固体氧化物型燃料电池电堆的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及固体氧化物型燃料电池电堆。具体而言，涉及具有导电性及气密性优 秀的互连器的固体氧化物型燃料电池电堆。
【背景技术】
[0002] 燃料电池不同于经过热能、动能的过程的热机，是介由固体电解质使天然气、氢等 燃料与空气中的氧进行反应，从而由燃料所带有的化学能连续且直接地得到电能的能量转 换器。其中，固体氧化物型燃料电池是使用固体氧化物（陶瓷）作为固体电解质，并以燃料 极作为负极，以空气极作为正极的电池而进行工作的燃料电池。此外，已知固体氧化物型燃 料电池是具有可得到高能量转换效率这样的优点的装置。
[0003] 由于每个单电池的输出小，因此固体氧化物型燃料电池通过串联连接多个单电池 而将输出提高从而进行发电。电连接邻接的单电池的部件被称为互连器。已知有使用陶瓷 作为其材料的互连器（以下也称为陶瓷互连器）。作为陶瓷互连器的特性，要求有不使气体 透过的气密性、导电性、氧化物离子绝缘性、及与固体电解质的密合性。
[0004] 通常，如果陶瓷互连器的厚度不薄（例如，大约IOOym以下），则得不到足够的导 电性。但是，当为了得到足够的导电性而将陶瓷互连器的厚度减薄，且将如此厚度的薄的陶 瓷互连器形成在多孔质电极（燃料极、空气极）的表面上时，则存在有陶瓷互连器被混入到 多孔质电极的危险。由此，存在有无法形成陶瓷互连器的危险、或即使形成后也因厚度薄而 得不到足够的气密性的危险。
[0005] 如果陶瓷互连器的气密性低，则由于导致燃料气体从陶瓷互连器的燃料极侧泄漏 到空气极侧并与空气混合，因此并不理想。为了提高陶瓷互连器的气密性，需要提高陶瓷互 连器的致密性，从而要求将陶瓷互连器进行致密的烧结。此外，如果陶瓷互连器的导电性 低，则陶瓷互连器的电阻变大，导致燃料电池的输出降低。而且，如果陶瓷互连器的氧化物 离子绝缘性低，则导致氧化物离子从陶瓷互连器的空气极侧泄漏到燃料极侧，从而导致燃 料电池的效率降低。另外，当固体电解质和陶瓷互连器的密合性低时，则导致在固体电解质 和陶瓷互连器之间产生裂纹等间隙，从而导致燃料气体从该间隙泄漏。
[0006] 作为陶瓷互连器的材料，铬酸镧（LaCrO3)系互连器被广泛使用。已知该LaCrO 3* 互连器虽然通常导电性较高但烧结困难。此外，由于包含铬（Cr)，因此存在有发生所谓的 Cr中毒的危险。
[0007] 此外，作为陶瓷互连器的材料，以SrLaTiO3 δ表示的lanthanum-doped strontium titanate(SLT)系互连器被广泛使用。已知虽然该SLT系互连器比LaCrO3*互连器导电性 低，但烧结性良好。SLT系互连器例如通过用镧（La)置换绝缘体即SrTiO 3的晶格中的Sr 的位置而构成SrLaTiO3 δ (SLT)，从而通过使SrLaTiO3 δ (SLT)晶格中的Ti的位置的Ti4+的 一部分变化成Ti3+而使其表现出导电性。此外，δ是以满足电中性条件的方式确定的值。
[0008] 日本特开2008-270203号公报（专利文献1)的目的在于提供一种一边良好地保 持气密性，一边同时实现导电性的提高及与固体电解质的密合性的提高的SLT系互连器。 为了实现该目的，记述有将该陶瓷互连器构成为形成于燃料极侧的气密性重视部分和形成 于空气极侧的导电性重视部分的2层结构，且导电性重视部分比气密性重视部分导电率更 高。此外，根据该文献的图2,记述有在连接邻接的其中一个发电元件的燃料极及另一个发 电元件的空气极的陶瓷互连器之下，以一部分潜入的方式形成有其中一个发电元件的固体 电解质的形态。
[0009] 此外，在日本专利第5244264号公报（专利文献2)中，记述有以降低铬铁矿系互 连器与导电性支撑部件（燃料极）的层叠体的电阻率为目的，而控制各个铬铁矿系互连器 及导电性支撑部件所含的铁量的内容。由此，两者间的电阻被降低，连接性变得良好，且协 助促进共烧结时的致密化。此外，根据该文献的图2,记述有在与燃料极连接而配置的铬铁 矿系互连器之上以覆盖一部分的方式形成有固体电解质的形态。
[0010] 但是，上述任意的文献都未考虑到通过使互连器和固体电解质接触来使互连器的 气密性提高。因而，上述任意的文献都未能实现具有带有优秀的导电性及气密性的陶瓷互 连器而构成的固体氧化物型燃料电池电堆的制造。
[0011] 专利文献1 :日本特开2010-212036号公报
[0012] 专利文献2 :日本专利第5244264号公报
【发明内容】
[0013] 本发明者们此番得到了能够通过使互连器和固体电解质接合来提高互连器的气 密性的见解。本发明是基于这样的见解的发明。
[0014] 因而，本发明所要解决的技术问题是提供一种具有带有优秀的导电性及气密性的 陶瓷互连器的固体氧化物型燃料电池电堆。
[0015] 于是，本发明的固体氧化物型燃料电池电堆为至少具有：支撑体；多个发电元件， 在该支撑体的表面上至少依次层叠有燃料极、固体电解质及空气极而构成；及互连器，电连 接所述多个发电元件之中的邻接的其中一个发电元件的空气极和另一个发电元件的燃料 极，且所述多个发电元件被串联连接而构成的固体氧化物型燃料电池电堆，其特征在于，在 设置于所述其中一个发电元件的空气极之下的所述互连器之下，以与该互连器接合的方式 设置有其中一个发电元件的固体电解质，并且在设置于另一个发电元件的燃料极之上的所 述互连器之上，以与该互连器接合的方式设置有另一个发电元件的固体电解质。
[0016] 具体而言，本发明的固体氧化物型燃料电池电堆为包含支撑体、及在该支撑体的 表面上设置的多个发电元件的固体氧化物型燃料电池电堆，其特征在于，
[0017] 在将所述多个发电元件之中邻接的2个发电元件分别作为第1发电元件及第2发 电元件时，
[0018] 所述第1发电元件包含第1燃料极、第1空气极、及在所述第1燃料极和所述第1 空气极之间设置的第1固体电解质作为其构成部件，且所述第1燃料极被配置在所述支撑 体和所述第1空气极之间，
[0019] 所述第2发电元件包含第2燃料极、第2空气极、及在所述第2燃料极和所述第2 空气极之间设置的第2固体电解质作为其构成部件，且所述第2燃料极被配置在所述支撑 体和所述第2空气极之间，
[0020] 所述固体氧化物型燃料电池电堆还包含电连接所述第1发电元件的所述第1空气 极和所述第2发电元件的所述第2燃料极的互连器，通过所述互连器，所述第1发电元件和 所述第2发电元件被串联连接而构成，
[0021] 在将由所述支撑体的表面朝向所述第1燃料极、所述第1固体电解质、及所述第1 空气极，或朝向第2燃料极、第2固体电解质、及第2空气极的铅垂方向作为Z轴方向时，所 述邻接的2个发电元件包含：
[0022] 所述第1发电元件的第1区域，在Z轴方向上依次配置有所述第2燃料极、所述第 1固体电解质、及所述第1空气极；
[0023] 所述第1发电元件的第2区域，在Z轴方向上依次配置有所述第1固体电解质及 所述第1空气极；
[0024] 所述第2发电元件的第3区域，在Z轴方向上依次配置有所述第2燃料极及所述 第2固体电解质；
[0025] 所述第1发电元件的第4区域，在Z轴方向上依次配置有所述第1燃料极、所述第 1固体电解质、及所述第1空气极；
[0026] 及所述第1发电元件的第5区域，在Z轴方向上依次配置有所述第2燃料极、及所 述第1空气极，
[0027] 在将铅垂于所述Z轴方向的方向且氧化物离子移动的方向作为X轴方向时，所述 第4区域、所述第2区域、所述第1区域、所述第5区域、及所述第3区域依次在X轴方向上 连续邻接而构成，
[0028] 且所述互连器包含：
[0029] 第6部分，在所述第5区域中被设置在所述第2燃料极和所述第1空气极之间；
[0030] 第1部分，在所述第2区域中被设置在所述第1固体电解质和所述第1空气极之 间；
[0031] 第2部分，在所述第1区域中被设置在所述第1固体电解质和所述第1空气极之 间；
[0032] 及第3部分，在所述第3区域中被设置在所述第2燃料极和所述第2固体电解质 之间。
【附图说明】
[0033] 图IA是本发明的横缟型固体氧化物型燃料电池电堆的主视图。
[0034] 图IB是构成本发明的固体氧化物型燃料电池电堆的邻接的4个发电元件的剖面 模式图。
[0035] 图2是构成本发明的固体氧化物型燃料电池电堆的邻接的4个发电元件的剖面模 式图。
[0036] 图3是表示包含构成本发明的固体氧化物型燃料电池电堆的邻接的3个发电元件 的优选的形态的剖面模式图。
[0037] 图4是表示包含构成本发明的固体氧化物型燃料电池电堆的邻接的3个发电元件 的其他的优选的形态的剖面模式图。
[0038] 图5是表示在本发明的固体氧化物型燃料电池电堆的制造方法中，以与固体电解 质的接合距离为L而形成燃料极侧的互连器的工序。
[0039] 图6是表示在本发明的固体氧化物型燃料电池电堆的制造方法中，以与固体电解 质的接合距离为L'而形成空气极侧的互连器的工序。
[0040] 图7是比较例中制作后的固体氧化物型燃料电池电堆的剖面模式图。
[0041 ] 符号说明
[0042] 10、20、30、40-发电元件；210、220、230、240-固体氧化物型燃料电池电堆；301-支 撑体；102、202、302、402-燃料极 ；303-互连器；104、204、304、404-固体电解质；105、205、 305、405_空气极
【具体实施方式】
[0043] 定义
[0044] 除互连器及固体电解质的结构满足后记的必要条件以外，本发明的固体氧化物型 燃料电池电堆是指至少具有：多个发电元件，至少依次层叠有燃料极、所述固体电解质及空 气极而构成；及所述互连器，电连接这些多个发电元件之中的邻接的其中一个发电元件的 空气极和另一个发电元件的燃料极而构成，且与本行业中通常被分类或理解成固体氧化物 型燃料电池电堆相同的燃料电池电堆。此外，本发明的固体氧化物型燃料电池电堆其形状 不受限定，例如也可以是圆筒状、及在内部形成有多个气体流路的中空板状等。
[0045] 此外，在本说明书中，"邻接"或"邻接设置"是指在多个该要素之间不包含其他的 该要素。另一方面，也可以包含该要素以外的其他的要素。例如，在邻接的其中一个发电元 件和另一个发电元件之间，不包含其他的发电元件。但是，不妨在其中一个发电元件和另一 个发电元件之间，例如包含互连器。
[0046] 本发明的固体氧化物型燃料电池电堆是指所谓的横缟型固体氧化物型燃料电池。 在本发明中，横缟型固体氧化物型燃料电池是指在1个支撑体的表面上形成有多个发电元 件的固体氧化物型燃料电池。
[0047] 在本发明中，固体氧化物型燃料电池电堆是指集合有多个发电元件的电堆。
[0048] 使用了本发明的固体氧化物型燃料电池电堆的固体氧化物型燃料电池系统不局 限于特定的类型，其制造方法或构成其的其他的材料等都可以使用公知的方法或材料。
[0049] 参照图IA及图IB对固体氧化物型燃料电池电堆的整体构成及构成要素进行说 明。作为本发明的一个形态，图IA是对横缟型固体氧化物型燃料电池电堆进行表示的主视 图。图IB是表示本发明的固体氧化物型燃料电池电堆210的一个形态的模式图。
[0050] 发电元件
[0051] 如图IA及图IB所示，本发明的固体氧化物型燃料电池电堆210是具有多个发电 元件（10、20、30、40)，且这些发电元件（10、20、30、40)被串联连接而构成的燃料电池电堆。 发电元件（1〇、20、30、40)各自是依次层叠有燃料极（102、202、302、402)、固体电解质（104、 204、304、404)、及空气极（105、205、305、405)的层叠体。
[0052] 在本说明书中，将由支撑体301的表面朝向各发电元件（10、20、30、40)的燃料极 (102、202、302、402)、固体电解质（104、204、304、404)、及空气极（105、205、305、405)的铅 垂方向（层叠方向）定义为Z轴方向。将垂直于该Z轴方向的一个方向定义为X轴方向， 且将垂直Z轴方向及X轴方向双方的方向定义为Y轴方向。在此，X轴方向是氧化物离子移 动的方向。如图IA及图IB所示，在固体氧化物型燃料电池电堆210中，多个发电元件（10、 20、30、40)沿X轴方向而被配置。
[0053] 支撑体
[0054] 本发明的固体氧化物型燃料电池电堆210具有支撑体201。多个发电元件（10、20、 30、40)被串联形