JP5119275B2

JP5119275B2 - 燃料電池及びその製造方法

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Publication number: JP5119275B2
Application number: JP2010000126A
Authority: JP
Inventors: 振嘉周; 宗和葉
Original assignee: National Taiwan University of Science and Technology NTUST
Current assignee: National Taiwan University of Science and Technology NTUST
Priority date: 2009-01-07
Filing date: 2010-01-04
Publication date: 2013-01-16
Anticipated expiration: 2030-01-04
Also published as: TW201027831A; WO2010079376A1; US20100173215A1; JP2010161074A; TWI377731B; US8298722B2

Description

本発明は、燃料電池に関し、特に、製造が容易な、且つ強度の高い積層セラミックの燃料電池に関するものである。

図１を参照下さい。基板１０、第１電極２１、第２電極２２、第１カバー層３１と第２カバー層３２を含む従来の燃料電池１を表している。基板１０は、第１面と第２面を含む。第１電極２１は、第１面に形成され、第２電極２２は、第２面に形成される。第１カバー層３１は、接着剤（ガラスセメント）４０によって第１表面の上に設置され、第２カバー層３２は、接着剤（ガラスセメント）４０によって第２表面の上に設置される。第１カバー層３１と第２カバー層３２の材料は、ステンレスである。従来技術では、接着剤４０が温度または他の要素の影響を受けて、その接着力が低下するために、第１カバー層３１と第２カバー層３２が基板１０から脱離され、信頼度が望ましくなかった。また、接着剤４０によって第１カバー層３１と第２カバー層３２を基板１０に接合する製造プロセスは、比較的複雑である。

第１ユニット電池と第２ユニット電池を積層することで構成された燃料電池アセンブリが開示されている（特許文献１参照）。電池アセンブリでは、第１ユニット電池と第２ユニット電池は互いに異なる構造を有する。この構造は、積層により燃料電池を設置する方式であるが、その酸化気体と燃料気体の進行方式は、本発明とやや異なるため、明白な差異がある。

固体酸化物の燃料電池の積層が開示されている（特許文献２参照）。この構造は、積層で燃料電池を設置する方式であるが、その酸化気体と燃料気体の進行方式は、本発明とやや異なり、且つ本発明は、前記の燃料電池構造とも異なる。

また、積層により設置する燃料電池が開示されている（特許文献３参照）が、その酸化気体と燃料気体の進行方式は、本発明とやや異なる。

現時点での従来の技術は、材料設計と共焼の方式を用いて一体の電池スタックを製造しておらず、一部の特許だけが共焼の方式で陽極／電解質／陰極の単電池を製造している。本発明は、類似の“積層セラミック素子の概念”によって、各ガスチャンバ層、流路層と、双極板層を電解質と同一の、または類似の材料を用いて“共焼プロセス”と合わせ、“一体成形”の積層セラミックの電池スタックを製造することができる。本発明が他の発明と異なるところは、多種類の相違性の大きい材料を『堆積』を用いて形成した電池スタックでなく、『積層』の概念を用いて一体成形して製造した電池スタックである。共焼の方式は、共焼の方式を用いて陽極／電解質／陰極の単電池を製造しているだけでなく、流路、双極板、導電線、導電孔、集電層と、ガスチャンバの電池スタックの各部位も含む。このような透過材料の設計は、拡散の方式を用いて各インターフェースの箇所を接合し、素子の強度の高さとその寿命を大幅に上げ、他の発明が採用している熱膨張係数が異なり、適合が容易でない材料で堆積を行うことで生じる可能性がある、インターフェースの接着性の悪さと素子の信頼度の問題をなくすことができる。

よって、本発明は、同時に複数の電池スタックの集合設計概念を含み、より簡単な方式を用いて複数の積層セラミックの電池スタックを接合し、各ユニットを並列接続してより大きい電気エネルギーを提供する。

台湾特許第００５４１７５４号米国特許第７２７０９０６号特開２００４−８７１９０号公報

製造が容易な燃料電池を提供する。

本発明の燃料電池は、基板層、第１電極、第２電極、第１チャンバ層、及び第２チャンバ層を含む。基板層は、第１面と第２面を含み、第１面は、第２面に相反する。第１電極は、第１面の上に形成される。第２電極は、第２面の上に形成される。第１チャンバ層は、第１電極の上に設置される。第１チャンバ層は、第１流路と第１燃料チャンバを有する。第１流路は、第１燃料チャンバに接続され、第１気体が第１流路を通って第１燃料チャンバに入り、第１電極に接触する。第２チャンバ層は、第２電極の上に設置される。第２チャンバ層は、第２流路と第２燃料チャンバを有する。第２流路は、第２燃料チャンバに接続され、第２気体が第２流路を通って第２燃料チャンバに入り、第２電極に接触する。基板層、第１電極、第２電極、第１チャンバ層、及び第２チャンバ層は、共焼成の方式で結合される。

本発明の実施例では、基板層、第１チャンバ層、及び第２チャンバ層の材料は、選ばれて適合される。また、特定の焼結プロセスを用いて、基板層、第１チャンバ層と、第２チャンバ層を焼結の方式によって結合している。よって、燃料電池の構造の強度と信頼度を上げることができる。また、そのプロセスは、より簡単で、密封の問題も減少することができる。

従来の燃料電池を示している。本発明の実施例１の燃料電池の分解図を示している。図２のＩ−Ｉ方向の断面図を示している。本発明の実施例１の燃料電池の組合わせ図を示している。図２のＩＩ−ＩＩ方向の断面図を示している。複数の燃料電池が１つの電池スタックに積層されているのを示している。図４Ａの燃料電池が並列接続の方式でより大きな電流を提供するのを示している。燃料電池が直列接続の方式でより大きな電圧を提供するのを示している。本発明の実施例２の燃料電池を示している。本発明の実施例２の変形例の燃料電池を示している。複数の電池スタックが１つの電池ユニットの中に統合された本発明のもう１つの実施例を示している。

本発明についての目的、特徴、長所が一層明確に理解されるよう、以下に実施形態を例示し、図面を参照にしながら、詳細に説明する。

図２は、本発明の実施例１の燃料電池１００の分解図を示している。図３Ａは、図２のＩ−Ｉ方向の断面図を示している。図３Ｂは、本発明の実施例１の燃料電池１００の組合わせ図を示している。図２、３Ａ及び３Ｂを参照下さい。本発明の実施例１の燃料電池１００は、基板層１１０、第１電極１１１、第２電極１１２、第１チャンバ層１２０、及び第２チャンバ層１３０を含む。基板層１１０は、第１面１１３と第２面１１４を含み、第１面１１３は、第２面１１４に相反する。第１電極１１１は、第１面１１３の上に形成される。第２電極１１２は、第２面１１４の上に形成される。

第１チャンバ層１２０は、第１電極１１１の上に設置される。第１チャンバ層１２０は、第１流路１２１と第１燃料チャンバ１２２を有する。第１流路１２１は、第１燃料チャンバ１２２に接続され、第１気体（酸素）１０１が第１流路１２１を通って第１燃料チャンバ１２２に入り、第１電極１１１に接触する。第２チャンバ層１３０は、第２電極１１２の上に設置される。第２チャンバ層１３０は、第２流路１３１と第２燃料チャンバ１３２を有する。第２流路１３１は、第２燃料チャンバ１３２に接続され、第２気体（水素）１０２が第２流路１３１を通って第２燃料チャンバ１３２に入り、第２電極１１２に接触する。基板層１１０、第１電極１１１、第２電極１１２、第１チャンバ層１２０、及び第２チャンバ層１３０は、共焼成の方式で結合される。

この実施例では、第１燃料チャンバ１２２と第２燃料チャンバ１３２は、スルーホールである。

上述の実施例では、第１気体（酸素）１０１は、第１電極１１１で酸素イオンにイオン化される。酸素イオンは、基板層１１０に入り、第２電極１１２に移動し、第２気体（水素）１０２と反応して水、熱エネルギー、及び電気エネルギーを形成する。

本発明の実施例１の燃料電池１００では、第１チャンバ層１２０は、第１表面１１３の上に設置され、第２チャンバ層１３０は、第２表面１１４の上に設置される。第１チャンバ層１２０は、第３流路１２３を有し、第２チャンバ層１３０は、第４流路１３３を有する。前記基板層１１０は、第５流路１１５と第６流路１１６を有する。第５流路は第１流路１２１と第４流路１３３に接続され、第６流路１１６は、第２流路１３１と第３流路１２３に接続される。

図３Ｃは、図２のＩＩ−ＩＩ方向の断面図を示している。図２と図３Ｃを参照下さい。基板層１１０は、導線孔１１７を有し、第１チャンバ層１２０は、導線孔１２４を有し、第２チャンバ層１３０は、導線孔１３４を有する。導線孔１１７、導線孔１２４、及び導線孔１３４は、導線１１７１、導線１２４１と、導線１３４１を収容するように用いられ、燃料電池より発生した電気エネルギーを伝導する。

図３Ａを参照下さい。第１電極１１１は、第１集電層１１１１を含む。第１集電層１１１１は、第１電極１１１の表面に形成される。第２電極１１２は、第２集電層１１２１を含む。第２集電層１１２１は、第２電極１１２の表面に形成される。

基板層の材料は、（ａ）２価と３価陽イオンを単一／共ドープした酸化セリウムと酸化ジルコニウム；（ｂ）ＬａＭｏ_２Ｏ_９；（ｃ）ペロブスカイトを含む。

第１電極と第２電極は、プラチナ、金、パラジウム、ロジウム、イリジウム、ルテニウム、オスミウム、ニッケル、コバルト、鉄、（ｂ）ランタンストロンチウムマンガナイト（ＬａＳｒＭｎＯ_３）またはランタンコバルト−セリア系材料（ＬａＳｒＣｏＦｅＯ_３）、（ｃ）酸化セリウムとＬａＳｒＭｎＯ_３で構成された複合材料、または酸化セリウムとＬａＳｒＣｏＦｅＯ_３で構成された複合材料を含む。一実施例では、第１電極と第２電極は、炭化、毒化、または硫化を防止するために、酸化銅または酸化セリウムなどからなる第２相の材料を更に含む。

第１チャンバ層と第２チャンバ層の材料は、（ａ）２価と３価陽イオンを単一／共ドープした酸化セリウムと酸化ジルコニウム；（ｂ）ＬａＭｏ_２Ｏ_９；（ｃ）ペロブスカイト；（ｄ）アルミン酸マグネシウムスピネル系材料；（ｅ）ランタンアルミニウム酸化物系材料；または（ｆ）アルミニウム酸化物系材料であることができる。

基板層、第１電極、第２電極、第１チャンバ層、及び第２チャンバ層は、電気炉、雰囲気炉、マイクロ波焼成炉、レーザーアニール、または熱圧などのいずれかの方式によって共焼成されてなる。焼結温度は、６００℃〜８００℃の間（薄膜プロセス）、または１３００℃〜１６００℃の間（厚膜プロセス）である。

第１電極と第２電極は、スクリーン印刷、インクジェットプリント、塗布、リフトオフ（ｌｉｆｔ−ｏｆｆ）などのいずれかの方式で形成される。第１電極と第２電極の厚さは、０.１ｍｍ〜１μｍの間（厚膜プロセス）、または１μｍ〜２０ｎｍの間である（薄膜プロセス）。

本発明の実施例では、基板層、第１チャンバ層、及び第２チャンバ層の材料は、選ばれて適合される。また、特定の焼結プロセスを用いて、基板層、第１チャンバ層、及び第２チャンバ層を焼結の方式によって結合している。よって、燃料電池の構造の強度と信頼度を上げることができる。また、そのプロセスは、より簡単で、密封の問題も減少する。

図４Ａを参照下さい。複数の燃料電池を、１つの電池スタック１００’として積層することができる。電池スタック１００’では、第１気体（酸素）１０１は、上述の互いに接続された第５流路１１５、第１流路１２１、及び第４流路１３３の中で流動する。第２気体（水素）１０２は、上述の互いに接続された第６流路１１６、第２流路１３１、及び第３流路１２３の中で流動する。カバー層１４１は、電池スタック１００’の上部に設置され、カバー層１４２は、電池スタック１００’の底部に設置される。カバー層１４１とカバー層１４２は、第１気体（酸素）１０１と第２気体（水素）１０２の流路を制限する。本発明の実施例の電池スタック１００’は、より簡単な構造でより小さい体積でより多くの電力を提供する。

図４Ｂを参照下さい。図４Ａの燃料電池が並列接続の方式でより大きな電流を提供するのを示している。図４Ｃは、本発明のもう１つの実施例を示しており、燃料電池が直列接続の方式で接続されてより大きな電圧を提供するのを示している。

図５は、本発明の実施例２の燃料電池２００を示している。本発明の実施例２の燃料電池２００は、基板層２１０、第１電極２１１、第２電極２１２、第１チャンバ層２２０、第２チャンバ層２３０、第１カバー層２５１、及び第２カバー層２５２を含む。基板層２１０は、第１面２１３と第２面２１４を含み、第１面２１３は、第２面２１４に相反する。第１電極２１１は、第１面２１３の上に形成される。第２電極２１２は、第２面２１４の上に形成される。

第１チャンバ層２２０は、第１電極２１１の上に設置される。第１チャンバ層２２０は、第１流路２２１と第１燃料チャンバ２２２を有する。第１流路２２１は、第１燃料チャンバ２２２に接続され、第１気体（酸素）１０１が第１流路２２１を通って第１燃料チャンバ２２２に入り、第１電極２１１に接触する。第２チャンバ層２３０は、第２電極２１２の上に設置される。第２チャンバ層２３０は、第２流路２３１と第２燃料チャンバ２３２を有する。第２流路２３１は、第２燃料チャンバ２３２に接続され、第２気体（水素）１０２が第２流路２３１を通って第２燃料チャンバ２３２に入り、第２電極２１２に接触する。基板層２１０、第１電極２１１、第２電極２１２、第１チャンバ層２２０、及び第２チャンバ層２３０は、共焼成の方式で結合する。

第１電極２１１は、第１集電層２１１１を含む。第１集電層２１１１は、第１電極２１１の表面に形成される。第２電極２１２は、第２集電層２１２１を含む。第２集電層２１２１は、第２電極２１２の表面に形成される。

本発明の燃料電池２００の各素子の材料と焼結方法は第１実施例と同じである。

図６は、本発明の実施例２の変形例の燃料電池２００’を示している。その特色は、燃料電池２００’が第１導線孔２４１と第２導線孔２４２を有することである。第１導線孔２４１は、接続経路２２３によって第１燃料チャンバ２２２に接続され、第１気体１０１を第１燃料チャンバ２２２から第１導線孔２４１に流す。第２導線孔２４２は、接続経路２３３によって第２燃料チャンバ２３２に接続され、第１気体１０２を第２燃料チャンバ２３２から第２導線孔２４２に流す。

図７は、本発明のもう１つの実施例を示している。複数の電池スタック１００’が１つの電池ユニット３００の中に統合されている。電池ユニット３００は、第１ユニットチャンバ３１０と第２ユニットチャンバ３２０を含む。電池スタック１００’は、第１ユニットチャンバ３１０と第２ユニットチャンバ３２０の間に互いに平行して接地される。各電池スタック１００’は、第１接続孔１０３’と第２接続孔１０４’を有する。第１気体（酸素）１０１は、第１ユニットチャンバ３１０の中で流動する。第２気体（水素）１０２は、第２ユニットチャンバ３２０の中で流動する。第１気体（酸素）１０１と第２気体（水素）１０２は、第１接続孔１０３’と第２接続孔１０４’によって各電池スタック１００’に入る。図７の実施例では、電池ユニット３００は、並列または直列の方式で接続され電力を上げることができる。

本発明の燃料電池は、直列接続の方式で複数の単電池を積層し、単電池の両側に第１燃料チャンバ層と第２燃料チャンバ層を設置して、最外層の第１燃料チャンバ層を複数の単電池によって最外層の第２燃料チャンバ層と接続させる。本実施例は簡単な圧膜プロセスを用いているため、燃料電池を一体成形にしているが、優れた機械強度と発電の安定性を得るため、積層構造の固体酸化物の燃料電池スタックを安価で簡単に製造することができる。

以上、本発明の好適な実施例を例示したが、これは本発明を限定するものではなく、本発明の精神及び範囲を逸脱しない限りにおいては、当業者であれば行い得る少々の変更や修飾を付加することが可能である。従って、本発明が請求する保護範囲は、特許請求の範囲を基準とする。

１燃料電池
１０基板
２１第１電極
２２第２電極
３１第１カバー層
３２第２カバー層
４０接着剤（ガラスセメント）
１００、２００、２００’ 燃料電池
１００’ 電池スタック
１０１第１気体（酸素）
１０２第２気体（水素）
１０３’ 第１接続孔
１０４’ 第２接続孔
１１０、２１０基板層
１１１、２１１第１電極
１１１１、２１１１第１集電層
１１２、２１２第２電極
１１２１、２１２１第２集電層
１１３、２１３第１面
１１４、２１４第２面
１１５第５流路
１１６第６流路
１１７導線孔
１１７１導線
１２０、２２０第１チャンバ層
１２１、２２１第１流路
１２２、２２２第１燃料チャンバ
１２３第３流路
１２４導線孔
１２４１導線
１３０、２３０第２チャンバ層
１３１、２３１第２流路
１３２、２３２第２燃料チャンバ
１３３第４流路
１３４導線孔
１３４１銅線
１４０カバー
２４１第１導線孔
２４２第２導線孔

Claims

燃料電池であって、
互いに相反する第１面と第２面を含み、第５流路と第６流路とを備える基板層、
前記第１面の上に形成された第１電極、
前記第２面の上に形成された第２電極、
前記第１面および前記第１電極の上に設置され、第１燃料チャンバと前記第１燃料チャンバに接続された第１流路と、第３流路と、前記第１燃料チャンバに接続される第１導線孔とを有し、第１気体が前記第１流路および前記第１導線孔を通って前記第１燃料チャンバに入り、前記第１電極に接触する第１チャンバ層、及び
前記第２面および前記第２電極の上に設置され、第２燃料チャンバと前記第２燃料チャンバに接続される第２流路と、第４流路と、前記第２燃料チャンバに接続される第２導線孔とを有し、第２気体が前記第２流路および前記第２導線孔を通って前記第２燃料チャンバに入り、前記第２電極に接触する第２チャンバ層を含み、
前記基板層、前記第１電極、前記第２電極、前記第１チャンバ層、及び前記第２チャンバ層は、共焼成の方式で結合され、
前記第５流路は、前記第１流路と前記第４流路に接続され、前記第６流路は、前記第２流路と前記第３流路に接続され、
前記第１導線孔および前記第２導線孔は、それぞれ、孔内の側壁に導線を備えることを特徴とする燃料電池。
前記第１電極は、第１集電層を含み、前記第１集電層は、前記第１電極の表面に形成され、前記第２電極は、第２集電層を含み、前記第２集電層は、前記第２電極の表面に形成される請求項１に記載の燃料電池。
互いに相反する第１面と第２面を含み、第５流路と第６流路とを備え、前記第１面の上に第１電極が形成され、前記第２面の上に第２電極が形成された基板層を形成するステップ、
前記第１面および前記第１電極の上に設置され、第１燃料チャンバと前記第１燃料チャンバに接続された第１流路と、第３流路と、前記第１燃料チャンバに接続される第１導線孔とを有し、第１気体が前記第１流路および前記第１導線孔を通って前記第１燃料チャンバに入り、前記第１電極に接触する第１チャンバ層を形成するステップ、及び
前記第２面および前記第２電極の上に設置され、第２燃料チャンバと前記第２燃料チャンバに接続された第２流路と、第４流路と、前記第２燃料チャンバに接続される第２導線孔とを有し、第２気体が前記第２流路および前記第２導線孔を通って前記第２燃料チャンバに入り、前記第２電極に接触する第２チャンバ層を形成するステップを含み、
共焼成の方式で前記基板層、前記第１電極、前記第２電極、前記第１チャンバ層、及び前記第２チャンバ層を結合する燃料電池の製造方法の製造方法であって、
前記第５流路が、前記第１流路と前記第４流路に接続され、前記第６流路が、前記第２流路と前記第３流路に接続され、
前記第１導線孔および前記第２導線孔は、それぞれ、その側壁に導線を備えることを特徴とする燃料電池の製造方法。
前記基板層、前記第１チャンバ層と、前記第２チャンバ層は、電気炉、雰囲気炉、マイクロ波焼成炉、レーザーアニール、または熱圧のいずれかの方式によって共焼成されてなる請求項３に記載の燃料電池の製造方法。
共焼成の方式で前記基板層、前記第１電極、前記第２電極、前記第１チャンバ層、及び前記第２チャンバ層を結合するステップでは、焼結温度は、６００℃〜８００℃の間である請求項３または４に記載の燃料電池の製造方法。
共焼成の方式で前記基板層、前記第１電極、前記第２電極、前記第１チャンバ層、及び前記第２チャンバ層を結合するステップでは、焼結温度は、１３００℃〜１６００℃の間である請求項３または４に記載の燃料電池の製造方法。
前記第１電極と前記第２電極は、スクリーン印刷、インクジェットプリント、塗布、リフトオフ（ｌｉｆｔ−ｏｆｆ）のいずれかの方式で形成される請求項３〜６のいずれかに記載の燃料電池の製造方法。