JP2008513938A - 金属製支持構造を有する固体酸化物燃料電池 - Google Patents

Abstract

本発明は、それぞれの燃料電池が、陰極‐電解質‐陽極ユニット（１）用の、ガスのための多数の流入口を有する金属製支持構造（２）と、前記支持構造のそれとは反対側に備えられるバイポーラプレート（８）またはその類を有している、固体酸化物燃料電池スタックに関する。前記支持構造（２）は、電気絶縁保護膜（２ａ）を形成する、燃料電池の調温用の電気抵抗発熱装置として機能する金属から成り、調温のために電流を前記保護酸化物膜（２ａ）に挟まれた前記支持構造（２）に通して導くことが可能であり、さらに前記支持構造（２）の前記各流入口（４）の内の少なくとも幾つかに、前記バイポーラプレート（８）またはその類と、これと組み合わされる陰極‐電解質‐陽極ユニット（１）間を電気接続する導電性材料（５）が、これらの流入口（４）を通りガスが流れることができるように装填される。前記支持構造の金属は、アルミナを生成する物質、またはシリカを生成する物質であることが好ましい。前記各流入口（４）の領域に導電性を持たせるために、通気性と導電性を併せ持つ金属が、例えば適切な処理を施した金属の形態で前記各流入口（４）に装填されるか、または前記支持構造（２）の前記保護酸化物膜（２ａ）の表面に、少なくとも幾つかの流入口（４）の領域において、導電性被覆が施されるとよい。

Description

本発明は、陰極‐電解質‐陽極ユニット用の、ガスのための多数の流入口を有する金属製支持構造と、この支持構造のそれとは反対側に備えられるバイポーラプレートまたはその類を有している、固体酸化物燃料電池に関する。

背景技術については、特許文献１とならび特許文献２を参照されたい。
固体酸化物燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：ＳＯＦＣ／別称、固体電解質形燃料電池）は、燃料ガスと酸化剤、例えば空気中の酸素が持つ化学エネルギを、電気化学的に電気エネルギに直接変換するために利用される。燃料ガスと空気中の酸素の電気エネルギへの変換は、セラミックス層（陰極、電解質、陽極）の表面および内部で行われる。平板型燃料電池コンセプトでは、一つのセルが平板型に構成されたこれらのセラミックス層から成っている。燃料ガスおよび空気を供給し残留ガスを排出すると同時に、上下に積層される燃料電池の単セルをシリアルフロー方式、即ちいわゆるスタック方式に電気接続するために、いわゆるバイポーラプレートが利用されるが、セラミックス層はこのバイポーラプレートの部材であっても一向に構わない。その場合は、燃料電池スタックのどの地点においても、燃料ガスと空気が互いに直接接触することがないように、保証しなければならない。特にバイポーラプレートは、セラミックス層と一緒に、一種類のガス、特に燃料ガスが封入されるカセットを形成するとよい。

固体酸化物燃料電池の動作温度は、６００℃から９００℃の間である。一般に固体酸化物燃料電池は、セラミックス層の相互間ないしはセラミックス複合体とバイポーラプレート間に発生する熱機械応力による損傷を回避するために、比較的緩慢にその動作温度に昇温される。なぜなら、セラミックス層の相互間ないしはセラミックス複合体とバイポーラプレート間の熱機械応力により、各セラミックス層の内部、ならびにセラミックス‐セラミックス境界面およびセラミックス‐金属境界面にミクロ割れが生じ、それによりＳＯＦＣの破損を来たしかねないからである。

自動車に導入するためには、始動時間が非常に短い燃料電池が必要である。この要求を部分的に考慮に入れて開発されたのが、自立型（例：電解質または陽極が支持基板として構成される）ではなく、金属支持基板（例：焼結金属または有孔フィルム、例えば特許文献１を参照）の表面に薄膜として形成されるセラミックス機能層である。しかしそこでは、必要とされる熱量の投入が、熱機械強度とならび、さらにもう一つの限定要因となっている。特許文献２には、電気抵抗発熱装置を用いて、セラミックス層間に備えた金属フィルムに電圧をかけ、それにより生じる電流フローにより熱を発生することによって、固体酸化物燃料電池を動作温度に昇温する可能性が説明されている。しかしこの先行技術に説明される解決策は、構成部品の追加を必要としており、そのスタックへの組込みと接触は、そのようなＳＯＦＣの複雑さを大幅に増している。従ってそこに説明される方法だと、金属フィルムまたはその他の金属構成部品がその外側を電気絶縁されない場合に、ＳＯＦＣのバイポーラプレートまたは電極を通る電気短絡が発生し、それにより「加熱フィルム」が電気的にバイパスされることによって役に立たなくなる怖れがある。

ドイツ特許出願公開第１０２３８８６０号明細書 欧州特許出願公開第１２７１６８４号明細書

以上のような背景から、本発明により、陰極‐電解質‐陽極ユニット用の、ガスのための多数の流入口を有する金属製支持構造と、この支持構造のそれとは反対側に備えられるバイポーラプレートまたはその類を有している、暖機に顧慮して電気的に加熱可能な、しかしそれにもかかわらず簡単でしかも作動信頼性に優れた構造において傑出した固体酸化物燃料電池を提示することとする。

この課題を解決手段は、固体酸化物燃料電池については、請求項１の前段部分に記載されるように、支持構造が、電気絶縁保護酸化物膜を形成する、燃料電池の調温用の電気抵抗発熱装置として機能する金属から成り、調温のために電流をこれらの保護酸化物膜に挟まれた支持構造に通して導くことが可能であること、および、支持構造の流入口の内の少なくとも幾つかに、バイポーラプレートまたはその類と、これと組み合わされる陰極‐電解質‐陽極ユニット間を電気接続する導電性材料が、これらの流入口を通りガスが流れることができるように装填されることを特徴とする。有利な構成例および展開構成例は、従属請求項の内容である。

即ち提案されるのは、公知の従来技術が持つ本質的な短所を取り除き、それにより急速始動が可能な固体酸化物燃料電池の実現を可能とする、ＳＯＦＣ燃料電池の実施形態である。本発明に従った燃料電池の基板は、薄い金属製支持構造（例えば、ＳＯＦＣ燃料電池のセラミックス機能層の支持体として、それぞれの電極への反応ガスの流入を可能とするために、セラミックス機能層の領域が穿孔されるか、またはセラミックス機能層の領域に他の何らかの種類の適切な流入口を有している、厚さ３０〜５００μｍの金属フィルム）である。この金属製支持構造は、周縁領域に備えられる燃料ガスおよび空気用のガス通路を含めて、バイポーラプレートの面積全体にわたり広がることが好ましい。

提案される金属製支持構造の特徴の一つは、支持構造が、不動態化するという意味でそれ自体が電気絶縁保護酸化物膜を形成する材料ないしは金属から成ることにある。好ましいそのような材料は、アルミナを生成する物質、例えばＡｌｕｃｈｒｏｍ ＹＨｆ（ティッセン・クルップ社の合金に関する登録商標）、またはシリカを生成する物質である。このときにセラミックス機能層用の支持構造として、保護酸化物膜を形成する金属フィルムまたはその類が燃料電池スタックの横断面全体にわたり広がる場合は、上下に積層された燃料電池の単セル間の必要な電気絶縁が、上述の支持構造の保護酸化物膜により既に保証されているために、追加コストを一切不要として、単セル間に、反応物を互いに対して気密式に封止するためのシール材料として、導電性のシール材料を使用することも可能となる。他にもそれにより、この支持構造自体を、電気短絡の怖れを危惧する必要なく、電気抵抗発熱装置として使用することが可能となる。電流を支持構造の内部に導入してそこから導出するための相応の電気接触は、例えば支持構造の外周部の相応の電気接点により行うことができる。適切にレイアウトされる場合は、電流を支持構造に通して導くことにより支持構造が加熱されて、支持構造自体が電気抵抗発熱体として機能できるようになるが、これについては後ほどさらに詳しく説明する。

しかしながら燃料電池ないしはＳＯＦＣスタックが機能できるためには、単セルからこれに隣接する次の単セルへの電気伝導が必要となるが、これは一般にはいわゆるバイポーラプレートまたはその類により形成されるようになっている。従って、第１の単セルのバイポーラプレートと、隣接する第２の単セルの陰極‐電解質‐陽極ユニットのこのバイポーラプレートと対向する側との間に電気接続が成立するからには、それぞれの単セルの内部で、バイポーラプレート（またはその類）と陰極‐電解質‐陽極ユニットのこのバイポーラプレートと対向する側との間で電気接続が成立しなければならない。ところが、陰極‐電解質‐陽極ユニットの金属製支持構造は、電気を通さない酸化物膜を形成しているために、（従来一般に行われているように）この金属製支持構造を介してバイポーラプレートと陰極‐電解質‐陽極ユニット間の導電接続部を簡単に形成するわけにはいかない。そこで本発明の第１の実施形態においては、燃料電池の単セル内部の上述の導電機能のために、支持構造の各流入口の内部に、多孔質の、即ち各電極にそれぞれの気体反応物を供給するための通気性を持つ導電性材料を装填することが提案される。この材料は、例えば適切な処理が施された金属、または他にも（陰極‐電解質‐陽極ユニットの）陽極材料または陰極材料、あるいは一般には導電性セラミックスであるとよい。その際に、電気接点を形成するために不可欠な、導電性と通気性を併せ持つ材料の支持構造の流入口への「充填」は、例えばナイフ塗布、スクリーン印刷、ロール塗り、またはそれに類する方法により行うことができる。他にも代替実施形態に従って、保護酸化物膜を形成している支持構造を介しての電気伝導を形成するために、この保護酸化物膜に、少なくとも幾つかの流入口の領域において、被覆を施すことも可能である。即ち少なくとも幾つかの流入口の領域において、支持構造の保護酸化物膜の表面が導電性材料により被覆される場合は、この被覆は、例えば電気めっき、物理蒸着、またはそれに類する方法により行うことができるが、流入口の導電性と同時に通気性が確実かつ簡単に保証されるようになる。

金属製支持構造に関しては、これに、例えば腐食、打抜き、立て削り、穿孔、またはそれに類する方法により流入口を作成することができる。穴の構造、即ち流入口の形状は、例えば円錐形、楕円形、方形、ハニカム状、またはそれに類する形状の穴を特徴とするとよい。電気抵抗、および支持構造に印加される所定の電圧で、この電気抵抗により達成可能な加熱容量については、例えば支持構造の厚さならびにその構造を適宜選択することにより、その時々の要件に対応して適合化することができる。例えば流入口の比率を不釣合いに高くすることにより、電気抵抗を高くすることが可能となり、このため目的に合わせた局所的に異なる穿孔により、即ち異なる形状を有する流入口により、局所的に異なる熱量を単セルに投入することが可能となる。それ以外にも、電気回路の選択および組合せにより、即ち、上下に積層された単セルの一つ一つの支持構造により形成される、燃料電池スタック内の個々の「加熱フィルム」を直列に接続するのか、それとも並列に接続するのかにより、全電気抵抗を、所望される加熱容量および使用に供される電源電圧に対して適合化することができる。

有利なことにも本発明に従ったＳＯＦＣの耐用期間は、公知である従来技術に対して延長されるが、これは、支持構造の表面に形成される保護酸化物膜が電気絶縁性を示すだけでなく、むしろ耐薬品性においても、今日導入されている、高い固有導電率に頼らざるを得ない、酸化を理由に耐用期間が短くなっている金属基板よりも格段と優れているからである。これとの関連で、この耐薬品性とは、ＳＯＦＣ内に存在するガスに対する耐食性、および材料特性に影響を与える相互拡散元素に対する耐食性であると解釈されるものである。因みに、ここに提示される本発明に従ったＳＯＦＣは、上述の支持構造上のセラミックス機能層の特殊な配置方式とは無関係である。相応のユニットを、陽極‐電解質‐陰極の順序で成膜することも、またそれとは逆の陰極‐電解質‐陽極の順序で成膜することも可能である。提示される本発明に従ったＳＯＦＣは、スタック内部、即ち、例えば金属メッシュによっても機能を肩代わりすることができるバイポーラプレートまたはその類の領域内の、ガス通路およびその他の電気接触部の厳密な実施方法とも無関係である。

添付の原理図には、本発明の好ましい実施例が示されている。
符号１により、陰極‐電解質‐陽極ユニットの形態をとる燃料電池の単セルのセラミックス機能層が示されており、陽極層には符号１ａが、その上に形成された電解質には符号１ｂが、さらにその上に形成された陰極には符号１ｃが付されている。この陰極‐電解質‐陽極ユニット１は、支持構造２の上に、ここではいわゆる陽極支持基板３を介在して成膜されている。この支持構造２は、多数の流入口４が設けられた薄い金属フィルムまたはその類である。これらの流入口４の内部には、通気性と導電性を併せ持つ材料５が装填されている。図１において支持構造２の下側には網構造６またはそれに類するものが備えられており、気体反応物（燃焼ガス）は側方からこの網構造６を通り支持構造２の下側に送られ、通気性材料５で充填されたその流入口４を通り、多孔質の陽極支持基板３を通過して、陰極‐電解質‐陽極ユニット１の陽極１ａに達することができる。この網構造６の下側には、バイポーラプレート８が隣接している。さらにその下側には―慣例どおりに―次の燃料電池の陰極層（１ｃ）が隣接することができ（不図示）、同様に図示される燃料電池の単セルの陰極層１ｃの上側には、次の単セルのバイポーラプレート（８）が隣接することができる（同様に不図示）。

フィルム状の金属製支持構造２は、それ自体が図１に符号２ａで示される電気絶縁保護膜を形成する金属から作られる。従ってこの支持構造２は―課題を解決するための手段の項目で詳しく説明したように―電気抵抗発熱装置として機能することが可能であり、そのために支持構造２には―図２から明らかであるように―平板型の支持構造の対角線上で対向する角の領域に適切なターミナルラグ９ａ，９ｂが備えられている。図２にはさらに支持構造２の平板型の形状が示されており、支持構造２は燃料電池の単セルの面積全体にわたり広がり、その周縁部分も包囲しており、そこに、燃料電池スタックに組み込まれるガス通路に顧慮して、燃焼ガス流入口１０ａならびに空気流入口１０ｂが備えられている。図２においては、―図１に基づき説明したように―通気性と導電性を併せ持つ材料で充填された多数の流入口４を有する支持構造の穿孔領域２ｂをはっきりと認めることができる。

本発明に従った燃料電池は、燃料電池の始動のための熱の適切な投入を可能とするものであり、またそれにより大幅に短縮される始動時間と同時に効率的な加熱において傑出している。そこでは、何よりも特に薄膜技術によりセルを構成することを可能とする薄くて軽い支持構造によっても、発生する熱機械応力はごく僅かだけとなる。最後に、形成される保護酸化物膜により周縁部の絶縁性がさながら自動的に得られるために、スタックを容易に構成できるようになり、またその際には、特許請求範囲の内容から逸脱することなく、多くの細部について上述の説明とは異なる態様で構成することができる。

本発明に従った燃料電池の単セルを大幅に拡大して示したものである。 支持構造を（セラミックス機能層を取り除いて）示した平面図である。

符号の説明

１ 陰極‐電解質‐陽極ユニット
１ａ 陽極
１ｂ 電解質
１ｃ 陰極
２ 支持構造
２ａ 電気絶縁保護膜
２ｂ 穿孔領域
３ 陽極支持基板
４ 流入口
５ 通気性材料
８ バイポーラプレート
９ａ ターミナルラグ
９ｂ ターミナルラグ
１０ａ 燃焼ガス流入口
１１ｂ 空気流入口

Claims (5)

1. 陰極‐電解質‐陽極ユニット（１）用の、ガスのための多数の流入口（４）を有する金属製支持構造（２）と、当該支持構造（２）の反対側に備えられるバイポーラプレート（８）等とを備えている、固体酸化物燃料電池において、
   前記支持構造（２）が、電気絶縁保護酸化物膜を形成しかつ燃料電池の調温用の電気抵抗発熱装置として機能する金属から成り、調温のために電流を前記保護酸化物膜（２ａ）に挟まれた前記支持構造（２）に通して導くことが可能であること、および、
   前記支持構造（２）の前記各流入口（４）の少なくとも幾つかに、前記バイポーラプレート（８）等とこれに関連付けられた前記陰極‐電解質‐陽極ユニット（１）の間を電気接続する導電性材料（５）が、これらの流入口（４）を通ってガスが流れることができるように装填されることを特徴とする、固体酸化物燃料電池。
2. 請求項１に記載の固体酸化物燃料電池において、
   前記支持構造（２）の金属が、アルミナを生成する物質、または酸化ケイ素を生成する物質であることを特徴とする、固体酸化物燃料電池。
3. 請求項１または２に記載の固体酸化物燃料電池において、
   前記支持構造（２）の前記各流入口（４）の少なくとも幾つかに、通気性と導電性を併せ持つ材料（５）が、適切な処理を施した金属または導電性セラミックスの形態で、または電極材料の形態で装填されることを特徴とする、固体酸化物燃料電池。
4. 請求項１または２に記載の固体酸化物燃料電池において、
   前記支持構造（２）の前記保護酸化物膜（２ａ）の表面に、少なくとも幾つかの流入口（４）の領域において、導電性被覆が施されることを特徴とする、固体酸化物燃料電池。
5. 前記請求項のいずれか一項に記載の固体酸化物燃料電池が複数個、上下に積層されたＳＯＦＣスタック。

Images