(57)【要約】固体酸化物燃料セルは、熱サイクル中に安定であり、電解質表面上に密に詰め込まれた複数の離散幾何学エレメントを含む。好ましくは、幾何学エレメントは正六角形で、「ハニカム」パターン電極を形成する。
2004507876.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質層に加えられる電極層から成る固体酸化物燃料セルであって、前記電極層が連続しておらず、実質的に均一な間隙により隔てられた実質的に離散した複数のエレメントから形成される固体酸化物燃料セル。
【請求項２】
前記離散エレメントは、多角形構造を有する請求項１に記載の固体酸化物燃料セル。
【請求項３】
前記多角形離散エレメントは、六角形構造を有する請求項２に記載の固体酸化物燃料セル。
【請求項４】
前記六角形は、正六角形である請求項３に記載の固体酸化物燃料セル。
【請求項５】
電極層に加えられた接触ペースト層を更に含む請求項１に記載の固体酸化物燃料セル。
【請求項６】
前記接触ペースト層は、ランタンコバルテートである請求項５に記載の固体酸化物燃料セル。
【請求項７】
前記接触ペースト層は、使用前に焼結していない請求項６に記載の固体酸化物燃料セル。
【請求項８】
前記間隙は、電極の表面積の約５％よりも小さい請求項１に記載の固体酸化物燃料セル。
【請求項９】
前記間隙は、電極の表面積の約２％よりも小さい請求項８に記載の固体酸化物燃料セル。
【請求項１０】
前記間隙は、電極の表面積の約１％よりも小さい請求項９に記載の固体酸化物燃料セル。
【請求項１１】
電解質層に加えられる電極層から成る固体酸化物燃料セルであって、前記電極層が連続しておらず、実質的に均一な間隙により隔てられた実質的に離散した複数の六角形エレメントから形成され、前記間隙は電極の表面積の約２％よりも小さい固体酸化物燃料セル。
【請求項１２】
固体酸化物燃料セルにおいて電解質層に電極層を加える方法であって、
（ａ）複数の離散エレメントを含むパターンを定めるスクリーンを設け、
（ｂ）実質的に均一な狭い間隙により隔てられた複数の離散エレメントから成る電極層が得られるように、電解質上に電極ペーストをスクリーンを通してスクリーンプリントし、
（ｃ）電極層を燒結する、
段階から成る方法。
【請求項１３】
電極層上に接触ペースト層を加える段階を更に含む請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記離散エレメントは、正六角形構造を有し、前記パターンは、エレメントのハニカムアレイから成る請求項１２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
本発明は、固体イオンデバイスの電極に加えられる巨視的パターンに関する。
【０００２】
【背景技術】
固体酸化物燃料セル（「ＳＯＦＣ」）は、主にセラミック酸化物から製造される高温電気化学デバイスである。代表的には、これらには、安定化ジルコニアのような酸素イオン伝導固体電解質が含まれる。この電解質は、通常２つの多孔性電極、すなわちアノードとカソード、を分離する薄い稠密な膜である。酸化及び還元の双方の環境において安定であり且つ燃料及び酸化剤（通常、空気）を別々にセルに導入するマニホールドを構成する相互接続が使用されている。セルは、水素のようなガス燃料を電気化学的に酸化して電気及び熱を発生することにより動作する。電極は、該電極が取り付けられた固体電解質の熱膨張率のような化学的、電気的及び機械的な特性と適合しうるものでなければならない。
【０００３】
ＳＯＦＣ用にサーメット電極を使用することは、当業界で周知である。サーメット電極は、金属エレメント、酸化物又は単純イットリア安定化ジルコニアの混合物をセルの電解質上に加えることにより製造される。固体電解質上に未処理のサーメット電極を加えるための各種の方法が知られている。このような従来の方法の例として、浸漬、噴霧、スクリーンプリント及び蒸着がある。電気化学活性領域を最大にするために、電解質表面全体に電極が加えられる。最後に、サーメット電極を電解質に接合するために通常焼結プロセスが加えられる。焼結したサーメット電極の微細構造は、修正及び制御が容易にでき、セルの性能を最適化することが可能である。
【０００４】
従来技術に記載されたサーメット電極の利点に係わらず、サーメットと電解質の間の接合が通常弱点である。これは、サーメット電極と電解質との間の熱膨張率の違いから生じる。金属エレメントと酸化物電解質との間の接合は、強い化学的結合よりも弱い物理的結合に依存している。したがって、サーメット電極の電解質からの分離が共通の問題であり、この問題は、ＳＯＦＣの製造中にもテスト中にも起きる。これは、電極反応のための活性領域を小さくし、界面における過電圧損失を増大させる。この問題は、ＳＯＦＣのサイズが大きくなるにつれて激増する。
【０００５】
熱サイクル能力は、ＳＯＦＣの多数の化学用途にとって非常に重要である。しかしながら、熱サイクルは、熱膨張率及び熱膨張速度が相違するために電極と電解質との間の応力を大きくする。この問題を抑制するために、１つの解決法は、酸化物成分を増加させて結合を強化するとともに熱膨張率を許容値に一致させることである。しかしながらこの改良方法は、金属成分が減少するためサーメット電極の導電性を犠牲にすることに基づいている。パーコレーション理論によれば、電子伝導相の量が３０％近くに減少すると、伝導率は急速に減少する。結果として、ＳＯＦＣの電力密度は、サーメット電極の内側の電気抵抗が増大するために減少する。ここで記載した従来の問題は、サーメット電極に加えて、例えば金属酸化物とＬＳＭ電極のような他のタイプの電極にもある程度当てはまる。というのは、そこには、通常熱膨張率に違いがあるからである。
【０００６】
したがって、成分調節によるサーメット電極の最適化は、制限される。熱膨張問題を解決するための従来の試みは、主にイオン伝導のイットリア安定化ジルコニアの骨組埋め込み成長（ｓｋｅｌｅｔａｌ　ｅｍｂｅｄｄｅｄ　ｇｒｏｗｔｈ）を使用していた。骨格埋め込み成長は、電解質／電極界面から多孔性金属層内へ延びて、その合成構造が多孔性サーメット電極を構成する。一つの例において、固体酸化物電極への多孔性ニッケルアノードの接合は、修正された電気化学蒸着（ＥＶＤ）プロセスで達成された。このプロセスは、良好な機械的強度と熱膨張特性を有する十分に接合されたアノードを提供する。しかしながら、セルの全性能は、他の接合方法よりも低くなる。ＥＶＤプロセスは、許容可能な品質の電極を生成するが、労働集約性であり非常に高価である。電極性能を犠牲にすることなく従来技術の難題を緩和した簡単で高価でない電極製造方法が求められている。
【０００７】
【発明の概要】
本発明は、或るパターンで電解質に加えられる電極に関する。そのパターンは、大きなモノリシック電極を複数の小さな離散エレメントに物理的に分割する。したがって、熱膨張の不一致により生じる応力は、はるかに小さな領域に限定される。それに応じて小さなエレメントのインターフェイスにおける歪が減少し、それにより層の剥離が減り熱サイクル能力が増大する。
【０００８】
本発明の一般的な特徴によれば、電極は、モノリシック電極でなく、多くの小さな離散領域又はエレメントに分割される。そのエレメントの間の間隙は、好ましくは、活性領域の損失を最小にするためにできるだけ狭く又は小さくするように維持される。好ましい実施例では、エレメントは、六角形構造を有し、電極要素のハニカムアレイを形成する。
本発明の別の一般的な特徴によれば、パターン化された層は、基板上に付着した後に焼結される。
【０００９】
【発明を実施するための最良の形態】
図１には、電極に加えられるパターンが示されている。本発明は、カソード又はアノードに適用できる。電極（１０）の表面は、均一なサイズのエレメント（１２）に分割され、そのエレメントは、間隙（１４）により分離されている。エレメント（１２）は、六角形であり、密に詰め込まれた「ハニカム」アレイとなるように配置されている。六角形構造は、各エレメントの内角を比較的大きくできるとともに最大数のエレメントを２次元平面内に詰め込むことができるので、好ましい。六角形エレメントの特定の実施例では、内角は、１２０°である。エレメントの隅における応力集中を小さししたがってクラッキング及び剥離の可能性を小さくするのに、大きな内角は重要である。したがって、１２０°の内角を有する六角形の方が、９０°の内角を有する正方形又は６０°の内角を有する三角形よりも安定である。しかしながら、本発明は、五角形、四辺形、三角形又は他の幾何学構造を含む変更を除外することを意図していない。
【００１０】
本発明の多角形構造は、正多角形でなくてもよいが対称的であることが好ましい。正多角形は、すべての内角が等しく且つ多角形の各辺の長さが等しいものである。明らかなように、密に詰め込まれたエレメントのアレイは、対称的であるが正多角形でないもので達成されてもよい。
【００１１】
六角形パターンは、正方形のような他の幾何学パターンに比べ、電極の最大活性領域を維持しながら、セルの焼結及び熱サイクル中の運動により生じるエレメント間のわずかな不一致も許容する。六角形パターンは、エレメント間の間隙（１４）に対する領域損失がエレメント不一致の場合に最小となるようにすることができる。六角形パターンは、エレメント（１２）の間の間隙（１４）が最小に維持されるようにすることもできる。その構造は、間隙（１４）が最小となるようにインターロッキング又は相補性であることが好ましい。好ましくは、間隙に対する表面積の損失は、約５％よりも小さく、更に好ましくは、約２％よりも小さい。図１に示す実施例では、エレメント（１２）の間の間隙は、電極表面積の約１％よりも小さい。六角形は、現在の実施例の好ましい構造であるが、五角形、正方形及び三角形のような任意の構造も、それらの構造がすべてここで説明する六角形の利点と同じ利点を有さないとしても、使用することができる。
【００１２】
図示した実施例では、平面電極は、約９０ｍｍ四方の正方形であり、各六角形エレメントは、約８．６ｍｍの幅を有し、１０×１０の六角形エレメントのアレイが形成されている。間隙（１４）は、約０．１５ｍｍよりも小さい幅を有する。電極の境界は連続した境界エレメントであってもよく又は六角形エレメントの全体又は一部の複数個で構成されてもよい。
【００１３】
１つの実施例では、離散エレメントのアレイは、電解質上にスクリーンプリントされてもよい。図１に示されたパターンのようなパターンを有するスクリーンは、厚膜スクリーンプリント業界で使用される従来のスクリーン形成技術を使用して作られてもよい。所望の電極がカソードの場合には、サーメットカソードペーストが、パターン化されたスクリーンを介して電解質上へスクリーンプリントされてもよい。それは、乾燥後、約１３００℃で更に焼結される。その後、セルを燃料セルスタックにローディングする前にカソードの上部にランタンコバルテート（ＬａＣｏＯ３）の接触ペーストがスクリーンプリントされる。この層は電極間に配置され、それらの間の導電率及び機械的接合特性を改良するための相互接続となる。この層は、その層を物理的に分離し、テスト中に化学的に不適合な成分の間で相互拡散が起きるのを防止する。接触ペースト層は、必須ではないが好ましい。所望な電極がアノードの場合には、接触ペースト層は不必要である。
【００１４】
当業者に明らかなように、上述した特定の開示に対する様々な修正、適合化及び変更が本発明の範囲から逸脱することなく可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の固体酸化物燃料セルの一実施例の電極パターンの概略図を示す。
【図２】
図１の燃料セルの電解質及び電極層の横断面図である。
【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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