Deprecated: The each() function is deprecated. This message will be suppressed on further calls in /home/zhenxiangba/zhenxiangba.com/public_html/phproxy-improved-master/index.php on line 456
JP7770684B2 - Thin-film solid oxide fuel cell package with stack structure - Google Patents
[go: Go Back, main page]

JP7770684B2 - Thin-film solid oxide fuel cell package with stack structure - Google Patents

Thin-film solid oxide fuel cell package with stack structure

Info

Publication number
JP7770684B2
JP7770684B2 JP2022066257A JP2022066257A JP7770684B2 JP 7770684 B2 JP7770684 B2 JP 7770684B2 JP 2022066257 A JP2022066257 A JP 2022066257A JP 2022066257 A JP2022066257 A JP 2022066257A JP 7770684 B2 JP7770684 B2 JP 7770684B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
stack
dielectric film
electrode
silicon substrate
solid oxide
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2022066257A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2023152200A (en
Inventor
ヨンヒョン キム
ジュンヨン イ
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.)
Amx Lab Co Ltd
Original Assignee
Amx Lab 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
Priority claimed from KR1020220040710A external-priority patent/KR102961235B1/en
Application filed by Amx Lab Co Ltd filed Critical Amx Lab Co Ltd
Publication of JP2023152200A publication Critical patent/JP2023152200A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP7770684B2 publication Critical patent/JP7770684B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M8/124Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the process of manufacturing or by the material of the electrolyte
    • H01M8/1246Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the process of manufacturing or by the material of the electrolyte the electrolyte consisting of oxides
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M8/1213Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the electrode/electrolyte combination or the supporting material
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M8/1286Fuel cells applied on a support, e.g. miniature fuel cells deposited on silica supports
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/247Arrangements for tightening a stack, for accommodation of a stack in a tank or for assembling different tanks
    • H01M8/2475Enclosures, casings or containers of fuel cell stacks
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M2008/1293Fuel cells with solid oxide electrolytes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00Electrolytes
    • H01M2300/0017Non-aqueous electrolytes
    • H01M2300/0065Solid electrolytes
    • H01M2300/0068Solid electrolytes inorganic
    • H01M2300/0071Oxides
    • H01M2300/0074Ion conductive at high temperature
    • H01M2300/0077Ion conductive at high temperature based on zirconium oxide
    • 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
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Description

本発明は、スタック構造を有する薄膜型固体酸化物燃料電池パッケージに関する。 The present invention relates to a thin-film solid oxide fuel cell package having a stack structure.

固体酸化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell:SOFC)は化学エネルギーを電気エネルギーに変換する高効率のエネルギー変換装置の一種で、電解質として固体酸化物膜を用いる燃料電池である。 A solid oxide fuel cell (SOFC) is a type of highly efficient energy conversion device that converts chemical energy into electrical energy. It is a fuel cell that uses a solid oxide membrane as an electrolyte.

SOFCの電解質膜に用いられる電解質としてはYSZ(Yttria Stabilized Zirconia)が主に用いられ、Micro-electro-mechanical System(MEMS)工程を介して製造する薄膜型(Thinfilm)SOFCはシリコン基板にFree Standing方式で電解質膜と電極を形成する後面エッチングのメンブレン構造を有する(例えば、特許文献1参照)。 YSZ (Yttrium Stabilized Zirconia) is the main electrolyte used in SOFC electrolyte membranes, and thin-film SOFCs manufactured using a micro-electro-mechanical system (MEMS) process have a membrane structure that is post-etched, with the electrolyte membrane and electrodes formed on a silicon substrate using a free-standing method (see, for example, Patent Document 1).

ここで、効果的な微細構造のために電解質は厚さを減らして抵抗を低減することで低温でのイオン伝導を相殺し、電極はナノ構造化して比表面積を増加させ、低温での低い活性化を反応点密度増加で相殺することが可能である。 Here, due to the effective microstructure, the electrolyte can be reduced in thickness to reduce resistance and thereby offset ionic conduction at low temperatures, and the electrodes can be nanostructured to increase the specific surface area, thereby offsetting low activation at low temperatures by increasing the density of reaction sites.

ユニットセルのスタック構造で所定のパッケージ内に収納された状態の燃料電池として動作するためには、燃料が酸素(空気)と分離されるようにスタックの内部を密封する必要がある。 In order for a stack of unit cells housed in a designated package to function as a fuel cell, the inside of the stack must be sealed so that the fuel is separated from oxygen (air).

高分子燃料電池の場合はボルトとガスケットを用いて燃料の流路をシールすることが可能であるが、小型軽量の薄膜型固体酸化物燃料電池の場合は、シリコン基板にFree Standing方式で電解質膜と電極を形成するメンブレン構造の限界によってスタック内部の密封が容易ではない。 In the case of polymer fuel cells, it is possible to seal the fuel flow path using bolts and gaskets, but in the case of small and lightweight thin-film solid oxide fuel cells, it is not easy to seal the inside of the stack due to the limitations of the membrane structure, in which the electrolyte film and electrodes are formed on a silicon substrate using a free-standing method.

日本特許公報第4914831号Japanese Patent Publication No. 4914831

本発明は上記に鑑みてなされたものであり、スタック構造を有する薄膜型固体酸化物燃料電池パッケージを提供することを一つの目的とする。 The present invention was made in consideration of the above, and one of its objects is to provide a thin-film solid oxide fuel cell package having a stack structure.

さらに、スタック構造を有する薄膜型固体酸化物燃料電池パッケージを含む固体酸化物燃料電池を提供することをもう一つの目的とする。 Another object is to provide a solid oxide fuel cell including a thin-film solid oxide fuel cell package having a stack structure.

本発明の解決課題は以上で言及されたものに限定されず、言及されていない他の解決課題は下記の記載から当該技術分野における通常の知識を有した者に明確に理解できるであろう。 The problems solved by the present invention are not limited to those mentioned above, and other problems not mentioned will be clearly understood by those with ordinary skill in the art from the description below.

本発明の少なくとも一つの実施例においては、それぞれシリコン基板にFree Standing方式で電解質膜と電極を形成したメンブレン構造を有する複数のユニットセルの積層体と、前記ユニットセルの酸素極に酸素を供給するための酸素供給ラインと、前記ユニットセルの燃料極に気体または液体状態の燃料を供給するための燃料供給ラインと、
前記酸素供給ラインを介して供給される酸素と前記燃料供給ラインを介して供給される燃料が前記積層体内で互いに接しないように前記積層体の内部を密封するためのセラミックバインダーと、を備える、薄膜型固体酸化物燃料電池ユニットセルのスタック構造を提供する。
In at least one embodiment of the present invention, a stack of a plurality of unit cells each having a membrane structure in which an electrolyte membrane and an electrode are formed on a silicon substrate by a free standing method, an oxygen supply line for supplying oxygen to an oxygen electrode of the unit cell, and a fuel supply line for supplying a fuel in a gaseous or liquid state to an anode of the unit cell,
and a ceramic binder for sealing the inside of the stack so that oxygen supplied through the oxygen supply line and fuel supplied through the fuel supply line do not come into contact with each other within the stack.

本発明の少なくとも一つの実施例において、前記複数のユニットセルの積層体を構成するそれぞれのユニットセルは、シリコン基板、前記シリコン基板の第1面に形成された電解質膜、前記電解質膜の第1面の少なくとも一部に形成された第1電極、前記シリコン基板の前記第1面の反対面である第2面から前記電解質膜の前記第1面の反対面である第2面の前記第1電極に対向する一部が露出するように形成したリセス部、及び少なくとも前記電解質膜の露出された前記第2面に形成された第2電極を含み、前記第1電極、前記電解質膜、及び前記第2電極で構成された多層構造は、所定の深さを有するトレンチ形状の複数のサブセルを含み、前記シリコン基板は、少なくとも前記リセス部の縁の付近に多孔性で形成された多孔質部を含む。 In at least one embodiment of the present invention, each unit cell constituting the stack of the plurality of unit cells includes a silicon substrate, an electrolyte membrane formed on a first surface of the silicon substrate, a first electrode formed on at least a portion of the first surface of the electrolyte membrane, a recess formed on a second surface of the silicon substrate opposite the first surface such that a portion of the second surface of the electrolyte membrane opposite the first surface that faces the first electrode is exposed, and a second electrode formed on at least the exposed second surface of the electrolyte membrane. The multilayer structure formed by the first electrode, the electrolyte membrane, and the second electrode includes a plurality of trench-shaped subcells having a predetermined depth, and the silicon substrate includes a porous portion formed at least near the edge of the recess.

本発明の少なくとも一つの実施例において、前記複数のユニットセルの積層体を構成するそれぞれのユニットセルは、シリコン基板、前記シリコン基板の第1面に形成された電解質膜、前記電解質膜の第1面の少なくとも一部に形成された第1電極、前記シリコン基板の前記第1面の反対面である第2面から前記電解質膜の前記第1面の反対面である第2面の前記第1電極に対向する一部が露出するように形成したリセス部、及び少なくとも前記電解質膜の露出された前記第2面に形成された第2電極を含み、前記第1電極、前記電解質膜、及び前記第2電極で構成された多層構造は、所定の深さを有するトレンチ形状の複数のサブセルを含み、前記シリコン基板は、多孔性シリコン基板を含む。 In at least one embodiment of the present invention, each unit cell constituting the stack of the plurality of unit cells includes a silicon substrate, an electrolyte membrane formed on a first surface of the silicon substrate, a first electrode formed on at least a portion of the first surface of the electrolyte membrane, a recess formed so that a portion of the second surface of the electrolyte membrane opposite the first surface is exposed from a second surface of the silicon substrate opposite the first surface, and a second electrode formed on at least the exposed second surface of the electrolyte membrane, and a multilayer structure formed by the first electrode, the electrolyte membrane, and the second electrode includes a plurality of trench-shaped subcells having a predetermined depth, and the silicon substrate includes a porous silicon substrate.

本発明の少なくとも一つの実施例においては、前記薄膜型固体酸化物燃料電池ユニットセルのスタック構造を備える、固体酸化物燃料電池を提供する。 At least one embodiment of the present invention provides a solid oxide fuel cell having a stack structure of the above-described thin-film solid oxide fuel cell unit cells.

本発明の少なくとも一つの実施例においては、前記薄膜型固体酸化物燃料電池ユニットセルのスタック構造と、前記薄膜型固体酸化物燃料電池ユニットセルのスタック構造を収容するためのハウジングと、を備える、固体酸化物燃料電池パッケージを提供する。 At least one embodiment of the present invention provides a solid oxide fuel cell package comprising a stack structure of thin-film solid oxide fuel cell unit cells and a housing for accommodating the stack structure of thin-film solid oxide fuel cell unit cells.

本発明の少なくとも一つの実施例において、前記薄膜型固体酸化物燃料電池ユニットセルのスタック構造と前記ハウジングの間に配置される断熱構造をさらに備え、前記断熱構造は、前記ハウジングの内側面に形成されたエンボシングを含む。 In at least one embodiment of the present invention, the fuel cell further comprises a thermal insulation structure disposed between the stack structure of thin-film solid oxide fuel cell unit cells and the housing, the thermal insulation structure including an embossing formed on the inner surface of the housing.

本発明の少なくとも一つの実施例において、前記エンボシングは、先端がドーム型、コーン型、ピラミッド型、多重突起型、及びテーパー型のうち少なくとも一つの形状を有する。 In at least one embodiment of the present invention, the embossing has at least one of the following shapes: a dome-shaped tip, a cone-shaped tip, a pyramid-shaped tip, a multi-projection-shaped tip, and a tapered tip.

本発明の少なくとも一つの実施例において、前記断熱構造は、前記エンボシングと前記薄膜型固体酸化物燃料電池ユニットセルのスタック構造の間に配置される第1断熱層及び第2断熱層をさらに含む。 In at least one embodiment of the present invention, the thermal insulation structure further includes a first thermal insulation layer and a second thermal insulation layer disposed between the embossing and the stack structure of the thin-film solid oxide fuel cell unit cells.

本発明の少なくとも一つの実施例において、前記第1断熱層はアルミニウムを含み、
前記第2断熱層はサファイアを含む。
In at least one embodiment of the present invention, the first thermal insulation layer comprises aluminum;
The second thermal insulating layer includes sapphire.

本発明の少なくとも一つの実施例において、前記複数のユニットセルの積層体を構成するそれぞれのユニットセルは、シリコン基板、前記シリコン基板の第1面に形成された電解質膜、前記電解質膜の第1面の少なくとも一部に形成された第1電極、前記シリコン基板の前記第1面の反対面である第2面から前記電解質膜の前記第1面の反対面である第2面の前記第1電極に対向する一部が露出されるように形成したリセス部、及び少なくとも前記電解質膜の露出された前記第2面に形成された第2電極を含み、前記第1電極、前記電解質膜、及び前記第2電極で構成された多層構造は、所定の深さを有するトレンチ形状の複数のサブセルを含み、前記シリコン基板は、少なくとも前記リセス部の縁の付近に多孔性で形成した多孔質部を含む。 In at least one embodiment of the present invention, each unit cell constituting the stack of the plurality of unit cells includes a silicon substrate, an electrolyte membrane formed on a first surface of the silicon substrate, a first electrode formed on at least a portion of the first surface of the electrolyte membrane, a recess formed on a second surface of the silicon substrate opposite the first surface such that a portion of the second surface of the electrolyte membrane opposite the first surface that faces the first electrode is exposed, and a second electrode formed on at least the exposed second surface of the electrolyte membrane. The multilayer structure formed by the first electrode, the electrolyte membrane, and the second electrode includes a plurality of trench-shaped subcells having a predetermined depth, and the silicon substrate includes a porous portion formed at least near the edge of the recess.

本発明の少なくとも一つの実施例において、前記ユニットセルスタックを構成するそれぞれのユニットセルは、シリコン基板、前記シリコン基板の第1面に形成された電解質膜、前記電解質膜の第1面の少なくとも一部に形成された第1電極、前記シリコン基板の前記第1面の反対面である第2面から前記電解質膜の前記第1面の反対面である第2面の前記第1電極に対向する一部が露出されるように形成したリセス部、及び少なくとも前記電解質膜の露出された前記第2面に形成された第2電極を含み、前記第1電極、前記電解質膜、及び前記第2電極で構成された多層構造は、所定の深さを有するトレンチ形状の複数のサブセルを含み、前記シリコン基板は多孔性シリコン基板を含む。 In at least one embodiment of the present invention, each unit cell constituting the unit cell stack includes a silicon substrate, an electrolyte membrane formed on a first surface of the silicon substrate, a first electrode formed on at least a portion of the first surface of the electrolyte membrane, a recess formed so that a portion of the second surface of the electrolyte membrane opposite the first surface is exposed from a second surface of the silicon substrate opposite the first surface, and a second electrode formed on at least the exposed second surface of the electrolyte membrane, and a multilayer structure formed by the first electrode, the electrolyte membrane, and the second electrode includes a plurality of trench-shaped subcells having a predetermined depth, and the silicon substrate includes a porous silicon substrate.

本発明の少なくとも一つの実施例においては、前記薄膜型固体酸化物燃料電池パッケージを備える、固体酸化物燃料電池を提供する。 At least one embodiment of the present invention provides a solid oxide fuel cell comprising the thin-film solid oxide fuel cell package.

本明細書でそれぞれの実施例は互いに独立的に記載されている場合であっても、それぞれの実施例は相互組合せが可能であり、組合せによる実施例も本発明の権利範囲に含まれる。 Although the embodiments in this specification are described independently of one another, they may be combined with one another, and combined embodiments are also included within the scope of the present invention.

上述した要約は単に説明のためのものであり、如何なる形でも限定を意図するものではない。上述した説明様態、実施例、及び特徴に加え、追加の様態、実施例、及び特徴が図面及び詳細な説明を参照することで明確になるはずである。 The foregoing summary is illustrative only and is not intended to be in any way limiting. In addition to the illustrative aspects, embodiments, and features described above, additional aspects, embodiments, and features will become apparent by reference to the drawings and detailed description.

本発明の少なくとも一つの実施例によれば、スタック構造を有する薄膜型固体酸化物燃料電池パッケージを提供できるという効果を奏する。 At least one embodiment of the present invention has the advantage of being able to provide a thin-film solid oxide fuel cell package having a stack structure.

さらに、本発明の少なくとも一つの実施例によれば、スタック構造を有する薄膜型固体酸化物燃料電池パッケージを含む固体酸化物燃料電池を提供できるという効果を奏する。 Furthermore, at least one embodiment of the present invention has the effect of providing a solid oxide fuel cell including a thin-film solid oxide fuel cell package having a stack structure.

本発明の効果は以上で言及されたものなどに限定されず、言及されていない他の効果は下記の記載から当該技術分野における通常の知識を有した者に明確に理解できるはずである。 The effects of the present invention are not limited to those mentioned above, and other effects not mentioned will be clearly understood by those with ordinary skill in the art from the description below.

本発明の少なくとも一つの実施例に係るスタック構造の概念図である。FIG. 1 is a conceptual diagram of a stack structure in accordance with at least one embodiment of the present invention. 本発明の少なくとも一つの実施例に係るスタック構造を有する燃料電池パッケージの斜視図である。1 is a perspective view of a fuel cell package having a stack structure in accordance with at least one embodiment of the present invention. 本発明の少なくとも一つの実施例に係るスタック構造を有する燃料電池パッケージの側断面図である。1 is a cross-sectional side view of a fuel cell package having a stack structure in accordance with at least one embodiment of the present invention. 本発明の少なくとも一つの実施例に係るスタック構造を有する燃料電池パッケージ断熱構造の概念図である。1 is a conceptual diagram of a fuel cell package insulation structure having a stack structure according to at least one embodiment of the present invention. 本発明の少なくとも一つの実施例に係るユニットセルの側断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional side view of a unit cell in accordance with at least one embodiment of the present invention. 本発明の少なくとも一つの実施例に係るユニットセルの製造工程を説明するための概略図である。1A-1C are schematic diagrams illustrating a manufacturing process for a unit cell in accordance with at least one embodiment of the present invention.

以下、添付図面を参照し、本発明の少なくとも一つの実施例に係る多孔性シリコンを用いた応力弛緩構造を有する薄膜型固体酸化物燃料電池及びその製造方法について詳しく説明する。 The following provides a detailed description of at least one embodiment of a thin-film solid oxide fuel cell having a stress relaxation structure using porous silicon and a method for manufacturing the same, with reference to the accompanying drawings.

図1は、本発明の少なくとも一つの実施例に係る薄膜型固体酸化物燃料電池ユニットセルのスタック構造100の概念図である。図2は、本発明の少なくとも一つの実施例に係るスタック構造100を有する燃料電池パッケージの斜視図である。 Figure 1 is a conceptual diagram of a stack structure 100 of thin-film solid oxide fuel cell unit cells according to at least one embodiment of the present invention. Figure 2 is a perspective view of a fuel cell package having a stack structure 100 according to at least one embodiment of the present invention.

図1及び図2に示すように、本発明の少なくとも一つの実施例に係るスタック構造100は、それぞれシリコン基板にFree Standing方式で電解質膜と電極を形成したメンブレン構造を有する複数のユニットセル110の積層体、それぞれのユニットセル110の酸素極に酸素を供給するための酸素供給ライン120、それぞれのユニットセル110の燃料極に気体または液体状態の燃料を供給するための燃料供給ライン130、及び酸素供給ライン120を介して供給される酸素と燃料供給ライン130を介して供給される燃料が積層体内で互いに接しないように積層体の内部を密封するためのセラミックバインダー140で構成される。 As shown in Figures 1 and 2, a stack structure 100 according to at least one embodiment of the present invention comprises a stack of a plurality of unit cells 110, each having a membrane structure in which an electrolyte membrane and electrodes are formed on a silicon substrate using a free standing method; an oxygen supply line 120 for supplying oxygen to the oxygen electrode of each unit cell 110; a fuel supply line 130 for supplying fuel in a gaseous or liquid state to the fuel electrode of each unit cell 110; and a ceramic binder 140 for sealing the inside of the stack to prevent the oxygen supplied via the oxygen supply line 120 and the fuel supplied via the fuel supply line 130 from coming into contact with each other within the stack.

図1及び図2に示す例では燃料と酸素(空気)が各層に沿ってジグザグ形状で供給されるラインを示しているが、これは説明の便宜のためで、燃料と酸素を供給するためのラインは各層に対して平行な複数のラインで形成しても良い。 In the examples shown in Figures 1 and 2, lines for supplying fuel and oxygen (air) are shown in a zigzag pattern along each layer, but this is for ease of explanation; the lines for supplying fuel and oxygen may also be formed as multiple lines parallel to each layer.

MEMS工程を介して製造する薄膜型固体酸化物燃料電池は、シリコン基板にFree Standing方式で電解質膜と電極を形成する後面エッチングメンブレン構造を有する。 The thin-film solid oxide fuel cell manufactured using the MEMS process has a rear-etched membrane structure in which the electrolyte membrane and electrodes are formed on the silicon substrate using a free-standing method.

このような微細構造で得られた電解質は厚さを減らして抵抗を低減することで低温でのイオン伝導の低下を相殺し、電極のナノ構造は比表面積を造作させ、低温での低い活性化を反応点密度増加で相殺することができる。 The electrolyte obtained with such a microstructure reduces its thickness and resistance, thereby offsetting the decrease in ionic conductivity at low temperatures, and the nanostructure of the electrode increases the specific surface area, thereby offsetting the low activity at low temperatures by increasing the density of reaction sites.

ユニットセルのスタック構造を有し、所定のパッケージ内に収納された状態で燃料電池として動作するためには、燃料が酸素と接しないようにスタックの内部を密封する必要があるが、高分子燃料電池の場合はボルトとガスケットを用いて燃料の流路を密封することができるが、小型軽量の薄膜型固体酸化物燃料電池の場合にはメンブレン構造の限界によってスタック内部の密封にボルトとガスケットなどを用いて物理的な力を加えることができない。 In order for a unit cell stack structure to function as a fuel cell when housed in a designated package, the inside of the stack must be sealed to prevent the fuel from coming into contact with oxygen. In the case of polymer fuel cells, the fuel flow path can be sealed using bolts and gaskets, but in the case of small, lightweight thin-film solid oxide fuel cells, the limitations of the membrane structure make it impossible to apply physical force such as bolts and gaskets to seal the inside of the stack.

そのため、本発明の少なくとも一つの実施例においては、図1及び図2に示すように、ボルトなどの締結部材やガスケットなどの密封部材を用いずにセラミックバインダー140を用いて積層体の各層を接合及び密封する。 Therefore, in at least one embodiment of the present invention, as shown in Figures 1 and 2, the layers of the laminate are bonded and sealed using a ceramic binder 140 without the use of fasteners such as bolts or sealing members such as gaskets.

セラミックバインダーは、優れた耐熱性、耐水性、及び接着性を有し、例えば一般的な一液型のセラミックバインダーを用いることができる。 The ceramic binder has excellent heat resistance, water resistance, and adhesive properties, and for example, a typical one-component ceramic binder can be used.

図3は、本発明の少なくとも一つの実施例に係るスタック構造100を有する燃料電池パッケージの側断面図である。図4は、本発明の少なくとも一つの実施例に係るスタック構造100を有する燃料電池パッケージの断熱構造の概念図である。 Figure 3 is a side cross-sectional view of a fuel cell package having a stack structure 100 according to at least one embodiment of the present invention. Figure 4 is a conceptual diagram of the thermal insulation structure of a fuel cell package having a stack structure 100 according to at least one embodiment of the present invention.

図3及び図4に示すように、本発明の少なくとも一つの実施例に係る断熱構造を有する燃料電池パッケージは、ハウジング200、ハウジング200内に収容されたユニットセルスタック100、及びハウジング200とユニットセルスタック100の間に配置される断熱構造で構成される。 As shown in Figures 3 and 4, a fuel cell package having a thermal insulation structure according to at least one embodiment of the present invention comprises a housing 200, a unit cell stack 100 housed within the housing 200, and a thermal insulation structure disposed between the housing 200 and the unit cell stack 100.

MEMS(Micro-electro-mechanical System)基盤の薄膜型固体酸化物燃料電池で、複数のユニットセルの積層構造でできたユニットセルスタック100は、約500°Cの適正動作温度を有し、このために別途の薄膜ヒーター(不図示)が備えられる。 This MEMS (Micro-electro-mechanical System)-based thin-film solid oxide fuel cell has a unit cell stack 100 made up of a stack of multiple unit cells. Its optimum operating temperature is approximately 500°C, and a separate thin-film heater (not shown) is provided for this purpose.

このような固体酸化物燃料電池の安定した動作のためには、内部の温度を適正動作温度に安定して維持し、外部への熱伝導を減らしてパッケージの表面温度を安定化するための断熱構造が必要である。 For such solid oxide fuel cells to operate stably, an insulating structure is required to maintain the internal temperature at an appropriate operating temperature, reduce heat conduction to the outside, and stabilize the surface temperature of the package.

本発明の少なくとも一つの実施例において、ハウジング200とユニットセルスタック100の間に配置される断熱構造はハウジング200の内側面に形成されたエンボシング201を含む。 In at least one embodiment of the present invention, the thermal insulation structure disposed between the housing 200 and the unit cell stack 100 includes an embossing 201 formed on the inner surface of the housing 200.

ハウジング200の内側面に形成されたエンボシング201は、突起と突起の間の空間を介しての断熱及びユニットセルスタック100との接触断面積の最小化によって、ユニットセルスタック100からハウジング200を介して外部に熱が伝送することを最小化することができる。 The embossings 201 formed on the inner surface of the housing 200 can minimize heat transmission from the unit cell stack 100 to the outside through the housing 200 by insulating the space between the protrusions and minimizing the cross-sectional contact area with the unit cell stack 100.

図3ではエンボシング201の先端が円形のドーム型の形状を一例として示しているが、本発明の少なくとも一つの実施例において、エンボシング201の先端はドーム型、コーン型、ピラミッド型、多重突起型、及びテーパー型のうち少なくとも一つで形成することができる。 In Figure 3, the tip of the embossing 201 is shown as a circular dome shape as an example, but in at least one embodiment of the present invention, the tip of the embossing 201 can be formed in at least one of a dome shape, a cone shape, a pyramid shape, a multi-projection shape, and a tapered shape.

本発明の少なくとも一つの実施例において、ハウジング200とユニットセルスタック100の間に配置される断熱構造は、エンボシング201とユニットセルスタック100の間に配置される第1断熱層202及び第2断熱層203をさらに含むことができる。 In at least one embodiment of the present invention, the thermal insulation structure disposed between the housing 200 and the unit cell stack 100 may further include a first thermal insulation layer 202 and a second thermal insulation layer 203 disposed between the embossing 201 and the unit cell stack 100.

より確実で効率的な断熱のために、本発明の少なくとも一つの実施例において、第1断熱層202はアルミニウムを含み、第2断熱層203はサファイアを含むことができる。 For more reliable and efficient insulation, in at least one embodiment of the present invention, the first insulating layer 202 can include aluminum and the second insulating layer 203 can include sapphire.

ユニットセルスタック100を構成する各ユニットセルは、電解質、燃料極、及び分離膜などの構造を有し、各ユニットセルの間には空気と燃料を通過させるための空気通路及び燃料通路が形成されるが、このような構造は様々な公知の技術を適用することができるので、本明細書ではこれに対する詳細な説明を省略する。 Each unit cell that makes up the unit cell stack 100 has structures such as an electrolyte, a fuel electrode, and a separation membrane, and air passages and fuel passages are formed between each unit cell to allow air and fuel to pass through. However, since various known technologies can be applied to such structures, detailed description thereof will be omitted in this specification.

図5は、本発明の少なくとも一つの実施例に係るユニットセル500の側断面図である。 Figure 5 is a cross-sectional side view of a unit cell 500 according to at least one embodiment of the present invention.

本発明の少なくとも一つの実施例において、ユニットセル500はシリコン基板にFree Standing方式で電解質膜と電極を形成するナノメンブレン構造を有し、トレンチ形状で形成した複数のサブセル(不図示)を含むことができる。 In at least one embodiment of the present invention, the unit cell 500 has a nanomembrane structure in which an electrolyte membrane and electrodes are formed on a silicon substrate using a free-standing method, and may include multiple sub-cells (not shown) formed in a trench shape.

図1に示すように、本発明の少なくとも一つの実施例に係るユニットセル500は、シリコン基板510の少なくともリセス部540の縁の付近に多孔性で形成した多孔質部560を含む。 As shown in FIG. 1, a unit cell 500 according to at least one embodiment of the present invention includes a porous portion 560 formed in the silicon substrate 510 at least near the edge of the recessed portion 540.

図5ではリセス部540の縁の付近に多孔質部560を形成した例を示しているが、シリコン基板510全体を多孔性で形成しても良い。 Figure 5 shows an example in which a porous portion 560 is formed near the edge of the recess portion 540, but the entire silicon substrate 510 may be made porous.

本発明の少なくとも一つの実施例に係る薄膜型固体酸化物燃料電池は、ユニットセル500の積層体(スタック)を備えても良い。 A thin-film solid oxide fuel cell according to at least one embodiment of the present invention may include a stack of unit cells 500.

図5に示すように、本発明の少なくとも一つの実施例に係るユニットセル500は、シリコン基板510、シリコン基板510の第1面(図5に示す例では上面)に形成された電解質膜520、電解質膜520の第1面の少なくとも一部に形成された第1電極530、シリコン基板510の第1面の反対面である第2面(図5に示す例では下面)から電解質膜520の第1面の反対面である第2面の第1電極530に対向する一部が露出するように形成されたリセス部540、及び少なくともリセス部540を介して露出した電解質膜520の第2面に形成された第2電極550で構成される。 As shown in FIG. 5, a unit cell 500 according to at least one embodiment of the present invention comprises a silicon substrate 510, an electrolyte membrane 520 formed on a first surface (top surface in the example shown in FIG. 5) of the silicon substrate 510, a first electrode 530 formed on at least a portion of the first surface of the electrolyte membrane 520, a recess 540 formed so that a portion of the second surface (the opposite surface of the electrolyte membrane 520 to the first surface, i.e., the bottom surface) of the silicon substrate 510 is exposed, facing the first electrode 530, and a second electrode 550 formed on the second surface of the electrolyte membrane 520 exposed at least through the recess 540.

本発明の少なくとも一つの実施例に係るユニットセル500はMEMS基盤の薄膜型SOFCで、メンブレンと電極を薄膜で形成することで電解質内のイオン伝導によるオーミック損失を最小化し、低温での動作性能を向上させる構造を有する。 The unit cell 500 according to at least one embodiment of the present invention is a MEMS-based thin-film SOFC, and has a structure in which the membrane and electrodes are formed from thin films to minimize ohmic losses due to ionic conduction in the electrolyte and improve operating performance at low temperatures.

動作時にメンブレンの縁の付近(メンブレンにおいてリセス部540の縁の付近)に応力が数中止、この付近に位置するセルが損傷する短所を解決するため、本発明の少なくとも一つの実施例に係るユニットセル500はシリコン基板510の少なくともリセス部540の縁の付近に多孔性で形成された多孔質部560を含む。 To address the drawback of stress occurring near the edge of the membrane (near the edge of the recessed portion 540 in the membrane) during operation, which can damage cells located in this vicinity, the unit cell 500 according to at least one embodiment of the present invention includes a porous portion 560 formed of porosity near at least the edge of the recessed portion 540 in the silicon substrate 510.

このように、シリコン基板510の少なくともリセス部540の縁の付近に多孔性で形成された多孔質部560を形成することで、メンブレンの縁の付近(メンブレンにおいてリセス部540の縁の付近)に集中する応力を分散させることができる。 In this way, by forming a porous portion 560 formed with porosity at least near the edge of the recessed portion 540 in the silicon substrate 510, it is possible to disperse stress that concentrates near the edge of the membrane (near the edge of the recessed portion 540 on the membrane).

図5ではシリコン基板510のリセス部540の縁の付近に多孔性で形成された多孔質部560を形成してメンブレンの縁の付近(メンブレンにおいてリセス部540の縁の付近)に集中する応力を分散させる例を示しているが、シリコン基板510全体を多孔性にしてメンブレンの縁の付近(メンブレンにおいてリセス部540の縁の付近)に集中する応力を分散させることも可能である。 Figure 5 shows an example in which a porous portion 560 is formed near the edge of the recessed portion 540 in the silicon substrate 510 to disperse stress concentrated near the edge of the membrane (near the edge of the recessed portion 540 in the membrane), but it is also possible to make the entire silicon substrate 510 porous to disperse stress concentrated near the edge of the membrane (near the edge of the recessed portion 540 in the membrane).

このために、本発明の少なくとも一つの実施例において、ユニットセル500は、多孔性シリコン基板510、多孔性シリコン基板510の第1面に形成された電解質膜520、電解質膜520の第1面の少なくとも一部に形成された第1電極530、多孔性シリコン基板510の第2面から電解質膜520の第2面の第1電極530に対向する一部が露出するように形成されたリセス部540、及び少なくともリセス部540を介して露出した電解質膜520の第2面に形成された第2電極550で構成される。 To this end, in at least one embodiment of the present invention, the unit cell 500 comprises a porous silicon substrate 510, an electrolyte membrane 520 formed on a first surface of the porous silicon substrate 510, a first electrode 530 formed on at least a portion of the first surface of the electrolyte membrane 520, a recess 540 formed on the second surface of the porous silicon substrate 510 so that a portion of the second surface of the electrolyte membrane 520 facing the first electrode 530 is exposed from the second surface of the porous silicon substrate 510, and a second electrode 550 formed on the second surface of the electrolyte membrane 520 exposed at least through the recess 540.

本発明の少なくとも一つの実施例において、電解質膜520はMEMS工程を用いたイオン伝導性セラミック電解質膜で形成することができ、第1電極530及び第2電極550は多孔性白金材質を用いて形成することができる。 In at least one embodiment of the present invention, the electrolyte membrane 520 may be formed of an ion-conductive ceramic electrolyte membrane using a MEMS process, and the first electrode 530 and the second electrode 550 may be formed using a porous platinum material.

本発明の少なくとも一つの実施例において、電解質膜520はイットリア安定化ジルコニア(YSZ)のような個体酸素イオン伝導体またはイットリウムドープドBaZrO(BYZ)のようなプロトン伝導体で形成することができる。 In at least one embodiment of the present invention, electrolyte membrane 520 may be formed from a solid oxygen ion conductor such as yttria stabilized zirconia (YSZ) or a proton conductor such as yttrium doped BaZrO 3 (BYZ).

図6Aないし図6Gは、本発明の少なくとも一つの実施例に係るユニットセル500の製造工程を説明するための概略図である。 Figures 6A through 6G are schematic diagrams illustrating the manufacturing process for a unit cell 500 according to at least one embodiment of the present invention.

図6Aに示すように、両面をポリシングしたシリコン基板510の第1面(図6Aに示す例では上面)及び第1面の反対面である第2面(図6Aに示す例では下面)にそれぞれ誘電体膜511及び誘電体膜512を蒸着する。ここで、誘電体膜511及び誘電体膜512にはSiNを用いることができる。 As shown in Figure 6A, dielectric films 511 and 512 are deposited on a first surface (top surface in the example shown in Figure 6A) of a silicon substrate 510 whose both surfaces have been polished, and on a second surface (bottom surface in the example shown in Figure 6A), which is the opposite surface of the first surface. Here, SiN can be used for the dielectric films 511 and 512.

その後、図6Bに示すように、第2面に蒸着した誘電体膜512を所定のパターンによって除去する。即ち、第2面に蒸着した誘電体膜に所定のパターンを有するマスクを用いてフォトリソグラフィーを介してSiN誘電体膜512にパターニングをした後に適切なエッチャントを用いたエッチングを介してパターに沿って誘電体膜512を除去する。 Then, as shown in FIG. 6B, the dielectric film 512 deposited on the second surface is removed according to a predetermined pattern. That is, the SiN dielectric film 512 deposited on the second surface is patterned via photolithography using a mask having a predetermined pattern, and then the dielectric film 512 is removed along the pattern via etching using an appropriate etchant.

その後、図6Cに示すように、第1面に蒸着した誘電体膜511の第1面に電解質膜520を形成する。第2面に蒸着した誘電体膜512を所定のパターンによって除去する工程と第1面に蒸着した誘電体膜511の第1面に電解質膜520を形成する工程は順番を逆にしても良い。 Then, as shown in FIG. 6C, an electrolyte film 520 is formed on the first surface of the dielectric film 511 deposited on the first surface. The order of the process of removing the dielectric film 512 deposited on the second surface using a predetermined pattern and the process of forming the electrolyte film 520 on the first surface of the dielectric film 511 deposited on the first surface may be reversed.

その後、図6Dに示すように、第2面の誘電体膜512が除去された部分をエッチングし、第1面に蒸着した誘電体膜511が露出するようにリセス部540を形成する。このとき、下部からシリコン基板510をエッチングするためにKOH溶液を用いたウェットエッチングを行うことができる。 Then, as shown in FIG. 6D, the portion of the second surface from which the dielectric film 512 has been removed is etched to form a recess 540 so that the dielectric film 511 deposited on the first surface is exposed. At this time, wet etching using a KOH solution can be performed to etch the silicon substrate 510 from below.

その後、図6Eに示すように、リセス部540を介して露出した第1面に蒸着した誘電体膜511及び第2面に残っている誘電体膜512を除去する。 Then, as shown in FIG. 6E, the dielectric film 511 deposited on the first surface exposed through the recess 540 and the dielectric film 512 remaining on the second surface are removed.

その後、図6Fに示すように、シリコン基板510の少なくともリセス部540の縁の付近を多孔性で形成する。このとき、例えば単結晶シリコンを所定の濃度のフッ酸溶液に浸した後に陽極処理して多孔性シリコンを形成する方法を用いることができる。 Then, as shown in FIG. 6F, at least the area around the edge of the recessed portion 540 of the silicon substrate 510 is made porous. For example, a method of forming porous silicon can be used, in which single-crystal silicon is immersed in a hydrofluoric acid solution of a predetermined concentration and then anodized.

その後、図6Gに示すように、電解質膜520の第1面の少なくとも一部に第1電極530を形成し、リセス部540を介して露出した第1面に蒸着した誘電体膜511を除去することで露出した電解質膜520の第2面に第2電極550を形成する。 Then, as shown in FIG. 6G, a first electrode 530 is formed on at least a portion of the first surface of the electrolyte membrane 520, and the dielectric film 511 deposited on the first surface exposed through the recess portion 540 is removed to form a second electrode 550 on the exposed second surface of the electrolyte membrane 520.

このように製造したユニットセル500はMEMS基盤の薄膜型SOFCで、メンブレンと電極を薄膜で形成することで電解質内のイオン伝導によるオーミック損失を最小化し、低温での動作性能を向上させることが可能である。 The unit cell 500 manufactured in this way is a MEMS-based thin-film SOFC, and by forming the membrane and electrodes from thin films, it is possible to minimize ohmic losses due to ionic conduction in the electrolyte and improve operating performance at low temperatures.

動作時にメンブレンの縁の付近(メンブレンにおいてリセス部540の縁の付近)に応力が集中し、この付近に位置するセルが損傷するのを防ぐために、シリコン基板510の少なくともリセス部540の縁の付近に多孔性で形成された多孔質部560を形成することで、メンブレンの縁の付近(メンブレンにおいてリセス部540の縁の付近)に集中する応力を分散させることができる。 To prevent stress from concentrating near the edge of the membrane (near the edge of the recessed portion 540 in the membrane) during operation and damaging the cells located in this vicinity, a porous portion 560 is formed in the silicon substrate 510 at least near the edge of the recessed portion 540, thereby dispersing the stress that would otherwise be concentrated near the edge of the membrane (near the edge of the recessed portion 540 in the membrane).

本発明の少なくとも一つの実施例において、電解質膜520はMEMS工程を用いてイオン伝導性セラミック電解質膜として形成することができ、第1電極530及び第2電極550は多孔性白金材質を用いて形成することができる。 In at least one embodiment of the present invention, the electrolyte membrane 520 may be formed as an ion-conductive ceramic electrolyte membrane using a MEMS process, and the first electrode 530 and the second electrode 550 may be formed using a porous platinum material.

本発明の少なくとも一つの実施例において、電解質膜520はイットリア安定化ジルコニア(YSZ)のような個体酸素イオン伝導体またはイットリウムドープドBaZrO(BYZ)のようなプロトン伝導体で形成することができる。 In at least one embodiment of the present invention, electrolyte membrane 520 may be formed from a solid oxygen ion conductor such as yttria stabilized zirconia (YSZ) or a proton conductor such as yttrium doped BaZrO 3 (BYZ).

図6Aないし図6Gではシリコン基板510のリセス部540の縁の付近に多孔性で形成された多孔質部560を形成してメンブレンの縁の付近(メンブレンにおいてリセス部540の縁の付近)に集中する応力を分散させる例を示しているが、シリコン基板510の全体を多孔性にしてメンブレンの縁の付近(メンブレンにおいてリセス部540の縁の付近)に集中する応力を分散させることも可能である。 Figures 6A to 6G show an example in which a porous portion 560 is formed near the edge of the recessed portion 540 in the silicon substrate 510 to disperse stress concentrated near the edge of the membrane (near the edge of the recessed portion 540 in the membrane), but it is also possible to make the entire silicon substrate 510 porous to disperse stress concentrated near the edge of the membrane (near the edge of the recessed portion 540 in the membrane).

例えば、両面をポリシングした単結晶シリコン基板510の第1面及び第2面にそれぞれ誘電体膜511及び誘電体膜512を蒸着する。ここで、誘電体膜511及び誘電体膜512にはSiNを用いることができる。 For example, dielectric films 511 and 512 are deposited on the first and second surfaces of a single-crystal silicon substrate 510 whose both surfaces have been polished. Here, SiN can be used for the dielectric films 511 and 512.

その後、第2面に蒸着した誘電体膜512を所定のパターンによって除去する。即ち、第2面に蒸着した誘電体膜に所定のパターンを有するマスクを用いてフォトリソグラフィーを介してSiN誘電体膜512にパターニングをした後に適切なエッチャントを用いたエッチングを介してパターンに沿って誘電体膜512を除去する。 Then, the dielectric film 512 deposited on the second surface is removed according to a predetermined pattern. That is, the SiN dielectric film 512 is patterned via photolithography using a mask having a predetermined pattern on the dielectric film deposited on the second surface, and then the dielectric film 512 is removed along the pattern via etching using an appropriate etchant.

その後、第1面に蒸着した誘電体膜511の第1面に電解質膜520を形成する。第2面に蒸着した誘電体膜512を所定のパターンによって除去する工程と第1面に蒸着した誘電体膜511の第1面に電解質膜520を形成する工程は順番を逆にしても良い。 Then, an electrolyte film 520 is formed on the first surface of the dielectric film 511 deposited on the first surface. The order of the process of removing the dielectric film 512 deposited on the second surface using a predetermined pattern and the process of forming the electrolyte film 520 on the first surface of the dielectric film 511 deposited on the first surface may be reversed.

その後、第2面の誘電体膜512が除去された部分をエッチングし、第1面に蒸着した誘電体膜511が露出するようにリセス部540を形成する。このとき、下部からシリコン基板510をエッチングするためにKOH溶液を用いたウェットエッチングを行うことができる。 Then, the portion of the second surface from which the dielectric film 512 has been removed is etched to form a recess 540 so that the dielectric film 511 deposited on the first surface is exposed. At this time, wet etching using a KOH solution can be performed to etch the silicon substrate 510 from below.

その後、リセス部540を介して露出した第1面に蒸着した誘電体膜511及び第2面に残っている誘電体膜512を除去する。 Then, the dielectric film 511 deposited on the first surface exposed through the recess 540 and the dielectric film 512 remaining on the second surface are removed.

その後、シリコン基板510を多孔性で形成する。このとき、例えば単結晶シリコンを所定の濃度のフッ酸溶液に浸した後に陽極処理して多孔性シリコンを形成する方法を用いることができる。 Then, the silicon substrate 510 is made porous. For example, a method can be used to form porous silicon by immersing single-crystal silicon in a hydrofluoric acid solution of a predetermined concentration and then anodizing it.

その後、電解質膜520の第1面の少なくとも一部に第1電極530を形成し、リセス部540を介して露出した第1面に蒸着した誘電体膜511を除去することで露出した電解質膜520の第2面に第2電極550を形成する。 Then, a first electrode 530 is formed on at least a portion of the first surface of the electrolyte membrane 520, and the dielectric film 511 deposited on the first surface exposed through the recess 540 is removed to form a second electrode 550 on the exposed second surface of the electrolyte membrane 520.

このように製造した薄膜型固体酸化物燃料電池100はMEMS基盤の薄膜型SOFCで、メンブレンと電極を薄膜で形成することで電解質内のイオン伝導によるオーミック損失を最小化し、低温での動作性能を向上させることが可能である。 The thin-film solid oxide fuel cell 100 manufactured in this way is a MEMS-based thin-film SOFC, and by forming the membrane and electrodes from thin films, it is possible to minimize ohmic losses due to ionic conduction in the electrolyte and improve operating performance at low temperatures.

動作時にメンブレンの縁の付近(メンブレンにおいてリセス部540の縁の付近)に応力が集中し、この付近に位置するセルが損傷するのを防ぐために、シリコン基板510を多孔性で形成することで、メンブレンの縁の付近(メンブレンにおいてリセス部540の縁の付近)に集中する応力を分散させることができる。 To prevent stress from concentrating near the edge of the membrane (near the edge of the recessed portion 540 in the membrane) during operation and damaging the cells located in this vicinity, the silicon substrate 510 is made porous, which allows the stress that concentrates near the edge of the membrane (near the edge of the recessed portion 540 in the membrane) to be dispersed.

本発明の少なくとも一つの実施例において、電解質膜520はMEMS工程を用いてイオン伝導性セラミック電解質膜として形成することができ、第1電極530及び第2電極550は多孔性白金材質を用いて形成することができる。 In at least one embodiment of the present invention, the electrolyte membrane 520 may be formed as an ion-conductive ceramic electrolyte membrane using a MEMS process, and the first electrode 530 and the second electrode 550 may be formed using a porous platinum material.

本発明の少なくとも一つの実施例において、電解質膜520はイットリア安定化ジルコニア(YSZ)のような個体酸素イオン伝導体またはイットリウムドープドBaZrO(BYZ)のようなプロトン伝導体で形成することができる。 In at least one embodiment of the present invention, electrolyte membrane 520 may be formed from a solid oxygen ion conductor such as yttria stabilized zirconia (YSZ) or a proton conductor such as yttrium doped BaZrO 3 (BYZ).

以上のように、本発明の少なくとも一つの実施例によれば、スタック構造を有する薄膜型固体酸化物燃料電池パッケージを提供することができる。 As described above, at least one embodiment of the present invention can provide a thin-film solid oxide fuel cell package having a stack structure.

さらに、本発明の少なくとも一つの実施例によれば、スタック構造を有する薄膜型固体酸化物燃料電池パッケージを含む固体酸化物燃料電池を提供することができる。 Furthermore, according to at least one embodiment of the present invention, a solid oxide fuel cell can be provided that includes a thin-film solid oxide fuel cell package having a stack structure.

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。そのような変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。 The present invention has been described above using embodiments, but the technical scope of the present invention is not limited to the scope described in the above embodiments. It will be clear to those skilled in the art that various modifications and improvements can be made to the above embodiments. It is clear from the claims that such modifications and improvements can also be included within the technical scope of the present invention.

100:ユニットセルスタック
110:ユニットセル
120:酸素供給ライン
130:燃料供給ライン
140:セラミックバインダー
200:ハウジング
201:エンボシング
202:第1断熱層
203:第2断熱層
500:ユニットセル
510:シリコン基板
511、512:誘電体膜
520:電解質膜
530:第1電極
540:リセス部
550:第2電極
560:多孔質部
100: Unit cell stack 110: Unit cell 120: Oxygen supply line 130: Fuel supply line 140: Ceramic binder 200: Housing 201: Embossing 202: First insulating layer 203: Second insulating layer 500: Unit cell 510: Silicon substrate 511, 512: Dielectric film 520: Electrolyte membrane 530: First electrode 540: Recessed portion 550: Second electrode 560: Porous portion

Claims (6)

それぞれシリコン基板に電解質膜と電極が形成されたメンブレン構造を有する複数のユニットセルの積層体と、
前記ユニットセルの酸素極に酸素を供給するための酸素供給ラインと、
前記ユニットセルの燃料極に気体または液体状態の燃料を供給するための燃料供給ラインと、
前記酸素供給ラインを介して供給される酸素と前記燃料供給ラインを介して供給される燃料が前記積層体内で互いに接しないように前記積層体の内部を密封するためのセラミックバインダーと、
を備え、
前記複数のユニットセルの積層体を構成するそれぞれのユニットセルは、シリコン基板の第1面及び前記第1面の反対面である第2面にそれぞれ誘電体膜蒸着され、前記第2面に蒸着された誘電体膜所定のパターンによって除去され、前記第1面に蒸着された前記誘電体膜の第1面に電解質膜形成され、前記第2面の前記誘電体膜が除去された部分エッチングされ、前記第1面に蒸着された前記誘電体膜が露出するようにリセス部形成され、前記リセス部を介して露出された前記第1面に蒸着された前記誘電体膜及び前記第2面に残っている前記誘電体膜除去され、前記シリコン基板の少なくとも前記リセス部の側面が多孔性で形成され、前記電解質膜の第1面の少なくとも一部に第1電極形成され、前記リセス部を介して露出された前記第1面に蒸着された前記誘電体膜除去されたことで露出された前記電解質膜の前記第1面の反対面である第2面に第2電極形成されたユニットセルである
薄膜型固体酸化物燃料電池ユニットセルのスタック構造。
a stack of a plurality of unit cells, each having a membrane structure in which an electrolyte membrane and electrodes are formed on a silicon substrate;
an oxygen supply line for supplying oxygen to the oxygen electrode of the unit cell;
a fuel supply line for supplying a fuel in a gaseous or liquid state to the anode of the unit cell;
a ceramic binder for sealing the inside of the stack so that the oxygen supplied through the oxygen supply line and the fuel supplied through the fuel supply line do not come into contact with each other within the stack;
Equipped with
Each unit cell constituting the stack of the plurality of unit cells is a unit cell in which a dielectric film is deposited on a first surface and a second surface opposite to the first surface of a silicon substrate, the dielectric film deposited on the second surface being removed according to a predetermined pattern, an electrolyte film is formed on the first surface of the dielectric film deposited on the first surface, the portion of the second surface from which the dielectric film is removed is etched to form a recess so as to expose the dielectric film deposited on the first surface, the dielectric film deposited on the first surface exposed through the recess and the dielectric film remaining on the second surface are removed , at least a side surface of the recess of the silicon substrate is made porous, a first electrode is formed on at least a portion of the first surface of the electrolyte film, and a second electrode is formed on a second surface opposite to the first surface of the electrolyte film exposed by removing the dielectric film deposited on the first surface exposed through the recess.
Stack structure of thin-film solid oxide fuel cell unit cells.
それぞれシリコン基板に電解質膜と電極が形成されメンブレン構造を有する複数のユニットセルの積層体と、
前記ユニットセルの酸素極に酸素を供給するための酸素供給ラインと、
前記ユニットセルの燃料極に気体または液体状態の燃料を供給するための燃料供給ラインと、
前記酸素供給ラインを介して供給される酸素と前記燃料供給ラインを介して供給される燃料が前記積層体内で互いに接しないように前記積層体の内部を密封するためのセラミックバインダーと、
を備え、
前記複数のユニットセルの積層体を構成するそれぞれのユニットセルは、単結晶シリコン基板の第1面及び前記第1面の反対面である第2面にそれぞれ誘電体膜蒸着され、前記第2面に蒸着された誘電体膜所定のパターンによって除去され、前記第1面に蒸着された前記誘電体膜の第1面に電解質膜形成され、前記第2面の前記誘電体膜が除去された部分エッチングされ、前記第1面に蒸着された前記誘電体膜が露出するようにリセス部形成され、前記リセス部を介して露出された前記第1面に蒸着された前記誘電体膜及び前記第2面に残っている前記誘電体膜除去され、前記シリコン基板多孔性で形成され、前記電解質膜の第1面の少なくとも一部に第1電極形成され、前記リセス部を介して露出された前記第1面に蒸着された前記誘電体膜除去されたことで露出された前記電解質膜の前記第1面の反対面である第2面に第2電極形成されたユニットセルである
薄膜型固体酸化物燃料電池ユニットセルのスタック構造。
a stack of a plurality of unit cells each having a membrane structure in which an electrolyte membrane and electrodes are formed on a silicon substrate;
an oxygen supply line for supplying oxygen to the oxygen electrode of the unit cell;
a fuel supply line for supplying a fuel in a gaseous or liquid state to the anode of the unit cell;
a ceramic binder for sealing the inside of the stack so that the oxygen supplied through the oxygen supply line and the fuel supplied through the fuel supply line do not come into contact with each other within the stack;
Equipped with
Each unit cell constituting the stack of the plurality of unit cells is a unit cell in which a dielectric film is deposited on a first surface and a second surface opposite to the first surface of a single crystal silicon substrate, the dielectric film deposited on the second surface being removed according to a predetermined pattern, an electrolyte film is formed on the first surface of the dielectric film deposited on the first surface, the portion of the second surface from which the dielectric film is removed is etched to form a recess so that the dielectric film deposited on the first surface is exposed, the dielectric film deposited on the first surface exposed through the recess and the dielectric film remaining on the second surface are removed , the silicon substrate is formed to be porous, a first electrode is formed on at least a portion of the first surface of the electrolyte film, and a second electrode is formed on a second surface opposite to the first surface of the electrolyte film exposed by removing the dielectric film deposited on the first surface exposed through the recess.
Stack structure of thin-film solid oxide fuel cell unit cells.
請求項1又は2に記載の薄膜型固体酸化物燃料電池ユニットセルのスタック構造を備える、
固体酸化物燃料電池。
A stack structure of thin film solid oxide fuel cell unit cells according to claim 1 or 2,
Solid oxide fuel cell.
請求項1又は2に記載の薄膜型固体酸化物燃料電池ユニットセルのスタック構造と、
前記薄膜型固体酸化物燃料電池ユニットセルのスタック構造を収容するためのハウジングと、
を備える、
固体酸化物燃料電池パッケージ。
A stack structure of thin film solid oxide fuel cell unit cells according to claim 1 or 2;
a housing for accommodating the stack structure of the thin film solid oxide fuel cell unit cells;
Equipped with
Solid oxide fuel cell package.
前記複数のユニットセルの積層体を構成するそれぞれのユニットセルは、シリコン基板、前記シリコン基板の第1面に形成された電解質膜、前記電解質膜の第1面の少なくとも一部に形成された第1電極、前記シリコン基板の前記第1面の反対面である第2面から前記電解質膜の前記第1面の反対面である第2面の前記第1電極に対向する一部が露出されるように形成したリセス部、及び少なくとも前記電解質膜の露出された前記第2面に形成された第2電極を含み、
前記第1電極、前記電解質膜、及び前記第2電極で構成された多層構造は、所定の深さを有するトレンチ形状の複数のサブセルを含
請求項4に記載の固体酸化物燃料電池パッケージ。
Each unit cell constituting the stack of the plurality of unit cells includes a silicon substrate, an electrolyte membrane formed on a first surface of the silicon substrate, a first electrode formed on at least a portion of the first surface of the electrolyte membrane, a recess formed such that a portion of the second surface of the electrolyte membrane, the second surface opposite to the first surface, facing the first electrode, is exposed from a second surface of the silicon substrate opposite to the first surface, and a second electrode formed at least on the exposed second surface of the electrolyte membrane,
the multilayer structure formed by the first electrode, the electrolyte membrane, and the second electrode includes a plurality of trench-shaped subcells having a predetermined depth;
5. The solid oxide fuel cell package of claim 4.
請求項4に記載の薄膜型固体酸化物燃料電池パッケージを備える、
固体酸化物燃料電池。
A thin film solid oxide fuel cell package according to claim 4,
Solid oxide fuel cell.
JP2022066257A 2022-03-31 2022-04-13 Thin-film solid oxide fuel cell package with stack structure Active JP7770684B2 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR10-2022-0040710 2022-03-31
KR1020220040710A KR102961235B1 (en) 2022-03-31 Thinfilm Solid Oxide Fuel Cell Package Having Stack Structure

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2023152200A JP2023152200A (en) 2023-10-16
JP7770684B2 true JP7770684B2 (en) 2025-11-17

Family

ID=88292309

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2022066257A Active JP7770684B2 (en) 2022-03-31 2022-04-13 Thin-film solid oxide fuel cell package with stack structure

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP7770684B2 (en)

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002329511A (en) 2001-05-01 2002-11-15 Nissan Motor Co Ltd Stack for solid oxide fuel cell and solid oxide fuel cell
JP2003051332A (en) 2001-08-07 2003-02-21 Nissan Motor Co Ltd Fuel cell and fuel cell power generation system
JP2005532661A (en) 2002-07-01 2005-10-27 ザ リージェンツ オブ ザ ユニヴァーシティー オブ カリフォルニア MEMS fuel cell having integrated catalytic fuel processor and method thereof
US20090181278A1 (en) 2008-01-15 2009-07-16 Korea Institute Of Science And Technology Micro fuel cell, fabrication method thereof, and micro fuel cell stack using the same
JP2009181823A (en) 2008-01-31 2009-08-13 Toto Ltd Fuel cell module and fuel cell
JP2017126466A (en) 2016-01-13 2017-07-20 三菱日立パワーシステムズ株式会社 Fuel cell module
JP2017174605A (en) 2016-03-23 2017-09-28 日産自動車株式会社 Fuel battery stack
JP2021111473A (en) 2020-01-07 2021-08-02 東芝エネルギーシステムズ株式会社 Solid oxide electrochemical stack
WO2021240722A1 (en) 2020-05-28 2021-12-02 株式会社日立ハイテク Fuel battery module and fuel battery system

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002329511A (en) 2001-05-01 2002-11-15 Nissan Motor Co Ltd Stack for solid oxide fuel cell and solid oxide fuel cell
JP2003051332A (en) 2001-08-07 2003-02-21 Nissan Motor Co Ltd Fuel cell and fuel cell power generation system
JP2005532661A (en) 2002-07-01 2005-10-27 ザ リージェンツ オブ ザ ユニヴァーシティー オブ カリフォルニア MEMS fuel cell having integrated catalytic fuel processor and method thereof
US20090181278A1 (en) 2008-01-15 2009-07-16 Korea Institute Of Science And Technology Micro fuel cell, fabrication method thereof, and micro fuel cell stack using the same
JP2009181823A (en) 2008-01-31 2009-08-13 Toto Ltd Fuel cell module and fuel cell
JP2017126466A (en) 2016-01-13 2017-07-20 三菱日立パワーシステムズ株式会社 Fuel cell module
JP2017174605A (en) 2016-03-23 2017-09-28 日産自動車株式会社 Fuel battery stack
JP2021111473A (en) 2020-01-07 2021-08-02 東芝エネルギーシステムズ株式会社 Solid oxide electrochemical stack
WO2021240722A1 (en) 2020-05-28 2021-12-02 株式会社日立ハイテク Fuel battery module and fuel battery system

Also Published As

Publication number Publication date
JP2023152200A (en) 2023-10-16
KR20230141314A (en) 2023-10-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP3731648B2 (en) Single cell for fuel cell and solid oxide fuel cell
KR100464607B1 (en) Solid oxide fuel cell stack and method of manufacturing the same
US7361424B2 (en) Solid polymer MEMS-based fuel cells
JP2005529454A (en) Fuel cell, fuel cell separator / diffusion layer assembly, and method of manufacturing the same
JP2002329511A (en) Stack for solid oxide fuel cell and solid oxide fuel cell
JP7770684B2 (en) Thin-film solid oxide fuel cell package with stack structure
CN101473483B (en) Method for manufacturing hydrogen separation membrane fuel cell
US11870105B2 (en) Planar solid oxide fuel cell
JP3146758B2 (en) Solid polymer electrolyte fuel cell
KR20230141311A (en) Fuel Cell Package Having Insulating Structure
JP7708426B2 (en) Method for manufacturing a solid oxide fuel cell
JP2004031158A (en) Fuel cell and fuel cell stack using the same
KR20230140286A (en) Unit Cell Having Sub-Cells Arranged in Honeycomb Pattern and Thinfilm Solid Oxide Fuel Cell Including the Same
US20170358805A1 (en) Structure of fuel cell
JPH09167623A (en) Solid polymer electrolyte fuel cell
JP2002170578A (en) Fuel cell and method of manufacturing the same
JP2003045463A (en) Cell plate for fuel cell and solid oxide fuel cell
KR20040016395A (en) Mems-based fuel cell and methods
US20220399558A1 (en) Fuel Battery Cell and Method for Manufacturing Fuel Battery Cell
JP2002352832A (en) Cell plate for fuel cell, method of manufacturing the same, and fuel cell stack
WO2018167845A1 (en) Planar electrochemical cell stack
US20230327141A1 (en) Electrochemical device and manufacturing method thereof
KR20250080410A (en) Hetero-Material Based Solid Oxide Fuel Cell Including the Same
WO2023191464A1 (en) Thin film solid oxide fuel cell package
JP2002329506A (en) Cell plate for fuel cell, method of manufacturing the same, and fuel cell stack

Legal Events

Date Code Title Description
RD02 Notification of acceptance of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7422

Effective date: 20231121

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20231122

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20241008

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20241029

A601 Written request for extension of time

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601

Effective date: 20241227

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20250423

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20250603

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20250902

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20250930

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20251028

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7770684

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150