(57)【要約】【課題】外周面が多数の平面からなる多角管型支持体を採用することにより、ガスシールが不要であるうえ、高い性能および電力密度を有する固体酸化物燃料電池、およびその製造方法の提供。【解決手段】外周面が多数の平面からなる多角管型支持体、前記多数の平面にそれぞれ形成された多数の単位電池、前記多数の単位電池を直列に連結する内部連結材、および直列に連結された前記多数の単位電池を集電手段と連結する外部連結材とを含んでなる、固体酸化物燃料電池を提供する。【選択図】図６
2011054550.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周面が多数の平面からなる多角管型支持体と、
前記多数の平面にそれぞれ形成された多数の単位電池と、
前記多数の単位電池を直列に連結する内部連結材と、
直列に連結された前記多数の単位電池を集電手段と連結する外部連結材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】
前記多数の単位電池は、
前記管型支持体の角を除いたそれぞれの前記平面に形成された多数の第１電極と、
前記第１電極の外部に形成された多数の電解質と、
前記電解質の外部に形成された多数の第２電極とを含むことを特徴とする、請求項１に記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項３】
前記外部連結材は、
前記管型支持体の一角の両側に形成された前記第１電極の一端および前記第２電極の他端を集電手段と連結し、
前記内部連結材は、
前記一角を除いた前記管型支持体の角の両側に形成された前記第１電極の一端と前記第２電極の他端とを連結し、気体非透過性を持つように形成されたことを特徴とする、請求項２に記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項４】
前記電解質は、前記第１電極の他側面を覆うように、他端が前記管型支持体の方向に延長され、
前記第２電極は、延長された前記電解質の他端を覆うように、他端が前記管型支持体の方向に延長されることを特徴とする、請求項３に記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項５】
前記第２電極は、一端が内部連結材または外部連結材から離隔されるように形成されたことを特徴とする、請求項３に記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項６】
前記第１電極は燃料極であり、前記第２電極は空気極であることを特徴とする、請求項２に記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項７】
前記第１電極は空気極であり、前記第２電極は燃料極であることを特徴とする、請求項２に記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項８】
前記管型支持体は、外周面が３つ、４つ、５つまたは６つの平面から構成され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】
前記管型支持体は、内周面が曲面からなる円筒形であ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１０】
前記管型支持体は絶縁性物質で形成されたことを特徴とする、請求項１に記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項１１】
前記管型支持体は多孔性物質で形成されたことを特徴とする、請求項１に記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項１２】
前記管型支持体はアルミナ系セラミック材料で形成されたことを特徴とする、請求項１に記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項１３】
前記管型支持体は、金属支持体の全面に絶縁層を塗布して形成されたことを特徴とする、請求項１に記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項１４】
前記管型支持体の角はラウンド処理されたことを特徴とする、請求項１に記載の固体酸化物燃料電池。
【請求項１５】
（Ａ）外周面が多数の平面からなる多角管型支持体を準備する段階と、
（Ｂ）前記多数の平面にそれぞれ多数の単位電池を形成する段階と、
（Ｃ）前記多数の単位電池を直列に連結する内部連結材、および集電手段と連結する外部連結材を備える段階とを含んでなることを特徴とする、固体酸化物燃料電池の製造方法。
【請求項１６】
前記（Ｂ）段階は、
（Ｂ１）前記管型支持体の角を除いたそれぞれの前記平面に多数の第１電極を形成する段階と、
（Ｂ２）前記第１電極の外部に多数の電解質を形成する段階と、
（Ｂ３）前記電解質の外部に多数の第２電極を形成する段階とを含むことを特徴とする、請求項１５に記載の固体酸化物燃料電池の製造方法。
【請求項１７】
前記（Ｃ）段階は、
前記管型支持体の一角の両側に形成された前記第１電極の一端および第２電極の他端を集電手段と連結する外部連結材を備える段階と、
前記一角を除いた前記管型支持体の角の両側に形成された前記第１電極の一端と前記第２電極の他端とを連結する内部連結材を備える段階とを含むことを特徴とする、請求項１６に記載の固体酸化物燃料電池の製造方法。
【請求項１８】
前記（Ｂ）段階において、
前記多数の単位電池は、テープキャスティング法、スプレーコーティング法、ディップコーティング法、スクリーン印刷法、ドクターブレード法、電気化学蒸着法、スパッタリング法、イオンビーム法、イオン注入法、またはプラズマスプレー法で形成することを特徴とする、請求項１５に記載の固体酸化物燃料電池の製造方法。
【請求項１９】
前記第１電極は燃料極であり、前記第２電極は空気極であることを特徴とする、請求項１６に記載の固体酸化物燃料電池の製造方法。
【請求項２０】
前記第１電極は空気極であり、前記第２電極は燃料極であることを特徴とする、請求項１６に記載の固体酸化物燃料電池の製造方法。
【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およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池とは、燃料（水素、ＬＮＧ、ＬＰＧなど）と空気の化学エネルギーを電気化学的反応によって電気および熱に直接変換させる装置である。燃料電池は、燃料燃焼過程、蒸気発生過程、タービン駆動過程および発電機駆動過程を取る既存の発電技術とは異なり、燃焼過程および駆動装置がないので、効率が高いうえ、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、例えばＳＯｘやＮＯｘなどの大気汚染物質を殆ど排出せず、二酸化炭素の発生も少なくて無公害発電であり、低騒音、無振動などの利点もある。
【０００３】
燃料電池は、リン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）、アルカリ型燃料電池（ＡＦＣ）、高分子電解質型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）、直接メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）などの多様な種類がある。これらの中でも、固体酸化物燃料電池(solid oxide fuel cell、ＳＯＦＣ）は、活性化分極に基づいた過電圧が低く、非可逆的損失が少ないので発電効率が高い。さらに、固体酸化物燃料電池は、水素だけでなく、炭素または炭化水素系を燃料として使用することができるため、燃料の選択幅が広く、電極における反応速度が高くて電極触媒として高い貴金属を必要としない。その上、発電に付随して排出される熱は、温度が非常に高くて利用価値が高い。固体酸化物燃料電池から発生した熱は、燃料の改質に利用されるうえ、熱併合発電において産業用または冷房用エネルギー源として利用することができる。よって、固体酸化物燃料電池は、向後の水素経済社会への進入のために必須的な発電技術である。
固体酸化物燃料電池（solid oxide fuel cell；ＳＯＦＣ）の基本的な動作原理を考察すると、固体酸化物燃料電池は、基本的に、水素およびＣＯの酸化反応により発電する装置であり、燃料極および空気極では下記反応式１の電極反応が行われる。
【０００４】
＜反応式１＞
燃料極：Ｈ２＋Ｏ２−→Ｈ２Ｏ＋２ｅ−
ＣＯ＋Ｏ２−→ＣＯ２＋２ｅ−
空気極：Ｏ２＋４ｅ−→２Ｏ２−
全反応：Ｈ２＋ＣＯ＋Ｏ２→Ｈ２Ｏ＋ＣＯ２
【０００５】
すなわち、前者は、外部回路を介して空気極に到達し、同時に空気極から発生した酸素イオンが電解質を介して燃料極へ伝達されるため、燃料極では水素またはＣＯが酸素イオンと結合して電子および水またはＣＯ２を生成する。
【０００６】
図１Ａおよび図１Ｂは従来の固体酸化物燃料電池を示す斜視図である。
図１Ａおよび図１Ｂに示すように、固体酸化物燃料電池は、平板型固体酸化物燃料電池１０と管型固体酸化物燃料電池２０に分類されている。
【０００７】
平板型固体酸化物燃料電池１０は、セパレータ１１、単位電池１３およびセパレータ１１の順に積層されてなる。平板型固体酸化物燃料電池１０は、管型固体酸化物燃料電池２０に比べて高い性能および電力密度を有し、製造工程が非常に簡単である。平板型固体酸化物燃料電池１０は、特に、テープキャスティング(tape casting)、ドクターブレード(doctor blade)、スクリーン印刷(screen printing)などによって平面上に電極および電解質を製造するので、製造コストが低いという利点がある。
ところが、平板型固定酸化物燃料電池１０は、反応ガスの供給と排出のために、大きい外部マニホールド(manifold)を必要とする。このような構造は、厳しいガスシールを要求する。よって、セパレータ１１と単位電池１３との間にはガスシールのためのシーリング部材１５を配置しなければならない。しかし、シーリング部材１５は、高温で耐久性が安定的ではないため、クラック(crack)が発生するという問題点がある。また、ガスシールのために、機械的圧縮密封やセメント密封、ガラス密封、ガラスとセラミックの複合密封技術などが開発されているが、依然として多くの問題点がある。機械的圧縮密封の場合はセラミック構成要素に不均一な応力分布をもたらして亀裂を発生させ、セメントとガラス密封の場合は高温で電池材料と反応して燃料電池に悪影響を及ぼす。
【０００８】
管型固体酸化物燃料電池２０は、空気極支持体２１の外部に電解質２３、燃料極２５の順に積層され、他の単位電池との連結のための連結材２７が空気極支持体２１の上部に形成される。管型固体酸化物燃料電池２０は、平板型固体酸化物燃料電池１０とは異なり別途のガスシールが不要なので、長期耐久性が良く、熱衝撃に安定的である。
しかし、管型固体酸化物燃料電池２０は、単位電池を連結してバンドル(bundle)を形成する際に多くの体積を占めるため、相対的に低い性能と電力密度を持つ。また、空気極支持体２１の外周面が曲面なので、平板型固体酸化物燃料電池１０に比べて均一な電極および電解質のコーティングが難しいという問題点がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
そこで、本発明は、上述した問題点を解決するためのもので、その目的とするところは、
外周面が多数の平面からなる多角管型支持体を採用することにより、ガスシールが不要であるうえ、高い性能および電力密度を有する固体酸化物燃料電池、およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明のある観点によれば、外周面が多数の平面からなる多角管型支持体、前記多数の平面にそれぞれ形成された多数の単位電池、前記多数の単位電池を直列に連結する内部連結材、および直列に連結された前記多数の単位電池を集電手段と連結する外部連結材を含んでなる、固体酸化物燃料電池を提供する。
ここで、前記多数の単位電池は、前記管型支持体の角を除いたそれぞれの前記平面に形成された多数の第１電極、前記第１電極の外部に形成された多数の電解質、および前記電解質の外部に形成された多数の第２電極を含むことを特徴とする。
【００１１】
また、前記外部連結材は、前記管型支持体の一角の両側に形成された前記第１電極の一端および前記第２電極の他端を集電手段と連結することを特徴とし、前記内部連結材は、前記一角を除いた前記管型支持体の角の両側に形成された前記第１電極の一端と前記第２電極の他端とを連結し、気体非透過性を持つように形成されたことを特徴とする。
また、前記電解質は、前記第１電極の他側面を覆うように、他端が前記管型支持体の方向に延長され、前記第２電極は、延長された前記電解質の他端を覆うように、他端が前記管型支持体の方向に延長されることを特徴とする。
また、前記第２電極は、一端が内部連結材または外部連結材から離隔されるように形成されたことを特徴とする。
【００１２】
また、前記第１電極は燃料極であり、前記第２電極は空気極であることを特徴とする。
また、前記第１電極は空気極であり、前記第２電極は燃料極であることを特徴とする。
また、前記管型支持体は、外周面が３つ、４つ、５つまたは６つの平面から構成されたことを特徴とする。
また、前記管型支持体は、内周面が曲面からなる円筒形であることを特徴とする。
また、前記管型支持体は絶縁性物質で形成されたことを特徴とする。
また、前記管型支持体は多孔性物質で形成されたことを特徴とする。
また、前記管型支持体はアルミナ系セラミック材料で形成されたことを特徴とする。
また、前記管型支持体は金属支持体の全面に絶縁層を塗布して形成されたことを特徴とする。
また、前記管型支持体の角はラウンド処理されたことを特徴とする。
【００１３】
本発明の他の観点によれば、（Ａ）外周面が多数の平面からなる多角管型支持体を準備する段階と、（Ｂ）前記多数の平面にそれぞれ多数の単位電池を形成する段階と、（Ｃ）前記多数の単位電池を直列に連結する内部連結材、および集電手段と連結する外部連結材を備える段階とを含んでなる、固体酸化物燃料電池の製造方法を提供する。
ここで、前記（Ｂ）段階は、（Ｂ１）前記管型支持体の角を除いたそれぞれの前記平面に多数の第１電極を形成する段階と、（Ｂ２）前記第１電極の外部に多数の電解質を形成する段階と、（Ｂ３）前記電解質の外部に多数の第２電極を形成する段階とを含むことを特徴とする。
【００１４】
また、前記（Ｃ）段階は、前記管型支持体の一角の両側に形成された前記第１電極の一端および第２電極の他端を集電手段と連結する外部連結材を備える段階と、前記一角を除いた前記管型支持体の角の両側に形成された前記第１電極の一端と前記第２電極の他端とを連結する内部連結材を備える段階とを含むことを特徴とする。
【００１５】
また、前記（Ｂ）段階において、前記多数の単位電池は、テープキャスティング法(tape casting)、スプレーコーティング法(spray coating)、ディップコーティング法(dip coating)、スクリーン印刷法(screen printing)、ドクターブレード法(doctor blade)、電気化学蒸着法、スパッタリング法(sputtering)、イオンビーム法、イオン注入法、またはプラズマスプレー法(plasma spray)で形成することを特徴とする。
また、前記第１電極は燃料極であり、前記第２電極は空気極であることを特徴とする。
また、前記第１電極は空気極であり、前記第２電極は燃料極であることを特徴とする。
【００１６】
本発明の特徴および利点らは、添付図面に基づいた次の詳細な説明からさらに明白になるであろう。
これに先立ち、本明細書および請求の範囲に使用された用語または単語は、通常的且つ辞典的な意味で解釈されてはならず、発明者が自分の発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義することができるという原則に基づき、本発明の技術的思想に符合する意味と概念で解釈されなければならない。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、多角管型支持体の多数の平面にそれぞれ単位電池を形成して直列に連結することにより、優れた性能および高い単位体積当りの電力密度を持つことができ、集電の際に高い電圧を維持して電気抵抗による電力損失量を減少させることができるという効果がある。
また、本発明によれば、曲面ではなく平面に電極および電解質を形成するため、製造工程が簡単で製造コストが低くなり、基本的に管型支持体を使用するため、ガスシールが必要なくて長期耐久性が優れるうえ、熱衝撃に強いという利点がある。
【００１８】
また、本発明によれば、管型支持体の外周面を多様な形状に製作することができ、これにより最適の単位体積当りの電力密度を有するバンドルを製作することができるという効果がある。
また、本発明によれば、管型支持体をアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）系セラミック材料で製作することができるため、従来の管型支持体に比べて価格競争力を確保することができるという利点がある。
また、本発明によれば、管型支持体を、金属支持体の全面に絶縁層を塗布して製作することができるため、従来の管型支持体に比べて成形が容易であるうえ、価格競争力を確保することができる。そして、高温から低温へ変化(on-off cycle)する固体酸化物燃料電池の特性上発生する熱膨張の差異と熱衝撃に対して、金属支持体は従来のセラミック支持体に比べて優れた特性を発揮するという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１Ａ−１Ｂ】従来の固体酸化物燃料電池の斜視図である。
【図２−６】本発明の好適な一実施例に係る固体酸化物燃料電池の製造方法を工程順に示す図である。
【図７】本発明の好適な一実施例に係る固体酸化物燃料電池の要部拡大図である。
【図８−１０】本発明の好適な一実施例に係る多様な固体酸化物燃料電池の斜視図である。
【図１１−１４】本発明の好適な別の実施例に係る多様な固体酸化物燃料電池の斜視図である。
【図１５】本発明の好適な別の実施例に係る固体酸化物燃料電池の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の目的、特定の利点および新規の特徴は添付図面に連関する以下の詳細な説明と好適な実施例からさらに明白になるであろう。本発明において、各図面の構成要素に参照番号を付加するにおいて、同一の構成要素については、他の図面上に表示されても、出来る限り同一の番号を付することに留意すべきであろう。また、図面上に表示されたＯ２およびＨ２は燃料電池の作動過程を詳細に説明するための例示に過ぎず、燃料極および空気極に供給される気体の種類を制限するものではない。また、「一端」、「他端」、「他側面」、「一角」、「第１」、「第２」、「外部」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使用されるものである。これらの用語によって構成要素が制限されるのではない。そして、本発明を説明するにおいて、関連した公知の技術に対する具体的な説明が本発明の要旨を無駄に乱すおそれがあると判断される場合、その詳細な説明は省略する。
【００２１】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施例について詳細に説明する。
図６は本発明の好適な一実施例に係る固体酸化物燃料電池の斜視図、図７は本発明の好適な一実施例に係る固体酸化物燃料電池の要部拡大図、図８〜図１０は本発明の好適な一実施例に係る多様な固体酸化物燃料電池の斜視図である。
図６〜図１０に示すように、本実施例に係る固体酸化物燃料電池は、外周面が多数の平面からなる多角管型支持体１１０、多数の平面にそれぞれ形成された多数の単位電池１２０、多数の単位電池１２０を直列に連結する内部連結材１３０、および直列に連結された多数の単位電池１２０を集電手段と連結する外部連結材１４０を含んで構成される。
【００２２】
本発明に係る固体酸化物燃料電池は、図６、図８、図９および図１０に示すように、多様な形態の固体酸化物燃料電池を製作することができる。図６は六角管型支持体を用いた固体酸化物燃料電池１００を示し、図８は三角管型支持体を用いた固体酸化物燃料電池２００を示し、図９は四角管型支持体を用いた固体酸化物燃料電池３００を示し、図１０は五角管型支持体を用いた固体酸化物燃料電池４００を示す。このように、固体酸化物燃料電池は管型支持体１１０の形状に応じて多様な形態で製作できる。
管型支持体１１０の外周面は、３つ（図８参照）、４つ（図９参照）、５つ（図１０参照）または６つ（図６参照）の平面から構成できる。但し、これは例示的なものであり、前述した平面の数Ｎには３以上から無限大未満まで（３≦Ｎ＜∞）の全ての自然数が含まれる。また、前述した平面の数Ｎは、固体酸化物燃料電池の内部に直列連結された単位電池１２０の数を決定するので、必要な電圧の大きさを考慮して平面の数Ｎを決定する。そして、多数の平面が互いに接する角には内部連結材１３０が備えられるが、内部連結材１３０のクラック発生を防止するために、角をラウンド処理することが好ましい。
【００２３】
一方、管型支持体１１０の内部には、気体（本実施例では燃料）が供給されなければならない。よって、気体供給手段としてのマニホールドとの結合信頼性を高め且つ結合部からの気体流出を防止するために、管型支持体１１０は内周面１１９が曲面からなる円筒形であることが好ましい。また、管型支持体１１０は、供給された気体（本実施例では燃料）を第１電極（本実施例では燃料極１２１）に伝達しなければならないので、多孔性物質で形成することが好ましい。
また、多数の平面上には多数の単位電池１２０が直列連結されるので、それぞれの単位電池１２０が互いに短絡されることを防止するために、管型支持体１１０は絶縁性物質で形成することが好ましい。よって、管型支持体１１０は、通常使用されるイットリア安定化ジルコニア（Yttria-stabilized zirconia；ＹＳＺ）を含むセラミック材料を用いて成形することができ、さらに好ましくは、相対的に低廉なアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）系セラミック材料を用いて成形することにより、価格競争力を確保することができる。
【００２４】
一方、図１５に示すように、管型支持体１１０は、金属支持体１１３の全面に絶縁層１１４を塗布して形成することができる。この際、金属支持体１１３は燃料電池を支持する役割を果たし、絶縁層１１４は直列連結された多数の単位電池１２０が互いに短絡されることを防止する役割を果たす。
金属支持体１１３の種類は特に限定されるのではないが、高温で稼動される固体酸化物燃料電池の特性を考慮するとき、優れた耐高温酸化特性および耐熱性を有するステンレススチールを用いることが好ましい。また、マニホールドから供給された気体（本実施例では燃料）を第１電極（本実施例では燃料極１２１）に伝達しなければならないので、多孔性物質で形成されたことが好ましい。
また、絶縁層１１４も、固有の絶縁機能を行いながらも、気体を第１電極に伝達することが可能な多孔性ジルコニアまたは多孔性アルミナを用いることが好ましい。
【００２５】
管型支持体１１０に金属支持体１１３と絶縁層１１４を採用することにより、セラミック支持体に比べて価格が低く、熱膨張との差異と熱衝撃に対してセラミック支持体に比べて優れた特性を発揮するという利点がある。
本実施例では、第１電極を燃料極１２１と定義し、第２電極を空気極１２５と定義し、これを基準として単位電池１２０について詳細に説明する。
【００２６】
単位電池１２０は、電気エネルギーを生産する基本的な単位であって、燃料極１２１、電解質１２３および空気極１２５から構成される。前述したように、管型支持体１１０は、外周面が多数の平面から構成されるので、これを用いて多数の平面上に多数の単位電池１２０を形成する。よって、本発明に係る固体酸化物燃料電池は、従来の技術とは異なり、支持体の外周面に単位電池を一体に形成させず、管型支持体１１０のそれぞれの平面１１１に独立的な単位電池１２０を形成させる。
単位電池１２０の形成過程についてさらに詳しく説明すると、管型支持体１１０の角を除いたそれぞれの平面に多数の燃料極１２１が形成され、燃料極１２１の外部に多数の電解質１２３が形成され、電解質１２３の外部に多数の空気極１２５が形成される。燃料極１２１は管型支持体１１０から燃料の供給を受け、空気極１２５は燃料電池の外部から空気の供給を受けて電気エネルギーを生成する。
【００２７】
一方、電解質１２３は、非常に緻密であって気体非透過性を持つので、管型支持体１１０の内部から燃料極１２１へ伝達された燃料が外部に流出することを防止する。また、電解質１２３が形成されていない角では、後述の内部連結材１３０が気体の流出を防ぐ。
【００２８】
内部連結材１３０は、管型支持体１１０に形成された多数の単位電池１２０を直列に連結する役割を果たし、外部連結材１４０は、直列連結された多数の単位電池１２０を集電手段と連結する役割を果たす。本発明に係る固体酸化物燃料電池は、従来の固体酸化物燃料電池とは異なり、一つの管型支持体１１０に多数の単位電池１２０が存在するので、これらの単位電池を直列連結するために内部連結材１３０を採用し、内部連結材１３０により直列連結された多数の単位電池１２０を外部の集電手段と連結するために外部連結材１４０を採用したものである。
【００２９】
次に、図７を参照して、さらに具体的に外部連結材１４０および内部連結材１３０を考察する。外部連結材１４０は、管型支持体１１０の任意の一角１１５を選択し、一角１１５を基準として両側に形成された燃料極の一端２２１および空気極の他端２２５に電気的に連結される。また、外部連結材１４０は、集電手段との連結の便利性を高めるために、突出した形状に製作できるが、これに限定されず、形成しようとするバンドルの形態を考慮に入れて多様な形状に製作できる。この際、燃料極の一端２２１に連結される外部連結材１４０が空気極１２５の一端と接触する場合、短絡が発生するので、空気極１２５は一端が外部連結材１４０から離隔されるように形成することが好ましい。
一方、内部連結材１３０は、外部連結材１４０が形成される一角１１５を除いた角の両側に形成された燃料極の一端３２１と空気極の他端３２５とを電気的に連結する。すなわち、内部連結材１３０は、一角１１５を除いた角に形成され、多数の単位電池１２０を直列連結させる手段である。この際、燃料極の一端３２１に連結される内部連結材１３０が空気極１２５の一端と接触する場合、短絡が発生する。よって、空気極１２５は一端が内部連結材１３０から離隔されるように形成することが好ましい。
【００３０】
また、空気極の他端３２５に連結される内部連結材１３０が燃料極１２１の他端と接触する場合、短絡が発生する。よって、燃料極１２１の他側面を覆うように電解質１２３の他端を管型支持体１１０の方向に延長し、内部連結材１３０と燃料極１２１の他端間の接触を防止することが好ましい。そして、空気極の他端３２５を管型支持体１１０の方向に延長し、延長された電解質１２３の他端を覆うことにより、内部連結材１３０と空気極の他端３２５との電気的連結に対する信頼性を強化することができる。
ここで、内部連結材１３０および外部連結材１４０は、電気的連結手段なので、電気伝導性物質で形成されなければならない。内部連結材１３０は、管型支持体１１０の内部から燃料極１２１へ伝達された燃料が角から流出することを防止するために、気体非透過性を持つことが好ましい。また、内部連結材１３０が形成されない一角１１５からの気体流出を防止するために、一角１１５に別途の気体非透過性物質１４５を配置することが好ましい。
【００３１】
図１１〜図１４は本発明の好適な別の実施例に係る多様な固体酸化物燃料電池の斜視図である。
本実施例と前述の実施例との差異点は、燃料極１２１と空気極１２５が形成された位置である。すなわち、本実施例では、第１電極を空気極１２５と定義し、第２電極を燃料極１２１と定義する。よって、前述の実施例と重複している内容を省略し、その差異点を中心として記述する。
管型支持体１１０の角を除いたそれぞれの平面に多数の空気極１２５が形成され、空気極１２５の外部に多数の電解質１２３が形成され、電解質１２３の外部に多数の燃料極１２１が形成される。空気極１２５は管型支持体１１０から空気の供給を受け、燃料極１２１は燃料電池の外部から燃料の供給を受けて電気エネルギーを生成する。この際、管型支持体１１０は多孔性物質で形成することが好ましい。
【００３２】
一方、外部連結材１４０は、管型支持体１１０の任意の一角１１５を選択し、一角１１５を基準として両側に形成された空気極１２５の一端および燃料極１２１の他端に電気的に連結される。この際、空気極１２５の一端と連結される外部連結材１４０が燃料極１２１の一端に接触する場合に短絡が発生するので、燃料極１２１は一端が外部連結材１４０から離隔されるように形成することが好ましい。
一方、内部連結材１３０は、外部連結材１４０が形成される一角１１５を除いた角の両側に形成された空気極１２５の一端と燃料極１２１の他端とを電気的に連結する。この際、空気極１２５の一端に連結される内部連結材１３０が燃料極１２１の一端と接触する場合、短絡が発生する。よって、燃料極１２１は一端が内部連結材１３０から離隔されるように形成することが好ましい。
また、燃料極１２１の他端に連結される内部連結材１３０が空気極１２５の他端と接触する場合、短絡が発生する。よって、空気極１２５の他側面を覆うように電解質１２３の他端を管型支持体１１０の方向に延長し、内部連結材１３０と空気極１２５の他端間の接触を防止することが好ましい。そして、燃料極１２１の他端を管型支持体１１０の方向に延長し、延長された電解質１２３の他端を覆うことにより、内部連結材１３０と燃料極１２１の他端間の電気的連結に対する信頼性を強化することができる。
【００３３】
一方、内部連結材１３０は、管型支持体１１０の内部から空気極１２５へ伝達された空気が角から流出することを防止するために、気体非透過性を持つことが好ましい。また、内部連結材１３０が形成されない一角１１５からの気体流出を防止するために、一角１１５に別途の気体非透過性物質１４５を配置することが好ましい。
【００３４】
本発明は、従来の固体酸化物燃料電池とは異なり、一つの管型支持体１１０に多数の単位電池１２０を形成し、多数の単位電池１２０を直列連結して電気エネルギーを生成することができる。よって、単位体積当りの電力密度を高めることができ、集電の際に高い電圧を維持して電気抵抗による電力損失量を減少させることができる。例えば、管型支持体１１０の外周面が６つ（図６および図１１参照）の平面からなり且つそれぞれの単位電池１２０が理想的な１．１Ｖの電圧を維持すると、本発明に係る固体酸化物燃料電池は電圧６．６Ｖの電気エネルギーを得ることができる。したがって、従来の方式で製作された固体酸化物燃料電池より６倍高い電圧を同一の条件で得ることができるので、電気抵抗による電力損失量を減少させることができる。
【００３５】
図２〜図６は本発明の好適な実施例に係る固体酸化物燃料電池の製造方法を工程順に示す図である。
本実施例において、第１電極を燃料極１２１と定義し、第２電極は空気極１２５と定義しているが、権利範囲がこれに限定されるのではない。第１電極が空気極１２５で、第２電極が燃料極１２１の場合も、同一の方式で単位電池１２０が形成されるので、本発明の権利範囲に属するのは勿論である。
図２〜図６に示すように、本実施例に係る固体酸化物燃料電池の製造方法は、外周面が多数の平面１１１からなる多角管型支持体１１０を準備する段階と、多数の平面１１１にそれぞれ多数の単位電池１２０を形成する段階と、多数の単位電池１２０を直列に連結する内部連結材１３０、および集電手段と連結する外部連結材１４０を備える段階とを含んでなる。
まず、図２に示すように、外周面が多数の平面１１１からなる多角管型支持体１１０を準備する段階である。管型支持体１１０の角には後述の段階で内部連結材１３０が備えられるが、内部連結材１３０のクラック発生を防止するために、角をラウンド処理１１７することが好ましい。また、前述したように、管型支持体１１０は、短絡を防ぐために絶縁性を有すると同時に、燃料を燃料極１２１に伝達するために多孔性を有する物質で形成することが好ましい。
【００３６】
次に、図３〜図５に示すように、多数の平面１１１にそれぞれ多数の単位電池１２０を形成する段階である。本段階は、燃料極１２１を形成する段階（図３参照）、電解質１２３を形成する段階（図４参照）、および空気極１２５を形成する段階（図５参照）を含む。
図３に示すように、燃料極１２１を、管型支持体１１０の角を除いたそれぞれの平面１１１に形成する。この際、それぞれの平面１１１に形成された燃料極１２１は互いに接触しないように注意しなければならない。
燃料極１２１は、４０％〜６０％のジルコニア粉末を含む酸化ニッケル粉を焼結した材料（ニッケル／ＹＳＺサーメット）を使用することができる。ここで、酸化ニッケルは、電気エネルギーを生成するとき、水素によって金属ニッケルに還元されて電子伝導性を発揮する。
【００３７】
次に、図４に示すように、電解質１２３を燃料極１２１の外部に形成する。この際、後述の段階で空気極１２５の他端に連結される内部連結材１３０が燃料極１２１の他端と接触して短絡が発生することを防止するために、電解質１２３の他端を管型支持体１１０の方向に延長して燃料極１２１の他側面を覆うことが好ましい。
電解質１２３は、管型支持体１１０の内部から燃料極１２１へ伝達された気体（燃料または空気）が外部に流出することを防止する役割を果たさなければならないので、微小な間隙、気孔または傷が発生しないように注意しなければならない。電解質１２３は、ジルコニア（ＺｒＯ２）にイットリア（Ｙ２Ｏ３）を約３％〜１０％溶かしたイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）を使用することができる。ここで、ＹＳＺは４価ジルコニウムイオンの一部が３価のイットリウムイオンで代置されているので、イットリウムイオン２個当り１個の酸素イオン空孔が内部に発生し、高温ではこの空孔を介して酸素イオンが移動する。
【００３８】
次に、図５に示すように、空気極１２５を電解質１２３の外部に形成する。この際、後述の段階で行われる空気極１２５の他端と内部連結材１３０との電気的連結に対する信頼性を強化するために、空気極１２５の他端を管型支持体１１０の方向に延長して電解質１２３の他端を覆うことが好ましい。また、短絡を防止するために、燃料極１２１の一端に連結される内部連結材１３０から離隔されるように空気極１２５の一端を形成することが好ましい。
空気極１２５は、ペロブスカイト型酸化物を使用することができ、特に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（ＬＳ０．８４Ｓｒ０．１６-）ＭｎＯ３を使用することが好ましい。空気極１２５において、酸素はＬａＭｎＯ３によって酸素イオンに転換されて燃料極１２１へ伝達される。
【００３９】
一方、第１電極を空気極１２５と定義し、第２電極を燃料極１２１と定義した場合、燃料極１２１と空気極１２５の形成位置は入れ替わってもよい。
燃料極１２１、空気極１２５、電解質１２３を形成する製造工法は乾式法と湿式法に大別されるが、乾式法としてはプラズマスプレー法、電気化学蒸着法、スパッタリング法、イオンビーム法、イオン注入法などがあり、湿式法としてはテープキャスティング法、スプレーコーティング法、ディップコーティング法、スクリーン印刷法、ドクターブレード法などがある。本発明では、燃料極１２１、空気極１２５、電解質１２３を形成するとき、精密性および経済性を考慮して前述の工法のいずれか一つを、或いは２つ以上の組み合わせを使用することができる。例えば、電解質１２３を形成するとき、接着性マスクで管型支持体１１０の角を塗布してディップコートした後、接着性マスクを除去し、角を除いた燃料極１２１または空気極１２５の外部にのみ電解質１２３を形成することができる。また、空気極１２５、電解質１２３、燃料極１２１の順に単位電池を形成するとき、空気極１２５の変形を防止しながら燃料極１２１を精密に形成するためにプラズマスプレー法を用いることが好ましい。
【００４０】
次に、図６に示すように、多数の単位電池１２０を直列に連結する内部連結材１３０、および集電手段と連結する外部連結材１４０を備える段階である。さらに具体的に考察すると、管型支持体１１０の一角１１５を基準として両側に形成された燃料極１２１の一端および空気極１２５の他端を集電手段と連結する外部連結材１４０を備え、外部連結材１４０が形成された一角１１５を除いた角の両側に形成された燃料極１２１の一端と空気極１２５の他端とを連結する内部連結材１３０を備える。また、内部連結材１３０は、管型支持体１１０の内部から燃料極１２１へ伝達された燃料が角から流出することを防止するために、気体非透過性を有することが好ましく、内部連結材１３０が備えられていない一角１１５からの気体流出を防止するために、一角１１５に別途の気体非透過性物質１４５を備えることが好ましい。
この際、燃料極１２１と空気極１２５の位置が入れ替わることが可能なのは、前述したとおりである。但し、最外郭が空気極１２５の場合、内部連結材１３０および外部連結材１４０は、酸化雰囲気に晒されるので、酸化に強い材質で製作することが好ましい。
【００４１】
以上、本発明を具体的な実施例によって詳細に説明したが、これらの実施例は本発明を具体的に説明するためのものに過ぎない。本発明に係る固体酸化物燃料電池およびその製造方法は、これに限定されず、本発明の技術的思想内において、当該分野における通常の知識を有する者によってその変形または改良を加え得るのは明白であろう。
本発明の単純な変形または変更はいずれも本発明の領域に属し、本発明の具体的な保護範囲は特許請求の範囲によって明確になるであろう。
【符号の説明】
【００４２】
１００、２００、３００、４００    固体酸化物燃料電池
１１０    管型支持体
１１１    平面
１１３    金属支持体
１１４    絶縁層
１１５    一角
１１７    ラウンド
１１９    内周面
１２０    単位電池
１２１    燃料極 
１２３    電解質
１２５    空気極
１３０    内部連結材
１４０    外部連結材
１４５    気体非透過性物質
２２１、３２１    燃料極の一端
２２５、３２５    空気極の他端
【図１Ａ】
2011054550.tif 000003
【図１Ｂ】
2011054550.tif 000004
【図２】
2011054550.tif 000005
【図３】
2011054550.tif 000006
【図４】
2011054550.tif 000007
【図５】
2011054550.tif 000008
【図６】
2011054550.tif 000009
【図７】
2011054550.tif 000010
【図８】
2011054550.tif 000011
【図９】
2011054550.tif 000012
【図１０】
2011054550.tif 000013
【図１１】
2011054550.tif 000014
【図１２】
2011054550.tif 000015
【図１３】
2011054550.tif 000016
【図１４】
2011054550.tif 000017
【図１５】
2011054550.tif 000018