JP2004281400A - 燃料電池及び燃料電池を製造する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池組立体及び燃料電池を製造する方法が提示される。
【解決手段】 燃料電池組立体は、厚さ方向貫通穴を含む相互接続（１００２）基板（２０２）と、境界となる端縁部（３０４）を含み、該端縁部（３０４）が穴に隣接した近位部分と近位部分に対向する遠位部分とを含む複数の燃料電池コンポーネント層（２０４）と、を含み、複数の層が、基板（２０２）上に配置されたアノード（１０２２）層と、アノード（１０２２）を覆って配置され、アノード（１０２２）層の端縁部（３０４）と重なって、アノード（１０２２）層を複数の層の残部層から実質的に気密密閉する高密度電解質（１０２０）層と、電解質（１０２０）を覆って配置されたカソード（１０１８）層と、カソード（１０１８）層の前記端縁部（３０４）の遠位部分を覆って配置され、端縁部（３０４）の遠位部分を実質的に気密密閉する緻密密閉層（９１２）とを有する。
【選択図】 図１０

Description

本発明は、固体酸化物燃料電池に関する。より具体的には、本発明は、固体酸化物燃料電池を製造する方法に関する。本発明はまた、そのような方法によって製造された燃料電池に関する。

固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）は部分的に、アノードとカソードとを含む２つの電極間に挿入された固体電解質層を含む。電解質層は、通常、ガス流が透過しないように高密度であり、例えば安定化ジルコニアのような電子絶縁体でありかつイオン伝導体である材料を含む。電解質層はまた、一般的に電解質層内部でのイオン伝導に対する抵抗を最小にするために可能な限り薄いことが望ましい。高密度電解質と対照的に、アノード及びカソードの両方は、その中で生じる電気化学反応に好適な局所的環境を維持するために、各電極内でのガスの流れを可能にする気孔を含む。カソードは通常、例えばストロンチウムがドープされた亜マンガン酸ランタン（ランタンマンガナイト）（本明細書ではランタン・ストロンチウムマンガナイトとも呼ぶ）のような、高導電性になるようにドープされたセラミック材料を含み、例えば酸素を含む空気又はその他のガスのような酸化性雰囲気に維持される。アノードは通常、例えばニッケルと安定化ジルコニアとのような、金属とセラミックとの混合物を含み、例えば水素を含むガスのような還元性雰囲気（本明細書では「燃料ガス」と呼ぶ）に維持される。同様に本明細書では「相互接続部」と呼ぶ相互接続プレートが、多くの場合、幾つかのアノード−電解質−カソードユニット（以降は「燃料電池ユニット」と呼ぶ）を互いに電気的に接続して、燃料電池を形成する。

ＳＯＦＣ電極及び電解質層は、一般的に、例えばテープ注型、テープカレンダ加工、コート・ミックス法及びスクリーン印刷のような従来型のセラミック製作方法を使用して製造される。これら従来型の技術の大きな欠点の一つは、酸化性ガス流路と燃料ガス流路とを分離した状態に維持する上で必要とされる気密密閉を得ることが困難であることである。

これら従来型の方法の更なる欠点には、例えば以下の点、即ち、様々な層の間での異なる収縮率に起因して多層電池が望ましくない反りを生じること、独立形の焼結電池を金属相互接続部に結合するのが困難なこと、取扱い及び製作の間に構造体に亀裂が発生するのを回避するのに十分な強度が必要であることに起因して電池全体の最小許容可能厚さに制約があること、及び脆弱な層を燃料電池スタック組立体に製造及び組立てるのに著しく時間がかかることが含まれる。

より高い電力密度を有する燃料電池に対する要求の高まりによって、より薄い電極及び電解質に対する必要性が増してきており、従って、薄くてかつ機械的に堅牢な燃料電池コンポーネント及び組立体を製造するための改良された方法を得る必要性が存在する。更に、燃料電池コンポーネントの製造及び組立時間を減少させる改良された方法に対する必要性が存在する。 その上、薄くて、かつ製造、組立及び使用時の応力の厳しい環境に耐えるほど十分に堅牢である燃料電池コンポーネント及び組立体に対する更なる必要性が依然として存在する。

本発明の実施形態は、これら及びその他のニーズに対処する。１つの実施形態は、燃料電池組立体を製造する方法である。この方法は、基板を準備する段階と、少なくとも１つの物理蒸着プロセスによって、複数の燃料電池コンポーネント層を基板上に配置する段階とを含む。複数の層の各層は、該層の境界となる端縁部を含む。

第２実施形態は、少なくとも１つのユニットを含む燃料電池組立体である。このユニットは、少なくとも１つの基板と、その各々がそれの境界となる端縁部を含む、基板上に配置された複数の燃料電池コンポーネント層と、少なくとも１つの燃料電池コンポーネント層の端縁部の少なくとも一部分を覆って配置された、材料の少なくとも１つの緻密層とを含む。この少なくとも１つの緻密層は、端縁部の少なくとも前述の部分を密閉する。

本発明のこれら及びその他の特徴、態様、及び利点は、以下の詳細な説明を添付の図面を参照して読むとき、一層よく理解されるようになるであろう。図面においては、該図面を通して同じ符号が同様の部分を表している。

図１を参照すると、典型的な平面燃料電池ユニット１００は、コンポーネント層のスタックを含み、該スタックは、多孔性アノード１０４層と多孔性カソード１０６層との間にかつこれら層と接触した状態で挿入された高密度電解質１０２層を含む。スタックは、多くの場合、金属相互接続部１０８に取り付けられ、該相互接続部は、多くの場合、２つの異なったガス流が流れるのを可能にするように配置されたチャネル１１０を含む。上述のように、カソード１０６に隣接したチャネル１１０内を流れるガス流は、酸化性ガスであり、またアノード１０４に隣接したチャネル内を流れるガス流は、燃料ガスである。燃料効率のよい設計においては、燃料ガス及び酸化性ガスの流路は一般的に、燃料電池の吸入及び排出の両方の部位を含め電池全体にわたって分離された状態に保たれる。電解質１０２及び相互接続１０８層は一般的に、燃料電池ユニットのバルク内の流れを気密密閉するのに十分なほどに高密度であるが、スタックの端縁部は、スタックの側面からの漏洩を防止するために設けられた高密度シール１１２を有することが必要である。更に、複数の燃料電池ユニット１００を含む燃料電池組立体においては、ガスは、典型的にはマニホルド（図示せず）を通して供給される。このマニホルドは、燃料電池ユニット１００の外部にあってもよいし、或いはユニット１００の内部にあってもよいが、いずれの場合においても、燃料ガスがカソードに接触するのを避けるために、また、酸化性ガスがアノードに接触するのを避けるために、シールが必要とされる。アノードの酸化は、膨張応力を生じ、燃料電池の故障を生じさせる可能性があるので、特に好ましくない状況である。

例えばガラス又はガラスセラミック材料、金属及びセラミック製ガスケット、並びにロープ又はファイバシールを含むシールを形成するために、これまで多くの解決法が使用されてきた。これらシールの各々は、付加的な製造段階を必要とする。しかしながら、そのような解決法の主な欠点は、動作温度と周囲温度との間で繰り返し使用された場合に、それらが信頼性のある気密シールを形成しないことである。

燃料電池の電力出力は、燃料電池に組立てられた燃料電池ユニット１００の寸法及び数に直接的に関係するので、燃料電池における燃料電池ユニット１００の寸法及び数を最大にすることが望ましい。しかしながら、燃料電池の規模が増大すると、従来の手段により層端縁部及びマニホルド接合面において効果的な密閉を達成するのが益々困難になる。

本発明の実施形態は、燃料電池組立体を製造する方法を含む。図２を参照すると、この方法は、少なくとも１つの基板２０２を準備する段階と、少なくとも１つの物理蒸着プロセスによって、複数の燃料電池コンポーネント層２０４を基板上に配置する段階とを含む。図３は、本発明の実施形態による基板３０２上に配置された典型的な燃料電池コンポーネント層３００の平面図を示す。基板３０２上に配置された各層３００は、該層３００の境界となる端縁部３０４を含む。つまり、端縁部３０４は、図３におけるように上から見た場合に、層３００の周囲を形成する。基板３０２及び層３００が、その形状が長方形として図３に描かれている事実を、いずれにしても本発明の実施形態を限定するものとして解釈してはならず、基板３０２及び層３００の両方が種々の形状の何れにも加工処理することができることは、当業者には分かるであろう。

本発明の一部の実施形態においては、少なくとも１つの基板２０２を準備する段階は、相互接続部、アノード、及びカソードの少なくとも１つを準備する段階を含む。多くの場合、基板２０２は、燃料電池ユニット２００に対する機械的支持を一部与えるように選択される。「電極支持式の」という用語は、当該技術において、２つの電極層、つまりアノード及びカソードの何れかが、支持基板としての役割を果たしているような燃料電池ユニット２００を説明するために使用され、一方、「相互接続部支持式の」という用語は、本明細書では、相互接続部が支持機能をもたらしているような燃料電池ユニット２００を説明するために使用される。

幾つかの実施形態においては、基板２０２を準備する段階は、犠牲材料２０６を含む基板２０２を準備する段階を含む。この犠牲材料２０６は、典型的には内部チャネル２０８が燃料電池ユニット２００内に配置されるのが望ましいような実施形態において使用される。そのような内部チャネル２０８は、典型的には酸化性ガス及び燃料ガスが燃料電池ユニット２００内を流れるのを可能にするために使用される。図２に示す例示的かつ非限定的な実施形態は、相互接続部支持式の燃料電池ユニット２００を示し、この燃料電池ユニット２００においては、パターン付けされた表面を機械加工することによって又はパターン付けされた表面を形成するその他の方法によって、チャネル２０８が配置されている。犠牲材料２０６は、複数の燃料電池コンポーネント層２０４を配置する段階に先立って、チャネル２０８内に配置される。このようにして、犠牲材料２０６は、その上に層２０４を配置することができる平坦な表面を形成するのに役立つ。層２０４の配置後の或る時点で、次ぎに犠牲材料２０６を除去して、燃料電池ユニット２００の作動時にそれを通ってガスが流れることができる中空の内部チャネルを形成する。犠牲材料２０６の除去は、大部分は選択した犠牲材料２０６を特定することに応じて決まる幾つかの好適な方法のいずれかによって達成され、それら方法には、溶剤での溶解、高い温度での分解、及び機械的な除去が含まれる。好適な犠牲材料には、ポリマー、塩、及びカーボンが含まれる。

複数の燃料電池コンポーネント層２０４を配置する段階は、少なくとも１つの物理蒸着（本明細書では「ＰＶＤ」とも呼ぶ）プロセスによって達成される。ＰＶＤプロセスの間、蒸着される材料は、例えば励起ガスイオンによる固体ターゲットからの放出による又は溶融プールからの蒸発によるような供給源から、その上に皮膜が形成される表面上に物理的に移送され、その結果、材料は、個々の原子又は分子として蒸着される。このようなプロセスは、保護皮膜及び装飾皮膜の蒸着にとって有用であるとして表面処理技術の技術分野では知られている。本発明の一部の実施形態においては、複数の燃料電池コンポーネント層２０４を配置する段階は、スパッタリング、イオンプラズマ蒸着、電子ビーム物理蒸着、レーザアブレーション、及びプラズマアーク蒸着からなる群から選択された少なくとも１つのＰＶＤプロセスを使用して複数の層２０４を配置する段階を含む。

本発明の実施形態でＰＶＤを使用することにより、プロセスの幾つかの有利な特徴とそのようなプロセスによって生成された皮膜とを生み出し、これらの利点を、燃料電池で使用するための機能コンポーネント層２０４の形成に使用する。これらの利点の一つは、少なくとも１つの材料特性における勾配を含む、「漸変皮膜」と呼ばれる皮膜を蒸着させるＰＶＤの能力である。漸変皮膜は、皮膜内での位置の関数として変化する、少なくとも１つの材料特性に対する値を有する材料を含む。漸変皮膜は、材料が蒸着されている時間の間に蒸着条件（例えば、ＰＶＤ処理チャンバ内のガス圧力及び被覆されている物品の温度のような）を変えることによって、ＰＶＤプロセスを用いて容易に形成される。このようにして、最初に蒸着された（即ち、被覆される表面に最も近い）材料が、所定の材料特性に対する最初の値を有することになり、この特性値が、処理条件を変化させたことにより、この初期の材料を直ぐ覆って蒸着された材料とは異なることになり、以下ＰＶＤ処理が停止されるまで順次蒸着される材料に対して同様になるので、少なくとも１つの材料特性における勾配が、皮膜が蒸着された表面に対して垂直な方向において得られる。

本発明の一部の実施形態においては、複数の燃料電池コンポーネント層２０４を配置する段階は更に、組成、粒度、及び多孔性からなる群から選択された少なくとも１つの特性における勾配を含む少なくとも１つの層を配置する段階を含む。漸変皮膜を蒸着することができることは、所定のコンポーネント層内での深さの関数として発生することが知られている、局所的な作動条件における勾配に応じて例えば任意のコンポーネント層２０４の特性を調整することができる点で、燃料電池の製造にとって有利である。

燃料電池組立体の製造においてＰＶＤを使用することは、広範な材料組成を蒸着することを可能にするので更に有利である。複数の燃料電池コンポーネント層２０４の任意の特定層として蒸着される材料は、例えば層の機能、燃料電池の所望の性能などのような要因に応じて決められる。一部の材料が特定の燃料電池コンポーネントでの使用に好適であることがよく知られていることは、当業者には分かるであろう。一部の実施形態においては、複数の燃料電池コンポーネント層２０４を配置する段階は、アノード、カソード、電解質、及び相互接続部の少なくとも１つを配置する段階を含む。幾つかの実施形態においては、電解質を配置する段階は、例えばイットリア安定化ジルコニア、ランタンガレート、ドープされた酸化セリウム（セリウムオキサイド）、及びセリア安定化ジルコニアの少なくとも１つを含む材料のような、イオン伝導性セラミックを配置する段階を含む。別の実施形態においては、アノードを配置する段階は、ａ．金属及び金属酸化物の少なくとも１つと、ｂ．電解質材料とを含む混合物を配置する段階を含む。「電解質材料」という用語は、本明細書では、それに限定するのではないが、固体酸化物燃料電池における電解質として当該技術的で一般に使用される材料を含む、任意のイオン伝導性材料を意味するのに使用される。特定の実施形態においては、アノードを配置する段階は、ニッケル、酸化ニッケル（ニッケルオキサイド）、白金族金属、及びイットリア安定化ジルコニアの少なくとも１つを含む材料を配置する段階を含む。更に別の実施形態によると、カソード層を配置する段階は、少なくとも１つのペロブスカイト構造の材料を含む材料を配置する段階を含む。白金族金属はまた、燃料電池カソード層としての使用に好適である。更に、カソードに電解質材料を付加することは、電池性能が増大させることを示した。従って、特定の実施形態においては、カソードを配置する段階は、白金族金属、イットリア安定化ジルコニア、ランタン・ストロンチウムマンガナイト、ランタンフェライト、及びランタンコバルタイトの少なくとも１つを含む材料を配置する段階を含む。例えばランタンフェライトのような一部の材料は、多くの場合、燃料電池コンポーネントとしてのそれらの性能を改善するために、特定材料がドープされることは、当業者には分かるであろう。最後に、一部の実施形態においては、相互接続部を配置する段階は、金属及びランタンクロマイトの少なくとも１つを含む導電性材料を配置する段階を含む。

ＰＶＤプロセスによって燃料電池コンポーネント層２０４を配置する段階は、一般に当該技術で使用される従来型のセラミック処理技術を使用して製作された層よりも著しく薄い厚さを有する層２０４を製作するのを可能にするので有利である。上述のように、薄いコンポーネント層は一般的に、厚い層よりも低いイオン抵抗を有し、従って、燃料電池性能を改善するためにはより薄い層が望ましい。幾つかの実施形態においては、電解質を配置する段階は、最大約１００マイクロメートルまでの厚さを有する層を配置する段階を含む。一部の実施形態においては、電解質層を配置する段階は、例えば最大約１０マイクロメートルまでの厚さなどの、最大約２０マイクロメートルまでの厚さを有する層を配置する段階を含む。アノード厚さ及びカソード厚さを含む、電極の厚さはまた、電池性能に影響を与える。多孔性電極の厚さが増大すると、電解質へのガス移送速度が低下し、加えて、電極内での導電相の電気抵抗が増大する。

幾つかの実施形態においては、カソードを配置する段階は、最大約１０００ミクロンメートルまでの厚さを有する層を配置する段階を含む。特定の実施形態においては、カソード層を配置する段階は、例えば最大約２０ミクロンメートルまでの厚さなどの、最大約１００ミクロンメートルまでの厚さを有する層を配置する段階を含む。電極支持式の燃料電池ユニットは一般的に、該電池ユニットを支持する特定の電極用の比較的厚い電極層を含むことになることは、当業者には分かるであろう。本発明の幾つかの実施形態によると、アノードを配置する段階は、最大約１０００マイクロメートルまでの厚さを有する層を配置する段階を含む。例えば燃料電池ユニットがアノード支持式でない実施形態のような一部の実施形態においては、アノード層を配置する段階は、例えば最大約２０ミクロンメートルまでの厚さなどの、最大約１００ミクロンメートルまでの厚さを有する層を配置する段階を含む。

燃料電池組立体の製造においてＰＶＤプロセスを使用することによって得られる別の利点は、従来型の方法によって行われるよりも、著しく容易な方法で、燃料電池を密閉することができることである。図４を参照すると、幾つかの実施形態においては、本発明の方法は更に、少なくとも１つの燃料電池コンポーネント層４０６の端縁部４０４の少なくとも一部分を覆って、物理蒸着プロセスによって材料の緻密層４０２を配置して、少なくとも１つのコンポーネント層４０６の端縁部４０４を密閉する段階を含む。本明細書で使用する場合、「密閉」という用語は、密閉された領域を通るガス流を、制限を受けるガスの全流量の約１０％未満にまで著しく制限するような状態に遮断することを意味する。全体システム効率要件によって一般的に、許容可能な許される漏洩の範囲が決定されることは、当業者にはわかるであろう。つまり、この範囲は一般的に、漏洩を生じているガス（即ち、燃料又は空気）の全流量の約１％から５％の間にあるが、幾つかのシステムでは、より大きな漏洩の範囲が許される場合もある。一部の実施形態においては、この緻密層は、端縁部４０４を実質的に気密密封し、このことは、密閉された端縁部４０４を通るガス流が実質的に阻止されることを意味する。

多くの好適な技術を使用して、緻密層４０２が施される。例えば、一部の実施形態においては、緻密層４０２を配置する段階は更に、緻密層４０２の選択的な蒸着を可能にするようにマスクを適用する段階を含む。図４は、本発明の一部の実施形態によるＰＶＤ処理において如何にマスクを適用する段階が使用されるかの１つの実施例を示す。「シャドウマスク」４０８は、衝突する種４１０が、緻密層４０２の形成が所望される領域を除いて、マスク４０８によって遮られるように位置決めされる。このようにして、コンポーネント層４０６の端縁部４０４において、シールが、容易に製作される。

幾つかの実施形態においては、緻密層４０２を配置する段階は、例えばアノード、カソード、電解質、及び相互接続部の１つを含む、燃料電池組立体の複数のコンポーネント層２０４（図２）の少なくとも１つのコンポーネント層４０６を形成するために使用されている材料を含む層を配置する段階を含む。緻密層４０２が電解質を形成するために使用されている材料を含むような幾つかの実施形態においては、材料は、例えばイットリア安定化ジルコニア、ランタンガレート、ドープされたセリウムオキサイド、及びセリア安定化ジルコニアの少なくとも１つを含む。緻密層４０２が相互接続部を形成するために使用されている材料を含むような別の実施形態においては、緻密層４０２は、例えば金属及びランタンクロマイトのような導電性酸化物の少なくとも１つを含む。

マスキングする段階を使用することは、緻密層４０２の製作に対して限定されるものではないことは、当業者には分かるであろう。幾つかの実施形態においては、複数の燃料電池コンポーネント層２０４（図２）を配置する段階は更に、基板２０２をマスクキングして、複数の燃料電池コンポーネント層の少なくとも１つの層を選択的に蒸着させる段階を含む。特定の実施形態においては、マスクキングする段階は、基板２０２に対して、シャドウマスクキングする（つまり、シャドウマスク４０８を適用する）段階及びハードマスク（図示せず）を適用する段階の少なくとも１つを含む。

図５〜図８は、それによって燃料電池ユニットが製作される、本発明の実施形態による非限定的なかつ例示的な方法を示す。基板５０２が準備される。複数の燃料電池コンポーネント層８０２（図８）が、少なくとも１つの物理蒸着プロセスによって基板５０２上に配置され、各層は、該層の境界となる端縁部８０４（図８）を含む。材料の緻密層８０６が、少なくとも１つの物理蒸着プロセスによって少なくとも１つの燃料電池コンポーネント層８０２の端縁部８０４の少なくとも一部分を覆って配置されて、該端縁部８０４を密閉する。図５〜図８に示す非限定的な実施例においては、基板５０２は、その表面内にパターン付けされた内部チャネル５０４を有する相互接続部を含む。チャネルは、コンポーネント層８０２（図８）を配置するのに先立って、犠牲材料５０６で充填されて平坦な表面を形成する。図５においては、カソード層５０８は、少なくとも１つのＰＶＤプロセスによって基板５０２上に配置される。シャドウマスク５１０が、所望の区域内にカソード層５０８を選択的に蒸着させるために適用される。図６に示す例示的な作業の次の段階において、高密度電解質層６０２が、ＰＶＤプロセスによって、カソード層５０８を覆って配置される。この段階において、マスク５１０が、より大きな蒸着区域を可能にするように位置決めされ、それによって高密度電解質６０２材料がカソード層５０８の端縁部６０４を被覆しかつ該端縁部６０４を密閉することが可能になる。図７に示す次の段階において、アノード層７０２が、ＰＶＤプロセスによって蒸着され、またこの段階においては、マスク５１０が、アノード７０２の端縁部７０４が電解質６０２の端縁部７０６に重ならないように蒸着の区域を制限するように位置決めされる。図８に示すこの特定の実施例において説明した最終段階において、緻密層８０６が、ＰＶＤプロセスによって配置され、またマスク５１０が、アノード７０２の端縁部７０４を覆って緻密層８０６を選択的に施すように位置決めされる。上述の例示的な方法を使用することによって、密閉された層の端縁部を有する燃料電池ユニット８５０が、ユニットの必要以上の取扱い又は他の操作をすることなく、元の位置のままで製作される。上述の実施例において他の変更が可能であり、それら変更が本発明の技術的範囲内であることは、当業者には分かるであろう。例えば、電極層（カソード５０８及びアノード７０２）が配置される順序は、逆にすることができ、更に、基板５０２は、上述の実施例の相互接続部に代えてアノード又はカソードとすることができる。

燃料電池コンポーネント層８０２に加えて、その他の層を配置することができる。例えば、幾つかの実施形態においては、この方法は更に、少なくとも１つの拡散障壁層（図示せず）を、ａ．基板５０２、及びｂ．複数の燃料電池コンポーネント層８０２の少なくとも１つの個別層からなる群から選択された、燃料電池の少なくとも１つのコンポーネント上に配置する段階を含む。拡散障壁層は、固相拡散による、異なった層材料の混合を回避するために使用される。一部の実施形態においては、少なくとも１つの拡散障壁層は、物理蒸着プロセスを使用して配置される。好適な拡散障壁層材料の選択は、例えば障壁層に含まれることが望ましい材料、燃料電池の温度及び期待寿命、並びにコスト等に応じて決まることは、当業者には分かるであろう。一部の実施形態においては、少なくとも１つの拡散障壁層を配置する段階は、例えば酸化セリウム・ガドリニウム（セリウム・ガドリニウムオキサイド）及びサマリウムがドープされたセリウムオキサイドからなる群から選択された酸化物のような酸化物を含む材料を配置する段階を含む。セリウム・ガドリニウムオキサイドは、当該技術においては、ＹＳＺの層とランタンコバルタイト、ランタン・ストロンチウムフェライト、又はその混合物の層との間の相互拡散及び化学的相互作用を減少させるために使用され、一方、サマリウムがドープされたセリウムオキサイド（Ｃｅ_1-xＳｍ_xＯ_2-0.5x）は、当該技術においては、固体酸化物燃料電池のアノードに使用されるニッケルオキサイド、セリウムオキサイド、及びその他の酸化物材料のような材料間の相互拡散及び化学的相互作用を減少させるために使用される。

図９に示すように、本発明の別の実施形態は、少なくとも１つの燃料電池ユニット９０２を含む燃料電池組立体９００を含む。ユニット９０２は、少なくとも１つの基板９０４を含む。方法の実施形態において基板９０４としての使用に好適であると上に説明した様々な代替燃料電池コンポーネント及び材料はまた、本発明の燃料電池組立体９００の実施形態での使用にも好適である。例えば、図９に示す非限定的なかつ例示的な実施形態は、基板９０４を含む燃料電池ユニット９０２を示しており、この場合、該基板９０４が相互接続部９０６となっている。複数の燃料電池コンポーネント層９０８が、基板９０４上に配置され、上述のように、各層は、該層の境界となる端縁部９１０を含む。本発明の方法の実施形態においてコンポーネント層９０８としての使用に好適であると上に説明した様々な代替燃料電池コンポーネント及び材料、及び層の厚さはまた、本発明の燃料電池９００での使用にも好適であり、この燃料電池９００は、少なくとも１つの層９０８が、組成、粒度、及び多孔性からなる群から選択された少なくとも１つの特性における勾配を含む実施形態を含む。燃料電池ユニット９０２は更に、少なくとも１つの燃料電池コンポーネント層９０８の少なくとも端縁部９１０の一部分を覆って配置された、材料の少なくとも１つの緻密層９１２を含む。この少なくとも１つの緻密層９１２は、該緻密層９１２がその上に配置された端縁部９１０の少なくとも一部分を密閉し、また幾つかの実施形態においては、該端縁部９１０の少なくとも一部分を実質的に気密密閉する。ここでも同様に、少なくとも１つの緻密層９１２を製作するために使用される材料の好適な別の実施形態は、上述の方法の実施形態において既に説明した。更に、一部の実施形態においては、燃料電池組立体９００は更に、前に説明したように、基板９０２及び複数の燃料電池コンポーネント層９０８の少なくとも１つの個別層からなる群から選択された、燃料電池組立体９００の少なくとも１つのコンポーネント上に配置された少なくとも１つの拡散障壁を含む。

図１０は、本発明の別の実施形態を示す。この実施形態においては、燃料電池組立体１０００は、基板１００２を含み、該基板１００２は、相互接続部を含む。基板１００２は更に、少なくとも１つの厚さ方向貫通穴１００４を含む。各燃料電池コンポーネント層１００８の各端縁部１００６は、穴１００４に隣接した近位部分１０１０と、該近位部分１０１０に対向する遠位部分１０１２とを含む。少なくとも１つの緻密層１０１４が、端縁部１００６の少なくとも遠位部分１０１２を覆って配置される。そのような配列により、内部マニホルド式燃料電池組立体の製造が可能になり、その場合、この少なくとも１つの緻密層１０１４が、電池端縁部を密閉する役割を果たす。本発明の実施形態によるＰＶＤプロセスを使用すると、ユニットを機械的に操作する必要性がなく、薄くてかつ高密度の実質的気密層を付着させることができるので、緻密層１０１４を施すことは、特に該ＰＶＤプロセスによって容易に行われる。

前述した燃料電池組立体１０００の特定の実施形態においては、少なくとも１つの燃料電池ユニット１０１６は、相互接続基板１００２と、該基板上に配置されたカソード層１０１８とを含む。高密度電解質層１０２０が、カソード１０１８を覆って配置される。電解質層１０２０は、カソード層１０１８のほぼ全ての端縁部１００６と重なり合う。電解質１０２０は緻密層なので、該電解質１０２０は、カソード層１０１８を複数の層１００８の残部層から実質的に気密密閉する。アノード層１０２２が、電解質層１０２０を覆って配置され、また材料緻密層１０１４が、アノード層１０２２の端縁部の遠位部分１０２４を覆って配置される。このようにして、本発明による内部マニホルド式燃料電池組立体１０００は、複数の燃料電池ユニット１０１６を含む。これらユニット１０１６は、互いに電気的に接続され、かつ厚さ方向貫通穴１００４が組立体１０００内でのガスの流れを可能にするように整列されてスタックされる。得られたガス通路１０２６は、組立体１０００に対してガスを供給するために、又は組立体１０００からガスを取り出すための排出ポートとして使用することができるが、一般的には、両タイプの通路（供給及び排出）が、燃料電池組立体１０００において使用されることになることに注目されたい。

本明細書において様々な実施形態を説明してきたが、当業者が要素の様々な組合せ、変更、改良を行うことができ、また特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。

従来技術の固体酸化物燃料電池ユニットの概略図。 本発明の燃料電池ユニットの断面図。 本発明の燃料電池ユニットの平面図。 部分的に製造された燃料電池ユニットを示す断面図。 本発明の方法の各段階を示す図。 本発明の方法の各段階を示す図。 本発明の方法の各段階を示す図。 本発明の方法の各段階を示す図。 本発明の燃料電池組立体の断面図。 本発明の燃料電池組立体の別の実施形態を示す断面図。

符号の説明

１０００ 燃料電池組立体
１００２ 基板
１００４ 厚さ方向貫通穴
１００６ 端縁部
１００８ 燃料電池コンポーネント層
１０１０ 近位部分
１０１２ 遠位部分
１０１４ 緻密層
１０１６ 燃料電池ユニット
１０１８ カソード層
１０２０ 電解質層
１０２２ アノード層
１０２６ ガス通路

Claims (33)

1. 燃料電池組立体（９００）を製造する方法であって、
   基板（２０２）を準備する段階と、
   物理蒸着（ＰＶＤ）プロセスによって、複数の燃料電池コンポーネント層（２０４）を、該層の各々が該層の境界となる端縁部（３０４）を含むように前記基板（２０２）上に配置する段階と、
   を含むことを特徴とする方法。
2. 前記複数の燃料電池コンポーネント層（２０４）を配置する段階が、アノード（１０２２）、カソード（１０１８）、電解質（１０２０）、及び相互接続部（１００２）を配置する段階を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 物理蒸着プロセスによって、燃料電池コンポーネント層（２０４）の前記端縁部（３０４）の少なくとも一部分を覆って、材料の緻密層（９１２）を配置して、前記コンポーネント層（２０４）の前記端縁部（３０４）を密閉する段階を更に含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
4. 前記緻密層（９１２）を配置する段階が、前記コンポーネント層（２０４）の前記端縁部（３０４）を実質的に気密密閉するように前記緻密層（９１２）を配置する段階を更に含むことを特徴とする、請求項３に記載の方法。
5. 前記緻密層（９１２）を配置する段階が、前記燃料電池組立体の前記複数のコンポーネント層のコンポーネント層（２０４）を形成するのに使用されている材料を含む層を配置する段階を含むことを特徴とする、請求項３に記載の方法。
6. 前記緻密層（９１２）を配置する段階が、マスク（４０８）を適用して、前記緻密層（９１２）の選択的蒸着を可能にする段階を更に含むことを特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. 前記コンポーネントが、アノード（１０２２）、カソード（１０１８）、電解質（１０２０）、及び相互接続部（１００２）からなる群から選択されることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
8. 前記コンポーネントが、電解質（１０２０）を含むことを特徴とする、請求項７に記載の方法。
9. 前記材料が、イットリア安定化ジルコニア、ランタンガレート、ドープされたセリウムオキサイド、及びセリア安定化ジルコニアの少なくとも１つを含むことを特徴とする、請求項８に記載の方法。
10. 前記コンポーネントが、相互接続部（１００２）を含むことを特徴とする、請求項７に記載の方法。
11. 前記材料が、導電性酸化物及び金属の少なくとも１つを含むことを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
12. 前記複数の燃料電池コンポーネント層（２０４）を配置する段階が、前記基板（２０２）をマスクキング（４０８）して、前記複数の燃料電池コンポーネント層（２０４）の層に選択的に蒸着させる段階を更に含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
13. 前記マスクキング（４０８）する段階が、前記基板（２０２）に対して、シャドウマスクキング（４０８）する段階及び固体マスク（４０８）を適用する段階の少なくとも１つを含むことを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
14. ａ．前記基板（２０２）、及び
    ｂ．前記複数の燃料電池コンポーネント層（２０４）の個別層
    からなる群から選択された、前記燃料電池のコンポーネント上に拡散障壁層を配置する段階を更に含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
15. 前記拡散障壁層を配置する段階が、物理蒸着プロセスを使用して前記拡散障壁層を配置する段階を含むことを特徴とする、請求項１４に記載の方法。
16. 前記拡散障壁層を配置する段階が、酸化物を含む材料を配置する段階を含むことを特徴とする、請求項１４に記載の方法。
17. 前記酸化物を含む材料を配置する段階が、セリウム・ガドリニウムオキサイド、及びサマリウムがドープされたセリウムオキサイドからなる群から選択された酸化物を含む材料を配置する段階を含むことを特徴とする、請求項１６に記載の方法。
18. 燃料電池組立体を製造する方法であって、
    基板（２０２）を準備する段階と、
    物理蒸着（ＰＶＤ）プロセスによって、複数の燃料電池コンポーネント層（２０４）を、該層の各々が該層の境界となる端縁部（３０４）を含むように前記基板（２０２）上に配置する段階と、
    物理蒸着プロセスによって、燃料電池コンポーネント層（２０４）の前記端縁部（３０４）の少なくとも一部分を覆って、材料の緻密層（９１２）を配置して、前記コンポーネント層の前記端縁部（３０４）を密閉する段階と、
    を含むことを特徴とする方法。
19. ユニットが、
    基板（２０２）と、
    境界となる端縁部（３０４）を含む、前記基板（２０２）上に配置された複数の燃料電池コンポーネント層（２０４）と、
    燃料電池コンポーネント層の前記端縁部（３０４）の少なくと一部分を覆って、前記端縁部（３０４）の少なくとも前記部分を密閉するように配置された、材料の緻密層（９１２）と、
    を含むことを特徴とする燃料電池組立体。
20. 前記緻密層（９１２）が、前記端縁部（３０４）の少なくとも前記部分を実質的に気密密閉することを特徴とする、請求項１９に記載の燃料電池組立体。
21. 前記基板（２０２）が、相互接続部（１００２）を含むことを特徴とする、請求項１９に記載の燃料電池組立体。
22. 前記基板（２０２）が、厚さ方向貫通穴を更に含み、各燃料電池コンポーネント層の前記端縁部（３０４）が、前記穴に隣接した近位部分と該近位部分に対向する遠位部分とを含み、前記緻密層（９１２）が、燃料電池コンポーネント層の前記端縁部（３０４）の少なくとも前記遠位部分を覆って配置されていることを特徴とする、請求項２１に記載の燃料電池組立体。
23. 前記ユニットが、
    前記基板（２０２）上に配置されたカソード（１０１８）層と、
    前記カソード（１０１８）を覆って配置され、該カソード（１０１８）層の前記端縁部（３０４）のほぼ全てと重なって、該カソード（１０１８）層を前記複数の層の残部層から実質的に気密密閉する高密度電解質（１０２０）層と、
    前記電解質（１０２０）層を覆って配置されたアノード（１０２２）層と、
    前記アノード（１０２２）層の端縁部（３０４）の前記遠位部分を覆って配置された緻密層（９１２）と、
    を含むことを特徴とする、請求項２２に記載の燃料電池組立体。
24. 該組立体が、複数の前記ユニットを含み、前記ユニットは、前記厚さ方向貫通穴が整列されて該燃料電池組立体内でのガスの流れを可能にするようにスタックされていることを特徴とする、請求項２３に記載の燃料電池組立体。
25. 前記複数の燃料電池コンポーネント層（２０４）が、アノード（１０２２）、カソード（１０１８）、電解質（１０２０）、及び相互接続部（１００２）からなる群から選択された少なくとも２つのコンポーネント層を含むことを特徴とする、請求項１９に記載の燃料電池組立体。
26. 前記緻密層（９１２）が、前記複数のコンポーネント層の少なくとも１つのコンポーネント層（２０４）を含む材料を含むことを特徴とする、請求項１９に記載の燃料電池組立体。
27. 前記緻密層（９１２）が、該燃料電池組立体の相互接続部（１００２）及び該燃料電池組立体の電解質（１０２０）の少なくとも１つを含む材料を含むことを特徴とする、請求項１９に記載の燃料電池組立体。
28. 該燃料電池組立体が、
    ａ．前記基板（２０２）、及び
    ｂ．前記複数の燃料電池コンポーネント層（２０４）の個別層
    の上に配置された拡散障壁を更に含む、
    ことを特徴とする、請求項１９に記載の燃料電池組立体。
29. 前記拡散障壁が、酸化物を含む材料を含むことを特徴とする、請求項２８に記載の燃料電池組立体。
30. 前記酸化物が、セリウム・ガドリニウムオキサイド及びサマリウムがドープされたセリウムオキサイドからなる群から選択された酸化物を含むことを特徴とする、請求項２９に記載の燃料電池組立体。
31. 前記複数の燃料電池コンポーネント層（２０４）のコンポーネント層（２０４）が、組成、粒度、及び多孔性からなる群から選択された特性における勾配を含むことを特徴とする、請求項１９に記載の燃料電池組立体。
32. ユニットが、
    厚さ方向貫通穴を含む相互接続（１００２）基板（２０２）と、
    境界となる端縁部（３０４）を含み、該端縁部（３０４）が前記穴に隣接した近位部分と該近位部分に対向する遠位部分とを含む複数の燃料電池コンポーネント層（２０４）と、
    を含み、前記複数の層が、
    前記基板（２０２）上に配置されたアノード（１０２２）層と、
    前記アノード（１０２２）を覆って配置され、該アノード（１０２２）層の前記端縁部（３０４）のほぼ全てと重なって、該アノード（１０２２）層を前記複数の層の残部層から実質的に気密密閉する高密度電解質（１０２０）層と、
    前記電解質（１０２０）を覆って配置されたカソード（１０１８）層と
    前記カソード（１０１８）層の前記端縁部（３０４）の遠位部分を覆って配置され、該端縁部（３０４）の遠位部分を実質的に気密密閉する緻密密閉層（９１２）と、
    を含むことを特徴とする燃料電池組立体。
33. 該組立体が、複数の前記ユニットを含み、前記ユニットが、前記厚さ方向貫通穴が整列されて該燃料電池組立体内でのガスの流れを可能にするようにスタックされていることを特徴とする、請求項３２に記載の燃料電池組立体。

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