(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極、電解質、負極が積層されて形成された単位セルと、
反応ガスが流れることができるチャンネルが両面に形成され、前記チャンネルは、前記反応ガスが流れる方向と並んだ縦チャンネル及び前記反応ガスが流れる方向と交差する横チャンネルからなる分離板と、
前記単位セルと前記分離板との間に介在される集電体とを含み、
前記縦チャンネルの幅は、反応ガスの流入口から反応ガスの流出口の方向に向かって広くなり、
前記横チャンネルの幅は、前記反応ガスの流入口から前記反応ガスの流出口の方向に向かって広くなることを特徴とする固体酸化物燃料電池。
【請求項２】
前記分離板の両面には、前記縦チャンネルと前記横チャンネルによって区画される突出部が形成され、
前記突出部は台形状であ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】
前記分離板の両面には、前記縦チャンネルと前記横チャンネルによって区画される突出部が形成され、
前記突出部は六角形状であ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４】
前記反応ガスの流出口の端部側縦チャンネルの幅は、前記反応ガスの流入口の端部側縦チャンネルの幅の１．５〜３倍であ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５】
前記分離板の両面には、前記縦チャンネルと前記横チャンネルによって区画される突出部が形成され、
前記集電体は、前記縦チャンネルと前記横チャンネルと前記突出部とを全て覆う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】
前記分離板の一面に形成されたいずれか一つの縦チャンネルは、前記分離板の他面に互いに隣接して形成された縦チャンネルの間の区間に対応する位置に配置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７】
前記反応ガスが流れる方向と並んだチャンネルと、前記反応ガスが流れる方向と交差するチャンネルとが一面にのみ形成されているエンドプレートをさらに備え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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、縦チャンネルと横チャンネルを有する固体酸化物燃料電池に関し、さらに詳しくは、固体酸化物燃料電池を成している分離板に縦チャンネルと横チャンネルが形成された固体酸化物燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
本出願は、２０１２年１２月１８日に出願された韓国特許出願第１０−２０１２−０１４８１９４号に基づく優先権を主張し、当該出願の明細書及び図面に開示された全ての内容は本出願に援用される。
【０００３】
燃料電池は、酸化剤と燃料の電気化学反応を利用したエネルギー変換装置であって、燃料の化学エネルギーを熱・機械的なエネルギーに転換する過程を経ずに電気エネルギーに変換し、既存の発電システムに比べて発電効率が高く、環境に優しく、未来の電力源として現在多くの研究が進められている。
【０００４】
燃料電池は、使用電解質と燃料に応じてリン酸型燃料電池（ｐｈｏｓｐｈｏｒｉｃ ａｃｉｄ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌｓ、ＰＡＦＣｓ）、高分子電解質メンブレン燃料電池（ｐｏｌｙｍｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ ｍｅｍｂｒａｎｅ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌｓ、ＰＥＭＦＣｓ）、溶融炭酸塩燃料電池（ｍｏｌｔｅｎ ｃａｒｂｏｎａｔｅ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌｓ、ＭＣＦＣｓ）、直接メタノール燃料電池（ｄｉｒｅｃｔ ｍｅｔｈａｎｏｌ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌｓ、ＤＭＦＣｓ）、固体酸化物燃料電池（ｓｏｌｉｄ ｏｘｉｄｅ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌｓ、ＳＯＦＣｓ）などに分けることができる。各燃料電池は、互いに異なる動作温度とこれに伴う構成要素を有し、ＰＥＭＦＣｓは８０℃近く、ＰＡＦＣｓは２００℃近く、ＭＣＦＣｓは６５０℃近く、さらにＳＯＦＣｓは８００℃近くの作動範囲を有する。
【０００５】
この中で構成物質が全てセラミック、金属のような固相からなるＳＯＦＣｓは、最も高いエネルギー効率、燃料選択の多様性及び廃熱の再活用のような多くの長点を有している。
【０００６】
例えば、特許文献１を参照すると、固体酸化物燃料電池の燃料極集電体ユニットが開示されている。
【０００７】
図１は、従来の技術に係る固体酸化物燃料電池を成す主要構成の分解斜視図であって、図１を参照すると、従来の技術は、正極、電解質、負極が順次積層された単位セルと、前記正極側に積層される分離板と前記負極側に積層される分離板とを備える。
【０００８】
分離板の両面にはチャンネルが形成されており、たとえ図１に示されてはいなくとも、正極側分離板と正極との間には正極集電体が介在され、負極側分離板と負極との間には負極集電体が介在される。
【０００９】
正極と分離板との間のチャンネルには空気が流れ、負極と分離板との間のチャンネルには燃料ガスが流れ、これらの反応ガス（空気、燃料ガス）の流れによって電解質層で酸素または水素イオン伝導の現象が誘導され、これと共に電極(正極、負極)から発生する電気化学反応によって起電力が発生することになる。
【００１０】
前記従来の技術の場合、空気または燃料ガスは、前記チャンネルの一側に流入されて他側に抜けることとなる。言い換えれば、燃料電池は、反応ガスが流入される流入口と反応ガスが抜けていく流出口とが形成される。
【００１１】
反応ガスが燃料電池を通過する面積全体にわたって電気化学反応が均一に起こることが理想的であるが、実際には流入口側に反応ガスが集まることとなり、流出口側は反応ガスの濃度が低い。これにより、集電体全体の面積にわたって均一に電気が生成されず、集電体の流入口側の部分から電気が多く生成され、集電体の流出口側では電気が比較的少なく生成される。
【００１２】
このような現象は、燃料電池の集電効率を下げる要因となる。それだけでなく、流入口側の反応がより強く起こるため、流出口側に比べて流入口側は劣化（ｄｅｔｅｒｉｏｒａｔｉｏｎ）がはるかに深刻に発生することになる。
【００１３】
したがって、流出口側は劣化が僅かであったとしても、流入口側に発生した深刻な劣化により燃料電池の寿命が大幅に短縮される問題が発生することになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２０１１−２１０５６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は、前述した問題点を解決するために着想されたものであって、反応ガスが燃料電池を通過する面積全体にわたって電気化学反応が均一に起こる固体酸化物燃料電池を提供することを目的とする。
本発明の他の目的は、反応ガスの流入口側と流出口側の劣化が比較的均一に発生し得る構造を有する固体酸化物燃料電池を提供することにある。
本発明のまた他の目的は、寿命の向上した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】
【００１６】
前記のような目的を達成するため、本発明の好ましい実施形態に係る固体酸化物燃料電池は、正極、電解質、負極が積層されて形成された単位セルと、反応ガスが流れることができるチャンネルが両面に形成され、前記チャンネルは、前記反応ガスが流れる方向と並んだ縦チャンネル及び前記反応ガスが流れる方向と交差する横チャンネルからなる分離板と、前記単位セルと前記分離板との間に介在される集電体とを含み、前記縦チャンネルの幅は、反応ガスの流入口から反応ガスの流出口の方向に向かって広くなることを特徴とする。
【００１７】
好ましくは、前記分離板の両面には、前記縦チャンネルと前記横チャンネルによって区画される突出部が形成され、前記突出部は台形状である。
【００１８】
好ましくは、前記分離板の両面には、前記縦チャンネルと前記横チャンネルによって区画される突出部が形成され、前記突出部は六角形状である。
【００１９】
好ましくは、前記横チャンネルの幅は、前記反応ガスの流入口から前記反応ガスの流出口の方向に向かって広くなる。
【００２０】
好ましくは、前記反応ガスの流出口の端部側縦チャンネルの幅は、前記反応ガスの流入口の端部側縦チャンネルの幅の１．５〜３倍である。
【００２１】
好ましくは、前記分離板の両面には、前記縦チャンネルと前記横チャンネルによって区画される突出部が形成され、前記集電体は、前記縦チャンネルと前記横チャンネルと前記突出部とを全て覆う。
【００２２】
好ましくは、前記分離板の一面に形成されたいずれか一つの縦チャンネルは、前記分離板の他面に互いに隣接して形成された縦チャンネルの間の区間に対応する位置に配置される。
【００２３】
好ましくは、前記固体酸化物燃料電池は、前記反応ガスが流れる方向と並んだチャンネルと、前記反応ガスが流れる方向と交差するチャンネルとが一面にのみ形成されているエンドプレート（Ｅｎｄ  ｐｌａｔｅ）をさらに備える。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、反応ガスが燃料電池を通過する面積全体にわたって電気化学反応が均一に起こる固体酸化物燃料電池を提供することができる。
また、反応ガスの流入口側と流出口側の劣化が比較的均一に発生し得る構造を有する固体酸化物燃料電池を提供することができる。
また、寿命の向上した固体酸化物燃料電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】従来の技術に係る固体酸化物燃料電池を成す主要構成の分解斜視図である。
【図２】本発明の好ましい実施形態に係る固体酸化物燃料電池の一部構成の分解斜視図である。
【図３】本発明の好ましい実施形態に係る固体酸化物燃料電池に用いられる分離板の平面図である。
【図４】本発明の好ましい実施形態に係る固体酸化物燃料電池に用いられる分離板の変形例の平面図である。
【図５】本発明の好ましい実施形態に係る固体酸化物燃料電池の縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態に係る縦チャンネルと横チャンネルを有する固体酸化物燃料電池について詳しく説明する。
本明細書及び特許請求の範囲に用いられている用語や単語は、通常的且つ辞典的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者は、自己の発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適宜定義することができるとの原則に立脚し、本発明の技術的思想に適合する意味と概念として解釈されるべきである。したがって、本明細書に記載の実施形態と図面に示された構成は、本発明の最も好ましい一実施形態に過ぎず、本発明の技術的思想を全て代弁するものではないので、本出願時点においてこれらを代替することができる多様な均等物と変形例があり得ることを理解しなければならない。
【００２７】
図面における各構成要素またはその構成要素を成す特定部分の大きさは、説明の便宜及び明確性のために誇張且つ省略されるか概略的に示された。したがって、各構成要素の大きさは実際の大きさを全的に反映するものではない。係わる公知機能或いは構成に対する具体的な説明が、本発明の要旨を不要にぼかす可能性があると判断される場合、そのような説明は省略する。
【００２８】
図２は、本発明の好ましい実施形態に係る固体酸化物燃料電池の一部構成の分解斜視図であり、図３は、本発明の好ましい実施形態に係る固体酸化物燃料電池に用いられる分離板の平面図である。
【００２９】
図２及び図３を参照して、本発明に係る固体酸化物燃料電池（以下、「燃料電池」と記す）に対して説明する。
【００３０】
本発明に係る固体酸化物燃料電池１００は、単位セル１０、分離板２０、集電体を備える。
【００３１】
単位セル１０は、正極１３、電解質１２、負極１１が積層されて形成される。
【００３２】
ここで正極（空気極）１３の材料としては、ＬａＳｒＭｎＯ３（ＬＳＭ）、ＬａＳｒＣｏＦｅＯ３（ＬＳＣＦ）などのペロブスカイト系化合物が用いられてよく、電解質１２としては、ジルコニア（希土類系；ＹＳＺ或いはＳｃ２Ｏ３ ＺｒＯ２（ＳｃＳＺ）など）系、セリア（ＣｅＯ２）系、ビスマス酸化物（Ｂｉ２Ｏ３）系、ペロブスカイト（ｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅ）系のうち一つまたはそれ以上の粉末が用いられてよく、負極（燃料極）１１としては、Ｎｉなどの金属とイットリア安定化ジルコニア（ＺｒＯ２＋８Ｙ２Ｏ３、ＹＳＺ）などとサーメット（Ｃｅｒｍｅｔ）の混合物が用いられてよい。また、前記単位セル１０は、正極１３、電解質１２、負極１１が少なくとも３層以上積層されて形成される。
【００３３】
分離板２０は、反応ガスが流れることができるチャンネルが両面に形成される。ここで、反応ガスとは燃料ガスと空気をいい、燃料ガスとしては純粋な水素、メタン、プロパン、ブタンなどが直接用いられるか改質して用いられ得る。さらに、空気とは、通常の空気以外にも酸素が混合された気体を含む意味として用いられたことを明らかにしておく。
【００３４】
図２を基準に、反応ガスはＸ側から燃料電池１００に流入され、Ｙ側に向かって燃料電池１００から排出される。したがって、Ｘで表示された側を流入部、Ｙで表示された側を流出部と称することとする。
【００３５】
前記チャンネルは、反応ガスが流れる方向と並んだ縦チャンネル２２と、反応ガスが流れる方向と交差する横チャンネル２４とからなる。したがって、分離板２０の表面には、縦チャンネル２２と横チャンネル２４によって区画される突出部２６が形成される。一方、図２では、説明の便宜のため、前記縦チャンネル２２と横チャンネル２４の幅は誇張して表示されており、図２に示されたものより幅の狭いさらに多くの個数の縦チャンネル２２及び横チャンネル２４が分離板２０に形成され得ることは勿論である。
【００３６】
図２に示された分離板２０を検討してみると、分離板２０の上面に形成された縦チャンネル２２と分離板２０の下面に形成された縦チャンネル２２とが互いに対応する位置に形成されている。すなわち、分離板２０の厚さ方向を基準としたとき、分離板２０の上下面に全て縦チャンネル２２が形成されているか、分離板２０の上下面に全て突出部２６が形成されている。
【００３７】
しかし、分離板２０が、必ずしもこのように上下対称でなければならないものではない。例えば、分離板２０の一面に形成されたいずれか一つの縦チャンネル２２は、前記分離板２０の他面に互いに隣接して形成された縦チャンネル２２の間の区間に対応する位置に配置されてもよい。すなわち、分離板２０が上下対称に形成されず、分離板２０の厚さ方向を基準としたとき、分離板２０の上面に縦チャンネル２２が形成された区間の場合、この区間の下面には突出部２６が形成されてよく、分離板２０の上面に突出部２６が形成された区間の場合、この区間の下面には縦チャンネル２２が形成されてよい。言い換えれば、分離板２０の上下面に形成された縦チャンネル２２は互いに交互に配置されてよい。
【００３８】
また、図２には、分離板２０の上下面に形成された縦チャンネル２２同士互いに同じ方向に形成され、分離板２０の上下面に形成された横チャンネル２４同士同じ方向に形成されたものと示されているが、このような配列に限定されるものではない。例えば、分離板２０の上面に形成された縦チャンネル２２と下面に形成された縦チャンネル２２とが互いに交差するように配置され、分離板２０の上面に形成された横チャンネル２４と下面に形成された横チャンネル２４とが互いに交差するように配置されてもよい。
【００３９】
分離板２０に対するさらに詳しい内容は後述する。
【００４０】
集電体は、前記単位セル１０と前記分離板２０との間に介在される。図２には集電体が明確な図面符号で表示されてはいないが、これは便宜のためのものであって、集電体は分離板２０の上下面に塗布されたものとして想定しても構わない。分離板２０の両面は、縦チャンネル２２と横チャンネル２４、及びこれらのチャンネル２２、２４が占める領域を除いた領域を占める突出部２６からなっているため、集電体は前記縦チャンネル２２と、横チャンネル２４と、突出部２６とを全て覆うように形成され得る。
【００４１】
前記集電体としては、例えば、電子伝導性ペロブスカイト系化合物が用いられ得る。
【００４２】
図３は、本発明の好ましい実施形態に係る固体酸化物燃料電池に用いられる分離板２０の平面図である。以下では、図３をさらに参照し、分離板２０に対してより詳しく説明する。
【００４３】
図３で確認できるところのように、縦チャンネル２２の幅は、反応ガスの流入口から反応ガスの流出口の方向に向かって広くなるように形成される。すなわち、縦チャンネル２２の区間のうち相対的に流出口に近い側の幅（Ｄｙ）は、相対的に流入口に近い側の幅（Ｄｘ）より広い。したがって、図３に示された実施形態の場合、突出部２６の形状は台形状を有する。
【００４４】
しかし、突出部２６の形状が必ずしも台形に形成されなければならないものではない。図４は、本発明の好ましい実施形態に係る固体酸化物燃料電池１００に用いられる分離板２０の変形例の平面図であり、図４を参照すると、突出部２６は六角形状に形成されてもよい。すなわち、図４に示された変形例の場合、複数個の突出部２６は、まるで蜂巣（ｈｏｎｅｙ  ｃｏｍｂ）と似た形状を成し得る。
【００４５】
図４においても図３と同様に、縦チャンネル２２の区間のうち相対的に流出口に近い側の幅（Ｄｙ）は、相対的に流入口に近い側の幅（Ｄｘ）より広い。
【００４６】
一方、横チャンネル２４の幅も、反応ガスの流入口から反応ガスの流出口の方向に向かって広くなるように形成され得る。すなわち、横チャンネル２４の区間のうち相対的に流出口に近い側の幅（Ｗｙ）は、相対的に流入口に近い側の幅（Ｗｘ）より広く形成され得る。
【００４７】
このように、縦チャンネル２２の幅が流出口の方向に向かって広くなるように形成されるか、横チャンネル２４の幅が流出口の方向に向かって広くなるように形成されると、従来の技術の問題点である、流入口側に反応ガスが集まり流出口側の反応ガスの濃度が薄くなる問題点が格段に改善される。反応ガスは、狭い空間から一層広い空間に広がろうとする性質を有し、流出口側に行くほどチャンネル２２、２４が広くなるので、反応ガスは流入口から流出口にわたる領域に均一に広がることができ、これにより、反応ガスが燃料電池１００を通過する面積全体にわたって電気化学反応が均一に起こり得る。
【００４８】
一方、チャンネル２２、２４に塗布された集電体は、正極１３または負極１１と接触することができず、突出部２６に塗布された集電体のみが正極１３または負極１１と接触することができる。集電効率は、正極１３または負極１１と接触する集電体の面積が大きいほど良くなるので、結局、突出部２６の領域が広いほど集電効率が高まることとなる。
【００４９】
すなわち、反応ガスが均一に広がる側面においては、出口側のチャンネル２２、２４の幅が大きいほど有利であるとしても、チャンネル２２、２４の幅が大きくなるほど突出部２６の面積が減少するとの問題が発生する。したがって、このような相反関係（Ｔｒａｄｅ−ｏｆｆ）を適切に調節する必要がある。
【００５０】
本発明の発明者は、反応ガスの流出口の端部側縦チャンネル２２の幅が反応ガスの流入口の端部側縦チャンネル２２の幅の１．５〜３倍である場合、反応ガスが燃料電池１００の全体面積にわたって均一に広がるだけでなく、突出部２６の面積も十分に広く維持できるとのことを実験的に確認した。また、このような条件のとき、集電効率が最も高くなるとのことを確認することができた。
【００５１】
さらに、反応ガスが燃料電池１００の全体面積にわたって均一に広がるので、流入口側と流出口側の劣化が比較的均一に発生することになり、よって、流入口だけ先に劣化する現象が発生しないので、燃料電池１００の寿命が向上する利点がある。
【００５２】
図５は、本発明の好ましい実施形態に係る固体酸化物燃料電池の縦断面図である。
【００５３】
完成された燃料電池１００において、チャンネル２２、２４が外部に露出されることは好ましくない。したがって、燃料電池１００の最上面と最下面には、エンドプレート（Ｅｎｄ  ｐｌａｔｅ）３０を配置することが好ましい。したがって、エンドプレート３０は、縦チャンネル２２と横チャンネル２４が一面にのみ形成される。
【００５４】
図５に示すように、燃料電池１００はエンドプレート３０、単位セル１０、分離板２０、単位セル１０、分離板２０、単位セル１０、エンドプレート３０が順次積層された構造を有することができ、互いに同じ個数の単位セル１０と分離板２０が前記燃料電池１００に追加され、より高い容量の燃料電池１００を形成することもできる。
【００５５】
たとえ図５に示されてはいなくとも、エンドプレート３０と単位セル１０との間、さらに、分離板２０と単位セル１０との間に集電体が介在されるのは勿論である。
【００５６】
以上で本発明は、例え限定された実施形態と図面によって説明されたとしても、本発明はこれによって限定されず、本発明の属する技術分野で通常の知識を有する者により、本発明の技術思想と下記に記載される特許請求の範囲の均等範囲内で多様な修正及び変形が可能であるのは勿論である。
【符号の説明】
【００５７】
１００・・固体酸化物燃料電池
１０・・・単位セル
１１・・・負極
１２・・・電解質
１３・・・正極
２０・・・分離板
２２・・・縦チャンネル
２４・・・横チャンネル
【図１】
0006001193.tif 000002
【図２】
0006001193.tif 000003
【図３】
0006001193.tif 000004
【図４】
0006001193.tif 000005
【図５】
0006001193.tif 000006