KR102059792B1 - 연료 전지 스택 및 연료 전지 스택의 제조 방법 - Google Patents

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니뽄 도쿠슈 도교 가부시키가이샤
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Abstract

시일 부재에 의한 연료실 또는 공기실의 시일성을 향상시킨다. 연료 전지 스택은, 복수의 발전 단위를 구비하고, 복수의 체결 부재로 체결되어 있다. 각 발전 단위는, 단셀과, 다른 2 개의 부재에 협지됨으로써 연료실과 공기실의 일방을 시일하는 시일 부재를 포함한다. 적어도 1 개의 발전 단위에 포함되는 시일 부재의 다른 2 개의 부재 중의 어느 하나와 대향하는 표면에 있어서의 표면 조도 (Ra) 는, 3.0 ㎛ 이하이다.

Description

연료 전지 스택 및 연료 전지 스택의 제조 방법{FUEL CELL STACK AND METHOD FOR MANUFACTURING FUEL CELL STACK}
본 명세서에 의해 개시되는 기술은, 연료 전지 스택에 관한 것이다.
고체 산화물형 연료 전지 (이하, 「SOFC」라고도 한다) 는, 일반적으로 소정 방향 (이하, 「배열 방향」이라고도 한다) 으로 나란히 배치된 복수의 발전 단위를 구비하는 연료 전지 스택의 형태로 이용된다. 연료 전지 스택은, 상기 배열 방향으로 연장되는 복수의 체결 부재 (예를 들어 볼트) 에 의해 체결된다.
발전 단위는, 발전의 최소 단위이며, 전해질층과, 전해질층을 사이에 두고 상기 배열 방향으로 서로 대향하는 공기극 및 연료극을 포함하는 단셀을 구비한다. 발전 단위는, 또, 공기극에 면하는 공기실을 시일하는 시일 부재를 구비한다 (예를 들어 특허문헌 1 참조). 시일 부재는, 공기실을 구성하는 관통공이 형성된 프레임 형상의 부재이며, 예를 들어 마이카에 의해 형성된다. 시일 부재가 상기 배열 방향에 있어서 다른 2 개의 부재에 협지됨으로써, 공기실이 시일된다. 시일 부재를 사용함으로써, 비교적 간단하고 또한 저비용의 구성으로, 공기실의 시일이 실현된다.
일본 공개특허공보 2011-210423호
상기 종래의 기술에서는, 시일 부재에 의해 공기실로부터의 가스 리크를 충분히 억제할 수 없어, 충분한 시일성을 얻을 수 없다는 문제가 있다. 충분한 시일성이 얻어지지 않으면, 예를 들어, 고온의 가스가 리크됨으로써 열이용 효율이 저하되고, 연료 전지 스택의 종합 효율이 저하되기 때문에, 바람직하지 않다. 또한, 이와 같은 과제는, 발전 단위가 공기실을 시일하는 시일 부재를 구비하는 구성에 한정되지 않고, 발전 단위가 연료극에 면하는 연료실을 시일하는 시일 부재를 구비하는 구성에도 공통의 과제이다. 또, 이와 같은 과제는, SOFC 에 한정되지 않고, 다른 타입의 연료 전지에도 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 연료 전지 스택은, 제 1 방향으로 나란히 배치된 복수의 발전 단위와, 상기 제 1 방향으로 연장되는 복수의 체결 부재를 구비하고, 상기 복수의 체결 부재로 체결된 연료 전지 스택에 있어서, 각 상기 발전 단위는, 전해질층과 상기 전해질층을 사이에 두고 상기 제 1 방향으로 서로 대향하는 공기극 및 연료극을 포함하는 단셀과, 상기 연료극에 면하는 연료실과 상기 공기극에 면하는 공기실의 일방을 구성하는 관통공이 형성되고, 상기 제 1 방향에 있어서 다른 2 개의 부재에 협지됨으로써 상기 연료실과 상기 공기실의 상기 일방을 시일하는 시일 부재를 포함하고, 적어도 1 개의 상기 발전 단위에 포함되는 상기 시일 부재의 상기 다른 2 개의 부재 중의 어느 하나와 대향하는 표면에 있어서의 표면 조도 (Ra) 는, 3.0 ㎛ 이하인 것을 특징으로 한다. 본 연료 전지 스택에 의하면, 시일 부재의 표면 조도 (Ra) 의 값을 억제하고, 시일 부재의 표면을 통한 연료실 또는 공기실로부터의 가스의 누설을 효과적으로 억제할 수 있어, 시일 부재의 가스 시일성을 향상시킬 수 있다.
(2) 상기 연료 전지 스택에 있어서, 적어도 1 개의 상기 발전 단위에 포함되는 상기 시일 부재의 상기 다른 2 개의 부재 중의 어느 하나와 대향하는 표면에 있어서의 기복 (Pa) 의 표준 편차는, 0.2 이하인 것을 특징으로 하는 구성으로 해도 된다. 본 연료 전지 스택에 의하면, 시일 부재의 기복 (Pa) 의 편차를 억제하고, 시일 부재의 표면을 통한 연료실 또는 공기실로부터의 가스의 누설을 보다 효과적으로 억제할 수 있어, 시일 부재의 가스 시일성을 더욱 향상시킬 수 있다.
(3) 상기 연료 전지 스택에 있어서, 상기 시일 부재의 상기 다른 2 개의 부재 중의 어느 하나와 대향하는 표면에 있어서의 기복 (Pa) 의 평균값은, 1.4 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 구성으로 해도 된다. 본 연료 전지 스택에 의하면, 시일 부재의 기복 (Pa) 의 값을 억제하고, 시일 부재의 표면을 통한 연료실 또는 공기실로부터의 가스의 누설을 보다 효과적으로 억제할 수 있어, 시일 부재의 가스 시일성을 더욱 향상시킬 수 있다.
(4) 본 명세서에 개시되는 연료 전지 스택의 제조 방법은, 전해질층과 상기 전해질층을 사이에 두고 제 1 방향으로 서로 대향하는 공기극 및 연료극을 포함하는 단셀과, 상기 연료극에 면하는 연료실과 상기 공기극에 면하는 공기실의 일방을 구성하는 관통공이 형성되고, 상기 제 1 방향에 있어서 다른 2 개의 부재에 협지됨으로써 상기 연료실과 상기 공기실의 상기 일방을 시일하는 시일 부재가, 상기 제 1 방향으로 나란히 배치되고, 상기 제 1 방향을 따라 연장되는 복수의 체결 부재로 체결된 연료 전지 스택의 제조 방법으로서, 상기 시일 부재에 상기 제 1 방향을 따른 압축 하중을 가하는 압축 공정과, 상기 압축 공정 후에, 복수의 상기 단셀과 복수의 상기 시일 부재를 상기 복수의 체결 부재로 체결하는 조립 공정을 구비하는 것을 특징으로 한다. 본 연료 전지 스택의 제조 방법에 의하면, 시일 부재의 기복 (Pa) 의 값이나 기복 (Pa) 의 편차를 억제할 수 있고, 또한, 시일 부재의 기공률을 저하시킬 수 있고, 시일 부재의 표면이나 내부를 통한 연료실 또는 공기실로부터의 가스의 누설을 보다 효과적으로 억제할 수 있어, 시일 부재의 가스 시일성을 더욱 향상시킬 수 있다.
(5) 상기 연료 전지 스택의 제조 방법에 있어서, 추가로 상기 압축 공정 전에, 상기 시일 부재를 가열하는 열처리 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 구성으로 해도 된다. 본 연료 전지 스택의 제조 방법에 의하면, 열처리 공정에 의해 시일 부재 내부의 바인더 등이 분해나 휘발되어 기공률이 높아져도, 그 후에 압축 공정을 실행함으로써 시일 부재의 기공률을 저하시킬 수 있고, 시일 부재의 내부를 통한 연료실 또는 공기실로부터의 가스의 누설을 보다 효과적으로 억제할 수 있다.
(6) 상기 연료 전지 스택의 제조 방법에 있어서, 상기 압축 공정에 있어서의 상기 시일 부재의 단위 면적당의 상기 압축 하중의 값은, 상기 조립 공정의 완료시에 있어서 복수의 상기 체결 부재에 의한 상기 연료 전지 스택의 체결에 의해 상기 시일 부재에 작용하는 단위 면적당의 하중의 값보다 큰 것을 특징으로 하는 구성으로 해도 된다. 본 연료 전지 스택의 제조 방법에 의하면, 압축 공정을 실시함으로써 시일 부재의 기복 (Pa) 의 값이나 기복 (Pa) 의 편차, 기공률을 보다 효과적으로 저하시킬 수 있어, 시일 부재의 표면이나 내부를 통한 연료실 또는 공기실로부터의 가스의 누설을 더욱 효과적으로 억제할 수 있다.
또한, 본 명세서에 개시되는 기술은, 여러 가지 형태로 실현하는 것이 가능하고, 예를 들어, 연료 전지 스택, 연료 전지 스택을 구비하는 발전 모듈, 발전 모듈을 구비하는 연료 전지 시스템, 그들의 제조 방법 등의 형태로 실현하는 것이 가능하다.
도 1 은 제 1 실시형태에 있어서의 연료 전지 스택 (100) 의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 2 는 제 1 실시형태에 있어서의 연료 전지 스택 (100) 의 상측의 XY 평면 구성을 나타내는 설명도이다.
도 3 은 제 1 실시형태에 있어서의 연료 전지 스택 (100) 의 하측의 XY 평면 구성을 나타내는 설명도이다.
도 4 는 도 1 내지 도 3 의 IV-IV 의 위치에 있어서의 연료 전지 스택 (100) 의 XZ 단면 (斷面) 구성을 나타내는 설명도이다.
도 5 는 도 1 내지 도 3 의 V-V 의 위치에 있어서의 연료 전지 스택 (100) 의 XZ 단면 구성을 나타내는 설명도이다.
도 6 은 도 1 내지 도 3 의 VI-VI 의 위치에 있어서의 연료 전지 스택 (100) 의 YZ 단면 구성을 나타내는 설명도이다.
도 7 은 도 5 에 나타내는 단면과 동일한 위치에 있어서의 서로 인접하는 2 개의 발전 단위 (102) 의 XZ 단면 구성을 나타내는 설명도이다.
도 8 은 도 6 에 나타내는 단면과 동일한 위치에 있어서의 서로 인접하는 2 개의 발전 단위 (102) 의 YZ 단면 구성을 나타내는 설명도이다.
도 9 는 도 7 의 IX-IX 의 위치에 있어서의 발전 단위 (102) 의 XY 단면 구성을 나타내는 설명도이다.
도 10 은 도 7 의 X-X 의 위치에 있어서의 발전 단위 (102) 의 XY 단면 구성을 나타내는 설명도이다.
도 11 은 열교환부 (103) 의 XY 단면 구성을 개략적으로 나타내는 설명도이다.
도 12 는 본 실시형태에 있어서의 연료 전지 스택 (100) 의 제조 방법을 나타내는 플로 차트이다.
도 13 은 마이카 시트 (MS) 의 표면 조도 (Ra) 의 측정 결과의 일례를 나타내는 설명도이다.
도 14 는 마이카 시트 (MS) 의 기복 (Pa) 의 측정 결과의 일례를 나타내는 설명도이다.
도 15 는 성능 평가에 사용한 시험 장치 (500) 의 구성을 나타내는 설명도이다.
도 16 은 성능 평가에 사용한 시험 장치 (500) 의 구성을 나타내는 설명도이다.
도 17 은 성능 평가 결과의 일례를 나타내는 설명도이다.
도 18 은 마이카 시트 (MS) 의 히스테리시스 특성을 나타내는 설명도이다.
도 19 는 마이카 시트 (MS) 에 대한 예비하중의 유무의 판정 방법을 나타내는 설명도이다.
A. 실시형태 :
A-1. 구성 :
(연료 전지 스택 (100) 의 구성)
도 1 내지 도 6 은, 본 실시형태에 있어서의 연료 전지 스택 (100) 의 구성을 개략적으로 나타내는 설명도이다. 도 1 에는, 연료 전지 스택 (100) 의 외관 구성이 도시되어 있고, 도 2 에는, 연료 전지 스택 (100) 의 상측의 평면 구성이 도시되어 있고, 도 3 에는, 연료 전지 스택 (100) 의 하측의 평면 구성이 도시되어 있고, 도 4 에는, 도 1 내지 도 3 의 IV-IV 의 위치에 있어서의 연료 전지 스택 (100) 의 단면 구성이 도시되어 있고, 도 5 에는, 도 1 내지 도 3 의 V-V 의 위치에 있어서의 연료 전지 스택 (100) 의 단면 구성이 도시되어 있고, 도 6 에는, 도 1 내지 도 3 의 VI-VI 의 위치에 있어서의 연료 전지 스택 (100) 의 단면 구성이 도시되어 있다. 각 도면에는, 방향을 특정하기 위한 서로 직교하는 XYZ 축이 도시되어 있다. 본 명세서에서는, 편의적으로, Z 축 정 (正) 방향을 상방향이라고 부르고, Z 축 부 (負) 방향을 하방향이라고 부르는 것으로 하는데, 연료 전지 스택 (100) 은 실제로는 그러한 방향과는 상이한 방향에서 설치되어도 된다. 도 7 이후에 대해서도 동일하다.
연료 전지 스택 (100) 은, 복수의 (본 실시형태에서는 6 개의) 발전 단위 (102) 와, 열교환부 (103) 와, 1 쌍의 엔드 플레이트 (104, 106) 를 구비한다. 6 개의 발전 단위 (102) 는, 소정의 배열 방향 (본 실시형태에서는 상하 방향) 으로 나란히 배치되어 있다. 단, 6 개의 발전 단위 (102) 중, 3 개의 발전 단위 (102) 는 서로 인접하도록 배치되고, 나머지 3 개의 발전 단위 (102) 도 서로 인접하도록 배치되고, 상기 3 개의 발전 단위 (102) 와 상기 나머지의 3 개의 발전 단위 (102) 사이에 열교환부 (103) 가 배치되어 있다. 즉, 열교환부 (103) 는, 6 개의 발전 단위 (102) 와 열교환부 (103) 로 구성되는 집합체에 있어서의 상하 방향의 중앙 부근에 배치되어 있다. 1 쌍의 엔드 플레이트 (104, 106) 는, 6 개의 발전 단위 (102) 와 열교환부 (103) 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), 열교환부 (103), 엔드 플레이트 (104, 106)) 의 Z 방향 둘레의 주연부에는, 상하 방향으로 관통하는 복수의 (본 실시형태에서는 8 개의) 구멍이 형성되어 있고, 각 층에 형성되고 서로 대응하는 구멍끼리가 상하 방향으로 연통하여, 일방의 엔드 플레이트 (104) 로부터 타방의 엔드 플레이트 (106) 에 걸쳐서 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. 볼트 (22) 는, 특허 청구의 범위에 있어서의 체결 부재에 상당한다. 또한, 도 4 내지 도 6 에 나타내는 바와 같이, 볼트 (22) 의 일방측 (상측) 에 끼워진 너트 (24) 와 연료 전지 스택 (100) 의 상단을 구성하는 엔드 플레이트 (104) 의 상측 표면의 사이, 및 볼트 (22) 의 타방측 (하측) 에 끼워진 너트 (24) 와 연료 전지 스택 (100) 의 하단을 구성하는 엔드 플레이트 (106) 의 하측 표면의 사이에는, 절연 시트 (26) 가 개재되어 있다. 단, 후술하는 가스 통로 부재 (27) 가 형성된 지점에서는, 너트 (24) 와 엔드 플레이트 (106) 의 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 2 내지 도 4 에 나타내는 바와 같이, 연료 전지 스택 (100) 의 Z 방향 둘레의 외주에 있어서의 1 개의 정점 (Y 축 부방향측 및 X 축 부방향측의 정점) 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 도입되는 가스 유로인 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 로서 기능하고, 연료 전지 스택 (100) 의 Z 방향 둘레의 외주에 있어서의 1 개의 변 (Y 축에 평행한 2 개의 변 중의 X 축 정방향측의 변) 의 중점 부근에 위치하는 볼트 (22) (볼트 (22C)) 와, 그 볼트 (22C) 가 삽입된 연통공 (108) 에 의해 형성된 공간은, 열교환부 (103) 로부터 배출된 산화제 가스 (OG) 를 각 발전 단위 (102) 를 향하여 옮기는 가스 유로인 산화제 가스 공급 매니폴드 (163) 로서 기능한다. 또, 도 2, 도 3 및 도 5 에 나타내는 바와 같이, 연료 전지 스택 (100) 의 Z 방향 둘레의 외주에 있어서의 1 개의 변 (Y 축에 평행한 2 개의 변 중의 X 축 부방향측의 변) 의 중점 (中點) 부근에 위치하는 볼트 (22) (볼트 (22B)) 와, 그 볼트 (22B) 가 삽입된 연통공 (108) 에 의해 형성된 공간은, 각 발전 단위 (102) 로부터 배출된 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 2, 도 3 및 도 6 에 나타내는 바와 같이, 연료 전지 스택 (100) 의 Z 방향 둘레의 외주에 있어서의 1 개의 변 (X 축에 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 축에 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 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 리치 가스가 사용된다.
도 4 내지 도 6 에 나타내는 바와 같이, 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 측면에서 분기된 중공 통형상의 분기부 (29) 를 갖고 있다. 분기부 (29) 의 구멍은 본체부 (28) 의 구멍과 연통되어 있다. 각 가스 통로 부재 (27) 의 분기부 (29) 에는, 가스 배관 (도시 생략) 이 접속된다. 또, 도 4 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 연통되어 있다. 또, 도 5 에 나타내는 바와 같이, 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 연통되어 있다. 또, 도 6 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 연통되어 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 연통되어 있다.
(엔드 플레이트 (104, 106) 의 구성)
1 쌍의 엔드 플레이트 (104, 106) 는, 사각형의 평판 형상의 도전성 부재이며, 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) 와 열교환부 (103) 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 7 내지 도 10 은, 발전 단위 (102) 의 상세 구성을 나타내는 설명도이다. 도 7 에는, 도 5 에 나타내는 단면과 동일한 위치에 있어서의 서로 인접하는 2 개의 발전 단위 (102) 의 단면 구성이 도시되어 있고, 도 8 에는, 도 6 에 나타내는 단면과 동일한 위치에 있어서의 서로 인접하는 2 개의 발전 단위 (102) 의 단면 구성이 도시되어 있고, 도 9 에는, 도 7 의 IX-IX 의 위치에 있어서의 발전 단위 (102) 의 단면 구성이 도시되어 있고, 도 10 에는, 도 7 의 X-X 의 위치에 있어서의 발전 단위 (102) 의 단면 구성이 도시되어 있다.
도 7 및 도 8 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 부재이며, 예를 들어 페라이트계 스테인리스에 의해 형성되어 있다. 인터커넥터 (150) 는, 발전 단위 (102) 사이의 전기적 도통을 확보함과 함께, 발전 단위 (102) 사이에서의 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 4 내지 도 6 참조).
단셀 (110) 은, 전해질층 (112) 과, 전해질층 (112) 을 사이에 두고 상하 방향 (발전 단위 (102) 가 늘어서는 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.
전해질층 (112) 은, 사각형의 평판 형상 부재이며, 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 부재이며, 예를 들어, 페로브스카이트형 산화물 (예를 들어 LSCF (란탄스트론튬코발트 철 산화물), LSM (란탄스트론튬망간 산화물), LNF (란탄니켈 철)) 에 의해 형성되어 있다. 연료극 (116) 은, 사각형의 평판 형상 부재이며, 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 부재이며, 예를 들어, 금속에 의해 형성되어 있다. 세퍼레이터 (120) 에 있어서의 구멍 (121) 의 주위 부분은, 전해질층 (112) 에 있어서의 공기극 (114) 측의 표면의 주연부에 대향하고 있다. 세퍼레이터 (120) 는, 그 대향한 부분에 배치된 브레이징재 (예를 들어 Ag 브레이징재) 에 의해 형성된 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 구획되고, 단셀 (110) 의 주연부에 있어서의 일방의 전극측으로부터 타방의 전극측에 대한 가스의 리크가 억제된다. 또한, 세퍼레이터 (120) 가 접합된 단셀 (110) 을 세퍼레이터 부착 단셀이라고도 한다.
공기극측 프레임 (130) 은, 도 7 내지 도 9 에 나타내는 바와 같이, 중앙 부근에 상하 방향으로 관통하는 대략 사각형의 구멍 (131) 이 형성된 프레임상의 판상 부재이다. 본 실시형태에서는, 공기극측 프레임 (130) 은, 내열성, 절연성, 시일성, 및 구조 안정성이 우수한 마이카에 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. 즉, 공기극측 프레임 (130) 은, 세퍼레이터 (120) 와 인터커넥터 (150) 에 의해 협지되어 있다. 그 때문에, 공기극측 프레임 (130) 에 의해, 공기실 (166) 의 시일 (컴프레션 시일) 이 실현된다. 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 공급 매니폴드 (163) 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. 공기극측 프레임 (130) 은, 특허 청구의 범위에 있어서의 시일 부재에 상당하고, 구멍 (131) 은, 특허 청구의 범위에 있어서의 관통공에 상당한다.
연료극측 프레임 (140) 은, 도 7, 도 8 및 도 10 에 나타내는 바와 같이, 중앙 부근에 상하 방향으로 관통하는 사각형의 구멍 (141) 이 형성된 프레임상의 부재이며, 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.
공기극측 집전체 (134) 는, 도 7 내지 도 9 에 나타내는 바와 같이, 공기실 (166) 내에 배치되어 있다. 공기극측 집전체 (134) 는, 소정의 간격을 두고 늘어선 복수의 사각 기둥상의 도전성 부재로 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.
연료극측 집전체 (144) 는, 도 7, 도 8 및 도 10 에 나타내는 바와 같이, 연료실 (176) 내에 배치되어 있다. 연료극측 집전체 (144) 는, 인터커넥터 대향부 (146) 와, 복수의 전극 대향부 (145) 와, 각 전극 대향부 (145) 와 인터커넥터 대향부 (146) 를 연결하는 연접부 (147) 를 구비하고 있고, 예를 들어 니켈이나 니켈 합금, 스테인리스 등에 의해 형성되어 있다. 각 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.
(열교환부 (103) 의 구성)
도 11 은, 열교환부 (103) 의 단면 구성을 개략적으로 나타내는 설명도이다. 도 11 에는, 배열 방향에 직교하는 방향에 있어서의 열교환부 (103) 의 단면 구성이 도시되어 있다. 도 4 내지 도 6 및 도 11 에 나타내는 바와 같이, 열교환부 (103) 는, 사각형의 평판 형상 부재이며, 예를 들어, 페라이트계 스테인리스에 의해 형성되어 있다. 열교환부 (103) 의 중앙 부근에는, 상하 방향으로 관통하는 구멍 (182) 이 형성되어 있다. 또, 열교환부 (103) 에는, 중앙의 구멍 (182) 과 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 를 형성하는 연통공 (108) 을 연통하는 연통공 (184) 과, 중앙의 구멍 (182) 과 산화제 가스 공급 매니폴드 (163) 를 형성하는 연통공 (108) 을 연통하는 연통공 (186) 이 형성되어 있다. 열교환부 (103) 는, 열교환부 (103) 의 상측에 인접하는 발전 단위 (102) 에 포함되는 하측의 인터커넥터 (150) 와, 열교환부 (103) 의 하측에 인접하는 발전 단위 (102) 에 포함되는 상측의 인터커넥터 (150) 에 협지되어 있다. 이들 인터커넥터 (150) 사이에 있어서, 구멍 (182) 과 연통공 (184) 과 연통공 (186) 에 의해 형성되는 공간은, 후술하는 열교환을 위해서 산화제 가스 (OG) 를 흘리는 열교환 유로 (188) 로서 기능한다.
A-2. 연료 전지 스택 (100) 의 동작 :
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 공급된다. 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 에 공급된 산화제 가스 (OG) 는, 도 4 및 도 11 에 나타내는 바와 같이, 열교환부 (103) 내에 형성된 열교환 유로 (188) 내에 유입되고, 열교환 유로 (188) 를 통과하여 산화제 가스 공급 매니폴드 (163) 로 배출된다. 열교환부 (103) 는, 상측 및 하측에 대해 발전 단위 (102) 에 인접하고 있다. 또, 후술하는 바와 같이, 발전 단위 (102) 에 있어서의 발전 반응은 발열 반응이다. 그 때문에, 산화제 가스 (OG) 가 열교환부 (103) 내의 열교환 유로 (188) 를 통과할 때에, 산화제 가스 (OG) 와 발전 단위 (102) 사이에서 열교환이 실시되고, 산화제 가스 (OG) 의 온도가 상승한다. 또한, 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 는, 각 발전 단위 (102) 의 공기실 (166) 에는 연통하고 있지 않으므로, 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 로부터 각 발전 단위 (102) 의 공기실 (166) 에 산화제 가스 (OG) 가 공급되는 일은 없다. 산화제 가스 공급 매니폴드 (163) 로 배출된 산화제 가스 (OG) 는, 도 4, 도 5, 도 7 및 도 9 에 나타내는 바와 같이, 산화제 가스 공급 매니폴드 (163) 로부터 각 발전 단위 (102) 의 산화제 가스 공급 연통공 (132) 을 통하여, 공기실 (166) 에 공급된다.
또, 도 6, 도 8 및 도 10 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, 열교환부 (103) 를 개재하고 있지만, 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 5, 도 7 및 도 9 에 나타내는 바와 같이, 산화제 가스 배출 연통공 (133) 을 통하여 산화제 가스 배출 매니폴드 (162) 에 배출되고, 추가로 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 외부에 배출된다. 또, 각 발전 단위 (102) 의 연료실 (176) 로부터 배출된 연료 오프 가스 (FOG) 는, 도 6, 도 8 및 도 10 에 나타내는 바와 같이, 연료 가스 배출 연통공 (143) 을 통하여 연료 가스 배출 매니폴드 (172) 에 배출되고, 추가로 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 (도시 생략) 을 통하여 연료 전지 스택 (100) 의 외부에 배출된다.
A-3. 연료 전지 스택 (100) 의 제조 방법 :
도 12 는, 본 실시형태에 있어서의 연료 전지 스택 (100) 의 제조 방법을 나타내는 플로 차트이다. 처음에, 공기극측 프레임 (130) 의 형성 재료인 판상의 마이카 시트 (MS) 의 표면을 연마한다 (S120). 이 연마 공정은, 예를 들어, 마이카 시트 (MS) 를, 표면에 연마 페이퍼가 감긴 2 개의 롤러 사이를 통과시킴으로써 실시된다. 연마 공정에 의해, 마이카 시트 (MS) 의 양측 표면에 있어서의 미세한 요철의 정도가 완화되고, 표면 조도 (Ra) 의 값이 작아진다.
도 13 은, 마이카 시트 (MS) 의 표면 조도 (Ra) 의 측정 결과의 일례를 나타내는 설명도이다. 도 13 에는, 3 개의 마이카 시트 (MS) 의 샘플 (n1 내지 n3) 에 대해, 연마 공정 (도 12 의 S120) 의 전후에서의 표면 조도 (Ra) 의 측정 결과의 일례가 도시되어 있다. 연마 공정 전에는, 모든 샘플에 있어서 표면 조도 (Ra) 는 3.0 (㎛) 보다 크고, 3 개의 샘플의 표면 조도 (Ra) 의 평균값 (AV) 은 3.74 (㎛) 였다. 한편, 연마 공정 후에는, 모든 샘플에 있어서 표면 조도 (Ra) 는 3.0 (㎛) 이하이고, 3 개의 샘플의 표면 조도 (Ra) 의 평균값 (AV) 은 2.33 (㎛) 이었다. 이와 같이, 연마 공정에 의해, 마이카 시트 (MS) 의 표면 조도 (Ra) 는 3.0 (㎛) 이하로 저하된다.
또한, 마이카 시트 (MS) 의 표면 조도 (Ra) 의 정의는, JIS B 0601 : 2013 에 준거하는 것으로 한다. 또, 마이카 시트 (MS) 의 표면 조도 (Ra) 는, JIS B 0633 : 2001 에 준거하여, 촉침식으로 측정된다. 단, 일단, 조립된 연료 전지 스택 (100) 에 포함되는 마이카 시트 (MS) (공기극측 프레임 (130)) 의 표면 조도 (Ra) 를 측정하기 위해서는, 연료 전지 스택 (100) 의 볼트 (22) 에 의한 체결을 해제하여, 마이카 시트 (MS) 를 취출할 필요가 있다. 이 경우에, 마이카 시트 (MS) 단체 (單體) 를 취출할 수 있었던 경우에는, 마이카 시트 (MS) 의 표면 조도 (Ra) 는 촉침식으로 측정된다. 한편, 마이카 시트 (MS) 가 다른 구성 부재 (예를 들어 세퍼레이터 (120) 나 인터커넥터 (150)) 와 고착하여 분리 불가능한 경우에는, 마이카 시트 (MS) 와 당해 다른 구성 부재를 포함하는 단면 화상을 촬상하고, 단면 화상을 해석하여 단면 곡선을 취득하고, 취득된 단면 곡선으로부터 JIS B 0601 : 2013 에 준거하여 마이카 시트 (MS) 의 표면 조도 (Ra) 가 산출된다.
연마 공정 후, 마이카 시트 (MS) 에 대한 열처리를 실행한다 (도 12 의 S130). 본 실시형태에서는, 열처리로서, 마이카 시트 (MS) 를 850 ℃ 의 대기 중에 5 시간 두는 것으로 하였다. 이 열처리는, 주로, 마이카를 시트상으로 형성하기 위한 바인더 (접착제) 를 날림으로써, 바인더에 포함되는 오염 물질을 제거하는 것을 목적으로 하여 실행된다. 열처리에 의해, 마이카 시트 (MS) 내부의 바인더가 날리므로, 마이카 시트 (MS) 의 기공률이 높아진다.
열처리 후, 마이카 시트 (MS) 를 프레스기로 압축한다 (도 12 의 S140). 본 실시형태에서는, 이 압축 공정에 있어서, 마이카 시트 (MS) 에 80 ㎫ 내지 100 ㎫ 정도의 압력이 가해지는 압축 하중을 부여하는 것으로 하였다. 또한, 본 명세서에서는, 연료 전지 스택 (100) 의 볼트 (22) 에 의한 체결 후에 마이카 시트 (MS) (공기극측 프레임 (130)) 에 작용하는 압축 하중 (이하, 「체결시 하중」이라고 한다) 과 구별하기 위해, 이 압축 공정에 있어서 마이카 시트 (MS) 에 부여하는 압축 하중을 「예비하중」이라고도 한다. 본 실시형태에서는, 체결시 하중은, 5 ㎫ 내지 15 ㎫ 정도이다. 즉, 예비하중은, 체결시 하중보다 상당히 큰 값으로 설정되어 있다. 압축 공정에 의해, 마이카 시트 (MS) 의 평탄도가 향상되고, 마이카 시트 (MS) 의 기복 (Pa) 의 값 및 편차가 작아진다. 또한, 압축 공정에 의해, 마이카 시트 (MS) 내부의 기공이 찌부러지고, 기공률이 저하된다. 또한, 압축 공정은, 마이카 시트 (MS) 의 표면 조도 (Ra) 의 값에는 거의 영향을 미치지 않는다.
도 14 는, 마이카 시트 (MS) 의 기복 (Pa) 의 측정 결과의 일례를 나타내는 설명도이다. 도 14 에는, 마이카 시트 (MS) 의 샘플 상에 설정된 5 개의 직선상의 측정 라인 (ML1 내지 ML5) 에 대해, 압축 공정 (도 12 의 S140) 에 있어서 80 ㎫ 의 예비하중을 부여하기 전후에서의 기복 (Pa) 의 측정 결과의 일례가 도시되어 있다. 압축 공정 전에는, 모든 측정 라인 (ML) 에 있어서, 기복 (Pa) 은 1.4 (㎛) 보다 크고, 5 개의 측정 라인 (ML) 의 기복 (Pa) 의 평균값 (AV) 은 1.66 (㎛), 표준 편차 (σ) 는 0.25 였다. 한편, 압축 공정 후에는, 1 개의 측정 라인 (ML2) 을 제외한 모든 측정 라인 (ML) 에 있어서, 기복 (Pa) 은 1.4 (㎛) 이하이고, 5 개의 측정 라인 (ML) 의 기복 (Pa) 의 평균값 (AV) 은 1.38 (㎛), 표준 편차 (σ) 는 0.04 였다. 이와 같이, 마이카 시트 (MS) 에 예비하중을 부여함으로써, 마이카 시트 (MS) 의 기복 (Pa) 의 값이 저하됨과 함께, 기복 (Pa) 의 값의 편차가 대폭 저하된다.
또한, 마이카 시트 (MS) 의 기복 (Pa) 의 정의는, JIS B 0601 : 2013 에 준거하는 것으로 한다. 또, 마이카 시트 (MS) 의 기복 (Pa) 은, JIS B 0633 : 2001 에 준거하여, 촉침식으로 측정된다.
압축 공정 후, 마이카 시트 (MS) 를 비롯한 연료 전지 스택 (100) 의 각 구성 부재를 조립한다 (도 12 의 S150). 이상의 공정에 의해, 상기 서술한 구성의 연료 전지 스택 (100) 이 제조된다.
A-4. 공기극측 프레임 (130) (마이카 시트 (MS)) 의 성능 평가 :
상기 서술한 방법에 의해 제조되는 연료 전지 스택 (100) 에 포함되는 공기극측 프레임 (130) (마이카 시트 (MS)) 의 가스 시일성에 대해, 성능 평가를 실시하였다. 도 15 및 도 16 은, 성능 평가에 사용한 시험 장치 (500) 의 구성을 나타내는 설명도이다. 또, 도 17 은, 성능 평가 결과의 일례를 나타내는 설명도이다.
도 15 및 도 16 에 나타내는 바와 같이, 성능 평가는, 대략 원형의 표면 (514) 을 갖는 제 1 지그 (510) 와, 대략 원형의 표면 (524) 을 갖는 제 2 지그 (520) 를 구비하는 시험 장치 (500) 를 사용하여 실시하였다. 제 1 지그 (510) 의 표면 (514) 에는 개구 (516) 가 형성되어 있고, 당해 개구 (516) 에 가스 유입관 (512) 이 접속되어 있다. 또, 제 2 지그 (520) 의 표면 (524) 에는 개구 (526) 가 형성되어 있고, 당해 개구 (526) 에 가스 배출관 (522) 이 접속되어 있다.
성능 평가에서는, 평면 형상이 링상인 마이카 시트 (MS) 를, 제 1 지그 (510) 의 표면 (514) 과 제 2 지그 (520) 의 표면 (524) 으로 협지함으로써, 마이카 시트 (MS) 의 중공 부분에 공간을 형성하고, 개구 (516) 를 통하여 그 공간에 가스 유입관 (512) 으로부터의 가스를 유입시킴과 함께, 개구 (526) 를 통하여 그 공간으로부터 가스 배출관 (522) 으로 가스를 배출시킨다. 이 때의 가스 유입관 (512) 에 있어서의 가스 유량과 가스 배출관 (522) 에 있어서의 가스 유량을 측정하고, 양자의 차를, 그 공간으로부터 마이카 시트 (MS) 의 표면 또는 내부를 통과하는 리크 경로 (LR) 를 통한 가스의 리크량으로서 산출하였다. 또한, 가스 유입관 (512) 의 가스 유량을 100 ㎖/min 으로 하고, 배압을 10 kPa 로 하였다. 또, 마이카 시트 (MS) 의 둘레 방향에 직교하는 방향을 따른 폭 (시일 폭) 은 5 ㎜ 로 하였다.
도 17 에 나타내는 바와 같이, 성능 평가에는, 연마도 하지 않고 예비하중도 부여하지 않은 타입 1 의 마이카 시트 (MS) 와, 연마했지만 예비하중은 부여하지 않은 타입 2 의 마이카 시트 (MS) 와, 연마도 하고 예비하중도 부여한 타입 3 의 마이카 시트 (MS) 의 각각에 대해, 3 개의 샘플을 사용하고, 마이카 시트 (MS) 에 가해지는 면압을 변화시키면서, 마이카 시트 (MS) 의 단위 길이 (내부 둘레 길이) 당의 리크량 (㎖/min/m) 을 조사하였다. 또한, 타입 1 의 마이카 시트 (MS) 의 표면 조도 (Ra) 는 3.7 (㎛) 이고, 타입 2 및 타입 3 의 마이카 시트 (MS) 의 표면 조도 (Ra) 는 2.3 (㎛) 이었다. 또, 예비하중의 크기는 80 ㎫ 로 하였다.
도 17 에 나타내는 바와 같이, 일반적으로, 마이카 시트 (MS) 에 가해지는 면압이 작을수록, 가스 시일성은 저하되는 경향이 있지만, 면압의 값에 관계없이, 타입 2 의 마이카 시트 (MS) 의 가스 시일성은, 타입 1 의 마이카 시트 (MS) 의 가스 시일성보다 높다. 이것은, 마이카 시트 (MS) 의 연마에 의해 표면 조도 (Ra) 의 값이 작아지고, 마이카 시트 (MS) 의 표면을 통한 가스 리크가 억제되기 때문이라고 생각된다. 또한, 마이카 시트 (MS) 의 연마를 실시함으로써, 샘플 사이에서의 가스 시일성의 편차도 작아지고 있다.
또, 면압의 값에 관계없이, 타입 3 의 마이카 시트 (MS) 의 가스 시일성은, 타입 2 의 마이카 시트 (MS) 의 가스 시일성보다 더욱 높다. 이것은, 마이카 시트 (MS) 에 예비하중을 부여함으로써 기복 (Pa) 의 값이 작아지고, 마이카 시트 (MS) 의 표면을 통한 가스 리크가 억제되기 때문이라고 생각된다. 또, 마이카 시트 (MS) 에 예비하중을 부여함으로써 마이카 시트 (MS) 의 기공률이 저하되고, 마이카 시트 (MS) 의 내부를 통한 가스 리크가 억제되기 때문이라고도 생각된다. 또한, 마이카 시트 (MS) 에 예비하중을 부여함으로써, 샘플 사이에서의 가스 시일성의 편차도 더욱 작아지고 있다.
또한, 마이카 시트 (MS) 는, 압축력을 가한 후에 힘을 해방해도 압축력을 가하기 전의 상태로 돌아오지 않는 특성 (히스테리시스 특성) 을 갖는다. 그 때문에, 일단, 마이카 시트 (MS) 에 예비하중을 가하면, 예비하중을 제거한 후에도, 양호한 기복 (Pa) 의 값을 유지한다. 따라서, 예비하중을 부여한 마이카 시트 (MS) 에 의해 공기극측 프레임 (130) 을 형성하면, 공기극측 프레임 (130) 의 가스 시일성을 향상시킬 수 있다. 도 18 은, 마이카 시트 (MS) 의 히스테리시스 특성을 나타내는 설명도이다. 도 18 에는, 마이카 시트 (MS) 의 압축과 해방을 반복한 경우에 있어서의 리크량 (㎖/min) 의 측정 결과가 도시되어 있다. 도 18 에 나타내는 바와 같이, 마이카 시트 (MS) 의 면압을 증가시키면 (P1) 리크량은 감소하는데, 그 후, 마이카 시트 (MS) 의 면압을 감소시키면 (R1), 리크량은 증가하지만, 그 증가의 기울기는 전회의 면압 증가시 (P1) 의 기울기보다 완만해진다. 동일하게, 그 후, 마이카 시트 (MS) 의 면압을 증가시키면 (P2), 전회의 면압 감소시 (R1) 의 기울기와 거의 동일한 기울기로 리크량은 감소하는데, 그 후, 마이카 시트 (MS) 의 면압을 감소시키면 (R2), 리크량은 증가하지만, 그 증가의 기울기는 전회의 면압 증가시 (P2) 의 기울기보다 완만해진다. 이와 같이, 마이카 시트 (MS) 는 히스테리시스 특성을 가지고 있기 때문에, 예비하중을 부여한 마이카 시트 (MS) 에 의해 공기극측 프레임 (130) 을 형성하면, 공기극측 프레임 (130) 의 가스 시일성을 향상시킬 수 있다.
또, 마이카 시트 (MS) 의 히스테리시스 특성을 이용함으로써, 연료 전지 스택 (100) 에 포함되는 마이카 시트 (MS) 에 의해 형성된 공기극측 프레임 (130) 이, 예비하중이 부여된 것인지의 여부를 판정할 수 있다. 도 19 는, 마이카 시트 (MS) 에 대한 예비하중의 유무의 판정 방법을 나타내는 설명도이다. 도 19 에는, 마이카 시트 (MS) 의 변형과 압력의 관계가 도시되어 있다. 곡선 (C1) 은, 마이카 시트 (MS) 에 예비하중을 부여하지 않고 제조된 연료 전지 스택 (100) 으로부터 취출된 마이카 시트 (MS) 에 있어서의, 볼트 (22) 부근의 위치에 있어서의 특성 곡선이고, 곡선 (C2) 은, 그러한 마이카 시트 (MS) 에 있어서의, 볼트 (22) 와 볼트 (22) 의 중간 부근의 위치에 있어서의 특성 곡선이다. 또, 곡선 (C3) 은, 마이카 시트 (MS) 에 예비하중이 부여되어 제조된 연료 전지 스택 (100) 으로부터 취출된 마이카 시트 (MS) 에 있어서의, 볼트 (22) 부근의 위치에 있어서의 특성 곡선이고, 곡선 (C4) 은, 그러한 마이카 시트 (MS) 에 있어서의, 볼트 (22) 와 볼트 (22) 의 중간 부근의 위치에 있어서의 특성 곡선이다.
일반적으로, 마이카 시트 (MS) 에 대한 압력을 증가시키면 변형은 커지는 경향이 있지만, 마이카 시트 (MS) 는 히스테리시스 특성을 가지므로, 과거에 경험한 압력의 값을 초과하면, 압력의 증가에 대한 변형의 증가 비율이 급격히 커진다. 이 전환점이, 각 곡선에 있어서의 변곡점에 상당한다.
예비하중이 부여되지 않은 마이카 시트 (MS) 에 대해서는, 체결시 하중이 과거에 경험한 최대의 하중이 된다. 여기서, 마이카 시트 (MS) 의 볼트 (22) 부근의 위치에 있어서의 체결시 하중의 값 (P2) 은, 마이카 시트 (MS) 의 볼트 (22) 와 볼트 (22) 의 중간 부근의 위치에 있어서의 체결시 하중의 값 (P1) 보다 크다. 그 때문에, 곡선 (C1) 의 변곡점에 있어서의 압력 (P2) 은, 곡선 (C2) 의 변곡점에 있어서의 압력 (P1) 보다 크다. 또, 곡선 (C1) 과 곡선 (C2) 은, 변곡점까지의 압축 특성도 서로 상이하다. 따라서, 연료 전지 스택 (100) 으로부터 취출한 마이카 시트 (MS) 에 있어서의 볼트 (22) 부근의 위치와, 볼트 (22) 와 볼트 (22) 의 중간 부근의 위치에서, 변곡점에 있어서의 압력의 값이나 변곡점까지의 압축 특성이 서로 상이하면, 이 마이카 시트 (MS) 는 예비하중이 부여되지 않은 것이라고 판정할 수 있다.
한편, 예비하중이 부여된 마이카 시트 (MS) 에 대해서는, 볼트 (22) 부근의 위치이어도, 볼트 (22) 와 볼트 (22) 의 중간 부근의 위치이어도, 예비하중 (P3) 이 과거에 경험한 최대의 하중이다. 그 때문에, 곡선 (C3) 과 곡선 (C4) 은, 변곡점에 있어서의 압력의 값이 ±20 ％ 의 값 (P3) 이 된다. 또, 곡선 (C3) 과 곡선 (C4) 은, 변곡점까지의 압축 특성도 ±20 ％ 의 값이다. 따라서, 연료 전지 스택 (100) 으로부터 취출한 마이카 시트 (MS) 에 있어서의 볼트 (22) 부근의 위치와, 볼트 (22) 와 볼트 (22) 의 중간 부근의 위치에서, 변곡점에 있어서의 압력의 값이나 변곡점까지의 압축 특성이 서로 ±20 ％ 의 값이면, 이 마이카 시트 (MS) 는 예비하중이 부여된 것이라고 판정할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시형태의 연료 전지 스택 (100) 의 제조 방법은, 마이카 시트 (MS) 를 연마하는 공정을 구비한다. 연마된 마이카 시트 (MS) 에 의해 공기극측 프레임 (130) 을 형성함으로써, 공기극측 프레임 (130) 의 표면 조도 (Ra) 를 3.0 (㎛) 이하로 할 수 있다. 그 때문에, 공기극측 프레임 (130) 의 표면을 통한 공기실 (166) 로부터의 가스의 누설을 효과적으로 억제할 수 있고, 공기극측 프레임 (130) 의 가스 시일성을 향상시킬 수 있다.
또, 본 실시형태의 연료 전지 스택 (100) 의 제조 방법은, 마이카 시트 (MS) 에 예비하중을 부여하는 압축 공정을 구비한다. 마이카 시트 (MS) 는 히스테리시스 특성을 가지므로, 마이카 시트 (MS) 에 예비하중을 부여함으로써, 마이카 시트 (MS) 에 의해 형성되는 공기극측 프레임 (130) 의 기복 (Pa) 의 값이나 기복 (Pa) 의 편차를 저하시킬 수 있다. 구체적으로는, 공기극측 프레임 (130) 의 기복 (Pa) 의 평균값을 1.4 (㎛) 이하로 할 수 있고, 공기극측 프레임 (130) 의 기복 (Pa) 의 표준 편차를 0.2 이하로 할 수 있다. 그 때문에, 공기극측 프레임 (130) 의 기복 (Pa) 의 값이나 기복 (Pa) 의 편차를 억제하고, 공기극측 프레임 (130) 의 표면을 통한 공기실 (166) 로부터의 가스의 누설을 보다 효과적으로 억제할 수 있고, 공기극측 프레임 (130) 의 가스 시일성을 더욱 향상시킬 수 있다. 또한, 공기극측 프레임 (130) 의 기복 (Pa) 의 평균값이나 표준 편차는, 공기극측 프레임 (130) 상에 설정된 임의의 5 개의 측정 라인 (ML) 상에 있어서의 측정 결과로부터 산출하는 것으로 한다.
또, 마이카 시트 (MS) 에 예비하중을 부여함으로써, 마이카 시트 (MS) 에 의해 형성되는 공기극측 프레임 (130) 의 기공률도 저하시킬 수 있으므로, 공기극측 프레임 (130) 의 내부를 통한 공기실 (166) 로부터의 가스의 누설을 보다 효과적으로 억제할 수 있고, 공기극측 프레임 (130) 의 가스 시일성을 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 본 실시형태의 연료 전지 스택 (100) 의 제조 방법에서는, 열처리 공정 후에 압축 공정이 실행된다. 그 때문에, 열처리 공정에 의해 마이카 시트 (MS) 내부의 바인더 등이 분해나 휘발되어 기공률이 높아져도, 그 후에 압축 공정을 실행함으로써 마이카 시트 (MS) 의 기공률을 저하시킬 수 있고, 공기극측 프레임 (130) 의 내부를 통한 공기실 (166) 로부터의 가스의 누설을 보다 효과적으로 억제할 수 있다.
또, 본 실시형태의 연료 전지 스택 (100) 의 제조 방법에서는, 압축 공정에 있어서 마이카 시트 (MS) 에 부여되는 예비하중은, 체결시 하중보다 큰 값으로 설정되어 있다. 그 때문에, 압축 공정을 실시함으로써 공기극측 프레임 (130) 의 기복 (Pa) 의 값이나 기복 (Pa) 의 편차, 기공률을 보다 효과적으로 저하시킬 수 있고, 공기극측 프레임 (130) 의 표면이나 내부를 통한 공기실 (166) 로부터의 가스의 누설을 더욱 효과적으로 억제할 수 있다.
B. 변형예 :
본 명세서에서 개시되는 기술은, 상기 서술한 실시형태에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 일탈하지 않는 범위에 있어서 여러 가지 형태로 변형할 수 있고, 예를 들어 다음과 같은 변형도 가능하다.
상기 실시형태에서는, 공기극측 프레임 (130) (마이카 시트 (MS)) 을 연마함으로써, 공기극측 프레임 (130) 의 표면 조도 (Ra) 를 3.0 (㎛) 이하로 하고 있는데, 다른 제조 방법에 의해 공기극측 프레임 (130) 의 표면 조도 (Ra) 를 3.0 (㎛) 이하로 해도 된다. 어떠한 제조 방법을 채용했다고 해도, 공기극측 프레임 (130) 의 표면 조도 (Ra) 를 3.0 (㎛) 이하로 하면, 공기극측 프레임 (130) 의 표면을 통한 공기실 (166) 로부터의 가스의 누설을 효과적으로 억제할 수 있고, 공기극측 프레임 (130) 의 가스 시일성을 향상시킬 수 있다.
동일하게, 상기 실시형태에서는, 공기극측 프레임 (130) (마이카 시트 (MS)) 에 예비하중을 부여함으로써, 공기극측 프레임 (130) 의 기복 (Pa) 의 표준 편차를 0.2 이하로 하고, 기복 (Pa) 의 평균값을 1.4 (㎛) 이하로 하고 있는데, 다른 제조 방법에 의해 공기극측 프레임 (130) 의 기복 (Pa) 의 표준 편차를 0.2 이하로 하고, 기복 (Pa) 의 평균값을 1.4 (㎛) 이하로 해도 된다. 어떠한 제조 방법을 채용했다고 해도, 공기극측 프레임 (130) 의 기복 (Pa) 의 표준 편차를 0.2 이하로 하고, 또는 기복 (Pa) 의 평균값을 1.4 (㎛) 이하로 하면, 공기극측 프레임 (130) 의 기복 (Pa) 의 값이나 기복 (Pa) 의 편차를 억제하고, 공기극측 프레임 (130) 의 표면을 통한 공기실 (166) 로부터의 가스의 누설을 보다 효과적으로 억제할 수 있고, 공기극측 프레임 (130) 의 가스 시일성을 더욱 향상시킬 수 있다.
또, 상기 실시형태에서는, 예비하중은 체결시 하중보다 큰 값으로 설정되어 있지만, 예비하중은, 체결시 하중과 동일하거나 체결시 하중보다 작은 값으로 설정되어도 된다. 단, 예비하중을 체결시 하중보다 큰 값으로 설정하면, 공기극측 프레임 (130) 의 기복 (Pa) 의 값이나 기복 (Pa) 의 편차, 기공률을 보다 효과적으로 저하시킬 수 있으므로, 바람직하다.
또, 상기 실시형태에서는, 마이카 시트 (MS) 에 대한 열처리가 실행되고 있지만, 열처리는 반드시 실행될 필요는 없다.
또한, 상기 실시형태에서는, 공기극측 프레임 (130) 의 형성 재료로서, 마이카가 사용되고 있지만, 마이카 대신에, 버미큘라이트, 서미큘라이트, 알루미나 펠트 등의 다른 재료가 사용되어도 된다.
또, 상기 실시형태에서는, 공기실 (166) 을 시일하는 공기극측 프레임 (130) 의 표면 조도 (Ra) 나 기복 (Pa), 공기극측 프레임 (130) 을 형성할 때의 연마나 예비하중에 대해 설명했지만, 연료실 (176) 의 시일이 연료극측 프레임 (140) 에 의한 컴프레션 시일에 의해 실현되고 있는 경우에는, 공기극측 프레임 (130) 에 추가하여, 혹은 공기극측 프레임 (130) 대신에, 연료극측 프레임 (140) 의 표면 조도 (Ra) 나 기복 (Pa), 연료극측 프레임 (140) 을 형성할 때의 연마나 예비하중에 대해 상기 실시형태와 동일한 구성 및 제조 방법을 채용하면, 연료극측 프레임 (140) 에 의한 연료실 (176) 의 가스 시일성을 향상시킬 수 있다. 또한, 공기극측 프레임 (130) 이나 연료극측 프레임 (140) 과는 별도로, 시일 부재를 형성하고, 그 시일 부재의 표면 조도 (Ra) 나 기복 (Pa), 연마나 예비하중에 대해 상기 실시형태와 동일한 구성 및 제조 방법을 채용한다고 해도 된다. 또, 시일 부재에 의한 가스 시일성의 향상을 위해, 시일 부재 (예를 들어, 공기극측 프레임 (130)) 를 협지하는 2 개의 부재 (예를 들어, 세퍼레이터 (120) 및 인터커넥터 (150)) 의 표면은, 극단적인 요철이 없고, 평면에 가까운 것이 바람직하다. 예를 들어, 시일 부재를 협지하는 2 개의 부재의 표면의 표면 조도 (Ra) 는, 2.0 ㎛ 이하인 것이 바람직하고, 1.0 ㎛ 이하인 것이 보다 바람직하고, 0.5 ㎛ 이하인 것이 더욱 바람직하다. 또한, 시일 부재를 협지하는 2 개의 부재의 표면의 표면 조도 (Ra) 는, 상기 서술한 시일 부재의 표면 조도 (Ra) 와 동일하게, JIS B 0601 : 2013 에 준거하여 측정할 수 있다.
또, 상기 실시형태에 있어서, 연료 전지 스택 (100) 에 포함되는 발전 단위 (102) 의 개수는, 어디까지나 일례이며, 발전 단위 (102) 의 개수는 연료 전지 스택 (100) 에 요구되는 출력 전압 등에 따라 적절히 결정된다.
또, 상기 실시형태에 있어서, 연료 전지 스택 (100) 의 배열 방향에 있어서의 열교환부 (103) 의 위치는 어디까지나 일례이며, 열교환부 (103) 의 위치는 임의의 위치로 변경 가능하다. 단, 열교환부 (103) 의 위치는, 연료 전지 스택 (100) 에 포함되는 복수의 발전 단위 (102) 중, 보다 고온이 되는 발전 단위 (102) 에 인접하는 위치인 것이, 연료 전지 스택 (100) 의 배열 방향에 있어서의 열분포의 완화를 위해서 바람직하다. 예를 들어, 연료 전지 스택 (100) 의 배열 방향 중앙 부근의 발전 단위 (102) 가 보다 고온이 되기 쉬운 경우에는, 상기 실시형태와 같이, 연료 전지 스택 (100) 의 배열 방향 중앙 부근에 열교환부 (103) 를 형성하는 것이 바람직하다. 또, 연료 전지 스택 (100) 이 2 개 이상의 열교환부 (103) 를 구비하고 있어도 된다.
또, 상기 실시형태에서는, 열교환부 (103) 가 산화제 가스 (OG) 의 온도를 상승시키도록 구성되어 있지만, 열교환부 (103) 가, 산화제 가스 (OG) 대신에 연료 가스 (FG) 의 온도를 상승시키도록 구성되어도 되고, 산화제 가스 (OG) 와 함께 연료 가스 (FG) 의 온도를 상승시키도록 구성되어도 된다.
또, 상기 실시형태에서는, 볼트 (22) 의 양측에 너트 (24) 가 끼워져 있다고 되어 있는데, 볼트 (22) 가 헤드부를 가지며, 너트 (24) 는 볼트 (22) 의 헤드부의 반대측에만 끼워져 있다고 해도 된다.
또, 상기 실시형태에서는, 엔드 플레이트 (104, 106) 가 출력 단자로서 기능한다고 되어 있는데, 엔드 플레이트 (104, 106) 대신에, 엔드 플레이트 (104, 106) 의 각각과 접속된 별도의 부재 (예를 들어, 엔드 플레이트 (104, 106) 의 각각과 발전 단위 (102) 사이에 배치된 도전판) 가 출력 단자로서 기능한다고 해도 된다.
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.
또한, 상기 실시형태에서는, 2 개의 발전 단위 (102) 가 인접하여 배치되어 있는 경우에는, 1 개의 인터커넥터 (150) 가 인접하는 2 개의 발전 단위 (102) 에 공유된다고 하고 있는데, 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 있는데, 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 부재이어도 된다. 또, 공기극측 프레임 (130) 이 아니고 연료극측 프레임 (140) 이 절연체이어도 된다. 또, 공기극측 프레임 (130) 이나 연료극측 프레임 (140) 은, 다층 구성이어도 된다.
또, 상기 실시형태에 있어서의 각 부재를 형성하는 재료는, 어디까지나 예시이며, 각 부재가 다른 재료에 의해 형성되어도 된다.
또한, 상기 실시형태에 있어서, 도시 가스를 개질하여 수소 리치 연료 가스 (FG) 를 얻는다고 되어 있는데, LP 가스나 등유, 메탄올, 가솔린 등의 다른 원료로부터 연료 가스 (FG) 를 얻는다고 해도 되고, 연료 가스 (FG) 로서 순수소를 이용해도 된다.
또, 상기 실시형태에 있어서, 전해질층 (112) 과 공기극 (114) 사이에, 예를 들어 세리아를 포함하는 반응 방지층을 형성하고, 전해질층 (112) 내의 지르코늄 등과 공기극 (114) 내의 스트론튬 등이 반응하는 것에 의한 전해질층 (112) 과 공기극 (114) 사이의 전기 저항의 증대를 억제한다고 해도 된다. 또한, 본 명세서에 있어서, A 를 사이에 두고 B 와 C 가 서로 대향한다는 것은, A 와 B 또는 C 가 인접하는 것을 필요로 하지 않고, A 와 B 또는 C 와의 사이에 다른 구성 요소가 개재되는 형태를 포함한다. 예를 들어, 전해질층 (112) 과 공기극 (114) 사이에 반응 방지층이 형성된 구성이어도, 공기극 (114) 과 연료극 (116) 은 전해질층 (112) 을 사이에 두고 서로 대향한다고 할 수 있다.
또, 상기 실시형태에서는, 고체 산화물형 연료 전지 (SOFC) 를 예로 설명했지만, 본 발명은, 고체 고분자형 연료 전지 (PEFC), 인산형 연료 전지 (PAFC), 용융 탄산염형 연료 전지 (MCFC) 등의 다른 타입의 연료 전지에도 적용 가능하다.
22 : 볼트
24 : 너트
26 : 절연 시트
27 : 가스 통로 부재
28 : 본체부
29 : 분기부
100 : 연료 전지 스택
102 : 발전 단위
103 : 열교환부
104 : 엔드 플레이트
106 : 엔드 플레이트
108 : 연통공
110 : 단셀
112 : 전해질층
114 : 공기극
116 : 연료극
120 : 세퍼레이터
121 : 구멍
124 : 접합부
130 : 공기극측 프레임
131 : 구멍
132 : 산화제 가스 공급 연통공
133 : 산화제 가스 배출 연통공
134 : 공기극측 집전체
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
163 : 산화제 가스 공급 매니폴드
166 : 공기실
171 : 연료 가스 도입 매니폴드
172 : 연료 가스 배출 매니폴드
176 : 연료실
182 : 구멍
184 : 연통공
186 : 연통공
188 : 열교환 유로
500 : 시험 장치
510 : 지그
512 : 가스 유입관
514 : 표면
516 : 개구
520 : 지그
522 : 가스 배출관
524 : 표면
526 : 개구

Claims (6)

  1. 제 1 방향으로 나란히 배치된 복수의 발전 단위와, 상기 제 1 방향으로 연장되는 복수의 체결 부재를 구비하고, 상기 복수의 체결 부재로 체결된 연료 전지 스택에 있어서,
    각 상기 발전 단위는,
    전해질층과 상기 전해질층을 사이에 두고 상기 제 1 방향으로 서로 대향하는 공기극 및 연료극을 포함하는 단셀과,
    상기 연료극에 면하는 연료실과 상기 공기극에 면하는 공기실의 일방을 구성하는 관통공이 형성되고, 상기 제 1 방향에 있어서 다른 2 개의 부재에 협지됨으로써 상기 연료실과 상기 공기실의 상기 일방을 시일하는 시일 부재를 포함하고,
    적어도 1 개의 상기 발전 단위에 포함되는 상기 시일 부재의 상기 다른 2 개의 부재 중의 어느 하나와 대향하는 표면에 있어서의 표면 조도 (Ra) 는, 3.0 ㎛ 이하로서,
    상기 시일 부재는 히스테리시스 특성을 가지며,　상기 시일 부재에 주어지는 압력 값과 상기 시일 부재에 발생하는 변형과의 관계를 나타내는 곡선의 변곡점에 관해, 상기 시일 부재 중, 상기 복수의 체결 부재 중의 하나의 체결 부재 부근의 위치에 있어서의 상기 변곡점의 상기 압력 값과 상기 하나의 체결 부재와 서로 이웃하는 다른 상기 체결 부재와의 중간 부근의 위치에 있어서의 상기 변곡점의 상기 압력 값은 ±20% 의 값인 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택.
  2. 제 1 항에 있어서,
    적어도 1 개의 상기 발전 단위에 포함되는 상기 시일 부재의 상기 다른 2 개의 부재 중의 어느 하나와 대향하는 표면에 있어서의 기복 (Pa) 의 표준 편차는, 0.2 이하인 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 시일 부재의 상기 다른 2 개의 부재 중의 어느 하나와 대향하는 표면에 있어서의 기복 (Pa) 의 평균값은, 1.4 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택.
  4. 전해질층과 상기 전해질층을 사이에 두고 제 1 방향으로 서로 대향하는 공기극 및 연료극을 포함하는 단셀과, 상기 연료극에 면하는 연료실과 상기 공기극에 면하는 공기실의 일방을 구성하는 관통공이 형성되고, 상기 제 1 방향에 있어서 다른 2 개의 부재에 협지됨으로써 상기 연료실과 상기 공기실의 상기 일방을 시일하는 시일 부재가, 상기 제 1 방향으로 나란히 배치되고, 상기 제 1 방향을 따라 연장되는 복수의 체결 부재로 체결된 연료 전지 스택의 제조 방법으로서,
    히스테리시스 특성을 가지는 상기 시일 부재에 상기 제 1 방향을 따른 압축 하중을 가하는 압축 공정과,
    상기 압축 공정 후에, 복수의 상기 단셀과 복수의 상기 시일 부재를 상기 복수의 체결 부재로 체결하는 조립 공정을 구비하고,
    상기 압축 공정에 있어서의 압축 하중은 제조된 상기 연료전지 스택을 구성하는 상기 시일 부재에 주어지는 압력 값과 상기 시일 부재에 발생하는 변형과의 관계를 나타내는 곡선의 변곡점에 관한 것으로 상기 시일 부재 중, 상기 복수의 체결 부재 중의 하나의 체결 부재 부근의 위치에 있어서의 상기 변곡점의 상기 압력 값과 상기 하나의 체결 부재와 서로 이웃하는 다른 상기 체결 부재와의 중간 부근의 위치에 있어서의 상기 변곡점의 상기 압력 값이 ±20% 의 값이 되는 압축 하중인 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택의 제조 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    추가로 상기 압축 공정 전에, 상기 시일 부재를 가열하는 열처리 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택의 제조 방법.
  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 압축 공정에 있어서의 상기 시일 부재의 단위 면적당의 상기 압축 하중의 값은, 상기 조립 공정의 완료시에 있어서 복수의 상기 체결 부재에 의한 상기 연료 전지 스택의 체결에 의해 상기 시일 부재에 작용하는 단위 면적당의 하중의 값보다 큰 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택의 제조 방법.
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