ガスチャンネルを有する固体酸化物燃料電池
【課題】 単電池の内部及び／又は外部にガスチャンネルを有する固体酸化物燃料電池を提供することにある。
【解決手段】
本発明の固体酸化物燃料電池は、四つの端部又は対向する二つの端部の断面が∩字型に下向き折曲している支持体型又は自立型単電池で、その内部及び／又は外部には直線形状の構造又は碁盤状の構造で形成されているガスチャンネルを有することによって、別途のガスチャネル又はチャンネル台のない分離板を使用することができ、かつ単電池の空気（正）極と燃料（負）極に反応ガスがよく流れるようにする効果がある。
【解決手段】
本発明の固体酸化物燃料電池は、四つの端部又は対向する二つの端部の断面が∩字型に下向き折曲している支持体型又は自立型単電池で、その内部及び／又は外部には直線形状の構造又は碁盤状の構造で形成されているガスチャンネルを有することによって、別途のガスチャネル又はチャンネル台のない分離板を使用することができ、かつ単電池の空気（正）極と燃料（負）極に反応ガスがよく流れるようにする効果がある。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はガスチャンネルを有する固体酸化物燃料電池に関する。より詳しくは、本発明は四つの端部又は対向する二つの端部の断面が∩字型に下向き折曲している電極支持体型又は電解質支持体型であり、かつその内部及び／又は外部にガスチャンネルを有する固体酸化物燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、燃料電池は、陰極と陽極に燃料ガスと空気が注入され、それぞれに電気化学反応が起ることによって、電解質によるイオン伝導が進行され、外部回路による電子伝導が進行される、つまり、電極及び電解質特性に符合する条件下で、燃料と空気注入が維持される限り、続けて電気を得ることのできるエネルギー発生装置である。
【０００３】
燃料電池は高効率の発電方式で、公害物質の排出が非常に少ないという長所を持っており、使用する電解質の種類によって、作動温度、電極材料、及び応用分野などが多様である。
【０００４】
この中、第３世代の燃料電池というべき固体酸化物燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＳＯＦＣ）とは、単電池（Ｅｎｄ Ｃｅｌｌ）の両電極面へ反応ガスが円滑に流れるようにすると同時に、分離板との電気的接触及び２種の反応ガス間の気密を維持することによって、緻密な固体電解質層への酸素又は水素イオン伝導現象を誘導し、これにより、電極層で電気化学反応により発生する起電力を発電に用いる装置である。
【０００５】
特に、ＳＯＦＣは、熱化学的に安定した金属化合物を電解質として用い、これに燃料極と空気極を付着した形態で、水素、メタン、プロパン、ブタンなどの燃料ガスのいずれを用いても良く、酸化剤として空気或いは酸素を利用できる高効率・低公害の発電方式である。
【０００６】
これまで広く知られている固体酸化物燃料電池の材料においては、燃料極としてＮｉとＹＳＺサーメットの混合物を、電解質としてジルコニア（ＺｒＯ２＋８Ｙ２Ｏ３）系、セリアー（ＣｅＯ２）系、ビスムス酸化物（Ｂｉ２Ｏ３）系、ペロブスカイト（ｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅ）系のうち、１つあるいはその以上の粉末を、空気極としてＬａＳｒＭｎＯ３（ＬＳＭ）を、分離板又は接続子（ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｏｒ）としてＣｒ−５Ｆｅ−１Ｙ２Ｏ３、Ｎｉ ｂａｓｅ ｍｅｔａｌ、ステーンレススチール、ＬａＳｒＣｒＯ３を、集電体及び封止材としてガラス又はガラス−セラミックスを用いており、これらを互いに積層してスタック（ｓｔａｃｋ）を構成し、他の周辺装置と結合させて全体発電システムを構成している。
【０００７】
この際に使われる単電子は、電解質を間において一方には燃料極（陰極）、他方には空気極（陽極）を形成した形態で、それぞれの電極層で電気化学反応が容易に起るように、多孔性構造を有し、電解質に該当する中間層は、燃料ガスと酸化ガスが互いに通気しない緻密な構造を有する。
【０００８】
一般的にＳＯＦＣには、単電池の形態によって、チューブ型と平板型が主に開発されており、この中チューブ型の方が先に開発され始めたが、製造方法が難しくいため、実質的に実用化するには問題があった。一方、添付の図１ａに示すように、平板型では一般的に分離板８にて燃料ガスと酸化ガスを分離して単電池４に供給し、この際、分離板８においては、発生した電気がよく流れるように電気的に抵抗が小さくなければならない。
【０００９】
又、図１ｂに示すように、スタックを製作しようとする際には、平板型の単電池を分離板の間に載置し、分離板の両方のチャンネルに沿って流れる２種のガスが互いに交わらないように、封止材又は封止ガラスを用いて気密を維持すると共に、単電池の両電極層で円滑なガス供給が行われるようにしなければならない。特に、単電池と分離板が接触していない残りの部分は、気密性と絶縁性の特性を有する材料、例えば、セラミックス−ガラスで作られた絶縁層乃至は板状の形態でガス封止しなければならない。
【００１０】
このような分離板の素材としては、金属とセラミックスの材料が広く使われており、特に、電気伝導性が優れており、かつガスの気密性を維持するに緻密な素材でなければならない。又、固体酸化物の燃料電池の作動温度である高温、例えば４００乃至１０００℃で耐酸化性を有しなければならない。なぜなら、燃料ガスである水素などは単電池の燃料極側の面（分離板における上面）、酸化剤である空気は単電池の空気極側の面（分離板における下面）に、分離板を間において、それぞれの反応ガスを分離して単電池に供給すると同時に、電気がよく流れるようにしなければならないためである。従って、加工が容易でなく、製作コストの高いセラミック材よりは金属材の分離板を使う方が、ＳＯＦＣ発電システムの常用化に有利である。しかし、高温であるほど又は運転時間が経過するほど、金属分離板の空気極側の表面に金属酸化が進み、これによって、スタックの性能が低下するため、耐久性においては不利である。
【００１１】
従って、金属材分離板はセラミックス材とは異なって様々な形態への加工製作が容易であるという長所があるため、中温型（ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ、約５００〜８５０℃）のＳＯＦＣスタックを開発する際に、より広く使われている。しかし、金属材分離板の場合、ＳＯＦＣが動作する温度で、単電池の熱膨張係数（おおよそ約１０×１０−６／℃）より１．２乃至２倍程度大きい値を有するため、ＳＯＦＣ発電装置をオン又はオフする際、つまり、常温から高温へ、或いは高温から常温への温度変化（つまり、熱サイクル）の際、より大きい熱応力が誘発するという短所がある。しかし、最近のＳＯＦＣ技術は、より優れた性能の単電池が開発されるにつれて、より低い温度（中温型）でも、従来と同じ性能を得ることができるようになった。従って、セラミックス材よりは、金属材分離板の使用が頻繁になってきている状況である。
【００１２】
一方、金属材或いはセラミックス材や分離板の本来の用途は、ガスの流れと電気的接触であり、この中、注入反応ガスの円滑な流れのために、常にチャンネル構造を有している。特に、セラミックス材はプレス（Ｐｒｅｓｓ）粉末成型（ｃｏｍｐａｃｔｉｏｎ）を行うため、製作工程が複雑ではないが、金属材分離板の場合は、プレス成型でなく主に加工成型（ｍａｃｈｉｎｉｎｇ）で製作しているため、燃料電池の必須構造であるガスチャンネルを加工するにおいて、長い製作時間と費用がかかり、これにより分離板の製造費用又は全体ＳＯＦＣスタックの製造費用を上昇させる短所を持っている。
【００１３】
添付の図２は、従来（本発明者が既出願したもの）の四角単電池の四つの端部又は対向する二つの端部が∩字型に下向き折曲している単電池（図２ａ）と、これを用いて製作した内部マニフォールド形式のスタック構成（図２ｂ）を示す図である。
【００１４】
図２の単電池とスタックの構成のように、分離版８上にガスチャンネル６が形成されておる溝の間にチャンネル台７を載置し、単電池４を結合させ、封止材の溝１２を通じて、単電池４と分離板８の封止部分を単純化し、熱応力の解消のために多孔性絶縁板１０、つまり、セラミックス絶縁フェルト（ｆｅｌｔ）と封止ガラス（ｓｅａｌｉｎｇ ｇｌａｓｓ）で封止（ｓｅａｌｉｎｇ）し、このような順番で積層し続けて、最終的に要される電圧（電力量）によって垂直に単電池及び構成要素などを積層して燃料電池スタックを製作した。
【００１５】
従って、従来例である図１のように単純な平板型単電池を用いた場合より、他の従来例である図２では、必ずガス封止が要される部分を分離した形態で、余裕空間（封止溝）を有し、封止材を挿入することができるため、より改善された形態の封止条件を得ることができる。従って、封止機能が向上でき、全体スタックを再昇温及び冷却しながら熱サイクルとして使用することができ、温度変化への耐久性も優れたスタックを製造することができる。
【００１６】
しかし、図２ａの単電池を用いて、図２ｂのようなスタックを製作する場合、チャンネル台７と分離板８のチャンネル構造が付加的に載置されなければならない。このような分離板におけるチャンネル構造は、分離板の製造費用を上昇させ、ＳＯＦＣスタックの製作コストを上昇させる短所がある。従って、図２ｂの単電池４が、製作・成型時からチャンネル構造を有するようにすれば、スタック製作において、燃料極又は空気極のチャンネル構造を有しない単純な板上の分離板をそのまま使用することができ、これによって、ＳＯＦＣスタックの製作時、相対的に安い分離板を用いることができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
本発明の目的は、単電池の内部及び／又は外部にガスチャンネルを有する固体酸化物燃料電池を提供することにある。
【００１８】
さらに本発明の他の目的は、ＳＯＦＣスタックの製作時、分離板に燃料極又は空気極のチャンネルを製作する必要がなくて、経済的に安価な分離板を利用できる固体酸化物燃料電池を提供することにある。
【００１９】
さらに本発明の他の目的は、ＳＯＦＣスタックの製作時、分離板に燃料極又は空気極のチャンネルを製作する必要がなくて、分離板の厚さを減少できる固体酸化物燃料電池を提供することにある。
【００２０】
さらに本発明の他の目的は、ＳＯＦＣスタックの製作時、従来と同じスタックの大きさで、より高い出力のスタックを製作できる固体酸化物燃料電池を提供することにある。
【００２１】
さらに発明の他の目的は、単電池の長期性能に該当するチャンネルを有する部分である燃料極又は空気極において、高温クリップ抵抗を向上させて単電池の寿命を向上できる固体酸化物燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明の固体酸化物燃料電池の単電池は、燃料極（陰極）、電解質、空気極（陽極）で構成され、四つの端部又は対向する二つの端部の断面が∩字型に下向き折曲しており、かつ前記単電池の内部及び／又は外部にガスチャンネルを有することを特徴とする。
【００２３】
本発明の単電池は、四つの端部又は対向する二つの端部の断面が∩字型に下向き折曲している多孔性の燃料極（陰極）又は空気極（陽極）支持体に、厚さ５乃至５０μｍの緻密な薄膜として電解質が被覆されておる電極支持体型の構造又は固体酸化物の電解質で厚さ５０乃至２０００μｍの∩字型に下向き折曲している構造を有しているし、その各々の上部又は下部に多孔性の空気極（陽極）又は燃料極（陰極）が被覆されている３重膜又はそれ以上の多重膜で構成されており、その内部および／又は外部にガスチャンネルを有していることを特徴としている。
【００２４】
本発明に係る単電池を用いる場合、分離板でのチャンネル加工時、上下両面の一方乃至は両方を除去することができ、従来の四つの端部又は対向する二つの端部の断面が∩字型に下向き折曲している単電池において、スタックで積層する際に使われるチャンネル台と分離板でのチャンネル加工を排除することができるため、比較的に低いコストで分離板を製作することができ、又、分離板の厚さも減少させることができるという長所がある。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の燃料電池は、スタック積層の際、分離板上のチャンネル構造を単純化して分離板の厚さ及び費用を低減する長所がある。従って、相対的に同じ大きさのスタックに、より多くの単電池を積層することができるため、より大きい出力を得ることができる。これは特に、四つの端部又は対向する二つの端部の断面が∩字型に下向き折曲している単電池の製造時、支持体（例えば、空気極、電解質、燃料極）に対応する部分にチャンネルが含まれるように成型（プレス成型）することによって、燃料及び空気反応ガスが流れるチャンネルを別途に分離板に加工しなくて済む。
【００２６】
このような技術は従来のＳＯＦＣ開発において障害となっていた高費用の分離板製作という短所を補完でき、安価なＳＯＦＣスタックを製造できる効果がある。
【００２７】
又、本発明は、全体的に単電池の形態を改善して、ＳＯＦＣスタックの価格を安くすることができ、又、より多くの分離板を使用することによって、スタックの大きさを小型化することによって、究極的には寿命と耐久性、運転条件の容易性を向上させる効果がある。ここで開示した実施例は、様々な実施可能な例の中で、当業者の理解を助けるように、もっとも好適な例を選んで提示したものに過ぎず、本発明の技術思想はこの実施例に限られるものではなく、本発明の技術的思想から外れていいない範囲内で、多様に変化と変更が可能であり、均等な他の実施例も可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明に係る実施例について、添付図面を参照して詳細に説明する。
本発明において、図３は、本発明に係る四角単電池の四つの端部又は対向する二つの端部の断面が∩字型に下向き折曲している単電池の支持体に、反応ガスチャンネルが形成されている単電池の模式図を示すものである。この中で、図３ａは、四つの端部の断面が∩字型に下向き折曲している燃料極（陰極）支持体型単電池で、燃料極（陰極）支持体における反応ガスチャンネルが碁盤状の構造で形成されている。図３ｂは、四つの端部の断面が下向き折曲している燃料極（陰極）支持体型単電池で、燃料極（陰極）支持体における反応ガスチャンネルが直線形状の構造で形成されている。又、３ｃは、対向する二つの端部の断面が∩字型に下向き折曲している燃料極（陰極）支持体型単電池で、燃料極支持体における反応ガスチャンネルが直線形状の構造で形成されている。図３ｄは対向する二つの端部の断面が∩字型に下向き折曲している燃料極（陰極）支持体型単電池で、燃料極（陰極）支持体における反応ガスチャンネルが碁盤状の構造で形成されている。
【００２９】
図４は、図３の各単電池において、折曲部の２次元断面を示す模式図であり、図４ａは、支持体の折曲部全体を電解質で囲んでおり、図４ｂは、支持体の折曲部の一部を電解質で囲んでいる場合の模式図である。
【００３０】
図５は、本発明に係る四角単電池の四つの端部又は対向する二つの端部の断面が∩字型に下向き折曲している単電池の空気極支持体に、反応ガスチャンネルが形成されている単電池の模式図として、図５ａは、四つの端部の断面が∩字型に下向き折曲している空気極（陽極）支持体型単電池で、直線形状の構造で反応ガスチャンネルが形成されている単電池であり、図５ｂは、四つの端部の断面が下向き折曲している空気極（陽極）支持体型単電池で、碁盤状の構造で反応ガスチャンネルが形成されている単電池であり、図５ｃは、対向する二つの端部の断面が∩字型に下向き折曲している空気極（陽極）支持体型単電池で、直線形状の構造で反応ガスチャンネルが形成されている単電池であり、図５ｄは、対向する二つの端部の断面が∩字型に下向き折曲している空気極（陽極）支持体型単電池で、碁盤状の構造で反応ガスチャンネルが形成されている単電池である。
【００３１】
図６は、本発明に係る四角単電池の四つの端部又は対向する二つの端部の断面が∩字型に下向き折曲している単電池の電解質に反応ガスチャンネルが存在する単電池の模式図として、図６ａは、四つの端部の断面が∩字型に下向き折曲している電解質支持体型単電池で、電解質支持体に反応ガスチャンネルが直線形状の構造で形成されている単電池であり、図６ｂは、四つの端部の断面が∩字型に下向き折曲している電解質支持体型単電池で、電解質支持体に反応ガスチャンネルが碁盤状の構造で形成されている単電池であり、図６ｃは、対向する二つの端部の断面が∩字型に下向き折曲している電解質支持体型単電池で、電解質支持体に反応ガスチャンネルが直線形状の構造で形成されている単電池であり、図６ｄは、対向する二つの端部の断面が∩字型に下向き折曲している電解質支持体型単電池で、電解質支持体に反応ガスチャンネルが碁盤状の構造で形成されている単電池である。
【実施例】
【００３２】
このような本発明を実施例により、より詳しく説明すると、次の通りである。
【００３３】
実施例１；四つの端部又は対向する二つの端部の断面が∩字型に下向き折曲しており、反応ガスチャンネルを有する燃料極（陰極）支持体型単電池
【００３４】
本発明で使用したチャンネル構造の折曲型単電池とは、図２ａに示すように、平板部３１の四つの端部又は対向する二つの端部の断面が∩字型に下向き折曲しており、かつ、相対的に厚い燃料極支持体に、燃料ガスの流れを容易にするチャンネルを有する単電池のことである。
【００３５】
この単電池は、折曲部３２と支持部３３で構成されており、厚さ約１乃至２ｍｍの多孔性の燃料極（陰極）１と、厚さ５乃至５０μｍの緻密な薄膜で支持部３３上面と端部全体に電解質２が被覆されており、電解質２が被覆された部分の上部に多孔性の空気極（陽極）３が被覆されているもので、中心部は電解質２、下部は燃料極（陰極）１、上部は空気極（陽極）３で構成されている３重膜の単電池である。
【００３６】
この際、最終的に、単電池は、図３ａ、図３ｂ、図３ｃ及び図３ｄのような形態に製造することができ、例えば、大きさは約５０×５０ｍｍであり、厚さは約１．７ｍｍであり、下向き折曲している端部の高さは約３．５ｍｍ、内側の高さは１．８ｍｍ、折曲部の広さ方向の厚さは約２ｍｍである。
【００３７】
これらの製造方法は、１次焼結体である燃料極支持体に、公知のスラリーコーティング法と化学気象蒸着法を用いて、ジルコニア（ＺｒＯ２）系、セリアー（ＣｅＯ２）系、ビスムス酸化物（Ｂｉ２Ｏ３）系、ランタン系ペロブスカイト（ｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅ）系のうち、１つ又はそれ以上の電解質をコーティングし、約１２５０℃で熱処理を１回乃至数回繰り返した後、最終的には１４５０℃乃至１６００℃で焼結して約５乃至５０μｍ厚さの緻密な電解質層を製造する方法である。
【００３８】
ここで、図４ａのように、折曲部全体を緻密な電解質層で囲むこともでき、図４ｂに示すように、緻密な電解質層を燃料極支持体の上部表面と支持体折曲部の側面にコーティングすることもでき、これによってＳＯＦＣ作動時、多孔性の支持体から直接的に燃料ガスが漏れることを防止でき、封止効果も増大することができる。
【００３９】
そして、それぞれの折曲部とチャンネル構造、例えば直線形状の構造又は碁盤状の構造は様々な形態に変形することができる。すなわち、直線形状の構造において、単純な直角構造でなく鈍角又は鋭角の組合せである梯形にすることもでき、碁盤状の構造において、突出部の形態を四角形、多角形及び／又は円形などのように様々な形態に製作することもできる。
【００４０】
そして、電解質層の上面は２０％の黒鉛粉末を含むＬＳＭ（Ｌａ０．８５Ｓｒ０．１５ＭｎＯ３）＋ＹＳＺ組成粉末のペイストを用いて、空気極（陽極）をスクリーン印刷し、乾燥した後、１，１００℃で熱処理して、最終的に図３ａ又は図４ｂのような３層構造の燃料極（陰極）支持体型構造のＳＯＦＣ単電池を製造した。
【００４１】
スタックの製作・組立のためには、それぞれの単電池が同じ大きさを有するように製作することが重要であり、折曲部の大きさ及び高さは、それぞれの単電池を分離板と接触し、封止する方法によって再加工することができる。特に、格子配列方式で単電池を付着してスタックの一層を構成しようとする際（図１（ｂ））には、それぞれの単電池の厚さ及び折曲部の高さを、同じ大きさに製作しなければならない。
【００４２】
本実施例では最終単電池の大きさを約５０×５０ｍｍにする場合、折曲している端部の高さは約３．５ｍｍ、内側の高さは１．８ｍｍ、単電池の内側のガスチャンネルの谷部（凹部）の深さは約１ｍｍ内外にし、このような条件は単電池の製作時、プレス金型の大きさと熱処理又は焼結温度により決められる。
【００４３】
本発明に係る単電池では、内側チャンネルのガス分布を一定に維持し、電気的接触を行うために、集電層と集電体を使う。そして多孔性金属シート状（フェルト、ｆｅｌｔ）とマッシュ（ｍｅｓｈ）を用いているため、分離板との接触に容易である。
【００４４】
実施例２：四つの端部又は対向する二つの端部の断面が∩字型に下向き折曲しており、反応ガスチャンネルを有する空気極（陽極）支持体型単電池
【００４５】
まず、空気極（陽極）支持体を製造するために、ＬＳＭ（Ｌａ０．８５Ｓｒ０．１５ＭｎＯ３）組成の粉末に、球形の黒鉛粉末を混合し、公知のプレス成型及び熱処理条件に基づいて、最終的に約４０％の多孔性空気極（陽極）支持体を製造した。
【００４６】
このような空気極（陽極）支持体は、図５ａ、図５ｂ、図５ｃ及び図５ｄのような形態に製造され、大きさは約５０×５０ｍｍ、厚さは約１．７ｍｍ、下向き折曲している端部の高さは約３．５ｍｍ、内側の高さは１．８ｍｍ、折曲部の広さ方向の厚さは約３ｍｍとなるようにした。
【００４７】
前記空気極（陽極）支持体の下面全体に緻密な電解質層を形成した後、再びその下面に燃料極（陰極）成分としてＮｉＯ粉末と８ＹＳＺ（ＺｒＯ２＋８モール％Ｙ２Ｏ３）を重量比約５０：５０で混合した粉末と、２０％の黒鉛粉末を出発原料として、実施例と同じ印刷法を用いて、最終的に図５ａ、図５ｂ、図５ｃ及び図５ｄのような空気極（陽極）支持体型構造のＳＯＦＣ単電池を製造した。
【００４８】
特に、図５ａ、図５ｂ、図５ｃ及び図５ｄのように反応ガスチャンネルを直線形状の構造又は碁盤状の構造にし、この際のチャンネル構造は直線形状の構造において、単純な直角形状の構造でない鈍角と鋭角の組合せである梯形であることも可能であり、碁盤状の構造において、突出部の形態は四角形、多角形及び／又は円形などのように様々な形態に製作することもできる。これらは成型の際、プレス金型の形態によって決められる。以下の内容は実施例１と同様である。
【００４９】
実施例３：四つの端部又は対向する二つの端部の断面が∩字型に下向き折曲しており、反応ガスチャンネルを有する電解質支持体型単電池
【００５０】
電解質支持体型又は自立型単電池を製造するにおいて、ジルコニア（ＺｒＯ２）系、セリアー（ＣｅＯ２）系、ビスムス酸化物（Ｂｉ２Ｏ３）系、ペロブスカイト（ｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅ）系のうち、１つ又はその以上の固体酸化物電解質原料粉末を１０乃至１００μｍの大きさに粗粒化した後、これを用いて図６ａ、図６ｂ、図６ｃ及び図６ｄのような形態になるように成型した後、焼結して最終的に大きさが約５０×５０ｍｍ、厚さは約１ｍｍ以下、下向き折曲している端部の内側高さが約２ｍｍ、端部の厚さが約１乃至２ｍｍである電解質板を製作した。
【００５１】
この際、内側には原料粉末の成型時、プレス金型の形態によって谷部（凹部）の幅と深さを約１〜０．５ｍｍにそれぞれ成型し、図６ａ及び図６ｃのように直線形状の構造のチャンネルを有するか、図６ｂ及び図６ｄのように碁盤状の構造のチャンネルを有する構造に製作することができる。上述したように、このようなチャンネル構造は直線形状の構造において、単純な直角形状の構造でない鈍角と鋭角の組合せである梯形であることも可能であり、碁盤状の構造において、突出部の形態は四角形、多角形及び／又は円形など、様々な形態に製作することもできる。
【００５２】
ここで、通常の方法によって製造された燃料極の成分であるＮｉＯ粉末と８ＹＳＺ（ＺｒＯ２＋８モール％Ｙ２Ｏ３）を重量比約５０：５０で混合した粉末と、２０％の黒鉛粉末を出発原料として燃料極ペイストを製造した。これを製造された電解質板の下面、特に、反応ガスチャンネルの山部（凸部）又は谷部（凹部）にそれぞれ印刷乃至塗布して乾燥した後、１３００乃至１４５０℃の温度で熱処理して燃料極を形成した。実施例１と同様に、再び空気極の材料であるＬＳＭ（Ｌａ０．８Ｓｒ０．２ＭｎＯ３）＋ＹＳＺペイストを印刷して乾燥した後、１１００℃内外で熱処理して、言わばチャンネル構造を有する電解質支持体型又は自立型構造のＳＯＦＣ単電池を製造した。以下、実施例１及び２と同様である。
【００５３】
以下の本発明は、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ように詳細に説明したもので、本発明の最も好適な実施例を、添付の図面を参照して、詳細に説明することにする。本発明の目的、作用・効果を含めて、その他の目的、特徴は、好適な実施例の説明により、より明確になるだろう。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１ａ】図１ａは、従来の平板型・自立型構造のＳＯＦＣ単電池と、これを用いて製作された格子配列方式のスタック構成の模式図である。
【図１ｂ】図１ｂは、従来の平板型・自立型構造のＳＯＦＣ単電池と、これを用いて製作された格子配列方式のスタック構成の模式図である。
【図２ａ】図２ａは、従来の四角単電池の四つの端部又は対向する二つの端部の断面が∩字型に下向き折曲している単電池と、これを用いて製作された内部マニフォールド形式のスタック構成を示す模式図である。
【図２ｂ】図２ｂは、従来の四角単電池の四つの端部又は対向する二つの端部の断面が∩字型に下向き折曲している単電池と、これを用いて製作された内部マニフォールド形式のスタック構成を示す模式図である。
【図３ａ】図３ａは、本発明に係る四角単電池の四つの端部又は対向する二つの端部の断面が∩字型に下向き折曲している単電池の燃料極（陰極）支持体において、直線形状の構造又は碁盤状の構造を有する反応ガスチャンネルが形成されている単電池の斜示図である。
【図３ｂ】図３ｂは、本発明に係る四角単電池の四つの端部又は対向する二つの端部の断面が∩字型に下向き折曲している単電池の燃料極（陰極）支持体において、直線形状の構造又は碁盤状の構造を有する反応ガスチャンネルが形成されている単電池の斜示図である。
【図３ｃ】図３ｃは、本発明に係る四角単電池の四つの端部又は対向する二つの端部の断面が∩字型に下向き折曲している単電池の燃料極（陰極）支持体において、直線形状の構造又は碁盤状の構造を有する反応ガスチャンネルが形成されている単電池の斜示図である。
【図３ｄ】図３ｄは、本発明に係る四角単電池の四つの端部又は対向する二つの端部の断面が∩字型に下向き折曲している単電池の燃料極（陰極）支持体において、直線形状の構造又は碁盤状の構造を有する反応ガスチャンネルが形成されている単電池の斜示図である。
【図４ａ】図４ａは、図３の単電池において、各支持体の折曲部の一部又は全部を電解質で囲んだ形態を示すための模式図である。
【図４ｂ】図４ｂは、図３の単電池において、各支持体の折曲部の一部又は全部を電解質で囲んだ形態を示すための模式図である。
【図５ａ】図５ａは、本発明に係る四角単電池の四つの端部又は対向する二つの端部の断面が∩字型に下向き折曲している単電池の空気極（陽極）支持体において、直線形状の構造又は碁盤状の構造を有する、反応ガスチャンネルが形成されている単電池の模式図である。
【図５ｂ】図５ｂは、本発明に係る四角単電池の四つの端部又は対向する二つの端部の断面が∩字型に下向き折曲している単電池の空気極（陽極）支持体において、直線形状の構造又は碁盤状の構造を有する、反応ガスチャンネルが形成されている単電池の模式図である。
【図５ｃ】図５ｃは、本発明に係る四角単電池の四つの端部又は対向する二つの端部の断面が∩字型に下向き折曲している単電池の空気極（陽極）支持体において、直線形状の構造又は碁盤状の構造を有する、反応ガスチャンネルが形成されている単電池の模式図である。
【図５ｄ】図５ｄは、本発明に係る四角単電池の四つの端部又は対向する二つの端部の断面が∩字型に下向き折曲している単電池の空気極（陽極）支持体において、直線形状の構造又は碁盤状の構造を有する、反応ガスチャンネルが形成されている単電池の模式図である。
【図６ａ】図６ａは、本発明に係る四角単電池の四つの端部又は対向する二つの端部の断面が∩字型に下向き折曲している単電池の電解質支持体において、直線形状の構造又は碁盤状の構造を有する反応ガスチャンネルが形成されている単電池の模式図である。
【図６ｂ】図６ｂは、本発明に係る四角単電池の四つの端部又は対向する二つの端部の断面が∩字型に下向き折曲している単電池の電解質支持体において、直線形状の構造又は碁盤状の構造を有する反応ガスチャンネルが形成されている単電池の模式図である。
【図６ｃ】図６ｃは、本発明に係る四角単電池の四つの端部又は対向する二つの端部の断面が∩字型に下向き折曲している単電池の電解質支持体において、直線形状の構造又は碁盤状の構造を有する反応ガスチャンネルが形成されている単電池の模式図である。
【図６ｄ】図６ｄは、本発明に係る四角単電池の四つの端部又は対向する二つの端部の断面が∩字型に下向き折曲している単電池の電解質支持体において、直線形状の構造又は碁盤状の構造を有する反応ガスチャンネルが形成されている単電池の模式図である。
【符号の説明】
【００５５】
１：燃料極（陰極）
２：電解質
３：空気極（陽極）
４：単電池
６：ガスチャンネル
７：チャンネル台
８：分離板
１０：多孔性絶縁板
１２：封止材の溝
３１：平板部
３２：折曲部
３３：支持部
【技術分野】
【０００１】
本発明はガスチャンネルを有する固体酸化物燃料電池に関する。より詳しくは、本発明は四つの端部又は対向する二つの端部の断面が∩字型に下向き折曲している電極支持体型又は電解質支持体型であり、かつその内部及び／又は外部にガスチャンネルを有する固体酸化物燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、燃料電池は、陰極と陽極に燃料ガスと空気が注入され、それぞれに電気化学反応が起ることによって、電解質によるイオン伝導が進行され、外部回路による電子伝導が進行される、つまり、電極及び電解質特性に符合する条件下で、燃料と空気注入が維持される限り、続けて電気を得ることのできるエネルギー発生装置である。
【０００３】
燃料電池は高効率の発電方式で、公害物質の排出が非常に少ないという長所を持っており、使用する電解質の種類によって、作動温度、電極材料、及び応用分野などが多様である。
【０００４】
この中、第３世代の燃料電池というべき固体酸化物燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＳＯＦＣ）とは、単電池（Ｅｎｄ Ｃｅｌｌ）の両電極面へ反応ガスが円滑に流れるようにすると同時に、分離板との電気的接触及び２種の反応ガス間の気密を維持することによって、緻密な固体電解質層への酸素又は水素イオン伝導現象を誘導し、これにより、電極層で電気化学反応により発生する起電力を発電に用いる装置である。
【０００５】
特に、ＳＯＦＣは、熱化学的に安定した金属化合物を電解質として用い、これに燃料極と空気極を付着した形態で、水素、メタン、プロパン、ブタンなどの燃料ガスのいずれを用いても良く、酸化剤として空気或いは酸素を利用できる高効率・低公害の発電方式である。
【０００６】
これまで広く知られている固体酸化物燃料電池の材料においては、燃料極としてＮｉとＹＳＺサーメットの混合物を、電解質としてジルコニア（ＺｒＯ２＋８Ｙ２Ｏ３）系、セリアー（ＣｅＯ２）系、ビスムス酸化物（Ｂｉ２Ｏ３）系、ペロブスカイト（ｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅ）系のうち、１つあるいはその以上の粉末を、空気極としてＬａＳｒＭｎＯ３（ＬＳＭ）を、分離板又は接続子（ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｏｒ）としてＣｒ−５Ｆｅ−１Ｙ２Ｏ３、Ｎｉ ｂａｓｅ ｍｅｔａｌ、ステーンレススチール、ＬａＳｒＣｒＯ３を、集電体及び封止材としてガラス又はガラス−セラミックスを用いており、これらを互いに積層してスタック（ｓｔａｃｋ）を構成し、他の周辺装置と結合させて全体発電システムを構成している。
【０００７】
この際に使われる単電子は、電解質を間において一方には燃料極（陰極）、他方には空気極（陽極）を形成した形態で、それぞれの電極層で電気化学反応が容易に起るように、多孔性構造を有し、電解質に該当する中間層は、燃料ガスと酸化ガスが互いに通気しない緻密な構造を有する。
【０００８】
一般的にＳＯＦＣには、単電池の形態によって、チューブ型と平板型が主に開発されており、この中チューブ型の方が先に開発され始めたが、製造方法が難しくいため、実質的に実用化するには問題があった。一方、添付の図１ａに示すように、平板型では一般的に分離板８にて燃料ガスと酸化ガスを分離して単電池４に供給し、この際、分離板８においては、発生した電気がよく流れるように電気的に抵抗が小さくなければならない。
【０００９】
又、図１ｂに示すように、スタックを製作しようとする際には、平板型の単電池を分離板の間に載置し、分離板の両方のチャンネルに沿って流れる２種のガスが互いに交わらないように、封止材又は封止ガラスを用いて気密を維持すると共に、単電池の両電極層で円滑なガス供給が行われるようにしなければならない。特に、単電池と分離板が接触していない残りの部分は、気密性と絶縁性の特性を有する材料、例えば、セラミックス−ガラスで作られた絶縁層乃至は板状の形態でガス封止しなければならない。
【００１０】
このような分離板の素材としては、金属とセラミックスの材料が広く使われており、特に、電気伝導性が優れており、かつガスの気密性を維持するに緻密な素材でなければならない。又、固体酸化物の燃料電池の作動温度である高温、例えば４００乃至１０００℃で耐酸化性を有しなければならない。なぜなら、燃料ガスである水素などは単電池の燃料極側の面（分離板における上面）、酸化剤である空気は単電池の空気極側の面（分離板における下面）に、分離板を間において、それぞれの反応ガスを分離して単電池に供給すると同時に、電気がよく流れるようにしなければならないためである。従って、加工が容易でなく、製作コストの高いセラミック材よりは金属材の分離板を使う方が、ＳＯＦＣ発電システムの常用化に有利である。しかし、高温であるほど又は運転時間が経過するほど、金属分離板の空気極側の表面に金属酸化が進み、これによって、スタックの性能が低下するため、耐久性においては不利である。
【００１１】
従って、金属材分離板はセラミックス材とは異なって様々な形態への加工製作が容易であるという長所があるため、中温型（ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ、約５００〜８５０℃）のＳＯＦＣスタックを開発する際に、より広く使われている。しかし、金属材分離板の場合、ＳＯＦＣが動作する温度で、単電池の熱膨張係数（おおよそ約１０×１０−６／℃）より１．２乃至２倍程度大きい値を有するため、ＳＯＦＣ発電装置をオン又はオフする際、つまり、常温から高温へ、或いは高温から常温への温度変化（つまり、熱サイクル）の際、より大きい熱応力が誘発するという短所がある。しかし、最近のＳＯＦＣ技術は、より優れた性能の単電池が開発されるにつれて、より低い温度（中温型）でも、従来と同じ性能を得ることができるようになった。従って、セラミックス材よりは、金属材分離板の使用が頻繁になってきている状況である。
【００１２】
一方、金属材或いはセラミックス材や分離板の本来の用途は、ガスの流れと電気的接触であり、この中、注入反応ガスの円滑な流れのために、常にチャンネル構造を有している。特に、セラミックス材はプレス（Ｐｒｅｓｓ）粉末成型（ｃｏｍｐａｃｔｉｏｎ）を行うため、製作工程が複雑ではないが、金属材分離板の場合は、プレス成型でなく主に加工成型（ｍａｃｈｉｎｉｎｇ）で製作しているため、燃料電池の必須構造であるガスチャンネルを加工するにおいて、長い製作時間と費用がかかり、これにより分離板の製造費用又は全体ＳＯＦＣスタックの製造費用を上昇させる短所を持っている。
【００１３】
添付の図２は、従来（本発明者が既出願したもの）の四角単電池の四つの端部又は対向する二つの端部が∩字型に下向き折曲している単電池（図２ａ）と、これを用いて製作した内部マニフォールド形式のスタック構成（図２ｂ）を示す図である。
【００１４】
図２の単電池とスタックの構成のように、分離版８上にガスチャンネル６が形成されておる溝の間にチャンネル台７を載置し、単電池４を結合させ、封止材の溝１２を通じて、単電池４と分離板８の封止部分を単純化し、熱応力の解消のために多孔性絶縁板１０、つまり、セラミックス絶縁フェルト（ｆｅｌｔ）と封止ガラス（ｓｅａｌｉｎｇ ｇｌａｓｓ）で封止（ｓｅａｌｉｎｇ）し、このような順番で積層し続けて、最終的に要される電圧（電力量）によって垂直に単電池及び構成要素などを積層して燃料電池スタックを製作した。
【００１５】
従って、従来例である図１のように単純な平板型単電池を用いた場合より、他の従来例である図２では、必ずガス封止が要される部分を分離した形態で、余裕空間（封止溝）を有し、封止材を挿入することができるため、より改善された形態の封止条件を得ることができる。従って、封止機能が向上でき、全体スタックを再昇温及び冷却しながら熱サイクルとして使用することができ、温度変化への耐久性も優れたスタックを製造することができる。
【００１６】
しかし、図２ａの単電池を用いて、図２ｂのようなスタックを製作する場合、チャンネル台７と分離板８のチャンネル構造が付加的に載置されなければならない。このような分離板におけるチャンネル構造は、分離板の製造費用を上昇させ、ＳＯＦＣスタックの製作コストを上昇させる短所がある。従って、図２ｂの単電池４が、製作・成型時からチャンネル構造を有するようにすれば、スタック製作において、燃料極又は空気極のチャンネル構造を有しない単純な板上の分離板をそのまま使用することができ、これによって、ＳＯＦＣスタックの製作時、相対的に安い分離板を用いることができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
本発明の目的は、単電池の内部及び／又は外部にガスチャンネルを有する固体酸化物燃料電池を提供することにある。
【００１８】
さらに本発明の他の目的は、ＳＯＦＣスタックの製作時、分離板に燃料極又は空気極のチャンネルを製作する必要がなくて、経済的に安価な分離板を利用できる固体酸化物燃料電池を提供することにある。
【００１９】
さらに本発明の他の目的は、ＳＯＦＣスタックの製作時、分離板に燃料極又は空気極のチャンネルを製作する必要がなくて、分離板の厚さを減少できる固体酸化物燃料電池を提供することにある。
【００２０】
さらに本発明の他の目的は、ＳＯＦＣスタックの製作時、従来と同じスタックの大きさで、より高い出力のスタックを製作できる固体酸化物燃料電池を提供することにある。
【００２１】
さらに発明の他の目的は、単電池の長期性能に該当するチャンネルを有する部分である燃料極又は空気極において、高温クリップ抵抗を向上させて単電池の寿命を向上できる固体酸化物燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明の固体酸化物燃料電池の単電池は、燃料極（陰極）、電解質、空気極（陽極）で構成され、四つの端部又は対向する二つの端部の断面が∩字型に下向き折曲しており、かつ前記単電池の内部及び／又は外部にガスチャンネルを有することを特徴とする。
【００２３】
本発明の単電池は、四つの端部又は対向する二つの端部の断面が∩字型に下向き折曲している多孔性の燃料極（陰極）又は空気極（陽極）支持体に、厚さ５乃至５０μｍの緻密な薄膜として電解質が被覆されておる電極支持体型の構造又は固体酸化物の電解質で厚さ５０乃至２０００μｍの∩字型に下向き折曲している構造を有しているし、その各々の上部又は下部に多孔性の空気極（陽極）又は燃料極（陰極）が被覆されている３重膜又はそれ以上の多重膜で構成されており、その内部および／又は外部にガスチャンネルを有していることを特徴としている。
【００２４】
本発明に係る単電池を用いる場合、分離板でのチャンネル加工時、上下両面の一方乃至は両方を除去することができ、従来の四つの端部又は対向する二つの端部の断面が∩字型に下向き折曲している単電池において、スタックで積層する際に使われるチャンネル台と分離板でのチャンネル加工を排除することができるため、比較的に低いコストで分離板を製作することができ、又、分離板の厚さも減少させることができるという長所がある。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の燃料電池は、スタック積層の際、分離板上のチャンネル構造を単純化して分離板の厚さ及び費用を低減する長所がある。従って、相対的に同じ大きさのスタックに、より多くの単電池を積層することができるため、より大きい出力を得ることができる。これは特に、四つの端部又は対向する二つの端部の断面が∩字型に下向き折曲している単電池の製造時、支持体（例えば、空気極、電解質、燃料極）に対応する部分にチャンネルが含まれるように成型（プレス成型）することによって、燃料及び空気反応ガスが流れるチャンネルを別途に分離板に加工しなくて済む。
【００２６】
このような技術は従来のＳＯＦＣ開発において障害となっていた高費用の分離板製作という短所を補完でき、安価なＳＯＦＣスタックを製造できる効果がある。
【００２７】
又、本発明は、全体的に単電池の形態を改善して、ＳＯＦＣスタックの価格を安くすることができ、又、より多くの分離板を使用することによって、スタックの大きさを小型化することによって、究極的には寿命と耐久性、運転条件の容易性を向上させる効果がある。ここで開示した実施例は、様々な実施可能な例の中で、当業者の理解を助けるように、もっとも好適な例を選んで提示したものに過ぎず、本発明の技術思想はこの実施例に限られるものではなく、本発明の技術的思想から外れていいない範囲内で、多様に変化と変更が可能であり、均等な他の実施例も可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明に係る実施例について、添付図面を参照して詳細に説明する。
本発明において、図３は、本発明に係る四角単電池の四つの端部又は対向する二つの端部の断面が∩字型に下向き折曲している単電池の支持体に、反応ガスチャンネルが形成されている単電池の模式図を示すものである。この中で、図３ａは、四つの端部の断面が∩字型に下向き折曲している燃料極（陰極）支持体型単電池で、燃料極（陰極）支持体における反応ガスチャンネルが碁盤状の構造で形成されている。図３ｂは、四つの端部の断面が下向き折曲している燃料極（陰極）支持体型単電池で、燃料極（陰極）支持体における反応ガスチャンネルが直線形状の構造で形成されている。又、３ｃは、対向する二つの端部の断面が∩字型に下向き折曲している燃料極（陰極）支持体型単電池で、燃料極支持体における反応ガスチャンネルが直線形状の構造で形成されている。図３ｄは対向する二つの端部の断面が∩字型に下向き折曲している燃料極（陰極）支持体型単電池で、燃料極（陰極）支持体における反応ガスチャンネルが碁盤状の構造で形成されている。
【００２９】
図４は、図３の各単電池において、折曲部の２次元断面を示す模式図であり、図４ａは、支持体の折曲部全体を電解質で囲んでおり、図４ｂは、支持体の折曲部の一部を電解質で囲んでいる場合の模式図である。
【００３０】
図５は、本発明に係る四角単電池の四つの端部又は対向する二つの端部の断面が∩字型に下向き折曲している単電池の空気極支持体に、反応ガスチャンネルが形成されている単電池の模式図として、図５ａは、四つの端部の断面が∩字型に下向き折曲している空気極（陽極）支持体型単電池で、直線形状の構造で反応ガスチャンネルが形成されている単電池であり、図５ｂは、四つの端部の断面が下向き折曲している空気極（陽極）支持体型単電池で、碁盤状の構造で反応ガスチャンネルが形成されている単電池であり、図５ｃは、対向する二つの端部の断面が∩字型に下向き折曲している空気極（陽極）支持体型単電池で、直線形状の構造で反応ガスチャンネルが形成されている単電池であり、図５ｄは、対向する二つの端部の断面が∩字型に下向き折曲している空気極（陽極）支持体型単電池で、碁盤状の構造で反応ガスチャンネルが形成されている単電池である。
【００３１】
図６は、本発明に係る四角単電池の四つの端部又は対向する二つの端部の断面が∩字型に下向き折曲している単電池の電解質に反応ガスチャンネルが存在する単電池の模式図として、図６ａは、四つの端部の断面が∩字型に下向き折曲している電解質支持体型単電池で、電解質支持体に反応ガスチャンネルが直線形状の構造で形成されている単電池であり、図６ｂは、四つの端部の断面が∩字型に下向き折曲している電解質支持体型単電池で、電解質支持体に反応ガスチャンネルが碁盤状の構造で形成されている単電池であり、図６ｃは、対向する二つの端部の断面が∩字型に下向き折曲している電解質支持体型単電池で、電解質支持体に反応ガスチャンネルが直線形状の構造で形成されている単電池であり、図６ｄは、対向する二つの端部の断面が∩字型に下向き折曲している電解質支持体型単電池で、電解質支持体に反応ガスチャンネルが碁盤状の構造で形成されている単電池である。
【実施例】
【００３２】
このような本発明を実施例により、より詳しく説明すると、次の通りである。
【００３３】
実施例１；四つの端部又は対向する二つの端部の断面が∩字型に下向き折曲しており、反応ガスチャンネルを有する燃料極（陰極）支持体型単電池
【００３４】
本発明で使用したチャンネル構造の折曲型単電池とは、図２ａに示すように、平板部３１の四つの端部又は対向する二つの端部の断面が∩字型に下向き折曲しており、かつ、相対的に厚い燃料極支持体に、燃料ガスの流れを容易にするチャンネルを有する単電池のことである。
【００３５】
この単電池は、折曲部３２と支持部３３で構成されており、厚さ約１乃至２ｍｍの多孔性の燃料極（陰極）１と、厚さ５乃至５０μｍの緻密な薄膜で支持部３３上面と端部全体に電解質２が被覆されており、電解質２が被覆された部分の上部に多孔性の空気極（陽極）３が被覆されているもので、中心部は電解質２、下部は燃料極（陰極）１、上部は空気極（陽極）３で構成されている３重膜の単電池である。
【００３６】
この際、最終的に、単電池は、図３ａ、図３ｂ、図３ｃ及び図３ｄのような形態に製造することができ、例えば、大きさは約５０×５０ｍｍであり、厚さは約１．７ｍｍであり、下向き折曲している端部の高さは約３．５ｍｍ、内側の高さは１．８ｍｍ、折曲部の広さ方向の厚さは約２ｍｍである。
【００３７】
これらの製造方法は、１次焼結体である燃料極支持体に、公知のスラリーコーティング法と化学気象蒸着法を用いて、ジルコニア（ＺｒＯ２）系、セリアー（ＣｅＯ２）系、ビスムス酸化物（Ｂｉ２Ｏ３）系、ランタン系ペロブスカイト（ｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅ）系のうち、１つ又はそれ以上の電解質をコーティングし、約１２５０℃で熱処理を１回乃至数回繰り返した後、最終的には１４５０℃乃至１６００℃で焼結して約５乃至５０μｍ厚さの緻密な電解質層を製造する方法である。
【００３８】
ここで、図４ａのように、折曲部全体を緻密な電解質層で囲むこともでき、図４ｂに示すように、緻密な電解質層を燃料極支持体の上部表面と支持体折曲部の側面にコーティングすることもでき、これによってＳＯＦＣ作動時、多孔性の支持体から直接的に燃料ガスが漏れることを防止でき、封止効果も増大することができる。
【００３９】
そして、それぞれの折曲部とチャンネル構造、例えば直線形状の構造又は碁盤状の構造は様々な形態に変形することができる。すなわち、直線形状の構造において、単純な直角構造でなく鈍角又は鋭角の組合せである梯形にすることもでき、碁盤状の構造において、突出部の形態を四角形、多角形及び／又は円形などのように様々な形態に製作することもできる。
【００４０】
そして、電解質層の上面は２０％の黒鉛粉末を含むＬＳＭ（Ｌａ０．８５Ｓｒ０．１５ＭｎＯ３）＋ＹＳＺ組成粉末のペイストを用いて、空気極（陽極）をスクリーン印刷し、乾燥した後、１，１００℃で熱処理して、最終的に図３ａ又は図４ｂのような３層構造の燃料極（陰極）支持体型構造のＳＯＦＣ単電池を製造した。
【００４１】
スタックの製作・組立のためには、それぞれの単電池が同じ大きさを有するように製作することが重要であり、折曲部の大きさ及び高さは、それぞれの単電池を分離板と接触し、封止する方法によって再加工することができる。特に、格子配列方式で単電池を付着してスタックの一層を構成しようとする際（図１（ｂ））には、それぞれの単電池の厚さ及び折曲部の高さを、同じ大きさに製作しなければならない。
【００４２】
本実施例では最終単電池の大きさを約５０×５０ｍｍにする場合、折曲している端部の高さは約３．５ｍｍ、内側の高さは１．８ｍｍ、単電池の内側のガスチャンネルの谷部（凹部）の深さは約１ｍｍ内外にし、このような条件は単電池の製作時、プレス金型の大きさと熱処理又は焼結温度により決められる。
【００４３】
本発明に係る単電池では、内側チャンネルのガス分布を一定に維持し、電気的接触を行うために、集電層と集電体を使う。そして多孔性金属シート状（フェルト、ｆｅｌｔ）とマッシュ（ｍｅｓｈ）を用いているため、分離板との接触に容易である。
【００４４】
実施例２：四つの端部又は対向する二つの端部の断面が∩字型に下向き折曲しており、反応ガスチャンネルを有する空気極（陽極）支持体型単電池
【００４５】
まず、空気極（陽極）支持体を製造するために、ＬＳＭ（Ｌａ０．８５Ｓｒ０．１５ＭｎＯ３）組成の粉末に、球形の黒鉛粉末を混合し、公知のプレス成型及び熱処理条件に基づいて、最終的に約４０％の多孔性空気極（陽極）支持体を製造した。
【００４６】
このような空気極（陽極）支持体は、図５ａ、図５ｂ、図５ｃ及び図５ｄのような形態に製造され、大きさは約５０×５０ｍｍ、厚さは約１．７ｍｍ、下向き折曲している端部の高さは約３．５ｍｍ、内側の高さは１．８ｍｍ、折曲部の広さ方向の厚さは約３ｍｍとなるようにした。
【００４７】
前記空気極（陽極）支持体の下面全体に緻密な電解質層を形成した後、再びその下面に燃料極（陰極）成分としてＮｉＯ粉末と８ＹＳＺ（ＺｒＯ２＋８モール％Ｙ２Ｏ３）を重量比約５０：５０で混合した粉末と、２０％の黒鉛粉末を出発原料として、実施例と同じ印刷法を用いて、最終的に図５ａ、図５ｂ、図５ｃ及び図５ｄのような空気極（陽極）支持体型構造のＳＯＦＣ単電池を製造した。
【００４８】
特に、図５ａ、図５ｂ、図５ｃ及び図５ｄのように反応ガスチャンネルを直線形状の構造又は碁盤状の構造にし、この際のチャンネル構造は直線形状の構造において、単純な直角形状の構造でない鈍角と鋭角の組合せである梯形であることも可能であり、碁盤状の構造において、突出部の形態は四角形、多角形及び／又は円形などのように様々な形態に製作することもできる。これらは成型の際、プレス金型の形態によって決められる。以下の内容は実施例１と同様である。
【００４９】
実施例３：四つの端部又は対向する二つの端部の断面が∩字型に下向き折曲しており、反応ガスチャンネルを有する電解質支持体型単電池
【００５０】
電解質支持体型又は自立型単電池を製造するにおいて、ジルコニア（ＺｒＯ２）系、セリアー（ＣｅＯ２）系、ビスムス酸化物（Ｂｉ２Ｏ３）系、ペロブスカイト（ｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅ）系のうち、１つ又はその以上の固体酸化物電解質原料粉末を１０乃至１００μｍの大きさに粗粒化した後、これを用いて図６ａ、図６ｂ、図６ｃ及び図６ｄのような形態になるように成型した後、焼結して最終的に大きさが約５０×５０ｍｍ、厚さは約１ｍｍ以下、下向き折曲している端部の内側高さが約２ｍｍ、端部の厚さが約１乃至２ｍｍである電解質板を製作した。
【００５１】
この際、内側には原料粉末の成型時、プレス金型の形態によって谷部（凹部）の幅と深さを約１〜０．５ｍｍにそれぞれ成型し、図６ａ及び図６ｃのように直線形状の構造のチャンネルを有するか、図６ｂ及び図６ｄのように碁盤状の構造のチャンネルを有する構造に製作することができる。上述したように、このようなチャンネル構造は直線形状の構造において、単純な直角形状の構造でない鈍角と鋭角の組合せである梯形であることも可能であり、碁盤状の構造において、突出部の形態は四角形、多角形及び／又は円形など、様々な形態に製作することもできる。
【００５２】
ここで、通常の方法によって製造された燃料極の成分であるＮｉＯ粉末と８ＹＳＺ（ＺｒＯ２＋８モール％Ｙ２Ｏ３）を重量比約５０：５０で混合した粉末と、２０％の黒鉛粉末を出発原料として燃料極ペイストを製造した。これを製造された電解質板の下面、特に、反応ガスチャンネルの山部（凸部）又は谷部（凹部）にそれぞれ印刷乃至塗布して乾燥した後、１３００乃至１４５０℃の温度で熱処理して燃料極を形成した。実施例１と同様に、再び空気極の材料であるＬＳＭ（Ｌａ０．８Ｓｒ０．２ＭｎＯ３）＋ＹＳＺペイストを印刷して乾燥した後、１１００℃内外で熱処理して、言わばチャンネル構造を有する電解質支持体型又は自立型構造のＳＯＦＣ単電池を製造した。以下、実施例１及び２と同様である。
【００５３】
以下の本発明は、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ように詳細に説明したもので、本発明の最も好適な実施例を、添付の図面を参照して、詳細に説明することにする。本発明の目的、作用・効果を含めて、その他の目的、特徴は、好適な実施例の説明により、より明確になるだろう。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１ａ】図１ａは、従来の平板型・自立型構造のＳＯＦＣ単電池と、これを用いて製作された格子配列方式のスタック構成の模式図である。
【図１ｂ】図１ｂは、従来の平板型・自立型構造のＳＯＦＣ単電池と、これを用いて製作された格子配列方式のスタック構成の模式図である。
【図２ａ】図２ａは、従来の四角単電池の四つの端部又は対向する二つの端部の断面が∩字型に下向き折曲している単電池と、これを用いて製作された内部マニフォールド形式のスタック構成を示す模式図である。
【図２ｂ】図２ｂは、従来の四角単電池の四つの端部又は対向する二つの端部の断面が∩字型に下向き折曲している単電池と、これを用いて製作された内部マニフォールド形式のスタック構成を示す模式図である。
【図３ａ】図３ａは、本発明に係る四角単電池の四つの端部又は対向する二つの端部の断面が∩字型に下向き折曲している単電池の燃料極（陰極）支持体において、直線形状の構造又は碁盤状の構造を有する反応ガスチャンネルが形成されている単電池の斜示図である。
【図３ｂ】図３ｂは、本発明に係る四角単電池の四つの端部又は対向する二つの端部の断面が∩字型に下向き折曲している単電池の燃料極（陰極）支持体において、直線形状の構造又は碁盤状の構造を有する反応ガスチャンネルが形成されている単電池の斜示図である。
【図３ｃ】図３ｃは、本発明に係る四角単電池の四つの端部又は対向する二つの端部の断面が∩字型に下向き折曲している単電池の燃料極（陰極）支持体において、直線形状の構造又は碁盤状の構造を有する反応ガスチャンネルが形成されている単電池の斜示図である。
【図３ｄ】図３ｄは、本発明に係る四角単電池の四つの端部又は対向する二つの端部の断面が∩字型に下向き折曲している単電池の燃料極（陰極）支持体において、直線形状の構造又は碁盤状の構造を有する反応ガスチャンネルが形成されている単電池の斜示図である。
【図４ａ】図４ａは、図３の単電池において、各支持体の折曲部の一部又は全部を電解質で囲んだ形態を示すための模式図である。
【図４ｂ】図４ｂは、図３の単電池において、各支持体の折曲部の一部又は全部を電解質で囲んだ形態を示すための模式図である。
【図５ａ】図５ａは、本発明に係る四角単電池の四つの端部又は対向する二つの端部の断面が∩字型に下向き折曲している単電池の空気極（陽極）支持体において、直線形状の構造又は碁盤状の構造を有する、反応ガスチャンネルが形成されている単電池の模式図である。
【図５ｂ】図５ｂは、本発明に係る四角単電池の四つの端部又は対向する二つの端部の断面が∩字型に下向き折曲している単電池の空気極（陽極）支持体において、直線形状の構造又は碁盤状の構造を有する、反応ガスチャンネルが形成されている単電池の模式図である。
【図５ｃ】図５ｃは、本発明に係る四角単電池の四つの端部又は対向する二つの端部の断面が∩字型に下向き折曲している単電池の空気極（陽極）支持体において、直線形状の構造又は碁盤状の構造を有する、反応ガスチャンネルが形成されている単電池の模式図である。
【図５ｄ】図５ｄは、本発明に係る四角単電池の四つの端部又は対向する二つの端部の断面が∩字型に下向き折曲している単電池の空気極（陽極）支持体において、直線形状の構造又は碁盤状の構造を有する、反応ガスチャンネルが形成されている単電池の模式図である。
【図６ａ】図６ａは、本発明に係る四角単電池の四つの端部又は対向する二つの端部の断面が∩字型に下向き折曲している単電池の電解質支持体において、直線形状の構造又は碁盤状の構造を有する反応ガスチャンネルが形成されている単電池の模式図である。
【図６ｂ】図６ｂは、本発明に係る四角単電池の四つの端部又は対向する二つの端部の断面が∩字型に下向き折曲している単電池の電解質支持体において、直線形状の構造又は碁盤状の構造を有する反応ガスチャンネルが形成されている単電池の模式図である。
【図６ｃ】図６ｃは、本発明に係る四角単電池の四つの端部又は対向する二つの端部の断面が∩字型に下向き折曲している単電池の電解質支持体において、直線形状の構造又は碁盤状の構造を有する反応ガスチャンネルが形成されている単電池の模式図である。
【図６ｄ】図６ｄは、本発明に係る四角単電池の四つの端部又は対向する二つの端部の断面が∩字型に下向き折曲している単電池の電解質支持体において、直線形状の構造又は碁盤状の構造を有する反応ガスチャンネルが形成されている単電池の模式図である。
【符号の説明】
【００５５】
１：燃料極（陰極）
２：電解質
３：空気極（陽極）
４：単電池
６：ガスチャンネル
７：チャンネル台
８：分離板
１０：多孔性絶縁板
１２：封止材の溝
３１：平板部
３２：折曲部
３３：支持部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極（陰極）、電解質、空気極（陽極）で構成された固体酸化物燃料電池であって、単電池の四つの端部又は対向する二つの端部の断面が∩字型に下向き折曲しており、かつその内部及び／又は外部にガスチャンネルが形成されていることを特徴とする固体酸化物燃料電池。
【請求項２】
前記単電池は、端部が垂直に下向き折曲している平板部の上面全体と、折曲部及び支持部の全体又は一部に電解質が緻密に被覆されており、前記電解質が被覆されている部分の上部に多孔性の空気極（陽極）が被覆されている、３重膜又は多重膜で構成された多孔性の燃料極（陰極）支持体であり、かつその内部および／又は外部にガスチャンネルが形成されていることを特徴とする請求項１記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項３】
前記燃料極（陰極）支持体における前記ガスチャンネルは、直線形状の構造又は碁盤状の構造で形成されていることを特徴とする請求項２記載の固体酸化物燃料電池の単電池。
【請求項４】
前記下向き折曲部と燃料極（陰極）支持体に形成されている前記ガスチャンネルの直線形状の構造又は碁盤状の構造の断面構造は、直角型の突出部が鈍角と鋭角からなる梯形であるか、或いは四角形、多角形及び／又は円形の突出部が組み合わせられた複合的な形態で、ガス通路（チャンネル）の役割をする部分を有していることを特徴とする請求項２又は３記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項５】
前記単電池は、端部が垂直に下向き折曲している平板部の下面全体と、折曲部及び支持部の全体又は一部に電解質が緻密に被覆されており、前記電解質が被覆されている部分の下部に多孔性の燃料極（陰極）が被覆されている、３重膜又は多重膜で構成された多孔性の空気極（陽極）支持体型であり、かつ内部及び／又は外部にガスチャンネルが形成されていることを特徴とする請求項１記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項６】
前記空気極（陽極）支持体における前記ガスチャンネルは、直線形状の構造又は碁盤状の構造で形成されていることを特徴とする請求項５記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項７】
前記下向き折曲部と燃料極（陰極）支持体に形成されている前記ガスチャネルの直線形状の構造又は碁盤状の構造部分の断面構造は、直角型の突出部が鈍角と鋭角からなる梯形であるか、或いは四角形、多角形及び／又は円形の突出部が組み合わせられた複合的な形態で、ガス通路（チャンネル）の役割をする部分を有していることを特徴とする請求項５又は６記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項８】
前記単電池は、端部が垂直に下向きに折曲している平板部の下部に燃料極（陰極）が被覆されており、電解質の上部には空気極（陽極）が被覆されている、３重膜又は多重膜で構成された電解質支持体型であり、かつその内部及び／又は外部にガスチャンネル構造を有してい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。
【請求項９】
前記電解質支持体における前記ガスチャンネルは、直線形状の構造又は碁盤状の構造で形成されていることを特徴とする請求項８記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項１０】
前記下向き折曲部と燃料極（陰極）支持体に形成されている前記ガスチャンネルの直線形状の構造又は碁盤状の構造部分の断面構造は、直角型の突出部が鈍角と鋭角からなる梯形であるか、或いは四角形及び／又は円形突出部が組み合わせられた複合的な形態で、ガス通路（チャンネル）の役割をする部分を有していることを特徴とする請求項８又は９記載の固体酸化物燃料電池の単電池。
【請求項１１】
前記四つの端部又は対向する二つの端部の断面が∩字型に下向き折曲している支持体に、薄膜としてジルコニア（ＺｒＯ２）系、セリアー（ＣｅＯ２）系、ビスムス酸化物（Ｂｉ２Ｏ３）系、ランタン系ペロブスカイト系のうち、１つ又はその以上の電解質をコーティングして熱処理し、厚さ５乃至５０μｍの緻密な電解質層を製造し、前記電解質が被覆された部分の上部に空気極（陽極）を被覆するか、或いは前記電解質が被覆された部分の下部に燃料極（陰極）を被覆した、３重膜又は多重膜で構成された支持体型であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項１２】
ジルコニア（ＺｒＯ２）系、セリアー（ＣｅＯ２）系、ビスムス酸化物（Ｂｉ２Ｏ３）系、ランタン系ペロブスカイト系のうち、１つ又はその以上の固体酸化物電解質原料として、大きさが１０乃至１００μｍである組立粉末を用いて、四つの端部又は二つの端部の断面が∩字型に下向き折曲している厚さ５０乃至２０００μｍの電解質板を製造し、電解質平板部の下部には燃料極を、電解質の上部には空気極を被覆した単電池として、３重膜又は多重膜で構成された電解質支持体型であることを特徴とする請求項８乃至１０のいずれか記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項１】
燃料極（陰極）、電解質、空気極（陽極）で構成された固体酸化物燃料電池であって、単電池の四つの端部又は対向する二つの端部の断面が∩字型に下向き折曲しており、かつその内部及び／又は外部にガスチャンネルが形成されていることを特徴とする固体酸化物燃料電池。
【請求項２】
前記単電池は、端部が垂直に下向き折曲している平板部の上面全体と、折曲部及び支持部の全体又は一部に電解質が緻密に被覆されており、前記電解質が被覆されている部分の上部に多孔性の空気極（陽極）が被覆されている、３重膜又は多重膜で構成された多孔性の燃料極（陰極）支持体であり、かつその内部および／又は外部にガスチャンネルが形成されていることを特徴とする請求項１記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項３】
前記燃料極（陰極）支持体における前記ガスチャンネルは、直線形状の構造又は碁盤状の構造で形成されていることを特徴とする請求項２記載の固体酸化物燃料電池の単電池。
【請求項４】
前記下向き折曲部と燃料極（陰極）支持体に形成されている前記ガスチャンネルの直線形状の構造又は碁盤状の構造の断面構造は、直角型の突出部が鈍角と鋭角からなる梯形であるか、或いは四角形、多角形及び／又は円形の突出部が組み合わせられた複合的な形態で、ガス通路（チャンネル）の役割をする部分を有していることを特徴とする請求項２又は３記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項５】
前記単電池は、端部が垂直に下向き折曲している平板部の下面全体と、折曲部及び支持部の全体又は一部に電解質が緻密に被覆されており、前記電解質が被覆されている部分の下部に多孔性の燃料極（陰極）が被覆されている、３重膜又は多重膜で構成された多孔性の空気極（陽極）支持体型であり、かつ内部及び／又は外部にガスチャンネルが形成されていることを特徴とする請求項１記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項６】
前記空気極（陽極）支持体における前記ガスチャンネルは、直線形状の構造又は碁盤状の構造で形成されていることを特徴とする請求項５記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項７】
前記下向き折曲部と燃料極（陰極）支持体に形成されている前記ガスチャネルの直線形状の構造又は碁盤状の構造部分の断面構造は、直角型の突出部が鈍角と鋭角からなる梯形であるか、或いは四角形、多角形及び／又は円形の突出部が組み合わせられた複合的な形態で、ガス通路（チャンネル）の役割をする部分を有していることを特徴とする請求項５又は６記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項８】
前記単電池は、端部が垂直に下向きに折曲している平板部の下部に燃料極（陰極）が被覆されており、電解質の上部には空気極（陽極）が被覆されている、３重膜又は多重膜で構成された電解質支持体型であり、かつその内部及び／又は外部にガスチャンネル構造を有してい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。
【請求項９】
前記電解質支持体における前記ガスチャンネルは、直線形状の構造又は碁盤状の構造で形成されていることを特徴とする請求項８記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項１０】
前記下向き折曲部と燃料極（陰極）支持体に形成されている前記ガスチャンネルの直線形状の構造又は碁盤状の構造部分の断面構造は、直角型の突出部が鈍角と鋭角からなる梯形であるか、或いは四角形及び／又は円形突出部が組み合わせられた複合的な形態で、ガス通路（チャンネル）の役割をする部分を有していることを特徴とする請求項８又は９記載の固体酸化物燃料電池の単電池。
【請求項１１】
前記四つの端部又は対向する二つの端部の断面が∩字型に下向き折曲している支持体に、薄膜としてジルコニア（ＺｒＯ２）系、セリアー（ＣｅＯ２）系、ビスムス酸化物（Ｂｉ２Ｏ３）系、ランタン系ペロブスカイト系のうち、１つ又はその以上の電解質をコーティングして熱処理し、厚さ５乃至５０μｍの緻密な電解質層を製造し、前記電解質が被覆された部分の上部に空気極（陽極）を被覆するか、或いは前記電解質が被覆された部分の下部に燃料極（陰極）を被覆した、３重膜又は多重膜で構成された支持体型であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項１２】
ジルコニア（ＺｒＯ２）系、セリアー（ＣｅＯ２）系、ビスムス酸化物（Ｂｉ２Ｏ３）系、ランタン系ペロブスカイト系のうち、１つ又はその以上の固体酸化物電解質原料として、大きさが１０乃至１００μｍである組立粉末を用いて、四つの端部又は二つの端部の断面が∩字型に下向き折曲している厚さ５０乃至２０００μｍの電解質板を製造し、電解質平板部の下部には燃料極を、電解質の上部には空気極を被覆した単電池として、３重膜又は多重膜で構成された電解質支持体型であることを特徴とする請求項８乃至１０のいずれか記載の固体酸化物燃料電池。
【図１ａ】
【図１ｂ】
【図２ａ】
【図２ｂ】
【図３ａ】
【図３ｂ】
【図３ｃ】
【図３ｄ】
【図４ａ】
【図４ｂ】
【図５ａ】
【図５ｂ】
【図５ｃ】
【図５ｄ】
【図６ａ】
【図６ｂ】
【図６ｃ】
【図６ｄ】
【図１ｂ】
【図２ａ】
【図２ｂ】
【図３ａ】
【図３ｂ】
【図３ｃ】
【図３ｄ】
【図４ａ】
【図４ｂ】
【図５ａ】
【図５ｂ】
【図５ｃ】
【図５ｄ】
【図６ａ】
【図６ｂ】
【図６ｃ】
【図６ｄ】
【公開番号】特開２００８−４７５４５（Ｐ２００８−４７５４５Ａ）
【公開日】平成２０年２月２８日（２００８．２．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２７６７５１（Ｐ２００７−２７６７５１）
【出願日】平成１９年１０月２４日（２００７．１０．２４）
【分割の表示】特願２００３−３６４８００（Ｐ２００３−３６４８００）の分割
【原出願日】平成１５年１０月２４日（２００３．１０．２４）
【出願人】（５９５０６９５９４）韓国電力公社 (10)
【氏名又は名称原語表記】ＫＯＲＥＡ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＰＯＷＥＲ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年２月２８日（２００８．２．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１０月２４日（２００７．１０．２４）
【分割の表示】特願２００３−３６４８００（Ｐ２００３−３６４８００）の分割
【原出願日】平成１５年１０月２４日（２００３．１０．２４）
【出願人】（５９５０６９５９４）韓国電力公社 (10)
【氏名又は名称原語表記】ＫＯＲＥＡ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＰＯＷＥＲ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ
【Ｆターム（参考）】
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