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JPH04230954A - 燃料セル装置及びその製造方法 - Google Patents

燃料セル装置及びその製造方法

Info

Publication number
JPH04230954A
JPH04230954A JP3085786A JP8578691A JPH04230954A JP H04230954 A JPH04230954 A JP H04230954A JP 3085786 A JP3085786 A JP 3085786A JP 8578691 A JP8578691 A JP 8578691A JP H04230954 A JPH04230954 A JP H04230954A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
support
fuel cell
layer
oxide
conductive
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP3085786A
Other languages
English (en)
Inventor
Franz J Rohr
フランツ・ヨーゼフ・ロール
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ABB Patent GmbH
Original Assignee
ABB Patent GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ABB Patent GmbH filed Critical ABB Patent GmbH
Publication of JPH04230954A publication Critical patent/JPH04230954A/ja
Pending legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • H01M8/2425—High-temperature cells with solid electrolytes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
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  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】
本発明は、特許請求の範囲第１項の前段に従い、少なく
とも１つの燃料セルが配置されるサポートを有する燃料
セル装置、及び上記燃料セル装置の製造方法に関する。
【０００１】上記燃料セル装置は、例えば電流源として
使用可能である。Ｆ．Ｊ．　Ｒｏｈｒ　による（「Ｈｉ
ｇｈ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　Ｆｕｅｌ　Ｃｅｌｌｓ
，　Ｓｏｌｉｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅｓ　」，　Ａ
ｃａｄｅｍｉｃ　Ｐｒｅｓｓ，Ｎ．Ｙ．，　１９７８）
という名称の情報文献には、酸素イオンを伝達する電解
質並びにアノード及びカソードを含有するセラミック燃
料セルが開示される。この装置は、例えばガス化石炭、
天然ガス若しくは水素のような燃料セルの化学的エネル
ギーを、８００℃を超える温度における酸素による電気
化学的な酸化により、電気エネルギーに直接転換するこ
とを可能とする。上記エネルギーは５０％を超える効率
で転換される。燃料セル装置は、幾つかの燃料セルを組
合わせ、これらを直列に接続することにより形成される
ことが知られている。これらの装置は、望ましくないシ
ーリング及び接続技術の結果、高温運転温度において、
高いパワー損失を有する為、連続運転にあまり適当でな
い。
【０００２】この従来技術から出発して、本発明の目的
は、改良されたパワー密度を有する燃料セル装置及び上
記装置を製造する方法を提供することである。
【０００３】上記目的は、特許請求の範囲第１項に記載
の発明によって達成される。
【０００４】上記燃料セル装置を製造する方法は特許請
求の範囲第９項に記載される。
【０００５】上記燃料セル装置は別々に作製された構成
成分から組立て可能となる。上記燃料セル装置の上記構
造は、燃料セルの並列及び直列相互接続の為のネットワ
ークを形成する導電トラック、及び上記燃料セルの製造
から独立した、必要な絶縁層と一緒にサポートを製造す
ることを可能とする。別の工程において、上記プレート
型燃料セルはシート成形及びスクリーン印刷により個々
の層から構築され、これらが製造された後で上記サポー
トと組合わせ可能となる。本発明に重要な他の特徴は特
許請求の従属項において特徴付けられる。
【０００６】以下、本発明は線図に基づいてより詳細に
説明される。
【０００７】図１は、燃料セル１Ｚ及びサポート２によ
り実質的に形成される燃料セル装置１を示す。サポート
２はプレート型構造で多孔性材料から製造される。サポ
ート２の内部は、これを貫通するキャビティー２Ｈを有
し、これらは互いにある間隔をおいて配置され、また、
これらの長手方向軸は互いに且つサポート２の２つの表
面２Ａ及び２Ｂに対して並行に延在する。キャビティー
２Ｈはサポート２の両端部で外側に開口し、空気若しく
は酸素が通過できるようになっている。
【０００８】図１図示のサポート２は、２０−５０ｃｍ
の長さ及び１０−３０ｃｍの幅をなす。その厚さは０．
８　−１．８　ｃｍである。キャビティー２Ｈは０．５
　×１乃至１．２　×２．４　ｃｍ２　の断面を有する
。２つのキャビティー２Ｈ間の距離は０．１　−０．２
　ｃｍである。
【０００９】サポート２は押出し工程により製造される
。その製造に使用される材料は、カルシウム酸化物若し
くはマグネシウム酸化物で安定化されるジルコニウム酸
化物からなる。カルシウム酸化物若しくはマグネシウム
酸化物の比率は、使用されるセラミック材料の総モル重
量に基づいて約１５モル％である。安定化されたジルコ
ニウム酸化物に代え、マグネシウムアルミニウムスピネ
ル（ＭｇＡｌ２　Ｏ４　）がまた使用可能となる。他の
耐温度及び耐蝕セラミック材料が使用可能であり、但し
、上述の材料の場合と同様に、１０００℃におけるそれ
らの熱膨張係数がまた、１０乃至１１×１０−６／度の
近辺にあるとする。
【００１０】サポート２は、セラミック材料の理論密度
に基づいて、３０乃至４５％の有孔率を有する。この有
孔率を達成する為、増孔剤が上記押出し化合物に添加さ
れる。この目的において、ポリアルコール若しくはカー
ボネートの態様の発泡剤が適当である。上記増孔剤はセ
ラミックの焼結中に熱的に分解し、孔を形成する。
【００１１】図２を参照すると明らかなように、サポー
ト２はその表面２Ａ上にネットワーク５を形成する導電
トラック４を有する。導電トラック４は櫛状構造をなし
、互いにある間隔をおいて配置される。導電トラック４
の全ての水平導電セクション４Ｈは、サポート２の全幅
に亘って延在する。各水平セクション４Ｈに対して垂直
に配置された導電セクション４Ｓは、互いにある間隔を
おいて配置される。
【００１２】上記間隔は、図示の実施例において２−５
ｃｍである。水平導電トラックセクション４Ｈの幅は３
−６ｍｍで、垂直導電トラックセクション４Ｓの幅は２
−４ｍｍである。
【００１３】導電トラック４は、例えば、ストロンチウ
ムがドープされたランタン亜クロム酸塩、或いはマグネ
シウム若しくはカルシウムがドープされたランタン亜ク
ロム酸塩のような、ペロブスカイト混合酸化物の態様の
、気密な導電性材料から製造される。導電性を増大させ
る為、上記導電トラック４は、ニッケル酸化物／ジルコ
ニウム酸化物若しくはニッケル酸化物の０．１　−０．
２　ｍｍの厚さの層で更に被覆され、これらは次続の燃
料セル運転中に金属ニッケルに還元される。
【００１４】互いに重ねられた櫛状導電トラックを分離
する絶縁層６は、焼結ガラスセラミック若しくはスピネ
ルから製造される。上記材料はまた気密である。サポー
ト２は上述の材料を使用して押出し工程により製造され
る。導電トラック４及び絶縁層６は、スクリーン印刷工
程によりサポート２の表面２Ａ及び２Ｂに供給される。 サポート２は、導電トラック４及び絶縁層６と共に、続
いて１４００乃至１５５０℃の温度で焼結される。その
結果、導電トラック４、絶縁層６及びサポート２間に、
永久結合が達成される。
【００１５】図３図示の如く、全ての燃料セル１Ｚは３
つの層１０、１１及び１２から構築される。アノードと
して機能する層１０はニッケル／ジルコニウムの二酸化
物のサーメットから形成される。これは多孔質で約５０
乃至２００μｍの厚さをなす。固体電解質として機能す
る層１１は、気密材料から製造される。これは５０乃至
２００μｍの厚さを有する。（ＺｒＯ２　）０．９　（
Ｙ２　Ｏ３　）０．１　が層１１を形成するのに使用さ
れる。カソードとして機能する層１２はストロンチウム
がドープされたランタン亜マンガン酸塩から製造される
。これは０．２　乃至１ｍｍの厚さを有する。層１０乃
至１２を製造する為、対応の材料のサスペンションが調
製される。
【００１６】シート成形工程により固体電解質として機
能する層１１が先ず製造され、次に、その第１表面１１
Ａに対してアノードとして機能する層１０が、またその
第２表面１１Ｂに対してカソードとして機能する層１２
が、スクリーン印刷により供給される可能性がある。こ
の様にして製造された燃料セル１Ｚの予成形体は次に１
３００乃至１４００℃で焼結され、この工程において、
層１０、１１及び１２が互いに永久的に結合される。製
造後、燃料セル１Ｚはサポート２の表面２Ａ及び２Ｂ上
に配置され、サポートに対して永久的に接合される。燃
料セル１Ｚのカソード１２がサポート２に直接接触する
ように、燃料セル１Ｚがサポート２に接合される。アノ
ードとして機能する層１０は上を向くように配置される
。
【００１７】燃料セル１Ｚの寸法は、層１２の３つの外
側周囲領域が櫛状導電トラック４のセクション４Ｓ及び
４Ｈ上に配置されるように選択される。各２つの櫛状導
電トラック４間の絶縁層６により、カソードとして機能
する層１２と、下方に配置された導電トラック４のセク
ション４Ｈとの接触が回避される。図４図示の如く、各
燃料セル１Ｚのアノード１０が、導電層７を介して、燃
料セル１Ｚの下方に配置された櫛状導電トラック４に対
して接続される。層７は下方に配置された導電トラック
４のセクション４Ｈに対して夫々電気的に接続される。 導電層７はニッケル及びジルコニウムの二酸化物からな
るサーメットから製造される。
【００１８】水平列１０Ｈ、２０Ｈ、３０Ｈ、４０Ｈに
属する燃料セルＺは、導電トラック４を介して互いに並
列に相互接続され、列１０Ｕ、２０Ｕに属する燃料セル
１Ｚは、導電層７を介して直列に接続される。
【００１９】サポート２に対する燃料セル１Ｚの永久的
結合は焼結によって達成される。この為、図２図示の如
く、導電トラック４と絶縁層６との間の領域は、導電性
ペロブスカイト混合酸化物から製造される多孔層９で被
覆される。層９は、スクリーン印刷によりサポート２の
表面２Ａ及び２Ｂに供給される。次に、図１及び４図示
の如く、燃料セル１Ｚが、サポートの表面２Ａ及び２Ｂ
上に配置され、１３００乃至１４５０℃の温度での焼結
により、サポート２に対して永久的に結合される。キャ
ビティー２Ｈを通過する空気若しくは酸素が、サポート
２を通り、カソード１２の領域のみにおいて燃料セル１
Ｚに対して移動し、且つ、他の点でサポートから逃げら
れないように、気密導電トラック４若しくは気密構造の
絶縁層６で被覆されていないサポート２の領域２Ｓは、
焼結ガラスセラミック若しくはエナメルの上薬で被覆さ
れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料セル装置を示す図。
【図２】燃料セル装置の為のサポートを示す図。
【図３】燃料セルを示す縦断面図。
【図４】図１図示装置の縦断面図。
【符号の説明】
１…燃料セル装置、２…サポート、４…導電トラック、
６…絶縁層、１Ｚ…燃料セル、１０…アノード、１１…
固体電解質、１２…カソード。

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】　　空気若しくは酸素を通過させる為の貫
    通する外側開口キャビティー（２Ｈ）を有し、またその
    表面（２Ａ及び２Ｂ）上に少なくとも１つの燃料セル（
    １Ｚ）を夫々有する、多孔性パネル型サポート（２）を
    具備する燃料セル装置であって、互いに垂直方向に上下
    に配置され、且つ、ネットワーク（５）の導電トラック
    を介して互いに電気的に相互接続された燃料セル（１Ｚ
    ）を含む少なくとも２つの列（１０Ｈ、２０Ｈ、３０Ｈ
    、４０Ｈ）が上記サポート（２）の２つの表面（２Ａ、
    ２Ｂ）上に配置されることを特徴とする燃料セル装置。
  2. 【請求項２】　　各水平列（１０Ｈ、２０Ｈ、３０Ｈ、
    ４０Ｈ）の上記燃料セル（１Ｚ）が互いに並列に相互接
    続され、垂直列（１０Ｕ、２０Ｕ）の燃料セルが互いに
    直列に相互接続される請求項１記載の装置。
  3. 【請求項３】　　各燃料セル（１Ｚ）のカソード（１２
    ）が、夫々導電トラック（４）を介して隣接する燃料セ
    ル（１Ｚ）のカソード（１２）と並列に電気的に相互接
    続される請求項１または２記載の装置。
  4. 【請求項４】　　各燃料セル（１Ｚ）が、アノード（１
    ０）として機能する層、固体電解質（１１）として機能
    する層、及びカソード（１２）として機能する層を積重
    することにより形成され、また、全ての燃料セル（１Ｚ
    ）のアノード（１０）が外向きに配置され、並列及び／
    または直列相互接続の為、夫々導電層７を介して、直ぐ
    に隣接する燃料セル（１Ｚ）に対して接続される請求項
    １乃至３のいずれかに記載の装置。
  5. 【請求項５】　　上記サポート（２）の上記キャビティ
    ー（２Ｈ）の長手方向軸が、上記サポート（２）の２つ
    の表面（２Ａ及び２Ｂ）に対して、且つ互いに平行に延
    在し、各２つの隣接キャビティー（２Ｈ）の長手方向軸
    間の距離が１−２ｃｍで、また、上記全キャビティーが
    上記サポート（２）の全長に亘って延在する請求項１乃
    至４のいずれかに記載の装置。
  6. 【請求項６】　　上記サポート（２）が、１０００℃で
    １０乃至１１×１０−６／度の熱膨脹係数を有する耐蝕
    性且つ多孔性セラミック材料から製造され、上記サポー
    ト（２）の有孔率が、上記材料の理論密度に基づいて、
    ３０乃至４５％で、また、上記サポート（２）が、１５
    モル％のカルシウム酸化物及び／またはマグネシウム酸
    化物の添加により安定化される、マグネシウム−アルミ
    ニウムスピネル若しくはジルコニウム酸化物から製造さ
    れる請求項１乃至５のいずれかに記載の装置。
  7. 【請求項７】　　上記サポート（２）が押出し工程で製
    造され、導電トラック（４）のネットワーク（５）が、
    その表面（２Ａ及び２Ｂ）に、上記燃料セル（１Ｚ）の
    直列及び並列相互接続の為に形成される請求項１乃至６
    のいずれかに記載の装置。
  8. 【請求項８】　　各カソード（１２）が、０．２　乃至
    １ｍｍの厚さを有する、ストロンチウムのドープされた
    ランタン亜マンガン酸塩（Ｌａ１−ｘ　Ｓｒｘ　ＭｎＯ
    ３　）から製造され、固体電解質として機能する各層（
    １１）が、イットリウムのドープされたジルコニウム酸
    化物から製造され且つ０．０５−０．２５μｍの厚さを
    有し、またアノードとして機能する層（１０）が、ニッ
    ケル及びイットリウムのドープされた二酸化ジルコニウ
    ムの態様のサーメットから製造され且つ５０乃至２００
    μｍの厚さをなし、更にまた、上記ネットワーク（５）
    の導電トラック（４）が、ストロンチウムのドープされ
    たランタン亜クロム酸塩の態様のペロブスカイト混合酸
    化物、或いはマグネシウム若しくはカルシウムのドープ
    されたランタン亜クロム酸塩、及びニッケル酸化物若し
    くはニッケル酸化物／ジルコニウム酸化物の追加の層か
    ら製造され、また、上記絶縁層（６）が焼結されたガラ
    スセラミック若しくはスピネルから製造される請求項１
    乃至７のいずれかに記載の装置。
  9. 【請求項９】　　特に請求項１記載の燃料セル装置を製
    造する方法であって、アノード（１０）、固体電解質（
    １１）、及びカソード（１２）として機能する層が、シ
    ート成形及び／またはスクリーン印刷工程を利用して製
    造され、また、夫々１つがアノードとして、１つが固体
    電解質、及び１つがカソードとして機能する層（１０、
    １１、１２）が積重状に配置され、永久結合の為に１３
    ５０乃至１４５０℃で焼結される製造方法。
  10. 【請求項１０】　　燃料セル装置を製造する方法であっ
    て、サポート（２）が押出し工程で製造され、絶縁層（
    ６）及びネットワーク（５）を形成する導電トラック（
    ４）が、その２つの表面（２Ａ及び２Ｂ）に対してスク
    リーン印刷工程により供給され、上記サポート（２）が
    、供給された層（６）及び導電トラック（４）と一緒に
    、１４００乃至１５５０℃で焼結され、また、燃料セル
    （１Ｚ）に対する永久結合の為、上記サポート（２）が
    、その表面（２Ａ及び２Ｂ）上の、絶縁層（３）及び導
    電トラック（４）のない領域（８）において、スクリー
    ン印刷工程により、夫々ストロンチウムのドープされた
    ランタン亜マンガン酸塩Ｌａ（Ｓｒ）ＭｎＯ３　若しく
    はＬａ（Ｃａ）Ｃｒｘ　Ｍｎｙ　Ｏ３　の態様の導電性
    ペロブスカイト混合酸化物の１層（９）で被覆され、ま
    た、上記燃料セル（１Ｚ）が上記領域（８）内に配置さ
    れ、永久結合の為に１３００乃至１４５０℃で上記サポ
    ート（２）と一緒に焼結される製造方法。
JP3085786A 1990-04-10 1991-03-27 燃料セル装置及びその製造方法 Pending JPH04230954A (ja)

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DE4011506A DE4011506A1 (de) 1990-04-10 1990-04-10 Brennstoffzellenanordnung und verfahren zu deren herstellung
DE4011506:2 1990-04-10

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