JP5175252B2

JP5175252B2 - 一体型支持体を持つ燃料電池

Info

Publication number: JP5175252B2
Application number: JP2009200247A
Authority: JP
Inventors: ボックミン，キョン; ヒュックジャン，ゼ; リュルリ，ホン; ヒュンギル，ゼ
Original assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Priority date: 2009-07-13
Filing date: 2009-08-31
Publication date: 2013-04-03
Anticipated expiration: 2029-08-31
Also published as: KR20110006155A; KR101109294B1; US20110008712A1; JP2011023328A

Description

本発明は一体型支持体を持つ燃料電池に関する。

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、発電機の駆動過程を取るものと異なり、燃焼過程または駆動装置がないので、効率が高いだけでなく環境問題を引き起こさない新概念の発電技術である。

図１は燃料電池の作動原理を示す図である。

図１を参照すれば、燃料極１は、水素（Ｈ_２）を受けて水素イオン（Ｈ^＋）と電子（ｅ⁻）に分解される。水素イオンは電解質２を介して空気極３に移動する。電子は外部回路４を経ながら電流を発生させる。そして、空気極３において、水素イオン、電子、及び空気中の酸素が結合して水になる。前述した燃料電池１０での化学反応式は、次の反応式１のようである。

（反応式１）
燃料極１：Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
空気極３：１／２Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ
全反応：Ｈ_２＋１／２Ｏ_２→Ｈ_２０

すなわち、燃料電池は、燃料極１から分離された電子が外部回路を介して電流を発生させることで電池の機能をすることになる。このような燃料電池１０は、ＳＯｘとＮＯｘなどの大気汚染物質をあまり排出しなくて二酸化炭素の発生も少なくて無公害発電であり、低騷音、無振動などの利点がある。

また、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）などの多様な種類がある。このうち、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）は、高効率の発電が可能であるし、石炭ガス−燃料電池−ガスタービンなどの複合発電が可能であり、発電容量の多様性を持っているので、小型、大型発電所または分散型電源に適する。よって、固体酸化物燃料電池は、これから水素経済社会への進入のために必須の発電技術である。

しかし、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）を実用化するためには、いくつかの問題点を解決しなければならない。

第１に、脆弱な耐久性及び信頼性である。固体酸化物燃料電池は高温で作動するので、熱サイクルによる性能低下が発生する。特に、燃料極または空気極を他の要素のための支持体として使用する場合、セラミック素材の特性上、その体積が増加すれば部品の耐久性と信頼性が急に減少する傾向を表す問題点がある。

第２に、集電の困難さである。従来技術は、単位電池の内部はメタルフォーム（ｍｅｔａｌｆｏａｍ）を、外部は金属線を採用して集電を行った。しかし、このような構造では、セルが大型化するほど高価の金属線の量が増加して製造費用が上昇し、構造的に複雑になって大量生産が難しくなる問題点がある。

第３に、マニホールド（ｍａｎｉｆｏｌｄ）と単位電池間の結合の困難さである。単位電池に水素等の燃料を供給するマニホールドはほとんど金属でなる一方、単位電池はセラミックでなっている。よって、異種材質である金属とセラミックを結合するために、ろう付け（ｂｒａｚｉｎｇ）工程を用いる。しかし、ろう付け工程は、熔接過程で誘導コイルに電圧を高める速度と電圧の維持時間、ろう付け後の冷却条件によって単位電池の内部が塞がる場合が発生したり熔接不良が発生したりする。

第４に、燃料電池成形の困難さである。従来技術は、通常押出し工程によって一定の直径を持つセラミック成形体を製造した。しかし、押出し工程に常用される混合練りものは１５〜２０％の水を含んでいるため、乾燥工程が非常に注意深く行われなければならなく、時間が長くかかる。乾燥工程を早く進めれば、内部応力が発生してセラミック成形体に亀裂が発生する。また、製造されるセラミック成形体の形状を変更しにくい問題点がある。

第５に、多電池式固体酸化物燃料電池の場合、多数の単位電池を結合してスタックを形成しなければならないが、スタック形成工程は、それぞれの単位電池ごとに複雑な集電連結が必要であり、単位電池の数が増加するほど集電抵抗が増加して効率が落ちる問題点がある。

したがって、本発明は前記のような問題点を解決するためになされたもので、本発明の目的は、一体型支持体を採用して、容易な集電、自由な成形、工程簡素化及び製造コストの節減を図ることができる一体型支持体を持つ燃料電池を提供することである。

本発明の好適な実施例による一体型支持体を持つ燃料電池は、多数の単位支持体と、前記多数の単位支持体のうち隣接する単位支持体間に配置され、前記多数の単位支持体を平行に連結する連結部とから構成された一体型支持体；前記一体型支持体の外部に形成される空気極；前記空気極の外部に形成される電解質；及び前記電解質の外部に形成される燃料極；を含む一体型支持体を持つ燃料電池において、前記空気極は前記単位支持体の外部にだけ選択的に形成されるものである。

前記連結部の長さは前記単位支持体の長さより短いことができる。

前記連結部は垂直に貫通された気体通路を含むことができる。

前記単位支持体の断面形状は、円形、平管形、デルタ形または台形であることができる。

前記一体型支持体は多孔性金属でなることができる。

前記多孔性金属は、鉄、銅、アルミニウム、ニッケル、クロム、これらの合金、及びこれらの組合せよりなる群から選択された物質であることができる。

本発明の他の好適な実施例による一体型支持体を持つ燃料電池は、多数の単位支持体と、前記多数の単位支持体のうち隣接する単位支持体間に配置され、前記多数の単位支持体を平行に連結する連結部とから構成された一体型支持体；前記一体型支持体の外部に形成される燃料極；前記燃料極の外部に形成される電解質；及び前記電解質の外部に形成される空気極；を含む一体型支持体を持つ燃料電池において、前記燃料極は前記単位支持体の外部にだけ選択的に形成されるものである。

前記単位支持体の断面形状は、円形、平管形、デルタ形、または台形であることができる。

前記一体型支持体は多孔性金属でなることができる。

本発明によれば、固体酸化物燃料電池に一体型支持体を採用することにより、従来のセラミック支持体に比べ、安定した構造で燃料電池を支持して耐久性と信頼性が向上させる。

本発明によれば、従来の支持体とは異なり、一体型支持体は単一工程で製作することができるので、スタックの製作が容易であり、電流集電体の連結工程を簡素化して工程簡素化及び製造コストの節減を図ることができる。また、単位電池間の集電抵抗が低下して燃料電池の効率が高くなる。

本発明によれば、多孔性金属で一体型支持体を製作すれば、付加の電流集電体が不要であり、一体型支持体を利用して集電が可能な利点がある。また、多孔性金属はセラミックに比べて成形が自由であって燃料電池を多様な形状に製作することができ、スケールアップ（ｓｃａｌｅ−ｕｐ）が可能であり、金属マニホールドとの接合過程で熔接によって完全に密封してガス漏洩を防止することができる効果がある。

燃料電池の作動原理を示す図である。第１参考実施例による燃料電池の断面図である。本発明による空気極が単位支持体の外部にだけ選択的に形成された燃料電池の断面図である。第１参考実施例による連結部が単位支持体より短い燃料電池の斜視図である。第１参考実施例による連結部に気体通路が形成された燃料電池の斜視図である。第１参考実施例による単位支持体の断面形状が多様な燃料電池の断面図である。第１参考実施例による単位支持体の断面形状が多様な燃料電池の断面図である。第１参考実施例による単位支持体の断面形状が多様な燃料電池の断面図である。第１参考実施例による単位支持体の断面形状が多様な燃料電池の断面図である。第２参考実施例による燃料電池の断面図である。本発明による燃料極が単位支持体の外部にだけ選択的に形成された燃料電池の断面図である。第２参考実施例による連結部が単位支持体より短い燃料電池の斜視図である。第２参考実施例による連結部に気体通路が形成された燃料電池の斜視図である。第２参考実施例による単位支持体の断面形状が多様な燃料電池の断面図である。第２参考実施例による単位支持体の断面形状が多様な燃料電池の断面図である。第２参考実施例による単位支持体の断面形状が多様な燃料電池の断面図である。第２参考実施例による単位支持体の断面形状が多様な燃料電池の断面図である。

本発明の目的、特定の利点及び新規の特徴は添付図面に基づく以下の詳細な説明と好適な実施例によってより明らかになる。各図の構成要素に参照番号を付け加えるに際し、同じ構成要素に対しては、たとえ相異なる図に示されているとしても、できるだけ同一番号を付けることにする。また、図上に表示されたＯ_２及びＨ_２は燃料電池の作動過程を詳細に説明するための例示であるだけ、燃料極または酸素極に供給される気体の種類を制限するものではない。そして、本発明の説明において、関連した公知技術についての具体的な説明が本発明の要旨を不要にあいまいにすることができると判断される場合、その詳細な説明は省略する。

以下、添付図面に基づいて本発明の好適な実施例を詳細に説明する。

図２は第１参考実施例による一体型支持体を持つ燃料電池の断面図である。以下、同図を参照して第１参考実施例による燃料電池について説明する。

図２に示すように、第１参考実施例による燃料電池は、多数の単位支持体１４０と該単位支持体１４０を平行に連結する連結部１５０とから構成された一体型支持体１００、該一体型支持体１００の外部に形成される空気極１１０、該空気極１１０の外部に形成される電解質１２０、及び該電解質１２０の外部に形成される燃料極１３０を含んでなる。

一体型支持体１００は平行な多数の単位電池を支持する役目をする。多数の単位電池が一つの支持体に支持されるので、構造が安定してスタックの製作が容易である。また、一体型支持体１００は、それぞれの単位電池を支持する単位支持体１４０と該単位支持体１４０を平行に連結する連結部１５０とから構成される。これは、押出し工程などによって単位支持体１４０と連結部１５０を同時に製作して一体型支持体１００を完成するか、あるいは単位支持体１４０と連結部１５０を別個の工程で製作してから連結して一体型支持体１００を完成することができる。ただ、前述した製作法は例示的なもので、その他の方法を利用しても、最終的な形状が一体型支持体１００と同一である限り、本発明の保護範囲に含まれるものである。

一方、電流を生産するためには、空気極１１０に空気が伝達されなければならない。このために、第１参考実施例による燃料電池は、一体型支持体１００が金属マニホールドから空気を受けて空気極１１０に伝達する。よって、一体型支持体１００は気体透過性を持ちながらも金属マニホールドとの連結が容易な多孔性金属で構成されることが好ましい。この際、多孔性金属は、メタルフォーム（ｍｅｔａｌｆｏａｍ）、プレートまたはメタルファイバー（ｍｅｔａｌｆｉｂｅｒ）などを含む。より好ましくは、燃料電池の効率、所要強度などを考慮して、多孔性金属は、鉄、銅、アルミニウム、ニッケル、クロム、これらの合金、及びこれらの組合せよりなる群から選択される。

また、多孔性金属で構成された一体型支持体１００は伝導性を持つので、付加の集電体なしに一体型支持体１００だけで集電することができる効果がある。例えば、従来技術のようにそれぞれの単位電池の内部に集電体を備える必要がなく、一体型支持体１００の一端部に外部回路を連結すれば、空気極１１０で発生する電流を集電することができるので、集電効率が高い利点がある。

一方、連結部１５０の上部に形成された空気極１１０は空気の供給を受けにくいため、実際には電流が発生しない。よって、図３に示すように、空気極１１０を一体型支持体１００の単位支持体１４０にだけ選択的に形成することが重要である。この場合、連結部１５０が空気極１１０、電解質１２０及び燃料極１３０を貫通する。したがって、連結部１５０によって空気極１１０と燃料極１３０が通電しないように、燃料極１３０を連結部１５０から所定間隔で離隔させる、あるいは燃料極１３０と連結部１５０の間に絶縁層（図示せず）を形成することが好ましい。

一方、燃料極１３０には燃料が供給されなければならないが、第１参考実施例による燃料電池は、燃料極１３０が最外側に形成されているので、燃料を燃料電池の外部から受ける。ところが、燃料電池が多層で積層された場合、一体型支持体１００の連結部１５０が垂直方向への燃料流れを遮断させて燃料電池の効率を低下させることができる。よって、図４に示すように、連結部１５０の長さを単位支持体１４０の長さより短く加工することで、垂直方向への燃料流れを円滑に行うことができる。前述した連結部１５０の加工は、押出し工程などによって単位支持体１４０と連結部１５０を同時に製作した後に切断加工を行うか、あるいは連結部１５０を別に短く製作して単位支持体１４０と連結する工程を行う。また、図５に示すように、連結部１５０を貫通する気体通路１５５を加工して燃料流れを円滑にすることができる。この際、気体通路１５５はドリリングまたは切削加工などによって加工することが好ましい。

一方、図６Ａ〜図６Ｄは単位支持体の断面形状が多様な燃料電池の断面図である。図６Ａ〜図６Ｄに示すように、単位支持体の断面形状は、円形（図６Ａ）、平管形（図６Ｂ）、デルタ形（図６Ｃ）または台形（図６Ｄ）を持つことができる。特に、一体型支持体１００を多孔性金属で形成すれば、従来のセラミック支持体に比べ、自由な成形が可能である。よって、用途に当たる多様な形状の燃料電池を製作することができ、必要に応じて燃料電池を大型化することができる。

空気極１１０は一体型支持体１００の外部に形成される。この際、一体型支持体１００は多孔性なので、空気が一体型支持体１００を透過して空気極１１０に伝達され、一体型支持体１００は金属なので、燃料極１３０で発生した電子が空気極１１０に流れ、電解質１２０から水素イオン（燃料として水素を使用する場合）が空気極１１０に伝達される。結局、空気極１１０では、空気、電子、及び水素イオンが結合して水が生成する。空気極１１０は、ＬＳＭ（ＳｔｒｏｎｔｉｕｍｄｏｐｅｄＬａｎｔｈａｎｕｍｍａｎｇａｎｉｔｅ）、ＬＳＣＦ（（Ｌａ、Ｓｒ）（Ｃｏ、Ｆｅ）Ｏ_３）などの組成をスリップコーティングまたはプラズマスプレーコーティング法などでコートした後、１２００℃〜１３００℃で焼結して形成することができる。

また、電解質１２０は空気極１１０の外部に形成される。電解質１２０は電子を通過させなく、水素を燃料として使用した場合には水素イオンのみを空気極１１０に伝達する。電解質１２０は、空気極１１０の外部にＹＳＺ（ＹｔｔｒｉａｓｔａｂｉｌｉｚｅｄＺｉｒｃｏｎｉａ）またはＳｃＳＺ（ＳｃａｎｄｉｕｍｓｔａｂｉｌｉｚｅｄＺｉｒｃｏｎｉａ）、ＧＤＣ、ＬＤＣなどをスリップコーティングまたはプラズマスプレーコーティング法などでコートした後、１３００℃〜１５００℃で焼結することで形成することができる。

そして、燃料極１３０は電解質１２０の外部に形成される。燃料極１３０は外部から燃料を受けて電子を発生させる。燃料極１３０は、電解質１２０の外部にＮｉＯ−ＹＳＺ（ＹｔｔｒｉａｓｔａｂｉｌｉｚｅｄＺｉｒｃｏｎｉａ）をスリップコーティングまたはプラズマスプレーコーティング法などでコートした後、１２００℃〜１３００℃で加熱することで形成することができる。

図７は第２参考実施例による一体型支持体を持つ燃料電池の断面図である。第２参考実施例と第１参考実施例の最大の相違点は、燃料極と空気極の形成位置である。以下、第１参考実施例の説明と重複する説明は省略し、その相違点を主に説明する。

図７に示すように、第２参考実施例による燃料電池は、多数の単位支持体２４０と該単位支持体２４０を平行に連結する連結部２５０とから構成された一体型支持体２００、該一体型支持体２００の外部に形成される燃料極２１０、該燃料極２１０の外部に形成される電解質２２０、及び該電解質２２０の外部に形成される空気極２３０を含んでなる。

また、電流を生産するためには燃料極２１０に燃料が伝達されなければならないが、本実施例による燃料電池は一体型支持体２００が金属マニホールドから燃料を受けて燃料極２１０に伝達する。よって、一体型支持体２００は気体透過性を持ちながらも金属マニホールドとの連結が容易な多孔性金属で構成されることが好ましい。この際、多孔性金属は、メタルフォーム（ｍｅｔａｌｆｏａｍ）、プレートまたはメタルファイバー（ｍｅｔａｌｆｉｂｅｒ）などを含む。より好ましくは、燃料電池の効率、所要強度などを考慮して、多孔性金属を鉄、銅、アルミニウム、ニッケル、クロム、これらの合金、及びこれらの組合せよりなる群から選択する。

一方、連結部２５０の上部に形成された燃料極２１０は燃料供給を受けにくくて事実上電流が発生しない。よって、図８に示すように、燃料極２１０を一体型支持体２００の単位支持体２４０にだけ選択的に形成することが重要である。この場合、連結部２５０が燃料極２１０、電解質２２０及び空気極２３０を貫通する。したがって、連結部２５０によって空気極２３０と燃料極２１０が通電しないように、空気極２３０を連結部２５０から所定間隔に離隔させるか、あるいは空気極２３０と連結部２５０の間に絶縁層（図示せず）を形成することが好ましい。

また、多孔性金属で構成された一体型支持体２００は伝導性を持つので、付加の集電体なしに一体型支持体２００だけで集電することができるのは前述したようである。

一方、空気極２３０には空気が供給されなければならないが、第２参考実施例による燃料電池は空気極２３０が最外側に形成されているので、空気を燃料電池の外部から受ける。ところが、一体型支持体２００を持つ燃料電池が多層で積層された場合、一体型支持体２００の連結部２５０が垂直方向への空気流れを遮断させることにより燃料電池の効率を落とすことができる。よって、図９に示すように、連結部２５０の長さを単位支持体２４０の長さより短く加工することにより、垂直方向への空気流れを円滑にすることができる。また、図１０に示すように、連結部２５０を貫通する気体通路２５５を加工することで空気流れを円滑にすることができる。

図１１Ａ〜図１１Ｄに示すように、第２参考実施例においても、第１参考実施例と同様に、単位支持体の断面形状は、円形（図１１Ａ）、平管形（図１１Ｂ）、デルタ形（図１１Ｃ）または台形（図１１Ｄ）を持つことができる。

燃料極２１０は一体型支持体２００の外部に形成され、電解質２２０は燃料極２１０の外部に形成され、空気極２３０は電解質２２０の外部に形成される。燃料極２１０、電解質２２０、及び空気極２３０はそれぞれ第１参考実施例と同様な製造方法で形成される。

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、本発明による一体型支持体を持つ燃料電池はこれに限定されなく、本発明の技術的思想内で当該分野の通常の知識を持った者によって多様な変形及び改良が可能であろう。本発明の単純な変形ないし変更はいずれも本発明の範疇内に属するもので、本発明の具体的な保護範囲は特許請求範囲によって明らかに決まるであろう。

本発明は、一体型支持体を採用して、集電を容易にし、自由な成形を可能にするとともに工程簡素化及び製造コストの節減を図る一体型支持体を持つ燃料電池に適用可能である。

１００、２００：一体型支持体、１１０、２３０：空気極、１２０、２２０：電解質、１３０、２１０：燃料極、１４０、２４０：単位支持体、１５０、２５０：連結部、１５５、２５５：気体通路。

Claims

多数の単位支持体と、前記多数の単位支持体のうち隣接する単位支持体間に配置され、前記多数の単位支持体を平行に連結する連結部とから構成された一体型支持体；
前記一体型支持体の外部に形成される空気極；
前記空気極の外部に形成される電解質；及び
前記電解質の外部に形成される燃料極；
を含む一体型支持体を持つ燃料電池において、
前記空気極は前記単位支持体の外部にだけ選択的に形成されることを特徴とする一体型支持体を持つ燃料電池。
前記連結部の長さは前記単位支持体の長さより短いことを特徴とする請求項１に記載の一体型支持体を持つ燃料電池。
前記連結部は垂直に貫通された気体通路を含むことを特徴とする請求項１に記載の一体型支持体を持つ燃料電池。
前記単位支持体の断面形状は、円形、平管形、デルタ形または台形であることを特徴とする請求項１に記載の一体型支持体を持つ燃料電池。
前記一体型支持体は多孔性金属でなることを特徴とする請求項１に記載の一体型支持体を持つ燃料電池。
前記多孔性金属は、鉄、銅、アルミニウム、ニッケル、クロム、これらの合金、及びこれらの組合せよりなる群から選択された物質であることを特徴とする請求項５に記載の一体型支持体を持つ燃料電池。
多数の単位支持体と、前記多数の単位支持体のうち隣接する単位支持体間に配置され、前記多数の単位支持体を平行に連結する連結部とから構成された一体型支持体；
前記一体型支持体の外部に形成される燃料極；
前記燃料極の外部に形成される電解質；及び
前記電解質の外部に形成される空気極；
を含む一体型支持体を持つ燃料電池において、
前記燃料極は前記単位支持体の外部にだけ選択的に形成されることを特徴とする一体型支持体を持つ燃料電池。
前記連結部の長さは前記単位支持体の長さより短いことを特徴とする請求項７に記載の一体型支持体を持つ燃料電池。
前記連結部は垂直に貫通された気体通路を含むことを特徴とする請求項７に記載の一体型支持体を持つ燃料電池。
前記単位支持体の断面形状は、円形、平管形、デルタ形、または台形であることを特徴とする請求項７に記載の一体型支持体を持つ燃料電池。
前記一体型支持体は多孔性金属でなることを特徴とする請求項７に記載の一体型支持体を持つ燃料電池。
前記多孔性金属は、鉄、銅、アルミニウム、ニッケル、クロム、これらの合金、及びこれらの組合せよりなる群から選択された物質であることを特徴とする請求項１１に記載の一体型支持体を持つ燃料電池。