JP2011151000A

JP2011151000A - 燃料電池モジュール

Info

Publication number: JP2011151000A
Application number: JP2010253166A
Authority: JP
Inventors: Jun-Won Suh; ▲ジュン▼源徐; Jan-Dee Kim; 潺岱金; Seung-Tae Lee; 承泰李; Ho-Jin Kweon; 鎬眞權
Original assignee: Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2010-01-21
Filing date: 2010-11-11
Publication date: 2011-08-04
Anticipated expiration: 2030-11-11
Also published as: KR101230165B1; JP5337784B2; CN102136584B; EP2348566B1; EP2348566A1; CN102136584A; KR20110085848A; US20110177431A1; US9147887B2

Abstract

【課題】燃料電池の単位セルと集電体間の接触抵抗を減少させることが可能な、新規かつ改良された燃料電池モジュールを提供する。
【解決手段】曲面で形成された外周面を有する燃料電池単位セルと、前記単位セルの外周面と向かい合う内周面が曲面で形成され、前記単位セルの外周面上に設けられた第１集電体と、前記第１集電体及び前記単位セルの外周面上に巻線される第２集電体とを含み、前記第１集電体の内周面は前記単位セルの外周面と互いにマッチングされる形態を有する燃料電池モジュール。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、燃料電池の集電効率を改善することに関し、より詳しくは、燃料電池単位セルの集電体に関する。

一般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、目的に応じて適切な燃料電池を選択でき、その中でも固体酸化物燃料電池は相対的に電解質の位置制御が容易であり、電解質の位置が固定されているため、電解質が枯渇するおそれがなく、腐食性が弱く、素材の寿命が長いという長所のため、分散発電用、商業用及び家庭用として脚光を浴びている。また、固体酸化物燃料電池は６００〜１０００℃程度の高温で作動する燃料電池であって、従来の多様な形態の燃料電池のうち、最も効率が高く、公害が少ないだけでなく、燃料改質器を必要とせず、複合発電が可能であるという様々な長所を有している。

一方、このような固体酸化物燃料電池は単位セルだけでは十分な電圧が得られないところ、必要に応じてスタック形態で単位セルを連結して用いるが、大きくチューブ型と平板型の２種類の形態に区分される。これらのうち、チューブ型は平板型に比べてスタック自体の電力密度は多少落ちるが、システム全体の電力密度は類似すると評価されている。また、チューブ型はスタックを構成する単位セルの封止が容易であり、熱応力に対する抵抗性が強いと同時に、スタックの機械的強度が高いため、大面積製造が可能である。

そして、チューブ型固体酸化物燃料電池はカソードを支持体として用いるカソード支持体式燃料電池と、アノードを支持体として用いるアノード支持体式燃料電池の２種類に区分される。一方、従来の集電体として、Ｎｉ、Ａｇなどで形成されたワイヤでカソードを巻いて集電する方式が利用されている状況である。

特開２００３−３１７７２５号公報特開１９９７−２９３５２１号公報特開２０００−０２１４２４号公報

ところで、燃料電池の単位セルと集電体間の接触抵抗を減少させる手段の提供が求められている。また、集電体の表面積を増加させる別途の手段を提供すると同時に、このような別途の手段の接触抵抗を減少させることが求められている。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、燃料電池の単位セルと集電体間の接触抵抗を減少させることが可能な、新規かつ改良された燃料電池モジュールを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、曲面で形成された外周面を有する燃料電池単位セルと、前記単位セルの外周面と向かい合う内周面が曲面で形成され、前記単位セルの外周面上に設けられた第１集電体と、前記第１集電体及び前記単位セルの外周面上に巻線される第２集電体とを含み、前記第１集電体の内周面は前記単位セルの外周面と互いにマッチングされる形態を有する燃料電池モジュールが提供される。

また、前記第１集電体の内周面の曲率半径は、前記単位セルの外周面の曲率半径の９０％〜１１０％の間に形成することとしてもよい。

また、前記第１集電体の内周面の曲率半径は、前記単位セルの外周面の曲率半径と同一であるか、小さく形成することとしてもよい。

また、前記第１集電体の内周面は、前記単位セルの外周面内に圧入されることとしてもよい。

また、前記第１集電体の内周面は、１０μｍ〜１００μｍの深さで前記単位セルの外周面内に圧入されることとしてもよい。

また、前記単位セルの外周面は、前記第１集電体の外周面よりも柔らかい材質で形成されることとしてもよい。

また、前記第２集電体は、前記第１集電体の内周面を前記単位セルの外周面内に圧入されるように形成されることとしてもよい。

また、前記第２集電体が前記第１集電体に巻線されるとき、前記第２集電体は前記第１集電体の外周面と接触する平坦面を備えることとしてもよい。

また、前記第２集電体は、前記平坦面を除いて実質的に円形、四角形又は多角形のいずれか１つの横断面を有することとしてもよい。

また、前記第１集電体は、前記単位セルの中心軸に平行するように長手方向に沿って延びる複数の伝導性バー又は伝導性ワイヤであることとしてもよい。

また、前記第１集電体は、前記第２集電体の横断面積以上に形成することとしてもよい。

また、前記第１集電体は複数形成され、前記第１集電体の横断面積は前記第１集電体の巻線数に対する第２集電体の巻線数の比に前記第２集電体の横断面積をかけたものより小さく形成することとしてもよい。

また、前記第１集電体の横断面積は、前記第１集電体の巻線数に対する第２集電体の巻線数の比に前記第２集電体の横断面積をかけたものと同一に形成することとしてもよい。

また、前記燃料電池モジュールは、中空の円筒形状であることとしてもよい。

また、前記第１集電体は、前記単位セルを部分的に覆って形成することとしてもよい。

また、前記第２集電体は、前記単位セルと接触することとしてもよい。

また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、第１電極層、第２電極層及び前記第１電極層と第２電極層との間に介在された電解質を含み、曲面で形成された外周面を有する燃料電池単位セルと、前記単位セルの外周面と向かい合う内周面が曲面で形成され、前記単位セルの外周面上に備えられた第１集電体と、前記第１集電体及び前記単位セルの外周面上に巻線される第２集電体とを含み、前記第１集電体の内周面の曲率半径は前記単位セルの外周面の曲率半径の９０％〜１１０％に形成することを特徴とする燃料電池モジュールが提供される。

また、前記第１集電体の内周面は、前記単位セルの外周面の曲率半径よりも大きく形成することとしてもよい。

また、前記第１集電体の内周面は、前記単位セルの外周面内に圧入されて１０μｍ〜１００μｍの深さで埋め込まれることとしてもよい。

以上説明したように本発明によれば、燃料電池セルは燃料電池セルと接触する面が線接触ではなく、面接触するようにすることによって、接触抵抗を低減できるという効果を奏する。
また、第１集電体とは別途に、第２集電体を備え、同時に第２集電体と第１集電体が面接触するようにすることによって、従来に比べて集電効率が向上する。

本発明に係る燃料電池単位セルを示す斜視図である。図１Ａの燃料電池単位セルの一部に関する横断面図である。本発明に係る第１集電体の様子を示す斜視図である。本発明に係る第１集電体の様子を示す平面図である。本発明に係る第１集電体と燃料電池単位セルの接触形状を示す概略図である。本発明の他の実施形態に係る第１集電体と燃料電池単位セルの接触形状を示す概略図である。本発明の他の実施形態に係る第１集電体と燃料電池単位セルの接触形状を示す概略図である。第１集電体が単位セルの外周面上で押圧されて埋め込まれた様子を示す概略図である。本発明に係る第２集電体の断面を示す断面図である。本発明の他の実施形態に係る第２集電体の断面を示す断面図である。本発明のまた他の実施形態に係る第２集電体の断面を示す断面図である。本発明の更に他の実施形態に係る第２集電体、第１集電体及び燃料電池単位セルの断面を示す断面図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。特別な定義や言及がない場合に本説明で用いる「上下左右」など方向を示す用語は図面に表示された状態を基準とする。

一般の燃料電池は燃料を改質して供給する燃料変換器（改質器及び反応器）と燃料電池モジュールで構成される。ここで、燃料電池モジュールは化学的エネルギーを電気化学的な方法で電気エネルギーと熱エネルギーに転換する燃料電池スタックを含むアセンブリ（Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を意味する。即ち、燃料電池モジュールは燃料電池スタックと、燃料、酸化物、冷却水、排出物などが移動する配管システムと、スタックにより生産された電気が移動する配線と、スタックに制御或いはモニタリングのための部分と、スタックの異常（Ａｂｎｏｒｍａｌ）状態発生時の措置のための部分などを含む。

本発明はこれらの中でも単位セルで酸化反応によって発生した電子を外部導線と連結して伝達する部分である集電体と単位セルの構造に関する。以下、本発明について具体的に説明する。

図１Ａは、本発明に係る燃料電池単位セルを示す斜視図であり、図１Ｂは、図１Ａの燃料電池単位セルの一部に関する横断面図である。

図１Ａと図１Ｂを参照すれば、本発明に係る燃料電池モジュール１０は、単位セル１００、第１集電体１１０及び第２集電体１２０を示す。ここで、第１集電体１１０は複数形成されたことを含むものと定義する。

単位セル１００は燃料変換器（図示せず）から改質された燃料の供給を受けて酸化反応によって電気を生産する構成であって、本実施形態では中空の円筒形で形成されている。円筒形燃料電池の場合、円筒の内周面と外周面に電気極層としてアノードである第１電極１０１とカソードである第２電極１０３が形成され、前記両電極層の間に電解質層１０２が形成される。目的に応じて、内部層である第１層にアノード、外部層である第２層にカソードが形成されることができ、その反対の場合も可能である。本発明の場合には２種類の場合をいずれも含む。

図２は、本発明に係る第１集電体の様子を示す斜視図であり、図３は、本発明に係る第１集電体の様子を示す平面図である。
図２と図３を参照して本発明の第１集電体１１０について説明する。

第１集電体１１０は、図１Ａに示すように、長い棒状又は導線形状で製作され得る。第１集電体は、単位セル１００の中心軸に平行な方向に配列して単位セル１００の外周面に接触させて形成する。

この場合、従来は断面が円形である導線を接触させたり、巻線する水準にとどまり、単位セルの外周面と集電体との間には線接触がなされていた。このような理由で集電体によって集電される電荷量に比べて接触抵抗が相対的に大きかった。本実施形態では単位セル１００の外周面と第１集電体１１０の内側面が面接触するように曲面を形成することに最も大きな特徴がある。

図４Ａは、本発明に係る第１集電体と燃料電池単位セルの接触形状を示す概略図であり、図４Ｂは、本発明の他の実施形態に係る第１集電体と燃料電池単位セルの接触形状を示す概略図である。図４Ｃは、本発明の更に他の実施形態に係る第１集電体と燃料電池単位セルの接触形状を示す概略図である。

前記曲面又は屈曲面について図４Ａ〜図４Ｃを参照して説明する。本発明では屈曲面の曲率半径が単位セル１００外周面の曲率半径と正確に一致して完壁な面接触Ｓ１がなされることが好ましい。この場合には、接触面積が広くなるにつれて、接触抵抗が減少する。ただし、第１集電体１１０を導線や長い棒状で製作するにおいて一定の曲率半径を有するように精密に加工することは技術的にも、経済的にも難しい。

従って、第１集電体を製造する過程では第１集電体１１０内側の曲率半径が単位セル１００外周面の曲率半径と正確に一致するか、少なくともその曲率半径の誤差範囲が１０％以内となるように形成することが好ましい。誤差範囲が１０％以上大きくなる場合には後述する第２集電体の巻線による引き締めによっても、面接触が発生する余地が減少する。これと関連する詳細な説明は後述する。

一方、第１集電体１１０内側の曲率半径が単位セル１００外周面の曲率半径に比べて大きい場合を図４Ｂ、小さい場合を図４Ｃにそれぞれ概略的に示す。図４Ｂに示すように、第１集電体１１０内側の曲率半径が単位セル１００外周面の曲率半径に比べて大きい場合には単位セル１００と第１集電体１１０が線接触Ｐ１をするようになり、これに比べて、図４Ｃに示すように、第１集電体１１０内側の曲率半径が単位セル１００外周面の曲率半径に比べて小さな場合には２倍の線接触Ｐ２、Ｐ３がなされるようになる。従って、面接触がなされたり、誤差を考慮しても、第１集電体１１０の曲率半径が単位セル１００外周面の曲率半径と１０％の誤差範囲で小さくなるように形成して２倍の線接触がなされるようにすることがより好ましい。即ち、第１集電体１１０の曲率半径は第１集電体１１０が配置された単位セル１００の曲率半径とその曲率半径の大きさの差が１０％より大きいものは好ましくない。また、本発明において、図４Ｂの場合、図４に替えて利用できる。これは第１集電体１１０が単位セル１００の周りとより密着してマッチングされるための曲面又は屈曲面で第１集電体１１０の内周面を密着させることができるためである。

他方、後述する第２集電体１２０の巻線強度が強くなれば、第１集電体１１０が単位セル１００の中心軸方向に力を受けるようになる。このような巻線強度が更に強くなれば、図５に示すように、第１集電体１１０の内側面が単位セル１００の外周面上で一定深さだけ押圧されて入り込まれる。高い稼働温度で運転される燃料電池の特性上、カソードの材料として、白金、パラジウム、銀のような貴金属、電気伝導性を有している酸化物、最近研究されているｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅ構造のＬａＭｎＯ３及びＬａＣｏＯ３系に添加物が添加された物質及びより低い作動温度での電極活性の増加のために用いられるＬａ０.６Ｓｒ０.４Ｃｏ０.２Ｆｅ０.８Ｏ３、Ｂａ０.５Ｓｒ０.５Ｃｏ０.８Ｆｅ０.２Ｏ３−δ、Ｓｍ０.５Ｓｒ０.５ＣｏＯ３のようなイオン／電子伝導性混合伝導体（ｍｉｘｅｄｉｏｎｉｃ／ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ、ＭＩＥＣ）などが主に用いられる。このような主カソード材料は集電体として主に用いられるニッケルワイヤに比べて性質が脆いため、単位セル１００の最外郭層がカソードである場合、第１集電体１１０が外力によって単位セル１００の外周面に押圧されて埋め込まれる現象が発生するようになる。また、アノード材料としては、Ｎｉを含むサーメット、主にＮｉ-ＹＳＺサーメットやＮｉ-ＧＤＣサーメットが多く用いられるが、これも製造過程及び結合強度が、ニッケルワイヤが主に用いられる第１集電体に比べて弱いため、同じ現象が発生し得る。

このように、第１集電体１１０が単位セル１００の外周面に埋め込まれる、即ち、埋め込み又はエンベッディング（ｅｍｂｅｄｄｉｎｇ）される場合には、図５に示すように、埋め込まれる程度又は第１集電体１００が単位セル１００の外周面内にどの程度の深さを有して埋め込まれるかによって、その面接触が増加する。このとき、第１集電体１１０が単位セルの外周面から押圧されて挿入された深さは１０μｍ〜１００μｍ程度が適切である。数μｍに過ぎない場合には面接触がなされる水準が僅かであり、１００μｍ以上の場合には第２集電体１２０に負荷される張力が大きくなって破断が発生し得る。

図４Ｂに示すような本発明の一実施形態では、第１集電体１１０の曲率半径は単位セル１００の外周面の曲率半径よりも大きい。このような第１集電体１１０の曲率半径を大きく形成して第１集電体の内周面が単位セル１００に外周面内に圧入され得るようにする。更に、第１集電体１００の内周面は実質的に「Ｖ」字状を有するようになり、「Ｖ」のチップ（ｔｉｐ）や底点は単位セルの外周面と向かい合って圧入される形態を有するようになる。このようにして、第１集電体１１０の「Ｖ」字状は単位セルの外周面により容易に圧入されることが可能である。

一方、第１集電体１１０の外周面には単位セルの円周方向に曲率を有する曲面が形成される。このとき、第１集電体１１０の外周面の曲率を一定に形成することが後述する第２集電体１２０との接触面積を増加させる上で有利である。

また、第１集電体１１０の外側面の曲率半径が小さくなるほど、第２集電体１２０との接触面積が減少するため、第１集電体１１０の外側面の曲率半径は燃料電池単位セルの曲率半径と同一であるか、大きく形成することが好ましい。

図６Ａは、本発明に係る第２集電体の断面を示す断面図であり、図６Ｂは、本発明の他の実施形態に係る第２集電体の断面を示す断面図である。図６Ｃは、本発明のまた他の実施形態に係る第２集電体の断面を示す断面図である。また、図７は、本発明の更に他の実施形態に係る第２集電体、第１集電体及び燃料電池単位セルの断面を示す断面図である。

図６Ａを参照して第２集電体１２０を説明する。図６Ａ〜図６Ｃは、第２集電体１２０の断面形状を示す図である。

第２集電体１２０は、既存の集電体と同様にワイヤ状で形成されて単位セル１００の外周面及び第１集電体１１０の外側面に巻線される。このとき、第２集電体の外周面には、図６Ａに示すように、長手方向に沿って平坦面１２１が形成されて単位セル１００及び第１集電体１１０の外部に巻線される場合、図７に示すように、第１集電体１１０の外側面と面接触するようになる。

このような面接触がなされることで、従来に比べて接触抵抗が減少し、結果的に、巻線数を減少しても集電効率の面において同一であるか、より良い効果が得られる。

第２集電体１２０の断面形状は接触面１２１の形状が重要な要素であり、それ以外の部分形状は重要でない。即ち、図６Ａに示すように、接触面１２１以外の形状が円形であっても良く、曲面であっても良く、図６Ｂ又は図６Ｃに示すように、断面が直角四角形であるか、不規則な四角形又は多角形であっても、結果的には大きく影響しない。即ち、図６Ａに示す第２集電体１２０は平坦表面又は平坦側面１２１を備えて第２集電体１２０が第１集電体１１０に巻線されるとき、第１集電体１１０の外周面に接触するように形成される。図６Ａにおいて平坦面１２１を除いて、第２集電体１２０は実質的に円形の横断面又は円形の形状を有する。図６Ｂは、平坦面１２１を除いて、第２集電体１２０が実質的に四角の横断面又は四角形の形状を有する。図６Ｂにおいて平坦面１２１を除いて、第２集電体１２０は実質的に多角形又は非対称四角形の横断面形状を有する。

一方、第１集電体１１０と第２集電体１２０が電子の移動路としての役割を果たし、第１集電体１１０の数が第２集電体１２０の巻線数よりも小さいため、第１集電体１１０の断面積は第２集電体１２０の断面積よりも大きくならなければならない。この場合、第１集電体の断面積をＤ１、個数をＮ１とし、第２集電体の断面積をＤ２、巻線の数をＮ２とするとき、第１集電体の断面積Ｄ１は下記式１のような範囲で決定されることができる。

即ち、単位セル１００と第１集電体１１０の接触面積は第１集電体１１０の数に比例し、第１集電体１１０と第２集電体１２０の接触面積は第２集電体１２０の巻線数に比例するため、移動する電子の通路としての役割を果たす上述した両接触面積の均衡のためには前記のような式を満さなければならない。

更に、図７を参照すれば、第１集電体１１０が単位セル１００の一部領域に沿ってのみ形成されている。そして、第２集電体１２０は単位セル１００に接触する。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明の技術的思想が上述した好適な実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に具体化された本発明の技術的思想を逸脱しない範疇で多様な集電効率が向上した燃料電池モジュールで実現されることができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１０燃料電池モジュール
１００単位セル
１１０第１集電体
１２０第２集電体

Claims

曲面で形成された外周面を有する燃料電池単位セルと、
前記単位セルの外周面と向かい合う内周面が曲面で形成され、前記単位セルの外周面上に設けられた第１集電体と、
前記第１集電体及び前記単位セルの外周面上に巻線される第２集電体と
を含み、
前記第１集電体の内周面は前記単位セルの外周面と互いにマッチングされる形態を有する燃料電池モジュール。
前記第１集電体の内周面の曲率半径は、前記単位セルの外周面の曲率半径の９０％〜１１０％の間に形成することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池モジュール。
前記第１集電体の内周面の曲率半径は、前記単位セルの外周面の曲率半径と同一であるか、小さく形成することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池モジュール。
前記第１集電体の内周面は、前記単位セルの外周面内に圧入されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池モジュール。
前記第１集電体の内周面は、１０μｍ〜１００μｍの深さで前記単位セルの外周面内に圧入されることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池モジュール。
前記単位セルの外周面は、前記第１集電体の外周面よりも柔らかい材質で形成されることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池モジュール。
前記第２集電体は、前記第１集電体の内周面を前記単位セルの外周面内に圧入されるように形成されることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池モジュール。
前記第２集電体が前記第１集電体に巻線されるとき、前記第２集電体は前記第１集電体の外周面と接触する平坦面を備えることを特徴とする請求項１記載の燃料電池モジュール。
前記第２集電体は、前記平坦面を除いて実質的に円形、四角形又は多角形のいずれか１つの横断面を有することを特徴とする請求項８に記載の燃料電池モジュール。
前記第１集電体は、前記単位セルの中心軸に平行するように長手方向に沿って延びる複数の伝導性バー又は伝導性ワイヤであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池モジュール。
前記第１集電体は、前記第２集電体の横断面積以上に形成することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池モジュール。
前記第１集電体は複数形成され、前記第１集電体の横断面積は前記第１集電体の巻線数に対する第２集電体の巻線数の比に前記第２集電体の横断面積をかけたものより小さく形成することを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池モジュール。
前記第１集電体の横断面積は、前記第１集電体の巻線数に対する第２集電体の巻線数の比に前記第２集電体の横断面積をかけたものと同一に形成することを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池モジュール。
前記燃料電池モジュールは、中空の円筒形状であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池モジュール。
前記第１集電体は、前記単位セルを部分的に覆って形成することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池モジュール。
前記第２集電体は、前記単位セルと接触することを特徴とする請求項１５に記載の燃料電池モジュール。
第１電極層、第２電極層及び前記第１電極層と第２電極層との間に介在された電解質を含み、曲面で形成された外周面を有する燃料電池単位セルと、
前記単位セルの外周面と向かい合う内周面が曲面で形成され、前記単位セルの外周面上に備えられた第１集電体と、
前記第１集電体及び前記単位セルの外周面上に巻線される第２集電体と
を含み、
前記第１集電体の内周面の曲率半径は前記単位セルの外周面の曲率半径の９０％〜１１０％に形成することを特徴とする燃料電池モジュール。
前記第１集電体の内周面は、前記単位セルの外周面の曲率半径よりも大きく形成することを特徴とする請求項１７に記載の燃料電池モジュール。
前記第１集電体の内周面は、前記単位セルの外周面内に圧入されることを特徴とする請求項１８に記載の燃料電池モジュール。
前記第１集電体の内周面は、前記単位セルの外周面内に圧入されて１０μｍ〜１００μｍの深さで埋め込まれることを特徴とする請求項１９に記載の燃料電池モジュール。