KR20170003676A - 연료 전지 - Google Patents

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KR20170003676A
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히로유키 우와니
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수미도모 프리시젼 프로덕츠 캄파니 리미티드
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Abstract

셀 스택에서의 산화제 가스 및 산화제 오프 가스의 통기 저항이 작고, 가스 누설의 위험성 및 이로 인한 괴멸적 손상의 위험성을 효과적으로 저감한 연료 전지를 제공한다. 이 연료 전지는 전지 셀(11)을 중앙부 사이에 끼우고, 주변부 사이에 셀 홀더(19)를 끼워서 양극 플레이트(12)와 음극 플레이트(13)가 교대로 적층 된 셀 스택(10)을 구비한다. 그리고 셀 스택(10)의 대향하는 2변부의 한쪽에는 연료 함유 가스 급기 매니폴드(10F)를 일체 형성하고 다른 쪽은 연료 오프 가스 배기 매니폴드(10G)를 일체 형성한다. 또한, 다른 대향하는 2변의 한쪽에는 산화제 가스 급기 매니폴드(10H)를 일체 형성하고, 다른 쪽은 매니폴드를 배제하여, 셀 스택(10)의 측면에 각 단의 전지 셀(11)의 음극 측에서 배출되는 산화제 오프 가스의 배기구(15b)를 개구시킨다.

Description

연료 전지{FUEL CELL}
본 발명은 평판 형상의 전지 셀을 중심부 사이에 끼워서 주변부 사이에 평판 형상의 셀 홀더를 끼우고, 동일하게 평판 형상의 양극 플레이트와 음극 플레이트를 교대로 적층하여 구성된 평판형 셀 스택, 특히 평판 형상의 전지 셀이 직사각형인 각판형 셀 스택을 구비하는 연료 전지에 관한 것이고, 보다 상세하게는, 급기 및 배기를 실시할 매니폴드가 주변부의 적층 방향으로 일체적으로 형성된 매니폴드 일체형 셀 스택을 구비하는 연료 전지에 관한 것이다.
연료 전지로서는 사용하는 전해질의 종류에 따라 고체 산화물형 연료 전지나 고체 고분자형 연료 전지 등이 있고, 이 중에서도 발전 효율이 높은 고체 산화물형 연료 전지가 주목을 받고 있다. 고체 산화물형 연료 전지의 전형적인 형식 중 하나는 평판 형상의 고체 산화물의 한쪽 면에 양극, 다른 쪽 면에 음극이 접합된 평판 형상의 전지 셀을 중심부 사이에 끼우고, 주변부 사이에 평판 형상의 셀 홀더를 끼우고, 동일하게 평판 형상의 양극 플레이트와 음극 플레이트를 교대로 적층하여 구성된 평판형 셀 스택을 주요부로 하는 것이며, 그 평판형의 셀 스택은 평판 형상의 전지 셀의 형상에 따라 각판(角板)형과 원판형으로 크게 구별된다. 즉, 직사각형의 각판으로 이루어진 전지 셀을 사용하는 것이 각판형 셀 스택이고(특허문헌 1), 원판 형상의 전지 셀을 사용하는 것이 원판형의 셀 스택(특허문헌 2)이다.
각판형 셀 스택의 전형적인 구조를 도 14 및 도 15에 나타낸다. 이 셀 스택(10)은 각각이 발전 기능을 갖는 복수의 각판 형상의 발전 요소(10A)를 반복 적층하여 구성된 각주 형상의 적층체이다. 각 발전 요소(10A)는 평판 형상이고 직사각형(여기서는 정사각형)인 전지 셀(11)을 중심부 사이에 끼우고, 주변부 사이에 평판 형상이고 사각 테두리 형상의 셀 홀더(19)를 끼우고, 동일하게 평판 형상이고 직사각형(여기서는 정사각형)인 양극 플레이트(12)와 음극 플레이트(13)가 적층된 평판 형상의 적층체이다.
여기서 전지 셀(11)은 평판 형상의 고체 산화물의 한쪽 면(양극 플레이트(12)측 면)에 양극, 다른 쪽면(음극 플레이트(13)측 면)에 음극가 각각 접합된 직사각형의 얇은 적층체로서, 양면 측의 양극 플레이트(12) 및 음극 플레이트(13)보다 한층 작게 되어 있다. 그래서 셀 스택(10)의 중심 부분은 전지 셀(11)을 끼워서 양극 플레이트(12)와 음극 플레이트(13)가 교대로 적층된 각주 형상의 전지부(10B)가 되고, 전지부(10B)를 둘러싼 주변 부분은 사각 테두리 형상의 셀 홀더(19)를 끼워서 양극 플레이트(12)와 음극 플레이트(13)가 교대로 적층된 각통 형상의 플레이트 적층부(10C)가 된다.
전지부(10B)에서는 각 전지 셀(11)의 양극 측에 전지 셀(11)의 대향하는 2변부 사이에서 연료 함유 가스를 상기 양극을 따라 유통시키는 연료 함유 가스 유로(14)가 양극 플레이트(12) 사이에 위치하여 형성되어 있다. 또한, 각 전지 셀(11)의 음극 측에는 전지 셀(11)의 대향하는 다른 2변부 사이에서 산화제 가스를 상기 음극을 따라 유통시키는 산화제 가스 유로(15)가 음극 플레이트(13) 사이에 위치하여 형성되어 있다. 즉, 여기에 나타낸 셀 스택(10)은 연료 함유 가스 유로(14)에서의 가스 유통 방향과, 산화제 가스 유로(15)에서의 가스 유통 방향이 직교하는 직교류 형식이다.
상기 전지부(10B)를 둘러싸는 각통 형상의 플레이트 적층부(10C)에서는 전지부(10B) 내의 각 단의 연료 함유 가스 유로(14)에 연료 함유 가스를 공급하기 위해서, 대향하는 2변부 중 1변 부분에 연료 함유 가스 급기 매니폴드(10F)가 셀 스택(10)의 적층 방향으로 관통하여 일체 형성되어 있고, 다른 1변 부분에는 전지부(10B) 내의 각 단의 연료 함유 가스 유로(14)에서 배출되는 연료 오프 가스를 셀 스택(10) 외로 배출하기 위해서, 연료 오프 가스 배기 매니폴드(10G)가 셀 스택의 적층 방향으로 관통하여 일체 형성되어 있다.
또한, 대향하는 다른 2변부 중 1변 부분에는, 전지부(10B) 내의 각 단의 산화제 가스 유로(15)에 산화제 가스를 공급하기 위해서 산화제 가스 급기 매니폴드(10H)가 셀 스택(10)의 적층 방향으로 관통하여 일체 형성되어 있고, 다른 1변 부분에는 전지부(10) 내의 각 단의 산화제 가스 유로(15)에서 배출되는 산화제 오프 가스를 셀 스택(10) 외로 배출하기 위해서 산화제 오프 가스 배기 매니폴드(10J)가 셀 스택(10)의 적층 방향으로 관통하여 일체 형성되어 있다.
발전 운전 중에는 수소 리치의 연료 함유 가스가 연료 함유 가스 급기 매니폴드(10F)에 아래쪽에서 공급되고, 각 단의 전지 셀(10A) 내의 연료 함유 가스 유로(14)로 분류(分流)한다. 각 단의 전지 셀(10A) 내의 연료 함유 가스 유로(14)에서 배출되는 연료 오프 가스는 연료 오프 가스 배기 매니폴드(10G)에 모여 아래쪽으로 배출된다. 또한, 산화제 가스로서의 공기 등이 산화제 가스 급기 매니폴드(10H)에 아래쪽에서 공급되고, 각 단의 전지 셀(10A) 내의 산화제 가스 유로(15)로 분류한다. 각 단의 전지 셀(10A) 내의 산화제 가스 유로(15)에서 배출되는 산화제 오프 가스는 산화제 오프 가스 배기 매니폴드(10J)에 모여 아래쪽으로 배출된다. 이에 의해, 각 단의 전지 셀(10A)에서는 발전 반응이 일어난다.
또한, 본 명세서에서는 셀 스택(10)의 운전 중 및 운전 전후를 불문하고, 전지 셀(10A) 내의 연료 함유 가스 유로(14)에서 배출되는 가스를 총칭하여 연료 오프 가스라고 하고, 전지 셀(10A) 내의 산화제 가스 유로(15)에서 배출되는 가스를 총칭하여 산화제 오프 가스라고 한다.
이와 같은 셀 스택에서는 동일한 셀 스택이라도 각판 형상의 재료를 적층하여 구성된 각판형 셀 스택은, 상술한 바와 같이 2종류의 가스의 유통 방향이 직교하는 직교류 형식으로 함으로써, 2종류의 가스 급기 및 배기용 매니폴드를 4변부 각각에 2종류의 가스 유로(연료 함유 가스 유로(14) 및 산화제 가스 유로(15))와 동등한 폭으로 일체적으로 형성할 수 있다. 따라서, 원판 형상의 재료를 적층하여 구성된 원판형의 셀 스택에 비해 스택 규모를 작게 할 수 있고, 또한, 2종류의 가스의 유통 저항을 작게 할 수 있는 이점이 있다. 왜냐하면, 원판형의 셀 스택의 경우, 원판 형상의 전지 셀의 중심부에서 외주부에 2종류의 가스를 유통시키기 때문에, 양 가스의 매니폴드, 특히 양 가스의 급기 매니폴드를 셀 스택의 중심부에 형성할 필요가 있는 바, 그러한 급기 매니폴드의 셀 스택 중심부에 대한 일체 형성이 곤란하기 때문에, 셀 스택 외에 대한 분리 형성이 필요하기 때문이다.
그러나 매니폴드를 일체화한 각판형의 셀 스택이라고 해도, 특히 산화제 가스 및 산화제 오프 가스에 대해서는 공기 저항이 낮다고는 말할 수 없다. 그 이유는 다음과 같다. 산화제 가스 및 산화제 오프 가스의 유통 방향에서의 압력 변화를 도 16에 도시한다. 산화제 가스 급기 매니폴드(10H)에서 산화제 가스 유로(15)의 입구까지의 거리가 d1이고, 여기에서의 압력 손실이 p1이며, 산화제 가스 유로(15)의 입구에서 출구까지의 거리가 d2이고, 여기에서의 압력 손실이 p2이다. 또한, 산화제 가스 유로(15)의 출구에서 산화제 오프 가스 배기 매니폴드(19)까지의 거리가 d3이고, 여기에서의 압력 손실이 p3이다.
고체 산화물형 연료 전지용의 평판형 셀 스택의 경우, 전지부(10B)에서의 가스 누설을 방지하기 위해 전지부(10B)의 주위에서 평판 사이를 가스 씰할 필요가 있다. 그 가스 씰은 통상 유리 씰에 의해 행하여지고 있고, 그 내압은 수 ㎪ 정도로 높지 않다. 그런데 산화제 가스는 연료 함유 가스에 비해 유량이 현격히 많기 때문에 압력이 높다. 그래서 전지부 내의 산화제 가스 유로(15)에서 씰 불량, 이에 따른 산화제 가스의 누설이 생길 위험성이 있다. 산화제 가스가 누설되면, 전지부 내에서 연료 함유 가스의 결핍에 의한 전지 셀의 균열이 생기고, 괴멸적인 파괴로 발전할 위험성이 있다. 즉, 통기 저항이 작은 각판형 셀 스택에서도 또한, 가스 압력, 특히 산화제 가스 압력의 높이에 의한 가스 누설의 위험성, 이에 따른 괴멸적 손상의 위험성이 있다.
특허문헌 1: 일본국 공개특허공보 특개2013-257973호 특허문헌 2: 일본국 공개특허공보 특개2010-218873호
본 발명의 목적은 통기 저항이 작은 각판형 셀 스택에서 산화제 가스 및 산화제 오프 가스의 통기 저항을 더욱 작게 함으로써, 가스 누설의 위험성 및 이에 따른 괴멸적 손상의 위험성을 효과적으로 저감한 연료 전지를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 연료 전지는 한쪽 주면에 양극, 다른쪽 주면에 음극이 접합된 평판 형상으로 직사각형의 전지 셀을 중심부 사이에 끼우고, 주변부 사이에 평판 형상의 셀 홀더를 끼우고, 평판 형상의 양극 플레이트와 평판 형상의 음극 플레이트를 교대로 적층하여 구성된 셀 스택을 구비하고,
상기 셀 스택 내의 각 전지 셀의 양극을 따라 연료 함유 가스를 유통시키는 연료 함유 가스 유로 및 각 전지 셀의 음극을 따라 산화제 가스를 유통시키는 산화제 가스 유로가 각 전지 셀의 양극 측 및 음극 측에 각각 형성된 연료 전지에 있어서,
상기 각 전지 셀의 연료 함유 가스 유로 상류측, 연료 함유 가스 유로 하류측 및 산화제 가스 유로 상류측은 셀 홀더를 끼워서 양극 플레이트와 음극 플레이트가 적층된 플레이트 적층부를 적층 방향으로 관통하고, 셀 스택 내의 각 연료 함유 가스 유로의 상류단과 연통하는 연료 함유 가스 급기 매니폴드, 각 연료 함유 가스 유로의 하류단과 연통하는 연료 오프 가스 배기 매니폴드 및 각 산화제 가스 유로의 상류단과 연통하는 산화제 가스 공급 매니폴드가 각각 형성된 매니폴드 일체 구조로 되고,
상기 각 전지 셀의 산화제 가스 유로 하류측은, 상기 각 산화제 가스 유로의 하류단이 상기 셀 스택의 외주면에 산화제 오프 가스 배기구로서 개구하고, 산화제 오프 가스를 산화제 가스 유로의 하류단에서 셀 스택 외로 직접 배출하는 개방 구조로 되어 있다.
본 발명의 연료 전지에서는 평판 형상으로 직사각형의 전지가 사용된 각판형의 셀 스택이 사용되고, 그 셀 스택에 연료 함유 가스 급기 매니폴드, 연료 오프 가스 배기 매니폴드 및 산화제 가스 급기 매니폴드가 일체화되어 있기 때문에 본질적으로 소형이고, 또한, 각 가스의 통기 저항이 작다. 또한, 산화제 가스 유로에서 배출되는 산화제 오프 가스에 대해서는, 산화제 가스 유로의 하류단이 셀 스택의 외주면에 산화제 오프 가스 배기구로서 개구하고, 산화제 가스 유로에서 배출되는 산화제 오프 가스가 매니폴드를 경유하지 않기 때문에, 그만큼 소형화가 더욱 추진됨과 동시에, 압력 손실이 저하하여, 공기 저항이 작아진다. 산화제 가스는 일반적으로 공기인 것으로부터 알 수 있는 바와 같이, 산화제 오프 가스를 포함하여 안전성이 높기 때문에, 이것을 셀 스택 외로 직접 배출해도 안전상의 문제는 생기지 않는다.
셀 스택의 외주면에 개구하는 산화제 오프 가스 배기구는 상기 셀 스택이 수용되는 스택 수용 공간과 접하여, 산화제 오프 가스를 산화제 가스 유로의 하류단에서 상기 스택 수용 공간에 직접 배출하는 구성으로 할 수 있다. 이 구성에 의해 산화제 오프 가스 배기구에서 배출되는 산화제 오프 가스가 스택 수용 공간에 일시적으로 멈추고, 그 산화제 오프 가스의 확산이 저지된다.
이 경우, 셀 스택은 상기 셀 스택을 덮는 스택 커버 내에 배치되어, 상기 스택 커버의 내부를 상기 스택 수용 공간으로 할 수 있다. 이렇게 함으로써, 스택 수용 공간의 형성에 스택 커버가 활용되고, 구조가 간략화된다.
연료 함유 가스 유로에서의 가스 유통 방향과 상기 산화제 가스 유로에서의 가스 유통 방향의 관계에 대해서는, 양 유로가 교차하는 교차류 형식으로 할 수 있고, 양 유로가 대향 측에서 각각의 대향 측으로 연장되는 대향류 형식으로 할 수도 있다. 교차류 형식의 경우에는, 각 전지 셀의 각 변측의 플레이트 적층부에 각 매니폴드가 형성됨으로써, 각 매니폴드가 커지고, 통기 저항이 저감한다. 대향류 형식의 경우에는, 대향 변의 한쪽 변 측에 연료 함유 가스 급기 매니폴드와 산화제 오프 가스 배기구가 형성되고, 다른 쪽 변 측에 연료 오프 가스 배기 매니폴드와 산화제 가스 급기 매니폴드가 형성되므로, 셀 스택의 규모 축소가 가능해진다.
셀 스택이 적층 방향 일단측에서 부감하여, 셀 스택 내의 전지 셀에 대응하는 직사각형(사각 형상)으로 형성되어 있는 경우에 교차류 형식을 채용하면, 연료 함유 가스 급기 매니폴드, 연료 오프 가스 배기 매니폴드 및 상기 산화제 가스 급기 매니폴드가 상기 직사각형의 3변 부분에 각각 형성되고, 산화제 오프 가스 배출구가 상기 직사각형의 나머지 1변 측의 측면에 형성되므로, 각 변이 최대한으로 활용된다.
또한, 셀 스택에서의 전지 셀의 평면 형상은 직사각형인 것이 필요하지만, 전지 셀을 유지하는 셀 홀더의 평면 형상은 직사각형(사각형)일 필요는 없고, 원형, 다각형 등이어도 좋다.
본 발명의 연료 전지는 원연료 가스에서 수소 리치의 연료 함유 가스를 생성하기 위해 상기 스택 수용 공간의 외측에 배치된 개질기를 구비할 수 있다. 개질기는 셀 스택의 연료 오프 가스 배기 매니폴드에서 배출되는 연료 오프 가스와, 상기 산화제 오프 가스 배기구 또는 스택 수용 공간에서 배출되는 산화제 오프 가스의 혼합 가스를 연소시키는 오프 가스 연소기를 가열원으로 할 수 있다. 그 경우, 상기 오프 가스 연소기에서 배출되는 연료 배기 가스를 상기 개질기에서의 가열 매체에 사용하는 것이 효율적이고 바람직하다.
상기 개질기는 상기 스택 커버의 근처에 배치할 수 있다. 이에 의해, 셀 스택의 발전 운전 중에 스택 커버가 개질기에서의 복사열에 의해 외부에서 가열된다. 셀 스택의 산화제 오프 가스 배기구에서 스택 커버 내의 스택 수용 공간에 산화제 오프 가스를 직접 배출하는 경우, 산화제 오프 가스는 고온이기 때문에 스택 커버는 이 고온의 산화제 오프 가스에 의해 내부에서 가열된다. 스택 커버의 내부에서의 가열 부분과 외부에서의 가열 부분이 겹치면, 스택 커버의 온도 분포 편차가 커져서, 스택 커버 내의 셀 스택에서의 발전 효율에 악영향을 미칠 위험성이 생긴다. 이 위험성을 회피하기 위해서는, 개질기는 셀 스택의 중심을 적층 방향으로 지나는 중심선과 직교하고, 또한, 산화제 가스 유로에서의 가스 유로 방향과 직교하는 기준선을 끼우고, 산화제 오프 가스 배기구가 개구하는 측과는 다른 측에 위치시키는 것이 유효하다.
본 발명의 연료 전지는 평판 형상이고, 직사각형의 전지 셀이 사용된 각판형의 셀 스택을 사용하고, 그 셀 스택에 연료 함유 가스 급기 매니폴드, 연료 오프 가스 배기 매니폴드 및 산화제 가스 급기 매니폴드를 일체화하고 있기 때문에, 본질적으로 소형이고, 또한, 각 가스의 통기 저항이 작다. 또한, 산화제 가스 유로에서 배출되는 산화제 오프 가스에 대해서는, 산화제 가스 유로의 하류단이 셀 스택의 외주면에 산화제 오프 가스 배기구로서 개구하고, 산화제 가스 유로에서 배출되는 산화제 오프 가스가 매니폴드를 경유하지 않기 때문에, 그만큼 소형화가 더욱 추진됨과 동시에, 압력 손실이 저하하여, 통기 저항이 작아진다. 이에 의해, 안전성을 저해하지 않고, 가스 누설의 위험성 및 이로 인한 괴멸적 손상의 위험성을 효과적으로 저감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료 전지 내의 셀 스택의 전체 구조를 나타낸 사시도이다.
도 2는 이 셀 스택의 배면 측에서의 사시도이다.
도 3은 이 셀 스택 내의 전지 요소의 구조를 나타낸 분해 사시도이다.
도 4는 이 전지 요소의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 5는 이 전지 요소의 다른 각도에서의 단면도이다.
도 6은 이 전지 요소에서의 전지 셀, 셀 홀더 및 양극 플레이트의 구조를 나타낸 분해 사시도이다.
도 7은 이 전지 요소에서의 음극 플레이트의 구조를 나타낸 분해 사시도이다.
도 8은 이 음극 플레이트에서의 슬릿 플레이트의 부분 평면도이다.
도 9는 대향류 형식의 셀 스택을 나타낸 모식 평면도이다.
도 10은 셀 스택의 스택 커버에 수용된 상태를 나타낸 부분 파단 사시도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료 전지의 모식 평면도이다.
도 12는 이 연료 전지의 모식 입면도이다.
도 13은 이 연료 전지의 구성도이다.
도 14는 종래의 셀 스택의 전체 구조를 나타낸 것이다.
도 15는 종래의 셀 스택 내의 전지 요소의 구조를 나타내는 분해 사시도이다.
도 16은 종래의 셀 스택에서의 산화제 가스 및 산화제 오프 가스의 통기 저항을 나타내는 그래프이다.
도 17은 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료 전지 내의 셀 스택에서의 산화제 가스 및 산화제 오프 가스의 통기 저항을 나타낸 그래프이다.
이하에 본 발명의 실시형태를 도면에 기초하여 설명한다. 본 실시형태의 연료 전지는 각판형의 고체 산화물형 연료 전지(SOFC)이다. 이 연료 전지는 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 주요 구성 부분으로서 각각이 발전 기능을 갖는 복수의 평판형의 발전 요소(10A)를 반복 적층하여 구성된 각주 형상의 셀 스택(10)을 구비하고 있다.
셀 스택(10)은 전체로서는 각주 형상이지만, 엄밀하게는 단면이 직사각형(여기서는 정사각형)인 사각 기둥 형상의 본체부와, 본체부의 대향하는 2변부에서 외측으로 돌출한 2개의 제 1 장출부(張出部)(10D)와, 본체부의 다른 2변부의 한쪽에서 외측으로 돌출한 하나의 제 2 장출부(10E)를 갖고 있다. 즉, 제 1 장출부(10D)는 상기 본체 부의 4변부 중 대향하는 2변부의 적층 방향 전역에서 외측으로 직육면체 형상으로 돌출되어 있고, 제 2 장출부(10E)는 2변부에 끼워진 1변부의 적층 방향 전역에서 외측으로 직육면체 형상으로 돌출되어 있다. 어느 장출부도 본체부의 가로 폭과 동등한 가로 폭을 갖고, 또한, 그 가로 폭에 비해 외측에 대한 장출량이 작은 편평한 직육면체이다.
셀 스택(10) 내의 각 발전 요소(10A)에 연료 함유 가스를 공급하기 위해 2개의 제 1 장출부(10D)의 한쪽에는 연료 함유 가스 급기 매니폴드(10F)가 적층 방향으로 관통하여 형성되어 있고, 다른 쪽에는 연료 오프 가스 배기 매니폴드(10G)가 적층 방향으로 관통하여 형성되어 있다. 또한, 하나의 제 2 장출부(10E)에는 각 발전 요소(10A)에 산화제 가스를 공급하기 위해 산화제 가스 급기 매니폴드(10H)가 적층 방향으로 관통하여 형성되어 있다. 어느 매니폴드도 상기 매니폴드가 형성되는 장출부보다 한층 작은 가로로 긴 편평한 직육면체 형상의 세로 구멍이다.
연료 함유 가스는 연료 함유 가스 급기 매니폴드(10F)를 아래에서 위로 흐르는 과정에서 각 발전 요소(10A)의 양극 측에 유입하고, 그 양극 측을 양극을 따라 통과한 후, 연료 오프 가스가 되어 연료 오프 가스 배기 매니폴드(10G)에 유입하고, 상기 연료 오프 가스 배기 매니폴드(10G)가 위에서 아래로 흐른다. 또한, 산화제 가스는 산화제 가스 급기 매니폴드(10H)가 아래에서 위로 흐르는 과정에서 각 발전 요소(10A)의 음극으로 유입하고, 그 음극 측을 음극을 따라 통과한 후, 산화제 오프 가스가 되어 본체부의 측면으로부터 매니폴드를 통하지 않고 배출된다.
개개의 발전 요소(10A)는 도 3에 나타낸 바와 같이, 평판 형상이고, 직사각형(여기서는 정사각형)의 전지 셀(11)을 중심부 사이에 끼우고, 주변부 사이에 평판 형상으로 사각 테두리 형상의 셀 홀더(19)를 끼우고, 마찬가지로 평판 형상의 양극 플레이트(12)와 음극 플레이트(13)가 적층된 각판 형상의 적층체이다. 전지 셀(11)은 도 3 내지 도 6에 나타낸 바와 같이, 평판 형상의 고체 산화물(11a)의 한쪽 면(양극 플레이트(12)측 면)에 양극(11b), 다른 쪽 면(음극 플레이트(13)쪽 면)에 음극(11c)이 각각 접합된 직사각형(여기서는 정사각형)의 박판 형상 적층체이다.
셀 홀더(19)는 스테인리스강 등의 금속판으로 이루어진다. 이 셀 홀더(19)는 도 3 내지 도 6에 나타낸 바와 같이, 셀 스택(10)의 횡단면 형상에 대응하는 평면 형상을 갖고 있고, 구체적으로는 셀 스택(10)의 사각 기둥 형상의 본체부에 대응하는 직사각형(여기서는 정사각형)의 본체부(19a)와 셀 스택(10)의 제 1 장출부(10D)에 대응하여 상기 본체부(19a)의 대향하는 2변부에서 외측으로 각각 돌출한 2개의 가로로 길고 평평한 직사각형의 제 1 플랜지부(19b)와 셀 스택(10)의 제 2 장출부(10E)에 대응하고 나머지 2변부 중 1변부에서 외측으로 돌출한 하나의 가로로 길고 편평한 직사각형의 제 2 플랜지부(19c)로 구성되어 있다.
셀 홀더(19)의 본체부(19a)에는 상기 전지 셀(11)의 유지를 위해, 전지 셀(11)이 수용되는 직사각형(여기서는 정사각형)의 셀 수용부(19g)가 본체부(19a)의 주연부를 제외한 부분에 형성되어 있다. 셀 홀더(19)의 2개의 제 1 플랜지부(19b)에는 셀 스택(10)의 연료 함유 가스 급기 매니폴드(10F) 및 연료 오프 가스 배기 매니폴드(10G)에 각각 대응하는 직사각형의 연료 함유 가스 급기구(19d) 및 연료 오프 가스 배기구(19e)가 각각 설치되어 있다. 마찬가지로 하나의 제 2 플랜지부(19c)에는 셀 스택(10)의 산화제 가스 급기 매니폴드(10H)에 대응하는 직사각형의 산화제 가스 급기구(19f)가 설치되어 있다. 셀 홀더(19)의 두께는 전지 셀(11)의 두께와 거의 동일하다.
양극 플레이트(12)는 셀 스택(10)의 횡단면 형상에 대응하는 평면 형상을 갖고 있고, 구체적으로는 셀 스택(10)의 사각 기둥 형상의 본체부에 대응하는 직사각형(여기에는 정사각형)의 본체부(12a)와, 셀 스택(10)의 제 1 장출부(10D)에 대응하여 상기 본체부(12a)의 대향하는 2변부에서 외측으로 각각 돌출한 2개의 가로로 길고 편평한 직사각형의 제 1 플랜지부(12b)와, 셀 스택(10)의 제 2 장출부(10E)에 대응하고 나머지 2변부 중 1변부에서 외측으로 돌출한 하나의 가로로 길고 편평한 직사각형의 제 2 플랜지부(12c)로 구성되어 있다.
2개의 제 1 플랜지부(12b)에는 셀 스택(10)의 연료 함유 가스 급기 매니폴드(10F) 및 연료 오프 가스 배기 매니폴드(10G)에 각 대응하는 직사각형의 연료 함유 가스 급기구(12d) 및 연료 오프 가스 배기구(12e)가 각각 설치되어 있다. 마찬가지로 하나의 제 2 플랜지부(12c)에는 셀 스택(10)의 산화제 가스 급기 매니폴드(10H)에 대응하는 직사각형의 산화제 가스 급기구(12f)가 설치되어 있다.
양극 플레이트(12)는 또한 도 4 내지 도 6에 나타낸 바와 같이, 스테인리스강 등의 금속 재료로 이루어진 2장의 평판 형상 재료를 적층한 적층판이다. 2장의 평판 형상 재료 중 발전 요소(10A)와 접하는 측은 슬릿 플레이트(12g), 반대측은 세퍼레이터 플레이트(12h)이다. 슬릿 플레이트(12g)는 양극 플레이트(12)의 본체부(12a)에 대략 대응하는 부분에, 상기 부분에 연료 함유 가스 유로(14)를 형성하는 복수 개의 슬릿(14a)을 가진다. 복수 개의 슬릿(14a)은 2개의 제 1 플랜지부(12b)의 한쪽으로부터 다른 쪽에 걸쳐서 연재함과 동시에, 제 2 플랜지부(12c)와 그 반대측 사이에 소정 피치로 병렬되어 있다.
복수 개의 슬릿(14a)의 양단측은 전지 셀(11)의 양극 측에서 또한, 슬릿(14a)의 양단측에 대응하는 측(연료 함유 가스 급기구(19d) 측 및 연료 오프 가스 배기구(19e) 측)의 각 각부에 형성된 결제부(欠除部)(11d) 및 셀 프레임(19)의 셀 수용부(19g)와 연료 함유 가스 급기구(19d) 사이의 리브부의 양극 측 표면 및 셀 프레임(19)의 셀 수용부(19g)와 연료 오프 가스 배기구(19e) 사이의 리브부의 양극 측 표면에 각각 형성된 얕은 오목 홈(19h)을 통해 양단측의 연료 함유 가스 급기구(12d) 및 연료 오프 가스 배기구(12e)와 각각 연통되어 있다.
음극 플레이트(13)는 도 3에 나타낸 바와 같이, 양극 플레이트(12)와 마찬가지로 셀 스택(10)의 횡단면 형상에 대응하는 평면 형상을 갖고 있고, 구체적으로는 셀 스택(10)의 사각 기둥 형상의 본체부에 대응하는 직사각형(여기서는 정사각형)의 본체부(13a)와 셀 스택(10)의 제 1 장출부(10D)에 대응하여 상기 본체부(13a)의 대향하는 2변부에서 외측으로 각각 돌출한 2개의 가로로 길고 편평한 직사각형의 제 1 플랜지(13b)와 셀 스택(10)의 제 2 장출부(10E)에 대응하고 나머지 2변부 중 1변부에서 외측으로 돌출한 하나의 가로로 길고 편평한 직사각형의 제 2 플랜지부(13c)로 구성되어 있다.
2개의 제 1 플랜지부(13b)에는 셀 스택(10)의 연료 함유 가스 급기 매니폴드(10F) 및 연료 오프 가스 배기 매니폴드(10G)에 각각 대응하는 직사각형의 연료 함유 가스 급기구(13d) 및 연료 오프 가스 배기구(13e)가 각각 설치되어 있다. 마찬가지로 하나의 제 2 플랜지부(13c)에는 셀 스택(10)의 산화제 가스 급기 매니폴드(10H)에 대응하는 직사각형의 산화제 가스 급기구(13f)가 설치되어 있다.
음극 플레이트(13)는 또한 도 3, 도 4 및 도 6에 나타낸 바와 같이, 스테인리스강 등의 금속 재료로 이루어진 3장의 평판 형상 재료를 적층한 적층판이고, 구체적으로는 발전 요소(10A)와 접하는 측에서 그 반대편에 순서대로 적층된 제 2 슬릿 플레이트(13g), 제 1 슬릿 플레이트(13h) 및 세퍼레이터 플레이트(13i)로 이루어진다.
제 1 슬릿 플레이트(13h)는 음극 플레이트(13)의 본체부(13a)에 대응하는 부분에 상기 부분에 산화제 가스 유로(15)를 형성하는 복수 개의 슬릿(15a)을 가진다. 복수 개의 슬릿(15a)은 제 2 플랜지부(12c)에서 그 반대 측에 걸쳐서 연재함과 동시에, 2개의 제 1 플랜지부(12b) 사이에 소정 피치로 병렬되어 있고, 그 일단측은 제 2 플랜지부(13c) 내의 산화제 가스 급기구(13f)와 연통되어 있다. 그리고 복수 개의 슬릿(15a)의 타단측은 본체부(13a)의 측단면에 산화제 오프 가스 배기구(15b)로서 개구하고 있다(도 2 참조).
제 2 슬릿 플레이트(13g)는 음극 플레이트(13)의 본체부(13a)에 대략 대응하는 부분에 산화제 가스 유로(15)에서의 가스 유통 방향(슬릿(15a)의 연장되는 방향)과 교차하는 방향(여기서는 직교하는 방향)의 짧고 가는 다수의 미니 슬릿(15c)을 갖고 있다. 다수의 미니 슬릿(15c)은 도 8에 나타낸 바와 같이, 산화제 가스 유로(15)에서의 가스 유통 방향(슬릿(15a)의 연장되는 방향)과 교차하는 방향(여기서는 직교하는 방향)의 가스 유로를 형성하는 것이고, 각각이 병렬하는 복수 개(여기서는 2개)의 슬릿(15a)과 교차하도록 밀집 상태에서 지그재그 형상으로 배치되어 있다. 이에 의해, 제 2 슬릿 플레이트(13g)는 다수의 미니 슬릿(15c)을 가짐으로써, 전지 셀(11)의 음극(11b)에 밀착한 상태로 복수 개의 슬릿(15a)을 병렬 방향으로 횡단적으로 연결한다.
또한, 셀 홀더(19)와 음극 플레이트(13) 사이에는 도시되어 있지 않지만, 양극 플레이트(12)와 음극 플레이트(13) 사이를 전기적으로 절연하는 박판 형상의 절연 플레이트가 배치됨과 동시에, 전지 요소(11)의 양극 측과 음극 측을 물리적으로 차단하는 씰재가 절연 플레이트와 음극 플레이트(13) 사이에 위치하여 배치된다.
이상에 언급한 바와 같이, 셀 스택(10)에서는 복수의 발전 요소(10A)가 반복 적층됨으로써, 상기 셀 스택(10)은 구성된다. 개개의 발전 요소(10A)에서는 양극 플레이트(12)와 음극 플레이트(13)가 그 중심부 사이에 전지 셀(11)을 끼우고, 주변부 사이에 셀 홀더(19)를 끼워서 적층됨으로써 그 발전 요소(10A)는 구성된다.
구성된 발전 요소(10A)에서는 양극 플레이트(12)의 셀 측의 표면이 전지 셀(11)의 양극(11b)와 밀착하고, 음극 플레이트(13)의 셀 측의 표면이 전지 셀(11)의 음극(11c)와 밀착한다. 또한, 양극 플레이트(12)의 연료 함유 가스 급기구(12d), 셀 홀더(19)의 연료 함유 가스 급기구(19d) 및 음극 플레이트(13)의 연료 함유 가스 급기구(13d)가 집합하여 셀 스택(10)의 연료 함유 가스 급기 매니폴드(10F)를 형성한다. 마찬가지로 양극 플레이트(12)의 연료 오프 가스 배기구(12e), 셀 홀더(19)의 연료 오프 가스 배기구(19e) 및 음극 플레이트(13)의 연료 오프 가스 배기구(13e)가 집합하여 셀 스택(10)의 연료 오프 가스 배기 매니폴드(10G)를 형성하고, 양극 플레이트(12)의 산화제 가스 급기구(12f), 셀 홀더(19)의 산화제 가스 급기구(19f) 및 음극 플레이트(13)의 산화제 가스 급기구(13f)가 집합하여 셀 스택(10)의 산화제 가스 급기 매니폴드(10H)를 형성한다.
그리고 각 단의 전지 셀(11)의 양극 측에는, 연료 함유 가스 급기 매니폴드(10F)에서 연료 오프 가스 배기 매니폴드(10G)에 이르는 연료 함유 가스 유로(14)가 복수 개의 슬릿(14a)에 의해 전지 셀(11)의 양극(11b)을 따라 형성되고, 전지 셀(11)의 음극 측에는 산화제 가스 급기 매니폴드(10H)에서 음극 플레이트(13)의 측단면에 개구하는 산화제 오프 가스 배기구(15b)에 이르는 연료 함유 가스 유로(14)가 복수 개의 슬릿(13a)에 의해 전지 셀(11)의 음극(11c)을 따라 형성된다.
또한, 구성된 셀 스택(10)에서는 복수의 발전 요소(10A)가 전기적으로 직렬로 접속된다. 각주 형상의 본체부의 주변 부분을 제외한 횡단면이 직사각형(여기서는 정사각형)인 사각 기둥 부분은 전지 셀(11)을 끼워서 양극 플레이트(12)와 음극 플레이트(13)가 교대로 적층된 발전부(10B)가 되고, 상기 주변 부분 및 2개의 제 1 장출부(10D) 및 하나의 제 2 장출부(10E)는 셀 홀더(19)를 끼워서 양극 플레이트(12)와 음극 플레이트(13)가 교대로 적층된 플레이트 적층부(10C)가 된다.
또한, 인접하는 2개의 발전 요소(10A) 사이에서는, 양극 플레이트(12)에서의 세퍼레이터 플레이트(12h)와 음극 플레이트(13)에서의 세퍼레이터 플레이트(13i)가 접촉한다. 양자는 실질적으로 동일한 판재이기 때문에, 그 사이에서는 동일한 판재가 2장 포개진다. 그래서 통상은 2장의 판재 중 1장이 생략된다. 즉, 1장의 판재가 세퍼레이터 플레이트(12h)와 세퍼레이터 플레이트(13i)를 겸한다.
그리고 구성된 셀 스택(10)은 도 10에 나타낸 바와 같이, 스택 커버(20) 내에 수용되어 사용된다. 스택 커버(20)는 저면이 개방된 원통체이고, 원형의 베이스판(21) 위에 셀 스택(10)과 함께 고정되어 있다. 자세히 설명하면, 셀 스택(10)은 원형의 베이스판(21)을 하측의 엔드 플레이트로서 상측의 직사각형의 엔드 플레이트(22) 사이에 각각 절연부재(29)를 통해 셀 스택(10)의 4우부(隅部)에 배치된 4개의 체결 볼트(23)에 의해 고정되어 있다. 셀 스택(10)을 덮는 스택 커버(20)는 셀 스택(10)의 외주측 및 상측에 공간을 확보하여 베이스판(21) 위에 고정되어 있다. 이에 의해, 셀 스택(10)은 스택 커버(21) 내에 수용되고, 그 내부 공간이 셀 스택(10)이 수용되는 스택 수용 공간(24)이 된다.
스택 커버(20) 내에 수용된 셀 스택(10)은 연료 함유 가스 급기 매니폴드(10F), 연료 오프 가스 배기 매니폴드(10G) 및 산화제 가스 급기 매니폴드(10H)의 각 상단이 엔드 플레이트(22)에 의해 폐지된다. 연료 함유 가스 급기 매니폴드(10F), 연료 오프 가스 배기 매니폴드(10G) 및 산화제 가스 급기 매니폴드(10H)의 각 하단은 베이스판(21)에 설치된 연료 함유 가스 급기 구멍, 연료 오프 가스 배기 구멍 및 산화제 가스 급기 구멍을 각각 통해, 베이스판(21)의 하면에 돌설된 연료 함유 가스 급기관(25), 연료 오프 가스 배기관(26) 및 산화제 가스 급기관(27)의 각 관 내와 각각 연통되어 있다. 또한, 셀 스택(10)의 수용 공간(24)은 셀 스택(10)과 간섭하지 않도록 베이스판(21)에 설치된 산화제 오프 가스 배기 구멍(21a)을 통해 베이스판(21)의 하면에 돌설된 산화제 오프 가스 배기관(28) 내와 연통되어 있다.
이에 의해, 연료 함유 가스는 셀 스택(10) 내의 연료 함유 가스 급기 매니폴드(10F) 내에 아래쪽의 연료 함유 가스 급기관(25)에서 유입하고, 셀 스택(10) 내의 각 단의 발전 요소(10A) 내의 연료 함유 가스 유로(14)에 분산되어 유입된다. 각 단의 발전 요소(10A) 내의 연료 함유 가스 유로(14)에서 배출되는 연료 오프 가스는 연료 오프 가스 배기 매니폴드(10G)에서 아래쪽의 연료 오프 가스 배기관(26)을 통해 셀 스택(10) 외로 유출한다.
한편, 산화제 가스는 셀 스택(10) 내의 산화제 가스 급기 매니폴드(10H)에 아래쪽의 산화제 가스 급기관(27)에서 유입하고, 셀 스택(10) 내의 각 단의 발전 요소(10A) 내의 산화제 가스 유로(15)에 분산되어 유입된다. 각 단의 발전 요소(10A) 내의 산화제 가스 유로(15)에서 유출하는 산화제 오프 가스는 셀 스택(10) 측단면에 개구하는 복수의 산화제 오프 가스 배기구(13e)에서 스택 커버(20) 내의 스택 수용 공간(24)에 일단 배출되고, 또한, 아래쪽의 산화제 오프 가스 배기관(28)에서 스택 커버(20) 외로 배출된다.
본 실시형태의 연료 전지는 이와 같은 셀 스택(10)을 주요부로서 사용한다. 그 연료 전지는 도 11 내지 도 13에 나타낸 바와 같이, 단열재에 의해 라이닝된 단열 케이싱(30) 내에 상술한 스택 커버(20)에 들어간 세트의 셀 스택(10)을 보기류와 함께 수용한 단열 모듈로 구성되어 있다. 보기류로서는 운전 개시 시의 예열을 실시할 라디언트 튜브형 버너(31), 원연료 가스로부터 연료 함유 가스를 생성하는 개질기(32), 산화제 가스 가열용 열 교환기(33) 및 발전 운전 개시 전의 예열 시에 사용하는 부분 산화 개질기(34) 등이 있다.
구체적으로 설명하면, 단열 케이싱(30)의 일측부 내에, 셀 스택(10)이 스택 커버(20) 내에 수용된 상태로 입설되어 있다. 스택 커버(20) 내의 셀 스택(10)은 산화제 가스 급기 매니폴드(10H)가 내측에 위치하고, 산화제 오프 가스 배기구(15b)가 개구하는 측면이 외측을 향하도록 배치되어 있다. 또한, 라디언트 튜브형 버너(31), 개질기(32) 및 열 교환기(33) 등의 보기류는 단열 케이싱(30)의 다른 측부 내에 배치되어 있고, 특히 라디언트 튜브형 버너(31), 개질기(32) 및 부분 산화 개질기(34)는 셀 스택(10) 옆의 가까운 위치에 입설되어 있다.
이에 의해, 라디언트 튜브형 버너(31), 개질기(32), 열 교환기(33) 및 부분 산화 개질기(34) 등의 보기류는 셀 스택(10)의 중심선에 직교하고, 또한, 산화제 가스 유로(15)에서의 가스 유통 방향으로 직교하는 기준선을 끼우고, 산화제 오프 가스 배기구(13e)가 개구하는 일측면과는 다른 측에 위치한다. 또한, 셀 스택(10)의 중심선이란, 셀 스택(10)의 중심점(구체적으로는 셀 스택(10)의 사각 기둥 형상의 본체부 또는 전지부(10B)의 대각선의 교점)을 적층 방향으로 통과하는 선이다.
라디언트 튜브형 버너(31)는 단열 케이싱(30)의 바닥판 위에 입설된 역U자 형의 라디언트 튜브(31a)와 단열 케이싱(30)의 바닥판보다 아래쪽에서 라디언트 튜브(31a)의 일단부에 접속된 버너 본체(31b)로 이루어진다. 라디언트 튜브(31a)는 셀 스택(10) 옆에 입설된 개질기(32)에 걸친 것과 같이, 개질기(32)와 함께 셀 스택(10) 옆의 가까운 위치에 병치되어 있다. 버너 본체(31b)는 예열용 연료 가스를 예열용 공기와 혼합하여 연소시킴과 동시에, 이 연소에 의해 발생하는 연소 배기 가스를 라디언트 튜브(31a)로 보내서, 내측에 입설된 개질기(32) 및 옆에 병치된 셀 스택(10), 특히 셀 스택(10)을 덮는 스택 커버(20)를 복사열에 의해 가열한다. 라디언트 튜브(31a)의 타단부는 연소 배기 가스의 배출구로서 개구하고 있다.
라디언트 튜브형 버너(31)와 함께 셀 스택(10) 옆에 병치된 개질기(32)는 원통체이고, 그 중심축을 따라 아래에서 순서대로 오프 가스 연소부, 개질부, 혼합부 및 증발부를 배치한 단계 구조로 되어 있다. 최하단 오프 가스 연소부는 셀 스택(10)에서 배출되는 연료 오프 가스 및 산화제 오프 가스를 연소시킴으로써, 연소 배기 가스를 위의 개질부, 혼합부 및 증발부로 보내서 이들을 가열한다. 이 가열에 의해, 최상단의 증발부는 외부에서 도입되는 순수을 증발시켜서 수증기를 생성한다. 그 아래의 혼합부는 외부에서 도입된 원연료 가스, 즉, 연료 함유 가스의 원료가 되는 도시가스 등과, 상단의 증발부에서 생성된 수증기의 혼합 가스를 생성한다. 혼합부 아래의 개질부는 혼합부에서 생성된 혼합 가스를 고온 하에서 개질용 촉매와 반응시킴으로써, 수소 리치 연료 함유 가스로 개질한다. 개질부에서 생성된 수소 리치의 연료 함유 가스는 셀 스택(10)의 양극 측에 공급된다.
열 교환기(33)는 셀 스택(10)의 양극 측에 공급되는 산화제 가스를 개질기(32)에서 배출되는 연소 배기 가스를 열원으로서 예열한다. 예열된 산화제 가스는 셀 스택(10)의 음극 측에 공급된다. 또한, 부분 산화 개질기(34)는 발전 운전 개시 전에 예열 시에 Pox 연료와 Pox 공기의 혼합 가스를 가열 하에서 부분 산화하여 수소 리치의 부분 산화 개질 가스를 생성하고, 셀 스택(10) 양극 측에 공급한다.
다음으로, 본 실시형태의 연료 전지의 운전 방법 및 기능에 대해 설명한다.
발전 운전 개시 전의 기동 시(예열 시)는, 단열 케이싱(30) 내의 라디언트 튜브형 버너(31)의 버너 본체(31b)에 예열용 연료 가스 및 예열용 공기를 공급하여 연소시킴으로써 라디언트 튜브(31a)가 가열된다. 라디언트 튜브(31a)에서 배출되는 연소 배기 가스(버너 배기 가스)는 개질기(32) 및 열 교환기(33)를 경유하여 외부로 배출된다. 라디언트 튜브(31a)가 가열됨으로써, 라디언트 튜브(31a)에서의 복사열에 의해 스택 커버(20) 및 스택 커버(20) 내의 셀 스택(10), 및 스택 커버(20) 외의 개질기(32), 열 교환기(33) 및 부분 산화 개질기(34)가 외부에서 가열된다. 또한, 라디언트 튜브(31a)에서 배출되는 연소 배기 가스(버너 배기 가스)에 의해 개질기(32) 및 열 교환기(33)가 내부에서 가열된다. 이로 인해, 스택 커버(20) 내의 셀 스택(10) 및 스택 커버(20) 외의 개질기(32), 열 교환기(33) 및 부분 산화 개질기(34)가 예열된다.
그리고 예열된 부분 산화 개질기(34)에 Pox 연료와 Pox 공기의 혼합 가스를 공급함으로써, 수소 리치의 부분 산화 개질 가스가 생성된다. 생성된 부분 산화 개질 가스는 셀 스택(10)의 양극 측에 공급되어, 예열 시에 상기 양극 측이 산화하는 것을 방지한다.
발전 운전 중에는 개질기(32)의 혼합부에 연료 함유 가스의 원료가 되는 도시가스 등의 원연료 가스가 공급된다. 또한, 열 교환기(33)에 피가열 매체로서 산화제 가스(여기서는 공기)가 공급된다. 또한, 개질기(32)의 증발부에 순수가 공급된다. 한편, 셀 스택(10)에서는 발전 반응에 따라 셀 스택(10)의 연료 오프 가스 배기 매니폴드(16)에서 연료 오프 가스(미연의 연료 함유 가스)가 배출되고, 이것이 연료 오프 가스 배기관(26)에서 스택 커버(20) 외로 배출된다. 또한, 셀 스택(10)의 산화제 오프 가스 배기구(13e)에서 산화제 오프 가스(미연의 산화제 가스)가 배출되고, 이것이 스택 커버(20) 내의 스택 수용 공간(24)을 경유하여 산화제 오프 가스 배기관(28)에서 스택 커버(20) 외로 배출된다. 그리고 연료 오프 가스 배기관(26)에서 스택 커버(20) 외로 배출되는 연료 오프 가스와 산화제 오프 가스 배기관(28)에서 스택 커버(20) 외로 배출되는 산화제 오프 가스가 개질기(32)의 오프 가스 연소부에 보내져 연소한다. 그 연소에 의해 발생하는 연소 배기 가스가 개질기(32)의 개질부, 혼합부 및 증발부를 통과함으로써 이들을 가열한다.
이 상태에서 개질기(32)의 증발부에 순수가 공급됨으로써 수증기가 생성되고, 이것이 혼합부에서 연료 함유 가스의 원료가 되는 도시가스 등의 원연료 가스와 혼합되고, 아래의 개질부에 보내짐으로써, 수소 리치의 연료 함유 가스로 개질된다. 개질기(32)의 개질부에서 생성된 수소 리치의 연료 함유 가스는 연료 함유 가스 급기관(25)에서 셀 스택(10)의 연료 함유 가스 급기 매니폴드(15)에 유입된다. 또한, 열 교환기(33)에 피가열 매체로서 공급된 산화제 가스(공기)가 개질기(32)에서 공급되는 연소 배기 가스와 열 교환함으로써 예열되어, 산화제 가스 급기관(27)에서 셀 스택(10)의 산화제 가스 급기 매니폴드(10H)에 유입된다. 연료 함유 가스 급기 매니폴드(15)에 유입된 연료 함유 가스는 각 단의 발전 요소(10A)의 연료 함유 가스 유로(14)를 통과하고, 산화제 가스 급기 매니폴드(10H)에 유입된 산화제 가스는 각 단의 발전 요소(10A)의 산화제 가스 유로(15)를 통과한다. 따라서, 각 단의 발전 요소(10A)에서 발전 반응이 일어난다.
발전 반응에 따라 각 단의 발전 요소(10A)의 연료 함유 가스 유로(14)에서는 연료 오프 가스(미연의 연료 함유 가스)가 배출되고, 각 단의 발전 요소(10A)의 산화제 가스 유로(15)에서는 산화제 오프 가스(미연의 산화제 가스)가 배출된다. 각 단의 발전 요소(10A)의 연료 함유 가스 유로(14)에서 배출된 연료 오프 가스는 일단, 연료 오프 가스 배기 매니폴드(10G)에 모이고, 여기에서 연료 오프 가스 배기관(26)을 경유하여 스택 커버(20) 외로 배출된다. 한편, 각 단의 발전 요소(10A)의 산화제 가스 유로(15)에서 배출되는 산화제 오프 가스는 매니폴드를 경유하지 않고, 셀 스택(10)의 본체부의 일측면에 개구하는 산화제 오프 가스 배기구(15b)에서 스택 커버(20) 내의 스택 수용 공간(24)에 직접 배출되고, 상기 스택 수용 공간(24)을 경유하여 산화제 오프 가스 배기관(28)에서 스택 커버(20) 외로 배출된다.
연료 오프 가스 배기 매니폴드(10G)를 경유하여 연료 오프 가스 배기관(26)에서 스택 커버(20) 외로 배출되는 연료 오프 가스와 매니폴드를 경유하지 않고, 대신 스택 커버(20) 내의 스택 수용 공간(24)을 경유하여 산화제 오프 가스 배기관(28)에서 스택 커버(20) 외로 배출되는 산화제 오프 가스가 개질기(32)의 오프 가스 연소부에 보내져 연소하는 것은 상술한 바와 같다.
여기서 스택 커버(20) 내의 스택 수용 공간(24)의 용적은 셀 스택(10)이 점유하는 공간의 용적을 빼도 셀 스택(10) 내의 매니폴드(10F, 10G, 10H)의 각 용적보다 훨씬 크다. 따라서, 스택 수용 공간(24)에서의 통기 저항은 매니폴드 매니폴드(10F, 10G, 10H)에서의 각 통기 저항에 비해 매우 작아진다. 이에 의해, 산화제 가스의 유통 방향에서의 압력 변화는 도 17에 나타낸 바와 같이, 산화제 가스 급기 매니폴드(10H)에서 산화제 가스 유로(15)의 입구까지의 거리 d1에서의 압력 손실 p1과 산화제 가스 유로(15)의 입구에서 출구까지의 거리 d2에서의 압력 손실 p2의 합계 (p1+p2)가 된다.
이 압력 손실(p1+p2)은 산화제 가스 유로(15)의 출측에 산화제 오프 가스 배기 매니폴드(19)가 존재하는 종래(도 16)의 경우의 압력 손실(p1+p2+p3)에 비해, 산화제 오프 가스 배기 매니폴드(19)에 기인하는 압력 손실분(p3)만큼 작다. 따라서, 셀 스택의 가스 씰이 유리 씰재에 의해 실시되고, 그 내압이 수 ㎪ 정도로 높지 않은 경우라도 산화제 가스 압력의 높이에 의한 가스 누설 위험성, 이에 의한 손상의 위험성이 효과적으로 저감된다.
또한, 발전 운전 중에는 개질기(32)에서 오프 가스가 연소하기 때문에 그 개질기(32)가 발열체가 되고, 스택 커버(20)를 외부에서 가열한다. 그 한편으로, 셀 스택(10)의 측면에 개구하는 산화제 오프 가스 배기구(13e)에서 스택 커버(20) 내의 스택 수용 공간(24)에 배출되는 산화제 오프 가스는 수 100℃ 이상으로 매우 고온이고, 산화제 오프 가스 배기구(13e)가 개구하는 셀 측면에 대향하는 부분을 중심으로 하여 스택 커버(20)를 내부에서 가열한다.
이때, 스택 커버(20)에 대한 내부에서의 가열 부분과 외부에서의 가열 부분이 겹치면, 스택 커버(20)의 가열 분포에 편향이 생기고, 그 결과, 스택 커버(20)가 손상될 위험성이 발생한다. 그런데 본 실시형태의 연료 전지에서는, 개질기(32)는 셀 스택(10)의 중심선에 직교하고, 또한, 산화제 가스 유로(15)에서의 가스 유통 방향으로 직교하는 기준선을 끼우고, 산화제 오프 가스 배기구(15b)가 개방하는 측면의 측과는 반대 측에 위치하고 있으며, 보다 정확하게는 개질기(32)와 산화제 오프 가스 배기구(15b)가 개구하는 측면과는 상기 기준선을 끼우고 정반대의 위치에 있다. 따라서, 스택 커버(20)의 온도 분포가 균일화되고, 개질기(32)가 스택 커버(20)에 대한 효과적인 가열원이 된다.
셀 스택(10) 내의 개개의 발전 요소(10A)에서는 연료 함유 가스 유로(14)를 형성하는 복수 개의 슬릿(14a)의 양단측은 양단측의 연료 함유 가스 급기 매니폴드(10F) 및 연료 오프 가스 배기 매니폴드(10G)와는 직접 연통하지 않고, 전지 셀(11)의 연료 함유 가스 유통 방향 양측에 각각 형성된 결제부(11d) 및 셀 프레임(19)의 연료 함유 가스 유통 방향 양측부에 각각 형성된 복수의 얕은 오목 홈(19h)을 통해 간접적으로 연통되어 있다.
여기서 복수의 오목 홈(19h)은 연료 함유 가스 급기 매니폴드(10F)와 셀 홀더(19)의 셀 수용부(19g)를 연통시키는 연료 함유 가스 취입구이고, 셀 홀더(19)의 셀 수용부(19g)와 연료 오프 가스 배기 매니폴드(10G)를 연통시키는 연료 오프 가스 취출구이다. 즉, 연료 함유 가스 급기 매니폴드(10F) 내의 연료 함유 가스는 연료 함유 가스 취입구인 상류측의 복수의 오목 홈(19h)을 통해 셀 홀더(19)의 셀 수용부(19g) 내에 유입된다. 또한, 셀 홀더(19)의 셀 수용부(19g) 내의 연료 오프 가스는 연료 오프 가스 장출구인 하류측의 복수의 오목 홈(19h)을 통해 연료 오프 가스 배기 매니폴드(10G)에 유입된다. 그래서 인접하는 슬릿(14a) 간의 리브가 연료 함유 가스 급기 매니폴드(10F) 및 연료 오프 가스 배기 매니폴드(10G)에서 배제되고, 그 결과, 연료 함유 가스 급기 매니폴드(10F) 및 연료 오프 가스 배기 매니폴드(10G)에서의 통기 저항이 작아진다.
또한, 연료 함유 가스 유로(14)의 가스 유통 방향 상류측에서는, 연료 함유 가스 급기 매니폴드(10F) 내의 연료 함유 가스가 연료 함유 가스 취입구인 복수의 오목 홈(10h)을 통과한 후, 전지 셀(11)의 결제부(11d)에 유입된다. 전지 셀(11)의 결제부(11d)는 복수의 오목 홈(10h)에 대향하는 전지 셀(11)의 단면(여기서는 양극(10b)의 단면)을 후퇴시킴으로써 형성되고, 복수의 오목 홈(10h) 및 슬릿(14a)의 병렬 방향(가로 방향)으로 연속하고 있다. 따라서, 복수의 오목 홈(10h)에서 셀 홀더(19)의 셀 수용부(19g)에 유입된 연료 함유 가스는 전지 셀(11)의 단면(여기서는 양극(10b)의 단면)에 충돌하여 결제부(11d) 내에서 가로 방향으로 분산한다. 따라서, 복수의 슬릿(14a)에 유입되는 연료 함유 가스가 균등화된다. 전지 셀(11)의 단면(여기서는 양극(10b)의 단면)은 가스 규제부로서 기능하고, 결제부(11d) 내의 완충 공간으로서 기능한다.
연료 함유 가스 유로(14)의 가스 유통 방향 상류측에서는, 복수의 슬릿(14a)에서 유출하는 연료 오프 가스가 하류측의 결제부(11d) 내를 경유하기 때문에, 연료 오프 가스 취출구인 하류측의 복수의 오목 홈(19h) 내에 원활하게 유입된다.
또한, 산화제 가스 유로(15)에 대해서는, 산화제 가스 유로(15)를 형성하는 복수 개의 슬릿(15a)의 전지 셀(11) 측에 제 2 슬릿 플레이트(13g)가 배치되어 있다. 제 2 슬릿 플레이트(13g)는 산화제 가스 유로(15)에서의 가스 유통 방향과 교차하는 방향(여기서는 직교하는 방향)의 짧고 가는 다수의 미니 슬릿(15c)을 갖고 있다. 다수의 미니 슬릿(15c)은 복수 개의 슬릿(15a)을 병렬 방향으로 횡단적으로 연결한다. 따라서, 복수 개의 슬릿(15a) 사이에서의 가스 압차가 없어진다. 또한, 제 2 슬릿 플레이트(13g)는 전지 셀(11)의 음극(11c)과의 접촉 면적을 증가시킴과 동시에, 다수 개의 미니 슬릿(15c)을 통해 산화제 가스를 음극(11c)에 효율적으로 공급한다. 즉, 제 2 슬릿 플레이트(13g)는 다수 개의 미니 슬릿(15c)에 의해 산화제 가스의 적절한 분배 공급 및 압력 손실 및 전기 저항의 저감의 각 관점으로부터 발전 효율의 향상에 기여하는 것이다.
상기 실시형태는 직교류 형식의 셀 스택(10)을 사용하고 있지만, 도 9에 나타낸 바와 같이, 대향류 형식의 셀 스택(10)도 사용 가능하다. 도 9에 나타낸 대향류 형식의 셀 스택(10)은 횡단면 형상이 직사각형이고, 그 대향하는 2변부의 한쪽에 연료 오프 가스 배기 매니폴드(10G) 및 산화제 가스 급기 매니폴드(10H)가 옆으로 늘어서 일체적으로 형성되어 있다. 또한, 다른 쪽의 1/2 부분에 연료 함유 가스 급기 매니폴드(10F)가 일체적으로 형성되어 있고, 나머지 부분은 그러한 일체형 매니폴드가 없고, 산화제 오프 가스 배기구(15b)가 개구하는 본체부의 측면이 스택 수용 공간에 노출되어 있다.
10 셀 스택
10A 발전 요소
10B 발전부
10C 플레이트 적층부
10D 제 1 장출부
10E 제 2 장출부
10F 연료 함유 가스 급기 매니폴드
10G 연료 오프 가스 배기 매니폴드
10H 산화제 가스 급기 매니폴드
10J 산화제 오프 가스 배기 매니폴드
11 전지 셀
11a 고체 산화물
11b 양극
11c 음극
11d 결제부
12 양극 플레이트
12a 본체부
12b 제 1 플랜지부
12c 제 2 플랜지부
12d 연료 함유 가스 급기구
12e 연료 오프 가스 배기구
12f 산화제 가스 급기구
12g 슬릿 플레이트
12h 세퍼레이터 플레이트
13 음극 플레이트
13a 본체부
13b 제 1 플랜지부
13c 제 2 플랜지부
13d 연료 함유 가스 급기구
13e 연료 오프 가스 배기구
13f 산화제 가스 급기구
13g 제 2 슬릿 플레이트
13h 제 1 슬릿 플레이트
13i 세퍼레이터 플레이트
14 연료 함유 가스 유로
14a 슬릿
15 산화제 가스 유로
15a 슬릿
15b 산화제 오프 가스 배기구
15c 미니 슬릿
19 셀 홀더
19a 본체부
19b 제 1 플랜지부
19c 제 2 플랜지부
19d 연료 함유 가스 급기구
19e 연료 오프 가스 배기구
19f 산화제 가스 급기구
19g 셀 수용부
19h 오목 홈
20 스택 커버
21 베이스판
22 엔드 플레이트
23 체결 볼트
24 스택 수용 공간
25 연료 함유 가스 급기관
26 연료 오프 가스 배기관
27 산화제 가스 급기관
28 산화제 오프 가스 배기관
29 절연부재
30 단열 케이싱
31 라디언트 튜브형 버너
31a 라디언트 튜브
31b 버너 본체
32 개질기
33 열 교환기
34 부분 산화 개질기

Claims (9)

  1. 한쪽 주면에 양극, 다른 쪽 주면에 음극이 접합된 평판 형상으로 직사각형의 전지 셀을 중심부 사이에 끼우고, 주변부 사이에 평판 형상의 셀 홀더를 끼우고, 평판 형상의 양극 플레이트와 평판 형상의 음극 플레이트를 교대로 적층하여 구성된 셀 스택을 구비하고,
    상기 셀 스택 내의 각 전지 셀의 양극을 따라 연료 함유 가스를 유통시키는 연료 함유 가스 유로 및 각 전지 셀의 음극을 따라 산화제 가스를 유통시키는 산화제 가스 유로가 각 전지 셀의 양극 측 및 음극 측에 각각 형성된 연료 전지에 있어서,
    상기 각 전지 셀의 연료 함유 가스 유로 상류측, 연료 함유 가스 유로 하류측 및 산화제 가스 유로 상류측은 셀 홀더를 끼워서 양극 플레이트와 음극 플레이트가 적층된 플레이트 적층부를 적층 방향으로 관통하여, 셀 스택 내의 각 연료 함유 가스 유로의 상류단과 연통하는 연료 함유 가스 급기 매니폴드, 각 연료 함유 가스 유로의 하류단과 연통하는 연료 오프 가스 배기 매니폴드 및 각 산화제 가스 유로의 상류단과 연통하는 산화제 가스 공급 매니폴드가 각각 형성된 매니폴드 일체 구조로 되고,
    상기 각 전지 셀의 산화제 가스 유로 하류측은, 상기 각 산화제 가스 유로의 하류단이 상기 셀 스택의 외주면에 산화제 오프 가스 배출구로서 개구하고, 산화제 오프 가스를 산화제 가스 유로의 하류단에서 셀 스택 외로 직접 배출하는 개방 구조로 된, 연료 전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 셀 스택의 외주면에 개구하는 산화제 오프 가스 배기구는 상기 셀 스택이 수용되는 스택 수용 공간과 접하여, 산화제 오프 가스를 산화제 가스 유로의 하류단에서 상기 스택 수용 공간에 직접 배출하는, 연료 전지.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 셀 스택은 상기 셀 스택을 덮는 스택 커버 내에 배치되어, 상기 스택 커버의 내부를 상기 스택 수용 공간으로 한, 연료 전지.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 함유 가스 유로에서의 가스 유통 방향과 상기 산화제 가스 유로에서의 가스 유통 방향을 교차시키기 위해, 상기 연료 함유 가스 유로는 상기 각 전지 셀의 1변 측에서 그 대향변 측에 형성되고, 상기 산화제 가스 유로는 상기 각 전지 셀의 다른 2변의 중 어느 한변 측에서 그 대향변 측에 형성된, 연료 전지.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 셀 스택은 적층 방향 일단측에서 부감하여, 셀 스택 내의 전지 셀에 대응하는 직사각형으로 형성되어 있고, 상기 연료 함유 가스 급기 매니폴드, 상기 연료 오프 가스 배기 매니폴드 및 상기 산화제 가스 급기 매니폴드는 상기 직사각형의 3변 부분에 각각 형성되고, 산화제 오프 가스 배출구는 상기 직사각형의 나머지 1변 측의 측면에 형성된, 연료 전지.
  6. 제 2 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스택 수용 공간의 외부에 배치되어, 원연료 가스에서 수소 리치의 연료 함유 가스를 생성하는 개질기를 구비하는, 연료 전지.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 개질기는 상기 연료 오프 가스 배기 매니폴드에서 배출되는 연료 오프 가스와, 상기 스택 수용 공간에서 배출되는 산화제 오프 가스의 혼합 가스를 연소시키는 오프 가스 연소기를 가열원으로서, 상기 오프 가스 연소기에서 배출되는 연료 가스를 상기 개질기에서의 가열 매체에 사용하는, 연료 전지.
  8. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 개질기는 상기 스택 커버의 근방에 배치된, 연료 전지.
  9. 제 6 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 개질기는 상기 셀 스택의 중심을 적층 방향으로 지나는 중심선과 직교하고, 또한, 상기 산화제 가스 유로에서의 가스 유로 방향과 직교하는 기준선을 끼우고, 상기 산화제 오프 가스 배기구가 개구하는 측과는 다른 측에 위치하는, 연료 전지.
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