JP2008282808A - 高温型燃料電池における電気化学的に活性のディスクとインターコネクタとの間の接点を製造する方法と、そのような接点を有する燃料単電池バッテリ - Google Patents

Abstract

【課題】平坦な高温型燃料電池において電気化学的に活性のディスクとインターコネクタとの間の接触性が向上した接点を製造する方法およびそのような接点を有する燃料電池を提供する。
【解決手段】インターコネクタは空気側とガス側の表面形状を有し、隆起部分に接点面を備えている。導電性粒体とその粒体を埋め込んだ媒体を含有する接点混合物の層が電気化学的に活性のディスクの電極に張り付けられる。電極の外形面が前記層と接触するようにされ、作業温度において前記隆起部分がこの層中へ食い込んで接点面と導電性粒体との間で接続部が形成され、接点面と電極との間で均一な構造の個別の接続部が形成される。前記媒体は室温、特に４０℃以下では固形である高温溶解成分で、作業温度では液状であり、最後に前記粒体を埋め込んだ媒体が熱的に除去され、個別の接続部が固化する。
【選択図】図１

Description

本発明は平坦な高温型燃料単電池における電気化学的に活性のディスクとインターコネクタとの間の接点を製造する方法に関するものである。本発明はまた、そのような接点を有する燃料単電池バッテリにも関する。

前記燃料単電池は７００℃から９５０℃の間の温度において作用する固形酸化物の燃料単電池（ＳＯＦＣ，Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ）である。インターコネクタが空気側をガス側から分離させ、隣接する燃料単電池の間で電気的な接続を確立する。

平坦な燃料単電池バッテリは単電池スタックを含み、該スタックにおいてはプレート状のインターコネクタと電気化学的に活性のディスク、所謂ＰＥＮエレメント（プラス電極−電解質−マイナス電極からなる三層のディスクである）が交互に配置されている。インターコネクタはまた、二極式プレートとも称されている。それらは隣接するＰＥＮエレメントの電極の間でピンブル（ｐｉｍｐｌｅ）あるいはウエブ（ｗｅｂ）の形態で個別の接点を提供する。例えばピンプルは、ピンプルが全て同じ形状で、ｃｍ^２当たり少なくとも１０個のピンプル密度を有する格子状配置を有する特殊なパターンを形成する。抵抗損失が最小で高効率の燃料単電池バッテリのためには、電気抵抗が均一的に低い、インターコネクタとのＰＥＮエレメントの接点が必要とされる。既知の方法によれば、粉末状の導電性材料と液体との混合物であるペーストから接点層が製造される（例えば、「導電性燃料電池用接点材料」（“Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｃｏｎｔａｃｔ Ｍａｔｅｒｉａｌ”）という名称の米国特許公開第２００７／００３８１９号を参照）。この種の接点混合物はスクリーンプリンティング、スリップ噴射あるいはスリップ圧延（ｒｏｌｌｉｎｇ）によって電極の上、あるいはピンプルまたはウエブによって形成された接点面上に張り付けることができる。単電池を組み立ててスタックを形成した後、接点混合物を乾燥させ、かつ焼き付けることによって接点面と電極との間にしっかりした接続部ができる。このような組み立ての間、塗布されたペーストはピンプルやウエブの高さの差異を補正することができるように湿潤状態に保たれる。しかしながら現在では、単電池スタックを組み立てることによって部分的に不均一に形成された接続部をもたらすことが判明している。このようは欠陥の結果、組み立てられたスタックにおいて測定された単電池電圧は大きさがまちまちであり、理想的でない抵抗損失を示す。コスト的な理由からインターコネクタの製造の間の許容誤差を落とすことは考えることができない。

本発明の目的は接触性が改良される、電気化学的に活性のディスクとインターコネクタとの間の接点を製造する方法を提供することである。

本発明の前記目的は特許請求の範囲の請求項１に記載の方法によって達成される。

本発明の方法は平坦な高温型燃料電池における電気化学的に活性のディスクとインターコネクタとの間の接点を製造するために供される。インターコネクタは、隆起した部分に位置している接点面を備えた空気側とガス側の表面形状（プロフィル）を有している。接点面を有している各表面形状の隆起部分はある平面を概ね広がっている。このような配置において、所定の許容誤差内にずれが存在する。本方法においては、接点混合物から構成される層がそれぞれ電気化学的に活性のディスクの電極の上に、あるいは接点面の上に張り付けられる。接点混合物は導電性の粒体と該粒体を埋め込んだ媒体とを含有する。前記の表面形状あるいは電極はそれぞれ前記の張り付けられた層と接触する状態にされ、そのため作業温度において、前記の隆起部分は前記の層中へ入り込む。このように、接点面と導電性の粒体との間に接続部が形成され、従って接点面と電極との間で個別の均一な構造とされた接続部が形成される。最後に、粒体を埋め込んだ媒体が熱的な部分処理によって除去され、個別の接続部が固化される。粒体を埋め込んだ媒体は室温、特に４０℃以下の温度では固形である高温溶解成分である。前記の作業温度においては、前記の高温溶解成分は液状あるいは塑性状態にある。

特許請求の範囲の請求項２から８までは本発明による方法の有利な実施例に関するものである。本発明によって製造された接点を有する燃料単電池バッテリは請求項９および１０の主部である。

添付図面を参照して本発明を以下説明する。

図１および図２において破断した断面で示すように平坦な高温型燃料電池用のインターコネクタ１は空気側の表面形状１１とガス側の表面形状１１’を有している。これらの形状１１，１１’は隆起部分１０において接点面１００を有している。接点面１００を備えた前記隆起部分１０はそれぞれ平面１２に概ね広がっている。前記平面１２からの前記接点面１００のずれδは所定の許容誤差内に入っている。前記インターコネクタ１と隣接するＰＥＮエレメント２との間の接点は前記接点面１００において存在している。

本発明の方法においては、層２２または２２’はＰＥＮエレメント２（すなわち、中央の固形酸化物の層２０を備えた電気化学的に活性のディスク２）の電極２１および２１’の上に張り付けられるもので、接点混合物から構成されている。この混合物は導電性の粒体と、該粒体を埋め込んだ媒体とを含有する。この媒体は室温、特に４０℃以下の温度では固形である高温溶解成分である。適当な作業温度において、前記の高温溶解成分は液状あるいは塑性状態で存在する。接点混合物は電極２１、２１’の代わりに接点面１００に張り付けることも可能である。

前記表面形状１１，１１’（および（または）電極２１，２１’）は、所定の作業温度において、前記の隆起部分１０が張り付けられた層２２，２２’に押し込まれるような仕方で前記層２２または２２’と接触するように持ってこられる。このように、接点面１００と導電性の粒体との間に接続部が形成され、従って前記接点面１００と電極２１，２１’との間で個別の均一構造の接続部が形成される。最後に、前記粒体を埋め込んでいる媒体が個別の接続部を保ちながら熱的に除去され、前記粒体の間で、かつまた前記粒体と接点面１００との間で焼結された接続部が形成される。

高温溶解成分は、好ましくは樹脂、天然および合成蝋、熱可塑性材料、高鎖状アルコールおよびカルボン酸（例えばステアリン酸、パルミチン酸）をベースにした粘弾性あるいは粘塑性の有機材料である。この高温溶解成分は加熱されるとビスコースあるいは薄い液状溶解物に変換される。従って、それは集合状態において変化する。高温溶解成分の融点は特に、４０℃から８０℃の間の範囲に入る。一般に、導電性の粒体の均一な分布は追加して混合された添加物質によってつくり出すことができる。

導電性の粒体は加熱された装置において高温溶解成分と混合されて均一なペーストを形成する。このために、例えばボールミル、攪拌機構および（または）静的混合機（スタティックミキサー）のような従来の混合装置が使用される。

導電性の粒体は、接触すべき電極、好ましくは金属導体の材料と同じか、あるいは類似の材料から形成されている。陽極（ガス側の電極２１）の電極材料は陰極（空気側の電極２１’）の電極材料とははっきり区別されている。例えば、ＮｉＯ／ＹＳＺ混合物（ＹＳＺ：イットリウムで安定化したジルコニウム）は例えば陽極に使用される。ランタン・ストロンチウム・メチール（ＬａＳｒＭｅ）−パーブスカイト（Ｐｅｒｖｓｋｉｔｅ）、すなわち（ＬａＳｒ）（Ｍｅ）Ｏ_３、但し、ＭＥはＣｏ，Ｍｎ，Ｎｉ，Ｃｒおよび（または）Ｆｅ（好ましくは、Ｍｎ，Ｃｏ）で陰極に使用される。

ペースト製造の一例は、陽極粉末、１００グラム／ステアリン酸、１６．２グラム／添加剤（Ｂｅｙｃｏｓｔａｔ Ｃ２１３）、２．７グラムである。

接点混合物は例えば、圧延法、噴射法、キャスティング法あるいはプリンティング法、特にスクリーンプリンティング法によって、高温溶解成分の融点、あるいはそれ以上の温度で、細長い片（スリップ）、スラリー、あるいはペーストとして電極２１，２１’に均一に張り付けられる。張り付けられた直後、接点混合物は層２２、２２’に対して固化される。

接点混合物から形成された層はまた、装着の間にインターコネクタ１とＰＥＮエレメント２との間に挿入される、個別に製造されたフォイルともしうる。前記フォイルはフォイル・キャスティングあるいはカレンダー加工によって製造しうる。

本発明の方法において、インターコネクタ１とＰＥＮエレメント２とは、交互配置で、かつスタックの軸線に沿ってスタックに組み立てられる。このスタックは組立て装置において、例えば７０℃の作業温度まで（湿潤ペーストを使う以前から知られている方法では作業温度は室温と同じである）均一に加熱される。スタックの軸線方向に一定の、あるいは可変の押圧力を加える組立て装置の締め付け力を再調整することによって、スタックの高さを３から１０％減少させることによって個別の接続部がつくられる。最後に、高温溶解成分は、好ましくは押圧力を保ちながら、熱的に除去され、特に焼き切られ、焼結された接続部が同時に、あるいは別の段階において形成される。

接点混合物から形成された層は３０から３００ミクロン、好ましくは５０から２００ミクロンの間の範囲の厚さを有している。

燃料単電池バッテリの好適実施例において燃料単電池は円形である。この種の燃料単電池バッテリは例えば欧州特許公開第１，０７５，０３３号から知られている。円筒形の単電池スタックは中央のガス分配通路を含んでいる。焼付けの後軸線方向に向けられたスタックの周囲において、空気を分配するために設けられた通路によって側部で分離された空間が設けられている。

図３において、線図は接触が従来技術によって実行された５個の単電池からなるスタックの測定された電池電圧を示す。そのような「スタックでの検査」によって測定された個々の電池電圧が可変負荷（０ｍＡ／ｃｍ^２でアイドリング、約１００ｍＡ／ｃｍ^２において平均出力）での電流密度に応じて示されている。個々の測定点は示されておらず、むしろ単に直線（選択された電池の数に対応して５本）が示されており、それは統計的に評価された測定データを良好な近似値に再現している。このようなスタック検査における非均一な接触は個々の電池電圧（電流ー電圧曲線の種々のプロット）、従って特定面積の電池抵抗の比較的広域な散発をもたらす。その結果、スタックの電気抵抗損失は均一な接触による場合よりも高い。

図３において点ＡおよびＢの間の鎖線の連結線は、１個のスタックに対して測定された電池電圧（唯一の直線で、実際的には電流−電圧曲線の同一の推移線）を示す。スタックの接触は本発明に従って実行され、結果的に目標とした均一性は達成された。本発明による接点を有する燃料単電池バッテリにおいては、電池電圧は従ってその作用の間殆ど一定である。スタック検査の統計的な評価は面積特定の電池抵抗（ＡＳＲ、「特定面積の抵抗」）は本発明による方法を使用した場合約１５％減少する。ＡＳＲの平均値は約１．４Ωｃｍ^２（非均一な接触）から１．２Ωｃｍ^２まで低下する。接触が改良されることによって結果的に性能が顕著に増大する。

本発明による接触の更なる利点は、
・ 湿潤ペーストを扱う必要が何ら無く、（過度の接点スラリーによって電極が短絡する危険性は無く、早期乾燥もなく、汚染の危険性も無く、フォイル状の接点混合物を使用する場合コーティングしたスタック要素を調製しないので）スタックの組み立てが簡素化される。
・ 空気とガスの流れを分離するために、ガラスのシールあるいはガラスセラミックの半田が平坦な燃料単電池バッテリにおいて使用されている。この材料も同様にペーストの形態で張り付けることができる。このように、シールの製造を本発明による方法と簡単に組み合わせることができる。
・ 従来技術による燃料単電池に対しては、陽極側において微細なニッケルの金網（Ｎｉ−メッシュ）を設ける必要がある。このような必要性は今や排除されている。
・ 電極に張り付けられた接点層を通して横断方向の導電性および伝熱性が増大している。

本発明によって製造された接点を使用することによって、全ての電池電圧が電池の作用時実際的に同じ大きさである燃料電池が得られる。この種の本発明による燃料単電池バッテリは電池スタック、特に中央のガス分配通路を含む円形の電池を有する円筒形のスタックを含む。軸線方向に整合されたアフターバーナ用空間や空気分配通路が前記スタックの周囲に配置されている。

インターコネクタと、本発明により前記インターコネクタと接触している２個の隣接する電気化学的に活性のディスクとの断面図である。 インターコネクタの面の外形の拡大図である。 従来技術に従って接触が実行されてきた単電池のスタックの電池電圧を示す線図である。

符号の説明

１ インターコネクタ
２ ＰＥＮエレメント
１０ 隆起部分
１１，１１’ 表面の形状
１２ 平面
２０ 酸化物の層
２１，２１’電極
２２，２２’接点混合物の層
１００ 接点面

Claims (10)

1. 平坦な高温型燃料電池において電気化学的に活性のディスク（２）とインターコネクタ（１）との間の接点を製造する方法であって、前記インターコネクタは隆起部分（１０）に接触面（１００）を備えた空気側とガス側の表面形状（１１，１１’）を有しており、前記各表面形状の隆起部分はこの配置において所定公差内に位置したずれ（δ）で平面（１２）を概ね広がっており、前記方法において、導電性の粒体と該粒体を埋め込んだ媒体とから構成される層がそれぞれ電気化学的に活性のディスクの電極（２１，２１’）上に、あるいは前記接点面の上に張り付けられ、前記表面形状あるいは電極が作業温度において前記の張り付けられた層と接触するように持ってこられ、そのため前記隆起した部分が前記接触面中へ食い込み、このようにして前記接点面と導電性の粒体との間に接続部が形成され、従って個別の均一な構造の接続部が前記接点面と電極との間に形成され、最後に前記粒体を埋め込んだ媒体が部分的に熱処理によって除去され、個別の接続部が固化されるような方法において、前記粒体を埋め込んだ媒体が室温において、特に４０℃以下の温度においては固形である高温溶解成分であり、前記作業温度においては前記の高温溶解成分が液状あるいは塑性状態にあることを特徴とする平坦な高温型燃料電池において電気化学的に活性のディスク（２）とインターコネクタとの間の接点を製造する方法。
2. 室温では固形であり、好ましくは樹脂、天然あるいは合成蝋、熱可塑性材料、より高鎖状のカルボン酸および加熱されると粘性の、あるいは薄い流体に変換されるアルコールをベースとした粘弾性あるいは粘塑性有機材料が高温溶解成分として使用され、前記の高温溶解成分の融点が特に４０℃から８０℃の間の範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 導電性粒体が、例えばボールミル、攪拌機構および（または）静的混合機のような従来の混合装置を使用して、加熱された装置において高温溶解成分と混合され均一なペーストを形成することを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 陽極の電極材料は陰極の電極材料とは相違するが、前記の導電性の粒体は、それが接触される電極の材料と同じか、あるいは類似の材料から形成されることを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項に記載の方法。
5. 前記高温溶解成分の融点あるいはそれ以上の温度において、前記の接点混合物が圧延法、噴射法、キャスティング法あるいはプリンティング法、特にスクリーン・プリンティング法によって細長い片（スリップ）あるいはペーストとして電極の上に均一に張り付けられ、前記接点混合物が前記張り付けの直後固化して層を形成することを特徴とする請求項１から４までのいずれか１項に記載の方法。
6. 前記の接点混合物から形成された層がインターコネクタ（１）と電気化学的に活性のディスクとの間の組み立て作業の間に挿入することができる個別に製造されたフォイルであって、前記フォイルはフォイル・キャスティングあるいはカレンダ加工によって製造されることを特徴とする請求項１から５までのいずれか１項に記載の方法。
7. インターコネクタ（１）と電気化学的に活性のディスクとが交互の配置で、かつスタックの軸線に沿ってスタックとなるように組み立てられ、このスタックが組み立て装置において作業温度まで均一に加熱され、スタックの軸線の方向に一定あるいは可変の圧力を均一に加える組立て装置を引続き締め付けることによって、前記スタックの高さを３から１０％低減させて個別の接続部が形成され、最後に好ましくは圧力を保ちながら高温溶解成分が熱的に、特に焼き付けることによって除去されることを特徴とする請求項１から６までのいずれか１項に記載の方法。
8. 接点混合物から形成された層あるいはフォイルが３０から３００ミクロンまでの間、好ましくは５０から２００ミクロンまでの間の範囲の厚さを有していることを特徴とする請求項１から７までのいずれか１項に記載の方法。
9. 燃料単電池バッテリの全ての電池電圧が実際的にその作用の間同じ大きさであることを特徴とする請求項１から８までのいずれか１項に記載の方法に従って製造された接点を有する燃料単電池バッテリ。
10. 電池がスタック、特に中央のガス分配通路を含む円形の単電池を備えた円筒形のスタックを形成し、軸線方向に整合した再燃焼（アフターバイニィング）用空間および空気分配用通路が前記スタックの周囲に配置されていることを特徴とする請求項９に記載の燃料単電池バッテリ。

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