JP2013524459A - フラットチューブ型固体酸化物燃料電池スタック - Google Patents

フラットチューブ型固体酸化物燃料電池スタック Download PDF

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Abstract

本発明は、フラットチューブ型固体酸化物燃料電池スタックに関し、より詳細には、複数個の燃料電池の間に接続部材が形成されることにより、空気を円滑に供給することができ、接触面積を増やして、安定した電気的接触がなされるようにしたフラットチューブ型固体酸化物燃料電池スタックに関する。
【選択図】図７

Description

本発明は、フラットチューブ型固体酸化物燃料電池スタックに関し、より詳細には、複数個の燃料電池の間に接続部材が形成されることにより、空気を円滑に供給することができ、接触面積を増やして、安定した電気的接触がなされるようにしたフラットチューブ型固体酸化物燃料電池スタックに関する。
燃料電池（Fuel Cell）は、酸化によって生じる化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換させる電池であり、水素、酸素のように、地球上に豊かに存在する物質から電気エネルギーを発生させるための、環境にやさしい新たな未来型エネルギー技術である。
燃料電池スタックは、空気極（Cathode）に酸素が供給され、燃料極（Anode）に水素が供給されて、水の電気分解逆反応形態で電気化学反応が進行して電気、熱、及び水が発生し、公害を誘発することなく高効率で電気エネルギーを生産する。
このような燃料電池スタックは、従来の熱機関で限界と作用していたカルノーサイクル（Carnot Cycle）の制限から自由であるため、４０％以上の効率をあげることができ、上述したように排出される物質が水だけであるため、公害が発生する恐れがない。また、従来の熱機関とは異なって、機械的に運動する部分が不要であるため、小型化が可能であり、ノイズがないなどの様々な長所を有している。したがって、燃料電池に関する各種技術及び研究が活発に行われている。
燃料電池スタックは、その電解質の種類によって、燐酸燃料電池（ＰＡＦＣ：Phosphoric Acid Fuel Cell）、溶融炭酸塩燃料電池（ＭＣＦＣ：Molten Carbonate Fuel Cell）、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）、高分子電解質燃料電池（ＰＥＭＦＣ：Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell）、メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ：Direct Methanol Fuel Cell）、アルカリ燃料電池（ＡＦＣ：Alkaline Fuel Cell）などの６種程度が実用化されているか、計画中である。
それぞれ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るため、目的によって適当な燃料電池を選択することができ、この中でも、前記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るため電解質の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長所により、分散発電用、商業用及び家庭用として脚光を浴びている。
前記固体酸化物燃料電池の作動原理を示す概念図として、空気極に酸素が供給され、燃料極に水素が供給される場合、この時の反応は下記の式による。
燃料極（Anode）反応：２Ｈ２＋２Ｏ２−→２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−
空気極（Cathode）反応：Ｏ２＋４ｅ− →２Ｏ２−
この際、固体酸化物燃料電池の出力を高めるために、複数個が積層された形態のスタック型に製造されることが一般的であるが、複数個のフラットチューブ型燃料電池がスタック型に備えられる場合には、それぞれの燃料電池の間に空気を供給しながらも、通電されるようにするための方法が必要である。
しかし、空気を供給するためには空き空間が形成されなければならないが、その分、互いに通電されるために接触する領域は減少するという問題点がある。
特に、燃料電池の大きさが広い面積に形成される場合には、その表面に不均一や反りが生じる場合がより頻繁に発生する恐れがあり、この場合、通電のための接触領域がさらに減少するため、全体出力を向上させるために燃料電池の間に空気を円滑に供給しながらも、通電されるようにするための方法が必要である。
本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであって、本発明の目的は、複数個の燃料電池の間に接続部材が形成されることにより、空気を円滑に供給することができ、接触面積を増やして、安定した電気的接触がなされるようにしたフラットチューブ型固体酸化物燃料電池スタックを提供することにある。
特に、本発明の目的は、複数個の切開部を形成する簡単な方法で、広い面積の燃料電池に適用されることができるフラットチューブ型固体酸化物燃料電池スタックを提供することにある。
また、本発明の目的は、空気の移動が容易であり、燃料電池を支持できる離隔部材が備えられることにより、燃料電池が水平型に積層される形態だけでなく、燃料電池が垂直型に積層される形態にも適用されることができるフラットチューブ型固体酸化物燃料電池スタックを提供することにある。
本発明のフラットチューブ型固体酸化物燃料電池スタック１０００は、燃料が移動する燃料移送孔１１１が複数個形成された燃料極支持体１１０、前記燃料極支持体１１０の一側に形成される連結層１２０、前記燃料極支持体１１０の連結層１２０を除いた外周面に形成された電解質層１３０、及び、前記電解質層１３０上に形成される空気極１４０を含んで複数個備えられる燃料電池１００と、一定領域が切開された切開部２１０が突出した板状を有しており、前記複数個の燃料電池１００の間に備えられ、一側が燃料電池１００の空気極１４０と、他側が他の燃料電池１００の連結層１２０と接触して互いに電気的に接続されて、空気が移動することができる接続部材２００と、前記燃料電池１００を固定し、前記燃料移送孔１１１に燃料を供給するためのマニホールド３００と、を含むことを特徴とする。
この際、前記接続部材２００は、前記切開部２１０が複数個形成され、一側方向、他側方向、または両側方向に突出形成されることを特徴とする。
また、前記接続部材２００は、突出した側に向かって幅が減少する台形状であることを特徴とする。
この際、前記連結層１２０は、前記燃料極支持体１１０の一定領域に広く形成される第１連結層１２１と、前記第１連結層１２１上の一定領域に形成され、複数個形成される第２連結層１２２と、を含んで形成されることを特徴とする。
また、前記フラットチューブ型固体酸化物燃料電池スタック１０００は、前記接続部材２００を内部に含むように形成され、前記複数個の燃料電池１００の間の隔離距離を維持するための離隔部材４００をさらに含むことを特徴とする。
この際、前記離隔部材４００は、両側の燃料電池１００をそれぞれ支持する一対の板部４１０と、前記板部４１０の間の一定領域に複数個形成され、高さを形成する高さ形成部４２０と、を含んで形成され、前記一対の板部４１０の間を介して前記空気極１４０に空気が移動するように形成されることを特徴とする。
また、前記フラットチューブ型固体酸化物燃料電池スタック１０００は、両側端部の燃料電池１００に備えられる集電部材５００をさらに含むことを特徴とする。
これにより、本発明によるフラットチューブ型固体酸化物燃料電池スタックは、複数個の燃料電池の間に接続部材が形成されることにより、空気を円滑に供給することができ、接触面積を増やして、安定した電気的接触がなされることができる長所を有する。
また、本発明によるフラットチューブ型固体酸化物燃料電池スタックは、板状部材に複数個の切開部を形成する簡単な方法で接続部材を形成することができるため、生産性を向上させることができ、表面が不均一な広い面積の燃料電池にも接触部分を安定して形成することができる長所を有する。
また、本発明によるフラットチューブ型固体酸化物燃料電池スタックは、空気の移動が容易であり、燃料電池を支持することができる離隔部材が備えられることにより、燃料電池が水平型に積層される形態だけでなく、燃料電池が垂直型に積層される形態にも適用されることができ、耐久性をより高めることができる長所を有する。
本発明によるフラットチューブ型固体酸化物燃料電池スタックの斜視図である。 本発明によるフラットチューブ型固体酸化物燃料電池スタックの部分分解斜視図である。 本発明によるフラットチューブ型固体酸化物燃料電池スタックの他の部分分解斜視図である。 本発明によるフラットチューブ型固体酸化物燃料電池スタックの他の断面図である。 本発明によるフラットチューブ型固体酸化物燃料電池スタックの接続部材を示した斜視図である。 本発明によるフラットチューブ型固体酸化物燃料電池スタックの接続部材を示した断面図である。 本発明によるフラットチューブ型固体酸化物燃料電池スタックの他の分解斜視図である。 本発明によるフラットチューブ型固体酸化物燃料電池スタックの他の断面図である。
以下、上述のような特徴を有する本発明によるフラットチューブ型固体酸化物燃料電池スタック１０００を、添付図面を参照して詳細に説明する。
本発明によるフラットチューブ型固体酸化物燃料電池スタック１０００は、燃料電池１００と、接続部材２００と、マニホールド３００と、を含んで形成される。
前記燃料電池１００は、燃料極支持体１１０と、連結層１２０と、電解質層１３０と、空気極１４０と、を含むものが一つの単位をなし、まず、前記燃料極支持体１１０の内部には、燃料が移動する燃料移送孔１１１が長さ方向に長く形成され、前記燃料移送孔１１１は複数個形成される。
前記燃料極支持体１１０の一側面には連結層１２０が形成される。前記連結層１２０は電気的な連通のための部分であり、燃料極支持体１１０の内部を移動する燃料である水素ガスが移動しながら生成された電子が、前記連結層１２０を通過して外部回路で電気を発生する。
図２は本発明によるフラットチューブ型固体酸化物燃料電池スタック１０００の部分分解斜視図であり、前記連結層１２０が単一層に形成された例を図示している。
また、図３及び図４に図示したように、本発明による固体酸化物燃料電池スタック１０００の前記連結層１２０は、前記燃料極支持体１１０の一定領域に広く形成される第１連結層１２１と、前記第１連結層１２１上の一定領域に複数個形成される第２連結層１２２と、を含んで形成されることができる。
前記連結層１２０が第１連結層１２１及び第２連結層１２２で形成される場合、前記第２連結層１２２が前記第１連結層１２１上に複数個形成されることにより、燃料電池１００と接続部材２００との間には、空気が流動される空間が形成される。これにより、全体フラットチューブ型固体酸化物燃料電池スタック１０００の電力生産効率をより高めることができる長所がある。
前記電解質層１３０は、前記連結層１２０が形成された部分を除き、前記燃料極支持体１１０の外周面を包むように形成される部分である。
前記空気極１４０は、前記連結層１２０が形成されていない他側部分の前記電解質層１３０上に形成される部分である。
本発明によるフラットチューブ型固体酸化物燃料電池スタック１０００は、前記燃料電池１００が前記連結層１２０、燃料極支持体１１０、電解質層１３０、及び空気極１４０により形成され、一側方向に連結層１２０、燃料極支持体１１０、電解質層１３０、及び空気極１４０が位置される。
また、燃料ガスと燃料極支持体１１０の接触により生成された電子は、前記連結層１２０を通過して外部回路で電気を発生し、前記空気極１４０に移動して前記空気極１４０で空気と接して消耗される。
即ち、前記燃料電池１００の燃料極支持体１１０の内部の燃料移送孔１１１を介して燃料ガスが供給され、前記燃料電池１００の外部に空気が存在して前記空気極１４０と接触する。
前記燃料電池１００は、全体出力の増加のために、複数個が水平方向または高さ方向に積層されてスタック型に製造されるが、前記燃料電池１００の間が電気的に連通されながらも空気が円滑に供給されるようにするために、前記接続部材２００が前記燃料電池１００の間に備えられる。
前記接続部材２００は、板状に形成され、前記一定領域が切開された切開部２１０が突出した形態を有しており、一側で一つの燃料電池１００と、他側で他の燃料電池１００と接触する。
より詳細には、同一の方向に複数個の燃料電池１００が積層される場合、前記接続部材２００は、一側で一つの燃料電池１００の空気極１４０と、他側で他の燃料電池１００の連結層１２０と接触して互いに電気的に連通されており、前記切開部２１０が突出形成されることにより形成される空間を介して空気が前記空気極１４０に容易に移動する。
即ち、前記接続部材２００は、燃料電池１００の間に備えられて電気的に互いに連結させる役割をするとともに、前記突出した切開部２１０により一定空間が形成されて、前記空間を介して空気が容易に移動することにより、前記空気極１４０に空気を円滑に供給することができる。
図５は本発明によるフラットチューブ型固体酸化物燃料電池スタック１０００において、切開部２１０の形状が互いに異なる接続部材２００を図示したものであり、図５（ａ）は、三角形に切開部２１０が形成され、三角形の一面を除いた部分が切開されて突出形成された例を図示しており、図５（ｂ）は、突出した側に向かって幅が減少する台形状に切開部２１０が形成され、下面を除いた部分が切開されて突出形成された例を図示している。
特に、前記図５（ｂ）に図示した台形は、前記三角形に比べ、前記切開部２１０の一側が接触する部分を安定して確保することができる。
本発明によるフラットチューブ型固体酸化物燃料電池スタック１０００における前記接続部材２００の切開部２１０の形態は、様々な形態に形成されることができる。
本発明によるフラットチューブ型固体酸化物燃料電池スタック１０００は、前記切開部２１０が突出形成されて空間を形成することにより、空気の移動が容易となり、前記接続部材２００によって接触面積を増大することにより、前記燃料電池１００が広い面積を有するように形成される場合にも適用することができるという長所がある。
従来、前記燃料電池１００がやや広い面積を有する場合、燃料電池１００の製造過程で空気極１４０または連結層１２０の表面が不均一になったり、全体に反りが発生する場合があるが、この場合、接続部材２００の形態によって空気の移動が困難となったり、接触面積を安定して確保することが困難となる問題点があった。
これに対して、本発明によるフラットチューブ型固体酸化物燃料電池スタック１０００は、前記接続部材２００の切開部２１０が突出することにより、前記切開部２１０の突出領域だけ燃料電池１００の間に空間が生じるため空気の移動が円滑になり、板状部材の一側面が一つの燃料電池１００に、他側面が他の一つの燃料電池１００に接触することにより、電気的性能を安定して確保することができる長所がある。
図６は接続部材２００の多様な形態を示したものであり、本発明によるフラットチューブ型固体酸化物燃料電池スタック１０００の前記切開部２１０の形態は多様に形成されるとともに、前記切開部２１０が突出する方向も多様に形成されることができる。
図６（ａ）は前記切開部２１０が上側に突出形成された例、図６（ｂ）は前記切開部２１０が下側に突出形成された例、図６（ｃ）及び図６（ｄ）は前記切開部２１０の一部は上側方向に、残りは下側方向に突出形成された例を示している。
この際、前記図６（ｃ）は上側及び下側に突出する切開部２１０の切開方向が同一に形成された場合を、図６（ｄ）は上側及び下側に突出する切開部２１０の切開方向が互いに反対方向に交互に形成された場合を示している。
前記マニホールド３００は、前記燃料電池１００を固定し、前記燃料移送孔１１１に燃料を供給する部分であり、燃料を供給するための燃料供給部３１０を有する。
前記燃料供給部３１０は、燃料をマニホールド３００に移送するための部分と、前記マニホールド３００の内部が中空されて複数個燃料電池１００の各燃料移送孔１１１に供給するための流路と、を含む。
一方、本発明によるフラットチューブ型固体酸化物燃料電池１００は、燃料電池１００の集電効率を高め、耐久性をより向上させるために、両側端部の燃料電池１００に集電部材５００がさらに備えられることができる。
前記集電部材５００は、前記燃料電池１００とともにマニホールド３００に固定されることができ、最外側の燃料電池１００と集電部材５００との間にも接続部材２００が備えられることが好ましい。
この際、前記接続部材２００は、一側で前記燃料電池１００と、他側で集電部材５００と接触する。
図１から図４は、前記燃料電池１００が水平方向に並んで積層形成された例を図示しているが、本発明のフラットチューブ型固体酸化物燃料電池スタック１０００はこれに限定されず、図７及び図８に図示したように、垂直方向に積層形成されることができる。
ところが、前記燃料電池１００が垂直方向に積層形成される場合、荷重によって前記接続部材２００の突出した切開部２１０の形態に変形が誘発される恐れがあるため、前記燃料電池１００の間の離隔距離を維持するための離隔部材４００がさらに備えられることが好ましい。
前記離隔部材４００は、前記接続部材２００を内部に含むように上下方向に連通されて形成されるが、空気の移動を妨害しないように、両側の燃料電池１００をそれぞれ支持する一対の板部４１０と、前記板部４１０の間の一定領域に複数個形成され、高さを形成する高さ形成部４２０と、を含んで形成されることが好ましい。
この際、前記高さ形成部４２０は、最小限の領域にのみ形成され、前記板部４１０の間を介して前記空気極１４０に空気が移動するように形成されることが好ましい。
図面で、前記離隔部材４００は、一側の燃料電池１００の連結層１２０と隣接した電解質層１３０と他側の燃料電池１００の空気極１４０と隣接した電解質層１３０に一対の板部４１０が密着され、全体の離隔部材４００の高さが一側の燃料電池１００の空気極１４０、接続部材２００（切開部２１０の突出した部分を含む）、連結層１２０の形成高さと同一に形成された例を図示している。
前記離隔部材４００の高さは、内部構成の形態によって、より多様に形成されることができる。
上述したように、本発明によるフラットチューブ型固体酸化物燃料電池スタック１０００は、燃料電池１００が水平型及び垂直型に積層される環境でも燃料及び空気の移動が円滑になされ、接続部材２００を用いることにより、複数個の燃料電池１００が電気的に接続されて燃料電池１００の電力生産効率を安定して確保することができる長所がある。
本発明は上記の実施例に限定されず、適用範囲が多様である。また、請求範囲にて請求する本発明の趣旨を外れることなく、多様な変形実施が可能であるという勿論である。
１０００ フラットチューブ型固体酸化物燃料電池スタック
１００ 燃料電池
１１０ 燃料極支持体
１１１ 燃料移送孔
１２０ 連結層
１２１ 第１連結層
１２２ 第２連結層
１３０ 電解質層
１４０ 空気極
２００ 接続部材
２１０ 切開部
３００ マニホールド
３１０ 燃料供給部
４００ 離隔部材
４１０ 板部
４２０ 高さ形成部
５００ 集電部材

Claims (7)

  1. 燃料が移動する燃料移送孔１１１が複数個形成された燃料極支持体１１０、前記燃料極支持体１１０の一側に形成される連結層１２０、前記燃料極支持体１１０の連結層１２０を除いた外周面に形成された電解質層１３０、及び、前記電解質層１３０上に形成される空気極１４０を含んで複数個備えられる燃料電池１００と、
    一定領域が切開された切開部２１０が突出している板状を有しており、前記複数個の燃料電池１００の間に備えられ、一側が燃料電池１００の空気極１４０と、他側が他の燃料電池１００の連結層１２０と接触して互いに電気的に接続されて、空気が移動することができる接続部材２００と、
    前記燃料電池１００を固定し、前記燃料移送孔１１１に燃料を供給するためのマニホールド３００と、を含むことを特徴とするフラットチューブ型固体酸化物燃料電池スタック。
  2. 前記接続部材２００は、前記切開部２１０が複数個形成され、一側方向、他側方向、または両側方向に突出形成されることを特徴とする請求項１に記載のフラットチューブ型固体酸化物燃料電池スタック。
  3. 前記接続部材２００は、突出した側に向かって幅が減少する台形状であることを特徴とする請求項２に記載のフラットチューブ型固体酸化物燃料電池スタック。
  4. 前記連結層１２０は、前記燃料極支持体１１０の一定領域に広く形成される第１連結層１２１と、前記第１連結層１２１上の一定領域に形成され、複数個形成される第２連結層１２２と、を含んで形成されることを特徴とする請求項１に記載のフラットチューブ型固体酸化物燃料電池スタック。
  5. 前記フラットチューブ型固体酸化物燃料電池スタック１０００は、前記接続部材２００の縁を包むように形成され、前記複数個の燃料電池１００の間の隔離距離を維持するための離隔部材４００をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のフラットチューブ型固体酸化物燃料電池スタック。
  6. 前記離隔部材４００は、両側の燃料電池１００をそれぞれ支持する一対の板部４１０と、前記板部４１０の間の一定領域に複数個形成され、高さを形成する高さ形成部４２０と、を含んで形成され、
    前記一対の板部４１０の間を介して前記空気極１４０に空気が移動するように形成されることを特徴とする請求項５に記載のフラットチューブ型固体酸化物燃料電池スタック。
  7. 前記フラットチューブ型固体酸化物燃料電池スタック１０００は、両側端部の燃料電池１００に備えられる集電部材５００をさらに含むことを特徴とする請求項１から６の何れか一項に記載のフラットチューブ型固体酸化物燃料電池スタック。
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