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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。特に、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ことである。
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。
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配置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配置し、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配置すると共に更に電極材料を各ピースの開口の表面へ配置する、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配置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配置する前に、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配置し、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配置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配置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配置し、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配置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配置するステップ、を含む。
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。
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。
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は夫々中空の管であり、横断面が実質的に長方形であり(図3参照)、第1部材24は、第2部材28の周りに配置され、第1部材24の平行プレート部材26は、第1部材24から第2部材28の方へ延び、また第2部材28の平行プレート部材30は、第2部材28から第1部材24の方へ延びている。酸化剤は第2部材28内へ供給され、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の平行プレート部材26は実質的に長方形であり、第2部材28の平行プレート部材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。
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。
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。
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。
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。
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、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上に配置され、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上に配置される。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)で配置される。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。
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配置されるのであり、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配置され、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配置される。アノード電極材料104は開口102の各々のまわりに配置されるのであり、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に離散分離配置(discrete separated deposition)で配置される。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、あるいは正方形で配置される。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配置されるが、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配置されるが、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/プレート上に配置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。
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配置される。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配置される。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配置され、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配置される。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配置される。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配置されるが、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配置される。
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配置される。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配置される。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配置すること、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配置させ、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 (15)
- 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)の間及びアノード電極(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)を備えており、
前記第1部材(24)及び第2部材(28)は中空の管であり、且つ、
(i) 前記第2部材(28)は前記第1部材(24)の周りに配置され、該第1部材(24)は燃料の流れ用の導管を形成し、また第1部材(24)の第1端部は端部キャップ又は電解質によって密閉されるか、又は、
(ii) 前記第1部材(24)は前記第2部材(28)の周りに配置され、該第2部材(28)は酸化剤の流れ用の導管(32)を形成し、また第2部材(28)の第1端部(34)は端部キャップ又は電解質(20)によって密閉されるか、である、燃料電池。 - 請求項1に記載の燃料電池であって、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、燃料電池。
- 請求項1又は2に記載の燃料電池であって、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、燃料電池。
- 請求項1〜3のいずれか一項に記載の燃料電池であっって、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、燃料電池。
- 請求項1〜4のいずれか一項に記載の燃料電池であって、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、燃料電池。
- 請求項1〜5のいずれか一項に記載の燃料電池であって、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、燃料電池。
- 請求項6に記載の燃料電池であって、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、燃料電池。
- 請求項6に記載の燃料電池であって、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、燃料電池。
- 請求項1〜8のいずれか一項に記載の燃料電池であって、前記燃料電池(16)は、固体酸化物型燃料電池である、燃料電池。
- 請求項9に記載の燃料電池であって、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、燃料電池。
- 請求項1〜10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。
- 請求項11に記載の燃料電池スタックであって、前記燃料電池が直列に電気的に接続されている、燃料電池スタック。
- 請求項12に記載の燃料電池スタックであって、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、燃料電池スタック。
- 請求項13に記載の燃料電池スタックであって、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、燃料電池スタック。
- 請求項14に記載の燃料電池スタックであって、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、燃料電池スタック。
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