平管型固体酸化物セルスタック
本発明は平管型固体酸化物セルスタックに関する。具体的には、内部に第１ガスが流れる第１ガス流チャネル１１２が長手方向に沿って形成され、外部に第２ガスが流れる第２ガス流チャネル１１３が形成され、多孔性の伝導性平管型第１電極支持体１１１を含む多数の単位セル１１０、１２０、３３０が積層されてスタックを成す平管型固体酸化物セルスタックにおいて、前記第１ガスが単位セルの長手方向に沿ってジグザグに流れるように前記第１ガス流チャネルの端部には隣接して積層された単位セルの第１ガス流チャネル１１２に連通する連結孔１１４、１２４、３３４が形成される。このような構成によれば、セルスタッキング（ｃｅｌｌ ｓｔａｃｋｉｎｇ）の応力を最小化し、密封部位を最小化して密封し、化学反応経路を伸ばし、燃料電池として使うときに電気エネルギー発電効率を高め、高温水電解装置として使うときに発生ガス（水素）の純度を高める効果がある。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は平管型固体酸化物セルスタックに係り、より詳しくはセルスタッキング（ｃｅｌｌ ｓｔａｃｋｉｎｇ）の応力を最小化し、密封部位を最小化して密封することで化学反応経路を伸ばし、燃料電池として使うとき、電気エネルギー発電効率を高め、高温水電解装置として使うときに発生ガス（水素）の純度を高める平管型固体酸化物セルスタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、燃料電池は、天然ガス、石炭ガス、メタノールなどの炭化水素系の物質内に含有されている水素と空気中の酸素を電気化学反応によって直接電気エネルギーに変換させる高効率の清浄発電技術であって、使用電解質の種類によって大別してアルカリ型、リン酸型、溶融炭酸塩、固体酸化物及び高分子燃料電池に分類される。
【０００３】
固体酸化物燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ、ＳＯＦＣ）は構成要素がいずれも固形で構成され、６００℃〜１０００℃程度の高温で作動する燃料電池であり、従来の多様な形態の燃料電池の中で最も効率が高くて公害が少ないのみならず、燃料改質器を必要としなく、複合発電が可能であるという多くの利点を持っている。前記固体酸化物燃料電池は電気化学反応を逆に進行させて高温水電解装置（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｚｅｒ Ｃｅｌｌ；ＳＯＥＣ）として利用可能である。
【０００４】
前記固体酸化物燃料電池と高温水電解装置などの電気化学反応装置はその形態によって平板型と円筒型に大別される。前記平板型は、電力密度（出力）が高い利点があるが、ガス密封面積が広く、積層の際に材料間の熱膨張係数差による熱的ショックが発生し、大面積化が難しいという欠点がある。前記円筒型は、熱応力に対する抵抗及び機械的強度が相対的に高いので、押出し成形で製造して大面積化することができるという利点があるが、電力密度（出力）が低いという限界点がある。
【０００５】
このような平板型と円筒型の電気化学反応装置が持っている利点を取り入れた平管型電気化学反応装置（例えば、平管型固体酸化物燃料電池）が特許文献１及び２などに開示されている。前記平管型電気化学反応装置も出力を高めるためにセルを積層したスタック構造になっているが、アノード及びカソード側の電流集電に難しさがあり、ガス出入口マニホールドの数がセルの数に比例して増加し、ガス密封に難しさがある。
【０００６】
一方、平管型固体酸化物燃料電池用電極支持体及び単位セルとして特許文献３が開示されており、このような電極支持体及び単位セルを用いたセルスタックとして特許文献４が開示されている。
【０００７】
ところで、従来の平管型電気化学反応装置（平管型固体酸化物燃料電池及び平管型高温水電解装置）は、スタック集電方式が金属性接続板を半円弧状または板状に加工し、セラミックス素材でなった多数のセルを圧着させて接続する方式でなるので、セラミックス素材でなったセルと金属性接続板との熱膨張係数の差によってセルが破損されるおそれがあり、金属性接続板材が空気と接触して酸化して集電性能が減少するという問題点があった。
【０００８】
また、従来の平管型電気化学反応装置（平管型固体酸化物燃料電池及び平管型高温水電解装置）においては、酸化剤（空気または酸素）供給部と還元剤（水素または炭化水素）供給部を隔離するためにマニホールド部位を密封することになるが、出力を高めるためにセルを積層するときに積層セル数に比例してガス出入口マニホールドの数が増加し、マニホールド密封部位の形状が複雑でガス密封に難しさがあり、さらに作動温度が高くてガスを密封する密封構造及び密封材の選定に難しさがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】韓国公開特許第２００５−００２１０２７号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００３／０２２４２４０号明細書
【特許文献３】韓国公開特許第２００９−００８４１６０号明細書
【特許文献４】韓国公開特許第２００９−０１０４５４８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
したがって、本発明は前記問題点を解決するためになされたもので、本発明の目的は、セルスタッキング（ｃｅｌｌ ｓｔａｃｋｉｎｇ）の応力を最小化し、密封部位を最小化して密封して化学反応経路を伸ばし、燃料電池として使うときに電気エネルギー発電効率を高め、高温水電解装置として使うときに発生ガス（水素）の純度を高める平管型固体酸化物セルスタックを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明による平管型固体酸化物セルスタックは、内部に第１ガスが流れる第１ガス流チャネルが長手方向に沿って形成され、外部に第２ガスが流れる第２ガス流チャネルが形成され、多孔性の伝導性平管型電極支持体を含む多数の単位セルが積層されてスタックを成す平管型固体酸化物セルスタックであって、前記第１ガスが単位セルの長手方向に沿ってジグザグに流れるように、前記第１ガス流チャネルの端部には隣接して積層された単位セルの第１ガス流チャネルに連通する連結孔が形成されたことを特徴とする。
【００１２】
前記単位セルの中で下側と上側に積層された単位セルの第１ガス流チャネルの一端部には第１ガスが出入する第１ガス出入マニホールドが設置される。
【００１３】
前記第１ガスがスタックの中間で上下側方向に分岐して単位セルの長手方向に沿ってジグザグに流れるように、前記第１ガス出入マニホールドは前記単位セルの中で中間に積層された単位セルの第１ガス流チャネルの一端部にさらに形成されることができる。
【００１４】
前記第１ガス出入マニホールドが設置された単位セルの第１ガス流チャネルの一端部は単位セルの長手方向に開放されている。
【００１５】
前記単位セルの第２ガス流チャネルが形成された面またはその反対側面には電気を連結するか集電するようにセラミックス導電体が備えられる。
【００１６】
前記連結孔の外側には環状の密封溝が形成され、前記密封溝には密封リングが挿入されることで、前記連結孔を通じてのガスの漏洩を防止する。
【００１７】
前記連結孔は多数の孔が円を成しながら円周方向に配列されて前記第１ガス流チャネルに連通し、前記密封溝は前記多数の孔を取り囲む構造になっている。
【００１８】
前記第１ガス流チャネルは多数形成され、前記連結孔は二つの前記第１ガス流チャネルに同時に連通する多数の大孔と一つの前記第１ガス流チャネルに連通する多数の小孔が円または半円を成しながら円周方向に配列されて多数の前記第１ガス流チャネルに連通し、前記密封溝は前記多数の大孔と多数の小孔を取り囲む構造になっていることが好ましい。
【００１９】
前記第１ガス流チャネルは多数形成され、前記多数の第１ガス流チャネルの端部には連結流路が形成されることで前記多数の第１ガス流チャネルが互いに連通していることもできる。
【００２０】
前記密封溝は隣り合う単位セルに見合うようにそれぞれ形成されている。
【００２１】
前記密封リングはセラミックス（ｇｌａｓｓ、ｍｉｃａ、ｓｉｌｉｃａなど）または金属（ｓｉｌｖｅｒ、ｇｏｌｄなど）素材を基材とするペーストまたはテープでなっている。
【発明の効果】
【００２２】
本発明による平管型固体酸化物セルスタックによれば、スタックを形成するときに金属性接続材を使わずにマニホールド部位の複雑な形状の密封部を最小化するので、セルスタッキング（ｃｅｌｌ ｓｔａｃｋｉｎｇ）の応力を最小化し、マニホールド部の数を減らして構造を簡単にする効果がある。
【００２３】
そして、本発明は第１ガスが単位セルの長手方向に沿ってジグザグに流れるので、化学反応経路が伸ばされ、燃料電池として使うときに電気エネルギー発電効率を高め、高温水電解装置として使うときに発生ガス（水素）の純度を高める効果がある。
【００２４】
また、両端が密閉された平管型単位セルを使うので、ガス流動及び機械的特性を考慮して密封面積を最小化することができ、密封溝に挿入された密封材（リング）によって密封効果を高めるとともに単位セル間隔の段差を無くし、高温で密封材の流れを抑制することができる。
【００２５】
そして、本発明は非常に小さな単位セル間のガスチャネル用連結孔と密封部位を持ちながらも平管型単位セルを積層してセルスタックを成すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】図１は本発明の第１実施例による平管型固体酸化物セルスタックを示す構成図である。
【図２】図２は図１のセルスタックの単位セルを分解して示す分解構成図である。
【図３】図３の（ａ）及び（ｂ）は図２の第１単位セルを示す平面図及び断面図である。
【図４】図４の（ａ）及び（ｂ）は図２の第２単位セルを示す平面図及び断面図である。
【図５】図５の（ａ）〜（ｉ）は本発明が適用される単位セルの連結孔の例を示す図である。
【図６】図６の（ａ）及び（ｂ）は本発明が適用される隣接単位セルの連結孔部位を示す断面図である。
【図７】図７の（ａ）及び（ｂ）は図２の第１単位セルの他の例を示す平面図及び断面図である。
【図８】図８は本発明の第１実施例による平管型固体酸化物セルスタックの第１ガス流を示す説明図である。
【図９】図９は本発明の第２実施例による平管型固体酸化物セルスタックを示す構成図である。
【図１０】図１０は本発明の第３実施例による平管型固体酸化物セルスタックを示す構成図である。
【図１１】図１１は図１０の第３単位セルを示す長手方向断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の実施例について添付図面を参照して詳細に説明する。
【００２８】
本発明の平管型固体酸化物セルスタックは燃料電池（Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）または高温水電解装置（Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｚｅｒ Ｃｅｌｌ）として使われることができるが、以下の説明では燃料電池として使われる平管型固体酸化物セルスタックについて説明する。
【００２９】
図１は本発明の第１実施例による平管型固体酸化物セルスタックを示す構成図、図２は図１のセルスタックの単位セルを分解して示す分解構成図である。図示のように、燃料電池用平管型固体酸化物セルスタック１００は、多数の第１単位セル１１０が上下方向に積層され、最下側と最上側には、第１ガス（水素または炭化水素）が出入する第１ガス出入マニホールド１４０（第１ガス流入マニホールド）、１４０’（第１ガス流出マニホールド）が設置される第２単位セル１２０、１２０’がそれぞれ積層された構造になっている。
【００３０】
図３の（ａ）及び（ｂ）に示すように、前記第１単位セル１１０は、後述する第１電極支持体１１１ａの内部に第１ガスが流れる多数の第１ガス流チャネル１１２が長手方向に沿って形成され、前記第１電極支持体１１１ａの一側外部には第２ガス（空気または酸素）が流れる多数の第２ガス流チャネル１１３が前記第１ガス流チャネル１１２に交差する方向（第１電極支持体の幅方向）に形成され、前記第１ガスが第１単位セル１１０の長手方向に沿ってジグザグに流れるように、前記多数の第１ガス流チャネル１１２の端部には隣接して積層された単位セルの多数の第１ガス流チャネルに連通する多数の連結孔１１４が形成され、電気を連結するように第２ガス流チャネル１１３が形成された面の反対側にはセラミックス導電体１１５が後述する第１電極中間層に被覆された構造である。
【００３１】
前記第１単位セル１１０は、燃料極（陰極）または空気極（陽極）の物質を含む多孔性の伝導性材料でなった第１電極支持体１１１ａと、前記第１電極支持体１１１ａの外表面全面に被覆された第１電極中間層１１１ｂと、前記セラミックス導電体１１５部分を除き前記第１電極中間層１１１ｂの外面に被覆された電解質層１１１ｃと、前記第２ガス流チャネル１１３が形成された部分に被覆された電解質層１１１ｃの外面に被覆された第２電極層１１１ｅとを含む。
【００３２】
前記第１電極支持体１１１ａと第１電極中間層１１１ｂの電極材料はＮｉＯ−ＹＳＺ材（酸化ニッケル−イットリア安定化ジルコニア材）が使用可能であり、前記第２電極層１１１ｅの電極材料はＬＳＭ（ＬａＳｒＭｎＯ３）が使用可能であり、電解質層１１１ｃはＹＳＺ材が使われることができるが、多様な電極材料が使われることができる。
【００３３】
前記第１電極中間層１１１ｂ及び第２電極層１１１ｅはガスが拡散可能な多孔性に形成され、前記電解質層１１１ｃとセラミックス導電体１１５は第１ガスと第２ガスが互いに混合されないように気孔のない緻密膜で形成される。
【００３４】
前記多数の第１ガス流チャネル１１２はその長手方向の両端が塞がり、その両端部には前記多数の連結孔１１４が互いに反対方向に形成され、前記多数の第２ガス流チャネル１１３は前記第１単位セル１１０の長手方向の中間に第１単位セル１１０の幅方向に形成される。
【００３５】
前記連結孔１１４は、二つの前記第１ガス流チャネル１１２に同時に連通する多数の大孔１１４ａと一つの前記第１ガス流チャネル１１２に連通する多数の小孔１１４ｂが円を成しながら円周方向に配列されて前記多数の第１ガス流チャネル１１２に連通するようになっている。
【００３６】
前記連結孔１１４は、図５の（ａ）及び（ｂ）に示すように、多数の大孔１１４ａと多数の小孔１１４ｂが半円を成しながら配列されて前記多数の第１ガス流チャネル１１２に連通するようになっていることもできる。
【００３７】
また、前記連結孔１１４は、図５の（ｃ）に示すように、一つの一体孔１１４ｃが前記多数の第１ガス流チャネル１１２に連通するようになっていることもできる。
【００３８】
また、前記連結孔１１４は、図５の（ｄ）に示すように、一つの前記第１ガス流チャネル１１２に連通する多数の小孔１１４ｂが円の全面にかけて配列されて前記多数の第１ガス流チャネル１１２に連通するか、図５の（ｅ）に示すように、一つの前記第１ガス流チャネル１１２に連通する多数の小孔１１４ｂが円を成しながら円周方向に配列されて前記多数の第１ガス流チャネル１１２に連通するようになっていることもできる。
【００３９】
また、図５の（ｆ）に示すように、二つの前記第１ガス流チャネル１１２に同時に連通する多数の大孔１１４ａが直線を成しながら配列されて前記多数の第１ガス流チャネル１１２に連通するか、図５の（ｇ）に示すように、二つの前記第１ガス流チャネル１１２に同時に連通する多数の大孔１１４ａが斜線を成しながら配列されて前記多数の第１ガス流チャネル１１２に連通するか、図５の（ｈ）に示すように、二つの前記第１ガス流チャネル１１２に同時に連通する多数の大孔１１４ａが折曲線を成しながら配列されて前記多数の第１ガス流チャネル１１２に連通するか、あるいは図５の（ｉ）に示すように、二つの前記第１ガス流チャネル１１２に同時に連通する多数の大孔１１４ａが四角形の全面にかけて配列されて前記多数の第１ガス流チャネル１１２に連通するようになっていることもできる。
【００４０】
しかし、前記連結孔１１４は、図３の（ａ）のように配置されるか、図５の（ａ）及び（ｂ）のように配置されることが構造物の機械的強度、密封部位面積及びガス流動などを考慮して好ましいことが確認された。特に、図３の（ａ）のように配置されることが最も好ましいことが確認された。
【００４１】
図３の（ａ）及び（ｂ）に示すように、前記連結孔１１４の外側には円周方向に沿って配列された前記連結孔１１４を取り囲む環状の密封溝１１６が形成され、前記密封溝１１６には密封リング１５０が挿入され、前記連結孔１１４を通じてのガスの漏洩を防止する。前記環状の密封溝１１６及び密封リング１５０は密封面積を最小化する効果がある。
【００４２】
図６の（ａ）に示すように、前記密封溝１１６は隣り合う第１単位セル１１０または第２単位セル１２０（図４に図示）に見合うようにそれぞれ形成されているが、図６の（ｂ）に示すように、前記密封溝１１６は隣り合う第１単位セル１１０または第２単位セル１２０（図４に図示）の一方にだけ形成されていることもできる。この際、図６の（ａ）の密封溝１１６に挿入される密封リング１５０はその厚さを図６の（ｂ）の密封溝１１６に挿入される密封リング１５０’の厚さより厚くして見合う密封溝１１６に挿入されることで、ガスの漏洩効果を高めるようになる。
【００４３】
前記密封リング１５０、１５０’はセラミックス（ｇｌａｓｓ、ｍｉｃａ、ｓｉｌｉｃａなど）または金属（ｓｉｌｖｅｒ、ｇｏｌｄなど）素材を基材とするペーストまたはテープでなっており、積層される単位セル間隔の段差を無くし、高温で密封リングの遊動が抑制される。
【００４４】
一方、図７の（ａ）及び（ｂ）に示すように、多数の第１ガス流チャネル１１２はその長手方向両端に連結流路１１２ａが形成されることで互いに連通する構造に構成されることもできる。このような構成は、連結孔１１４’の大きさを小さくするか数を減らし、密封溝１１６’及び密封リング１５０”の面積を小さくしても密封部位を一層最小化することができる。図７の（ａ）及び（ｂ）の残り構成は図３の（ａ）及び（ｂ）の構成と同様であるので、同一符号を付け、その詳細な説明は省略する。
【００４５】
図４の（ａ）及び（ｂ）に示すように、前記第２単位セル１２０は、第１電極支持体１２１ａの内部に第１ガスが流れる多数の第１ガス流チャネル１２２が長手方向に沿って形成され、前記第１電極支持体１２１の一側外部には第２ガス（空気または酸素）が流れる多数の第２ガス流チャネル１２３が前記第１ガス流チャネル１２２に交差する方向（第１電極支持体の幅方向）に形成され、前記多数の第１ガス流チャネル１２２の一側端部には隣接して積層された前記第１単位セル１１０の多数の第１ガス流チャネルに連通する多数の連結孔１２４が形成され、前記多数の第１ガス流チャネル１２２の他側端部は前記第１ガス出入マニホールド１４０（第１ガス流入マニホールド）、１４０’（第１ガス流出マニホールド）に連通するように長手方向にチャネルが開放されており、電気を集電するか連結するように第２ガス流チャネル１２３が形成された面側（またはその反対側）には集電体の役目をするセラミックス導電体１２５、１１５が第２電極層１２３（または第１電極中間層１２１ｂ）に付着された構造である。
【００４６】
前記第２単位セル１２０、１２０’の他側（第１ガス出入マニホールド側）は出入配管を容易にするために前記第１単位セル１１０より長く形成されている。
【００４７】
前記第２単位セル１２０の第１電極支持体１２１ａ、第１電極中間層１２１ｂ、電解質層１２１ｃ、第２電極層１２１ｅ、連結孔１２４、密封溝１２６及び密封リング１５０は前記第１単位セル１１０の構成と同様であるので、その詳細な説明は省略する。
【００４８】
このように構成された本発明の第１実施例による平管型固体酸化物セルスタックにおいて、燃料電池として使われる場合には、図８に示すように、水素（または炭化水素）が第１ガス流入マニホールド１４０を通じて最下側の第２単位セル１２０の第１ガス流チャネルに流入し、矢印方向に多数の第１単位セル１１０の第１ガス流チャネル内をジグザグに流れて最上側の第２単位セル１２０’の第１ガス流チャネルを経て第１ガス流出マニホールド１４０’を通じて流出するようになる。この経路を流れているうちに第１ガス（水素または炭化水素）は前記第１単位セル１１０と第２単位セル１２０、１２０’の第２ガス流チャネルを通じて流れる空気（または酸素）と反応して電気を発生させるとともに発生された水と一緒に前記第１ガス流出マニホールド１４０’を通じて流出するようになる。電気はセラミックス導電体１２５によって集電される。
【００４９】
図８において、高温水電解装置として使われる場合には、水蒸気が第１ガス流入マニホールド１４０を通じて流入して電気化学反応（燃料電池の反応の逆反応）をして水素を発生させ、第１ガス流出マニホールド１４０’を通じて流出するようになる。
【００５０】
図９は本発明の第２実施例による平管型固体酸化物セルスタックを示す構成図である。図示のように、本実施例（第２実施例）の燃料電池用平管型固体酸化物セルスタック２００は、多数の第１単位セル２１０が上下方向に積層され、最下側と最上側には第１ガス（水素または炭化水素）が出入する第１ガス出入マニホールド２４０（第１ガス流入マニホールド）、２４０’（第１ガス流出マニホールド）が設置される第２単位セル２２０、２２０’がそれぞれ積層されている。本実施例においては、最下側と最上側に積層された第２単位セル２２０、２２０’は左右に互いに反対方向に突出した端部に第１ガス流入マニホールド２４０と第１ガス流出マニホールド２４０’が設置される構造になっている。残りの構成は第１実施例と同様であるので、その詳細な説明は省略する。
【００５１】
図１０は本発明の第３実施例による平管型固体酸化物セルスタックを示す構成図、図１１は図１０の第３単位セルを示す長手方向断面図である。図示のように、本実施例（第３実施例）の燃料電池用平管型固体酸化物セルスタック３００は、多数の第１単位セル３１０が上下方向に積層され、最下側と最上側には第１ガス（水素または炭化水素）が流出する第１ガス流出マニホールド３４０’が設置される第２単位セル３２０、３２０’がそれぞれ積層されているが、前記第１単位セル３１０の積層物の中間部には前記第１ガス流出マニホールド３４０’に対して左右に反対方向に突出した端部に第１ガス流入マニホールド３４０が設置される第３単位セル３３０を備えた構造になっている。
【００５２】
前記第３単位セル３３０は、図１１に示すように、第１電極支持体（図示せず）の内部に第１ガスが流れる多数の第１ガス流チャネル３３２が長手方向に沿って形成され、前記第１電極支持体（図示せず）の一側外部平面には第２ガス（空気または酸素）が流れる多数の第２ガス流チャネル３３３が前記第１ガス流チャネル３３２と交差する方向（支持体の幅方向）に形成され、前記多数の第１ガス流チャネル３３２の長手方向一側端部には隣接して積層された前記第１単位セル３１０の多数の第１ガス流チャネルに連通する多数の連結孔３３４が上下面それぞれ形成され、前記多数の第１ガス流チャネル３３２の他側端部は前記第１ガス流入マニホールド３４０（第１ガス流入マニホールド）に連通するように長手方向にチャネルが開放されており、電気を連結するように第２ガス流チャネル３３３が形成された面の反対側にはセラミックス導電体３３５が第１電極中間層（図示せず、第１実施例の１２１ｂ参照）に被覆された構造である。密封溝３３６などの残りの構成は第１実施例または第２実施例の構成と同様であるので、その詳細な説明は省略する。
【００５３】
このように構成された本発明の第３実施例による平管型固体酸化物セルスタックにおいて、燃料電池として使われる場合、水素（または炭化水素）は第１ガス流入マニホールド３４０を通じて第３単位セル３３０の第１ガス流チャネルに流入し、前記連結孔３３４を通じて上下側方向に分岐し、上下側に積層された多数の第１単位セル３１０の第１ガス流チャネル内をジグザグに流れ、最下側及び最上側の第２単位セル３２０、３２０’の第１ガス流チャネルを経て第１ガス流出マニホールド３４０’を通じてそれぞれ流出されるようになる。
【００５４】
本発明は図面に示す実施例を参照して説明したがこれは例示的なものに過ぎず、当該技術分野の通常の知識を持った者であればこれから多様な変形及び均等な他の実施例が可能であるのはいうまでもなく、本発明の技術的保護範囲は添付された特許請求の範囲の技術的思想によって決定されなければならないであろう。
【符号の説明】
【００５５】
１００、２００、３００：セルスタック
１１０、２１０、３１０：第１単位セル
１１１ａ、１２１ａ：第１電極支持体
１１１ｂ、１２１ｂ：第１電極中間層
１１１ｃ、１２１ｃ：電解質層
１１１ｅ、１２１ｅ：第２電極層
１１２、１２２、３３２：第１ガス流チャネル
１１３、１２３、３３３：第２ガス流チャネル
１１４、１２４、３３４：連結孔
１１５、１２５、３３５：セラミックス導電体
１１６、１２６、３３６：密封溝
１２０、２２０、３２０：第２単位セル
１４０、２４０、３４０：第１ガス流入マニホールド
１４０’、２４０’、３４０’：第１ガス流出マニホールド
１５０、１５０’：密封リング
３３０：第３単位セル
【技術分野】
【０００１】
本発明は平管型固体酸化物セルスタックに係り、より詳しくはセルスタッキング（ｃｅｌｌ ｓｔａｃｋｉｎｇ）の応力を最小化し、密封部位を最小化して密封することで化学反応経路を伸ばし、燃料電池として使うとき、電気エネルギー発電効率を高め、高温水電解装置として使うときに発生ガス（水素）の純度を高める平管型固体酸化物セルスタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、燃料電池は、天然ガス、石炭ガス、メタノールなどの炭化水素系の物質内に含有されている水素と空気中の酸素を電気化学反応によって直接電気エネルギーに変換させる高効率の清浄発電技術であって、使用電解質の種類によって大別してアルカリ型、リン酸型、溶融炭酸塩、固体酸化物及び高分子燃料電池に分類される。
【０００３】
固体酸化物燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ、ＳＯＦＣ）は構成要素がいずれも固形で構成され、６００℃〜１０００℃程度の高温で作動する燃料電池であり、従来の多様な形態の燃料電池の中で最も効率が高くて公害が少ないのみならず、燃料改質器を必要としなく、複合発電が可能であるという多くの利点を持っている。前記固体酸化物燃料電池は電気化学反応を逆に進行させて高温水電解装置（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｚｅｒ Ｃｅｌｌ；ＳＯＥＣ）として利用可能である。
【０００４】
前記固体酸化物燃料電池と高温水電解装置などの電気化学反応装置はその形態によって平板型と円筒型に大別される。前記平板型は、電力密度（出力）が高い利点があるが、ガス密封面積が広く、積層の際に材料間の熱膨張係数差による熱的ショックが発生し、大面積化が難しいという欠点がある。前記円筒型は、熱応力に対する抵抗及び機械的強度が相対的に高いので、押出し成形で製造して大面積化することができるという利点があるが、電力密度（出力）が低いという限界点がある。
【０００５】
このような平板型と円筒型の電気化学反応装置が持っている利点を取り入れた平管型電気化学反応装置（例えば、平管型固体酸化物燃料電池）が特許文献１及び２などに開示されている。前記平管型電気化学反応装置も出力を高めるためにセルを積層したスタック構造になっているが、アノード及びカソード側の電流集電に難しさがあり、ガス出入口マニホールドの数がセルの数に比例して増加し、ガス密封に難しさがある。
【０００６】
一方、平管型固体酸化物燃料電池用電極支持体及び単位セルとして特許文献３が開示されており、このような電極支持体及び単位セルを用いたセルスタックとして特許文献４が開示されている。
【０００７】
ところで、従来の平管型電気化学反応装置（平管型固体酸化物燃料電池及び平管型高温水電解装置）は、スタック集電方式が金属性接続板を半円弧状または板状に加工し、セラミックス素材でなった多数のセルを圧着させて接続する方式でなるので、セラミックス素材でなったセルと金属性接続板との熱膨張係数の差によってセルが破損されるおそれがあり、金属性接続板材が空気と接触して酸化して集電性能が減少するという問題点があった。
【０００８】
また、従来の平管型電気化学反応装置（平管型固体酸化物燃料電池及び平管型高温水電解装置）においては、酸化剤（空気または酸素）供給部と還元剤（水素または炭化水素）供給部を隔離するためにマニホールド部位を密封することになるが、出力を高めるためにセルを積層するときに積層セル数に比例してガス出入口マニホールドの数が増加し、マニホールド密封部位の形状が複雑でガス密封に難しさがあり、さらに作動温度が高くてガスを密封する密封構造及び密封材の選定に難しさがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】韓国公開特許第２００５−００２１０２７号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００３／０２２４２４０号明細書
【特許文献３】韓国公開特許第２００９−００８４１６０号明細書
【特許文献４】韓国公開特許第２００９−０１０４５４８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
したがって、本発明は前記問題点を解決するためになされたもので、本発明の目的は、セルスタッキング（ｃｅｌｌ ｓｔａｃｋｉｎｇ）の応力を最小化し、密封部位を最小化して密封して化学反応経路を伸ばし、燃料電池として使うときに電気エネルギー発電効率を高め、高温水電解装置として使うときに発生ガス（水素）の純度を高める平管型固体酸化物セルスタックを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明による平管型固体酸化物セルスタックは、内部に第１ガスが流れる第１ガス流チャネルが長手方向に沿って形成され、外部に第２ガスが流れる第２ガス流チャネルが形成され、多孔性の伝導性平管型電極支持体を含む多数の単位セルが積層されてスタックを成す平管型固体酸化物セルスタックであって、前記第１ガスが単位セルの長手方向に沿ってジグザグに流れるように、前記第１ガス流チャネルの端部には隣接して積層された単位セルの第１ガス流チャネルに連通する連結孔が形成されたことを特徴とする。
【００１２】
前記単位セルの中で下側と上側に積層された単位セルの第１ガス流チャネルの一端部には第１ガスが出入する第１ガス出入マニホールドが設置される。
【００１３】
前記第１ガスがスタックの中間で上下側方向に分岐して単位セルの長手方向に沿ってジグザグに流れるように、前記第１ガス出入マニホールドは前記単位セルの中で中間に積層された単位セルの第１ガス流チャネルの一端部にさらに形成されることができる。
【００１４】
前記第１ガス出入マニホールドが設置された単位セルの第１ガス流チャネルの一端部は単位セルの長手方向に開放されている。
【００１５】
前記単位セルの第２ガス流チャネルが形成された面またはその反対側面には電気を連結するか集電するようにセラミックス導電体が備えられる。
【００１６】
前記連結孔の外側には環状の密封溝が形成され、前記密封溝には密封リングが挿入されることで、前記連結孔を通じてのガスの漏洩を防止する。
【００１７】
前記連結孔は多数の孔が円を成しながら円周方向に配列されて前記第１ガス流チャネルに連通し、前記密封溝は前記多数の孔を取り囲む構造になっている。
【００１８】
前記第１ガス流チャネルは多数形成され、前記連結孔は二つの前記第１ガス流チャネルに同時に連通する多数の大孔と一つの前記第１ガス流チャネルに連通する多数の小孔が円または半円を成しながら円周方向に配列されて多数の前記第１ガス流チャネルに連通し、前記密封溝は前記多数の大孔と多数の小孔を取り囲む構造になっていることが好ましい。
【００１９】
前記第１ガス流チャネルは多数形成され、前記多数の第１ガス流チャネルの端部には連結流路が形成されることで前記多数の第１ガス流チャネルが互いに連通していることもできる。
【００２０】
前記密封溝は隣り合う単位セルに見合うようにそれぞれ形成されている。
【００２１】
前記密封リングはセラミックス（ｇｌａｓｓ、ｍｉｃａ、ｓｉｌｉｃａなど）または金属（ｓｉｌｖｅｒ、ｇｏｌｄなど）素材を基材とするペーストまたはテープでなっている。
【発明の効果】
【００２２】
本発明による平管型固体酸化物セルスタックによれば、スタックを形成するときに金属性接続材を使わずにマニホールド部位の複雑な形状の密封部を最小化するので、セルスタッキング（ｃｅｌｌ ｓｔａｃｋｉｎｇ）の応力を最小化し、マニホールド部の数を減らして構造を簡単にする効果がある。
【００２３】
そして、本発明は第１ガスが単位セルの長手方向に沿ってジグザグに流れるので、化学反応経路が伸ばされ、燃料電池として使うときに電気エネルギー発電効率を高め、高温水電解装置として使うときに発生ガス（水素）の純度を高める効果がある。
【００２４】
また、両端が密閉された平管型単位セルを使うので、ガス流動及び機械的特性を考慮して密封面積を最小化することができ、密封溝に挿入された密封材（リング）によって密封効果を高めるとともに単位セル間隔の段差を無くし、高温で密封材の流れを抑制することができる。
【００２５】
そして、本発明は非常に小さな単位セル間のガスチャネル用連結孔と密封部位を持ちながらも平管型単位セルを積層してセルスタックを成すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】図１は本発明の第１実施例による平管型固体酸化物セルスタックを示す構成図である。
【図２】図２は図１のセルスタックの単位セルを分解して示す分解構成図である。
【図３】図３の（ａ）及び（ｂ）は図２の第１単位セルを示す平面図及び断面図である。
【図４】図４の（ａ）及び（ｂ）は図２の第２単位セルを示す平面図及び断面図である。
【図５】図５の（ａ）〜（ｉ）は本発明が適用される単位セルの連結孔の例を示す図である。
【図６】図６の（ａ）及び（ｂ）は本発明が適用される隣接単位セルの連結孔部位を示す断面図である。
【図７】図７の（ａ）及び（ｂ）は図２の第１単位セルの他の例を示す平面図及び断面図である。
【図８】図８は本発明の第１実施例による平管型固体酸化物セルスタックの第１ガス流を示す説明図である。
【図９】図９は本発明の第２実施例による平管型固体酸化物セルスタックを示す構成図である。
【図１０】図１０は本発明の第３実施例による平管型固体酸化物セルスタックを示す構成図である。
【図１１】図１１は図１０の第３単位セルを示す長手方向断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の実施例について添付図面を参照して詳細に説明する。
【００２８】
本発明の平管型固体酸化物セルスタックは燃料電池（Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）または高温水電解装置（Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｚｅｒ Ｃｅｌｌ）として使われることができるが、以下の説明では燃料電池として使われる平管型固体酸化物セルスタックについて説明する。
【００２９】
図１は本発明の第１実施例による平管型固体酸化物セルスタックを示す構成図、図２は図１のセルスタックの単位セルを分解して示す分解構成図である。図示のように、燃料電池用平管型固体酸化物セルスタック１００は、多数の第１単位セル１１０が上下方向に積層され、最下側と最上側には、第１ガス（水素または炭化水素）が出入する第１ガス出入マニホールド１４０（第１ガス流入マニホールド）、１４０’（第１ガス流出マニホールド）が設置される第２単位セル１２０、１２０’がそれぞれ積層された構造になっている。
【００３０】
図３の（ａ）及び（ｂ）に示すように、前記第１単位セル１１０は、後述する第１電極支持体１１１ａの内部に第１ガスが流れる多数の第１ガス流チャネル１１２が長手方向に沿って形成され、前記第１電極支持体１１１ａの一側外部には第２ガス（空気または酸素）が流れる多数の第２ガス流チャネル１１３が前記第１ガス流チャネル１１２に交差する方向（第１電極支持体の幅方向）に形成され、前記第１ガスが第１単位セル１１０の長手方向に沿ってジグザグに流れるように、前記多数の第１ガス流チャネル１１２の端部には隣接して積層された単位セルの多数の第１ガス流チャネルに連通する多数の連結孔１１４が形成され、電気を連結するように第２ガス流チャネル１１３が形成された面の反対側にはセラミックス導電体１１５が後述する第１電極中間層に被覆された構造である。
【００３１】
前記第１単位セル１１０は、燃料極（陰極）または空気極（陽極）の物質を含む多孔性の伝導性材料でなった第１電極支持体１１１ａと、前記第１電極支持体１１１ａの外表面全面に被覆された第１電極中間層１１１ｂと、前記セラミックス導電体１１５部分を除き前記第１電極中間層１１１ｂの外面に被覆された電解質層１１１ｃと、前記第２ガス流チャネル１１３が形成された部分に被覆された電解質層１１１ｃの外面に被覆された第２電極層１１１ｅとを含む。
【００３２】
前記第１電極支持体１１１ａと第１電極中間層１１１ｂの電極材料はＮｉＯ−ＹＳＺ材（酸化ニッケル−イットリア安定化ジルコニア材）が使用可能であり、前記第２電極層１１１ｅの電極材料はＬＳＭ（ＬａＳｒＭｎＯ３）が使用可能であり、電解質層１１１ｃはＹＳＺ材が使われることができるが、多様な電極材料が使われることができる。
【００３３】
前記第１電極中間層１１１ｂ及び第２電極層１１１ｅはガスが拡散可能な多孔性に形成され、前記電解質層１１１ｃとセラミックス導電体１１５は第１ガスと第２ガスが互いに混合されないように気孔のない緻密膜で形成される。
【００３４】
前記多数の第１ガス流チャネル１１２はその長手方向の両端が塞がり、その両端部には前記多数の連結孔１１４が互いに反対方向に形成され、前記多数の第２ガス流チャネル１１３は前記第１単位セル１１０の長手方向の中間に第１単位セル１１０の幅方向に形成される。
【００３５】
前記連結孔１１４は、二つの前記第１ガス流チャネル１１２に同時に連通する多数の大孔１１４ａと一つの前記第１ガス流チャネル１１２に連通する多数の小孔１１４ｂが円を成しながら円周方向に配列されて前記多数の第１ガス流チャネル１１２に連通するようになっている。
【００３６】
前記連結孔１１４は、図５の（ａ）及び（ｂ）に示すように、多数の大孔１１４ａと多数の小孔１１４ｂが半円を成しながら配列されて前記多数の第１ガス流チャネル１１２に連通するようになっていることもできる。
【００３７】
また、前記連結孔１１４は、図５の（ｃ）に示すように、一つの一体孔１１４ｃが前記多数の第１ガス流チャネル１１２に連通するようになっていることもできる。
【００３８】
また、前記連結孔１１４は、図５の（ｄ）に示すように、一つの前記第１ガス流チャネル１１２に連通する多数の小孔１１４ｂが円の全面にかけて配列されて前記多数の第１ガス流チャネル１１２に連通するか、図５の（ｅ）に示すように、一つの前記第１ガス流チャネル１１２に連通する多数の小孔１１４ｂが円を成しながら円周方向に配列されて前記多数の第１ガス流チャネル１１２に連通するようになっていることもできる。
【００３９】
また、図５の（ｆ）に示すように、二つの前記第１ガス流チャネル１１２に同時に連通する多数の大孔１１４ａが直線を成しながら配列されて前記多数の第１ガス流チャネル１１２に連通するか、図５の（ｇ）に示すように、二つの前記第１ガス流チャネル１１２に同時に連通する多数の大孔１１４ａが斜線を成しながら配列されて前記多数の第１ガス流チャネル１１２に連通するか、図５の（ｈ）に示すように、二つの前記第１ガス流チャネル１１２に同時に連通する多数の大孔１１４ａが折曲線を成しながら配列されて前記多数の第１ガス流チャネル１１２に連通するか、あるいは図５の（ｉ）に示すように、二つの前記第１ガス流チャネル１１２に同時に連通する多数の大孔１１４ａが四角形の全面にかけて配列されて前記多数の第１ガス流チャネル１１２に連通するようになっていることもできる。
【００４０】
しかし、前記連結孔１１４は、図３の（ａ）のように配置されるか、図５の（ａ）及び（ｂ）のように配置されることが構造物の機械的強度、密封部位面積及びガス流動などを考慮して好ましいことが確認された。特に、図３の（ａ）のように配置されることが最も好ましいことが確認された。
【００４１】
図３の（ａ）及び（ｂ）に示すように、前記連結孔１１４の外側には円周方向に沿って配列された前記連結孔１１４を取り囲む環状の密封溝１１６が形成され、前記密封溝１１６には密封リング１５０が挿入され、前記連結孔１１４を通じてのガスの漏洩を防止する。前記環状の密封溝１１６及び密封リング１５０は密封面積を最小化する効果がある。
【００４２】
図６の（ａ）に示すように、前記密封溝１１６は隣り合う第１単位セル１１０または第２単位セル１２０（図４に図示）に見合うようにそれぞれ形成されているが、図６の（ｂ）に示すように、前記密封溝１１６は隣り合う第１単位セル１１０または第２単位セル１２０（図４に図示）の一方にだけ形成されていることもできる。この際、図６の（ａ）の密封溝１１６に挿入される密封リング１５０はその厚さを図６の（ｂ）の密封溝１１６に挿入される密封リング１５０’の厚さより厚くして見合う密封溝１１６に挿入されることで、ガスの漏洩効果を高めるようになる。
【００４３】
前記密封リング１５０、１５０’はセラミックス（ｇｌａｓｓ、ｍｉｃａ、ｓｉｌｉｃａなど）または金属（ｓｉｌｖｅｒ、ｇｏｌｄなど）素材を基材とするペーストまたはテープでなっており、積層される単位セル間隔の段差を無くし、高温で密封リングの遊動が抑制される。
【００４４】
一方、図７の（ａ）及び（ｂ）に示すように、多数の第１ガス流チャネル１１２はその長手方向両端に連結流路１１２ａが形成されることで互いに連通する構造に構成されることもできる。このような構成は、連結孔１１４’の大きさを小さくするか数を減らし、密封溝１１６’及び密封リング１５０”の面積を小さくしても密封部位を一層最小化することができる。図７の（ａ）及び（ｂ）の残り構成は図３の（ａ）及び（ｂ）の構成と同様であるので、同一符号を付け、その詳細な説明は省略する。
【００４５】
図４の（ａ）及び（ｂ）に示すように、前記第２単位セル１２０は、第１電極支持体１２１ａの内部に第１ガスが流れる多数の第１ガス流チャネル１２２が長手方向に沿って形成され、前記第１電極支持体１２１の一側外部には第２ガス（空気または酸素）が流れる多数の第２ガス流チャネル１２３が前記第１ガス流チャネル１２２に交差する方向（第１電極支持体の幅方向）に形成され、前記多数の第１ガス流チャネル１２２の一側端部には隣接して積層された前記第１単位セル１１０の多数の第１ガス流チャネルに連通する多数の連結孔１２４が形成され、前記多数の第１ガス流チャネル１２２の他側端部は前記第１ガス出入マニホールド１４０（第１ガス流入マニホールド）、１４０’（第１ガス流出マニホールド）に連通するように長手方向にチャネルが開放されており、電気を集電するか連結するように第２ガス流チャネル１２３が形成された面側（またはその反対側）には集電体の役目をするセラミックス導電体１２５、１１５が第２電極層１２３（または第１電極中間層１２１ｂ）に付着された構造である。
【００４６】
前記第２単位セル１２０、１２０’の他側（第１ガス出入マニホールド側）は出入配管を容易にするために前記第１単位セル１１０より長く形成されている。
【００４７】
前記第２単位セル１２０の第１電極支持体１２１ａ、第１電極中間層１２１ｂ、電解質層１２１ｃ、第２電極層１２１ｅ、連結孔１２４、密封溝１２６及び密封リング１５０は前記第１単位セル１１０の構成と同様であるので、その詳細な説明は省略する。
【００４８】
このように構成された本発明の第１実施例による平管型固体酸化物セルスタックにおいて、燃料電池として使われる場合には、図８に示すように、水素（または炭化水素）が第１ガス流入マニホールド１４０を通じて最下側の第２単位セル１２０の第１ガス流チャネルに流入し、矢印方向に多数の第１単位セル１１０の第１ガス流チャネル内をジグザグに流れて最上側の第２単位セル１２０’の第１ガス流チャネルを経て第１ガス流出マニホールド１４０’を通じて流出するようになる。この経路を流れているうちに第１ガス（水素または炭化水素）は前記第１単位セル１１０と第２単位セル１２０、１２０’の第２ガス流チャネルを通じて流れる空気（または酸素）と反応して電気を発生させるとともに発生された水と一緒に前記第１ガス流出マニホールド１４０’を通じて流出するようになる。電気はセラミックス導電体１２５によって集電される。
【００４９】
図８において、高温水電解装置として使われる場合には、水蒸気が第１ガス流入マニホールド１４０を通じて流入して電気化学反応（燃料電池の反応の逆反応）をして水素を発生させ、第１ガス流出マニホールド１４０’を通じて流出するようになる。
【００５０】
図９は本発明の第２実施例による平管型固体酸化物セルスタックを示す構成図である。図示のように、本実施例（第２実施例）の燃料電池用平管型固体酸化物セルスタック２００は、多数の第１単位セル２１０が上下方向に積層され、最下側と最上側には第１ガス（水素または炭化水素）が出入する第１ガス出入マニホールド２４０（第１ガス流入マニホールド）、２４０’（第１ガス流出マニホールド）が設置される第２単位セル２２０、２２０’がそれぞれ積層されている。本実施例においては、最下側と最上側に積層された第２単位セル２２０、２２０’は左右に互いに反対方向に突出した端部に第１ガス流入マニホールド２４０と第１ガス流出マニホールド２４０’が設置される構造になっている。残りの構成は第１実施例と同様であるので、その詳細な説明は省略する。
【００５１】
図１０は本発明の第３実施例による平管型固体酸化物セルスタックを示す構成図、図１１は図１０の第３単位セルを示す長手方向断面図である。図示のように、本実施例（第３実施例）の燃料電池用平管型固体酸化物セルスタック３００は、多数の第１単位セル３１０が上下方向に積層され、最下側と最上側には第１ガス（水素または炭化水素）が流出する第１ガス流出マニホールド３４０’が設置される第２単位セル３２０、３２０’がそれぞれ積層されているが、前記第１単位セル３１０の積層物の中間部には前記第１ガス流出マニホールド３４０’に対して左右に反対方向に突出した端部に第１ガス流入マニホールド３４０が設置される第３単位セル３３０を備えた構造になっている。
【００５２】
前記第３単位セル３３０は、図１１に示すように、第１電極支持体（図示せず）の内部に第１ガスが流れる多数の第１ガス流チャネル３３２が長手方向に沿って形成され、前記第１電極支持体（図示せず）の一側外部平面には第２ガス（空気または酸素）が流れる多数の第２ガス流チャネル３３３が前記第１ガス流チャネル３３２と交差する方向（支持体の幅方向）に形成され、前記多数の第１ガス流チャネル３３２の長手方向一側端部には隣接して積層された前記第１単位セル３１０の多数の第１ガス流チャネルに連通する多数の連結孔３３４が上下面それぞれ形成され、前記多数の第１ガス流チャネル３３２の他側端部は前記第１ガス流入マニホールド３４０（第１ガス流入マニホールド）に連通するように長手方向にチャネルが開放されており、電気を連結するように第２ガス流チャネル３３３が形成された面の反対側にはセラミックス導電体３３５が第１電極中間層（図示せず、第１実施例の１２１ｂ参照）に被覆された構造である。密封溝３３６などの残りの構成は第１実施例または第２実施例の構成と同様であるので、その詳細な説明は省略する。
【００５３】
このように構成された本発明の第３実施例による平管型固体酸化物セルスタックにおいて、燃料電池として使われる場合、水素（または炭化水素）は第１ガス流入マニホールド３４０を通じて第３単位セル３３０の第１ガス流チャネルに流入し、前記連結孔３３４を通じて上下側方向に分岐し、上下側に積層された多数の第１単位セル３１０の第１ガス流チャネル内をジグザグに流れ、最下側及び最上側の第２単位セル３２０、３２０’の第１ガス流チャネルを経て第１ガス流出マニホールド３４０’を通じてそれぞれ流出されるようになる。
【００５４】
本発明は図面に示す実施例を参照して説明したがこれは例示的なものに過ぎず、当該技術分野の通常の知識を持った者であればこれから多様な変形及び均等な他の実施例が可能であるのはいうまでもなく、本発明の技術的保護範囲は添付された特許請求の範囲の技術的思想によって決定されなければならないであろう。
【符号の説明】
【００５５】
１００、２００、３００：セルスタック
１１０、２１０、３１０：第１単位セル
１１１ａ、１２１ａ：第１電極支持体
１１１ｂ、１２１ｂ：第１電極中間層
１１１ｃ、１２１ｃ：電解質層
１１１ｅ、１２１ｅ：第２電極層
１１２、１２２、３３２：第１ガス流チャネル
１１３、１２３、３３３：第２ガス流チャネル
１１４、１２４、３３４：連結孔
１１５、１２５、３３５：セラミックス導電体
１１６、１２６、３３６：密封溝
１２０、２２０、３２０：第２単位セル
１４０、２４０、３４０：第１ガス流入マニホールド
１４０’、２４０’、３４０’：第１ガス流出マニホールド
１５０、１５０’：密封リング
３３０：第３単位セル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に第１ガスが流れる第１ガス流チャネルが長手方向に沿って形成され、外部に第２ガスが流れる第２ガス流チャネルが形成され、多孔性の伝導性平管型電極支持体を含む多数の単位セルが積層されてスタックを成す、平管型固体酸化物セルスタックにおいて、
前記第１ガスが前記単位セルの長手方向に沿ってジグザグに流れるように、前記第１ガス流チャネルの端部に、隣接して積層された前記単位セルの前記第１ガス流チャネルに連通する連結孔が形成されていることを特徴とする、平管型固体酸化物セルスタック。
【請求項２】
前記単位セルの中で下側と上側に積層された前記単位セルの前記第１ガス流チャネルの一端部に、前記第１ガスが出入する第１ガス出入マニホールドが設置されていることを特徴とする、
請求項１に記載の平管型固体酸化物セルスタック。
【請求項３】
前記第１ガスが、スタックの中間で上下側方向に分岐して前記単位セルの長手方向に沿ってジグザグに流れるように、
前記第１ガス出入マニホールドは、前記単位セルの中で中間に積層された前記単位セルの前記第１ガス流チャネルの一端部に、さらに形成されていることを特徴とする、
請求項２に記載の平管型固体酸化物セルスタック。
【請求項４】
前記第１ガス出入マニホールドが設置された前記単位セルの前記第１ガス流チャネルの一端部は、前記単位セルの長手方向に開放されていることを特徴とする、
請求項２または３に記載の平管型固体酸化物セルスタック。
【請求項５】
前記単位セルの前記第２ガス流チャネルが形成された面またはその反対側面に、電気を連結するか集電するように、セラミックス導電体が取付けられていることを特徴とする、
請求項１に記載の平管型固体酸化物セルスタック。
【請求項６】
前記連結孔の外側に環状の密封溝が形成され、
前記連結孔を通じてのガスの漏洩を防止するように、前記密封溝に密封リングが挿入されていることを特徴とする、
請求項１に記載の平管型固体酸化物セルスタック。
【請求項７】
前記連結孔は、多数の孔が円を成しながら円周方向に配列されて、前記第１ガス流チャネルに連通し、
前記密封溝は前記多数の孔を取り囲む構造になっていることを特徴とする、
請求項６に記載の平管型固体酸化物セルスタック。
【請求項８】
前記第１ガス流チャネルは多数形成され、
前記連結孔は、二つの前記第１ガス流チャネルに同時に連通する多数の大孔と、一つの前記第１ガス流チャネルに連通する多数の小孔とが、円または半円を成しながら円周方向に配列されて、多数の前記第１ガス流チャネルに連通し、
前記密封溝は、前記多数の大孔と多数の小孔とを取り囲む構造になっていることを特徴とする、
請求項６に記載の平管型固体酸化物セルスタック。
【請求項９】
前記第１ガス流チャネルは多数形成され、
前記多数の第１ガス流チャネルの端部に連結流路が形成されることで、前記多数の第１ガス流チャネルが互いに連通していることを特徴とする、
請求項６に記載の平管型固体酸化物セルスタック。
【請求項１０】
前記密封溝は、隣り合う前記単位セルに見合うようにそれぞれ形成されていることを特徴とする、
請求項６〜９のいずれか一項に記載の平管型固体酸化物セルスタック。
【請求項１１】
前記密封リングは、セラミックスまたは金属素材を基材とするペーストまたはテープでなることを特徴とする、
請求項６に記載の平管型固体酸化物セルスタック。
【請求項１】
内部に第１ガスが流れる第１ガス流チャネルが長手方向に沿って形成され、外部に第２ガスが流れる第２ガス流チャネルが形成され、多孔性の伝導性平管型電極支持体を含む多数の単位セルが積層されてスタックを成す、平管型固体酸化物セルスタックにおいて、
前記第１ガスが前記単位セルの長手方向に沿ってジグザグに流れるように、前記第１ガス流チャネルの端部に、隣接して積層された前記単位セルの前記第１ガス流チャネルに連通する連結孔が形成されていることを特徴とする、平管型固体酸化物セルスタック。
【請求項２】
前記単位セルの中で下側と上側に積層された前記単位セルの前記第１ガス流チャネルの一端部に、前記第１ガスが出入する第１ガス出入マニホールドが設置されていることを特徴とする、
請求項１に記載の平管型固体酸化物セルスタック。
【請求項３】
前記第１ガスが、スタックの中間で上下側方向に分岐して前記単位セルの長手方向に沿ってジグザグに流れるように、
前記第１ガス出入マニホールドは、前記単位セルの中で中間に積層された前記単位セルの前記第１ガス流チャネルの一端部に、さらに形成されていることを特徴とする、
請求項２に記載の平管型固体酸化物セルスタック。
【請求項４】
前記第１ガス出入マニホールドが設置された前記単位セルの前記第１ガス流チャネルの一端部は、前記単位セルの長手方向に開放されていることを特徴とする、
請求項２または３に記載の平管型固体酸化物セルスタック。
【請求項５】
前記単位セルの前記第２ガス流チャネルが形成された面またはその反対側面に、電気を連結するか集電するように、セラミックス導電体が取付けられていることを特徴とする、
請求項１に記載の平管型固体酸化物セルスタック。
【請求項６】
前記連結孔の外側に環状の密封溝が形成され、
前記連結孔を通じてのガスの漏洩を防止するように、前記密封溝に密封リングが挿入されていることを特徴とする、
請求項１に記載の平管型固体酸化物セルスタック。
【請求項７】
前記連結孔は、多数の孔が円を成しながら円周方向に配列されて、前記第１ガス流チャネルに連通し、
前記密封溝は前記多数の孔を取り囲む構造になっていることを特徴とする、
請求項６に記載の平管型固体酸化物セルスタック。
【請求項８】
前記第１ガス流チャネルは多数形成され、
前記連結孔は、二つの前記第１ガス流チャネルに同時に連通する多数の大孔と、一つの前記第１ガス流チャネルに連通する多数の小孔とが、円または半円を成しながら円周方向に配列されて、多数の前記第１ガス流チャネルに連通し、
前記密封溝は、前記多数の大孔と多数の小孔とを取り囲む構造になっていることを特徴とする、
請求項６に記載の平管型固体酸化物セルスタック。
【請求項９】
前記第１ガス流チャネルは多数形成され、
前記多数の第１ガス流チャネルの端部に連結流路が形成されることで、前記多数の第１ガス流チャネルが互いに連通していることを特徴とする、
請求項６に記載の平管型固体酸化物セルスタック。
【請求項１０】
前記密封溝は、隣り合う前記単位セルに見合うようにそれぞれ形成されていることを特徴とする、
請求項６〜９のいずれか一項に記載の平管型固体酸化物セルスタック。
【請求項１１】
前記密封リングは、セラミックスまたは金属素材を基材とするペーストまたはテープでなることを特徴とする、
請求項６に記載の平管型固体酸化物セルスタック。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公表番号】特表２０１３−５０２６９９（Ｐ２０１３−５０２６９９Ａ）
【公表日】平成２５年１月２４日（２０１３．１．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５２６６７５（Ｐ２０１２−５２６６７５）
【出願日】平成２２年１２月１５日（２０１０．１２．１５）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＫＲ２０１０／００８９６４
【国際公開番号】ＷＯ２０１２／０１５１１３
【国際公開日】平成２４年２月２日（２０１２．２．２）
【出願人】（５９５０６５５５２）コリア インスティチュート オブ エナジー リサーチ (11)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２５年１月２４日（２０１３．１．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月１５日（２０１０．１２．１５）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＫＲ２０１０／００８９６４
【国際公開番号】ＷＯ２０１２／０１５１１３
【国際公開日】平成２４年２月２日（２０１２．２．２）
【出願人】（５９５０６５５５２）コリア インスティチュート オブ エナジー リサーチ (11)
【Ｆターム（参考）】
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