JP2009533819A - 幅広の相互接続部を用いた高電力密度シールレス管状固体酸化物燃料電池 - Google Patents

Abstract

本発明は、第１の側面、第２の側面、及び、外表面を備える少なくとも１つの扁平支持管と、管の少なくとも一方の側の外表面の全面に付設された少なくとも１つの相互接続部（３）とを備えている固体酸化物燃料電池である。少なくとも１つの支持管は、支持管の外表面に付設された固体電解質層（４）を有する。相互接続部の少なくとも一部は電解質で被覆されており、電解質の上には少なくとも１つのアノード（５）が設けられている。
【選択図】図３

Description

米国政府は、本発明に一括払い特許使用権を有しており、さらに、米国エネルギ省によって認められたＤＥ−ＦＣ２６−０２Ｎ４１２４７の条件により規定された妥当な条件で他者への特許権使用許諾を行うように特許権者に要求する権利を、制限された状況において有するものである。

本発明の分野は、一般に燃料電池に関するものであり、とりわけ固定酸化物燃料電池の形状及び構造に関するものである。

図１及び２には、カソード側に導電性リブを備えた典型的な固体酸化物燃料電池の例が示されている。これらのタイプの固体酸化物燃料電池は当該技術において既知のところである。燃料電池の主要部分には、多孔性基板としての働きのみをするか、または、カソード２と同じ材料で製作されて、電子媒体並びに多孔性をもたらすことが可能な支持管がある。追加導電経路をリブ６の形態で導入することが可能である。リブ６の数は所望の電力出力によって決まることになる。

相互接続部３によって隣接電池に対する電子的直列接触が行われる。次に管基板及び相互接続部の小部分に固体電解質４が付着させられる。相互接続部及び電解質によって、耐漏洩性が得られ、燃料と空気との混合が阻止される。固体電解質の上にアノード５が設けられ、これにより電池の電気化学的活性領域が形成される。カソード２に空気または酸化剤を導入することができるように、給気管７も組み込まれる。

デザインは円筒形のまたは扁平な管とすることが可能であり、薄膜固体電解質及び相互接続材料によって被覆された開放端または閉鎖端を備える軸方向に細長いセラミック管の空気極材料を含んでいる。電解質層は、薄い軸方向に細長い相互接続材料を除いてサーメット燃料電極材料によって被覆されている。扁平タイプの燃料電池には、電解質壁と相互接続壁またはリブの扁平アレイが含まれており、電解質壁には、電解質を間に挟んだカソード材料とアノード材料の薄い扁平層が含まれている。

既知の燃料電池は有効であるが、管側面の全面における良好な電気的接触領域が欠如しているので、電池１つ当たりの出力電力が所望の値より弱くなる。さらに詳細な説明を読めば明らかになる本発明の他の実施形態も存在する。

以上を念頭において、とりわけ第１及び第２の側面と外表面を備える少なくとも１つの扁平支持管を含む電池１つ当たりの出力を増大させる要求を容易に実現する方法及び装置は、本発明に合致する。この電池には、管の一方の側の外表面の全面に接続される少なくとも１つの相互接続部３が含まれている。支持管には支持管の外表面に付設された固体電解質層が含まれている。電解質によって相互接続層の一部も被覆されている。さらに、電解質層の大部分の上に少なくとも１つのアノードが設けられている。

もう１つの実施形態の場合、本発明は、第１の側面、第２の側面、及び、外表面を備える少なくとも１つの扁平支持管と、隣接電池に電気的に直列接続された少なくとも１つの相互接続部と、支持管の外表面まわりに電気を伝導するようになっているリブと、支持管に酸化剤を導入するようになっている給気管とを備える固体酸化物燃料電池である。支持管は、支持管の外表面に付設された固体電解質層を有し、電解質の上に少なくとも１つのアノードが設けられている。特定の実施形態において、相互接続部の少なくとも一部はその表面まわりにニッケルマスキング材を有している。

本発明のさらにもう１つの実施形態では、固体酸化物燃料電池には、第１の側面、第２の側面、及び、外表面を備える少なくとも１つの扁平支持管と、管の少なくとも一方の側の外表面の少なくとも大部分の表面に電気的に接続された少なくとも１つの相互接続部とを備えている。支持管は支持管の外表面に付設された固体電解質層を有している。

特定の実施形態の場合、本発明によるこれらの及びその他の目的、特徴、及び、利点が本発明の固体酸化物燃料電池によってもたらされる。さらに詳細な説明を読むと明らかになる本発明の他の実施形態も存在する。

例証のため、添付の図面に関連して本発明のさらに詳細な説明を行うことにする。

本発明によれば、少なくとも２つの側面及び外表面を備える少なくとも１つの扁平支持管を含む燃料電池設計が提供される。図３を参照すると、第１及び第２の側面と外表面を備える少なくとも１つの扁平支持管を備える固体酸化物燃料電池が例示されている。この電池は、管の少なくとも一方の側の外表面の全面に付設された少なくとも１つの相互接続部３が含まれている。支持管は支持管の外表面に付設された固体電解質層４を有している。相互接続部の少なくとも一部も電解質材料で被覆されている。電解質の上に少なくとも１つのアノード５が設けられている。

先行技術の場合、燃料電池には燃料電池の外表面の小部分だけを被覆する極めて狭い相互接続部が用いられた。管の一方の側面の外表面のより広い表面領域を被覆する相互接続部３を備えることによって、最適な電流分布が実現する。本発明によれば、最適な電流分布は、平坦な表面が各側面の湾曲の開始部まで完全に被覆されるように一方の側面の少なくとも大部分に少なくとも１つの相互接続部３を付着させることによって実現する。本明細書で用いられる限りにおいて、「大部分」という用語は少なくとも５１％であることを表わしている。換言すれば、相互接続部によって支持管の一方の側の外表面領域の少なくとも５１％が被覆される。「一方の側」は管の平坦部分を表わしており、湾曲が始まる隣接領域を含まない。これは、電流経路長を均一にして、各リブ６の抵抗がほぼ等しくなるようにするのに役立つ。そうする際、電池は不活性ではないので、すなわち、電流が全ての活性表面領域を流れるので、電池の側面はリブ６とみなすことも可能である。この結果、燃料電池の電気化学的活性界面における電気化学反応が促進されることによって電池の性能が向上する。特定の実施形態の場合、相互接続部によって最大で電池の一方の側の平坦な外表面全体まで被覆されることになる。

少なくとも１つの支持カソード管２は支持管の外表面全体に付設された固体電解質層４を有している。相互接続部３の少なくとも一部が電解質材料で被覆されている。電解質の上に少なくとも１つのアノード５が設けられている。

本発明によれば、従来の固体酸化物燃料電池設計に対する重要な優位性が得られる。この設計によれば最適な電流分布が生じ、電力出力が増大する。本発明によれば支持管の外表面の大部分が相互接続部によって被覆されるように、一方の側面に相互接続部が付着させられる。この結果、最適な電流分布が生じる。各リブ６の抵抗がほぼ等しくなるように、電流経路長が均一化される。そうする際、電池は不活性ではないので、電池の側面はリブ６とみなすことも可能である。従って、電流は全ての活性表面領域を最適に流れる。この結果、燃料電池の界面における電気化学反応が促進される。従来の設計では、各側面がより抵抗の大きい抵抗器の働きをするようになり、電流を抵抗のより小さい経路に向かわせて、活性電気化学領域を縮小させるようになる。

本発明の特定の実施形態の１つでは、支持管の外表面の少なくとも一方の側が相互接続部によって完全に被覆される。本発明の支持管は長さが可変であり、多孔性基板としての働きだけをすることもできるし、あるいは、対応するカソード２と同じ材料で製作されて、電子媒体並びに多孔性をもたらすことも可能である。管は、扁平管に限定されるものではなく、当該技術において既知の任意の適用可能な支持管とすることができる。リブ６の数は電力出力によって決まる。いかなる当業者であろうと、それほど実験しなくても、導入すべきリブ数を決定することが可能である。

本発明によれば、電池の壁厚は、細孔拡散を阻害し電池の性能を低下させるような値を超えることはない。リブ６と壁の界面は丸みを有しており、閉鎖端はほぼ楕円形になる。

もう１つの実施形態の場合、本発明には第１及び第２の側面と外表面を備えた少なくとも１つの扁平支持管が含まれる。電池には、管の少なくとも一方の側の外表面の全面に接続される少なくとも１つの相互接続部３が含まれている。支持管には、支持管の外表面に付設された固体電解質層が含まれている。相互接続部の少なくとも一部が電解質材料で被覆されており、電解質の上には少なくとも１つのアノードが設けられている。

もう１つの実施形態では、本発明は、第１の側面、第２の側面、及び、外表面を備えた少なくとも１つの扁平支持管と、管の少なくとも一方の側の外表面の全面に電気的に接続された少なくとも１つの相互接続部と、支持管の外表面まわりに電気を伝導するようになっているリブと、支持管に酸化剤を導入するようになっている給気管が含まれている固体酸化物燃料電池である。支持管には、支持管の外表面に付設された固体電解質層が含まれており、電解質の上には少なくとも１つのアノードが設けられている。

本発明のさらにもう１つの実施形態では、固体酸化物燃料電池に、第１の側面、第２の側面、及び、外表面を備えた少なくとも１つの扁平支持管と、管の少なくとも一方の側の外表面の少なくとも大部分の表面に付設された少なくとも１つの相互接続部が含まれている。支持管には、支持管の外表面に付設された固体電解質層が含まれている。電解質の上には少なくとも１つのアノードが設けられている。

固体電解質の上にはアノード５が設けられている。アノード５によって電池の活性電気化学領域が形成される。通常円筒形の電池が、ニッケルフェルト、ニッケルスクリーン、または、ニッケルスクリーンとニッケルフェルトの組合せから製作された電気接続部によって束をなすように接続される。本発明の実施形態の１つでは、空気または酸化剤が給気管によってカソードに導入される。

本発明の特定の実施形態について詳述してきたが、当該技術者には明らかなように、開示の教示全体を踏まえてそれら詳述された実施形態に対するさまざまな修正及び代替実施形態を創り出すことが可能であろう。従って、開示の特定の構成は例証だけを意図したものであり、請求の範囲全体及びその任意の及び全ての同等物によって規定されるべき本発明の範囲を制限するものではない。

既知の扁平酸化物燃料電池を例示した図である。 図１とは異なる既知の扁平酸化物燃料電池を例示した図である。 本発明の扁平燃料電池の実施形態の１つを例示した図である。

符号の説明

２ 支持カソード管
３ 相互接続部
４ 固体電解質層
５ アノード
６ リブ
７ 給気管

Claims (14)

1. 固体酸化物燃料電池であって、
   第１の側面、第２の側面、及び、外表面を備えた少なくとも１つの扁平支持管と、
   前記管の一方の側の外表面の全面に電気的に付設された少なくとも１つの相互接続部とを備え、
   前記少なくとも１つの支持管は、前記支持管の外表面に付設された固体電解質層を有し、
   前記電解質の上に少なくとも１つのアノードが設けられてなることを特徴とする、固体酸化物燃料電池。
2. 酸化剤が給気管によって前記支持管に導入されることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記アノードがＮｉフェルト、Ｎｉスクリーン、及び、それらの組合せの少なくとも１つから製作されることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池。
4. 前記マスキング材が金属であることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池。
5. 前記マスキング材がニッケルであることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池。
6. さらに、電気を伝導するようになっているリブを備えることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池。
7. 固体酸化物燃料電池であって、
   第１の側面、第２の側面、及び、外表面を備える少なくとも１つの扁平支持管と、
   電気を伝導するようになっているリブと、
   前記管の一方の側の外表面の少なくとも大部分の表面に付設された少なくとも１つの相互接続部とを備え、
   前記少なくとも１つの支持管は、前記支持管の外表面に付設された固体電解質層を有し、
   前記電解質の上に少なくとも１つのアノードが設けられてなることを特徴とする、固体酸化物燃料電池。
8. さらに、前記支持管に酸化剤を導入するための手段が含まれることを特徴とする、請求項７に記載の燃料電池。
9. 前記支持管に酸化剤を導入するための手段が給気管であることを特徴とする、請求項８に記載の燃料電池。
10. 前記アノードが、Ｎｉフェルト、Ｎｉスクリーン、または、ＮｉスクリーンとＮｉフォームの組合せから製作されることを特徴とする、請求項７に記載の燃料電池。
11. 前記マスキング材が金属であることを特徴とする、請求項７に記載の燃料電池。
12. 前記マスキング材がニッケルであることを特徴とする、請求項７に記載の燃料電池。
13. 固体酸化物燃料電池であって、
    第１の側面、第２の側面、及び、外表面を備える少なくとも１つの扁平支持管と、
    前記管の一方の側の外表面の少なくとも大部分の表面に付設された少なくとも１つの相互接続部と、
    前記支持管の外表面周りに電気を伝導するようになっているリブと、
    前記支持管に酸化剤を導入するようになっている給気管とを備え、
    前記少なくとも１つの支持管は、前記支持管の外表面に付設された固体電解質層を有し、
    前記電解質の上に少なくとも１つのアノードが設けられてなることを特徴とする、固体酸化物燃料電池。
14. 前記アノードが、Ｎｉフェルト、Ｎｉスクリーン、及び、それらの組合せの少なくとも１つから製作されることを特徴とする、請求項１３に記載の燃料電池。

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