JP2000504873A - 高温燃料電池及び高温燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ２つの電極（８、１２）が高温燃料電池（２）内に発生した電流を取り出すための及び電極（８、１２）に作動媒体を供給するための複合導体板（４、１６；２２、２０、２４）の間に配置されている高温燃料電池（２）において、少なくとも１つの複合導体板（４、１６；２２、２０、２４）が少なくとも部分的に１７〜３０重量％のＣｒを含むＦｅを基材とし、室温から９００℃までの温度範囲において電解質（１０）の平均熱膨張係数に整合し値が１３〜１４×１０^-6／Ｋである平均熱膨張係数を持つ合金からなる。この手段により、複合導体板（４、１６；２２、２０、２４）の材料コストが従来の技術から公知の複合導体板のコストに比較して１０〜２０倍削減される。

Description

【発明の詳細な説明】 高温燃料電池及び高温燃料電池スタック この発明は、高温燃料電池及び高温燃料電池スタックに関する。 専門文献において燃料電池スタックが「スタック」とも呼ばれる、高温燃料電 池からなる高温燃料電池スタックにおいては、この高温燃料電池スタックを覆う 上側の複合導体板の下に、順番に接触層、電解質・電極ユニット、もう１つの複 合導体板等が次々に配置されている。電解質・電極ユニットは、その場合、２つ の電極と、この両電極の間に配置された電解質とからなっている。高温燃料電池 スタックの内部の複合導体板はその場合バイポーラ板として構成されている。こ れらのバイポーラ板は、高温燃料電池スタックの端部に配置された複合導体板と は異なり、電解質・電極ユニットにそれぞれ作動媒体を供給するための通路をそ の両面に備えている。 その場合、それぞれ２つの隣接した複合導体板の間にある電解質・電極ユニッ トは、その両側に直接接して設けられている接触層及びこの接触層に接している 両複合導体板の各々の面を含めて、高温燃料電池を形成している。 この型の及びその他の型の燃料電池は、例えばＡ．Ｊ．アップルバイ及びＦ． Ｒ．フォークス氏共著「燃料電池ハンドブック(Fuel Cell Handbook)」、１９８ ９年版、４４２〜４５４頁に、或いは雑誌「エネルギー経済の日常問題」、１９ ９３年６月、第６号、３８２〜３９０頁の論文「エネルギー変換器としての燃料 電池(Brennstoffzellen als Energiewandler)」から公知である。通常、高温燃 料電池スタックは多数の高温燃料電池から構成されている。それに応じて多数の 電解質・電極ユニットは複合導体板と気密に、即ち換言すれば、物質的に結合さ れねばならない。高温燃料電池スタックの内部の複合導体板、即ちバイポーラ板 は、それ故、電解質・電極ユニットを互いに電気的に直列に接続すると共に、電 解質・電極ユニットの電極に作動媒体を供給する責務を持っている。高温燃料電 池スタックを閉塞する複合導体板は、これらの複合導体板が１つの面にのみ電解 質・電極ユニットに作動媒体を供給するための通路を備えていること、また高温 燃料電池に発生した電流はこれらの複合導体板を介して高温燃料電池スタックか ら取り出され、他の高温燃料電池には供給されないことにより、バイポーラ板と は異なっている。 このような構造を持つ高温燃料電池は、その他に、ドイツ特許出願公開第４４ ０６２７６、４１３２５８４、３９３５７２２号公報、ドイツ特許第４４００５ ４０号明細書及びヨーロッパ特許出願第０５７８８５５号明細書から公知である 。 高温燃料電池スタックにおける、特に必然的に発生する熱サイクルの際の機械 的応力を回避するために、複合導体板の材料としては、その平均熱膨張係数が電 解質箔のそれとほぼ一致するものが開発されている。即ち、ＬａＣｒＯ₃系のセ ラミック材料及びＣｒを基材とする金属材料が開発された。これらの材料は共に 取得するのにコストがかかる。高温燃料電池スタックにおいては複合導体板の占 める体積の割合は大きいので、複合導体板のコストは高温燃料電池スタックの全 体コストにおいて支配的である。 この発明の課題は、複合導体板の材料コストが従来の技術のそれに較べて明ら かに削減されている高温燃料電池を提案することにある。さらに、この発明は、 このような高温燃料電池から構成される高温燃料電池スタックを提案しようとす るものである。 第一の課題は、この発明によれば、２つの電極が高温燃料電池において発生す る電流を取り出すためのかつ電極に作動媒体を供給するための複合導体板の間に 配置され、少なくとも１つの複合導体板が少なくとも部分的に、１７〜３０重量 ％のＣｒを含むＦｅを基材とし、室温から９００℃までの温度範囲において電解 質の熱膨張係数と整合し値が１３〜１４×１０^-6／Ｋである平均熱膨張係数を有 する合金からなっている高温燃料電池によって解決される。 第二の課題は、この発明によれば、このような高温燃料電池の複数個で構成さ れた高温燃料電池スタックにより解決される。 この合金を複合導体板の材料として使用することにより、複合導体板の材料コ ストは、高温燃料電池の複合導体板を製造するために従来の技術において使用さ れている材料に較べて１０〜２０倍削減される。 好ましくは、両電極の１つは少なくとも１００μｍの厚さであり、他方はほぼ ３０μｍの厚さである。両電極に対してその厚さをこのように異なるように選択 することで電解質・電極ユニットの安定性が向上する。 特に、陰極として設けられる電極はＬａＳｒＭｎＯ₃からなる。 １つの他の実施態様では陽極として設けられる電極はＮｉ／ＺｒＯ₂サーメッ トからなる。 特に、両電極の間に配置される電解質は安定化されたＺｒＯ₂からなり、５〜 ３０μｍの厚さを持つのがよい。両電極及び電解質からなる電解質・電極ユニッ トは、それ故、両電極の１つによってその厚さに基づき支持されている。この電 解質・電極ユニットにはさらに技術的な利点がある。即ち、電解質密度が小さい ことにより電解質抵抗が低くなり、その結果特に高温燃料電池の運転温度を７５ ０℃にまで、重大な出力損失なしに低下させることが可能である。電解質材料の コストの集中する割合が従来の技術において使用される比較的厚い電解質に較べ て減少するので、コスト面においても利点が生ずる。 この発明をさらに説明するために図面の実施例を参照する。図面において、図 １は高温燃料電池の断面を概略的に示し、 図２は多数の高温燃料電池から構成された高温燃料電池スタックの断面を概略的 に示す。 図１において、高温燃料電池２は複合導体板４、接触層６、陰極として設けら れた電極８、電解質１０、陽極として設けられた電極１２、接触層１４及びもう １つの複合導体板１６からなり、それらがその記載順に積層されている。両電極 ８、１２及び電解質１０は電解質・電極ユニット８、１０、１２を形成している 。 複合導体板４、１６は、この場合、それらの間に配置された構造要素６、８、 １０、１２、１４のための蓋板として機能する。複合導体板４、１６を介して、 高温燃料電池２に発生した電流はこれらから取り出される。さらに、それぞれ複 合導体板４は陰極８に、複合導体板１６は陽極１２に作動媒体を供給する。 複合導体板４、１６の少なくとも１つは、少なくとも部分的に、換言すれば、 その部分範囲においてＦｅを基材とし、１７〜３０重量％のＣｒを含む合金から なっている。接触層６、１４は、特に、クロームＣｒが複合導体板４、１６から 蒸発するのを阻止する。 室温から９００℃までの温度範囲における複合導体板４、１６の平均熱膨張係 数は１３〜１４×１０^-6／Ｋである。従って、複合導体板４、１６の平均熱膨張 係数は従来の技術において公知の複合導体板におけるよりも高い。その結果、複 合導体板４、１６の間に配置されている構造要素６、８、１０、１２、１４から なる複合体は、種々の構造要素６、８、１０、１２、１４の構成及び厚さに関す るその組合せにおいて、その平均熱膨張係数が複合導体板４、１６の平均熱膨張 係数に整合している。 この理由から、陰極として設けられている電極８はＬａＳｒＭｎＯ₃ から、陽 極として設けられている電極１２はＮｉ／ＺｒＯ₂ サーメットからなる。電解質 ・電極ユニット８、１０、１２は、それ故、同様に１３〜１４×１０^-6／Ｋの平 均熱膨張係数を持っている。 高温燃料電池２における機械的応力を回避するために、さらに陰極として設け られている電極８は少なくとも１００μｍの厚さに、陽極として設けられている 電極１２はほぼ３０μｍの厚さに形成されている。陽極１２と陰極８との間の厚 さの比は逆にすることもまた可能である。この実施例では両電極８、１２の間に 配置された電解質１０は安定化されたＺｒＯ₂からなっている。電解質１０はそ の場合５〜３０μｍの厚さに形成されている。 図２は高温燃料電池２からなる高温燃料電池スタック１８の概略構造を断面で 示す。この高温燃料電池スタック１８は図示の実施例では、それぞれ図１に示さ れた高温燃料電池２と同様な構造を持った３つの高温燃料電池２からなる。 高温燃料電池スタック１８は上に向かって複合導体板２２により、下に向かっ て複合導体板２４により閉塞されている。複合導体板２２、２４は、その場合、 図１に示された複合導体板４、１６の機能を持っている。 高温燃料電池スタック１８の内部に配置されている、即ち、蓋板２２及び２４ のようには高温燃料電池スタック１８を１つの方向に閉塞していない複合導体板 ２０はバイポーラ板として構成されている。複合導体板２０の上側部分は陽極と して設けられている電極１２に、複合導体板２０の下側部分は陰極として設けら れている電極８に対向している。この場合、陰極として設けられている電極８及 び陽極として設けられている電極１２はそれぞれ隣接の高温燃料電池２のもので ある。 複合導体板２０、２２、２４はそれぞれ、高温燃料電池２に作動媒体を供給す るために設けられている通路２６を備えている。複合導体板２２、２４はそれぞ れ１つの面側にのみ通路２６を備え、一方複合導体板２０は両面側に通路２６を 備えている。 高温燃料電池スタック１８は、通常、多数の高温燃料電池２から構成されてい るから、高温燃料電池スタック１８の内部にはそれに応じて多数の複合導体板２ ０が存在している。この実施例のように複合導体板２０の少なくとも部分範囲が Ｆｅを基材とし１７〜３０重量％のＣｒを含む合金から作られるときは、全体の 高温燃料電池スタック１８のコストは従来の技術から公知の高温燃料電池スタッ クに較べて少なくとも１０倍削減される。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．２つの電極（８、１２）が高温燃料電池（２）内に発生した電流を取り出す ための及び電極（８、１２）に作動媒体を供給するための複合導体板（４、１ ６；２２、２０、２４）の間に配置され、少なくとも１つの複合導体板（４、１ ６；２２、２０、２４）が少なくとも部分的に１７〜３０重量％のＣｒを含むＦ ｅを基材とし、室温から９００℃までの温度範囲において電解質（１０）の熱膨 張係数に整合し値が１３〜１４×１０^-6／Ｋである平均熱膨張係数を持つ合金か らなっている高温燃料電池（２）。 ２．両電極（８、１２）の１つが少なくとも１００μｍ、他方がほぼ３０μｍの 厚さである請求項１に記載の高温燃料電池（２）。 ３．陰極として設けられた電極（８）がＬａＳｒＭｎＯ₃からなる請求項１又は ２に記載の高温燃料電池（２）。 ４．陽極として設けられた電極（１２）がＮｉ／ＺｒＯ₂サーメットからなる請 求項１ないし３の１つに記載の高温燃料電池。 ５．両電極（８、１２）の間に配置された電解質（１０）が安定化されたＺｒＯ₂ からなり、５〜３０μｍの間の厚さを持つ請求項１ないし４の１つに記載の高 温燃料電池（２）。 ６．電解質・電極ユニット（８、１０、１２）の平均熱膨張係数が１３〜１４× １０^-6／Ｋである請求項１ないし５の１つに記載の高温燃料電池（２）。 ７．複合導体板（２０）がバイポーラ板として構成され、請求項１ないし６の１ つに記載の高温燃料電池（２）の複数個から構成されている高温燃料電池スタッ ク（１８）。