KR20140044898A - 연료전지 셀 및 연료전지 스택 - Google Patents

연료전지 셀 및 연료전지 스택 Download PDF

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KR20140044898A KR1020147003104A KR20147003104A KR20140044898A KR 20140044898 A KR20140044898 A KR 20140044898A KR 1020147003104 A KR1020147003104 A KR 1020147003104A KR 20147003104 A KR20147003104 A KR 20147003104A KR 20140044898 A KR20140044898 A KR 20140044898A
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히데키 우에마츠
히로야 이시카와
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Abstract

장기의 사용에 있어서도 양호한 전기적 접속성이 유지 가능한 연료전지 셀 및 연료전지 스택을 제공한다. 1쌍의 인터커넥터(이하, IC, 12,13)와, IC(12, 13) 사이에 위치하고, 전해질(2)의 일측의 면에 공기극(14)이 형성되며 타측의 면에 연료극(15)이 형성된 셀 본체(20)와, 공기극(14) 및 연료극(15)의 적어도 일측과 IC (12, 13)의 사이에 배치되고, 공기극(14) 및/또는 연료극(15)과 IC(12, 13)를 전적으로 접속하는 집전부재(18, 19)를 구비한 연료전지 셀(3)로서, 집전부재(18, 19)는 IC(12, 13)에 맞닿는 커넥터 맞닿음부(19a)와, 셀 본체(20)에 맞닿는 셀 본체 맞닿음부(19b)와, 커넥터 맞닿음부(19a)와 셀 본체 맞닿음부(19b)를 연결하는 연접부(19c)가 일련으로 형성되고, 셀 본체(20)와 IC(12, 13)의 사이에 있어서, 커넥터 맞닿음부(19a)와 셀 본체 맞닿음부(19b)의 사이를 가르도록 배치되는 스페이서(58)를 가지는 것을 특징으로 한다.

Description

연료전지 셀 및 연료전지 스택{Fuel Cell and Fuel Cell Stack}
본 발명은 전해질층의 양면에 2개의 전극을 설치하고, 일측의 전극(이하 연료극이라고 한다.)에 연료가스를 공급함과 아울러 다른 일측의 전극(이하 공기극이라고 한다.)에 산화제 가스를 공급하여 발전하는 연료전지 셀과, 그 연료전지 셀을 복수개 적층하여 고정한 연료전지 스택에 관한 것이다.
종래, 예를 들면 특허문헌 1에 기재되어 있는 바와 같이, 1쌍의 인터커넥터와, 상기 인터커넥터 사이에 위치하고, 전해질의 일측의 면에 공기극이 형성되며 타측의 면에 연료극이 형성된 셀 본체와, 공기극과 인터커넥터 또는 연료극과 인터커넥터의 사이에 배치되어 공기극과 인터커넥터 또는 연료극과 인터커넥터를 전기적으로 접속하는 집전부재를 구비한 연료전지 셀이 있다.
상기 연료전지 셀의 집전부재는 평판 형상의 집전 플레이트로부터 돌조 형상의 탄성부재를 잘라 세운 구조로 되어 있으며, 집전 플레이트의 평탄면을 인터커넥터에 접합함과 아울러 탄성부재의 선단을 셀 본체에 접촉시켜서 전기적 접속을 실시하게 하는 것이다.
특허문헌 1: 일본국 특개2009-266533호 공보
종래기술과 같이, 도전성을 가지는 탄성부재의 탄성에 의해 셀 본체에 접촉시키는 집전부재는, 장기의 사용에 의해 소성 변형하고, 발전시의 고열에 의해 도전성을 가지는 탄성부재의 강도가 저하되며, 또한 도전성을 가지는 탄성부재가 크리프 변형의 영향을 받는 등으로 하여 예정된 전기적 접속을 얻기 위한 접촉력이 얻어지지 않게 될 경우가 있다. 그리고, 그와 같은 경우에는 도전성을 가지는 탄성부재가 온도사이클이나 연료압ㆍ공기압의 변동 등에 의한 셀 본체의 변형에 추종할 수 없게 되어 접촉이 불확실하게 되고, 공기극과 인터커넥터 또는 연료극과 인터커넥터의 전기적 접속이 불확실하게 될 우려가 있었다.
또, 상기한 탄성부재의 전기적 접속을 얻기 위한 접촉력의 저하 요인이 복합적으로 겹쳤을 때, 상기 탄성부재의 셀 본체에 접촉해야 할 부분이 반대로 인터커넥터측에 접촉하는 경우가 있다. 한편, 집전부재는 평탄면을 인터커넥터에 접합하는 것으로부터 인터커넥터와의 접합성이 우수한 재료에 의해 형성되어 있는 경우가 많다. 이로 인해, 발전시의 고온환경하에서 탄성부재가 인터커넥터측에 접촉하면 소결에 의해 접합하는 경우가 있다. 그렇게 되면 그 탄성부재는 인터커넥터와 일체로 되기 때문에 셀 본체와의 접촉이 곤란하게 되고, 공기극과 인터커넥터 또는 연료극과 인터커넥터의 전기적 접속이 불확실하게 될 우려가 있었다.
본 발명은 상기에 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적은 장기의 사용에 있어서도 양호한 전기적 접속성이 유지 가능한 연료전지 셀 및 연료전지 스택을 제공하는 것에 있다.
상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 청구항 1에 기재한 바와 같이, 1쌍의 인터커넥터와,
상기 인터커넥터 사이에 위치하고, 전해질의 일측의 면에 공기극이 형성되며 타측의 면에 연료극이 형성된 셀 본체와,
상기 공기극 및 상기 연료극의 적어도 일측과 상기 인터커넥터의 사이에 배치되고, 상기 공기극 및/또는 상기 연료극과 상기 인터커넥터를 전기적으로 접속하는 집전부재를 구비한 연료전지 셀로서,
상기 집전부재는 상기 인터커넥터에 맞닿는 커넥터 맞닿음부와, 상기 셀 본체에 맞닿는 셀 본체 맞닿음부와, 상기 커넥터 맞닿음부와 상기 셀 본체 맞닿음부를 연결하는 연접부가 일련으로 형성되고,
상기 셀 본체와 상기 인터커넥터의 사이에 있어서, 상기 커넥터 맞닿음부와 상기 셀 본체 맞닿음부의 사이를 가르도록 배치되는 스페이서를 가지는 연료전지 셀을 제공한다.
또, 청구항 2에 기재한 바와 같이, 상기 연접부가 대략 180도로 접어 구부러지고, 상기 커넥터 맞닿음부와 상기 셀 본체 맞닿음부가 상기 스페이서의 양측에 배치되어 있는 청구항 1에 기재된 연료전지 셀을 제공한다.
또, 청구항 3에 기재한 바와 같이, 1쌍의 인터커넥터와,
상기 인터커넥터 사이에 위치하고, 전해질의 일측의 면에 공기극이 형성되며 타측의 면에 연료극이 형성된 셀 본체와,
상기 공기극 및 상기 연료극의 적어도 일측과 상기 인터커넥터의 사이에 배치되고, 상기 공기극 및/또는 상기 연료극과 상기 인터커넥터를 전기적으로 접속하는 집전부재를 구비한 연료전지 셀로서,
상기 집전부재는 상기 인터커넥터에 맞닿는 커넥터 맞닿음부와, 상기 셀 본체에 맞닿는 셀 본체 맞닿음부와, 상기 커넥터 맞닿음부와 상기 셀 본체 맞닿음부를 연결하는 연접부가 일련으로 형성되고,
상기 셀 본체와 상기 인터커넥터의 사이에 있어서, 상기 커넥터 맞닿음부와 상기 셀 본체의 사이, 및 상기 셀 본체 맞닿음부와 상기 인터커넥터의 사이를 각각 가르도록 배치되는 스페이서를 가지는 연료전지 셀을 제공한다.
또, 청구항 4에 기재한 바와 같이, 1쌍의 인터커넥터와,
상기 인터커넥터 사이에 위치하고, 전해질의 일측의 면에 공기극이 형성되며 타측의 면에 연료극이 형성된 셀 본체와,
상기 공기극 및 상기 연료극의 적어도 일측과 상기 인터커넥터의 사이에 배치되고, 상기 공기극 및/또는 상기 연료극과 상기 인터커넥터를 전기적으로 접속하는 집전부재를 구비한 연료전지 셀로서,
상기 집전부재는 상기 인터커넥터에 맞닿는 커넥터 맞닿음부와, 상기 셀 본체에 맞닿는 셀 본체 맞닿음부와, 상기 커넥터 맞닿음부와 상기 셀 본체 맞닿음부를 연결하는 연접부가 일련으로 형성되고,
상기 셀 본체와 상기 인터커넥터의 사이에 있어서, 상기 커넥터 맞닿음부와 상기 셀 본체의 사이, 또는 상기 셀 본체 맞닿음부와 상기 인터커넥터의 사이를 가르도록 배치되는 스페이서를 가지는 연료전지 셀을 제공한다.
또, 청구항 5에 기재한 바와 같이, 1쌍의 인터커넥터와,
상기 인터커넥터의 각각과 간격을 두고서 그 사이에 위치하며, 판 형상의 전해질의 상하면에 각각 전극이 형성된 셀 본체와,
상기 전극의 적어도 일측과 상기 인터커넥터의 사이에 배치되고, 상기 전극과 상기 인터커넥터를 전기적으로 접속하는 집전부재를 구비한 연료전지 셀로서,
상기 집전부재는 상기 인터커넥터에 맞닿는 커넥터 맞닿음부와, 상기 셀 본체의 상기 전극에 맞닿는 셀 본체 맞닿음부와, 상기 커넥터 맞닿음부와 상기 셀 본체 맞닿음부를 연결하는 연접부가 일련으로 형성되고,
상기 커넥터 맞닿음부와 상기 셀 본체 맞닿음부의 사이에 배치되는 스페이서를 가지며,
상기 집전부재와 상기 스페이서는 상기 셀 본체와 상기 인터커넥터의 상기 간격이 확대되는 방향으로 탄성을 가짐과 아울러, 상기 스페이서의 탄성량은 상기 집전부재의 탄성량보다 큰 연료전지 셀을 제공한다.
여기서 「탄성」이란, 외력을 가하면 변형하고, 그 외력을 제거하면 원래대로 되돌아가려고 하는 물체의 성질이며, 본 발명에 있어서 스페이서와 집전부재의 탄성량의 대소는, 사용시의 형상의 시료에 같은 조건에서 두께 방향으로 하중을 가한 후, 그 하중을 제거한 경우에, 두께 방향의 변위량이 클수록 탄성량이 크고, 반대로 두께 방향의 변위량이 작을수록 탄성량이 작은 것을 의미한다.
또, 청구항 6에 기재한 바와 같이, 상기 연접부가 대략 180도에 접어 구부러지고, 상기 커넥터 맞닿음부와 상기 셀 본체 맞닿음부가 상기 스페이서의 양측에 배치되어 있는 청구항 1에 기재된 연료전지 셀을 제공한다.
또, 청구항 7에 기재한 바와 같이, 1쌍의 인터커넥터와,
상기 인터커넥터의 각각과 간격을 두고서 그 사이에 위치하며, 판 형상의 전해질의 상하면에 각각 전극이 형성된 셀 본체와,
상기 전극의 적어도 일측과 상기 인터커넥터의 사이에 배치되고, 상기 전극과 상기 인터커넥터를 전기적으로 접속하는 집전부재를 구비한 연료전지 셀로서,
상기 집전부재는 상기 인터커넥터에 맞닿는 커넥터 맞닿음부와, 상기 셀 본체의 상기 전극에 맞닿는 셀 본체 맞닿음부와, 상기 커넥터 맞닿음부와 상기 셀 본체 맞닿음부를 연결하는 연접부가 일련으로 형성되고,
상기 커넥터 맞닿음부와 상기 셀 본체의 사이, 및, 상기 셀 본체 맞닿음부와 상기 인터커넥터 사이의 각각에 배치되는 스페이서를 가지며,
상기 집전부재와 상기 스페이서는 상기 셀 본체와 상기 인터커넥터의 상기 간격이 확대되는 방향으로 탄성을 가짐과 아울러, 상기 스페이서의 탄성량은 상기 집전부재의 탄성량보다 큰 연료전지 셀을 제공한다.
또, 청구항 8에 기재한 바와 같이, 1쌍의 인터커넥터와,
상기 인터커넥터의 각각과 간격을 두고서 그 사이에 위치하며, 판 형상의 전해질의 상하면에 각각 전극이 형성된 셀 본체와,
상기 전극의 적어도 일측과 상기 인터커넥터의 사이에 배치되고, 상기 전극과 상기 인터커넥터를 전기적으로 접속하는 집전부재를 구비한 연료전지 셀로서,
상기 집전부재는 상기 인터커넥터에 맞닿는 커넥터 맞닿음부와, 상기 셀 본체의 상기 전극에 맞닿는 셀 본체 맞닿음부와, 상기 커넥터 맞닿음부와 상기 셀 본체 맞닿음부를 연결하는 연접부가 일련으로 형성되고,
상기 커넥터 맞닿음부와 상기 셀 본체의 사이, 또는, 상기 셀 본체 맞닿음부와 상기 인터커넥터 사이의 어느 일측에 배치되는 스페이서를 가지며,
상기 집전부재와 상기 스페이서는 상기 셀 본체와 상기 인터커넥터의 상기 간격이 확대되는 방향으로 탄성을 가짐과 아울러, 상기 스페이서의 탄성량은 상기 집전부재의 탄성량보다 큰 연료전지 셀을 제공한다.
또, 청구항 9에 기재한 바와 같이, 상기 스페이서는 상기 셀 본체와 상기 인터커넥터의 간격이 변동됨으로써 작용할 수 있는 하중에 대해서 상기 집전부재보다도 유연한 청구항 1∼4에 기재된 연료전지 셀을 제공한다.
또, 청구항 10에 기재한 바와 같이, 상기 집전부재는 자기의 면 방향과 교차하는 방향에 대해서 굴곡 신장이 가능하며 또한 굴곡 신장에 대한 반발력이 거의 발생하지 않도록 형성되어 있는 청구항 5∼8의 어느 한 항에 기재된 연료전지 셀을 제공한다.
또, 청구항 11에 기재한 바와 같이, 상기 스페이서는 마이카, 알루미나 펠트, 버미큘라이트, 카본섬유, 탄화규소섬유, 실리카의 적어도 어느 1종으로 하는 청구항 5∼10의 어느 한 항에 기재된 연료전지 셀을 제공한다.
또, 청구항 12에 기재한 바와 같이, 상기 인터커넥터와, 상기 셀 본체와, 상기 집전부재를 적층하여 일체로 체결하는 체결부재를 더 가지며,
상기 체결부재 및 상기 스페이서에 의해, 상기 집전부재의 상기 셀 본체 맞닿음부가 상기 셀 본체에 맞닿고, 상기 커넥터 맞닿음부가 상기 인터커넥터에 맞닿도록 압압되어 있는 청구항 1∼11의 어느 한 항에 기재된 연료전지 셀을 제공한다.
또, 청구항 13에 기재한 바와 같이, 상기 스페이서는 상기 체결부재보다도 체결 방향의 열팽창률이 높은 청구항 12에 기재된 연료전지 셀을 제공한다.
또, 청구항 14에 기재한 바와 같이, 상기 집전부재는 다공질 금속 또는 철망 또는 와이어 또는 펀칭메탈제인 청구항 1∼13의 어느 한 항에 기재된 연료전지 셀을 제공한다.
또, 청구항 15에 기재한 바와 같이, 상기 집전부재의 상기 셀 본체 맞닿음부가 상기 셀 본체의 상기 공기극 및/또는 상기 연료극의 표면에 접합되어 있는 청구항 1∼14의 어느 한 항에 기재된 연료전지 셀을 제공한다.
또, 청구항 16에 기재한 바와 같이, 상기 집전부재의 상기 커넥터 맞닿음부가 상기 인터커넥터에 접합되어 있는 청구항 1∼15의 어느 한 항에 기재된 연료전지 셀을 제공한다.
또, 청구항 17에 기재한 바와 같이, 상기 집전부재는 상기 연료극과 상기 인터커넥터의 사이에 배치되어 Ni 또는 Ni합금제인 청구항 1∼16의 어느 한 항에 기재된 연료전지 셀을 제공한다.
또, 청구항 18에 기재한 바와 같이, 청구항 1∼17의 어느 한 항에 기재된 연료전지 셀을 복수개 적층하고, 상기 체결부재에 의해 고정되어 이루어지는 연료전지 스택을 제공한다.
청구항 1, 2에 기재된 연료전지 셀에 따르면, 커넥터 맞닿음부와 셀 본체 맞닿음부의 반(反)접촉방향(양자가 맞닿지 않는 방향)으로의 변형이 스페이서에 의해서 억제되기 때문에 소성 변형되기 어렵고, 또, 발전시의 고열에 의한 강도 저하의 영향 혹은 크리프 변형의 영향 등도 받기 어렵다. 또, 스페이서가 집전부재의 커넥터 맞닿음부와 셀 본체 맞닿음부의 사이로 들어가서 양자의 접촉을 방해하기 때문에, 발전시의 고열(연료전지의 작동온도영역)에 의해 커넥터 맞닿음부와 셀 본체 맞닿음부가 소결에 의해 접합될 우려가 없다. 따라서, 커넥터 맞닿음부와 셀 본체 맞닿음부의 일체화(소결에 의한 접합) 및 그것에 수반하는 전기적 접속의 불안정화가 방지될 수 있다.
또, 청구항 3에 기재된 연료전지 셀에 따르면, 집전부재의 커넥터 맞닿음부와 셀 본체 맞닿음부의 각각에 대해서, 반접촉방향(양자가 맞닿지 않는 방향)으로의 변형이 스페이서에 부딪혀서 억제되기 때문에 소성 변형되기 어렵고, 또, 발전시의 고열에 의한 강도 저하의 영향 혹은 크리프 변형의 영향 등도 받기 어렵다. 또, 스페이서가 집전부재의 커넥터 맞닿음부와 셀 본체 및 셀 본체 맞닿음부와 인터커넥터의 사이로 들어가서 양자의 접촉을 방해하기 때문에, 발전시의 고열로 커넥터 맞닿음부와 셀 본체 및 셀 본체 맞닿음부와 인터커넥터가 소결에 의해 접합될 우려가 없다. 따라서, 커넥터 맞닿음부와 셀 본체 및 셀 본체 맞닿음부와 인터커넥터의 일체화(소결에 의한 접합) 및 그것에 수반하는 전기적 접속의 불안정화가 방지될 수 있다.
또, 청구항 4에 기재된 연료전지 셀에 따르면, 집전부재의 커넥터 맞닿음부 또는 셀 본체 맞닿음부에 대해서, 반접촉방향(양자가 맞닿지 않는 방향)으로의 변형이 스페이서에 부딪혀서 억제되기 때문에, 집전부재의 발전시의 고열에 의한 강도 저하의 영향 혹은 크리프 변형의 영향 등을 받기 어렵다. 또, 스페이서가 집전부재의 커넥터 맞닿음부와 셀 본체 또는 셀 본체 맞닿음부와 인터커넥터의 사이로 들어가서 양자의 접촉을 방해하기 때문에, 발전시의 고열로 커넥터 맞닿음부와 셀 본체 또는 셀 본체 맞닿음부와 인터커넥터가 소결에 의해 접합될 우려가 없고, 따라서 커넥터 맞닿음부와 셀 본체 또는 셀 본체 맞닿음부와 인터커넥터의 일체화(소결에 의한 접합) 및 그것에 수반하는 전기적 접속의 불안정화가 방지될 수 있다.
또, 청구항 9에 기재된 연료전지 셀에 따르면, 스페이서를 집전부재보다 유연하게 하여 하중에 대한 반발력이 약해지도록 설정했기 때문에, 연료전지의 운전시나, 연료전지의 조립시에 스페이서로부터의 반발력이 과도하게 작용하여 셀 본체의 균열을 유발할 우려가 없다. 즉, 스페이서가 쿠션성을 발휘하고, 운전시의 셀 본체의 변형이나 조립시의 체결력에 의해서 발생하는(셀 본체에 대한) 응력집중이 억제되어 셀 균열이 경감될 수 있다. 또한, 이와 같은 스페이서는 적어도 청구항 10에 기재된 재질을 이용함으로써 형성할 수 있다.
청구항 5∼6에 기재된 연료전지 셀에 따르면, 스페이서가 집전부재의 커넥터 맞닿음부와 셀 본체 맞닿음부의 사이로 들어가서 양자의 접촉을 방해하기 때문에, 발전시의 고열(연료전지의 작동온도)로 커넥터 맞닿음부와 셀 본체 맞닿음부가 소결에 의해 접합될 우려가 없다. 따라서, 커넥터 맞닿음부와 셀 본체 맞닿음부의 일체화(소결에 의한 접합), 나아가서는 그것에 수반하는 전기적 접촉의 불안정화가 방지될 수 있다.
청구항 7에 기재된 연료전지 셀에 따르면, 스페이서가 집전부재의 커넥터 맞닿음부와 셀 본체 및 셀 본체 맞닿음부와 인터커넥터의 사이로 들어가서 양자의 접촉을 방해하기 때문에, 발전시의 고열로 커넥터 맞닿음부와 셀 본체 및 셀 본체 맞닿음부와 인터커넥터가 소결에 의해 접합될 우려가 없다. 따라서, 커넥터 맞닿음부와 셀 본체 및 셀 본체 맞닿음부와 인터커넥터의 일체화(소결에 의한 접합), 나아가서는 그것에 수반하는 전기적 접속의 불안정화가 방지될 수 있다.
청구항 8에 기재된 연료전지 셀에 따르면, 스페이서가 집전부재의 커넥터 맞닿음부와 셀 본체 또는 셀 본체 맞닿음부와 인터커넥터의 사이로 들어가서 양자의 접촉을 방해하기 때문에, 발전시의 고열로 커넥터 맞닿음부와 셀 본체 또는 셀 본체 맞닿음부와 인터커넥터가 소결에 의해 접합될 우려가 없고, 따라서 커넥터 맞닿음부와 셀 본체 또는 셀 본체 맞닿음부와 인터커넥터의 일체화(소결에 의한 접합), 나아가서는 그것에 수반하는 전기적 접속의 불안정화가 방지될 수 있다.
또한, 청구항 5∼8에 기재된 연료전지 셀에 따르면,
(i) 열사이클 등으로 셀 본체 등이 변형되고, 인터커넥터와 전극 사이의 간격이 확대된 경우, 즉 집전부재가 설치된 공간이 확대된 경우, 스페이서의 탄성량이 크기 때문에, 인터커넥터와 전극 사이의 전기적 접속이 안정된다. 또한, 일단 집전부재가 설치된 공간이 축소된 후에 상기 공간이 확대된 경우에도, 스페이서의 탄성량이 집전부재보다도 크기 때문에, 인터커넥터와 전극 사이의 전기적 접속을 안정시킬 수 있다.
(ii) 스페이서는 압축 방향으로는 유연하므로, 스페이서로부터의 반발력이 과도하게 작용하여 셀 본체의 균열을 유발할 우려가 없다. 즉, 스페이서가 쿠션성을 발휘하고, 조립시의 결합력에 의해서 발생하는(셀 본체에 대한) 응력집중이 억제되어 셀 균열이 경감될 수 있다고 하는 효과가 있다.
또, 청구항 10에 기재한 바와 같이, 집전부재를 자기의 면 방향과 교차하는 방향에 대해서 굴곡 신장이 가능하며 또한 굴곡 신장에 대한 반발력이 거의 발생하지 않도록 형성하면, 온도사이클이나 연료압ㆍ공기압의 변동 등에 의한 셀 본체의 변형에 대해서는 스페이서가 대응하고, 전기적 접속에 대해서는 집전부재가 대응한다고 하는 역할 분담이 명확하게 되기 때문에, 각각의 역할에 대응하여 최적인 재질이나 형상이 선택될 수 있다.
이상과 같은 스페이서는 적어도 청구항 11에 기재된 재질을 이용함으로써 형성할 수 있다.
또, 청구항 12에 기재된 연료전지 셀에 따르면, 인터커넥터와 셀 본체와 집전부재를 적층하여 체결부재로 체결하는 것에 의해, 스페이서의 압압에 의해 집전부재의 셀 본체 맞닿음부가 셀 본체에 의해 확실하게 맞닿고, 혹은 커넥터 맞닿음부가 인터커넥터에 의해 확실하게 맞닿기 때문에, 집전부재에 의한 전기적 접속이 안정된다.
즉, 집전부재의 탄성력 저하(즉, 고온시에 금속 집전부재의 크리프 변형에 의한 영향)에 대해서, 스페이서의 탄성력이 보강되는 것에 의해 셀 본체 혹은 인터커넥터에 대한 압압작용이 유지된다. 따라서, 접점이 양호한 상태로 유지된다.
또, 청구항 13에 기재된 연료전지 셀에 따르면, 체결부재보다도 스페이서의 체결 방향의 열팽창률이 높기 때문에, 발전시의 열로 체결부재가 열팽창하고, 그것이 인터커넥터와 셀 본체와 집전부재를 체결하는 체결력의 저하 요인이 되어도, 스페이서가 그 이상으로 열팽창하기 때문에 집전부재에 대한 압압작용이 유지된다.
또, 청구항 14에 기재한 바와 같이, 집전부재를 다공질 금속 또는 철망 또는 와이어 또는 펀칭메탈로 형성하면, 단순한 판재로 형성할 경우에 비해서 연료가스나 산화제 가스의 확산성이 향상된다.
또, 청구항 15에 기재한 바와 같이, 셀 본체 맞닿음부를 셀 본체의 공기극 및/또는 연료극의 표면에 접합한 경우에는, 온도사이클이나 연료압ㆍ공기압의 변동 등에 의한 셀 본체의 변형에 대해서 셀 본체 맞닿음부가 일체로 되어 추종하기 때문에 안정된 전기적 접속이 얻어진다.
또, 청구항 16에 기재한 바와 같이, 집전부재의 커넥터 맞닿음부를 인터커넥터에 접합하여 두면, 온도사이클이나 연료압ㆍ공기압의 변동 등에 의해 셀 본체에 변형이 발생되도, 커넥터 맞닿음부와 인터커넥터의 전기적 접속은 안정적으로 계속될 수 있다.
또, 청구항 17에 기재한 바와 같이, 집전부재를 상기 연료극과 상기 인터커넥터의 사이에 배치하여 Ni 또는 Ni합금으로 형성하면, 연료전지 셀을 조립한 후에 가열하는 것만으로 집전부재의 셀 본체 맞닿음부나 커넥터 맞닿음부를 연료극측의 셀 본체(연료극)나 인터커넥터에 접합할 수 있다.
즉, Ni 또는 Ni합금은 재질상, 연료극측의 셀 본체(연료극)나 인터커넥터와의 접합성이 우수하며, 게다가 집전부재의 셀 본체 맞닿음부나 커넥터 맞닿음부는 집전부재 자체의 탄성과 스페이서의 압압에 의해서 셀 본체나 인터커넥터에 확실하게 접촉하고 있기 때문에, 조립 완료 후에 가열하면 셀 본체 맞닿음부가 셀 본체의 연료극 속의 Ni과 확산 접합하고, 혹은 커넥터 맞닿음부가 인터커넥터에 확산 접합하여 일체로 된다. 이와 같이 셀 본체 맞닿음부나 커넥터 맞닿음부가 각각 셀 본체나 인터커넥터에 접합하여 일체로 되면, 셀 본체와 인터커넥터의 전기적 접속이 안정된다.
또한, 연료전지의 발전시의 온도는 700℃ 전후∼1000℃에 이르기 때문에, 발전시의 열로 셀 본체 맞닿음부나 커넥터 맞닿음부를 연료극측의 셀 본체나 인터커넥터에 접합할 수 있다. 따라서, 가열을 위한 공정을 생략하여 에너지를 절약할 수 있다.
또, 청구항 18에 기재한 연료전지 스택은 청구항 1∼16의 어느 한 항에 기재된 연료전지 셀을 복수개 적층하여 체결부재로 고정한 것이기 때문에, 장기의 사용에 있어서도 양호한 전기적 접속성이 유지 가능하다.
도 1은 실시형태 1의 연료전지의 사시도이다.
도 2는 실시형태 1의 연료전지 셀의 사시도이다.
도 3은 실시형태 1의 연료전지 셀의 분해 사시도이다.
도 4는 분해 부분을 압착한 실시형태 1의 연료전지 셀의 분해 사시도이다.
도 5는 실시형태 1의 연료전지 셀의 중간을 생략한 종단면도이다.
도 6은 도 5를 분해하여 나타내는 종단면도이다.
도 7은 도 5의 A-A선 단면도이다.
도 8은 도 5의 B-B선 단면도이다.
도 9는 실시형태 1의 집전부재의 사시도이다.
도 10은 (a)는 실시형태 1의 스페이서의 사시도, (b)는 실시형태 1의 집전부재의 스페이서 장착 전의 사시도이다.
도 11은 도 10의 (b)의 변형예를 나타내는 집전부재의 사시도이다.
도 12는 다른 형태(실시형태 2)에 관련되는 연료전지 셀의 중간을 생략한 종단면도이다.
도 13은 다른 형태(실시형태 2)에 관련되는 연료전지 셀의 중간을 생략한 종단면도이다.
도 14는 다른 형태(실시형태 2)에 관련되는 연료전지 셀의 중간을 생략한 종단면도이다.
도 15는 다른 형태(실시형태 2)에 관련되는 연료전지 셀의 중간을 생략한 종단면도이다.
도 16은 실시형태 3의 연료전지의 사시도이다.
도 17은 실시형태 3의 연료전지 셀의 사시도이다.
도 18은 실시형태 3의 연료전지 셀의 분해 사시도이다.
도 19는 분해 부분을 압착한 실시형태 3의 연료전지 셀의 분해 사시도이다.
도 20은 실시형태 3의 연료전지 셀의 중간을 생략한 종단면도이다.
도 21은 도 20을 분해하여 나타내는 종단면도이다.
도 22는 도 20의 A-A선 단면도이다.
도 23은 도 20의 B-B선 단면도이다.
도 24는 실시형태 3의 집전부재의 사시도이다.
도 25는 (a)은 실시형태 3의 스페이서의 사시도, (b)는 실시형태 3의 집전부재의 스페이서 장착 전의 사시도이다.
도 26은 도 10의 (b)의 변형예를 나타내는 집전부재의 사시도이다.
도 27은 집전부재와 스페이서에 대해서, 하중과 변위량의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 28은 다른 형태(실시형태 4)에 관련되는 연료전지 셀의 중간을 생략한 종단면도이다.
도 29는 다른 형태(실시형태 4)에 관련되는 연료전지 셀의 중간을 생략한 종단면도이다.
도 30은 다른 형태(실시형태 4)에 관련되는 연료전지 셀의 중간을 생략한 종단면도이다.
도 31은 다른 형태(실시형태 4)에 관련되는 연료전지 셀의 중간을 생략한 종단면도이다.
현재, 연료전지에는 전해질의 재질에 의해 대별하여, 고분자 전해질막을 전해질로 하는 고체 고분자형 연료전지(PEFC)와, 인산을 전해질로 하는 인산형 연료전지(PAFC)와, Li-Na/K계 탄산염을 전해질로 하는 용융 탄산염형 연료전지(MCFC)와, 예를 들면 ZrO2계 세라믹을 전해질로 하는 고체산화물형 연료전지(SOFC)의 4타입이 있다. 각 타입은 작동온도(이온이 전해질 속을 이동할 수 있는 온도)가 각각 다른 것이며, 현시점에 있어서, PEFC는 상온∼약 90℃, PAFC는 약 150℃∼200℃, MCFC는 약 650℃∼700℃, SOFC는 약 700℃∼1000℃이다.
[실시형태 1]　
도 1∼도 11에 나타낸 실시형태 1의 연료전지(1)는, 예를 들면 ZrO2계 세라믹을 전해질(2)로 하는 SOFC이다. 상기 연료전지(1)는 발전의 최소 단위인 연료전지 셀(3)과, 상기 연료전지 셀(3)에 공기를 공급하는 공기공급유로(4)와, 상기 공기를 외부로 배출하는 공기배기유로(5)와, 마찬가지로 연료전지 셀(3)에 연료가스를 공급하는 연료공급유로(6)와, 상기 연료가스를 외부로 배출하는 연료배기유로 (7)와, 상기 연료전지 셀(3)을 복수세트 적층하여 셀 군을 이루고, 상기 셀 군을 고정하여 연료전지 스택(8)을 이루는 고정부재(9)와, 연료전지 스택(8)을 수납하는 용기(10)와, 연료전지 스택(8)에서 발전한 전기를 출력하는 출력부재(11)로 개략 구성된다.
[연료전지 셀]
연료전지 셀(3)은 평면에서 보는 것(이하, “평면시(平面視)”라고도 한다)이 정방형이며, 도 3에 나타낸 바와 같이, 네모난 판 형태로 도전성을 가지는 페라이트계 스테인리스 등에 의해 형성된 위(※여기서의 「위」 또는 「아래」는 도면의 기재를 기준으로 하지만, 이것은 어디까지나 설명의 편의상의 것이며 절대적인 상하를 의미하지 않는다. 이하 동일.)의 인터커넥터(12)와, 마찬가지로 네모난 판 형태로 도전성을 가지는 페라이트계 스테인리스 등에 의해 형성된 아래의 인터커넥터(13)와, 상하의 인터커넥터(12, 13)의 거의 중간에 위치함과 아울러 전해질(2) 위의 인터커넥터(12)의 내면(하면)에 대향하는 면에 공기극(14)을 형성함과 아울러 아래의 인터커넥터(13)의 내면(상면)에 대향하는 면에 연료극(15)을 형성한 셀 본체(20)와, 위의 인터커넥터(12)와 공기극(14)의 사이에 형성된 공기실(16)과, 아래의 인터커넥터(13)와 연료극(15)의 사이에 형성된 연료실(17)과, 공기실(16)의 내부에 배치되어 공기극(14)과 위의 인터커넥터(12)를 전기적으로 접속하는 공기극 (14)측의 집전부재(18)와, 상기 연료실(17)의 내부에 배치되어 연료극(15)과 아래의 인터커넥터(13)를 전기적으로 접속하는 연료극(15)측의 집전부재(19)를 가지며, 정방형의 코너 부분에 상기 고정부재(9)의 후술하는 체결부재(46a∼46d)를 통과시키는 코너통공(通孔)(47, 47…)을 관통상태로 형성한 것이다.
[전해질]
상기 전해질(2)은 ZrO2계 세라믹 외에, LaGaO3계 세라믹, BaCeO3계 세라믹, SrCeO3계 세라믹, SrZrO3계 세라믹, CaZrO3계 세라믹 등으로 형성된다.
[연료극]
상기 연료극(15)의 재질은 Ni(니켈) 및 Fe(철) 등의 금속과, Sc(스칸듐), Y(이트륨) 등의 희토류 원소 중의 적어도 1종에 의해 안정화된 지르코니아 등의 ZrO2계 세라믹, CeO2계 세라믹 등의 세라믹 중의 적어도 1종의 혼합물을 들 수 있다. 또, 연료극(15)의 재질은 Pt(백금), Au(금), Ag(은), Pb(납), Ir(이리듐), Ru (루테늄), Rh(로듐), Ni 및 Fe 등의 금속이라도 좋고, 이들의 금속은 1종뿐이라도 좋으며, 2종 이상의 합금으로 해도 좋다. 또한, 이들의 금속 및/또는 합금과, 상기 세라믹의 각각의 적어도 1종의 혼합물(서멧(cermet)을 포함함.)을 들 수 있다. 또, Ni 및 Fe 등의 금속의 산화물과, 상기 세라믹의 각각의 적어도 1종의 혼합물 등을 들 수 있다.
[공기극]
상기 공기극(14)의 재질은 예를 들면 각종의 금속, 금속의 산화물, 금속의 복산화물 등을 이용할 수 있다. 상기 금속으로서는 Pt, Au, Ag, Pb, Ir, Ru 및 Rh 등의 금속 또는 2종 이상의 금속을 함유하는 합금을 들 수 있다. 또한, 금속의 산화물로서는 La(란탄), Sr(스트론튬), Ce(세륨), Co(코발트), Mn(망간) 및 Fe 등의 산화물(La2O3, SrO, Ce2O3, Co2O3, MnO2 및 FeO 등)을 들 수 있다. 또, 복산화물로서는, 적어도 La, Pr(프라세오디뮴), Sm(사마륨), Sr, Ba(바륨), Co, Fe 및 Mn 등을 함유하는 복산화물(La1 - XSrXCoO3계 복산화물, La1 - XSrXFeO3계 복산화물, La1 - XSrXCo1 - yFeO3계 복산화물, La1 - XSrXMnO3계 복산화물, Pr1 - XBaXCoO3계 복산화물 및 Sm1 -XSrXCoO3계 복산화물 등)을 들 수 있다.
[연료실]
상기 연료실(17)은 도 3∼도 5에 나타낸 바와 같이, 집전부재(19)의 주위를 둘러싸는 상태로 하여 아래의 인터커넥터(13)의 상면에 설치된 액자 형태의 연료극 가스유로 형성용 절연프레임(이하, 「연료극 절연프레임」이라고도 한다., 21)과, 액자 형태이며 상기 연료극 절연프레임(21)의 상면에 설치되는 연료극 프레임(22)에 의해서 네모난 방(room) 형상으로 형성되어 있다.
[연료실측의 집전부재]
연료실(17)측의 집전부재(19)는 예를 들면 Ni의 판재로 형성되어 있으며, 아래의 인터커넥터(13)에 맞닿는 커넥터 맞닿음부(19a)와, 셀 본체(20)의 연료극(15)에 맞닿는 셀 본체 맞닿음부(19b)와, 커넥터 맞닿음부(19a)와 셀 본체 맞닿음부 (19b)를 연결하는 U자 형상의 연접부(19c)가 일련으로 형성되고, 상기 연접부(19c)의 U자로 구부러진 부분의 탄성력에 의해 커넥터 맞닿음부(19a)와 셀 본체 맞닿음부(19b)가 각각 인터커넥터(13)와 셀 본체(20)를 향하여 탄지되고, 또한, 온도사이클이나 연료압ㆍ공기압 등의 변동에 의한 셀 본체(20)의 변형에 유연하게 추종할 수 있다.
또한, 연료실(17)측의 집전부재(19)는 상기와 같이 판재로 형성하는 경우 외에, 예를 들면 Ni제의 다공질 금속 또는 철망 또는 와이어 또는 펀칭메탈로 형성하도록 해도 좋다. 또, 연료실(17)측의 집전부재(19)는 Ni 외에, Ni합금이나 스테인리스강 등 산화에 강한 금속으로 형성하도록 해도 좋다.
상기 집전부재(19)는 연료실(17)에 수십∼백개 정도(물론 연료실의 크기에 의해 다름.) 설치되어 있으며, 그들을 개개로 인터커넥터(13) 위에 나열하여 용접(예를 들면 레이저용접이나 저항용접)하도록 해도 좋지만, 바람직하게는 도 10의 (b)에 나타낸 바와 같이 상기 판재를 연료실(17)에 정합하는 네모난 평판(19p)으로 가공하고, 상기 평판(19p)에 셀 본체 맞닿음부(19b)와 연접부(19c)에 대응하는 절삭선(19d)을 형성하며, 그렇게 해서 도 9의 확대부에 나타낸 바와 같이 연접부 (19c)를 U자 형상으로 구부려서 셀 본체 맞닿음부(19b)가 커넥터 맞닿음부(19a)의 상측에 간격(t, 도 5 확대부 참조)을 두고 덮이도록 되어 있다. 따라서, 셀 본체 맞닿음부(19b)를 구부려 세워서 남은 구멍난 상태의 평판(19p)이 커넥터 맞닿음부 (19a)의 집합체이며, 실시형태에서는 평판(19p)의 커넥터 맞닿음부(19a)가 아래의 인터커넥터(13)에 레이저용접이나 저항용접에 의해 접합되어 있다.
또한, 집전부재(19)의 상기 절삭선(19d)은 도 11에 나타낸 바와 같이, 셀 본체 맞닿음부(19b)와 연접부(19c)를 열(列)단위로 정리한 형태로 해도 좋다. 이렇게 함으로써 셀 본체 맞닿음부(19b)와 연접부(19c)의 가공이 효율 좋게 실시될 수 있다.
[스페이서]
상기 집전부재(19)에는 도 5에 나타낸 바와 같이 스페이서(58)가 병설되어 있다. 상기 스페이서(58)는 셀 본체(20)와 아래의 인터커넥터(13) 사이의 연료실 (17) 내에 있어서, 커넥터 맞닿음부(19a)와 셀 본체 맞닿음부(19b)의 사이를 가르도록 양자 사이에 배치되고, 적어도 연료전지 작동온도영역에서의 상기 스페이서 (58)의 열팽창에 의해서 셀 본체 맞닿음부(19b)와 커넥터 맞닿음부(19a)를 각각의 맞닿음 방향, 즉 셀 본체 맞닿음부(19b)를 셀 본체(20)를 향하여, 한편, 커넥터 맞닿음부(19a)를 인터커넥터(13)를 향하여 압압할 수 있도록 하기 위해, 연료전지 작동온도영역인 700℃∼1000℃에 있어서, 열팽창에 의해서 확대되는 상기 간격(t)을 가일층의 열팽창에 의해서 상회하는 두께와 재질로 형성되어 있다.
또한, 스페이서(58)의 두께는 연료전지 작동온도영역에서의 상태에서 셀 본체 맞닿음부(19b)와 커넥터 맞닿음부(19a)의 간격(t)을 상회하는 것이면 좋지만, 바람직하게는 연료전지 비작동시의 상온상태에서 적어도 셀 본체 맞닿음부(19b)와 커넥터 맞닿음부(19a)의 간격(t)과 거의 같게 하던지 또는 약간 크게 설정하는 것이 좋다. 그렇게 함으로써 발전개시에서 작동온도영역에 이를 때까지의 사이에 있어서도, 스페이서(58)에 의해서 커넥터 맞닿음부(19a)와 인터커넥터(13) 및 셀 본체 맞닿음부(19b)와 셀 본체(20)의 전기적 접촉을 안정적으로 할 수 있다.
또, 스페이서(58)는 집전부재(19)보다 유연한 재질, 즉 집전부재(19)보다 탄성량이 작은 재질이나 구조가 선정되어 있으며, 온도사이클이나 연료압ㆍ공기압의 변화에 의한 연료실(17)의 간격의 변동에 대해 집전부재(19)의 작동에 추종하여 상기 집전부재(19)의 기민한 작동을 방해하지 않도록 하고 있다.
또, 스페이서(58)는 연료전지 작동온도영역에서 집전부재(19)와 소결하지 않는 성질을 가진 재료로 형성되어 있으며, 따라서, 셀 본체 맞닿음부(19b)와 커넥터 맞닿음부(19a)가 직접 접촉하여 소결될 우려가 없는 것은 물론, 셀 본체 맞닿음부 (19b)와 커넥터 맞닿음부(19a)가 스페이서(58)를 통하여 소결될 우려도 없다.
이상의 조건을 만족하는 스페이서(58)의 재질로서는 마이카, 알루미나 펠트, 버미큘라이트, 카본섬유, 탄화규소섬유, 실리카의 어느 1종이던지, 혹은 복수종을 조합한 것이라도 좋다. 또, 이들을 예를 들면 마이카와 같은 얇은 판 형상체의 적층 구조로 하여 두면, 적층 방향으로의 하중에 대해 적당한 탄성이 부여되기 때문에 바람직하다. 이들의 재질에 의해 형성되는 스페이서(58)는 두께 방향(적층 방향)의 열팽창률이 후술하는 체결부재(46a∼46d)의 체결 방향의 열팽창률보다 높다.
이와 같이, 집전부재(19, 연결부재)에 더불어서 스페이서(58)에도 탄성력을 가지게하는 것에 의해, 접점의 유지상태가 한층 양호하게 유지된다.
또한, 실시형태의 집전부재(19)는 상기와 같이 커넥터 맞닿음부(19a)의 집합체인 평판(19p)으로 연결된 일체 구조로 되어 있으며, 이것에 맞추어서 스페이서 (58)도 도 10의 (a)에 나타낸 바와 같이, 평판(19p)과 거의 동일 폭으로 평판(19p)보다 약간 짧은[구체적으로는, 1개의{셀 본체 맞닿음부(19b)＋연접부(19c)}] 길이 상당 분량 짧은) 사각형으로 한 1장의 재료 시트로부터, 셀 본체 맞닿음부(19b)와 연접부(19c)에 대응하는 부분을 가로 1열분씩 정리하여 잘라내서 가로 격자 형상으로 형성되어 있다.
그리고, 상기 스페이서(58)를 집전부재(19)의 가공 전의 도 10의 (b)에 나타낸 평판(19p)에 겹치고, 그 상태에서 도 9의 확대부에 나타낸 바와 같이 연접부 (19c)를 U자 형상으로 구부리도록 하면, 미리 스페이서(58)를 삽입한 집전부재 (19)를 이룰 수 있다.
그런데, 도 9의 확대부에서는 셀 본체 맞닿음부(19b)가 왼쪽 코너부에 위치 하는 것에서 오른쪽을 향하여 단계적으로 구부러지는 상태로 되어 있지만, 이것은 단지 가공순서를 설명하기 위해서 표현한 것이며, 셀 본체 맞닿음부(19b)의 구부림 가공은 전부를 일제히 실시해도 좋고, 가공상 형편이 좋은 부분부터 순서로 실시해도 좋다.
[공기실]
상기 공기실(16)은 도 3∼도 5에 나타낸 바와 같이, 네모난 액자 형태이며 하면에 상기 전해질(2)이 장착된 도전성을 가지는 얇은 금속제의 세퍼레이터(23)와, 상기 세퍼레이터(23)와 위의 인터커넥터(12)의 사이에 설치되어 집전부재(18)의 주위를 둘러싸는 액자 형태의 공기극 가스유로 형성용 절연프레임(이하, 「공기극 절연프레임」이라고도 말함., 24)에 의해서 네모난 방 형상으로 형성되어 있다.
[공기실측의 집전부재]
공기실(16)측의 집전부재(18)는 길고 가느다란 각재(角材) 형상이며, 치밀한 도전부재인 예를 들면 스테인리스재로 형성되고, 전해질(2) 상면의 공기극(14)과 위의 인터커넥터(12)의 하면(내면)에 맞닿는 상태로 하여 복수개를 평행으로 또한 일정한 간격을 두고 배치 설치되어 있다. 또한, 공기실(16)측의 집전부재(18)는 연료실(17)측의 집전부재(19)와 같은 구조(후술하는 실시형태 2를 포함함.)로 해도 좋다.
이상과 같이 연료전지 셀(3)은 아래의 인터커넥터(13)와, 연료극 절연프레임 (21)과, 연료극 프레임(22)과, 세퍼레이터(23)와, 공기극 절연프레임(24)과, 위의 인터커넥터(12)의 조합에 의해서 연료실(17)과 공기실(16)을 형성하고, 상기 연료실(17)과 공기실(16)을 전해질(2)로 칸막이하여 상호 독립시키며, 또한, 연료극 절연프레임(21)과 공기극 절연프레임(24)으로 연료극(15)측과 공기극(14)측을 전기적으로 절연하고 있다.
또, 연료전지 셀(3)은 공기실(16)의 내부로 공기를 공급하는 공기공급유로 (4)를 포함하는 공기공급부(25)와, 공기실(16)로부터 공기를 외부로 배출하는 공기배기유로(5)를 포함하는 공기배기부(26)와, 연료실(17)의 내부로 연료가스를 공급하는 연료공급유로(6)를 포함하는 연료공급부(27)와, 연료실(17)로부터 연료가스를 외부로 배출하는 연료배기유로(7)를 포함하는 연료배기부(28)를 구비하고 있다.
[공기공급부]
공기공급부(25)는 네모난 연료전지 셀(3)의 일변측 중앙에 상하 방향으로 개설(開設)한 공기공급통공(29)과, 상기 공기공급통공(29)에 연통하도록 공기극 절연프레임(24)에 개설한 긴 구멍 형상의 공기공급연락실(30)과, 상기 공기공급연락실 (30)과 공기실(16)의 사이를 칸막이하는 격벽(31)의 상면을 복수개 등간격으로 오목하게 하여 형성한 공기공급연락부(32)와, 상기 공기공급통공(29)에 삽입하여 외부로부터 상기 공기공급연락실(30)로 공기를 공급하는 상기 공기공급유로(4)를 구비하고 있다.
[공기배기부]
공기배기부(26)는 연료전지 셀(3)의 공기공급부(25)의 반대측의 일변측 중앙에 상하 방향으로 개설한 공기배기통공(33)과, 상기 공기배기통공(33)에 연통하도록 공기극 절연프레임(24)에 개설한 긴 구멍 형상의 공기배기연락실(34)과, 공기배기연락실(34)과 공기실(16)의 사이를 칸막이하는 격벽(35)의 상면을 복수개 등간격으로 오목하게 하여 형성한 공기배기연락부(36)와, 상기 공기배기통공(33)에 삽입하여 공기배기연락실(34)로부터 외부로 공기를 배출하는 관 형상의 상기 공기배기유로(5)를 구비하고 있다.
[연료공급부]
연료공급부(27)는 네모난 연료전지 셀(3)의 나머지 2변 중의 일변측 중앙에 상하 방향으로 개설한 연료공급통공(37)과, 상기 연료공급통공(37)에 연통하도록 연료극 절연프레임(21)에 개설한 긴 구멍 형상의 연료공급연락실(38)과, 상기 연료공급연락실(38)과 연료실(17)의 사이를 칸막이하는 격벽(39)의 상면을 복수개 등간격으로 오목하게 하여 형성한 연료공급연락부(40)와, 상기 연료공급통공(37)에 삽입하여 외부로부터 상기 연료공급연락실(38)로 연료가스를 공급하는 관 형상의 상기 연료공급유로(6)를 구비하고 있다.
[연료배기부]
연료배기부(28)는 연료전지 셀(3)의 연료공급부(27)의 반대측의 일변측 중앙에 상하 방향으로 개설한 연료배기통공(41)과, 상기 연료배기통공(41)에 연통하도록 연료극 절연프레임(21)에 개설한 긴 구멍 형상의 연료배기연락실(42)과, 상기 연료배기연락실(42)과 연료실(17)의 사이를 칸막이하는 격벽(43)의 상면을 복수개 등간격으로 오목하게 하여 형성한 연료배기연락부(44)와, 상기 연료배기통공(41)에 삽입하여 연료배기연락실(42)로부터 외부로 연료가스를 배출하는 관 형상의 연료배기유로(7)를 구비하고 있다.
[연료전지 스택]
연료전지 스택(8)은 상기 연료전지 셀(3)을 복수세트 적층하여 셀 군을 이루고, 상기 셀 군을 고정부재(9)로 고정하여 구성된다. 또한, 연료전지 셀(3)을 복수세트 적층한 경우에 있어서, 아래에 위치하는 연료전지 셀(3)의 위의 인터커넥터 (12)와, 그 위에 얹어 놓는 연료전지 셀(3)의 아래의 인터커넥터(13)는 일체로 하여 그 1장을 상하의 연료전지 셀(3, 3)끼리로 공유한다.
상기 고정부재(9)는 셀 군의 상하를 사이에 두는 1쌍의 엔드 플레이트(45a, 45b)와, 상기 엔드 플레이트(45a, 45b)와 셀 군을 엔드 플레이트(45a, 45b)의 코너 구멍(도시생략)과 셀 군의 상기 코너통공(47)에 볼트를 통하여 너트로 체결하는 4조의 체결부재(46a∼46d)를 조합한 것이다. 체결부재(46a∼46d)의 재질은 예를 들면 인코넬601이다.
상기 연료전지 스택(8)에 대해 상기 공기공급유로(4)는 엔드 플레이트(45a, 45b)의 통공(도시생략)과 셀 군의 상기 공기공급통공(29)을 상하로 관통하는 상태로 하여 장착되어 있으며, 관 형상 유로의 단부를 닫고 상기 공기공급연락실(30)마다에 대응시켜 도 7에 나타낸 바와 같이 가로구멍(48)을 설치함으로써, 상기 가로구멍(48)을 통하여 공기공급연락실(30)로 공기가 공급되도록 되어 있다.
마찬가지로 공기배기유로(5)는 공기배기연락실(34)마다에 대응시킨 가로구멍 (49)으로부터 공기를 취입(取入)하여 외부로 배출하고, 연료공급유로(6)는 도 8에 나타낸 바와 같이 연료공급연락실(38)마다에 대응시킨 가로구멍(50)으로부터 연료가스를 공급하며, 연료배기유로(7)는 연료배기연락실(42)마다에 대응시킨 가로구멍 (51)으로부터 연료가스를 취입하여 외부로 배출한다.
[용기]
연료전지 스택(8)을 수납하는 용기(10)는 내열 또한 밀폐 구조이며, 도 1에 나타낸 바와 같이, 개구부에 플랜지(52a, 52b)를 가지는 2개의 반할체(半割體, 53a, 53b)를 서로 마주보게 하여 접합한 것이다. 상기 용기(10)의 정상부로부터 상기 체결부재(46a∼46d)의 볼트가 외부로 돌출되어 있으며, 상기 체결부재(46a∼46d)의 돌출 부분에 너트(54)를 나사 결합시켜 연료전지 스택(8)을 용기(10) 내에 고정한다. 또, 용기(10)의 정상부로부터 상기 공기공급유로(4), 공기배기유로(5), 연료공급유로(6), 연료배기유로(7)도 외부로 돌출되어 있으며, 상기 돌출 부분에 공기나 연료가스의 공급원 등이 접속되어 있다.
[출력부재]
연료전지 스택(8)에서 발전한 전기를 출력하는 출력부재(11)는 연료전지 스택(8)의 코너 부분에 위치하는 상기 체결부재(46a∼46d)와 상기 엔드 플레이트 (45a, 45b)이며, 대각선상에서 서로 마주보는 1쌍의 체결부재(46a, 46c)를 양극인 위의 엔드 플레이트(45a)에 전기적으로 접속하고, 또, 다른 1쌍의 체결부재(46b, 46d)를 음극인 아래의 엔드 플레이트(45b)에 전기적으로 접속한다. 물론 양극에 접속된 체결부재(46a, 46d)나 음극에 접속된 체결부재(46b, 46c)는 타극(他極)의 엔드 플레이트{45a(45b)}에 대해서는 절연와셔(55, 도 1 참조)를 개재시키고, 또, 연료전지 스택(8)에 대해서는 코너통공(47)과의 사이에 틈새를 설치하는 등으로 하여 절연되어 있다. 따라서, 고정부재(9)의 체결부재(46a, 46c)는 위의 엔드 플레이트 (45a)에 연결된 양극의 출력단자로서도 기능하고, 또, 다른 체결부재(46b, 46d)는 아래의 엔드 플레이트(45b)에 연결된 음극의 출력단자로서도 기능한다.
[발전]
상기 연료전지(1)의 공기공급유로(4)에 공기를 공급하면, 상기 공기는 도 7의 우측에서 좌측으로 흐르고, 우측의 공기공급유로(4)와, 공기공급연락실(30)과, 공기공급연락부(32)로 이루어지는 공기공급부(25)를 통하여 공기실(16)로 공급되며, 상기 공기실(16)의 집전부재(18)끼리 사이의 가스유로(56)를 빠져 나가고, 또한, 공기배기연락부(36)와, 공기배기연락실(34)과, 공기배기유로(5)로 이루어지는 공기배기부(26)를 통하여 외부로 배출된다.
동시에 연료전지(1)의 연료공급유로(6)에 연료가스로서 예를 들면 수소를 공급하면, 상기 연료가스는 도 8의 상측에서 하측으로 흐르고, 상측의 연료공급유로 (6)와, 연료공급연락실(38)과, 연료공급연락부(40)로 이루어지는 연료공급부(27)를 통하여 연료실(17)로 공급되며, 상기 연료실(17)의 집전부재(19, 19…)의 사이, 엄밀하게는 셀 본체 맞닿음부(19b, 19b…)끼리 사이의 가스유로{57, 도 8에 있어서, 연료실(17) 내의 비사선부 참조}를 확산하면서 빠져 나가고, 또한, 연료배기연락부 (44)와, 연료배기연락실(42)과, 연료배기유로(7)로 이루어지는 연료배기부(28)를 통하여 외부로 배기된다.
또한, 이때 집전부재(19)가 상기와 같이 다공질 금속 또는 철망 또는 와이어 또는 펀칭메탈로 형성되어 있으면, 가스유로(57)의 표면이 요철로 되기 때문에 연료가스의 확산성이 향상된다.
이와 같은 공기와 연료가스의 공급ㆍ배기를 실시하면서 상기 용기(10) 내의 온도를 700℃∼1000℃까지 상승시키면, 공기와 연료가스가 공기극(14)과 전해질(2)과 연료극(15)을 통하여 반응을 일으키기 때문에, 공기극(14)을 양극, 연료극(15)을 음극으로 하는 직류의 전기에너지가 발생된다. 또한, 연료전지 셀(3) 내에서 전기에너지가 발생되는 원리는 주지이기 때문에 설명을 생략한다.
상기와 같이 공기극(14)은 집전부재(18)를 통하여 위의 인터커넥터(12)에 전기적으로 접속되고, 한편, 연료극(15)은 집전부재(19)를 통하여 아래의 인터커넥터 (13)에 전기적으로 접속되어 있으며, 또, 연료전지 스택(8)은 복수의 연료전지 셀 (3)을 적층하여 직렬로 접속된 상태이기 때문에, 위의 엔드 플레이트(45a)가 양극으로, 아래의 엔드 플레이트(45b)가 음극이 되고, 그 전기에너지가 출력단자로서도 기능하는 체결부재(46a∼46d)를 통하여 외부로 취출(取出)된다.
이상과 같이 연료전지는 발전시에 온도가 상승하고, 발전정지에 의해 온도가 하강한다고 하는 온도사이클을 반복한다. 따라서, 연료실(17)이나 공기실(16)을 구성하는 모든 부재나 상기 체결부재(46a∼46d)에 대해서 열팽창과 수축이 반복되고, 그것에 수반하여 연료실(17)이나 공기실(16)의 간격도 확대와 축소가 반복된다.
또, 연료압이나 공기압도 변동하는 경우가 있으며, 그 압력의 변동으로 셀 본체(20)가 변형되는 것에 의해서도 연료실(17)이나 공기실(16)의 간격이 확대 또는 축소된다.
이와 같은 연료실(17)이나 공기실(16)의 확대 방향의 변화에 대해서, 실시형태 1에서는 연료실(17)측의 집전부재(19)가 연접부(19c)의 탄성력과 스페이서(58)의 적층 방향의 탄성력과 동일 방향의 열팽창에 의해서 셀 본체(20)를 압압하기 때문에 전기적 접속이 안정적으로 유지된다. 상기 집전부재(19)에 의한 셀 본체(20)의 압압은 공기실(16)측에도 영향을 주기 때문에, 공기실(16)의 전기적 접속도 안정적으로 유지된다.
또, 연료실(17)이나 공기실(16)의 축소 방향의 변화에 대해서, 연료실(17)측의 집전부재(19)의 연접부(19c)의 탄성력과, 스페이서(58)의 수축에 의해서 셀 본체(20)에 가해지는 응력이 완화된다.
한편, 집전부재(19)의 연결부(19c)에 충분한 탄성력을 가지게 한 것, 및 스페이서(58)에 탄성력을 가지게 한 것에 의해, 금속인 집전부재(19)의 탄성력이 온도상승이나 고온 등의 상황(예를 들면, 발전승온시)하에서, 크리프의 영향을 받았다고 해도, 접점의 상태를 양호하게 유지할 수 있다.
그래서, 집전부재(19)를 Ni로, 스페이서(58)를 마이카로 형성하여 실험용의 연료전지를 제조하고, 상기 연료전지로 발전하여 집전부재(19) 및 스페이서(58)의 탄성과 접점의 유지상태의 관계에 대해서 확인했다.
그 결과, 집전부재(19)는 스페이서(58)를 구성하는 마이카보다도 충분한 탄성력을 가지게 한 것에 의해, 스택의 조립시 혹은(발전 후 등의) 강온시에 연료실 (17)이나 공기실(16)이 축소 방향으로 변형해도, 접점의 상태가 양호하게 유지되었다.
한편, (발전개시 등의) 승온시에서는, 집전부재(19)가 열에 의해 크리프의 영향을 받아 탄성력이 약해져도 스페이서(58)의 열팽창에 의해 보강되어 전체적으로 전기적 접속을 얻기 위한 충분한 접촉력이 유지되기 때문에, 연료실(17)이나 공기실(16)의 확대 방향의 변형에 대해서도 접점의 상태는 양호하게 유지되었다.
또, 연료극(15)측의 집전부재(19)가 Ni이던지 또는 Ni합금이면, 발전시의 고온환경하에서 셀 본체 맞닿음부(19b)가 연료극(15) 속의 Ni과 확산 접합하여 일체로 된다. 따라서 집전부재(19)에 의한 전기적 접속이 더욱 안정적으로 유지된다.
또한, 바람직하게는 연료극(15)에 NiO페이스트를 도포하여 접합층을 형성하여 두면 좋다. 그렇게 함으로써 H2속의 통전으로 NiO가 Ni로 되기 때문에 집전부재 (19)와 연료극(15)의 접합성이 더욱더 향상된다. 상기 접합층은 연료극(15)에 Pt페이스트를 도포하는 것에 의해서 형성해도 좋다.
또, 실시형태 1에서는 아래의 인터커넥터(13)에 커넥터 맞닿음부(19a)의 집합체인 평판(19p)을 용접하여 접합하도록 했지만, 상기 인터커넥터(13)와 평판 (19p)의 재질을 발전시의 고온환경하에서 확산 접합할 수 있는 조합(예를 들면 Crofer22H와 Ni)으로 하던지, 혹은 아래의 인터커넥터(13)의 내면측에 상기와 같은 접합층을 형성하도록 하여 두면, 발전시의 고온환경하에서 인터커넥터(13)와 집전부재(19)를 접합하여 일체로 할 수 있다.
[실시형태 2]
도 12∼도 15는 실시형태 2를 나타내는 연료전지 셀(3)의 중간 생략 종단면도이다. 실시형태 1은 집전부재(19)의 연접부(19c)를 U자 형상으로 구부려 커넥터 맞닿음부(19a)의 상측에 셀 본체 맞닿음부(19b)를 배치함과 아울러 커넥터 맞닿음부(19a)와 셀 본체 맞닿음부(19b)의 사이에 스페이서(58)를 개재시키도록 했지만, 실시형태 2에서는 연접부(19c)를 비스듬히 하여 도 12와 같이 커넥터 맞닿음부 (19a)와 셀 본체 맞닿음부(19b)의 상하 위치를 완전히 다르게 하던지 또는 도 13과 같이 집전부재(19)를 단면 대략 Z자 형상으로 하여 커넥터 맞닿음부(19a)와 셀 본체 맞닿음부(19b)의 일부가 상하 위치를 다르게 하여 겹치도록 배치하고, 그렇게 해서 커넥터 맞닿음부(19a)와 셀 본체(20) 및 셀 본체 맞닿음부(19b)와 인터커넥터 (13)의 사이를 가르도록 상기 스페이서(58)를 배치한 것이다. 또, 도 14와 같이 스페이서(58)를 커넥터 맞닿음부(19a)와 셀 본체(20)의 사이를 가르도록 개재시키던지, 혹은 도 15와 같이 스페이서(58)를 셀 본체 맞닿음부(19b)와 인터커넥터(13)의 사이를 가르도록 개재시킬 수도 있다.
실시형태 1과 실시형태 2의 구성의 상위는 이상과 같으며, 그 이외의 점에 대해서는 실시형태 1과 같기 때문에 상세한 설명을 생략한다.
[실시형태 3]　
도 16∼도 26에 나타낸 실시형태 3의 연료전지(1)는 예를 들면 ZrO2계 세라믹을 전해질(2)로 하는 SOFC이다. 상기 연료전지(1)는 발전의 최소 단위인 연료전지 셀(3)과, 상기 연료전지 셀(3)에 공기를 공급하는 공기공급유로(4)와, 상기 공기를 외부로 배출하는 공기배기유로(5)와, 마찬가지로 연료전지 셀(3)에 연료가스를 공급하는 연료공급유로(6)와, 상기 연료가스를 외부로 배출하는 연료배기유로 (7)와, 상기 연료전지 셀(3)을 복수세트 적층하여 셀 군을 이루고 상기 셀 군을 고정하여 연료전지 스택(8)을 이루는 고정부재(9)와, 연료전지 스택(8)을 수납하는 용기(10)와, 연료전지 스택(8)에서 발전한 전기를 출력하는 출력부재(11)로 개략 구성된다.
또한, 실시형태 1과 공통되는 구성, 부재 및 발전 등에 대한 상세한 설명은 생략하고, 다른 점을 중심으로 설명한다. 또한, 실시형태 3에 있어서, 집전부재 (180, 190), 커넥터 맞닿음부(190a), 셀 본체 맞닿음부(190b), 연접부(190c), 절삭선(190d), 평판(190p), 스페이서(580) 이외의 실시형태 1과 공통되는 부재에 대해서는 같은 부호를 이용한다.
[연료전지 셀]
연료전지 셀(3)은 평면시 정방형이며, 도 18에 나타낸 바와 같이, 네모난 판 형태로 도전성을 가지는 페라이트계 스테인리스 등에 의해 형성된 위의 인터커넥터 (12)와, 마찬가지로 네모난 판 형태로 도전성을 가지는 페라이트계 스테인리스 등에 의해 형성된 아래의 인터커넥터(13)와, 상하의 인터커넥터(12, 13)의 거의 중간에 위치함과 아울러 전해질(2) 위의 인터커넥터(12)의 내면(하면)에 대향하는 면에 전극(공기극, 14)을 형성함과 아울러 아래의 인터커넥터(13)의 내면(상면)에 대향하는 면에 다른 일측의 전극(연료극, 15)을 형성한 셀 본체(20)와, 위의 인터커넥터(12)와 공기극(14)의 사이에 형성된 공기실(16)과, 아래의 인터커넥터(13)와 연료극(15)의 사이에 형성된 연료실(17)과, 공기실(16)의 내부에 배치되어 공기극 (14)과 위의 인터커넥터(12)를 전기적으로 접속하는 공기극(14)측의 집전부재 (180)와, 상기 연료실(17)의 내부에 배치되어 연료극(15)과 아래의 인터커넥터(13)를 전기적으로 접속하는 연료극(15)측의 집전부재(190)를 가지며, 정방형의 코너 부분에 상기 고정부재(9)의 후술하는 체결부재(46a∼46d)를 통과시키는 코너통공 (47, 47…)을 관통상태로 형성한 것이다.
[연료실측의 집전부재]
연료실(17)측의 집전부재(190)는 예를 들면 진공 중 1000℃로 1시간의 열처리를 하여 소둔(燒鈍, HV경도로 200 이하)을 실시한 Ni로 형성되어 있으며, 아래의 인터커넥터(13)에 맞닿는 커넥터 맞닿음부(190a)와, 셀 본체(20)의 연료극(15)에 맞닿는 셀 본체 맞닿음부(190b)와, 커넥터 맞닿음부(190a)와 셀 본체 맞닿음부 (190b)를 연결하는 U자 형상의 연접부(190c)가 일련으로 형성되어 있다. 실시형태의 집전부재(190)는 두께 30㎛ 정도의 박재(箔材)로 형성되어 있으며, 따라서 연접부(190c)는 면과 교차하는 방향에 대해서 굴곡 신장이 가능하며 또한 굴곡 신장에 대한 반발력이 거의 발생하지 않는다.
또한, 연료실(17)측의 집전부재(190)는 상기와 같이 박재로 형성하는 경우 외에, 예를 들면 Ni제의 다공질 금속 또는 철망 또는 와이어 또는 펀칭메탈로 형성하도록 해도 좋다. 또, 연료실(17)측의 집전부재(190)는 Ni 외에, Ni합금이나 스테인리스강 등 산화에 강한 금속으로 형성하도록 해도 좋다.
상기 집전부재(190)는 연료실(17)에 수십∼백개 정도(물론 연료실의 크기에 의해 다름.) 설치되어 있으며, 그들을 개개로 인터커넥터(13) 위에 나열하여 용접(예를 들면 레이저용접이나 저항용접)하도록 해도 좋지만, 바람직하게는 도 25의 (b)에 나타낸 바와 같이 상기 박재를 연료실(17)에 정합하는 네모난 평판(190p)으로 가공하고, 상기 평판(190p)에 셀 본체 맞닿음부(190b)와 연접부(190c)에 대응하는 절삭선(190d)을 형성하며, 그렇게 해서 도 24의 확대부에 나타낸 바와 같이 연접부(190c)를 U자 형상으로 구부려서 셀 본체 맞닿음부(190b)가 커넥터 맞닿음부 (190a)의 상측에 간격(t, 도 20 확대부 참조)을 두고 덮이도록 되어 있다. 따라서, 셀 본체 맞닿음부(190b)를 구부려 세워서 남은 구멍난 상태의 평판(190p)이 커넥터 맞닿음부(190a)의 집합체이며, 실시형태에서는 평판(190p)의 커넥터 맞닿음부 (190a)가 아래의 인터커넥터(13)에 레이저용접이나 저항용접에 의해 접합되어 있다.
또한, 집전부재(190)의 상기 절삭선(190d)은 도 26에 나타낸 바와 같이, 셀 본체 맞닿음부(190b)와 연접부(190c)를 열(列)단위로 정리한 형태로 해도 좋다. 이렇게 함으로써 셀 본체 맞닿음부(190b)와 연접부(190c)의 가공이 효율 좋게 실시된다.
[스페이서]
상기 집전부재(190)에는 도 20에 나타낸 바와 같이 스페이서(580)가 병설되어 있다. 상기 스페이서(580)는 셀 본체(20)와 아래의 인터커넥터(13) 사이의 연료실(17) 내에 있어서, 커넥터 맞닿음부(190a)와 셀 본체 맞닿음부(190b)의 사이를 가르도록 양자 사이에 배치되고, 두께 방향으로 탄성력을 가지며, 적어도 연료전지 작동온도영역에서의 상기 스페이서(580)의 두께 방향의 열팽창에 의해서 셀 본체 맞닿음부(190b)와 커넥터 맞닿음부(190a)를 각각의 맞닿음 방향, 즉 셀 본체 맞닿음부(190b)를 셀 본체(20)를 향하여, 한편, 커넥터 맞닿음부(190a)를 인터커넥터 (13)를 향하여 압압할 수 있도록 하기 위해, 연료전지 작동온도영역인 700℃∼1000℃에 있어서, 열팽창에 의해서 확대되는 상기 간격(t)을 가일층의 열팽창에 의해서 상회하는 두께와 재질로 형성되어 있다.
또한, 스페이서(580)의 두께는 연료전지 작동온도영역에서의 상태에서 셀 본체 맞닿음부(190b)와 커넥터 맞닿음부(190a)의 간격(t, 도 20 참조)을 상회하는 것이면 좋지만, 바람직하게는 연료전지 비작동시의 상온상태에서 적어도 셀 본체 맞닿음부(190b)와 커넥터 맞닿음부(190a)의 간격(t)과 거의 같게 하던지 또는 약간 크게 설정하는 것이 좋다. 그렇게 함으로써 발전개시에서 작동온도영역에 이를 때까지의 사이에 있어서도, 스페이서(580)에 의해서 커넥터 맞닿음부(190a)와 인터커넥터(13) 및 셀 본체 맞닿음부(190b)와 셀 본체(20)의 전기적 접촉을 안정적으로 할 수 있다.
또, 스페이서(580)는 두께 방향에 대해서 집전부재(190)보다 큰 탄성량을 가지는 재질이 선정되어 있으며, 온도사이클이나 연료압ㆍ공기압의 변화에 의한 연료실(17)의 간격의 변동에 대해 비교적 탄성량이 작은 집전부재(190)에 비해 두께가 크게 증감한다. 구체적으로는 연료실(17)의 상기 간격의 축소에 대해서 두께 방향으로 축소되어 완충작용을 발휘하고, 그렇게 해서 셀 본체(20)의 균열을 방지하며, 반대로, 상기 간격의 확대에 대해서 두께 방향으로의 복원력으로 전기적 접점을 안정시킨다.
여기서, 스페이서(580)와 집전부재(190)의 탄성량의 구체적인 비교방법은 다음과 같은 압축시험에서 탄성량을 계측함으로써 실시할 수 있다.
우선, 스페이서(580)와 집전부재(190)의 각각에 대해서 압축시험용의 시료를 준비한다. 사이즈는 실제의 스페이서(580)와 집전부재의 접촉면적에 맞추어 6.5㎜×4㎜로, 두께는 실제의 스페이서 두께 0.4㎜와 집전부재 두께 30㎛로 했다. 여기서 스페이서(580), 집전부재(190)의 두께는 사용시의 형상에 맞추는 것이 바람직하고, 크기는 양자가 같으면 임의의 사이즈로 상관없다.
다음에, 압축시험기로, 시료를 10㎏으로 압축하고, 그때의 두께의 변위량(㎜)을 측정하여, 최대 변위량으로 한다.
또한, 10㎏의 압축을 개방하고, 최대 변위량으로부터의 복원 변위량(도 27의 그래프 참조)을 측정한다.
또한, 두께가 30㎛로 얇은 집전부재(190) 등은 변위량이 약간이며, 압축시험기의 정밀도에 의해서는 측정할 수 없는 일이 있다. 그 경우는, 두께가 얇은 집전부재(190)를 몇 장(예를 들면 10장)을 겹쳐서 상기 압축시험을 실시하고, 얻어진 변위량을 겹친 장수로 나누어, 최대 변위량과 복원 변위량을 측정할 수 있다.
사용시의 형상의 시료이면, 복원 변위량이 큰 것이 탄성량이 큰 것을 의미하고, 반대로 복원 변위량이 작은 것이 탄성량이 작은 것을 의미한다.
본 발명의 스페이서(580)와 집전부재(190)에 대해서 상기 시험을 실시한 경우, 도 27의 그래프에 나타낸 바와 같이, 집전부재(190)에 대해서 스페이서(580)가 압도적으로 큰 변위량을 나타낸다.
또, 스페이서(580)는 연료전지 작동온도영역에서 집전부재(190)와 소결하지 않는 성질을 가진 재료로 형성되어 있으며, 따라서, 셀 본체 맞닿음부(190b)와 커넥터 맞닿음부(190a)가 직접 접촉하여 소결될 우려가 없는 것은 물론, 셀 본체 맞닿음부(190b)와 커넥터 맞닿음부(190a)가 스페이서(580)를 통하여 소결될 우려도 없다.
이상의 조건을 만족하는 스페이서(580)의 재질로서는, 마이카, 알루미나 펠트, 버미큘라이트, 카본섬유, 탄화규소섬유, 실리카의 어느 1종이던지, 혹은 복수종을 조합한 것이라도 좋다. 또, 이들을 예를 들면 마이카와 같은 얇은 판 형상체의 적층 구조로 하여 두면, 적층 방향으로의 하중에 대해 적당한 탄성이 부여된다. 또한, 이들의 재질에 의해 형성되는 스페이서(580)는 두께 방향(적층 방향)의 열팽창률이 후술하는 체결부재(46a∼46d)의 축 방향의 열팽창률보다 높아지도록 되어 있다.
또한, 실시형태의 집전부재(190)는 상기와 같이 커넥터 맞닿음부(190a)의 집합체인 평판(190p)으로 연결된 일체 구조로 되어 있으며, 이것에 맞추어 스페이서 (580)도 도 25의 (a)에 나타낸 바와 같이, 평판(190p)과 거의 동일 폭으로 평판 (190p)보다 약간 짧은{구체적으로는, 1개의(셀 본체 맞닿음부(190b)＋연접부 (190c)} 길이 상당 분량 짧은)} 사각형으로 한 1장의 재료 시트로부터, 셀 본체 맞닿음부(190b)와 연접부(190c)에 대응하는 부분을 가로 1열분씩 정리하여 잘라내서 가로 격자 형상으로 형성되어 있다.
그리고, 상기 스페이서(580)를 집전부재(190)의 가공 전의 도 25의 (b)에 나타낸 평판(190p)에 겹치고, 그 상태에서 도 24의 확대부에 나타낸 바와 같이 연접부(190c)를 U자 형상으로 구부리도록 하면, 미리 스페이서(580)를 삽입한 집전부재 (190)를 이룰 수 있다.
그런데 도 24의 확대부에서는 셀 본체 맞닿음부(190b)가 왼쪽 코너부에 위치하는 것에서 오른쪽을 향하여 단계적으로 구부러지는 상태로 되어 있지만, 이것은 단지 가공순서를 설명하기 위해서 표현한 것이며, 셀 본체 맞닿음부(190b)의 휨 가공은 전부를 일제히 실시해도 좋고, 가공상 형편이 좋은 부분부터 순서로 실시해도 좋다.
[공기실측의 집전부재]
공기실(16)측의 집전부재(180)는 길고 가는다란 각재 형상이며, 치밀한 도전부재인 예를 들면 스테인리스재로 형성되고, 전해질(2) 상면의 공기극(14)과 위의 인터커넥터(12)의 하면(내면)에 맞닿는 상태로 하여 복수개를 평행으로 또한 일정한 간격을 두고 배치 설치되어 있다. 또한, 공기실(16)측의 집전부재(180)는 연료실(17)측의 집전부재(190)와 같은 구조(후술하는 실시형태 4를 포함함.)로 해도 좋다.
이상과 같이 연료전지는 발전시에 온도가 상승하고, 발전정지에 의해 온도가 하강한다고 하는 온도사이클을 반복한다. 따라서, 연료실(17)이나 공기실(16)을 구성하는 모든 부재나 상기 체결부재(46a∼46d)에 대해 열팽창과 수축이 반복되고, 그것에 수반하여 연료실(17)이나 공기실(16)의 간격도 확대와 축소가 반복된다.
또, 연료압이나 공기압도 변동하는 경우가 있으며, 그 압력의 변동으로 셀 본체(20)가 변형되는 것에 의해서도 연료실(17)이나 공기실(16)의 간격이 확대 또는 축소된다.
이와 같은 연료실(17)이나 공기실(16)의 확대 방향의 변화에 대해서, 실시형태 3에서는 연료실(17)측의 집전부재(190)가 단지 스페이서(580)의 적층 방향{=두께 방향 또는 체결부재(46a∼46d)의 체결 방향}의 탄성력과 동일 방향의 열팽창에 의해서 셀 본체(20)를 압압하기 때문에 전기적 접점이 안정적으로 유지된다. 상기 집전부재(190)에 의한 셀 본체(20)의 압압은 공기실(16)측에도 영향을 주기 때문에, 공기실(16)의 전기적 접점도 안정적으로 유지된다.
또, 연료실(17)이나 공기실(16)의 축소 방향의 변화에 대해서, 연료실(17)측의 단지 스페이서(580)의 수축에 의해서 셀 본체(20)에 가해지는 응력이 완화된다.
또, 연료극(15)측의 집전부재(190)가 Ni이던지 또는 Ni합금이면, 발전시의 고온환경하에서 셀 본체 맞닿음부(190b)가 연료극(15) 속의 Ni과 확산 접합하여 일체로 된다. 따라서 집전부재(190)에 의한 전기적 접속이 더욱 안정적으로 유지된다.
또한, 바람직하게는 연료극(15)에 NiO페이스트를 도포하여 접합층을 형성하여 두면 좋다. 그렇게 함으로써 H2속의 통전으로 NiO가 Ni로 되기 때문에 집전부재(190)와 연료극(15)의 접합성이 더욱더 향상된다. 상기 접합층은 연료극(15)에 Pt페이스트를 도포하는 것에 의해서 형성해도 좋다.
또, 실시형태 3에서는 아래의 인터커넥터(13)에 커넥터 맞닿음부(190a)의 집합체인 평판(190p)을 용접하여 접합하도록 했지만, 상기 인터커넥터(13)와 평판 (190p)의 재질을 발전시의 고온환경하에서 확산 접합할 수 있는 조합(예를 들면 Crofer22H와 Ni)으로 하던지, 혹은 아래의 인터커넥터(13)의 내면측에 상기와 같은 접합층을 형성하도록 하여 두면, 발전시의 고온환경하에서 인터커넥터(13)와 집전부재(190)을 접합하여 일체로 할 수 있다.
[실시형태 4]
도 28∼도 31은 실시형태 4를 나타내는 연료전지 셀(3)의 중간 생략 종단면도이다. 실시형태 3은 집전부재(190)의 연접부(190c)를 U자 형상으로 구부려 커넥터 맞닿음부(190a)의 상측에 셀 본체 맞닿음부(190b)를 배치함과 아울러 커넥터 맞닿음부(190a)와 셀 본체 맞닿음부(190b)의 사이에 스페이서(580)를 개재시키도록 했지만, 실시형태 2에서는 연접부(190c)를 비스듬히 하여 도 28과 같이 커넥터 맞닿음부(190a)와 셀 본체 맞닿음부(190b)의 상하 위치를 완전히 다르게 하던지 또는 도 29와 같이 집전부재(190)를 단면 대략 Z자 형상으로 하여 커넥터 맞닿음부 (190a)와 셀 본체 맞닿음부(190b)의 일부가 상하 위치를 다르게 하여 겹치도록 배치하고, 그렇게 해서 커넥터 맞닿음부(190a)와 셀 본체(20) 및 셀 본체 맞닿음부 (190b)와 인터커넥터(13)의 사이를 가르도록 상기 스페이서(580)를 배치한 것이다. 또, 도 30과 같이 스페이서(580)를 커넥터 맞닿음부(190a)와 셀 본체(20)의 사이를 가르도록 개재시키던지, 혹은 도 31과 같이 스페이서(580)를 셀 본체 맞닿음부 (190b)와 인터커넥터(13)의 사이를 가르도록 개재시킬 수도 있다.
실시형태 3과 실시형태 4의 구성의 상위는 이상과 같으며, 그 이외의 점에 대해서는 실시형태 3과 같기 때문에 상세한 설명을 생략한다.
본 발명의 기술 사상에 위반하는 일없이, 광범위하게 다른 실시형태를 구성할 수 있는 것은 명백하므로, 본 발명은 청구범위에 있어서 한정한 이외는 그 특정의 실시형태에 제약되는 것은 아니다.
1: 연료전지 2: 전해질
3: 연료전지 셀 8: 연료전지 스택
12, 13: 인터커넥터 14: 공기극
15: 연료극 18, 19: 집전부재
19a: 커넥터 맞닿음부 19b: 셀 본체 맞닿음부
19c: 연접부 20: 셀 본체
46 a∼46 d: 체결부재 58: 스페이서
180, 190: 집전부재 190a: 커넥터 맞닿음부
190b: 셀 본체 맞닿음부 190c: 연접부(19c)→190c
190d: 절삭선 190p: 평판
580: 스페이서

Claims (18)

1쌍의 인터커넥터와,
상기 인터커넥터 사이에 위치하고, 전해질의 일측의 면에 공기극이 형성되며 타측의 면에 연료극이 형성된 셀 본체와,
상기 공기극 및 상기 연료극의 적어도 일측과 상기 인터커넥터의 사이에 배치되고, 상기 공기극 및/또는 상기 연료극과 상기 인터커넥터를 전기적으로 접속하는 집전부재를 구비한 연료전지 셀로서,
상기 집전부재는 상기 인터커넥터에 맞닿는 커넥터 맞닿음부와, 상기 셀 본체에 맞닿는 셀 본체 맞닿음부와, 상기 커넥터 맞닿음부와 상기 셀 본체 맞닿음부를 연결하는 연접부가 일련으로 형성되고,
상기 셀 본체와 상기 인터커넥터의 사이에 있어서, 상기 커넥터 맞닿음부와 상기 셀 본체 맞닿음부의 사이를 가르도록 배치되는 스페이서를 가지는 것을 특징으로 하는 연료전지 셀.
청구항 1에 있어서,
상기 연접부가 대략 180도로 접어 구부러지고, 상기 커넥터 맞닿음부와 상기 셀 본체 맞닿음부가 상기 스페이서의 양측에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 셀.
1쌍의 인터커넥터와,
상기 인터커넥터 사이에 위치하고, 전해질의 일측의 면에 공기극이 형성되며 타측의 면에 연료극이 형성된 셀 본체와,
상기 공기극 및 상기 연료극의 적어도 일측과 상기 인터커넥터의 사이에 배치되고, 상기 공기극 및/또는 상기 연료극과 상기 인터커넥터를 전기적으로 접속하는 집전부재를 구비한 연료전지 셀로서,
상기 집전부재는 상기 인터커넥터에 맞닿는 커넥터 맞닿음부와, 상기 셀 본체에 맞닿는 셀 본체 맞닿음부와, 상기 커넥터 맞닿음부와 상기 셀 본체 맞닿음부를 연결하는 연접부가 일련으로 형성되고,
상기 셀 본체와 상기 인터커넥터의 사이에 있어서, 상기 커넥터 맞닿음부와 상기 셀 본체의 사이, 및 상기 셀 본체 맞닿음부와 상기 인터커넥터의 사이를 각각 가르도록 배치되는 스페이서를 가지는 것을 특징으로 하는 연료전지 셀.
1쌍의 인터커넥터와,
상기 인터커넥터 사이에 위치하고, 전해질의 일측의 면에 공기극이 형성되며 타방의 면에 연료극이 형성된 셀 본체와,
상기 공기극 및 상기 연료극의 적어도 일측과 상기 인터커넥터의 사이에 배치되고, 상기 공기극 및/또는 상기 연료극과 상기 인터커넥터를 전기적으로 접속하는 집전부재를 구비한 연료전지 셀로서,
상기 집전부재는 상기 인터커넥터에 맞닿는 커넥터 맞닿음부와, 상기 셀 본체에 맞닿는 셀 본체 맞닿음부와, 상기 커넥터 맞닿음부와 상기 셀 본체 맞닿음부를 연결하는 연접부가 일련으로 형성되고,
상기 셀 본체와 상기 인터커넥터의 사이에 있어서, 상기 커넥터 맞닿음부와 상기 셀 본체의 사이, 또는 상기 셀 본체 맞닿음부와 상기 인터커넥터의 사이를 가르도록 배치되는 스페이서를 가지는 것을 특징으로 하는 연료전지 셀.
1쌍의 인터커넥터와,
상기 인터커넥터의 각각과 간격을 두고서 그 사이에 위치하며, 판 형상의 전해질의 상하면에 각각 전극이 형성된 셀 본체와,
상기 전극의 적어도 일측과 상기 인터커넥터의 사이에 배치되고, 상기 전극과 상기 인터커넥터를 전기적으로 접속하는 집전부재를 구비한 연료전지 셀로서,
상기 집전부재는 상기 인터커넥터에 맞닿는 커넥터 맞닿음부와, 상기 셀 본체의 상기 전극에 맞닿는 셀 본체 맞닿음부와, 상기 커넥터 맞닿음부와 상기 셀 본체 맞닿음부를 연결하는 연접부가 일련으로 형성되고,
상기 커넥터 맞닿음부와 상기 셀 본체 맞닿음부의 사이에 배치되는 스페이서를 가지며,
상기 집전부재와 상기 스페이서는 상기 셀 본체와 상기 인터커넥터의 상기 간격이 확대되는 방향으로 탄성을 가짐과 아울러, 상기 스페이서의 탄성량은 상기 집전부재의 탄성량보다 큰 것을 특징으로 하는 연료전지 셀.
청구항 5에 있어서,
상기 연접부가 대략 180도로 접어 구부러지고, 상기 커넥터 맞닿음부와 상기 셀 본체 맞닿음부가 상기 스페이서의 양측에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 셀.
1쌍의 인터커넥터와,
상기 인터커넥터의 각각과 간격을 두고서 그 사이에 위치하며, 판 형상의 전해질의 상하면에 각각 전극이 형성된 셀 본체와,
상기 전극의 적어도 일측과 상기 인터커넥터의 사이에 배치되고, 상기 전극과 상기 인터커넥터를 전기적으로 접속하는 집전부재를 구비한 연료전지 셀로서,
상기 집전부재는 상기 인터커넥터에 맞닿는 커넥터 맞닿음부와, 상기 셀 본체의 상기 전극에 맞닿는 셀 본체 맞닿음부와, 상기 커넥터 맞닿음부와 상기 셀 본체 맞닿음부를 연결하는 연접부가 일련으로 형성되고,
상기 커넥터 맞닿음부와 상기 셀 본체의 사이, 및, 상기 셀 본체 맞닿음부와 상기 인터커넥터 사이의 각각에 배치되는 스페이서를 가지며,
상기 집전부재와 상기 스페이서는 상기 셀 본체와 상기 인터커넥터의 상기 간격이 확대되는 방향으로 탄성을 가짐과 아울러, 상기 스페이서의 탄성량은 상기 집전부재의 탄성량보다 큰 것을 특징으로 하는 연료전지 셀.
1쌍의 인터커넥터와,
상기 인터커넥터의 각각과 간격을 두고서 그 사이에 위치하며, 판 형상의 전해질의 상하면에 각각 전극이 형성된 셀 본체와,
상기 전극의 적어도 일측과 상기 인터커넥터의 사이에 배치되고, 상기 전극과 상기 인터커넥터를 전기적으로 접속하는 집전부재를 구비한 연료전지 셀로서,
상기 집전부재는 상기 인터커넥터에 맞닿는 커넥터 맞닿음부와, 상기 셀 본체의 상기 전극에 맞닿는 셀 본체 맞닿음부와, 상기 커넥터 맞닿음부와 상기 셀 본체 맞닿음부를 연결하는 연접부가 일련으로 형성되고,
상기 커넥터 맞닿음부와 상기 셀 본체의 사이, 또는, 상기 셀 본체 맞닿음부와 상기 인터커넥터 사이의 어느 일측에 배치되는 스페이서를 가지며,
상기 집전부재와 상기 스페이서는 상기 셀 본체와 상기 인터커넥터의 상기 간격이 확대되는 방향으로 탄성을 가짐과 아울러, 상기 스페이서의 탄성량은 상기 집전부재의 탄성량보다 큰 것을 특징으로 하는 연료전지 셀.

청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
상기 스페이서는 상기 셀 본체와 상기 인터커넥터의 간격이 변동됨으로써 작용할 수 있는 하중에 대해서 상기 집전부재보다도 유연한 것을 특징으로 하는 연료전지 셀.
청구항 5 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
상기 집전부재는 자기의 면 방향과 교차하는 방향에 대해서 굴곡 신장이 가능하며 또한 굴곡 신장에 대한 반발력이 거의 발생하지 않도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 셀.
청구항 5 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 있어서,
상기 스페이서는 마이카, 알루미나 펠트, 버미큘라이트, 카본섬유, 탄화규소섬유, 실리카의 적어도 어느 1종으로 하는 것을 특징으로 하는 연료전지 셀.
청구항 1 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 있어서,
상기 인터커넥터와, 상기 셀 본체와, 상기 집전부재를 적층하여 일체로 체결하는 체결부재를 더 가지며,
상기 체결부재 및 상기 스페이서에 의해, 상기 집전부재의 상기 셀 본체 맞닿음부가 상기 셀 본체에 맞닿고, 및/또는 상기 커넥터 맞닿음부가 상기 인터커넥터에 맞닿도록 압압되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 셀.
청구항 12에 있어서,
상기 스페이서는 상기 체결부재보다도 체결 방향의 열팽창률이 높은 것을 특징으로 하는 연료전지 셀.
청구항 1 내지 청구항 13 중 어느 한 항에 있어서,　
상기 집전부재는 다공질 금속 또는 철망 또는 와이어 또는 펀칭메탈제인 것을 특징으로 하는 연료전지 셀.
청구항 1 내지 청구항 14 중 어느 한 항에 있어서,
상기 집전부재의 상기 셀 본체 맞닿음부가, 상기 셀 본체의 상기 공기극 및/또는 상기 연료극의 표면에 접합되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 셀.
청구항 1 내지 청구항 15 중 어느 한 항에 있어서,
상기 집전부재의 상기 커넥터 맞닿음부가 상기 인터커넥터에 접합되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 셀.
청구항 1 내지 청구항 16 중 어느 한 항에 있어서,
상기 집전부재는 상기 연료극과 상기 인터커넥터의 사이에 배치되어 Ni 또는 Ni합금제인 것을 특징으로 하는 연료전지 셀.
청구항 1 내지 청구항 17 중 어느 한 항에 기재된 연료전지 셀을 복수개 적층하고, 상기 체결부재에 의해 고정되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
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