JP2010267618A - 電気エネルギを得るための電気化学セル - Google Patents

Abstract

【課題】運転に基づく機械的損傷の恐れなしに長期運転が可能であるような、電気エネルギを得るための電気化学セルを提供する。
【解決手段】電気エネルギを得るための電気化学セル、特に燃料電池であって、アノードとして機能する第１の電極と、カソードとして機能する第２の電極とを有しており、かつ、特に扁平に形成された固体電解質層を有しており、第１の電極と第２の電極とは前記固体電解質層を介してイオン伝導接続される形式のものにおいて、固体電解質層１２が電気化学セル１０の支持構造体として形成されている。まず固体電解質層１２を支持構造体として形成し、前記固体電解質層に、アノードとして機能する第１の電極１４とカソードとして機能する第２の電極１６とを設け、第１の電極と第２の電極とを固体電解質層を介してイオン伝導的に接触させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、独立請求項の上位概念に記載の形式の、電気エネルギを得るための電気化学セル、特に燃料電池、該電気化学セルを有する複合体装置、及びその製造方法に関する。

燃料電池を使用することにより、化学エネルギを電気エネルギに変換することができる。この場合、例えば水素若しくは酸素のような特に気体の出発物質が、電気化学セルの内部のガス室に供給され、ここで電気エネルギを獲得しながら最終生成物に電気化学的に変換される。この場合、両ガス室の手間のかかる分離に注意しなければならない。何故ならばさもないと、不都合にも、出発物質が直接化学的に反応してしまう恐れがあるからである。２００℃までの運転温度で運転される燃料電池の範囲ではこのようなシール問題はほぼ解決されているが、例えばいわゆる固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）のような高温形燃料電池におけるガス室のシールについては依然として問題がある。

このような問題を解決するために、過去には例えば、ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２００４０２６７１４号明細書においては、チューブ状の高温形固体電解質燃料電池が提案されており、この燃料電池では、管形状に形成された個々の燃料電池が電気的に、直列及び／又はグループを成して並列に接続されている。これら管形状の燃料電池装置の支持構造体として、一方の電極が、チューブ状の燃料電池の支持構造体を形成するように設計されている。

しかしながら当該電極の表面では運転中に継続的にレドックス反応が生じるので、時間の経過とともに、電極材料は化学的に変化し、従って、体積も変化してしまう。このような体積変化は、先行技術のシステムでは、固体電解質の領域において亀裂や破壊につながる恐れがある。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２００４０２６７１４号明細書

本発明の課題は、運転に基づく機械的損傷の恐れなしに長期運転が可能であるような、電気エネルギを得るための電気化学セルを提供することである。

本発明の課題は、独立請求項の特徴を備えた電気化学セル若しくは電気化学セルを有する複合体装置、並びにその製造方法により解決される。

これは特に、電気化学セルの支持構造体として固体電解質材料が使用されており、その表面に電気化学セルの電極が設けられていることによるものである。確かに長期運転においては、電極表面における衝撃交番応力やレドックス反応に起因する電極の劣化が生じるが、支持構造体が固体電解質によって形成されている電気化学セルでは、長期運転においても耐性のある材料を使用することができる。

このようにして支持構造体の機械的損傷を回避することができる。支持構造体の脆弱化の危険並びに支持構造体における亀裂は、気体として外部と接続する付加的な貫通を可能にする恐れがあるので、継続運転中でも安定的な支持構造体は、本発明により形成された電気化学セルにより得られる安全性の特徴も示す。

本発明の有利な構成は従属請求項に記載されている。

支持構造体を成す固体電解質層が、単なる平面状の若しくは扁平な構成よりも表面積が拡大される形状を有しているならば有利である。この場合、固体電解質層は特に、折り畳まれた、又は波状の構造を有していて良い。このような構成により、複数の固体電解質層を互いに重ねて、中間室に、固体電解質を制限する複数のガス室が形成されるように配置することができる。これらのガス室は有利には、いわゆるインターコネクタによって電気的に接続され、かつ互いに結合される。この場合、インターコネクタとは、２つの固体電解質層を形状安定的かつ導電的に互いに結合させる材料の層または被覆と理解されたい。このようにして簡単に、複数の電気化学セルから成るチューブ状の構造が形成され、これらはまとまって複合体装置を成す。

固体電解質層の固体電解質材料として、使用温度に応じて、８０〜１００℃の温度における低温使用のためにはポリマ電解質材料を、例えば７００〜９５０℃の高温使用のためにはセラミック材料を選択するとさらに有利である。上記材料は特に、温度変化負荷のもとでも高い機械的耐性を特徴とする。

本発明の特に有利な構成によれば、それぞれ第１の電極と第２の電極とが設けられた固体電解質層が、インターコネクタによって互いに結合されており、この結合では第１の固体電解質層の、第１の極性である第１の電極を有した側が、第２の固体電解質層の、第１の電極と同じ極性を有した側に接触され、結合される、少なくとも２つの電気化学セルから成る複合体装置が形成される。このようにして、両固体電解質層が結合された場合に、専ら同じ極性の電極とコンタクトする内側のガス室が生じる。この場合、複数の内側のガス室が形成されるので、このようにして、個別の燃料電池若しくは電気化学セルのチューブ状の複合体が形成される。

本発明の第１実施例による電気化学セルを概略的に示した横断面図である。 図１の電気化学セルで使用されている固体電解質層の第１の大きい面を概略的に示した平面図である。 図１の電気化学セルで使用されている固体電解質層の第２の大きい面を概略的に示した平面図である。 例えば燃料電池スタックのケーシング壁と図１の電気化学セルの結合状態を示した図である。 複数の図１の電気化学セルから成るチューブ状の構成の燃料電池スタックを概略的に示した図である。 本発明の第２実施例による階段状の構造を有した電気化学セルを概略的に示した横断面図である。 本発明の第３実施例による折り畳まれた構造を有した電気化学セルを概略的に示した横断面図である。

以下に本発明の実施例を図面につき詳しく説明する。

図１〜図５で使用する符号は、他の記載がない限りは常に機能的に同じ構成部分若しくはシステム部分を示す。

図１には、電気エネルギを得るための電気化学セル１０の第１の構成の基本構造が示されている。この電気化学セル１０はこの実施例では燃料電池として構成されており、この燃料電池は、化学的な反応物の電気化学的変換に基づくものである。この場合、電気化学セル１０は、チューブとして構成された電解質膜１２を有しており、この電解質膜１２は、例えばポリマ電解質材料から成っていて良く、又は相応のセラミック材料から成っていて良い。このようなセラミック材料は、部分安定化された又は完全安定化されたジルコンダイオキシドのように、高温形燃料電池若しくは固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）で使用するために適している。

電解質膜１２には少なくとも所定の領域で、例えば、電解質膜１２によって形成されたチューブの内面を形成する第１の大きな面において、アノードとして機能する有利には平面状の第１の電極１４が被覆されている。さらに電解質膜１２には有利には、第１の大きな面の反対側に位置する、チューブとして形成された電解質膜１２の外面から成る第２の大きな面において、カソードとして機能する第２の電極１６が少なくとも所定の領域で被覆されている。

この場合、電解質膜１２は、電気化学セル１０の支持構造体を成している。電解質膜１２はさらに、有利には少なくとも所定の領域で波形に形成されているので、例えば適当なインターコネクタ２０によって、それぞれ、電解質膜１２によって形成されるチューブの内側に向いた電解質膜１２の領域を、内側に向いたこの領域の反対側に位置する、同様に内側に向いた電解質膜１２の別の領域に結合させて、電解質膜１２から成るチューブを、空間的に互いに分離されたさらなるサブユニットに分割することができる。これらのサブユニットは、それぞれチューブの形の閉じられたガス室１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄを成している。選択的には電解質膜１２の波形の基本構造ではなくて、ハニカム状の基本構造を選ぶこともできる。

この場合、インターコネクタ２０は、例えばセラミック材料から形成された電解質膜１２の場合、例えば適当な導電的なセラミック材料から成る被覆として構成することができ、このような材料は、例えば過熱の際に、電解質膜１２の互いに向かい合う２つの領域を導電的に互いに接続させる。

電解質膜１２が例えば、ポリマ電解質材料から形成されているならば、この電解質膜１２の互いに向かい合う２つの領域の接続のために、例えば、黒鉛、炭素又は導電的な特殊鋼層のような適当に硬化可能なポリマ材料を主体としたインターコネクタが使用される。

さらに、インターコネクタ２０によって２つの電解質膜１２を結合させる場合、互いに結合させたい電解質膜のインターコネクタ層の間に、導電的な別の材料の層を設けても良い。

このようにして複数のガス室１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄが結合され、これらのガス室の内部は、共通のアノードとして機能する第１の電極１４と接触する。運転中は、例えば内側のガス室１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄには、例えば水素、メタン、又は気体のメタノールのような、酸化可能な、有利にはガス状の流体が供給される。同時に例えば、カソードとして機能する第２の電極１６が設けられた電解質膜１２の外面は、例えば空気又は純粋な酸素のような、有利にはガス状の酸化剤に接触させられる。この場合、内側のガス室１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ内にガイドされた酸化可能な流体は、第１の電極１４と第２の電極１６との間に電流を流しながら電気化学的に燃焼し、この電流は適当な外部の周辺機器により捕捉され、使用されることができる。

図２には、電解質膜１２の第１の大きな面が平面図で示されている。このような構成では、例えばストリップの形に構成されたインターコネクタ２０が認められる。

図３には、電解質膜１２の内面の平面図が示されている。同様にストリップ状に形成されたインターコネクタ２０が認められるが、これらは例えば、図２に示されたインターコネクタ２０に対して相がずらされて配置されている。

図４には、燃料電池スタックの縁部制限部若しくはケーシング壁２２に結合された電解質膜１２が示されている。この場合、電解質膜１２は例えば、適当に位置決めされたインターコネクタ２０を介して直接、燃料電池スタックの壁若しくはケーシング壁２２に結合されている。この場合、酸化可能若しくは還元作用する第１の流体が存在している内側のガス室１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄの他に、運転中、酸化剤として作用する第２の流体が存在する第２の内側のガス室２４ａ，２４ｂ，２４ｃが、運転中に生じる。このようにして、酸化可能な第１の流体も、酸化剤として機能する第２の流体も、それぞれ電気化学セルの内側のガス室内に案内される。

図５には本発明の別の実施例が示されている。この場合、複数の電解質膜１２ａ，１２ｂ，１２ｃが、電気化学セルの重ねて配置された複合体装置を形成している。この場合、電解質膜１２ａ，１２ｂ，１２ｃはそれぞれ、適当なインターコネクタ２０を介して互いに結合されていて、これにより内側のガス室の基本構造は、有利には横断面が網目状になっている。この場合、図平面に関して水平方向及び鉛直方向ではそれぞれ、同様の流体流、この場合例えば酸素Ｏ_２若しくはＨ_２が存在している複数のガス室が位置するが、図平面に関して対角線上では、それぞれ第１の流体流若しくは第２の流体流が存在しているガス室が交互に並ぶ。このようにして、空間的に無駄のない任意の広がりを有する複数のガス室から成る網状構造を実現することができる。同時に、このように重ねられて形成された電気化学セルの複合体装置は、高い機械的かつ熱的安定性を示す。

選択的には、電解質膜１２の構成のために、波形の構造ではなく、階段状の構造又は折り畳まれた構造を設けることもできる。このような構成に相当する図は、図６及び図７に示されている。

電解質膜１２を、電気化学セル１０の支持構造体として用いることができるように、電解質膜１２は、例えば、第１の電極１４及び／又は第２の電極１６の層厚さの、１．１〜１００倍、有利には５〜２５倍、特に１０〜２０倍でなければならない。

本発明による電気化学セル１０のチューブ状の構成形式は例えば、ＰＥＭＦＣ又はＳＯＦＣを主体として構成された、可動型又は据置型の燃料電池システムでの使用に適している。さらには、電気化学セル１０は、蓄電池の構成のために適している。この場合、全ての内側の室１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ若しくは２４ａ，２４ｂ，２４ｃは特に、液体の電解液が充填されている。この場合、特に省スペースの蓄電池、例えばリチウム蓄電池が形成される。

１０ 電気化学セル、 １２，１２ａ，１２ｂ，１２ｃ 電解質膜、 １４ 第１の電極、 １６ 第２の電極、 １８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ ガス室、 ２０ インターコネクタ、 ２２ ケーシング壁、 ２４ａ，２４ｂ，２４ｃ ガス室

Claims (16)

1. 電気エネルギを得るための電気化学セル、特に燃料電池であって、アノードとして機能する第１の電極と、カソードとして機能する第２の電極とを有しており、かつ、特に扁平に形成された固体電解質層を有しており、第１の電極と第２の電極とは前記固体電解質層を介してイオン伝導接続される形式のものにおいて、
   固体電解質層（１２）が電気化学セル（１０）の支持構造体として形成されていることを特徴とする、電気化学セル。
2. 第１の電極（１４）が、固体電解質層（１２）の第１の大きな面に配置されており、第２の電極（１６）が、反対側に位置する、固体電解質層（１２）の第２の大きな面に配置されている、請求項１記載の電気化学セル。
3. 固体電解質層（１２）が、単なる平面状の構成よりも表面積が拡大された形状を有している、請求項１又は２記載の電気化学セル。
4. 固体電解質層が、折り畳まれた、又は階段状の、又はハニカム状の、又は波状の構造を有している、請求項３記載の電気化学セル。
5. 固体電解質層（１２）が、第１の電極（１４）及び／又は第２の電極（１６）よりも大きな層厚さを有している、請求項１から４までのいずれか１項記載の電気化学セル。
6. 固体電解質層（１２）が、第１の電極（１４）及び／又は第２の電極（１６）の１．１〜１００倍の層厚さを有している、請求項５記載の電気化学セル。
7. 固体電解質層（１２）がポリマ電解質材料又はセラミック材料を有している、請求項１から６までのいずれか１項記載の電気化学セル。
8. 固体電解質層（１２）の表面に、固体電解質層（１２）を、電気化学セル（１０）の別の構成部分に構造的に結合させるための少なくとも１つのインターコネクタ（２０）が設けられている、請求項１から７までのいずれか１項記載の電気化学セル。
9. 少なくとも１つのインターコネクタ（２０）が、空間的なアライメントに関して、全体としての固体電解質層（１２）のアライメントに対して少なくとも接線方向で平行であるように方向付けられている固体電解質層（１２）の領域に取り付けられている、請求項８記載の電気化学セル。
10. インターコネクタ（２０）によって互いに結合された少なくとも２つの固体電解質層（１２ａ，１２ｂ，１２ｃ）によって形成されたガス室（１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ）を有している、請求項８又は９記載の電気化学セル。
11. 請求項１から１０までのいずれか１項記載の電気化学セル（１０）が形成されていることを特徴とする、少なくとも２つの電気化学セル複合体装置、特に燃料電池スタック。
12. それぞれ第１の電極（１４）と第２の電極（１６）とが設けられた固体電解質層（１２ａ，１２ｂ，１２ｃ）が、インターコネクタ（２０）によって互いに結合されており、この結合では第１の固体電解質層（１２ａ）の、第１の極性である第１の電極（１４）を有した側が、第２の固体電解質層（１２ｂ）の、第１の電極（１４）と同じ極性を有した側に接触され、結合される、請求項１１記載の複合体装置。
13. 請求項１から１０までのいずれか１項記載の電気化学セル又は請求項１１又は１２記載の複合体装置の、チューブ状の固体電解質形燃料電池の製造への使用。
14. まず固体電解質層（１２）を支持構造体として形成し、前記固体電解質層（１２）に、アノードとして機能する第１の電極（１４）とカソードとして機能する第２の電極（１６）とを設け、第１の電極（１４）と第２の電極（１６）とを固体電解質層（１２）を介してイオン伝導的に接触させることを特徴とする、電気化学セル、特に燃料電池を製造するための方法。
15. 固体電解質層（１２）を、折り畳まれた、又は階段状の、又はハニカム状の、又は波状の構造として形成する、請求項１４記載の方法。
16. 固体電解質層（１２）の表面に、固体電解質層（１２）を別の装置構成部分（２２）に構造的に結合するために少なくとも１つのインターコネクタ（２０）を設け、該インターコネクタ（２０）が設けられた少なくとも２つの固体電解質層（１２ａ，１２ｂ，１２ｃ）を、特に請求項１１又は１２記載の複合体装置となるように互いに接合させる、請求項１４又は１５記載の方法。

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