JP2007157724A - 固体酸化物燃料電池モジュール、及びこれを利用した燃料電池並びにその製作方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は製作が容易でかつ経済的であり、密封が容易でかつ高い電力密度を有する固体酸化物燃料電池モジュール、及びこれを利用した燃料電池並びにその製作方法を提供する。
【解決手段】本発明は、第１触媒材料から成る支持体と、上記支持体の内部に流路が形成された第１流体流れ部と、上記支持体の外面に多数個の突起が突設され、その突起の間において流路が形成される第２流体流れ部と、上記支持体の突起上部面を除いた外面に被覆される電解質層と、上記突起を除いた電解質層の上部面に形成される第２触媒材料の被覆層と、上記突起の上部面に被覆される集電層とを含む固体酸化物燃料電池モジュール、及びこれを利用した燃料電池並びにその製作方法を提供する。
本発明によれば高い電力密度を有し、製作が容易でかつ大量生産が可能であり製作原価を大幅に減らすことができ、さらに大容量の燃料電池を得ることができる効果を奏する。
【選択図】図７

Description

本発明は、固体酸化物燃料電池及びその製作方法に関するもので、より詳しくは、電極及びガス流路の一体型の構造を有する単位燃料電池モジュールを製作し、上記モジュールを上下に積層して製作することで、別途のガス流路層や多数の集電板を要せず製作が容易でかつ経済的であり、密封が容易でかつ高い電力密度を有する固体酸化物燃料電池モジュール、及びこれを利用した燃料電池並びにその製作方法に関する。

現在第３世代燃料電池と言える固体酸化物燃料電池（Ｓｏｌｉｄ ＯｘｉｄｅＦｕｅｌ Ｃｅｌｌ、以下ＳＯＦＣと称する）は、熱化学的に安定したジルコニア系を電解質に用い、これに燃料極と空気極が付着している形態として水素、メタン、メタノールなどの燃料ガスを改質なしに使用することができ、酸化剤を空気あるいは酸素に使用することで高効率の低公害次世代発電方式として脚光を浴びっている分野である。

このようなＳＯＦＣは、電解質として酸化イットリウム（ｙｔｔｒｉａ）を添加し、結晶構造の安定化を図った安定化酸化ジルコニウム（以下、ＹＳＺと称する）を使用してきた。この材料は酸素イオンの伝導性を有しているが、このような導電性は温度に依存し９００〜１０００℃の範囲において燃料電池としての所望の伝導性を得ることができる特徴がある。そのため、ＳＯＦＣの運転温度は通常９００〜１０００℃であり、電極材料もこのような高温に耐えるためにセラミック種類の物質が用いられて、一般的に燃料電池モジュール（ｓｉｎｇｌｅ ｃｅｌｌ）全体がセラミック材料で構成される。

しかし、上述したＹＳＺ電解質のイオン伝導率は１０００℃でもわずか０．１Ｓ／ｃｍ程度と、セル製造の際はＹＳＺによる内部抵抗を最小化するために、無気孔で密度の高い薄膜（１０〜３０μｍ）電解質層をコーティングしなければならない。

従来の平板型ＳＯＦＣにあたっては、支持体として使用する電解質平板の表と裏をそれぞれ空気極、燃料極にコーティングする平板型ＳＯＦＣの開発が行われており、空気極と燃料極の間を連結するインターコネクタ（ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ）に燃料及び空気流路を形成して燃料電池モジュールを構成している。このような平板型燃料電池モジュールの場合、ＹＳＺが空気極と燃料極の支持体になるためには、十分な機械的強度を有しなければならないが、ＹＳＺ類中で高いイオン伝導性を有する８−ＹＳＺ（酸化イットリウムを８モール％添加したジルコニア）は機械的強度が弱い。

そのため、平板型ＳＯＦＣの場合には支持体である電解質層を厚くする必要があり、それにより電解質の内部からの内部抵抗による電圧降下が増加してしまい、燃料電池モジュールの性能を落とす問題が生じる。また平板型方式ではセル（ｃｅｌｌ）上下のガス混合を防ぐために、セル周縁の全部分に密封（ｓｅａｌ）が必要である。

従来では密封材に硝子（ｇｌａｓｓ）類が多く用いられていたが、このような硝子系材料の軟化温度は６００℃程度から始まり、昇温中の熱膨脹によって各々の燃料電池モジュールの間に無理な力が加えられ、ガス漏出の危険も高く、酷い場合燃料電池モジュールの破損をもたらす恐れもあり、実用化のためには多くの改善が必要な状況である。

このような平板型セル（ｃｅｌｌ）の機械的強度の不足を補うために、円筒型セルと呼ばれる方式が特許文献１と特許文献２に提示されている。

このような従来の円筒型セルは平板型セル構造に比べてスタック自体の電力密度は若干落ちるが、強度面とガス密封面において遙に有利である。この方式は酸化ジルコニウムなどから成る多孔性支持体チューブ上に空気極、固体電解質、燃料極、集電層の順に各材料を積層して単位燃料電池を構成するのである。

従って、電池の間に気体密封剤を要せず、これにより平板型セルから発生するセラミック密封の問題点が生じない。また各々の電池が堅固な支持体上に形成されており、燃料電池自体が丈夫なセラミック構造を成しており、熱膨脹による抵抗力が優れる。そして還元性雰囲気において電池と電池の間の接触が行われるので金属インターコネクタ（ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ）の使用が可能である。

しかしながら、燃料電池は容量増大のためには燃料電池モジュール一つだけを使用することはできず、燃料電池モジュールを直列、あるいは場合によって並列に接続してスタック（ｓｔａｃｋ）を構成するようになる。しかし、上記のような円筒型セルは燃料電池モジュールを複数に連結してスタックを構成する場合、発電電流の薄い電極面に沿って流れるために電流の経路が長くなってしまい、その結果電池全体の内部抵抗が増加する問題が生じる。

また燃料電池モジュールを積層する際、円筒型セルの内外部に不要な空間が多くできてしまうため単位体積当り電力密度に限界が生ずる短所がある。

近年では上記のような平板型セル及び円筒型セルのＳＯＦＣが有している問題点を解決するために、燃料電池モジュール自体に平板型セル構造と円筒型セル構造を一緒に有するようにすることで平板型セルの密封問題を解決し、それと共に電力密度も高めるためのフラットチューブ型（ｆｌａｔ ｔｕｂｅ ｔｙｐｅ）構造と、これによるスタック研究及び開発が特許文献３及び特許文献４及び特許文献５に開示されている。

しかし、この場合も積層するためには空気または燃料極ガスを導入させるためのガス流路と電気的インターコネクタが必須的に導入される。これはスタックの機械的強度を増加させ、燃料電池モジュール間の接触面積を拡張させ、電力密度を増加させるが、インターコネクタの材料が金属である特性のため、高温運転時のセラミック燃料電池モジュールとの熱膨脹差によって熱応力が発生する問題点がある。また高温で長期間運転する際にも電気的物性が変わらないインターコネクタの素材を用いるため、コストがアップし、スタックの体積及び重さも増加する問題点が生ずる。
米国特許ＵＳ６２０７３１１Ｂ１号 米国特許ＵＳ６２４８４６８Ｂ１号 大韓民国特許公開第１０−２００５−００２１０２７号 米国特許ＵＳ６４１６８９７号 米国特許ＵＳ６４２９０５１号

本発明は、上記のような従来の平板型及び円筒型固体酸化物燃料電池が有している諸般の問題点を解決するために提案されたもので、その目的は製作が容易でかつ経済的であり、密封が容易でかつ円筒型セルの長所を有しながらも高い電力密度を有する固体酸化物燃料電池モジュール、及びこれを利用した燃料電池並びにその製作方法を提供することである。

また、本発明の他の目的は、燃料及び空気の円滑な供給のための別途のガス流路層や、電気的連結のための集電層の使用が省略できることによって、構造が簡単であり、製作が容易でかつ簡便な長所があり、大量生産が可能な固体酸化物燃料電池モジュール及びこれを利用した燃料電池並びにその製作方法を提供することである。

さらに、本発明の他の目的は、その製造コストを画期的に節減することができるばかりでなく、電極内部の抵抗が少ないため画期的に電力密度を大きく上昇させることができ、電力密度の減少なしに大型化及び大容量化が可能な固体酸化物物燃料電池モジュール、及びこれを利用した燃料電池並びにその製作方法を提供することである。

上記のような目的を達成するために本発明は、燃料ガスと空気を利用して電気を発生させる燃料電池モジュールにおいて、第１触媒材料から成る支持体と、上記支持体の内部に流路が形成された第１流体流れ部と、上記支持体の外面に多数個の突起が突設され、その突起の間において流路が形成される第２流体流れ部と、上記支持体の突起上部面を除いた外面に被覆される電解質層と、上記突起を除いた電解質層の上部面に形成される第２触媒材料の被覆層と、上記突起の上部面に被覆される集電層と含むことを特徴とする固体酸化物燃電池モジュールを提供する。

そして、本発明は上記のような目的を達成するために、燃料ガスと空気を利用して電気を発生させる燃料電池において、中空型のケーシングと、上記ケーシングの内部で積層され、第１触媒材料から成る多数の支持体内部を通って第１流体流れ部が形成され、上記各々の支持体の外面を通って電解質層と第２触媒材料の被覆層及び集電層が形成され積層される多数の燃料電池モジュールと、上記燃料電池モジュールの第１流体流れ部に第１流体を供給するよう上記燃料電池モジュールに連結されたチャンバを備えた第１流体供給部と、上記燃料電池モジュールの第２流体流れ部に第２流体を供給するよう上記燃料電池モジュールに連結されたチャンバを備えた第２流体供給部と、上記燃料電池モジュールを反応温度に加熱するための加熱手段とを含み、上記第１流体は燃料ガスまたは空気のいずれか一つで、上記第２流体は燃料ガスまたは空気の残り一つであることを特徴とする、固体酸化物燃料電池を提供する。

また本発明は、好ましくは上記のような目的を達成するために燃料ガスと空気を利用して電気を発生させる燃料電池モジュールの製作方法において、内部に第１流体流れ部の流路が形成された第１触媒材料から成る支持体を備える段階と、上記支持体の外面を加工して多数個の突起を形成し、その間で第２流体流れ部の流路が形成されるようにする段階と、上記支持体の突起上部面を除いた外面に電解質層を被覆する段階と、上記突起を除いた電解質層の上部面に第２触媒材料の被覆層を形成する段階と、上記突起の上部面に集電層を被覆する段階とを含むことを特徴とする、固体酸化物燃料電池モジュールの製作方法を提供する。

さらに本発明による固体酸化物燃料電池モジュールは、上記支持体が直方体である本体の内部に、多数の隔壁を設け内部に複数のガス流路が形成され、上記本体の上部面に多数の突起を形成させ、別の上記本体を積層することにより、上記突起の間において流路を形成する。

また上記支持体は、陰極または陽極を有する触媒材料を使用して押出成形機（ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ ｍａｃｈｉｎｅ）で押出成形して焼成することにより、容易に製造可能なものである。

そして、上記固体酸化物燃料電池モジュールは、上記支持体に順次に電解質層、上記支持体を成す触媒材料とは反対極を有する触媒被覆層、及び集電層を形成する金属材料を薄く被覆することによって完成される。

また本発明の固体酸化物燃料電池は、上記ケーシングの内部で積層され、第１触媒材料から成る多数の支持体内部を通って第１流体流れ部が形成され、上記各々の支持体外部を通って第２流体流れ部が形成され、上記各々の支持体の外面には電解質層と第２触媒材料の被覆層及び集電層が形成された多数の燃料電池モジュールを積層して成り、上記第１流体流れ部と第２流体流れ部は互いに交差する方向に配置され、ガス流れを生じさせる。

さらに、本発明の固体酸化物燃料電池は、支持体内部の隔壁の間に形成された流路を有する第１流体流れ部が、空気極または燃料極のガス流路の役目を果たすことができ、支持体の上部面に形成された突起の間の流路を有する第２流体流れ部が、燃料電池モジュールを積層した際、反対極のガス流路の役目を果たすようになり別途のガス流路が必要なく、集電層も薄く被覆することができ、熱応力に強く、スタックの製造が非常に単純でかつ容易である。

本発明によれば、燃料電池モジュールが内部に第１流体流れ部を構成し、その外部に第２流体流れ部を構成して積層されるので、内部に形成されるガス流路はハニカム（ｈｏｎｅｙｃｏｍｂ）の形態を有するようになり構造的に堅固で、かつ円筒型セルの長所を有しながらも高い電力密度を有することが可能である。

また、このような燃料電池モジュールは多数個が上下積層に配置され、積層された状態で並んで配置でき、ケーシングを介して内蔵型構造を備えることができることで、製作が容易で、かつ経済的であり、密封が容易である。

さらに、本発明は燃料及び空気の円滑な供給のための別途のガス供給系統や、電気的連結のための多数の集電構造物を使用する必要なく、積層された燃料電池モジュールの上、下部に配置された集電板を利用して発生電源の引出が可能であるので、全体燃料電池の構造が簡単で、かつ製作が容易で、かつ簡便な長所がある。

さらに、本発明は積層型の燃料電池モジュール構造を備えることによって大量生産が可能であり製作原価を大幅に減らすことができ、その製造コストを画期的に節減することができ、経済的な生産が可能である。

しかも、本発明は燃料電池モジュールが積層型から成り、大きい面積の集電層と被覆層が互いに接して配置されるので、電極内部の抵抗が少なく画期的に電力密度を大きく上昇させることができ、さらに支持体の広さと長さを大きくして、積層された燃料電池モジュールを並べて多数個配置することで、電力密度の減少なしに大型化が可能であり、それにより大容量の燃料電池を得ることができる。

以下、本発明の好ましい実施例について図面を参照してより詳しく説明する。

本発明による固体酸化物燃料電池モジュール１は、第１触媒材料から成る支持体５を備える。上記支持体５は、図１及び図２に示すように、燃料電池自体としての役目を果たしながら、同時に空気極（陽極）または燃料極（陰極）の役目を果たすように触媒材料で押出成形されたものである。

上記空気極（陽極）の触媒材料には、例えばＬＳＭ（ＬａＳｒＭｎＯ_３）が使用可能であり、燃料極（陰極）の触媒材料には、例えばＮｉ／ＹＳＺ（ｃｅｒｍｅｔ）が使用可能であり、ここでＹＳＺはイットリア安定化ジルコニアである。

上記において空気極と燃料極の触媒材料はただ例示的なものであり、本発明はこれに限定されることではなく、多様な他の触媒材料を含むことができる。

そして、上記支持体５はその内部に多数の隔壁７を設け、流路１２を形成する第１流体流れ部１０を構成する。上記第１流体流れ部１０の流路１２には、上記支持体５が空気極の触媒材料で形成される場合には空気が流れるようになり、燃料極の触媒材料から成る場合には燃料ガスが流れる。

上記支持体５は、その内部のガス流路１２がハニカム形状をし、そのガス流路１２の形はガスが均一に流れることができればいかなる形態でも構わないが、強度のために正方形または長方形が好ましく、その一辺の大きさは０．１〜１０ｍｍ、さらに好ましくは１〜３ｍｍであり、上記流路１２の間の隔壁７の厚さは０．１〜５ｍｍ、さらにより好ましくは１〜３ｍｍである。

上記で支持体５内に形成される第１流体流れ部１０の流路１２は、その断面形が上記において正方形または長方形の断面で示されたが、本発明はこれに限定されることではない。即ち、上記支持体５の長い管の形状を維持させ、第１流体流れ部１０のガス流路１２を支持体５内部に形成する構造であればいかなる形状であっても構わず、本発明は多様な形態の第１流体流れ部１０の流路１２を含む。

また上記支持体５は外面に多数個の突起２４が突設され、その突起２４の間で流路２２が形成される第２流体流れ部２０を形成する。上記第２流体流れ部２０を形成するための突起２４は、図２に示すように、例えば支持体５上部の長い突出部２６を各々研磨除去して、形成することができる。

上記各々の突起２４は上記支持体５を積層してスタック（Ｓｔａｃｋ）を形成する場合、その上部の燃料電池モジュール１との電気的連結のための電気的インターコネクタの役目とともに、各突起２４の間の空間に燃料が供給できる第２流体流れ部２０の流路２２を形成する役目もする。

一方、上記支持体５はその上部側の中央に突起２４が集中的に形成されたものであり、その中央の両側には突起２４が形成されない空間２８を形成する。

上記で突起２４はその高さが０．１〜１０ｍｍ、幅が０．１〜１０ｍｍであり、好ましくはそれぞれ１〜３ｍｍ、１〜３ｍｍであり上記突起２４の間の距離は ０．１〜１０ｍｍ、好ましくは１〜５ｍｍが良い。

そして、図２に示すように支持体５において突起２４のない両側上部面空間２８は、以後に説明する燃料電池１００の加熱手段の外部に位置する部分である。

このような支持体５の両側部分空間２８は、ガスの密封を容易にし、ガス供給を容易にするための部分であって、図３に示すように第２流体流れ部２０を介して流れるガスの側方向密封（ｓｉｄｅ ｓｅａｌｉｎｇ）のために追加的な密封材３０ａ、３０ｂを設置することもできる。

上記支持体５において、突起２４部分は、本支持体５の単位燃料電池モジュール１を形成して運転する場合、加熱手段１８０を有する高温炉（ｆｕｒｎａｃｅ）内で酸化、還元反応によって電気化学的に電流を発生させる部分である。

上記支持体５において突き出された突起２４の形状は、図２で示す四角形断面の六面体のみならず、上記のような突起２４の機能を行う形態であれば、その突起２４の形状、大きさ、高さの異なるいかなるものであっても構わない。

図３では上記突起２４の他の変形形態が示されている。このような変形構造は、図２に示すように、各々短い大きさの突起２４と異なって多数個の長い突起３２が上記支持体５の上部に並んで形成された構造である。このような長い突起３２は一側に流入口３４が形成され、他側に排出口３６が形成され、このような流入口３４と排出口３６はその間において上記長い突起３２によって形成される一つの長い流路３８を形成する。

このような長い流路３８は、流入口３４から排出口３６に向かった方向が、第１流体流れ部１０の流路１２の流れ方向とは直交する方向に形成されたものである。

上記長い突起３２は、図２に示された突起２４とただ形状だけ異なり、殆ど同じ機能をするので、以下では突起２４に関してより詳しく説明する。しかし、以下に説明する部分は全て上記長い突起３２にも適用可能なものであることは勿論である。

本発明による固体酸化物燃料電池モジュール１は、上記支持体５の突起２４上部面を除いた外面に被覆される電解質層４０を備える。

上記のように本発明は支持体５を完成した後、図４及び図５に示すように、上記支持体５の外表面に燃料電池１００の電解質層４０を形成するイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）を均一に被覆する。このような場合、上記電解質層４０は上記支持体５の突起２４部分の上面が電池的通路の役目をしなければならないので、上記突起２４部分の上面を除いた全面に緻密に被覆される。

そして上記突起２４を除いた電解質層４０の上部面には第２触媒剤の被覆層５０が形成される。上記被覆層５０は支持体５を形成する触媒剤とは反対極性の触媒剤から成るものであって、上記電解質層４０上において突起２４部分の上面と一部横面を除いた全体外表面に被覆される。

即ち、上記支持体５が空気極の触媒材料から成る場合上記被覆層５０は燃料極の触媒材料から成り、上記支持体５が燃料極の触媒材料から成る場合上記被覆層５０は空気極の触媒材料から成る。

また本発明は上記突起２４の上部面に集電層６０が被覆形成される。上記集電層６０は突起２４部分の上面に燃料電池モジュール１を積層するために必要なインターコネクタ（ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ）を被覆する部位にできるだけ薄く、さらにガスが漏れないように緻密に被覆が行われる。

従って、上記集電層６０は金属粒子を利用して被覆した後、熱焼成（ｔｈｅｒｍａｌ ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ）処理をするか、若しくは金属化合物を利用した化学蒸着法（ＣＶＤ、ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）を使用して被覆し、電解質層４０と連結され、ガスが電解質層４０と集電層６０の間に漏れないように緻密に被覆されなければならない。

上記集電層６０の材料は電気伝導性を有し、燃料電池１００の運転温度で長期熱的安全性を有すると共に、気体透過性のない物質を用いて燃料電池モジュール１の積層連結を成すことを可能にする。

また上記集電層６０は上記のような機能が完成できる材料であればその成分には関係なく、本発明は多様な材料を含むことができる。

そして上記電解質層４０、被覆層５０及び集電層６０の厚さは１０００μｍ以下で、より好ましくは２００μｍ以下である。

上記で電解質層４０と集電層６０は相接したり重複したりして被覆されてしまい、相違する２つのガス、即ち、空気と燃料ガスが互いに混合されてはならず、集電層６０と被覆層５０は相接しないように被覆され、電気的に絶縁されなければならない。

一方、上記のような本発明による燃料電池モジュール１は、各々図６に示すように、積層バンドル（ｂｕｎｄｌｅ）を成してスタック（Ｓｔａｃｋ）構造を有し燃料電池１００を構成する。図６に示す構造は多数の燃料電池モジュール１を左右に平行になるように配列して安着させ、より大きい大容量のスタックを構成したものを示している。

上記積層された燃料電池モジュール１の間に位置された支持棒６５は、上下積層された燃料電池モジュール１を左右方向から固定させる役目とともに、上下に積層された燃料電池モジュール１を左右方向から離隔させ電気的に断絶させるスペーサ（ｓｐａｃｅｒ）の役目を果たす。

従って、このような支持棒６５は電気伝導性がなく、高温でも機械的強度を有する材質で製作可能であり、その形状及び成分に関しては上記の機能が達成される限りいかなるものであっても構わず、多様な材質の使用が本発明に含まれる。

上記のような本発明による燃料電池モジュール１を積層構成した、本発明による固体酸化物燃料電池１００は、燃料ガスと空気を利用して電気を発生させるようになる。

本発明による固体酸化物燃料電池１００は、中空型のケーシング１０５を備えており、上記ケーシング１０５は図７に示すように、積層された燃料電池モジュール１の突起２４が形成された中央部分を取り囲んで外部と遮蔽させる第１カバー１１０と、上記第１カバー１１０の両側において上記積層された燃料電池モジュール１の各々の端部を取り囲んで外部と遮蔽させる、第２カバー１２０ａ及び第３カバー１２０ｂとを含む。

上記第１カバー１１０はその両側端が積層された燃料電池モジュール１の密封材３０ａ、３０ｂ側に位置され、一側には上記積層された燃料電池モジュール１の第２流体流れ部２０とに燃料ガスまたは空気を供給するための入口１１２が形成され、その反対側には出口１１４が形成される。

そして上記第２カバー１２０ａ及び第３カバー１２０ｂは各々上記積層された燃料電池モジュール１の側傍端部を取り囲む密封型の構造を備え、これらのいずれか一つは上記積層された燃料電池モジュール１の第１流体流れ部１０に空気または燃料ガスを供給するための入口１２２が形成され、その反対側には出口１２４が形成される。

また上記ケーシング１０５の内部に積層された多数の燃料電池モジュール１は、各々第１触媒材料から成る多数の支持体５の内部を通って多数の第１流体流れ部１０が形成され、上記各々の支持体５の外部を通って多数の第２流体流れ部２０が形成され、上記各々の支持体５の外面には電解質層４０と第２触媒材料の被覆層５０及び集電層６０とが形成され重畳される。

そしてこのように上記ケーシング１０５の内部に積層される多数の燃料電池モジュール１は、積層された燃料電池モジュール１から電気を集電するための集電板１４０ａ、１４０ｂを上下に具備し、上部側集電板１４０ａは最上部側に配置された燃料電池モジュール１の集電層６０に電気的に接触され、下部側の集電板１４０ｂは最下部側に配置された燃料電池モジュール１の被覆層５０に電気的に接触され、これらの集電板１４０ａ、１４０ｂは各々導線１４２ａ、１４２ｂを介して外部に直流を引き出すことができる。

そして、本発明による固体酸化物燃料電池１００は上記燃料電池モジュール１の第１流体流れ部１０に第１流体を供給するようチャンバを具備した第１流体供給部１５０を備える。上記第１流体供給部１５０は、図９に示すように、積層された燃料電池モジュール１の両側に配置された第２カバー１２０ａと第３カバー１２０ｂとを含む。

このような第１流体供給部１５０は、ケーシング１０５の一部を形成する第２カバー１２０ａと第３カバー１２０ｂとが各々上記積層された燃料電池モジュール１の端部を取り囲む密封型の構造を備え、これらは上記積層された燃料電池モジュール１の第１流体流れ部１０を介して互いにその内部チャンバが連通された構造である。

従って、上記第２カバー１２０ａと第３カバー１２０ｂのいずれか一つに内部チャンバに空気または燃料ガスを供給するための入口１２２が形成されると、他の一つには出口１２４が形成される。仮に第２カバー１２０ａが、図８に示すように、第１流体供給部１５０のための入口１２２を形成する場合であれば、第２カバー１２０ａの入口から積層された燃料電池モジュール１の第１流体流れ部１０を介して第３カバー１２０ｂの出口１２４に向かって、或はその反対に第３カバー１２０ｂが第１流体供給部１５０の入口を形成する場合であれば、第３カバー１２０ｂから第２カバー１２０ａ側に向かって第１流体である空気または燃料ガスが流れるようになる。

上記で第１流体が空気である場合、以後に説明する第２流体は燃料ガスであり、上記第１流体が燃料ガスである場合第２流体は空気である。

そして本発明による固体酸化物燃料電池１００は、上記燃料電池モジュール１の第２流体流れ部２０に、第２流体を供給するよう上記燃料電池モジュール１に連結されたチャンバを具備した第２流体供給部１７０を備える。

上記第２流体供給部１７０は、図７に示すように、積層された燃料電池モジュール１の突起２４が形成された部分を取り囲んで外部と遮蔽させる第１カバー１１０を含む。

上記第１カバー１１０はケーシング１０５の一部を構成するものとして、その両側端が積層された燃料電池モジュール１の密封材３０ａ、３０ｂ側に位置され、一側には上記積層された燃料電池モジュール１の第２流体流れ部２０に燃料ガスまたは空気を供給するための入口１１２が形成され、その反対側には出口１１４が形成された構造である。

このような第２流体供給部１７０は、上記第１カバー１１０が上記積層された燃料電池モジュール１の突起２４を取り囲む密封型の構造を備え、これらは上記積層された燃料電池モジュール１の第２流体流れ部２０を介して上記入口１１２と出口１１４側のチャンバが互いに連通された構造である。

従って、上記入口１１２側の内部チャンバに燃料ガスまたは空気が流入されると上記積層された燃料電池モジュール１の第２流体流れ部２０を介して上記出口１１４に向かって第２流体である燃料ガスまたは空気が流れる。

上記で第２流体が空気である場合第１流体は燃料ガスであり、上記第２流体が燃料ガスの場合第１流体は空気である。

このような過程で上記第１流体供給部１５０の入口１２２側に形成されたチャンバと、第２流体供給部１７０の入口１１２側に形成されたチャンバは、各々空気または燃料ガスが積層された燃料電池モジュール１の第１流体流れ部１０と第２流体流れ部２０を介して均等に供給及び排出されるための分配空間を形成する。

また本発明は上記燃料電池モジュール１を反応温度に加熱するための加熱手段１８０を含み、上記加熱手段１８０は上記ケーシング１０５の第１カバー１１０外側に配置された熱源からなり、上記第１カバー１１０を介してその内部空間を１０００℃の反応温度に加熱させる。

上記のように構成された本発明の燃料電池１００を製作するためには、本発明の燃料電池モジュール１を製作しなければならない。

先ず本発明による燃料電池モジュール１の製作方法は、内部に第１流体流れ部１０の流路１２が形成された第１触媒材料から成る支持体５を備える段階が行われる。

これは直方体の内部に多数の隔壁７を設けハニカム（Ｈｏｎｅｙｃｏｍｂ）形態の内部ガス流路１２を有する第１流体流れ部１０を形成し、上記支持体５の外部面上面には図１に示すように、一定の広さと高さの突出部２６を長手方向に平行になるように形成させ製造することから始まる。

このような突起型（ｐｒｏｔｕｂｅｒａｎｔ ｔｙｐｅ）支持体５は、一般押出成形機を利用して押出成形及び焼成によって容易に製造することが可能である。

その後、本発明は上記支持体５の突出部２６を加工して多数個の突起２４を形成し、その間において第２流体流れ部２０の流路２２が形成されるようにする段階が行われる。

これは上記突出部２６の長手方向の両側端の一定長さを除去して、密封材３０ａ、３０ｂが位置される平坦部または空間２８を形成し、密封材３０ａ、３０ｂを付着してガス密封部を備え、支持体５の中央部には突出部２６を一定のパタンに除去し、その間において第２流体流れ部２０を形成し、これを通して流れる第２流体は上記第１流体流れ部１０を通して流れる第１流体の流れ角度に対して直交する、即ち９０度の角度で流入できるようにし、第１及び第２流体との混合を原則的に防止する。

そしてその後には、上記支持体５の突起２４上部面を除いた外面に電解質層４０を被覆する段階が行われる。上記電解質層４０は上記突起２４の上面を除いた支持体５の全体外表面に被覆されて焼成処理され形成される。

また次には上記突起２４を除いた電解質層４０の上部面に第２触媒材料の被覆層５０を形成する段階が行われる。上記段階は突起２４の上端部、即ち上部面及び側面一部を除いた全体外表面に、上記支持体５と反対極性の触媒材料を被覆した後、焼成処理して完成する。

続いて上記突起２４の上部面に集電層６０を被覆する段階が行われる。上記集電層６０は金属材料を突起２４の上面にできるだけ薄くかつ緻密に被覆して、最終的に完成することで単位燃料電池モジュール１が完成される。

こうして製造された単位燃料電池モジュール１は、別途の多数の金属集電手段やガス流路１２の追加使用なしに、唯上下に積むだけで最終的に燃料電池１００を構成する単位スタック（Ｓｔａｃｋ）を完成する。またこのように積んだスタックを平行になるように配置するだけで大容量の燃料電池１００に拡張構成することができる。

上記のように構成された本発明による燃料電池モジュール１と燃料電池１００は、図１０及び図１１に示すように、第１流体供給部１５０を介して第１流体が供給され、これと直交する方向には第２流体供給部１７０を介して第２流体が供給される。

このような場合、第１流体供給部１５０を通して流入された第１流体は、空気または燃料ガスであることができ、上記第１流体が空気である場合上記支持体５は空気極（陽極）を形成するようになり、そのためその触媒材料としては例えばＬＳＭ（ＬａＳｒＭｎＯ_３）が用いられる。また、上記第１流体が燃料ガスである場合は、上記支持体５は燃料極（陰極）の触媒材料で成形製作され、例えばＮｉ／ＹＳＺ（ｃｅｒｍｅｔ）が用いられる。

そして、上記第２流体供給部１７０を通して流入される第２流体は、第１流体とは反対のものであって、燃料気体または空気から成る。このような場合、第２流体が燃料ガスである場合は、上記被覆層５０は燃料極（陰極）の触媒材料で成形製作され、例えばＮｉ／ＹＳＺ（ｃｅｒｍｅｔ）が使用される。また、上記第２流体が空気である場合は、上記被覆層５０は空気極（陽極）を形成するようになり、そのためその触媒材料としては例えばＬＳＭ（ＬａＳｒＭｎＯ_３）が用いられる。

本発明の固体酸化物燃料電池１００は電気を発生させる場合、約１０００℃程度の高温が必要であり、これは上記加熱手段１８０を介して行われる。上記加熱手段１８０は第１カバー１１０の外側に位置されたものであって上記加熱手段１８０を介して第１１カバー内側の空間を加熱させる。このような場合、上記第１ カバー１１０はまるでファーネス（Ｆｕｒｎａｃｅ）のように作用し、その部分において燃料電池１００の酸化及び還元反応が起こる部分である。

上記加熱手段１８０の熱源としては、電気的な抵抗コイルを利用することもでき、バーナー等の直接的な火炎を利用して上記第１カバー１１０を外部から加熱することもできるものであって、本発明はこのような加熱方式に制限されることではなく、これらを全て含む。

上記第１カバー１１０の内部において行われる化学反応は下の通りである。

仮に第１流体流れ部１０を通して空気が流れ、第２流体流れ部２０を通して燃料ガスが流れると、空気中の酸素は支持体５の触媒作用によって酸素イオン（Ｏ^２−）と電子（２ｅ⁻）に分解され、この中の酸素イオンだけが選択的に固体酸化物の電解質膜と被覆層５０を通過し、第２流体流れ部２０の燃料ガスである水素側に伝達され反応し、第２流体流れ部２０には水蒸気と一部未反応燃料ガスを排出する。同時に酸素から分解された電子は上、下集電層６０を通して流れるようになり、この時起こった電子の流れによって電流が生成され、第２流体流れ部２０では水蒸気の生成反応において熱も付随的に発生する。こうして生成された電流は直流電流として、直流電動機の動力に使用されたり、電力変換機を介して交流電流に変えて使用したりする。

このように化学反応によって各々の燃料電池モジュール１に備えられた集電層６０では電流が流れるようになり、このように積層された燃料電池モジュール１はその上下積層方向でまるで電池を直列連結したもののように、電子の移動が行われるようになり、積層された燃料電池モジュール１の上、下部に配置された集電板１４０ａ、１４０ｂでは各々直流電源を引き出すことができる。

このような場合、図９に示すように上記第１流体供給部１５０の内部流路１２を通して空気が流れ、第２流体供給部１７０を通して燃料ガスが流れる場合、上記支持体５は空気極として作用し、その結果上部側の集電板１４０ａは陽極（＋）の端子を有し、下部側の集電板１４０ｂは陰極（−）の端子を有する。

またこれと異なって、上記第１流体供給部１５０の内部流路１２を通して燃料ガスが流れ、第２流体供給部１７０を通して空気が流れる場合、上記支持体５は燃料極として作用し、その結果上部側の集電板１４０ａは陰極（−）の端子を有し、下部側の集電板１４０ｂは両極（＋）の端子を有する。

一方、本発明による固体酸化物燃料電池１００は、図１１に示すように、単位燃料電池モジュール１を積層しスタックを構成する際、第２流体供給部１７０の第２カバー１２０ａ及び第３カバー１２０ｂは上記加熱手段１８０が配置された第１カバー１１０の両外側に各々別途に配置されたものであり、第１カバー１１０内側の反応領域で保たれる高温より、その温度をより低く維持することができ、図１０に示すように密封材３０ａ、３０ｂ部分で密封が行われるため従来の平板型構造よりガス密封が容易である。

そして本発明による固体酸化物燃料電池１００は、空気供給ポート（ｐｏｒｔ）または燃料供給ポート（ｐｏｒｔ）を選択的に成す第１流体供給部１５０と第２流体供給部１７０が各々９０度角度に配置され、互いに異なる面に流入されるため２つのガスの間の混合を完全に効果的に防ぐことができる。

また、各々の燃料電池モジュール１に備えられた第１流体流れ部１０と第２流体流れ部２０とに対しても、ガス流路１２別に、または単位燃料電池モジュール１別に空気または燃料ガスを別々に供給することなくケーシング１０５を構成する第１カバー１１０、第２カバー１２０ａ及び第３カバー１２０ｂによって単純なボックス型にして集合的に供給することができるので、製作が容易であり、かつ各々の燃料電池モジュール１別に均一なガス流れの分配を成すことができ発生電流を極大化することが可能である。

一方、本発明は上記で空気供給ポート（ｐｏｒｔ）または燃料供給ポート（ｐｏｒｔ）を選択的に成す第１流体供給部１５０と第２流体供給部１７０に備えられた第１カバー１１０、第２カバー１２０ａ及び第３カバー１２０ｂが、上記のように空気または燃料ガスを集合的に供給する機能を有すれば、その形状に関しては制限がなく、多様な形状を有することができる。

上記で本発明は特定の実施例に関して図示して説明したが、これは唯例示的に本発明を説明するために記載したことであり、本発明をこのような特定構造で制限しようとするものではない。当業界で通常の知識を有する者であれば上述の特許請求の範囲に記載された本発明の思想及び領域を外れない範囲内において本発明が多様に修正及び変更され得ることが分かる。しかし、このような修正及び変形構造は全て本発明の権利範囲内に含まれるものであることを明らかにして置く。

本発明による固体酸化物燃料電池モジュールを製作するための支持体を示す斜視図である。 本発明による固体酸化物燃料電池モジュールを製作するために上部面に四角形突起を形成した支持体の斜視図である。 本発明による固体酸化物燃料電池モジュールを製作するために上部面に長い突起を形成した支持体の斜視図である。 本発明による固体酸化物燃料電池モジュールを示す斜視図である。 本発明による固体酸化物燃料電池モジュールを示す断面図である。 本発明による固体酸化物燃料電池モジュールが積層された状態を示す外観斜視図である。 本発明による固体酸化物燃料電池を示す一部切開斜視図である。 本発明による固体酸化物燃料電池の作動原理を示す説明図である。 本発明による固体酸化物燃料電池の作動原理を示す断面図である。 本発明による固体酸化物燃料電池を示す側断面図である。 本発明による固体酸化物燃料電池を示す平断面図である。

符号の説明

１ 本発明による固体酸化物燃料電池モジュール
５ 支持体
７ 隔壁
１０ 第１流体流れ部
１２ 流路
２０ 第２流体流れ部
２４ 突起
２６ 長い突出部
２８ 空間
３０ａ、３０ｂ 密封材
３２ 長い突起
３４ 流入口
３６ 排出口
３８ 長い流路
４０ 電解質層
５０ 被覆層
６０ 集電層
６５ 支持棒
１００ 本発明による固体酸化物燃料電池
１０５ ケーシング
１１０ 第１カバー
１２０ａ 第２カバー
１２０ｂ 第３カバー
１２２ 入口
１２４ 出口
１４０ａ、１４０ｂ 集電板
１４２ａ、１４２ｂ 導線
１５０ 第１流体供給部
１７０ 第２流体供給部
１８０ 加熱手段

Claims (30)

1. 燃料ガスと空気を利用して電気を発生させる固体酸化物燃料電池モジュールにおいて、
   第１触媒材料から成る支持体と、
   前記支持体の内部に流路が形成された第１流体流れ部と、
   前記支持体の外面に多数個の突起が突設され、その突起の間において流路が形成される第２流体流れ部と、
   前記支持体の突起上部面を除いた外面に被覆される電解質層と、
   前記突起を除いた電解質層の上部面に形成される第２触媒材料の被覆層と、
   前記突起の上部面に被覆される集電層と、
   を含むことを特徴とする、前記固体酸化物燃料電池モジュール。
2. 支持体が空気極の触媒材料で形成される場合は第１流体流れ部の流路には空気が流れ、第２流体流れ部には燃料ガスが流れるようになり、前記支持体が燃料極の触媒材料から成る場合は第１流体流れ部には燃料ガスが流れ、第２流体流れ部には空気が流れることを特徴とする、請求項１に記載の固体酸化物燃料電池モジュール。
3. 支持体が突起のない両側上部面の空間を含み、前記両側部の空間がガスの密封を容易にするために密封材を設けることを特徴とする、請求項１または２に記載の固体酸化物燃料電池モジュール。
4. 支持体が本体内部に多数の隔壁を設け内部に複数のガス流路を形成し、前記本体の上部面に多数の突起を形成させ前記本体を積層することで、前記突起の間において流路を形成することを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の固体酸化物燃料電池モジュール。
5. 支持体に、電解質層、前記支持体を構成する触媒材料とは反対極を成す触媒被覆層、集電層を構成する金属材料を、順次薄く被覆することを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の固体酸化物燃料電池モジュール。
6. 支持体は、その内部のガス流路がハニカム形状をしており、そのガス流路はその一辺の大きさが０．１〜１０ｍｍの間であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の固体酸化物燃料電池モジュール。
7. 支持体は、流路の間の隔壁の厚さが０．１〜５ｍｍの間であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の固体酸化物燃料電池モジュール。
8. 支持体の上部側の突起が四角形の断面を有することを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載の固体酸化物燃料電池モジュール。
9. 突起の高さが０．１〜１０ｍｍ、幅が０．１〜１０ｍｍであり、前記突起の間の距離が０．１〜１０ｍｍであることを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載の固体酸化物燃料電池モジュール。
10. 支持体の上部側に多数個の長い突起が並んで形成され、前記長い突起の間に長い流路を形成し、前記長い流路の一側に流入口が形成され、他側に排出口が形成され、前記一つの長い流路を第２流体流れ部に形成することを特徴とする、請求項１〜９のいずれかに記載の固体酸化物燃料電池モジュール。
11. 電解質層が前記支持体の突起部分の上面を除いた全面に緻密に被覆されることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれかに記載の固体酸化物燃料電池モジュール。
12. 被覆層が支持体を形成する触媒材料とは反対極性の触媒材料から成り、前記電解質層上において突起部分の上面と一部横面を除いた全体外表面に被覆されることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれかに記載の固体酸化物燃料電池モジュール。
13. 電解質層、被覆層及び集電層の厚さが１０００μｍ以下であることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれかに記載の固体酸化物燃料電池モジュール。
14. 燃料ガスと空気を利用して電気を発生させる固体酸化物燃料電池において、
    中空型のケーシングと、
    前記ケーシングの内部で積層され、第１触媒材料から成る多数の支持体内部を通って第１流体流れ部が形成され、前記各々の支持体外部を通って第２流体流れ部が形成され、前記各々の支持体の外面には電解質層と第２触媒材料の被覆層及び集電層とが形成され積層される多数の燃料電池モジュールと、
    前記燃料電池モジュールの第１流体流れ部に第１流体を供給するよう前記燃料電池モジュールに連結されたチャンバを備えた第１流体供給部と、
    前記燃料電池モジュールの第２流体流れ部に第２流体を供給するよう前記燃料電池モジュールに連結されたチャンバを備えた第２流体供給部と、
    前記燃料電池モジュールを反応温度に加熱するための加熱手段とを含み、
    前記第１流体は燃料ガスまたは空気のいずれか一つであり、前記第２流体は燃料ガスまたは空気の残り一つであることを特徴とする、前記固体酸化物燃料電池。
15. 積層された燃料電池モジュールの第１流体流れ部及び第２流体流れ部が、互いに交差する方向に配置され、ガス流れが行われることを特徴とする、請求項１４に記載の固体酸化物燃料電池。
16. 積層された燃料電池モジュールの間に位置した多数の支持棒をさらに含み、前記支持棒は上下に積層された燃料電池モジュールを左右方向から固定させると共に、上下に積層された燃料電池モジュールを左右方向に離隔させ電気的に断絶させるスペーサ（ｓｐａｃｅｒ）の機能を有することを特徴とする、請求項１４または１５に記載の固体酸化物燃料電池。
17. 支持棒が電気伝導性がなく高温でも機械的強度を有する材質から成ることを特徴とする、請求項１６に記載の固体酸化物燃料電池。
18. 積層された多数の燃料電池モジュールから電気を集電するための集電板をケーシングの上下にさらに含み、各々導線を介して外部に直流を引き出すことができることを特徴とする、請求項１４〜１７のいずれかに記載の固体酸化物燃料電池。
19. 上部側集電板が、最上部側に配置された燃料電池モジュールの集電層に電気的に接触することを特徴とする、請求項１８に記載の固体酸化物燃料電池。
20. 下部側集電板が、最下部側に配置された燃料電池モジュールの被覆層に電気的に接触されることを特徴とする、請求項１８または１９に記載の固体酸化物燃料電池。
21. ケーシングが、積層された燃料電池モジュールの突起が形成された中央部分を取り囲んで外部と遮蔽させる第１カバーと、前記第１カバーの両側において前記積層された燃料電池モジュールの各々の端部を取り囲んで外部と遮蔽させる第２カバー及び第３カバーとを含むことを特徴とする、請求項１４〜２０のいずれかに記載の固体酸化物燃料電池。
22. 第１カバーの両側端が積層された燃料電池モジュールの密封材側に位置され、一側には前記積層された燃料電池モジュールの第２流体流れ部に燃料ガスまたは空気を供給するための入口が形成され、その反対側には出口が形成されることを特徴とする、請求項２１に記載の固体酸化物燃料電池。
23. 第２カバー及び第３カバーが、各々積層された燃料電池モジュールの端部を取り囲む密封型の構造を備え、前記積層された燃料電池モジュールの第１流体流れ部を介して互いにその内部チャンバが連通された構造であり、前記第２カバー及び第３カバーのいずれか一つに内部チャンバに空気または燃料ガスを供給するための入口が形成され、他の一つに出口を形成することを特徴とする、請求項２１または２２に記載の固体酸化物燃料電池。
24. 第１流体供給部の入口側に形成されたチャンバと、第２流体供給部の入口側に形成されたチャンバが、それぞれ空気または燃料ガスを積層された燃料電池モジュールの第１流体流れ部と第２流体流れ部を介して均一に供給及び排出するための分配空間を形成することを特徴とする、請求項１４〜２３のいずれかに記載の固体酸化物燃料電池。
25. 加熱手段に、熱源として電気的な抵抗コイルや、バーナーなどの直接的な火炎を利用することを特徴とする、請求項１４〜２４のいずれかに記載の固体酸化物燃料電池。
26. 燃料ガスと空気を利用して電気を発生させる固体酸化物燃料電池モジュールを製造する方法において、
    内部に第１流体流れ部の流路が形成された第１触媒材料から成る支持体を備える段階と、
    前記支持体の外面を加工して多数個の突起を形成し、その間において第２流体流れ部の流路が形成されるようにする段階と、
    前記支持体の突起上部面を除いた外面に電解質層を被覆する段階と、
    前記突起を除いた電解質層の上部面に第２触媒材料の被覆層を形成する段階と、
    前記突起の上部面に集電層を被覆する段階と、
    を含むことを特徴とする、前記方法。
27. 支持体が、陰極または陽極を有する触媒材料を使用して押出成形機（ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ ｍａｃｈｉｎｅ）で押出成形して焼成することで備わることを特徴とする、請求項２６に記載の方法。
28. 第２流体流れ部が、前記支持体上部の長い突出部を各々研磨除去して突起を形成したものであることを特徴とする、請求項２６または２７に記載の方法。
29. 集電層を金属粒子を利用して被覆した後、熱焼成（ｔｈｅｒｍａｌ ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ）処理をすること、或は金属化合物を用いる化学蒸着法（ＣＶＤ、ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）を利用して被覆することを特徴とする、請求項２６〜２８のいずれかに記載の方法。
30. 前記第１流体供給部を通して流れ込まれた第１流体が空気である場合前記支持体は空気極（陽極）を形成するようになり、その触媒材料がＬＳＭ（ＬａＳｒＭｎＯ_３）から成り、前記第１流体が燃料ガスである場合前記支持体は燃料極（陰極）を形成するようになり、その触媒材料はＮｉ／ＹＳＺ（ｃｅｒｍｅｔ）であることを特徴とする、請求項２６〜２９のいずれかに記載の方法。

Images