KR20180049031A - 인터커넥터-전기 화학 반응 단셀 복합체, 및 전기 화학 반응 셀 스택 - Google Patents

인터커넥터-전기 화학 반응 단셀 복합체, 및 전기 화학 반응 셀 스택 Download PDF

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니뽄 도쿠슈 도교 가부시키가이샤
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Abstract

제 1 코트와 연료 가스의 환원 반응에 기인하여 연료 가스 유로의 시일성이 저하되는 것을 억제한다. 인터커넥터-전기 화학 반응 단셀 복합체는, 전기 화학 반응 단셀과, 연료 가스 유로를 구성하는 제 1 관통공이 형성되어 있고, 전기 화학 반응 단셀의 연료극측에 배치된 인터커넥터를 구비한다. 인터커넥터는, 인터커넥터의 연료극측과는 반대측의 제 1 표면을 구성하는 코트를 포함하고, 코트는, 인터커넥터의 제 1 표면의 일부의 영역으로서, 제 1 관통공으로부터 이간된 제 1 표면 영역을 구성하는 제 1 코트와, 인터커넥터의 제 1 표면의 일부의 영역으로서, 제 1 관통공을 둘러싸고, 또한 제 1 코트와 제 1 관통공 사이의 제 2 표면 영역을 구성하고, 제 1 코트보다 내환원성이 높은 제 2 코트를 구비한다.

Description

인터커넥터-전기 화학 반응 단셀 복합체, 및 전기 화학 반응 셀 스택
본 명세서에 개시되는 기술은, 인터커넥터-전기 화학 반응 단셀 복합체에 관한 것이다.
수소와 산소의 전기 화학 반응을 이용하여 발전을 실시하는 연료 전지의 종류의 하나로서, 고체 산화물을 포함하는 전해질층을 구비하는 고체 산화물형의 연료 전지 (이하, 「SOFC」라고 한다) 가 알려져 있다. SOFC 는, 일반적으로, 소정 방향 (이하, 「제 1 방향」이라고 한다) 으로 늘어선 복수의 인터커넥터-연료 전지 단셀 복합체 (이하, 간단히 「복합체」라고 한다) 를 구비하는 연료 전지 스택의 형태로 이용된다. 복합체는, 전해질층과 전해질층을 사이에 두고 제 1 방향으로 서로 대향하는 공기극 및 연료극을 포함하는 연료 전지 단셀 (이하, 간단히 「단셀」이라고 한다) 과, 단셀의 연료극측에 배치되고, 연료 가스 유로를 구성하는 관통공이 형성된 인터커넥터를 구비한다.
이와 같은 연료 전지 스택에 있어서, 하나의 복합체가 구비하는 인터커넥터의 연료극측과는 반대측의 표면 (이하, 「제 1 표면」이라고 한다) 과, 당해 제 1 표면에 대향하여 배치되는 다른 복합체 사이에, 상기 연료 가스 유로를 구성하는 시일 부재를 배치함으로써 다른 복합체의 공기극에 면하는 공기실을 시일하는 기술이 알려져 있다 (예를 들어 특허문헌 1 참조).
또, 예를 들어 인터커넥터에 포함되는 Cr (크롬) 의 확산을 방지하기 위해서, 인터커넥터의 연료극측과는 반대측의 제 1 표면을 코트로 구성하는 기술이 알려져 있다 (예를 들어 특허문헌 2 참조).
일본 공개특허공보 2009-43550호 일본 공개특허공보 2006-107936호
인터커넥터의 제 1 표면을 구성하는 상기 코트는, 공기실에 면하고 있어, 산화 분위기에 노출된다. 이 때문에, 일반적으로, 코트를 형성하는 재료는, 내산화성을 고려하여 선택된 것이지만, 내환원성을 충분히 고려하여 선택된 것으로는 되어 있지 않다. 한편, 제 1 표면 전체가 코트로 구성된 인터커넥터를 구비하는 상기 서술한 연료 전지 스택에서는, 당해 코트가, 인터커넥터와 시일 부재 사이를 통하여 연료 가스 유로에 노출되어 있다. 이 때문에, 연료 가스 유로에 흐르는 연료 가스와 코트의 환원 반응에 의해, 코트가 다공질화되어 연료 가스 유로의 시일성이 저하된다는 문제가 있다.
또한, 이와 같은 문제는, 물의 전기 분해 반응을 이용하여 수소의 생성을 실시하는 고체 산화물형의 전해 셀 (이하, 「SOEC」라고 한다) 과 인터커넥터를 구비하는 인터커넥터-전해 셀 복합체가 복수 배열되어 구성된 전해 셀 스택에도 동일하게 발생한다. 또한, 본 명세서에서는, 인터커넥터-연료 전지 단셀 복합체와 인터커넥터-전해 셀 복합체를 통합하여 「인터커넥터-전기 화학 반응 단셀 복합체」라고 하며, 연료 전지 스택과 전해 셀 스택을 통합하여 「전기 화학 반응 셀 스택」이라고 한다.
본 명세서에서는, 상기 서술한 과제의 적어도 일부를 해결하는 것이 가능한 기술을 개시한다.
본 명세서에 개시되는 기술은, 이하의 형태로서 실현하는 것이 가능하다.
(1) 본 명세서에 개시되는 인터커넥터-전기 화학 반응 단셀 복합체는, 전해질층과 상기 전해질층을 사이에 두고 제 1 방향으로 서로 대향하는 공기극 및 연료극을 포함하는 전기 화학 반응 단셀과, 연료 가스 유로를 구성하는 제 1 관통공이 형성되어 있고, 상기 전기 화학 반응 단셀의 상기 연료극측에 배치된 인터커넥터를 구비하는 인터커넥터-전기 화학 반응 단셀 복합체에 있어서, 상기 인터커넥터는, 상기 인터커넥터의 상기 연료극측과는 반대측의 제 1 표면을 구성하는 코트를 포함하고, 상기 코트는, 상기 인터커넥터의 상기 제 1 표면의 일부의 영역으로서, 상기 제 1 관통공으로부터 이간된 제 1 표면 영역을 구성하는 제 1 코트와, 상기 인터커넥터의 상기 제 1 표면의 일부의 영역으로서, 상기 제 1 관통공을 둘러싸고, 또한, 상기 제 1 코트와 상기 제 1 관통공 사이의 제 2 표면 영역을 구성하고, 상기 제 1 코트보다 내환원성이 높은 제 2 코트를 구비하는 것을 특징으로 한다. 본 인터커넥터-전기 화학 반응 단셀 복합체에 의하면, 이웃에 배치되는 다른 인터커넥터-전기 화학 반응 단셀 복합체의 공기극에 대향하는 인터커넥터의 제 1 표면 영역을 구성하는 제 1 코트와 연료 가스 유로 사이에, 제 1 코트보다 내환원성이 높은 제 2 코트가 연료 가스 유로의 전체 둘레에 걸쳐 배치되어 있다. 이로써, 제 1 코트와 연료 가스의 환원 반응에 기인하여 연료 가스 유로의 시일성이 저하되는 것을 억제할 수 있다.
(2) 상기 인터커넥터-전기 화학 반응 단셀 복합체에 있어서, 상기 인터커넥터에는, 산화제 가스 유로를 구성하는 제 2 관통공이 형성되어 있고, 상기 제 1 표면 영역은, 상기 제 2 관통공을 둘러싸는 표면 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 구성으로 해도 된다. 본 인터커넥터-전기 화학 반응 단셀 복합체에 의하면, 제 2 코트가 제 2 관통공을 둘러싸는 표면 영역도 구성하는 경우에 비해, 제 2 코트가 형성되는 영역을 저감시킬 수 있다.
(3) 상기 인터커넥터-전기 화학 반응 단셀 복합체에 있어서, 상기 제 2 코트는, 크로미아를 포함하는 것을 특징으로 하는 구성으로 해도 된다.
(4) 상기 인터커넥터-전기 화학 반응 단셀 복합체에 있어서, 상기 전해질은, 고체 산화물인 것을 특징으로 하는 구성으로 해도 된다.
(5) 상기 전기 화학 반응 셀 스택에 있어서, 상기 제 1 방향으로 나란히 배열된 복수의 인터커넥터-전기 화학 반응 단셀 복합체와, 상기 복수의 인터커넥터-전기 화학 반응 단셀 복합체 중, 서로 이웃하는 일방의 인터커넥터-전기 화학 반응 단셀 복합체가 구비하는 인터커넥터와 타방의 인터커넥터-전기 화학 반응 단셀 복합체 사이에 배치되고, 상기 연료 가스 유로를 구성하는 시일 부재를 구비하는 전기 화학 반응 셀 스택에 있어서, 상기 복수의 인터커넥터-전기 화학 반응 단셀 복합체의 적어도 하나는, 상기 (1) 내지 (4) 까지 중 어느 하나의 인터커넥터-전기 화학 반응 단셀 복합체이고, 상기 제 1 방향에서 보아, 상기 제 2 코트의 외주측의 윤곽선은, 상기 시일 부재의 외주측의 윤곽선의 내측에 위치하고 있는 것을 특징으로 하는 구성으로 해도 된다. 제 2 코트의 외주측의 윤곽선은, 시일 부재의 외주측의 윤곽선보다 내측에 위치하고 있으므로, 제 2 코트가 공기실에 노출되는 것이 억제된다. 이로써, 제 2 코트가 공기실에 노출됨으로써 전기 화학 반응성이 저하되는 것 등의 영향이 발생하는 것을 억제할 수 있다.
(6) 상기 전기 화학 반응 셀 스택에 있어서, 상기 제 1 방향에서 보아, 상기 제 1 코트의 내주측의 윤곽선은, 상기 시일 부재의 내주측의 윤곽선의 외측에 위치하고 있는 것을 특징으로 하는 구성으로 해도 된다. 제 1 코트의 내주측의 윤곽선은, 시일 부재의 내주측의 윤곽선의 외측에 위치하고 있으므로, 제 1 코트가 시일 부재의 내주측의 윤곽선보다 내측에 위치하여 박리되는 것을 억제할 수 있다.
(7) 상기 전기 화학 반응 셀 스택에 있어서, 상기 제 1 방향으로 나란히 배열된 복수의 인터커넥터-전기 화학 반응 단셀 복합체와, 상기 복수의 인터커넥터-전기 화학 반응 단셀 복합체 중, 서로 이웃하는 일방의 인터커넥터-전기 화학 반응 단셀 복합체가 구비하는 인터커넥터와 타방의 인터커넥터-전기 화학 반응 단셀 복합체 사이에 배치되고, 상기 연료 가스 유로를 구성하는 시일 부재를 구비하는 전기 화학 반응 셀 스택에 있어서, 상기 복수의 인터커넥터-전기 화학 반응 단셀 복합체의 적어도 하나는, 상기 (1) 내지 (4) 까지 중 어느 하나의 인터커넥터-전기 화학 반응 단셀 복합체이고, 상기 제 1 방향에서 보아, 상기 제 1 코트의 내주측의 윤곽선은, 상기 시일 부재의 내주측의 윤곽선의 외측에 위치하고 있는 것을 특징으로 하는 구성으로 해도 된다. 제 1 코트의 내주측의 윤곽선은, 시일 부재의 내주측의 윤곽선의 외측에 위치하고 있으므로, 제 1 코트가 시일 부재의 내주측의 윤곽선보다 내측에 위치하여 박리되는 것을 억제할 수 있다.
(8) 상기 전기 화학 반응 셀 스택에 있어서, 상기 복수의 인터커넥터-전기 화학 반응 단셀 복합체의 각각에 포함되는 전기 화학 반응 단셀은, 연료 전지 단셀인 것을 특징으로 하는 구성으로 해도 된다.
또한, 본 명세서에 개시되는 기술은, 여러 가지 형태로 실현하는 것이 가능하고, 예를 들어, 전기 화학 반응 단셀 (연료 전지 단셀 또는 전해 셀) 과 인터커넥터를 구비하는 인터커넥터-전기 화학 반응 단셀 복합체 (인터커넥터-연료 전지 단셀 복합체), 복수의 인터커넥터-전기 화학 반응 단셀 복합체를 구비하는 전기 화학 반응 셀 스택 (연료 전지 스택 또는 전해 셀 스택), 그들의 제조 방법 등의 형태로 실현하는 것이 가능하다.
도 1 은 제 1 실시형태에 있어서의 연료 전지 스택 (100) 의 외관 구성을 나타내는 사시도이다.
도 2 는 도 1 의 II-II 의 위치에 있어서의 연료 전지 스택 (100) 의 XZ 단면 (斷面) 구성을 나타내는 설명도이다.
도 3 은 도 1 의 III-III 의 위치에 있어서의 연료 전지 스택 (100) 의 YZ 단면 구성을 나타내는 설명도이다.
도 4 는 도 2 에 나타내는 단면과 동일한 위치에 있어서의 서로 인접하는 2 개의 발전 단위 (102) 의 XZ 단면 구성을 나타내는 설명도이다.
도 5 는 도 3 에 나타내는 단면과 동일한 위치에 있어서의 서로 인접하는 2 개의 발전 단위 (102) 의 YZ 단면 구성을 나타내는 설명도이다.
도 6 은 도 4 의 VI-VI 의 위치에 있어서의 인터커넥터 (150) 의 XY 단면 구성 (기재 (156) 의 공기극 (114) 측의 표면) 을 나타내는 설명도이다.
도 7 은 도 4 의 VII-VII 의 위치에 있어서의 인터커넥터 (150) 의 XY 단면 구성을 나타내는 설명도이다.
도 8 은 비교예의 복합체 (103X) 에 있어서의 인터커넥터 (150) 와 유리 시일 (240) 등 사이의 변화 상태 1 을 나타내는 설명도이다.
도 9 는 비교예의 복합체 (103X) 에 있어서의 인터커넥터 (150) 와 유리 시일 (240) 등 사이의 변화 상태 2 를 나타내는 설명도이다.
도 10 은 비교예의 복합체 (103X) 에 있어서의 인터커넥터 (150) 와 유리 시일 (240) 등 사이의 변화 상태 3 을 나타내는 설명도이다.
도 11 은 제 2 실시형태에 있어서의 복합체 (103A) 의 XY 단면 구성을 나타내는 설명도이다.
A. 제 1 실시형태 :
A-1. 구성 :
(연료 전지 스택 (100) 의 구성)
도 1 은, 본 실시형태에 있어서의 연료 전지 스택 (100) 의 외관 구성을 나타내는 사시도이고, 도 2 는, 도 1 의 II-II 의 위치에 있어서의 연료 전지 스택 (100) 의 XZ 단면 구성을 나타내는 설명도이고, 도 3 은, 도 1 의 III-III 의 위치에 있어서의 연료 전지 스택 (100) 의 YZ 단면 구성을 나타내는 설명도이다. 각 도면에는, 방향을 특정하기 위한 서로 직교하는 XYZ 축이 도시되어 있다. 본 명세서에서는, 편의적으로, Z 축 정 (正) 방향을 「상방향」이라고 하고, Z 축 부 (負) 방향을 「하방향」이라고 하는 것으로 하는데, 연료 전지 스택 (100) 은 실제로는 그러한 방향과는 상이한 방향에서 설치되어도 된다. 도 4 이후에 대해서도 동일하다.
연료 전지 스택 (100) 은, 복수의 (본 실시형태에서는 7 개의) 발전 단위 (102) 와, 1 쌍의 엔드 플레이트 (104, 106) 를 구비한다. 7 개의 발전 단위 (102) 는, 소정의 배열 방향 (본 실시형태에서는 상하 방향) 으로 나란히 배치되어 있다. 1 쌍의 엔드 플레이트 (104, 106) 는, 7 개의 발전 단위 (102) 로 구성되는 집합체를 상하로부터 사이에 두도록 배치되어 있다. 또한, 상기 배열 방향 (상하 방향) 은, 특허 청구의 범위에 있어서의 제 1 방향에 상당한다.
연료 전지 스택 (100) 을 구성하는 각 층 (발전 단위 (102), 엔드 플레이트 (104, 106)) 의 Z 방향 둘레의 주연부에는, 상하 방향으로 관통하는 복수의 (본 실시형태에서는 8 개의) 구멍이 형성되어 있고, 각 층에 형성되고 서로 대응하는 구멍끼리가 상하 방향으로 연통하여, 일방의 엔드 플레이트 (104) 로부터 타방의 엔드 플레이트 (106) 에 걸쳐서 상하 방향으로 연장되는 연통공 (108) 을 구성하고 있다. 이하의 설명에서는, 연통공 (108) 을 구성하기 위해 연료 전지 스택 (100) 의 각 층에 형성된 구멍도, 「연통공 (108)」 이라고 한다.
각 연통공 (108) 에는 상하 방향으로 연장되는 볼트 (22) 가 삽입되어 있고, 볼트 (22) 와 볼트 (22) 의 양측에 끼워진 너트 (24) 에 의해, 연료 전지 스택 (100) 은 체결되어 있다. 또한, 도 2 및 도 3 에 나타내는 바와 같이, 볼트 (22) 의 일방측 (상측) 에 끼워진 너트 (24) 와 연료 전지 스택 (100) 의 상단을 구성하는 엔드 플레이트 (104) 의 상측 표면의 사이, 및 볼트 (22) 의 타방측 (하측) 에 끼워진 너트 (24) 와 연료 전지 스택 (100) 의 하단을 구성하는 엔드 플레이트 (106) 의 하측 표면의 사이에는, 절연 시트 (26) 가 개재되어 있다. 단, 후술하는 가스 통로 부재 (27) 가 형성된 지점에서는, 너트 (24) 와 엔드 플레이트 (106) 의 표면 사이에, 가스 통로 부재 (27) 와 가스 통로 부재 (27) 의 상측 및 하측의 각각에 배치된 절연 시트 (26) 가 개재되어 있다. 절연 시트 (26) 는, 예를 들어 마이카 시트나, 세라믹 섬유 시트, 세라믹 압분 시트, 유리 시트, 유리 세라믹 복합제 등에 의해 구성된다.
각 볼트 (22) 의 축부의 외경은 각 연통공 (108) 의 내경보다 작다. 그 때문에, 각 볼트 (22) 의 축부의 외주면과 각 연통공 (108) 의 내주면 사이에는, 공간이 확보되어 있다. 도 1 및 도 2 에 나타내는 바와 같이, 연료 전지 스택 (100) 의 Z 방향 둘레의 외주에 있어서의 1 개의 변 (Y 축에 평행한 2 개의 변 중의 X 축 정방향측의 변) 의 중점 (中點) 부근에 위치하는 볼트 (22) (볼트 (22A)) 와, 그 볼트 (22A) 가 삽입된 연통공 (108) 에 의해 형성된 공간은, 연료 전지 스택 (100) 의 외부로부터 산화제 가스 (OG) 가 도입되고, 그 산화제 가스 (OG) 를 각 발전 단위 (102) 에 공급하는 가스 유로인 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 로서 기능하고, 그 변의 반대측의 변 (Y 축에 평행한 2 개의 변 중의 X 축 부방향측의 변) 의 중점 부근에 위치하는 볼트 (22) (볼트 (22B)) 와, 그 볼트 (22B) 가 삽입된 연통공 (108) 에 의해 형성된 공간은, 각 발전 단위 (102) 의 공기실 (166) 로부터 배출된 가스인 산화제 오프 가스 (OOG) 를 연료 전지 스택 (100) 의 외부로 배출하는 산화제 가스 배출 매니폴드 (162) 로서 기능한다. 또한, 본 실시형태에서는, 산화제 가스 (OG) 로서, 예를 들어 공기가 사용된다. 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 및 산화제 가스 배출 매니폴드 (162) 는, 특허 청구의 범위에 있어서의 산화제 가스 유로에 상당한다. 이하, 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 및 산화제 가스 배출 매니폴드 (162) 를 통합하여, 산화제 가스 유로라고 한다. 각 인터커넥터 (150) 에 형성되고, 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 또는 산화제 가스 배출 매니폴드 (162) 를 구성하는 연통공 (108) 은, 특허 청구의 범위에 있어서의 제 2 관통공 (이하, 「공기실 연통공 (108A)」이라고 한다) 에 상당한다.
또, 도 1 및 도 3 에 나타내는 바와 같이, 연료 전지 스택 (100) 의 Z 방향 둘레의 외주에 있어서의 1 개의 변 (X 축에 평행한 2 개의 변 중의 Y 축 정방향측의 변) 의 중점 부근에 위치하는 볼트 (22) (볼트 (22D)) 와, 그 볼트 (22D) 가 삽입된 연통공 (108) 에 의해 형성된 공간은, 연료 전지 스택 (100) 의 외부로부터 연료 가스 (FG) 가 도입되고, 그 연료 가스 (FG) 를 각 발전 단위 (102) 에 공급하는 연료 가스 도입 매니폴드 (171) 로서 기능하고, 그 변의 반대측의 변 (X 축에 평행한 2 개의 변 중의 Y 축 부방향측의 변) 의 중점 부근에 위치하는 볼트 (22) (볼트 (22E)) 와, 그 볼트 (22E) 가 삽입된 연통공 (108) 에 의해 형성된 공간은, 각 발전 단위 (102) 의 연료실 (176) 로부터 배출된 가스인 연료 오프 가스 (FOG) 를 연료 전지 스택 (100) 의 외부로 배출하는 연료 가스 배출 매니폴드 (172) 로서 기능한다. 또한, 본 실시형태에서는, 연료 가스 (FG) 로서, 예를 들어 도시 가스를 개질한 수소 리치 가스가 사용된다. 연료 가스 도입 매니폴드 (171) 및 연료 가스 배출 매니폴드 (172) 는, 특허 청구의 범위에 있어서의 연료 가스 유로에 상당한다. 이하, 연료 가스 도입 매니폴드 (171) 및 연료 가스 배출 매니폴드 (172) 를 통합하여, 「연료 가스 유로」라고 한다. 각 인터커넥터 (150) 에 형성되고, 연료 가스 도입 매니폴드 (171) 또는 연료 가스 배출 매니폴드 (172) 를 구성하는 연통공 (108) 은, 특허 청구의 범위에 있어서의 제 1 관통공 (이하, 「연료실 연통공 (108B)」이라고 한다) 에 상당한다.
연료 전지 스택 (100) 에는, 4 개의 가스 통로 부재 (27) 가 형성되어 있다. 각 가스 통로 부재 (27) 는, 중공 통형상의 본체부 (28) 와, 본체부 (28) 의 측면에서 분기된 중공 통형상의 분기부 (29) 를 갖고 있다. 분기부 (29) 의 구멍은 본체부 (28) 의 구멍과 연통되어 있다. 각 가스 통로 부재 (27) 의 분기부 (29) 에는, 가스 배관 (도시 생략) 이 접속된다. 또, 도 2 에 나타내는 바와 같이, 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 를 형성하는 볼트 (22A) 의 위치에 배치된 가스 통로 부재 (27) 의 본체부 (28) 의 구멍은, 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 에 연통되어 있고, 산화제 가스 배출 매니폴드 (162) 를 형성하는 볼트 (22B) 의 위치에 배치된 가스 통로 부재 (27) 의 본체부 (28) 의 구멍은, 산화제 가스 배출 매니폴드 (162) 에 연통되어 있다. 또, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 연료 가스 도입 매니폴드 (171) 를 형성하는 볼트 (22D) 의 위치에 배치된 가스 통로 부재 (27) 의 본체부 (28) 의 구멍은, 연료 가스 도입 매니폴드 (171) 에 연통되어 있고, 연료 가스 배출 매니폴드 (172) 를 형성하는 볼트 (22E) 의 위치에 배치된 가스 통로 부재 (27) 의 본체부 (28) 의 구멍은, 연료 가스 배출 매니폴드 (172) 에 연통되어 있다.
(엔드 플레이트 (104, 106) 의 구성)
1 쌍의 엔드 플레이트 (104, 106) 는, 대략 사각형의 평판 형상의 도전성 부재이며, 예를 들어 스테인리스에 의해 형성되어 있다. 일방의 엔드 플레이트 (104) 는, 가장 위에 위치하는 발전 단위 (102) 의 상측에 배치되고, 타방의 엔드 플레이트 (106) 는, 가장 아래에 위치하는 발전 단위 (102) 의 하측에 배치되어 있다. 1 쌍의 엔드 플레이트 (104, 106) 에 의해 복수의 발전 단위 (102) 가 가압된 상태로 협지되어 있다. 상측의 엔드 플레이트 (104) 는, 연료 전지 스택 (100) 의 플러스측의 출력 단자로서 기능하고, 하측의 엔드 플레이트 (106) 는, 연료 전지 스택 (100) 의 마이너스측의 출력 단자로서 기능한다.
(발전 단위 (102) 의 구성)
도 4 는, 도 2 에 나타내는 단면과 동일한 위치에 있어서의 서로 인접하는 2 개의 발전 단위 (102) 의 XZ 단면 구성을 나타내는 설명도이고, 도 5 는, 도 3 에 나타내는 단면과 동일한 위치에 있어서의 서로 인접하는 2 개의 발전 단위 (102) 의 YZ 단면 구성을 나타내는 설명도이고, 도 6 은, 도 4 의 VI-VI 의 위치에 있어서의 인터커넥터 (150) 의 XY 단면 구성 (기재 (156) 의 공기극 (114) 측의 표면) 을 나타내는 설명도이고, 도 7 은, 도 4 의 VII-VII 의 위치에 있어서의 인터커넥터 (150) 의 XY 단면 구성을 나타내는 설명도이다.
도 4 및 도 5 에 나타내는 바와 같이, 발전의 최소 단위인 발전 단위 (102) 는, 단셀 (110) 과, 세퍼레이터 (120) 와, 공기극측 프레임 (130) 과, 공기극측 집전체 (134) 와, 연료극측 프레임 (140) 과, 연료극측 집전체 (144) 와, 발전 단위 (102) 의 최상층 및 최하층을 구성하는 1 쌍의 인터커넥터 (150) 를 구비하고 있다. 세퍼레이터 (120), 공기극측 프레임 (130), 연료극측 프레임 (140), 인터커넥터 (150) 에 있어서의 Z 방향 둘레의 주연부에는, 상기 서술한 볼트 (22) 가 삽입되는 연통공 (108) 에 대응하는 구멍이 형성되어 있다. 단셀 (110) 은, 특허 청구의 범위에 있어서의 연료 전지 단셀, 전기 화학 반응 단셀에 상당한다.
인터커넥터 (150) 는, 대략 사각형의 평판 형상의 도전성 부재이며, 예를 들어 페라이트계 스테인리스 등의 Cr (크롬) 을 포함하는 금속에 의해 형성되어 있는 기재 (156) 와, 당해 기재 (156) 의 공기극 (114) 측에 배치되고, 인터커넥터 (150) 의 공기극 (114) 측의 제 1 표면 (151) 을 구성하는 코트 (136, 137) 를 구비한다. 인터커넥터 (150) 는, 발전 단위 (102) 사이의 전기적 도통을 확보함과 함께, 발전 단위 (102) 사이에서의 반응 가스의 혼합을 방지한다. 또한, 본 실시형태에서는, 2 개의 발전 단위 (102) 가 인접하여 배치되어 있는 경우, 1 개의 인터커넥터 (150) 는, 인접하는 2 개의 발전 단위 (102) 에 공유되어 있다. 즉, 어느 발전 단위 (102) 에 있어서의 상측의 인터커넥터 (150) 는, 그 발전 단위 (102) 의 상측에 인접하는 다른 발전 단위 (102) 에 있어서의 하측의 인터커넥터 (150) 와 동일 부재이다. 또, 연료 전지 스택 (100) 은 1 쌍의 엔드 플레이트 (104, 106) 를 구비하고 있기 때문에, 연료 전지 스택 (100) 에 있어서 가장 위에 위치하는 발전 단위 (102) 는 상측의 인터커넥터 (150) 를 구비하고 있지 않고, 가장 아래에 위치하는 발전 단위 (102) 는 하측의 인터커넥터 (150) 를 구비하고 있지 않다 (도 2 및 도 3 참조).
단셀 (110) 은, 전해질층 (112) 과, 전해질층 (112) 을 사이에 두고 상하 방향 (발전 단위 (102) 가 늘어서는 배열 방향) 으로 서로 대향하는 공기극 (캐소드) (114) 및 연료극 (애노드) (116) 을 구비한다. 또한, 본 실시형태의 단셀 (110) 은, 연료극 (116) 으로 전해질층 (112) 및 공기극 (114) 을 지지하는 연료극 지지형의 단셀이다.
전해질층 (112) 은, 대략 사각형의 평판 형상 부재이며, 예를 들어, YSZ (이트리아 안정화 지르코니아), ScSZ (스칸디아 안정화 지르코니아), SDC (사마륨 도프 세리아), GDC (가돌리늄 도프 세리아), 페로브스카이트형 산화물 등의 고체 산화물에 의해 형성되어 있다. 공기극 (114) 은, 대략 사각형의 평판 형상 부재이며, 예를 들어, 페로브스카이트형 산화물 (예를 들어 LSCF (란탄스트론튬코발트 철 산화물), LSM (란탄스트론튬망간 산화물), LNF (란탄니켈 철)) 에 의해 형성되어 있다. 연료극 (116) 은, 대략 사각형의 평판 형상 부재이며, 예를 들어, Ni (니켈), Ni 와 세라믹 입자로 이루어지는 서멧, Ni 기 합금 등에 의해 형성되어 있다. 이와 같이, 본 실시형태의 단셀 (110) (발전 단위 (102)) 은, 전해질로서 고체 산화물을 사용하는 고체 산화물형 연료 전지 (SOFC) 이다.
세퍼레이터 (120) 는, 중앙 부근에 상하 방향으로 관통하는 대략 사각형의 구멍 (121) 이 형성된 프레임상의 부재이며, 예를 들어, 금속에 의해 형성되어 있다. 세퍼레이터 (120) 에 있어서의 구멍 (121) 의 주위 부분은, 전해질층 (112) 에 있어서의 공기극 (114) 측의 표면의 주연부에 대향하고 있다. 세퍼레이터 (120) 는, 그 대향한 부분에 배치된 브레이징재 (예를 들어 Ag 브레이징재) 에 의해 형성된 접합부 (124) 에 의해, 전해질층 (112) (단셀 (110)) 과 접합되어 있다. 세퍼레이터 (120) 에 의해, 공기극 (114) 에 면하는 공기실 (166) 과 연료극 (116) 에 면하는 연료실 (176) 이 구획되고, 단셀 (110) 의 주연부에 있어서의 일방의 전극측으로부터 타방의 전극측에 대한 가스의 리크가 억제된다. 또한, 세퍼레이터 (120) 가 접합된 단셀 (110) 을 「세퍼레이터 부착 단셀」이라고 한다.
공기극측 프레임 (130) 은, 중앙 부근에 상하 방향으로 관통하는 대략 사각형의 구멍 (131) 이 형성된 프레임상의 부재이며, 예를 들어, 마이카 등의 절연체에 의해 형성되어 있다. 공기극측 프레임 (130) 의 구멍 (131) 은, 공기극 (114) 에 면하는 공기실 (166) 을 구성한다. 공기극측 프레임 (130) 은, 세퍼레이터 (120) 에 있어서의 전해질층 (112) 에 대향하는 측과는 반대측의 표면의 주연부와, 인터커넥터 (150) 에 있어서의 공기극 (114) 에 대향하는 측의 표면의 주연부에 접촉하고 있다. 또, 공기극측 프레임 (130) 에 의해, 발전 단위 (102) 에 포함되는 1 쌍의 인터커넥터 (150) 사이가 전기적으로 절연된다. 또, 공기극측 프레임 (130) 에는, 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 와 공기실 (166) 을 연통하는 산화제 가스 공급 연통공 (132) 과, 공기실 (166) 과 산화제 가스 배출 매니폴드 (162) 를 연통하는 산화제 가스 배출 연통공 (133) 이 형성되어 있다. 이하, 공기극측 프레임 (130) 의 구멍 (131) 을 구성하는 벽을, 「내주벽 (130A)」이라고 하고, 공기극측 프레임 (130) 의 외주 형상을 구성하는 벽을, 「외주벽 (130B)」이라고 한다.
연료극측 프레임 (140) 은, 중앙 부근에 상하 방향으로 관통하는 대략 사각형의 구멍 (141) 이 형성된 프레임상의 부재이며, 예를 들어, 금속에 의해 형성되어 있다. 연료극측 프레임 (140) 의 구멍 (141) 은, 연료극 (116) 에 면하는 연료실 (176) 을 구성한다. 연료극측 프레임 (140) 은, 세퍼레이터 (120) 에 있어서의 전해질층 (112) 에 대향하는 측의 표면의 주연부와, 인터커넥터 (150) 에 있어서의 연료극 (116) 에 대향하는 측의 표면의 주연부에 접촉하고 있다. 또, 연료극측 프레임 (140) 에는, 연료 가스 도입 매니폴드 (171) 와 연료실 (176) 을 연통하는 연료 가스 공급 연통공 (142) 과, 연료실 (176) 과 연료 가스 배출 매니폴드 (172) 를 연통하는 연료 가스 배출 연통공 (143) 이 형성되어 있다.
연료극측 집전체 (144) 는, 연료실 (176) 내에 배치되어 있다. 연료극측 집전체 (144) 는, 인터커넥터 대향부 (146) 와, 전극 대향부 (145) 와, 전극 대향부 (145) 와 인터커넥터 대향부 (146) 를 연결하는 연접부 (147) 를 구비하고 있고, 예를 들어 니켈이나 니켈 합금, 스테인리스 등에 의해 형성되어 있다. 전극 대향부 (145) 는, 연료극 (116) 에 있어서의 전해질층 (112) 에 대향하는 측과는 반대측의 표면에 접촉하고 있고, 인터커넥터 대향부 (146) 는, 인터커넥터 (150) 에 있어서의 연료극 (116) 에 대향하는 측의 표면에 접촉하고 있다. 단, 상기 서술한 바와 같이, 연료 전지 스택 (100) 에 있어서 가장 아래에 위치하는 발전 단위 (102) 는 하측의 인터커넥터 (150) 를 구비하고 있지 않기 때문에, 당해 발전 단위 (102) 에 있어서의 인터커넥터 대향부 (146) 는, 하측의 엔드 플레이트 (106) 에 접촉하고 있다. 연료극측 집전체 (144) 는, 이와 같은 구성이기 때문에, 연료극 (116) 과 인터커넥터 (150) (또는 엔드 플레이트 (106)) 를 전기적으로 접속한다. 또한, 전극 대향부 (145) 와 인터커넥터 대향부 (146) 사이에는, 예를 들어 마이카에 의해 형성된 스페이서 (149) 가 배치되어 있다. 그 때문에, 연료극측 집전체 (144) 가 온도 사이클이나 반응 가스 압력 변동에 의한 발전 단위 (102) 의 변형에 추종하여, 연료극측 집전체 (144) 를 통한 연료극 (116) 과 인터커넥터 (150) (또는 엔드 플레이트 (106)) 의 전기적 접속이 양호하게 유지된다.
공기극측 집전체 (134) 는, 공기실 (166) 내에 배치되어 있다. 공기극측 집전체 (134) 는, 복수의 대략 사각 기둥상의 집전체 요소 (135) 로 구성되어 있고, 예를 들어, 페라이트계 스테인리스 등의 Cr (크롬) 을 포함하는 금속에 의해 형성되어 있다. 공기극측 집전체 (134) 는, 공기극 (114) 에 있어서의 전해질층 (112) 에 대향하는 측과는 반대측의 표면과, 인터커넥터 (150) 에 있어서의 공기극 (114) 에 대향하는 측의 표면에 접촉하고 있다. 단, 상기 서술한 바와 같이, 연료 전지 스택 (100) 에 있어서 가장 위에 위치하는 발전 단위 (102) 는 상측의 인터커넥터 (150) 를 구비하고 있지 않기 때문에, 당해 발전 단위 (102) 에 있어서의 공기극측 집전체 (134) 는, 상측의 엔드 플레이트 (104) 에 접촉하고 있다. 공기극측 집전체 (134) 는, 이와 같은 구성이기 때문에, 공기극 (114) 과 인터커넥터 (150) (또는 엔드 플레이트 (104)) 를 전기적으로 접속한다. 또한, 본 실시형태에서는, 공기극측 집전체 (134) 와 인터커넥터 (150) 는 일체의 부재로서 형성되어 있다. 즉, 그 일체의 부재 중의, 상하 방향 (Z 축 방향) 에 직교하는 평판 형상의 부분이 인터커넥터 (150) 로서 기능하고, 그 평판 형상의 부분으로부터 공기극 (114) 을 향하여 돌출되도록 형성된 복수의 집전체 요소 (135) 가 공기극측 집전체 (134) 로서 기능한다.
도 4 및 도 5 에 나타내는 바와 같이, 공기극측 집전체 (134) 의 표면은, 도전성의 제 1 코트 (136) 에 의해 덮여 있다. 제 1 코트 (136) 는, 예를 들어, 스피넬형 산화물 (예를 들어, Mn1.5Co1.5O4 나 MnCo2O4, ZnCo2O4, ZnMnCoO4, CuMn2O4, MnFe2O4, ZnMn2O4, Cu1.4Mn1.6O4, CoFe2O4) 에 의해 형성되어 있다. 또한, 상기 서술한 바와 같이, 본 실시형태에서는, 공기극측 집전체 (134) 와 인터커넥터 (150) 가 일체의 부재로서 형성되어 있기 때문에, 실제로는, 공기극측 집전체 (134) 의 표면 중, 인터커넥터 (150) 와의 경계면은 제 1 코트 (136) 에 의해 덮여 있지 않다. 인터커넥터 (150) 의 상기 제 1 표면 (151) 을 구성하는 코트 (136, 137) 에 대해서는 후술한다.
공기극 (114) 과 공기극측 집전체 (134) 는, 도전성의 접합층 (138) 에 의해 접합되어 있다. 접합층 (138) 은, 예를 들어, 스피넬형 산화물 (예를 들어, Mn1.5Co1.5O4 나 MnCo2O4, ZnCo2O4, ZnMn2O4, ZnMnCoO4, CuMn2O4) 에 의해 형성되어 있다. 접합층 (138) 은, 예를 들어, 접합층용 페이스트가 공기극 (114) 의 표면 중, 공기극측 집전체 (134) 를 구성하는 각 집전체 요소 (135) 의 선단부와 대향하는 부분에 인쇄되고, 각 집전체 요소 (135) 의 선단부가 페이스트에 가압된 상태에서 소정의 조건으로 소성됨으로써 형성된다. 접합층 (138) 에 의해, 공기극 (114) 과 공기극측 집전체 (134) 가 전기적으로 접속된다. 먼저, 공기극측 집전체 (134) 는 공기극 (114) 의 표면과 접촉하고 있다고 설명했지만, 정확하게는, (제 1 코트 (136) 에 덮인) 공기극측 집전체 (134) 와 공기극 (114) 사이에는 접합층 (138) 이 개재되어 있다. 또한, 본 실시형태에서는, 제 1 코트 (136) 와 접합층 (138) 은, 주성분 원소가 서로 동일한 스피넬형 산화물에 의해 형성되어 있다. 여기서 말하는 주성분 원소란, 스피넬형 산화물을 구성하는 금속 원소를 말한다. 또, 스피넬형 산화물의 동정은, X 선 회절과 원소 분석을 실시함으로써 실현된다.
A-2. 연료 전지 스택 (100) 의 동작 :
도 2 및 도 4 에 나타내는 바와 같이, 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 의 위치에 형성된 가스 통로 부재 (27) 의 분기부 (29) 에 접속된 가스 배관 (도시 생략) 을 통하여 산화제 가스 (OG) 가 공급되면, 산화제 가스 (OG) 는, 가스 통로 부재 (27) 의 분기부 (29) 및 본체부 (28) 의 구멍을 통하여 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 에 공급되고, 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 로부터 각 발전 단위 (102) 의 산화제 가스 공급 연통공 (132) 을 통하여, 공기실 (166) 에 공급된다. 또, 도 3 및 도 5 에 나타내는 바와 같이, 연료 가스 도입 매니폴드 (171) 의 위치에 형성된 가스 통로 부재 (27) 의 분기부 (29) 에 접속된 가스 배관 (도시 생략) 을 통하여 연료 가스 (FG) 가 공급되면, 연료 가스 (FG) 는, 가스 통로 부재 (27) 의 분기부 (29) 및 본체부 (28) 의 구멍을 통하여 연료 가스 도입 매니폴드 (171) 에 공급되고, 연료 가스 도입 매니폴드 (171) 로부터 각 발전 단위 (102) 의 연료 가스 공급 연통공 (142) 을 통하여, 연료실 (176) 에 공급된다.
각 발전 단위 (102) 의 공기실 (166) 에 산화제 가스 (OG) 가 공급되고, 연료실 (176) 에 연료 가스 (FG) 가 공급되면, 단셀 (110) 에 있어서 산화제 가스 (OG) 및 연료 가스 (FG) 의 전기 화학 반응에 의한 발전이 실시된다. 이 발전 반응은 발열 반응이다. 각 발전 단위 (102) 에 있어서, 단셀 (110) 의 공기극 (114) 은 공기극측 집전체 (134) (및 제 1 코트 (136), 접합층 (138)) 를 개재하여 일방의 인터커넥터 (150) 에 전기적으로 접속되고, 연료극 (116) 은 연료극측 집전체 (144) 를 개재하여 타방의 인터커넥터 (150) 에 전기적으로 접속되어 있다. 또, 연료 전지 스택 (100) 에 포함되는 복수의 발전 단위 (102) 는, 전기적으로 직렬로 접속되어 있다. 그 때문에, 연료 전지 스택 (100) 의 출력 단자로서 기능하는 엔드 플레이트 (104, 106) 로부터, 각 발전 단위 (102) 에 있어서 생성된 전기 에너지가 취출된다. 또한, SOFC 는, 비교적 고온 (예를 들어 700 ℃ 내지 1000 ℃) 에서 발전이 실시되므로, 기동 후, 발전에 의해 발생하는 열로 고온을 유지할 수 있는 상태가 될 때까지, 연료 전지 스택 (100) 이 가열기 (도시 생략) 에 의해 가열되어도 된다.
각 발전 단위 (102) 의 공기실 (166) 로부터 배출된 산화제 오프 가스 (OOG) 는, 도 2 및 도 4 에 나타내는 바와 같이, 산화제 가스 배출 연통공 (133) 을 통하여 산화제 가스 배출 매니폴드 (162) 에 배출되고, 추가로 산화제 가스 배출 매니폴드 (162) 의 위치에 형성된 가스 통로 부재 (27) 의 본체부 (28) 및 분기부 (29) 의 구멍을 거쳐, 당해 분기부 (29) 에 접속된 가스 배관 (도시 생략) 을 통하여 연료 전지 스택 (100) 의 외부에 배출된다. 또, 각 발전 단위 (102) 의 연료실 (176) 로부터 배출된 연료 오프 가스 (FOG) 는, 도 3 및 도 5 에 나타내는 바와 같이, 연료 가스 배출 연통공 (143) 을 통하여 연료 가스 배출 매니폴드 (172) 에 배출되고, 추가로 연료 가스 배출 매니폴드 (172) 의 위치에 형성된 가스 통로 부재 (27) 의 본체부 (28) 및 분기부 (29) 의 구멍을 거쳐, 당해 분기부 (29) 에 접속된 가스 배관 (도시 생략) 을 통하여 연료 전지 스택 (100) 의 외부에 배출된다.
A-3. 연료 전지 스택 (100) 에 있어서의 가스 시일 :
연료 전지 스택 (100) 에 있어서, 각 연료 가스 유로로부터 공기실 (166) 에 대한 연료 가스 (FG) (또는 연료 오프 가스 (FOG)) 의 리크가 발생하면, 연료 전지 스택 (100) 의 효율이 저하되기 때문에, 바람직하지 않다. 그 때문에, 연료 전지 스택 (100) 에는, 높은 가스 시일성이 요구된다. 이하, 연료 전지 스택 (100) 에 있어서의 가스 시일에 대해 설명한다.
연료 전지 스택 (100) 에 있어서의 각 발전 단위 (102) 에 포함되는 공기극측 프레임 (130) 은, 이른바 컴프레션 시일로서 기능한다. 즉, 공기극측 프레임 (130) 은, 세퍼레이터 (120) 와 인터커넥터 (150) 사이에 끼워져 압축됨으로써, 세퍼레이터 (120) 및 인터커넥터 (150) 의 표면에 밀착하고, 공기극측 프레임 (130) 과 세퍼레이터 (120) 의 계면이나 공기극측 프레임 (130) 과 인터커넥터 (150) 의 계면을 통한, 공기실 (166) 이나 산화제 가스 도입 매니폴드 (161), 산화제 가스 배출 매니폴드 (162) 로부터의 산화제 가스 (OG) (또는 산화제 오프 가스 (OOG)) 의 리크를 억제한다 (도 4).
또, 도 5 에 나타내는 바와 같이, 세퍼레이터 (120) 와, 공기극측 프레임 (130) 을 사이에 두고 당해 세퍼레이터 (120) 와 대향하는 인터커넥터 (150) 의 사이에 있어서, 연료 가스 도입 매니폴드 (171) 와 연료 가스 배출 매니폴드 (172) 의 각각의 둘레를 둘러싸도록 환상의 유리 시일 (240) 이 형성되어 있다. 유리 시일 (240) 은, 공기극측 프레임 (130) 과 세퍼레이터 (120) 의 계면이나 공기극측 프레임 (130) 과 인터커넥터 (150) 의 계면을 통한, 각 연료 가스 유로로부터의 연료 가스 (FG) (또는 연료 오프 가스 (FOG)) 의 리크를 억제한다. 또한, 도 5 의 확대도에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태에서는, 유리 시일 (240) 의 내경 (D1) 은, 연통공 (108) (연료실 연통공 (108B)) 의 내경 (D0) 보다 크다. 구체적으로는, 유리 시일 (240) 은, 연료극측 프레임 (140) 의 구멍 (141) 의 주연부와 세퍼레이터 (120) 를 접합하는 용접부 (도시 생략) 보다 외측에 배치되어 있다. 또, 유리 시일 (240) 은 절연체이므로, 유리 시일 (240) 을 형성함으로써 발전 단위 (102) 에 포함되는 1 쌍의 인터커넥터 (150) 사이의 전기적 절연이 저해되는 일은 없다. 또, 본 실시형태에서는, 유리 시일 (240) 은, 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 및 산화제 가스 배출 매니폴드 (162) 의 주위에는 형성되어 있지 않다. 또한, 단셀 (110) 과, 세퍼레이터 (120) 와, 연료극측 프레임 (140) 과, 단셀 (110) 의 연료극 (116) 측에 위치하는 인터커넥터 (150) 와, 연료극측 집전체 (144) 와, 스페이서 (149) 는, 특허 청구의 범위에 있어서의 인터커넥터-전기 화학 반응 단셀 복합체 (이하, 간단히 「복합체 (103)」라고 한다) 를 구성한다 (도 4 및 도 5 참조). 또, 2 개의 복합체 (103) 사이에 배치되는 공기극측 프레임 (130) 및 유리 시일 (240) 은, 특허 청구의 범위에 있어서의 시일 부재에 상당한다.
한편, 연료 전지 스택 (100) 에 있어서의 각 발전 단위 (102) 에 포함되는 연료극측 프레임 (140) 과 인접하는 세퍼레이터 (120) 또는 인터커넥터 (150) 의 사이는, 용접에 의해 가스 시일이 확보되어 있다. 예를 들어, 연료극측 프레임 (140) 의 구멍 (141) 의 주연부와 세퍼레이터 (120) 가 레이저 용접에 의해 접합되어 있다.
A-4. 인터커넥터 (150) 의 제 1 표면 (151) 의 코트 :
이하, 기재 (156) 의 공기극 (114) 측의 표면 중, 연료실 연통공 (108B) 의 전체 둘레를 둘러싸는 환상의 2 개의 영역 (도 6 참조) 을, 「제 2 기재 영역 (158)」이라고 하고, 당해 2 개의 제 2 기재 영역 (158) 을 제외한 영역 (도 6 참조) 을, 「제 1 기재 영역 (157)」이라고 한다. 제 1 기재 영역 (157) 과 제 2 기재 영역 (158) 은 인접하고 있다. 또, 인터커넥터 (150) 의 제 1 표면 (151) 중, 연료실 연통공 (108B) 의 전체 둘레를 둘러싸는 환상의 2 개의 표면 영역 (도 7 참조) 을, 「제 2 표면 영역 (153)」이라고 하고, 당해 2 개의 제 2 표면 영역 (153) 을 제외한 영역 (도 4 내지 도 5, 도 7 참조) 을, 「제 1 표면 영역 (152)」이라고 한다. 제 1 표면 영역 (152) 과 제 2 표면 영역 (153) 은 인접하고 있다. 본 실시형태에서는, 제 2 표면 영역 (153) 의 외경 (D2) (제 1 표면 영역 (152) 과 제 2 표면 영역 (153) 의 경계선의 직경) 은, 유리 시일 (240) 의 내경 (D1) 보다 크고, 또한 유리 시일 (240) 의 외경 (D3) 보다 작다.
기재 (156) 의 제 1 기재 영역 (157) 은, 제 2 코트 (137) 에 의해 덮여 있고, 이 제 1 기재 영역 (157) 을 덮는 제 2 코트 (137) 의 표면 전체는, 상기 서술한 제 1 코트 (136) 에 의해 덮여 있다. 한편, 기재 (156) 의 각 제 2 기재 영역 (158) 은, 제 2 코트 (137) 에 의해 덮여 있지만, 이 제 2 기재 영역 (158) 을 덮는 제 2 코트 (137) 의 표면은, 제 1 코트 (136) 에 덮여 있지 않고, 전체 둘레에 걸쳐 유리 시일 (240) 에 접촉하고 있다. 이로써, 인터커넥터 (150) 의 제 1 표면 영역 (152) 은, 제 1 코트 (136) 에 의해 구성되고, 제 2 표면 영역 (153) 은, 제 2 코트 (137) 에 의해 구성되어 있다. 또, 인터커넥터 (150) 의 공기실 연통공 (108A) 의 전체 둘레를 둘러싸는 표면 영역 (154) (도 7 참조) 도, 제 1 코트 (136) 에 의해 구성되어 있다. 제 2 코트 (137) 는, 산화 크롬의 피막 (크로미아 피막) 이며, 제 1 코트 (136) 에 비해, 연료 가스 (FG) 에 대해 내환원성이 높다.
이상의 구성에 의해, 산화제 가스 (OG) 가 흐르는 공기실 (166), 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 및 산화제 가스 배출 매니폴드 (162) 에는, 제 1 코트 (136) 가 면하고 있고, 제 2 코트 (137) 는 노출되어 있지 않다. 한편, 연료 가스 (FG) 가 흐르는 연료 가스 유로에는, 제 2 코트 (137) 가 면하고 있고, 제 1 코트 (136) 는 노출되어 있지 않다. 또한, 제 1 코트 (136) 는, 공기극측 집전체 (134) 를 덮으므로, 제 2 코트 (137) 에 비해, 도전성이 높은 재료로 형성되어 있는 것이 바람직하다. 또, 제 1 코트 (136) 는, 공기실 (166) 에 면하므로, 제 2 코트 (137) 에 비해, 산화제 가스 (OG) 에 대해 내산화성이 높은 재료로 형성되어 있는 것이 바람직하다. 또한, 본 실시형태에서는, 인터커넥터 (150) 의 기재 (156) 는, Cr 을 포함하는 금속에 의해 형성되기 때문에, 기재 (156) 의 표면으로부터 Cr 이 방출되어 확산되는 「Cr 확산」을 억제하기 위해서, 제 2 코트 (137) 에 비해, Cr 확산의 억제 효과가 높은 재료로 형성되어 있는 것이 바람직하다.
인터커넥터 (150) 의 제 1 표면 (151) 에 대한 코트의 형성 방법의 일례는 다음과 같다. 먼저, 인터커넥터 (150) 에 대해 열처리를 실시함으로써, 인터커넥터 (150) 의 기재 (156) 로부터 석출된 Cr 에 의해 기재 (156) 의 공기극 (114) 측의 표면에 제 2 코트 (137) (크로미아 피막) 를 형성한다. 또한, 제 2 코트 (137) 의 두께는, 열처리시의 소성 온도나 소성 시간에 따라 조정할 수 있다. 다음으로, 기재 (156) 의 공기극 (114) 측의 표면에 형성된 제 2 코트 (137) 의 표면 중, 각 제 2 표면 영역 (153) 에 대응하는 영역을 마스크한 상태에서, 스프레이 코트, 잉크젯 인쇄, 스핀 코트, 딥 코트, 도금, 스퍼터링, 용사 등의 주지된 방법으로 제 1 코트 (136) 를 형성한다. 그 후, 각 제 2 표면 영역 (153) 의 마스크를 제거한다. 이로써, 제 1 표면 영역 (152) 이 제 1 코트 (136) 에 의해 구성되고, 각 제 2 표면 영역 (153) 이 제 2 코트 (137) 에 의해 구성된 인터커넥터 (150) 를 제조할 수 있다. 또한, 다른 코트의 형성 방법으로서, 마스크를 하지 않고, 기재 (156) 의 공기극 (114) 측의 표면에 형성된 제 2 코트 (137) 의 표면 전체에, 제 1 코트 (136) 를 형성하고, 그 후, 각 제 2 표면 영역 (153) 에 대응하는 부분을 덮는 제 1 코트 (136) 를 박리하는 방법이어도 된다.
A-5. 연료 가스 유로로부터 공기실 (166) 에 대한 연료 가스 (FG) 의 리크 :
도 8 내지 도 10 은, 비교예의 복합체 (103X) 에 있어서의 인터커넥터 (150) 와 공기극측 프레임 (130) 및 유리 시일 (240) 사이의 변화 상태 1 ∼ 3 을 나타내는 설명도이다. 도 8 에 나타내는 바와 같이, 비교예의 복합체 (103X) 의 제 1 표면 (151X) 의 전체는, 제 1 코트 (136) 만으로 구성되어 있다. 이 때문에, 비교예의 복합체 (103X) 에서는, 연료 가스 유로에 제 1 코트 (136) 가 노출되어 있다. 이 비교예의 복합체 (103X) 를 구비하는 연료 전지 스택 (100A) 을 운전하면, 연료 가스 유로에 흐르는 연료 가스 (FG) 와 제 1 코트 (136) 의 환원 반응에 의해, 제 1 코트 (136) 가 다공질화되고 (도 9 참조), 나아가서는, 연료 가스 유로와 공기실 (166) 이 관통되고, 연료 가스 (FG) 의 리크 경로가 형성될 우려가 있다 (도 10 참조).
A-6. 제 1 코트 (136) 및 제 2 코트 (137) 의 내환원성의 평가 방법 :
상기 서술한 바와 같이, 제 2 코트 (137) 는, 제 1 코트 (136) 에 비해, 연료 가스 (FG) 에 대해 내환원성이 높다. 이들 제 1 코트 (136) 및 제 2 코트 (137) 의 내환원성의 평가 방법의 일례는 다음과 같다. 먼저, 본 실시형태의 복합체 (103) 를 1 개 구비하는 연료 전지 스택 (100) 과, 상기 비교예의 복합체 (103X) 를 1 개 구비하는 연료 전지 스택 (100A) 을 준비한다. 상기 서술한 바와 같이, 본 실시형태의 복합체 (103) 에서는, 연료 가스 유로에 제 2 코트 (137) 가 노출되어 있고, 제 1 코트 (136) 는 노출되어 있지 않다. 한편, 비교예의 연료 전지 스택 (100A) 에서는, 연료 가스 유로에 제 1 코트 (136) 가 노출되어 있다.
연료 전지 스택 (100) 과 연료 전지 스택 (100A) 을 각각 850 도에서 소정 시간 운전하여, 열처리를 실시한 후에, 유량 3 ℓ/min, 압력 10 kpa 의 연료 가스 (FG) 분위기하에서, 공기실 (166) 과 연료 가스 유로 사이의 연료 가스 (FG) 의 리크를 검사한다. 그 결과, 먼저 10 ㎖ 이상의 연료 가스 (FG) 의 리크가 검출된 쪽을, 내환원성이 낮다고 평가한다. 제 2 코트 (137) 를 형성하는 크로미아 피막은, 제 1 코트 (136) 를 형성하는 상기 서술한 재료에 비해, 내환원성이 높기 때문에, 연료 전지 스택 (100A) 이, 연료 전지 스택 (100) 보다 먼저 10 ㎖ 이상의 연료 가스 (FG) 의 리크가 검출된다. 또한, 상기 소정 시간은, 운전 개시부터, 연료 전지 스택 (100) 과 연료 전지 스택 (100A) 의 연료 가스 (FG) 의 리크량에 차가 발생하기 시작할 때까지의 시간이며, 항상 일정하다고는 할 수 없고, 운전 온도나, 제 1 코트 (136) 및 제 2 코트 (137) 의 형성 재료의 조합 등에 따라 상이하다. 또한, 제 1 코트 (136) 및 제 2 코트 (137) 의 내산화성의 평가 방법의 일례는, 상기 서술한 내환원성의 평가 방법에 대해, 산화제 가스 (OG) (대기) 분위기하에서, 공기실 (166) 과 연료 가스 유로 사이의 산화제 가스 (OG) (공기) 의 리크를 검사하는 점에서 상이한데, 가스의 유량, 압력이나 시간 등에 관한 조건을 동일하게 하는 평가 방법이다.
A-7. 본 실시형태의 효과 :
본 실시형태의 복합체 (103) 에 의하면, 인터커넥터 (150) 의 제 1 표면 영역 (152) 을 구성하는 제 1 코트 (136) 와 연료 가스 유로 사이에, 제 1 코트 (136) 보다 내환원성이 높은 제 2 코트 (137) 가 각 연료실 연통공 (108B) 의 전체 둘레에 걸쳐 배치되어 있다. 이로써, 제 1 코트 (136) 와 연료 가스 (FG) 의 환원 반응에 기인하여 연료 가스 유로의 시일성이 저하되는 것을 억제할 수 있다.
또, 공기실 연통공 (108A) 의 전체 둘레를 둘러싸는 표면 영역 (154) (도 7 참조) 은, 제 1 코트 (136) 에 의해 구성되어 있다. 이 때문에, 제 2 코트 (137) 가, 제 1 코트 (136) 에 비해, 내산화성이 낮은 재료로 형성되어 있는 경우에도, 이 제 2 코트 (137) 가 산화제 가스 유로에 노출되지 않기 때문에, 산화제 가스 유로 내의 산화 반응을 억제할 수 있다.
또, 각 제 2 표면 영역 (153) 의 외경 (D2) 은, 유리 시일 (240) 의 외경 (D3) 보다 작다. 바꾸어 말하면, 제 2 코트 (137) 의 외주측의 윤곽선은, 전체 둘레에 걸쳐, 유리 시일 (240) 의 외주측의 윤곽선보다 내측에 위치하고 있다. 이 때문에, 제 2 코트 (137) 가, 제 1 코트 (136) 에 비해, 내산화성이나 Cr 확산의 억제 효과가 낮은 재료로 형성되어 있는 경우에도, 이 제 2 코트 (137) 가 공기실 (166) 에 노출되지 않기 때문에, 공기실 (166) 내의 산화 반응이나 Cr 확산을 억제할 수 있다.
또, 각 제 2 표면 영역 (153) 의 외경 (D2) 은, 유리 시일 (240) 의 내경 (D1) 보다 크다. 바꾸어 말하면, 제 2 코트 (137) 의 외주측의 윤곽선은, 전체 둘레에 걸쳐, 유리 시일 (240) 의 내주측의 윤곽선보다 외측에 위치하고 있다. 이 때문에, 인터커넥터 (150) 의 제 1 표면 (151) 중, 연료 가스 유로를 구성하는 영역이 제 2 코트 (137) 에 의해 구성되어 있다. 이로써, 제 1 코트 (136) 가 연료 가스 유로에 노출되는 것이 회피되기 때문에, 제 1 코트 (136) 와 연료 가스 (FG) 의 환원 반응에 기인하여 연료 가스 유로의 시일성이 저하되는 것을, 보다 확실하게 억제할 수 있다.
또, 제 1 표면 영역 (152) 의 내경 (D2) (제 2 표면 영역 (153) 의 외경 (D2)) 은, 유리 시일 (240) 의 내경 (D1) 보다 크다. 바꾸어 말하면, 제 1 코트 (136) 의 내주측의 윤곽선은, 전체 둘레에 걸쳐, 유리 시일 (240) 의 내주측의 윤곽선보다 외측에 위치하고 있고, 인터커넥터 (150) 와 시일 부재 사이에 끼워 넣어져 있다. 이 때문에, 제 1 코트 (136) 가 240 의 내측에 노출되어 있는 경우에 비해, 제 1 코트 (136) 의 단부 (端部) 가 박리되는 것을 억제할 수 있다.
B. 제 2 실시형태 :
도 11 은, 제 2 실시형태에 있어서의 복합체 (103A) 의 XY 단면 구성을 나타내는 설명도이다. 제 2 실시형태의 복합체 (103A) 의 구성 중, 상기 서술한 제 1 실시형태의 복합체 (103) 와 동일한 구성에 대해서는, 동일 부호를 붙임으로써, 그 설명을 생략한다.
이하, 기재 (156) 의 공기극 (114) 측의 표면 중, 연료실 연통공 (108B) 의 전체 둘레를 둘러싸는 환상의 2 개의 영역을, 「제 2 기재 영역 (158A) 」이라고 하고, 당해 2 개의 제 2 기재 영역 (158A) 을 제외한 영역을, 「제 1 기재 영역 (157A)」이라고 한다. 제 1 기재 영역 (157A) 과 제 2 기재 영역 (158A) 은 인접하고 있다. 또, 인터커넥터 (150) 의 제 1 표면 (151) 중, 연료실 연통공 (108B) 의 전체 둘레를 둘러싸는 환상의 2 개의 표면 영역을, 「제 2 표면 영역 (153A)」이라고 하고, 당해 2 개의 제 2 표면 영역 (153A) 을 제외한 영역을, 「제 1 표면 영역 (152A)」이라고 한다. 제 1 표면 영역 (152A) 과 제 2 표면 영역 (153A) 은 인접하고 있다. 본 실시형태에서는, 제 2 표면 영역 (153A) 의 외경 (D2A) (제 1 표면 영역 (152A) 과 제 2 표면 영역 (153A) 의 경계선의 직경) 은, 유리 시일 (240) 의 외경 (D3) 보다 크고, 또한 공기극측 프레임 (130) 의 내주벽 (130A) 과 외주벽 (130B) 사이의 거리 (D4) 보다 작다.
기재 (156) 의 제 1 기재 영역 (157A) 은, 상기 서술한 제 1 코트 (136) 에 의해 덮여 있다. 한편, 기재 (156) 의 각 제 2 기재 영역 (158A) 은, 제 2 코트 (137A) 에 의해 덮여 있고, 전체 둘레에 걸쳐 공기극측 프레임 (130) 및 유리 시일 (240) 에 접촉하고 있다. 이로써, 인터커넥터 (150) 의 제 1 표면 영역 (152A) 은, 제 1 코트 (136) 에 의해 구성되고, 제 2 표면 영역 (153A) 은, 제 2 코트 (137A) 에 의해 구성되어 있다. 제 2 코트 (137A) 는, 예를 들어 Ni (니켈) 또는 Ni 합금으로 형성되어 있고, 제 1 코트 (136) 에 비해, 연료 가스 (FG) 에 대해 내환원성이 높다. 또한, 기재 (156) 의 표면에 상기 제 1 실시형태와 동일한 크로미아 피막이 형성되어 있어도 된다. 이와 같은 구성에서도, 제 1 실시형태와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
C. 변형예 :
본 명세서에서 개시되는 기술은, 상기 서술한 실시형태에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 일탈하지 않는 범위에 있어서 여러 가지 형태로 변형할 수 있고, 예를 들어 다음과 같은 변형도 가능하다.
상기 실시형태에서는, 시일 부재로서, 공기극측 프레임 (130) 및 유리 시일 (240) 을 예시했지만, 시일 부재는, 이것에 한정되지 않고, 유리 시일만으로 구성된 것으로 해도 되고, 밀폐 상태로 압축된 마이카 등으로 구성된 컴프레션 시일만으로 구성된 것으로 해도 된다. 또, 상기 실시형태에 있어서, 유리 시일 (240) 의 내경 (D1) 은, 연통공 (108) (연료실 연통공 (108B)) 의 내경 (D0) 과 동일해도 된다.
상기 실시형태에서는, 인터커넥터-전기 화학 반응 단셀 복합체로서, 세퍼레이터 (120) 를 구비하는 복합체 (103) 를 예시했지만, 인터커넥터-전기 화학 반응 단셀 복합체는, 이것에 한정되지 않고, 세퍼레이터 (120) 를 구비하지 않는 구성이어도 된다. 또, 인터커넥터-전기 화학 반응 단셀 복합체는, 연료극 지지형뿐만 아니라, 공기극 지지형이나 전해질 지지형이어도 된다.
상기 제 1 실시형태에 있어서, 각 제 2 표면 영역 (153) 의 외경 (D2) 은, 유리 시일 (240) 의 외경 (D3) 보다 큰, 바꾸어 말하면, 제 2 코트 (137) 의 외측의 윤곽선은, 유리 시일 (240) 의 외측의 윤곽선보다 외측에 위치하고 있어도 된다. 또한, 제 2 코트 (137) 의 외측의 윤곽선은, 공기극측 프레임 (130) 의 내주벽 (130A) 보다 외측에 위치하고 있어도 된다. 단, 상기 제 1 실시형태의 구성이면, 공기실 (166) 내의 산화 반응이나 Cr 확산을 억제할 수 있다. 또, 제 1 표면 영역 (152) 의 내경 (D2) (제 2 표면 영역 (153) 의 외경 (D2)) 은, 유리 시일 (240) 의 내경 (D1) 보다 작아도 된다. 단, 상기 제 1 실시형태의 구성이면, 연료 가스 유로의 시일성의 저하와 제 1 코트 (136) 의 박리를, 보다 확실하게 억제할 수 있다.
또, 상기 실시형태에 있어서, 연료 전지 스택 (100) 에 포함되는 발전 단위 (102) 의 개수는, 어디까지나 일례이며, 발전 단위 (102) 의 개수는 연료 전지 스택 (100) 에 요구되는 출력 전압 등에 따라 적절히 결정된다.
또한, 상기 실시형태에서는, 볼트 (22) 의 양측에 너트 (24) 가 끼워져 있다고 되어 있는데, 볼트 (22) 가 헤드부를 가지며, 너트 (24) 는 볼트 (22) 의 헤드부의 반대측에만 끼워져 있다고 해도 된다.
또, 상기 실시형태에서는, 엔드 플레이트 (104, 106) 가 출력 단자로서 기능한다고 되어 있는데, 엔드 플레이트 (104, 106) 대신에, 엔드 플레이트 (104, 106) 의 각각과 접속된 별도의 부재 (예를 들어, 엔드 플레이트 (104, 106) 의 각각과 발전 단위 (102) 사이에 배치된 도전판) 가 출력 단자로서 기능한다고 해도 된다.
또한, 상기 실시형태에서는, 각 볼트 (22) 의 축부의 외주면과 각 연통공 (108) 의 내주면 사이의 공간을 각 매니폴드로서 이용하고 있지만, 이것 대신에, 각 볼트 (22) 의 축부에 축 방향의 구멍을 형성하고, 그 구멍을 각 매니폴드로서 이용해도 된다. 또, 각 매니폴드를 각 볼트 (22) 가 삽입되는 각 연통공 (108) 과는 별도로 형성해도 된다.
또, 상기 실시형태에서는, 2 개의 발전 단위 (102) 가 인접하여 배치되어 있는 경우에는, 1 개의 인터커넥터 (150) 가 인접하는 2 개의 발전 단위 (102) 에 공유된다고 하고 있는데, 이와 같은 경우에도, 2 개의 발전 단위 (102) 가 각각의 인터커넥터 (150) 를 구비해도 된다. 또, 상기 실시형태에서는, 연료 전지 스택 (100) 에 있어서 가장 위에 위치하는 발전 단위 (102) 의 상측의 인터커넥터 (150) 나, 가장 아래에 위치하는 발전 단위 (102) 의 하측의 인터커넥터 (150) 는 생략되어 있는데, 이들 인터커넥터 (150) 를 생략하지 않고 형성해도 된다.
또한, 상기 실시형태에 있어서, 공기극측 집전체 (134) 와, 그것에 인접하는 인터커넥터 (150) 가 별도의 부재이어도 된다. 또, 상기 실시형태에 있어서, 연료극측 집전체 (144) 는, 공기극측 집전체 (134) 와 동일한 구성이어도 되고, 연료극측 집전체 (144) 와 인접하는 인터커넥터 (150) 가 일체 부재이어도 된다. 또, 공기극측 프레임 (130) 이 아니고 연료극측 프레임 (140) 이 절연체이어도 된다. 또, 공기극측 프레임 (130) 이나 연료극측 프레임 (140) 은, 다층 구성이어도 된다.
또, 상기 실시형태에 있어서의 각 부재를 형성하는 재료는, 어디까지나 예시이며, 각 부재가 다른 재료에 의해 형성되어도 된다. 예를 들어, 상기 실시형태에서는, 인터커넥터 (150) 는, Cr 을 포함하는 금속에 의해 형성되어 있지만, 다른 재료에 의해 형성되어 있어도 된다.
또한, 상기 실시형태에 있어서, 도시 가스를 개질하여 수소 리치 연료 가스 (FG) 를 얻는다고 되어 있는데, LP 가스나 등유, 메탄올, 가솔린 등의 다른 원료로부터 연료 가스 (FG) 를 얻는다고 해도 되고, 연료 가스 (FG) 로서 순수소를 이용해도 된다.
본 명세서에 있어서, 부재 (또는 부재가 있는 부분, 이하 동일) (A) 를 사이에 두고 부재 (B) 와 부재 (C) 가 서로 대향한다는 것은, 부재 (A) 와 부재 (B) 또는 부재 (C) 가 인접하는 형태에 한정되지 않고, 부재 (A) 와 부재 (B) 또는 부재 (C) 의 사이에 다른 구성 요소가 개재되는 형태를 포함한다. 예를 들어, 전해질층 (112) 과 공기극 (114) 사이에 다른 층이 형성된 구성이어도, 공기극 (114) 과 연료극 (116) 은 전해질층 (112) 을 사이에 두고 서로 대향한다고 할 수 있다.
또, 상기 실시형태 (또는 변형예, 이하 동일) 에서는, 연료 전지 스택 (100) 에 포함되는 모든 복합체 (103) 에 대해, 제 1 코트 (136) 및 제 2 코트 (137) 에 의해 기재 (156) 가 덮인 인터커넥터 (150) 를 구비하는 구성이라고 하고 있지만, 연료 전지 스택 (100) 에 포함되는 적어도 1 개의 복합체 (103) 에 대해, 그러한 구성으로 되어 있으면, 제 1 코트 (136) 와 연료 가스 (FG) 의 환원 반응에 기인하여 연료 가스 유로의 시일성이 저하되는 것을 억제할 수 있다는 효과를 발휘한다.
또한, 상기 실시형태에서는, 연료 가스에 포함되는 수소와 산화제 가스에 포함되는 산소의 전기 화학 반응을 이용하여 발전을 실시하는 SOFC 를 대상으로 하고 있지만, 본 발명은, 물의 전기 분해 반응을 이용하여 수소의 생성을 실시하는 고체 산화물형의 전해 셀 (SOEC) 의 최소 단위인 전해 셀 단위나, 복수의 전해 셀 단위를 구비하는 전해 셀 스택에도 동일하게 적용 가능하다. 또한, 전해 셀 스택의 구성은, 예를 들어 일본 공개특허공보 2014-207120호에 기재되어 있는 바와 같이 공지되어 있으므로 여기서는 상세하게 서술하지 않지만, 개략적으로는 상기 서술한 실시형태에 있어서의 연료 전지 스택 (100) 과 동일한 구성이다. 즉, 상기 서술한 실시형태에 있어서의 연료 전지 스택 (100) 을 전해 셀 스택으로 바꿔 읽고, 발전 단위 (102) 를 전해 셀 단위로 바꿔 읽으면 된다. 단, 전해 셀 스택의 운전시에는, 공기극 (114) 이 플러스 (양극) 이고 연료극 (116) 이 마이너스 (음극) 가 되도록 양 전극 사이에 전압이 인가됨과 함께, 연통공 (108) 을 통하여 원료 가스로서의 수증기가 공급된다. 이로써, 각 전해 셀 단위에 있어서 물의 전기 분해 반응이 일어나고, 연료실 (176) 에서 수소 가스가 발생하고, 연통공 (108) 을 통하여 전해 셀 스택의 외부로 수소가 취출된다. 이와 같은 구성의 전해 셀 단위 및 전해 셀 스택에 있어서도, 상기 실시형태와 동일하게, 복합체에 대해, 제 1 코트 (136) 및 제 2 코트 (137) 에 의해 기재 (156) 가 덮인 인터커넥터 (150) 를 구비하는 구성을 채용하면, 제 1 코트 (136) 와 연료 가스 (FG) 의 환원 반응에 기인하여 연료 가스 유로의 시일성이 저하되는 것을 억제할 수 있다는 효과를 발휘한다.
22 : 볼트
24 : 너트
26 : 절연 시트
27 : 가스 통로 부재
28 : 본체부
29 : 분기부
100, 100A : 연료 전지 스택
102 : 발전 단위
103, 103A, 103X : 복합체
104, 106 : 엔드 플레이트
108 : 연통공
108A : 공기실 연통공
108B : 연료실 연통공
110 : 단셀
112 : 전해질층
114 : 공기극
116 : 연료극
120 : 세퍼레이터
121 : 구멍
124 : 접합부
130 : 공기극측 프레임
130A : 내주벽
130B : 외주벽
131 : 구멍
132 : 산화제 가스 공급 연통공
133 : 산화제 가스 배출 연통공
134 : 공기극측 집전체
135 : 집전체 요소
136 : 제 1 코트
137, 137A : 제 2 코트
138 : 접합층
140 : 연료극측 프레임
141 : 구멍
142 : 연료 가스 공급 연통공
143 : 연료 가스 배출 연통공
144 : 연료극측 집전체
145 : 전극 대향부
146 : 인터커넥터 대향부
147 : 연접부
149 : 스페이서
150 : 인터커넥터
151, 151X : 제 1 표면
152, 152A : 제 1 표면 영역
153, 153A : 제 2 표면 영역
154 : 표면 영역
156 : 기재
157, 157A : 제 1 기재 영역
158, 158A : 제 2 기재 영역
161 : 산화제 가스 도입 매니폴드
162 : 산화제 가스 배출 매니폴드
166 : 공기실
171 : 연료 가스 도입 매니폴드
172 : 연료 가스 배출 매니폴드
176 : 연료실
240 : 유리 시일
FG : 연료 가스
FOG : 연료 오프 가스
OG : 산화제 가스
OOG : 산화제 오프 가스

Claims (8)

  1. 전해질층과 상기 전해질층을 사이에 두고 제 1 방향으로 서로 대향하는 공기극 및 연료극을 포함하는 전기 화학 반응 단셀과, 연료 가스 유로를 구성하는 제 1 관통공이 형성되어 있고, 상기 전기 화학 반응 단셀의 상기 연료극측에 배치된 인터커넥터를 구비하는 인터커넥터-전기 화학 반응 단셀 복합체에 있어서,
    상기 인터커넥터는, 상기 인터커넥터의 상기 연료극측과는 반대측의 제 1 표면을 구성하는 코트를 포함하고,
    상기 코트는,
    상기 인터커넥터의 상기 제 1 표면의 일부의 영역으로서, 상기 제 1 관통공으로부터 이간된 제 1 표면 영역을 구성하는 제 1 코트와,
    상기 인터커넥터의 상기 제 1 표면의 일부의 영역으로서, 상기 제 1 관통공을 둘러싸고, 또한, 상기 제 1 코트와 상기 제 1 관통공 사이의 제 2 표면 영역을 구성하고, 상기 제 1 코트보다 내환원성이 높은 제 2 코트를 구비하는 것을 특징으로 하는 인터커넥터-전기 화학 반응 단셀 복합체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 인터커넥터에는, 산화제 가스 유로를 구성하는 제 2 관통공이 형성되어 있고,
    상기 제 1 표면 영역은, 상기 제 2 관통공을 둘러싸는 표면 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 인터커넥터-전기 화학 반응 단셀 복합체.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 코트는, 크로미아를 포함하는 것을 특징으로 하는 인터커넥터-전기 화학 반응 단셀 복합체.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전해질층은, 고체 산화물인 것을 특징으로 하는 인터커넥터-전기 화학 반응 단셀 복합체.
  5. 상기 제 1 방향으로 나란히 배열된 복수의 인터커넥터-전기 화학 반응 단셀 복합체와, 상기 복수의 인터커넥터-전기 화학 반응 단셀 복합체 중, 서로 이웃하는 일방의 인터커넥터-전기 화학 반응 단셀 복합체가 구비하는 인터커넥터와 타방의 인터커넥터-전기 화학 반응 단셀 복합체 사이에 배치되고, 상기 연료 가스 유로를 구성하는 시일 부재를 구비하는 전기 화학 반응 셀 스택에 있어서,
    상기 복수의 인터커넥터-전기 화학 반응 단셀 복합체의 적어도 하나는, 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 기재된 인터커넥터-전기 화학 반응 단셀 복합체이고,
    상기 제 1 방향에서 보아, 상기 제 2 코트의 외주측의 윤곽선은, 상기 시일 부재의 외주측의 윤곽선의 내측에 위치하고 있는 것을 특징으로 하는 전기 화학 반응 셀 스택.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 방향에서 보아, 상기 제 1 코트의 내주측의 윤곽선은, 상기 시일 부재의 내주측의 윤곽선의 외측에 위치하고 있는 것을 특징으로 하는 전기 화학 반응 셀 스택.
  7. 상기 제 1 방향으로 나란히 배열된 복수의 인터커넥터-전기 화학 반응 단셀 복합체와, 상기 복수의 인터커넥터-전기 화학 반응 단셀 복합체 중, 서로 이웃하는 일방의 인터커넥터-전기 화학 반응 단셀 복합체가 구비하는 인터커넥터와 타방의 인터커넥터-전기 화학 반응 단셀 복합체 사이에 배치되고, 상기 연료 가스 유로를 구성하는 시일 부재를 구비하는 전기 화학 반응 셀 스택에 있어서,
    상기 복수의 인터커넥터-전기 화학 반응 단셀 복합체의 적어도 하나는, 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 기재된 인터커넥터-전기 화학 반응 단셀 복합체이고,
    상기 제 1 방향에서 보아, 상기 제 1 코트의 내주측의 윤곽선은, 상기 시일 부재의 내주측의 윤곽선의 외측에 위치하고 있는 것을 특징으로 하는 전기 화학 반응 셀 스택.
  8. 제 5 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 인터커넥터-전기 화학 반응 단셀 복합체의 각각에 포함되는 전기 화학 반응 단셀은, 연료 전지 단셀인 것을 특징으로 하는 전기 화학 반응 셀 스택.
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