KR20200139713A - 금속판, 전기 화학 소자, 전기 화학 모듈, 전기 화학 장치, 에너지 시스템, 고체산화물형 연료전지 및 금속판의 제조 방법 - Google Patents

금속판, 전기 화학 소자, 전기 화학 모듈, 전기 화학 장치, 에너지 시스템, 고체산화물형 연료전지 및 금속판의 제조 방법 Download PDF

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미쓰아키 에치고
히사오 오니시
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오사까 가스 가부시키가이샤
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Abstract

충분한 강도와 성능을 확보하면서, 양산 시의 가공성과 비용을 개선한 금속판과, 그 금속판을 구비한 금속지지형의 전기 화학 소자 등을 제공한다. 금속판(1)은, 복수의 금속박판(10, 20)을 중첩하여 형성되어 있고, 금속박판(10, 20)은, 두께 방향으로 관통하는 복수의 관통공(10c, 20c)을 가지고, 금속판(1)은, 복수의 금속박판(10, 20)을 중첩한 상태로, 금속박판(10, 20)의 관통공(10c, 20c)끼리가 연통되는 관통 공간(1c)을 가지고, 금속박판(10, 20)의 두께를, 관통공(10c, 20c)의 내경으로 나눈 값인 금속판 아스펙트비가 2 이하이며, 금속판(1)의 전체 두께를, 관통 공간(1c)의 내경의 최소값으로 나눈 값인 금속지지체 아스펙트비가 3 이상이다.

Description

금속판, 전기 화학 소자, 전기 화학 모듈, 전기 화학 장치, 에너지 시스템, 고체산화물형 연료전지 및 금속판의 제조 방법
본 발명은, 금속판과, 그 금속판을 구비한 금속지지형의 전기 화학 소자 등에 관한 것이다.
종래의 금속지지형 SOFC에 있어서, 금속지지체는 금속판에 다수의 구멍을 뚫어서 구성되어 있다. 그러나, SOFC로서 충분한 성능을 확보하면서, 양산 시의 가공성이나 비용을 감안한 최적인 구멍 형상은, 아직 발견되지 않고 있다.
일본특표 2008-525967호 공보
특허문헌 1에서는, 셀 적층 시의 가공성을 감안한 금속지지체의 구조가 개시되어 있다. 특허문헌 1의 셀에서는, 다수의 구멍을 뚫은 15㎛ 정도의 금속박 위에 전극층·전해질층·대극(對極) 전극층을 적층하고 있다. 이와 같이 얇은 금속박으로는 강도가 작으므로, 셀 제조 시의 핸들링이 극히 곤란하며, 양산에 적합하지 않았다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것이며, 그 목적은, 충분한 강도와 성능을 확보하면서, 양산 시의 가공성과 비용을 개선한 금속판과, 그 금속판을 구비한 금속지지형의 전기 화학 소자 등을 제공하는 것에 있다.
[구성 1]
상기 목적을 달성하기 위한 금속판의 특징적 구성은,
금속판으로서,
상기 금속판은, 복수의 금속박판을 중첩하여 형성되어 있고,
상기 금속박판은, 두께 방향으로 관통하는 복수의 관통공을 가지고,
상기 금속판은, 복수의 상기 금속박판을 중첩한 상태로, 상기 금속박판의 상기 관통공끼리가 연통되는 관통 공간을 가지고,
상기 금속박판의 두께를, 상기 관통공의 내경으로 나눈 값인 금속박판 아스펙트비가 2 이하이며,
상기 금속판 전체의 두께를, 상기 관통 공간의 내경의 최소값으로 나눈 값인 금속판 아스펙트비가 3 이상인 점에 있다.
상기한 특징적 구성에 의하면, 금속박판 아스펙트비가 2 이하인 금속박판을 중첩하고, 금속판 아스펙트비가 3 이상인 금속판이 형성되어 있으므로, 아스펙트비가 큰 금속판을 비교적 용이하게 형성할 수 있으므로 바람직하다. 즉 상기한 특징적 구성에 의하면, 금속판에 금속판 아스펙트비가 3 이상의 관통 공간을 형성할 때, 1장의 금속판에 관통 공간을 형성하는 경우보다 양산 시의 가공성과 비용을 보다 개선할 수 있다. 그리고, 금속판의 금속판 아스펙트비가 3 이상이므로, 금속판은, 충분한 강도를 가지는 동시에, 관통 공간을 통한 가스 투과성 등이 충분한 성능이 확보되어 있다.
그리고, 금속박판 아스펙트비가 1.5 이하이면 보다 바람직하고, 1 이하이면 더욱 바람직하다. 이와 같이 함으로써 금속박판의 양산 시의 가공성과 비용을 보다 개선할 수 있기 때문이다. 또한, 금속판 아스펙트비가 5 이상이면 보다 바람직하고, 10 이상이면 더욱 바람직하다. 이와 같이 함으로써 금속판으로서의 성능과 강도를 충분히 겸비하면서, 양산 시의 가공성과 비용을 보다 개선할 수 있기 때문이다.
[구성 2]
본 발명에 따른 금속판의 다른 특징적 구성은, 상기 관통 공간의 내경이, 상기 관통 공간의 내경 중 상기 금속판의 표면 측의 개구부의 내경인 점에 있다.
상기한 특징적 구성에 의하면, 금속판 아스펙트비를 산출할 때의 금속판 관통 공간의 내경이, 관통 공간의 내경 중 금속판의 표면 측의 개구부의 내경이며, 또한, 관통 공간의 내경의 최소값이므로, 예를 들면, 금속판을 금속지지체로서 사용하는 경우 등에는, 금속지지체 상으로의 지지대상물의 형성이 용이하면서, 금속지지체로서의 충분한 강도를 가지고, 또한, 관통 공간을 통한 지지대상물로의 가스 투과성 등이 충분한 성능을 확보하면서, 양산 시의 가공성과 비용을 개선한 금속지지체를 제공하는 것이 가능하게 된다.
[구성 3]
금속지지체를 형성하는 복수의 상기 금속박판의 두께가 동일하거나 또는 대략 동일해도 된다. 이 경우에, 관통 공간의 크기를 적절하게 하면서, 금속판 전체의 두께를 확보하여 강도를 충분히 유지할 수 있으므로, 양산 시의 가공성을 향상시킬 수 있어 바람직하다. 또한, 이 경우에, 동일하거나 또는 대략 동일한 두께의 금속박판을 중첩하여 접합하고, 전체의 두께를 확보한 금속판으로 할 수 있으므로, 비용을 개선할 수 있어 바람직하다.
[구성 4]
본 발명에 따른 금속판의 다른 특징적 구성은, 상기 금속판은, 금속제의 판인 제1 금속박판과, 상기 제1 금속박판보다 두께가 큰 금속제의 판인 제2 금속박판을 포함하는, 복수의 금속박판을 중첩하여 형성되어 있고, 상기 제1 금속박판은 상기 제2 금속박판보다 상기 금속판의 표면 측에 배치되어 있는 점에 있다.
상기한 특징적 구성에 의하면, 금속판이 제1 금속박판과 제2 금속박판을 중첩하여 형성되므로, 관통 공간의 크기를 적절하게 하면서, 금속판 전체의 두께를 확보하여 강도를 충분히 유지할 수 있으므로, 금속판 아스펙트비가 3 이상으로 되는 금속지지체를 형성하는 것이 더욱 용이하게 되어 바람직하다.
[구성 5]
본 발명에 따른 금속판의 다른 특징적 구성은, 복수의 상기 금속박판 중 적어도 1장의 상기 금속박판의 재료가 Fe-Cr계 합금인 점에 있다.
상기한 특징적 구성에 의하면, 금속판의 내산화성과 고온강도를 향상시킬 수 있다. 또한, 예를 들면, 금속판 상에 형성되는 지지대상물(전극층이나 전해질층 등의 전기 화학 소자 등의 구성 요소의 재료)과 열팽창계수를 유사하게 할 수 있으므로, 히트 사이클 내구성이 우수한 구성을 실현할 수 있으므로 바람직하다.
[구성 6]
본 발명에 따른 금속판의 다른 특징적 구성은, 상기 금속판의 표면 중 적어도 일부가 금속 산화물막으로 덮여져 있는 점에 있다.
상기한 특징적 구성에 의하면, 금속 산화물 피막에 의해 금속판으로부터 Cr 등의 성분이 확산하는 것을 억제할 수 있다. 예를 들면, 금속판 위에 전극층 등을 적층한 전기 화학 소자로 하는 경우에는, 전극층 등의 성능 저하를 억제하여, 전기 화학 소자의 성능·내구성을 높일 수 있다.
[구성 7]
전술한 금속판 위에, 적어도 전극층과 전해질층과 대극 전극층이 설치된 전기 화학 소자는, 충분한 성능을 확보하면서, 양산 시의 가공성과 비용을 개선하게 되어 바람직하다. 또한, 강도가 우수한 금속판 위에 전극층이나 전해질층 등의 전기 화학 소자의 구성 요소를 구성하므로, 전극층이나 전해질층 등의 전기 화학 소자의 구성 요소를 박층화(薄層化)나 박막화하는 것이 가능하므로, 전기 화학 소자의 재료 비용을 저감하는 것이 가능하게 되어 바람직하다.
[구성 8]
전술한 전기 화학 소자는, 상기 금속판의 두께 방향으로 관통하는 상기 관통 공간의 내경으로서의, 상기 금속판의 표면을 구성하는 제1면 측의 제1 개구부의 내경 및 상기 제1면과는 반대측의 제2면 측의 제2 개구부의 내경 중에서, 작은 내경이 형성되어 있는 측의 상기 금속판의 표면 위에, 적어도 전극층과 전해질층과 대극 전극층이 설치되어 있으면, 금속판으로서의 금속지지체 상으로의 전극층 등의 형성이 용이하면서, 금속지지체로서의 충분한 강도를 가지고, 또한, 관통 공간을 통한 지지대상물로의 가스 투과성 등이 충분한 성능을 확보하면서, 양산 시의 가공성과 비용을 개선한 금속지지체를 제공하는 것이 가능하여 바람직하다.
[구성 9]
본 발명에 따른 전기 화학 모듈의 특징적 구성은, 전술한 전기 화학 소자가 복수 집합된 상태로 배치되는 점에 있다.
상기한 특징적 구성에 의하면, 전술한 전기 화학 소자가 복수 집합된 상태로 배치되므로, 재료 비용과 가공 비용을 억제하면서, 콤팩트하며 고성능의, 강도와 신뢰성이 우수한 전기 화학 모듈을 얻을 수 있다.
[구성 10]
본 발명에 따른 전기 화학 장치의 특징적 구성은, 전술한 전기 화학 모듈과 개질기를 적어도 가지고, 상기 전기 화학 모듈에 대하여 환원성 성분을 함유하는 연료 가스를 공급하는 연료 공급부를 가지는 점에 있다.
상기한 특징적 구성에 의하면, 전기 화학 모듈과 개질기를 가지고 전기 화학 모듈에 대하여 환원성 성분을 함유하는 연료 가스를 공급하는 연료 공급부를 가지므로, 도시가스 등의 기존의 원연료 공급 인프라를 사용하고여 내구성·신뢰성 및 성능이 우수한 전기 화학 모듈을 구비한 전기 화학 장치를 실현할 수 있다. 또한, 전기 화학 모듈로부터 배출되는 미사용의 연료 가스를 리사이클하는 시스템을 구축하기 쉬워지므로, 고효율의 전기 화학 장치를 실현할 수 있다.
[구성 11]
본 발명에 따른 전기 화학 장치의 특징적 구성은, 전술한 전기 화학 모듈과, 상기 전기 화학 모듈로부터 전력을 인출하는 인버터를 적어도 가지는 점에 있다.
상기한 특징적 구성에 의하면, 내구성·신뢰성 및 성능이 우수한 전기 화학 모듈로부터 얻어지는 전기 출력을, 인버터에 의해 승압하거나, 직류를 교류로 변환하거나 할 수 있으므로, 전기 화학 모듈로 얻어지는 전기 출력을 이용하기 쉬우므로 바람직하다.
[구성 12]
본 발명에 따른 에너지 시스템의 특징적 구성은, 전술한 전기 화학 장치와, 상기 전기 화학 장치로부터 배출되는 열을 재이용하는 배열 이용부를 가지는 점에 있다.
상기한 특징적 구성에 의하면, 전기 화학 장치와, 전기 화학 장치로부터 배출되는 열을 재이용하는 배열 이용부를 가지므로, 내구성·신뢰성 및 성능이 우수하고, 또한 에너지 효율도 우수한 에너지 시스템을 실현할 수 있다. 그리고, 전기 화학 장치로부터 배출되는 미사용의 연료 가스의 연소열을 이용하여 발전하는 발전 시스템과 조합하여 에너지 효율이 우수한 하이브리드 시스템을 실현할 수도 있다.
[구성 13]
본 발명에 따른 고체산화물형 연료전지의 특징적 구성은, 전술한 전기 화학 소자를 구비하고, 상기 전기 화학 소자로 발전 반응을 생기게 하는 점에 있다.
상기한 특징적 구성에 의하면, 양산 시의 가공성과 비용을 개선하고, 내구성·신뢰성 및 성능이 우수한 전기 화학 소자를 구비한 고체산화물형 연료전지로서 발전반응을 행할 수 있으므로, 저비용으로 고내구·고성능 고체산화물형 연료전지를 얻을 수 있다. 그리고, 정격 운전 시에 650℃ 이상의 온도 영역에서 운전 가능한 고체산화물형 연료전지이면, 도시가스 등의 탄화 수소계 가스를 원연료로 하는 연료전지 시스템에 있어서, 원연료를 수소로 변환할 때 필요로 하는 열을 연료전지의 열배출로 조달할 수 있는 시스템을 구축할 수 있으므로, 연료전지 시스템의 발전효율을 높일 수 있으므로, 보다 바람직하다. 또한, 정격 운전 시에 900℃ 이하의 온도 영역에서 운전되는 고체산화물형 연료전지이면, 금속지지형전기 화학 소자로부터의 Cr 휘발의 억제 효과가 높아지므로 보다 바람직하고, 정격 운전 시에 850℃ 이하의 온도 영역에서 운전되는 고체산화물형 연료전지이면, Cr 휘발의 억제 효과를 더욱 높일 수 있으므로, 보다 바람직하다.
[구성 14]
본 발명에 따른 금속판의 제조 방법의 특징적 구성은, 두께 방향으로 관통하는 복수의 관통공을 가지는 복수의 금속박판을 중첩하여, 상기 금속박판의 상기 관통공끼리가 연통되는 관통 공간을 형성하는, 금속판의 제조 방법으로서, 상기 관통공을, 펀칭 가공, 에칭 가공, 또는 레이저 가공 중 어느 하나에 의해 형성하는 점에 있다.
상기한 특징적 구성에 의하면, 관통공의 형성이 용이하여, 양산 시의 가공성과 비용을 개선할 수 있어 바람직하다.
[구성 15]
본 발명에 따른 금속판의 제조 방법의 특징적 구성은, 두께 방향으로 관통하는 복수의 관통공을 가지는 복수의 금속박판을 중첩하여, 상기 금속박판의 상기 관통공끼리가 연통되는 관통 공간을 형성하는, 금속판의 제조 방법으로서, 금속 메쉬 혹은 익스팬드 메탈을 압연 가공하여 상기 금속박판을 형성하는 점에 있다.
상기한 특징적 구성에 의하면, 관통공을 가지는 금속박판의 형성이 용이하여서, 양산 시의 가공성과 비용을 개선할 수 있어 바람직하다.
도 1은 전기 화학 소자의 구성을 나타낸 개략도이다.
도 2는 전기 화학 소자 및 전기 화학 모듈의 구성을 나타낸 개략도이다.
도 3은 전기 화학 장치 및 에너지 시스템의 구성을 나타낸 개략도이다.
도 4는 전기 화학 모듈의 구성을 나타낸 개략도이다.
도 5는 금속지지체의 구조를 나타내는 평면도 및 단면도이다.
도 6은 금속지지체의 구조를 나타내는 평면도 및 단면도이다.
도 7은 금속지지체의 구조를 나타내는 평면도 및 단면도이다.
<제1 실시형태>
이하, 도 1을 참조하면서, 본 실시형태에 따른 전기 화학 소자(E) 및 고체산화물형 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell: SOFC)에 대하여 설명한다. 전기 화학 소자(E)는, 예를 들면, 수소를 포함하는 연료 가스와 공기의 공급을 받아서 발전하는 고체산화물형 연료전지의 구성 요소로서 사용된다. 그리고 이하, 층의 위치 관계 등을 나타낼 때, 예를 들면, 전해질층(4)으로부터 볼 때 대극 전극층(6)의 측을 「위」 또는 「상측」, 전극층(2)의 측을 「아래」 또는 「하측」이라고 하는 경우가 있다. 또한, 금속지지체(1)의 표면 중, 전극층(2)이 형성되어 있는 측의 면을 표면측면(1a), 반대측의 면을 이면측면(1b)이라고 한다.
(전기 화학 소자)
전기 화학 소자(E)는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 금속지지체(1)(금속판의 일례)와, 금속지지체(1) 위에 형성된 전극층(2)과, 전극층(2) 위에 형성된 중간층(3)과, 중간층(3) 위에 형성된 전해질층(4)을 가진다. 그리고, 전기 화학 소자(E)는, 또한 전해질층(4) 위에 형성된 반응방지층(5)과, 반응방지층(5) 위에 형성된 대극 전극층(6)을 가진다. 즉 대극 전극층(6)은 전해질층(4) 위에 형성되고, 반응방지층(5)은 전해질층(4)과 대극 전극층(6) 사이에 형성되어 있다. 전극층(2)은 다공질이며, 전해질층(4)은 치밀하다.
(금속지지체)
금속지지체(1)는, 전극층(2), 중간층(3) 및 전해질층(4) 등을 지지하여 전기 화학 소자(E)의 강도를 유지한다. 즉 금속지지체(1)는, 전기 화학 소자(E)를 지지하는 지지체로서의 역할을 한다.
금속지지체(1)의 재료로서는, 전자전도성, 내열성, 내산화성 및 내부식성이 우수한 재료가 사용된다. 예를 들면, 페라이트계 스테인레스, 오스테나이트계 스테인레스, 니켈기 합금 등이 사용된다. 특히, 크롬을 포함하는 합금이 바람직하게 사용된다. 본 실시형태에서는, 금속지지체(1)는, Cr을 18질량% 이상 25질량% 이하 함유하는 Fe-Cr계 합금을 사용하고 있지만, Mn을 0.05질량% 이상 함유하는 Fe-Cr계 합금, Ti를 0.15질량% 이상 1.0질량% 이하 함유하는 Fe-Cr계 합금, Zr을 0.15질량% 이상 1.0질량% 이하 함유하는 Fe-Cr계 합금, Ti 및 Zr을 함유하고 Ti와 Zr의 합계의 함유량이 0.15질량% 이상 1.0질량% 이하인 Fe-Cr계 합금, Cu를 0.10질량% 이상 1.0질량% 이하 함유하는 Fe-Cr계 합금이면 특히 바람직하다.
금속지지체(1)는 전체적으로 판형이다. 그리고, 금속지지체(1)는, 전극층(2)이 설치되는 면을 표면측면(1a)으로 하고, 표면측면(1a)으로부터 이면측면(1b)으로 관통하는 복수의 관통 공간(1c)(관통 공간의 일례)을 가진다. 관통 공간(1c)은, 금속지지체(1)의 이면측면(1b)으로부터 표면측면(1a)에 기체를 투과시키는 기능을 가진다. 그리고, 판형의 금속지지체(1)를 구부려서, 예를 들면, 상자형, 원통형 등의 형상으로 변형시켜 사용하는 것도 가능하다.
금속지지체(1)의 표면에, 확산 억제층으로서의 금속 산화물층(1f)이 설치된다. 즉, 금속지지체(1)와 후술하는 전극층(2) 사이에, 확산 억제층이 형성되어 있다. 금속 산화물층(1f)은, 금속지지체(1)의 외부에 노출된 면뿐만 아니라, 전극층(2)과의 접촉면(계면)에도 설치된다. 또한, 관통 공간(1c)의 내측의 면에 설치할 수도 있다. 이 금속 산화물층(1f)에 의해, 금속지지체(1)와 전극층(2) 사이의 원소 상호 확산을 억제할 수 있다. 예를 들면, 금속지지체(1)로서 크롬을 함유하는 페라이트계 스테인레스를 사용한 경우에는, 금속 산화물층(1f)이 주로 크롬산화물이 된다. 그리고, 금속지지체(1)의 크롬 원자 등이 전극층(2)이나 전해질층(4)에 확산하는 것을, 크롬산화물를 주성분으로 하는 금속 산화물층(1f)이 억제한다. 금속 산화물층(1f)의 두께는, 확산 방지 성능의 높음과 전기저항의 낮음을 양립시킬 수 있는 두께이면 된다.
금속 산화물층(1f)은 다양한 방법에 의해 형성될 수 있지만, 금속지지체(1)의 표면을 산화시켜 금속 산화물로 하는 방법이 바람직하게 이용된다. 또한, 금속지지체(1)의 표면에, 금속 산화물층(1f)을 스프레이 코팅법(용사법이나 에어로졸데포지션법, 에어로졸가스데포지션법, 파우더제트데포지션법, 파티클제트데포지션법, 콜드스프레이법 등의 방법), 스퍼터링법이나 PLD법 등의 PVD법, CVD법 등에 의해 형성해도 되고, 도금과 산화 처리에 의해 형성해도 된다. 또한, 금속 산화물층(1f)은 도전성이 높은 스피넬(spinel) 상 등을 포함해도 된다.
금속지지체(1)로서 페라이트계 스테인레스 재료를 사용한 경우, 전극층(2)이나 전해질층(4)의 재료로서 사용되는 YSZ(이트리어 안정화 지르코니아)나 GDC(가돌륨·도핑·세리아, CGO라고도 함) 등이 열팽창계수가 유사하다. 따라서, 저온과 고온의 온도 사이클이 반복된 경우도 전기 화학 소자(E)가 데미지를 입기 어렵다. 따라서, 장기 내구성이 우수한 전기 화학 소자(E)를 실현할 수 있으므로, 바람직하다.
(금속지지체 및 관통 공간의 구조)
금속지지체(1)는, 1장의 금속의 판에 의해 구성하는 것도 가능하다. 또한 금속지지체(1)를, 금속박판을 복수 중첩하여 형성하는 것도 가능하다. 금속지지체(1)를, 동일하거나 또는 대략 동일한 두께의 금속박판을 복수 중첩하여 형성하는 것도 가능하다. 금속지지체(1)를, 두께가 상이한 금속박판을 복수 중첩하여 형성하는 것도 가능하다. 이하, 금속지지체(1) 및 관통 공간(1c)의 구조의 예에 대하여 도면을 참조하면서 설명한다. 그리고 금속 산화물층(1f)에 대해서는 도시를 생략한다.
<제1 예>
도 5를 참조하여, 금속지지체(1)가 1장의 금속의 판에 의해 구성되는 예(제1 예)에 대하여 설명한다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 금속지지체(1)는, 두께 T의 판형의 부재이며, 즉 전체적으로 판형이다. 금속지지체(1)는, 표면측면(1a)으로부터 이면측면(1b)으로 관통하는 복수의 관통 공간(1c)을 가진다. 제1 예에서는 관통 공간(1c)은, 단면이 원형이 구멍이다. 그리고 관통 공간(1c)의 단면형상은, 원형이나 대략 원형 외에, 직사각형이나 삼각형, 다각형 등도 가능하며, 관통 공간(1c)을 형성할 수 있으면, 금속지지체(1)로서의 기능을 유지할 수 있는 범위에서 각종 형상으로 할 수 있다. 이 구멍(관통 공간(1c))은, 레이저 가공, 펀칭 가공 또는 에칭 가공 중 어느 하나, 또는, 이들의 조합에 의해, 금속지지체(1)에 형성되어 있다. 이 구멍의 중심축은, 금속지지체(1)에 대하여 직교하고 있다. 그리고 구멍(관통 공간(1c))의 중심축은, 금속지지체(1)에 대하여 경사져 있어도 된다.
관통 공간(1c)의 표면측면(1a)의 개구부를, 표면측 개구부(1d)로 칭한다. 관통 공간(1c)의 이면측면(1b)의 개구부를, 이면측 개구부(1e)로 칭한다. 관통 공간(1c)의 단면이 원형인 구멍이므로, 표면측 개구부(1d) 및 이면측 개구부(1e)는, 모두 원형이다. 표면측 개구부(1d)와 이면측 개구부(1e)는, 동일한 크기라도 된다. 이면측 개구부(1e)가, 표면측 개구부(1d)보다 커도 된다. 표면측 개구부(1d)의 직경을, 직경 D로 한다.
도 5에 나타낸 바와 같이, 금속지지체(1)에 있어서, 복수의 구멍(관통 공간(1c))이, 피치(P)(간격)로, 직교 격자의 격자점의 위치에 형성되어 있다. 복수의 구멍(관통 공간(1c))의 배치의 태양으로서는, 직교 격자 외에, 경사 방향 격자, 정삼각형상의 격자도 가능하며, 격자점에 더하여 대각선 교점으로의 배치도 가능하고, 관통 공간을 형성할 수 있으면, 금속지지체로서의 기능을 유지할 수 있는 범위에서 다양하게 배치할 수 있다.
금속지지체(1)의 표면측면(1a)에 있어서, 관통 공간(1c)이 형성되어 있는 영역을 구멍 영역(1g)으로 칭한다. 구멍 영역(1g)은, 금속지지체(1)의 외주 근방을 제외한 전체에 설치된다. 1개의 구멍 영역(1g)이 금속지지체(1)에 설치되어도 되고, 복수의 구멍 영역(1g)이 금속지지체(1)에 설치되어도 된다.
금속지지체(1)는, 지지체로서 전기 화학 소자(E)를 형성하기에 충분한 강도을 가지는 것이 요구된다. 금속지지체(1)의 두께 T는, 0.1mm 이상이 바람직하고, 0.15mm 이상이 보다 바람직하고, 0.2mm 이상이 더욱 바람직하다. 금속지지체(1)의 두께 T는, 1.0mm 이하가 바람직하고, 0.75mm 이하가 보다 바람직하고, 0.5mm 이하가 더욱 바람직하다.
표면측 개구부(1d)의 직경 D는, 10㎛ 이상이 바람직하고, 15㎛ 이상이 보다 바람직하고, 20㎛ 이상이 더욱 바람직하다. 표면측 개구부(1d)의 직경 D는, 60㎛ 이하가 바람직하고, 50㎛ 이하가 보다 바람직하고, 40㎛ 이하가 더욱 바람직하다.
관통 공간(1c)의 배치의 피치(P)는, 0.05mm 이상이 바람직하고, 0.1mm 이상이 보다 바람직하고, 0.15mm 이상이 더욱 바람직하다. 관통 공간(1c)(구멍)의 배치의 피치(P)는, 0.3mm 이하가 바람직하고, 0.25mm 이하가 보다 바람직하고, 0.2mm 이하가 더욱 바람직하다.
관통 공간(1c)의 표면측 개구부(1d)의 면적(S)은, 7.0×10-5mm2 이상인 것이 바람직하고, 3.0×10-3mm2 이하인 것이 바람직하다.
<제2 예>
도 6을 참조하여, 금속지지체(1)가 동일한 두께의 금속박판(금속박판의 일례)을 복수 중첩하여 형성하는 예(제2 예)에 대하여 설명한다. 도 6에 나타낸 바와 같이, 제2 예에서는, 두께 T1의 제1 금속박판(10)과, 두께 T2의 제2 금속박판(20)에 의해, 금속지지체(1)가 구성되어 있다. 제1 금속박판(10)과 제2 금속박판(20)란, 동일한 두께이다. 금속지지체(1)는, 제1 금속박판(10)과 제2 금속박판(20)을 중첩하여 형성되어 있다. 그리고, 금속지지체(1)는, 전체적으로 두께 T의 판형의 부재로 되어 있다. 제1 금속박판(10)과 제2 금속박판(20)은, 예를 들면, 스풋 용접이나, 납땜 접합, 진공 접합 등의 방법에 의해 접합되어 있다. 그리고, 제1 금속박판(10)과 제2 금속박판(20)은, 약간 상이한 두께, 즉 대략 동일한 두께로 구성해도 된다.
제1 금속박판(10)은, 표면측의 면인 제1 표면측면(10a)으로부터, 이면측의 면인 제1 이면측면(10b)에 관통하는 복수의 제1 관통 공간(10c)(관통공의 일례)을 가진다. 제1 관통 공간(10c)은, 단면이 원형인 구멍이다. 그리고 제1 관통 공간(10c)의 단면형상은, 원형이나 대략 원형 외에, 직사각형이나 삼각형도 가능하다. 이 구멍(제1 관통 공간(10c))은, 레이저 가공 또는 펀칭 가공 또는 에칭 가공 중 어느 하나, 또는, 이들의 조합에 의해, 제1 금속박판(10)에 형성되어 있다. 이 구멍의 중심축은, 제1 금속박판(10)에 대하여 직교하고 있다. 그리고 구멍(제1 관통 공간(10c))의 중심축은, 제1 금속박판(10)에 대하여 경사져 있어도 된다.
제1 관통 공간(10c)의 제1 표면측면(10a)의 개구부를, 제1 표면측 개구부(10d)로 칭한다. 제1 관통 공간(10c)의 제1 이면측면(10b)의 개구부를, 제1 이면측 개구부(10e)로 칭한다. 제1 관통 공간(10c)의 단면이 원형인 구멍이므로, 제1 표면측 개구부(10d) 및 제1 이면측 개구부(10e)는, 모두 원형이다. 제1 표면측 개구부(10d)와 제1 이면측 개구부(10e)는, 동일한 크기라도 된다. 제1 이면측 개구부(10e)가, 제1 표면측 개구부(10d)보다 커도 된다. 제1 표면측 개구부(10d)의 직경을, 직경 D1(관통공의 내경 일례)으로 한다.
도 6에 나타낸 바와 같이, 제1 금속박판(10)에 있어서, 복수의 구멍(제1 관통 공간(10c))이, 피치(P1)(간격)로, 직교 격자의 격자점의 위치에 형성되어 있다. 복수의 구멍(제1 관통 공간(10c))의 배치의 태양으로서는, 직교 격자 외에, 경사 방향 격자, 정삼각형상의 격자도 가능하고, 격자점에 더하여 대각선 교점으로의 배치도 가능하다.
제2 금속박판(20)은, 표면측의 면인 제2 표면측면(20a)으로부터, 이면측의 면인 제2 이면측면(20b)으로 관통하는 복수의 제2 관통 공간(20c)(관통공의 일례)을 가진다. 제2 관통 공간(20c)은, 단면이 원형인 구멍이다. 그리고 제2 관통 공간(20c)의 단면형상은, 원형이나 대략 원형 외에, 직사각형이나 삼각형도 가능하다. 이 구멍(제2 관통 공간(20c))은, 레이저 가공 또는 펀칭 가공 또는 에칭 가공 중 어느 하나, 또는, 이들의 조합에 의해, 제2 금속박판(20)에 형성되어 있다. 이 구멍의 중심축은, 제2 금속박판(20)에 대하여 직교하고 있다. 그리고 구멍(제2 관통 공간(20c))의 중심축은, 제2 금속박판(20)에 대하여 경사져 있어도 된다. 제2 예로서, 제2 금속박판(20)의 제2 관통 공간(20c)의 직경과, 제1 금속박판(10)의 제1 관통 공간(10c)의 직경이 동일한 예가 나타나 있다. 그리고 제1 관통 공간(10c)의 직경과 제2 관통 공간(20c)의 직경은 상이해도 된다.
제2 관통 공간(20c)의 제2 표면측면(20a)의 개구부를, 제2 표면측 개구부(20d)로 칭한다. 제2 관통 공간(20c)의 제2 이면측면(20b)의 개구부를, 제2 이면측 개구부(20e)로 칭한다. 제2 관통 공간(20c)의 단면이 원형인 구멍이므로, 제2 표면측 개구부(20d) 및 제2 이면측 개구부(20e)는, 모두 원형이다. 제2 표면측 개구부(20d)와 제2 이면측 개구부(20e)는, 동일한 크기라도 된다. 제2 이면측 개구부(20e)가, 제2 표면측 개구부(20d)보다 커도 된다. 제2 표면측 개구부(20d)의 직경을, 직경 D2(관통공의 내경 일례)로 한다.
제2 예에서는, 제2 금속박판(20)의 제2 관통 공간(20c)의 직경과, 제1 금속박판(10)의 제1 관통 공간(10c)의 직경이 동일하다. 따라서, 제1 표면측 개구부(10d)의 직경(D1)과, 제2 표면측 개구부(20d)의 직경(D2)이 동일하다.
도 6에 나타낸 바와 같이, 제2 금속박판(20)에 있어서, 복수의 구멍(제2 관통 공간(20c))이, 피치(P2)(간격)로, 직교 격자의 격자점의 위치에 형성되어 있다. 복수의 구멍(제2 관통 공간(20c))의 배치의 태양으로서는, 직교 격자 외에, 경사 방향 격자, 정삼각형상의 격자도 가능하고, 격자점에 더하여 대각선 교점으로의 배치도 가능하다.
제2 예에서는, 제2 금속박판(20)의 제2 관통 공간(20c)의 피치(P2)와, 제1 금속박판(10)의 제1 관통 공간(10c)의 피치(P2)가 동일하다. 그리고 제2 금속박판(20)의 제2 관통 공간(20c)과, 제1 금속박판(10)의 제1 관통 공간(10c)이, 상면에서 볼 때 중첩하도록, 제1 금속박판(10)과 제2 금속박판(20)이 중첩하여 접합되어 있다. 따라서, 제1 관통 공간(10c)과, 제2 관통 공간(20c)이 연통된다. 제1 관통 공간(10c)과 제2 관통 공간(20c)이 연통되어, 금속지지체(1)의 관통 공간(1c)이 형성되어 있다.
금속지지체(1)의 두께(T)는, 제2 예의 형태에 있어서는, 제1 금속박판(10)의 두께(T1)와, 제2 금속박판(20)의 두께(T2)의 합계이다. 그리고 3장 이상의 금속박판을 중첩하여 금속지지체(1)를 형성한 경우에는, 이들 금속박판의 두께의 합계가 금속지지체(1)의 두께(T)가 된다. 제2 예에 있어서도, 금속지지체(1)의 두께(T)는, 0.1mm 이상이 바람직하고, 0.15mm 이상이 보다 바람직하고, 0.2mm 이상이 더욱 바람직하다. 금속지지체(1)의 두께(T)는, 1.0mm 이하가 바람직하고, 0.75mm 이하가 보다 바람직하고, 0.5mm 이하가 더욱 바람직하다.
제2 예의 형태에 있어서는, 제1 예의 형태에서의 표면측 개구부(1d)의 직경(D)은, 제1 금속박판(10)의 제1 관통 공간(10c)의 표면측 개구부(10d)의 직경(D1)(관통 공간의 내경 중 금속판의 표면 측의 개구부의 내경의 일례)이 이것에 상당한다. 제1 금속박판(10)의 제1 표면측면(10a)이, 제1 예의 형태에서의 금속지지체(1)의 표면측면(1a)에 상당하기 때문이다. 제2 예의 금속지지체(1)를 사용하여 전기 화학 소자(E)를 구성한 경우, 제1 금속박판(10)의 제1 표면측면(10a) 위에, 전극층(2)이 형성된다. 제2 예에 있어서도, 표면측 개구부(10d)의 직경(D1)은, 10㎛ 이상이 바람직하고, 15㎛ 이상이 보다 바람직하고, 20㎛ 이상이 더욱 바람직하다. 표면측 개구부(10d)의 직경(D1)은, 60㎛ 이하가 바람직하고, 50㎛ 이하가 보다 바람직하고, 40㎛ 이하가 더욱 바람직하다.
제2 예의 형태에 있어서는, 관통 공간(1c)의 배치의 피치(P)는, 제1 금속박판(10)의 제1 관통 공간(10c)의 피치(P1)가 이것에 상당한다. 제1 금속박판(10)의 제1 표면측면(10a)이, 제1 예의 형태에서의 금속지지체(1)의 표면측면(1a)에 상당하기 때문이다. 제2 예의 금속지지체(1)를 사용하여 전기 화학 소자(E)를 구성한 경우, 제1 금속박판(10)의 제1 표면측면(10a) 위에, 전극층(2)이 형성된다. 제2 예에 있어서도, 관통 공간(10c)(구멍)의 배치의 피치(P)는, 0.05mm 이상이 바람직하고, 0.1mm 이상이 보다 바람직하고, 0.15mm 이상이 더욱 바람직하다. 관통 공간(10c)(구멍)의 배치의 피치(P)는, 0.3mm 이하가 바람직하고, 0.25mm 이하가 보다 바람직하고, 0.2mm 이하가 더욱 바람직하다.
제2 예의 형태에 있어서는, 제1 예의 형태에서의 관통 공간(1c)의 표면측 개구부(1d)의 면적(S)은, 제1 금속박판(10)의 제1 표면측 개구부(10d)의 면적(S1)이 이것에 상당한다. 제1 금속박판(10)의 제1 표면측면(10a)이, 제1 예의 형태에서의 금속지지체(1)의 표면측면(1a)에 상당하기 때문이다. 제2 예의 금속지지체(1)를 사용하여 전기 화학 소자(E)를 구성한 경우, 제1 금속박판(10)의 제1 표면측면(10a) 위에, 전극층(2)이 형성된다. 제2 예에 있어서도, 관통 공간(10c)의 표면측 개구부(10d)의 면적(S1)은, 7.0×10-5mm2 이상인 것이 바람직하고, 3.0×10-3mm2 이하인 것이 바람직하다.
금속박판의 두께를, 관통공의 내경으로 나눈 값을, 금속박판 아스펙트비로 정의한다.
즉, 제1 금속박판(10)의 경우에는, 제1 금속박판(10)의 두께(T1)를, 제1 관통 공간(10c)의 직경(내경)으로 나눈 값이, 제1 금속박판(10)의 금속박판 아스펙트비가 되고, 제2 금속박판(20)의 경우에는, 제2 금속박판(20)의 두께(T2)를, 제2 관통 공간(20c)의 직경(내경)으로 나눈 값이, 제2 금속박판(20)의 금속박판 아스펙트비가 된다. 제1 관통 공간(10c) 및 제2 관통 공간(20c)의 단면형상이 원형이 아닌 경우에는, 제1 관통 공간(10c) 및 제2 관통 공간(20c)의 직경(내경)은, 각 관통 공간을 형성하는 관통공의 단면적과 동일 면적의 원의 직경을 사용할 수 있다.
또한, 제1 관통 공간(10c) 및 제2 관통 공간(20c)을 형성하는 관통공의 직경(내경)이 제1 금속박판(10) 및 제2 금속박판(20)의 두께 방향에서 상이한 경우에는, 각 관통공의 직경의 최대값을 사용하여, 각 금속박판 아스펙트비를 산출하는 것이 바람직하다.
금속지지체(1)의 전체의 판 두께를, 관통 공간(1c)의 내경의 최소값으로 나눈 값을, 금속판 아스펙트비로 정의한다. 관통 공간(1c)의 단면형상이 원형이 아닌 경우에는, 관통 공간(1c)의 직경(내경)은, 관통 공간(1c)을 형성하는 관통공의 단면적과 동일 면적의 원 직경을 사용할 수 있다.
그리고, 관통 공간(1c)을 형성하는 관통공의 직경(내경)이 금속지지체(1)의 두께 방향에서 상이한 경우라도, 관통 공간(1c)의 직경(내경) 중에서 최소값을 사용하여 금속판 아스펙트비를 산출한다.
본 실시형태에 따른 금속지지체(1)는, 금속박판 아스펙트비가 2 이하인 금속박판을 복수 중첩하여 형성된다. 그리고, 형성된 금속지지체(1)의 금속판 아스펙트비가, 3 이상이 된다.
이상 설명한 제2 예의 형태에서는, 예를 들면, 제1 금속박판(10)의 두께(T1)를 100㎛, 제1 표면측 개구부(10d)의 직경(D1)을 50㎛로 한다. 동일하게 제2 금속박판(20)의 두께(T2)를 100㎛, 제2 표면측 개구부(20d)의 직경(D2)을 50㎛로 한다. 제1 금속박판(10) 및 제2 금속박판(20)의 각 금속박판 아스펙트비는, 100/50=2가 되고, 2 이하이다.
전술한 치수의 제1 금속박판(10)과 제2 금속박판(20)을 중첩하여 금속지지체(1)를 형성하면, 금속판 아스펙트비는, (100+100)/50=4가 되고, 3 이상이 된다.
그리고, 금속판 아스펙트비의 산출 시에 사용한 관통 공간(1c)의 직경(내경)은, 관통 공간(1c)의 직경(내경)의 최소값인 제1 표면측 개구부(10d)의 직경(D1)을 사용했다.
그리고, 제1 금속박판(10)이나 제2 금속박판(20)을, 금속 메쉬 혹은 익스팬드 메탈을 압연 가공하여 판형으로 가공한 금속박판으로 해도 된다. 금속 메쉬는, 금속의 세선(細線)을 짜서 형성된 시트형의 부재이며, 그 짜여진 세선의 사이에 공간을 가지고, 그 공간이 금속 메쉬를 두께 방향으로 관통하는 부분(관통공)을 가지고 있지만, 금속 메쉬를 압연 가공하여 판형으로 가공한 것은, 두께 방향으로 관통하는 관통공을 가지는 금속박판으로 할 수 있다. 또한, 익스팬드 메탈은, 금속의 판에 틈을 형성하고 넓히고, 그 틈을 마름모형이나 귀갑(龜甲)형 등으로 한 시트형의 부재이며, 틈이 넓혀져서 마름모형이나 귀갑형 등으로 된 부분이, 익스팬드 메탈을 두께 방향으로 관통하는 부분(관통공)이 되므로, 익스팬드 메탈을 압연 가공해서 판형으로 가공한 것은, 두께 방향으로 관통하는 관통공을 가지는 금속박판으로 할 수 있다. 그리고, 이들의 경우, 관통공의 형상은 다양한 형태를 가지지만, 금속 메쉬 혹은 익스팬드 메탈을 압연 가공하여 얻어진 금속박판의 표면에서의 관통공의 개구부의 각 면적과 동일 면적의 원의 직경을 산출하여, 그 관통공의 직경(내경)으로 할 수 있다.
<제3 예>
도 7을 참조하여, 금속지지체(1)가 상이한 두께의 금속박판(금속박판의 일례)을 복수 중첩하여 형성되는 예(제3 예)에 대하여 설명한다. 제3 예에 따른 금속지지체(1)는, 제2 예에 따른 금속지지체(1)의 각 부분의 치수 관계를 변경한 것이다. 이하의 제3 예의 설명에서는, 제2 예와 동일한 부재에 대해서는 동일한 부호를 부여하고, 설명을 생략하는 경우가 있다.
도 7에 나타낸 바와 같이, 제3 예에서는, 두께 T1의 제1 금속박판(10)과, 두께 T2의 제2 금속박판(20)에 의해, 금속지지체(1)가 구성되어 있다. 제1 금속박판(10)과 제2 금속박판(20)은, 상이한 두께이며, 제2 금속박판(20)은 제1 금속박판(10)보다 두께가 크다. 도 7에 나타낸 바와 같이 제3 예에서는, 예를 들면, 두께 T2는, 두께 T1의 약 5배이다.
제3 예에서는, 제2 표면측 개구부(20d)의 직경(D2)과, 제1 표면측 개구부(10d)의 직경(D1)은, 상이한 값이 되어 있다. 제2 표면측 개구부(20d)의 직경(D2)은, 제1 표면측 개구부(10d)의 직경(D1)보다 크고, 예를 들면, 제1 표면측 개구부(10d)의 직경(D1)의 약 8배이다.
제3 예에서는, 제1 금속박판(10)의 제1 관통 공간(10c)(관통공의 일례)과 제2 금속박판(20)의 제2 관통 공간(20c)(관통공의 일례)은, 모두 직교 격자의 격자점의 위치에 형성되어 있다. 그러나, 이들의 배치 피치, 즉 제1 관통 공간(10c)의 피치(P1)와 제2 관통 공간(20c)의 피치(P2)는, 상이한 값이 되어 있다. 제2 관통 공간(20c)의 피치(P2)는, 제1 관통 공간(10c)의 피치(P1)보다 크고, 예를 들면, 피치(P1)의 4배이다.
그러면 제3 예의 금속지지체(1)에서는, 도 7에 나타낸 바와 같이, 1개의 제2 관통 공간(20c)과, 4개의 제1 관통 공간(10c)이 연통되게 된다. 즉 제2 예와 동일하게 제3 예에 있어서도, 제1 관통 공간(10c)과 제2 관통 공간(20c)이 연통되어, 제1 예의 형태에서의 금속지지체(1)의 관통 공간(1c)이 형성되어 있다.
제3 예의 형태에 있어서도, 제2 예와 동일하게, 제1 예의 형태에서의 표면측 개구부(1d)의 직경(D)은, 제1 금속박판(10)의 제1 관통 공간(10c)의 직경(D1)이 이것에 상당한다. 제1 금속박판(10)의 제1 표면측면(10a)이, 제1 예의 형태에서의 금속지지체(1)의 표면측면(1a)에 상당하기 때문이다. 제3 예의 금속지지체(1)를 사용하여 전기 화학 소자(E)를 구성한 경우, 제1 금속박판(10)의 제1 표면측면(10a) 위에, 전극층(2)이 형성된다. 제3 예에 있어서도, 표면측 개구부(10d)의 직경(D1)은, 10㎛ 이상이 바람직하고, 15㎛ 이상이 보다 바람직하고, 20㎛ 이상이 더욱 바람직하다. 표면측 개구부(10d)의 직경(D1)은, 60㎛ 이하가 바람직하고, 50㎛ 이하가 보다 바람직하고, 40㎛ 이하가 더욱 바람직하다.
제3 예의 형태에 있어서도, 제2 예와 동일하게, 제1 예의 형태에서의 관통 공간(1c)의 배치의 피치(P)는, 제1 금속박판(10)의 제1 관통 공간(10c)의 피치(P1)가 이것에 상당한다. 제1 금속박판(10)의 제1 표면측면(10a)이, 제1 예의 형태에서의 금속지지체(1)의 표면측면(1a)에 상당하기 때문이다. 제3 예의 금속지지체(1)를 사용하여 전기 화학 소자(E)를 구성한 경우, 제1 금속박판(10)의 제1 표면측면(10a) 위에, 전극층(2)이 형성된다. 제3 예에 있어서도, 관통 공간(10c)(구멍)의 배치의 피치(P1)는, 0.05mm 이상이 바람직하고, 0.1mm 이상이 보다 바람직하고, 0.15mm 이상이 더욱 바람직하다. 관통 공간(10c)(구멍)의 배치의 피치(P1)는, 0.3mm 이하가 바람직하고, 0.25mm 이하가 보다 바람직하고, 0.2mm 이하가 더욱 바람직하다.
제3 예의 형태에 있어서도, 제2 예와 동일하게, 제1 예의 형태에서의 관통 공간(1c)의 표면측 개구부(1d)의 면적(S)은, 제1 금속박판(10)의 제1 표면측 개구부(10d)의 면적(S1)이 이것에 상당한다. 제1 금속박판(10)의 제1 표면측면(10a)이, 제1 예의 형태에서의 금속지지체(1)의 표면측면(1a)에 상당하기 때문이다. 제3 예의 금속지지체(1)를 사용하여 전기 화학 소자(E)를 구성한 경우, 제1 금속박판(10)의 제1 표면측면(10a) 위에, 전극층(2)이 형성된다. 제3 예에 있어서도, 관통 공간(10c)의 표면측 개구부(10d)의 면적(S1)은, 7.0×10-5mm2 이상인 것이 바람직하고, 3.0×10-3mm2 이하인 것이 바람직하다.
이상 설명한 제3 예의 형태에서는, 예를 들면, 제1 금속박판(10)의 두께(T1)를 100㎛, 제1 표면측 개구부(10d)의 직경(D1)을 50㎛로 한다. 제1 금속박판(10)의 금속박판 아스펙트비는, 100/50=2가 되고, 2 이하이다. 제2 금속박판(20)의 두께(T2)를 200㎛, 제2 표면측 개구부(20d)의 직경(D2)을 100㎛로 한다. 제2 금속박판(20)의 금속박판 아스펙트비는, 200/100=2가 되고, 2 이하이다. 금속박판 아스펙트비의 산출 방법은, 제2 예와 동일하게 행할 수 있다.
전술한 치수의 제1 금속박판(10)과 제2 금속박판(20)을 중첩하여 금속지지체(1)를 형성하면, 금속판 아스펙트비는, (100+200)/50=6이 되고, 3 이상이 된다.
금속판 아스펙트비의 산출 방법은, 제2 예와 동일하게 행할 수 있지만, 제3 예에서는, 관통 공간(1c)을 형성하는 제1 관통 공간(10c)의 직경(D1)과 제2 관통 공간(20c)의 직경(D2)이 상이한 직경(내경)을 가지므로, 관통 공간(1c)의 직경(내경)이 관통 공간(1c) 중에서 최소값으로 되는 제1 관통 공간(10c)의 제1 표면측 개구부(10d)의 직경(D1)을 사용하여, 금속판 아스펙트비를 산출하고 있다. 이로써, 금속판 아스펙트비를 산출할 때의 관통 공간(1c)의 내경으로서, 관통 공간(1c)의 직경(내경) 중 금속지지체(1)의 표면 측의 개구부의 내경이며, 또한, 관통 공간(1c)의 내경의 최소값을 사용하고 있는 것이 된다.
그리고, 제3 예에서는, 제1 관통 공간(10c)의 직경(D1)과 제2 관통 공간(20c)의 직경(D2)의 크기를 비교하면, 직경(D1) 쪽이 작다. 이 때문에, 제1 관통 공간(10c)의 제1 표면측 개구부(10d)(직경(D1))가 형성되는 표면측면(1a) 위에, 후술하는 전극층(2) 등(지지대상물의 일례)이 설치되도록 하면, 전극층(2)의 형성이 용이하게 되므로 바람직하다.
그리고, 제1 금속박판(10)이나 제2 금속박판(20)을, 전술한 금속 메쉬 혹은 익스팬드 메탈을 압연 가공하여 얻어진 금속박판으로 할 수도 있다.
(전극층)
전극층(2)은, 도 1에 나타낸 바와 같이, 금속지지체(1)의 표면측의 면으로서 관통 공간(1c)이 설치된 영역보다 큰 영역에, 박층의 상태로 설치할 수 있다. 박층으로 하는 경우에는, 그 두께를, 예를 들면, 1㎛∼100㎛ 정도, 바람직하게는, 5㎛∼50㎛로 할 수 있다. 이와 같은 두께로 하면, 고가의 전극층 재료의 사용량을 저감하여 코스트다운을 도모하면서, 충분한 전극 성능을 확보하는 것이 가능하게 된다. 관통 공간(1c)이 설치된 영역의 전체가, 전극층(2)에 덮여져 있다. 즉, 관통 공간(1c)은 금속지지체(1)에서의 전극층(2)이 형성된 영역의 내측에 형성되어 있다. 바꾸어 말하면, 모든 관통 공간(1c)이 전극층(2)을 향하여 설치되어 있다.
전극층(2)의 재료로서는, 예를 들면, NiO-GDC, Ni-GDC, NiO-YSZ, Ni-YSZ, CuO-CeO2, Cu-CeO2 등의 복합재를 사용할 수 있다. 이들 예에서는, GDC, YSZ, CeO2을 복합재의 골재로 칭할 수 있다. 그리고, 전극층(2)은, 저온소성법(예를 들면, 1100℃보다 높은 고온 영역에서의 소성 처리를 하지 않는 저온 영역에서의 소성 처리를 사용하는 습식법)이나 스프레이 코팅법(용사법이나 에어로졸데포지션법, 에어로졸가스데포지션법, 파우더제트데포지션법, 파티클제트데포지션법, 콜드스프레이법 등의 방법), PVD법(스퍼터링법이나 펄스레이저데포지션법 등), CVD법 등에 의해 형성하는 것이 바람직하다. 이들, 저온 영역에서 사용 가능한 프로세스에 의해, 예를 들면, 1100℃보다 높은 고온 영역에서의 소성을 사용하지 않고, 양호한 전극층(2)이 얻어진다. 이 때문에, 금속지지체(1)를 손상시키지 않고, 또한, 금속지지체(1)와 전극층(2)의 원소 상호 확산을 억제할 수 있어, 내구성이 우수한 전기 화학 소자를 실현할 수 있으므로 바람직하다. 또한, 저온소성법을 사용하면, 원재료의 핸들링이 용이하게 되므로 더욱 바람직하다.
전극층(2)은, 기체투과성을 가지게 하기 위하여, 그 내부 및 표면에 복수의 세공을 가진다.
즉 전극층(2)은, 다공질 층으로서 형성된다. 전극층(2)은, 예를 들면, 그 치밀도가 30% 이상 80% 미만이 되도록 형성된다. 세공의 사이즈는, 전기 화학 반응을 행할 때 원활한 반응이 진행되기에 적합한 사이즈를 적절하게 선택할 수 있다. 그리고 치밀도는, 층을 구성하는 재료가 공간에서 차지하는 비율이며, (1-공공률(空孔率)로 나타낼 수 있고, 또한, 상대 밀도와 동등하다.
(중간층)
중간층(3)(삽입층)은, 도 1에 나타낸 바와 같이, 전극층(2)을 덮은 상태로, 전극층(2) 위에 박층의 상태로 형성할 수 있다. 박층으로 하는 경우에는, 그 두께를, 예를 들면, 1㎛∼100㎛ 정도, 바람직하게는 2㎛∼50㎛ 정도, 보다 바람직하게는 4㎛∼25㎛ 정도로 할 수 있다. 이와 같은 두께로 하면, 고가의 중간층 재료의 사용량을 저감하여 코스트다운을 도모하면서, 충분한 성능을 확보하는 것이 가능하게 된다. 중간층(3)의 재료로서는, 예를 들면, YSZ(이트리어 안정화 지르코니아), SSZ(스칸듐 안정화 지르코니아)이나 GDC(가돌륨·도핑·세리아), YDC(이트륨·도핑·세리아), SDC(사마륨·도핑·세리아) 등을 사용할 수 있다. 특히 세리아계의 세라믹스가 바람직하게 사용된다.
중간층(3)은, 저온소성법(예를 들면, 1100℃보다 높은 고온 영역에서의 소성 처리를 하지 않는 저온 영역에서의 소성 처리를 사용하는 습식법)이나 스프레이 코팅법(용사법이나 에어로졸데포지션법, 에어로졸가스데포지션법, 파우더제트데포지션법, 파티클제트데포지션법, 콜드스프레이법 등의 방법), PVD법(스퍼터링법, 펄스레이저데포지션법 등), CVD법 등에 의해 형성하는 것이 바람직하다. 이들, 저온 영역에서 사용 가능한 성막 프로세스에 의해, 예를 들면, 1100℃보다 높은 고온 영역에서의 소성을 사용하지 않고 중간층(3)이 얻어진다. 이 때문에, 금속지지체(1)를 손상시키지 않고, 금속지지체(1)와 전극층(2)의 원소 상호 확산을 억제할 수 있어, 내구성이 우수한 전기 화학 소자(E)를 실현할 수 있다. 또한, 저온소성법을 사용하면, 원재료의 핸들링이 용이하게 되므로 더욱 바람직하다.
중간층(3)은, 산소 이온(산화물 이온)전도성을 가지는 것이 바람직하다. 또한, 산소 이온(산화물 이온)과 전자의 혼합 전도성을 가지면 더욱 바람직하다. 이러한 성질을 가지는 중간층(3)은, 전기 화학 소자(E)로의 적용에 적합하다.
(전해질층)
전해질층(4)은, 도 1에 나타낸 바와 같이, 전극층(2) 및 중간층(3)을 덮은 상태로, 중간층(3) 위에 박층의 상태로 형성된다. 또한, 두께가 10㎛ 이하의 박막의 상태로 형성할 수도 있다. 상세하게는 전해질층(4)은, 도 1에 나타낸 바와 같이, 중간층(3) 위와 금속지지체(1) 위에 걸쳐서 설치된다. 이와 같이 구성하여, 전해질층(4)을 금속지지체(1)에 접합함으로써, 전기 화학 소자 전체로서 견뢰성이 우수하게 할 수 있다.
또한 전해질층(4)은, 도 1에 나타낸 바와 같이, 금속지지체(1)의 표면측의 면으로서 관통 공간(1c)이 설치된 영역보다 큰 영역에 설치된다. 즉, 관통 공간(1c)은 금속지지체(1)에서의 전해질층(4)이 형성된 영역의 내측에 형성되어 있다.
또한 전해질층(4)의 주위에 있어서는, 전극층(2) 및 중간층(3)으로부터의 가스의 리크를 억제할 수 있다. 설명하면, 전기 화학 소자(E)를 SOFC의 구성 요소로서 사용하는 경우, SOFC의 작성 시에는, 금속지지체(1)의 이면측으로부터 관통 공간(1c)을 통하여 전극층(2)에 가스가 공급된다. 전해질층(4)이 금속지지체(1)에 접하고 있는 부위에 있어서는, 개스킷 등의 별도의 부재를 설치하지 않고, 가스의 리크를 억제할 수 있다. 그리고, 본 실시형태에서는 전해질층(4)에 의해 전극층(2)의 주위 전체를 덮고 있지만, 전극층(2) 및 중간층(3)의 상부에 전해질층(4)을 설치하고, 주위에 개스킷 등을 설치하는 구성으로 해도 된다.
전해질층(4)의 재료로서는, YSZ(이트리어 안정화 지르코니아), SSZ(스칸듐 안정화 지르코니아)이나 GDC(가돌륨·도핑·세리아), YDC(이트륨·도핑·세리아), SDC(사마륨·도핑·세리아), LSGM(스트론튬·마그네슘 첨가 란탄갈레이트) 등을 사용할 수 있다. 특히 지르코니아계의 세라믹스가 바람직하게 사용된다. 전해질층(4)을 지르코니아계 세라믹스로 하면, 전기 화학 소자(E)를 사용한 SOFC의 가동 온도를 세리아계 세라믹스에 비해 높게 할 수 있다. 예를 들면, 전기 화학 소자(E)를 SOFC에 사용하는 경우, 전해질층(4)의 재료로서 YSZ와 같은 650℃ 정도 이상의 고온 영역에서도 높은 전해질 성능을 발휘할 수 있는 재료를 사용하고, 시스템의 원연료에 도시가스나 LPG 등의 탄화 수소계의 원연료를 사용하고, 원연료를 수증기 개질 등에 의해 SOFC의 애노드 가스로 하는 시스템 구성으로 하면, SOFC의 셀 스택에서 생기는 열을 원연료 가스의 개질에 사용하는 고효율의 SOFC 시스템을 구축할 수 있다.
전해질층(4)은, 저온소성법(예를 들면 1100℃를 초과하는 고온 영역에서의 소성 처리를 하지 않는 저온 영역에서의 소성 처리를 사용하는 습식법)이나 스프레이 코팅법(용사법이나 에어로졸데포지션법, 에어로졸가스데포지션법, 파우더제트데포지션법, 파티클제트데포지션법, 콜드스프레이법 등의 방법), PVD법(스퍼터링법, 펄스레이저데포지션법 등), CVD법 등에 의해 형성하는 것이 바람직하다. 이들, 저온 영역에서 사용 가능한 성막 프로세스에 의해, 예를 들면 1100℃를 초과하는 고온 영역에서의 소성을 사용하지 않고, 치밀하며 기밀성 및 가스 배리어성이 높은 전해질층(4)이 얻어진다. 이 때문에, 금속지지체(1)의 손상을 억제하고, 또한 금속지지체(1)와 전극층(2)의 원소 상호 확산을 억제할 수 있어, 성능·내구성이 우수한 전기 화학 소자(E)를 실현할 수 있다. 특히, 저온소성법이나 스프레이 코팅법 등을 사용하면, 저비용 소자가 실현되므로, 바람직하다. 또한, 스프레이 코팅법을 사용하면, 치밀하며 기밀성 및 가스 배리어성이 높은 전해질층이 저온 영역에서 용이하게 얻어지기 쉬우므로 더욱 바람직하다.
전해질층(4)은, 애노드 가스나 캐소드 가스의 가스 리크를 차폐(遮蔽)하고, 또한, 높은 이온 전도성을 발현하기 위하여, 치밀하게 구성된다. 전해질층(4)의 치밀도는 90% 이상이 바람직하고, 95% 이상이면 보다 바람직하고, 98% 이상이면 더욱 바람직하다. 전해질층(4)은, 균일한 층인 경우에는, 그 치밀도가 95% 이상인 것이 바람직하고, 98% 이상이면 더욱 바람직하다. 또한, 전해질층(4)이, 복수의 층형으로 구성되어 있는 경우에는, 그 중 적어도 일부가, 치밀도가 98% 이상인 층 치밀 전해질층)을 포함하고 있는 것이 바람직하고, 99% 이상인 층(치밀 전해질층)을 포함하고 있으면 보다 바람직하다. 이와 같은 치밀 전해질층이 전해질층의 일부에 포함되어 있으면, 전해질층이 복수의 층형으로 구성되어 있는 경우라도, 치밀하며 기밀성 및 가스 배리어성이 높은 전해질층을 형성하기 쉽게 되기 때문이다.
(반응방지층)
반응방지층(5)은, 전해질층(4) 위에 박층의 상태로 형성할 수 있다. 박층으로 하는 경우에는, 그 두께를, 예를 들면, 1㎛∼100㎛ 정도, 바람직하게는 2㎛∼50㎛ 정도, 보다 바람직하게는 3㎛∼15㎛ 정도로 할 수 있다. 이와 같은 두께로 하면, 고가ㅇ,; 반응방지층 재료의 사용량을 저감하여 코스트다운을 도모하면서, 충분한 성능을 확보하는 것이 가능하게 된다. 반응방지층(5)의 재료로서는, 전해질층(4)의 성분과 대극 전극층(6)의 성분 사이의 반응을 방지할 수 있는 재료이면 된다. 예를 들면 세리아계 재료 등을 사용할 수 있다. 또한 반응방지층(5)의 재료로서, Sm, Gd 및 Y로 이루어지는 군으로부터 선택되는 원소 중 적어도 1개를 함유하는 재료가 바람직하게 사용된다. 그리고, Sm, Gd 및 Y로 이루어지는 군으로부터 선택되는 원소 중 적어도 1개를 함유하고, 이들 원소의 함유율의 합계가 1.0질량% 이상 10질량% 이하이면 된다. 반응방지층(5)을 전해질층(4)과 대극 전극층(6) 사이에 도입함으로써, 대극 전극층(6)의 구성 재료와 전해질층(4)의 구성 재료의 반응이 효과적으로 억제되어, 전기 화학 소자(E)의 성능의 장기 안정성을 향상시킬 수 있다. 반응방지층(5)의 형성은, 1100℃ 이하의 처리 온도에서 형성할 수 있는 방법을 적절하게 사용하여 행하면, 금속지지체(1)의 손상을 억제하고, 또한 금속지지체(1)와 전극층(2)의 원소 상호 확산을 억제할 수 있어, 성능·내구성이 우수한 전기 화학 소자(E)를 실현할 수 있으므로, 바람직하다. 예를 들면, 저온소성법(예를 들면, 1100℃를 초과하는 고온 영역에서의 소성 처리를 하지 않는 저온 영역에서의 소성 처리를 사용하는 습식법), 스프레이 코팅법(용사법이나 에어로졸데포지션법, 에어로졸가스데포지션법, 파우더제트데포지션법, 파티클제트데포지션법, 콜드스프레이법 등의 방법), PVD법(스퍼터링법, 펄스레이저데포지션법 등), CVD법 등을 적절하게 사용하여 행할 수 있다. 특히, 저온소성법이나 스프레이 코팅법 등을 사용하면, 저비용 소자가 실현되므로, 바람직하다. 또한, 저온소성법을 사용하면, 원재료의 핸들링이 용이하게 되므로 더욱 바람직하다.
(대극 전극층)
대극 전극층(6)은, 전해질층(4) 또는 반응방지층(5) 위에 박층의 상태로 형성할 수 있다. 박층으로 하는 경우에는, 그 두께를, 예를 들면, 1㎛∼100㎛ 정도, 바람직하게는, 5㎛∼50㎛로 할 수 있다. 이와 같은 두께로 하면, 고가의 대극 전극층 재료의 사용량을 저감하여 코스트다운을 도모하면서, 충분한 전극 성능을 확보하는 것이 가능하게 된다. 대극 전극층(6)의 재료로서는, 예를 들면, LSCF, LSM 등의 복합 산화물, 세리아계 산화물 및 이들의 혼합물을 사용할 수 있다. 특히 대극 전극층(6)이, La, Sr, Sm, Mn, Co 및 Fe로 이루어지는 군으로부터 선택되는 2종류 이상의 원소를 함유하는 페로브스카이트형 산화물을 포함하는 것이 바람직하다. 이상의 재료를 사용하여 구성되는 대극 전극층(6)은, 캐소드로서 기능한다.
그리고, 대극 전극층(6)의 형성은, 1100℃ 이하의 처리 온도에서 형성할 수 있는 방법을 적절하게 사용하여 행하면, 금속지지체(1)의 손상을 억제하고, 또한 금속지지체(1)와 전극층(2)의 원소 상호 확산을 억제할 수 있어, 성능·내구성이 우수한 전기 화학 소자(E)를 실현할 수 있으므로, 바람직하다. 예를 들면, 저온소성법(예를 들면, 1100℃를 초과하는 고온 영역에서의 소성 처리를 하지 않는 저온 영역에서의 소성 처리를 사용하는 습식법), 스프레이 코팅법(용사법이나 에어로졸데포지션법, 에어로졸가스데포지션법, 파우더제트데포지션법, 파티클제트데포지션법, 콜드스프레이법 등의 방법), PDV법(스퍼터링법, 펄스레이저데포지션법 등), CVD법 등을 적절하게 사용하여 행할 수 있다. 특히, 저온소성법이나 스프레이 코팅법 등을 사용하면, 저비용 소자가 실현되므로, 바람직하다. 또한, 저온소성법을 사용하면, 원재료의 핸들링이 용이하게 되므로 더욱 바람직하다.
(고체산화물형 연료전지)
이상과 같이 전기 화학 소자(E)를 구성함으로써, 전기 화학 소자(E)를 고체산화물형 연료전지의 발전 셀로서 사용할 수 있다. 예를 들면, 금속지지체(1)의 이면측의 면으로부터 관통 공간(1c)을 통하여 수소를 포함하는 연료 가스를 전극층(2)에 공급하고, 전극층(2)의 대극이 되는 대극 전극층(6)에 공기를 공급하고, 예를 들면, 500℃ 이상 900℃ 이하의 온도에서 작동시킨다. 이렇게 하면, 대극 전극층(6)에 있어서 공기에 포함되는 산소(O2)가 전자(e-)와 반응하여 산소 이온(O2-)이 생성된다. 이 산소 이온(O2-)이 전해질층(4)을 통하여 전극층(2)으로 이동한다. 전극층(2)에 있어서는, 공급된 연료 가스에 포함되는 수소(H2)가 산소 이온(O2-)과 반응하여, 물(H2O)과 전자(e-)가 생성된다. 이상의 반응에 의해, 전극층(2)과 대극 전극층(6) 사이에 기전력이 발생한다. 이 경우에, 전극층(2)은 SOFC의 연료극(애노드)으로서 기능하고, 대극 전극층(6)은 공기극(캐소드)으로서 기능한다.
(전기 화학 소자의제조 방법)
다음으로, 전기 화학 소자(E)의 제조 방법에 대하여 설명한다.
(전극층 형성 단계)
전극층 형성 단계에서는, 금속지지체(1)의 표면측의 면 관통 공간(1c)이 설치된 영역 보다 넓은 영역에 전극층(2)이 박막의 상태로 형성된다. 금속지지체(1)의 관통공은 레이저 가공 등에 의해 설치할 수 있다. 전극층(2)의 형성은, 전술한 바와 같이, 저온소성법(1100℃ 이하의 저온 영역에서의 소성 처리를 행하는 습식법), 스프레이 코팅법(용사법이나 에어로졸데포지션법, 에어로졸가스데포지션법, 파우더제트데포지션법, 파티클제트데포지션법, 콜드스프레이법 등의 방법), PVD법(스퍼터링법, 펄스레이저데포지션법 등), CVD법 등의 방법을 사용할 수 있다. 어느 방법을 사용하는 경우라도, 금속지지체(1)의 열화를 억제하기 위하여, 1100℃ 이하의 온도에서 행하는 것이 바람직하다.
전극층 형성 단계를 저온소성법으로 행하는 경우에는, 구체적으로는 이하의 예와 같이 행한다. 먼저 전극층(2)의 재료 분말과 용매(분산매)를 혼합하여 재료 페이스트를 작성하고, 금속지지체(1)의 표면측의 면에 도포한다. 그리고, 전극층(2)을 압축 성형하고(전극층 평활화 공정), 1100℃ 이하에서 소성한다(전극층 소성 공정). 전극층(2)의 압축 성형은, 예를 들면, CIP(Cold Isostatic Pressing, 냉간 정수압 가압) 성형, 롤 가압 성형, RIP(Rubber Isostatic Pressing) 성형 등에 의해 행할 수 있다. 또한, 전극층의 소성은, 800℃ 이상 1100℃ 이하의 온도에서 행하는 것이 바람직하다. 또한, 전극층 평활화 공정과 전극층 소성 공정의 순서를 바꿀 수 수 있다.
그리고, 중간층(3)을 가지는 전기 화학 소자를 형성하는 경우에는, 전극층 평활화 공정이나 전극층 소성 공정을 생략하거나, 전극층 평활화 공정이나 전극층 소성 공정을 후술하는 중간층 평활화 공정이나 중간층 소성 공정에 포함시킬 수도 있다.
그리고, 전극층 평활화 공정은, 랩 성형이나 레벨링 처리, 표면의 절삭·연마 처리 등을 실시하는 것에 의해 행할 수도 있다.
(확산 억제층 형성 단계)
전술한 전극층 형성 단계에서의 소성 공정 시에, 금속지지체(1)의 표면에 금속 산화물층(1f)(확산 억제층)이 형성된다. 그리고, 상기 소성 공정에, 소성 분위기를 산소분압이 낮은 분위기 조건으로 하는 소성 공정이 포함되어 있으면 원소의 상호 확산 억제 효과가 높고, 저항값이 낮은 양질의 금속 산화물층(1f)(확산 억제층)이 형성되므로, 바람직하다. 전극층 형성 단계를, 소성을 행하지 않는 코팅 방법으로 행하는 경우를 포함하고, 별도의 확산 억제층 형성 단계를 포함해도 된다. 어느 경우에 있어서도, 금속지지체(1)의 손상을 억제 가능한 1100℃ 이하의 처리 온도에서 실시하는 것이 바람직하다. 또한, 후술하는 중간층 형성 단계에서의 소성 공정 시에, 금속지지체(1)의 표면에 금속 산화물층(1f)(확산 억제층)이 형성되어도 된다.
(중간층 형성 단계)
중간층 형성 단계에서는, 전극층(2)을 덮는 형태로, 전극층(2) 위에 중간층(3)이 박층의 상태로 형성된다. 중간층(3)의 형성은, 전술한 바와 같이, 저온소성법(1100℃ 이하의 저온 영역에서의 소성 처리를 행하는 습식법), 스프레이 코팅법(용사법이나 에어로졸데포지션법, 에어로졸가스데포지션법, 파우더제트데포지션법, 파티클제트데포지션법, 콜드스프레이법 등의 방법), PVD법(스퍼터링법, 펄스레이저데포지션법 등), CVD법 등의 방법을 사용할 수 있다. 어느 방법을 사용하는 경우라도, 금속지지체(1)의 열화를 억제하기 위하여, 1100℃ 이하의 온도에서 행하는 것이 바람직하다.
중간층 형성 단계를 저온소성법으로 행하는 경우에는, 구체적으로는 이하의 예와 같이 행한다.
먼저, 중간층(3)의 재료 분말과 용매(분산매)를 혼합하여 재료 페이스트를 작성하고, 금속지지체(1)의 표면측의 면에 도포한다. 그리고, 중간층(3)을 압축 성형하고(중간층 평활화 공정), 1100℃ 이하에서 소성한다(중간층 소성 공정). 중간층(3)의 압연은, 예를 들면, CIP(Cold Isostatic Pressing, 냉간 정수압 가압) 성형, 롤 가압 성형, RIP(Rubber Isostatic Pressing) 성형 등에 의해 행할 수 있다. 또한, 중간층(3)의 소성은, 800℃ 이상 1100℃ 이하의 온도에서 행하는 것이 바람직하다. 이와 같은 온도이면, 금속지지체(1)의 손상·열화를 억제하면서, 강도가 높은 중간층(3)을 형성할 수 있기 때문이다. 또한, 중간층(3)의 소성을 1050℃ 이하에서 행하는 것이 보다 바람직하고, 1000℃ 이하에서 행하는 것이 더욱 바람직하다. 이는, 중간층(3)의 소성 온도를 저하시킬수록, 금속지지체(1)의 손상·열화를 보다 억제하면서, 전기 화학 소자(E)를 형성할 수 있기 때문이다. 또한, 중간층 평활화 공정과 중간층 소성 공정의 순서를 바꿀 수도 있다. 그리고, 중간층 평활화 공정은, 랩 성형이나 레벨링 처리, 표면의 절삭·연마 처리 등을 실시하는 것에 의해 행할 수도 있다.
(전해질층 형성 단계)
전해질층 형성 단계에서는, 전극층(2) 및 중간층(3)을 덮은 상태로, 전해질층(4)이 중간층(3) 위에 박층의 상태로 형성된다. 또한, 두께가 10㎛ 이하의 박막의 상태로 형성되어도 된다. 전해질층(4)의 형성은, 전술한 바와 같이, 저온소성법(1100℃ 이하의 저온 영역에서의 소성 처리를 행하는 습식법), 스프레이 코팅법(용사법이나 에어로졸데포지션법, 에어로졸가스데포지션법, 파우더제트데포지션법, 파티클제트데포지션법, 콜드스프레이법 등의 방법), PVD법(스퍼터링법, 펄스레이저데포지션법 등), CVD법 등의 방법을 사용할 수 있다. 어느 방법을 사용하는 경우라도, 금속지지체(1)의 열화를 억제하기 위하여, 1100℃ 이하의 온도에서 행하는 것이 바람직하다.
치밀하며 기밀성 및 가스 배리어 성능의 높은, 양질의 전해질층(4)을 1100℃ 이하의 온도 영역에서 형성하기 위해서는, 전해질층 형성 단계를 스프레이 코팅법으로 행하는 것이 바람직하다. 이러한 경우, 전해질층(4)의 재료를 금속지지체(1) 위의 중간층(3)을 향하여 분사하여, 전해질층(4)을 형성한다.
(반응방지층 형성 단계)
반응방지층 형성 단계에서는, 반응방지층(5)이 전해질층(4) 위에 박층의 상태로 형성된다. 반응방지층(5)의 형성은, 전술한 바와 같이, 저온소성법(1100℃ 이하의 저온 영역에서의 소성 처리를 행하는 습식법), 스프레이 코팅법(용사법이나 에어로졸데포지션법, 에어로졸가스데포지션법, 파우더제트데포지션법, 파티클제트데포지션법, 콜드스프레이법 등의 방법), PVD법(스퍼터링법, 펄스레이저데포지션법 등), CVD법 등의 방법을 사용할 수 있다. 어느 방법을 사용하는 경우라도, 금속지지체(1)의 열화를 억제하기 위하여, 1100℃ 이하의 온도에서 행하는 것이 바람직하다. 그리고 반응방지층(5) 상측의 면을 평탄하게 하기 위하여, 예를 들면, 반응방지층(5)의 형성 후에 레벨링 처리나 표면을 절삭·연마 처리를 실시하거나, 습식 형성 후 소성 전에, 프레스가공을 실시해도 된다.
(대극 전극층 형성 단계)
대극 전극층 형성 단계에서는, 대극 전극층(6)이 반응방지층(5) 위에 박층의 상태로 형성된다. 대극 전극층(6)의 형성은, 전술한 바와 같이, 저온소성법(1100℃ 이하의 저온 영역에서의 소성 처리를 행하는 습식법), 스프레이 코팅법(용사법이나 에어로졸데포지션법, 에어로졸가스데포지션법, 파우더제트데포지션법, 파티클제트데포지션법, 콜드스프레이법 등의 방법), PVD법(스퍼터링법, 펄스레이저데포지션법 등), CVD법 등의 방법을 사용할 수 있다. 어느 방법을 사용하는 경우라도, 금속지지체(1)의 열화를 억제하기 위하여, 1100℃ 이하의 온도에서 행하는 것이 바람직하다.
이상과 같이 하여, 전기 화학 소자(E)를 제조할 수 있다.
그리고 전기 화학 소자(E)에 있어서, 중간층(3)(삽입층)과 반응방지층(5)은, 어느 한쪽, 혹은 양쪽을 구비하지 않는 형태로 할 수도 있다. 즉, 전극층(2)과 전해질층(4)이 접촉하여 형성되는 형태, 혹은 전해질층(4)과 대극 전극층(6)이 접촉하여 형성되는 형태도 가능하다. 이 경우에 전술한 제조 방법에서는, 중간층 형성 단계, 반응방지층 형성 단계가 생략된다. 그리고, 다른 층을 형성하는 단계를 추가하거나, 동종의 층을 복수 적층하거나 할 수도 있지만, 어느 경우라도, 1100℃ 이하의 온도에서 행하는 것이 바람직하다.
<제2 실시형태>
도 2·도 3을 사용하여, 제2 실시형태에 따른 전기 화학 소자(E), 전기 화학 모듈(M), 전기 화학 장치(Y) 및 에너지 시스템(Z)에 대하여 설명한다.
제2 실시형태에 따른 전기 화학 소자(E)는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 금속지지체(1)의 이면에 U자 부재(7)가 장착되어 있고, 금속지지체(1)와 U자 부재(7)로 통형(筒形) 지지체를 형성하고 있다.
그리고, 집전부재(26)를 사이에 협지하여 전기 화학 소자(E)가 복수 적층(복수 집합)되어, 전기 화학 모듈(M)이 구성되어 있다. 집전부재(26)는, 전기 화학 소자(E)의 대극 전극층(6)과, U자 부재(7)에 접합되어, 양자를 전기적으로 접속하고 있다.
전기 화학 모듈(M)은, 가스 매니폴드(17), 집전부재(26), 종단부재 및 전류인출부를 가진다. 복수 적층된 전기 화학 소자(E)는, 통형 지지체의 한쪽의 개구 단부가 가스 매니폴드(17)에 접속되어, 가스 매니폴드(17)로부터 기체의 공급을 받는다. 공급된 기체는, 통형 지지체의 내부를 통류하여, 금속지지체(1)의 관통 공간(1c)을 통하여 전극층(2)에 공급된다.
도 3에는, 에너지 시스템(Z) 및 전기 화학 장치(Y)의 개요가 나타나 있다.
에너지 시스템(Z)은, 전기 화학 장치(Y)와, 전기 화학 장치(Y)로부터 배출되는 열을 재이용하는 배열 이용부로서의 열교환기(53)를 가진다.
전기 화학 장치(Y)는, 전기 화학 모듈(M)과, 탈황기(31)와 개질기(34)를 가지고 전기 화학 모듈(M)에 대하여 환원성 성분을 함유하는 연료 가스를 공급하는 연료 공급부와, 전기 화학 모듈(M)로부터 전력을 인출하는 인버터(38)를 가진다.
상세하게는 전기 화학 장치(Y)는, 탈황기(31), 개질수 탱크(32), 기화기(33), 개질기(34), 블로어(35), 연소부(36), 인버터(38), 제어부(39), 수납 용기(40) 및 전기 화학 모듈(M)을 가진다.
탈황기(31)는, 도시가스 등의 탄화 수소계의 원연료에 포함되는 유황 화합물성분을 제거(탈황)한다. 원연료 중에 유황 화합물이 함유되는 경우, 탈황기(31)를 구비함으로써, 유황 화합물에 의한 개질기(34) 혹은 전기 화학 소자(E)에 대한 영향을 억제할 수 있다. 기화기(33)는, 개질수 탱크(32)로부터 공급되는 개질수로부터 수증기를 생성한다. 개질기(34)는, 기화기(33)에서 생성된 수증기를 사용하여 탈황기(31)에서 탈황된 원연료를 수증기 개질하여, 수소를 포함하는 개질 가스를 생성한다.
전기 화학 모듈(M)은, 개질기(34)로부터 공급된 개질 가스와, 블로어(35)로부터 공급된 공기를 사용하여, 전기 화학 반응시켜 발전한다. 연소부(36)는, 전기 화학 모듈(M)로부터 배출되는 반응 배기 가스와 공기를 혼합시켜, 반응 배기 가스중의 가연 성분을 연소시킨다.
전기 화학 모듈(M)은, 복수의 전기 화학 소자(E)와 가스 매니폴드(17)를 가진다. 복수의 전기 화학 소자(E)는 서로 전기적으로 접속된 상태에서 병렬로 배치되고, 전기 화학 소자(E)의 한쪽의 단부(하단부)가 가스 매니폴드(17)에 고정되어 있다. 전기 화학 소자(E)는, 가스 매니폴드(17)를 통하여 공급되는 개질 가스와, 블로어(35)로부터 공급된 공기를 전기 화학 반응시켜 발전한다.
인버터(38)는, 전기 화학 모듈(M)의 출력 전력을 조정하여, 상용계통(도시하지 않음)으로부터 수전하는 전력과 동일한 전압 및 같은 주파수로 한다. 제어부(39)는 전기 화학 장치(Y) 및 에너지 시스템(Z)의 운전을 제어한다.
기화기(33), 개질기(34), 전기 화학 모듈(M) 및 연소부(36)는, 수납 용기(40) 내에 수납된다. 그리고, 개질기(34)는, 연소부(36)에서의 반응 배기 가스의 연소에 의해 발생하는 연소열을 사용하여 원연료의 개질 처리를 행한다.
원연료는, 승압 펌프(41)의 작동에 의해 원연료 공급로(42)를 통하여 탈황기(31)에 공급된다. 개질수 탱크(32)의 개질수는, 개질수 펌프(43)의 작동에 의해 개질수 공급로(44)를 통하여 기화기(33)에 공급된다. 그리고, 원연료 공급로(42)는 탈황기(31)보다 하류 측의 부위에서, 개질수 공급로(44)에 합류되어 있고, 수납 용기(40) 밖에서 합류된 개질수와 원연료가 수납 용기(40) 내에 구비된 기화기(33)에 공급된다.
개질수는 기화기(33)에서 기화되어 수증기가 된다. 기화기(33)에서 생성된 수증기를 포함하는 원연료는, 수증기 함유 원연료 공급로(45)를 통하여 개질기(34)에 공급된다. 개질기(34)에서 원연료가 수증기 개질되어, 수소 가스를 주성분으로 하는 개질 가스(환원성 성분을 가지는 제1 기체)가 생성된다. 개질기(34)에서 생성된 개질 가스는, 개질 가스 공급로(46)를 통하여 전기 화학 모듈(M)의 가스 매니폴드(17)에 공급된다.
가스 매니폴드(17)에 공급된 개질 가스는, 복수의 전기 화학 소자(E)에 대하여 분배되어, 전기 화학 소자(E)와 가스 매니폴드(17)의 접속부인 하단으로부터 전기 화학 소자(E)에 공급된다. 개질 가스 중의 주로 수소(환원성 성분)가, 전기 화학 소자(E)에서 전기 화학 반응에 사용된다. 반응에 사용되지 않은 잔여의 수소 가스를 포함하는 반응 배기 가스가, 전기 화학 소자(E)의 상단으로부터 연소부(36)에 배출된다.
반응 배기 가스는 연소부(36)에서 연소되어, 연소 배기 가스가 되어 연소 배기 가스 배출구(50)로부터 수납 용기(40)의 외부로 배출된다. 연소 배기 가스 배출구(50)에는 연소 촉매부(51)(예를 들면, 백금계 촉매)가 배치되어, 연소 배기 가스에 함유되는 일산화탄소나 수소 등의 환원성 성분을 연소 제거한다. 연소 배기 가스 배출구(50)로부터 배출된 연소 배기 가스는, 연소 배기 가스 배출로(52)에 의해 열교환기(53)로 보내진다.
열교환기(53)는, 연소부(36)에서의 연소로 생긴 연소 배기 가스와, 공급되는 냉수를 열교환시켜, 온수를 생성한다. 즉 열교환기(53)는, 전기 화학 장치(Y)로부터 배출되는 열을 재이용하는 배열 이용부로서 동작한다.
그리고, 배열 이용부 대신, 전기 화학 모듈(M)로부터 (연소되지 않고) 배출되는 반응 배기 가스를 이용하는 반응 배기 가스 이용부를 설치해도 된다. 반응 배기 가스에는, 전기 화학 소자(E)에서 반응에 사용되지 않은 잔여의 수소 가스가 포함된다. 반응 배기 가스 이용부에서는, 잔여의 수소 가스를 이용하여, 연소에 의한 열사용이나, 연료전지 등에 의한 발전이 행해져서, 에너지의 유효 이용이 이루어진다.
<제3 실시형태>
도 4에, 전기 화학 모듈(M)의 다른 실시형태를 나타낸다. 제3 실시형태에 따른 전기 화학 모듈(M)은, 전술한 전기 화학 소자(E)를, 셀간 접속 부재(71)를 사이에 협지하여 적층함으로써, 전기 화학 모듈(M)을 구성한다.
셀간 접속 부재(71)는, 도전성을 가지고, 또한 기체투과성을 가지지 않는 판형의 부재이며, 표면과 이면에, 서로 직교하는 홈(72)이 형성되어 있다. 셀간 접속 부재(71)는 스테인레스 등의 금속이나, 금속 산화물을 사용할 수 있다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 이 셀간 접속 부재(71)를 사이에 협지하여 전기 화학 소자(E)를 적층하면, 홈(72)을 통하여 기체를 전기 화학 소자(E)에 공급할 수 있다. 상세하게는 한쪽의 홈(72)이 제1 기체 유로(72a)가 되어, 전기 화학 소자(E)의 표면측, 즉 대극 전극층(6)에 기체를 공급한다. 다른 쪽의 홈(72)이 제2 기체 유로(72b)가 되어, 전기 화학 소자(E)의 이면측, 즉 금속지지체(1)의 이면측의 면으로부터 관통 공간(1c)을 통하여 전극층(2)에 기체를 공급한다.
이 전기 화학 모듈(M)을 연료전지로서 동작시키는 경우에는, 제1 기체 유로(72a)에 산소를 공급하고, 제2 기체 유로(72b)에 수소를 공급한다. 이렇게 하면 전기 화학 소자(E)에서 연료전지로서의 반응이 진행되어, 기전력·전류가 발생한다. 발생한 전력은, 적층된 전기 화학 소자(E)의 양단의 셀간 접속 부재(71)로부터, 전기 화학 모듈(M)의 외부로 인출된다.
그리고, 본 제3 실시형태에서는, 셀간 접속 부재(71)의 표면과 이면에, 서로 직교하는 홈(72)을 형성하였으나, 셀간 접속 부재(71)의 표면과 이면에, 서로 병행하는 홈(72)을 형성할 수도 있다.
(다른 실시형태)
(1) 상기한 실시형태에서는, 제2 예, 제3 예로 나타낸 바와 같이, 관통공을 가지는 2장의 금속박판을 중첩하여 금속판 로 함으로써, 관통 공간을 가지는 금속판로 하였으나, 3장이상의 금속박판을 중첩하여 금속판과함으로써, 관통 공간을 가지는 금속판을 형성할 수도 있다.
(2) 상기한 실시형태에서는, 전기 화학 소자(E)를 고체산화물형 연료전지에 사용하였지만, 전기 화학 소자(E)는, 고체산화물형 전해 셀이나, 고체산화물을 사용한 산소 센서 등에 사용할 수도 있다.
(3) 상기한 실시형태에서는, 전극층(2)의 재료로서, 예를 들면, NiO-GDC, Ni-GDC, NiO-YSZ, Ni-YSZ, CuO-CeO2, Cu-CeO2 등의 복합재를 사용하고, 대극 전극층(6)의 재료로서, 예를 들면, LSCF, LSM 등의 복합 산화물을 사용하였다. 이와 같이 구성된 전기 화학 소자(E)는, 전극층(2)에 수소 가스를 공급하여 연료극(애노드)으로 하고, 대극 전극층(6)에 공기를 공급하여 공기극(캐소드)으로 하고, 고체산화물형 연료전지 셀로서 사용하는 것이 가능하다. 이 구성을 변경하여, 전극층(2)을 공기극으로 하고, 대극 전극층(6)을 연료극으로 하는 것이 가능하도록, 전기 화학 소자(E)를 구성하는 것도 가능하다. 즉, 전극층(2)의 재료로서 예를 들면 LSCF, LSM 등의 복합 산화물을 사용하고, 대극 전극층(6)의 재료로서 예를 들면 NiO-GDC, Ni-GDC, NiO-YSZ, Ni-YSZ, CuO-CeO2, Cu-CeO2 등의 복합재를 사용한다. 이와 같이 구성한 전기 화학 소자(E)라면, 전극층(2)에 공기를 공급하여 공기극으로 하고, 대극 전극층(6)에 수소 가스를 공급하여 연료극으로 하고, 전기 화학 소자(E)를 고체산화물형 연료전지 셀로서 사용할 수 있다.
(4) 상기한 실시형태에서는, 전기 화학 소자(E)로서 주로 평판형이나 원통평판형의 고체산화물형 연료전지를 사용하였지만, 원통형의 고체산화물형 연료전지 등의 전기 화학 소자에 이용할 수도 있다.
(5) 상기한 실시형태에서는, 금속지지체(1)(금속판)를 전기 화학 소자(E)의 지지체로서 사용하였지만, 세라믹스층 등의 각종 재료(지지대상물의 일례)의 지지체로서 사용하거나, 전기 화학 소자 이외의 각종 장치에 본 실시형태의 금속판을 사용할 수도 있다.
그리고, 상기한 실시형태에서 개시된 구성은, 모순이 생기지 않는 한, 다른 실시형태에서 개시되는 구성과 조합하여 적용하는 것이 가능하다. 또한 본 명세서에 있어서 개시된 실시형태는 예시이며, 본 발명의 실시형태는 이것으로 한정되지 않고, 본 발명의 목적을 벗어나지 않는 범위 내에서 적절하게 개변할 수 있다.
[산업상 이용가능성]
금속판과, 그 금속판을 구비한 금속지지형의 전기 화학 소자 및 고체산화물형 연료전지 셀로서 이용 가능하다.
1: 금속지지체(금속판)
1a: 표면측면
1b: 이면측면
1c: 관통 공간
1d: 표면측 개구부
1e: 이면측 개구부
1f: 금속 산화물층
1g: 구멍 영역
1h: 단위 영역
2: 전극층
3: 중간층
4: 전해질층
5: 반응방지층
6: 대극 전극층
7: U자 부재
10: 제1 금속박판(금속박판)
10a: 제1 표면측면
10b: 제1 이면측면
10c: 제1 관통 공간(관통공)
10d: 제1 표면측 개구부
10e: 제1 이면측 개구부
10g: 제1 구멍 영역
20: 제2 금속박판(금속박판)
20a: 제2 표면측면
20b: 제2 이면측면
20c: 제2 관통 공간(관통공)
20d: 제2 표면측 개구부
20e: 제2 이면측 개구부
E: 전기 화학 소자
M: 전기 화학 모듈
Y: 전기 화학 장치
Z: 에너지 시스템

Claims (15)

  1. 금속판으로서,
    상기 금속판은, 복수의 금속박판을 중첩하여 형성되어 있고,
    상기 금속박판은, 두께 방향으로 관통하는 복수의 관통공을 가지고,
    상기 금속판은, 복수의 상기 금속박판을 중첩한 상태로, 상기 금속박판의 상기 관통공끼리가 연통되는 관통 공간을 가지고,
    상기 금속박판의 두께를, 상기 관통공의 내경(內徑)으로 나눈 값인 금속박판 아스펙트비가 2 이하이며,
    상기 금속판 전체의 두께를, 상기 관통 공간의 내경의 최소값으로 나눈 값인 금속판 아스펙트비가 3 이상인, 금속판.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 관통 공간의 내경이, 상기 관통 공간의 내경 중 상기 금속판의 표면 측의 개구부의 내경인, 금속판.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    복수의 상기 금속박판의 두께가 동일하거나 또는 대략 동일한, 금속판.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속판은, 금속제의 판인 제1 금속박판과, 상기 제1 금속박판보다 두께가 큰 금속제의 판인 제2 금속박판을 포함하는, 복수의 금속박판을 중첩하여 형성되어 있고, 상기 제1 금속박판은 상기 제2 금속박판보다 상기 금속판의 표면 측에 배치되어 있는, 금속판.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    복수의 상기 금속박판 중 적어도 1장의 상기 금속박판의 재료가 Fe-Cr계 합금인, 금속판.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속판의 표면 중 적어도 일부가 금속 산화물막으로 덮여져 있는, 금속판.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 금속판 위에, 적어도 전극층과 전해질층과 대극(對極) 전극층이 설치된, 전기 화학 소자.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 금속판의 두께 방향으로 관통하는 상기 관통 공간의 내경으로서의, 상기 금속판의 표면을 구성하는 제1면 측의 제1 개구부의 내경 및 상기 제1면과는 반대측의 제2면 측의 제2 개구부의 내경 중에서, 작은 내경이 형성되어 있는 측의 상기 금속판의 표면 위에, 적어도 전극층과 전해질층과 대극 전극층이 설치된, 전기 화학 소자.
  9. 제7항 또는 제8항에 기재된 전기 화학 소자가 복수 집합된 상태로 배치되는, 전기 화학 모듈.
  10. 제9항에 기재된 전기 화학 모듈과 개질기를 적어도 가지고, 상기 전기 화학 모듈에 대하여 환원성 성분을 함유하는 연료 가스를 공급하는 연료 공급부를 가지는, 전기 화학 장치.
  11. 제9항에 기재된 전기 화학 모듈과, 상기 전기 화학 모듈로부터 전력을 인출하는 인버터를 적어도 가지는, 전기 화학 장치.
  12. 제10항 또는 제11항에 기재된 전기 화학 장치와, 상기 전기 화학 장치로부터 배출되는 열을 재이용하는 배열(排熱) 이용부를 가지는, 에너지 시스템.
  13. 제7항 또는 제8항에 기재된 전기 화학 소자를 구비하고, 상기 전기 화학 소자로 발전 반응을 생기게 하는, 고체산화물형 연료전지.
  14. 두께 방향으로 관통하는 복수의 관통공을 가지는 복수의 금속박판을 중첩하여, 상기 금속박판의 상기 관통공끼리가 연통되는 관통 공간을 형성하는, 금속판의 제조 방법으로서,
    상기 관통공을, 펀칭 가공, 에칭 가공, 또는 레이저 가공 중 어느 하나에 의해 형성하는, 금속판의 제조 방법.
  15. 두께 방향으로 관통하는 복수의 관통공을 가지는 복수의 금속박판을 중첩하여, 상기 금속박판의 상기 관통공끼리가 연통되는 관통 공간을 형성하는, 금속판의 제조 방법으로서,
    금속 메쉬 혹은 익스팬드 메탈(expand metal)을 압연 가공하여 상기 금속박판을 형성하는, 금속판의 제조 방법.
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