JP2013140766A - 円筒型固体酸化物燃料電池モジュールおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】分割された空気極の電極構造によって、燃料電池の集電抵抗を最小化し、セルの出力を最大に高めることが可能な円筒型固体酸化物燃料電池モジュールおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】本発明の円筒型固体酸化物燃料電池モジュール１０は、円筒型燃料極層１０１と、円筒型燃料極層１０１の外周面に形成された電解質層１０２と、電解質層１０２の外周面に形成され、長手方向に少なくとも２部分に分割された空気極層１０３と、分割された空気極層１０３の外周面に形成された導電性インク層１０４と、導電性インク層１０４の外周面に対応するように内周面が曲面からなり、導電性インク層１０４の外周面を取り囲む伝導性メッシュ構造体２００と、伝導性メッシュ構造体２００の外周面上に巻線された伝導性ワイヤー３００と、を含んでなるものである。
【選択図】図２Ａ

Description

本発明は、円筒型固体酸化物燃料電池モジュールおよびその製造方法に関する。

一般的な燃料電池は、その出力範囲及び用途などが様々であって目的に応じて適切な燃料電池を選択することができる。特に、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）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て電解質枯渇の危険性がなく、腐食性が弱くて素材の寿命が長いという利点により、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、従来のいろいろな形態の燃料電池のうち、最も効率が高く、公害が少ないうえ、燃料改質器を必要とすることなく複合発電が可能であるという様々な利点を持っている。

一般に、固体酸化物燃料電池は、中央に電解質があり、両側に電極（空気極及び燃料極）がある構造を取っている。電解質は緻密であってガスを透過させなければならず、電子伝導性はないが、酸素イオン伝導性は高くなければならない。これに対し、電極は、ガスがよく拡散して入ることが可能な多孔質でなければならず、高い電子伝導性を持たなければならない。このように緻密な電解質を介して、燃料電極には水素を含有した燃料ガス、空気極には空気を流して酸素分圧の差を維持すれば、電解質を介して酸素が移動しようとする駆動力が形成される。

電解質は、電子伝導性がなく、イオン伝導性のみを持っているので、空気極側から電子を受けてイオン化された水素イオンが電解質膜を通過し、燃料極側から電子を放出し、水素ガスと反応して水蒸気になる。このような反応が起こり続けるように酸素と水素を引き続き流してやると、電子は電極を介して外部の集電体導線へ流れることになる。この際、電気エネルギーが発生し、その電気エネルギーを使用する。集電体の役目は、一定の電圧下で発生した電流を集めることであり、この際、集電体の抵抗損失を最小化すれば高い性能を損失なく得ることができる。

一方、このような固体酸化物燃料電池は、単位セルのみでは充分な電圧を得ることができないので、必要に応じてスタック形態で単位セルを連結して使用するが、チューブ型と平板型に大別される。

チューブ型は、平板型と比較して、スタック自体の電力密度は多少劣るが、システム全体の電力密度は類似するものと評価されている。また、チューブ型は、スタックを構成する単位セルの密封が容易であり、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くて大面積の製造が可能である。チューブ型固体酸化物燃料電池は、空気極を支持体として使用する空気極支持体式燃料電池と、燃料極を支持体として使用する燃料極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は、ニッケル（Ｎｉ）、銀（Ａｇ）などで出来たワイヤーで空気極を巻線して集電する方式が用いられている。

固体酸化物燃料電池セルは、銀ワイヤー（Ａｇ ｗｉｒｅ）で巻線して集電し、これに対する性能評価の際に、一定の電圧を掛けた後で電圧を上げたり下げたりしながら電流を測定し、或いは一定の電流を掛けた後で電流を上げたり下げたりしながら電圧を測定すると、図１のような性能曲線を得ることができる。このような性能曲線は、燃料電池セルを評価するのに重要な尺度となり、集電体として使用される銀ワイヤーの抵抗損失は、性能に大きな影響を与える。

従来のワイヤリング方式は、特許文献１に開示されているように、燃料極及び空気極の各電極の面には導電性インクがコートされ、これに導電性メッシュとワイヤーが固定されたセル集電体構造を持つ。燃料極の材料としては主にニッケルを使用し、空気極の材料としては主に銀（Ａｇ）を使用する。これはニッケルなどの高温で安定な導電材をセルの内部に連結して燃料極の集電を行い、酸化安定性の高い銀ワイヤーをセルの外部に巻線して外部空気極のワイヤリング集電を行うためである。この際の性能評価時に、セルから発生した電荷は、集電導線に沿って移動する。ところが、従来の方式は、セルの長手方向に電荷が移動して移動の電荷損失が大きく、これによる性能の低下が発生する。

韓国公開特許第２０１１−００２３３５９号公報

そこで、本発明者は、燃料電池の空気極を２つ以上に分割して抵抗損失を最小化することができることを見出し、本発明を完成するに至った。

したがって、本発明の目的は、分割された空気極の電極構造によって、燃料電池の集電抵抗を最小化し、セルの出力を最大に高めることが可能な円筒型固体酸化物燃料電池モジュールを提供することにある。

本発明の他の目的は、円筒型固体酸化物燃料電池の外部に導電性インク、伝導性メッシュ構造体及び伝導性ワイヤーを固定した後、焼結させてなる単純構造を用いて、燃料電池の外部集電を効率よく行うことが可能な円筒型固体酸化物燃料電池モジュールの製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明のある観点によれば、円筒型燃料極層と、前記円筒型燃料極層の外周面に形成された電解質層と、前記電解質層の外周面に形成され、長手方向に少なくとも２部分に分割された空気極層と、前記分割された空気極層の外周面に形成された導電性インク層と、前記導電性インク層の外周面に対応するように内周面が曲面からなり、前記導電性インク層の外周面を取り囲む伝導性メッシュ構造体と、前記伝導性メッシュ構造体の外周面上に巻線された伝導性ワイヤーとを含んでなる、円筒型固体酸化物燃料電池モジュールを提供する。

本発明の円筒型固体酸化物燃料電池モジュールにおいて、前記伝導性メッシュ構造体は、１０〜８０メッシュを有することを特徴とする。

本発明の円筒型固体酸化物燃料電池モジュールにおいて、前記伝導性ワイヤーは、前記伝導性メッシュ構造体の長手方向に１ｃｍ当たり２〜３回巻線されたことを特徴とする。

本発明の円筒型固定酸化物燃料電池モジュールにおいて、前記伝導性メッシュ構造体は、Ｆｅ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｒ、又はこれらの合金よりなる群から選ばれた物質であることを特徴とする。

本発明の円筒型固体酸化物燃料電池モジュールにおいて、前記導電性インク層及び伝導性ワイヤーは、Ａｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、またはこれらの合金よりなる群から選ばれた物質であることを特徴とする。

本発明の他の観点によれば、円筒型燃料極層を提供する段階と、前記円筒型燃料極層の外周面に電解質層を形成する段階と、前記電解質層の外周面に、長手方向に少なくとも２部分に分割された空気極層を形成する段階と、前記分割された空気極層の外周面に導電性インク層をコートする段階と、前記導電性インク層の外周面に対応するように内周面が曲面からなる伝導性メッシュ構造体を、前記導電性インク層の外周面に取り囲む段階と、前記形成された伝導性メッシュ構造体の外周面上に伝導性ワイヤーを巻線する段階と、を含んでなる、円筒型固体酸化物燃料電池モジュールの製造方法を提供する。

本発明の円筒型固体酸化物燃料電池モジュールの製造方法において、前記方法は、前記伝導性ワイヤーを巻線した後、焼結炉で焼結させる段階をさらに含むことを特徴とする。

本発明の円筒型固体酸化物燃料電池モジュールの製造方法において、前記焼結させる段階は、８００℃〜９００℃で行われることを特徴とする。

本発明の円筒型固体酸化物燃料電池モジュールの製造方法において、前記伝導性メッシュ構造体は、１０〜８０メッシュを有することを特徴とする。

本発明の円筒型固体酸化物燃料電池モジュールの製造方法において、前記伝導性ワイヤーは、前記伝導性メッシュ構造体の長手方向に１ｃｍ当たり２〜３回巻線されたことを特徴とする。

本発明の円筒型固定酸化物燃料電池モジュールの製造方法において、前記伝導性メッシュ構造体は、Ｆｅ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｒ、又はこれらの合金よりなる群から選ばれた物質であることを特徴とする。

本発明の円筒型固体酸化物燃料電池モジュールの製造方法において、前記導電性インク層及び伝導性ワイヤーは、Ａｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、またはこれらの合金よりなる群から選ばれた物質であることを特徴とする。

上述したように、本発明は、空気極が既存のものとは異なり分割された方式で形成され、発生した電荷の集電の際に電荷の移動距離が減少して抵抗損失を最小化することができ、これにより燃料電池の外部集電の効率を高めることができる。また、本発明は、円筒型固体酸化物燃料電池の外部に導電性インク、伝導性メッシュ構造体、及び伝導性ワイヤーを固定した後、焼結させてなる単純構造を用いて、燃料電池の外部集電を効率よく行うことができるという利点がある。

固体酸化物燃料電池のワイヤリング集電時の性能評価グラフである。 本発明の一実施例に係る円筒型固体酸化物燃料電池モジュールを示す斜視図である。 図２Ａの円筒型固体酸化物燃料電池モジュールの部分（燃料電池セル）を示す横断面図である。 本発明の一実施例に係る円筒型固体酸化物燃料電池モジュールの集電方式を示す概略図である。

本発明の目的、特定の利点および新規の特徴は、添付図面に連関する以下の詳細な説明と好適な実施例からさらに明白になるであろう。

これに先立ち、本明細書および特許請求の範囲に使用された用語または単語は、通常的で辞典的な意味で解釈されてはならず、発明者が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基づき、本発明の技術的思想に符合する意味と概念で解釈されなければならない。

本発明において、各図面の構成要素に参照番号を付加するにおいて、同一の構成要素については、他の図面上に表示されても、出来る限り同一の番号を付することに留意すべきであろう。なお、本発明を説明するにおいて、関連した公知の技術に対する具体的な説明が本発明の要旨を無駄に乱すおそれがあると判断される場合、その詳細な説明は省略する。

以下、添付図面を参照して本発明を詳細に説明する。

図２Ａ及び図２Ｂは、本発明の好適な一実施例に係る円筒型固体酸化物燃料電池モジュールの斜視図及びその一部を示す横断面図である。

図２Ａ及び図２Ｂに示すように、本発明の好適な一実施例に係る円筒型固体酸化物燃料電池モジュール１０は、円筒型燃料極層１０１、電解質層１０２、空気極層１０３、導電性インク層１０４、伝導性メッシュ構造体２００、及び伝導性ワイヤー３００から構成される。

さらに詳しくは、前記円筒型固体酸化物燃料電池モジュール１０は、円筒型燃料極層１０１、前記円筒型燃料極層１０１の外周面に形成された電解質層１０２、前記電解質層１０２の外周面に形成され、長手方向に少なくとも２部分に分割された空気極層１０３、前記分割された空気極層１０３の外周面に形成された導電性インク層１０４、前記導電性インク層１０４の外周面に対応するように内周面が曲面からなり、前記導電性インク層１０４の外周面を取り囲む伝導性メッシュ構造体２００、及び前記伝導性メッシュ構造体２００の外周面上に巻線された伝導性ワイヤー３００を含んで構成される。

前記円筒型燃料極層１０１は、燃料電池セル１００を支持する役目を果たし、金属ニッケルと酸化物イオン導電体とのサーメット（ｃｅｒｍｅｔ）が使用できる。金属ニッケルは、高い電子導電性を有すると同時に、水素と炭化水素系燃料の吸着が起こって高い電極触媒活性を発揮することができる。さらに、白金などに比べて価格が低いという電極用材料としての利点を有する。高温作動の固体酸化物燃料電池の場合、４０％〜６０％のジルコニア粉末を含む酸化ニッケル粉を焼結した材料（ニッケル／ＹＳＺサーメット）が使用できるが、このような材料に限定されない。

前記電解質層１０２は、水溶液や溶融塩などの液体電解質に比べてイオン伝導率が低いので、抵抗分極による電圧降下を少なくするために、できる限り薄く形成されることが好ましいが、微小間隙や気孔、傷が発生し易い。したがって、固体酸化物電解質は、イオン伝導性の他にも均質性、緻密性、耐熱性、機械的強度及び安定性などが要求される。このような電解質の材料としては、ＹＳＺ（Ｙｔｔｒｉａ ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ Ｚｉｒｃｏｎｉａ）やＳｃＳＺ（Ｓｃａｎｄｉｕｍ ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ Ｚｉｒｃｏｎｉａ）、ＧＤＣ、ＬＤＣなどが使用できるが、これに限定されるものではない。前記電解質層１０２は、前記円筒型燃料極層１０１の外部に前記電解質材料をスリップコートまたはプラズマスプレーコート法などを用いてコートした後、約１３００℃〜１５００℃で焼結して形成することができる。

前記空気極層１０３は、ＬＳＭ（Ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ ｄｏｐｅｄ Ｌａｎｔｈａｎｕｍ ｍａｎｇａｎｉｔｅ）、ＬＳＣＦ（（Ｌａ、Ｓｒ）（Ｃｏ、Ｆｅ）Ｏ_３）などの組成をスリップコート又はプラズマスプレーコート法などを用いて前記電解質層１０２の外周面にコートした後、約１２００〜１３００℃で焼結して形成することができるが、本発明では、集電の際に長手方向の抵抗損失を最小化するために、空気極層１０３を長手方向に少なくとも２部分に分割することにより、改善された構造の円筒型固体酸化物燃料電池モジュールを提供する。

図２Ａ及び図２Ｂを参照すると、前記円筒型燃料極層１０１及び電解質層１０２上に空気極層１０３を２以上に分割された構造でコートして形成し、前記分割された空気極層１０３上に導電性インク層１０４、伝導性メッシュ構造体２００及び伝導性ワイヤー３００を巻線して固定することにより、分割された構造の燃料電池モジュール１０を製作する。このように空気極層１０３のみを少なくとも２部分に分割して燃料電池モジュール１０を構成すると、電荷の移動経路を減らして抵抗損失による性能低下を最小化することができ、各分割された部分の集電ワイヤーを最終端で連結して集電を効率よく行うことができる。

ここで、前記分割された空気極層１０３の外周面に導電性インク層１０４がコートされる。前記導電性インク層１０４の厚さは、数μｍ〜数ｍｍであって、集電抵抗を考慮して決定される。本発明に係る導電性インク層１０４は、金属、合金、金属と合金との混合物、又は金属酸化物と金属との混合物のうちいずれか一つであってもよく、導電性能を考慮すると、好ましくはＡｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ及びこれらの合金のいずれか一つである。

また、電流を生産するためには、空気極層１０３に空気が伝達されなければならないが、本発明に係る燃料電池モジュール１０は、伝導性メッシュ構造体２００から空気の供給を受けてこれを空気極層１０３へ伝達する。この際、前記伝導性メッシュ構造体２００は、空気の供給と集電効率を考慮して１０〜８０メッシュを有することが好ましい。燃料電池の効率及び必要な強度などを考慮し、前記伝導性メッシュ構造体２００は、Ｆｅ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｒ又はこれらの合金、及びこれらの組み合わせよりなる群から選択され、高温における耐久性を維持するために、銀（Ａｇ）又は伝導性セラミック（ＭｎＣｏ、ＮｉＣｌ、ＬＳＣ、ＬＳＣＦ）などで耐酸化コートすることが好ましい。

前記円筒型燃料電池セル１００から発生した電流を集電するために、前記導電性インク層１０４に密着して取り囲むように形成された伝導性メッシュ構造体２００上に伝導性ワイヤー３００が位置して固定される。ここで、前記伝導性ワイヤー３００は、伝導性メッシュ構造体２００の外側面に面接触する。このような面接触が行われることにより、従来に比べて接触抵抗が減少し、結果的に巻線数を減少させても集電効率の面で同一又はさらに優れた効果を得ることができる。

前記伝導性ワイヤー３００は、金属、合金、金属と合金との混合物、及び金属酸化物と金属との混合物のうちいずれか一つであってもよく、導電性能などを考慮し、好ましくはＡｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ及びこれらの合金のいずれか一つであってもよい。また、前記伝導性ワイヤー３００は、集電の効率性を考慮して前記伝導性メッシュ構造体の長手方向に１ｃｍ当たり２〜３回巻線されたことが好ましい。

図３は、本発明の一実施例に係る円筒型固体酸化物燃料電池モジュールの集電方式を示す概略図である。

図３を参照すると、前述した長手方向の集電時の抵抗損失を最小化するために、円筒型燃料極層及び電解質層上に空気極を分割された構造で形成し、その上に導電性インクを塗布した後、伝導性メッシュ構造体を取り囲んで伝導性ワイヤーを巻線して固定することにより、分割された集電構造を形成する。各分割された部分の伝導性ワイヤーを最終端で連結し、集電の際に電荷の移動距離を減らすことができ、それにより集電性能を向上させることができる。

一方、本発明の円筒型固体酸化物燃料電池モジュールの製造方法は、分割された空気極層１０３を有する燃料電池セル１００の外周面上に伝導性メッシュ構造体２００を取り囲んだ後、伝導性ワイヤー３００を巻線する段階で構成される（図２Ａ参照）。

具体的には、円筒型燃料極層１０１の外周面に電解質層１０２を形成し、電解質層１０２の外周面に、長手方向に少なくとも２部分に分割されるように空気極層１０３を形成した後、分割された空気層１０３の外周面に導電性インク層１０４をコートする（図２Ａ及び図２Ｂ参照）。その後、導電性インク層１０４の外周面に対応するように内周面が曲面からなる伝導性メッシュ構造体２００を、導電性インク層１０４の外周面に取り囲んだ後、形成された伝導性メッシュ構造体２００の外周面上に伝導性ワイヤー３００を巻線して円筒型固体酸化物燃料電池モジュール１０を形成する（図２Ａ参照）。

また、前記伝導性ワイヤーを巻線し、治具（ｊｉｇ）などを用いて固定させた後、約８００℃〜９００℃の温度で焼結させる。この際の焼結温度プロファイルは、５００℃でバインダーを燃やし、約９００℃で焼結させる。

以上、本発明を具体的な実施例によっ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る。本発明に係る円筒型固体酸化物燃料電池モジュールおよびその製造方法は、これに限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当該分野における通常の知識を有する者によってその変形又は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ないし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された特許請求の範囲によって明確になるであろう。

本発明は、分割された空気極の電極構造によって、燃料電池の集電抵抗を最小化し、セルの出力を最大に高めることが可能な円筒型固体酸化物燃料電池モジュールおよびその製造方法に適用可能である。

１０ 円筒型固体酸化物燃料電池モジュール（燃料電池モジュール）
１００ 円筒型燃料電池セル（燃料電池セル）
１０１ 円筒型燃料極層
１０２ 電解質層
１０３ 空気極層
１０４ 導電性インク層
２００ 伝導性メッシュ構造体
３００ 伝導性ワイヤー

Claims (12)

1. 円筒型燃料極層と、
   前記円筒型燃料極層の外周面に形成された電解質層と、
   前記電解質層の外周面に形成され、長手方向に少なくとも２部分に分割された空気極層と、
   前記分割された空気極層の外周面に形成された導電性インク層と、
   前記導電性インク層の外周面に対応するように内周面が曲面からなり、前記導電性インク層の外周面を取り囲む伝導性メッシュ構造体と、
   前記伝導性メッシュ構造体の外周面上に巻線された伝導性ワイヤーと、を含んでなることを特徴とする円筒型固体酸化物燃料電池モジュール。
2. 前記伝導性メッシュ構造体は、１０〜８０メッシュを有することを特徴とする請求項１に記載の円筒型固体酸化物燃料電池モジュール。
3. 前記伝導性ワイヤーは、前記伝導性メッシュ構造体の長手方向に１ｃｍ当たり２〜３回巻線されたことを特徴とする請求項１に記載の円筒型固体酸化物燃料電池モジュール。
4. 前記伝導性メッシュ構造体は、Ｆｅ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｒ、又はこれらの合金よりなる群から選ばれた物質であることを特徴とする請求項１に記載の円筒型固体酸化物燃料電池モジュール。
5. 前記導電性インク層及び伝導性ワイヤーは、Ａｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、またはこれらの合金よりなる群から選ばれた物質であることを特徴とする請求項１に記載の円筒型固体酸化物燃料電池モジュール。
6. 円筒型燃料極層を提供する段階と、
   前記円筒型燃料極層の外周面に電解質層を形成する段階と、
   前記電解質層の外周面に、長手方向に少なくとも２部分に分割された空気極層を形成する段階と、
   前記分割された空気極層の外周面に導電性インク層をコートする段階と、
   前記導電性インク層の外周面に対応するように内周面が曲面からなる伝導性メッシュ構造体を、前記導電性インク層の外周面に取り囲む段階と、
   前記形成された伝導性メッシュ構造体の外周面上に伝導性ワイヤーを巻線する段階と、を含んでなることを特徴とする円筒型固体酸化物燃料電池モジュールの製造方法。
7. 前記伝導性ワイヤーを巻線した後、焼結させる段階をさらに含むことを特徴とする請求項６に記載の円筒型固体酸化物燃料電池モジュールの製造方法。
8. 前記焼結させる段階は、８００℃〜９００℃で行われることを特徴とする請求項７に記載の円筒型固体酸化物燃料電池モジュールの製造方法。
9. 前記伝導性メッシュ構造体は、１０〜８０メッシュを有することを特徴とする請求項６に記載の円筒型固体酸化物燃料電池モジュールの製造方法。
10. 前記伝導性ワイヤーは、前記伝導性メッシュ構造体の長手方向に１ｃｍ当たり２〜３回巻線されたことを特徴とする請求項６に記載の円筒型固体酸化物燃料電池モジュールの製造方法。
11. 前記伝導性メッシュ構造体は、Ｆｅ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｒ、又はこれらの合金よりなる群から選ばれた物質であることを特徴とする請求項６に記載の円筒型固体酸化物燃料電池モジュールの製造方法。
12. 前記導電性インク層及び伝導性ワイヤーは、Ａｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、またはこれらの合金よりなる群から選ばれた物質であることを特徴とする請求項６に記載の円筒型固体酸化物燃料電池モジュールの製造方法。