KR101845598B1

KR101845598B1 - 연료 전지

Info

Publication number: KR101845598B1
Application number: KR1020157030886A
Authority: KR
Inventors: ?스케 츠가; 스케 츠가; 다카후미 시치다; 데츠야 모리카와; 노부유키 홋타
Original assignee: 니뽄 도쿠슈 도교 가부시키가이샤
Priority date: 2013-03-29
Filing date: 2014-02-05
Publication date: 2018-04-04
Also published as: EP2980904B1; JPWO2014156314A1; US20160056492A1; CN105103358B; EP2980904A4; US10396389B2; CA2907951C; CA2907951A1; CN105103358A; EP2980904A1; DK2980904T3; JP5712334B2; KR20150135501A; WO2014156314A1

Abstract

연료 셀에서의 연료 가스 공급 경로는, 제 1 경로, 제 2 경로 및 제 3 경로를 직렬적으로 포함한다. 제 2 경로에 있어서, 각 발전 셀에서의 연료 가스의 입구의 위치는, 적층의 방향에서 보았을 때, 발전 셀의 한 변에 따른 2 지점, 즉, 제 1 위치 (PA), 제 2 위치 (PB) 임과 함께, 연료 가스의 출구의 위치는, 상기 한 변과 대향하는 변측의 1 지점, 즉, 제 3 위치 (PC) 이다. 제 3 경로에 있어서, 각 발전 셀에서의 연료 가스의 입구의 위치는, 적층의 방향에서 보았을 때, 제 3 위치 (PC) 와 겹치는 위치임과 함께, 연료 가스의 출구의 위치는, 제 1 위치 (PA) 와 제 2 위치 (PB) 사이에 있다.

Description

연료 전지{FUEL BATTERY}

관련 출원의 상호 참조

본 국제 출원은 2013년 3월 29일에 일본 특허청에 출원한 일본 특허출원 제2013-72922호에 근거한 우선권을 주장하는 것으로, 일본 특허출원 제2013-72922호의 전체 내용을 본 국제 출원에 원용한다.

기술 분야

본 발명은 연료 전지에 관한 것이다.

종래, 연료 전지로서 고체 전해질 (고체 산화물) 을 사용한 고체 산화물형 연료 전지 (이하 SOFC 로도 약기한다) 가 알려져 있다.

이 SOFC 에서는 발전 단위로서, 예를 들어 고체 전해질막의 일방의 측에 연료 가스에 접하는 연료극을 형성함과 함께, 타방의 측에 산화제 가스 (공기) 와 접하는 산화제극 (공기극) 을 형성한 연료 전지 셀 (발전 셀) 이 사용되고 있다. 또한, 원하는 전압을 얻기 위해, 인터커넥터를 개재하여 복수의 발전 셀을 적층한 연료 전지가 개발되어 있다.

이 종류의 연료 전지에서는 통상, 발전 셀을 적층한 방향 (적층 방향) 에 있어서의 중심측 발전 셀의 온도가 단부측 발전 셀의 온도보다 높아진다는 문제가 있다.

그래서, 연료 전지에 대하여, 적층 방향의 중심측에 있어서의 일방의 측면에 차가운 공기를 공급함과 함께, 연료 전지에 있어서의 적층 방향에서의 단부에 열 교환한 따뜻한 가스를 공급하는 기술이 제안되어 있다 (특허문헌 1 참조).

일본 공개특허공보 2005-5074호

상기 서술한 종래 기술은 일방의 측면으로부터 냉기를 공급하는 것이기 때문에, 연료 전지의 적층 방향에 있어서의 중심측에 위치하는 발전 셀을 충분히 냉각할 수 없다. 또한, 종래 기술로는 연료 가스의 이용률을 충분히 높일 수 없다.

발전 셀에 대한 냉각 효과가 높고, 연료 가스의 이용률이 높은 연료 전지를 제공하는 것이 본 발명의 일 국면이다.

본 발명의 제 1 국면의 연료 전지는, 적층된 복수의 발전 셀과, 인접하는 2 개의 상기 발전 셀 사이에 형성된 열 교환부와, 상기 발전 셀에 연료 가스를 공급하는 연료 가스 공급 경로와, 상기 발전 셀에 산화제 가스를 공급하는 산화제 가스 공급 경로를 구비한다. 상기 연료 가스 공급 경로는, 상기 열 교환부 내를 통과하는 제 1 경로, 상기 복수의 발전 셀 중 일부의 발전 셀 내를 병렬적으로 통과하는 제 2 경로, 및 상기 복수의 발전 셀 중, 상기 일부 이외의 복수의 발전 셀 내를 병렬적으로 통과하는 제 3 경로를 직렬적으로 포함하는 경로이다. 상기 제 2 경로에 있어서, 각 발전 셀에서의 상기 연료 가스의 입구의 위치는, 상기 적층의 방향에서 보았을 때, 상기 발전 셀의 한 변에 따른 2 지점의 제 1 위치 (PA), 제 2 위치 (PB) 임과 함께, 상기 연료 가스의 출구의 위치는, 상기 한 변과 대향하는 변측의 1 지점의 제 3 위치 (PC) 이다. 상기 제 3 경로에 있어서, 각 발전 셀에서의 상기 연료 가스의 입구의 위치는, 상기 적층의 방향에서 보았을 때, 상기 제 3 위치 (PC) 와 겹치는 위치임과 함께, 상기 연료 가스의 출구의 위치는, 상기 제 1 위치 (PA), 상기 제 2 위치 (PB) 사이의 위치이다.

본 발명의 제 2 국면의 연료 전지는, 적층된 복수의 발전 셀과, 인접하는 2 개의 상기 발전 셀 사이, 및 상기 복수의 발전 셀 중 상기 적층의 방향에 있어서의 단 (端) 에 위치하는 발전 셀의 외측의 적어도 일방에 형성된 열 교환부와, 상기 발전 셀에 연료 가스를 공급하는 연료 가스 공급 경로와, 상기 발전 셀에 산화제 가스를 공급하는 산화제 가스 공급 경로를 구비한다. 상기 연료 가스 공급 경로는, 상기 열 교환부 내를 통과하는 제 1 경로, 상기 복수의 발전 셀 중 일부의 발전 셀 내를 병렬적으로 통과하는 제 2 경로, 및 상기 복수의 발전 셀 중, 상기 일부 이외의 복수의 발전 셀 내를 병렬적으로 통과하는 제 3 경로를 직렬적으로 포함하는 경로이다. 상기 제 2 경로에 있어서, 각 발전 셀에서의 상기 연료 가스의 입구의 위치는, 상기 적층의 방향에서 보았을 때, 상기 발전 셀의 한 변에 따른 2 지점의 제 1 위치 (PA), 제 2 위치 (PB) 임과 함께, 상기 연료 가스의 출구의 위치는, 상기 한 변과 대향하는 변측의 1 지점의 제 3 위치 (PC) 이다. 상기 제 3 경로에 있어서, 각 발전 셀에서의 상기 연료 가스의 입구의 위치는, 상기 적층의 방향에서 보았을 때, 상기 제 3 위치 (PC) 와 겹치는 위치임과 함께, 상기 연료 가스의 출구의 위치는, 상기 제 1 위치 (PA), 제 2 위치 (PB) 사이의 위치이다.

본 발명의 제 1 국면의 연료 전지는, 2 개의 발전 셀 사이에 형성된 열 교환부를 구비하고, 그 열 교환부에 연료 가스를 흐르게 함으로써 발전 셀을 효과적으로 냉각할 수 있다.

본 발명의 제 2 국면의 연료 전지는, 인접하는 2 개의 발전 셀 사이, 및 복수의 발전 셀 중 적층의 방향에 있어서의 단에 위치하는 발전 셀의 외측의 적어도 일방에 형성된 열 교환부를 구비하고, 그 열 교환부에 연료 가스를 흐르게 함으로써 발전 셀을 효과적으로 냉각할 수 있다. 또, 열 교환부는, 「인접하는 2 개의 발전 셀 사이」, 「발전 셀의 적층 방향에 있어서의 상단의 외측」, 「발전 셀의 적층 방향에 있어서의 하단의 외측」중 적어도 1 지점에 형성되어 있다. 또는, 열 교환부는 상기 3 지점 중 어느 2 지점에 형성되어도 되고, 상기 3 지점 모두에 형성되어도 된다.

또한, 본 발명의 제 1 국면 및 제 2 국면의 연료 전지에 있어서, 연료 가스 공급 경로는 제 1 경로, 연료 가스가 병렬적으로 흐르는 제 2 경로 및 제 3 경로를 직렬적으로 포함하는 경로이기 때문에, 연료 이용률이 높다.

또한, 본 발명의 제 1 국면 및 제 2 국면의 연료 전지에 있어서, 제 2 경로 및 제 3 경로에 있어서의 각 발전 셀에서의 연료 가스의 입구 및 출구의 위치를 상기한 바와 같이 배치함으로써, 발전 셀에서 연료 가스를 균일하게 흐르게 하여, 균일하게 발전하는 것이 가능하게 된다.

특히, 적층의 방향에서 보았을 때, 제 1 위치 (PA) 에서 제 3 위치 (PC) 까지의 거리와, 제 2 위치 (PB) 에서 제 3 위치 (PC) 까지의 거리가 대략 동등해도 된다. 이 경우, 발전 셀에서의 연료 가스의 흐름이 한층 더 균일해진다.

본 발명의 제 1 국면 및 제 2 국면의 연료 전지에서는, 예를 들어, 연료 가스 공급 경로를, 연료 전지 내에서 적층의 방향으로 연장되는 복수의 연료 가스 통로와, 연료 가스 통로로부터 복수의 발전 셀 중 적어도 일부의 발전 셀의 내부 또는 상기 열 교환부에 접속하는 접속구를 구비하는 것으로 하고, 상기 입구 및 상기 출구는 상기 접속구의 일부로 할 수 있다. 이 경우, 매니폴드를 공통화하여, 부품 점수를 억제할 수 있다.

또한, 본 발명의 제 1 국면 및 제 2 국면의 연료 전지에서는, 예를 들어, 연료 전지를 적층의 방향으로 관통하여, 복수의 발전 셀 및 열 교환부를 고정시키는 복수의 볼트를 구비하고, 복수의 연료 가스 통로는 복수의 볼트의 내부에 형성된 공동 (空洞) 으로 할 수 있다. 이 경우, 볼트의 내부에 연료 가스 통로가 있기 때문에, 연료 전지 전체의 소형화를 꾀할 수 있다.

도 1 은 제 1 실시형태에 있어서의 연료 전지 (1) 의 구성을 나타내는 단면도로서, 연료 가스의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 2 는 제 1 실시형태에 있어서의 연료 전지 (1) 의 구성을 나타내는 단면도로서, 공기의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 3 은 제 1 실시형태에 있어서의 연료 전지 (1) 의 구성을 나타내는 평면도로서, 연료 가스의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 4 는 제 1 실시형태에 있어서의 연료 전지 (1) 의 구성을 나타내는 평면도로서, 공기의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 5 는 도 3 및 도 4 의 V-V 단면에서의 발전 셀 (3) 의 단면도이다.
도 6 은 발전 셀 (3D) 및 열 교환부 (7) 의 구성을 나타내는 분해도이다.
도 7 은 열 교환부 (7) 에 있어서의 연료 가스의 흐름을 나타내는 평면도이다.
도 8 은 열 교환부 (7) 에 있어서의 공기의 흐름을 나타내는 평면도이다.
도 9 는 제 2 실시형태에 있어서의 연료 전지 (1) 의 구성을 나타내는 단면도로서, 연료 가스의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 10 은 제 2 실시형태에 있어서의 연료 전지 (1) 의 구성을 나타내는 단면도로서, 공기의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 11 은 제 2 실시형태에 있어서의 연료 전지 (1) 의 구성을 나타내는 평면도로서, 연료 가스의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 12 는 제 2 실시형태에 있어서의 연료 전지 (1) 의 구성을 나타내는 평면도로서, 공기의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 13 은 제 3 실시형태에 있어서의 연료 전지 (1) 의 구성을 나타내는 단면도로서, 연료 가스의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 14 는 제 3 실시형태에 있어서의 연료 전지 (1) 의 구성을 나타내는 단면도로서, 공기의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 15 는 제 4 실시형태에 있어서의 연료 전지 (1) 의 구성을 나타내는 단면도로서, 연료 가스의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 16 은 제 4 실시형태에 있어서의 연료 전지 (1) 의 구성을 나타내는 단면도로서, 공기의 흐름을 나타낸 도면이다.

본 발명의 실시형태를 도면에 기초하여 설명한다.

<제 1 실시형태>

1. 연료 전지 (1) 의 전체 구성

연료 전지 (1) 의 구성을 도 1 ∼ 도 8 에 기초하여 설명한다. 연료 전지 (1) 는 고체 산화물형 연료 전지로, 연료 가스 (예를 들어 수소) 와 공기 (산화제 가스의 일례에 상당) 의 공급을 받아 발전을 행하는 장치이다.

연료 전지 (1) 는, 도 1, 도 2 에 나타내는 바와 같이, 발전 단위인 평판형의 연료 전지 셀 (이하, 발전 셀이라고 한다) (3) 과, 열 교환부 (7) 와, 한 쌍의 엔드 플레이트 (8, 9) 를 적층한 구조를 갖는다. 발전 셀 (3) 은 8 개 존재하며, 각각을 도 1, 도 2 에 있어서 위에서부터 순서대로 3A, 3B, 3C, 3D, 3E, 3F, 3G, 3H 로 한다.

열 교환부 (7) 는 발전 셀 (3D 와 3E) 사이에 위치하고, 그들과 접촉하고 있다. 즉, 발전 셀 (3) 은 열 교환부 (7) 의 상하에 각각 4 개 적층되어 있다.

엔드 플레이트 (8) 는 발전 셀 (3A) 의 외측 (도 1, 도 2 에 있어서의 상측) 에 위치하고, 발전 셀 (3A) 에 접촉하고 있다. 또한, 엔드 플레이트 (9) 는 발전 셀 (3H) 의 외측 (도 1, 도 2 에 있어서의 하측) 에 위치하고, 발전 셀 (3H) 에 접촉하고 있다.

도 3, 도 4 에 나타내는 바와 같이, 연료 전지 (1) 는 (즉, 발전 셀 (3), 열 교환부 (7), 및 엔드 플레이트 (8, 9) 는), 발전 셀 (3) 의 적층 방향 (도 1, 도 2 에 있어서의 상하 방향, 도 3, 도 4 에 있어서의 지면과 직교하는 방향) 에서 보았을 때, 사각형의 형상을 갖고 있다.

연료 전지 (1) 는, 그것을 적층 방향으로 관통하는 8 개의 구멍 (11 ∼ 18) 을 구비하고 있다. 구멍 (11 ∼ 18) 은, 연료 전지 (1) 를 구성하는 발전 셀 (3), 열 교환부 (7), 및 엔드 플레이트 (8, 9) 의 각각에 형성한 구멍에 의해 형성된다. 연료 전지 (1) 를 적층 방향에서 보았을 때, 구멍 (11, 12, 13) 은, 연료 전지 (1) 의 외형을 구성하는 하나의 변 (1A) 을 따라서 등간격으로 형성되어 있고, 구멍 (12) 은 변 (1A) 의 중간에 위치한다. 또한, 구멍 (15, 16, 17) 은 변 (1A) 과 대향하는 변 (1B) 을 따라서 등간격으로 형성되어 있고, 구멍 (16) 은 구멍 (15, 17) 의 중간에 위치한다.

구멍 (11) 에는 볼트 (21) 가 삽입되고, 그 양단에 너트 (19) 가 나사 결합되어 있다. 볼트 (21) 는, 적층 방향에 있어서, 연료 전지 (1) 의 일방의 단에서 타방의 단까지 도달한다. 마찬가지로, 구멍 (12 ∼ 18) 에는 각각 볼트 (22 ∼ 28) 가 삽입되고, 그들의 양단에 너트 (19) 가 나사 결합되어 있다. 발전 셀 (3) 및 열 교환부 (7) 는, 볼트 (21 ∼ 28) 및 너트 (19) 에 의해 고정된다.

볼트 (21 ∼ 28) 는 각각 그들의 내부에 중공 (中空) 의 (공동으로 이루어진다) 가스 통로 (31 ∼ 38) 를 구비하고 있다. 가스 통로 (31 ∼ 38) 는 각각 볼트 (21 ∼ 28) 의 축 방향을 따라서 연장되어 있고, 그들의 일방의 단에서 타방의 단까지 도달하고 있다. 또, 가스 통로 (31, 32, 35, 36, 37) 는, 연료 가스 통로의 일례에 상당한다.

볼트 (21) 는, 도 1, 도 3, 도 7 에 나타내는 바와 같이, 가스 통로 (31) 로부터 볼트 (21) 의 외표면에 이르고, 열 교환부 (7) 에 있어서의 후술하는 연료 가스 유로 (41) 에 접속하는 구멍인 입구 (43) 를 구비하고 있다.

또한, 볼트 (25) 는, 가스 통로 (35) 로부터 볼트 (25) 의 외표면에 이르고, 연료 가스 유로 (41) 에 접속하는 구멍인 출구 (45) 를 구비하고 있다.

또한, 볼트 (27) 는, 가스 통로 (37) 로부터 볼트 (27) 의 외표면에 이르고, 연료 가스 유로 (41) 에 접속하는 구멍인 출구 (47) 를 구비하고 있다.

또한, 볼트 (25) 는, 도 1, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 가스 통로 (35) 로부터 볼트 (25) 의 외표면에 이르는 구멍인 입구 (51) 를 5 개 구비하고 있다. 5 개의 입구 (51) 는, 도 1 에 있어서의 상하 방향을 따라서 등간격으로 배치되어 있고, 각각 발전 셀 (3A, 3B, 3C, 3D, 3E) 에 있어서의 후술하는 발전 셀 내 연료 가스 유로 (49) 에 연이어 통해 있다.

볼트 (27) 는, 도 1, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 가스 통로 (37) 로부터 볼트 (27) 의 외표면에 이르는 구멍인 입구 (53) 를 5 개 구비하고 있다. 5 개의 입구 (53) 는, 도 1 에 있어서의 상하 방향을 따라서 등간격으로 배치되어 있고, 각각 발전 셀 (3A, 3B, 3C, 3D, 3E) 에 있어서의 발전 셀 내 연료 가스 유로 (49) 에 연이어 통해 있다.

볼트 (22) 는, 도 1, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 가스 통로 (32) 로부터 볼트 (22) 의 외표면에 이르는 구멍인 출구 (55) 를 5 개 구비하고 있다. 5 개의 출구 (55) 는, 도 1 에 있어서의 상하 방향을 따라서 등간격으로 배치되어 있고, 각각 발전 셀 (3A, 3B, 3C, 3D, 3E) 에 있어서의 후술하는 발전 셀 내 연료 가스 유로 (49) 에 연이어 통해 있다.

또한, 볼트 (22) 는, 도 1, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 가스 통로 (32) 로부터 볼트 (22) 의 외표면에 이르는 구멍인 입구 (57) 를 3 개 구비하고 있다. 3 개의 입구 (57) 는, 도 1 에 있어서의 상하 방향을 따라서 등간격으로 배치되어 있고, 각각 발전 셀 (3F, 3G, 3H) 에 있어서의 발전 셀 내 연료 가스 유로 (49) 에 연이어 통해 있다.

또한, 볼트 (26) 는, 도 1, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 가스 통로 (36) 으로부터 볼트 (26) 의 외표면에 이르는 구멍인 출구 (59) 를 3 개 구비하고 있다. 3 개의 출구 (59) 는, 도 1 에 있어서의 상하 방향을 따라서 등간격으로 배치되어 있고, 각각 발전 셀 (3F, 3G, 3H) 에 있어서의 발전 셀 내 연료 가스 유로 (49) 에 연이어 통해 있다.

또한, 볼트 (23) 는, 도 2, 도 4, 도 8 에 나타내는 바와 같이, 가스 통로 (33) 로부터 볼트 (23) 의 외표면에 이르고, 열 교환부 (7) 에 있어서의 후술하는 공기 유로 (61) 에 접속하는 구멍인 입구 (63) 를 구비하고 있다. 또한, 볼트 (28) 는, 가스 통로 (38) 로부터 볼트 (28) 의 외표면에 이르고, 공기 유로 (61) 에 접속하는 구멍인 출구 (65) 를 구비하고 있다.

또한, 볼트 (28) 는, 도 2, 도 4, 도 8 에 나타내는 바와 같이, 가스 통로 (38) 로부터 볼트 (28) 의 외표면에 이르는 구멍인 입구 (69) 를 8 개 구비하고 있다. 8 개의 입구 (69) 는, 도 1 에 있어서의 상하 방향을 따라서 소정의 간격을 두고 배치되어 있고, 각각 발전 셀 (3A, 3B, 3C, 3D, 3E, 3F, 3G, 3H) 에 있어서의 후술하는 발전 셀 내 공기 유로 (67) 에 연이어 통해 있다.

또한, 볼트 (24) 는, 도 2, 도 4, 도 8 에 나타내는 바와 같이, 가스 통로 (34) 로부터 볼트 (24) 의 외표면에 이르는 구멍인 출구 (71) 를 8 개 구비하고 있다. 8 개의 출구 (71) 는, 도 2 에 있어서의 상하 방향을 따라서 소정의 간격을 두고 배치되어 있고, 각각 발전 셀 (3A, 3B, 3C, 3D, 3E, 3F, 3G, 3H) 에 있어서의 발전 셀 내 공기 유로 (67) 에 연이어 통해 있다. 또, 상기 서술한 각 출구 및 각 입구는 접속구의 일례에 상당한다.

2. 발전 셀 (3) 의 구성

발전 셀 (3) 의 구성을 도 5, 도 6 에 기초하여 설명한다. 도 6 은, 발전 셀 (3) 중, 발전 셀 (3D) 의 구성을 나타낸다. 발전 셀 (3) 은, 이른바 연료극 지지막형 타입의 판상 셀이다. 발전 셀 (3) 은, 박막의 고체 전해질체 (101) 과, 그 양측에 각각 형성된, 연료극 (애노드) (103) 및 박막의 공기극 (캐소드) (105) 을 구비한다. 이하에서는, 고체 전해질체 (101), 연료극 (103), 및 공기극 (105) 을 합하여 셀 본체 (107) 로 한다. 셀 본체 (107) 의 공기극 (105) 측에는 발전 셀 내 공기 유로 (67) 가 존재하고, 연료극 (103) 측에는 발전 셀 내 연료 가스 유로 (49) 가 존재한다.

또한, 발전 셀 (3) 은, 상하 한 쌍의 인터커넥터 (109, 111) 와, 공기극 (105) 측의 판형상의 가스 시일부 (113) 와, 셀 본체 (107) 의 외연부의 상면에 접합하여 발전 셀 내 공기 유로 (67) 와 발전 셀 내 연료 가스 유로 (49) 를 차단하는 세퍼레이터 (115) 와, 발전 셀 내 연료 가스 유로 (49) 측에 배치된 연료극 프레임 (117) 과, 연료극 (103) 측의 가스 시일부 (119) 를 구비하고 있고, 그들이 적층되어 일체로 구성되어 있다.

또한 발전 셀 (3) 내에는, 연료극 (103) 과 인터커넥터 (111) 사이에 연료극측 집전체 (121) 가 배치되고, 인터커넥터 (109) 의 표면에는 공기극측 집전체 (123) 가 일체로 형성되어 있다.

여기서, 고체 전해질체 (101) 의 재료로는, YSZ, ScSZ, SDC,GDC, 페롭스카이트계 산화물 등의 재료를 사용할 수 있다. 또한, 연료극 (103) 으로는, N 및 Ni 와 세라믹의 서멧을 사용할 수 있고, 공기극 (105) 로는, 페롭스카이트계 산화물, 각종 귀금속과 세라믹의 서멧을 사용할 수 있다.

인터커넥터 (109, 111) 는 페라이트계 스테인리스로 이루어지는 판재이고, 그 외연부에는, 구멍 (11 ∼ 18) 에 대응하는 8 개의 구멍 (125) 이 형성되어 있다.

가스 시일부 (113) 는 운모 또는 버미큘라이트로 이루어지며, 중심에 정사각형의 개구부 (127) 를 갖는 프레임형상의 판재이고, 그 외연부에는, 구멍 (11 ∼ 18) 에 대응하는 8 개의 구멍 (129) 이 형성되어 있다. 구멍 (129) 중, 구멍 (14, 18) 에 대응하는 2 개와 개구부 (127) 는, 연통홈 (131) 에 의해 연이어 통해 있다. 이 연통홈 (131) 은 가스 시일부 (113) 를 두께 방향으로 관통하는 홈이 아니라, 가스 시일부 (113) 의 일방의 표면을 파서 형성된 홈으로, 레이저나 프레스 가공에 의해 형성할 수 있다.

세퍼레이터 (115) 는 페라이트계 스테인리스로 이루어지는 프레임형상의 판재이고, 그 중앙에 정사각형의 개구부 (133) 를 갖는다. 그 개구부 (133) 를 폐색하도록, 세퍼레이터 (115) 에 대하여 셀 본체 (107) 가 접합되어 있다. 세퍼레이터 (115) 도, 그 외연부에 구멍 (11 ∼ 18) 에 대응하는 8 개의 구멍 (135) 을 갖고 있다.

연료극 프레임 (117) 은, 그 중심에 개구부 (137) 를 구비한, 페라이트계 스테인리스로 이루어지는 프레임형상의 판재이다. 연료극 프레임 (117) 도, 그 외연부에 구멍 (11 ∼ 18) 에 대응하는 8 개의 구멍 (139) 을 갖고 있다.

가스 시일부 (119) 는, 운모 또는 버미큘라이트로 이루어지고, 중심에 정사각형의 개구부 (141) 를 갖는 프레임형상의 판재이고, 그 외연부에는, 구멍 (11 ∼ 18) 에 대응하는 8 개의 구멍 (142) 이 형성되어 있다. 발전 셀 (3A, 3B, 3C, 3D, 3E) 에 있어서는, 구멍 (142) 중 구멍 (12, 15, 17) 에 대응하는 3 개와 개구부 (141) 는 연통홈 (143) 에 의해 연이어 통해 있다. 또한, 발전 셀 (3F, 3G, 3H) 에 있어서는, 구멍 (142) 중 구멍 (12, 16) 에 대응하는 2 개와 개구부 (141) 가 연통홈 (143) 에 의해 연이어 통해 있다. 이 연통홈 (143) 은 가스 시일부 (119) 를 두께 방향으로 관통하는 홈이 아니라, 가스 시일부 (119) 의 일방의 표면을 파서 형성된 홈으로, 레이저나 프레스 가공에 의해서 형성할 수 있다.

3. 열 교환부 (7) 의 구성

열 교환부 (7) 의 구성을 도 6 ∼ 도 8 에 기초하여 설명한다. 열 교환부 (7) 는, 공기극측 부재 (145) 와 연료극측 부재 (147) 로 이루어진다. 공기극측 부재 (145) 는, 발전 셀 (3D) 에 인접하는 판상 부재로서, 발전 셀 (3D) 측의 면의 중심에 정사각형의 오목부 (149) 를 구비한다. 또한, 공기극측 부재 (145) 의 외연부에, 구멍 (11 ∼ 18) 에 대응하는 8 개의 구멍 (151) 이 형성되어 있다. 구멍 (151) 중 구멍 (13, 18) 에 대응하는 2 개의 구멍 (151A, 151B) 과 오목부 (149) 는 연통홈 (153, 154) 에 의해 연이어 통해 있다. 또, 오목부 (149) 및 연통홈 (153, 154) 은 공기극측 부재 (145) 를 두께 방향으로 관통하는 것이 아니라, 발전 셀 (3D) 측의 면의 표면을 파서 형성된 것이다.

연료극측 부재 (147) 는 일방의 면에서 공기극측 부재 (145) 에 접하고, 타방의 면에서 발전 셀 (3E) 에 접하는 판상 부재로서, 공기극측 부재 (145) 측의 면의 중심에 정사각형의 오목부 (155) 를 구비한다. 또한, 연료극측 부재 (147) 의 외연부에, 구멍 (11 ∼ 18) 에 대응하는 8 개의 구멍 (157) 이 형성되어 있다. 구멍 (157) 중 구멍 (11, 15, 17) 에 대응하는 3 개의 구멍 (157A, 157B, 157C) 과 오목부 (155) 는, 연통홈 (159, 160, 161) 에 의해 연이어 통해 있다. 또, 오목부 (155) 및 연통홈 (159, 160, 161) 은 연료극측 부재 (147) 를 두께 방향으로 관통하는 것이 아니라, 공기극측 부재 (145) 측의 면의 표면을 파서 형성된 것이다.

공기극측 부재 (145) 를 발전 셀 (3D) 에 접합하면, 공기극측 부재 (145) 에 있어서의 발전 셀 (3D) 측의 면 중, 오목부 (149), 구멍 (151) 및 연통홈 (153, 154) 이외의 부분은 발전 셀 (3D) 에 밀착한다. 그 결과, 공기극측 부재 (145) 와 발전 셀 (3D) 사이에는, 구멍 (151A) 에서부터 연통홈 (153), 오목부 (149), 연통홈 (154) 을 지나, 구멍 (151B) 에 이르는 폐 (閉) 공간인 공기 유로 (61) 가 형성된다. 또, 전술한 바와 같이, 공기 유로 (61) 는, 구멍 (151A) (구멍 (13)) 측에 있어서, 입구 (63) 를 개재하여 가스 통로 (33) 와 연이어 통해 있고, 구멍 (151B) (구멍 (18)) 측에 있어서, 출구 (65) 를 개재하여 가스 통로 (38) 와 연이어 통해 있다.

또한, 연료극측 부재 (147) 를 공기극측 부재 (145) 에 접합하면, 연료극측 부재 (147) 에 있어서의 공기극측 부재 (145) 측의 면 중, 오목부 (155), 구멍 (157) 및 연통홈 (159, 160, 161) 이외의 부분은 공기극측 부재 (145) 에 밀착한다. 그 결과, 연료극측 부재 (147) 와 공기극측 부재 (145) 사이에는, 구멍 (157A) 에서부터 연통홈 (159), 오목부 (155), 연통홈 (160) 을 지나, 구멍 (157B) 에 이르거나, 구멍 (157A) 에서부터 연통홈 (159), 오목부 (155), 연통홈 (161) 을 지나, 구멍 (157C) 에 이르는 폐공간인 연료 가스 유로 (41) 가 형성된다. 또, 전술한 바와 같이, 연료 가스 유로 (41) 는, 구멍 (157A) (구멍 (11)) 측에 있어서, 입구 (43) 를 통해 가스 통로 (31) 와 연이어 통해 있고, 구멍 (157B) (구멍 (15)) 의 측 및 구멍 (157C) (구멍 (17)) 측에 있어서, 출구 (45, 47) 를 통해 가스 통로 (35, 37) 와 연이어 통해 있다.

4. 연료 전지 (1) 의 제조 방법

연료 전지 (1) 의 제조 방법을 설명한다. 먼저, 페라이트계 스테인리스의 판재로부터 타발하는 방법으로, 상기 서술한 형상의 인터커넥터 (109, 111), 세퍼레이터 (115), 및 연료극 프레임 (117) 을 형성한다. 또한, 운모 또는 버미큘라이트로 이루어지는 시트로부터 잘라내는 방법으로, 상기 서술한 형상의 가스 시일부 (113, 119) 를 형성한다.

다음으로, 주지된 방법에 의해 셀 본체 (107) 를 형성한다. 구체적으로는, 연료극 (103) 이 되는 그린 시트 상에 고체 전해질체 (101) 가 되는 그린 시트를 적층하고, 소성한다. 그리고, 고체 전해질체 (101) 상에 공기극 (105) 의 형성 재료를 인쇄한 후, 소성함으로써 셀 본체 (107) 를 형성한다. 이 셀 본체 (107) 를, 세퍼레이터 (115) 의 개구부 (133) 를 폐색하도록 세퍼레이터 (115) 에 접합한다. 셀 본체 (107) 와 세퍼레이터 (115) 의 접합은 납땜에 의해 실시한다.

다음으로, 도 6 에 나타내는 바와 같이, 인터커넥터 (109), 가스 시일부 (113), 셀 본체 (107) 를 접합이 끝난 세퍼레이터 (115), 연료극 프레임 (117), 가스 시일부 (119), 및 인터커넥터 (111) 를 적층하여 일체화함으로써, 발전 셀 (3) 이 완성된다.

그리고, 8 개의 발전 셀 (3), 열 교환부 (7), 엔드 플레이트 (8, 9) 를 도 1, 도 2 에 나타내는 순서로 적층하여, 구멍 (11 ∼ 18) 에 볼트 (21 ∼ 28) 를 삽입하고, 볼트 (21 ∼ 28) 의 양단에 너트 (19) 를 나사 결합함으로써 연료 전지 (1) 가 완성된다.

5. 연료 가스 및 산화제 가스의 흐름

먼저, 연료 가스의 흐름을 설명한다. 도 1, 도 3, 도 7 에 있어서의 화살표는 연료 가스의 흐름을 나타내며, 그 중, 실선의 화살표는 제 1 경로에서의 연료 가스의 흐름을 나타내고, 점선의 화살표는 제 2 경로에서의 연료 가스의 흐름을 나타내고, 일점쇄선의 화살표는 제 3 경로에서의 연료 가스의 흐름을 나타낸다.

연료 가스는, 도 1, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 통로 (31) 에 있어서의 발전 셀 (3H) 측의 단부 (도 1, 도 3 에 있어서 F(IN) 으로 표기) 로부터 도입되어, 통로 (31) 를 통과하고, 입구 (43) 를 통과하여, 열 교환부 (7) 의 연료 가스 유로 (41) 로 들어간다. 그리고, 연료 가스는, 도 7 에 나타내는 바와 같이 연료 가스 유로 (41) 내를 흐르고, 출구 (45) 를 통과하여 통로 (35) 로 들어감과 함께, 출구 (47) 를 통과하여 통로 (37) 로 들어간다.

통로 (35) 안으로 들어간 연료 가스는, 도 1, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 통로 (35) 내를 흐르고, 5 지점의 입구 (51) 를 통과하여 (분지되어), 발전 셀 (3A, 3B, 3C, 3D, 3E) 의 발전 셀 내 연료 가스 유로 (49) 로 들어간다. 또한, 통로 (37) 로 들어간 연료 가스는, 5 지점의 입구 (53) 를 통과하여 (분지되어), 발전 셀 (3A, 3B, 3C, 3D, 3E) 의 발전 셀 내 연료 가스 유로 (49) 로 들어간다.

그리고 연료 가스는, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 발전 셀 (3A, 3B, 3C, 3D, 3E) 각각의 발전 셀 내 연료 가스 유로 (49) 내를 병렬적으로 흐르고, 5 지점의 출구 (55) 를 통과하여, 통로 (32) 로 들어간다.

그리고 연료 가스는, 통로 (32) 를 통과하고, 3 지점의 입구 (57) 를 통과하여 (분지되어), 발전 셀 (3F, 3G, 3H) 의 발전 셀 내 연료 가스 유로 (49) 로 들어간다. 연료 가스는, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 발전 셀 (3F, 3G, 3H) 의 발전 셀 내 연료 가스 유로 (49) 내를 병렬적으로 흐르고, 3 지점의 출구 (59) 를 통과하여, 통로 (36) 로 들어간다.

그 후, 연료 가스는, 통로 (36) 에 있어서의 발전 셀 (3H) 측의 단부 (도 1, 도 3 에 있어서 F(OUT) 으로 표기) 로부터 배출된다.

또, 상기 서술한 연료 가스의 흐름의 경로는, 연료 가스 공급 경로의 일례에 상당한다. 또한, 상기 서술한 연료 가스의 흐름의 경로 중, 열 교환부 (7) 의 연료 가스 유로 (41) 내를 흐르는 부분이 제 1 경로의 일례에 상당한다. 또한, 상기 서술한 연료 가스의 흐름의 경로 중, 통로 (35, 37) 로부터 발전 셀 (3A, 3B, 3C, 3D, 3E) 의 발전 셀 내 연료 가스 유로 (49) 내로 들어가, 발전 셀 내 연료 가스 유로 (49) 내를 흐르고, 통로 (32) 에 이르는 부분이 제 2 경로의 일례에 상당한다. 또한, 상기 서술한 연료 가스의 흐름의 경로 중, 통로 (32) 로부터, 발전 셀 (3F, 3G, 3H) 의 발전 셀 내 연료 가스 유로 (49) 내로 들어가, 발전 셀 내 연료 가스 유로 (49) 내를 흐르고, 통로 (36) 에 이르는 부분이 제 3 경로의 일례에 상당한다.

전술한 바와 같이, 도 1, 도 3, 도 7 에 있어서의 화살표는 연료 가스의 흐름을 나타내며, 그 중, 실선의 화살표는 제 1 경로에서의 연료 가스의 흐름을 나타내고, 점선의 화살표는 제 2 경로에서의 연료 가스의 흐름을 나타내고, 일점쇄선의 화살표는 제 3 경로에서의 연료 가스의 흐름을 나타낸다.

즉, 상기 서술한 연료 가스의 흐름의 경로는, 제 1 경로, 제 2 경로, 및 제 3 경로를 직렬적으로 포함하는 것이다. 여기서, 직렬적으로란, 연료 가스가 제 1 경로, 제 2 경로, 및 제 3 경로의 순서로 흐르는 것을 의미한다.

다음으로, 공기의 흐름을 설명한다. 공기는, 도 2, 도 4 에 나타내는 바와 같이, 통로 (33) 에 있어서의 발전 셀 (3A) 측의 단부 (도 2, 도 4 에 있어서 O(IN) 로 표기) 부터 도입되어, 통로 (33) 를 통과하고, 입구 (63) 를 통과하여, 열 교환부 (7) 의 공기 유로 (61) 로 들어간다. 또한, 공기는, 도 8 에 나타내는 바와 같이, 공기 유로 (61) 내를 흐르고, 출구 (65) 를 통과하여 가스 통로 (38) 로 들어간다.

가스 통로 (38) 안으로 들어간 공기는, 도 2, 도 4 에 나타내는 바와 같이, 가스 통로 (38) 내를 흐르고, 8 지점의 입구 (69) 를 통과하여 각 발전 셀 (3) 의 발전 셀 내 공기 유로 (67) 로 들어간다. 그리고, 공기는, 도 2, 도 4 에 나타내는 바와 같이, 각 발전 셀 (3) 의 발전 셀 내 공기 유로 (67) 내를 병렬적으로 흐르고, 8 지점의 출구 (71) 를 통과하여 가스 통로 (34) 로 들어간다. 그 후, 공기는, 가스 통로 (34) 에 있어서의 발전 셀 (3H) 측의 단부 (도 2, 도 4 에 있어서 O(OUT) 으로 표기) 로부터 배출된다. 또, 상기 서술한 공기의 흐름의 경로는, 산화제 가스 공급 경로의 일례에 상당한다. 도 2, 도 4, 도 8 에 있어서의 화살표는 공기의 흐름을 나타낸다.

6. 연료 전지 (1) 가 나타내는 효과

(1) 연료 전지 (1) 는, 인접하는 2 개의 발전 셀 (3D, 3E) 사이에 열 교환부 (7) 를 구비하여, 그 열 교환부 (7) 에 연료 가스를 흐르게 할 수 있다. 이로써, 발전 셀 (3) 을 효율적으로 냉각할 수 있다. 특히, 열 교환부 (7) 를, 열이 축적되기 쉬운 연료 전지 (1) 의 대략 중앙 부근에 형성함으로써, 발전 셀 (3) 을 냉각하는 효과가 한층 더 높다.

(2) 제 2 경로에 있어서, 발전 셀 (3A, 3B, 3C, 3D, 3E) 에서의 연료 가스의 입구는 볼트 (25, 27) 에 형성된 입구 (51, 53) 이고, 발전 셀 (3A, 3B, 3C, 3D, 3E) 에서의 연료 가스의 출구는 볼트 (22) 에 형성된 출구 (55) 이다.

또한, 제 3 경로에 있어서, 발전 셀 (3F, 3G, 3H) 에서의 연료 가스의 입구는 볼트 (22) 에 형성된 입구 (57) 이고, 발전 셀 (3F, 3G, 3H) 에서의 연료 가스의 출구는 볼트 (26) 에 형성된 출구 (59) 이다.

입구 (51, 53) 는, 적층 방향에서 보았을 때, 발전 셀 (3) 의 변 (1B) 에 따른 2 지점이고, 출구 (55) 는 변 (1B) 과 대향하는 변 (1A) 측에 위치한다. 또한, 입구 (57) 는, 적층 방향에서 보았을 때, 출구 (55) 와 겹치는 위치이고, 출구 (59) 는 입구 (51, 53) 의 중간에 위치한다. 또, 입구 (51, 53) 의 위치는 제 1 위치 (PA), 제 2 위치 (PB) 의 일례에 상당하고, 출구 (55) 및 입구 (57) 의 위치는 제 3 위치 (PC) 의 일례에 상당한다. 변 (1B) 이 제 1 위치 (PA), 제 2 위치 (PB) 를 갖는 한 변의 일례에 상당하고, 변 (1A) 이 「한 변과 대향하는 변」의 일례에 상당한다.

입구 (51, 53, 57), 출구 (55, 59) 를 상기한 바와 같이 배치함으로써, 각 발전 셀에서 연료 가스를 균일하게 흐르게 하여, 균일하게 발전하는 것이 가능하게 된다. 특히, 적층의 방향에서 보았을 때, 제 1 위치 (PA) 로부터 제 3 위치 (PC) 까지의 거리와, 제 2 위치 (PB) 로부터 제 3 위치 (PC) 까지의 거리가 동등한 것에 의해, 각 발전 셀에서의 연료 가스의 흐름이 한층 더 균일하게 된다.

또한, 각 발전 셀 (3) 내에 있어서의 연료 가스의 체류를 억제할 수 있다. 또한, 연료 가스의 통로를 구비하는 볼트의 수를 저감할 수 있다.

(3) 연료 전지 (1) 는, 제 1 경로, 연료 가스가 병렬적으로 흐르는 제 2 경로 및 제 3 경로를 직렬적으로 포함하는 연료 가스 공급 경로를 갖기 때문에, 연료 이용률이 높다.

(4) 연료 전지 (1) 에서는, 연료 가스 공급 경로가, 연료 전지 (1) 내에서 적층의 방향으로 연장되는 복수의 가스 통로 (31, 32, 35, 36, 37) 와, 가스 통로 (31, 32, 35, 36, 37) 로부터 각 발전 셀의 내부 또는 열 교환부 (7) 에 접속하는 접속구 (입구 (43, 51, 53, 57), 출구 (45, 47, 55, 59)) 로 이루어지는 것이다. 이 때문에, 매니폴드를 공통화하여, 부품 점수를 억제할 수 있다.

<제 2 실시형태>

1. 연료 전지 (1) 의 구성

연료 전지 (1) 의 구성은 기본적으로는 상기 제 1 실시형태와 동일하지만, 일부에 있어서 상이하다. 이하에서는 도 9 ∼ 도 12 에 기초하여, 그 상이점을 중심으로 설명하고, 상기 제 1 실시형태와 동일한 부분의 설명은 생략 내지 간략화한다.

연료 전지 (1) 는, 도 9, 도 10 에 나타내는 바와 같이, 발전 셀 (3) 의 수가 7 개이고, 열 교환부 (7) 의 수가 2 개이다. 2 개의 열 교환부 (7) 는, 발전 셀 (3B, 3C) 사이와, 발전 셀 (3E, 3F) 사이에 각각 형성되어 있다.

2. 연료 가스 및 산화제 가스의 흐름

먼저, 연료 가스의 흐름을 설명한다. 연료 가스는, 도 9, 도 11 에 나타내는 바와 같이, 통로 (31) 에 있어서의 발전 셀 (3G) 측의 단부 (도 9, 도 11 에 있어서 F(IN) 으로 표기) 로부터 도입되어, 통로 (31) 를 통과하고, 입구 (43) 를 통과하여, 2 개의 열 교환부 (7) 각각의 연료 가스 유로 (41) 로 들어간다. 또한 연료 가스는, 2 개의 열 교환부 (7) 각각에 있어서, 도 9 에 나타내는 바와 같이 연료 가스 유로 (41) 내를 흐르고, 출구 (45) 를 통과하여 통로 (35) 로 들어감과 함께, 출구 (47) 를 통과하여 통로 (37) 로 들어간다. 또, 입구 (43), 출구 (45, 47) 는, 2 개의 열 교환부 (7) 의 각각에 대응하여 형성되어 있다.

통로 (35) 안으로 들어간 연료 가스는, 도 9, 도 11 에 나타내는 바와 같이, 통로 (35) 내를 흐르고, 5 지점의 입구 (51) 를 통과하여 (분지되어), 발전 셀 (3A, 3B, 3C, 3D, 3E) 의 발전 셀 내 연료 가스 유로 (49) 로 들어간다. 또한, 통로 (37) 로 들어간 연료 가스는, 5 지점의 입구 (53) 를 통과하여, 발전 셀 (3A, 3B, 3C, 3D, 3E) 의 발전 셀 내 연료 가스 유로 (49) 로 들어간다.

그리고, 연료 가스는, 도 9, 도 11 에 나타내는 바와 같이, 발전 셀 (3A, 3B, 3C, 3D, 3E) 에 있어서의 발전 셀 내 연료 가스 유로 (49) 내를 병렬적으로 흐르고, 출구 (55) 를 통과하여, 통로 (32) 로 들어간다.

그리고, 연료 가스는, 통로 (32) 를 통과하고, 2 지점의 입구 (57) 를 통과하여, 발전 셀 (3F, 3G) 의 발전 셀 내 연료 가스 유로 (49) 로 들어간다. 연료 가스는, 도 9, 도 11 에 나타내는 바와 같이, 발전 셀 (3F, 3G) 에 있어서의 발전 셀 내 연료 가스 유로 (49) 내를 병렬적으로 흐르고, 출구 (59) 를 통과하여, 통로 (36) 로 들어간다.

그 후, 연료 가스는, 통로 (36) 에 있어서의 발전 셀 (3G) 측의 단부 (도 9, 도 11 에 있어서 F(OUT) 으로 표기) 로부터 배출된다.

다음으로, 공기의 흐름을 설명한다. 공기는, 도 10, 도 12 에 나타내는 바와 같이, 통로 (33) 에 있어서의 발전 셀 (3A) 측의 단부 (도 10, 도 12 에 있어서 O(IN) 으로 표기) 로부터 도입되어, 통로 (33) 를 통과하고, 2 지점의 입구 (63) 를 통과하여, 2 개의 열 교환부 (7) 각각의 공기 유로 (61) 로 들어간다. 그리고, 공기는, 2 개의 열 교환부 (7) 각각에 있어서, 도 10 에 나타내는 바와 같이, 공기 유로 (61) 내를 흐르고, 2 지점의 출구 (65) 를 통과하여 가스 통로 (38) 로 들어간다.

가스 통로 (38) 내에 들어간 공기는, 도 10, 도 12 에 나타내는 바와 같이, 가스 통로 (38) 내를 흐르고, 입구 (69) 를 통과하여 각 발전 셀 (3) 의 발전 셀 내 공기 유로 (67) 로 들어간다. 그리고 공기는, 도 10, 도 12 에 나타내는 바와 같이, 발전 셀 내 공기 유로 (67) 내를 병렬적으로 흐르고, 출구 (71) 를 통과하여, 통로 (34) 로 들어간다. 그 후, 공기는, 가스 통로 (34) 에 있어서의 발전 셀 (3G) 측의 단부 (도 10, 도 12 에 있어서 O(OUT) 으로 표기) 로부터 배출된다.

3. 연료 전지 (1) 가 나타내는 효과

연료 전지 (1) 는, 상기 제 1 실시형태와 대략 동일한 효과를 나타낼 수 있다. 또한, 열 교환부 (7) 를 2 개 구비함으로써, 발전 셀 (3) 을 냉각하는 효과가 한층 더 높다.

<제 3 실시형태>

1. 연료 전지 (1) 의 구성

본 실시형태에 있어서의 연료 전지 (1) 의 구성은 기본적으로는 상기 제 2 실시형태와 동일하지만, 일부에서 상이하다. 이하에서는 도 13, 도 14 에 기초하여 그 상이점을 중심으로 설명하고, 상기 제 2 실시형태와 동일한 부분의 설명은 생략 내지 간략화한다.

연료 전지 (1) 는, 도 13, 도 14 에 나타내는 바와 같이, 발전 셀 (3) 의 수가 7 개이고, 열 교환부 (7) 의 수가 2 개이다. 2 개의 열 교환부 (7) 중 일방은, 엔드 플레이트 (8) 와 발전 셀 (3A) 사이에 형성되어 있다. 또한, 2 개의 열 교환부 (7) 중의 타방은, 엔드 플레이트 (9) 와 발전 셀 (3G) 사이에 형성되어 있다. 즉, 2 개의 열 교환부 (7) 는 모두, 발전 셀 (3) 의 스택 중 발전 셀 (3) 의 적층 방향에 있어서의 단에 위치하는 발전 셀 (3) 의 외측에 형성되고, 그 단부의 발전 셀 (3) 에 접하고 있다.

또한, 연료 전지 (1) 는 발열기 (163, 165) 를 구비하고 있다. 발열기 (163) 는 엔드 플레이트 (8) 의 외측 (도 13, 도 14 에 있어서의 상측) 에 형성되어 있고, 엔드 플레이트 (8) 에 접하고 있다. 또한, 발열기 (165) 는 엔드 플레이트 (9) 의 외측 (도 13, 도 14 에 있어서의 하측) 에 형성되어 있고, 엔드 플레이트 (9) 에 접하고 있다.

발열기 (163, 165) 는 모두, 금속으로 이루어지는 중공 상자형의 케이스체 (167) 와, 그 내부에 수용된 연소 촉매 (169) 를 구비한다.

구멍 (11 ∼ 18) 은, 발열기 (163, 165) 도 포함하여 연료 전지 (1) 를 관통하고 있다. 볼트 (21 ∼ 28) 는, 구멍 (11 ∼ 18) 을 통과하고, 발열기 (163, 165) 도 포함하여, 연료 전지 (1) 의 일방의 단에서 타방의 단까지 도달한다. 볼트 (21 ∼ 28) 의 일부는, 케이스체 (167) 의 내부의 공간 (171) 에 존재한다.

너트 (19) 는, 발열기 (163, 165) 의 외측에서부터 볼트 (21 ∼ 28) 에 나사 결합하여, 발전 셀 (3), 열 교환부 (7), 엔드 플레이트 (8, 9) 및 발열기 (163, 165) 를 서로 고정시키고 있다.

발열기 (163, 165) 는 각각, 그 측면에 배기관 (173) 을 구비하고 있다. 발열기 (163) 내의 공간 (171) 과 발열기 (163) 의 외부는, 배기관 (173) 을 통해 연이어 통해 있다. 또한, 발열기 (165) 내의 공간 (171) 과 발열기 (165) 의 외부는, 배기관 (173) 을 통해 연이어 통해 있다.

볼트 (26) 는, 발열기 (163) 내의 공간 (171) 과, 통로 (36) 를 접속하는 구멍인 출구 (174) 를 구비하고 있다. 또한, 볼트 (26) 는, 발열기 (165) 내의 공간 (171) 과, 통로 (36) 를 접속하는 구멍인 출구 (175) 를 구비하고 있다. 또, 볼트 (26) 는, 발열기 (163, 165) 보다 외측에 있어서는, 통로 (36) 와 외부를 접속하는 구멍을 구비하지 않는다.

볼트 (24) 는, 발열기 (163) 내의 공간 (171) 과, 통로 (34) 를 접속하는 구멍인 출구 (177) 를 구비하고 있다. 또한, 볼트 (24) 는, 발열기 (165) 내의 공간 (171) 과, 통로 (34) 를 접속하는 구멍인 출구 (179) 를 구비하고 있다. 또, 볼트 (24) 는, 발열기 (163, 165) 보다 외측에 있어서는, 통로 (34) 와 외부를 접속하는 구멍을 구비하지 않는다.

2. 연료 가스 및 산화제 가스의 흐름

본 실시형태에 있어서의 연료 가스 및 산화제 가스의 흐름은, 기본적으로는 상기 제 2 실시형태와 동일하다. 단, 발전 셀 (3F, 3G) 을 통과하여, 통로 (36) 로 들어간 연료 가스는, 출구 (174) 를 통과하여, 발열기 (163) 내로 들어감과 함께, 출구 (175) 를 통과하여, 발열기 (165) 내로 들어간다.

또한, 각 발전 셀을 통과하여, 통로 (34) 로 들어간 공기는, 출구 (177) 를 통과하여, 발열기 (163) 내로 들어감과 함께, 출구 (179) 를 통과하여, 발열기 (165) 내로 들어간다.

발열기 (163) 내에서는, 출구 (174) 로부터 도입된 연료 가스와 출구 (177) 로부터 도입된 공기가, 연소 촉매 (169) 의 작용, 또는 접촉 연소 (고온 상태에서 연료 가스와 산화제 가스가 만남으로써 일어나는 연소) 의 작용에 의해 연소된다. 연소 후의 배기 가스는, 배기관 (173) 으로부터 외부로 배출된다. 발열기 (163) 에 있어서의 연소에 의해 생긴 열은, 엔드 플레이트 (8) 를 통해 발전 셀 (3) 에 공급된다.

또한, 발열기 (165) 내에서는, 출구 (175) 로부터 도입된 연료 가스와 출구 (179) 로부터 도입된 공기가, 연소 촉매 (169) 의 작용, 또는 접촉 연소 (고온 상태에서 연료 가스와 산화제 가스가 만남으로써 일어나는 연소) 의 작용에 의해 연소된다. 연소 후의 배기 가스는, 배기관 (173) 으로부터 외부로 배출된다. 발열기 (165) 에 있어서의 연소에 의해 생긴 열은, 엔드 플레이트 (9) 를 통해 발전 셀 (3) 에 공급된다.

3. 연료 전지 (1) 가 나타내는 효과

(1) 연료 전지 (1) 는, 상기 제 2 실시형태와 대략 동일한 효과를 나타낼 수 있다.

(2) 연료 전지 (1) 는 발전 셀 (3) 의 스택에 있어서의 단부에 발열기 (163, 165) 를 구비하고 있기 때문에, 발전 셀 (3) 의 스택에 있어서의 단부와 중앙의 온도차를 저감할 수 있다.

(3) 연료 전지 (1) 는, 2 개의 열 교환부 (7) 를 발전 셀 (3) 의 스택에 있어서의 단부에 구비하고 있기 때문에, 발열기 (163, 165) 에 의해서, 스택의 단부에 위치하는 발전 셀 (3) 의 온도가 과도하게 상승하는 것을 억제할 수 있다.

<제 4 실시형태>

1. 연료 전지 (1) 의 구성

본 실시형태에 있어서의 연료 전지 (1) 의 구성은 기본적으로는 상기 제 2 실시형태와 동일하지만, 일부에서 상이한다. 이하에서는 도 15, 도 16 에 기초하여 그 상이점을 중심으로 설명하고, 상기 제 2 실시형태와 동일한 부분의 설명은 생략 내지 간략화한다.

연료 전지 (1) 는, 도 15, 도 16 에 나타내는 바와 같이, 발전 셀 (3) 의 수가 7 개이고, 열 교환부 (7) 의 수가 2 개이다. 2 개의 열 교환부 (7) 중 일방은, 발전 셀 (3D) 와 발전 셀 (3E) 사이에 형성되어 있다. 또한, 2 개의 열 교환부 (7) 중의 타방은, 엔드 플레이트 (9) 와 발전 셀 (3G) 사이에 형성되어 있다. 즉, 2 개의 열 교환부 (7) 중 일방은, 발전 셀 (3) 의 스택에 있어서의 중앙 부근에 형성되고, 타방은, 발전 셀 (3) 의 스택 중 적층 방향의 단에 위치하는 발전 셀 (3) 의 외측에 형성되고, 그 단의 발전 셀 (3) 에 접하고 있다.

또한, 연료 전지 (1) 는 발열기 (181) 를 구비하고 있다. 발열기 (181) 는 엔드 플레이트 (9) 의 외측 (도 15, 도 16 에 있어서의 하측) 에 형성되어 있고, 엔드 플레이트 (9) 에 접하고 있다.

발열기 (181) 는, 금속으로 이루어지는 중공 상자형의 케이스체 (167) 와, 그 내부에 수용된 연소 촉매 (169) 를 구비한다.

구멍 (11 ∼ 18) 은, 발열기 (181) 도 포함하여 연료 전지 (1) 를 관통하고 있다. 볼트 (21 ∼ 28) 은 구멍 (11 ∼ 18) 을 통과하고, 발열기 (181) 도 포함하여 연료 전지 (1) 의 일방의 단에서 타방의 단까지 도달한다. 볼트 (21 ∼ 28) 의 일부는, 케이스체 (167) 의 내부의 공간 (171) 에 존재한다.

너트 (19) 는, 발열기 (181) 의 외측 및 엔드 플레이트 (8) 의 외측에서부터 볼트 (21 ∼ 28) 에 나사 결합하여, 발전 셀 (3), 열 교환부 (7), 엔드 플레이트 (8, 9), 및 발열기 (181) 를 서로 고정시키고 있다.

발열기 (181) 는, 그 측면에 배기관 (173) 을 구비하고 있다. 발열기 (181) 내의 공간 (171) 과 발열기 (181) 의 외부는, 배기관 (173) 을 통해 연이어 통해 있다.

볼트 (26) 는, 발열기 (181) 내의 공간 (171) 과, 통로 (36) 를 접속하는 구멍인 출구 (175) 를 구비하고 있다. 또, 볼트 (26) 는, 발열기 (181) 보다 외측에 있어서는 통로 (36) 와 외부를 접속하는 구멍을 구비하지 않는다.

볼트 (24) 는, 발열기 (181) 내의 공간 (171) 과, 통로 (34) 를 접속하는 구멍인 출구 (179) 를 구비하고 있다. 또, 볼트 (24) 는, 발열기 (181) 보다 외측에 있어서는 통로 (34) 와 외부를 접속하는 구멍을 구비하지 않는다.

2. 연료 가스 및 산화제 가스의 흐름

본 실시형태에 있어서의 연료 가스 및 산화제 가스의 흐름은, 기본적으로는 상기 제 2 실시형태와 동일하다. 단, 발전 셀 (3F, 3G) 를 통과하여, 통로 (36) 로 들어간 연료 가스는, 출구 (175) 를 통과하여, 발열기 (181) 내로 들어간다. 또한, 각 발전 셀을 통과하여, 통로 (34) 로 들어간 공기는, 출구 (179) 를 통과하여, 발열기 (181) 내로 들어간다.

발열기 (181) 내에서는, 출구 (175) 로부터 도입된 연료 가스와 출구 (179) 로부터 도입된 공기가 연소 촉매 (169) 의 작용, 또는 접촉 연소 (고온 상태에서 연료 가스와 산화제 가스가 만남으로써 일어나는 연소) 의 작용에 의해 연소된다. 연소 후의 배기 가스는, 배기관 (173) 으로부터 외부로 배출된다. 발열기 (181) 에 있어서의 연소에 의해 생긴 열은, 엔드 플레이트 (9) 를 통해 발전 셀 (3) 로 공급된다.

3. 연료 전지 (1) 가 나타내는 효과

(2) 연료 전지 (1) 는 발전 셀 (3) 의 스택에 있어서 단부에 발열기 (181) 를 구비하고 있기 때문에, 발전 셀 (3) 의 스택에 있어서의 단부와 중앙의 온도차를 저감할 수 있다.

(3) 연료 전지 (1) 는, 1 개의 열 교환부 (7) 를 발전 셀 (3) 의 스택 중 발열기 (181) 측의 단부에 구비하고 있기 때문에, 발열기 (181) 에 의해, 스택의 단부에 위치하는 발전 셀 (3) 의 온도가 과도하게 상승하는 것을 억제할 수 있다.

(4) 연료 전지 (1) 는, 1 개의 열 교환부 (7) 를 발전 셀 (3) 의 스택에 있어서의 중앙 부근에 구비한다. 그 때문에, 발전 셀 (3) 을 효과적으로 냉각할 수 있다.

<그 밖의 실시형태>

(1) 상기 제 1 ∼ 제 4 실시형태의 연료 전지 (1) 가 구비하는 발전 셀 (3) 의 수는 7 개 또는 8 개에 한정되지 않고, 적절히 설정할 수 있다. 또한, 연료 전지 (1) 가 구비하는 열 교환부 (7) 의 수는 1 개 또는 2 개에 한정되지 않고, 적절히 설정할 수 있다.

(2) 상기 제 1 ∼ 제 4 실시형태의 연료 전지 (1) 에 있어서, 열 교환부 (7) 의 적층 방향에 있어서의 위치는, 연료 전지 (1) 의 중앙이어도 되고, 단부 근처여도 된다.

(3) 상기 제 1 ∼ 제 4 실시형태의 연료 전지 (1) 에 있어서, 입구 (51, 53), 출구 (59) 의 위치 관계는 상기 서술한 것에는 한정되지 않는다. 예를 들어, 적층 방향에서 보았을 때, 출구 (59) 의 위치는 입구 (51, 53) 로부터 등거리여도 되고, 입구 (51, 53) 중 일방의 근처여도 된다. 또, 출구 (59) 의 위치는, 입구 (51, 53) 를 연결하는 직선 상에 있어도 되고, 그 직선으로부터 벗어난 위치에 있어도 된다.

또한, 출구 (55), 입구 (57) 의 위치도 상기 서술한 것에는 한정되지 않는다. 예를 들어, 적층 방향에서 보았을 때, 출구 (55), 입구 (57) 는, 볼트 (21, 23) 로부터 등거리여도 되고, 볼트 (21, 23) 중 일방의 근처여도 된다. 또, 출구 (55), 입구 (57) 의 위치는, 볼트 (21, 23) 를 연결하는 직선 상에 있어도 되고, 그 직선으로부터 벗어난 위치에 있어도 된다.

(4) 상기 제 1, 제 2 실시형태의 연료 전지 (1) 는, 상기 제 3, 제 4 실시형태와 동일한 발열기를 구비해도 된다. 이 경우, 발열기는, 발전 셀 (3) 의 스택에 있어서의 편측에 형성해도 되고, 양측에 형성해도 된다. 또, 상기 제 4 실시형태의 연료 전지 (1) 는, 상기 제 3 실시형태와 동일하게 발전 셀 (3) 의 스택에 있어서의 양측에 발열기를 구비해도 된다.

(5) 상기 제 3, 제 4 실시형태의 연료 전지 (1) 는, 발열기를 구비하지 않는 것이어도 된다. 또한, 상기 제 3 실시형태의 연료 전지 (1) 는, 발열기를 1 개만 구비하는 것이어도 된다.

(6) 상기 제 3, 제 4 실시형태의 연료 전지 (1) 는, 열 교환부 (7) 를 1 개만 구비하는 것이어도 된다. 그 열 교환부 (7) 의 위치는, 발전 셀 (3) 의 스택에 있어서의 단부 (엔드 플레이트 (8) 와 발전 셀 (3A) 사이, 또는 엔드 플레이트 (9) 와 발전 셀 (3G) 사이) 여도 되고, 발전 셀 (3) 의 스택에 있어서의 중앙 부근이어도 된다.

(7) 상기 제 1 실시형태의 연료 전지 (1) 에 있어서의 열 교환부 (7) 의 위치는, 발전 셀 (3) 의 스택에 있어서의 단부 (엔드 플레이트 (8) 와 발전 셀 (3A) 사이, 또는 엔드 플레이트 (9) 와 발전 셀 (3H) 사이) 여도 된다.

(8) 상기 제 2 실시형태의 연료 전지 (1) 에 있어서의 일방 또는 양방의 열 교환부 (7) 의 위치는, 발전 셀 (3) 의 스택에 있어서의 단부 (엔드 플레이트 (8) 와 발전 셀 (3A) 사이, 또는 엔드 플레이트 (9) 와 발전 셀 (3G) 사이) 여도 된다.

(9) 상기 각 실시형태에서는, 연료 전지의 연료 가스 통로는 볼트의 내부에 형성된 공동 (중공 볼트) 으로 했지만, 이것에 한정되지는 않는다. 연료 가스 통로는, 중실 볼트 (내부에 공동이 없는 볼트) 의 외표면의 외측에 형성해도 된다. 또한, 연료 전지에 중실 볼트와 중공 볼트를 병설해도 된다.

한편, 본 발명은 상기 실시예에 조금도 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에 있어서 여러 가지 양태로 실시할 수 있음은 말할 필요도 없다.

1 : 연료 전지, 1A, 1B : 변, 3, 3A, 3B, 3C, 3D, 3E, 3F, 3G, 3H : 발전 셀, 7 : 열 교환부, 8, 9 : 엔드 플레이트, 11 ∼ 18 : 구멍, 19 : 너트, 21 ∼ 28 : 볼트, 31 ∼ 38 : 가스 통로, 41 : 연료 가스 유로, 43, 51, 53, 57, 63, 69 : 입구, 45, 47, 55, 59, 65, 71 : 출구, 49 : 발전 셀 내 연료 가스 유로, 61 : 공기 유로, 67 : 발전 셀 내 공기 유로, 101 : 고체 전해질체, 103 : 연료극, 105 : 공기극, 107 : 셀 본체, 109, 111 : 인터커넥터, 113, 119 : 가스 시일부, 115 : 세퍼레이터, 117 : 연료극 프레임, 121 : 연료극측 집전체, 123 : 공기극측 집전체, 125, 129, 135, 139, 142, 151, 151A, 151B, 157, 157A, 157B, 157C : 구멍, 127, 133, 137, 141 : 개구부, 131, 143, 153, 154, 159, 160, 161 : 연통홈, 145 : 공기극측 부재, 147 : 연료극측 부재, 149, 155 : 오목부, 163, 165, 181 : 발열기, 167 : 케이스체, 169 : 연소 촉매, 171 : 공간, 173 : 배기관, 174, 175, 177, 179 : 출구

Claims

적층된 복수의 발전 셀과,
인접하는 2 개의 상기 발전 셀 사이에 형성된 열 교환부와,
상기 발전 셀에 연료 가스를 공급하는 연료 가스 공급 경로와,
상기 발전 셀에 산화제 가스를 공급하는 산화제 가스 공급 경로를 구비하고,
상기 연료 가스 공급 경로는, 상기 열 교환부 내를 통과하는 제 1 경로, 상기 복수의 발전 셀 중 일부의 발전 셀 내를 병렬적으로 통과하는 제 2 경로, 및 상기 복수의 발전 셀 중, 상기 일부 이외의 복수의 발전 셀 내를 병렬적으로 통과하는 제 3 경로를 직렬적으로 포함하는 경로이고,
상기 제 2 경로에 있어서, 각 발전 셀에서의 상기 연료 가스의 입구의 위치는, 상기 적층의 방향에서 보았을 때, 상기 발전 셀의 한 변에 따른 2 지점의 제 1 위치 (PA), 제 2 위치 (PB) 임과 함께, 상기 연료 가스의 출구의 위치는, 상기 한 변과 대향하는 변측의 1 지점의 제 3 위치 (PC) 이고,
상기 제 3 경로에 있어서, 각 발전 셀에서의 상기 연료 가스의 입구의 위치는, 상기 적층의 방향에서 보았을 때, 상기 제 3 위치 (PC) 와 겹치는 위치임과 함께, 상기 연료 가스의 출구의 위치는, 상기 제 1 위치 (PA), 상기 제 2 위치 (PB) 사이의 위치인, 연료 전지.
적층된 복수의 발전 셀과,
인접하는 2 개의 상기 발전 셀 사이, 및 상기 복수의 발전 셀 중 상기 적층의 방향에 있어서의 단에 위치하는 발전 셀의 외측의 적어도 일방에 형성된 열 교환부와,
상기 발전 셀에 연료 가스를 공급하는 연료 가스 공급 경로와,
상기 발전 셀에 산화제 가스를 공급하는 산화제 가스 공급 경로를 구비하고,
상기 연료 가스 공급 경로는, 상기 열 교환부 내를 통과하는 제 1 경로, 상기 복수의 발전 셀 중 일부의 발전 셀 내를 병렬적으로 통과하는 제 2 경로, 및 상기 복수의 발전 셀 중, 상기 일부 이외의 복수의 발전 셀 내를 병렬적으로 통과하는 제 3 경로를 직렬적으로 포함하는 경로이고,
상기 제 2 경로에 있어서, 각 발전 셀에서의 상기 연료 가스의 입구의 위치는, 상기 적층의 방향에서 보았을 때, 상기 발전 셀의 한 변에 따른 2 지점의 제 1 위치 (PA), 제 2 위치 (PB) 임과 함께, 상기 연료 가스의 출구의 위치는, 상기 한 변과 대향하는 변측의 1 지점의 제 3 위치 (PC) 이고,
상기 제 3 경로에 있어서, 각 발전 셀에서의 상기 연료 가스의 입구의 위치는, 상기 적층의 방향에서 보았을 때, 상기 제 3 위치 (PC) 와 겹치는 위치임과 함께, 상기 연료 가스의 출구의 위치는, 상기 제 1 위치 (PA), 상기 제 2 위치 (PB) 사이의 위치인, 연료 전지.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 열 교환부를 복수 구비하고,
상기 제 1 경로는, 상기 연료 가스가, 상기 복수의 열 교환부를 병렬적으로 흐르는 경로인, 연료 전지.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 연료 가스 공급 경로는, 상기 연료 전지 내에서 상기 적층의 방향으로 연장되는 복수의 연료 가스 통로와, 상기 연료 가스 통로로부터 상기 복수의 발전 셀 중 적어도 일부의 발전 셀의 내부 또는 상기 열 교환부에 접속하는 접속구를 구비하고,
상기 입구 및 상기 출구는 상기 접속구의 일부인, 연료 전지.
제 4 항에 있어서,
상기 연료 전지를 상기 적층의 방향으로 관통하여, 상기 복수의 발전 셀 및 상기 열 교환부를 고정시키는 복수의 볼트를 구비하고,
상기 복수의 연료 가스 통로는 상기 복수의 볼트의 내부에 형성된 공동인, 연료 전지.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 적층의 방향에서 보았을 때, 상기 제 1 위치 (PA) 로부터 상기 제 3 위치 (PC) 까지의 거리와, 상기 제 2 위치 (PB) 로부터 상기 제 3 위치 (PC) 까지의 거리가 동등한, 연료 전지.