KR20160098414A - 연료전지 카세트 및 연료전지 스택 - Google Patents

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노부유키 홋타
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니혼도꾸슈도교 가부시키가이샤
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Abstract

세퍼레이터의 변형을 확실하게 억제할 수 있어 양호한 전지 특성을 유지할 수 있는 연료전지 카세트를 제공한다. 연료전지 카세트(2)는 평판 형상의 단셀 (11), 세퍼레이터(12), 연료극 프레임, 인터커넥터 및 공기극 절연 프레임(15)을 적층하는 것에 의해 구성되어 있다. 연료전지 카세트(2)에 있어서, 세퍼레이터(12) 및 연료극 프레임(13)은 용접으로 접합된다. 공기극 절연 프레임(15)에는 산화제 가스를 흘리는 가스 유로(75, 76)가 형성되어 있다. 가스 유로(75, 76) 내에 있어서 세퍼레이터(12)가 노출되는 부위에 용접 자국(77)이 형성되고, 용접 자국(77)에 의해서 세퍼레이터(12)의 노출되는 부위가 연료극 프레임에 고정된다.

Description

연료전지 카세트 및 연료전지 스택{FUEL CELL CASSETTE AND FUEL CELL STACK}
본 발명은 단셀, 세퍼레이터, 프레임 및 인터커넥터를 적층하여 이루어지는 연료전지 카세트 및 그 카세트를 복수개 적층하여 이루어지는 연료전지 스택에 관한 것이다.
종래부터, 연료전지로서 예를 들면 고체 전해질층(고체 산화물층)을 구비한 고체 산화물형 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell; SOFC)가 알려져 있다. 이 연료전지는 발전의 최소 단위인 단셀을 복수 적층하여 이루어지는 연료전지 스택을 구비하고 있다. 단셀은 공기극, 연료극 및 고체 전해질층을 가지고 구성되며, 발전 반응에 의해 전력을 발생한다. 또, 연료전지 스택에는 단셀에 더불어서 금속 프레임, 절연 프레임, 세퍼레이터, 인터커넥터 등이 설치되고, 그들이 복수개씩 적층되어 있다.
금속 프레임은 스테인리스 등의 도전성 재료를 이용하여 단셀의 측면을 둘러싸도록 프레임 형상으로 형성된다. 또, 세퍼레이터도 스테인리스 등의 도전성 재료에 의해서 형성되어 있으며, 단셀을 배치하기 위한 개구부를 중앙에 가지는 직사각형 프레임 형상을 이루고 있다. 그리고 세퍼레이터의 개구부의 내측에 단셀을 배치한 상태에서 단셀의 둘레가장자리부에 세퍼레이터가 접합된다. 세퍼레이터는 단셀 사이에 있어서, 반응 가스(산화제 가스나 연료 가스)가 공급되는 공기실이나 연료실을 구획하기 위한 칸막이 판으로서 기능한다. 또한, 인터커넥터도 스테인리스 등의 도전성 재료에 의해서 판 형상으로 형성되어 있으며, 단셀의 두께 방향의 양측에 배치된다. 그리고 각 인터커넥터에 의해 단셀 사이의 도통이 확보된다.
그런데 종래의 평판형 고체 산화물형 연료전지(예를 들면, 특허문헌 1 참조)에서는 컴프레션 실링(compression sealing)에 의해서, 연료전지 스택에 있어서의 밀봉성이 확보되는 것이 일반적이었다. 그러나 컴프레션 실링에서는 반응 가스가 누설되기 쉽고, 세퍼레이터 등이 과도하게 변형하는 것에 의해, 반응 가스의 이용률 특성이 악화한다고 했던 것이 염려되고 있었다.
특허문헌 2에는 세퍼레이터의 접합을 용접에 의해서 실시하는 연료전지가 개시되어 있다. 이와 같이, 연료전지 스택을 구성하는 금속 부재(세퍼레이터, 금속 프레임, 인터커넥터 등)를 용접하여 접합체(연료전지 카세트)를 형성하는 것에 의해, 반응 가스의 외부 누설의 발생이 방지된다.
연료전지 스택에는 반응 가스를 흘리기 위해 매니폴드가 형성되어 있다. 구체적으로는, 매니폴드는 연료전지 스택에 있어서 단셀의 적층 방향으로 관통 형성됨과 아울러, 각각의 단셀에 연결되도록(분기 또는 집합하도록) 형성되어 있다. 즉, 세퍼레이터, 금속 프레임 및 인터커넥터에는 매니폴드에 있어서의 스택 관통 구멍을 구성하기 위한 복수의 구멍부가 관통 형성되어 있다. 그리고 이들 세퍼레이터, 금속 프레임 및 인터커넥터를 접합할 때에는 각 구멍부의 주위 및 금속 프레임의 외주부가 되는 부분을 레이저 용접한다. 이 결과, 연료전지 카세트가 형성되고, 그 카세트 내에서 연료 가스가 공급되는 연료실측의 양극 공간이 밀봉된다.
또, 도 17에 나타내어지는 바와 같이, 세퍼레이터(110) 위이며 음극 공간(공기실)의 외측이 되는 위치에 마이카(mica) 시트로 이루어지는 절연 프레임(112)이 배치되고, 그 절연 프레임(112)에 산화제 가스(공기)를 흘리는 가스 유로(114)가 형성되어 있다.
특허문헌 1: 일본국 특개2009-9802호 공보 특허문헌 2: 일본국 특개2011-161450호 공보
그런데 상술한 고체 산화물형 연료전지는 고온 타입의 것으로 1000℃, 중온타입의 것으로 700℃∼800℃로 운전된다. 연료전지에 대해서 이와 같은 고온의 열이 반복하여 가해지는 내구 시험을 실시하면, 연료전지 카세트를 구성하는 부재의 열팽창차에 수반하여 세퍼레이터(110)가 변형한다. 특히, 절연 프레임(112)에 형성된 가스 유로(114)의 부분에서는 도 18에 나타내어지는 바와 같이, 열팽창차에 의한 세퍼레이터(110)의 변형량이 커져 유로측으로 팽창하는 변형[블리스터 (blister)]이 발생하여 산화제 가스의 흐름을 저해한다. 이로 인해, 공기극에 공급되는 산화제 가스의 분배가 불균일하게 되어 그 가스의 이용률이 저하된다. 또, 도 19에 나타내어지는 바와 같이, 가스 유로(115)의 폭이 넓은 경우에 세퍼레이터 (110)의 변형(블리스터)이 커지면, 이웃하는 단셀 사이에서의 단락이 발생하여 연료전지 스택의 발전 기능이 정지된다고 하는 문제가 염려된다.
본 발명은 상기의 과제에 감안하여 이루어진 것이며, 그 목적은 세퍼레이터의 변형을 확실하게 억제할 수 있어 양호한 전지 특성을 유지할 수 있는 연료전지 카세트 및 연료전지 스택을 제공하는 것에 있다.
그리고 상기 과제를 해결하기 위한 수단(수단 1)으로서는 연료극, 공기극 및 전해질층을 가지는 평판 형상의 단셀과, 상기 단셀의 측면을 둘러싸도록 배치되는 프레임 형상의 제 1 프레임과, 상기 단셀의 둘레가장자리부에 접합됨과 아울러, 상기 제 1 프레임의 일방의 표면에 배치되어 상기 공기극에 접하는 산화제 가스 및 상기 연료극에 접하는 연료 가스를 분리하는 세퍼레이터와, 상기 제 1 프레임에 있어서 상기 세퍼레이터가 배치되는 일방의 표면의 이면측이 되는 타방의 표면에 배치되는 판 형상의 인터커넥터를 적층하여 이루어지는 연료전지 카세트로서, 상기 세퍼레이터 및 상기 제 1 프레임이 용접으로 접합됨과 아울러, 상기 세퍼레이터에 있어서, 상기 제 1 프레임이 배치되는 일방의 표면의 이면측이 되는 타방의 표면에 배치되는 제 2 프레임을 더 가지며, 상기 제 2 프레임의 부분에 상기 산화제 가스 및 상기 연료 가스를 흘리는 가스 유로가 형성되어 있고, 상기 가스 유로 내에 있어서 상기 세퍼레이터가 노출되는 부위에 형성되어 상기 세퍼레이터의 노출되는 부위를 상기 제 1 프레임에 고정하는 용접부를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 카세트가 있다.
따라서, 수단 1에 기재된 발명에 따르면, 제 2 프레임의 부분에 형성된 가스 유로 내에 있어서, 세퍼레이터가 노출되는 부위에 용접부가 형성되고, 그 용접부에 의해서 세퍼레이터가 제 1 프레임에 고정된다. 이와 같이, 용접부에 의해서 세퍼레이터의 노출되는 부위를 고정함으로써, 제 1 프레임과 세퍼레이터의 열팽창차가 발생한 경우라도 가스 유로 내에 있어서의 세퍼레이터의 변형(블리스터 등)이 방지된다. 이로 인해, 종래와 같이 가스 유로 내에 있어서 세퍼레이터가 변형하여 반응 가스의 흐름을 저해한다고 하는 문제를 회피할 수 있다. 따라서, 단셀의 전극에 대해서 반응 가스(산화제 가스 또는 연료 가스)가 치우쳐 흐르는 것이 회피되고, 반응 가스의 유배(流配)를 효율적으로 실시할 수 있다. 또, 가스 유로 내에 있어서 세퍼레이터가 변형하지 않기 때문에, 종래와 같이 세퍼레이터의 변형에 의한 단셀 사이에서의 단락도 방지할 수 있다. 이 결과, 단셀에 있어서의 반응 가스의 이용률의 저하가 방지되어 전지 특성을 양호하게 유지할 수 있다.
1개의 가스 유로에 대한 용접부로서, 용접에 의해 형성되는 복수의 용접 자국을 갖고 있어도 좋다. 이와 같이 하면, 가스 유로 내에 있어서 세퍼레이터의 노출되는 부위를 제 1 프레임에 확실하게 고정할 수 있다.
세퍼레이터의 두께는 인터커넥터의 두께보다 얇게 되어 있다. 이 경우, 세퍼레이터의 변형(블리스터 등)이 발생하기 쉬워지지만, 본 발명과 같이 용접부를 형성함으로써, 제 1 프레임에 세퍼레이터를 고정할 수 있기 때문에 가스 유로 내에 있어서의 세퍼레이터의 변형을 확실하게 억제할 수 있다.
용접부는 용접에 의해 형성되는 선 형상의 용접 자국이며, 가스 유로가 연장되는 방향에 대해서 평행으로 설치되어 있어도 좋다. 이와 같이 하면, 용접 자국에 의해서 반응 가스의 흐름을 방해하는 일없이 세퍼레이터를 제 1 프레임에 확실하게 고정할 수 있다. 또, 용접부는 용접에 의해 형성되는 선 형상의 용접 자국이며, 복수의 용접 자국이 교차하도록 설치되어 있어도 좋다. 이와 같이 해도, 세퍼레이터를 제 1 프레임에 확실하게 고정할 수 있어 가스 유로 내에 있어서의 세퍼레이터의 변형을 억제할 수 있다.
제 1 프레임 및 세퍼레이터에는 산화제 가스 및 연료 가스를 흘리는 가스 유로를 구성하는 구멍부가 각각 형성됨과 아울러, 용접에 의해 구멍부의 주위를 밀봉하는 폐회로 형상의 용접 자국이 형성되어 있어도 좋다. 또, 용접부는 용접에 의해 형성되는 선 형상의 용접 자국이며, 구멍부의 주위의 용접 자국에 교차하도록 설치되어 있어도 좋다. 본 발명의 연료전지 카세트에 있어서, 가스 유로를 구성하는 구멍부의 근방에는 비교적 큰 가스압(가스 유로를 흐르는 반응 가스의 압력)이 가해진다. 이로 인해, 본 발명과 같이 구멍부의 주위에 있어서의 용접 자국에 교차하도록 용접부를 형성하는 것에 의해, 비교적 큰 가스압이 가해지는 부위에 있어서 세퍼레이터를 제 1 프레임에 확실하게 고정할 수 있기 때문에 세퍼레이터의 변형을 방지할 수 있다.
제 1 프레임 및 세퍼레이터를 접합하는 용접은 레이저에 의한 용접이라도 좋다. 또, 레이저는 파이버 레이저를 이용해도 좋다. 파이버 레이저에 의한 용접에서는 작은 스폿 사이즈에 초점을 맞출 수 있기 때문에 용접 자국의 선 폭을 0.2㎜ 이하로 할 수 있다. 따라서, 열 변형을 억제하면서 제 1 프레임에 세퍼레이터를 확실하게 용접할 수 있다. 또한, 레이저에 의한 용접 이외에도, 저항용접이나 납땜 등에 의해서 용접을 실시해도 좋다.
단셀을 구성하는 세퍼레이터의 두께는 0.04㎜ 이상 0.3㎜ 이하인 것이 바람직하다. 여기서, 세퍼레이터가 0.04㎜보다도 얇아지면, 세퍼레이터의 내구성이 저하된다. 한편, 세퍼레이터가 0.3㎜보다도 두꺼워지면, 세퍼레이터가 변형하기 어렵게 된다. 이 경우, 단셀의 면외 방향으로의 세퍼레이터의 추종 변형이 곤란하게 되기 때문에 전극에 있어서의 크랙의 발생이 염려된다. 따라서, 0.04㎜ 이상 0.3㎜ 이하인 두께의 세퍼레이터를 이용하는 것에 의해, 산화제 가스와 연료 가스를 확실하게 분리할 수 있다.
용접부가 형성되는 가스 유로는 산화제 가스를 흘리는 유로라도 좋고, 연료 가스를 흘리는 유로라도 좋다. 산화제 가스를 흘리는 가스 유로에 용접부가 형성될 경우, 그 가스 유로를 통해서 산화제 가스를 확실하게 흘릴 수 있기 때문에 산화제 가스의 이용률의 저하를 방지할 수 있다. 또, 연료 가스를 흘리는 가스 유로에 용접부가 형성될 경우, 그 가스 유로를 통해서 연료 가스를 확실하게 흘릴 수 있기 때문에 연료 가스의 이용률의 저하를 방지할 수 있다.
연료전지 카세트를 구성하는 제 1 프레임은 금속판을 이용하여 직사각형 프레임 형상으로 형성된 금속제 프레임이다. 한편, 제 2 프레임은 절연 재료로 이루어지는 절연 프레임이며, 예를 들면 마이카를 이용하여 직사각형 프레임 형상으로 형성된 마이카제 프레임이다.
제 1 프레임의 내측단이 제 2 프레임의 내측단보다도 셀측으로 밀려나오도록 배치 설치될 경우, 용접부는 제 2 프레임의 내측단보다도 셀측으로 밀려나오도록 형성된 선 형상의 레이저 용접 자국이라도 좋다. 이 경우, 제 2 프레임에 형성된 가스 유로의 출구 부근이나 입구 부근에 있어서, 레이저 용접 자국에 의해 세퍼레이터를 제 1 프레임에 고정할 수 있어 세퍼레이터의 변형을 확실하게 방지할 수 있다.
제 2 프레임의 내측단이 제 1 프레임의 내측단보다도 셀측으로 밀려나오도록 배치 설치될 경우, 용접부는 제 2 프레임의 내측단보다도 셀측으로 밀려나오지 않도록 형성된 선 형상의 레이저 용접 자국이라도 좋다. 이 경우, 제 1 프레임의 존재하지 않는 개소에 대해서 레이저 용접이 실시되는 것을 회피할 수 있다.
또, 상기 과제를 해결하기 위한 다른 수단(수단 2)으로서는, 수단 1에 기재된 상기 연료전지 카세트를 복수개 적층한 것을 특징으로 하는 연료전지 스택이 있다.
수단 2에 기재된 발명에 따르면, 각 연료전지 카세트에 있어서의 반응 가스의 이용률의 저하를 방지할 수 있어 효율적으로 발전할 수 있다.
연료전지 스택에 있어서, 각 연료전지 카세트에 형성되는 매니폴드는 각 카세트의 적층 방향으로 연장 설치되는 세로 구멍부와, 세로 구멍부에 접속되어 각각의 단셀에 연결되는 가스 유로를 분기 또는 집합하기 위해 적층 방향과 직교하는 방향으로 연장 설치되는 가로 구멍부를 가지는 가스 유로이다. 그리고 본 발명의 용접부는 매니폴드를 구성하는 가로 구멍부 내로 노출되는 부위에 형성된다.
용접부는 가로 구멍부가 연장되는 방향에 대해서 수직인 선 형상의 레이저 용접 자국을 가지고 있어도 좋고, 가로 구멍부가 연장되는 방향에 대해서 경사진 선 형상의 레이저 용접 자국을 가지고 있어도 좋다. 또, 용접부는 가로 세로 방향으로 교차하는 그물코 형상으로 형성된 레이저 용접 자국을 가지고 있어도 좋고, 가로 세로 방향으로 소정 간격을 두고 도트 형상으로 형성된 용접 자국을 가지고 있어도 좋다. 또한, 용접부는 복수의 가로 구멍부에 대해서 교차하도록 형성된 선 형상의 레이저 용접 자국을 가지고 있어도 좋다. 이와 같이 용접부를 형성한 경우라도 가스 유로 내에 있어서, 세퍼레이터의 노출되는 부위를 제 1 프레임에 확실하게 고정할 수 있어 세퍼레이터의 변형을 억제할 수 있다.
도 1은 일실시형태에 있어서의 연료전지의 개략 구성을 나타내는 사시도.
도 2는 도 1의 A-A선 단면도.
도 3은 연료전지 카세트의 개략 구성을 나타내는 분해 단면도.
도 4는 세퍼레이터에 있어서의 용접 자국을 나타내는 평면도.
도 5는 가스 유로 및 용접 자국을 나타내는 연료전지 카세트의 평면도.
도 6은 가스 유로 내에 있어서 세퍼레이터의 노출되는 부위에 있어서의 용접 자국을 나타내는 단면도.
도 7은 용접지그장치를 나타내는 단면도.
도 8은 1개의 가스 유로에 복수의 용접 자국이 형성된 다른 실시형태의 연료전지 카세트를 나타내는 평면도.
도 9는 가스 유로에 대해서 수직으로 형성된 다른 실시형태의 용접부를 나타내는 평면도.
도 10은 가스 유로에 대해서 경사져 형성된 다른 실시형태의 용접부를 나타내는 평면도.
도 11은 가스 유로에 있어서 그물코 형상으로 형성된 다른 실시형태의 용접부를 나타내는 평면도.
도 12는 가스 유로에 있어서 도트 형상으로 형성된 다른 실시형태의 용접부를 나타내는 평면도.
도 13은 연료극 프레임의 내측단이 공기극 절연 프레임의 내측단보다도 밀려나오도록 배치된 다른 실시형태의 연료전지 카세트를 나타내는 단면도.
도 14는 도 13의 연료전지 카세트에 있어서의 용접 자국을 나타내는 평면도.
도 15는 공기극 절연 프레임의 내측단이 연료극 프레임의 내측단보다도 밀려나오도록 배치된 다른 실시형태의 연료전지 카세트를 나타내는 단면도.
도 16은 도 15의 연료전지 카세트에 있어서의 용접 자국을 나타내는 평면도.
도 17은 종래의 절연 프레임에 형성되는 가스 유로를 나타내는 단면도.
도 18은 폭이 좁은 가스 유로 내에 있어서의 세퍼레이터의 변형을 나타내는 단면도.
도 19는 폭이 넓은 가스 유로 내에 있어서의 세퍼레이터의 변형을 나타내는 단면도.
이하, 본 발명을 연료전지에 구체화한 일실시형태를 도면에 의거하여 상세하게 설명한다.
도 1 및 도 2에 나타내어지는 바와 같이, 본 실시형태의 연료전지(1)는 고체 산화물형 연료전지(SOFC)이다. 연료전지(1)는 연료전지 카세트(2)를 복수개(예를 들면 20개) 적층하여 이루어지는 연료전지 스택(3)을 구비하고 있다. 연료전지 스택(3)은 세로 180㎜×가로 180㎜×높이 80㎜의 대략 직육면체 형상을 이루고 있다. 또, 연료전지 스택(3)은 동일 연료전지 스택(3)을 두께 방향으로 관통하는 8개의 관통 구멍(4)을 가지고 있다. 또한, 연료전지 스택(3)의 4 코너에 있는 4개의 관통 구멍(4)에 체결 볼트(5)를 삽입시키고, 연료전지 스택(3)의 하면으로부터 돌출되는 체결 볼트(5)의 하단 부분에 너트(도시 생략)를 나사 결합시킨다. 또, 나머지 4개의 관통 구멍(4)에 가스 유통용 체결 볼트(6)를 삽입시키고, 연료전지 스택(3)의 상면 및 하면으로부터 돌출되는 가스 유통용 체결 볼트(6)의 양단 부분에 너트(7)를 나사 결합시킨다. 그 결과, 연료전지 스택(3)에 있어서 복수의 연료전지 카세트 (2)가 고정된다.
도 2 및 도 3에 나타내어지는 바와 같이, 각 연료전지 카세트(2)는 발전의 최소 단위인 평판 형상의 단셀(11)과, 세퍼레이터(12)와, 연료극 프레임(13, 제 1 프레임)과, 인터커넥터(14)를 적층하고, 각 부재를 용접으로 접합하여 이루어지는 접합체이다. 또, 연료전지 카세트(2)는 세퍼레이터(12)에 있어서, 연료극 프레임 (13)이 배치되는 일방의 표면(19, 도 2에서는 하면)의 이면측이 되는 타방의 표면 (20, 도 2에서는 상면)에 배치되는 공기극 절연 프레임(15, 제 2 프레임)을 더 가지고 있다.
단셀(11)은 공기극(21), 연료극(22) 및 고체 전해질층(23)을 가지고 구성되어 발전 반응에 의해 전력을 발생한다. 연료극 프레임(13)은 두께가 2㎜ 정도의 도전성 재료(예를 들면 스테인리스 등의 금속판)에 의해서 형성된 대략 직사각형 프레임 형상의 금속제 프레임이며, 단셀(11)의 측면을 둘러싸도록 배치된다. 즉, 연료극 프레임(13)의 중앙부에는 동일 연료극 프레임(13)을 두께 방향으로 관통하는 직사각형 형상의 개구부(31)가 설치되어 있으며, 그 개구부(31)보다도 내측에 단셀 (11)이 배치되어 있다.
세퍼레이터(12)는 두께 0.1㎜의 도전성 재료(예를 들면 스테인리스 등의 금속판)에 의해서 형성되어 있으며, 직사각형 형상의 개구부(32)를 중앙부에 가지는 대략 직사각형 프레임 형상을 이루고 있다. 세퍼레이터(12)는 은을 포함하는 납땜재를 이용한 납땜에 의해서 단셀[11, 고체전해질층(23)]의 둘레가장자리부에 접합됨과 아울러, 연료극 프레임(13)의 일방의 표면(34, 도 2에서는 상면)에 배치된다. 세퍼레이터(12)는 단셀(11) 사이의 칸막이 판으로서 기능하고, 공기극(21)에 접하는 산화제 가스(공기) 및 연료극(22)에 접하는 연료 가스를 분리한다.
인터커넥터(14)는 두께가 0.8㎜ 정도의 도전성 재료(예를 들면 스테인리스 등의 금속판)에 의해서 대략 직사각형 판 형상으로 형성되어 있다. 인터커넥터(14)는 연료극 프레임(13)에 있어서 세퍼레이터(12)가 배치되는 일방의 표면(34)의 이면측이 되는 타방의 표면(35, 도 2에서는 하면)측에 배치된다.
연료전지 스택(3)에 있어서 복수의 연료전지 카세트(2)를 적층 배치한 경우, 엔드 플레이트(8, 9)는 단셀(11)의 두께 방향의 양측에 1쌍 배치된다. 각 인터커넥터(14)는 가스 유로를 형성함과 아울러, 인접하는 단셀(11)끼리를 도통시키도록 되어 있다. 이웃하는 단셀(11)의 사이에 배치되는 인터커넥터(14)는 이웃하는 단셀 (11)을 구분한다. 양 엔드 플레이트(8, 9)는 연료전지 스택(3)을 끼워 지지하고 있으며, 연료전지 스택(3)으로부터 출력되는 전류의 출력 단자로 되어 있다. 또한, 엔드 플레이트(8, 9)는 인터커넥터(14)보다도 두꺼운 두께로 되어 있다.
공기극 절연 프레임(15)은 두께 1.0㎜ 정도의 마이카 시트에 의해서 대략 직사각형 프레임 형상으로 형성되어 있다. 공기극 절연 프레임(15)의 중앙부에는 동일 절연 프레임(15)을 두께 방향으로 관통하는 직사각형 형상의 개구부(37)가 설치되어 있다.
단셀(11)을 구성하는 고체 전해질층(23)은 예를 들면 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ) 등의 세라믹 재료(산화물)에 의해서 형성되고, 두께 0.01㎜의 대략 직사각형 판 형상을 이루고 있다. 고체 전해질층(23)은 세퍼레이터(12)의 하면에 고정됨과 아울러, 세퍼레이터(12)의 개구부(32)를 덮도록 배치되어 있다. 고체 전해질층(23)은 산소 이온 전도성 고체 전해질체로서 기능하도록 되어 있다.
또, 고체 전해질층(23)의 상면에는 연료전지 스택(3)에 공급된 산화제 가스에 접하는 공기극(21)이 첩부(貼付)되고, 고체 전해질층(23)의 하면에는 마찬가지로 연료전지 스택(3)에 공급된 연료 가스에 접하는 연료극(22)이 첩부되어 있다. 즉, 공기극(21) 및 연료극(22)은 고체 전해질층(23)의 양측에 배치되어 있다. 또, 공기극(21)은 세퍼레이터(12)의 개구부(32) 내에 배치되고, 세퍼레이터(12)와 접촉하지 않도록 되어 있다. 또한, 본 실시형태에서는 연료극 프레임(13)의 개구부 (31), 인터커넥터(14) 등에 의해서 세퍼레이터(12)의 하방에 연료실(17)이 형성됨과 아울러, 공기극 절연 프레임(15)의 개구부(37), 인터커넥터(14) 등에 의해서 세퍼레이터(12)의 상방에 공기실(18)이 형성되어 있다.
본 실시형태의 단셀(11)에 있어서, 공기극(21)은 금속의 복합 산화물인LSCF(La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3)에 의해서 직사각형 판 형상으로 형성되어 있다. 또, 연료극(22)은 니켈과 이트리아 안정화 지르코니아의 혼합물(Ni-YSZ)에 의해서 직사각형 판 형상으로 형성되어 있다. 단셀(11)에 있어서, 공기극(21)은 음극층으로서 기능하고, 연료극(22)은 양극층으로서 기능한다. 공기극(21)은 공기극측 집전체(38)에 의해서 인터커넥터(14)에 전기적으로 접속되고, 연료극(22)은 연료극측 집전체(39)에 의해서 인터커넥터(14)에 전기적으로 접속되어 있다.
연료전지 스택[3, 각 연료전지 카세트(2)]에는 산화제 가스 및 연료 가스를 흘리는 매니폴드가 형성되어 있다. 연료전지 스택(3)에 형성되는 매니폴드는 각 연료전지 카세트(2)의 적층 방향으로 연장 설치되는 세로 구멍부와, 세로 구멍부에 접속되어 각각의 단셀(11)에 연결되는 가스 유로를 분기 또는 집합하기 위해 적층 방향과 직교하는 방향으로 연장 설치되는 가로 구멍부를 가진다.
구체적으로는, 도 2에 나타내어지는 바와 같이, 연료전지 스택(3)의 매니폴드로서 각 단셀(11)의 연료실(17)에 연료 가스를 공급하는 연료공급경로(50)와, 연료실(17)로부터 연료 가스를 배출하는 연료배출경로(51)가 형성되어 있다. 연료공급경로(50)는 가스 유통용 체결 볼트(6)의 중심부에 있어서 축 방향을 따라서 연장되는 연료공급구멍(52, 세로 구멍부)과, 연료공급구멍(52) 및 연료실(17)을 연통시키는 연료공급가로구멍(53, 가로 구멍부)에 의해서 구성되어 있다. 또, 연료배출경로(51)는 가스 유통용 체결 볼트(6)의 중심부에 있어서 축 방향을 따라서 연장되는 연료배출구멍(54, 세로 구멍부)과 연료배출구멍(54) 및 연료실(17)을 연통시키는 연료배출가로구멍(55, 가로 구멍부)에 의해서 구성되어 있다. 따라서, 연료 가스는 연료공급구멍(52) 및 연료공급가로구멍(53)을 차례로 통과하여 연료실(17)에 공급되고, 연료배출가로구멍(55) 및 연료배출구멍(54)을 차례로 통과하여 연료실(17)로부터 배출된다.
또한, 연료전지 스택(3)의 매니폴드로서 각 단셀(11)의 공기실(18)에 공기를 공급하는 공기공급경로(도시 생략)와, 공기실(18)로부터 공기를 배출하는 공기배출경로(도시 생략)를 구비하고 있다. 공기공급경로는 연료공급경로(50)와 대략 동일한 구조를 가지고 있으며, 가스 유통용 체결 볼트(6)의 중심부에 있어서 축 방향을 따라서 연장되는 공기공급구멍(도시 생략)과, 공기공급구멍 및 공기실(18)을 연통시키는 공기공급가로구멍(도시 생략)에 의해서 구성되어 있다. 또, 공기배출경로는 연료배출경로(51)와 대략 동일한 구조를 가지고 있으며, 가스 유통용 체결 볼트(6)의 중심부에 있어서 축 방향을 따라서 연장되는 공기배출구멍(도시 생략)과, 공기배출구멍 및 공기실(18)을 연통시키는 공기배출가로구멍(도시 생략)에 의해서 구성되어 있다. 따라서, 공기는 공기공급구멍(세로 구멍부) 및 공기공급가로구멍(가로 구멍부)을 차례로 통과하여 공기실(18)에 공급되고, 공기배출가로구멍(가로 구멍부) 및 공기배출구멍(세로 구멍부)을 차례로 통과하여 공기실(18)로부터 배출된다.
본 실시형태에 있어서, 연료전지 카세트(2)를 구성하는 세퍼레이터(12), 연료극 프레임(13) 및 인터커넥터(14) 등의 평판 형상의 금속 부재는 레이저 용접에 의해서 각각 접합되어 있다. 도 4에는 연료전지 카세트(2)에 있어서, 세퍼레이터 (12)측에서 본 연료극 프레임(13)과의 용접부[용접 자국(70∼72, 77)]를 나타내고 있다.
도 4에 나타내어지는 바와 같이, 세퍼레이터(12)에는 중앙부의 개구부(32)에 더불어서 가장자리부에 복수의 구멍부(60)가 관통 형성되어 있다. 연료극 프레임 (13), 인터커넥터(14) 및 공기극 절연 프레임(15)에도 동일 위치에 복수의 구멍부 (60)가 각각 관통 형성되어 있다(도 3 참조). 각 구멍부(60)는 체결 볼트(5)나 가스 유통용 체결 볼트(6)를 삽입시키는 관통 구멍(4, 도 2 참조)의 일부를 구성하는 것이며, 원형 형상의 구멍부(60a)와 타원 형상의 구멍부(60b)를 포함한다.
여기서, 세퍼레이터(12) 및 연료극 프레임(13)에 형성되는 타원 형상의 구멍부(60b)는 상술한 매니폴드를 형성하기 위한 구멍부이다. 더욱 상세하게는 도 4의 세퍼레이터(12)의 상하에 형성되는 타원 형상의 구멍부(60b)에 있어서, 상측은 연료 가스 공급용의 가스 유로[연료공급경로(50)]를 형성하기 위한 구멍부이며, 하측은 연료 가스 배출용의 가스 유로[연료배출경로(51)]를 형성하기 위한 구멍부이다. 또, 세퍼레이터(12)의 좌우에 형성되는 타원 형상의 구멍부(60b)에 있어서, 좌측은 산화제 가스 공급용의 가스 유로(공기공급경로)를 형성하기 위한 구멍부이며, 우측은 산화제 가스 배출용의 가스 유로(공기배출경로)를 형성하기 위한 구멍부이다. 또한, 좌우에 배치되는 타원 형상의 구멍부(60b)에는 그 상하 방향으로 가늘고 긴 구멍부(60c)가 연장 설치되어 있다. 이들 구멍부(60b) 및 구멍부(60c)는 매니폴드의 세로 구멍부와 가로 구멍부의 분기 개소에 대응하는 분기용 구멍부(60d)이며, 타원 형상의 구멍부(60b)가 세로 구멍부에 상당하고, 상하 방향으로 연장되는 구멍부(60c)가 가로 구멍부에 상당한다.
그리고 세퍼레이터(12)의 외주부(65)에는 연료극 프레임(13)과 접합하기 위해 레이저 용접에 의한 폐회로 형상의 용접 자국(70, 레이저 용접 자국)이 형성되어 있다. 또한, 세퍼레이터(12)에 있어서의 각 구멍부[60, (60a, 60d)]의 주위에도 레이저 용접에 의한 폐회로 형상의 용접 자국(71, 72, 레이저 용접 자국)이 형성되어 있다. 폐회로 형상의 용접 자국(71)은 각 구멍부(60a)의 외형 형상을 따라서 형성되어 있으며, 폐회로 형상의 용접 자국(72)은 각 분기용 구멍부(60d)의 외형 형상을 따라서 형성되어 있다. 또, 인터커넥터(14)에도 연료극 프레임(13)과 접합하기 위해 레이저 용접에 의한 폐회로 형상의 용접 자국이 마찬가지로 형성되어 있다. 또한, 인터커넥터(14)의 표면 및 세퍼레이터(12)의 표면에 있어서의 용접 자국(70∼72)의 선 폭은 0.1㎜ 정도이다.
이와 같이, 연료극 프레임(13)의 상면(34)에 세퍼레이터(12)를 레이저 용접함과 아울러 연료극 프레임(13)의 하면(35)에 인터커넥터(14)를 레이저 용접하는 것에 의해 연료전지 카세트(2)의 각 부재(12∼14)가 접합된다. 또, 폐회로 형상의 용접 자국(70∼72)에 의해서 각 구멍부(60)나 외주부(65)가 밀봉됨으로써, 연료전지 카세트(2)의 내측에 닫힌 공간으로서 연료실(17)이 형성되도록 되어 있다.
도 5에 나타내어지는 바와 같이, 본 실시형태의 공기극 절연 프레임(15)에는 산화제 가스의 가스 유로[75, 76, 가로 구멍부로서의 공기공급가로구멍(75) 및 공기배출가로구멍(76)]이 복수 형성되어 있다. 본 실시형태에서는 공기극 절연 프레임(15)에 있어서 좌우의 타원 형상의 구멍부(60b, 공기 공급용의 구멍부 및 공기 배출용의 구멍부)의 상방 및 하방이 되는 위치에 각각 3개씩 가스 유로(75, 76)가 형성되어 있다. 이들 가스 유로(75, 76)의 폭은 1.5㎜ 정도이며, 길이는 15㎜ 정도이다. 그리고 도 4∼도 6에 나타내어지는 바와 같이, 이들 가스 유로(75, 76) 내에 있어서 세퍼레이터(12)의 노출되는 부위에 레이저 용접에 의한 선 형상의 용접 자국(77, 용접부로서의 레이저 용접 자국)이 형성되어 있다. 용접 자국(77)은 1개의 가스 유로(75, 76)에 대해서 1개의 용접 자국(77)이 설치됨과 아울러, 가스 유로(75, 76)가 연장되는 방향에 대해서 평행으로 직선적으로 설치되어 있다. 각 용접 자국(77)의 선 폭은 0.1㎜ 정도이다. 이들 용접 자국(77)을 설치함으로써, 가스 유로(75, 76) 내에 있어서 세퍼레이터(12)의 노출되는 부위가 연료극 프레임(13)에 고정된다.
용접 자국(77)의 일방의 단부는 분기용 구멍부(60d)의 주위를 밀봉하는 폐회로 형상의 레이저 용접 자국(72)에 교차하도록 설치됨과 아울러, 용접 자국(77)의 타방의 단부는 연료극 프레임(13)의 내측단(78)보다도 셀측으로 밀려나오지 않도록 설치되어 있다. 이와 같이, 셀측으로 밀려나오지 않도록 용접 자국(77)을 형성할 경우, 그 형성시에 있어서 연료극 프레임(13)의 존재하지 않는 개소에 대해서 레이저 용접이 실시되는 것이 회피된다. 또한, 공기극 절연 프레임(15)은 연료극 프레임(13)과 외형 치수가 거의 동등하게 형성되어 있으며, 연료극 프레임(13)의 내측단(78)의 위치와 공기극 절연 프레임(15)의 내측단(79)의 위치가 일치하도록 배치되어 있다.
상기와 같이 구성한 연료전지(1)에 있어서, 예를 들면, 가동 온도(700℃ 정도)로 가열한 상태에서 연료공급경로(50)에서 연료실(17)로 연료 가스를 도입함과 아울러, 공기공급경로[가스 유로(75)를 포함하는 공급 경로]에서 공기실(18)로 공기를 공급한다. 그 결과, 연료 가스 속의 수소와 공기 속의 산소가 고체 전해질층 (23)을 통하여 반응(발전 반응)하고, 공기극(21)을 양극, 연료극(22)을 음극으로 하는 직류의 전력이 발생한다. 또한, 본 실시형태의 연료전지 스택(3)은 단셀(11)을 복수 적층하여 직렬로 접속하고 있기 때문에, 공기극(21)에 전기적으로 접속되는 상측 엔드 플레이트(8)가 양극이 되고, 연료극(22)에 전기적으로 접속되는 하측 엔드 플레이트(9)가 음극이 된다.
다음에, 연료전지(1)의 제조방법을 설명한다.
우선, 단셀(11)을 종래 주지의 수법에 따라서 형성한다. 구체적으로는, 연료극(22)이 되는 그린 시트 위에 고체 전해질층(23)이 되는 그린 시트를 적층하고 소성한다. 또한, 고체 전해질층(23) 위에 공기극(21)의 형성 재료를 인쇄한 후, 소성한다. 이 시점에서 단셀(11)이 형성된다.
다음에, 스테인리스판을 펀칭함으로써 구멍부(60)를 가지는 세퍼레이터(12), 연료극 프레임(13) 및 인터커넥터(14)를 형성한다. 또, 마이카 시트를 소정 형상으로 형성함으로써 공기극 절연 프레임(15)을 형성한다. 구체적으로는, 시판의 마이카 시트(마이카와 성형용 수지의 복합체로 이루어지는 시트)를 절단하여 다른 부재 [연료극 프레임(13) 등]와 대략 동일한 외형 형상으로 형성한다. 이때, 공기극 절연 프레임(15)에는 복수의 구멍부[60, (60a, 60b)]와, 가스 유로(75, 76)가 형성된다. 또한, 마이카 시트에 포함되어 있는 수지 성분은 다른 부재와 함께 적층된 후에 실시되는 열처리에 의해서 증발한다. 또한, 마이카 시트는 각 연료전지 카세트 (2)를 적층 방향으로 볼트 체결했을 때에 다른 부재[세퍼레이터(12) 및 인터커넥터 (14)]에 끼워짐으로써 각 부재를 밀봉하도록 되어 있다.
다음에, 세퍼레이터(12), 연료극 프레임(13) 및 인터커넥터(14)를 레이저 용접에 의해 접합한다. 구체적으로는, 세퍼레이터(12) 및 연료극 프레임(13)에 있어서의 각 구멍부(60)의 위치 맞춤을 실시하면서, 도 7에 나타내어지는 바와 같이, 세퍼레이터(12) 및 연료극 프레임(13)을 겹쳐 맞춘 상태에서 용접지그장치 [100, 상측 지그(101)와 하측 지그(102)의 사이]에 배치한다(배치 스텝). 그리고 도시하지 않는 고정 부재(볼트, 너트, 클램프 부재 등)에 의해서 상측 지그(101)와 하측 지그(102)를 체결하는 것에 의해 세퍼레이터(12) 및 연료극 프레임(13)을 고정한다.
용접지그장치(100)의 상측 지그(101)에는 용접 부위를 노정(露呈)시키는 개구부(103)가 형성되어 있다. 그리고 레이저조사장치(105)를 이용하여 소정의 조사조건(예를 들면, 출력이 150W, 빔 직경이 0.1㎜ 정도)으로 상측 지그(101)의 개구부(103)를 따라서 레이저(L1)를 조사한다(용접 스텝). 여기에서는, 세퍼레이터(12)측으로부터 레이저(L1)를 조사하여 연료극 프레임(13)에 세퍼레이터(12)를 레이저 용접한다. 또한, 레이저조사장치(105)로서는, 예를 들면 파이버 레이저 등의 조사장치가 이용된다. 파이버 레이저는 파장이 1080㎚의 레이저(L1)를 조사하는 고체 레이저이다. 또, 도시하지 않는 X-Y테이블을 이용하여 용접지그장치(100)를 수평 방향으로 이동시키는 것에 의해, 상측 지그(101)의 개구부(103)를 따라서 레이저 (L1)를 조사하도록 구성하고 있다.
본 실시형태의 용접 스텝에서는 2종류의 상측 지그(101)를 준비하고, 2회로 나누어 레이저 용접을 실시하고 있다. 더욱 상세하게는 예를 들면 제 1 상측 지그 (101)를 이용하고, 그 상측 지그(101)의 개구부(103)를 따라서 레이저(L1)를 조사함으로써, 외주부(65)에 있어서의 폐회로 형상의 레이저 용접 자국(70)을 형성함과 아울러, 분기용 구멍부(60d) 주위의 레이저 용접 자국(72) 중 세로 선 부분의 용접 자국을 형성한다. 그 후, 제 1 상측 지그(101)에서 제 2 상측 지그(101)로 교환하고, 제 2 상측 지그(101)의 개구부(103)를 따라서 레이저(L1)를 조사함으로써, 원형 형상의 구멍부(60a) 주위의 레이저 용접 자국(71)을 형성함과 아울러, 분기용 구멍부(60d) 주위의 레이저 용접 자국(72) 중 세로 선 이외의 부분(곡선의 부분)의 용접 자국을 형성한다. 또 이때, 가스 유로(75, 76) 내에 있어서의 세퍼레이터(12)의 노출되는 부위가 되는 위치에 레이저(L1)를 조사하고, 그 부위를 연료극 프레임 (13)에 고정하는 직선 형상의 레이저 용접 자국(77, 용접부)을 형성한다. 이 결과, 세퍼레이터(12)와 연료극 프레임(13)이 접합된다.
레이저 용접 후 접합한 세퍼레이터(12)와 연료극 프레임(13)을 용접지그장치 (100)로부터 일단 꺼낸다. 그리고 세퍼레이터(12)를 납땜에 의해서 단셀(11)의 고체 전해질층(23)에 대해서 고정한다. 구체적으로는, 고체 전해질층(23)과 세퍼레이터(12)의 각각에 납땜재를 배치한 후, 대기 분위기하에서, 예를 들면 850∼1100℃로 가열하는 것에 의해 납땜재를 용융시켜서 고체 전해질층(23)과 세퍼레이터(12)를 접합한다.
그 후, 상기와 동일한 용접지그장치를 이용하여 연료극 프레임(13)의 표면 (35)측(이면측)에 인터커넥터(14)를 레이저 용접한다. 여기에서는, 레이저조사장치 (105)에 의해, 인터커넥터(14)측으로부터 레이저(L1)를 조사한다. 또한, 인터커넥터(14)는 세퍼레이터(12)보다도 두껍기 때문에, 레이저 출력을 300W로 한 상태에서 레이저(L1)를 조사하여 연료극 프레임(13)에 인터커넥터(14)를 레이저 용접한다. 이 결과, 연료전지 카세트(2)를 구성하는 금속 부재(12∼14)의 접합체가 형성된다.
그리고 금속 부재(12∼14)의 접합체와 공기극 절연 프레임(15)을 겹쳐 맞추어서 적층하는 것에 의해 연료전지 카세트(2)를 구성하고, 그 연료전지 카세트(2)를 복수 적층하여 일체화함으로써, 연료전지 스택(3)을 형성한다. 또한, 연료전지 스택(3)의 4 코너에 있는 4개의 관통 구멍(4)에 체결 볼트(5)를 삽입시키고, 연료전지 스택(3)의 하면으로부터 돌출되는 체결 볼트(5)의 하단 부분에 너트(도시 생략)를 나사 결합시킨다. 또, 나머지 4개의 관통 구멍(4)에 가스 유통용 체결 볼트(6)를 삽입시키고, 연료전지 스택(3)의 상면 및 하면으로부터 돌출되는 가스 유통용 체결 볼트(6)의 양단 부분에 너트(7)를 나사 결합시킨다. 그 결과, 연료전지 스택(3)에 있어서 각 연료전지 카세트(2)가 고정되고, 연료전지(1)가 완성된다.
따라서, 본 실시형태에 따르면 이하의 효과를 얻을 수 있다.
(1) 본 실시형태의 연료전지 카세트(2)에서는 공기극 절연 프레임(15)의 부분에 가스 유로(75, 76)가 형성되고, 각 가스 유로(75, 76) 내에 있어서 세퍼레이터(12)가 노출되는 부위에 용접 자국(77)이 형성되어 있다. 그리고 그 용접 자국(77)에 의해서, 세퍼레이터(12)의 노출되는 부위가 연료극 프레임(13)에 고정된다. 이와 같이 하면, 연료극 프레임(13)과 세퍼레이터(12)의 열팽창차가 발생한 경우라도, 가스 유로(75, 76) 내에 있어서의 세퍼레이터(12)의 변형(블리스터 등)이 방지된다. 이로 인해, 종래와 같이 가스 유로(75, 76) 내에 있어서 세퍼레이터(12)가 변형하여 반응 가스의 흐름을 저해한다고 하는 문제를 회피할 수 있다. 따라서, 단셀(11)의 공기극(21)에 대해서 산화제 가스가 치우쳐 흐르는 것이 회피되어 산화제 가스의 유배를 효율적으로 실시할 수 있다. 또, 가스 유로(75, 76) 내에 있어서 세퍼레이터(12)가 변형하지 않기 때문에, 종래와 같이 세퍼레이터(12)의 변형에 의한 단셀(11) 사이에서의 단락도 방지할 수 있다. 이 결과, 단셀(11)에 있어서의 산화제 가스의 이용률의 저하가 방지되고, 전지 특성을 양호하게 유지할 수 있다.
(2) 본 실시형태의 연료전지 카세트(2)에 있어서, 세퍼레이터(12)의 두께는 인터커넥터(14)의 두께보다 얇게 되어 있다. 이 경우, 세퍼레이터(12)의 변형(블리스터 등)이 발생하기 쉬워지지만, 본 실시형태와 같이 용접 자국(77)을 형성함으로써, 연료극 프레임(13)에 세퍼레이터(12)를 고정할 수 있기 때문에 가스 유로(75, 76) 내에 있어서의 세퍼레이터(12)의 변형을 확실하게 억제할 수 있다.
(3) 본 실시형태의 연료전지 카세트(2)에서는 선 형상의 직선적인 용접 자국 (77)이 가스 유로(75, 76)의 연장되는 방향에 대해서 평행으로 설치되어 있다. 이와 같이 하면, 용접 자국(77)에 의해서 산화제 가스의 흐름을 방해하는 일없이 세퍼레이터(12)를 연료극 프레임(13)에 확실하게 고정할 수 있다.
(4) 본 실시형태의 연료전지 카세트(2)에 있어서, 세퍼레이터(12) 및 연료극 프레임(13)에는 가스 유로를 구성하는 구멍부[60, (60a∼60d)]가 형성되고, 용접에 의해 구멍부(60)의 주위를 밀봉하는 폐회로 형상의 용접 자국(71, 72)이 형성되어 있다. 그리고 가스 유로(75, 76) 내에 있어서, 분기용 구멍부(60d) 주위의 용접 자국(72)에 교차하도록 용접 자국(77)이 설치되어 있다. 연료전지 카세트(2)에 있어서, 분기용 구멍부(60d)의 근방에는 비교적 큰 가스압(가스 유로를 흐르는 산화제 가스의 압력)이 가해진다. 이로 인해, 본 실시형태와 같이 분기용 구멍부(60d)의 주위에 있어서의 용접 자국(72)에 교차하도록 용접 자국(77)을 형성하는 것에 의해, 비교적 큰 가스압이 가해지는 부위에 있어서 세퍼레이터(12)를 연료극 프레임(13)에 확실하게 고정할 수 있어 세퍼레이터(12)의 변형을 방지할 수 있다.
(5) 본 실시형태에 있어서, 세퍼레이터(12)와 연료극 프레임(13)을 접합하는 용접은 파이버 레이저에 의한 용접이다. 이 경우, 작은 스폿 사이즈에 초점을 맞출 수 있기 때문에, 용접 자국(70∼72, 77)의 선 폭을 0.1㎜ 정도로 할 수 있다. 따라서, 열 변형을 억제하면서 연료극 프레임(13)에 세퍼레이터(12)를 확실하게 용접할 수 있어 연료전지 카세트(2)에 있어서의 밀봉성을 충분히 확보할 수 있다. 또, 파이버 레이저를 이용하는 것에 의해, 레이저조사장치(105)의 소형화가 가능하게 된다.
(6) 본 실시형태의 용접 스텝에서는 구멍부(60)의 주위를 따라서 레이저(L1)를 조사하여 구멍부(60)의 주위를 밀봉하는 폐회로 형상의 레이저 용접 자국(71, 72)을 형성하고 있다. 또 이때, 가스 유로(75, 76) 내에 있어서의 세퍼레이터(12)의 노출되는 부위가 되는 위치에 레이저(L1)를 조사하여 용접 자국(77)을 형성하고, 세퍼레이터(12)의 노출되는 부위를 연료극 프레임(13)에 고정하고 있다. 이와 같이 하면, 구멍부(60) 주위의 가스 유로의 밀봉과 세퍼레이터(12)의 고정을 동일한 레이저 용접으로 실시할 수 있기 때문에, 연료전지 카세트(2)를 효율적으로 제조할 수 있다. 또, 본 실시형태에서는 2종류의 상측 지그(101)를 이용하여 2회로 나누어서 레이저 용접을 실시하고, 분기용 구멍부(60d) 주위의 레이저 용접 자국(72) 중 세로 선의 부분과, 그것과 교차하는 용접 자국(77)을 따로따로 용접하고 있다. 이와 같이 하면, 레이저 용접 자국(72)과 용접 자국(77)의 교차 부분을 확실하게 형성할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시형태는 이하와 같이 변경해도 좋다.
ㆍ상기 실시형태의 연료전지 카세트(2)에 있어서, 1개의 가스 유로(75, 76)에 대해서 1개의 용접 자국(77)이 형성되어 있었지만, 이것에 한정되는 것은 아니고, 도 8에 나타내어지는 바와 같이, 1개의 가스 유로(81, 82)에 대해서 복수의 용접 자국(83)을 형성해도 좋다. 구체적으로는, 도 8에 나타내는 공기극 절연 프레임 (15)에는 구멍부(60b)의 긴 직경과 동등한 폭을 가지는 가스 유로(81, 82)가 형성되어 있다. 그리고 가스 유로(81, 82)에 있어서 세퍼레이터(12)의 노출되는 부위에는 가스 유로(81, 82, 가로 구멍부)가 연장되는 방향으로 평행한 복수개의 용접 자국(83)이 형성되어 있다. 이와 같이 해도, 가스 유로(81, 82) 내에 있어서, 세퍼레이터(12)의 노출되는 부위를 연료극 프레임(13)에 확실하게 고정할 수 있기 때문에, 세퍼레이터(12)의 변형을 방지할 수 있다.
ㆍ상기 실시형태의 연료전지 카세트(2)에서는 용접부로서 가스 유로(75, 76, 81, 82, 가로 구멍부)가 연장되는 방향으로 평행한 선 형상의 용접 자국(77, 83)을 형성하고 있었지만, 도 9에 나타내어지는 바와 같이, 가스 유로(81, 가로 구멍부)가 연장되는 방향(Y1)에 대해서 수직인 선 형상의 용접 자국(85)을 형성해도 좋다. 또한, 도 10에 나타내어지는 바와 같이, 용접부로서는 가스 유로(81, 가로 구멍부)가 연장되는 방향(Y1)에 대해서 경사진 선 형상의 용접 자국(86)을 형성해도 좋다. 또, 도 11에 나타내어지는 바와 같이, 용접부로서 가스 유로(81, 가로 구멍부)의 가로 세로 방향에 교차하는 그물코 형상으로 용접 자국(87)을 형성해도 좋다. 또, 용접부는 선 형상의 용접 자국에 한정되는 것은 아니고, 도 12에 나타내어지는 바와 같이, 가스 유로(81, 가로 구멍부)의 가로 세로 방향에 소정 간격을 두고서 도트 형상으로 복수의 용접 자국(88)을 형성해도 좋다. 이와 같이, 1개의 가스 유로(81)에 대해서 복수의 용접부(85∼88)를 형성하는 것에 의해, 가스 유로(81) 내에 있어서 세퍼레이터(12)의 노출되는 부위를 연료극 프레임(13)에 확실하게 고정할 수 있어 가스 유로(81) 내에서의 세퍼레이터(12)의 변형을 방지할 수 있다.
ㆍ상기 실시형태의 연료전지 카세트(2)에서는 가스 유로(75, 76)마다 용접 자국(77)이 형성되어 있었지만, 이것에 한정되는 것은 아니고, 복수의 가스 유로 (75, 76)에 교차하도록 비교적 긴 선 형상의 용접 자국을 형성해도 좋다. 또한, 이 경우, 선 형상의 용접 자국을 크랭크 형상이나 지그재그 형상으로 형성하여 그 일부가 각 가스 유로(75, 76)에서 노출되도록 형성한다. 이와 같이 해도, 가스 유로 (75, 76) 내에 있어서, 세퍼레이터(12)의 노출되는 부위를 연료극 프레임(13)에 고정할 수 있어 세퍼레이터(12)의 변형을 방지할 수 있다.
ㆍ상기 실시형태에서는 연료극 프레임(13)과 공기극 절연 프레임(15)이 동일한 외형 치수로 형성되어 있었지만 이것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 도 13에 나타내어지는 바와 같이, 연료극 프레임(13)의 내측단(78)이 공기극 절연 프레임(15)의 내측단(79)보다도 셀측으로 밀려나오도록 배치 설치되어 있어도 좋다. 이 경우, 도 14에 나타내어지는 바와 같이, 가스 유로(75, 76) 내에 있어서의 세퍼레이터(12)의 노출되는 부위에는 공기극 절연 프레임(15)의 내측단(79)보다도 셀측으로 밀려나오도록 선 형상의 용접 자국(77)이 형성된다. 이와 같이 용접 자국(77)을 형성하면, 공기극 절연 프레임(15)에 형성된 가스 유로(75)의 출구 부근이나 가스 유로(76)의 입구 부근에 있어서, 용접 자국(77)에 의해 세퍼레이터(12)를 연료극 프레임(13)에 고정할 수 있어 세퍼레이터(12)의 변형을 확실하게 방지할 수 있다. 또, 도 15에 나타내어지는 바와 같이, 공기극 절연 프레임(15)의 내측단(79)이 연료극 프레임(13)의 내측단(78)보다도 셀측으로 밀려나오도록 배치 설치해도 좋다. 이 경우, 도 16에 나타내어지는 바와 같이, 가스 유로(75, 76) 내에 있어서의 세퍼레이터(12)의 노출되는 부위에는 공기극 절연 프레임(15)의 내측단(79)보다도 셀 측으로 밀려나오지 않도록 선 형상의 용접 자국(77)이 형성된다. 이와 같이 용접 자국(77)을 형성하면, 연료극 프레임(13)의 존재하지 않는 개소에 대해서 레이저 용접이 실시되는 것을 회피할 수 있다.
ㆍ상기 실시형태에서는 파이버 레이저를 이용한 레이저 용접에 의해서 용접 자국(77, 83, 85∼88, 용접부)을 형성하고 있었지만, 파이버 레이저 이외에, 탄산 가스 레이저나 YAG 레이저를 이용한 레이저 용접으로 용접부를 형성해도 좋다. 또한, 레이저 용접 이외에, 예를 들면 심레스 용접(저항 용접)이나 납땜 등의 다른 수법에 의해서 용접부를 형성해도 좋다.
ㆍ상기 실시형태에서는 고체 산화물형 연료전지에 구체화하는 것이었지만, 이 이외에 용융 탄산염형 연료전지(MCFC) 등의 다른 연료전지에 구체화해도 좋다.
다음에, 특허청구범위에 기재된 기술적 사상 외에, 상술한 실시형태에 의해서 파악되는 기술적 사상을 이하에 열거한다.
(1) 수단 1에 있어서, 상기 용접부는 상기 용접에 의해 형성되는 선 형상의 용접 자국이며, 복수의 상기 용접 자국이 교차하도록 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 카세트.
(2) 수단 1에 있어서, 상기 세퍼레이터의 두께는 0.04㎜ 이상 0.3㎜ 이하인 것을 특징으로 하는 연료전지 카세트.
(3) 수단 1에 있어서, 상기 용접부가 형성되는 상기 가스 유로는 상기 산화제 가스를 흘리는 유로인 것을 특징으로 하는 연료전지 카세트.
(4) 수단 1에 있어서, 상기 제 1 프레임은 금속판을 이용하여 직사각형 프레임 형상으로 형성된 금속제 프레임인 것을 특징으로 하는 연료전지 카세트.
(5) 수단 1에 있어서, 상기 제 2 프레임은 마이카를 이용하여 직사각형 프레임 형상으로 형성된 마이카제 프레임인 것을 특징으로 하는 연료전지 카세트.
(6) 수단 1에 있어서, 상기 제 1 프레임의 내측단이 상기 제 2 프레임의 내측단보다도 셀측으로 밀려나오도록 배치 설치되고, 상기 용접부는 상기 제 2 프레임의 내측단보다도 상기 셀측으로 밀려나오도록 형성된 선 형상의 레이저 용접 자국인 것을 특징으로 하는 연료전지 카세트.
(7) 수단 1에 있어서, 상기 제 2 프레임의 내측단이 상기 제 1 프레임의 내측단보다도 셀측으로 밀려나오도록 배치 설치되고, 상기 용접부는 상기 제 2 프레임의 내측단보다도 상기 셀측으로 밀려나오지 않도록 형성된 선 형상의 레이저 용접 자국인 것을 특징으로 하는 연료전지 카세트.
(8) 수단 1에 있어서, 상기 전해질층은 고체 산화물로 이루어지는 고체 전해질층인 것을 특징으로 하는 연료전지 카세트.
(9) 수단 2에 있어서, 각 연료전지 카세트에 형성되는 상기 매니폴드는 상기 연료전지 카세트의 적층 방향으로 연장 설치되는 세로 구멍부와, 상기 세로 구멍부에 접속되어 각각의 상기 연료전지 셀에 연결되는 가스 유로를 분기 또는 집합하기 위해 상기 적층 방향과 직교하는 방향으로 연장 설치되는 가로 구멍부를 가지는 가스 유로이며, 상기 용접부는 상기 가로 구멍부 내로 노출되는 부위에 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
(10) 기술적 사상 (9)에 있어서, 상기 용접부는 상기 가로 구멍부의 연장되는 방향에 대해서 수직인 선 형상의 레이저 용접 자국을 가지는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
(11) 기술적 사상 (9)에 있어서, 상기 용접부는 상기 가로 구멍부의 연장되는 방향에 대해서 경사진 선 형상의 레이저 용접 자국을 가지는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
(12) 기술적 사상 (9)에 있어서, 상기 용접부는 가로 세로 방향으로 교차하는 그물코 형상으로 형성된 레이저 용접 자국을 가지는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
(13) 기술적 사상 (9)에 있어서, 상기 용접부는 가로 세로 방향으로 소정 간격을 두고서 도트 형상으로 형성된 용접 자국을 가지는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
(14) 기술적 사상 (9)에 있어서, 상기 용접부는 복수의 상기 가로 구멍부에 대해서 교차하도록 형성된 선 형상의 레이저 용접 자국을 가지는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
(15) 수단 1에 기재된 연료전지 카세트의 제조방법으로서, 상기 가스 유로를 구성하는 구멍부가 형성된 상기 세퍼레이터 및 상기 제 1 프레임을 준비하고, 상기 구멍부의 위치를 맞추면서 상기 세퍼레이터 및 상기 제 1 프레임을 겹쳐 맞추어서 배치하는 배치 스텝과, 상기 구멍부의 주위를 따라서 레이저를 조사하여 상기 구멍부의 주위를 밀봉하는 폐회로 형상의 레이저 용접 자국을 형성함과 아울러, 상기 가스 유로 내에 있어서의 상기 세퍼레이터의 노출되는 부위가 되는 위치에 레이저를 조사하여 상기 세퍼레이터의 노출되는 부위를 상기 제 1 프레임에 고정하는 상기 용접부를 형성하는 용접 스텝을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 카세트의 제조방법.
2: 연료전지 카세트
3: 연료전지 스택
11: 단셀
12: 세퍼레이터
13: 제 1 프레임으로서의 연료극 프레임
14: 인터커넥터
15: 제 2 프레임으로서의 공기극 절연 프레임
19: 세퍼레이터의 일방의 표면
20: 세퍼레이터의 타방의 표면
21: 공기극
22: 연료극
23: 전해질층으로서의 고체 전해질층
34: 제 1 프레임의 일방의 표면
35: 제 1 프레임의 타방의 표면
50: 가스 유로로서의 연료공급경로
51: 가스 유로로서의 연료배출경로
60, 60a∼60d: 구멍부
72: 폐회로 형상의 용접 자국
75, 76, 81, 82: 가스 유로
77, 83, 85∼88: 용접부로서의 용접 자국
L1: 레이저

Claims (7)

  1. 연료극, 공기극 및 전해질층을 가지는 평판 형상의 단셀과,
    상기 단셀의 측면을 둘러싸도록 배치되는 프레임 형상의 제 1 프레임과,
    상기 단셀의 둘레가장자리부에 접합됨과 아울러, 상기 제 1 프레임의 일방의 표면에 배치되어 상기 공기극에 접하는 산화제 가스 및 상기 연료극에 접하는 연료 가스를 분리하는 세퍼레이터와,
    상기 제 1 프레임에 있어서 상기 세퍼레이터가 배치되는 일방의 표면의 이면측이 되는 타방의 표면에 배치되는 판 형상의 인터커넥터를 적층하여 이루어지는 연료전지 카세트로서,
    상기 세퍼레이터 및 상기 제 1 프레임이 용접으로 접합됨과 아울러,
    상기 세퍼레이터에 있어서, 상기 제 1 프레임이 배치되는 일방의 표면의 이면측이 되는 타방의 표면에 배치되는 제 2 프레임을 더 가지며,
    상기 제 2 프레임의 부분에 상기 산화제 가스 및 상기 연료 가스를 흘리는 가스 유로가 형성되어 있고,
    상기 가스 유로 내에 있어서 상기 세퍼레이터가 노출되는 부위에 형성되어 상기 세퍼레이터의 노출되는 부위를 상기 제 1 프레임에 고정하는 용접부를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 카세트.
  2. 청구항 1에 있어서,
    1개의 상기 가스 유로에 대한 상기 용접부로서, 용접에 의해 형성되는 복수의 용접 자국을 가지는 것을 특징으로 하는 연료전지 카세트.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 세퍼레이터의 두께는 상기 인터커넥터의 두께보다 얇은 것을 특징으로 하는 연료전지 카세트.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 용접부는 용접에 의해 형성되는 선 형상의 용접 자국이며, 상기 가스 유로가 연장되는 방향에 대해서 평행으로 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 카세트.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 프레임 및 상기 세퍼레이터에는 상기 산화제 가스 및 상기 연료 가스를 흘리는 가스 유로를 구성하는 구멍부가 각각 형성됨과 아울러, 용접에 의해 상기 구멍부의 주위를 밀봉하는 폐회로 형상의 용접 자국이 형성되고,
    상기 용접부는 상기 용접에 의해 형성되는 선 형상의 용접 자국이며, 상기 구멍부 주위의 용접 자국에 교차하도록 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 카세트.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 용접은 레이저에 의한 용접인 것을 특징으로 하는 연료전지 카세트.
  7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 기재된 상기 연료전지 카세트를 복수개 적층한 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
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