固体酸化物燃料電池
単位体積当たりの電極面積を大幅増加させた高効率の固体酸化物燃料電池は、互いに積層されている複数の単電池を含む。各単電池は、複数のチャネル、および前記チャネルそれぞれに連結される複数の第１通路を有する電解質ブロックと、前記電解質ブロックに前記チャネルの上部を閉鎖するように取り付けられており、前記チャネルそれぞれに連結される複数の第２通路を有するカバープレートと、前記チャネルそれぞれの内面に交互に構成されている複数の空気極および複数の燃料極とをそれぞれ備える。固体酸化物燃料電池は、前記単電池の一側に前記チャネルを閉鎖するように取り付けられている第１サイドプレートと、前記単電池の他側に前記チャネルを閉鎖するように取り付けられている第２サイドプレートとをさらに含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell、ＳＯＦＣ)に係り、より詳しくは、単位体積当たりの電極面積を大幅増加させた高効率の固体酸化物燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料の酸化反応を電気化学的に発生させ、酸化反応による自由エネルギーを電気エネルギーに変換させる装置である。燃料電池は、リン酸燃料電池や高分子電解質燃料電池、溶融炭酸燃料電池、固体酸化物燃料電池などの様々な形態と構造で開発されている。
【０００３】
固体酸化物燃料電池は、６００〜１０００℃の高温で作動して電気エネルギーと熱エネルギーを生産するので、現在まで開発されている燃料電池の中でも最もエネルギーの変換効率が高い燃料電池である。したがって、固体酸化物燃料電池は、実用化される場合、高いエネルギーの変換効率のため、既存のエネルギー変換装置を代替することができる。また、固体酸化物燃料電池は、水素を原料とする場合、二酸化炭素（ＣＯ２）の排出が抑えられて未来のエネルギーシステムのエネルギー源として使用されるであろうと予想される。
【０００４】
一方、固体酸化物燃料電池は、高温作動によって燃料極(anode)の内部反応が可能なので、水素以外に天然ガス、石炭ガスなどの多様な燃料を使用することができるという利点がある。また、固体酸化物燃料電池は、溶融炭酸塩燃料電池とは異なり液体電解質を使用しないので、材料の腐食、電解質の損失および補充による問題がないという利点がある。固体酸化物燃料電池から排出される良質の廃熱を用いた廃熱回収および複合発電が可能であって、全体発電システムの効率を向上させることができる。
【０００５】
原理上、固体酸化物燃料電池は、酸素イオン伝導性電解質と、電解質の両面に位置した空気極(cathode)および燃料極とを有する単電池から構成されている。単電池の各電極に空気と水素燃料を供給すると、空気極で酸素の還元反応が起こって酸素イオンが生成され、電解質を介して燃料極に移動した酸素イオンはさらに燃料極に供給された水素と反応して水を生成する。この際、燃料極では電子が生成され、空気極では電子が消耗される。燃料極と空気極とを互いに連結すると、電気を得ることができる。
【０００６】
このような固体酸化物燃料電池において、酸素イオンの移動を可能にするために電解質の高いイオン伝導性が要求されている。また、電解質は、抵抗の減少のために機械的な耐久性を有する範囲内で、できる限り薄い厚さの薄膜から製造されることが要求されている。
【０００７】
固体酸化物燃料電池は、スタック(stack)によって円筒型(Tubular type)と平板型(Planar type)の２種に大別されている。円筒型固体酸化物燃料電池は、韓国登録特許第１０−０２８６７７９号や韓国登録特許第１０−０３４４９３６号などの特許文献らから見つけることができる。平板型固体酸化物燃料電池は、例えば韓国公開特許第２０００−００５９８３７号に開示されている。
【０００８】
平板型固体酸化物燃料電池は自立型燃料電池と支持体型燃料電池に分けられる。自立型燃料電池の単電池は、少なくとも約２００μｍの厚さを有する電解質基板の両側に厚さ数十μｍの陽極と陰極をコートして製造している。支持体型燃料電池の単電池は厚さ１〜２ｍｍの多孔性電極支持体に厚さ約２０μｍの薄い電解質膜を形成して製造している。
【０００９】
ところが、前述した特許文献らの平板型固体酸化物燃料電池を含む従来の技術の固体酸化物燃料電池は、高効率の発電のために電解質の厚さを薄くし、電極の面積を拡大し難い多くの難題を含んでいる。例えば、電解質の厚さを薄くするために電極の表面に電解質をコートして熱処理する場合、電極材料とイオン伝導材料間の相異なる熱的挙動により内部に多くの欠陥を持つ。特に、電極材料上に形成された電解質層にピンホールが発生し、ピンホールを介して燃料と空気が直接接触し合ってエネルギーの変換効率が低下するという欠点が伴っている。また、電極と電解質層の同時焼結(Co-firing)の際には電極と電解質層間の反応によって電解質層の特性が変化し、電解質層のイオン伝導性が低下するという問題がある。
【００１０】
一方、固体酸化物燃料電池の高出力化のためには、複数の単電池を接続して広い面積のスタックを構成しなければならない。単電池の接続には金属が使用されているが、この場合、電極を構成するセラミックと金属の熱膨張係数の差により耐久性が脆弱であるという問題がある。特に、固体酸化物燃料電池の運転と停止が繰り返される場合、熱応力によって破損が発生するという問題がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、前述した従来の技術の問題点を解決するために案出されたもので、その目的は、電解質ブロックにチャネルが形成され、電解質ブロックのチャネルそれぞれに空気極と燃料極が構成される構造によって、単位体積当たりの電極面積が大きく増加して高効率を実現することができる固体酸化物燃料電池を提供することにある。
【００１２】
本発明の他の目的は、電解質の厚さを減らしてイオン伝導性を大幅向上させることができ、抵抗が減少して作動温度を大幅低めることができる固体酸化物燃料電池を提供することにある。
【００１３】
本発明の別の目的は、単電池の積層によって構成されるスタックが同種素材で接合され、熱応力による破損が防止されるなど、耐久性および信頼性を向上させることができる固体酸化物燃料電池を提供することにある。
【００１４】
本発明の別の目的は、単電池とスタックの構造が簡単であって容易に小型軽量に製作することが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】
【００１５】
本発明のある観点によれば、平坦なベース部と、ベース部の一面に形成されている複数の壁体部とを有し、壁体部同士の間には両側と上部が開放されている複数のチャネルが設けられている電解質ブロックと；電解質ブロックにチャネルの上部を閉鎖するように取り付けられているカバープレートと；空気と燃料それぞれの流れを誘導することができるようにチャネルの内面それぞれに交互に構成されている複数の燃料極とを含んでなる固体酸化物燃料電池が提供される。
【００１６】
本発明の他の観点によれば、両側と上部が開放されている複数のチャネル、およびチャネルそれぞれに連結される複数の第１通路を有する電解質ブロックと、電解質ブロックにチャネルの上部を閉鎖するように取り付けられており、チャネルそれぞれに連結される複数の第２通路を有するカバープレートと、空気と燃料それぞれの流れを誘導し得るようにチャネルの内面それぞれに交互に構成されている複数の空気極および複数の燃料極とをそれぞれ備え、互いに積層されている複数の単電池と；単電池の一側にチャネルを閉鎖するように取り付けられている第１サイドプレートと；単電池の他側にチャネルを閉鎖するように取り付けられている第２サイドプレートと；を含んでなる固体酸化物燃料電池が提供される。
【００１７】
本発明の別の観点によれば、複数のチャネルを有し、チャネルそれぞれの両側のうち一側が交互に閉鎖されている電解質ブロックと、電解質ブロックにチャネルの上部を閉鎖するように取り付けられているカバープレートと、チャネルそれぞれの内面に交互に構成されている複数の空気極および複数の燃料極とをそれぞれ備える、最上層単電池、最下層単電池および少なくとも一つの中間層単電池と；中間層単電池の一側にチャネルを閉鎖するように取り付けられている第１サイドプレートと；中間層単電池の他側にチャネルを閉鎖するように取り付けられている第２サイトプレートと；を含んでなり、最上層単電池と中間層単電池それぞれの電解質ブロックの一側にはチャネルそれぞれに連結される複数の第１通路が形成されており、中間層単電池のカバープレートの一側にはチャネルそれぞれに連結される複数の第２通路が形成されている、固体酸化物燃料電池が提供される。
【００１８】
本発明の別の観点によれば、複数のチャネルを有し、チャネルそれぞれの両側のうち一側が交互に閉鎖されている電解質ブロックと、チャネルそれぞれの内面に交互に構成されている複数の空気極および複数の燃料極とをそれぞれ備える、最上層単電池、最下層単電池および少なくとも一つの中間層単電池と；最上層単電池の上部にチャネルを閉鎖するように取り付けられているカバープレートと；中間層単電池の一側にチャネルを閉鎖するように取り付けられている第１サイドプレートと；中間層単電池の他側にチャネルを閉鎖するように取り付けられている第２サイドプレートと；を含んでなり、最上層単電池と中間層単電池それぞれの電解質ブロックの一側にはチャネルそれぞれに連結される複数の通路が形成されている、固体酸化物燃料電池が提供される。
【００１９】
本発明の別の観点によれば、一側に複数の第１チャネルを有し、他側には第１チャネル同士の間に位置するように複数の第２チャネルを有する電解質ブロックと；電解質ブロックの一側に第１チャネルを閉鎖するように取り付けられており、両側には第１チャネルそれぞれの両端に連結される第１通路と第２通路がそれぞれ形成されている第１カバープレートと；電解質ブロックの他側に第２チャネルを閉鎖するように取り付けられており、両側には第２チャネルそれぞれの両端に連結される第３通路と第４通路がそれぞれ形成されている第２カバープレートと；第１チャネルそれぞれに形成されている複数の空気極と；第２チャネルそれぞれに形成されている複数の燃料極と；を含んでなる、固体酸化物燃料電池が提供される。
【発明の効果】
【００２０】
本発明に係る固体酸化物燃料電池によれば、電解質ブロックにチャネルが設けられ、電解質ブロックのチャネルそれぞれに空気極と燃料極が構成される構造によって、単位体積当たりの電極面積が大幅増加して高効率を実現することができる。空気極と燃料極との間に位置する電解質の厚さを減らしてイオン伝導性を大幅向上させることができ、抵抗が減少して作動温度を大幅低めることができる。また、単電池の積層によって構成されるスタックが同種素材で接合されて熱応力による破損が防止されるなど、耐久性および信頼性を向上させることができ、単電池とスタックの構造が簡単であって大容量の発電システムを小型化および軽量化して施設することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は本発明に係る固体酸化物燃料電池の第１実施例を示す斜視図である。
【図２】図２は図１のII−II線に沿った断面図である。
【図３】図３は図１のIII−III線に沿った断面図である。
【図４】図４は本発明に係る固体酸化物燃料電池の第２実施例を示す斜視図である。
【図５】図５は本発明に係る第２実施例の固体酸化物燃料電池における空気と燃料の流れを示す断面図である。
【図６】図６は本発明に係る固体酸化物燃料電池の第３実施例を示す斜視図である
【図７】図７は本発明に係る第３実施例の固体酸化物燃料電池における空気と燃料の流れを示す断面図である。
【図８】図８は本発明に係る固体酸化物燃料電池の第４実施例を示す斜視図である。
【図９】図９は本発明に係る第４実施例の固体酸化物燃料電池における空気と燃料の流れを示す断面図である。
【図１０】図１０は本発明に係る固体酸化物燃料電池の第５実施例を示す斜視図である。
【図１１】図１１は図１０のXI−XI線に沿った断面図である。
【図１２】図１２は図１０のXII−XII線に沿った断面図である。
【図１３】図１３は図１０のXIII−XIII線に沿った断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明に係る固体酸化物燃料電池の好適な実施例を添付図面に基づいて詳細に説明する。
【００２３】
まず、図１〜図３には本発明に係る固体酸化物燃料電池の第１実施例が示されている。図１および図２を参照すると、本発明の第１実施例に係る固体酸化物燃料電池は電解質ブロック１０を備える。電解質ブロック１０は、イットリア安定化ジルコニア(Yttria Stabilized Zirconia、ＹＳＺ)、ＣｅＯ２系電解質、Ｂｉ２Ｏ３系電解質、ＬａＧａＯ３系電解質などのイオン伝導体から構成できる。
【００２４】
電解質ブロック１０は平坦なベース部１２と、このベース部１２の一面に等間隔で形成されている複数の壁体部１４とから構成されている。壁体部１４同士の間には、両端と上部が開放されている複数のチャネル１６が形成されている。壁体部１４は数十μｍの厚さに形成できる。チャネル１６それぞれは壁体部１４それぞれの幅に対して約３０倍の深さを有する。例えば、壁体部１４が５０μｍの厚さに製造される場合、チャネル１６の深さは約１５００μｍになる。
【００２５】
また、電解質ブロック１０の上部にはチャネル１６を閉鎖するようにカバープレート２０が取り付けられている。カバープレート２０は電解質ブロック１０と同一の電解質、ガラスまたはガラスセラミック(Glass-ceramics)などで構成できる。電解質ブロック１０とカバープレート２０は高温高圧の下で直接接合されるか、あるいはガラスセラミックなどの密封材によって密封できる。
【００２６】
図１〜図３を参照すると、チャネル１６の内面に空気極３０と燃料極４０が交互に構成されている。空気極３０と燃料極４０それぞれは電気化学蒸着(electrochemical vapor deposition)によって構成できる。また、空気極３０と燃料極４０それぞれはペースト状に製造され、コーティングによって構成できる。空気極３０と燃料極４０それぞれには多様な材料が使用できる。代表的に、空気極３０はＬａＳｒＭｎＯ３から構成でき、燃料極４０はＮｉ−ＹＳＺサーメット(cermet)から構成できる。
【００２７】
このような構成を持つ第１実施例の固体酸化物燃料電池は、図３に示すように、空気極３０が構成されているチャネル１６には空気、すなわち酸素（Ｏ２）が供給され、燃料極４０が構成されているチャネル１６には燃料、例えば水素（Ｈ２）が供給される。図３には空気と燃料が空気極３０と燃料極４０に沿ってお互いに対して反対方向の流れを持つように供給されることが示されているが、これは例示的なものに過ぎず、空気と燃料の供給方向は任意に選択できる。
【００２８】
空気の供給によって、空気極３０において酸素の還元反応が起こって酸素イオンが生成される。電解質ブロック１０の壁体部１４を介して燃料極４０に移動した酸素イオンは、さらに燃料極に供給された水素と反応して水を生成する。この際、空気極３０では酸素分子が電子によってイオン化されながら電子が消耗され、燃料極４０では酸素イオンと水素とが反応して酸化しながら電子が生成される。空気極３０と燃料極４０とを互いに連結すると、電子の流れが形成されて電気が発生する。空気極３０と燃料極４０それぞれはバスまたは電流コレクタに接続できる。
【００２９】
一方、本発明の第１実施例に係る固体酸化物燃料電池は、電解質ブロック１０のチャネル１６に空気極３０と燃料極４０が構成される構造によって壁体部１４、すなわち電解質の厚さを薄く形成してイオン伝導性を向上させることができるとともに、空気極３０と燃料極４０の面積を大きくすることができる。よって、本発明の第１実施例に係る固体酸化物燃料電池は高効率の発電を成し遂げることができる。また、薄い電解質の厚さによって抵抗が減少して作動温度を大幅低めることができるので、例えば携帯用電子装置、小型電子装置などの電源として使用することができる。
【００３０】
図４および図５には本発明に係る固体酸化物燃料電池の第２実施例を示している。図４および図５を参照すると、第２実施例の固体酸化物燃料電池は複数の単電池１００を備える。各単電池１００は電解質ブロック１１０、カバープレート１２０、空気極１３０および燃料極１４０から構成されている。電解質ブロック１１０のベース部１１２、壁体部１１４、チャネル１１６、カバープレート１２０、空気極１３０および燃料極１４０は、電解質ブロック１０のベース部１２、壁体部１４、チャネル１６、カバープレート２０、空気極３０および燃料極４０と同様に構成されているので、その詳細な説明は省略する。
【００３１】
単電池１００は順次積層され、固体酸化物燃料電池のスタック１５０を構成する。電解質ブロック１１０のベース部１１２の一側にはチャネル１１６に連結される複数の第１通路１１８が形成されている。図３および図４には第１通路１１８はベース部１１２の一端を部分的に切除した切除溝部からなっていることが示されているが、第１通路１１８はチャネル１１６に連結される孔としてベース部１１２の一側に形成されてもよい。また、単電池１００は上層単電池１００ａと下層単電池１００ｂの２つからなっていることが示されているが。単電池１００の個数は適切に増加できる。
【００３２】
単電池１００のうち、上層単電池１００ａに形成されているチャネル１１６と、下層単電池１００ｂに形成されているチャネル１１６とが互いに連結されるように、ベース部１１２の第１通路１１８はジグザグ状に配列されている。ベース部１１２の第１通路１１８と対角線上に向かい合うカバープレート１２０の他側には、複数の第２通路１２２がチャネル１１６に連結されるように形成されている。第１通路１１８と第２通路１２２は、上層単電池１００ａと下層単電池１００ｂの空気極１３０と燃料極１４０それぞれに沿って空気と燃料それぞれの流れをジグザグ状に誘導するように配列されている。
【００３３】
スタック１５０の両側面には、単電池１００のチャネル１１６を閉鎖し得るように第１サイドプレート１６０と第２サイドプレート１６２がそれぞれ取り付けられている。第１サイドプレート１６０と第２サイドプレート１６２は電解質、ガラスまたはガラスセラミックから構成できる。
【００３４】
このような本発明の第２実施例に係る固体酸化物燃料電池は、空気極１３０が構成されているチャネル１１６に空気が供給され、燃料極１４０が構成されているチャネル１１６には燃料として水素が供給される。空気と燃料は第１通路１１８、第２通路１２２、空気極１３０および燃料極１４０に沿ってそれぞれジグザグ状の流れを持つ。
【００３５】
一方、第２実施例の固体酸化物燃料電池は、単電池１００の積層によってスタック１５０が構成されるので、空気極１３０と燃料極１４０の面積、すなわち電極面積が大きく増加して高効率の発電を成し遂げることができる。また、カバープレート１２０が、単電池１００の電解質ブロック１１０との熱膨張係数差がない同種素材で構成される場合、この単電池１００の積層構造によってスタック１５０が同種素材で接合されて耐久性および信頼性が向上する。そして、カバープレート１２０と第１および第２サイドプレート１６０、１６２がガラスまたはガラスセラミックから構成される場合にも、電解質ブロック１１０との熱膨張係数差が金属に比べて一層小さい。よって、第２実施例の固体酸化物燃料電池は、運転と停止が繰り返される場合にも、熱応力による破損が防止される。単電池１００とスタック１５０の構造が簡単なので、大容量の発電システムを容易に小型化および軽量化して施設することができる。
【００３６】
図６および図７には本発明に係る固体酸化物燃料電池の第３実施例が示されている。図６および図７を参照すると、第３実施例の固体酸化物燃料電池は、複数の単電池２００を備える。単電池２００は電解質ブロック２１０、カバープレート２３０、空気極２４０および燃料極２５０から構成されている。電解質ブロック２１０のベース部２１２、壁体部２１４、チャネル２１６、カバープレート２３０、空気極２４０および燃料極２５０は、電解質ブロック１０のベース部１２、壁体部１４、チャネル１６、カバープレート２０、空気極３０および燃料極４０と同様に構成されているので、その詳細な説明は省略する。
【００３７】
チャネル２１６それぞれの両側のうちいずれか一側が交互に閉鎖するように、隣接する２つの壁体部２１４それぞれの一側が側壁部２２０に連結されている。すなわち、側壁部２２０は、２つの壁体部２１４それぞれの一側にジグザグ状に連結され、チャネル２１６それぞれの一側を閉鎖する。
【００３８】
単電池２００は順次積層され、固体酸化物燃料電池のスタック２６０を構成する。単電池２００は、最上層単電池２００ａ、最下層単電池２００ｂ、および最上層単電池２００ａと最下層単電池２００ｂとの間に積層されている少なくとも一つの中間層単電池２００ｃから構成されている。図６および図７には一つの中間層単電池２００ｃが積層されていることが例示的に示されている。
【００３９】
側壁部２２０と反対側の方向に位置するように最上層単電池２００ａと中間層単電池２００ｃのベース部２１２の一側に第２通路２１８がジグザグ状に形成されている。ベース部２１２の第１通路２１８と対角線上に向かい合う、中間層単電池２００ｃのカバープレート２３０の他側には、複数の第２通路２３２がチャネル２１６と連結されるように形成されている。第１通路２１８と第２通路２３２は、最上層単電池２００ａ、最下層単電池２００ｂおよび中間層単電池２００ｃの空気極２４０と燃料極２５０それぞれに沿って空気と燃料それぞれの流れをジグザグ状に誘導するように配列されている。図６および図７には第１通路２１８と第２通路２３２が孔として形成されていることが示されているが、第１通路２１８と第２通路２３２はベース部２１２とカバープレート２３０の一側を部分的に切除した切除溝部からなってもよい。
【００４０】
スタック２６０の両側面には、中間層単電池２００ｃのチャネル２１６を閉鎖し得るように、第１サイドプレート２７０と第２サイドプレート２７２がそれぞれ取り付けられている。第１サイドプレート２７０と第２サイドプレート２７２は電解質、ガラスまたはガラスセラミックから構成できる。
【００４１】
このような本発明の第３実施例に係る固体酸化物燃料電池は、空気極２４０が構成されているチャネル２１６に空気が供給され、燃料極２５０が構成されているチャネル２１６には燃料として水素が供給される。空気と燃料は第１通路２１８、第２通路２３２、空気極２４０および燃料極２５０に沿ってそれぞれジグザグ状の流れを持つ。図７には空気と燃料が最下層単電池２００ｂのチャネル２１６を介して供給されることが示されている。ところが、空気と燃料は最上層単電池２００ａのチャネル２１６を介して供給されてもよい。この場合、最下層単電池２００ｂの第１通路２１８は削除され、第１通路２１８は最上層単電池２００ａのベース部２１２に形成される。
【００４２】
第３実施例の固体酸化物燃料電池は、単電池２００の積層によってスタック２６０が構成されるので、第２実施例の固体酸化物燃料電池と同様に電極面積が大きく増加して高効率の発電を成し遂げることができ、耐久性および信頼性が向上し、単電池２００とスタック２６０の構造が簡単であって容易に小型軽量に製作することができる。
【００４３】
図８および図９には本発明に係る固体酸化物燃料電池の第４実施例が示されている。図８および図９を参照すると、第４実施例の固体酸化物燃料電池は複数の単電池３００を備える。単電池３００は電解質ブロック３１０、空気極３４０および燃料極３５０から構成されている。電解質ブロック３１０のベース部３１２、壁体部３１４、チャネル３１６、空気極３４０および燃料極３５０は、電解質ブロック１０のベース部１２、壁体部１４、チャネル１６、空気極３０および燃料極４０と同様に構成されているので、その詳細な説明は省略する。
【００４４】
チャネル３１６それぞれの両側のうちいずれか一側が交互に閉鎖されるように、隣接する２つの壁体部３１４それぞれの一側に側壁部３２０が連結されている。すなわち、側壁部３２０は、２つの壁体部３２４それぞれの一側にジグザグ状に連結されてチャネル３１６それぞれの一側を閉鎖する。
【００４５】
単電池３００は順次積層され、固体酸化物燃料電池のスタック３６０を構成する。単電池３００は、最上層単電池３００ａ、最下層単電池３００ｂ、および最上層単電池３００ａと最下層単電池３００ｂとの間に積層されている少なくとも一つの中間層単電池３００ｃから構成されている。図８および図９には一つの中間層単電池３００ｃが積層されていることが例示的に示されている。
【００４６】
側壁部３２０と反対側の方向に位置するように、最上層単電池３００ａと中間層単電池３００ｃのベース部３１２の一側に通路３１８がジグザグ状に形成されている。通路３１８は、最上層単電池３００ａ、最下層単電池３００ｂおよび中間層単電池３００ｃの空気極３４０と燃料極３５０それぞれに沿って空気と燃料それぞれの流れをジグザグ状に誘導するように配列されている。図８および図９には通路３１８はベース部３１２の一端を部分的に切除した切除溝部からなっていることが示されているが、通路３１８はチャネル３１６に連結される孔としてベース部３１２の一側に形成されてもよい。
【００４７】
最上層単電池３００ａの上面には、チャネル３１６の上方を閉鎖し得るように、カバープレート３３０が取り付けられている。スタック３６０の両側面には、中間層単電池３００ｃのチャネル３１６を閉鎖し得るように、第１サイドプレート３７０と第２サイドプレート３７２がそれぞれ取り付けられている。第１サイドプレート３７０と第２サイドプレート３７２は電解質、ガラスまたはガラスセラミックから構成できる。
【００４８】
このような本発明の第４実施例に係る固体酸化物燃料電池は、空気極３４０が構成されているチャネル３１６に空気が供給され、燃料極３５０が構成されているチャネル３１６には燃料として水素が供給される。空気と燃料は通路３１８、空気極３４０および燃料極４５０に沿ってそれぞれジグザグ状の流れを持つ。第４実施例の固体酸化物燃料電池は、最上層単電池３００ａの上面にのみ単一のカバープレート３３０が取り付けられている。したがって、第４実施例の固体酸化物燃料電池は、単電池２００それぞれにカバープレート２３０が備えられている第３実施例の固体酸化物燃料電池より簡単な構造で製作される。
【００４９】
図１０〜図１３には本発明に係る固体酸化物燃料電池の第５実施例が示されている。図１０〜図１３を参照すると、第５実施例の固体酸化物燃料電池は電解質ブロック４１０を備える。電解質ブロック４１０の一側に複数の第１チャネル４１２が形成されており、電解質ブロック４１０の他側には第１チャネル４１２同士の間に位置するように複数の第２チャネル４１４が形成されている。第１チャネル４１２と第２チャネル４１４との間を区画する壁体部４１６は数十μｍの厚さで同一に形成されている。すなわち、図１１に示されているように、第１チャネル４１２と第２チャネル４１４それぞれは電解質ブロック４１０の両側に交互に形成されてジグザグ状の断面を持つ。
【００５０】
電解質ブロック４１０の一側には第１チャネル４１２を閉鎖するように第１カバープレート４２０が取り付けられており、電解質ブロック４１０の他側には第２チャネル４１４を閉鎖するように第２カバープレート４３０が取り付けられている。第１カバープレート４２０の両側には、第１チャネル４１２の両端に連結されるように第１通路４２２と第２通路４２４が形成されている。第２カバープレート４３０の両側には第２チャネル４１４の両端に連結されるように第３通路４３２と第４通路４３４が形成されている。第１および第２カバープレート４２０、４３０は、電解質ブロック４１０と同一の電解質、ガラスまたはガラスセラミックなどで構成できる。
【００５１】
また、第１チャネル４１２の内面には第１チャネル４１２に沿って空気の流れを誘導し得るように空気極４４０がそれぞれ形成されており、第２チャネル４１４の内面には第２チャネル４１４に沿って燃料の流れを誘導し得るように燃料極４５０がそれぞれ形成されている。あるいは、空気極４４０は第２チャネル４１４の内面に形成され、燃料極４５０は第１チャネル４１２の内面に形成されてもよい。
【００５２】
次に、このような構成を持つ本発明の第５実施例に係る固体酸化物燃料電池の作用について図１２および図１３に基づいて説明する。第１カバープレート４２０の第１通路４２２を介して供給される空気は、第１通路４２２を通過して第１チャネル４１２の一端に分配されて供給される。第１チャネル４１２の一端に供給される空気は、第１チャネル４１２に沿って流れて第２通路４２４を介して排出される。第２カバープレート４３０の第３通路４３２を介して供給される空気は、第３通路４３２を通過して第２チャネル４１４の一端に分配されて供給される。第２チャネル４１４の一端に供給される空気は第２チャネル４１４に沿って流れて第４通路４３４を介して排出される。
【００５３】
本発明の第５実施例に係る固体酸化物燃料電池は、電解質ブロック４１０の両側において第１および第２チャネル４１２、４１４それぞれに第１カバープレート４２０の第１および第２通路４２２、４２４と第２カバープレート４３０の第３および第４通路４３２、４３４を介して空気と燃料を一括的に供給することができるので、空気と燃料の供給および回収による制御を簡便に行うことができる。
【００５４】
以上説明した実施例は、本発明の好適な実施例を説明したものに過ぎず、本発明の権利範囲を限定するものではない。当該分野における当業者であれば、特許請求の範囲に定められる本発明の範疇から逸脱することなく、多様な変更および変形が可能であると理解されるべきである。
【００５５】
発明の様態
本発明の固体酸化物燃料電池は、水素などの燃料を、例えば自動車などの移動体の推進に用いられる電気エネルギーへ電気化学的に転換することに利用可能である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell、ＳＯＦＣ)に係り、より詳しくは、単位体積当たりの電極面積を大幅増加させた高効率の固体酸化物燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料の酸化反応を電気化学的に発生させ、酸化反応による自由エネルギーを電気エネルギーに変換させる装置である。燃料電池は、リン酸燃料電池や高分子電解質燃料電池、溶融炭酸燃料電池、固体酸化物燃料電池などの様々な形態と構造で開発されている。
【０００３】
固体酸化物燃料電池は、６００〜１０００℃の高温で作動して電気エネルギーと熱エネルギーを生産するので、現在まで開発されている燃料電池の中でも最もエネルギーの変換効率が高い燃料電池である。したがって、固体酸化物燃料電池は、実用化される場合、高いエネルギーの変換効率のため、既存のエネルギー変換装置を代替することができる。また、固体酸化物燃料電池は、水素を原料とする場合、二酸化炭素（ＣＯ２）の排出が抑えられて未来のエネルギーシステムのエネルギー源として使用されるであろうと予想される。
【０００４】
一方、固体酸化物燃料電池は、高温作動によって燃料極(anode)の内部反応が可能なので、水素以外に天然ガス、石炭ガスなどの多様な燃料を使用することができるという利点がある。また、固体酸化物燃料電池は、溶融炭酸塩燃料電池とは異なり液体電解質を使用しないので、材料の腐食、電解質の損失および補充による問題がないという利点がある。固体酸化物燃料電池から排出される良質の廃熱を用いた廃熱回収および複合発電が可能であって、全体発電システムの効率を向上させることができる。
【０００５】
原理上、固体酸化物燃料電池は、酸素イオン伝導性電解質と、電解質の両面に位置した空気極(cathode)および燃料極とを有する単電池から構成されている。単電池の各電極に空気と水素燃料を供給すると、空気極で酸素の還元反応が起こって酸素イオンが生成され、電解質を介して燃料極に移動した酸素イオンはさらに燃料極に供給された水素と反応して水を生成する。この際、燃料極では電子が生成され、空気極では電子が消耗される。燃料極と空気極とを互いに連結すると、電気を得ることができる。
【０００６】
このような固体酸化物燃料電池において、酸素イオンの移動を可能にするために電解質の高いイオン伝導性が要求されている。また、電解質は、抵抗の減少のために機械的な耐久性を有する範囲内で、できる限り薄い厚さの薄膜から製造されることが要求されている。
【０００７】
固体酸化物燃料電池は、スタック(stack)によって円筒型(Tubular type)と平板型(Planar type)の２種に大別されている。円筒型固体酸化物燃料電池は、韓国登録特許第１０−０２８６７７９号や韓国登録特許第１０−０３４４９３６号などの特許文献らから見つけることができる。平板型固体酸化物燃料電池は、例えば韓国公開特許第２０００−００５９８３７号に開示されている。
【０００８】
平板型固体酸化物燃料電池は自立型燃料電池と支持体型燃料電池に分けられる。自立型燃料電池の単電池は、少なくとも約２００μｍの厚さを有する電解質基板の両側に厚さ数十μｍの陽極と陰極をコートして製造している。支持体型燃料電池の単電池は厚さ１〜２ｍｍの多孔性電極支持体に厚さ約２０μｍの薄い電解質膜を形成して製造している。
【０００９】
ところが、前述した特許文献らの平板型固体酸化物燃料電池を含む従来の技術の固体酸化物燃料電池は、高効率の発電のために電解質の厚さを薄くし、電極の面積を拡大し難い多くの難題を含んでいる。例えば、電解質の厚さを薄くするために電極の表面に電解質をコートして熱処理する場合、電極材料とイオン伝導材料間の相異なる熱的挙動により内部に多くの欠陥を持つ。特に、電極材料上に形成された電解質層にピンホールが発生し、ピンホールを介して燃料と空気が直接接触し合ってエネルギーの変換効率が低下するという欠点が伴っている。また、電極と電解質層の同時焼結(Co-firing)の際には電極と電解質層間の反応によって電解質層の特性が変化し、電解質層のイオン伝導性が低下するという問題がある。
【００１０】
一方、固体酸化物燃料電池の高出力化のためには、複数の単電池を接続して広い面積のスタックを構成しなければならない。単電池の接続には金属が使用されているが、この場合、電極を構成するセラミックと金属の熱膨張係数の差により耐久性が脆弱であるという問題がある。特に、固体酸化物燃料電池の運転と停止が繰り返される場合、熱応力によって破損が発生するという問題がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、前述した従来の技術の問題点を解決するために案出されたもので、その目的は、電解質ブロックにチャネルが形成され、電解質ブロックのチャネルそれぞれに空気極と燃料極が構成される構造によって、単位体積当たりの電極面積が大きく増加して高効率を実現することができる固体酸化物燃料電池を提供することにある。
【００１２】
本発明の他の目的は、電解質の厚さを減らしてイオン伝導性を大幅向上させることができ、抵抗が減少して作動温度を大幅低めることができる固体酸化物燃料電池を提供することにある。
【００１３】
本発明の別の目的は、単電池の積層によって構成されるスタックが同種素材で接合され、熱応力による破損が防止されるなど、耐久性および信頼性を向上させることができる固体酸化物燃料電池を提供することにある。
【００１４】
本発明の別の目的は、単電池とスタックの構造が簡単であって容易に小型軽量に製作することが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】
【００１５】
本発明のある観点によれば、平坦なベース部と、ベース部の一面に形成されている複数の壁体部とを有し、壁体部同士の間には両側と上部が開放されている複数のチャネルが設けられている電解質ブロックと；電解質ブロックにチャネルの上部を閉鎖するように取り付けられているカバープレートと；空気と燃料それぞれの流れを誘導することができるようにチャネルの内面それぞれに交互に構成されている複数の燃料極とを含んでなる固体酸化物燃料電池が提供される。
【００１６】
本発明の他の観点によれば、両側と上部が開放されている複数のチャネル、およびチャネルそれぞれに連結される複数の第１通路を有する電解質ブロックと、電解質ブロックにチャネルの上部を閉鎖するように取り付けられており、チャネルそれぞれに連結される複数の第２通路を有するカバープレートと、空気と燃料それぞれの流れを誘導し得るようにチャネルの内面それぞれに交互に構成されている複数の空気極および複数の燃料極とをそれぞれ備え、互いに積層されている複数の単電池と；単電池の一側にチャネルを閉鎖するように取り付けられている第１サイドプレートと；単電池の他側にチャネルを閉鎖するように取り付けられている第２サイドプレートと；を含んでなる固体酸化物燃料電池が提供される。
【００１７】
本発明の別の観点によれば、複数のチャネルを有し、チャネルそれぞれの両側のうち一側が交互に閉鎖されている電解質ブロックと、電解質ブロックにチャネルの上部を閉鎖するように取り付けられているカバープレートと、チャネルそれぞれの内面に交互に構成されている複数の空気極および複数の燃料極とをそれぞれ備える、最上層単電池、最下層単電池および少なくとも一つの中間層単電池と；中間層単電池の一側にチャネルを閉鎖するように取り付けられている第１サイドプレートと；中間層単電池の他側にチャネルを閉鎖するように取り付けられている第２サイトプレートと；を含んでなり、最上層単電池と中間層単電池それぞれの電解質ブロックの一側にはチャネルそれぞれに連結される複数の第１通路が形成されており、中間層単電池のカバープレートの一側にはチャネルそれぞれに連結される複数の第２通路が形成されている、固体酸化物燃料電池が提供される。
【００１８】
本発明の別の観点によれば、複数のチャネルを有し、チャネルそれぞれの両側のうち一側が交互に閉鎖されている電解質ブロックと、チャネルそれぞれの内面に交互に構成されている複数の空気極および複数の燃料極とをそれぞれ備える、最上層単電池、最下層単電池および少なくとも一つの中間層単電池と；最上層単電池の上部にチャネルを閉鎖するように取り付けられているカバープレートと；中間層単電池の一側にチャネルを閉鎖するように取り付けられている第１サイドプレートと；中間層単電池の他側にチャネルを閉鎖するように取り付けられている第２サイドプレートと；を含んでなり、最上層単電池と中間層単電池それぞれの電解質ブロックの一側にはチャネルそれぞれに連結される複数の通路が形成されている、固体酸化物燃料電池が提供される。
【００１９】
本発明の別の観点によれば、一側に複数の第１チャネルを有し、他側には第１チャネル同士の間に位置するように複数の第２チャネルを有する電解質ブロックと；電解質ブロックの一側に第１チャネルを閉鎖するように取り付けられており、両側には第１チャネルそれぞれの両端に連結される第１通路と第２通路がそれぞれ形成されている第１カバープレートと；電解質ブロックの他側に第２チャネルを閉鎖するように取り付けられており、両側には第２チャネルそれぞれの両端に連結される第３通路と第４通路がそれぞれ形成されている第２カバープレートと；第１チャネルそれぞれに形成されている複数の空気極と；第２チャネルそれぞれに形成されている複数の燃料極と；を含んでなる、固体酸化物燃料電池が提供される。
【発明の効果】
【００２０】
本発明に係る固体酸化物燃料電池によれば、電解質ブロックにチャネルが設けられ、電解質ブロックのチャネルそれぞれに空気極と燃料極が構成される構造によって、単位体積当たりの電極面積が大幅増加して高効率を実現することができる。空気極と燃料極との間に位置する電解質の厚さを減らしてイオン伝導性を大幅向上させることができ、抵抗が減少して作動温度を大幅低めることができる。また、単電池の積層によって構成されるスタックが同種素材で接合されて熱応力による破損が防止されるなど、耐久性および信頼性を向上させることができ、単電池とスタックの構造が簡単であって大容量の発電システムを小型化および軽量化して施設することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は本発明に係る固体酸化物燃料電池の第１実施例を示す斜視図である。
【図２】図２は図１のII−II線に沿った断面図である。
【図３】図３は図１のIII−III線に沿った断面図である。
【図４】図４は本発明に係る固体酸化物燃料電池の第２実施例を示す斜視図である。
【図５】図５は本発明に係る第２実施例の固体酸化物燃料電池における空気と燃料の流れを示す断面図である。
【図６】図６は本発明に係る固体酸化物燃料電池の第３実施例を示す斜視図である
【図７】図７は本発明に係る第３実施例の固体酸化物燃料電池における空気と燃料の流れを示す断面図である。
【図８】図８は本発明に係る固体酸化物燃料電池の第４実施例を示す斜視図である。
【図９】図９は本発明に係る第４実施例の固体酸化物燃料電池における空気と燃料の流れを示す断面図である。
【図１０】図１０は本発明に係る固体酸化物燃料電池の第５実施例を示す斜視図である。
【図１１】図１１は図１０のXI−XI線に沿った断面図である。
【図１２】図１２は図１０のXII−XII線に沿った断面図である。
【図１３】図１３は図１０のXIII−XIII線に沿った断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明に係る固体酸化物燃料電池の好適な実施例を添付図面に基づいて詳細に説明する。
【００２３】
まず、図１〜図３には本発明に係る固体酸化物燃料電池の第１実施例が示されている。図１および図２を参照すると、本発明の第１実施例に係る固体酸化物燃料電池は電解質ブロック１０を備える。電解質ブロック１０は、イットリア安定化ジルコニア(Yttria Stabilized Zirconia、ＹＳＺ)、ＣｅＯ２系電解質、Ｂｉ２Ｏ３系電解質、ＬａＧａＯ３系電解質などのイオン伝導体から構成できる。
【００２４】
電解質ブロック１０は平坦なベース部１２と、このベース部１２の一面に等間隔で形成されている複数の壁体部１４とから構成されている。壁体部１４同士の間には、両端と上部が開放されている複数のチャネル１６が形成されている。壁体部１４は数十μｍの厚さに形成できる。チャネル１６それぞれは壁体部１４それぞれの幅に対して約３０倍の深さを有する。例えば、壁体部１４が５０μｍの厚さに製造される場合、チャネル１６の深さは約１５００μｍになる。
【００２５】
また、電解質ブロック１０の上部にはチャネル１６を閉鎖するようにカバープレート２０が取り付けられている。カバープレート２０は電解質ブロック１０と同一の電解質、ガラスまたはガラスセラミック(Glass-ceramics)などで構成できる。電解質ブロック１０とカバープレート２０は高温高圧の下で直接接合されるか、あるいはガラスセラミックなどの密封材によって密封できる。
【００２６】
図１〜図３を参照すると、チャネル１６の内面に空気極３０と燃料極４０が交互に構成されている。空気極３０と燃料極４０それぞれは電気化学蒸着(electrochemical vapor deposition)によって構成できる。また、空気極３０と燃料極４０それぞれはペースト状に製造され、コーティングによって構成できる。空気極３０と燃料極４０それぞれには多様な材料が使用できる。代表的に、空気極３０はＬａＳｒＭｎＯ３から構成でき、燃料極４０はＮｉ−ＹＳＺサーメット(cermet)から構成できる。
【００２７】
このような構成を持つ第１実施例の固体酸化物燃料電池は、図３に示すように、空気極３０が構成されているチャネル１６には空気、すなわち酸素（Ｏ２）が供給され、燃料極４０が構成されているチャネル１６には燃料、例えば水素（Ｈ２）が供給される。図３には空気と燃料が空気極３０と燃料極４０に沿ってお互いに対して反対方向の流れを持つように供給されることが示されているが、これは例示的なものに過ぎず、空気と燃料の供給方向は任意に選択できる。
【００２８】
空気の供給によって、空気極３０において酸素の還元反応が起こって酸素イオンが生成される。電解質ブロック１０の壁体部１４を介して燃料極４０に移動した酸素イオンは、さらに燃料極に供給された水素と反応して水を生成する。この際、空気極３０では酸素分子が電子によってイオン化されながら電子が消耗され、燃料極４０では酸素イオンと水素とが反応して酸化しながら電子が生成される。空気極３０と燃料極４０とを互いに連結すると、電子の流れが形成されて電気が発生する。空気極３０と燃料極４０それぞれはバスまたは電流コレクタに接続できる。
【００２９】
一方、本発明の第１実施例に係る固体酸化物燃料電池は、電解質ブロック１０のチャネル１６に空気極３０と燃料極４０が構成される構造によって壁体部１４、すなわち電解質の厚さを薄く形成してイオン伝導性を向上させることができるとともに、空気極３０と燃料極４０の面積を大きくすることができる。よって、本発明の第１実施例に係る固体酸化物燃料電池は高効率の発電を成し遂げることができる。また、薄い電解質の厚さによって抵抗が減少して作動温度を大幅低めることができるので、例えば携帯用電子装置、小型電子装置などの電源として使用することができる。
【００３０】
図４および図５には本発明に係る固体酸化物燃料電池の第２実施例を示している。図４および図５を参照すると、第２実施例の固体酸化物燃料電池は複数の単電池１００を備える。各単電池１００は電解質ブロック１１０、カバープレート１２０、空気極１３０および燃料極１４０から構成されている。電解質ブロック１１０のベース部１１２、壁体部１１４、チャネル１１６、カバープレート１２０、空気極１３０および燃料極１４０は、電解質ブロック１０のベース部１２、壁体部１４、チャネル１６、カバープレート２０、空気極３０および燃料極４０と同様に構成されているので、その詳細な説明は省略する。
【００３１】
単電池１００は順次積層され、固体酸化物燃料電池のスタック１５０を構成する。電解質ブロック１１０のベース部１１２の一側にはチャネル１１６に連結される複数の第１通路１１８が形成されている。図３および図４には第１通路１１８はベース部１１２の一端を部分的に切除した切除溝部からなっていることが示されているが、第１通路１１８はチャネル１１６に連結される孔としてベース部１１２の一側に形成されてもよい。また、単電池１００は上層単電池１００ａと下層単電池１００ｂの２つからなっていることが示されているが。単電池１００の個数は適切に増加できる。
【００３２】
単電池１００のうち、上層単電池１００ａに形成されているチャネル１１６と、下層単電池１００ｂに形成されているチャネル１１６とが互いに連結されるように、ベース部１１２の第１通路１１８はジグザグ状に配列されている。ベース部１１２の第１通路１１８と対角線上に向かい合うカバープレート１２０の他側には、複数の第２通路１２２がチャネル１１６に連結されるように形成されている。第１通路１１８と第２通路１２２は、上層単電池１００ａと下層単電池１００ｂの空気極１３０と燃料極１４０それぞれに沿って空気と燃料それぞれの流れをジグザグ状に誘導するように配列されている。
【００３３】
スタック１５０の両側面には、単電池１００のチャネル１１６を閉鎖し得るように第１サイドプレート１６０と第２サイドプレート１６２がそれぞれ取り付けられている。第１サイドプレート１６０と第２サイドプレート１６２は電解質、ガラスまたはガラスセラミックから構成できる。
【００３４】
このような本発明の第２実施例に係る固体酸化物燃料電池は、空気極１３０が構成されているチャネル１１６に空気が供給され、燃料極１４０が構成されているチャネル１１６には燃料として水素が供給される。空気と燃料は第１通路１１８、第２通路１２２、空気極１３０および燃料極１４０に沿ってそれぞれジグザグ状の流れを持つ。
【００３５】
一方、第２実施例の固体酸化物燃料電池は、単電池１００の積層によってスタック１５０が構成されるので、空気極１３０と燃料極１４０の面積、すなわち電極面積が大きく増加して高効率の発電を成し遂げることができる。また、カバープレート１２０が、単電池１００の電解質ブロック１１０との熱膨張係数差がない同種素材で構成される場合、この単電池１００の積層構造によってスタック１５０が同種素材で接合されて耐久性および信頼性が向上する。そして、カバープレート１２０と第１および第２サイドプレート１６０、１６２がガラスまたはガラスセラミックから構成される場合にも、電解質ブロック１１０との熱膨張係数差が金属に比べて一層小さい。よって、第２実施例の固体酸化物燃料電池は、運転と停止が繰り返される場合にも、熱応力による破損が防止される。単電池１００とスタック１５０の構造が簡単なので、大容量の発電システムを容易に小型化および軽量化して施設することができる。
【００３６】
図６および図７には本発明に係る固体酸化物燃料電池の第３実施例が示されている。図６および図７を参照すると、第３実施例の固体酸化物燃料電池は、複数の単電池２００を備える。単電池２００は電解質ブロック２１０、カバープレート２３０、空気極２４０および燃料極２５０から構成されている。電解質ブロック２１０のベース部２１２、壁体部２１４、チャネル２１６、カバープレート２３０、空気極２４０および燃料極２５０は、電解質ブロック１０のベース部１２、壁体部１４、チャネル１６、カバープレート２０、空気極３０および燃料極４０と同様に構成されているので、その詳細な説明は省略する。
【００３７】
チャネル２１６それぞれの両側のうちいずれか一側が交互に閉鎖するように、隣接する２つの壁体部２１４それぞれの一側が側壁部２２０に連結されている。すなわち、側壁部２２０は、２つの壁体部２１４それぞれの一側にジグザグ状に連結され、チャネル２１６それぞれの一側を閉鎖する。
【００３８】
単電池２００は順次積層され、固体酸化物燃料電池のスタック２６０を構成する。単電池２００は、最上層単電池２００ａ、最下層単電池２００ｂ、および最上層単電池２００ａと最下層単電池２００ｂとの間に積層されている少なくとも一つの中間層単電池２００ｃから構成されている。図６および図７には一つの中間層単電池２００ｃが積層されていることが例示的に示されている。
【００３９】
側壁部２２０と反対側の方向に位置するように最上層単電池２００ａと中間層単電池２００ｃのベース部２１２の一側に第２通路２１８がジグザグ状に形成されている。ベース部２１２の第１通路２１８と対角線上に向かい合う、中間層単電池２００ｃのカバープレート２３０の他側には、複数の第２通路２３２がチャネル２１６と連結されるように形成されている。第１通路２１８と第２通路２３２は、最上層単電池２００ａ、最下層単電池２００ｂおよび中間層単電池２００ｃの空気極２４０と燃料極２５０それぞれに沿って空気と燃料それぞれの流れをジグザグ状に誘導するように配列されている。図６および図７には第１通路２１８と第２通路２３２が孔として形成されていることが示されているが、第１通路２１８と第２通路２３２はベース部２１２とカバープレート２３０の一側を部分的に切除した切除溝部からなってもよい。
【００４０】
スタック２６０の両側面には、中間層単電池２００ｃのチャネル２１６を閉鎖し得るように、第１サイドプレート２７０と第２サイドプレート２７２がそれぞれ取り付けられている。第１サイドプレート２７０と第２サイドプレート２７２は電解質、ガラスまたはガラスセラミックから構成できる。
【００４１】
このような本発明の第３実施例に係る固体酸化物燃料電池は、空気極２４０が構成されているチャネル２１６に空気が供給され、燃料極２５０が構成されているチャネル２１６には燃料として水素が供給される。空気と燃料は第１通路２１８、第２通路２３２、空気極２４０および燃料極２５０に沿ってそれぞれジグザグ状の流れを持つ。図７には空気と燃料が最下層単電池２００ｂのチャネル２１６を介して供給されることが示されている。ところが、空気と燃料は最上層単電池２００ａのチャネル２１６を介して供給されてもよい。この場合、最下層単電池２００ｂの第１通路２１８は削除され、第１通路２１８は最上層単電池２００ａのベース部２１２に形成される。
【００４２】
第３実施例の固体酸化物燃料電池は、単電池２００の積層によってスタック２６０が構成されるので、第２実施例の固体酸化物燃料電池と同様に電極面積が大きく増加して高効率の発電を成し遂げることができ、耐久性および信頼性が向上し、単電池２００とスタック２６０の構造が簡単であって容易に小型軽量に製作することができる。
【００４３】
図８および図９には本発明に係る固体酸化物燃料電池の第４実施例が示されている。図８および図９を参照すると、第４実施例の固体酸化物燃料電池は複数の単電池３００を備える。単電池３００は電解質ブロック３１０、空気極３４０および燃料極３５０から構成されている。電解質ブロック３１０のベース部３１２、壁体部３１４、チャネル３１６、空気極３４０および燃料極３５０は、電解質ブロック１０のベース部１２、壁体部１４、チャネル１６、空気極３０および燃料極４０と同様に構成されているので、その詳細な説明は省略する。
【００４４】
チャネル３１６それぞれの両側のうちいずれか一側が交互に閉鎖されるように、隣接する２つの壁体部３１４それぞれの一側に側壁部３２０が連結されている。すなわち、側壁部３２０は、２つの壁体部３２４それぞれの一側にジグザグ状に連結されてチャネル３１６それぞれの一側を閉鎖する。
【００４５】
単電池３００は順次積層され、固体酸化物燃料電池のスタック３６０を構成する。単電池３００は、最上層単電池３００ａ、最下層単電池３００ｂ、および最上層単電池３００ａと最下層単電池３００ｂとの間に積層されている少なくとも一つの中間層単電池３００ｃから構成されている。図８および図９には一つの中間層単電池３００ｃが積層されていることが例示的に示されている。
【００４６】
側壁部３２０と反対側の方向に位置するように、最上層単電池３００ａと中間層単電池３００ｃのベース部３１２の一側に通路３１８がジグザグ状に形成されている。通路３１８は、最上層単電池３００ａ、最下層単電池３００ｂおよび中間層単電池３００ｃの空気極３４０と燃料極３５０それぞれに沿って空気と燃料それぞれの流れをジグザグ状に誘導するように配列されている。図８および図９には通路３１８はベース部３１２の一端を部分的に切除した切除溝部からなっていることが示されているが、通路３１８はチャネル３１６に連結される孔としてベース部３１２の一側に形成されてもよい。
【００４７】
最上層単電池３００ａの上面には、チャネル３１６の上方を閉鎖し得るように、カバープレート３３０が取り付けられている。スタック３６０の両側面には、中間層単電池３００ｃのチャネル３１６を閉鎖し得るように、第１サイドプレート３７０と第２サイドプレート３７２がそれぞれ取り付けられている。第１サイドプレート３７０と第２サイドプレート３７２は電解質、ガラスまたはガラスセラミックから構成できる。
【００４８】
このような本発明の第４実施例に係る固体酸化物燃料電池は、空気極３４０が構成されているチャネル３１６に空気が供給され、燃料極３５０が構成されているチャネル３１６には燃料として水素が供給される。空気と燃料は通路３１８、空気極３４０および燃料極４５０に沿ってそれぞれジグザグ状の流れを持つ。第４実施例の固体酸化物燃料電池は、最上層単電池３００ａの上面にのみ単一のカバープレート３３０が取り付けられている。したがって、第４実施例の固体酸化物燃料電池は、単電池２００それぞれにカバープレート２３０が備えられている第３実施例の固体酸化物燃料電池より簡単な構造で製作される。
【００４９】
図１０〜図１３には本発明に係る固体酸化物燃料電池の第５実施例が示されている。図１０〜図１３を参照すると、第５実施例の固体酸化物燃料電池は電解質ブロック４１０を備える。電解質ブロック４１０の一側に複数の第１チャネル４１２が形成されており、電解質ブロック４１０の他側には第１チャネル４１２同士の間に位置するように複数の第２チャネル４１４が形成されている。第１チャネル４１２と第２チャネル４１４との間を区画する壁体部４１６は数十μｍの厚さで同一に形成されている。すなわち、図１１に示されているように、第１チャネル４１２と第２チャネル４１４それぞれは電解質ブロック４１０の両側に交互に形成されてジグザグ状の断面を持つ。
【００５０】
電解質ブロック４１０の一側には第１チャネル４１２を閉鎖するように第１カバープレート４２０が取り付けられており、電解質ブロック４１０の他側には第２チャネル４１４を閉鎖するように第２カバープレート４３０が取り付けられている。第１カバープレート４２０の両側には、第１チャネル４１２の両端に連結されるように第１通路４２２と第２通路４２４が形成されている。第２カバープレート４３０の両側には第２チャネル４１４の両端に連結されるように第３通路４３２と第４通路４３４が形成されている。第１および第２カバープレート４２０、４３０は、電解質ブロック４１０と同一の電解質、ガラスまたはガラスセラミックなどで構成できる。
【００５１】
また、第１チャネル４１２の内面には第１チャネル４１２に沿って空気の流れを誘導し得るように空気極４４０がそれぞれ形成されており、第２チャネル４１４の内面には第２チャネル４１４に沿って燃料の流れを誘導し得るように燃料極４５０がそれぞれ形成されている。あるいは、空気極４４０は第２チャネル４１４の内面に形成され、燃料極４５０は第１チャネル４１２の内面に形成されてもよい。
【００５２】
次に、このような構成を持つ本発明の第５実施例に係る固体酸化物燃料電池の作用について図１２および図１３に基づいて説明する。第１カバープレート４２０の第１通路４２２を介して供給される空気は、第１通路４２２を通過して第１チャネル４１２の一端に分配されて供給される。第１チャネル４１２の一端に供給される空気は、第１チャネル４１２に沿って流れて第２通路４２４を介して排出される。第２カバープレート４３０の第３通路４３２を介して供給される空気は、第３通路４３２を通過して第２チャネル４１４の一端に分配されて供給される。第２チャネル４１４の一端に供給される空気は第２チャネル４１４に沿って流れて第４通路４３４を介して排出される。
【００５３】
本発明の第５実施例に係る固体酸化物燃料電池は、電解質ブロック４１０の両側において第１および第２チャネル４１２、４１４それぞれに第１カバープレート４２０の第１および第２通路４２２、４２４と第２カバープレート４３０の第３および第４通路４３２、４３４を介して空気と燃料を一括的に供給することができるので、空気と燃料の供給および回収による制御を簡便に行うことができる。
【００５４】
以上説明した実施例は、本発明の好適な実施例を説明したものに過ぎず、本発明の権利範囲を限定するものではない。当該分野における当業者であれば、特許請求の範囲に定められる本発明の範疇から逸脱することなく、多様な変更および変形が可能であると理解されるべきである。
【００５５】
発明の様態
本発明の固体酸化物燃料電池は、水素などの燃料を、例えば自動車などの移動体の推進に用いられる電気エネルギーへ電気化学的に転換することに利用可能である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のチャネル、および前記チャネルそれぞれに連結される複数の第１通路を有する電解質ブロックと、前記電解質ブロックに前記チャネルの上部を閉鎖するように取り付けられており、前記チャネルそれぞれに連結される複数の第２通路が形成されているカバープレートと、前記チャネルそれぞれの内面に交互に構成されている複数の空気極および複数の燃料極とをそれぞれ備え、互いに積層されている複数の単電池と、
前記単電池の一側に前記チャネルを閉鎖するように取り付けられている第１サイドプレートと、
前記単電池の他側に前記チャネルを閉鎖するように取り付けられている第２サイドプレートとを含んでなることを特徴とする、固体酸化物燃料電池。
【請求項２】
前記単電池セルは上層単電池と下層単電池を含み、前記第１通路と前記第２通路は前記上層単電池と前記下層単電池の前記空気極と前記燃料極それぞれに沿って空気と燃料それぞれの流れをジグザグ状に誘導するように配列され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３】
前記カバープレート、前記第１サイドプレートおよび前記第２サイドプレートは電解質からなることを特徴とする、請求項１または２に記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項４】
複数のチャネルを有し、前記チャネルそれぞれの両側のうち一側が交互に閉鎖されている電解質ブロックと、前記電解質ブロックにチャネルの上部を閉鎖するように取り付けられているカバープレートと、前記チャネルそれぞれの内面に交互に構成されている複数の空気極と複数の燃料極をそれぞれ備える、最上層単電池、最下層単電池および少なくとも一つの中間層単電池と；
前記中間層単電池の一側に前記チャネルを閉鎖するように取り付けられている第１サイドプレートと、
前記中間層単電池の他側に前記チャネルを閉鎖するように取り付けられている第２サイトプレートとを含んでなり、
前記最上層単電池と前記中間層単電池それぞれの電解質ブロックの一側には前記チャネルそれぞれに連結される複数の第１通路が形成されており、前記中間層単電池のカバープレートの一側には前記チャネルそれぞれに連結される複数の第２通路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５】
前記第１通路と前記第２通路は、前記最上層単電池、前記最下層単電池および前記中間層単電池それぞれの空気極と燃料極に沿って空気と燃料それぞれの流れをジグザグ状に誘導するように配列されていることを特徴とする、請求項４に記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項６】
前記カバープレート、前記第１サイドプレートおよび前記第２サイドプレートは電解質からなることを特徴とする、請求項４または５に記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項７】
複数のチャネルを有し、前記チャネルそれぞれの両側のうち一側が交互に閉鎖されている電解質ブロックと、前記チャネルそれぞれの内面に交互に構成されている複数の空気極と複数の燃料極をそれぞれ備える、最上層単電池、最下層単電池および少なくとも一つの中間層単電池と；
前記最上層単電池の上部に前記チャネルを閉鎖するように取り付けられているカバープレートと、
前記中間層単電池の一側に前記チャネルを閉鎖するように取り付けられている第１サイドプレートと、
前記中間層単電池の他側に前記チャネルを閉鎖するように取り付けられている第２サイドプレートとを含んでなり、
前記最上層単電池と前記中間層単電池それぞれの電解質ブロックの一側には、前記チャネルそれぞれに連結される複数の通路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８】
前記通路は、前記最上層単電池、前記最下層単電池および前記中間層単電池それぞれの空気極と燃料極に沿って空気と燃料それぞれの流れをジグザグ状に誘導するように配列されていることを特徴とする、請求項７に記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項９】
前記カバープレート、前記第１サイドプレートおよび前記第２サイドプレートは電解質からなることを特徴とする、請求項７または８に記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項１０】
一側に複数の第１チャネルが形成されており、他側には前記第１チャネル同士の間に位置するように複数の第２チャネルが形成されている電解質ブロックと、
前記電解質ブロックの一側に前記第１チャネルを閉鎖するように取り付けられており、両側には前記第１チャネルそれぞれの両端に連結される第１通路と第２通路がそれぞれ形成されている第１カバープレートと、
前記電解質ブロックの他側に前記第２チャネルを閉鎖するように取り付けられており、両側には前記第２チャネルそれぞれの両端に連結される第３通路と第４通路がそれぞれ形成されている第２カバープレートと、
前記第１チャネルそれぞれに形成されている複数の空気極と、
前記第２チャネルそれぞれに形成されている複数の燃料極とを含んでなることを特徴とする、固体酸化物燃料電池。
【請求項１１】
前記第１カバープレートと第２カバープレートは電解質からなることを特徴とする、請求項１０に記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項１】
複数のチャネル、および前記チャネルそれぞれに連結される複数の第１通路を有する電解質ブロックと、前記電解質ブロックに前記チャネルの上部を閉鎖するように取り付けられており、前記チャネルそれぞれに連結される複数の第２通路が形成されているカバープレートと、前記チャネルそれぞれの内面に交互に構成されている複数の空気極および複数の燃料極とをそれぞれ備え、互いに積層されている複数の単電池と、
前記単電池の一側に前記チャネルを閉鎖するように取り付けられている第１サイドプレートと、
前記単電池の他側に前記チャネルを閉鎖するように取り付けられている第２サイドプレートとを含んでなることを特徴とする、固体酸化物燃料電池。
【請求項２】
前記単電池セルは上層単電池と下層単電池を含み、前記第１通路と前記第２通路は前記上層単電池と前記下層単電池の前記空気極と前記燃料極それぞれに沿って空気と燃料それぞれの流れをジグザグ状に誘導するように配列され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３】
前記カバープレート、前記第１サイドプレートおよび前記第２サイドプレートは電解質からなることを特徴とする、請求項１または２に記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項４】
複数のチャネルを有し、前記チャネルそれぞれの両側のうち一側が交互に閉鎖されている電解質ブロックと、前記電解質ブロックにチャネルの上部を閉鎖するように取り付けられているカバープレートと、前記チャネルそれぞれの内面に交互に構成されている複数の空気極と複数の燃料極をそれぞれ備える、最上層単電池、最下層単電池および少なくとも一つの中間層単電池と；
前記中間層単電池の一側に前記チャネルを閉鎖するように取り付けられている第１サイドプレートと、
前記中間層単電池の他側に前記チャネルを閉鎖するように取り付けられている第２サイトプレートとを含んでなり、
前記最上層単電池と前記中間層単電池それぞれの電解質ブロックの一側には前記チャネルそれぞれに連結される複数の第１通路が形成されており、前記中間層単電池のカバープレートの一側には前記チャネルそれぞれに連結される複数の第２通路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５】
前記第１通路と前記第２通路は、前記最上層単電池、前記最下層単電池および前記中間層単電池それぞれの空気極と燃料極に沿って空気と燃料それぞれの流れをジグザグ状に誘導するように配列されていることを特徴とする、請求項４に記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項６】
前記カバープレート、前記第１サイドプレートおよび前記第２サイドプレートは電解質からなることを特徴とする、請求項４または５に記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項７】
複数のチャネルを有し、前記チャネルそれぞれの両側のうち一側が交互に閉鎖されている電解質ブロックと、前記チャネルそれぞれの内面に交互に構成されている複数の空気極と複数の燃料極をそれぞれ備える、最上層単電池、最下層単電池および少なくとも一つの中間層単電池と；
前記最上層単電池の上部に前記チャネルを閉鎖するように取り付けられているカバープレートと、
前記中間層単電池の一側に前記チャネルを閉鎖するように取り付けられている第１サイドプレートと、
前記中間層単電池の他側に前記チャネルを閉鎖するように取り付けられている第２サイドプレートとを含んでなり、
前記最上層単電池と前記中間層単電池それぞれの電解質ブロックの一側には、前記チャネルそれぞれに連結される複数の通路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８】
前記通路は、前記最上層単電池、前記最下層単電池および前記中間層単電池それぞれの空気極と燃料極に沿って空気と燃料それぞれの流れをジグザグ状に誘導するように配列されていることを特徴とする、請求項７に記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項９】
前記カバープレート、前記第１サイドプレートおよび前記第２サイドプレートは電解質からなることを特徴とする、請求項７または８に記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項１０】
一側に複数の第１チャネルが形成されており、他側には前記第１チャネル同士の間に位置するように複数の第２チャネルが形成されている電解質ブロックと、
前記電解質ブロックの一側に前記第１チャネルを閉鎖するように取り付けられており、両側には前記第１チャネルそれぞれの両端に連結される第１通路と第２通路がそれぞれ形成されている第１カバープレートと、
前記電解質ブロックの他側に前記第２チャネルを閉鎖するように取り付けられており、両側には前記第２チャネルそれぞれの両端に連結される第３通路と第４通路がそれぞれ形成されている第２カバープレートと、
前記第１チャネルそれぞれに形成されている複数の空気極と、
前記第２チャネルそれぞれに形成されている複数の燃料極とを含んでなることを特徴とする、固体酸化物燃料電池。
【請求項１１】
前記第１カバープレートと第２カバープレートは電解質からなることを特徴とする、請求項１０に記載の固体酸化物燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公表番号】特表２０１０−５０９７２８（Ｐ２０１０−５０９７２８Ａ）
【公表日】平成２２年３月２５日（２０１０．３．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５３６１６７（Ｐ２００９−５３６１６７）
【出願日】平成１９年１１月９日（２００７．１１．９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＫＲ２００７／００５６４８
【国際公開番号】ＷＯ２００８／０５６９５８
【国際公開日】平成２０年５月１５日（２００８．５．１５）
【出願人】（５０９１２９４２８）ミム セラミックス カンパニー リミテッド (1)
【出願人】（５０９１２９４３９）
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２２年３月２５日（２０１０．３．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１１月９日（２００７．１１．９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＫＲ２００７／００５６４８
【国際公開番号】ＷＯ２００８／０５６９５８
【国際公開日】平成２０年５月１５日（２００８．５．１５）
【出願人】（５０９１２９４２８）ミム セラミックス カンパニー リミテッド (1)
【出願人】（５０９１２９４３９）
【Ｆターム（参考）】
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