JP2011034945A - 多重円筒支持体を備えた燃料電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】重円筒支持体を採用して信頼性及び耐久性を高めるとともに燃料電池の反応面積を拡大して発電効率を高める多重円筒支持体を備えた燃料電池を提供する。
【解決手段】直径の異なる多数の同心状の円筒支持体でなる多重円筒支持体１００、多数の円筒支持体の中で最内側の円筒支持体から最外側の円筒支持体まで伸びた連結支持体２００、及び多重円筒支持体１００または連結支持体２００に形成された膜電極接合体３００を含む。円筒支持体が多重に形成されるので、反応面積が増大して燃料電池の効率が向上し、よって発電単価を低めることができる。
【選択図】図３
【解決手段】直径の異なる多数の同心状の円筒支持体でなる多重円筒支持体１００、多数の円筒支持体の中で最内側の円筒支持体から最外側の円筒支持体まで伸びた連結支持体２００、及び多重円筒支持体１００または連結支持体２００に形成された膜電極接合体３００を含む。円筒支持体が多重に形成されるので、反応面積が増大して燃料電池の効率が向上し、よって発電単価を低めることができる。
【選択図】図３
Description
本発明は、多重円筒支持体を備えた燃料電池に関する。
燃料電池とは、燃料（水素、ＬＮＧ、ＬＰＧなど）と空気の化学エネルギーを電気化学的反応によって電気及び熱に直接変換させる装置である。既存の発電技術が燃料の燃焼、蒸気発生、タービン駆動、発電機の駆動過程を取るものと異なり、燃焼過程または駆動装置がないので、効率が高いだけでなく環境問題を引き起こさない新概念の発電技術である。
図１は燃料電池の作動原理を示す図である。
図１を参照すれば、燃料極１は、水素（Ｈ２）を受けて水素イオン（Ｈ＋）と電子（ｅ−）に分解される。水素イオンは電解質２を通じて空気極３に移動する。電子は外部回路４を経ながら電流を発生させる。そして、空気極３において、水素イオン、電子、及び空気中の酸素が結合して水になる。前述した燃料電池１０での化学反応式はつぎの反応式１のようである。
（反応式１）
燃料極１：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
空気極３：１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ
全反応 ：Ｈ２＋１／２Ｏ２→Ｈ２０
燃料極１：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
空気極３：１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ
全反応 ：Ｈ２＋１／２Ｏ２→Ｈ２０
すなわち、燃料極１から分離された電子が外部回路を介して電流を発生させることで電池の機能をすることになる。このような燃料電池１０はＳＯｘとＮＯｘなどの大気汚染物質をあまり排出しなくて二酸化炭素の発生も少なくて無公害発電であり、低騷音、無振動などの利点がある。
一方、燃料電池は、リン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）、アルカリ型燃料電池（ＡＦＣ）、高分子電解質型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）、直接メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）などの多様な種類がある。このうち、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）は、高効率の発電が可能であるし、石炭ガス−燃料電池−ガスタービンなどの複合発電が可能であり、発電容量の多様性を持っているので、小型、大型発電所または分散型電源に適する。よって、固体酸化物燃料電池はこれから水素経済社会への進入のために必須の発電技術である。
しかしながら、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）を実用化するためには、いくつかの問題点を解決しなければならない。
まず、脆弱な耐久性及び信頼性である。固体酸化物燃料電池は高温で作動するので、熱サイクルによる性能低下が発生する。特に、セラミック素材の特性上、体積が増加すれば部品の耐久性及び信頼性が急に減少する傾向を表す問題点があった。
また、相対的に安価のセラミック材料を使用するとは言うが、既存の発電方式、例えばガスタービンやディーゼル発電機に比べて発電単価が高い方である。発電単価を低める努力が活発に進んでいるが、既存の発電施設に比べて価格競争力ある固体酸化物燃料電池を未だ開発することができない実情であった。
したがって、本発明は、前記のような問題点を解決するためになされたもので、本発明の目的は、多重円筒支持体を採用して信頼性及び耐久性を高めるとともに、燃料電池の反応面積を拡大して発電効率を高めることができる多重円筒支持体を備えた燃料電池を提供することである。
このような目的を達成するために、本発明は、直径の異なる多数の同心状の円筒支持体でなる多重円筒支持体；前記多数の円筒支持体の中で最内側の円筒支持体から最外側の円筒支持体まで伸びた連結支持体；及び前記多重円筒支持体または前記連結支持体に形成された膜電極接合体；を含む、多重円筒支持体を備えた燃料電池を提供する。
前記多重円筒支持体は、内部支持体と前記内部支持体の外部に形成された外部支持体でなり、前記連結支持体は、前記内部支持体から前記外部支持体まで伸び、前記膜電極接合体は、前記内部支持体の内面に形成された内部膜電極接合体、及び前記外部支持体の外面に形成された外部膜電極接合体を含むことが好ましい。
前記内部膜電極接合体は、前記内部支持体の内面から燃料極、電解質膜、空気極の順に積層され、前記外部膜電極接合体は、前記外部支持体の外面から燃料極、電解質膜、空気極の順に積層されることが好ましい。
前記内部膜電極接合体は、前記内部支持体の内面から空気極、電解質膜、燃料極の順に積層され、前記外部膜電極接合体は、前記外部支持体の外面から空気極、電解質膜、燃料極の順に積層されることが好ましい。
前記多重円筒支持体は、内部支持体と前記内部支持体の外部に形成された外部支持体でなり、前記連結支持体は、前記内部支持体から前記外部支持体まで伸び、前記膜電極接合体は、前記内部支持体の外面、前記外部支持体の内面及び連結支持体に形成されること好ましい。
前記膜電極接合体は、前記内部支持体の外面、前記外部支持体の内面及び連結支持体から燃料極、電解質膜、空気極の順に積層されることが好ましい。
前記膜電極接合体は、前記内部支持体の外面、前記外部支持体の内面及び連結支持体から空気極、電解質膜、燃料極の順に積層されることが好ましい。
前記多重円筒支持体は、内部支持体、前記内部支持体の外部に形成された外部支持体及び前記内部支持体と前記外部支持体の間に形成された中間支持体でなり、前記連結支持体は、前記内部支持体から前記中間支持体まで伸びた第１連結支持体、及び前記中間支持体から前記外部支持体まで伸びた第２連結支持体でなり、前記膜電極接合体は、前記内部支持体の外面、前記中間支持体の内面及び第１連結支持体に形成された内部膜電極接合体、及び前記外部支持体の外面に形成された外部膜電極接合体でなることが好ましい。
前記内部膜電極接合体は、前記内部支持体の外面、前記中間支持体の内面及び第１連結支持体から燃料極、電解質膜、空気極の順に積層され、前記外部膜電極接合体は、前記外部支持体の外面から燃料極、電解質膜、空気極の順に積層されることが好ましい。
前記内部膜電極接合体は、前記内部支持体の外面、前記中間支持体の内面及び第１連結支持体から空気極、電解質膜、燃料極の順に積層され、前記外部膜電極接合体は、前記外部支持体の外面から空気極、電解質膜、燃料極の順に積層されることが好ましい。
前記多重円筒支持体は、内部支持体、前記内部支持体の外部に形成された外部支持体及び前記内部支持体と前記外部支持体の間に形成された中間支持体でなり、前記連結支持体は、前記内部支持体から前記中間支持体まで伸びた第１連結支持体、及び前記中間支持体から前記外部支持体まで伸びた第２連結支持体でなり、前記膜電極接合体は、前記内部支持体の内面に形成された内部膜電極接合体、及び前記中間支持体の外面、前記外部支持体の内面及び第２連結支持体に形成された外部膜電極接合体でなることが好ましい。
前記内部膜電極接合体は、前記内部支持体の内面から燃料極、電解質膜、空気極の順に積層され、前記外部膜電極接合体は、前記中間支持体の外面、前記外部支持体の内面及び第２連結支持体から燃料極、電解質膜、空気極の順に積層されることが好ましい。
前記内部膜電極接合体は、前記内部支持体の内面から空気極、電解質膜、燃料極の順に積層され、前記外部膜電極接合体は、前記中間支持体の外面、前記外部支持体の内面及び第２連結支持体から空気極、電解質膜、燃料極の順に積層されることが好ましい。
前記多重円筒支持体及び前記連結支持体は、一体型であることが好ましい。
前記連結支持体は、少なくとも二つであることが好ましい。
前記多重円筒支持体または前記連結支持体は、セラミックでなることが好ましい。
前記多重円筒支持体または前記連結支持体は、金属でなることが好ましい。
前記金属は、鉄、銅、アルミニウム、ニッケル、クロム、これらの合金及びこれらの組合せよりなる群から選択された物質であることが好ましい。
前記多重円筒支持体または前記連結支持体は、多孔性物質でなることが好ましい。
本発明の特徴及び利点は添付図面に基づいた以降の詳細な説明からより明らかになるであろう。
本発明の詳細な説明に先立ち、本明細書及び請求範囲に使用された用語や単語は通常的で辞書的な意味に解釈されてはいけなく、発明者がその自分の発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義することができるという原則にしたがって本発明の技術的思想にかなう意味と概念に解釈されなければならない。
本発明によれば、燃料電池に多重円筒支持体を採用することにより、従来の円筒支持体より安定した構造で燃料電池を支持して耐久性及び信頼性が高めることになる。また、耐久性及び信頼性が向上した結果、支持体を一層薄く製作することができるので、支持体の電気抵抗が減少して集電に有利であり、反応気体の拡散度が高くなる。
本発明によれば、円筒支持体が多重に形成されるので、反応面積が増大して燃料電池の効率が高まり、究極発電単価を低めることができる利点がある。また、体積当たり電力密度が高くなって燃料電池システムの全体積を減らすことができる効果がある。
本発明の目的、利点及び特徴は添付図面を参照する以下の詳細な説明及び好適な実施例からもっと明らかになろう。本明細書において、各図面の構成要素に参照番号を付け加えるに際して、同じ構成要素には、たとえ異なる図面に表示されていても、できるだけ同一符号を付けることにする。また、図面上に表示されたＯ２及びＨ２-は燃料電池の作動過程を詳細に説明するための例示であるばかり、燃料極または空気極に供給される気体の種類を制限するものではない。そして、本発明の説明において、関連の公知技術についての具体的な説明が本発明の要旨を不必要にあいまいにすることができると判断される場合は、その詳細な説明を省略する。
以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施例について詳細に説明する。
図２Ａ〜図２Ｃは、本発明の好適な実施例による多重円筒支持体を備えた燃料電池の断面図である。以下、これら図を参照して本発明による燃料電池について説明する。
図２Ａ〜図２Ｃに示すように、本発明による多重円筒支持体を備えた燃料電池は、直径の異なる多数の同心状の円筒支持体でなる多重円筒支持体１００、多数の円筒支持体の中で最内側の円筒支持体から最外側の円筒支持体まで伸びた連結支持体２００、及び多重円筒支持体１００または連結支持体２００に形成される膜電極接合体（ｍｅｍｂｒａｎｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ａｓｓｅｍｂｌｙ）３００を含むものである。
多重円筒支持体１００は、膜電極接合体３００を支持する役目をし、多数の円筒支持体でなるので、従来の支持体と同一体積の場合、膜電極接合体３００がコートされる面積が大きくて燃料電池の効率を高めることができる。
また、多重円筒支持体１００は、長手方向の垂直断面を見て同心円を成し、多数の円筒支持体の間は連結支持体２００で連結される。本発明による燃料電池を製作するために、直径の異なる多数の円筒支持体を同心状に配置した多重円筒支持体１００を準備した後、連結支持体２００で連結する方式も可能であるが、押出し、射出、ゲル鋳造、スリップ鋳造、プレス技術などによって多重円筒支持体１００と連結支持体２００を一体型に成形することが好ましい。一体型に成形することで、費用を減らすことができ、支持体の機械的強度を高めることができる。また、一体型に成形するときは、多重円筒支持体１００と連結支持体２００の材料が同一であることが好ましい。
ここで、多数の円筒支持体は同心に位置するのが好ましいが、本発明において、同心とは中心が数学的に一致しなければならないものではなく、成形工程上の誤差が含まれることはいうまでもない。
一方、連結支持体２００は、多数の円筒支持体を連結する役目だけではなく、燃料電池に加わる機械的衝撃を吸収する役目をするため、本発明による多重円筒支持体１００は従来の円筒支持体より薄く成形することができる。よって、燃料または空気が多重円筒支持体１００を透過してより早く電極に到逹することができるので、燃料電池の効率を高めることができる。また、連結支持体２００にも膜電極接合体３００をコートすることで、燃料電池の反応面積を一層増加させることができる。
図２Ａ〜図２Ｃを参照すれば、連結支持体２００は二つ（図２Ａ）、三つ（図２Ｂ）及び四つ（図２Ｃ）でなること好ましいが、必ずしもこれらに限定されるものではなく、多数の円筒支持体を安定に連結するように少なくとも二つ以上であれば良い。連結支持体２００が多いほど安定的であるが、あまり多い場合、流体（空気またはガス）が流れる断面積が減少して燃料電池の性能が落ちることがあるため、燃料電池の用途によって適切な数の連結支持体２００を採用することが好ましい。
一方、多重円筒支持体１００または連結支持体２００の成分は、セラミックまたは金属であることが好ましい。また、多重円筒支持体１００と連結支持体２００は、前述したように一体型に成形することが有利であるので、多重円筒支持体１００と連結支持体２００は同一材料で成形することが好ましい。しかし、燃料電池の用途、成形工程、製作費用などを考慮し、必要な場合には多重円筒支持体１００と連結支持体２００の成分を異にすることも可能である。
多重円筒支持体１００または連結支持体２００の成分が金属の場合、所要強度などを考慮して、金属を鉄、銅、アルミニウム、ニッケル、クロム、これらの合金及びこれらの組合せよりなる群から選択することが好ましい。また、前述した成分は導電性があるので、多重円筒支持体１００または連結支持体２００そのものを集電体として利用することができる利点がある。
そして、多重円筒支持体１００または連結支持体２００は、マニホールドから燃料または空気を受けて電極に伝達されるように、気体透過性の多孔性物質を用いることが好ましい。例えば、多孔性物質としては、多孔性セラミックまたはメタルフォーム（ｍｅｔａｌ ｆｏａｍ）、プレートまたはメタルファイバー（ｍｅｔａｌ ｆｉｂｅｒ）などの形状を持つ多孔性金属を利用することができる。
多重円筒支持体１００または連結支持体２００に形成される膜電極接合体３００は、燃料極１４１、１５１、電解質膜１４３、１５３及び空気極１４５、１５５でなり、燃料と空気を受けて電気エネルギーを生成する役目をする。ここで、燃料極１４１、１５１、電解質膜１４３、１５３及び空気極１４５、１５５を形成する方法を例示的に記述する。
空気極１４５、１５５は、ＬＳＭ（Ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ ｄｏｐｅｄ Ｌａｎｔｈａｎｕｍ ｍａｎｇａｎｉｔｅ）、ＬＳＣＦ（（Ｌａ、Ｓｒ）（Ｃｏ、Ｆｅ）Ｏ３）などの組成をスリップコーティング法またはプラズマスプレーコーティング法などでコートした後、１２００°Ｃ〜１３００°Ｃで焼結することで形成することができる。
空気極１４５、１５５は、ＬＳＭ（Ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ ｄｏｐｅｄ Ｌａｎｔｈａｎｕｍ ｍａｎｇａｎｉｔｅ）、ＬＳＣＦ（（Ｌａ、Ｓｒ）（Ｃｏ、Ｆｅ）Ｏ３）などの組成をスリップコーティング法またはプラズマスプレーコーティング法などでコートした後、１２００°Ｃ〜１３００°Ｃで焼結することで形成することができる。
また、電解質膜１４３、１５３は、ＹＳＺ（Ｙｔｔｒｉａ ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ Ｚｉｒｃｏｎｉａ）またはＳｃＳＺ（Ｓｃａｎｄｉｕｍ ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ Ｚｉｒｃｏｎｉａ）、ＧＤＣ、ＬＤＣなどをスリップコーティング法またはプラズマスプレーコーティング法などでコートした後、１３００℃〜１５００℃で焼結することで形成することができる。
そして、燃料極１４１、１５１は、ＮｉＯ−ＹＳＺ（Ｙｔｔｒｉａ ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ Ｚｉｒｃｏｎｉａ）をスリップコーティング法またはプラズマスプレーコーティング法などでコートした後、１２００℃〜１３００℃で加熱することで形成することができる。
図３及び図４は、本発明の好適な第１実施例による多重円筒支持体を備えた燃料電池の断面図である。
図３及び図４に示すように、本発明の好適な第１実施例による多重円筒支持体１００を備えた燃料電池は、内部支持体１１０と内部支持体１１０の外部に形成された外部支持体１２０とからなる多重円筒支持体１００、内部支持体１１０から外部支持体１２０まで伸びた連結支持体２００、及び内部支持体１１０の内面に形成された内部膜電極接合体１４０及び外部支持体１２０の外面に形成された外部膜電極接合体１５０でなる膜電極接合体３００を含むものである。
すなわち、本実施例において、多重円筒支持体１００は、内部支持体１１０と外部支持体１２０とからなる二重円筒支持体である。ここで、留意すべき点は、多重円筒支持体１００及び連結支持体２００の全面に膜電極接合体３００が形成されれば、燃料極と空気極への適切な燃料または酸素の供給が不可能であり、むしろ膜電極接合体３００が燃料または酸素の拡散を防いで燃料電池の効率を落とすことができる。よって、膜電極接合体３００は燃料と酸素の供給を考慮して適切に配置しなければならない。また、短絡を防止するために多重円筒支持体１００と連結支持体２００に接する電極は同一極でなければならない。
本実施例においては、内部支持体１１０の内面と外部支持体１２０の外面にだけ膜電極接合体３００が形成され、内部支持体１１０の内面に形成された膜電極接合体３００を内部膜電極接合体１４０に定義し、外部支持体１２０の外面に形成された膜電極接合体３００を外部膜電極接合体１５０に定義する。また、本実施例は、燃料極と空気極の配置を変更して二通りの形態に製作することができる。
第１の場合、図３に示すように、内部膜電極接合体１４０は、内部支持体１１０の内面から、燃料極１４１、電解質膜１４３、空気極１４５の順に積層され、外部膜電極接合体１５０は外、部支持体１２０の外面から、燃料極１５１、電解質膜１５３、空気極１５５の順に積層される。この際、内部支持体１１０と外部支持体１２０に接する電極はいずれも燃料極１４１、１５１であるので、短絡するおそれがない。また、内部膜電極接合体１４０の最外層は空気極１４５であるので、内部支持体１１０の内部には酸素が供給され、同様に外部膜電極接合体１５０の最外層（ここで、最外層とは、多重円筒支持体１００の中心を基準に定義されたものではなく、膜電極接合体３００が積層される順序を基準にしたもので、後述する説明でも同様である）も空気極１５５であるので、外部支持体１２０の外部には酸素が供給される。一方、燃料は内部支持体１１０と外部支持体１２０の間の空間に供給され、内部支持体１１０と外部支持体１２０を通じて燃料極１４１、１５１に伝達される。
第２の場合、図４に示すように、内部膜電極接合体１４０は、内部支持体１１０の内面から、空気極１４５、電解質膜１４３、燃料極１４１の順に積層され、外部膜電極接合体１５０は、外部支持体１２０の外面から、空気極１５５、電解質膜１５３、燃料極１５１の順に積層される。この場合、内部膜電極接合体１４０の最外層は燃料極１４１であるので、内部支持体１１０の内部には燃料が供給され、同様に外部膜電極接合体１５０の最外層も燃料極１５１であるので、外部支持体１２０の外部には燃料が供給される。一方、酸素は内部支持体１１０と外部支持体１２０の間の空間に供給され、内部支持体１１０と外部支持体１２０を通じて空気極１４５、１５５に伝達される。
図５及び図６は、本発明の好適な第２実施例による多重円筒支持体を備えた燃料電池の断面図である。
図５及び図６に示すように、本発明の好適な第２実施例による多重円筒支持体１００を備えた燃料電池は、内部支持体１１０と内部支持体１１０の外部に形成された外部支持体１２０とからなる多重円筒支持体１００、内部支持体１１０から外部支持体１２０まで伸びた連結支持体２００、及び内部支持体１１０の外面、外部支持体１２０の内面及び連結支持体２００に形成された膜電極接合体３００を含む。本実施例においても、前述したように燃料または酸素の適切な供給及び短絡防止のために、膜電極接合体３００を内部支持体１１０の外面、外部支持体１２０の内面及び連結支持体２００にだけ選択的に形成しなければならなく、内部支持体１１０、外部支持体１２０及び連結支持体２００に接する電極はいずれも同一極でなければならない。また、第１実施例と同様に、本実施例は燃料極と空気極の配置を変更して二通りの形態に製作することができる。
第１の場合、図５に示すように、膜電極接合体３００は、内部支持体１１０の外面、外部支持体１２０の内面及び連結支持体２００から、燃料極２４１、電解質膜２４３、空気極２４５の順に積層される。この際、内部支持体１１０、外部支持体１２０及び連結支持体２００に接する電極はいずれも燃料極２４１であるので短絡するおそれがない。また、膜電極接合体３００の最外層は空気極２４５であるので、内部支持体１１０と外部支持体１２０の間の空間には酸素が供給される。一方、燃料は内部支持体１１０の内部と外部支持体１２０の外部に供給され、内部支持体１１０、外部支持体１２０または連結支持体２００を通じて燃料極２４１に伝達される。
第２の場合、図６に示すように、膜電極接合体３００は、内部支持体１１０の外面、外部支持体１２０の内面及び連結支持体２００から、空気極２４５、電解質膜２４３、燃料極２４１の順に積層される。この際、内部支持体１１０、外部支持体１２０及び連結支持体２００に接する電極はいずれも空気極２４５であるので短絡するおそれがない。また、膜電極接合体３００の最外層は燃料極２４１であるので、内部支持体１１０と外部支持体１２０の間の空間には燃料が供給される。一方、酸素は内部支持体１１０の内部と外部支持体１２０の外部に供給され、内部支持体１１０、外部支持体１２０または連結支持体２００を通じて空気極２４５に伝達される。
図７及び図８は、本発明の好適な第３実施例による多重円筒支持体を備えた燃料電池の断面図である。
図７及び図８に示すように、本発明の好適な第３実施例による多重円筒支持体１００を備えた燃料電池は、内部支持体１１０、内部支持体１１０の外部に形成された外部支持体１２０及び内部支持体１１０と外部支持体１２０の間に形成された中間支持体１３０からなる多重円筒支持体１００、内部支持体１１０から中間支持体１３０まで伸びた第１連結支持体２１０及び中間支持体１３０から外部支持体１２０まで伸びた第２連結支持体２２０でなる連結支持体２００、及び内部支持体１１０の外面と中間支持体１３０の内面及び第１連結支持体２１０に形成された内部膜電極接合体３４０と外部支持体１２０の外面に形成された外部膜電極接合体３５０とからなる膜電極接合体３００を含むものである。
すなわち、本実施例において、多重円筒支持体１００は、内部支持体１１０及び外部支持体１２０、並びに中間支持体１３０でなる三重円筒支持体である。本実施例においても、前述したように、燃料または酸素の適切な供給及び短絡防止のために、膜電極接合体３００を選択的に形成しなければならなく、内部支持体１１０、外部支持体１２０、中間支持体１３０及び連結支持体２００に接する電極はいずれも同一極でなければならない。
本実施例においては、外部支持体１２０の外面に形成された膜電極接合体３００を外部膜電極接合体３５０に定義し、内部支持体１１０の外面と中間支持体１３０の内面及び第１連結支持体２１０に形成された膜電極接合体３００を内部膜電極接合体３４０に定義する。また、第１実施例と同様に、本実施例は燃料極と空気極の配置を変更して二通りの形態に製作することができる。
第１の場合、図７に示すように、内部膜電極接合体３４０は、内部支持体１１０の外面と中間支持体１３０の内面及び第１連結支持体２１０から、燃料極３４１、電解質膜３４３、空気極３４５の順に積層され、外部膜電極接合体３５０は、外部支持体１２０の外面から、燃料極３５１、電解質膜３５３、空気極３５５の順に積層される。この際、内部支持体１１０、中間支持体１３０、外部支持体１２０及び第１連結支持体２１０に接する電極はいずれも燃料極３４１、３５１であるので短絡するおそれがない。また、内部膜電極接合体３４０の最外層と外部膜電極接合体３５０の最外層は空気極３４５、３５５であるので、内部支持体１１０と中間支持体１３０の間の空間及び外部支持体１２０の外部には酸素が供給される。一方、燃料は外部支持体１２０と中間支持体１３０の間の空間及び内部支持体１１０の内部に供給され、内部支持体１１０、外部支持体１２０、中間支持体１３０または連結支持体２００を通じて燃料極３４１、３５１に伝達される。
第２の場合、図８に示すように、内部膜電極接合体３４０は、内部支持体１１０の外面と中間支持体１３０の内面及び第１連結支持体２１０から、空気極３４５、電解質膜３４３、燃料極３４１の順に積層され、外部膜電極接合体３５０は、外部支持体１２０の外面から、空気極３５５、電解質膜３５３、燃料極３５１の順に積層される。この際、内部支持体１１０、中間支持体１３０、外部支持体１２０及び第１連結支持体２１０に接する電極はいずれも空気極３４５、３５５であるので短絡するおそれがない。また、内部膜電極接合体３４０の最外層と外部膜電極接合体３５０の最外層は燃料極３４１、３５１であるので、内部支持体１１０と中間支持体１３０の間の空間及び外部支持体１２０の外部には燃料が供給される。一方、酸素は外部支持体１２０と中間支持体１３０の間の空間及び内部支持体１１０の内部に供給され、内部支持体１１０、外部支持体１２０、中間支持体１３０または連結支持体２００を通じて空気極３４５、３５５に伝達される。
図９及び図１０は、本発明の好適な第４実施例による多重円筒支持体を備えた燃料電池の断面図である。
図９及び図１０に示すように、本発明の好適な第４実施例による多重円筒支持体１００を備えた燃料電池は、内部支持体１１０及び内部支持体１１０の外部に形成された外部支持体１２０、並びに内部支持体１１０と外部支持体１２０の間に形成された中間支持体１３０でなる多重円筒支持体１００、内部支持体１１０から中間支持体１３０まで伸びた第１連結支持体２１０と中間支持体１３０から外部支持体１２０まで伸びた第２連結支持体２２０でなる連結支持体２００、及び内部支持体１１０の内面に形成された内部膜電極接合体４４０と外部支持体１２０の内面と中間支持体１３０の外面及び第２連結支持体２２０に形成された外部膜電極接合体４５０とからなる膜電極接合体３００を含むものである。
本実施例においても、前述したように、燃料または酸素の適切な供給及び短絡防止のために、膜電極接合体３００を選択的に形成しなければならなく、内部支持体１１０、外部支持体１２０、中間支持体１３０及び連結支持体２００に接する電極はいずれも同一極でなければならない。
本実施例においては、内部支持体１１０の内面に形成された膜電極接合体３００を内部膜電極接合体４４０に定義し、中間支持体１３０の外面、外部支持体１２０の内面及び第２連結支持体２２０に形成された膜電極接合体３００を外部膜電極接合体４５０に定義する。また、第１実施例と同様に、本実施例は燃料極と空気極の配置を変更して二通りの形態に製作することができる。
第１の場合、図９に示すように、内部膜電極接合体４４０は、内部支持体１１０の内面から、燃料極４４１、電解質膜４４３、空気極４４５の順に積層され、外部膜電極接合体４５０は、中間支持体１３０の外面、外部支持体１２０の内面及び第２連結支持体２２０から、燃料極４５１、電解質膜４５３、空気極４５５の順に積層される。この際、内部支持体１１０、中間支持体１３０、外部支持体１２０及び第２連結支持体２２０に接する電極はいずれも燃料極４４１、４５１であるので短絡するおそれがない。また、内部膜電極接合体４４０の最外層と外部膜電極接合体４５０の最外層は空気極４４５、４５５であるので、中間支持体１３０と外部支持体１２０の間の空間及び内部支持体１１０の内部には酸素が供給される。一方、燃料は内部支持体１１０と中間支持体１３０の間の空間及び外部支持体１２０の外部に供給され、内部支持体１１０、外部支持体１２０、中間支持体１３０または連結支持体２００を通じて燃料極４４１、４５１に伝達される。
第２の場合、図１０に示すように、内部膜電極接合体４４０は、内部支持体１１０の内面から、空気極４４５、電解質膜４４３、燃料極４４１の順に積層され、外部膜電極接合体４５０は、中間支持体１３０の外面、外部支持体１２０の内面及び第２連結支持体２２０から、空気極４５５、電解質膜４５３、燃料極４５１の順に積層される。この際、内部支持体１１０、中間支持体１３０、外部支持体１２０及び第２連結支持体２２０に接する電極はいずれも空気極４４５、４５５であるので短絡するおそれがない。また、内部膜電極接合体４４０の最外層と外部膜電極接合体４５０の最外層は燃料極４４１、４５１であるので、中間支持体１３０と外部支持体１２０の間の空間及び内部支持体１１０の内部には燃料が供給される。一方、酸素は内部支持体１１０と中間支持体１３０の間の空間及び外部支持体１２０の外部に供給され、内部支持体１１０、外部支持体１２０、中間支持体１３０または連結支持体２００を通じて空気極４４５、４５５に伝達される。
以上、本発明を具体的な実施例に基づいて詳細に説明したが、これは本発明を具体的に説明するためのもので、本発明による多重円筒支持体を備えた燃料電池はこれに限定されなく、本発明の技術的思想内で当該分野の通常の知識を持った者によって多様な変形及び改良が可能であろう。特に、前述した実施例においては、多重円筒支持体の最も基本的な構造である二重円筒支持体及び三重円筒支持体を基準に説明したが、これに限定されなく、円筒支持体がそれ以上に重なった場合も本発明の権利範囲に属する。本発明の単純な変形ないし変更はいずれも本発明の範疇内に属するもので、本発明の具体的な保護範囲は特許請求範囲によって明らかに決まるであろう。
本発明は、多重円筒支持体を採用して信頼性及び耐久性を高めるとともに燃料電池の反応面積を拡大して発電効率を高める多重円筒支持体を備えた燃料電池に適用可能である。
１００ 多重円筒支持体
１１０ 内部支持体
１２０ 外部支持体
１３０ 中間支持体
１４０、３４０、４４０ 内部膜電極接合体
１５０、３５０、４５０ 外部膜電極接合体
１４１、１５１、２４１、３４１、３５１、４４１、４５１ 燃料極
１４３、１５３、２４３、３４３、３５３、４４３、４５３ 電解質膜
１４５、１５５、２４５、３４５、３５５、４４５、４５５ 空気極
２００ 連結支持体
２１０ 第１連結支持体
２２０ 第２連結支持体
３００ 膜電極接合体
１１０ 内部支持体
１２０ 外部支持体
１３０ 中間支持体
１４０、３４０、４４０ 内部膜電極接合体
１５０、３５０、４５０ 外部膜電極接合体
１４１、１５１、２４１、３４１、３５１、４４１、４５１ 燃料極
１４３、１５３、２４３、３４３、３５３、４４３、４５３ 電解質膜
１４５、１５５、２４５、３４５、３５５、４４５、４５５ 空気極
２００ 連結支持体
２１０ 第１連結支持体
２２０ 第２連結支持体
３００ 膜電極接合体
Claims (19)
- 直径の異なる多数の同心状の円筒支持体でなる多重円筒支持体；
前記多数の円筒支持体の中で最内側の円筒支持体から最外側の円筒支持体まで伸びた連結支持体；及び
前記多重円筒支持体または前記連結支持体に形成された膜電極接合体；
を含むことを特徴とする、多重円筒支持体を備えた燃料電池。 - 前記多重円筒支持体は、内部支持体と前記内部支持体の外部に形成された外部支持体でなり、
前記連結支持体は、前記内部支持体から前記外部支持体まで伸び、
前記膜電極接合体は、前記内部支持体の内面に形成された内部膜電極接合体、及び前記外部支持体の外面に形成された外部膜電極接合体を含むことを特徴とする請求項１に記載の多重円筒支持体を備えた燃料電池。 - 前記内部膜電極接合体は、前記内部支持体の内面から燃料極、電解質膜、空気極の順に積層され、
前記外部膜電極接合体は、前記外部支持体の外面から燃料極、電解質膜、空気極の順に積層されることを特徴とする請求項２に記載の多重円筒支持体を備えた燃料電池。 - 前記内部膜電極接合体は、前記内部支持体の内面から空気極、電解質膜、燃料極の順に積層され、
前記外部膜電極接合体は、前記外部支持体の外面から空気極、電解質膜、燃料極の順に積層されることを特徴とする請求項２に記載の多重円筒支持体を備えた燃料電池。 - 前記多重円筒支持体は、内部支持体と前記内部支持体の外部に形成された外部支持体でなり、
前記連結支持体は、前記内部支持体から前記外部支持体まで伸び、
前記膜電極接合体は、前記内部支持体の外面、前記外部支持体の内面及び連結支持体に形成されることを特徴とする請求項１に記載の多重円筒支持体を備えた燃料電池。 - 前記膜電極接合体は、前記内部支持体の外面、前記外部支持体の内面及び連結支持体から燃料極、電解質膜、空気極の順に積層されることを特徴とする請求項５に記載の多重円筒支持体を備えた燃料電池。
- 前記膜電極接合体は、前記内部支持体の外面、前記外部支持体の内面及び連結支持体から空気極、電解質膜、燃料極の順に積層されることを特徴とする請求項５に記載の多重円筒支持体を備えた燃料電池。
- 前記多重円筒支持体は、内部支持体、前記内部支持体の外部に形成された外部支持体及び前記内部支持体と前記外部支持体の間に形成された中間支持体でなり、
前記連結支持体は、前記内部支持体から前記中間支持体まで伸びた第１連結支持体、及び前記中間支持体から前記外部支持体まで伸びた第２連結支持体でなり、
前記膜電極接合体は、前記内部支持体の外面、前記中間支持体の内面及び第１連結支持体に形成された内部膜電極接合体、及び前記外部支持体の外面に形成された外部膜電極接合体でなることを特徴とする請求項１に記載の多重円筒支持体を備えた燃料電池。 - 前記内部膜電極接合体は、前記内部支持体の外面、前記中間支持体の内面及び第１連結支持体から燃料極、電解質膜、空気極の順に積層され、
前記外部膜電極接合体は、前記外部支持体の外面から燃料極、電解質膜、空気極の順に積層されることを特徴とする請求項８に記載の多重円筒支持体を備えた燃料電池。 - 前記内部膜電極接合体は、前記内部支持体の外面、前記中間支持体の内面及び第１連結支持体から空気極、電解質膜、燃料極の順に積層され、
前記外部膜電極接合体は、前記外部支持体の外面から空気極、電解質膜、燃料極の順に積層されることを特徴とする請求項８に記載の多重円筒支持体を備えた燃料電池。 - 前記多重円筒支持体は、内部支持体、前記内部支持体の外部に形成された外部支持体及び前記内部支持体と前記外部支持体の間に形成された中間支持体でなり、
前記連結支持体は、前記内部支持体から前記中間支持体まで伸びた第１連結支持体、及び前記中間支持体から前記外部支持体まで伸びた第２連結支持体でなり、
前記膜電極接合体は、前記内部支持体の内面に形成された内部膜電極接合体、及び前記中間支持体の外面、前記外部支持体の内面及び第２連結支持体に形成された外部膜電極接合体でなることを特徴とする請求項１に記載の多重円筒支持体を備えた燃料電池。 - 前記内部膜電極接合体は、前記内部支持体の内面から燃料極、電解質膜、空気極の順に積層され、
前記外部膜電極接合体は、前記中間支持体の外面、前記外部支持体の内面及び第２連結支持体から燃料極、電解質膜、空気極の順に積層されることを特徴とする請求項１１に記載の多重円筒支持体を備えた燃料電池。 - 前記内部膜電極接合体は、前記内部支持体の内面から空気極、電解質膜、燃料極の順に積層され、
前記外部膜電極接合体は、前記中間支持体の外面、前記外部支持体の内面及び第２連結支持体から空気極、電解質膜、燃料極の順に積層されることを特徴とする請求項１１に記載の多重円筒支持体を備えた燃料電池。 - 前記多重円筒支持体及び前記連結支持体は、一体型であることを特徴とする請求項１に記載の多重円筒支持体を備えた燃料電池。
- 前記連結支持体は、少なくとも二つであることを特徴とする請求項１に記載の多重円筒支持体を備えた燃料電池。
- 前記多重円筒支持体または前記連結支持体は、セラミックでなることを特徴とする請求項１に記載の多重円筒支持体を備えた燃料電池。
- 前記多重円筒支持体または前記連結支持体は、金属でなることを特徴とする請求項１に記載の多重円筒支持体を備えた燃料電池。
- 前記金属は、鉄、銅、アルミニウム、ニッケル、クロム、これらの合金及びこれらの組合せよりなる群から選択された物質であることを特徴とする請求項１７に記載の多重円筒支持体を備えた燃料電池。
- 前記多重円筒支持体または前記連結支持体は、多孔性物質でなることを特徴とする請求項１に記載の多重円筒支持体を備えた燃料電池。
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