KR101964545B1

KR101964545B1 - 전기 화학 반응 단위 및 연료 전지 스택

Info

Publication number: KR101964545B1
Application number: KR1020177035007A
Authority: KR
Inventors: ?타 오하시; 노부유키 홋타; 히로아키 야기
Original assignee: 니뽄 도쿠슈 도교 가부시키가이샤
Priority date: 2015-06-10
Filing date: 2016-05-24
Publication date: 2019-04-01
Also published as: EP3309884A1; CN107636876A; US20180191003A1; CN107636876B; US10497949B2; KR20180003593A; EP3309884A4; WO2016199362A1; DK3309884T3; EP3309884B1; JP6442364B2; JP2017004760A

Abstract

열 사이클이나 히트 쇼크 등에 의해 유리 시일부에 크랙이 발생하는 것을 억제한다. 전기 화학 반응 단위는, 단셀과, 브레이징재를 포함하는 접합부를 통하여 단셀의 주연부와 접합된 세퍼레이터와, 세퍼레이터의 표면과 단셀의 표면의 양방에 접촉하여 공기실과 연료실 사이를 시일하는 유리 시일부를 구비한다. 세퍼레이터는, 제 1 방향과 직교하는 제 2 방향과 대략 평행한 제 1 평탄부와, 제 2 방향과 대략 평행한 제 2 평탄부와, 제 1 방향에 있어서의 위치가 제 1 평탄부 및 제 2 평탄부와는 상이한 부분을 포함하고, 제 1 평탄부와 제 2 평탄부를 연결하는 연결부를 구비한다.

Description

전기 화학 반응 단위 및 연료 전지 스택{ELECTRO-CHEMICAL REACTION UNIT AND FUEL CELL STACK}

본 명세서에 의해 개시되는 기술은, 전기 화학 반응 단위에 관한 것이다.

수소와 산소의 전기 화학 반응을 이용하여 발전을 실시하는 연료 전지의 종류의 하나로서, 고체 산화물을 함유하는 전해질층을 구비하는 고체 산화물형의 연료 전지 (이하, 「SOFC」라고도 한다) 가 알려져 있다. SOFC 발전의 최소 단위인 연료 전지 발전 단위 (이하, 간단히 「발전 단위」라고도 한다) 는, 연료 전지단셀 (이하, 간단히 「단셀」이라고도 한다) 과 세퍼레이터를 구비한다. 단셀은, 전해질층과, 전해질층을 사이에 두고 소정의 방향 (이하, 「배열 방향」이라고도 한다) 으로 서로 대향하는 공기극 및 연료극을 포함한다. 세퍼레이터에는 상기 배열 방향으로 관통하는 관통공이 형성되어 있고, 세퍼레이터에 있어서의 관통공을 둘러싸는 부분인 관통공 주위부가, 브레이징재 (brazing material) 를 포함하는 접합부를 통하여 단셀의 주연부와 접합됨으로써, 공기극에 면 (面) 하는 공기실과 연료극에 면하는 연료실이 구획된다.

상기 구성의 발전 단위에서는, 단셀과 세퍼레이터를 접합하는 접합부를 통하여, 공기실과 연료실 사이의 가스 리크 (크로스 리크) 가 발생할 우려가 있다. 이 크로스 리크를 억제하기 위해서, 세퍼레이터의 표면과 단셀의 표면의 양방에 접촉하여 공기실과 연료실 사이를 시일하는 유리 시일부가 형성된 구성이 알려져 있다 (예를 들어 특허문헌 1 참조).

일본 공개특허공보 2014-49321호

상기 종래의 구성에서는, 열 사이클이나 히트 쇼크 등에 의해 세퍼레이터가 상기 배열 방향과 직교하는 방향 (이하, 「면 방향」이라고도 한다) 으로 변형되면, 취성 부재인 유리 시일부에 과대한 응력이 발생하여, 유리 시일부에 크랙 (균열) 이 발생하는 경우가 있다.

또한, 이와 같은 과제는, 물의 전기 분해 반응을 이용하여 수소의 생성을 실시하는 고체 산화물형의 전해 셀 (이하, 「SOEC」라고도 한다) 의 최소 단위인 전해 셀 단위에도 공통의 과제이다. 또한, 본 명세서에서는, 발전 단위와 전해 셀 단위를 통합하여 전기 화학 반응 단위라고 부른다. 또, 이와 같은 과제는, SOFC 나 SOEC 에 한정되지 않고, 다른 타입의 전기 화학 반응 단위에도 공통의 과제이다.

본 명세서에서는, 상기 서술한 과제를 해결하는 것이 가능한 기술을 개시한다.

본 명세서에 개시되는 기술은, 예를 들어, 이하의 형태로서 실현하는 것이 가능하다.

(1) 본 명세서에 개시되는 전기 화학 반응 단위는, 전해질층과, 상기 전해질층을 사이에 두고 제 1 방향으로 서로 대향하는 공기극 및 연료극을 포함하는 단셀과, 상기 제 1 방향으로 관통하는 관통공을 둘러싸는 부분인 관통공 주위부가, 브레이징재를 포함하는 접합부를 통하여 상기 단셀의 주연부와 접합되고, 상기 공기극에 면하는 공기실과 상기 연료극에 면하는 연료실을 구획하는 세퍼레이터와, 유리를 포함하고, 상기 세퍼레이터의 표면과 상기 단셀의 표면의 양방에 접촉하여 상기 공기실과 상기 연료실 사이를 시일하는 유리 시일부를 구비하는 전기 화학 반응 단위에 있어서, 상기 세퍼레이터는, 상기 관통공 주위부를 포함하고, 상기 제 1 방향과 직교하는 제 2 방향과 대략 평행한 제 1 평탄부와, 상기 제 2 방향과 대략 평행한 제 2 평탄부와, 상기 제 1 방향에 있어서의 위치가 상기 제 1 평탄부 및 상기 제 2 평탄부와는 상이한 부분을 포함하고, 상기 제 1 평탄부와 상기 제 2 평탄부를 연결하는 연결부를 구비하는 것을 특징으로 한다. 본 전기 화학 반응 단위에 의하면, 세퍼레이터의 연결부가 제 2 방향으로 용이하게 신축하는 스프링과 같이 기능하여, 세퍼레이터가 연결부의 위치에서 제 2 방향으로 변형되기 쉽기 때문에, 열 사이클이나 히트 쇼크 등에 의해 세퍼레이터를 제 2 방향으로 변형시키는 하중이 가해지면, 세퍼레이터가 주로 연결부의 위치에서 제 2 방향으로 변형되고, 그 결과, 상기 하중에 의해 유리 시일부에 발생하는 응력이 완화되어, 유리 시일부에 크랙이 발생하는 것을 억제할 수 있다.

(2) 상기 전기 화학 반응 단위에 있어서, 상기 접합부 중, 상기 제 1 방향에 있어서 상기 세퍼레이터 및 상기 단셀과 겹치는 유효 접합부의 상기 제 2 방향에 있어서의 길이 L (㎜) 과, 상기 연결부의 상기 제 1 방향에 있어서의 높이 H (㎜) 는, L ＞ 3, 또한, H·L ≥ 0.5 라는 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 구성으로 해도 된다. 본 전기 화학 반응 단위에 의하면, 유효 접합부의 길이 L 을 어느 정도 크게 함으로써, 유효 접합부의 단위 길이당의 응력을 작게 할 수 있고, 유리 시일부의 응력을 보다 효과적으로 완화시켜, 유리 시일부에 크랙이 발생하는 것을 보다 효과적으로 억제할 수 있으며, 또, 유효 접합부의 길이 L 과 연결부의 높이 H 의 곱 H·L 을 어느 정도 크게 함으로써, 연결부의 높이 H 를, 유효 접합부의 길이 L 에 따라 필요시되는 응력 완화 기능을 발휘시키기에 충분한 값으로 할 수 있다.

(3) 상기 전기 화학 반응 단위에 있어서, 0.1 ≤ H ≤ 0.6 이라는 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 구성으로 해도 된다. 본 전기 화학 반응 단위에 의하면, 연결부의 높이 H 를 상한치 이하로 함으로써 연결부와 가스 유로의 간섭을 최소한으로 하면서, 연결부의 높이 H 를 하한치 이상으로 함으로써 연결부에 의한 유리 시일부의 응력 완화 효과를 확보할 수 있다.

(4) 상기 전기 화학 반응 단위에 있어서, 상기 세퍼레이터의 상기 제 1 방향에 있어서의 두께 t (㎜) 는, t ≤ 0.2 라는 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 구성으로 해도 된다. 본 전기 화학 반응 단위에 의하면, 세퍼레이터의 두께 t 를 상한치 이하로 함으로써 연결부의 스프링성을 확보하여 연결부에 의한 유리 시일부의 응력 완화 효과를 확보할 수 있다.

(5) 상기 전기 화학 반응 단위에 있어서, 상기 연결부의 상기 제 1 방향에 있어서의 높이 H (㎜) 와, 상기 세퍼레이터의 상기 제 1 방향에 있어서의 두께 t (㎜) 는, H ＞ t 라는 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 구성으로 해도 된다. 본 전기 화학 반응 단위에 의하면, 연결부의 높이 H 를 세퍼레이터의 두께 t 보다 크게 함으로써, 연결부에 의한 유리 시일부의 응력 완화 효과를 확보할 수 있다.

(6) 상기 전기 화학 반응 단위에 있어서, 상기 전해질층은, 고체 산화물을 함유하는 것을 특징으로 하는 구성으로 해도 된다. 본 전기 화학 반응 단위에 의하면, 세퍼레이터가 연결부를 구비함으로써, 유리 시일부에 크랙이 발생하는 것을 억제할 수 있는 것에 더하여, 취성 부재인 전해질층에 크랙이 발생하는 것도 억제할 수 있다.

(7) 상기 전기 화학 반응 단위에 있어서, 상기 제 1 평탄부와 상기 제 2 평탄부의 상기 제 1 방향에 있어서의 위치는, 서로 거의 동일한 것을 특징으로 하는 구성으로 해도 된다. 본 전기 화학 반응 단위에 의하면, 전기 화학 반응 단위의 제 1 방향에 있어서의 높이를 억제하면서, 유리 시일부에 크랙이 발생하는 것을 억제할 수 있다.

또한, 본 명세서에 개시되는 기술은, 여러 가지 형태로 실현되는 것이 가능하고, 예를 들어, 전기 화학 반응 단위 (연료 전지 발전 단위 또는 전해 셀 단위), 복수의 전기 화학 반응 단위를 구비하는 전기 화학 반응 셀 스택 (연료 전지 스택 또는 전해 셀 스택), 그것들의 제조 방법 등의 형태로 실현하는 것이 가능하다.

도 1 은, 본 실시형태에 있어서의 연료 전지 스택 (100) 의 외관 구성을 나타내는 사시도이다.
도 2 는, 도 1 의 Ⅱ-Ⅱ 의 위치에 있어서의 연료 전지 스택 (100) 의 XZ 단면 구성을 나타내는 설명도이다.
도 3 은, 도 1 의 Ⅲ-Ⅲ 의 위치에 있어서의 연료 전지 스택 (100) 의 YZ 단면 구성을 나타내는 설명도이다.
도 4 는, 도 2 에 나타내는 단면과 동일한 위치에 있어서의 서로 인접하는 2 개의 발전 단위 (102) 의 XZ 단면 구성을 나타내는 설명도이다.
도 5 는, 도 3 에 나타내는 단면과 동일한 위치에 있어서의 서로 인접하는 2 개의 발전 단위 (102) 의 YZ 단면 구성을 나타내는 설명도이다.
도 6 은, 세퍼레이터 (120) 의 상세 구성을 나타내는 설명도이다.
도 7 은, 성능 평가 결과를 표 형식으로 나타내는 설명도이다.
도 8 은, 성능 평가 결과를 그래프로 나타내는 설명도이다.
도 9 는, 레이저 형상 측정 장치 (LS) 를 이용한 연결부 높이 H 의 측정 방법을 나타내는 설명도이다.
도 10 은, 측정 결과의 보정 처리의 방법을 나타내는 설명도이다.
도 11 은, 측정 결과의 보정 처리의 방법을 나타내는 설명도이다.

A. 실시형태 :

A-1. 구성 :

(연료 전지 스택 (100) 의 구성)

도 1 은, 본 실시형태에 있어서의 연료 전지 스택 (100) 의 외관 구성을 나타내는 사시도이고, 도 2 는, 도 1 의 Ⅱ-Ⅱ 의 위치에 있어서의 연료 전지 스택 (100) 의 XZ 단면 구성을 나타내는 설명도이며, 도 3 은, 도 1 의 Ⅲ-Ⅲ 의 위치에 있어서의 연료 전지 스택 (100) 의 YZ 단면 구성을 나타내는 설명도이다. 각 도면에는, 방향을 특정하기 위한 서로 직교하는 XYZ 축이 나타나 있다. 본 명세서에서는, 편의적으로, Z 축 정 (正) 방향을 상방향이라고 부르고, Z 축 부 (負) 방향을 하방향이라고 부르는 것으로 하지만, 연료 전지 스택 (100) 은 실제로는 그러한 방향과는 상이한 방향에서 설치되어도 된다. 도 4 이후에 대해서도 동일하다.

연료 전지 스택 (100) 은, 복수의 (본 실시형태에서는 7 개의) 발전 단위 (102) 와, 1 쌍의 엔드 플레이트 (104, 106) 를 구비한다. 7 개의 발전 단위 (102) 는, 소정의 배열 방향 (본 실시형태에서는 상하 방향 (Z 축 방향)) 으로 나열하여 배치되어 있다. 1 쌍의 엔드 플레이트 (104, 106) 는, 7 개의 발전 단위 (102) 로 구성되는 집합체를 상하로부터 사이에 두도록 배치되어 있다. 또한, 상기 배열 방향 (상하 방향) 은, 특허 청구의 범위에 있어서의 제 1 방향에 상당한다.

연료 전지 스택 (100) 을 구성하는 각 층 (발전 단위 (102), 엔드 플레이트 (104, 106)) 의 Z 방향 둘레의 주연부에는, 상하 방향으로 관통하는 복수의 (본 실시형태에서는 8 개의) 구멍이 형성되어 있고, 각 층에 형성되어 서로 대응하는 구멍끼리가 상하 방향으로 연통하여, 일방의 엔드 플레이트 (104) 로부터 타방의 엔드 플레이트 (106) 에 걸쳐 상하 방향으로 연장되는 연통공 (108) 을 구성하고 있다. 이하의 설명에서는, 연통공 (108) 을 구성하기 위해 연료 전지 스택 (100) 의 각 층에 형성된 구멍도 연통공 (108) 이라고 부르는 경우가 있다.

각 연통공 (108) 에는 상하 방향으로 연장되는 볼트 (22) 가 삽입되어 있고, 볼트 (22) 와 볼트 (22) 의 양측에 끼워진 너트 (24) 에 의해, 연료 전지 스택 (100) 은 체결되어 있다. 또한, 도 2 및 도 3 에 나타내는 바와 같이, 볼트 (22) 의 일방의 측 (상측) 에 끼워진 너트 (24) 와 연료 전지 스택 (100) 의 상단을 구성하는 엔드 플레이트 (104) 의 상측 표면 사이, 및, 볼트 (22) 의 타방의 측 (하측) 에 끼워진 너트 (24) 와 연료 전지 스택 (100) 의 하단을 구성하는 엔드 플레이트 (106) 의 하측 표면 사이에는, 절연 시트 (26) 가 개재되어 있다. 단, 후술하는 가스 통로 부재 (27) 가 형성된 지점에서는, 너트 (24) 와 엔드 플레이트 (106) 표면 사이에, 가스 통로 부재 (27) 와 가스 통로 부재 (27) 의 상측 및 하측의 각각에 배치된 절연 시트 (26) 가 개재되어 있다. 절연 시트 (26) 는, 예를 들어 마이카 시트나, 세라믹 섬유 시트, 세라믹 압분 시트, 유리 시트, 유리 세라믹 복합제 등에 의해 구성된다.

각 볼트 (22) 의 축부의 외경은 각 연통공 (108) 의 내경보다 작다. 그 때문에, 각 볼트 (22) 의 축부의 외주면과 각 연통공 (108) 의 내주면 사이에는 공간이 확보되어 있다. 도 1 및 도 2 에 나타내는 바와 같이, 연료 전지 스택 (100) 의 Z 방향 둘레의 외주에 있어서의 1 개의 변 (Y 축과 평행한 2 개의 변 중의 X 축 정방향측의 변) 의 중점 부근에 위치하는 볼트 (22) (볼트 (22A)) 와, 그 볼트 (22A) 가 삽입된 연통공 (108) 에 의해 형성된 공간은, 연료 전지 스택 (100) 의 외부로부터 산화제 가스 (OG) 가 도입되고, 그 산화제 가스 (OG) 를 각 발전 단위 (102) 에 공급하는 가스 유로인 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 로서 기능하고, 그 변의 반대측의 변 (Y 축과 평행한 2 개의 변 중의 X 축 부방향측의 변) 의 중점 부근에 위치하는 볼트 (22) (볼트 (22B)) 와, 그 볼트 (22B) 가 삽입된 연통공 (108) 에 의해 형성된 공간은, 각 발전 단위 (102) 로부터 배출된 미반응의 산화제 가스 (OG) 인 산화제 오프 가스 (OOG) 를 연료 전지 스택 (100) 의 외부로 배출하는 산화제 가스 배출 매니폴드 (162) 로서 기능한다. 또한, 본 실시형태에서는, 산화제 가스 (OG) 로서 예를 들어 공기가 사용된다.

또, 도 1 및 도 3 에 나타내는 바와 같이, 연료 전지 스택 (100) 의 Z 방향 둘레의 외주에 있어서의 1 개의 변 (X 축과 평행한 2 개의 변 중의 Y 축 정방향측의 변) 의 중점 부근에 위치하는 볼트 (22) (볼트 (22D)) 와, 그 볼트 (22D) 가 삽입된 연통공 (108) 에 의해 형성된 공간은, 연료 전지 스택 (100) 의 외부로부터 연료 가스 (FG) 가 도입되고, 그 연료 가스 (FG) 를 각 발전 단위 (102) 에 공급하는 연료 가스 도입 매니폴드 (171) 로서 기능하고, 그 변의 반대측의 변 (X 축과 평행한 2 개의 변 중의 Y 축 부방향측의 변) 의 중점 부근에 위치하는 볼트 (22) (볼트 (22E)) 와, 그 볼트 (22E) 가 삽입된 연통공 (108) 에 의해 형성된 공간은, 각 발전 단위 (102) 로부터 배출된 미반응의 연료 가스 (FG) 나 연료 가스 (FG) 의 발전 후의 가스를 함유하는 연료 오프 가스 (FOG) 를 연료 전지 스택 (100) 의 외부로 배출하는 연료 가스 배출 매니폴드 (172) 로서 기능한다. 또한, 본 실시형태에서는, 연료 가스 (FG) 로서, 예를 들어 도시 가스를 개질한 수소 리치한 가스가 사용된다.

연료 전지 스택 (100) 에는, 4 개의 가스 통로 부재 (27) 가 형성되어 있다. 각 가스 통로 부재 (27) 는, 중공 통형상의 본체부 (28) 와, 본체부 (28) 의 측면으로부터 분기된 중공 통형상의 분기부 (29) 를 갖고 있다. 분기부 (29) 의 구멍은 본체부 (28) 의 구멍과 연통하고 있다. 각 가스 통로 부재 (27) 의 분기부 (29) 에는, 가스 배관 (도시 생략) 이 접속된다. 또, 도 2 에 나타내는 바와 같이, 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 를 형성하는 볼트 (22A) 의 위치에 배치된 가스 통로 부재 (27) 의 본체부 (28) 의 구멍은, 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 에 연통하고 있고, 산화제 가스 배출 매니폴드 (162) 를 형성하는 볼트 (22B) 의 위치에 배치된 가스 통로 부재 (27) 의 본체부 (28) 의 구멍은, 산화제 가스 배출 매니폴드 (162) 에 연통하고 있다. 또, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 연료 가스 도입 매니폴드 (171) 를 형성하는 볼트 (22D) 의 위치에 배치된 가스 통로 부재 (27) 의 본체부 (28) 의 구멍은, 연료 가스 도입 매니폴드 (171) 에 연통하고 있고, 연료 가스 배출 매니폴드 (172) 를 형성하는 볼트 (22E) 의 위치에 배치된 가스 통로 부재 (27) 의 본체부 (28) 의 구멍은, 연료 가스 배출 매니폴드 (172) 에 연통하고 있다.

(엔드 플레이트 (104, 106) 의 구성)

1 쌍의 엔드 플레이트 (104, 106) 는, 사각형의 평판 형상의 도전성 부재이고, 예를 들어 스테인리스에 의해 형성되어 있다. 일방의 엔드 플레이트 (104) 는, 가장 위에 위치하는 발전 단위 (102) 의 상측에 배치되고, 타방의 엔드 플레이트 (106) 는, 가장 아래에 위치하는 발전 단위 (102) 의 하측에 배치되어 있다. 1 쌍의 엔드 플레이트 (104, 106) 에 의해 복수의 발전 단위 (102) 가 가압된 상태로 협지되어 있다. 상측의 엔드 플레이트 (104) 는, 연료 전지 스택 (100) 의 플러스측의 출력 단자로서 기능하고, 하측의 엔드 플레이트 (106) 는, 연료 전지 스택 (100) 의 마이너스측의 출력 단자로서 기능한다.

(발전 단위 (102) 의 구성)

도 4 는, 도 2 에 나타내는 단면과 동일한 위치에 있어서의 서로 인접하는 2 개의 발전 단위 (102) 의 XZ 단면 구성을 나타내는 설명도이고, 도 5 는, 도 3 에 나타내는 단면과 동일한 위치에 있어서의 서로 인접하는 2 개의 발전 단위 (102) 의 YZ 단면 구성을 나타내는 설명도이다.

도 4 및 도 5 에 나타내는 바와 같이, 발전의 최소 단위인 발전 단위 (102) 는, 단셀 (110) 과, 세퍼레이터 (120) 와, 공기극측 프레임 (130) 과, 공기극측 집전체 (134) 와, 연료극측 프레임 (140) 과, 연료극측 집전체 (144) 와, 발전 단위 (102) 의 최상층 및 최하층을 구성하는 1 쌍의 인터커넥터 (150) 를 구비하고 있다. 세퍼레이터 (120), 공기극측 프레임 (130), 연료극측 프레임 (140), 인터커넥터 (150) 에 있어서의 Z 방향 둘레의 주연부에는, 상기 서술한 볼트 (22) 가 삽입되는 연통공 (108) 에 대응하는 구멍이 형성되어 있다.

인터커넥터 (150) 는, 사각형의 평판 형상의 도전성 부재이고, 예를 들어 페라이트계 스테인리스에 의해 형성되어 있다. 인터커넥터 (150) 는, 발전 단위 (102) 간의 전기적 도통을 확보함과 함께, 발전 단위 (102) 간에서의 반응 가스의 혼합을 방지한다. 또한, 본 실시형태에서는, 2 개의 발전 단위 (102) 가 인접하여 배치되어 있는 경우, 1 개의 인터커넥터 (150) 는, 인접하는 2 개의 발전 단위 (102) 에 공유되어 있다. 즉, 어느 발전 단위 (102) 에 있어서의 상측의 인터커넥터 (150) 는, 그 발전 단위 (102) 의 상측에 인접하는 다른 발전 단위 (102) 에 있어서의 하측의 인터커넥터 (150) 와 동일 부재이다. 또, 연료 전지 스택 (100) 은 1 쌍의 엔드 플레이트 (104, 106) 를 구비하고 있기 때문에, 연료 전지 스택 (100) 에 있어서 가장 위에 위치하는 발전 단위 (102) 는 상측의 인터커넥터 (150) 를 구비하고 있지 않고, 가장 아래에 위치하는 발전 단위 (102) 는 하측의 인터커넥터 (150) 를 구비하고 있지 않다 (도 2 및 도 3 참조).

단셀 (110) 은, 전해질층 (112) 과, 전해질층 (112) 을 사이에 두고 상하 방향 (발전 단위 (102) 가 나열되는 배열 방향) 으로 서로 대향하는 공기극 (캐소드) (114) 및 연료극 (애노드) (116) 을 구비한다. 또한, 본 실시형태의 단셀 (110) 은, 연료극 (116) 으로 전해질층 (112) 및 공기극 (114) 을 지지하는 연료극 지지형의 단셀이다. 또한, 본 실시형태에서는, 단셀 (110) 의 외주의 1 변의 길이는, 100 ㎜ 내지 250 ㎜ 정도이다.

전해질층 (112) 은, 사각형의 평판 형상 부재이고, 예를 들어, YSZ (이트리아 안정화 지르코니아), ScSZ (스칸디아 안정화 지르코니아), SDC (사마륨 도프 세리아), GDC (가돌리늄 도프 세리아), 페로브스카이트형 산화물 등의 고체 산화물에 의해 형성되어 있다. 공기극 (114) 은, 사각형의 평판 형상 부재이고, 예를 들어, 페로브스카이트형 산화물 (예를 들어 LSCF (란탄스트론튬코발트철 산화물), LSM (란탄스트론튬망간 산화물), LNF (란탄니켈철)) 에 의해 형성되어 있다. 연료극 (116) 은, 사각형의 평판 형상 부재이고, 예를 들어, Ni (니켈), Ni 와 세라믹 입자로 이루어지는 서멧, Ni 기 합금 등에 의해 형성되어 있다. 이와 같이, 본 실시형태의 단셀 (110) (발전 단위 (102)) 은, 전해질로서 고체 산화물을 사용하는 고체 산화물형 연료 전지 (SOFC) 이다.

세퍼레이터 (120) 는, 중앙 부근에 상하 방향으로 관통하는 사각형의 구멍 (121) 이 형성된 프레임상의 부재이고, 예를 들어 페라이트계 금속에 의해 형성되어 있다. 세퍼레이터 (120) 에 있어서의 구멍 (121) 을 둘러싸는 부분인 관통공 주위부 (122) (도 6 참조) 는, 단셀 (110) 을 구성하는 전해질층 (112) 에 있어서의 공기극 (114) 측의 표면의 주연부에 대향하고 있다. 세퍼레이터 (120) 는, 관통공 주위부 (122) 에 배치된 브레이징재 (예를 들어 Ag 브레이징재) 를 함유하는 접합부 (124) 에 의해, 전해질층 (112) (단셀 (110)) 과 접합되어 있다. 세퍼레이터 (120) 에 의해, 공기극 (114) 에 면하는 공기실 (166) 과 연료극 (116) 에 면하는 연료실 (176) 이 구획된다. 세퍼레이터 (120) 가 접합된 단셀 (110) 을 세퍼레이터가 형성된 단셀이라고도 한다. 세퍼레이터 (120) 에 형성된 구멍 (121) 은, 특허 청구의 범위에 있어서의 관통공에 상당한다. 또한, 세퍼레이터 (120) 가 알루미늄 함유 금속에 의해 형성되어 있으면, 세퍼레이터 (120) 의 공기극 (114) 측에 산화 피막이 형성되어, 세퍼레이터 (120) 가 단셀 (110) 의 성능을 저하시키는 불순물의 발생원이 되는 것이 방지되기 때문에, 바람직하다.

접합부 (124) 에 대해 공기실 (166) 측에는, 유리를 함유하는 유리 시일부 (125) 가 배치되어 있다. 유리 시일부 (125) 는, 세퍼레이터 (120) 의 관통공 주위부 (122) 의 표면과, 단셀 (110) (본 실시형태에서는 단셀 (110) 을 구성하는 전해질층 (112)) 의 표면의 양방에 접촉하도록 형성되어 있다. 유리 시일부 (125) 에 의해, 공기실 (166) 과 연료실 (176) 사이의 가스 리크 (크로스 리크) 가 효과적으로 억제된다.

또한, 본 실시형태에서는, 접합부 (124) 가, 세퍼레이터 (120) 와 단셀 (110) 이 대향하는 영역으로부터 공기실 (166) 측으로 돌출되도록 형성되어 있고, 유리 시일부 (125) 는, 접합부 (124) 에 있어서의 상기 돌출된 지점에 접하도록 형성되어 있다. 즉, 접합부 (124) 의 일부는, 유리 시일부 (125) 에 의해 덮여 있다. 또, 본 실시형태에서는, 유리 시일부 (125) 가, 세퍼레이터 (120) 에 있어서의 단셀 (110) 에 대향하는 측과는 반대측 (상측) 의 표면을 덮고 있고, 유리 시일부 (125) 와 접합부 (124) 가 세퍼레이터 (120) 를 사이에 두고 배열 방향으로 서로 대향하고 있다.

공기극측 프레임 (130) 은, 중앙 부근에 상하 방향으로 관통하는 사각형의 구멍 (131) 이 형성된 프레임상의 부재이고, 예를 들어, 마이카 등의 절연체에 의해 형성되어 있다. 공기극측 프레임 (130) 의 구멍 (131) 은, 공기극 (114) 에 면하는 공기실 (166) 을 구성한다. 공기극측 프레임 (130) 은, 세퍼레이터 (120) 에 있어서의 전해질층 (112) 에 대향하는 측과는 반대측의 표면의 주연부와, 인터커넥터 (150) 에 있어서의 공기극 (114) 에 대향하는 측의 표면의 주연부에 접촉하고 있다. 또, 공기극측 프레임 (130) 에 의해, 발전 단위 (102) 에 포함되는 1 쌍의 인터커넥터 (150) 사이가 전기적으로 절연된다. 또, 공기극측 프레임 (130) 에는, 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 와 공기실 (166) 을 연통하는 산화제 가스 공급 연통공 (132) 과, 공기실 (166) 과 산화제 가스 배출 매니폴드 (162) 를 연통하는 산화제 가스 배출 연통공 (133) 이 형성되어 있다.

연료극측 프레임 (140) 은, 중앙 부근에 상하 방향으로 관통하는 사각형의 구멍 (141) 이 형성된 프레임상의 부재이고, 예를 들어, 금속에 의해 형성되어 있다. 연료극측 프레임 (140) 의 구멍 (141) 은, 연료극 (116) 에 면하는 연료실 (176) 을 구성한다. 연료극측 프레임 (140) 은, 세퍼레이터 (120) 에 있어서의 전해질층 (112) 에 대향하는 측의 표면의 주연부와, 인터커넥터 (150) 에 있어서의 연료극 (116) 에 대향하는 측의 표면의 주연부에 접촉하고 있다. 또, 연료극측 프레임 (140) 에는, 연료 가스 도입 매니폴드 (171) 와 연료실 (176) 을 연통하는 연료 가스 공급 연통공 (142) 과, 연료실 (176) 과 연료 가스 배출 매니폴드 (172) 를 연통하는 연료 가스 배출 연통공 (143) 이 형성되어 있다.

연료극측 집전체 (144) 는, 연료실 (176) 내에 배치되어 있다. 연료극측 집전체 (144) 는, 인터커넥터 대향부 (146) 와, 전극 대향부 (145) 와, 전극 대향부 (145) 와 인터커넥터 대향부 (146) 를 연결하는 연접부 (147) 를 구비하고 있고, 예를 들어, 니켈이나 니켈 합금, 스테인리스 등에 의해 형성되어 있다. 전극 대향부 (145) 는, 연료극 (116) 에 있어서의 전해질층 (112) 에 대향하는 측과는 반대측의 표면에 접촉하고, 인터커넥터 대향부 (146) 는, 인터커넥터 (150) 에 있어서의 연료극 (116) 에 대향하는 측의 표면에 접촉한다. 그 때문에, 연료극측 집전체 (144) 는, 연료극 (116) 과 인터커넥터 (150) 를 전기적으로 접속한다. 또한, 전극 대향부 (145) 와 인터커넥터 대향부 (146) 사이에는, 예를 들어 마이카에 의해 형성된 스페이서 (149) 가 배치되어 있다. 그 때문에, 연료극측 집전체 (144) 가 온도 사이클이나 반응 가스 압력 변동에 의한 발전 단위 (102) 의 변형에 추종하여, 연료극측 집전체 (144) 를 통한 연료극 (116) 과 인터커넥터 (150) 의 전기적 접속이 양호하게 유지된다.

공기극측 집전체 (134) 는, 공기실 (166) 내에 배치되어 있다. 공기극측 집전체 (134) 는, 복수의 사각 기둥상의 집전체 요소 (135) 로 구성되어 있고, 예를 들어, 페라이트계 스테인리스에 의해 형성되어 있다. 공기극측 집전체 (134) 는, 공기극 (114) 에 있어서의 전해질층 (112) 에 대향하는 측과는 반대측의 표면과, 인터커넥터 (150) 에 있어서의 공기극 (114) 에 대향하는 측의 표면에 접촉함으로써, 공기극 (114) 과 인터커넥터 (150) 를 전기적으로 접속한다. 또한, 공기극측 집전체 (134) 와 인터커넥터 (150) 가 일체의 부재로서 형성되어 있어도 된다.

A-2. 연료 전지 스택 (100) 의 동작 :

도 2 및 도 4 에 나타내는 바와 같이, 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 의 위치에 형성된 가스 통로 부재 (27) 의 분기부 (29) 에 접속된 가스 배관 (도시 생략) 을 통하여 산화제 가스 (OG) 가 공급되면, 산화제 가스 (OG) 는, 가스 통로 부재 (27) 의 분기부 (29) 및 본체부 (28) 의 구멍을 통하여 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 에 공급되고, 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 로부터 각 발전 단위 (102) 의 산화제 가스 공급 연통공 (132) 을 통하여, 공기실 (166) 에 공급된다. 또, 도 3 및 도 5 에 나타내는 바와 같이, 연료 가스 도입 매니폴드 (171) 의 위치에 형성된 가스 통로 부재 (27) 의 분기부 (29) 에 접속된 가스 배관 (도시 생략) 을 통하여 연료 가스 (FG) 가 공급되면, 연료 가스 (FG) 는, 가스 통로 부재 (27) 의 분기부 (29) 및 본체부 (28) 의 구멍을 통하여 연료 가스 도입 매니폴드 (171) 에 공급되고, 연료 가스 도입 매니폴드 (171) 로부터 각 발전 단위 (102) 의 연료 가스 공급 연통공 (142) 을 통하여, 연료실 (176) 에 공급된다.

각 발전 단위 (102) 의 공기실 (166) 에 산화제 가스 (OG) 가 공급되고, 연료실 (176) 에 연료 가스 (FG) 가 공급되면, 단셀 (110) 에 있어서 산화제 가스 (OG) 및 연료 가스 (FG) 의 전기 화학 반응에 의한 발전이 실시된다. 이 발전 반응은 발열 반응이다. 각 발전 단위 (102) 에 있어서, 단셀 (110) 의 공기극 (114) 은 공기극측 집전체 (134) 를 개재하여 일방의 인터커넥터 (150) 에 전기적으로 접속되고, 연료극 (116) 은 연료극측 집전체 (144) 를 개재하여 타방의 인터커넥터 (150) 에 전기적으로 접속되어 있다. 또, 연료 전지 스택 (100) 에 포함되는 복수의 발전 단위 (102) 는, 전기적으로 직렬로 접속되어 있다. 그 때문에, 연료 전지 스택 (100) 의 출력 단자로서 기능하는 엔드 플레이트 (104, 106) 로부터, 각 발전 단위 (102) 에 있어서 생성된 전기 에너지가 취출된다. 또한, SOFC 는, 비교적 고온 (예를 들어 700 ℃ 내지 1000 ℃) 에서 발전이 실시되므로, 기동 후, 발전에 의해 발생하는 열로 고온을 유지할 수 있는 상태가 될 때까지, 연료 전지 스택 (100) 이 가열기 (도시 생략) 에 의해 가열되어도 된다.

각 발전 단위 (102) 의 공기실 (166) 로부터 배출된 산화제 오프 가스 (OOG) 는, 도 2 및 도 4 에 나타내는 바와 같이, 산화제 가스 배출 연통공 (133) 을 통하여 산화제 가스 배출 매니폴드 (162) 에 배출되고, 다시 산화제 가스 배출 매니폴드 (162) 의 위치에 형성된 가스 통로 부재 (27) 의 본체부 (28) 및 분기부 (29) 의 구멍을 거쳐, 당해 분기부 (29) 에 접속된 가스 배관 (도시 생략) 을 통하여 연료 전지 스택 (100) 의 외부로 배출된다. 또, 각 발전 단위 (102) 의 연료실 (176) 로부터 배출된 연료 오프 가스 (FOG) 는, 도 3 및 도 5 에 나타내는 바와 같이, 연료 가스 배출 연통공 (143) 을 통하여 연료 가스 배출 매니폴드 (172) 에 배출되고, 다시 연료 가스 배출 매니폴드 (172) 의 위치에 형성된 가스 통로 부재 (27) 의 본체부 (28) 및 분기부 (29) 의 구멍을 거쳐, 당해 분기부 (29) 에 접속된 가스 배관 (도시되지 않음) 을 통하여 연료 전지 스택 (100) 의 외부로 배출된다.

A-3. 세퍼레이터 (120) 의 상세 구성 :

도 6 은, 세퍼레이터 (120) 의 상세 구성을 나타내는 설명도이다. 도 6 에는, 도 4 의 Px 부의 구성이 확대되어 나타나 있다. 도 6 에 나타내는 바와 같이, 세퍼레이터 (120) 는, 관통공 주위부 (122) 를 포함함과 함께 배열 방향 (상하 방향) 과 직교하는 방향 (면 방향) 과 대략 평행한 제 1 평탄부 (126) 와, 제 1 평탄부 (126) 보다 외주측에 위치함과 함께 면 방향과 대략 평행한 제 2 평탄부 (127) 를 구비한다. 제 1 평탄부 (126) 와 제 2 평탄부 (127) 의 배열 방향에 있어서의 위치는 서로 거의 동일하다.

세퍼레이터 (120) 는, 추가로, 제 1 평탄부 (126) 의 단부와 제 2 평탄부 (127) 의 단부를 연결하는 연결부 (128) 를 구비한다. 본 실시형태에서는, 연결부 (128) 는, 제 1 평탄부 (126) 및 제 2 평탄부 (127) 의 위치로부터 연료실 (176) 측 (하측) 으로 돌출하도록 만곡된 형상을 가지고 있다. 즉, 연결부 (128) 에 있어서의 연료실 (176) 측 (하측) 은 볼록부가 되고, 연결부 (128) 에 있어서의 공기실 (166) 측 (상측) 은 오목부가 된다. 이와 같이, 연결부 (128) 는, 배열 방향에 있어서의 위치가 제 1 평탄부 (126) 및 제 2 평탄부 (127) 와는 상이한 부분을 포함한다. 또한, 연결부 (128) 는, 배열 방향에서 볼 때, 구멍 (121) 을 둘러싸도록 형성되어 있다. 또, 세퍼레이터 (120) 에 있어서의 연결부 (128) 는, 예를 들어, 프레스 가공에 의해 형성된다.

연결부 (128) 는, 상기 서술한 구성이기 때문에, 면 방향으로 용이하게 신축되는 스프링과 같이 기능한다. 그 때문에, 본 실시형태의 세퍼레이터 (120) 는, 연결부 (128) 를 구비하지 않은 구성과 비교하여, 연결부 (128) 의 위치에서 면 방향으로 변형되기 쉽다. 그 때문에, 발전에 의한 열 사이클이나 제조시의 용접 공정 등에 의한 히트 쇼크 등에 의해 세퍼레이터 (120) 를 면 방향으로 변형시키는 하중이 가해지면, 세퍼레이터 (120) 가 주로 연결부 (128) 의 위치에서 면 방향으로 변형되고, 그 결과, 상기 하중에 의해 유리 시일부 (125) 나 접합부 (124), 단셀 (110) 의 전해질층 (112) 에 발생하는 응력이 완화된다. 유리 시일부 (125) 나 전해질층 (112) 은, 유리나 세라믹과 같은 취성 부재로 형성되어 있기 때문에, 상기 응력이 과대해지면 크랙이 발생할 우려가 있지만, 본 실시형태에서는 세퍼레이터 (120) 의 연결부 (128) 의 존재에 의해 유리 시일부 (125) 나 전해질층 (112) 에 발생하는 응력이 완화되기 때문에, 유리 시일부 (125) 나 전해질층 (112) 에 크랙이 발생하는 것을 억제할 수 있다.

A-4. 성능 평가 :

상기 서술한 세퍼레이터 (120) 의 연결부 (128) 에 의한 크랙 발생 억제 효과에 대해, 이하와 같이, 성능 평가를 실시하였다. 도 7 및 도 8 은, 성능 평가 결과를 나타내는 설명도이다. 성능 평가에서는, 세퍼레이터 (120) 와 단셀 (110) 이 접합부 (124) 를 통하여 접합되고, 유리 시일부 (125) 가 형성된 세퍼레이터가 형성된 단셀에 대해, 면 방향의 인장 하중을 부여한 경우에 유리 시일부 (125) 와 전해질층 (112) 의 적어도 일방에 크랙이 발생하는지의 여부를 판정하였다. 또한, 성능 평가에서는, 세퍼레이터 (120) 의 배열 방향에 있어서의 두께(판 두께) t 를 0.1 (㎜) 로 하고, 면 방향의 인장 하중을 400 ㎏f 로 하며, 접합부 (124) 에서는 미끄러짐이 발생하지 않도록 구속 조건을 부여하였다.

도 7 에 나타내는 바와 같이, 성능 평가에는, 연결부 높이 H (㎜) 와 유효 접합부 길이 L (㎜) 의 조합이 서로 상이한 15 종류의 세퍼레이터가 형성된 단셀을 사용하였다. 여기서, 연결부 높이 H 는, 연결부 (128) 의 배열 방향에 있어서의 높이이고, 보다 상세하게는, 세퍼레이터 (120) 의 공기실 (166) 측의 표면에 있어서, 연결부 (128) 에 있어서의 가장 위에 위치하는 부분으로부터 가장 아래에 위치하는 부분까지의 거리 (깊이) 이다 (도 6 참조). 또, 유효 접합부 길이 L 은, 접합부 (124) 중, 배열 방향에 있어서 세퍼레이터 (120) 및 단셀 (110) 과 겹치는 부분 (유효 접합부) 의 면 방향에 있어서의 길이이다. 또한, 15 종류의 세퍼레이터가 형성된 단셀 (예 1 - 15) 중, 예 7, 8 에 대해서는 실험에 의해 판정을 실시하고, 그 밖의 예에 대해서는 시뮬레이션에 의해 판정을 실시하였다. 실험시에는, 육안 또는 침투 탐상 검사 (레드 체크) 에 의해 크랙 발생 유무를 판정하고, 시뮬레이션시에는, 유리 시일부 (125) 의 면내 응력 (σ) 에 기초하여 크랙 발생 유무를 판정하였다.

도 7 에는, 세퍼레이터가 형성된 단셀의 각 예에 대해, 유효 접합부 길이 L 과, 연결부 높이 H 와, 유효 접합부 길이 L 과 연결부 높이 H 의 곱 (지표치 H·L) 과, 크랙 유무 판정 결과의 관계가 나타나 있다. 도 7 에서는, 크랙이 발생하지 않은 것으로 판정된 예를 ○ 로 나타내고, 크랙이 발생하는 것으로 판정된 예를 × 로 나타내고 있다. 또, 도 8 에는, 세퍼레이터가 형성된 단셀의 각 예에 대해, 지표치 (H·L) 와, 유리 시일부 (125) 의 면내 응력 (σ) 의 관계가 나타나 있다. 도 8 에서는, 각 플롯에, 도 7 에 나타내는 각 예의 번호가 부기 (付記) 되어 있고, 크랙이 발생하지 않은 것으로 판정된 예를 검은 삼각형, 정방형 또는 원으로 나타내고, 크랙이 발생하는 것으로 판정된 예를 흰 삼각형, 정방형 또는 원으로 나타내고 있다.

세퍼레이터가 형성된 단셀의 예 1, 6, 11 은, 연결부 높이 H 가 0 (㎜), 즉, 세퍼레이터 (120) 에 연결부 (128) 가 형성되어 있지 않은 것이다. 이들 예는 모두 크랙이 발생하는 것으로 판정되었다. 이것은, 세퍼레이터 (120) 에 연결부 (128) 가 형성되어 있지 않기 때문에, 세퍼레이터 (120) 를 면 방향으로 변형시키는 하중이 가해지면, 유리 시일부 (125) 나 전해질층 (112) 에 과대한 응력이 발생하기 때문인 것으로 생각된다.

한편, 세퍼레이터가 형성된 단셀의 예 2 - 5 는, 유효 접합부 길이 L 이 5 (㎜) 이고, 연결부 높이 H 가 0.1 (㎜) 이상, 0.6 (㎜) 이하의 범위인 것이다. 이들 예는 모두 크랙이 발생하지 않은 것으로 판정되었다. 이것은, 세퍼레이터 (120) 에 연결부 (128) 가 형성되어 있기 때문에, 세퍼레이터 (120) 를 면 방향으로 변형시키는 하중이 가해지면, 세퍼레이터 (120) 가 주로 연결부 (128) 의 위치에서 면 방향으로 변형되어, 유리 시일부 (125) 나 전해질층 (112) 에 과대한 응력이 발생하는 것이 억제되기 때문인 것으로 생각된다.

또, 세퍼레이터가 형성된 단셀의 예 7 - 10 은, 유효 접합부 길이 L 이 4 (㎜) 이고, 연결부 높이 H 가 0.1 (㎜) 이상, 0.6 (㎜) 이하의 범위인 것이다. 이들 예 중, 연결부 높이 H 가 0.25, 0.4, 0.6 (㎜) 인 것 (예 8 - 10) 은 크랙이 발생하지 않은 것으로 판정되었지만, 연결부 높이 H 가 0.1 (㎜) 인 것 (예 7) 은 크랙이 발생하는 것으로 판정되었다. 이것은, 연결부 높이 H 가 비교적 낮으면, 연결부 (128) 가 면 방향으로 변형되기 어려워져, 세퍼레이터 (120) 를 면 방향으로 변형시키는 하중이 가해졌을 때에 유리 시일부 (125) 나 전해질층 (112) 에 발생하는 응력을 완화시키는 효과가 비교적 낮아지기 때문인 것으로 생각된다.

또한, 세퍼레이터가 형성된 단셀의 예 2 도, 예 7 과 동일하게 연결부 높이 H 는 0.1 (㎜) 이지만, 크랙은 발생하지 않은 것으로 판정되고 있다. 이것은, 예 2 에서는, 예 7 과 비교하여 유효 접합부 길이 L 이 길기 때문에, 접합부 (124) (유효 접합부) 의 단위 길이당의 응력이 비교적 작아지고, 그 결과, 유리 시일부 (125) 나 전해질층 (112) 의 응력도 비교적 작아지기 때문인 것으로 생각된다. 즉, 유효 접합부 길이 L 이 짧을수록, 연결부 높이 H 를 높게 설정하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 도 7 및 도 8 에 나타내는 성능 평가 결과로부터, 지표치 (H·L) 가 0.5 이상인 것이 바람직하다. 또한, 도 8 에 나타내는 바와 같이, 지표치 (H·L) 가 어느 정도 큰 영역에서는, 지표치 (H·L) 의 증가에 수반하는 면내 응력 (σ) 의 저하량은 작아진다. 또, 지표치 (H·L) 를 크게 하기 위해서는, 세퍼레이터가 형성된 단셀의 사이즈를 크게 할 필요가 있다. 이들 관점에서, 지표치 (H·L) 는 3.0 이하인 것이 바람직하다고 할 수 있다.

또, 세퍼레이터가 형성된 단셀의 예 12 - 15 는, 유효 접합부 길이 L 이 3 (㎜) 이고, 연결부 높이 H 가 0.1 (㎜) 이상, 0.6 (㎜) 이하의 범위인 것이다. 이들의 예는 모두 크랙이 발생하는 것으로 판정되었다. 이것은, 유효 접합부 길이 L 이 상당히 짧으면, 접합부 (124) (유효 접합부) 의 단위 길이당의 응력이 상당히 커지기 때문에, 세퍼레이터 (120) 에 연결부 (128) 를 형성해도, 유리 시일부 (125) 나 전해질층 (112) 의 응력을 크랙이 발생하지 않는 수준까지 완화시킬 수 없기 때문인 것으로 생각된다. 도 7 및 도 8 에 나타내는 성능 평가 결과로부터, 유효 접합부 길이 L 은 3 (㎜) 보다 긴 것이 바람직하다고 할 수 있다.

이상 설명한 성능 평가 결과로부터, 유효 접합부 길이 L 이 3 (㎜) 보다 길고, 또한, 지표치 (H·L) 가 0.5 이상인 것이 바람직하다고 할 수 있다. 이 조건이 만족되면, 접합부 (124) (유효 접합부) 의 단위 길이당의 응력을 작게 할 수 있고, 유리 시일부 (125) 나 전해질층 (112) 의 응력을 보다 효과적으로 완화시켜, 유리 시일부 (125) 나 전해질층 (112) 에 크랙이 발생하는 것을 보다 효과적으로 억제할 수 있고, 또, 연결부 (128) 의 높이 H 를 접합부 (124) 의 유효 접합부의 길이 (L) 에 따라 필요시되는 응력 완화 기능을 발휘시키기에 충분한 값으로 할 수 있다.

또, 연결부 높이 H 는, 0.1 (㎜) 이상, 0.6 (㎜) 이하인 것이 더욱 바람직하다고 할 수 있다. 연결부 높이 H 를 0.1 (㎜) 이상으로 함으로써, 연결부 (128) 에 의한 크랙 발생 억제 효과를 확보할 수 있다. 또, 연결부 높이 H 가 0.6 (㎜) 보다 높아지면, 연결부 (128) 에 의해 가스의 흐름이 저해되어, 발전 성능이 저하될 우려가 있기 때문에 바람직하지 않지만, 연결부 높이 H 를 0.6 (㎜) 이하로 함으로써, 연결부 (128) 에 의해 가스의 흐름이 저해되어 발전 성능이 저하되는 것을 억제할 수 있다.

또한, 세퍼레이터 (120) 의 배열 방향에 있어서의 두께 (판 두께) t 는, 0.01 (㎜) 이상이면 되고, 내산화성의 저하를 억제하는 관점에서, 바람직하게는 0.03 (㎜) 이상, 보다 바람직하게는 0.05 (㎜) 이상으로서, 0.2 (㎜) 이하인 것이 바람직하다. 세퍼레이터 (120) 의 두께 t 를 0.03 (㎜) 이상으로 함으로써, 세퍼레이터 (120) 의 내산화성의 저하를 억제할 수 있고, 세퍼레이터 (120) 의 두께 t 를 0.2 (㎜) 이하로 함으로써, 연결부 (128) 의 스프링성을 일정 정도 이상 확보할 수 있어, 연결부 (128) 에 의한 크랙 발생 억제 효과를 확보할 수 있다.

또, 연결부 높이 H 는 세퍼레이터 (120) 의 두께 t 보다 큰 것이 바람직하다. 연결부 높이 H 를 세퍼레이터 (120) 의 두께 t 보다 크게 함으로써, 연결부 (128) 에 의한 크랙 발생 억제 효과를 확보할 수 있다.

또, 제 1 평탄부 (126) 와 제 2 평탄부 (127) 의 배열 방향에 있어서의 위치가 서로 거의 동일하면, 제 1 평탄부 (126) 와 제 2 평탄부 (127) 의 배열 방향에 있어서의 위치가 서로 상이한 구성과 비교하여, 세퍼레이터가 형성된 단셀의 배열 방향에 있어서의 높이를 억제할 수 있고, 나아가서는 발전 단위 (102), 연료 전지 스택 (100) 의 배열 방향에 있어서의 높이를 억제할 수 있기 때문에, 바람직하다.

A-5. 측정 방법 :

상기 서술한 유효 접합부 길이 L 의 값은, 예를 들어, 단면 관찰이나, X 선 현미경 또는 컴퓨터 단층 촬영 장치 (CT) 를 이용한 방법에 의해 측정된다. 또, 상기 서술한 연결부 높이 H 의 값은, 예를 들어, 단면 관찰이나, 레이저 형상 측정 장치를 이용한 방법에 의해 측정된다. 레이저 형상 측정 장치를 이용한 연결부 높이 H 의 측정 방법에 대해, 이하, 설명한다.

도 9 내지 도 11 은, 레이저 형상 측정 장치 (LS) 를 이용한 연결부 높이 H 의 측정 방법을 나타내는 설명도이다. 도 9 에는, 레이저 형상 측정 장치 (LS) 에 의해 세퍼레이터가 형성된 단셀의 연결부 높이 H 를 측정하고 있는 모습이 나타나 있고, 도 10 및 도 11 에는, 측정 결과의 보정 처리의 방법이 나타나 있다.

도 9 에 나타내는 바와 같이, 측정시에는, XY 방향으로 이동 가능한 스테이지 (ST) 상에 워크 (세퍼레이터가 형성된 단셀) 를 재치 (載置) 하고, 세퍼레이터가 형성된 단셀 상의 임의의 점을 측정시 제로점 (PO) 으로 하고, 스테이지 (ST) 를 이동시킴으로써 고정 위치에 있는 레이저 형상 측정 장치 (LS) 와 세퍼레이터가 형성된 단셀의 상대 위치를 변화시키면서, 세퍼레이터가 형성된 단셀과 레이저 형상 측정 장치 (LS) 사이의 거리를 측정한다. 도 10 에는, 이 때의 측정 결과를 나타내는 곡선 (변환 전 곡선 (RC)) 의 일례가 나타나 있다.

그 후, 도 10 에 나타내는 변환 전 곡선 (RC) 에 있어서의 세퍼레이터 (120) 의 위치에 대응하는 부분으로부터, 2 개의 변곡점 (IP) 을 추출하고, 소정의 보정 계산식을 적용시킴으로써, 도 11 에 나타내는 2 개의 변곡점 (IP) 이 거리 제로인 점으로 변환된 곡선 (변환 후 곡선 (TC)) 을 얻는다. 변환 후 곡선 (TC) 에 있어서의 2 개의 변곡점 (IP) 사이에 있는 부분으로부터, Z 방향의 거리 (즉 높이) 가 가장 큰 점 (XP) 을 추출하고, 점 (XP) 에 있어서의 높이를 연결부 높이 H 로 한다.

B. 변형예 :

본 명세서에서 개시되는 기술은, 상기 서술한 실시형태에 한정되는 것이 아니고, 그 요지를 일탈하지 않는 범위에 있어서 여러 가지 형태로 변형할 수 있고, 예를 들어 다음과 같은 변형도 가능하다.

상기 실시형태에서는, 제 1 평탄부 (126) 와 제 2 평탄부 (127) 의 배열 방향에 있어서의 위치는 서로 거의 동일한 것으로 되어 있지만, 제 1 평탄부 (126) 와 제 2 평탄부 (127) 의 배열 방향에 있어서의 위치가 서로 상이한 것으로 해도 된다.

또, 상기 실시형태에서는, 연결부 (128) 는, 제 1 평탄부 (126) 및 제 2 평탄부 (127) 의 위치로부터 연료실 (176) 측 (하측) 으로 돌출하도록 만곡된 단면 형상을 갖는 구성이지만, 연결부 (128) 는, 배열 방향에 있어서의 위치가 제 1 평탄부 (126) 및 제 2 평탄부 (127) 와는 상이한 부분을 포함하는 구성이면, 상기 구성에 한정되지 않는다. 예를 들어, 연결부 (128) 가, 제 1 평탄부 (126) 및 제 2 평탄부 (127) 의 위치로부터 공기실 (166) 측 (상측) 으로 돌출하도록 만곡된 단면 형상을 갖는 구성이어도 된다. 또, 제 1 평탄부 (126) 와 제 2 평탄부 (127) 가 모두 면 방향과 대략 평행이지만, 배열 방향에 있어서의 위치가 서로 상이하고, 연결부 (128) 가, 제 1 평탄부 (126) 와 제 2 평탄부 (127) 를 직선적 또는 곡선적으로 연결하는 것과 같은 구성이어도 된다.

또, 상기 실시형태에서는, 프레스 가공에 의해 세퍼레이터 (120) 에 연결부 (128) 를 형성하는 것으로 되어 있지만, 다른 방법 (예를 들어 절삭) 에 의해 연결부 (128) 를 형성하는 것으로 해도 된다.

또, 상기 실시형태에서는, 접합부 (124) 는, 세퍼레이터 (120) 와 단셀 (110) 이 대향하는 영역으로부터 공기실 (166) 측으로 돌출되도록 형성되어 있고, 유리 시일부 (125) 는, 접합부 (124) 에 있어서의 상기 돌출된 지점에 접하도록, 또한, 세퍼레이터 (120) 에 있어서의 단셀 (110) 에 대향하는 측과는 반대측 (상측) 의 표면을 덮도록 형성되어 있고, 유리 시일부 (125) 와 접합부 (124) 가 세퍼레이터 (120) 를 사이에 두고 배열 방향으로 서로 대향하고 있지만, 반드시 그러한 구성일 필요는 없다. 예를 들어, 유리 시일부 (125) 가 접합부 (124) 에 접하고 있을 필요는 없다. 또, 유리 시일부 (125) 가 세퍼레이터 (120) 에 있어서의 단셀 (110) 에 대향하는 측과는 반대측 (상측) 의 표면을 덮고 있지 않아도 된다. 또, 접합부 (124) 가 세퍼레이터 (120) 와 단셀 (110) 이 대향하는 영역의 일부에만 형성되어 있어도 된다. 그러한 구성에 있어서, 유리 시일부 (125) 가, 세퍼레이터 (120) 와 단셀 (110) 이 대향하는 영역 내에 침입하고 있어도 된다.

또, 상기 실시형태에 있어서, 연료 전지 스택 (100) 에 포함되는 발전 단위 (102) 의 개수는 어디까지나 일례이고, 발전 단위 (102) 의 개수는 연료 전지 스택 (100) 에 요구되는 출력 전압 등에 따라 적절히 결정된다.

또, 상기 실시형태에서는, 각 볼트 (22) 의 축부의 외주면과 각 연통공 (108) 의 내주면 사이의 공간을 각 매니폴드로서 이용하고 있지만, 이것 대신에, 각 볼트 (22) 의 축부에 축 방향의 구멍을 형성하고, 그 구멍을 각 매니폴드로서 이용해도 된다. 또, 각 매니폴드를 각 볼트 (22) 가 삽입되는 각 연통공 (108) 과는 별도로 형성해도 된다.

또, 상기 실시형태에서는, 2 개의 발전 단위 (102) 가 인접하여 배치되어 있는 경우에는, 1 개의 인터커넥터 (150) 가 인접하는 2 개의 발전 단위 (102) 에 공유되는 것으로 되어 있지만, 이와 같은 경우에도, 2 개의 발전 단위 (102) 가 각각의 인터커넥터 (150) 를 구비해도 된다. 또, 상기 실시형태에서는, 연료 전지 스택 (100) 에 있어서 가장 위에 위치하는 발전 단위 (102) 의 상측의 인터커넥터 (150) 나, 가장 아래에 위치하는 발전 단위 (102) 의 하측의 인터커넥터 (150) 는 생략되어 있지만, 이들 인터커넥터 (150) 를 생략하지 않고 형성해도 된다.

또, 상기 실시형태에 있어서, 연료극측 집전체 (144) 는, 공기극측 집전체 (134) 와 동일한 구성이어도 되고, 연료극측 집전체 (144) 와 인접하는 인터커넥터 (150) 가 일체 부재여도 된다. 또, 공기극측 프레임 (130) 이 아니라 연료극측 프레임 (140) 이 절연체여도 된다. 또, 공기극측 프레임 (130) 이나 연료극측 프레임 (140) 은 다층 구성이어도 된다.

또, 상기 실시형태에 있어서의 각 부재를 형성하는 재료는, 어디까지나 예시이고, 각 부재가 다른 재료에 의해 형성되어도 된다.

또, 상기 실시형태에 있어서, 도시 가스를 개질하여 수소 리치한 연료 가스 (FG) 를 얻는 것으로 되어 있지만, LP 가스나 등유, 메탄올, 가솔린 등의 다른 원료로부터 연료 가스 (FG) 를 얻는 것으로 해도 되고, 연료 가스 (FG) 로서 순수소를 이용해도 된다.

본 명세서에 있어서, 부재 (또는 부재의 어느 부분, 이하 동일) A 를 사이에 두고 부재 B 와 부재 C 가 서로 대향한다란, 부재 A 와 부재 B 또는 부재 C 가 인접하는 형태에 한정되지 않고, 부재 A 와 부재 B 또는 부재 C 와의 사이에 다른 구성 요소가 개재되는 형태를 포함한다. 예를 들어, 전해질층 (112) 과 공기극 (114) 사이에 다른 층이 형성된 구성이라도, 공기극 (114) 과 연료극 (116) 은 전해질층 (112) 을 사이에 두고 서로 대향한다고 할 수 있다.

또, 상기 실시형태 (또는 변형예, 이하 동일) 에서는, 연료 전지 스택 (100) 에 포함되는 모든 발전 단위 (102) 에 대해, 세퍼레이터 (120) 가, 면 방향과 대략 평행한 제 1 평탄부 (126) 및 제 2 평탄부 (127) 와, 배열 방향에 있어서의 위치가 제 1 평탄부 (126) 및 제 2 평탄부 (127) 와는 상이한 부분을 포함하고, 제 1 평탄부 (126) 와 제 2 평탄부 (127) 를 연결하는 연결부 (128) 를 구비하는 구성이라고 되어 있지만, 연료 전지 스택 (100) 에 포함되는 적어도 1 개의 발전 단위 (102) 에 대해, 그러한 구성으로 되어 있으면, 당해 발전 단위 (102) 에 있어서의 유리 시일부 (125) 나 전해질층 (112) 에 크랙이 발생하는 것을 억제할 수 있다.

또, 상기 실시형태에서는, 연료 가스에 함유되는 수소와 산화제 가스에 함유되는 산소의 전기 화학 반응을 이용하여 발전을 실시하는 SOFC 를 대상으로 하고 있지만, 본 발명은, 물의 전기 분해 반응을 이용하여 수소의 생성을 실시하는 고체 산화물형의 전해 셀 (SOEC) 의 최소 단위인 전해 셀 단위나, 복수의 전해 셀 단위를 구비하는 전해 셀 스택에도 동일하게 적용 가능하다. 또한, 전해 셀 스택의 구성은, 예를 들어 일본 공개특허공보 2014-207120호에 기재되어 있는 바와 같이 공지이기 때문에 여기서는 상세히 서술하지 않지만, 개략적으로는 상기 서술한 실시형태에 있어서의 연료 전지 스택 (100) 과 동일한 구성이다. 즉, 상기 서술한 실시형태에 있어서의 연료 전지 스택 (100) 을 전해 셀 스택이라고 바꾸어 읽고, 발전 단위 (102) 를 전해 셀 단위라고 바꾸어 읽으면 된다. 단, 전해 셀 스택의 운전시에는, 공기극 (114) 이 플러스 (양극) 이고 연료극 (116) 이 마이너스 (음극) 가 되도록 양 전극 간에 전압이 인가됨과 함께, 연통공 (108) 을 통하여 원료 가스로서의 수증기가 공급된다. 이로써, 각 전해 셀 단위에 있어서 물의 전기 분해 반응이 일어나, 연료실 (176) 과 수소 가스가 발생하고, 연통공 (108) 을 통하여 전해 셀 스택의 외부로 수소가 취출된다. 이와 같은 구성의 전해 셀 단위 및 전해 셀 스택에 있어서도, 상기 실시형태와 마찬가지로, 세퍼레이터 (120) 가, 면 방향과 대략 평행한 제 1 평탄부 (126) 및 제 2 평탄부 (127) 와, 배열 방향에 있어서의 위치가 제 1 평탄부 (126) 및 제 2 평탄부 (127) 와는 상이한 부분을 포함하고, 제 1 평탄부 (126) 와 제 2 평탄부 (127) 를 연결하는 연결부 (128) 를 구비하는 구성을 채용하면, 유리 시일부 (125) 나 전해질층 (112) 에 크랙이 발생하는 것을 억제할 수 있다.

또, 상기 실시형태에서는, 고체 산화물형 연료 전지 (SOFC) 를 예로 설명했지만, 본원 발명은, 고체 고분자형 연료 전지 (PEFC), 인산형 연료 전지 (PAFC), 용융 탄산염형 연료 전지 (MCFC) 와 같은 다른 타입의 연료 전지 (또는 전해 셀) 에도 적용 가능하다.

22 : 볼트
24 : 너트
26 : 절연 시트
27 : 가스 통로 부재
28 : 본체부
29 : 분기부
100 : 연료 전지 스택
102 : 발전 단위
104 : 엔드 플레이트
106 : 엔드 플레이트
108 : 연통공
110 : 단셀
112 : 전해질층
114 : 공기극
116 : 연료극
120 : 세퍼레이터
121 : 구멍
122 : 관통공 주위부
124 : 접합부
125 : 유리 시일부
126 : 제 1 평탄부
127 : 제 2 평탄부
128 : 연결부
130 : 공기극측 프레임
131 : 구멍
132 : 산화제 가스 공급 연통공
133 : 산화제 가스 배출 연통공
134 : 공기극측 집전체
135 : 집전체 요소
140 : 연료극측 프레임
141 : 구멍
142 : 연료 가스 공급 연통공
143 : 연료 가스 배출 연통공
144 : 연료극측 집전체
145 : 전극 대향부
146 : 인터커넥터 대향부
147 : 연접부
149 : 스페이서
150 : 인터커넥터
161 : 산화제 가스 도입 매니폴드
162 : 산화제 가스 배출 매니폴드
166 : 공기실
171 : 연료 가스 도입 매니폴드
172 : 연료 가스 배출 매니폴드
176 : 연료실

Claims

전해질층과, 상기 전해질층을 사이에 두고 제 1 방향으로 서로 대향하는 공기극 및 연료극을 포함하는 단셀과,
상기 제 1 방향으로 관통하는 관통공을 둘러싸는 부분인 관통공 주위부가, 브레이징재를 포함하는 접합부를 통하여 상기 단셀의 주연부와 접합되고, 상기 공기극에 면하는 공기실과 상기 연료극에 면하는 연료실을 구획하는 세퍼레이터와,
유리를 포함하고, 상기 세퍼레이터의 표면과 상기 단셀의 표면의 양방에 접촉하여 상기 공기실과 상기 연료실 사이를 시일하는 유리 시일부를 구비하는 전기 화학 반응 단위에 있어서,
상기 세퍼레이터는,
상기 관통공 주위부를 포함하는 제 1 평탄부와,
상기 제 1 평탄부보다 외주측에 위치하는 제 2 평탄부와,
상기 제 1 방향에 있어서의 위치가 상기 제 1 평탄부 및 상기 제 2 평탄부와는 상이한 부분을 포함하고, 상기 제 1 평탄부와 상기 제 2 평탄부를 연결하고, 또한, 상기 제 1 평탄부와 상기 제 2 평탄부의 양방에 대해, 상기 제 1 방향의 일방측으로 돌출되어 있는 연결부를 구비하고,
상기 접합부 중, 상기 제 1 방향에 있어서 상기 세퍼레이터 및 상기 단셀과 겹치는 유효 접합부의 상기 제 1 방향에 직교하는 제 2 방향에 있어서의 길이 L (㎜) 과, 상기 연결부의 상기 제 1 방향에 있어서의 높이 H (㎜) 는,
L ＞ 3, 또한, H·L ≥ 0.5
라는 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 전기 화학 반응 단위.
삭제
제 1 항에 있어서,
0.1 ≤ H ≤ 0.6
이라는 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 전기 화학 반응 단위.
제 1 항에 있어서,
상기 세퍼레이터의 상기 제 1 방향에 있어서의 두께 t (㎜) 는,
t ≤ 0.2
라는 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 전기 화학 반응 단위.
제 1 항에 있어서,
상기 연결부의 상기 제 1 방향에 있어서의 높이 H (㎜) 와, 상기 세퍼레이터의 상기 제 1 방향에 있어서의 두께 t (㎜) 는,
H ＞ t
라는 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 전기 화학 반응 단위.
제 1 항에 있어서,
상기 전해질층은, 고체 산화물을 함유하는 것을 특징으로 하는 전기 화학 반응 단위.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 평탄부와 상기 제 2 평탄부의 상기 제 1 방향에 있어서의 위치는, 서로 동일한 것을 특징으로 하는 전기 화학 반응 단위.
복수의 연료 전지 발전 단위를 구비하는 연료 전지 스택에 있어서,
상기 복수의 연료 전지 발전 단위의 적어도 하나는, 제 1 항 및 제 3 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 기재된 전기 화학 반응 단위인 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택.