JP2012059707A - 固体酸化物燃料電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は固体酸化物燃料電池モジュールに関する。
【解決手段】本発明による固体酸化物燃料電池モジュール１００は、管状に形成された燃料極支持体１１１の外周面に電解質１１３、空気極１１５の順に積層されて形成された多数の単位電池１１０と、一定の厚さＴ１を有する平板状に形成され、前記単位電池１１０が収容されるように一面に厚さ方向に溝１２１が形成された金属フォーム連結板１２０と、を含む構成であり、金属フォーム連結板１２０を採用して電流を集電することにより、従来技術と異なって、複雑なワイヤリング（ｗｉｒｉｎｇ）工程を行う必要がないため、製造工程を単純化し、製造コストを節約することができる効果がある。
【選択図】図５

Description

本発明は固体酸化物燃料電池モジュールに関する。

燃料電池とは、燃料（水素、ＬＮＧ、ＬＰＧなど）と空気（酸素）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燃焼、蒸気発生、タービン駆動、発電機駆動などの過程を経ることとは異なって、燃料電池は、燃料燃焼やタービン駆動の過程がないため、効率が高いだけでなく、環境問題を誘発しない新しい概念の発電技術である。このような燃料電池は、ＳＯ_ＸとＮＯ_Ｘなどの大気汚染物質を殆ど排出せず、二酸化炭素の発生も少なくて無公害発電が可能であり、低騷音、無振動などの長所を有する。

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、多様な種類があるが、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、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有するため、小型、大型発電所または分散型電源に適する。従って、固体酸化物燃料電池は、今後の水素経済社会への進入のために必須の発電技術である。

図１は固体酸化物燃料電池の発電原理を図示した概念図である。
図１を参照して固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ；ｓｏｌｉｄ ｏｘｉｄｅ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ）の基本的な発電原理を説明すると、燃料が水素（Ｈ_２）または一酸化炭素（ＣＯ）である場合、燃料極１と空気極２では下記のような電極反応が行われる。

燃料極：ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→Ｈ_２＋ＣＯ_２
２Ｈ_２＋２Ｏ^２−→４ｅ⁻＋２Ｈ_２Ｏ
空気極：Ｏ_２＋４ｅ⁻→２Ｏ^２−
全反応：Ｈ_２＋ＣＯ＋Ｏ_２→ＣＯ_２＋Ｈ_２Ｏ

即ち、燃料極１で生成された電子（ｅ⁻）は外部回路４を介して空気極２に伝達され、同時に空気極２で発生した酸素イオン（Ｏ^２−）は電解質３を介して燃料極１に伝達される。また、燃料極１では水素（Ｈ_２）が酸素イオン（Ｏ^２−）と結合されて電子（ｅ⁻）及び水（Ｈ_２Ｏ）が生成される。結局、固体酸化物燃料電池の全反応を説明すると、水素（Ｈ_２）または一酸化炭素（ＣＯ）が燃料極１に供給され、酸素が空気極２に供給されて、最終的に二酸化炭素（ＣＯ_２）と水（Ｈ_２Ｏ）が生成されることが分かる。

上述の発電過程によって電気エネルギーを生成する固体酸化物燃料電池は、活性化分極に基づいた過電圧が低く、非可逆的損失が少ない。また、水素と炭化水素系を燃料として用いることができるため燃料の選択幅が広く、電極での反応速度が速いため電極触媒として高価の貴金属を必要としない。
しかし、固体酸化物燃料電池のうち、管状の固体酸化物燃料電池の場合は集電が困難である。

図２は従来技術による固体酸化物燃料電池の集電方式を図示した斜視図であり、図２を参照して従来技術の問題点を説明すると次の通りである。

固体酸化物燃料電池の発電過程を通じて電流が生成されると、電流を集電するために単位電池１０の外周面をＮｉ、Ａｇワイヤ（ｗｉｒｅ）２０などでワイヤリング（ｗｉｒｉｎｇ）しなければならない。しかし、ワイヤリング工程は複雑であり、ワイヤ２０が非常に高価であるため、製造コストが上昇するという問題点がある。また、単位電池１０のサイズが増加すると、集電するワイヤ２０の長さもともに増加するため、抵抗が増加して最終的には集電効率が低下する。さらに、多数の単位電池１０を積層してスタッキング（ｓｔａｃｋｉｎｇ）する場合、夫々の単位電池１０毎にワイヤリングを行わなければならないため、全体的な集電システムが非常に複雑になるという欠点がある。

本発明は上述のような問題点を解決するために導き出されたものであり、本発明の目的は、金属フォーム連結板を採用して電流を集電することにより、集電効率を高めるだけでなく、安定的に積層することができる固体酸化物燃料電池モジュールを提供することにある。

本発明の好ましい第１実施例による固体酸化物燃料電池モジュールは、管状に形成された燃料極支持体の外周面に電解質、空気極の順に積層されて形成された多数の単位電池と、一定の厚さを有する平板状に形成され、前記単位電池が収容されるように一面に厚さ方向に溝が形成された金属フォーム連結板と、を含む構成である。

ここで、前記金属フォーム連結板から突出した前記電解質と前記空気極の外周面一側とを長さ方向に除去することにより、前記燃料極支持体の外周面一側を露出させ、前記空気極と離隔されるように露出した前記燃料極支持体の外周面一側に備えられ、前記単位電池が収容された前記金属フォーム連結板の一面より突出した連結材をさらに含むことを特徴とする。

また、前記金属フォーム連結板は二つ以上が備えられ、前記溝が前記空気極と選択的に接触し、他面が前記連結材と選択的に接触するように多数の前記単位電池と交互に積層されることを特徴とする。

また、前記金属フォーム連結板は、最下部に配置され、上面に形成された溝が前記空気極と選択的に接触する第１金属フォーム連結板と、前記第１金属フォーム連結板の上側に配置され、上面に形成された溝が前記空気極と選択的に接触し、下面が前記連結材と選択的に接触する一つ以上の第２金属フォーム連結板と、を含み、一定の厚さを有する平板状に形成され、前記第２金属フォーム連結板の上側に配置され、下面が前記連結材と選択的に接触する金属フォーム集電板をさらに含むことを特徴とする。

また、前記溝の内壁は前記単位電池の外周面に対応するように形成されることを特徴とする。
また、前記金属フォーム連結板は多孔性であることを特徴とする。
また、前記金属フォーム連結板は耐酸化コーティングされることを特徴とする。
また、前記金属フォーム集電板は多孔性であることを特徴とする。
また、前記金属フォーム集電板は耐酸化コーティングされることを特徴とする。

本発明の好ましい第２実施例による固体酸化物燃料電池モジュールは、管状に形成された空気極支持体の外周面に電解質、燃料極の順に積層されて形成された多数の単位電池と、一定の厚さを有する平板状に形成され、前記単位電池が収容されるように一面に厚さ方向に溝が形成された金属フォーム連結板と、を含む構成である。

ここで、前記金属フォーム連結板から突出した前記電解質と前記燃料極の外周面一側とを長さ方向に除去することにより、前記空気極支持体の外周面一側を露出させ、前記燃料極と離隔されるように露出した前記空気極支持体の外周面一側に備えられ、前記単位電池が収容された前記金属フォーム連結板の一面より突出した連結材をさらに含むことを特徴とする。

また、前記金属フォーム連結板は二つ以上が備えられ、前記溝が前記燃料極と選択的に接触し、他面が前記連結材と選択的に接触するように多数の前記単位電池と交互に積層されることを特徴とする。

また、前記金属フォーム連結板は、最下部に配置され、上面に形成された溝が前記燃料極と選択的に接触する第１金属フォーム連結板と、前記第１金属フォーム連結板の上側に配置され、上面に形成された溝が前記燃料極と選択的に接触し、下面が前記連結材と選択的に接触する一つ以上の第２金属フォーム連結板と、を含み、一定の厚さを有する平板状に形成され、前記第２金属フォーム連結板の上側に配置され、下面が前記連結材と選択的に接触する金属フォーム集電板をさらに含むことを特徴とする。

また、前記溝の内壁は前記単位電池の外周面に対応するように形成されることを特徴とする。
また、前記金属フォーム連結板は多孔性であることを特徴とする。
また、前記金属フォーム集電板は多孔性であることを特徴とする。

本発明の特徴及び利点は添付図面に基づいた以下の詳細な説明によってさらに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用いられた用語や単語は通常的かつ辞書的な意味に解釈されてはならず、発明者が自ら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るべきである。

本発明によると、金属フォーム連結板を採用して電流を集電することにより、従来技術と異なって、複雑なワイヤリング（ｗｉｒｉｎｇ）工程を行う必要がないため、製造工程を単純化し、製造コストを節約することができる効果がある。

また、本発明によると、金属フォーム連結板を利用して多数の単位電池を安定的に積層することができ、金属フォーム連結板が多孔性であるため、燃料または空気（酸素）の供給が容易である長所がある。

本発明の目的、特定の長所及び新規の特徴は添付図面に係わる以下の詳細な説明および好ましい実施例によってさらに明らかになるであろう。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、同一の構成要素に限っては、たとえ異なる図面に示されても、できるだけ同一の番号を付けるようにしていることに留意しなければならない。また、「第１」、「第２」などの用語は一つの構成要素を他の構成要素から区別するために用いられるものであり、前記構成要素は前記用語によって限定されない。また、本発明を説明するにあたり、本発明の要旨を不明瞭にする可能性のある係わる公知技術についての詳細な説明は省略する。一方、図面上に示された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に過ぎず、燃料極や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。

以下、添付された図面を参照して本発明の好ましい実施例を詳細に説明する。
図３は本発明の好ましい第１実施例による断層固体酸化物燃料電池モジュールの斜視図であり、図４は図３に図示された固体酸化物燃料電池モジュールのＡ−Ａ'線による断面図であり、図５は図４に図示された固体酸化物燃料電池モジュールを積層した断面図である。

図３から図５に図示されたように、本実施例による固体酸化物燃料電池モジュール１００は、管状に形成された燃料極支持体１１１の外周面に電解質１１３、空気極１１５の順に積層されて形成された多数の単位電池１１０と、一定の厚さＴ１を有する平板状に形成され、単位電池１１０が収容されるように一面に厚さ方向に溝１２１が形成された金属フォーム（ｍｅｔａｌ ｆｏａｍ）連結板１２０と、を含む構成である。

前記単位電池１１０は電気エネルギーを生産する基本単位であり、燃料極支持体１１１、電解質１１３、空気極１１５で構成される。単位電池１１０を構成する燃料極支持体１１１、電解質１１３、空気極１１５を説明すると以下の通りである。

前記燃料極支持体１１１は、外周面に積層された電解質１１３及び空気極１１５を支持する役割をする。従って、燃料極支持体１１１は支持力を確保するために、電解質１１３及び空気極１１５より相対的に厚いことが好ましく、圧出工程などによって形成することができる。また、燃料極支持体１１１は管状に形成され、マニホールドから燃料（水素）の供給を受け、電極反応を通じて陰電流を生成する。ここで、燃料極支持体１１１は、酸化ニッケル（ＮｉＯ）とイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）を利用して形成するが、酸化ニッケルが水素によって金属ニッケルに還元されて電子伝導性を発揮し、イットリア安定化ジルコニアは酸化物としてイオン伝導性を発揮する。この際、燃料極支持体１１１を形成する酸化ニッケルとイットリア安定化ジルコニアとの重量比は、例えば５０：５０〜４０：６０であることが好ましい。

前記電解質１１３は、空気極１１５で発生した酸素イオンを燃料極支持体１１１に伝達する役割をするものであり、燃料極支持体１１１の外周面に積層されて形成される。ここで、電解質１１３は、プラズマスプレー法（ｐｌａｓｍａ ｓｐｒａｙ）、電気化学蒸着法、スパッタリング法（ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）、イオンビーム法、イオン注入法などの乾式法や、テープキャスティング法（ｔａｐｅ ｃａｓｔｉｎｇ）、スプレーコーティング法（ｓｐｒａｙ ｃｏａｔｉｎｇ）、ディップコーティング法（ｄｉｐ ｃｏａｔｉｎｇ）、スクリーンプリンティング法（ｓｃｒｅｅｎ ｐｒｉｎｔｉｎｇ）、ドクターブレード法（ｄｏｃｔｏｒ ｂｌａｄｅ）などの湿式法でコーティングした後、１３００℃〜１５００℃で焼結して形成することができる。この際、電解質１１３は、イットリア安定化ジルコニアまたはＳｃＳＺ（Ｓｃａｎｄｉｕｍ Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ Ｚｉｒｃｏｎｉａ）、ＧＤＣ、ＬＤＣなどを利用して形成するが、イットリア安定化ジルコニアは４価ジルコニウムイオンの一部が３価のイトリウムイオンに代置されているため、イトリウムイオン２個当り一個の酸素イオン孔が内部に発生し、高温で前記孔を介して酸素イオンが移動するようになる。一方、電解質１１３はイオン伝導率が低く、抵抗分極による電圧降下が少なく発生するため、なるべく薄く形成することが好ましい。また、電解質１１３に気孔が生じると、燃料（水素）と空気（酸素）が直接反応するクロスオーバー（ｃｒｏｓｓ ｏｖｅｒ）現象が発生して効率が低下するため、きずが発生しないように注意しなければならない。

前記空気極１１５は、酸化雰囲気が形成された外部から空気（酸素）の供給を受け、電極反応を通じて陽電流を生成するものであり、電解質１１３の外周面に積層されて形成される。ここで、空気極１１５は、電子伝導性が高いランタンストロンチウムマンガナイト（（Ｌａ_０．８４Ｓｒ_０．１６）ＭｎＯ_３）などを電解質１１３と同様に乾式法または湿式法でコーティングした後、１２００℃〜１３００℃で焼結して形成することができる。一方、空気極１１５では空気（酸素）がランタンストロンチウムマンガナイトの触媒作用によって酸素イオンに転換され、電解質１１３を介して燃料極支持体１１１に伝達される。

また、燃料極支持体１１１で生成した陰電流を単位電池１１０の外部に伝達するために連結材１３０を備える。ここで、連結材１３０は燃料極支持体１１１の集電のための部材であるため、電気伝導性を備えなければならない。連結材１３０を形成する工程について説明すると、まず、金属フォーム連結板１２０から突出した電解質１１３と空気極１１５の外周面一側を除去することにより、燃料極支持体１１１の外周面一側１１６を露出させる。その後、露出した燃料極支持体１１１の外周面一側１１６に連結材１３０を配置する。この際、連結材１３０は単位電池１１０が収容された金属フォーム連結板１２０の一面より突出しなければならないが、これは連結材１３０を他の金属フォーム連結板の他面と連結するためであり、詳細な説明は後述する。一方、連結材１３０は燃料極支持体１１１と電気的に連結されるため、空気極１１５と接触すると短絡（ｓｈｏｒｔ）が発生する。従って、連結材１３０と空気極１１５は所定間隔離隔させることが好ましい。

前記金属フォーム連結板１２０は、上述の単位電池１１０で生成した電気エネルギーを集電する役割をするものであり、一定の厚さＴ１を有する平板状に形成される。ここで、金属フォーム連結板１２０には一面に厚さ方向に溝１２１が形成され、前記溝１２１に単位電池１１０が収容される。この際、金属フォーム連結板１２０は電気伝導性を有するため、単位電池１１０で生成された電気エネルギーを並列に集電することができる。図３及び図４を参照すると、一つの金属フォーム連結板１２０に三つの単位電池１１０が収容されているが、これは例示的なものにすぎず、三つ以上または以下の単位電池１１０を収容することができることは勿論である。一方、溝１２１の内壁は単位電池１１０の外周面に対応するように曲面に形成し、金属フォーム連結板１２０と単位電池１１０との接触面積を最大限に広くすることにより、集電効率を極大化することができる。また、金属フォーム連結板１２０は多孔性に形成されるため、単位電池１１０を金属フォーム連結板１２０の溝１２１に収容しても、空気極１１５に空気（酸素）を効率的に供給することに問題がない。金属フォーム連結板１２０は上述の電気伝導性及び多孔性を有しなければならないため、金属フォーム（ｍｅｔａｌ ｆｏａｍ）、プレートまたは金属繊維（ｍｅｔａｌ ｆｉｂｅｒ）などを利用して形成することが好ましい。一方、本実施例による固体酸化物燃料電池モジュール１００の外部には酸化雰囲気が形成されるため、金属フォーム連結板１２０が酸化されることを防止するために、前記金属フォーム連結板１２０を耐酸化コーティングすることが好ましい。

また、金属フォーム連結板１２０は、図３及び図４に図示されたように、一つを備えて多数の単位電池１１０を並列に集電することができるだけでなく、図５に図示されたように、二つ以上の金属フォーム連結板１２０を備え、金属フォーム連結板１２０と単位電池１１０とを交互に積層することができる。金属フォーム連結板１２０と単位電池１１０とを交互に積層する場合、金属フォーム連結板１２０の溝１２１は単位電池１１０の空気極１１５とのみ選択的に接触し、金属フォーム連結板１２０の他面は単位電池１１０の連結材１３０とのみ選択的に接触する。従って、一つの金属フォーム連結板１２０に収容されて平行に配置された単位電池１１０は互いに並列に連結され、相違する金属フォーム連結板１２０に収容されて垂直に配置された単位電池１１０は互いに直列に連結される。結局、本実施例による固体酸化物燃料電池モジュール１００は、積層される金属フォーム連結板１２０の数を調節することにより、必要な電圧を具現することができる。

図５を参照して金属フォーム連結板１２０と単位電池１１０とを交互に積層した構造をより詳細に説明すると、金属フォーム連結板１２０は、最下部に配置された第１金属フォーム連結板１２５と、第１金属フォーム連結板１２５の上側に配置された一つ以上の第２金属フォーム連結板１２７と、を含み、第２金属フォーム連結板１２７の上側には一定の厚さＴ２を有する平板状に形成された金属フォーム集電板１２８が備えられる。ここで、第２金属フォーム連結板１２７は、上面に形成された溝１２１が空気極１１５にのみ選択的に接触し、下面１２３が連結材１３０にのみ選択的に接触する。これに対し、第１金属フォーム連結板１２５は、下側に単位電池１１０が配置されないため、上面に形成された溝１２１のみが空気極１１５と選択的に接触する。第１金属フォーム連結板１２５と反対に、金属フォーム集電板１２８は上側に単位電池１１０が配置されないため、上面に溝１２１が形成されず、下面１２９のみが連結材１３０と選択的に接触する。従って、第２金属フォーム連結板１２７は垂直に配置された単位電池１１０が直列に連結され、最終的に第１金属フォーム連結板１２５は陽電流を集電することができ、金属フォーム集電板１２８は陰電流を集電することができる。一方、前記金属フォーム集電板１２８は上面に溝１２１が形成されない点を除き、第１金属フォーム連結板１２５や第２金属フォーム連結板１２７と実質的に同一である。従って、金属フォーム集電板１２８は電気伝導性及び多孔性を有し、酸化雰囲気で酸化されることを防止するために耐酸化コーティングされることが好ましい。

本実施例による固体酸化物燃料電池モジュール１００は、金属フォーム連結板１２０を採用して電流を集電することにより、従来技術と異なって、複雑なワイヤリング（ｗｉｒｉｎｇ）工程を行う必要がないため、製造工程を単純化し、製造コストを節約することができる効果がある。また、金属フォーム連結板１２０を利用して多数の単位電池１１０を安定的に積層することができ、金属フォーム連結板１２０は多孔性であるため、単位電池１１０への空気（酸素）の供給が容易である長所がある。

図６は本発明の好ましい第２実施例による断層固体酸化物燃料電池モジュールの斜視図であり、図７は図６に図示された固体酸化物燃料電池モジュールのＢ−Ｂ'線による断面図であり、図８は図７に図示された固体酸化物燃料電池モジュールを積層した断面図である。

図６から図９に図示されたように、本実施例による固体酸化物燃料電池モジュール２００は、管状に形成された空気極支持体１１７の外周面に電解質１１３、燃料極１１９の順に積層されて形成された多数の単位電池１１０と、一定の厚さを有する平板状に形成され、単位電池１１０が収容されるように一面に厚さ方向に溝１２１が形成された金属フォーム連結板１２０と、を含む構成である。

本実施例による固体酸化物燃料電池モジュール２００と上述の第１実施例による固体酸化物燃料電池モジュール１００との最大の差異は、燃料極（燃料極支持体）と空気極（空気極支持体）の形成位置である。従って、本実施例は前記差異を中心に説明する。

前記単位電池１１０は電気エネルギーを生産する基本単位であり、空気極支持体１１７、電解質１１３、燃料極１１９で構成される。単位電池１１０を構成する空気極支持体１１７、電解質１１３、燃料極１１９を説明すると以下の通りである。

前記空気極支持体１１７は、外周面に積層された電解質１１３及び燃料極１１９を支持する役割をする。従って、空気極支持体１１７は支持力を確保するために、電解質１１３及び燃料極１１９より相対的に厚いことが好ましく、圧出工程などによって形成することができる。また、空気極支持体１１７は管状に形成され、マニホールドから空気（酸素）の供給を受け、電極反応を通じて陽電流を生成する。ここで、空気極支持体１１７は、電子伝導性が高いランタンストロンチウムマンガナイト（（Ｌａ_０．８４Ｓｒ_０．１６）ＭｎＯ_３）などで形成することができる。一方、空気極支持体１１７では空気（酸素）がランタンストロンチウムマンガナイトの触媒作用によって酸素イオンに転換され、電解質１１３を介して燃料極１１９に伝達される。

前記電解質１１３は、空気極支持体１１７で発生した酸素イオンを燃料極１１９に伝達する役割をするものであり、空気極支持体１１７の外周面に積層されて形成される。ここで、電解質１１３は、プラズマスプレー法（ｐｌａｓｍａ ｓｐｒａｙ）、電気化学蒸着法、スパッタリング法（ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）、イオンビーム法、イオン注入法などの乾式法や、テープキャスティング法（ｔａｐｅ ｃａｓｔｉｎｇ）、スプレーコーティング法（ｓｐｒａｙ ｃｏａｔｉｎｇ）、ディップコーティング法（ｄｉｐ ｃｏａｔｉｎｇ）、スクリーンプリンティング法（ｓｃｒｅｅｎ ｐｒｉｎｔｉｎｇ）、ドクターブレード法（ｄｏｃｔｏｒ ｂｌａｄｅ）などの湿式法でコーティングした後、１３００℃〜１５００℃で焼結して形成することができる。この際、電解質１１３は、イットリア安定化ジルコニアまたはＳｃＳＺ（Ｓｃａｎｄｉｕｍ Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ Ｚｉｒｃｏｎｉａ）、ＧＤＣ、ＬＤＣなどを利用して形成するが、イットリア安定化ジルコニアは４価ジルコニウムイオンの一部が３価のイトリウムイオンに代置されているため、イトリウムイオン２個当り１個の酸素イオン孔が内部に発生し、高温で前記孔を介して酸素イオンが移動するようになる。一方、電解質１１３はイオン伝導率が低く、抵抗分極による電圧降下が少なく発生するため、なるべく薄く形成することが好ましい。また、電解質１１３に気孔が生じると、空気（酸素）と燃料（水素）が直接反応するクロスオーバー（ｃｒｏｓｓ ｏｖｅｒ）現象が発生して効率が低下するため、きずが発生しないように注意しなければならない。

前記燃料極１１９は、還元雰囲気が形成された外部から燃料（水素）の供給を受け、電極反応を通じて陰電流を生成するものであり、電解質１１３の外周面に積層されて形成される。ここで、燃料極１１９は、電解質１１３と同様に乾式法または湿式法でコーティングして形成することができる。また、燃料極１１９は酸化ニッケル（ＮｉＯ）とイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）を利用して形成するが、酸化ニッケルが水素によって金属ニッケルに還元されて電子伝導性を発揮し、イットリア安定化ジルコニアは酸化物としてイオン伝導性を発揮する。この際、燃料極１１９を形成する酸化ニッケルとイットリア安定化ジルコニアとの重量比は、例えば５０：５０〜４０：６０であることが好ましい。

また、空気極支持体１１７で生成した陽電流を単位電池１１０の外部に伝達するために連結材１３０を備える。ここで、連結材１３０は空気極支持体１１７の集電のための部材であるため、電気伝導性を備えなければならない。連結材１３０を形成する工程について説明すると、まず、金属フォーム連結板１２０から突出した電解質１１３と燃料極１１９の外周面一側を除去することにより、空気極支持体１１７の外周面一側１１６を露出させる。その後、露出した空気極支持体１１７の外周面一側１１６に連結材１３０を配置する。この際、連結材１３０は単位電池１１０が収容された金属フォーム連結板１２０の一面より突出しなければならないが、これは連結材１３０を他の金属フォーム連結板の他面と連結するためであり、詳細な説明は後述する。一方、連結材１３０は空気極支持体１１７と電気的に連結されるため、燃料極１１９と接触すると短絡（ｓｈｏｒｔ）が発生する。従って、連結材１３０と燃料極１１９は所定間隔離隔させることが好ましい。

前記金属フォーム連結板１２０は、上述の単位電池１１０で生成した電気エネルギーを集電する役割をするものであり、一定の厚さＴ１を有する平板状に形成される。ここで、金属フォーム連結板１２０には一面に厚さ方向に溝１２１が形成され、前記溝１２１に単位電池１１０が収容される。この際、金属フォーム連結板１２０は電気伝導性を有するため、単位電池１１０で生成された電気エネルギーを並列に集電することができる。図６及び図７を参照すると、一つの金属フォーム連結板１２０に三つの単位電池１１０が収容されているが、これは例示的なものにすぎず、三つ以上または以下の単位電池１１０を収容することができることは勿論である。一方、溝１２１の内壁は単位電池１１０の外周面に対応するように曲面に形成し、金属フォーム連結板１２０と単位電池１１０との接触面積を最大限に広くすることにより、集電効率を極大化することができる。また、金属フォーム連結板１２０は多孔性に形成されるため、単位電池１１０を金属フォーム連結板１２０の溝１２１に収容しても、燃料極１１９に燃料（水素）を効率的に供給することに問題がない。金属フォーム連結板１２０は上述の電気伝導性及び多孔性を有しなければならないため、金属フォーム（ｍｅｔａｌ ｆｏａｍ）、プレートまたは金属繊維（ｍｅｔａｌ ｆｉｂｅｒ）などを利用して形成することが好ましい。

また、金属フォーム連結板１２０は、図６及び図７に図示されたように、一つを備えて多数の単位電池１１０を並列に集電することができるだけでなく、図８に図示されたように、二つ以上の金属フォーム連結板１２０を備え、金属フォーム連結板１２０と単位電池１１０とを交互に積層することができる。金属フォーム連結板１２０と単位電池１１０とを交互に積層する場合、金属フォーム連結板１２０の溝１２１は単位電池１１０の燃料極１１９とのみ選択的に接触し、金属フォーム連結板１２０の他面は単位電池１１０の連結材１３０とのみ選択的に接触する。従って、一つの金属フォーム連結板１２０に収容されて平行に配置された単位電池１１０は互いに並列に連結され、相違する金属フォーム連結板１２０に収容されて垂直に配置された単位電池１１０は互いに直列に連結される。結局、本実施例による固体酸化物燃料電池モジュール２００は、積層される金属フォーム連結板１２０の数を調節することにより、必要な電圧を具現することができる。

図８を参照して金属フォーム連結板１２０と単位電池１１０とを交互に積層した構造をより詳細に説明すると、金属フォーム連結板１２０は、最下部に配置された第１金属フォーム連結板１２５と、第１金属フォーム連結板１２５の上側に配置された一つ以上の第２金属フォーム連結板１２７と、を含み、第２金属フォーム連結板１２７の上側には一定の厚さＴ２を有する平板状に形成された金属フォーム集電板１２８が備えられる。ここで、第２金属フォーム連結板１２７は、上面に形成された溝１２１が燃料極１１９にのみ選択的に接触し、下面１２３が連結材１３０にのみ選択的に接触する。これに対し、第１金属フォーム連結板１２５は、下側に単位電池１１０が配置されないため、上面に形成された溝１２１のみが燃料極１１９と選択的に接触する。第１金属フォーム連結板１２５と反対に、金属フォーム集電板１２８は上側に単位電池１１０が配置されないため、上面に溝１２１が形成されず、下面１２９のみが連結材１３０と選択的に接触する。従って、第２金属フォーム連結板１２７は垂直に配置された単位電池１１０が直列に連結され、最終的に第１金属フォーム連結板１２５は陰電流を集電することができ、金属フォーム集電板１２８は陽電流を集電することができる。一方、前記金属フォーム集電板１２８は上面に溝１２１が形成されない点を除き、第１金属フォーム連結板１２５や第２金属フォーム連結板１２７と実質的に同一である。従って、金属フォーム集電板１２８は電気伝導性及び多孔性を有することが好ましい。

本実施例による固体酸化物燃料電池モジュール２００は、金属フォーム連結板１２０を採用して電流を集電することにより、従来技術と異なって、複雑なワイヤリング（ｗｉｒｉｎｇ）工程を行う必要がないため、製造工程を単純化し、製造コストを節約することができる効果がある。また、金属フォーム連結板１２０を利用して多数の単位電池１１０を安定的に積層することができ、金属フォーム連結板１２０が多孔性であるため、単位電池１１０に燃料（水素）の供給が容易である長所がある。

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あり、本発明による固体酸化物燃料電池モジュールはこれに限定されず、本発明の技術的思想内で該当分野の通常の知識を有する者により、その変形や改良が可能であることは明白であろう。本発明の単純な変形乃至変更はいずれも本発明の領域に属するものであり、本発明の具体的な保護範囲は添付の特許請求の範囲により明確になるであろう。

固体酸化物燃料電池の発電原理を図示した概念図である。 従来技術による固体酸化物燃料電池の集電方式を図示した斜視図である。 本発明の好ましい第１実施例による断層固体酸化物燃料電池モジュールの斜視図である。 図３に図示された固体酸化物燃料電池モジュールのＡ−Ａ'線による断面図である。 図４に図示された固体酸化物燃料電池モジュールを積層した断面図である。 本発明の好ましい第２実施例による断層固体酸化物燃料電池モジュールの斜視図である。 図６に図示された固体酸化物燃料電池モジュールのＢ−Ｂ'線による断面図である。 図７に図示された固体酸化物燃料電池モジュールを積層した断面図である。

１００、２００ 固体酸化物燃料電池モジュール
１１０ 単位電池
１１１ 燃料極支持体
１１３ 電解質
１１５ 空気極
１１６ 燃料極支持体の外周面一側
１１７ 空気極支持体
１１９ 燃料極
１２０ 金属フォーム連結板
１２１ 溝
１２３ 金属フォーム連結板の下面
１２５ 第１金属フォーム連結板
１２７ 第２金属フォーム連結板
１２８ 金属フォーム集電板
１２９ 金属フォーム集電板の下面
１３０ 連結材
Ｔ１ 金属フォーム連結板の厚さ
Ｔ２ 金属フォーム集電板の厚さ

Claims (16)

1. 管状に形成された燃料極支持体の外周面に電解質、空気極の順に積層されて形成された多数の単位電池と、
   一定の厚さを有する平板状に形成され、前記単位電池が収容されるように一面に厚さ方向に溝が形成された金属フォーム連結板と、
   を含むことを特徴とする固体酸化物燃料電池モジュール。
2. 前記金属フォーム連結板から突出した前記電解質と前記空気極の外周面一側とを長さ方向に除去することにより、前記燃料極支持体の外周面一側を露出させ、
   前記空気極と離隔されるように露出した前記燃料極支持体の外周面一側に備えられ、前記単位電池が収容された前記金属フォーム連結板の一面より突出した連結材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モジュール。
3. 前記金属フォーム連結板は二つ以上が備えられ、前記溝が前記空気極と選択的に接触し、他面が前記連結材と選択的に接触するように多数の前記単位電池と交互に積層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モジュール。
4. 前記金属フォーム連結板は、
   最下部に配置され、上面に形成された溝が前記空気極と選択的に接触する第１金属フォーム連結板と、
   前記第１金属フォーム連結板の上側に配置され、上面に形成された溝が前記空気極と選択的に接触し、下面が前記連結材と選択的に接触する一つ以上の第２金属フォーム連結板と、
   を含み、
   一定の厚さを有する平板状に形成され、前記第２金属フォーム連結板の上側に配置され、下面が前記連結材と選択的に接触する金属フォーム集電板をさらに含むことを特徴とする請求項３に記載の固体酸化物燃料電池モジュール。
5. 前記溝の内壁は前記単位電池の外周面に対応するように形成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モジュール。
6. 前記金属フォーム連結板は多孔性であ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モジュール。
7. 前記金属フォーム連結板は耐酸化コーティング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モジュール。
8. 前記金属フォーム集電板は多孔性であることを特徴とする請求項４に記載の固体酸化物燃料電池モジュール。
9. 前記金属フォーム集電板は耐酸化コーティングされることを特徴とする請求項４に記載の固体酸化物燃料電池モジュール。
10. 管状に形成された空気極支持体の外周面に電解質、燃料極の順に積層されて形成された多数の単位電池と、
    一定の厚さを有する平板状に形成され、前記単位電池が収容されるように一面に厚さ方向に溝が形成された金属フォーム連結板と、
    を含むことを特徴とする固体酸化物燃料電池モジュール。
11. 前記金属フォーム連結板から突出した前記電解質と前記燃料極の外周面一側とを長さ方向に除去することにより、前記空気極支持体の外周面一側を露出させ、
    前記燃料極と離隔されるように露出した前記空気極支持体の外周面一側に備えられ、前記単位電池が収容された前記金属フォーム連結板の一面より突出した連結材をさらに含む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モジュール。
12. 前記金属フォーム連結板は二つ以上が備えられ、前記溝が前記燃料極と選択的に接触し、他面が前記連結材と選択的に接触するように多数の前記単位電池と交互に積層されることを特徴とする請求項１１に記載の固体酸化物燃料電池モジュール。
13. 前記金属フォーム連結板は、
    最下部に配置され、上面に形成された溝が前記燃料極と選択的に接触する第１金属フォーム連結板と、
    前記第１金属フォーム連結板の上側に配置され、上面に形成された溝が前記燃料極と選択的に接触し、下面が前記連結材と選択的に接触する一つ以上の第２金属フォーム連結板と、
    を含み、
    一定の厚さを有する平板状に形成され、前記第２金属フォーム連結板の上側に配置され、下面が前記連結材と選択的に接触する金属フォーム集電板をさらに含むことを特徴とする請求項１２に記載の固体酸化物燃料電池モジュール。
14. 前記溝の内壁は前記単位電池の外周面に対応するように形成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モジュール。
15. 前記金属フォーム連結板は多孔性であ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モジュール。
16. 前記金属フォーム集電板は多孔性であることを特徴とする請求項１３に記載の固体酸化物燃料電池モジュール。

Images