosensitive paste-like composition of the present invention is used, it becomes possible to apply a photolithography technique to form fine patterning on the substrate. Here, the photolithography technique refers to exposure using a photomask, pattern formation by development, maskless laser drawing exposure, pattern formation by development, and the like.
[0041]
In order to form a pattern using the photosensitive paste-like composition of the present invention, for example, the following method may be followed.
[0042]
For example, the composition of the present invention is entirely or partially applied on a ceramic substrate. Examples of the coating method include known coating methods such as a screen printing method, a spin coating method, a doctor blade method, a die coating method, and a knife coating method. The coating thickness is appropriately adjusted depending on the viscosity of the paste composition, the screen mesh, the coating amount of the paste composition, and the like.
[0043]
Examples of the material of the ceramic substrate include those formed into a plate shape using the ceramic powder. The ceramic substrate material may be the same as the ceramic constituting the fuel electrode, may be the same as the ceramic constituting the air electrode, or may be a mixture of these ceramics.
[0044]
After applying the paste-like composition, the organic solvent is removed by drying, and exposure is performed using an exposure apparatus. As the exposure is performed by normal photolithography, a mask exposure method using a photomask can be used. When performing mask exposure, either negative type or positive type is selected according to the type of photosensitive compound. If the coating film made of this paste-like composition is exposed and developed through a photomask having a desired pattern, a desired pattern is formed on the solid electrolyte substrate.
[0045]
After the exposure, the non-exposed portion is removed with a developing solution for the negative photosensitive compound, and the exposed portion is removed with the positive photosensitive compound. In this case, development processing is performed by a spray method, a dipping method, or the like. After development, the film is dried by a dryer such as an air blower or a dryer, and baked at an elevated temperature in a baking furnace. The firing temperature varies depending on the electrode ceramic material, but is usually fired at 800 to 1700 ° C. When the air electrode is formed, the firing temperature is preferably 800 to 1300 ° C, and when the fuel electrode is formed, the firing temperature is preferably 1000 to 1700 ° C. The electrode film thickness obtained after firing is 5 to 30 μm, preferably 10 to 20 μm.
[0046]
This electrode pattern film is composed of only ceramic components by firing, and these function as electrodes for the fuel electrode and the air electrode.
[0047]
It is also possible to form a highly accurate fine pattern by exposure to the used laser wavelength by drawing exposure that directly draws with a laser or the like instead of performing mask exposure using a photomask.
[0048]
In this case, for example, a visible light laser such as a KrF laser, an ultraviolet laser, or an argon ion laser, a semiconductor laser, or the like can be used as the laser light source. According to this method, since no photomask is used, troubles related to the photomask can be avoided.
[0049]
Thus, a solid electrolyte fuel cell in which a fuel electrode and an air electrode made of ceramics are arranged in a pair on the same plane on the electrolyte substrate made of ceramics, and the pair of fuel electrodes and air electrodes Is manufactured from a plurality of fine patterns.
[0050]
In the fuel cell of the present invention, the line width of the fuel electrode and the line width of the air electrode are each usually about 10 to 1000 μm, preferably about 50 to 500 μm, more preferably about 50 to 250 μm.
[0051]
In the fuel cell of the present invention, the fuel electrode and the air electrode are preferably formed at equal intervals.
[0052]
In the solid oxide fuel cell of the present invention, the pair of fuel electrodes and air electrodes are both arranged in parallel in a planar rectangular shape, and the distance between both electrodes is preferably 500 μm or less, and the distance between both electrodes is More preferably, the thickness is 10 μm to 100 μm.
[0053]
The length of the fuel electrode and the air electrode is preferably 500 μm or more, more preferably about 1 to 10 mm, although it depends on the line width, the distance between both electrodes, the material, and the like.
[0054]
【The invention's effect】
By using the photosensitive paste-like composition of the present invention, the electrode pattern can be formed on the ceramic substrate with high accuracy. As a result, the electrodes (fuel electrode and air electrode) of the solid oxide fuel cell can be finely formed, and in particular, the pattern accuracy can be improved, the mass productivity can be improved, and the area can be increased.
[0055]
The fuel cell of the present invention is a system in which an air electrode and a fuel electrode are formed on a ceramic substrate and a cell reaction is caused in the vicinity of the substrate. Therefore, even if the thickness of the ceramic substrate is increased, the battery performance can be maintained at high performance, so that the vibration resistance of the fuel cell can be improved.
[0056]
According to the present invention, it is possible to manufacture a solid oxide fuel cell having excellent vibration resistance, and it can be expected to be mounted on a moving body.
[0057]
【Example】
The present invention will be further clarified by the following examples.
[0058]
Example 1 (Production of paste composition for fuel electrode)
Ceramic component:
NiO powder (1-10μm, average 7μm) 28 parts by weight
SDC ((Ce, Sm) O_Three) Powder (10-50 μm, average 30 μm) 42 parts by weight
Organic ingredients:
Methyl methacrylate-methacrylic acid copolymer 5.0 parts by weight
5.8 parts by weight of trimethylolpropane triacrylate
2-Methyl-1- [4- (methylthio) phenyl]-
2-morpholinopropan-1-one 1.5 parts by weight
17.7 parts by weight of ethyl carbitol
Each component of the organic component was dissolved by heating, a ceramic component was added therein, and wet pulverization was performed with a three roll to prepare a fuel electrode paste composition. The viscosity was 50000 cP suitable for screen printing.
[0059]
Example 2 (Production of paste composition for air electrode)
Ceramic component:
SSC ((Sm, Sr) CoO_Three) Powder (0.1-10 μm, average 3 μm) 70 parts by weight
Organic ingredients:
Methyl methacrylate-methacrylic acid copolymer 5.0 parts by weight
5.8 parts by weight of trimethylolpropane triacrylate
2-Methyl-1- [4- (methylthio) phenyl]-
2-morpholinopropan-1-one 1.5 parts by weight
17.7 parts by weight of ethyl carbitol
Each organic component was dissolved by heating, a ceramic component was added therein, and wet pulverization was performed with a three roll to prepare a paste composition for an air electrode. The viscosity was 50000 cP suitable for screen printing.
[0060]
Example 3 (Manufacture of fuel cell)
On the 15 mm square electrolyte substrate (SDC substrate), the paste composition for fuel electrode obtained in Example 1 was applied by screen printing so as to have a coating thickness of 15 μm. Dry for hours. Thereafter, the paste-like coating film is passed through a mask and an ultra-high pressure mercury lamp beam is applied at 1000 mJ / cm.²The paste-like coating film was exposed by irradiation. At this time, a mask capable of forming a striped fuel electrode pattern having a pitch of 150 μm and a line width of 50 μm was used. After the exposure, development was carried out with a 0.5% by weight aqueous solution of sodium carbonate. Further, the electrolyte substrate was fired at 1400 ° C. in the air for 1 hour. The electrode film thickness obtained at this time was 10 μm.
[0061]
Next, the air electrode paste composition obtained in Example 2 was applied on the obtained electrolyte substrate by screen printing to a coating thickness of 15 μm, and then dried at 90 ° C. for 1 hour. Thereafter, the paste-like coating film was passed through a mask similar to the above, and an ultrahigh pressure mercury lamp beam was applied at 1000 mJ / cm.²The paste-like coating film was exposed by irradiation. At this time, after adjusting the mask position so that the distance between the fuel electrode and the air electrode is 50 μm within the previously formed fuel electrode pitch, the exposure position is adjusted. Went. After the exposure, development was carried out with a 0.5% by weight aqueous solution of sodium carbonate. Further, the electrolyte substrate was baked at 900 ° C. in the air for 1 hour. The electrode film thickness obtained at this time was 10 μm.
[0062]
About the electrode of the fuel cell obtained above, the line width and the electrode pitch were measured by microscopic observation, and the cross-sectional shape at the stripe portion was evaluated.
[0063]
As a result, both the fuel electrode and the air electrode had a line width of 50 μm, which was as set. The electrode pitch was 50 μm between the fuel electrode and the air electrode as set, and a desired pattern electrode could be obtained.
[0064]
The cross-sectional shape was rectangular with no variation in line width between the center and end portions of the electrode surface.

Claims

Containing ceramics powder and a photosensitive compound, using a photolithography technique to form a pattern of the fuel electrode and the air electrode, by firing, to form configuration of the fuel electrode and the air electrode consists only of ceramic components A photosensitive paste-like composition for a solid oxide fuel cell to be used , wherein the ceramic powder includes (Ce, Sm) O ₃ , (Ce, Gd) O ₃ , (La, Sr) (Ga, Mg) A mixture of at least one electrolyte material selected from the group consisting of O ₃ , scandium stabilized ScSZ and yttria stabilized YSZ and nickel oxide; or (Sm, Sr) CoO ₃ , (La, Sr) MnO ₃ , (La _{, Sr) CoO 3, (La} , Sr) (Fe, Co) O 3 and (La, Sr) (Fe, Co, Ni) from the group consisting of _{O 3} at least one selected It is a perovskite-type metal oxide, a photosensitive paste composition.

The photosensitive paste-like composition of Claim 1 in which a photosensitive compound contains at least 1 sort (s) chosen from the group which consists of a photosensitive monomer, a photosensitive oligomer, and a photosensitive polymer.

The photosensitive paste-like composition according to claim 2, wherein the photosensitive monomer is a compound having at least one polymerizable carbon-carbon unsaturated bond.

The photosensitive paste-like composition according to claim 2, wherein the photosensitive oligomer is an oligomer obtained from the monomer according to claim 3.

The manufacturing method of the electrode for fuel cells which uses the photosensitive paste-like composition in any one of Claims 1-4 as a photoresist.

A fuel cell electrode manufactured by the manufacturing method according to claim 5 is provided as a fuel electrode and an air electrode, and a plurality of pairs of the fuel electrode and the air electrode are provided on the same plane on the electrolyte substrate. The pair of fuel electrodes and air electrodes are both arranged in parallel in a rectangular plane, the distance between the electrodes is 100 μm or less, and a mixed gas of fuel gas and oxygen gas is supplied. Surface-conductivity type solid oxide fuel cell that generates electricity in

The surface conductivity type solid oxide fuel cell according to claim 6, wherein the line width of the fuel electrode and the air electrode is 10 to 1000 μm.

7. The surface conductivity type solid oxide fuel cell according to claim 6, wherein the fuel electrode and the air electrode are formed at equal intervals.

The surface-conduction type solid oxide fuel cell according to claim 6, wherein a distance between both electrodes of the pair of fuel electrode and air electrode is 10 µm to 100 µm.