JP2010536119A - 燃料電池および燃料電池を製造する方法 - Google Patents

Abstract

固体酸化物型燃料電池（１６）であって、多孔性のアノード電極（１８）と、高密度非多孔性の電解質（２０）と、多孔性のカソード電極（２２）とを備え、前記アノード電極（１８）は第１部材（２４）および第１部材（２４）から延びる複数の平行プレート部材（２６）を備え、カソード電極（２２）は第２部材（２８）と第２部材（２８）から延びる複数の平行プレート部材（３０）を備え、前記カソード電極（２２）の平行プレート部材（３０）はアノード電極（１８）の平行プレート部材（２６）と指状嵌入(inter-digitating)しており、更に、第１部材（２４）と第２部材（２８）の間およびおよびアノード電極（１８）の平行プレート部材（２６）とカソード電極（２２）の平行プレート部材（３０）の間の空間を満たす電解質（２０）を備えている。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池に係り、より詳しくはセラミック燃料電池、特に固体酸化物型燃料電池に関し、さらに燃料電池を製造する方法、より詳しくはセラミック燃料電池を製造する方法、特に、固体酸化物型燃料電池を製造する方法に関する。

固体酸化物型燃料電池の１つの形式としては、管状の固体酸化物型燃料電池があり、それは中空の管状部材の円筒状の表面に沿って、固体酸化物型燃料電池が電気的に物理的に軸方向に並んで配置されているものである。

固体酸化物型燃料電池の更に他の形式としては、平面状の固体酸化物型燃料電池があり、それは中空の平坦な部材の平らな表面に沿って、縦に固体酸化物型燃料電池が電気的に物理的に並んで配置されているものである。

別の形式の固体酸化物型燃料電池としては、モノリシック固体酸化物型燃料電池があり、それはアノードプレート、電解質プレート、カソードプレートおよび内部接続プレートが連続して積み重ねられているものである。

従って、本願発明は、新規な燃料電池を提供しようとするものである。

本願発明は、多孔性のアノード電極と、高密度非多孔性の電解質および多孔性のカソード電極とを備え、アノード電極が第１部材と第１部材から延びる複数の平行なプレート部材を備え、カソード電極が第２部材と第２部材から延びる複数の平行なプレート部材とを備え、カソード電極のプレート部材はアノード電極のプレート部材と指状嵌入(inter-digitating)し、電解質は第１部材と第２部材との間およびアノード電極の平行プレート部材とカソード電極の平行プレート部材との間の空間を満たす、燃料電池を提供する。

燃料電池はセラミック燃料電池であることが望ましく、燃料電池は固体酸化物型燃料電池であることがより好ましい。電解質はジルコニアが望ましい。電解質はイットリア安定化ジルコニアであることが望ましい。

第１部材は、燃料の流れのための導管を形成することが望ましい。第１部材の第１端は端部キャップか電解質によって密閉されることが望ましい。あるいは、第２部材は、酸化剤の流れのための導管を形成することが望ましい。第２部材の第１端は端部キャップか電解質によって密閉されることが望ましい。

第１部材は、実質的に円形、長方形、正方形あるいは六角形の断面であることが望ましい。第２部材は、実質的に円形、長方形、正方形あるいは六角形の断面であることが望ましい。

第１部材のプレート部材は、実質的に円形、長方形、正方形あるいは六角形の断面であることが望ましい。第２部材のプレート部材は、実質的に円形、長方形、正方形あるいは六角形の断面であることが望ましい。

燃料電池は、高密度非多孔性部材の上に配置され、その高密度非多孔性部材は第１部材に燃料を供給するための開口を有することが望ましい。
燃料電池は、高密度非多孔性部材の上に配置され、その高密度非多孔性部材は第２部材に酸化剤を供給するために開口を有することが望ましい。

燃料電池は、高密度非多孔性チューブの上に配置され、その高密度非多孔性チューブは第１部材に燃料を供給するための開口を有することが望ましい。
燃料電池は、高密度非多孔性チューブの上に配置され、その高密度非多孔性チューブは第２部材に酸化剤を供給するための開口を有することが望ましい。

燃料電池は、高密度非多孔性プレートの上に配置され、その高密度非多孔性プレートは第１部材に燃料を供給するための開口を有することが望ましい。
燃料電池は、高密度非多孔性プレートの上に配置され、その高密度非多孔性プレートは第２部材に酸化剤を供給するための開口を有することが望ましい。

また本願発明は、上記段落で記載した複数の燃料電池を直列に電気的に接続した燃料電池スタックを提供する。
燃料電池スタックは、第１の高密度非多孔性プレートおよび第２の高密度非多孔性プレートを備え、第１の高密度非多孔性プレートは複数の燃料電池のそれぞれの１つの第２部材へ酸化剤を供給するための複数の開口を有し、第２の高密度非多孔性プレートは複数の燃料電池のそれぞれの１つの第２部材に酸化剤を供給するための複数の開口を有し、第１および第２の高密度非多孔性プレートは、燃料電池の第１部材への燃料供給のための通路を形成するために、それらの間に燃料電池が配置されることが望ましい。

第１および第２の高密度非多孔性プレート上の燃料電池は、所定のパターンで配置されることが望ましい。第１および第２の高密度非多孔性プレート上の燃料電池は、第２の高密度非多孔性プレート上の燃料電池と交互に配置されることが望ましい。

本願発明はまた、燃料電池を製造する方法を提供し、その方法は、複数の電解質材料のシートを形成し、電解質材料の各シートの第１表面上にアノード電極材料を蒸着すると共に電解質材料の各シートの第２表面上にカソード電極を蒸着し、電解質材料の各シートを通して複数の開口を形成し、電解質材料の隣接したシートのアノード電極材料が互いに対面すると共に電解質材料の隣接したシートのカソード電極材料が互いに対面するように電解質材料のシートをスタックに配置し、電解質材料のシートの開口が整合され、開口が各ピースに向かって延びるようにスタックを複数のピースに分割し、燃料電池を形成するためにさらに電極材料を各ピースの外側表面へ蒸着すると共に更に電極材料を各ピースの開口の表面へ蒸着する、各ステップを含む。

この方法は、電解質材料の各シートの第１表面にアノード電極材料を蒸着する前および電解質材料の各シートの第２の表面にカソード材料を蒸着する前に、電解質材料の各シートを通して複数の開口を形成するステップを含むことが望ましい。

あるいは、この方法は、電解質材料の各シートを通して複数の開口を形成する前に、電解質材料の各シートの第１の表面上にアノード電極材料を蒸着し、および電解質材料の各シートの第２の表面上にカソード材料を蒸着するステップを含む。

本願発明はまた、燃料電池を製造する方法を提供し、その方法は、少なくとも１枚の電解質材料を形成し、電解質材料の各シートの第１の表面上にアノード電極材料を蒸着すると共に電解質材料の各シートの第２の表面上にカソード材料を蒸着し、電解質材料の各シートを通して複数の開口を形成し、スタックを複数のピースに分割して各ピースを通して開口が延びるようにし、電解質材料の隣接するピースのアノード電極材料が互いに対面しそして電解質材料の隣接するピースのカソード電極材料が互いに対面し、そして電解質材料のピースの開口が整合されるように電解質材料のピースを配置し、更に各ピースの外側表面に電極材料を蒸着すると共に更に固体酸化物型燃料電池を形成するために各ピースの開口の表面に電極材料を蒸着するステップ、を含む。

本願発明による複数の燃料電池を有する燃料電池スタックの部分切断斜視図である。 本願発明による複数の燃料電池を有する燃料電池組立体の一部を拡大した断面図である。 本願発明による複数の燃料電池を有する燃料電池組立体の一部の斜視図である。 図２に示される燃料電池の部分の更に拡大した断面図である。 本願発明による複数の燃料電池を有する２つの燃料電池組立体を備える燃料電池モジュールの一部の断面図である。 図５に示される燃料電池モジュールを通るＸ−Ｘ線方向の断面図である。 本願発明による複数の燃料電池を有する２つの燃料電池組立体を備える２つの隣接する燃料電池モジュールの一部の断面図である。 本願発明による複数の燃料電池を有する燃料電池スタックの一部を切り欠いた斜視図である。 本願発明による燃料電池の製造中の電解質材料のシートのスタックの拡大した斜視図である。

本発明は、添付の図面を参照した例によってより詳しく説明されるであろう。
固体酸化物型燃料電池スタック１０は、図１で示されるように、ケーシング１２の内に配置された複数の固体酸化物型燃料電池モジュール１４を備えている。固体酸化物型燃料電池モジュール１４はそれぞれ、複数の固体酸化物型燃料電池１６を備えている。

各固体酸化物型燃料電池１６は、図２，３，４に明示されるように、多孔性のアノード電極１８と、高密度非多孔性の電解質２０および多孔性のカソード電極２２を備えている。アノード電極１８は、第１部材２４と、第１部材２４から延びる複数の平行プレート部材２６を備えている。同様に、カソード電極２２は第２部材２８と、第２部材２８から延びる複数の平行プレート部材３０を備えている。カソード電極２２のプレート部材３０は、アノード電極１８のプレート部材２６と指状嵌入する。高密度非多孔性の電解質２０は、第１部材２４と第２部材２８の間、およびアノード電極１８の平行プレート部材２６とカソード電極２２の平行なプレート部材３０の間のスペースを満たす。第１部材２４および平行プレート２６、また、第２部材２８および平行プレート３０は気体透過性／気体浸透性を有する。

図２および３で示される構造では、第２部材２８は、酸化剤（例えば酸素、空気）の流れ用の導管３２を形成する。第２部材２８の第１端３４は、電解質２０によって密封され、この場合、電解質２０は第２部材２８の第１端３４を横切って伸びるように配置されている。あるいは、第２部材２８の第１端３４を閉じて密閉するために、端部キャップが設けられてもよい。第２部材２８の第２端３６は、酸化剤、酸素あるいは空気の流れを許容するのに、第２部材２８内の導管３２へ開口している。

第１部材２４および第２部材２８は中空の管であり、断面が実質的に長方形であり、第１部材２４は、第２部材２８および第１部材２４から第２部材２８へ延びる平行プレート部材２６のまわり、および第２部材２８から第１部材２４へ延びる平行プレート部材３０の周りに配置され、酸化剤は第２部材２８へ供給され、燃料は第１部材２４の周りに供給される。同様に、第１部材２４のプレート部材２６は実質的に長方形であり、第２部材２８のプレート部材３０も実質的に長方形である。

アノード電極１８の平行プレート部材２６と、カソード電極２２の平行プレート部材３０および電解質部材２３には、整合された開口が設けられており、その中では酸化剤の流れ用の導管３２を形成するために、第２部材２８が配置されている。

あるいは、第１部材２４は実質的に円形、六角形、三角形、正方形およびそのほかの適切な断面形状でよく、また第２部材２８も実質的に円形、六角形、三角形、正方形およびそのほかの適切な断面形状で、第１部材２４と同じ形状を有していてもよい。あるいは、第１部材２４のプレート部材２６は、円形、六角形、三角形、正方形およびそのほかの適切な断面形状でよく、また、第２部材２８のプレート部材３０も、円形、六角形、三角形、正方形およびそのほかの適切な断面形状でよい。

固体酸化物型燃料電池組立体３８には、複数の固体酸化物型燃料電池１６が配置され、特に、固体酸化物型燃料電池１６は高密度非多孔性部材４０上に配置され、また、高密度非多孔性部材４０は複数の開口４２を備え、各開口４２は固体酸化物型燃料電池１６の対応する１つの第２部材２８と整合され、且つ固体酸化物型燃料電池１６の対応する１つの第２部材２８内の導管３２に酸化剤を供給するように配置されている。各固体酸化物型燃料電池１６は、酸化剤が燃料へ漏れるかあるいはその逆を防ぐために、高密度非多孔性部材４０に対して接合され気密状態で密閉される。

図２および３で示されるように、１つ以上の電気的な内部接続コネクター４４が、１つの固体酸化物型燃料電池１６のアノード電極１８の第１部材２４を、隣接する固体酸化物型燃料電池１６のカソード電極２２の第２部材２８に内部接続するために設けられている。

一般に、図５および６で示されるように、これらの固体酸化物型燃料電池組立体３８のうちの２つは、固体酸化物型燃料電池モジュール４６を形成するために設けられる。固体酸化物型燃料電池モジュール４６は、第１の高密度非多孔性プレート４０Ａおよび第２の高密度非多孔性プレート４０Ｂを備えている。第１の高密度非多孔性プレート４０Ａは、複数の固体酸化物型燃料電池１６のそれぞれの１つの第２部材２８に酸化剤を供給するための複数の開口４２を有している。第２の高密度非多孔性プレート４０Ｂは、複数の固体酸化物型燃料電池１６のそれぞれの１つの第２部材２８に酸化剤を供給するための複数の開口４２を有している。第１および第２の高密度非多孔性プレート４０Ａ，４０Ｂは、実質的にこれらの間に位置する固体酸化物型燃料電池１６と平行に配置され、これにより固体酸化物型燃料電池１６の第１部材２４への燃料供給用の通路５０を形成している。２つの縁部材４８Ａ，４８Ｂが設けられている。縁部材４８Ａは、第１の高密度非多孔性プレート４０Ａおよび第２の高密度非多孔性プレート４０Ｂのそれぞれの第１縁４１Ａ，４１Ｃに接合され密閉されている。同様に、縁部材４８Ｂは、第１の高密度非多孔性プレート４０Ａおよび第２の高密度非多孔性プレート４０Ｂのそれぞれの第２縁４１Ｂ，４１Ｄに接合され密閉されている。第１の高密度非多孔性プレート４０Ａおよび第２の高密度非多孔性プレート４０Ｂのそれぞれの第１端部４３Ａと４３Ｃとの間の隙間は、通路５０への燃料供給を許容するために開いており、第１の高密度非多孔性プレート４０Ａおよび第２の高密度非多孔性プレート４０Ｂのそれぞれの第２端部４３Ｂと４３Ｄとの間の隙間は、通路５０からの燃料の排出を許容するために開いている。したがって、第１と第２の高密度非多孔性プレート４０Ａおよび４０Ｂ、縁部材４８Ａおよび４８Ｂは、チューブを形成する。

第１と第２の高密度非多孔性プレート４０Ａおよび４０Ｂの上の固体酸化物型燃料電池１６は所定のパターンで配置されており、この例において、第１の高密度非多孔性プレート４０Ａ上の固体酸化物型燃料電池１６は、高密度非多孔性プレート４０Ａおよび４０Ｂの各縁部の間の方向、およびさらに高密度非多孔性プレート４０Ａおよび４０Ｂの各端部間の方向に関して、第２の高密度非多孔性プレート４０Ｂ上に固体酸化物型燃料電池１６と交互に配置される。尚、正方形のパターンについて説明したが、六角形や八角形などの他のパターンを使用してもよい。

動作中において、燃料すなわち水素は固体酸化物型燃料電池モジュール４６内の通路５０に供給され、燃料すなわち水素はアノード電極１８の第１部材２４に接し、また、酸化剤すなわち酸素あるいは空気は、固体酸化物型燃料電池モジュール４６の外部の表面に供給され、その酸化剤すなわち酸素あるいは空気は、第１と第２の非多孔性プレート４０Ａおよび４０Ｂの開口４２を通って導管３２の中へ流れ、カソード電極２２の第２部材２８と接する。

燃料は、最初に、固体酸化物型燃料電池１６のアノード電極１８の第１部材２４へ拡散し、次に、固体酸化物型燃料電池１６のアノード電極１８の平行プレート部材２６へ第１部材２４から拡散する。同様に、酸化剤は、最初に固体酸化物型燃料電池１６のカソード電極２２の第２部材２８へ拡散し、次に、固体酸化物型燃料電池１６のカソード電極２２の平行プレート部材３０へ第２部材２８から拡散する。各固体酸化物型燃料電池１６中の電解質２０は、それぞれの導管３２を閉じて、燃料と酸化剤の混合を防ぐ。

各アノード電極１８の平行プレート部材２６および各カソード電極２２平行プレート部材３０は、単一の固体酸化物型燃料電池１６を形式するために電気的に並列に接続される。各固体酸化物型燃料電池１６の電解質２０は、アノード電極１８の平行プレート部材２６のすべての表面の間に位置して且つ接触し、そしてカソード電極２２の平行プレート部材３０のすべての表面の間に位置して接触し、これにより電解質２０と平行プレート部材２６の間にスペースがなくなり、また、電解質２０と平行プレート部材３０の間にスペースがなくなる。したがって、燃料は、単に、多孔性の平行プレート部材２６中に拡散によって流れ、また、酸化剤は、単に多孔性の平行プレート部材３０を拡散によって流れる。

熱は平行プレート部材２６および３０を通って熱伝導によって固体酸化物型燃料電池１６から伝達され、次に、熱の一部は伝導的にそして一部は対流的に、第１部材２４から燃料へ、および第２部材２８から酸化剤へ伝達される。

この構造では、酸化剤は、気泡流れによって開口４２に流れ込む。
図７は、固体酸化物型燃料電池スタックの中で、実質的に互いに平行に配置された２つの固体酸化物型燃料電池モジュール４６を示している。この構造では、固体酸化物型燃料電池モジュール４６のプレート４０Ａおよび４０Ｂには、複数の隆起部材５２が設けられている。１つの固体酸化物型燃料電池モジュール４６のプレート４０Ａの上の隆起部材５２は、酸化剤すなわち酸素または空気を開口４２に向けて方向付けるために隣接する固体酸化物型燃料電池モジュール４６のプレート４０Ｂの開口４２のそれぞれの１つに整合して位置決めされ、同様に、１つの固体酸化物型燃料電池モジュール４６のプレート４０Ｂの開口４２上の隆起部材５２は、酸化剤すなわち酸素または空気を開口４２に向けて方向付けるために隣接する固体酸化物型燃料電池モジュール４６のプレート４０Ａの開口４２のそれぞれの１つに整合して位置決めされている。

固体酸化物型燃料電池モジュール４６は、図１に示されるように、各固体酸化物型燃料電池モジュール４６の一端が燃料供給マニホールドに接続され、また各固体酸化物型燃料電池モジュール４６の他端が消費燃料マニホールドに接続されるように配置されてもよい。

固体酸化物型燃料電池モジュール４６は、図８に示されるように、固体酸化物型燃料電池モジュール４６の一つの第１端が燃料供給マニホールドに接続され且つ固体酸化物型燃料電池モジュール４６の一つの第２端が消費燃料マニホールドに接続されるように配置され、そして固体酸化物型燃料電池モジュール４６の残りが、固体酸化物型燃料電池モジュール４６の第１端が隣接する固体酸化物型燃料電池モジュール４６の第２端に接続され且つ燃料が連続的にすべての固体酸化物型燃料電池モジュール４６を通って供給されるように配置される。

電解質２０はジルコニアからなり、イットリア安定化ジルコニアからなることが望ましいが、他の適切な材料が使用されてもよい。
アノード電極１８は、例えばニッケルをドープしたイットリア安定化ジルコニア（Ｎｉ−ＹＳＺ）からなるが、他の適切な材料が使用されてもよい。

カソード電極２２は、例えばストロンチウムをドープしたランタン水マンガン（ＬＳＭ）からなるが、他の適切な材料が使用されてもよい。
例として、本願発明による単一の固体酸化物型燃料電池は、長さ６ｍｍ、幅３ｍｍおよび２ｍｍの厚さを持っている。

第１部材は、燃料の流れ用の導管を形成している。第１部材の第１端は端部キャップか電解質によって密閉されることが望ましい。
本願発明は、高密度非多孔性のチューブおよび第２部材に燃料を供給するための開口を有する高密度非多孔性のチューブ上に配置された固体酸化物型燃料電池に関して説明しているが、高密度非多孔性のチューブおよび第１部材に燃料を供給するための開口を有する高密度非多孔性のチューブ上に配置された固体酸化物型燃料電池に関しても同様に可能である。

第１部材および第２部材が中空のチューブであって、第２部材が第１部材のまわりに位置決めされ、平行プレート部材が第１部材から第２部材へ向かって延び、また平行プレート部材が第２部材から第１部材へ向かって延び、燃料が第１部材へ供給され、酸化剤が第２部材のまわりに供給されるような、燃料電池の配置を提供することは可能である。

本願発明は、高密度非多孔性プレートおよび第２部材に酸化剤を供給するための開口を有する高密度非多孔性プレート上に配置された固体酸化物型燃料電池に関して説明したが、高密度非多孔性プレートおよび第１部材に燃料を供給するための開口を有する高密度非多孔性プレート上に配置された固体酸化物型燃料電池に関しても同様に可能である。

本願発明は固体酸化物型燃料電池に関して説明したが、それは、他のセラミック燃料電池、他のタイプの燃料電池あるいは固体酸化物電解セルにも同様に適用可能である。
本願発明の利点は、副次ユニット(sub unit)のための大きさを非常に小さくでき、無駄なく非常に小さな燃料電池ピッチを可能にするということである。

小さくされた燃料電池ピッチは局所的に平行な電流コレクタと共に、はるかに高い抵抗の電流コレクタ材料の潜在的な使用を可能にする。またそれは、電極材料としてだけ適切であると考えられてきた材料を、電極の個別の層としてあるいは電極内で横断方向(lateral)の電流コレクタのために使用することを可能にする。

本願発明は、多層セラミック燃料電池、例えば多層固体酸化物型燃料電池を提供する。
本願発明は、各固体酸化物型燃料電池へ酸化剤や燃料を供給する単一の開口で説明されているが、各固体酸化物型燃料電池へ酸化剤や燃料を供給するための２つ以上の開口を提供することも可能である。固体酸化物型燃料電池が大きい場合、２つ以上の開口の使用が必要かもしれない。しかしながら、熱膨張係数の合致や熱伝導冷却の効率は、固体酸化物型燃料電池の寸法を制限するであろう。例えば、固体酸化物型燃料電池は、３０ｍｍの長さ、３０ｍｍの幅および３０mmの高さのを上限とする寸法を持つであろう。

本願発明は、カソード電極の第２部材によって画成される固体酸化物型燃料電池内の導管に関して説明したが、カソード電極の平行プレート部材を電気的に並列に単に電気的に内部接続するカソード電極の第２部材や、カソード電極の平行プレート部材の縁部や非多孔性の電解質の縁部によって画成される導管に対しても同様に可能である。

加えて、本願発明は、アノード電極の第１部材によって画成される固体酸化物型燃料電池中の導管に関して説明したが、カソード電極の平行プレート部材を電気的に並列に単に電気的に内部接続するカソード電極の第１部材や、アノード電極の平行プレート部材の縁部や非多孔性の電解質の縁部によって画成される導管に対しても同様に可能である。

固体酸化物型燃料電池は、図９に示されるように、テープ鋳造(tape casting)やドライ圧延(dry rolling)による高密度非多孔性の電解質材料１００の複数の薄いシート／プレートの形成や、バインダー中のイットリア安定化ジルコニアのような電解質材料の粉末製法(powder preparation)の形成により製造される。電解質材料のシート／プレートはそれぞれテープ鋳造の場合には乾燥される。バインダーは電解質材料から取り除かれ、また３μｍから３００μｍの厚さの高密度非多孔性の電解質の薄い連続的な高密度非多孔質シート／プレートを形成するために、電解質材料は、高温、例えば１０００℃から１６００℃で焼結させられる。

複数の開口１０２が電解質１００の個々の高密度非多孔質シート／プレートによって形成される。電解質材料１００の各シート／プレートの開口１０２は、長方形パターンで形成されるのが望ましい。開口は正方形、あるいは長方形か、六角形か、円形断面でもよい。

アノード電極材料１０４は、電解質材料１００の各シート／プレートの一方の表面１０８上に蒸着され、また、カソード電極材料１０６は、スクリーン印刷またはステンシル印刷あるいは他の適切な方法を使用して、電解質材料１００のそれぞれのシート／プレートの反対に面する表面１１０上に蒸着される。電解質材料１００の最上部のシート／プレートの左側は、表面１０８上のアノード電極材料１０４を示しており、電解質材料１００の最上部のシートの右側は、表面１１０上のカソード電極材料１０６を示している。通常、両方の電極材料が単一炉環境で処理されるように、電極材料のうちの１つは前駆体物質(precursor material)である。

例えば、アノード電極材料は、ＮｉＯ−ＹＳＺアノード電極を形成する場合には、ＮｉＯ−ＹＳＺのような酸化雰囲気対応前駆体形態(an oxidising atmosphere compatible precursor form)で蒸着される。アノード電極材料は、ＬＭＳのようなカソード電極材料と同じ酸化炉環境で処理される。

あるいは、還元雰囲気中で発火に耐えることができるカソード材料前駆体を使用することは可能である。
還元および酸化環境に耐えることができるアノード材料を使用することは可能であり、この場合、処理はすべて前駆体材料の必要無しに行なうことができる。

電極は、電流コレクタ層を形成するために、プラチナ、パラジウム、ニッケル、銀、金あるいは銅などの二元あるいは三元合金のような電流コレクタ材料を追加的に印刷する(additional over printing)かあるいは浸入させる(infiltration)ことによって増強される。各電流コレクタ層は、印刷され乾燥され、結合剤が取り除かれ、次に、焼結させられるか、あるいは、電流コレクタ層は他の層と共に焼結させられる。

電極は、電解質材料の各シート／プレートの１つの表面に所定のパターンで蒸着されるのであり、アノード電極は電解質材料の各シート／プレートの一方の表面に蒸着され、カソード電極は電解質材料の各シート／プレート上の反対の表面に蒸着される。アノード電極材料１０４は開口１０２の各々のまわりに蒸着されるのであり、例えば、各開口１０２を中心として各開口１０２から所定距離だけ延び、而してアノード電極材料が表面１０８に離散分離蒸着(discrete separated deposition)で蒸着される。例えば、アノード電極材料１０４は、長方形または正方形断面の開口１０２のまわりに、長方形、あるいは正方形で蒸着される。カソード電極材料１０６は、それが開口１０２の各々から所定距離を隔てるように蒸着されるが、そうでなければ電解質材料１００のシート／プレートのその表面１１０の全体を覆う。例えば、カソード電極材料１０６は、長方形あるいは正方形に形成された開口を伴うシートとして蒸着されるが、この開口は電解質材料１００のシートの長方形あるいは正方形に形成された開口１０２よりも大きな寸法である。

複数の電解質材料１００のシートは、電解質材料１００のシートのすべての開口１０２が整合されるようにスタック１２０に配置される。さらに、スタック中の電解質材料の隣接するシートは、それらがそれらの間の面に関して互いに鏡像関係となるように配置される。したがって、電解質材料のシートは、電解質材料の隣接するシートのアノード電極が互いに対面し、また電解質材料の隣接したシートのカソード電極が互いに対面するように配置される。

電解質材料シート／プレート上に蒸着された電極材料の厚さは、電極に求められる厚さの半分であり、それは電解質材料の各シートが長方形のスタックの中でともに積み重ねられた時に、層の順序が電解質材料の隣接するシートで逆にされるように配置されるようになっている。したがって、互いの上に、４００枚以内の電解質材料、例えば２〜５０枚の電解質材料を積み重ねることは可能である。

積み重ねる工程中に、電解質材料は隣接するアノード電極の各縁部の間の空間を満たし、かつカソード電極と開口の間の空間を満たすために、電解質材料の隣接するシート間に配置される。例えば、隣接するアノード電極の各縁部の間の空間を満たし、かつカソード電極と開口の間の空間を満たすために、電解質材料の額縁状(picture frame)の層が電解質材料の隣接するシート間に配置される。

電解質材料の連続的な層、あるいは互換性があり膨張率係数が適合した挿入材料(compatible expansion matched insert material)は、アノード電極の各組に反応物を供給するための開口が閉鎖され、そしてカソード電極の縁部から分離されるように、一般的にはスタックの最上層として含まれる。

気体が一番下の多孔性電極層の縁部で逃げることができないようにするため、同様に穴の空けられた気密材料の層が一般的にはスタックの底部に設けられます。気密材料の層は、長方形の額縁状の電解質材料、あるいは基板材料あるいは密閉ガスが電解質材料と互換性を持ち、気密材料層は、安定化ジルコニア材料あるいはマグネシア・マグネシウム・アルミン酸塩（ＭＭＡ）のような、比較的不活発な熱拡張係数の互換性をもつバリア材料である。

スタック中の電極を備えた電解質材料のシートが既に燃えてしまった場合、未焼結材料や焼結助剤を伴う電解質材料のシートを被覆する必要がある。その結果、電解質材料のシートは共に燃焼時に活発に焼結する。しかしながら、適切なバインダーシステムが使用される場合、電解質シートの全スタックを一度だけで共に焼結させることは有益である。

その後、電解質材料のシートのスタックは、長方形あるいは正方形の固体酸化物型燃料電池場合には、２つの垂直な方向にスタック１２０を切断することにより、複数のグリーン固体酸化物型燃料電池に分割される。したがって、スタックは電解質材料１００のシートの開口１０２の間の中央に位置する第１組の平行面Ｘで切断され、さらに電解質材料１００のシート中の開口１０２の間の中央に位置する第２組の平行面Ｙで切断され、第１組の平行面Ｘは第２組の平行面Ｙに垂直である。これらの平行面Ｘ，Ｙは、実質的に電解質材料１００のシートの面に対して垂直に配置されている。

その後、必要ならば、グリーン固体酸化物型燃料電池はプレスされ、次に、高温（７００℃から１５００℃）の高温で焼成され、その結果、電極のまわりに気密シールを形成するために電解質材料のシートが溶融し、特に、額縁状の電解質材料は、多層の固体酸化物型燃料電池中の電解質材料のシートへ溶融する。しかしながら、電解質材料のシートの数が電極のまわりに気密シールを形成するための電解質材料のシートの変形を許容する程度少ない場合、額縁状の電解質材料を省くことは可能である。

更に、カソード電極材料は、カソード電極材料の印刷によって、あるいは固体酸化物型燃料電池を様々な向きでカソード電極材料の懸濁液の中へ繰り返し浸けることによって、各固体酸化物型燃料電池の外側表面上に蒸着される。更に、アノード電極材料は、アノード電極材料の懸濁液の中へ繰り返し浸けることによって、各固体酸化物型燃料電池の開口の表面上に蒸着される。その後、追加の電極材料は固体酸化物型燃料電池を完成するために乾かされ焼成される。これにより、固体酸化物型燃料電池の外部表面上のカソード電極材料は電解質材料の各層の間のカソード電極と電気的に相互接続され、開口の表面上のアノード電極材料は電解質材料の各層の間のアノード電極と電気的に相互に接続される。

その後、完成した固体酸化物型燃料電池は、高密度非多孔性の部材（例えば基板）に取り付けられシールされる。これにより、各固体酸化物型燃料電池の開口は、高密度非多孔性の部材の対応する開口に配置される。固体酸化物型燃料電池は適切な密封材、固体酸化物型燃料電池の底部と高密度非多孔性部材の間の気密シールを形成するために、例えばガラスセラミックを使用して、高密度非多孔性の部材に対して取り付けられシールされる。

電気的な接続は、既知の技術を使用するワイヤー、テープあるいは厚膜層を使用して、固体酸化物型燃料電池の外部表面上のカソード材料、および固体酸化物型燃料電池の開口の表面上のアノード材料に対して施される。

一旦、完全な気密性の組立体が生成されると、高温、例えば３００℃から９００℃に加熱し、窒素中の水素の混合を低下させたあるいはアノード電極を縮小するための適切な他の混合物のアノード電極を供給することが必要である。あるいは、カソード材料が前駆体として形成された場合、組立体は減圧雰囲気で処理され、カソード電極にはカソード電極を酸化させるための酸化混合物が供給される。

固体酸化物型燃料電池を製造する代替方法では、酸化剤が開口に供給され、カソード電極に開口からの酸化剤が供給され、カソード電極材料は各々の開口のまわりに蒸着され、例えば各開口の周りに集積され、また各開口から所定の距離だけ延び、したがってカソード電極材料は個別の分離された位置に蒸着される。例えば、カソード電極材料は、長方形あるいは正方形の形状の開口のまわりに、長方形あるいは正方形で蒸着される。アノード電極材料は、それが各開口から所定の距離だけ離れるように蒸着されるが、そうでなければ電解質材料のシート／プレートのその表面の全体を覆う。例えば、アノード電極材料は、電解質材料のシートに形成された長方形、あるいは正方形の開口より大きな寸法の長方形あるいは正方形の開口を持つシートとして蒸着される。

電解質材料の連続的な層、あるいは互換性をもつ熱膨張係数が合致する挿入材料は、カソード電極の組に反応物を供給するための開口が閉じられ、そしてアノードの縁部から分離されるように、一般的にスタックの最上部の層として備えらられる。

更に、アノード電極材料は、アノード電極材料の印刷によって、あるいは固体酸化物型燃料電池を様々な向きでアノード電極材料の懸濁液の中へ繰り返し浸けることによって、各固体酸化物型燃料電池の外側表面上に蒸着される。更に、カソード電極材料は、カソード電極材料の懸濁液の中へ繰り返し浸けることによって、各固体酸化物型燃料電池の開口の表面上に蒸着される。その後、追加の電極材料は固体酸化物型燃料電池を完成するために乾かされ焼成される。これにより、固体酸化物型燃料電池の外部表面上のアノード電極材料は、電解質材料の各層の間のアノード電極と電気的に相互接続され、開口の表面上のカソード電極材料は電解質材料の各層の間のカソード電極と電気的に相互に接続される。

固体酸化物型燃料電池を製造する代替方法では、電解質材料のシートのスタックは高温、例えば３００℃から９００℃に加熱され、窒素中の水素の混合を低下させたあるいはアノード電極を縮小するための適切な他の混合物がアノード電極へ供給される。あるいは、カソード電極材料が前駆体として形成された場合、組立体は減圧雰囲気で処理され、カソード電極にはカソード電極を酸化させるための酸化混合物が供給される。

その後、電解質材料のシートのスタックは、長方形あるいは正方形の固体酸化物型燃料電池の場合には、２つの垂直な方向にスタック１２０を切断することにより、複数のグリーン固体酸化物型燃料電池に分割される。したがって、スタックは電解質材料１００のシートの開口の間の中央に位置する第１組の平行面で切断され、さらに電解質材料のシートの開口の間の中央に位置する第２組の平行面で切断され、第１組の平行面は第２組の平行面に垂直である。これらの平行面は、実質的に電解質材料のシートの面に対して垂直に配置されている。

さらに、固体酸化物型燃料電池を製造する代替方法において、１枚あるいはそれ以上の電解質材料のシートを形成すること、電解質材料のシートに開口を形成すること、シートの表面上にアノード電極材料および電極材料を蒸着すること、それぞれ開口を備えたピースを形成するために２つの垂直な方角にシートを切断すること、そして、グリーン固体酸化物型燃料電池を形成するために開口が整合されるように、互いの上にピースを積み重ねることが可能である。これらの面は実質的に、電解質材料のシートの面に垂直に配置される。その後、グリーン固体酸化物型燃料電池は９００℃から９００℃に加熱され、アノード電極に、アノード電極を縮小するために窒素中の水素を低減する混合物あるいは他の適切な混合物が供給される。あるいは、カソード電極材料が前駆体として形成される場合、組立体は減圧雰囲気で処理され、カソード電極を酸化させるために酸化する混合物がカソード電極に供給される。

上記方法のすべてにおいて、電解質材料のシートの表面上にアノード電極材料およびカソード電極材料を所定のパターンで蒸着させ、次に、開口が固体酸化物型燃料電池のアノード電極に燃料を供給する場合アノード電極材料を通して、あるいは開口が固体酸化物型燃料電池のカソード電極に酸化剤を供給する場合にカソード電極材料を通してのどちらかで、電解質材料のシートを通って開口を形成することが可能である。

電解質材料のシートは電解質材料のシートを通る開口を中心とした正方形または長方形に切断されているが、電解質材料のシートを通る開口を中心とした他の適切な形、例えば三角形、六角形、八角形などにそれらを切ることは等しく可能である。

Claims (21)

1. 多孔性のアノード電極（１８）と、高密度非多孔性の電解質（２０）と、多孔性のカソード電極（２２）とを備えた燃料電池（１６）であって、
   前記アノード電極（１８）は第１部材（２４）および第１部材（２４）から延びる複数の平行プレート部材（２６）を備え、カソード電極（２２）は第２部材（２８）と第２部材（２８）から延びる複数の平行プレート部材（３０）を備え、
   前記カソード電極（２２）の平行プレート部材（３０）はアノード電極（１８）の平行プレート部材（２６）と指状嵌合(inter-digitating)しており、
   更に、第１部材（２４）と第２部材（２８）の間およびおよびアノード電極（１８）の平行プレート部材（２６）とカソード電極（２２）の平行プレート部材（３０）の間の空間を満たす電解質（２０）を備えている、燃料電池。
2. 前記第１部材（２４）は燃料の流れ用の導管を形成し、第１部材（２４）の第１端部は端部キャップか電解質によって密閉される、請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記第２部材（２８）は酸化剤の流れ用の導管（３２）を形成し、第２部材（２８）の第１端部（３４）は端部キャップあるいは電解質（２０）によって密閉されている、請求項１に記載の燃料電池。
4. 前記第１部材（２４）は実質的に円形、長方形、正方形、あるいは六角形の断面形状である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池。
5. 前記第２部材（２８）は実質的に円形、長方形、正方形、あるいは六角形の断面形状である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料電池。
6. 前記第１部材（２４）の平行プレート部材（２６）は、実質的に円形、長方形、正方形、あるいは六角形の断面形状である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃料電池。
7. 前記第２部材（２８）の平行プレート部材（３０）は、実質的に円形、長方形、正方形、あるいは六角形の断面形状である、請求項１〜６のいずれか一項に記載の燃料電池。
8. 前記燃料電池（１６）は高密度非多孔性部材（４０）上に配置され、この高密度非多孔性部材（４０）は前記第２部材（２８）に酸化剤を供給するための開口（４２）を備えている、請求項１〜７のいずれか一項に記載の燃料電池。
9. 前記燃料電池（１６）は高密度非多孔性チューブ（４０Ａ、４０Ｂ、４８Ａ、４８Ｂ）上に配置され、この高密度非多孔性チューブ（４０Ａ、４０Ｂ、４８Ａ、４８Ｂ）は前記第２部材（２８）に酸化剤を供給するための開口（４２）を備えている、請求項８に記載の燃料電池。
10. 前記燃料電池（１６）は高密度非多孔性プレート上に配置され、この高密度非多孔性プレートは前記第２部材に酸化剤を供給するための開口を備えている、請求項１１に記載の燃料電池。
11. 前記燃料電池（１６）は、固体酸化物型燃料電池である、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の燃料電池。
12. 前記電解質（２０）は、ジルコニアあるいは、イットリア安定化ジルコニアからなる、請求項１１に記載の燃料電池。
13. 請求項１〜１３のいずれか一項に記載の燃料電池を複数備えている、燃料電池スタック。
14. 前記燃料電池が直列に電気的に接続されている、請求項１４に記載の燃料電池スタック。
15. 前記燃料電池スタックは第１の高密度非多孔性プレート（４０Ａ）および第２の高密度非多孔性プレート（４０Ｂ）を備え、第１の高密度非多孔性プレート（４０Ａ）は複数の燃料電池（１６）のそれぞれの１つの第２部材（２８）へ酸化剤を供給する複数の開口（４２）を有し、第２の高密度非多孔性プレート（４０Ｂ）は複数の燃料電池（１６）のそれぞれの１つの第２部材（２８）へ酸化剤を供給する複数の開口（４２）を有し、燃料電池（１６）の第１部材（２４）へ燃料を供給するための通路（５０）を形成するために、第１と第２の高密度非多孔性プレート（４０Ａ、４０Ｂ）は燃料電池（１６）をそれらの間に配置している、請求項１５に記載の燃料電池スタック。
16. 第１と第２の高密度非多孔性プレート（４０Ａ、４０Ｂ）上の燃料電池（１６）は、所定のパターンで配置されている、請求項１６に記載の燃料電池スタック。
17. 第１の高密度非多孔性のプレート（４０Ａ）上の燃料電池（１６）は、第２の高密度非多孔性プレート（４０Ｂ）上の燃料電池（１６）と交互に配置される、請求項１７に記載の燃料電池スタック。
18. 燃料電池を製造する方法であって、
    電解質材料の複数のシートを形成し、
    電解質材料の各シートの第１の表面上にアノード電極材料を蒸着すると共に、電解質材料の各シートの第２の表面上にカソード電極材料を蒸着し、
    電解質材料の各シートを通して複数の開口を形成し、
    電解質材料の隣接するシートのアノード電極材料が相互に対面し、電解質材料の隣接するシートのカソード電極材料が相互に対面し、電解質材料のシートの開口が整合されるように、電解質材料のシートをスタックに配置し、
    スタックを複数のピースに分割して各ピースへ１つの開口が延びるようにし、
    燃料電池を形成するために、更に電極材料を各ピースの外側表面に蒸着すると共に、更に電極材料を各ピースの開口の表面に蒸着する、方法。
19. 燃料電池を製造する方法であって、
    少なくとも１枚の電解質材料のシートを形成し、
    電解質材料の各シートの第１の表面上にアノード電極材料を蒸着すると共に、電解質材料材料の各シートの第２の表面上にカソード電極材料を蒸着し、
    電解質材料の各シートを通して複数の開口を形成し、
    少なくとも１枚の電解質材料のシートを複数のピースに分割して開口が各ピースを通して延びるようにし、
    電解質材料の隣接するピースのアノード電極材料が相互に対面し、電解質材料の隣接するピースのカソード電極材料が相互に対面し、電解質材料のピースの開口が整合されるように、電解質材料のピースをスタックに配置し、
    燃料電池を形成するために、更に電極材料を各ピースの外側表面に蒸着すると共に、更に電極材料を各ピースの開口の表面に蒸着する、方法。
20. 燃料電池を製造する方法であって、
    複数の電解質材料のシート（１００）を形成し、
    電解質材料の各シート（１００）を通して複数の開口（１０２）を形成し、
    アノード電極材料（１０４）を電解質材料の各シート（１００）の第１の表面（１０８）上に蒸着すると共に、カソード材料（１０６）を電解質材料の各シート（１００）の第２の表面（１１０）上に蒸着し、
    電解質材料の隣接するシート（１００）のアノード電極材料（１０４）が相互に対面し、電解質材料の隣接するシート（１００）のカソード電極材料が相互に対面し、電解質材料のシート（１００）の開口（１０２）が整合されるように、電解質材料のシートをスタック（１２０）に配置し、
    スタック（１２０）を複数のピースに分割して開口（１０２）が各ピースに延びるようにし、
    燃料電池（１６）を形成するために、更に電極材料を各ピースの外側表面に蒸着すると共に、更に電極材料を各ピースの開口（１０２）の表面に蒸着する、方法。
21. 燃料電池を製造する方法であって、
    少なくとも１枚の電解質材料のシートを形成し、
    電解質材料の各シートを通して複数の開口を形成し、
    電解質材料の各シートの第１の表面上にアノード電極材料を蒸着すると共に、電解質材料の各シートの第２の表面上にカソード電極材料を蒸着し、
    電解質材料の各シートを通して複数の開口を形成し、
    少なくとも１枚の電解質材料のシートを複数のピースに分割して開口が各ピースを通して延びるようにし、
    電解質材料の隣接するピースのアノード電極材料が相互に対面し、電解質材料の隣接するピースのカソード電極材料が相互に対面し、電解質材料のピースの開口が整合されるように、電解質材料のピースをスタックに配置し、
    燃料電池を形成するために、更に電極材料を各ピースの外側表面に蒸着すると共に、更に電極材料を各ピースの開口の表面に蒸着する、方法。

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