JP4447918B2 - Sofcpen - Google Patents
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Description
−製造から使用まで、すなわち、原料形態から、動作温度での構造及び焼結形態までの寸法安定性の改善;
−繊維を形成する材料を選択することによるレドックス安定性の改善;
−種々の層の熱膨張係数の調整、特にアノード支持体の熱膨張係数と他の層の熱膨張係数との適合性の改善。
−非構造化プラナー金属相互接続プレートi;その厚さは、約0.1〜2mmであることができる;
−多孔質カソード層cpc。このカソード層は、構造化されており、成形により形成したものであり、後面に高さ0.2〜1mmのバンプの形態の突出領域を有する。その頂上表面が、相互接続プレートiと接触している。バンプ間の空間は、ガス循環通路を構成している;
−薄活性カソード層cac;その厚さは、約1〜20μmでよい;
−電解質層e;その厚さは、約3〜20μmでよい;
−活性アノード層caa;その厚さは、約1〜20μmでよい;
−構造化された多孔質アノード支持層csa1;その厚さは、約0.1〜0.5mmでよく、ミクロ成形により形成でき、その後面に、高さ約0.2〜1mmのバンプの形態の突出領域を有する;
−約5〜20μmの薄アノードコレクター層cca1であり、アノード支持層上に付着させたものであり、バンプを被覆している。これらのバンプの頂上表面は、上プレートと同一である第二相互接続プレートiと接触しており、これとガス循環通路を構成している。
−「皿」型のワッシャを、使用できる。このワッシャは、単独で使用してもよいし、リップも構成している電極材料に埋め込んでもよい。耐熱性鋼シート、例えば、Fe22Cr製の「皿」ワッシャを使用でき、シート厚さは、約5〜200μm、特に20〜75μmである。ワッシャの内径と外径は、それぞれリップの内径と外径に等しい。比較的厚いリップを形成するために、多数の「皿」ワッシャを積み重ねてもよいし、又はそれらの小径のエッジに沿って2枚の「皿」ワッシャを互いに溶接してもよい。
−マイカワッシャを使用することもできる。マイカワッシャは、単独で使用してもよいし、リップの電極材料に埋め込んでもよい。
−極めて薄い金属ワッシャを使用することもできる。この金属ワッシャは、耐熱鋼又はアルミニウム若しくはアルミニウム-ニッケル製であり、シールとしてアコーデオン形状に圧縮した管の形態である。これは、単独で使用してもよいし、リップの電極材料に埋め込んでもよい。
−密閉細孔を有する金属フォームを、同じ条件下で使用することもできる。
−最後に、電極材料とガラス粉末との混合物からなるリップを形成したり、高密度セラミック又はガラスセラミックワッシャをリップの電極材料に埋め込んで使用することができる。
−マイカのストリップを、電極材料に埋め込むか又は埋め込まずに、電極プレートのエッジ上に配置すること、
−電極材料とガラス粉末との混合物からエッジングを形成すること、
−高密度セラミック又はガラスセラミックを電極材料に埋め込んで、エッジに配置すること。
第一工程において、ポジとしてガス流通路である「マスター」モールドを製造する。このマスターモールドは、金属部分を、例えば、電食により微細加工することにより製造できる。また、当該技術分野において公知のステレオリソグラフィ法又はUV LIGA法で製造してもよい。
ジルコニア粒子(8YSZ)及び酸化ニッケル粒子(ジルコニアの重量に対して60〜100%)(直径0.2〜1.5μm)を用いて、層を形成する。
実施例2と同じ操作を反復する。但し、重合開始剤として、ジエチレントリアミンをモノマーに対して5重量%の量で使用する。
長さ100μm及び直径10μmであるZrO2繊維20容積%を添加した実施例2のセラミック粉末を、高分子電解質分散剤(Duramax、D3005、Rohm and Haas社)を用いて水に分散する。水の質量に対して5〜15重量%の量のゼラチン(Gelatin Gelia、ドイツ国Stoess社)を、50℃の温度に加熱したこの分散液に添加する。ゼラチンが溶解したら、分散液を、ゴム型に注ぐ。分散液を脱ガスした後、ゴム型を、予め成形且つ焼結させた層の平滑な面に配置する。分散液が室温まで冷却され、24時間静置すると、この分散液がゲル化するので、ゴム型を除去できる。この段階で、突出構造が、固体の状態であり、下の層に接着している。
Niを45重量%含有するNi−8YSZ型のセラミック粉末に、Ni触媒5%を含有するCeO2粒子を10容積%添加する。得られた混合物を、高分子電解質分散剤(Duramax、D3005、Rohm and Haas社)を用いて水に分散する。アガロース(分析用アガロースLMP、米国Promega社)を、加熱した分散液に添加する(水の質量に対して5〜15重量%)。アガロースが溶解したら、分散液を、ゴム型に注ぐ。この時点で、分散液を脱ガスした後、ゴム型を、フラットセル(PEN)のアノード支持層上に配置する。分散液が室温まで冷却されると、この分散液がゲル化するので、ゴム型を除去できる。この段階で、ガス流通路及び集電通路が、固体の状態であり、セル(PEN)に付着(接着)している。
実施例5のセラミック粉末を、高分子電解質分散剤(Duramax、D3005、Rohm and Haas社)を用いて水に分散する。クリオゲル型ゼラチン(Cryogel220/240、ベルギー国PB Gelatins社)を、加熱した分散液に添加する(水の質量に対して5〜15重量%)。ゼラチンが溶解したら、分散液を、ゴム型に注ぐ。この時点で、分散液を脱ガスした後、ゴム型を、上記セルに配置する。分散液が室温まで冷却され、24時間静置すると、この分散液がゲル化するので、ゴム型を除去できる。この段階で、ガス流通路と集電要素とを含む構造化層が、固体の状態であり、セル(PEN)に付着(接着)している。
材料として、粒度が0.2〜1.5μmであるLSM(La0.7Sr0.3MnO3)又はLSCを使用できる。
ペースト又は分散液の入ったゴム型を、鋼シートからなる相互接続プレートに対して押し付けることを除いて、実施例5と同様の操作を反復する。ペースト又は分散液を固化すると、突出構造が、生の状態で相互接続プレートにより担持される。次に、この構造を、平面の予備焼結したアノードを有するPENと接触するように配置し、スタックをアセンブルした後、全体を、セルの動作温度(700℃〜800℃)にする。
ポリマー材料からなる格子状底なし型を、予め焼結した平滑なPEN上に配置する。実施例1〜4と同様の種類の液状又はペースト状分散体を、この型に付着させる。分散体は、金型を浸透するものであり、ローラーにより下の層に押し付ける。格子は、スタックを最初に高温で使用したときに燃えるので、突出構造を形成した後に除去する必要はない。
実施例9の最初の操作を反復するが、ペーストをゲル化する前に、金属相互接続プレートを臨時型上に付着させる。ゲル化すると、相互接続プレート及びPENが、ゲルにより互いに接着する。これらにより、スタックの要素が構成される。格子は、高温で動作すると破壊される。
酸化ニッケル粉末(40重量%)とジルコニア粉末(8YSZ)との混合物を含有するペースト又は分散液を、実施例1〜4の方法のうちの一つにより調製する。ゴム型に、この分散液を0.5mmの高さまで充填する。分散液が固化したら、固化物を金型から取り出し、生状態のアノード支持体を構成する。アノード支持体の構造化側に、ジルコニア粉末(8YSZ、0.05<D50<1μm)、水、分散剤(Duramax D3005)及びポリマー(Natrosol HEC MR、フランス国Aqualon社)からなるペーストの層状に付着させる。この構造体上のペースト層の厚さは、50〜100μmである。このペーストを乾燥すると、ジルコニア8YSZの残留層がアノード支持構造体に追従し、その厚さは、3〜15μmである。この層は、電解質を構成する。このジルコニアの薄層により被覆されたアノード支持体を、オーブンに入れ、1400℃の温度で4時間焼結する。次に、LSM粉末(La0.8Sr0.2MnO3、0.05<D50<2μm)、水、分散剤(Duramax D3005)及びポリマー(Natrosol HEC MR)からなるペーストの層を、焼結電解質上に付着させる。構造体上のペーストの層の厚さは、50〜100μmである。この層を乾燥すると、LSM層が電解質の構造体に追従し、その残留厚さは、3〜15μmとなる。全体を、再び1200℃で2時間焼結させる。
2つのゴム型に、ペースト状態の分散体を0.2〜1mmの高さまで充填する。2つの分散体が固化したら、非固化分散体の薄層を2つの面の間に付着させた後、2つのゴム型を平滑固化分散体がみえる面同士を接合する。分散体の全てが固体の状態に移行したら、生の状態で形成したアノード支持体を、2つのゴム型から取り出す。次に、薄電解質及び薄カソードを、上記した実施例の操作を用いて付着できる。
活性カソード層、電解質層、活性アノード層及びアノード支持層(全てのこれらの層は、平面且つ平滑である)からなる取り扱い可能なアセンブリから、PENを形成する。全体が、ガスの供給及び排気用の孔を設けた直径120mmのディスク状である。アノードコレクター層を、実施例4の操作によりアノード側に付加する。多孔質カソード層を、実施例7の操作によりカソード側に付加する。このように形成したPEN20〜40個を、同じ孔を有するプラナー金属相互接続プレートと交互に積み重ね、このスタックを、SOFCシステムのチャンバーに組み込む。
両面が構造化され、前面が微細構造化され且つ電解質層と活性カソード層を担持するアノード支持体を、実施例12の操作で形成する。多孔質カソード層を、活性カソード層の上に、実施例7の操作で付加する。アノードコレクター層を、スプレーガンを用いてアノード支持体の後面に付着した後乾燥して付加する。次に、スタックを、実施例13と同様の方法で作製する。
Claims (29)
- 多孔質カソード層(cpc)と、電気化学的活性カソード層(cac)とを含むカソードと;電気化学的活性アノード層(caa)と、PEN(正極−電解質−負極)の機械的支持体を構成するアノード支持層(csa)と、前記アノード支持層の後面を被覆しているアノードコレクター層(cca)とを含むアノード層を含むアノードと;前記電気化学的活性アノード層と前記電気化学的活性カソード層との間に配置された少なくとも1層の電解質層(e)と、を備えたSOFC(固体酸化物形燃料電池)PENであって、前記アノードコレクター層が、相互接続プレート(i)と接触するように設計されたその後面上に、前記相互接続プレートとともにガス循環通路を形成するように選択された突出構造を構成することを特徴とする、SOFC PEN。
- 前記カソードも、相互接続プレート(i)と接触するように設計されたその後面上に、前記相互接続プレートとともにガス循環通路を構成するように選択される突出構造を形成することと、前記アノードの突出構造と前記カソードの突出構造が、各々互いに間隔をおいて配置された複数の突出したバンプ(6)を有し、前記アノードのバンプの頂上表面が同一平面上にあり且つ前記カソードのバンプの頂上表面に対して平行であり、前記カソードのバンプの頂上表面を同様に互いに同一平面上にすることを特徴とする、請求項1に記載のSOFC PEN。
- 前記SOFC PENが、軸方向にそれを貫通する少なくとも一個の第一孔(1)と少なくとも一個の第二孔(2)を有することと、前記アノードの後面の前記突出構造が前記第一孔を包囲する少なくとも一個の第一リップ(3)を有することと、前記カソードの後面の前記突出構造が前記第二孔を包囲する少なくとも一個の第二リップを有し、前記第一孔が前記第二リップにより包囲されておらず、前記第二孔が前記第一リップにより包囲されていないことを特徴とする、請求項2に記載のSOFC PEN。
- 前記カソードの後面の突出構造と前記アノードの後面の突出構造が、各々各後面を包囲するエッジング(4)を有するとともに、各々が相互接続プレートとともに、前記エッジングの開口部(5)を除いてシールされるチャンバーを構成することができることを特徴とする、請求項3に記載のSOFC PEN。
- 前記SOFC PENが、少なくとも4個の軸方向孔を有することと、前記アノードの後面の前記突出構造と前記カソードの後面の前記突出構造が、各々それぞれ前記後面を包囲するエッジングと、それぞれ燃料と酸化性ガスの各々について、少なくとも一個の入口孔(7、9)と少なくとも一個の出口孔(8、10)を有することを特徴とする、請求項3に記載のSOFC PEN。
- 前記電解質側のアノードの前面も、突出構造を有することを特徴とする、請求項1〜5のいずれかに記載のSOFC PEN。
- 前記アノード支持層(csa)がその前面に突出構造を有することと、前記電気化学的活性アノード層(caa)、前記電解質(e)及び前記カソード(cac、cpc)が、前記前面の前記突出構造を被覆する薄層からなることと、前記アノード支持層の前面の前記突出構造が、前記カソードの後面がそれと接触する相互接続プレートとともにガス循環通路を構成することができるように選択されることを特徴とする、請求項6に記載のSOFC PEN。
- 前記アノード支持層の前面の前記構造が、モールドを利用する成形法により形成されることと、前記薄層が付着法により形成されることを特徴とする、請求項7に記載のSOFC PEN。
- 前記アノードの前面の前記突出構造が高さ0.2〜2mmの複数のバンプを有することと、隣接するバンプの側面間距離が0.1〜2mmであることを特徴とする、請求項7及び8のいずれかに記載のSOFC PEN。
- 前記アノード支持層(csa)がその前面に前突出構造を有することと、前記電気化学的活性アノード層(caa)、前記電解質(e)及び前記電気化学的活性カソード層(cac)が薄層からなることと、前記多孔質カソード層(cpc)が、相互接続プレートと接触するように設計されたその後面上に、前記相互接続プレートとともにガス循環通路を構成するように選択された突出構造を有することを特徴とする、請求項6に記載のSOFC PEN。
- 前記アノード支持層の前面の前記前突出構造が、スタンピングにより形成されたものであることを特徴とする、請求項10に記載のSOFC PEN。
- 前記アノード支持層の前面の前記前突出構造が、モールドを利用する成形法により形成されたものであることを特徴とする、請求項10に記載のSOFC PEN。
- 前記アノード支持層の前面の前記前突出構造が、モールドを利用する成形法及びゲル化により形成されたものであることを特徴とする、請求項12に記載のSOFC PEN。
- 前記前突出構造の突出要素の高さが0.1〜2mmであることと、隣接する要素間距離が50μm〜2mmであることを特徴とする、請求項10〜13のいずれかに記載のSOFC PEN。
- 前記アノードの前面の前記突出構造の要素の高さと厚さの比が、1〜4であることを特徴とする、請求項6〜14のいずれかに記載のSOFC PEN。
- 前記アノードが、前記アノード支持層の平滑後面を前記アノードコレクター層の平滑前面に接合することにより形成されたものであることを特徴とする、請求項6〜15のいずれかに記載のSOFC PEN。
- 前記アノードと前記カソードの前面及び/又は後面の前記突出構造が、モールドを利用する成形法により形成されることを特徴とする、前記請求項のいずれかに記載のSOFC PEN。
- 前記アノード支持層及び/又は前記アノードコレクター層の材料が、セラミック繊維及び金属繊維から選択された繊維を含むことを特徴とする、請求項1〜17のいずれかに記載のSOFC PEN。
- 前記繊維の割合が、総容積基準で20〜40容積%であることを特徴とする、請求項18に記載のSOFC PEN。
- 前記多孔質カソード層の材料が、セラミック繊維を含むことを特徴とする、請求項1〜19のいずれかに記載のSOFC PEN。
- 前記繊維の直径(d)が1〜50μmであり、L/d比が2〜30であることを特徴とする、請求項18〜20のいずれかに記載のSOFC PEN。
- 前記アノード支持層及び/又は前記アノードコレクター層の材料が、セラミック粒子上に付着したNi、セラミック粒子上に付着したNiCu、クロマイト、CeO2及びそれらの混合物から選択された改質触媒を含むことを特徴とする、請求項1〜21のいずれかに記載のSOFC PEN。
- 触媒量が、前記アノードの材料の5〜15容積%であることを特徴とする、請求項22に記載のSOFC PEN。
- 請求項3〜22のいずれかに記載の複数のPENと相互接続プレートとを交互に積層したSOFCスタックであって、前記相互接続プレートの各々が、積層軸でみたときに、PENの孔と一致している孔を備えた平滑且つ平面なプレートであることを特徴とする、SOFCスタック。
- 前記アノードと前記カソードの前面及び/又は後面の前記突出構造が、モールドを利用する成形法とゲル化により形成されることを特徴とする、請求項17に記載のSOFC PEN。
- 前記繊維の割合が、総容積基準で25〜35容積%であることを特徴とする、請求項19に記載のSOFC PEN。
- 前記多孔質カソード層の材料が、LSM繊維及びLSC繊維から選択された繊維を含むことを特徴とする、請求項20に記載のSOFC PEN。
- 前記繊維の直径(d)が2〜30μmであり、L/d比が5〜25であることを特徴とする、請求項21に記載のSOFC PEN。
- 前記繊維の直径(d)が5〜15μmであり、L/d比が8〜20であることを特徴とする、請求項21に記載のSOFC PEN。
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