JP2011018629A - メッシュ構造の支持体を備えた燃料電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】軽くて集電が容易なメッシュ構造の支持体を備えた燃料電池を提供する。
【解決手段】メッシュ構造で形成された支持体；前記支持体の外部に形成される燃料極層；前記燃料極層の外部に形成される電解質層；及び前記電解質層の外部に形成される空気極層；を含む。
【選択図】図２
【解決手段】メッシュ構造で形成された支持体；前記支持体の外部に形成される燃料極層；前記燃料極層の外部に形成される電解質層；及び前記電解質層の外部に形成される空気極層；を含む。
【選択図】図２
Description
本発明はメッシュ構造の支持体を備えた燃料電池に関する。
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及び熱に直接変換させる装置である。既存の発電技術が燃料の燃焼、蒸気発生、タービン駆動、発電機の駆動過程を取るものとは異なり、燃焼過程または駆動装置がないので、効率が高いだけでなく環境問題を引き起こさない新概念の発電技術である。
図１は燃料電池の作動原理を示す図である。
図１を参照すれば、燃料極１は、水素（Ｈ２）を受けて水素イオン（Ｈ＋）と電子（ｅ−）に分解される。水素イオンは電解質２を介して空気極３に移動する。電子は外部回路４を経ながら電流を発生させる。そして、空気極３において、水素イオン、電子、及び空気中の酸素が結合して水になる。前述した燃料電池１０での化学反応式はつぎの反応式１のようである。
図１を参照すれば、燃料極１は、水素（Ｈ２）を受けて水素イオン（Ｈ＋）と電子（ｅ−）に分解される。水素イオンは電解質２を介して空気極３に移動する。電子は外部回路４を経ながら電流を発生させる。そして、空気極３において、水素イオン、電子、及び空気中の酸素が結合して水になる。前述した燃料電池１０での化学反応式はつぎの反応式１のようである。
＜反応式１＞
燃料極１：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
空気極３：１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ
全反応：Ｈ２＋１／２Ｏ２→Ｈ２０
燃料極１：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
空気極３：１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ
全反応：Ｈ２＋１／２Ｏ２→Ｈ２０
すなわち、燃料極１から分離された電子が外部回路を介して電流を発生させることで電池の機能をすることになる。このような燃料電池１０はＳＯｘとＮＯｘなどの大気汚染物質をあまり排出しなくて二酸化炭素の発生も少なくて無公害発電であり、低騷音、無振動などの利点がある。
一方、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。このうち、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）は、高効率の発電が可能であるし、石炭ガス−燃料電池−ガスタービンなどの複合発電が可能であり、発電容量の多様性を持っているので、小型、大型発電所または分散型電源に適する。よって、固体酸化物燃料電池はこれから水素経済社会への進入のために必須の発電技術である。
しかし、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）を実用化するためには、いくつかの問題点を解決しなければならない。
しかし、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）を実用化するためには、いくつかの問題点を解決しなければならない。
第一、脆弱な耐久性及び信頼性である。固体酸化物燃料電池は高温で作動するので、熱サイクルルによる性能低下が発生する。特に、燃料極または空気極を他の要素のための支持体として使用する場合、セラミック素材の特性上、その体積が増加すれば部品の耐久性と信頼性が急に減少する傾向を表す問題点がある。
第二、集電の困難さである。従来技術は、単位電池の内部はメタルフォーム（ｍｅｔａｌ ｆｏａｍ）を、外部は金属線を採用して集電を行った。しかし、このような構造では、セルが大型化するほど高価の金属線の量が増加して製造費用が上昇し、構造的に複雑になって大量生産が難しくなる問題点がある。
第三、マニホールド（ｍａｎｉｆｏｌｄ）と単位電池間の結合の困難さである。単位電池に水素等の燃料を供給するマニホールドはほとんど金属でなる一方、単位電池はセラミックでなっている。よって、異種材質である金属とセラミックを結合するために、ろう付け（ｂｒａｚｉｎｇ）工程を用いる。しかし、ろう付け工程は、熔接過程で誘導コイルに電圧を高める速度と電圧の維持時間、ろう付け後の冷却条件によって単位電池の内部が塞がる場合が発生したり熔接不良が発生したりする。
第四、燃料電池成形の困難さである。従来技術は、通常押出し工程によって一定の直径を持つセラミック成形体を製造した。しかし、押出し工程に常用される混合練りものは１５〜２０％の水を含んでいるため、乾燥工程が非常に注意深く行われなければならなく、時間が長くかかる。乾燥工程を早く進めば、内部応力が発生してセラミック成形体に亀裂が発生する。また、製造されるセラミック成形体の形状を変更しにくい問題点がある。
したがって、本発明は前記のような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、軽くて集電が容易なメッシュ構造の支持体を備えた燃料電池を提供することである。
本発明の好適な一実施例によるメッシュ構造の支持体を備えた燃料電池は、メッシュ構造で形成された支持体；前記支持体の外部に形成される燃料極層；前記燃料極層の外部に形成される電解質層；及び前記電解質層の外部に形成される空気極層；を含む。
前記支持体と前記燃料極層の間に形成される金属パウダーコーティング層をさらに含むことができる。
前記支持体は、多数の管状支持体が平行に連続した一体型支持体であることができる。
前記一体型支持体は、多数の前記管状支持体を平行に連結する連結部をさらに含むことができる。
前記支持体は、前記メッシュ構造の格子が四角形または円形であることができる。
前記支持体は、前記メッシュ構造が１〜１０回積層されてなることができる。
前記支持体は、前記メッシュ構造の断面が円形状、扁平円状、三角形状、半円状または台形状であることができる。
前記支持体は、導電性金属でなったメッシュ構造で形成されたことができる。
前記導電性金属は、鉄、銅、アルミニウム、ニッケル、クロム、これらの合金、及びこれらの組合せよりなる群から選ばれた物質であることができる。
前記支持体は、多数の管状支持体が平行に連続した一体型支持体であることができる。
前記一体型支持体は、多数の前記管状支持体を平行に連結する連結部をさらに含むことができる。
前記支持体は、前記メッシュ構造の格子が四角形または円形であることができる。
前記支持体は、前記メッシュ構造が１〜１０回積層されてなることができる。
前記支持体は、前記メッシュ構造の断面が円形状、扁平円状、三角形状、半円状または台形状であることができる。
前記支持体は、導電性金属でなったメッシュ構造で形成されたことができる。
前記導電性金属は、鉄、銅、アルミニウム、ニッケル、クロム、これらの合金、及びこれらの組合せよりなる群から選ばれた物質であることができる。
本発明の好適な他の実施例によるメッシュ構造の支持体を備えた燃料電池は、メッシュ構造で形成された支持体；前記支持体の外部に形成される空気極層；前記空気極層の外部に形成される電解質層；及び前記電解質層の外部に形成される燃料極層；を含む。
前記支持体と前記空気極層の間に形成される金属パウダーコーティング層をさらに含むことができる。
前記支持体は、多数の管状支持体が平行に連続した一体型支持体であることができる。
前記一体型支持体は、多数の前記管状支持体を平行に連結する連結部をさらに含むことができる。
前記支持体は、前記メッシュ構造の格子が四角形または円形であることができる。
前記支持体は、前記メッシュ構造が１〜１０回積層されてなることができる。
前記支持体は、前記メッシュ構造の断面が円形状、扁平円状、三角形状、半円状または台形であることができる。
前記支持体は、導電性金属でなったメッシュ構造で形成されたことができる。
前記導電性金属は、鉄、銅、アルミニウム、ニッケル、クロム、これらの合金、及びこれらの組合せよりなる群から選ばれた物質であることができる。
前記支持体は、多数の管状支持体が平行に連続した一体型支持体であることができる。
前記一体型支持体は、多数の前記管状支持体を平行に連結する連結部をさらに含むことができる。
前記支持体は、前記メッシュ構造の格子が四角形または円形であることができる。
前記支持体は、前記メッシュ構造が１〜１０回積層されてなることができる。
前記支持体は、前記メッシュ構造の断面が円形状、扁平円状、三角形状、半円状または台形であることができる。
前記支持体は、導電性金属でなったメッシュ構造で形成されたことができる。
前記導電性金属は、鉄、銅、アルミニウム、ニッケル、クロム、これらの合金、及びこれらの組合せよりなる群から選ばれた物質であることができる。
本発明の特徴及び利点は添付図面に基づいた以降の詳細な説明からより明らかになるであろう。
本発明の詳細な説明に先立ち、本明細書及び請求範囲に使用された用語や単語は通常的で辞書的な意味に解釈されてはいけなく、発明者がその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したがって本発明の技術的思想にかなう意味と概念に解釈されなければならない。
本発明の詳細な説明に先立ち、本明細書及び請求範囲に使用された用語や単語は通常的で辞書的な意味に解釈されてはいけなく、発明者がその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したがって本発明の技術的思想にかなう意味と概念に解釈されなければならない。
本発明によれば、固体酸化物燃料電池にメッシュ構造で形成された一体型支持体を採用することにより、従来のセラミック支持体より耐久性及び信頼性が向上することになる。また、従来のセラミック支持体より薄く製作しても支持体としての強度を維持することができるので、燃料電池のスタックの厚さ及び重さを減少させることができる利点がある。
また、本発明によれば、一体型支持体は導電性金属でなってメタルフォーム（ｍｅｔａｌ ｆｏａｍ）などを取り替えて集電体として利用することができ、従来の集電方式より集電効率が高いし、一体型に形成されて単位電池間の集電体連結工程が不要であって工程簡素化及び製造コストの低減に寄与する。
また、本発明によれば、一体型支持体が金属でなってマニホールド（ｍａｎｉｆｏｌｄ）と接合するとき、熔接で完全に密封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、メッシュ構造で形成された一体型支持体を多様な形態に製作するので、燃料電池の成形が容易である。よって、燃料電池の使用分野、効率、製造単価などを考慮して多様な形状に製造することができ、スケール−アップ（ｓｃａｌｅ−ｕｐ）によって大容量の固体酸化物燃料電池の製作が可能である。
本発明の目的、利点及び特徴は添付図面を参照する以下の詳細な説明及び好適な実施例からもっと明らかになろう。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て、同じ構成要素には、たとえ異なる図面に表示されていても、できるだけ同一符号を付けることにする。そして、本発明の説明において、関連の公知技術についての具体的な説明が本発明の要旨を不必要にあいまいにすることができると判断される場合は、その詳細な説明を省略する。
以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施例について詳細に説明する。
固体酸化物燃料電池に使用される従来の支持方式としては、電解質自立膜式、燃料極支持体式、空気極支持体式などがある。本発明は付加の支持体を燃料電池の内部に採用し、その支持体はメッシュ構造１１０で形成されるという点と、多数の管状支持体３６０を連結して一体型支持体３００に形成されるという点において、従来の支持方式に比べて、構成及び形態に確実な違いがある。
固体酸化物燃料電池に使用される従来の支持方式としては、電解質自立膜式、燃料極支持体式、空気極支持体式などがある。本発明は付加の支持体を燃料電池の内部に採用し、その支持体はメッシュ構造１１０で形成されるという点と、多数の管状支持体３６０を連結して一体型支持体３００に形成されるという点において、従来の支持方式に比べて、構成及び形態に確実な違いがある。
図２は本発明の好適な第１実施例によるメッシュ構造の支持体を持つ燃料電池の断面図である。以下、同図を参照して本実施例による燃料電池について説明する。
図２に示すように、本実施例による燃料電池は、メッシュ構造１１０で形成された支持体１００、支持体１００の外部に形成される燃料極層１２０、燃料極層１２０の外部に形成される電解質層１３０、及び電解質層１３０の外部に形成される空気極層１４０でなっている。また、メッシュ構造１１０で形成された支持体１００を補うために、支持体１００と燃料極層１２０の間に金属パウダーコーティング層１５０をさらに含むことができる。
図２に示すように、本実施例による燃料電池は、メッシュ構造１１０で形成された支持体１００、支持体１００の外部に形成される燃料極層１２０、燃料極層１２０の外部に形成される電解質層１３０、及び電解質層１３０の外部に形成される空気極層１４０でなっている。また、メッシュ構造１１０で形成された支持体１００を補うために、支持体１００と燃料極層１２０の間に金属パウダーコーティング層１５０をさらに含むことができる。
燃料電池で電流を生産するためには、燃料極層１２０に燃料が供給され、空気極層１４０には空気が供給されなければならない。本実施例による燃料電池は、燃料極層１２０が内部に形成され、空気極層１４０は最外側に形成される。よって、燃料極層１２０は支持体１００を通じて燃料を受け、空気極層１４０は外部から空気を受けなければならない。この際、燃料極層１２０が燃料を受けるために、支持体１００は気体透過性を持たなければならない。
本発明は、メッシュ構造１１０で形成された支持体１００を採用することで、燃料極層１２０、電解質層１３０、及び空気極層１４０を支持するとともに、支持体１００の内部に供給された水素などの燃料を支持体１００を包む燃料極層１２０に伝達することができる。
また、支持体１００が集電機能をするために、メッシュ構造１１０は導電性金属で製作することが好ましい。より好ましくは、メッシュ構造１１０は、導電性及び耐久性に優れた鉄、銅、アルミニウム、ニッケル、クロム、これらの合金、及びこれらの組合せよりなる群から選ばれた物質で製作する。支持体１００が導電性金属で製作されることにより、燃料電池の内部に付加の集電体を設置する必要がないので、工程簡素化と製造コストの低減に寄与する。また、支持体１００が金属なので、マニホールドとの接合工程が容易であり、ガス漏洩を防止することができる。
一方、図３に示すように、支持体１００を形成するメッシュ構造１１０の格子１１５は四角形または円形に形成できる。一般に、メッシュ構造１１０が微細な金属線などで編んで製作された場合、格子１１５は四角形に形成される（図３Ａ）。一方、メッシュ構造１１０が、管状構造体にＵＶレーザー、ＹＡＧレーザーまたはスパーク放電を用いる放電加工などによる微細孔加工工程で製作された場合、格子１１５は円形に形成される（図３Ｂ）。ただ、前述した製作方法は例示的なもので、その他の方法でメッシュ構造１１０を製作しても、最終の格子１１５の形状が四角形または円形の場合は本発明の保護範囲に属することはいうまでもない。
ここで、メッシュ構造１１０の格子１１５の直径は、メッシュ構造１１０の外部を包む燃料極層１２０の成分または燃料の透過性を考慮すると、１μｍ〜１０μｍであることが好ましい。しかし、必ずしも前述した数値に限定されるものではなく、数十μｍ〜数百μｍのメッシュ構造１１０を製作した後、後述する金属パウダーコーティング層１５０の形成あるいはメッシュ構造１１０の積層によって支持力を維持しながらも気体を透過させることができる。
また、図４に示すように、メッシュ構造１１０を積層して支持体を形成することができる。メッシュ構造１１０の積層数は、設計される燃料電池の効率、所要支持力、及び燃料の透過性によって調節することができるが、本発明においては１〜１０回積層することが好ましい。
図５に示すように、支持体１００は円形状（図５Ａ）、扁平円状（図５Ｂ）、三角形状（図５Ｃ）または台形状（図５Ｄ）の断面を持つメッシュ構造１１０で形成することができる。支持体１００がメッシュ構造１１０で形成されたので、セラミック支持体とは異なり、成形が自由である。よって、用途に合う多様な形状の燃料電池を製作することができ、必要に応じて燃料電池を大型化することができる。
一方、金属パウダーコーティング層１５０は燃料極層１２０を一層安定的に支持する役目をするもので、支持体１００と燃料極層１２０の間に形成される。金属パウダーコーティング層１５０は、スプレー法、浸漬法などで金属パウダーを支持体１００にコートして形成する。また、金属パウダーコーティング層１５０も気体を透過させる多孔性性質を持つとともにメッシュ構造１１０の格子１１５の間にコーティング可能なサイズを持たなければならない。この点を考慮すると、金属パウダーの直径は数百ｎｍ〜数μｍであることが好ましい。さらに、金属パウダーコーティング層１５０もメッシュ構造１１０と同様に導電性金属で形成して燃料電池の集電効率をより高めることができる。
また、必要に応じて、メッシュ構造１１０を数回積層した後にも金属パウダーコーティング層１５０を形成して所望の支持力と気体透過性を得ることができる。
また、必要に応じて、メッシュ構造１１０を数回積層した後にも金属パウダーコーティング層１５０を形成して所望の支持力と気体透過性を得ることができる。
燃料極層１２０は支持体１００の外部に形成される。ただし、金属パウダーコーティング層１５０が形成された場合は、金属パウダーコーティング層１５０の外部に形成される。燃料極層１２０は支持体１００を透過した燃料を受けて電流を発生させる。その後、発生した電流は導電性金属で形成された支持体１００によって集電されて外部回路に電気エネルギーを供給する。燃料極層１２０は、支持体１００または金属パウダーコーティング層１５０の外部にＮｉＯ−ＹＳＺ（Ｙｔｔｒｉａ ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ Ｚｉｒｃｏｎｉａ）をスリップコーティング、プラズマスプレーコーティング法などでコートした後、１２００℃〜１３００℃で加熱して形成することができる。
また、電解質層１３０は燃料極層１２０の外部に形成される。電解質層１３０は電流を通過させなく、水素を燃料として使用した場合、水素イオンだけ空気極層１４０に通過させる。電解質層１３０は、燃料極層１２０の外部にＹＳＺ（Ｙｔｔｒｉａ ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ Ｚｉｒｃｏｎｉａ）またはＳｃＳＺ（Ｓｃａｎｄｉｕｍ ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ Ｚｉｒｃｏｎｉａ）、ＧＤＣ、ＬＤＣなどをスリップコーティング法またはプラズマスプレーコーティング法などでコートした後、１３００℃〜１５００℃で焼結して形成することができる。
そして、空気極層１４０は電解質層１３０の外部に形成される。空気極層１４０は、電解質層１３０から伝達された水素イオンと外部回路を通じて伝達された電子及び空気中の酸素が結合して水が生成される。空気極層１４０は、ＬＳＭ（Ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ ｄｏｐｅｄ Ｌａｎｔｈａｎｕｍ ｍａｎｇａｎｉｔｅ）、ＬＳＣＦ（（Ｌａ、Ｓｒ）（Ｃｏ、Ｆｅ）Ｏ３）などの組成をスリップコーティング、プラズマスプレーコーティング法などでコートした後、１２００℃〜１３００℃で焼結して形成することができる。
図６は本発明の好適な第２実施例によるメッシュ構造の支持体を持つ燃料電池の断面図である。本実施例と第１実施例の最も大きな相違点は、燃料極層と空気極層の形成位置である。以下、第１実施例と重複する説明は省略しその相違点を中心に説明する。
図６に示すように、本実施例による燃料電池はメッシュ構造１１０で形成された支持体２００、支持体２００の外部に形成される空気極層２２０、空気極層２２０の外部に形成される電解質層２３０、及び電解質層２３０の外部に形成される燃料極層２４０でなっている。また、メッシュ構造１１０で形成された支持体２００を補うために、支持体２００と空気極層２２０の間に金属パウダーコーティング層２５０をさらに含むことができる。本実施例による燃料電池を第１実施例による燃料電池と比較してみると、空気極層１４０、２２０と燃料極層１２０、２４０の形成位置が互いに反対になっていることが分かる。
本実施例による燃料電池は、空気極層２２０が内部に形成され、燃料極層２４０は最外側に形成される。よって、空気極層２２０は支持体２００を通じて空気を受け、燃料極層２４０は外部から燃料を受けなければならない。この際、空気極層２２０が空気を受けるために、支持体２００は気体透過性を持たなければならないのは前述したとおりである。
支持体２００が気体透過性を持つために、第１実施例と同様に、メッシュ構造１１０で形成する。支持体２００は供給された空気をメッシュ構造１１０を通じて空気極層２２０に伝達することができる。この際、メッシュ構造１１０の格子１１５の直径はメッシュ構造１１０の外部を包む空気極層２２０の成分または気体の透過性を考慮して決定する。また、金属パウダーコーティング層２５０は空気極層２２０をより安定的に支持するために支持体２００と空気極層２２０の間に形成されることができる。
また、図３に示すように、メッシュ構造１１０の格子１１５は四角形または円形に形成されることができ、図５に示すように、メッシュ構造１１０の断面は円形状、扁平円状、三角形状または台形状に形成されることができる。そして、図４に示すように、メッシュ構造１１０を１〜１０回積層して支持体２００を形成することができる。
空気極層２２０は支持体２００または金属パウダーコーティング層２５０の外部に形成され、空気極層２２０の外部には電解質層２３０が形成され、電解質層２３０の外部には燃料極層２４０が形成される。空気極層２２０、電解質層２３０、及び燃料極層２４０はそれぞれ第１実施例と同様な製造方法で形成される。
図７Ａ及び図７Ｂは本発明の好適な第３実施例によるメッシュ構造の支持体を備えた燃料電池の断面図である。以下、これを参照して本実施例による燃料電池について説明する。
図７Ａ及び図７Ｂに示すように、本実施例によるメッシュ構造の支持体を備えた燃料電池は、メッシュ構造１１０で形成された多数の管状支持体３６０が平行に連続した一体型支持体３００、一体型支持体３００の外部に形成される燃料極層３２０、燃料極層３２０の外部に形成される電解質層３３０、及び電解質層３３０の外部に形成される空気極層３４０を含んでなる。また、メッシュ構造１１０で形成された一体型支持体３００を補うために、一体型支持体３００と燃料極層３２０の間に金属パウダーコーティング層３５０をさらに含むことができる。そして、一体型支持体３００は多数の管状支持体３６０を平行に連結する連結部３７０をさらに含むことができる（図７Ｂ）。
図７Ａ及び図７Ｂに示すように、本実施例によるメッシュ構造の支持体を備えた燃料電池は、メッシュ構造１１０で形成された多数の管状支持体３６０が平行に連続した一体型支持体３００、一体型支持体３００の外部に形成される燃料極層３２０、燃料極層３２０の外部に形成される電解質層３３０、及び電解質層３３０の外部に形成される空気極層３４０を含んでなる。また、メッシュ構造１１０で形成された一体型支持体３００を補うために、一体型支持体３００と燃料極層３２０の間に金属パウダーコーティング層３５０をさらに含むことができる。そして、一体型支持体３００は多数の管状支持体３６０を平行に連結する連結部３７０をさらに含むことができる（図７Ｂ）。
燃料電池によって電流を生成するためには、燃料極層３２０に燃料が供給され、空気極層３４０には空気が供給されなければならない。本実施例による燃料電池は、燃料極層３２０が内部に形成され、空気極層３４０は最外側に形成される。よって、燃料極層３２０は一体型支持体３００を通じて燃料を受け、空気極層３４０は外部から空気を受けなければならない。この際、燃料極層３２０が燃料を受けるために、一体型支持体３００は気体透過性を持たなければならない。
本発明は、メッシュ構造１１０で形成された一体型支持体３００を採用することにより、燃料極層３２０、電解質層３３０、及び空気極層３４０を支持するとともに、一体型支持体３００の内部に供給された水素などの燃料を一体型支持体３００を包む燃料極層３２０に伝達することができる。
一体型支持体３００は多数の管状支持体３６０が平行に連続したものである。一体型支持体３００の外部に燃料極層３２０、電解質層３３０及び空気極層３４０を形成すれば、実質的には多数の単位電池が一つの支持体に支持される形態であるので、構造が安定的であり、スタックキングの際の工程が簡素化される。
また、一体型支持体３００が集電機能をするために、メッシュ構造１１０は導電性金属で製作することが好ましい。より好ましくは、メッシュ構造１１０は導電性及び耐久性に優れた鉄、銅、アルミニウム、ニッケル、クロム、これらの合金、及びこれらの組合せよりなる群から選ばれた物質で製作する。一体型支持体３００が導電性金属で製作されることにより、燃料電池の内部に付加の集電体を設置する必要がなくて燃料電池の製造工程簡素化と製造コストの低減に寄与する。また、一体型支持体３００が金属であるので、マニホールドとの接合工程が容易であり、ガス漏洩を防止することができる。
図８Ａ及び図８Ｂは多様な形態の格子構造を持つ、断面三角形状を呈するメッシュ構造の斜視図、図９Ａ及び図９Ｂは多様な形態の格子構造を持つ、断面半円状を呈するメッシュ構造の斜視図、図１０Ａ及び図１０Ｂは多様な形態の格子構造を持つ、断面台形状を呈するメッシュ構造の斜視図である。
ここで、図８、図９及び図１０に示すように、一体型支持体３００を形成するメッシュ構造１１０の格子１１５は四角形または円形に形成できる。一般に、メッシュ構造１１０が微細な金属線などで編んで制作された場合、格子１１５は四角形に形成される。一方、メッシュ構造１１０が管状構造体にＵＶレーザー、ＹＡＧレーザーまたはスパーク放電を用いる放電加工などによる微細孔加工工程で製作された場合、格子１１５は円形に形成される。ただ、前述した製作方法は例示的なもので、その外の方法でメッシュ構造１１０を製作しても、最終的な格子１１５の形状が四角形または円形の場合、本発明の保護範囲に属するものであるのはいうまでもない。
また、メッシュ構造１１０の格子１１５の直径は、メッシュ構造１１０の外部を包む燃料極層３２０の成分または燃料の透過性を考慮すると、１μｍ〜１０μｍであることが好ましい。しかし、必ずしも前述した数値に限定されるものではなく、数十μｍ〜数百μｍにメッシュ構造１１０を製作した後、後述する金属パウダーコーティング層３５０を形成するかあるいはメッシュ構造１１０を複数層に積層することで、電極に対する支持力を維持しながら気体を透過させることができる。
そして、図８、図９及び図１０に示すように、一体型支持体３００は、三角形状、半円状または台形状の断面を持つメッシュ構造１１０で形成できる。一体型支持体３００がメッシュ構造１１０で形成されたので、セラミック支持体とは異なり、成形が自由である。よって、用途に合う多様な形状の燃料電池を製作することができ、必要に応じて燃料電池を大型化することができる。
図１１〜図１３は三角形状、半円状または台形状の断面を持つメッシュ構造の連結部有無による形態変化を示す斜視図である。
図１１〜図１３に示すように、一体型支持体３００は、多数の管状支持体３６０を平行に連結する連結部３７０をさらに含むことができる。連結部３７０は管状支持体３６０を連結する役目をするもので、電流生成に必ずしも必要な構成要素ではないが、一体型支持体３００の安全性、信頼性、及び追後のスタックキングを考慮して、一体型支持体３００に加えて含まれることができる。連結部３７０は管状支持体３６０と別に製作して管状支持体３６０に連結することもできるが、管状支持体３６０とともにメッシュ構造１１０で形成することが好ましい。
図１１〜図１３に示すように、一体型支持体３００は、多数の管状支持体３６０を平行に連結する連結部３７０をさらに含むことができる。連結部３７０は管状支持体３６０を連結する役目をするもので、電流生成に必ずしも必要な構成要素ではないが、一体型支持体３００の安全性、信頼性、及び追後のスタックキングを考慮して、一体型支持体３００に加えて含まれることができる。連結部３７０は管状支持体３６０と別に製作して管状支持体３６０に連結することもできるが、管状支持体３６０とともにメッシュ構造１１０で形成することが好ましい。
図１４は積層されたメッシュ構造の斜視図である。図１４に示すように、メッシュ構造１１０を複数層で積層して一体型支持体３００を形成することができる。メッシュ構造１１０の積層数は、設計される燃料電池の効率、所要支持力、及び燃料の透過性によって調節可能であるが、本発明では１〜１０回積層することが好ましい。
一方、金属パウダーコーティング層３５０は燃料極層３２０をより安定的に支持する役目をし、一体型支持体３００と燃料極層３２０の間に形成される。金属パウダーコーティング層３５０は、スプレー法、浸漬法などによって金属パウダーを一体型支持体３００にコートして形成する。また、金属パウダーコーティング層３５０も気体を透過させる多孔性性質を持つとともにメッシュ構造１１０の格子１１５の間にコーティング可能なサイズを持たなければならない。この点を考慮すると、金属パウダーの直径は数百ｎｍ〜数μｍであることが好ましい。さらに、金属パウダーコーティング層３５０もメッシュ構造１１０と同様に導電性金属で形成することで燃料電池の集電効率を一層高めることができる。
また、必要によっては、メッシュ構造１１０を多数回積層した後にも金属パウダーコーティング層３５０を形成して所望の支持力と気体透過性を得ることができる。
また、必要によっては、メッシュ構造１１０を多数回積層した後にも金属パウダーコーティング層３５０を形成して所望の支持力と気体透過性を得ることができる。
以下、燃料極層３２０、電解質層３３０及び空気極層３４０の作動過程及び形成方法について例示的に説明する。
燃料極層３２０は一体型支持体３００の外部に形成される。ただし、金属パウダーコーティング層３５０が形成された場合は、金属パウダーコーティング層３５０の外部に形成される。燃料極層３２０は一体型支持体３００を透過した燃料を受けて電流を発生させる。その後、発生した電流は導電性金属で形成された一体型支持体３００によって集電されて外部回路に電気エネルギーを供給する。燃料極層３２０は、一体型支持体３００または金属パウダーコーティング層３５０の外部にＮｉＯ−ＹＳＺ（Ｙｔｔｒｉａ ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ Ｚｉｒｃｏｎｉａ）をスリップコーティング法またはプラズマスプレーコーティング法などでコートした後、１２００℃℃〜１３００℃で加熱して形成することができる。
燃料極層３２０は一体型支持体３００の外部に形成される。ただし、金属パウダーコーティング層３５０が形成された場合は、金属パウダーコーティング層３５０の外部に形成される。燃料極層３２０は一体型支持体３００を透過した燃料を受けて電流を発生させる。その後、発生した電流は導電性金属で形成された一体型支持体３００によって集電されて外部回路に電気エネルギーを供給する。燃料極層３２０は、一体型支持体３００または金属パウダーコーティング層３５０の外部にＮｉＯ−ＹＳＺ（Ｙｔｔｒｉａ ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ Ｚｉｒｃｏｎｉａ）をスリップコーティング法またはプラズマスプレーコーティング法などでコートした後、１２００℃℃〜１３００℃で加熱して形成することができる。
また、電解質層３３０は燃料極層３２０の外部に形成される。電解質層３３０は電流を通過させなく、水素を燃料として使用した場合に水素イオンだけ空気極層３４０に通過させる。電解質層３３０は、燃料極層３２０の外部にＹＳＺまたはＳｃＳＺ、ＧＤＣ、ＬＤＣなどをスリップコーティング法またはプラズマスプレーコーティング法などでコートした後、１３００℃〜１５００℃で焼結して形成することができる。
そして、空気極層３４０は電解質層３３０の外部に形成される。空気極層３４０は電解質層３３０から受けた水素イオン、外部回路を通じて伝達された電子、及び空気中の酸素が結合して水が生成される。空気極層３４０は、ＬＳＭ（Ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ ｄｏｐｅｄ Ｌａｎｔｈａｎｕｍ ｍａｎｇａｎｉｔｅ）、ＬＳＣＦ（（Ｌａ、Ｓｒ）（Ｃｏ、Ｆｅ）Ｏ３）などの組成をスリップコーティング法またはプラズマスプレーコーティング法などでコートした後、１２００℃〜１３００℃で焼結して形成することができる。
図１５Ａ及び図１５Ｂは本発明の好適な第４実施例によるメッシュ構造の支持体を備えた燃料電池の断面図である。本実施例と第３実施例の最も大きな相違点は、燃料極層と空気極層の形成位置である。以下、第３実施例と重複した説明は省略し、その相違点を中心に説明する。
図１５Ａ及び図１５Ｂに示すように、本実施例によるメッシュ構造の支持体を備えた燃料電池は、メッシュ構造１１０で形成された多数の管状支持体４６０が平行に連続した一体型支持体４００、一体型支持体４００の外部に形成される空気極層４２０、空気極層の外部に形成される電解質層４３０、及び電解質層４３０の外部に形成される燃料極層４４０を含んでなる。また、メッシュ構造１１０で形成された一体型支持体４００を補うために、一体型支持体４００と空気極層４２０の間に金属パウダーコーティング層４５０をさらに含むことができる。そして、一体型支持体４００は、多数の管状支持体４６０を平行に連結する連結部４７０をさらに含むことができる。
本実施例によるメッシュ構造の支持体を備えた燃料電池と第３実施例によるメッシュ構造の支持体を備えた燃料電池を比較してみると、時空気極層４２０と燃料極層４４０の形成位置が互いに反対になっていることが分かる。
本実施例によるメッシュ構造の支持体を備えた燃料電池と第３実施例によるメッシュ構造の支持体を備えた燃料電池を比較してみると、時空気極層４２０と燃料極層４４０の形成位置が互いに反対になっていることが分かる。
本実施例による燃料電池は、空気極層４２０が内部に形成され、燃料極層４４０は最外側に形成される。よって、空気極層４２０は一体型支持体４００を通じて空気を受け、燃料極層４４０は外部から燃料を受けなければならない。この際、空気極層４２０が空気を受けるために、一体型支持体４００は気体透過性を持たなければならないのは前述したとおりである。
一体型支持体４００が気体透過性を持つために、第３実施例と同様に、メッシュ構造１１０で形成する。一体型支持体４００は供給された空気をメッシュ構造１１０を通じて空気極層４２０に伝達することができる。この際、メッシュ構造１１０の格子１１５の直径はメッシュ構造１１０の外部を包む空気極層４２０の成分または気体の透過性を考慮して決定する。また、金属パウダーコーティング層４５０は、空気極層４２０をより安定的に支持するために、一体型支持体４００と空気極層４２０の間に形成されることができる。
また、図８〜図１０に示すように、メッシュ構造１１０の格子１１５は四角形または円形に形成されることができ、メッシュ構造１１０の断面は三角形状、半円状または台形状に形成されることができる。そして、図１４に示すように、メッシュ構造１１０を１〜１０回積層して一体型支持体４００を形成することができる。
空気極層４２０は一体型支持体４００または金属パウダーコーティング層４５０の外部に形成され、空気極層４２０の外部には電解質層４３０が形成され、電解質層４３０の外部には燃料極層４４０が形成される。空気極層４２０、電解質層４３０、及び燃料極層４４０はそれぞれ第３実施例と同様な製造方法で形成される。
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、本発明によるメッシュ構造の支持体を備えた燃料電池はこれに限定されなく、本発明の技術的思想内で当該分野の通常の知識を持った者によって多様な変形及び改良が可能であろう。特に、前述した実施例においては、個体酸化物燃料電池を基準に説明したが、これに限定されなく、支持体を用いるいずれの燃料電池にも適用可能である。本発明の単純な変形ないし変更はいずれも本発明の範疇内に属するもので、本発明の具体的な保護範囲は特許請求範囲によって明らかに決まるであろう。
本発明は、燃料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及び熱に直接変換させる装置燃料電池に適用可能である。
１００、２００ 支持体
１１０ メッシュ構造
１１５ 格子
１２０、２４０、３２０、４４０ 燃料極層
１３０、２３０、３３０、４３０ 電解質層
１４０、２２０、３４０、４２０ 空気極層
１５０、２５０、３５０、４５０ 金属パウダーコーティング層
３００、４００ 一体型支持体
３６０、４６０ 管状支持体
３７０、４７０ 連結部
１１０ メッシュ構造
１１５ 格子
１２０、２４０、３２０、４４０ 燃料極層
１３０、２３０、３３０、４３０ 電解質層
１４０、２２０、３４０、４２０ 空気極層
１５０、２５０、３５０、４５０ 金属パウダーコーティング層
３００、４００ 一体型支持体
３６０、４６０ 管状支持体
３７０、４７０ 連結部
Claims (18)
- メッシュ構造で形成された支持体；
前記支持体の外部に形成される燃料極層；
前記燃料極層の外部に形成される電解質層；及び
前記電解質層の外部に形成される空気極層；
を含むことを特徴とする、メッシュ構造の支持体を備えた燃料電池。 - 前記支持体と前記燃料極層の間に形成される金属パウダーコーティング層をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載のメッシュ構造の支持体を備えた燃料電池。
- 前記支持体は、多数の管状支持体が平行に連続した一体型支持体であることを特徴とする、請求項１に記載のメッシュ構造の支持体を備えた燃料電池。
- 前記一体型支持体は、多数の前記管状支持体を平行に連結する連結部をさらに含むことを特徴とする、請求項３に記載のメッシュ構造の支持体を備えた燃料電池。
- 前記支持体は、前記メッシュ構造の格子が四角形または円形であることを特徴とする、請求項１に記載のメッシュ構造の支持体を備えた燃料電池。
- 前記支持体は、前記メッシュ構造が１〜１０回積層されてなることを特徴とする、請求項１に記載のメッシュ構造の支持体を備えた燃料電池。
- 前記支持体は、前記メッシュ構造の断面が円形状、扁平円状、三角形状、半円状または台形状であることを特徴とする、請求項１に記載のメッシュ構造の支持体を備えた燃料電池。
- 前記支持体は、導電性金属からなるメッシュ構造で形成されたことを特徴とする、請求項１に記載のメッシュ構造の支持体を備えた燃料電池。
- 前記導電性金属は、鉄、銅、アルミニウム、ニッケル、クロム、これらの合金、及びこれらの組合せよりなる群から選ばれた物質であることを特徴とする、請求項８に記載のメッシュ構造の支持体を備えた燃料電池。
- メッシュ構造で形成された支持体；
前記支持体の外部に形成される空気極層；
前記空気極層の外部に形成される電解質層；及び
前記電解質層の外部に形成される燃料極層；
を含むことを特徴とする、メッシュ構造の支持体を備えた燃料電池。 - 前記支持体と前記空気極層の間に形成される金属パウダーコーティング層をさらに含むことを特徴とする、請求項１０に記載のメッシュ構造の支持体を備えた燃料電池。
- 前記支持体は、多数の管状支持体が平行に連続した一体型支持体であることを特徴とする、請求項１０に記載のメッシュ構造の支持体を備えた燃料電池。
- 前記一体型支持体は、多数の前記管状支持体を平行に連結する連結部をさらに含むことを特徴とする、請求項１２に記載のメッシュ構造の支持体を備えた燃料電池。
- 前記支持体は、前記メッシュ構造の格子が四角形または円形であることを特徴とする、請求項１０に記載のメッシュ構造の支持体を備えた燃料電池。
- 前記支持体は、前記メッシュ構造が１〜１０回積層されてなることを特徴とする、請求項１０に記載のメッシュ構造の支持体を備えた燃料電池。
- 前記支持体は、前記メッシュ構造の断面が円形状、扁平円状、三角形状、半円状または台形状であることを特徴とする、請求項１０に記載のメッシュ構造の支持体を備えた燃料電池。
- 前記支持体は、導電性金属からなるメッシュ構造で形成されたことを特徴とする、請求項１０に記載のメッシュ構造の支持体を備えた燃料電池。
- 前記導電性金属は、鉄、銅、アルミニウム、ニッケル、クロム、これらの合金、及びこれらの組合せよりなる群から選ばれた物質であることを特徴とする、請求項１７に記載のメッシュ構造の支持体を備えた燃料電池。
Applications Claiming Priority (2)
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