KR101903863B1 - 연료 전지 및 그 제조 방법 - Google Patents

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데츠야 모리카와
하야토 가츠다
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니뽄 도쿠슈 도교 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명의 제 1 국면의 연료 전지는, 전해질층과, 연료극과, 공기극을 갖는 판상의 연료 전지 셀이 복수 적층된 평판형의 연료 전지이다. 그 연료 전지에는, 상기 연료극측의 공간에 연통하는 연료 매니폴드 및 상기 공기극측의 공간에 연통하는 산화제 매니폴드 중 적어도 일방이 형성되어 있다. 상기 적어도 일방의 매니폴드 주위에는 컴프레션 시일재와 유리 시일재가 병렬로 배치되어 있다.

Description

연료 전지 및 그 제조 방법{FUEL CELL AND METHOD FOR MANUFACTURING SAME}
본 국제출원은, 2013년 6월 28일에 일본국 특허청에 출원된 일본국 특허출원 제2013-136710호 및 2014년 1월 15일에 일본국 특허청에 출원된 일본국 특허출원 제2014-005312호에 기초하는 우선권을 주장하는 것이고, 일본국 특허출원 제2013-136710호 및 일본국 특허출원 제 2014-005312호의 전체 내용을 참조에 의해 본 국제출원에 원용한다.
본 발명은, 고체 산화물형 연료 전지 등의 연료 전지의 가스 시일에 관한 것으로서, 연료 전지 내부에 2 종의 가스 (연료 가스 및 공기 등의 산화제 가스) 를 분리한 상태로 도입하여 발전을 실시하는 연료 전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
종래부터, 예를 들어 고체 산화물형 연료 전지로서, 예를 들어 평판상의 고체 산화물층 (고체 전해질층) 의 일방의 측에 연료 가스에 접하는 연료극을 형성함과 함께, 타방의 측에 산화제 가스에 접하는 공기극을 형성하고, 또한 연료극이나 공기극에 이르는 유로 (연료 유로, 공기 유로) 등을 형성하여 연료 전지 셀을 구성하고, 이 연료 전지 셀과 인터커넥터판을 교대로 적층하여 스택화한 것 (연료 전지 스택) 이 알려져 있다.
상세하게는, 상기 연료 전지 셀로는, 예를 들어, 연료극 및 공기극을 구비한 고체 산화물층을 포함하는 단 (單) 셀과, 고체 산화물층에 접합되어 연료 가스와 산화제 가스의 유로를 분리하는 세퍼레이터와, 연료극 주위에 배치된 연료극 프레임과, 공기극 주위에 배치된 공기극 프레임과, 연료 전지 셀의 판두께 방향의 외측에 배치된 인터커넥터 등으로 구성된 것이 알려져 있다.
또, 연료 전지 스택에서는, 적층된 연료 전지 셀의 연료 유로나 공기 유로에 연료 가스나 공기를 공급하기 위하여, 혹은 연료 전지 셀의 연료 유로나 공기 유로로부터, (반응 후의) 연료 가스나 공기를 배출하기 위하여, 연료 전지 스택의 외측 가장자리 부분 (프레임 부분) 에, 연료 전지 스택을 적층 방향으로 관통하도록, 연료 가스용의 매니폴드와 공기용의 매니폴드가 형성된 것이 알려져 있다.
또한, 최근에는, 연료 전지가 적층된 단셀 사이 등으로부터 가스 (특히 연료 가스) 가 리크 (누출) 되는 것을 방지하기 위하여, 연료 전지 스택을 구성하는 각 부재 사이 (예를 들어 인터커넥터와 세퍼레이터 사이 등) 에 있어서, 단셀의 외측 가장자리 부분을 프레임상으로 둘러쌈과 함께, 매니폴드 주위를 둘러싸도록, 시일재를 배치하는 기술이 개발되고 있다.
상기 서술한 시일재를 사용하여 가스 시일하는 기술로는, 마이카 등의 (압력을 가하여 시일한다) 컴프레션 시일재를 사용한 기술 (특허문헌 1 참조) 이나, 유리나 유리 세라믹을 포함하는 시일재를 사용한 기술 (특허문헌 2, 3) 이나, 매니폴드 주위를 동심상으로 둘러싸는 세라믹제의 시일재를 사용한 기술 (특허문헌 4 참조) 등이 제안되어 있다.
일본 공개특허공보 2012-124020호 일본 공개특허공보 2009-43550호 일본 공개특허공보 2002-141083호 일본 공개특허공보 2005-294153호
그러나, 컴프레션 시일재를 사용하여 가스 시일하는 경우에는, 컴프레션 시일재와 인터커넥터나 세퍼레이터의 계면으로부터의 가스 누출을 완전히 방지하는 것은 어렵다는 문제가 있었다. 또, 컴프레션 시일재 자신으로부터의 가스 누출이 발생하는 경우도 있었다. 그리고, 이와 같이 가스 누출 (특히 연료 가스의 가스 누출) 이 발생하면, 발전 효율의 저하나, 누출된 가스의 후처리가 필요하다는 문제가 있었다.
또, 유리를 재료로 하는 시일재를 사용하는 경우에는, 시일성은 높지만, 강한 힘이 가해졌을 경우 등에는, 유리 균열이 발생하는 경우가 있었다. 또한, 유리가 연화하는 고온 환경하에서는, 유리가 변형되어 주위로 넓어져 적층 방향의 두께 변화가 발생한다. 그 경우, 그 후의 열 사이클 등에서 유리 균열이 발생하거나, 나아가서는 예를 들어 연료 전지 셀 간에 있어서의 전기적인 접속을 유지할 수 없는 경우가 있었다.
또한, 세라믹제의 환상의 시일재를 사용하는 경우에는, 강한 힘이 가해졌을 경우에는 시일재에 균열이 생겨, 가스 누출이 발생할 우려가 있었다.
시일재의 균열을 방지함과 함께, 가스 누출을 바람직하게 방지할 수 있는 연료 전지 및 그 제조 방법을 제공하는 것이 바람직하다.
(1) 본 발명의 제 1 국면의 연료 전지는, 전해질층과, 그 전해질층의 일방의 면에 형성되어 연료 가스에 접하는 연료극과, 그 전해질층의 타방의 면에 형성되어 산화제 가스에 접하는 공기극을 갖는 판상의 연료 전지 셀이 복수 적층됨과 함께, 그 연료 전지 셀이 상기 적층 방향으로부터 가압된 상태로 장착된 평판형의 연료 전지에 있어서, 상기 연료 전지에는, 상기 연료극측의 공간에 연통하는 연료 매니폴드 및 상기 공기극측의 공간에 연통하는 산화제 매니폴드 중 적어도 일방이, 상기 적층 방향으로 연장되도록 형성되어 있고, 상기 연료 매니폴드 및 상기 산화제 매니폴드의 적어도 일방의 상기 적층 방향으로 연장되는 매니폴드 주위에는, 상기 연료 전지를 구성하는 부재에 의해 상기 적층 방향으로부터 사이에 끼워짐과 함께, 상기 적어도 일방의 매니폴드를 둘러싸도록, 상기 연료 전지 셀이 넓어지는 평면을 따라 컴프레션 시일재와 유리 시일재가 병렬로 배치되어 있다.
본 발명의 제 1 국면의 연료 전지에서는, 연료 매니폴드나 산화제 매니폴드 주위에는, 연료 전지를 구성하는 부재 (예를 들어 세퍼레이터나 인터커넥터나 엔드 플레이트 등) 에 의해 적층 방향으로부터 사이에 끼워짐과 함께, 상기 매니폴드를 둘러싸도록, 연료 전지 셀이 넓어지는 평면 (즉 매니폴드가 연장되는 축 방향에 대한 외주 방향 : 직경 방향) 을 따라, 컴프레션 시일재와 유리 시일재가 병렬로 배치되어 있다.
따라서, 컴프레션 시일재 및 유리 시일재에 의해 (특히 주위에 밀착하는 유리 시일재에 의해), 연료 전지를 구성하는 부재끼리의 사이에 있어서의 각 매니폴드로부터 또는 각 매니폴드로의 가스 누출을 바람직하게 방지할 수 있다. 또한, 여기서 방지란, 완전히 방지하는 의미뿐만 아니라, 종래보다 리크를 저감시킬 수 있는 의미를 포함하는 것이다 (이하 동일).
또, 적층 방향으로부터 큰 힘이 가해졌을 경우에도, 컴프레션 시일재에 의해, 과대한 힘이 유리 시일재에 가해지는 것을 억제할 수 있기 때문에, 유리 시일재가 균열되는 것을 방지할 수 있으며, 이 점에서도 바람직하게 가스 누출을 방지할 수 있다.
또한, 고온 환경하에서 사용되어 유리가 연화된 경우에도, 컴프레션 시일재에 의해, 유리 시일재의 과도한 변형이 억제되기 때문에, 적층 방향의 두께를 유지할 수 있고, 열 사이클이 가해져도 유리 균열을 억제할 수 있다. 또, 안정적인 전기 접속도 가능해진다.
이와 같이, 제 1 국면의 연료 전지에서는, 가스 누출 (특히 연료 가스의 가스 누출) 의 발생을 바람직하게 방지할 수 있기 때문에, 발전 효율이 높고, 누출된 가스의 후처리가 필요없는 것 (또는 후처리가 용이하다) 등의 현저한 효과를 나타낸다.
또한, 여기서 매니폴드란, 적층 방향으로 연장되는 가스 (연료 가스 또는 산화제 가스) 의 유로로서, 그 유로 도중에서 가스의 유로가 분기되어 있다.
(2) 본 발명의 제 2 국면의 연료 전지에서는, 상기 적어도 일방의 상기 적층 방향으로 연장되는 매니폴드 주위에 환상으로 상기 유리 시일재가 배치되어 있음과 함께, 그 유리 시일재의 외주측에, 상기 컴프레션 시일재가 배치되어 있어도 된다.
또, 유리 시일재의 외주측을 둘러싸도록 컴프레션 시일재가 배치되어 있어도 된다. 이것에 의하면, 유리가 연화된 경우에도, 유리가 주위로 넓어지기 어렵다는 이점이 있다.
(3) 본 발명의 제 3 국면의 연료 전지에서는, 상기 적어도 일방의 상기 적층 방향으로 연장되는 매니폴드 주위에 환상으로 상기 컴프레션 시일재가 배치되어 있음과 함께, 그 컴프레션 시일재의 외주측에 상기 유리 시일재가 배치되어 있어도 된다.
또, 컴프레션 시일재의 외측을 둘러싸도록 유리 시일재가 배치되어 있어도 된다. 이것에 의하면, 유리 시일재의 면적을 충분히 확보할 수 있기 때문에, 유리에 의한 가스 시일성이 높다는 이점이 있다.
(4) 본 발명의 제 4 국면의 연료 전지에서는, 상기 연료 전지는, 볼트 조임에 의해 상기 적층 방향으로 가압되어 장착되어 있어도 된다.
이 경우, 볼트 (및 볼트에 나사 결합하는 너트) 에 의해, 연료 전지를 조임 가압하여 고정시키기 때문에, 고정이 용이함과 함께, 확실하게 고정시킬 수 있다는 이점이 있다.
(5) 본 발명의 제 5 국면의 연료 전지에서는, 상기 연료 전지를 구성하는 부재는, 상기 연료극측의 공간과 공기극측의 공간을 분리하는 세퍼레이터, 상기 연료 전지 셀을 구분함과 함께 각 연료 전지 셀 간의 도통을 확보하는 인터커넥터, 상기 연료 전지의 적층 방향의 단부를 구성하는 엔드 플레이트 중 적어도 1 종이어도 된다.
상기 서술한 기재는, 연료 전지를 구성하는 부재를 예시한 것이다.
연료 전지를 구성하는 부재로는, 연료극측의 공간 (연료 유로) 과 공기극측의 공간 (공기 유로) 을 분리하는 세퍼레이터나, 연료 전지의 구성 단위인 연료 전지 셀을 구분함과 함께, 각 연료 전지 셀 간의 도통을 확보하는 인터커넥터나, 연료 전지의 적층 방향의 단부를 구성하는 부재인 엔드 플레이트를 들 수 있다.
(6) 본 발명의 제 6 국면의 연료 전지에서는, 상기 컴프레션 시일재와 상기 유리 시일재는, 각 연료 전지 셀 간을 분리하는 인터커넥터 또는 상기 연료 전지의 적층측의 단부에 배치된 엔드 플레이트와, 상기 전해질층에 접합되어 상기 연료극측의 공간과 상기 공기극측의 공간을 분리하는 세퍼레이터 사이에 배치되어 있어도 된다.
상기 서술한 기재는, 컴프레션 시일재와 유리 시일재를 배치하는 장소를 예시한 것이다. 이것에 의해, 인터커넥터 또는 엔드 플레이트와 세퍼레이터 사이로부터의 가스 누출을 바람직하게 방지할 수 있다.
(7) 본 발명의 제 7 국면의 연료 전지의 제조 방법은, 상기 제 1 ∼ 제 6 국면 중 어느 하나에 기재된 연료 전지를 제조하는 연료 전지의 제조 방법에 있어서, 상기 연료 전지를 구성하는 부재에 의해 상기 적층 방향에 있어서 사이에 끼워짐과 함께, 상기 적층 방향을 따라 형성된 상기 연료 매니폴드 및 상기 산화제 매니폴드의 적어도 일방의 주위를 둘러싸도록, 상기 컴프레션 시일재와 상기 유리 시일재가 되는 유리 재료를 동일 평면 상에 배치하는 제 1 공정과, 상기 제 1 공정 후에, 상기 연료 전지의 적층 방향으로부터 압력을 가하여 상기 컴프레션 시일재를 가압하는 제 2 공정과, 상기 제 2 공정 후에, 상기 유리 재료가 연화되는 온도 이상에서 가열하고, 그 후 냉각시킴으로써, 상기 유리 시일재를 형성함과 함께, 그 유리 시일재를 상기 연료 전지를 구성하는 부재에 접합하는 제 3 공정을 갖는다.
이 경우, 컴프레션 시일재와 유리 시일재가 되는 유리 재료를, 연료 전지를 구성하는 부재에 의해 적층 방향에 있어서 사이에 끼워지도록 배치함과 함께, 적층 방향을 따라 형성된 연료 매니폴드 및 산화제 매니폴드의 적어도 일방의 주위를 둘러싸도록, (예를 들어 세퍼레이터 등의 표면의) 동일 평면 상에 배치하고, 그 후, 연료 전지의 적층 방향으로부터 압력을 가하여 컴프레션 시일재를 가압하고, 그 후, 유리 재료가 연화되는 온도 이상에서 가열하고, 그 후 냉각시킨다 (즉 연화한 유리 재료를 냉각시켜 고화시킨다). 이것에 의해, 유리 시일재를 형성함과 함께, 유리 시일재를, 연료 전지를 구성하는 부재 (예를 들어 세퍼레이터나 인터커넥터) 에 접합한다.
이 제조 방법에 의해, 상기 서술한 연료 전지를 바람직하게 제조할 수 있다.
또한, 이하에 본 발명의 각 구성에 대하여 설명한다.
상기 연료 전지로는, 고체 산화물형 연료 전지 (SOFC) 를 들 수 있다.
컴프레션 시일재란, (적층 방향에 있어서의) 가압에 의해 자신이 변형되어 주위 (적층 방향) 의 구성에 밀착하여 가스 시일을 실시하는 부재이다. 이 컴프레션 시일재로는, 예를 들어 마이카 또는 버미큘라이트를 포함하는 시트상 등의 부재를 사용할 수 있다.
이 컴프레션 시일재로는, 가스 시일성에 더하여, 일정 이상은 압축되지 않는 탄성 스토퍼로서의 기능이나, 전기 절연성 등을 갖는 것을 채용할 수 있다.
유리 시일재로는, 통상적인 유리 (예를 들어 비결정화 유리) 를 사용할 수 있는데, 그 이외에 결정화 유리, 부분 결정화 유리 (반결정화 유리) 를 사용할 수 있다. 또, 유리 성분 이외에, 세라믹 등 각종 재료를 첨가해도 된다.
또한, 유리의 조성으로는 특별히 한정되지 않고, 연료 전지의 제조시에, 가열에 의해 연화하고, 적층 방향의 부재에 밀착하여 가스 시일할 수 있는 주지의 재료에서 적절히 선택하여 사용할 수 있다.
또, 유리 시일재를 형성할 때에는, 프리폼 (예비 소성한 유리) 이나 시트상의 유리 재료를 배치하는 방법이나, 유리 페이스트에 의한 인쇄, 유리 재료의 디스펜서에 의한 도포 등의 방법을 채용할 수 있다.
또한, 유리 시일재는, 연료 매니폴드 주위에만 배치해도 된다.
각 연료 전지 셀을 적층 방향으로부터 가압하는 부재로서 볼트를 사용하는 경우에는, 볼트의 열팽창 계수로서 유리 시일재의 열팽창 계수보다 큰 것이 바람직하다. 이것에 의해, 연료 전지의 운전시 등 (유리가 연화되지 않을 때) 에, 볼트에 의해 유리 시일재에 압축 응력을 가할 수 있기 때문에, (인장 응력이 가해지는 경우에 비해) 유리의 균열을 저감시킬 수 있다.
또, 유리 시일재에 충분한 압축력을 가하기 위해서는, (볼트에 나사 결합한다) 너트의 바로 아래, 즉 너트를 볼트의 축 방향을 따라 투영했을 경우에, 그 투영 영역 내에 유리 시일재가 일부 또는 전체가 존재하도록 배치하는 것이 바람직하다. 또한, 너트의 외경의 2 배 (너트의 직경 방향의 치수의 2 배) 의 범위 내에 유리 시일재가 존재하고 있는 것이 바람직하다.
또한, 적층 방향으로 연장되는 연료 매니폴드 및 공기 매니폴드와, 이들 매니폴드에 삽입되는 상기 볼트를 동축에 배치할 수 있다.
도 1A-1B 의 도 1A 는 실시예 1 의 고체 산화물형 연료 전지의 평면도, 도 1B 는 그 고체 산화물형 연료 전지의 측면도이다.
도 2 는 고체 산화물형 연료 전지를 적층 방향으로 파단한 상태를 나타내는 설명도이다.
도 3 은 고체 산화물형 연료 전지의 카세트를 분해한 상태를 나타내는 사시도이다.
도 4 는 고체 산화물형 연료 전지의 카세트와 가스 시일부의 적층 부분을 분해하여 나타내는 사시도이다.
도 5 는 카세트 상에 배치된 컴프레션 시일재 및 유리 시일재를 포함하는 가스 시일부를 나타내는 평면도이다.
도 6A-6B 의 도 6A 는 연료 가스의 유로를 나타내는 설명도, 도 6B 는 공기의 유로를 나타내는 설명도이다.
도 7A-7C 는 고체 산화물형 연료 전지의 제조 순서를 나타내는 설명도이다.
도 8A-8C 는 유리 시일재에 의한 시일의 상태 (형성 순서) 를 나타내는 설명도이다.
도 9 는 실시예 2 의 고체 산화물형 연료 전지의 가스 시일부를 나타내는 평면도이다.
도 10 은 실시예 2 의 고체 산화물형 연료 전지에서 사용하는 공기극 프레임을 나타내는 사시도이다.
도 11 은 실시예 3 의 고체 산화물형 연료 전지의 가스 시일부를 나타내는 평면도이다.
도 12 는 실시예 4 의 고체 산화물형 연료 전지를 적층 방향으로 파단한 상태를 나타내는 설명도이다.
도 13 은 실시예 4 의 고체 산화물형 연료 전지를 적층 방향으로 파단한 상태를 (연료 가스의 유로를 추가하여) 나타내는 설명도이다.
도 14 는 실시예 4 의 고체 산화물형 연료 전지의 너트 주위의 가스 시일부를 나타내는 평면도이다.
(부호의 설명)
1 : (고체 산화물형) 연료 전지
3 : 연료 전지 셀
5 : 연료 전지 스택
11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 131 : 볼트
19, 133 : 너트
35 : 연료극
37 : 고체 산화물층
39 : 공기극
41 : 셀 본체 (단셀)
43 : 인터커넥터
45, 101, 121, 137, 143 : 가스 시일부
47 : 세퍼레이터
49 : 연료극 프레임
51, 135, 141 : 엔드 플레이트
57 : 카세트
61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68 : 삽입 통과 구멍
91, 111, 123, 125, 147, 151 : 컴프레션 시일재
93, 103, 105, 107, 109, 127, 149, 153 : 유리 시일재
이하, 본 발명이 적용된 연료 전지 및 그 제조 방법의 실시예에 대하여 도면을 사용하여 설명한다. 또한, 이하의 실시예에서는, 연료 전지로서 고체 산화물형 연료 전지 (SOFC) 를 예로 들어 설명한다.
[실시예 1]
a) 먼저, 본 실시예 1 의 고체 산화물형 연료 전지의 개략 구성에 대하여 설명한다. 또한, 이하에서는「고체 산화물형」을 생략한다.
도 1A-1B 에 나타내는 바와 같이, 연료 전지 (1) 는, 연료 가스 (예를 들어 수소) 와 산화제 가스 (예를 들어 공기) 의 공급을 받아 발전을 실시하는 장치이다.
이 연료 전지 (1) 는, 발전 단위 (발전 셀) 인 평판형의 연료 전지 셀 (3) 이 복수 개 (예를 들어 24 단) 적층된 연료 전지 스택 (5) 과, 연료 전지 스택 (5) 을 적층 방향 (도 1B 의 상하 방향) 관통하는 복수의 볼트 (11 ∼ 18) 와, 각 볼트 (11 ∼ 18) 의 단부 (여기서는 상부) 에 나사 결합하는 각 너트 (19) (총칭) 를 구비하고 있다.
또한, 상기 연료 전지 스택 (5) 은, 복수 개의 연료 전지 셀 (3) 이 전기적으로 직렬로 접속된 것이다.
또, 도 1A 에 나타내는 바와 같이, 각 볼트 (11 ∼ 18) 중, 제 2 볼트 (12) 에 나사 결합하는 너트 (19) 에는, 연료 가스를 연료 전지 (1) 에 공급하는 연료 가스 도입관 (21) 이 형성되고, 제 4 볼트 (14) 에 나사 결합하는 너트 (19) 에는, 산화제 가스 (이하, 간단히 공기라고 기재한다) 를 연료 전지 (1) 에 공급하는 공기 도입관 (23) 이 형성되고, 제 6 볼트 (16) 에 나사 결합하는 너트 (19) 에는, 발전 후의 연료 가스를 연료 전지 (1) 로부터 배출하는 연료 가스 배출관 (25) 이 형성되고, 제 8 볼트 (18) 에 나사 결합하는 너트 (19) 에는, 발전 후의 공기를 연료 전지 (1) 로부터 배출하는 공기 배출관 (27) 이 형성되어 있다.
이하, 각 구성에 대하여 설명한다.
도 2 에 나타내는 바와 같이, 상기 연료 전지 스택 (5) 을 구성하는 각 연료 전지 셀 (3) 은, 이른바 연료극 지지막형 타입의 판상의 연료 전지 셀 (3) 이며, 이 연료 전지 셀 (3) 에는, 상하 1 쌍의 (도전성을 갖는다) 인터커넥터 (43, 43) 사이에, 연료 가스가 흐르는 연료 유로 (31) 와 공기가 흐르는 공기 유로 (33) 가 분리되어 형성되어 있다.
또, 연료 전지 셀 (3) 에는, 연료 유로 (31) 측에, 판상의 연료극 (애노드) (35) 이 배치되어 있음과 함께, 연료극 (35) 의 표면 (도 2 상측) 에는, 박막의 고체 전해질층인 고체 산화물층 (37) 이 형성되어 있다. 또한, 고체 산화물층 (37) 의 표면 (도 2 상측) 에는, 박막의 공기극 (캐소드) (39) 이 형성되어 있다. 또한, 연료극 (35) 과 고체 산화물층 (37) 과 공기극 (39) 을 셀 본체 (단셀) (41) 로 칭한다.
또한, 연료 전지 셀 (3) 내에는, 연료극 (35) 과 도 2 하측의 인터커넥터 (43) 사이에, (금속 메시 등으로 이루어지는 통기성을 갖는다) 연료극측 집전체 (53) 가 배치되고, 또 각 인터커넥터 (43) 의 일방 (도 2 하방) 의 표면에는, 공기극측 집전체 (55) 가 되는 블록상의 다수의 볼록부가 일체로 형성되어 있다.
또, 이 연료 전지 셀 (3) 은, 셀 본체 (단셀) (41) 를 둘러싸도록, 공기극 (39) 측의 시트상의 가스 시일부 (45) 와, 셀 본체 (단셀) (41) 의 외측 가장자리부 (상세하게는 고체 산화물층 (37) 의 외측 가장자리부) 의 상면에 접합하여 공기 유로 (33) 와 연료 유로 (31) 사이를 차단하는 세퍼레이터 (47) 와, 연료 유로 (31) 측에 배치된 연료극 프레임 (49) 을 구비하고 있고, 그것들이 적층되어 일체로 구성되어 있다.
또한, 연료 전지 (1) 의 적층 방향 양단의 (인터커넥터 (43) 와 동일한 도전성을 갖는다) 판재를 엔드 플레이트 (51) 로 칭한다.
여기서, 고체 산화물층 (37) 으로는, YSZ, ScSZ, SDC, GDC, 페로브스카이트계 산화물 등의 재료를 사용할 수 있다. 또, 연료극 (35) 으로는, Ni 및 Ni 와 세라믹의 서멧을 사용할 수 있고, 공기극 (39) 으로는, 페로브스카이트계 산화물, 각종 귀금속 및 귀금속과 세라믹의 서멧을 사용할 수 있다.
또한, 인터커넥터 (43), 엔드 플레이트 (51), 세퍼레이터 (47), 연료극 프레임 (49) 으로는, 예를 들어 SUS430, SUS444 등의 페라이트계 스테인리스로 이루어지는 금속판을 사용할 수 있다. 또, 각 볼트 (11 ∼ 18) 나 너트 (19) 는, 예를 들어 잉코넬 (등록상표) 로 이루어지는 금속 부재를 채용할 수 있다.
또한, 각 금속판의 열팽창 계수로는, 8 ∼ 14 × 10-6/K (20 ∼ 300 ℃) 의 범위를 채용할 수 있고, 볼트 (11 ∼ 18) 나 너트 (19) 의 열팽창 계수로는, 금속판보다 열팽창 계수가 큰 예를 들어 16 × 10-6/K (20 ∼ 300 ℃) 를 채용할 수 있다.
이하에, 연료 전지 셀 (3) 을 구성하는 각 부재에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.
또한, 연료 전지 셀 (3) 의 평면 형상은 정방형이기 때문에, 연료 전지 셀 (3) 을 구성하는 각 부재의 평면 형상도 정방형이다.
도 3 에 분해하여 나타내는 바와 같이, 연료극측 집전체 (53) 가 재치 (載置) 된 인터커넥터 (43) 와, 연료극 프레임 (49) 과, 셀 본체 (단셀) (41) 에 접합된 세퍼레이터 (47) 는, 동 도면의 상하 방향으로 적층되고, (후술하는 레이저 용접에 의해) 일체가 되어, 연료 전지의 카세트 (57) 로서 구성되어 있다.
이 중, 인터커넥터 (43) 는 정방형의 판재이며, 그 외측 가장자리부에는, 상기 볼트 (11 ∼ 18) 가 관통 삽입되는 삽입 통과 구멍 (제 1 ∼ 제 8 삽입 통과 구멍) (61 ∼ 68) 이 거의 등간격으로 형성되어 있다. 요컨대, 인터커넥터 (43) 의 네 모퉁이와 각 변의 중점에 대응하는 위치에, 8 지점에 삽입 통과 구멍 (61 ∼ 68) (또한, 각 부재에 있어서의 삽입 통과 구멍에는 동일한 번호를 붙인다) 이 형성되어 있다.
상기 삽입 통과 구멍 (61 ∼ 68) 중, 네 모퉁이의 제 1, 제 3, 제 5, 제 7 삽입 통과 구멍 (61, 63, 65, 67) 은, 연료 가스나 공기의 가스 유로로서 사용되지 않는 환공 (丸孔) 이다.
또, 대향하는 변에 형성된 제 2, 제 6 삽입 통과 구멍 (62, 66) 은, 변을 따른 치수가 긴 타원형인, 이 중, 제 2 삽입 통과 구멍 (62) 이, 연료 가스를 연료 전지 셀 (3) 내의 연료 유로 (31) 에 도입하는 연료 가스의 도입로 (연료 가스의 도입측의 연료 매니폴드) 이다. 한편, 제 6 삽입 통과 구멍 (66) 이, 연료 가스를 연료 전지 셀 (3) 내의 연료 유로 (31) 로부터 배출하는 연료 가스의 배출로 (연료 가스의 배출측의 연료 매니폴드) 이다.
또한, 다른 대향하는 변에 형성된 제 4, 제 8 삽입 통과 구멍 (64, 68) 은 환공이며, 이 중, 제 4 삽입 통과 구멍 (64) 이, 공기를 연료 전지 셀 (3) 내의 공기 유로 (33) 에 도입하는 공기의 도입로 (공기의 도입측의 공기 매니폴드) 이다. 한편, 제 8 삽입 통과 구멍 (68) 이, 공기를 연료 전지 셀 (3) 내의 공기 유로 (33) 로부터 배출하는 공기의 배출로 (공기의 배출측의 공기 매니폴드) 이다.
또한, 각 연료 매니폴드나 공기 매니폴드와, 각 연료 매니폴드나 공기 매니폴드에 삽입 통과되는 각 볼트 (12, 16) 나 볼트 (14, 18) 는, 각각 동축에 배치되어 있다.
상기 연료극 프레임 (49) 은, 정방형의 프레임상의 판재이며, 그 외측 가장자리부에는, 상기 볼트 (11 ∼ 18) 가 관통 삽입되는 상기 제 1 ∼ 제 8 삽입 통과 구멍 (61 ∼ 68) 이 형성되어 있다.
이 중, 제 2, 제 6 삽입 통과 구멍 (62, 66) 에는, 길이 방향으로 (관통공인) 슬릿 (71, 73) 이 형성되어 있고, 연료극 프레임 (49) 의 인터커넥터 (43) 측 (동 도면 하측) 에는, 각 슬릿 (71, 73) 과 프레임 내의 개구부 (75) 를 연통하도록 복수의 (연료 가스의 유로가 된다) 홈 (77, 79) 이 형성되어 있다.
상기 세퍼레이터 (47) 는, 정방형의 프레임상의 판재이며, 그 외측 가장자리부에는, 상기 볼트 (11 ∼ 18) 가 관통 삽입되는 상기 제 1 ∼ 제 8 삽입 통과 구멍 (61 ∼ 68) 이 형성되어 있다.
그리고, 상기 서술한 구성의 카세트 (57) 는, 도 4 에 나타내는 바와 같이, 사이에 시트상의 가스 시일부 (45) 를 개재하여 적층되어 있다.
특히, 본 실시예 1 에 있어서의 가스 시일부 (45) 는, 도 5 에 나타내는 바와 같이, 마이카로 이루어지는 시트상의 컴프레션 시일재 (91) 와, 유리로 이루어지는 유리 시일재 (93) 로 구성되어 있다. 또한, 컴프레션 시일재 (91) 및 유리 시일재 (93) 는, 전기 절연성을 갖고 있다.
구체적으로는, 연료 전지 셀 (3) 의 적층 방향 (도 5 의 지면의 두께 방향) 으로 연장되는 연료 매니폴드 주위에는, 연료 전지 스택 (5) 을 구성하는 인터커넥터 (43) (또는 엔드 플레이트 (51)) 나 세퍼레이터 (47) 에 의해 적층 방향으로부터 사이에 끼워짐과 함께, 연료 매니폴드를 외측 (외주측) 으로부터 둘러싸도록, 연료 전지 셀 (3) 이 넓어지는 평면 (지면의 넓어지는 평면) 을 따라, 유리 시일재 (93) 와 컴프레션 시일재 (91) 가 내측으로부터 차례로 병렬로 배치되어 있다.
요컨대, 볼트 (12, 16), 따라서 연료 매니폴드인 제 2, 제 6 삽입 통과 구멍 (62, 66) 의 축 방향에서 보아 (평면에서 보아), 연료 매니폴드 주위를 축 방향과 수직인 직경 방향으로부터 둘러싸도록, 유리 시일재 (93) 와 컴프레션 시일재 (91) 가 동심상으로 배치되어 있다. 즉, 내측에 환상의 유리 시일재 (93) 가 배치되고, 그 외주측을 모두 둘러싸도록 컴프레션 시일재 (91) 가 배치되어 있다.
상세하게는, 컴프레션 시일재 (91) 는, 정방형의 프레임상의 부재이며, 그 외측 가장자리부에는, 상기 볼트 (11 ∼ 18) 가 관통 삽입되는 상기 제 1 ∼ 제 8 삽입 통과 구멍 (61 ∼ 68) 이 형성되어 있다. 또한, 컴프레션 시일재 (91) 의 두께는, 장착하기 전에는 0.40 ㎜ 이고, 장착 후에는 0.36 ㎜ 이다.
이 중, 제 1, 제 3, 제 5, 제 7 삽입 통과 구멍 (61, 63, 65, 67) 은 환공이고, 제 4, 제 8 삽입 통과 구멍 (64, 68) 은 그것보다 직경이 큰 환공이고, 제 2, 제 6 삽입 통과 구멍 (62, 66) 은 타원형의 장공 (長孔) 이다.
또, 컴프레션 시일재 (91) 에는, 공기의 유로로서, 각 제 4, 제 8 삽입 통과 구멍 (64, 68) 과 프레임 내의 개구부 (99) 와 연통되도록, 각각 연통로 (95, 97) 가 형성되어 있다.
또, 제 2, 제 6 삽입 통과 구멍 (62, 66) 의 내주측에는, 적층 방향 (도 5 의 지면과 수직 방향) 에서 보아, 세퍼레이터 (47) 의 제 2, 제 6 삽입 통과 구멍 (62, 66) 주위를 둘러싸도록, 두께 0.3 ㎜ × 폭 3.0 ㎜ 의 환상의 유리 시일재 (93) 가 배치되어 있다.
이 유리 시일재 (93) 는, 유리를 포함하는 (예를 들어 유리를 주성분으로 한다) 가스 봉지재이다. 여기서는, 예를 들어, 시판되는 결정화 유리의 프리폼(예비 소결체) 을 사용할 수 있으며, 그 연화점은 예를 들어 770 ℃ 이다.
또, 이 유리 시일재 (93) 로는, 열팽창 계수가 주위의 금속판 (예를 들어 페라이트계 스테인리스제) 의 열팽창 계수에 가까운 것, 예를 들어 열팽창 계수가 8 ∼ 14 × 10-6/K (20 ∼ 300 ℃) 가 바람직하고 (예를 들어 11 × 10-6/K (20 ∼ 300 ℃)), 예를 들어 SCHOTT 사 제조의 G018-311 을 사용할 수 있다.
또한, 연료 전지 (1) 의 운전 온도는, 예를 들어 700 ℃ 이지만, 가스 시일부 (45) 근방에서는 650 ℃ 정도이기 때문에, 유리 시일재 (93) 로서, 운전시의 가스 시일부 (45) 의 온도보다 연화점이 높은 것이 사용된다.
b) 다음으로, 본 실시예 1 에 있어서의 가스의 유로에 대하여 간단하게 설명한다.
＜연료 가스의 유로＞
도 6A 에 나타내는 바와 같이, 연료 가스 도입관 (21) 으로부터 연료 전지 스택 (5) 내에 도입된 연료 가스는, 제 2 볼트 (12) 가 삽입 통과되는 (도입측의 연료 매니폴드이다) 제 2 삽입 통과 구멍 (62) 에 도입된다.
또한, 제 2 볼트 (12) 의 선단 (동 도면 상방) 에는, 축 방향으로 홈 (도시 생략) 이 형성되어 있고, 이 홈을 개재하여 연료 가스 도입관 (21) 내의 공간과 제 2 삽입 통과 구멍 (62) 내가 연통되어 있다 (연료 가스의 배출측과, 공기의 도입측 및 배출측도 동일한 구조로 되어 있다).
이 연료 가스는, 제 2 삽입 통과 구멍 (62) 으로부터, 각 연료 전지 셀 (3) 의 연료극 프레임 (49) 의 홈 (77) 을 개재하여, 연료 전지 셀 (3) 의 내부의 연료 유로 (31) 내에 도입된다.
그 후, 연료 전지 셀 (3) 내에서 발전에 기여한 잔여의 연료 가스는, 연료극 프레임 (49) 의 다른 홈 (79) 을 개재하여, 제 6 볼트 (16) 가 삽입 통과되는 (배출측의 연료 매니폴드이다) 제 6 삽입 통과 구멍 (66) 을 개재하여, 연료 가스 배출관 (25) 으로부터 연료 전지 스택 (5) 외로 배출된다.
＜공기의 유로＞
도 6B 에 나타내는 바와 같이, 공기 도입관 (23) 으로부터 연료 전지 스택 (5) 내에 도입된 공기는, 제 4 볼트 (14) 가 삽입 통과되는 (도입측의 공기 매니폴드이다) 제 4 삽입 통과 구멍 (64) 에 도입된다.
이 공기는, 제 4 삽입 통과 구멍 (64) 으로부터, 각 연료 전지 셀 (3) 의 컴프레션 시일재 (91) 의 연통로 (95) 를 개재하여, 연료 전지 셀 (3) 의 내부의 공기 유로 (33) 내에 도입된다.
그 후, 연료 전지 셀 (3) 내에서 발전에 기여한 잔여의 공기는, 컴프레션 시일재 (91) 의 다른 연통로 (97) 를 개재하여, 제 8 볼트 (18) 가 삽입 통과되는 (배출측의 공기 매니폴드이다) 제 8 삽입 통과 구멍 (68) 을 개재하여, 공기 배출관 (27) 으로부터 연료 전지 스택 (5) 외로 배출된다.
c) 다음으로, 연료 전지 (1) 의 제조 방법에 대하여 설명한다.
도 7A 에 나타내는 바와 같이, 정해진 법칙에 따라, 연료극 (35) 과 고체 산화물층 (37) 과 공기극 (39) 이 일체가 된 (정방형의 판상의) 셀 본체 (단셀) (41) 를 제조하고, 이 셀 본체 (단셀) (41) 의 외측 가장자리부에 프레임상의 세퍼레이터 (47) 를 납땜한다.
다음으로, 도 7B 에 나타내는 바와 같이, 연료극 프레임 (49) 을 세퍼레이터 (47) 와 인터커넥터 (43) (또는 엔드 플레이트 (51)) 로 사이에 끼우고, 레이저 용접에 의해, 연료극 프레임 (49) 과 세퍼레이터 (47) 와 인터커넥터 (43) (또는 엔드 플레이트 (51)) 를 일체로 접합하여, 연료 전지의 카세트 (57) 를 제조한다.
또한, 레이저 용접에 의해, 연료 매니폴드인 제 2, 제 6 삽입 통과 구멍 (62, 66) 과, 공기 매니폴드인 제 4, 제 8 삽입 통과 구멍 (64, 68) 의 주위를 각각 환상으로 접합함과 함께, 세퍼레이터 (47) 와 인터커넥터 (43) (또는 엔드 플레이트 (51)) 의 외측 가장자리부를 환상으로 접합한다.
따라서, 연료 전지의 카세트 (57) 내부의 연료 유로 (31) 와 연료 매니폴드 (제 2, 제 6 삽입 통과 구멍 (62, 66)) 와 공기 매니폴드 (제 4, 제 8 삽입 통과 구멍 (64, 68)) 사이의 가스 리크는 완전히 방지된다.
다음으로, 도 7C 에 나타내는 바와 같이, 연료 전지의 각 카세트 (57) 사이에, 컴프레션 시일재 (91) 및 유리 시일재 (93) (가 되는 유리 재료) 로 이루어지는 가스 시일부 (45) (가 되는 재료) 를 배치한다.
상세하게는, 상기 도 5 에 나타내는 바와 같이, 각 세퍼레이터 (47) 의 표면의 동일 평면 상에 있어서, 연료 매니폴드 (제 2, 제 6 삽입 통과 구멍 (62, 66)) 를 완전히 둘러싸도록 환상의 유리 시일재 (93) (가 되는 유리 재료) 를 배치함과 함께, 유리 시일재 (93) (가 되는 유리 재료) 주위를 완전히 둘러싸도록 컴프레션 시일재 (91) 를 배치한다.
그 후, 상기 도 7C 에 나타내는 바와 같이, 각 삽입 통과 구멍 (61 ∼ 68) 에 각 볼트 (11 ∼ 18) 를 삽입 통과시키고, 볼트 (11 ∼ 18) 및 너트 (19) 를 죔으로써, 연료 전지 스택 (5) 을 적층 방향 (도 7C 의 상하 방향) 으로 가압하여, 연료 전지 스택 (5) 을 일체화한다.
이 단계에서는, 도 8A 에 나타내는 바와 같이, 컴프레션 시일재 (91) 의 두께는 0.36 ㎜ 이고, (연화하기 전의) 유리 시일재 (93) 의 두께 0.30 ㎜ 보다 크기 때문에, 유리 시일재 (93) 와 인터커넥터 (43) (또는 엔드 플레이트 (51)) 사이에는 약간의 간극이 있다.
다음으로, 연료 전지 스택 (5) (상세하게는 유리 시일재 (93) (가 되는 유리 재료)) 을, 유리의 결정화 온도 이상의 예를 들어 850 ℃ 로 2 시간 가열하여, 유리를 결정화시킨다. 유리의 연화점 (770 ℃) 으로부터 결정화 온도의 승온 과정에서, 유리 시일재 (93) 는 연화하고, 도 8B 에 나타내는 바와 같이, 자신의 표면 장력에 의해 둥글어져 상방으로 볼록한 상태가 되고, 최종적으로 상방의 인터커넥터 (43) (또는 엔드 플레이트 (51)) 에 접촉한다. 또한, 850 ℃-2 시간의 가열에 의해 유리는 결정화된다.
그 후, 냉각시킴으로써, 도 8C 에 나타내는 바와 같이, 유리 시일재 (93) 는, 세퍼레이터 (47) 와 인터커넥터 (43) (또는 엔드 플레이트 (51)) 에 강고하게 접합한다.
또한, 유리를 가열하면 유리 시일재 (93) 가 연화하지만, 상기 서술한 바와 같이, 볼트 (11 ∼ 18) 의 열팽창 계수는, 세퍼레이터 (47), 인터커넥터 (43), 연료극 프레임 (49) 등과 같은 적층 방향으로 배치된 금속판의 열팽창 계수나, 유리 시일재 (93) 의 열팽창 계수보다 크기 때문에, 유리의 가열시에는, 연료 전지 스택 (5) 은 전체가 느슨해진 상태가 된다 (볼트 (11 ∼ 18) 의 가압력은 줄어들지만, 없어진 것은 아니다). 그 후, 냉각되면, 볼트 (11 ∼ 18) 등이 적층 방향으로 줄어들어 (원래대로 돌아가) 압축장으로 되어 있기 때문에, 유리 시일재 (93) 가 압축된 상태로 봉지된다 (즉 유리에 의해 봉지된다).
이와 같이 하여, 가스 시일의 구성이 실현됨과 함께, 연료 전지 (1) 가 완성된다.
d) 본 실시예 1 의 효과에 대하여 설명한다.
본 실시예 1 에서는, 연료 매니폴드인 제 2, 제 6 삽입 통과 구멍 (62, 66) 과, 공기 매니폴드인 제 4, 제 8 삽입 통과 구멍 (64, 68) 주위에는, 세퍼레이터 (47) 나 인터커넥터 (43) (또는 엔드 플레이트 (51)) 에 의해 적층 방향으로부터 사이에 끼워짐과 함께, 각 매니폴드를 둘러싸도록 가스 시일부 (45) 가 배치되어 있다.
상세하게는, (예를 들어 도 5 에 나타내는 평면에서 보아) 각 매니폴드를 둘러싸도록, 연료 전지 셀 (3) 이 넓어지는 평면 (즉 각 매니폴드의 직경 방향) 을 따라, 환상의 유리 시일재 (93) 가 배치되고, 나아가 그 유리 시일재 (93) 를 동일 평면 상에서 직경 방향으로부터 둘러싸도록, 컴프레션 시일재 (91) 가 병렬로 배치되어 있다.
따라서, 컴프레션 시일재 (91) 및 유리 시일재 (93) 에 의해 (특히 주위에 밀착하는 유리 시일재 (93) 에 의해), 세퍼레이터 (47) 와 인터커넥터 (43) (또는 엔드 플레이트 (51)) 사이에 있어서의 각 매니폴드로부터 또는 각 매니폴드로의 가스 누출을 바람직하게 방지할 수 있다.
또, 적층 방향으로부터 큰 힘이 가해졌을 경우에도, 컴프레션 시일재 (91) 에 의해, 과대한 힘이 유리 시일재 (93) 에 가해지는 것을 억제할 수 있기 때문에, 유리 시일재 (93) 가 균열되는 것을 방지할 수 있으며, 이 점에서도 바람직하게 가스 누출을 방지할 수 있다.
또한, 고온 환경하에서 사용되어 유리가 연화된 경우에도, 컴프레션 시일재 (91) 에 의해 유리 시일재 (93) 의 과도한 변형이 억제되기 때문에, 유리가 주위로 넓어져 전기 접속성이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
이와 같이, 본 실시예 1 에서는, 연료 가스의 가스 누출의 발생을 바람직하게 방지할 수 있기 때문에, 발전 효율이 높고, 누출된 가스의 후처리의 필요가 없다는 (또는 후처리가 용이하다) 현저한 효과를 나타낸다.
또, 본 실시예 1 에서는, 볼트 (11 ∼ 18) 와 너트 (19) 에 의해, 연료 전지 스택 (5) 을 조임 가압하여 고정시키기 때문에, 고정이 용이함과 함께, 확실하게 고정시킬 수 있다는 이점이 있다.
또한, 연료 전지 (1) 의 운전의 실시 (ON) 및 정지 (OFF) 에 따라서, 연료 전지 (1) 의 온도가 변동되지만, 본 실시예 1 에서는, 상기 서술한 구성 (각 부의 열팽창 계수의 관계) 에 의해 온도가 변동되어도, 유리 시일재 (93) 등을 항상 가압할 수 있기 때문에, 그 점에서도 가스 누출을 방지할 수 있다는 이점이 있다.
[실시예 2]
다음으로, 실시예 2 에 대하여 설명하는데, 상기 실시예 1 과 동일한 내용의 설명은 생략한다.
본 실시예 2 는, 실시예 1 과는 연료 전지의 가스 시일부의 구성이 상이하기 때문에, 가스 시일부에 대하여 설명한다. 또한, 그 밖의 구성에 대해서는, 상기 실시예 1 과 동일한 번호를 사용한다.
도 9 에 나타내는 바와 같이, 본 실시예 2 의 연료 전지 (1) 의 가스 시일부 (101) 에서는, 연료 매니폴드인 제 2, 제 6 삽입 통과 구멍 (62, 66) 주위를, 환상의 유리 시일재 (103, 105) 로 둘러쌈과 함께, 공기 매니폴드인 제 4, 제 8 삽입 통과 구멍 (64, 68) 주위도 환상의 유리 시일재 (107, 109) 로 둘러싸고 있다.
또, 컴프레션 시일재 (111) 는, 실시예 1 과 동일하게 사각 프레임상이며, 각 유리 시일재 (103, 105, 107, 109) 의 외주를 둘러싸도록 배치되어 있다.
또한, 본 실시예 2 에서는, 가스 시일부 (101) 와 세퍼레이터 (47) 사이에, 도 10 에 나타내는 바와 같이, 실시예 1 의 프레임상의 연료극 프레임 (49) 과 동일한 (단 방향은 평면에서 보아 90 도 상이하다) 공기극 프레임 (118) 을 배치하고 있다 (실시예 3 도 동일).
이 공기극 프레임 (118) 은, 제 4, 제 8 삽입 통과 구멍 (64, 68) 으로부터 변을 따라 연장되는 관통공인 슬릿 (113, 114) 과 슬릿 (113, 114) 으로부터 공기극 (39) 측으로 연장되는 홈 (116, 117) 을 갖는 프레임상의 부재이며, 공기극 프레임 (118) 의 슬릿 (113, 114) 및 홈 (116, 117) 을 개재하여, 제 4, 제 8 삽입 통과 구멍 (64, 68) 과 공기극 (39) 측을 연통하고 있다.
따라서, 본 실시예 2 에서는, 상기 실시예 1 과 동일한 효과를 나타냄과 함께, 연료 가스의 리크뿐만 아니라, 공기의 리크도 방지할 수 있다. 따라서, 가스 유량을 양호한 정밀도로 조절할 수 있기 때문에, 보다 정밀하게 연료 전지 (1) 의 운전을 실시할 수 있다는 이점이 있다.
[실시예 3]
다음으로, 실시예 3 에 대하여 설명하는데, 상기 실시예 1 과 동일한 내용의 설명은 생략한다.
본 실시예 3 은, 실시예 1 과는 연료 전지의 가스 시일부의 구성이 상이하기 때문에, 가스 시일부에 대하여 설명한다. 또한, 그 밖의 구성에 대해서는, 상기 실시예 1 과 동일한 번호를 사용한다.
도 11 에 나타내는 바와 같이, 본 실시예 3 의 연료 전지 (1) 의 가스 시일부 (121) 는, 실시예 1 과 동일한 재료로 이루어지는 컴프레션 시일재 (123, 125) 와 유리 시일재 (127) 로 구성되어 있지만, 그 배치가 반대이다.
상세하게는, 실시예 1 에서 유리 시일재가 사용되는 장소, 즉, 연료 매니폴드인 제 2, 제 6 삽입 통과 구멍 (62, 66) 주위에, 환상의 컴프레션 시일재 (123, 125) 가 배치되어 있다. 또, 실시예 1 에서 컴프레션 시일재가 사용되는 장소에, 즉, 컴프레션 시일재 (123, 125) 주위를 둘러싸도록, 사각 프레임상의 유리 시일재 (127) 가 배치되어 있다.
따라서, 본 실시예 3 에서는, 상기 실시예 1 과 동일한 효과를 나타냄과 함께, 유리의 시일 부분이 많기 때문에, 가스 시일성이 우수하다는 이점이 있다.
[실시예 4]
다음으로, 실시예 4 에 대하여 설명하는데, 상기 실시예 1 과 동일한 내용의 설명은 생략한다.
본 실시예 4 는, 실시예 1 과는 연료 전지의 볼트 및 너트의 가스 시일 부분의 구성이 상이하기 때문에, 이 가스 시일 부분에 대하여 설명한다. 또한, 그 밖의 구성에 대해서는, 상기 실시예 1 과 동일한 번호를 사용한다.
a) 도 12 에 나타내는 바와 같이, 본 실시예 4 의 연료 전지 (1) 에서는, 실시예 1 과 동일한 구성의 연료 전지 스택 (5) 을 적층 방향으로 관통하도록, (실시예 1 과 동일하게) 복수의 볼트 (131) 가 배치되어 있다.
특히 본 실시예 4 에서는, 볼트 (131) 에 나사 결합하는 너트 (133) 와 일방 (동 도면 상방) 의 엔드 플레이트 (135) 사이에, 환상의 제 1 가스 시일부 (137) 가 형성되어 있고, 또한, 볼트 (131) 의 헤드부 (139) 와 타방 (동 도면 하방) 의 엔드 플레이트 (141) 사이에, (제 1 가스 시일부 (137) 와 동일한) 환상의 제 2 가스 시일부 (143) 가 형성되어 있다.
또한, 본 발명의 연료 전지를 구성하는 부재에는, 상기 (헤드부 (139) 를 포함한다) 볼트 (131), 너트 (133) 및 엔드 플레이트 (135, 141) 등이 포함되어 있다.
여기서, 볼트 (131) 가 삽입 통과되는 삽입 통과 구멍 (62, 66) 은, 상기 실시예 1 과 동일한 연료 매니폴드이지만, 상기 실시예 2 와 동일하게, 연료 매니폴드와 공기 매니폴드의 양방이어도 된다.
이 중, 제 1 가스 시일부 (137) 는, 볼트 (131) (및 삽입 통과 구멍 (62, 66)) 주위를 둘러싸도록 배치된 환상의 컴프레션 시일재 (147) 와, 컴프레션 시일재 (147) 주위를 둘러쌈과 함께, 너트 (133) 나 엔드 플레이트 (135) 에 접합한 환상의 유리 시일재 (149) 로 구성되어 있다.
동일하게, 제 2 가스 시일부 (143) 는, 볼트 (131) (및 제 2, 제 6 삽입 통과 구멍 (62, 66)) 주위를 둘러싸도록 배치된 환상의 컴프레션 시일재 (151) 와, 컴프레션 시일재 (151) 주위를 둘러쌈과 함께, 볼트 (131) 의 헤드부 (139) 나 엔드 플레이트 (141) 에 접합한 환상의 유리 시일재 (153) 로 구성되어 있다. 또한, 상기 유리 시일재 (149, 153) 로는, 예를 들어 상기 실시예 1 의 유리 시일재 (93) 와 동일한 재료 등을 사용할 수 있다.
b) 다음으로, 본 실시예 4 의 주요부인 제 1 가스 시일부 (137) 및 제 2 가스 시일부 (143) 에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.
도 13 에 나타내는 바와 같이, 본 실시예 4 의 연료 전지 (1) 에서는, 연료 매니폴드를 구성하는 제 2 삽입 통과 구멍 (62) 및 제 6 삽입 통과 구멍 (66) 의 일방 (동 도면 상방) 의 개구단 (개구부) (62a, 66a) 을 가스 시일하기 위하여, 제 1 가스 시일부 (137) 가 형성되고, 타방 (동 도면 하방) 의 개구단 (개구부) (62b, 66b) 을 가스 시일하기 위하여, 제 2 가스 시일부 (143) 가 형성되어 있다.
상세하게는, 제 1 가스 시일부 (137) 는, 도 13 의 상방의 일방의 엔드 플레이트 (135) 와 (연료 매니폴드인 제 2, 제 6 삽입 통과 구멍 (62, 66) 의 일방의 개구부 (62a, 66a) 측에 배치된) 각 너트 (133) 사이, 요컨대, 일방의 엔드 플레이트 (135) 의 상면 (135a) 과 각 너트 (133) 의 하면 (133a) 사이를 가스 시일하도록 형성되어 있다.
또한, 너트 (133) 는, 도 13 의 상방에서 보아 (평면에서 보아), 연료 매니폴드의 일방 (도 13 상방) 의 개구부 (62a, 66a) 를 덮도록 형성되어 있다.
동일하게, 제 2 가스 시일부 (143) 는, 도 13 의 하방의 타방의 엔드 플레이트 (141) 와 (연료 매니폴드인 제 2, 제 6 삽입 통과 구멍 (62, 66) 의 타방의 개구부 (62b, 66b) 측에 배치된) 각 볼트 (131) 의 헤드부 (139) 사이, 요컨대, 타방의 엔드 플레이트 (141) 의 하면 (141b) 과 각 볼트 (131) 의 헤드부 (139) 의 상면 (139b) 사이를 가스 시일하도록 형성되어 있다.
또한, 볼트 (131) 의 헤드부 (139) 는, 도 13 의 하방에서 보아 (평면에서 보아), 연료 매니폴드의 타방 (도 13 하방) 의 개구부 (62b, 66b) 를 덮도록 형성되어 있다.
이 중, 제 1 가스 시일부 (137) 는, 동일 평면 상에서 (도 13 의 상하 방향에서 보아 : 평면에서 보아), 각 볼트 (131) 의 축부 (150) (및 각 삽입 통과 구멍 (62, 66)) 주위를 둘러싸도록 배치된 환상의 컴프레션 시일재 (147) 와, 컴프레션 시일재 (147) 의 외측 주위를 둘러싸도록 배치된 (너트 (133) 나 엔드 플레이트 (135) 에 접합한) 환상의 유리 시일재 (149) 로 구성되어 있다.
구체적으로는, 볼트 (131) 중, 연료 전지 스택 (5) 으로부터 (도 13 의 상방으로) 돌출되는 부분의 직경 방향에 있어서의 주위에는, 그 주위를 외측 (외주측) 으로부터 둘러싸도록, 엔드 플레이트 (135) 및 너트 (133) 에 의해, 연료 전지 셀 (3) 의 적층 방향 (도 13 의 상하 방향) 으로부터 사이에 끼워짐과 함께, 연료 전지 셀 (3) 이 넓어지는 평면 (적층 방향과 수직의 평면) 을 따라, 컴프레션 시일재 (147) 와 유리 시일재 (149) 가 차례로 병렬로 배치되어 있다.
요컨대, 도 14 에 나타내는 바와 같이, 볼트 (131) 의 축 방향에서 보아 (평면에서 보아), 볼트 (131) 의 축부 (150) 주위를 둘러싸도록, 즉 축부 (150) 를 축 방향과 수직인 직경 방향으로부터 둘러싸도록, 컴프레션 시일재 (147) 와 유리 시일재 (149) 가 동심원상으로 배치되어 있다. 즉, 내측에 환상의 컴프레션 시일재 (147) 가 배치되고, 그 외주측을 모두 둘러싸도록, 환상의 유리 시일재 (149) 가 배치되어 있다.
도 13 으로 되돌아와, 동일하게, 제 2 가스 시일부 (143) 는, 동일 평면 상에서 (도 13 의 상하 방향에서 보아 : 평면에서 보아), 각 볼트 (131) 의 축부 (150) (및 각 삽입 통과 구멍 (62, 66)) 주위를 둘러싸도록 배치된 환상의 컴프레션 시일재 (151) 와, 컴프레션 시일재 (151) 의 외측 주위를 둘러싸도록 배치된 (각 볼트 (131) 의 헤드부 (139) 나 엔드 플레이트 (141) 에 접합한) 환상의 유리 시일재 (153) 로 구성되어 있다.
구체적으로는, 볼트 (131) 중, 연료 전지 스택 (5) 으로부터 (도 13 의 하방으로) 돌출되는 부분의 직경 방향에 있어서의 주위에는, 그 주위를 외측 (외주측) 으로부터 둘러싸도록, 엔드 플레이트 (141) 및 볼트 (131) 의 헤드부 (139) 에 의해, 연료 전지 셀 (3) 의 적층 방향으로부터 사이에 끼워짐과 함께, 연료 전지 셀 (3) 이 넓어지는 평면을 따라 컴프레션 시일재 (151) 와 유리 시일재 (153) 가 차례로 병렬로 배치되어 있다.
요컨대, 상기 도 14 에 나타내는 바와 같이, 볼트 (131) 의 축 방향에서 보아 (평면에서 보아), 볼트 (131) 의 축부 (150) 주위를 둘러싸도록, 즉 축부 (150) 를 축 방향과 수직인 직경 방향으로부터 둘러싸도록, 컴프레션 시일재 (151) 와 유리 시일재 (153) 가 동심원상으로 배치되어 있다. 즉, 내측에 환상의 컴프레션 시일재 (151) 가 배치되고, 그 외주측을 모두 둘러싸도록 환상의 유리 시일재 (153) 가 배치되어 있다.
상기 제 1, 제 2 가스 시일부 (137, 143) 에서는, 각 컴프레션 시일재 (147, 151) 는, 상기 가스 시일부 (45) 와 동일하게, 마이카로 이루어지는 시트상의 부재이며, 각 유리 시일재 (149, 153) 는 유리로 구성되어 있다. 또한, 양 컴프레션 시일재 (147, 151) 및 각 유리 시일재 (149, 153) 도 전기 절연성을 갖고 있다.
상세하게는, 각 컴프레션 시일재 (147, 151) 는, 외경 17 ㎜ × 내경 11 ㎜) 의 원환이며, 장착하기 전의 두께는 0.5 ㎜ 이고, 장착 후 (압축 후) 의 두께는 0.4 ㎜ 이다.
또, 각 유리 시일재 (149, 153) 는, 유리를 포함하는 (예를 들어 유리를 주성분으로 한다) 가스 봉지재이다. 여기서는, 상기 가스 시일부 (45) 와 동일하게, 예를 들어, 시판되는 결정화 유리의 프리폼 (예비 소결체) 을 사용할 수 있으며, 그 연화점은 예를 들어 770 ℃ 이다.
또, 이 유리 시일재 (149, 153) 로는, 열팽창 계수가 주위의 금속판 (예를 들어 페라이트계 스테인리스제) 의 열팽창 계수에 가까운 것, 예를 들어 열팽창 계수가 8 ∼ 14 × 10-6/K (20 ∼ 300 ℃) 가 바람직하고 (예를 들어 11 × 10-6/K (20 ∼ 300 ℃)), 예를 들어 SCHOTT 사 제조의 G018-311 을 사용할 수 있다.
또한, 연료 전지 (1) 의 운전 온도는, 예를 들어 700 ℃ 이지만, 제 1, 제 2 가스 시일부 (137, 143) 근방에서는 640 ℃ 정도이기 때문에, 유리 시일재 (149, 153) 로서, 운전시에 있어서의 상기 제 1, 제 2 가스 시일부 (137, 143) 의 온도보다 연화점이 높은 것이 사용된다. 또, 가스 시일부 (45) 의 유리 시일재 (93) 와, 제 1, 제 2 가스 시일부 (137, 143) 의 유리 시일재 (149, 153) 로서, 상이한 재료 (예를 들어 연화점이 상이한 재료) 를 사용해도 된다.
또한, 연료 가스가 흐르지 않는 제 1, 제 3, 제 4, 제 5, 제 7, 제 8 삽입 통과 구멍 (61, 63, 64, 65, 67, 68) 에 삽입 통과된 다른 볼트 (131) 및 그것들에 나사 결합하는 너트 (133) 에 대해서는, 가스 시일할 필요는 없기 때문에, 단순히, 스페이서로서 제 1, 제 2 가스 시일부 (137, 143) 에서 사용된 것과 동일한 환상의 마이카로 이루어지는 컴프레션 시일재 (도시 생략) 만이 사용되고 있다.
혹은, 공기 매니폴드에 대응하는 제 4, 제 8 삽입 통과 구멍 (64, 68) 의 개구부를, 연료 매니폴드와 동일하게 가스 시일하도록, 제 1, 제 2 가스 시일부 (137, 143) 와 동일한 구성의 가스 시일부 (도시 생략) 를 형성해도 된다.
또는, 제 1 ∼ 제 8 삽입 통과 구멍 (61 ∼ 68) 의 모든 개구부를 모두 가스 시일하도록, 제 1, 제 2 가스 시일부 (137, 143) 와 동일한 구성의 가스 시일부 (도시 생략) 를 형성해도 된다.
상기 서술한 구성, 예를 들어 제 1 가스 시일부 (137) 를 형성하는 경우에는, 도 14 에 나타내는 바와 같이, 볼트 (131) 주위에 환상의 컴프레션 시일재 (147) 를 배치함과 함께, 컴프레션 시일재 (147) 주위에 환상의 유리 시일재 (149) (가 되는 유리 재료) 를 배치한다.
그리고, 볼트 (131) 및 너트 (133) 를 조이고, 연료 전지 (1) 를 가압하여 장착한 후에, 가열에 의해 유리 시일재 (149, 153) 를 연화시켜 주위의 부재와 접합시키고, 그 후 냉각시킨다.
본 실시예 4 는, 상기 실시예 1 과 동일한 효과를 나타냄과 함께, 연료 전지 스택 (5) 과 너트 (133) 나 볼트 (131) 의 헤드부 (139) 의 간극으로부터 가스가 리크하는 것을 효과적으로 방지할 수 있다는 이점이 있다.
이상, 본 발명의 실시예에 대하여 설명했지만, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 여러 가지 양태를 채용할 수 있다.
(1) 예를 들어, 연료 전지 스택을 적층 방향으로 가압하는 방법으로는, 상기 서술한 볼트 및 너트의 나사 결합에 의한 조임 이외에, 예를 들어 적층 방향으로 하중을 가하도록 추를 싣는 방법, 스프링을 이용하여 적층 방향으로 가압하는 방법 등을 들 수 있다.
(2) 상기 볼트로는, 예를 들어 (내부에 공간이 없는) 중실 (中實) 의 볼트나, (예를 들어 축 방향을 따라 공간이 있는) 중공의 볼트 등을 채용할 수 있다.
또한, 각 연료 매니폴드나 공기 매니폴드와, 각 연료 매니폴드나 공기 매니폴드에 삽입 통과되는 각 볼트는, 각각 동축에 배치되어 있지 않아도 된다 (도시 생략). 또, 각 볼트는, 각 연료 매니폴드나 공기 매니폴드의 외부에 배치되어 있어도 된다 (도시 생략).
(3) 또, 본 발명은, 고체 산화물형 연료 전지 (SOFC) 에 한정되지 않고, 운전 온도역이 약 600 ℃ 이상인 고온 타입의 연료 전지, 예를 들어 용융 탄산염형 연료 전지 (MCFC) 등에 적용 가능하다.

Claims (7)

  1. 전해질층과, 그 전해질층의 일방의 면에 형성되어 연료 가스에 접하는 연료극과, 그 전해질층의 타방의 면에 형성되어 산화제 가스에 접하는 공기극을 갖는 판상의 연료 전지 셀이 복수 적층됨과 함께, 그 연료 전지 셀이 적층 방향으로부터 가압된 상태로 장착된 평판형의 연료 전지에 있어서,
    상기 연료 전지에는, 상기 연료 가스가 상기 연료극에 접하는 유로인 연료극측의 공간에 연통하는 연료 매니폴드 및 상기 산화제 가스가 상기 공기극에 접하는 유로인 공기극측의 공간에 연통하는 산화제 매니폴드 중 적어도 일방이, 상기 적층 방향으로 연장되도록 형성되어 있고,
    상기 연료 매니폴드 및 상기 산화제 매니폴드의 적어도 일방의 상기 적층 방향으로 연장되는 매니폴드 주위에는, 상기 연료 전지를 구성하는 부재에 의해 상기 적층 방향으로부터 사이에 끼워짐과 함께, 상기 적어도 일방의 매니폴드를 둘러싸도록, 상기 연료 전지 셀이 넓어지는 평면을 따라 컴프레션 시일재와 유리 시일재가 병렬로 배치되어 있고,
    상기 유리 시일재는, 상기 연료 전지의 운전 온도보다 높은 연화점을 갖고,
    상기 컴프레션 시일재는, 마이카 또는 버미큘라이트로 이루어지는 시트상의 부재인 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 일방의 상기 적층 방향으로 연장되는 매니폴드 주위에 환상으로 상기 유리 시일재가 배치됨과 함께, 그 유리 시일재의 외주측에 상기 컴프레션 시일재가 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 일방의 상기 적층 방향으로 연장되는 매니폴드 주위에 환상으로 상기 컴프레션 시일재가 배치됨과 함께, 그 컴프레션 시일재의 외주측에 상기 유리 시일재가 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 전지는, 볼트 조임에 의해 상기 적층 방향으로 가압되어 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 전지를 구성하는 부재는, 상기 연료극측의 공간과 상기 공기극측의 공간을 분리하는 세퍼레이터, 상기 연료 전지 셀을 구분함과 함께 각 연료 전지 셀 간의 도통을 확보하는 인터커넥터, 상기 연료 전지의 적층 방향의 단부를 구성하는 엔드 플레이트 중 적어도 1 종을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 컴프레션 시일재와 상기 유리 시일재는, 각 연료 전지 셀 간을 분리하는 인터커넥터 또는 상기 연료 전지의 적층측의 단부에 배치된 엔드 플레이트와, 상기 전해질층에 접합되어 상기 연료극측의 공간과 상기 공기극측의 공간을 분리하는 세퍼레이터 사이에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 기재된 연료 전지를 제조하는 연료 전지의 제조 방법에 있어서,
    상기 연료 전지를 구성하는 부재에 의해 상기 적층 방향에 있어서 사이에 끼워짐과 함께, 상기 적층 방향을 따라 형성된 상기 연료 매니폴드 및 상기 산화제 매니폴드의 적어도 일방의 주위를 둘러싸도록, 상기 컴프레션 시일재와 상기 유리 시일재가 되는 유리 재료를 동일 평면 상에 배치하는 제 1 공정과,
    상기 제 1 공정 후에, 상기 연료 전지의 적층 방향으로부터 압력을 가하여 상기 컴프레션 시일재를 가압하는 제 2 공정과,
    상기 제 2 공정 후에, 상기 유리 재료가 연화되는 온도 이상에서 가열하고, 그 후 냉각시킴으로써, 상기 유리 시일재를 형성함과 함께, 그 유리 시일재를 상기 연료 전지를 구성하는 부재에 접합하는 제 3 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 연료 전지의 제조 방법.
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