KR20020084123A - 연료전지모듈 및 연료전지로의 가스공급구조 - Google Patents

연료전지모듈 및 연료전지로의 가스공급구조 Download PDF

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KR20020084123A
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아키쿠사준
호시노코지
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미츠비시 마테리알 가부시키가이샤
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Abstract

i번째의 발전셀의 연료극층과 이 연료극층에 인접하는 (i+1)번째의 발전셀의 산화제극층과의 사이에, 도전성을 가지고 또 판상의 세퍼레이터를 1매씩 개장한다. 이들 세퍼레이터의 한쪽 면에, 연료가스가 연료극층의 대략 중심에서 외주연을 향하여 방사상으로 흐르도록 연료공급통로를 형성하고, 다른쪽 면에, 산화제가스가 산화제극층을 향하여 샤워형상으로 대략 균일하게 토출하도록 산화제공급통로를 형성한다. 이에 의해, 발전셀의 표면 전부가 발전에 기여하여, 연료가스 및 연료극층의 충돌횟수와, 산화제가스 및 산화제극층의 충돌횟수가 많아져, 발전효율이 향상한다.

Description

연료전지모듈 및 연료전지로의 가스공급구조{Fuel Cell Module And Structure For Gas Supply To Fuel Cell}
종래, 이런 종류의 연료전지로서, 일본특허공개 평6-13088호 공보에 기재된 고체전해질형 연료전지가 알려져 있다. 이 고체전해질형 연료전지에는, 애노드, 고체전해질체 및 캐소드의 적층체로 이루어진 집합체와, 반응가스공급관이 배치된 세퍼레이터가 번갈아 적층되고, 세퍼레이터 한쪽 면에 연료가스가 통류(通流)하는 홈이 형성되고, 세퍼레이터의 다른쪽 면에 산화제가스가 통류하는 홈이 형성되는 것이 기재되어 있다. 이 연료전지에서는, 반응가스공급관이 적어도 일부가 알루미나자기관 등의 세라믹관으로 형성된 연료가스공급관과 산화제공급관으로 이루어진다.연료가스공급관은 세퍼레이터의 측면에 접속되어 연료가스가 통류하는 홈에 연통하고, 산화제공급관은 세퍼레이터의 측면에 접속되어 산화제가스가 통류하는 홈에 연통하도록 구성된다. 또 연료가스공급관은 세라믹으로 형성된 연료가스분배기에 접속되고, 산화제공급관은 세라믹으로 형성된 산화제가스분배기에 접속된다.
이와 같이 구성된 고체산화물형 연료전지에서는, 반응가스공급관이 각 세퍼레이터에 개별로 접속되므로, 종래, 집합체 및 세퍼레이터에 형성된 원형의 가스매니홀드를 봉인하는 원형 글래스링을 불필요하게 할 수 있음과 동시에, 종래, 집합체 및 세퍼레이터간의 외형을 가스시일하고 있던 사각형의 글래스링을 불필요하게 할 수 있도록 되어 있다.
그러나, 상기 종래의 일본특허공개 평6-13088호 공보에 개시된 고체전해질형 연료전지에서는, 세퍼레이트판의 리브 부착 다공질기재에는 반응가스를 소정의 방향으로 유도하는 리브가 형성되어 있으므로, 발전에 기여하는 발전셀의 표면적이 리브의 애노드 또는 캐소드의 접촉면적분만큼 작아져, 발전효율이 저하하는 문제점이 있었다.
또, 상기 종래의 일본특허공개 평6-13088호 공보에 개시된 고체전해질형 연료전지에서는, 애노드 및 캐소드와 리브부착 다공질기판이 리브만으로 접촉하고 있으므로, 애노드 및 캐소드의 세퍼레이트판과의 전자전도성이 낮고, 애노드 및 캐소드와 리브가 접촉할 부분 근방에서만 반응이 일어나기 쉽다. 즉, 상기 리브간의 홈 중앙부분에서는 애노드 및 캐소드와 접촉하고 있지 않으므로, 반응에 따라 생성된 전자가 리브에 도달하기 전에, 애노드 및 캐소드의 전기저항으로 소멸해 버려, 발전셀 전면에서 반응시키는 것이 어려운 문제점도 있었다.
또한, 상기 종래의 일본특허공개 평6-13088호 공보에 개시된 고체전해질형 연료전지에서는, 반응가스공급관의 일부 또는 전부가 비교적 깨지기 쉬운 세라믹관으로 형성되어 있으므로, 그 조립작업을 신중하게 하지 않으면 안되어, 조립작업시간이 증대하고, 또 연료전지의 발열 및 냉각의 반복으로 반응가스공급관에 작용하는 열응력으로 반응가스공급관이 손상할 염려가 있었다.
그래서 본 발명의 제1실시예에서의 목적은, 발전에 기여하는 발전셀의 표면을 모두 발전에 기여시킴으로써 발전효율을 향상할 수 있는 연료전지모듈을 제공하는 것 ; 산화제가스를 산화제극층의 전체에 대략 균일하게 흘림으로써, 발전셀을 균일하게 가열·냉각할 수 있는 연료전지모듈을 제공하는 것 ; 연료가스의 연료극층내에서의 흐름을 제어하고, 연료가스와 연료극층과의 충돌횟수를 증대함으로써, 발전효율을 향상할 수 있는 연료전지모듈을 제공하는 것 ; 기동시에 승온시간을 단축할 수 있음과 동시에, 균일한 승온에 의해 발전셀의 손상을 방지할 수 있는 연료전지모듈을 제공하는 것 ; 연료가스 및 산화제가스를 발전에 적절한 온도에서 각 발전셀에 공급함으로써, 발전효율을 향상할 수 있는 연료전지모듈을 제공하는 것 ; 스텐레스강제의 세퍼레이터, 산화제용단판 및 연료용단판에 연료극집전체 또는 산화제극집전체 중 어느 한쪽 또는 양쪽을 접합하여, 접합부분이 용착되어 그 접합부분의 산화를 방지함으로써, 세퍼레이터, 산화제용단판 또는 연료용단판과, 연료극집전체 또는 산화제극집전체와의 장기적인 전기적 도통을 얻을 수 있는 연료전지모듈 ; 또한, 연료가스를 개질하기 위한 개질기를 불필요로 함으로써, 부품점수를 저감하고 또 소형화를 도모할 수 있는 연료전지모듈을 제공하는 것에 있다.
또, 종래 기술로서, 중앙부분이 전극을 격납 가능한 플랫면에 있고 또 주변부가 편면측에 부풀어 오르도록 굴곡된 2장의 얇은 세퍼레이트판을 일체적으로 접합함으로써, 주변부 안이 공동(空洞)으로 이루어지는 셀구조로 형성된 연료전지용 세퍼레이터가 개시되어 있다(일본특허공개 소63-266776호). 이 연료전지용 세퍼레이터에서는, 상기 2장의 세페레이트판의 주변부에, 연료가스의 배급용 유로(流路)구멍과 산화가스의 배급용 유로구멍이 설치되어 있다. 또 한쪽의 세퍼레이터판에서는 연료가스가 중앙부분의 플랫면에 흐르고, 다른쪽의 세퍼레이트면에서는 산화가스가 중앙부분의 플랫면에 흐르도록 구성된다. 이와 같이 구성된 연료전지용 세퍼레이터에서는, 박판의 프레스성형에 의해 2장의 세퍼레이트판을 제작하고, 이들 세퍼레이트판을 한 조로 해서 일체화함으로써 세퍼레이트를 형성하였으므로, 경량화를 도모할 수 있다. 또 세퍼레이터의 주변부가 쉘구조이므로, 양산화가 용이하고, 전극 치수의 오차를 흡수할 수 있고, 또한 연료가스 및 산화가스의 봉인성을 향상할 수 있다.
그러나, 상기 종래의 일본특허공개 소63-266776호 공보에 개시된 연료전지용 세페레이터에서는, 세퍼레이터의 주변부에 공동을 가지는 쉘구조이므로, 세퍼레이터의 두께가 두꺼워지는 문제점이 있었다.
그래서 본 발명의 제2 및 제3실시예에서의 목적은, 세페러이터의 두께를 얇게 함으로써, 연료전지를 발전셀의 적층방향으로 콤팩트화할 수 있는, 연료전지에 가스를 공급하기 위한 구조 ; 또한, 발전셀에 공급되는 연료가스나 산화제가스를발전에 최적인 온도로 제어할 수 있는, 연료전지에 가스를 공급하기 위한 구조를 제공하는 것에 있다.
또한, 종래 기술로서, 고체전해질막의 양면에 연료극 및 공기극이 각각 설치되고, 디스트리뷰터가 고체전해질막과 동일한 조성의 재료로 이루어진 기본부와, 기본부 표면에 설치되어 도전성재료로 이루어진 전도부로 구성되고, 고체전해질막이 기체부를 통해서 인터코넥터에 접합되고, 또한 공기극 및 연료극이 도전부를 통해서 인터코넥터에 전기적으로 접속된 고체전해질형 연료전지가 개시되어 있다(일본특허공개 평5-182680호).
이와 같이 구성된 고체전해질형 연료전지에서는, 디스트리뷰터의 기체부가 고체전해질막과 같은 수축거동을 나타내므로, 같이 소결할 때나 가동시의 승강온도에 대하여, 디스트리뷰터의 고체전해질막으로부터의 박리를 방지할 수 있고, 디스트리뷰터의 고체전해질막에 대한 휘어짐을 방지할 수 있다. 또 상기 기체부는 고체전해질막의 재료와 동일한 지르코니아를 주성분으로 하는 재료가 이용되므로, 전기절연체로 된다. 그 결과, 디스트리뷰터의 표리의 도통은 도전부를 통해서 행해지도록 되어 있다.
그러나, 상기 종래의 고체전해질형 연료전지에서는, 발전에 기여하지 않는 디스트리뷰터의 기체부가 고체전해질막에 접합되므로, 발전에 기여하는 고체전해질막의 표면적을 좁혀, 발전효율이 저하하는 문제점이 있었다.
이 점을 해소하기 위해서, 애노드, 고체전해질체 및 캐소드의 적층체로 이루어진 집합체와, 반응가스공급관이 배치된 세퍼레이터가 서로 번갈아 적층되고, 세퍼레이터 한쪽 면에 연료가스가 통류하는 홈이 형성되며, 세퍼레이터의 다른 쪽 면에 산화제가스가 통류하는 홈이 형성된 고체전해질형 연료전지가 개시되어 있다(일본특허공개 평6-13088호). 이 연료전지에서는, 반응가스공급관이 적어도 일부가 알루미나자기관 등의 세라믹관으로 형성된 연료가스공급관과 산화제공급관으로 이루어진다. 연료가스공급관은 세퍼레이터의 측면에 접속되어 연료가스가 통류하는 홈에 연통하고, 산화제공급관은 세퍼레이터의 측면에 접속되어 산화제가스가 통류하는 홈에 연통하도록 구성된다. 혹은 연료가스공급관은 세라믹으로 형성된 연료가스분배기에 접속되고, 산화제공급관은 세락믹으로 형성된 산화제가스분배기에 접속된다.
이와 같이 구성된 고체산화물형 연료전지에서는, 반응가스공급관이 각 세퍼레이터에 개별로 접속되므로, 상기 집합체 및 세퍼레이터에 형성된 원형의 가스매니홀드를 봉인하는 원형의 가스실린더를 필요없게 할 수 있음과 동시에, 집합체 및 세퍼레이터간의 가스 시일을 행하는 사각형의 가스실린더를 필요없게 할 수 있다.
그러나, 상기 종래의 일본특허공개 평6-13088호 공보에 개시된 고체산화물형 연료전지에서는, 반응가스공급관의 일부 또는 전부가 비교적 깨지기 쉬운 세라믹관으로 형성되어 있으므로, 그 조립작업을 신중하게 하지 않으면 안되어, 조립작업시간이 증대하고, 또 연료전지의 발열 및 냉각의 반복으로 반응가스공급관에 작용하는 열응력으로 반응가스공급관이 손상할 염려가 있었다.
또, 상기 종래의 고체산화물형 연료전지에서는, 연료가스분배기 및 산화제가스분배기를 세라믹으로 제작하는 것이 매우 어렵고, 또 열 팽창이나 열 충격에 약해 파손되기 쉬운 문제점도 있었다.
그래서 본 발명의 제4실시예에서의 목적은, 발전셀의 표면을 모두 발전에 기여시킬 수가 있고, 비교적 간단한 구조로 디스트리뷰터에 접속한 각 세퍼레이터를 각각 전기적으로 절연할 수 있고, 또한 연료용단관 및 산화제용단관의 조립작업시간의 증대를 방지할 수 있음과 동시에, 연료용단관의 열응력에 의한 손상을 방지할 수 있는, 연료전지모듈의 디스트리뷰터구조를 제공하는 것에 있다.
본 발명은, 연료극층 및 산화제극층으로 전해질층을 끼워 지지하여 구성된 발전셀을 가지는 고체산화물형 연료전지모듈에 관한 것이다.
또 본 발명은, 연료극층 및 산화제극층으로 고체전해질층을 끼워 지지하여 구성된 발전셀을 가지는 연료전지에 있어서, 연료가스를 연료극층에 공급하고, 산화제가스를 산화제극층에 공급하기 위한 구조에 관한 것이다.
또한 본 발명은, 연료전지모듈의 발전셀에 연료가스나 산화제가스를 공급하기 위한 디스트리뷰터의 구조에 관한 것이다.
도1은, 본 발명의 제1실시예에 있어서의 연료전지모듈의 종단면도이다.
도2는, 그 연료전지의 도3의 A-A선단면도이다.
도3은, 도2의 B-B선단면도이다.
도4는, 도2의 C-C선단면도이다.
도5는, 본 발명의 제2실시예에 있어서의 연료전지의 종단면도이다.
도6은, 도5의 A-A선단면도이다.
도7은, 도6의 B-B선단면도이다.
도8은, 도5의 C-C선단면도이다.
도9는, 도8의 D-D선단면도이다.
도10은, 도5의 E-E선단면도이다.
도11은, 도10의 F-F선단면도이다.
도12는, 본 발명의 제3실시예에 있어서의 연료전지의 종단면도이다.
도13은, 도12의 A-A선단면도이다.
도14는, 도12의 B-B선단면도이다.
도15는, 도12의 C-C선단면도이다.
도16은, 본 발명의 제4실시예에 있어서의 연료전지모듈의 종단면도이다.
도17은, 연료전지모듈의 연료용 디스트리뷰터 및 공기용 디스트리뷰터의 제1실시예의 분해사시도이다.
도18은, 연료용 디스트리뷰터 및 공기용 디스트리뷰터의 제2실시예를 나타내는 도17에 대응하는 분해사시도이다.
도19는, 연료용 디스트리뷰터 및 공기용 디스트리뷰터의 제3실시예를 나타내는 도17에 대응하는 분해사시도이다.
도20은, 연료용 디스트리뷰터 및 공기용 디스트리뷰터의 제4실시예를 나타내는 도17에 대응하는 분해사시도이다.
본 발명의 제1실시예에서의 연료전지모듈은, 청구범위1~25에 기재한 발명이다.
즉 청구의 범위1에 관련된 발명은, 도1 및 도2에 나타내는 바와 같이, 전해질층(12a)과 이 전해질층(12a)의 양면에 배설된 연료극층(12b) 및 산화제극층(12c)으로 이루어지는 발전셀(12)이 (n+1)개(n은 양의 정수이다.) 적층된 연료전지로서, i번째(i=1,2,…,n)의 발전셀(12)의 연료극층(12b)과 이 연료극층(12b)에 인접하는 (i+1)번째의 발전셀(12)의 산화제극층(12c)과의 사이에 도전성재료에 의해 판상으로 형성된 세퍼레이터(16)가 각각 1매씩 합계 n매 개장되고, i번째의 발전셀(12)의 연료극층(12b)과 j번째(j=1,2,…, )의 세퍼레이터(16)와의 사이에 도전성을 가지는 다공질의 연료극집전체(17)가 개장되고, (i+1)번째의 발전셀(12)의 산화제극층(12c)과 j번째의 세퍼레이터(16)와의 사이에 도전성을 가지는 다공질의 산화제극집전체(18)가 개장되고, 첫번째의 발전셀(12)의 산화제극층(12c)에 산화제극집전체(18)를 통해서 도전성재료에 의해 판상으로 형성된 단일 산화제용단판(21)적층되고, (n+1)번째의 발전셀(12)의 연료극층(12b)에 연료극집전체(17)를 통해서 도전성재료에 의해 판상으로 형성된 단일 연료용단판(22)이 적층되고, n매의 세퍼레이터(16)가 연료가스를 세퍼레이터(16) 외주면으로부터 도입하여 세퍼레이터(16)의 대략 중심에서 연료극집전체(17)를 향하여 토출시키는 연료공급통로(23)와, 산화제가스를 세퍼레이터(16) 외주면에서 도입하여 세퍼레이터(16)의 산화제극집전체(18)에 대향하는 면에서 토출시키는 산화제공급통로(24)를 각각 가지고, 단일 산화제용단판(21)이 산화제가스를 산화제용단판(21)의 산화제극집전체(18)에 대향하는 면에서 토출시키는 산화제공급통로(27)를 가지고, 단일 연료용단판(22)이 연료가스를 연료용단판(22)의 대략 중심에서 연료극집전체(18)를 향하여 토출시키는 연료공급통로(26)를 가지고, 연료공급통로(23,26)에 연료가스를 각각 공급하는 연료용 디스트리뷰터(13)가 연료전지(11)의 근방에 설치되고, 산화제공급통로(24,27)에 산화제가스를 각각 공급하는 산화제용 디스트리뷰터(14)가 연료전지(11)의 근방에 설치되고, 산화제용단판(21) 및 연료용단판(22)에 한 쌍의 전극단자(41,42)가 전기적으로 각각 접속된 것을 특징으로 하는 연료전지모듈이다.
본 청구의 범위1에 기재된 연료전지모듈에서는, 연료가스를 연료용 디스트리뷰터(13)에 도입하면, 연료가스는 세퍼레이터(16) 및 연료용단판(22)의 연료공급통로(23,26)를 통하여, 세퍼레이터(16) 및 연료용단판(22)의 대략 중심에서 연료극집전체(17)의 중심을 향하여 토출한다. 이 토출한 연료는 연료극집전체(17)내를 통과하여 연료극층(12b)의 대략 중심에서 외주연을 향하여 흐른다. 동시에 산화제가스를 산화제용 디스트리뷰터(13)에 도입하면, 산화제가스는 세퍼레이터(16) 및 산화제용단판(21)의 산화제공급통로(24, 27)를 통하여, 세퍼레이터(16) 및 산화제용단판(21)의 대략 중심에서 산화제극집전체(18)의 중심을 향하여 토출한다. 이 토출한 산화제가스는 산화제극집전체(18) 안을 통과하여 산화제극층(12c) 안을 고체전해질층(11a)을 따라 흐른다.
산화제가스는 발전셀(12)의 전면에 걸쳐 산화제극집전체(18)와 접하는 부분의 산화제극층(12c)으로부터 전자를 받아 산화물이온에 이온화되고, 이 산화물이온은 고체전해질층(12a)내를 확산이동하여 연료극층(12b)과의 계면근방에 도달한다. 이에 의해 산화물이온은 연료가스와 반응하여 반응생성물을 만들고, 연료극층(12b)에 전자를 방출하므로, 이 전자를 연료극집전체(17)의 전면에서 취출함으로써 대전류가 발생하고, 전력이 얻어진다. (n+1)개의 발전셀(12)은 전도성재료로 형성된 세퍼레이터(16), 연료극집전체(17) 및 공기극집전체(18)를 통하여 직렬로 접속되고, 또한 양단에 도전성재료로 형성된 산화제용단판(21) 및 연료용단판(22)이 설치되어 있으므로, 한 쌍의 전극단자(41,42)에서 큰 전력을 취출할 수 있다.
청구범위2에 관련된 발명은, 청구범위1에 관련된 발명으로서, 또 도1~도3에 도시하는 바와 같이, n매의 세퍼레이터(16)에 형성된 각 산화제공급통로(24)가 산화제가스를 세퍼레이터(16) 외주면으로부터 도입하여 세퍼레이터(16)의 산화제극집전체(18)에 대향하는 면에서 샤워형상으로 대략 균일하게 토출시키도록 구성되고, 단일 산화제용단판(21)에 형성된 산화제공급통로(27)가 산화제가스를 산화제용단판(21)의 산화제극집전체(18)에 대향하는 면에서 샤워형상으로 대략 균일하게 토출시키도록 구성된 것을 특징으로 한다.
본 청구범위2에 기재된 연료전지에서는, 산화제가스가 산화제공급통로(24,27)에서 샤워형상으로 산화제극집전체(18)를 향하여 대략 균일하게 토출되므로, 이 산화제가스로 발전셀(12)을 균일하게 가열·냉각할 수 있다. 또 연료전지(11)가 발전중에는 주울 열의 발생에 의해, 발전셀(12)이 가열되어 설정 온도보다 상승했을 때에 이 설정온도보다 낮은 온도의 산화제가스를 상기 산화제공급통로(24,27)로부터 토출시킴으로써, 발전셀(12)을 균일하게 냉각할 수 있으므로, 발전셀(12)의 국소적인 가열 또는 냉각에 의한 손상을 방지할 수 있다.
청구범위3에 관련된 발명은, 청구범위1 또는 2에 관련된 발명으로, 또 도2 및 도3에 도시하는 바와 같이, 연료공급통로(23,26) 및 산화제공급통로(24,27) 중 어디에도 연통하지 않도록 n매의 세퍼레이터(16), 단일 산화제용단판(21) 또는 단일 연료용단판(22) 중 어느 하나 또는 둘 이상에 복수의 삽입공(16a)이 형성되고, 복수의 삽입공(16a)에 제1히터(31) 또는 온도센서 중 어느 한쪽 또는 양쪽이 삽입된 것을 특징으로 한다.
본 청구범위3에 기재된 연료전지모듈에서는, 연료전지(11)의 기동시에, 제1히터(31)에 통전함으로써 발전셀(12)을 신속하게 승온할 수 있으므로, 승온시간을 단축할 수 있다. 또 발전셀(12)이 균일하게 승온하여, 발전셀(12)의 중심과 외주연과의 온도차가 없어져 균일하게 열 팽창하므로, 발전셀(12)의 손상을 방지할 수 있다. 또한 온도센서의 검출출력에 의거하여 제1히터를 제어하면, 세퍼레이터 등의 온도를 매우 세밀하게 제어할 수 있다.
청구범위4에 관련된 발명은, 청구범위1 또는 2에 관련된 발명으로, 또 연료공급통로 및 산화제공급통로 중 어디에도 연통하지 않도록 n매의 세퍼레이터, 단일 산화제용단판 또는 단일 연료용단판 중 어느 하나 또는 둘 이상에 복수의 경량화구멍이 형성된 것을 특징으로 한다.
본 청구범위4에 기재된 연료전지에서는, 경량화구멍의 형성에 의해 세퍼레이터, 산화제용단판 또는 연료용단판의 중량을 작게 할 수 있으므로, 연료전지의 경량화를 도모할 수 있다.
청구범위5에 관련된 발명은, 청구범위1 내지 4 중 어느 하나에 관련된 발명으로, 또 도2 및 도4에 도시하는 바와 같이, n매의 세퍼레이터(16)의 연료극집전체(17)의 대향면 및 단일 연료용단판(22)의 연료극집전체(17)의 대향면에, 각 세퍼레이터(16) 및 연료용단면(22)의 중심으로부터 소용돌이상으로 늘어나는 복수의 슬릿(16b,22b)이 각각 형성된 것을 특징으로 한다.
본 청구범위5에 기재된 연료전지에서는, 세퍼레이터(16)의 연료극집전체(17)의 대향면 및 연료용단판(22)의 연료극집전체(17)의 대향면에 소용돌이상으로 복수의 슬릿(16b,22b)을 각각 형성하였으므로, 연료가스슬릿(16b,22b)을 따라 소용돌이상으로 흘러, 연료가스의 반응경로가 길어진다. 이 결과, 연료가스와 연료극층(12b)과의 충돌횟수가 늘어나, 연료전지(11)의 출력을 향상할 수 있다.
청구범위6에 관련된 발명은, 청구범위1 내지 5 중 어느 하나에 관련된 발명으로, 또 도1에 도시하는 바와 같이, 연료용 디스트리뷰터(13)에 연료용절연관(36)을 통해서 연료용단관(28)이 삽입되고, 연료용절연관(36) 및 연료용단관(28)의 삽입부의 틈이 전기절연성을 가지는 연료용 봉지부재(37)에 의해 봉지되고, 산화제용 디스트리뷰터(14)에 산화제용절연관(38)을 통해서 산화제용단관(29)이 삽입되고, 산화제용절연관(38) 및 산화제용단관(29)의 삽입부의 틈이 전기절연성을 가지는 산화제용봉지부재(39)에 의해 봉지된 것을 특징으로 한다.
본 청구범위6에 기재된 연료전지모듈에서는, 발전셀(12)을 연료용 디스트리뷰터(13) 및 산화제용 디스트리뷰터(14)와 전기적으로 절연할 수 있음과 동시에, 상기 연료용 디스트리뷰터(13)에서 연료가스가 새는 것을 방지하고, 산화제용 디스트리뷰터(14)에서 산화제가스가 새는 것을 방지할 수 있다.
청구범위7에 관련된 발명은, 청구범위1 내지 6 중 어느 하나에 관련된 발명으로, 또 도1에 도시하는 바와 같이, 연료용 디스트리뷰터(13)에 연료가스를 공급하는 연료예열관(43)이 연료전지(11)의 외주면에 감기고, 산화제용 디스트리뷰터(14)에 산화제가스를 공급하는 산화제예열관(44)이 연료전지(11)의 외주면에 감기고, 연료전지(11)가 연료예열관(43) 및 산화제예열관(44)과 함께 인너케이스(46)에 수용되고, 발전셀(12)에서 배출된 연료가스 및 산화제가스를 인너케이스(46) 밖으로 배출하는 배기관(51)이 인너케이스(46)에 접속된 것을 특징으로 한다.
본 청구범위7에 기재된 연료전지모듈에서는, 연료예열관(43) 내를 통하는 연료가스가 발전셀(12)에서 배출되는 고온의 배기가스(연료가스 및 산화제가스에서 생성된 수증기나 CO2)에 의해 가열되어 연료용 디스트리뷰터(13)에 공급되고, 산화제예열관(44)내를 통하는 산화제가스도 발전셀(12)에서 배출되는 상기 고온의 배기가스에 의해 가열되어 산화제용 디스트리뷰터(14)에 공급된다. 이 때문에 연료가스 및 산화제가스가 발전에 적절한 온도에서 각 발전셀(12)에 공급되므로, 발전효율을 향상할 수 있다.
청구범위8에 관련된 발명은, 청구범위7에 관련된 발명으로, 또 도1에 도시하는 바와 같이, 산화제예열관(44)이 산화제용 디스트리뷰터(14)의 길이방향의 대략 중앙에 접속된 것을 특징으로 한다.
본 청구범위8에 기재된 연료전지모듈에서는, 발전중에 연료전지(11)의 내부저항에 의해 줄 열을 발행하여, 연료전지(11)의 적층방향의 중앙부분이 가장 뜨거워지므로, 이 부분에 산화제예열관(44) 및 산화제용 디스트리뷰터(14)를 통하여 비교적 낮은 온도의 산화제가스를 공급함으로써, 발전셀(12)의 균열(均熱)을 보전할 수 있다.
청구범위9에 관련된 발명은, 청구범위7 또는 8에 관련된 발명으로, 도1에 도시하는 바와 같이, 연료전지(11)의 외주면에 감기고 또 인너케이스(46)에 수용된 제2히터(32)를 또한 구비한 것을 특징으로 한다.
본 청구범위9에 기재된 연료전지모듈에서는, 연료예열관(43) 내를 통하는 연료가스가 발전셀(12)에서 배출되는 고온의 배기가스 또는 제2히터(32)에 의해 가열되어 연료용 디스트리뷰터(13)에 공급되고, 산화제예열관(44)내를 통하는 산화제가스도 발전셀(12)에서 배출되는 상기 고온의 배기가스 또는 제2히터(32)에 의해 가열되어 산화제용 디스트리뷰터(14)에 공급된다. 이 때문에 연료가스 및 산화제가스가 보다 발전에 적절한 온도에서 각 발전셀(12)에 공급되므로, 발전효율을 보다 향상할 수 있다.
청구범위10에 관련된 발명은, 청구범위7 내지 9 중 어느 하나에 관련된 발명으로, 또 도1에 도시하는 바와 같이, 인너케이스(46)의 적어도 내면이 은도금, 니켈기초도금을 통한 은도금 또는 백금도금된 것을 특징으로 한다.
이 청구범위10에 기재된 연료전지모듈에서는, 연료전지(11)의 운전중에 발전셀(12)이 발생하는 복사열을 이용함으로써, 발전셀(12) 및 세퍼레이터(16)의 보온효과를 더욱 높일 수 있다.
청구범위11에 관련된 발명은, 청구범위7 내지 10 중 어느 하나에 관련된 발명으로, 또 도1에 도시하는 바와 같이, 인너케이스(46)의 외면이 단열재(47)로 피복됨과 동시에, 인너케이스(46)의 외주면에 연료예열관(43), 산화제예열관(44) 및 배기관(51)이 감기고, 또한 인너케이스(46)가 연료예열관(43), 산화제예열관(44) 및 배기관(51)과 함께 아웃케이스(48)에 수용된 것을 특징으로 한다. 본 청구범위11에 기재된 연료전지모듈에서는, 연료예열관(43)내의 연료가스 및 산화제예열관(44) 내의 산화제가스가 인너케이스(46) 내에 도입되기 전에, 인너케이스(46)의 외주면에 두루 감겨진 배기관(51)내를 통하는 고온의 배기가스로 가열된다. 이 때문에, 연료가스 및 산화제가스가 인너케이스(46)내에서 예열되기 전에 예열되므로, 발전효율을 더욱 향상할 수 있다.
청구범위12에 관련된 발명은, 청구범위11에 관련된 발명으로, 또 도1에 도시하는 바와 같이, 아웃케이스(48)의 적어도 내면이 은도금, 니켈기초도금을 통한 은도금 또는 백금도금된 것을 특징으로 한다.
본 청구범위12에 기재된 연료전지모듈에서는, 연료전지(11)의 운전중에 발전셀(12)이 발생하는 복사열을 이용함으로써, 발전셀(12) 및 세퍼레이터(16)의 보온효과를 한층 높일 수 있다.
청구범위13에 관련된 발명은, 청구범위7 내지 12 중 어느 하나에 관련된 발명으로, 또한 연료예열관에 연료가스가 유통 가능한 밀도로 개질 입자가 충전된 것을 특징으로 한다.
본 청구범위13에 기재된 연료전지모듈에서는, 연료가스가 연료예열관에서 개질 입자에 의해 개질되므로, 종래, 연료전지모듈의 외부에 설치되어 있던 개질기가 필요 없어진다.
또 상기 개질 입자는 Ni, NiO, Al2O3, SiO2, MgO, CaO, Fe2O3, Fe3O4, V2O3, NiAl2O4, ZrO2, SiC, Cr2O3, ThO2, Ce2O3, B2O3, MnO2, ZnO, Cu, BaO 및 TiO2로 이루어진 군에서 선택된 한 종류 또는 두 종류 이상을 포함하는 원소 또는 산화물로 형성되는 것이 바람직하다.
청구범위15에 관련된 발명은, 청구범위1 내지 14 중 어느 하나에 관련된 발명으로, 또 도2에 도시하는 바와 같이, 연료극집전체(17)가 니켈도금, 은도금, 니켈기초도금을 통한 은도금 또는 동도금된 스텐레스강, 니켈기합금 또는 크롬기합금, 또는 니켈, 은, 은합금, 백금 또는 동으로 형성되고, n매의 세퍼레이터(16) 및 연료용단판(22)이 스텐레스강, 니켈기합금 또는 크롬기합금 중 어느 하나에 의해각각 형성되고, 연료극집전체(17)가 각 세퍼레이터(16) 및 연료용단판(22)에 각각 접합된 것을 특징으로 한다.
본 청구범위15에 기재된 연료전지에서는, 세퍼레이터(16) 및 연료극집전체(17)의 전기적도통과, 연료용단판(22) 및 연료극집전체(17)의 전기적도통을 상기 접합부분을 통하여 장기간 유지할 수 있다. 또 미리 연료극집전체(17)를 각 세퍼레이터(16) 및 연료용단판(22)에 각각 접합하였으므로, 연료전지(11)의 조립작업시간을 단축하고, 조립작업성을 향상할 수 있다.
청구범위16에 관련된 발명은, 청구범위1 내지 14 중 어느 하나에 관련된 발명으로, 또 도2에 도시하는 바와 같이, 산화제극집전체(18)가 은도금, 니켈기초도금을 통한 은도금 또는 백금도금된 스텐레스강, 니켈기합금 또는 크롬기합금, 또는 은, 은합금 또는 백금으로 형성되고, n매의 세퍼레이터(16) 및 산화제용단판(21)이 스텐레스강, 니켈기합금 또는 크롬기합금 중 어느 하나에 의해 각각 형성되고, 산화제극집전체(18)가 각 세퍼레이터(16) 및 산화제용단판(21)에 각각 접합된 것을 특징으로 한다.
본 청구범위16에 기재된 연료전지에서는, 세퍼레이터(16) 및 산화제용단판(21)이 고온에서 산화제가스(고온산화분위기)에 노출되어도, 세퍼레이터(16) 및 산화제극집전체(18)의 접합부분과, 산화제용단판(21) 및 산화제극집전체(18)의 용착된 접합부분이 용찹되어 있으므로, 이들 접합부분의 산화를 방지할 수 있다. 이 결과, 세퍼레이터(16) 및 산화제극집전체(18)의 전기적 도통과, 산화제용단판(21) 및 산화제극집전체(18)의 전기적도통을 상기 접합부분을통하여 장기간 유지할 수 있다. 또 미리 산화제극집전체(18)를 각 세퍼레이터(16) 및 산화제용단판(21)에 각각 접합하였으므로, 연료전지(11)의 조립작업시간을 단축하고, 조립작업성을 향상할 수 있다.
청구범위17에 관련된 발명은, 청구범위1 내지 16 중 어느 하나에 관련된 발명으로, 또 도1에 도시하는 바와 같이, n매의 세퍼레이터(16), 단일 산화제용단판(21) 또는 단일 연료용단판(22) 중 어느 하나의 표면 또는 두 개 이상의 표면에 니켈도금, 크롬도금, 은도금 또는 니켈기초도금을 통한 은도금이 각각 실시된 것을 특징으로 한다.
본 청구범위17에 기재된 연료전지에서는, 세퍼레이터(16), 산화제용단판(21) 또는 연료용단판(22)과, 연료극집전체(17) 또는 산화제극집전체(18)와의 전기적 도통을 한층 더 장기간 유지할 수 있다.
청구범위18에 관련된 발명은, 청구범위1 내지 17 어느 하나에 관련된 발명으로, 또 도1에 도시하는 바와 같이, 연료예열관(43), 연료용 디스트리뷰터(13), 연료용단관(28), 산화제예열관(44), 산화제용 디스트리뷰터(14) 또는 산화제용단관(27) 중 어느 하나 또는 둘 이상이 스텐레스강, 니켈기합금 또는 크롬기합금 중 어느 하나에 의해 형성되고 또한 내면에 은도금, 니켈기초도금을 통한 은도금 또는 백금도금이 실시된 것을 특징으로 한다.
본 청구범위18에 기재된 연료전지모듈에서는, 산화제예열관(44), 산화제용 디스트리뷰터(14) 및 산화제용단관(27)의 내부가 산화되지 않고, 산화스케일(분말상의 산화물)의 생성을 제어할 수 있다. 한편, 환원분위기인 연료예열관(43), 연료용 디스트리뷰터(13) 및 연료용단관(28)의 내부에는 수증기가 존재하지만, 이 수증기에 의한 산화스케일의 발생을 억제할 수 있다.
청구범위19에 관련된 발명은, 청구범위1 내지 17 중 어느 하나에 관련된 발명으로, 또 도1에 도시하는 바와 같이, 연료예열관(43), 연료용 디스트리뷰터(13), 연료용단관(28), 산화제예열관(44), 산화제용 디스트리뷰터(14) 또는 산화제용단관(27) 중 어느 하나 또는 둘 이상이 스텐레스강, 니켈기합금 또는 크롬기합금 중 어느 하나에 의해 형성되고 또한 외면에 은도금, 니켈기초도금을 통한 은도금 또는 백금도금이 실시된 것을 특징으로 한다.
본 청구범위19에 기재된 연료전지모듈에서는, 연료전지(11)의 운전중에 발전셀(12)이 발생하는 복사열을 이용함으로써, 발전셀(12) 및 세퍼레이터(16)의 보온효과를 한층 높일 수 있다.
청구범위20에 관련된 발명은, 청구범위1 내지 17 중 어느 하나에 관련된 발명으로, 또 도1에 도시하는 바와 같이, 연료예열관(43), 연료용 디스트리뷰터(13) 및 연료용단관(28)의 내면에 니켈도금이 실시된 것을 특징으로 한다.
본 청구범위 20에 기재된 연료전지모듈에서는, 연료예열관(43), 연료용 디스트리뷰터(13) 및 연료용단관(28)의 내부에서 탄화수소의 개질반응이 가능해진다.
청구범위21에 관련된 발명은, 청구범위7 내지 20 중 어느 하나에 관련된 발명으로, 또한 연료예열관의 상부에 물공급관 선단이 삽입되고, 물공급관의 기단에 분무기 또는 펌프가 접속된 것을 특징으로 한다.
본 청구범위21에 기재된 연료전지모듈에서는, 연료예열관에 공급된 물이 연료예열관을 내려감에 따라서 기화된다. 이 결과, 연료예열관에 수증기를 공급하기 위한 기화기가 불필요해진다.
청구범위22에 관련된 발명은, 청구범위7 내지 21 중 어느 하나에 관련된 발명으로, 또 도1에 도시하는 바와 같이, 연료예열관(43)의 최하단에 물분리기(53)가 접속된 것을 특징으로 한다.
본 청구범위22에 기재된 연료전지모듈에서는, 연료전지모듈(10)이 정지하여 온도가 저하하고, 수증기가 액화하여 물로 되었을 때에, 이 물은 물분리기(53)에 고인다. 이 결과, 연료전지모듈(10)을 재시동해도, 물이 액체인 채 발전셀(12)에 공급되지 않으므로, 발전셀(12)의 성능은 저하하지 않고, 발전셀(12)이 파손되는 일은 없다.
청구범위23에 관련된 발명은, 청구범위11 내지 22 중 어느 하나에 관련된 발명으로, 또 도1에 도시하는 바와 같이, 발전셀(12)에서 배출된 연료가스 및 산화제가스를 인너케이스(46) 및 아웃케이스(48) 바깥으로 이끄는 배기관(51,52)이 수증기터빈에 접속된 것을 특징으로 한다.
본 청구범위23에 기재된 연료전지모듈에서는, 연료전지모듈(10)에서 배출된 고온의 배기가스를 이용하여 물을 가열하여, 압축수증기를 발생시키고, 이 압축수증기를 터빈에 분사하여 회전시킴으로써, 발전기를 회전시켜 열에너지를 전기에너지로 교환한다. 이 연료전지-수증기터빈의 시스템은 연료전지 단체(單體)보다 발전효율이 높다.
청구범위24 또는 25에 관련된 발명은, 도2 및 도3에 도시하는 바와 같이, 산화제공급통로(24,27)가 산화제가스를 외주면에서 도입하여 산화제극집전체(18)에 대향하는 면에서 샤워형상으로 균일하게 토출시키도록 구성된 세퍼레이터 또는 산화제용단판이다.
본 청구범위24 및 25에 관련된 세퍼레이터 또는 산화제용단판에서는, 산화제가스가 산화제공급통로(24,27)에서 샤워형상을 산화제극집전체(18)를 향하여 대략 균일하게 토출되므로, 이 산화제가스로 발전셀(12)을 균일하게 가열·냉각할 수 있다. 또 연료전지(11)가 발전중에는 줄 열의 발생에 의해, 발전셀(12)이 가열되어 설정온도보다 상승했을 때에, 이 설정온도보다 약간 낮은 온도의 산화제가스를 상기 산화제공급통로(24,27)로부터 토출시킴으로써, 발전셀(12)을 균일하게 냉각할 수 있으므로, 발전셀(12)의 국소적인 가열 또는 냉각에 의한 손상을 방지할 수 있다.
본 발명의 제2실시예에 있어서의 연료전지의 가스공급구조는, 청구범위26~33에 기재한 발명이다.
즉 청구범위26에 관련된 발명은, 도5 및 도6에 도시하는 바와 같이, 고체전해질층(111a)과 이 고체전해질층(111a)의 양면에 배설된 연료극층(111b) 및 산화제극층(111c)으로 이루어진 발전셀(111)이 (n+1)매(n은 양의 정수이다.) 적층되어, i번째(i=1,2,…,n)의 발전셀(111)의 연료극층(111b)과 이 연료극층(111b)에 인접하는 (i+1)번째의 발전셀(111)의 산화제극층(111c)과의 사이에 도전성재료에 의해 판상으로 형성된 세퍼레이터(112)가 각각 1매씩 합계 n매 개장되고, n매 세퍼레이터(112)가, 연료가스를 세퍼레이터(112) 외주면에 형성된 세퍼레이터용 연료도입공(118a)으로부터 도입하여 세퍼레이터(112)내에 형성된 세퍼레이터용 연료연통공(118c)을 통하여 세퍼레이터(112)의 연료극층(111b) 의 대향면에 형성된 세퍼레이터용 연료토출공(118b)으로부터 토출시키는 세퍼레이터용 연료통로(118)와, 산화제가스를 세퍼레이터(112) 외주면에 형성된 세퍼레이터용 산화제도입공(119a)으로부터 도입하여 세퍼레이터(112)내에 형성된 세퍼레이터용 산화제연통공(119c)을 통하여 세퍼레이터(112)의 산화제극층(111c)의 대향면에 형성된 세퍼레이터용 산화제토출공(119b)으로부터 토출시키는 세퍼레이터용 산화제통로(119)를 각각 가지는 연료전지로서, 세퍼레이터(112)가, 한쪽 면에 세퍼레이터용 연료도입공(118a) 및 세퍼레이터용 연료연통공(118c)으로 이루어진 세퍼레이터용 연료오목홈(121a)이 형성되고, 다른쪽 면에 세퍼레이터용 산화제도입공(119a) 및 세퍼레이터용 산화제연통공(119c)으로 이루어진 세퍼레이터용 산화제오목홈(121b)이 형성된 세퍼레이터용기판(121)과, 세퍼레이터용 연료오목홈(121a)을 피복함과 동시에 세퍼레이터용 연료토출공(118b)이 형성된 세퍼레이터용 연료덮개체(122)와, 세퍼레이터용 산화제오목홈(121b)을 피복함과 동시에 세퍼레이터용 산화제토출공(119b)이 형성된 세퍼레이터용 산화제덮개체(123)를 가지는 것을 특징으로 하는 연료전지에 가스를 공급하기 위한 구조이다.
본 청구범위26에 기재된 연료전지에 가스를 공급하기 위한 구조에서는, 세퍼레이터용기판(121)의 세퍼레이터용 연료오목홈(121a) 및 세퍼레이터용 산화제오목홈(121b)을, 세퍼레이터용 연료덮개체(122) 및 세퍼레이터용 산화제덮개체(123)로 각각 피복함으로써, 연료가스가 통하는 세퍼레이터용 연료통로(118) 및 산화제가스가 통하는 세퍼레이터용 산화제통로(119)가 각각 형성된다. 이 때문에 각 세퍼레이터(112)의 두께를 매우 얇게 할 수 있으므로, 연료전지(110)를 발전셀(111)의 적층방향으로 콤팩트화할 수 있다.
청구범위27에 관련된 발명은, 청구범위26에 관련된 발명으로, 또 도5 및 도6에 도시하는 바와 같이, 세퍼레이터용 연료토출공(118b)이 세퍼레이터용기판(121)의 중앙에 위치하도록 세퍼레이터용 연료덮개체(122)에 형성되고, 세퍼레이터용 산화제토출공(119b)이 산화제가스를 세퍼레이터용기판(121)에 대향하는 산화제극층(111c)을 향하여 샤워형상으로 대략 균일하게 토출하도록 세퍼레이터용 산화제덮개체(123)에 형성된 것을 특징으로 한다.
청구범위28에 관련된 발명은, 청구범위26 또는 27에 관련된 발명으로, 또 도5 및 도6에 도시하는 바와 같이, 세퍼레이터(112)의 연료극층(111b)에 대향하는 면에 세퍼레이터용 연료토출공(118b)으로부터 소용돌이상으로 늘어나는 복수의 슬릿이 각각 형성된 것을 특징으로 한다.
본 청구범위27 또는 28에 기재된 연료전지에 가스를 공급하기 위한 구조에서는, 연료가스를 세퍼레이터용 연료통로(118)에 도입하면, 연료가스는 세퍼레이터용 연료토출공(118b)에서 연료극층(111b)의 중앙을 향하여 토출하고, 연료극층(111b)의 중앙에서 슬릿을 따라 소용돌이상으로 흐른다. 이에 따라 연료가스의 반응경로가 길어지고, 연료가스와 연료극층(111b)과의 충돌 횟수가 늘어나, 연료전지의 출력을 향상할 수 있다. 동시에 산화제가스를 세퍼레이터용 산화제통로(119)에 도입하면, 산화제가스는 세퍼레이터용 산화제토출공(119b)에서 산화제극층(111c)을 향하여 샤워형상으로 대략 균일하게 토출하고, 산화제극층(111c) 안을 고체전해질층(111a)을 따라 흐른다. 이에 따라 발전셀(111)을 산화제가스로 균일하게 가열·냉각할 수 있어, 발전셀(111)의 국소적인 가열 또는 냉각에 의한 손상을 방지할 수 있다.
청구범위29에 관련된 발명은, 청구범위26 또는 28에 관련된 발명으로, 또한 세퍼레이터용 연료토출공이 세퍼레이터용기판의 중앙에 위치하도록 세퍼레이터용 연료덮개체에 형성되고, 세퍼레이터용 산화제토출공이 세퍼레이터용기판의 중앙에 위치하도록 세퍼레이터용 산화제덮개체에 형성된 것을 특징으로 한다.
청구범위30에 관련된 발명은, 청구범위29에 관련된 발명으로, 또한 세퍼레이터의 산화제극층에 대향하는 면에 세퍼레이터용 산화제토출공으로부터 소용돌이상으로 늘어나는 복수의 슬릿이 각각 형성된 것을 특징으로 한다.
본 청구범위29 또는 30에 기재된 연료전지에 가스를 공급하기 위한 구조에서는, 연료가스를 세퍼레이터용 연료통로에 도입하면, 연료가스는 세퍼레이터용 연료토출공에서 각 연료극층의 중앙을 향하여 토출하고, 연료극층의 중앙에서 슬릿을 따라 소용돌이상으로 흐른다. 이에 따라 연료가스의 반응경로가 길어져, 연료가스와 연료극층과의 충돌횟수가 늘어난다. 동시에 산화제가스를 세퍼레이터용 산화제통로에 도입하면, 산화제가스는 세퍼레이터용 산화제토출공에서 각 산화제극층의 중앙을 향하여 토출하고, 산화제극층의 중앙에서 슬릿을 따라 소용돌이상으로 흐른다. 이에 따라 산화제가스의 반응경로가 길어져, 산화제가스와 산화제극층과의 충돌횟수가 늘어난다. 이 결과, 연료전지의 출력을 향상할 수 있다.
또 세퍼레이터(112)를 스텐레스강, 니켈기합금 또는 크롬기합금 중 어느 하나로 각각 형성하고, 세퍼레이터(112)의 표면에 니켈도금 또는 은도금 중 어느 한쪽 또는 양쪽을 실시하는 것이 바람직하다.
또 세퍼레이터용 연료공급통로(118)에 연료가스가 유통 가능한 밀도로 개질 입자를 충전할 수도 있다.
청구범위33에 관련된 발명은, 청구범위26에 관련된 발명으로, 또 도6에 도시하는 바와 같이, 세퍼레이터용기판(121)에, 열전대(136)를 삽입 가능한 열전대삽입홈(121g) 및 히터(137)를 삽입 가능한 히터삽입홈(121h)이 각각 형성된 것을 특징으로 한다.
본 청구범위33에 기재된 연료전지에 가스를 공급하기 위한 구조에서는, 연료전지(110)의 기동시에 히터(137)를 작동시킴으로써, 세퍼레이터(112)를 가열하여 연료전지(110)를 기동온도까지 상승시킨다. 연료전지가 기동온도에 도달하면, 이 기동온도를 검출하는 열전대(136)의 검출출력에 의거하여 히터(137)가 정지된다. 또 연료전지(110)가 발전중에는, 연료전지(110)에 줄 열이 발생하여 연료전지(110)의 온도가 상승하므로, 열전대(136)의 검출출력에 의거하여 연료전지(110)의 작동온도보다 조금 낮은 온도의 산화제가스를 공급한다. 이에 따라 세퍼레이터(112)의 온도조절이 행해진다.
본 발명의 제3실시예에 있어서의 연료전지의 가스공급구조는, 청구범위34~41에 기재한 발명이다.
즉 청구범위34에 관련된 발명은, 도12에 도시하는 바와 같이,고체전해질층(211a)과 이 고체전해질층(211a)의 양면에 배설된 연료극층(211b) 및 산화제극층(211c)으로 이루어진 발전셀(211)이 (n+1)매(n은 양의 정수이다.) 적층되고, i번째(i=1,2,…,n)의 발전셀(211)의 연료극층(211b)과 이 연료극층(211b)에 인접하는 (i+1)번째의 발전셀(211)의 연료극층(211c)과의 사이에 도전성재료에 의해 판상으로 형성된 세퍼레이터(212)가 각각 1매씩 합계 n매 개장되고, n매 세퍼레이터(212)가, 연료가스를 세퍼레이터(212) 외주면에 형성된 세퍼레이터용 연료도입공(218a)으로부터 도입하여 세퍼레이터(212)의 연료극층(211b)의 대향면에 형성된 세퍼레이터용 연료토출공(218)에서 토출시키는 세퍼레이터용 연료통로(218)와, 산화제가스를 세퍼레이터(212) 외주면에 형성된 세퍼레이터용 산화제도입공(219a)에서 도입하여 세퍼레이터(212)의 산화제극층(211c)의 대향면에 형성된 세퍼레이터용 산화제토출공(219b)에서 토출시키는 세퍼레이터용 산화제통로(219)를 각각 가지는 연료전지(210)로서, 세퍼레이터(212)가, 세퍼레이터용 연료토출공(218b)이 형성된 세퍼레이터용 연료박판(221)과, 세퍼레이터용 산화제토출공(219b)이 형성된 세퍼레이터용 산화제 박판(222)과, 세퍼레이터용 연료박판(221) 및 세퍼레이터용 산화제 박판(222)에 의해 끼여 지지된 세페레이터용 연료통로(218)로 이루어진 세퍼레이터용 연료홈(233c) 및 세퍼레이터용 산화제통로(219)로 이루어진 세퍼레이터용 산화제홈(223d)이 형성된 세퍼레이터용 홈부착박판(223)을 가지는 것을 특징으로 하는 연료전지의 가스공급구조이다.
본 청구범위34에 기재된 연료전지의 가스공급구조에서는, 세퍼레이터용 연료홈(223c) 및 세퍼레이터용 산화제홈(223d)이 형성된 세퍼레이터용 홈부착박판(223)을, 세퍼레이터용 연료토출공(218b)이 형성된 세퍼레이터용 연료박판(221)과, 세퍼레이터용 산화제토출공(219b)이 형성된 세퍼레이터용 산화제 박판(222)으로 끼워 지지함으로써, 연료가스가 통하는 세퍼레이터용 연료통로(218) 및 산화제가스가 통하는 세퍼레이터용 산화제통로(219)가 각각 형성된다. 이 때문에 각 세퍼레이터(212)의 두께를 매우 얇게 할 수 있으므로, 연료전지(210)를 발전셀(211)의 적층방향으로 콤팩트화할 수 있다.
청구범위35에 관련된 발명은, 청구범위34에 관련된 발명으로, 또 도12 및 도13에 도시하는 바와 같이, 세퍼레이터용 연료토출공(218b)이 세퍼레이터용 연료박판(221)의 중앙에 형성되고, 세퍼레이터용 산화제토출공(219b)이 세퍼레이터용 산화제 박판(222) 중앙에 형성된 것을 특징으로 한다.
청구범위36에 관련된 발명은, 청구범위34 또는 35에 관련된 발명으로, 또 도12 및 도13에 도시하는 바와 같이, 세퍼레이터용 연료박판(221)의 표면에 세퍼레이터용 연료토출공(218b)으로부터 소용돌이상으로 늘어나는 복수의 슬릿이 각각 형성된 것을 특징으로 한다.
청구범위37에 관련된 발명은, 청구범위34 또는 35에 관련된 발명으로, 또 도12 및 도13에 도시하는 바와 같이, 세퍼레이터용 산화제박판(222)의 표면에 세퍼레이터용 산화제토출공(219b)으로부터 소용돌이상으로 늘어나는 복수의 슬릿이 각각 형성된 것을 특징으로 한다.
본 청구범위35~37에 기재된 연료전지의 가스공급구조에서는, 연료가스를 세퍼레이터용 연료통로(218)에 도입하면, 연료가스는 세퍼레이터용 연료토출공(218b)에서 각 연료극층(211b)의 중앙을 향하여 토출하고, 연료극층(211b)의 중앙부터 슬릿을 따라 소용돌이상으로 흐른다. 이에 의해 연료가스의 반응 경로가 길어져, 연료가스와 연료극층(211b)과의 충돌횟수가 늘어난다. 동시에 산화제가스를 세퍼레이터용 산화제통로(219)에 도입하면, 산화제가스는 세퍼레이터용 산화제토출공(219b)에서 각 산화제극층(211c)의 중앙을 항하여 토출하고, 산화제극층(211c)의 중앙부터 슬릿을 따라 소용돌이상으로 흐른다. 이에 의해 산화제가스의 반응경로가 길어져, 산화제가스와 산화제극층(211c)과의 충돌횟수가 증가한다. 이 결과, 연료전지(210)의 출력을 향상할 수 있다.
청구범위38에 관련된 발명은, 청구범위34 내지 36 중 어느 하나에 관련된 발명으로, 또한 세퍼레이터용 연료토출공이 세퍼레이터용 연료박판의 중앙에 형성되고, 세퍼레이터용 산화제토출공이 산화제가스를 세퍼레이터용 산화제 박판에 대향하는 산화제극층을 향하여 샤워형상으로 대략 균일하게 토출하도록 세퍼레이터용 산화제 박판에 형성된 것을 특징으로 한다.
본 청구범위38에 기재된 연료전지의 가스공급구조에서는, 연료가스를 세퍼레이터용 연료통로에 도입하면, 연료가스는 세퍼레이터용 연료토출공으로부터 각 연료극층의 중앙을 향하여 토출하고, 연료극층의 중앙으로부터 슬릿을 따라서 소용돌이상으로 흐른다. 이에 의해 연료가스의 반응경로가 길어져, 연료가스와 연료극층과의 충돌횟수가 늘어나, 연료전지의 출력을 향상할 수 있다. 동시에 산화제가스를 세퍼레이터용 산화제통로에 도입하면, 산화제가스는 세퍼레이터용 산화제토출공에서 산화제극층을 향하여 샤워형상으로 대략 균일하게 토출하고, 산화제극층내를 고체전해질층을 따라서 흐른다. 이에 따라 발전셀을 산화제가스로 균일하게 가열·냉각할 수 있어, 발전셀의 국소적인 가열 또는 냉각에 의한 손상을 방지할 수 있다.
또 세퍼레이터(212)를 스텐레스강, 니켈기합금 또는 크롬기합금 중 어느 하나로 각각 형성하고, 세퍼레이터(212)의 표면에 니켈도금 또는 은도금 중 어느 한쪽 또는 양쪽을 실시하는 것이 바람직하다.
또 세퍼레이터용 연료공급통로(218)에 연료가스가 유통 가능한 밀도로 개질 입자를 충전하는 것이 바람직하다.
청구범위41에 관련된 발명은, 청구범위34에 관련된 발명으로, 또 도13에 도시하는 바와 같이, 세퍼레이터용 홈부착박판(223)에, 열전대(236)를 삽입 가능한 열전대삽입홈(223e) 및 히터(237)를 삽입 가능한 히터삽입홈(223)이 각각 형성된 것을 특징으로 한다.
본 청구범위41에 기재된 연료전지의 가스공급구조에서는, 연료전지(210)의 기동시에 히터(237)를 작동시킴으로써, 세퍼레이터(212)를 가열하여 연료전지(210)를 기동온도까지 상승시킨다. 연료전지가 기동온도에 도달하면, 이 기동온도를 검출하는 열전대(236)의 검출출력에 의거하여 히터(237)가 정지된다. 또 연료전지(210)가 발전중에는, 연료전지(210)에 줄 열이 발생하여 연료전지(210)의 온도가 상승하므로, 열전대(236)의 검출출력에 의거하여 열료전지(210)의 작동온보다 조금 낮은 온도의 산화제가스를 공급한다. 이에 따라 세퍼레이터(212)의 온도조절이 행해진다.
본 발명의 제4실시예에 있어서의 연료전지모듈의 디스트리뷰터구조는, 청구범위42~53에 기재한 발명이다.
즉 청구범위42에 관련된 발명은, 도16 및 도17에 도시하는 바와 같이, 발전셀(311)과 이 발전셀(311)에 연료가스를 공급 가능한 연료공급통로(318,322)와 발전셀(311)에 산화제가스를 공급 가능한 산화제공급통로(319,321)를 가지는 연료전지(310)와, 이 연료전지(310)의 근방에 설치되어 연료공급통로(318,322)에 연료용단관(331)을 통하여 연료가스를 공급하는 연료용 디스트리뷰터(323)와, 연료전지(310)의 근방에 설치되어 산화제공급통로(319,321)에 산화제용단관(332)을 통하여 산화제가스를 공급하는 산화제용 디스트리뷰터(324)를 구비한 연료전지모듈의 개량이다.
그 특징인 구성은, 연료용 디스트리뷰터(323)가, 상자상(箱子狀) 또는 통상(筒狀)의 금속재료로 형성된 연료용 디스트리뷰터본체(326)와, 이 연료용 디스트리뷰터본체(326)의 연료측 개구부(326a)를 폐지함과 동시에 복수의 연료용단관(331)이 직접 접속되고 또 전기절연재료로 형성된 단일 판상의 연료용 덮개체(327)를 가지고, 산화제용 디스트리뷰터(324)가, 상자상 또는 통상의 금속재료로 형성된 산화제용 디스트리뷰터(328)와, 이 산화제용 디스트리뷰터본체(328)의 산회제측 개구부(328a)를 폐지함과 동시에 복수의 산화제용단관(332)이 직접 접속되고 또한 전기절연재료로 형성된 단일 판상의 산화제측 덮개체(329)를 가지는 것에 있다.
본 청구범위42에 기재된 연료전지의 디스트리뷰터구조에서는, 연료용 디스트리뷰터(323) 중 연료용단관(331)이 접속되는 연료용 덮개체(327)가 전지절연재료로 형성되어 있으므로, 각 세퍼레이터(312)가 연료용 디스트리뷰터(323)에 의해 전기적으로 단락되는 일은 없다. 또 연료용 디스트리뷰터(323)는, 금속재료로 형성된 연료용 디스트리뷰터본체(326)의 연료측 개구부(326a)를, 전기절연재료로 형성된 연료용 덮개체(327)로 폐지하는 것으로 끝나므로, 구조가 간단하여 조립공정수를 저감할 수 있다.
한편, 산화제용 디스트리뷰터(324) 중 산화제용단관(332)이 접속되는 산화제측 덮개체(329)가 전기절연재료로 형성되어 있으므로, 각 세퍼레이터(312)가 산화제용 디스트리뷰터(324)에 의해 전기적으로 단락되는 일은 없다. 또 산화제용 디스트리뷰터(324)는, 금속재료로 형성된 산화제용 디스트리뷰터본체(328)의 산회제측 개구부(328a)를, 전기절연재료로 형성된 산화제측 덮개체(329)에 의해 폐지하는 것으로 끝나므로, 구조가 간단하여 조립공정수를 저감할 수 있다.
청구범위43에 관련된 발명은, 청구범위42에 관련된 발명으로, 또 도16 및 도17에 도시하는 바와 같이, 발전셀(311)이 고체전해질층(311a)과 이 고체전해질(311a)의 양면에 배설된 연료극층(311b) 및 산화제극층(311c)으로 이루어지며, 연료전지(310)가 발전셀(311)을 (n+1)매(n은 양의 정수이다.) 적층하여 형성되고, i번째(i=1,2,…,n)의 발전셀(311)의 연료극층(311b)과 이 연료극층(311b)에 인접하는 (i+1)번째의 발전셀(311)의 산화제극층(311c)과의 사이에 금속재료에 의해 판상으로 형성된 세퍼레이터(312)가 각각 1매씩 합계 n매 개장되고, n매 세퍼레이터(312)가, 연료가스를 세퍼레이터(312) 외주면으로부터 도입하여 세퍼레이터(312)의 연료극집전체(313)에 대향하는 면에서 토출시키는 세퍼레이터용 연료통로(318)와, 산화제가스를 세퍼레이터(312) 외주면으로부터 도입하여 세퍼레이터(312)의 산화제극집전체(314)에 대향하는 면에서 토출시키는 세퍼레이터용 산화제통로(319)를 각각 가지고, 연료용 디스트리뷰터(323)가 발전셀의 적층방향으로 늘어나 설치되고, 산화제용 디스트리뷰터(324)가 발전셀(311)의 적층방향으로 늘어나 설치된 것을 특징으로 한다.
본 청구범위43에 기재된 연료전지모듈의 디스트리뷰터구조에서는, 발전셀과 세퍼레이터가 서로 번갈아 적층된 고체산화물형 연료전지의 측방에 연료용 디스트리뷰터 및 산화제용 디스트리뷰터가 연료전지의 적층방향으로 늘어나 설치되어 있으므로, 연료용 디스트리뷰터 및 산화제용 디스트리뷰터를 단순하고도 콤팩트하게 구성할 수 있다.
청구범위44에 관련된 발명은, 청구범위42 또는 43에 관련된 발명으로, 또 도17에 도시하는 바와 같이, 연료용 디스트리뷰터본체(326)에 연료측 나사구멍(326b)이 형성되고, 연료용 덮개체(327)에 연료측통공(327b)이 형성되어, 연료측통공(327b)에 통한 연료측 고정나사(333)를 연료측 나사구멍(326b)에 나사결합함으로써 연료용 덮개체(327)가 연료용 디스트리뷰터본체(326)에 고정되고, 또한 연료측통공(327b)의 구멍 직경이 연료용 디스트리뷰터본체(326) 및 연료용 덮개체(327)의 열 팽창 및 열 수축에 의한 변형량의 차를 흡수하도록 연료측 고정나사(333)보다 대직경으로 형성된 것을 특징으로 한다.
본 청구범위44에 기재된 연료전지모듈의 디스트리뷰터구조에서는, 발전운전의 개시 및 정지의 반복에 의해 큰 온도차의 열사이클이 연료용 디스트리뷰터(323)에 작용하지만, 연료측통공(327b)의 구멍직경이 연료측 고정나사(333)보다 크게 형성되어 있으므로, 연료용 디스트리뷰터본체(326) 및 연료용 덮개체(327)의 열 팽창 및 열 수축에 의한 변형량의 차를, 상기 연료측통공(327b)과 연료측 고정나사(333)와의 사이에 형성된 비교적 큰 틈으로 각각 흡수할 수 있다. 이 결과, 연료용 덮개체(327)에 큰 힘이 작용하는 일은 없어, 연료용 덮개체(327)가 파손되는 일은 없다.
청구범위45에 관련된 발명은, 청구범위42 내지 44 중 어느 하나에 관련된 발명으로, 또 도17에 도시하는 바와 같이, 산화제용 디스트리뷰터본체(328)에 산화제측나사구멍(328b)이 형성되고, 산화제측 덮개체(329)에 산화제측통공(329b)이 형성되어, 산화제측통공(329b)에 통한 산화제측 고정나사(334)를 산화제측나사구멍(328b)에 나사결합함으로써 산화제측 덮개체(329)가 산화제용 디스트리뷰터본체(328)에 고정되고, 또한 산화제측통공(329b)의 구멍직경이 산화제용 디스트리뷰터본체(328) 및 산화제측 덮개체(329)의 열 팽창 및 열 수축에 의한 변형량의 차를 흡수하도록 산화제측 고정나사(334)보다 대직경으로 형성된 것을 특징으로 한다.
본 청구범위45에 기재된 연료전지모듈의 디스트리뷰터구조에서는, 발전운전의 개시 및 정지 반복에 의해 큰 온도차의 열사이클이 산화제용 디스트리뷰터(334)에 작용하지만, 산화제측통공(329b)의 구멍직경이 산화제측 고정나사(334)보다 크게 형성되어 있으므로, 산화제용 디스트리뷰터본체(328) 및 산화제측 덮개체(329)의 열 팽창 및 열 수축에 의한 변형량의 차를, 상기 산화제측통공(329b)과 산화제측 고정나사(334)와의 사이에 형성된 비교적 큰 틈으로 각각 흡수할 수 있다. 이결과, 산화제측 덮개체(329)에 큰 힘이 작용하는 일은 없어, 산화제측 덮개체(329)가 파손하는 일은 없다.
청구범위46에 관련된 발명은, 청구범위42 또는 43에 관련된 발명으로, 또 도19에 도시하는 바와 같이, 연료용 디스트리뷰터본체(376)에 연료측관통공(376b)이 형성되며, 연료용 덮개체(327)에 연료측통공(327b)이 형성되고, 연료측통공(327b) 및 연료측관통공(376b)에 통한 연료측 고정나사(383)를 연료측너트(386)에 나사결합함으로써 연료용 덮개체(327)가 연료용 디스트리뷰터본체(376)에 고정되고, 또한 연료측통공(327b) 또는 연료측관통공(376b)의 구멍 직경이 연료용 디스트리뷰터본체(376) 및 연료용 덮개체(327)의 열 팽창 및 열 수축에 의한 변형량의 차를 흡수하도록 연료측 고정나사(383)보다 대직경으로 형성된 것을 특징으로 한다.
본 청구범위46에 기재된 연료전지모듈의 디스트리뷰터구조에서는, 발전운전의 개시 및 정지의 반복에 의해 큰 온도차의 열사이클이 연료용 디스트리뷰터(373)에 작용하지만, 연료측통공(327b) 또는 연료측관통공(376b)의 구멍직경이 연료측 고정나사(383)보다 크게 형성되어 있으므로, 연료용 디스트리뷰터본체(376) 및 연료용 덮개체(327)의 열 팽창 및 열 수축에 따른 변형량의 차를, 상기 연료측통공(327b) 또는 연료측관통공(376b)과 연료측 고정나사(383)와의 사이에 형성된 비교적 큰 틈으로 각각 흡수할 수 있다. 이 결과, 연료용 덮개체(327)에 큰 힘이 작용하는 일은 없어, 연료용 덮개체(327)가 파손하는 일은 없다.
청구범위47에 관련된 발명은, 청구범위42 내지 44 중 어느 하나에 관련된 발명으로, 또 도19에 도시하는 바와 같이, 산화제용 디스트리뷰터본체(378)에 산화제측관통공(378b)이 형성되며, 산화제측 덮개체(329)에 산화제측통공(329b)이 형성되고, 산화제측통공(329b) 및 산화제측관통공(378b)을 통한 산화제측 고정나사(384)를 산화제측너트(387)에 나사결합함으로써 산화제측 덮개체(329)가 산화제용 디스트리뷰터본체(378)에 고정되며, 또한 산화제측통공(329b) 또는 산화제측관통공(378b)의 구멍직경이 산화제용 디스트리뷰터본체(378) 및 산화제측 덮개체(329)의 열 팽창 및 열 수축에 따른 변형량의 차를 흡수하도록 산화제측 고정나사(384)보다 대직경으로 형성된 것을 특징으로 한다.
본 청구범위47에 기재된 연료전지모듈의 디스트리뷰터구조에서는, 발전운전의 개시 및 정지 반복에 의해 큰 온도차의 열사이클이 산화제용 디스트리뷰터(374)에 작용하지만, 산화제측통공(329b) 또는 산화제측관통공(378b)의 구멍직경이 산화제측 고정나사(384)보다 크게 형성되어 있으므로, 산화제용 디스트리뷰터본체(378) 및 산화제측 덮개체(329)의 열 팽창 및 열 수축에 따른 변형량의 차를, 상기 산화제측통공(329b) 또는 산화제측관통공(378b)과 산화제측 고정나사(334)와의 사이에 형성된 비교적 큰 틈으로 각각 흡수할 수 있다. 이 결과, 산화제측 덮개체(329)에 큰 힘이 작용하는 일은 없어, 산화제측 덮개체(329)가 파손하는 일은 없다.
청구범위48에 관련된 발명은, 청구범위42,43,44 또는 46 중 어느 하나에 관련된 발명으로, 또한 연료용 디스트리뷰터본체의 연료측 개구부 주연(周緣)과 연료용 덮개체의 주연과의 사이에, 글래스제 또는 시멘트제인 연료용 시일부재가 충전된 것을 특징으로 한다.
본 청구범위48에 기재된 연료전지모듈의 디스트리뷰터구조에서는, 연료용 디스트리뷰터내의 연료가스의 시일효과가 높아진다.
청구범위49에 관련된 발명은, 청구범위42, 43, 45 또는 47 중 어느 하나에 관련된 발명으로, 또한 산화제용 디스트리뷰터본체의 산회제측 개구부 주연과 산화제용 덮개체 주연과의 사이에, 글래스제 또는 시멘트제의 산화제용 시일부재가 충전된 것을 특징으로 한다.
본 청구범위49에 기재된 연료전지모듈의 디스트리뷰터구조에서는, 산화제용 디스트리뷰터내의 산화제가스의 시일효과가 높아진다.
청구범위50에 관련된 발명은, 청구범위46에 관련된 발명으로, 또 도19에 도시하는 바와 같이, 연료측관통공(376b)에 삽입된 연료측 고정나사(383)의 나사부(383a)를 노출시키기 위한 연료측슬릿(376d)이 연료용 디스트리뷰터본체(376)에 형성된 것을 특징으로 한다.
연료측 고정나사(383) 및 연료측너트(386)를 이용하여 연료용 디스트리뷰터본체(376)에 연료용 덮개체(327)를 고정한 상태에서, 연료전지를 동작시키기 위해 연료전지 및 연료용 디스트리뷰터(373)를 고온으로 하면, 상기 연료측 고정나사(383) 및 연료측너트(386)가 눌러 붙어 연료측너트(386)가 연료측 고정나사(383)에서 빠지지 않게 되는 경우가 있다. 이때 청구범위50에 기재된 연료전지모듈의 디스트리뷰터구조에서는, 연료측슬릿(376d)에서 노출하는 연료측 고정나사(383)를 금공용 톱 등으로 절단함으로써 연료측 고정나사(383)가 연료측관통공(376b) 및 연료측통공(327b)에서 용이하게 빠지므로, 연료용 덮개체(327)를 연료용 디스트리뷰터본체(376)에서 떼어낼 수 있다.
청구범위51에 관련된 발명은, 청구범위47에 관련된 발명으로, 또 도19에 도시하는 바와 같이, 산화제측관통공(378b)에 연통된 산화제측 고정나사(384)의 나사부(384a)를 노출시키기 위한 산화제측슬릿(378d)이 산화제용 디스트리뷰터본체(378)에 형성된 것을 특징으로 한다.
산화제측 고정나사(384) 및 산화제측너트(387)를 이용하여 산화제용 디스트리뷰터본체(378)에 산화제측 덮개체(329)를 고정한 상태에서, 연료전지를 작동시키기 위해 연료전지 및 산화제용 디스트리뷰터(374)를 고온으로 하면, 상기 산화제측 고정나사(384) 및 산화제측너트(387)가 눌러 붙어 산화제측너트(387)가 산화제측 고정나사(384)에서 빠지지 않게 되는 경우가 있다. 이때 청구범위51에 기재된 연료전지모듈의 디스트리뷰터구조에서는, 산화제측슬릿(378d)에서 노출하는 산화제측 고정나사(384)를 금공용 톱 등으로 절단함으로써 산화제측 고정나사(384)가 산화제측관통공(378b) 및 산화제측통공(329b)에서 용이하게 빠지므로, 산화제측 덮개체(329)를 산화제용 디스트리뷰터본체(378)에서 떼어낼 수 있다.
청구범위52에 관련된 발명은, 청구범위 42,43,44,46,48 또는 50 중 어느 하나에 관련된 발명으로, 또 도19에 도시하는 바와 같이, 연료용 디스트리뷰터본체(376)에 연료가스를 도입하기 위한 한 쌍의 연료용투공(透孔)(326c,326c)이 연료용 디스트리뷰터본체(376)의 상하면에 각각 형성된 것을 특징으로 한다.
본 청구범위52에 기재된 연료전지모듈의 디스트리뷰터구조에서는, 연료가스를 각 세퍼레이터에 대략 균일하게 공급할 수 있다.
청구범위53에 관련된 발명은, 청구범위 42,43,45,47,49 또는 51 중 어느 하나에 관련된 발명으로, 또 도19에 도시하는 바와 같이, 산화제용 디스트리뷰터본체(378)에 산화제가스를 도입하기 위한 한 쌍의 산화제용투공(328c,328c)이 연료용 디스트리뷰터본체(376)의 상하면에 각각 형성된 것을 특징으로 한다.
본 청구범위53에 기재된 연료전지모듈의 디스트리뷰터구조에서는, 산화제가스를 각 세퍼레이터에 대략 균일하게 공급할 수 있다.
본 발명의 제1실시예인 연료전지모듈을 도면에 의거하여 설명한다.
도1에 도시하는 바와 같이, 연료전지모듈(10)은 적층된 (n+1)개의 발전셀(12)을 가지는 연료전지(11)와, 이 연료전지(11)의 근방에 각각 설치된 단일 연료용 디스트리뷰터(13) 및 단일 공기용 디스트리뷰터(14)(산화제용 디스트리뷰터)를 구비한다. 여기서, n은 양의 정수이다. 발전셀(12)은 원판상의 고체전해질층(12a)과, 이 고체전해질층(12a)의 양면에 배설된 원판상의연료극층(12b) 및 공기극층(12c)(산화제극층)으로 이루어진다. 위에서 i번째(i=1,2,…,n)의 발전셀(12)의 연료극층(12b)과 이 연료극층(12b)에 인접하는 위에서 (i+1)번째의 발전셀(12)의 공기극층(12c)과의 사이에는 도전성재료에 의해 정방형판상으로 형성된 세퍼레이터(16)가 각각 1매씩 합계 n매 개장된다. 또 위에서 i번째의 발전셀(12)의 연료극층(12b)과 위에서 j번째(j=1,2,…,n)의 세퍼레이터(16)와의 사이에는 원판상으로 형성되고 또 전도성을 가지는 다공질의 연료극집전체(17)가 개장되며, 위에서 (i+1)번째의 발전셀(12)의 공기극층(12c)과 위에서 j번째인 세퍼레이터(16)와의 사이에는 원판상으로 형성되고 또 도전성을 가지는 다공질의 공기극집전체(18)(산화제극집전체)가 개장된다. 상기 j번째의 세퍼레이터란, i번째의 발전셀과 (i+1)번째의 발전셀 사이의 세퍼레이터를 의미한다. 또한 위에서 1번째(최상단)의 발전셀(12)의 공기극층(12c)에는 공기극집전체(18)를 통하여 도전성재료에 의해 정방향판상으로 형성된 단일 공기용단판(21)(산화제용단판)이 적층되며, 위에서 (n+1)번째(최하단)의 발전셀(12)의 연료극층(12b)에는 연료극집전체(17)를 통하여 전도성재료에 의해 정방향판상으로 형성된 단일 연료용단판(22)이 적층된다.
또한, 고체전해질층, 연료극층, 공기극층, 연료극집전체 및 공기극집전체는 원판상이 아닌, 사각형판상, 육각형판상, 팔각형판상과 같은 다각형판상으로 형성해도 된다. 또, 세퍼레이터, 공기용단판 및 연료용단판은 정방향판상이 아닌, 원판상, 혹은 정방형판상, 육각형판상, 팔각형판상 등과 같은 다각형판상으로 형성해도 된다. 이 경우, 연료가스를 발전셀(12)의 대략 중심에서 균등하게 외주방향으로 흘리기 위해, 후술하는 연료공급통로(23)의 제2연료구멍(23b)은 하나에 국한되지 않고, 대략 중심에 2개 혹은 3개 이상 있어도 된다.
또 발전셀의 적층방향이 연직방향과 일치하도록, 즉 각 발전셀이 수평방향으로 늘어나도록 연료전지를 설치한 경우, 연료가스는 세퍼레이터의 대략 중심에서 토출시키는 것이 바람직하지만, 발전셀의 적층방향이 수평방향과 일치하도록, 즉 각 발전셀이 연직방향으로 늘어지도록 연료전지를 설치한 경우, 연료가스는 세퍼레이터의 중심보다 약간 아래쪽으로 옮긴 부분에서 토출시키는 것이 바람직하다. 이 이유는, 각 발전셀이 연직방향으로 늘어지도록 연료전지를 설치한 상태에서, 수소 또는 메탄인 연료가스를 세퍼레이터의 중심에서 토출시키면, 중력의 영향으로 수소 또는 메탄이 상승하여, 발전셀의 상부가 하부에 비교하여 전지반응이 활발해지기 때문이다. 그래서 각 발전셀이 연직방향으로 늘어나도록 연료전지를 설치한 경우, 상술한 바와 같이 발전셀의 전면에서 균일하게 발전시키기 위해, 제2연료구멍의 위치를 세퍼레이터의 중심보다 다소 아래쪽으로 옮기는 것이 바람직하다.
또한 후술하는 공기공급통로(24)의 제3공기구멍(24c)을 샤워형상(종횡으로 복수 늘어선 상태)으로 형성하는 경우, 발전셀(11) 전면에 공기를 균등하게 흘리기 위해, 세퍼레이터(16)의 외주부분에 비해 중앙부분에 제3공기구멍(24c)을 많이(빽빽히) 형성하는 것이 바람직하다. 이는, 샤워형상의 제3공기구멍(24c)을 균등간격으로 형성하면, 세퍼레이터(16)의 중앙부분보다 외주부분에서 많은 공기가 토출해버리기 때문이다.
고체전해질층(12a)은 산화물이온전도체에 의해 형성된다. 구체적으로는, 일반식(1) : Ln1 A Ga B1 B2 B3 O로 표시되는 산화물이온전도체이다. 단, 상기 일반식(1)에 있어서, Ln1은 La, Ce, Pr, Nd 및 Sm으로 이루어진 군에서 선택된 한 종류 또는 두 종류이상의 원소로서 43.6~51.2중량% 포함되고, A는 Sr, Ca 및 Ba로 이루어진 군에서 선택된 한 종류 또는 두 종류 이상의 원소로서 5.4~11.1중량% 포함되고, Ga는 20.0~23.9%중량 포함되고, B1은 Mg, Al 및 In으로 이루어진 군에서 선택된 한 종류 또는 두 종류 이상의 원소이며, B2는 Co, Fe, Ni 및 Cu로 이루어진 군에서 선택된 한 종류 또는 두 종류 이상의 원소이며, B3은 Al, Mg, Co, Ni, Fe, Cu, Zn, Mn 및 Zr로 이루어진 군에서 선택된 한 종류 또는 두 종류 이상의 원소이며, B1과 B3 또는 B2와 B3이 각각 동일한 원소가 아닐 때, B1은 1.21~1.76중량% 포함되고, B2는 0.84~1.26중량% 포함되고, B3은 0.23~3.08중량% 포함되며, B1과 B3 또는 B2와 B3이 각각 동일한 원소일 때, B1의 함유량과 B3의 함유량의 합계가 1.41~2.70중량%이며, B2의 함유량과 B3의 함유량의 합계가 1.07~2.10중량%이다.
또 고체전해질층(12a)을 일반식(2) : Ln11-xAxGa1-y-z-wB1yB2zB3wO3-d로 표시되는 산화물이온전도체로 형성해도 된다. 단, 상기 일반식(2)에 있어서, Ln1은 La, Ce, Pr, Nd 및 Sm으로 이루어진 군에서 선택된 한 종류 또는 두 종류 이상의 원소이며, A는 Sr, Ca 및 Ba로 이루어진 군에서 선택된 한 종류 또는 두 종류 이상의 원소이며, B1은 Mg, Al 및 In으로 이루어진 군에서 선택된 한 종류 또는 두 종류 이상의 원소이며, B2는 Co, Fe, Ni 및 Cu로 이루어진 군에서 선택된 한 종류 또는 두 종류 이상의 원소이며, B3은 Al, Mg, Co, Ni, Fe, Cu, Zn, Mn 및 Zr으로 이루어진 군에서 선택된 한 종류 또는 두 종류 이상의 원소이며, x는 0.05~0.3, y는 0.025~0.29, z는 0.01~0.15, w는 0.01~0.15, y+z+w는 0.035~0.3 및 d는 0.04~0.3이다. 상기와 같은 산화물이온전도체로 고체전해질층(12a)을 형성함으로써, 연료전지(11)의 발전효율을 저하시키지 않고, 발전운전을 650±50℃로 비교적 저온해서 행하는 것이 가능해진다.
연료극층(12b)은 Ni 등의 금속으로 구성되거나, 또는 Ni-YSZ 등의 서멧으로 구성되거나, 혹은 Ni과 일반식(3) : Ce1-mDmO2로 표시되는 화합물과의 혼합체에 의해 다공질로 형성된다. 단, 상기 일반식(3)에 있어서, D는 Sm, Gd, Y 및 Ca로 이루어진 군에서 선택된 한 종류 또는 두 종류 이상의 원소이며, m은 D원소의 원자비로, 0.05~0.4, 바람직하게는 0.1~0.3의 범위로 설정된다.
공기극층(12c)은 일반식(4) : Ln21-xLn3xE1-yCoyO3+d로 표시되는 산화물이온전도체에 의해 다공질로 형성된다. 단, 상기 일반식(4)에 있어서, Ln2는 La 또는 Sm의 어느 한쪽 또는 양쪽의 원소이며, Ln3은 Ba, Ca 또는 Sr 중 어느 한쪽 또는 양쪽의 원소이며, E는 Fe 또는 Cu 중 어느 한쪽 또는 양쪽의 원소이다. 또 x는 Ln3의 원자비로, 0.5를 초과하고 1.0 미만의 범위로 설정된다. y는 Co원소의 원자비로, 0을 초과하고 1.0 이하, 바람직하게는 0.5 이상 1.0 이하의 범위로 설정된다. d는 -0.5 이상 0.5 이하의 범위로 설정된다.
상기 발전셀(12)의 제조방법의 일례를 하기에 나타낸다.. 먼저 원료분말로서, La2O3, SrCO3, Ga2O3, MgO, CoO의 각 분말을 La0.8Sr0.2Ga0.8MgO0.15Co0.05O2.8로 되도록칭량하여 혼합한 후에, 1100℃로 예비소성하여 가소체를 제작한다. 이어서 이 가소체를 분쇄한 후에, 소정의 바인더, 용제 등을 가하여 혼합함으로써 슬러리를 조제하고, 이 슬러리를 닥터블레이드법에 의해 그린시트를 제작한다. 다음에 이 그린시트를 공기중에서 충분히 건조하여, 소정의 치수로 잘라낸 후에, 1450℃에서 소결함으로써 고체전해질층(12a)을 얻는다. 이 고체전해질층(12a)의 한쪽 면에, Ni과 (Ce0.8Sm0.2)O2가 체적비로 6:4가 되도록, NiO분말과 (Ce0.8Sm0.2)O2분말과 혼합한 후에, 이 혼합분말을 1100℃에서 눌러 붙임으로써 연료극층(12b)을 형성한다. 또한 상기 고체전해질층(12a)의 다른쪽 면에 (Sm0.5Sr0.5)CoO3을 1000℃에서 눌러 붙임으로써 공기극층(12c)을 형성한다. 이와 같이 하여 발전셀(12)이 제작된다.
또한, 고체전해질층을 이온교환수지막으로 형성하고, 연료극층 및 공기극층을 촉매금속분말 또는 백금첨가카본분말과 폴리테트라플루오로에틸렌 (polytetrafluoroethylene)과 이온교환수지와의 혼합물로 형성해도 된다. 이와 같이 구성된 발전셀을 가지는 연료전지는 고체고분자전해질형연료전지라 불린다.
세퍼레이터(16)는 스텐레스강, 니켈기합금 또는 크롬기합금 중 어느 하나에 의해 형성되는 것이 바람직하다. 예를 들면, SUS316, SUS430, 인코넬600, 하스테로이X(Haynes Stellite사의 상품명), 헤인즈알로이214 등을 들 수 있다. 또 세퍼레이터(16)에는 연료공급통로(23)와, 공기공급통로(24)(산화제공급통로)와, 복수의 삽입공(16a)이 형성된다(도2 및 도3). 연료공급통로(23)는 세퍼레이터(16)의 외주면에서 대략 중심을 향하는 제1연료구멍(23a)과, 제1연료구멍(23a)에 연통하여 세퍼레이터(16)의 대략 중심에서 연료극집전체(17)에 면하는 제2연료구멍(23b)을 가진다. 또 공기공급통로(24)는 세퍼레이터(16)의 두께방향으로 직교하는 방향으로 늘어나 형성된 기단이 세퍼레이터(16) 외주면에 개구하고 또한 선단이 폐지된 대략 T자상의 제1공기구멍(24a)과, 세퍼레이터(16)의 두께방향으로 직교하는 방향으로 늘어나고 또 서로 소정의 간격을 두고 형성된 제1공기구멍(24a)에 연통하고 또한 양단이 폐지된 복수의 제2공기구멍(24b)과, 세퍼레이터(16)의 공기극집전체(18)에 대향하는 면에 소정의 간격을 두고 또 제2공기구멍(24b)에 연통하도록 형성된 복수의 제3공기구멍(24c)을 가진다.
제1공기구멍(24a)은 제1연료구멍(23a)과 구멍중심이 동일한 베이스구멍(24d)과, 이 베이스구멍(24d)에 연통함과 동시에 복수의 제2공기구멍(24b)에 연통하여 양단이 폐지된 분배구멍(24e)으로 이루어진다. 분배구멍(24e)은 베이스구멍(24d)의 기단이 형성된 세페레이터(16)의 한쪽 측면에 인접하는 측면에서 베이스구멍(24d)에 직교하도록 형성한 후에, 이 인접하는 측면에 폐지판(25)을 접합함으로써 양단이 폐지된 긴 구멍으로 이루어진다. 또 복수의 제2공기구멍(24b)은 베이스구멍(24d)의 기단이 형성된 세퍼레이터(16)의 한쪽 측면에서 베이스구멍(24d)에 평행하게 형성한 후에, 이 측면에 폐지판(25)을 접합함으로써 양단이 폐지된 복수의 긴 구멍으로 이루어진다. 복수의 삽입공(16a)은 연료공급통로(23) 및 공기공급통로(24) 중 어디에도 연통하지 않도록 제1연료구멍(23a) 및 제2공기구멍(24b)에 평행하게 형성되며, 이들 삽입공(16a)에는 제1히터(31)가 각각 삽입된다(도3). 또 세퍼레이터(16)의 연료극집전체(17)에 대향하는 면에는 세 개의슬릿(16b)이 세퍼레이터(16)의 대략 중심에서 소용돌이상으로 각각 형성되며(도4), 이들 슬릿(16b)의 깊이는 전 길이에 걸쳐 동일하게 되도록 형성된다. 또한, 상기 슬릿은 세 개가 아닌, 두 개 또는 네 개 이상이어도 된다. 또, 슬릿의 깊이는 세퍼레이터의 중심에서 멀어짐에 따라서 차례로 깊게 혹은 얕게 되도록 형성해도 된다.
도2로 돌아가서, 연료극집전체(17)는 스텐레스강, 니켈기합금, 또는 크롬기합금, 혹은 니켈, 은, 은합금, 백금 또는 동에 의해 다공질로 형성되며, 스텐레스강, 니켈기합금 또는 크롬기합금으로 형성한 경우, 니켈도금, 은도금, 니켈기초도금을 통한 은도금 또는 동도금을 실시하는 것이 바람직하다. 공기극집전체(18)는 은도금, 니켈기초도금을 통한 은도금 또는 백금도금된 스텐레스강, 니켈기합금 또는 크롬기합금, 혹은 은, 은합금 또는 백금에 의해 다공질로 형성되고, 스텐레스강, 니켈기합금 또는 크롬기합금으로 형성한 경우, 은도금, 니켈기초도금을 통한 은도금 또는 백금도금을 실시하는 것이 바람직하다. 또한, 연료가스로서 탄화수소를 이용한 경우에는, 연료극집전체는 니켈도금된 스텐레스강, 니켈기합금 또는 크롬기합금. 혹은 니켈로 형성되며, 연료가스로서 수소를 이용한 경우에는, 연료극집전체는 은도금, 니켈기초도금을 통한 은도금 또는 동도금된 스텐레스강, 니켈기합금 또는 크롬기합금, 혹은, 은, 은합금, 백금 또는 동으로 형성된다. 상기 연료극집전체(17)의 제조방법의 일례를 하기에 나타낸다. 먼저 스텐레스강 등의 애토마이즈분말과 HPMC(수용성수지결합제)를 혼합한 후에, 증류수 및 첨가제(n-헥산(유기용제), DBS(계면활성제), 글리세린(가소제)등)를 더하여 혼합하여 혼합슬러리를 조제한다. 다음에 이 혼합슬러리를 닥터블레이드법에 의해 성형체를 제작한 후에, 소정의 조건으로 발포, 탈지 및 소결하여 다공질판을 얻는다. 또한 이 다공질판을 소정의 치수로 잘라내어 연료극집전체(17)를 제작한다. 또한, 스텐렌스강의 애트마이즈분말을 이용한 경우에는, 표면에 니켈도금, 크롬도금, 은도금, 니켈기초도금을 통한 은도금이 실시된다. 또 상기 공기극집전체(18)도 상기 연료극집전체(17)와 거의 마찬가지로 제작된다.
공기용단판(21) 및 연료용단판(22)은 세퍼레이터(16)와 동일 재료에 의해 동일 형상(정방형판상)으로 형성된다. 공기용단판(21)에는 공기공급통로(27) 및 복수의 삽입공(도시하지 않음)이 형성되며, 연료용단판(22)에는 연료공급통로(26) 및 복수의 삽입공(도시하지 않음)이 형성된다. 공기공급통로(27)는 공기공급통로(23)와 마찬가지로 형성되며, 공기용단판(21)의 두께방향으로 직교하는 방향으로 늘어나 형성되어 기단이 공기용단판(21) 외주면에 개구하고 또 선단이 폐지된 T자형상의 제1공기구멍(27a)과, 공기용단판(21)의 두께방향으로 직교하는 방향으로 늘어나고 또 서로 소정의 간격을 두고 형성되어 제1공기구멍(27a)에 연통하고 또한 양단이 폐지된 복수의 제2공기구멍(도시하지 않음)과, 공기용단판(21)의 공기극집전체(18)에 대향하는 면에 소정의 간격을 두고 또 제2공기구멍에 연통하도록 형성된 복수의 제3공기구멍(도시하지 않음)을 가진다. 또 연료공급통로(26)는 연료공급통로(23)와 마찬가지로 형성되며, 연료용단판(22)의 외주면에서 대략 중심을 향하는 제1연료구멍(26a)과, 제1연료구멍(26a)에 연통하여 연료용단판(22)의 대략 중심에서 연료극집전체(17)에 면하는 제2연료구멍(26b)을 가진다.
공기용단판(21)에 형성된 제1공기구멍(27a)은 베이스구멍(27d)과, 이 베이스구멍(27d)에 연통함과 동시에 복수의 제2공기구멍에 연통하여 양단이 폐지된 분배구멍(27e)으로 이루어진다. 분배구멍(27e)은 베이스구멍(27d)의 기단이 형성된 공기용단판(21)의 한쪽 측면에 인접하는 측면에서 베이스구멍(27d)에 직교하도록 형성한 후에, 이 인접하는 측면에 폐지판(25)을 접합함으로써 양단이 폐지된 긴 구멍으로 이루어진다. 복수의 제2공기구멍은 베이스구멍(27d)의 기단이 형성된 공기용단판(21)의 한쪽 측면에서 베이스구멍(27d)에 평행하게 형성한 후에, 이 측면에 폐지판을 접합함으로써 양단이 폐지된 복수의 긴 구멍으로 이루어진다. 또 공기용단판(21)의 복수의 삽입공은 공기공급통로(27)에 연통하지 않도록 제2공기구멍에 평행하게 형성되며, 이들 삽입공에는 히터(도시하지 않음)가 각각 삽입된다. 연료용단판(22)의 복수의 삽입공은 연료공급통로(26)에 연통하지 않도록 제1연료구멍(26a)에 평행하게 형성되며, 이들 삽입공에는 히터(도시하지 않음)가 각각 삽입된다. 연료용단판(22)의 상면, 즉 연료용단판(22)의 연료극집전체(17)의 대향면에는 세 개의 슬릿(22b)이 연료용단판(22)의 대략 중심에서 소용돌이상으로 형성된다(도2). 이들 슬릿(22b)의 깊이는 전 길이에 걸쳐 동일해지도록 형성된다. 또한, 상기 슬릿은 세 개가 아닌, 두 개 또는 네 개 이상이어도 된다. 또, 슬릿의 깊이는 세퍼레이터의 중심에서 멀어짐에 따라서 차례로 깊게 또는 얕아지도록 형성해도 된다.
또한 세퍼레이터(16), 공기용단판(21) 및 연료용단판(22)의 네귀퉁이에는 볼트(도시하지 않음)를 삽입 가능한 통공(16c)이 형성된다(도3 및 도4). (n+1)개의 발전셀(12)과, n매의 세퍼레이터(16)와, (n+1)개의 연료극집전체(17)와, (n+1)개의공기극집전체(18)와, 단일 공기용단판(21)과, 단일 연료용단판(22)을 적층했을 때에, 상기 세퍼레이터(16), 공기용단판(21) 및 연료용단판(22)의 네귀퉁이에 형성된 통공(16c)에 볼트를 각각 삽입한 후에, 이들 볼트의 선단에 너트를 각각 나사결합함으로써, 연료전지(11)가 상기 적층한 상태에서 고정되도록 되어 있다.
도1로 돌아가서, 연료용 디스트리뷰터(13) 및 공기용 디스트리뷰터(14)는 발전셀(12)의 적층방향으로 늘어나 각각 설치되며, 양단이 폐지된 통상으로 형성된다. 연료용 디스트리뷰터(13)는 (n+1)개의 연료용단관(28)을 통하여 n매의 세퍼레이터(16)의 연료공급통로(23)의 제1연료구멍(23a) 및 단일 연료용단판(22)의 연료공급통로(26)의 제1연료구멍(26a)에 각각 연통접속되고, 공기용 디스트리뷰터(14)는 (n+1)개의 공기용단관(29)을 통하여 n매의 세퍼레이터(16)의 공기공급통로(24)의 제1공기구멍(24a) 및 단일 공기용단판(21)의 공기공급통로(27)의 제1공기구멍(27a)에 각각 연통접속된다. 이 실시예에서는, 연료용 디스트리뷰터(13), 공기용 디스트리뷰터(14), 연료용단관(28) 및 공기용단관(29)은 스텐레스강, 니켈기합금 또는 크롬기합금 등의 도전성재료로 형성된다.
연료용단관(28)과 연료용 디스트리뷰터(13)와의 전기적 절연을 확보하기 위해서, 연료용단관(28)과 연료용 디스트리뷰터(13)와의 사이에는 알루미나 등의 전기절연성재료로 형성된 연료용절연관(36)이 개장되며, 이들의 틈은 글래스나 시멘트 등의 전기절연성을 가지는 연료용봉지부재(37)에 의해 봉지된다. 또 공기용단관(29)과 공기용 디스트리뷰터(14)와의 전기적 절연을 확보하기 위해서, 공기용단관(29)과 공기용 디스트리뷰터(14)와의 사이에는 알루미나 등의 전기절연성재료로 형성된 공기용절연관(38)이 개장되며, 이들의 틈은 글래스나 시멘트 등의 전기절연성을 가지는 공기용봉지부재(39)에 의해 봉지된다.
공기용단판(21)의 상면 중앙 및 연료용단판(22)의 하면 중앙에는 한 쌍의 전극단자(41,42)(이 실시예에서는 전극봉)가 전기적으로 각각 접속된다. 연료용 디스트리뷰터(13)의 상부 외주면에는 연료예열관(43)이 접속되며, 이 연료예열관(43)은 연료전지(11)의 외주면에서 소정 간격을 두고 또 한 쌍의 전극단자(41,42)의 축선을 중심으로 하는 나선상으로 두루 감겨진다. 또 공기용 디스트리뷰터(14)의 외주면에는 공기예열관(44)(산화제예열관)이 접속되며, 이 공기예열관(44)은 연료전지(11)의 외주면에서 소정 간격을 두고 또 한 쌍의 전극단자(41,42)의 축선을 중심으로 하는 나선상으로 두루 감겨진다. 또한 연료전지(11)의 외주면에는 제2히터(32)가 연료전지(11)의 외주면에서 소정 간격을 두고 또 한 쌍의 전극단자(41,42)의 축선을 중심으로 하는 나선상으로 두루 감겨진다. 상기 연료예열관(43)의 나선반경은 상기 공기예열관(44)의 나선반경보다 작게 형성되며, 제2히터(32)의 나선반경은 연료예열관(43)의 나선반경과 공기예열관(44)의 나선반경의 중간값이 되도록 형성된다.
이 실시예에서는, 연료예열관(43) 및 공기예열관(44)은 스텐레스강, 니켈기합금 또는 크롬기합금 등으로 형성된다. 또 공기예열관(44)은 공기용 디스트리뷰터(14)의 길이방향의 대략 중앙에 접속된다. 이는, 발전중에 연료전지(11)의 내부저항에 의해 줄 열을 발생해서, 연료전지(11)의 적층방향의 중앙부분이 가장 뜨거워져, 이 부분에 공기예열관(44) 및 공기용 디스트리뷰터(14)를통하여 비교적 낮은 온도의 산화제가스를 공급함으로써, 발전셀(12)의 균열을 유지하기 위해서이다.
상기 연료전지(11)는 나선상의 연료예열관(43), 나선상의 공기예열관(44) 및 나선상의 제2히터(32)와 동시에 인너케이스(46)에 수용된다. 이 인너케이스(46)의 하부 외주면 및 상면에는 발전셀(12)에서 배출된 연료가스 및 공기를 인너케이스(46) 바깥으로 인도하는 제1배기관(51) 및 제2배기관(52)이 각각 접속된다. 또 인너케이스(46)의 외면은 단열재(47)에 의해 피복됨과 동시에, 인너케이스(46)의 외주면에는 연료예열관(43), 공기예열관(44) 및 제1배기관(51)이 각각 나선상으로 두루 감겨진다. 이 실시예에서는, 제1배기관(51)은 연료예열관(43) 및 공기예열관(44)보다 대직경으로 형성되며, 연료예열관(43) 및 공기예열관(44)을 내부에 헐겁게 삽입한 상태로 인너케이스(46)의 외주면에서 소정 간격을 두고 나선상으로 두루 감겨진다. 또한, 연료예열관 및 공기예열관을 제1배기관 내부에 헐겁게 삽입하지는 않고, 제1배기관의 외주면에 밀착시킨 상태에서 인너케이스의 외주면에 나선상으로 감아도 된다.
상기 인너케이스(46)는 나선상의 제1배기관(51)과, 이 제1배기관(51)에 헐겁게 삽입된 연료예열관(43) 및 공기예열관(44)과, 단열재(47)와 함께 아웃케이스(48)에 수용된다. 상기 제1배기관(51)은 이 제1배기관(51)에 헐겁게 삽입된 연료예열관(43) 및 공기예열관(44)과 함께, 아웃케이스(48)의 상부 외주면에서 아웃케이스(48) 바깥으로 돌출하고, 연료예열관(43) 및 공기예열관(44)은 이 돌출한 부분에서 제1배기관(51) 바깥으로 돌출한다. 제1배기관(51)에서 돌출한 연료예열관(43)에는 이 연료예열관(43)내의 연료가스에 수증기를 혼합하기 위한 물공급관(49)의 선단이 삽입되며, 이 물공급관(49)에는 분무기(도시하지 않음)가 접속된다. 상기 물공급관(49)의 선단은 아웃케이스(48)내에 위치하는 것이 바람직하다. 또한, 연료가스로서는, 예를 들면 메탄가스(CH4)를 들 수 있다. 또 도시하지는 않지만 상기 분무기에서 분사된 안개형상의 물은 제2배기관(52)내를 통과하는 배기가스의 열에 의해 기화되어 수증기로 되도록 구성된다. 연료예열관(43)에는 연료가스가 유통 가능한 밀도로 개질 입자(도시하지 않음)가 충전된다. 이 개질 입자는 Ni, NiO, Al2O3, SiO2, MgO, CaO, Fe2O3, Fe3O4, V2O3, NiAl2O4, ZrO2, SiC, Cr2O3, ThO2, Ce2O3, B2O3, MnO2, ZnO, Cu, BaO 및 TiO2로 이루어진 군에서 선택된 한 종류 또는 두 종류 이상을 포함하는 원소 또는 산화물로 형성되는 것이 바람직하다.
연료전지(11)에 나선상으로 두루 감겨진 연료예열관(43) 중 인너케이스(46)내에 위치하는 최하단에는, 물분리기(53)가 접속된다. 이는, 연료전지모듈(10)이 정지하여 온도가 저하하고, 수증기가 액화하여 물로 되었을 때에, 이 물은 물분리기(53)에 괴도록 구성된다. 이 결과, 연료전지모듈(10)을 재시동해도, 물이 액체인 채로 발전셀(12)에 공급되지 않으므로, 발전셀(12)의 성능은 저하하지 않고, 발전셀(12)은 파손하지 않도록 되어 있다. 또한, 상기 물분리기는 인너케이스 외의 연료예열관에 접속해도 된다.
또 연료전지(11)에 나선상으로 두루 감겨진 공기예열관(44) 중 인너케이스(46)내에 위치하는 상단에는, 냉각공기(냉각산화제가스)를공기예열관(44)에 공급 가능한 냉각관(56)이 접속된다. 또 공기예열관(44) 중 냉각관(56)의 접속부와 공기용 디스트리뷰터(14)의 접속부와의 사이에는, 공기예열관(44) 내의 공기와 냉각관(56) 내의 냉각공기를 혼합하는 혼합부가 접속된다. 이 혼합부에는 도시하지 않지만 상기 공기 및 냉각공기를 혼합하기 위해 배플판이나 각반기 등이 내장된다. 또 연료전지(11)에는 이 연료전지(11)의 온도를 검출하는 온도센서(58)가 삽입되며, 냉각관(56)에는 냉각공기의 유량을 조정하는 유량조절밸브(69)가 설치된다. 온도센서(58)의 검출출력은 콘트롤러(도시하지 않음)의 제어입력에 접속되며, 콘트롤러의 제어출력은 유량조절밸브(59)에 접속된다. 또한, 도1의 부호 54는 인너케이스(46) 및 아웃케이스(48)를 한 쌍의 전극단자(41,42)로부터 전기적으로 절연하기 위한 절연링이다.
이와 같이 구성된 연료전지모듈(10)의 동작을 설명한다. 연료가스(예를 들어, 메탄가스(CH4)를 연료예열관(43)에 공급하고, 물(H20)을 물공급관(49)에서 상기 연료예열관(43)에 공급하여 수증기로 하여, 이 수증기를 상기 연료가스에 혼합한다. 한편, 공기(산화제가스)를 공기예열관(44)에 공급한다. 상기 수증기를 포함하는 연료가스는 제1배기관(51)에 삽입된 연료열관(43)내에서 인너케이스(46)의 외주면을 나선상으로 돌면서 고온의 배기가스(발전셀(12)에서 배출된 연료가스 및 산화제가스의 혼합가스)와 열교환함으로써 가열되고, 상기 공기는 제1배기관(51)에 삽입된 공기예열관(44)내에서 인너케이스(46)의 외주면을 나선상을 돌면서 고온의 배기가스와 열교환함으로써 가열된다. 또 연료예열관(43) 및 공기예열관(44) 헐겁게삽입된 제1배기관(51)은 단열재(47)로 덮어져 있으므로, 상기 제1배기관(51)내를 통하는 배기가스는 식기 어렵다.
인너케이스(46)의 외주면을 나선상으로 돌면서 가열된 연료가스 및 공기는 인너케이스(46)내에 들어갈 때에 제1배기관(51)에서 나와 연료전지(11)의 외주면을 나선상으로 돈다. 이때 연료예열관(43)내를 통하는 연료가스는 발전셀(12)에서 배출되는 고온의 배기가스 및 제2히터(32)에 의해 가열된다. 상기 연료예열관(43)내에는 개질 입자가 충전되어 있으므로, 수증기를 포함하는 연료가스를 상술한 바와 같이 가열함으로써, 이 수증기를 포함하는 연료가스는 개질 입자에 의해 개질되어(예를 들면, 수소가스(H2)로 개질된다), 연료용 디스트리뷰터(13)에 공급된다. 또 공기예열관(44) 내를 통하는 공기도 상기 고온의 배기가스 및 제2히터(32)에 의해 가열되어 공기용 디스트리뷰터(14)로 공급된다.
발전에 최적인 온도로 가열되고 또 개질된 연료가스를 연료용 디스트리뷰터(13)로 인도하면, 이 연료가스는 연료용단관(28) 및 연료공급통로(23,26)를 통하여, 세퍼레이터(16) 및 연료용단판(22)의 대략 중심에서 연료극집전체(17)의 중심을 향하여 토출한다. 이에 따라 연료가스는 연료극집전체(17)내의 기공을 통과하여 연료극층(12b)의 대략 중심에 신속하게 공급되며, 또한 슬릿(16b,22b)에 의해 안내되어 연료극층(12b)의 대략 중심에서 외주연을 향하여 소용돌이상으로 흐른다. 동시에 발전에 최적인 온도로 가열된 공기를 공기용 디스트리뷰터(14)에 도입하면, 이 공기는 공기용단관(29) 및 공기공급통로(24,27)를통하여, 세퍼레이터(16)의 복수의 제3공기구멍(24c) 및 공기용단판(21)의 복수의 제3공기구멍으부터 샤워형상으로 공기극집전체(18)를 향하여 토출한다. 이에 의해 공기는 공기극집전체(18) 내의 기공을 통과하여 공기극층(12c)에 대략 균일하게 공급된다.
공기극층(12c)에 공급된 공기는 공기극층(12c)내의 기공을 통하여 고체전해질층(12a)과의 계면근방에 도달하고, 이 부분에서 공기중의 산소는 공기극층(12c)에서 전자를 받아, 산화물이온(O2-)으로 이온화된다. 이 산화물이온은 연료극층(12b)의 방향을 향해서 고체전해질층(12a)내를 확산이동하고, 연료극층(12b)과의 계면근방에 도달하면, 이 부분에서 연료가스와 반응하여 반응생성물(예를 들면, H2O)을 생성하여, 연료극층(12b)에 전자를 방출한다. 이 전자를 연료극집전체(17)에 의해 취출함으로써 전류가 발생하고, 전력이 얻어진다. 상기와 같이 연료가스가 세퍼레이터(16)의 대략 중앙 및 연료용단판(22)의 대략 중앙에서 토출되고, 또 슬릿(16b,22b)에 의해 안내되므로, 연료가스의 반응경로가 길어진다. 이 결과, 연료가스가 세퍼레이터(16) 및 연료용단판(22)의 외주연에 도달하기까지, 연료가스가 연료극층(12b)과 매우 크게 충돌하므로, 상기 반응횟수가 늘어나, 연료전지(11)의 성능향상을 도모할 수 있다. 따라서, 세퍼레이터(16) 및 연료용단판(22)의 외부직경이 커지면 커질수록, 연료가스의 반응경로가 길어지고, 이에 따라 반응횟수가 늘어나고, 연료전지(11)의 출력향상에 이어진다. 또한, (n+1)개의 발전셀(12)은 도전성재료로 형성된 세퍼레이터(16), 연료극집전체(17)및 공기극집전체(18)를 통해서 직렬로 접속되고, 또 연료전지(11) 양단의 공기용단판(21) 및 연료용단판(22)에는 한 쌍의 전극단자(41,42)가 설치되어 있으므로, 이들 전극단자(41,42)에서 큰 전력을 취출할 수 있다.
또 종래의 연료전지, 즉 애노드와 캐소드가 접촉하는 부분의 근방만에서 반응이 일어나 발전효율이 저하한다. 공기극집전체 및 연료극집전체를 가지지 않는 구조의 연료전지와 비교하여, 본 발명의 연료전지모듈(10)에서는, 발전셀(12)의 표면 전부가 발전에 기여하므로, 발전효율이 향상한다. 또 연료전지모듈(10)의 기동시에는 , 제1히터(31)에 통전함으로써 발전셀(12)을 빠르게 승온할 수 있으므로, 승온시간을 단축할 수 있음과 동시에, 발전셀(12)이 균일하게 승온하여, 발전셀(12)의 중심과 외주연과의 온도차가 없어져 균일하게 열 팽창하므로, 발전셀(12)의 손상을 방지할 수 있다. 또한, 삽입공에 히터를 삽입하지 않는 경우, 즉 삽입공을 경량화구멍로 한 경우에는, 세퍼레이터, 공기용단판 및 연료용단판의 중량을 작게 할 수 있으므로, 연료전지의 경량화를 도모할 수 있다.
또 인너케이스(46)의 양면 및 아웃케이스(48)의 내면에는 은 도금, 니켈기초도금을 통한 은도금 또는 백금도금이 실시되고, 또한 연료용단관(28), 연료용 디스트리뷰터(13), 연료예열관(43), 공기용단관(29), 공기용 디스트리뷰터(14) 및 공기예열관(44)의 외면에는 은도금, 니켈기초도금을 통한 은도금 또는 백금도금이 실시되는 것이 바람직하다. 이에 따라 연료전지(11)의 운전중에 발전셀(12)이 발생하는 복사열을, 연료예열관(43) 및 산화제예열관(44)의 보온을 위해 이용할 수 있어, 발전셀(12) 및 세퍼레이터(16)의 보온효과를 높일 수 있다. 또 연료예열관(43), 연료용 디스트리뷰터(13), 연료용단관(28), 산화제예열관(44), 산화제용 디스트리뷰터(14) 및 산화제용단관(27)이 스텐레스강, 니켈기합금 또는 크롬기합금 중 어느 하나에 의해 형성되고 또 내면에 은도금, 니켈기초도금을 통한 은도금 또는 백금도금이 실시되는 것이 바람직하다. 이에 따라 산화제예열관(44), 산화제용 디스트리뷰터(14) 및 산화제용단관(27)의 내부가 산화되지 않고, 산화스케일(분말형상의 산화물)의 생성을 억제할 수 있다. 한편, 환원분위기인 연료예열관(43), 연료용 디스트리뷰터(13) 및 연료용단관(28)의 내부에는 수증기가 존재하지만, 이 수증기에 의한 산화스케일의 발생을 억제할 수 있다. 또 연료예열관(43), 연료용 디스트리뷰터(13) 및 연료용단관(28)의 내면에 니켈도금이 실시되는 것이 바람직하다. 이에 따라 연료예열관(43), 연료용 디스트리뷰터(13) 및 연료용단관(28)의 내부에서 탄화수소의 개질반응이 가능해진다.
한편, 세퍼레이터(16)의 하면 및 공기용단판(21)의 하면에는 복수의 제3공기구멍(24c)이 소정 간격을 두고 늘어서 형성되어 있으므로, 공기가 세퍼레이터(16)의 하면 및 공기용단판(21)의 하면에 대략 균일하게 토출된다. 이 결과, 공기에 의해 발전셀(12)을 균일하게 가열·냉각할 수 있다. 특히, 연료전지모듈(10)의 발전중에 줄 열의 발생에 의해, 발전셀(12)이 가열되어 설정온도(예를 들면, 650℃)보다 상승했을 때에, 이 설정온도보다 약간 낮은 온도(예를 들면 630℃)의 공기를 상기 공기공급통로(24,27)에서 토출시킴으로써, 발전셀(12)을 균일하게 냉각할 수 있으므로, 발전셀(12)의 국소적인 가열 또는 냉각에 의한 손상을 방지할 수 있다. 또 상술한 연료전지(11)의 온도제어는 온도센서(58)의 검출출력에 의거하는 콘트롤러의 유량조정밸브(59)의 제어에 의해 행할 수 있다. 즉, 연료전지(11)의 운전중에 연료전지(11)가 설정온도(예를 들면, 650℃)를 넘은 것을 온도센서(58)가 검출하면, 콘트롤러가 온도센서(58)의 검출출력에 의거하여 유량조정밸브(59)의 개도를 바꾸고, 공기예열관(44)을 통하는 공기에 냉각관(56)을 통하는 냉각공기를 섞어, 설정온도보다 낮은 온도(예를 들면, 630℃)의 공기를 연료전지(11)에 공급한다.
또한 스텐레스강, 니켈기합금 또는 크롬기합금제의 세퍼레이터(16) 및 연료용단판(22)의 상면에, 니켈도금, 은도금, 니켈기초도금을 통한 은도금 또는 동도금이 실시된 스텐레스강, 니켈기합금 또는 크롬기합금, 혹은 니켈, 은, 은합금, 백금 또는 동제의 연료극집전체(17)를 각각 접합하고, 스텐레스강, 니켈기합금 또는 크롬기합금제의 세퍼레이터(16) 및 연료용단판(22)의 하면에, 은도금, 니켈기초도금을 통한 은도금 또는 백금도금이 실시된 스텐레스강, 니켈기합금 또는 크롬기합금, 혹은 은, 은합금 또는 백금제의 공기극집전체(18)를 각각 접합하면, 세퍼레이터(16) 및 공기용단판(21)이 고온에 노출되어도, 즉 세퍼레이터(16) 및 공기용단판(21)이 고온산화분위기에 노출되어도, 세퍼레이터(16) 및 공기극집전체(18)의 접합부분과, 공기용단판(22) 및 공기극집전체(18)가 용착된 접합부분이 용착되어 있으므로, 이들 접합부분의 산화를 방지할 수 있다. 이 결과, 세퍼레이터(16) 및 연료극집전체(17)의 전기적 도통과, 연료용단판(22) 및 연료극집전체(17)의 전기적도통 뿐만 아니라, 세퍼레이터(16) 및 공기극집전체(18)의 전기적도통과, 공기용단판(21) 및 공기극집전체(18)의 전기적도통을 상기 접합부분을 통하여 장기간 유지할 수 있음과 동시에, 상기 접합에 의해 연료전지모듈(10)의 조립작업시간을 단축하고, 조립작업성을 향상할 수 있다. 또한, 상기 접합방법으로서는 은납부착, 스폿용접 또는 레이저용접 등을 들 수 있다. 또 스텐레스강, 니켈기합금 또는 크롬기합금제의 상기 세퍼레이터(16), 공기용단판(21) 및 연료용단판(22)에 니켈도금, 크롬도금, 은도금 또는 니켈기초도금을 통하는 은도금을 실시하면, 세퍼레이터(16), 공기용단판(21) 및 연료용단판(22)과, 연료극집전체(17) 및 공기극집전체(18)와의 전기적 도통을 더한층 장기간 유지할 수 있다.
또한, 상기 실시예에서는, 산화제가스로서 공기를 이용하였지만, 산소 또는 기타 산화제가스를 이용해도 된다.
또, 상기 실시예에서는, 연료전지로서, 발전셀이 연료극층 및 공기극층(산화제극층)에서 고체전해질층을 끼워 지지하여 구성된 고체산화물형의 연료전지를 들었지만, 고체고분자형 연료전지나 탄소용융염형 연료전지나 인산형 연료전지 등이라도 된다. 또, 상기 실시형태에서는, 세퍼레이터를 스텐레스강, 니켈기합금 또는 크롬기합금 중 어느 하나로 형성하였지만, 란탄크로마이트(La0.9Sr0.1CrO3) 등의 도전성을 가지는 세라믹으로 형성해도 된다.
또, 상기 실시예에서는, 세퍼레이터, 공기용단판 및 연료용단판의 삽입공에 제1히터를 각각 삽입하였지만, 제1히터 및 온도센서(온도측정용 열전대)를 서로 번갈아 삽입해도 된다. 이 경우, 온도센서의 검출출력에 의거하여 제1히터를 제어함으로써, 세퍼레이터 등의 온도를 매우 세밀하게 제어할 수 있다.
또, 상기 실시예에서는, 연료예열관에 물공급관의 선단을 삽입하고, 이 물공급관에 분무기를 접속하였지만, 연료예열관의 상부에 물공급관의 선단을 삽입하고, 이 물공급관의 기단에 펌프를 접속해도 된다. 이 경우, 연료예열관에 공급된 물은 제2배기관내를 통하는 배기가스의 열에 의해, 연료예열관을 내려감에 따라 기화된다. 또한, 발전셀(12)에서 배출된 연료가스 및 산화제가스를 인너케이스(46) 및 아웃케이스(48) 바깥으로 인도하는 배기관(51,52)을 수증기터빈에 접속해도 된다. 이 경우, 연료전지모듈(10)에서 배출된 고온의 배기가스를 이용하여 물을 가열하고, 압축수증기를 발생시켜, 이 압축수증기를 터빈에 분사하여 회전시킴으로써, 발전기를 회전시켜 열에너지를 전기에너지로 변환할 수 있다.
본 발명의 제2실시예인 연료전지의 가스공급구조를 도면에 의거하여 설명한다.
도5에 도시하는 연료전지(110)는, 도1에 도시한 연료전지(11)와 마찬가지로, (n+1)개의 발전셀(111)을 적층함으로써 구성되고, 고체전해질층(111a), 연료극층(111b), 공기극층(산화제극층)(111c), 세퍼레이터(112), 연료극집전체(113), 공기극집전체(산화제극집전체)(114), 공기용단판(산화제용단판)(116), 연료용단판(117)은, 각각 도1에 있어서의 고체전해질층(12a), 연료극층(12b), 공기극층(산화제극층)(12c), 세퍼레이터(16), 연료극집전체(17), 공기극집전체(산화제극집전체)(18), 공기용단판(산화제용단판)(21), 연료용단판(22)과 마찬가지로 적층되어 있다. 상기 세퍼레이터(112), 공기용단판(116) 및 연료용단판(117)은 연료극층(111b) 등의 직경을 한변의 길이로하는 정방형판상으로 각각 형성된다. 또한, 개체전해질층, 연료극층, 공기극층, 연료극집전체 및 공기극집전체는 원판상이 아닌, 사각형판상, 육각형판상, 팔각형판상 등의 다각형판상으로 형성해도 된다. 또, 세퍼레이터, 공기용단판 및 연료용단판은 정방형판상이 아닌, 원판상, 혹은 정방형판상, 육각형판상, 팔각형판상 등의 다각형판상으로 형성해도 된다.
고체전해질층(111a), 연료극층(111b) 및 공기극층(111c)은, 상술한 본 발명의 제1실시예에 있어서와 같은 재질로 형성된다.
세퍼레이터(112), 공기용단판(116) 및 연료용단판(117)은 스텐레스강, 니켈기합금 또는 크롬기합금으로 형성되는 것이 바람직하다. 또 연료극집전체(113)는 스텐레스강, 니켈기합금 또는 크롬기합금, 혹은 니켈, 은 또는 동에 의해 다공질로 형성되며, 공기극집전체(114)는 스텐레스강, 니켈기합금 또는 크롬기합금, 혹은 은 또는 백금에 의해 다공질로 형성된다.
세퍼레이터(112)에는, 연료가스를 세퍼레이터(112) 외주면에서 도입하여 세퍼레이터(112)의 연료극집전체(113)의 대향면에서 토출시키는 세퍼레이터용 연료통로(118)와, 공기(산화제가스)를 세퍼레이터(112) 외주면으로부터 도입하여 세퍼레이터(112)의 공기극집전체(114)의 대향면에서 토출시키는 세퍼레이터용 공기통로(119)(세퍼레이터용 산화제통로)가 형성된다(도5~도7). 세퍼레이터용 연료통로(118)는, 세퍼레이터(112) 외주면에 형성된 단일 세퍼레이터용 연료도입공(118a)과, 세퍼레이터(112)의 연료극집전체(113)의 대향면 중앙에 형성된 단일 세퍼레이터용 연료토출공(118b)과, 세퍼레이터(112)내에 형성된 세퍼레이터용 연료도입공(118a) 및 세퍼레이터용 연료토출공(118b)을 연통하는 세퍼레이터용 연료연통공(118c)을 가진다. 또 세퍼레이터용 공기통로(119)는, 세퍼레이터(112) 외주면에 형성된 단일 세퍼레이터용 공기도입공(119a)(세퍼레이터용 산화제도입공)과, 세퍼레이터(112)의 공기극집전체(114)의 대향면에 소정 간격을 두고 형성된 복수의 세퍼레이터용 공기토출공(119b)(세퍼레이터용 산화제토출공)과, 세퍼레이터(112)내에 형성된 세퍼레이터용 공기도입공(119a) 및 세퍼레이터용 공기토출공(119b)을 연통하는 세퍼레이터용 공기연통공(119c)(세퍼레이터용 산화제연통공)을 가진다.
한편, 세퍼레이터(112)는, 상면에 세퍼레이터용 연료오목홈(121a)이 형성되고 또 하면에 세퍼레이터용 공기오목홈(121b)(세퍼레이터용 산화제오목홈)이 형성된 세퍼레이터용기판(121)과, 세퍼레이터용 연료오목홈(121a)을 피복하는 세퍼레이터용 연료덮개체(122)와, 세퍼레이터용 공기오목홈(121b)을 피복하는 세퍼레이터용 공기덮개체(123)(세퍼레이터용 산화제덮개체)를 가진다. 세퍼레이터용 연료오목홈(121a)은 세퍼레이터용기판(121)의 한쪽 코너부에서 중앙을 향하여 직선상으로 형성되며, 세퍼레이터용 연료덮개체(122)는 상기 세퍼레이터용 연료오목홈(121a)에 상응하는 직선상으로 형성된다. 또 세퍼레이터용 연료오목홈(121a)은 세퍼레이터용 연료덮개체(122)로 피복됨으로써, 세퍼레이터용 연료도입공(118a) 및 세퍼레이터용 연료연통공(118c)으로 되고, 세퍼레이터용 연료덮개체(122)에는 세퍼레이터용기판(121)의 중앙에 위치하도록 상기 단일 세퍼레이터용 연료토출공(118b)이 형성된다.
세퍼레이터용 공기오목홈(121b)은 세퍼레이터용기판(121)의 다른쪽 코너부에서 한쪽 코너부를 향하여 갈라지는 잎맥상으로 형성되고, 세퍼레이터용 공기덮개체(123)는 상기 세퍼레이터용 공기오목홈(121b)에 상응하는 잎맥상으로 형성된다. 또 세퍼레이터용 공기오목홈(121b)은 세퍼레이터용 공기덮개체(123)로 피복됨으로써, 세퍼레이터용 연료도입공(119a) 및 세퍼레이터용 연료연통공(119c)으로 되고, 세퍼레이터용 공기덮개체(123)에는 소정의 간격을 두고 상기 복수의 세퍼레이터용 공기토출공(119b)이 형성된다. 또한, 세퍼레이터용기판(121)에 세퍼레이터용 연료덮개체(122) 및 세퍼레이터용 공기덮개체(123)를 고착하는데는, 먼저 세퍼레이터용 연료오목홈(121a)의 단부(121c)(도7)에 세퍼레이터용 연료덮개체(122)를 삽입하고, 세퍼레이트용 공기오목홈(121b)의 단부(121d)(도7)에 세퍼레이터용 덮개체(123)를 삽입하고, 이 상태에서 상기 덮개체(122,123)를 단부(121c, 121d)에 각각 스폿용접한다. 다음에 상기 세퍼레이터용 연료덮개체(122) 및 세퍼레이터용 공기덮개체(123)가 고착된 세퍼레이터용기판(121)에 Ag도금을 실시한다. 이와 같이 비교적 간단한 작업으로 세퍼레이터용기판(121)에 세퍼레이터용 연료덮개체(122) 및 세퍼레이터용 공기덮개체(123)를 고착할 수 있다. 또 상기 세퍼레이터용 연료오목홈(121a)과 세퍼레이터용 공기오목홈(121b)은 서로 연통하지 않도록 세퍼레이터용기판(121)에 각각 형성된다.
도6에 상세하게 도시하는 바와 같이, 세퍼레이터용 연료도입공(118a)이 형성된 세퍼레이터(112)의 한쪽의 코너부에는 한 쌍의 연료용절결(121e,121e)이 형성되고, 이들 절결(121e,121e)에 의해 상기 세퍼레이터(112)의 한 쪽 코너부가 도시하지 않은 연료용 디스트리뷰터의 연료출구에 삽입 가능하게 구성된다. 또 세퍼레이터용 공기도입공(119a)이 형성된 세퍼레이터(112)의 다른쪽 코너부에는 한 쌍의 공기용절결(121f,121f)이 형성되고, 이들 절결(121f,121f)에 의해 상기 세퍼레이터(112)의 다른쪽 코너부가 도시하지 않은 공기용 디스트리뷰터의 공기출구에 삽입 가능하게 구성된다. 상기 연료용 디스트리뷰터는 연료전지(110) 근방에 그 적층방향으로 늘어나 설치되고, 연료가스를 각 세퍼레이터(112) 및 연료용단판(117)에 공급 가능하게 구성된다. 또 상기 공기용 디스트리뷰터는 연료전지(110)에 대하여 연료용 디스트리뷰터와 반대측에 연료전지(110)의 적층방향에 늘어나 설치되어, 공기를 각 세퍼레이터(112) 및 공기용단판(116)에 공급 가능하게 구성된다.
연료용단판(117)에는, 연료가스를 연료용단판(117) 외주면에서 도입하여 연료용단판(117)의 연료극집전체(113)의 대향면에서 토출시키는 단판용 연료통로(126)가 형성된다(도5, 도8 및 도9). 단판용 연료통로(126)는, 연료용단판(117) 외주면에 형성된 단일 단판용연료도입공(126a)과, 연료용단판(117)의 연료극집전체(113)의 대향면 중앙에 형성된 단일 단판용 연료토출공(126b)과, 연료용단판(117)내에 형성되어 단판용 연료도입공(126a) 및 단판용 연료토출공(126b)을 연통하는 단판용 연료연통공(126c)을 가진다.
한편, 연료용단판(117)은, 상면에 단판용 연료오목홈(127a)이 형성된 단판용 연료기판(127)과, 단판용 연료오목홈(127a)을 피복하는 단판용 연료덮개체(128)를 가진다. 단판용 연료오목홈(127a)은 단판 용연료기판(127)의 한쪽 코너부에서 중앙부를 향하여 직선상으로 형성되며, 단판용 연료덮개체(128)는 상기 단판 용연료오목홈(127a)에 상응하는 직선상으로 형성된다. 또 단판용 연료오목홈(127a)은 단판용 연료덮개체(128)로 피복됨으로써, 단판용 연료도입공(126a) 및 단판용 연료연통공(126c)으로 이루어지며, 단판용 연료덮개체(128)에는 단판용 연료기판(127)의 중앙에 위치하도록 상기 단일 단판용 연료토출공(126b)이 형성된다. 또한, 단판 용연료기판(127)에 기판용 연료덮개체(128)를 고착하는 데는, 먼저 단판용 연료오목홈(127a)의 단부(127c)(도9)에 단판용 연료덮개체(128)를 삽입하고, 이 상태에서 상기 덮개체(128)를 단부(127c)에 스폿용접한다. 다음에 상기 단판용 연료덮개체(128)가 고착된 단판용기판(127)에 Ag도금을 실시한다. 이와 같이 비교적 간단한 작업으로 단판용 연료기판(127)에 단판용 연료덮개체(128)를 고착할 수 있다. 또, 도8에 상세하게 도시하는 바와 같이, 단판용 연료도입공(126a)이 형성된 연료용단판(117)의 한쪽 코너부에는 한 쌍의 연료용절결(127e,127e)이 형성되며, 이들 절결(127e,127e)에 의해 상기 연료용단판(117)의 한쪽 코너부가 상기 연료용 디스트리뷰터의 연료출구에 삽입 가능하게 구성된다.
공기용단판(116)에는, 공기를 공기용단판(116) 외주면에서 도입하여 공기용단판(116)의 공기극집전체(114)의 대향면에서 토출시키는 단판용공기통로(131)(단판용 산화제통로)가 형성된다(도5, 도10 및 도11). 단판용공기통로(131)는, 공기용단판(116) 외주면에 형성된 단일 단판용 공기도입공(131a)(단판용 산화제도입공)과, 공기용단판(116)의 공기극집전체(114)의 대향면에 소정 간격을 두고 형성된 복수의 단판용 공기토출공(131b)(단판용 산화제토출공)과, 공기용단판(116)내에 형성되어 단판용 공기도입공(131a) 및 단판용공기토출공(131b)을 연통하는 단판용 공기연통공(131c)(단판용 산화제연통공)을 가진다.
한편, 공기용단판(116)은, 하면에 단판용 공기오목홈(132a)(단판용 산화제오목홈)이 형성된 단판용 공기기판(132)(단판용 산화제기판)과, 단판용 공기오목홈(132a)을 피복하는 단판용 공기덮개체(133)(단판용 산화제덮개체)를 가진다. 단판용 공기오목홈(132a)은 단판용 공기기판(132)의 다른쪽 코너부에서 한쪽 코너부를 향하여 갈라진 잎맥상으로 형성되고, 단판용 공기덮개체(133)는 상기 단판용 공기오목홈(132a)에 상응하는 잎맥상으로 형성된다. 또 단판용 공기오목홈(132a)은 단판용 공기덮개체(133)로 피복됨으로써, 단판용 공기도입공(131a) 및 단판용 공기연통공(131c)로 이루어지며, 단판용 공기덮개체(133)에는 소정의 간격을 두고 상기 복수의 단판용 공기토출공(131b)이 형성된다. 또한, 단판용 공기기판(132)에 단판용 공기덮개체(133)를 고착하는 데는, 먼저 단판용 공기오목홈(132a)의 단부(132d)(도11)에 단판용 공기덮개체(133)를 삽입하고, 이 상태에서 상기 덮개체(133)를 단부(132d)에 스폿용접한다. 다음에 상기 단판용 공기덮개체(133)가 고착된 단판용 공기기판(132)에 Ag도금을 실시한다. 이와 같이 하여 비교적 간단한 작업으로 단판용 공기기판(132)에 기판용 공기덮개체(133)를 고착할 수 있다. 또, 도10에 상세하게 도시하는 바와 같이, 단판용 공기도입공(131a)이 형성된 공기용단판(116)의 다른 쪽 코너부에는 한 쌍의 공기용절결(132f,132f)이 형성되고, 이들 절결(132f,132f)에 의해 상기 공기용단판(116)의 다른쪽의 코너부가 상기 공기용 디스트리뷰터의 공기출구에 삽입 가능하게 구성된다.
세퍼레이터(112)의 연료극집전체(113)에 대향하는 면에는, 단일 세퍼레이터용 연료토출공(118b)으로부터 소용돌이상으로 늘어나는 복수의 슬릿(도4참조)이 각각 형성되고, 연료용단판(117)의 연료극집전체(113)에 대향하는 면에는, 단일 단판용 연료토출공(126b)으로부터 소용돌이상으로 늘어나는 복수의 슬릿(도4참조)이 각각 형성된다. 또 세퍼레이터용 연료통로(118)의 세퍼레이터용 연료연통공(118c) 및 단판용 연료통로(126)의 단판용 연료연통공(126c)에는, 연료가스가 유통 가능한 밀도로 개질 입자(도시하지 않음)를 충전하는 것이 바람직하다. 이 개질 입자로서는, 상기한 본 발명의 제1실시예에 있어서의 개질 입자와 같은 원소 또는 산화물을 사용할 수 있다.
세퍼레이터용기판(121)에는, 세퍼레이터용 연료오목홈(121a) 및 세퍼레이터용 공기오목홈(121b)에 연통하지 않도록, 열전대(136)를 삽입 가능한 열전대삽입홈(121g)과, 히터(137)를 삽입 가능한 히터삽입홈(121h)이 각각 형성된다(도6 및 도7). 또 단판용 연료기판(127)에는, 단판용 연료오목홈(127a)에 연통하지 않도록, 열전대(136)를 삽입 가능한 열전대삽입홈(127g)과, 히터(137)를 삽입 가능한 히터삽입홈(127h)이 각각 형성된다(도8). 또한 단판용 공기기판(132)에는, 단판용 공기오목홈(132a)을 연통하지 않도록, 열전대(136)를 삽입 가능한 열전대삽입홈(132g)과, 히터(137)를 삽입 가능한 히터삽입홈(327h)이 각각 형성된다(도10 및 도11). 상기 열전대(136)의 검출출력은 도시하지 않은 콘트롤러에 제어입력에 접속되고, 콘트롤러의 제어출력은 히터(137)에 접속된다.
이와 같이 구성된 연료전지(110)의 동작을 설명한다. 연료전지(110)를 기동할 때에는, 콘트롤러와 히터(137)를 작동시킨다. 이에 따라 세퍼레이터(112), 연료용단판(117) 및 공기용단판(116)은 히터(137)에 의해 가열되어 연료전지(110)가 기동온도까지 상승한다. 연료전지(110)가 기동온도에 도달하면, 이 기동온도를 열전대(136)가 검출하므로, 콘트롤러는 이 열전대(136)의 검출출력에 의거하여 히터(137)를 정지한다. 이 상태에서 연료가스(예를 들면, 메탄가스(CH4)를 수증기(H2O)와 함께 세퍼레이터용 연료도입공(118a) 및 단판용 연료도입공(126a)에 도입하면, 연료가스 및 수증기는 세퍼레이터용 연료연통공(118c) 및 단판용 연료연통공(126c)내를 통하여 세퍼레이터용 연료토출공(118b) 및 단판용 연료토출공(126b)으로 각각 향한다. 운전중인 연료전지(110)는 고온이므로, 상기 연료가스는 세퍼레이터용 연료연통공(118c) 및 단판용 연료연통공(126c)을 통하는 사이에 세퍼레이터(112) 및 연료용단판(117)으로부터 열을 흡수하여, 연료극층(111b)에서의 반응에 최적인 온도에 도달함과 동시에, 세퍼레이터용 연료연통공(118c) 및 단판용 연료연통공(126c)에 충전된 개질 입자에 의해 개질된다(예를 들면, 수소가스(H2)로 개질된다).
이 개질된 연료가스는 세퍼레이터용 연료토출공(118b) 및 단판용 연료토출공(126b)에서 각 연료극집전체(113)의 중앙을 향하여 각각 토출하고, 각 연료극집전체(113)내의 기공을 통과하여 각 연료극층(111b)의 중앙에 신속하게 공급되며, 또한 세퍼레이터용기판(121)의 연료극집전체(113)의 대향면 및 단판용 연료기판(127)의 연료극집전체(113)의 대향면에 형성된 슬릿에 의해 각각 안내되어 각 연료극층(11b)의 중앙에서부터 외주연을 향하여 소용돌이상으로 흐른다. 동시에 공기를 세퍼레이터용 공기도입공(119a) 및 단판용 공기도입공(131a)에 도입하면, 공기는 세퍼레이터용 공기연통공(119c) 및 단판용 공기연통공(131c)을 통하여, 세퍼레이터용 공기토출공(119b) 및 단판용 공기토출공(131b)에서 각 공기극층(111c)을 향하여 샤워형상으로 대략 균일하게 각각 토출하고, 또한 각 공기극층(111c) 내를 각 고체전해질층(111a)을 따라서 흐른다.
연료극층(111b), 공기극층(111c) 및 고체전해질층(111a)에서 연료가스와 공기중의 산소가 이동, 반응하여 전력이 얻어지는 기구는, 상술한 본 발명 제1실시예와 마찬가지이다.
상기와 같이 연료가스가 세퍼레이터용기판(121)의 연료극집전체(113)의 대향면 및 단판용 연료기판(127)의 연료극집전체(113)의 대향면에 형성된 슬릿에 의해 각각 안내되어 각 연료극층(111b)의 중앙에서부터 외주연을 향하여 소용돌이상으로 흐르므로, 연료가스의 반응경로가 길어져, 연료가스와 각 연료극층(111b)과의 충돌횟수가 늘어난다. 또 공기가 세퍼레이터용 공기토출공(119b) 및 단판용 공기토출공(131b)에서 각 공기극층(111c)을 향하여 샤워형상으로 대략 균일하게 토출하므로, 각 발전셀(111)을 공기로 균일하게 가열·냉각할 수 있어, 각 발전셀(111)의 국소적인 가열 또는 냉각에 의한 손상을 방지할 수 있다.
세퍼레이터(112)가 세퍼레이터용기판(121)의 세퍼레이터용 연료오목홈(121a)을 세퍼레이터용 연료덮개체(122)로 피복하고, 세퍼레이터용 공기오목홈(121b)을세퍼레이터용 공기덮개체(123)로 피복함으로써 형성되고, 연료용단판(117)이 단판용 연료기판(127)의 단판용 연료오목홈(127a)을 단판용 연료덮개체(128)로 피복함으로써 형성되고, 또한 공기용단판(116)이 단판용 공기기판(132)의 단판용 공기오목홈(132a)을 단판용 공기덮개체(133)로 피복함으로써 형성되므로, 세퍼레이터(112), 연료용단판(117) 및 공기용단판(116)의 두께를 각각 매우 얇게 할 수 있다. 이 결과, 연료전지(110)를 발전셀(111)의 적층방향으로 콤팩트화할 수 있다.
또 연료전지(110)가 발전중일 때는, 연료전지(110)에 줄 열이 발생하여 연료전지(110)의 온도가 상승하므로, 콘트롤러는 열전대(136)의 검출출력에 의거하여 연료전지(110)의 작동온도보다 좀 낮은 온도의 공기를 세퍼레이트용 공기통로(119) 및 단판용 공기통로(131)에 각각 공급한다. 이에 따라 세퍼레이터(112) 및 공기용단판(116)의 온도조절이 행해진다.
한편, 세퍼레이터용 연료덮개체(122)의 일부가 세퍼레이터용기판(121)으로부터 박리하거나, 혹은 단판용 연료덮개체(128)의 일부가 단판용 연료기판(127)으로부터 박리해도, 세퍼레이터용 연료통로(118)나 단판용 연료통로(126)를 통한 연료가스는 공기와 혼합하는 일 없이 각 발전셀(111)의 연료극층(111b)에 공급된다. 또 세퍼레이터용 공기덮개체(123)의 일부가 세퍼레이터용기판(121)으로부터 박리하거나, 혹은 단판용 공기덮개체(133)의 일부가 단판용 공기기판(132)으로부터 박리해도, 세퍼레이터용 공기통로(119)나 단판용 공기통로(131)를 통하는 공기는 연료가스와 혼합하는 일 없이 각 발전셀(111)의 공기극층(111c)에 공급된다.
또한 세퍼레이터(112)의 상면 및 연료용단판(117)의 상면에, 니켈도금, 은도금 또는 동도금된 스텐레스강, 니켈기합금 또는 크롬기합금, 혹은 니켈, 은 또는 동제의 연료극집전체(113)를 각각 접합하고, 세퍼레이터(112)의 하면 및 공기용단판(116)의 하면에, 은도금 또는 백금도금된 스텐레스강, 니켈기합금 또는 크롬기합금, 혹은 은 또는 백금제 공기극집전체(114)를 각각 접합하는 것이 바람직하다.
또 상기 세퍼레이터(112), 연료용단판(117) 및 공기용단판(116)에, 니켈도금 또는 은도금 중 어느 한쪽 또는 양쪽을 실시하면(은도금을 실시하는 경우에는, 기초도금으로서 니켈도금을 실시할 필요가 있다.), 세퍼레이터(112), 연료용단판(117) 및 공기용단판(116)과, 연료극집전체(113) 및 공기극집전체(114)와의 전기적 도통을 한층더 장기간 유지할 수 있다. 또, 이 실시예에서는, 산화제가스로서 공기를 이용하였지만, 산소 또는 기타 산화제가스를 이용해도 된다.
또한, 세퍼레이터용 연료토출공을 세퍼레이터용기판의 중앙에 위치하도록 세퍼레이터용 연료덮개체에 형성하고, 세퍼레이터용 공기토출공을 세퍼레이터용기판의 중앙에 위치하도록 세퍼레이터용 공기덮개체에 형성하고, 세퍼레이터의 공기극층에 대향하는 면에 세퍼레이터용 공기토출공으로부터 소용돌이상으로 늘어나는 복수의 슬릿을 각각 형성해도 된다. 이 경우, 연료가스는 연료극층의 중앙에서 슬릿을 따라서 소용돌이상으로 흐르므로, 반응가스의 반응경로가 길어져, 반응가스와 연료극층과의 충돌횟수가 늘어난다. 또 공기는 공기극층의 중앙에서 슬릿을 따라서 소용돌이상으로 흐르므로 공기의 반응경로가 길어져 공기와 공기극층과의 충돌횟수가 늘어난다. 이 결과, 연료전지의 출력을 향상할 수 있다.
본 발명의 제3실시예인 연료전지의 가스공급구조를 도면에 의거하여 설명한다.
도12에 도시하는 연료전지(210)는, 도1에 도시한 연료전지(11)와 마찬가지로, (n+1)개의 발전셀(211)을 적층함으로써 구성되며, 고체전해질층(211a), 연료극층(211b), 공기극층(산화제극층)(211c), 세퍼레이터(212), 연료극집전체(213), 공기극집전체(산화제극집전체)(214), 공기용단판(산화제용단판)(216), 연료용단판(217)은, 각각 도1에 있어서의 고체전해질층(12a), 연료극층(12b), 공기극층(산화제극층)(12c), 세퍼레이터(16), 연료극집전체(17), 공기극집전체(산화제극집전체)(18), 공기용단판(산화제용단판)(21), 연료용단판(22)과 마찬가지로 적층되어 있다. 상기 세퍼레이터(212), 공기용단판(216) 및 연료용단판(217)은 연료극층(211) 등과 대략 동일한 외부직경을 가지는 원판상으로 각각 형성된다. 또한, 고체전해질층, 연료극층, 공기극층, 세퍼레이터, 연료극집전체, 공기극집전체, 공기용단판 및 연료용단판은 원판상이 아닌, 사각형판상, 육각형판상, 팔각형판상 등의 다각형판상으로 형성해도 된다.
고체전해질층(211a), 연료극층(211b) 및 공기극층(211c)은, 상술한 본 발명의 제1실시예와 같은 재질로 형성된다.
세퍼레이터(212), 공기용단판(216) 및 연료용단판(217)은 스텐레스강, 니켈기합금 또는 크롬기합금으로 형성되는 것이 바람직하다. 또 연료극집전체(113)는 스텐레스강, 니켈기합금 또는 크롬기합금, 혹은 니켈, 은 또는 동에 의해 다공질로 형성되며, 공기극집전체(214)는 스텐레스강, 니켈기합금 또는 크롬기합금, 혹은 은또는 백금에 의해 다공질로 형성된다.
세퍼레이터(212)에는, 연료가스를 세퍼레이터(212) 외주면에서 도입하여 세퍼레이터(212)의 연료극집전체(213)의 대향면에서 토출시키는 세퍼레이터용 연료통로(218)와, 공기(산화제가스)를 세퍼레이터(212) 외주면에서 도입하여 세퍼레이터(212)의 공기극집전체(214)의 대향면에서 토출시키는 세퍼레이터용 공기통로(219)(세퍼레이터용 산화제통로)가 형성된다(도12 및 도13). 세퍼레이터용 연료통로(218)는, 세퍼레이터(212) 외주면에 형성된 단일 세퍼레이터용 연료도입공(218a)과, 세퍼레이터(212)의 연료극집전체(213)의 대향면 중앙에 형성된 단일 세퍼레이터용 연료토출공(218b)과, 세퍼레이터(212) 내에 형성된 세퍼레이터용 연료도입공(218a) 및 세퍼레이터용 연료토출공(218b)을 연통하는 세퍼레이터용 연료연통공(218c)을 가진다. 또 세퍼레이터용 공기통로(219)는, 세퍼레이터(212) 외주면에 형성된 단일 세퍼레이터용 공기도입공(219a)(세퍼레이터용 산화제도입공)과, 세퍼레이터(212)의 공기극집전체(214)의 대향면 중앙에 형성된 네 개의 세퍼레이터용 공기토출공(219b)(세퍼레이터용 산화제토출공)과, 세퍼레이터(212)내에 형성된 세퍼레이터용 공기도입공(219a) 및 세퍼레이터용 공기토출공(219b)을 연통하는 세퍼레이터용 공기연통공(219c)을 가진다.
한편, 세퍼레이터(212)는, 중앙에 상기 단일 세퍼레이터용 연료토출공(219b)이 형성되고 또 외주연에 서로 대향하여 세퍼레이터용 연료돌기(221a) 및 세퍼레이터용 공기돌기(221b)가 형성된 세퍼레이터용 연료박판(221)과, 중앙에 상기 네 개의 세퍼레이터용 공기토출공(219b)이 형성되고 또 외주연에 서로 대향하여 세퍼레이터용 연료돌기(222a) 및 세퍼레이터용 공기돌기(222b)가 형성된 세퍼레이터용 공기박판(222)(세퍼레이터용 산화제박판)과, 세퍼레이터용 연료박판(221) 및 세퍼레이터용 공기박판(222)에 의해 끼여 지지되고 또 외주연에 서로 대향하여 세퍼레이터용 연료돌기(223a) 및 세퍼레이터용 공기돌기(223b)가 형성된 세퍼레이터용 홈부착박판(223)을 가진다. 즉, 세퍼레이터(212)는 세퍼레이터용 연료박판(221), 세퍼레이터용 홈부착박판(223) 및 세퍼레이터용 공기박판(222)을 적층접착함으로써 형성된다. 이들 박판(221~223)의 적층 접착은 스폿용접 또는 열 압착에 의해 행해지고, 열 압착인 경우에는, 열 압착전에 각 박판(221~223)에 Ni도금을 실시하고, 열 압착후에 Ag도금을 실시하는 것이 바람직하다.
또 세퍼레이터용 홈부착박판(223)에는, 세퍼레이터용 연료돌기(223a)에서 중앙을 걸쳐서 사행하는 세퍼레이터용 연료홈(223c)이 형성되며, 이 세퍼레이터용 연료홈(223c)은, 세퍼레이터용 홈부착박판(223)에 세퍼레이터용 연료박판(221) 및 세퍼레이터용 공기박판(222)을 적층접착함으로써, 세퍼레이터용 연료통로(218) 중 세퍼레이터용 연료도입공(218a) 및 세퍼레이터용 연료연통공(218c)으로 이루어진다. 또 세퍼레이터용 홈부착박판(223)에는, 세퍼레이터용 공기돌기(223b)에서 중앙을 걸쳐서 사행하는 세퍼레이터용 공기홈(223d)이 형성되며, 이 세퍼레이터용 공기홈(223d)은, 세퍼레이터용 홈부착박판(223)에 세퍼레이터용 연료박판(221) 및 세퍼레이터용 공기박판(222)을 적층접착함으로써, 세퍼레이터용 공기통로(219) 중 세퍼레이터 공기도입공(219a) 및 세퍼레이터용 공기연통공(219a)으로 이루어진다. 상기 세퍼레이터용 연료홈(223c)과 세퍼레이터용 공기홈(223d)은 서로 연통하지 않도록 형성되는, 즉 세퍼레이터용 홈부착박판(223)은 상기 홈(223c,223d)을 형성한 후라도, 분할되지 않는 1매로 형성된다.
연료용단판(217)에는, 연료가스를 연료용단판(217) 외주면에서 도입하여 연료용단판(217)의 연료극집전체(213)의 대향면에서 토출시키는 단판용 연료통로(226)가 형성된다(도12 및 도14). 단판용 연료통로(226)는, 연료용단판(217) 외주면에 형성된 단일 단판용 연료도입공(226a)과, 연료용단판(217)의 연료극집전체(213)의 대향면 중앙에 형성된 단일 단판용 연료토출공(226b)과, 연료용단판(217)내에 형성되어 단판용 연료도입공(226a) 및 단판용 연료토출공(226b)을 연통하는 단판용 연료연통공(226c)을 가진다.
한편, 연료용단판(217)은, 중앙에 상기 단일 단판용 연료토출공(226b)이 형성되고 또 외주연에 단판용 연료돌기(227a)가 형성된 단판용 연료박판(227)과, 외주연에 단판용 연료돌기(228a)가 형성된 연료용 폐지박판(228)과, 단판용 연료박판(227) 및 연료용 폐지박판(228)에 의해 끼여 지지되고 또 연료용 돌기(229a)가 형성된 단판용 연료홈부착박판(229)을 가진다. 즉, 단판용 연료박판(227), 단판용 연료홈부착박판(229) 및 연료용 폐지박판(228)을 적층접착함으로써 형성된다. 이들 박판(227~229)의 적층접착은 스폿용접 또는 열 압착에 의해 행해지고, 열 압착전에 각 박판(227~229)에 Ni도금을 실시하고, 열 압착후에 Ag도금을 실시하는 것이 바람직하다. 또 단판용 연료홈부착박판(229)에는, 단판용 연료돌기(229a)에서 중앙에 걸쳐서 사행하는 단판용 연료홈(229c)이 형성되고, 이 단판용 연료홈(229c)은, 단판용 연료홈부착박판(229)에 단판용 연료박판(227) 및 연료용 폐지박판(228)을 적층접착함으로써, 단판용 연료통로(226) 중 단판용 연료도입공(226a) 및 단판용 연료연통공(226c)으로 이루어진다.
공기용단판(216)에는, 공기를 공기용단판(216) 외주면으로부터 도입하여 공기용단판(216)의 공기극집전체(214)의 대향면에서 토출시키는 단판용 공기통로(231)(단판용 산화제통로)가 형성된다(도12 및 도15). 단판용 공기통로(231)는, 공기용단판(216) 외주면에 형성된 단일 단판용 공기도입공(231a)(단판용 산화제도입공)과, 공기용단판(216)의 공기극집전체(214)의 대향면 중앙에 형성된 네 개의 단판용 공기토출공(231b)(단판용 산화제토출공)과, 공기용단판(216) 내에 형성되어 단판용 공기도입공(231a) 및 단판용 공기토출공(231b)을 연통하는 단판용 공기연통공(231c)을 가진다.
한편, 공기용단판(216)은, 중앙에 상기 네 개의 단판용 연료토출공(231b)이 형성되고 또 외주연에 단판용 공기돌기(232b)가 형성된 단판용 공기박판(232)(단판용 산화제박판)과, 외주연에 단판용 공기돌기(233b)가 형성된 공기용 폐지박판(233)(산화제용 폐지박판)과, 단판용 공기박판(232) 및 공기용 폐지박판(233)에 의해 끼여 지지되고 또 외주연에 단판용 공기돌기(234b)가 형성된 단판용 공기홈부착박판(234)(단판용 산화제홈부착박판)을 가진다(도12 및 도15). 즉, 공기용단판(216)은 단판용 공기박판(232), 단판용 공기홈부착박판(234) 및 공기용 폐지박판(233)을 적층접착함으로써 형성된다. 이들 박판(232~234)의 적층접착은 스폿용접 또는 열 압착에 의해 행해지고, 열 압착인 경우에는, 열 압착전에 각 박판(232~234)에 Ni도금을 실시하고, 열 압착후에 Ag도금을 실시하는 것이 바람직하다. 또 단판용 공기홈부착박판(234)에는, 단판용 공기돌기(234b)에서 중앙을 걸쳐서 사행하는 단판용 공기홈(234d)이 형성되고, 이 단판용 공기홈(234d)은, 단판용 공기홈부착박판(234)에 단판용 공기박판(232) 및 공기용 폐지박판(233)을 적층접착함으로써, 단판용 공기통로(231) 내의 단판용 연료도입공(231a) 및 단판용 공기연통공(231c)으로 이루어진다.
세퍼레이터용 연료박판(221)의 표면, 즉 세퍼레이터용 연료박판(221)의 연료극집전체(213)에 대향하는 면에는, 단일 세퍼레이터용 연료토출공(218b)으로부터 소용돌이상으로 늘어나는 복수의 슬릿(도4참조)이 각각 형성되며, 세퍼레이터용 공기박판(222)의 표면, 즉 세퍼레이터용 공기박판(222)의 공기극집전체(214)에 대향하는 면에는, 네 개의 세퍼레이터용 공기토출공(219b)에서 소용돌이상으로 늘어나는 복수의 슬릿(도시하지 않음)이 각각 형성된다. 또 단판용 연료박판(227)의 표면, 즉 단판용 연료박판(227)의 연료극집전체(213)에 대향하는 면에는, 단일 단판용 연료토출공(226b)으로부터 소용돌이상으로 늘어나는 복수의 슬릿(도4참조)이 각각 형성되며, 단판용 공기박판(232)의 표면, 즉 단판용 공기박판(232)의 공기극집전체(241)에 대향하는 면에는, 네 개의 단판용 공기토출공(231b)으로부터 소용돌이상으로 늘어나는 복수의 슬릿(도시하지 않음)이 각각 형성된다. 또한, 세퍼레이터용 연료통로(218)의 세퍼레이터용 연료연통공(218c) 및 단판용통로(226)의 단판용 연료연통공(226c)에는, 연료가스가 유통 가능한 밀도로 개질 입자(도시하지 않음)를 충전하는 것이 바람직하다. 이 개질 입자로서는, 상술한 본 발명의 제1실시형태에서의 개질 입자와 같은 원소 또는 산화물을 사용할 수 있다.
세퍼레이터용 홈부착박판(223)에는, 세퍼레이터용 연료홈(233c) 및 세퍼레이터용 공기홈(223d)에 연통하지 않도록, 열전대(236)를 삽입 가능한 열전대삽입홈(223e) 및 히터(237)를 삽입 가능한 히터삽입홈(223f)이 각각 형성된다(도13). 또 단판용 연료홈부착박판(229)에는, 단판용 연료홈(229c)에 연통하지 않도록, 열전대(236)를 삽입 가능한 열전대삽입홈(229e) 및 히터(237)를 삽입 가능한 히터삽입홈(229f)이 각각 형성된다(도14). 또한 단판용 공기홈부착박판(234)에는, 단판용 공기홈(234d)을 연통하지 않도록, 열전대(236)를 삽입 가능한 열전대삽입홈(234e) 및 히터(237)를 삽입 가능한 히터삽입홈(234f)이 각각 형성된다(도15). 상기 열전대(236)의 검출출력은 도시하지 않는 콘트롤러의 제어입력에 접속되고, 콘트롤러의 제어출력은 히터(237)에 접속된다. 또한, 상기 세퍼레이터용 홈부착박판은 판재료를 여러 장 겹친 상태로 방전가공으로 제작하면, 가공 공정수를 저감할 수 있다. 또 단판용 연료홈부착박판 및 단판용 공기홈부착박판도 각각 상기와 같이 제작하면, 가공 공정수를 저감할 수 있다.
이와 같이 구성된 연료전지(210)의 동작을 설명한다. 연료전지(210)를 기동할 때에는, 콘트롤러와 히터(237)를 작동시킨다. 이에 따라 세퍼레이터(212), 연료용단판(217) 및 공기용단판(216)은 히터(237)에 의해 가열되어 연료전지(210)가 기동온도까지 상승한다. 연료전지(210)가 기동온도에 도달하면, 이 기동온도를 열전대(236)가 검출하므로, 콘트롤러는 이 열전대(236)의 검출출력에 의거하여 히터(237)를 정지한다. 이 상태에서 연료가스(예를 들면, 메탄가스(CH4)를수증기(H2O)와 같이 세퍼레이터용 연료도입공(218a) 및 단판용 연료도입공(226a)에 도입하면, 연료가스 및 수증기는 세퍼레이터용 연료연통공(218c) 및 단판용 연료연통공(226c)내를 사행하면서 세퍼레이터용 연료토출공(218b) 및 단판용 연료토출공(226b)에 각각 향한다. 운전중인 연료전지(210)는 고온이므로, 상기 연료가스는 세퍼레이터용 연료연통공(218c) 및 단판용 연료연통공(226c)을 통하는 사이에 세퍼레이터(212) 및 연료용단판(217)으로부터 열을 흡수하고, 연료극층(211b)에서의 반응에 최적인 온도에 도달함과 동시에, 세퍼레이터용 연료연통공(218c) 및 단판용 연료연통공(226c)에 충전된 개질 입자에 의해 개질된다(예를 들면, 수소가스(H2)로 개질된다).
이 개질된 연료가스는 세퍼레이터용 연료토출공(218b) 및 단판용 연료토출공(226b)에서 각 연료극집전체(213)의 중앙을 향하여 각각 토출하고, 각 연료극집전체(213)내의 기공을 통과하여 각 연료극층(211b)의 중앙에 신속하게 공급되고, 또한 세퍼레이터용 박판(221)의 표면 및 단판용 연료박판(227)의 표면에 형성된 슬릿에 의해 각각 안내되어 각 연료극층(211b)의 중앙에서부터 외주연을 향하여 소용돌이상으로 흐른다. 동시에 공기를 세퍼레이터용 공기도입공(219a) 및 단판용 공기도입공(231a)에 도입하면, 공기는 사행하는 세퍼레이터용 공기연통공(219a) 및 단판용 공기연통공(231c)을 통하여, 세퍼레이터용 공기토출공(219b) 및 단판용 공기토출공(231b)에서 공기극집전체(214)의 중앙을 향하여 각각 토출하고, 각 공기극집전체(214)내의 기공을 통과하여 각공기극층(211c)의 중앙에 신속하게 공급되고, 또한 세퍼레이터용 공기박판(222)의 표면 및 단판용 공기박판(232)의 표면에 형성된 슬릿에 의해 각각 안내되어 각 공기극층(211c)의 중앙에서부터 외주연을 향하여 소용돌이상으로 흐른다.
연료극층(211b), 공기극층(211c) 및 고체전해질층(211a)에서 연료가스와 공기중의 산소가 이동, 반응하여 전력이 얻어지는 기구는, 상술한 본 발명 제1실시예와 마찬가지이다.
상기와 같이 연료가스가 세퍼레이터용 연료박판(221)의 표면 및 단판용 연료박판(227)의 표면에 형성된 슬릿에 의해 각각 안내되어 각 연료극층(211b)의 중앙에서부터 외주연을 향하여 소용돌이상으로 흐르므로, 연료가스의 반응경로가 길어져, 연료가스와 연료극층(211b)과의 충돌횟수가 늘어난다. 또 세퍼레이터용 공기박판(222)의 표면 및 단판용 공기박판(232)의 표면에 형성된 슬릿에 의해 각각 안내되어 각 공기극층(211c)의 중앙에서부터 외주연을 향하여 소용돌이상으로 흐르므로, 산화제가스의 반응경로가 길어져, 산화제가스와 산화제극층(211c)과의 충돌횟수가 늘어난다. 이 결과, 연료전지(210)의 성능향상을 도모할 수 있다.
세퍼레이터(212)가 3장의 박판(221~223)의 적층접착에 의해 형성되고, 연료용단판(217)이 3장의 박판(227~229)의 적층접착에 의해 형성되고, 공기용단판(216)이 3장의 박판(232~234)의 적접 접촉에 의해 형성되므로, 세퍼레이터(212), 연료용단판(217) 및 공기용단판(216)의 두께를 각각 매우 얇게 할 수 있다. 이 결과, 연료전지(210)를 발전셀(211)의 적층방향으로 콤팩트화할 수 있다.
또 연료전지(210)가 발전중일 때는, 연료전지(210)에 줄 열이 발생하여 연료전지(210)의 온도가 상승하므로, 콘트롤러는 열전대(236)의 검출출력에 의거하여 연료전지(210)의 작동온도보다 조금 낮은 온도의 공기를 세퍼레이트용 공기통로(219) 및 단판용 공기통로(231)에 각각 공급한다. 이에 따라 세퍼레이터(212) 및 공기용단판(216)의 온도조절이 행해진다.
또한 세퍼레이터(212)의 상면 및 연료용단판(217)의 상면에, 니켈도금, 은도금 또는 동도금된 스텐레스강, 니켈기합금 또는 크롬기합금, 혹은 니켈, 은 또는 동제의 연료극집전체(213)를 각각 접합하고, 세퍼레이터(212)의 하면 및 공기용단판(216)의 하면에, 은도금 또는 백금도금된 스텐레스강, 니켈기합금 또는 크롬기합금, 혹은 은 또는 백금제 공기극집전체(214)를 각각 혼합하는 것이 바람직하다.
또 상기 세퍼레이터(212), 연료용단판(217) 및 공기용단판(216)에, 니켈도금 또는 은도금 중 어느 한쪽 또는 양쪽을 실시하면(은도금을 실시하는 경우에는, 기초도금으로서 니켈도금을 실시할 필요가 있다.), 세퍼레이터(212), 연료용단판(217) 및 공기용단판(216)과, 연료극집전체(213) 및 공기극집전체(214)와의 전기적 도통을 한층더 장기간 유지할 수 있다. 또, 이 실시예에서는, 산화제가스로서 공기를 이용하였지만, 산소 또는 기타 산화제가스를 이용해도 된다.
또한, 세퍼레이터용 연료토출공을 세퍼레이터용 연료박판의 중앙에 형성하여, 공기가 세퍼레이터용 산화제박판에 대향하는 산화제극층을 향하여 샤워형상으로 대략 균일하게 토출하도록 세퍼레이터용 산화제토출공을 세퍼레이터용 산화제 박판에 형성해도 된다. 이 경우, 연료가스를 세퍼레이터용 연료통로에 도입하면, 연료가스는 세퍼레이터용 연료토출공에서 각 연료극층의 중앙을 향하여 토출하고,연료극층의 중앙에서 슬릿을 따라 소용돌이상으로 흐른다. 이에 따라 연료가스의 반응경로가 길어져, 연료가스와 연료극층과의 충돌횟수가 늘어나, 연료전지의 출력을 향상할 수 있다. 동시에 공기를 세퍼레이터용 공기통로에 도입하면, 공기는 세퍼레이터용 공기토출공에서 공기극층을 향하여 샤워형상으로 대략 균일하게 토출하고, 공기극층내를 고체전해질층을 따라서 흐른다. 이에 의해 발전셀을 공기로 대략 균일하게 가열·냉각할 수 있어, 발전셀의 국소적인 가열 또는 냉각에 의한 손상을 방지할 수 있다.
본 발명의 제4실시예인 연료전지모듈의 디스트리뷰터구조를 도면에 의거하여 설명한다.
도16에 도시하는 연료전지(310)는, 도1에 도시한 연료전지(11)와 마찬가지로, (n+1)개의 발전셀(311)을 적층함으로써 구성되고, 고체전해질층(311a), 연료극층(311b), 공기극층(산화제극층)(311c), 세퍼레이터(312), 연료극집전체(313), 공기극집전체(산화제극집전체)(314), 공기용단판(산화제용단판)(316), 연료용단판(317)은, 각각 도1에 있어서의 고체전해질층(12a), 연료극층(12b), 공기극층(산화제극층)(12c), 세퍼레이터(16), 연료극집전체(17), 공기극집전체(산화제극집전체)(18), 공기용단판(산화제용단판)(21), 연료용단판(22)과 마찬가지로 적층되어 있다. 상기 세퍼레이터(312), 공기용단판(316) 및 연료용단판(317)은 연료극층(311b) 등의 직경을 한변의 길이로 하는 정방형판상으로 각각 형성된다. 또한, 개체전해질층, 연료극층, 공기극층, 연료극집전체 및 공기극집전체는 원판상이 아닌, 사각형판상, 육각형판상, 팔각형판상 등의 다각형판상으로 형성해도 된다. 또,세퍼레이터, 공기용단판 및 연료용단판은 정방형판상이 아닌, 원판상, 혹은 정방형판상, 육각형판상, 팔각형판상 등의 다각형판상으로 형성해도 된다.
고체전해질층(311a), 연료극층(311b) 및 공기극층(311c), 세퍼레이터(312), 공기용단판(316), 연료용단판(317), 연료극집전체(313) 및 공기극집전체(314)는, 상술한 본 발명의 제1실시예에 있어서와 같은 재질로 형성된다.
세퍼레이터(312)에는, 연료가스를 세퍼레이터(312) 외주면에서 도입하여 세퍼레이터(312)의 연료극집전체(313)에 대향하는 면에서 토출시키는 세퍼레이터용 연료통로(318)와, 공기(산화제가스)를 세퍼레이터(312) 외주면에서 도입하여 세퍼레이터(312)의 공기극집전체(314)에 대향하는 면에서 토출시키는 세퍼레이터용 공기통로(319)(세퍼레이터용 산화제통로)가 형성된다. 세퍼레이터용 연료통로(318)는, 세퍼레이터(312)의 외주면에 면하는 세퍼레이터용 연료입구(318a)과, 세퍼레이터(312)에 인접하는 연료극집전체(313)의 중앙에 면하는 세퍼레이터용 연료출구(318b)와, 세퍼레이터(312)내에 설치되어 상기 세퍼레이터용 연료입구(318a) 및 세퍼레이터용 연료출구(318b)를 연통하는 세퍼레이터용 연료연통공(318c)을 가진다. 또 세퍼레이터용 공기통로(319)는, 세퍼레이터(312)의 외주면에 면하는 세퍼레이터용 공기입구(319a)와, 세퍼레이터(312)에 인접하는 공기극집전체(314)의 중앙에 면하는 세퍼레이터용 공기출구(319b)와, 세퍼레이터(312)내에 설치되어 상기 세퍼레이터용 공기입구(319a) 및 세퍼레이터용 공기출구(319b)를 연통하는 세퍼레이터용 공기연통공(319c)을 가진다. 또한, 세퍼레이터용 연료통로(318)와 세퍼레이터용 공기통로(319)는 서로 연통하지 않도록 구성된다.
공기용단판(316)에는, 공기를 공기용단판(316) 외주면으로부터 도입하여 공기용단판(316)의 공기극집전체(314)에 대향하는 면에서 토출시키는 단판용 공기통로(321)(단판용 산화제통로)가 형성되며, 연료용단판(317)에는, 연료가스를 연료용단판(317) 외주면으로부터 도입하여 연료용단판(317)의 연료극집전체(313)에 대향하는 면으로부터 토출시키는 단판용 연료통로(322)가 형성된다. 단판용 공기통로(321)는, 공기용단판(316)의 외주면에 면하는 단판용 공기입구(321a)와, 공기용단판(316)에 인접하는 공기극집전체(314)의 중앙에 면하는 단판용 공기출구(321b)와, 공기용단판(316)내에 설치되어 상기 단판용공 기입구(321a) 및 단판용 공기출구(321b)를 연통하는 단판용 공기연통공(321c)을 가진다. 또 단판용 연료통로(322)는 연료용단판(317)의 외주면에 면하는 단판용 연료입구(322a)와, 공기용단판(317)에 인접하는 연료극집전체(313)의 중앙에 면하는 단판용 연료출구(322b)와, 연료용단판(322) 내에 설치되어 상기 단판용 연료입구(322a) 및 단판용 연료출구(322b)를 연통하는 단판용 연료연통공(322c)을 가진다.
한편, 도16 및 도17에 도시하는 바와 같이, 적층된 발전셀(311)의 측방에는, 연료용 디스트리뷰터(323)와 공기용 디스트리뷰터(324)(산화제용 디스트리뷰터)가 각각 적층방향으로 늘어나고 또 발전셀(311)의 근방에 설치된다. 연료용 디스트리뷰터(323)는 세퍼레이터용 연료통로(318) 및 단판용 연료통로(322)에 각각 연료용단관(331)을 통하여 연료가스를 공급하도록 구성되고, 공기용 디스트리뷰터(324)는 세퍼레이터용 공기통로(319) 및 단판용 공기통로(321)에 각각 공기용단관(332)(산화제용단관)을 통하여 공기를 공급하도록 구성된다.
상기 연료용 디스트리뷰터(323)는 연료용단관(331)과 전기적으로 절연된다. 즉, 연료용 디스트리뷰터(323)는, 이 실시예에서는, 발전셀(311)의 대향면에 연료측 개구부(326a)를 가지고 또 금속재료에 의해 상자상으로 형성된 연료용 디스트리뷰터본체(326)와, 연료측 개구부(326a)를 폐지하고 또 전기절연성을 가지는 세라믹으로 형성된 단일 판상의 연료용 덮개체(327)를 구비한다. 연료용 디스트리뷰터본체(326)는, 상기 연료측 개구부(326a)의 주연코너부에 각각 형성되어 연료측 고정나사(333)가 나사결합이 가능한 네 개의 연료측 나사공(326b)과, 바닥벽 중앙에 형성되어 연료공급파이프(336)가 접속된 연료용투공(326c)을 가진다. 또 연료용 덮개체(327)는, 세퍼레이터용 연료입구(318a) 및 단판용 연료입구(322a)에 각각 대향하여 설치되어 연료용단관(331)을 삽입 가능한 연료용 접속공(327a)과, 주연코너부에 상기 네 개의 연료측 나사공(326b)에 각각 대향하여 형성되어 연료측 고정나사(333)를 헐겁게 삽입 가능한 네 개의 연료측통공(327b)을 가진다. 또한, 연료측통공(327b)의 구멍직경은 연료용 디스트리뷰터본체(326) 및 연료용 덮개체(327)의 열 팽창 및 열 수축에 의한 변형량의 차를 흡수하도록 연료측 고정나사(333)의 나사부(333a)보다 대직경으로 형성된다.
또 공기용 디스트리뷰터(324)는 공기용단관(332)과 전기적으로 절연된다. 즉, 공기용 디스트리뷰터(324)는, 본 실시형태에서는, 발전셀(311)의 대향면에 공기측 개구부(328a)(산회제측 개구부)를 가지고 또 금속재료에 의해 상자상으로 형성된 공기용 디스트리뷰터본체(328)(산화제용 디스트리뷰터본체)와, 공기측 개구부(328a)를 폐지하고 또 전기절연성을 가지는 세라믹으로 형성된 단일 판상의공기용 덮개체(329)(산화제측 덮개체)를 구비한다. 공기용 디스트리뷰터본체(328)는, 상기 공기측 개구부(328a)의 주연코너부에 각각 형성되어 공기측 고정나사(334)(산화제측 고정나사)를 나사결합이 가능한 네 개의 공기측나사공(328b)(산화제측 나사공)과, 바닥벽 중앙에 형성되어 공기공급파이프(337)가 접속된 공기용투공(328c)을 가진다. 또 공기용 덮개체(329)는, 세퍼레이터용 공기입구(319a) 및 단판용 공기입구(321a)에 각각 대향하여 설치되어 공기용단관(332)을 삽입 가능한 공기용 접속공(329a)(산화제 용접속공)과, 주연코너부에 상기 네 개의 공기측 나사공(328b)에 각각 대향하여 형성되어 공기측 고정나사(334)를 헐겁게 삽입 가능한 네 개의 공기측통공(329b)(산화제측통공)을 가진다. 또한, 공기측통공(329b)의 구멍직경은 공기용 디스트리뷰터본체(328) 및 공기용 덮개체(329)의 열 팽창 및 열 수축에 의한 변형량의 차를 흡수하도록 공기측 고정나사(334)의 나사부(334a)보다 대직경으로 형성된다.
연료용 디스트리뷰터본체(326), 공기용 디스트리뷰터본체(328), 연료용단관(331) 및 공기용단관(332)은 스텐레스강, 니켈기합금 또는 크롬기합금 등의 금속재료로 형성되면, 연료용 덮개체(327) 및 공기용 덮개체(329)는 알루미나, 마그네시아 등의 세라믹(전기절연재료)으로 형성된다. 또한, 연료용 디스트리뷰터본체 및 공기용 디스트리뷰터본체도 세라믹(전기절연재료)으로 형성해도 된다. 또 연료용 디스트리뷰터본체(326)의 연료측 개구부(326a) 주연과 연료용 덮개체(327) 주연과의 사이에는, 도시하지 않는 연료용 시일부재를 개장하고, 공기용 디스트리뷰터본체(328)의 공기측 개구부(328a) 주연과 공기용 덮개체(329) 주연과의 사이에는, 도시하지 않는 공기용 시일부재(산화제용 시일부재)를 개장하는 것이 바람직하다. 이들 시일부재로서는, 알루미나단섬유의 집합체(알루미나울)나, 도포후 경화시킨 실리카졸 등을 들 수 있다.
또 연료측 고정나사(333) 및 공기측 고정나사(334)에는, 비교적 부드러운 알루미나단섬유의 집합체(알루미나울)로 이루어진 와셔(도시하지 않음)를 이용하는 것이 바람직하다. 이 와셔를 이용함으로써, 연료측 고정나사(333)의 헤드부(333b)와 연료용 덮개체(327)가 직접 접촉하지 않고 부드러운 와셔를 통해서 접촉하기 때문에 깨지기 쉬운 연료용 덮개체(327)가 파손되지 않고, 공기측 고정나사(334)의 헤드부(334b)와 공기용 덮개체(329)가 직접 접촉하지 않고 부드러운 와셔를 통해서 접촉하므로 깨지기 쉬운 공기용 덮개체(329)가 파손되지 않도록 되어 있다. 또한 연료용단관(331)과 세퍼레이터용 연료입구(318a)와의 접속부, 연료용단관(331)과 단판용 연료입구(322a)와의 접속부, 연료용단관(331)과 연료용 접속공(327a)과의 접속부, 공기용단관(332)과 세퍼레이터용 공기입구(319a)와의 접속부, 공기용단관(332)과 단판용 공기입구(321a)와의 접속부, 공기용단관(332)과 공기용 접속공(329a)과의 접속부에는, 글래스나 시멘트 등의 봉지부재로 각각 봉지하는 것이 바람직하다.
이와 같이 구성된 연료전지(310)의 동작을 설명한다.
연료가스(H2, CO 등)를 연료공급파이프(336)를 통하여 연료용 디스트리뷰터(323)에 도입하면, 이 연료가스는 연료용단관(331) 및 세퍼레이터용연료통로(318)를 통해 세퍼레이터용 연료출구(318b)로부터 연료극집전체(313)의 중앙을 향하여 토출함과 동시에, 연료용단관(331) 및 단판용 연료통로(322)를 통하여 단판용 연료출구(322b)로부터 연료극집전체(313)의 중앙을 향하여 토출한다. 이에 따라 연료가스는 연료극집전체(313)내의 기공을 통과하여 연료극층(311b)의 중앙에 신속하게 공급되며, 또한 연료극층(311b)의 중앙에서부터 외주연을 향하여 흐른다. 동시에 공기를 공기공급파이프(337)를 통하여 공기용 디스트리뷰터(324)에 도입하면, 이 공기는 공기용단관(332) 및 세퍼레이터용 공기통로(319)를 통하여 세퍼레이터용 공기출구(319b)에서 공기극집전체(314)의 중앙을 향하여 토출함과 동시에, 공기용단관(332) 및 단판용 공기통로(321)를 통하여 단판용 공기출구(321b)에서 공기극집전체(314)의 중앙을 향하여 토출한다. 이에 따라 공기는 공기극집전체(314)내의 기공을 통과하여 공기극층(311c)의 중앙에 신속하게 공급되고, 또한 공기극층(311c)의 중앙에서부터 외주연을 향하여 흐른다.
연료극층(311b), 공기극층(311c) 및 고체전해질층(311a)에서 연료가스와 공기중의 산소가 이동, 반응하여 전력이 얻어지는 기구는, 상술한 본 발명의 제1실시예에 있어서와 마찬가지이다.
한편, 금속재료로 형성된 각 연료용단관(331)이 전기절연재료로 형성된 연료용 덮개체(327)에 접속되어 있으므로, 각 세퍼레이터(312), 공기용단판(316) 및 연료용단판(317)이 연료용 디스트리뷰터(323)나 공기용 디스트리뷰터(324)에 의해 전기적으로 단락되는 일은 없다. 즉, 연료용 디스트리뷰터(323)에 연료용단관(331)을 통해서 접속된 각 세퍼레이터(312) 및 연료용단판(317)이 각각 전기적으로 절연되고, 공기용 디스트리뷰터(324)에 공기용단관(332)을 통해서 접속된 각 세퍼레이터(312) 및 공기용단판(316)이 각각 전기적으로 절연된다. 또 금속재료로 형성된 연료용 디스트리뷰터본체(326)의 연료측 개구부(326a)를, 전기절연재료로 형성된 연료용 덮개체(327)로 폐지하고, 또한 금속재료로 형성된 공기용 디스트리뷰터본체(328)의 공기측 개구부(328a)를, 전기절연재료로 형성된 공기용 덮개체(329)로 폐지한다는, 비교적 간단한 구조로 상기 전기적 절연을 확보할 수 있다.
또 상기 연료전지(310)의 발전운전을 500℃이상에서 행하면, 발전효율이 향상한다. 이 때문에 연료전지(310)에는 발전운전의 개시 및 정지의 반복에 의해, 실온에서 500℃ 이상까지 열싸이클이 작용한다. 특히, 열 팽창계수가 큰 금속제인 연료용 디스트리뷰터본체(326)에 열 팽창계수가 작은 세라믹제인 연료용 덮개체(327)가 연료측 고정나사(333)에 의해 고정되고, 열 팽창계수가 큰 금속제인 공기용 디스트리뷰터본체(328)에 열 팽창계수가 작은 세라믹제인 공기용 덮개체(329)가 공기측 고정나사(334)에 의해 고정되어 있으므로, 상기 열사이클에 의해, 연료용 덮개체(327)가 연료측 고정나사(333) 주변과, 공기용 덮개체(329)의 공기측 고정나사(334) 주변에 각각 큰 힘이 작용하려고 한다. 그러나, 연료측 고정나사(333)의 나사부(333a)가 헐겁게 삽입되는 연료측통공(327b)의 구멍직경이 이 나사부(333a)보다 한단계 크게 형성되고, 또 공기측 고정나사(334)의 나사부(334a)가 헐겁게 삽입되는 공기측통공(329b)의 구멍직경이 이 나사부(334a)보다 한단계 크게 형성되어 있으므로, 연료용 디스트리뷰터본체(326) 및 연료용 덮개체(327)의 열 팽창 및 열 수축에 의한 변형량의 차와, 공기용 디스트리뷰터본체(328) 및 공기용 덮개체(329)의 열 팽창 및 열 수축에 의한 변형량의 차를, 통공(327b,329b)과 나사부(333a, 334a)의 사이에 형성된 비교적 큰 간격으로 각각 흡수할 수 있다. 이 결과, 연료용 덮개체(326) 및 공기용 덮개체(329)에 큰 힘이 작용하는 일은 없고, 연료용 덮개체(327) 및 공기용 덮개체(329)가 파손하는 일은 없다.
도18은 본 발명의 연료용 디스트리뷰터 및 공기용 디스트리뷰터의 제2실시예를 나타낸다. 도18에 있어서 도17과 동일 부호는 동일 부품을 나타낸다.
이 제2실시예에서는, 연료용 디스트리뷰터(353)의 연료용 디스트리뷰터본체(356)의 연료측 개구부(326a)에 연료용 덮개체(327)를 수용 가능한 연료측 단차부(356a)가 형성되며, 공기용 디스트리뷰터(354)의 공기용 디스트리뷰터본체(358)의 공기측 개구부(328a)에 공기용 덮개체(329)를 수용 가능한 공기측 단차부(356a)가 형성된다. 연료용 디스트리뷰터본체(356)의 연료측 개구부(326a) 주연과 연료용 덮개체(327) 주연과의 사이에는, 도시하지 않는 연료용 시일부재를 개장하고, 공기용 디스트리뷰터본체(358)의 공기측 개구부(328a) 주연과 공기용 덮개체(329) 주연의 사이에는, 도시하지 않는 공기용 시일부재(산화제용 시일부재)를 개장하는 것이 바람직하다. 이들 시일부재로서는, 글래스제 또는 시멘트제의 시일재, 알루미나단섬유의 집합체(알루미나울), 혹은 도포 후 경화시킨 실리카졸 등을 들 수 있다. 상기 이외는 도17에 도시한 제1실시예와 동일하게 구성된다.
이와 같이 구성된 연료전지에서는, 연료용 덮개체(327)를 연료용 디스트리뷰터 본체(356)의 연료측 단차부(356a)에 수용하면, 연료용 덮개체(327)의 뒷면 주연 뿐만 아니라 연료용 덮개체(327)의 측면도 연료용 디스트리뷰터본체(356)에 접촉하므로, 연료용 디스트리뷰터(353)내의 연료가스의 시일효과가 높아져, 연료용 덮개체(327) 및 연료용 디스트리뷰터본체(356)간에 글래스제의 시일재 등을 충전하면, 연료용 디스트리뷰터(353) 내의 연료가스의 시일효과가 더한층 높아진다. 또 공기용 덮개체(329)를 공기용 디스트리뷰터본체(358)의 공긱측 단차부(358a)에 수용하면, 공기용 덮개체(329)의 뒷면 주연 뿐만 아니라 공기용 덮개체(329)의 측면도 공기용 디스트리뷰터본체(358)에 접촉하므로, 공기용 디스티리뷰터(354)내의 공기의 시일효과가 높아지고, 공기용 덮개체(327) 및 공기용 디스트리뷰터본체(356)간에 글래스제인 시일부재 등을 충전하면, 공기용 디스트리뷰터(354) 내의 공기의 시일효과가 더한층 높아진다. 상기 이외의 동작은 제1실시예의 동작과 대략 같으므로, 반복설명은 생략한다.
또한, 연료용 덮개체를 연료용 디스트리뷰터본체의 연료측 단차부에 수용함과 동시에, 연료용 덮개체 및 연료용 디스트리뷰터본체간에 글래스제 또는 시멘트제의 시일부재를 충전하면, 이 시일부재가 시일 기능 뿐만 아니라 접착기능을 가지므로, 연료용고정나사를 이용하지 않고 끝난다.
또 공기용 덮개체를 공기용 디스티리뷰터본체의 공기측 단차부에 수용함과 동시에, 공기용 덮개체 및 공기용 디스트리뷰터본체간에 글래스제 또는 시멘트제의 공기용 시일부재(산화제용 시일부재)를 충전하면, 이 시일부재가 시일기능 뿐만 아니라 접착기능을 가지므로, 공기용 고정나사를 이용하지 않고 끝난다.
도19는 본 발명의 연료용 디스트리뷰터 및 공기용 디스트리뷰터의 제3실시예를 나타낸다. 도19에 있어서 도17과 동일부호는 동일부품을 나타낸다.
이 제3실시예에서는, 연료용 디스트리뷰터본체(376)에 연료측 관통공(376b)이 형성되고, 연료용 덮개체(327)에 연료측통공(327b)이 형성되고, 또한 연료측통공(327b) 및 연료측 관통공(376b)을 통한 연료측 고정나사(383)를 연료측너트(386)에 나사결합함으로써 연료용 덮개체(327)가 연료용 디스티리뷰터본체(376)에 고정된다. 또 공기용 디스트리뷰터본체(378)에 공기측 관통공(378b)(산화제측 관통공)이 형성되고, 공기용 덮개체(329)에 공기측통공(329b)(산화제측통공)이 형성되고, 또한 공기측 통공(329b) 및 공기측 관통공(378b)을 통한 공기측 고정나사(384)를 공기측너트(387)(산화제측너트)에 나사결합함으로써 공기용 덮개체(329)가 공기용 디스트리뷰터본체(378)에 고정된다.
상기 연료측통공(327b) 또는 연료측관통공(376b)의 구멍직경은 연료용 디스트리뷰터본체(376) 및 연료용 덮개체(327)의 열 팽창 및 열 수축에 의한 변형량의 차를 흡수하도록 연료측 고정나사(383)의 나사부(383a)보다 대직경으로 형성되며, 공기측통공(329b) 또는 공기측 관통공(378b)의 구멍직경은 공기용 디스트리뷰터본체(378) 및 공기용 덮개체(329)의 열 팽창 및 열 수축에 의한 변형량의 차를 흡수하도록 공기측 고정나사(384)의 나사부(384a)보다 대직경으로 형성된다. 또 연료용 디스트리뷰터본체(376)의 네 개의 코너부에는, 연료측 관통공(376b)이 삽입된 연료측 고정나사(383)의 나사부(383a)를 노출시키기 위한 연료측슬릿(376d)이 각각 형성되며, 공기용 디스트리뷰터본체(378)의 네 개의 코너부에는, 공기측관통공(378b)에 연통된 공기측 고정나사(384)의 나사부(384a)를 노출시키기 위한 공기측 슬릿(378d)(산화제측슬릿)이 형성된다. 또한 연료용 디스트리뷰터본체(376)의 상하면에는, 이 연료용 디스트리뷰터본체(376)에 연료가스를 도입하기 위한 한 쌍의 연료용투공(326c,326c)가 각각 형성되며, 공기용 디스트리뷰터본체(378)의 상하면에는, 공기용 디스트리뷰터본체(378)에 공기를 도입하기 위한 한 쌍의 공기용투공(328c,328c)이 각각 형성된다. 또한, 도19 중 부호 383b 및 384b는 연료측 고정나사 및 공기측 고정나사의 헤드부이다. 상기 이외는 도17에 도시한 제1실시예와 동일하게 구성된다.
이와 같이 구성된 연료전지에서는, 발전운전 개시 및 정지의 반복에 의해 큰 온도차의 열싸이클이 연료용 디스트리뷰터(373)에 작용하지만, 연료측통공(327b) 또는 연료측 관통공(376b)의 구멍직경이 연료측 고정나사(383)의 나사부(383a)의 외부직경보다 크게 형성되어 있으므로, 연료용 디스트리뷰터본체(376) 및 연료용 덮개체(327)의 열 팽창 및 수축에 의한 변형량의 차를, 상기 연료측통공(327b) 또는 연료측 관통공(376b)과 연료측 고정나사(383)와의 사이에 형성된 비교적 큰 틈으로 각각 흡수할 수 있다. 또 공기용 디스트리뷰터(374)에도 상기와 마찬가지로 큰 온도차의 열싸이클이 작용하지만, 공기측통공(329b) 또는 공기측 관통공(378b)의 구멍직경이 공기측 고정나사(384)의 나사부(384a)의 외부직경보다 크게 형성되어 있으므로, 공기용 디스트리뷰터본체(378) 및 공기용 덮개체(329)의 열 팽창 및 열 수축에 의한 변형량의 차를, 상기 공기측통공(329b) 또는 공기측 관통공(378b)과 공기측 고정나사(384)와의 사이에 형성된 비교적 큰 틈으로 각각 흡수할 수 있다. 이 결과, 연료용 덮개체(327) 및 공기용 덮개체(329)에 큰 힘이 작용하는 일은 없고, 연료용 덮개체(327) 및 공기용 덮개체(329)가 파손하는 일은 없다.
또 연료측 고정나사(383) 및 연료측너트(386)를 이용하여 연료용 디스트리뷰터본체(376)에 연료용 덮개체(327)를 고정한 상태에서, 연료전지를 동작시키기 위해 연료전지 및 연료용 디스트리뷰터(373)를 고온으로 하면, 상기 연료측 고정나사(383) 및 연료측너트(386)가 눌러 붙어 연료측너트(386)가 연료측 고정나사(383)에서 빠지지 않게 되는 경우가 있다. 이때 연료측슬릿(376d)에서 노출하는 연료측 고정나사(383)의 나사부(383a)를 금공용 톱 등으로 절단함으로써, 연료측 고정나사(383)가 연료측 관통공(376b) 및 연료측통공(327b)에서 용이하게 빠진다. 이 결과, 연료용 덮개체(327)가 연료용 디스트리뷰터본체(376)에서 빼낼 수 있으므로, 연료용 디스트리뷰터(373)의 점검 등을 용이하게 행할 수 있다.
한편, 공기측 고정나사(384) 및 공기측너트(387)를 이용하여 공기용 디스트리뷰터본체(378)에 공기용 덮개체(329)를 고정한 상태에서, 연료전지를 작동시키기 위해 연료전지 및 공기용 디스트리뷰터(374)를 고온으로 하면, 상기 공기측 고정나사(384) 및 공기측너트(387)가 눌러 붙어 공기측너트(387)가 공기측 고정나사(384)에서 빠지지 않게 되는 경우가 있다. 이때 공기측슬릿(378d)에서 노출하는 공기측 고정나사(384)를 금공용 톱 등으로 절단함으로써, 공기측 고정나사(384)가 공기측 관통공(378b) 및 공기측통공(329b)에서 용이하게 빠진다. 이 결과, 공기용 덮개체(329)를 공기용 디스트리뷰터본체(378)에서 빼낼 수 있으므로, 공기용 디스트리뷰터(374)의 점검 등을 용이하게 행할 수 있다.
또한 연료용 디스트리뷰터본체(376)의 상하면에 한 쌍의 연료용투공(326c, 326c)을 각각 형성하고, 공기용 디스트리뷰터본체(378)의 상하면에 한 쌍의 공기용투공(328c,328c)을 각각 형성하였으므로, 각 세퍼레이터의 세퍼레이터용 연료통로에 대략 동일한 유량의 연료가스를 각각 공급할 수 있고, 각 세퍼레이터의 세퍼레이터용 공기통로에 대략 동일한 유량의 공기를 각각 공급할 수 있다.
도20은 본 발명의 연료용 디스트리뷰터 및 공기용 디스트리뷰터의 제4실시예를 나타낸다. 도20에 있어서 도17과 동일부호는 동일부품을 나타낸다.
이 제4실시예에서는, 연료용 디스트리뷰터본체(396)는 한 쌍의 측면 및 양단이 개구하는 각통(角筒)형상으로 형성된다. 연료용 디스트리뷰터본체(396)의 양단에는 한 쌍의 연료측 폐지판(396a,396b)이 용접 또는 볼트에 의해 고착되고, 공기용 디스트리뷰터본체(398)의 양단에는 한 쌍의 공기측 폐지판(398a,398b)이 용접 또는 볼트에 의해 고착된다. 상기 이외는 도17에 도시하는 제1실시예와 마찬가지로 구성된다.
이와 같이 구성된 연료전지의 디스트리뷰터구조에서는, 연료용 디스트리뷰터본체(396) 및 공기용 디스트리뷰터본체(398)를 주조할 경우, 큰 금형이 불필요해지고, 또 압출성형 또는 인발성형에 의해 각통상으로 형성된 재료를 이용함으로써, 블록으로부터 깎아낼 필요가 없으므로, 이들 디스트리뷰터본체(396,398)의 제작비용을 저감할 수 있다. 상기 이외의 동작은 제1실시예와 대략 같으므로, 반복 설명을 생략한다.
또한, 상기한 본 발명의 디스트리뷰터구조에 있어서의 제1~제4실시예에서는,산화제가스로서 공기를 이용하였지만, 산소 또는 기타 산화제가스를 이용해도 된다. 또, 상기 제1~제4실시예에서는, 연료전지로서, 발전셀이 연료극층 및 공기극층(산화제극층)에서 고체전해질층을 끼워 지지하여 구성된 고체산화물형의 연료전지를 들었지만, 고체분자형연료전지나 탄소용융염형 연료전지나 인산형 연료전지 등이어도 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 제1실시예의 연료전지모듈에 의하면,
(1) 발전에 기여하는 발전셀의 표면을 전부 발전에 기여시킴으로써 발전효율을 향상할 수 있고 ;
(2) 산화제가스를 산화제극층의 전체에 대략 균일하게 흘림으로써, 발전셀을 균일하게 가열·냉각할 수 있고 ;
(3) 연료가스의 연료극층내에서의 흐름을 제어하고, 연료가스와 연료극층과의 충동횟수를 증대함으로써, 발전효율을 향상할 수 있고;
(4) 기동시에 승온시간을 단축할 수 있음과 동시에, 균일한 승온에 의해 발전셀의 손상을 방지할 수 있고;
(5) 연료가스 및 산화제가스를 발전에 적절한 온도로 각 발전셀에 공급함으로써, 발전효율을 향상할 수 있고;
(6) 스텐레스강제의 세퍼레이터, 산화제용단판 및 연료용단판에 연료극집전체 또는 산화제극집전체 중 어느 하나 또는 양쪽을 접합하고, 접합부분이 용착되어 그 용접부분의 산화를 방지함으로써, 세퍼레이터, 산화제용단판 또는 연료용단판과, 연료극집전체 또는 산화제극집전체와의 장기적인 전기적도통이 얻어지고 ;
(7) 연료가스를 개질하기 위한 개질기를 불필요하게 함으로써, 부품점수를 저감하여 소형화를 도모할 수 있다.
또한 본 발명의 제2 및 제3실시예의 연료전지의 가스공급구조에 따르면, 세퍼레이터의 두께를 얇게 할 수 있는 결과, 연료전지를 발전셀의 적층방향으로 콤팩트화할 수 있고, 또한, 발전셀에 공급되는 연료가스나 산화제가스를 발전에 최적인 온도로 제어할 수 있다.
또한 또 본 발명의 제4실시예의 연료전지모듈의 디스트리뷰터구조에 따르면, 발전셀의 표면을 전부 발전에 기여시킬 수 있어, 비교적 간단한 구조로 디스트리뷰터에 접속한 각 세퍼레이터를 각각 전기적으로 절연할 수 있고, 또한 연료용단관 및 산화제용단관의 조립작업시간의 증대를 방지할 수 있음과 동시에, 연료용단관 등의 열응력에 따른 손상을 방지할 수 있다.

Claims (53)

  1. 전해질층(12a)과 이 전해질층(12a)의 양면에 배설된 연료극층(12b) 및 산화제극층(12c)으로 이루어진 발전셀(12)이 (n+1)개(n은 양의 정수이다.) 적층된 연료전지로서,
    상기 i번째(i=1,2,…,n)의 발전셀(12)의 연료극층(12b)과 이 연료극층(12b)에 인접하는 (i+1)번째의 발전셀(12)의 산화제극층(12c)과의 사이에 도전성재료에 의해 판상으로 형성된 세퍼레이터(16)가 각각 1매씩 합계 n매 개장(介裝)되고,
    상기 i번째의 발전셀(12)의 연료극층(12b)과 상기 j번째(j=1,2,…,n)의 세퍼레이터(16)와의 사이에 도전성을 가지는 다공질의 연료극집전체(17)가 개장되고
    상기 (i+1)번째의 발전셀(12)의 산화제극층(12c)과 상기 j번째의 세퍼레이터(16)와의 사이에 도전성을 가지는 다공질의 산화제극집전체(18)가 개장되고,
    상기 i번째의 발전셀(12)의 산화제극층(12c)에 산화제극집전체(18)를 통해서 도전성재료에 의해 판상으로 형성된 단일 산화제용단판(21)이 적층되고,
    상기 (n+1)번째의 발전셀(12)의 연료극층(12b)에 연료극집전체(17)를 통해서 도전성재료에 의해 판상으로 형성된 단일 연료용단판(22)이 적층되고,
    상기 n매의 세퍼레이터(16)가 연료가스를 세퍼레이터(16) 외주면에서 도입하여 상기 세퍼레이터(16)의 대략 중심에서 상기 연료극집전체(17)를 향하여 토출시키는 연료공급통로(23)와, 산화제가스를 상기 세퍼레이터(16) 외주면에서 도입하여상기 세퍼레이터(16)의 산화제극집전체(18)에 대향하는 면에서 토출시키는 산화제공급통로(24)를 각각 가지고,
    상기 단일 산화제용단판(21)이 상기 산화제가스를 상기 산화제용단판(21)의 산화제극집전체(18)에 대향하는 면에서 토출시키는 산화제공급통로(27)를 가지고,
    상기 단일 연료용단판(22)이 상기 연료가스를 상기 연료용단판(22)의 대략 중심에서 상기 연료극집전체(17)를 향하여 토출시키는 연료공급통로(26)를 가지고,
    상기 연료공급통로(23,26)에 연료용단관(28)을 통하여 연료가스를 각각 공급하는 연료용 디스트리뷰터(13)가 상기 연료전지(11)의 근방에 설치되고,
    상기 산화제공급통로(24,27)에 산화제용단관(29)을 통하여 산화제가스를 각각 공급하는 산화제용 디스트리뷰터(14)가 상기 연료전지(11)의 근방에 설치되고,
    상기 산화제용단판(21) 및 상기 연료용단판(22)에 한 쌍의 전극단자(41,42)가 전기적으로 각각 접속된 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 연료전지모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    n매의 세퍼레이터(16)에 형성된 각 산화제공급통로(24)가 산화제가스를 상기 세퍼레이터(16) 외주면에서 도입하여 상기 세퍼레이터(16)의 산화제극집전체(18)에 대향하는 면에서 샤워형상으로 대략 균일하게 토출시키도록 구성되고,
    단일의 산화제용단판(21)에 형성된 산화제공급통로(27)가 상기 산화제가스를 상기 산화제용단판(21)의 산화제극집전체(18)에 대향하는 면에서 샤워형상으로 대략 균일하게 토출시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지모듈.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    연료공급통로(23,26) 및 산화제공급통로(24,27) 중 어디에도 연통하지 않도록 n매의 세퍼레이터(16), 단일의 산화제용단판(21) 또는 단일의 연료용단판(22) 중 어느 하나 또는 둘 이상에 복수의 삽입공(16a)이 형성되고, 상기 복수의 삽입공(16a)에 제1히터(31) 또는 온도센서 중 어느 한쪽 또는 양쪽이 삽입된 것을 특징으로 하는 연료전지모듈.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    연료공급통로 및 산화제공급통로 중 어디에도 연통하지 않도록 n매의 세퍼레이터, 단일의 산화제용단판 또는 단일의 연료용단판 중 어느 하나 또는 둘 이상에 복수의 경량화구멍이 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지모듈.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    n매의 세퍼레이터(16)의 연료극집전체(17)의 대향면 및 단일 연료용단판(22)의 연료극집전체(17)의 대향면에, 각 세퍼레이터(16) 및 연료용단판(22)의 중심에서 소용돌이상으로 이어지는 복수의 슬릿(12b,12b)이 각각 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지모듈.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    연료용 디스트리뷰터(13)에 연료용절연관(36)을 통해서 연료용단관(28)이 삽입되고, 상기 연료용절연관(36) 및 상기 연료용단관(28)의 삽입부의 틈이 전기절연성을 가지는 연료용 봉지(封止)부재(37)에 의해 봉지되고,
    산화제용 디스트리뷰터(14)에 산화제용절연관(38)을 통해서 산화제용단관(29)이 삽입되고, 상기 산화제용절연관(38) 및 상기 산화제용단관(29)의 삽입부의 틈이 전기절연성을 가지는 산화제용 봉지부재(39)에 의해 봉지된 것을 특징으로 하는 연료전지모듈.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    연료용 디스트리뷰터(13)에 연료가스를 공급하는 연료예열관(43)이 연료전지(11)의 외주면에 감기고,
    산화제용 디스트리뷰터(14)에 산화제가스를 공급하는 산화제예열관(44)이 상기 연료전지(11)의 외주면에 감기고,
    상기 연료전지(11)가 상기 연료예열관(43) 및 상기 산화제예열관(44)과 함께 인너케이스(46)에 수용되고,
    발전셀(12)에서 배출된 상기 연료가스 및 상기 산화제가스를 상기 인너케이스(46) 바깥으로 인도하는 배기관(51)이 상기 인너케이스(46)에 접속된 것을 특징으로 하는 연료전지모듈.
  8. 제7항에 있어서,
    산화제예열관(44)이 산화제용 디스트리뷰터(14)의 길이방향의 대략 중앙에 접속된 것을 특징으로 하는 연료전지모듈.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    연료전지(11)의 외주면에 감기고 또 인너케이스(46)에 수용된 제2히터(32)를 더 구비한 것을 특징으로 하는 연료전지모듈.
  10. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    인너케이스(46)의 적어도 내면이 은도금, 니켈기초도금을 통한 은도금 또는 백금도금된 것을 특징으로 하는 연료전지모듈.
  11. 제7항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    인너케이스(46)의 내면이 단열재(47)에 의해 피복됨과 동시에, 상기 인너케이스(46)의 외주면에 연료예열관(43), 산화제예열관(44) 및 배기관(51)이 감기고, 또한 상기 인너케이스(46)가 상기 연료예열관(43), 상기 산화제예열관(44) 및 상기 배기관(51)과 함께 아웃케이스(48)에 수용된 것을 특징으로 하는 연료전지모듈.
  12. 제11항에 있어서,
    아웃케이스(48)의 적어도 내면이 은도금, 니켈기초도금을 통한 은도금 또는 백금도금된 것을 특징으로 하는 연료전지모듈.
  13. 제7항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    연료예열관에 연료가스가 유통 가능한 밀도로 개질 입자가 충전된 것을 특징으로 하는 연료전지모듈.
  14. 제13항에 있어서,
    개질 입자가 Ni, NiO, Al2O3, SiO2, MgO, CaO, Fe2O3, Fe3O4, V2O3, NiAl2O4, ZrO2, SiC, Cr2O3, ThO2, Ce2O3, B2O3, MnO2, ZnO, Cu, BaO 및 TiO2로 이루어진 군에서 선택된 한 종류 또는 두 종류 이상을 포함하는 원소 또는 산화물로 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지모듈.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    연료극집전체(17)가 니켈도금, 은도금, 니켈기초도금을 통한 은도금 또는 동도금된 스텐레스강, 니켈기합금 또는 크롬기합금, 혹은 니켈, 은, 은합금, 백금 또는 동으로 형성되고, n매의 세퍼레이터(16) 및 단일 연료용단판(22)이 스텐레스강, 니켈기합금 또는 크롬기합금 중 어느 하나에 의해 각각 형성되고, 상기 연료극집전체(17)가 상기 각 세퍼레이터(16) 및 상기 연료용단판(22)에 각각 접합된 것을 특징으로 하는 연료전지모듈.
  16. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    산화제극집전체(18)가 은도금, 니켈기초도금을 통한 은도금 또는 백금도금된 스텐레스강, 니켈기합금 또는 크롬기합금, 혹은 은, 은합금 또는 백금으로 형성되고,
    n매의 세퍼레이터(16) 및 단일 산화제용단판(21)이 스텐레스강, 니켈기합금 또는 크롬기합금 중 어느 하나에 의해 각각 형성되고,
    상기 산화제극집전체(18)가 상기 각 세퍼레이터(16) 및 상기 산화제용단판(21)에 각각 접합된 것을 특징으로 하는 연료전지모듈.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    n매의 세퍼레이터, 단일 산화제용단판 또는 단일 연료용단판 중 하나의 표면 또는 둘 이상의 표면에 니켈도금, 크롬도금, 은도금 또는 니켈기초도금을 통한 은도금이 각각 실시된 것을 특징으로 하는 연료전지모듈.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    연료예열관(43), 연료용 디스트리뷰터(13), 연료용단관(28), 산화제예열관(44), 산화제용 디스트리뷰터(14) 또는 산화제용단관(27) 중 어느 하나 또는 둘 이상이 스텐레스강, 니켈기합금 또는 크롬기합금 중 어느 하나에 의해 형성되고 또 내면에 은도금, 니켈기초도금을 통한 은도금 또는 백금도금이 실시된 것을 특징으로 하는 연료전지모듈.
  19. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    연료예열관(43), 연료용 디스트리뷰터(13), 연료용단관(28), 산화제예열관(44), 산화제용 디스트리뷰터(14) 또는 산화제용단관(27) 중 어느 하나 또는 둘 이상이 스텐레스강, 니켈기합금 또는 크롬기합금 중 어느 하나에 의해 형성되고 내면에 은도금, 니켈기초도금을 통한 은도금 또는 백금도금이 실시된 것을 특징으로 하는 연료전지모듈.
  20. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    연료예열관(43), 연료용 디스트리뷰터(13) 및 연료용단관(28)의 내면에 니켈도금이 실시된 것을 특징으로 하는 연료전지모듈.
  21. 제7항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    연료예열관의 상부에 물공급관의 선단이 삽입되고, 상기 물공급관의 기단에 분무기 또는 펌프가 접속된 것을 특징으로 하는 연료전지모듈.
  22. 제7항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    연료예열관(43)의 최하단에 물분리기(53)가 접속된 것을 특징으로 하는 연료전지모듈.
  23. 제11항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    발전셀(12)에서 배출된 연료가스 및 산화제가스를 인너케이스(46) 및 아웃케이스(48) 바깥으로 인도하는 배기관(51,52)이 수증기터빈에 접속된 것을 특징으로 하는 연료전지모듈.
  24. 산화제공급통로(24,27)가 산화제가스를 외주면에서 도입하여 산화제극집전체(18)에 대향하는 면에서 샤워형상으로 대략 균일하게 토출시키도록 구성된 세퍼레이터.
  25. 산화제공급통로(24,27)가 산화제가스를 외주면에서 도입하여 산화제극집전체(18)에 대향하는 면에서 샤워형상으로 대략 균일하게 토출시키도록 구성된 산화제용단판.
  26. 고체전해질(111a)과 이 고체전해질층(111a)의 양면에 배설된 연료극층(111b) 및 산화제극층(111c)로 이루어진 발전셀(111)이 (n+1)매(n은 양의 정수이다.)적층되고,
    i번째(i=1,2,…,n)의 발전셀(111)의 연료극층(111b)과 이 연료극층(111b)에 인접하는 (i+1)번째의 발전셀(111)의 산화제극층(111c)과의 사이에 도전성재료에 의해 판상으로 형성된 세퍼레이터(112)가 각각 1매씩 합계 n매 개장되고,
    상기 n매의 세퍼레이터(112)가, 연료가스를 세퍼레이터(112) 외주면에 형성된 세퍼레이터용 연료도입공(118a)으로부터 도입하여 상기 세퍼레이터(112)내에 형성된 세퍼레이터용 연료연통공(118c)을 통하여 상기 세퍼레이터(112)의 상기 연료극층(111b)의 대향면에 형성된 세퍼레이터용 연료토출공(118b)으로부터 토출시키는 세퍼레이터용 연료통로(118)와, 산화제가스를 상기 세퍼레이터(112) 외주면에 형성된 세퍼레이터용 산화제도입공(119a)에서 도입하여 상기 세퍼레이터(112) 내에 형성된 세퍼레이터용 산화제연통공(119c)을 통하여 상기 세퍼레이터(112)의 산화제극층(111c)의 대향면에 형성된 세퍼레이터용 산화제토출공(119b)으로부터 토출시키는 세퍼레이터용 산화제통로(119)를 각각 가지는 연료전지로서,
    상기 세퍼레이터(112)가, 한쪽 면에 상기 세퍼레이터용 연료도입공(118a) 및 상기 세퍼레이터용 연료연통공(118c)으로 이루어지는 세퍼레이터용 연료오목홈(121a)이 형성되고, 다른쪽 면에 상기 세퍼레이터용 산화제도입공(119a) 및 상기 세퍼레이터용 산화제연통공(119c)으로 이루어지는 세퍼레이터용 산화제오목홈(121b)이 형성된 세퍼레이터용기판(121)과, 상기 세퍼레이터용 연료오목홈(121a)을 피복함과 동시에 상기 세퍼레이터용 연료토출공(118b)이 형성된 세퍼레이터용 연료덮개체(122)와, 상기 세퍼레이터용 산화제오목홈(121b)을 피복함과 동시에 상기 세퍼레이터용 산화제토출공(119b)이 형성된 세퍼레이터용 산화제덮개체(123)를 가지는 것을 특징으로 하는 연료전지에 가스를 공급하기 위한 구조.
  27. 제26항에 있어서,
    세퍼레이터용 연료토출공(118b)이 세퍼레이터용기판(121)의 중앙에 위치하도록 세퍼레이터용 연료덮개체(122)에 형성되고, 세퍼레이터용 산화제토출공(119b)이 산화제가스를 세퍼레이터용기판(121)에 대향하는 산화제극층(111c)을 향하여 샤워형상으로 대략 균일하게 토출시키도록 세퍼레이터용 산화제덮개체(123)에 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지에 가스를 공급하기 위한 구조.
  28. 제26항 또는 제27항에 있어서,
    세퍼레이터(112)의 연료극층(111b)에 대향하는 면에 세퍼레이터용 연료토출공(118b)에서 소용돌이상으로 이어지는 복수의 슬릿이 각각 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지에 가스를 공급하기 위한 구조.
  29. 제26항 또는 제28항에 있어서,
    세퍼레이터용 연료토출공이 세퍼레이터용기판의 중앙에 위치하도록 세퍼레이터 연료덮개체에 형성되고, 세퍼레이터용 산화제토출공이 세퍼레이터용기판의 중앙에 위치하도록 세퍼레이터용 산화제덮개체에 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지에 가스를 공급하기 위한 구조.
  30. 제29항에 있어서,
    세퍼레이터의 산화제극층에 대향하는 면에 세퍼레이터용 산화제토출공에서 소용돌이상으로 늘어나는 복수의 슬릿이 각각 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지에 가스를 공급하기 위한 구조.
  31. 제26항에 있어서,
    세퍼레이터(112)가 스텐레스강, 니켈기합금 또는 크롬기합금 중 어느 하나에 의해 각각 형성되고, 상기 세퍼레이터(112)의 표면에 니켈도금 또는 은도금 중 어느 한쪽 또는 양쪽이 실시된 것을 특징으로 하는 연료전지에 가스를 공급하기 위한 구조.
  32. 제26항에 있어서,
    세퍼레이터용 연료공급통로(118)에 연료가스가 유통 가능한 밀도로 개질 입자가 충전된 것을 특징으로 하는 연료전지에 가스를 공급하기 위한 구조.
  33. 제26항에 있어서,
    세퍼레이터용기판(121)에, 열전대(136)를 삽입 가능한 열전대삽입홈(121g) 및 히터(137)를 삽입 가능한 히터삽입홈(121h)이 각각 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지에 가스를 공급하기 위한 구조.
  34. 고체전해질(211a)과 이 고체전해질층(211a)의 양면에 배설된 연료극층(211b) 및 산화제극층(211c)으로 이루어진 발전셀(211)이 (n+1)매(n은 양의 정수이다.)적층되고,
    i번째(i=1,2,…,n)의 발전셀(211)의 연료극층(211b)과 이 연료극층(211b)에 인접하는 (i+1)번째의 발전셀(211)의 산화제극층(211c)과의 사이에 도전성재료에 의해 판상으로 형성된 세퍼레이터(212)가 각각 1매씩 합계 n매 개장되고,
    상기 n매의 세퍼레이터(212)가, 연료가스를 세퍼레이터(212) 외주면에 형성된 세퍼레이터용 연료도입공(218a)으로부터 도입하여 상기 세퍼레이터(212)의 상기 연료극층(211b)의 대향면에 형성된 세퍼레이터용 연료토출공(218b)으로부터 토출시키는 세퍼레이터용 연료통로(218)와, 산화제가스를 상기 세퍼레이터(212) 외주면에 형성된 세퍼레이터용 산화제도입공(219a)에서 도입하여 상기 세퍼레이터(212)의 산화제극층(211c)의 대향면에 형성된 세퍼레이터용 산화제토출공(219b)으로부터 토출시키는 세퍼레이터용 산화제통로(219)를 각각 가지는 연료전지로서,
    상기 세퍼레이터(212)가, 상기 세퍼레이터용 연료토출공(218b)이 형성된, 세퍼레이터용 연료박판(221)과, 상기 세퍼레이터용 산화제토출공(219b)이 형성된 세퍼레이터용 산화제박판(222)과, 상기 세퍼레이터용 연료박판(221) 및 상기 세퍼레이터용 산화제박판(222)에 의해 끼여 지지되어 상기 세퍼레이터용 연료통로(218)로 이루어진 세퍼레이터용 연료홈(223c) 및 상기 세퍼레이터용 산화제통로(219)로 이루어진 세퍼레이터용 산화제홈(223d)이 형성된 세퍼레이터용 홈부착박판(223)을 가지는 것을 특징으로 하는 연료전지의 가스공급구조.
  35. 제34항에 있어서,
    세퍼레이터용 연료토출공(218b)이 세퍼레이터용 연료박판(221)의 중앙에 형성되고, 세퍼레이터용 산화제토출공(219b)이 세퍼레이터용 연료박판(222)의 중앙에 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지의 가스공급구조.
  36. 제34항 또는 제35항에 있어서,
    세퍼레이터용 연료박판(221)의 표면에 세퍼레이터용 연료토출공(218b)으로부터 소용돌이상으로 늘어나는 복수의 슬릿이 각각 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지의 가스공급구조.
  37. 제34항 또는 제35항에 있어서,
    세퍼레이터용 산화제박판(222)의 표면에 세퍼레이터용 산화제토출공(219b)으로부터 소용돌이상으로 늘어나는 복수의 슬릿이 각각 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지의 가스공급구조.
  38. 제34항 내지 제36항 중 어느 한 항에 있어서,
    세퍼레이터용 연료토출공이 세퍼레이터용 연료박판의 중앙에 형성되고, 세퍼레이터용 산화제토출공이 산화제가스를 세퍼레이터용 산화제박판에 대향하는 산화제극층을 향하여 샤워형상으로 대략 균일하게 토출하도록 상기 세퍼레이터용 산화제박판에 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지의 가스공급구조.
  39. 제34항에 있어서,
    세퍼레이터(312)가 스텐레스강, 니켈기합금 또는 크롬기합금 중 어느 하나에 의해 각각 형성되고, 상기 세퍼레이터(212)의 표면에 니켈도금 또는 은도금 중 어느 한쪽 또는 양쪽이 실시된 것을 특징으로 하는 연료전지의 가스공급구조.
  40. 제34항에 있어서,
    세퍼레이터용 연료공급통로(218)에 연료가스가 유통 가능한 밀도로 개질 입자가 충전된 것을 특징으로 하는 연료전지의 가스공급구조.
  41. 제34항에 있어서,
    세퍼레이터용 홈부착박판(223)에, 열전대(236)를 삽입 가능한 열전대삽입홈(223e) 및 히터(237)를 삽입 가능한 히터삽입홈(223f)이 각각 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지의 가스공급구조.
  42. 발전셀(311)과 상기 발전셀(311)에 연료가스를 공급 가능한 연료공급통로(318,322)와 상기 발전셀(311)에 산화제가스를 공급 가능한 산화제공급통로(319,321)를 가지는 연료전지(310)와,
    상기 연료전지(310)의 근방에 설치되어 상기 연료공급통로(318,322)에 연료용단관(331)을 통하여 연료가스를 공급하는 연료용 디스트리뷰터(323)와,
    상기 연료전지(310)의 근방에 설치되어 상기 산화제 공급통로(319,321)에 산화제용단관(332)을 통하여 산화제가스를 공급하는 산화제용 디스트리뷰터(324)를구비한 연료전지모듈에 있어서,
    상기 연료용 디스트리뷰터(323)가, 상자형상 또는 통형상의 금속재료에 의해 형성된 연료용 디스트리뷰터본체(326)와, 상기 연료용 디스트리뷰터본체(326)의 연료측 개구부(326a)를 폐지함과 동시에 복수의 연료용단관(331)이 직접 접속되고 또 전기절연재료로 형성된 단일 판상의 연료용 덮개체(327)를 가지고, 상기 산화제용 디스트리뷰터(324)가, 상자형상 또는 통형상의 금속재료로 형성된 산화제용 디스트리뷰터본체(328)와, 상기 산화제용 디스트리뷰터본체(328)의 산화제측개구부(328a)를 폐지함과 동시에 복수의 산화제용단관(332)이 직접 접속되고 또 전기절연재에 의해 형성된 단일 판상의 산화제측 덮개체(329)를 가지는 것을 특징으로 하는 연료전지모듈의 디스트리뷰터구조.
  43. 제42항에 있어서,
    발전셀(311)이 고체전해질층(311a)과 이 고체전해질층(311a)의 양면에 배설된 연료극층(311b) 및 산화제극층(311c)으로 이루어지고, 연료전지(310)가 상기 발전셀(311)을 (n+1)개(n은 양의 정수이다.)적층하여 구성되고,
    i번째(i=1,2,…,n)의 발전셀(311)의 연료극층(311b)과 이 연료극층(311b)에 인접하는 (i+1)번째의 발전셀(311)의 산화제극층(311c)과의 사이에 도전성재료에 의해 판상으로 형성된 세퍼레이터(312)가 각각 1매씩 합계 n매 개장되고,
    상기 n매의 세퍼레이터(312)가, 연료가스를 세퍼레이터(312) 외주면으로부터 도입하여 상기 세퍼레이터(312)의 연료극집전체(313)에 대향하는 면에서 토출시키는 세퍼레이터용 연료통로(318)와, 산화제가스를 상기 세퍼레이터(312) 외주면으로부터 도입하여 상기 세퍼레이터(312)의 산화제극집전체(314)에 대향하는 면에서 토출시키는 세퍼레이터용 산화제통로(319)를 각각 가지고,
    연료용 디스트리뷰터(323)가 상기 발전셀(311)의 적층방향으로 이어져 설치되고,
    산화제용 디스트리뷰터(324)가 상기 발전셀(311)의 적층방향으로 이어져 설치된 것을 특징으로 하는 연료전지모듈의 디스트리뷰터구조.
  44. 제42항 또는 제43항에 있어서,
    연료용 디스트리뷰터본체(326)에 연료측 나사구멍(326b)이 형성되고, 연료용 덮개체(327)에 연료측통공(327b)이 형성되고, 상기 연료측통공(327b)을 통한 연료측 고정나사(333)를 상기 연료측 나사구멍(326b)에 나사결합함으로써 상기 연료용 덮개체(327)가 상기 연료용 디스트리뷰터본체(326)에 고정되고, 또한 상기 연료측통공(327b)의 구멍직경이 상기 연료용 디스트리뷰터본체(326) 및 상기 연료용 덮개체(327)의 열 팽창 및 열 수축에 의한 변형량의 차를 흡수하도록 상기 연료측 고정나사(333)보다 대직경으로 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지모듈의 디스트리뷰터구조.
  45. 제42항 내지 제44항 중 어느 한 항에 있어서,
    산화제용 디스트리뷰터본체(328)에 산화제측 나사구멍(328b)이 형성되고, 산화제측 덮개체(329)에 산화제측통공(329b)이 형성되고, 상기 산화제측통공(329b)을 통한 산화제측 고정나사(334)를 상기 산화제측나사구멍(328b)에 나사결합함으로써 상기 산화제측 덮개체(329)가 상기 산화제용 디스트리뷰터본체(328)에 고정되고, 또한 상기 산화제측통공(329b)의 구멍직경이 상기 산화제용 디스트리뷰터본체(328) 및 상기 산화제측 덮개체(329)의 열 팽창 및 열 수축에 의한 변형량의 차를 흡수하도록 상기 산화제측 고정나사(334)보다 대직경으로 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지모듈의 디스트리뷰터구조.
  46. 제42항 또는 제43항에 있어서,
    연료용 디스트리뷰터본체(376)에 연료측관통공(376b)이 형성되고, 연료용 덮개체(327)에 연료측통공(327b)이 형성되고, 상기 연료측통공(327b) 및 상기 연료측관통공(376b)을 통한 연료측 고정나사(383)를 연료측너트(386)에 나사결합함으로써 상기 연료용 덮개체(327)가 상기 연료용 디스트리뷰터본체(376)에 고정되고, 또한 상기 연료측통공(327b) 또는 상기 연료측관통공(376b)의 구멍직경이 상기 연료용 디스트리뷰터본체(376) 및 상기 연료용 덮개체(327)의 열 팽창 및 열 수축에 의한 변형량의 차를 흡수하도록 상기 연료측 고정나사(383)보다 대직경으로 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지모듈의 디스트리뷰터구조.
  47. 제42항 내지 제44항 중 어느 한 항에 있어서,
    산화제용 디스트리뷰터본체(378)에 산화제측관통공(378b)이 형성되고, 산화제측 덮개체(329)에 산화제측통공(329b)이 형성되고, 상기 산화제측통공(329b) 및 상기 산화제측관통공(378b)을 통한 산화제측 고정나사(384)를 산화제측너트(387)에 나사결합함으로써 상기 산화제측 덮개체(329)가 상기 산화제용 디스트리뷰터본체(378)에 고정되고, 또한 상기 산화제측통공(329b) 또는 상기 산화제측관통공(378b)의 구멍직경이 상기 산화제용 디스트리뷰터본체(378) 및 상기 산화제측 덮개체(329)의 열 팽창 및 열 수축에 의한 변형량의 차를 흡수하도록 상기 산화제측고정나사(384)보다 대직경으로 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지모듈의 디스트리뷰터구조.
  48. 제42항, 제43항, 제44항 또는 제46항 중 어느 한 항에 있어서,
    연료용 디스트리뷰터본체의 연료측 개구부 주연과 연료용 덮개체의 주연과의 사이에, 글래스제 또는 시멘트제의 연료용 시일부재가 충전된 것을 특징으로 하는 연료전지모듈의 디스트리뷰터구조.
  49. 제42항, 제43항, 제45항 또는 제47항 중 어느 한 항에 있어서,
    산화제용 디스트리뷰터본체의 산화제측 개구부 주연과 산화제측 덮개체의 주연과의 사이에, 글래스제 또는 시멘트제의 산화제용 시일부재가 충전된 것을 특징으로 하는 연료전지모듈의 디스트리뷰터구조.
  50. 제46항에 있어서,
    연료측관통공(376b)에 삽입된 연료측 고정나사(383)의 나사부(383a)를 노출시키기 위한 연료측슬릿(376d)이 연료용 디스트리뷰터본체(376)에 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지모듈의 디스트리뷰터구조.
  51. 제47항에 있어서,
    산화제측관통공(378b)에 삽입된 산화제측 고정나사(384)의 나사부(384a)를 노출시키기 위한 산화제측슬릿(378d)이 산화제용 디스트리뷰터본체(378)에 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지모듈의 디스트리뷰터구조.
  52. 제42항, 제43항, 제44항, 제46항, 제48항 또는 제50항 중 어느 한 항에 있어서,
    연료용 디스트리뷰터본체(376)에 연료가스를 도입하기 위한 한 쌍의 연료용투공(326c,326c)이 상기 연료용 디스트리뷰터본체(376)의 상하면에 각각 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지모듈의 디스트리뷰터구조.
  53. 제42항, 제43항, 제45항, 제47항, 제49항 또는 제51항 중 어느 한 항에 있어서,
    산화제용 디스트리뷰터본체(378)에 산화제가스를 도입하기 위한 한 쌍의 산화제용투공(328c,328c)이 상기 산화제용 디스트리뷰터본체(378)의 상하면에 각각 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지모듈의 디스트리뷰터구조.
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