JP5547305B2

JP5547305B2 - 平管型固体酸化物セルスタック

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Publication number: JP5547305B2
Application number: JP2013006404A
Authority: JP
Inventors: ドゥー−ウォンソ; スン−ドンキム; イン−スブハン; ジ−ヘンユ; セ−ヨンキム; サン−ククウー
Original assignee: コリアインスティチュートオブエナジーリサーチ
Priority date: 2012-04-06
Filing date: 2013-01-17
Publication date: 2014-07-09
Anticipated expiration: 2033-01-17
Also published as: JP2013219014A; US9269971B2; KR101418071B1; KR20130113592A; US20130266883A1

Description

本発明は、平管型固体酸化物セルスタックに関し、より詳細には、化学反応経路を長くするだけでなく、供給するガスの温度および流速の変化を最小化させ、燃料電池としての使用時に電気エネルギー発電効率を高め、高温水電解装置としての使用時に発生ガス（水素）の純度を高める平管型固体酸化物セルスタックに関する。

一般的に、燃料電池は、天然ガス、石炭ガス、メタノールなど、炭化水素系の物質内に含有されている水素と空気中の酸素を電気化学反応によって直接電気エネルギーに変換させる高効率のクリーン発電技術であって、使用される電解質の種類によって、大きく、アルカリ型、リン酸型、溶融炭酸塩、固体酸化物および高分子燃料電池に分類される。

前記固体酸化物燃料電池（ＳｏｌｉｄＯｘｉｄｅＦｕｅｌＣｅｌｌ、ＳＯＦＣ）は、構成要素がすべて固体の形態で構成され、６００℃〜１０００℃程度の高温で作動する燃料電池であって、従来の様々な形態の燃料電池の中で最も効率が高く公害が少ないだけでなく、燃料改質器を要することなく複合発電が可能であるという様々な利点がある。前記固体酸化物燃料電池は、電気化学反応を逆に進行させて高温水電解装置（ＳｏｌｉｄＯｘｉｄｅＥｌｅｃｔｒｏｌｙｚｅｒＣｅｌｌ、ＳＯＥＣ）として使用できる。

前記固体酸化物燃料電池や高温水電解装置などの電気化学反応装置は、その形態によって、平板型と円筒型に大きく分類されるが、前記平板型は、電力密度（出力）が高いという利点があるものの、ガスの密封面積が広く、積層時における材料間の熱膨脹係数の差による熱的ショックが発生し、大面積化が難しいという欠点があり、前記円筒型は、熱応力に対する抵抗および機械的強度が相対的に高く、押出成形で製造して大面積化が可能であるという利点があるものの、電力密度（出力）が低いという限界があった。

このような平板型および円筒型の電気化学反応装置が有する利点を取り入れた平管型電気化学反応装置（例えば、平管型固体酸化物燃料電池）が特許文献１、特許文献２などで開示されている。前記平管型電気化学反応装置も、出力を高めるためにセルを積層したスタック構造からなるが、従来のように密封部位を最小化するために積層し、積層されたセルの内部に流れる第１ガスが第１ガス流チャネルをジグザグに流れる場合には、入口端と出口端の第１ガスの温度、濃度が変化するため、効率的な発電ができない問題があった。

韓国公開特許第２００５−００２１０２７号公報米国特許第７３５１４８７号明細書

したがって、本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであって、その目的は、セルスタッキング（ｃｅｌｌｓｔａｃｋｉｎｇ）の応力を最小化し、密封部位を最小化し、化学反応経路を長くするだけでなく、供給するガスの温度および流速の変化を最小化させ、燃料電池としての使用時に電気エネルギー発電効率を高め、高温水電解装置としての使用時に発生ガス（水素）の純度を高める平管型固体酸化物セルスタックを提供することである。

本発明にかかる平管型固体酸化物セルスタックは、内部に第１ガス流チャネルが備えられた負極と、前記負極にコーティングされた電解質層に積層されて備えられた正極と、前記正極が積層された反対面に積層されて備えられた連結材とを含む、複数の単位セルが積層されてスタックをなす平管型固体酸化物セルスタックにおいて、前記単位セルは、第１ガス流チャネルの両端部にセルの厚さ方向にいずれか一方のみを貫通する連結穴が形成され、前記連結穴は互いに反対方向に形成され、隣接したセルの第１ガス流チャネルに連結される単位セル（ａ）と、第１ガス流チャネルの一端部にセルの厚さ方向に両方を貫通する連結穴が形成され、他端部にセルの厚さ方向に上部側を貫通する連結穴が形成され、隣接したセルの第１ガス流チャネルに連結される単位セル（ｂ１）と、第１ガス流チャネルの一端部にセルの厚さ方向に両方を貫通する連結穴が形成され、他端部にセルの厚さ方向に下部側を貫通する連結穴が形成され、隣接したセルの第１ガス流チャネルに連結される単位セル（ｂ２）と、第１ガス流チャネルの両端部にセルの厚さ方向に両方を貫通する連結穴が形成され、隣接したセルの第１ガス流チャネルに連結される単位セル（ｃ）とからなる群より選択されることを特徴とする。

また、本発明にかかる平管型固体酸化物セルスタックは、連結穴によって厚さ方向に連続して連結される単位セルが少なくとも３つ以上のものを含むことを特徴とする。

さらに、本発明にかかる平管型固体酸化物セルスタックは、単位セルのうち、最下側と最上側にそれぞれ積層された単位セルが、単位セル（ａ）であることを特徴とする。

また、本発明にかかる平管型固体酸化物セルスタックは、積層された単位セルの第１ガス流チャネルに連通する連結穴の外側には、ガスを密封するようにリング形態の密封材が挿入された密封部が形成されていることを特徴とする。

本発明にかかる平管型固体酸化物セルスタックによれば、スタックを形成する時、金属性接続材を用いることなくマニホールド部位の複雑な形状の密封部を最小化するため、セルスタッキング（ｃｅｌｌｓｔａｃｋｉｎｇ）の応力を最小化し、マニホールド部の個数を少なくし、構造を簡単にする効果があるだけでなく、単位セルの第１ガスが単位セルの長さ方向に沿って同じ方向に流れるため、化学反応経路を長くするだけでなく、第１ガスが単にジグザグにだけ流れるのではなく、セル全体に同じ流速で流れるように調整し、第１ガスの温度および濃度が変化することを最小化させ、燃料電池としての使用時に電気エネルギー発電効率を高め、高温水電解装置としての使用時に発生ガス（水素）の純度を高める効果がある。

本発明の平管型固体酸化物セルスタックを示す構成図である。セルスタックの単位セルを、単位セル（ａ）、単位セル（ｂ１）、単位セル（ｂ２）および単位セル（ｃ）に分離して示す構成図である。単位セルの密封部を示す構成図である。本発明の平管型固体酸化物セルスタックの第１ガスの流れを示す実施例を示す構成図である。本発明の実施例および比較例のセルスタックを示す構成図である。本発明の平管型固体酸化物セルスタックの第１ガスの流れを示す実施例を示す構成図である。本発明の平管型固体酸化物セルスタックの第１ガスの流れを示す実施例を示す構成図である。本発明の平管型固体酸化物セルスタックの第１ガスの流れを示す実施例を示す構成図である。本発明の平管型固体酸化物セルスタックの第１ガスの流れを示す実施例を示す構成図である。本発明の平管型固体酸化物セルスタックの第１ガスの流れを示す実施例を示す構成図である。

以下、本発明の実施例について、添付図面を参照して詳細に説明する。

本発明の平管型固体酸化物セルスタックは、燃料電池（ＦｕｅｌＣｅｌｌ）または高温水電解装置（ＥｌｅｃｔｒｏｌｙｚｅｒＣｅｌｌ）として使用できるが、以下の説明では、燃料電池として用いられる平管型固体酸化物セルスタックで説明する。

図１は、本発明の第１実施例による平管型固体酸化物セルスタックを示す構成図である。図示のように、燃料電池用平管型固体酸化物セルスタック１００は、複数の単位セル１１０が上下方向に積層され、最下側および最上側の単位セルには、第１ガス（水素または炭化水素）が出入りする第１ガス出入りマニホールド１４０（第１ガス流入マニホールド）、１４０’（第１ガス流出マニホールド）が設けられる構造となっている。

前記複数の単位セルは、少なくとも３つ以上が積層され、好ましくは４つ以上が積層される。

より詳細に説明すると、前記単位セル１１０は、第１ガス流チャネル１１２の長さ方向の両端が塞がれた単位セル１１０が複数個積層され、単位セル１１０の内部に第１ガスが流れる第１ガス流チャネル１１２が長さ方向に沿って形成され、前記単位セル１１０の一側外部には、第２ガス（空気または酸素）が流れる複数の第２ガス流チャネル１１３が前記第１ガス流チャネル１１２に交差する方向（幅方向）に形成され、複数の単位セル１１０の間に第１ガスが連結されて流れることができるように、前記第１ガス流チャネル１１２の端部に隣接して連結穴１２０が形成されており、電気を連結するように、第２ガス流チャネル１１３が形成された面の反対側には、セラミック導電体１１５が各単位セル１１０の下部にコーティングされた構造である。

図２は、本発明に用いられる多様な単位セルをより具体的に示す構成図である。

図示のように、前記単位セルは、単位セル（ａ）と、単位セル（ｂ１）と、単位セル（ｂ２）と、単位セル（ｃ）とから構成される。

前記単位セル（ａ）１１０ａは、第１ガス流チャネル１１２の両端部にセルの厚さ方向にいずれか一方のみを貫通する連結穴１２０が形成され、前記連結穴は互いに反対方向に形成され、隣接したセルの第１ガス流チャネルに連結される。前記単位セル（ｂ１）１１０ｂ１は、第１ガス流チャネル１１２の一端部にセルの厚さ方向に両方を貫通する連結穴１２０’が形成され、他端部にセルの厚さ方向に上部側を貫通する連結穴１２０が形成され、隣接したセルの第１ガス流チャネルに連結される。前記単位セル（ｂ２）１１０ｂ２は、第１ガス流チャネル１１２の一端部にセルの厚さ方向に両方を貫通する連結穴１２０’が形成され、他端部にセルの厚さ方向に下部側を貫通する連結穴１２０が形成され、隣接したセルの第１ガス流チャネルに連結される。前記単位セル（ｃ）１１０ｃは、第１ガス流チャネルの両端部にセルの厚さ方向に両方を貫通する連結穴１２０’が形成され、隣接したセルの第１ガス流チャネルに連結される。ここで、前記単位セル（ａ）ないし単位セル（ｃ）は、図２に示される形態に限定されるものではなく、前記図２における構成を左右に対称させて示される形態までも含む構成である。

前記単位セル（ａ）ないし単位セル（ｃ）が積層されたセルスタックの第１ガスの流れは、単位セルの選択および積層順序によって多様に示され得る。積層されたセルスタックの第１ガスの流れの多様な変化の一例として、図４（ａ）ないし（ｃ）に詳細に示した。

前記セルスタックの単位セル（ａ）ないし単位セル（ｃ）が積層される場合、セルスタックが、前記連結穴１２０によって厚さ方向に連続して連結される単位セルを、少なくとも３つ以上含むことが好ましい。前記複数の単位セル１１０のうち、少なくとも３つの単位セル１１０が前記連結穴１２０によって連続して連結される場合、少なくとも２つ以上の隣接した単位セル１１０で第１ガスが同じ方向に流れるため、第１ガスがジグザグに流れる時に生じる第１ガスの温度および濃度が次第に変化することを最小化させることができる。

前記単位セルが積層される場合、最下側と最上側にそれぞれ積層された単位セルは、単位セル（ａ）であることが好ましい。前記単位セル（ａ）が最下側と最上側にそれぞれ積層される場合、図１のように、第１ガス（水素または炭化水素）が流入する部分に第１ガス流入マニホールド１４０を、第１ガスが流出する部分に第１ガス流出マニホールド１４０’が設置できる。

前記複数の第２ガス流チャネル１１３は、前記単位セル１１０の長さ方向の中間に単位セル１１０の幅方向に形成される。

前記連結穴１２０は、図３のように、複数の穴が円をなしつつ円周方向に配列され、前記第１ガス流チャネル１１２および隣接した他の単位セルを連結する。円周方向に配列された前記複数の連結穴１２０の外側には、ガスを密封するようにリング形態の密封材１１６ａが挿入された密封部１１６が形成される。

このように構成された本発明の第１実施例による平管型固体酸化物セルスタックにおいて、燃料電池として用いられる場合には、図１に示すように、水素（または炭化水素）が第１ガス流入マニホールド１４０を介して最下側の単位セルの第１ガス流チャネル内に流入し、矢印方向に複数の単位セル１１０の第１ガス流チャネル内を同じ方向に流れた後、最上側の単位セルの第１ガス流チャネルで合わされた後、これを経て第１ガス流出マニホールド１４０’を介して流出するが、この経路を流れる間、第１ガス（水素または炭化水素）は、前記単位セル１１０の第２ガス流チャネルを介して流れる空気（または酸素）と反応して電気を発生する一方、発生した水と共に、前記第１ガス流出マニホールド１４０’を介して流出するようになる。電気は、セラミック導電体１１５を介して集電される。

高温水電解装置として用いられる場合には、水蒸気が第１ガス流入マニホールド１４０を介して流入し、電気化学反応（燃料電池反応の逆反応）をして水素が発生し、第１ガス流出マニホールド１４０’を介して流出する。

本発明は、図面に示された実施例を参考にして説明されたが、これは例示的なものに過ぎず、本技術分野における通常の知識を有する者であれば、これより多様な変形および均等な他の実施例が可能であることはもちろんであり、本発明の技術的保護範囲は、添付した特許請求の範囲の技術的思想によって定められなければならない。

実施例および比較例：燃料電池の効率実験

実施例１：セルスタックの製造
セラミック押出成形機を用いて、内部に第１ガス流部が構成されるように負極を成形し、両端を密封した。その後、乾燥した成形体の両端に単位セル間の第１ガス流部を連結させるための連結穴を形成させ、第１ガス流チャネルの両端部にセルの厚さ方向にいずれか一方のみを貫通する連結穴が形成され、前記連結穴は互いに反対方向に形成され、隣接したセルの第１ガス流チャネルに連結される単位セル（ａ）と、一端部にセルの厚さ方向に両方を貫通する連結穴が形成され、他端部にセルの厚さ方向にいずれか一方のみを貫通する連結穴が形成され、隣接したセルの第１ガス流チャネルに連結される単位セル（ｂ１）、（ｂ２）と、両端部にセルの厚さ方向に両方を貫通する連結穴が形成され、隣接したセルの第１ガス流チャネルに連結される単位セル（ｃ）とを製作した。次に、前記連結穴が、図１のように、最下側と最上側に単位セル（ａ）が位置し、その内部に単位セル（ｂ１）、単位セル（ｂ２）および単位セル（ｃ）を積層した。次に、負極の表面に電解質層をコーティングした後、前記連結材と電解質層が緻密な層を形成するように１３５０〜１４００℃で熱処理した。次に、前記連結材がコーティングされた面の反対面に電解質層を挟んで、正極をコーティングし、９００〜１２００℃で熱処理し、図５（ａ）のような平管型固体酸化物の単位セルスタックを製造した。

比較例１：セルスタックの製造
第１ガスが単位セルの長さ方向に沿ってジグザグに流れるように、第１ガス流チャネルの両端部にセルの厚さ方向にいずれか一方のみを貫通する連結穴が形成され、前記連結穴は互いに反対方向に形成され、隣接したセルの第１ガス流チャネルに連結される単位セル（ａ）だけで積層させたことを除いては、同様の方法で図５（ｂ）のような平管型固体酸化物の単位セルスタックを製造した。

実験例１：流速変化の測定
実施例１の平管型固体酸化物の単位セルスタックと比較例１の平管型固体酸化物の単位セルスタックに、それぞれ８００℃のガス（窒素：水素＝２：１）を投入した後、第１ガスの流速の変化を、流入時と中間の３つの地点（図５のｘ、ｙ、ｚ）および流出時に測定し、表１のように示した。

実験例２：燃料電池の効率
前記実験例１で製作した実施例１および比較例１の平管型固体酸化物の単位セルスタックを用いた燃料電池を製作し、効率を比較した。前記効率は、「ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌｊｏｕｒｎａｌｏｆｈｙｄｒｏｇｅｎｅｎｅｒｇｙ３７（２０１２）７８−８３」に記載された内容に基づき、（発生した水素の熱量／投入された電気エネルギー）で計算した。結果は、下記表２のとおりであった。

前記実験例１をみると、実施例１の平管型固体酸化物の単位セルスタックは各地点によって流速の偏差が少なくなっているのに対し、比較例１の平管型固体酸化物の単位セルスタックは流速の偏差が非常に大きいことが分かる。流速の偏差が小さい場合には、電気化学反応速度が均一であるため、セルの反応性能および耐久特性に優れるという利点を有するのに対し、流速の偏差が大きい場合、セルの反応性能の低下および耐久性の劣化の問題が生じる。

また、実験例２において、実施例１の平管型固体酸化物の単位セルスタックの場合、投入された電気エネルギーに対する、発生した水素の熱量が高いため、効率が高いことが分かる。

１００：セルスタック
１１０：単位セル
１１０ａ：単位セル（ａ）
１１０ｂ１：単位セル（ｂ１）
１１０ｂ２：単位セル（ｂ２）
１１０ｃ：単位セル（ｃ）
１１２：第１ガス流チャネル
１１３：第２ガス流チャネル
１２０：連結穴
１１５：セラミック導電体
１１６：密封部
１１６ａ：密封材
１４０：第１ガス流入マニホールド
１４０’：第１ガス流出マニホールド

Claims

内部に第１ガス流チャネルが備えられた負極と、前記負極にコーティングされた電解質層に積層されて備えられた正極と、前記負極と隣接する単位セルの正極とを連結するために前記正極が積層された側とは反対側の前記負極の表面に積層されて備えられた導電性の連結材とを含む、複数の単位セルが積層されてスタックをなす平管型固体酸化物セルスタックにおいて、
前記複数の単位セルはすべて、
第１ガス流チャネルの両端部にセルの厚さ方向に上部側と下部側のいずれか一方のみを貫通する連結穴が形成され、前記連結穴は前記セルの厚さ方向に互いに反対方向に形成され、隣接したセルの第１ガス流チャネルに連結される単位セル（ａ）と、
第１ガス流チャネルの一端部にセルの厚さ方向に上部側と下部側の両方を貫通する連結穴が形成され、他端部にセルの厚さ方向に上部側を貫通する連結穴が形成され、隣接したセルの第１ガス流チャネルに連結される単位セル（ｂ１）と、
第１ガス流チャネルの一端部にセルの厚さ方向に上部側と下部側の両方を貫通する連結穴が形成され、他端部にセルの厚さ方向に下部側を貫通する連結穴が形成され、隣接したセルの第１ガス流チャネルに連結される単位セル（ｂ２）と、
第１ガス流チャネルの両端部にセルの厚さ方向に上部側と下部側の両方を貫通する連結穴が形成され、隣接したセルの第１ガス流チャネルに連結される単位セル（ｃ）とからなる群より選択され、
第１ガスが少なくとも２つ以上の隣接した前記単位セルで同じ方向に流れることを特徴とする平管型固体酸化物セルスタック。
前記セルスタックは、前記連結穴によって厚さ方向に連続して連結される単位セルが少なくとも３つ以上のものであることを特徴とする請求項１に記載の平管型固体酸化物セルスタック。
前記セルスタックの単位セルのうち、最下側と最上側にそれぞれ積層された単位セルは、単位セル（ａ）であることを特徴とする請求項１または２に記載の平管型固体酸化物セルスタック。
前記単位セルの第１ガス流チャネルに連通する連結穴の口の外側には、隣接する単位セルとの間でガスを密封するようにリング形態の密封材が環状の溝に挿入された密封部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の平管型固体酸化物セルスタック。