(57)【要約】【課題】本発明は、固体酸化物形燃料電池に関する。【解決手段】本発明は、燃料極、電解質、及び空気極を備える単位電池２００と、上部面又は下部面に気体を供給するチャンネル３１０を形成し、所定の間隔で平行に配列される分離板３００と、前記単位電池２００と分離板３００との間に配置される多数のシール部材１００と、を含み、特に、このシール部材１００はガラスシート１１０と、前記ガラスシート１１０の両面に塗布されたペースト層１２０と、からなることを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極、電解質及び空気極を備える単位電池と、
上部面又は下部面に気体を供給するチャンネルを形成し、所定の間隔で平行に配列される分離板と、
ガラスシートと、前記ガラスシートの両面に塗布されたペースト層とからなり、前記単位電池と前記分離板との間に配置され、前記分離板に供給される気体の外部流出を遮断する多数のシール部材と、
を含む、固体酸化物形燃料電池。
【請求項２】
前記シール部材は前記単位電池の縁部と分離板の縁部との間に配置される、請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項３】
前記シール部材は前記分離板のチャンネルの形成方向と平行に配列される、請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項４】
前記シール部材は前記分離板の周縁部に沿って配置される、請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項５】
前記シール部材は前記ペースト層を介して分離可能に積層される、請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項６】
前記シール部材は電気絶縁性を有する、請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項７】
前記シール部材は圧縮性ペースト層で塗布される、請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項８】
前記ガラスシートの両面は偏平に形成される、請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物形燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
通常、燃料電池は、燃料（水素、ＬＮＧ、ＬＰＧなど）及び空気（酸素）の化学エネルギーを電気化学反応により電気及び熱に直接変換する装置である。燃料電池は、燃料燃焼、蒸気発生、タービン駆動、発電機駆動などの過程を経る従来の発電技術とは異なり、燃料燃焼又はタービン駆動の過程がないため、効率が高いだけでなく環境問題を誘発しない新しい概念の発電技術である。このような燃料電池は、ＳＯＸとＮＯＸなどの大気汚染物質をほとんど排出せず、二酸化炭素の発生も少ないため、無公害発電が可能であり、低騒音、無振動などの利点を有する。
【０００３】
燃料電池は、りん酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）、アルカリ形燃料電池（ＡＦＣ）、高分子電解質形燃料電池（ＰＥＭＦＣ）、直接メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）など様々な種類があるが、このうち固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、活性化分極に基づく過電圧が低く、不可逆的損失が少ないため発電効率が高い。また、電極での反応速度が速いため電極触媒として高い貴金属を必要としない。従って、固体酸化物形燃料電池は、今後の水素経済社会への移行のための必須の発電技術である。
【０００４】
特許文献１は、平板型の固体酸化物形燃料電池について開示しており、特に、二つの分離板の間に単位電池を備えている。単位電池は当分野における熟練者に公知されているとおり、燃料極、電解質、及び空気極で構成されている。特許文献１の分離板は分離板の両面に形成されたチャンネルに沿って流れる異種のガス、例えば空気極に供給される空気と燃料極に供給される燃料ガスを物理的に遮断すると共に積層されるそれぞれの単位電池を支持する機能を果たす。また、分離板と単位電池との間に外周シール部材が形成されるが、このような外周シール部材は高温環境下で用いられるため、外周シール部材を用いた分離板は、容易に解体することができず、再使用が不可能である。
【０００５】
さらに、特許文献１に適用される分離板は、スタックを組み立てる際に直接接触する単位電池との間で熱的及び／又は化学的反応による内部構造の変形が生じ、耐久性が低下する一方、このような状態で長時間運転する場合、セル及びスタックが破損して運転が不可能になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】韓国公開特許第１０−２０００−００５９８７３号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上述した欠点を解消するために導き出されたものであって、スタックから容易に分離板及び／又は単位電池を分離することができる固体酸化物形燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述のように、本発明の目的は、単位電池と分離板との間をシールするシール部材、及び前記シール部材を用いてスタック状に積層された固体酸化物形燃料電池を形成することにある。
【０００９】
このような目的を果たすために、本発明の好ましい固体酸化物形燃料電池は、燃料極、電解質及び空気極を備えた一つ以上の単位電池と、上部面又は下部面に気体を供給するチャンネルを形成し、所定の間隔で平行に配列された一つ以上の分離板と、ガラスシートと前記ガラスシートの両面に塗布されたペースト層とからなる多数のシール部材と、を含み、このシール部材は、単位電池と分離板との間に配置され、分離板に供給される気体の外部流出を防止することができる。ガラスシートの両面は偏平なプレート状からなり、平板型の固体酸化物形燃料電池において分離板と単位電池をより確実に密着させる。
【００１０】
シール部材は単位電池の縁部と分離板の縁部との間に配置される。
【００１１】
さらに、シール部材は、平行に対向している分離板の両側の縁部で分離板のチャンネルの形成方向と平行に配列される。
【００１２】
その他にも、シール部材は分離板の周縁部に沿って配置されることもできる。
【００１３】
特に、本発明による固体酸化物形燃料電池は、ペースト層で両面を塗布したシール部材を介して構成部材同士を容易に摺動させて分離可能に積層されることができる。
【００１４】
本発明のシール部材は電気絶縁性を有する。
【発明の効果】
【００１５】
以上、本発明に関する説明によると、本発明によると、スタック状に積層される固体酸化物形燃料電池において単位電池と分離板を容易に分離することができる。
【００１６】
即ち、本発明によると、上述したように、単位電池と分離板を容易に解体することで性能低下した単位電池及び／又は分離板を容易に除去し、これを交替することができるため、コストダウン効果が得られる。
【００１７】
また、本発明によると、燃料極と分離板との間、及び空気極と分離板との間において、より効果的なシール構造が得られ、固体酸化物形燃料電池の耐久性を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明によるシール部材の概略的な断面図である。
【図２】本発明によるシール部材を適用した固体酸化物形燃料電池の分解斜視図である。
【図３】図２に図示されたスタック状に積層された固体酸化物形燃料電池の斜視図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明の目的、特定の長所及び新規の特徴は添付図面に係る以下の詳細な説明及び好ましい実施例によってさらに明らかになるであろう。本明細書において、各図面の構成要素に参照番号を付け加えるに際し、同一の構成要素に限っては、たとえ異なる図面に示されても、できるだけ同一の番号を付けるようにしていることに留意しなければならない。また、「一面」、「他面」、「第１」、「第２」などの用語は、一つの構成要素を他の構成要素から区別するために用いられるものであり、構成要素が前記用語によって限定されるものではない。以下、本発明を説明するにあたり、本発明の要旨を不明瞭にする可能性がある係る公知技術についての詳細な説明は省略する。
【００２０】
以下、添付図面を参照して本発明の好ましい実施例を詳細に説明する。
【００２１】
図１は本発明によるシール部材の概略的な断面図である。
図１に図示されたように、本発明のシール部材１００は、ガラスシート１１０と、前記ガラスシート１１０の両面に塗布されたペースト層１２０とを備える。固体酸化物形燃料電池は、電気エネルギーを生成するために空気又は水素などの供給を受ける必要がある。しかし、供給された空気又は水素が漏れたり、固体酸化物形燃料電池の内部で空気と水素が互いに混合する場合、発電効率が急激に低下し、水素の酸化反応による急激な発電又は爆発により固体酸化物形燃料電池が損傷を受ける恐れがある。従って、固体酸化物形燃料電池は、空気又は水素が漏れたり、空気と水素が互いに混合することを防止するためにシール部材を用いる。
【００２２】
特に、ガラスシート１１０は、固体酸化物形燃料電池を構成する構成部材の熱膨張係数と類似した熱膨張係数を有するシール部材１００の支持体である。
【００２３】
シール部材１００は、上述したように、固体酸化物形燃料電池と類似した熱膨張係数を有するガラスシート１１０を備えており、固体酸化物形燃料電池の多数の構成部材間の熱応力によるクラック（ｃｒａｃｋ）と破損を予め防止することができ、突然の運転中断時に熱衝撃を最小化することができる。また、シール部材１００は、固体酸化物形燃料電池の作動中に加えられる熱サイクル（ｔｈｅｒｍａｌ  ｃｙｃｌｅ）に対しても所定の気密性を維持すると共に、シール部材１００に接触する多孔性電極にシール部材１００が浸透してはならず、酸化及び／又は還元雰囲気下でも不要な化学反応が生じてはならない。さらに、シール部材は高温の作動温度下で電気比抵抗が増加し、電気的絶縁性を維持しなければならない。
【００２４】
本発明によるペースト層（ｐａｓｔｅ  ｌａｙｅｒ）１２０は、図１に図示されたように、ガラスシート１１０の偏平な上部面と下部面に塗布されることで固体酸化物形燃料電池の構成部材と直接接触する。
【００２５】
ペースト層１２０は、本発明によるシール部材１００と固体酸化物形燃料電池の構成部材を密着させる接着剤として作用すると共に、シール部材１００と固体酸化物形燃料電池の構成部材（図３参照）との間を密着させる一方硬化しないことで所定の外力によりシール部材１００とスタック状に積層された固体酸化物形燃料電池の構成部材を容易に分離することもできる。
【００２６】
このように、ペースト層１２０で塗布されたシール部材１００は、スタック状に積層される固体酸化物形燃料電池の各構成部材に確実に接着固定されないため、固体酸化物形燃料電池の構成部材と溶融、付着し、急冷又は加熱／冷却サイクルの繰り返しによって生じる熱応力によりガラスシート１１０に悪影響を及ぼさない。また、高温、例えば６００℃以上の高温に長時間露出される場合、ガラスシート１１０とペースト層１２０の構造的弱化による気密性低下の要因を予め防止することができる。
【００２７】
換言すれば、本発明によるシール部材１００は、ガラスシート１１０の両面にペースト層１２０を塗布することで熱応力を緩和し、ガラスシート１１０が損傷を受けることを防止するだけでなく、ペースト層１２０を用いることでシール部材１００を固体酸化物形燃料電池から容易に脱付着することができ、性能低下の問題点を常に把握することができる。
【００２８】
好ましくは、ペースト層１２０は、６００℃以上の高温環境下でもスタック状の固体酸化物形燃料電池の荷重によって圧縮され、気密性を維持しながら各構成部材を確実に接着させるために、圧縮性ペーストからなることができる。
【００２９】
図２は本発明によるシール部材を適用した固体酸化物形燃料電池の分解斜視図であり、図３は図２に図示された固体酸化物形燃料電池を概略的に図示した斜視図である。
【００３０】
図２及び図３に図示された本発明の固体酸化物形燃料電池１は、平板型の固体酸化物形燃料電池であって、平板型に形成された燃料極２１０、電解質２２０及び空気極２３０が積層された単位電池２００を備える。本発明はこれに限定されず、平板型又は円筒型の固体酸化物形燃料電池にも適用することができる。
【００３１】
より具体的に、本発明による固体酸化物形燃料電池１は、シール部材１００、一つ以上の単位電池２００、及び一つ以上の分離板３００で構成される。特に、分離板３００は単位電池２００に気体を供給するためのチャンネル３１０、３３０を備える。
【００３２】
ここで、分離板とは、基本的に単位電池の燃料極と隣接して配列される他の単位電池の空気極を電気的に連結する一方、空気極に供給される空気と燃料極に供給される燃料ガスを物理的に遮断することができる構成部材である。従って、単位電池同士を電気的に連結するという意味で連結材（ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｏｒ）とも称し、単位電池同士を物理的に分離するという意味で分離板（ｓｅｐａｒａｔｏｒ）とも称する。本明細書では容易かつ明確に理解するために分離板と統一して称する。
【００３３】
さらに、本発明のシール部材１００は、単位電池２００と分離板３００との間を容易に絶縁するために電気絶縁性素材で製作されることが好ましい。
【００３４】
単位電池２００は電気エネルギーを生成する機能を果たすものであり、上述したように、燃料極２１０、電解質２２０、及び空気極２３０を積層して形成される。通常、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）１において、燃料ガスが水素（Ｈ２）又は一酸化炭素（ＣＯ）である場合、燃料極２１０と空気極２３０では以下のような電極反応が生じる。
【００３５】
燃料極：ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→Ｈ２＋ＣＯ２
２Ｈ２＋２Ｏ２−→４ｅ−＋２Ｈ２Ｏ
空気極：Ｏ２＋４ｅ−→２Ｏ２−
全反応：Ｈ２＋ＣＯ＋Ｏ２→ＣＯ２＋Ｈ２Ｏ
【００３６】
燃料極２１０から生成された電子（ｅ−）は外部回路（不図示）を介して空気極２３０に伝達され、これと同時に空気極２３０から生じた酸素イオン（Ｏ２−）は電解質２２０を介して燃料極２１０に伝達される。燃料極２１０では水素が酸素イオンと結合して電子及び水を生成する。結果、固体酸化物形燃料電池の全反応において、水素（Ｈ２）又は一酸化炭素（ＣＯ）が燃料極２１０に供給され、酸素が空気極２３０に供給されると、最終的に二酸化炭素（ＣＯ２）と水（Ｈ２Ｏ）が生成される。
【００３７】
燃料極２１０は、分離板３００の燃料チャンネルから燃料の供給を受けて電極反応により陰極の機能を果たす。選択的には、燃料極２１０は酸化ニッケル（ＮｉＯ）とイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）で構成され、酸化ニッケルは水素によって金属ニッケルに還元されることで電子伝導性を保障する一方、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）は酸化物としてイオン伝導性を保障する。
【００３８】
電解質２２０は、空気極２３０から生じる酸素イオンを燃料極２１０に伝達する媒介体であって、イットリア安定化ジルコニア又はＳｃＳＺ（Ｓｃａｎｄｉｕｍ  Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ  Ｚｉｒｃｏｎｉａ）、ＧＤＣ、ＬＤＣなどを焼結して形成することができる。参考までに、イットリア安定化ジルコニアにおいて、４価ジルコニウムイオンの一部が３価イットリウムイオンで置換しているため、イットリウムイオン二つ当り一つの酸素正孔が内部に生じ、高温下で前記正孔を介して酸素イオンが移動する。また、電解質２２０に気孔が生じると、燃料と酸素（空気）が直接反応するクロスオーバ（ｃｒｏｓｓ  ｏｖｅｒ）現象が生じ、効率が低下するため、きずが生じないように気を付けなければならない。
【００３９】
空気極２３０は分離板３００の空気チャンネル３３０から酸素あるいは空気の供給を受けて電極反応により陽極の機能を果たす。ここで、空気極２３０は、電子伝導性の高いランタンストロンチウムマンガナイト（（Ｌａ０．８４Ｓｒ０．１６）ＭｎＯ３）などを焼結して形成することができる。一方、空気極２３０では酸素がランタンストロンチウムマンガナイトの触媒作用により酸素イオンに転換され、電解質２２０を介して燃料極２１０に伝達される。
【００４０】
本発明による固体酸化物形燃料電池１は図示されたように、一つ以上の単位電池２００を備え、図２では二つの単位電池２００のみを図示している。平行に配列された二つの単位電池２００同士の間に分離板３００が配置される。分離板３００の下部面は、図２に図示されたように、酸化雰囲気下で単位電池２００の空気極２３０に接し、分離板３００の上部面は還元雰囲気下で燃料極２１０に接する。
【００４１】
選択的には、分離板３００はフェライト系ステンレス鋼で製作される。
【００４２】
本発明によるシール部材１００は、図２に図示されたように、平板型の単位電池２００と分離板３００との間をシールするが、具体的に、平行に配列された単位電池２００の縁部と分離板３００の縁部との間に備えられる。シール部材１００はガラスシート１１０からなり、ガラスシート１１０の両面にペースト層１２０を塗布している。
【００４３】
好ましくは、本発明によるシール部材１００は、分離板３００の燃料チャンネル３１０に案内される燃料ガスが外部に流出することを防止するために、分離板３００の上部面の縁部と単位電池２００の下部面の縁部との間に配置され、燃料チャンネル３１０の形成方向と平行に配置される。また、シール部材１００は、分離板３００の空気チャンネル３３０に案内される空気が外部に流出することを防止するために、分離板３００の下部面の縁部と単位電池２００の上部面の縁部との間に配置され、空気チャンネル３３０の形成方向と平行に配置される。
【００４４】
シール部材１００は、上述したように、チャンネル３１０、３３０の形成方向と平行に配置されず、単位電池２００と分離板３００の周縁部に沿って完全にシールされるように配置されることもできる。
【００４５】
図３を参照すると、本発明による固体酸化物形燃料電池１は、スタック状に積層されるように概略的に図示したものであって、ペースト層で塗布されたシール部材１００を一つ以上の分離板３００と一つ以上の単位電池２００との間に配列する。本発明のシール部材１００は、図１を参照すると、ガラスシートと、その両面に塗布されたペースト層とからなり、スタック状態で各構成部材を容易に区別するためにシール部材１００をガラスシートとペースト層とに細分して図示しなかったことを予め説明しておく。
【００４６】
本発明において、シール部材１００と単位電池２００との間の境界面、及びシール部材１００と分離板３００との間の境界面が互いに接するように配列すると共に、シール部材１００のペースト層を介して各境界面における気密性を維持しながら各境界面を密着させる。換言すれば、スタック状に積層された固体酸化物形燃料電池の荷重によってシール部材１００のペースト層が圧縮され、各構成部材を接着することで気密性を維持する。
【００４７】
また、スタック状に積層された本発明の固体酸化物形燃料電池１において、図３に図示されたように、所定の外力Ｆによりせん断力を印加すると、シール部材１００と分離板３００との間の境界面及び／又はシール部材１００と単位電池２００との間の境界面を充填しているペースト層がずれるように変形し、それぞれの構成部材がシール部材１００のペースト層を介して互いに摺動することができるため、スタック状でも容易に解体することができる。
【００４８】
以上、本発明を具体的な実施例に基づいて詳細に説明したが、これは本発明を具体的に説明するためのものであり、本発明はこれに限定されず、該当分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の技術的思想内にての変形や改良が可能であることは明白であろう。
【００４９】
本発明の単純な変形乃至変更はいずれも本発明の領域に属するものであり、本発明の具体的な保護範囲は添付の特許請求の範囲により明確になるであろう。
【符号の説明】
【００５０】
１００  シール部材
１１０  ガラスシート
１２０  ペースト層
２００  単位電池
３００  分離板
３１０、３３０  チャンネル
【図１】
2014026956.tif 000003
【図２】
2014026956.tif 000004
【図３】
2014026956.tif 000005