JP2003123825A - 超高出力密度小型固体電解質型燃料電池 - Google Patents
超高出力密度小型固体電解質型燃料電池Info
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Abstract
(57)【要約】
【課題】 燃料電池を小型化すると共に、小型燃料電池
を製造する方法を提供する。 【解決手段】 電解質材料6、電極4, 8そして相互接続
部2,10を持つ燃料電池が提供される。マニフォールド11
を、電極内又は相互接続部内のいずれかに配置すること
が出来る。超小型電子機器業界で一般的な手法が、小型
燃料電池を製造するために用いられる。小型燃料電池
は、充分なレベルの出力密度と耐久性を維持するため
に、個々の燃料電池を互いの上に積層することにより、
作られる。
を製造する方法を提供する。 【解決手段】 電解質材料6、電極4, 8そして相互接続
部2,10を持つ燃料電池が提供される。マニフォールド11
を、電極内又は相互接続部内のいずれかに配置すること
が出来る。超小型電子機器業界で一般的な手法が、小型
燃料電池を製造するために用いられる。小型燃料電池
は、充分なレベルの出力密度と耐久性を維持するため
に、個々の燃料電池を互いの上に積層することにより、
作られる。
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、その製造方法に関する。より具体的には、本
発明は、実質的な電力出力を維持しながら、固体電解質
型燃料電池を小型化し、それにより、出力密度を高める
ための、概念及び過程に関する。
電池及び、その製造方法に関する。より具体的には、本
発明は、実質的な電力出力を維持しながら、固体電解質
型燃料電池を小型化し、それにより、出力密度を高める
ための、概念及び過程に関する。
【０００２】
【従来の技術】燃料電池は、燃料電池の基本構成部分つ
まり電極と電解質を変更することの無い化学反応によ
り、電気エネルギーが生成される、電気化学装置であ
る。燃料電池は、水素などの改質燃料を酸素と燃焼無し
に化合させ、直流電力を発生するのに用いられる。この
過程は、電気分解の逆と考えることができ、ここでは、
燃料電池が、熱エネルギーへの中間的な変換無しに、化
学エネルギーを連続的に電気エネルギーへと変換する。
まり電極と電解質を変更することの無い化学反応によ
り、電気エネルギーが生成される、電気化学装置であ
る。燃料電池は、水素などの改質燃料を酸素と燃焼無し
に化合させ、直流電力を発生するのに用いられる。この
過程は、電気分解の逆と考えることができ、ここでは、
燃料電池が、熱エネルギーへの中間的な変換無しに、化
学エネルギーを連続的に電気エネルギーへと変換する。
【０００３】燃料電池は、それの高いエネルギー効率、
潜在的な燃料自由度、そして極端に低い排出量故に、運
輸用動力源として求められてきた。燃料電池は、定置用
及び車両用の動力発生用途に潜在力を持つが、これらの
用途における動力発生のための燃料電池の商業的実現可
能性は、製造上、コスト上そして耐久性上の多くの問題
に左右されるものとなっている。10年以上にわたる集中
的で各専門分野にまたがる研究にも関わらず、現在最先
端の固体電解質型燃料電池（solid-oxide fuelcell略し
てSOFC）は未だ、従来からの出力発生の実現可能な代替
手段となるには不十分なものである。この不十分な点
は、移動体用途において更にはっきりしており、そこで
は、車載燃料電池の寸法と重量の制約のために、出力密
度の要求が極端に高い。SOFC技術の高い効率、清浄度、
そして本質的な単純さは、陽子交換薄膜（proton-excha
nge membrane略してPEM）燃料電池の様な他の取組みの
最良の特性を得ながら、現存の燃料電池供給用社会資本
との適合性及び、移動体用途に要求される不純物に対す
る許容性を提供するものである。現在のSOFC技術は、燃
料電池積層体の高い動作温度が、複雑で高コストの材料
を必要とし、それが、通常の車両動作に適合し得ない極
端に遅い始動につながっている。現在利用可能な最も進
化したSOFC製品においてさえも、その出力密度は、殆ど
の補助動力ユニット用途には不十分であり、パワートレ
イン作動に必要とされる分のほんの一部に過ぎない。従
って、この分野には、上述の問題を解決する、固体電解
質型燃料電池及び、その製作方法、に対するに必要性が
残っている。
潜在的な燃料自由度、そして極端に低い排出量故に、運
輸用動力源として求められてきた。燃料電池は、定置用
及び車両用の動力発生用途に潜在力を持つが、これらの
用途における動力発生のための燃料電池の商業的実現可
能性は、製造上、コスト上そして耐久性上の多くの問題
に左右されるものとなっている。10年以上にわたる集中
的で各専門分野にまたがる研究にも関わらず、現在最先
端の固体電解質型燃料電池（solid-oxide fuelcell略し
てSOFC）は未だ、従来からの出力発生の実現可能な代替
手段となるには不十分なものである。この不十分な点
は、移動体用途において更にはっきりしており、そこで
は、車載燃料電池の寸法と重量の制約のために、出力密
度の要求が極端に高い。SOFC技術の高い効率、清浄度、
そして本質的な単純さは、陽子交換薄膜（proton-excha
nge membrane略してPEM）燃料電池の様な他の取組みの
最良の特性を得ながら、現存の燃料電池供給用社会資本
との適合性及び、移動体用途に要求される不純物に対す
る許容性を提供するものである。現在のSOFC技術は、燃
料電池積層体の高い動作温度が、複雑で高コストの材料
を必要とし、それが、通常の車両動作に適合し得ない極
端に遅い始動につながっている。現在利用可能な最も進
化したSOFC製品においてさえも、その出力密度は、殆ど
の補助動力ユニット用途には不十分であり、パワートレ
イン作動に必要とされる分のほんの一部に過ぎない。従
って、この分野には、上述の問題を解決する、固体電解
質型燃料電池及び、その製作方法、に対するに必要性が
残っている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】単独の燃料電池は、ア
ノード、電解質、カソードそして相互接続部を含む複数
の層からなっている。これらの層のうち一つ又はそれ以
上が、空気と燃料を電極へ送る分配システムを含まなけ
ればならない。容積出力密度は、単一の燃料電池の面積
出力密度と、上記個々の燃料電池の反復距離とにより求
められる。面積出力密度は、抵抗損失及び分極損失そし
て場合によっては質量流量の限界により、制限される。
これらの損失は一般的に、温度の低下と共に増大する。
現実の動作条件の下で、0.5〜1.0 W/cm2の面積出力密度
（気体の多様性を含む）が、現在の技術の上限に近いと
考えるのが妥当である。現在の技術における反復距離
は、部分的には燃料電池の自己保持性に対する要求故
に、そしてまた、燃料電池の製造における巨視的製造技
術の使用故に、少なくとも約4 mmである。この様な従来
の燃料電池は、水素供給型燃料電池について、1〜2 kW/
Lの容積出力密度の潜在力を持つが、これは、改質器及
び配置容積を無視してのもので、これらの点は、上記の
値を大きく低下させることになり、上記値は、上限と考
えるべきである。本発明の主題は、反復距離を減少させ
ることにより、容積出力密度を向上させる新規な手法で
ある。この新規な燃料電池の概念と、それの製作過程
は、上述の耐久性及び始動性についての問題及び制限の
多くを緩和する。
ノード、電解質、カソードそして相互接続部を含む複数
の層からなっている。これらの層のうち一つ又はそれ以
上が、空気と燃料を電極へ送る分配システムを含まなけ
ればならない。容積出力密度は、単一の燃料電池の面積
出力密度と、上記個々の燃料電池の反復距離とにより求
められる。面積出力密度は、抵抗損失及び分極損失そし
て場合によっては質量流量の限界により、制限される。
これらの損失は一般的に、温度の低下と共に増大する。
現実の動作条件の下で、0.5〜1.0 W/cm2の面積出力密度
（気体の多様性を含む）が、現在の技術の上限に近いと
考えるのが妥当である。現在の技術における反復距離
は、部分的には燃料電池の自己保持性に対する要求故
に、そしてまた、燃料電池の製造における巨視的製造技
術の使用故に、少なくとも約4 mmである。この様な従来
の燃料電池は、水素供給型燃料電池について、1〜2 kW/
Lの容積出力密度の潜在力を持つが、これは、改質器及
び配置容積を無視してのもので、これらの点は、上記の
値を大きく低下させることになり、上記値は、上限と考
えるべきである。本発明の主題は、反復距離を減少させ
ることにより、容積出力密度を向上させる新規な手法で
ある。この新規な燃料電池の概念と、それの製作過程
は、上述の耐久性及び始動性についての問題及び制限の
多くを緩和する。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は、充分な出力密
度を確保する様に、小型固体電解質型燃料電池を製造す
る新規な手法を用いることにより、上述の問題に対処す
る方法を提供する。本発明は、充分な出力密度と耐久性
を提供するために、個々の燃料電池及び燃料電池積層体
の問題となる寸法を縮小するために、超小型電子機器の
製造に一般的な過程を用いる。
度を確保する様に、小型固体電解質型燃料電池を製造す
る新規な手法を用いることにより、上述の問題に対処す
る方法を提供する。本発明は、充分な出力密度と耐久性
を提供するために、個々の燃料電池及び燃料電池積層体
の問題となる寸法を縮小するために、超小型電子機器の
製造に一般的な過程を用いる。
【０００６】本発明の観点の一つによれば、小型積層燃
料電池とそれの製造過程が提供され、そこでは、相互接
続部が、バルクYSZ、サファイアなど、エピタキシャル
要件及び安定性要件を満たす耐熱材料などの、犠牲材料
上に堆積させられる。そして、第１電極層が、上記相互
接続部上に堆積させられる。電解質材料が、上記第１電
極層上に堆積させられる。最後に、第２電極層が上記電
解質層に堆積させられる。これらの工程は、1より大き
いn回積層された燃料電池を製作するために、犠牲材料
を使用すること無しに、反復させられる。nは1000程度
であるのが、好ましい。nが1000より大きければ、より
好ましい。
料電池とそれの製造過程が提供され、そこでは、相互接
続部が、バルクYSZ、サファイアなど、エピタキシャル
要件及び安定性要件を満たす耐熱材料などの、犠牲材料
上に堆積させられる。そして、第１電極層が、上記相互
接続部上に堆積させられる。電解質材料が、上記第１電
極層上に堆積させられる。最後に、第２電極層が上記電
解質層に堆積させられる。これらの工程は、1より大き
いn回積層された燃料電池を製作するために、犠牲材料
を使用すること無しに、反復させられる。nは1000程度
であるのが、好ましい。nが1000より大きければ、より
好ましい。
【０００７】この過程の中で、犠牲材料が用いられるの
は１回だけであり、それは、最初の燃料電池を製作する
際である。順に積層された後の燃料電池は、最初の犠牲
支持部なしに、最初の燃料電池と同じ態様で積層され
る。それで、次の燃料電池の規制を開始する相互接続部
が、前の燃料電池の第２電極層の上に直接堆積させられ
る。燃料電池組立体におけるアノードとカソードへ反応
物質を供給するためのマニフォールドを、相互接続部又
は電極層のいずれかに配置することが出来る。マニフォ
ールドが相互接続部に設けられる場合には、各相互接続
部の両面に流路が形成される。マニフォールドが電極に
設けられる場合には、各電極の一側面にのみ、つまり、
相互接続部に面する方に、流路が形成される。
は１回だけであり、それは、最初の燃料電池を製作する
際である。順に積層された後の燃料電池は、最初の犠牲
支持部なしに、最初の燃料電池と同じ態様で積層され
る。それで、次の燃料電池の規制を開始する相互接続部
が、前の燃料電池の第２電極層の上に直接堆積させられ
る。燃料電池組立体におけるアノードとカソードへ反応
物質を供給するためのマニフォールドを、相互接続部又
は電極層のいずれかに配置することが出来る。マニフォ
ールドが相互接続部に設けられる場合には、各相互接続
部の両面に流路が形成される。マニフォールドが電極に
設けられる場合には、各電極の一側面にのみ、つまり、
相互接続部に面する方に、流路が形成される。
【０００８】小型燃料電池の組立は、トランジスタなど
の部品を製造するために超小型電子業界で用いられる過
程に類似した、種々の蒸着法、リトグラフィー法そして
マスキング／エッチング法により、実行される。積層燃
料電池の反復距離は、約0.5mm未満であり、従来の燃料
電池に比較して殆ど10分の1である。マニフォールドに
おける圧力の低下が、許容レベルに保たれるならば、反
復距離の更なる減少と、それに伴う出力密度の増大が、
可能である。面積出力密度を高めるためには、いずれか
の電極と電解質との間に中間層を配置することが出来
る。中間層は、約0.001μｍから1μｍとすることが出
来、好ましい実施形態の一つにおいては、イオン価が等
しいか又は異なる物質が添加されたセリアをベースとす
るセラミックからなる。
の部品を製造するために超小型電子業界で用いられる過
程に類似した、種々の蒸着法、リトグラフィー法そして
マスキング／エッチング法により、実行される。積層燃
料電池の反復距離は、約0.5mm未満であり、従来の燃料
電池に比較して殆ど10分の1である。マニフォールドに
おける圧力の低下が、許容レベルに保たれるならば、反
復距離の更なる減少と、それに伴う出力密度の増大が、
可能である。面積出力密度を高めるためには、いずれか
の電極と電解質との間に中間層を配置することが出来
る。中間層は、約0.001μｍから1μｍとすることが出
来、好ましい実施形態の一つにおいては、イオン価が等
しいか又は異なる物質が添加されたセリアをベースとす
るセラミックからなる。
【０００９】従って、小型固体電解質型燃料電池及び該
燃料電池を形成する過程を提供することが、本発明の特
徴である。これらのものなどの本発明の特徴及び利点
は、以下の詳細な説明、添付の図面そして請求項から明
らかになると思われる。
燃料電池を形成する過程を提供することが、本発明の特
徴である。これらのものなどの本発明の特徴及び利点
は、以下の詳細な説明、添付の図面そして請求項から明
らかになると思われる。
【００１０】
【発明の実施の形態】超小型電子機器業界で一般的であ
るが燃料電池業界では新規な各種の方法を、燃料電池を
互いに積み重ねることと組合わせて、用いることによ
り、従来の燃料電池と同様の出力レベルを維持するが、
容積と重量が大幅に低減され、結果として出力密度が大
きく向上した小型燃料電池を形成することが出来ること
が、判った。超小型電子機器業界では一般的な各種の過
程を用いるということは、燃料電池の大きさを小さくす
る又は最小化するために、化学蒸着（chemical vapor d
eposition略してCVD）、マイクロ・リトグラフィ及びエ
ッチングの様な技術が、燃料電池材料で用いられ得ると
いうことを意味する。加えて、気体流路が、相互接続部
におけるのと同様に、電極内に形成され得る。
るが燃料電池業界では新規な各種の方法を、燃料電池を
互いに積み重ねることと組合わせて、用いることによ
り、従来の燃料電池と同様の出力レベルを維持するが、
容積と重量が大幅に低減され、結果として出力密度が大
きく向上した小型燃料電池を形成することが出来ること
が、判った。超小型電子機器業界では一般的な各種の過
程を用いるということは、燃料電池の大きさを小さくす
る又は最小化するために、化学蒸着（chemical vapor d
eposition略してCVD）、マイクロ・リトグラフィ及びエ
ッチングの様な技術が、燃料電池材料で用いられ得ると
いうことを意味する。加えて、気体流路が、相互接続部
におけるのと同様に、電極内に形成され得る。
【００１１】図１に記載された好ましい実施形態におい
て、第１主表面7と第２主表面9とを持つ電解質材料の層
6を有する小型固体電解質型燃料電池12が示されてい
る。第１電極であるカソード4が、電解質材料6の第１主
表面7上にある。第２電極であるアノード8が、電解質材
料6の第２主表面9上にある。第１の相互接続部2がカソ
ード4上にあり、第２の相互接続部10がアノード8の下に
ある。第１と第２の相互接続部2と10の中には、一連の
マニフォールド11が位置する。第１相互接続部2は、図
示の燃料電池の上に積み重ねられる第２燃料電池のため
の相互接続部となる。マニホールドは、燃料電池の該マ
ニフォールドが埋め込まれた部分に気体又は液体の混合
物を供給する単純な溝である。
て、第１主表面7と第２主表面9とを持つ電解質材料の層
6を有する小型固体電解質型燃料電池12が示されてい
る。第１電極であるカソード4が、電解質材料6の第１主
表面7上にある。第２電極であるアノード8が、電解質材
料6の第２主表面9上にある。第１の相互接続部2がカソ
ード4上にあり、第２の相互接続部10がアノード8の下に
ある。第１と第２の相互接続部2と10の中には、一連の
マニフォールド11が位置する。第１相互接続部2は、図
示の燃料電池の上に積み重ねられる第２燃料電池のため
の相互接続部となる。マニホールドは、燃料電池の該マ
ニフォールドが埋め込まれた部分に気体又は液体の混合
物を供給する単純な溝である。
【００１２】図２に記載されたもう一つの実施形態にお
いて、第１主表面27と第２主表面29とを持つ電解質材料
26を有する小型固体電解質型燃料電池32が示されてい
る。第１電極であるカソード24が、電解質材料26の第１
主表面27上にある。第２電極であるアノード28が、電解
質材料26の第２主表面29上にある。第１相互接続部22が
カソード24上にあり、第２相互接続部30がアノード28の
下にある。燃料電池32のための第２相互接続部は、図示
の燃料電池に積み重ねられる次の燃料電池の第１相互接
続部である。カソード24とアノード28の中には、カソー
ド24とアノード28とに液体を供給する、一連のマニフォ
ールド21が位置する。気体のマニフォールドが電極内に
配置される場合には、相互接続部を薄くし、電極を厚く
することが出来る。
いて、第１主表面27と第２主表面29とを持つ電解質材料
26を有する小型固体電解質型燃料電池32が示されてい
る。第１電極であるカソード24が、電解質材料26の第１
主表面27上にある。第２電極であるアノード28が、電解
質材料26の第２主表面29上にある。第１相互接続部22が
カソード24上にあり、第２相互接続部30がアノード28の
下にある。燃料電池32のための第２相互接続部は、図示
の燃料電池に積み重ねられる次の燃料電池の第１相互接
続部である。カソード24とアノード28の中には、カソー
ド24とアノード28とに液体を供給する、一連のマニフォ
ールド21が位置する。気体のマニフォールドが電極内に
配置される場合には、相互接続部を薄くし、電極を厚く
することが出来る。
【００１３】図３は、小型燃料電池の積み重ね状態を示
している。小型燃料電池34の一つが、他の小型燃料電池
36の上に配置される。この積み重ね過程は、充分な量の
出力と耐久性を提供するために、反復される。そしてこ
の過程は、一般的には約0.5mm未満の距離で、反復され
る。
している。小型燃料電池34の一つが、他の小型燃料電池
36の上に配置される。この積み重ね過程は、充分な量の
出力と耐久性を提供するために、反復される。そしてこ
の過程は、一般的には約0.5mm未満の距離で、反復され
る。
【００１４】気体のマニフォールドは、空気入口と燃料
出口が積層体の一側にあり、空気出口と燃料入口が積層
体の他側にある、クロス・フロー又はカウンター・フロ
ーのいずかとすることが出来る。図４は、燃料電池44が
列状に配置され、燃料と空気がクロス・フロー構成にさ
れた、モジュラー・スタック・アレイ（modular stack
array）41を示している。クロス・フローというのは、
燃料と空気が互いに約90度の角度をなす方向に流れる、
ということを意味する。例えば、燃料入口43は、空気入
口42から90度の位置にあり、排気46は空気出口47から90
度の位置にある。例えば、焼成により後で燃え尽きるUV
硬化型被膜である、犠牲バインダーを用いることによ
り、薄い電極フィルムを気体マニフォールド上に成長さ
せることが出来る。
出口が積層体の一側にあり、空気出口と燃料入口が積層
体の他側にある、クロス・フロー又はカウンター・フロ
ーのいずかとすることが出来る。図４は、燃料電池44が
列状に配置され、燃料と空気がクロス・フロー構成にさ
れた、モジュラー・スタック・アレイ（modular stack
array）41を示している。クロス・フローというのは、
燃料と空気が互いに約90度の角度をなす方向に流れる、
ということを意味する。例えば、燃料入口43は、空気入
口42から90度の位置にあり、排気46は空気出口47から90
度の位置にある。例えば、焼成により後で燃え尽きるUV
硬化型被膜である、犠牲バインダーを用いることによ
り、薄い電極フィルムを気体マニフォールド上に成長さ
せることが出来る。
【００１５】好ましい実施形態において、カソードとア
ノードは、、蒸着を用いることにより成長させられる。
カソードは、約100μｍ未満の厚さの多孔質セラミック
カソードであるのが好ましい。電解質は、約0.01μｍか
ら約3μｍの厚さの稠密セラミック電解質であるのが好
ましい。アノードは、約100μｍ未満の厚さの多孔質セ
ラミックアノードであるのが好ましい。相互接続部は、
電極と同じ態様で成長させても、金属薄膜とすることも
出来る。
ノードは、、蒸着を用いることにより成長させられる。
カソードは、約100μｍ未満の厚さの多孔質セラミック
カソードであるのが好ましい。電解質は、約0.01μｍか
ら約3μｍの厚さの稠密セラミック電解質であるのが好
ましい。アノードは、約100μｍ未満の厚さの多孔質セ
ラミックアノードであるのが好ましい。相互接続部は、
電極と同じ態様で成長させても、金属薄膜とすることも
出来る。
【００１６】別の実施形態においては、アノードと電解
質との間又は、カソードと電解質との間に、薄い中間層
を配置することが出来る。薄い中間層は、約0.001〜1μ
ｍの厚さで、分極損失を低減する。
質との間又は、カソードと電解質との間に、薄い中間層
を配置することが出来る。薄い中間層は、約0.001〜1μ
ｍの厚さで、分極損失を低減する。
【００１７】電解質材料は、Y, Sc, In及びランタノイ
ドの後半の殆どなどのイオン価の異なる（aliovalent）
添加剤で安定化されたジルコニアの様な稠密セラミック
であり、また、ビスマス又はセリアが添加されたイット
リア、ガドリニア又はサマリアが添加されたセリア、ラ
ンタン−ガリウムの酸化物など、イオン伝導率が高く、
輸率の高い他の稠密セラミックから構成することが出来
る。高いイオン伝導率に加えて、電解質は、良好な電子
絶縁体であると共に、気体の拡散を防がなければならな
い。アノード材料は、多孔質セラミックであり、Ni又は
Cuなどの金属との間のセルメットであり、相（phase）
が電解質材料と同一又は同様であるのが一般的で、例え
ばNi-イットリア安定化ジルコニア・セルメットであ
る。アノード材料におけるセラミック要素の組成及び濃
度は、電解質におけるのと同じではないこと必要があ
る。カソード材料は、多孔質セラミックであり、例え
ば、ランタン−ストロンチウム-亜マンガン酸塩（manga
nite）又はランタン−ストロンチウム−輝コバルト鉱
（cobaltite）であり、場合により鉄が添加される。ア
ノードとカソードは、空気と燃料の電解質近くの反応中
心への輸送を最適化するために、制御された気孔率を持
たなければならない。それらはまた、混合されたイオン
及び電子伝導性を持たなければならない。上述の材料に
加えて、アノードとカソードは、低温作動における反応
を促進し分極損失を低減するために、電解質近くの薄い
中間層の、特定の触媒材料を保持することが可能であ
る。本発明の取組の有利な点の一つは、個々の層の厚さ
による組成勾配及び微細構造的勾配の意図的な形成を介
して、性能を最適化する能力である。
ドの後半の殆どなどのイオン価の異なる（aliovalent）
添加剤で安定化されたジルコニアの様な稠密セラミック
であり、また、ビスマス又はセリアが添加されたイット
リア、ガドリニア又はサマリアが添加されたセリア、ラ
ンタン−ガリウムの酸化物など、イオン伝導率が高く、
輸率の高い他の稠密セラミックから構成することが出来
る。高いイオン伝導率に加えて、電解質は、良好な電子
絶縁体であると共に、気体の拡散を防がなければならな
い。アノード材料は、多孔質セラミックであり、Ni又は
Cuなどの金属との間のセルメットであり、相（phase）
が電解質材料と同一又は同様であるのが一般的で、例え
ばNi-イットリア安定化ジルコニア・セルメットであ
る。アノード材料におけるセラミック要素の組成及び濃
度は、電解質におけるのと同じではないこと必要があ
る。カソード材料は、多孔質セラミックであり、例え
ば、ランタン−ストロンチウム-亜マンガン酸塩（manga
nite）又はランタン−ストロンチウム−輝コバルト鉱
（cobaltite）であり、場合により鉄が添加される。ア
ノードとカソードは、空気と燃料の電解質近くの反応中
心への輸送を最適化するために、制御された気孔率を持
たなければならない。それらはまた、混合されたイオン
及び電子伝導性を持たなければならない。上述の材料に
加えて、アノードとカソードは、低温作動における反応
を促進し分極損失を低減するために、電解質近くの薄い
中間層の、特定の触媒材料を保持することが可能であ
る。本発明の取組の有利な点の一つは、個々の層の厚さ
による組成勾配及び微細構造的勾配の意図的な形成を介
して、性能を最適化する能力である。
【００１８】小型燃料電池は、超小型電子機器業界で一
般的であるが燃料電池業界では新規な各種の過程を通し
て、製造される。用いられ得る手法のいくつかには、複
雑な気体及び燃料のマニフォールドと共に個々の燃料電
池構成部分を製作するための、化学蒸着（CVD）、分子
線（molecular beam）又は原子層（atomic layer）エピ
タクシー（epitaxy）、及びマイクロ・リトグラフィが含
まれる。小型化のためには、反復距離を小さくするのが
最も良い。出力密度を10の因数だけ高めるには、同様の
面積出力密度を維持したままで、少なくとも約10の因数
だけ反復距離を減少させる必要がある。これは、最大で
約200μｍの気体マニフォールドと、最大で約100μｍの
電極組立体を必要とする。比較的薄いマニフォールドで
圧力降下を小さく保つために、個々のセルの通路長さを
小さくする必要がある。個々の層は全て（気体溝は除
く）の厚さが最大で100μｍであるとき、自己保持性の
層は単一ではない。それで、第１の燃料電池は、マイ
カ、サファイア、又は安定化ジルコニアなどの支持部上
で製作されなければならない。電極が、マニフォールド
を持たない場合には、電極は、約10μｍ程に、より薄く
することが出来る。個々の層は自己保持性ではないが、
全ての層が成長する時点までに、積層体は、強く抵抗力
のあるユニットになる。この取組は、通常の構成で起こ
る種々の層の密閉の問題の多くを無くすものである。
般的であるが燃料電池業界では新規な各種の過程を通し
て、製造される。用いられ得る手法のいくつかには、複
雑な気体及び燃料のマニフォールドと共に個々の燃料電
池構成部分を製作するための、化学蒸着（CVD）、分子
線（molecular beam）又は原子層（atomic layer）エピ
タクシー（epitaxy）、及びマイクロ・リトグラフィが含
まれる。小型化のためには、反復距離を小さくするのが
最も良い。出力密度を10の因数だけ高めるには、同様の
面積出力密度を維持したままで、少なくとも約10の因数
だけ反復距離を減少させる必要がある。これは、最大で
約200μｍの気体マニフォールドと、最大で約100μｍの
電極組立体を必要とする。比較的薄いマニフォールドで
圧力降下を小さく保つために、個々のセルの通路長さを
小さくする必要がある。個々の層は全て（気体溝は除
く）の厚さが最大で100μｍであるとき、自己保持性の
層は単一ではない。それで、第１の燃料電池は、マイ
カ、サファイア、又は安定化ジルコニアなどの支持部上
で製作されなければならない。電極が、マニフォールド
を持たない場合には、電極は、約10μｍ程に、より薄く
することが出来る。個々の層は自己保持性ではないが、
全ての層が成長する時点までに、積層体は、強く抵抗力
のあるユニットになる。この取組は、通常の構成で起こ
る種々の層の密閉の問題の多くを無くすものである。
【００１９】本発明を、好ましい実施の形態を参照して
詳細に述べて来たが、添付の請求項に規定の本発明の範
囲から逸脱することなしに、改良及び変形が可能である
ことは、明らかであろう。より具体的には、本発明の観
点のあるものは、好ましいものとして又は具体的な有利
な点として特定されているものの、本発明は、必ずしも
これらの本発明の好ましい観点、例えば個々の燃料電池
構成部品の具体的な厚さ及び材料などに限定されるもの
ではないことが、意図されている。
詳細に述べて来たが、添付の請求項に規定の本発明の範
囲から逸脱することなしに、改良及び変形が可能である
ことは、明らかであろう。より具体的には、本発明の観
点のあるものは、好ましいものとして又は具体的な有利
な点として特定されているものの、本発明は、必ずしも
これらの本発明の好ましい観点、例えば個々の燃料電池
構成部品の具体的な厚さ及び材料などに限定されるもの
ではないことが、意図されている。
【００２０】
【発明の効果】以上述べた様に本発明によれば、燃料電
池の出力密度を維持したままで、燃料電池を小型化する
ことが出来る。
池の出力密度を維持したままで、燃料電池を小型化する
ことが出来る。
【図１】小型固体電解質型燃料電池の実施形態の斜視図
である。
である。
【図２】小型固体電解質型燃料電池の別の実施形態の斜
視図である。
視図である。
【図３】小型固体電解質型燃料電池の積層を示す図であ
る。
る。
【図４】クロス・フロー形の溝のモジュラー・アレイを
示す図である。
示す図である。
2 相互接続部
4 第１電極層
6 電解質材料
8 第２電極層
11 マニフォールド
12 燃料電池
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 クリストファー マーク ウルバートン
アメリカ合衆国 ミシガン州 48176，サ
ライナ カントリー クリーク ドライブ
875
(72)発明者 デービッド ロバート バウァー
アメリカ合衆国 ミシガン州 48154，リ
ヴォニア リンドン 30102
Ｆターム(参考） 5H026 AA06 BB00 BB04 CC08 CV06
EE02 EE11 HH03
Claims (53)
- 【請求項１】 小型積層固体電解質型燃料電池の製造方
法であって、 a) 犠牲材料上に相互接続部を堆積させる工程、 b) 該相互接続部上に第１電極層を堆積させる工程、 c) 該第１電極層上に、電解質材料を堆積させる工程、 d) 該電解質材料上に第２電極層を堆積させる工程、及
び e) 複数回積層した燃料電池を製作するために、上記犠
牲材料を使用すること無しに、上記堆積工程a)〜d)を反
復する工程、 を有する方法。 - 【請求項２】 小型燃料電池を製作するために、上記堆
積は蒸着の使用により生じさせる、請求項１の方法。 - 【請求項３】 小型燃料電池を製作するために、エッチ
ング法を使用する、請求項１の方法。 - 【請求項４】 上記工程(e)が、約0.5 mm未満の反復距
離で実行される、請求項１の方法。 - 【請求項５】 上記第１電極が、厚さ約10μｍの多孔質
セラミックカソードである、請求項１の方法。 - 【請求項６】 上記電解質が、厚さ約0.01μｍから約4
μｍの稠密セラミック電解質である、請求項１の方法。 - 【請求項７】 上記第２電極が、厚さ約10μｍの多孔質
セラミックアノードである、請求項１の方法。 - 【請求項８】 上記第１電極と上記電解質との間に中間
層が配置される、請求項１の方法。 - 【請求項９】 上記第２電極と上記電解質との間に中間
層が配置される、請求項１の方法。 - 【請求項１０】 上記中間層の厚さが約0.001μｍから
約1μｍである、請求項８又は９の方法。 - 【請求項１１】 上記相互接続部の厚さが、約30μｍか
ら約100μｍの金属である、請求項１の方法。 - 【請求項１２】 上記相互接続部が、約30μｍから約10
0μｍの厚さのセラミックである、請求項１の方法。 - 【請求項１３】 上記相互接続部が少なくとも一つのマ
ニフォールドを含む、請求項１の方法。 - 【請求項１４】 小型積層固体電解質型積燃料電池の製
造方法であって、 a) 犠牲材料上に相互接続部を堆積させる工程、 b) 該相互接続部上に、気体と液体の混合物を供給する
ための少なくとも一つのマニフォールドを持つ第１電極
層を堆積させる工程、 c) 該第１電極層上に、電解質材料を堆積させる工程、 d) 該電解質材料上に、気液混合物を供給するための少
なくとも一つのマニフォールドを持つ第２電極層を堆積
させる工程、及び e) 複数回積層した燃料電池を製作するために、上記犠
牲材料を使用すること無しに、上記堆積工程a)〜d)を反
復する工程、 を有する方法。 - 【請求項１５】 上記相互接続部が約10μｍの厚さの金
属である、請求項14の方法。 - 【請求項１６】 上記相互接続部が約10μｍの厚さのセ
ラミックである、請求項１４の方法。 - 【請求項１７】 上記マニフォールドがセラミックであ
る、請求項１４の方法。 - 【請求項１８】 小型燃料電池を製作するために、蒸着
を実行する工程、を更に有する請求項１４の方法。 - 【請求項１９】 小型燃料電池を製作するために、エッ
チング法を実行する工程、を更に有する請求項１４の方
法。 - 【請求項２０】 上記工程e)が、約0.5 mm未満の反復距
離で実行される、請求項１４の方法。 - 【請求項２１】 上記第１電極が、約100μｍの厚さの
多孔質セラミックカソードである、請求項１４の方法。 - 【請求項２２】 上記電解質が厚さが約0.01μｍから約
4μｍの稠密セラミック電解質である、請求項１４の方
法。 - 【請求項２３】 上記第２電極が、約100μｍの厚さの
多孔質セラミックアノードである、請求項１４の方法。 - 【請求項２４】 上記第１電極と上記電解質との間に中
間層が配置される、請求項１４の方法。 - 【請求項２５】 上記第２電極と上記電解質との間に中
間層が配置される、請求項１４の方法。 - 【請求項２６】 上記中間層が約0.001μｍから約1μｍ
である、請求項２４又は２５の方法。 - 【請求項２７】 a) 犠牲材料上に堆積した相互接続
部、 b) 該相互接続部上に堆積した第１電極層、 c) 該第１電極層上に堆積した電解質材料、及び d) 該電解質材料上に堆積した第２電極層 を有し、上記犠牲材料を使用すること無しに、上記堆積
層a)〜d)が反復して複数回積層されて燃料電池が構成さ
れている小型積層固体電解質型燃料電池。 - 【請求項２８】 小型燃料電池を製作するために、蒸着
が実行された、請求項27の燃料電池。 - 【請求項２９】 小型燃料電池を製作するために、エッ
チング法が実行された、請求項２７の燃料電池。 - 【請求項３０】 上記堆積層a)〜d)の反復距離が、約0.
5 mm未満である、請求項２７の燃料電池。 - 【請求項３１】 上記第１電極が、約10μｍの厚さの多
孔質セラミックカソードである、請求項２７の燃料電
池。 - 【請求項３２】 上記電解質が、厚さが約0.01μｍから
約4μｍの稠密電解質である、請求項２７の燃料電池。 - 【請求項３３】 上記第２電極が、約10μｍの厚さの多
孔質セラミックアノードである、請求項２７の燃料電
池。 - 【請求項３４】 上記第１電極と上記電解質との間に中
間層が配置される、請求項２７の燃料電池。 - 【請求項３５】 上記第２電極と上記電解質との間に中
間層が配置される、請求項２７の燃料電池。 - 【請求項３６】 上記中間層の厚さが約0.001から約1μ
ｍである、請求項３４又は３５の燃料電池。 - 【請求項３７】 上記相互接続部が、厚さが約30μｍか
ら約100μｍの金属である、請求項２７の燃料電池。 - 【請求項３８】 上記相互接続部が、厚さが約30μｍか
ら約100μｍのセラミックである、請求項２７の燃料電
池。 - 【請求項３９】 上記相互接続部が、少なくとも一つの
マニフォールドを含む、請求項２７の燃料電池。 - 【請求項４０】 a) 犠牲材料上に堆積した相互接続
部、 b) 気体又は液体の混合物を供給するためのマニフォー
ルドを少なくとも一つ含む、上記相互接続部上に堆積し
た第１電極層、 c) 該第１電極層上に堆積した電解質材料、及び d) 気体又は液体の混合物を供給するためのマニフォー
ルドを少なくとも一つ含む、上記電解質材料上に堆積し
た第２電極層、 を有し、上記犠牲材料を使用すること無しに、上記堆積
層a)〜d)が反復して複数回積層されて燃料電池が構成さ
れている小型積層固体電解質型燃料電池。 - 【請求項４１】 上記相互接続部の厚さが約10μｍの金
属である、請求項４０の燃料電池。 - 【請求項４２】 上記相互接続部が厚さが約10μｍのセ
ラミックである、請求項４０の燃料電池。 - 【請求項４３】 上記マニフォールドがセラミックであ
る、請求項４０の燃料電池。 - 【請求項４４】小型燃料電池を製作するために、蒸着が
実行された、請求項４０の燃料電池。 - 【請求項４５】 小型燃料電池を製作するために、エッ
チング法が実行された、請求項４０の燃料電池。 - 【請求項４６】 上記堆積層a)〜d)の反復距離が約0.5
mm未満ある、請求項４０の燃料電池。 - 【請求項４７】 上記第１電極が、厚さが約100μｍの
多孔質セラミックカソードである、請求項４０の燃料電
池。 - 【請求項４８】 上記電解質が、厚さが約0.01μｍから
約4μｍの稠密セラミック電解質である、請求項４０の
燃料電池。 - 【請求項４９】 上記第２電極が、約100μｍの厚さの
多孔質セラミックアノードである、請求項４０の燃料電
池。 - 【請求項５０】 上記第１電極と上記電解質との間に中
間層が配置される、請求項４０の燃料電池。 - 【請求項５１】 上記第２電極と上記電解質との間に中
間層が配置される、請求項４０の燃料電池。 - 【請求項５２】 上記中間層の厚さが約0.001μｍから1
μｍである、請求項５０又は５１の燃料電池。 - 【請求項５３】 少なくとも一層の燃料電池積層体、該
燃料電池積層体に隣接する気体入口 該気体入口から90度に配置され、上記燃料電池積層体に
隣接する空気入口、該空気入口から90度に配置され、上
記燃料電池積層体に隣接する気体出口、及び上記気体出
口から90度に配置され、上記燃料電池積層体に隣接する
空気出口、を有する、モジュラー積層体アレイ配置。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US09/682,647 | 2001-10-02 | ||
| US09/682,647 US6495279B1 (en) | 2001-10-02 | 2001-10-02 | Ultrahigh power density miniaturized solid-oxide fuel cell |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003123825A true JP2003123825A (ja) | 2003-04-25 |
Family
ID=24740570
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002289453A Pending JP2003123825A (ja) | 2001-10-02 | 2002-10-02 | 超高出力密度小型固体電解質型燃料電池 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6495279B1 (ja) |
| EP (1) | EP1300903B1 (ja) |
| JP (1) | JP2003123825A (ja) |
| DE (1) | DE60214950T2 (ja) |
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| WO2015056320A1 (ja) * | 2013-10-17 | 2015-04-23 | ＦＣＯ Ｐｏｗｅｒ株式会社 | 固体酸化物形燃料電池スタックアレイ |
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