JP2014123542A - 固体酸化物形燃料電池アセンブリ及びその密封部形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】金属板と、この金属板間に挿入される複数の単位電池との間の密封状態を改善することができる固体酸化物形燃料電池アセンブリ及びその密封部形成方法を提供する。
【解決手段】本発明の固体酸化物形燃料電池アセンブリは、一つ以上の単位電池１００と、単位電池１００が貫通する一つ以上の貫通口６１を形成している金属板６０と、気密材２１０、接着材２２０、及びシーリング材２３０からなり、単位電池１００の外周面と金属板６０の貫通口６１との間の離隔間隙を密封する密封部２００と、を含んでいるものである。
【選択図】図３

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池アセンブリ及びその密封部形成方法に関する。

通常、燃料電池は、燃料（水素、ＬＮＧ、ＬＰＧ等）と空気（酸素）の化学エネルギーを電気化学反応を介して電気と熱に直接変換させる装置である。従来の発電技術は、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たどるが、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たな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ぼ排出せずに、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、無振動などの長所が存在する。

燃料電池は、リン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）、アルカリ形燃料電池（ＡＦＣ）、高分子電解質形燃料電池（ＰＥＭＦＣ）、直接メタノール形燃料電池（ＤＭＦＣ）、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）等、多様な種類があり、このうち、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、活性化分極に基づいて過電圧が低く、非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、水素経済社会への進入のために必須な発電技術である。

このような固体酸化物形燃料電池の特徴は、既存の高分子電解質形燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＰＥＭＦＣ）と違って、炭素またはハイドロカーボン系のどんな燃料でも活用可能であるため、燃料選択の自由度が高いという長所があり、水素（Ｈ_２）が燃料として使われた時の化学反応式は、以下の通りである。

既存の固体酸化物形燃料電池アセンブリは、前述した化学反応に基づいて複数の単位電池を直列及び/または並列方式にスタッキング（ｓｔａｃｋｉｎｇ）して電気エネルギーを生産し、このとき、複数の単位電池は、固体酸化物形燃料電池アセンブリ内で採用された金属板の貫通孔に挿入されて位置固定される。

例えば、特許文献１では、導電性を有する金属板と単位電池を接合するために、溶接方式、ネジ固定方式、嵌合固定方式など、多様な類型の接合方式を開示しており、通常、金属板と単位電池との間の接合部位は、固体酸化物形燃料電池アセンブリの構造上、高温の発電温度に露出されて接合部位に塗布された密封材を溶融させるため、金属板と単位電池との間の密封状態を不安全にして耐久性にも影響を及ぼす。

韓国公開特許第１０−２００４−０１０３４２２号公報

本発明は、前述した問題点を解決するために導き出されたものであり、固体酸化物形燃料電池アセンブリ内で、金属板と、この金属板間に挿入される複数の単位電池との間の密封状態を改善することを目的とする。

前述したような目的を達成するために、本発明は、単位電池と金属板との間に密封部を備えた固体酸化物形燃料電池に関し、一つ以上の単位電池と、この単位電池に燃料と空気を非接触状態で提供するボックス状のハウジングと、燃料と空気の接触遮断を容易にするためにハウジングを区画するプレート状に一つ以上の貫通口を形成している金属板と、単位電池の外周面と金属板の貫通口との間の離隔間隙を密封する密封部と、を具備し、特に、密封部は、気密材、接着材、及びシーリング材からなっていることを特徴とする。

本実施例で、気密材は、貫通孔を備えたプレート状からなっている。好ましくは、気密材の貫通孔は、金属板の貫通口の配列位置と対応されるように形成され、単位電池のスタッキングを容易にする。

接着材は、気密材の貫通孔の縁部と単位電池の外周面との間に塗布され、この接着材は、気密材と単位電池との間を密封すると共に確実に固定させることができる媒介物である。

また、本発明によるシーリング材は、接着材の外周面を被せることができるように塗布される。特に、シーリング材は、気密材の上部面と単位電池の外周面との間に塗布されることができる。

好ましくは、気密材は、通電防止、加工性、及び酸化防止のためにマイカ素材で製作されることができる。

接着材は、熱的膨張と収縮を十分に許容することができるように多孔性のセラミック系ボンドで構成されることが好ましい。

参考までに、シーリング材は、既に広く使われているガラス系素材で構成される。

さらに、気密材は、プレート状ではなく、Ｏリング状からなり、単位電池の外周面と金属板の貫通口の縁部に沿って配列されることができる。

本発明は、固体酸化物形燃料電池アセンブリにおいて、密封部を形成する方法を含み、気密材を供給する段階（Ｓ１００）と、気密材を金属板上に安着する段階（Ｓ２００）と、気密材の貫通孔に接着材を塗布する段階（Ｓ３００）と、接着材上にシーリング材を塗布する段階（Ｓ４００）と、を含む。

選択可能に、本発明は、熱処理段階（Ｓ５００）をさらに含む。

ここで、熱処理段階は、接着材に影響を及ぼすことができるように１００℃〜２００℃で熱処理する。また、熱処理段階は、シーリング材に影響を及ぼすことができるように７００℃〜９００℃で熱処理することができる。

気密材は、通電防止、加工性、及び酸化防止のためにマイカ素材で製作されることができる。

接着材は、熱的膨張と収縮を十分に許容することができるように多孔性のセラミック系ボンドで構成されることが好ましい。

気密材は、金属板と対応するように貫通孔を備えたプレート状で形成され、金属板上に配列される。

接着材は、気密材の貫通孔の縁部と単位電池の外周面との間に塗布される。

本発明によるシーリング材は、接着材の外周面を被せることができるように塗布される。特に、シーリング材は、気密材の上部面と単位電池の外周面との間に塗布されることができる。

以上、本発明の説明によると、本発明は、金属板の貫通口に挿入される単位電池と貫通口との間の密封部を配列する固体酸化物形燃料電池を提供する。

本発明は、マイカ素材で製作された気密材を金属板上に配置することで、金属板の酸化を防止して耐久性を向上することができる。

また、本発明は、高温の発電温度下でシーリング材の流失を防止し、燃料と空気の接触を防止することができるように設計されている。

更に、本発明は、従来の固体酸化物形燃料電池アセンブリに別の設計変更をすることなく、単純に金属板と同じ形状の気密材を配置し、気密材の貫通孔の周縁部に沿って接着材とシーリング材を塗布することで行うことができるため、作業工数だけでなく、製造コストを顕著に低くすることができる。

本発明による固体酸化物形燃料電池アセンブリを概略的に示す図面である。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った固体酸化物形燃料電池アセンブリの横断面図である。 図１の円弧部（Ａ）を部分拡大した図面である。 本発明による固体酸化物形燃料電池アセンブリに密封材の形成段階を順次示すフローチャートである。

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、本発明による固体酸化物形燃料電池アセンブリを概略的に示す縦断面図である。

図面を参照すると、本発明による固体酸化物形燃料電池アセンブリ１は、既に広く知られている単位電池１００をボックス状のハウジング１０に金属板６０を媒介にしてスタック状態で配列する。単位電池１００は、固体酸化物形燃料電池に採用されることができる円筒型あるいは平管型単位電池を適用することができ、単位電池１００は、当該分野の熟練者に既に広く知られているように、中心から内部電極、電解質、及び外部電極の順に積層されている。単位電池１００の一例は、燃料極（内部電極）、電解質、及び空気極（外部電極）の順に積層されてもよく、他の例として、空気極（内部電極）、電解質、及び燃料極（外部電極）の順に積層されてもよい。

本明細書は、燃料極を内部電極とする単位電池１００を採用した固体酸化物形燃料電池アセンブリ１に基づいて記述する。もちろん、本実施例と違って、空気極を内部電極とする単位電池１００を採用する場合には、燃料と空気の移動経路に対する構成のみを代替して使用することができる。

ハウジング１０は、燃料供給部２０及び燃料排出部３０を具備する。具体的に、燃料供給管２１を介して燃料供給部２０に供給された燃料は、複数の流路管２２に沿って単位電池１００内に案内される。その後、燃料が単位電池１００と酸化反応を起こし、残りの燃料は、燃料排出部３０を介して燃料排出管３１に排出される。

このような過程を具現するために、図示したように、本発明は、燃料供給部２０及び燃料排出部３０をハウジング１０の内部空間の上側に配列する。また、燃料供給部２０は、複数の流路管２２を流体連通可能に具備し、それぞれの単位電池１００の内部に燃料を供給する。

図示したように、単位電池１００の上端部は、燃料排出部３０と流体連通可能に連結され、単位電池１００を横断する燃料を燃料排出部３０に案内移動させる。

また、ハウジング１０は、内部空間の下側に空気供給部４０を具備し、空気供給管４１を介して外部から流入した空気が空気供給部４０と分配板４２を貫通して空気排出部５０に供給される。分配板４２は、複数の貫通孔を備えたプレート状であってもよく、多孔性材質で製作されたプレートであってもよい。分配板４２は、空気排出部５０に空気を均一に拡散供給することができるようにする。

このように、空気排出部５０に供給された空気は、単位電池１００の外部電極と接触し、還元反応を起こす。残りの空気は、空気排出管５１を介して外部に排出される。

このような過程を具現するために、本発明は、空気供給部４０と空気排出部５０を相互流体連通可能に具備し、空気供給部４０と空気排出部５０との間に分配板４２をさらに配列することができる。

特に、本発明は、ハウジング１０内で空気と燃料の接触を防止するために、燃料排出部３０と空気排出部５０との間に金属板６０を配列する。この金属板６０は、燃料排出部３０と空気排出部５０を区画すると同時に相互密封する構成部材であり、複数の貫通口６１を具備する。単位電池１００は、図１及び／または図２に示すように、金属板６０の貫通口６１に挿入されてハウジング１０内に位置固定される。

さらに、金属板６０は、その貫通口６１と単位電池１００との間の離隔間隙を確実に密封しなければならない一方、高温環境下でも密封状態を持続的に維持しなければならない。もし、固体酸化物形燃料電池アセンブリ１は、高温状態のハウジング１０内で燃料と空気が接触するようになる場合には、激烈な酸化反応及び／または爆発を起こすことができる。したがって、燃料と空気の確実な遮断を実現するために、前述したように、金属板６０がハウジング１０を確実に区画して密封させなければならない。

このために、本発明は、金属板６０の貫通口６１と単位電池１００の外周面との間の離隔間隙に、本発明のみの独創的な密封部２００を提供する。本発明の固体酸化物形燃料電池アセンブリ１に形成された密封部２００に対して、図３を参照して、さらに詳細に説明する。

図２及び図３に示すように、本発明は、金属板６０の貫通口６１に単位電池１００を配置する。単位電池１００が貫通口６１で確実に位置固定することができるように、そしてこれらの間の離隔間隙を密封するための密封部２００を単位電池１００の外周面に沿って形成する。

密封部２００は、気密材２１０、接着材２２０、及びシーリング材２３０で構成される。気密材２１０は、金属板６０の貫通口６１と単位電池１００の外周面との間に形成された離隔間隙を狭めて密封性（あるいは気密性）を確保することができるように金属板６０上に配列され、発電温度と同一の高温の温度で耐久性を提供し、金属板６０は、電気的に接続されないように、耐熱性と絶縁性を保障するマイカ（ｍｉｃａ）素材で製作することが好ましい。

特に、気密材２１０は、プレート状からなり、プレートに複数の貫通孔２１１を形成する。気密材２１０は、図示したように、金属板６０の上部面を完全に被せるプレート状からなり、燃料と接触遮断されて金属板６０の酸化を防止することができる。

好ましくは、気密材２１０の貫通孔２１１は、金属板６０の貫通口６１と同一の個数、そして同一の配列位置を備えるようにする。

これは、気密材２１０の貫通孔２１１と金属板６０の貫通口６１を相互整列されるように配列し、貫通孔２１１と貫通口６１に単位電池１００を通過させて容易な挿入を可能にする。

気密材２１０が金属板６０及び／または単位電池１００に対して確実に位置固定することができるように、貫通孔２１１の周縁部に接着材２２０を塗布する。接着材２２０は、セラミックボンドを使用することが好ましい。セラミックボンドからなる接着材２２０は、気密材２１０の貫通孔２１１と単位電池１００の外周面との間に塗布され、貫通孔２１１と単位電池１００との間の離隔間隙を密封する効果を提供すると同時に、気密材２１０の接着状態を保障することができる。

接着材２２０は、前述したように、アルミナ系列、シルコニア系列などのセラミックボンドで適用されることが好ましく、このセラミックボンドは、特性上、多孔性を備えるようになる。多孔性素材でできた接着材２２０は、気密材２１０と単位電池１００の外周面との間を密封させて接着させ、固体酸化物形燃料電池の運転による温度差などの外部条件によって接着材２２０に収縮性と膨張性を少し提供することができる。このような収縮性と膨張性は、接着材２２０の脱去あるいはクラックを防止し、固体酸化物形燃料電池アセンブリの耐久性を確保することができる。接着材２２０は、セラミックボンドに限定されず、多様な素材のボンドを適用することができる。

さらに、接着材２２０は、気密材２１０の接着を容易にするために、気密材２１０の縁部とハウジング１０（図１参照）の内周面との間に塗布されてもよい。

また、本発明による密封部２００は、接着材２２０上にガラス系列のシーリング材２３０を配列する。シーリング材２３０は、単位電池１００の外周面に沿ってリング形状で塗布された接着材２２０を外部環境に露出されないように、接着材２２０の上部を確実に被せる。

従来技術による固体酸化物形燃料電池アセンブリは、金属板と単位電池との間をガラス系列のシーリング材でのみ仕上げ処理して密封効果を提供し、高温下でシーリング材が溶融されて単位電池の外周面に沿って下方に流れるようになる。しかし、本発明は、高温下でシーリング材２３０が溶融状態に変換されても、接着材２２０及び／または気密材２１０により下方に流れることを遮断する。

図４は、図３に示す密封部２００を固体酸化物形燃料電池アセンブリ、さらに具体的に、金属板６０と単位電池１００の接触部位に形成する方法を示すフローチャートである。

本発明は、マイカ素材で製作された気密材２１０を供給する段階（Ｓ１００）を含む（図３参照）。気密材２１０は、加工が容易なマイカ素材で製作され、単位電池１００のスタックを容易にするために複数の貫通孔２１１を穿孔する。

好ましくは、気密材２１０の貫通孔２１１は、金属板６０の貫通口６１の個数と配列位置を同一に形成し、貫通孔２１１と貫通口６１に単位電池１００を挿入することができる。選択可能に、貫通孔２１１の直径が貫通口６１の直径より小さく設計され、金属板６０の外部露出を最小化させる。

その後、本発明は、気密材２１０を金属板６０上に安着する段階（Ｓ２００）を含む。前述したように、単位電池１００をハウジングに配置するために、気密材２１０は、燃料と接触される可能性が高い金属板６０上に配置されなければならない。それぞれの構成部材は、貫通孔２１１と貫通口６１を具備しており、貫通孔２１１と貫通口６１を並んで整列させて単位電池１００の挿入を容易にする。

本発明は、接着材２２０を塗布する段階（Ｓ３００）を含む。

接着材２２０は、気密材２１０の貫通孔２１１と単位電池１００の外周面との間に形成される離隔間隙周辺に塗布される。このような接着材２２０は、金属板６０と気密材２１０、そして単位電池１００と気密材２１０の結合を保障する。接着材２２０は、多孔性素材からなるセラミック系列のボンドを使用することが好ましい。

最後に、本発明は、シーリング材２３０を塗布する段階（Ｓ４００）を含む。

シーリング材２３０は、硬化された接着材２２０の外部面を完全に被せることができる程度に、単位電池１００の外周面と気密材２１０の上部面との間を塗布する。

さらに、本発明は、密封部２００に熱処理段階（Ｓ５００）を含み、このような熱処理を介して各構成部材間の接着、そして安定化を図ることができる。

熱処理段階（Ｓ５００）で、接着材２２０に影響を及ぼすことができるように、１００℃〜２００℃で別の熱処理を行う。

また、シーリング材２３０に影響を及ぼすことができるように、７００℃〜９００℃で別の熱処理をさらに行うようになる。

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。

本発明は、固体酸化物形燃料電池アセンブリ及びその密封部形成方法に適用可能である。

１ 固体酸化物形燃料電池アセンブリ
１０ ハウジング
２０ 燃料供給部
２１ 燃料供給管
２２ 流路管
３０ 燃料排出部
３１ 燃料排出管
４０ 空気供給部
４１ 空気供給管
４２ 分配板
５０ 空気排出部
５１ 空気排出管
６０ 金属板
６１ 貫通口
１００ 単位電池
２００ 密封部
２１０ 気密材
２１１ 貫通孔
２２０ 接着材
２３０ シーリング材

Claims (20)

1. 一つ以上の単位電池と、
   前記単位電池が貫通する一つ以上の貫通口を形成している金属板と、
   気密材、接着材、及びシーリング材からなり、前記単位電池の外周面と前記金属板の貫通口との間の離隔間隙を密封する密封部と、
   を含んでいる固体酸化物形燃料電池アセンブリ。
2. 前記気密材は、前記金属板と対応されるように貫通孔を備えたプレート状からなっている請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池アセンブリ。
3. 前記接着材は、前記気密材の貫通孔の縁部と前記単位電池の外周面との間に塗布される請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池アセンブリ。
4. 前記シーリング材は、前記接着材の外周面を被せることができるように塗布されている請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池アセンブリ。
5. 前記シーリング材は、気密材の上部面と前記単位電池の外周面との間に塗布される請求項４に記載の固体酸化物形燃料電池アセンブリ。
6. 前記気密材は、マイカ素材で製作されている請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池アセンブリ。
7. 前記接着材は、多孔性のセラミック系ボンドで構成されている請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池アセンブリ。
8. 前記シーリング材は、ガラス系素材で構成されている請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池アセンブリ。
9. 前記気密材は、Ｏリング状からなり、前記単位電池の外周面と前記金属板の貫通口の縁部に沿って配列されることができる請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池アセンブリ。
10. 前記貫通孔の直径は、前記貫通口の直径より小さく形成されている請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池アセンブリ。
11. 請求項１乃至請求項１０のうちいずれか一項に記載の固体酸化物形燃料電池アセンブリにおいて、
    気密材を供給する段階と、
    前記気密材を燃料と空気の接触を遮断する金属板上に安着する段階と、
    前記気密材の貫通孔に接着材を塗布する段階と、
    前記接着材上にシーリング材を塗布する段階と、
    を含む固体酸化物形燃料電池アセンブリの密封部形成方法。
12. 熱処理段階をさらに含む請求項１１に記載の固体酸化物形燃料電池アセンブリの密封部形成方法。
13. 前記熱処理段階は、前記接着材に影響を及ぼすことができるように１００℃〜２００℃で熱処理する請求項１２に記載の固体酸化物形燃料電池アセンブリの密封部形成方法。
14. 前記熱処理段階は、前記シーリング材に影響を及ぼすことができるように７００℃〜９００℃で熱処理する請求項１２に記載の固体酸化物形燃料電池アセンブリの密封部形成方法。
15. 前記気密材は、マイカ素材で製作されている請求項１１に記載の固体酸化物形燃料電池アセンブリの密封部形成方法。
16. 前記接着材は、多孔性のセラミック系ボンドで構成されている請求項１１に記載の固体酸化物形燃料電池アセンブリの密封部形成方法。
17. 前記気密材は、前記金属板と対応されるように貫通孔を備えたプレート状からなっている請求項１１に記載の固体酸化物形燃料電池アセンブリの密封部形成方法。
18. 前記接着材は、前記気密材の貫通孔の縁部と前記単位電池の外周面との間に塗布される請求項１１に記載の固体酸化物形燃料電池アセンブリの密封部形成方法。
19. 前記シーリング材は、前記接着材の外周面を被せることができるように塗布されている請求項１１に記載の固体酸化物形燃料電池アセンブリの密封部形成方法。
20. 前記シーリング材は、気密材の上部面と前記単位電池の外周面との間に塗布される請求項１１に記載の固体酸化物形燃料電池アセンブリの密封部形成方法。

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