JP2009135051A

JP2009135051A - 固体酸化物燃料電池の端電池及び分離板間の結合構造

Info

Publication number: JP2009135051A
Application number: JP2007311613A
Authority: JP
Inventors: Joongmyeon Bae; ジョンミョンペ; Chang Lee; チャングリー
Original assignee: Korea Advanced Institute of Science and Technology KAIST
Current assignee: Korea Advanced Institute of Science and Technology KAIST
Priority date: 2007-11-30
Filing date: 2007-11-30
Publication date: 2009-06-18

Abstract

【課題】金属支持体型固体酸化物燃料の電気的性能を向上させ，密封効率及び集電性能を向上させる，端電池及び分離板間の結合構造を提供する。
【解決手段】従来の集電体を排除し、スラリーを接合材９００として端電池と分離板とを焼結接合することにより、剛性及び密封効率を高めた固体酸化物燃料電池の端電池及び分離板間の結合を行う。固体酸化物燃料電池の端電池と分離板間の結合構造は、電解質１００、前記電解質の両側面にそれぞれ接触形成される燃料極２００、及び空気極３００を含む端電池２０００と、前記端電池の両側面に形成されて、それぞれ前記空気極に空気を供給する供給通路５１０、及び前記燃料極に燃料ガスを供給する供給通路５２０が形成された分離板５００とを含んで形成される固体酸化物燃料電池１０００において、前記固体酸化物燃料電池は、前記端電池の一側または両側が前記分離板と直接接合される。
【選択図】図３

Description

本発明は、固体酸化物燃料電池の端電池及び分離板間の結合構造に関するもので、さらに詳細には、従来の集電体を排除し、スラリーを接合材として端電池と分離板とを焼結接合することにより、剛性及び密封効率を高めた固体酸化物燃料電池の端電池及び分離板間の結合構造に関するものである。

燃料電池(Fuel Cell)は、酸化により生じる化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換させる電池であって、水素、酸素のように、地球上に豊かに存在する物質から電気エネルギーを発生させる、新しい親環境的未来型エネルギー技術である。

燃料電池は、空気極(Cathode)に酸素が供給されて、燃料極(Anode)に水素が供給され、水の電気分解逆反応形態に電気化学反応が進行され、電気、熱、及び水が発生されて、公害を誘発することなく、効率よく電気エネルギーを生産する。

このような燃料電池は、従来の熱機関において限界として作用するカルノーサイクル(Carnot Cycle)の制限から自由であるため、４０％以上の効率を上げることができるだけではなく、上述のように、排出される物質が水だけであるため、公害の虞がなく、従来の熱機関とは違って、機械的に運動する部分が不要であるため、小型化が可能で、騒音がないなど、多様な長所を有している。したがって、燃料電池に係わる各種技術及び研究が活発に進行されている。

燃料電池は、その電解質種類によって、燐酸燃料電池(PAFC, Phosphoric Acid Fuel Cell)、溶融炭酸塩燃料電池(MCFC, Molten Carbonate Fuel Cell)、固体酸化物燃料電池(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell)、高分子電解質燃料電池(PEMFC, Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)、メタノール燃料電池(DMFC, Direct Methanol Fuel Cell)、アルカリ燃料電池(AFC, Alkaline Fuel Cell)など、六種類程度が実用化されているか、計画中にある。各燃料電池の特徴を下記の表に示した。

上記表から分かるように、それぞれの燃料電池は、その出力範囲及び使用用途などが多様であり、目的に応じて適した燃料電池を選択することができ、この中でも、前記固体酸化物燃料電池(solid oxide fuel cell, SOFC)は、相対的に電解質の位置制御が容易で、電解質の位置が固定されており、電解質枯渇の危険性がなく、腐食性が弱くて素材の寿命が長いという長所により、分散発電用、商業用、及び家庭用として脚光を浴びている。

前記固体酸化物燃料電池の作動原理を示した概念図として、空気極に酸素が供給されて、燃料極に水素が供給される場合、その反応は、下記の式のようである。
燃料極(Anode)反応：２Ｈ_２＋２Ｏ^２−→２Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻
空気極(Cathode)反応：Ｏ_２＋４ｅ⁻→２Ｏ^２−

固体酸化物燃料電池は、通常、電解質としてＹＳＺ(yttria-stabilized zirconia)、燃料極としてはＮｉ−ＹＳＺ陶性合金(cermet)、空気極としてはペロブスカイト材質(perovskite material)を使用して、移動イオン(mobile ion)としては、酸素イオンを使用する。

一方、燃料電池は、単位電池だけでは十分な電圧が得られないため、必要に応じて、スタック状に単位電池を積層して使用するようになるが、図１に従来の固体酸化物燃料電池１のスタック構造を示した。この際、燃料電池スタックで発生される電流は、セルの面積に比例して、電圧は、セルの積層数に比例する。電解質１０の周囲にそれぞれ燃料極２０と空気極３０が配置されて、前記各電極の外側には、極内部に均一にガスを供給し、電子の移動通路を提供する空気極側集電体４１と燃料極側集電体４２とが結合される。スタック内の単位電池は、分離板５０により分離されて、前記分離板５０は、燃料ガス及び空気(酸素)の供給通路５１、５２の役割もする。燃料電池スタックは、エンドプレート６０と結合手段７０により堅固に支持される。

図２は、従来の固体酸化物燃料電池の単位電池拡大図である。電解質１０、燃料極２０、及び空気極３０を含む端電池２の周囲に、金属合金または貴金属などからなる集電体が配置されて、分離板５０により堅固に密封される。燃料電池は、ガスの供給を通じて電気を発生させる装置であって、非常に高い水準の密封技術を要求する。水素及び空気が定められた経路に沿って流れなければならなく、決して混ざったり外に漏れてはいけない。密封材８０は、通常、ガラス材料基盤の材料により製作されるが、燃料電池の作動温度により多様な材質が選択される。

上記のような固体酸化物燃料電池は、出力特性、長期運転特性、熱サイクル特性など、様々な側面で多様な要求条件を満たしている。しかしながら、未だに解決できなかった問題は、密封(sealing)と機械的強度(mechanical strength)である。密封が難しいため、製作及び作動効率の向上に大いに制約を与えて、また機械的強度が弱いため、熱動的運転や小さな外部衝撃にも大きい損傷を受ける弱点があった。従来、このような問題点を解決するために、多様な形態の金属支持体型固体酸化物燃料電池が開発された。その中で、多孔性金属支持体上にセラミック要素を積層する工法、粉末冶金法により生成された金属を半焼結させて、セラミック要素を同時焼結する工法、セラミック要素をコーティングする工法、及び金属分離板と各流路及びセラミック要素を全て一つとし、一体型として焼結する工法などが注目を浴びた。

しかしながら、このような金属支持体型固体酸化物燃料電池も、その工程の特性上、大面積化及び加工費用面で解決し難い問題がある。特に、集電体４０に関するものであって、集電体４０は、端電池２と分離板５０との間に配置され、電気的性能は大きく向上させるが、形状を有しているため、密封効率及び集電性能を向上させるには、ある程度構造的な限界がある。

本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、集電体固有の機能を行う他に、燃料電池スタックの構造的な強度を大きく向上させて、密封効率をさらによくし、且つ燃料電池の生産性も高めた、固体酸化物燃料電池の端電池及び分離板間の結合構造を提供することにその目的がある。

上記の目的を達成するために、本発明の固体酸化物燃料電池の端電池と分離板間の結合構造は、電解質（１００）、前記電解質（１００）の両側面にそれぞれ接触形成される燃料極（２００）、及び空気極（３００）を含む端電池（２０００）と、前記端電池（２０００）の両側面に形成されて、それぞれ前記空気極（３００）に空気を供給する供給通路（５１０）、及び前記燃料極（２００）に燃料ガスを供給する供給通路（５２０）が形成された分離板（５００）とを含んで形成される固体酸化物燃料電池（１０００）において、前記固体酸化物燃料電池（１０００）は、前記端電池（２０００）の一側または両側が前記分離板（５００）と直接接合されることを特徴とする。

また、前記固体酸化物燃料電池（１０００）の端電池（２０００）と分離板（５００）間の結合構造は、スラリーを接合材（９００）として焼結して結合されることを特徴とする。

また、前記スラリーは、多孔性及び導電特性を有する材質であることを特徴とし、前記スラリーは、金属、セラミック、または金属とセラミックとの混合物であることを特徴として、前記接合材（９００）は、フェライト系金属とＮｉＯ/ＹＳＺとが微量混合されたサーメット接合材（９００）であることを特徴とする。

前記焼結は、分離板（５００）に接合材（９００）を塗布した後、前記端電池（１０００）を載せて、１３００〜１５００℃の温度で焼結することを特徴とする。

また、上述したことによる固体酸化物燃料電池の端電池と分離板間の結合構造は、前記分離板（５００）が金属特性を有する金属支持体型であることを特徴とする

一方、上述したことによる固体酸化物燃料電池（１０００）であって、前記燃料電池（１０００）は、スタック状に積層されて構成されることを特徴とし、前記燃料電池（１０００）は、金属支持体型であることを特徴とする。

本発明で提供する固体酸化物燃料電池の端電池と分離板間の結合構造により、従来の集電体を排除し、スラリーを接合材として端電池と分離板とが焼結接合されることにより、端電池と分離板間の密封効率が向上し、燃料電池スタックの機械的剛性が画期的によくなると共に、集電性能も向上する。

以下、本発明の実施例を、図面を参照し詳細に説明する。

図３は、本発明の固体酸化物燃料電池の端電池及び分離板間の結合構造を示すための側断面図である。説明の便宜のために、従来の図２と対比されるように図示した。従来の技術と変わらない部分であって、必要ではない事項は、その説明を省略するが、本発明の技術的思想とその保護範囲がこれに制限されるものではない。

本発明の固体酸化物燃料電池の端電池と分離板間の結合構造は、電解質(１００)、前記電解質(１００)の両側面にそれぞれ接触形成される燃料極(２００)、及び空気極(３００)を含む端電池(２０００)と、前記端電池(２０００)の両側面に形成されて、それぞれ前記空気極(３００)に空気を供給する供給通路(５１０)、及び前記燃料極(２００)に燃料ガスを供給する供給通路(５２０)が形成された分離板(５００)とを含んで形成される固体酸化物燃料電池(１０００)において、前記固体酸化物燃料電池(１０００)は、前記端電池(２０００)の一側または両側が前記分離板(５００)と直接接合されることを特徴とする。

即ち、本発明の固体酸化物燃料電池(１０００)の電極(２００)、(３００)、及び分離板(５００)間の結合構造は、集電体(４２０)を排除し、前記端電池(２０００)が分離板(５００)と直接接合される。

ここで、前記端電池(２０００)の一側または両側の意味は、前記固体酸化物燃料電池(１０００)の端電池(２０００)の一側となる前記空気極(３００)または燃料極(２００)と、両側である前記空気極(３００)と燃料極(２００)とに形成できることを意味する。

前記端電池(２０００)と分離板(５００)とが直接接合される方法として、スラリーを接合材(９００)として焼結して結合することができて、本発明は、前記接合材(９００)を利用した方法の他にも、物理的あるいは化学的な他の接合方法を利用することができる。

接合材９００としてスラリーを利用する場合、金属及び/またはセラミック特性のスラリーを接合材(９００)として利用することができて、前記スラリーは、多孔性及び導電特性を有する材質からなり、燃料極側流路(５２０)から供給された燃料が移動できるようにすることが好ましい。

前記図３に示した本発明の固体酸化物燃料電池(１０００)の端電池(２０００)と分離板(５００)間の結合構造は、分離板(５００)の空気極側流路(５１０)と空気極側集電体(４１０)とが当接しており、その下に端電池(２０００)が位置するようになる。端電池(２０００)は、電解質(１００)、空気極(３００)、燃料極(２００)から構成されており、接合材(９００)を介して下部分離板(５００)と結合されている。下部分離板(５００)には、燃料極側流路(５２０)があって、燃料ガスが供給される。接合材(９００)は、多孔質でなければならなく、燃料極(２００)と分離板(５００)とを電気的に連結する本機能の他に、供給された燃料を燃料極(２００)に均一に分散させる機能と、生成された水が容易に排出されるように助ける機能をする。密封材(８００)は、通常、電解質(１００)と分離板(５００)との間、上・下部分離板(５００)間に満たされるようになる。

前記図３は、前記燃料極(２００)側に備えられる分離板(５００)が前記接合材(９００)により直接結合されて、前記空気極(３００)側は、分離板(５００)との間に空気極側集電体(４１０)が備えられた例を示して、上述のように、これとは反対の形態でも形成可能であり、前記集電体(４１０)が全て排除されて、前記燃料極(２００)及び空気極(３００)側に分離板(５００)が直接接合されてもよい。

これにより、本発明の固体酸化物燃料電池(１０００)の端電池(２０００)と分離板(５００)間の結合構造は、従来の集電体を利用することにより発生される密封及び集電の効率性問題を解決することができるだけではなく、機械的強度をさらに補強することができる長所がある。

本発明の燃料電池スタック製造工法をさらに具体的に説明する。電解質(１００)及び燃料極(２００)のセラミック要素は、テープキャスティング(tape casting process)を用いて積層される。電解質(１００)としては、ＹＳＺ(Tosoh TZ-8Y)を使用することが好ましく、燃料極(２００)としては、ＮｉＯとＹＳＺ(Tosoh TZ-8Y)を６：４質量比で混合して使用する。テープキャスティング用スラリーは、各粉末に対して１５％ｗｔ．の結合材ＢｕｔｖａｒＢ−９８、２％ｗｔ．の分散剤ポリビニルピロリドン(polyvinylpyrrolidone)、１０％ｗｔ．の可塑剤ポリエチレングリコール(polyethylene glycol)、１００％ｗｔ．の溶媒Ｓ−ＮＥＣＳを混合した後、４８時間ボールミールして得る。スラリーを脱泡(de-airing)させた後、１５０μｍあるいは２５０μｍ高のテープキャスター(tape-caster)を用いて、セラミックシート(sheet)を確保する。用途に合わせて積層させた後、１５００℃で４時間焼結し、緻密な電解質(１００)及びある程度気孔のある燃料極(２００)のセラミック層結合体を得る。

分離板(５００)に使用される金属支持体としては、２８ｍｍの直径と１ｍｍの厚さを有する円形ＳＴＳ４３０板を使用する。金属板に幅が０．４ｍｍの流路(５２０)を断面相に作る。分離板(５００)上にフェライト系金属とＮｉＯ/ＹＳＺが微量混合された陶性合金であるサーメット接合材(９００)(cermet adhesive)を塗って、その上に、前記電解質(１００)と燃料極(２００)のセラミック結合体を載せた後、略１４００℃で約１０時間焼結し、金属支持体型端電池(２０００)を確保する。図３から分かるように、燃料極(２００)と分離板(５００)間に介在されていた集電体(４００)が接合材(９００)に代替されたことが分かる。

図４は、金属支持体型固体酸化物燃料電池(１０００)の端電池(２０００)写真とＳＥＭイメージである。ＹＳＺ電解質(１００)は、約３０μｍ、燃料極(２００)は、約２００μｍ、多孔性金属支持体である分離板(５００)は、約４００μｍである。空気極(３００)は、ＹＳＺ電解質に対して低い抵抗特性があると報告されたＬａ_０．８Ｓｒ_０．２Ｃｏ_０．４Ｍｎ_０．６Ｏ_３(LSCM-8246)を使用した。

実施例では、端電池(２０００)と分離板(５００)との結合方法として、スラリーを接合材(９００)とする焼結法を説明したが、この他にも、集電体(４００)を排除しつつ、多孔質となり、熱的及び電気的特性が好適な物理的あるいは化学的な接合方法による接合材(９００)であれば、本発明の技術的要旨に属する。

本発明の結合構造により、燃料電池スタックは、優れた機械的剛性を有する。構造的に不安定で且つスタック全体的に剛性を発揮できなかった集電体(４００)を排除して、多孔性、導電性、及び撥水性を有する接合材(９００)を利用し、電極(２００)と分離板(５００)とを結合することにより、機械的剛性が高くなり、分離板との密封効率が向上されて、大面積化及び加工費用面で優れた特性を有するようになる。
［発明の効果］

本発明の電極及び分離板間結合構造を採用する固体酸化物燃料電池は、スタック形態に製作されて、分散発電用、商業用、家庭用、輸送用、携帯用、及び移動電源用として、産業的に多様に利用できる。

従来の固体酸化物燃料電池のスタック構造である。従来の固体酸化物燃料電池の単位電池拡大図である。本発明の固体酸化物燃料電池の端電池及び分離板間の結合構造を示すための側断面図である。金属支持体型固体酸化物燃料電池の端電池写真とＳＥＭイメージである。

符号の説明

１０００燃料電池
２０００端電池(電解質、燃料極、空気極)
１００電解質
２００燃料極
３００空気極
４００集電体
４１０空気極側集電体
５００分離板
６００エンドプレート
７００結合手段
８００密封材
９００接合材

Claims

電解質（１００）、前記電解質（１００）の両側面にそれぞれ接触形成される燃料極（２００）、及び空気極（３００）を含む端電池（２０００）と、前記端電池（２０００）の両側面に形成されて、それぞれ前記空気極（３００）に空気を供給する供給通路（５１０）、及び前記燃料極（２００）に燃料ガスを供給する供給通路（５２０）が形成された分離板（５００）とを含んで形成される固体酸化物燃料電池（１０００）において、
前記固体酸化物燃料電池（１０００）は、前記端電池（２０００）の一側または両側が前記分離板（５００）と直接接合されることを特徴とする固体酸化物燃料電池の端電池と分離板間の結合構造。
前記固体酸化物燃料電池（１０００）の端電池（２０００）と分離板（５００）間の結合構造は、スラリーを接合材（９００）として焼結して結合さ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の端電池と分離板間の結合構造。
前記スラリーは、多孔性及び導電特性を有する材質であることを特徴とする請求項２に記載の固体酸化物燃料電池の端電池と分離板間の結合構造。
前記スラリーは、金属、セラミック、または金属とセラミックとの混合物であることを特徴とする請求項２に記載の固体酸化物燃料電池の端電池と分離板間の結合構造。
前記接合材（９００）は、フェライト系金属とＮｉＯ/ＹＳＺとが微量混合されたサーメット(cermet)接合材（９００）であることを特徴とする請求項２に記載の固体酸化物燃料電池の端電池と分離板間の結合構造。
前記焼結は、分離板（５００）に接合材（９００）を塗布した後、前記端電池（１０００）を載せて、１３００〜１５００℃の温度で焼結することを特徴とする請求項２に記載の固体酸化物燃料電池の端電池と分離板間の結合構造。
前記分離板（５００）は、金属特性を有する金属支持体型であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の固体酸化物燃料電池の端電池と分離板間の結合構造。
請求項１乃至６のいずれか一項に記載の結合構造を含む固体酸化物燃料電池（１０００）であって、前記燃料電池（１０００）は、スタック状に積層されて構成されることを特徴とする固体酸化物燃料電池。
前記燃料電池（１０００）は、金属支持体型であることを特徴とする請求項８に記載の固体酸化物燃料電池。