KR100675614B1 - 연료 전지 - Google Patents

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혼다 기켄 고교 가부시키가이샤
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Abstract

복수 개의 전해질 전극 접합체(56)를 샌드위치 시키는 각각의 세퍼레이터(58)는 한 쌍의 플레이트(60,62)를 포함한다. 연료 가스 채널(67)과 산소 함유 가스 채널(82)은 플레이트(60,62) 사이에 형성된다. 연료 가스 공급 구멍(44)은 연료 가스를 공급하도록 세퍼레이터(58)를 통하여 연장하고 배출 통로(46)는 연료 가스 공급 구멍(44) 주위에 형성된다. 배출 통로(46)는 배기 가스를 배출시키도록 세퍼레이터(58)를 통하여 연장한다. 세퍼레이터는 연료 가스 공급 구멍(44)과 연료 가스 채널(67)을 연결하는 연료 가스 분배 통로(67a)를 가진다.
세퍼레이터, 연료 가스 공급 구멍, 배출 통로

Description

연료 전지{FUEL CELL}
본 발명은 세퍼레이터 사이에 놓이는 복수 개의 전해질 전극 접합체를 가지는 연료 전지에 관한 것이다. 각각의 전해질 전극 접합체는 애노드, 캐소드 및 애노드와 캐소드 사이에 놓이는 전해질을 포함한다.
전형적으로, 고체 산화물 연료 전지(SOFC)는 안정화된 지르코니아와 같은 이온-전도성 고체 산화물의 전해질을 사용한다. 전해질은 전해질 전극 접합체를 형성하도록 양극과 음극 사이에 놓여진다.
전해질 전극 접합체는 세퍼레이터(이극성(bipolar) 플레이트) 사이에 놓여지고 전해질 전극 접합체와 세퍼레이터는 전기를 발생시키는 연료 전지 유니트를 구성한다. 소정 수의 연료 전지들이 연료 전지 적층물을 형성하도록 함께 적층된다.
연료 전지에서는, 산소 함유 가스 또는 공기가 음극에 공급된다. 산소 함유 가스속의 산소는 음극과 전해질 사이의 경계면에서 이온화되고 산소 이온(O2-)들이 전해질을 통하여 양극으로 이동한다. 수소 함유 가스 또는 CO와 같은 연료 가스는 양극에 공급된다.
산소 이온들은 수소 함유 가스속의 수소와 반응하여 H2O를 발생하거나 CO와 반응하여 CO2를 발생시킨다. 반응에서 방출되는 전자들은 외부 회로를 통하여 음극으로 흘러 DC 전류를 발생시킨다.
일반적으로, 고체 산화물 연료 전지는 800℃ 내지 1000℃범위의 높은 온도에서 작동한다. 고체 산화물 연료 전지는 연료 가스를 발생시키는 내부 변형을 위해 고온의 잠열을 이용하고 가스 터빈을 회전시켜 전기를 발생시킨다. 고체 산화물 연료 전지는 다른 형태의 연료 전지에 비해서 전기를 발생시키는데 최고의 효율을 가지므로 매력적이어서 가스 터빈과 함께 하는 용도에 덧붙여 차량에 잠재적으로 사용되는데 관심이 증대되고 있다.
안정화된 지르코니아는 낮은 이온 전도성을 가진다.
따라서, 안정화된 지르코니아로 형성된 전해질 막은 전력 발생 성능을 개선시키도록 산소 이온들이 전해질 막을 통하여 이동하도록 얇아야 할 필요가 있다. 그러나, 안정화된 지르코니아 전해질 막은 충분한 기계적 강도를 유지하기 위해서 매우 얇게 될 수는 없다. 따라서, 고체 산화물 연료 전지에서 안정화된 지르코니아 막을 사용하여 많은 전기를 발생시키기는 어렵다.
이러한 문제를 해결하기 위한 시도로, 일본 공개 특허 공보 제6-310164호(종래 기술1)는 고체 산화물 연료 전지 시스템에서 각기 작은 표면적을 가지는 복수 개의 유니트 전지가 각각의 금속 세퍼레이터상에 제공되고 연료 가스 공급 구멍과 산소 함유 가스 공급 구멍이 각각의 유니트 전지의 중앙에 형성되는 고체 산화물 연료 전지 시스템을 소개하고 있다.
종래 기술1에 의하면, 연료 전지 시스템은 세퍼레이터상의 전지들의 총 표면 적이 커지고 기판이 균열되지 않는 개선된 신뢰성을 가진다.
종래 기술1에서는, 관통 구멍(연료 가스 공급 구멍과 산소 함유 가스 공급 구멍)들이 각각의 유니트 전지에서 중앙에 형성된다. 또한, 유니트 전지는 연료 가스 배기 홈 또는 산소 함유 가스 배기 홈을 가진다. 따라서, 유니트 전지의 기계적인 강도는 낮아진다. 예를 들어, 유니트 전지는 연료 전지의 작동 중에 쉽게 손상될 수 있다.
더욱이, 일본 공개 특허 공보 제8-279364호(종래 기술2)는 다른 형태의 연료 전지 시스템을 소개한다. 도16에 도시되듯이, 각각의 유니트 전지(1)는 한 쌍의 세퍼레이터(2) 사이에 놓여진다. 유니트 전지(1)는 얇은 플레이트로 형성되어 어떠한 구멍도 가질 수 없다.
유니트 전지(1)와 그 주위의 스페이서(3)는 세퍼레이터(2) 사이에 놓인다. 세퍼레이터(2)는 적층 방향으로 연장하는 연료 가스 인입 구멍(4)과 공기 인입 구멍(5)을 가진다.
연료 가스 인입 구멍(4)으로부터의 연료 가스는 연료 가스 분배 통로(6)를 통하여 흐르고 유니트 전지(1)의 하나의 표면의 중앙부에 공급된다. 공기 인입 구멍(5)으로부터의 공기는 공기 분배 통로(7)를 통하여 흐르고 유니트 전지(1)의 다른 표면의 중앙부에 공급된다.
개요에 따르면, 유니트 전지(1)는 얇은 플레이트로 형성되어 어떠한 구멍도 가지지 못하기 때문에 유니트 전지(1)의 기계적인 강도는 높다. 반응 가스는 유니트 전지(1)의 양 표면의 중앙부로부터 반응 영역으로 외부로 공급된다. 따라서, 2 개의 반응 가스는 서로에 대하여 분리된다.
그러나, 종래 기술2에서는, 연료 가스 인입 구멍(4)으로부터 연료 가스의 누출(횡단 누출)이 발생할 수 있다. 예를 들어, 연료 가스는 유니트 전지(1)의 음극에 바람직하지 않게 도달할 수 있다. 따라서, 음극에서의 공기와 연료 가스의 국부적인 반응이 열을 발생시킬 수 있다. 결과적으로 유니트 전지(1)와 세퍼레이터(2)는 열에 의해서 손상될 수 있다.
본 발명의 주 목적은 복수 개의 전해질 전극 접합체들이 바람직한 전기 발생 성능을 유지하고 연료 가스의 누출(횡단 누출)이 신뢰성 있게 방지되게 적당히 배열된 간단한 구조의 연료 전지를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명에 따라서, 전해질 전극 접합체를 샌드위치 시키는 각각의 세퍼레이터는 적층 방향으로 함께 적층되는 제1 및 제2 플레이트를 포함한다.
전해질 전극 접합체의 양극에 연료 가스를 공급하는 연료 가스 채널 및 전해질 전극 접합체의 음극에 산소 함유 가스를 공급하는 산소 함유 가스 채널이 제1 및 제2 플레이트 사이에 형성된다.
연료 가스 공급 구멍은 연료 가스를 공급하는 세퍼레이터를 통하여 적층 방향으로 연장한다.
배출 통로는 연료 가스 공급 구멍 주위에 형성되고 배기 가스로 반응한 후에는 연료 가스와 산소 함유 가스를 배출시키도록 세퍼레이터를 통하여 적층방향으로 연장한다. 또한, 연료 가스 분배 통로는 연료 가스 공급 구멍과 연료 가스 채널을 연결하도록 세퍼레이터의 표면을 따라서 적층 방향에 수직하게 배출 통로 사이로 연장한다.
따라서, 전해질 전극 접합체에서 반응하는 연료 가스는 연료 가스 공급 구멍을 통하여 적층 방향으로 공급된다. 연료 가스 공급 구멍으로부터의 연료 가스는 각각의 세퍼레이터에서 연료 가스 분배 통로를 통하여 연료 가스 채널속으로 흐른다. 연료 가스의 누출이 연료 가스 공급 구멍에서 발생하면, 누출된 연료 가스는 연료 가스 공급 구멍 주위의 배출 통로속으로 들어가서 바람직하지 않게 산소 함유 가스 채널속으로 이동하지 않는다. 연료 가스의 횡단 누출은 확실하게 저지된다.
따라서, 부분적인 열 발생을 일으키는 연료 가스와 산소 함유 가스의 반응은 일어나지 않는다. 결국, 전해질 전극 접합체는 열적으로는 손상되지 않는다. 예를 들어, 연료 가스를 검출하는 수소 센서가 배출 통로에 설치되면 연료 가스의 누출은 간단한 구조로 신뢰성 있게 검출될 수 있다.
연료 가스는 연료 가스 공급 구멍을 통하여 배출 통로 내측으로 흐른다. 뜨거운 배기 가스는 배출 통로를 통하여 흐르기 때문에 연료 가스는 뜨거운 배기 가스의 잠열에 의해서 가열된다. 가열된 연료 가스는 연료 가스 흐름 통로를 통하여 흐르고 양극에 공급된다. 이러한 구조는 연료 전지의 작동 초기에 전해질 전극 접합체속의 반응을 빨리 시작하고 연료 가스를 내부적으로 변형시키는데 특별히 적합하다.
배출 통로는 세퍼레이터의 중앙부를 통하여 연장한다. 따라서, 뜨거운 배출 통로의 열은 세퍼레이터의 외부로 쓸데없이 방출되지 않는다. 뜨거운 배출 통로의 열은 세퍼레이터의 중앙부로부터 전체의 세퍼레이터로 전달된다. 따라서, 온도 분 배는 각각의 세퍼레이터에서 균일하다. 밀봉부를 배출 통로를 따라서 간단히 설치하여 연료 전지의 밀봉 특성이 효과적으로 개선된다.
따라서, 밀봉 구조는 단순하다. 배기 가스가 단지 세퍼레이터의 중앙부를 통하여 흐르기 때문에, 배기 가스의 흐름속에 난류는 발생하지 않고 배기 가스는 연료 전지로부터 원활하게 배출된다.
연료 가스 공급 구멍은 배출 통로속으로 연장한다. 따라서, 배기 가스의 열은 연료 가스에 확실하게 전달되고 연료 가스의 온도는 바람직한 온도, 즉 연료 전지의 작동 온도로 상승된다. 또한, 연료 가스 공급 구멍은 세퍼레이터의 중앙부를 통하여 연장하기 때문에 연료 가스는 각각의 전해질 전극 접합체에 균일하게 공급된다. 따라서, 바람직한 전기 발생 성능이 적당히 유지된다.
더욱이, 배출 통로는 세퍼레이터 사이의 연료 가스 채널과 산소 함유 가스 채널에 인접한 위치에 형성된 배기 가스 채널에 연결된다. 따라서, 연료 전지의 설계가 단순해지며 적층 방향으로의 연료 전지의 크기가 효과적으로 줄어든다. 배기 가스 채널은 연료 가스 채널과 산소 함유 가스 채널에 인접한다. 따라서, 뜨거운 배기 가스와 연료 가스 사이의 그리고 뜨거운 배기 가스와 산소 함유 가스 사이의 열 교환이 적당히 실행된다.
제1 돌기는 제1 플레이트상에 형성되고 제2 돌기는 제3 플레이트상에 형성되며 제1 및 제2 돌기는 연료 가스 공급 구멍이 이들 사이의 공간을 통하여 연장하도록 서로에 대하여 멀어지게 돌출한다.
연료 가스 공급 구멍은 단지 세퍼레이터의 제1 및 제2 플레이트에 의해서 만 형성된다. 따라서, 연료 전지의 생산은 간단하게 이루어진다. 사용하는 파이프 또는 유사물이 필요 없기 때문에, 연료 전지의 부품 수가 적고 제1 및 제2 플레이트를 형성하는 공정 수가 줄어들 수 있다. 또한, 제1 및 제2 돌기 사이에 공간이 형성되어 제1 및 제2 돌기의 높이가 작아질 수 있다.
이와는 달리, 제1 및 제2 플레이트가 압력 하에서 형성되면 제1 및 제2 돌기 각각의 인발량이 적어진다.
따라서, 제1 및 제2 플레이트는 고정밀도로 형성될 수 있다.
공간을 밀봉하는 밀봉부는 하나의 세퍼레이터의 제1 플레이트상에 형성된 제1 돌기와 다른 세퍼레이터의 제2 플레이트상에 형성된 제2 돌기 사이에 형성된다. 밀봉부가 제1 및 제2 돌기 사이에 놓여지기 때문에 연료 전지의 강도와 밀봉 특성이 개선된다.
또한, 제1 플레이트는 제1 리지를 가지고 제2 플레이트는 제2 리지를 가진다. 제1 및 제2 리지는 각기 제1 및 제2 돌기에 마주보게 돌출한다. 제1 리지는 제1 및 제2 플레이트 사이에 연료 가스 채널과 연료 가스 분배 통로를 형성하도록 제2 리지와 접촉한다. 연료 가스 채널과 연료 가스 분배 통로는 단지 세퍼레이터의 제1 및 제2 플레이트에 의해서 만 형성된다.
따라서, 연료 전지의 생산은 간단히 실행된다.
사용하는 파이프 또는 유사물이 필요 없기 때문에 연료 전지의 부품 수가 적어지고 제1 및 제2 플레이트를 형성하는 공정 수가 줄어들 수 있다.
또한, 제1 및 제2 리지의 높이가 줄어들 수 있다. 상기와는 달리, 제1 및 제 2 플레이트가 압력하에 형성되면, 제1 및 제2 리지 각각의 인발량이 적어진다. 따라서, 제1 및 제2 플레이트는 고정밀도로 형성될 수 있다. 제1 및 제2 돌기는 제1 및 제2 플레이트로부터 제1 및 제2 리지의 양측으로 각기 돌출한다. 따라서, 제1 및 제2 돌기는 높은 강성을 가진다. 연료 가스 공급 구멍의 공간은 변형되지 않는다. 전해질 전극 접합체에 공급되는 연료 가스량은 일정하다. 또한, 밀봉 특성이 개선된다. 따라서, 바람직한 전기 발생 성능이 유지된다.
본 발명의 상기와 같은 그리고 기타 목적, 특징 및 장점들은 본 발명의 양호한 실시예들이 도시적인 예로서 도시된 첨부된 도면을 참조한 다음의 설명으로부터 분명해진다.
도1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 복수 개의 연료 전지들을 적층하여 형성된 연료 전지 적층물을 개략적으로 도시하는 사시도
도2는 연료 전지 적층물의 일부를 도시하는 횡단면도
도3은 연료 전지 적층물을 포함하는 가스 터빈을 개략적으로 도시하는 도면
도4는 연료 전지의 분해 사시도
도5는 연료 전지의 일부와 연료 전지의 작동을 도시하는 사시도
도6은 연료 전지 적층물을 도시하는 일부가 생략된 횡단면도
도7은 연료 전지의 세퍼레이터를 도시하는 분해 사시도
도8은 연료 전지의 일부를 도시하는 확대 사시도
도9는 세퍼레이터의 하나의 플레이트를 도시하는 정면도
도10은 세퍼레이터의 다른 플레이트를 도시하는 정면도
도11은 연료 전지의 작동을 도시하는 도면
도12는 본 발명의 제2 실시예에 따른 비교적 작은 연료 전지 적층물을 포함하는 가스 터빈을 개략적으로 도시하는 횡단면도
도13은 가스 터빈을 도시하는 정면도
도14는 본 발명의 제3 실시예에 따른 비교적 큰 연료 전지 적층물을 포함하는 가스 터빈을 개략적으로 도시하는 횡단면도
도15는 가스 터빈을 도시하는 정면도
도16은 종래의 연료 전지(종래 기술2)를 도시하는 분해 사시도
도1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 복수 개의 연료 전지(10)를 적층하여 형성된 연료 전지 적층물(12)을 개략적으로 도시하는 사시도이고, 도2는 연료 전지 적층물(12)의 일부를 도시하는 횡단면도이다.
연료 전지(10)는 고정된 그리고 이동되는 용도의 고체 산화물 연료 전지(solid oxide fuel cell:SOFC) 이다. 예를 들어, 연료 전지(10)는 차량에 탑재된다. 도3에 도시된 제1 실시예에서는, 연료 전지 적층물(12)은 가스 터빈에 사용된다. 도3에는, 연료 전지 적층물(12)의 구조가 도1및2에 도시된 것과는 상이하나 구성은 실제로 동일하다.
연료 전지 적층물(12)은 가스 터빈(14)의 케이싱(16)속에 위치한다. 연소기(18)는 연료 전지 적층물(12)의 중앙에 위치한다. 연료 전지 적층물(12)은 연소기(18)를 향하여 챔버(20)속에서 반응한 후에 연료 가스와 산소 함유 가스가 혼합된 가스와 같은 배출 가스를 배출한다. 챔버(20)는 도3의 화살표 X 로 나타난 바와 같은 배출 가스 흐름 방향으로 좁게 형성된다.
열 교환기(22)는 흐름 방향의 전방 단에서 챔버(20)를 둘러싸게 외부에 설치된다. 더욱이, 터빈(파워 터빈)(24)은 챔버(20)의 전방 단에 위치한다. 압축기(26)와 발전기(28)들은 터빈(24)에 동축상으로 연결된다. 가스 터빈(14)은 전체적으로는 축상으로 대칭 구조를 가진다.
터빈(24)의 배출 통로(30)는 열 교환기(22)의 제1 통로(32)에 연결된다. 압축기(26)의 공급 통로(34)는 열 교환기(22)의 제2 통로(36)에 연결된다. 공기는 제2 통로(36)에 연결된 뜨거운 공기 인입 통로(38)를 통하여 연료 전지 적층물(12)의 외주면에 공급된다.
도1에 도시되듯이, 연료 전지 적층물(12)은 화살표 A에 의해서 나타난 적층 방향으로 복수 개의 연료 전지(10)들을 적층하여 형성된다. 각각의 연료 전지(10)는 굴곡진 외주부를 가지는 디스크 형태이다.
플랜지(40a,40b)들은 각기 적층 방향의 양단에서 최외부 연료 전지(10)의 외측에 설치된다. 연료 전지(10)와 플랜지(40a,40b)들은 복수개(예컨대, 8개)의 조임 볼트(42)에 의해서 조여진다. 연료 전지 적층물(12)의 중앙에는, 원형의 연료 가스 공급 구멍(44)이 형성된다. 연료 가스 공급 구멍(44)은 플랜지(40a)에서 바닥을 가지며 화살표 A 로 나타난 방향으로 연장한다.(도2참조)
복수개(예컨대, 4개)의 배출 통로(46)들은 연료 가스 공급 구멍(44) 주위에 형성된다. 각각의 배출 통로(46)는 플랜지(40b)에서 바닥을 가지며 화살표 A 로 나타난 방향으로 플랜지(40b)로부터 연장한다. 플랜지(40a,40b)들은 플랜지(40a,40b)와 단부 플레이트(97a,97b) 사이에 각기 위치된 절연 플레이트(98a,98b)에 의해서 단부 플레이트(97a,97b)와 절연된다.
출력 터미널(48a,48b)들은 각기 단부 플레이트(97a,97b)로부터 연장한다.
도4 및 5에 도시되듯이, 연료 전지(10)는 전해질 전극 접합체(56)를 포함한다. 각각의 전해질 전극 접합체(56)는 캐소드(52), 애노드(54) 및 캐소드(52)과 애노드(54) 사이에 놓여진 전해질(전극 플레이트)(50)를 지닌다. 전해질(50)은 안정화된 지르코니아와 같은 이온 전도성 고체 산화물로 형성된다. 전해질 전극 접합체(56)는 비교적 작은 원형의 디스크 형태를 가진다.
복수개(예컨대, 16개)의 전해질 전극 접합체(56)들은 연료 전지(10)를 형성하도록 한 쌍의 세퍼레이터(58) 사이에 놓여진다. 전해질 전극 접합체(56)들은 세퍼레이터(58)의 중앙에 형성된 연료 가스 공급 구멍(44)와 동심인 내부 원(P1)과 외부 원(P2)를 따라서 배치된다.
내부 원(P1)은 8개의 내부 전해질 전극 접합체(56)의 중앙을 통과하고 외부 원(P2)은 8개의 외부 전해질 전극 접합체(56)의 중앙을 통과한다.(도4참조)
각각의 세퍼레이터(58)는 함께 적층되는 복수개(예컨대, 2개)의 플레이트(60,62)를 가진다. 각각의 플레이트(60,62)는 예를 들어 스테인레스 합금으로 형성된다. 굴곡진 외주부(60a,62a)들은 각기 플레이트(60,62)상에 형성된다.(도7 및 8참조)
도6, 7 및 9에 도시되듯이, 리브(63a)들은 연료 가스 공급 구멍(44)과 4개의 배출 통로(46)를 형성하도록 플레이트(제1 플레이트)(60)의 중앙 둘레에 제공된다.
플레이트(60)는 각각의 배출 통로(46) 주위에 4개의 내부 리지(제1 리지)(64a)를 가진다. 내부 리지(64a)들은 플레이트(제2 플레이트)(62)를 향하여 돌출한다. 플레이트(60)는 연료 가스 공급 구멍(44) 주위에 돌기(제1 돌기)(65a)를 가진다. 돌기(65a)는 내부 리지(64a)와 반대방향으로 플레이트(62)로부터 멀어지게 돌출한다.
외부 리지(제1 리지)(66a)는 플레이트(60)위의 연료 가스 공급 구멍(44) 주위에 방사상 외부로 형성된다. 연료 가스 채널(67)은 내부 리지(64a)와 외부 리지(66a)의 내측(사이)에 형성된다. 연료 가스 채널(67)은 연료 가스 분배 통로(67a)를 통하여 연료 가스 공급 구멍(44)에 연결된다. 각각의 연료 가스 분배 통로(67a)는 연료 가스 공급 구멍(44)과 연료 가스 공급 채널(67)을 연결하도록 화살표 B 로 나타난 방향, 즉 적층 방향에 수직한 방향으로 리브(63a)를 따라서, 즉 세퍼레이터(58)의 표면을 따라서 배출 통로(46) 사이로 연장한다.
외부 리지(66a)는 각기 예정된 거리로 방사상으로 외부로 연장하는 복수 개의 제1 벽(68a)들과 제2 벽(70a)들을 가진다. 제1 벽(68a)들과 제2 벽(70a)들은 교대로 형성된다. 도9에 도시되듯이, 각각의 제1 벽(68a)은 8개의 내부 전해질 전극 접합체(56)의 중앙을 통과하는 가상선인 내부 원(P1)까지 연장한다. 각각의 제2 벽(70a)은 8개의 외부 전해질 전극 접합체(56)의 중앙을 통과하는 가상선인 외부 원(P2)까지 연장한다. 8개의 내부 전해질 전극 접합체(56)들은 내부 원(P1)을 따라서 배치되고, 8개의 외부 전해질 전극 접합체(56)들은 외부 원(P2)를 따라서 배치된다.
제1 벽(68a)의 각 단부와 제2 벽(70a)의 각 단부에는 3개의 산소 함유 가스 인입구(78)들이 형성된다. 산소 함유 가스 인입 구멍(78)들은 플레이트(60)를 관통하게 형성된다. 플레이트(60)는 내부 원(P1)과 외부 원(P2)을 따라서 배치된 전해질 전극 접합체(56)를 향하여 이와 접촉하는 제1 보스(80)들을 가진다.
도6, 8 및 9에 도시되듯이, 제1 굴곡진 원주 리지(83a)가 굴곡진 외주부(60a)를 따라서 플레이트(60)상에 형성된다. 제1 원주 리지(83a)는 굴곡진 외주부(60a)와 동일한 형태를 가지며 플레이트(62)로부터 멀어지게 돌출한다. 외부 돌기(85a)와 내부 돌기(87a)는 서로에 대해서 마주보게 제1 원주 리지(83a)의 양측에 예정된 간격으로 제공된다.
도6, 7 및 10에 도시된 바와 같이, 리브(63a)와 마주보는 리브(63b)들은 플레이트(62)의 중앙부 주위에 제공된다.
플레이트(62)는 플레이트(60)를 향하여 돌출된 4개의 내부 리지(제2 리지)(64b)들과 플레이트(60)로부터 멀어지게 돌출된 하나의 돌기(제2 돌기)(65b)를 가진다. 플레이트(60,62)들이 함께 연결되면, 서로에 대해서 멀어지게 돌출하는 돌기(65a,65b)를 통한 공간이 연료 가스 공급 구멍(44)을 형성한다.
플레이트(60)의 외부 리지(66a)를 향하여 돌출하는 외부 리지(제2 리지)(66b)는 플레이트(62)상에 형성된다. 내부 리지(64a)들은 내부 리지(64b)들과 접촉하고 외부 리지(66a)들과 외부 리지(66b)들과 접촉하여 플레이트(60)와 플레이트(62) 사이에 연료 가스 채널(67)을 형성한다. 연료 가스 채널(67)은 연료 가스 분배 통로(67a)를 통해서 연료 가스 공급 구멍(44)에 연결된다. 외부 리지(66b)는 각기 예정된 거리로 방사상으로 외부로 연장하는 복수 개의 제1 벽(68b)들과 제2 벽(70b)을 가진다. 제1 벽(68b)들과 제2 벽(70b)들은 교대로 형성된다.
더욱이, 플레이트(62)는 내부 원(P1)과 외부 원(P2)을 따라서 배치된 전해질 전극 접합체(56)를 향하여 돌출되고 접촉하는 제2 보스(86)들을 가진다.
제2 보스(86)들은 제1 보스(80)에 비하여 작은 크기(높이와 직경)를 가진다. 연료 가스 인입구(88)는 플레이트(62)를 통과하게 형성된다. 연료 가스 인입구(88)들은 연료 가스 채널(67)과 연결된다.
내부 원(P1)을 따라서 8개의 전해질 전극 접합체(56)를 배치시키고 외부 원(P2)을 따라서 8개의 전해질 전극 접합체(56)를 배치시키는 돌기(81)들은 플레이트(62)상에 설치된다. 최소한 3개의 돌기(81)들이 각각의 전해질 전극 접합체(56)에 대해서 형성된다. 예를 들어, 제1 실시예에서는 3개의 돌기(81)들이 하나의 전해질 전극 접합체(56)를 위치시키도록 형성된다. 전해질 전극 접합체(56)가 돌기(81)의 내부에 위치되면, 돌기(81)들과 전해질 전극 접합체(56) 사이에는 약간의 틈새가 생긴다. 돌기(81)의 높이는 제2 보스(86)의 높이보다 크다.(도6참조)
도6, 8 및 10에 도시된 바와 같이, 제2 원주 리지(83b)는 굴곡진 외부 부분(62a)을 따라서 플레이트(62)상에 형성된다. 제2 외주 리지(83b)는 굴곡진 외부 부분(62a)와 동일한 형상을 가지며 플레이트(60)로부터 돌출된다. 외부 돌기(85b)와 내부 돌기(87b)들은 서로에 대해 마주보게 또는 지그재그 형태로 제2 원주 리지 (83b)의 양측에 예정된 간격으로 설치된다.
연료 가스 채널(67)은 플레이트(60,62) 사이에서 내부 리지(64a,64b)와 외부 리지(66a,66b)에 의해서 둘러싸인다. 산소 함유 가스 채널(82)은 플레이트(60,62)사이에서 외부 리지(66a,66b) 외측으로 형성된다(도11참조). 산소 함유 가스 채널(82)은 플레이트(60)상에 형성된 산소 함유 가스 인입구(78)에 연결된다.
도6에 도시되듯이, 세퍼레이터(58)는 연료 가스 공급 구멍(44)을 밀봉하는 절연 밀봉부(90)를 가진다. 절연 밀봉부(90)는 플레이트(60)의 돌기(65a) 또는 플레이트(62)의 돌기(65b)에 세라믹 판을 놓아서 또는 세라믹을 열 스프레이 하여서 형성된다. 플레이트(60)의 제1 원주 리지(83a)와 플레이트(62)의 제2 원주 리지(83b)가 서로에 대하여 멀어지게 돌출하여 산소 함유 가스 채널(82)의 일부인 공간을 제1 원주 리지(83a)와 제2 원주 리지(83b) 사이에 형성한다.
세라믹 또는 유사물로 형성되는 절연 밀봉부(92)는 제1 원주 리지(83a) 또는 제2 원주 리지(83b)위에서 절연 밀봉부(92)를 제1 원주 리지(83a)와 제2 원주 리지(83b) 사이에 샌드위치 시켜서 또는 열 스프레이 하여서 설치된다.
도5 및 6에 도시되듯이, 전해질 전극 접합체(56)는 하나의 세퍼레이터(58)의 플레이트(60)와 다른 세퍼레이터(58)의 플레이트(62) 사이에 놓여진다.
특히, 전해질 전극 접합체(56) 외측의 플레이트(60,62)는 전해질 전극 접합체(56)를 샌드위치하기 위해 전해질 전극 접합체(56)를 향하여 돌출되는 제1 보스(80)와 제2 보스(86)을 가진다.
도11에 도시되듯이, 연료 가스 인입구(88)를 통하여 연료 가스 채널(67)에 연결되는 연료 가스 흐름 통로(94)는 전해질 전극 접합체(56)와 세퍼레이터(58)의 플레이트(62) 사이에 형성된다.
더욱이, 산소 함유 가스 인입구(78)를 통하여 산소 함유 가스 채널(82)에 연결되는 산소 함유 가스 흐름 통로(96)는 전해질 전극 접합체(56)와 다른 세퍼레이터(58)의 플레이트(60) 사이에 양측으로 형성된다. 연료 가스 흐름 통로(94)의 개구의 크기는 제2 보스(86)의 높이에 따른다. 산소 함유 가스 흐름 통로(96)의 개구의 크기는 제1 보스(80)의 높이에 따른다. 연료 가스의 유량은 산소 함유 가스의 유량보다 적다. 따라서, 제2 보스(86)의 크기는 제1 보스(80)의 크기보다 작다.
도6에 도시된 바와 같이, 연료 가스 채널(67)은 세퍼레이터(58)의 돌기(65a,65b)를 통과하는 연료 가스 공급 구멍(44)에 연결된다. 산소 함유 가스 채널(82)과 연료 가스 채널(67)은 세퍼레이터(58) 내측에 같은 면적부상에 형성된다. 산소 함유 가스 채널(82)은 세퍼레이터(58)의 플레이트(60,62)의 제1 및 제2 원주 리지(83a,83b) 사이의 공간을 통해서 외부로 개방된다.
적층 방향으로 적층된 각각의 세퍼레이터(58)는 전해질 전극 접합체(56)를 샌드위치 시키는 제1 보스(80)와 제2 보스(86)를 가진다.
제1 보스(80)와 제2 보스(86)는 집전기로서 작용한다. 화살표 A 로 나타난 방향으로 연료 전지(10)를 직렬로 연결하기 위해서, 플레이트(60)의 외부 리지(66a)는 플레이트(62)의 외부 리지(66b)와 접촉하고 플레이트(60)의 내부 리지(64a)는 플레이트(62)의 내부 리지(64b)와 접촉한다.
도1 및 2에 도시되듯이, 연료 전지(10)는 화살표 A 로 나타난 방향으로 적층 된다. 각각의 플레이트(97a,97b)는 양측에 최외측의 연료 전지(10)에 적층된다. 절연 플레이트(98a,98b)들은 각기 단부 플레이트(97a,97b)의 외측에 적층되고 플랜지(40a,40b)들은 각기 절연 플레이트(98a,98b)의 외측에 적층된다. 플랜지(40a,40b)는 플레이트(60,62)의 굴곡진 외부 부분(60a,62a)의 내부 곡선에 상응한 위치에 구멍(100a,100b)을 가진다. 조임 볼트(42)가 구멍(100a,100b)속에 삽입된다. 각각의 조임 볼트(42)들은 연료 전지(10)를 적당한 힘으로 함께 조이도록 너트(104)로 체결된다.
다음에는, 연료 전지 적층물(12)의 작동이 설명된다.
연료 전지(10)와 플레이트(60,62)를 조립하여 세퍼레이터(58)를 형성하게 함께 연결시킨다.
특히, 도6에 도시되듯이, 플레이트(60)의 외부 리지(66a)와 내부 리지(64a)들은 브레이징에 의해서 플레이트(62)의 외부 리지(66b)와 내부 리지(64b)에 연결되고 링 형상의 절연 밀봉부(90)들은 예컨대 열 스프레이에 의해서 연료 가스 공급 구멍(44)주위로 플레이트(60) 또는 플레이트(62)상에 설치된다. 더욱이, 곡선부를 가지는 절연 밀봉부(92)는 예를 들어, 열 스프레이에 의해서 플레이트(60)의 제1 원주 모서리(83a) 또는 플레이트(62)의 제2 원주 모서리(83b)상에 설치된다.
따라서, 형성된 세퍼레이터(58)는 플레이트(60,62) 사이의 동일한 면적부상에 연료 가스 채널(67)과 산소 함유 가스 채널(82)을 가진다. 연료 가스 채널(67)은 연료 가스 분산 통로(67a)를 통하여 연료 가스 공급 구멍(44)에 연결되고 굴곡진 외부 부분(60a)과 굴곡진 외부 부분(62a) 사이의 산소 함유 가스 채널(82)은 외부로 개방된다.
그 후에, 전해질 전극 접합체(56)는 한 쌍의 세퍼레이터(58) 사이에 놓여진다. 도4및5에 도시되듯이, 16개의 전해질 전극 접합체(56)들이 하나의 세퍼레이터(58)의 플레이트(60)와 다른 세퍼레이터(58)의 플레이트(62) 사이에 놓여진다. 8개의 전해질 전극 접합체(56)들은 내부 원(P1)을 따라서 배치되고 8개의 전해질 전극 접합체(56)들은 외부 원(P2)을 따라서 배치된다.
3개의 돌기(81)들은 각각의 전해질 전극 접합체(56)를 위치시키도록 설치된다. 전해질 전극 접합체(56)는 3개의 돌기(81) 내측에 위치된다. 플레이트(60)의 제1 보스(80)와 플레이트(62)의 제2 보스(86)들은 돌기(81) 내측의 전해질 전극 접합체(56)를 향하여 접촉하게 돌출한다.
도11에 도시되듯이, 산소 함유 가스 흐름 통로(96)는 전해질 전극 접합체(56)의 캐소드(52)과 플레이트(60) 사이에 형성된다. 산소 함유 가스 흐름 통로(96)는 산소 함유 가스 인입 구멍(78)를 통하여 산소 함유 가스 채널(82)에 연결된다. 연료 가스 흐름 통로(94)는 전해질 전극 접합체(56)의 애노드(54)과 플레이트(62) 사이에 형성된다. 연료 가스 흐름 통로(94)는 연료 가스 인입구(88)를 통하여 연료 가스 채널(67)에 연결된다. 배기 가스 채널(106)은 배기 가스(반응 후 연료 가스와 산소 함유 가스로 혼합된)를 배출 통로(46)로 안내하도록 세퍼레이터(58) 사이에 형성된다.
상기와 같이 조립된 복수 개의 연료 전지(10)들은 연료 전지 적층물(12)을 형성하도록 화살표 A 로 나타난 방향으로 적층된다.(도1 및 2 참조)
수소 함유 가스와 같은 연료 가스는 플랜지(40b)의 연료 가스 공급 구멍(44)에 공급되고 공기와 같은 산소 함유 가스는 압력하에서 연료 전지(10)의 외부로부터 공급된다. 연료 가스 공급 구멍(44)에 공급되는 연료 가스는 화살표 A 로 나타난 적층 방향으로 흐르고 연료 전지(10)의 각각의 세퍼레이터(58)에 형성된 연료 가스 분배 통로(67a)에 공급된다.(도6참조)
도5에 도시되듯이, 연료 가스는 연료 가스 채널(67)을 통해서 제1 벽(68a,68b)과 제2 벽(70a,70b)을 따라서 흐른다. 연료 가스는 제1 벽(68a,68b)과 제2 벽(70a,70b)의 단부에, 다시 말해서 전해질 전극 접합체(56)의 애노드(54)의 중앙부에 상응한 위치에 형성된 연료 가스 인입구(88)들을 통하여 연료 가스 흐름 통로(94)속으로 흐른다. 연료 가스 흐름 통로(94)에 공급된 연료 가스는 애노드(54)의 중앙부로부터 외부로 흐른다.(도11참조)
산소 함유 가스는 외부로부터 각각의 연료 전지(10)에 공급된다. 산소 함유 가스는 플레이트(60,62) 사이의 각각의 세퍼레이터(58)에 형성된 산소 함유 가스 채널(82)에 공급된다. 산소 함유 가스 채널(82)에 공급된 산소 함유 가스는 산소 함유 가스 인입 구멍(78)들로부터 산소 함유 가스 흐름 통로(96)속으로 흐르고 전해질 전극 접합체(56)의 캐소드(52)의 중앙부로부터 외부로 흐른다.(도5및11 참조)
따라서, 각각의 전해질 전극 접합체(56)에서는, 연료 가스가 애노드(54)의 중앙부에 공급되고 애노드(54)의 중앙부로부터 외부로 흐른다. 유사하게, 산소 함유 가스는 캐소드(52)의 중앙부에 공급되고 캐소드(52)의 중앙부로부터 외부로 흐른다.
산소 이온은 전기화학 반응에 의해서 전기를 발생시키도록 전해질(50)을 통해서 캐소드(52)으로부터 애노드(54)으로 흐른다.
전해질 전극 접합체(56)들은 제1 보스(80)와 제2 보스(86) 사이에 샌드위치 된다.
따라서, 제1 보스(80)와 제2 보스(86)는 집전기로서 작용한다. 연료 전지(10)는 화살표 A 로 나타난 적층 방향으로 전기적으로 직렬로 연결된다. 전기는 출력 터미널(48a,48b)로부터 출력될 수 있다. 몇 개의 전해질 전극 접합체(56)가 전기를 발생시키지 못한다 하더라도 연료 전지 적층물(12)은 다른 전해질 전극 접합체(56)에 의해서 작동될 수 있다. 따라서, 전기 발전은 쉽게 이루어 질 수 있다.
연료 가스와 산소 함유 가스의 반응 후에는, 배기 가스가 전해질 전극 접합체(56)의 중앙부로부터 세퍼레이터(58) 사이의 배기 가스 채널(106)을 통하여 외부로 이동하고 세퍼레이터(58)의 중앙을 향하여 흐른다. 배기 가스는 배기 가스 매니폴드와 같은 세퍼레이터(58)의 중심부 근처에 형성된 4개의 배출 통로(46)속으로 흐르고 배출 통로(46)로부터 외부로 배출된다.
제1 실시예에서는, 비교적 적은 직경을 가지는 복수개(예컨대, 16개)의 전해질 전극 접합체(56)들이 한 쌍의 세퍼레이터(58) 사이에 설치된다. 따라서, 전해질 전극 접합체(56)는 얇아서 극성 저항이 감소된다.
더욱이, 온도 구배가 적고 열 응력에 의한 손상이 방지된다. 따라서, 연료 전지(10)의 전기 발생 성능이 효과적으로 개선된다.
더욱이, 8개의 내부 전해질 전극 접합체(56)들이 내부 원(P1)을 따라서 배치되고 8개의 외부 전해질 전극 접합체(56)들이 외부 원(P2)을 따라서 배치된다. 내 부 원(P1)과 외부 원(P2)들은 세퍼레이터(58)의 중앙에 위치한 연료 가스 공급 구멍(44)과 동심이다. 8개의 외부 전해질 전극 접합체(56)들은 8개의 내부 전해질 전극 접합체(56)와 방사상으로 어긋나게 배치된다. 다시 말하면, 내부 전해질 전극 접합체(56)와 외부 전해질 전극 접합체(56)는 내부 원(P1)과 외부 원(P2)을 따라서 각기 교대로 배치된다.
전해질 전극 접합체(56)는 세퍼레이터(58) 사이에서 조밀하게 배치될 수 있다. 따라서, 전체의 연료 전지(10)는 요구되는 전기 발생 능력을 유지하게 소형으로 제조 될 수 있다.
제1 실시예에서는, 연료 가스 공급 구멍(44)은 연료 가스를 적층 방향으로 공급하도록 세퍼레이터(58)를 통하여 연장한다. 또한, 배출 통로(46)는 연료 가스 공급 구멍(44) 주위에 형성되고 배기 가스로서 반응 후의 연료 가스와 산소 함유 가스를 배출하도록 세퍼레이터(58)를 통하여 적층 방향으로 연장한다. 각각의 연료 가스 분배 통로(67a)는 연료 가스 공급 구멍(44)과 연료 가스 채널(67)을 연결하도록 세퍼레이터(58)의 표면을 따라서(화살표 B로 나타난 방향으로), 적층 방향에 수직하게 배출 통로(46) 사이로 연장한다.
따라서, 전해질 전극 접합체(56)속에서 반응하는 연료 가스는 연료 가스 공급 구멍(44)을 통하여 적층 방향으로 공급된다. 연료 가스 공급 구멍(44)으로부터의 연료 가스는 각각의 세퍼레이터(58)의 연료 가스 분배 통로(67a)를 통하여 연료 가스 채널(67)속으로 흐른다.
연료 가스의 누출이 연료 가스 공급 구멍(44)에서 발생하면, 누출된 연료 가스는 연료 가스 공급 구멍(44) 주위의 배출 통로(46)속으로 들어가서 예컨대, 바람직하지 않게 산소 함유 가스 채널(82)속으로 이동하지 않는다. 연료 가스의 횡단 누출은 확실하게 저지된다.
따라서, 부분적인 열 발생을 일으키는 연료 가스와 산소 함유 가스의 반응은 일어나지 않는다. 결국, 전해질 전극 접합체(56)는 열적으로는 손상되지 않는다. 예를 들어, 연료 가스를 검출하는 수소 센서가 배출 통로(46)에 설치되면 연료 가스의 누출은 간단한 구조로 신뢰성 있게 검출될 수 있다.
연료 가스는 연료 가스 공급 구멍(44)을 통하여 배출 통로(46) 내측으로 흐른다. 뜨거운 배기 가스는 배출 통로(46)를 통하여 흐르기 때문에 연료 가스는 뜨거운 배기 가스의 잠열에 의해서 가열된다. 가열된 연료 가스는 연료 가스 흐름 통로(94)를 통하여 흐르고 애노드(54)에 공급된다. 이러한 구조는 연료 전지(10)의 작동 초기에 전해질 전극 접합체(56)속의 반응을 빨리 시작하고 연료 가스를 내부적으로 변형시키는데 특별히 적합하다.
배출 통로(46)는 세퍼레이터(58)의 중앙부를 통하여 연장한다. 따라서, 뜨거운 배출 통로(46)의 열은 세퍼레이터(58)의 외부로 쓸데없이 방출되지 않는다. 뜨거운 배출 통로(46)의 열은 세퍼레이터(58)의 중앙부로부터 전체의 세퍼레이터(58)로 전달된다. 따라서, 온도 분배는 각각의 세퍼레이터(58)에서 균일하다. 밀봉부를 배출 통로(46)를 따라서 간단히 설치하여 연료 전지(10)의 밀봉 특성이 효과적으로 개선된다. 따라서, 밀봉 구조는 단순해진다. 배기 가스가 단지 세퍼레이터(58)의 중앙부를 통하여 흐르기 때문에, 배기 가스의 흐름속에 난류는 발생하지 않고 배기 가스는 연료 전지(10)로부터 원활하게 배출된다.
연료 가스 공급 구멍(44)은 세퍼레이터(58)의 중앙부를 통하여 연장한다. 따라서, 연료 가스는 각각의 전해질 전극 접합체(56)에 균일하게 공급된다. 따라서, 바람직한 전기 발생 성능이 적당히 유지된다.
더욱이, 배출 통로(46)는 세퍼레이터(58) 사이의 연료 가스 채널(67)과 산소 함유 가스 채널(82)에 인접한 위치에 형성된 배기 가스 채널(106)에 연결된다.(도11참조) 따라서, 연료 전지(10)의 설계가 단순해지며 적층 방향으로의 연료 전지(10)의 크기가 효과적으로 줄어든다. 배기 가스 채널(106)은 연료 가스 채널(67)과 산소 함유 가스 채널(82)에 인접한다. 따라서, 뜨거운 배기 가스와 연료 가스 사이의 그리고 뜨거운 배기 가스와 산소 함유 가스 사이의 열 교환이 적당히 실행된다.
돌기(65a)는 플레이트(60)상에 형성되고 돌기(65b)는 플레이트(62)상에 형성된다. 돌기(65a,65b)들은 연료 가스 공급 구멍(44)이 이들 돌기(65a,65b) 사이의 공간을 통하여 연장하도록 서로에 대하여 멀어지게 돌출한다. 또한, 플레이트(60)는 내부 리지(64a)와 외부 리지(66a)를 가지고, 플레이트(62)는 내부 리지(64b)와 외부 리지(66b)를 가진다. 내부 리지(64a)와 외부 리지(66a)는 돌기(65a)의 양측에 돌출한다. 내부 리지(64b)와 외부 리지(66b)는 돌기(65b)의 양측에 돌출한다. 내부 리지(64a)는 내부 리지(64b)와 접촉하고 외부 리지(66a)는 외부 리지(66b)와 접촉하여 플레이트(60,62) 사이에 연료 가스 채널(67)과 연료 가스 분배 통로(67a)를 형성한다.
연료 가스 공급 구멍(44), 연료 가스 분배 통로(67a) 및 연료 가스 채널(67) 들은 세퍼레이터(58)의 플레이트(60,62)에 의해서 만 형성된다. 따라서, 연료 전지(10)의 생산이 간단히 실행된다. 사용하는 파이프 또는 유사물이 필요 없어 연료 전지(10)의 부품 수가 적어지고, 플레이트(60,62)를 형성하는 공정 수가 줄어든다.
또한 돌기(65a,65b), 내부 리지(64a,64b) 및 외부 리지(66a,66b)의 높이가 적어질 수 있다. 이와는 달리, 플레이트(60,62)가 압력하에 형성되면, 돌기(65a,65b), 내부 리지(64a,64b) 및 외부 리지(66a,66b) 각각의 인발량이 적어져서 플레이트(60,62)는 고정밀도로 형성될 수 있다.
돌기(65a)는 내부 리지(64a)의 양측에서 플레이트(60)로부터 돌출하고 돌기(65b)는 내부 리지(64b)의 양측에서 플레이트(62)로부터 돌출한다. 따라서, 돌기(65a,65b)들은 서로 접촉하여 높은 강성을 가진다. 연료 가스 공급 구멍(44)의 공간은 변형되지 않는다. 전해질 전극 접합체(56)에 공급되는 연료 가스량은 일정하다. 또한, 밀봉 특성은 개선되어 바람직한 전기 발생 성능이 유지된다.
다음에는, 도3에 도시된 가스 터빈(14)에 사용되는 연료 전지 적층물(12)의 작동을 간단히 설명한다.
도3에 도시되듯이, 가스 터빈(14)의 작동 초기에는, 연소기(18)는 터빈(24)을 회전시키게 작동되고 압축기(26)와 발전기(28)를 작동시킨다. 압축기(26)는 공급 통로(34)속으로 외부 공기를 안내하게 작동한다. 공기는 가압되고 예정 온도(예를 들어, 200℃)로 가열되며 열 교환기(22)의 제2 통로(36)로 공급된다.
반응 후의 연료 가스와 산소 함유 가스의 혼합 가스인 뜨거운 배기 가스는 열 교환기(22)의 제1 통로(32)에 공급되어 열 교환기(22)의 제2 통로(36)에 공급되 는 공기를 가열한다. 가열된 공기는 뜨거운 공기 공급 통로(38)를 통과하며 외부로부터 연료 전지 적층물(12)의 연료 전지(10)로 공급된다. 따라서, 전기 발생은 연료 전지(10)에 의해서 이루어지며 연료 가스와 산소 함유 가스의 반응에 의해 발생된 배기 가스는 케이싱(16)의 챔버(20)속으로 배출된다.
이 때, 연료 전지(고체 산화물 연료 전지)(10)로부터 배출되는 배기 가스의 온도는 800℃ 내지 1000℃ 범위로 높다. 배기 가스는 발전기(28)에 의해 전기를 발생시키는 터빈(24)을 회전시킨다. 배기 가스는 외부 공기를 가열하도록 열 교환기(22)에 공급된다. 따라서, 터빈(24)을 회전시키는데 연소기(18)를 사용할 필요가 없다.
800℃ 내지 1000℃ 범위의 뜨거운 배기 가스는 연료 전지 적층물(12)로 공급되는 연료를 내부적으로 변형시키는데 사용될 수 있다. 따라서, 천연 가스, 부탄 및 가솔린과 같은 여러 가지 연료들이 내부적으로 변형되게 사용될 수 있다.
도12는 본 발명의 제2 실시예에 따라 비교적 작은 연료 전지 적층물(12a)을 포함하는 가스 터빈(120)을 개략적으로 도시하는 횡단면도이고 도13은 가스 터빈(120)을 도시하는 정면도이다. 제1 실시예에 따른 가스 터빈(14)과 동일한 구성 요소들은 동일한 부호가 붙여지고 그 설명도 생략된다. 비슷하게, 다음의 제3 실시예에서도, 제1 실시예에 따른 가스 터빈(14)과 동일한 구성 요소들은 동일한 부호가 붙여지고 그 설명은 생략된다.
가스 터빈(120)의 케이싱(122)에는, 8개의 연료 전지 적층물(12a)들이 연소기(18) 주위에 45°간격으로 설치된다. 각각의 연료 전지 적층물(12a)은 덮개(124) 로 덮히고 뜨거운 공기 공급 통로(126)는 덮개(124)의 내측에 형성된다.
상기에 언급되듯이, 가스 터빈(120)의 케이싱(122)속에는, 8개의 연료 전지 적층물(12a)들이 연소기(18) 주위에 45°간격으로 설치된다. 따라서, 큰 전동력이 발생하며 가스 터빈(120)의 전장은 짧다.
도14는 본 발명의 제3 실시예에 따른 비교적 큰 연료 전지 적층물(12b)을 포함하는 가스 터빈(130)을 개략적으로 도시하는 횡단면도이고 도15은 가스 터빈(130)을 도시하는 정면도이다.
가스 터빈(130)에는, 4개의 연료 전지 적층물(12b)들이 케이싱(132)의 제1 원을 따라서 90°간격으로 배치되고 4개의 연료 전지 적층물(12b)들이 케이싱(132)의 제2 원을 따라서 90°간격으로 배치된다. 제1 원은 제2 원으로부터 화살표 X 로 나타난 케이싱(132)의 축상 방향으로 예정된 거리만큼 떨어져 있다. 제1 원을 따라서 배치된 4개의 연료 전지 적층물(12b)의 배치는 제2 원을 따라서 배치된 제2 연료 전지 적층물(12b)로부터 45°만큼 이동되어 있다. 따라서, 연료 전지 적층물(12b)은 서로 접촉하지 않는다. 각각의 연료 전지 적층물(12b)은 덮개(134)로 덮히고 뜨거운 공기 공급 통로(136)는 덮개(134) 내측에 형성된다.
가스 터빈(130)에는, 4개의 연료전지 적층물(12b)들이 제1 원을 따라서 90°간격으로 배치되고 추가의 4개의 연료 전지 적층물(12b)들은 제2 원을 따라서 90°간격으로 배치된다. 제1 원을 따라서 배치된 연료 전지 적층물(12b)의 배치는 제2 원을 따라서 배치된 연료 전지 적층물(12b)로부터 45°만큼 이동되어 있다. 따라서, 비교적 큰 크기를 가지는 큰 수(8개)의 연료 전지 적층물(12b)들은 가스 터빈 (130)에 놓여져 발전 효율을 개선시킬 수 있다. 가스 터빈(130)의 외부 원주 크기는 크지 않으며 가스 터빈(130)은 소형이다.
제1 내지 제3 실시예에서, 연료 전지 적층물(12,12a,12b)들은 가스 터빈(14,120,130)에 사용된다. 그러나, 연료 전지 적층물(12,12a,12b)들은 다른 용도로 사용될 수 있다. 예를 들어, 연료 전지 적층물(12,12a,12b)들은 차량에 탑재될 수 있다.
본 발명의 연료 전지에 따르면, 연료 가스의 누출이 연료 가스 공급 구멍에서 발생하면 누출된 연료 가스는 연료 가스 공급 구멍 주위의 배출 통로속으로 들어가서 바람직하지 않게 산소 함유 가스 채널속으로 이동하지 않는다.
따라서, 부분적인 열 발생을 일으키는 연료 가스와 산소 함유 가스의 반응이 발생하지 않는다. 결국, 전해질 전극 접합체는 열적으로 손상되지 않는다. 예를 들어, 연료 가스를 검출하는 연료 가스 센서가 배출 통로에 설치되면 연료 가스의 누출은 간단한 구조로 확실하게 검출될 수 있다.
연료 가스는 배출 통로 내측으로 연료 가스 공급 구멍을 통하여 흐른다. 뜨거운 배기 가스는 배출 통로를 통하여 흐르기 때문에 연료 가스는 뜨거운 배기 가스의 잠열에 의하여 가열된다. 가열된 연료 가스는 연료 가스 흐름 통로를 통하여 흐르고 애노드에 공급된다. 이러한 구조는 연료 전지의 작동 초기에 전해질 전극 접합체속의 반응을 빨리 시작하고 연료 가스를 초기에 변형시키는데 특별히 적합하다.
본 발명은 양호한 실시예들을 참조로 도시되고 설명되었으나, 이 분야의 기술자에 의해서 첨부된 청구항에 정의되는 본 발명의 정신과 범위를 벗어나지 않으면서 변형과 변경예들이 실행될 수 있음을 알 수 있다.

Claims (8)

  1. 전해질(50)을 애노드(54) 및 캐소드(52) 사이에 끼운 복수의 전해질 전극 접합체(56)가 세퍼레이터(58) 사이에 배설되는 연료 전지에 있어서,
    상기 세퍼레이터(58)는 서로 적층되는 제1 및 제2 플레이트(60, 62)를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 플레이트(60, 62) 사이에는, 상기 애노드(54)에 연료가스를 공급하기 위한 연료 가스 채널(67), 및 상기 캐소드(52)에 산소 함유 가스를 공급하는 산소 함유 가스 채널(82)가 형성되고,
    상기 세퍼레이터(58)은, 상기 전해질 전극 접합체(56)로부터 상기 적층방향으로 교차하는 세퍼레이터 면 방향으로 이간하여 상기 연료 가스를 상기 적층 방향으로 공급하는 연료 가스 공급 구멍(44)과,
    상기 연료 가스 공급 구멍(44) 주위에 배치되어, 상기 복수의 전해질 전극 접합체(56)에서의 반응에 사용된 후의 연료가스 및 산소 함유 가스를, 배기 가스로서 적층방향으로 배출하는 배출 통로(46)와,
    상기 연료 가스 공급 구멍(44)과 상기 연료 가스 채널(67)을 연통하면서, 상기 배출 통로(46) 간에 위치하여 상기 세퍼레이터의 면 방향으로 배치된 연료 가스 분배 통로(67a)를
    구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배출 통로(46)는 상기 세퍼레이터(58)의 중앙부를 통하여 연장하는 연료 전지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 연료 가스 공급 구멍(44)은 상기 세퍼레이터(58)의 상기 중앙부의 중심을 통하여 연장하는 연료 전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 배출 통로(46)는 상기 연료 가스 채널(67)과 상기 산소 함유 가스 채널(82)에 인접한 위치에서 상기 세퍼레이터(58) 사이에 형성된 배기 가스 채널(106)에 연결되는 연료 전지.
  5. 제1항에 있어서,
    제1 돌기(65a)가 상기 제1 플레이트(60)상에 형성되고, 제2 돌기(65b)가 상기 제2 플레이트(62)상에 형성되며, 상기 제1 및 제2 돌기(65a,65b)는 상기 연료 가스 공급 구멍(44)이 이들 돌기(65a,65b) 사이의 공간을 통하여 연장하도록, 서로에 대하여 멀어지게 돌출하는 연료 전지.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 공간을 밀봉하는 밀봉부(90)가 상기 세퍼레이터(58) 중 하나의 제1 플레이트(60)상에 형성된 제1 돌기(65a)와 상기 세퍼레이터(58)와 다른 하나의 제2 플레이트(62)상에 형성된 제2 돌기(65b) 사이에 형성되는 연료 전지.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제1 플레이트(60)는 제1 리지(64a)를 가지고 상기 제2 플레이트(62)는 제2 리지(64b)를 가지며;
    상기 제1 및 제2 리지(64a,64b)는 각기 제1 돌기(65a)와 제2 돌기(65b)에 대향하여 돌출하고;
    상기 제1 리지(64a)와 제2 리지(64b)는 상기 연료 가스 채널(67)과 상기 연료 가스 분배 통로(67a)를 형성하도록 서로에 대하여 접촉하는 연료 전지.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전해질 전극 접합체(56)는 상기 세퍼레이터(58)의 중심축에 동심인 최소한 하나의 원을 따라서 배치되는 연료 전지.
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