JP2007173234A

JP2007173234A - 蝋付けされた相互接続を有する燃料電池およびこれを組み立てる方法

Info

Publication number: JP2007173234A
Application number: JP2006340634A
Authority: JP
Inventors: Wayne C Hasz; ウェイン・チャールズ・ヘイス
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2005-12-20
Filing date: 2006-12-19
Publication date: 2007-07-05
Also published as: DE102006060137A1; CN1988236A; US20070141435A1

Abstract

【課題】燃料電池の亀裂と、相互接続の他の劣化とを防ぐ効率的な形で密閉され相互接続された燃料電池アセンブリを提供すること。
【解決手段】陽極（１２）、陰極（１６）、および前記陽極（１２）と前記陰極（１６）との間に置かれた電解質（１４）を含む燃料電池（１０）は、前記陽極（１２）に隣接して配置された陽極相互接続（１８）と、前記陽極相互接続（１８）と前記陽極（１２）との間に配置された蝋付け材料（２０）とを含む。陽極（１２）および電解質（１４）のパッケージを形成することを含む、燃料電池（１０）を組み立てる方法は、蝋付け材料（２０）を前記陽極（１２）に隣接して配置して前記パッケージを加熱することを含む。燃料電池（１０）を組み立てるもう１つの方法は、蝋付け材料（２０）を前記陽極（１２）および前記陰極（１６）に隣接して配置して前記パッケージを加熱することも含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、全般的には燃料電池に関し、具体的には、効率的な相互接続（interconnect）配置を有する固体酸化物型燃料電池システムに関する。

燃料電池は、燃料および酸化体を触媒によって、陽極で電離された原子状水素に、陰極で電離された原子状酸素にすることによって電気を作る。電池内の一連の電気化学反応が、燃料電池内で電力を生成する唯一の手段である。通常の燃料電池に、陽極、陽極相互接続、陽極ボンドペースト（anode bond paste）、電解質、陰極、陰極ボンドペースト、および陰極相互接続が含まれる。陽極ボンドペーストは、陽極を陽極相互接続に付着させるのに使用され、陰極ボンドペーストは、陰極を陰極相互接続に付着させるのに使用される。陽極での電離プロセスで水素から除去された電子は、陰極に伝導され、この陰極で、これらの電子が酸素を電離する。

固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）は、かなりの注目を集め、高温、通常は約６５０℃を超える温度での動作で電気を生成する効率を高める点で優位に立っている。ＳＯＦＣの場合に、酸素イオンは、セラミック電解質を介して伝導され、この電解質で、電離した水素と組み合わされて、廃棄物としての水を形成し、プロセスを完了する。電解質は、それ以外の点では燃料と酸化体の両方に対して不浸透性であり、単に酸素イオンを伝導する。

ＳＯＦＣは、通常、燃料電池アセンブリ内で電気的に直列に組み立てられて、有用な電圧で電力を作る。ＳＯＦＣアセンブリを作成するために、相互接続する部材が、隣接するＳＯＦＣを一緒に電気的に直列に接続するのに使用される。陽極相互接続および陰極相互接続が、ボンドペーストによって各ＳＯＦＣに接着される。使われる時に、そのような燃料電池の陽極は、しばしば、酸化ニッケルから元素のニッケルへなど、化学的に還元され、時々、特に使用中に温度サイクルにさらされる時に、サイズの変化をもたらす。しかし、陽極を陽極相互接続に接続するのに使用されるボンドペーストは、強度がかなり低く、陽極の還元の後に層間剥離が発生し得る。層間剥離とは、複合材料の層が、繰り返される周期的応力または機械的完全性の消失を引き起こすすべての種類の衝撃に起因して経時的に分離するプロセスである。これは、通常は複合セラミックから作られる電解質の亀裂につながる可能性もある。さらに、過剰なボンドペーストを用いてそのような問題を軽減する試みは、燃料電池アセンブリ内の空気および燃料の流れの阻止につながる可能性がある。もう１つの重要な課題は、ＳＯＦＣが密閉され、定位置に接着されたならば、そのＳＯＦＣが、陽極還元中に体積変化を受けることである。やはり、ＳＯＦＣ自体が、接着後の陽極還元中に亀裂または層間剥離を生じる可能性がある。
米国仮出願第２００３／０２０３２６７号米国特許第５，７７０，３２７号

したがって、燃料電池の亀裂と、燃料電池の構成要素およびそれらの間の相互接続の他の劣化とを防ぐ効率的な形で密閉され、相互接続された燃料電池アセンブリの必要がある。

本発明の１態様によれば、陽極および電解質のパッケージを形成することを含む、燃料電池を組み立てる方法が提供される。この方法は、陽極を相互接続に接着するために蝋付け材料を陽極に隣接して配置してパッケージを加熱することも含む。

本発明のもう１つの態様によれば、燃料電池を組み立てる方法は、陽極、電解質、および陰極のパッケージを形成することを含む。次に、パッケージが、陽極および陰極を相互接続に接着するために、蝋付け材料を陽極および陰極に隣接して配置して加熱される。

本発明のもう１つの態様によれば、陽極、陰極、および陽極と陰極との間に置かれた電解質を含む燃料電池が提供される。陽極に隣接して配置された陽極相互接続も含まれる。この燃料電池は、さらに、陽極相互接続を陽極に接着するために陽極相互接続と陽極との間に配置された蝋付け材料を含む。

本発明の上記および他の特徴、態様、および利点は、添付図面を参照して次の詳細な説明を読む時によりよく理解されるようになる。添付図面では、類似する符号が、複数の図面を通じて類似する部分を表す。

下で詳細に述べるように、本発明の実施形態は、燃料電池と、燃料電池を組み立てる方法とを提供する。本明細書で説明する燃料電池に、蝋付け（金属）材料または「蝋」を有する陽極相互接続、陽極、電解質、陰極、および結合材を有する陰極相互接続が含まれる。結合材に、蝋または陰極ボンドペーストを含めることができる。蝋付け材料は、陽極相互接続を陽極に付着させるのに使用され、いくつかの場合に、陰極相互接続を陰極に付着させるのに使用される。

ここで図面に移ると、図１は、燃料電池１０の例示的実施形態の横断面図である。図示の実施形態では、燃料電池１０はＳＯＦＣである。燃料電池１０は、図示のようにパッケージ内に陽極１２、電解質１４、および陰極１６を含む。電解質１４は、陽極１２と陰極１６との間に置かれる。陽極１２は、蝋付け材料２０によって陽極相互接続１８に付着される。陰極１６も、結合材２２によって陰極相互接続２４に付着される。蝋付け材料２０は、陽極１２と陽極相互接続１８との間の周囲で気体の流れに対する密封剤として働くのにも使用することができる。ニッケル、クロム、およびホウ素の合金、ニッケル、クロム、および珪素の合金、ニッケル、銅、およびマンガンの合金、ならびに他の金属などの金属の合金を、蝋の化学的性質および処理条件がＳＯＦＣ構成要素の特性を劣化させずにＳＯＦＣ構成要素を接着する限り、蝋付け材料として使用することができる。結合材２２は、蝋または陰極ボンドペーストとすることができる。

陽極１２は、燃料電池に導入された燃料の電気化学酸化の反応部位を提供する。さらに、陽極材料は、燃料還元環境で安定し、燃料電池動作条件での燃料気体反応に関する適度な電子的伝導率、表面積、および触媒活性を有し、気体が反応部位に移動できるようにするのに十分な有孔率を有する。陽極は、ニッケル（Ｎｉ）、Ｎｉ合金、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、貴金属、コバルト、ルテニウムを含む金属など、この特性を有する多数の材料、ならびにＮｉ−イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）サーメット、銅Ｃｕ−ＹＳＺサーメット、セラミック、またはこれらの組合せなどの他の材料から作ることができる。

電解質１４は、通常は堆積または積層を介して、陽極１２の上に積み重ねられる。燃料電池動作中に、電解質は、陽極１２と陰極１６の間でイオンを伝導する。電解質は、一方の電極で作られたイオンを他方の電極に運んで、電子の流れからの電荷の平衡をとり、燃料電池内の電気回路を完成させる。さらに、電解質は、燃料を燃料電池内の酸化体から分離する。したがって、電解質は、一般に、還元環境と酸化環境との両方で安定し、反応性の気体に対して不浸透性であり、動作条件で適度に伝導性である。通常、電解質は、電子的に絶縁性である。ＳＯＦＣ電解質は、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、酸化セリウム（ＣｅＯ_２）、三二酸化ビスマス、パイロクロア酸化物、ドーピングされたジルコン酸塩、灰チタン石酸化物材料、カルシウムまたはジルコニウムの酸化物などの金属酸化物の複合セラミック、およびこれらの組合せなど、これらの特性を有する複数の材料から作ることができる。

図１に示されているように、陰極１６は、電解質１４の上に配置される。陰極は、酸化体の電気化学還元の反応部位を提供する。したがって、陰極は、酸化環境で安定し、燃料電池動作条件での酸化物気体反応に関する十分なイオン伝導率、電子的伝導率、表面積、および触媒活性を有し、反応部位への気体移動を可能にするのに十分な有孔率を有するように選択される。陰極は、電気伝導性酸化物、灰チタン石、ドーピングされた（ＬａＭｎＯ_３）、ＳｒドーピングされたＬａＭｎＯ_４（ＬＳＭ）、スズをドーピングされた酸化インジウム（Ｉｎ_２Ｏ_３）、ストロンチウムをドーピングされた三酸化プラセオジムマンガン（ＰｒＭｎＯ_３）、ランタン鉄酸化物−ランタンコバルト酸化物（ＬａＦｅＯ_３−ＬａＣｏＯ_３）、ルテニウム酸化物イットリア安定化ジルコニア（ＲｕＯ_２−ＹＳＺ）、ランタンコバルタイト（lanthanum cobaltite）（Ｌａ輝コバルト鉱）、およびこれらの組合せなど、これらの特性を有する複数の材料から作ることができる。

図２に示された本発明の例示的実施形態では、燃料電池１０（図１に図示）の横断面図２６が示されている。この図には、下で説明する燃料気体のアクセス経路も示されている。上で注記したように、燃料電池に、電解質１４の上に積み重ねられた陰極１６が含まれ、電解質１４は、陽極１２の上に配置される。陽極相互接続１８が、蝋付け材料２０によって陽極１２に接着される。入ってくる燃料気体２８用の入口および消費された燃料気体３０用の出口が、陽極相互接続１８上に設けられる。１例で、燃料電池をＳＯＦＣとすることができる。

図３に、図２に示された燃料電池の上面図３２を示す。図３に示された最上層は、電解質１４の上に配置された陰極１６であり、電解質１４は、陽極１２の上に積み重ねられる。図１および２で参照した蝋付け材料２０は、陽極１２と陽極相互接続１８との間に堆積される。陽極相互接続１８は、入ってくる燃料気体２８を許す入口および消費された燃料気体３０の出口を設けることによって燃料気体のアクセスを提供するように構成される。陽極相互接続としての使用に適当な構成に、メタリックランスドオフセットコルゲーション（metallic lanced offset corrugation）、穿孔された金属シート、および金属発泡体を含めることができる。

図４は、相互接続３４が示されている、本発明のもう１つの実施形態の線図表現である。相互接続３４に、相互接続接触面３８を通る開口または穿孔３６の六辺形に密にパックされたアレイが含まれる。相互接続接触面３８は、よい電気的接触および陽極（図示せず）への燃料気体アクセスをも提供すると同時に、燃料電池へのよい機械的接着を提供するのに十分な接触面積を提供する。相互接続を介する穿孔の提供が、陽極への燃料気体のアクセスを容易にすることがわかっている。「ウェッビング（webbing）」４０と称する、穿孔の間の表面区域は、陽極または陰極を相互接続に接着するために蝋付け材料が配置される場所である。相互接続３４は、陽極相互接続または陰極相互接続とすることができる。相互接続に使用できる適当な材料に、高クロムステンレス鋼、Ｎｉ合金、貴金属、およびＳＯＦＣ動作条件で導電性であり、安定したままであるすべての金属が含まれる。相互接続材料を選択する際に考慮される通常の特性は、高温耐酸化性、導電率、酸化物スケールの付着、熱膨張、製造プロセス、およびコストである。１例で、相互接続の厚さを、０．０２５ｃｍ（０．０１０インチ）から０．３１８ｃｍ（０．１２５インチ）までで変更することができる。

図５は、図４で参照した、相互接続３４への陽極１２の接着を示す分解断面図４２である。図示の実施形態では、蝋付け材料２０が、相互接続３４のウェッビング４０内に配置される。蝋付け材料は、相互接続３４の長さに沿って周期的な間隔で配置される。この間隔は、蝋付け材料の接着が、支持されないＳＯＦＣ長さに作用する、相互接続の片側と燃料電池の反対側との間の圧力差が燃料電池に亀裂を生じないことを保証するのに十分になるように維持される。この間隔の例を、０．１５９ｃｍ（０．０６２５インチ）と１．２７ｃｍ（０．５インチ）との間とすることができる。図５には、さらに、図２の横断面図２６に示されたＳＯＦＣの追加要素すなわち、陰極１６、電解質１４、陽極１２、陽極相互接続１８、入ってくる燃料気体２８の入口、および消費された燃料気体３０の出口が示されている。

図６は、本発明の諸態様による、燃料電池を組み立てる方法で用いられる例示的ステップを示す流れ図４４である。この方法に、ステップ４６で、燃料電池の陽極および電解質を積層することが含まれる。次に、ステップ４８で、陽極を電解質に焼成して、陽極−電解質（ＡＥ）パッケージを形成する。ＡＥパッケージの形成に続いて、ステップ５０で、ＡＥパッケージを化学的に還元することができる。その場合に、ステップ５２で、蝋付け材料を相互接続上に配置し（塗布し、蝋付けし）て、還元されたＡＥパッケージに相互接続を接着する。ステップ５４で、還元され蝋付けされたＡＥパッケージを、さらに陰極に結合する。ステップ５０で還元されるＡＥパッケージの１つの非限定的な利点は、後の蝋付け材料の配置中に含まれるさらなる陽極還元がないので、相互接続への接着の後に燃料電池の体積変化または縮小がないことである。

ステップ５０でＡＥパッケージが化学的に還元されないと仮定すると、この方法には、相互接続をＡＥパッケージに接着するために相互接続上に蝋付け材料を配置するステップ５６が含まれる。蝋付けされたＡＥパッケージは、蝋付けステップ中に還元されることができ、その後に、ステップ６０で言及されているように、陰極がそのようなパッケージに結合される。部分的に還元された陽極の場合に、その場での還元ステップが、通常は使用され、この場合に、組み立てられた燃料電池スタック全体が、陽極側に還元気体がある状態で、電力を作る前に陽極を完全に還元する温度にされる。相互接続を接着するために蝋付け材料を配置することに、陽極を相互接続に接着するために、蝋付け材料を陽極に隣接して堆積して、ＡＥパッケージを加熱することも含まれる。蝋付け材料を配置する前に、この方法に、相互接続内に穿孔を形成することも含まれる。その後、蝋付け材料が、相互接続上に堆積される。蝋付け材料は、加熱時に気体の流れに対するシールを形成するために陽極の周囲に配置することもできる。

図７は、燃料電池を組み立てる方法の例示的ステップを示す流れ図６２である。この方法は、以前に焼成された陽極および電解質に陰極を積層するステップ６４を含む。さらに、ステップ６６で、陰極を陽極および電解質に焼成して、陽極−電解質−陰極（ＡＥＣ）パッケージを形成する。ＡＥＣパッケージの形成に続いて、ステップ６８で、ＡＥＣパッケージを化学的に還元することができる。その場合に、ステップ７０で、蝋付け材料を相互接続に配置して、還元されたＡＥＣパッケージに相互接続を接着する。ステップ６６の還元の非限定的な利点は、後の蝋付け材料の配置中に含まれる陽極または陰極の還元がないので、燃料電池の体積変化または縮小がないことである。

ステップ６８での化学的還元がない場合には、この方法に、相互接続をＡＥＣパッケージに接着するための蝋付け材料の配置のステップ７２が含まれる。次に、ステップ７４で、蝋付けされたＡＥＣパッケージの陽極側を還元する（先の段落で説明したように）。相互接続を接着するための蝋付け材料の配置に、陽極および陰極を相互接続に接着するために、蝋付け材料を陽極および陰極に隣接して配置してＡＥＣパッケージを加熱することが含まれる。蝋付け材料を配置する前に、この方法に、相互接続内に穿孔を形成することも含まれ、その後、蝋付け材料が相互接続上に堆積される。蝋付け材料は、加熱時に気体の流れに対するシールを形成するために陽極および陰極の周囲に配置することもできる。

当業者が諒解するであろうように、相互接続上への蝋付け材料の配置は、燃料電池の破壊または亀裂の可能性を減らすのを助ける。通常のＳＯＦＣでは、陽極ボンドペーストおよび陰極ボンドペーストは、相互接続の比較的大きい表面積にわたるよい支持を提供しない。本発明では、蝋付け材料が、適当な支持を提供するのを助ける。相互接続上への蝋付け材料の配置は、陽極ボンドペーストおよび陰極ボンドペーストの悪い接着に起因する陽極または陰極への電気接触の欠如の問題にも対処することもわかっている。気体シールとして働くためにＳＯＦＣの外辺部に余分の蝋を追加することも可能である。

本発明のある種の特徴だけを図示し、本明細書で説明したが、当業者は、多数の修正形態および変更を思い浮かべるであろう。したがって、添付の特許請求の範囲が、本発明の真の趣旨に含まれるものとしてそのような修正形態および変更のすべてを含むことが意図されていることを理解されたい。

本発明による蝋付けされた相互接続と共に陽極、電界質、および陰極を含むＳＯＦＣを示す横断面図である。本発明による、入ってくる燃料気体用の入口および出てゆく燃料気体用の出口と共に陽極相互接続を含む蝋付けされたＳＯＦＣを示す断面図である。本発明による陽極相互接続を含む図２の蝋付けされたＳＯＦＣを示す上面図である。本発明による、蝋付け用の接触面上の穿孔を有する相互接続接触面を示す線図表現である。本発明による、相互接続のウェッビングに配置された蝋付け材料を使用して図４の相互接続に接着された陽極を示す分解図である。陰極が、還元された蝋付けされた陽極および電解質を含むパッケージ上に配置される、ＳＯＦＣを組み立てる方法を示す流れ図である。陽極、電解質、および陰極のパッケージが還元され、一緒に蝋付けされる、ＳＯＦＣを組み立てる方法を示す流れ図である。

符号の説明

１０固体酸化物型燃料電池の横断面図
１２陽極
１４電解質
１６陰極
１８陽極相互接続
２０蝋付け材料または「蝋」
２２陰極への結合材
２４陰極相互接続
２６蝋および陽極相互接続を有する固体酸化物型燃料電池の横断面図
２８入ってくる燃料気体
３０出てゆく燃料気体
３２陽極相互接続を含む蝋付けされた固体酸化物型燃料電池の上面図
３４接触面上の穴を有する相互接続接触面の例
３６穿孔
３８相互接続接触面
４０ウェッビング
４２相互接続のウェッビングに配置された蝋付け材料を使用する相互接続への陽極接着の分解図
４４陰極が、還元され蝋付けされた陽極および電解質の上に配置される、固体酸化物型燃料電池を組み立てる方法
４６陽極および電解質を積層するステップ
４８陽極（Ａ）を電解質（Ｅ）に焼成して、陽極−電解質（ＡＥ）パッケージを形成するステップ
５０ＡＥ還元の判断
５２ステップ５０で還元された場合に、相互接続をＡＥに接着するために蝋付け材料を配置するステップ
５４還元され蝋付けされたＡＥパッケージに陰極を取り付けるステップ
５６ステップ５０で還元されない場合に、相互接続を未還元のＡＥパッケージに接着するために蝋付け材料を配置するステップ
５８蝋付けされたＡＥを還元するステップ
６０還元され蝋付けされたＡＥパッケージに陰極を取り付けるステップ
６２陽極、電解質、および陰極が還元され、一緒に蝋付けされる、固体酸化物型燃料電池を組み立てる方法
６４陽極および電解質に陰極を積層するステップ
６６陰極（Ｃ）を陽極（Ａ）および電解質（Ｅ）に焼成して、ＡＥＣパッケージを形成するステップ
６８ＡＥＣパッケージ還元の判断
７０ステップ６８で還元された場合に、還元されたＡＥＣに相互接続を接着するために蝋付け材料を配置するステップ
７２ステップ６８で還元されない場合に、相互接続を未還元のＡＥＣに接着するために蝋付け材料を配置するステップ
７４蝋付けされたＡＥＣを還元するステップ

Claims

陽極（１２）および電解質（１４）のパッケージを形成することと、前記陽極（１２）を相互接続（１８）に接着するために蝋付け材料（２０）を前記陽極（１２）に隣接して配置して前記パッケージを加熱することとを含む、燃料電池（１０）を組み立てる方法。
前記燃料電池（１０）が、固体酸化物型燃料電池を含む、請求項１記載の方法。
前記陽極（１２）を還元し、前記パッケージを蝋付けした後に、前記パッケージに陰極（１６）を結合することをさらに含む、請求項１記載の方法。
陽極（１２）、電解質（１４）、および陰極（１６）のパッケージを形成することと、前記陽極（１２）および前記陰極（１６）を相互接続（１８）に接着するために蝋付け材料（２０）を前記陽極（１２）および前記陰極（１６）に隣接して配置して前記パッケージを加熱することとを含む、燃料電池（１０）を組み立てる方法。
陽極（１２）、陰極（１６）、および前記陽極（１２）と前記陰極（１６）との間に置かれた電解質（１４）、前記陽極（１２）に隣接して配置された陽極相互接続（１８）、ならびに前記陽極相互接続（１８）を前記陽極（１２）に接着するために前記陽極相互接続（１８）と前記陽極（１２）との間に配置された蝋付け材料（２０）を含む燃料電池（１０）。
結合材（２２）を使用して前記陰極（１６）に接着された陰極相互接続（２４）をさらに含む、請求項５記載の燃料電池。
前記結合材（２２）が、陰極ボンドペーストまたは蝋付け材料（２０）を含む、請求項６記載の燃料電池（１０）。
前記蝋付け材料（２０）が、ニッケル、クロム、およびホウ素の合金ならびに他の金属を含む、請求項５記載の燃料電池（１０）。
前記蝋付け材料（２０）が、ニッケル、クロム、および珪素の合金ならびに他の金属を含む、請求項５記載の燃料電池（１０）。
前記蝋付け材料（２０）が、ニッケル、銅、およびマンガンの合金ならびに他の金属を含む、請求項５記載の燃料電池（１０）。