固體氧化物型燃料電池電堆的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及固體氧化物型燃料電池電堆。具體而言，涉及具有導(dǎo)電性及氣密性優(yōu) 秀的互連器的固體氧化物型燃料電池電堆。
【背景技術(shù)】
[0002] 燃料電池不同于經(jīng)過熱能、動(dòng)能的過程的熱機(jī)，是介由固體電解質(zhì)使天然氣、氫等 燃料與空氣中的氧進(jìn)行反應(yīng)，從而由燃料所帶有的化學(xué)能連續(xù)且直接地得到電能的能量轉(zhuǎn) 換器。其中，固體氧化物型燃料電池是使用固體氧化物（陶瓷）作為固體電解質(zhì)，并以燃料 極作為負(fù)極，以空氣極作為正極的電池而進(jìn)行工作的燃料電池。此外，已知固體氧化物型燃 料電池是具有可得到高能量轉(zhuǎn)換效率這樣的優(yōu)點(diǎn)的裝置。
[0003] 由于每個(gè)單電池的輸出小，因此固體氧化物型燃料電池通過串聯(lián)連接多個(gè)單電池 而將輸出提高從而進(jìn)行發(fā)電。電連接鄰接的單電池的部件被稱為互連器。已知有使用陶瓷 作為其材料的互連器（以下也稱為陶瓷互連器）。作為陶瓷互連器的特性，要求有不使氣體 透過的氣密性、導(dǎo)電性、氧化物離子絕緣性、及與固體電解質(zhì)的密合性。
[0004] 通常，如果陶瓷互連器的厚度不?。ɡ?，大約IOOym以下），則得不到足夠的導(dǎo) 電性。但是，當(dāng)為了得到足夠的導(dǎo)電性而將陶瓷互連器的厚度減薄，且將如此厚度的薄的陶 瓷互連器形成在多孔質(zhì)電極（燃料極、空氣極）的表面上時(shí)，則存在有陶瓷互連器被混入到 多孔質(zhì)電極的危險(xiǎn)。由此，存在有無法形成陶瓷互連器的危險(xiǎn)、或即使形成后也因厚度薄而 得不到足夠的氣密性的危險(xiǎn)。
[0005] 如果陶瓷互連器的氣密性低，則由于導(dǎo)致燃料氣體從陶瓷互連器的燃料極側(cè)泄漏 到空氣極側(cè)并與空氣混合，因此并不理想。為了提高陶瓷互連器的氣密性，需要提高陶瓷互 連器的致密性，從而要求將陶瓷互連器進(jìn)行致密的燒結(jié)。此外，如果陶瓷互連器的導(dǎo)電性 低，則陶瓷互連器的電阻變大，導(dǎo)致燃料電池的輸出降低。而且，如果陶瓷互連器的氧化物 離子絕緣性低，則導(dǎo)致氧化物離子從陶瓷互連器的空氣極側(cè)泄漏到燃料極側(cè)，從而導(dǎo)致燃 料電池的效率降低。另外，當(dāng)固體電解質(zhì)和陶瓷互連器的密合性低時(shí)，則導(dǎo)致在固體電解質(zhì) 和陶瓷互連器之間產(chǎn)生裂紋等間隙，從而導(dǎo)致燃料氣體從該間隙泄漏。
[0006] 作為陶瓷互連器的材料，鉻酸鑭（LaCrO3)系互連器被廣泛使用。已知該LaCrO 3* 互連器雖然通常導(dǎo)電性較高但燒結(jié)困難。此外，由于包含鉻（Cr)，因此存在有發(fā)生所謂的 Cr中毒的危險(xiǎn)。
[0007] 此外，作為陶瓷互連器的材料，以SrLaTiO3 δ表示的lanthanum-doped strontium titanate(SLT)系互連器被廣泛使用。已知雖然該SLT系互連器比LaCrO3*互連器導(dǎo)電性 低，但燒結(jié)性良好。SLT系互連器例如通過用鑭（La)置換絕緣體即SrTiO 3的晶格中的Sr 的位置而構(gòu)成SrLaTiO3 δ (SLT)，從而通過使SrLaTiO3 δ (SLT)晶格中的Ti的位置的Ti4+的 一部分變化成Ti3+而使其表現(xiàn)出導(dǎo)電性。此外，δ是以滿足電中性條件的方式確定的值。
[0008] 日本特開2008-270203號(hào)公報(bào)（專利文獻(xiàn)1)的目的在于提供一種一邊良好地保 持氣密性，一邊同時(shí)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電性的提高及與固體電解質(zhì)的密合性的提高的SLT系互連器。 為了實(shí)現(xiàn)該目的，記述有將該陶瓷互連器構(gòu)成為形成于燃料極側(cè)的氣密性重視部分和形成 于空氣極側(cè)的導(dǎo)電性重視部分的2層結(jié)構(gòu)，且導(dǎo)電性重視部分比氣密性重視部分導(dǎo)電率更 高。此外，根據(jù)該文獻(xiàn)的圖2,記述有在連接鄰接的其中一個(gè)發(fā)電元件的燃料極及另一個(gè)發(fā) 電元件的空氣極的陶瓷互連器之下，以一部分潛入的方式形成有其中一個(gè)發(fā)電元件的固體 電解質(zhì)的形態(tài)。
[0009] 此外，在日本專利第5244264號(hào)公報(bào)（專利文獻(xiàn)2)中，記述有以降低鉻鐵礦系互 連器與導(dǎo)電性支撐部件（燃料極）的層疊體的電阻率為目的，而控制各個(gè)鉻鐵礦系互連器 及導(dǎo)電性支撐部件所含的鐵量的內(nèi)容。由此，兩者間的電阻被降低，連接性變得良好，且協(xié) 助促進(jìn)共燒結(jié)時(shí)的致密化。此外，根據(jù)該文獻(xiàn)的圖2,記述有在與燃料極連接而配置的鉻鐵 礦系互連器之上以覆蓋一部分的方式形成有固體電解質(zhì)的形態(tài)。
[0010] 但是，上述任意的文獻(xiàn)都未考慮到通過使互連器和固體電解質(zhì)接觸來使互連器的 氣密性提高。因而，上述任意的文獻(xiàn)都未能實(shí)現(xiàn)具有帶有優(yōu)秀的導(dǎo)電性及氣密性的陶瓷互 連器而構(gòu)成的固體氧化物型燃料電池電堆的制造。
[0011] 專利文獻(xiàn)1 :日本特開2010-212036號(hào)公報(bào)
[0012] 專利文獻(xiàn)2 :日本專利第5244264號(hào)公報(bào)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 本發(fā)明者們此番得到了能夠通過使互連器和固體電解質(zhì)接合來提高互連器的氣 密性的見解。本發(fā)明是基于這樣的見解的發(fā)明。
[0014] 因而，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種具有帶有優(yōu)秀的導(dǎo)電性及氣密性的 陶瓷互連器的固體氧化物型燃料電池電堆。
[0015] 于是，本發(fā)明的固體氧化物型燃料電池電堆為至少具有：支撐體；多個(gè)發(fā)電元件， 在該支撐體的表面上至少依次層疊有燃料極、固體電解質(zhì)及空氣極而構(gòu)成；及互連器，電連 接所述多個(gè)發(fā)電元件之中的鄰接的其中一個(gè)發(fā)電元件的空氣極和另一個(gè)發(fā)電元件的燃料 極，且所述多個(gè)發(fā)電元件被串聯(lián)連接而構(gòu)成的固體氧化物型燃料電池電堆，其特征在于，在 設(shè)置于所述其中一個(gè)發(fā)電元件的空氣極之下的所述互連器之下，以與該互連器接合的方式 設(shè)置有其中一個(gè)發(fā)電元件的固體電解質(zhì)，并且在設(shè)置于另一個(gè)發(fā)電元件的燃料極之上的所 述互連器之上，以與該互連器接合的方式設(shè)置有另一個(gè)發(fā)電元件的固體電解質(zhì)。
[0016] 具體而言，本發(fā)明的固體氧化物型燃料電池電堆為包含支撐體、及在該支撐體的 表面上設(shè)置的多個(gè)發(fā)電元件的固體氧化物型燃料電池電堆，其特征在于，
[0017] 在將所述多個(gè)發(fā)電元件之中鄰接的2個(gè)發(fā)電元件分別作為第1發(fā)電元件及第2發(fā) 電元件時(shí)，
[0018] 所述第1發(fā)電元件包含第1燃料極、第1空氣極、及在所述第1燃料極和所述第1 空氣極之間設(shè)置的第1固體電解質(zhì)作為其構(gòu)成部件，且所述第1燃料極被配置在所述支撐 體和所述第1空氣極之間，
[0019] 所述第2發(fā)電元件包含第2燃料極、第2空氣極、及在所述第2燃料極和所述第2 空氣極之間設(shè)置的第2固體電解質(zhì)作為其構(gòu)成部件，且所述第2燃料極被配置在所述支撐 體和所述第2空氣極之間，
[0020] 所述固體氧化物型燃料電池電堆還包含電連接所述第1發(fā)電元件的所述第1空氣 極和所述第2發(fā)電元件的所述第2燃料極的互連器，通過所述互連器，所述第1發(fā)電元件和 所述第2發(fā)電元件被串聯(lián)連接而構(gòu)成，
[0021] 在將由所述支撐體的表面朝向所述第1燃料極、所述第1固體電解質(zhì)、及所述第1 空氣極，或朝向第2燃料極、第2固體電解質(zhì)、及第2空氣極的鉛垂方向作為Z軸方向時(shí)，所 述鄰接的2個(gè)發(fā)電元件包含：
[0022] 所述第1發(fā)電元件的第1區(qū)域，在Z軸方向上依次配置有所述第2燃料極、所述第 1固體電解質(zhì)、及所述第1空氣極；
[0023] 所述第1發(fā)電元件的第2區(qū)域，在Z軸方向上依次配置有所述第1固體電解質(zhì)及 所述第1空氣極；
[0024] 所述第2發(fā)電元件的第3區(qū)域，在Z軸方向上依次配置有所述第2燃料極及所述 第2固體電解質(zhì)；
[0025] 所述第1發(fā)電元件的第4區(qū)域，在Z軸方向上依次配置有所述第1燃料極、所述第 1固體電解質(zhì)、及所述第1空氣極；
[0026] 及所述第1發(fā)電元件的第5區(qū)域，在Z軸方向上依次配置有所述第2燃料極、及所 述第1空氣極，
[0027] 在將鉛垂于所述Z軸方向的方向且氧化物離子移動(dòng)的方向作為X軸方向時(shí)，所述 第4區(qū)域、所述第2區(qū)域、所述第1區(qū)域、所述第5區(qū)域、及所述第3區(qū)域依次在X軸方向上 連續(xù)鄰接而構(gòu)成，
[0028] 且所述互連器包含：
[0029] 第6部分，在所述第5區(qū)域中被設(shè)置在所述第2燃料極和所述第1空氣極之間；
[0030] 第1部分，在所述第2區(qū)域中被設(shè)置在所述第1固體電解質(zhì)和所述第1空氣極之 間；
[0031] 第2部分，在所述第1區(qū)域中被設(shè)置在所述第1固體電解質(zhì)和所述第1空氣極之 間；
[0032] 及第3部分，在所述第3區(qū)域中被設(shè)置在所述第2燃料極和所述第2固體電解質(zhì) 之間。
【附圖說明】
[0033] 圖IA是本發(fā)明的橫縞型固體氧化物型燃料電池電堆的主視圖。
[0034] 圖IB是構(gòu)成本發(fā)明的固體氧化物型燃料電池電堆的鄰接的4個(gè)發(fā)電元件的剖面 模式圖。
[0035] 圖2是構(gòu)成本發(fā)明的固體氧化物型燃料電池電堆的鄰接的4個(gè)發(fā)電元件的剖面模 式圖。
[0036] 圖3是表示包含構(gòu)成本發(fā)明的固體氧化物型燃料電池電堆的鄰接的3個(gè)發(fā)電元件 的優(yōu)選的形態(tài)的剖面模式圖。
[0037] 圖4是表示包含構(gòu)成本發(fā)明的固體氧化物型燃料電池電堆的鄰接的3個(gè)發(fā)電元件 的其他的優(yōu)選的形態(tài)的剖面模式圖。
[0038] 圖5是表示在本發(fā)明的固體氧化物型燃料電池電堆的制造方法中，以與固體電解 質(zhì)的接合距離為L而形成燃料極側(cè)的互連器的工序。
[0039] 圖6是表示在本發(fā)明的固體氧化物型燃料電池電堆的制造方法中，以與固體電解 質(zhì)的接合距離為L'而形成空氣極側(cè)的互連器的工序。
[0040] 圖7是比較例中制作后的固體氧化物型燃料電池電堆的剖面模式圖。
[0041 ] 符號(hào)說明
[0042] 10、20、30、40-發(fā)電元件；210、220、230、240-固體氧化物型燃料電池電堆；301-支 撐體；102、202、302、402-燃料極 ；303-互連器；104、204、304、404-固體電解質(zhì)；105、205、 305、405_空氣極
【具體實(shí)施方式】
[0043] 定義
[0044] 除互連器及固體電解質(zhì)的結(jié)構(gòu)滿足后記的必要條件以外，本發(fā)明的固體氧化物型 燃料電池電堆是指至少具有：多個(gè)發(fā)電元件，至少依次層疊有燃料極、所述固體電解質(zhì)及空 氣極而構(gòu)成；及所述互連器，電連接這些多個(gè)發(fā)電元件之中的鄰接的其中一個(gè)發(fā)電元件的 空氣極和另一個(gè)發(fā)電元件的燃料極而構(gòu)成，且與本行業(yè)中通常被分類或理解成固體氧化物 型燃料電池電堆相同的燃料電池電堆。此外，本發(fā)明的固體氧化物型燃料電池電堆其形狀 不受限定，例如也可以是圓筒狀、及在內(nèi)部形成有多個(gè)氣體流路的中空板狀等。
[0045] 此外，在本說明書中，"鄰接"或"鄰接設(shè)置"是指在多個(gè)該要素之間不包含其他的 該要素。另一方面，也可以包含該要素以外的其他的要素。例如，在鄰接的其中一個(gè)發(fā)電元 件和另一個(gè)發(fā)電元件之間，不包含其他的發(fā)電元件。但是，不妨在其中一個(gè)發(fā)電元件和另一 個(gè)發(fā)電元件之間，例如包含互連器。
[0046] 本發(fā)明的固體氧化物型燃料電池電堆是指所謂的橫縞型固體氧化物型燃料電池。 在本發(fā)明中，橫縞型固體氧化物型燃料電池是指在1個(gè)支撐體的表面上形成有多個(gè)發(fā)電元 件的固體氧化物型燃料電池。
[0047] 在本發(fā)明中，固體氧化物型燃料電池電堆是指集合有多個(gè)發(fā)電元件的電堆。
[0048] 使用了本發(fā)明的固體氧化物型燃料電池電堆的固體氧化物型燃料電池系統(tǒng)不局 限于特定的類型，其制造方法或構(gòu)成其的其他的材料等都可以使用公知的方法或材料。
[0049] 參照?qǐng)DIA及圖IB對(duì)固體氧化物型燃料電池電堆的整體構(gòu)成及構(gòu)成要素進(jìn)行說 明。作為本發(fā)明的一個(gè)形態(tài)，圖IA是對(duì)橫縞型固體氧化物型燃料電池電堆進(jìn)行表示的主視 圖。圖IB是表示本發(fā)明的固體氧化物型燃料電池電堆210的一個(gè)形態(tài)的模式圖。
[0050] 發(fā)電元件
[0051] 如圖IA及圖IB所示，本發(fā)明的固體氧化物型燃料電池電堆210是具有多個(gè)發(fā)電 元件（10、20、30、40)，且這些發(fā)電元件（10、20、30、40)被串聯(lián)連接而構(gòu)成的燃料電池電堆。 發(fā)電元件（1〇、20、30、40)各自是依次層疊有燃料極（102、202、302、402)、固體電解質(zhì)（104、 204、304、404)、及空氣極（105、205、305、405)的層疊體。
[0052] 在本說明書中，將由支撐體301的表面朝向各發(fā)電元件（10、20、30、40)的燃料極 (102、202、302、402)、固體電解質(zhì)（104、204、304、404)、及空氣極（105、205、305、405)的鉛 垂方向（層疊方向）定義為Z軸方向。將垂直于該Z軸方向的一個(gè)方向定義為X軸方向， 且將垂直Z軸方向及X軸方向雙方的方向定義為Y軸方向。在此，X軸方向是氧化物離子移 動(dòng)的方向。如圖IA及圖IB所示，在固體氧化物型燃料電池電堆210中，多個(gè)發(fā)電元件（10、 20、30、40)沿X軸方向而被配置。
[0053] 支撐體
[0054] 本發(fā)明的固體氧化物型燃料電池電堆210具有支撐體201。多個(gè)發(fā)電元件（10、20、 30、40)被串聯(lián)形