JP2004055564A

JP2004055564A - 燃料電池アセンブリ

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Publication number: JP2004055564A
Application number: JP2003278037A
Authority: JP
Inventors: Gregory S Herman; グレゴリー・エス・ハーマン; David Champion; デイビッド・チャンピオン; James O'neil; ジェイムス・オニール
Original assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Current assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Priority date: 2002-07-23
Filing date: 2003-07-23
Publication date: 2004-02-19
Also published as: CN1495952A; KR20040010259A; US20040018406A1; US7208246B2; NL1023859C2

Abstract

【課題】燃料電池の機械的強度を維持しつつ触媒表面積を増やすことのできる設計の提供。
【解決手段】基板16と、この基板16に配置され、かつ基板から突出しているリブを有する電解質20を含む燃料電池アセンブリ10である。リブは、第１の側面21bと第２の側面21aと上面を有する。アノードは第１の側面21bに配置され、カソードは第２の側面21aに配置されている。また燃料電池は、アノード、カソード、電界質内、リブと基板の間、これらのいずれかの組み合わせのうちから選択される場所に配置されている抵抗ヒータ18を含む。
【選択図】図１Ａ

Description

　本発明は、燃料電池用のスタック構成及び加熱機構に関する。

　固体酸化物形燃料電池（SOFC）は、通常、800℃を超える温度で動作する。温度が上昇することにより、触媒反応速度が上昇し、燃料電池の固体電解質を通るイオン輸送量が増加する。通常の燃料電池は、触媒作用に十分な温度となるまで燃料を加熱する外部ヒータによって加熱される。発熱反応による熱によって、電池の動作温度が最適レベルまでさらに上昇する。しかしながら、十分な量の加熱された燃料及び空気が、燃料電池スタックを通過し、触媒反応を自ら維持するレベルまで電池要素を加熱するために必要な時間は、電池及び消費燃料の効率を低下させる。結果として、燃料電池スタックを加熱するより効率的な方法が望まれている。

　燃料電池は、二重チャンバ設計と単一チャンバ設計との両方により製造することができる。空気と燃料は、二重チャンバシステムに別々に導入される。二重チャンバ設計では、カソードは空気のみに曝露され、アノードは燃料のみに曝露される。電解質は気密性であり、電子ではなく酸素イオンのみを通過させる。燃料電池が小さくなるにしたがい、電解質膜は薄くなり、酸素イオンのカソードからアノードへの輸送に対する抵抗が低下する。しかしながら、より薄い膜は、機械的安定性の低下も示す。またより薄い膜は製造がより困難であり、高価でもあり、気密性電解質が必要であることにより、二重チャンバ設計の複雑性及び費用がさらに増大する。

　単一チャンバ燃料電池は、これらの問題のうちのいくつかを排除する。燃料と空気は、混合物としてアノード表面及びカソード表面の両方に導入され、気体不浸透性電解質膜が不要であることが開示されている（例えば非特許文献１参照）。しかしながら、燃料-空気混合物の使用を可能とすることにより、単一チャンバ装置の機械的困難性は解決されない。機械的に頑強であることが必要であることにより、電解質及び触媒の利用可能な表面積が減少し、単位面積当りの電力出力がさらに低下する。加えてシステム効率を低下させることなしに、低い電力が必要とされている最中に、燃料使用量を低減し、又はシステム温度を低下させることは困難である。
Hibino、Science、2000、288:2031

　したがって本発明は、機械的安定性を維持しながら、触媒表面積を増大させる燃料電池設計の提供を課題としている。

　本発明は、基板と、基板の上に配置され、かつ基板から突出しているリブを有する電解質とを含む燃料電池アセンブリである。リブは、第１及び第２の側面と上面を有する。第１の側面にアノードが配置され、第２の側面にカソードが配置されている。また本発明の燃料電池は、アノード、カソード、電解質内、リブと基板との間、及びこれらの任意の組合せから選択された位置に配置されている抵抗ヒータも含む。

　本発明を、図面の各図を参照して説明する。

　本発明は、基板と、基板上に配置されている電解質と、アノードと、カソードとを含む燃料電池アセンブリを包含する。電解質は、基板に対して垂直に突出するとともに第１及び第２の側面と上面を有する矩形リブを含む。アノードはその第１の側面に配置され、カソードは第２の側面に配置されている。電解質は、複数の矩形リブを画定する複数の平行トレンチからなる。各トレンチは電解質内に配置されている底面を有し、アセンブリは、トレンチの底面及び隣接する側面に交互に配置されている複数のカソード及びアノードをさらに含む。また本発明は、アノードと、カソードと、それらの間に介挿されている電解質からなる燃料電池も含む。電解質、アノード、カソード及び／又は基板内にヒータが配置されている。

　本発明は、薄膜堆積、フォトリソグラフィ、パターニング、異方性又は等方性エッチングのような最近の半導体製造技法を活用する。本発明による例示的な燃料電池は、トレンチ内に、垂直方向に配向する電解質に沿って配置されている電極を有する（図１Ａ）。この垂直な配置により、覆われている基板表面積当りの電極表面積を拡大することができ、熱又は機械衝撃、燃料及び空気流における圧力勾配、及び熱応力に関する機械的安定性を向上させることができる。電解質の薄さは、トレンチを形成するために使用されるリソグラフィプロセス及び方法（たとえば等方性及び異方性エッチング、犠牲材料等）の分解能によってのみ制限される。電解質が薄いことにより、電解質「壁」の上部にわたる表面拡散が容易になり、イオンインピーダンスが低減し、電解質の大部分を介するアニオン移動に対する抵抗が低下する。さらに、この電解質構造により、基板の表面積当りの触媒表面積が増大する。このように、この燃料電池構造により、動作温度を低下させることが可能となり、電力発生を増大させることが可能となる。

　図１Ａは、本発明の一実施形態による統合ヒータを備える燃料電池の高密度電極設計を示す。燃料電池10は、低熱伝導率層14の上に堆積されているスタック12を含む。この低熱伝導率層14は、燃料電池スタック12を基板16から分離する。基板16は、フォトリソグラフィ及び標準的なエッチング技法によって処理することができるケイ素又は他の材料のような標準的な基板材料を含む。低熱伝導率セラミック材料14の上部には、熱抵抗材料が堆積されパターニングされている。電解質20は、まず抵抗体18の間の空間に、次いで抵抗体18の上部の層に堆積される。電解質20をエッチングしてトレンチが形成されることにより、リブ20aが画定される。各リブは、第１及び第２の側面21a及び21bを有し、隣接するリブによって、底面21cを有するトレンチが画定される。このように、各トレンチは、２つのリブ20aによって画定され、１つのリブの第２の側面21bと次のリブの第１の側面21aとによって境界が定められる。１つのリブの第２の側面21bとトレンチ底部21cと次のリブの第１の側面21aとに適切な材料が被覆されることにより、カソード22及びアノード24が交互に形成される。カソード22及びアノード24の材料がトレンチ26の側面に堆積されるため、燃料電池スタックを介して流れる燃料及び空気に対する利用可能な表面積が増大する。これにより燃料電池は、上記のように、交互の列の側壁にアノード24の材料とカソード22の材料とが被覆された電解質内の一連の平行な溝からなる。代替的な実施形態では、図１Ｂに示すように、トレンチは電極として作用する多孔質材料によって充填されている。

　代替的に、又はさらに、ヒータをリブ20a内（図１Ｃ）、電解質20の基部内（図１Ｃ）、あるいは電極内（図１Ｂ及び図１Ｄ）あるいはこれらの何らかの組合せにより配置することができる。またヒータを、電極上の被覆として堆積することができる。薄いストリップ（図１Ｅ）、多孔質材料（図１Ｆ）又はメッシュ（図１Ｇ）を使用することにより、気体がヒータを介して触媒表面に達し得る。また薄いストリップ又はメッシュを、電極内（図１Ｄ）又は電極と電解質との間（図１Ｈ）に配置することができる。カソード集電体23とアノード集電体25を、図１Ｂ、図１Ｄ、図１Ｅ、図１Ｆ、図１Ｇ及び図１Ｈのヒータに対して示すものと同様な構成を利用して、カソード薄膜及びアノード薄膜の上部、カソード薄膜及びアノード薄膜の内側、又は電解質と電極との間に統合することができる。たとえば集電体を、電解質／電極界面（図１Ｂ）又は電極の表面（図１Ｃ）に配置することができる。集電体は、電流を伝導しながら電極の表面への気体の拡散を可能にする多孔質材料とすることができる。

　また本発明によってもたらされる設計によって、製造が容易になり、製作コストが低減する。燃料電池を、より少ないプロセスステップと標準的な製造処理ツールによって製造することが可能である。気密性の自立膜を排除することにより、材料の取り扱い及び製造時の取扱いに対する制約が低減され、さらに電極が頑強となることにより歩留りが向上する。燃料電池を製作するために、低熱伝導率セラミック材料、たとえばアルミナが、基板、たとえばケイ素上に堆積される。そして抵抗体、たとえばプラチナが、熱絶縁体上に堆積される。また抵抗体材料は、上昇した温度に耐えるだけでなく、酸素及び硫黄のような空気によって運ばれる気体による腐食に耐えるように選択される。電解質は、抵抗体の上に堆積される。例示的な電解質材料には、サマリウム添加セリア（SDC）と、ガドリニウム添加セリア（GDC）と、イットリウム安定化ジルコニア（YSZ）と、マグネシウム添加ランタンガレートと、ストロンチウム添加ランタンガレート（LSGM）が含まれる。トレンチは、エッチング又は他の技法によって形成され、アノード及びカソード材料が堆積される。例示的なカソード材料には、サマリウム-ストロンチウム-コバルタイトと、ガドリニウム-ストロンチウム-コバルタイトと、ランタン-ストロンチウム-鉄-コバルタイトが含まれる。例示的なアノード材料には、ニッケル-サマリウム添加セリア（Ni-SDC）と、銅-サマリウム添加セリア（Cu-SDC）と、ニッケル-ガドリニウム添加セリア（Ni-GDC）と、銅-ガドリニウム添加セリア（Cu-GDC）と、ニッケル-イットリウム安定化ジルコニア（Ni-YSZ）が含まれる。当業者は、本発明により燃料電池を製作するために活用することができる種々の適合する堆積技法を熟知しているであろう。たとえばCVD及び原子層CVDのような気相プロセス、又は浸漬及び種々の電気化学技法のような液相法を利用することができる。

　本発明の一実施形態による燃料電池を製作する（図２）ためには、基板を設けて（202）、その上に低熱伝導率材料を堆積する（204）。抵抗ヒータを堆積し（206）、その後電解質を堆積する（208）。アノードトレンチを形成し（210）、アノード材料を堆積する（212）。犠牲材料を使用してアノードトレンチを充填し、アノード材料を被覆する（214）。そしてカソードトレンチを形成し（216）、カソード材料を堆積する（218）。最後にアノードトレンチから犠牲材料を除去する（220）。集電体を、アノード材料及びカソード材料の前に堆積しても（222a〜222b）、これらの電極材料の後に堆積しても（224a〜224b）、あるいは電極材料内の層として堆積しても（226a〜226b）よい。当業者は、所望であれば、まずカソードを堆積し、その後アノードを堆積してもよいということを認めるであろう。

　この設計により表面積を大きくすることが可能となる。燃料電池は、基板１平方センチメートル当り少なくとも１cm²の電極表面積を有することが好ましく、基板１平方センチメートル当り２cm²の電極表面積を有することがより好ましい。一実施形態では、トレンチ26の深さが２μmであって、トレンチ幅が0.5μmであり電解質「壁」の幅が0.5μmである場合、燃料電池スタックの反復単位の全長は2μmである。したがって（幅方向に）直線で１cm当り5,000個のセル、電池が存在する。トレンチ底部の（ある長さの基板に対する）面積は、以下の式によって与えられる。すなわち、
　トレンチ幅×長さ×セルの数　　　　　（１）
　0.5μm×長さ×5000個/cm　　　　　　　（２）
よって基板１平方センチメートル当り0.25cm²である。トレンチ側面の（ある長さの基板に対する）面積は、以下の式によって与えられる。すなわち、各トレンチは２つの側面を有するため、
　トレンチ深さ×長さ×２×セルの数　　（３）
　2.0μm×長さ×２×5000個/cm　　　　　（４）
よって基板１平方センチメートル当り2.0 cm²となる。したがって総電極面積は、基板１平方センチメートル当り2.25cm²である。

　上記のように、本発明の燃料電池スタックは、図１Ａ〜１Ｃ、図３に示すように一連の電解質「壁」とトレンチ26によって形成される。抵抗体18は、電解質によって画定される溝と並行する長いストリップとして燃料電池スタックの下に分布する。電流は、接点30及び32を介して抵抗体18に適用される。熱は、抵抗体18から電解質20を通って触媒表面22及び24まで伝導される。

　またスタック設計は、電流レベル及び電圧レベルと、電力管理とを最適化するための柔軟性も提供する。電圧と電流とをそれぞれ増大させるために、直列と並列の両方の動作に対してセル、電池を相互接続させることができる。またセルが多数であることにより、いくつかのセルを電子的に切断することが可能となることによって、より広範囲の電流の偏位、エクスカーションが可能になる。電流供給量を広い範囲にわたって変化させることが可能となる。接続されたままのセルは、電流の需要が低い場合はセルの最大効率で動作し続ける。対照的に、単一の電池システムからの電力を低減するためには、温度が低下されるか又は燃料供給が低減され、効率が低下する。

　図４Ａ及び図４Ｂに示すように、アノード面及びカソード面を、直列又は並列のいずれにも接続することができる。直列回路は、燃料電池スタックによって供給される電圧を増大させ、並列回路は、セルによって供給される電流を増大させる。代替的に、図３に示すように、単一燃料電池を直列又は並列に接続するための回路を設けることができ、電流がいずれの構成を流れるか確定するために一連のスイッチ40が設けられる。またスイッチにより、スタックの一部を低需要時にオフとすることができる。また抵抗体18を制御する回路に配置されている同様のスイッチ42が、動作していない回路の一部に対するヒータをオフとする。

　図３は、互いの上部に積層されているヒータと燃料電池回路を示す。スイッチ40は、燃料電池を直列又は並列のいずれかに構成するように配置されている。燃料電池を直列に接続するためには、スイッチ40a〜40eを開かなければならない。スイッチ40l、40n及び40pもまた開かなければならず、残りのスイッチは閉じたままでなければならない。燃料電池を並列に接続するためには、スイッチ40f、40h及び40jを開かなければならず、残りのスイッチは閉じなければならない。またスイッチを、燃料電池の一部のみ接続するように制御することも可能である。たとえばスイッチ40k〜40qを閉じることにより、燃料電池の最低単位セルが接続される。さらにスイッチ40pを開けてスイッチ40i及び40jを閉じることにより、別の単位セルが直列に接続される。２つの単位セルを並列に接続するために、スイッチ40c、40e、及び40iとともにスイッチ40k〜40qを閉じなければならない。

　スイッチ42により、抵抗体18を直列に接続することができる。抵抗体の選択された部分を、スイッチを適切に開閉することによって加熱することができる。たとえば最低対の抵抗体素子を加熱するために、スイッチ42h〜42nを閉じなければならない。別の列を追加するためには、スイッチ42a〜42gを閉じなければならない。残りのスイッチは開かなければならない。回路内に第４の抵抗体素子を追加するためには、スイッチ42g〜42mを閉じ、一方スイッチ42a〜42f及び42nを開く。当業者は、燃料電池の特定の部分をオンとし加熱するために、種々のスイッチ40及び42をいかに構成するかを理解することができるであろう。

　一実施形態では、空気／燃料混合物が燃料電池スタックに供給され、水及び／又はCO₂が、互いに垂直な側面図である図５Ａ及び図５Ｂに示すマニホルド50を介して除去される。空気／燃料混合物は、溝52を通ってスタックに供給され、水蒸気及び他の排気は、溝54を通して除去される。図５Ｂは、溝52と溝54の間のトレンチ26を閉じるマニホルドを示す。携帯機器の場合、溝52に、取替え可能又は再装填可能な燃料の貯蔵器56を接続することができる。このような貯蔵器は、燃料によっては燃料改質器を含む。例示的な燃料改質器は当業者には既知である。排気は、周囲に放出しても、必要に応じて空にするか又は取り外すことができる容器58に収集してもよい。排気流から水蒸気を除去するために凝縮器60を使用することにより、このような容器内の気体の量が低減することができる。

　代替的な実施形態では、図５Ｃに示すように、２つの燃料電池10が、互いのトレンチが対向するように取り付けられている。空気流は、貯蔵器、改質器又は当業者に既知の他の燃料変換又は貯蔵装置を含む燃料源62から、トレンチに供給される（図５Ｄ）。排気を収集するために、容器58を、この対をなす燃料電池の反対の端部に配置することができ、このとき容器58は凝縮器60を含んでいてもよい。

　本発明の他の実施形態は、本明細書で開示した本発明の詳細又は実施態様を考慮することから当業者には明らかとなろう。詳細及び実施例は単に例示としてみなされることが意図され、発明の真の範囲及び精神は併記の特許請求の範囲によって示される。

本発明の一実施形態による燃料電池の一部分の概略図である。本発明の代替的な実施形態による燃料電池の一部分の断面図である。本発明の代替的な実施形態による燃料電池の一部分の断面図である。本発明の一実施形態による統合ヒータに対する代替的な構成を示す燃料電池の一部分の断面図である。本発明の一実施形態による統合ヒータに対する代替的な構成を示す燃料電池の一部分の概略図である。本発明の一実施形態による統合ヒータに対する代替的な構成を示す燃料電池の一部分の断面図である。本発明の一実施形態による統合ヒータに対する代替的な構成を示す燃料電池の一部分の概略図である。本発明の一実施形態による統合ヒータに対する代替的な構成を示す燃料電池の一部分の断面図である。本発明の一実施形態による燃料電池を製造する方法を示すフローチャートである。本発明の一実施形態による燃料電池スタック及びその下にある抵抗体の概略図である。本発明の一実施形態とともに使用するための直列に接続されている燃料電池スタックの概略図である。本発明の一実施形態とともに使用するための並列に接続されている燃料電池スタックの概略図である。図１Ａに示す燃料電池の側面図であり、空気と燃料とがいかにスタックを循環するかを示す。ここでは参照のため図５Ｂに示す平面を図中５Ｂとして示している。図５Ａに示す燃料電池の概略図である。本発明による燃料電池の代替的な実施形態の断面図である。図５Ｃに示す実施形態の概略図であり、ここでは参照のため図５Ｃに示す平面を図中５Ｃとして示している。

符号の説明

１０　　　燃料電池アセンブリ
１２　　　燃料電池スタック
１４　　　低熱伝導率層
１６　　　基板
１８　　　抵抗ヒータ
２０　　　電解質
２１　　　側面
２２　　　カソード
２３　　　集電体
２４　　　アノード
２５　　　集電体
２６　　　トレンチ
３０　　　接点
３２　　　接点
４０　　　スイッチ
４２　　　スイッチ
５０　　　マニホルド
５２　　　溝
５４　　　溝
５６　　　燃料貯蔵器
５８　　　容器
６０　　　凝縮器
６２　　　燃料源

Claims

燃料電池アセンブリであって、
　基板（16）と、
　前記基板（16）に配置されている電解質（20）であって、前記基板から突出しているリブを有し、当該リブが第１の側面（21b）と第２の側面（21a）と上面を有する電解質（20）と、
　前記第１の側面（21b）に配置されているアノード（24）と、
　前記第２の側面（21a）に配置されているカソード（22）と、
　前記アノード及び前記カソード及び前記電解質内及び前記リブと前記基板の間及びこれらの任意の組合せから選択された位置に配置されている抵抗ヒータ（18）からなり、
　Ａ）前記電解質（20）と前記基板（16）の間に介挿されている低熱伝導率セラミック層（14）又は
　Ｂ）前記アノード及びカソード内と、前記電解質と前記アノード及びカソードの間と、前記アノード及びカソードの上とのうちのいずれかに配置されているアノード集電体（25）及びカソード集電体（23）
を任意に具備するアセンブリ。
前記電解質（20）が、各々が第１の側面（21b）と第２の側面（21a）を有する複数のリブによって画定されている複数の平行なトレンチ（26）を有し、各トレンチ（26）が、前記電解質（20）内に配置されている底面を有し、前記燃料電池アセンブリが、リブの前記第２の側面（21a）から、隣接するトレンチ（26）の前記底面にわたり、後続のリブの前記第１の側面（21b）に沿って延伸する複数の交互のカソード（22）及びアノード（24）をさらに具備し、
　任意に、Ａ）前記アノード（24）及びカソード（22）が、それぞれのトレンチ（26）を充填するか、又は、
　Ｂ）前記複数のアノード（24）及びカソード（22）が、前記アノード（24）及びカソード（22）の一部が前記燃料電池アセンブリ（10）から電気的に分離可能であるように、適合されて構成され、前記ヒータ（18）が、電気的に分離されていない前記アノード及びカソードのみに熱を供給するように、適合されて構成されているか、又は、
　Ｃ）前記燃料電池の表面触媒面積が、前記基板１平方センチメートル当り１cm²よりも大きい請求項１記載のアセンブリ。
前記電解質（20）が、前記突出部分と前記基板の間に介挿されている基層を含み、前記抵抗ヒータ（18）が、前記基層内及び、前記基板（16）と前記基層の間のうちから選択された位置に配置され、任意に、前記抵抗ヒータ（18）が、直列に接続されている抵抗材料の複数のストリップからなる請求項２記載のアセンブリ。
Ａ）前記アノード（24）とカソード（22）を、並列と直列とからなるグループのどちらか一方で接続するように適合されて構成されている回路又は、
　Ｂ）前記アノード（24）及びカソード（22）が直列回路から並列回路に可逆的に切替え可能であるように適合されて構成されている回路又は、
　Ｃ）ともに任意に取外し可能である、当該燃料電池が燃料を受け取るチャンバ（56）及び排ガスが当該燃料電池から移動して入り込むチャンバ（58）
をさらに具備する請求項２記載のアセンブリ。
電気機器であって、
　請求項２に記載の燃料電池アセンブリと、
　入口（52）と出口（54）とを有するマニホルド（50）であって、前記入口（52）を通過する流体が前記複数の平行なトレンチ（26）の間を移動することが可能であるマニホルド（50）と、
　前記入口と流体連通する燃料源（56）と、任意に前記出口と流体連通する排気貯蔵容器（58）及び当該排気貯蔵容器内に配置されている凝縮器（60）を具備し、
　前記燃料源が取替え可能及び再装填可能のいずれかの特徴を有する貯蔵器である電気機器。
電源であって、
　請求項２に記載の第１のアセンブリと、
　請求項２に記載の第２のアセンブリを具備し、
　各アセンブリがトレンチ側と基板側とを有し、
　前記電源が、前記第１及び第２のアセンブリの前記トレンチ側が互いに対向するように適合されて構成され、
　前記第１及び第２のアセンブリの前記トレンチが、互いに流体連通している電源。
アノードとカソードの間に介挿されている電解質を含む燃料電池を加熱する方法であって、
　前記電解質と熱伝導する抵抗体に電流を通過させるステップを含み、
　前記電流が前記抵抗体の一部のみを任意に通過する方法。
燃料電池を製造する方法であって、
　基板（16）を設けるステップと、
　前記基板上に低熱伝導率材料（14）を堆積するステップと、
　前記低熱伝導率材料の上に抵抗ヒータ（18）を堆積するステップと、
　前記抵抗ヒータの上に電解質（20）を堆積するステップと、
　前記電解質に第１の複数の平行なトレンチ（26）を形成するステップと、
　前記第１の複数のトレンチ（26）の側壁に第１の電極材料を堆積するステップと、
　前記第１の電極材料の上に犠牲材料を堆積するステップと、
　前記第１の複数のトレンチとともに交互のトレンチを形成する第２の複数のトレンチ（26）を形成するステップと、
　前記第２の複数のトレンチの側壁に第２の電極材料を堆積するステップと、
　前記犠牲材料を除去し、前記第１の電極材料を露出させるステップと、
を含む方法。
前記電解質と、前記トレンチの前記側壁と、前記第１の電極材料及び第２の電極材料のうちの１つに、集電体を配置することをさらに含む請求項８記載の方法。
請求項１に記載の前記燃料電池を電源として使用する電気機器。