KR20160054583A - 연료 전지 및 연료 전지 스택 - Google Patents

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Abstract

피독물질에 의한 성능의 저하가 억제된 연료 전지 및 연료 전지 스택을 제공한다. 연료 전지는, 제 1 주면, 및 제 2 주면을 갖는 고체 전해질층과, 상기 제 1 주면에 배치되고, 공기극 및 연료극의 일방인 제 1 전극부와, 상기 제 2 주면에 배치되고, 상기 공기극 및 상기 연료극의 타방인 제 2 전극부를 갖고, 반응 가스의 발전 반응에 의해 전력을 발생시키는 연료 전지 셀과, 상기 제 1 전극부와 대향하여 배치되는 인터 커넥터와, 상기 제 1 전극부와 상기 인터 커넥터를 전기적으로 접속시키는 집전부를 구비하는 연료 전지로서, 상기 제 1 전극부가, 상기 집전부와 접속되는 내주부와, 상기 집전부보다 외주측에 배치되고, 상기 내주부보다 높이가 높은 외주부를 갖는다.

Description

연료 전지 및 연료 전지 스택{FUEL CELL AND FUEL CELL STACK}
본 발명은 연료 전지 및 연료 전지 스택에 관한 것이다.
전해질에 고체 산화물을 사용한 고체 산화물형 연료 전지 (이하,「SOFC」라고도 기재하는 경우가 있다) 가 알려져 있다. SOFC 는, 예를 들어, 판상의 고체 전해질층의 각 면에 연료극과 공기극을 구비한 연료 전지 셀을 갖는다. 정부 (正負) 의 전극 (연료극 및 공기극) 각각에 반응 가스 (연료 가스 (예를 들어, 수소) 및 산화제 가스 (예를 들어, 공기 중의 산소)) 를 공급하고, 고체 전해질층을 개재하여 화학 반응시킴으로써, 전력을 발생시킨다 (특허문헌 2 참조). 연료극 또는 공기극에는 집전부가 전기적으로 접속된다. 또, 연료 가스와 산화제 가스를 분리시키기 위해, 연료 전지 셀은 세퍼레이터에 접합되어 세퍼레이터가 부착된 연료 전지 셀이 된다. 연료 전지 셀과 집전부를 갖는 연료 전지가 1 개 또는 2 이상 연속하여 배치됨으로써 스택 (연료 전지 스택) 이 구성된다.
일본 공개특허공보 2010-165629호
여기서, 반응 가스 중에 Cr, Si, B, S 등, 연료 전지 셀의 기능을 저하시키는 피독물질이 함유되는 경우가 있다. 피독물질이 전극 (공기극 또는 연료극) 에 도달하면, 전극에서의 반응 가스의 반응이 저해되고, 연료 전지 셀의 출력이 저하된다. 이 경우, 일반적으로 활성탄 등의 필터를 반응 가스의 상류에 형성하고, 반응 가스 중의 피독물질을 트랩 (흡착) 하여, 전극으로의 도달을 방지할 수 있다.
그러나, SOFC 의 내부 (예를 들어, 봉지재나 배관) 에서 피독물질이 비산되어 반응 가스에 혼입되는 경우가 있다. 이 경우, SOFC 의 내부에서 비산되는 피독물질을 효과적으로 트랩 (제거) 하는 것은 곤란하다. 특히, 연료 전지 셀과 세퍼레이터를 접합하는 지점은 연료 전지 셀의 근방이기 때문에, 이 지점에서 비산되는 피독물질을 효과적으로 제거하는 것은 곤란하다.
본 발명은, 피독물질에 의한 성능의 저하가 억제된 연료 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
(1) 본 발명의 일 양태에 관련된 연료 전지는, 제 1 주면, 및 제 2 주면을 갖는 고체 전해질층과, 상기 제 1 주면에 배치되고, 공기극 및 연료극의 일방인 제 1 전극부와, 상기 제 2 주면에 배치되고, 상기 공기극 및 상기 연료극의 타방인 제 2 전극부를 갖고, 반응 가스의 발전 반응에 의해 전력을 발생시키는 연료 전지 셀과,
상기 제 1 전극부와 대향하여 배치되는 인터 커넥터와,
상기 제 1 전극부와 상기 인터 커넥터를 전기적으로 접속시키는 집전부를 구비하는 연료 전지로서,
상기 제 1 전극부가,
상기 집전부와 접속되는 내주부와,
상기 집전부보다 외주측에 배치되고, 상기 내주부보다 높이가 높은 외주부를 갖는 것을 특징으로 한다.
반응 가스가 제 1 전극부의 특성을 저하시키는 피독물질 (Cr, Si, B, S 등) 을 함유할 가능성이 있다. 제 1 전극부가 내주부보다 높이가 높은 외주부를 가짐으로써, 외주부에서 피독물질이 트랩되어, 내주부에서의 피독이 억제된다. 이 결과, 제 1 전극부의 특성의 저하가 억제되어, 장기간에 걸쳐 연료 전지의 특성을 확보할 수 있게 된다.
또한, 집전부는 제 1 전극부에 접속됨과 함께, 도전성을 갖는 부재이다.
(2) 상기 연료 전지 셀에 접합되고, 상기 제 1 전극부가 노출되는 개구부를 갖는 금속제의 세퍼레이터와,
상기 개구부와 상기 연료 전지 셀의 계면을 봉지하는 유리를 함유하는 봉지부를 추가로 구비 해도 된다.
연료 전지 셀과 세퍼레이터를 봉지하기 위해, 유리 (비정질 유리, 결정화 유리 등) 를 함유하는 봉지부가 연료 전지 셀과 세퍼레이터의 접합 부분의 계면에 배치된다. 이 유리가 Si, B 등의 피독물질을 함유하고, 이 피독물질이 제 1 전극부의 특성을 저하시킬 가능성이 있다. 이 경우에도, 제 1 전극부가 내주부보다 높이가 높은 외주부를 가짐으로써, 외주부에서 피독물질이 트랩되어, 내주부에서의 피독이 억제된다.
또한, 세퍼레이터와 접합되는 연료 전지 셀의 부위는, (a) 고체 전해질층, (b) 제 1 전극부인 경우가 있다. 고체 전해질층의 제 1 주면의 일부 (예를 들어, 외주 근방) 에 제 1 전극부가 배치되어 있지 않은 경우, 세퍼레이터와 고체 전해질층의 접합이 가능하다.
(3) 상기 봉지부와 상기 외주부의 거리가 0.2 ㎜ 이상, 3 ㎜ 이하인 것이 바람직하다.
봉지부와 외주부와의 거리가 0.2 ㎜ 보다 작으면, 제 1 전극부에 봉지부가 접촉되어 모세관력에 의해 제 1 전극부의 내부에 스며들어, 피독을 조장할 우려가 있다.
봉지부와 외주부의 거리가 3 ㎜ 를 초과하면, 봉지부로부터 비산되는 피독물질이 주위로 확산되기 쉬워져, 트랩 효과가 약해질 가능성이 있다.
(4) 상기 외주부와 상기 제 1 전극부와 대향하여 배치되는 인터 커넥터 사이의 거리가 0.2 ㎜ 이상인 것이 바람직하다.
외주부와 당해 인터 커넥터 사이의 거리가 0.2 ㎜ 미만에서는, 반응 가스의 흐름이 나빠져, 연료 전지의 출력 특성이 저하될 가능성이 있다.
(5) 상기 외주부가 적어도 상기 제 1 전극부에 공급되는 반응 가스의 유입측에 배치되어도 된다.
적어도 유입측으로부터의 피독을 효과적으로 억제할 수 있다.
또한, 반응 가스의 유입측은, 연료 가스 또는 산화제 가스가 공급되는 가스 공급구가 있는 상류측이다.
(6) 상기 외주부가 상기 제 1 전극부 중 상기 제 1 전극부에 공급되는 반응 가스의 유입측에만 배치되어도 된다.
유입측으로부터의 피독을 효과적으로 억제할 수 있다.
(7) 상기 외주부가 상기 내주부의 전체 둘레에 배치되어도 된다.
내주부의 전체 둘레 어느 방향으로부터의 피독을 억제할 수 있다.
(8) 상기 제 2 전극부와 전기적으로 접속되는 제 2 집전부를 추가로 구비하고,
상기 제 2 전극부가,
상기 제 2 집전부와 접속되는 제 2 내주부와,
상기 제 2 집전부보다 외주측에 배치되고, 상기 제 2 내주부보다 높이가 높은 제 2 외주부를 가져도 된다.
제 2 전극부가 내주부보다 높이가 높은 외주부를 가짐으로써, 제 2 전극부의 특성의 저하가 억제되어, 장기간에 걸쳐 연료 전지의 특성을 확보할 수 있게 된다.
(9) 상기 제 1 전극부가 공기극이어도 된다.
공기극의 피독에 의한 연료 전지의 성능 저하를 억제할 수 있다.
(10) 상기 외주부의 높이가 10 ㎛ 이상, 200 ㎛ 이하인 것이 바람직하다.
외주부의 높이를 10 ㎛ 이상으로 함으로써, 내주부의 피독을 억제할 수 있다. 외주부의 높이를 200 ㎛ 이하로 함으로써, 반응 가스의 흐름의 열화에 의한 연료 전지의 출력 특성의 저하를 억제할 수 있다.
(11) 상기 외주부의 폭이 0.5 ㎜ 이상, 3 ㎜ 이하인 것이 바람직하다.
외주부의 폭을 0.5 ㎜ 이상으로 함으로써, 내주부의 피독을 억제할 수 있다. 외주부의 폭을 3 ㎜ 이하로 함으로써, 발전에 기여하는 내주부의 면적을 확보할 수 있다.
(12) 연료 전지 스택은, 상기 (1) ∼ (11) 에 기재된 연료 전지를 1 개 또는 2 개 이상 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 피독물질에 의한 성능의 저하가 억제된 연료 전지 및 연료 전지 스택을 제공할 수 있다.
도 1 은, 고체 산화물형 연료 전지 (10) 를 나타내는 사시도이다.
도 2 는, 고체 산화물형 연료 전지 (10) 의 모식 단면도이다.
도 3 은, 연료 전지 셀 (40) 의 분해 단면도이다.
도 4 는, 연료 전지 셀 (40) 의 일부 확대 단면도이다.
도 5 는, 세퍼레이터가 부착된 연료 전지 셀 (50) 의 상면도이다.
도 6 은, 다른 실시형태의 고체 산화물형 연료 전지 (110) 의 구성을 나타내는 설명도이다.
도 7 은, 다른 실시형태의 고체 산화물형 연료 전지 (110) 의 구성을 나타내는 설명도이다.
도 8 은, 다른 실시형태의 고체 산화물형 연료 전지 (110) 의 구성을 나타내는 설명도이다.
도 9 는, 다른 실시형태의 고체 산화물형 연료 전지 (110) 의 구성을 나타내는 설명도이다.
도 10 은, 다른 실시형태의 고체 산화물형 연료 전지 (110) 의 구성을 나타내는 설명도이다.
이하, 본 발명에 관련된 고체 산화물형 연료 전지에 대해 도면을 사용하여 설명한다.
(제 1 실시형태)
도 1 은, 본 발명의 제 1 실시형태에 관련된 고체 산화물형 연료 전지 (연료 전지 스택) (10) 을 나타내는 사시도이다. 고체 산화물형 연료 전지 (10) 는, 반응 가스 (연료 가스 (예를 들어, 수소) 와 산화제 가스 (예를 들어, 공기 (상세하게는 공기 중의 산소))) 의 공급을 받아 발전한다.
또한, 반응 가스, 특히 산화제 가스 (대기) 는, 예를 들어, SOFC 의 내부 (예를 들어, 봉지재나 배관) 에서 비산된 피독물질이 혼입됨으로써, Cr, Si, B, S 등의 피독물질을 함유할 가능성이 있다.
고체 산화물형 연료 전지 (10) 는, 엔드 플레이트 (11, 12), 연료 전지 셀 (40(1) ∼ 40(4)) 이 적층되고, 볼트 (21, 22 (22a, 22b), 23 (23a, 23b)) 및 너트 (35) 로 고정된다.
도 2 는, 고체 산화물형 연료 전지 (10) 의 모식 단면도이다.
고체 산화물형 연료 전지 (10) 는, 연료 전지 셀 (40(1) ∼ 40(4)) 을 적층하여 구성되는 연료 전지 스택이다. 여기서는, 알기 쉽기 위해 4 개의 연료 전지 셀 (40(1) ∼ 40(4)) 을 적층하고 있지만, 일반적으로는 20 ∼ 60 개 정도의 연료 전지 셀 (40) 을 적층하는 경우가 많다.
엔드 플레이트 (11, 12), 연료 전지 셀 (40(1) ∼ 40(4)) 은, 볼트 (21, 22 (22a, 22b), 23 (23a, 23b)) 에 대응하는 관통공 (31, 32 (32a, 32b), 33 (33a, 33b)) 을 갖는다.
엔드 플레이트 (11, 12) 는, 적층되는 연료 전지 셀 (40(1) ∼ 40(4)) 을 가압, 유지하는 유지판이고, 또한 연료 전지 셀 (40(1) ∼ 40(4)) 로부터의 전류의 출력 단자이기도 하다.
도 3 은, 연료 전지 셀 (40) 의 분해 단면도이다. 도 4 는, 연료 전지 셀 (40) 의 일부 확대 단면도이다. 도 5 는, 세퍼레이터가 부착된 연료 전지 셀 (50) 의 상면도이다. 도 3 에 나타내는 바와 같이, 연료 전지 셀 (40) 은, 금속제 세퍼레이터 (53) 와 연료 전지 셀 본체 (44) 를 갖고, 인터 커넥터 (41, 45), 집전부 (42a, 42b), 프레임부 (43) 를 구비한다.
연료 전지 셀 본체 (좁은 의미의 연료 전지 셀) (44) 는, 고체 전해질층 (56) 을 공기극 (캐소드, 공기극층이라고도 한다) (55) 및 연료극 (애노드, 연료극층이라고도 한다) (57) 사이에 두어 구성된다. 고체 전해질층 (56) 은, 2 개의 주면을 갖는다. 이들 주면은, 산화제 가스 유로 (47) 측, 연료 가스 유로 (48) 측 각각에 면하고, 공기극 (55), 연료극 (57) 이 배치된다.
공기극 (55), 연료극 (57) 의 일방, 타방은 각각 제 1 전극부, 제 2 전극부로서 기능한다.
공기극 (55) 으로는, 페로브스카이트계 산화물 (예를 들어, LSCF (란탄스트론튬코발트철 산화물), LSM (란탄스트론튬망간 산화물)), 각종 귀금속 및 귀금속과 세라믹의 서멧을 사용할 수 있다.
고체 전해질층 (56) 으로는, YSZ (이트리아 안정화 지르코니아), ScSZ (스칸디아 안정화 지르코니아), SDC (사마륨 도프 세리아), GDC (가돌리늄 도프 세리아), 페로브스카이트계 산화물 등의 재료를 사용할 수 있다.
연료극 (57) 으로는 금속이 바람직하고, Ni 및 Ni 와 세라믹의 서멧이나 Ni 기 합금을 사용할 수 있다.
인터 커넥터 (41, 45) 는, 연료 전지 셀 본체 (44) 사이의 도통을 확보하고, 또한 연료 전지 셀 본체 (44) 사이에서의 가스의 혼합을 방지할 수 있는, 도전성 (예를 들어, 스테인리스강 등의 금속) 을 갖는 판상의 부재이다.
또한, 연료 전지 셀 본체 (44) 사이에는, 1 개의 인터 커넥터 (41 혹은 45) 만이 배치된다 (직렬로 접속되는 2 개의 연료 전지 셀 본체 (44) 사이에 하나의 인터 커넥터를 공유하고 있기 때문). 또, 최상층 및 최하층의 연료 전지 셀 본체 (44) 각각에서는, 인터 커넥터 (41, 45) 대신에 도전성을 갖는 엔드 플레이트 (11, 12) 가 배치된다.
집전부 (42a) 는, 연료 전지 셀 본체 (44) 의 공기극 (55) 과 인터 커넥터 (41) 사이의 도통을 확보하기 위한 것으로, 예를 들어, 인터 커넥터 (41) 에 형성된 볼록부이다. 집전부 (42b) 는, 연료 전지 셀 본체 (44) 의 연료극 (57) 과 인터 커넥터 (41) 사이의 도통을 확보하기 위한 것으로, 예를 들어, 통기성을 갖는 니켈 펠트나 니켈 메시 등을 사용할 수 있다.
프레임부 (43) 는, 산화제 가스, 연료 가스가 흐르는 개구 (46) 를 갖는다. 이 개구 (46) 는, 기밀하게 유지되고, 또한 산화제 가스가 흐르는 산화제 가스 유로 (47), 연료 가스가 흐르는 연료 가스 유로 (48) 로 구분된다. 또, 본 실시형태의 프레임부 (43) 는, 공기극 프레임 (51), 절연 프레임 (52), 금속제 세퍼레이터 (53), 연료극 프레임 (54) 으로 구성된다.
공기극 프레임 (51) 은, 공기극 (55) 측에 배치되는 금속제의 프레임체로, 중앙부에는 개구 (46) 를 갖는다. 그 개구 (46) 에 의해 산화제 가스 유로 (47) 가 구획된다.
절연 프레임 (52) 은, 인터 커넥터 (41, 45) 사이를 전기적으로 절연하는 프레임체로, 예를 들어, Al2O3 등의 세라믹스나 마이카, 버미큘라이트 등을 사용할 수 있고, 중앙부에는 개구 (46) 를 갖는다. 그 개구 (46) 에 의해 산화제 가스 유로 (47) 가 구획된다. 구체적으로는, 절연 프레임 (52) 은 인터 커넥터 (41, 45) 사이에 있어서, 일방의 면이 공기극 프레임 (51) 에, 타방의 면이 금속제 세퍼레이터 (53) 에 접촉되어 배치되어 있다. 이 결과, 절연 프레임 (52) 에 의해 인터 커넥터 (41, 45) 사이가 전기적으로 절연되어 있다.
금속제 세퍼레이터 (53) 는, 개구부 (58) 를 갖는 프레임상의 금속제의 박판 (예를 들어, 두께 : 0.1 ㎜) 으로, 연료 전지 셀 본체 (44) 의 고체 전해질층 (56) 에 장착되고, 또한 산화제 가스와 연료 가스의 혼합을 방지하는 금속제의 프레임체이다. 금속제 세퍼레이터 (53) 에 의해 프레임부 (43) 의 개구 (46) 내의 공간이 산화제 가스 유로 (47) 와 연료 가스 유로 (48) 로 구획되고, 산화제 가스와 연료 가스의 혼합이 방지된다.
금속제 세퍼레이터 (53) 에는, 금속제 세퍼레이터 (53) 의 상면과 하면 사이를 관통하는 관통공에 의해 개구부 (58) 가 형성되고, 이 개구부 (58) 내에 연료 전지 셀 본체 (44) 의 공기극 (55) 이 배치된다. 금속제 세퍼레이터 (53) 가 접합된 연료 전지 셀 본체 (44) 가 세퍼레이터가 부착된 연료 전지 셀 (50) 이다.
연료극 프레임 (54) 은, 절연 프레임 (52) 과 마찬가지로, 연료극 (57) 측에 배치되는 절연 프레임으로, 중앙부에는 개구 (46) 를 갖는다. 그 개구 (46) 에 의해 연료 가스 유로 (48) 를 구획한다.
공기극 프레임 (51), 절연 프레임 (52), 금속제 세퍼레이터 (53), 연료극 프레임 (54) 은, 볼트 (21, 22 (22a, 22b), 23 (23a, 23b)) 가 삽입되거나, 혹은 산화제 가스나 연료 가스가 유통되는 관통공 (31, 32 (32a, 32b), 33 (33a, 33b)) 을 각각의 주변부에 갖는다.
연료 전지 셀 본체 (44) 와 금속제 세퍼레이터 (53) 사이에 접합부 (61), 봉지부 (62) 가 배치되고, 세퍼레이터가 부착된 연료 전지 셀 (50) 을 구성한다. 개구부 (58) 를 따라 금속제 세퍼레이터 (53) 의 하면과 고체 전해질층 (56) 의 상면이 접합부 (61) 에 의해 접합되고, 봉지부 (62) 에 의해 봉지된다.
접합부 (61) 는, Ag 를 함유하는 납재로 구성되고, 개구부 (58) 를 따라 전체 둘레에 걸쳐 배치되고, 연료 전지 셀 본체 (44) 와 금속제 세퍼레이터 (53) 를 접합한다.
봉지부 (62) 는, 개구부 (58) 를 따라 전체 둘레에 걸쳐 접합부 (61) 보다 개구부 (58) 측 (내주측) 에 배치되고, 금속제 세퍼레이터 (53) 의 개구부 (58) 내에 있는 산화제 가스와 개구부 (58) 외에 있는 연료 가스의 혼합을 방지하기 위해 연료 전지 셀 본체 (44) 와 금속제 세퍼레이터 (53) 사이 (이들의 접합 부분의 계면) 를 봉지한다. 봉지부 (62) 에는, 유리를 함유하는 봉지재, 구체적으로는 유리 (비정질 유리), 유리 세라믹스 (결정화 유리), 유리와 세라믹스의 복합물을 이용할 수 있다. 봉지부 (62) 의 봉지재는, Si, B, S 등의 피독물질을 함유할 가능성이 있다.
여기서는, 고체 전해질층 (56) 의 외주 근방에는 공기극 (55) 이 배치되어 있지 않다. 이 때문에, 연료 전지 셀 본체 (44) 의 고체 전해질층 (56) 과 금속제 세퍼레이터 (53) 가 접합부 (61) 및 봉지부 (62) 에 의해 접합, 봉지되어 있다.
이에 반해, 고체 전해질층 (56) 의 외주 근방에도 공기극 (55) 을 배치해도 된다. 이 경우, 연료 전지 셀 본체 (44) 의 공기극 (55) 과 금속제 세퍼레이터 (53) 가 접합부 (61) 및 봉지부 (62) 에 의해 접합, 봉지되어 있다. 이 경우, 후술하는 공기극 (55) 의 외주부 (552) 의 더욱 외주에 외주부 (552) 보다 높이가 낮은 최외주부가 배치된다.
본 실시형태에서는, 공기극 (55) 이 내주부 (551), 외주부 (552) 를 갖는다. 내주부 (551) 는 대략 사각형 형상이고, 공기극 (55) 의 내주측에 배치되고, 집전부 (42a) 와 접속 (접촉) 된다. 외주부 (552) 는 대략 사각형 형상이고, 공기극 (55) 의 외주측 (내주부 (551) 의 외주) 에 배치되고, 집전부 (42a) 와 접촉되지 않는다.
산화제 가스는, 관통공 (33a) 으로부터 산화제 가스 유로 (47) 에 유입되고, 공기극 (55) 상을 통과하여 관통공 (33b) 으로 유출된다.
이 때, 외주부 (552) 자체의 높이 (고체 전해질층 (56) 의 주면으로부터의 높이) (H2) 는, 내주부 (551) 의 높이 (H1) 보다 크다 (H2 ＞ H1). 이 때문에, 공기극 (55) 의 외주로부터 내주를 향하는 반응 가스 (산화제 가스) 에 함유되는 피독물질이 외주부 (552) 에 트랩되어, 내주부 (551) 에서의 피독이 억제된다. 이 결과, 공기극 (55) 의 특성의 저하가 억제되어, 장기간에 걸쳐 연료 전지 셀 본체 (44) 의 특성을 확보할 수 있게 된다.
또, 봉지부 (62) 에 함유되는 피독물질이 비산되어 반응 가스 (여기서는, 산화제 가스) 에 혼입된 경우에도, 이 피독물질이 외주부 (552) 에 트랩되기 쉬워 내주부 (551) 에서의 피독이 억제된다.
이 때, 내주부 (551) 에 대한 외주부 (552) 의 높이 (ΔH (＝ H2 － H1)) 는 10 ㎛ 이상, 200 ㎛ 이하인 것이 바람직하다. 외주부 (552) 의 높이 (ΔH) 를 10 ㎛ 이상으로 함으로써, 내주부 (551) 의 피독을 억제할 수 있다. 외주부 (552) 의 높이 (ΔH) 를 200 ㎛ 이하로 함으로써, 반응 가스의 흐름의 열화에 의한 연료 전지 (10) 의 출력 특성의 저하를 억제할 수 있다.
외주부 (552) 의 폭 (D) 은 0.5 ㎜ 이상, 3 ㎜ 이하인 것이 바람직하다. 외주부 (552) 의 폭 (D) 을 0.5 ㎜ 이상으로 함으로써, 내주부 (551) 의 피독을 억제할 수 있다. 외주부 (552) 의 폭 (D) 을 3 ㎜ 이하로 함으로써, 발전에 기여하는 내주부의 면적을 확보할 수 있다.
여기서는, 공기극 (55) 의 전체 둘레에 외주부 (552) 가 배치되어 있다. 내주부 (551) 의 전체 둘레 어느 방향으로부터의 피독을 억제할 수 있다. 이에 반해, 적어도 공기극 (55) 에 공급되는 반응 가스 (산화제 가스) 의 유입측에 외주부 (552) 가 배치되어도 되고, 공기극 (55) 중, 공기극 (55) 에 공급되는 반응 가스 (산화제 가스) 의 유입측에만 외주부 (552) 가 배치되어도 된다. 예를 들어, 관통공 (33b) 측에 외주부 (552) 를 공기극 (55) 의 반주(半周) 정도 (예를 들어, 40 ∼ 70 ％) 를 배치해도 된다.
외주부 (552) 와 봉지부 (62) 사이에 소정의 간격 (거리 (L)) 이 존재한다. 이 거리 (L) 는 0.2 ㎜ 이상, 3 ㎜ 이하인 것이 바람직하다.
거리 (L) 가 0.2 ㎜ 보다 작으면 공기극 (55) 에 봉지부 (62) 가 접촉되어 모세관력에 의해 공기극 (55) 의 내부에 스며들어, 내주부 (551) 에서의 피독을 조장할 우려가 있다.
거리 (L) 가 3 ㎜ 를 초과하면, 봉지부 (62) 로부터 비산되는 피독물질이 주위로 확산되기 쉬워져, 외주부 (552) 에서의 피독물질의 트랩 효과가 약해질 가능성이 있다.
외주부 (552) 와 인터 커넥터 (41) 사이에 거리 (간격) (G) 가 존재한다. 이 거리 (G) 는 0.2 ㎜ 이상인 것이 바람직하다. 거리 (G) 가 0.2 ㎜ 미만에서는, 반응 가스 (산화제 가스) 의 흐름이 나빠져, 내주부 (551) 에 도달하는 반응 가스의 양이 저감되고, 연료 전지 (10) (연료 전지 셀 (40)) 의 출력 특성이 저하될 가능성이 있다.
(연료 전지 셀 본체 (44) 의 제조 방법)
내주부 (551), 내주부 (551) 를 갖는 공기극 (55) (연료 전지 셀 본체 (44)) 은 다음과 같이 하여 제조할 수 있다. 연료극 (57) 의 그린 시트의 일방의 표면에 고체 전해질층 (56) 의 시트를 첩부 (貼付) 하여 적층체를 형성하고, 그 적층체를 일단 소성한다. 그 후, 공기극 (55) 의 재료를 인쇄하고, 소성하여 연료 전지 셀 본체 (44) 를 제조한다. 이 때, 공기극 (55) 의 재료로서 점성이 높은 액상의 재료를 사용한다. 점성이 높은 재료를 인쇄함으로써, 인쇄된 영역의 외주의 근방이 두꺼워져 외주부 (552) 를 형성할 수 있다.
다른 수법으로서, 외주부 (552) 에서의 인쇄의 횟수 (층수) 를 내주부 (551) 보다 많게 해도 된다. 예를 들어, 내주부 (551) 와 외주부 (552) 의 쌍방을 포함하는 영역에 인쇄하고, 외주부 (552) 만을 포함하는 영역에 거듭하여 인쇄한다. 이와 같이 함으로써, 외주부 (552) 의 인쇄 횟수를 내주부 (551) 보다 많게 하여, 외주부 (552) 를 내주부 (551) 보다 높게 할 수 있다.
(그 밖의 실시형태)
본 발명의 실시형태는 상기 실시형태에 한정되지 않고 확장, 변경 가능하며, 확장, 변경한 실시형태도 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.
이상의 실시형태에서는, 공기극 (55) 만이 내주부 (551), 외주부 (552) 를 갖는다. 이에 반해, 연료극 (57) 이 내주부와, 내주부보다 높이가 높은 외주부를 가져도 된다. 이 경우, 서로 대향하는 내주부 (연료극 (57)) 와 인터 커넥터 (45) 사이에 이들을 전기적으로 접속시키는 집전부 (42b) 가 배치된다.
또, 공기극 (55) 및 연료극 (57) 의 쌍방이 내주부와, 내주부보다 높이가 높은 외주부를 가져도 된다.
본 발명의 실시형태에서는, 판상의 연료 전지 셀을 갖는 연료 전지를 예시하였지만, 연료 전지 셀의 형상은 본 실시형태에 한정되지 않고, 다른 형상 (원 기둥 형상이나 편평 기둥 형상 등) 이어도 된다.
본 발명의 실시형태에서는, 판상의 연료 전지 셀을 갖는 연료 전지가 1 개 또는 2 이상 적층되어 배치된 연료 전지 스택을 예시하였지만, 연료 전지 셀의 형상은 본 실시형태에 한정되지 않고, 다른 형상 (원 기둥 형상이나 편평 기둥 형상 등) 의 연료 전지 셀이 1 개 또는 2 이상 연속하여 배치된 구성이어도 된다.
도 6 내지 도 10 은, 본 발명의 다른 실시형태의 고체 산화물형 연료 전지 (연료 전지 스택) (110) 의 구성을 나타내는 설명도이다. 도 6 에는 연료 전지 스택 (110) 의 외관 구성을 나타내고 있고, 도 7 에는 연료 전지 스택 (110) 의 일부의 측면 구성을 나타내고 있고, 도 8 에는 연료 전지 스택 (110) 의 횡단면을 나타내고 있고, 도 9 에는 연료 전지 스택 (110) 의 종단면을 나타내고 있고, 도 10 에는 연료 전지 스택 (110) 에 포함되는 1 개의 연료 전지 셀 (140) 을 확대하여 나타내고 있다. 또한, 이하의 설명에 있어서, 특별히 기재가 없는 구성이나 재료 등에 대해서는, 도 1 내지 도 5 에 나타낸 실시형태의 연료 전지 스택 (10) 과 동일하다.
도 6 내지 도 8 에 나타내는 바와 같이, 이 실시형태의 연료 전지 스택 (110) 은, 서로 소정 간격을 두고 대략 수평 방향으로 2 열로 나열되어 배치된 복수의 연료 전지 셀 (140) 을 갖는다. 각 연료 전지 셀 (140) 은, 인접하는 연료 전지 셀 (140) 사이에 배치된 집전부 (142) 를 개재하여, 전기적으로 직렬로 접속되어 있다. 연료 전지 스택 (110) 은 수납 용기 (177) 내에 수납되어 있다. 또한, 도 6 에는, 수납 용기 (177) 의 일부 (전후면) 를 떼어내어, 내부에 수납되는 연료 전지 스택 (110) 을 외부로 꺼낸 상태를 나타내고 있다.
도 8 및 도 10 에 나타내는 바와 같이, 이 실시형태에 있어서의 연료 전지 셀 (140) 은, 대체로 편평 기둥 형상의 외관을 갖고 있다. 각 연료 전지 셀 (140) 은, 전극 지지체 (149) 와, 연료극 (157) 과, 고체 전해질층 (156) 과, 공기극 (155) 과, 인터 커넥터 (145) 를 구비한다.
전극 지지체 (149) 는, 대략 타원 형상의 단면을 갖는 기둥상체이고, 다공질 재료로 형성되어 있다. 전극 지지체 (149) 의 내부에는, 기둥상체의 연신 방향으로 연장되는 복수의 연료 가스 유로 (148) 가 형성되어 있다. 연료극 (157) 은, 전극 지지체 (149) 의 측면 중, 서로 대략 평행한 1 쌍의 평탄면의 일방과, 각 평탄면의 단부끼리를 연결하는 2 개의 곡면을 덮도록 형성되어 있다. 고체 전해질층 (156) 은, 이 연료극 (157) 의 측면을 덮도록 형성되어 있다. 공기극 (155) 은, 고체 전해질층 (156) 의 측면 중, 전극 지지체 (149) 의 평탄면 상에 위치하는 부분을 덮도록 형성되어 있다. 인터 커넥터 (145) 는, 연료극 (157) 및 고체 전해질층 (156) 이 형성되어 있지 않은 측의 전극 지지체 (149) 의 평탄면 상에 형성되어 있다. 상기 서술한 집전부 (142) 는, 연료 전지 셀 (140) 의 공기극 (155) 과, 그 연료 전지 셀 (140) 에 인접하는 연료 전지 셀 (140) 의 인터 커넥터 (145) 를 전기적으로 접속시킨다.
또한, 이 실시형태에 있어서, 고체 전해질층 (156) 의 양 주면 (외주측 주면 및 내주측 주면) 중, 공기극 (155) 이 배치된 주면 (외주측 주면) 은 특허청구범위에 있어서의 제 1 주면에 상당하고, 연료극 (157) 이 배치된 주면 (내주측 주면) 은 특허청구범위에 있어서의 제 2 주면에 상당한다. 또, 공기극 (155) 은 특허청구범위에 있어서의 제 1 전극부에 상당하고, 연료극 (157) 은 특허청구범위에 있어서의 제 2 전극부에 상당한다.
도 6, 도 7 및 도 9 에 나타내는 바와 같이, 각 연료 전지 셀 (140) 의 하단은, 유리 시일재 등의 절연성 접합재 (도시 생략) 에 의해 매니폴드 (173) 에 고정되어 있다. 또, 연료 전지 스택 (110) 의 상방에는, 천연 가스나 등유 등의 연료를 개질하여 수소가 풍부한 연료 가스를 생성하는 개질기 (176) 가 배치되어 있다. 개질기 (176) 에서 생성된 연료 가스는, 도시되지 않은 가스 유통관을 개재하여 매니폴드 (173) 에 공급되고, 매니폴드 (173) 를 개재하여 각 연료 전지 셀 (140) 의 내부에 형성된 연료 가스 유로 (148) 에 공급된다.
도 9 에 나타내는 바와 같이, 수납 용기 (177) 는, 수납 용기 (177) 의 외측 프레임을 형성하는 외벽 (181) 과, 연료 전지 스택 (110) 을 수납하는 발전실 (188) 을 형성하는 내벽 (182) 과, 2 열로 나열된 연료 전지 스택 (110) 사이에 배치된 산화제 가스 도입 부재 (184) 를 구비한다. 산화제 가스로서의 공기는, 산화제 가스 도입 부재 (184) 내에 공급되고, 산화제 가스 도입 부재 (184) 내를 하방으로 이동하여, 산화제 가스 도입 부재 (184) 의 하단 부근에 형성된 복수의 분출구 (185) 로부터 발전실 (188) 내에 공급된다.
각 연료 전지 셀 (140) 에 연료 가스 및 산화제 가스가 공급되면, 주로 연료극 (157) 과 공기극 (155) 이 고체 전해질층 (156) 을 개재하여 대면하고 있는 부분에서 발전이 실시된다. 또한, 각 연료 전지 셀 (140) 에 있어서의 발전에 수반하여 발생하는 배기 가스는, 발전실 (188) 을 통과하여 수납 용기 (177) 의 바닥부에 형성된 배기공 (186) 으로부터 배출된다. 또, 발전실 (188) 내에는, 각 연료 전지 셀 (140) 의 온도 저하를 억제하는 단열재 (187) 가 적절히 형성되어 있다.
여기서, 도 7 및 도 10 에 나타내는 바와 같이, 공기극 (155) 은 내주부 (151) 와 외주부 (152) 를 갖는다. 내주부 (151) 는, 공기극 (155) 에 있어서의 집전부 (142) 에 접속되는 위치에 형성되어 있다. 외주부 (152) 는, 공기극 (155) 에 있어서의 집전부 (142) 보다 외주측의 위치로서, 산화제 가스 도입 부재 (184) 의 분출구 (185) 보다 상방 (내주부 (151) 에 가까운 측) 의 위치에 형성되어 있다. 즉, 외주부 (152) 는, 공기극 (155) 에 있어서의 산화제 가스의 유입측에 형성되어 있다. 외주부 (152) 는 대략 수평 방향으로 연장되는 형상이다. 외주부 (152) 의 높이 (고체 전해질층 (156) 의 주면으로부터의 높이) (H2) 는, 내주부 (151) 의 높이 (H1) 보다 높다. 그 때문에, 분출구 (185) 로부터 공급된 산화제 가스가 상방의 내주부 (151) 를 향하여 이동할 때, 산화제 가스에 함유되는 피독물질이 높이가 높은 외주부 (152) 에 트랩되어, 내주부 (151) 에서의 피독이 억제된다. 이 결과, 공기극 (155) 의 특성의 저하가 억제되어, 장기간에 걸쳐 연료 전지 셀 (140) 의 특성을 확보할 수 있다.
또한, 도 1 내지 도 5 에 나타낸 실시형태와 마찬가지로, 외주부 (152) 의 높이 (H2) 와 내주부 (151) 의 높이 (H1) 의 차 (ΔH (＝ H2 － H1)) 는 10 ㎛ 이상, 200 ㎛ 이하인 것이 바람직하고, 외주부 (152) 의 폭 (D) 은 0.5 ㎜ 이상, 3 ㎜ 이하인 것이 바람직하고, 외주부 (152) 와 인터 커넥터 (145) 사이의 간격은 0.2 ㎜ 이상인 것이 바람직하다.
또, 도 6 내지 도 10 에 나타낸 실시형태에 있어서, 각 부품 사이의 위치 관계를 유지하면서, 전체의 자세를 임의로 변경할 수 있다.
본 발명의 실시형태에서는, 집전부는 연료 전지 셀 본체 사이에서의 가스의 혼합을 방지할 수 있는 도전성을 갖는 판상의 부재를 예시하였지만, 집전부는 본 실시형태에 한정되지 않고, 도전성을 갖는 다른 부재여도 된다.
10 : 고체 산화물형 연료 전지
11, 12 : 엔드 플레이트
21, 22 : 볼트
31, 32 : 관통공
35 : 너트
40 : 연료 전지 셀
41, 45 : 인터 커넥터
42a, 42b : 집전부
43 : 프레임부
44 : 연료 전지 셀 본체
46 : 개구
47 : 산화제 가스 유로
48 : 연료 가스 유로
50 : 세퍼레이터가 부착된 연료 전지 셀
51 : 공기극 프레임
52 : 절연 프레임
53 : 금속제 세퍼레이터
54 : 연료극 프레임
55 : 공기극
56 : 고체 전해질층
57 : 연료극
58 : 개구부
61 : 접합부
62 : 봉지부
110 : 연료 전지 스택
140 : 연료 전지 셀
142 : 집전부
145 : 인터 커넥터
148 : 연료 가스 유로
149 : 전극 지지체
151 : 내주부
152 : 외주부
155 : 공기극
156 : 고체 전해질층
157 : 연료극
173 : 매니폴드
176 : 개질기
177 : 수납 용기
181 : 외벽
182 : 내벽
184 : 산화제 가스 도입 부재
185 : 분출구
186 : 배기공
187 : 단열재
188 : 발전실
551 : 내주부
552 : 외주부

Claims (9)

  1. 제 1 주면, 및 제 2 주면을 갖는 고체 전해질층과, 상기 제 1 주면에 배치되고 공기극 및 연료극의 일방인 제 1 전극부와, 상기 제 2 주면에 배치되고 상기 공기극 및 상기 연료극의 타방인 제 2 전극부를 갖고, 반응 가스의 발전 반응에 의해 전력을 발생시키는 연료 전지 셀과,
    상기 제 1 전극부와 대향하여 배치되는 인터 커넥터와,
    상기 제 1 전극부와 상기 인터 커넥터를 전기적으로 접속시키는 집전부를 구비하는 연료 전지로서,
    상기 제 1 전극부가,
    상기 집전부와 접속되는 내주부와,
    상기 집전부보다 외주측에 배치되고, 상기 내주부보다 높이가 높은 외주부를 갖는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 전지 셀에 접합되고, 상기 제 1 전극부가 노출되는 개구부를 갖는 금속제의 세퍼레이터와,
    상기 개구부와 상기 연료 전지 셀의 계면을 봉지하는 유리를 함유하는 봉지부를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 봉지부와 상기 외주부의 거리가 0.2 ㎜ 이상, 3 ㎜ 이하인 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 외주부와 상기 제 1 전극부와 대향하여 배치되는 인터 커넥터와의 사이의 거리가 0.2 ㎜ 이상인 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 외주부가 적어도 상기 제 1 전극부에 공급되는 반응 가스의 유입측에 배치되는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 외주부가 상기 제 1 전극부 중 상기 제 1 전극부에 공급되는 반응 가스의 유입측에만 배치되는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 외주부가 상기 내주부의 전체 둘레에 배치되는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 전극부와 전기적으로 접속되는 제 2 집전부를 추가로 구비하고,
    상기 제 2 전극부가,
    상기 제 2 집전부와 접속되는 제 2 내주부와,
    상기 제 2 집전부보다 외주측에 배치되고, 상기 제 2 내주부보다 높이가 높은 제 2 외주부를 갖는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 기재된 연료 전지를 1 개 또는 2 개 이상 구비하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택.
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