JP2014506721A - 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 - Google Patents

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 Download PDF

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Abstract

本発明は、平管型固体酸化物燃料電池および水電解装置に関する。特に、本発明は、平管型固体酸化物燃料電池が、複数の平管型単位セルを含むセル積層体と、セラミックス材料からなる第１マニホールドとを有し、各第１マニホールドが、前記セル積層体に第１反応ガスを導入したり前記セル積層体から第１反応ガスを導出するための第１反応ガス入口出口部と、前記セル積層体の２つの端部のいずれかの挿入のための第１挿入部とを有し、前記第１マニホールドが、前記セル積層体の両端にそれぞれ配置され、これにより、燃料電池の構造を簡単にし、密封部の数を最小限にし、反応ガスの損失等を低減させることができる、平管型固体酸化物燃料電池および水電解装置に関する。

Description

本発明は、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。
固体酸化物燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ、ＳＯＦＣ）は、酸素イオン伝導性電解質を使用する完全な固体状態（ｓｏｌｉｄ−ｓｔａｔｅ）の装置である。前記固体酸化物燃料電池は、高い効率を有する環境に優しい燃料電池であり、最近、次世代クリーンエネルギー源として注目されている。前記固体酸化物燃料電池は、その形態に応じて、平板型固体酸化物燃料電池と、円筒型固体酸化物燃料電池とに分類される。
前記平板型固体酸化物燃料電池は、電力密度、すなわち、出力が高いという利点がある。しかし、前記平板型固体酸化物燃料電池は、密封ガス面積が広く、積層された材料間の熱膨脹係数の差により熱的ショックが発生するので、大面積を有するように製造することが難しいという欠点がある。
前記円筒型固体酸化物燃料電池は、機械的強度および熱応力に対する抵抗が比較的高く、押出成形で製造することができ、大面積を有するように製造することができる。しかし、前記円筒型固体酸化物燃料電池は、電力密度、すなわち、出力が低いという問題がある。
このような平板型および円筒型固体酸化物燃料電池の利点を取り入れて製造された燃料電池が平管型固体酸化物燃料電池である。前記平管型固体酸化物燃料電池は、円筒型固体酸化物燃料電池に比べて、電力密度、すなわち、出力が高く、機械的強度および熱応力に対する抵抗に優れるという利点がある。
ところで、平管型固体酸化物燃料電池は、単位セルを含むセル積層体と、マニホールドとから構成される。その場合、単位セルおよびマニホールドを密封してアノードとカソードとを相互に隔離しなければならず、それぞれの単位セルにそれぞれのマニホールドを密封するためには、部品および密封部位の数が増加し、望ましくない。また、多数のマニホールドが備えられることにより、水素、水蒸気などの反応ガスを複数の通路を介して供給しなければならず、望ましくない。
本発明の目的は、セル積層体の両端に備えられたマニホールドを通して反応ガスを供給できる簡単な構造が達成され得る平管型固体酸化物燃料電池および水電解装置を提供することである。
本発明の他の目的は、セル積層体の単位セルの数が増加しても、マニホールドの数は増加しない平管型固体酸化物燃料電池および水電解装置を提供することである。
本発明のさらに他の目的は、マニホールドとセル積層体との間の密封部位の数が最小化され得る平管型固体酸化物燃料電池および水電解装置を提供することである。
本発明のさらに他の目的は、積層された単位セルを含むセル積層体の内部を空気が均一に流れ得る平管型固体酸化物燃料電池および水電解装置を提供することである。
前記目的を達成するために、本発明は、複数の平管型単位セルを含むセル積層体と、前記セル積層体の両端に備えられ、セラミックスからなる第１マニホールドとを有し、各第１マニホールドが、前記セル積層体に第１反応ガスを供給したり前記セル積層体から第１反応ガスを排出するための第１反応ガスポートと、前記セル積層体のいずれかの端部が挿入される第１挿入部とを含む、平管型固体酸化物燃料電池を提供する。
加えて、本発明は、複数の平管型単位セルを含むセル積層体と、前記セル積層体の両端に備えられ、セラミックスからなる第１マニホールドとを有し、各第１マニホールドが、前記セル積層体に第１反応ガスを供給したり前記セル積層体から第１反応ガスを排出するための第１反応ガスポートと、前記セル積層体のいずれかの端部が挿入される第１挿入部とを含む、平管型固体酸化物水電解装置を提供する。
本発明の平管型固体酸化物燃料電池および水電解装置によれば、セル積層体の両端が第１マニホールドに挿入され、前記第１マニホールドを通して第１反応ガスがセル積層体に供給されたりセル積層体から排出されたりできるので、平管型固体酸化物燃料電池の構造が簡単になり、これにより、平管型固体酸化物燃料電池の大きさを減少させることが可能になる。
本発明の平管型固体酸化物燃料電池および水電解装置によれば、出力を高めるためにセル積層体の単位セルの数を増加させても、セル積層体の両端に備えられた第１マニホールドの数を増加させる必要がないので、平管型固体酸化物燃料電池および水電解装置の製造費が減少し、これにより、経済的利益が生じる。
本発明の平管型固体酸化物燃料電池および水電解装置によれば、セル積層体の両端に一対の第１マニホールドが備えられるので、前記第１マニホールドとセル積層体との間の密封部位の数を最小化させることができ、反応ガスの損失などもまた最小化させることができる。
本発明の平管型固体酸化物燃料電池および水電解装置によれば、セル積層体のいずれか１つの側面に第２マニホールドが備えられて、セル積層体の内部を空気が均一に流れることができるので、効率的に電気が生産される。
本発明にかかる第１マニホールドを示す斜視図である。 セル積層体および第１マニホールドを含む本発明にかかる平管型固体酸化物燃料電池を示す斜視図である。 本発明の実施形態にかかる平管型固体酸化物燃料電池のセル積層体の単位セルを示す断面図である。 本発明の他の実施形態にかかる平管型固体酸化物燃料電池のセル積層体の単位セルを示す断面図である。 セル積層体、第１マニホールド、および第２マニホールドを含む本発明にかかる平管型固体酸化物燃料電池を示す斜視図である。 セル積層体、第１マニホールド、および第２マニホールドを含む本発明にかかる平管型固体酸化物燃料電池を示す斜視図である。 本発明にかかる平管型固体酸化物燃料電池の内部のガスの流れの速度（ｍ／ｓ）を示す図である。 本発明にかかる平管型固体酸化物燃料電池の内部のガスの流れを示す図である。 本発明にかかる平管型固体酸化物燃料電池の内部のガスの流れの速度（ｍ／ｓ）を示す図である。
以下、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施できる好ましい実施形態を、添付した図面を参照して詳細に説明する。
本発明は、複数の平管型単位セルを含むセル積層体と、前記セル積層体の両端に備えられ、セラミックスからなる第１マニホールドとを有し、各第１マニホールドが、前記セル積層体に第１反応ガスを供給したり前記セル積層体から第１反応ガスを排出するための第１反応ガスポートと、前記セル積層体のいずれかの端部が挿入される第１挿入部とを有する、平管型固体酸化物燃料電池を提供する。
図２は、本発明にかかる平管型固体酸化物燃料電池のセル積層体１１および第１マニホールド２１を示す。本発明の平管型固体酸化物燃料電池は、セル積層体１１と、第１マニホールド２１とを含む。
前記セル積層体１１は、複数の単位セルを含み、より詳細には、複数の単位セルが積層されるように構成されている。複数の単位セルは、密封材によって密封され、前記密封材は、好ましくは、セメントまたはガラスフリットであるが、当業界で使用されるものであれば特に限定されない。
図１を参照すれば、前記第１マニホールド２１は、セラミックスからなり、各第１マニホールド２１は、前記セル積層体１１に前記反応ガスを供給したり前記セル積層体１１から前記反応ガスを排出するように構成された第１反応ガスポート２１１と、前記セル積層体１１のいずれかの端部が挿入される第１挿入部２１２とを含む。前記第１反応ガスポート２１１の大きさおよび形状は、当業界で使用されるものであれば特に限定されない。さらに、前記第１挿入部２１２の大きさおよび形状は、前記セル積層体１１が挿入可能であれば特に限定されない。
前記第１マニホールド２１は、セラミックスからなり、より好ましくは、前記セラミックスは、ジルコニアまたはアルミナのいずれかであるが、本発明はこれに限定されない。前記第１マニホールド２１がセラミックスからなることによって、第１マニホールド２１は、セル積層体の熱膨脹係数と類似の熱膨脹係数を有し、腐食の問題がなく、そのため、安定であり、さらに、前記平管型固体酸化物燃料電池を７００℃以上の高温でも効率的に作動させることができる。
図２は、前記セル積層体および第１マニホールドを含む本発明にかかる平管型固体酸化物燃料電池を示す斜視図である。
図２を参照すれば、セル積層体１１の両端が第１マニホールド２１の第１挿入部２１２に位置する。その場合、前記セル積層体１１と第１マニホールド２１とは、密封材によって密封されることが好ましい。前記密封材は、好ましくは、セメントまたはガラスフリットであるが、当業界で使用されるものであれば特に限定されない。
図３は、本発明の実施形態にかかる平管型固体酸化物燃料電池のセル積層体１１の単位セルを示す断面図である。
図３を参照すれば、前記単位セルは、第１反応ガス（水素または炭化水素）が第１電極支持体１１１ａの中を流れることを可能とする複数の第１反応ガス流路１１２が単位セルの長手方向に沿って形成されるように構成されている。第２反応ガス（空気または酸素）がその中を流れる複数の第２反応ガス流路１１３が、前記第１電極支持体１１１ａの一方の外表面に、前記第１反応ガス流路１１２と交差する方向（第１電極支持体の幅方向）に形成されている。また、電気的連結を達成するように、前記第２反応ガス流路１１３が形成された単位セルの側と反対側において、後述する第１電極中間層がセラミック導電体１１５によってコーティングされている。
各単位セルは、陰極物質を含む多孔性の伝導性材料からなる第１電極支持体１１１ａと、前記第１電極支持体１１１ａの外表面の全部分に付与された第１電極中間層１１１ｂと、前記セラミック導電体１１５を除く前記第１電極中間層１１１ｂの外表面に形成された電解質層１１１ｃと、前記第２ガス流路１１３が形成された部分に形成された前記電解質層１１１ｃの外面に付与された第２電極層１１１ｅとを含む。前記第１電極支持体１１１ａと第１電極中間層１１１ｂは、酸化ニッケル−イットリア安定化ジルコニア（ＮｉＯ−ＹＳＺ）であることが好ましく、前記第２電極層１１１ｅの電極材料は、ＬａＳｒＭｎＯ３（ＬＳＭ）であることが好ましく、電解質層１１１ｃは、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）であることが好ましいが、本発明はこれらに限定されず、多様な電極材料が使用可能である。
前記第１電極中間層１１１ｂおよび第２電極層１１１ｅは、ガスが拡散するように多孔性に形成されることが好ましく、前記電解質層１１１ｃおよびセラミック導電体１１５は、第１ガスと第２ガスとが混合しないように、気孔のない緻密な膜の形態で備えられることが好ましい。
前記単位セルの内部に形成された複数の第１反応ガス流路１１２は、前記単位セルの両端が前記第１マニホールド２１に挿入され、そのため前記単位セルの両端が塞がらずに開放されており、これにより、第１反応ガスが第１反応ガス流路１１２を通して流れることができるように構成されている。前記複数の第２反応ガス流路１１３は、前記単位セルの長手方向の中間部位において前記単位セルの幅方向に形成されている。
前記単位セルはリング形状の密封溝１１６を含み、積層された単位セルからガスが漏れないように、前記密封溝１１６に密封材１５０が挿入されていることが好ましい。
図４は、本発明の他の実施形態にかかる平管型固体酸化物燃料電池のセル積層体１１の単位セルを示す断面図である。
図３および図４に示す単位セルは、単なる例示であって、本発明にかかる単位セルはこれらに限定されない。
本発明の燃料電池は、第２反応ガスを供給するための第２反応ガス入口と第２挿入部とを含む第２マニホールドをさらに備えてもよい。
図５および図６は、前記セル積層体１１の両端が第１マニホールド２１の第１挿入部２１２に挿入され、前記セル積層体１１の一側面が第２マニホールド２２の第２挿入部に挿入されるように構成された、本発明にかかる平管型固体酸化物燃料電池を示す。
図５および図６を参照すれば、前記セル積層体１１の両端に第１マニホールド２１を備えた平管型固体酸化物燃料電池は、好ましくは、第２反応ガスが供給される部位に第２マニホールド２２が追加的に備えられるように構成されている。その場合、前記第２マニホールド２２は、セラミックスからなり、好ましくは、第２反応ガス入口２２１と第２挿入部２２２とを含む。
第１反応ガスは、第１マニホールド２１の第１反応ガスポート２１１を通して供給／排出され、第２反応ガスは、第２マニホールド２２の第２反応ガス入口２２１を通して供給され、これにより、第１反応ガスと第２反応ガスとがセル積層体の内部を均一に流れることができて、固体酸化物燃料電池の効率が高まる。
前記第２マニホールド２２は、セラミックスからなり、より好ましくは、前記セラミックスは、ジルコニアまたはアルミナのいずれかであるが、本発明はこれに限定されない。前記第２マニホールド２２がセラミックスからなることによって、第２マニホールド２２は、セル積層体の熱膨脹係数と類似の熱膨脹係数を有し、腐食の問題がなく、そのため、安定であり、さらに、前記平管型固体酸化物燃料電池を７００℃以上の高温でも効率的に作動させることができる。
また、セル積層体１１のいずれか１つの側面が前記第２マニホールド２２の第２挿入部２２２に挿入され、密封材によって密封されることが好ましい。その場合、前記密封材は、好ましくは、セメントまたはガラスフリットのいずれかであるが、本発明はこれに限定されない。
本発明は、複数の平管型単位セルを含むセル積層体と、前記セル積層体の両端に備えられ、セラミックスからなる第１マニホールドとを有し、各第１マニホールドが、前記セル積層体に第１反応ガスを供給したり前記セル積層体から第１反応ガスを排出するための第１反応ガスポートと、前記セル積層体のいずれかの端部が挿入される第１挿入部とを含む、平管型固体酸化物水電解装置を提供する。
また、前記セル積層体のいずれか１つの側面に、セラミックスからなる第２マニホールドがさらに備えられ、前記第２マニホールドが、第２反応ガスを供給するための第２反応ガス入口と、前記セル積層体のいずれか１つの側面が挿入される第２挿入部とを含む。
本発明にかかる平管型固体酸化物燃料電池および水電解装置は、セル積層体の両端に備えられた一対の第１マニホールドを通して反応ガスを供給することができるので、簡単な構造が達成され、これにより、燃料電池および水電解装置の体積を最小化させることができる。
本発明にかかる平管型固体酸化物燃料電池および水電解装置においては、出力を高めるためにセル積層体の単位セルの数を増加させても、セル積層体の両端に備えられた第１マニホールドの数を増加させる必要がなく、これにより、平管型固体酸化物燃料電池および水電解装置の製造費が減少し、そのため、経済的利益が生じる。
本発明にかかる平管型固体酸化物燃料電池および水電解装置は、セル積層体の単位セル毎にマニホールドを備える必要がなく、セル積層体の両端に第１マニホールドが備えられ、これにより、第１マニホールドとセル積層体との間の密封部位の数を最小化させることができ、そのため、反応ガスの損失などを最小化させることができる。
１１：セル積層体
２１：第１マニホールド
２２：第２マニホールド
１１１ａ：第１電極支持体
１１１ｂ：第１電極中間層
１１１ｃ：電解質層
１１１ｅ：第２電極層
１１２：第１反応ガス流路
１１３：第２反応ガス流路
１１５：セラミック導電体
１１６：密封溝
１５０：密封材
２１１：第１反応ガスポート
２１２：第１挿入部
２２１：第２反応ガス入口
２２２：第２挿入部

Claims (10)

  1. 複数の平管型単位セルを含むセル積層体と、前記セル積層体の両端に備えられ、セラミックスからなる第１マニホールドとを有し、
    各第１マニホールドが、前記セル積層体に第１反応ガスを供給したり前記セル積層体から第１反応ガスを排出するための第１反応ガスポートと、前記セル積層体のいずれかの端部が挿入される第１挿入部とを含む、平管型固体酸化物燃料電池。
  2. 前記セラミックスは、ジルコニアまたはアルミナである、請求項１に記載の平管型固体酸化物燃料電池。
  3. 前記セル積層体と前記第１マニホールドとが密封材で密封されている、請求項１に記載の平管型固体酸化物燃料電池。
  4. 前記密封材は、セメントまたはガラスフリットである、請求項３に記載の平管型固体酸化物燃料電池。
  5. 前記セル積層体のいずれか１つの側面に、セラミックスからなる第２マニホールドがさらに備えられ、
    前記第２マニホールドが、第２反応ガスを供給するための第２反応ガス入口と、前記セル積層体のいずれか１つの側面が挿入される第２挿入部とを含む、請求項１に記載の平管型固体酸化物燃料電池。
  6. 前記セラミックスは、ジルコニアまたはアルミナである、請求項５に記載の平管型固体酸化物燃料電池。
  7. 前記セル積層体と前記第２マニホールドとが密封材で密封されている、請求項５に記載の平管型固体酸化物燃料電池。
  8. 前記密封材は、セメントまたはガラスフリットである、請求項７に記載の平管型固体酸化物燃料電池。
  9. 複数の平管型単位セルを含むセル積層体と、前記セル積層体の両端に備えられ、セラミックスからなる第１マニホールドとを有し、
    各第１マニホールドが、前記セル積層体に第１反応ガスを供給したり前記セル積層体から第１反応ガスを排出するための第１反応ガスポートと、前記セル積層体のいずれかの端部が挿入される第１挿入部とを含む、平管型固体酸化物水電解装置。
  10. 前記セル積層体のいずれか１つの側面に、セラミックスからなる第２マニホールドがさらに備えられ、
    前記第２マニホールドが、第２反応ガスを供給するための第２反応ガス入口と、前記セル積層体のいずれか１つの側面が挿入される第２挿入部とを含む、請求項９に記載の平管型固体酸化物水電解装置。
JP2013555371A 2011-02-24 2012-02-24 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 Pending JP2014506721A (ja)

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