JP4287364B2 - 溶融炭酸塩型燃料電池とその製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、アノード、カソードおよびこれらの間に配置された電解質マトリックスまたは電解質層、ならびにアノードとカソードに配置されたカレントコレクタを有する燃料電池、特に溶融電解質型燃料電池であって、このカレントコレクタは、アノードまたはカソードと電気的に接続するとともに、アノードまたはカソードへの燃料ガスまたはカソードガスの流路を形成し、その際アノード側のカレントコレクタが、アノードとともにアノード半電池を構成し、および／またはカソード側のカレントコレクタが、カソードとともにカソード半電池を構成する燃料電池に関する。

現在の一般的な燃料電池、特に溶融炭酸塩型燃料電池では、電解質マトリックスは、燃料電池または一定数の燃料電池を組み上げた燃料電池スタックの各燃料電池における別個の構成部品として組み込まれている。性能の良い燃料電池の電解質マトリックスの通常の厚さと面積に関して、電解質マトリックスを手で取り扱うためには、穿孔または刻み込みに対するその脆弱性のために、すなわち１ｍｍより薄い、典型的には０．５から０．６ｍｍの厚さと、典型的には１ｍ² の面積が限界である。特に、大きなユニットを電池スタックに組み上げる場合、所要の注意深さと正確さの欠落は、燃料電池スタックの欠陥または機能不全を引き起こす危険を生じさせる。

この発明の課題は、電解質マトリックスまたは電解質層の損傷の危険を回避または排除した燃料電池ならびにその製造方法を提示することである。

この課題は、請求項１に提示された燃料電池ならびに請求項１６に提示された、その製造方法によって解決される。

有利な改善構成は、各従属請求項に提示されている。

この発明により、アノード、カソードおよびこれらの間に配置された電解質マトリックスまたは電解質層、ならびにアノードとカソードに配置されたカレントコレクタを有し、このカレントコレクタが、アノードまたはカソードと電気的に接続するとともに、アノードまたはカソードへの燃料ガスまたはカソードガスの流路を形成し、その際アノード側のカレントコレクタが、アノードとともにアノード半電池を構成し、および／またはカソード側のカレントコレクタが、カソードとともにカソード半電池を構成する燃料電池、特に溶融炭酸塩型燃料電池が実現される。この発明においては、電解質マトリックスまたは電解質層を、一方の半電池に形成することと、カレントコレクタの側端に配置されて、燃料電池の内側に向かって開いたＵ字形の横断面を成す、アノードまたはカソードのカレントコレクタの側端を包み込んで密封する密閉部材を備え、その際一方の半電池の各密閉部材を他方の半電池に対して電気的に絶縁する絶縁層を備えることと規定する。

有利な実施構成においては、電解質マトリックスを、アノード半電池上に形成するものと規定する。

別の有利な実施構成においては、電解質マトリックスまたは電解質層を、カソード半電池上に形成するものと規定する。

一つの実施構成においては、これらの密閉部材を、それぞれ互いに対向して存在する形で、アノード半電池とカソード半電池に配備することができる。

別の実施構成においては、これらの密閉部材を、それぞれアノード半電池とカソード半電池の各一方の側端に配備することができ、その際アノード半電池の密閉部材を、その一方の側端に、カソード半電池の密閉部材を、その他方の側端に配備するものである。

有利には、この絶縁層を、密閉部材上に配備するものである。

これに代わって、この絶縁層を、一方の半電池の密閉部材に対向して存在する形で、他方の半電池に配備することができる。

一つの実施構成においては、この密閉部材は、その内側および／または外側に絶縁層を有する。

この発明による燃料電池の有利な実施構成においては、アノードまたはカソードを支持するとともに、その中にアノードまたはカソードに燃料ガスまたはカソードガスを供給するための流路を形成する多孔質構造でカレントコレクタを構成することと、密閉部材が、このカレントコレクタを構成する多孔質構造とその上に存在するアノードまたはカソードの側端を含み込むとともに密封することと規定する。

有利には、この密閉部材の高さは、絶縁層が存在する場合には、その絶縁層を含めて、半電池の厚さに一致し、その結果これらの両方の表面は、同一平面を成すものである。

このカレントコレクタを構成する多孔質構造は、焼結材料、有利には多孔質のニッケル焼結材料から構成される。

特に、このカレントコレクタを構成する多孔質構造は、固形物の含有量が４％から約３５％までのニッケル発泡材料から構成される。

この絶縁層を、一層のマトリックス材料から構成することができる。

これに代わって、この絶縁層を、マトリックス材料と異なる絶縁材料から構成することができる。

この発明による燃料電池の別の実施構成においては、このマトリックスを、密閉部材を含めて半電池上に形成すると同時に、絶縁層として機能させるものと規定する。

前述した形式の燃料電池の、この発明にもとづく製造方法においては、コーティング層を作ることにより、電解質マトリックスを半電池に配備するものと規定する。

有利には、このコーティング層は、スパッタリング（Spruehen）、キャスティング（Giessen ）、鍍金（Tauchen ）またはエッチング（Rakeln）により作られる。

有利には、この密閉部材を、半電池の側端に被せる。

この発明による方法の有利な実施構成においては、この密閉部材の表面を、絶縁層が存在する場合には、その絶縁層を含めて、圧延（Walzen）、型押し（Praegen ）あるいは押付け（Pressen ）によって、半電池の表面と同一平面とする。

この発明による方法の代替の実施構成においては、密閉部材を被せる前に、圧延、型押しあるいは押付けによって、半電池上にオフセットを作り、その結果この密閉部材を、絶縁層が存在する場合には、その絶縁層を含めて、半電池の表面と同一平面とするものである。

この発明による方法の有利な実施構成においては、この絶縁層を、スパッタリング、キャスティング、鍍金またはエッチングにより作る。

この発明による方法の代替の実施構成においては、半電池上に、先ず密閉部材を形成し、次に同時に絶縁層として機能するマトリックスを形成するものである。

以下において、この発明の実施例を図面にもとづき説明する。

図１ａには、全体を符号１０で表示した燃料電池を、模式的な斜視断面図で図示している。典型的には、従来技術で周知のとおり、そのような多数の燃料電池１０が、一つの燃料電池スタックに統合されている。燃料電池１０は、アノード１、カソード２およびそれらの間に配置された電解質マトリックス３を有する。この図に示した溶融炭酸塩型燃料電池の場合、電解質マトリックスは、多孔質の材料から構成され、それらの孔は、動作時に溶融した電解質を収容する。この発明に同じく含まれる固体酸化物型燃料電池の場合、電解質マトリックスの位置に、酸化物セラミックの電解質層を配備している。以下において使用する「電解質マトリックス」という概念は、別の燃料電池型の電解質層に対しても、同義語を成すものとする。前述の燃料電池スタックの隣接する燃料電池１０間には、バイポーラプレート４ｃが配置されており、これらの板によって、隣接し合う燃料電池１０は、ガス工学的には互いに分離されるが、電気的には接続される。図１ａに一枚だけ図示しているバイポーラプレート４ｃとアノード１またはカソード２との間には、それぞれカレントコレクタ４ａまたは４ｂが配備されており、これらは、一方では各電極、すなわちアノード１またはカソード２を、バイポーラプレート４ｃに対して、従って隣接する燃料電池に対して電気的に接続するとともに、他方では燃料ガスまたはカソードガスの流れを、アノード１またはカソード２に導いて、これらを介して分散させる働きを持っている。アノード１は、カレントコレクタ４ａとともにアノード半電池１１を、カソード２は、カレントコレクタ４ｂとともにカソード半電池１２を構成している。

図１ｂに示すとおり、この発明の第一実施例においては、カレントコレクタ４ａ，４ｂの側端に、それぞれ密閉部材２１，２２を配備しており、これらは、燃料電池１０の内側に向かって開いたＵ字形の横断面を成し、アノード１またはカソード２のカレントコレクタ４ａ，４ｂあるいはカレントコレクタ４ａとアノード１により構成されるアノード半電池１１またはカレントコレクタ４ｂとカソード２により構成されるカソード半電池１２の側端を包み込んで密封している。ここに図示した実施例では、密閉部材２１，２２は、アノード半電池１１とカソード半電池１２の各々の同じ側端に、互いに対向して存在する形で配備されている。電解質マトリックス３は、密閉部材２１，２２の間に延びる形で絶縁層３１を形成し、この絶縁層は、一方の半電池１１の密閉部材２１を、他方の半電池１２に対して、または他方の半電池の密閉部材２２に対して電気的に絶縁するものである。

図２ａに図示した実施例が示すとおり、電解質マトリックス３は、アノード半電池１１１に、すなわちアノード１に配備することができ、そこでは、アノード側のカレントコレクタ４ａ上に形成されている。この場合においても、両方の半電池、アノード半電池１１１とカソード半電池１１２の各々は、密閉部材２１または２２によって、側端を包み込まれて密封されている。

図２ｂに図示した実施例においては、電解質マトリックス３は、カソード半電池２１２に、すなわちカソード２に配備されており、そこでは、カソード側のカレントコレクタ４ｂによって支持されている。半電池２１１と２１２は、またもや密閉部材２１または２２によって、側端を包み込まれて密封されている。

図２ａに図示した実施例においても、図２ｂに図示した実施例においても、電解質マトリックス３は、各密閉部材２１または２２によって包み込まれており、その結果これらの実施例では、電解質マトリックス３は、密閉部材２１，２２を電気的に分離するという意味において、絶縁機能を果たしてはいない。密閉部材２１，２２間の電気的な接続、すなわち短絡を防止するために、一方の半電池１１１または２１１の密閉部材２１または２２を、他方の半電池に対して電気的に絶縁する絶縁層１３１を配備している（図２ｃ参照）。

この絶縁層１３１は、図２ｃに図示されているとおり、一方の半電池、この場合電解質マトリックス３を支持する半電池１１１の密閉部材２１上に配備するか、あるいはそれに対向して存在する半電池の密閉部材上に配備することもできる。両方の場合において、密閉部材２１，２２は、互いに、あるいはそれぞれ対向して存在する半電池に対して、電気的に絶縁されている。この絶縁層１３１は、電解質マトリックス３または電解質層を形成する材料または電解質マトリックス３または電解質層を形成する材料とは異なる絶縁材料から構成することができる。

図３ａと３ｂには、アノード半電池３１１またはカソード半電池３１２の側端に、それぞれ密閉部材２１，２２を配備した実施例が図示されており、その際アノード半電池３１１の密閉部材２１が、一方の側端に、カソード半電池３１２の密閉部材２２が、他方の側端に配備されている。これらの実施例においては、電解質マトリックス３は、カソード半電池３１２に配備されている、すなわちカソード２上に形成されており、そこではカレントコレクタ４ｂによって支持されている。従って、図３ａに図示した実施例においては、アノード半電池３１１の密閉部材２１は、カソード半電池３１２に配備された電解質マトリックス３に対向して存在する形で配置されており、そのためこの電解質マトリックス３によってカソード半電池３１２に対して電気的に絶縁される一方、カソード半電池３１２に配置された電解質マトリックス３を包み込んでいる、カソード半電池３１２の密閉部材２２は、アノード半電池３１１のアノード１に対向して存在する形で配置されており、その結果これら両方の間の電気的な接続は、電気的に絶縁する措置が配備されない限り成立することとなる。このことから、図３ｂに図示したとおり、電気絶縁層３３１を配備して、カソード半電池３１２の密閉部材２２を、アノード半電池３１１に対して絶縁している。図３ｂで図示した実施例においては、この電気絶縁層３３１を、アノード半電池３１１のアノード１に配備している。これに代わって、図２ｃに図示したのと同様に、電気絶縁層３３１を、カソード半電池３１２を包み込んでいる密閉部材２２上に配備することができる。両方の場合において、電気絶縁効果は同等である。この電気絶縁層３３１は、またもや一層のマトリックス材料またはマトリックス材料とは異なる絶縁材料から構成することができる。

電気絶縁層１３１；３３１は、図４に横断面の拡大図を示したとおり、密閉部材２１または２２の外側に配備することができる。これに代わって、あるいはこれに加えて、電気絶縁層３３２を密閉部材２１または２２の内側に配備することもできる。両方の場合において、絶縁層１３１；３３１または３３２は、半電池を互いに電気的に絶縁する働きを有する。

電極１または２と、カレントコレクタ４ａまたは４ｂとから構成される半電池１１１；２１１；３１１または１１２；２１２；３１２を示す図５において、その横断面の模式的な拡大図が図示されているとおり、半電池は、密閉部材２１，２２によって側端を包み込まれて密封されている。密閉部材２１または２２の高さは、図５には図示されていないが、絶縁層が存在する場合には、その絶縁層を含めて、半電池１１１；２１１；３１１または１１２；２１２；３１２の厚さに一致し、その結果両方の表面は、同一平面を成すものである。このために、半電池上に、密閉部材２１または２２と、絶縁層が存在する場合には、その絶縁層の厚さとに一致するオフセット２５を形成しており、その結果各表面が滑らかに連なっている。

図５において、更に概略が示されているとおり、カレントコレクタ４ａ，４ｂは、アノード１またはカソード２を支持し、これらとともにアノード半電池またはカソード半電池をそれぞれ形成する多孔質構造で構成されている。カレントコレクタ４ａ，４ｂの多孔質構造は、焼結材料、特に多孔質のニッケル焼結材料、ここに記載した実施例では固形物の含有量が４％から約３５％までのニッケル発泡材料から構成することができる。アノード１またはカソード２を支持する、多孔質構造４ａ，４ｂの表面は、平坦な面として形成されており、アノード１またはカソード２は、カレントコレクタ４ａ，４ｂを形成する多孔質構造上の層として配備されている。

多孔質構造で形成されたカレントコレクタ４ａ，４ｂの、その上に電極１，２を配備した形の横断面の拡大図を示す図６は、燃料ガスまたはカソードガスを供給するための流路を、一方ではその多孔性により多孔質構造の内部に存在する（微視的な）流路１７の形で、ならびに多孔質構造内または多孔質構造上に実現された（巨視的な）ガス流路１８の形で図示している。図示した実施例では、そのような流路１８は、カレントコレクタ４ａ，４ｂを形成する多孔質構造の、各電極１，２とは逆側の表面に、溝の形で配備されている。

図７は、そのようなカレントコレクタ４ａ，４ｂの斜視図を示しており、この図から、（巨視的な）流路１８が、多孔質構造の表面に展開されているのが明らかに分かる。このような展開は、単に図解するための例としてみなし、当然のことながら、これらの流路を、どのような別の好適な形でも実現することができる。

電解質マトリックス３は、各半電池１１；１１１；３１１または１２；２１２；３１２上に、すなわちアノード半電池上にも、カソード半電池上にもコーティング層を作ることによって形成・配備することができる。

このコーティング層は、スパッタリング、キャスティング、鍍金またはエッチングにより、あるいは別の好適なコーティング方法により作ることができる。

密閉部材２１，２２は、半電池１１；１１１；２１１；３１１または１２；１１２；２１２；３１２の側端に被せることができる。

密閉部材２１；２２の表面は、圧延、型押しあるいは押付けによって、絶縁層１３１；３３１が存在する場合には、その絶縁層を含めて、半電池１１；１１１；２１１；３１１；１２；１１２；２１２；３１２の表面と同一平面とすることができる。これに代わって、密閉部材２１；２２を被せる前に、圧延、型押しあるいは押付けによって、半電池１１；１１１；２１１；３１１または１２；１１２；２１２；３１２上にオフセット２５を作り、その結果この密閉部材２１，２２を、絶縁層１３１；３３１が存在する場合には、その絶縁層を含めて、半電池の表面と同一平面とするものである。

同様に、半電池３１１上に直に形成した絶縁層３３１（図３ｂ参照）は、圧延、型押しあるいは押付けによって、半電池３１１の表面と同一平面とするか、あるいはこれに代わって、絶縁層３３１を形成する前に、同じく圧延、型押しあるいは押付けによって、半電池３１１上に、それに対応するオフセットを作り、その結果絶縁層３３１を半電池３１１の表面と同一平面とすることができる。

絶縁層１３１；３３１または３３２は、スパッタリング、キャスティング、鍍金またはエッチングにより作ることができる。

代替の方法においては、先ず密閉部材２１，２２を半電池１１または１２の側端に被せて、次にマトリックス３を一方の半電池１１または１２上に形成することができ、その場合このマトリックスは、同時に密閉部材２１または２２と、それと対向して存在する形の半電池１２または１１あるいはそれと対向して存在する形の密閉部材２２または２１との間の絶縁層３１として機能するものである（図１ｂ参照）。

基本的な構造を説明するための燃料電池の模式的な斜視断面図 この発明の第一実施例を図示するための燃料電池の模式的な斜視断面図 この発明の第二実施例による燃料電池の模式的な斜視断面図 この発明の第三実施例による燃料電池の模式的な斜視断面図 この発明の第四実施例による燃料電池の模式的な斜視断面図 図２に図示した実施例における密閉部材の様々な絶縁方法を説明するための燃料電池の模式的な斜視断面図 図２に図示した実施例における密閉部材の様々な絶縁方法を説明するための燃料電池の模式的な斜視断面図 この発明の一実施例による密閉部材の横断面の模式的な拡大図 この発明の一実施例による、半電池の側端を密封するための密閉部材とともに、多孔質構造で構成されたカレントコレクタとこれによって支持された電極を有する燃料半電池の断面の模式的な拡大図 この発明の一実施例による、カレントコレクタを構成する多孔質構造の一部の、その上に電極を配置した形の横断面の模式的な拡大図 縮尺を若干小さくした形での図６のカレントコレクタを構成する多孔質構造の斜視図

符号の説明

１ アノード
２ カソード
３ 電解質マトリックス
４ セパレータ板
４ａ，４ｂ カレントコレクタ
４ｃ バイポーラプレート
１０；１１０；２１０；３１０ 燃料電池
１１；１１１；２１１；３１１ アノード半電池
１２；１１２；２１２；３１２ カソード半電池
１７，１８ 流路
２１；１２１；２２１；３２１；４２１；２２；１２２；２２２；３２２ 密閉部材 ２５ オフセット
３１；１３１；３３１；３３２ 絶縁層

Claims (10)

1. アノード（１）、カソード（２）およびこれらの間に配置された電解質マトリックス（３）または電解質層、ならびにアノード（１）上とカソード（２）上に配置されたカレントコレクタ（４ａ，４ｂ）を有する燃料電池又は溶融炭酸塩型燃料電池であって、これらのカレントコレクタは、アノード（１）またはカソード（２）と電気的に接続されるとともに、アノード（１）またはカソード（２）への燃料ガスまたはカソードガスのガス流路（１７，１８）を構成し、その際アノード側のカレントコレクタ（４ａ）は、アノード（１）とともにアノード半電池（１１）を構成し、カソード側のカレントコレクタ（４ｂ）は、カソード（２）とともにカソード半電池（１２）を構成する燃料電池において、
   半電池（１１，１２）の縁に沿ってＵ字形に形成された密閉部材（２１，２２）が配備されており、それらの密閉部材の辺が半電池（１１，１２）の側端を包み込んで密封していることと、
   半電池（１１，１２）の間に延びる電解質マトリックス（３）または電解質層が、半電池（１１，１２）の間に有る密閉部材（２１，２２）の辺の領域にも延びるとともに、一方の半電池（１１）の密閉部材（２１）を他方の半電池（１２）の密閉部材（２２）に対して電気的に絶縁する絶縁層を構成することと、
   を特徴とする燃料電池。
2. 密閉部材（２１，２２）が、それぞれ互いに対向して存在する形で、アノード半電池（１１）およびにカソード半電池（１２）に配備されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. カレントコレクタ（４ａ，４ｂ）が、多孔質構造で構成されており、この多孔質構造は、アノード（１）またはカソード（２）を支持するとともに、この多孔質構造内には、燃料ガスまたはカソードガスをアノード（１）またはカソード（２）に供給するための流路（１７，１８）が形成されていることと、
   密閉部材（２１，２２）が、このカレントコレクタ（４ａ，４ｂ）を構成する多孔質構造の側端、あるいはこのカレントコレクタ（４ａ，４ｂ）を構成する多孔質構造と、その上にアノード（１）またはカソード（２）が存在する場合には、そのアノードまたはカソードとの側端を包み込んで密封することと、
   を特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
4. カレントコレクタ（４ａ，４ｂ）を構成する多孔質構造が、焼結材料又は多孔質のニッケル焼結材料から構成されることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
5. カレントコレクタ（４ａ，４ｂ）を構成する多孔質構造が、固形物の含有量が４％から３５％までのニッケル発泡材料から構成されることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池。
6. 電解質マトリックス（３）または電解質層が、半電池（１１，１２）上にコーティング層を作ることによって形成されることを特徴とする請求項１から５までのいずれか一つに記載の燃料電池を製造するための方法。
7. 当該のコーティング層が、スパッタリング、鋳造、鍍金の中の少なくとも一つによって作られることを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 密閉部材（２１，２２）を半電池（１１，１２）の側端に被せることを特徴とする請求項６または７に記載の方法。
9. 半電池（１１，１２）上に、先ず密閉部材（２１，２２）を形成し、次に同時に絶縁層（３１）として機能するマトリックス（３）または電解質層を形成することを特徴とする請求項６から８までのいずれか一つに記載の方法。
10. マトリックス（３）または電解質層が、スパッタリング、鋳造、鍍金の中の少なくとも一つによって形成されることを特徴とする請求項９に記載の方法。

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