(57)【要約】【課題】製造が容易な燃料電池を提供する。【解決手段】燃料電池であって、互いに相反する第１面と第２面を含む基板層、第１面の上に形成された第１電極、第２面の上に形成された第２電極、第１電極の上に設置され、第１燃料チャンバと第１燃料チャンバに接続された第１流路を有し、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１チャンバ層、及び第２電極の上に設置され、第２燃料チャンバに接続される第２流路と第２燃料チャンバを有し、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電極に接触する第２チャンバ層を含み、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燃料電池。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
互いに相反する第１面と第２面を含む基板層、
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流路を有し、第１気体が前記第１流路を通って前記第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電極の上に設置され、第２燃料チャンバに接続される第２流路と第２燃料チャンバを有し、第２気体が前記第２流路を通って前記第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る燃料電池。
【請求項２】
前記第１チャンバ層は、前記第１面の上に設置され、前記第２チャンバ層は、前記第２面の上に設置される請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記第１チャンバ層は、第３流路を更に有し、前記第２チャンバ層は、第４流路を更に有し、前記基板は、第５流路と第６流路を更に含み、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流路に接続される請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項４】
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１〜３のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項５】
前記第１チャンバ層は、第１導線孔を更に含み、前記第２チャンバ層は、第２導線孔を更に含み、前記第１導線孔は、前記第１燃料チャンバに接続されて前記第１気体を流し、前記第２導線孔は、前記第２燃料チャンバに接続されて前記第２気体を流す請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項６】
燃料電池の製造方法であって、
互いに相反する第１面と第２面を含み、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流路を有し、第１気体が前記第１流路を通って前記第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流路を有し、第２気体が前記第２流路を通って前記第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。
【請求項７】
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６に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項８】
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６または７に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項９】
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６または７に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項１０】
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６〜９のいずれかに記載の燃料電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】台湾特許第００５４１７５４号
【特許文献２】米国特許第７２７０９０６号
【特許文献３】特開２００４−８７１９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
製造が容易な燃料電池を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
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。
【発明の効果】
【００１１】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】従来の燃料電池を示している。
【図２】本発明の実施例１の燃料電池の分解図を示している。
【図３Ａ】図２のＩ−Ｉ方向の断面図を示している。
【図３Ｂ】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３Ｃ】図２のＩＩ−ＩＩ方向の断面図を示している。
【図４Ａ】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４Ｂ】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】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。
【図５】本発明の実施例２の燃料電池を示している。
【図６】本発明の実施例２の変形例の燃料電池を示している。
【図７】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。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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）ＬａＭｏ２Ｏ９；（ｃ）ペロブスカイトを含む。
【００２２】
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（ＬａＳｒＭｎＯ３）またはランタンコバルト−セリア系材料（ＬａＳｒＣｏＦｅＯ３）、（ｃ）酸化セリウムとＬａＳｒＭｎＯ３で構成された複合材料、または酸化セリウムとＬａＳｒＣｏＦｅＯ３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。
【００２３】
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）ＬａＭｏ２Ｏ９；（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。
【００２４】
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。
【００２５】
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）。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【符号の説明】
【００３７】
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
【図１】
2010161074.tif 000003
【図２】
2010161074.tif 000004
【図３Ａ】
2010161074.tif 000005
【図３Ｂ】
2010161074.tif 000006
【図３Ｃ】
2010161074.tif 000007
【図４Ａ】
2010161074.tif 000008
【図４Ｂ】
2010161074.tif 000009
【図４Ｃ】
2010161074.tif 000010
【図５】
2010161074.tif 000011
【図６】
2010161074.tif 000012
【図７】
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