KR102133161B1 - 연료 전지 스택 - Google Patents

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히로아키 야기
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Abstract

연료 전지 스택에 있어서의 전력 취출 구조에 있어서, 전압 로스를 저감시켜, 연료 전지 스택의 성능을 높일 수 있는 연료 전지 스택을 제공하는 것. 연료 전지 스택 (1) 에서는, 집전판 (9) 의 돌출부 (67) 와 제 2 출력 단자 (15) 가 전기적으로 접속되는 접속 영역 SR 은, 일방의 관통공 (10c) 의 외주에 접하는 제 1 의 접하는 선 L1 과, 타방의 관통공 (10d) 의 외주에 접하는 제 2 의 접하는 선 L2 의 사이의 띠 형상의 범위 (즉 접속 가능 범위 SKH) 내에 형성되어 있다. 따라서, 연료 전지 스택 (1) 에서 발전된 전력 (전류) 은, 관통공 (10) 에 의해 그 흐름이 방해를 잘 받지 않기 때문에, 집전판 (9) 의 집전부 (65) 로부터 돌출부 (67) 를 개재하여 제 2 출력 단자 (15) 에 공급되기 쉽다. 따라서, 전압 로스가 적어, 연료 전지 스택 (1) 의 성능을 향상시킨다.

Description

연료 전지 스택{FUEL CELL STACK}
본 발명은, 고체 전해질에 공기극 및 연료극을 갖는 연료 전지 단셀을 복수 구비한 연료 전지 스택에 관한 것이다.
종래 연료 전지로서, 예를 들어 고체 전해질 (고체 산화물) 을 사용한 고체 산화물형 연료 전지 (SOFC) 가 알려져 있다.
이 고체 산화물형 연료 전지에서는, 예를 들어 평판상의 고체 전해질의 일방의 측에 연료 가스에 접하는 평판상의 연료극을 형성함과 함께, 타방의 측에 산화제 가스 (예를 들어 공기) 와 접하는 평판상의 산화제극 (공기극) 을 형성한 평판형의 연료 전지 단셀이 사용되고 있다.
또한, 최근에는 원하는 전압을 얻기 위해서, 복수의 연료 전지 단셀을 인터커넥터 및 집전체를 개재하여 적층한 연료 전지 스택이 개발되고 있다.
이런 종류의 연료 전지 스택에서는, 연료 전지 단셀의 적층 방향에 있어서의 양단에, 도전성을 갖는 엔드 플레이트를 배치하고, 이들 엔드 플레이트를 연료 전지 스택의 정극과 부극으로서 전력을 취출하는 구조가 제안되어 있다.
이와 같은 연료 전지 스택의 전력 취출 구조로서, 연료 전지 스택을 구성하는 각 부재를 체결하는 체결 볼트에 의해 출력 부재를 면접촉시켜 전력을 취출하는 것, 체결 볼트의 위치에 있어서, 엔드 플레이트와 일체화된 출력 부재에 의해 전력을 취출하는 것이 개시되어 있다 (특허문헌 1 참조).
또, 이와는 별도로, 연료 전지 스택과 각종 보조기 (BOP) 의 사이의 쇼트를 방지하기 위해서, 연료 전지 단셀 등의 적층 부분 (스택 본체) 과 엔드 플레이트를 전기적으로 절연하는 기술이 제안되어 있다 (특허문헌 2 참조).
이 기술에서는, 스택 본체와 엔드 플레이트의 사이에, 마이카 등으로 이루어지는 절연 플레이트를 배치하여, 전기적으로 절연하도록 하고 있다. 또, 스택 본체로부터 전력을 취출하기 위해서, 절연 플레이트의 내측 (스택 본체측) 에 집전판을 배치하고 있다. 또한, 이 집전판에는, 외부의 출력 단자와 접속하기 위해서, 연료 전지 스택의 측면에서 외주측으로 돌출되는 돌출부가 형성되어 있다.
일본 공개특허공보 2011-76890호 국제 공개 제2006/009277호
그러나, 상기 서술한 종래 기술에서는, 출력 부재의 구성에 대한 검토가 충분하지 않아, 전력을 외부로 취출할 때에 전압 로스가 발생하는 경우가 있었다.
요컨대, 출력 부재의 배치나 형상 등의 구성에 따라서는 전압 로스가 커지는 경우가 있고, 그 경우에는 연료 전지 스택의 성능이 저하된다는 문제가 있었다.
본 발명은, 이와 같은 문제을 감안하여 이루어진 것으로, 연료 전지 스택에 있어서의 전력 취출 구조에 있어서, 전압 로스를 저감시켜, 연료 전지 스택의 성능을 높일 수 있는 연료 전지 스택을 제공하는 것을 목적으로 한다.
(1) 본 발명의 제 1 양태는, 연료극과 공기극과 고체 전해질을 갖는 연료 전지 단셀을 구비한 발전 단위와, 상기 연료 전지 단셀에 의해 발전된 전력을 집전체를 개재하여 집전하는 집전판를 구비하고, 상기 발전 단위가 복수 개 연속하여 배치되고, 또한 상기 발전 단위가 연속하는 제 1 방향에 상기 집전판이 배치된 연료 전지 스택에 있어서, 상기 제 1 방향에서 보았을 경우에, 상기 집전판은, 상기 발전 단위가 중첩되는 영역에 배치된 집전부와, 상기 집전부로부터 돌출되는 돌출부를 구비하고 있고, 상기 집전부는, 상기 집전체가 배치된 집전 에어리어와, 이웃하는 제 1 관통공 및 제 2 관통공을 포함하는 복수의 관통공을 갖고, 상기 돌출부는, 상기 연료 전지 스택에서 발전된 전기를 그 연료 전지 스택 외부로 출력하는 출력 단자가 전기적으로 접속되어 있는 접속 영역을 갖고, 상기 접속 영역은, 상기 제 1 관통공의 도심 (圖心) 과 상기 제 2 관통공의 도심을 연결하는 선분에 수직으로 교차하고 상기 제 1 관통공의 외주에 접하는 제 1 의 접하는 선과, 상기 선분에 수직으로 교차하고 상기 제 2 관통공의 외주에 접하는 제 2 의 접하는 선의 사이에 존재한다.
본 제 1 양태에서는, 집전판의 집전부는, 집전체가 배치된 집전 에어리어와, 이웃하는 제 1 관통공 및 제 2 관통공을 포함하는 복수의 관통공을 갖고 있다. 또, 돌출부는, 연료 전지 스택에서 발전된 전기를 연료 전지 스택 외부로 출력하는 출력 단자가 전기적으로 접속되어 있는 접속 영역을 갖고 있다.
이 접속 영역은, 제 1 관통공의 도심과 제 2 관통공의 도심을 연결하는 선분에 수직으로 교차하고 제 1 관통공의 외주에 접하는 제 1 의 접하는 선과, 상기 선분에 수직으로 교차하고 제 2 관통공의 외주에 접하는 제 2 의 접하는 선의 사이에 존재한다.
요컨대, 본 제 1 양태에서는, 돌출부와 출력 단자가 전기적으로 접속되는 접속 영역은, 제 1 관통공의 외주에 접하는 제 1 의 접하는 선과, 제 2 관통공의 외주에 접하는 제 2 의 접하는 선의 사이의 범위 (즉 후술하는 접속 가능 범위) 내에 형성되어 있다. 즉, 접속 영역은, 집전 에어리어와 접속 영역의 사이의 전류의 흐름이, 관통공에 의해 방해를 잘 받지 않게 설정되어 있다.
이와 같이, 본 제 1 양태에서는, 연료 전지 스택에서 발전된 전력 (따라서 전류) 은, 관통공에 의해 그 흐름이 방해를 잘 받지 않기 때문에, 집전판의 집전부로부터 효율적으로 출력 단자에 공급된다. 따라서, 전압 로스가 적어, 연료 전지 스택의 성능을 향상시킬 수 있다는 현저한 효과를 발휘한다.
또, 상기 서술한 바와 같이 설정된 접속 영역을 갖는 돌출부는, 컴팩트하게 구성할 수 있으므로, 발전 단위가 연속하여 배치된 부분 (예를 들어 스택 본체) 으로부터의 열전달을 억제할 수 있다는 이점이 있다.
(2) 본 발명의 제 2 양태에서는, 상기 출력 단자는, 상기 집전판보다 전기 저항이 작은 부재로 형성되어 있다.
집전판보다 저저항의 출력 단자가 접속되어 있는 경우에는, 그 접속 지점을 향해 전류가 흐른다. 본 제 2 양태에서는, 출력 단자의 전기 저항이 집전판의 전기 저항보다 작기 (전기 저항이 낮기) 때문에, 전압 로스가 적어, 연료 전지 스택의 성능이 향상된다.
(3) 본 발명의 제 3 양태에서는, 상기 제 1 방향에서 보았을 경우에, 상기 접속 영역의 전체가, 상기 제 1 의 접하는 선과 상기 제 2 의 접하는 선의 사이에 배치되어 있다.
본 제 3 양태에서는, 접속 영역의 전체가, 제 1 의 접하는 선과 제 2 의 접하는 선의 사이에 배치되어 있으므로, 보다 집전부로부터 출력 단자로 전류가 흐르기 쉽다. 따라서, 전압 로스가 적어, 연료 전지 스택의 성능을 향상시킬 수 있다.
(4) 본 발명의 제 4 양태에서는, 상기 제 1 방향에서 보았을 경우에, 상기 돌출부는, 돌출 방향의 선단측보다 근원측의 폭이 크다.
본 제 4 양태에서는, 돌출부는, 돌출 방향의 선단측보다 근원측의 폭이 크기 때문에, 집전부로부터 돌출부로 전류가 흐르기 쉽다. 나아가서는, 출력 단자로 전류가 흐르기 쉽다. 또, 돌출부의 근원측의 강도가 커서, 잘 파손되지 않는다는 이점이 있다.
(5) 본 발명의 제 5 양태에서는, 상기 제 1 방향에서 보았을 경우에, 상기 돌출부의 폭은, 상기 근원측을 향해 점차 넓어져 있다.
본 제 5 양태에서는, 돌출부는, 돌출부의 폭은 근원측을 향해 점차 넓어져 있으므로, 집전부로부터 돌출부로 전류가 흐르기 쉽다. 나아가서는, 출력 단자로 전류가 흐르기 쉽다. 또, 돌출부의 근원측의 강도가 보다 커서, 한층 잘 파손되지 않는다는 이점이 있다.
＜다음으로, 본 발명의 연료 전지 스택의 각 구성에 대하여 설명한다＞
·상기 도심이란, 평면 도형에 있어서의 무게 중심 (면적 중심) 을 의미한다.
·집전판의 재료로는, 스테인리스, 니켈, 니켈 합금 등을 채용할 수 있다.
·출력 단자의 재료로는, 스테인리스, 니켈, 니켈 합금 등을 채용할 수 있다.
·연료 전지 단셀 및 발전 단위로는, 평판 형상, 편평 형상 등 스택화할 수 있는 것 (즉 중첩되도록 배치할 수 있는 것) 이면, 특별히 한정은 없다.
·발전 단위는, 연료 전지 단셀을 사용하여 발전을 실시하는 기본 단위이다. 이 발전 단위로는, 연료 전지 단셀에 추가하여, 연료 전지 단셀로부터 전력을 취출하는 구성 (예를 들어 공기극 집전체, 연료극 집전체, 인터커넥터 등) 이나, 산화제 가스 및 연료 가스의 유로를 규정하는 부재 등을 구비한 것을 들 수 있다.
·집전 에어리어로는, 집전체가 단체인 경우에는, 제 1 방향에서 보았을 경우의 집전체의 투영 영역을 들 수 있다. 또, 집전체가 복수인 경우에는, 제 1 방향에서 보았을 경우의 각 집전체의 투영 영역의 외주를 연결하도록 둘러싸는 범위를 들 수 있다. 예를 들어, 모든 집전체의 투영 영역을 외주로부터 끈으로 묶은 것 같은 범위를 들 수 있다.
·관통공이 배치되는 범위로는, 집전 에어리어의 외주를, 예를 들어 환상으로 둘러싸는 범위 (즉 집전판의 프레임상의 외주 가장자리부) 를 들 수 있다.
·접속 영역에 있어서의 출력 단자의 선단 부분의 형상 (제 1 방향에서 본 형상 : 평면에서 봄) 으로는, 장방형의 단변측과 같은 다각형의 형상이나, 매끄러운 원형 등의 형상을 들 수 있다.
·돌출부와 출력 단자를 전기적으로 접속하는 방법으로는, 돌출부와 출력 단자를 볼트 및 너트 등에 의한 고정 부재에 의해 접속하는 방법이나, 돌출부와 출력 단자를 용접 등에 의해 접합하여 접속하는 방법을 들 수 있다.
·연료 전지 스택에 의해 발전을 실시하는 경우의 원료로는, 연료 가스나 산화제 가스를 들 수 있다. 연료 가스란, 연료가 되는 환원제 (예를 들어 수소) 를 포함하는 가스를 나타내고, 산화제 가스란, 산화제 (예를 들어 산소) 를 포함하는 가스 (예를 들어 공기) 를 나타내고 있다.
·연료 전지 스택을 사용하여 발전을 실시하는 경우, 연료극측에 연료 가스를 도입하고, 공기극측에 산화제 가스를 도입한다.
도 1 은 실시예 1 의 연료 전지 스택의 사시도이다.
도 2 는 실시예 1 의 연료 전지 스택의 일부를 분해하여, 적층 방향으로 파단하여 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 3 은 실시예 1 의 연료 전지 스택의 발전 단위를 분해하여 나타내는 사시도이다.
도 4 는 실시예 1 의 인터커넥터의 공기극 집전체가 형성된 표면을 나타내는 평면도이다.
도 5 는 실시예 1 의 연료극 집전체와 그 주요부를 확대하여 나타내는 사시도이다.
도 6(a) 는 실시예 1 의 집전판을 나타내는 평면도, 도 6(b) 는 그 집전판에 제 2 출력 단자가 접속된 상태를 나타내는 설명도이다.
도 7 은 실시예 1 의 연료 전지 스택의 일부에 있어서, 집전판의 돌출부에 제 2 출력 단자가 접속된 상태를 나타내는 정면도이다.
도 8 은 실시예 1 의 집전판의 일부에 있어서, 접속 영역 등의 범위를 평면에서 보고 나타내는 설명도이다.
도 9(a) 는 실시예 2 의 집전판의 일부를 나타내는 평면도, 도 9(b) 는 그 변형예의 일부를 나타내는 평면도, 도 9(c) 는 실시예 3 의 집전판에 접속되는 제 2 출력 단자의 일부를 나타내는 평면도, 도 9(d) 는 그 변형예의 일부를 나타내는 평면도이다.
도 10(a) 는 실시예 4 의 집전판의 일부를 나타내는 평면도, 도 10(b) 는 그 변형예의 일부를 나타내는 평면도이다.
도 11 은 실시예 5 의 연료 전지 스택의 일부를 분해하여, 적층 방향으로 파단하여 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 12 는 실시예 6 의 연료 전지 스택의 일부에 있어서, 집전판의 돌출부에 제 2 출력 단자가 접속된 상태를 나타내는 정면도이다.
도 13 은 그 밖의 연료 전지 스택의 일부를 분해하여, 모식적으로 나타내는 사시도이다.
도 14 는 또 다른 연료 전지 스택의 집전판에 제 2 출력 단자가 접속된 상태를 나타내는 평면도이다.
이하, 본 발명이 적용된 연료 전지 스택으로서, 고체 산화물형 연료 전지 스택을 예로 들어 설명한다.
실시예 1
a) 우선, 본 실시예 1 의 연료 전지 스택의 개략 구성에 대하여 설명한다.
도 1 에 나타내는 바와 같이, 본 실시예 1 의 고체 산화물형 연료 전지 스택 (이하, 간단히 「연료 전지 스택」이라고 칭한다) (1) 은, 연료 가스 (예를 들어 수소) 와 산화제 가스 (예를 들어 공기, 상세하게는 공기 중의 산소) 의 공급을 받아 발전을 실시하는 장치이다.
또한, 도면에 있어서는, 산화제 가스는 「O」로 나타내고, 연료 가스는 「F」로 나타낸다. 또, 「IN」은 가스가 도입되는 것을 나타내고, 「OUT」는 가스가 배출되는 것을 나타낸다. 또한, 연료 전지 스택 (1) 에 있어서 상하란, 편의상, 도 1 및 도 2 에 있어서의 상하 방향을 나타내는 것으로, 연료 전지 스택 (1) 의 방향성을 결정하는 것은 아니다.
본 실시예 1 에 있어서의 연료 전지 스택 (1) 은, 도 1 의 상하 방향 (적층 방향 : 제 1 방향) 의 양단 (즉 상하 양단) 에 배치된 제 1 엔드 플레이트 (3) 및 제 2 엔드 플레이트 (5) 와, 그 사이에 배치된 평판상의 복수 (예를 들어 20 단) 의 발전 단위 (7) 와, 후술하는 집전판 (9) 등이 적층된 연료 전지 스택이다.
상하 양단의 엔드 플레이트 (3, 5) 와 각 발전 단위 (7) 와 집전판 (9) 등에는, 그것들을 적층 방향으로 관통하는 복수 (예를 들어 8 개) 의 관통공 (10) 이 형성되어 있다. 그 관통공 (10) 에 배치된 각 볼트 (11a, 11b, 11c, 11d, 11e, 11f, 11g, 11h (11 로 총칭한다)) 와 각 볼트 (11) 에 나사 결합하는 각 너트 (12) 에 의해, 양 엔드 플레이트 (3, 5) 와 각 발전 단위 (7) 와 집전판 (9) 등이, 절연체 (8) (도 7 참조) 를 개재하여 일체로 고정되어 있다.
또, 볼트 (11) 중 특정 (4 개) 의 볼트 (11b, 11d, 11f, 11h) 에는, 축 방향 (도 1 의 상하 방향) 을 따라, 산화제 가스 또는 연료 가스가 흐르는 내부 유로 (14) 가 형성되어 있다. 또한, 볼트 (11b) 는 연료 가스의 배출에 이용되고, 볼트 (11d) 는 산화제 가스의 배출에 이용되고, 볼트 (11f) 는 연료 가스의 도입에 이용되며, 볼트 (11h) 는 산화제 가스의 도입에 이용된다.
그리고, 연료 전지 스택 (1) 으로부터 전력을 취출하기 위해서, 나중에 상세히 서술하는 바와 같이, 상방의 제 1 엔드 플레이트 (3) 에는 제 1 출력 단자 (13) 가 접속되고, 하방의 집전판 (9) 에는 제 2 출력 단자 (15) 가 접속되어 있다.
또한, 이하에서는, 발전 단위 (7) 가 적층된 부분을 스택 본체 (20) 라고 칭한다.
b) 다음으로, 발전 단위 (7) 등의 구성에 대하여 상세하게 설명한다.
또한, 도 2 ∼ 도 5 에 있어서는, 연료 전지 스택 (1) 의 구성을 알기 쉽도록, 세로·가로의 치수는 적절히 설정해 두고, 각 부재의 개수 등도 적절히 설정해 둔다.
도 2 및 도 3 에 모식적으로 나타내는 바와 같이, 발전 단위 (7) 란, 연료 전지 단셀 (17) 의 두께 방향 (도 2 의 상하 방향) 의 양측에, 인터커넥터 (19a, 19b) (19 로 총칭한다) 등을 구비한 것이다. 또한, 연료 전지 스택 (1) 의 제 2 엔드 플레이트 (5) 측 (도 2 의 하단측) 의 발전 단위 (7) 의 구성은, 다른 발전 단위 (7) 와는 다소 상이하므로, 나중에 상세하게 설명한다.
상세하게는, (하단 이외의) 각 발전 단위 (7) 는, 금속제의 인터커넥터 (19a) 와, 공기극 절연 프레임 (23) 과, 금속제의 세퍼레이터 (25) 와, 금속제의 연료극 프레임 (27) 과, 금속제의 인터커넥터 (19b) 등이 적층된 것이다. 또한, 연료 전지 스택 (1) 에 있어서는, 인접하는 발전 단위 (7) 끼리에서는, 사이에 배치된 인터커넥터 (19) 를 공용으로 하고 있다. 또, 적층된 각 부재 (19, 23 ∼ 27) 에는, 각 볼트 (11) 가 삽입 통과되는 각 관통공 (10) 이 형성되어 있다.
이 중, 세퍼레이터 (25) 에는, 후술하는 바와 같이, 연료 전지 단셀 (17) 이 접합되어 있다. 공기극 절연 프레임 (23) 의 범위 내의 유로 (산화제 가스가 흐르는 공기 유로) (31) 에는, 인터커넥터 (19) 와 일체의 볼록 형상의 공기극 집전체 (33) (도 2 참조) 가 배치되어 있다. 연료극 프레임 (27) 의 범위 내의 유로 (연료 가스가 흐르는 연료 유로) (35) 에는, 연료극 집전체 (37) 가 배치되어 있다.
또한, 연료 전지 스택 (1) 에 있어서는, 인접하는 발전 단위 (7) 는 사이의 인터커넥터 (19) 를 공용으로 하고 있다.
이하, 각 구성에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.
＜인터커넥터 (19)＞
인터커넥터 (19) 는, 도전성을 갖는 판재 (예를 들어 SUS430 등의 스테인리스강 등의 금속판) 로 이루어진다. 이 인터커넥터 (19) 는, 연료 전지 단셀 (17) 간의 도통을 확보하고, 또한 연료 전지 단셀 (17) 간 (따라서 발전 단위 (7) 간) 에서의 가스의 혼합을 방지하는 것이다. 또한, 인터커넥터 (19) 는, 인접하는 연료 전지 단셀 (17) 간에 배치되는 경우에는, 1 장 배치되어 있으면 된다.
이 인터커넥터 (19) 는, 도 4 에 나타내는 바와 같이, 방형 (方形) 의 판재인 판상부 (41) 와, 판상부 (41) 의 일방의 면, 상세하게는 공기극 (55) (도 2 참조) 에 대향하는 면에 형성된 다수의 공기극 집전체 (33) 를 구비하고 있다.
이 공기극 집전체 (33) 는, 블록상 (직방체 형상) 이며, 판상부 (41) 로부터 공기극 (55) 을 향해 돌출되도록, 격자상으로 세로·가로로 복수열 배치되어 있다.
＜공기극 절연 프레임 (23)＞
도 3 으로 돌아와, 공기극 절연 프레임 (23) 은, 전기 절연성을 갖는 프레임프레임상의 판재이며, 연질 마이카로 이루어지는 마이카 프레임이다. 이 공기극 절연 프레임 (23) 에는, (두께 방향에서 본 평면에서 보았을 때) 그 중앙부에, 공기 유로 (31) 를 구성하는 방형의 개구부 (23a) 가 형성되어 있다.
또, 공기극 절연 프레임 (23) 에 있어서, 대향하는 1 쌍의 관통공 (10 (10d, 10h)) 이 형성된 각 변의 프레임 부분에는, 각 관통공 (10) 과 연통하도록, 각각 장척의 연통공 (43d, 43h) 이 형성되어 있다. 또한, 공기극 절연 프레임 (23) 에는, 각 연통공 (43d, 43h) 과 개구부 (23a) 를 연통하도록, 공기가 통과하는 부분 (연통부) 으로서 복수의 홈 (45d, 45h) 이 형성되어 있다.
＜세퍼레이터 (25)＞
세퍼레이터 (25) 는, 사각 프레임상의 도전성을 갖는 판재 (예를 들어 SUS430 등의 스테인리스강 등의 금속판) 이다. 이 세퍼레이터 (25) 에는, 그 중앙부의 방형의 개구부 (25a) 를 따른 내주 가장자리부 (하면측) 에, 연료 전지 단셀 (17) 의 외주 가장자리부 (상면측) 가 브레이징 접합되어 있다. 요컨대, 연료 전지 단셀 (17) 은, 세퍼레이터 (25) 의 개구부 (25a) 를 폐색하도록 접합되어 있다.
＜연료극 프레임 (27)＞
연료극 프레임 (27) 은, 도전성을 갖는 예를 들어 SUS430 등의 스테인리스 등으로 이루어지는 사각 프레임상의 판재이다. 이 연료극 프레임 (27) 에는, (평면에서 보아) 그 중앙부에, 연료 유로 (35) 를 구성하는 방형의 개구부 (27a) 가 형성되어 있다.
또, 연료극 프레임 (27) 에 있어서, 대향하는 1 쌍의 관통공 (10 (10b, 10f)) 은 장공으로 되어 있고, 이 장공과 개구부 (27a) 를 연통하도록, 각 연통공 (57b, 57f) 이 형성되어 있다.
＜연료극 집전체 (37)＞
연료극 집전체 (37) 는, 도 5 에 나타내는 바와 같이, 마이카제의 코어재인 스페이서 (61) 와 도전 부재인 금속제의 도전판 (예를 들어 니켈제의 평판 형상의 박 (箔)) (63) 이 조합된 공지된 격자상의 부재 (예를 들어 일본 공개특허공보 2013-55042호에 기재된 집전 부재 (19) 참조) 이다.
상세하게는, 연료극 집전체 (37) 는, 다수의 장공 (61a) 이 평행하게 뚫린 스페이서 (사다리 마이카) (61) 와, 스페이서 (61) 에 도전판 (63) 자체의 각 접합편 (63a) 이 절곡되어 장착된 도전판 (63) 으로 구성되어 있다.
＜연료 전지 단셀 (17)＞
도 2 로 돌아와, 연료 전지 단셀 (17) 은, 이른바 연료극 지지막형 타입의 구조를 갖고 있으며, 박막의 고체 전해질 (고체 전해질층) (51) 과, 그 일방의 측 (도 2 의 하방) 에 형성된 연료극 (애노드) (53) 과, 타방의 측 (도 2 의 상방) 에 형성된 박막의 공기극 (캐소드) (55) 이 일체로 적층된 것이다.
또, 세퍼레이터 (25) 는, 고체 전해질층 (51) 의 외주 가장자리부의 상면에 접합되어 있으므로, 이 세퍼레이터 (25) 에 의해, 발전 단위 (7) 의 내부에 있어서 산화제 가스와 연료 가스가 혼합되지 않도록, 공기 유로 (31) 와 연료 유로 (35) 가 분리되어 있다.
또한, 연료 전지 단셀 (17) 의 공기극 (55) 측에 공기 유로 (31) 가 형성되고, 연료극 (53) 측에 연료 유로 (35) 가 형성되어 있으며, 공기 유로 (31) 에 있어서의 공기가 흐로는 방향은, 도 2 의 좌우 방향이고, 연료 유로 (35) 에 있어서의 연료 가스가 흐르는 방향은, 지면과 수직 방향이다.
여기서, 연료 전지 단셀 (17) 의 구조에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.
공기극 (55) 은 산화제 가스를 통과할 수 있는 다공질의 층이다.
이 공기극 (55) 을 구성하는 재료로는, 금속, 금속의 산화물, 금속의 복합 산화물을 들 수 있다. 금속으로는, Pt, Au, Ag, Pd, Ir, Ru 등의 금속이나 그것들의 합금을 들 수 있다. 금속의 산화물로는, La, Sr, Ce, Co, Mn, Fe 등의 산화물, 예를 들어 La2O3, SrO, Ce2O3, Co2O3, MnO2, FeO 를 들 수 있다.
복합 산화물로는, La, Pr, Sm, Sr, Ba, Co, Fe, Mn 등을 함유하는 복합 산화물 (La1 - xSrxCoO3 계 복합 산화물, La1 - xSrxFeO3 계 복합 산화물, La1 - xSrxCo1 - yFeyO3 계 복합 산화물, La1 - xSrxMnO3 계 복합 산화물, Pr1 - xBaxCoO3 계 복합 산화물, Sm1 - xSrxCoO3 계 복합 산화물) 등을 사용할 수 있다.
고체 전해질층 (51) 은 고체 산화물로 이루어지는 치밀한 층으로, 연료 전지 스택 (1) 의 운전시 (발전시) 에, 공기극 (55) 에 도입되는 산화제 가스 (산소) 를 이온으로서 이동시킬 수 있는 이온 전도성을 갖는다.
고체 전해질층 (51) 을 구성하는 재료로는, 예를 들어 지르코니아계, 세리아계, 페로브스카이트계의 전해질 재료를 들 수 있다. 지르코니아계 재료에서는, 이트리아 안정화 지르코니아 (YSZ), 스칸디아 안정화 지르코니아 (ScSZ), 및 카르시아 안정화 지르코니아 (CaSZ) 를 들 수 있으며, 일반적으로는 이트리아 안정화 지르코니아 (YSZ) 가 사용되는 예가 많다. 세리아계 재료에서는 이른바 희토류 원소 첨가 세리아가, 페로브스카이트계 재료에서는 란탄 원소를 함유하는 페로브스카이트형 복산화물이 사용된다.
연료극 (53) 은 연료 가스를 통과할 수 있는 다공질의 층이다.
이 연료극 (53) 을 구성하는 재료로는, 예를 들어 Ni 및 Fe 등의 금속과, Sc, Y 등의 희토류 원소 중 적어도 1 종에 의해 안정화된 지르코니아 등의 ZrO2 계 세라믹, CeO 계 세라믹 등의 세라믹의 혼합물을 들 수 있다. 또, Ni 등의 금속, 혹은 Ni 와 상기 세라믹의 서멧이나 Ni 기 합금을 사용할 수 있다.
c) 다음으로, 연료 전지 스택 (1) 의 적층 방향의 단부에 있어서, 연료 전지 스택 (1) 으로부터 전력을 취출하기 위한 구성에 대하여 설명한다.
＜제 1 엔드 플레이트 (3) 측의 구성＞
도 2 에 나타내는 바와 같이, 연료 전지 스택 (1) 의 최상단의 발전 단위 (7) 에 있어서는, 그 상부의 인터커넥터 (19a) 의 상면에는, 평면에서 보아 인터커넥터 (19a) 와 외주 형상이 동일한 평면 형상의 판재인 제 1 엔드 플레이트 (3) 가 배치되어 있다. 또한, 제 1 엔드 플레이트 (3) 는, 인터커넥터 (19) 와 동일한 재료로 이루어진다.
그리고, 상기 도 1 에 나타내는 바와 같이, 제 1 엔드 플레이트 (3) 의 상면에는, 제 1 출력 단자 (＋전극의 출력 단자) (13) 가, 볼트 (60) 에 의해 고정되어 있다.
상세하게는, 제 1 출력 단자 (13) 는, 선단부 (13a) 와 연장부 (13b) 가 수직으로 구부러진 L 자 형상의 판재로, 그 선단부 (13a) 가 볼트 (60) 에 의해 제 1 엔드 플레이트 (3) 에 고정되어 있다.
이 제 1 출력 단자 (13) 는, 인터커넥터 (19a) 및 제 1 엔드 플레이트 (3) 보다 저저항인 재료, 예를 들어 니켈 또는 니켈 합금으로 이루어진다.
이로써, 상단의 인터커넥터 (19a) 및 제 1 엔드 플레이트 (3) 와 제 1 출력 단자 (13) 가 전기적으로 접속되어 있다.
＜제 2 엔드 플레이트 (5) 측의 구성＞
도 2 에 나타내는 바와 같이, 연료 전지 스택 (1) 의 최하단의 발전 단위 (7) 에 있어서는, 연료극 프레임 (27) 및 연료극 집전체 (37) 의 하면에 접하도록, 상기 서술한 인터커넥터 (19b) 대신에 집전판 (9) 이 배치되어 있다.
또, 집전판 (9) 의 하방에는, 단부 절연 플레이트 (64) 가 적층되고, 단부 절연 플레이트 (64) 의 하방에는, 제 2 엔드 플레이트 (5) 가 적층되어 있다.
이 중, 단부 절연 플레이트 (64) 는, 공기극 절연 프레임 (23) 과 동일한 마이카로 이루어지고, 평면에서 보아 인터커넥터 (19) 와 외주 형상이 동일한 평면 형상의 판재이다. 또, 제 2 엔드 플레이트 (5) 는, 제 1 엔드 플레이트 (3) 와 동일한 재료로 이루어지는 동일한 평면 형상의 부재이다.
또, 상기 서술한 집전판 (9) 은, 도 6(a) 에 나타내는 바와 같이, 스택 본체 (20) 의 평면 형상과 동일 형상 (방형) 의 집전부 (65) 와, 집전부 (65) 의 외주 (따라서 평면에서 보아 스택 본체 (20) 의 외주) 에서 외측으로 돌출되는 돌출부 (67) 를 구비하고 있다. 또한, 집전판 (9) 은, 인터커넥터 (19) 와 동일한 재료로 이루어진다.
이 집전부 (65) 중 외주를 구성하는 사각 프레임상의 가장자리부 (69) 에는, 다른 연료극 프레임 (27) 등과 동일하게, 상기 볼트 (11) 가 삽입 통과되는 관통공 (10) 이, 등간격으로 8 개 지점 (즉 가장자리부 (69) 의 네 귀퉁이와 각 변의 중점에 대응하는 위치) 에 형성되어 있다.
요컨대, 집전부 (65) 는, 평면에서 보아, 발전 단위 (7) 가 중첩되는 영역에 배치되어 있고, 집전부 (65) 의 가장자리부 (69) 의 내측에는, 연료극 집전체 (37) 가 배치된 방형의 집전 에어리어 (70) (도 6 의 사선 부분) 가 형성되어 있다.
또, 도 6(b) 에 나타내는 바와 같이, 돌출부 (67) 는, 가장자리부 (69) 의 하나의 변 (우변) 에 대응하는 부분에 있어서, 인접하는 1 쌍의 관통공 (10) (예를 들어 관통공 (10c, 10d)) 이 배치된 가장자리부 (69) 의 외주로부터 외측으로 돌출되도록 형성되어 있다. 즉, 돌출부 (67) 는, 관통공 (10c, 10d) 의 사이의 가장자리부 (69) 의 외주의 우변으로부터, 우변에 대하여 수직으로 외측으로 돌출되도록 형성되어 있다. 또한, 돌출부 (67) 의 선단측에는, 돌출부 관통공 (71) 이 형성되어 있다.
또한, 도 7 에 나타내는 바와 같이, 돌출부 (67) 와 제 2 출력 단자 (15) 는, 볼트 (75) 및 너트 (77) 에 의해 접속되어 있다.
이 제 2 출력 단자 (15) 는, 선단부 (15a) 와 연장부 (15b) 가 수직으로 구부러진 L 자 형상의 판재로, 선단부 (15a) 에는, 돌출부 관통공 (71) 과 동일 형상의 단자 관통공 (73) 이 뚫려 있다. 또한, 제 2 출력 단자 (15) 는, 예를 들어 스테인리스 등의 도전 재료로 이루어진다. 이 제 2 출력 단자 (15) 의 재료로는, 집전판 (9) 보다 전기 저항이 낮은 재료 (예를 들어 니켈 또는 니켈 합금) 를 사용해도 된다.
그리고, 돌출부 (67) 상에 제 2 출력 단자 (15) 의 선단부 (15a) 가 중첩되고, 단자 관통공 (73) 과 돌출부 관통공 (71) 에 볼트 (75) 의 축부 (75a) 가 통과되어, 이 축부 (75a) 에 나사 결합되도록 너트 (77) 가 장착되어 있다. 이로써, 돌출부 (67) 와 제 2 출력 단자 (15) 가 일체로 고정되어, 집전판 (9) 과 제 2 출력 단자 (15) 가 전기적으로 접속되어 있다.
특히 본 실시예 1 에서는, 도 8 에 나타내는 바와 같이, 돌출부 (67) 와 제 2 출력 단자 (15) 의 선단부 (15a) 가 중첩되는 범위 등이 설정되어 있다.
상세하게는, 돌출부 (67) 와 제 2 출력 단자 (15) 가 접촉하여 전기적 접속을 실시하는 부분 (돌출부 관통공 (71) 과 단자 관통공 (73) 을 포함한다) 이, 접속 영역 SR (도 8 의 사선 부분) 로서 설정되어 있다.
이 접속 영역 SR 은, 일방의 관통공 (10c) 의 도심과 타방의 관통공 (10d) 의 도심을 연결하는 선분 SB 에 수직으로 교차하고 일방의 관통공 (10c) 의 외주에 접하는 제 1 의 접하는 선 L1 과, 상기 선분 SB 에 수직으로 교차하고 타방의 관통공 (10d) 의 외주에 접하는 제 2 의 접하는 선 L2 의 사이에 존재하도록 설정되어 있다.
요컨대, 돌출부 (67) 와 제 2 출력 단자 (15) 가 전기적으로 접속되는 접속 영역 SR 은, 일방의 관통공 (10c) 의 외주에 접하는 제 1 의 접하는 선 L1 과, 타방의 관통공 (10d) 의 외주에 접하는 제 2 의 접하는 선 L2 의 사이의 띠 형상의 범위, 즉 평행한 선 L1, L2 의 사이의 접속 가능 범위 SKH 내에 형성되어 있다.
또, 제 2 출력 단자 (15) 의 단변 중 적어도 한 변 (여기서는, 장방형의 단변인 선단부 (15a) 의 선단의 변) 이, 접속 가능 범위 SKH 내에 배치되어 있다.
또한, 접속 영역 SR 의 전체가, 접속 가능 범위 SKH 내에 배치되어 있다.
게다가, 돌출부 (67) 는 평면에서 보아, 돌출 방향의 선단측보다 근원측의 폭이 서서히 커져 있다. 요컨대, 돌출부 (67) 의 근본측의 폭이 선단측의 폭보다 커지도록, 근본측의 폭 방향에 있어서의 양측은, 원호를 그리듯이 완만하게 만곡하여 넓어져 있다. 여기서 폭 방향이란, 제 1 방향에서 보았을 경우의, 돌출부 (67) 가 돌출되는 방향과 수직인 방향이다.
d) 다음으로, 연료 전지 스택 (1) 의 제조 방법에 대하여 간단하게 설명한다.
[각 부재의 제조 공정]
우선, 예를 들어 SUS430 으로 이루어지는 각 판재 (즉 필요한 두께의 각 판재) 를 타발 (打拔) 하여, 양 엔드 플레이트 (3, 5), 집전판 (9), 인터커넥터 (19), 연료극 프레임 (27), 세퍼레이터 (25), 연료극 집전체 (37) 의 도전판 (63) 을 제작하였다.
또한, 인터커넥터 (19) 의 일방의 표면에는, 절삭 가공에 의해 공기극 집전체 (33) 를 형성하였다.
또, 마이카 시트에 대하여, 펀칭 가공 등에 의해 공기극 절연 프레임 (23) 이나 단부 절연 플레이트 (64) 를 제작하였다.
또한, 마이카 시트에 대하여, 펀칭 가공에 의해 스페이서 (61) 를 제작하고, 도전판 (63) 에 커팅을 넣고, 이 도전판 (63) 을 스페이서 (61) 에 장착하여, 연료극 집전체 (37) 를 제작하였다.
[연료 전지 단셀 (17) 의 제조 공정]
연료 전지 단셀 (17) 을 정법 (定法) 에 따라 제조하였다.
구체적으로는, 우선 연료극 (53) 을 형성하기 위해서, 예를 들어 이트리아 안정화 지르코니아 (YSZ) 분말과 산화니켈 분말과 바인더 용액으로 이루어지는 재료를 사용하여, 연료극 페이스트를 제작하였다. 그리고, 이 연료극 페이스트를 사용하여, 주지의 닥터 블레이드법에 의해 연료극 그린 시트를 제작하였다.
또, 고체 전해질층 (51) 을 제작하기 위해서, 예를 들어 YSZ 분말과 바인더 용액으로 이루어지는 재료를 사용하여, 고체 전해질 페이스트를 제작하였다. 그리고, 이 고체 전해질 페이스트를 사용하여, 닥터 블레이드법에 의해 고체 전해질 그린 시트를 제작하였다.
다음으로, 연료극 그린 시트 상에 고체 전해질 그린 시트를 적층하였다. 그리고, 그 적층체를 소정 온도에서 가열하여 소결시켜, 소결 적층체를 형성하였다.
또, 공기극 (55) 을 형성하기 위해서, 예를 들어 La1-xSrxCo1-yFeyO3 분말과 바인더 용액으로 이루어지는 재료를 사용하여, 공기극 페이스트를 제작하였다.
다음으로, 상기 소결 적층체에 있어서의 고체 전해질층 (51) 의 표면에, 공기극 페이스트를 인쇄하였다. 그리고, 그 인쇄한 공기극 페이스트를 소성에 의해 치밀해지지 않도록, 소정 온도에서 소성하여, 공기극 (55) 을 형성하였다.
이로써 연료 전지 단셀 (17) 이 완성되었다. 또한, 연료 전지 단셀 (17) 에는, 세퍼레이터 (25) 에 브레이징하여 고정시켰다.
[연료 전지 스택 (1) 의 제조 공정]
다음으로, 상기 서술한 각 부재를, 상기 도 2 에 나타내는 순서로 조합하여 적층체를 구성하고, 이 적층체의 관통공 (10) 에 볼트 (11) 를 끼워넣음과 함께, 각 볼트 (11) 에 너트 (12) 를 나사 결합시켜 단단히 조이고, 적층체를 압압하여 일체화시켜 고정시켰다.
이로써, 본 실시예 1 의 연료 전지 스택 (1) 이 완성되었다.
e) 다음으로, 본 실시예 1 의 효과에 대하여 설명한다.
본 실시예 1 에서는, 집전판 (9) 의 돌출부 (67) 와 제 2 출력 단자 (15) 가 전기적으로 접속되는 접속 영역 SR 은, 일방의 관통공 (10c) 의 외주에 접하는 제 1 의 접하는 선 L1 과, 타방의 관통공 (10d) 의 외주에 접하는 제 2 의 접하는 선 L2 의 사이의 띠 형상의 범위 (즉 접속 가능 범위 SKH) 내에 형성되어 있다.
따라서, 연료 전지 스택 (1) 에서 발전된 전력 (전류) 은, 관통공 (10) 에 의해 그 흐름이 방해를 잘 받지 않기 때문에 (즉 전기 저항이 낮기 때문에), 집전판 (9) 의 집전부 (65) 로부터 돌출부 (67) 를 개재하여 제 2 출력 단자 (15) 에 공급되기 쉽다. 따라서, 전압 로스가 적어, 연료 전지 스택 (1) 의 성능을 향상시킬 수 있다는 현저한 효과를 발휘한다.
게다가, 상기 서술한 바와 같이 설정된 접속 영역 SR 을 갖는 돌출부 (67) 는, 컴팩트하게 구성할 수 있으므로, 발전 단위 (7) 가 적층된 스택 본체 (20) 로부터의 열전달을 억제할 수 있다는 이점이 있다.
또, 본 실시예 1 에서는, 제 2 출력 단자 (15) 의 선단의 단변이, 접속 가능 범위 SKH 내에 배치되어 있으므로, 집전부 (65) 로부터 돌출부 (67) 를 개재하여 제 2 출력 단자 (15) 의 단변의 주위 (따라서 제 2 출력 단자 (15) 자체) 에 전류가 흐르기 쉽다. 따라서, 전압 로스가 적어, 연료 전지 스택 (1) 의 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 실시예 1 에서는, 접속 영역 SR 의 전체가, 접속 가능 범위 SKH 내에 배치되어 있으므로, 이 점으로부터도 집전부 (65) 로부터 돌출부 (67) 의 접속 영역 SR 로 전류가 흐르기 쉽다. 따라서, 전압 로스가 적어, 연료 전지 스택 (1) 의 성능을 향상시킬 수 있다.
게다가, 본 실시예 1 에서는, 돌출부 (67) 는 평면에서 보아, 돌출 방향의 선단측보다 근원측의 폭이 서서히 커져 있으므로, 한층 집전부 (65) 로부터 돌출부 (67) 로 전류가 흐르기 쉽다. 또, 돌출부 (67) 의 근원측의 강도가 보다 커서, 잘 파손되지 않는다는 이점이 있다.
실시예 2
다음으로, 실시예 2 에 대하여 설명하지만, 상기 실시예 1 과 동일한 내용의 설명은 생략한다.
본 실시예 2 에서는, 집전판의 구성이 실시예 1 과 상이하므로, 상이한 점을 설명한다. 또한, 실시예 1 과 동일한 부재의 번호는 동일한 번호를 사용한다 (이하 동일).
구체적으로는, 본 실시예 2 에서는, 도 9(a) 에 나타내는 바와 같이, 집전판 (81) 은, 집전부 (83) 와 돌출부 (85) 를 구비하고 있고, 그 중에서 돌출부 (85) 의 평면 형상은 사다리꼴이다. 요컨대, 돌출부 (85) 는 선단측보다 근본측의 폭이 서서히 넓어져 있다.
본 실시예 2 에 있어서도, 상기 실시예 1 과 동일한 효과를 발휘한다
또, 이 변형예로서, 도 9(b) 에 나타내는 바와 같이, 돌출부 (87) 의 평면 형상을, 선단측에서 근본측에 걸쳐 일정한 폭의 장방형으로 해도 된다.
실시예 3
다음으로, 실시예 3 에 대하여 설명하지만, 상기 실시예 1 과 동일한 내용의 설명은 생략한다.
본 실시예 3 에서는, 제 2 출력 단자의 구성이 실시예 1 과 상이하므로, 상이한 점을 설명한다.
구체적으로는, 본 실시예 3 에서는, 도 9(c) 에 나타내는 바와 같이, 제 2 출력 단자 (91) 의 선단이 사다리꼴이다.
본 실시예 3 에 있어서도, 상기 실시예 1 과 동일한 효과를 발휘한다.
또, 이 변형예로서, 도 9(d) 에 나타내는 바와 같이, 제 2 출력 단자 (93) 의 선단을 반원형 등의 곡선으로 해도 된다.
실시예 4
다음으로, 실시예 4 에 대하여 설명하지만, 상기 실시예 1 과 동일한 내용의 설명은 생략한다.
본 실시예 4 에서는, 관통공의 평면 형상이 실시예 1 과 상이하므로, 상이한 점을 설명한다.
구체적으로는, 본 실시예 4 에서는, 도 10(a) 에 나타내는 바와 같이, 관통공 (101) 의 평면 형상이 방형 (정방형) 이다.
이 정방형의 관통공 (101) 의 경우라도, 상기 실시예 1 과 동일하게, 제 1 의 접하는 선 L1 과 제 2 의 접하는 선 L2 로부터, 띠 형상의 접속 가능 범위 SKH 를 설정할 수 있다.
또, 이 변형예로서, 도 10(b) 에 나타내는 바와 같이, 관통공 (111) 의 평면 형상을 다른 다각형 (예를 들어 육각형) 으로 해도 된다.
또한, 도시하지 않지만, 관통공이 곡선의 내주를 갖는 관통공이라도, 동일하게 하여 접속 가능 범위 SKH 를 설정할 수 있다.
실시예 5
다음으로, 실시예 5 에 대하여 설명하지만, 상기 실시예 1 과 동일한 내용의 설명은 생략한다.
본 실시예 5 에서는, 실시예 1 의 제 1 엔드 플레이트측의 구성을, 제 2 엔드 플레이트측과 동일한 구성으로 해도 된다.
구체적으로는, 본 실시예 5 에서는, 도 11 에 나타내는 바와 같이, 연료 전지 스택 (121) 의 최상단의 발전 단위 (7) 에 있어서는, 상부의 인터커넥터 (19a) 의 상면에, 실시예 1 과 동일한 집전판 (123) 이 적층되어 있다.
또한, 집전판 (123) 의 상면에는, 실시예 1 과 동일한 단부 절연 플레이트 (125) 가 적층되고, 단부 절연 플레이트 (125) 의 상면에는, 실시예 1 과 동일한 제 1 엔드 플레이트 (127) 가 적층되어 있다.
이 중, 집전판 (123) 은 실시예 1 과 동일하게, (평면에서 보아) 방형의 집전부 (129) 의 외주로부터 돌출부 (131) 가 돌출된 것이다.
또한, 도시하지 않지만, 이 돌출부 (131) 에, 제 2 출력 단자 (15) 와 동일하게 하여 제 1 출력 단자 (13) 가 접속된다.
실시예 6
다음으로, 실시예 6 에 대하여 설명하지만, 상기 실시예 1 과 동일한 내용의 설명은 생략한다.
본 실시예 6 에서는, 연료 전지 스택의 적층 방향에 있어서의 단부의 구성이 실시예 1 과 상이하므로, 상이한 점을 설명한다.
구체적으로는, 본 실시예 6 에서는, 도 12 에 나타내는 바와 같이, 연료 전지 스택 (141) 의 하단측에 있어서, 실시예 1 의 제 2 엔드 플레이트를 생략하고, 집전판 (143) 을 제 2 엔드 플레이트로서 사용한다.
이 경우에는, 집전판 (143) 의 두께를, 제 2 엔드 플레이트로서 충분한 강도를 갖는 두께 (예를 들어 제 2 엔드 플레이트의 두께 이상) 로 하는 것이 바람직하다.
또한, 여기서는 실시예 1 과 동일하게, 절연체 (8) 를 개재하여, 볼트 (11) 및 너트 (12) 에 의해 집전판 (143) 을 직접 단단히 조일 수 있다.
또, 본 실시예 6 의 변형예로서, 실시예 1 의 제 1 엔드 플레이트를 생략해도 된다. 요컨대, 도 2 의 상단에 위치하는 발전 단위 (7) 의 상부의 인터커넥터 (19a) 를 제 1 엔드 플레이트로서 사용하고, 그 인터커넥터 (19a) 에 제 1 출력 단자 (13) 를 장착해도 된다. 그 경우는, 인터커넥터 (19a) 의 두께를, 충분한 강도를 갖는 두께 (예를 들어 제 1 엔드 플레이트의 두께 이상) 로 하는 것이 바람직하다.
마찬가지로, 상기 실시예 5 에 있어서, 제 1 엔드 플레이트 및 단부 절연 플레이트를 생략하고, 상단의 인터커넥터를 제 1 엔드 플레이트로서 사용해도 된다.
이상, 본 발명의 실시예들에 대해서 설명했는데, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것은 아니고, 다양한 양태를 취할 수 있다.
(1) 예를 들어, 본 발명은, 상기 각 실시예와 같은 판상의 발전 단위가 아니라, 도 13 에 나타내는 바와 같이, 내부에 가스 유로 (151) 가 형성된 편평 통 형상의 발전 단위 (153) 를 복수 배열한 연료 전지 스택 (155) 등에도 적용할 수 있다.
구체적으로는, 편평 통 형상의 복수의 발전 단위 (153) 를, 그 두께 방향으로 나열하여 배치하고, 그 배치 방향의 양단에, 집전판을 겸하는 엔드 플레이트 (157) 를 배치한 연료 전지 스택 (155) 을 들 수 있다. 이 경우에는, 엔드 플레이트 (157) 에, 상기 각 실시예와 동일하게, 집전부 (159) 에서 (관통공 (161) 의 사이의 위치에서) 외주측으로 돌출되는 돌출부 (163) 를 형성하면 된다.
(2) 또, 도 14 에 나타내는 바와 같이, 평면에서 보아, 집전판 (171) 에, 실시예 1 의 돌출부 (67) 보다 폭 (도 14 의 상하 방향의 치수) 이 넓은 돌출부 (173) 를 형성해도 된다. 예를 들어, 돌출부 (173) 의 폭으로서 집전판 (171) 의 폭보다 좁고 집전 에어리어 (70) 의 폭보다 넓은 치수로 설정해도 된다.
(3) 또, 돌출부는, 그 전체가 접속 가능 범위에 있는 것이 바람직하지만, 일부가 접속 가능 범위 외에 있어도 된다. 예를 들어, 돌출부의 근원측의 폭이 넓은 경우에는, 근원측의 일부가 접속 가능 범위 외로 넓어져 있어도 된다.
(4) 상기 각 실시예에서는, 인터커넥터와 공기극 집전체는 일체의 구성이지만, 인터커넥터와 공기극 집전체를 별체의 부재로 구성하고, 그것들을 브레이징재 등에 의해 접합해도 된다. 예를 들어 평판상의 인터커넥터의 일방의 표면에, 블록상이나 길이가 긴 집전체를 접합해도 된다.
(5) 연료극 집전체로는, 상기 각 실시예의 구성 이외에, 좌굴되지 않는 다공질 금속 등의 재료 등 이미 알려진 집전체를 사용해도 된다.
(6) 또한, 각 실시예의 구성을 적절히 다른 실시예에 적용하여 조합해도 된다.
1, 121, 141, 155…연료 전지 스택
3, 5, 127, 157…엔드 플레이트
7, 153…발전 단위
9, 81, 123, 143, 171…집전판
10, 10c, 10d, 101, 111, 161…관통공
17…연료 전지 단셀
13, 15, 91, 93…출력 단자
19, 19a, 19b, 125…인터커넥터
33…공기극 집전체
37…연료극 집전체
51…고체 전해질층
53…연료극
55…공기극
65, 83, 129, 159…집전부
67, 85, 87, 131, 163, 173…돌출부
70…집전 에어리어
SR…접속 영역

Claims (5)

  1. 연료극과 공기극과 고체 전해질을 갖는 연료 전지 단셀을 구비한 발전 단위와,
    상기 연료 전지 단셀에 의해 발전된 전력을 집전체를 개재하여 집전하는 집전판를 구비하고,
    상기 발전 단위가 복수 개 연속하여 배치되고, 또한 상기 발전 단위가 연속하는 제 1 방향에 상기 집전판이 배치된 연료 전지 스택에 있어서,
    상기 연료 전지 스택은 고체 산화물형 연료 전지 스택이며,
    상기 제 1 방향에서 보았을 경우에,
    상기 집전판은, 상기 발전 단위가 중첩되는 영역에 배치된 집전부와, 상기 집전부로부터 돌출되는 돌출부를 구비하고 있고,
    상기 집전부는, 상기 집전체가 배치된 집전 에어리어와, 이웃하는 제 1 관통공 및 제 2 관통공을 포함하는 복수의 관통공을 갖고,
    상기 돌출부는, 상기 연료 전지 스택에서 발전된 전기를 그 연료 전지 스택 외부로 출력하는 판상의 출력 단자가 전기적으로 접속되어 있는 접속 영역을 갖고,
    상기 접속 영역은, 면적을 갖는 상기 제 1 관통공의 도심과 상기 제 2 관통공의 도심을 연결하는 선분에 수직으로 교차하고 상기 제 1 관통공의 외주에 접하는 제 1 의 접하는 선과, 상기 선분에 수직으로 교차하고 상기 제 2 관통공의 외주에 접하는 제 2 의 접하는 선의 사이에 존재하고,
    상기 집전 에어리어와 상기 접속 영역의 사이에 있어서, 상기 제 1 의 접하는 선과 상기 제 2 의 접하는 선의 사이에 관통공을 갖지 않고,
    상기 돌출부와 상기 출력 단자는 서로 중첩된 상태에서 상기 접속 영역인 면에서 접촉하고 있고,
    상기 돌출부의 폭은 상기 집전판의 폭보다 좁고 상기 집전 에어리어의 폭보다 넓은 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 출력 단자는, 상기 집전판보다 전기 저항이 작은 부재로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 방향에서 보았을 경우에, 상기 접속 영역의 전체가, 상기 제 1 의 접하는 선과 상기 제 2 의 접하는 선의 사이에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 방향에서 보았을 경우에, 상기 돌출부는, 돌출 방향의 선단측보다 근원측의 폭이 큰 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 방향에서 보았을 경우에, 상기 돌출부의 폭은, 상기 근원측을 향해 점차 넓어져 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택.
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