KR20150038349A - 연료 전지 셀 및 연료 전지 스택 - Google Patents

Abstract

장기 사용에 있어서도 양호한 전기적 접속성을 유지할 수 있는 연료 전지 셀 및 연료 전지 스택을 제공한다. 인터커넥터 (이하, IC)(12, 13) 와, IC 사이에 위치하여 전해질 (2) 의 양면에 공기극 (14) 과 연료극 (15) 이 형성된 셀 본체 (20) 와, 양극 (14, 15) 의 적어도 일방과 IC 사이에 배치되고, 공기극 (14) 및/또는 연료극 (15) 과 IC 를 전기적으로 접속시키는 집전 부재 (18,19) 를 구비한 연료 전지 셀 (3) 로서, 집전 부재 (19) 는, IC (13) 에 맞닿는 커넥터 맞닿음부 (19a) 와, 셀 본체 (20) 에 맞닿는 셀 본체 맞닿음부 (19b) 와, 양 맞닿음부를 연결하는 대략 180 도로 구부러진 연접부 (19c) 가 형성되고, 커넥터 맞닿음부 (19a) 가 IC (13) 에 맞닿는 측의 면을 외측면으로 하여, 그 면에 면 조도의 10 점 평균 조도 Rz ≥ 4 ㎛ 의 요철 (19e) 이 형성되어 있고, 또 셀 본체 (20) 와 IC (13) 사이에 있어서 대향하는 커넥터 맞닿음부 (19a) 와 셀 본체 맞닿음부 (19b) 사이에 스페이서 (58) 가 배치되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

연료 전지 셀 및 연료 전지 스택{FUEL CELL, AND FUEL CELL STACK}

본 발명은, 전해질층의 양면에 2 개의 극을 형성하고, 일방의 극 (이하 연료극이라고 한다) 에 연료 가스를 공급함과 함께 다른 일방의 극 (이하 공기극이라고 한다) 에 산화제 가스를 공급하여 발전하는 연료 전지 셀과, 그 연료 전지 셀을 복수개 적층하여 고정시킨 연료 전지 스택에 관한 것이다.

종래, 예를 들어 특허문헌 1 에 기재되어 있는 바와 같이, 1 쌍의 인터커넥터와, 그 인터커넥터 사이에 위치하여 전해질의 일방의 면에 공기극이 형성되고, 타방의 면에 연료극이 형성된 셀 본체와, 공기극과 인터커넥터 또는 연료극과 인터커넥터 사이에 배치되어 공기극과 인터커넥터 또는 연료극과 인터커넥터를 전기적으로 접속시키는 집전 부재를 구비한 연료 전지 셀이 있다.

이 연료 전지 셀의 집전 부재는, 평판상의 집전 플레이트로부터 갈고리상의 탄성 부재를 잘라 세운 구조로 되어 있고, 집전 플레이트의 평탄면을 인터커넥터에 예를 들어 도전성 페이스트를 개재하여 접합함과 함께, 잘라 세운 탄성 부재의 선단을 그 탄성 부재 자체의 탄성으로 셀 본체에 접촉시켜 전기적 접속을 실시하게 하는 것이다.

일본 공개특허공보 2009-266533호

종래 기술과 같이, 도전성을 갖는 탄성 부재의 탄성으로 셀 본체에 접촉시키는 집전 부재는, 장기 사용으로 소성 변형되고, 발전시의 고열에 의해 도전성을 갖는 탄성 부재의 강도가 저하되며, 나아가서는 도전성을 갖는 탄성 부재가 크리프 변형의 영향을 받거나 하여, 예정된 전기적 접속을 얻기 위한 접촉력이 얻어지지 않게 되는 경우가 있다. 그리고, 그러한 경우에는, 도전성을 갖는 탄성 부재가 온도 사이클이나 연료압·공기압의 변동 등에 의한 셀 본체의 변형에 추종할 수 없게 되어 접촉이 불확실해지고, 공기극과 인터커넥터 또는 연료극과 인터커넥터의 전기적 접속이 불확실해질 우려가 있었다.

또, 상기한 탄성 부재의 전기적 접속을 얻기 위한 접촉력의 저하 요인이 복합적으로 쌓였을 때, 그 탄성 부재의 셀 본체에 접촉해야 하는 부분이 반대로 인터커넥터측에 접촉하는 경우가 있다. 한편, 집전 부재는, 평탄면을 인터커넥터에 접합하는 점에서 인터커넥터 (도전성 페이스트) 와의 접합성이 우수한 재료로 형성되어 있는 경우가 많다. 이 때문에, 발전시의 고온 환경하에서 탄성 부재가 인터커넥터 (도전성 페이스트) 측에 접촉하면 소결에 의해 접합되는 경우가 있다. 그렇게 되면 그 탄성 부재는 인터커넥터와 일체가 되기 때문에 셀 본체와의 접촉이 곤란해지고, 공기극과 인터커넥터 또는 연료극과 인터커넥터의 전기적 접속이 불확실해질 우려가 있었다.

한편, 상기와 같이 집전 플레이트의 평탄면을 인터커넥터에 접합하기 위해, 종래에는 양자 사이에 예를 들어 도전성 페이스트를 개재시키고 있었기 때문에, 그 만큼 비용이 비싸지는 문제도 있었다.

본 발명은 상기를 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적은 장기 사용에 있어서도 양호한 전기적 접속성을 유지할 수 있는 연료 전지 셀 및 연료 전지 스택을 제공하는 것에 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 청구항 1 에 기재한 바와 같이,

1 쌍의 인터커넥터와,

상기 인터커넥터 사이에 위치하여, 전해질의 일방의 면에 공기극이 형성되고, 타방의 면에 연료극이 형성된 셀 본체와,

상기 공기극 및 상기 연료극의 적어도 일방과 상기 인터커넥터 사이에 배치되고, 상기 공기극 및/또는 상기 연료극과 상기 인터커넥터를 전기적으로 접속시키는 집전 부재를 구비한 연료 전지 셀로서,

상기 집전 부재는, 상기 인터커넥터에 맞닿는 커넥터 맞닿음부와, 상기 셀 본체에 맞닿는 셀 본체 맞닿음부와, 상기 커넥터 맞닿음부와 상기 셀 본체 맞닿음부를 연결하는 대략 180 도로 구부러진 연접부가 일련으로 형성되고, 또한 상기 커넥터 맞닿음부가 상기 인터커넥터에 맞닿는 측의 면을 외측면으로 하여, 그 외측면에 미세한 요철 (면 조도의 10 점 평균 조도 Rz ≥ 4 ㎛) 이 형성되어 있고,

또, 상기 셀 본체와 상기 인터커넥터 사이에 있어서, 대향하는 상기 커넥터 맞닿음부와 상기 셀 본체 맞닿음부 사이에 스페이서가 배치되어 있는 연료 전지 셀을 제공한다.

또, 청구항 2 에 기재한 바와 같이, 상기 집전 부재가 전해 도금 제법에 의해 형성된 금속박으로 형성되어 있는 청구항 1 에 기재된 연료 전지 셀을 제공한다.

또, 청구항 3 에 기재한 바와 같이, 상기 집전 부재의 두께가 15 ∼ 100 ㎛ 인 청구항 1 또는 2 에 기재된 연료 전지 셀을 제공한다.

또, 청구항 4 에 기재한 바와 같이, 상기 집전 부재는 상기 외측면이 샌드 블라스트 가공 또는 에칭 가공된 금속박으로 형성되어 있는 청구항 1 또는 3 에 기재된 연료 전지 셀을 제공한다.

또, 청구항 5 에 기재한 바와 같이, 상기 집전 부재의 상기 커넥터 맞닿음부가 상기 인터커넥터에 확산 접합되는 것인 청구항 1 ∼ 4 중 어느 한 항에 기재된 연료 전지 셀을 제공한다.

또, 청구항 6 에 기재한 바와 같이, 청구항 1 ∼ 5 중 어느 한 항에 기재된 연료 전지 셀을 복수개 적층하고, 체결 부재에 의해 고정시켜 이루어지는 연료 전지 스택을 제공한다.

또, 청구항 7 에 기재한 바와 같이, 1 쌍의 인터커넥터와, 전해질의 일방의 면에 공기극이 형성되고, 타방의 면에 연료극이 형성된 셀 본체와, 표면 및 이면을 갖는 금속 평판으로 구성되는 집전 부재를 포함하는 연료 전지 셀의 제조 방법으로서, 상기 1 쌍의 인터커넥터 사이에 상기 셀 본체를 배치하는 공정과, 면 조도의 10 점 평균 조도가 상기 표면보다 큰 상기 이면을 갖는 상기 금속 평판으로 구성되는 집전 부재를 준비하는 공정과, 그 인터커넥터와 그 셀 본체의 상기 공기극 및 상기 연료극의 적어도 일방 사이에 상기 집전 부재를 배치하는 공정을 포함하고, 상기 집전 부재를 배치하는 공정에 있어서, 상기 집전 부재의 이면이 상기 인터커넥터와 그 인터커넥터에 대향하는 셀 본체의 전극에 전기적으로 접속하도록 상기 집전 부재를 배치하는 연료 전지 셀의 제조 방법을 제공한다.

또, 청구항 8 에 기재한 바와 같이, 상기 금속 평판에 절취선을 넣은 절편부를 형성하고, 상기 절편부를 상기 금속 평판으로부터 구부려 세우는 공정과, 상기 금속 평판에 스페이서를 배치하고, 상기 절편부와 그 금속 평판 사이에 두어 집전 부재를 형성하는 공정을 포함하는 청구항 7 에 기재된 연료 전지 셀의 제조 방법을 제공한다.

또, 청구항 9 에 기재한 바와 같이, 상기 금속 평판에 절취선을 넣은 절편부를 형성하고, 상기 절편부의 일부를 U 자상으로 구부려 상기 절편부가 상기 금속 평판으로 덮이도록 하여 집전 부재를 형성하는 공정을 포함하는 청구항 7 에 기재된 연료 전지 셀의 제조 방법을 제공한다.

또, 청구항 10 에 기재한 바와 같이, 상기 집전 부재를 형성하는 공정 이후에, 상기 절편부와 상기 금속 평판 사이에 스페이서를 배치하는 공정을 포함하는 청구항 9 에 기재된 연료 전지 셀의 제조 방법을 제공한다.

또, 청구항 11 에 기재한 바와 같이, 상기 금속 평판의 상기 이면의 면 조도의 10 점 평균 조도 Rz 가 Rz ≥ 4 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 청구항 7 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 기재된 연료 전지 셀의 제조 방법을 제공한다.

본 발명의 연료 전지 셀에 의하면, 커넥터 맞닿음부와 셀 본체 맞닿음부의 반 (反) 접촉 방향으로의 변형이 스페이서에 의해 억제되기 때문에 소성 변형되기 어렵고, 또 발전시의 고열에 의한 강도 저하의 영향 혹은 크리프 변형의 영향 등도 받기 어렵다. 또, 스페이서가 집전 부재의 커넥터 맞닿음부와 셀 본체 맞닿음부 사이에 들어가 양자의 접촉을 방해하기 때문에, 발전시의 고열로 커넥터 맞닿음부와 셀 본체 맞닿음부가 소결에 의해 접합될 우려가 없다. 따라서, 커넥터 맞닿음부와 셀 본체 맞닿음부의 일체화 및 그에 수반되는 전기적 접속의 불안정화를 방지할 수 있다.

또, 집전 부재의 외측면에 요철을 형성함으로써, 커넥터 맞닿음부를 인터커넥터에, 혹은 셀 본체 맞닿음부를 셀 본체에 맞닿게 하는 힘이 스페이서의 탄성 등으로 작용한 경우, 그 힘이 요철의 볼록부에 집중되어 미크로적으로 봤을 때 접촉압이 높아지기 때문에, 집전 부재와 인터커넥터 혹은 집전 부재와 셀 본체의 접촉부의 전기 저항이 작아져 전기적인 손실이 감소한다. 바람직한 요철은, 면 조도의 10 점 평균 조도 Rz ≥ 4 ㎛ 에 상당하는 것이다. 또한, Rz 의 측정 방법은 JIS B 0601:2001 에 준한다. (단, 본원에 기재된 면 조도의 10 점 평균 조도 Rz 란,「면 조도의 10 점 평균 조도」를 규정한 것으로, JIS 에서 정하는 기재에 따라서는 면 조도의 10 점 평균 조도를 Rz 또는 Rzjis 로 표기하는 경우도 있다.) 또, 연료 전지 셀을 완성하여 운전을 실시한 후, 집전 부재의 면 조도의 10 점 평균 조도 Rz 를 측정하는 경우에는, 셀 본체와도, 인터커넥터와도 맞닿아 있지 않은 부분, 예를 들어, 집전 부재의 연접부 (19c) 를 잘라내어, 셀 본체와 인터커넥터에 맞닿는 부분에 해당하는 측의 면의 면 조도의 10 점 평균 조도 Rz 를 JIS B 0601:2001 에 준하여 측정할 수 있다.

전해 도금 제법에 의해 형성된 금속박은, 원래 편면에 미소한 요철이 형성되어 있기 때문에, 그와 같은 금속박을 청구항 2 에 기재한 바와 같이 집전 부재에 이용함으로써 비용의 억제가 가능하다.

집전 부재의 두께는, 바람직하게는 청구항 3 에 기재한 바와 같이 15 ∼ 100 ㎛ 로 하는 것이 좋다. 집전 부재가 15 ㎛ 보다 얇으면 필요한 강도를 얻는 것이 어렵고, 전기 저항도 높아진다. 또, 100 ㎛ 보다 두꺼우면 연접부를 180 도로 구부린 반발력이 과도하게 작용하기 때문에, 조립시에 셀 본체의 균열을 유발할 우려가 있다.

집전 부재의 요철은, 청구항 4 에 기재한 바와 같이, 샌드 블라스트 가공 또는 에칭 가공으로 형성할 수 있다.

또, 청구항 5 에 기재한 바와 같이 집전 부재의 커넥터 맞닿음부가 인터커넥터에 확산 접합되도록 한 경우에는, 외측면의 요철에 의해 확산 접합의 접합 강도가 향상되기 때문에, 굳이 도전성 페이스트를 사용하지 않아도 충분한 접합 강도를 얻을 수 있다.

또, 청구항 6 에 기재한 연료 전지 스택은, 청구항 1 ∼ 5 중 어느 한 항에 기재된 연료 전지 셀을 복수개 적층하여 체결 부재로 고정시킨 것이기 때문에, 장기 사용에 있어서도 양호한 전기적 접속성을 유지할 수 있다.

또, 본 발명의 연료 전지 셀의 제조 방법에 의하면, 금속 평판으로 구성되는 집전 부재 중 면 조도의 10 점 평균 조도가 큰 면을 인터커넥터와 셀 본체에 맞닿게 하므로, 집전 부재와 인터커넥터, 혹은 집전 부재와 셀 본체의 접촉부의 전기 저항이 작아져 전기적인 손실이 감소한다.

또, 청구항 8 에 기재된 연료 전지 셀의 제조 방법에 의하면, 금속 평판에 절취선을 넣어 절편부를 형성하고, 그 절편부를 구부려 세운 후, 스페이서를 금속 평판 상에 배치하고, 스페이서를 사이에 두므로, 구부려 세운 절편부를 기준으로 스페이서의 위치 결정이 가능해져, 집전 부재에 스페이서를 장착하는 것이 용이해진다.

또, 청구항 9 에 기재된 연료 전지 셀의 제조 방법에 의하면, 금속 평판에 절취선을 넣어 절편부를 형성하고, 그 절편부를 U 자상으로 구부려 집전 부재를 형성하기 때문에, 집전 부재가 인터커넥터와 셀 본체를 가압하므로, 집전 부재와 인터커넥터, 혹은 집전 부재와 셀 본체의 접합 강도를 확보할 수 있다.

또, 청구항 10 에 기재된 연료 전지 셀의 제조 방법에 의하면, U 자상으로 구부러진 절편부를 기준으로 스페이서의 위치 결정이 가능해져, 집전 부재에 스페이서를 장착하는 것이 용이해진다.

또, 청구항 11 에 기재된 연료 전지 셀의 제조 방법에 의하면, 인터커넥터와 맞닿거나, 혹은 셀 본체와 맞닿아 있는 집전 부재의 면의 면 조도 10 점 평균 조도 Rz ≥ 4 ㎛ 로 함으로써, 집전 부재와 인터커넥터, 혹은 집전 부재와 셀 본체의 접촉부의 접합 강도가 향상된다. 또, 집전 부재와 인터커넥터, 혹은 집전 부재와 셀 본체의 접촉부의 전기 저항이 작아져 전기적인 손실이 감소한다.

도 1 은 연료 전지의 사시도이다.
도 2 는 연료 전지 셀의 사시도이다.
도 3 은 연료 전지 셀의 분해 사시도이다.
도 4 는 분해 파츠를 좁힌 연료 전지 셀의 분해 사시도이다.
도 5 는 연료 전지 셀의 중간을 생략한 종단면도이다.
도 6 은 도 5 를 분해하여 나타내는 종단면도이다.
도 7 은 도 5 의 A-A 선 단면도이다.
도 8 은 도 5 의 B-B 선 단면도이다.
도 9 는 집전 부재의 사시도이다.
도 10(a) 는 스페이서의 사시도, 도 10(b) 는 집전 부재의 스페이서 장착 전의 사시도이다.
도 11 은 도 10(b) 의 변형예를 나타내는 집전 부재의 사시도이다.
도 12 는 주요부 확대도를 포함하는 집전 부재의 단면도이다.

현재, 연료 전지에는 전해질의 재질에 따라 크게 나누어, 고분자 전해질막을 전해질로 하는 고체 고분자형 연료 전지 (PEFC) 와, 인산을 전해질로 하는 인산형 연료 전지 (PAFC) 와, Li-Na/K 계 탄산염을 전해질로 하는 용융 탄산염형 연료 전지 (MCFC) 와, 예를 들어 ZrO2 계 세라믹을 전해질로 하는 고체 산화물형 연료 전지 (SOFC) 의 4 타입이 있다. 각 타입은, 작동 온도 (이온이 전해질 속을 이동할 수 있는 온도) 가 상이한 것으로서, 현 시점에 있어서, PEFC 는 상온 ∼ 약 90 ℃, PAFC 는 약 150 ℃ ∼ 200 ℃, MCFC 는 약 650 ℃ ∼ 700 ℃, SOFC 는 약 700 ℃ ∼ 1000 ℃ 이다.

연료 전지 (1) 는, 예를 들어 ZrO2 계 세라믹을 전해질 (2) 로 하는 SOFC 이다. 이 연료 전지 (1) 는, 발전의 최소 단위인 연료 전지 셀 (3) 과, 그 연료 전지 셀 (3) 에 공기를 공급하는 공기 공급 유로 (4) 와, 그 공기를 외부로 배출하는 공기 배기 유로 (5) 와, 동일하게 연료 전지 셀 (3) 에 연료 가스를 공급하는 연료 공급 유로 (6) 와, 그 연료 가스를 외부로 배출하는 연료 배기 유로 (7) 와, 그 연료 전지 셀 (3) 을 복수 세트 적층하여 셀군으로 하고, 그 셀군을 고정시켜 연료 전지 스택 (8) 으로 하는 고정 부재 (9) 와, 연료 전지 스택 (8) 을 넣는 용기 (10) 와, 연료 전지 스택 (8) 에서 발전시킨 전기를 출력하는 출력 부재 (11) 로 개략 구성된다.

[연료 전지 셀]

연료 전지 셀 (3) 은 평면에서 봤을 때 정방형이며, 도 3 에 나타낸 바와 같이, 네모난 판 형태로 도전성을 갖는 페라이트계 스테인리스 (예를 들어 Crofer22H) 등으로 형성된 상측 (※ 여기서의「상측」또는「하측」은 도면의 기재를 기준으로 하지만, 이것은 어디까지나 설명의 편의를 위한 것으로서 절대적인 상하를 의미하지 않는다. 이하 동일.) 의 인터커넥터 (12) 와, 동일하게 네모난 판 형태로 도전성을 갖는 페라이트계 스테인리스 (예를 들어 Crofer22H) 등으로 형성된 하측의 인터커넥터 (13) 와, 상하측의 인터커넥터 (12, 13) 의 거의 중간에 위치함과 함께, 전해질 (2) 의 상측의 인터커넥터 (12) 의 내면 (하면) 에 대향하는 면에 공기극 (14) 을 형성함과 함께 하측의 인터커넥터 (13) 의 내면 (상면) 에 대향하는 면에 연료극 (15) 을 형성한 셀 본체 (20) 와, 상측의 인터커넥터 (12) 와 공기극 (14) 사이에 형성된 공기실 (16) 과, 하측의 인터커넥터 (13) 와 연료극 (15) 사이에 형성된 연료실 (17) 과, 공기실 (16) 의 내부에 배치되고 공기극 (14) 과 상측의 인터커넥터 (12) 를 전기적으로 접속시키는 공기극 (14) 측의 집전 부재 (18) 와, 상기 연료실 (17) 의 내부에 배치되고 연료극 (15) 과 하측의 인터커넥터 (13) 를 전기적으로 접속시키는 연료극 (15) 측의 집전 부재 (19) 를 갖고, 정방형의 코너 부분에 상기 고정 부재 (9) 의 후술하는 체결 부재 (46a ∼ 46d) 를 통과시키는 코너 통공 (通孔)(47, 47…) 을 관통 상태로 형성한 것이다.

[전해질]

상기 전해질 (2) 은, ZrO2 계 세라믹 외에, LaGaO3 계 세라믹, BaCeO3 계 세라믹, SrCeO3 계 세라믹, SrZrO3 계 세라믹, CaZrO3 계 세라믹 등으로 형성된다.

[연료극]

상기 연료극 (15) 의 재질은, Ni 및 Fe 등의 금속과, Sc, Y 등의 희토류 원소 중 적어도 1 종에 의해 안정화된 지르코니아 등의 ZrO2 계 세라믹, CeO2 계 세라믹 등의 세라믹 중 적어도 1 종과의 혼합물을 들 수 있다. 또, 연료극 (15) 의 재질은, Pt, Au, Ag, Pb, Ir, Ru, Rh, Ni 및 Fe 등의 금속이어도 되고, 이들 금속은 1 종만이어도 되고, 2 종 이상의 합금으로 해도 된다. 또한, 이들 금속 및/또는 합금과 상기 세라믹 각각의 적어도 1 종의 혼합물 (서멧을 포함한다) 을 들 수 있다. 또, Ni 및 Fe 등의 금속의 산화물과 상기 세라믹 각각의 적어도 1 종의 혼합물 등을 들 수 있다.

[공기극]

상기 공기극 (14) 의 재질은, 예를 들어 각종 금속, 금속의 산화물, 금속의 복산화물 등을 사용할 수 있다.

상기 금속으로는 Pt, Au, Ag, Pb, Ir, Ru 및 Rh 등의 금속 또는 2 종 이상의 금속을 함유하는 합금을 들 수 있다.

또한, 금속의 산화물로는, La, Sr, Ce, Co, Mn 및 Fe 등의 산화물 (La2O3, SrO, Ce2O3, Co2O3, MnO2 및 FeO 등) 을 들 수 있다.

또, 복산화물로는, 적어도 La, Pr, Sm, Sr, Ba, Co, Fe 및 Mn 등을 함유하는 복산화물 (La1-XSrXCoO3 계 복산화물, La1-XSrXFeO3 계 복산화물, La1-XSrXCo1-yFeO3 계 복산화물, La1-XSrXMnO3 계 복산화물, Pr1-XBaXCoO3 계 복산화물 및 Sm1-XSrXCoO3 계 복산화물 등) 을 들 수 있다.

[연료실]

상기 연료실 (17) 은, 도 3 ∼ 도 5 에 나타낸 바와 같이, 집전 부재 (19) 의 주위를 둘러싸는 상태로 하여 하측의 인터커넥터 (13) 의 상면에 설치된 액자 형태의 연료극 가스 유로 형성용 절연 프레임 (이하,「연료극 절연 프레임」이라고도 한다)(21) 과, 액자 형태로서 상기 연료극 절연 프레임 (21) 의 상면에 설치되는 연료극 프레임 (22) 에 의해 네모난 챔버상으로 형성되어 있다.

[연료실측의 집전 부재]

연료실 (17) 측의 집전 부재 (19) 는, 예를 들어 두께 15 ∼ 100 ㎛ 의 Ni 박으로 형성되어 있고, 하측의 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 180 도로 구부러진 U 자상의 연접부 (19c) 가 일련으로 형성되어 있다.

Ni 박은, 기존의 전해 도금 제법에 의해 형성되어 있고, 도 12 의 확대도에 나타낸 바와 같이, 커넥터 맞닿음부 (19a) 가 인터커넥터 (13) 에 맞닿는 측의 면을 외측면으로 하여, 그 외측면에 면 조도로 10 점 평균 조도 Rz ≥ 4 ㎛ 에 상당하는 미세한 요철 (19e) 이 형성되어 있다. 또한, 연접부 (19c) 가 180 도로 구부러진 U 자상의 상태란, 셀 본체 맞닿음부 (19b) 가 커넥터 맞닿음부 (19a) 상에 덮이도록 되접어 꺾인 상태를 나타낸다.

또한, 연료실 (17) 측의 집전 부재 (19) 는, 상기와 같이 Ni 박으로 형성하는 경우 외에, 예를 들어 Ni 제의 다공질 금속 또는 철망 또는 와이어로 형성하도록 해도 된다. 또, 연료실 (17) 측의 집전 부재 (19) 는, Ni 외에 Ni 합금이나 스테인리스강 등 산화에 강한 금속으로 형성하도록 해도 된다.

이 집전 부재 (19) 는 이하의 방법으로 제조하였다.

집전 부재 (19) 는, 연료실 (17) 에 수십 ∼ 백개 정도 (물론 연료실의 크기에 따라 상이하다) 형성되어 있고, 그것들을 개개로 인터커넥터 (13) 상에 나열하여 접합 (접합의 상세는 후술한다) 하도록 해도 되지만, 바람직하게는 도 10(b) 에 나타낸 바와 같이 상기 Ni 박을 연료실 (17) 에 정합하는 네모난 평판 (금속 평판이라고도 한다)(190) 으로 가공하고, 이 평판 (190) 에 셀 본체 맞닿음부 (19b) 와 연접부 (19c) 로 이루어지는 절편부 (19f) 에 대응하는 절취선 (19d) 을 형성하고, 그렇게 하여 도 9 의 확대부에 나타낸 바와 같이 셀 본체 맞닿음부 (19b) 를 되접어 꺾도록 연접부 (19c) 를 U 자상으로 구부려 셀 본체 맞닿음부 (19b) 가 커넥터 맞닿음부 (19a) 의 상방에 간격 (t)(도 5 의 확대부 참조) 을 두고 덮이도록 하면 된다. 즉, 절편부 (19f) 의 일부인 연접부 (19c) 를 U 자상으로 구부려 셀 본체 맞닿음부 (19b) 가 금속 평판 (190) 의 커넥터 맞닿음부 (19a) 에 덮이도록 한다. 이 경우, 셀 본체 맞닿음부 (19b) 를 구부려 세우고 남은 구멍이 뚫린 상태의 평판 (190) 이 커넥터 맞닿음부 (19a) 의 집합체이며, 실시형태에서는 평판 (190) 의 커넥터 맞닿음부 (19a) 가 하측의 인터커넥터 (13) 에 접합되어 있다.

또한, 집전 부재 (19) 의 상기 절취선 (19d) 은, 도 11 에 나타낸 바와 같이, 셀 본체 맞닿음부 (19b) 와 연접부 (19c) 를 열 단위로 하나로 모은 형태로 해도 된다. 이렇게 함으로써 셀 본체 맞닿음부 (19b) 와 연접부 (19c) 의 가공을 효율적으로 실시할 수 있다.

[스페이서]

상기 집전 부재 (19) 에는, 도 5 에 나타낸 바와 같이 스페이서 (58) 가 병설되어 있다. 그 스페이서 (58) 는, 셀 본체 (20) 와 하측의 인터커넥터 (13) 사이의 연료실 (17) 내에 있어서, 커넥터 맞닿음부 (19a) 와 셀 본체 맞닿음부 (19b) 를 떼어놓도록 양자 사이에 배치되고, 두께 방향으로 탄성력을 갖고, 적어도 연료 전지 작동 온도역에서의 그 스페이서 (58) 의 두께 방향의 열 팽창에 의해 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 가압할 수 있도록 하기 위해, 연료 전지 작동 온도역인 700 ℃ ∼ 1000 ℃ 에 있어서, 열 팽창에 의해 확대되는 상기 간격 (t) 을 더 한층의 열 팽창에 의해 상회하는 두께와 재질로 형성되어 있다.

또한, 스페이서 (58) 의 두께는, 연료 전지 작동 온도역에서의 상태에서 셀 본체 맞닿음부 (19b) 와 커넥터 맞닿음부 (19a) 의 간격 (t) 을 상회하는 것이면 되는데, 바람직하게는 연료 전지 비작동시의 상온 상태에서 적어도 셀 본체 맞닿음부 (19b) 와 커넥터 맞닿음부 (19a) 의 간격 (t) 과 거의 동일하게 하거나, 또는 약간 크게 설정하는 것이 좋다. 그렇게 함으로써 발전 개시부터 작동 온도역에 이를 때까지의 사이에 있어서도, 스페이서 (58) 에 의해 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, 두께 방향에 대해 집전 부재 (19) 보다 큰 탄성을 갖는 재질이 선정되어 있고, 온도 사이클이나 연료압·공기압의 변화에 의한 연료실 (17) 의 간격의 변동에 대해 비교적 탄성이 작은 집전 부재 (19) 에 비해 두께가 크게 증감한다. 구체적으로는 연료실 (17) 의 상기 간격의 축소에 대해 두께 방향으로 줄어들어 완충 작용을 발휘하고, 그렇게 하여 셀 본체 (20) 의 균열을 방지하고, 반대로 상기 간격의 확대에 대해 두께 방향으로의 복원력에 의해 전기적 접점을 안정시킨다.

또, 스페이서 (58) 는, 연료 전지 작동 온도역에서 집전 부재 (19) 와 소결되지 않는 성질을 가진 재료로 형성되어 있고, 따라서, 셀 본체 맞닿음부 (19b) 와 커넥터 맞닿음부 (19a) 가 직접 맞닿아 소결될 우려가 없는 것은 물론, 셀 본체 맞닿음부 (19b) 와 커넥터 맞닿음부 (19a) 가 스페이서 (58) 를 개재하여 소결될 우려도 없다.

이상의 조건을 만족하는 스페이서 (58) 의 재질로는, 마이카, 알루미나 펠트, 버미큘라이트, 카본 섬유, 탄화규소 섬유, 실리카 중 어느 1 종이나, 혹은 복수 종을 조합한 것이어도 된다.

또, 이들을 예를 들어 마이카와 같은 얇은 판상체의 적층 구조로 해 두면, 적층 방향으로의 하중에 대해 적당한 탄성이 부여되기 때문에 바람직하다.

이들 재질은, 후술하는 체결 부재 (46a ∼ 46d) 의 열 팽창률보다 높다.

또한, 실시형태의 집전 부재 (19) 는, 상기와 같이 커넥터 맞닿음부 (19a) 의 집합체인 평판 (190) 으로 연결된 일체 구조로 되어 있고, 이것에 맞추어 스페이서 (58) 도 도 10(a) 에 나타낸 바와 같이, 평판 (190) 과 거의 동일한 폭으로 평판 (190) 보다 약간 짧은 (구체적으로는, 1 개의 (셀 본체 맞닿음부 (19b) ＋ 연접부 (19c)) 의 길이 상당분 짧은) 사각형으로 한 1 장의 재료 시트로부터, 셀 본체 맞닿음부 (19b) 와 연접부 (19c) 에 대응하는 부분을 횡 1 열분씩 하나로 모아 잘라내어 횡격자상으로 형성되어 있다.

그리고, 이 스페이서 (58) 를 집전 부재 (19) 의 가공 전의 도 10(b) 에 나타낸 평판 (190) 에 중첩하고, 그 상태에서 도 9 의 확대부에 나타낸 바와 같이 연접부 (19c) 를 U 자상으로 구부리도록 하면, 미리 스페이서 (58) 를 장착한 집전 부재 (19) 가 완성된다.

즉, 절편부 (19f) 의 일부인 연접부 (19c) 를 U 자상으로 구부려 셀 본체 맞닿음부 (19b) 가 스페이서 (58) 를 개재하여 금속 평판 (190) 의 커넥터 맞닿음부 (19a) 에 덮이도록 한다.

그런데 도 9 의 확대부에서는, 셀 본체 맞닿음부 (19b) 가 좌측 모서리부에 위치하는 것부터 우측을 향하여 단계적으로 구부러지는 상태로 되어 있지만, 이것은 오로지 가공 순서를 설명하기 위해 그린 것으로, 셀 본체 맞닿음부 (19b) 의 굽힘 가공은 전부를 일제히 실시해도 되고, 가공상 상황이 양호한 부분부터 순서대로 실시해도 된다.

또, 다른 제조 방법으로서, 도 10(b) 에 나타낸 바와 같이 상기 Ni 박을 연료실 (17) 에 정합하는 네모난 금속 평판 (190) 으로 가공하고, 이 금속 평판 (190) 에 절편부 (19f) 에 대응하는 절취선 (19d) 을 복수 형성한다. 그 후, 도 9 의 확대부인 A 로 나타낸 바와 같이 복수의 절편부 (19f) 를 스페이서 (58) 를 사이에 두기 위한 위치 맞춤이 되도록 금속 평판 (190) 에 대해 수직 방향으로 구부려 세운다. 구부려 세운 상태는 스페이서 (58) 의 위치 맞춤이 가능한 정도이면 되고, 바람직하게는 금속 평판 (190) 에 대해 대략 수직 상태이다. 그 후, 절편부 (19f) 를 구부려 세운 금속 평판 (190) 전체 상에 스페이서 (58) 를 배치한다. 스페이서 (58) 를 배치한 후, 스페이서 (58) 를 커넥터 맞닿음부 (19a) 와 절편부 (19f) 의 셀 본체 맞닿음부 (19b) 사이에 두도록 연접부 (19c) 를 굽힘 가공하여, 미리 스페이서 (58) 를 장착한 집전 부재 (19) 를 제조한다. 이 경우, 절편부 (19f) 를 구부려 세우고 남은 구멍이 뚫린 상태의 금속 평판 (190) 이 커넥터 맞닿음부 (19a) 의 집합체이다.

또, 연접부 (19c) 의 굽힘 가공은 전부를 일제히 실시해도 되고, 가공상 상황이 양호한 부분부터 순서대로 실시해도 된다.

또한, 다른 제조 방법으로는, 도 9 의 확대부에 나타낸 바와 같이 셀 본체 맞닿음부 (19b) 를 되접어 꺾도록 연접부 (19c) 를 U 자상으로 구부려 셀 본체 맞닿음부 (19b) 가 커넥터 맞닿음부 (19a) 의 상방에 간격 (t)(도 5 의 확대부 참조) 을 두고 덮이도록 하여 집전 부재 (19) 를 제조한다. 이 집전 부재 (19) 의 셀 본체 맞닿음부 (19b) 와 커넥터 맞닿음부 (19a) 사이에 스페이서 (58) 를 배치하여 스페이서 (58) 를 장착한 집전 부재 (19) 를 제조한다.

[공기실]

상기 공기실 (16) 은, 도 3 ∼ 도 5 에 나타낸 바와 같이, 네모난 액자 형태로서 하면에 상기 전해질 (2) 이 부착된 도전성을 갖는 얇은 금속제의 세퍼레이터 (23) 와, 그 세퍼레이터 (23) 와 상측의 인터커넥터 (12) 사이에 설치되어 집전 부재 (18) 의 주위를 둘러싸는 액자 형태의 공기극 가스 유로 형성용 절연 프레임 (이하,「공기극 절연 프레임」이라고도 한다)(24) 에 의해 네모난 챔버상으로 형성되어 있다.

[공기실측의 집전 부재]

공기실 (16) 측의 집전 부재 (18) 는, 가늘고 긴 각재 형상으로, 치밀한 도전 부재인 예를 들어 스테인리스재로 형성되고, 전해질 (2) 의 상면의 공기극 (14) 과 상측의 인터커넥터 (12) 의 하면 (내면) 에 맞닿는 상태로 하여 복수개를 평행하게 또한 일정한 간격을 두고 배치 형성되어 있다. 또한, 공기실 (16) 측의 집전 부재 (18) 는, 연료실 (17) 측의 집전 부재 (19) 와 동일한 구조로 해도 된다.

이상과 같이 연료 전지 셀 (3) 은, 하측의 인터커넥터 (13) 와, 연료극 절연 프레임 (21) 과, 연료극 프레임 (22) 과, 세퍼레이터 (23) 와, 공기극 절연 프레임 (24) 과, 상측의 인터커넥터 (12) 의 조합에 의해 연료실 (17) 과 공기실 (16) 을 형성하고, 그 연료실 (17) 과 공기실 (16) 을 전해질 (2) 로 구획하여 서로 독립시키고, 또한 연료극 절연 프레임 (21) 과 공기극 절연 프레임 (24) 으로 연료극 (15) 측과 공기극 (14) 측을 전기적으로 절연하고 있다.

또, 연료 전지 셀 (3) 은, 공기실 (16) 의 내부에 공기를 공급하는 공기 공급 유로 (4) 를 포함하는 공기 공급부 (25) 와, 공기실 (16) 로부터 공기를 외부로 배출하는 공기 배기 유로 (5) 를 포함하는 공기 배기부 (26) 와, 연료실 (17) 의 내부에 연료 가스를 공급하는 연료 공급 유로 (6) 를 포함하는 연료 공급부 (27) 와, 연료실 (17) 로부터 연료 가스를 외부로 배출하는 연료 배기 유로 (7) 를 포함하는 연료 배기부 (28) 를 구비하고 있다.

[공기 공급부]

공기 공급부 (25) 는, 네모난 연료 전지 셀 (3) 의 한 변측 중앙에 상하 방향으로 개설한 공기 공급 통공 (29) 과, 그 공기 공급 통공 (29) 에 연통하도록 공기극 절연 프레임 (24) 에 개설한 장공상 (長孔狀) 의 공기 공급 연락실 (30) 과, 그 공기 공급 연락실 (30) 과 공기실 (16) 사이를 구획하는 격벽 (31) 의 상면을 복수개 등간격으로 움푹 패이게 하여 형성한 공기 공급 연락부 (32) 와, 상기 공기 공급 통공 (29) 에 삽입 통과하여 외부로부터 상기 공기 공급 연락실 (30) 에 공기를 공급하는 상기 공기 공급 유로 (4) 를 구비하고 있다.

[공기 배기부]

공기 배기부 (26) 는, 연료 전지 셀 (3) 의 공기 공급부 (25) 의 반대측의 한 변측 중앙에 상하 방향으로 개설한 공기 배기 통공 (33) 과, 그 공기 배기 통공 (33) 에 연통하도록 공기극 절연 프레임 (24) 에 개설한 장공상의 공기 배기 연락실 (34) 과, 그 공기 배기 연락실 (34) 과 공기실 (16) 사이를 구획하는 격벽 (35) 의 상면을 복수개 등간격으로 움푹 패이게 하여 형성한 공기 배기 연락부 (36) 와, 상기 공기 배기 통공 (33) 에 삽입 통과하여 공기 배기 연락실 (34) 로부터 외부로 공기를 배출하는 관상의 상기 공기 배기 유로 (5) 를 구비하고 있다.

[연료 공급부]

연료 공급부 (27) 는, 네모난 연료 전지 셀 (3) 의 나머지 두 변 중 한 변측 중앙에 상하 방향으로 개설한 연료 공급 통공 (37) 과, 그 연료 공급 통공 (37) 에 연통하도록 연료극 절연 프레임 (21) 에 개설한 장공상의 연료 공급 연락실 (38) 과, 그 연료 공급 연락실 (38) 과 연료실 (17) 사이를 구획하는 격벽 (39) 의 상면을 복수개 등간격으로 움푹 패이게 하여 형성한 연료 공급 연락부 (40) 와, 상기 연료 공급 통공 (37) 에 삽입 통과하여 외부로부터 상기 연료 공급 연락실 (38) 에 연료 가스를 공급하는 관상의 상기 연료 공급 유로 (6) 를 구비하고 있다.

[연료 배기부]

연료 배기부 (28) 는, 연료 전지 셀 (3) 의 연료 공급부 (27) 의 반대측의 한 변측 중앙에 상하 방향으로 개설한 연료 배기 통공 (41) 과, 그 연료 배기 통공 (41) 에 연통하도록 연료극 절연 프레임 (21) 에 개설한 장공상의 연료 배기 연락실 (42) 과, 그 연료 배기 연락실 (42) 과 연료실 (17) 사이를 구획하는 격벽 (43) 의 상면을 복수개 등간격으로 움푹 패이게 하여 형성한 연료 배기 연락부 (44) 와, 상기 연료 배기 통공 (41) 에 삽입 통과하여 연료 배기 연락실 (42) 로부터 외부로 연료 가스를 배출하는 관상의 연료 배기 유로 (7) 를 구비하고 있다.

연료 전지 셀 (3) 은, 이하의 순서로 제조한다.

상기 서술한 방법으로, 커넥터 맞닿음부 (19a), 혹은 셀 본체 맞닿음부 (19b) 가 인터커넥터 (13), 혹은 셀 본체 (20) 에 맞닿는 측의 면이 스페이서 (58) 에 맞닿는 측의 면보다 면 조도 10 점 평균 조도가 큰 스페이서 (58) 를 장착한 집전 부재 (19) 를 준비하였다.

인터커넥터 (13) 상에 상기 서술한 스페이서 (58) 를 장착한 집전 부재 (19) 와 연료극 절연 프레임 (21) 을 배치한다. 이어서, 연료극 절연 프레임 (21) 상에 연료극 프레임 (22) 을 배치한다. 셀 본체 (20) 가 연료극 절연 프레임 (21) 과 연료극 프레임 (22) 의 프레임 내 개구부에 삽입되고, 또한 셀 본체의 연료극이 집전 부재 (19) 의 셀 본체 맞닿음부 (19b) 와 적어도 일부가 맞닿도록 세퍼레이터 (23) 가 부착된 셀 본체 (20) 를 배치한다. 요컨대, 인터커넥터 (13) 와 셀 본체 (20) 사이에 집전 부재 (19) 가 배치되고, 요철 (19e) 이 인터커넥터 (13) 와 셀 본체 (20) 의 연료극과 접촉되어 있다. 이 요철 (19e) 의 면 조도 10 점 평균 조도 Rz 를 셀 본체 (20) 와도 인터커넥터 (13) 와도 맞닿아 있지 않은 부분에서 측정한 결과 Rz ≥ 4 ㎛ 였다. 이 셀 본체 (20) 와도 인터커넥터 (13) 와도 맞닿아 있지 않은 부분에서 측정이란, 상기 서술한 연접부 (19c) 의 셀 본체 (20), 혹은 인터커넥터 (13) 와 맞닿는 측의 면을 측정하는 것이다.

그 후, 세퍼레이터 (23) 가 부착된 셀 본체 (20) 상에 공기극 절연 프레임 (24) 을 배치하고, 이어서 공기극 절연 프레임 (24) 상에 인터커넥터 (12) 를 배치하여 연료 전지 셀 (3) 을 제조한다.

[연료 전지 스택]

연료 전지 스택 (8) 은, 상기 연료 전지 셀 (3) 을 복수 세트 적층하여 셀군으로 하고, 그 셀군을 고정 부재 (9) 로 고정시켜 구성된다. 또한, 연료 전지 셀 (3) 을 복수 세트 적층한 경우에 있어서, 아래에 위치하는 연료 전지 셀 (3) 의 상측의 인터커넥터 (12) 와, 그 위에 놓이는 연료 전지 셀 (3) 의 하측의 인터커넥터 (13) 는, 일체로 하여 그 1 장을 상하의 연료 전지 셀 (3, 3) 끼리 공유한다.

상기 고정 부재 (9) 는, 셀군의 상하를 사이에 두는 1 쌍의 엔드 플레이트 (45a, 45b) 와, 그 엔드 플레이트 (45a, 45b) 와 셀군을 엔드 플레이트 (45a, 45b) 의 코너 구멍 (도시 생략) 과 셀군의 상기 코너 통공 (47) 에 볼트를 통과시켜 너트로 체결하는 4 세트의 체결 부재 (46a ∼ 46d) 를 조합한 것이다. 체결 부재 (46a ∼ 46d) 의 재질은, 예를 들어 인코넬 (601) 이다.

이 연료 전지 스택 (8) 에 대해 상기 공기 공급 유로 (4) 는, 엔드 플레이트 (45a, 45b) 의 통공 (도시 생략) 과 셀군의 상기 공기 공급 통공 (29) 을 상하로 관통하는 상태로 하여 장착되어 있고, 관상 유로의 단부를 닫아 상기 공기 공급 연락실 (30) 마다 대응시켜 도 7 에 나타낸 바와 같이 횡공 (48) 을 형성함으로써, 그 횡공 (48) 을 통하여 공기 공급 연락실 (30) 에 공기가 공급되도록 되어 있다.

동일하게 공기 배기 유로 (5) 는 공기 배기 연락실 (34) 마다 대응시킨 횡공 (49) 으로부터 공기를 받아들여 외부로 배출하고, 연료 공급 유로 (6) 는 도 8 에 나타낸 바와 같이 연료 공급 연락실 (38) 마다 대응시킨 횡공 (50) 으로부터 연료 가스를 공급하고, 연료 배기 유로 (7) 는 연료 배기 연락실 (42) 마다 대응시킨 횡공 (51) 으로부터 연료 가스를 받아들여 외부로 배출한다.

[용기]

연료 전지 스택 (8) 을 넣는 용기 (10) 는, 내열이면서 밀폐 구조로서, 도 1 에 나타낸 바와 같이, 개구부에 플랜지 (52a, 52b) 를 갖는 2 개의 절반체 (53a, 53b) 를 마주 보게 하여 접합한 것이다. 이 용기 (10) 의 정상부로부터 상기 체결 부재 (46a ∼ 46d) 의 볼트가 외부로 돌출되어 있고, 이 체결 부재 (46a ∼ 46d) 의 돌출 부분에 너트 (54) 를 나사 결합시켜 연료 전지 스택 (8) 을 용기 (10) 내에 고정시킨다. 또, 용기 (10) 의 정상부로부터 상기 공기 공급 유로 (4), 공기 배기 유로 (5), 연료 공급 유로 (6), 연료 배기 유로 (7) 도 외부로 돌출되어 있고, 그 돌출 부분에 공기나 연료 가스의 공급원 등이 접속되어 있다.

[출력 부재]

연료 전지 스택 (8) 에서 발전시킨 전기를 출력하는 출력 부재 (11) 는, 연료 전지 스택 (8) 의 코너 부분에 위치하는 상기 체결 부재 (46a ∼ 46d) 와 상기 엔드 플레이트 (45a, 45b) 로서, 대각선 상에서 마주 보는 1 쌍의 체결 부재 (46a, 46c) 를 정극인 상측의 엔드 플레이트 (45a) 에 전기적으로 접속시키고, 또 다른 1 쌍의 체결 부재 (46b, 46d) 를 부극인 하측의 엔드 플레이트 (45b) 에 전기적으로 접속시킨다. 물론 정극에 접속시킨 체결 부재 (46a, 46d) 나 부극에 접속시킨 체결 부재 (46b, 46c) 는, 타극의 엔드 플레이트 (45a (45b)) 에 대해서는 절연 와셔 (55)(도 1 참조) 를 개재시켜, 또 연료 전지 스택 (8) 에 대해서는 코너 통공 (47) 과의 사이에 간극을 형성하거나 하여 절연되어 있다. 따라서, 고정 부재 (9) 의 체결 부재 (46a, 46c) 는, 상측의 엔드 플레이트 (45a) 에 연결된 정극의 출력 단자로서도 기능하고, 또 다른 체결 부재 (46b, 46d) 는, 하측의 엔드 플레이트 (45b) 에 연결된 부극의 출력 단자로서도 기능한다.

[발전]

상기 연료 전지 (1) 의 공기 공급 유로 (4) 에 공기를 공급하면, 그 공기는 도 7 의 우측에서 좌측으로 흐르고, 우측의 공기 공급 유로 (4) 와, 공기 공급 연락실 (30) 과, 공기 공급 연락부 (32) 로 이루어지는 공기 공급부 (25) 를 통과하여 공기실 (16) 에 공급되고, 이 공기실 (16) 의 집전 부재 (18) 끼리의 사이의 가스 유로 (56) 를 빠져나가고, 또한 공기 배기 연락부 (36) 와, 공기 배기 연락실 (34) 과, 공기 배기 유로 (5) 로 이루어지는 공기 배기부 (26) 를 통과하여 외부로 배출된다.

동시에 연료 전지 (1) 의 연료 공급 유로 (6) 에 연료 가스로서 예를 들어 수소를 공급하면, 그 연료 가스는, 도 8 의 상측에서 하측으로 흐르고, 상측의 연료 공급 유로 (6) 와, 연료 공급 연락실 (38) 과, 연료 공급 연락부 (40) 로 이루어지는 연료 공급부 (27) 를 통과하여 연료실 (17) 에 공급되고, 이 연료실 (17) 의 집전 부재 (19, 19…) 의 사이, 엄밀하게는 셀 본체 맞닿음부 (19b, 19b…) 끼리의 사이의 가스 유로 (57)(도 8 에 있어서, 연료실 (17) 내의 비사선부 참조) 를 확산되면서 빠져나가고, 또한 연료 배기 연락부 (44) 와, 연료 배기 연락실 (42) 과, 연료 배기 유로 (7) 로 이루어지는 연료 배기부 (28) 를 통과하여 외부로 배기된다.

또한, 이 때 집전 부재 (19) 가 상기와 같이 다공질 금속 또는 철망 또는 와이어로 형성되어 있으면, 가스 유로 (57) 의 표면이 요철이 되기 때문에 연료 가스의 확산성이 향상된다.

이와 같은 공기와 연료 가스의 공급·배기를 실시하면서 상기 용기 (10) 내의 온도를 700 ℃ ∼ 1000 ℃ 로까지 상승시키면, 공기와 연료 가스가 공기극 (14) 과 전해질 (2) 과 연료극 (15) 을 통하여 반응을 일으키기 때문에, 공기극 (14) 을 정극, 연료극 (15) 을 부극으로 하는 직류의 전기 에너지가 발생한다. 또한, 연료 전지 셀 (3) 내에서 전기 에너지가 발생하는 원리는 주지된 것이기 때문에 설명을 생략한다.

상기와 같이 공기극 (14) 은, 집전 부재 (18) 를 통하여 상측의 인터커넥터 (12) 에 전기적으로 접속되고, 한편 연료극 (15) 은, 집전 부재 (19) 를 통하여 하측의 인터커넥터 (13) 에 전기적으로 접속되어 있고, 또 연료 전지 스택 (8) 은 복수의 연료 전지 셀 (3) 을 적층하여 직렬로 접속된 상태이기 때문에, 상측의 엔드 플레이트 (45a) 가 정극이고, 하측의 엔드 플레이트 (45b) 가 부극이 되어, 그 전기 에너지가 출력 단자로서도 기능하는 체결 부재 (46a ∼ 46d) 를 통하여 외부로 취출할 수 있다.

이상과 같이 연료 전지는, 발전시에 온도가 상승하고, 발전 정지에 의해 온도가 하강한다는 온도 사이클을 반복한다. 따라서, 연료실 (17) 이나 공기실 (16) 을 구성하는 모든 부재나 상기 체결 부재 (46a ∼ 46d) 에 대해 열 팽창과 수축이 반복되고, 그에 수반하여 연료실 (17) 이나 공기실 (16) 의 간격도 확대와 축소가 반복된다.

또, 연료압이나 공기압도 변동되는 경우가 있으며, 그 압력의 변동에 의해 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 대해, 실시형태에서는 연료실 (17) 측의 집전 부재 (19) 가 오로지 스페이서 (58) 의 적층 방향 (＝ 두께 방향 또는 체결 부재 (46a ∼ 46d) 의 체결 방향) 의 탄성과 동일한 방향의 열 팽창에 의해 셀 본체 (20) 를 가압하기 때문에 전기적 접점이 안정적으로 유지된다. 특히 실시형태의 집전 부재 (19) 는, 외측면에 미세한 요철이 형성되어 있기 때문에, 상기 가압력이 미세한 요철의 볼록부에 집중되므로, 미크로적으로 봤을 때 접촉압이 높아져 전기적 접점이 보다 강하게 안정된다.

또한, 이 집전 부재 (19) 에 의한 셀 본체 (20) 의 가압은 공기실 (16) 측에도 영향을 미치기 때문에, 공기실 (16) 의 전기적 접점도 안정적으로 유지된다.

또, 연료실 (17) 이나 공기실 (16) 의 축소 방향의 변화에 대해, 연료실 (17) 측의 오로지 스페이서 (58) 의 수축에 의해 셀 본체 (20) 에 가해지는 응력이 완화된다.

또, 연료극 (15) 측의 집전 부재 (19) 가 Ni 이거나 또는 Ni 합금이면, 발전시의 고온 환경하에서 셀 본체 맞닿음부 (19b) 가 연료극 (15) 중의 Ni 와 확산 접합되어 일체가 된다.

따라서 집전 부재 (19) 에 의한 전기적 접속이 보다 안정적으로 유지된다.

또한, 바람직하게는 연료극 (15) 에 NiO 페이스트를 도포하여 접합층을 형성해 두면 된다.

그렇게 함으로써 H2 중의 통전에 의해 NiO 가 Ni 가 되기 때문에 집전 부재 (19) 와 연료극 (15) 의 접합성이 더욱 향상된다.

상기 접합층은, 연료극 (15) 에 Pt 페이스트를 도포함으로써 형성해도 된다.

한편, 실시형태의 연료극 (15) 측의 집전 부재 (19) 는 상기와 같이 Ni 이거나 또는 Ni 합금이고, 이것에 접하는 인터커넥터 (13) 는 페라이트계 스테인리스 (예를 들어 Crofer22H) 이며, 이들은 고온 환경하에서 확산 접합될 수 있는 조합으로 되어 있다. 그 때문에, 발전시의 고온 환경하에서 커넥터 맞닿음부 (19a) 가 인터커넥터 (13) 와 확산 접합되어 일체가 된다. 이 때 집전 부재 (19) 의 외측면의 요철 (19e) 에 의해 확산 접합의 강도가 향상되기 때문에, 일부러 도전성 페이스트를 개재시키지 않아도 박리나 저항 상승이 일어나기 어렵다.

이상, 본 발명을 실시형태에 대해 설명하였지만, 물론 본 발명은 상기 실시형태에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 실시형태에서는, 집전 부재 (19) 로서 전해 도금 제법에 의해 형성된 Ni 박 (금속박) 을 사용함으로써 외측면에 미세한 요철 (19e) 를 형성하였지만, 금속 재료에 공지된 샌드 블라스트 가공 또는 에칭 가공을 실시하도록 하여 상기 요철 (19e) 을 형성하도록 해도 된다.

1 …연료 전지
2 …전해질
3 …연료 전지 셀
8 …연료 전지 스택
12, 13 …인터커넥터
14 …공기극
15 …연료극
18, 19 …집전 부재
19a …커넥터 맞닿음부
19b …셀 본체 맞닿음부
19c …연접부
19d …절취선
19e …요철
19f …절편부
20 …셀 본체
46a ∼ 46d …체결 부재
58 …스페이서
61 …표면
62 …이면
190 …금속 평판

Claims (11)

1 쌍의 인터커넥터와,
상기 인터커넥터 사이에 위치하여, 전해질의 일방의 면에 공기극이 형성되고, 타방의 면에 연료극이 형성된 셀 본체와,
상기 공기극 및 상기 연료극의 적어도 일방과 상기 인터커넥터 사이에 배치되고, 상기 공기극 및/또는 상기 연료극과 상기 인터커넥터를 전기적으로 접속시키는 집전 부재를 구비한 연료 전지 셀로서,
상기 집전 부재는, 상기 인터커넥터에 맞닿는 커넥터 맞닿음부와, 상기 셀 본체에 맞닿는 셀 본체 맞닿음부와, 상기 커넥터 맞닿음부와 상기 셀 본체 맞닿음부를 연결하는 대략 180 도로 구부러진 연접부가 일련으로 형성되고, 또한 상기 커넥터 맞닿음부가 상기 인터커넥터에 맞닿는 측의 면을 외측면으로 하여, 그 외측면에 면 조도의 10 점 평균 조도 Rz ≥ 4 ㎛ 의 요철이 형성되어 있고,
또, 상기 셀 본체와 상기 인터커넥터 사이에 있어서, 대향하는 상기 커넥터 맞닿음부와 상기 셀 본체 맞닿음부 사이에 스페이서가 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지 셀.

제 1 항에 있어서,
상기 집전 부재는 전해 도금 제법에 의해 형성된 금속박으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지 셀.

제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 집전 부재의 두께가 15 ∼ 100 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 연료 전지 셀.

제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
상기 집전 부재는 상기 외측면이 샌드 블라스트 가공 또는 에칭 가공된 금속박으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지 셀.

제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 집전 부재의 상기 커넥터 맞닿음부가 상기 인터커넥터에 확산 접합되는 것인 것을 특징으로 하는 연료 전지 셀.

제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 기재된 연료 전지 셀을 복수개 적층하고, 체결 부재에 의해 고정시켜 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택.

1 쌍의 인터커넥터와,
전해질의 일방의 면에 공기극이 형성되고, 타방의 면에 연료극이 형성된 셀 본체와,
표면 및 이면을 갖는 금속 평판으로 구성되는 집전 부재를 포함하는 연료 전지 셀의 제조 방법으로서,
상기 1 쌍의 인터커넥터 사이에 상기 셀 본체를 배치하는 공정과,
면 조도의 10 점 평균 조도가 상기 표면보다 큰 상기 이면을 갖는 상기 금속 평판으로 구성되는 집전 부재를 준비하는 공정과,
그 인터커넥터와 그 셀 본체의 상기 공기극 및 상기 연료극의 적어도 일방 사이에 상기 집전 부재를 배치하는 공정을 포함하고,
상기 집전 부재를 배치하는 공정에 있어서, 상기 집전 부재의 이면이 상기 인터커넥터와 그 인터커넥터에 대향하는 셀 본체의 전극에 전기적으로 접속하도록 상기 집전 부재를 배치하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 셀의 제조 방법.

제 7 항에 있어서,
상기 금속 평판에 절취선을 넣은 절편부를 형성하고, 상기 절편부를 상기 금속 평판으로부터 구부려 세우는 공정과,
상기 금속 평판에 스페이서를 배치하고, 상기 절편부와 그 금속 평판 사이에 두어 집전 부재를 형성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 셀의 제조 방법.

제 7 항에 있어서,
상기 금속 평판에 절취선을 넣은 절편부를 형성하고,
상기 절편부의 일부를 U 자상으로 구부려 상기 절편부가 상기 금속 평판 (190) 으로 덮이도록 하여 집전 부재를 형성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 셀의 제조 방법.

제 9 항에 있어서,
상기 집전 부재를 형성하는 공정 이후에,
상기 절편부와 상기 금속 평판 사이에 스페이서를 배치하는 공정을 포함하는, 연료 전지 셀의 제조 방법.

제 7 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 금속 평판의 상기 이면의 면 조도의 10 점 평균 조도 Rz 가 Rz ≥ 4 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 연료 전지 셀의 제조 방법.

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