JP5916648B2 - 平管型固体酸化物単位セル - Google Patents
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Description
本発明は、平管型固体酸化物単位セル、これを用いた平管型固体酸化物燃料電池および平管型固体酸化物水電解装置に関するものである。
一般的に、燃料電池は、天然ガス、石炭ガス、メタノールなどの炭化水素系列の物質内に含有されている水素と空気中の酸素とを電気化学反応によって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る。前記燃料電池は、使用される電解質の種類に応じて、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、その形態に応じて、平板型と円筒型とに大別されるが、前記平板型は、電力密度（出力）が高い利点があるが、ガス密封面積が広く、積層時、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利点があるが、電力密度が低いという限界があった。
前記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固体酸化物燃料電池のような平管型電気化学反応装置が、大韓民国特許公開第２００５−００２１０２７号に開示されている。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っているが、単位セルの厚さが厚くなるにつれ、前記単位セルが積層されたセルスタックの全体の厚さが増加し、燃料電池の小型化が難しい問題があった。
本発明の目的は、複数の単位セルが積層されて構成される平管型固体酸化物燃料電池または固体酸化物水電解装置において、連結材の厚さを減少させ、積層時におけるセルスタックの厚さを減少させ、複数の単位セルが積層可能な平管型固体酸化物単位セルを提供することである。
本発明の他の目的は、平管型固体酸化物単位セルの製造費用を低減し、小型化可能な平管型固体酸化物単位セルを提供することである。
上記の目的を達成するために、本発明は、負極、電解質層、正極および連結材を含む平管型固体酸化物単位セルにおいて、前記負極の内部に複数の第１ガス流れ部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、前記負極における、前記正極が積層された面とは反対の面に積層され、隣接する単位セルの正極と連結する電気伝導性部材である連結材とを含み、前記連結材は、複数の連結部と、支持部を含み、前記複数の連結部は、いずれも、前記反対の面に対向する部分の全てが、前記反対の面に接しており、第２ガス流れ部形成のために単位セルの長手方向に互いに離隔して備えられ、前記支持部は、前記複数の連結部における、前記隣接する単位セルの正極と連結される部分の一側面にて、前記複数の連結部を支持しており、前記複数の連結部の厚さが全て同一である平管型固体酸化物単位セルを提供する。
本発明は、連結部を含む連結材を備える平管型固体酸化物単位セルを通じて製造費用を低減することができ、平管型固体酸化物燃料電池または平管型固体酸化物水電解装置の小型化が可能である。
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明は、負極、電解質層、正極および連結材を含む平管型固体酸化物単位セルにおいて、前記負極の内部に複数の第１ガス流れ部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み、前記連結材は、複数の連結部を含み、前記複数の連結部は、第２ガス流れ部形成のために単位セルの長手方向に離隔して備えられる平管型固体酸化物単位セルを提供する。
本発明は、負極、電解質層、正極および連結材を含む平管型固体酸化物単位セルにおいて、前記負極の内部に複数の第１ガス流れ部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み、前記連結材は、複数の連結部を含み、前記複数の連結部は、第２ガス流れ部形成のために単位セルの長手方向に離隔して備えられる平管型固体酸化物単位セルを提供する。
固体酸化物燃料電池は、電解質層とその両面に位置する負極および正極とからなる単位セルの各電極に、第１ガスとして水素、第２ガスとして空気を供給すると、正極では酸素の還元反応が起こって酸素イオンが生成され、電解質層を介して負極に移動した酸素イオンは、再び負極に供給された水素と反応して水を生成する。この時、負極では電子が生成され、正極では電子が消耗するため、両電極を互いに連結すると電気が流れるようになる。
また、固体酸化物水電解装置は、前記固体酸化物燃料電池を応用したもので、固体酸化物燃料電池の逆反応によって水蒸気を電気分解して水素を形成する装置である。
前記平管型固体酸化物単位セルにおいて、連結材は、複数の単位セルが積層される時、積層された単位セル間の電気的流れを結ぶ役割を果たす構成である。
本発明の連結材は、複数の連結部を含み、前記複数の連結部は、第２ガス流れ部形成のために単位セルの長手方向に離隔して備えられることが好ましい。このような連結材は、負極に積層時、従来の凹凸形態の連結材とは異なり、連結部を備えることにより、積層される単位セルの厚さを減少させることができる。したがって、複数の単位セルを積層して備えられるセルスタックの厚さを減少させることができ、結果的に、固体酸化物燃料電池または固体酸化物水電解装置の小型化が可能である。
また、前記複数の連結部は、波形で単位セルの長手方向に離隔して備えられることにより、第２ガス流れ部の長さを増加させ、固体酸化物単位セルの表面で第２ガスの滞留時間を増加させ、固体酸化物燃料電池または固体酸化物水電解装置の効率を向上させることができる。
前記連結材は、複数の連結部および支持部を含み、前記複数の連結部は、第２ガス流れ部形成のために単位セルの長手方向に離隔して備えられ、前記支持部は、一体に形成されたもので、複数の連結部の一側面に付着して連結部を支持することが好ましい。このような連結材は、負極に積層時、従来の凹凸形態の連結材とは異なり、支持部が連結部を支持する側面に備えられることにより、積層される単位セルの厚さを減少させることができる。したがって、複数の単位セルを積層して備えられるセルスタックの厚さを減少させることができ、結果的に、固体酸化物燃料電池または固体酸化物水電解装置の小型化が可能である。
具体的には、前記連結材は、櫛形状で、前記複数の連結部の一側面が支持部に支持されていることが好ましい。この時、支持部が付着した複数の連結部の一側面が単位セルの外部に突出し、正極に第２ガスを供給できるように第２ガス流れ部を形成することが好ましい。
前記連結材は、温度変化による電気伝導度の変化を減少させ、抵抗を低減するために、クロフェル合金、炭化ケイ素、並びに炭化ケイ素および炭素を含む複合材からなる群より選択されるいずれか１つの材料からなるものが好ましい。
また、前記連結材は、炭化ケイ素繊維からなるものが好ましい。前記炭化ケイ素繊維は、高温で作動する固体酸化物燃料電池または固体酸化物水電解装置で効率を低下させることなく、優れた伝導性を維持することができる。
本発明は、複数の前記平管型固体酸化物単位セルが積層されて備えられるセルスタックおよび集電体を含む固体酸化物燃料電池を提供する。この時、前記複数の単位セルが積層され、１つの単位セルの連結材の連結部と他の単位セルの正極とが接合するように積層されることが好ましく、電気を集電できるように積層されたセルスタックの上端および下端に集電体を備えることが好ましい。この時、前記集電体は、集電板およびマニホールドが一体に形成されたものが好ましい。
本発明は、複数の前記平管型固体酸化物単位セルが積層されて備えられるセルスタックおよび集電体を含む固体酸化物水電解装置を提供する。この時、前記複数の単位セルが積層され、１つの単位セルの連結材の連結部と他の単位セルの正極とが接合するように積層されることが好ましく、電気を供給できるように積層されたセルスタックの上端および下端で集電体を備えることが好ましい。前記固体酸化物水電解装置は、前記固体酸化物燃料電池で起こる反応の逆反応を利用して水素燃料を発生させる装置であって、連結材によって形成された第２ガス流れ部を介して正極に水蒸気を供給し、上端および下端に積層された集電体を介して電気を供給し、水素を生産することができる装置である。
前記集電体は、前記平管型固体酸化物単位セルと接合する部位に凹凸を備えることが好ましい。前記凹凸を通じて、前記単位セルおよび集電体の接合時、別の連結材を追加する必要なく固体酸化物燃料電池または固体酸化物水電解装置を製作することができ、抵抗を低減させ、燃料電池の効率を向上させることができる。
以下、本発明を、実施例により詳細に説明する。
ただし、下記の実施例は本発明を例示するものであって、本発明の内容が下記の実施例に限定されるものではない。
ただし、下記の実施例は本発明を例示するものであって、本発明の内容が下記の実施例に限定されるものではない。
＜実施例１：平管型固体酸化物単位セルの製造＞
セラミック押出成形機を用いて、内部に第１ガス流れ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ガス流れ部を連結させるためのホールを形成させた。以後、前記負極の上部に、図１のように、複数の連結部１１１を含む炭化ケイ素（ＳｉＣ）からなる連結材１１を離隔してコーティングした。この時、前記連結材は、炭化ケイ素バルク（ＳｉＣ ｂｕｌｋ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）繊維複合体、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）またはペロブスカイト系セラミック（ＬＳＭ、ＬＳＣＦなど）テープなどを用いて製造することができるが、これに限定されるものではない。
セラミック押出成形機を用いて、内部に第１ガス流れ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ガス流れ部を連結させるためのホールを形成させた。以後、前記負極の上部に、図１のように、複数の連結部１１１を含む炭化ケイ素（ＳｉＣ）からなる連結材１１を離隔してコーティングした。この時、前記連結材は、炭化ケイ素バルク（ＳｉＣ ｂｕｌｋ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）繊維複合体、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）またはペロブスカイト系セラミック（ＬＳＭ、ＬＳＣＦなど）テープなどを用いて製造することができるが、これに限定されるものではない。
前記連結材がコーティングされない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。以後、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、平管型固体酸化物単位セルを製造した。
＜実施例２：平管型固体酸化物単位セルの製造＞
セラミック押出成形機を用いて、内部に第１ガス流れ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ガス流れ部を連結させるためのホールを形成させた。以後、前記負極の上部に、図２のように、複数の連結部１１１を含む炭化ケイ素（ＳｉＣ）からなる連結材１１を離隔してコーティングした。この時、前記連結材は、炭化ケイ素バルク（ＳｉＣ ｂｕｌｋ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）繊維複合体、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）またはペロブスカイト系セラミック（ＬＳＭ、ＬＳＣＦなど）テープなどを用いて製造することができるが、これに限定されるものではない。
＜実施例２：平管型固体酸化物単位セルの製造＞
セラミック押出成形機を用いて、内部に第１ガス流れ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ガス流れ部を連結させるためのホールを形成させた。以後、前記負極の上部に、図２のように、複数の連結部１１１を含む炭化ケイ素（ＳｉＣ）からなる連結材１１を離隔してコーティングした。この時、前記連結材は、炭化ケイ素バルク（ＳｉＣ ｂｕｌｋ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）繊維複合体、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）またはペロブスカイト系セラミック（ＬＳＭ、ＬＳＣＦなど）テープなどを用いて製造することができるが、これに限定されるものではない。
前記連結材がコーティングされない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。以後、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、平管型固体酸化物単位セルを製造した。
＜実施例３：平管型固体酸化物単位セルの製造＞
セラミック押出成形機を用いて、内部に第１ガス流れ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ガス流れ部を連結させるためのホールを形成させた。以後、前記負極の下面に、図３のように、複数の連結部１１１および支持部１１２を含む炭化ケイ素（ＳｉＣ）からなる連結材１１をコーティングした。この時、前記連結材は、炭化ケイ素バルク（ＳｉＣ ｂｕｌｋ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）繊維複合体、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）またはペロブスカイト系セラミック（ＬＳＭ、ＬＳＣＦなど）テープなどを用いて製造することができるが、これに限定されるものではない。
＜実施例３：平管型固体酸化物単位セルの製造＞
セラミック押出成形機を用いて、内部に第１ガス流れ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ガス流れ部を連結させるためのホールを形成させた。以後、前記負極の下面に、図３のように、複数の連結部１１１および支持部１１２を含む炭化ケイ素（ＳｉＣ）からなる連結材１１をコーティングした。この時、前記連結材は、炭化ケイ素バルク（ＳｉＣ ｂｕｌｋ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）繊維複合体、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）またはペロブスカイト系セラミック（ＬＳＭ、ＬＳＣＦなど）テープなどを用いて製造することができるが、これに限定されるものではない。
この時、前記支持部１１２が付着した複数の連結部１１１の側面が前記支持部１１２と共に単位セルの外部に突出し、第２ガス流れ部を形成させることができるようにコーティングし、前記連結材がコーティングされない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。以後、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、平管型固体酸化物単位セルを製造した。
＜実施例４：平管型固体酸化物燃料電池の製造＞
図４は、前記実施例３で製造した単位セルを積層して製造した平管型固体酸化物燃料電池を示す図である。図４に示すように、前記単位セルを複数積層し、この時、１つの単位セルの連結材１１と他の単位セルの正極とが結合されるように積層する。また、連結材の支持部１１２が付着した複数の連結部１１１の側面と支持部１１２が単位セルの積層時に外部に突出し、第２ガス流れ部が形成されるように積層することが好ましい。その後、積層された単位セルの上端および下端に集電体１２を備えて固体酸化物燃料電池を製造することができ、この時、上端の集電体１２は、図５または図６に示す凹凸１２３を含む集電体１２を備え、集電体１２とセルスタックとの間に別の連結材が使用されず、燃料電池の効率を向上させることができる。
＜実施例４：平管型固体酸化物燃料電池の製造＞
図４は、前記実施例３で製造した単位セルを積層して製造した平管型固体酸化物燃料電池を示す図である。図４に示すように、前記単位セルを複数積層し、この時、１つの単位セルの連結材１１と他の単位セルの正極とが結合されるように積層する。また、連結材の支持部１１２が付着した複数の連結部１１１の側面と支持部１１２が単位セルの積層時に外部に突出し、第２ガス流れ部が形成されるように積層することが好ましい。その後、積層された単位セルの上端および下端に集電体１２を備えて固体酸化物燃料電池を製造することができ、この時、上端の集電体１２は、図５または図６に示す凹凸１２３を含む集電体１２を備え、集電体１２とセルスタックとの間に別の連結材が使用されず、燃料電池の効率を向上させることができる。
積層された単位セルのうち、最下端の単位セルの第１ガス注入部を介して第１ガスとして水素を注入して第１ガス流れ部に沿って流れるようにし、第２ガスとして空気を側面に注入して第２ガス流れ部に沿って流れるようにすることで、電気を発生させることができる。
１１：連結材
１１１：連結部
１１２：支持部
１２：集電体
１２１：集電板
１２２：マニホールド
１２３：凹凸
１１１：連結部
１１２：支持部
１２：集電体
１２１：集電板
１２２：マニホールド
１２３：凹凸
Claims (4)
- 負極、電解質層、正極および連結材を含む平管型固体酸化物単位セルにおいて、
前記負極の内部に複数の第１ガス流れ部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、前記負極における、前記正極が積層された面とは反対の面に積層され、隣接する単位セルの正極と連結する電気伝導性部材である連結材とを含み、
前記連結材は、複数の連結部と、支持部を含み、
前記複数の連結部は、いずれも、前記反対の面に対向する部分の全てが、前記反対の面に接しており、第２ガス流れ部形成のために単位セルの長手方向に互いに離隔して備えられ、前記支持部は、前記複数の連結部における、前記隣接する単位セルの正極と連結される部分の一側面にて、前記複数の連結部を支持しており、
前記複数の連結部の厚さが全て同一であることを特徴とする平管型固体酸化物単位セル。 - 前記連結材は、櫛形状で、前記複数の連結部の一側面が支持部に支持されることを特徴とする請求項１記載の平管型固体酸化物単位セル。
- １つの単位セルと他の単位セルとが積層される時、前記支持部が付着した複数の連結部の側面が単位セルの外部に突出し、第２ガス流れ部を形成することを特徴とする請求項１記載の平管型固体酸化物単位セル。
- 前記連結材は、炭化ケイ素、並びに炭化ケイ素および炭素を含む複合材からなる群より選択されるいずれか１つの材料からなることを特徴とする請求項１記載の平管型固体酸化物単位セル。
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