JP2014123543A - 固体酸化物燃料電池及び固体酸化物燃料電池の製造方法 - Google Patents

固体酸化物燃料電池及び固体酸化物燃料電池の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】内部電極内に流動するガスと外部電極の縁に流動するガスとの接触を確実に遮断することができる固体酸化物燃料電池及び固体酸化物燃料電池の製造方法を提供する。
【解決手段】本発明の固体酸化物燃料電池は、円筒形の内部電極110と、内部電極110の外周面に長さ方向に積層されたT字断面形状の連結材140と、連結材140を除いた内部電極110の外周面に積層される電解質120と、電解質120の外周面に積層される外部電極130と、を含む単位電池100で構成されるものである。
【選択図】図1

Description

本発明は、固体酸化物燃料電池及び固体酸化物燃料電池の製造方法に関する。
燃料電池とは、燃料(水素、LNG、LPGなど)と空気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、燃料の燃焼、蒸気発生、タービン駆動、発電機駆動などの過程を取ることとは異なって、燃料電池は、燃焼過程や駆動装置がないため、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とNO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いため、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、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ため発電効率が高い。また、水素だけでなく、炭素または炭化水素系の燃料を使用することができるため、燃料の選択幅が広く、電極における反応速度が高くて電極触媒として高い貴金属を必要としない。その上、発電に付随して排出される熱は、温度が非常に高くて利用価値が高い。固体酸化物燃料電池で発生した熱は、燃料の改質に利用されるだけでなく、コジェネレーションにおいて産業用または冷房用エネルギー源として利用することができる。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的な発電技術である。
固体酸化物燃料電池(solid oxide fuel cell;SOFC)の基本的な動作原理を説明すると、固体酸化物燃料電池は、基本的に水素及びCOの酸化反応により発電する装置であり、燃料極及び空気極では下記の反応式のような電極反応が行われる。
即ち、電子は、外部回路を介して空気極に伝達され、同時に空気極で発生した酸素イオンが電解質を介して燃料極に伝達される。燃料極では、水素または一酸化炭素(CO)が酸素イオンと結合して電子及び水または二酸化炭素(CO)を生成する。
従来の円筒形または平管形固体酸化物燃料電池は、上述したように、その外周面の一側に電気的接続のための連結材を備える。
例えば、特許文献1には、燃料極支持体管と、この支持体管の平らな上面の中央部を長さ方向に横切って被覆形成された連結材と、この連結材を除いた燃料極支持体管の外周面に被覆形成された電解質層と、連結材の両側面から所定の距離だけ離隔された状態で電解質層の外周面に被覆形成された空気極と、からなる燃料電池が開示されている。
特許文献1の連結材は、燃料電池上に配列された上部または中間接続板との電気的連通が可能であるように、四角断面形状に形成されている。
このような連結材は、通常、電解質層を除去した後、プラズマ溶射コーティング法により被覆される。上述したように連結材の両側面と電解質層の側面の接合力が十分に保障されない場合、燃料極支持体管に流動する燃料ガスの漏れが発生する恐れがある。
燃料電池は、電解質層を中心として内部電極と外部電極に燃料ガス及び空気が流れるため、もしガスの漏れが発生する場合、単位電池の出力密度が著しく低減するだけでなく、高温下で空気と燃料ガスが接触されて不測の発火が発生し、これによって、燃料電池内の内部温度が上昇し、全般的な燃料電池の耐久性が弱化する結果をもたらす。
韓国公開特許第10−2005−0021027号公報
本発明は、上述の欠点及び/または問題点を解消するためになされたものであって、本発明の目的は、電解質と連結材との固着力を向上させることができる固体酸化物燃料電池を提供することにある。
上記のような目的を果たすために、本発明の好ましい固体酸化物燃料電池は、円筒形内部電極と、この内部電極の外周面に長さ方向に積層されたT字断面形状の連結材と、この連結材を除いた内部電極の外周面に積層される電解質と、連結材の翼部を除いた電解質の外周面に積層される外部電極と、を含む単位電池で構成される。
本発明は、単位電池の長さ方向に沿って電解質の両端に載置領域が形成され、この載置領域はT字断面形状の連結材の翼部の下部面と接触される。
好ましくは、電解質と連結材との固着力を向上させるため、電解質の載置領域は、表面粗さを有することができる。
特に、本発明は、電解質と連結材の接触面積を増加させるため、電解質の両端に、段差部が形成されることができる。
また、段差部の段差面、換言すれば載置領域は、表面粗さを有することができる。
外部電極の両端は、連結材と所定の間隔で離隔された状態で電解質の外周面に積層される。
選択的に、本発明の単位電池は、円筒形または平管形構造を有することができる。
単位電池は、円筒形状の空気極、この空気極の外周面に電解質、及び燃料極の順に積層されており、空気極が内部電極を形成し、燃料極が外部電極を形成することができる。
これと異なって、単位電池は、円筒形状の燃料極、この燃料極の外周面に電解質、及び空気極の順に積層されており、燃料極が内部電極を形成し、空気極が外部電極を形成することもできる。
本発明による固体酸化物燃料電池の製造方法は、内部電極、電解質、及び外部電極の順に積層された単位電池を提供する段階と、単位電池の長さ方向に外部電極の一部を除去することにより、電解質の外周面を露出させる段階と、露出された電解質の外周面の一部を除去することにより、内部電極の外周面を露出させる段階と、内部電極の外周面と前記電解質の除去部分に連結材を積層する段階と、を含む。
好ましくは、連結材は、単位電池の長さ方向に沿ってT字断面形状に積層される。
本発明は、内部電極の外周面を露出させる段階は、露出された電解質の外周面に凹溝を形成する段階を含む。
本発明は、凹溝を形成する段階の後に、電解質にT字断面形状の溝を形成するように、電解質の凹溝の一部底面を除去することにより内部電極を露出させる段階をさらに含む。
外部電極と電解質の除去は、サンドブラスト工程によりなされる。
電解質の露出領域は、表面粗さを有する。
本発明は、連結材と外部電極との間に、絶縁層を積層する段階をさらに含む。
上記の本発明によると、円筒形または平管形固体酸化物燃料電池において、T字形状の連結材と電解質との固着力を向上させることができる。
特に、本発明は、連結材と電解質との固着力とともに、接触面積を増加させることにより、内部電極内に流動するガスと外部電極の縁に流動するガスとの接触を確実に遮断することができる。
本発明の一実施例による円筒形固体酸化物燃料電池を概略的に図示した斜視図である。 図1のII−II線に沿った固体酸化物燃料電池の断面図である。 図1に図示された円筒形固体酸化物燃料電池の積層構造図である。 本発明の他の実施例による円筒形固体酸化物燃料電池の断面図である。 本発明による固体酸化物燃料電池の製作過程を順に図示した工程図である。
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、本発明の一実施例による円筒形固体酸化物燃料電池を概略的に図示した斜視図であり、図2は、図1のII−II線に沿った固体酸化物燃料電池の断面図である。
本発明による固体酸化物燃料電池は、円筒形状からなる単位電池100で構成される。円筒形状の単位電池100は、既に公知されているように、内部電極110と、電解質120と、外部電極130と、連結材140と、で構成される。具体的には、単位電池100は、その中心から、円筒形内部電極110、この円筒形内部電極110の外周面に配置された電解質120、この電解質120の外周面に配置された外部電極130の順に備えられており、特に、円筒形内部電極110の外周面の一側に長さ方向に延びる連結材140を備える。
連結材140は、外部電極130と所定の間隔を置いて離隔されるように配置される。選択的に、連結材140は、内部電極110の外周面から放射状方向に外部に向かって突出させるが、外部電極130の最上端部または最外側部より高く突出させることもできる。これにより、連結材140と他の集電部材またはカレントコレクタとの連結が容易になる。
上述したように、単位電池100は、内部電極110、電解質120、及び外部電極130の順に積層されるが、単位電池100は、中心から燃料極(内部電極)、電解質、及び空気極(外部電極)の順に積層された燃料極支持体型に形成されたり、これと異なって、中心から空気極(内部電極)、電解質、及び燃料極(外部電極)の順に積層された空気極支持体型に形成されることができる。本実施例では、説明の便宜上、燃料極支持体型である場合を説明するが、これに限定されるものではない。
円筒形内部電極110の燃料極は、その外周面に積層される電解質120及び外部電極130の空気極を支持する役割をする。燃料極は、円筒形に形成され、マニホールドから燃料(水素)の供給を受けて、電極反応により負電流を生成する。
好ましくは、燃料極は、酸化ニッケル(NiO)とイットリア安定化ジルコニア(YSZ;Yttria stabilized Zirconia)を1,200℃〜1,300℃に加熱して形成されるが、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。
電解質120は、空気極で発生した酸素イオンを燃料極に伝達する役割をするものであり、図示されたように、燃料極の外周面に積層される。
電解質120は、当該分野の熟練者に公知されている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)、スクリーン印刷法(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、1,300℃〜1,500℃で焼結して形成することができる。
電解質120は、燃料極の外部にYSZまたはScSZ(Scandium stabilized Zirconia)、GDC、LDCなどを用いて形成されるが、イットリア安定化ジルコニアは、4価のジルコニウムイオンの一部が3価のイットリウムイオンに代置されているため、イットリウムイオン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120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。もし、電解質120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。
空気極は、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、電極反応に介して正電流を生成するものであり、図示されたように、電解質120の外周面に積層されている。空気極は、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((La0.84Sr0.16)MnO)などを電解質と同様に乾式法または湿式法でコーティングした後、1,200℃〜1,300℃で焼結して形成することができる。即ち、空気極で空気(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120を介して燃料極に伝達される。
連結材140において、図示されたように、内部電極110の露出された外周面の一側に直接連結されて、内部電極110の燃料極で生成された負電流を単位電池100の外部(またはカレントコレクタ)に伝達する。換言すれば、連結材140は、内部電極110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。
単位電池100において、電解質120と外部電極130の一部を除去することにより、内部電極110の外周面の一部を露出させる。その後、内部電極110の露出部位に連結材140を配置する。連結材140は、上述したように、内部電極110と電気的に連通されるため、外部電極130と接触する場合、短絡(short)が発生する。従って、連結材140と外部電極130は、所定間隔で離隔されるように配列される。
該当分野の熟練者に公知されているように、単位電池100において、電解質120を中心として内部電極110と外部電極130に燃料ガス及び空気が流動される。単位電池100内の分圧差により、内部電極110の中空部に流動する燃料ガスと外部電極130の外部に流動する空気とが接触すると、単位電池100内で発火が発生して固体酸化物燃料電池の耐久性が弱化する。
従って、本発明は、図示されたように、T字断面形状の連結材140を提案する。T字断面形状の連結材140が電解質120に確実に載置されるように、除去部位の電解質120の両端に、単位電池100の長さ方向に沿って、段差部121を形成する。
図示されたように、T字断面形状の連結材140は、内部電極110の露出部位と電解質120の両段差部121に積層(または被覆)されて、電解質120と連結材140との接触面積を増加させることにより、固着力を向上させる。これにより、このようなT字断面形状の連結材140を備えた固体酸化物燃料電池は、内部電極110の燃料ガスの漏れを防止するとともに、外部電極130の空気が単位電池100の内部に流入されることを防止することができる。電解質120の段差部121とT字断面形状の連結材140の接触面積を保障するために、段差部121により形成された段差面、即ち、載置領域122が1mm以上確保されなければならない。ここで、載置領域122とは、露出された電解質120の両端であって、T字断面形状の連結材140の翼部141の下部面が載置されて接触される部分を意味する。
また、電解質120と連結材140の載置を容易にするために、電解質120の段差部121と連結材140を、同一の湾曲状、具体的には、同一の曲率を有するように形成する。
図3は、図1に図示された円筒形固体酸化物燃料電池の積層構造図である。
本発明による円筒形固体酸化物燃料電池のスタックは、多数の単位電池100が2列以上の多数列と2行以上の多数行の構造に配列されるが、それぞれの単位電池100を互いに連結するために、カレントコレクタ200を備える。好ましくは、カレントコレクタ200は、空気の流路チャンネルを形成することができるように、所定の間隔を置いて並んで配列される。
カレントコレクタ200の下部面は、接続部210を形成して単位電池100の連結材140との密着状態を維持し、カレントコレクタ200の上部面は、単位電池100の外部電極130と接触するように形成される。
さらに、固体酸化物燃料電池は、最下端に配列されたカレントコレクタ200にスタック電極(参照符号なし)を連結するとともに、最上端に配列されたカレントコレクタ200に他のスタック電極(参照符号なし)を連結して、運転者が要求する電力量を獲得できるようにする。
図4は、本発明の他の実施例による円筒形固体酸化物燃料電池の断面図である。
図4に図示された円筒形固体酸化物燃料電池は、図1及び図2に図示された円筒形固体酸化物燃料電池の電解質の形状を除き、ほとんど類似の構造を有するため、本発明の明瞭な理解のために類似または同一の構成部材についての説明は以下省略する。
図4を参照すると、本発明の固体酸化物燃料電池は、円筒形状からなる単位電池100´で構成される。円筒形状の単位電池100´は、支持体として形成された内部電極110、電解質120、及び外部電極130の順に積層された後、T字断面形状の連結材140が形成される。上述したように、T字断面形状の連結材140は、内部電極110の外周面の一側から外部方向に突出されてカレントコレクタ200(図3参照)と接触し、内部電極110で発生した電流をカレントコレクタ200に伝達する役割をする。
連結材140は、内部電極110の集電のための部材であるため、伝導性物質で形成されることが好ましい。また、連結材140は外部電極130と所定の間隔で離隔されるように配列したり、連結材140と外部電極130との間に絶縁層300がさらに配列することができる。
好ましくは、連結材140から周方向に突出された翼部141が、表面粗さを有する電解質120の載置領域122上に積層(または被覆)されて、露出された内部電極110を完全に覆うことができる。
電解質120は、図1及び図2に図示された段差部121を備えず、電解質120の本体が除去されて、電解質の両端の外周面に表面粗さが形成されている。
図5は、本発明による固体酸化物燃料電池の製作過程を順に図示した工程図である。
本発明による固体酸化物燃料電池の製造方法は、内部電極110、電解質120、及び外部電極130の順に積層された円筒形または平管形の単位電池100を提供する段階(S100)を含む。図5では、円筒形状の単位電池を図示しているが、これに限定されず、平管形状の単位電池を適用することもできる。
その後、本発明による固体酸化物燃料電池の製造方法は、外部電極130の一部を単位電池100の長さ方向に除去する段階(S200)を含む。選択的に、段階S200では、サンドブラスト(sand−blast)により、単位電池100の電解質120の外周面を露出させることができるが、これに限定されず、他の工程を用いて、電解質120を露出させてもよい。
段階S300は、単位電池100の長さ方向に沿って電解質120の露出面の一部を除去する段階である。選択的に、段階S300でも、段階S200と同様に、サンドブラストにより除去することができる。
特に、露出部位の電解質120を除去する段階(S300)を行う中に、電解質120の内側に配列された内部電極110を露出しないようにしなければならない。換言すれば、段階S300では、電解質120の露出部位を完全に除去せず、露出部位に単位電池100の長さ方向に沿って細長い凹溝123を形成する。
凹溝123を形成するための電解質120の除去幅W120は、前段階S200で形成された外部電極130の露出幅W130より短く形成することが好ましい。これにより、後で電解質120の凹溝123上に被覆される連結材140と外部電極130とを離隔することができる。
凹溝123を形成した後、本発明の固体酸化物燃料電池の製造方法は、凹溝123の底面の一部を単位電池100の長さ方向に除去する段階(S400)を含む。
段階S400では、サンドブラストにより、電解質120の凹溝123の底面の一部(第1実施例による単位電池)または全部(第2実施例による単位電池)を除去することにより、内部電極110を露出させる。
特に、段階S400で凹溝123の表面を除去するにおいて、切断された電解質120の両端に、単位電池100の長さ方向に沿って段差部121を形成する。
従って、互いに対向している段差部121の間の離隔距離W121は、段階S300で形成された凹溝123の幅W120より短く形成され、電解質120の両端に幅W120と離隔距離W121との差だけの載置領域122を確保することができる。即ち、各載置領域122の幅を1mm以上確保することができる。ここで、載置領域122とは、凹溝123の側面と段差部121の側面との間の領域を意味し、連結材140を容易に載置するようにする。
好ましくは、載置領域122は、上述のサンドブラストにより表面粗さを有する。この表面粗さは、電解質120の凹溝123及び段差部121に被覆される連結材140の固着力を向上させるために作用される。
その後、本発明による固体酸化物燃料電池の製造方法は、単位電池100の除去部分に連結材140を被覆する段階(S500)を含む。
連結材140は、単位電池100の長さ方向に露出された内部電極110の外周面と段差部121、載置領域122、及び凹溝123を充填して、単位電池100、特に、電解質120のT字形状に形成された除去領域を覆うことができる。従って、連結材140は、T字断面形状を維持することができる。
特に、連結材140は、サンドブラスト工程により除去された部分の表面上に形成された表面粗さによって、電解質120とさらに固着化させることができる。
選択的に、連結材140は、上述したように、外部電極130と接触しないように配列されるとともに、連結材140と外部電極130との間に絶縁層300(図4参照)を積層することもできる。
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、固体酸化物燃料電池及び固体酸化物燃料電池の製造方法に適用可能である。
100、100' 単位電池
110 円筒形内部電極(内部電極)
120 電解質
121 段差部
122 載置領域
123 凹溝
130 外部電極
140 連結材
141 翼部
200 カレントコレクタ
210 接続部
300 絶縁層

Claims (16)

  1. 円筒形内部電極と、
    前記内部電極の外周面に長さ方向に積層されたT字断面形状の連結材と、
    前記連結材を除いた前記内部電極の外周面に積層される電解質と、
    前記電解質の外周面に積層される外部電極と、を含む単位電池で構成される固体酸化物燃料電池。
  2. 前記電解質の載置領域は、前記連結材の翼部と接触されるように配列される請求項1に記載の固体酸化物燃料電池。
  3. 前記電解質の載置領域は、表面粗さを有する請求項2に記載の固体酸化物燃料電池。
  4. 前記電解質の両端に、段差部が形成される請求項1に記載の固体酸化物燃料電池。
  5. 前記段差部の載置領域は、表面粗さを有する請求項4に記載の固体酸化物燃料電池。
  6. 前記外部電極の両端は、前記連結材と所定の間隔で離隔されるように前記電解質の外周面に積層されている請求項1に記載の固体酸化物燃料電池。
  7. 前記単位電池は、平管形構造を有する請求項1に記載の固体酸化物燃料電池。
  8. 前記単位電池は、円筒形状の空気極、前記空気極の外周面に電解質、及び燃料極の順に積層されており、前記空気極が前記内部電極を形成し、前記燃料極が前記外部電極を形成する請求項1に記載の固体酸化物燃料電池。
  9. 前記単位電池は、円筒形状の燃料極、前記燃料極の外周面に電解質、及び空気極の順に積層されており、前記燃料極が前記内部電極を形成し、前記空気極が前記外部電極を形成する請求項1に記載の固体酸化物燃料電池。
  10. 内部電極、電解質、及び外部電極の順に積層された単位電池を提供する段階と、
    前記単位電池の長さ方向に前記外部電極の一部を除去することにより、前記電解質の外周面を露出させる段階と、
    前記露出された電解質の外周面の一部を除去することにより、前記内部電極の外周面を露出させる段階と、
    前記内部電極の外周面と前記電解質の除去部分に連結材を積層する段階と、を含む固体酸化物燃料電池の製造方法。
  11. 前記連結材は、前記単位電池の長さ方向に沿ってT字断面形状に積層される請求項10に記載の固体酸化物燃料電池の製造方法。
  12. 前記内部電極の外周面を露出させる段階は、前記露出された電解質の外周面に凹溝を形成する段階を含む請求項10に記載の固体酸化物燃料電池の製造方法。
  13. 前記凹溝を形成する段階の後に、前記電解質にT字断面形状の溝を形成するように、前記電解質の凹溝の一部底面を除去することにより前記内部電極を露出させる段階をさらに含む請求項12に記載の固体酸化物燃料電池の製造方法。
  14. 前記外部電極と電解質の除去は、サンドブラスト工程によりなされる請求項10に記載の固体酸化物燃料電池の製造方法。
  15. 前記電解質の露出領域は、表面粗さを有する請求項10に記載の固体酸化物燃料電池の製造方法。
  16. 前記連結材と前記外部電極との間に、絶縁層を積層する段階をさらに含む請求項10に記載の固体酸化物燃料電池の製造方法。
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