KR101011622B1 - 연료전지장치 및 전자기기 - Google Patents

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Abstract

제 1 전극과 제 2 전극을 갖고, 상기 제 1 전극에 공급되는 제 1 물질 및 상기 제 2 전극에 공급되는 제 2 물질을 이용하여 전력을 생성하는 발전 셀과, 상기 발전 셀을 가열하는 가열수단과, 상기 제 1 전극 또는 상기 제 2 전극으로부터 전력을 꺼내는 집전수단을 구비하는 연료전지장치로서, 상기 가열수단은 상기 집전수단에 설치되어 있다.
Figure R1020080094450
집전수단, 발전 셀, 연료용기, 기화기, 개질기

Description

연료전지장치 및 전자기기{FUEL CELL UNIT AND ELECTRONIC DEVICE}
본 발명은 산화제와 환원제의 전기화학반응에 의해 전력을 꺼내는 연료전지장치 및 이것을 구비하는 전자기기에 관한 것이다.
연료전지는 산화제와 환원제의 전기화학반응에 의해 전력을 꺼내는 차세대의 주류가 되는 전원시스템으로서 연료전지의 연구·개발이 널리 실행되고 있다. 연료전지장치의 일종인 고체산화물형 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, 이하 SOFC라 함)에서는 고체산화물형 전해질의 한쪽의 면에 연료극이, 다른쪽의 면에 공기극이 형성된 발전 셀이 이용된다.
일반적으로, SOFC는 평판형 또는 원통형의 복수의 단일 셀을 인터커넥터(연결자)에 의해서 전기적으로 직렬 또는 병렬로 접속한 셀 스택을 포함한다. 이러한 셀 스택의 각 단일 셀을 가열하는 경우, 예를 들면, 일본국 특허공개공보 제2002-75404호에서는 단일 셀의 연료극과 공기극 상에 형성된 저항체를 자기 발열하는 것에 의해 발열원으로서 이용하고, 연료전지가 발전 가능하게 될 때까지의 기동시간을 단축할 수 있다고 하고 있다.
그러나, 공기극 상에 전극과는 관계성이 낮은 재료를 단일 셀 가열용의 저항체로서 형성하고 있다. 그 때문에, 공기극 중 저항체가 형성된 부분은 발전에 기여할 수 없거나, 또는 기여했다고 해도 공기극과 동등한 발전효율은 얻어지지 않는다.
본 발명은 상기 사정을 감안해서 이루어진 것으로써, 발전 셀의 가열수단이 전극의 표면을 덮는 것에 의해서 셀 스택의 발전효율을 저하하는 것을 억제할 수 있는 연료전지장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명의 연료전지장치는, 제 1 전극과 제 2 전극을 갖고, 상기 제 1 전극에 공급되는 제 1 물질 및 상기 제 2 전극에 공급되는 제 2 물질을 이용하여 전력을 생성하는 발전 셀과, 상기 발전 셀을 가열하는 가열수단과, 상기 제 1 전극 또는 상기 제 2 전극으로부터 전력을 꺼내는 집전수단을 구비하고, 상기 가열수단은 상기 집전수단에 설치되어 있으며, 상기 제1 물질은 산화제 또는 환원제 중의 어느 한 쪽이고, 상기 제 2물질은 산화제 또는 환원제 중의 다른 어느 한 쪽이며, 복사를 방지하는 복사방지수단이 상기 집전수단에 설치되어 있다.
또, 본 발명의 제 2 연료전지장치는, 제 1 전극과 제 2 전극을 갖고, 상기 제 1 전극에 공급되는 제 1 물질 및 상기 제 2 전극에 공급되는 제 2 물질을 이용하여 전력을 생성하는 발전 셀과, 상기 발전 셀을 가열하는 가열수단과, 표면에 의해서 상기 제 1 전극 또는 상기 제 2 전극의 사이에서 유로를 획정하는 유로획정수단을 구비하고, 상기 가열수단은 상기 유로획정수단에 설치되어 있으며, 상기 제1 물질은 산화제 또는 환원제 중의 어느 한 쪽이고, 상기 제 2물질은 산화제 또는 환원제 중의 다른 어느 한 쪽이며, 복사를 방지하는 복사방지수단이 상기 유로획정수단에 설치되어 있다.
또한, 본 발명의 제 3 연료전지장치는, 제 1 전극과 제 2 전극을 갖고, 상기 제 1 전극에 공급되는 제 1 물질 및 상기 제 2 전극에 공급되는 제 2 물질을 이용하여 전력을 생성하는 복수의 발전 셀과, 상기 발전 셀을 가열하는 가열수단과, 표면에 의해서 상기 복수의 발전 셀 중 하나의 발전 셀이 갖는 상기 제 1 전극과의 사이에서 상기 제 1 물질이 흐르는 제 1 유로를 획정하는 제 1 유로획정수단과, 표면에 의해서 상기 복수의 발전 셀 중 상기 하나의 발전 셀에 인접하는 다른 발전 셀이 갖는 상기 제 2 전극과의 사이에서 제 2 유로를 획정하는 제 2 유로획정수단을 구비하고, 상기 가열수단은 상기 제 1 유로획정수단 또는 상기 제 2 유로획정수단 중의 한쪽에 설치되어 있으며, 상기 제1 물질은 산화제 또는 환원제 중의 어느 한 쪽이고, 상기 제 2물질은 산화제 또는 환원제 중의 다른 어느 한 쪽이며, 복사를 방지하는 복사방지수단이 상기 제 1 유로 또는 상기 제 2 유로 중의 한쪽에 설치되어 설치되어 있다.
본 발명의 전자기기는, 제 1 전극과 제 2 전극을 갖고, 상기 제 1 전극에 공급되는 제 1 물질 및 상기 제 2 전극에 공급되는 제 2 물질을 이용하여 전력을 생성하는 발전 셀과, 상기 발전 셀을 가열하는 가열수단과, 상기 제 1 전극 또는 상기 제 2 전극으로부터 전력을 꺼내는 집전수단을 갖는 연료전지장치와; 상기 연료전지장치에 의해 생성된 전력에 의해 동작하는 전자기기본체를 구비하고, 상기 가열수단은 상기 집전수단에 설치되어 있다.
또, 본 발명의 제 2 전자기기는, 제 1 전극과 제 2 전극을 갖고, 상기 제 1의 전극에 공급되는 제 1 물질 및 상기 제 2 전극에 공급되는 제 2 물질을 이용하여 전력을 생성하는 발전 셀과, 상기 발전 셀을 가열하는 가열수단과, 표면에 의해서 상기 제 1 전극 또는 상기 제 2 전극과의 사이에서 유로를 획정하는 유로획정수단을 갖는 연료전지장치와; 상기 연료전지장치에 의해 생성된 전력에 의해 동작하 는 전자기기본체를 구비하고, 상기 가열수단은 상기 유로획정수단에 설치되어 있다.
또한, 본 발명의 제 3 전자기기는, 제 1 전극과 제 2 전극을 갖고, 상기 제 1 전극에 공급되는 제 1 물질 및 상기 제 2 전극에 공급되는 제 2 물질을 이용하여 전력을 생성하는 복수의 발전 셀과, 상기 발전 셀을 가열하는 가열수단과, 표면에 의해서 상기 복수의 발전 셀 중 하나의 발전 셀이 갖는 상기 제 1 전극과의 사이에서 상기 제 1 물질이 흐르는 제 1 유로를 획정하는 제 1 유로획정수단과, 표면에 의해서 상기 복수의 발전 셀 중 상기 하나의 발전 셀에 인접하는 다른 발전 셀이 갖는 상기 제 2 전극과의 사이에서 제 2 유로를 획정하는 제 2 유로획정수단을 갖는 연료전지장치와; 상기 연료전지장치에 의해 생성된 전력에 의해 동작하는 전자기기본체를 구비하고, 상기 가열수단은 상기 제 1 유로획정수단 또는 상기 제 2 유로획정수단 중 한쪽에 설치되어 있다.
본 발명의 연료전지장치는 발전 셀의 가열수단이 전극상이 아닌 집전수단 또는 유로획정수단에 설치되어 있으므로, 발전 셀의 가열수단이 전극의 표면을 덮는 것에 의해서 발전 셀의 발전 효율을 저하시키는 일이 없고, 또 가열수단과 전극이 반응하는 것에 의해서 발전효율이 저하하는 것이 억제된 연료전지장치를 제공할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시형태에 대해 도면을 참조하면서 설명한다.
이하에, 본 발명을 실시하기 위해 바람직한 형태에 대해 도면을 이용하여 설명한다. 단, 이하에 기술하는 실시형태에는 본 발명을 실시하기 위해 기술적으로 바람직한 각종 한정이 부가되어 있지만, 본 발명의 범위를 이하의 실시형태 및 도시예에 한정하는 것은 아니다.
<제 1 실시형태>
[전자기기]
도 1은 연료전지장치(100)를 탑재한 휴대용의 전자기기(200)를 나타내는 블럭도이다. 이 전자기기(200)는 예를 들면 노트형 퍼스널 컴퓨터, PDA, 전자수첩, 디지털카메라, 휴대전화기, 손목시계, 레지스터 및 프로젝터 등과 같은 휴대형의 전자기기이다.
전자기기(200)는 전자기기 본체(201), DC/DC 컨버터(202), 2차 전지(203) 등과, 연료전지장치(100)를 구비한다. 전자기기 본체(201)는 DC/DC 컨버터(202) 또는 2차 전지(203)에 의해 공급되는 전력에 의해서 구동된다. DC/DC 컨버터(202)는 연료전지장치(100)에 의해 생성된 전력을 적절한 전압으로 변환한 후에 전자기기 본체(201)에 공급한다. 또, DC/DC 컨버터(202)는 연료전지장치(100)에 의해 생성된 전력을 2차 전지(203)에 충전하고, 연료전지장치(100)가 동작하고 있지 않을 때에, 2차 전지(203)에 축전된 전력을 전자기기 본체(201)에 공급한다.
[연료전지장치]
이 연료전지장치(100)는 연료용기(2), 펌프(3), 단열패키지(10) 등을 구비한다. 연료전지장치(100)의 연료용기(2)는 예를 들면 전자기기(200)에 대해 착탈 가 능하게 설치되어 있고, 펌프(3), 단열패키지(10)는 예를 들면 전자기기(200)의 본체에 내장되어 있다.
연료용기(2)에는 액체의 원연료(예를 들면, 메탄올, 에탄올, 디메틸에테르)와 물의 혼합액이 저장되어 있다. 또한, 액체의 원연료와 물을 개별의 용기에 저장해도 좋다. 펌프(3)는 연료용기(2)내의 혼합액을 흡인하여, 단열패키지(10)내의 기화기(4)로 송액하는 것이다.
단열패키지(10)내에는 기화기(4), 개질기(6), 발전 셀(8) 및 촉매연소기(9)가 수용되어 있다. 단열패키지(10)내는 내부공간이 대기압보다 낮은 기압(예를 들면, 10Pa 이하)으로 유지되어 있다. 이것에 의해 공기에 의한 열 전도를 작게 하여 단열성능을 높이고 있다. 기화기(4), 개질기(6), 촉매연소기(9)에는 각각 전기히터겸 온도센서(4a, 6a, 9a)가 설치되어 있다. 전기히터겸 온도센서(4a, 6a, 9a)의 전기저항값은 온도에 의존하므로, 이 전기히터겸 온도센서(4a, 6a, 9a)가 기화기(4), 개질기(6), 촉매연소기(9)의 온도를 측정하는 온도센서로서도 기능한다.
펌프(3)로부터 기화기(4)로 보내진 혼합액은 전기히터겸 온도센서(4a)의 열이나 촉매연소기(9)로부터 전파한 열에 의해 약 110∼160℃정도로 가열되고, 기화하며, 혼합기가 생성된다. 기화기(4)에서 생성된 혼합기는 개질기(6)로 보내진다.
개질기(6)의 내부에는 유로가 형성되고, 그 유로의 벽면에 촉매가 담지되어 있다. 기화기(4)로부터 개질기(6)로 보내지는 혼합기는 개질기(6)의 유로를 흐르고, 전기히터겸 온도센서(6a)의 열, 발전 셀(8)의 반응열이나 촉매연소기(9)의 열에 의해 약 300∼400℃정도로 가열되며, 촉매에 의해 개질반응을 일으킨다. 원연료 와 물의 개질반응에 의해서 연료로서의 수소, 이산화탄소, 및 부생성물인 미량의 일산화탄소 등의 혼합기체(개질가스)가 생성된다. 또한, 원연료가 메탄올인 경우, 개질기(6)에서는 주로 다음 식[1]에 나타내는 바와 같은 수증기 개질반응이 일어난다.
CH3OH + H2O → 3H2 + CO2…[1]
일산화탄소는 화학반응식[1]에 계속해서 순차적으로 일어나는 다음 식[2]와 같은 식에 의해서 미량으로 부생된다.
H2 + CO2 → H2O + CO…[2]
화학반응식[1], [2]에 의해 생성된 기체(개질가스)는 발전 셀(8)로 송출된다.
도 2는 발전 셀(8)의 모식도이다. 이 도 2에 나타내는 바와 같이, 발전 셀(8)은 고체산화물형 전해질(81)과, 고체 산화물형 전해질(81)의 양면에 형성된 연료극(82)(제 2 전극, 애노드) 및 공기극(83)(제 1 전극, 캐소드)과, 연료극(82)에 맞닿고 그 맞닿음면에 제 1 유로(86)를 형성한 애노드 집전극(집전수단, 유로획정수단, 제 2 유로획정수단)(84)과, 공기극(83)에 맞닿고 그 맞닿음면에 제 2 유로(87)를 형성한 캐소드 집전극(집전수단, 유로획정수단, 제 1 유로획정수단)(85)을 구비한다. 여기서, 발전 셀끼리는 도시하지 않은 복수의 볼트를 이용하여 체결하도록 해도 좋다.
또, 발전 셀(8)은 케이스(90)내에 수용된다. 또한, 고체 산화물형 전해 질(81)과, 그 양면에 형성된 연료극(82) 및 공기극(83)이 1조가 되어 전지의 기본구성단위인 단일 셀(1)이 구성된다. 또한, 애노드 집전극(84), 단일 셀(1) 및 캐소드 집전극(85)은 도시하지 않은 볼트 등에 의해 서로 밀접하도록 체결된다.
발전 셀(8)은 전기히터겸 온도센서(9a)나 촉매연소기(9)의 열에 의해 약 500∼1000℃ 정도로 가열되고, 이하의 식[3]∼[5]에 나타내는 각 반응이 일어난다.
공기극(83)에는 캐소드 집전극(85)의 제 2 유로(87)를 통해 공기(산화성가스)가 보내진다. 공기극(83)에서는 공기중의 산소(제 1 물질 또는 제 2 물질, 산화제)와 캐소드 출력전극(21b)으로부터 공급되는 전자에 의해, 다음 식[3]에 나타내는 바와 같이 산소이온이 생성된다.
O2 + 4e-→2O2- …[3]
고체 산화물형 전해질(81)은 산소이온의 투과성을 갖고, 공기극(83)에서 화학반응식[3]에 의해 생성된 산소이온을 투과시켜 연료극(82)에 도달시킨다.
연료극(82)에는 애노드 집전극(84)의 제 1 유로(86)를 통해 개질기(6)로부터 배출된 개질가스(연료가스)가 보내진다. 연료극(82)에서는 고체 산화물형 전해질(81)을 투과한 산소이온과 개질가스중의 수소(제 2 물질 또는 제 1 물질, 환원제) 및 일산화탄소와의 다음 식[4], [5]와 같은 반응이 일어난다.
H2 + O2-→H2O + 2e-…[4]
CO + O2 -→CO2 + 2e-…[5]
화학반응식 [4], [5]에 의해 방출되는 전자는 연료극(82), 애노드 출력전극(21a), DC/DC컨버터(202) 등의 외부회로를 경유하여 캐소드 출력전극(21b)으로부터 공기극(83)에 공급된다.
애노드 집전극(84) 및 캐소드 집전극(85)에는 애노드 출력전극(21a), 캐소드 출력전극(21b)이 접속되고, 케이스(90)를 관통해서 인출된다. 후술하는 바와 같이, 케이스(90)는 예를 들면 Ni계의 합금으로 형성되고, 애노드 출력전극(21a) 및 캐소드 출력전극(21b)은 유리, 세라믹 등의 절연재에 의해 케이스(90)로부터 절연되어 인출된다. 도 1에 나타내는 바와 같이, 애노드 출력전극(21a) 및 캐소드 출력전극(21b)은 예를 들면 DC/DC컨버터(202)에 접속된다.
발전 셀(8)을, 도 3에 나타내는 바와 같이 셀 스택(80)으로 해도 좋다. 도 3은 복수의 단일 셀(1)과 복수의 애노드 집전극(84) 및 캐소드 집전극(85)으로 구성되는 셀 스택(80)의 일예를 나타내는 모식도이다. 즉, 이 도 3에 나타내는 셀 스택(80)은 도 2에서 나타낸 애노드 집전극(84), 연료극(82), 고체 산화물형 전해질(81), 공기극(83), 캐소드 집전극(85)을 구비하는 복수의 발전 셀(8)을 직렬로 접속하여 셀 스택 구조로 한 것이다. 이 경우, 도 3에 나타내는 바와 같이, 직렬로 접속된 한쪽의 단부의 애노드 집전극(84)을 애노드 출력전극(21a)에, 다른쪽의 단부의 캐소드 집전극(85)을 캐소드 출력전극(21b)에 접속한다. 이 경우, 셀 스택(80)은 케이스(90)내에 수용된다. 또한, 복수의 애노드 집전극(84), 복수의 단일 셀(1) 및 복수의 캐소드 집전극(85)은 도시하지 않은 볼트 등에 의해 서로 밀접하도록 체결된다.
발전 셀(8)을, 도 4에 나타내는 바와 같은 셀 스택(80)으로 해도 좋다. 도 4에 나타내는 셀 스택(80)은 애노드 집전극(84)과 캐소드 집전극(85)의 사이에, 단일 셀(1)을 인터커넥터(집전수단, 유로획정수단, 제 1 유로획정수단, 제 2 유로획정수단)(88)를 통해 중첩한 구조로 한 셀 스택(80)을 모식적으로 나타내는 개략 단면도이다. 즉, 이 셀 스택(80)은 고체 산화물형 전해질(81)을 사이에 두고 연료극(82)과 공기극(83)을 설치한 복수의 단일 셀(1)과, 각 단일 셀(1) 사이에 배치되어 단일 셀(1)간을 전기적으로 접속하기 위한 가스 기밀성을 갖는 복수의 인터커넥터(88)를 구비하고 있다. 그리고, 제 1 유로(86)는 애노드 집전극(84) 및 각 인터커넥터(88)의 하나의 주면(도 4에 있어서의 상측)에 각각 형성되고, 제 2 유로(87)는 캐소드 집전극(85) 및 각 인터커넥터(88)의 다른 주면(도 4에 있어서의 하측)에 각각 형성되어 있다. 또한, 이 인터커넥터(88)는 도 3에 나타내는 바와 같이 등을 맞대고 인접하는 애노드 집전극(84)과 캐소드 집전극(85)끼리를 일체로 형성한 구조이다. 여기서, 단일 셀(1)의 외주부와, 세퍼레이터(88), 애노드 집전극(84) 또는 캐소드 집전극(85)의 외주부와의 사이에서, 유리밀봉 등의 방법에 의해 가스 기밀성을 유지할 수 있다. 가스 기밀성을 유지할 수 있는 것이면, 다른 방법을 이용해도 좋다.
또한, 복수의 애노드 집전극(84), 복수의 단일 셀(1) 및 복수의 캐소드 집전극(85)은 도시하지 않은 볼트 등에 의해 서로 밀접하도록 체결된다. 또, 셀 스택의 양단에 애노드 집전극(84) 및 캐소드 집전극(85)과는 별도로 한쌍의 집전판을 배치하고, 이 집전판에 의해서 집전하도록 해도 좋다. 또한, 셀 스택의 양단에 한쌍의 체결판을 배치하고, 이 체결판을 통해 셀 스택 전체를 체결하도록 해도 좋다.
발전 셀(8) 혹은 셀 스택(80)에 있어서의 제 1 유로(86)내 및 제 2 유로(87)내에는 복사방지막(8a)과, 발전 셀(8)을 가열하기 위한 전열재로 이루어지는 전기히터(가열수단, 저항체)(8c)가 설치된다. 도 4에 나타내는 예에서는 제 1 유로(86) 및 제 2 유로(87)의 내면에 복사방지막(8a) 및 절연층(8b)이 설치되고, 그 절연층(8b)의 위에 전기히터(8c)가 설치되어 있다. 따라서, 발전 셀(8)은 이 전기히터(8c)에 의해서 내부로부터 가열된다. 그 때, 제 1 유로(86)및 제 2 유로(87)를 통과하는 연료가스 및 산화성가스도 가열된다.
또한, 절연층(8b)은 제 1 유로(86) 및 제 2 유로(87)의 내면에 대해 직접 설치하는 대신에, 복사방지막(8a)의 위에 설치해도 좋다. 또, 복사방지막(8a)은 제 1 유로(86) 또는 제 2 유로(87)의 어느 한쪽에 설치해도 좋다. 그러나, 셀 스택(80) 전체를 더욱 균일하게 가열하는 관점에서 보면, 이와 같이 제 1 유로(86) 및 제 2 유로(87)의 양쪽에 설치하는 것이 바람직하다. 또, 전기히터(8c)는 전기저항값이 온도에 의존함으로써 온도센서로서도 기능하는 전기히터겸 온도센서로서 이용해도 좋다.
애노드 집전극(84)의 제 1 유로(86)를 통과한 개질가스(이하, 통과한 개질 가스를 오프가스라 함)에는 미반응의 수소도 포함되어 있다. 오프가스는 촉매연소기(9)에 공급된다.
촉매연소기(9)에는 오프가스와 함께, 캐소드 집전극(85)의 제 2 유로(87)를 통과한 공기가 공급된다. 촉매연소기(9)의 내부에는 유로가 형성되고, 그 유로의 벽면에 Pt계의 촉매가 담지되어 있다. 촉매연소기(9)에는 전열재로 이루어지는 전기히터겸 온도센서(9a)가 설치되어 있다. 전기히터겸 온도센서(9a)의 전기저항값이 온도에 의존하므로, 이 전기히터겸 온도센서(9a)가 촉매연소기(9)의 온도를 측정하는 온도센서로서도 기능한다.
오프가스와 공기의 혼합기체(연소가스)는 촉매연소기(9)의 유로를 흐르고, 전기히터겸 온도센서(9a)에 의해 가열된다. 촉매연소기(9)의 유로를 흐르고 있는 연소가스 중 수소가 촉매에 의해 연소되고, 이것에 의해 연소열이 발생한다. 연소후의 배기가스는 촉매연소기(9)로부터 단열패키지(10)의 외부로 방출된다.
이 촉매연소기(9)에서 발생한 연소열은 발전 셀(8)의 온도를 고온(약 500∼1000℃ 정도)으로 유지하는데 이용된다. 그리고, 발전 셀(8) 혹은 셀 스택(80)의 열은 개질기(6), 기화기(4)에 전도되고, 기화기(4)에 있어서의 증발, 개질기(6)에 있어서의 수증기 개질 반응에 이용된다.
[단열패키지]
도 5는 단열패키지(10)의 사시도이고, 도 6은 단열패키지(10)의 내부구조를 나타내는 사시도이다. 도 5에 나타내는 바와 같이, 단열패키지(10)의 하나의 벽면으로부터는 연결부(5), 애노드 출력전극(21a) 및 캐소드 출력전극(21b)이 돌출되어 있다.
단열패키지(10)내에는 기화기(4) 및 연결부(5), 개질기(6), 연결부(7), 연료전지부(20)가 이 순번으로 배열되어 있다. 여기서, 도시하지 않지만, 연결부(5), 개질기(6), 연결부(7), 연료전지부(20)의 하면에는 세라믹 등으로 절연처리가 실시 된 후에 배선패턴이 형성되어 있다. 배선패턴은 기화기(4)의 하부, 개질기(6)의 하부, 연료전지부(20)의 하부에 지그재그형상으로 형성되고, 각각 전기히터겸 온도센서(4a, 6a, 9a)로 된다. 전기히터겸 온도센서(4a, 6a, 9a)의 일단은 공통의 단자에 접속되고, 타단은 독립된 3개의 단자에 각각 접속되어 있다. 이들 4개의 단자는 연결부(5)의 단열패키지(10)보다 외측으로 되는 단부에 형성되어 있다.
기화기(4) 및 연결부(5), 개질기(6), 연결부(7) 및 연료전지부(20)의 각 하면에는 전기히터겸 온도센서(4a, 6a, 9a) 및 그들의 인출배선이 설치되어 있다. 또, 단열패키지(10)의 외부에 노출된 연결부(5)의 하면에는 각 전기히터겸 온도센서(4a, 6a, 9a)의 각 인출배선의 단부가 배치되고, 이들 단부가, 각 전기히터겸 온도센서(4a, 6a, 9a)에 전류 또는 전압을 인가하기 위한 외부단자로 되어 있다. 또한, 연료전지부(20)는 발전 셀(8)을 수용하는 케이스(90)와 촉매연소기(9)가 일체로 형성되어 이루어지고, 발전 셀(8)의 연료극(82)으로부터 오프가스가 촉매연소기(9)에 공급된다.
기화기(4), 연결부(5), 개질기(6), 연결부(7), 연료전지부(20)의 발전 셀(8)을 수납하는 케이스(90) 및 촉매연소기(9), 애노드 출력전극(21a) 및 캐소드 출력전극(21b)은 고온 내구성과 적당한 열전도성이 있는 금속으로 이루어지며, 예를 들면 인코넬783 등의 Ni계의 합금을 이용하여 형성할 수 있다. 또한, 온도상승에 수반하여 기화기(4), 연결부(5), 개질기(6), 연결부(7), 연료전지부(20)의 케이스(90) 및 촉매연소기(9)의 사이에 생기는 응력을 저감하기 위해, 이들을 동일한 재료에 의해 형성하는 것이 바람직하다.
단열패키지(10)의 내벽면에는 도시하지 않은 복사방지막이 설치되어 있다. 기화기(4), 연결부(5), 개질기(6), 연결부(7), 애노드 출력전극(21a), 캐소드 출력전극(21b), 연료전지부(20)의 외벽면에도, 도시하지 않은 복사방지막이 형성되어 있다. 복사방지막은 복사에 의한 전열을 방지하는 것이며, 예를 들면 Au 등을 이용할 수 있다. 복사방지막은 적어도 한쪽을 설치하는 것이 바람직하며, 양쪽 설치하는 것이 더욱 바람직하다.
또한, 촉매연소기(9)에 공급되는 오프가스 및 공기에 대해, 촉매연소기(9)로부터 배출되는 배기가스의 유로직경을 충분히 크게 하기 위해, 연결부(7)의 내부에 설치된 3개의 유로 중 2개를 촉매연소기(9)로부터의 배기가스의 유로로서 이용하고, 다른 1개를 발전 셀(8)의 연료극(82)으로의 개질가스의 공급유로로서 이용하고 있다.
애노드 출력전극(21a) 및 캐소드 출력전극(21b)은 도 5, 도 6에 나타내는 바와 같이, 단열패키지(10)의 내벽면과 연료전지부(20)의 사이의 공간에서 접어 구부러진 절곡부(21c, 21d)를 갖고 있다. 이 절곡부(21c, 21d)는 애노드 출력전극(21a), 캐소드 출력전극(21b)의 열팽창에 의한 변형에 의해 연료전지부(20)와 단열패키지(10)의 사이에 작용하는 응력을 완화하는 역할을 한다. 애노드 출력전극(21a) 및 캐소드 출력전극(21b)은 중공의 관형상이며, 내부가 발전 셀(8)의 산소극(83)에 공기를 공급하는 공기공급유로(22a, 22b)로 되어 있다.
정상 운전시의 단열패키지(10)내의 온도분포에 대해서는 전기히터겸 온도센서(4a, 6a, 9a)에 전류 또는 전압을 인가하는 것에 의해서 가열하는 동시에, 예를 들면 연료전지부(20)를 약 800℃ 정도로 유지하면, 연료전지부(20)로부터 연결부(7)를 통해 개질기(6)에, 개질기(6)로부터 연결부(5)를 통해 기화기(4), 단열패키지(10)의 외부로 열이 이동한다. 그 결과, 개질기(6)는 약 380℃ 정도, 기화기(4)는 약 150℃정도로 유지된다. 또한, 발전 셀(8)은 통상, 복수의 단일 셀(1)을 포함하는 셀 스택(80)으로서 구성된다. 따라서, 이하의 설명에서는 도 4의 셀 스택(80)을 예로 들어 설명한다.
도 7은 전기히터(8c)를 설치한 셀 스택(80)의 평면도이며, 도 8은 도 7의 Ⅷ-Ⅷ선을 따른 단면도이고, 도 9는 도 7의 Ⅸ-Ⅸ선을 따른 단면도이다. 또, 도 10은 인터커넥터(88)와 전기히터(8c)의 구조를 나타내는 평면도이고, 도 11은 도 10의 XI-XI선을 따른 단면도이며, 도 12는 도 10의 XII-XII선을 따른 단면도이다.
도 4 및 도 7∼도 12에 나타내는 바와 같이, 셀 스택(80)의 인터커넥터(88)는 단일 셀(1)간을 전기적으로 접속하기 위한 가스 기밀성을 갖는 부재이고, 연료극(82) 및 공기극(83)과 접하는 인터커넥터(88)의 면에는 홈(86a, 87a)(도 9 참조)이 형성되어 있다. 이것에 의해, 연료가스 공급용의 제 1 유로(86)는 홈(86a)과 연료극(82)의 사이에 형성되고, 공기공급용의 제 2 유로(87)는 홈(87a)과 공기극(83)의 사이에 형성되어 있다.
본 실시형태에서는 인터커넥터(88)에 지그재그형상으로 형성된 홈(86a, 87a)의 내면에 복사방지막(8a) 및 절연층(8b)이 설치되고, 그 절연층(8b)의 위에 전기히터(8c)가 설치되어 있다. 도 7에 나타내는 바와 같이, 전기히터(8c)는 각 유로(86, 87)의 입구근방 및 출구근방에 있어서 유로의 외부로 인출되고, 그 외측에 서 리드선(8r, 8r)에 접속되며, 이들 리드선(8r, 8r)은 단열패키지(10)의 외측으로 둘러쳐진다. 여기서, 인터커넥터(88)의 외주부에 있어서의 전기히터(8c)의 인출부분에는 오목부가 형성되어 있고, 여기에 전기히터(8c)를 형성한 후, 유리밀봉 등에 의해 가스기밀성을 유지하기 위해 오목부가 밀봉된다. 이 경우, 인터커넥터(88)와 동일한 재료로 매립하는 것이 바람직하다. 또, 오목부에 끼워 맞추는 덮개재를 끼워 넣고, 오목부와 덮개재가 맞닿는 부분(파팅라인)을 유리밀봉에 의해 밀봉해도 좋다.
셀 스택(80)의 공기극(83)은 특히 한정되지 않으며, 공지의 공기극 재료, 예를 들면, (La1-xSrxMnO3), (La1-xCoxO3), (La1-xSrxFe1-yCoyO3) 등을 선택할 수 있다. 셀 스택(80)의 연료극(82)도 또한 특히 한정되지 않으며, 공지의 연료극 재료, 예를 들면 (Ni/YSZ),(La1-xSrxCr1-yCoyO3) 등을 선택할 수 있다. 고체 산화물형 전해질(81)도 특히 한정되지 않으며 공지의 재료, 예를 들면 산화 지르코늄계 전해질, 세륨계 전해질, 란타늄갈레이트계 전해질 등을 선택할 수 있다.
연료극(82), 공기극(83)의 형태는 산화성가스, 연료가스를 확산할 수 있으면 특히 한정되지 않지만, 다공질구조를 갖는 전극이 바람직하다. 고체 산화물형 전해질(81)의 형태는 치밀한 구조이면 특히 한정되지 않고, 소결체(다결정체), 단결정, 박막 중의 어느 하나 혹은 그들을 조합한 것이어도 좋다. 또, 공기극(83)과 고체 산화물형 전해질(81), 연료극(82)과 고체 산화물형 전해질(81)의 계면에 반응억제층 등의 전극과는 별도의 재료를 넣어도 좋다.
단일 셀(1)끼리를 전기적으로 접속하고, 연료극(82) 및 공기극(83)에 연료가스 및 공기를 흘리기 위한 인터커넥터(88)도 특히 한정되지 않으며, 공지의 재료, 예를 들면 란탄 아크롬산염계, 니켈계 합금, 페라이트계 합금, 크롬계 합금, 티탄산염계 등을 선택할 수 있다.
인터커넥터(88)에 형성되어 있는 제 1 유로(86) 및 제 2 유로(87)의 유로의 형상도 특히 한정되지 않으며, 서펜타인(serpentine) 유로, 평행유로, 전체면에 홈이 형성된 것만의 대략 직사각형 형상 등을 선택할 수 있다.
제 1 유로(86) 및 제 2 유로(87)내에 설치되어 있는 저항체로 이루어지는 전기히터(8c)는 유로폭에 대해 홈의 전체면에 형성되어 있어도 좋고, 일부에만 형성되어 있어도 좋다. 재료는 특히 한정되지 않으며, 세라믹스이어도 좋고, 또는 Pt, 텅스텐, Au 등을 선택할 수 있다. 연료극(82)에는 텅스텐을 선택하는 것이 바람직하다. 전기히터(8c)의 형성은 전기히터에 적합한 재료를 포함하는 페이스트를 도포해도 좋고, 스퍼터 등을 이용해서 형성해도 좋다.
전기히터(8c)의 두께는 제 1 유로(86) 및 제 2 유로(87)의 깊이보다 얇고, 공기나 연료가스의 흐름을 방해하지 않고, 인가한 전압 혹은 전류에 의해 단선하지 않으면 특히 한정되지 않는다. 또, 각 유로 내에 형성되는 복사방지막(8a)은 전기히터(8c)의 복사열을 효율 좋게 이용하기 위한 것으로서, 전기히터(8c)와 함께 형성된다.
이 복사방지막(8a)의 형성은 페이스트를 도포해도 좋고, 스퍼터 등을 이용하여 형성해도 좋다. 두께는 유로의 깊이보다 얇고, 가스의 흐름을 방해하지 않으며, 복사열을 반사할 수 있는 두께이면 한정되지 않는다. 또한, 1층이라도 좋지만, 복수의 층을 적층해도 좋다. 이 복사방지막(8a)으로서는 복사열의 반사성이나 가공성 등의 점에서, Au로 형성하는 것이 특히 바람직하다.
또, 인터커넥터(88)와 복사방지막(8a), 및 전기히터(8c)와의 접촉면에는 절연층(8b)이 설치되어 있다. 절연층(8b)은 전기히터(8c)보다 고저항이고, 전기히터(8c)와 복사방지막(8a)을 전기적으로 절연할 수 있는 재료이면 특히 한정되지 않는다. 예를 들면, SiO2, 알루미나 등이어도 좋다. 절연층(8b)의 형성도 스퍼터법 등을 이용해도 좋고, 페이스트 등으로 해서 도포해도 좋다. 절연층(8b)은 1층이어도 좋지만, 복수의 막을 적층시켜 형성해도 좋다. 이 절연층(8b)을 설치함으로써, 복사방지막(8a)의 기능에 영향을 주지 않는 형태로 전기히터(8c)를 설치할 수 있다.
도 13은 복사방지막과 전기히터의 관계를 나타내는 단면도이고, 도 14 및 도 15는 복사방지막과 전기히터의 관계를 나타내는 확대 단면도이다. 여기서, 도 13에 있어서는 간편을 위해, 절연막을 생략하고 있다. 전기히터(8c)와 복사방지막(8a)의 형성의 순서로서는 예를 들면, 도 14에 나타내는 바와 같이, 복사방지막(8a)을 형성한 후에, 그 복사방지막(8a) 상에 절연막(8b) 및 전기히터(8c)를 형성해도 좋고, 도 15에 나타내는 바와 같이, 절연막(8b) 및 전기히터(8c)를 형성한 후에, 유로 내에서 전기히터(8c)가 형성되지 않았던 부분에 복사방지막(8b)을 형성해도 좋다.
셀 스택(80)은 단열패키지(10)에 수납되지만, 단열패키지(10)에는 외부히터는 구비되지 않는다. 단열패키지(10)의 내벽은 그 구성재료인 채이어도 좋지만, 내 벽에 복사방지막을 형성하는 것이 바람직하다.
셀 스택(80)의 승온(가열)은 상기의 인터커넥터(88)내에 형성한 전기히터(8c)에 전류 또는 전압을 인가함으로써 실행된다. 셀 스택(80)의 외측으로부터 외부히터를 이용하여 가열하는 것이 아니라, 인터커넥터(88)에 설치된 전기히터(8c)에 의해, 셀 스택(80)의 내측으로부터 가열하므로, 셀 스택(80)내의 온도를 대략 균일하게 유지한 채 승온할 수 있다. 그 때문에, 열응력을 최소한으로 억제하는 것이 가능하게 되고, 승온속도를 빠르게 할 수 있다. 그 결과, 셀 스택(80) 전체를 발전가능 온도까지 가열하는 시간이 짧아지고, 고속 기동이 가능하게 된다. 이 점은 도 2에 나타낸 하나의 단일 셀(1)을 갖는 발전 셀(8)에 대해서도 마찬가지이다. 발전 셀(8)은 애노드 집전극(84) 및 캐소드 집전극(85)의 유로내에 설치된 전기히터(8c)에 의해 그 내부로부터 가열된다. 이것에 의해, 발전 셀(8) 전체를 발전가능 온도까지 가열하는 시간이 짧아지고, 고속 기동이 가능해진다.
또, 유로내에 있어서 유로를 형성하는 홈의 벽면에 전기히터를 설치하고 있으므로, 특허문헌 1에 기재된 종래기술과 같이, 연료극이나 공기극(전극)상에 전기히터가 설치되어 있지 않다. 따라서, 발전 셀(8) 혹은 셀 스택(80)의 발전효율을 손상시키는 일도 없고, 또한 전기히터와 전극이 반응하는 것에 의한 발전효율의 저하도 억제된다. 또한, 산화성가스 및 연료가스는 셀 스택(80)을 가열하기 전부터 각 유로(86, 87)에 흘려도 좋고, 발전가능 온도로 되고 나서 흘려도 좋으며, 가열의 도중부터 흘려도 좋다.
이상과 같이, 제 1 유로(86) 및 제 2 유로(87)의 내면의 일부가 인터커넥 터(88)에 의해 형성되고, 그 인터커넥터(88)의 면에 형성된 홈(86a, 87a)에 전기히터(8c)가 설치되어 있으므로, 전기히터(8c)가 연료극이나 공기극 등의 전극의 표면을 덮는 것에 의해서 셀 스택(80)의 발전효율을 저하시키는 일이 없고, 또 전기히터와 전극이 반응하는 것에 의해서 발전효율이 저하하는 것도 억제된다.
또, 상술한 바와 같이, 본 실시형태에서는 제 2 유로(87)의 내면 및 제 1 유로(86)의 내면의 양쪽에 복사방지막(8a)을 설치했으므로, 셀 스택(80)내의 온도를 대략 균일하게 유지한 채 더욱 효율적으로 승온할 수 있다. 물론, 이 복사방지막(8a)은 제 1 유로(86)의 내면 및 제 2 유로(87)의 내면의 어느 한쪽에 설치해도 그 기능을 충분히 발휘시킬 수 있다.
이 실시형태의 단일 셀(1)은 막형상으로 형성된 고체 산화물형 전해질(81)의 한쪽면에 연료극(82)이, 다른 한쪽면에 공기극(83)이 형성된 평판형이며, 그 평판형의 단일 셀(1)이 인터커넥터(88)를 통해 다단으로 적층되어 있다. 이것에 의해, 내부로부터 대략 균일하게 승온가능한 평판형의 발전 셀(8) 혹은 셀 스택(80)을 얻을 수 있다.
[실시예]
셀 스택 구성： 단일 셀(1)의 구성은 도 4∼도 9에 나타낸 구성이며, 공기극(83)에는 La0 .8Sr0 .2MnO3(LSM)를 이용하고, 고체 전해질(81)에는 평판형상의 8YSZ를 이용하였다. 8YSZ는 소정의 온도로 소성되어 있다. 8YSZ상에 상기 LSM을 분산시킨 도포액을 스핀코트법에 의해 도포하고, 소정의 온도로 소성하고, 공기극(83)을 형 성하였다. 다음에, 공기극(83)을 형성한 8YSZ 전해질의 이면에, Ni/8YSZ를 분산시킨 도포액을 독터 블레이드법(doctor blade)에 의해 도포하고, 소정의 온도로 소성하여, 단일 셀(1)을 제작하였다.
각 단일 셀(1)간에, 인접하는 단일 셀(1)의 연료극(82)과 공기극(83)의 사이에서 전기적인 접속을 실행하기 위해 인터커넥터(88)를 사이에 배치하였다. 인터커넥터(88)에 이용한 재료는 inconel600이며, 연료극(82) 및 공기극(83)과 접하는 면에는 각 전극에, 연료가스, 산화성가스를 흘리기 위해 제 1 유로(86) 및 제 2 유로(87)를 형성하였다.
제 1 유로(86), 제 2 유로(87)내에는 스퍼터법에 의해 복사방지막(8a)으로서 내구성 및 복사방지효과 등이 우수한 Au를 이용하여 형성하였다. 또한, 복사방지막(8a)을 형성한 후, 절연을 취하기 위해 절연층(8b)을 복사방지막(8a)상에 도포 로봇에 의해 형성하였다. 절연층(8b)에는 SiO2를 이용하였다.
전기히터(8c)는 Pt를 페이스트형상으로 하고, 도포 로봇을 이용하여 제 1 유로(86)내 및 제 2 유로(87)내에 형성한 후, 소정 온도로 소성하고 전기히터(8c)를 형성하였다. 단일 셀(1)을 3스택, 인터커넥터(88)를 사이에 두어 적층시키고, 셀 스택(80)을 형성하였다. 셀 스택(80)을 SUS제의 용기에 넣고, 상술한 공기공급유로(22a, 22b)에 대응하는 가스공급구 및 배기구, 전기히터겸 온도센서(4a, 6a, 9a)의 인출배선에 대응하는 히터용 전극, 애노드 출력전극(21a) 및 캐소드 출력전극(21b)에 대응하는 셀 스택 출력단자를 꺼낸 후, 밀폐하였다.
[평가]
평가는 상술한 전기히터(8c)에 전압을 인가하고, 셀 스택(80)내에 설치한 측온계(R열전쌍)로 온도를 모니터하고, 발전가능 온도(이번에는 800℃)가 될 때까지의 시간을 측정하였다. 800℃에 이를 때까지의 시간을 도 16에 나타낸다. 평가 후, 수십시간 소요하여 실온까지 냉각하고, 단일 셀(1)을 포함시켜 셀 스택(80)에 파손 등이 없는지 확인했지만, 파손 등은 확인할 수 없었다(표 1 참조).
[표 1]
예 파손의 유무
실시예 없음
비교예 1 없음
비교예 2 깨짐
[비교예 1]
셀 스택 구성： 셀 스택(80)의 구성은 실시예 1과 동일하다. 단, 인터커넥터(88)의 유로내에는 전기히터(8c) 및 복사방지막(8a)은 형성되어 있지 않다. 셀 스택(80)을, 외부가열히터를 구비한 가열로에 넣고, 상술한 공기공급유로(22a, 22b)에 대응하는 가스공급구 및 배기구, 전기히터겸 온도센서(4a, 6a, 9a)의 인출배선에 대응하는 히터용 전극, 애노드 출력전극(21a) 및 캐소드 출력전극(21b)에 대응하는 셀 스택 출력단자를 꺼낸 후, 밀폐에 가까운 상태로 하였다.
(평가)：평가는 외부 가열로에 실시예와 동일한 열량을 인가하고, 셀 스택(80)내에 설치한 측온계로 온도를 모니터하고, 발전가능 온도 800℃로 될 때까지의 시간을 측정하였다. 800℃에 도달할 때까지의 시간을 도 16에 나타낸다. 평가 후, 수십 시간 소요하여 실온까지 냉각하고, 셀 스택(80)이나 단일 셀(1)에 파손 등이 없는지 확인했지만, 파손 등은 확인할 수 없었다(표 1 참조).
여기서, 도 16은 실시예 1 및 비교예 1에 있어서의 가열시간과 셀 스택(80)내의 온도의 관계를 나타내는 그래프이다. 이 도면으로부터, 실시예 1쪽이 비교예의 것보다 발전가능 온도에 빨리 도달하는 것을 알 수 있다. 그 때문에, 기동시간을 단축할 수 있다.
[비교예 2]
비교예 1과 동일한 구성으로, 도 16에서의 실시예와 동일한 승온속도가 되도록 외부가열로의 열량을 변화시키고, 셀 스택(80)의 파손 등의 유무의 확인을 실행하였다. 수십시간 소요하여 실온까지 냉각하고, 셀 스택(80)이나 단일 셀(1)에 파손 등이 없는지 확인한 결과, 단일 셀(1)에 파손이 확인되었다(표 1 참조).
비교예 2에서는 승온속도가 너무 빠르기 때문에 셀 스택(80)의 온도분포가 불균일하게 되어 열응력이 발생하여, 파손이 발생한 것으로 고려된다. 이상으로부터, 본 실시예에서는 단일 셀(1)을 포함하는 셀 스택(80) 또는 발전 셀(8)을 파손하는 일 없이, 단시간에 발전가능 온도까지 승온하는 것이 가능하게 되고, 단시간에서의 연료전지의 기동이 가능하게 된다.
본 실시예에 의하면, 인터커넥터(88)의 각 유로(86, 87)내에 형성한 전기히터(8c)를 이용하여 가열하는 것에 의해, 발전 셀(8) 혹은 셀 스택(80)을 발전가능 온도까지 가열할 때에 필요한 가열시간을 단축할 수 있고, 더 나아가서는 기동시간의 단축이 가능하게 된다. 또, 상술한 구조로 하는 것에 의해, 급속하게 가열한 경우에도, 셀 스택(80)의 온도분포를 대략 균일하게 유지한 채 승온하는 것이 가능하 게 되고, 발전 셀(8) 혹은 셀 스택(80)의 열응력의 발생을 억제할 수 있고, 더 나아가서는 급속한 승온을 실행해도, 발전 셀(8) 혹은 셀 스택(80)의 파손을 방지할 수 있다.
본 실시형태에서는 캐소드 집전극(85), 애노드 집전극(84) 및 인터커넥터(88)의 각 유로(86, 87)내에 전기히터(8c)를 설치했지만, 도 17에 나타내는 변형예와 같이, 유로(86, 87)의 한쪽의 내부에 전기히터(8c)를 설치하도록 해도 좋다. 이 경우, 전기히터(8c)가 설치되어 있지 않은 쪽의 유로에, 복사방지막(8a) 및 절연막(8b)을 설치하지 않도록 해도 좋다.
<제 2 실시형태>
이하에, 별도의 실시형태에 관한 연료전지장치에 대해 설명하겠지만, 후술하는 이 실시형태의 연료전지장치는 상술한 제 1 실시형태와 마찬가지의 전자기기, 단열패키지에 적용할 수 있는 것은 물론이다.
제 1 실시형태에서는 평판형의 구조로 했지만, 본 발명은 원통형의 연료전지에도 적용 가능하다. 도 18 및 도 19에 원통형 발전 셀의 경우의 구조를 나타낸다. 도 18은 원통형의 셀 튜브를 이용한 실시형태를 나타내는 측면도이고, 도 19는 도 17의 XVIII-XVIII선을 따른 단면도이다.
제 2 실시형태의 발전 셀(8)은 통형상으로 형성된 고체 산화물형 전해질(81)의 내면에 연료극(82)이, 외면에 공기극(83)이 설치된 통형의 단일 셀(이하 셀 튜브라 부름)(1)과, 그 셀 튜브(1)의 외측을 둘러싸도록 배치된 통형상 가이드(8g)와, 그 통형상 가이드(8g)의 내면에 절연층(8b)을 통해 설치되어 있는 셀 튜브(1) 를 가열하는 전기히터(가열수단, 저항체)(8c)를 구비하고 있다. 또, 통형상 가이드(8g)는 접속 탭을 통해 단일 셀의 전극 중 어느 한쪽과 접속되어 있다. 이 경우, 접속 탭(8d)을 통해 연료극(82)과 접속되어 있거나, 또는 접속 탭(8e)을 통해 공기극(83)과 접속되어 있다. 도 17은 통형상 가이드(8g)가 접속 탭(8e)을 통해 공기극(83)과 접속되어 있는 경우를 나타내는 도면이다.
이 제 2 실시형태에서는 연료극(82)의 내주면에서 제 1 유로(86)가 형성되고, 통형상 가이드(집전수단, 유로획정수단, 제 1 유로획정수단)(8g)의 내주면과 공기극(83)의 외주면에 의해서 제 2 유로(87)가 형성되며, 그 제 2 유로(87)내에 전기히터(8c)가 설치되어 있다. 본 실시형태에 있어서는 통형상 가이드(8g)의 내주면에 복사방지막(8a)이 설치되고, 그 복사방지막(8a)상에 절연층(8b)이 설치되며, 그 절연층(8b)상에 전기히터(8c)가 설치되어 있다. 또한, 이 제 2 실시형태에 있어서의 전기히터(8c), 복사방지막(8a), 절연층(8b)은 모두 상술한 제 1 실시형태와 마찬가지의 재료로 구성되어 있지만, 다른 재료를 이용하여 구성할 수도 있다.
도 20은 집전극 및 셀 튜브의 측면도이다. 도 20에 나타내는 바와 같이, 원통형상으로 형성된 셀 튜브(1)의 양단에는 각각 연료극(82)과 공기극(83)으로부터의 집전을 취하기 위한 애노드 집전극(1A)과 캐소드 집전극(1B)이 각각 부착되어 있다.
도 17∼도 20에 나타내는 바와 같이, 상술한 원통형 셀 튜브(1)의 외주에는 공기 등의 산화성가스를 흘리는 공간(제 2 유로(87))을 형성하도록 인터커넥터를 겸하는 통형상 가이드(8g)가 배치된다. 인터커넥터를 겸하는 통형상 가이드(8g)는 도전성을 갖는 금속 등의 재료에 의해서 형성되고, 인터커넥터를 겸하는 통형상 가이드(8g)와 애노드 집전극(1A) 혹은 캐소드 집전극(1B)은 각각 접속 탭(8d) 혹은 접속 탭(8e)에 의해서 전기적으로 접속된다. 또, 인터커넥터를 겸하는 통형상 가이드(8g)의 내면측에는 복사방지막(8a)이 형성되고, 또한 절연층(8b)이 형성되며, 이 절연층(8b)의 위에 전기히터(8c)가 형성된다.
도 20은 도 17의 발전 셀(8)을 모듈화한 셀 튜브를 이용한 셀 스택(80)의 구성을 나타내는 측면도이다. 인터커넥터를 겸하는 통형상 가이드(8g)는 각각, 내부에 배치된 애노드 집전극(1A) 또는 캐소드 집전극(1B)과, 접속 탭(8d) 또는 접속 탭(8e)과, 원하는 배선에 의해서 각각 전기적으로 접속되어 있고, 이것에 의해서, 인접한 셀 튜브(1)끼리는 인터커넥터를 겸하는 통형상 가이드(8g)를 통해 전기적으로 접속된다. 또한, 도 20은 복수의 발전 셀(8)을 전기적으로 직렬로 접속한 경우를 나타내는 도면이다.
이 제 2 실시형태에 의하면, 인터커넥터를 겸하는 통형상 가이드(8g)의 내주면 상에 전기히터(8c)를 설치하고, 이 전기히터(8c)에 전류 또는 전압을 인가하여 셀 스택(80)을 제 2 유로(87)내부터 가열하는 것에 의해, 상술한 제 1 실시형태와 마찬가지로, 셀 스택(80)을 발전가능 온도까지 가열할 때에 필요한 가열시간을 단축할 수 있고, 더 나아가서는 기동시간의 단축이 가능하게 된다. 또, 상술한 구조로 하는 것에 의해, 급속한 가열이라도, 셀 스택(80)내에서의 온도분포를 대략 균일하게 유지한 채 승온하는 것이 가능하게 되고, 셀 스택(80)이나 셀 튜브(1)의 열응력의 발생을 억제할 수 있으며, 더 나아가서는 급속한 승온을 실행해도, 셀 스 택(80)이나 셀 튜브(1)의 파손을 방지할 수 있다.
또, 셀 튜브(1)와 통형상 가이드(8g)의 사이의 제 2 유로(87)내에 전기히터(8c)를 설치하고 있으므로, 제 1 실시형태와 마찬가지로, 전기히터(8c)가 연료극(82)이나 공기극(83)의 표면을 덮는 것에 의해서 셀 스택(80)의 발전 효율을 저하시키는 일이 없고, 또 전기히터(8c)와 각 전극이 반응하는 것에 의해서 발전효율이 저하하는 것도 억제된다. 또, 이와 같이, 발전 효율의 저하를 억제하면서, 발전 셀(8)을 내부로부터 가열할 수 있으므로, 셀 스택(80)을 발전가능 온도까지 가열할 때에 필요한 가열시간을 단축할 수 있고, 더 나아가서는 기동시간의 단축이 가능하게 된다.
또, 제 2 유로(87)의 내면에 복사방지막(8a)을 설치했으므로, 발전 셀(8) 혹은 셀 스택(80)내의 온도를 대략 균일하게 유지한 채 더욱 효율적으로 승온할 수 있다.
또한, 상술한 제 2 실시형태에 있어서는 셀 튜브(1)의 내면측을 연료가스용의 제 1 유로(86)로 하고, 외면측을 산화성 가스용의 제 2 유로(87)로 한 예를 나타냈지만, 셀 튜브(1)의 내면측을 산화성가스용의 제 2 유로(87)로 하고, 외면측을 연료가스용의 제 1 유로(86)로 해도 좋다. 또, 접속 탭(8d) 및 접속 탭(8e)은 인터커넥터를 겸하는 통형상 가이드(8g)와 별개의 구성으로서 설명했지만, 이것에 한정되지 않고, 이들 접속 탭(8d) 및 접속 탭(8e)은 전기적 접속을 유지하기 위한 구성이기 때문에, 인터커넥터를 겸하는 통형상 가이드(8g)에 포함시키는 것으로 해도 좋다.
또한, 상술한 실시형태에서는 본 발명을 고체 산화물형 연료전지장치에 적용한 예에 따라 설명했지만, 본 발명은 고체 고분자형 연료전지장치나 용융 탄산염형 연료전지장치 등, 다른 형식의 연료전지장치에 적용해도 좋다.
도 1은 연료전지장치를 탑재한 휴대용의 전자기기를 나타내는 블럭도.
도 2는 발전 셀의 모식도.
도 3은 셀 스택의 예를 나타내는 모식도.
도 4는 셀 스택을 모식적으로 나타내는 개략 단면도.
도 5는 단열패키지의 사시도.
도 6은 단열패키지의 내부 구조를 나타내는 사시도.
도 7은 전기히터를 설치한 셀 스택의 평면도.
도 8은 도 7의 Ⅷ-Ⅷ선을 따른 단면도.
도 9는 도 7의 Ⅸ-Ⅸ선을 따른 단면도.
도 10은 인터커넥터와 전기히터의 구조를 나타내는 평면도.
도 11은 도 10의 XI-XI선을 따른 단면도.
도 12는 도 10의 XII-XII선을 따른 단면도.
도 13은 복사방지막과 전기히터의 관계를 나타내는 단면도.
도 14는 복사방지막과 전기히터의 관계를 나타내는 확대 단면도.
도 15는 복사방지막과 전기히터의 관계를 나타내는 확대 단면도.
도 16은 가열에 의한 발전 셀 온도와 경과시간의 관계를 나타내는 설명도.
도 17은 변형예의 셀 스택을 모식적으로 나타내는 개략 단면도.
도 18은 원통형의 셀 튜브를 이용한 실시형태를 나타내는 측면도.
도 19는 도 18의 XVIII-XVIII선을 따른 단면도.
도 20은 집전극 및 셀 튜브의 측면도.
도 21은 셀 튜브를 이용한 셀 스택의 구성을 나타내는 측면도.

Claims (19)

  1. 제 1 전극과 제 2 전극을 갖고, 상기 제 1 전극에 공급되는 제 1 물질 및 상기 제 2 전극에 공급되는 제 2 물질을 이용하여 전력을 생성하는 발전 셀과,
    상기 발전 셀을 가열하는 가열수단과,
    상기 제 1 전극 또는 상기 제 2 전극으로부터 전력을 꺼내는 집전수단을 구비하고,
    상기 가열수단은 상기 집전수단에 설치되어 있으며,
    상기 제1 물질은 산화제 또는 환원제 중의 어느 한 쪽이고, 상기 제 2물질은 산화제 또는 환원제 중의 다른 어느 한 쪽이며,
    복사를 방지하는 복사방지수단이 상기 집전수단에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 집전수단은 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극으로부터 전력을 꺼내는 것을 특징으로 하는 연료전지장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 발전 셀을 복수 구비하고,
    상기 집전수단에 의해 상기 복수의 발전 셀끼리를 전기적으로 접속하는 것을 특징으로 하는 연료전지장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 집전수단은 표면에 의해서 상기 제 1 전극 또는 상기 제 2 전극의 사이에서 상기 제 1 물질 또는 상기 제 2 물질이 흐르는 유로를 획정하는 것을 특징으로 하는 연료전지장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 가열수단은 상기 유로 내에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지장치.
  6. 제 1 전극과 제 2 전극을 갖고, 상기 제 1 전극에 공급되는 제 1 물질 및 상기 제 2 전극에 공급되는 제 2 물질을 이용하여 전력을 생성하는 발전 셀과,
    상기 발전 셀을 가열하는 가열수단과,
    표면에 의해서 상기 제 1 전극 또는 상기 제 2 전극의 사이에서 유로를 획정하는 유로획정수단을 구비하고,
    상기 가열수단은 상기 유로획정수단에 설치되어 있으며,
    상기 제1 물질은 산화제 또는 환원제 중의 어느 한 쪽이고, 상기 제 2물질은 산화제 또는 환원제 중의 다른 어느 한 쪽이며,
    복사를 방지하는 복사방지수단이 상기 유로획정수단에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 가열수단은 상기 유로내에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지장치.
  8. 제 1 전극과 제 2 전극을 갖고, 상기 제 1 전극에 공급되는 제 1 물질 및 상기 제 2 전극에 공급되는 제 2 물질을 이용하여 전력을 생성하는 복수의 발전 셀과,
    상기 발전 셀을 가열하는 가열수단과,
    표면에 의해서 상기 복수의 발전 셀 중 하나의 발전 셀이 갖는 상기 제 1 전극과의 사이에서 상기 제 1 물질이 흐르는 제 1 유로를 획정하는 제 1 유로획정수단과,
    표면에 의해서 상기 복수의 발전 셀 중 상기 하나의 발전 셀에 인접하는 다른 발전 셀이 갖는 상기 제 2 전극과의 사이에서 제 2 유로를 획정하는 제 2 유로획정수단을 구비하고,
    상기 가열수단은 상기 제 1 유로획정수단 또는 상기 제 2 유로획정수단 중의 한쪽에 설치되어 있으며,
    상기 제1 물질은 산화제 또는 환원제 중의 어느 한 쪽이고, 상기 제 2물질은 산화제 또는 환원제 중의 다른 어느 한 쪽이며,
    복사를 방지하는 복사방지수단이 상기 제 1 유로 또는 상기 제 2 유로 중의 한쪽에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 가열수단은 상기 제 1 유로내 또는 상기 제 2 유로내 중의 한쪽에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지장치.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 유로획정수단은 상기 제 2 유로획정수단을 겸하는 동시에, 상기 하나의 발전 셀의 상기 제 1 유로내를 흐르는 상기 제 1 물질과 상기 다른 발전 셀 의 상기 제 2 유로내를 흐르는 상기 제 2 물질을 분리하는 것을 특징으로 하는 연료전지장치.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제 1 전극과 제 2 전극을 갖고, 상기 제 1 전극에 공급되는 제 1 물질 및 상기 제 2 전극에 공급되는 제 2 물질을 이용하여 전력을 생성하는 발전 셀과,
    상기 발전 셀을 가열하는 가열수단과,
    상기 제 1 전극 또는 상기 제 2 전극으로부터 전력을 꺼내는 집전수단을 구비하고,
    상기 가열수단은 상기 집전수단에 설치되어 있으며,
    상기 제1 물질은 산화제 또는 환원제 중의 어느 한 쪽이고, 상기 제 2물질은 산화제 또는 환원제 중의 다른 어느 한 쪽이며,
    상기 집전수단은 표면에 의해서 상기 제 1 전극 또는 상기 제 2 전극의 사이에서 상기 제 1 물질 또는 상기 제 2 물질이 흐르는 유로를 획정하며,
    복사를 방지하는 복사방지수단이 상기 유로에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지장치.
  14. 제 1 전극과 제 2 전극을 갖고, 상기 제 1 전극에 공급되는 제 1 물질 및 상기 제 2 전극에 공급되는 제 2 물질을 이용하여 전력을 생성하는 발전 셀과,
    상기 발전 셀을 가열하는 가열수단과,
    표면에 의해서 상기 제 1 전극 또는 상기 제 2 전극의 사이에서 유로를 획정하는 유로획정수단을 구비하고,
    상기 가열수단은 상기 유로획정수단에 설치되어 있으며,
    상기 제1 물질은 산화제 또는 환원제 중의 어느 한 쪽이고, 상기 제 2물질은 산화제 또는 환원제 중의 다른 어느 한 쪽이며,
    복사를 방지하는 복사방지수단이 상기 유로에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지장치.
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 제 1 항, 제 6 항 또는 제 8 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    원연료와 물의 반응에 의해 상기 환원제로서의 수소를 포함하는 개질가스를 생성하는 개질기를 추가로 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 연료전지장치.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 발전 셀을 내부에 수용하는 단열용기를 추가로 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 연료전지장치.
  19. 제 1 항, 제 6 항 또는 제 8 항 중의 어느 한 항에 기재된 연료전지장치와,
    상기 연료전지장치에 의해 생성된 전력에 의해 동작하는 전자기기 본체를 구비하는 것을 특징으로 하는 전자기기.
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