KR100362831B1 - 가스 매니폴드를 구비한 연료 전지 - Google Patents

Abstract

전지 적층체(10)의 측면에 배설되는 가스 매니폴드는 전지 적층체(10)의 외측면에 배설되는 판 형상의 단열 부재(21)와, 그 단열 부재(21)의 내면 및 측면을 피복하도록 부착되는 내열 및 내인산성을 갖는 시트 부재(20)를 일체화하여 구성된다.

Description

가스 매니폴드를 구비한 연료 전지{A FUEL CELL WITH A GAS MANIFOLD}

연료 전지는 천연가스나 메탄가스 등의 탄화수소계 연료를 개질(改質)하여 얻어진 수소와 산화제인 공기를 연료 전지 본체에 공급하고, 인산액(phosphate solution) 등의 전해질을 통해서 전기 화학적 반응을 함으로써, 전기 에너지를 발생시키는 것이다. 상기의 발전 기능을 갖는 단(單)전지가 복수개 적층되어 전지 적층체(셀 스택(cell stack) 구조)를 구성하고 있다.

도 1은 종래부터 사용되고 있는 연료 전지의 셀 스택 구조를 나타내는 분해 사시도이다. 즉, 연료 전지 본체의 단전지(1)는 전해질을 유지한 매트릭스층(2)의 일면측에, 도면 중 화살표(A) 방향으로 수소가 공급되는 연료극(燃料極; 3)을 배설하고, 다른 면측에, 도면 중 화살표(B) 방향으로 공기가 공급되는 공기극(空氣極; 4)을 배설하고, 그 연료극(3) 및 공기극(4)에 각각 홈이 진 전극 기재(5, 6)를 적층하고, 그 홈이 진 전극 기재(5, 6)의 어느 한쪽에 세퍼레이터(separator; 7)를 적층함으로써 구성되어 있다. 그리고, 이 단전지(1)가 복수매 적층될 때마다 냉각판(8)이 적층되어 한 개의 서브스택(9)이 구성되고, 이 서브스택(9)을 다수개 적층하여 셀 스택(10)이 구성되어 있다.

또, 상기 셀 스택(10)의 최상부와 최하부에는, 각각 체결판(clamping plate; 11)이 설치되고, 셀 스택(10)과 상하 체결판(11)은 타이 로드(tie rod; 12)에 의해 체결되고, 전지 적층체(13)로서 일체화되어 있다.

또한, 상기와 같이 구성된 전지 적층체(13)의 4 측면에는, 도 2에 도시된 바와 같이, 연료 가스와 공기가 서로 직교하는 방향으로 유통하도록, 한 쌍의 연료 가스 매니폴드(15a, 15b), 및 한 쌍의 공기 가스 매니폴드(16a, 16b)가 각각 대향하는 위치에 설치되어 있다. 그리고, 상기 전지 적층체(13)와 각 가스 매니폴드(15a, 15b, 16a, 16b)의 맞닿는 면에는, 공기나 연료 가스의 누설에 의한 발전 효율의 저하 등의 문제의 발생을 미연에 방지하기 위해서, 개스킷(8)이 구비되어 있다.

또한, 종래부터 사용되고 있는 가스 매니폴드는 전체가 금속으로 구성되어 있고, 한편, 연료 전지는 200℃ 정도의 고온에서 운전되기 때문에, 금속제 가스 매니폴드로부터의 방열이 크고, 에너지가 손실된다. 그 때문에, 금속제 가스 매니폴드의 외면에는 보온재(도시되지 않음)가 배설되어 있다.

그런데, 상기 가스 매니폴드(15a, l6b)에 각각 연료와 공기가 공급되면, 셀 스택(10)을 구성하는 단전지(1)의 매트릭스 층(2)이나 홈이 진 전극 기재(5, 6)에 함침되어 있는 인산의 일부가 연료 가스나 공기의 흐름 중에 확산되고, 인산 증기의 상태로 셀 스택 외부(즉, 가스 매니폴드 내)로 배출된다.

그러나, 가스 매니폴드의 온도는 셀 스택 온도보다도 약간 낮기 때문에, 가스 매니폴드 내로 배출된 인산 증기의 일부는 응축되고, 가스 매니폴드의 내벽에 부착된다. 이와 같이, 인산을 포함한 연료 가스와 공기가 금속제 가스 매니폴드의 내면에 직접 접촉하면, 고온 상태에서는 금속제 가스 매니폴드는 심하게 침식되고, 즉시 구멍이 나버렸다.

이러한 결점을 해소하기 위해서, 인산으로부터 가스 매니폴드를 보호하는 방법으로서, 미국특허 제 4950563호에 나타난 바와 같은 불소계 수지를 가스 매니폴드의 내면에 코팅하는 방법이 사용되고 있다.

그렇지만, 불소계 수지를 가스 매니폴드의 내면에 코팅하는 방법에는, 이하에 기술하는 바와 같은 문제점이 있어서, 가스 매니폴드의 인산 부식을 완전하게 방지하는 것은 곤란하였다.

즉, 불소계 수지를 가스 매니폴드의 내면에 코팅하는 방법에서는, 핀 홀(pin hole)로부터 인산이 침입된다는 문제가 있다. 또, 코팅하는 방법에서는, 수지 코팅의 선팽창 계수가 가스 매니폴드의 10배 정도로 되기 때문에, 기동 정지나 부하 변동에 의한 온도 변화의 반복으로, 수지 코팅의 밀착 불량이 발생하고, 코팅이 박리된다는 문제가 있었다.

또한, 코팅은 비교적 도포막이 얇기 때문에, 인산이 침투하기 쉽고, 모재(母材)를 부식시켜 버린다는 문제를 갖고 있고, 신뢰성도 결핍되어 있었다. 또한, 코팅의 신뢰성을 올리기 위해서는, 도포막의 두께를 증가시킬 필요가 있고, 가열·도포·냉각 공정을 다수 반복하지 않으면 않되어, 가공 시간과 가공 공정수가 많아지게 되었었다. 또, 코팅의 처리 공정은 가스 매니폴드의 제작 공정과 시리즈가 되고 있기 때문에, 공정 단축의 저해 요인으로도 되고 있었다.

이러한 문제점에 더해서, 종래의 가스 매니폴드는 금속제이기 때문에 매우 무겁고, 그 설치 구조 및 유지 구조는 튼튼한 구조로 하지 않을 수 없고, 또, 체결력도 큰 힘이 필요로 하기 때문에, 비용이 높아진다는 결점이 있었다.

또한, 가스 매니폴드의 점검 시에는, 그 때마다 보온재를 벗기고, 그 후, 전지 적층체의 4 측면에 배설된 무거운 가스 매니폴드를 떼지 않으면 않되고, 점검이 곤란하고, 또한 장시간을 요한다는 결점이 있었다.

본 발명은 연료 전지에 관한 것으로서, 특히, 경량화, 저비용화를 가능하게 개량한 가스 매니폴드(gas manifold)를 갖춘 연료 전지에 관한 것이다.

도 1은 종래의 연료 전지의 셀 스택의 구조의 일례를 나타내는 분해 사시도.

도 2는 종래의 전지 적층체에 가스 매니폴드를 설치한 상태의 일례를 나타내는 사시도.

도 3은 본 발명의 가스 매니폴드의 전체 구성을 나타내는 사시도.

도 4는 도 3에 도시된 가스 매니폴드의 실링 구조를 나타내는 단면도.

도 5는 본 발명의 가스 매니폴드의 단열재 구조물의 구조를 나타내는 사시도.

도 6a는 본 발명의 가스 매니폴드의 상하에 배설되는 체결판의 구조를 나타내는 사시도.

도 6b는 동일 체결판의 요소 확대도.

도 6c는 본 발명의 가스 매니폴드의 인산 실드(phosphoric shield)를 나타내는 사시도.

도 7은 도 6a 및 도 6b에 도시된 체결판의 절삭부에 배설되는 실링재(sealing member)의 구성을 나타내는 사시도.

도 8은 본 발명의 가스 매니폴드의 조립 구조를 나타내는 단면도.

도 9는 원판 스프링에 의한 체결 구조를 나타내는 횡단면도.

도 10은 U-암 부착 토글 클램프(toggle clamp)에 의한 체결 구조를 나타내는 횡단면도.

도 11은 스프링 버클(spring buckle)에 의한 체결 구조를 나타내는 사시도.

도 12는 중심 체결 구조체와 하부 체결판에 설치된 단열성 구조물의 위치 결정 구조를 나타내는 사시도.

도 13a는 단열재를 단열재 유지 프레임에 삽입하는 단열 부재의 구조를 나타내는 사시도.

도 13b는 단열재를 관통판을 떼어내 삽입하는 단열 부재의 구조를 나타내는 사시도.

도 14는 도 13a 및 도 13b에 도시된 단열 부재의 단면도.

도 15a 및 도 15b는 본 발명의 가스 매니폴드의 구성요소인 단열 부재의 일 구성예를 나타내고, 도 15a는 횡단면도, 도 15B는 정면도.

도 16a 및 도 16b는 본 발명의 가스 매니폴드의 구성요소인 단열 부재의 다른 구성예를 나타내고, 도 16a는 횡단면도, 도 16b는 종단면도.

도 17a는 얇은 평판형 시트 부재의 장착 상태를 나타내는 사시도.

도 17b는 단열성 유지 프레임의 형상에 맞추어 상자형으로 성형한 시트 부재의 사시도.

도 18은 각종 수지 시트의 인산 투과량을 나타내는 도면.

도 19는 수지 시트의 두께와 인산 투과량의 관계를 조사하는 실험 장치의 구성을 나타내는 개략도.

도 20은 수지 시트의 두께와 인산 투과량의 관계를 나타내는 도면.

도 21a 및 도 21b는 시트 부재의 단열 부재로의 설치 상태를 나타내는 도면.

도 22a 및 도 22b는 코너 부재와 그 라이너 시트(liner sheet)의 구조를 나타내는 사시도, 도 22a는 냉각판의 출구 파이프가 인출되지 않는 측의 코너 부재를 나타내는 사시도, 도 22b는 냉각판의 출구 파이프가 인출되는 측의 코너 부재를 나타내는 사시도.

도 22c 및 도 22e는 좌우 2분할 구조의 코너 부재를 나타내는 사시도.

도 22d 및 도 22f는 좌우 2분할 구조의 코너 부재를 나타내는 횡단면도.

도 22g는 제 2 실링재의 외관도.

도 23a 및 도 23b는 가스 매니폴드의 냉각판의 출구 파이프의 인출측 코너부의 실링 상태를 나타내고, 도 23a는 횡단면도, 도 23b는 종단면도.

도 23c 및 도 23d는 연질 실링재인 원반형 스펀지 고무의 장착 상태를 나타내는 사시도.

도 24a는 코너 부재의 라이너 시트의 구조를 나타내는 사시도.

도 24b는 파이프용 슬리브 부분의 확대도.

도 24c는 파이프용 슬리브 부분의 단면도.

도 24d는 플레어(flare) 가공한 라이너 시트를 나타내는 도면.

도 25a 및 도 25b는 가스 매니폴드의 냉각판의 출구 파이프의 인출측 코너부의 조임에 의한 실링 상태를 나타내고, 도 25a는 횡단면도, 도 25b는 종단면도.

도 26은 코너 부재의 다른 구성을 나타내는 사시도.

본 발명의 제1의 목적은 중량이 가볍고, 비용이 싼 가스 매니폴드를 구비한 연료 전지를 제공하는데 있다.

또한, 제 2 목적은 구조가 간단하고 용이하게 점검 가능한 가스 매니폴드를 구비한 연료 전지를 제공하는데 있다.

또한, 제 3 목적은 전지 적층체의 코너부로부터의 가스 누설을 저감시킬 수 있는 연료 전지를 제공하는데 있다.

또한, 제 4 목적은 전지 적층체의 설치 면적을 삭감하는 가스 매니폴드를 구비한 연료 전지를 제공하는데 있다.

발명의 개시

상기의 목적을 달성하기 위해서, 컨셉트 1의 발명은 연료 전지를 구성하는 전지 적층체의 측면에 배설되는 가스 매니폴드에 있어서, 상기 가스 매니폴드가 전지 적층체의 측면과 대향하는 위치에 배설되는 판 형상의 단열성 구조물과, 전지 적층체의 코너부에 배설되는 코너부재로 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성을 갖는 컨셉트 1의 발명에 의하면, 가스 매니폴드 전체를 금속으로 구성하고 있던 종래형에 비교하여, 그 중량이 대폭적으로 저감된다. 또한, 경량화가 가능해지기 때문에, 조립 및 분해 작업이 용이해진다. 또한, 코너부에 채널 모양으로 형성된 코너 부재를 배설함으로써, 가스 매니폴드를 안정한 형상으로 유지하고, 전지 적층체로의 가스의 균일한 배류(配流)가 가능해진다.

컨셉트 2의 발명은 컨셉트 1 기재의 가스 매니폴드에 있어서, 상기 단열성 구조물이 전지 적층체에 대향하는 내면측의 시트 부재와 외면측의 단열 부재로 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성을 갖는 컨셉트 2의 발명에 의하면, 가스 매니폴드를 구성하는 판 형상의 단열성 구조물을 시트 부재와 단열 부재로 구성하고, 시트 부재를 균일한 내열, 내인산성 수지 시트로 구성하고 있기 때문에, 확실하게 인산을 차단할 수 있고, 비용도 싸게 할 수 있다.

컨셉트 3의 발명은 컨셉트 2 기재의 가스 매니폴드에 있어서, 상기 단열성 구조물이 상기 시트 부재와 단열 부재의 쌍방에 가스 출입용 플랜지 구멍을 설치하고, 시트 부재에는 원통형의 슬리브를 설치한 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성을 갖는 컨셉트 3의 발명에 의하면, 내면측의 시트 부재와 원통형의 슬리브는 일체화되어 있기 때문에, 구조가 간략화되고, 또, 인산을 확실하게 차단할 수 있으므로, 시스템의 외측(outside of the system)으로의 인산의 누설을 방지할 수 있다.

컨셉트 4의 발명은 컨셉트 1 기재의 가스 매니폴드에 있어서, 상기 단열성 구조물과 코너 부재 사이에 제 1 실링 부재를 배치하고, 상기 코너 부재와 전지 적층체 사이에 제 2 실링 부재(sealing member)를 배치한 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성을 갖는 컨셉트 4의 발명에 의하면, 단열성 구조물과 코너 부재 사이로부터의 가스 누설을 확실하게 방지할 수 있는 동시에, 코너 부재와 전지 적층체 사이로부터의 가스 누설을 확실하게 방지할 수 있다.

컨셉트 5의 발명은 컨셉트 1 기재의 가스 매니폴드에 있어서, 상기 코너 부재와 전지 적층체 사이에 설치된 상기 제 2 실링 부재는 프레임(액자) 형상이고, 미리 코너 부재에 밀착시킨 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성을 갖는 컨셉트 5의 발명에 의하면, 코너 부재와 전지 적층체 사이로부터의 가스 누설을 확실하게 방지할 수 있는 동시에, 실링 부재의 설치가 용이하다.

컨셉트 6의 발명은 컨셉트 1 기재의 가스 매니폴드에 있어서, 전지 적층체를 체결하는 상하 체결판을 전지 적층체보다 크게 구성하고, 그 코너부에 상기 코너 부재를 수용하기 위한 절삭부를 설치하고, 이 절삭부에 쿠션재를 통해서 상기 코너 부재를 배설한 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성을 갖는 컨셉트 6의 발명에 의하면, 가스 매니폴드의 조립을 용이하게 하고, 또한 인산에 의한 부식을 방지하면서 확실하게 실링할 수 있다. 또, 상하 체결판의 코너부에 형성되는 절삭부에, 절삭부와 동일 형상의 쿠션재를 배치함으로써, 코너 부재와 전지 본체 부재의 열팽창 차를 흡수하는 동시에, 가스를 실링할 수 있다.

컨셉트 7의 발명은 컨셉트 1 기재의 가스 매니폴드에 있어서, 상기 상하 체결판은 전지 적층체보다 돌출된 주위의 부분에 내인산 처리를 실시한 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성을 갖는 컨셉트 7의 발명에 의하면, 전지 적층체의 인산, 및 인산 증기에 의한 부식을 방지할 수 있다.

컨셉트 8의 발명은 컨셉트 1 기재의 가스 매니폴드에 있어서, 상기 상하 체결판에서 전지 적층체보다 돌출된 주위의 부분에 행해진 내인산 처리는 불소 수지 코팅인 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성을 갖는 컨셉트 8의 발명에 의하면, 전지 적층체의 인산, 및 인산 증기에 의한 부식을 확실하게 방지할 수 있다.

컨셉트 9의 발명은 컨셉트 1 기재의 가스 매니폴드에 있어서, 상기 상하 체결판에 있어서 전지 적층체보다 돌출된 주위의 부분에 행해진 내인산 처리는 불소 수지 필름의 라이닝(lining)인 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성을 갖는 컨셉트 9의 발명에 의하면, 전지 적층체의 인산, 및 인산 증기에 의한 부식을 확실하게 방지할 수 있다.

컨셉트 10의 발명은 컨셉트 1 기재의 가스 매니폴드에 있어서, 상기 상하 체결판에서 전지 적층체보다 돌출된 주위의 부분에 실시된 내인산 처리는 불소 고무 시트의 라이닝인 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성을 갖는 컨셉트 10의 발명에 의하면, 전지 적층체의 인산, 및 인산 증기에 의한 부식을 확실하게 방지할 수 있다.

컨셉트 11의 발명은 컨셉트 1기재의 가스 매니폴드에 있어서, 단열성 구조물과 코너 부재와 전지 적층체의 사이에서 공간을 구성하도록, 체결 부재에 의해 체결된 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성을 갖는 컨셉트 11의 발명에 의하면, 단열성 구조물과 코너 부재와 전지 적층체의 사이에서 공간을 구성하면서, 이들을 용이하고 신속하게 체결할 수 있다.

컨셉트 12의 발명은 컨셉트 1 기재의 가스 매니폴드에 있어서, 단열성 구조물과 코너 부재와 전지 적층체의 사이에서 공간을 구성하도록 체결하는 체결 부재는 전지 적층체의 4개의 측면에 대응하는 4개의 단열성 구조물을 뒤쪽에서 감싸는 형태로 한 앵글 구조체의 단부를 4 코너의 단열성 구조물 사이에서 원판 스프링(disc spring)을 통해서 스터드(stud)로 연결하고, 체결한 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성을 갖는 컨셉트 12의 발명에 의하면, 단열성 구조물과 코너 부재와 전지 적층체의 사이에서 공간을 구성하면서, 이들을 용이하게 체결할 수 있다.

컨셉트 13의 발명은 컨셉트 1 기재의 가스 매니폴드에 있어서, 단열성 구조물과 코너 부재와 전지 적층체의 사이에서 공간을 구성하도록 체결하는 체결 부재는 전지 적층체의 측면에 대응하는 4개의 단열성 구조물 사이를 원판 스프링과 스터드로 대체하고 U-암(arm) 부착 토글 클램프(toggle clamp)로 체결한 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성을 갖는 컨셉트 13의 발명에 의하면, 단열성 구조물과 코너 부재와 전지 적층체의 사이에서 공간을 구성하면서, 이들을 용이하고 신속하게 체결할 수 있다.

컨셉트 14의 발명은 컨셉트 1 기재의 가스 매니폴드에 있어서, 단열성 구조물과 코너 부재와 전지 적층체의 사이에서 공간을 구성하도록 체결하는 체결 부재는 전지 적층체의 측면에 대응하는 4개의 단열성 구조물의 주위를 스테인리스의 얇은 밴드와 스프링 버클로 체결한 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성을 갖는 컨셉트 14의 발명에 의하면, 단열성 구조물과 코너 부재와 전지 적층체의 사이에서 공간을 구성하면서, 이들을 용이하고 신속하게 체결할 수 있다.

컨셉트 15의 발명은 컨셉트 1 기재의 가스 매니폴드에 있어서, 상기 단열성 구조물의 상하면의 중심, 및 그것에 대향하는 상하 체결판의 중심에 중심 체결 구조체를 구비한 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성을 갖는 컨셉트 15의 발명에 의하면, 단열성 구조물과 코너 부재와 전지 적층체의 사이에서 공간을 구성하면서, 단열성 구조물의 상하부 전체를 평균적으로 체결할 수 있다.

컨셉트 16의 발명은 컨셉트 1기재의 가스 매니폴드에 있어서, 하부 체결판의4 코너부에는, 단열성 구조물의 상하 위치 결정용 서포트(support)와 단열성 구조물을 상하로 이동·조정할 수 있는 잭 볼트(jack bolt)를 설치한 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성을 갖는 컨셉트 16의 발명에 의하면, 단열성 구조물을 설치할 때의 위치 결정이 간단해 질 수 있고, 작업성이 향상된다.

컨셉트 17의 발명은 컨셉트 2 기재의 가스 매니폴드에 있어서, 상기 단열 부재가 단열성 유지 프레임에 단열재를 삽입하여 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성을 갖는 컨셉트 17의 발명에 의하면, 단열재의 유지가 용이해질 뿐만 아니라, 전체의 기계적 강도가 증가되고, 적층체 측면에 균일하게 체결될 수 있으므로 실링성이 대폭적으로 향상된다.

컨셉트 18의 발명은 컨셉트 17 기재의 가스 매니폴드에 있어서, 시트 부재는 평판 형상으로 단열재 유지 프레임보다 크게 한 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성을 갖는 컨셉트 18 기재의 발명에 의하면, 간단한 구조로 절연성도 얻어지고, 작업성이 향상된다.

컨셉트 19의 발명은 컨셉트 17 기재의 가스 매니폴드에 있어서, 상기 시트 부재는 상기 단열재 유지 프레임의 형상에 맞추어 상자형으로 성형 가공된 것인 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성을 갖는 컨셉트 19의 발명에 의하면, 미리 내열·내인산성 시트를 단열재 유지 프레임의 형상에 맞추어 상자형으로 성형 가공하여 둘 수 있으므로, 시트 부재를 가스 매니폴드와는 별개의 공정으로 제작할 수 있고, 공정의 단축을 도모하는 것이 가능해진다.

컨셉트 20의 발명은 컨셉트 2의 가스 매니폴드에 있어서, 상기 시트 부재가 PTFE(4불화에틸렌) 수지 시트, PFA(4불화에틸렌·퍼플루오로알콕시에틸렌 공중합체) 수지 시트 및 FEP(4불화에틸렌·헥사프로필렌 공중합체) 수지 시트 중, 적어도 1종류 이상의 수지 시트를 사용하여 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성을 갖는 컨셉트 20의 발명에 의하면, 인산의 투과가 적고, 내열성 및 기계적 강도가 우수한 시트 부재를 형성할 수 있다.

컨셉트 21의 발명은 컨셉트 2의 가스 매니폴드에 있어서, 시트 부재의 두께가 적어도 O.lmm 이상, 1mm 이하인 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성을 갖는 컨셉트 21의 발명에 의하면, 인산의 투과량을 저감하고, 우수한 기계적 강도 및 전기적 절연성을 유지한 시트 부재를 형성할 수 있다.

컨셉트 22의 발명은 컨셉트 2의 가스 매니폴드에 있어서, 시트 부재가 상기 단열 부재에 대해서 헐겁게 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성을 갖는 컨셉트 22의 발명에 의하면, 내열·내인산성 시트로 되는 시트 부재는 단열재 유지 프레임의 전지 적층체에 대향하는 내면에 고정되지 않고, 헐겁게 설치되므로, 단열재 유지 프레임과 시트 부재의 열팽창 차를 흡수할 수 있다.

컨셉트 23의 발명은 컨셉트 2의 가스 매니폴드에 있어서, 시트 부재가 적어도 1매 이상의 수지 시트로 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성을 갖는 컨셉트 23의 발명에 의하면, 인산의 투과량을 확실하게 저감하는 동시에, 만일, 1매의 시트에 핀 홀이 발생하여 인산이 투과되어도, 나머지의 시트로 차단할 수 있기 때문에, 신뢰성이 대폭적으로 향상된다. 또한, 복수 매의 수지 시트를 사용함으로써, 시트 사이에 형성되는 공기층에 의해서, 더욱 우수한 단열 효과가 발휘된다.

컨셉트 24의 발명은 컨셉트 2의 가스 매니폴드에 있어서, 상기 코너 부재가 금속 또는 FRP로 구성되고, 그 내측은 PTFE(4불화에틸렌) 수지 시트, PFA(4불화에틸렌·퍼플루오로알콕시에틸렌 공중합체) 수지 시트 또는 FEP(4불화에틸렌·헥사프로필렌 공중합체) 수지 시트 중 어느 것으로 되는 라이너 시트로 도포되어 있는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성을 갖는 컨셉트 24의 발명에 의하면, 가스 매니폴드의 측부를 구성하는 코너 부재를 금속제 또는 FRP제로 함으로써, 코너 부재의 기계적 강도를 향상시킬 수 있으므로, 가스 매니폴드를 완전한 형상으로 유지할 수 있고, 전지 적층체로의 가스의 균일한 배류가 가능해진다. 또한, 코너 부재를 라이너 시트로 도포함으로써, 인산에 의한 코너 부재의 부식을 방지하고, 코너 부재의 기계적 강도의 열화를 방지할 수 있다.

컨셉트 25의 발명은 컨셉트 24 기재의 코너 부재에 있어서, 전지 적층체 내에 삽입된 냉각판이 출구 파이프의 인출 측에 배치되는 코너 부재는 전지 적층체의 코너를 따라 좌우 2분할 구조인 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성을 갖는 컨셉트 25의 발명에 의하면, 전지 적층체의 냉각판이 출구 파이프의 인출 측 코너에 설치될 때, 출구 파이프가 방해가 되지 않고, 설치가 용이할 뿐만 아니라, 수리시에는 출구 파이프에 접속되어 있는 배관을 떼어 내지 않고 코너 부재를 떼어 내는 일이 가능하다.

컨셉트 26의 발명은 컨셉트 13의 가스 매니폴드에 있어서, 상기 코너 부재 중, 전지 적층체 내에 삽입된 냉각판이 출구 파이프의 인출 측에 배치되는 코너 부재에는, 상기 출구 파이프의 위치에 맞추어 관통 구멍을 설치하고, 또, 상기 라이너 시트가 대응하는 위치에는, 상기 관통 구멍보다 직경이 작은 구멍을 뚫고, 상기 출구 파이프의 주위에 연질 실링재를 배치한 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성을 갖는 컨셉트 26의 발명에 의하면, 코너 부재의 소정의 위치에 설치된 관통 구멍과 출구 파이프 사이에는 연질 실링재가 배치되어 있으므로, 가스 매니폴드가 강하게 체결되면, 그 연질 실링재가 관통 구멍으로부터 돌출하고, 이것에 의해 관통 구멍과 출구 파이프 사이를 실링할 수 있다.

컨셉트 27의 발명은 컨셉트 14 기재의 가스 매니폴드에 있어서, 상기 출구 파이프의 주위에 배치된 연질 실링재는 원반형 스펀지 고무로 중앙에는, 출구 파이프보다 작은 구멍이 설치되어 있고, 원반 측면의 두께 방향의 중앙에는 원주를 따라 슬릿이 넣어지고, 그 슬릿에 라이너 시트를 끼워 넣은 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성을 갖는 컨셉트 27의 발명에 의하면, 스펀지 고무의 탄성에 의해 관통 구멍과 출구 파이프 사이를 확실하게 실링할 수 있다.

컨셉트 28의 발명은 컨셉트 13의 가스 매니폴드에 있어서, 상기 코너 부재 중, 전지 적층체 내에 삽입된 냉각판이 출구 파이프의 인출 측에 배치되는 코너 부재에는, 상기 출구 파이프의 위치에 맞추어 관통 구멍을 설치하고, 또, 상기 라이너 시트가 대응하는 위치에는, 출구 파이프 삽입용의 슬리브를 설치한 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성을 갖는 컨셉트 28의 발명에 의하면, 코너 부재의 출구 파이프용 관통 구멍으로부터의 가스 누설을 확실하게 방지할 수 있다.

컨셉트 29의 발명은 컨셉트 15 기재의 가스 매니폴드에 있어서, 상기 코너 부재 중, 전지 적층체 내에 삽입된 냉각판이 출구 파이프의 인출 측에 배치되는 코너 부재에는, 상기 출구 파이프의 위치에 맞추어 관통 구멍을 설치하고, 또, 상기 라이너 시트가 대응하는 위치에도 관통 구멍을 설치하고, 그 부분에 출구 파이프 삽입용으로 플레어(flare) 가공되어 있는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성을 갖는 컨셉트 29의 발명에 의하면, 코너 부재의 출구 파이프용 관통 구멍으로부터의 가스 누설을 확실하게 방지할 수 있다.

컨셉트 30의 발명은 컨셉트 15의 가스 매니폴드에 있어서, 상기 라이너 시트에 설치된 출구 파이프 삽입용의 슬리브와 출구 파이프 사이는 코너 부재 조립후, 출구 파이프 외주에 실링재를 설치한 후, 외측으로부터 밴드로 조임으로써 실링되어 있는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성을 갖는 컨셉트 30의 발명에 의하면, 코너 부재의 출구 파이프용 관통 구멍으로부터의 가스 누설을 확실하게 방지할 수 있다.

컨셉트 31의 발명은 컨셉트 1의 가스 매니폴드에 있어서, 상기 코너 부재에는, 전지 본체측에 실링 홈이 설치되고, 외측에는 돌출부가 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성을 갖는 컨셉트 31의 발명에 의하면, 코너 부재와 전지 본체 사이를 확실하게 실링할 수 있고, 또, 외측에 돌출부를 설치함으로써, 단열성 구조물의 어긋남을 방지할 수 있다.

컨셉트 32의 발명은 컨셉트 17의 가스 매니폴드에 있어서, 상기 단열 부재를 구성하는 단열재는 25℃에서의 열전도율이 0.08(W/m·K) 이하인 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성을 갖는 컨셉트 32의 발명에 의하면, 열전도율이 작은 단열재를 사용함으로써, 전지로부터 발생한 열을 확실하게 단열할 수 있으므로, 단열 효율이 향상된다.

컨셉트 33의 발명은 컨셉트 17의 가스 매니폴드에 있어서, 상기 단열 부재를 구성하는 단열재는 그 밀도가 0.2g/cm³이하인 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성을 갖는 컨셉트 33의 발명에 의하면, 밀도가 작은 단열재를 사용함으로써, 가스 매니폴드를 확실하게 경량화할 수 있다.

컨셉트 34의 발명은 컨셉트 17의 가스 매니폴드에 있어서, 상기 단열 부재를 구성하는 단열재는 압축 하중 200kg/m²에서 압축율이 10% 이하인 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성을 갖는 컨셉트 34의 발명에 의하면, 압축율이 작은 단열재를 사용함으로써, 연료 가스 또는 산화제 가스의 압력이 다소 변화해도 압축율의 변화가 적고, 거의 일정한 열전도율을 유지할 수 있고, 확실하게 단열 효과가 얻어진다.

컨셉트 35의 발명은 컨셉트 17의 가스 매니폴드에 있어서, 상기 단열 부재를 구성하는 단열재가 적어도 1종류 이상의 재질, 강도가 다른 복수의 단열재층으로 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성을 갖는 컨셉트 35의 발명에 의하면, 단열재를 복수의 단열재층으로 구성함으로써, 각각의 단열재의 특징을 살릴 수 있으므로, 단열성, 기계적 강도가 우수한 밸런스가 좋은 단열재를 얻을 수 있다.

컨셉트 36의 발명은 컨셉트 35의 가스 매니폴드에 있어서, 상기 단열 부재를 구성하는 단열재는 내측(전지 본체측)에 내열성이 높은 단열재, 외측은 기계적 강도가 높은 단열재로 한 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성을 갖는 컨셉트 36의 발명에 의하면, 단열성, 기계적 강도가 우수한 단열 부재를 구성할 수 있다.

컨셉트 37의 발명은 컨셉트 35의 가스 매니폴드에 있어서, 상기 단열 부재를 구성하는 단열재는, 내측(전지 본체측)은 내열성이 높은 섬유형 물질로 구성된 저밀도의 단열재이고, 외측은 기계적 강도가 우수한 저밀도의 기포 함유 구조의 단열재인 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성을 갖는 컨셉트 37의 발명에 의하면, 단열성, 기계적 강도가 우수할 뿐만이 아니라 경량화도 도모할 수 있다.

컨셉트 38의 발명은 컨셉트 17의 가스 매니폴드에 있어서, 상기 단열 부재를 구성하는 단열재의 두께가 10Omm 이하인 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성을 갖는 컨셉트 38의 발명에 의하면, 단열재의 두께를 얇게 함으로써, 종래의 가스 매니폴드에 비해 확실하게 컴팩트화할 수 있다.

컨셉트 38의 발명은 컨셉트 17의 가스 매니폴드에 있어서, 상기 단열 부재를 구성하는 단열재는 벌집(honeycomb) 구조를 갖고, 벌집 구조 내에 단열재를 충전하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성을 갖는 컨셉트 39의 발명에 의하면, 단열재의 강도를 확실하게 향상시킬 수 있으므로, 장기 신뢰성이 우수한 단열재를 제공할 수 있다.

컨셉트 40의 발명은 컨셉트 17의 가스 매니폴드에 있어서, 상기 단열 부재를 구성하는 단열재는 그 양면을 제 1 보강재에 의해 보강하고, 또 그 위을 제 2 보강재로 덮은 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성을 갖는 컨셉트 40의 발명에 의하면, 평평한 래스(plain lath), 6각형의 철망, 펀칭 메탈 등의 제 1 보강재에 의해 기계적 강도를 향상시킬 수 있다. 또한, 그 위를 글라스 클로스(glass cloth) 등의 제 2 보강재로 덮음으로써, 보강재의 에지면 등에 의해 시트 부재에 균열이 생기는 것을 방지할 수 있고, 국부적인 응력의 집중에 의한 파괴를 방지하고, 장기 신뢰성이 우수한 단열 부재를 제공할 수 있다.

컨셉트 41의 발명은 컨셉트 17의 가스 매니폴드에 있어서, 상기 단열재 유지 프레임에는, 상기 체결 부재를 유지하기 위한 유지 부재를 설치한 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성을 갖는 컨셉트 41의 발명에 의하면, 단열재 유지 프레임에 설치된 유지 부재에 의해서, 체결 부재의 어긋남을 방지할 수 있고, 장기간 안정된 체결력을 유지할 수 있다.

이하, 본 발명의 실시의 형태를 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다. 또한, 도 1 및 도 2에 도시된 종래예와 동일한 부재에는 동일한 부호를 붙여 설명은 생략한다.

먼저, 본 실시형태의 구성, 특히 가스 매니폴드의 전체적인 구성에 대해서 설명한다.

본 실시형태에 있어서는, 도 3의 사시도 및 도 4의 단면도에 도시된 바와 같이, 전지 적층체(10)의 4개의 측면과 대향하는 위치에 배설된 판 형상의 단열성 구조물(22)과, 전지 적층체(10)의 각 코너부에 배설된 단면 형상이 대략 W자형의 막대 형상의 코너 부재(23)에 의해서, 가스 매니폴드가 구성되어 있다.

또한, 상기 단열성 구조물(22)은 외측면에 배설되는 판 형상의 단열 부재(21)와, 그 단열 부재(21)의 내면(전지 본체측) 및 측면을 피복하도록 설치되는 내열·내인산성을 갖는 시트 부재(20)를 일체화하여 구성된다.

또한, 가스 매니폴드를 구성하는 단열성 구조물(22), 단열 부재(21), 시트 부재(20), 코너 부재(23)의 상세에 대해서는 후술한다.

다음에, 가스 매니폴드의 플랜지부의 구성에 대해서 설명한다. 즉, 가스 매니폴드를 구성하는 단열성 구조물(22)은 상술한 바와 같이, 전지 적층체에 대향하는 내면측의 시트 부재(20)와 외면측의 판 형상의 단열 부재(21)로 구성되고(도 3, 도 4를 참조), 또, 도 5에 도시된 바와 같이, 단열 부재(21)에는, 가스 출입용 플랜지 구멍(24)이 설치되어 있다.

또한, 상기 시트 부재(20)에 형성된 플랜지 구멍에 맞는 위치에는, 시트 부재(20)와 같은 내열·내인산성 시트로 구성된 슬리브(25)가 외부로 돌출하도록 형성되어 있다. 그리고, 시트 부재(20)에 형성된 슬리브(25)는 외면측의 단열 부재(21)에 형성된 플랜지 구멍(24)을 관통하고, 이것에 의해 가스 매니폴드의 플랜지부를 구성하고, 이 플랜지부를 통해서 외부의 배관(도시되지 않음)과 접속되도록 구성되어 있다. 또한, 상기 슬리브(25)는 시트 부재(20)에 용접 접합되어 있다.

이와 같이, 내면측의 시트 부재(20)와 슬리브(25)는 일체화되어 구성되어 있기 때문에, 구조가 간략화되고, 또, 플랜지부도 내열·내인산성 시트로 되는 슬리브로 구성되기 때문에, 인산을 확실하게 차단할 수 있고, 계외로의 인산의 누설을 방지할 수 있다.

다음에, 가스 매니폴드의 가스 실링 구조에 대해서 설명한다. 즉, 본 실시형태의 가스 매니폴드에 있어서는, 이하와 같이 하여, 가스 매니폴드 내의 기밀성을 유지하고 있다. 즉, 도 4에 도시된 바와 같이, 가스 매니폴드를 구성하는 단열성 구조물(22)과 후술하는 코너 채널(23a, 23b)과 라이너 시트(39a, 39b)로 되는 코너 부재(23)의 사이에는, 내열·내인산성을 갖는 제 1 실링재(26)가 배설되고, 또한, 코너 부재(23)와 전지 적층체(10)사이에는, 내열·내인산성에 더하여 절연성을 갖는 제 2 실링재(27)가 배설되어 있다.

이와 같이 본 실시형태에 의하면, 단열성 구조물(22)과 코너 부재(23) 사이에 제 1 실링재(26)를 배설함으로써, 단열성 구조물(22)과 코너 부재(23)의 분리가 가능해지기 때문에, 조립 작업, 점검 작업이 용이해 진다.

또한, 내열·내인산성을 갖는 실링재에 의해서, 단열성 구조물(22)과 코너 부재(23) 사이로부터 가스 누설을 확실하게 방지할 수 있다.

한편, 코너 부재(23)와 전지 적층체(10) 사이에 제 2 실링재(27)를 배설함으로써, 코너 부재(23)와 전지 적층체(10)의 분리가 가능해지기 때문에, 조립 작업, 점검 작업이 용이해 진다.

또한, 전지 적층체(10)의 코너부로부터, 연료 가스 또는 산화제 가스가 누설하는 것을 확실하게 방지할 수 있다. 또, 제 2 실링재(27)에는, 내열·내산성이라는 기능외에, 절연 기능을 갖고 있기 때문에, 가스 매니폴드를 전지 적층체(10)로부터 전기적으로 절연할 수 있다.

다음에, 가스 매니폴드의 상하 체결판의 구조에 대해서 설명한다.

즉, 도 6a는 상하 체결판(11)의 인산 처리부(29)(2점쇄선으로 둘러싼 사선부)를 나타낸다. 또, 인산 처리부(29)는 전지 적층체의 외치수보다 수 10mm 내부에까지 행해져 있다. 도 6b는 절삭부(28)의 확대도를 나타낸다. 본 실시형태의 가스 매니폴드에 사용되는 상하 체결판(11)에는, 각 코너부에 상기 코너 부재를 수용하기 위한 절삭부(28)가 형성되어 있다.

또한, 상하 체결판(11)의 전지 본체측에는, 인산에 의한 부식을 방지하기 위해서, 도 6C에 도시된 바와 같이 인산 실드(29b)가 설치되어 있다. 또한, 이 인산 실드(29b)의 재질은 상기 시트 부재(20)를 구성하는 내열·내인산성 시트와 같은재질이다.

또한, 상하 체결판(11)은 도 6a에 도시된 바와 같이, 전지 적층체로부터 돌출한 주위의 부분과 적층체 평면으로부터 내측의 래핑(lapping) 부분에 내인산 처리가 행해져 있다. 이 내인산 처리부(29b)로서는, 불소 수지 코팅, 불소 수지 필름의 라이닝, 불소 고무 시트의 라이닝 등이다.

불소 수지 코팅은 상하 체결판의 전지 적층체로부터 돌출한 주위와 래핑 부분에 불소 수지의 정전 도장(靜電塗裝) 또는 불소 수지 디스퍼젼(dispersion)을 도포한 후, 불소 수지의 융점 이상으로 가열하여 코팅한다. 이 방법에서는, 비교적 복잡한 형상에서도 확실하게 코팅할 수 있다. 이와 같이, 내인산성이 우수한 불소 수지를 전지 적층체로부터 돌출한 주위의 부분에 코팅함으로써, 전지 적층체의 인산 및 인산 증기에 의한 부식을 방지할 수 있다.

불소 수지 필름의 라이닝은 상하 체결판의 전지 적층체로부터 돌출한 주위의 부분의 형상에 맞추어 가공한다. 형상에 맞추어 가공하는 방법은 형상에 맞추어 필름을 굴곡시키거나, 절단한 필름 끼리를 가열, 융착한다.

이와 같이 하여, 내인산성이 우수한 불소 수지 필림으로 라이닝함으로써, 전지 적층체의 인산 및 인산 증기에 의한 부식을 방지할 수 있다.

필름이기 때문에 균일하고 코팅과 같이 핀홀의 우려도 없이, 내인산성이 우수하다.

불소 고무 시트의 라이닝은 불소 필름의 라이닝과 같이 상하 체결판의 전지 적층체로부터 돌출한 주위 부분의 형상에 맞추어 가공한다. 형상에 맞추어 가공하는 방법은 절단한 시트 끼리를 접착제로 접착한다. 이와 같이 하여, 내인산성이 우수한 불소 고무 시트로 라이닝함으로써, 전지 적층체의 인산 및 인산 증기에 의한 부식을 방지할 수 있다.

또한, 상기 코너 부재를 수용하기 위한 절삭부(28)에는, 도 7에 도시된 바와 같은 쿠션재(30)가 배치되어 있다. 또한, 이 쿠션재(30)는 상기 절삭부(28)와 같은 형상으로 형성되고, 그 재질은 예를 들면 불소 고무 같은 내열성 엘라스토머(elastomer)로 구성되어 있다.

또한, 도 8에 도시된 바와 같이, 상하 체결판(11)은 셀 면적보다 크게 구성되어 있고, 각 코너부에 형성된 절삭부(28)에는, 쿠션재(30)를 통해서, 코너 부재(23)가 배설되어 있다. 또한, 상술한 바와 같이, 코너 부재(23)와 전지 적층체(10)의 사이는, 제 2 실링재(27)에 의해 실링되어 있다.

또한, 코너 부재(23)의 외면측은, 상하 체결판(11)의 외면측과 동일 평면이 되도록 구성되어 있다. 그리고, 단열성 구조물(22)과 코너 부재(23) 사이, 및 단열성 구조물(22)과 상하 체결판(11)의 사이는 상기 제 1 실링재(26)에 의해 실링되어 있다.

이와 같이, 본 실시형태에 의하면, 상하 체결판(11)의 코너부의 절삭부(28)에 배치된 쿠션재(30)는 내열성 엘라스토머로 구성되어 있기 때문에, 절삭부(28)와 코너 부재(23) 사이를 실링할 뿐만 아니라, 전지 적층체(10)와 코너 부재(23)의 재질의 차이에 의한 열팽창의 차를 흡수할 수 있다.

또한, 상술한 바와 같이, 본 실시형태의 가스 매니폴드는 단열성 구조물(22)과 코너 부재(23)로 구성되지만, 이 가스 매니폴드를 조립하는 경우에, 상하 체결판(11)의 코너부가 절삭부(28)에 코너 부재(23)를 바로 세우고, 그 외측에 단열성 구조물(22)을 설치함으로써, 용이하고 고정밀도로 가스 매니폴드를 구성할 수 있다.

다음에 가스 매니폴드의 체결 구조에 대해서 설명한다. 즉, 본 실시형태의 가스 매니폴드는 단열성 구조물과 코너 부재와 전지 적층체의 사이에서 공간을 구성하도록 체결되어 있다.

도 9에 도시된 체결 구조는 전지 적층체의 측면에 대응하는 4개의 단열성 구조물 사이를 볼트로 연결하고, 원판 스프링으로 체결한 것이다.

전지 적층체(10)와 코너 부재(23)와 단열성 구조물(22)이 설치되어 있다. 단열성 구조물(22)에는, 단열성 구조물을 뒤쪽에서 감싸도록 한 앵글 구조체(53)가 설치되어 있다.

앵글 구조체(53)의 일단에는 체결용 원판 스프링(54)이, 또 한쪽의 앵글 구조체(53)의 일단에는 원판 스프링을 체결하기 위한 체결 스터드(55)를 나사로 고정하기 위한 관통 구멍이 설치되어 있고, 4개의 단열성 구조물 사이를 체결 스터드(55)로 연결하고, 원판 스프링(54)을 체결함으로써, 단열성 구조물과 코너 부재와 전지 적층체의 사이에서 공간을 구성하면서, 이들을 용이하고 균일하게 체결할 수 있다.

또한, 이 체결 기구는 전지 적층 높이 방향에 대해서 균등하게 여러 개 설치되어 있다.

도 10에 도시된 바와 같이, 체결 구조는 전지 적층체의 측면에 대응하는 4개의 단열성 구조물 사이를 U-암 부착 토글 클램프로 체결한 것이다.

전지 적층체(10)와 코너 부재(23)와 단열성 구조물(22)이 설치되어 있다. 단열성 구조물(22)에는, 단열성 구조물을 뒤쪽에서 감싸도록 한 앵글 구조체(53)가 설치되어 있다. 앵글 구조체(53)의 일단에는 U-암 부착 토글 클램프(56)가, 또 한쪽의 앵글 구조체(53)의 일단에는 U-암 부착 토글 클램프의 U-암을 거는 후크(57)가 설치되어 있고, 4개의 단열성 구조물 사이를 U-암 부착 토글 클램프의 U-암으로 연결하고, U-암 부착 토글 클램프의 클램프를 견인측에 기울게 함으로써, 단열성 구조물과 코너 부재와 전지 적층체의 사이에서 공간을 구성하면서, 이들을 용이하고 신속하게 체결할 수 있다.

또한, 실링재의 크리핑(creeping) 등에 의한 헐거움에 대해서, 일정한 체결력을 유지하기 위해 U-암 부착 토글 클램프(56)에는 스프링(58)이 설치되어 있다.

또한, 이 체결 기구는 전지 적층 높이 방향에 대해서 균등하게 여러 개 설치되어 있다.

도 11에 도시된 체결 구조는 전지 적층체의 4개의 측면에는, 코너 부재(23)와 단열성 구조물(22)이 설치되고, 또 그 주위에는, 스테인리스 박판 밴드(31a)와 스프링 버클(31b)에 의해 체결되어 있다.

또한, 단열성 구조물(22)에는, 상기 스프링 버클(31b)을 유지하기 위한 유지부재인 스토퍼(stopper; 31c)가 설치되어 있고, 이것에 의해서, 스프링 버클(31b)의 어긋남을 방지하고, 가스 매니폴드 전체를 균일하게 체결할 수 있도록 구성되어있다.

이와 같이 본 실시형태에 의하면, 간단한 구조로 가스 매니폴드 전체를 균일하게 신속히 체결할 수 있다.

도 12에 도시된 체결 구조는 전술의 체결 부재에 의한 체결 기구에 추가되고, 단열성 구조물의 상하면 중심, 및 그것에 대향하는 상하 체결판에 중심 체결 구조체를 구비한 것이다.

단열성 구조물(22)의 상하면의 중심에는, 고정용 채널(59)이 설치되고, 대향하는 상하 체결판(11) 상하 중심에는 체결 시트(clamping seat; 60)가 설치되고, 고정용 채널(59)과 체결 시트(60)는 절연 볼트(61)로 절연 와셔(insulation washer; 도시되지 않음)를 통해서 체결되어 있다.

이와 같이 본 실시형태에 의하면, 간단한 구조로, 단열성 구조물과 코너 부재와 전지 적층체의 사이에서 공간을 구성하면서, 이들 전체를 평균적으로 체결할 수 있다. 또한, 단열성 구조물을 설치할 때, 가 고정용으로서 사용되고, 작업성이 향상된다.

또, 하부 체결판(11)의 4 코너부에는, 단열성 구조물(22)의 위치 결정용 서포트(62)와, 단열성 구조물(22)을 상하로 이동할 수 있는 잭 볼트(63)가 설치되어 있다.

이와 같이 본 실시형태에 의하면, 단열성 구조물(22)의 상하의 위치 결정이 용이해질 수 있고, 단열성 구조물과 실링재 및 상하 체결판의 위치 어긋남을 방지할 수 있기 때문에, 실링의 신뢰성이 향상된다.

다음에, 단열성 구조물에 대해서 설명한다. 즉, 상술한 바와 같이, 가스 매니폴드를 구성하는 단열성 구조물(22)은 판 형상의 단열 부재(21)와 시트 부재(20)로 구성되어 있다.

이하, 단열 부재(21)와 시트 부재(20)의 각각에 대해서 상세하게 설명한다.

본 실시형태의 가스 매니폴드를 구성하는 판 형상의 단열 부재(21)는 도 13a에 도시된 바와 같이, 단열재(33)를 액자 형상의 단열재 유지 프레임(34) 내에 삽입함으로써 구성되어 있다. 또한, 이 단열재 유지 프레임(34)에는, 연료 가스 또는 산화제 가스의 내압에 견디도록 그 강도를 증가하기 위해서, 외측면에 대상판(帶狀板; 34a)이 설치되어 있다.

또한, 단열재 유지 프레임(34)의 전지 본체측에는, 대상판(34a)은 설치되어 있지 않고, 특히 보강은 되어 있지 않다. 또한, 단열재(33)는 단열재 유지 프레임(34)의 일변(도 13a에서는, 상변)을 떼어, 프레임 내에 삽입되도록 구성되어 있다.

또한, 도 13b에 도시된 바와 같이, 단열 부재(21)의 외측면에 관통판(34b)이 단열재 유지 프레임(34c)에 볼트(34d)에 의한 체결에 의해 체결되어 있다. 또한, 단열재 유지 프레임(34c)의 전지 본체측은 액자 형상으로 되어 있고, 단열재(33)는 관통판(34b)을 떼어, 프레임 내에 삽입되도록 구성되어 있다.

이와 같이, 본 실시형태의 단열 부재(21)에 의하면, 단열재의 삽입, 유지가 용이해질 뿐만 아니라, 단열 부재(21) 전체의 강도를 증가시킬 수 있고, 그 형상도 통일할 수 있으므로, 전지 적층체 측면에 균일하게 설치할 수 있고, 또 균등하게체결할 수 있다.

본 실시형태의 단열 부재(21)에 사용되는 단열재(33)로서는, 25℃에서의 열전도율이 적어도 0.08(W/m·K) 이하인 플라스틱, 세라믹, 고무, 목재 등, 금속이외의 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 즉, 열전도율이 작고, 단열 효과가 우수한 재료로서, 장기적으로 열화가 적고, 다소의 인산에도 견디는 재료가 바람직하다.

그 이유는 25℃에서의 열전도율이 0.08(W/m·K) 이상에서는, 단열재의 두께가 두꺼워지기 때문에, 종래의 가스 매니폴드와 비교해서 컴팩트하게 할 수 없기 때문이다.

이와 같이, 25℃에서의 열전도율이 0.08(W/m·K) 이하의 단열재를 사용함으로써, 확실하게 단열할 수 있고, 방열에 의한 에너지 손실을 없앨 수 있으므로, 배열 이용을 포함한 전지의 발전 효율을 향상시킬 수 있다.

단열재(33)의 밀도는 적어도 0.2g/cm³이하로, 섬유 형상, 발포체, 분말체 등의 집합체인 것이 바람직하다.

그 이유는, 단열재(33)의 밀도가 0.2g/cm³이상에서는, 단열 부재(21)가 무거워지기 때문에, 가스 매니폴드를 인력으로 조립하는 것이 불가능해 지고, 크레인 등의 기계가 필요해 지기 때문에, 작업성이 뒤떨어지기 때문이다. 특히, 현지에서의 조정 또는 수리에 있어서는, 인력에 의해 설치, 해체를 할 수 있는 것이 중요하기 때문에, 단열재(33)의 밀도는 적어도 0.2g/cm³이하인 것이 바람직하다.

단열재(33)의 강도로서는, 압축 하중 200kg/m²에서 압축율이 10%이하인 것이 바람직하다. 그 이유는, 압축 하중 200kg/m²에서 압축율이 10%이상이 되면, 실제로 가스를 흘렸을 때에, 단열재가 크게 변형하여 파괴되거나, 전지로의 적절한 배류가 곤란해지기 때문이다. 또, 단열재가 압축되어, 열전도율이 커지고, 소정의 단열 효과가 얻어지지 않고, 결과적으로 방열에 의한 에너지 손실을 크게 하고, 배열 이용을 포함한 전지의 발전 효율을 저하시키는 것이 되기 때문이다.

본 실시형태의 가스 매니폴드를 구성하는 단열 부재(21)에 사용되는 단열재(33)는 적어도 1종류 이상의 재질, 강도가 다른 1 또는 복수의 단열재층으로 구성되어 있다.

즉, 도 14에 도시된 바와 같이, 단열재 유지 프레임(34) 내에 삽입되는 단열재(33)를 2종류의 단열재로 구성하고, 이들을 층 형상으로 겹쳐 사용해도 좋다. 예를 들면, 전지 본체측, 즉 내측에 배치되는 제 1 단열재(33a)는 전지 적층체의 가스 온도 200℃ 정도에 견디는 내열성이 우수한 단열재이다. 한편, 외측에 배치되는 제 2 단열재(33b)는 기계적 강도가 우수한 단열재를 배치하는 것을 생각할 수 있다.

이것에 대해서, 내열성이 우수한 단열재(33a)만을 사용한 경우, 이들은 일반적으로 섬유 형상 무기물질로 구성되어 있기 때문에, 내열 성능에는 만족해도 기계적 강도는 뒤떨어진다. 그 때문에 실제로 가스를 흘리기 위한 내압 상승에 대해서, 기계적 강도가 약하기 때문에 큰 변형이 생긴다. 변형을 막기 위해서는, 단열재의 두께를 두껍게 할 필요가 있고, 현실적이지 않다.

한편, 기계적 강도가 우수한 단열재(33b)만을 사용한 경우는, 일반적으로 내열 성능이 뒤떨어지기 때문에, 내면측이 고온의 가스에 의해 열 열화하고, 장기적인 신뢰성이 뒤떨어진다.

또한, 내열성이 우수한 제 1 단열재(33a), 기계적 강도가 우수한 제 2 단열재(33b) 모두 열전도율이 적은 단열재가 바람직한 것은 말할 것도 없다.

따라서, 본 실시형태와 같이, 내열성이 우수한 단열재(33a)와 기계적 강도가 우수한 단열재(33b)를 적당히 조합하여 사용함으로써, 내열성 및 기계적 강도가 우수한 단열재를 얻을 수 있다.

또한, 재질, 강도가 다른 복수의 단열재층의 층간에는, 두께 수십 미크론의 알루미늄박을 넣는 것이 바람직하다. 이것에 의해 단열 효과는 더욱 증가한다.

이들의, 전지 본체측, 즉 내측에 배치되는 내열성이 우수한 제 1 단열재로서는, 록 울(rock wool), 글라스 울(glass wool) 등의 내열성이 높은 섬유 형상 물질로 구성된 단열재가 바람직하다. 내열성이 우수할 뿐만 아니라, 밀도가 낮기 때문에 경량화를 도모할 수 있는 이점이 있다.

외측에 배치되는 기계적 강도가 우수한 제 2 단열재로서는, 페놀 발포체 등의 기계적 강도가 우수한 발포체 함유 구조의 단열재가 바람직하다.

기계적 강도가 우수하고, 단열 효과가 얻어지고, 또한 밀도가 낮기 때문에 경량화도 가능하다.

단열재(33)의 두께는 적어도 100mm 이하가 바람직하다. 1OOmm 이상에서는,단열 성능은 우수하지만, 그 만큼 스페이스가 커지기 때문에, 전지 패키지 전체가 커지고, 설치 면적이 증가되어 버리기 때문이다. 또한, 단열재의 두께에 비례하여, 비용, 중량 모두 증가하기 때문이다.

도 15a, 도 15b에 도시된 바와 같이, 단열재는 벌집 구조물(46)로 하고, 벌집 구조내에 섬유 형상, 발포체, 분말체 등의 단열재를 충전하여 구성해도 좋다.

이와 같이, 단열재를 벌집 구조물로 함으로써, 단열재의 기계적 강도를 확실하게 향상시킬 수 있으므로, 단열재 유지 프레임(34)의 보강용 대상판(34a)의 면적을 작게 하거나, 또는 보강용 대상판 자체를 불필요하게 할 수 있고, 단열 부재(21)를 경량화할 수 있다.

또한, 도 16a, 도 16b에 도시된 바와 같이, 단열재(33)는 그 양면 또는 한 면을 평평한 래스, 6각형의 철망, 펀칭 메탈 등의 보강재(47)로 보강하고, 또 그 위을 글라스 클로스(48)로 덮어도 좋다.

이와 같이, 단열재를 평평한 래스, 6각형의 철망, 펀칭 메탈 등의 보강재(47)로 보강함으로써, 단열재의 강도를 증가시킬 수 있고, 또한 그 위를 글라스 클로스(48)로 덮음으로써, 취급이 용이해지므로, 단열재 유지 프레임(34)으로의 삽입도 매끄럽게 행할 수 있다. 또한, 단열재(33)와 글라스 클로스(48) 사이에 공기층이 가능하므로, 단열 효과도 더욱 향상되고, 실제로 가스를 흘려도 변형되지 않기 때문에, 가스를 균일하게 배류할 수 있다.

계속하여, 가스 매니폴드를 구성하는 단열성 구조물(22)의 구성요소인 시트 부재(20)에 대해서 설명한다.

본 실시형태의 가스 매니폴드를 구성하는 시트 부재(20a)는 도 17a에 도시된 바와 같이 얇은 평판 형상으로 단열재 유지 프레임보다 크게 하고 있다. 이 얇은 평판 형상의 시트 부재에 플랜지용 슬리브(25) 부분을 접합하고, 단열재 유지 프레임(34)의 주변 전체 또는 일부에 양면 테이프(도시되지 않음)를 부착하고, 그 위에 시트 부재(20a)를 부착한다. 시트 부재(20)를 부착한 단열재 유지 프레임(34)은 전지 적층체의 측면과 대향하는 위치에 배설된다(도 13b에도 도시됨).

시트 부재(20a)의 크기는 단열재 유지 프레임보다 적어도 20mm 이상 큰 것이 바람직하다. 20mm 이상이면, 전지 적층체에 대해서 절연성을 유지할 수 있다.

이와 같이 본 실시형태에 의하면, 간단한 구조로 절연성도 얻어지고, 현저하게 작업성이 향상된다.

본 실시형태의 다른 가스 매니폴드를 구성하는 시트 부재(20b)는 도 17b에 도시된 바와 같이, 상기 단열재 유지 프레임(34)의 형상에 맞추어 상자형으로 성형 가공된 것이다. 성형하는 방법은 여러 가지가 있지만, 4 코너와 플랜지용 슬리브(25) 부분을 각각 접합함으로써, 소정의 형상으로 성형하는 방법이 가장 간단하다.

시트 부재(20b)의 4 코너의 접합부(35)는 그 접합부에서 내열·내인산성 시트를 서로 얽히게 하고, 임펄스 히터 등으로 가열, 용착하여 접합한다.

또한, 플랜지용 슬리브(25)도 환형 또는 반원형 임펄스 히터로 마찬가지로 접합할 수 있다.

기타의 방법으로서는, 블로우 성형(blow molding)도 가능하다. 이 방법은 미리 단열재 유지 프레임 형상의 금형을 준비하고, 그 위에 내열·내인산성 시트를 놓고, 시트의 용융 온도 부근까지 가열하고, 시트 상에서 공기를 블로잉하여 시트를 단열재 유지 프레임의 형상으로 하는 방법이다. 그러나, 이 방법에서는 가열에 큰 노(furnace)가 필요하고 코너부의 시트의 두께가 얇아진다는 결점이 있다.

이와 같이 하여 상자형으로 성형 가공된 시트 부재(20b)를 상기 단열 부재(21)에 전지 본체측으로부터 끼워 넣고, 양자를 일체화함으로써 단열성 구조물(22)이 얻어진다(도 5 참조).

이와 같이, 본 실시형태에 의하면, 미리 내열·내인산성 시트를 단열재 유지 프레임(34)의 형상에 맞추어 상자형으로 성형 가공하여 둘 수 있으므로, 그만큼 작업기간의 단축을 도모할 수 있고, 조립 작업도 용이해진다. 또한, 단열 부재(21)의 전지 본체측을 시트 부재(20b)에 의해 완전하게 피복할 수 있으므로, 인산의 외부로의 누설을 방지할 수 있다.

본 실시형태의 시트 부재(20)로서는, 인산의 투과성이 적은 쪽이 두께를 얇게 할 수 있고, 또한 경제적이다. 그런데, 본 발명자 등은 시트 부재(20)를 구성하는데 적합한 내인산성 수지 시트를 선정하기 위해서, PFA(4불화에틸렌·퍼플루오로알콕시에틸렌 공중합) 수지 시트, PTFE(4불화에틸렌) 수지 시트 및 FEP(4불화에틸렌·6불화프로필렌 공중합) 수지 시트에 대해서 인산의 투과성을 검토했다.

그 결과는, 도 18에 도시된 바와 같이, 인산의 투과성이 낮은 PFA 수지 시트 또는 FEP 수지 시트를, 시트 부재(20)를 구성하는 내열·내인산성 시트로서 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 도 18에 도시된 바와 같이, PFA 수지 시트와 FEP 수지 시트는 투과성의 점에서는 동등하지만, 내열 온도와 기계적 강도의 면에서는 PFA 수지 시트의 쪽이 우수하기 때문에, PFA 수지 시트를 사용하는 것이 보다 바람직하다. 또한, PTFE 수지 시트는 PFA 수지 시트보다 투과성의 점에서 뒤떨어지지만, 이 시트를 사용하여 시트 부재(20)를 구성하는 것도 가능하다.

시트 부재(20)를 구성하는 내인산성 수지 시트의 두께는, 그 시트 부재와 접하고 있는 단열재의 열화 및 외부로의 인산의 누설로 이어지고, 주변의 기기를 부식하기 때문에, 중요한 포인트이다. 그런데, 본 발명자 등은 200℃에서의 내인산수지 시트의 두께와 인산의 투과량의 관계를 조사했다.

본 실험은 도 19에 도시된 바와 같은 장치를 사용하여 시행했다. 즉, 시트 부재(20)를 구성하는 내인산성 수지 시트와 인산 흡수재(36)를 중합하고, 이들을 측정 셀(37)에 의해 끼워 지지하고, 이 측정 셀(37)의 시트 부재(20) 측에 인산을 넣고, 또 전체를 밀폐 용기(38)에 넣어 밀폐한 후, 건조기 중에서 200℃로 가열했다. 그리고, 15000 시간 가열한 후, 인산 흡수재(36)를 꺼내고, 흡수재 표면에 반응한 인산량을 분석하여 투과 인산량을 구했다.

또한, 본 실험에 있어서는, 시트 부재(20)를 구성하는 내인산성 수지 시트로서 PFA 수지 시트를 사용하고, 그 두께는 0.025 ~ 1.5mm로 변화시켰다. 또, 인산은 농도가 95%의 것을 사용하고, 인산 흡수재로서 두께 1mm의 연강을 사용했다. 단, 이 인산 흡수재가 투과된 인산을 100% 가깝게 포착할 수 있는 것은 이미 확인되어 있다.

도 20은 본 실험 결과를 나타낸 것이다. 즉, 시트 부재(20)를 구성하는 내인산성 수지 시트의 두께의 증가에 반비례하여, 인산 투과량은 감소하는 것으로 판명되었다. 특히, 내인산성 수지 시트의 두께가 O.1Omm 이하에서는, 인산 투과량이 급격하게 많아지고, 한편, 1mm 이상에서는 인산 투과량에 현저한 차가 없는 것이 분명해졌다.

그러나, 내열·내인산성 시트의 두께가 1mm 이상에서는, 시트 부재 전체의 중량이 증가되어 버리므로, 외면측에 배설되는 단열 부재(21)에 고정하는 것이 곤란해지고, 재료비도 거의 중량에 비례하여 높아지므로, 비용이 높아진다. 또한, 수지 시트를 가열, 용착하는 경우, 두께가 1mm 이상에서는 열전도가 나쁘고, 시트의 두께 방향으로 온도 분포가 발생되고, 전체를 균일하게 용융시키는 것이 곤란해진다. 즉, 열원에 가까운 부분에서는 수지 시트의 분해가 시작되고, 열원으로부터 먼 부분에서는 용융하지 않고, 시트의 용착이 불완전해지기 때문에, 접합 부분의 기계적 강도가 약하게 되고, 파손하거나, 그 부분으로부터 가스가 누설한다는 문제가 발생한다.

또한, 수지 시트의 연료 전지에 대한 또 하나의 중요한 기능인 전지 본체와 가스 매니폴드를 구성하는 단열 부재(22) 간의 전기 절연성은 필름의 두께에 비례하여 높아진다. 예를 들면, 연료 전지의 경우, 적어도 정격전압의 10배의 절연 파괴 전압이 필요로 하면 2천 볼트이다. 내인산성 수지 시트로서 PFA 수지 시트를 사용한 경우, 두께 1mm에서 절연 파괴 전압은 2만 볼트이므로, 필름의 두께가 적어도 O.lmm 이상 필요하게 된다.

따라서, 단열 부재(21)를 피복하는 시트 부재(20)의 두께를 O.1 ~ 1mm로 함으로써, 내인산 침투성이 우수하고, 전기 절연성도 확실한, 신뢰성이 높은 가스 매니폴드를 제공할 수 있다.

시트 부재(20)를 단열 부재(21)에 설치하기에는, 도 21a, 도 21b에 도시된 바와 같이, 단열 부재(21)에 밀착시켜 고정하는 것이 아니라, 양자의 열팽창 차를 충분히 흡수할 수 있도록, 시트 부재(20)를 약간 크게 형성하여, 단열 부재(21)에 헐겁게 설치한다. 즉, 미리 단열 부재(21)와 같은 형상으로 형성된 시트 부재(20)를, 전지 본체측으로부터 단열 부재(21)를 덮도록 설치한다. 이와 같이 하여 단열성 구조물(22)을 형성하고, 코너 부재(23)와 함께 전지 본체 측면에 설치함으로써, 가스 매니폴드를 구성한다.

이와 같이, 시트 부재(20)를 단열 부재(21)에 설치하는 것은 헐거운 설치이므로, 기동·정지시나 부하 변동에서의 온도 변화에 수반하는 시트의 열팽창에 대응하는 것이 가능하다. 또, 단열 부재(21)를 덮기만 하므로, 시트 부재(20)의 설치, 해체가 용이하다. 또, 시트 부재(20)를 개별 공정으로 제작할 수 있으므로, 작업기간의 단축을 도모할 수도 있다.

본 실시형태의 가스 매니폴드를 구성하는 내면측의 시트 부재(20)는 적어도 1매 이상, 복수매 사용할 수 있는 것은 말할 것도 없다. 즉, 시트 부재(20)를 복수매 사용함으로써, 인산의 투과량을 확실하게 저감할 수 있는 동시에, 만일, 1매의 시트 부재에 핀홀 또는 균열 등이 발생해도, 다른 시트 부재에 의해 인산의 침투를 방지할 수 있으므로, 신뢰성이 향상된다.

또한, 복수매의 시트 부재를 사용한 경우, 시트 부재 사이에 형성되는 공간층에 의해 단열 효과도 얻어지고, 외측에 배설되는 단열 부재의 두께를 저감하는 것도 가능하다.

다음에, 가스 매니폴드를 구성하는 코너 부재(23)에 대해서 설명한다.

본 실시형태의 가스 매니폴드를 구성하는 코너 부재(23)는 금속제 또는 FRP제로서 도 22a, 도 22b에 도시된 바와 같이, 그 내측(전지 본체측)은 라이너 시트(39a)로 라이닝되어 있다.

즉, 도 22a는 냉각판의 출구 파이프가 인출되지 않는 측에 배설되는 코너 채널(23a)을 나타낸 것으로, 금속제 또는 FRP제의 코너 채널(23a)의 내측에는, 라이너 시트(39a)가 설치되어 있다.

또한, 도 22b는, 냉각판의 출구 파이프가 인출되는 측에 배설되는 코너 채널(23b)을 나타낸 것으로, 금속제 또는 FRP제의 코너 채널(23b)에는, 파이프의 인출 위치에 복수개의 관통 구멍(51)이 설치되어 있다. 이 코너 채널(23b)의 내측에는, 마찬가지로 파이프의 인출 위치에 상기 관통 구멍보다 작은 구멍(52)을 연 라이너 시트(39b)가 배치되어 있다.

또한, 이들의 라이너 시트(39a, 39b)는 PFA, PTFE, FEP 수지 시트 등의 내열·내인산성 수지 시트로 구성되어 있다. 또한, 미리 코너 채널(23a, 23b)의 내측의 형상에 맞추어 굴곡시킨 것을 코너 채널(23a, 23b)의 내측에 헐겁게 설치하도록 구성되어 있다.

도 22c, 도 22d에 도시된 코너 부재의 구조는 전지 적층체 내에 삽입된 냉각판이 출구 파이프의 인출 측에 배치되는 코너 부재는 전지 적층체의 코너를 따라 좌우 2분할 구조로 한 것이다.

먼저, 파이프의 인출 위치에 관통 구멍을 연 라이너 시트(도시되지 않음)를, 출구 파이프를 관통시켜 전지 적층체의 코너에 배치하고, 관통 구멍과 출구 파이프 사이에 실링재를 채워 실링한다. 다음에, 출구 파이프 인출 부분을 반분할 파이프형으로 가공한 좌우 2분할 구조의 코너 부재(23c)를, 좌우로부터 파이프를 사이에 끼우도록 설치하고, 연결용 볼트(64)로 좌우의 반분할 구조의 코너 부재(23c)를 연결한다.

도 22e, 도 22f에 도시된 코너 부재(23d)는 마찬가지로 라이너 시트(도시도지 않음)를 출구 파이프에 관통시켜 전지 적층체의 코너에 배치하고, 출구 파이프 인출 부분을 도려낸 좌우 2분할 구조의 코너 부재(23d)를 좌우로부터 파이프를 사이에 끼우도록 설치하고, 연결용 L형(65)으로 연결한다.

이와 같이 본 실시형태에 의하면, 코너 부재를 설치할 때에, 출구 파이프가 방해가 되지 않고 간단하게 설치할 수 있다. 또한, 2분할 구조이므로 중량도 1/2로 되고, 작업성도 현저하게 향상된다.

또한 수리시에는, 출구 파이프에 접속되어 있는 배관을 떼어내지 않고 코너 부재를 뗄 수 있고, 수리 시간을 대폭적으로 단축할 수 있다.

또, 도 22g에 도시된 제 2 실링재(27)는 액자형으로 미리 코너 부재에 밀착시키고 있다. 형상이 액자형으로 단순한 형상이기 때문에 실링을 하기 쉽고, 가스 누설도 적다. 또, 액자형의 이음매가 없는 실링재가 바람직하다. 또 미리 코너 부재에 실링재를 밀착시키는 방식으로 했으므로, 실링재의 장착이 용이해진다.

코너 부재에 밀착시키는 방법으로서는, 예를 들면 코너 부재의 라이너 시트에, 액자형으로 양면 테이프를 부착하고, 그 위에 실링재를 압착하여, 밀착시킨다.

밀착시킨 상태로 코너 부재를 4개 모서리부의 코너에 설치할 수 있으므로 작업성도 좋다.

도 23a, 도 23b는 냉각판의 출구 파이프가 인출되는 측에 배설되는 코너 채널(23b) 부분의 구조를 더욱 자세하게 나타낸 것이다.

즉, 도 23a에 도시된 바와 같이, 코너 부재(23b)에는, 출구 파이프(50)의 인출 위치에 관통 구멍(51)이 설치되어 있고, 또, 라이너 시트(39b)에도 같은 파이프의 인출 위치에, 상기 관통 구멍(51)보다 작은 관통 구멍(52)이 열려져 있다. 그리고, 이들의 관통 구멍(51, 52)에 삽입된 출구 파이프(50)의 주위에는, 연질 실링재(40)가 배치되어 있다. 또한, 이 연질 실링재(40)는 발포성의 고무 실링재이다.

이와 같이, 출구 파이프(50)의 주위에 연질 실링재(40)를 배치하고, 다음에 라이너 시트(39b), 코너 부재(23b)를 배치하고, 최후에 단열성 구조물(22)을 설치하고, 주위를 스프링 버클로 체결한다. 이것에 의해 라이너 시트(39b), 코너 부재(23b)는 전지 본체측에 압착되어 고정된다.

한편, 출구 파이프 주변에 배치된 연질 실링재(40)에 의해, 전지 본체측에 압착된 라이너 시트(39b), 코너 부재(23b)의 관통 구멍과 출구 파이프의 간극을 실링할 수 있다.

또한, 연질 실링재(40)로서 발포성의 고무 실링재를 사용한 경우는 전지의온도상승에 의해 발포성의 고무 실링재가 반응하여, 가스의 발생에 의해 발포하고, 또 코너 부재(23b)의 관통 구멍과 출구 파이프의 간극을 실링할 수 있다. 또, 동시에 가류(加硫)되는 것에 의해 고무 실링재의 강도가 증가함으로써, 실링성도 보다 강고해진다.

도 23c에 도시된 연질 실링재의 구조는 불소계의 원반형 스펀지 고무(66)의 중앙에는, 출구 파이프보다 작은 구멍이 설치되어 있고, 원반 측면의 두께 방향의 중앙에는 원주를 따라 슬릿이 들어 있다.

원반형 스펀지 고무(66)를 출구 파이프(50)의 소정의 위치까지 끼워 넣고, 다음에 라이너 시트(39b)를 출구 파이프(50)에 통과시키고, 라이너 시트(39b)를 원반형 스펀지 고무(66)의 원주를 따라 넣어진 슬릿에 사이에 끼운다.

이와 같이 본 실시형태에 의하면, 스펀지 고무의 탄성에 의해서, 출구 파이프(50)와 원반형 스펀지 고무(66) 사이의 실링, 원반형 스펀지 고무(66)와 라이너 시트(39) 사이를 확실하게 실링하고, 전지 적층체의 코너로부터의 가스 누설을 방지할 수 있다.

도 23d에 도시된 원반형 스펀지 고무(66)의 내경은 출구 파이프(50)의 단부가 접속용 니플(50a)이 설치되어 두껍게 된 것만큼 파이프 직경보다 크게 되어 있다. 그 때문에 실링부의 위치에 미리 불소계 발포 고무(67)가 감겨져 있다.

이와 같이 본 실시형태에 의하면, 니플을 통과시키기 위해 스펀지 고무를 떼어낼 필요가 없기 때문에, 스펀지 고무의 탄성과 불소계 발포 고무(67)에 의해서, 출구 파이프(50)와 원반형 스펀지 고무(66) 사이의 실링부로부터의 가스 누설을 방지할 수 있다.

이와 같이, 본 실시형태에 의하면, 비교적 간단한 구조로, 코너 부재(23b)의 관통 구멍(51)과 출구 파이프(50)의 간극을 확실하게 실링할 수 있다.

다음에, 코너 부재(23b)의 관통 구멍(51)과 출구 파이프(50)의 간극을 확실하게 실링하는 다른 방법에 대해서 설명한다.

도 24a, 도 24b는 냉각판의 출구 파이프가 인출되는 코너에 배치되는 코너 부재(23b)의 라이너 시트(39c)를 나타낸 것이다. 즉, 파이프가 인출되는 위치에 관통 구멍을 설치하고, 그 부분에 파이프용 슬리브(41)가 접합되어 있다. 또한, 이 파이프용 슬리브의 용착, 접합은 원형 또는 반원형 임펄스 히터를 사용하여 행해진다.

도 24d를 참조하여, 출구 파이프(50)에 파이프용 플레어 가공을 시행한 라이너 시트(39c)를 설치하는 방법에 대해서 설명한다. 즉, 코너 부재(23b)에는, 파이프의 인출 위치에 관통 구멍(51)이 설치되어 있고, 라이너 시트(39c)에도 마찬가지의 파이프가 인출 위치에 플레어 가공이 시행되어 있다. 그리고, 출구 파이프(50)를 플레어 가공부(68)에 삽입 통과시키고, 출구 파이프(50)의 외주에 실링재(42)를 배치하고, 코너 채널(23b)을 압착하여 실링한다.

라이너 시트(39c)의 파이프의 인출 위치에 플레어 가공하는 방법은 라이너 시트(39c)의 파이프의 인출 위치에 파이프보다 작은 구멍을 뚫고, 원추형의 철부(凸)형에 끼워 넣고, 위로부터 원추형으로 홈을 넣은 요부(凹)형을 싣고, 양방의 형을 가열한다.

서서히 가열함으로써 라이너 시트(9c)의 구멍의 부근의 시트가 신장되고, 플레어 가공할 수 있다.

이와 같이 본 실시형태에 의하면, 시트끼리의 융착 등의 수단을 사용하지 않고, 플레어 부분을 작성할 수 있고, 코너 부재(23b)와 관통 구멍(51)과 출구 파이프(50)의 간극의, 보다 신뢰성이 높은 실링이 가능하다.

또, 도 25a, 도 25b를 참조하여, 출구 파이프(50)에 파이프용 슬리브(41)를 설치한 라이너 시트(39c)를 부착하는 방법에 대해서 설명한다. 즉, 코너 부재(23b)에는, 파이프의 인출 위치에 관통 구멍(51)이 설치되어 있고, 라이너 시트(39b)에도 같은 파이프의 인출 위치에 파이프용 슬리브(41)가 접합되어 있다. 그리고, 출구 파이프(50)를 파이프용 슬리브(41)에 삽입하고, 출구 파이프(50)의 외주에 실링재(42)를 배치하고, 또 그 부분을 밴드(43)로 조여 실링한다.

이와 같이, 본 실시형태에 의하면, 코너 부재(23b)의 관통 구멍(5l)과 출구 파이프(50)의 간극을 확실하게 실링할 수 있으므로, 전지 적층체의 코너부로부터의 가스 누설을 대폭적으로 저감할 수 있다.

도 26은 코너 부재의 변형예를 나타낸 것이다. 또한, 도 26에 있어서는, 라이너 시트가 도시되어 있지 않다. 즉, 코너 부재(23)의 전지 본체측에는, 단면 요부형의 실링 홈(44)이 형성되고, 또, 코너 부재(23)의 외측의 단열성 구조물(22)과의 접합부에는, 외부로 돌출하는 돌출부(45)가 설치되어 있다.

이와 같이 구성함으로써, 전지 적층체(10)와 코너 부재(23) 사이에 설치되는 상기 제 2 실링재(27)는 코너 부재(23)의 실링 홈(44)에 의해 인도되기 때문에, 이제 2 실링재(27)의 위치가 어긋나는 것을 방지할 수 있고, 전지 적층체(10)와 코너 부재(23) 사이를 확실하게 실링할 수 있다.

또, 코너 부재(23)의 외측에 형성된 돌출부(45)는 단열성 구조물(22)을 스프링 버클로 체결했을 때에, 스토퍼로 되어 단열성 구조물(22)의 이동을 방지할 수 있으므로, 단열성 구조물(22)을 균일하게 체결할 수 있다.

이하, 본 발명의 가스 매니폴드의 보다 구체적인 예에 대해서 설명한다. 전지 적층체에 대향하는 내면측의 시트 부재로서, PFA 수지 시트(두께 0.5mm)를 사용하고, 미리 단열 부재와 같은 형상의 상자형으로 성형했다. 성형은 네 모서리와 배관 플랜지용 슬리브를 임펄스 히터에 의해 용융, 접합했다.

또한, 외면측의 단열 부재(배관용 구멍이 있음)는 두께 75mm의 록 울(rock wool)을 사용하고, 평면을 평평한 래스로 보강하고, 그 위를 글라스 클로스로 덮은 후, 단열재 유지 프레임에 삽입했다. 또한, 이 록 울 단열재의 열전도율은 0.044W/mK, 밀도는 0.15g/cm³, 압축 하중 200kg/m²에서의 압축율은 2% 이하이다.

다음에, 상자형으로 성형한 시트 부재를 단열 부재를 피복하도록 끼워 넣고, 단열성 구조물을 형성했다.

이 단열성 구조물을 구성하는 시트 부재와 코너 부재가 접하는 부분에는, 불소 고무로 되는 액자형의 내열·내인산성 실링재(제 1 실링재)가 양면 테이프로 부착되어 있다.

한편, 하부 체결판 상에는, 이미, 전지가 적층되어 있고, 하부 체결판의 코너부의 절삭부에 절삭부와 동형상의 쿠션재(불소 고무)를 배치한 후, 네 모서리의코너부에 철제의 코너 부재를 세우고, 상부 체결판을 마찬가지로 배치한다.

또한, 파이프의 인출 측의 코너 부재에는, 파이프의 인출 위치에 관통 구멍이 설치되어 있고, 라이너 시트(두께 0.5mm, PFA 수지 시트)에도, 마찬가지로 파이프의 인출 위치에 코너 부재의 관통 구멍보다 작은 구멍이 뚫려 있다. 그리고, 대향하는 출구 파이프의 주위에는, 연질 실링재(발포성 불소 고무)가 배치되어 있다. 또한, 코너 부재의 실링 홈에는, 내열·내인산성, 절연성 실링재인 0-링(불소 고무를 불소 수지 테이프 또는 연질 불소 수지 시트로 피복한 것)이 끼워져 있다.

다음에, 단열성 구조물을 코너 부재에 계합시킨다. 즉, 단열성 구조물의 최하부를 하부 체결판에 부착된 위치 고정용의 스토퍼 상에 싣고, 좌우는 코너 부재에 설치된 돌출부에서 위치 결정을 했다. 단열성 구조물의 위치 결정이 끝난 후, 주위를 스프링 버클로 체결했다.

본 실시예의 가스 매니폴드는 경량화되어 있기 때문에, 그 설치 작업은 전부 인력으로 할 수 있고, 조립 시간도 종래의 30%로 감소했다.

또, 가스 매니폴드의 구성부재는 내열·내인산성 시트와 염가의 단열재와 철제의 단열재 유지 프레임과 철제의 코너 부재이기 때문에, 비용을 대폭적으로 저감할 수 있고, 종래의 가스 매니폴드와 보온재를 합계한 금액의 거의 1/2이었다.

또한, 가스 매니폴드를 포함하는 전지 본체의 설치 면적도, 종래의 보온재에 상당하는 부분이 없어지기 때문에 약 20% 삭감할 수 있었다.

이와 같이 하여 조립한 본 발명의 가스 매니폴드를 사용한 연료 전지를, 실제로 온도 상승시키고, 가스를 흘려 200℃에서 1000시간 연속 운전을 했다.

그 결과는, 가스 누설은 종래에 비해서 1.10 이하이고, 또 단열 효과도 종래의 철제 가스 매니폴드를 단열재로 덮은 방식과 동등 이상이었다.

특히, 종래 누설량이 많았던 코너부로부터의 가스 누설은 전혀 없었다. 이것은, 코너 부재에 한 장의 라이너 시트를 부착하고 있기 때문에, 코너부로부터의 가스 누설을 방지할 수 있었기 때문에 라고 생각된다.

또한, 코너부에서 가스 누설이 생각되는 것은 4개의 코너 중 냉각판의 파이프의 인출측 코너뿐이다. 그러나, 본 실시예에 있어서는, 이 코너도 출구 파이프 주위에 연질 실링재를 배치하고, 코너 부재와 라이너 시트로 압착하여 실링하고 있다. 또한, 발포성의 고무 실링재를 사용했기 때문에, 전지의 온도 상승에 의해 발포성의 고무 실링재가 반응하여, 가스의 발생에 의해 발포하고, 코너 부재의 관통 구멍과 출구 파이프의 간극을 더욱 강고하게 실링할 수 있다. 또한, 동시에 가류(加硫)됨으로써 고무 실링재의 강도가 증가하여, 실링성도 보다 확실해지기 때문에, 누설이 없었던 것으로 추측된다.

상기와 같은 구성을 갖는 본 실시형태의 가스 매니폴드는 이하 같은 작용·효과를 가진다. 즉, 가스 매니폴드를 구성하는 단열성 구조물(22)의 구성요소인 시트 부재(20)는 핀홀이 없는, 균일한 시트를 사용하기 때문에, 전지로부터 배출되는 가스 중의 인산을 확실하게 차단하고, 계외(系外)로의 인산의 누설을 방지할 수 있다.

또한, 단열성 구조물(22)의 구성요소인 단열 부재(21)는 200℃ 정도의 고온에서 운전되는 전지로부터의 방열을 방지하는 동시에, 시트 부재(20)를 유지하고일체화하여, 가스 매니폴드의 벽면부로 되는 단열성 구조물(22)을 구성한다.

또한, 코너 부재(23)는 가스 매니폴드의 측면부를 구성하고, 시트 부재(20)와 단열 부재(21)로 구성되는 단열성 구조물(22)을 안정한 형상으로 유지하고, 전지 적층체로의 가스의 배류를 균일화하는 기능을 가진다.

이와 같이, 본 실시형태에 의하면, 종래와 같이 무거운 금속제 가스 매니폴드나, 고가의 불소계 수지 코팅을 사용하지 않기 때문에, 가스 매니폴드의 경량화, 저비용화를 실현할 수 있다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 중량이 가볍고, 비용이 싼 가스 매니폴드를 제공할 수 있다. 또한, 구조가 간단하고 용이하게 점검 가능한 가스 매니폴드를 제공할 수 있다. 또한, 전지 적층체의 코너부로부터의 가스 누설을 저감할 수 있다. 또한, 전지 적층체의 설치 면적을 삭감하는 것을 가능하게 한 가스 매니폴드를 제공할 수 있다.

Claims (33)

1. 전지 적층체의 측면에 가스 매니폴드를 배설한 연료 전지에 있어서,

   상기 가스 매니폴드는 각각,

   상기 전지 적층체의 측면에 대향하여 배설되는 판 형상의 단열성 구조물과,

   상기 전지 적층체의 코너부에 배설되는 코너 부재를 구비하고,

   상기 단열성 구조물은 상기 전지 적층체에 대향하는 내면측 시트 부재와 외면측 단열 부재를 구비하며,

   상기 단열 부재는 벌집 구조체를 갖고,

   상기 벌집 구조체는 단열재로 충전되어 있는 연료 전지.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서, 상기 시트 부재 및 상기 단열 부재는 가스 출입구용 플랜지 구멍을 갖고, 상기 시트 부재는 원통형 슬리브(sleeve)를 갖는 연료 전지.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 단열성 구조물과 상기 코너 부재의 사이에 배치된 제 1 실링재(sealing member)와, 상기 코너 부재와 상기 전지 적층체 사이에 배치된 제 2 실링재를 더 구비하는 연료 전지.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 제 2 실링재는 미리 상기 코너 부재에 밀착된 액자형상의 부재인 연료 전지.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 전지 적층체를 체결하는 상부 체결판(clamping plate) 및 하부 체결판을 더 구비하며, 상기 상부 및 하부 체결판의 평면 치수는 상기 전지 적층체의 평면 치수보다 크고, 상기 상부 및 하부 체결판의 코너부에는 상기 코너 부재를 끼워 넣기 위한 절결부가 형성되고, 이 절결부에는 쿠션재(cushion member)를 개재하여 상기 코너 부재가 배설되어 있는 연료 전지.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 상하부 체결판에서의 상기 전지 적층체로부터 돌출된 주위의 부분은 내인산 처리가 행해져 있는 연료 전지.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 단열성 구조물과 상기 코너 부재와 상기 전지 적층체의 사이에서 공간을 형성하고, 또한 상기 단열성 구조물과 코너 부재를 체결하기 위한 체결 부재를 더 구비하는 연료 전지.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 체결 부재는 단열성 구조물을 뒤쪽에서 감싸도록 한 복수의 앵글 구조체와, 이 복수의 앵글 구조체의 단부 사이를 원판 스프링을 통해서 연결하는 동시에 체결하는 스터드(stud)를 구비하는 연료 전지.
10. 제 8 항에 있어서, 상기 체결 부재는 상기 단열성 구조물을 뒤쪽에서 감싸는 형태로 한 복수의 앵글 구조체와, 이 복수의 앵글 구조체의 단부 사이를 체결하는 U-암 부착 토글 클램프(toggle clamp)를 구비하는 연료 전지.
11. 제 8 항에 있어서, 상기 체결 부재는 상기 전지 적층체의 측면에 대응하는 4개의 단열성 구조물의 주위를 체결하는, 스테인리스 박판 밴드 및 스프링 버클(spring buckle)을 구비하는 연료 전지.
12. 제 6 항에 있어서, 상기 단열성 구조물의 상하면의 중심, 및 그것에 대향하는 상하부 체결판에 설치된 체결 구조체를 더 구비하는 연료 전지.
13. 제 6 항에 있어서, 상기 하부 체결판의 4개의 모서리에 설치되는 것으로서, 단열성 구조물의 상하 위치 결정용 서포트(support)와, 상기 단열성 구조물을 상하로 이동 및 조정할 수 있는 잭 볼트(jack bolt)를 더 구비하는 연료 전지.
14. 삭제
15. 제 1 항에 있어서, 상기 시트 부재는 평판 형상으로 형성되어 있는 연료 전지.
16. 삭제
17. 제 1 항에 있어서, 상기 코너 부재의 내측은 수지 시트에 의해 라이닝되어 있는 연료 전지.
18. 제 17 항에 있어서, 상기 코너 부재 중, 전지 적층체 내에 삽입된 냉각판의 출구 파이프의 인출 측에 배치되는 코너 부재는 상기 전지 적층체의 코너를 따라 좌우 반분할 구조인 연료 전지.
19. 제 17 항에 있어서, 상기 코너 부재 중, 상기 전지 적층체 내에 삽입된 냉각판의 출구 파이프의 인출 측에 배치되는 코너 부재는 상기 출구 파이프의 위치에 맞추어 관통 구멍을 갖고, 상기 코너 부재에서의 상기 라이너 시트의 대응하는 위치에는 상기 코너 부재 관통 구멍보다 직경이 작은 구멍이 뚫리고, 상기 출구 파이프의 주위에 연질 실링재가 배치되어 있는 연료 전지.
20. 제 19 항에 있어서, 상기 연질 실링재는 원판형 스펀지 고무이고, 상기 원판형 스펀지 고무의 중앙에는 출구 파이프보다 작은 구멍이 설치되어 있고, 상기 원판형 스펀지 고무의 원판 측면의 두께 방향의 중앙에는 원주형으로 슬릿이 넣어지고, 그 슬릿에 상기 라이너 시트를 끼워 넣은 연료 전지.
21. 제 19 항에 있어서, 상기 코너 부재 중, 전지 적층체 내에 삽입된 냉각판의 출구 파이프의 인출 측에 배치되는 코너 부재에는, 상기 출구 파이프의 위치에 맞추어 관통 구멍을 설치하고, 또 상기 라이너 시트의 대응하는 위치에는, 출구 파이프 삽입용 슬리브가 설치되어 있는 연료 전지.
22. 제 19 항에 있어서, 상기 라이너 시트는 출구 파이프의 위치에 맞추어 관통 구멍이 설치되고, 이 관통 구멍 부분은 플레어(flare) 가공되어 있는 연료 전지.
23. 제 19 항에 있어서, 상기 라이너 시트에 설치된 출구 파이프 삽입용 슬리브와 출구 파이프의 사이는 밴드로 조임에 의해 실링되어 있는 연료 전지.
24. 제 1 항에 있어서, 상기 코너 부재의 전지 본체측에는 실링 홈이 설치되고, 상기 코너 부재의 외측에는 돌출부가 설치되어 있는 연료 전지.
25. 제 1 항에 있어서, 상기 단열 부재는 내열 온도 및 강도가 다른 재료로 된 복수의 단열재층으로 이루어진 연료 전지.
26. 삭제
27. 삭제
28. 삭제
29. 전지 적층체의 측면에 가스 매니폴드를 배설한 연료 전지에 있어서,

    상기 가스 매니폴드는 각각,

    상기 전지 적층체의 측면에 대향하여 배설되는 판 형상의 단열성 구조물과,

    상기 전지 적층체의 코너부에 배설되는 코너 부재를 구비하고,

    상기 단열성 구조물은 상기 전지 적층체에 대향하는 내면측 시트 부재와 외면측 단열 부재를 구비하며,

    상기 단열 부재는 단열재 유지 프레임에 단열재를 삽입하여 형성되고,

    상기 단열재의 양면은 제 1 보강재에 의해 보강되고, 상기 제 1 보강재의 표면은 제 2 보강재에 의해 보강되는 있는 연료 전지.
30. 제 29 항에 있어서, 상기 시트 부재 및 상기 단열 부재는 가스 출입구용 플랜지 구멍을 갖고, 상기 시트 부재는 원통형 슬리브(sleeve)를 갖는 연료 전지.
31. 제 29 항에 있어서, 상기 시트 부재는 평판 형상으로 상기 단열재 유지 프레임보다 크게 형성되는 연료 전지.
32. 제 29 항에 있어서, 상기 단열 부재는 내열 온도 및 강도가 다른 재료로 된 복수의 단열재층으로 이루어진 연료 전지.
33. 제 29 항에 있어서, 상기 시트 부재는 상기 단열재 유지 프레임의 형상에 맞추어 상자형으로 성형 가공되어 있는 연료 전지.