JP2014038823A - 固体酸化物形燃料電池用の集電体及びこれを適用した固体酸化物形燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、固体酸化物形燃料電池用の集電体及びこれを適用した固体酸化物形燃料電池に関する。
【解決手段】本発明は、一方向に延長された長さ部を有する多数の一方向支持体と、この一方向支持体と異なる他方向に延長された長さ部を有する多数の他方向支持体と、互いに交差して配列された一方向支持体と他方向支持体とで囲まれた多数の気孔と、を含み、支持体に切断部を形成して、支持体の長さ部が一体に連結されないようにすることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池用の集電体及びこれを適用した固体酸化物形燃料電池に関する。

通常、燃料電池は、燃料（水素、ＬＮＧ、ＬＰＧなど）及び空気（酸素）の化学エネルギーを電気化学反応により電気及び熱に直接変換する装置である。燃料電池は、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従来の発電技術とは異なり、燃料燃焼又は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ほとんど排出せず、二酸化炭素の発生も少ないため、無公害発電が可能であり、低騒音、無振動などの利点を有する。

燃料電池は、りん酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）、アルカリ形燃料電池（ＡＦＣ）、高分子電解質形燃料電池（ＰＥＭＦＣ）、直接メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）など様々な種類があるが、このうち固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、活性化分極に基づく過電圧が低く、不可逆的損失が少ないため発電効率が高い。また、電極での反応速度が速いため電極触媒として高価な貴金属を必要としない。従って、固体酸化物形燃料電池は、今後の水素経済社会への移行のための必須の発電技術である。

特許文献１には、固体酸化物形燃料電池スタックの空気極集電体用の多孔性金属酸化物フォームの製造方法について開示されており、空気極と分離板との間に貴金属素材で製作された網（例えば、Ｐｔ ｍｅｓｈ集電体）を配列している。

通常、従来技術による固体酸化物形燃料電池は、スタック（ｓｔａｃｋ）の構成時に自重の増加によって単位電池が破損するなどの問題点がある。従って、特許文献１に開示されたメッシュ型の集電体が固体酸化物形燃料電池に用いられることで、スタックの構成時に荷重によって単位電池に加えられる負荷を弛緩させる緩衝部材として作用する。また、メッシュ型の集電体は、分離板と空気極との間の電気的接触を均一に向上させる。

現在、メッシュ型の集電体は、緩衝作用及び集電を改善するための案として開発されている。しかし、通常、金属集電体が高温下で長時間露出される場合、内部的に応力が増加する一方、空気極との接触部位における接触抵抗が増加し、固体酸化物形燃料電池の性能低下をもたらす。

韓国登録特許第１０−０７９７０４８号公報

本発明は、上述した欠点を解消するために導き出されたものであって、内部応力の変形を最小化することができる構造を備えたコルゲート型メッシュ構造を有する金属集電体及びこれを備えた固体酸化物形燃料電池を提供することを目的とする。

上述のように、本発明の目的は、内部応力の変形を最小化することができる金属集電体及びこの金属集電体を適用してスタック状に積層された固体酸化物形燃料電池を形成することにある。

このような目的を果たすために、本発明による好ましい金属集電体は、一方向に延長された長さ部を有する多数の一方向支持体と、この一方向支持体と異なる他方向に延長された長さ部を有する多数の他方向支持体と、互いに交差して配列された一方向支持体と他方向支持体とで囲まれた多数の気孔と、を含み、支持体に切断部を形成して、支持体の長さ部が一体に連結されないようにすることを特徴とする。
一方向支持体の長さ部に切断部が形成され、この切断部により一方向支持体の長さ部が一体に連結されないようにすることを特徴とする。
他方向支持体の長さ部に切断部が形成され、この切断部により他方向支持体の長さ部が一体に連結されないようにする。
本発明の一方向支持体は長さ方向に沿って波形に屈曲している。
本発明の他方向支持体は長さ方向に沿って波形に屈曲している。

本発明による好ましい固体酸化物形燃料電池は、燃料極、電解質、及び空気極を備えた単位電池と、上部面又は下部面に気体を供給するチャンネルを形成し、所定の間隔で平行に配列された分離板と、この分離板と単位電池の空気極との間に配置されたメッシュ構造の空気極集電体と、を含むことを特徴とする。
好ましくは、本発明の空気極集電体は支持体の長さ方向に沿って波形に屈曲しており、一つ以上の切断部を備えて支持体を切断する。

特に、本発明の空気極集電体は長さ部の一部に切断部を形成した多数の一方向支持体と、長さ方向に沿って波形に屈曲している多数の他方向支持体と、互いに交差して配列された一方向支持体と他方向支持体とで囲まれた多数の気孔と、を含む。
換言すれば、本発明による固体酸化物形燃料電池はコルゲート型メッシュ構造からなる空気極集電体を備える。
選択的には、他方向支持体の長さ部には切断部が形成されることができる。
さらに、本発明による固体酸化物形燃料電池は、分離板と単位電池の燃料極との間に配置されたメッシュ構造の燃料極集電体をさらに含むことができる。

好ましくは、燃料極集電体は、支持体の長さ方向に沿って波形に屈曲しており、前記長さ部の一部に切断部が形成された多数の一方向支持体と、長さ方向に沿って波形に屈曲している多数の他方向支持体と、互いに交差して配列された一方向支持体と他方向支持体とで囲まれた多数の気孔と、を含む。
換言すれば、本発明による固体酸化物形燃料電池はコルゲート型メッシュ構造からなる燃料極集電体を備える。
選択的には、他方向支持体の長さ部には切断部が形成されることができる。

以上、本発明によれば、固体酸化物形燃料電池の面抵抗損失を最小化すると共に耐久性を改善させることができる。

特に、本発明によれば、平板型の固体酸化物形燃料電池の全体の面抵抗損失の２／３を占める空気極と空気極集電体との間の接触抵抗損失を最小化することができる。
さらに、本発明による集電体は、電極と集電体との間の接触抵抗損失を最小化すると共に集電性能及び耐久性を保障することができる。

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る以下の詳細な説明及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、「一面」、「他面」、「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、構成要素が前記用語によって限定されるものではない。以下、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がある係る公知技術について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の好ましい実施例を詳細に説明する。

図１は本発明によるコルゲート型メッシュ構造からなる金属集電体の一例を図示した斜視図であり、図２は図１のＡ−Ａ線で切断した金属集電体の一部を図示した断面図である。

図１及び図２を参照すると、本発明による固体酸化物形燃料電池用の金属集電体１００は、支持体１１０、１２０を介して形成された多数の気孔１３０を有するように、一つ以上の一方向支持体１１０と一つ以上の他方向支持体１２０とを互いに交差して配列したメッシュ（ｍｅｓｈ）構造に編成する。このような金属集電体１００は、上述したように、一方向支持体１１０と他方向支持体１２０とで囲まれた多数の気孔１３０を形成するが、この気孔１３０は、電極（例えば、空気極）の表面にガスを均一に供給することで分極抵抗を減少させる。

金属集電体１００は、６００℃以上の高温、酸化雰囲気、及び還元雰囲気下で長時間露出しても物理的／化学的変性を誘発しない素材で製作されることが好ましい。

好ましくは、本発明の金属集電体１００は、偏平なメッシュ構造ではなく、三次元的に屈曲しているコルゲート（ｃｏｒｒｕｇａｔｅ）型メッシュ構造を有する。図１に図示されたように、一方向支持体１１０は長さ方向に沿って波形に屈曲しており、他方向支持体１２０も長さ方向に沿って波形に屈曲している。

コルゲート型メッシュ構造を有する金属集電体１００は、一方向支持体１１０及び他方向支持体１２０の頂と谷により所定の高さを形成し、この高さによってスタック構造の固体酸化物形燃料電池内の単位電池に加えられる荷重を緩衝することができる。

特に、メッシュ構造の金属集電体１００は一つ以上の切断部１１１、１２１を備える。例えば、本発明の集電体１００は一方向支持体１１０に一つ以上の切断部１１１を備える一方、他方向支持体１２０に一つ以上の切断部１２１を備えることができる。金属集電体１００の切断部は、図１及び図２に図示されたパターン（ｐａｔｔｅｒｎ）に限らず、任意の配列パターン形状を有する。

好ましくは、本発明による金属集電体１００の切断部１１１、１２１は、一方向支持体１１０及び／又は他方向支持体１２０の頂と谷の部分に形成され、より好ましくは、一方向支持体１１０と他方向支持体１２０の交差点に形成される。このように配列された切断部１１１、１２１は、金属集電体１００の気孔１３０を貫通するガスの流れを妨害せず、層流（ｌａｍｉｎａｒ ｆｌｏｗ）のように流動させる。
さらに、切断部１１１、１２１は金属集電体１００の周縁部以外の内側部分に形成される。

通常、高温環境下で電流を生成する過程で熱的応力による変形が生じ集電体に亀裂が入り、このような亀裂により抵抗損失が増加する。しかし、本発明による金属集電体１００の切断部１１１、１２１は、集電体１００の内部で誘発される熱的応力を分散して金属集電体１００の亀裂を予め防止し、集電体の耐久性を向上させることができる。これにより、本発明の金属集電体１００の耐久性が向上し、集電効率を改善することができ、気孔１３０以外にも切断部１１１、１２１が気体、例えば空気の通路として用いられ、空気の流れを改善することもできる。金属集電体１００は気孔１３０及び切断部１１１、１２１以外の一方向支持体及び／又は他方向支持体の頂と谷で電極、例えば空気極に接触して空気極を支持する。
図３は本発明によるコルゲート型メッシュ構造からなる金属集電体の他の一例を図示した斜視図である。
本発明の他の一例による金属集電体１００´は、一方向支持体１１０と他方向支持体１２０´を互いに交差して配列して編成する。
一方向支持体１１０は長さ方向に沿って波形に屈曲している反面、他方向支持体１２０´は直線状を有する。
また、一方向支持体１１０と他方向支持体１２０´は、図１に図示された金属集電体と同様に、一つ以上の切断部１１１を備える。
本発明の金属集電体１００´において、他方向支持体１２０´の長さ部にも必要に応じて切断部（不図示）を形成することもできる。

図４は本発明による金属集電体を適用した固体酸化物形燃料電池の分解斜視図である。図４に図示された固体酸化物形燃料電池１は平板型の固体酸化物形燃料電池であって、平板型に形成された空気極１０、電解質２０、及び燃料極３０を順に積層した単位電池（不図示）からなる。

より具体的には、本発明による固体酸化物形燃料電池１は、一つ以上の単位電池、空気極集電体１００、及び分離板４００で構成される。特に、分離板４００は単位電池に気体を供給するためのチャンネルを備える。

分離板４００は、単位電池の燃料極と隣接して配列される他の単位電池の空気極を電気的に連結する一方、空気極に供給される空気と燃料極に供給される燃料ガスを物理的に遮断することができる構成部材である。

単位電池は電気エネルギーを生成する機能を果たすものであり、上述したように、空気極１０、電解質２０、及び燃料極３０の順に積層して形成される。通常、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）１において、燃料ガスが水素（Ｈ_２）又は一酸化炭素（ＣＯ）である場合、空気極１０と燃料極３０では以下のような電極反応が生じる。
空気極：Ｏ_２＋４ｅ⁻→２Ｏ^２−
燃料極：ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→Ｈ_２＋ＣＯ_２
２Ｈ_２＋２Ｏ^２−→４ｅ⁻＋２Ｈ_２Ｏ
全反応：Ｈ_２＋ＣＯ＋Ｏ_２→ＣＯ_２＋Ｈ_２Ｏ

空気極１０から生じる酸素イオン（Ｏ^２−）は電解質２０を介して燃料極３０に伝達され、これと同時に燃料極３０から生成された電子（ｅ⁻）は外部回路（不図示）を介して空気極１０に伝達される。燃料極３０では水素が酸素イオンと結合して電子及び水を生成する。結果、固体酸化物形燃料電池の全反応において、水素（Ｈ_２）又は一酸化炭素（ＣＯ）が燃料極３０に供給され、酸素が空気極１０に供給されると、最終的に二酸化炭素（ＣＯ_２）と水（Ｈ_２Ｏ）が生成される。

空気極１０は、分離板４００の空気チャンネルから酸素あるいは空気の供給を受けて電極反応により陽極の機能を果たす。ここで、空気極１０は、電子伝導性の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）などを焼結して形成することができる。一方、空気極１０では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り酸素イオンに転換され、電解質２０を介して燃料極３０に伝達される。

電解質２０は、空気極１０から生じる酸素イオンを燃料極３０に伝達する媒介体であって、イットリア安定化ジルコニア又はＳｃＳＺ（Ｓｃａｎｄｉｕｍ Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ Ｚｉｒｃｏｎｉａ）、ＧＤＣ、ＬＤＣなどを焼結して形成することができる。参考までに、イットリア安定化ジルコニアにおいて、４価ジルコニウムイオンの一部が３価イットリウムイオンで置換しているため、イットリウムイオン二つ当り一つの酸素正孔が内部に生じ、高温下で前記正孔を介して酸素イオンが移動する。また、電解質２０に気孔が生じると、燃料と酸素（空気）が直接反応するクロスオーバ（ｃｒｏｓｓ ｏｖｅｒ）現象が生じ、効率が低下するため、きずが生じないように気を付けなければならない。

燃料極３０は、分離板４００の燃料チャンネルから燃料の供給を受けて電極反応により陰極の機能を果たす。選択的には、燃料極３０は酸化ニッケル（ＮｉＯ）とイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）で構成され、酸化ニッケルは水素によって金属ニッケルに還元されることで電子伝導性を保障する一方、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）は酸化物としてイオン伝導性を保障する。

固体酸化物形燃料電池１は、通常、電極の一部の面積に分離板４００が接触していない状態で電流を集電するため、均一でない電流密度を有する。そのため、本発明では空気極集電体１００を備えることが好ましい。
空気極集電体１００は、図４に図示されたように、分離板４００と空気極１０との間に設けられる。

本発明の固体酸化物形燃料電池１は、上述したコルゲート型メッシュ構造からなる金属集電体で形成された空気極集電体１００を備える。空気極集電体１００は互いに交差して配列された一方向支持体１１０（図１参照）と他方向支持体１２０（図１参照）とで編成されており、一方向支持体及び／又は他方向支持体は波形に形成される。

特に、空気極集電体１００は一つ以上の切断部を備えており、一方向支持体及び／又は他方向支持体の長さ部の一部を切断した切断部を備えることができる。この切断部（不図示）は、高温作動時に集電体の応力を分散することで固体酸化物形燃料電池１の耐久性を向上させることができる。

選択的には、本発明の固体酸化物形燃料電池１は、燃料極集電体３００をさらに含むことができる。この燃料極集電体３００は、空気極集電体１００と同様に、互いに交差して配列された一方向支持体と他方向支持体とで編成されたコルゲート型メッシュ構造からなる。燃料極集電体３００の一方向支持体及び／又は他方向支持体は波形に形成された金属支持体に形成される。

本発明の燃料極集電体３００もまた内部応力の変形を最小化するためにその内部に一つ以上の切断部（不図示）を備える。このような燃料極集電体３００は、図４に図示されたように、分離板４００と燃料極３０との間に設けられる。

参考までに、図４では、本発明による空気極集電体１００の切断部及び／又は燃料極集電体３００の切断部をより明白に図示するために、波形のコルゲート型メッシュ構造を単純に直線型メッシュ構造に図示したことを予め説明しておく。

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、本発明はこれに限定されず、該当分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の技術的思想内にて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。

本発明によるコルゲート型メッシュ構造からなる金属集電体の一例を図示した斜視図である。 図１のＡ−Ａ線で切断した金属集電体の一部を図示した断面図である。 本発明によるコルゲート型メッシュ構造からなる金属集電体の他の一例を図示した斜視図である。 本発明による金属集電体を適用した固体酸化物形燃料電池の分解斜視図である。

１ 固体酸化物形燃料電池
１０ 空気極
２０ 電解質
３０ 燃料極
１００ 空気極集電体
３００ 燃料極集電体
４００ 分離板

Claims (16)

1. 一方向に延長された長さ部を有する多数の一方向支持体と、
   前記一方向支持体と異なる他方向に延長された長さ部を有する多数の他方向支持体と、
   互いに交差して配列された前記一方向支持体と他方向支持体とで囲まれた多数の気孔と、
   前記支持体に備えられた一つ以上の切断部と、
   を含む、固体酸化物形燃料電池用の集電体。
2. 前記一方向支持体の長さ部に前記切断部が形成され、前記切断部により前記一方向支持体の長さ部が一体に連結されず、分離されている、請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池用の集電体。
3. 前記他方向支持体の長さ部に前記切断部が形成され、前記切断部により前記他方向支持体の長さ部が一体に連結されず、分離されている、請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池用の集電体。
4. 前記一方向支持体は長さ方向に沿って波形に屈曲している、請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池用の集電体。
5. 前記他方向支持体は長さ方向に沿って波形に屈曲している、請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池用の集電体。
6. 前記切断部は前記集電体の周縁部以外の内側部分に形成される、請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池用の集電体。
7. 燃料極、電解質、及び空気極を備えた単位電池と、
   上部面又は下部面に気体を供給するチャンネルを形成し、所定の間隔で平行に配列された二つ以上の分離板と、
   前記分離板と前記単位電池の空気極との間に配置されたメッシュ構造の空気極集電体と、
   を含む、固体酸化物形燃料電池。
8. 前記空気極集電体は、
   長さ方向に沿って波形に屈曲している多数の一方向支持体と、
   長さ方向に沿って波形に屈曲している多数の他方向支持体と、
   互いに交差して配列された前記一方向支持体と他方向支持体とで囲まれた多数の気孔と、
   前記支持体の長さ部に形成された切断部と、
   を含む、請求項７に記載の固体酸化物形燃料電池。
9. 前記空気極集電体はコルゲート型メッシュ構造からなる、請求項７に記載の固体酸化物形燃料電池。
10. 前記一方向支持体の長さ部には切断部が形成される、請求項８に記載の固体酸化物形燃料電池。
11. 前記他方向支持体の長さ部には切断部が形成される、請求項８に記載の固体酸化物形燃料電池。
12. 前記分離板と前記単位電池の燃料極との間に配置されたメッシュ構造の燃料極集電体をさらに含む、請求項７に記載の固体酸化物形燃料電池。
13. 前記燃料極集電体は、
    長さ方向に沿って波形に屈曲している多数の一方向支持体と、
    長さ方向に沿って波形に屈曲している多数の他方向支持体と、
    互いに交差して配列された前記一方向支持体と他方向支持体とで囲まれた多数の気孔と、
    前記支持体の長さ部に形成された切断部と、
    を含む、請求項１２に記載の固体酸化物形燃料電池。
14. 前記燃料極集電体はコルゲート型メッシュ構造からなる、請求項１２に記載の固体酸化物形燃料電池。
15. 前記一方向支持体の長さ部には切断部が形成される、請求項１２に記載の固体酸化物形燃料電池。
16. 前記他方向支持体の長さ部には切断部が形成される、請求項１２に記載の固体酸化物形燃料電池。

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