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，涉及抑制反向電池的形成、具 有高導(dǎo)電性的、發(fā)電性能優(yōu)秀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)點的裝置。
[0003] 由于每個單電池的輸出小，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，則存在有陶瓷互連器被混入到 多孔質(zhì)電極的危險。由此，存在有無法形成陶瓷互連器的危險、或即使形成后也因厚度薄而 得不到足夠的氣密性的危險。
[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，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。
[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號公報（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，一邊同時實現(xiàn)導(dǎo)電性的提高及與電解質(zhì)層的密合性的提高的SLT系互連器。為 了實現(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,記述有在鄰接的其中一個發(fā)電元件的燃料極和另一個發(fā)電元 件的燃料極之間形成固體電解質(zhì)。
[0009] 然而，當(dāng)像圖8所示的現(xiàn)有的固體氧化物型燃料電池電堆280那樣，鄰接的其中一 個發(fā)電元件的空氣極205與另一個發(fā)電元件的燃料極302接近時，則在該空氣極205和其 中一個發(fā)電元件的固體電解質(zhì)204的界面上發(fā)生的氧化物離子向另一個發(fā)電元件的燃料 極302流動。由此，反向電池被形成，所述反向電池相對于在原來發(fā)電元件上發(fā)生的電動勢 而在反方向上發(fā)生電動勢，從而導(dǎo)致發(fā)電性能降低。
[0010] 在日本國特開2015-064961號公報（專利文獻(xiàn)2)中，記述有固體氧化物型燃料電 池單電池，其具有：絕緣性且離子非傳導(dǎo)性的第1中間層75,被設(shè)置于其中一個發(fā)電元件的 固體電解質(zhì)之上且在其中一個發(fā)電元件的空氣極和其中一個發(fā)電元件的固體電解質(zhì)之間； 及絕緣性且離子非傳導(dǎo)性的第2中間層77,被設(shè)置于另一個發(fā)電元件的固體電解質(zhì)之上且 在其中一個發(fā)電元件的空氣極和另一個發(fā)電元件的固體電解質(zhì)之間。此外，記述有第1中 間層75及第2中間層77也可以與互連器接觸。根據(jù)專利文獻(xiàn)2,記述有固體氧化物型燃料 電池單電池能夠抑制反向電池的形成，并能夠提高發(fā)電性能。
[0011] 然而，由于在專利文獻(xiàn)2所記述的固體氧化物型燃料電池單電池上，互連器的一 部分被固體電解質(zhì)覆蓋，因此難以有效地抑制發(fā)電性能的降低。
[0012] 因而，要求對由發(fā)電元件構(gòu)成的固體氧化物型燃料電池電堆的制造進(jìn)一步改善， 所述發(fā)電元件為一邊抑制反向電池的形成一邊可以構(gòu)成高發(fā)電輸出的發(fā)電元件。
[0013] 專利文獻(xiàn)1 :日本國特開2008-270203號公報
[0014] 專利文獻(xiàn)2 :日本國特開2015-064961號公報
[0015] 本發(fā)明者們此番得到了以下見解，即，在固體電解質(zhì)被設(shè)置于鄰接的燃料極間的 固體氧化物型燃料電池電堆中，通過在鄰接的其中一個發(fā)電元件的固體電解質(zhì)之上且在其 中一個發(fā)電元件的空氣極和該固體電解質(zhì)之間設(shè)置絕緣部，能夠抑制反向電池的形成。此 外，得到了以下見解，即，通過用其中一個發(fā)電元件的空氣極覆蓋互連器的表面整體，能夠 有效地抑制發(fā)電性能的降低。其結(jié)果，得到了可以制造發(fā)電性能優(yōu)秀的，即具有高發(fā)電輸出 的固體氧化物型燃料電池電堆的見解。本發(fā)明是基于以上的見解的發(fā)明。
[0016] 因而，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種抑制反向電池的形成、具有高導(dǎo)電 性的、發(fā)電性能優(yōu)秀的固體氧化物型燃料電池電堆。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017] 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 連接所述多個發(fā)電元件之中的鄰接的其中一個發(fā)電元件的空氣極和另一個發(fā)電元件的燃 料極，且所述多個發(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， 在其中一個發(fā)電元件的燃料極和所述另一個發(fā)電元件的燃料極之間設(shè)置有其中一個發(fā)電 元件的固體電解質(zhì)，且在所述其中一個發(fā)電元件的固體電解質(zhì)之上且在所述其中一個發(fā)電 元件的空氣極和該固體電解質(zhì)之間設(shè)置有絕緣部而構(gòu)成，所述絕緣部與所述互連器接觸而 構(gòu)成，且所述互連器的表面被所述其中一個發(fā)電元件的空氣極覆蓋而構(gòu)成。
[0018] 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)置的多個發(fā)電元件的固體氧化物型燃料電池電堆，其特征在于，
[0019] 在將所述多個發(fā)電元件之中鄰接的2個發(fā)電元件分別作為第1發(fā)電元件及第2發(fā) 電元件時，
[0020] 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，
[0021] 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，
[0022] 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，
[0023] 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，所 述鄰接的2個發(fā)電元件包含：
[0024] 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；
[0025] 所述第1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6區(qū)域，在Z軸方向上依次配置有所述第2燃料極、所述 互連器、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所移動的方向作為X軸方向時，所 述第3區(qū)域、所述第2區(qū)域、及所述第6區(qū)域依次在X軸方向上連續(xù)鄰接而構(gòu)成，
[0028] 且所述固體氧化物型燃料電池電堆還包含與所述互連器接觸而設(shè)置的絕緣部，該 絕緣部在所述第2區(qū)域中包含在所述第1固體電解質(zhì)和所述第1空氣極之間設(shè)置的第1部 分，
[0029] 且所述互連器的表面整體被所述第1空氣極覆蓋而構(gòu)成。
【附圖說明】
[0030] 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。
[0031] 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個發(fā)電元件的剖面 模式圖。
[0032] 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個發(fā)電元件的剖面模 式圖。
[0033] 圖3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3個發(fā)電元件的剖面模 式圖。
[0034] 圖4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3個發(fā)電元件的剖面模 式圖。
[0035] 圖5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3個發(fā)電元件的剖面模 式圖。
[0036] 圖6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3個發(fā)電元件的剖面模 式圖。
[0037] 圖7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3個發(fā)電元件的剖面模 式圖。
[0038] 圖8是表示現(xiàn)有的固體氧化物型燃料電池電堆的形態(tài)的剖面圖。
[0039] 符號說明
[0040] 10、20、30、40_ 發(fā)電元件；210、220、230、240、250、260、270、280-固體氧化物型 燃料電池電堆；301-支撐體；102、202、302、402-燃料極 ；303、303&、30313、303(3-互連器； 104、204、304、404_ 固體電解質(zhì)；310、310a、310b、310c、310d、310e、310f、310g、310h、310i、 310j-絕緣部；105、205、305、405-空氣極。
【具體實施方式】
[0041] 定義
[0042] 除具有絕緣部且互連器和空氣極的配置滿足后述的必要條件以外，本發(fā)明的固體 氧化物型燃料電池電堆是指至少具有：多個發(fā)電元件，至少依次層疊有燃料極、固體電解質(zhì) 及所述空氣極而構(gòu)成；及所述互連器，電連接這些多個發(fā)電元件之中的鄰接的其中一個發(fā) 電元件的空氣極和另一個發(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)部形成有多個氣體流路的中空板狀等。 [0043] 此外，在本說明書中，"鄰接"或"鄰接設(shè)置"是指在多個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，在鄰接的其中一個發(fā)電元 件和另一個發(fā)電元件之間，不包含其他的發(fā)電元件。但是，不妨在其中一個發(fā)電元件和另一 個發(fā)電元件之間，例如包含互連器。
[0044] 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 電堆。在本發(fā)明中，橫縞型固體氧化物型燃料電池是指在1個支撐體的表面上形成有多個 發(fā)電元件的固體氧化物型燃料電池。
[0045] 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發(fā)電元件的電堆。
[0046] 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。
[0047] 參照圖IA及圖IB對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)明的一個形態(tài)，圖IA是對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