TW200919818A - A fuel cell and a method of manufacturing a fuel cell - Google Patents

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200919818 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 更特別地有關陶瓷燃料電池

更特別地有關製造陶瓷燃料電池 之方法，及 本發明有關燃料電池， 及特別地係， 電池之方法， 特別地有關製造固態氧化物燃料電池之方法。 【先前技術】 一種固態氧化物燃料電爲管式固態氧化物燃料電池’ 其中固態氧化物燃料電池係沿著一空心管式構件之圓柱表 面電氣及實體地軸向串聯配置。 另一種固態氧化物燃料電池爲平板式固態氧化物燃料 電池’其中固態氧化物燃料電池係沿著一空心平板式構件 之平表面電氣及實體地縱向串聯配置。 其他類型之固態氧化物燃料電池爲單石固態氧化物燃 料電池’其中陽極板、電解質板、陰極板、及互連連接器 板循序堆疊。 【發明內容】 因此，本發明係尋求提供一種新穎燃料電池。 因此，本發明提供一種燃料電池，其包括多孔陽極電 極、緻密非多孔電解質與多孔陰極電極，該陽極電極包括 複數個平行板構件，該陰極電極包括複數個平行板構件， 該陰極電極之平行板構件係與該陽極電極之平行板構件相 叉合，該電解質包括：至少一個電解質構件’其係充塡在 該陽極電極之平行板構件與該陰極電極之平行板構件之間 200919818 的至少一個空間；該至少一個非離子傳導構件，其係充塡 在該陽極電極之平行板構件與該陰極電極之平行板構件之 間的至少一個空間’該至少一個電解質構件與該至少一個 非離子傳導構件係交替配置，且該至少一個非離子傳導構 件具有至少一個互連連接器，以電性互連該陽極電極之至 少一個平行板構件與該陰極電極之至少一個平行板構件。 較佳地’燃料電池爲一陶瓷燃料電池，更佳地，該燃 料電池爲一固態氧化物燃料電池，更佳地，電解質包括氧 化锆。最佳地，該電解質包括釔安定氧化锆。 較佳地’陽極電極之平行板構件、陰極電極之平行板 構件、電解質構件與非離子傳導構件具有成列的孔口，其 係界定一燃料流動之導管。 較佳地’導管之一第一端係被一管端蓋片或電解質所 密封。 或者，陽極電極之平行板構件、陰極電極之平行板構 件、電解質構件與非離子傳導構件具有成列之孔口，其界 定一氧化劑流動之導管。 或者，導管之一第一端係被一管端蓋片或電解質所密 封。 較佳地，陽極電極之平行板構件之形狀實質爲圓形、 矩形、正方形或六角形。較佳地，陰極電極之平行板構件 之形狀實質爲圓形、矩形、正方形或六角形。 較佳地，燃料電池係配置在一緻密非多孔構件上，及 該緻密非多孔構件具有一孔口，以供應燃料至該第一構件。 -6- 200919818 較佳地，燃料電池係配置在一緻密非多孔構件上，及 該緻密非多孔構件具有一孔口，以供應氧化劑至該第二構 件。 較佳地，燃料電池係配置在一緻密非多孔管上，及該 緻密非多孔管具有一孔口，以供應燃料至該第一構件。 較佳地，燃料電池係配置在一緻密非多孔管上，及該 緻密非多孔管具有一孔口，以供應氧化劑至該第二構件。 較佳地，燃料電池係配置在一緻密非多孔板上，且該 緻密非多孔板具有一孔口，以供應燃料至該第一構件。 較佳地，燃料電池係配置在一緻密非多孔板上，且該 緻密非多孔板具有一孔口’以供應氧化劑至該第二構件。 本發明亦提供一燃料電池堆疊，其包括在上述段落之 複數個燃料電池，且係電串聯連接。 較佳地’燃料電池堆疊包括一第一徽密非多孔板跑〜 第一緻密非多孔板’該第一緻密非多孔板具有複數個孔 口’以供應氧化劑至複數個燃料電池之每一者之—導管， 該導管係配置供應氧化劑至複數個燃料電池之每一者的陰 極電極之平行板構件’該第二緻密非多孔板具有複數個孔 口’以供應氧化劑至複數個燃料電池之每一者之一導管， 該導管係配置供應氧化劑至複數個燃料電池之每一者的陰 極電極之平行板構件’將該第一與第二緻密非 山开多孔板配置 成在其間具有·該等'燃料電 '池以形成一通道，用以供應燃米斗 至該等燃料電池的陽極電極之平行板構件。 料電池配置 較佳地’第一與第二緻密非多孔板上的燃 200919818 成預定圖案。較佳地，在第一緻密非多孔板上的該等燃料 電池與在第二緻密非多孔板上的該等燃料電池係交替配 置。 本發明亦提供一種製造燃料電池之方法，該方法包 括；形成複數電解質材料片；在每一電解質材料片之第一 表面上沉積陽極電極材料；在每一電解質材料片之第一表 面上沉積陰極材料；形成通過每一電解質材料片的複數個 孔口；形成複數非離子傳導材料片；形成通過每一非離子 傳導材料片的複數個孔口；配置該等電解質材料片成一堆 疊，使-電解質材料片之陽極電極材料面對相鄰電解質材 料片之陰極電解質材料；配置該等非離子傳導材料片成堆 疊，以致於每—非離子傳導材料片係置放在兩相鄰電解暂 材料片之間，及使在該等非離子傳導材料片中的孔口跑亦 電解質材料片中的孔口成列：及將堆疊分成複數件，使一 孔口延伸至每一件，以形成燃料電池。 較佳地，該方法包括：在每1解質材料片之第—表 面上r几積陽極電極材料；及在每一電解質材料 面上沉積陰極材料之前，形成通過 一 數個孔口。 電解質材料片的複 在形成通過 電解質材料 電解質材料 每一電解質材料片的 片之第一表面上沉積 片之第二表面上沉積 或者，該方法包括： 複數個孔口之前，在每一 陽極電極材料，及在每一 陰極材料。 本發明亦提供一種製造燃料甯 該方法包 %池之方法 200919818 括；形成至少一片電解質材料；在每一電库 一表面上沉積陽極電極材料；在每一電解奮 表面上沉積陰極材肖；㈣通過每—電㈣ 個孔口；將至少—& —贴粧本』 片电解質材料分成複數例 延伸通過每一·他· π # π , 件，形成至少一片非離子傳笔 過每-非離子傳導材料片的複數個孔口；照 子傳導材料分成複數件，使一孔口延伸通遇 該等電解質材料件成一堆疊，使一電解質桐 極材料面對相鄰電解質材料件之陰極電極祠 材料件中的孔口係成列：及配置該等非離子 堆旦以致於每一非離子傳導材料件係置放 質材料件之間，使在非離子傳導材料片中的 質材料片中的孔口成列，以形成燃料電池。 【實施方式】 如第1圖所示，一固態氧化物燃料電池: 外殼1 2中配置的複數個固態氧化物燃料電 一固態氧化物燃料電池模組1 4包括複數個 料電池1 6。 如第2圖、第3圖與第4圖更清楚所示 化物燃料電池〗6包括：多孔陽極電極丨8、 解質20與多孔陰極電極22。該陽極電極18 行板構件2 6。同樣地’該陰極電極2 2包括 構件3 〇。該陰極電極22之平行板構件3 〇與丨 之平行板構件2 6相叉合。緻密非多孔電解奪 質材料片之第 材料片之第二 材料片之複數 ，使〜孔口係 材料；形成通 至少一片非離 每—件；配置 料件之陽極電 料；使電解質 傳導材料件成 在兩相鄰電解 孔口與在電解 I疊1 〇包括在 池模組1 4。每 固態氧化物燃 ，每一固態氧 緻密非多孔電 包括複數個平 複數個平行板 亥陽極電極1 8 • 2 0包括至少 -9- 200919818 一個（較佳爲複數個）電解質構件23，其係充塡在陽極電極 1 8的平行板構件2 6與陰極電極2 2的平行板構件3 0之間 的至少一個空間。至少一個（較佳爲複數個）非離子傳導構 件2 5係充塡在陽極電極1 8的平行板構件2 6與陰極電極 2 2的平行板構件3 0之間的至少一個空間。至少一個電解 質構件2 3與至少一個非離子傳導構件2 5係交替配置在陽 極電極1 8的平行板構件2 6與陰極電極2 2的平行板構件 3 0之間的空間。至少一個非離子傳導構件2 5具有一互連 連接器2 7，其係電性互連在陽極電極1 8的至少一個平行 板構件2 6與陰極電極2 2的至少一個平行板構件3 0。平行 板構件2 6與平行板構件3 0係透氣/多氣孔。 在第2圖與第3圖顯示的配置中，陰極電極22的平行 板構件3 0之邊緣與電解質構件2 3的邊緣、和非離子傳導 構件2 5的邊緣一起形成氧化劑流動的導管3 2，例如氧或 空氣。導管3 2的一第一端3 4係被電解質2 0密封，在此情 況中，電解質20係配置延伸過導管32的第一端34。或者， " 可設置一管端蓋片以關閉及密封導管3 2的第一端34。導 管3 2的第二端3 6係敞開，以允許氧化劑、氧或空氣流入 導管32。 陽極電極1 8之平行板構件2 6、陰極電極2 2之平行板 構件3 0、電解質構件2 3與非離子傳導構件2 5具有成列的 孔口，其界定氧化劑流動的導管3 2。在燃料電池中的導管 係供應氧化劑，且燃料是在燃料電池的周圍供應。 平行板構件2 6實質爲矩形’平行板構件3 0係矩形’ -10- 200919818 電解質構件2 3係矩形，日 ^ 且非離子傳導構件2 5係矩形。 或者，平行板構件 攸稱仵2 6、平行板構件3 〇、電解質構件 2 3與非離子傳導構件2 s 偁仵2 5可爲正方形、圓形、六角形、三 角形或其他適當形狀。 複數個固態氧化物燃料電池係配置在一固態氧化 物燃料電池組自3 8 ’且特別地，該固態氧化物燃料電池1 6 係配置在—緻密非多孔㈣牛4〇 ±，該緻密非多孔構件4〇 具有複數個孔□ 42 ’及每—孔口 42與該固態氧化物燃料 電池1 6 對應者之導管3 2成列，且配置成供應氧化劑 至在固態氧化物燃料電池丨6之對應者中的導管3 2。每— 固態氧化物燃料電池丨6氣密式接合及密封至緻密非多孔 構件4 0 ’以避免氧化劑滲入燃料，且反之亦然。 %」 設置一或多個電性互連連接器44以使一固態氧化物 燃料電池1 6的陽極電極丨8之最上面平行板構件2 6與一相 鄰固態氧化物燃料電池丨6的陰極電極2 2之最下面平行板 構件30互連，如在第2圖與第3圖所示。 通常’如在第5圖與第6圖所示，設置這些固態氧化 物燃料電池組成3 8之兩者以形成一固態氧化物燃料電池 模組46。固態氧化物燃料電池模組46包括一第一緻密非 多孔板40A與一第二緻密非多孔板40B。第一緻密非多孔 板40A具有複數個孔口 42，以供應氧化劑至複數個固態氧 化物燃料電池1 6的每一者之導管3 2。第二緻密非多孔板 4 0 B具有複數個孔口 4 2，以供應氧化劑至複數個固態氧化 物燃料電池16的每一者之導管32。第一與第二緻密非多 -11- 200919818 孔板40 A和40B實質配置與固態氧化物燃料電池1 6平行， 且其係配置成在其間形成一通道5 0，以供應燃料至固態氧 化物燃料電池1 6的陽極電極1 8。設置兩邊緣構件4 8 A、 4 8 B。邊緣構件4 8 A係分別接合及密封至第—緻密非多孔 板40A與弟_•緻密'非多孔板40B的第一邊緣41A和41C。 同樣地，邊緣構件4 8 B係分別接合及密封至第—緻密非多 孔板40A與第二緻密非多孔板4〇B的第二邊緣41β和 4 1 D。在分別第一緻密非多孔板4 0 A與第二緻密非多孔板 4 0 B的第一端4 3 A和4 3 C之間的空口敞開，以允許供應燃 料至通道5 0，及在第一緻密非多孔板4 0 A與第二緻密非多 孔板40B之桌一$而43B和43D敞開，以允許燃料從通道5〇 排除。因此’第一與第二緻密非多孔板40 A和4〇B與邊緣 構件4 8 A和4 8 B係形成一管道。 第一與第二緻密非多孔板4 0 A和4 0 B上的固態氧化物 燃料電池1 6配置成預定圖案，及在此範例中，在板4〗a 和4 1 B的邊緣之間的方向及亦在板4 3 a和4 3 B的端部之間 的方向中，在第一緻密非多孔板4 0 A上的固態氧化物燃料 電池1 6與在第二緻密非多孔板40B上的固態氧化物燃料電 池1 6係交替配置。已說明一正方形圖案，但是可使用其他 圖案，例如六角形或八邊形圖案。 在作業中’燃料’也就是氫係供應至在固態氧化物燃 料電池模組4 6中的通道5 0，且燃料，也就是氫係接觸陽 極電極1 8，且氧化劑、氧或空氣係在固態氧化物燃料電池 模組46的外表面上供應，且氧化劑、氧或空氣係流動通過 -12- 200919818 在第一與第二非多孔板40A和40B中的孔口 42而進入導 管32，並接觸陰極電極22。 燃料最初擴散至固態氧化物燃料電池1 6的陽極電梅 1 8的平行板構件2 ό之邊緣’然後從平行板構件2 6的邊緣 進一步擴散至固態氧化物燃料電池1 6的陽極電極1 8的平 行板構件20。同樣地’氧化劑最初擴散至固態氧化物燃料 電池1 6的陰極電極22的平行板構件3 〇的邊緣，然後從平 行板構件3 0的邊緣進一步擴散至固態氧化物燃料電池μ 的陰極電極2 2的平行板構件3 0。每一固態氧化物燃料電 池16中的電解質20關閉每一導管32,並避免燃料與氧化 劑的相互混合。 每一陽極電極18的平行板26與每一陰極電極22的平 行板3 〇係電串聯連接形成許多固態氧化物燃料電池1 6。 緻密非多孔電解質2 0包括複數個電解質構件2 3，其係充 塡在陽極電極18的平行板構件26與陰極電極22的平行板 構件3 0之間的空間。複數個非離子傳導構件2 5係充塡在 陽極電極1 8的平行板構件2 6與陰極電極2 2的平行板構件 3 〇之間的空間。電解質構件2 3與非離子傳導構件2 5係交 替配置，且非離子傳導構件25具有互連連接器27，以電 性互連陽極電極1 8的平行板構件2 6與陰極電極2 2的平行 板構件3 0。電解質構件2 3與非離子傳導構件2 5係置放及 接觸在陽極電極1 8的平行板構件2 6之所有表面之間，及 接觸陰極電極2 2的平行板構件3 0的所有表面之間，以致 於在電解質構件2 3及/或非離子傳導構件2 5與平行板構件 -13- 200919818 2 6之間沒有空間’且在電解質構件2 3及/或非離子傳導 件2 5與平行板構件3 0之間沒有空間。因此，燃料只藉 擴散’在多孔平行板2 6中流動’且氧化劑只藉由擴散， 多孔平行板3 0中流動。 熱係藉由熱導通平行板構件2 6和3 0而從固態氧化 燃料電池1 ό傳遞’然後熱係部分傳導性地及部分傳送性 係從平行板構件2 6的邊緣傳遞至燃料，及從平行板構 3 〇的邊緣傳遞至氧化劑。 在此配置中，氧化劑藉流動氣泡而流入孔口 42。 第7圖顯示兩固態氧化物燃料電池模組4 6，其在一 態氧化物燃料電池堆疊中係實質彼此平行配置。在此配 中’固態氧化物燃料電池模組46的多孔板4〇Α和40Β 具有複數個直立構件5 2。在一固態氧化物燃料電池模組 的多孔板40Α上的每一直立構件52與在一相鄰固態氧化 燃料電池模組46的多孔板40Β中的孔口 42之每一者係 列置放’以將氧化劑、氧或空氣導入孔口 42，且同樣地 在一固態氧化物燃料電池模組46的多孔板4〇Β上的每一 立構件52與在一相鄰固態氧化物燃料電池模組46的多 板4 0 Α中的孔口 4 2之每一者係成列置放，以將氧化劑' 或空氣導入孔口 42。 可配置固態氧化物燃料電池模組46，以致於每一固 氧化物燃料電池模組46的一端連接至一燃料供應岐管’ 每一固態氧化物燃料電池模組46的另一端連接至如在第 圖所示之一乏燃料岐管。 構 由 在 物 地 件 固 置 係 46 物 成 > 直 孔 氧 態 及 -14- 200919818 可配置固態氧化物燃料電池模組4 6，以致於固態氧化 物燃料電池模組46之一者的第一端係連接至一燃料供應 岐’且固態氧化物燃料電池模組46之一者的第二端係連 接至一乏燃料岐管’且配置固態氧化物燃料電池模組4 6之 其餘部分，以致於固態氧化物燃料電池模組46的第一端係 連接至一相鄰固態氧化物燃料電池模組46的第二端，以致 知燃料係循序透過如第8圖所示的所有固態氧化物燃料電 池模組4 6供應。 電解質2 0包括氧化鉻，較佳地’包括釔安定氧化鉻， 但是可使用其他適當材料。 陽極電極18包括例如鎳摻雜的釔安定氧化锆（Nickel doped Yttria Stabilised Zirconia’ Ni-YSZ)，但是可使用其 他適當材料。 陰極電極22包括例如緦摻雜的錳酸鑭（Str〇ntUm doped Lanthanum Manganite，LSM)，但是可使用其他適當 材料。 非離子傳導構件25包括非離子傳導氧化銷。非離子傳 導構件25包括一薄金屬不透氣層，其亦當作互連連接器， 然而此難以密封。 如一範例所示’根據本發明的單固態氧化物燃料電池 具有6 mm(_；米）長度，3mm(毫米）寬度與2mm(毫米）厚度。 第一構件形成燃料流動的一導管。較佳地，第一構件 的第一端係被一管端蓋片或電解質密封。 雖然參考在緻密非多孔管上配置一固態氧化物燃料電 -15- 200919818 池’及該緻密非多孔管具有-孔日’&供應燃料至該第二 構件者’㈣本發明，但同樣地，可允許固態氧化物燃料 電池配置在緻密非多孔管，及該緻密非多孔管具有〜孔 口，以供應燃料至該第一構件。 可提供燃料電池配置，其中在燃料電池中的導管具有 燃料，且氧化劑是在燃料電池周圍供應。 雖然本發明之描述係參考在一緻密非多孔板上配置一 固態氧化物燃料電池’及該緻密非多孔板具有一孔口，以 供應氧化劑至第二構件者’說明本發明，但同樣地，可允 許一固態氧化物燃料電池配置在一緻密非多孔板’及該緻 密非多孔板具有一孔口，以供應燃料至該第一構件。 雖然爹考固態氧化物燃料電池，說明本發明，但同樣 地，可適用於其他陶瓷燃料電池、或其他類型的燃料電池 或固態氧化物電解電池。 本發明的優點在於明顯減少子單元之大小，及明顯減 少燃料電池深度而沒有浪費。 減少的燃料電池深度連同局部平行集電器允許可使用 非常高的電阻係數集電器材料。而且，允許使用只考慮適 合用於側向集電器當作電極材料之材料，或者適合作爲電 極的分層或在電極中。 本發明提供一多層陶瓷燃料電池，例如一多層固態氧 化物燃料電池。 雖然以供應氧化劑或燃料至每一固態氧化物燃料電池 之單一孔口說明本發明’但是可設置一個以上的孔口，以 •16- 200919818 供應氧化劑、或燃料至每一固態氧化物燃料電池。若固態 氧化物燃料電池較大，使用一個以上的孔口是必要的。然 而，熱膨脹匹配與傳導性冷卻的係數將限制固態氧化物燃 料電池之尺寸。例如，固態氧化物燃料電池將具有多達 30mm(毫米）長度、30mm(毫米）寬度、與30mm(毫米）高度的 尺寸。 如第9圖所示，藉由薄片成形、或乾式滾軋、電解質 材料的粉末製備，例如在黏合劑的釔安定氧化鍩，形成複 數個薄片/薄板之緻密非多孔電解質材料1 〇 〇，製造固態氧 化物燃料電池。電解質材料之每一片/板係在薄片成形的情 況加以乾處理。黏合劑從電解質材料移除，且電解質材料 在高溫’例如1 0 00°C至1 6 00。(：下燒結’以形成厚度3μιη(微 米）至3 0 0 μ m (微米）的緻密非多孔電解質之薄連續緻密非多 孔片/板。 複數個孔口 1 0 2係透過電解質1 0 0之每一緻密非多孔 片/板加以形成。在每一片/板中的電解質材料1 00的孔口 1 02較佳地以一矩形圖案形成。該等孔口之截面可爲正方 形、矩形、六角形、圓形或其他適當形狀。 陽極電極材料1 0 4係沉積在每一片/板之電解質材料 100的一表面108上，及陰極電極材料1〇6係使用網版印 刷、錫膏印刷或其他適當方法，沉積在每一片/板之電解質 材料1 00的相對的表面1 1 0上。電解質材料丨〇〇的頂片/板 之左手側顯示在表面108上的陽極電極材料104，且電解 質材料1 00的頂片之右手側顯示在表面1丨〇上的陰極電極 -17- 200919818 材料1 〇 6。通常，該等電極材料之一者爲前驅材料，致使 兩電極材料可在單爐環境中處理。 例如’在形成Ni-YSZ陽極電極的情況中，陽極電極材 料係以氧化氣氛相容之前驅材料形式加以沉積，該前驅材 料形式例如爲NiO-YSZ。陽極電極材料可在與陰極電極材 料（例如 L S Μ )相同的氧化爐環境中處理。 或者，可使用能夠在還原態大氣中耐火之陰極材料前 驅材料。 可使用ft夠抗逼原態及氧化環境之陽極材料，及在此 情況中，所有處理可在不需要前驅材料而加以執行。 電極可藉由集電材料（例如二元或三元合金鈾、钯、 鎳、銀、金或銅）的額外罩印或滲透予以增強，以形成集電 器層。每一集電器層可被罩印及乾處理，具有移除的黏合 劑’及然後燒結’或集電器層可與其他層一起共燒結。 電極在每一片/板的電解質材料上沉積成一預定圖 案’陽極電極沉積在每一片/板之電解質材料的一表面上， 及陰極電極係沉積在每一片/板之電解質材料的相對表面 上。陽極電極材料104沉積在該等孔口 1〇2之每一者的周 圍’例如在母孔口 1〇2上置中，並從每—孔口 1〇2延伸 一預定距離’且因此，陽極電極材料沉積在表面丨〇8上的 不連續分隔位置。例如’陽極電極材料丨〇4能以一矩形、 或在矩形周圍之正方形、或正方形沉積截面孔口 1〇2。沉 積該陰極電極材料106，以致於能與該等孔口 1〇2之每一 者分開一預定距離’但不然覆蓋電解質材料丨〇〇片/板之整 -18- 200919818 個表面 1 1 〇 0 n-,, 例如’該陰極電極材料1 06可沉積成矩形或 正方形片 ' J ’其成形的孔口之尺寸係大於在電解質材料1 0 〇 片中的矩形或π t 4正方型之成形孔口 102。 個電解質材料1 0 0片係配置成一堆疊1 2 0，使在 有电解膚材料1〇〇片中的孔口 1〇2成列。配置電解質材 ' %解質材料片的陽極電極面對一相鄰電解質材 料片的陰極電極。因此，在彼此的頂上’可堆疊至4 0 0個 电解質材料片，例如2至5 0個電解質材料片。 此外’非離子傳導材料丨丨2片可製造，例如非離子傳 導氧化銷。複數個孔口 114係通過每一片非離子傳導材料 112形成。在每—片/板的非離子傳導材料112中之孔口 η4 以形成相同圖案（矩形圖案），及具有與電解質材料丨00片 的相同尺寸較佳。該等孔口之截面可爲正方形、矩形、六 角形、圓形或其他適當形狀。額外組的孔口 2丨6係在非離 子傳導材料：I丨2中形成，且這些孔口丨丨6之每—者係使用 一電性傳導互連連接器丨丨8予以充塡。該等額外孔口 u 6 係在孔口 114的每一者周圍配置。 非離子傳導材料1 1 2片亦配置成堆疊，以致於每一片 非離子傳導材料112之係置放在兩相鄰電解質材料1〇〇片 之間’及使在非離子傳導材料Π 2中的孔口 1 1 4與在電解 質材料100片的孔口 102成列。 在堆疊製程期間，電解質材料係置於電解質材料片與 非離子傳導材料片之間’以充塡在陽極電極邊緣上的空 間’及充塡在陰極電極邊緣與孔口上的空間。例如，電解 -19- 200919818 質材料的影框層係置於 在相鄰陽極電極邊緣之 口之間的空間。 一電解質材料連續 型地包括當作堆疊的最 電極組的孔口可閉合， 氣密材料的一類似 部’以確保氣體不會在 材料層可爲電解質材料 板材料或密封氣體與電 爲一相對惰性膨脹相容 或鎂氧銘酸鎂（Magnesi: 若在堆疊的具電極 非燒結材料、或一燒結 解質材料片在熱處理時 當的黏合劑系統，有利 次。 在矩形、或正方形 後藉由在兩垂直方向中 離子傳導材料片之堆疊 料電池。因此，堆疊是 面x係置放在電解質本 央，並在第二組平行面 電解質材料100片中的 在相鄰電解質材料片之間，以充塡 間的空間，及充塡在陰極電極與孔 層’或一相容膨脹匹配插入材料典 上層’以便用於供應反應物至陽極 並與該等陰極邊緣分離。 (穿孔層典型地係包括在堆疊的底 最低多孔電極層的邊緣漏流。氣密 的該等矩形影框之一者，或其中基 解質材料係不相容，氣密材料層可 阻障層材料，例如安定氧化銷材料 i M a g n e s i u m A 1 u m i n a t e，Μ Μ A )。 之電解質材料片已熱處理，需要以 助劑將電解質材料片塗層，致使電 可一起活化燒結。然而，若使用適 於只對整個電解質片堆疊共燒結一 固態氧化物燃料電池的情況中，然 切過堆疊120’電解質材料片與非 可分成複數個未燒結固態氧化物燃 在第一組平行面X切過，且每一平 f料1 0 0片中的孔口丨〇 2之間的中 Y中切過’且每一平面γ係置放在 孔口 1 02之間的中央，且第一組平 -20- 200919818 面χ係垂直於第二組平面γ。這些平面乂和y係實質配置 垂直於電解質材料100片與非離子傳導材料ιΐ2片的平面。 一需要的話，壓下未燒結固態氧化物燃料電池，然後在 高溫，例如在7〇〇。(：至150以下熱處理，致使電解質材料 片融合在電極周圍形成氣密封口，且特別地，電解質材料 之影框係在多層固態氧化物燃料電池中融合成電解質材料 片然而，右電解質材料片的數量不多，即導致電解質材 ( 料片變形，在電極的周圍形成氣密封口，即可免除電解質 材料的影框。此夕卜電傳導互連連接^ 118係黏合至相鄰 陽極電極材料104與陰極電極材料1〇6。 固態氧化物燃料電池澄平接著附著及密封至一緻密非 多孔構件，例如一基板，以致於在每一固態氧化物燃料電 池中的孔口與在緻密非多孔構件中的一對應孔口係配置成 列。固態氧化物燃料電池使用—適當密封材料（例如一坡璃 陶瓷）以附著及密封至緻密非多孔構件’以在固態氧化物燃 I 料電池的底部與緻密非多孔構件之間形成一氣密封口。 利用已知技術’透過使用配線、薄片或厚膜層，進行 在固態氧化物燃料電池的外表面上的陰極材料、及在固態 氧化物燃料電池的孔口之表面上的陽極材料之電性連接。 一旦製成完全氣密組裝，即必須加熱至高溫，例如 3〇〇°c至9〇〇°C’並對陽極電極供應氮中之氫的還原混合物 或其他適當混合物，以還原陽極電極。或者，若陰極材料 已形成爲一前驅材料，以便組裝可在一還原氣氛中處理， 即對陰極電極供應氧化混合物，以氧化該等陰極電極。 -21- 200919818 在 劑係供 極電極 —孔口 材料沉 一矩形 沉積陽 一預定 陽極電 尺寸係 係典型 極電極 在 料片之 3〇〇°C 其他適 形成爲 對陰極 在 解質材 向中切 池。因 製造固態氧化物丨妖4,、f β、， 」C枓電池的替代方法中，其中氧化 應至孔口’且陰極電極供應來自孔口的氧化劑，陰 材料係沉積在該等？| π & Μ寺孔口之每一者周圍，例如圍繞每 及從母一孔口延伸一預定距離，且因此陰極電極 積在不連續的分隔位置。例如，陰極電極材料能以 或在矩形周圍的正方形、或正方形沉積截面孔口。 極电極材料’以致於其與該等孔口之每一者係隔開 m H ’ is胃蓋電解質材料片/板的整個表面。例如， 極材料可沉積成矩形、或正方形片，其成形孔口之 大於在電解質材料片中的矩形、或正方形之成形孔 電解質材料的連續層、或一相容膨脹匹配插入材料 包括虽作堆疊的最上層，以便用於供應反應物至陰 組之孔口可閉合，並與陽極邊緣分離。 製造固態氧化物燃料電池之替代方法中，電解質材 堆疊及非離子傳導材料片係加熱至一高溫度，例如 至9 00°C ’及對陽極電極供氮中之氫的還原混合物或 田混合物，以還原陽極電極。或者，若陰極材料已 一前驅材料，以便組裝可在一還原氣氛中處理，即 電極供應氧化混合物’以氧化該等陰極電極。 矩形、或正方形固態氧化物燃料電池的情況中，電 料片與非離子傳導材料片之堆疊係藉由在兩垂直方 丨過堆疊’以分成複數個未燒結固態氧化物燃料電 此’堆疊係在第一組平行面切過，且每一平面係置 -22- 200919818 放在電解質材料& Λ的了丨μ + i 斗片中的孔口之間的中央，並在第二組平行 刀過且母平面係置放在電解質材料片中的孔口之間 的中央且第一組平面係垂直於第二組平面。這些平面係 實質配置垂直於電解質材料片的平面與非離子傳導材料 片。 在 製 造固 態 氧 化物燃 料 電 形 成 -- 或 多個 電 :解質材料片 Ρ 在 電 解質 材 料 片的表 面 上 料 > 在 兩 垂直 方 向 中切過 電 解 件 其 具 有通 過 每 一件的 孔 □ 材 料 片 、 且於 非 離 子傳導 材 料 料 片 中 者 相同 的 圖 案。孔 D 的 材 料 片 之 每一 者 中 的每一 孔 P 性 傳 導 互 > t-f-f 運連 接 器 充塡。 該 等 係 在 兩 垂 直方 向 中 切過， 以 形 每 一 件 的 孔口 0 電 解質材 料 件 堆 疊 在 彼 此的 上 面 ，以便 孔 P 化 物 燃 料 電池 0 這 些平面 係 實 的 平 面 〇 未燒結固態氧 化 物 900° C， 且 對陽 極 電 極供應 氮 中 當 混 合 物 ，以 趣 原 該等陽 極 電 成 爲 — 前 驅材 料 > 以便組 裝 可 陰 極 電 極 供應 氧 化 混合物 ) 以 在 所 有上 述 方 法中， 可 在 池的進一步替代方法中，可 在電解質材料片中形成孔 沉積陽極電極材料與電極材 質材料片，以形成多個材料 。形成一或多個非離子傳導 片中’孔口形成與電解質材 另一組係在該等非離子傳導 周圍形成，且這些係以一電 非離子傳導材料片之每一者 成多個材料件，其具有通過 與非離子傳導材料件係交替 係成列形成一未燒結固態氧 質配置垂直於電解質材料片 燃料電池加熱至30 〇°c至 之氫的還原混合物或其他適 極。或者，若陰極材料已形 在一逼原氣氛中處理，即對 氧化該等陰極電極。 電解質材料h Μ & = 料片的表面上將陽 -23- 200919818 極電極材料與陰極電極材料沉積成預定圖案，然後形成通 過電解質材料片的孔口，若孔口供應燃料至固態氧化物燃 料電池的陽極電極’即可通過陽極電極材料；或若孔口供 應氧化劑至固態氧化物燃料電池的陰極電極，即可通過陰 極電極材料。 雖然電解質材料片已切成正方形或矩形，通過電解質 材料片在孔口上置中’但是同樣地可將其切成其他適當形 狀，例如二角形、六角形、八邊形等，通過電解質材料片 在孔口上置中。 【圖式簡單說明】 本發明將藉由參照附圖的範例更詳細描述，其中： 第1圖爲根據本發明具有複數個燃料電池的燃料電池 堆疊之局部剖視透視圖。 第2圖爲透過根據本發明具有複數個燃料電池之一燃 料電池組成的一部分放大截面圖。 第3圖係顯示根據本發明的具有複數個燃料電池之燃 料電池組成的一部分透視圖。 第4圖係透過在第2圖顯示的燃料電池的一部分進一 步放大截面圖。 第5圖爲根據本發明的一燃料電池模組的一部分之截 面圖’其包括具有複數個燃料電池之兩燃料電池組成。 第6圖爲在透過帛5自顯示的燃料電池模組的方向 X-X中之截面圖。 第7圖爲根據本發明的兩相鄰燃料電池模組I部分 -24- 200919818 截面圖’其包括具有複數個燃料電池之兩燃料電池組成。 第8圖爲根據本發明的具有複數個燃料電池的進—步 燃料電池堆疊之局部剖示透視圖。 第9圖爲根據本發明在燃料電池製造期間的電解質材 料片堆疊之分解透視圖。 【主要元件符號說明】 16 固 態 氧 化 物 燃 料 電池 18 多 孔 陽 極 電 極 20 緻 密 非 多 孔 電 解 質 22 多 孔 陰 極 電 極 23 電 解 質 構 件 25 非 離 子 傳 導 構 件 26 平 行 板 構 件 27 互 連 連 接 器 3 0 平 行 板 構 件 32 導 管 34 第 — 端 3 6 第 二 端 3 8 固 態 氧 化 物 燃 料 電池 40 緻 密 非 多 孔 構 件 42 孔 □ 44 電 性 互 連 連 接 器 -25-

Claims (1)

1. 200919818 十、申請專利範圍： 1 . 一種燃料電池（1 6 ) ’其包括多孔陽極電極（丨8 )、緻密非 多孔電解質（20)與多孔陰極電極（22)，該陽極電極（18) 包括複數個平行板構件（26)，該陰極電極（22)包括複數 個平行板構件（3 0 )’該陰極電極（2 2 )之平行板構件（3 〇 ) 係與該陽極電極（1 8 )之平行板構件（2 6 )相叉合，該電解 質（2 0)包括：至少一個電解質構件（23)，其係充塡在該 陽極電極（18)之平行板構件（26)與該陰極電極（22)之平 行板構件（3 0)之間的至少一個空間；該至少一個非離子 傳導構件（25) ’其係充塡在該陽極電極（18)之平行板構 件（26)與該陰極電極（2 2)之平行板構件（30)之間的至少 一個空間’該至少一個電解質構件（2 3 )與該至少一個非 離子傳導構件（25)係交替配置，且該至少一個非離子傳 導構件（2 5 )具有至少一個互連連接器（2 7 )，以電性互連 該陽極電極（1 8 )之至少一個平行板構件（2 6 )與該陰極電 極（22)之至少一個平行板構件（30)。 2 ·如申請專利範圍第1項之燃料電池，其中該陽極電極（丨8 ) 之平行板構件（26)、該陰極電極（22)之平行板構件（3 0) 、該等電解質構件（23)與該等非離子傳導構件（25)係具 有成列之孔口，其係界定燃料流動之導管，且該導管之 一第一端係被一管端蓋片或電解質所密封。 3 .如申請專利範圍第1項之燃料電池，其中該陽極電極（1 8 ) 之平行板構件（26)、該陰極電極（22)之平行板構件（3 0) 、該等電解質構件（2 3 )與該等非離子傳導構件（2 5 )具有 成列之孔口，其界定氧化劑流動之一導管（3 2 )，該導管 -26- 200919818 (3 2)之一第一端（3 4)係被一管端蓋片或一電解質（20)所 密封。 4 .如申請專利範圍第1至3項中任一項之燃料電池，其中 該陽極電極（1 8)之平行板構件（2 6)之形狀實質爲圓形、 矩形、正方形或六角形。 5 .如申請專利範圍第1至4項中任一項之燃料電池其中 該陰極電極（2 2)之平行板構件（30)之形狀實質爲圓形、 矩形、正方形或六角形。 6 .如申請專利範圍第3項之燃料電池，其中該燃料電池（1 6) 係配置在一緻密非多孔構件（40)上，且該緻密非多孔構 件（40)具有一孔口（42)，以供應氧化劑至該導管（32)。 7. 如申請專利範圍第6之燃料電池，其中該燃料電池（16) 係配置在一緻密非多孔管（40A、40B、48A、48B)上，且 該緻密非多孔管（40A、40B、48A、48B)具有一孔口（42) ，以供應氧化劑至該導管（32)。 8. 如申請專利範圍第6項之燃料電池，其中該燃料電池（16) 係配置在一緻密非多孔板（40)上，且該緻密非多孔板（40) 具有一孔口（ 4 2 )，以供應氧化劑至該導管（3 2 )。 9. 如申請專利範圍第1至8項中任一項之燃料電池，其中 該燃料電池（1 6)爲一固態氧燃料電池。 1〇_如申請專利範圍第9項之燃料電池，其中該電解質（20) 包括氧化鈷、或釔穩定氧化锆。 11 _ 一種燃料電池堆疊’其包括複數個如申請專利範圍第i 至1 〇項中任一項之燃料電池（1 6)。 1 2 .如申請專利範圍第1 1項之燃料電池堆疊，其中該燃料 -27- 200919818 電池（16)爲電串聯連接。 1 3 .如申請專利範圍第1 2項之燃料電池堆疊，其中該燃料 電池堆疊包括一第一緻密非多孔板（4 0 A)與一第二緻密 非多孔板（4〇B)，該第一緻密非多孔板（40 A)具有複數個 孔口（ 4 2 )，以供應氧化劑至該複數個燃料電池（1 6 )之每 一者之一導管（32)，該導管（3 2)係配置供應氧化劑至該 複數個燃料電池（16)之每一者的該陰極電極（22)之平行 板構件（3 0 )，該第二緻密非多孔板（4 0 B )具有複數個孔口 ( (42)- 以供應氧化劑至該複數個燃料 電池（I6)之每一者之一導管（32)，該導管（32)係配置供應 氧化劑至該複數個燃料電池（1 6)之每一者的該陰極電極 (22)之平行板構件（30)，將該第一與第二緻密非多孔板 (4 0 A、4 0 B )配置成在其間具有該等燃料電池（1 6 )以形成 一通道（50)，用以供應燃料至該等燃料電池（16)的陽極 電極（18)之平行板構件（26)。 1 4 _如申請專利範圍第1 3項之燃料電池堆疊，其中該等在 ^ 第一與第二緻密非多孔板（40A、40B)上的燃料電池（16) 係以預定圖案配置。 1 5 ·如申請專利範圍第1 4項之燃料電池堆疊，其中在該第 一緻密非多孔板（4 0A)上的該等燃料電池（16)係與在該 第二緻密非多孔板（40B)上的該等燃料電池（16)交替酉己 置 ° 1 6 . —種製造燃料電池之方法，其包括：形成複數電解質材 料片：沉積陽極電極材料在該每一電解質材料片之 第一表面上；沉積陰極材料在該每一電解質材料片之第 -28- 200919818 一表面上；形成通過每一電解晳材M F成治I 竿貞材料片的複數個孔口； t成複數非離子傳導材料片；形成通過每 材fcl b — 非離子傳導 材'片之複數個孔口；配置該等電解質材料片成一堆疊 質=於—片電解質材料之陽極電極材料面對相鄰電解 :材枓片之陰極電極材料，且配置該等非離子傳導材料 2堆疊，以致於每-非離子傳導材料片置放在兩相鄰 -解質材料片之間’及使在該等非離子傳導材料片中的 f. k. 孔口係與在該等電解質材料片中的孔口成列；將該堆叠 分成複數件，以致於—孔口延伸至每—件而形成燃料電 池。 17·—種製造燃料電池之方法，其包括：形成至少—片電解 質材料；在該每一片電解質材f斗之第—_±沉_極 電極材料：及在該每一片電解質材料之第二表面上沉積 陰極材料；形成通過該每一電解質材料片之複數個孔口 :將該至少一片電解質材料分成複數片，使—孔口延伸 通過每一件；形成至少一片非離子傳導材料；形成通過 該每一非離子傳導材料片之複數個孔口；將該至少一片 非離子傳導材料分成複數件，使一孔口延伸通過每一件 :配置該等電解質材料件成一堆疊，使該一電解質材料 件的陽極電極材料面對相鄰電解質材料件之陰極電極 材料，及使該等電解質材料件中的孔口係成列；配置該 等非離子傳導材料件成堆疊，以致於該每一非離子傳導 材料件係置放在兩相鄰電解質材料件之間，及使在該等 非離子傳導材料片中的孔口係與在該等電解質材料片 中的孔口成列而形成燃料電池。 -29- 200919818 18. —種製造燃料電池之方法，I . 料 〜包括·形成複數電解質材 孔口（1〇化在每^片之複數個 )U冑解質材枓（刚）片的第-表面（108) =積2電極材料(104);在每—電解質材料(10。)片 子ΐ遵r(11G)上沉積陰極材料（1G6);形成複數非離 傳導材料⑴2)片：形成通過該每—非離子傳導材料 叫片之複數個孔α⑴4);將該等電解質材料（1〇〇)片 配置成一堆疊（12〇),使一片雷 便片電解質材料（1〇0)之陽極電 S材料（1 G4)面相鄰電解質材料（丨⑽）片之陰極電極材 枓（1〇6);且配置該等非離子傳導材料（ιΐ2)片成堆疊 (2〇) 亥每〜非離子傳導材料⑴2)片係置放在 兩相鄰電解質材料（100)片之間，及使在該等非離子傳導 材料（11 2)片中的孔口⑴4)與在該等電解質材料（1〇〇)片 中的孔口（102)成列；將該堆疊（12〇)分成複數件’以致 於一孔口延伸至每一件而形成燃料電池。 19. -種製造燃料電池之方法，其包括：形成至少—片電解 質材料；形成通過該每一電解質材料片之複數個孔口； 、土匕每質材料片之第—表面上沉積陽極電極材 料’在β母電解質材料片之第二表面上沉積陰極材 料：將該至少-片電解質材料分成複數件，以致於一孔 口延伸通過每~^件·形ZD： r 1午’ ^成至少一片非離子傳導材料；形 成通過母-非離子傳導材料片之複數個孔口；將該至少 片非離子傳導材料片分成複數件，以致於—孔口延伸 通過每一件；將該等電解質材料件配置成一堆疊，使該 件电解質材料件之陽極電極材料面對該相鄰電解質 -30- 200919818 何料件之陰極電極材料，且在該等電解質材料 口係成列；配置該等非離子傳導材料片成堆機 中的孔 該每一非離子傳導材料片係置放在兩相鄰 以致於 片之間’及使在該等非離子傳導材料片中的:军貞材料 等電解質材料片中的孔口係成列， 口與在該 心、枓電池。 -31-