KR101495285B1

KR101495285B1 - 연료 전지

Info

Publication number: KR101495285B1
Application number: KR20130121261A
Authority: KR
Inventors: 다카시 오카모토; 용티에 얀
Original assignee: 가부시끼가이샤 리켄
Priority date: 2013-10-11
Filing date: 2013-10-11
Publication date: 2015-03-02

Abstract

[과제] 본 발명은 연료 전지에 관한 것으로서, 온도 변화에 강한 씰 구조이다. [해결 수단] 연료 전지는 전해질을 사이에 두고 형성된, 제1 기체가 접하는 제1 극과 제2 기체가 접하는 제2 극을 가지며, 원형으로 만곡하는 한 바퀴에 걸쳐 이어진 곡면으로 이루어진 제1 원주면(둘레면)을 가진 연료 전지 셀(11)과, 원형으로 만곡하는 한 바퀴에 걸쳐 이어진 곡면으로 이루어진 상기 제1 원주면에 한 바퀴에 걸쳐 대면하는 제2 원주면(13a)을 가지고, 연료 전지 셀(11)을 유지하는 유지 부재(13)와, 상기 제1 원주면과 상기 제2 원주면과의 사이에 개재하여, 그들 제1 원주면과 제2 원주면 중 적어도 한쪽 면에는 고착되지 않고 열 팽창 수축 시에 적어도 한쪽 면과의 사이에서 미끄럼 운동이 자유로운, 제1 기체의 유로와 제2 기체의 유로를 서로 격리하는 원형 씰재(12)를 갖춘다.

Description

연료 전지{Fuel Cell}

본 발명은 연료 전지에 관한 것이다.

연료극과 공기극이 고체 산화물 전해질을 사이에 두고 형성된 연료 전지 셀(이하 단순히 "셀"이라고 칭하기로 한다)에 수소 등의 가연성 가스와 산소를 포함한 산화성 가스를 공급하고 발전을 하는 고체 산화물형 연료 전지(이하, "SOFC" 라고 함)가 알려져 있다. 이 SOFC는 고온 동작이므로 연료 가스의 개질 및 폐열을 이용한 가스 터빈 발전과 조합함으로써 발전 효율이 높고 순수한 수소 이외의 연료 가스로도 발전 가능하기 때문에 차세대 연료 전지로서 기대되고 있다.

SOFC에서는 연료 가스와 산화 가스가 서로 섞이지 않도록 밀봉할 필요가 있으며, 종래에는 주로 유리계의 씰(seal)재가 이용되고 있다.

특허 문헌 1에는 셀과 그것을 지지하는 지지체와의 사이의 열 팽창율을 매칭시켜 가스 차단성을 가진 유리나 금속 등의 접착재가 제안되고 있다.

또한, 특허 문헌 2에는 셀을 지지체의 셀 삽입구에 넣고 그 틈에 유리 페이스트 등을 충전하여 과열하는 수단이 제안되고 있다.

또한, 특허 문헌 3에는 팽창 흑연으로 이루어진 내열성의 개스킷(씰 복합체)이 제안되고 있다.

[특허 문헌 1]일본 특허공개공보 제2010-205534호 [특허 문헌 2]일본 특허공개공보 제2011-71131호 [특허 문헌 3]일본 특허공개공보 제2012-31967호

씰재의 열 팽창 계수를 연료 전지 셀의 열 팽창율 및 지지체의 열 팽창율과 완전히 일치시키기는 곤란하고, 유리 씰재를 이용하면 가동 정지 시 상온 상태와 가동 시 고온(예를 들면 800℃) 상태 사이의 열 사이클 때문에 씰이 파손되고 가스가 누설하여 전극을 열화시킬 우려가 있다. 또 셀과 지지체 사이의 열 팽창 수축 완화가 불충분하여 셀의 파괴에 이를 우려도 있다. 특히 최근 개발이 활발한 가정용 고정형 연료 전지의 경우 대용량 발전형 연료 전지에 비해 기동 정지 횟수가 증가하기 때문에 상기의 문제가 더욱 현저하게 될 우려가 있다.

또한 여기에서는 SOFC를 가지고 설명했지만, 상기의 문제는 SOFC에만 한정되지 않고, 기동/정지에 따른 온도 변화가 생기거나 설치 환경에 따라 온도 변화가 생기는 연료 전지에서 일반적으로 성립하는 문제이다.

본 발명은 상기 사정을 감안하여, 온도 변화에 강한 씰 구조를 가진 연료 전지를 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다.

상기 목적을 달성하는 본 발명의 연료 전지는, 전해질을 사이에 두고 형성된 제1 기체가 접하는 제1 극과 제2 기체가 접하는 제2 극을 가지며, 원형으로 만곡하고 한 바퀴에 걸쳐 이어진 곡면으로 이루어진 제1 원주면을 가진 연료 전지 셀과, 원형으로 만곡하고 한 바퀴에 걸쳐 이어진 곡면으로 구성된 상기 제1 원주면에 한 바퀴에 걸쳐 대면하는 제2 원주면을 가지고, 연료 전지 셀을 유지하는 유지 부재와 상기 제1 원주면과 상기 제2 원주면과의 사이에 개재하여, 그 제1 원주면과 제2 원주면 중 적어도 한쪽 면에 고착되지 않고 열 팽창 수축 시에 적어도 한쪽 면과의 사이에서 미끄럼 운동이 자유로운, 제1 기체 유로와 제2 기체 유로를 서로 격리하는 원형 고리 형태의 씰재를 구비한 것을 특징으로 한다.

본 발명의 연료 전지는, 제1 기체 유로와 제2 기체 유로를 서로 격리하는 원형 고리 형상의 씰재를 구비하고, 그 씰재가, 제1 원주면과 제2 원주면 중 적어도 한쪽 면에 고착되지 않고 열 팽창 수축 시에 적어도 한쪽 면과의 사이에서 미끄럼 운동이 자유롭기 때문에 열 팽창률이 서로 다르더라도, 열 팽창 수축 시의 치수 변화에 의한 왜곡이 미끄럼 운동에 의해 완화되어, 씰의 파손이나 셀의 파괴가 방지되어 양호한 밀봉성이 유지된다.

여기에서, 상기 본 발명의 연료 전지 셀에서, 상기 씰재가 유지 부재의 제2 원주면 부분의 재료와 동일한 재료로 형성되고, 적어도 제1 원주면에는 고착되지 않고 적어도 제1 원주 면과의 사이에서 미끄럼 운동이 자유로운 것이 바람직하다.

씰재를 제2 원주면 부분의 재료와 동일한 재료로 형성하면, 유지 부재와의 사이에서 온도 변화에 의한 왜곡이 발생하지 않는다. 또한, 제1 원주면과의 사이에서는 열 팽창 수축 시에 미끄럼 운동함으로써 왜곡이 완화된다.

또한, 상기 본 발명의 연료 전지에서 제1 원주면과 제2 원주면 중 볼록면에 형성되는 하나의 원주면에 둘레 방향으로 한 바퀴 도는 홈이 형성되고, 씰재가 연결부를 가지고 그 홈에 끼워지는 것이 바람직하다.

볼록 곡면에 홈을 형성하여 씰재를 끼워 넣는 구조를 채택하면, 씰재를 셀이나 유지 부재와 별도로 제조할 수 있으며, 홈에 끼워 넣은 후 씰재의 위치 이탈이 방지된다.

여기에서, 상기 연료 전지 셀은, 가장자리가 원형인, 제1 극으로 작용하는 제1 면과, 가장자리가 원형인, 제2 극이 형성된 제2 면과, 제1 면 및 제2 면의 가장자리를 서로 연결하여 한 바퀴 도는 둘레면(周面)을 가지는 원판 형상의 연료 전지 셀로서 그 둘레면이 제1 원주면이고, 그 둘레면에 홈이 형성된 것이 바람직하다.

이러한 원판 형상의 셀의 경우, 둘레면에 홈을 형성하고 그 홈에 씰재를 끼워 넣는 구조를 채택할 수 있다.

또한, 상기 연료 전지 셀은, 가장자리가 원형인, 제1 극이 형성된 제1 면과, 가장자리가 원형인, 제2 극이 형성된 제2 면과, 제1 면 및 제2 면의 가장자리를 서로 연결하여 한 바퀴 도는 둘레면을 가지는 원판 형상의 연료 전지 셀이며, 또한 제1 극으로 작용하는 내벽면으로 둘러싸인 내부 공간이 형성되고, 둘레면에 내부 공간에 연결되는 기체 유로가 마련된 연료 전지 셀로서 그 둘레면이 제1 원주면이고, 그 둘레면의 기체 유로보다도 제1 면에 가까운 부분과 제2 면에 가까운 부분의 쌍방에 홈이 형성된 것도 바람직한 구조이다.

이러한 구조의 셀에 대해서도 이 발명을 적용할 수 있다.

또한, 상기 연료 전지 셀은, 제1 극으로 작용하는 내주면과 제2 극이 형성된 외주면을 갖고 내부 공간에 연결되는 개구가 적어도 한쪽에 형성된 원통형 연료 전지 셀에서, 그 내주면이 제1 원주면이며, 상기 유지 부재는, 상기 개구에 끼워지는 기체 유로가 형성된 원통 형상의 삽입부를 가지며, 그 삽입부의 외주면이 제2 원주면이며, 그 삽입부의 외주면에 홈이 형성된 것도 바람직한 구조이다.

이와 같이, 원통형 셀에 대해서도 이 발명을 적용할 수 있다.

이상과 같이, 본 발명에 따르면, 열 사이클 등의 온도 변화에 강한 씰 구조를 가진 연료 전지가 구성된다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 형태로서 연료 전지의 셀 1개분의 유닛 구조를 나타내는 분해 사시도이다
도 2는 한 개의 셀의 모식 사시도이다.
도 3은 도 2에 나타낸 화살표 A-A에 따른 단면도이다.
도 4는 도 1에 나타낸 화살표 B-B에 따른 단면도이다.
도 5는 씰재의 연결부의 부분 모식도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시 형태의 연료 전지의 외관 사시도이다.
도 7은 도 6에 나타낸 화살표 C-C에 따른 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시 형태의 셀 1개 분의 측면도이다.
도 9는 본 발명의 제3 실시 형태의 연료 전지의 외관 사시도이다.
도 10은 도 9에 나타낸 화살표 D-D에 따른 단면도이다.
도 11은 실험 결과를 나타내는 그림이다.

이하, 본 발명의 실시의 형태를 설명한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 형태로서 연료 전지의 셀 1개분의 유닛 구조를 나타낸 분해 사시도이다.

도 1에는, 셀(11), 씰재(12), 셀 홀더(13), 및 2개의 세퍼레이터(14A, 14B)로 이루어진 유닛(10)이 나타나 있다.

여기에서는 우선 이 유닛(10)을 구성하는 1개의 셀(11)에 대해 설명한다.

도 2는 1개의 셀(11)의 모식 사시도이다.

이 셀(11)은, 가장자리가 원형인, 양극으로 작용하는 제1 면(11a)과, 마찬가지로 가장자리가 원형인, 음극으로 작용하는 제2 면(11b)과, 그 제1 면(11a)과 제2 면(11b)의 가장자리를 서로 연결하여 한 바퀴 도는 둘레면(11c)를 가진 원판 형상의 셀이다. 이 둘레면(11c)은 원형으로 만곡된 한 바퀴에 걸쳐 이어진 볼록 곡면이며, 본 발명에서 말하는 제1 원주면의 한 예이다. 이 둘레면(11c)에는 둘레 방향으로 한 바퀴 도는 홈(11d)이 형성되어 있다. 이 홈(11d)에는 씰재(12, 도 1 참조)가 끼워진다.

도 3은 도 2에 나타낸 화살표 A-A에 따른 단면도이다.

이 셀(11)은 양극 지지형이며, 다공질 세라믹스를 양극 활물질로 덮은 미세 구조의 지지체(111)를 가진다.

도 3에 나타낸 셀(11)은, 이 지지체(111)와, 이 지지체(111) 상에 적층된, 지지체(111)의 두께에 비해 얇은 전해질(112)과, 그 전해질(112) 상에 적층된, 또한 지지체(111)의 두께에 비해 얇은, 음극으로 작용하는 대극(對極, 113)으로 이루어지고, 지지체(111) 자체와 거의 같은 형상 및 치수를 가진다.

이 지지체(111)는, 셀(11)의 외형과 거의 같은 외형을 가지고, 가장자리가 원형인 제1 면(111a)과, 마찬가지로 가장자리가 원형인 제2 면(111b)과, 그 제1 면(111a) 및 제2 면(111b)의 가장자리를 서로 연결하여 한 바퀴 도는 둘레면(111c)을 가진 원판 형상의 지지체이다. 이 지지체(111)의 둘레면(111c)에는 둘레 방향으로 한 바퀴 도는 홈(111d)이 형상되어 있다.

이 지지체의 제1 면(111a)은, 그대로, 연료 가스가 접촉하는 양극으로 작용하는, 셀(11)의 제1 면(11a)이다. 또한, 이 지지체(111)의 제1 면(111a)을 제외한 제2 면(111b)과 둘레면(111c)은 전해질(112)로 덮여 있으며, 이는 제1 면(11a)에 접촉하는 연료 가스가 지지체(111)를 통과하여 새는 것을 방지할 수 있다.

또한, 이 지지체(111)의 제2 면(111b)에는, 전해질(112)을 사이에 끼우고, 음극으로 작용하는 대극(113)이 적층된, 셀(11)의 제2 면(11b)을 형성하고 있다.

도 4는 도 1에 나타낸 화살표 B-B에 따른 단면도이다. 다만, 도 1은 1개의 유닛(10)의 분해 사시도이고, 도 4는 복수의 유닛이 쌓아 올려진 구조의 단면도이다. 구체적으로는 이 도 4에는 유닛이 3단으로 쌓아 올려진 구조가 나타나고 있다. 또한 도 1에는 셀(11)을 사이에 둔 2개의 세퍼레이터(14A, 14B)가 제시되어 있지만, 이것은 설명의 편의를 위한 것이며, 실제 세퍼레이터는 도 4에 나타낸 바와 같이, 서로 인접한 2개의 유닛 세퍼레이터(14A, 14B)가 결합된 형상의 세퍼레이터(14)이다. 이하, 주로 도 1과 도 4를 참조하면서, 이 제1 실시 형태의 연료 전지에 대해 더 설명한다.

셀(11)은 도 2 및 도 3을 참조하여 설명한 형상 및 구조를 나타내며, 이 셀(11)의 둘레면(11c)의 홈(11d, 도 2 및 도 3 참조)에는 씰재(12)가 끼워진다.

셀 홀더(13)는 셀(11)과 동일한 두께를 가진 판 형상을 가지고 이 셀 홀더(13)에는 셀(11)이 끼워질 구멍(13a)이 형성되어 있다. 이 구멍(13a)를 구획하는 둘레면은 원형으로 만곡하여 한 바퀴에 걸쳐 이어진 오목 곡면으로 이루어지며, 이 구멍(13a)에 셀(11)이 끼워진 상태에서는 셀(11)의 둘레면(11c)에 한 바퀴에 걸쳐 대면하고 있으며, 이 구멍(13a)의 둘레면이 본 발명에서 말하는 제2 원주면의 한 예이다.

씰재(12)는, 셀(11)의 둘레면(11c)과 셀 홀더(13)의 구멍(13a)의 둘레면 사이에 개재하여, 셀(11)의 양극으로 작용하는 제1 면(11a)에 닿는 경로를 통해 흐르는 연료 가스의 유로와, 셀(11)의 음극으로 작용하는 제2 면(11b)에 닿는 경로를 통해 흐르는 산화 가스의 유로를 서로 격리하는 역할을 담당하고 있다.

도 5는 씰재(12)의 연결부의 부분 모식도이다.

씰재(12)는, 이 도 5와 같이 계단식 연결부(121)를 가지고, 셀(11)의 둘레면(11c)의 홈(11d)에 끼워진 때에는 이 연결부(121)가 일단 탄성적으로 확장하여 홈(11d)에 끼워지고, 홈(11d)에 끼워진 상태에서는 연결부(121)의 단(121a, 121b)이 서로 겹쳐 확실한 밀봉 성능을 발휘하는 형상이다.

이 씰재(12)는, 셀(11)에도, 셀 홀더(13)에도 고착되지 않고, 열 팽창 수축 시에는 셀(11)의 둘레면(11c)과 셀 홀더(13)의 구멍(13a)의 둘레면과의 사이에서 미끄럼 운동이 가능하다. 따라서 씰재(12)의 열 팽창 계수가 셀(11)이나 셀 홀더(13)의 열 팽창 계수와 다른 경우에도, 열 팽창 수축 시에는 셀(11)과 씰재(12)의 사이 및 씰재(12)와 셀 홀더(13)의 사이에서 미끄럼 운동한다. 따라서 열 팽창 수축에 의한 치수 변화 분이 흡수되어 밀봉성이 유지되고, 또한 종래와 같은 유리 씰재에 의한 접착의 경우와 같은 씰의 파손 등이 방지된다.

여기에서 씰재(12)는 셀(11)의 열 팽창 계수와 셀 홀더(13)의 열 팽창 계수의 중간적인 열 팽창 계수의 재료로 제작된다. 이렇게 함으로써 셀(11)과 씰재(12)의 사이 및 씰재(12)와 셀 홀더(13)의 사이에서 균등하게 미끄럼 운동하여 열 팽창 수축에 의한 왜곡이 셀(11)과의 사이 및 셀 홀더(13)와의 사이에서 균등하게 완화된다. 또는 씰재(12)를 셀 홀더(13)의 재료와 동일한 재료로 제작해도 좋다. 이 경우에는 열 팽창 수축에 의한 왜곡은 셀(11)과 씰재(12) 사이의 미끄럼 운동에 의해 완화된다. 또한, 이 경우 열 팽창 수축이 있어도 씰재(12)와 셀 홀더(13)와의 사이는 미끄럼 운동하지 않고, 따라서 씰재(12)는 셀 홀더(13)에 고착되어 있어도 좋다. 본 실시 형태에서는 셀 홀더(13)는 철 기반의 금속 재료로 이루어지고, 씰재(12)도 철 기반의 열 팽창 계수가 10~20×10^-6/℃의 금속 재료로 제작되고 있다.

도 1 및 도 4를 참조하여, 셀 홀더(13) 및 세퍼레이터 (14, 14A, 14B)의 구조에 대해 설명한다.

셀 홀더(13)에는 셀(11)이 끼워지는 구멍(13a) 외에, 그 주위에 4개의 구멍이 형성되어 있다. 도 1에는 그 4개의 구멍 중 3개의 구멍(13b, 13c, 13d)이 나타나 있고, 또 다른 구멍은 세퍼레이터(14A)에 숨겨진 위치에 있으며, 구멍(13a)을 사이에 둔 구멍(13d)의 반대 측의 위치에 있다.

도 4는 도 1의 화살표 B-B에 따른 단면도이지만, 이 도 4에는 2개의 구멍(13b, 13c)이 나타나 있다.

구멍(13b)은 연료 가스 도입로를 형성하는 구멍이고, 구멍(13c)은 연료 가스의 배출로를 형성하는 구멍이다. 또, 구멍(13d)은 산화 가스 도입로를 형성하는 구멍이며, 도 1에서 세퍼레이터(14A)에 숨겨진 위치에 있는 구멍은 산화 가스의 배출로를 형성하는 구멍이다.

또한, 세퍼레이터(14A, 14B)는 각각 판 형상을 가지며 이 세퍼레이터(14A, 14B)에도, 각각 4개의 구멍(14b, 14c, 14d, 14e)이 형성되어 있다. 이러한 4개의 구멍(14b, 14c, 14d, 14e)은 셀 홀더(13)의 3개의 구멍(13b, 13c, 13d)과 도 1에서 세퍼레이터(14A)에 숨겨진 또 다른 구멍에 각각 연통해 있다. 즉 세퍼레이터(14A, 14B)의 4개의 구멍(14b, 14c, 14d, 14e)은 각각 연료 가스 도입로, 연료 가스 배출로, 산화 가스 도입로 및 산화 가스 배출로를 형성하고 있다. 도 4에는 서로 인접한 유닛을 구성하는 세퍼레이터(14A, 14B)가 합쳐진 형상의 세퍼레이터(14)가 제시되어 있으며 이 세퍼레이터(14A)의 구멍(14b, 14c)이 셀 홀더(13)의 구멍(13b, 13c)에 각각 연통하여 연료 가스 도입로(151)와 연료 가스 배출로(152)를 형성하고 있는 것으로 나타나 있다.

세퍼레이터(14A)에는 그 세퍼레이터(14A)를 구성하는 판재의 셀(11) 쪽 면이 파인 형상의 연료 가스 통로(141)가 있다. 이 연료 가스 통로(141)의 중간에는 파이지 않고 남아 있는 4개의 지지부(142)가 형성되어 있다. 이 지지부(142)는 도 4와 같이 셀(11)의 제1 면(11a)에 있어서 셀(11)을 지지하는 역할을 담당하고 있다. 연료 전지 외부의, 도시하지 않는 연료 가스 공급로를 통해 이 연료 전지에 공급된 연료 가스는 연료 가스 도입로(151)를 통해 각 유닛의 연료 가스 통로(141)에 유입되고, 각 셀(11)의 양극을 이루는 제1 면(11a)에 접하며, 연료 가스 배출로(152)를 거쳐, 또한 연료 전지 외부의, 도시하지 않는 연료 가스 배기로를 통해 배기된다.

또한 세퍼레이터(14B)에는 세퍼레이터(14A)의 연료 가스 통로(141)와 마찬가지로 세퍼레이터(14B)를 구성하는 판재의 셀(11) 쪽 면이 파인 형상의 산화 가스 통로(143)가 있다. 이 산화 가스 통로(143)는 산화 가스 도입로를 형성하는 구멍(14d) 및 산화 가스 배기로를 담당하는 구멍(14e)에 연결되고, 이 산화 가스 통로(143)에는 산화 가스 도입로를 거쳐 도입된 산화 가스가 유입되면서 각 셀(11)의 음극을 이루는 제2 면(11b)에 접하며, 산화 가스 배출로를 경유하여 배기된다. 이 세퍼레이터(14B)에도, 산화 가스 통로(143)의 중간에는 파이지 않고 남아 있는 4개의 지지부(144)가 형성되어 있으며, 이 지지부(144)는 셀(11)의 제2 면(11b)에 있어서 셀(11)을 지지하는 역할을 담당하고 있다.

이 제1 실시 형태의 연료 전지는, 도 4와 같이 복수의 유닛이 쌓이고, 또한 그 쌓인 복수의 유닛 전체가 나사 고정 등에 의해 도 4의 상하 방향에서 체결된다. 이에 따라 쌓아 올려진 셀 홀더(13)와 세퍼레이터(14)가 서로 밀착한 상태가 되어, 셀 홀더(13)와 세퍼레이터(14) 사이의 밀봉성이 확보된다. 또는, 셀 홀더(13)와 세퍼레이터(14)의 사이에, 연료 가스 도입로 및 연료 가스 통로 등의 통로를 막지 않도록 구멍이 열린 얇은 마일러(Mylar) 판이나 내열 금속판 등, 적당한 탄성을 가진 내열 재료로 이루어진 얇은 판재를 두고 전체를 조이는 구성을 채용해도 좋다. 이 경우, 셀 홀더(13)와 세퍼레이터(14) 사이의 밀봉성이 더욱 향상된다.

이 제1 실시 형태의 연료 전지는 셀(11)의 둘레면(11c)의 홈(11d)에 끼워진 원환형 씰재(12)를 가지고, 이 씰재(12)는 셀(11)이나 셀 홀더(13)에 고착되지 않고 열 팽창 수축 시에 셀(11)과의 사이 및 셀 홀더(13)와의 사이가 미끄럼 운동 가능하다. 이 때문에 열 팽창 수축 시의 왜곡이 완화되고 열 팽창 수축이 있어도 밀봉성이 유지되며, 종래의 유리 씰재에 의한 접착을 채용한 경우와 같은 씰의 파손이나 그 씰의 파손으로 인한 셀(11)의 열화 등이 방지된다.

다음으로 제2 실시 형태의 연료 전지에 대해 설명한다.

도 6은 본 발명의 제2 실시 형태의 연료 전지의 외관 사시도이고, 도 7은 도 6에 나타낸 화살표 C-C에 따른 단면도이다. 다만, 도 7에는 유닛 3개분의 단면이 나타나 있다. 또한 도 8은 셀 1개분의 측면도이다.

도 6과 같이 이 연료 전지(2)는 복수의 유닛(20)이 기대(201) 상에 설치된 구조를 가진다. 각 유닛(20)은 2개의 나사(29)로 기대(201) 상에 고정되어 있다. 또한 도 7과 같이 각 유닛(20)은 셀(21)과 2개의 씰재(22)와 셀 홀더(23)를 가진다.

이 셀(21)은, 도 8과 같이 가장자리가 원형인 제1 면(211)과, 가장자리가 같은 원형인 제2 면(212)과, 그 제1 면(211)과 제2 면(212)의 가장자리를 연결하여 한 바퀴 도는 둘레면(213)을 가진 원판 형상이며, 또한 도 7의 단면도에 나타난 바와 같이 내벽면(21a)으로 둘러싸인 내부 공간(21b)이 형성되어 있다. 또한 이 둘레면(213) 하단에는 그 내부 공간(21b)으로의 연료 가스 도입구(213a)가 형성되고 둘레면(213)의 상부에는 그 내부 공간(21b)으로부터의 연료 가스 배출구(213b)가 형성되어 있다. 또한 이 둘레면(213)의, 연료 가스 도입구(213a) 및 배출구(213b)보다 제1 면(211)에 가까운 부분과 제2 면(212)에 가까운 부분의 쌍방에 씰재(22)가 끼워지는 홈(213d)이 형성되어 있다. 이 둘레면(213)은 원형으로 만곡하여 한 바퀴에 걸쳐 이어진 볼록 곡면이며, 본 발명에서 말하는 제1 원주면의 한 예이다.

여기에서 이 셀(21)은 전술한 제1 실시 형태의 경우와 같이 양극 지지형이며, 다공질 세라믹스를 양극 활물질로 덮은 미세 구조의 지지체(219, 도 7 참조)를 가진다. 셀(21)의 내부 공간(21b)은, 그 지지체(219)가 노출되고, 내부 공간(21b)을 형성하는 내벽면(21a)이 양극으로 작용한다. 또한 이 지지체(219)의 제1 면(219a)에는 양극 전극(215)이 적층되어 셀(21)의 제1 면(211, 도 8 참조)을 형성하고 있으며, 지지체(219)의 양극 전극(215)이 적층된 영역 이외의 전역이 전해질(도시 생략)로 덮여 있다. 이에 따라 내부 공간(21b)에 유입된 연료 가스가 지지체(219)를 통과하여 누설되는 것이 방지되며, 지지체(219)의 제2 면(219b)에는 전해질(도시하지 않음) 상에, 음극으로 작용하는 대극(216)이 형성되어 셀(21)의 제2 면(212, 도 8 참조)을 형성하고 있다. 이 셀(21)의 둘레면(213)에 형성된 2개의 홈(213d)의 각각에는 원환형 씰재(22)가 끼워진다. 이 씰재(22)는 제1 실시 형태의 씰재와 마찬가지이므로 여기서 중복 설명은 생략한다.

셀 홀더(23)는 셀(21)을 유지하는 역할을 담당하고 있으며, 이 셀 홀더(23)는 셀(21)을 유지한 상태에서 나사(29, 도 6 참조)에 의하여 기대(201)에 밀착되도록 고정되어 있다. 이로써 셀 홀더(23)와 기대(201)와의 사이가 밀착하여, 이들 사이에서 가스 누출이 방지된다. 또한, 상술한 제1 실시 형태의 경우와 같이, 셀 홀더(23)와 기대(201)와의 사이에 마일러(Mylar) 판이나 내열 금속판 등의 얇은 판재를 두고, 셀 홀더(23)를 기대(201)에 조이는 구성으로 해도 좋다.

셀 홀더(23)에는 셀(21)이 끼워지는 구멍(23a, 도 7 참조)이 형성되어 있다. 이 구멍(23a)은, 이 구멍(23a)에 셀(21)이 끼워진 상태에서 그 셀(21)의 둘레면(213)에 한 바퀴에 걸쳐 대면하고, 본 발명에서 말하는 제2 원주면의 한 예이다.

씰재(22)는, 셀(21)의 둘레면(213)과 셀 홀더(23)의 구멍(23a)의 둘레면 사이에 개재된, 양극으로 작용하는 내벽면(21a)에 닿는 연료 가스의 유로, 즉 내부 공간(21b)을 통해 흐르는 연료 가스의 유로와, 셀(21)의 음극으로 작용하는 제2 면(212)에 닿아 흐르는 산화 가스의 유로를 서로 격리하는 역할을 담당하고 있다.

또한, 인접한 셀(21)의 사이에는, 도전성 발포재 또는 금속제의 다수 개의 세선의 조합 등으로 이루어진 도전재(24)가 배치되어 있다. 이 도전재(24)는 셀(21)의 제1 면(211)과 그 셀(21)에 인접한 셀의 제2 면(212)을 전기적으로 연결하는 역할을 담당하고 있다. 다만, 단순히 전기적으로 연결할 뿐만 아니라, 음극으로 작용하는 제2 면(212)에 산화 가스가 충분히 닿도록 산화 가스의 진입을 방해하지 않는 구조로 되어 있다.

셀 홀더(23)에는, 셀(21)이 끼워지는 구멍(23a) 외에, 셀 홀더(23)의 하부에 셀(21)의 내부 공간(21b)에 연료 가스를 도입하기 위한 연료 가스 도입로(23b)가 형성되고, 셀 홀더(23)의 상부에는 셀(21)의 내부 공간(21b)으로부터의 연료 가스 배출로(23c)가 형성되어 있다. 또한, 기대(201)에도 셀 홀더(23)의 연료 가스 도입로(23b)에 연통하는 연료 가스 도입구(201a)가 형성되어 있다. 연료 가스는, 이 연료 전지 외부의, 도시하지 않는 연료 가스 공급로를 통해 이 연료 전지에 공급되고, 기대(201)에 형성된 연료 가스 도입구(201a) 및 셀 홀더(23)에 형성된 연료 가스 도입로(23b)를 지나며, 또한 셀(21)에 형성된 도입구(213a)를 통해 셀(21)의 내부 공간(21b)에 도입된다. 이 셀(21)의 내부 공간(21b)에서 셀(21)에 형성된 배출구(213b)를 통해 배출된 연료 가스는 셀 홀더(23)에 형성된 연료 가스 배출로(23c)를 지나 또한 도시하지 않는 외부 연료 가스 배출로를 통해 배출된다.

산화 가스는, 또한 도시하지 않는 외부의 산화 가스 공급로를 통해 공급되어 셀(21)의 제2 면(212)에 닿고, 또한 도시하지 않는 산화 가스 배출로를 통해 배출된다. 또는, 이 산화 가스로서 주위 환경에 존재하는 공기를 이용할 때는 외부의 산화 가스 공급로와 산화 가스 배출로로 특별한 설비는 불필요하며 팬으로 공기를 보내는 등 주위 환경의 공기가 셀(21)의 제2 면(212)에 항상 닿게 하는 것만으로도 좋다.

전술한 제1 실시 형태의 연료 전지의 경우와 마찬가지로, 이 제2 실시 형태의 연료 전지는, 셀(21)의 둘레면(213)의 2개의 홈(213d) 각각에 끼워진 원환 형상의 2개의 씰재(22)를 가지고, 이들 2개의 씰재(22)는, 셀(21)과 셀 홀더(23)에 고착되지 않고, 열 팽창 수축 시에 셀(21)과의 사이 및 셀 홀더(23)와의 사이가 미끄럼 운동 가능하다. 이 때문에 열 팽창 수축 시의 왜곡이 완화되고 열 팽창 수축이 있어도 항상 밀봉성이 유지된다. 또한, 열 팽창 수축에 의한 씰재(22)의 파손이나 가스 누출에 의한 성능 열화가 방지된다.

다음으로 본 발명의 제3 실시 형태의 연료 전지에 대해 설명한다.

도 9는 본 발명의 제3 실시 형태의 연료 전지의 외관 사시도이고, 도 10은 도 9에 나타낸 화살표 D-D에 따른 단면도이다. 다만, 도 10에는 셀 1개분의 단면이 나타나 있다.

도 9와 같이 이 연료 전지(3)는 복수의 셀(31)이 상하로 나뉜 셀 홀더(33A, 33B)에 의해 지지되는 구성을 가진다.

도 10과 같이 셀(31)은 내주면(31a)과 외주면(31b)을 가지며, 내부 공간(31c)으로 이어지는 개구(31d, 31e)가 형성된 원통형 셀이다. 이 셀(31)의 내주면(31a)은 원형으로 만곡한 한 바퀴에 걸쳐 이어진 오목 곡면으로, 본 발명에서 말하는 제1 원주면의 한 예이다.

여기에서, 이 셀(31)은 전술한 제1 실시 형태 및 제2 실시 형태의 경우와 마찬가지로 양극 지지형이며, 다공질 세라믹스를 양극 활물질로 덮은 미세 구조의 지지체(311, 도 10 참조)를 가진다. 이 셀(31)의 내주면(31a)은, 그 지지체(311)가 노출되어, 그 내주면(31a)이 양극으로 작용한다. 이 지지체(311)의 내주면(31a)의 양단의 개구(31d, 31e)의 근방, 이 지지체(311)의 양 단면, 및 이 지지체(311)의 외주면은 전해질(도시하지 않음)로 덮여 있다. 지지체(311)의 이들 영역을 전해질로 덮고 있는 것으로, 내주면(31a)에 닿은 연료 가스가 다공질의 지지체(311)를 통과하여 누설되는 것이 방지되며, 지지체(311)의 외주면(311b)에 적층된 전해질(도시하지 않음) 상에, 음극으로 작용하는 대극(312)이 형성되어 있다.

셀 홀더(33A, 33B)는, 셀(31)의 양단의 개구(31d, 31e)의 각각에 삽입되는 원기둥 형태의 삽입부(331A, 331B)를 가진다. 이들 삽입부(331A, 331B) 중 아래쪽의 셀 홀더(33A)에 마련된 삽입부(331A)에는, 연료 가스를 셀(31)의 내부 공간(31c)에 도입하기 위한 도입 개구(332A)가 형성되어 있고, 위쪽의 셀 홀더(33B)에 마련된 삽입부(331B)에는 셀(31)의 내부 공간(31c)에 도입된 연료 가스를 배출하는 배출 개구(332B)가 형성되어 있다. 이들 삽입부(331A, 331B)는 원형으로 만곡한 한 바퀴에 걸쳐 이어진 볼록 곡면으로 구성된 외주면(331aA, 331aB)를 가진다. 이들 외주면(331aA, 331aB)은 셀(31)의 내주면(31a)에 한 바퀴에 걸쳐 대면하고, 본 발명에서 말하는 제2 원주면의 한 예이다. 이 삽입부(331A, 331B)의 외주면(331aA, 331aB)에는, 상하의 삽입부(331A, 331B) 각각에 대해 2개씩, 그 외주면(331aA, 331aB)을 도는 방향으로 한 바퀴 도는 홈(331bA, 331bB)이 형성되어 있다. 이들 총 4개의 홈(331bA, 331bB) 각각에는, 원환 형태의 씰재(32)가 끼워져 있다. 삽입부(331A)의 외주면(331aA)의 홈(331bA)에 끼워진 2개의 씰재(32)는 연결부가 서로 180도 다른 위치가 되도록 끼워져 있다. 삽입부(331B)에 끼워진 2개의 씰재(32)에 대해서도 마찬가지이다. 이렇게 연결부를 서로 180도 다른 위치로 함으로써 밀봉성이 한층 높아질 수 있다. 이들 씰재(32)는 전술한 제1 실시 형태의 씰재와 마찬가지이므로 중복 설명은 생략한다.

이들 씰재(32)는 셀(31)의 내주면(31a)와 셀 홀더(33A, 33B)의 삽입부(331A, 331B)의 외주면(331aA, 331aB)과의 사이에 개재된, 양극으로 작용하는 내주면(31a)에 닿는 연료 가스의 유로, 즉 내부 공간(31c)을 통해 흐르는 연료 가스의 유로와, 셀(31)의, 음극으로 작용하는 외주면(31b)에 닿아 흐르는 산화 가스의 유로를 서로 격리하는 역할을 담당하고 있다. 이 제3 실시 형태에서는 상하 2개씩의 씰재(32)로 밀봉함으로써 밀봉성을 한층 더 향상시키고 있다.

연료 가스는, 이 연료 전지 외부의, 도시하지 않는 연료 가스 공급로를 통해 이 연료 전지에 공급되고, 하측의 셀 홀더(33A)의 삽입부(331A)에 형성된 도입 개구(332A)를 통해 셀(31)의 내부 공간(31c)에 도입된다. 그리고 이 셀(31)의 내부 공간(31c)에 도입된 연료 가스는 상측의 셀 홀더(33B)의 삽입부(331B)에 형성된 배출 개구(332B)를 지나서, 또한 도시하지 않는 외부 연료 가스 배출로를 통해 배출된다.

산화 가스는, 셀(31) 간의 틈새로 들어가고, 셀(31)의, 음극으로 작용하는 외주면(31b)에 닿으면서 통과하는 유로를 통과한다.

이 제3 실시 형태의 연료 전지는, 상술한 바와 같이, 셀 홀더(33A, 33B)의 삽입부(331A, 331B)의 외주면(331aA, 331aB)의 홈(331bA, 331bB)에 끼워진 원환 형상의 총 4개의 씰재(32)를 가진다. 이들 씰재(32)는 셀(31)이나 셀 홀더(23)에 고착되지 않고, 열 팽창 수축 시에 셀(31)과의 사이 및 셀 홀더(33A, 33B)와의 사이에서 미끄럼 운동 가능하다. 이 미끄럼 운동에 의하여 열 팽창 수축 시에 재료의 열 팽창 계수 차이로 발생하는 응력이나 왜곡이 완화되고 밀봉성이 항상 유지된다. 또한, 열 팽창 수축에 의한 씰재(32)의 파손이나 가스 누출에 의한 성능 열화도 방지된다.

다음으로, 열 팽창 수축에 의한 씰 성능의 열화의 유무에 관한 실험 결과를 예시한다.

도 11은 이하에서 설명하는 실험 결과를 나타내는 그림이다.

(실시예 1) 도 1에 나타낸 평판형 SOFC 셀(11)을 제작하고, 평판형 SOFC 셀(11)에 도 5에 나타낸 형상의 연결부를 가진 씰재(12)를 장착하여 셀 홀더(13)에 고정하고 양쪽에서 세퍼레이터(14A, 14B)에 끼운 구조의 유닛(10)을 제작하였다.

여기에서 셀 홀더(13)의 재료는, 내열 금속의 하나인 히타치 금속 ZMG232이고, 열 팽창 계수는 10~12×10^-61/K이며, 셀 홀더(13)의 지름은 150mmφ이다. 또한, 여기에서는 씰재(12)에 대해서도 셀 홀더(13)와 마찬가지로, 히타치 금속 ZMG232를 채용하고 있다. 씰재(12)의 외경은 셀 홀더(13)의 지름과 마찬가지로 150mmφ이다. 씰재(12)의 단면 치수는 홈(11d)의 치수와 동일하고, 깊이 방향 2mm이고, 폭 방향 1mm이다. 씰재(12)는 작동 온도인 800℃에서 셀 홀더(13)의 구멍(13a)의 지름과 일치하도록 제작하였다.

그리고 가스 누출 이외의 열화 요인을 없애기 위해, 이 유닛(10)을 질소 분위기에서 질소 퍼지(purge)하면서 4시간에 800℃까지 승온하고, 800℃에서 양극과 음극에 각각 5% 가온(加溫) 수소와 산소를 흘리고, 부하를 연결하지 않은 개방 회로의 전압을 측정하였다. 그 후, 질소 퍼지하면서 실온까지 4시간에 걸쳐 유닛(10)을 냉각하였다.

도 11에 나타난 바와 같이, 이 사이클을 50번 반복해도, 개방 회로 전압 저하는 확인되지 않았다. 씰재(12)에서 가스 누출이 생기면 개방 회로 전압이 저하되는 것으로 알려져 있으며, 개방 회로 전압 저하가 확인되지 않은 것은 밀봉성이 유지되고 있음을 의미한다.

(실시예 2) 도 9와 같은 원통형의 SOFC 셀(31)을 제작하여 셀 홀더(31A, 31B)의 삽입부(311A, 311B)의 외주면(311aA, 311aB)에 마련된 상하 2개씩의 홈(331bA, 331bB)에 씰재(32)를 이들의 연결부가 서로 180도 다른 방향이 되도록 장착하고, 또한 셀 홀더(31A, 31B)에 셀(31)을 장착하였다.

여기에서, 셀 홀더(31A, 31B)의 재료는 상술한 실시예 1의 경우와 같이, 히타치 금속 ZMG232이고, 셀 홀더(31A, 31B)의 삽입부(331A, 331B)의 외경은 20mmφ이다. 씰재(32)에 대해서도 셀 홀더(31A, 31B)와 같이, 히타치 금속 ZMG232를 채용하고 있으며 씰재(32)의 외경은 셀 홀더(31A, 31B)의 삽입부(331A, 331B)의 외경과 마찬가지로 20mmφ이다. 씰재(32)의 단면 치수 및 홈(331bA, 331bB)의 단면 치수도 실시예 1과 마찬가지로 깊이 방향 2mm이고, 폭 방향 1mm이다. 씰재(32)는 작동 온도인 800℃에서 셀(31)의 내주면(31a)의 지름과 일치하도록 제작하였다.

그리고, 질소 퍼지하면서 4시간에 셀(31)을 800℃까지 승온하고, 800℃에서 양극과 음극에 각각 5% 가온 수소와 산소를 흘리고 부하를 연결하지 않은 개방 회로의 전압을 측정하였다. 그 후, 질소 퍼지하면서 실온까지 4시간에 걸쳐 셀(31)을 냉각하였다.

도 11에 나타난 바와 같이, 이 사이클을 50번 반복해도, 개방 회로 전압 저하는 확인되지 않았다.

이상과 같이, 상술한 각 실시 형태에서는, 원환 모양의 씰재를 장착하여 열 팽창 수축 시에 미끄럼 운동하는 구조를 가지고 있기 때문에, 열 사이클 등의 온도 변화가 반복되어도 밀봉성이 유지된다.

3: 연료 전지, 10, 20: 유닛, 11, 21, 31: 셀, 11a, 111a, 211, 219a: 제1 면, 11b, 111b, 212, 219b: 제2 면, 11c, 111c, 213: 외주면, 11d, 111d, 213d, 331bA, 331bB: 홈, 12, 22, 32: 씰재, 13, 13A, 13B, 23, 31A, 31B, 33A, 33B: 셀 홀더, 13a, 13b, 13c, 13d, 14b, 14c, 14d, 14e, 23a, 33a: 홈, 14, 14A, 14B: 세퍼레이터, 21a: 내벽면, 21b, 31c: 내부 공간, 24: 도전재, 23b, 151: 연료 가스 도입로, 23c, 152: 연료 가스 배출로, 29: 나사, 31a: 내주면, 31b, 311b, 331aA, 331aB: 외주면, 31d, 31e: 개구, 111, 219, 311: 지지체, 112: 전해질, 113, 216, 312: 대극, 121: 연결부, 121a, 121b: 단, 141: 연료 가스 통로, 142: 지지부, 143: 산화 가스 통로, 144: 지지부, 201: 기대, 213a: 도입구, 213b: 배출구, 215: 양극 전극, 201a: 연료 가스 도입구, 311A, 311B, 331A, 331B: 삽입부, 332A: 도입 개구, 332B: 배출 개구

Claims

전해질을 사이에 두고 형성된, 제1 기체가 접하는 제1 극과 제2 기체가 접하는 제2 극을 가지며, 원형으로 만곡하는 한 바퀴에 걸쳐 이어진 곡면으로 구성된 제1 원주면을 가진 연료 전지 셀과, 원형으로 만곡하는 한 바퀴에 걸쳐 이어진 곡면으로 구성된 상기 제1 원주면에 한 바퀴에 걸쳐 대면하는 제2 원주면을 가지고, 상기 연료 전지 셀을 유지하는 유지 부재와, 상기 제1 원주면과 상기 제2 원주면과의 사이에 개재하여, 상기 제1 원주면과 상기 제2 원주면 중 적어도 한쪽 면에는 고착되지 않고 열 팽창 수축 시에 그 적어도 한쪽 면과의 사이에서 미끄럼 운동이 자유로운, 상기 제1 기체의 유로와 상기 제2 기체의 유로를 서로 격리하는 원환 형태의 씰재를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
제1 항에서,
상기 씰재가, 상기 유지 부재의 상기 제2 원주면 부분의 재료와 동일한 재료로 형성되고, 적어도 상기 제1 원주면에는 고착되지 않고 적어도 상기 제1 원주면과의 사이에서 미끄럼 운동이 자유로운 것을 특징으로 하는 연료 전지.
제1 항 또는 제2 항에서,
상기 제1 원주면과 상기 제2 원주면 중 볼록으로 형성된 하나의 원주면에 둘레 방향으로 한 바퀴 도는 홈이 형성되고, 상기 씰재가 연결부를 가지고 그 홈에 끼워지는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
제3 항에서,
상기 연료 전지 셀은, 가장자리가 원형인, 제1 극으로 작용하는 제1 면과, 가장자리가 원형인, 제2 극이 형성된 제2 면과, 상기 제1 면과 상기 제2 면의 가장자리를 서로 연결하여 한 바퀴 도는 둘레면을 가지는 원판 형상의 연료 전지 셀로서, 그 둘레면이 상기 제1 원주면이고, 해당 둘레면에 상기 홈이 형성된 것을 특징으로 하는 연료 전지.
제3 항에서,
상기 연료 전지 셀은, 가장자리가 원형인, 제1 극이 형성된 제1 면과, 가장자리가 원형인, 제2 극이 형성된 제2 면과, 상기 제1 면과 상기 제2 면의 가장자리를 서로 연결하여 한 바퀴 도는 둘레면을 가지는 원판 형상의 연료 전지 셀이고, 또한 제1 극으로 작용하는 내벽면으로 둘러싸인 내부 공간이 형성되고, 그 둘레면에 그 내부 공간에 연결되는 기체 유로가 마련되는 연료 전지 셀로서, 그 둘레면이 상기 제1 원주면이고, 해당 둘레면의, 상기 기체 유로보다 상기 제1 면에 가까운 부분과 상기 제2 면에 가까운 부분의 쌍방에 상기 홈이 형성된 것을 특징으로 하는 연료 전지.
제3 항에서,
상기 연료 전지 셀은, 제1 극으로 작용하는 내주면과 제2 극이 형성된 외주면을 가진 내부 공간에 연결되는 개구가 적어도 한쪽에 형성된 원통형 연료 전지 셀로서 그 내주면이 상기 제1 원주면이고, 상기 유지 부재는, 상기 개구에 삽입되는, 기체 유로가 형성된 원기둥 형상의 삽입부를 가지고, 해당 삽입부의 외주면이 상기 제2 원주면이고, 해당 삽입부의 외주면에 상기 홈이 형성된 것을 특징으로 하는 연료 전지.