(57)【要約】カソード支持型燃料電池であって、カソード支持体は、鉄およびクロムを含有する合金、より好ましくはステンレス鋼からなる多孔質部材を含む。アノードは、１〜５０μｍの厚みを有し、好ましくはニッケル／ニッケル酸化物から構成される。カソードは、好ましくはＬＳＭ材料から構成される。このような電極支持型燃料電池は、好ましくは粉体の形態から開始して、焼結することにより、少なくとも鉄またはクロムを含有する金属支持体を提供し、この上に連続的に電極、電解質および他の電極を適用することにより製造することができる。この方法によりカソードを金属支持体に適用し、得られた結合体を１０００℃から１２００℃までの温度で焼結する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード（２）、電解質（３）およびカソード（４）を具備する電極側に支持された燃料電池（１）であって、電極支持体は、鉄およびクロムの合金からなる多孔質部材を含み、前記電極支持体が、カソード支持体（５）であることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記カソード支持体が、焼結された粉体を含む、請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記電解質が、１０μｍ未満の厚みを有する、請求項１または２記載の燃料電池。
【請求項４】
前記アノードが、ニッケル／ニッケル酸化物を含む、請求項１ないし３のいずれか１項記載の燃料電池。
【請求項５】
前記カソードが、ＬＳＭ材料を含む、請求項１ないし４のいずれか１項記載の燃料電池。
【請求項６】
前記カソード支持体が、Ｆｅ−Ｃｒ材料またはＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ材料を含む、請求項１ないし５のいずれか１項記載の燃料電池。
【請求項７】
前記カソード側に空気が供給されるように備えられる、請求項１ないし６のいずれか１項記載の燃料電池。
【請求項８】
前記アノードが、５０μｍ未満の厚みを有する、請求項１ないし７のいずれか１項記載の燃料電池。
【請求項９】
少なくとも鉄またはクロムを含む金属支持体の提供と、その上への電極、電解質および他の電極の連続的な適用とを含み、カソードを前記金属支持体に適用し、得られた結合体を１０００℃から１２００℃までの間の温度で焼結することを特徴とする電極支持型燃料電池の製造方法。
【請求項１０】
前記カソード支持体を、粉体を焼結することにより得る、請求項９記載の製造方法。
【請求項１１】
前記粉体を懸濁液の形態で鋳造し、その後焼結する、請求項１０記載の製造方法。
【請求項１２】
前記カソードの前記適用に、印刷技術が含まれる、請求項９ないし１１のいずれか１項記載の製造方法。
【請求項１３】
前記カソードへの前記電解質の前記適用に、回転コーティングが含まれる、請求項９ないし１２のいずれか１項記載の製造方法。
【請求項１４】
前記アノードが、ニッケル／ニッケル酸化物を含む、請求項９ないし１３のいずれか１項記載の製造方法。
【請求項１５】
前記カソード支持体が、ステンレス鋼を含む、請求項９ないし１４のいずれか１項記載の製造方法。
【請求項１６】
前記粉体が１５０μｍ未満の粒径を有し、請求項１０記載の製造方法と併用される、請求項９ないし１５のいずれか１項記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電極側に支持された燃料電池に関し、これは、アノード、電解質およびカソードを具備し、この電極支持体は、鉄およびクロムの合金からなる多孔質部材を含む。
【背景技術】
【０００２】
このような燃料電池は、燃料電池広報（Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌｓ  Ｂｕｌｌｅｔｉｎ）Ｎｏ．２１，第７頁，シラーら（Ｓｃｈｉｌｌｅｒ  ｅｔ  ａｌ．）「低減された作業温度のための真空プラズマスプレーされた薄膜ＳＯＦＣの開発（Development of vacuum plasma sprayed thin-film SOFC for reduced operating temperature）」（非特許文献１）に開示されている。この出版物においては、アノード支持型燃料電池が記述されており、ここでは、アノード支持体は、例えば、オーストリアのプランジー（Ｐｌａｎｓｅｅ）から入手可能な、ステンレス鋼あるいはクロム基合金のような鉄およびクロム材料から構成されている。
【０００３】
このタイプの電気化学的電池は、特には、固体酸素燃料電池（ＳＯＦＣ）である。プラズマスプレー技術を用いて、アノード層が金属支持体に適用され、引き続き、電解質およびカソードが適用される。
【０００４】
このような燃料電池は、完全に満足のいくものではないことが分かっている。アノード側のスチールアノード支持体が耐え得なければならない条件は、非常に多種多様である。これは、還元条件下で、アノード入口と出口で異なる酸素分圧で、および、燃料中のあるいは反応生成物としての水の存在下で、耐熱性の鋼でなければならない。加えて、例えば、アノード燃料供給がない場合には、酸素分圧は短時間で実質的に変化し得る。高温（高い作業温度）ではこれら全てが起こる。従って、使用される支持体での酸化に関して課せられている要求は、大気の「正常な」環境中にあるタイプの鋼に課せられている要求とは異なる。
【０００５】
その上、アノード側に提供された多孔質支持体の使用は、ガス分配制限（ｇａｓ  ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ  ｌｉｍｉｔａｔｉｏｎ）の危険を生じさせる。これは、電池の性能を低下させる。結局、活性なアノード表面から／活性なアノード表面に、反応物が適切に除去されない場合および反応生成物が適切に供給されない場合には、アノードでの燃料利用は、その実際のものよりも高くなるようである。このことは、２つの不都合な効果を有する。第一には、アノード表面での低い燃料圧力の結果として、燃料の反応速度が逆に作用する。第二には、アノードの上の高い酸素ポテンシャルは、アノード材料の酸化および分解を生じさせる可能性がある。酸化の結果として、スチール支持体の孔が金属酸化物で徐々に閉塞されると、ガス分配の問題も電池の作動中に生じ得る。
【０００６】
種々の金属合金が使用される場合には、その中の（微量の）ニッケルの存在で、メタンがアノードガスとして使用される場合に、炭素が生成されるという危険がある。
【０００７】
本発明の目的は、安価に製造することができ、かつ上述した不利益を有さない燃料電池を提供することにある。この目的は、上述した燃料電池で実現され、この燃料電池では、前記電極支持体がカソード支持体である。
【非特許文献１】燃料電池広報（Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌｓ  Ｂｕｌｌｅｔｉｎ）Ｎｏ．２１，第７頁，シラーら（Ｓｃｈｉｌｌｅｒ  ｅｔ  ａｌ．）「低減された作業温度のための真空プラズマスプレーされた薄膜ＳＯＦＣの開発（Development of vacuum plasma sprayed thin-film SOFC for reduced operating temperature）」
【発明の開示】
【０００８】
一般的に考えられていることとは対照的に、ステンレス鋼またはクロム合金のような金属材料からなるカソード支持体を使用することは容易に可能である。結局、多くの適用法において、カソード側に存在する媒体は空気であり、そのような金属合金は、大気雰囲気のようなところにおける使用のために正確に設計されてきた。原理的には、空気は、燃料電池において過剰に存在する可能性があり、そのため、多孔質のカソード支持体を通って移動しなければならないガスの分配は、アノード側のガスの分配とは対照的に、重要ではない。カソード支持体の使用の結果として、アノードは、電解質にのみ結合される。このことは、金属基板との接着性／反応性の点で、制限無しにアノードをさらに開発することができるという利点を有する。アノードは、本発明の技術分野で既知のいかなる材料から形成されていてもよく、好ましくは、ニッケル酸化物から形成され、これは、作動の間、酸素伝導性酸化物が混合した多孔質ニッケルへと転化する。カソード支持体に適用されるカソードに対しても同様に、本発明の技術分野で既知のいかなる材料、例えば、ＬＳＭ（Ｌａ1-xＳｒxＭｎＯ3）のような材料を使用することができる。
【０００９】
上述した金属支持体の使用の結果、電池の機械的な特性はかなり進歩する。このことは、電池が組み込まれたときに特にあてはまる。従って、順応性のある適用が可能である。
【００１０】
そのようなカソード支持体は、本発明の技術分野で既知のいかなる方法でも得ることができる。しかしながら、これは、最終的なカソード支持体が微細な多孔性となるような方法で製造することが好ましい。これはガス移動を妨害しない一方で、他方では、これは導通のために適切な表面領域を提供する。そのような微細な多孔性の構造は、カソード支持体を、粉体を焼結することにより製造することで得られる。カソード支持体の厚みは、要求に応じて変更することができる。いくらかの柔軟性が要求される一方で、他方では、後にここに適用されるセラミック材料は脆いため、柔軟性は大き過ぎてはならない。このため、カソード支持体の厚みは１００μｍから３ｍｍまでの間とすることが好ましい。
【００１１】
電解質は、好ましくは、５μｍ以下といった小さい厚みを有し、この結果として、燃料電池は低温でも作動可能となる。
【００１２】
上述した燃料電池は、本発明の技術分野で既知のいかなる方法でも製造することができる。安価な製造方法では、スクリーン印刷法のような印刷技術を用いてカソードをカソード支持体に適用することが含まれる。その後、電解質を、本発明の技術分野で既知のいかなる用法でも適用することができる。このためには、好ましくは、回転コーティング（ｓｐｉｎ  ｃｏａｔｉｎｇ）が使用される。
【００１３】
電解質としてはイットリア安定化ジルコニア（Ｙｔｔｒｉａ−ｓｔａｂｉｌｉｓｅｄ  ｚｉｒｃｏｎｉａ）が好ましく使用されるが、本発明の技術分野で既知の他の代替品も可能である。好ましくは、可能な限り焼結温度を制限するために、特には１０００〜１２００℃までに制限するために、焼結活性化粒子（ｓｉｎｔｅｒ−ａｃｔｉｖｅ  ｐａｒｔｉｃｌｅ）を電解質に添加する。小さいもの（＜３０ｎｍ）およびこのような焼結活性化粒子を使用することにより、焼結後、電解質は耐ガス構造になる。堅固さ（ｔｉｇｈｔｎｅｓｓ）もまた、焼結で得ることができる。
【００１４】
その後、アノード層が適用され、上述した焼結に供される。このようにして得られた結合体のアノード側およびカソード側のいずれにも、集電装置およびガス分配装置を任意で適用することができる。
【００１５】
カソード支持体の存在の結果として、アノード支持体を不要にすることができる。この結果、アノードにはアノードガスの最適な供給を提供することができる。
【００１６】
カソード支持体は、数ミリメートル、例えば２．５ｍｍの厚みとすることができ、ステンレス鋼材料または（Ｃｒ５Ｆｅ１（Ｙ2Ｏ3））のようなクロム基合金（ｃｈｒｏｍｉｕｍ−ｂａｓｅｄ  ａｌｌｏｙ）から構成することができる。後者の合金は、オーストリアのプランジー社から得ることができる。カソード支持体は、ガスの供給のために多孔質でなければならず、好ましくは、電気伝導性である。この多孔質支持体は、例えば、好適な粉体を加圧または焼結することにより得ることができる。カソード支持体として使用することができる他の材料には、鉄クロム合金が含まれ、これには任意でアルミニウムを添加することができる。この例として、１５〜３０％のクロムを含有し、任意で１５％までのアルミニウムが添加された鉄クロム合金を言及することができる。
【００１７】
さらなる例は、ＡＩＳＩ４３０および４４１スチールである。アルミニウムを添加する場合には、例えば、「デュクラ合金（Ｄｕｃｒａｌｌｏｙ）」を使用することができる。上述した焼結技術を使用する場合には、焼結粉体は、１５０μｍ未満の粒径を有することが好ましい。この焼結技術を使用することで、粉体を懸濁液にすることができ、プレートなどの上に鋳造することができ、余分な水分を何らかの方法で除去した後に、任意で皮膜を取り除く（ｓｋｉｍｍｅｄ）ことができる。その後、未加工製品を焼結することができる。未加工製品を製造するためのこの方法は、テープ鋳造法（ｔａｐｅ  ｃａｓｔｉｎｇ）としても既知である。
【００１８】
基本的には、上述した電池は、単純な手段を用いて製造することができ、特に、材料およびアノードに関する構造の選択に応じて大きな自由度を残している。というのは、アノードは必ずしもいずれかの支持体に結合させなければならない訳ではないからである。
【００１９】
以下、図面に示された図解の一実施形態を参照して、本発明をより詳細に説明する。この図面において、１により全体として示されている燃料電池は、単一の形態で示されている。
【００２０】
２はアノードを示し、３は電解質を示している。カソードは４で示されている。この全体は、カソード支持体５で支持されている。ガスおよび／または電気のための入口／出口は示されていない。
【００２１】
本発明を好ましい実施形態を参照して上述したが、添付の特許請求の範囲内で種々の変更が可能であることは、当業者に理解され得るであろう。
【００２２】
例えば、種々の層に対して上述の範囲から逸脱した厚みを選択することも可能であるし、組成および適用方法も同様に添付の特許請求の範囲内で変更することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池の断面図。
【符号の説明】
【００２４】
１…燃料電池、２…アノード、３…電解質、４…カソード、５…カソード支持体。
【図１】
2006505897.tif 000002
【手続補正書】
【提出日】平成16年12月20日(2004.12.20)
【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】
アノード（２）、電解質（３）およびカソード（４）を具備する電極側に支持された燃料電池（１）であって、電極支持体は、鉄およびクロムの合金からなる多孔質部材を含み、前記電極支持体が、カソード支持体（５）であり、その上に、前記カソード、電解質およびアノードが連続的に適用され、得られた結合体が焼結されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記カソード支持体が、焼結された粉体を含む、請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記電解質が、１０μｍ未満の厚みを有する、請求項１または２記載の燃料電池。
【請求項４】
前記アノードが、ニッケル／ニッケル酸化物を含む、請求項１ないし３のいずれか１項記載の燃料電池。
【請求項５】
前記カソードが、ＬＳＭ材料を含む、請求項１ないし４のいずれか１項記載の燃料電池。
【請求項６】
前記カソード支持体が、Ｆｅ−Ｃｒ材料またはＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ材料を含む、請求項１ないし５のいずれか１項記載の燃料電池。
【請求項７】
前記カソード側に空気が供給されるように備えられる、請求項１ないし６のいずれか１項記載の燃料電池。
【請求項８】
前記アノードが、５０μｍ未満の厚みを有する、請求項１ないし７のいずれか１項記載の燃料電池。
【請求項９】
少なくとも鉄またはクロムを含む金属支持体の提供と、その上への電極、電解質および他の電極の連続的な適用とを含み、カソードを前記金属支持体に適用し、得られた結合体を１０００℃から１２００℃までの間の温度で焼結することを特徴とする金属支持型燃料電池の製造方法。
【請求項１０】
前記カソード支持体を、粉体を焼結することにより得る、請求項９記載の製造方法。
【請求項１１】
前記粉体を懸濁液の形態で鋳造し、その後焼結する、請求項１０記載の製造方法。
【請求項１２】
前記カソードの前記適用に、印刷技術が含まれる、請求項９ないし１１のいずれか１項記載の製造方法。
【請求項１３】
前記カソードへの前記電解質の前記適用に、回転コーティングが含まれる、請求項９ないし１２のいずれか１項記載の製造方法。
【請求項１４】
前記アノードが、ニッケル／ニッケル酸化物を含む、請求項９ないし１３のいずれか１項記載の製造方法。
【請求項１５】
前記カソード支持体が、ステンレス鋼を含む、請求項９ないし１４のいずれか１項記載の製造方法。
【請求項１６】
前記粉体が１５０μｍ未満の粒径を有し、請求項１０記載の製造方法と併用される、請求項９ないし１５のいずれか１項記載の製造方法。
【国際調査報告】
2006505897.tif 000003
2006505897.tif 000004
2006505897.tif 000005