(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
多孔性セラミック支持体と、
前記多孔性セラミック支持体上に備えられた燃料極と、
前記燃料極上に備えられた電解質層と、
前記電解質層上に備えられた空気極と、
前記燃料極に連結され、前記多孔性セラミック支持体を基準として前記空気極の備えられた方向と反対方向に延びて備えられる燃料極集電体とを含む平板型固体酸化物燃料電池であって、
前記多孔性セラミック支持体を基準として前記空気極の備えられた方向と反対方向の前記多孔性セラミック支持体の面まで延びて備えられた燃料極の一部上に備えられた金属メッシュ層と、
前記金属メッシュ層に連結され、多孔性セラミック支持体を基準として空気極の備えられた方向と反対方向に延びて備えられた延長線とを含むものである、
平板型固体酸化物燃料電池。
【請求項２】
前記燃料極の周縁部のうちの少なくとも一部は、前記多孔性セラミック支持体を基準として前記空気極の備えられた方向と反対方向の前記多孔性セラミック支持体の面まで延びて備えられ、
前記多孔性セラミック支持体を基準として前記空気極の備えられた方向と反対方向の前記多孔性セラミック支持体の面まで延びて備えられた燃料極の一部と燃料極集電体とが連結されるものである、
請求項１に記載の平板型固体酸化物燃料電池。
【請求項３】
前記空気極に連結され、前記空気極を基準として電解質層の備えられた方向と反対方向に延びて備えられた空気極集電体をさらに含む、
請求項１または２に記載の平板型固体酸化物燃料電池。
【請求項４】
前記多孔性セラミック支持体は、Ｍｇ、Ｃａ、Ｙ、Ａｌ、およびＺｒのうちの少なくとも１つの酸化物を含むものである、
請求項１〜３のいずれか１項に記載の平板型固体酸化物燃料電池。
【請求項５】
前記多孔性セラミック支持体は、ＭｇＯ、ＭｇＡｌ２Ｏ４、ＣａＯ、Ｙ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、およびＺｒ２Ｏ３のうちの少なくとも１つの酸化物を含むものである、
請求項１〜３のいずれか１項に記載の平板型固体酸化物燃料電池。
【請求項６】
前記多孔性セラミック支持体の厚さは、２００μｍ以上５ｍｍ以下である、
請求項１〜５のいずれか１項に記載の平板型固体酸化物燃料電池。
【請求項７】
前記燃料極集電体は、ニッケルまたは銅を含むものである、
請求項１〜６のいずれか１項に記載の平板型固体酸化物燃料電池。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の平板型固体酸化物燃料電池を単位電池として含む電池モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２０１５年８月２７日付で韓国特許庁に提出された韓国特許出願第１０−２０１５−０１２１１７９号の出願日の利益を主張し、その内容のすべては本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本明細書は、平板型固体酸化物燃料電池に関する。具体的には、本明細書は、燃料極、電解質層、および空気極が順次に備えられた平板型固体酸化物燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００３】
最近、石油や石炭のような既存のエネルギー資源の枯渇が予測されるにつれ、これらを代替できるエネルギーへの関心が高まっている。このような代替エネルギーの一つとして、燃料電池は高効率であり、ＮＯｘおよびＳＯｘなどの公害物質を排出せず、使用される燃料が豊富であるなどの利点によって特に注目されている。
【０００４】
燃料電池は、燃料と酸化剤の化学反応エネルギーを電気エネルギーに変換させる発電システムであって、燃料としては水素とメタノール、ブタンなどのような炭化水素が、酸化剤としては酸素が代表的に使用される。
【０００５】
燃料電池には、高分子電解質型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）、直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）、リン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）、アルカリ型燃料電池（ＡＦＣ）、溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）などがある。
【０００６】
図１は、固体酸化物形燃料電池の電気発生原理を概略的に示すもので、固体酸化物形燃料電池は、電解質層（Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ）と、該電解質層の両面に形成される燃料極（Ａｎｏｄｅ）および空気極（Ｃａｔｈｏｄｅ）とから構成される。固体酸化物形燃料電池の電気発生原理を示す図１を参照すれば、空気極で空気が電気化学的に還元されながら酸素イオンが生成され、生成された酸素イオンは電解質層を介して燃料極に伝達される。燃料極では水素、メタノール、ブタンなどのような燃料が注入され、燃料が酸素イオンと結合して電気化学的に酸化されながら電子を出し水を生成する。この反応によって外部回路に電子の移動が発生する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本明細書は、平板型固体酸化物燃料電池を提供する。具体的には、本明細書は、燃料極、電解質層、および空気極が順次に備えられた平板型固体酸化物燃料電池を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本明細書は、多孔性セラミック支持体と、前記多孔性セラミック支持体上に備えられた燃料極と、前記燃料極上に備えられた電解質層と、前記電解質層上に備えられた空気極と、前記燃料極に連結され、前記多孔性セラミック支持体を基準として前記空気極の備えられた方向と反対方向に延びて備えられる燃料極集電体とを含む平板型固体酸化物燃料電池を提供する。
【０００９】
また、本明細書は、平板型固体酸化物燃料電池を単位電池として含む電池モジュールを提供する。
【発明の効果】
【００１０】
本明細書により製造された多孔性セラミック支持体を有する固体酸化物燃料電池は、安定したガスの密封が可能であるという利点がある。
【００１１】
本明細書により製造された多孔性セラミック支持体を有する平板型固体酸化物燃料電池は、高い開回路電位を有することができる。
【００１２】
本明細書により製造された多孔性セラミック支持体を有する平板型固体酸化物燃料電池は、電池効率が増加する。
【００１３】
本明細書により製造された多孔性セラミック支持体を有する平板型固体酸化物燃料電池は、長期安定性が高い。
【００１４】
本明細書により製造された多孔性セラミック支持体を有する平板型固体酸化物燃料電池は、燃料極集電体のために安価な材料を使用可能で、費用が低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）の電気発生原理を示す概略図である。
【図２】比較例の燃料極集電体の位置の構造図である。
【図３】実施例の燃料極集電体の位置の構造図である。
【図４】比較例のコインセルを空気極側から撮影したイメージである。
【図５】実施例のコインセルを空気極側（下）および燃料極側（上）から撮影したイメージである。
【図６】実施例および比較例の温度による開回路電位を示すグラフである。
【図７】実施例および比較例のＩ−Ｖ−Ｐ曲線を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本明細書について詳細に説明する。
【００１７】
本明細書は、多孔性セラミック支持体、燃料極、電解質層、および空気極が順次に備えられた平板型固体酸化物燃料電池を提供する。
【００１８】
前記多孔性セラミック支持体は、他の層に比べて相対的に厚さが厚く、平板型固体酸化物燃料電池の他の層を支持する層をいう。
【００１９】
前記多孔性セラミック支持体は、燃料極側に備えられるため、燃料極に燃料が注入できるように多孔性であることが好ましい。
【００２０】
前記多孔性セラミック支持体の空隙率は、２０％以上６０％以下であってもよい。具体的には、前記多孔性セラミック支持体の気孔率は、３０％以上５０％以下であってもよい。
【００２１】
前記多孔性セラミック支持体の気孔の直径は、０．１μｍ以上１０μｍ以下であってもよい。具体的には、前記多孔性セラミック支持体の気孔の直径は、０．５μｍ以上５μｍ以下であってもよい。より具体的には、前記多孔性セラミック支持体の直径は、０．５μｍ以上２μｍ以下であってもよい。
【００２２】
前記多孔性セラミック支持体は、酸素イオン伝導度および電気伝導度がないか、酸素イオン伝導度および電気伝導度があるとしても燃料極として要求される酸素イオン伝導度および電気伝導度に及ばず燃料極として機能を果たせないセラミックで作られたものや、その材料が安価なものであってもよい。
【００２３】
前記多孔性セラミック支持体は、Ｍｇ、Ｃａ、Ｙ、Ａｌ、およびＺｒのうちの少なくとも１つの酸化物を含むことができる。前記多孔性セラミック支持体は、ＭｇＯ、ＭｇＡｌ２Ｏ４、ＣａＯ、Ｙ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、およびＺｒ２Ｏ３のうちの少なくとも１つの酸化物を含むことができる。
【００２４】
前記多孔性セラミック支持体の厚さは、２００μｍ以上５ｍｍ以下であってもよい。この場合、電池駆動の際に反応物と生成物を円滑に移動させることができ、要求される機械的強度が維持されるという利点がある。
【００２５】
具体的には、前記多孔性セラミック支持体の厚さは、５００μｍ以上２ｍｍ以下であってもよい。
【００２６】
前記多孔性セラミック支持体の製造方法は特に限定はないが、前記多孔性セラミック支持体用スラリーを基材上にコーティングして、これを乾燥後に焼結することができる。具体的には、前記多孔性セラミック支持体用スラリーを基材上にコーティングした後、乾燥して多孔性セラミック支持体用グリーンシートを製造し、前記グリーンシートを移動後にラミネートして個別焼成するか、他の層のグリーンシートと共に同時焼成することができる。
【００２７】
前記多孔性セラミック支持体用グリーンシートの厚さは、４００μｍ以上１５００μｍ以下であってもよい。
【００２８】
前記平板型固体酸化物燃料電池は、前記燃料極に連結され、前記多孔性セラミック支持体を基準として前記空気極の備えられた方向と反対方向に延びて備えられる燃料極集電体をさらに含む。
【００２９】
前記多孔性セラミック支持体と電解質層との間に備えられた燃料極は、燃料極集電体に連結される。具体的には、前記多孔性セラミック支持体と電解質層との間に備えられた燃料極は、前記多孔性セラミック支持体を基準として前記空気極の備えられた方向と反対方向に延びて備えられる燃料極集電体に連結される。
【００３０】
前記多孔性セラミック支持体と電解質層との間に備えられた燃料極の周縁部のうちの少なくとも一部は、前記多孔性セラミック支持体を基準として前記空気極の備えられた方向と反対方向の前記多孔性セラミック支持体の面まで延びて備えられ、前記多孔性セラミック支持体を基準として前記空気極の備えられた方向と反対方向の前記多孔性セラミック支持体の面まで延びて備えられた燃料極の一部と燃料極集電体とが連結される。
【００３１】
前記燃料極集電体は、前記多孔性セラミック支持体を基準として前記空気極の備えられた方向と反対方向の前記多孔性セラミック支持体の面まで延びて備えられた燃料極の一部上に備えられた金属メッシュ層と、前記金属メッシュ層に連結され、多孔性セラミック支持体を基準として空気極の備えられた方向と反対方向に延びて備えられた延長線とを含むことができる。
【００３２】
前記燃料極集電体は、前記多孔性セラミック支持体を基準として前記空気極の備えられた方向と反対方向の前記多孔性セラミック支持体の面まで延びて備えられた燃料極の一部上に備えられ、互いに離隔した２以上の金属メッシュ層と、前記２以上の金属メッシュ層とそれぞれ連結され、多孔性セラミック支持体を基準として空気極の備えられた方向と反対方向に延びて備えられた２以上の延長線とを含むことができる。
【００３３】
前記燃料極の２以上の延長線が備えられる方向は、燃料極の燃料が供給される方向であってもよいし、つまり、前記燃料極の２以上の延長線が備えられる方向は、燃料極の２以上の延長線が燃料には露出するものの、空気極に供給される空気に露出しない方向を意味する。
【００３４】
前記燃料極の２以上の延長線が備えられる方向は、多孔性セラミック支持体を基準として空気極の備えられた方向と反対方向に延びる。この時、前記燃料極の２以上の延長線が備えられる方向は、前記多孔性セラミック支持体の電解質層の備えられた面の反対面に対して０゜の角度を有する方向を含むことができる。具体的には、前記燃料極の２以上の延長線が備えられる方向は、前記多孔性セラミック支持体の電解質層の備えられた面の反対面に平行な方向、または多孔性セラミック支持体を基準として空気極の備えられた方向と反対方向に垂直な方向、または鋭角をなす方向であってもよい。
【００３５】
前記燃料極は、固体酸化物燃料電池用燃料極に適用できるように、酸素イオン伝導性を有する第１無機物を含むことができ、前記第１無機物の種類は特に限定はないが、前記第１無機物は、イットリア（ｙｔｔｒｉａ）安定化酸化ジルコニウム（ｚｉｒｃｏｎｉａ）（ＹＳＺ：（Ｙ２Ｏ３）ｘ（ＺｒＯ２）１−ｘ、ｘ＝０．０５〜０．１５）、スカンジア安定化酸化ジルコニウム（ＳｃＳＺ：（Ｓｃ２Ｏ３）ｘ（ＺｒＯ２）１−ｘ、ｘ＝０．０５〜０．１５）、サマリウムドープセリア（ｃｅｒｉａ）（ＳＤＣ：（Ｓｍ２Ｏ３）ｘ（ＣｅＯ２）１−ｘ、ｘ＝０．０２〜０．４）、ガドリニウムドープセリア（ｃｅｒｉａ）（ＧＤＣ：（Ｇｄ２Ｏ３）ｘ（ＣｅＯ２）１−ｘ、ｘ＝０．０２〜０．４）、ランタンストロンチウムマンガン酸化物（Ｌａｎｔｈａｎｕｍ  ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ  ｍａｎｇａｎｅｓｅ  ｏｘｉｄｅ：ＬＳＭ）、ランタンストロンチウムコバルトフェライト（Ｌａｎｔｈａｎｕｍ  ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ  ｃｏｂａｌｔ  ｆｅｒｒｉｔｅ：ＬＳＣＦ）、ランタンストロンチウムニッケルフェライト（Ｌａｎｔｈａｎｕｍ  ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ  ｎｉｃｋｅｌ  ｆｅｒｒｉｔｅ：ＬＳＮＦ）、ランタンカルシウムニッケルフェライト（Ｌａｎｔｈａｎｕｍ  ｃａｌｃｉｕｍ  ｎｉｃｋｅｌ  ｆｅｒｒｉｔｅ：ＬＣＮＦ）、ランタンストロンチウム銅酸化物（Ｌａｎｔｈａｎｕｍ  ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ  ｃｏｐｐｅｒ  ｏｘｉｄｅ：ＬＳＣ）、ガドリニウムストロンチウムコバルト酸化物（Ｇａｄｏｌｉｎｉｕｍ  ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ  ｃｏｂａｌｔ  ｏｘｉｄｅ：ＧＳＣ）、ランタンストロンチウムフェライト（Ｌａｎｔｈａｎｕｍ  ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ  ｆｅｒｒｉｔｅ：ＬＳＦ）、サマリウムストロンチウムコバルト酸化物（Ｓａｍａｒｉｕｍ  ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ  ｃｏｂａｌｔ  ｏｘｉｄｅ：ＳＳＣ）およびバリウムストロンチウムコバルトフェライト（Ｂａｒｉｕｍ  Ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ  ｃｏｂａｌｔ  ｆｅｒｒｉｔｅ：ＢＳＣＦ）、並びにランタンストロンチウムガリウムマグネシウム酸化物（Ｌａｎｔｈａｎｕｍ  ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ  ｇａｌｌｉｕｍ  ｍａｇｎｅｓｉｕｍ  ｏｘｉｄｅ：ＬＳＧＭ）のうちの少なくとも１つを含むことができる。
【００３６】
前記燃料極集電体は、ニッケル、銅、白金、銀、およびパラジウムのうちの少なくとも１つを含むことができる。具体的には、前記燃料極集電体は、ニッケルまたは銅を含むことができる。
【００３７】
前記燃料極の厚さは、１０μｍ以上１００μｍ以下であってもよい。具体的には、前記燃料極の厚さは、２０μｍ以上５０μｍ以下であってもよい。
【００３８】
前記燃料極の気孔率は、１０％以上５０％以下であってもよい。具体的には、前記燃料極の気孔率は、１０％以上３０％以下であってもよい。
【００３９】
前記燃料極の気孔の直径は、０．１μｍ以上１０μｍ以下であってもよい。具体的には、前記燃料極の気孔の直径は、０．５μｍ以上５μｍ以下であってもよい。より具体的には、前記燃料極の直径は、０．５μｍ以上２μｍ以下であってもよい。
【００４０】
前記燃料極の製造方法は特に限定はないが、例えば、硬化された多孔性セラミック支持体上に燃料極用スラリーをコーティングして、これを乾燥および硬化するか、燃料極スラリーを別の離型紙上にコーティングし、乾燥して燃料極用グリーンシートを製造し、製造された燃料極用グリーンシートを、硬化された多孔性セラミック支持体上にラミネートした後、これを硬化して燃料極を製造することができる。
【００４１】
前記燃料極用グリーンシートの厚さは、１０μｍ以上１００μｍ以下であってもよい。
【００４２】
前記燃料極用スラリーは、酸素イオン伝導性を有する第１無機物粒子を含み、必要に応じて、前記燃料極用スラリーは、バインダー樹脂、可塑剤、分散剤、および溶媒をさらに含んでもよく、前記バインダー樹脂、可塑剤、分散剤、および溶媒は特に限定はなく、当該技術分野で知られている通常の材料を使用することができる。
【００４３】
前記燃料極用スラリーは、ＮｉＯをさらに含んでもよい。
【００４４】
本明細書において、前記グリーンシートは、完全な最終製品でない、次の段階で加工が可能な状態のフィルム形態の膜を意味する。つまり、前記グリーンシートは、無機物粒子および溶媒を含むコーティング組成物で塗布してシート状に乾燥させたものであり、前記グリーンシートは、若干の溶媒を含みつつシート形態を維持可能な半乾燥状態のシートをいう。
【００４５】
前記電解質層は、酸素イオン伝導性を有する第２無機物を含むことができ、前記第２無機物の種類は特に限定はないが、前記第２無機物は、イットリア（ｙｔｔｒｉａ）安定化酸化ジルコニウム（ｚｉｒｃｏｎｉａ）（ＹＳＺ：（Ｙ２Ｏ３）ｘ（ＺｒＯ２）１−ｘ、ｘ＝０．０５〜０．１５）、スカンジア安定化酸化ジルコニウム（ＳｃＳＺ：（Ｓｃ２Ｏ３）ｘ（ＺｒＯ２）１−ｘ、ｘ＝０．０５〜０．１５）、サマリウムドープセリア（ｃｅｒｉａ）（ＳＤＣ：（Ｓｍ２Ｏ３）ｘ（ＣｅＯ２）１−ｘ、ｘ＝０．０２〜０．４）、ガドリニウムドープセリア（ｃｅｒｉａ）（ＧＤＣ：（Ｇｄ２Ｏ３）ｘ（ＣｅＯ２）１−ｘ、ｘ＝０．０２〜０．４）、ランタンストロンチウムマンガン酸化物（Ｌａｎｔｈａｎｕｍ  ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ  ｍａｎｇａｎｅｓｅ  ｏｘｉｄｅ：ＬＳＭ）、ランタンストロンチウムコバルトフェライト（Ｌａｎｔｈａｎｕｍ  ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ  ｃｏｂａｌｔ  ｆｅｒｒｉｔｅ：ＬＳＣＦ）、ランタンストロンチウムニッケルフェライト（Ｌａｎｔｈａｎｕｍ  ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ  ｎｉｃｋｅｌ  ｆｅｒｒｉｔｅ：ＬＳＮＦ）、ランタンカルシウムニッケルフェライト（Ｌａｎｔｈａｎｕｍ  ｃａｌｃｉｕｍ  ｎｉｃｋｅｌ  ｆｅｒｒｉｔｅ：ＬＣＮＦ）、ランタンストロンチウム銅酸化物（Ｌａｎｔｈａｎｕｍ  ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ  ｃｏｐｐｅｒ  ｏｘｉｄｅ：ＬＳＣ）、ガドリニウムストロンチウムコバルト酸化物（Ｇａｄｏｌｉｎｉｕｍ  ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ  ｃｏｂａｌｔ  ｏｘｉｄｅ：ＧＳＣ）、ランタンストロンチウムフェライト（Ｌａｎｔｈａｎｕｍ  ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ  ｆｅｒｒｉｔｅ：ＬＳＦ）、サマリウムストロンチウムコバルト酸化物（Ｓａｍａｒｉｕｍ  ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ  ｃｏｂａｌｔ  ｏｘｉｄｅ：ＳＳＣ）およびバリウムストロンチウムコバルトフェライト（Ｂａｒｉｕｍ  Ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ  ｃｏｂａｌｔ  ｆｅｒｒｉｔｅ：ＢＳＣＦ）、並びにランタンストロンチウムガリウムマグネシウム酸化物（Ｌａｎｔｈａｎｕｍ  ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ  ｇａｌｌｉｕｍ  ｍａｇｎｅｓｉｕｍ  ｏｘｉｄｅ：ＬＳＧＭ）のうちの少なくとも１つを含むことができる。
【００４６】
前記電解質層の第２無機物は、燃料極の第１無機物と同一であってもよい。
【００４７】
前記電解質層の厚さは、３μｍ以上３０μｍ以下であってもよい。具体的には、前記電解質層の厚さは、３μｍ以上１０μｍ以下であってもよい。
【００４８】
前記電解質層の製造方法は特に限定はないが、例えば、焼結された燃料極または燃料極用グリーンシート上に燃料極用スラリーをコーティングして、これを乾燥および硬化するか、電解質層用スラリーを別の離型紙上にコーティングし、乾燥して電解質層用グリーンシートを製造し、製造された電解質層用グリーンシートを、焼結された燃料極または燃料極用グリーンシート上にラミネートした後、これを硬化して電解質層を製造することができる。
【００４９】
前記電解質層用グリーンシートの厚さは、５μｍ以上３０μｍ以下であってもよい。
【００５０】
前記電解質層用スラリーは、酸素イオン伝導性を有する第２無機物粒子を含み、必要に応じて、前記電解質層用スラリーは、バインダー樹脂、可塑剤、分散剤、および溶媒をさらに含んでもよく、前記バインダー樹脂、可塑剤、分散剤、および溶媒は特に限定はなく、当該技術分野で知られている通常の材料を使用することができる。
【００５１】
前記平板型固体酸化物燃料電池は、電解質層上に備えられた空気極と、前記空気極に連結され、前記空気極を基準として電解質層の備えられた方向と反対方向に延びて備えられた空気極集電体とを含むことができる。
【００５２】
前記空気極集電体は、前記空気極の少なくとも一部上に備えられた金属メッシュ層と、前記金属メッシュ層に連結され、前記空気極を基準として電解質層の備えられた方向と反対方向に延びて備えられた延長線とを含むことができる。
【００５３】
前記空気極集電体は、前記空気極の少なくとも一部上に備えられ、互いに離隔した２以上の金属メッシュ層と、前記２以上の金属メッシュ層とそれぞれ連結され、前記空気極を基準として電解質層の備えられた方向と反対方向に延びて備えられた２以上の延長線とを含むことができる。
【００５４】
前記空気極の２以上の延長線が備えられる方向は、空気極の空気が供給される方向であってもよいし、つまり、前記空気極の２以上の延長線が備えられる方向は、空気極の２以上の延長線が空気には露出するものの、燃料極に供給される燃料に露出しない方向を意味する。
【００５５】
前記空気極の２以上の延長線が備えられる方向は、空気極を基準として電解質層の備えられた方向と反対方向に延びる。この時、前記空気極の２以上の延長線が備えられる方向は、前記空気極の電解質層の備えられた面の反対面に対して０゜の角度を有する方向を含むことができる。具体的には、前記空気極の２以上の延長線が備えられる方向は、前記空気極の電解質層の備えられた面の反対面に平行な方向、または空気極を基準として電解質層の備えられた方向と反対方向に垂直な方向、または鋭角をなす方向であってもよい。
【００５６】
前記空気極は、固体酸化物燃料電池用空気極に適用できるように、酸素イオン伝導性を有する第３無機物を含むことができ、前記第３無機物の種類は特に限定はないが、前記第３無機物は、イットリア（ｙｔｔｒｉａ）安定化酸化ジルコニウム（ｚｉｒｃｏｎｉａ）（ＹＳＺ：（Ｙ２Ｏ３）ｘ（ＺｒＯ２）１−ｘ、ｘ＝０．０５〜０．１５）、スカンジア安定化酸化ジルコニウム（ＳｃＳＺ：（Ｓｃ２Ｏ３）ｘ（ＺｒＯ２）１−ｘ、ｘ＝０．０５〜０．１５）、サマリウムドープセリア（ｃｅｒｉａ）（ＳＤＣ：（Ｓｍ２Ｏ３）ｘ（ＣｅＯ２）１−ｘ、ｘ＝０．０２〜０．４）、ガドリニウムドープセリア（ｃｅｒｉａ）（ＧＤＣ：（Ｇｄ２Ｏ３）ｘ（ＣｅＯ２）１−ｘ、ｘ＝０．０２〜０．４）、ランタンストロンチウムマンガン酸化物（Ｌａｎｔｈａｎｕｍ  ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ  ｍａｎｇａｎｅｓｅ  ｏｘｉｄｅ：ＬＳＭ）、ランタンストロンチウムコバルトフェライト（Ｌａｎｔｈａｎｕｍ  ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ  ｃｏｂａｌｔ  ｆｅｒｒｉｔｅ：ＬＳＣＦ）、ランタンストロンチウムニッケルフェライト（Ｌａｎｔｈａｎｕｍ  ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ  ｎｉｃｋｅｌ  ｆｅｒｒｉｔｅ：ＬＳＮＦ）、ランタンカルシウムニッケルフェライト（Ｌａｎｔｈａｎｕｍ  ｃａｌｃｉｕｍ  ｎｉｃｋｅｌ  ｆｅｒｒｉｔｅ：ＬＣＮＦ）、ランタンストロンチウム銅酸化物（Ｌａｎｔｈａｎｕｍ  ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ  ｃｏｐｐｅｒ  ｏｘｉｄｅ：ＬＳＣ）、ガドリニウムストロンチウムコバルト酸化物（Ｇａｄｏｌｉｎｉｕｍ  ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ  ｃｏｂａｌｔ  ｏｘｉｄｅ：ＧＳＣ）、ランタンストロンチウムフェライト（Ｌａｎｔｈａｎｕｍ  ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ  ｆｅｒｒｉｔｅ：ＬＳＦ）、サマリウムストロンチウムコバルト酸化物（Ｓａｍａｒｉｕｍ  ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ  ｃｏｂａｌｔ  ｏｘｉｄｅ：ＳＳＣ）およびバリウムストロンチウムコバルトフェライト（Ｂａｒｉｕｍ  Ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ  ｃｏｂａｌｔ  ｆｅｒｒｉｔｅ：ＢＳＣＦ）、並びにランタンストロンチウムガリウムマグネシウム酸化物（Ｌａｎｔｈａｎｕｍ  ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ  ｇａｌｌｉｕｍ  ｍａｇｎｅｓｉｕｍ  ｏｘｉｄｅ：ＬＳＧＭ）のうちの少なくとも１つを含むことができる。
【００５７】
前記空気極集電体は、白金（Ｐｔ）、銀（Ａｇ）、銀−パラジウム（Ａｇ−Ｐｄ）、ランタンストロンチウムマンガナイト（ｌａｎｔｈａｎｕｍ  ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ  ｍａｎｇａｎｉｔｅ、ＬＳＭ）、およびランタンストロンチウムマンガナイト−銀（ＬＳＭ−Ａｇ）のうちの少なくとも１つを含むことができる。
【００５８】
前記空気極の厚さは、１０μｍ以上１００μｍ以下であってもよい。具体的には、前記空気極の厚さは、２０μｍ以上５０μｍ以下であってもよい。
【００５９】
前記空気極の気孔率は、１０％以上５０％以下であってもよい。具体的には、前記空気極の気孔率は、２０％以上４０％以下であってもよい。
【００６０】
前記空気極の気孔の直径は、０．１μｍ以上１０μｍ以下であってもよい。具体的には、前記空気極の気孔の直径は、０．５μｍ以上５μｍ以下であってもよい。より具体的には、前記空気極の直径は、０．５μｍ以上２μｍ以下であってもよい。
【００６１】
前記空気極の製造方法は特に限定はないが、例えば、焼結された電解質層上に燃料極用スラリーをコーティングして、これを乾燥および硬化するか、空気極スラリーを別の離型紙上にコーティングして乾燥して空気極用グリーンシートを製造し、製造された空気極用グリーンシートを、焼結された電解質層上にラミネートした後、これを硬化して空気極を製造することができる。
【００６２】
前記空気極用グリーンシートの厚さは、１０μｍ以上１００μｍ以下であってもよい。
【００６３】
前記空気極用スラリーは、酸素イオン伝導性を有する第３無機物粒子を含み、必要に応じて、前記空気極用スラリーは、バインダー樹脂、可塑剤、分散剤、および溶媒をさらに含んでもよく、前記バインダー樹脂、可塑剤、分散剤、および溶媒は特に限定はなく、当該技術分野で知られている通常の材料を使用することができる。
【００６４】
多孔性セラミック支持体を有する平板型固体酸化物燃料電池は、燃料極の外角に位置した多孔性セラミック支持体が酸素イオン伝導性および電気伝導性がないか低いので、多孔性セラミック支持体と電解質層との間に位置した燃料極と直接的に連結された集電体を介して燃料極に集電しなければならない。
【００６５】
このためには、燃料極上に集電のための金属メッシュパターンを形成しなければならないが、燃料極と電解質層との接触すべき面に前記集電体の金属メッシュパターンを形成すると、相対的に燃料極と電解質層との接触面積が減少し、燃料極と電解質層との界面の接着が安定的でなく、安定したガスの密封が難しいという欠点がある。
【００６６】
一方、電解質層を燃料極より小さく形成し、露出した燃料極上に金属メッシュパターンを形成することができるが、この場合、電池の構造が複雑になるという欠点がある。
【００６７】
この場合、露出した燃料極上に形成された金属メッシュパターンに連結して外部に延びる方向が酸素を含む空気極の方向に設計されるため、前記燃料極集電体の材料は、酸化雰囲気で安定した素材を使用しなければならない。この時、燃料極集電体の材料として使用される、酸化雰囲気で安定した素材は、銀、金、白金など価格が高い貴金属系金属を使用することが一般的である。
【００６８】
しかし、本明細書に係る多孔性セラミック支持体を有する平板型固体酸化物燃料電池は、空気が供給される方向でない、燃料が供給される方向に燃料極を集電するため、相対的に安価なニッケル、銅などの材料を使用可能なため、費用が低減できる。
【００６９】
本明細書に係る多孔性セラミック支持体を有する平板型固体酸化物燃料電池は、電解質層と燃料極との間に集電構造がなく、平らな燃料極上に電解質層を形成可能で、安定したガスの密封が可能であるという利点がある。
【００７０】
本明細書に係る多孔性セラミック支持体を有する平板型固体酸化物燃料電池は、電解質層と燃料極との間に集電構造がなく、平らな燃料極上に電解質層を形成可能で、高い開回路電位を有することができる。
【００７１】
本明細書により製造された多孔性セラミック支持体を有する平板型固体酸化物燃料電池は、電池効率が増加する。
【００７２】
本明細書により製造された多孔性セラミック支持体を有する平板型固体酸化物燃料電池は、安定したガスの密封によって長期安定性が高い。
【００７３】
本明細書は、前記平板型固体酸化物燃料電池を単位電池として含む電池モジュールを提供する。
【００７４】
前記電池モジュールは、前記平板型固体酸化物燃料電池を含む単位電池と、前記単位電池の間に備えられたセパレータとを含むスタックと、燃料をスタックに供給する燃料供給部と、酸化剤をスタックに供給する酸化剤供給部とを含むことができる。
【００７５】
前記電池モジュールは、具体的には、家庭用電気発電および暖房、地域発電用スタック、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、プラグ−インハイブリッド電気自動車、または電力貯蔵装置の電源として使用できる。
【実施例】
【００７６】
以下、実施例を通じて本明細書をより詳細に説明する。しかし、以下の実施例は本明細書を例示するためのものに過ぎず、本明細書を限定するためのものではない。
【００７７】
［実施例］
ＭｇＡｌ２Ｏ４（固形分総重量を基準として１０ｗｔ．％ｃａｒｂｏｎ  ｂｌａｃｋ）をパウダープレスで作製したセラミック支持体を１２００℃で２時間仮焼結した。
【００７８】
仮焼結されたセラミック支持体をＮｉＯ−ＧＤＣ（ＮｉＯ：ＧＤＣの重量比＝６１：３９）スラリーにディップコーティングして、仮焼結されたセラミック支持体の全体表面に燃料極（機能層）スラリーを塗布し、１２００℃で２時間仮焼結した。
【００７９】
仮焼結された燃料極（機能層）をＹＳＺスラリーにディップコーティングして、仮焼結された燃料極（機能層）の全体表面に電解質膜を塗布した後、仮焼結されたセラミック支持体、仮焼結された燃料極（機能層）、および電解質スラリーを１５００℃で３時間同時に完全焼結した。
【００８０】
完全焼結された電解質層の一面にＬＳＭペーストをハンドプリンティング（有効面積を除く部分をテープ−マスキング処理し、ガラスで押してコーティングする方法）して空気極を形成した後、１２００℃で２時間同時に完全焼結した。
【００８１】
製造された単位セルを空気極側（下）および燃料極側（上）から撮影して図５に示した。
【００８２】
図５の上の写真のように、燃料極は、セラミック支持体を基準として空気極の備えられた方向と反対方向に延びて備えられ、燃料極集電体としてセラミック支持体を基準として空気極の備えられた方向と反対方向に延びた燃料極上に、白金メッシュと、前記白金メッシュに連結された白金線とを形成した。
【００８３】
また、図５の下の写真のように、空気極集電体として、空気極上に、白金メッシュと、前記白金メッシュに連結された白金線とを形成した。
【００８４】
前記空気極集電体および燃料極集電体を１０００℃で２時間焼結した。
【００８５】
アレムコ社のセラミック密封材である５７１密封材を設け、これを約１００℃で２時間以上キュアリングして、単位セルを製造した。
【００８６】
［比較例］
図２の構造のように、実施例の燃料極を電解質層の備えられた面の反対面まで延ばして備えるのではなく、多孔性セラミック支持体と電解質層との間にのみ燃料極を備え、燃料極の一面の真ん中の一部にのみ電解質層を形成し、燃料極集電体として、燃料極の電解質層の備えられた面と同じ面上に、白金メッシュと、前記白金メッシュに連結された白金線とを形成したことを除き、実施例と同様にして単位セルを製造した。
【００８７】
製造された単位セルを空気極側から撮影して図４に示した。
【００８８】
［実験例１］
実施例および比較例の温度による開回路電位（Ｏｐｅｎ  Ｃｉｒｃｕｉｔ  Ｖｏｌｔａｇｅ、ＯＣＶ）を測定して、その結果を図６に示した。
【００８９】
ＯＣＶは、電流が流れない状態（仕事をしない状態）での電圧差を意味する。ＯＣＶ値が高いほどセルの性能が優れている傾向を示すが、このＯＣＶ値に最も大きく影響を及ぼす要素は、電解質の安定性とガスの密封状態である。すなわち、電解質が十分に安定的に塗布されていると、ＯＣＶ値は高くなり、反応ガス（燃料および空気）が完全に密封されて、燃焼反応なくすべて電気化学反応が起こるとすれば、理論値に近いＯＣＶを示す。比較例のＯＣＶが低くなるのは、ガスの密封部位が電解質ですべて覆われた状態でないため、電解質／燃料極／燃料極集電体付近でガス漏れがあったと見られる。すなわち、既存の集電方式では完全なガスの密封が難しく、低いＯＣＶが現れるしかない。
【００９０】
［実験例２］
実施例または比較例で製造された単位セルを目的の温度（８５０℃）まで昇温させた後、燃料極には水素を、空気極には空気（Ａｉｒ）を供給しながら電流を次第に上昇させる。連続的に電位変化データを収集し、それぞれの温度における出力を計算する。より詳細な電気化学的分析のために交流インピーダンス実験を並行するが、高い周波数（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）から段階的に低い周波数（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）を入力信号として得たインピーダンス値を極左標線図（Ｎｙｑｕｉｓｔ  ｐｌｏｔ）を通して当該周波数における電気化学反応を類推する。
【００９１】
実施例および比較例で製造されたコインセルの性能を測定して、その結果を図７に示した。
【００９２】
図７は、一般的に燃料電池の性能を示すＩ−Ｖ−Ｐ曲線である。図６の比較例でガスの密封が完全でなく、ＯＣＶ値が低くなり、それによって性能が約１／２レベルと低く測定された。実施例のように、燃料極の電流集電を燃料供給方向に実施すれば、全面を電解質で塗布可能なため、ガスの密封が容易であり、高いＯＣＶ値を期待できるため、究極的に高い性能を示すことが分かる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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