(57)【要約】  固体酸化物型燃料電池スタックが開示される。固体酸化物型燃料電池スタックは、少なくとも２個の固体酸化物型燃料電池を包含する。２個の固体酸化物型燃料電池は、共通の電極を分有している。
2007502012.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２個の固体酸化物型燃料電池を含み、かつこれらの２個の固体酸化物型燃料電池が共通の電極を分有している、固体酸化物型燃料電池スタック。
【請求項２】
前記共通の電極がカソードである、請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池スタック。
【請求項３】
前記共通の電極がアノードである、請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池スタック。
【請求項４】
前記２個の固体酸化物型燃料電池の第１の電池は、第１の電極、第１の電解質及び第２の電極を含み、かつ前記２個の固体酸化物型燃料電池の第２の電池は、第２の電極、第２の電解質及び第３の電極を含み、その際、前記第２の電極が前記共通の電極である、請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池スタック。
【請求項５】
前記２個の固体酸化物型燃料電池の１つとともに第２の共通の電極を分有する第３の固体酸化物型燃料電池をさらに含む、請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池スタック。
【請求項６】
前記共通の電極が微細流路を含む、請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池スタック。
【請求項７】
前記固体酸化物型燃料電池のそれぞれが、それぞれの第２の電極、共通の電極及び微細流路を備えた第２の電極を含む、請求項６に記載の固体酸化物型燃料電池スタック。
【請求項８】
前記微細流路は、０．１ｍｍ〜５ｍｍの特徴的直径を有している、請求項６に記載の固体酸化物型燃料電池スタック。
【請求項９】
前記微細流路は、サブトラクティブ法によって形成されたものである、請求項６に記載の固体酸化物型燃料電池スタック。
【請求項１０】
前記微細流路は、カーボンを含む流路形成物質を酸化することによって形成されたものである、請求項６に記載の固体酸化物型燃料電池スタック。
【請求項１１】
前記流路形成物質は、無定形カーボン、カーボンブラック、グラファイト又はグラファイト−樹脂複合体である、請求項１０に記載の固体酸化物型燃料電池スタック。
【請求項１２】
前記微細流路は、非サブトラクティブ法によって形成されたものである、請求項６に記載の固体酸化物型燃料電池スタック。
【請求項１３】
前記微細流路は、現場において成形されたものである、請求項１２に記載の固体酸化物型燃料電池スタック。
【請求項１４】
集電装置をさらに含む、請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池スタック。
【請求項１５】
前記集電装置が前記共通の電極に埋め込まれている、請求項１４に記載の固体酸化物型燃料電池スタック。
【請求項１６】
前記固体酸化物型燃料電池のそれぞれが、それぞれの第２の電極、共通の電極及び集電装置を備えた第２の電極を包含する、請求項１５に記載の固体酸化物型燃料電池スタック。
【請求項１７】
前記集電装置がニッケルを含む、請求項１４に記載の固体酸化物型燃料電池スタック。
【請求項１８】
該スタックがガス不透過性の相互接続体を有していない、請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池スタック。
【請求項１９】
前記２個の固体酸化物型燃料電池は、複数個の電極を含み、かつ該固体酸化物型燃料電池スタックは、それぞれの電極の外側エッジ部に接続された電気接点をさらに有している、請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池スタック。
【請求項２０】
前記２個の固体酸化物型燃料電池は、加熱加圧成形によって接合されている、請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池スタック。
【請求項２１】
前記加熱加圧成形工程は、６０分間以内のサイクル期間を有する加熱加圧成形サイクルを包含する、請求項２０に記載の固体酸化物型燃料電池スタック。
【請求項２２】
前記共通の電極は、サブトラクティブ法によって形成された多孔質構造体を有している、請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池スタック。
【請求項２３】
前記共通の電極は、細孔形成物質の酸化によって形成された多孔質構造体を有している、請求項２２に記載の固体酸化物型燃料電池スタック。
【請求項２４】
前記細孔形成物質がカーボンを含む、請求項２３に記載の固体酸化物型燃料電池スタック。
【請求項２５】
前記細孔形成物質は、カーボンブラック又は無定形カーボンである、請求項２４に記載の固体酸化物型燃料電池スタック。
【請求項２６】
前記２個の固体酸化物型燃料電池のうちの少なくとも一方の電池は、その厚さが１０ｍｍ以下である、請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池スタック。
【請求項２７】
前記２個の固体酸化物型燃料電池のうちの少なくとも一方の電池は、その厚さが５ｍｍ以下である、請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池スタック。
【請求項２８】
前記２個の固体酸化物型燃料電池のうちの少なくとも一方の電池は、その厚さが３ｍｍ以下である、請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池スタック。
【請求項２９】
前記２個の固体酸化物型燃料電池のうちの少なくとも一方の電池において、その電池の電解質の厚さは１００μｍ以下であり、かつ前記共通の電極の厚さは５ｍｍ以下である、請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池スタック。
【請求項３０】
前記２個の固体酸化物型燃料電池は、それぞれ、電解質を有しており、かつ前記２個の固体酸化物型燃料電池のそれぞれの電解質は、ジルコニア、セリア及びガリアからなる群から選ばれる材料を含んでいる、請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池スタック。
【請求項３１】
前記材料は、スカンジウム、サマリウム、ガドリニウム及びイットリウムからなる群から選ばれる安定化物質で安定化されている、請求項３０に記載の固体酸化物型燃料電池スタック。
【請求項３２】
前記材料は、イットリア安定化ジルコニアを含む、請求項３１に記載の固体酸化物型燃料電池スタック。
【請求項３３】
前記２個の固体酸化物型燃料電池は、少なくとも１個のアノードを備え、かつ前記少なくとも１個のアノードは、ニッケル及びイットリア安定化ジルコニアを含む、請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池スタック。
【請求項３４】
前記少なくとも１個のアノードは、ニッケル酸化物及びイットリア安定化ジルコニアを含む素地体の還元によって形成されたものである、請求項３３に記載の固体酸化物型燃料電池スタック。
【請求項３５】
前記２個の固体酸化物型燃料電池は、少なくとも１個のアノードを備え、かつ前記少なくとも１個のアノードは、ニッケル及びガドリニウム安定化セリアを含む、請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池スタック。
【請求項３６】
前記少なくとも１個のアノードは、ニッケル酸化物及びガドリニウム安定化セリアを含む素地体の還元によって形成されたものである、請求項３３に記載の固体酸化物型燃料電池スタック。
【請求項３７】
前記固体酸化物型燃料電池は、少なくとも１個のカソードを備え、かつ前記少なくとも１個のカソードは、ランタンストロンチウムマンガナイト、ランタンストロンチウムフェライト及びランタンストロンチウムコバルトフェライトからなる群から選ばれる材料を含む、請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池スタック。
【請求項３８】
前記少なくとも１個のカソードは、ランタンストロンチウムマンガナイトを含む、請求項３７に記載の固体酸化物型燃料電池スタック。
【請求項３９】
第１のアノード層、
前記第１のアノード層の上に配置された第１の電解質層、
前記第１のアノード層の上に配置された第１のカソード層、
前記第１のカソード層の上に配置された第２の電解質層、及び
前記第２の電解質層の上に配置された第２のアノード層
を含む、一体化された固体酸化物型燃料電池スタック。
【請求項４０】
前記第２のアノード層の上に配置された第３の電解質層と、前記第３の電解質層の上に配置された第２のカソード層とをさらに含む、請求項３９に記載の固体酸化物型燃料電池スタック。
【請求項４１】
集電装置をさらに含む、請求項３９に記載の固体酸化物型燃料電池スタック。
【請求項４２】
前記集電装置が前記第１のアノード層に埋め込まれている、請求項４１に記載の固体酸化物型燃料電池スタック。
【請求項４３】
前記集電装置がニッケルを含む、請求項４１に記載の固体酸化物型燃料電池スタック。
【請求項４４】
前記第１のカソード層と一体化した集電装置をさらに含む、請求項３９に記載の固体酸化物型燃料電池スタック。
【請求項４５】
前記第１及び第２のアノード層において微細流路をさらに含む、請求項３９に記載の固体酸化物型燃料電池スタック。
【請求項４６】
前記第１のカソード層において微細流路をさらに含む、請求項３９に記載の固体酸化物型燃料電池スタック。
【請求項４７】
少なくとも２個の固体酸化物型燃料電池を含む固体酸化物型燃料電池スタックであって、該燃料電池スタックは、ガス不透過性の相互接続体層を有していない、固体酸化物型燃料電池スタック。
【請求項４８】
燃料をコンディショニングするための燃料システム、
空気をコンディショニングするための空気システム、
前記燃料システムに接続され、かつ前記空気システムに接続された固体酸化物型燃料電池スタックであって、少なくとも２個の固体酸化物型燃料電池を含み、かつこれらの少なくとも２個の固体酸化物型燃料電池が共通の電極を分有している固体酸化物型燃料電池スタック、及び
前記固体酸化物型燃料電池スタックに電気的に接続された電力調整装置
を含んでなる、固体酸化物型燃料電池システム。
【請求項４９】
前記燃料システムは、前記固体酸化物型燃料電池スタックのアノードと流体で連通しており、かつ前記空気システムは、前記固体酸化物型燃料電池スタックのカソードと流体で連通している、請求項４８に記載の固体酸化物型燃料電池システム。
【請求項５０】
燃料をコンディショニングするための燃料システム、
空気をコンディショニングするための空気システム、
前記燃料システムに接続され、かつ前記空気システムに接続された固体酸化物型燃料電池スタックであって、該燃料電池スタックが、
第１のアノード層、
前記第１のアノード層の上に配置された第１の電解質層、
前記第１のアノード層の上に配置された第１のカソード層、
前記第１のカソード層の上に配置された第２の電解質層、及び
前記第２の電解質層の上に配置された第２のアノード層
を含む、固体酸化物型燃料電池スタック、及び
前記固体酸化物型燃料電池スタックに電気的に接続された電力調整装置
を含んでなる、固体酸化物型燃料電池システム。
【請求項５１】
前記燃料システムは、前記第１のアノード層と流体で連通しており、かつ前記空気システムは、前記第１のカソード層と流体で連通している、請求項５０に記載の固体酸化物型燃料電池システム。
【請求項５２】
カソード層、アノード層及び該アノード層と該カソード層の間に設けられた電解質層を含む固体酸化物型燃料電池を形成すること、及び
前記固体酸化物型燃料電池を酸化性環境下において緻密化処理すること
を含んでなる、固体酸化物型燃料電池を形成する方法。
【請求項５３】
前記緻密化処理を加圧焼結によって実施する、請求項５２に記載の方法。
【請求項５４】
前記加圧焼結が加熱加圧成形を包含する、請求項５３に記載の方法。
【請求項５５】
前記加圧焼結が熱間鍛造を包含する、請求項５３に記載の方法。
【請求項５６】
該方法を実施して、スタックの形をとる複数個の固体酸化物型燃料電池を形成し、かつ前記複数個の固体酸化物型燃料電池を一緒に緻密化処理する、請求項５２に記載の方法。
【請求項５７】
一体化された微細流路を含むアノード層、
前記アノード層の上に配置された電解質層、及び
前記電解質層の上に配置されたものであって、一体化された微細流路を含むカソード層
を含む、固体酸化物型燃料電池。
【請求項５８】
前記カソード層又は前記アノード層の少なくとも一方の前記一体化された微細流路は、サブトラクティブ法によって形成されたものである、請求項５７に記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項５９】
前記カソード層又は前記アノード層の少なくとも一方の前記一体化された微細流路は、非サブトラクティブ法によって形成されたものである、請求項５７に記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項６０】
該固体酸化物型燃料電池は、その他の固体酸化物型燃料電池に対して並列回路の形態で電気的に接続されている、請求項５７に記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項６１】
該固体酸化物型燃料電池は、その他の固体酸化物型燃料電池に対して直列回路の形態で電気的に接続されている、請求項５７に記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項６２】
該固体酸化物型燃料電池は、その他の固体酸化物型燃料電池に対して直列／並列混成回路の形態で電気的に接続されている、請求項５７に記載の固体酸化物型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的には固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）に関し、さらに詳しく述べると、商業的に実施可能なＳＯＦＣとその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）は、エネルギーを製造するために慣用されている燃焼機関やタービンの代替となるものである。燃料電池技術は、より高い効率及び環境に対するより低い影響を伴って発電を行うことができ、また、燃料電池技術は、ＣＯ、ＮＯｘ及びＳＯｘの放出量がより少ないことが一般的である。固体酸化物型燃料電池は、燃料源として、天然ガス、ケロセン及びディーゼル燃料を特に使用することができる。しかしながら、多くの種類の典型的なＳＯＦＣは、単位出力当たりの高いコストに苦しめられている。
【０００３】
固体酸化物型燃料電池は、円筒状及び平板状のＳＯＦＣを含めたいろいろな形態で製造することができる。円筒形のＳＯＦＣは、通常、酸化ストロンチウムをドーピングしたランタンマンガナイト（ＬＳＭ）からなる多孔質の支持体チューブを使用する。平板状のＳＯＦＣは、電解質で支持した構造体あるいは電極で支持した構造体を利用することができる。電解質で支持した構造体は、一般的に、大きな厚さをもったイットリア安定化ジルコニアから形成される。これらの厚さのある電解質は、高いイオン抵抗値を有しており、したがって、電位の低下を発生する。
【０００４】
電極で支持したＳＯＦＣは、構造体を支持したカソード又はアノードを用いて形成することができる。例えばランタンストロンチウムマンガナイト（ＬＳＭ）のようなカソードは、イットリア安定化ジルコニアに近い熱膨張係数を有している。他方において、アノード支持電池は、一般的に、ニッケル及びイットリア安定化ジルコニアを用いて形成される。ニッケルを含有したイットリア安定化ジルコニアの熱膨張係数は、イットリア安定化ジルコニアからなる電解質のそれよりも大きい値である。カソード支持電池及びアノード支持電池の双方において、電極の厚さが大きくなると、反応体の拡散や電極の抵抗に対して影響がでてくる。電極支持の電池あるいは電解質支持の電池のいずれにおいても、より厚い電解質あるいは電極を使用すると、その影響の結果、電池の電位あるいは電流密度が低下せしめられ、ＳＯＦＣシステムの効率に悪影響がでてくる。
【０００５】
支持構造体の面においてばかりでなく、電極に対して電気接点（コンタクト）を接続することに関しても課題が存在している。典型的なＳＯＦＣは、ガス不透過性の相互接続体を有している。典型的な相互接続体は、電極が示すものとは類似しない熱膨張係数を有している。熱膨張係数に差があると、電極からの相互接続体のせん断が引き起こされ、電池における抵抗の増大が発生する。相互接続体材料によっては、電極構造体中に拡散してしまう。相互接続体の構造が不十分なものであると、可使電位や電流密度の低下が発生する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
以上のような状況があるため、一般的な固体酸化物型燃料電池技術では、製造されるエネルギーのコストを増大させるところの、構造や製造上の欠点が問題となっている。したがって、改良された電極、電解質、ＳＯＦＣ、そしてＳＯＦＣスタックが必要となっている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
１つの特定の態様において、固体酸化物型燃料電池スタックが開示される。この固体酸化物型燃料電池は、少なくとも２個の固体酸化物型燃料電池を包含する。これらの２個の固体酸化物型燃料電池は、共通の電極を分有している。
【０００８】
もう１つの態様において、固体酸化物型燃料電池スタックが開示される。この固体酸化物型燃料電池は、一体化された複数の層を有している。複数の層には、第１のアノード層、第１の電解質層、第１のカソード層、第２の電解質層、そして第２のアノード層が含まれる。第１の電解質層は、第１のアノード層の上に位置している。第１のカソード層は、第１の電解質層の上に位置している。第２の電解質層は、第１のカソード層の上に位置しており、また、第２のアノード層は、第２の電解質層の上に位置している。
【０００９】
別の１態様において、固体酸化物型燃料電池スタックが開示される。この固体酸化物型燃料電池は、少なくとも２個の固体酸化物型燃料電池を包含する。これらの固体酸化物型燃料電池は、ガス不透過性の相互接続体層を有していない。
【００１０】
もう１つの態様において、固体酸化物型燃料電池の形成方法が開示される。この方法は、カソード層、アノード層及びアノード層とカソード層の間に配置された電解質層を含む固体酸化物型燃料電池を形成することと、固体酸化物型燃料電池を酸化性雰囲気中で緻密化処理することを包含する。
【００１１】
別の１態様において、一体化された複数の微細流路（マイクロチャネル）を含むアノード層、そのアノード層の上に配置された電解質層、そして一体化された複数の微細流路を含むカソード層を含む固体酸化物型燃料電池が開示される。カソード層は、電解質層の上に位置している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明は、添付の図面を参照することにより、当業者がより良好に理解できるようになり、また、その多数の目的、構成要件、そして利点が明らかとなるであろう。なお、異なる図面において同一の参照番号を使用した場合には、同様であるかもしくは同一の部材を示すものとする。
【００１３】
１態様に従うと、本発明は、固体酸化物型燃料電池スタックに向けられる。この燃料電池スタックは、２個もしくはそれ以上の固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）を有している。これらの燃料電池の２個が、１つの共通の電極層を分有している。電極は、微細流路を包含してもよく、また、固体酸化物型燃料電池スタックに対して、回路の形で、外部的に電気的に接続されていてもよい。回路は、並列回路であってもよく、直列回路であってもよく、さもなければ直列／並列混成回路であってもよい。共通の電極を利用している上記した態様の特定の構造体の場合、並列回路の形成が適合している。
【００１４】
図１は、固体酸化物型燃料電池スタックの１つの例示的な態様を図示したものである。このスタックは、電解質層１０４、１０８及び１１２によって分離された電極層１０２、１０６、１１０及び１１４を包含する。それぞれの電極層は、微細流路１１６を包含する。電極の種類に依存して、微細流路１１６内を酸化剤もしくは燃料が通過し、また、電解質層１０４、１０８及び１１２を横切ってイオンが輸送される。
【００１５】
ある特定の態様において、電極１０２はアノードであり、そして電極１０６はカソードである。アノード１０２及びカソード１０６は、電解質１０４によって分離されて、単一形の固体酸化物型燃料電池を形成している。酸素イオンは、電解質１０４を横切って輸送されて燃料と反応することができ、アノード１０２とカソード１０６の間に電位差を発生させる。カソード１０６は、電解質１０８によってアノード１１０から分離されている。ここでもまた、酸素イオンは、電解質１０８を横切って輸送されて、カソード１０６とアノード１１０の間に電位を発生させることができる。同様に、アノード１１０は、別の電解質１１２によってカソード１１４から分離されている。このパターンを複数回にわたって繰り返すことができる。
【００１６】
この例示的な態様において、複数個の固体酸化物型燃料電池は、共通の電極を分有している。これらの電極は、燃料電池の全体を通じて単一の組成を有していてもよく、さもなければ、電極に対して機能を付与するため、異なる層あるいは濃度勾配を有していてもよい。電極１０６の場合には、共通の電極構造体は、カソードである。電極１１０の場合には、共通の電極構造体は、アノードである。スタックの配置は、隣接する固体酸化物型燃料電池のなかでいくつかの電極が分有されているようにするため、繰り返しのパターンで行うことができる。このような形状とすることによって、ガス不透過性の相互接続体バリヤを使用することに依存することが不必要となる。
【００１７】
しかしながら、別法によれば、ガス不透過性の相互接続体を使用してスタックを形成してもよい。この形状の場合、複数個の電池を配置することで、直列回路の形態をとる固体酸化物型燃料電池スタックが導かれる。このスタックは、別のスタックに直列、並列又は直列／並列混成回路形状で接続してもよい。
【００１８】
また、この例示的な態様は、電極１０２、１０６、１１０及び１１４のそれぞれにおいて図示されるように、微細流路１１６を包含してもよい。これらの微細流路の特徴的な直径は、０．１ｍｍ〜５ｍｍである。微細流路は、一般的には約３ｍｍよりも小さく、例えば約１ｍｍ未満である。特徴的な直径は、流体の流動方法と関連している。微細流路は、電極に一体化させてもよい。図１に示した例示的な態様において、微細流路は、電極１０２、１０６、１１０及び１１４内に埋め込まれている。微細流路の一例は、図１５に図示されている。別の例示的な態様において、微細流路は、電極内に全体的もしくは部分的に埋め込まれていてもよく、さもなければ、電極層の幾何学的外形の一部として形成されていてもよい。微細流路のもう１つの例は、以下において説明する図８に示されている。
【００１９】
微細流路は、例えば充填剤材料の溶解もしくは流路形成物質の酸化のようなサブトラクティブ法によって形成することができる。流路形成物質は、例えば、カーボンを主成分とする流路形成物質、例えば無定形カーボン、カーボンブラック、グラファイト又はグラファイト−樹脂複合体であることができる。微細流路１１６は、それらが形成されている電極構造体の機能に依存して、酸化剤あるいは燃料を流動させることが可能である。
【００２０】
また、電極は、多孔質であってもよい。ある例示的な態様において、金属酸化物の還元を通じて細孔を形成することができる。別の例では、例えば充填剤材料の溶解もしくは細孔形成物質の酸化のようなサブトラクティブ法によって細孔を形成することができる。細孔形成物質は、カーボンを主成分として含む材料、例えばカーボンブラック、無定形カーボン、グラファイト又はグラファイト−樹脂複合体を包含することができる。また、相対的な粒子及び凝集サイズ分布のコントロールを通じた部分的な緻密化によって細孔を形成してもよい。
【００２１】
また、電極は、一体化された集電装置（集電部材）を包含してもよい。一体化された集電装置は、電極内に埋め込まれ、かつその電極の形成に関連して形成されてもよく、また、例えばニッケルのような導電体を包含してもよい。集電装置は、電極の種類に依存して、外部接点に対して電流を誘導するか、さもなければ１個もしくはそれ以上の外部接点を形成することができる。別法に従う態様において、電極は、集電装置を包含していなくともよく、その場合、電極に対して直接的に外部接続を行うことができる。もしもカソードの出力が接続されかつアノードの出力が接続されているとすると、得られる回路は、図２に例示するように、並列回路構造体である。
【００２２】
固体酸化物型燃料電池スタックは、一体化加熱プロセスを通じて形成することができる。例えば個々の燃料電池は、また、ある特定の態様において、全体としての燃料電池スタックは、焼結法によって緻密化することができる。焼結法は一般的に常圧焼結法を包含するけれども、加圧焼結法、例えば加熱加圧成形法、熱間等静圧圧縮成形法（ＨＩＰ）及び熱間鍛造法がしばしば有利である。場合によっては、コストの面からＨＩＰが回避される。圧力の適用を利用した焼結法の選択肢についてみると、ある特定の態様では加熱加圧成形法が用いられ、また、別の特定の態様では熱間鍛造法が用いられる。加熱加圧成形法及び熱間鍛造法のどちらも、一般的には一方向あるいは一軸方向について行われるが、熱間鍛造法は、一般的に、実質的な熱間変形、例えば複雑な成形ダイのキャビティにおける充填処理を包含する。一般的には、直径の収縮を防止するため、熱間鍛造よりもむしろ、加熱加圧成形と組み合わさったより低い圧力が有利である。圧力と温度を操作して、熱処理のサイクルの１サイクルの期間が約６０分間以内となるように調整してもよい。別法によれば、サイクルの期間が約４５分間、３０分間、１５分間又は１０分間以内となるように操作を行ってもよい。
【００２３】
燃料電池又は燃料電池スタックの一体化処理を行う場合、ＳＯＦＣは、その電池厚さが約１０ｍｍ以下、例えば約５ｍｍ以下となるように形成することができる。別の態様は、４ｍｍ又は３ｍｍ以下の電池厚さをもったＳＯＦＣを包含する。さらに、処理によって得られる固体酸化物型燃料電池スタックは、電解質の厚さが１００μｍ以下であり、電極の厚さが最大で約３ｍｍである。しかしながら、一体化処理を通じて、より大きな厚さをもった電池を任意に形成することができる。
【００２４】
電解質は、ジルコニア、セリア、ガリア及びその他の既知のイオン性伝導体を含むいろいろな材料から形成することができる。酸素イオン伝導性は、例えばイットリウム、スカンジウム、サマリウム、イッテルビウム及びガドリニウムのような物質でもって高められる。例えば、電解質は、なかんずく、イットリア安定化ジルコニア、スカンジアドープジルコニア、イッテルビアドープジルコニア、酸化サマリウムドープセリア、酸化ガドリニウムドープセリア又はカルシアドープセリアから形成することができる。電解質との関連において、アノードは、ニッケル及びイットリア安定化ジルコニア又はニッケル及び酸化ガドリニウム安定化ジルコニアから形成することができる。ニッケルは、一般的に、素地のアノードかもしくは前処理後のアノードに含まれるニッケル酸化物の還元を通じて製造される。カソードは、イットリア安定化ジルコニアと組み合わせて使用される場合には、ランタンストロンチウムマンガナイトから形成することができる。別法によれば、カソードは、なかんずく、ランタンストロンチウムフェライト又はランタンストロンチウムコバルトフェライトを含むことができる。
【００２５】
図３は、固体酸化物型燃料電池の例示的な一態様を示したものである。図示のＳＯＦＣは、一方の側にアノード３０２が隣接し、他方の側にカソード３０６が隣接した電解質３０４を有している。メッシュ３０８は、アノード３０２と組み合わさっていることが示されている。しかしながら、メッシュは、電池及びスタックの機械的一体性を高めるため、あるいは外側の集電装置に対する接続を改良するため、種々の電極構造体中に組み込まれていてもよい。
【００２６】
層３０２、３０４及び３０６は、種々の低コスト製造手段を使用して形成することができる。これらの製造手段は、テープキャスティング、スクリーン印刷、テープカレンダー加工、多層セラミック加工、溶射コーティング、リソグラフィックデポジッション、押出し加工及びコーティング、そして共押出し加工を包含する。このようにして形成された電池は、例えば常圧焼結によって、さもなければ好ましくは加圧焼結、例えば加熱加圧成形、熱間鍛造又は加熱等静圧圧縮成形によって焼結することができる。電池は、スタックのなかに組み入れてもよく、また、そのスタックは、一体化された構造体を形成するため、鍛造技術を利用して焼結される。
【００２７】
アノード３０２は、ニッケル酸化物とイットリア安定化ジルコニア又はガドリニウム安定化セリアの組み合わせを使用して形成することができる。メッシュ３０８は、例えばニッケルメッシュのような金属メッシュであることができ、また、メッシュ３０８は、電極中に埋め込んでもよい。電解質３０４は、なかんずく、ジルコニアもしくはセリアから形成することができる。電解質材料は、例えばイットリウム、スカンジウム、サマリウム、イッテルビウム又はガドリニウムの酸化物のような安定剤で安定化されていてもよい。例えば、電解質は、イットリア安定化ジルコニア、スカンジアドープジルコニア、イッテルビアドープジルコニア、酸化サマリウムドープセリア又は酸化ガドリニウムドープセリアから形成することができる。例示的な一態様において、イットリア安定化ジルコニアは、約８モル％よりも多量に、例えば少なくとも約８．５モル％又は少なくとも約９モル％の量でイットリアを有している。例えば、約１０モル％のイットリアを含有するイットリア安定化ジルコニアを使用することができる。カソードは、ランタンストロンチウムマンガナイト、ランタンストロンチウムフェライト又はランタンストロンチウムコバルトフェライトから形成することができる。
【００２８】
電極内におけるガス輸送は、細孔及び微細流路の形成を通じて促進することができる。図４は、電極４０２の内部に細孔形成物質４０４と流路形成物質４０６が含まれている状態を示したものである。また、電極４０２は、４０８で示されるところの集電メッシュを有することもできる。流路形成物質４０６及び細孔形成物質４０４は、流路及び細孔を残すため、例えば酸化のようなサブトラクティブ法を使用して電極から除去することができる。例えば、流路形成物質及び細孔形成物質の５０％を、例えば酸化によって除去することができる。別の例においては、流路形成物質及び細孔形成物質の８０％、９０％又は９５％よりも多量を除去することができる。もう１つの例示的な態様において、得られる電極４０２が５重量％未満の流路形成物質又は細孔形成物質を含むようにするため、流路形成物質及び細孔形成物質を実質的に除去してもよい。例えば、電極４０２は、流路形成物質又は細孔形成物質を３重量％、１重量％又は０．５重量％未満の量で含むことができる。
【００２９】
図５Ａは、還元性雰囲気下で加熱加圧成形サイクルを実施した後の、細孔形成物質を有するカソードの一例を示したものである。この例示的な態様において、カソードは、１１．４ｍ２／ｇまで磨砕したランタンストロンチウムマンガナイトであって、約１５．８重量％又は４０容量％のカーボンブラックを有するようにイットリア安定化ジルコニア及びカーボンブラックと湿式混合したものを包含する。図５Ｂは、９００℃の空気中で１０時間にわたって熱処理した後の電極を示している。この例のカソードは、３０％の開放細孔率を有している。
【００３０】
図６Ａ及び図６Ｂに示したもう１つの例は、アノードを示したものである。アノードは、１２．５ｍ２／ｇまで磨砕したニッケル酸化物をイットリア安定化ジルコニア及びカーボンブラックと混合することを通じて形成される。図６Ａは、還元性雰囲気中で加熱加圧成形サイクルを実施した後のアノードを示す。図６Ｂは、９００℃の空気中で１０時間にわたって燃焼又は熱処理した後の電極を示す。この例のアノードは、１２％の開放細孔率を有している。
【００３１】
図７Ａ、図７Ｂ、図７Ｃ及び図７Ｄは、燃焼プロセスによって得られた細孔をさらに例示したものである。図７Ａは、細孔形成物質を燃焼除去した後のアノードの一例を示したものであり、また、このアノードは、ニッケル及びイットリア安定化ジルコニアを主として有している。図７Ｂは、アノード成分と一緒に２３．５重量％まで混合したグラファイトの、酸化後に得られた細孔分布を示したものである。得られた細孔率の合計は、４７％である。合計細孔面積は、約０．７５２ｍ２／ｇであり、また、平均細孔直径は、約０．６８９μｍである。
【００３２】
図７Ｃは、カーボンブラックの酸化を通じて形成された同様なアノードを示している。カーボンブラックは、ニッケル及びイットリア安定化ジルコニアと一緒に約２３．５重量％で含まれている。カーボンブラックは、平均０．５μｍまで磨砕した。図７Ｄは、酸化又は燃焼後の細孔のサイズ分布を示している。得られたアノードは、５０％を超える細孔率、約１．８９９ｍ２／ｇの合計細孔面積及び約０．３１５μｍの平均細孔直径を有している。
【００３３】
電解質は、いろいろな技法によって形成することができる。参考のために示すと、本願明細書においてその番号を参照することによって内容を記載したものとする、２００４年６月９日付けで出願された米国特許出願第 号（代理人整理番号：１０３５−ＦＣ４２８９）、２００３年６月９日付けで出願された米国特許出願第６０／４７７，１４７号のノンプロビジョナル出願、が挙げられる。このようにして形成された、カソード、電解質及びアノードを含む複数の層は、常用のセラミック加工技術を使用して一緒に積層することができる。
【００３４】
微細流路は、細孔の形成と同様な手法で、例えば流路形成性の繊維、ロッド又はメッシュのような流路形成性構造体を含ませることによって形成することができる。これらの流路形成物質は、電極構造体を通る流体の輸送を可能ならしめる微細流路を残すため、例えば酸化もしくは燃焼除去のようなサブトラクティブ法によって実質的に除去することができる。
【００３５】
微細流路を含む電池を一体的に形成するための別の方法は、非サブトラクティブ法によって微細流路が形成される図８に示される通りである。ここで、微細流路は、適所における成形（現場成形）によって形成される。アノード８０６、電解質８０８及びカソード８１０を含む固体酸化物型燃料電池構造体を２個の流路形成用成形型８０２の間でプレス成形することができる。成形型８０２は、固体酸化物型燃料電池８０４に押し付けたときに部分流路８１４を形成可能な突起パターン８１２を有することができる。一例において、成形型８０２は、グラファイトから形成することができ、また、加熱加圧成形サイクルの間にＳＯＦＣにプレス成形することができる。しかしながら、別の好ましい態様によると、グラファイト以外の材料から成形型８０２を形成してもよい。もう１つの別の態様によると、スタックの微細流路を押出し成形もしくは現場流延法によって形成してもよい。流路の上に、それに対応可能な部分流路をもったもう１つの電池を載置すると、電極微細流路を備えたスタックが得られる。
【００３６】
図９は、単一形のＳＯＦＣ電池を示したものである。この単一形のＳＯＦＣ電池は、アノード９０２、電解質９０４、そしてカソード９０６を包含する。アノード９０２は、図中“Ａ”で示される厚さを有し、電解質９０４は、“Ｂ”で示される厚さを有し、そしてカソード９０６は、“Ｃ”で示される厚さを有する。この電池もしくは複数の電池のスタックを熱処理、例えば加熱加圧成形、熱間鍛造又は熱間等静圧圧縮成形によって一体化処理すると、個々の電池のサイズや焼結電池材料を小さくすることができる。これらの電池あるいはスタックをもって、電解質−あるいは電極−支持方式の電池とは対照的に、電池支持方式のＳＯＦＣあるいはスタック支持方式のＳＯＦＣを効果的に形成することができる。アノード及びカソードの有効厚さ、“Ａ”又は“Ｃ”は、約１５０μｍ未満まで下げることができる。電解質の厚さ“Ｂ”は、約１００μｍ未満まで下げることができ、また、約４０μｍ未満、約３０μｍ未満、又は約１０μｍ未満であってもよい。電池又はスタックにモノリス熱処理を施した場合には、約１００μｍ未満の薄い電解質と約１５０μｍ未満の薄い電極を組み合わせて使用することが可能となる。
【００３７】
図１０Ａは、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）に組み込んだ厚い電解質を示している。電解質は、数百μｍの厚さをもつことが示されている。図１０Ｂは、約４０μｍの別の電解質を示している。
【００３８】
図１１は、固体酸化物型燃料電池及び固体酸化物型燃料電池スタックを製造する方法の一例を示している。電池の各層は、工程１１０２として示すように形成することができる。層形成方法は、テープキャスティング、スクリーン印刷、テープカレンダー加工、多層セラミック加工、溶射コーティング、リソグラフィックデポジッション、押出し加工及びコーティング、そして共押出し加工を包含する種々の低コスト製造手段で有利に実施することができる。複数の電池は、工程１１０４として示すように、一緒に熱処理する。熱処理は、なかんずく、加熱加圧成形、熱間等静圧圧縮成形又は熱間鍛造を包含することができる。工程１１０２及び１１０４は、加熱加圧成形、熱間等静圧圧縮成形又は熱間鍛造を組み入れた特定の同時焼成技法において同時的に実施することができる。熱処理は、還元性雰囲気において、あるいは好ましくは、非還元性雰囲気、例えば酸化性雰囲気において、実施することができる。もしも熱処理を還元性雰囲気において行うのであるならば、工程１１０６として示すように、引き続く酸化工程を実施することができる。酸化工程は、流路形成物質及び細孔形成物質を除去するために使用してもよい。この酸化によって、アノード内の一部のニッケルあるいは種々の電極内のワイヤメッシュのニッケルを酸化させることができる。次いで、工程１１０８として示すように、引き続いた還元工程を実施することができる。しかしながら、酸化雰囲気中で加熱加圧成形を行った場合、追加の酸化及び還元工程の数を減らすことができる。
【００３９】
スタックは、工程１１１０として示すように、封止を行うことができ、また、工程１１１２として示すように、接点に接続する。これらの工程の順序は、処理方法に応じて変更してもよい。
【００４０】
図１２は、加熱加圧成形の１サイクルを例示したものである。固体酸化物型燃料電池あるいは固体酸化物型燃料電池スタックを熱間鍛造する短縮された処理サイクルが示されている。所望とする温度が達成された後、１時間よりも短い期間にわたって圧力（力）を適用することができる。このような短縮された処理サイクルを適用すると、固体酸化物型燃料電池スタックのコストを下げ、かつ製造を加速することができる。図１２に示した圧力は４７ｋＮの高さであるが、好ましい範囲は、約０．１〜約２０ｋＮの間であることができ、例えば、約０．１〜約１０ｋＮの間である。
【００４１】
図１３は、固体酸化物型燃料電池を形成する一例を示している。工程１３０２において示すように、一部の電極の層を形成する。工程１３０４として示すように、部分電極内に集電メッシュを配置する。さらに加えて、部分電極の上もしくはその内部に微細流路形成ロッドを配置してもよい。引き続いて、工程１３０６として示すように、第１の電極を形成するために残っている材料で層を形成する。次いで、工程１３０８として示すように、電解質の層を形成する。工程１３１０として示すように、部分第２電極材料からなる引き続きの層を電解質層の上に配置する。工程１３１２として示すように、部分第２電極材料の上に集電メッシュを配置する。工程１３１４として示すように、第２電極を形成するための残りの材料を集電メッシュと部分第２電極の上に層状に配置する。集電体の他に、微細流路形成メッシュを部分電極と一緒に配置してもよい。電池は、スタックを形成するため、別々にあるいはその他の電池と一緒に、加圧成形するかもしくは加熱加圧成形してもよい。
【００４２】
上記した固体酸化物型燃料電池は、発電のためのＳＯＦＣシステムに組み込んでもよい。図１４は、ＳＯＦＣシステムの一例を示したものである。このシステムは、燃料システム１４０２、空気システム１４０４、ＳＯＦＣスタック１４０８、そして電力調整装置１４１０を包含する。また、このシステムは、ＳＯＦＣスタックの所望とする運転温度に依存して、リフォーマー（改質装置）１４０６を包含してもよい。
【００４３】
燃料は、燃料システム１４０２に供給される。燃料システム１４０２は、燃料のクリーニング及び（又は）リフォーミングや反応のために調製物中の燃料を加熱することを行ってもよい。燃料システム１４０２は、熱交換器、コンプレッサ、ポンプ、吸着床及びその他の構成要素を包含してもよい。燃料は、燃料システム１４０２から出た後、リフォーマー１４０６に供給される。リフォーマー１４０６は、燃料から水素及びその他の分子を生成させるために使用することができる。典型的には、リフォーマー１４０６は、典型的には低温のＳＯＦＣシステムのために使用される。高温のＳＯＦＣシステムは、内的リフォーミングの利点を具えることができ、したがって、リフォーミング前の燃料を利用する。
【００４４】
空気は、空気システム１４０４に供給される。空気システム１４０４は、空気のクリーニング、圧縮、精製及び（又は）加熱を行ってもよい。空気システムは、その他の構成要素のなかでも、コンプレッサ、吸着床、メンブラン及び熱交換器を包含してもよい。
【００４５】
燃料と空気は、ＳＯＦＣスタック１４０８に供給される。燃料は、通常、ＳＯＦＣスタック内の燃料電池のアノードを横切るようにして供給され、また、空気は、通常、カソードを横切るようにして供給される。ＳＯＦＣの場合、カソードから電解質を横切ってアノードに輸送された酸素によって電位が発生せしめられる。この電位の調整を、ＳＯＦＣスタック１４０８に電気的に接続されている電力調整装置１４１０によって実施する。電力調整装置１４１０は、グリッドあるいは回路に対して電力を供給することができる。ＳＯＦＣスタックからの排気は、熱交換のために、あるいはリフォメーションプロセスにおいて使用することができる。
【００４６】
図１５は、空気雰囲気下において加熱加圧成形サイクルを行って得た微細流路を含む電極を備えた固体酸化物型燃料電池スタックの一例を示している。この例示した態様において、加熱加圧成形サイクルの間にグラファイト−樹脂複合ロッドを酸化することによって微細流路を形成した。ロッドは、図１３に示したプロセス（図中、工程１３０４と１３１２が微細流路形成物質の配置を示す）と同様な手法に従って電極の本体に埋め込んだ。固体酸化物型燃料電池スタックを１ＭＰａの圧力の下で１３００℃で加熱加圧成形した。別の態様の場合には、約０．０１ＭＰａ〜約１００ＭＰａの圧力の下で、例えば約０．１ＭＰａ〜約５０ＭＰａの間あるいは約０．５ＭＰａ〜約２０ＭＰａの間の圧力の下で、固体酸化物型燃料電池スタックを加熱加圧成形することができる。
【００４７】
以上に説明した事項は、説明を目的としたものであり、何ら限定的なものではなく、また、添付の特許請求の範囲は、本発明の真の範囲に包含される変更、改良及びその他の態様をすべて包含することを意図したものであることを理解されたい。したがって、本発明の範囲は、特許請求の範囲及びそれらの等価物の最も広い許容可能な解釈を通じて、法令によって許される範囲の最大限のものとなるように決定されるべきものであり、上記した詳細な説明によって制限あるいは限定されるべきものではない。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】固体酸化物型燃料電池スタックの一例を示した模式図である。
【図２】図１の固体酸化物型燃料電池スタックに対する電気的接続によって達成される回路の一例を示した模式図である。
【図３】固体酸化物型燃料電池の一例を示した模式図である。
【図４】電極の一例の形成を示した模式図である。
【図５Ａ】電極の一例の形成を示した電子顕微鏡写真である。
【図５Ｂ】電極の一例の形成を示した電子顕微鏡写真である。
【図６Ａ】電極の一例の形成を示した電子顕微鏡写真である。
【図６Ｂ】電極の一例の形成を示した電子顕微鏡写真である。
【図７Ａ】電極の一例の形成を示した電子顕微鏡写真である。
【図７Ｂ】累積侵入量と細孔サイズの関係をプロットしたグラフである。
【図７Ｃ】電極の一例の形成を示した電子顕微鏡写真である。
【図７Ｄ】累積侵入量と細孔サイズの関係をプロットしたグラフである。
【図８】ガス流路の形成のための装置の一例を示した模式図である。
【図９】固体酸化物型燃料電池の一例を示した模式図である。
【図１０Ａ】固体酸化物型燃料電池の一例を示した電子顕微鏡写真である。
【図１０Ｂ】固体酸化物型燃料電池の一例を示した電子顕微鏡写真である。
【図１１】固体酸化物型燃料電池スタックの形成方法の一例を示した系統図である。
【図１２】固体酸化物型燃料電池スタックにおける温度及び出力の経時変化をプロットしたグラフである。
【図１３】固体酸化物型燃料電池スタックの形成方法の一例を示した系統図である。
【図１４】ＳＯＦＣシステムの一例を示した模式図である。
【図１５】固体酸化物型燃料電池スタックの一例を示した電子顕微鏡写真である。
【図１】
2007502012.tif 000003
【図２】
2007502012.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図８】
2007502012.tif 000015
【図９】
2007502012.tif 000016
【図１０Ａ】
2007502012.tif 000017
【図１０Ｂ】
2007502012.tif 000018
【図１１】
2007502012.tif 000019
【図１２】
2007502012.tif 000020
【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【手続補正書】
【提出日】平成18年2月8日(2006.2.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電極層、
前記第１の電極層の上に配置された第１の電解質層、
前記第１の電解質層の上に配置された共通の電極層、
前記共通の電極層の上に配置された第２の電解質層、及び
前記第２の電解質層の上に配置された第２の電極層
を含み、
前記第１及び第２の電極層は、アノード又はカソードであり、かつ前記共通の電極層は、該アノード又はカソードの残りの電極であり、そして
前記第１の電極層、前記第１の電解質層及び前記共通の電極層は、第１の固体酸化物型燃料電池を形成し、かつ前記共通の電極層、前記第２の電解質層及び前記第２の電極層は、第２の固体酸化物型燃料電池を形成する、固体酸化物型燃料電池スタック。
【請求項２】
第１のアノード層、
前記第１のアノード層の上に配置された第１の電解質層、
前記第１のアノード層の上に配置された第１のカソード層、
前記第１のカソード層の上に配置された第２の電解質層、及び
前記第２の電解質層の上に配置された第２のアノード層
を含む、一体化された固体酸化物型燃料電池スタック。
【請求項３】
燃料をコンディショニングするための燃料システム、
空気をコンディショニングするための空気システム、
前記燃料システムに接続され、かつ前記空気システムに接続された固体酸化物型燃料電池スタックであって、該燃料電池スタックが、
第１の電極層、前記第１の電極層の上に配置された第１の電解質層、前記第１の電解質層の上に配置された共通の電極層、前記共通の電極層の上に配置された第２の電解質層、及び前記第２の電解質層の上に配置された第２の電極層を含み、
前記第１及び第２の電極層は、アノード又はカソードであり、かつ前記共通の電極層は、該アノード又はカソードの残りの電極である、固体酸化物型燃料電池スタック、及び
前記固体酸化物型燃料電池スタックに電気的に接続された電力調整装置
を含んでなる、固体酸化物型燃料電池システム。
【請求項４】
燃料をコンディショニングするための燃料システム、
空気をコンディショニングするための空気システム、
前記燃料システムに接続され、かつ前記空気システムに接続された固体酸化物型燃料電池スタックであって、該燃料電池スタックが、
第１のアノード層、
前記第１のアノード層の上に配置された第１の電解質層、
前記第１のアノード層の上に配置された第１のカソード層、
前記第１のカソード層の上に配置された第２の電解質層、及び
前記第２の電解質層の上に配置された第２のアノード層
を含む、固体酸化物型燃料電池スタック、及び
前記固体酸化物型燃料電池スタックに電気的に接続された電力調整装置
を含んでなる、固体酸化物型燃料電池システム。
【請求項５】
一体化された微細流路を含むアノード層、
前記アノード層の上に配置された電解質層、及び
前記電解質層の上に配置されたものであって、一体化された微細流路を含むカソード層
を含む、固体酸化物型燃料電池。
【国際調査報告】
2007502012.tif 000024
2007502012.tif 000025