KR101148438B1

KR101148438B1 - 연료전지소자 및 연료전지소자를 이용한 전자기기

Info

Publication number: KR101148438B1
Application number: KR1020107004156A
Authority: KR
Inventors: 다다오 야마모토
Original assignee: 가시오게산키 가부시키가이샤
Priority date: 2007-09-21
Filing date: 2008-09-08
Publication date: 2012-05-21
Also published as: TWI389386B; US8101323B2; WO2009038019A1; CN101803085B; US20090081521A1; DE112008002508T5; CN101803085A; TW200924275A; KR20100045495A; JP4985600B2; JP2009094058A

Abstract

산화제와 환원제의 전기화학 반응에 의해 전력을 생성하기 위해 복수의 발전 전지들을 포함하는 연료전지소자가 개시되며, 상기 복수의 발전 전지들은 전기화학 반응을 위해 반응가스를 상기 복수의 발전 전지들에 각각 보내는 복수의 가스 유로들과; 상기 복수의 가스 유로들의 각각으로 반응가스가 유동하는 위치에 각각 설치된 복수의 유입구들을 포함하며, 상기 복수의 유입구들 중에서, 반응가스의 유동방향 하류측에 설치된 유입구의 단면 면적은 상기 반응가스의 유동방향 상류측에 설치된 유입구의 단면 면적보다 작다.

Description

연료전지소자 및 연료전지소자를 이용한 전자기기{FUEL CELL DEVICE AND ELECTRONIC EQUIPMENT USING FUEL CELL DEVICE}

본 발명은 산화제와 환원제의 전기화학 반응에 의해 전력이 추출되는 연료전지소자 및 상기 연료전지소자를 포함하는 전자기기에 관한 것이다.

발전 장치는 메탄올, 에탄올, 또는 디메틸 에테르, 및 산소와 같은 연료의 전기화학 반응에 의해 전력을 생성하는 발전 전지를 구비한 연료전지소자이다. 연료전지소자는 평면 패널형의 것과 실린더형의 것의 두 가지 유형으로 대략 분류된다. 복수의 발전 전지들을 적층하여 구성된 상기 평면 패널형 연료전지는 상기 연료전지의 생성효율을 높이기 위해 상기 각 발전 전지들에서 반응가스의 유로에 공급되는 상기 반응가스의 유동량 분산을 억제하는 것을 필요하다. 예를 들어, 일본특허출원공개 제2006-294503호는 가스공급 연통부에서의 반응가스 압력손실과 가스배출 연통부에서의 반응가스 압력손실의 합산이 가스 유로에서의 반응가스 압력손실보다 크게 설정함으로써 상기 가스 유로에서의 가스 유동량의 분산을 억제하는 방법을 기재하고 있다.

그러나, 복수의 가스 유로들이 서로 평행하여 하나의 가스공급 연통부에 연결되기 때문에, 상기 가스 유로들의 각각에 공급되는 반응가스의 유동량은 복수의 가스 유로에 집중한 경우에 일정하지 않으며, 일본특허출원공개 제2006-294503호는 상술한 경우에 분산을 억제하는 어떠한 방법도 기재하지 않았다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제를 해결하기 위하여 이루어진 것으로서, 산화제와 환원제의 전기화학 반응에 의해 전력이 추출되는 연료전지소자 및 상기 연료전지소자를 포함하는 전자기기를 제공함을 발명의 목적으로 한다.

본 발명의 일 측면에 의한 연료전지소자는, 산화제와 환원제의 전기화학 반응에 의해 전력을 생성하는 복수의 발전 전지들을 포함하는 연료전지소자로서, 상기 복수의 발전 전지들은, 전기화학 반응을 위한 반응가스를 상기 복수의 발전 전지들로 각각 유도하는복수의 가스 유로들과, 상기 복수의 가스 유로들의 각각에 상기 반응가스가 유입되는 위치에 각각 설치된 복수의 유입구들을 포함하고, 상기 복수의 유입구는, 상기 유입구로부터 상기 가스 유로를 향해 가스가 흐르는 방향을 따른 제 1 변과, 상기 가스가 흐르는 방향에 직교하는 제 2 변을 갖는 직사각형 형상이고, 상기 복수의 유입구들 중 상기 반응가스의 유동방향에서의 하류측에 배치된 제 1 유입구는 상류측에 배치된 제 2 유입구보다 단면의 크기가 작고, 또한, 상기 제 1 유입구의 제 1 변의 길이와 상기 제 2 유입구의 제1 변의 길이의 차이는 상기 제 1 유입구의 제 2 변의 길이와 상기 제 2 유입구의 제 2 변의 길이의 차이보다 큰 것을 특징으로 한다.

삭제

본 발명의 다른 측면에 의한 연료전지소자는, 산화제와 환원제의 전기화학 반응에 의해 전력을 생성하는 복수의 발전 전지들을 포함하는 연료전지소자로서, 상기 복수의 발전 전지들은, 소정의 물질을 투과하는 복수의 전해질층과, 상기 복수의 전해질층의 일면에 각각 설치된 복수의 애노드와, 상기 복수의 애노드의 각각에 접하고, 상기 환원제를 포함하는 애노드 가스가 흐르는 복수의 애노드 가스 유로가 상기 애노드 집전체 전극과 상기 애노드의 접촉면에 각각 형성된 복수의 애노드 집전체 전극과, 상기 복수의 전해질층의 타면에 각각 설치된 복수의 캐소드와, 상기 복수의 캐소드의 각각에 접하고, 상기 산화제를 포함하는 캐소드 가스가 흐르는 복수의 캐소드 가스 유로가 상기 캐소드 집전체 전극과 상기 캐소드의 접촉면에 각각 형성된 복수의 캐소드 집전체 전극과, 상기 복수의 애노드 가스 유로의 각각에서의 상기 애노드 가스가 유입되는 위치에 각각 설치된 복수의 애노드 가스 유입구와, 상기 복수의 캐소드 가스 유로의 각각에서의 상기 캐소드 가스가 유입되는 위치에 각각 설치된 복수의 캐소드 가스 유입구를 포함하고, 상기 복수의 애노드 가스 유입구는 상기 애노드 가스 유입구로부터 상기 애노드 가스 유로를 향해 애노드 가스가 흐르는 방향에 따른 제 1 변과, 상기 애노드 가스가 흐르는 방향으로 직교하는 제 2 변을 갖는 직사각형 형상이고, 상기 복수의 캐소드 가스 유입구는 상기 캐소드 가스 유입구로부터 상기 캐소드 가스 유로를 향해 캐소드 가스가 흐르는 방향을 따른 제 1 변과, 상기 캐소드 가스가 흐르는 방향으로 직교하는 제 2 변을 갖는 직사각형 형상이고, 상기 복수의 애노드 가스 유입구 중 상기 애노드 가스의 유동방향에서의 하류측에 배치된 유입구는 상류측에 배치된 유입구보다 단면의 크기가 작고, 제 1 유입구의 제 1 변의 길이와 제 2 유입구의 제1 변의 길이의 차이는 상기 제 1 유입구의 제 2 변의 길이와 상기 제 2 유입구의 제 2 변의 길이의 차이보다 큰 것을 특징으로 한다.

삭제

여전히, 본 발명의 다른 측면에 의한 연료전지소자는, 산화제와 환원제의 전기화학 반응에 의해 전력을 생성하는 복수의 발전 전지들을 포함하는 연료전지소자로서, 상기 복수의 발전 전지들은, 소정의 물질을 투과하는 복수의 전해질층과, 상기 복수의 전해질층의 일면에 각각 설치된 복수의 애노드와, 상기 복수의 애노드의 각각에 접하고, 상기 환원제를 포함하는 애노드 가스가 흐르는 복수의 애노드 가스 유로가 애노드 집전체 전극과 상기 애노드의 접촉면에 각각 형성된 복수의 상기 애노드 집전체 전극과, 상기 복수의 전해질층의 타면에 각각 설치된 복수의 캐소드와, 상기 복수의 캐소드의 각각에 접하고, 상기 산화제를 포함하는 캐소드 가스가 흐르는 복수의 캐소드 가스 유로가 캐소드 집전체 전극과 상기 캐소드의 접촉면에 각각 형성된 복수의 상기 캐소드 집전체 전극과, 상기 복수의 애노드 가스 유로의 각각에서의 상기 애노드 가스가 유입되는 위치에 각각 설치된 복수의 애노드 가스 유입구와, 상기 복수의 캐소드 가스 유로의 각각에서의 상기 캐소드 가스가 유입되는 위치에 각각 설치된 복수의 캐소드 가스 유입구를 포함하고, 상기 복수의 애노드 가스 유입구는, 상기 애노드 가스 유입구로부터 상기 애노드 가스 유로를 향해 애노드 가스가 흐르는 방향을 따른 제 1 변과, 상기 애노드 가스가 흐르는 방향에 직교하는 제 2 변을 갖는 직사각형 형상이고, 상기 복수의 캐소드 가스 유입구는, 상기 캐소드 가스 유입구로부터 상기 캐소드 가스 유로를 향해 캐소드 가스가 흐르는 방향을 따른 제 1 변과, 상기 캐소드 가스가 흐르는 방향에 직교하는 제 2 변을 갖는 직사각형 형상이고, 상기 복수의 캐소드 가스 유입구 중 상기 캐소드 가스의 유동방향에서의 하류측에 배치된 유입구는 상류측에 배치된 유입구보다 단면의 크기가 작고, 제 1 유입구의 제 1 변의 길이와 제 2 유입구의 제1 변의 길이의 차이는 상기 제 1 유입구의 제 2 변의 길이와 상기 제 2 유입구의 제 2 변의 길이의 차이보다 큰 것을 특징으로 한다.

삭제

본 발명의 여전히 다른 측면에 의한 전자기기는, 산화제와 환원제의 전기화학 반응에 의해 전력을 생성하기 위해 복수의 발전 전지들을 구비하는 연료전지소자를 포함하며, 상기 복수의 발전 전지들은, 전기화학 반응을 위한 반응가스를 상기 복수의 발전 전지들로 각각 유도하는복수의 가스 유로들과, 상기 복수의 가스 유로들의 각각에 상기 반응가스가 유입되는 위치에 각각 설치된 복수의 유입구들을 포함하고, 상기 복수의 유입구는, 상기 유입구로부터 상기 가스 유로를 향해 가스가 흐르는 방향을 따른 제 1 변과, 상기 가스가 흐르는 방향에 직교하는 제 2 변을 갖는 직사각형 형상이고, 상기 복수의 유입구들 중 상기 반응가스의 유동방향에서의 하류측에 배치된 제 1 유입구는 상류측에 배치된 제 2 유입구보다 단면의 크기가 작고, 또한, 상기 제 1 유입구의 제 1 변의 길이와 상기 제 2 유입구의 제1 변의 길이의 차이는 상기 제 1 유입구의 제 2 변의 길이와 상기 제 2 유입구의 제 2 변의 길이의 차이보다 큰 것을 특징으로 한다.

삭제

본 발명의 여전히 다른 측면에 의한 전자기기는, 산화제와 환원제의 전기화학 반응에 의해 전력을 생성하기 위해 복수의 발전 전지들을 구비하는 연료전지소자를 포함하며, 상기 복수의 발전 전지들은, 소정의 물질을 투과하는 복수의 전해질층과, 상기 복수의 전해질층의 일면에 각각 설치된 복수의 애노드와, 상기 복수의 애노드의 각각에 접하고, 상기 환원제를 포함하는 애노드 가스가 흐르는 복수의 애노드 가스 유로가 상기 애노드 집전체 전극과 상기 애노드의 접촉면에 각각 형성된 복수의 애노드 집전체 전극과, 상기 복수의 전해질층의 타면에 각각 설치된 복수의 캐소드와, 상기 복수의 캐소드의 각각에 접하고, 상기 산화제를 포함하는 캐소드 가스가 흐르는 복수의 캐소드 가스 유로가 상기 캐소드 집전체 전극과 상기 캐소드의 접촉면에 각각 형성된 복수의 캐소드 집전체 전극과, 상기 복수의 애노드 가스 유로의 각각에서의 상기 애노드 가스가 유입되는 위치에 각각 설치된 복수의 애노드 가스 유입구와, 상기 복수의 캐소드 가스 유로의 각각에서의 상기 캐소드 가스가 유입되는 위치에 각각 설치된 복수의 캐소드 가스 유입구를 포함하고, 상기 복수의 애노드 가스 유입구는 상기 애노드 가스 유입구로부터 상기 애노드 가스 유로를 향해 애노드 가스가 흐르는 방향에 따른 제 1 변과, 상기 애노드 가스가 흐르는 방향으로 직교하는 제 2 변을 갖는 직사각형 형상이고, 상기 복수의 캐소드 가스 유입구는 상기 캐소드 가스 유입구로부터 상기 캐소드 가스 유로를 향해 캐소드 가스가 흐르는 방향을 따른 제 1 변과, 상기 캐소드 가스가 흐르는 방향으로 직교하는 제 2 변을 갖는 직사각형 형상이고, 상기 복수의 애노드 가스 유입구 중 상기 애노드 가스의 유동방향에서의 하류측에 배치된 유입구는 상류측에 배치된 유입구보다 단면의 크기가 작고, 제 1 유입구의 제 1 변의 길이와 제 2 유입구의 제1 변의 길이의 차이는 상기 제 1 유입구의 제 2 변의 길이와 상기 제 2 유입구의 제 2 변의 길이의 차이보다 큰 것을 특징으로 한다.

삭제

본 발명의 여전히 다른 측면에 의한 전자기기는, 산화제와 환원제의 전기화학 반응에 의해 전력을 생성하기 위해 복수의 발전 전지들을 구비하는 연료전지소자를 포함하며, 상기 복수의 발전 전지들은, 소정의 물질을 투과하는 복수의 전해질층과, 상기 복수의 전해질층의 일면에 각각 설치된 복수의 애노드와, 상기 복수의 애노드의 각각에 접하고, 상기 환원제를 포함하는 애노드 가스가 흐르는 복수의 애노드 가스 유로가 애노드 집전체 전극과 상기 애노드의 접촉면에 각각 형성된 복수의 상기 애노드 집전체 전극과, 상기 복수의 전해질층의 타면에 각각 설치된 복수의 캐소드와, 상기 복수의 캐소드의 각각에 접하고, 상기 산화제를 포함하는 캐소드 가스가 흐르는 복수의 캐소드 가스 유로가 캐소드 집전체 전극과 상기 캐소드의 접촉면에 각각 형성된 복수의 상기 캐소드 집전체 전극과, 상기 복수의 애노드 가스 유로의 각각에서의 상기 애노드 가스가 유입되는 위치에 각각 설치된 복수의 애노드 가스 유입구와, 상기 복수의 캐소드 가스 유로의 각각에서의 상기 캐소드 가스가 유입되는 위치에 각각 설치된 복수의 캐소드 가스 유입구를 포함하고, 상기 복수의 애노드 가스 유입구는, 상기 애노드 가스 유입구로부터 상기 애노드 가스 유로를 향해 애노드 가스가 흐르는 방향을 따른 제 1 변과, 상기 애노드 가스가 흐르는 방향에 직교하는 제 2 변을 갖는 직사각형 형상이고, 상기 복수의 캐소드 가스 유입구는, 상기 캐소드 가스 유입구로부터 상기 캐소드 가스 유로를 향해 캐소드 가스가 흐르는 방향을 따른 제 1 변과, 상기 캐소드 가스가 흐르는 방향에 직교하는 제 2 변을 갖는 직사각형 형상이고, 상기 복수의 캐소드 가스 유입구 중 상기 캐소드 가스의 유동방향에서의 하류측에 배치된 유입구는 상류측에 배치된 유입구보다 단면의 크기가 작고, 제 1 유입구의 제 1 변의 길이와 제 2 유입구의 제1 변의 길이의 차이는 상기 제 1 유입구의 제 2 변의 길이와 상기 제 2 유입구의 제 2 변의 길이의 차이보다 큰 것을 특징으로 한다.

삭제

본 발명에 따르면, 복수의 가스 유로들이 서로 평행하여 하나의 가스공급 연통부에 연결되지만, 상기 가스 유로들의 각각에 공급되는 반응가스의 유동량은 복수의 가스 유로에 집중한 경우에 일정할 수 있으며 상술한 경우에 분산을 억제할 수 있다.

본 발명은 다음의 상세한 설명 및 첨부 도면에 의해 충분히 이해될 것이지만, 이는 단지 도시를 위해 제공되었으며, 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.
도 1은 연료전지소자가 장착된 휴대용 전자기기를 도시하는 블록도이다.
도 2는 발전 전지의 개략도이다.
도 3은 발전 전지의 적층(cell stack)에 있어서의 일 실시예의 개략도이다.
도 4는 단열 패키지의 사시도이다.
도 5는 화살표에 따른 방향으로부터 본 도 4의 Ⅴ-Ⅴ선을 가지는 단면도이다.
도 6은 단열 패키지의 내부 구조를 도시한 사시도이다.
도 7은 도 6의 단열 패키지의 하측으로부터 본 상기 단열 패키지의 내부 구조를 도시한 사시도이다.
도 8은 순서대로 배열된 접속부, 개질기, 접속부, 연료전지부를 도시한 바닥도이다.
도 9는 도 8의 화살표 방향으로부터 본 도 8의 Ⅸ-Ⅸ선을 가지는 단면도이다.
도 10은 도 9의 화살표 방향으로부터 본 도 9의 Ⅹ-Ⅹ선을 가지는 단면도이다.
도 11은 발전 전지에 있어서의 애노드 가스 유로의 형태를 도시한 단면도이다.
도 12는 발전 전지에 있어서의 애노드 가스 유로의 형태를 도시한 평면도이다.
도 13은 발전 전지에 있어서의 캐소드 가스 유로의 형태를 도시한 단면도이다.
도 14는 발전 전지에 있어서의 캐소드 가스 유로의 형태를 도시한 평면도이다.
도 15는 발전 전지를 전지 적층으로서 형성하는 경우에 애노드 가스 유로와 캐소드 가스 유로의 구성을 도시하는 단면도이다.
도 16은 하우징에 수용된 전지 적층을 도시하는 사시도이다.
도 17은 위에서 본 전지 적층을 도시하는 사시도이다.
도 18은 아래에서 본 전지 적층을 도시하는 사시도이다.
도 19는 전지 적층의 고형(solid shape) 주요부를 도시한 개념 확대도이다.
도 20은 연료 적층의 단면 측도이다.
도 21은 연료 적층의 유입구, 유출구, 및 캐소드 가스 유로를 도시하는 평면도이다.
도 22는 전지 적층에 있어서의 각 유입구의 협소 피치(narrowed pitch)를 도시하는 단면도이다.
도 23은 전지 적층에 있어서의 각 유입구의 협소 피치를 도시하는 평면도이다.
도 24는 각 발전 전지에 있어서의 캐소드 가스 유속의 유체 시뮬레이션 결과를 도시하는 그래프이다.
도 25는 발전 전지에 있어서의 캐소드 가스 유동 높이가 애노드 가스 유동 높이보다 높은 일 실시예의 단면도이다.

본 발명의 실시형태들이 도면들과 관련하여 설명될 것이다.

[전자기기]

도 1은 연료전지소자(1)가 위에 장착된 휴대용 전자기기(100)를 도시하는 블록도이다. 전자기기(100)는 노트북 크기의 개인용 컴퓨터, PDA, 개인용 전자 편성기(electronic personal organizer), 디지털 카메라, 휴대폰, 손목 시계, 레지스터, 및 투영기와 같은 휴대용 전자기기이다.

상기 전자기기(100)는 연료전지소자(1)뿐만 아니라 전자기기 본체(901), DC/DC 변환기(902), 제2 배터리(903) 등으로 구성된다. 전자기기 본체(901)는 DC/DC 변환기(902) 또는 제2 배터리(903)로부터 공급된 전력에 의해 구동된다. 상기 DC/DC 변환기(902)는 연료전지소자(1)에 의해 생성된 전력을 적절한 전압으로 변환하고, 이어서 상기 변환된 전압을 전자기기 본체(901)에 공급한다. 또한, DC/DC 변환기(902)는 연료전지소자(1)에 의해 생성된 전력으로 제2 배터리(903)를 충전하고, 연료전지소자(1)가 동작하지 않는 시간 동안에 제2 배터리(903)로 전자기기 본체(901)에서 축적된 전력을 공급한다.

[연료전지소자]

연료전지소자(1)는 연료 용기(2), 펌프(3), 단열 패키지(단열 용기)(10) 등을 구비하고 있다. 연료전지소자(1)의 연료 용기(2)는 착탈가능한 상태로 예를 들어 전자기기(100)에 설치된다. 펌프(3) 및 단열 패키지(10)는 예를 들어, 전자기기(100)의 본체에 병합된다.

연료 용기(2)는 액체의 원연료(예, 메탄올, 에탄올, 또는 디메틸 에테르) 및 물의 혼합 액체를 보존한다. 덧붙여 말하자면, 상기 액체의 원연료와 물은 각각의 용기에 축적될 수 있다. 상기 펌프(3)는 연료 용기(2)에 상기 혼합 액체를 흡수하여, 상기 흡수된 액체를 단열 패키지(10)의 증발기(4)로 보낸다.

증발기(4), 개질기(6), 발전 전지(8), 및 촉매 연소기(9)가 단열 패키지(10)에 수용된다. 상기 단열 패키지(10) 내부 공간의 기압(barometric pressure)은 상기 내부 공간의 단열 효과를 높이기 위해 대기 압력보다 낮은 기압(예, 10 Pa 이하)으로 유지된다.

증발기(4), 개질기(6), 및 촉매 연소기(9)는 전기히터 및 온도 감지기들(4a,6a,9a)이 각각 설치된다. 전기히터 및 온도 감지기들(4a,6a,9a)의 전기 저항값들은 온도, 전기 히터 및 온도 감지기들(4a,6a,9a)에 따라 달라지며, 증발기(4), 개질기(6), 및 촉매 연소기(9)의 온도들을 각각 측정하기 위한 온도 감지기로도 작용한다.

펌프(3)로부터 증발기(4)로 보내진 혼합 액체는 전기히터 및 온도 감지기(4a)의 열 및 촉매 연소기(9)로부터 전해진 열에 의해 약 110℃ 내지 약 160℃로 가열되고, 결과적으로 상기 혼합 액체는 증발된다. 그때, 증발한 혼합 가스가 생성된다. 상기 증발기(4)에 생성된 혼합 가스는 개질기(6)로 보내진다.

개질기(6)에 유로가 형성되며, 상기 유로의 벽면 상에 촉매가 운반된다. 증발기(4)로부터 개질기(6)로 보내진 혼합 가스는 개질기(6)의 유로를 통해 유동하여, 전기히터 및 온도 감지기(6a)의 열, 발전 전지(8)의 반응열, 및 촉매 연소기(9)의 열에 의해 약 300℃ 내지 약 400℃로 가열되며, 개질 반응이 촉매의 도움에 의해 일어나게 된다. 연료와 이산화탄소로서 수소의 혼합 가스(개질 가스)와, 부산물로서 극미량의 일산화탄소 등이 원연료와 물의 개질 반응에 의해 생성된다. 덧붙여 말하자면, 원연료는 메탄올이며, 이어서 다음 식(1)에 도시된 바와 같이 증기 개질 반응이 개질기(6)에서 주로 일어난다.

CH₃OH + H₂O → 3H₂ + CO₂ ... (1)

화학 반응식(1) 후에 연속하여 일어나는 다음 식(2)과 같은 식에 따라 부산물로서 일산화탄소가 극미량 생성된다.

H₂ + CO₂ → H₂O + CO ... (2)

화학 반응식(1) 및 (2)에 따라 생성된 가스들(개질 가스들)은 발전 전지(8)로 보내진다.

도 2는 발전 전지(8)를 도시하는 개략도이며, 도 3은 발전 전지 적층의 일 실시예를 도시하는 개략도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 발전 전지(8)는 고체 산화물형 전해질(81)과, 상기 고체 산화물형 전해질(81)의 양측들에 각각 형성된 연료 전극(애노드)(82) 및 산소 전극(캐소드)(83)과, 상기 연료 전극(82) 상에 접하여 접촉 측면 상의 그의 주요면(접촉면) 상에 애노드 가스 유로(86)를 형성하는 애노드 집전체 전극(84)과, 상기 산소 전극(83) 상에 접하여 접촉 측면 상의 그의 주요면(접촉면) 상에 캐소드 가스 유로(87)를 형성하는 캐소드 집전체 전극(85)으로 구성된 고체 산화물형 연료전지(SOFC)이다. 또한, 발전 전지(8)가 하우징(90)에 수용된다.

지르코니아계 (Zr₁ _- _xY_x) O₂-_X/2(YSZ), 란타늄 갈레이트계 (La₁-_XSr_x) (Ga₁ _-y-zMg_yCo_z)O₃등이 고체 산화물형 전해질(81)로 사용될 수 있으며; La0.84Sr0.16MnO₃, La(Ni, Bi)O₃, (La, Sr)MnO₃, In₂O₃ + SnO₂, LaCoO₃ 등이 연료 전극(82)으로 사용될 수 있으며; Ni, Ni + YSZ 등이 산소 전극(83)으로서 사용될 수 있으며; LaCr(Mg)O₃, (La, Sr)CrO₃, NiAl + Al₂O₃ 등이 애노드 집전체 전극(84) 및 캐소드 집전체 전극(85)으로 사용될 수 있다.

상기 발전 전지(8)는 전기 히터와 온도 감지기(9a) 및 촉매 연소기(9)의 열에 의해 약 500℃ 내지 1000℃로 가열되며, 다음 식(3) 내지 식(5)에 의해 표현된 각 반응이 일어난다.

대기(반응가스, 캐소드 가스)가 캐소드 집전체 전극(85)의 캐소드 가스 유로(87)를 통해 산소 전극(83)으로 보내진다. 산소 이온들이 산소(산화제)에 의해 공급된 전자들에 의해 산소 전극(83) 및 다음 식(3)에 의해 표현되는 캐소드 출력 전극(21b)에 생성된다.

O₂ + 4e^~ → 2O² ^~ ... (3)

고체 산화물형 전해질(81)은 산소 이온 투과성을 가지며, 화학반응식(3)에 따라서 산소 전극(83)에 생성된 산소 이온이 고체 산화물형 전해질(81)을 투과하여 연료 전극(82)에 도달하게끔 한다.

개질기(6)로부터 배출된 개질 가스(반응 가스, 애노드 가스)가 애노드 집전체 전극(84)의 애노드 가스 유로(86)를 통해 연료 전극(82)에 보내진다. 연료 전극(82)에서, 고체 산화물형 전해질(81)을 통해 투과된 산소 이온, 다음 식(4) 및 식(5)에 의해 표현되는, 개질 가스의 수소(환원제)와 일산화탄소의 반응이 다음과 같이 야기된다.

H₂ + O² ^- → H₂O + 2e^- ... (4)

CO + O² ^- → CO² + 2e^- ... (5)

화학반응식(4) 및 (5)에 따라 방출된 전자는 연료 전극(82), 애노드 출력 전극(21a), 및 DC/DC 변환기(902)와 같은 외부 회로들을 통해 캐소드 출력 전극(21b)로부터 산소 전극(83)으로 공급된다.

애노드 출력 전극(21a)과 캐소드 출력 전극(21b)은 애노드 집전체 전극(84) 및 캐소드 집전체 전극(85)에 각각 연결되며, 상기 애노드 출력 전극(21a)과 캐소드 출력 전극(21b)은 추출(draw out)되기 위해 하우징(90)을 투과한다. 여기, 후술되는 바와 같이, 하우징(90)은 예를 들어 Ni계 합금에 의해 형성되며, 애노드 출력 전극(21a) 및 캐소드 출력 전극(21b)이 유리 또는 세라믹과 같은 절연재로 상기 하우징(90)으로부터 절연되는 상태로 추출된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 애노드 출력 전극(21a)과 캐소드 출력 전극(21b)은 예를 들어 DC/DC 변환기(902)에 연결된다.

도 3은 복수의 발전 전지들(8)로 구성된 연료 전지(80)의 일 실시예를 도시하는 개략도이다. 본 발명에서, 이 도면에서 도시된 바와 같이, 각각이 애노드 집전체 전극(84), 연료 전극(82), 고체 산화물형 전해질(81), 산소 전극(83), 캐소드 집전체 전극(85)으로 구성되는 복수의 발전 전지들(8)이 적층되며, 상기 복수의 발전 전지들(8)의 각각은 전지 적층(80)을 형성하기 위해 직렬로 서로 전기적으로 연결된다. 이러한 경우, 상기 직렬로 연결된 집전체 전극(84)의 일단부에 있는 발전 전지(8)의 애노드 집전체 전극(84)은 애노드 출력 전극(21a)에 연결되며, 타단부에 있는 발전 전지(8)의 캐소드 집전체 전극(85)은 캐소드 출력 전극(21b)에 연결된다. 또한, 전지 적층(80)이 하우징(90)에 수용된다.

애노드 집전체 전극(84)의 애노드 가스 유로(86)를 통과한 개질 가스(여기 이후에, 상기 통과한 개질 가스는 오프가스로 불리운다)는 또한, 비반응된 수소를 포함한다. 상기 오프가스는 촉매 연소기(9)로 공급된다.

캐소드 집전체 전극(85)의 캐소드 가스 유로(87)를 통과한 대기는 오프가스와 함께 촉매 연소기(9)에 공급된다. 상기 촉매 연소기(9)에 유로가 형성되며, 상기 유로의 벽면 상에 Pt계 촉매가 운반된다. 전열재로 이루어진 전기히터 및 온도 감지기(9a)가 촉매 연소기(9) 상에 형성된다. 전기히터 및 온도 감지기(9a)의 전기 저항값이 온도에 따라 달라지기 때문에, 상기 전기히터 및 온도 감지기(9a)는 또한 촉매 연소기(9)의 온도를 측정하기 위한 온도 감지기로도 작용한다.

오프가스와 대기로 구성된 혼합 가스(연소 가스)가 촉매 연소기(9)의 유로를 흐르며, 전기히터 및 온도 감지기(9a)에 의해 가열된다. 촉매 연소기(9)의 유로를 흐르는 연소가스의 수소는 촉매에 의해 연소되며, 결과적으로 연소열이 생성된다. 연소후의 배출 가스는 촉매 연소기(9)로부터 단열 패키지(10)의 외부로 방출된다.

촉매 연소기(9)에 생성된 연소열은 발전 전지(8)의 온도를 고온도(약 500℃ 내지 약 1000℃)로 유지하는데 사용된다. 그때, 발전 전지(8)의 열은 개질기(6) 및 증발기(4)로 통하며, 증발기(4)에서의 증발 및 개질기(6)에서의 증기 개질 반응에 사용된다.

[단열 패키지]

다음으로, 단열 패키지의 상세한 구성이 기재된다.

도 4는 단열 패키지(10)의 사시도이며, 도 5는 화살표 방향으로부터 본 도4의 Ⅴ-Ⅴ선을 따른 단면도이다. 도 6은 단열 패키지(10)의 내부 구조를 도시하는 사시도이며, 도 7은 도 6의 단열 패키지(10)의 아래측에서 바라본 상기 단열 패키지(6) 내부 구조의 사시도이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 접속부(5), 애노드 출력 전극(21a), 및 캐소드 출력 전극(21b)은 단열 패키지(10)의 일 벽면으로부터 돌출한다. 덧붙여 말하자면, 도 5에 도시된 바와 같이, 애노드 출력 전극(21a) 및 캐소드 출력 전극(21b)이 단열 패키지(10)를 투과하는 상기 단열 패키지(10)의 부품은 각각 절연재(10a,10b)로 전극(21a,21b)으로부터 절연된다.

도 5 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 증발기(4)와, 다음 상기 순서로 배열된 4개, 접속부(5), 개질기(6), 접속부(7), 및 연료 전지부(20)는 단열 패키지(10)에서 배열된다. 덧붙여 말하자면, 연료 전지부(20)는 발전 전지(8)를 수용하는 하우징(90)을 촉매 연소기(9)와 병합함에 의해 형성되며, 오프가스가 발전 전지(8)의 연료 전극(82)으로부터 촉매 연소기로 공급된다.

증발기(4), 접속부(5), 개질기(6), 접속부(7), 발전 전지(8) 및 연료 전지부(20)의 촉매 연소기(9)를 수용하는 하우징(90), 및 애노드 출력 전극(21a), 및 캐소드 출력 전극(21b)은 고 온도 내구성 적당한 열 전도성을 가지는 금속으로 이루어지며, 인코넬(Inconel) 783과 같은 Ni계 합금의 사용에 의해 형성될 수 있다. 특히,

연료 전지부(20)의 애노드 집전체 전극(84)과 캐소드 집전체 전극(85)에 각각 연결되어,

발전 전지(8)의 온도 상승에 동반한 열팽창 계수의 차이에 의해 야기되는 응력을 받음으로써 상기 하우징(90)으로부터 추출되는 애노드 출력 전극(21a)과 캐소드 출력 전극(21b)의 파괴(breakage)를 억제하기 위해, 적어도 하우징(90)의 것과 동일한 재료의 애노드 출력 전극(21a)과 캐소드 출력 전극(21b)을 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 온도 상승에 의해 동반하는, 증발기(4), 접속부(5), 개질기(6), 접속부(7), 및 연료 전지부(20)의 하우징(90) 및 촉매 연소기(9) 중에서 생성되는 응력을 줄이기 위해, 상기 동일한 재료로 그들을 형성하는 것이 바람직하다.

단열 패키지(10)의 내벽면 상에 방사 방지막(11)이 형성되며, 증발기(4), 접속부(5), 개질기(6), 접속부(7), 애노드 출력 전극(21a), 캐소드 출력 전극(21b), 연료 전지부(20)의 외벽면들 상에 방사 방지막(12)이 각각 형성된다. 상기 방사 방지막(11,12)은 방사에 의한 열전이를 방지하며, 예를 들어, Au, Ag 등이 방사 방지막(11,12)에 사용될 수 있다. 상기 방사 방지막의 적어도 하나가 설치되는 것이 바람직하며, 상기 방사 방지막(11,12) 모두가 설치되는 것이 더욱 바람직하다.

접속부(5)가 단열 패키지(10)를 관통한다. 상기 접속부(5)의 일단부가 단열 패키지(10) 외부 상의 펌프(3)에 연결되며, 그의 타단부는 개질기(6)에 연결된다. 증발기(4)가 상기 접속부(5)의 중간부에 설치된다. 개질기(6)와 연료전지부(20)가 그들 사이에 놓인 접속부(7)와 함께 서로 연결되어 있다.

도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 증발기(4), 접속부(5), 개질기(6), 접속부(7), 연료전지부(20)가 일체적으로 형성되며, 그들의 하면들이 동일 평면에 있게 형성된다.

도 8은 접속부(5), 개질기(6), 접속부(7), 및 연료전지부(20)의 바닥도이다. 덧붙여 말하자면, 애노드 출력 전극(21a)과 캐소드 출력 전극(21b)은 도 8에서 도시를 위해 생략된다.

도 8에 도시된 바와 같이, 배선 패턴이 접속부(5), 개질기(6), 접속부(7), 연료전지부(20)의 하면들에는, 세라믹 등으로 그들의 절연 처리를 실행한 후에 배선 패턴이 형성된다. 상기 배선 패턴은 각각 전기히터 및 온도 감지기들(4a,6a,9a)이 되는 증발기(4)의 하부, 개질기(6)의 하부, 및 연료전지부(20)의 하부에 지그재그 형태로 형성된다. 전기히터 및 온도 감지기들(4a,6a,9a)의 각 일단은 공통 단자(common terminal)(13a)에 연결되며, 그들의 타단부들은 세 개의 독립 단자들(13b,13c,13d)에 각각 연결된다. 상기 네 개의 단자들(13a,13b,13c,13d)은 단열 패키지(10) 외부측의 접속부(5) 단부 상에 형성된다.

도 9는 화살표 방향으로부터 본 도 8의 Ⅸ-Ⅸ 선을 가지는 단면도이며, 도 10은 화살표 방향으로부터 본 도 9의 선Ⅹ-Ⅹ선을 가지는 단면도이다.

촉매 연소기(9)로부터 배출되는 배출 가스의 배출 유로(51,52)가 접속부(5)에 형성된다. 또한, 증발기(4)로부터 개질기(6)로 보내진 혼합 가스의 공급 유로(53)가 접속부(5)에 형성된다.

유사하게는, 배출 유로들(51,52)과 연통하는 배출 유로인, 촉매 연소기(9)로부터 배출되는 배출 가스의 배출 유로들(미도시)이 각각 접속부(7)에 형성된다. 또한, 개질기(6)로부터 발전 전지(8)의 연료 전극(820에 보내지는 개질 가스의 공급 유로(미도시)가 접속부(7)에 형성된다. 증발기(4), 개질기(6), 및 연료전지부(20)에 대한 원연료, 혼합가스, 및 개질 가스의 공급 유로와 배출 가스의 배출 유로가 확보된다.

덧붙여 말하자면, 촉매 연소기(9)로부터 배출되는 배출가스의 유로 지름을 촉매 연소기(9)에 공급되는 대기 및 오프가스의 것으로 충분히 확대시키기 위해, 접속부(7)에 형성된 세 개의 유로 중에서, 두 개의 유로가 촉매 연소기(9)로부터 배출 가스의 유로로서 사용되며, 다른 하나의 유로가 발전(8)의 연료 전극(82)에 대한 개질 가스의 공급 유로로서 사용된다.

애노드 출력 전극(21a)과 캐소드 출력 전극(21b)의 각 일단부는 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이 연료전지부(20)가 접속부(7)에 연결되는 측 상의 연료전지부(20) 표면으로부터 추출된다. 애노드 출력 전극(21a)과 캐소드 출력 전극(21b)의 각 타단부는 도 4에 도시된 바와 같이, 접속부(5)가 돌출하는 것과 동일한 단열 패키지(10)의 벽면으로부터 외부로 돌출한다.

덧붙여 말하자면, 본 실시형태에서, 접속부(7)는 그의 일면 중심부의 연료전지부(20)에 연결되며, 애노드 출력 전극(21a)과 캐소드 출력 전극(21b)이 동일한 표면의 반대 부분들로부터 추출된다. 결과로서, 연료전지부(20)가 접속부(7), 애노드 출력 전극(21a), 캐소드 출력 전극(21b)의 세 지점들에 지지되며, 이로써 상기 연료전지부(20)는 단열 패키지(10)에 안정적으로 유지될 수 있다.

애노드 출력 전극(21a)과 캐소드 출력 전극(21b)은 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 연료전지부(20)와 단열 패키지(10)의 내벽면 사이의 공간에 굴곡된 굴곡부(21c,21d)를 포함한다. 상기 굴곡부(21c,21d)는 연료전지부(20)와 상기 연료전지부(20)의 것보다 낮은 온도에 있는 단열 패키지(10)의 열팽창량 차이에서 발생하는 응력을 수용하는 역할을 충족시키며, 상기 응력은 애노드 출력 전극(21a)과 캐소드 출력 전극(21b)을 통해 상기 연료전지부(20)와 단열 패키지(10) 사이에서 작용한다.

애노드 출력 전극(21a)이 발전 전지(8)의 애노드 집전체 전극(84)으로부터 추출되며, 캐소드 출력 전극(21b)이 발전 전지(8)의 캐소드 집전체 전극(85)으로부터 추출된다. 상기 애노드 출력 전극(21a)과 캐소드 출력 전극(21b)가 각각 중공 파이프로 형성되고, 상기 애노드 출력 전극(21a)과 캐소드 출력 전극(21b)의 내측들은 대기를 발전 전지(8)의 산소 전극(83)으로 공급하기 위한 대기 공급 유로(22a,22b)로서 형성된다.

도 11 및 도 12는 각각, 발전 전지에 있어서의 애노드 가스 유로(86) 형태를 도시하는 단면도 및 평면도이다. 도 13 및 도 14는 각각, 발전 전지(8)에 있어서의 캐소드 가스 유로(87) 형태를 도시하는 단면도 및 평면도이다. 도 15는 발전 전지들(8)이 전지 적층(80)을 형성하기 위해 적층되는 경우의 애노드 가스 유로(86)와 캐소드 가스 유로(87)를 도시하는 단면도이다.

애노드 집전체 전극(84)에 형성된 애노드 가스 유로(86)는 도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이 지그재그 형태로 형성된다. 캐소드 집전체 전극(85)에 형성된 캐소드 가스 유로(87)는 도 13 및 도 14에 도시된 바와 유사하게 지그재그 형태로 형성된다.

캐소드 가스 유로(87)의 일단부는 하기 기술되는 캐소드 가스 공급 다기관(cathode gas supplying manifold: 공통공급경로)을 통해 대기 공급 유로(22a,22b)에 연결되며, 상기 캐소드 가스 유로(87)는 그의 내측을 통해 대기를 통과시켜 대기 공급 유로(22a,22b)로부터 공급된 대기를 산소 전극(83)으로 공급한다. 캐소드 가스 유로(87)의 타단부는 촉매 연소기(9)와 연통하는, 후술될 캐소드 가스 배출 다기관(공통 배출 경로)이 설치된다. 산소 전극(83)에서 그 안에 보유되기 위해 화학반응식(3) 반응에 사용되지 않은 대기가 캐소드 가스 배출 다기관으로부터 촉매 연소기(90)에 공급된다.

복수의 발전 전지들(8)이 전지 적층(80)을 형성하기 위해 적층될 때에, 가스 유로의 압력 손실을 줄이는 측면에서 발전 전지들의 가소 유로들이 서로 연속하여 배열되는 방식으로 상기 발전 전지들(8)을 적층하는 것보다, 도 15에 도시된 바와 같이, 상기 발전 전지들(8)의 가스 유로들이 평행하여 배열되는 방식으로 상기 발전 전지들(8)을 적층하는 것이 더욱 이롭다. 가스 유로들을 서로 병렬로 배열함에 의해, 상기 가스 유로들을 단축하고, 그들의 압력 손실을 그만큼 줄이는 것이 가능하다.

이러한 점에서, 본 실시형태의 전지 적층(80)은, 적층된 발전 전지들(8)의 애노드 가스 유로들(86) 각각에 수소를 포함한 개질 가스를 균일하게 분포하여 상기 개질 가스의 평행 공급(parallel supply)을 실행하는 애노드 가스 공급 다기관(810)과 상기 각 애노드 가스 유로들(86)을 통과한 비반응 수소를 포함한 개질 가스들을 결합하여 상기 결합한 가스들을 배출하는 애노드 가스 배출 다기관(820)이 설치된다.

또한, 전지 적층(80)에는 적층된 발전 전지들(8)의 각 캐소드 가스 유로들(87)로 산소를 포함한 균일하게 분산하여 대기의 평행 공급을 실행하는 캐소드 가스 공급 다기관(830)과 각 캐소드 가스 유로들(87)을 통과한 비반응 산소를 포함한 대기를 결합하여 상기 결합된 대기를 배출하는 캐소드 가스 배출 다기관(840)이 설치된다.

도 16은 하우징(90)에 수용된 전지 적층(80)의 사시도이다. 도 17은 위에서 본 상기 전지 적층(80)의 사시도이며, 도 18은 아래에서 본 상기 전지 적층(80)의 사시도이다. 도 19는 전지 적층(80)의 고형(solide shape) 주요부를 도시하는 개념 확대도이다.

애노드 집전체 전극(84)과 캐소드 집전체 전극(85) 모두는 평면 직사각형이다. 가스 공급 다기관들의 일부를 형성하는 돌출부(84a,85a)가 상기 평면 직사각형의 네 개 모서리 가운데 대각선 방향으로 서로 반대하는 두 개 모서리 중의 하나 상에 형성되며, 가스 배출 다기관의 일부를 형성하는 돌출부(84a,85b)가 서로 반대하는 두 개 모서리 가운데 다른 하나 상에 형성된다(도 19 도시).

본 실시형태에서, 애노드 가스 공급 다기관(810)과 캐소드 가스 공급 다기관(830)이 애노드 집전체 전극(84)과 캐소드 집전체 전극(85)의 일 측에 배열되며, 애노드 가스 배출 다기관(820)과 캐소드 가스 배출 다기관(840)이 상기 애노드 집전체 전극(84)과 캐소드 집전체 전극(85)의 타 측에 배열된다.

도 20은 전지 적층의 단면 측도이며, 도 21은 상기 전지 적층의 유입구, 유출구, 및 캐소드 가스 유로를 도시하는 평면도이다. 도 22는 전지 전층의 각 유입규의 협소 피치(narrowed pitch)를 도시하는 단면 측도이다. 또한, 도 23은 전지 적층의 각 유입구의 협소 피치를 도시하는 평면도이다. 애노드 가스 공급 다기관(810)과 캐소드 가스 공급 다기관(830)이 전지 적층(80)의 두께 방향(발전 전지(8)의 적층 방향)에 일직선으로 연장된다. 또한, 애노드 가스 배출 다기관(820)과 캐소드 가스 배출 다기관(840)이 전지 적층(80)의 두께 방향에 일직선으로 연장한다. 캐소드 가스 유로(87)의 가스인 대기의 유입 및 유출이 도 18,20,22에 화살표로 도시된다.

유동량을 조정하기 위한 캐소드 가스 유입구(931)가 도 20 내지 도 23에 도시된 바와 같이, 전지 적층(30)에서 발전 전지(8)의 캐소드 가스 공급 다기관(830)과 캐소드 가스 유로(87) 사이의 캐소드 집전체 전극(85)에 형성된다. 결과적으로, 캐소드 가스 유입구들(831)이 캐소드 가스 공급 다기관(830)으로부터 발전 전지들(8)의 캐소드 가스 유로들(87)로 직렬로 형성된다.

상기 캐소드 가스 유입구들(831)의 각각은 서로 다른 단면 면적을 가지는 평면 직사각형이게 형성된다. 즉, 캐소드 가스 유입구들(831)은 캐소드 가스 공급 다기관(830)의 상류측 상에 놓인 것으로부터 그의 하류측 상에 놓인 것 순으로 단면 크기가 작아지게 형성된다. 상기 캐소드 가스 유입구들(831)의 단면 형상은 평면 직사각형에 제한되지 않으며, 원형, 삼각형, 및 4변형 또는 그 이상의 각을 가지는 다각형 중에 하나일 수도 있다.

덧붙여 말하자면, 미도시된 공기 펌프에 의해 대기 공급 유로(22a,22b)로부터 캐소드 가스 공급 다기관(830)으로 공급된(배기된) 대기의 배출 방향은 도 22에 도시된 바와 같이 발전 전지(8)의 적층 방향(캐소드 가스 공급 다기관의 세로 방향)으로 향하도록 설정된다. 대기의 배기 방향을 설정하는 이유는 캐소드 가스 공급 다기관의 세로 방향으로 대기의 배기 방향을 설정하고, 캐소드 가스 공급 다기관(830)의 상류측 상에 놓인 것으로부터 그의 하류측 상에 놓인 것 순으로 캐소드 가스 유입구들(831)의 단면 크기를 작게 형성함에 의해 각 캐소드 가스 유로들(87)의 대기 유동량이 어떠한 분산도 없이 대략 균일하게 이루어질 수 있기 때문이다. 여기, 대기 공급 유로(22a,22b), 공기 펌프 등은 대기 공급부를 구성한다.

또한, 본 실시형태에서, 유동량을 조절하기 위해 애노드 가스 유입구(811)(도 15 도시)가 전지 적층(80)에 있어서의 발전 전지(8)의 애노드 가스 유로(86)와 애노드 가스 공급 다기관(810) 사이에 형성된다.

캐소드 가스 유출구(832)가 각 캐소드 가스 유로들(87)과 캐소드 가스 배출 다기관(840) 사이에 형성된다. 캐소드 가스 유출구들(832)의 단면 크기는 본 실시형태에서 서로 동일하게 형성된다. 또한, 마찬가지로 애노드 가스 유출구(812)가 각 애노드 가스 유로들(86)과 애노드 가스 배출 다기관(820) 사이에 형성된다. 애노드 가스 유출구들(812)의 단면 크기는 서로 동일하게 형성된다. 상기 유출구(832,812)의 단면 크기를 일정하게 설정함에 의해, 가스 유로(86,87)의 대기 유동량이 어떤 분산도 없이 대략 균일해질 뿐만 아니라 유입구(831,811)의 단면 크기 설정도 쉬워진다.

여기, 대기 순환의 상류측으로부터 n번째 발전 전지(8)의 캐소드 가스 유로(87)로의 캐소드 가스 유입구(831)의 단면 크기, 즉, 캐소드 가스 공급 다기관(830)의 대기공급측은 도 21에 도시된 바와 같이 En×Fn으로 설정되는 것을 가정한다. En 및 Fn은 2 mm로 가정되며, 7700 ccm의 대기유동량을 가진 각 발전 전지들(8)의 대기 유속은 캐소드 가스 유로(87)의 사행(meandering) 유로 단면 면적이 5 mm×0.3 mm이고, 상기 유로(87)의 격벽 수가 5이며, 적층 수가 10인 경우의 유체 시뮬레이션에 의해 산출된다. 결과들이 도 24의 그래프에 도시된다. 여기서, 그래프 제목 gr-x는 En 방향에서의 초기값으로부터 2 mm 차이를 나타내며(유로 협소 피치), 그래프 제목 gr-y는 Fn 방향에서의 초기값으로부터 2 mm의 차이를 나타낸다(유로 협소 피치).

도 24로부터 명백한 바와 같이, gr-x = 0이고, gr-y = 0인 경우는 모든 캐소드 가스 유입구들(831)의 단면 면적이 동일할 때에 적층들 간의 유속 분포를 가리키며, 상기 분포는 대기 순환의 상류측으로부터 하류측으로 유속이 더 빨라지는 것이 된다. 상기와 같은 유속 분배에서, 발전 전지들(8)의 출력은 고르지 않으며, 전지 적층(80)의 진성 효율(intrinsic performances)은 충분히 획득될 수 없다.

또한, 캐소드 가스 유입구들(831)의 매그니튜드(magnitudes)가 gr-x 및 gr-y를 변경함에 의해 점차 감소할 때에, 적층 간의 유동량 분포가 도 24로부터 달라지는 것이 확인된다. 본 실시형태에서, 상기 경우는 대략 gr-x = 0.2이고, gr-y = 0.05에서 거의 균일하다. 상술한 바와 같이, 본 실시형태에 의하여, 발전 전지들(8)의 유로들(87) 가운데서 대다수의 발전 전지들(8)의 각 캐소드 가스 유로들(87)에 흐르는 대기 유동량의 분산이 억제될 수 있다.

덧붙여 말하자면, 발전 전지들(8)의 애노드 가스 유로들(86)과 애노드 가스 공급 다기관(810) 사이에 형성된 유동량 조절을 위해 애노드 가스 유입구(811)의 매그니튜드는 마찬가지로 상술한 방법과 유사하게 설정된다. 그러나, 반응가스의 유속들이 애노드 가스 유로들(86)에서, 캐소드 가스 유로들(87)에서 일반적으로 약 1/3 내지 1/10으로 작다. 결과로서, 반응가스의 유동량 분산도 작아지기 때문에, 애노드 가스 유입구(811) 단면의 매그니튜드는 상기 작아진 분산에 따라 설정된다.

지금, 본 실시형태에서, 오프가스의 수소가 완전히 연소하기 때문에, CO₂, H₂O, N₂, 및 O₂가 촉매 연소기(9)로부터 배출된다. 여기서, 발전 전지(8)로 반응가스를 공급하는 다음 두 시스템의 유로들이 존재한다: 개질 가스를 보내는 애노드 가스 유로들(86) 및 대기를 보내는 캐소드 가스 유로들(87). 그러나, 상기 유로 중의 한 시스템은 발전 전지(8)로부터 반응 후의 가스를 배출하는 유로로서 존재한다. 이 경우, 상기 배출 시스템의 가스 유동량이 공급 시스템의 것보다 크기 때문에, 공급 시스템과 배출 시스템 각각의 파이프 수가 하나인 경우 및 파이프의 지름이 동일한 경우 상기 배출 시스템의 유로에 있어서의 압력 손실은 커진다. 배출 시스템의 유로에 있어서의 압력 손실을 억제하기 위해 공급 시스템의 것보다 배출 시스템의 파이프 지름을 확대하는 것이 바람직하다. 다른 방법으로, 공급 시스템과 배출 시스템의 파이프 지름을 동일하게 설정하고, 배출 시스템의 유로 수를 공급 시스템의 것보다 크게 설정하는 것이 바람직하다. 본 실시형태에서, 공급 유로(53) 중의 한 유로를 포함한 공급 시스템에 대하여 배출 유로(51,52) 중의 두 개 유로를 포함한 배출 시스템이 채용되기 때문에, 상기 배출 시스템의 유로들에 있어서의 압력 손실이 효과적으로 억제될 수 있다.

또한, 본 실시형태에서의 고체 산화물형 연료 전지에 있어서, 캐소드 가스 유로들을 통한 개질 가스의 유동량 더 많은 대기를 유동시키는 것이 필요하다. 결과로서, 애노드 가스 유로들(86)과 캐소드 가스 유로들(87)의 단면적들이 동일할 때에, 캐소드 가스 유로들(87)에 있어서의 대기의 압력 손실은 애노드 가스 유로들(86)에 있어서의 개질 가스의 압력 손실보다 크다. 여기서, 직사각형 단면 형상을 가지는 유로의 압력 손실이 유로 단면 가운데 짧은 측(shorter side)의 대략 세제곱(cube)에 반비례하여 감소하기 때문에, 캐소드 가스 유로(87)를 통해 유동하는 대기의 압력 손실은 도 25에 도시된 바와 같이 애노드 가스 유로(86)의 것에 비해 캐소드 가스 유로(87)의 높이를 증가시킴으로써 효과적으로 방지될 수 있다.

덧붙여 말하자면, 내부 유로 격벽을 가지며 지그재그 사행(meandering) 유로로서 형성되는 애노드 가스 유로(86)와 캐소드 가스 유로(87) 모두를 사용하는 일 실시예가 상술한 본 실시형태에서 도시됨에도, 이른바 풀형(pool shaped) 유로가 상기 내부 유로 격벽 없이 사용될 수 있다. 이 경우, 캐소드 가스 유로(87)에 접속되는 대기 공급 유로(22a,22b)의 접속 위치와 접속 구조의 변경을 간소화하는 이점이 획득된다. 또한, 이 경우, 캐소드 가스 유로(87)를 통해 유동하는 대기의 압력 손실이 애노드 가스 유로(86)의 것에 비해 캐소드 가스 유로(87)의 높이를 증가시킴으로써 효과적으로 방지될 수 있다.

또한, 상기 연료전지소자에 설치된 발전 전지가 고체 산화물형 연료전지이지만, 상기 발전 전지는 이것에 제한되지 않는다. 용융탄산염 연료전지와 고체고분자형 연료전지도 사용될 수 있다.

상세한 설명, 청구항, 도면, 및 요약서를 포함하여 2007년 9월 21일 출원한 일본특허출원 제2007-244968호의 전체 개시는 여기 참조로서 전체 병합된다.

연료전지소자(1)
연료 용기(2)
펌프(3)
증발기(4)
개질기(6)
발전 전지(8)
촉매 연소기(9)
전기 히터 및 온도 감지기(4a,6a,9a)
단열 패키지(단열 용기)(10)
전지 적층(80)
고체 산화물형 전해질(81)
연료 전극(애노드)(82)
산소 전극(캐소드)(83)
애노드 집전체 전극(84)
캐소드 집전체 전극(85)
애노드 가스 유로(86)
캐소드 가스 유로(87)
하우징(90)
전자기기 본체(901)
DC/DC 변환기(902)
전자기기(100)

Claims

산화제와 환원제의 전기화학 반응에 의해 전력을 생성하는 복수의 발전 전지들을 포함하는 연료전지소자로서, 상기 복수의 발전 전지들은,
전기화학 반응을 위한 반응가스를 상기 복수의 발전 전지들로 각각 유도하는복수의 가스 유로들과,
상기 복수의 가스 유로들의 각각에 상기 반응가스가 유입되는 위치에 각각 설치된 복수의 유입구들을 포함하고,
상기 복수의 유입구는, 상기 유입구로부터 상기 가스 유로를 향해 가스가 흐르는 방향을 따른 제 1 변과, 상기 가스가 흐르는 방향에 직교하는 제 2 변을 갖는 직사각형 형상이고,
상기 복수의 유입구들 중 상기 반응가스의 유동방향에서의 하류측에 배치된 제 1 유입구는 상류측에 배치된 제 2 유입구보다 단면의 크기가 작고, 또한,
상기 제 1 유입구의 제 1 변의 길이와 상기 제 2 유입구의 제1 변의 길이의 차이는 상기 제 1 유입구의 제 2 변의 길이와 상기 제 2 유입구의 제 2 변의 길이의 차이보다 큰 것을 특징으로 하는 연료전지소자.
제 1항에 있어서,
상기 복수의 유입구들 각각을 통해 상기 복수의 가스 유로들 각각에 연결되는 공통 공급 경로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지소자.
제 2항에 있어서,
상기 공통 공급 경로에 반응 가스를 공급하는 공급부를 더 포함하며,
상기 복수의 발전 전지들은 서로 적층되며,
상기 공통 공급 경로의 반응가스는 상기 발전 전지들의 적층 방향과 같은 방향으로 유동하는 것을 특징으로 하는 연료전지소자.
제 1항에 있어서,
상기 복수의 발전 전지들은 상기 반응가스가 각각의 상기 복수의 가스 유로들로부터 배출되는 위치에 제각기 설치되는 복수의 유출구들을 포함하며,
상기 복수의 유출구들의 단면 면적들은 서로 같은 것을 특징으로 하는 연료전지소자.
제 1항에 있어서,
상기 반응가스는 산화제를 포함하는 캐소드 가스이거나 또는 환원제를 포함하는 애노드 가스인 것을 특징으로 하는 연료전지소자.
산화제와 환원제의 전기화학 반응에 의해 전력을 생성하는 복수의 발전 전지들을 포함하는 연료전지소자로서, 상기 복수의 발전 전지들은,
소정의 물질을 투과하는 복수의 전해질층과,
상기 복수의 전해질층의 일면에 각각 설치된 복수의 애노드와,
상기 복수의 애노드의 각각에 접하고, 상기 환원제를 포함하는 애노드 가스가 흐르는 복수의 애노드 가스 유로가 상기 애노드 집전체 전극과 상기 애노드의 접촉면에 각각 형성된 복수의 애노드 집전체 전극과,
상기 복수의 전해질층의 타면에 각각 설치된 복수의 캐소드와,
상기 복수의 캐소드의 각각에 접하고, 상기 산화제를 포함하는 캐소드 가스가 흐르는 복수의 캐소드 가스 유로가 상기 캐소드 집전체 전극과 상기 캐소드의 접촉면에 각각 형성된 복수의 캐소드 집전체 전극과,
상기 복수의 애노드 가스 유로의 각각에서의 상기 애노드 가스가 유입되는 위치에 각각 설치된 복수의 애노드 가스 유입구와,
상기 복수의 캐소드 가스 유로의 각각에서의 상기 캐소드 가스가 유입되는 위치에 각각 설치된 복수의 캐소드 가스 유입구를 포함하고,
상기 복수의 애노드 가스 유입구는 상기 애노드 가스 유입구로부터 상기 애노드 가스 유로를 향해 애노드 가스가 흐르는 방향에 따른 제 1 변과, 상기 애노드 가스가 흐르는 방향으로 직교하는 제 2 변을 갖는 직사각형 형상이고,
상기 복수의 캐소드 가스 유입구는 상기 캐소드 가스 유입구로부터 상기 캐소드 가스 유로를 향해 캐소드 가스가 흐르는 방향을 따른 제 1 변과, 상기 캐소드 가스가 흐르는 방향으로 직교하는 제 2 변을 갖는 직사각형 형상이고,
상기 복수의 애노드 가스 유입구 중 상기 애노드 가스의 유동방향에서의 하류측에 배치된 유입구는 상류측에 배치된 유입구보다 단면의 크기가 작고,
제 1 유입구의 제 1 변의 길이와 제 2 유입구의 제1 변의 길이의 차이는 상기 제 1 유입구의 제 2 변의 길이와 상기 제 2 유입구의 제 2 변의 길이의 차이보다 큰 것을 특징으로 하는 연료전지소자.
제 6항에 있어서,
상기 복수의 애노드 가스 유입구들의 각각을 통해 상기 복수의 애노드 가스 유로들의 각각에 연결되는 공통 공급 유로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지소자.
산화제와 환원제의 전기화학 반응에 의해 전력을 생성하는 복수의 발전 전지들을 포함하는 연료전지소자로서, 상기 복수의 발전 전지들은,
소정의 물질을 투과하는 복수의 전해질층과,
상기 복수의 전해질층의 일면에 각각 설치된 복수의 애노드와,
상기 복수의 애노드의 각각에 접하고, 상기 환원제를 포함하는 애노드 가스가 흐르는 복수의 애노드 가스 유로가 애노드 집전체 전극과 상기 애노드의 접촉면에 각각 형성된 복수의 상기 애노드 집전체 전극과,
상기 복수의 전해질층의 타면에 각각 설치된 복수의 캐소드와,
상기 복수의 캐소드의 각각에 접하고, 상기 산화제를 포함하는 캐소드 가스가 흐르는 복수의 캐소드 가스 유로가 캐소드 집전체 전극과 상기 캐소드의 접촉면에 각각 형성된 복수의 상기 캐소드 집전체 전극과,
상기 복수의 애노드 가스 유로의 각각에서의 상기 애노드 가스가 유입되는 위치에 각각 설치된 복수의 애노드 가스 유입구와,
상기 복수의 캐소드 가스 유로의 각각에서의 상기 캐소드 가스가 유입되는 위치에 각각 설치된 복수의 캐소드 가스 유입구를 포함하고,
상기 복수의 애노드 가스 유입구는, 상기 애노드 가스 유입구로부터 상기 애노드 가스 유로를 향해 애노드 가스가 흐르는 방향을 따른 제 1 변과, 상기 애노드 가스가 흐르는 방향에 직교하는 제 2 변을 갖는 직사각형 형상이고,
상기 복수의 캐소드 가스 유입구는, 상기 캐소드 가스 유입구로부터 상기 캐소드 가스 유로를 향해 캐소드 가스가 흐르는 방향을 따른 제 1 변과, 상기 캐소드 가스가 흐르는 방향에 직교하는 제 2 변을 갖는 직사각형 형상이고,
상기 복수의 캐소드 가스 유입구 중 상기 캐소드 가스의 유동방향에서의 하류측에 배치된 유입구는 상류측에 배치된 유입구보다 단면의 크기가 작고,
제 1 유입구의 제 1 변의 길이와 제 2 유입구의 제1 변의 길이의 차이는 상기 제 1 유입구의 제 2 변의 길이와 상기 제 2 유입구의 제 2 변의 길이의 차이보다 큰 것을 특징으로 하는 연료전지소자.
제 8항에 있어서,
상기 복수의 캐소드 가스 유입구들의 각각을 통해 상기 복수의 캐소드 가스 유로들의 각각에 연결되는 공통 공급 유로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지소자.
제 6항에 있어서,
상기 복수의 애노드 가스 유로들의 각 단면 형상과 상기 복수의 캐소드 가스 유로들의 각각의 단면 형상은 직사각형이며,
상기 복수의 애노드 가스 유로들의 각각의 단면 형상의 두 측 가운데 짧은 측은 상기 복수의 캐소드 가스 유로들의 각각의 단면 형상의 두 측 가운데 짧은 측보다 작은 것을 특징으로 하는 연료전지소자.
제 8항에 있어서,
상기 복수의 애노드 가스 유로들의 각각의 단면 형상과 상기 복수의 캐소드 가스 유로들의 각각의 단면 형상은 직사각형이며,
상기 복수의 애노드 가스 유로들의 각각의 단면 형상의 두 측 가운데 짧은 측은 상기 복수의 캐소드 가스 유로들의 각각의 단면 형상의 두 측 가운데 짧은 측보다 작은 것을 특징으로 하는 연료전지소자.
제 6항에 있어서,
상기 복수의 발전 전지들은 상기 애노드 가스가 상기 복수의 애노드 가스 유로들의 각각으로부터 배출되는 위치에 제각기 설치되는 복수의 애노드 가스 유출구들을 포함하며,
상기 복수의 애노드 가스 유출구들의 단면 면적들은 서로 동일한 것을 특징으로 하는 연료전지소자.
제 8항에 있어서,
상기 복수의 발전 전지들은 상기 캐소드 가스가 상기 복수의 캐소드 가스 유로들의 각각으로부터 배출되는 위치에 제각기 설치되는 복수의 캐소드 가스 유출구들을 포함하며,
상기 복수의 캐소드 가스 유출구들의 단면 면적들은 서로 동일한 것을 특징으로 하는 연료전지소자.
제 1항에 따른 연료전지소자와,
상기 연료전지소자에 의해 생성되는 전력에 의해 동작하는 전자기기 본체를 포함하는 전자기기.
제 6항에 따른 연료전지소자와,
상기 연료전지소자에 의해 생성되는 전력에 의해 동작하는 전자기기 본체를 포함하는 전자기기.
제 8항에 따른 연료전지소자와,
상기 연료전지소자에 의해 생성되는 전력에 의해 동작하는 전자기기 본체를 포함하는 전자기기.