JP5074898B2 - 固体酸化物燃料電池用セル - Google Patents

Description

本発明は固体酸化物燃料電池用セルに関するものであって、より詳しくは燃料極に中空部が形成され、前記中空部がガス拡散流路として活用されることによって燃料ガスの拡散性能を向上させることができ、前記中空部が強度補強または集電効率を高めることのできる強度補強ホール、及び集電ホールで活用でき集電効率を高めて燃料電池の電気エネルギーの生産効率を高めることができ、セルの強度を向上させることができる固体酸化物燃料電池用セルに関するものである。

燃料電池（Fuel Cell）は酸化によって生じる化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換させる電池であって、水素、酸素のように地球上に豊富に存在する物質から電気エネルギーを発生させる新しい環境に優しい未来形エネルギー技術である。

燃料電池は空気極（Cathode）に酸素が供給され燃料極（Anode）に燃料ガスが供給されて水の電気分解逆反応の形態で電気化学反応が進められて電気、熱、及び水が発生されて公害を誘発せずに高効率で電気エネルギーを生成する。

このような燃料電池は従来熱機関において限界で作用するカルノー循環（Carnot Cycle）の制限から自由であるため４０％以上の効率が上げられ、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の恐れがなく、従来の熱機関とは違って機械的に運動する部分が不要であるから小型化が可能であり、騒音がないなど多様な長所を持っている。従って、燃料電池に関連される各種技術及び研究が活発に進められている。

燃料電池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）など六つの種類くらいが実用化されまたは計画中にある。各燃料電池の特徴を下記の表に整理した。

前記表からわかるように、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って、目的に応じ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は作動温度は高いが、約４５％の高い効率及び電流密度が得られて大規模発電に利用可能であるという長所がある。

図１は前記固体酸化物燃料電池の作動原理を示した概念図であって、空気極に酸素が供給され、燃料極に水素が供給される。この際の反応は下記の式に従う。
燃料極（Anode）反応：2H₂＋2O^2- → 2H₂O＋4e^-
空気極（Cathode）反応：O₂＋4e^- → 2O^2-

前記のような特徴を有する固体酸化物燃料電池は前記燃料極に供給される水素の拡散性能が高いほど燃料電池の効率を高めることができるため、前記燃料極に供給される水素の拡散性を高めるために人為的に高分子、またはカーボンなどの添加物を付加して気体拡散層を形成する。

しかし、前記従来の固体酸化物燃料電池は前記気体拡散層に添加物を付加して気孔が形成されるため、固体酸化物燃料電池の強度が低下され、前記問題点を解決するために燃料極の厚さを厚くすると、燃料極の厚さが厚いほどガスの拡散が低下され、これによって燃料電池の性能が下落される問題点を誘発するようになる。特に、高電流の領域では燃料電池の性能に大きな損失が生じる。

また、反応が進められるほど炭素沈積などによって前記ガス拡散部の通路が詰まって、電解質層と当接する触媒層への燃料供給が遮断され、燃料極から生成される電池が集電し難くて電力が損失される問題点がある。

従って、本発明は前記のような問題点を解決するために案出されたものであって、本発明の目的は電解質層に燃料ガスが円滑に供給されるようにして燃料ガスの拡散性を高め、且つ拡散抵抗を低めて低い燃料分圧及び高電流の運転領域においても高い性能が得られる個体酸化物燃料電池用セルを提供することである。

また、本発明の目的は燃料電池の強度を補強しながら集電による抵抗を最小化することにより、不要な電力損失をなくすことのできる固体酸化物燃料電池用セルを提供することである。

本発明の固体酸化物燃料電池用セル１００は、電解質層１０；前記電解質層１０の両側面にそれぞれ接触形成される燃料極２０、及び空気極３０からなる固体酸化物燃料電池用セル１００において、前記固体酸化物燃料電池用セル１００は前記燃料極２０に中空部が形成されることを特徴とする。

なお、前記中空部は燃料ガスが移動されるガス拡散流路２３を形成することを特徴とする。

また、前記中空部は強度補強ホール２５を形成し、前記強度補強ホール２５に強度補強部材２６が挿入されることを特徴とする。

共に、前記中空部は集電ホール２７を形成し、前記集電ホール２７に集電部材２８が挿入されることを特徴とする。

なお、前記燃料極２０は外側一面に前記集電部材２８と連続される集電層２９がさらに形成されることを特徴とする。

また、前記燃料極２０は前記ガス拡散流路２３の一定領域が拡張形成される拡張部２４がさらに形成されることを特徴とする。

共に、前記中空部は前記燃料極２０の縦方向に長く形成されることを特徴とし、且つ前記中空部は前記燃料極２０の横方向に長く形成されることを特徴とする。

なお、前記中空部は互いに連結されて連続的な流路を形成することを特徴とする。

以下、上述したような本発明の固体酸化物燃料電池用セル１００を添付された図面を参照しながら詳細に説明する。

図２は本発明による固体酸化物燃料電池用セル１００の斜視図であり、図３は前記図２に示した本発明の固体酸化物燃料電池用セル１００のＡＡ′方向の断面図であり、図４は前記図２に示した本発明の固体酸化物燃料電池用セル１００のＢＢ′方向の断面図である。

前記図２乃至図４に示したように、本発明は電解質層１０；燃料極２０；及び空気極３０からなる固体酸化物燃料電池用セル１００において、前記燃料極２０に中空部が形成されることを特徴とする。

前記燃料極２０と空気極３０はそれぞれ前記電解質層１０の両側面に接触形成され、前記燃料極２０を通じて前記電解質層１０に燃料ガスがいくら容易に移動できるかによって燃料電池の効率に大きな影響を及ぼすため、前記中空部を燃料ガスが移動されるガス拡散流路２３として活用することによって前記燃料極２０に中空部を形成して燃料ガスの分圧差及び拡散抵抗を減らすことにより低い燃料分圧及び高電流の領域においても多い電気エネルギーを生産することができて燃料電池の性能が向上させられるという長所があり、燃料極の酸化還元反応を速く誘導することによりセル及び性能の安定化を迅速に導くことができる。

特に、本発明の固体酸化物燃料電池用セル１００は大面積セルでその効果を極大化することができる。

前記ガス拡散流路２３は前記図３及び図４に示したように、縦方向に長く複数個が形成されて表面積を広げ、それぞれのガス拡散流路２３を通じて燃料ガスが移動され、移動距離を減らしてさらに速く燃料ガスが拡散するようになる。

図５は本発明による固体酸化物燃料電池用セル１００の実施例を示した図面であって、前記図５の（ａ）は前記燃料極２０に前記ガス拡散流路２３の内側端部領域が拡張されて前記燃料極２０の触媒極と接触される面積を確保するようにした例を図示し、前記図５の（ｂ）は前記ガス拡散流路が横方向に形成された例を図示した。

前記燃料極２０は大きく前記電解質層１０に隣接して前記中空部が形成されない第１層２１と、中空部が形成される第２層２２で形成され、前記第１層２１は電解質層１０と隣接した部分で３相系面による反応が直接に速く生じるように前記中空部が形成されない層であり、前記第２層２２は前記ガス拡散流路２３が形成されて燃料ガスが円滑に供給されるように構成されるのが望ましい。

より詳しくは、前記拡張部２４は前記燃料極２０の内部に一定領域が拡張形成された部分を意味し、前記図５の（ａ）には前記ガス拡散流路２３の内側端部が拡張された例を図示したが、本発明の固体酸化物燃料電池用セル１００は多様に変形実施が可能である。

図６は本発明による固体酸化物燃料電池用セル１００の他の実施例を示した図面であって、前記図６（ａ）は前記燃料極２０に形成された中空部の一部が気体拡散流路２３を形成し、残りが強度補強ホール２５を形成し、前記強度補強ホール２５に強度補強部材２６が挿入された例を図示した。

前記強度補強ホール２５は前記燃料極２０に前記ガス拡散流路２３が形成することによって燃料極２０の強度が脆弱になることを防ぐため形成される構成であって、固体酸化物燃料電池用セル１００のサイズ及び前記ガス拡散流路の形成個数及びサイズに応じて多様に形成されることができる。

図６（ｂ）は前記燃料極２０に形成された中空部の一部が気体拡散流路２３を形成し、残りが集電ホール２７を形成し、前記集電ホール２７に集電部材２８が挿入された例を図示したものであって、前記中空部を集電ホール２７として活用して集電部材２８が挿入形成することによって生成された電気エネルギーの集電効率を高めるようになる。

一般的に、燃料電池の集電はセルの下側に集電体を当接することからなるが、集電の過程で損失が誘発されてこれは結局燃料電池の性能の下落に繋がれる。

従って、本発明の固体酸化物燃料電池用セル１００は前記燃料極２０に集電ホール２７が形成され、前記集電ホール２７に集電部材２８が挿入されて電池内部から直接に集電して集電効率を高めることができるという長所がある。

なお、前記燃料極２０の外側一面には前記集電部材２８と連続される集電層２９をさらに形成することができ、前記集電層２９が形成されることにより前記集電部材２８及び集電層２９に沿ってセルの外部へ電子が容易に流れるようになって集電能力をさらに向上させることができるようになる。

前記集電層２９はスクリーン印刷、スパッタリング、金属溶射法などを用いて形成可能である。

図６（ｃ）は前記中空部がガス拡散流路２３、強度補強ホール２５、及び集電ホール２７を形成し、前記強度補強ホール２５及び集電ホール２７にそれぞれ強度補強部材２６及び集電部材２８が挿入された例を示した。

前記図６の（ｃ）は前記燃料極２０にガス拡散流路２３、強度補強ホール２５、及び集電ホール２７が形成され、前記強度補強ホール２５に強度補強部材２６が、前記集電ホール２７に集電部材２８が挿入された例を図示したものであって、空間の形成によって強度が脆弱になることを予め防止することができ、燃料ガスの拡散能力と集電能力を高めて電池効率をさらに向上することができるという長所がある。

前記強度補強部材２６はNiのような単一金属が用いられ、金属とセラミックが混合されたサーメット（Cermet）が用いられる。具体的に、前記強度補強部材２６はNi、Ce系酸化物、YSZ系酸化物、またはNi、Ce系酸化物、YSZ系酸化物の混合物であり、この際、前記セラミックは燃料極２０を形成するセラミックと同一なものを使用するのが望ましく、NiOの含量を調節して要求される強度が得られる。

前記集電部材２８は前記強度補強部材２６と同一にNiとまたは燃料極２０の触媒金属のような単一金属が用いられ、金属とセラミックが混合されたサーメット（Cermet）が用いられ、前記セラミックは燃料極２０を形成するセラミックと同一なものを使用して熱による変形が少なくようにし、強度補強部材２６と燃料極２０の反応が生じないようにするのが望ましい。

前記強度補強部材２６及び集電部材２８は前記燃料極２０の形成方法によって多様に形成されることができ、前記燃料極２０にガス拡散流路２３、強度補強ホール２５、または集電ホール２７が形成され、前記強度補強ホール２５、または集電ホール２７に対応されるバー（Bar）型で製作された強度補強部材２６または集電部材２８が挿入できる。

図７ａは本発明による固体酸化物燃料電池用セルを形成するシートの写真であって、本発明の固体酸化物燃料電池用セル１００は前記燃料極２０が前記図７ａに図示されたような中空部が形成された一つまたは複数個のシートが積層されて形成される。

また、図７ｂは本発明による固体酸化物燃料電池用セルを形成するシートの他のＳＥＭ写真であって、シート積層方法によって燃料極２０が形成される場合にシートの積層以前に前記図７ｂに図示されたようにそれぞれの中空部に強度補強部材２６または集電部材２８を充填した後、積層及び熱処理して製造することもできる。

また、シート積層方法によって燃料極２０が形成された場合にはそれぞれのシートにホールを形成し、シートの積層以前にそれぞれのホールに強度補強部材２６または集電部材２８を充填した後、積層及び熱処理をすることもできる。

共に、前記ホールがガス拡散流路として用いられる場合には前記充填工程が除かれることもある。

図８は本発明による固体酸化物燃料電池用セル１００のもう一つの実施例を示した図面であり、図９は前記図８に示した固体酸化物燃料電池用セルの斜視図であって、前記ガス拡散流路２３は互いに連結されて連続的なチャネル形態の流路を形成することができる。

前記ガス拡散流路２３が連続的な流路を形成する場合にも上述したように、強度補強部材２６及び集電部材２８をさらに形成することができる。

図１０及び図１１は本発明による固体酸化物燃料電池用セルの燃料極を示した写真であって、前記図１０は前記燃料極２０に中空部が形成されて焼結以前の状態を示した写真であり、図１１は前記図１０に図示されたような中空部が形成された燃料極２０を焼結した後の写真である。

本発明の固体酸化物燃料電池用セル１００の中空部はセル１００のサイズ、強度及び多様な条件に応じて螺旋型、斜線型、直交型、または網型を含めてその他にも多様に形成されることができる。

本発明は前記した実施例に限られるものではなく、適用範囲が多様であることは勿論、請求範囲において請求する本発明の要旨を外れなく多様な変形実施が可能であることは当然である。

以上からわかるように、本発明の固体酸化物燃料電池用セルは中空部を形成し、前記中空部を有効なガス拡散流路として活用して電解質層にガス分圧差の上昇なく燃料ガスを移動させて反応がさらに容易に進められるようにし、燃料ガスの拡散性を高めて拡散抵抗による損失を低めて低い燃料分圧及び高電流の運転領域においても多い電気エネルギーを生産することができて燃料電池の性能を向上させることができるという長所があり、燃料極の酸化還元反応を速く誘導することによりセル及び性能の安定化を迅速に導くことができる。

なお、本発明の固体酸化物燃料電池用セルは前記中空部を強度補強ホールで活用し、前記強度補強ホールに強度補強部材が挿入されて燃料極及び固体酸化物燃料電池用セルを支持することができる機械的強度が得られ、前記中空部を集電ホールで活用し、前記集電ホールに集電部材が挿入され集電層が形成されて電子の損失量を減らすことができ、速く集電して集電効率を高めることができるという長所がある。

固体酸化物燃料電池の作動原理を示した概念図である。 本発明による固体酸化物燃料電池用セルの斜視図である。 前記図２に示した本発明の固体酸化物燃料電池用セルのＡＡ′方向の断面図である。 前記図２に示した本発明の固体酸化物燃料電池用セルのＢＢ′方向の断面図である。 本発明による固体酸化物燃料電池用セルの実施例を示した図面である。 本発明による固体酸化物燃料電池用セルの他の実施例を示した図面である。 本発明による固体酸化物燃料電池用セルを形成するシートの写真である。 本発明による固体酸化物燃料電池用セルを形成するシートの他のＳＥＭ写真である。 本発明による固体酸化物燃料電池用セルのもう一つの実施例を示した図面である。 前記図８に示した固体酸化物燃料電池用セルの斜視図である。 本発明による固体酸化物燃料電池用セルの燃料極を示した写真である。（焼結前） 本発明による固体酸化物燃料電池用セルの燃料極を示した他の写真である。（焼結後）

符号の説明

１００：本発明の固体酸化物燃料電池用セル
１０：電解質層
２０：燃料極 ２１：第１層
２２：第２層 ２３：ガス拡散流路
２４：拡張部 ２５：強度補強ホール
２６：強度補強部材 ２７：集電ホール
２８：集電部材 ２９：集電層
３０：空気極

Claims (3)

1. 電解質層１０；燃料極２０；空気極３０；及び前記燃料極２０中に形成された中空部を備える固体酸化物燃料電池用セルであって、いくつかの中空部が集電ホール２７を形成し、前記集電ホール２７に集電部材２８が挿入され、
   前記燃料極２０の外側一面に前記集電部材２８と連続される集電層２９がさらに形成されることを特徴とする固体酸化物燃料電池用セル。
2. 中空部が、ガス拡散流路２３を形成することを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物燃料電池用セル。
3. 中空部が、強度補強ホール２５を形成し、前記強度補強ホール２５に強度補強部材２６が挿入されることを特徴とする請求項２に記載の固体酸化物燃料電池用セル。