JP5295959B2 - 電気化学セルのスタックの繰り返しユニット、スタック配置、および繰り返しユニットの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、請求項１の前文に従う、カソード−電解質−アノードユニットと、カソード−電解質−アノードユニットに接するインターコネクタプレートの第一層と、少なくとも一つのインターコネクタプレートの他の層と、を含む電気化学セルのスタックの繰り返しユニットに関する。本発明は、さらに、そのような繰り返しユニットを少なくとも２つ含む電気化学セルのスタック配置と、そのような繰り返しユニットの製造方法に関する。
一般的な繰り返しユニットでは、インターコネクタプレートの第一層は、導電性材料から作られ、カソード−電解質−アノードユニットに接し、対応する燃料電池または電界セル等の電気化学セルの反応領域において除去されたさらなる層を少なくとも一つ備えている。そのような繰り返しユニットは、通常結合され、繰り返しユニットがスタック方向において連続して配置されるスタックを形成する。連続する電気化学セルの間に配置されたインターコネクタプレートは、電気化学セルのアノードと、隣接する電気化学セルのカソードとの間で、電子伝達機能を果たす。そのようなスタックは、燃料電池スタックの場合、外部回路への電流を取り出し得る２枚のエンドプレート（トッププレートおよびベースプレート）により、通常終端処理される。
一般的な繰り返しユニットは、例えば、特許文献１で知られている。原材料（燃焼ガスおよび酸化剤）の経路構造を形成するための侵食または圧延による固体金属プレートから成るインターコネクタプレートを備えた従来の燃料電池ユニットに対して、前記文献で提案される種類の繰り返しユニットは、少ない工数および／またはコストで製造され得る。しかしながら、先行技術によるそのような繰り返しユニットのインターコネクタプレートの層は、層の結合部分で歪み、追加ステップでアニールされ、平面平行状態に戻される必要がある。
本発明の基本的な目的は、上記のような追加ステップが不要となる、より簡単に製造可能な同等の繰り返しユニットを提供することである。さらに、本発明の目的は、対応する繰り返しユニットの製造方法と、少ない工数で製造可能な電気化学セルのスタック配置とを提供することである。
本目的は、本発明により、請求項１の前文と併せた請求項１の特徴を有する繰り返しユニットと、請求項１１の特徴を有するスタック配置と、により解決される。本発明の有利な実施形態およびさらなる進歩が、従属クレームの特徴から得られる。
少なくとも一つのインターコネクタプレートの他の層が、表面が加工されていない平らな材料から形成され、電気化学セルの反応領域を囲む周辺領域における−金属シート等の導電性材料から作られる−インターコネクタプレートの第一層も表面が加工されていない平らな平面であり、カソード−電解質−アノードユニットおよびインターコネクタプレートの層全てが、周辺領域において互いに半田付けされていることで、提案する繰り返しユニットの特に簡易な製造を可能とする。本発明の代表的な実施形態においては、インターコネクタプレートの他の層は、第一層とカソード−電解質−アノードユニットとの間に配置され得る。本発明の好ましい実施形態では、インターコネクタプレートの他の層が、インターコネクタプレートの第一層のカソード−電解質−アノードユニットとは反対側にさらに配置される。さらに、反応領域が切除された次段のインターコネクタプレートの層が、カソード−電解質−アノードユニットの前述した層がある側とは反対側に配置され得る。これは、表面が加工されていない平らな材料から形成され、周辺領域においてカソード−電解質−アノードユニットに半田付けされる。インターコネクタプレートとカソード−電解質−アノードユニットの熱膨張係数の差により生じる、半田付けの間の変形は、これにより、より良く防ぐことができる。
このような繰り返しユニットの対応する有利な製造方法では、半田ペーストが、インターコネクタプレートの層２つのうち互いに接する２つの面の少なくとも一方、または、カソード−電解質−アノードユニットとインターコネクタプレートの層の少なくとも一方に適用され、この後、前記層および前記カソード−電解質−アノードユニットが互いに配置され、可能であれば押圧されて、仮組みされ、続いて、層とカソード−電解質−アノードユニットとが共に加熱されて互いに半田付けされる。ここで、互いに接するインターコネクタプレートの層、または、カソード−電解質−アノードユニットとそれに接する層とが、金属半田およびガラス半田の少なくとも一方によりそれぞれ互いに結合されるように、金属半田およびガラス半田の少なくとも一方が、半田ペーストとして使用され得る。仮組みは、室温で非常に簡単に行われる。半田付けのため、層は、カソード−電解質−アノードユニットと共に、加熱炉で全体が加熱され、半田付けは、好ましくは、600℃と1100℃の間の温度でのアニーリングにより行われる。
カソード−電解質−アノードユニットは、一般に、カソード層、電解質層、アノード層、さらに、支持体として機能する多孔質金属層を含む。しかしながら、そのような金属層の代わりに、カソード層、電解質層、またはアノード層自体も、カソード−電解質−アノードユニットを安定させる支持体として機能する。本発明の代表的な実施形態においては、電解質層は、固体電解質膜が備えられ、対応する電気化学セルは、500℃を超える動作温度、好ましくは、600℃を超える動作温度を有する高温型燃料電池であり得る。特に、種々の酸化物が、固体電解質として適する。このような高温型燃料電池は、SOFC（solid oxide fuel cell）とも呼ばれる。そのような高温型燃料電池用の繰り返しユニットの製造においては、対応する繰り返しユニットの製造において非常に高い温度が要求され、本発明では回避可能な変形防止が困難となるため、本発明の利点が特に分かる。
導電性多孔質接触エレメントが、インターコネクタプレートの第一層とカソード−電解質−アノードユニットとの間に備えられえる。これは、双方を接触させ、双方の間を電気的に繋ぐ。同様の接触エレメントが、カソード−電解質−アノードユニットのインターコネクタプレートの第一層がある側とは反対側に配置されて接触し、次段の繰り返しユニットのインターコネクタプレートに電気的に繋ぐ。そのような接触エレメントは、従ってカソード−電解質−アノードユニットに、より詳細には、それぞれアノード側またはカソード側で、アノード層またはカソード層に接する。それぞれアノード層またはカソード層と、接触するインターコネクタプレートとの間の電気的接触に加えて、そのような接触エレメントは、次段の電気化学セルに電気的に繋がるインターコネクタプレートの第一層が経路構造を有しない場合でも、反応剤ガスまたは反応生成物を通過させる。従って、インターコネクタプレートの第一層は、完全に非加工で、完全な平面金属シートから成ってもよく、これは介在するインターコネクタプレートの他の層にも当てはまる。この結果、特に少ない工数で製造され、半田付けの間、特に効果的に変形が回避される。
本発明の好ましい実施形態においては、前記多孔質接触エレメントは、特に導電性で耐食性のニッケル発泡体から、または、他の多孔質金属基質、または、耐熱性サーメット基質（サーメット−金属混合物）から形成され得る。そのような接触エレメントは、例えば、樹脂フィルム押し出し成型および続く焼結により製造され得る。本発明の他の実施形態においては、接触エレメントは、ここでは多孔質と呼ぶ金網からも形成され得る。繰り返しユニットの製造では、そのような接触エレメントは、層とカソード−電解質−アノードユニットとが互いに配置される前に、カソード−電解質−アノードユニットに対して、または、インターコネクタプレートの層−通常、第一層−に対して、好ましくは溶接され（好ましくはスポット溶接による）、または半田付けされる。代わりに、接触エレメントは、カソード−電解質−アノードユニットと、インターコネクタプレートの第一層との間の間隙空間に、緩く挿入されるだけでも良い。
インターコネクタプレートの第一層と同様に、他の層の少なくとも一つは、好ましくは特に低腐食性鋼のシート金属からも作られ得る。複数のインターコネクタプレートの層が、単一の材料から作られる場合、変形は特に容易に回避され得る。しかしながら、少なくとも一つのインターコネクタプレートの層がセラミック材料から作られてもよく、カソード−電解質−アノードユニットの反対側に隣接するインターコネクタプレートの層にもこれが当てはまる。これにより、特に熱的に安定した構造と、異なる層の間の周辺領域において良好な電気的絶縁とが得られる。本発明の代表的な実施形態では、複数のインターコネクタプレートの層は、それぞれ0.1mmと1mmの間の厚さを有する。このような寸法のインターコネクタプレートを有する繰り返しユニットは、可搬型SOFCスタックまたは電気化学セルの他の可搬型スタックの製造に特に適している。
カソード−電解質−アノードユニットおよびインターコネクタプレートの層の双方は、通常、周辺領域において、反応剤の供給または反応生成物の排出のための切り欠きを有する。従って、水素のような燃焼ガスは、カソード−電解質−アノードユニットのアノード側から供給され、空気や酸素のような酸化剤は、カソード側から供給される。例えば、アノード側にアニオン導電性電解質膜を備えた標準的なSOFCの場合、反応生成物として水が排出される。対応する反応剤供給および反応生成物の排出は、インターコネクタプレートの異なるきり欠き形状により簡単に実現可能である。カソード−電解質−アノードユニットおよびインターコネクタプレートの層の周辺領域においては、好ましくは各角において、対応する多数の繰り返しユニットのスタックをまとめる機能を果たすアンカー用の切り欠きが備えられ得る。このような切り欠きは、反応領域におけるインターコネクタプレートの層の切り欠きと同様に、繰り返しユニットのインストール前に、例えば、レーザー切削または電子ビーム切削による特に簡単な方法で、型押し出しまたは切り欠きされることで、実現され得る。
インターコネクタプレートの層用の表面が加工されていない平らな金属シートまたは材料を使用する前述した特徴は、凹部または切り欠きの型押し出し加工または切り欠き加工を否定するのではなく、切り欠きが形成されていない状態の材料の成型プロセスの省略と理解されたい。上述した、半田付けという表現は、一般にガラス半田を含むものと理解されたい。半田が、電気化学セルの動作温度範囲にある溶融温度で使用されても、問題はない。
本発明の実施形態を、図１および２を参照しつつ以下に記述する。
図１は、高温型燃料電池のスタック、より詳しくはSOFCスタック用の繰り返しユニットのコンポーネントと、電解質層としての固体電解質膜に接して、上面にカソード層を、下面にアノード層を有するカソード−電解質−アノードユニット１と、平面金属シートが型抜きされた、または、レーザー切削または電子ビーム切削によりカットされた、インターコネクタプレートの第一層２と、カソード−電解質−アノードユニット１と第一層２との間に配置されるインターコネクタプレートの他の層３と、第一層２のカソード−電解質−アノードユニット１がある側とは反対側に配置されるインターコネクタプレートのさらなる他の層４と、を示す。他の層３、４は、反応領域、すなわち、対応する電気化学セルの反応領域と並ぶ領域において切除され、第一層２と同様に、表面が加工されていない平らな金属シートから成る。他の層３、４は、代わりに平らなセラミック層で作られても良い。カソード−電解質−アノードユニット１と第一層２との間の反応領域において、他の層３の切除により形成された空洞空間は、カソード−電解質−アノードユニット１のアノード層とインターコネクタプレートの第一層２とを電気的に接続するとともに供給される反応剤と排出される反応生成物とを通過させる、導電性多孔質接触エレメント５を受け入れる。同様の接触エレメントが、第一層２のカソード−電解質−アノードユニット１がある側とは反対側にも備えられ、接触エレメント５と同様に、ある環境下において、スポット溶接により、第一層２と結合される。
反応領域を囲む周辺領域において、カソード−電解質−アノードユニット１およびインターコネクタプレートの層２、３、４は、互いに半田付けされる。このために、金属半田および／またはガラス半田であり得る半田ペースト６が、第一層２の上面と、インターコネクタプレートの他の層３、４の上面に、それぞれ適用される。
図１に示す繰り返しユニットの製造においては、まず、半田ペースト６が、インターコネクタプレートの層２、３、４の周辺領域に適用される。この後、層２と、接触エレメント５を備えた層３と、層４と、カソード−電解質−アノードユニット１とが、互いに重なって配置され、仮組みされる。この後、このように作られたアセンブリが、加熱炉において、600℃と1100℃の間の温度まで加熱され、アニーリングにより、互いに半田付けされる。ここで、接触エレメント５および図１に図示されない他の接触エレメントも、カソード−電解質−アノードユニット１またはインターコネクタプレートの第一層２に半田付けされ得る。
多孔質接触エレメント５は、ニッケル発泡体から成る。本発明の他の実施形態においては、接触エレメント５は、他の多孔質金属基質、サーメット基質、または金網で作られても良い。同様のことが、次段の繰り返しユニットのカソード面との接触のための、第一層２の下方の他の接触エレメントにも当てはまる。特に、樹脂フィルム押し出し成型と続く焼結が、接触フィルム５と、同様の他の接触エレメントの製造に適している。
周辺領域において、カソード−電解質−アノードユニット１、第一層２、および他の層４は、酸化ガス、好ましくは水素を、他の層３により規定される平面に供給するとともに、カソード−電解質−アノードユニット１のアノード面を規定するこの平面から反応性生物、一般的に水を排出するための、長尺の切り欠き７を有している。空気または酸素により供給され得る酸化剤の供給と、余剰な酸化剤ガスの排出のために、カソード−電解質−アノードユニット１、他の層３、および第一層２は、第二の長尺の切り欠き８を、周辺領域の残りの部分に有している。この切り欠きを介して、他の層４により規定され、多数のこのような繰り返しユニットのスタックの形成の後に次段の繰り返しユニットのカソード面を規定する平面への、酸化剤の供給が可能となる。さらに、円形の切り欠き９が、カソード−電解質−アノードユニット１、層２、インターコネクタプレート３、４の四隅にそれぞれ設けられている。この切り欠きは、４つのアンカーを用いて、多数のこのような繰り返しユニットから形成されたスタックの固定を可能にする。そのようなスタックは、一般に、ある環境下で互いに付加的に接着され、または半田付けされる、前述したタイプの繰り返しユニットを多数含む。
カソード−電解質−アノードユニット１、層２、インターコネクタプレート３、４における切り欠き７、８、９は、事前に切り欠きされ、または型押しされ、層２、３および４の場合、約0.5mmの厚さの平面金属シート片から加工される。カソード−電解質−アノードユニット１は、本実施形態では、電解質により支持される。しかしながら、カソードにより支持される、またはアノードにより支持される、カソード−電解質−アノードユニット、または、多孔質金属基質を備えた自身の支持層を有するものも考えられる。
図２に示す繰り返しユニットでは、同等の特徴が、同じ参照符号により再び提供される。図１の実施形態との相違は、図１において繰り返しユニットの最低部層を形成するインターコネクタプレートの他の層４の代わりに、スタック形態の場合に図２に示す繰り返しユニットの最上部に配置されるさらなる同様の繰り返しユニットに、関連する他の層が含まれる、同様のインターコネクタプレートの他の層４´が備えられることのみとなる。この次段のインターコネクタプレートの層４´は、本ケースでは、カソード−電解質−アノードユニット１にカソード側で接して半田付けされる。本実施形態の場合、半田ペースト６は、周辺領域において、第一層２および他の層３の上面と、カソード−電解質−アノードユニット１にそれぞれ適用される。
図２に示す実施形態のカソード−電解質−アノードユニット１は、従って、２つのインターコネクタ金属シートの間、すなわち、他の層３と、次段のインターコネクタプレートの層４´との間で両側でクランプされ、製造時における金属シートおよびカソード−電解質−アノードユニットの膨張係数の違いによる、繰り返しユニットの屈曲が、より良く回避され得る。
図２の実施形態は、従って、可搬型の高温型燃料電池用の繰り返しユニットの概略設計をも示している。繰り返しユニットは、上面に空気または酸素電極を備えた電解質により支持されるカソード−電解質−アノードユニット１を有する。このカソード−電解質−アノードユニット１の電解質層は、電極に燃焼ガスや空気を供給するための開口または切り欠き７および８を含むように、事前に加工される。同様にカットされた厚さ0.5mmの金属シートは、完成したスタックにおいてインターコネクタプレートを形成する。半田ペースト６は、図１の実施形態においても、スクリーン印刷により適用され、半田付けプロセスにより、層２、３、４´およびカソード−電解質−アノードユニット１を結合する。アノード側の接触エレメントのみが図示されている接触エレメント５は、ニッケル発泡体またはニッケルフリースから製造され、スポット溶接により、インターコネクタプレートの第一層２に機械的及び電気的に結合される。
１ カソード−電解質−アノードユニット
２ インターコネクタプレートの第一層
３ インターコネクタプレートの他の層
４ インターコネクタプレートの他の層
４´ インターコネクタプレートの他の層
５ 導電性多孔質接触エレメント
６ 半田ペースト
７ 長尺切り欠き
８ 長尺切り欠き
９ 切り欠き
２ インターコネクタプレートの第一層
３ インターコネクタプレートの他の層
４ インターコネクタプレートの他の層
４´ インターコネクタプレートの他の層
５ 導電性多孔質接触エレメント
６ 半田ペースト
７ 長尺切り欠き
８ 長尺切り欠き
９ 切り欠き
Claims (11)
- 電気化学セル用のスタックの繰り返しユニットであって、
カソード−電解質−アノードユニット（１）と、
インターコネクタプレートの第一層（２）と、
前記カソード−電解質−アノードユニット（１）に対向する少なくとも一つのインターコネクタプレートの他の層（３、４）と、
を含み、
前記インターコネクタプレートの第一層（２）が導電性材料で作られ、前記カソード−電解質−アノードユニット（１）に電気的に接し、前記他の層（３、４）の少なくとも一つが前記他の層（３、４）における前記電気化学セルの反応領域において切除され、
前記他の層（３、４）の少なくとも一つが、表面が加工されていない平らな材料から成り、前記インターコネクタプレートの第一層（２）もまた、前記反応領域を囲む少なくとも周辺領域において表面が加工されておらず平らであり、前記インターコネクタプレートの層（２、３、４）が前記周辺領域において反応剤の供給または反応生成物の排出のための切り欠き（７、８）を有し、
前記カソード−電解質−アノードユニット（１）および前記インターコネクタプレートの全ての層（２、３、４）が、前記反応領域を囲む前記周辺領域において互いに半田付けされ、前記カソード−電解質−アノードユニット（１）が前記周辺領域において反応剤の供給または反応生成物の排出のための切り欠き（７、８）を有すること、
を特徴とする繰り返しユニット。 - 前記カソード−電解質−アノードユニット（１）が、SOFC（固体酸化物型燃料電池）の、固体電解質膜を含むこと、
を特徴とする請求項１に記載の繰り返しユニット。 - 前記カソード−電解質−アノードユニット（１）と前記インターコネクタプレートの第一層（２）または次段の繰り返しユニットのインターコネクタプレートとの間の電気的接触を可能とする導電性多孔質接触エレメント（５）が、前記カソード−電解質−アノードユニット（１）のアノード側に対向して、および／またはカソード側に対向して、配置されること、
を特徴とする請求項１に記載の繰り返しユニット。 - 前記導電性多孔質接触エレメント（５）が、ニッケル発泡体、他の多孔質金属基質、サーメット基質、または金網から形成されていること、
を特徴とする請求項３に記載の繰り返しユニット。 - 前記インターコネクタプレートの第一層（２）が、表面が加工されていない平らな金属シートから作られ、完全に平坦であること、
を特徴とする請求項１に記載の繰り返しユニット。 - 前記他の層（３、４）の少なくとも一つが、金属シートまたはセラミック材料で作られること、
を特徴とする請求項１に記載の繰り返しユニット。 - 連続する前記インターコネクタプレートの層（２、３、４）と、前記カソード−電解質−アノードユニット（１）と、それに対向する前記インターコネクタプレートの層（３）とが、互いにガラス半田および／または金属半田により結合されていること、
を特徴とする請求項１に記載の繰り返しユニット。 - 表面が加工されていない平らな材料から形成され、前記周辺領域において前記カソード−電解質−アノードユニット（１）に半田付けされる、前記反応領域部分が除去された、次段の繰り返しユニットのインターコネクタプレートの層（４´）を、前記カソード−電解質−アノードユニット（１）の、前記インターコネクタプレートの層（２、３）のある側とは反対側に、少なくとも一つ含むこと、
を特徴とする請求項１に記載の繰り返しユニット。 - 前記インターコネクタプレートの層（２、３、４）の各層が、それぞれ0.1mmと1mmの間の厚さを有すること、
を特徴とする請求項１に記載の繰り返しユニット。 - 前記カソード−電解質−アノードユニット（１）のカソード基質、電解質基質、アノード基質、または前記カソード−電解質−アノードユニット（１）のアノード側に対向して、および／またはカソード側に対向して、付加的に配置される多孔質金属基質が、前記カソード−電解質−アノードユニット（１）の支持体として機能すること、
を特徴とする請求項１に記載の繰り返しユニット。 - 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の繰り返しユニットを少なくとも２つ含む、電気化学セルのスタック配置。
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