JPH11509361A - 高温燃料電池、高温燃料電池スタック及び高温燃料電池の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 少なくとも１つの電極（８、１２）に対向する少なくとも１つの複合導電板（４、１６；２０、２２、２４）を備え、この複合導電板（４、１６；２０、２２、２４）と電極（８、１２）との間に接触層（６、１４）が配置されている高温燃料電池設備（２）において、接触層（６、１４）は．、クロム以外にさらにＴｉ、Ｖ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ及びＣｕのグループから選択された２価の元素を含むスピネル構造を持つ酸化性混合結晶粉末から作られている。この構成の接触層（６、１４）は、充分な電気伝導度の他に高い熱力学的安定性を持つ。

Description

【発明の詳細な説明】 高温燃料電池、高温燃料電池スタック及び高温燃料電池の製造方法 この発明は、高温燃料電池、高温燃料電池スタック及び高温燃料電池の製造方 法に関する。 水を電気分解する際に水素分子が電流によって水素と酸素とに分解されること は知られている。燃料電池においてはこの反応が逆方向に行われる。即ち、水素 と酸素とを電気化学的に結合して水とする際に、電流が、しかも高効率で、また 燃料ガスとして純粋な水素が使用されるときは、有害物質や一酸化炭素を放出す ることなく発生する。工業的燃料ガス、例えば天然ガスと、純酸素の代わりとし て空気を使用しても、燃料電池は高効率に基づいて、化石エネルギー物質で働く 他の発電装置より明らかにエネルギー単位当たりの有害物質及びＣＯ₂の発生が 少ない。燃料電池の原理の技術的な変化は、非常に様々な形態の解決手段、即ち 色々な種類の電解質や８０℃乃至１０００℃の間の運転温度を持つ解決手段に導 いた。 固体電解質型高温燃料電池（ＳＯＦＣ）においては天然ガスが一次エネルギー 源として利用される。その非常にコンパクトな構造はＩＭＷ／ｍ³の出力密度を 可能としている。９００℃以上の運転温度を生み出している。 固体電解質型高温燃料電池からなる高温燃料電池積層体においては（専門文献 では燃料電池積層体は「スタック」とも称される）、この高温燃料電池積層体を 覆う上側の複合導電板の下に、順番に、接触層、固体電解質電極要素、もう１つ の接触層、もう１つの複合導電板等が積層されている。電解質電極要素は、その 場合、２つの電極と、これらの電極の間に配置された固体電解質とを有する。高 温燃料電池積層体内部の複合導電板はその場合バイポーラプレートとして構成さ れている。これらは高温燃料電池積層体の縁部に配置された複合導電板と異なり 、両側に固体電解質電極要素に作動媒体を供給するための通路を備えている。 その場合、それぞれ２つの隣接する複合導電板の間にある固体電解質電極要素 が、この固体電解質電極要素の両側に直接接している接触層及び両複合導電板の 各々の、この接触層に接している側とで合わせて高温燃料電池を形成している。 この型の及びその他の型の燃料電池は例えば、Ａ．Ｊ．アッペルバイ及びＦ． Ｒ．フォークスの共著「燃料電池ハンドブック(Fuel Cell Handbook)」１９８９ 年、第４４０乃至４５４頁から公知である。 経験によれば、高温燃料電池の運転の際の本質的問題は、燃料電池の金属性の 複合導電板と電極との間に長期にわたって安定した電気的接触を得ることにある ことが示されている。この目的のためにいわゆる接触層が使用される。従来、こ のためにペロブスカイト系からなるセラミック粉末（Ｌａ、Ｓｒ）（Ｃｏ、Ｍｎ ）Ｏ₃がペーストの形でスクリーン印刷により、或いはスプレーサスペンジョン の形で湿式粉末スプレーにより金属性の複合導電板に塗着された。この物質系を 検討したところ、Ｓｒをドープした物質を使用する場合接触層と複合導電板との 間の境界面に導電性の劣るＳｒＣｒＯ₄の層が形成されることがわかった。複合 導電板はまた電流タップとしても利用されねばならないから、この導電性が劣る 接触層は受け入れることができない。 さらに導電性の問題と並んでもう１つの問題は、高温燃料電池積層体の運転温 度における熱力学的な安定性である。９００℃以上の運転温度では熱力学的安定 性に高い要求が課せられている。さらに、接触層にはあるが、複合導電板或いは 電極にはない元素の化学反応に基づいて相が作られることがあるが、これは望ま しくなく回避されねばならない。 さらに別の問題はクロムを含む複合導電板からクロムが蒸発し、これにより燃 料電池の劣化が起こることである。 従って、この発明の課題は、充分な導電性及び熱力学的な安定性を備え、しか も望ましくない相の形成に導く相互作用のない高温燃料電池を提供することにあ る。さらに、このようなある数の高温燃料電池から構成される高温燃料電池スタ ックを提供することにある。その他にこの発明の課題は、このような高温燃料電 池を製造する方法を提供することにある。 第一に挙げた課題は、この発明によれば、少なくとも１つの電極に対向する少 なくとも１つの複合導電板を備え、この複合導電板と電極との間に、スピネル構 造を持つ酸化性混合結晶粉末から生ずる、クロム以外にさらにＴｉ、Ｖ、Ｍｎ、 Ｆｅ、Ｃｏ及びＣｕのグループから選択された２価の元素を含む接触層が配置さ れることにより解決される。 第二に挙げた課題は、この発明によれば、ある数のこのような高温燃料電池か ら組み立てた高温燃料電池スタックにより解決される。 第三に挙げた課題は、少なくとも１つの電極に対向する少なくとも１つの複合 導電板を備え、この複合導電板と電極との間に、スピネル構造を持つ酸化性混合 結晶粉末から生ずる、クロム以外にさらにＴｉ、Ｖ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ及びＣｕ のグループから選択された２価の元素を含む接触層が配置される高温燃料電池を 製造する方法により解決される。 この接触層は、ペロブスカイトからなる公知の接触層とは異なり、充分な電気 伝導度を持つ。この接触層は、その外に、９００℃以上の使用温度においてペロ ブスカイト構造を持つ接触層より熱力学的に安定している。一般に、充分な電気 伝導度を持つ多数のスピネルが適している。 特にこれについてはＦｅＣｒ₂Ｏ₄スピネルがその電気伝導度の故に特に有利で ある。接触層として例えばＣｏＣｒ₂Ｏ₄及びＦｅＣｒ₂Ｏ₄の混合結晶を使用する 場合、接触層内には、既に金属性の複合導電板及び電極に存在するものの外には 他の元素は存在しない。これにより望ましくない相の形成が殆どないことが期待 される。 特に接触層はセラミック粉末として形成されるのがよい。 特に接触層は直接複合導電板の上に配置される。これによりクロムがクロムを 含む複合導電板から蒸発することが殆ど阻止される。 この発明による他の構成は第一の請求項以下の請求項に記載されている。 この発明を詳細に説明するために図面の実施例を参照する。 図１は高温燃料電池の断面を概略図、 図２は高温燃料電池の透視図 を示す。 図１において高温燃料電池２は複合導電板４、接触層６、陰極として形成され た電極８、電解質１０、陽極として形成された電極１２、接触層１４及び複合導 電板１６がこの順番で互いに積層されている。複合導電板４及び１６はクロム含 有の金属性混合物からなる。 接触層６及び１４はそれぞれ複合導電板４もしくは１６と電極８もしくは１２ の間に配置され、クロム以外になおＴｉ、Ｖ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ及びＣｕのグル ープから選択された２価の元素を含む、スピネル構造を持つ酸化性の混合結晶粉 末から作られている。 接触層６、１４はセラミック粉末として、例えばペーストの形で複合導電板４ 、１６の上にスクリーン印刷により、或いはサスペンジョンとして湿式粉末塗装 により被膜することができる。接触層６及び１４はそれぞれ直接複合導電板４も しくは１６の上に被着されているから、クロムを含む金属性の複合導電板４もし くは１６からクロムが蒸発することは殆ど阻止され得る。クロムの蒸発は高温燃 料電池設備の劣化を招く。 好ましい被膜方法としては例えば、真空プラズマスプレー、ＣＶＤ法、水熱合 成或いはゾル−ゲル法が適用される。 ＦｅＣｒ₂Ｏ₄或いはＣｏＣｒ₂Ｏ₄の混合結晶を使用することは、既にクロムを 含む金属性の複合導電板４、１６に含まれていない他の元素は存在しないという 特別な利点を持つ。これにより、さもないと望ましくない相の形成につながる相 互作用は全く或いは殆ど予期されない。 図２は透視図で高温燃料電池スタック１８の概略構成を示し、このスタックは 図１に示された高温燃料電池２と同一の構造を持つ３つの高温燃料電池２からな る。 高温燃料電池スタック１８は上部は複合導電板２２及び下部は複合導電板２４ で閉塞されている。高温燃料電池スタック１８の中に配置されている複合導電板 、即ち、複合導電板２２及び２４のようには高温燃料電池スタック１８を閉塞し ていない複合導電板はバイポーラ板２０として構成されている。 バイポーラ板２０の上部は陽極１２、バイポーラ板２０の下部は陰極８に対向 している。この場合陰極８及び陽極１２はそれぞれ隣接の高温燃料電池２に属し ている。 バイポーラ板２０及び複合導電板２２、２４はそれぞれ、高温燃料電池２にプ ロセスガスを供給するための通路２６を備えている。複合導電板２２、２４には それぞれ１つの側の面にのみ通路２６が設けられているが、バイポーラ板２０は 両側の面に互いに直角に交差する通路２６を備えている。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 クラインライン、ウイルヘルム ドイツ連邦共和国 デー−90762 フユル ト バーンホフプラツツ ８ (72)発明者 シユミツト、ハラルト ドイツ連邦共和国 デー−81739 ミユン ヘン イプルハーシユトラーセ 67

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．少なくとも１つの電極（８、１２）に対向する少なくとも１つの複合導電板 （４、１６；２０、２２、２４）を備え、この複合導電板（４、１６；２０、２ ２、２４）と電極（８、１２）との間に、スピネル構造を持つ酸化性混合結晶粉 末から作られ、クロム以外にさらにＴｉ、Ｖ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ及びＣｕのグル ープから選択された２価の元素を含む接触層（６、１４）が配置される高温燃料 電池（２）。 ２．接触層（６、１４）が真空プラズマスプレーによって作られている請求項１ 記載の高温燃料電池（２）。 ３．接触層（６、１４）がＣＶＤ法によって作られている請求項１記載の高温燃 料電池（２）。 ４．接触層（６、１４）が水熱合成によって作られている請求項１記載の高温燃 料電池（２）。 ５．接触層（６、１４）がゾル−ゲル法よって作られている請求項１記載の高温 燃料電池（２）。 ６．複合導電板（４、１６；２０、２２、２４）がバイポーラ板として構成され ている請求項１ないし５のいずれか１つに記載の高温燃料電池（２）。 ７．請求項１ないし６のいずれか１つに記載の複数の高温燃料電池（２）から構 成されている高温燃料電池スタック（１８）。 ８．少なくとも１つの電極（８、１２）に対向する少なくとも１つの複合導電板 （４、１６；２０、２２、２４）を備え、この複合導電板（４、１６；２０、２ ２、２４）と電極（８、１２）との間に、スピネル構造を持つ酸化性混合結晶粉 末から作られ、クロム以外にさらにＴｉ、Ｖ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ及びＣｕのグル ープから選択された２価の元素を含む接触層（６、１４）が配置される高温燃料 電池（２）の製造方法。 ９．接触層（６、１４）がセラミック粉末として形成される請求項８記載の方法 。 １０．セラミック粉末がスクリーン印刷により形成される請求項９記載の方法。 １１．セラミック粉末が湿式粉末塗装により形成される請求項９記載の方法。 １２．接触層（６、１４）が直接複合導電板（４、１６；２０、２２、２４）の 上に配置される請求項８乃至１１記載の方法。 １３．接触層（６、１４）が真空プラズマスプレーにより複合導電板（４、１６ ；２０、２２、２４）の上に配置される請求項１２記載の方法。 １４．接触層（６、１４）がＣＶＤ法により複合導電板（４、１６；２０、２２ 、２４）の上に配置される請求項１２記載の方法。 １５．接触層（６、１４）が水熱合成により複合導電板（４、１６；２０、２２ 、２４）の上に配置される請求項１２記載の方法。 １６．接触層（６、１４）がゾル−ゲル法より複合導電板（４、１６；２０、２ ２、２４）の上に配置される請求項１２記載の方法。