(57)【要約】【課題】燃料電池アセンブリ１００は、少なくとも２つの電極１１２、１１６及び電解質１１４を含む少なくとも１つの燃料電池１１８を含む。【解決手段】相互接続部構造１０２は、除去可能な犠牲材料１１０により当初規定される少なくとも１つの流路１０４を含む。燃料電池アセンブリを形成する方法は、少なくとも１つの流路を有する相互接続部構造を提供する工程と、流路の中へ犠牲材料を付着させる工程と、相互接続部構造及び犠牲材料の上に電極又は電極／電解質材料を付着させる工程と、犠牲材料を除去するように燃料電池を処理する工程とを含む。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２つの電極１１２、１１６及びそれらの間に挿入された電解質１１４を含む少なくとも１つの燃料電池１１８と、
前記電極１１２、１１６の少なくとも一方又は前記電解質１１４と密接に接触し、除去可能な犠牲材料１１０により当初規定される少なくとも１つの流路１０４を含み、前記電極１１２、１１６及び前記電解質１１４の支持を行う相互接続部構造１０２とを具備する燃料電池アセンブリ１００。
【請求項２】
前記電解質１１４はほぼガスを透過できないような厚さを有する請求項１記載の燃料電池アセンブリ１００。
【請求項３】
前記電解質１１４の厚さは約５０μｍまでである請求項２記載の燃料電池アセンブリ１００。
【請求項４】
前記相互接続部構造１０２は薄い成形金属、ステンレス鋼、輝コバルト鉱、セラミック、ＬａＣｒＯ３、ＣｏＣｒ２Ｏ４、Ｉｎｃｏｎｅｌ（商標）６００、Ｉｎｃｏｎｅｌ（商標）６０１、Ｈａｓｔｅｌｌｏｙ（商標）−Ｘ、Ｈａｓｔｅｌｌｏｙ（商標）−２３０及びそれらの組み合わせのうちの１つから形成されている請求項１記載の燃料電池アセンブリ１００。
【請求項５】
前記犠牲材料１１０はポリマー、塩、ポリマーフォーム、可溶性物質、ポリウレタン、パラフィン及び低密度発泡ポリマーから成る材料群から選択された材料から形成されている請求項１記載の燃料電池アセンブリ１００。
【請求項６】
相互接続部支持構造１０２と、
前記相互接続部支持構造１０２の内部に配置された少なくとも１つの流路１０４と、
前記流路１０４の内部に配置され、その上に付着のための面を形成する除去可能な犠牲材料１１０とを具備する相互接続部プレフォーム。
【請求項７】
前記犠牲材料１１０はポリマー、ポリマーフォーム、ポリウレタン、塩、パラフィン、低密度発泡ポリマー及び可溶性物質のうちの１つから形成されている請求項６記載の相互接続部プレフォーム。
【請求項８】
前記犠牲材料１１０は加熱、化学的エッチング、アブレーション又は溶解により除去可能である請求項６記載の相互接続部プレフォーム。
【請求項９】
燃料電池アセンブリを形成する方法において、
少なくとも１つの流路を有する相互接続部構造を提供する工程と、
前記少なくとも１つの流路の中へ犠牲材料を付着させる工程と、
前記相互接続部構造及び前記犠牲材料の上に電極及び電解質のうちの少なくとも一方を付着させる工程と、
前記犠牲材料を除去するように前記燃料電池アセンブリを処理する工程から成る方法。
【請求項１０】
前記電極及び電解質材料のうちの少なくとも一方を付着させる工程は、スパッタリング、ゾル−ゲル、テープカレンダリング、ジェット蒸気付着、拡張熱プラズマ付着、電気泳動付着、プラズマエンハンスト化学気相成長、ＣＶＤ、ＰＶＤ又はそれらの組み合わせから成る方法群から選択された方法から成る請求項９記載の燃料電池を形成する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に燃料電池に関し、特に相互接続部支持燃料電池アセンブリ、プレフォーム及び製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池、例えば、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）は、大規模発電、配電及び自動車を含む数多くの用途に適用することが可能な電気化学的装置である。重要な努力目標の１つは、特に表面積の大きな電極及び電解質材料を製造するための費用効率の高い方法を開発することである。
【０００３】
これまで、電池の製造には陽極支持、陰極支持又は電解質支持の方法が使用されていた。これらの構成要素はそれぞれ薄いのが望ましいが、通常、陽極、陰極及び電解質は全てもろいセラミックから製造されている。必然的に、従来の燃料電池においては、セル製造時の支持を行うために、これらの構成要素の少なくとも１つを厚くしなければならない。
従って、燃料電池製造に際して支持方法を改善する必要がある。
【考案の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
燃料電池アセンブリは、電解質により分離された少なくとも２つの電極を含む燃料電池と、通常は相互接続部構造を介して電極に試薬を配分する手段とを含む。相互接続部構造は、除去可能な犠牲材料により当初規定される少なくとも１つの流路を含む。燃料電池アセンブリを形成する方法は、少なくとも１つの流路を有する相互接続部構造を提供する工程と、流路の中へ犠牲材料を付着させる工程と、相互接続部構造及び犠牲材料の上に電極又は電極／電解質材料を付着させる工程と、犠牲材料を除去するように燃料電池を処理する工程とを含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
燃料電池、例えば、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）は、イオン電導層を介して燃料とオキシダントを電気化学的に組み合わせることにより電気を発生するエネルギー変換装置である。図１に示すように、平面燃料電池１０の一例は相互接続部分１２と、電解質１８により分離された一対の電極、すなわち、陰極１４及び陽極１６とを具備する。各々の燃料電池１０は、直列又は並列に、あるいは直列と並列を組み合わせて積み重ねられて、合計出力を発生することができる燃料電池スタックシステム又は構造を形成することが可能である繰り返し電池ユニット２０である。
【０００６】
相互接続部分１２は陰極１４と密接に接触する複数の空気流路２４と、隣接する繰り返し電池ユニット２０の陽極１６と密接に接触する複数の燃料流路２６とを規定している。ただし、空気流路２４が陽極１６と接触し、燃料流路２６が陰極１４と接触していても良い。動作中、燃料流れ２８は燃料流路２６に供給され、通常は加熱空気である空気流れ３０は空気流路２４に供給される。
【０００７】
図２に示すように、例えば、天然ガスである燃料流れ２８は陽極１６へ送り出され、酸化反応を受け、外部電気回路３２へ電子を放出する。空気流れ３０は陰極１４へ送り出され、外部電気回路３２から電子を受け取り、還元反応を受ける。電解質１８は陽極１６と陰極１４との間でイオンを導通させる。電子の流れは直流電気を発生し、このプロセスはいくつかの排気ガスと、熱を発生させる。
【０００８】
一例の管状燃料電池５０は、図３に示すように、内側陰極管５２と、外側陽極管５４と、それらの間に配置された電解質層５６とを具備する。陰極管５４上に相互接続部５８が配置され、電解質層５６と密接に接触している。各管状燃料電池５０は、直列又は並列に、あるいは直列と並列を組み合わせて互いに結束されて、総合的に出力を発生することができる燃料電池束又は構造を形成することが可能である繰り返し電池ユニットである。
【０００９】
動作中、陰極管５２内部に空気流れ６０が供給され、外側陽極管５２の外表面には燃料流れ６２が供給される。加熱された空気流れ６０と燃料流れ６２は先に説明した構成と同様に電気化学的に反応する。
【００１０】
１つのスタック又は束における個別の電池の数は燃料電池システムの電圧を決定し、アンペア数定格は主として電極の表面積によって決まる。重要な努力目標の１つは、各々が抵抗損失を減少させるために相対的に薄い横断面を有し、製造及び組み立てにかかる費用を最小限に抑えるために大きな表面積を有するような陽極材料、陰極材料及び電解質材料を製造する費用効率の高い方法を開発することである。
【００１１】
本発明の一実施例に従って、相互接続部支持平面燃料電池１００を図４から図７に示す。
【００１２】
相互接続部分１０２は、相互接続部分１０２の本体の中に配置された複数の流体流路１０４を規定する。流体流路１０４の一部は空気流路１０６であり、流体流路１０４の一部は燃料流路１０８である。相互接続部分１０２の主な機能は、１つの繰り返し可能電池ユニットの陽極を隣接する電池ユニットの陰極に電気的に接続することである。更に、相互接続部分１０２は均一な電流分布を示すべきであり、ガスを透過してはならず、還元環境と酸化環境の双方で安定しているべきであり、且つ多様な温度で電子流れを支援するために適切な電導率を有していなければならない。相互接続部分１０２は、薄い成形金属、ステンレス鋼、輝コバルト鉱、セラミック、ＬａＣｒＯ３、ＣｏＣｒ２Ｏ４、Ｉｎｃｏｎｅｌ（商標）６００、Ｉｎｃｏｎｅｌ（商標）６０１、Ｈａｓｔｅｌｌｏｙ（商標）　−Ｘ、Ｈａｓｔｅｌｌｏｙ　（商標）　−２３０及びそれらの組み合わせを含むが、それらには限定されない、上述のような特性を有する多数の材料から製造できる。相互接続部分１０２は、通常、約０．１ｍｍから約５ｍｍの範囲の厚さを有し、約０．２５ｍｍから約０．５ｍｍの範囲の厚さを有するのが好ましい。
【００１３】
電池の製造を支援するため、相互接続部分１０２は電極材料又は電解質材料を付着させるか、被覆するか、又は他の方法で配置する（その後、付着させる）ための適切な表面を提供しなければならない。従って、図５に示すように、付着に適する相対的に一様な支持面を相互接続部分１０２の上に形成するために、流体流路１０４の少なくとも一部は犠牲材料１１０で充填される。犠牲材料１１０は流体流路１０４を埋め、電極材料又は電解質材料を付着させるための一時的基板を形成する。相互接続部分１０２を電池製造の支持構造として使用することにより、相互接続部分１０２の上に層ごとの付着を行うことができる低コストで面積の広い製造メカニズムが得られる。相互接続部分１０２は一様な横断面又は拡張する横断面、あるいは管状、方形又はその他の金属成形可能な形状を持つ流体流路１０４を有することができる。
【００１４】
犠牲材料１１０は、電極材料又は電解質材料の付着のための一時的基板を形成し且つ付着プロセスが完了した後に適切な処理により除去されることが可能である任意の材料から形成できる。犠牲材料１１０は、例えば、ポリマー、塩、ポリマーフォーム、可溶性物質、ポリウレタン、パラフィン、低密度発泡ポリマーなどであっても良い。犠牲材料１１０を除去するための方法としては、加熱、化学的エッチング、アブレーション、溶解又は対応する犠牲材料１１０に適する何らかの除去方法などが考えられる。
【００１５】
陽極層１１２は、通常は、図６に示すように、付着又は陽極シートなどを乗せることにより相互接続部１０２及び犠牲材料１１０の基板の上に配置される。電極材料（陽極又は陰極）又は電解質材料、あるいはその組み合わせを相互接続部１０２及び犠牲材料１１０の基板のプレフォームの上に最初に付着させるか、又はその他の方法により形成しても良いであろうということは認識される。陽極層１１２を第１の層として使用することは便宜上の単なる一例である。
【００１６】
陽極層１１２の主な目的は、燃料電池内へ導入された燃料の電気化学的酸化のための反応場所を提供することである。更に、陽極材料は燃料還元環境において安定しているべきであり、燃料電池の動作条件における燃料ガスの反応に対して適切な電子電導率、表面積及び触媒作用を有していなければならず、且つガスを反応場所まで搬送できるようにするために十分な多孔率を有していなければならない。陽極は、金属、ニッケル（Ｎｉ）、Ｎｉ合金、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、金、プラチナ、パラジウム、ロジウム及びイリジウムなどの貴金属、コバルト、ルテニウム、Ｎｉ−酸化イットリウム安定化酸化ジルコニウム（ＹＳＺ）サーメット、Ｃｕ−ＹＳＺサーメット、Ｎｉ−酸化セリウムサーメット、セラミック又はそれらの組み合わせを含むが、これらには限定されない、上述のような特性を有する多数の材料から製造できる。
【００１７】
図６に示すように、陽極層１１２の上には通常は付着によって電解質層１１４が配置される。電解質層１１４の主な目的は、陽極層１１２と陰極層との間でイオンを導通させることである。電解質層１１４は一方の電極で発生されたイオンを他方の電極へ搬送して、電子流れからの電荷の平衡を保ち且つ燃料電池１００における電気回路を完成させる。更に、電解質層１１４は燃料電池１００内で燃料をオキシダントから分離する。従って、電解質層１１４は還元環境と酸化環境の双方で安定していなければならず、反応ガスを透過してはならず、且つ動作条件の下で適切な電導率を有していなければならない。通常、電解質層１１４は電子的にほぼ絶縁性である。電解質層１１４は、ＺｒＯ２、ＹＳＺ、不純物添加酸化セリウム、ＣｅＯ２、三二酸化ビスマス、酸化黄緑石、不純物添加ジルコン酸塩、酸化灰チタン石材料及びそれらの組み合わせを含むが、これらには限定されない、上述のような特性を有する多数の材料から製造できる。
【００１８】
電解質層１１４は、通常、電解質がほぼガスを透過しないような厚さを有する。電解質層１１４の厚さは通常は５０μｍ未満であり、約０．１μｍから約１０μｍの範囲の厚さであるのが好ましく、約１μｍから約５μｍの範囲の厚さであるのが最も好ましい。
【００１９】
図６に示すように、繰り返し可能電池ユニット１１８を完成するために電解質層１１４の上に陰極層１１６が配置される。陰極層１１６の主な目的は、オキシダントの電気化学的還元のための反応場所を提供することである。従って、陰極層１１６は酸化環境の中で安定していなければならず、燃料電池の動作条件におけるオキシダントガスの反応に対して十分な電子電導率、表面積及び触媒反応を有していなければならず、且つガスを反応場所まで搬送できるように十分な多孔率を有していなければならない。陰極層１１６は、導電性酸化物、灰チタン石、不純物添加ＬａＭｎＯ３、Ｓｒ添加ＬａＭｏＯ４（ＳＬＭ）、スズ添加酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）、ストロンチウム添加ＰｒＭｎＯ３、ＬａＦｅＯ３−ＬａＣｏＯ３　ＲｕＯ２−ＹＳＺ、Ｌａ輝コバルト鉱及びそれらの組み合わせを含むが、これらには限定されない、上述のような特性を有する多数の材料から製造できる。
【００２０】
電極１１２、１１６は、通常、例えば、約１ｍ２／ｇから約１０００ｍ２／ｇの範囲の、電気化学的反応を支援するのに十分な表面積を有する。電極１１２、１１６は、通常、約８０Ｃ度から約１０００Ｃ度の間、好ましくは約３００Ｃ度から約１０００Ｃ度の間で熱的に安定している。
【００２１】
燃料電池１００は、流体流路１０４から犠牲材料１１０を除去するために処理され、図７に示すように、流体流路１０４が開放される。
【００２２】
燃料電池１００は固体酸化物燃料電池、プロトン交換膜又は固体ポリマー燃料電池、溶融炭酸塩燃料電池、リン酸燃料電池、アルカリ燃料電池、ダイレクトメタノール燃料電池、再生燃料電池、亜鉛空気燃料電池又はプロトニックセラミック燃料電池を含むが、これらには限定されない、流路を必要とするどのような種類の燃料電池であっても良い。
【００２３】
図８は、平面燃料電池１００のような相互接続部支持燃料電池を製造する方法の一例を示すフローチャートである。
【００２４】
まず、上に乗せるために相互接続部分を位置決めする（Ｓ１）。相互接続部分は、例えば、ステンレス鋼などの打ち抜き金属薄板から製造できる。次に、電極及び電解質を層ごとに付着させるための基板を形成するために、相互接続部分の流体流路の中に犠牲材料を付着させる（Ｓ２）。例えば、発泡材料である犠牲材料は、流体流路を埋めるように噴霧又は注入されるか、あるいはその他の方法により塗布される。犠牲材料がこの後の電極材料又は電解質材料の付着を妨害するのを防止するように、必要な中間工程が実行される。中間工程の一例は、流体流路を被覆するようにほぼ平坦なシートを相互接続部の上に配置することであろう。次に、相互接続支持部分の両側で流体流路開口を介して犠牲材料を導入し、発泡材料が流路に完全に充満して、上部シートと接触するまで、流路を充填する。次に、相互接続部分からシートを除去し、次の層の付着を完了することができる。中間工程の別の例は、流体流路が完全に満たされるか、又はわずかなあふれを生じるまで、犠牲材料を流路に導入することである。その後、基板を平坦にし、平坦で清浄な付着のための面を形成するように、相互接続部から余剰の又はあふれた犠牲材料をかき取る。
【００２５】
次に、電極材料の一方、この場合には陽極材料を相互接続部−犠牲材料基板の上に付着させる（Ｓ３）。次に、電解質材料を陽極材料の上に付着させる（Ｓ４）。その後、陰極材料を電解質材料の上に付着させる（Ｓ５）。最後に、相互接続部支持燃料電池を処理して、犠牲材料を除去する（Ｓ６）。
【００２６】
電極材料又は電解質材料を基板上に付着又はその他の方法により配置する方法には、スパッタリング、ゾル−ゲル、テープカレンダリング、ジェット蒸気付着、拡張熱プラズマ付着（本出願と共通の譲受人に譲渡された同時係属出願、書類番号１２０５０５、名称「Ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　Ｆｕｅｌ　Ｃｅｌｌｓ　ａｎｄ　Ａｒｔｉｃｌｅｓ　Ｍａｄｅ　Ｔｈｅｒｅｗｉｔｈ」の中で更に詳細に述べられている）、電気泳動付着、プラズマエンハンスト化学気相成長、ＣＶＤ、ＰＶＤなどを含めて数多くあるが、これらには限定されない。
【００２７】
本発明を図示し且つ説明したが、本発明の趣旨から全く逸脱せずに様々な変形及び置き換えを行うことが可能であるため、本発明はここで示す詳細に限定されるべきではない。従って、日常の実験作業程度を使用して当業者がここで開示した発明の他の変形及び等価の構成を思い浮かべることは可能であり、そのような変形及び等価の構成は全て特許請求の範囲により定義される本発明の趣旨の範囲内に入ると考えられる。
【００２８】
特許請求の範囲に示されている図中符号は本発明の範囲を狭めるのではなく、理解を容易にすることを意図している。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の一実施例としての平面燃料電池１０の概略図。
【図２】陽極１６と陰極１４との間の電子の流れを示す、平面燃料電池１０の概略部分横断面図。
【図３】本発明の一実施例の管状燃料電池５０の概略図。
【図４】相互接続部分１０２の横断面図。
【図５】犠牲材料１１０で充填された相互接続部分１０２の横断面図。
【図６】犠牲材料１１０で充填された相互接続部分１０２の上に配置された陽極層１１２の横断面図。
【図７】犠牲材料１１０が流体流路１０４から除去された燃料電池１００の横断面図。
【図８】平面燃料電池１００などの相互接続部支持燃料電池の製造方法の一例を示すフローチャート。
【符号の説明】
【００３０】
１００…相互接続部支持平面燃料電池、１０２…相互接続部分、１０４…流体流路、１０６…空気流路、１０８…燃料流路、１１０…犠牲材料、１１２…陽極層、１１４…電解質層、１１６…陰極層、１１８…繰り返し可能電池ユニット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【外国語明細書】
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