JP2011060747A - 固体酸化物燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】金属フォームと金属チューブを採用することにより、付加の集電体なしにマニホールドによって内部電極で発生する電流を容易に集電する固体酸化物燃料電池を提供する。
【解決手段】セラミック管状支持体を備えた一つ以上の単位電池１１０、単位電池の一端外周面に形成され、第１電流を集電する金属層１２０、単位電池の内部に備えられ、第２電流を集電する金属フォーム１３０、及び単位電池の一端に結合され、金属層１２０で集電した第１電流を受け、単位電池の他端に結合され、金属フォームで集電した第２電流を受けるマニホールド１４０を含んでなる固体酸化物燃料電池。
【選択図】図６

Description

本発明は固体酸化物燃料電池に関する。

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は異なり、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。このような燃料電池はＳＯｘとＮＯｘなどの大気汚染物質をほとんど排出しなくて二酸化炭素の発生も少ないので、無公害発電であり、低騷音、無振動などの利点がある。

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、活性化分極による過電圧が低く、非可逆的損失が少ないので、発電効率が高い。また、水素だけではなく炭素または炭化水素系の燃料として使用することができるので、燃料の選択幅が広く、電極での反応速度が高いので、電極触媒として高価の貴金属を必要としない。さらに、発電によって排出される熱の温度が非常に高いため、熱の利用価値が高い。固体酸化物燃料電池で発生した熱は燃料の改質に利用されるだけでなく、熱併合発電で産業用または冷房用エネルギー源として利用することができる。よって、固体酸化物燃料電池は今後水素経済社会への進入のために必須の発電技術である。

固体酸化物燃料電池（ｓｏｌｉｄ ｏｘｉｄｅ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ；ＳＯＦＣ）の基本的な動作原理を説明すれば、固体酸化物燃料電池は基本的に水素及びＣＯの酸化反応によって発電する装置であり、燃料極及び空気極では下記の反応式１のような電極反応が起こる。
＜反応式１＞
燃料極：Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻
ＣＯ＋Ｏ^２−→ＣＯ_２＋２ｅ⁻
空気極：Ｏ_２＋４ｅ→２Ｏ^２−
全反応：Ｈ_２＋ＣＯ＋Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ＋ＣＯ_２

すなわち、電子は外部回路を通じて空気極に到逹し、同時に空気極で発生した酸素イオンが電解質を通じて燃料極に伝達され、燃料極では水素またはＣＯが酸素イオンと結合して電子及び水またはＣＯ_２を生成する。
前述した電子の移動によって固体酸化物燃料電池から電流が生成される。管状固体酸化物燃料電池の場合、電流を集電するために、内部と外部にＮｉ、Ａｇワイヤなどで配線しなければならない。しかし、配線工程は複雑であり、製造単価が高い欠点がある。特に、燃料電池の内部の集電はハンドリングが大変難しい問題点がある。

図１は従来技術による管状固体酸化物燃料電池の内部集電方式を示す図である。
図１に示すように、従来の管状固体酸化物燃料電池の内部集電方式は、まずニッケルフェルト（Ｎｉ ｆｅｌｔ）またはニッケルメッシュ（Ｎｉ ｍｅｓｈ）１１にニッケルワイヤ１２を熔接した後、これを丸く巻いて、燃料電池の内部に挿入可能な形態に形成する。このように丸く巻かれたニッケルフェルト１３の外面にニッケルインク１４を塗布した後、燃料電池１５の内部に挿入して電流を集電する。

しかし、前述した方式は、ニッケルフェルト１１などにニッケルワイヤ１２を熔接する工程及びニッケルインク１４を塗布する工程などの煩わしくて複雑な工程が要求される。また、燃料電池の内部に挿入されるニッケルフェルト１１などが燃料電池の内部電極と正常に接触したか否かを確認しにくい。そして、ニッケルインク１４がどのくらい接触に寄与するが、短時間に固くなるニッケルインク１４の特性上、燃料電池と集電体がまったく接触するとは言いにくい。結局、従来技術による管状固体酸化物燃料電池の内部集電方式は工程の効率性が落ちるだけでなく、完全な集電を保障することができない問題点がある。

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、金属フォーム（ｆｏａｍ）と金属チューブを採用することにより、付加の集電体なしにマニホールドによって内部電極で発生する電流を容易に集電することができる固体酸化物燃料電池を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明の一面によれば、セラミック管状支持体を備えた一つ以上の単位電池；前記単位電池の一端外周面に形成され、第１電流を集電する金属層；前記単位電池の内部に備えられ、第２電流を集電する金属フォーム；及び前記単位電池の一端に結合され、前記金属層で集電した第１電流を受け、前記単位電池の他端に結合され、前記金属フォームで集電した第２電流を受けるマニホールドを含む、固体酸化物燃料電池が提供される。

一端が前記金属フォームの内周面に挿入されるとともに他端が前記マニホールドに連結されることにより前記マニホールドと前記金属フォームを電気的に連結する金属チューブをさらに含むことができる。

前記金属フォームは、前記単位電池の他端外周面に配置されるように、前記単位電池の内部から延びることができる。
前記マニホールドは気体供給部と気体排出部を含み、前記単位電池は二つ以上であり、前記単位電池が並列で連結されるように、前記単位電池の一端が前記気体供給部に結合され、前記単位電池の他端が前記気体排出部に結合されることができる。

前記マニホールドは気体供給部と気体排出部を含み、前記単位電池は二つ以上であり、前記単位電池が並列で連結されるように、前記単位電池の他端が前記気体供給部に結合され、前記単位電池の一端が前記気体排出部に結合されることができる。
前記マニホールドは、気体供給部、一つ以上の気体連通部及び気体排出部を含み、前記単位電池は二つ以上であり、前記気体供給部に一つの単位電池の一端が結合され、前記気体排出部に他の一つの単位電池の他端が結合され、それぞれの前記単位電池が直列で連結されるように、前記気体連通部は隣接した二つの前記単位電池の一端及び他端と結合されることができる。

前記マニホールドは、気体供給部、一つ以上の気体連通部及び気体排出部を含み、前記単位電池は二つ以上であり、前記気体供給部に一つの単位電池の他端が結合され、前記気体排出部に他の一つの単位電池の一端が結合され、それぞれの前記単位電池が直列で連結されるように、前記気体連通部は隣接した二つの前記単位電池の一端及び他端と結合されることができる。
前記単位電池は、前記管状支持体は燃料極管状支持体であり、前記管状支持体の外周面に電解質、空気極の順に積層され、前記金属層は陽電流を集電し、前記金属フォームは陰電流を集電し、前記マニホールドは、前記管状支持体の内部に燃料を供給することができる。

前記単位電池の他端に形成された空気極が除去され、前記単位電池の他端と前記マニホールドは金属フィラーを用いるろう付けによって結合されることができる。
前記単位電池は、前記管状支持体は空気極管状支持体であり、前記管状支持体の外周面に電解質、燃料極の順に積層され、前記金属層は陰電流を集電して前記金属フォームは陽電流を集電し、前記マニホールドは、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。

前記単位電池の他端に形成された燃料極が除去され、前記単位電池の他端と前記マニホールドは金属フィラーを用いるろう付けによって結合されることができる。
前記単位電池の他端と前記マニホールドは金属フィラーを用いるろう付けによって結合されることができる。
前記金属チューブはステンレススチールで形成されることができる。
前記金属チューブは多孔性物質で形成されることができる。
前記金属チューブは、金属フォームの内周面に挿入された一端だけ選択的に多孔性物質で形成されることができる。

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、金属フォームと金属チューブを採用することで、付加の内部集電体の必要なしに、金属フォームまたは金属チューブとマニホールドを結合して、マニホールドによって内部電極で発生する電流を容易に集電することができる効果がある。また、金属フォームは多孔性なので、燃料電池の内部に供給された気体（燃料または空気）が内部電極に容易に伝達されることができ、金属チューブは金属フォームを燃料電池の内部電極方向に加圧して金属フォームと内部電極をまったく接触させることにより集電効率を一層高めることができる利点がある。

また、本発明によれば、燃料電池の外部に金属層を形成するので、付加の外部集電体が必要なく、金属層とマニホールドを結合して、外部電極で発生する電流を容易に集電することができる効果がある。
また、本発明によれば、多数の単位電池を連結したバンドル（ｂｕｎｄｌｅ）形成の際、マニホールドを利用して一度に集電が可能であり、付加の単位電池間の連結工程が必要なくて製作工程が簡素化し、固体酸化物燃料電池バンドルの小型化が可能である。

従来技術による管状固体酸化物燃料電池の内部集電方式を示す図である。 本発明の好適な一実施例による単位電池の斜視図である。 本発明の好適な他の実施例による単位電池の斜視図である。 本発明の好適な第１実施例による固体酸化物燃料電池の断面図である。 本発明の好適な第２実施例による固体酸化物燃料電池の断面図である。 本発明の好適な第３実施例による固体酸化物燃料電池の断面図である。

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、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。また、“一端”、“他端”、“第１”、“第２”、“外部”、“内部”などの用語は一つの構成要素を他の構成要素と区別するために使用するもので、構成要素が前記用語に限定されるものではない。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、添付図面に基づいて本発明の好適な実施例を詳細に説明する。
本発明による固体酸化物燃料電池は燃料極管状支持体１１１または空気極管状支持体１１５を用いた燃料電池を例として例示しているが、これに限定されるものではなく、付加のセラミック支持体を備え、その外周面に燃料極１１７、電解質１１２、空気極１１３が積層された燃料電池も本発明の権利範囲に含まれる。

本発明による固体酸化物燃料電池は、セラミック管状支持体を備えた一つ以上の単位電池１１０、単位電池１１０の一端外周面に形成され、第１電流を集電する金属層１２０、単位電池１１０の内部に備えられ、第２電流を集電する金属フォーム（ｆｏａｍ）１３０、及び単位電池の一端１１９に結合され、金属層１２０で集電した第１電流を受け、単位電池の他端１１８に結合され、金属フォーム１３０で集電した第２電流を受けるマニホールド１４０を含んでなる。
本発明は一つ以上の単位電池１１０とマニホールド１４０が結合して構成されるので、まず一つの単位電池１１０の構成について詳細に説明した後、一つ以上の単位電池１１０とマニホールド１４０が結合した構成を説明する。

図２及び図３は本発明の好適な一実施例による単位電池の斜視図である。
図２に示すように、単位電池１１０は、電流を生成するのに必須の構成要素である燃料極管状支持体１１１、電解質１１２、及び空気極１１３を含んでなる。この際、燃料極管状支持体１１１は通常押出し成形によって形成することができ、燃料極管状支持体１１１の外周面に電解質１１２と空気極１１３を積層することで単位電池１１０を形成する。内側電極が燃料極であるので、単位電池１１０の内部にはマニホールド１４０から燃料が供給され、外部は酸化雰囲気が形成される。

また、単位電池の一端１１９と単位電池の他端１１８はそれぞれマニホールド１４０に結合される。単位電池の一端１１９では金属層１２０が陽電流をマニホールド１４０に伝達し、単位電池の他端１１８では金属フォーム１３０及び金属チューブの他端１５１が陰電流をマニホールド１４０に伝達する。この際、単位電池の他端１１８では、金属フォーム１３０と金属チューブの他端１５１を通じて、燃料極管状支持体１１１で生成された陰電流がマニホールド１４０に伝達されるので、空気極１１３で生成された陽電流が単位電池の他端１１８と結合されたマニホールド１４０に伝達されれば短絡（ｓｈｏｒｔ）が発生する。よって、図示のように、単位電池の他端１１８に形成された空気極１１３を除去することが好ましい。

単位電池１１０の集電のための構成要素をより詳細に説明すると、単位電池１１０の内部には、燃料極管状支持体１１１で発生する陰電流を集電する金属フォーム１３０と金属チューブ１５０の一端が備えられる。
金属フォーム１３０は複雑な工程なしに一体型に形成することができるので、単位電池１１０の内部に挿入しやすく、伸縮性によって内側電極とまったく接触されるので、集電効率が高い利点がある。また、金属フォーム１３０は多孔性物質で形成されることにより、マニホールド１４０から供給する気体を内側電極に伝達することができる。金属フォーム１３０はＮｉドープされたｚｉｒｃｏｎｉａセメント、ＮｉドープされたＣｅ０_２セメント、Ｃｕドープされた−ｃｅｒｉａ ｃｅｒｍｅｔ、ｓｉｌｖｅｒ−（Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ）−ｏｘｉｄｅセメント、ｓｉｌｖｅｒ−（Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ）−ｏｘｉｄｅセメント、ｓｉｌｖｅｒ−合金−（Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ）−ｏｘｉｄｅセメント、ｓｉｌｖｅｒ−合金−（ＹＢａ−Ｃｕ−Ｏ）−ｏｘｉｄｅセメント、ｓｉｌｖｅｒ及びその合金、Ｉｎｃｏｎｅ鋼及びすべての超硬合金、ｆｅｒｒｉｔｉｃ鋼、ＳｉＣまたはＭｏＳｉ_２などで形成できるが、これに限定されるものではなく、電気伝導性を持つ金属発泡体はいずれも含まれる。

金属チューブ１５０は、一端が金属フォーム１３０の内周面に挿入され他端１５１がマニホールド１４０と連結され、金属フォーム１３０で集電した電流をマニホールド１４０に伝達する役目をする。金属チューブ１５０はマニホールド１４０と一体型に製作することができ、別に製作してマニホールド１４０と熔接工程などによって結合することができる。金属チューブ１５０は、金属フォーム１３０で集電した電流をマニホールド１４０に伝達する役目をするとともに金属フォーム１３０を内側電極の方向に加圧して集電効率を高める役目をすることができる。金属チューブ１５０の材質は特に限定されるものではないが、高温で稼動される固体酸化物燃料電池の特性を考慮すると、優れた耐高温酸化特性や耐熱性を持つステンレススチールを用いることが好ましい。また、マニホールド１４０から供給する気体が金属フォーム１３０に伝達されるように、多孔性物質で形成されることが好ましい。ただ、単位電池１１０の外部に突出された金属チューブの他端１５１も多孔性物質で形成されると気体供給効率が落ちるので、金属フォーム１３０の内周面に挿入された一端だけ選択的に多孔性物質で形成することがより好ましい。

単位電池１１０の外部には、空気極１１３で発生する陽電流を集電する金属層（ｍｅｔａｌｉｚａｔｉｏｎ）１２０が備えられる。金属層１２０は単位電池の一端１１９に備えられてマニホールド１４０と結合されるものである。金属層１２０はマニホールド１４０と同一金属でなるので、ろう付け（ｂｒａｚｉｎｇ）工程が容易であり、安定的な結合が可能である。金属層１２０の成分は特に限定されるものではないが、電気伝導性の高い鉄、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ばれた物質であることが好ましい。

図３に示すように、単位電池１１０は、電流を生成するのに必須の構成要素である空気極管状支持体１１５、電解質１１２、及び燃料極１１７を含んでなる。この際、空気極管状支持体１１５は、通常押出し成形によって形成することができ、空気極管状支持体１１５の外周面に電解質１１２と燃料極１１７を積層することで単位電池１１０を形成する。図２に示す単位電池１１０に比べ、燃料極と空気極の形成位置が反転したもので、内側電極が空気極であるので、単位電池１１０の内部にはマニホールド１４０から空気または酸素が供給され、外部は還元雰囲気が形成される。

また、単位電池の一端１１９では金属層１２０が陰電流をマニホールド１４０に伝達し、単位電池の他端１１８では金属フォーム１３０及び金属チューブ１５０が陽電流をマニホールド１４０に伝達する。この際、単位電池の他端１１８では、金属フォーム１３０と金属チューブ１５０を通じて、空気極管状支持体１１５で生成された陽電流がマニホールド１４０に伝達されるので、燃料極１１７で生成された陰電流が単位電池の他端１１８と結合されたマニホールド１４０に伝達されれば短絡が発生する。よって、図示のように、単位電池の他端１１８に形成された燃料極１１７を除去することが好ましい。
一方、金属層１２０、金属フォーム１３０及び金属チューブ１５０の形成位置と成分は図２に示す単位電池１１０と同様であるので、その詳細な説明は省略する。

図４及び図５は本発明の好適な他の実施例による単位電池の斜視図である。
前述した実施例との相違点は金属チューブ１５０の存在有無である。本実施例においては、金属チューブ１５０が存在しなくて製造単価を低めることができるとともに、金属フォーム１３０を単位電池１１０の内部から延ばして単位電池の他端１１８の外周面に配置することにより、マニホールド１４０に電流伝達を効果的にすることができる。図４に示す単位電池１１０は燃料極管状支持体１１１の方式であり、図５に示す単位電池１１０は空気極管状支持体１１５の方式で、金属チューブ１５０を除いた残りの構成要素は前述した実施例と同様であるのでその詳細な説明は省略する。

図６〜図９は本発明の好適な第１実施例による固体酸化物燃料電池の断面図である。
図６〜図９に示すように、本実施例は金属層１２０、金属フォーム１３０及び金属チューブ１５０を利用して集電する方式であり、それぞれの単位電池１１０はマニホールド１４０に並列で連結される。この際、マニホールド１４０は気体（燃料または空気）を供給する気体供給部１４１と気体を排出する気体排出部１４５とに分けられ、単位電池の一端１１９及び単位電池の他端１１８が気体供給部１４１及び気体排出部１４５にそれぞれ結合される。また、前述したように、単位電池の一端１１９には金属層１２０が集電した電流が伝達され、単位電池の他端１１８には金属フォーム１３０及び金属チューブ１５０が集電した電流が伝達される。

単位電池１１０とマニホールド１４０は金属フィラー（ｆｉｌｌｅｒ）１４７を用いるろう付け（ｂｒａｚｉｎｇ）によって互いに結合される。この際、単位電池の他端１１８に形成された外側電極（燃料極または空気極）を除去して短絡を防止しなければならないのは前述したようである。

図６に示す固体酸化物燃料電池は燃料極管状支持体１１１を備えた単位電池１１０をマニホールド１４０に連結して集電する方式のもので、単位電池の一端１１９が気体排出部１４５に連結され、単位電池の他端１１８が気体供給部１４１に連結される。また、燃料極管状支持体１１１を用いるので、気体供給部１４１は単位電池１１０に燃料を供給し、外部には酸化雰囲気が形成される。そして、内部電極が燃料極であるので、金属フォーム１３０及び金属チューブ１５０が陰電流を集電して気体供給部１４１に伝達し、外部電極が空気極１１３であるので、金属層１２０が陽電流を集電して気体排出部１４５に伝達する。結局、気体供給部１４１では陰電流を得ることができ、気体排出部１４５では陽電流を得ることができる。

図７に示す固体酸化物燃料電池は燃料極管状支持体１１１を備えた単位電池１１０をマニホールド１４０に連結して集電する方式のもので、単位電池の他端１１８が気体排出部１４５に連結され、単位電池の一端１１９が気体供給部１４１に連結される。すなわち、図６に示す固体酸化物燃料電池に比べ、気体供給部１４１と気体排出部１４５の位置が互いに反転されたもので、気体供給部１４１では陽電流を得ることができ、気体排出部１４５では陰電流を得ることができる。

図８に示す固体酸化物燃料電池は空気極管状支持体１１５を備えた単位電池１１０をマニホールド１４０に連結して集電する方式のもので、単位電池の一端１１９が気体排出部１４５に連結され、単位電池の他端１１８が気体供給部１４１に連結される。また、空気極管状支持体１１５を用いるので、気体供給部１４１は単位電池１１０に空気または酸素を供給し、外部には還元雰囲気が形成される。そして、内部電極が空気極であるので金属フォーム１３０及び金属チューブ１５０が陽電流を集電して気体供給部１４１に伝達し、外部電極が燃料極１１７であるので金属層１２０が陰電流を集電して気体排出部１４５に伝達する。結局、気体供給部１４１では陽電流を得ることができ、気体排出部１４５では陰電流を得ることができる。

図９に示す固体酸化物燃料電池は空気極管状支持体１１５を備えた単位電池１１０をマニホールド１４０に連結して集電する方式のもので、単位電池の他端１１８が気体排出部１４５に連結され、単位電池の一端１１９が気体供給部１４１に連結される。すなわち、図８に示す固体酸化物燃料電池に比べ、気体供給部１４１と気体排出部１４５の位置が互いに反転されたもので、気体供給部１４１では陰電流を得ることができ、気体排出部１４５では陽電流を得ることができる。

図１０〜図１３は本発明の好適な第２実施例による固体酸化物燃料電池の断面図である。
図１０〜図１３に示すように、本実施例は金属層１２０及び金属フォーム１３０を用いて集電する方式のもので、それぞれの単位電池１１０はマニホールド１４０に並列で連結される。前述した第１実施例に比べ、金属チューブ１５０を使わない代わりに、金属フォーム１３０を単位電池１１０の内部から延ばして単位電池の他端１１８の外周面に配置（図４及び図５参照）して金属フィラー１４７と最大の広い接触面積を持つことにより集電効率を維持する。金属チューブ１５０を除いた残りの構成要素は前述した第１実施例と同様であるのでその重複した内容は省略する。

図１０に示す固体酸化物燃料電池は燃料極管状支持体１１１を備えた単位電池１１０をマニホールド１４０に連結して集電する方式のもので、単位電池の一端１１９が気体排出部１４５に連結され、単位電池の他端１１８が気体供給部１４１に連結される。また、燃料極管状支持体１１１を用いるので、気体供給部１４１は単位電池１１０に燃料を供給し、外部には酸化雰囲気が形成される。そして、内部電極が燃料極であるので金属フォーム１３０が陰電流を集電して気体供給部１４１に伝達し、外部電極が空気極１１３であるので金属層１２０が陽電流を集電して気体排出部１４５に伝達する。結局、気体供給部１４１では陰電流を得ることができ、気体排出部１４５では陽電流を得ることができる。

図１１に示す固体酸化物燃料電池は燃料極管状支持体１１１を備えた単位電池１１０をマニホールド１４０に連結して集電する方式のもので、単位電池の他端１１８が気体排出部１４５に連結され、単位電池の一端１１９が気体供給部１４１に連結される。すなわち、図１０に示す固体酸化物燃料電池に比べ、気体供給部１４１と気体排出部１４５の位置が互いに反転されたもので、気体供給部１４１では陽電流を得ることができ、気体排出部１４５では陰電流を得ることができる。

図１２に示す固体酸化物燃料電池は空気極管状支持体１１５を備えた単位電池１１０をマニホールド１４０に連結して集電する方式のもので、単位電池の一端１１９が気体排出部１４５に連結され、単位電池の他端１１８が気体供給部１４１に連結される。また、空気極管状支持体１１５を用いるので、気体供給部１４１は単位電池１１０に空気または酸素を供給し、外部には還元雰囲気が形成される。そして、内部電極が空気極であるので、金属フォーム１３０が陽電流を集電して気体供給部１４１に伝達し、外部電極が燃料極１１７であるので、金属層１２０が陰電流を集電して気体排出部１４５に伝達する。結局、気体供給部１４１では陽電流を得ることができ、気体排出部１４５では陰電流を得ることができる。
図１３に示す固体酸化物燃料電池は空気極管状支持体１１５を備えた単位電池１１０をマニホールド１４０に連結して集電する方式のもので、単位電池の他端１１８が気体排出部１４５に連結され、単位電池の一端１１９が気体供給部１４１に連結される。すなわち、図１２に示す固体酸化物燃料電池に比べ、気体供給部１４１と気体排出部１４５の位置が互いに反転されたもので、気体供給部１４１では陰電流を得ることができ、気体排出部１４５では陽電流を得ることができる。

第１及び第２実施例においては、並列で連結された多数の単位電池１１０を基準として説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、一つの単位電池とマニホールド１４０を結合して集電する場合も本発明の権利範囲に含まれるのはいうまでもない。

図１４〜図１７は本発明の好適な第３実施例による固体酸化物燃料電池の断面図である。
本実施例は、前述した第１及び第２実施例とは異なり、多数の単位電池１１０を直列で連結したものである。前述した実施例と異なり、マニホールド１４０は、気体供給部１４１と気体排出部１４５の外に、気体連通部１４３をさらに含み、それぞれの単位電池１１０は一端と他端の方向が隣接した単位電池１１０と反対に配置される。ここで、気体連通部１４３は隣接した二つの単位電池１１０の一端及び他端がそれぞれ結合されることで、気体（燃料または空気）が二つの単位電池１１０の間で流動することができるだけでなく、隣接した二つの単位電池１１０を直列で連結させる。

図１４に示す固体酸化物燃料電池は燃料極管状支持体１１１を備えた単位電池１１０をマニホールド１４０に直列で連結して集電する方式である。多数の単位電池１１０のいずれか一つの単位電池の他端１１８が気体供給部１４１に結合され、他の一つの単位電池の一端１１９が気体排出部１４５に結合される。また、隣接した二つの単位電池１１０の一端及び他端が気体連通部１４３と結合され、それぞれの単位電池１１０が直列で連結される。内部電極が燃料極管状支持体１１１であるので、直列で連結された単位電池１１０の陰電流は金属フォーム１３０を通じて気体供給部１４１に伝達され、直列で連結された単位電池１１０の陽電流は金属層１２０を通じて気体排出部１４５に伝達される。単位電池１１０が直列で連結されるので、電流の大きさが並列で連結された場合より相対的に小さくて電気抵抗による電力損失量を減少させることができる。

一方、内部電極が燃料極管状支持体１１１であるので、気体供給部１４１は一つの単位電池１１０に燃料を供給し、供給された燃料は気体連通部１４３を通じて隣接した単位電池１１０に流動し、最終的には気体排出部１４５を通じて排出される。

図１５に示す固体酸化物燃料電池は燃料極管状支持体１１１を備えた単位電池１１０をマニホールド１４０に直列で連結して集電する方式のもので、図１４に示す固体酸化物燃料電池に比べ、気体供給部１４１と気体排出部１４５の位置が互いに反転されたものである。よって、直列で連結された単位電池１１０の陰電流は金属フォーム１３０を通じて気体排出部１４５に伝達され、直列で連結された単位電池１１０の陽電流は金属層１２０を通じて気体供給部１４１に伝達される。

図１６に示す固体酸化物燃料電池は空気極管状支持体１１５を備えた単位電池１１０をマニホールド１４０に直列で連結して集電する方式のものである。多数の単位電池１１０のいずれか一つの単位電池の他端１１８が気体供給部１４１に結合され、他の一つの単位電池の一端１１９が気体排出部１４５に結合される。また、隣接した二つの単位電池１１０の一端及び他端が気体連通部１４３に結合されることにより、それぞれの単位電池１１０が直列で連結される。内部電極が空気極管状支持体１１５であるので、直列で連結された単位電池１１０の陽電流は金属フォーム１３０を通じて気体供給部１４１に伝達され、直列で連結された単位電池１１０の陰電流は金属層１２０を通じて気体排出部１４５に伝達される。

一方、内部電極が空気極管状支持体１１５であるので、気体供給部１４１は一つの単位電池１１０に空気または酸素を供給し、供給された空気または酸素は気体連通部１４３を通じて隣接した単位電池１１０に流動し、最終的には気体排出部１４５を通じて排出される。

図１７に示す固体酸化物燃料電池は空気極管状支持体１１５を備えた単位電池１１０をマニホールド１４０に直列で連結して集電する方式のもので、図１６に示す固体酸化物燃料電池に比べ、気体供給部１４１と気体排出部１４５の位置が互いに反転されたものである。よって、直列で連結された単位電池１１０の陽電流は金属フォーム１３０を通じて気体排出部１４５に伝達され、直列で連結された単位電池１１０の陰電流は金属層１２０を通じて気体供給部１４１に伝達される。
本実施例においては金属フォーム１３０のみを備えた単位電池１１０を図示したが、これに限定されるものではなく、金属フォーム１３０の内周面に金属チューブ１５０を挿入して単位電池１１０を直列で連結する方式も本発明の権利範囲に含まれるのはいうまでもない。

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、本発明による固体酸化物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。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装置に適用可能である。

１１０ 単位電池
１１１ 燃料極管状支持体
１１２ 電解質
１１３ 空気極
１１５ 空気極管状支持体
１１７ 燃料極
１１８ 単位電池の他端
１１９ 単位電池の一端
１２０ 金属層
１３０ 金属フォーム
１４０ マニホールド
１４１ 気体供給部
１４３ 気体連通部
１４５ 気体排出部
１４７ 金属フィラー
１５０ 金属チューブ
１５１ 金属チューブの他端

Claims (15)

1. セラミック管状支持体を備えた一つ以上の単位電池；
   前記単位電池の一端外周面に形成され、第１電流を集電する金属層；
   前記単位電池の内部に備えられ、第２電流を集電する金属フォーム；及び
   前記単位電池の一端に結合され、前記金属層で集電した第１電流を受け、前記単位電池の他端に結合され、前記金属フォームで集電した第２電流を受けるマニホールド；
   を含むことを特徴とする、固体酸化物燃料電池。
2. 一端が前記金属フォームの内周面に挿入されるとともに他端が前記マニホールドに連結されることにより前記マニホールドと前記金属フォームを電気的に連結する金属チューブをさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の固体酸化物燃料電池。
3. 前記金属フォームは、前記単位電池の他端外周面に配置されるように、前記単位電池の内部から延び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。
4. 前記マニホールドは気体供給部と気体排出部を含み、
   前記単位電池は二つ以上であり、
   前記単位電池が並列で連結されるように、前記単位電池の一端が前記気体供給部に結合され、前記単位電池の他端が前記気体排出部に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。
5. 前記マニホールドは気体供給部と気体排出部を含み、
   前記単位電池は二つ以上であり、
   前記単位電池が並列で連結されるように、前記単位電池の他端が前記気体供給部に結合され、前記単位電池の一端が前記気体排出部に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。
6. 前記マニホールドは、気体供給部、一つ以上の気体連通部及び気体排出部を含み、
   前記単位電池は二つ以上であり、
   前記気体供給部に一つの単位電池の一端が結合され、前記気体排出部に他の一つの単位電池の他端が結合され、それぞれの前記単位電池が直列で連結されるように、前記気体連通部は隣接した二つの前記単位電池の一端及び他端と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。
7. 前記マニホールドは、気体供給部、一つ以上の気体連通部及び気体排出部を含み、
   前記単位電池は二つ以上であり、
   前記気体供給部に一つの単位電池の他端が結合され、前記気体排出部に他の一つの単位電池の一端が結合され、それぞれの前記単位電池が直列で連結されるように、前記気体連通部は隣接した二つの前記単位電池の一端及び他端と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。
8. 前記単位電池は、
   前記管状支持体は燃料極管状支持体であり、前記管状支持体の外周面に電解質、空気極の順に積層され、前記金属層は陽電流を集電し、前記金属フォームは陰電流を集電し、
   前記マニホールドは、
   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に記載の固体酸化物燃料電池。
9. 前記単位電池の他端に形成された空気極が除去され、前記単位電池の他端と前記マニホールドは金属フィラーを用いるろう付けによって結合され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。
10. 前記単位電池は、
    前記管状支持体は空気極管状支持体であり、前記管状支持体の外周面に電解質、燃料極の順に積層され、前記金属層は陰電流を集電して前記金属フォームは陽電流を集電し、
    前記マニホールドは、
    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に記載の固体酸化物燃料電池。
11. 前記単位電池の他端に形成された燃料極が除去され、前記単位電池の他端と前記マニホールドは金属フィラーを用いるろう付けによって結合されることを特徴とする、請求項１０に記載の固体酸化物燃料電池。
12. 前記単位電池の他端と前記マニホールドは金属フィラーを用いるろう付けによっ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。
13. 前記金属チューブはステンレススチールで形成され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。
14. 前記金属チューブは多孔性物質で形成され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。
15. 前記金属チューブは、金属フォームの内周面に挿入された一端だけ選択的に多孔性物質で形成され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。
    

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