JP5130244B2 - 金属支持体及びそれを含む固体酸化物燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、金属支持体及びそれを含む固体酸化物燃料電池にかかり、より詳細には、分離板に溶接結合される金属支持体を用いて耐久性とシーリング効率とを高め、燃料ガスまたは空気の移動を円滑にすることで、エネルギー生産効率を高めることができる金属支持体及びそれを含む固体酸化物燃料電池に関する。

燃料電池（Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）は、酸化によって生ずる化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換させる電池であり、水素、酸素のように地球上に豊かに存在する物質から電気エネルギーを発生させる新たな親環境的未来型エネルギー技術である。

燃料電池は、空気極（Ｃａｔｈｏｄｅ）に酸素が供給され、燃料極（Ａｎｏｄｅ）に水素が供給されて水の電気分解逆反応形態で電気化学反応が進行して、電気、熱、及び水が発生し、公害を誘発することなく高効率で電気エネルギーを生産する。

このような燃料電池は、従来の熱機関で限界として作用するカルノーサイクル（Ｃａｒｎｏｔ Ｃｙｃｌｅ）の制限から自由であるために４０％以上の効率をあげることができ、前述したように排出される物質が水だけであるので、公害の恐れがなく、従来の熱機関とは違って、機械的に運動する部分が不要であるために、小型化が可能でノイズがないなど多様な長所を有している。したがって、燃料電池に関連した各種の技術及び研究が活発に進められている。

燃料電池は、その電解質の種類によって、燐酸燃料電池（ＰＡＦＣ、Ｐｈｏｓｐｈｏｒｉｃ Ａｃｉｄ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）、溶融炭酸塩燃料電池（ＭＣＦＣ、Ｍｏｌｔｅｎ Ｃａｒｂｏｎａｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ、Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）、高分子電解質燃料電池（ＰＥＭＦＣ、Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）、メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ、Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）、アルカリ燃料電池（ＡＦＣ、Ａｌｋａｌｉｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）など６種程度が実用化されたか、計画中である。各燃料電池の特徴を下記の表１に整理した。

前記表１から分かるように、それぞれの燃料電池は、その出力範囲及び使用用途などが多様で目的によって適当な燃料電池を選択することができ、この中でも、前記固体酸化物燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ、ＳＯＦＣ）は、相対的に電解質の位置制御がやさしく、電解質の位置が固定されていて電解質の枯渇の危険性がなく、腐食性が弱くて素材の寿命が長いという長所によって分散発電用、商業用及び家庭用として脚光を浴びている。

前記固体酸化物燃料電池の作動原理を示す概念図であり、空気極に酸素が供給され、燃料極に水素が供給される場合、この時の反応は下記の式による。

燃料極（Ａｎｏｄｅ）反応：２Ｈ_２＋２Ｏ^２− →２Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻
空気極（Ｃａｔｈｏｄｅ）反応：Ｏ_２＋４ｅ⁻ →２Ｏ^２−

固体酸化物燃料電池は、通常電解質としてＹＳＺ（Ｙｔｔｒｉａ−Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ Ｚｉｒｃｏｎｉａ）、燃料極としてはＮｉ−ＹＳＺ陶性合金（ｃｅｒｍｅｔ）、空気極としてはペロブスカイト材質（ｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌ）を使い、移動イオン（ｍｏｂｉｌｅ ｉｏｎ）としては酸素イオンを使う。

図１は、従来の固体酸化物燃料電池１による概略図であり、電解質層１１、前記電解質層１１の両側面に形成される燃料極１２及び空気極１３を含む単電地１０と、前記単電池１０の両側面に備えられる集電体２０と、内部に前記単電池１０及び集電体２０が含まれるように備えられる分離板３０ａ、３０ｂと、を含んで形成される。

前記分離板３０ａ、３０ｂは、前記単電池１０及び集電体２０を支持すると同時に、供給通路３１ａ、３１ｂが形成されて燃料ガス及び空気（酸素）を供給する。

一方、前記固体酸化物燃料電池１は、前記燃料ガス及び空気が定められた経路を通じてのみ移動されなければならないが、前記燃料ガス及び空気が混じるか外に漏出される場合には、電池性能が急激に低下するので、かなり高いレベルの密封技術が要求される。

ところが、従来の固体酸化物燃料電池１は、一般的に前記分離板３０ａ、３０ｂの間の接合及び、単電池１０と分離板との接合（図１では、単電池１０の空気極１３が形成された側が、密封材４０を用いて上側分離板３０ｂに接合された例を図示する。）に、通常ガラス材基盤の密封材４０が利用される。

しかし、前記ガラス材基盤の密封材４０は、外部衝撃によって壊れやすくて要求される十分な強度を保ちにくく、反復的な温度変化によって変形が容易に誘発されて十分なシーリング能力を期待しにくい問題点があって、固体酸化物燃料電池１の性能低下の主な原因となる。

また、前記集電体２０は、前記単電池１０と分離板３０ａ、３０ｂとの間に配されて電気的性能を向上させる構成であり、金属合金または貴金属からなるメッシュ状からなり、前記単電池１０に前記燃料ガス及び空気を均一に供給させるが、前記メッシュ状の集電体２０が備えられることで、シーリングがさらに難しくなる問題点がある。

一方、前記単電池１０モジュール一つだけでは、十分な電圧が得られないので、前記単電池１０の面積を増加させるか必要によってスタック状に積層して利用されるが、このような場合には、要求される機械的強度を有し、十分な密封特性を満足させることにさらに難しくなる問題点がある。

本発明は、前述したような問題点を解決するために案出されたものであって、分離板と溶接される金属支持体とを用いて固体酸化物燃料電池の耐久性を高め、燃料ガス及び空気が混合されるか漏出されずに、シーリング効率を高めることができる金属支持体及びそれを含む固体酸化物燃料電池を提供することである。

本発明の固体酸化物燃料電池用の金属支持体は、固体酸化物燃料電池の燃料ガスまたは空気が流通する連通した流通経路が設けられた分離板に溶接結合され、前記固体酸化物燃料電池の電解質層、前記電解質層の両側面にそれぞれ形成される燃料極及び空気極を含む単電池の一側を支持し、前記金属支持体は、板状で形成されて、周り面が、前記分離板と溶接される溶接部及び前記溶接部の内部に、燃料ガスまたは空気が移動するように中空となる中空部を含み、前記中空部は、格子状に配列された個々に独立した貫通孔により形成されていることを特徴とする。

また、前記金属支持体の中空部は、前記分離板の燃料ガスまたは空気が供給される供給流路と連通されるように形成されることを特徴とする。

また、前記金属支持体の前記中空部が複数個形成されることを特徴とし、前記中空部は、円状、または多角状の断面を有するように形成されることを特徴とする。

一方、本発明の固体酸化物燃料電池は、電解質層、前記電解質層の両側面にそれぞれ形成される燃料極及び空気極を含む単電池と、前記単電池が、内部に含まれるように互いに結合され燃料ガスまたは空気が流通する連通した流通経路が設けられた一対の分離板と、前記一対の分離板の間に備えられて絶縁性を保持させる絶縁部材と、前記単電池の一側と分離板との間に備えられる集電部材と、前記分離板、に溶接結合されて、前記単電池の他側を支持する金属支持体と、を含み、前記金属支持体は、板状で形成されて、周り面が、前記分離板と溶接される溶接部及び前記溶接部の内部に、燃料ガスまたは空気が移動するように中空となる中空部を含み、前記中空部は、格子状に配列された個々に独立した貫通孔により形成されていることを特徴とする。

また、前記分離板には、前記金属支持体が溶接される側に、前記金属支持体が定着されるように内側に陥入される定着部が形成されることを特徴とする。

本発明の金属支持体及びそれを含む固体酸化物燃料電池は、中空部及び溶接部が形成された板状の金属支持体を用いて固体酸化物燃料電池の機械的強度を高めることで、耐久性及び使用寿命を伸ばすことができ、前記金属支持体が分離板に直接溶接されることで、燃料ガス及び空気が、前記単電池の反応以前に漏出されるか混合されなくてシーリング性を高めることで、安定的でありながらも、高いエネルギー生産効率を有する長所がある。

従来の固体酸化物燃料電池による概略図である。 本発明による固体酸化物燃料電池の分解斜視図である。 前記図２に図示した固体酸化物燃料電池の断面図である。 前記図２に図示した固体酸化物燃料電池の分解断面図である。 本発明による固体酸化物燃料電池用の金属支持体を示す図面である。 本発明による固体酸化物燃料電池用の金属支持体を示す他の図面である。 本発明による固体酸化物燃料電池の他の分解断面図である。

以下、前述したような本発明の金属支持体１２０及びそれを含む固体酸化物燃料電池１００を添付した図面を参照して詳しく説明する。

図２は、本発明による固体酸化物燃料電池１００の分解斜視図であり、図３及び図４は、前記図２に図示した固体酸化物燃料電池１００の断面図及び分解断面図であり、図５は、本発明による固体酸化物燃料電池用の金属支持体１２０を示す図面であり、図６は、本発明による固体酸化物燃料電池用の金属支持体１２０を示す他の図面であり、図７は、本発明による固体酸化物燃料電池１００の他の分解断面図である。

本発明の金属支持体１２０は、固体酸化物燃料電池１００を構成する一つの部品であって、前記図２の金属支持体１２０を含む固体酸化物燃料電池１００の一例を参照して全体構成を先に説明する。

本発明の固体酸化物燃料電池１００は、単電池１１０、一対の分離板１３０ａ、１３０ｂ、絶縁部材１４０、集電部材１５０、及び金属支持体１２０を含んで形成され、前記金属支持体１２０には、板状で前記分離板１３０ａ、１３０ｂと溶接される溶接部１２１、及び燃料ガスまたは空気が移動する中空部１２２が形成される。

前記単電池１１０は、電解質層１１１、前記電解質層１１１の両側面にそれぞれ形成される燃料極１１２及び空気極１１３を含んで形成され、前記単電池１１０の一側は集電部材１５０によって、他側は金属支持体１２０によって支持される。

すなわち、本発明の金属支持体１２０は、前記一対の分離板１３０ａ、１３０ｂのうち一側にのみ溶接結合される。なお、本発明で溶接とは、レーザ、アルゴンなどを利用した溶接だけではなく、ブレージングを含むような拡大的に解釈される場合がある。

前記図２ないし図４で、前記金属支持体１２０は、前記単電池１１０の燃料極１１２が形成された側に形成され、一対の分離板１３０ａ、１３０ｂのうち下側分離板１３０ａと接合され、前記集電部材１５０は、前記単電池１１０の空気極１１３が形成された側と前記上側分離板１３０ｂとの間に備えられた例を図示した。

前記分離板１３０ａ、１３０ｂは、前記単電池１１０を最外側で保護するように上・下方向で互いに締結される上側分離板１３０ａと下側分離板１３０ｂとで形成され、内部に前記単電池１１０、絶縁部材１４０、集電部材１５０及び金属支持体１２０を含むように形成される。

前記分離板１３０ａ、１３０ｂは、上側分離板１３０ａと下側分離板１３０ｂとが互いに締結されるようにそれぞれ固定部１３３が形成され、内部に前記燃料極１１２に燃料ガスを供給するか、前記空気極１１３に空気を供給する供給通路１３２ａ、１３２ｂが形成される。

前記供給通路１３２ａ、１３２ｂは、外部から燃料ガスまたは空気を供給する供給ホール、及び前記単電池１１０の全体領域に案内する流路を含んで形成される。

この際、前記供給通路１３２ａ、１３２ｂは、前記単電池１１０の燃料極１１２または空気極１１３でどちらに隣接するように形成されたかによって燃料ガスまたは空気が流動され、前記燃料ガスまたは空気が、前記単電池１１０の全体領域に均一に移動するように多様な形態の供給通路１３２ａ、１３２ｂが形成される。

前記図２に図示された形態は、前記分離板１３０ａ、１３０ｂに連続的な流路を形成するように、前記供給通路１３２ａ、１３２ｂが内側に陥入された形態を図示し、それ以外にも複数個の突出構造物が形成されるなど前記燃料ガスまたは空気の流れを案内するか、乱流化する多様な形態に形成される。

前記絶縁部材１４０は、前記一対の分離板１３０ａ、１３０ｂの間に、前記一対の分離板１３０ａ、１３０ｂが互いに接触される部分に形成されて絶縁性を保持させる部材であって、前記図２で、前記絶縁部材１４０は、前記分離板１３０ａ、１３０ｂのサイズと同一な板状で形成されるが、内部に前記単電池１１０及び集電部材１５０が備えられるように中空となり、前記単電池１１０及び集電部材１５０の形成高さほど同様に形成された例を図示したものであって、前記絶縁部材は、図面に図示した板状の以外にもガラス材質の密封材などが利用されうる。

前記板状の絶縁部材１４０は、前記一対の分離板１３０ａ、１３０ｂの固定部１３３の締結時に同時に固定されるように固定部１４１が形成される。

前記図２ないし図４は、前記金属支持体１２０と溶接される分離板１３０ａに前記金属支持体１２０が定着されるように内側に陥入される定着部１３１が形成されて、前記金属支持体１２０と分離板１３０ａとの溶接時にも、前記金属支持体１２０による突出領域が存在しないようにした例を図示したものであって、前記定着部１３１が形成されない場合には、前記絶縁部材１４０の形態及び高さなどを調節して、前記分離板１３０ａ、１３０ｂの締結によって内部に備えられる絶縁部材１４０、単電池１１０、及び金属支持体１２０などの構成を互いに密着させることが望ましい。

前記集電部材１５０は、前記単電池１１０を通じて生成されたエネルギーの集電効率を高める役割を担当するものであって、燃料ガスまたは空気が、前記集電部材１５０を通過して前記単電池１１０に円滑に移動するようにメッシュ状の形態などが利用されうる。

前記金属支持体１２０は、前記集電部材１５０のように集電効率を高める役割を担当するだけではなく、前記単電池１１０の他側に形成されて、前記単電池１１０を支持し、前記分離板１３０ａ、１３０ｂと溶接されることで、燃料ガスまたは空気の漏洩を遮断させる。

前記金属支持体１２０の材料として、前記単電池１１０を支持し、溶接熱または外部衝撃などによって変形されない程度の機械的強度及び耐熱性を有する伝導性の金属または金属合金などが利用可能である。

前記金属支持体１２０は、その形態が板状で形成されて、前記単電池１１０を十分に支持できるように形成され、前記分離板１３０ａ、１３０ｂと溶接される溶接部１２１、及び前記溶接部１２１の内部に燃料ガスまたは空気が移動するように中空となる中空部１２２が形成される。

この際、前記金属支持体１２０の中空部１２２は、前記分離板１３０ａ、１３０ｂの供給通路１３２ａ、１３２ｂと連通されるように形成されて、前記分離板１３０ａ、１３０ｂの供給通路１３２ａ、１３２ｂを通じて供給される燃料ガスまたは空気を前記単電池１１０に円滑に移動させる。

前記図５及び図６は、多様な金属支持体１２０の形態を図示したものであって、前記図５に図示した形態は、円状、または多角状の断面を有する中空部１２２が一定距離離隔して複数個形成された例を図示したもので、さらに詳細に、前記図５（ａ）は、前記中空部１２２が円状の断面状に、前記図５（ｂ）は、前記中空部１２２が正方形の断面状に、前記図５（ｃ）は、横方向に長い長方形の断面状に、前記図５（ｄ）は、金属支持体１２０に斜線状に形成された例を図示した。

前記図６は、前記金属支持体１２０に連続的な流路を有する中空部１２２が形成された例を図示したものであって、本発明の固体酸化物燃料電池用の金属支持体１２０は、前記図５及び図６に図示した形態の以外にも、前記分離板１３０ａ、１３０ｂから供給される燃料ガスまたは空気を前記単電池１１０に容易に案内することができれば、多様に形成される。

前記金属支持体１２０の溶接部１２１は、前記分離板１３０ａ、１３０ｂとの溶接のための構成であって、前記図２ないし図４に図示したように、前記金属支持体１２０と溶接される分離板１３０ａ、１３０ｂに定着部１３１が形成される場合には、前記金属支持体１２０の溶接部１２１の上側と前記分離板１３０ａ、１３０ｂの定着部１３１の周りの上側面とが互いに接合される。

前記図７は、前記単電池１１０の空気極１１３側に前記金属支持体１２０が形成され、前記燃料極１１２側に集電部材１５０が形成された例を図示したものである。

本発明は、前記実施形態に限定されず、適用範囲が多様であるということは勿論であり、特許請求の範囲で請求する本発明の要旨を外れていない多様な変形実施が可能であるということはいうまでもない。

本発明は、金属支持体及びそれを含む固体酸化物燃料電池に関連の分野に適用可能である。

１００ 本発明による金属支持体型固体酸化物燃料電池
１１０ 単電池
１１１ 電解質層
１１２ 燃料極
１１３ 空気極
１２０ 金属支持体
１２１ 溶接部
１２２ 中空部
１３０ａ、１３０ｂ 分離板
１３１ 定着部
１３２ａ、１３２ｂ 供給通路
１３３ 固定部
１４０ 絶縁部材
１４１ 固定部

Claims (6)

1. 固体酸化物燃料電池の燃料ガスまたは空気が流通する連通した流通経路が設けられた分離板に溶接結合され、前記固体酸化物燃料電池の電解質層、前記電解質層の両側面にそれぞれ形成される燃料極及び空気極を含む単電池の一側を支持する固体酸化物燃料電池用の金属支持体であって、
   前記金属支持体は、板状で形成されて、周り面が、前記分離板と溶接される溶接部及び前記溶接部の内部に、燃料ガスまたは空気が移動するように中空となる中空部を含み、前記中空部は、格子状に配列された個々に独立した貫通孔により形成されていることを特徴とする固体酸化物燃料電池用の金属支持体。
2. 前記金属支持体の中空部は、前記分離板の燃料ガスまたは空気が供給される供給流路と連通されるように形成されることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物燃料電池用の金属支持体。
3. 前記金属支持体の前記中空部が複数個形成されていることを特徴とする請求項２に記載の固体酸化物燃料電池用の金属支持体。
4. 前記中空部は、円状、または多角状の断面を有するように形成されることを特徴とする請求項３に記載の固体酸化物燃料電池用の金属支持体。
5. 電解質層、前記電解質層の両側面にそれぞれ形成される燃料極及び空気極を含む単電池と、
   前記単電池が、内部に含まれるように互いに結合され燃料ガスまたは空気が流通する連通した流通経路が設けられた一対の分離板と、
   前記一対の分離板の間に備えられて絶縁性を保持させる絶縁部材と、
   前記単電池の一側と分離板との間に備えられる集電部材と、
   前記分離板に溶接結合されて、前記単電池の他側を支持する金属支持体と、を含み、
   前記金属支持体は、板状で形成されて、周り面が、前記分離板と溶接される溶接部及び前記溶接部の内部に、燃料ガスまたは空気が移動するように中空となる中空部を含み、前記中空部は、格子状に配列された個々に独立した貫通孔により形成されていることを特徴とする固体酸化物燃料電池。
6. 前記分離板には、前記金属支持体が溶接される側に、前記金属支持体が定着されるように内側に陥入される定着部が形成されることを特徴とする請求項５に記載の固体酸化物燃料電池。