JP2011034946A

JP2011034946A - 集電可能なマニホールドを備えた燃料電池

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Publication number: JP2011034946A
Application number: JP2009219129A
Authority: JP
Inventors: Jae Hyuk Jang; ヒュックジャン，ゼ; Jong Sik Yoon; シックユン，ジョン; Eon Soo Lee; スリ，エン; jong ho Chung; ホチョン，ジョン; Jae Hyoung Gil; ヒュンギル，ゼ; Sung Han Kim; ハンキム，ション
Original assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Priority date: 2009-08-04
Filing date: 2009-09-24
Publication date: 2011-02-17
Anticipated expiration: 2029-09-24
Also published as: JP5068294B2; US20110033780A1; US8617761B2; KR101109233B1; KR20110013926A

Abstract

【課題】付加の集電体が不要な燃料電池を提供する。
【解決手段】導電性物質で形成された管状支持体、前記管状支持体の外周面に積層された単位電池及び前記単位電池の外周面に積層された集電層を含むセル１００；及び前記管状支持体の内部に気体を供給し、前記管状支持体と電気的に結合されるマニホールド内管２１０及び前記マニホールド内管２１０の外部に備えられ、前記集電層と電気的に結合されるマニホールド外管２３０を含むマニホールド２００；を含む。
【選択図】図２

Description

本発明は集電可能なマニホールド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（Ｈ_２）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：Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
空気極３：１／２Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ
全反応：Ｈ_２＋１／２Ｏ_２→Ｈ_２０

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、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）を実用化するためには、集電過程とマニホールド（ｍａｎｉｆｏｌｄ）連結過程に解決すべき問題点がある。

従来技術は、セル（ｃｅｌｌ）の内部はメタルフォーム（ｍｅｔａｌｆｏａｍ）を、外部は金属線を採用して集電を行った。しかし、このような構造においては、セルが大型化するほど必要な高価金属線の量が増加して製造コストが上昇し、構造的に複雑になって大量生産しにくい問題点がある。また、セルで問題が発生して入替えが必要な場合、メタルフォームと金属線を共に除去し、入れ替るセルにさらにメタルフォームと金属線を設置しなければならない複雑な工程を行わなければならない問題点がある。

マニホールドとセル間の結合の困難さである。セルに水素または空気を供給するマニホールドは通常金属でなる一方、セルはセラミックでなっている。したがって、異種材質である金属とセラミックを結合されるためにろう付け（ｂｒａｚｉｎｇ）工程を用いる。しかし、ろう付け工程は、熔接過程で誘導コイルの電圧を高める速度と電圧の維持時間、ろう付け後の冷却条件によってセル内部が塞がる場合が発生するか熔接不良が発生する問題点がある。

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、マニホールドに集電機能を付け加えることで、付加の集電体を不要にする燃料電池を提供することである。

本発明の一面による集電可能なマニホールドを備えた燃料電池は、導電性物質で形成された管状支持体、前記管状支持体の外周面に積層された単位電池及び前記単位電池の外周面に積層された集電層を含むセル；及び前記管状支持体の内部に気体を供給し、前記管状支持体と電気的に結合されるマニホールド内管及び前記マニホールド内管の外部に備えられ、前記集電層と電気的に結合されるマニホールド外管を含むマニホールド；を含む。

前記管状支持体の一端部が伸びてなる内部結合材と前記マニホールド内管の一端部が螺合することにより、前記管状支持体と前記マニホールド内管が電気的に結合されることができる。

前記集電層の一端部に前記集電層と電気的に結合された外部結合材が備えられ、前記外部結合材と前記マニホールド外管の一端部が螺合することにより、前記集電層と前記マニホールド外管が電気的に結合されることができる。

前記単位電池は、前記管状支持体の外周面に燃料極、電解質、空気極の順に積層されて形成され、前記マニホールド内管は、前記管状支持体の内部に燃料を供給することができる。

前記単位電池は、前記管状支持体の外周面に燃料極、層間膜、電解質、層間膜、空気極の順に積層されて形成され、前記マニホールド内管は、前記管状支持体の内部に燃料を供給することができる。

前記単位電池は、前記管状支持体の外周面に空気極、電解質、燃料極の順に積層されて形成され、前記マニホールド内管は、前記管状支持体の内部に空気または酸素を供給することができる。

前記単位電池は、前記管状支持体の外周面に空気極、層間膜、電解質、層間膜、燃料極の順に積層されて形成され、前記マニホールド内管は、前記管状支持体の内部に空気または酸素を供給することができる。

前記単位電池の一端部に形成され、前記単位電池とマニホールド内管の間の電気的接触を遮断する絶縁膜をさらに含むことができる。

本発明の他の面による集電可能なマニホールドを備えた燃料電池は、導電性物質で形成された管状支持体、前記管状支持体の外周面に積層された単位電池及び前記単位電池の外周面に積層された集電層を含むセル；及び前記管状支持体の内部に気体を供給する気体供給管、前記気体供給管の外部に備えられ、前記気体を排出し、前記管状支持体と電気的に結合されるマニホールド内管及び前記マニホールド内管の外部に備えられ、前記集電層と電気的に結合されるマニホールド外管を含むマニホールド；を含む。

前記単位電池は、前記管状支持体の外周面に燃料極、電解質、空気極の順に積層されて形成され、前記気体供給管は、前記管状支持体の内部に燃料を供給することができる。

前記単位電池は、前記管状支持体の外周面に燃料極、層間膜、電解質、層間膜、空気極の順に積層されて形成され、前記気体供給管は、前記管状支持体の内部に燃料を供給することができる。

前記単位電池は、前記管状支持体の外周面に空気極、電解質、燃料極の順に積層されて形成され、前記気体供給管は、前記管状支持体の内部に空気または酸素を供給することができる。

前記単位電池は、前記管状支持体の外周面に空気極、層間膜、電解質、層間膜、燃料極の順に積層されて形成され、前記気体供給管は、前記管状支持体の内部に空気または酸素を供給することができる。

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、燃料電池に集電可能なマニホールドを採用することで、集電のための付加のメタルフォームまたは金属線の設置が不要であり、気体（燃料または空気など）を供給するマニホールドで集電までもなすことができる効果がある。また、セルで問題が発生した場合、集電のためのメタルフォームまたは金属線を除去する必要なしにマニホールドに対する機械的分離と結合によって手軽くセルを入れ替ることができる利点がある。

本発明によれば、セルとマニホールドをネジで結合させることで、ろう付け工程なしにも完全な密封が可能な利点がある。

燃料電池の作動原理を示す図である。本発明の好適な第１実施例による集電可能なマニホールドを備えた燃料電池の斜視図である。図２に示す集電可能なマニホールドを備えた燃料電池の断面図である。図３に示すＡ部の拡大図である。図３に示すＡ部の拡大図である。本発明の好適な第２実施例による集電可能なマニホールドを備えた燃料電池の斜視図である。図６に示す集電可能なマニホールドを備えた燃料電池の断面図である。図７に示すＢ部の拡大図である。図７に示すＢ部の拡大図である。

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Ｏ_２及びＨ_２-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２は本発明の好適な第１実施例による集電可能なマニホールドを備えた燃料電池の斜視図、図３は図２に示す集電可能なマニホールド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実施例による燃料電池について説明する。

図２及び図３に示すように、本実施例による集電可能なマニホールドを備えた燃料電池は、導電性物質で形成された管状支持体１１０、管状支持体１１０の外周面に積層された単位電池１３０及び単位電池１３０の外周面に積層された集電層１５０を含むセル１００、及び管状支持体１１０の内部に気体を供給し、管状支持体１１０と電気的に結合されるマニホールド内管２１０及びマニホールド内管２１０の外部に備えられ集電層１５０と電気的に結合されるマニホールド外管２３０を含むマニホールド２００から構成される。

セル１００は最内層の集電のための管状支持体１１０と最外層の集電のための集電層１５０を含み、管状支持体１１０と集電層１５０の間には電流を生成する単位電池１３０が備えられる。

管状支持体１１０は、基本的に単位電池１３０を支持し、電極に気体（燃料または空気）を伝達する役目をする。よって、単位電池１３０を支持するための所定強度以上の支持力と電極に気体を伝達することができる気体透過性（多孔性）を持たなければならない。

また、本発明による管状支持体１１０は、電流を集電する役目をしなければならないため、導電性物質で構成されなければならない。管状支持体１１０は最内側に積層され、管状支持体１１０と接する電極（燃料極１３１または空気極１３９）で生成した電流を集電する。また、管状支持体１１０の一端部が伸びて形成された内部結合材１２０は後述するマニホールド内管２１０と結合されて、集電された電流をマニホールド内管２１０に伝達する。

集電層１５０は単位電池１３０の中で最外側に積層され、集電層１５０と接する電極（燃料極１３１または空気極１３９）で生成した電流を集電する。よって、集電層１５０は導電性成分を単位電池１３０にコートして形成することが好ましい。また、集電層１５０の一端部には集電層１５０と電気的に結合された外部結合材１６０が備えられ、外部結合材１６０は後述するマニホールド外管２３０と結合されて、集電された電流をマニホールド外管２３０に伝達する。

マニホールド２００は、セル１００に気体（燃料または空気）を供給する役目とともに二重構造で形成されて前述した管状支持体１１０と集電層１５０から電流を受けて燃料電池の集電を完了する役目をする。

ここで、マニホールド２００の二重構造はマニホールド内管２１０とその外部に備えられたマニホールド外管２３０とから構成される。また、マニホールド２００は集電体の役目をしなければならないので、導電性物質で形成することが好ましい。

マニホールド内管２１０は管状支持体１１０に気体（燃料または空気）を供給するもので、管状支持体１１０と電気的に結合される。より詳細には、管状支持体１１０の一端部が伸びてなる内部結合材１２０及びマニホールド内管２１０の一端部にはそれぞれ対応ネジ部が形成され、このネジ部の螺合によって内部結合材１２０とマニホールド内管２１０の一端部を結合することで、管状支持体１１０とマニホールド内管２１０が電気的に結合される。また、前述した螺合によってマニホールド内管２１０と管状支持体１１０はまったく密封されるので、気体の流出を防止することができる。

一方、内部結合材１２０とマニホールド内管２１０の一端部が結合すると、マニホールド内管２１０の一端部が単位電池１３０の一端部と電気的に接触して後述する燃料極１３１と空気極１３９が短絡することができる。これを防止するために、単位電池１３０の一端部に絶縁膜１７０を環状に形成することが好ましい。

マニホールド外管２３０は集電層１５０と電気的に結合される。より詳細には、集電層１５０の一端部に集電層１５０と電気的に結合される外部結合材１６０が備えられ、外部結合材１６０とマニホールド外管２３０の一端部にそれぞれ対応ネジ部が形成され、この対応ネジ部を利用して外部結合材１６０とマニホールド外管２３０の一端部を螺合することで、集電層１５０とマニホールド外管２３０が電気的に結合される。

ここで、外部結合材１６０の上部に形成された六角フランジ１６５をモンキースパナ、プライヤーなどの工具を利用して回転させることだけで内部結合材１２０とマニホールド内管２１０の結合とともに外部結合材１６０とマニホールド外管２３０の結合を同時になし得るように対応ネジ部を形成することが好ましい。また、セル１００で問題が発生した場合は、結合時の回転方向と反対方向に六角フランジ１６５を回転させて螺合を解除し、セル１００を手軽く入れ替ることができる。

図４及び図５は図３に示すＡ部の拡大図であり、図４と図５の相違点は燃料極１３１と空気極１３９の形成位置である。

図４を参照すれば、単位電池１３０は、管状支持体１１０の外周面に燃料極１３１、層間膜１３３、電解質１３５、層間膜１３７、空気極１３９の順に積層されて形成される。管状支持体１１０に燃料極１３１が接するので、マニホールド内管２１０は管状支持体１１０の内部に燃料を供給し、燃料は多孔性の管状支持体１１０を透過して燃料極１３１に伝達される。また、単位電池１３０の最外層には空気極１３９が積層されるので、セル１００の外部には空気雰囲気が形成され、空気極１３９に空気または酸素が供給される。燃料極１３１に燃料が供給されるとともに空気極１３９に空気または酸素が供給されれば、単位電池１３０では化学反応によって電流が生成される。ここで、燃料極１３１で生成された陰電流は管状支持体１１０を通じてマニホールド内管２１０に集電され、空気極１３９で生成された陽電流は集電層１５０を通じてマニホールド外管２３０に集電される。

一方、燃料極１３１と電解質１３５の間と空気極１３９と電解質１３５の間には層間膜１３３、１３７が積層されることが好ましい。層間膜１３３、１３７は、電極と電解質１３５の間の界面で発生する熱膨張係数の差を減らすことで電極と電解質１３５の間のイオン流れを速め、これにより最終的に燃料電池の性能を向上させる。ただ、層間膜１３３、１３７は電流生成に必須の構成要素ではないので、単位電池１３０は、層間膜１３３、１３７を除き、管状支持体１１０の外周面に燃料極１３１、電解質１３５、空気極１３９の順に積層されて形成できる。

ここで、燃料極１３１、電解質１３５及び空気極１３９を形成する方法を例示的に説明すれば、燃料極１３１はＮｉＯ−ＹＳＺ（ＹｔｔｒｉａｓｔａｂｉｌｉｚｅｄＺｉｒｃｏｎｉａ）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。また、電解質１３５はＹＳＺ（ＹｔｔｒｉａｓｔａｂｉｌｉｚｅｄＺｉｒｃｏｎｉａ）またはＳｃＳＺ（ＳｃａｎｄｉｕｍｓｔａｂｉｌｉｚｅｄＺｉｒｃｏｎｉａ）、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℃焼結することで形成することができる。そして、空気極１３９はＬＳＭ（ＳｔｒｏｎｔｉｕｍｄｏｐｅｄＬａｎｔｈａｎｕｍｍａｎｇａｉｔｅ）、ＬＳＣＦ（（Ｌａ、Ｓｒ）（Ｃｏ、Ｆｅ）Ｏ_３）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℃〜１３００℃で焼結することで形成することができる。

図５を参照すれば、前述した場合と反対に、単位電池１３０は、管状支持体１１０の外周面に空気極１３９、層間膜１３７、電解質１３５、層間膜１３３、燃料極１３１の順に積層されて形成される。管状支持体１１０に空気極１３９が接するので、マニホールド内管２１０は管状支持体１１０の内部に空気または酸素を供給し、空気または酸素は多孔性の管状支持体１１０を透過して空気極１３９に伝達される。また、単位電池１３０の最外層には燃料極１３１が積層されるので、セル１００の外部には燃料雰囲気が形成され、燃料極１３１に燃料が供給される。空気極１３９に空気または酸素が供給されるとともに燃料極１３１に燃料が供給されれば、単位電池１３０では化学反応によって電流が生成される。ここで、空気極１３９で生成された陽電流は管状支持体１１０を通じてマニホールド内管２１０に集電され、燃料極１３１で生成された陰電流は集電層１５０を通じてマニホールド外管２３０に集電される。

一方、前述したように、燃料極１３１と電解質１３５の間と空気極１３９と電解質１３５の間には層間膜１３３、１３７が積層されることが好ましいが、層間膜１３３、１３７は電流生成に必須の構成要素ではないので、単位電池１３０は、層間膜１３３、１３７を除き、管状支持体１１０の外周面に空気極１３９、電解質１３５、燃料極１３１の順に積層されて形成できる。

図６は本発明の好適な第２実施例による集電可能なマニホールドを備えた燃料電池の斜視図、図７は図６に示す集電可能なマニホールドを備えた燃料電池の断面図である。

図６及び図７に示すように、本実施例による集電可能なマニホールドを備えた燃料電池は、導電性物質で形成された管状支持体３１０、管状支持体３１０の外周面に積層された単位電池３３０及び単位電池３３０の外周面に積層された集電層３５０を含むセル３００、及び管状支持体３１０の内部に気体を供給する気体供給管４２０、気体供給管４２０の外部に備えられ、気体を排出し、管状支持体３１０と電気的に結合されるマニホールド内管４１０及びマニホールド内管４１０の外部に備えられ、集電層３５０と電気的に結合されるマニホールド外管４３０を含むマニホールド４００でなる。

本実施例と前述した第１実施例の最大の相違点は気体供給管４２０の有無である。本実施例は気体供給管４２０が気体（燃料または空気）を供給するが、第１実施例はマニホールド内管４１０が気体（燃料または空気）を供給する。第１実施例は通常マニホールド内管４１０から供給された気体（燃料または空気）が管状支持体３１０の他端部に形成された開口部を通じてセル３００の外部に排出されるものである。一方、本実施例は、図７に示すように、管状支持体３１０の他端部が密閉しているため、気体供給管４２０から供給された気体がマニホールド内管４１０を通じてセル３００の外部に排出されるものである。特に、本実施例は、気体供給管４２０を管状支持体３１０の内部に伸ばして気体が管状支持体３１０の内部に均一に供給されるようにすることが好ましい。この際、気体供給管４２０の延長部の長さは、供給される気体の圧力、気体供給管４２０と管状支持体３１０の直径比などを考慮して調節することができる。

セル３００は最内層と最外層に集電のための管状支持体３１０と集電層３５０が備えられ、管状支持体３１０と集電層３５０の間には電流を生成する単位電池３３０が備えられる。ここで、管状支持体３１０と集電層３５０は第１実施例と同等な役目をし、同一材料で形成される。

マニホールド４００は、セル３００に気体（燃料または空気）を供給する役目だけではなく、三重構造で形成され、前述した管状支持体３１０と集電層３５０から電流を受けて燃料電池の集電を完了する役目をする。

ここで、マニホールド４００の三重構造は、最内層の気体供給管４２０、最外層のマニホールド外管４３０、及び気体供給管４２０とマニホールド外管４３０の間に配設されたマニホールド内管４１０でなる。また、マニホールド内管４１０とマニホールド外管４３０は集電体の役目をしなければならないので、導電性物質で形成することが好ましい。

気体供給管４２０は管状支持体３１０に気体（燃料または空気）を供給し、気体供給管４２０の外部に備えられるマニホールド内管４１０は管状支持体３１０と電気的に結合される。また、前述した第１実施例とは異なり、本実施例のマニホールド内管４１０は供給された気体（燃料または空気）をセル３００の外部に排出させる役目をする。

管状支持体３１０とマニホールド内管４１０の電気的な結合をより詳細に説明すれば、管状支持体３１０の一端部が伸びてなる内部結合材３２０及びマニホールド内管４１０の一端部にそれぞれ対応ネジ部が形成され、この対応ネジ部を利用して内部結合材３２０とマニホールド内管４１０の一端部を螺合することで、管状支持体３１０とマニホールド内管４１０が電気的に結合されるものである。また、前述した螺合によってマニホールド内管４１０と管状支持体３１０はまったく密封されるので、気体の流出を防止することができる。

一方、内部結合材３２０とマニホールド内管４１０の一端部が結合されると、マニホールド内管４１０の一端部が単位電池３３０の一端部と電気的に接触して、後述する燃料極３３１と空気極３３９が短絡することができる。これを防止するために、単位電池３３０の一端部に絶縁膜３７０を環状に形成することが好ましい。

また、マニホールド４００の三重構造の中で最外層に備えられるマニホールド外管４３０は集電層３５０と電気的に結合される。より詳細には、集電層３５０の一端部に集電層３５０と電気的に結合される外部結合材３６０が備えられ、外部結合材３６０及びマニホールド外管４３０の一端部にそれぞれ対応ネジ部が形成され、この対応ネジ部を利用して外部結合材３６０とマニホールド外管４３０の一端部を螺合することで集電層３５０とマニホールド外管４３０が電気的に結合されるものである。

前述したように、外部結合材３６０の上部に形成された六角フランジ３６５をモンキースパナ、プライヤーなどの工具を利用して回転させることだけで内部結合材３２０とマニホールド内管４１０の結合及び外部結合材３６０とマニホールド外管４３０の結合を同時になし得るように対応ネジ部を形成することが好ましい。

図８及び図９は図７に示すＢ部の拡大図であり、図８と図９の相違点は燃料極３３１と空気極３３９の形成位置である。

図８を参照すれば、単位電池３３０は、管状支持体３１０の外周面に燃料極３３１、層間膜３３３、電解質３３５、層間膜３３７、空気極３３９の順に積層されて形成される。管状支持体３１０に燃料極３３１が接するので、気体供給管４２０は管状支持体３１０の内部に燃料を供給し、燃料は多孔性の管状支持体３１０を透過して燃料極３３１に伝達される。また、単位電池３３０の最外層には空気極３３９が積層されるので、セル３００の外部には空気雰囲気が形成され、空気極３３９に空気または酸素が供給される。燃料極３３１に燃料が供給されるとともに空気極３３９に空気または酸素が供給されれば、単位電池３３０では化学反応によって電流が生成される。ここで、燃料極３３１で生成された陰電流は管状支持体３１０を通じてマニホールド内管４１０に集電され、空気極３３９で生成された陽電流は集電層３５０を通じてマニホールド外管４３０に集電される。

一方、前述した第１実施例と同様に、燃料極３３１と電解質３３５の間と空気極３３９と電解質３３５の間には層間膜３３３、３３７が積層されることが好ましいが、層間膜３３３、３３７は電流生成に必須の構成要素ではないので、単位電池３３０は、層間膜３３３、３３７を除き、管状支持体３１０の外周面に空気極３３９、電解質３３５、燃料極３３１の順に積層されて形成できる。

また、燃料極３３１、電解質３３５及び空気極３３９を形成する方法は第１実施例と同一であるので、前述した内容を参考すればよい。

図９を参照すれば、前述した場合とは反対に、単位電池３３０は、管状支持体３１０の外周面に空気極３３９、層間膜３３７、電解質３３５、層間膜３３３、燃料極３３１の順に積層されて形成される。管状支持体３１０に空気極３３９が接するので、気体供給管４２０は管状支持体３１０の内部に空気または酸素を供給し、空気または酸素は多孔性の管状支持体３１０を透過して空気極３３９に伝達される。また、単位電池３３０の最外層には燃料極３３１が積層されるので、セル３００の外部には燃料雰囲気が形成され、燃料極３３１に燃料が供給される。空気極３３９に空気または酸素が供給されるとともに燃料極３３１に燃料が供給されれば、単位電池３３０では化学反応によって電流が生成される。ここで、空気極３３９で生成された陽電流は管状支持体３１０を通じてマニホールド内管４１０に集電され、燃料極３３１で生成された陰電流は集電層３５０を通じてマニホールド外管４３０に集電される。

一方、前述したように、燃料極３３１と電解質３３５の間と空気極３３９と電解質３３５の間には層間膜３３３、３３７が積層されることが好ましいが、層間膜３３３、３３７は電流生成に必須の構成要素ではないので、単位電池３３０は、層間膜３３３、３３７を除き、管状支持体３１０の外周面に空気極３３９、電解質３３５、燃料極３３１の順に積層されて形成できる。

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、本発明による集電可能なマニホールド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、本発明の好適な実施例は、個体酸化物燃料電池を基準に説明したが、これに限定されなく、管状支持体、マニホールドを構成要素とするいずれの燃料電池にも適用可能である。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、燃料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燃料電池に適用可能である。

１００、３００セル
１１０、３１０管状支持体
１２０、３２０内部結合材
１３０、３３０単位電池
１３１、３３１燃料極
１３３、１３７、３３３、３３７層間膜
１３５、３３５電解質
１３９、３３９空気極
１５０、３５０集電層
１６０、３６０外部結合材
１６５、３６５六角フランジ
１７０、３７０絶縁膜
２００、４００マニホールド
２１０、４１０マニホールド内管
２３０、４３０マニホールド外管
４２０気体供給管

Claims

導電性物質で形成された管状支持体、前記管状支持体の外周面に積層された単位電池及び前記単位電池の外周面に積層された集電層を含むセル；及び
前記管状支持体の内部に気体を供給し、前記管状支持体と電気的に結合されるマニホールド内管及び前記マニホールド内管の外部に備えられ、前記集電層と電気的に結合されるマニホールド外管を含むマニホールド；
を含むことを特徴とする、集電可能なマニホールドを備えた燃料電池。
前記管状支持体の一端部が伸びてなる内部結合材と前記マニホールド内管の一端部が螺合することにより、前記管状支持体と前記マニホールド内管が電気的に結合されることを特徴とする、請求項１に記載の集電可能なマニホールドを備えた燃料電池。
前記集電層の一端部に前記集電層と電気的に結合された外部結合材が備えられ、前記外部結合材と前記マニホールド外管の一端部が螺合することにより、前記集電層と前記マニホールド外管が電気的に結合されることを特徴とする、請求項１に記載の集電可能なマニホールドを備えた燃料電池。
前記単位電池は、前記管状支持体の外周面に燃料極、電解質、空気極の順に積層されて形成され、
前記マニホールド内管は、前記管状支持体の内部に燃料を供給することを特徴とする、請求項１に記載の集電可能なマニホールドを備えた燃料電池。
前記単位電池は、前記管状支持体の外周面に燃料極、層間膜、電解質、層間膜、空気極の順に積層されて形成され、
前記マニホールド内管は、前記管状支持体の内部に燃料を供給することを特徴とする、請求項１に記載の集電可能なマニホールドを備えた燃料電池。
前記単位電池は、前記管状支持体の外周面に空気極、電解質、燃料極の順に積層されて形成され、
前記マニホールド内管は、前記管状支持体の内部に空気または酸素を供給することを特徴とする、請求項１に記載の集電可能なマニホールドを備えた燃料電池。
前記単位電池は、前記管状支持体の外周面に空気極、層間膜、電解質、層間膜、燃料極の順に積層されて形成され、
前記マニホールド内管は、前記管状支持体の内部に空気または酸素を供給することを特徴とする、請求項１に記載の集電可能なマニホールドを備えた燃料電池。
前記単位電池の一端部に形成され、前記単位電池とマニホールド内管の間の電気的接触を遮断する絶縁膜をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の集電可能なマニホールドを備えた燃料電池。
導電性物質で形成された管状支持体、前記管状支持体の外周面に積層された単位電池及び前記単位電池の外周面に積層された集電層を含むセル；及び
前記管状支持体の内部に気体を供給する気体供給管、前記気体供給管の外部に備えられ、前記気体を排出し、前記管状支持体と電気的に結合されるマニホールド内管及び前記マニホールド内管の外部に備えられ、前記集電層と電気的に結合されるマニホールド外管を含むマニホールド；
を含むことを特徴とする、集電可能なマニホールドを備えた燃料電池。
前記管状支持体の一端部が伸びてなる内部結合材と前記マニホールド内管の一端部が螺合することにより、前記管状支持体と前記マニホールド内管が電気的に結合されることを特徴とする、請求項９に記載の集電可能なマニホールドを備えた燃料電池。
前記集電層の一端部に前記集電層と電気的に結合された外部結合材が備えられ、前記外部結合材と前記マニホールド外管の一端部が螺合することにより、前記集電層と前記マニホールド外管が電気的に結合されることを特徴とする、請求項９に記載の集電可能なマニホールドを備えた燃料電池。
前記単位電池は、前記管状支持体の外周面に燃料極、電解質、空気極の順に積層されて形成され、
前記気体供給管は、前記管状支持体の内部に燃料を供給することを特徴とする、請求項９に記載の集電可能なマニホールドを備えた燃料電池。
前記単位電池は、前記管状支持体の外周面に燃料極、層間膜、電解質、層間膜、空気極の順に積層されて形成され、
前記気体供給管は、前記管状支持体の内部に燃料を供給することを特徴とする、請求項９に記載の集電可能なマニホールドを備えた燃料電池。
前記単位電池は、前記管状支持体の外周面に空気極、電解質、燃料極の順に積層されて形成され、
前記気体供給管は、前記管状支持体の内部に空気または酸素を供給することを特徴とする、請求項９に記載の集電可能なマニホールドを備えた燃料電池。
前記単位電池は、前記管状支持体の外周面に空気極、層間膜、電解質、層間膜、燃料極の順に積層されて形成され、
前記気体供給管は、前記管状支持体の内部に空気または酸素を供給することを特徴とする、請求項９に記載の集電可能なマニホールドを備えた燃料電池。
前記単位電池の一端部に形成され、前記単位電池とマニホールド内管の間の電気的接触を遮断する絶縁膜をさらに含むことを特徴とする、請求項９に記載の集電可能なマニホールドを備えた燃料電池。