KR20190058583A

KR20190058583A - 전기 화학 반응 셀 스택

Info

Publication number: KR20190058583A
Application number: KR1020197011895A
Authority: KR
Inventors: 겐타 마나베; 노부유키 홋타; 다카후미 시치다; 유키 오타
Original assignee: 니뽄 도쿠슈 도교 가부시키가이샤
Priority date: 2016-11-04
Filing date: 2017-09-28
Publication date: 2019-05-29
Also published as: JP6403908B2; EP3537526B1; KR102318475B1; JPWO2018083920A1; WO2018083920A1; CN109906530A; US20190288322A1; EP3537526A4; EP3537526A1

Abstract

전기 화학 반응 셀 스택 전체적인 성능 저하를 억제한다. 전기 화학 반응 셀 스택은, 전기 화학 반응 단위가 제 1 방향으로 3 개 이상 나열하여 배치된 전기 화학 반응 블록을 구비한다. 전기 화학 반응 블록에는, 도입 가스 유로와 배출 가스 유로와 중계 가스 유로가 형성되어 있고, 상류의 전기 화학 반응 단위에는, 상류의 연료실과 도입 가스 유로를 연통하는 상류의 도입 연통로와, 상류의 연료실과 중계 가스 유로를 연통하는 상류의 배출 연통로가 형성되어 있고, 하류의 전기 화학 반응 단위에는, 하류의 연료실과 중계 가스 유로를 연통하는 하류의 도입 연통로와, 하류의 연료실과 배출 가스 유로를 연통하는 하류의 배출 연통로가 형성되어 있고, 2 개 이상의 하류의 전기 화학 반응 단위의 각각에 대해, 하류의 도입 연통로와 하류의 배출 연통로의 합계 체적은, 상류의 도입 연통로와 상류의 배출 연통로의 합계 체적보다 작다.

Description

전기 화학 반응 셀 스택

본 명세서에 개시되는 기술은 전기 화학 반응 셀 스택에 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, 소정의 방향 (이하, 「배열 방향」 이라고도 한다) 으로 나열하여 배치된 복수의 연료 전지 발전 단위 (이하, 간단히 「발전 단위」 라고 한다) 를 구비하는 연료 전지 스택의 형태로 이용된다. 발전 단위는, SOFC 의 발전의 최소 단위이고, 전해질층과 전해질층을 사이에 두고 서로 대향하는 공기극 및 연료극을 포함하고 있고, 연료극에 면하는 연료실이 형성되어 있다.

이와 같은 연료 전지 스택 중에는, 이른바 병직렬형의 연료 전지 스택이 알려져 있다 (예를 들어 특허문헌 1 참조). 병직렬형의 연료 전지 스택에서는, 복수의 발전 단위 내의 상류의 발전 단위 (예를 들어, 연료 전지 스택 내에 공급되어 발전에 사용되는 가스가, 최초로 공급되는 하나 또는 복수의 발전 단위) 에 포함되는 연료극에 면하는 연료실과, 하류의 발전 단위 (예를 들어, 상류의 하나 또는 복수의 발전 단위에서 배출되어 발전에 사용되는 가스가 공급되는 하나 또는 복수의 발전 단위) 에 포함되는 연료극에 면하는 연료실에 연통되고, 상류의 발전 단위의 연료실에서 배출된 가스에 포함되는 수소 등을 하류의 발전 단위의 연료실로 유도하는 가스 유로가 형성되어 있다. 병직렬형의 연료 전지 스택에 의하면, 연료극에 공급된 연료 가스의 양에 대한 발전 반응에 이용된 연료 가스의 양의 비율을 나타내는 연료 이용률을 향상시킬 수 있다.

일본 공개특허공보 2014-197492호

병직렬형의 연료 전지 스택에 있어서, 가스의 흐름 방향의 하류측에 위치하는 하류의 발전 단위에서는, 가스의 흐름 방향의 상류측에 위치하는 상류의 발전 단위에 비해, 연료실에 공급되는 연료 가스의 수소 농도가 낮다. 이 때문에, 하류의 발전 단위를 복수 구비하는 병직렬형의 연료 전지 스택에서는, 복수의 하류의 발전 단위간에 있어서의 가스의 압력 손실의 차에 의해, 일부의 하류의 발전 단위에 있어서 특히 연료 가스가 충분히 공급되지 않는, 이른바 연료 부족이 생기고, 그 결과, 연료 전지 스택 전체적인 성능이 저하될 우려가 있다는 문제가 생긴다. 또, 연료 부족이 생긴 하류의 발전 단위에서도, 소량의 연료 가스가 공급됨으로써 발전 반응이 일어난다. 그 결과, 당해 하류의 발전 단위의 단셀에 있어서, 국소적인 발전 반응이 일어남으로써 셀면 내의 온도 분포가 고르지 않게 되고, 온도 분포의 편차에 의해 생기는 열응력에 의해 단셀에 균열이 생기는 등의 문제가 생길 우려가 있다.

또한, 이와 같은 과제는, 물의 전기 분해 반응을 이용하여 수소의 생성을 실시하는 고체 산화물형의 전해 셀 (이하, 「SOEC」 라고 한다) 의 한 형태인 전해 셀 스택에도 공통의 과제이다. 또한, 본 명세서에서는, 연료 전지 스택과 전해 셀 스택을 종합하여 「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 전기 화학 반응 셀 스택은, 전해질층과 상기 전해질층을 사이에 두고 제 1 방향으로 서로 대향하는 공기극 및 연료극을 각각 포함하고, 상기 연료극에 면하는 연료실이 형성된 전기 화학 반응 단위가 상기 제 1 방향으로 3 개 이상 나열하여 배치된 전기 화학 반응 블록을 구비하는 전기 화학 반응 셀 스택에 있어서, 3 개 이상의 상기 전기 화학 반응 단위는, 1 개 이상의 상류의 전기 화학 반응 단위와, 2 개 이상의 하류의 전기 화학 반응 단위를 포함하고 있고, 상기 전기 화학 반응 블록에는, 상기 전기 화학 반응 블록의 외부에서 내부로 연료 가스를 도입하는 도입 가스 유로와, 상기 전기 화학 반응 블록의 내부에서 외부로 연료 가스를 배출하는 배출 가스 유로와, 중계 가스 유로가 형성되어 있고, 상기 상류의 전기 화학 반응 단위에는, 당해 상류의 전기 화학 반응 단위에 형성된 상류의 상기 연료실과 상기 도입 가스 유로를 연통하는 상류의 도입 연통로와, 상기 상류의 연료실과 상기 중계 가스 유로를 연통하는 상류의 배출 연통로가 형성되어 있고, 상기 하류의 전기 화학 반응 단위에는, 당해 하류의 전기 화학 반응 단위에 형성된 하류의 상기 연료실과 상기 중계 가스 유로를 연통하는 하류의 도입 연통로와, 상기 하류의 연료실과 상기 배출 가스 유로를 연통하는 하류의 배출 연통로가 형성되어 있고, 2 개 이상의 상기 하류의 전기 화학 반응 단위의 각각에 대해, 상기 하류의 도입 연통로와 상기 하류의 배출 연통로의 합계 체적은, 상기 상류의 도입 연통로와 상기 상류의 배출 연통로의 합계 체적보다 작다. 각 전기 화학 반응 단위에 있어서의 도입 연통로와 배출 연통로의 합계 체적이 작아지면, 각 전기 화학 반응 단위에 있어서의 연료 가스의 압력 손실이 커지지만, 복수의 전기 화학 반응 단위간에 있어서의 연료 이용률의 차가 작아지는 경향이 있다. 그래서, 본 전기 화학 반응 셀 스택에 의하면, 2 개 이상의 하류의 전기 화학 반응 단위의 각각에 대해, 하류의 도입 연통로와 하류의 배출 연통로의 합계 체적은, 상류의 도입 연통로와 상류의 배출 연통로의 합계 체적보다 작다. 또, 온도 분포의 편차에서 기인하는 전기 화학 반응 단위의 성능 저하도 억제할 수 있다. 이로써, 상류의 전기 화학 반응 단위로의 충분한 연료 가스의 공급을 확보하면서, 가스의 압력 손실의 차에 의한 연료 부족을 억제함으로써, 전기 화학 반응 셀 스택 전체적인 성능 저하를 억제할 수 있다.

(2) 상기 전기 화학 반응 셀 스택에 있어서, 상기 하류의 도입 연통로와 상기 하류의 배출 연통로의 합계 체적은 60 (㎣) 이하인 구성으로 해도 된다. 각 전기 화학 반응 단위에 있어서의 도입 연통로와 배출 연통로의 합계 체적이 60 (㎣) 이하가 되면, 합계 체적의 차에 관계없이, 복수의 전기 화학 반응 단위간에 있어서의 연료 이용률의 차가 거의 변하지 않게 되는 경향이 있다. 그래서, 본 전기 화학 반응 셀 스택에 의하면, 하류의 도입 연통로와 하류의 배출 연통로의 합계 체적이 60 (㎣) 이하임으로써, 가스의 압력 손실의 차가 억제됨으로써, 전기 화학 반응 셀 스택 전체적인 성능 저하를, 보다 확실하게 억제할 수 있다.

(3) 상기 전기 화학 반응 셀 스택에 있어서, 상기 전기 화학 반응 블록의 상기 제 1 방향의 일방측의 단측에 상기 배출 가스 유로에 연통되는 배출공이 형성되어 있고, 상기 전기 화학 반응 블록의 상기 제 1 방향의 중심 위치와 상기 일방측의 단 사이인 일방 영역에 배치된 상기 하류의 전기 화학 반응 단위의 수는, 상기 전기 화학 반응 블록의 상기 중심 위치와 상기 제 1 방향의 타방측의 단 사이인 타방 영역에 배치된 상기 하류의 전기 화학 반응 단위의 수보다 많은 구성으로 해도 된다. 전기 화학 반응 단위는, 배출 가스 유로에 연통하는 배출공에 가까운 위치에 배치되어 있을수록, 당해 전기 화학 반응 단위에 형성된 연료실로부터 연료 가스가 배출되기 쉽고, 이에 수반하여, 연료실에 연료 가스가 공급되기 쉬워진다. 그래서, 본 전기 화학 반응 셀 스택에 의하면, 배출공에 가까운 하방 영역에 배치된 하류의 전기 화학 반응 단위의 수 (이하, 「배출공측 하류 셀수」 라고 한다) 가, 배출공에서 먼 타방 영역에 배치된 하류의 전기 화학 반응 단위의 수 (이하, 「반대측 하류 셀수」 라고 한다) 보다 많다. 이로써, 배출공측 하류 셀수가 반대측 하류 셀수보다 적은 경우에 비해, 연료 부족이 억제됨으로써, 전기 화학 반응 셀 스택 전체적인 성능 저하를, 보다 확실하게 억제할 수 있다.

(4) 상기 전기 화학 반응 셀 스택에 있어서, 상기 전기 화학 반응 블록의 상기 제 1 방향의 일방측의 단측에 상기 배출 가스 유로에 연통하는 배출공이 형성되어 있고, 2 개 이상의 상기 하류의 전기 화학 반응 단위는, 상기 제 1 방향으로 서로 연속해서 나열하여 배치된 복수의 상기 하류의 전기 화학 반응 단위인 제 1 전기 화학 반응 단위군과, 상기 제 1 전기 화학 반응 단위군과는 상기 제 1 방향으로 이간되어 있고, 상기 제 1 방향으로 서로 연속해서 나열하여 배치되고, 상기 제 1 전기 화학 반응 단위군보다 많은 복수의 상기 하류의 전기 화학 반응 단위인 제 2 전기 화학 반응 단위군을 포함하고, 상기 제 2 전기 화학 반응 단위군은, 상기 제 1 전기 화학 반응 단위군보다 상기 전기 화학 반응 블록의 상기 일방측에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 구성으로 해도 된다. 전기 화학 반응 단위는, 배출 가스 유로에 연통하는 배출공에 가까운 위치에 배치되어 있을수록, 당해 전기 화학 반응 단위에 형성된 연료실로부터 연료 가스가 배출되기 쉽고, 이에 수반하여, 연료실에 연료 가스가 공급되기 쉬워진다. 그래서, 본 전기 화학 반응 셀 스택에 의하면, 하류의 전기 화학 반응 단위가 연속해서 나열하여 배치되는 수 (이하, 「연속 배열수」 라고 한다) 가 많은 제 2 전기 화학 반응 단위군을, 연속 배열수가 적은 제 1 전기 화학 반응 단위군보다 배출공에 가까운 위치에 배치되어 있다. 이로써, 제 2 전기 화학 반응 단위군을, 제 1 전기 화학 반응 단위군보다 배출공에서 먼 위치에 배치했을 경우에 비해, 연료 부족이 억제됨으로써, 전기 화학 반응 셀 스택 전체적인 성능 저하를, 보다 확실하게 억제할 수 있다.

또한, 본 명세서에 개시되는 기술은, 여러 가지 형태로 실현하는 것이 가능하고, 예를 들어, 단셀, 전기 화학 반응 단위, 전기 화학 반응 단위를 구비하는 전기 화학 반응 셀 스택, 전기 화학 반응 셀 스택을 구비하는 전기 화학 반응 모듈, 전기 화학 반응 모듈을 구비하는 전기 화학 반응 시스템 등의 형태로 실현하는 것이 가능하다.

도 1 은, 제 1 실시형태에 있어서의 연료 전지 스택 (100) 의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 2 는, 제 1 실시형태에 있어서의 연료 전지 스택 (100) 의 상측의 XY 평면 구성을 나타내는 설명도이다.
도 3 은, 제 1 실시형태에 있어서의 연료 전지 스택 (100) 의 하측의 XY 평면 구성을 나타내는 설명도이다.
도 4 는, 도 1 내지 도 3 의 IV-IV 의 위치에 있어서의 연료 전지 스택 (100) 의 XZ 단면 구성을 나타내는 설명도이다.
도 5 는, 도 1 내지 도 3 의 V-V 의 위치에 있어서의 연료 전지 스택 (100) 의 XZ 단면 구성을 나타내는 설명도이다.
도 6 은, 도 1 내지 도 3 의 VI-VI 의 위치에 있어서의 연료 전지 스택 (100) 의 YZ 단면 구성을 나타내는 설명도이다.
도 7 은, 도 1 내지 도 3 의 VII-VII 의 위치에 있어서의 연료 전지 스택 (100) 의 YZ 단면 구성을 나타내는 설명도이다.
도 8 은, 도 5 에 나타내는 단면과 동일한 위치에 있어서의 서로 인접하는 하류 및 상류의 2 개의 발전 단위 (102) 의 XZ 단면 구성을 나타내는 설명도이다.
도 9 는, 도 6 에 나타내는 단면과 동일한 위치에 있어서의 서로 인접하는 상류의 2 개의 발전 단위 (102) 의 YZ 단면 구성을 나타내는 설명도이다.
도 10 은, 도 7 에 나타내는 단면과 동일한 위치에 있어서의 서로 인접하는 하류의 2 개의 발전 단위 (102) 의 YZ 단면 구성을 나타내는 설명도이다.
도 11 은, 도 8 의 XI-XI 의 위치에 있어서의 발전 단위 (102) 의 XY 단면 구성을 나타내는 설명도이다.
도 12 는, 도 8 의 XII-XII 의 위치에 있어서의 상류의 발전 단위 (102U) 의 XY 단면 구성을 나타내는 설명도이다.
도 13 은, 도 7 의 XIII-XIII 의 위치에 있어서의 하류의 발전 단위 (102D) 의 XY 단면 구성을 나타내는 설명도이다.
도 14 는, 열교환부 (103) 의 XY 단면 구성을 개략적으로 나타내는 설명도이다.
도 15 는, 연료 이용률의 저하율과 하류의 발전 단위 (102) 의 압력 손실의 관계를 나타내는 설명도이다.
도 16 은, 하류의 연통 체적과 하류의 발전 단위 (102) 의 압력 손실의 관계를 나타내는 설명도이다.
도 17 은, 연료 이용률의 저하율과 하류의 연통 체적의 관계를 나타내는 설명도이다.
도 18 은, 제 2 실시형태의 연료 전지 스택 (100B) 에 있어서의 발전 단위 (102) 와 열교환부 (103) 와 엔드 플레이트 (104, 106) 의 위치 관계를 나타내는 설명도이다.

A. 제 1 실시형태 :

A-1. 구성 :

(연료 전지 스택 (100) 의 구성)

도 1 내지 도 7 은, 본 실시형태에 있어서의 연료 전지 스택 (100) 의 구성을 개략적으로 나타내는 설명도이다. 도 1 에는, 연료 전지 스택 (100) 의 외관 구성이 나타나 있고, 도 2 에는, 연료 전지 스택 (100) 의 상측의 평면 구성이 나타나 있고, 도 3 에는, 연료 전지 스택 (100) 의 하측의 평면 구성이 나타나 있고, 도 4 에는, 도 1 내지 도 3 의 IV-IV 의 위치에 있어서의 연료 전지 스택 (100) 의 단면 구성이 나타나 있고, 도 5 에는, 도 1 내지 도 3 의 V-V 의 위치에 있어서의 연료 전지 스택 (100) 의 단면 구성이 나타나 있고, 도 6 에는, 도 1 내지 도 3 의 VI-VI 의 위치에 있어서의 연료 전지 스택 (100) 의 단면 구성이 나타나 있고, 도 7 에는, 도 1 내지 도 3 의 VII-VII 의 위치에 있어서의 연료 전지 스택 (100) 의 단면 구성이 나타나 있다. 각 도면에는, 방향을 특정하기 위한 서로 직교하는 XYZ 축이 나타나 있다. 본 명세서에서는, 편의적으로, Z 축 정 (正) 방향을 상방향이라고 부르고, Z 축 부 (負) 방향을 하방향이라고 부르는 것으로 하지만, 연료 전지 스택 (100) 은 실제로는 그러한 방향과는 상이한 방향으로 설치되어도 된다. 도 8 이후에 대해서도 동일하다.

연료 전지 스택 (100) 은, 복수의 (본 실시형태에서는 8 개의) 발전 단위 (102) 와, 열교환부 (103) 와, 1 쌍의 엔드 플레이트 (104, 106) 를 구비한다. 8 개의 발전 단위 (102) 는, 소정의 배열 방향 (본 실시형태에서는 상하 방향) 으로 나열하여 배치되어 있다. 단, 8 개의 발전 단위 (102) 중, 아래에서부터 1 번째부터 6 번째까지의 6 개의 발전 단위 (102) 는 서로 인접하도록 배치되고, 나머지 위에서부터 1 번째 및 2 번째의 2 개의 발전 단위 (102) 도 서로 인접하도록 배치되어 있다. 상기 6 개의 발전 단위 (102) 와 상기 나머지 2 개의 발전 단위 (102) 사이에 열교환부 (103) 가 배치되어 있다. 즉, 열교환부 (103) 는, 8 개의 발전 단위 (102) 와 열교환부 (103) 로 구성되는 집합체에 있어서 위에서부터 3 번째의 위치에 배치되어 있다. 1 쌍의 엔드 플레이트 (104, 106) 는, 8 개의 발전 단위 (102) 와 열교환부 (103) 로 구성되는 집합체를 상하에서 사이에 두도록 배치되어 있다. 이하, 상기 6 개의 발전 단위 (102) 를 「제 1 발전 블록 (102G1)」 이라고 하고, 상기 나머지 2 개의 발전 단위 (102) 를 「제 2 발전 블록 (102G2)」 이라고 한다. 또, 8 개의 발전 단위 (102) 중, 아래에서부터 3 번째 및 4 번째의 2 개의 발전 단위 (102) 를 「하류의 발전 단위 (102D)」 라고 하고, 나머지 6 개의 발전 단위 (102) 를 「상류의 발전 단위 (102U)」 라고 한다. 이하, 8 개의 발전 단위 (102) 에 대해, 아래에서부터 순서대로, 발전 단위 (102-1), 발전 단위 (102-2), 발전 단위 (102-3), … 와 같은 지번 (枝番) 이 붙은 부호를 부여하는 것으로 한다 (도 4 내지 도 10 참조). 또한, 상기 배열 방향 (상하 방향) 은, 특허청구의 범위에 있어서의 제 1 방향에 상당하고, 상류의 발전 단위 (102U) 는, 특허청구의 범위에 있어서의 상류의 전기 화학 반응 단위에 상당하고, 하류의 발전 단위 (102D) 는, 특허청구의 범위에 있어서의 하류의 전기 화학 반응 단위에 상당한다. 또, 제 1 발전 블록 (102G1) 은, 특허청구의 범위에 있어서의 전기 화학 반응 블록에 상당한다.

연료 전지 스택 (100) 을 구성하는 각 층 (발전 단위 (102), 열교환부 (103), 엔드 플레이트 (104, 106)) 의 Z 방향 둘레의 둘레 가장자리부에는, 상하 방향으로 관통하는 복수의 (본 실시형태에서는 8 개의) 구멍이 형성되어 있고, 각 층에 형성되어 서로 대응하는 구멍끼리가 상하 방향으로 연통되고, 일방의 엔드 플레이트 (104) 로부터 타방의 엔드 플레이트 (106) 에 걸쳐 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 부르는 경우가 있다.

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 4 내지 도 7 에 나타내는 바와 같이, 볼트 (22) 의 일방의 측 (상측) 에 끼워진 너트 (24) 와 연료 전지 스택 (100) 의 상단을 구성하는 엔드 플레이트 (104) 의 상측 표면 사이, 및 볼트 (22) 의 타방의 측 (하측) 에 끼워진 너트 (24) 와 연료 전지 스택 (100) 의 하단을 구성하는 엔드 플레이트 (106) 의 하측 표면 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 2 내지 도 5 에 나타내는 바와 같이, 연료 전지 스택 (100) 의 Z 방향 둘레의 외주에 있어서의 1 개의 정점 (Y 축 부방향측 및 X 축 부방향측의 정점) 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 도입되는 가스 유로인 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 로서 기능하고, 연료 전지 스택 (100) 의 Z 방향 둘레의 외주에 있어서의 1 개의 변 (Y 축에 평행한 2 개의 변 중 X 축 정방향측의 변) 의 중점 부근에 위치하는 볼트 (22) (볼트 (22C)) 와, 그 볼트 (22C) 가 삽입된 연통공 (108) 에 의해 형성된 공간은, 열교환부 (103) 로부터 배출된 산화제 가스 (OG) 를 각 발전 단위 (102) 를 향하여 옮기는 가스 유로인 산화제 가스 공급 매니폴드 (163) 로서 기능한다. 또, 도 2, 도 3 및 도 5 에 나타내는 바와 같이, 연료 전지 스택 (100) 의 Z 방향 둘레의 외주에 있어서의 1 개의 변 (Y 축에 평행한 2 개의 변 중 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) 로부터 배출된 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.

또, 도 2, 도 3 및 도 6 에 나타내는 바와 같이, 연료 전지 스택 (100) 의 Z 방향 둘레의 외주에 있어서의 1 개의 정점 (X 축 정방향측 및 Y 축 부방향측의 정점) 부근에 위치하는 볼트 (22) (볼트 (22F)) 와, 그 볼트 (22F) 가 삽입된 연통공 (108) 에 의해 형성된 공간은, 연료 전지 스택 (100) 의 외부로부터 연료 가스 (FG) 가 도입되고, 그 연료 가스 (FG) 를 상류의 각 발전 단위 (102U) 에 공급하는 연료 가스 도입 매니폴드 (171) 로서 기능하고, 연료 전지 스택 (100) 의 Z 방향 둘레의 외주에 있어서의 1 개의 변 (X 축에 평행한 2 개의 변 중 Y 축 정방향측의 변) 의 중점 부근에 위치하는 볼트 (22) (볼트 (22D)) 와, 그 볼트 (22D) 가 삽입된 연통공 (108) 에 의해 형성된 공간은, 상류의 각 발전 단위 (102U) 의 연료실 (176) 로부터 배출된 가스인 연료 중간 가스 (FMG) 를, 하류의 각 발전 단위 (102D) 를 향하여 옮기는 가스 유로인 연료 가스 중계 매니폴드 (172) 로서 기능한다. 연료 중간 가스 (FMG) 에는, 상류의 각 발전 단위 (102U) 의 연료실 (176) 에 있어서 발전 반응에 이용되지 않았던 수소 등이 포함된다. 도 2, 도 3 및 도 7 에 나타내는 바와 같이, 연료 전지 스택 (100) 의 Z 방향 둘레의 외주에 있어서의 1 개의 변 (X 축에 평행한 2 개의 변 중 Y 축 부방향측의 변) 의 중점 부근에 위치하는 볼트 (22) (볼트 (22E)) 와, 그 볼트 (22E) 가 삽입된 연통공 (108) 에 의해 형성된 공간은, 하류의 각 발전 단위 (102D) 의 연료실 (176) 로부터 배출된 가스인 연료 오프 가스 (FOG) 를 연료 전지 스택 (100) 의 외부로 배출하는 연료 가스 배출 매니폴드 (173) 로서 기능한다. 또한, 본 실시형태에서는, 연료 가스 (FG) 로서, 예를 들어 도시 가스를 개질한 수소 리치한 가스가 사용된다. 또, 연료 가스 도입 매니폴드 (171) 는, 특허청구의 범위에 있어서의 도입 가스 유로에 상당하고, 연료 가스 중계 매니폴드 (172) 는, 특허청구의 범위에 있어서의 중계 가스 유로에 상당한다. 연료 가스 배출 매니폴드 (173) 는, 특허청구의 범위에 있어서의 배출 가스 유로에 상당한다.

도 4 내지 도 7 에 나타내는 바와 같이, 연료 전지 스택 (100) 에는, 4 개의 가스 통로 부재 (27) 가 형성되어 있다. 각 가스 통로 부재 (27) 는, 중공 통상의 본체부 (28) 와, 본체부 (28) 의 측면에서 분기한 중공 통상의 분기부 (29) 를 가지고 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 4 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, 도 5 에 나타내는 바와 같이, 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 6 에 나타내는 바와 같이, 연료 가스 도입 매니폴드 (171) 를 형성하는 볼트 (22F) 의 위치에 배치된 가스 통로 부재 (27) 의 본체부 (28) 의 구멍은, 연료 가스 도입 매니폴드 (171) 에 연통되어 있고, 도 7 에 나타내는 바와 같이, 연료 가스 배출 매니폴드 (173) 를 형성하는 볼트 (22E) 의 위치에 배치된 가스 통로 부재 (27) 의 본체부 (28) 의 구멍은, 연료 가스 배출 매니폴드 (173) 에 연통되어 있다.

(엔드 플레이트 (104, 106) 의 구성)

1 쌍의 엔드 플레이트 (104, 106) 는, 대략 사각형의 평판 형상의 도전성 부재이고, 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 상태에서 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 8 내지 도 13 은, 발전 단위 (102) 의 상세 구성을 나타내는 설명도이다. 도 8 에는, 도 5 에 나타내는 단면과 동일한 위치에 있어서의 서로 인접하는 하류의 하나의 발전 단위 (102D) 와 상류의 하나의 발전 단위 (102U) 의 XZ 단면 구성이 나타나 있고, 도 9 에는, 도 6 에 나타내는 단면과 동일한 위치에 있어서의 서로 인접하는 상류의 2 개의 발전 단위 (102U) 의 YZ 단면 구성이 나타나 있고, 도 10 에는, 도 7 에 나타내는 단면과 동일한 위치에 있어서의 서로 인접하는 하류의 2 개의 발전 단위 (102D) 의 YZ 단면 구성이 나타나 있다. 또, 도 11 에는, 도 8 의 XI-XI 의 위치에 있어서의 발전 단위 (102) 의 XY 단면 구성이 나타나 있고, 도 12 에는, 도 8 의 XII-XII 의 위치에 있어서의 상류의 발전 단위 (102U) 의 XY 단면 구성이 나타나 있고, 도 13 에는, 도 8 의 XIII-XIII 의 위치에 있어서의 하류의 발전 단위 (102D) 의 XY 단면 구성이 나타나 있다.

도 8 내지 도 10 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 둘레 가장자리부에는, 상기 서술한 볼트 (22) 가 삽입되는 연통공 (108) 에 대응하는 구멍이 형성되어 있다.

인터커넥터 (150) 는, 대략 사각형의 평판 형상의 도전성 부재이고, 예를 들어 페라이트계 스테인리스에 의해 형성되어 있다. 인터커넥터 (150) 는, 발전 단위 (102) 간의 전기적 도통을 확보함과 함께, 발전 단위 (102) 간에서의 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 구비하지 않는다 (도 4 내지 도 7 참조).

단셀 (110) 은, 전해질층 (112) 과, 전해질층 (112) 을 사이에 두고 상하 방향 (발전 단위 (102) 가 나열하는 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 부재이고, 적어도 Zr 을 포함하고 있고, 예를 들어, YSZ (이트리아 안정화 지르코니아), ScSZ (스칸디아 안정화 지르코니아), CaSZ (칼시아 안정화 지르코니아) 등의 고체 산화물에 의해 형성되어 있다. 공기극 (114) 은, 대략 사각형의 평판 형상 부재이고, 예를 들어, 페로브스카이트형 산화물 (예를 들어 LSCF (란탄스트론튬코발트철 산화물), LSM (란탄스트론튬망간 산화물), LNF (란탄니켈철)) 에 의해 형성되어 있다. 연료극 (116) 은, 대략 사각형의 평판 형상 부재이고, 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 부재이고, 예를 들어, 금속에 의해 형성되어 있다. 세퍼레이터 (120) 에 있어서의 구멍 (121) 의 주위 부분은, 전해질층 (112) 에 있어서의 공기극 (114) 측의 표면의 둘레 가장자리부에 대향하고 있다. 세퍼레이터 (120) 는, 그 대향한 부분에 배치된 납재 (蠟材) (예를 들어 Ag 납) 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 둘레 가장자리부에 있어서의 일방의 전극측으로부터 타방의 전극측으로의 가스의 리크가 억제된다. 또한, 세퍼레이터 (120) 가 접합된 단셀 (110) 을 세퍼레이터 부착 단셀이라고도 한다.

공기극측 프레임 (130) 은, 도 8 내지 도 11 에 나타내는 바와 같이, 중앙 부근에 상하 방향으로 관통하는 대략 사각형의 구멍 (131) 이 형성된 프레임상의 부재이고, 예를 들어, 마이카 등의 절연체에 의해 형성되어 있다. 공기극측 프레임 (130) 은, 세퍼레이터 (120) 에 있어서의 전해질층 (112) 에 대향하는 측과는 반대측의 표면의 둘레 가장자리부와, 인터커넥터 (150) 에 있어서의 공기극 (114) 에 대향하는 측의 표면의 둘레 가장자리부에 접촉하고 있다. 공기극측 프레임 (130) 의 구멍 (131) 은, 공기극 (114) 에 면하는 공기실 (166) 을 구성한다. 또, 공기극측 프레임 (130) 에 의해, 발전 단위 (102) 에 포함되는 1 쌍의 인터커넥터 (150) 간이 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.

연료극측 프레임 (140) 은, 도 8 내지 도 10, 도 12 및 도 13 에 나타내는 바와 같이, 중앙 부근에 상하 방향으로 관통하는 대략 사각형의 구멍 (141) 이 형성된 프레임상의 부재이고, 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 둘레 가장자리부와, 인터커넥터 (150) 에 있어서의 연료극 (116) 에 대향하는 측의 표면의 둘레 가장자리부에 접촉하고 있다. 도 9 및 도 12 에 나타내는 바와 같이, 상류의 각 발전 단위 (102U) 의 연료극측 프레임 (140) 에는, 연료 가스 도입 매니폴드 (171) 와 연료실 (176) 을 연통하는 연료 가스 공급 연통공 (142U) 과, 연료실 (176) 과 연료 가스 중계 매니폴드 (172) 를 연통하는 연료 가스 배출 연통공 (143U) 이 형성되어 있다. 도 10 및 도 13 에 나타내는 바와 같이, 하류의 각 발전 단위 (102D) 의 연료극측 프레임 (140) 에는, 연료 가스 중계 매니폴드 (172) 와 연료실 (176) 을 연통하는 연료 가스 공급 연통공 (142D) 과, 연료실 (176) 과 연료 가스 배출 매니폴드 (173) 를 연통하는 연료 가스 배출 연통공 (143D) 이 형성되어 있다. 또한, 연료 가스 공급 연통공 (142U) 은, 특허청구의 범위에 있어서의 상류의 도입 연통로에 상당하고, 연료 가스 배출 연통공 (143U) 은, 특허청구의 범위에 있어서의 상류의 배출 연통로에 상당한다. 연료 가스 공급 연통공 (142D) 은, 특허청구의 범위에 있어서의 하류의 도입 연통로에 상당하고, 연료 가스 배출 연통공 (143D) 은, 특허청구의 범위에 있어서의 하류의 배출 연통로에 상당한다.

공기극측 집전체 (134) 는, 도 8 내지 도 11 에 나타내는 바와 같이, 공기실 (166) 내에 배치되어 있다. 공기극측 집전체 (134) 는, 소정의 간격을 두고 나열된 복수의 대략 사각주상의 도전성 부재로 구성되어 있고, 예를 들어, 페라이트계 스테인리스에 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, 공기극측 집전체 (134) 와 인터커넥터 (150) 가 일체의 부재로서 형성되어 있어도 된다.

연료극측 집전체 (144) 는, 도 8 내지 도 10, 도 12 및 도 13 에 나타내는 바와 같이, 연료실 (176) 내에 배치되어 있다. 연료극측 집전체 (144) 는, 인터커넥터 대향부 (146) 와, 복수의 전극 대향부 (145) 와, 각 전극 대향부 (145) 와 인터커넥터 대향부 (146) 를 연결하는 연접부 (147) 를 구비하고 있고, 예를 들어, 니켈이나 니켈 합금, 스테인리스 등에 의해 형성되어 있다. 각 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 개재한 연료극 (116) 과 인터커넥터 (150) (또는 엔드 플레이트 (106)) 의 전기적 접속이 양호하게 유지된다.

(열교환부 (103) 의 구성)

도 14 에는, 배열 방향에 직교하는 방향에 있어서의 열교환부 (103) 의 단면 구성이 나타나 있다. 도 4 내지 도 7 및 도 14 에 나타내는 바와 같이, 열교환부 (103) 는, 사각형의 평판 형상 부재이고, 예를 들어, 페라이트계 스테인리스에 의해 형성되어 있다. 열교환부 (103) 의 중앙 부근에는, 상하 방향으로 관통하는 구멍 (182) 이 형성되어 있다. 또, 열교환부 (103) 에는, 중앙의 구멍 (182) 과 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 를 형성하는 연통공 (108) 을 연통하는 연통공 (184) 과, 중앙의 구멍 (182) 과 산화제 가스 공급 매니폴드 (163) 를 형성하는 연통공 (108) 을 연통하는 연통공 (186) 이 형성되어 있다. 열교환부 (103) 는, 열교환부 (103) 의 상측에 인접하는 발전 단위 (102) (102-7) 에 포함되는 하측의 인터커넥터 (150) 와, 열교환부 (103) 의 하측에 인접하는 발전 단위 (102) (102-6) 에 포함되는 상측의 인터커넥터 (150) 에 협지되어 있다. 이들 인터커넥터 (150) 간에 있어서, 구멍 (182) 과 연통공 (184) 과 연통공 (186) 에 의해 형성되는 공간은, 후술하는 열교환을 위해서 산화제 가스 (OG) 를 흘리는 열교환 유로 (188) 로서 기능한다.

A-2. 연료 전지 스택 (100) 의 동작 :

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 통해서 산화제 가스 (OG) 가 공급되면, 산화제 가스 (OG) 는, 가스 통로 부재 (27) 의 분기부 (29) 및 본체부 (28) 의 구멍을 통해서 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 에 공급된다. 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 에 공급된 산화제 가스 (OG) 는, 도 4 및 도 14 에 나타내는 바와 같이, 열교환부 (103) 내에 형성된 열교환 유로 (188) 내에 유입되고, 열교환 유로 (188) 를 지나 산화제 가스 공급 매니폴드 (163) 로 배출된다. 열교환부 (103) 는, 상측 및 하측에 대해 발전 단위 (102) 에 인접하고 있다. 또, 후술하는 바와 같이, 발전 단위 (102) 에 있어서의 발전 반응은 발열 반응이다. 그 때문에, 산화제 가스 (OG) 가 열교환부 (103) 내의 열교환 유로 (188) 를 통과할 때, 산화제 가스 (OG) 와 발전 단위 (102) 사이에서 열교환이 실시되어, 산화제 가스 (OG) 의 온도가 상승한다. 또한, 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 는, 각 발전 단위 (102) 의 공기실 (166) 에는 연통되어 있지 않기 때문에, 산화제 가스 도입 매니폴드 (161) 로부터 각 발전 단위 (102) 의 공기실 (166) 로 산화제 가스 (OG) 가 공급되는 일은 없다. 산화제 가스 공급 매니폴드 (163) 로 배출된 산화제 가스 (OG) 는, 도 4, 도 5, 도 8 및 도 11 에 나타내는 바와 같이, 산화제 가스 공급 매니폴드 (163) 로부터 각 발전 단위 (102) 의 산화제 가스 공급 연통공 (132) 을 통해서 공기실 (166) 에 공급된다.

또, 도 6, 도 9 및 도 12 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 통해서 연료 가스 (FG) 가 공급되면, 연료 가스 (FG) 는, 가스 통로 부재 (27) 의 분기부 (29) 및 본체부 (28) 의 구멍을 통해서 연료 가스 도입 매니폴드 (171) 에 공급되고, 연료 가스 도입 매니폴드 (171) 로부터 상류의 각 발전 단위 (102U) 의 연료 가스 공급 연통공 (142U) 을 통해서, 상류의 각 발전 단위 (102U) 의 연료실 (176) 에 공급된다. 또한, 연료 가스 도입 매니폴드 (171) 는, 하류의 각 발전 단위 (102D) 의 연료실 (176) 에는 연통되어 있지 않기 때문에, 연료 가스 도입 매니폴드 (171) 로부터 하류의 각 발전 단위 (102D) 의 연료실 (176) 로 연료 가스 (FG) 가 공급되는 일은 없다. 상류의 각 발전 단위 (102U) 의 연료실 (176) 로부터 배출된 연료 중간 가스 (FMG) 는, 연료 가스 배출 연통공 (143U) 을 통해서 연료 가스 중계 매니폴드 (172) 로 배출된다. 도 7, 도 10 및 도 13 에 나타내는 바와 같이, 하류의 각 발전 단위 (102D) 의 연료실 (176) 에는, 이 상류의 각 발전 단위 (102U) 로부터 배출된 연료 중간 가스 (FMG) 가, 연료 가스 중계 매니폴드 (172), 및 하류의 각 발전 단위 (102D) 의 연료 가스 공급 연통공 (142D) 을 통해서 공급된다.

상류의 각 발전 단위 (102U) 의 공기실 (166) 에 산화제 가스 (OG) 가 공급되고, 상류의 각 발전 단위 (102U) 의 연료실 (176) 에 연료 가스 (FG) 가 공급되면, 상류의 각 발전 단위 (102U) 의 단셀 (110) 에 있어서 산화제 가스 (OG) 및 연료 가스 (FG) 의 전기 화학 반응에 의한 발전이 실시된다. 또, 하류의 각 발전 단위 (102D) 의 공기실 (166) 에 산화제 가스 (OG) 가 공급되고, 하류의 각 발전 단위 (102D) 의 연료실 (176) 에 연료 중간 가스 (FMG) 가 공급되면, 하류의 각 발전 단위 (102D) 의 단셀 (110) 에 있어서 산화제 가스 (OG) 및 연료 중간 가스 (FMG) 의 전기 화학 반응에 의한 발전이 실시된다. 이들 발전 반응은 발열 반응이다. 각 발전 단위 (102) 에 있어서, 단셀 (110) 의 공기극 (114) 은 공기극측 집전체 (134) 를 통해서 일방의 인터커넥터 (150) 에 전기적으로 접속되고, 연료극 (116) 은 연료극측 집전체 (144) 를 통해서 타방의 인터커넥터 (150) 에 전기적으로 접속되어 있다. 또, 연료 전지 스택 (100) 에 포함되는 복수의 발전 단위 (102) 는, 열교환부 (103) 를 개재하고 있지만, 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 고온이 유지되는 상태가 될 때까지, 연료 전지 스택 (100) 이 가열기 (도시 생략) 에 의해 가열되어도 된다.

도 5, 도 8 및 도 11 에 나타내는 바와 같이, 하류 및 상류의 각 발전 단위 (102U, 102D) 의 공기실 (166) 로부터 배출된 산화제 오프 가스 (OOG) 는, 산화제 가스 배출 연통공 (133) 을 통해서 산화제 가스 배출 매니폴드 (162) 에 배출되고, 또한 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 통해서 연료 전지 스택 (100) 의 외부에 배출된다. 또, 도 7, 도 10 및 도 13 에 나타내는 바와 같이, 하류의 각 발전 단위 (102D) 의 연료실 (176) 로부터 배출된 연료 오프 가스 (FOG) 는, 연료 가스 배출 연통공 (143D) 을 통해서 연료 가스 배출 매니폴드 (173) 에 배출되고, 또한 연료 가스 배출 매니폴드 (173) 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 통해서 연료 전지 스택 (100) 의 외부에 배출된다. 이와 같이, 연료 전지 스택 (100) 의 연료 가스 (FG) 의 유로 구성은, 외부로부터 도입된 연료 가스 (FG) 가, 상류의 복수의 발전 단위 (102) 에 병렬로 공급되고, 상류의 각 발전 단위 (102U) 로부터 배출된 연료 중간 가스 (FMG) 가, 연료 가스 중계 매니폴드 (172) 를 통해서, 하류의 복수의 발전 단위 (102D) 에 병렬로 공급되는, 이른바 병직렬형으로 되어 있다.

A-3. 흡열 부재 (열교환부 (103), 엔드 플레이트 (104, 106)) 에 대해 :

열교환부 (103) 와 엔드 플레이트 (104, 106) 는, 인접하는 각 발전 블록 (102G1, 102G2) 이 발한 열을 흡수하는 흡열 부재이다. 구체적으로는, 상기 서술한 바와 같이, 열교환부 (103) 는, 제 1 발전 블록 (102G1) 과 제 2 발전 블록 (102G2) 에 인접하고 있고, 산화제 가스 (OG) 가 열교환부 (103) 의 열교환 유로 (188) 를 통과할 때, 산화제 가스 (OG) 와 발전 단위 (102) 사이에서 열교환이 실시되어, 산화제 가스 (OG) 의 온도가 상승한다. 열교환부 (103) 내를 통과하는 산화제 가스 (OG) 의 온도가, 발전 단위 (102) 와의 열교환에 의해 상승하는 것은, 열교환부 (103) 가, 적어도, 당해 열교환부 (103) 에 인접하는 각 발전 단위 (102-6, 7) (각 발전 블록 (102G1, 102G2)) 가 발한 열을 흡수하고 있는 것을 의미한다. 또, 각 엔드 플레이트 (104, 106) 는, 일방의 면만이 발전 단위 (102) 에 인접하고 있고, 타방의 면은 발전 단위 (102) 에 인접하지 않는다. 즉, 각 엔드 플레이트 (104, 106) 의 일방의 면은, 발전 블록 (102G1, 102G2) 의 발전 반응에 의해 상대적으로 온도가 높아져 있는 고온 환경하에 면하고 있고, 타방의 면은, 당해 고온 환경하에 면하지 않고, 각 발전 블록 (102G1, 102G2) 보다 상대적으로 온도가 낮은 저온 환경하 (예를 들어 외기) 에 면하고 있다. 이 때문에, 각 엔드 플레이트 (104, 106) 에 인접하는 발전 블록 (102G1, 102G2) 과 외기 사이에서 열교환이 실시되어, 각 엔드 플레이트 (104, 106) 에 인접하는 발전 단위 (102) 의 온도가 약간 저하된다. 이러한 점은, 엔드 플레이트 (104, 106) 가, 당해 엔드 플레이트 (104, 106) 에 인접하는 각 발전 단위 (102-1, 8) (각 발전 블록 (102G1, 102G2)) 가 발한 열을 흡수하고 있는 것을 의미한다. 또한, 열교환부 (103) 와 엔드 플레이트 (104, 106) 는, 대체로 제 1 흡열 부재, 제 2 흡열 부재라고 부르는 경우가 있고, 열교환부 (103) 는, 열교환 부재라고 부르는 경우도 있다.

A-4. 발전 단위 (102) 와 흡열 부재의 위치 관계에 대해 :

연료 전지 스택 (100) 에서는, 하류의 발전 단위 (102D) 는, 상류의 발전 단위 (102U) 를 통해서 흡열 부재로부터 이간된 위치에 배치되어 있다. 구체적으로는, 제 1 발전 블록 (102G1) 에 있어서, 서로 인접하는 2 개의 하류의 발전 단위 (102D) (102-3, 4) 중, 열교환부 (103) 에 가장 가까운 위치에 배치되어 있는 하류의 발전 단위 (102D) (102-4) 와, 열교환부 (103) 사이에는, 2 개의 상류의 발전 단위 (102U) (120-5, 6) 가 배치되어 있다. 또, 엔드 플레이트 (106) 에 가장 가까운 위치에 배치되어 있는 하류의 발전 단위 (102D) (102-3) 와, 엔드 플레이트 (106) 사이에도, 2 개의 상류의 발전 단위 (102U) (102-1, 2) 가 배치되어 있다. 또한, 제 2 발전 블록 (102G1) 에는, 하류의 발전 단위 (102D) 는 포함되어 있지 않고, 상류의 발전 단위 (102U) (120-7, 8) 만이 포함되어 있다.

A-5. 연료실 (176) 의 도입 연통로와 배출 연통로의 합계 체적에 대해 :

본 실시형태에서는, 각 하류의 발전 단위 (102D) 의 각각에 대해, 연료 가스 공급 연통공 (142D) (하류의 도입 연통로) 과 연료 가스 배출 연통공 (143D) (하류의 배출 연통로) 의 합계 체적 (이하, 「하류의 연통 체적」 이라고 한다) 은, 상류의 발전 단위 (102U) 에 있어서의 연료 가스 공급 연통공 (142U) (상류의 도입 연통로) 과 연료 가스 배출 연통공 (143U) (상류의 배출 연통로) 의 합계 체적 (이하, 「상류의 연통 체적」 이라고 한다) 보다 작다. 구체적으로는, 연료 가스 공급 연통공 (142D) 및 연료 가스 배출 연통공 (143D) 의 개구 면적 (또는 단셀 (110) 에 평행한 폭 치수) 이, 연료 가스 공급 연통공 (142U) 및 연료 가스 배출 연통공 (143U) 의 개구 면적보다 작다. 또, 연료 가스 공급 연통공 (142D) 및 연료 가스 배출 연통공 (143D) 의 가스의 흐름 방향을 따른 길이가, 연료 가스 공급 연통공 (142U) 및 연료 가스 배출 연통공 (143U) 의 가스의 흐름 방향을 따른 길이보다 짧아도 된다.

여기서, 각 발전 단위 (102) 에 있어서의 연료 가스 공급 연통공 (142) 과 연료 가스 배출 연통공 (143) 의 합계 체적 (연통 체적) 이 작을수록, 각 발전 단위 (102) 에 있어서의 연료 가스 (FG) 의 압력 손실이 커진다. 한편, 각 발전 단위 (102) 에 있어서의 연통 체적이 작을수록, 각 발전 단위 (102) 에 있어서의 연료 이용률의 저하율이 작아지는 분만큼, 복수의 발전 단위 (102) 간에 있어서의 연료 이용률의 차가 작아지는 경향이 있다. 그래서, 본 실시형태에 의하면, 각 하류의 발전 단위 (102D) 의 각각에 있어서의 하류의 연통 체적은, 어느 상류의 발전 단위 (102U) 에 있어서의 상류의 연통 체적보다 작다. 이로써, 상류의 발전 단위 (102U) 로의 충분한 연료 가스 (FG) 의 공급을 확보하면서, 하류의 발전 단위 (102D) 에 있어서의 연료 가스 (FG) 의 압력 손실의 차에 의한 연료 부족을 억제함으로써, 연료 전지 스택 (100) 전체적인 성능 저하를 억제할 수 있다. 즉, 하류의 발전 단위 (102D) 에 있어서 연료 부족에서 기인한 국소적인 발전 반응이 일어남으로써 셀면 내의 온도 분포가 고르지 않게 되고, 온도 분포의 편차에 의해 생기는 열응력에 의해 단셀 (110) 에 균열이 생기는 등의 문제가 생기는 것을 억제할 수 있다.

또, 도 15 는, 연료 이용률의 저하율 ΔUf (％) 와 하류의 발전 단위 (102) 의 압력 손실 (㎪) 의 관계를 나타내는 설명도이고, 도 16 은, 하류의 연통 체적 (㎣) 과 하류의 발전 단위 (102) 의 압력 손실의 관계를 나타내는 설명도이고, 도 17 은, 연료 이용률의 저하율과 하류의 연통 체적의 관계를 나타내는 설명도이다. 도 15 에 나타내는 바와 같이, 하류의 발전 단위 (102D) 의 압력 손실이 커질수록 연료 이용률의 저하율이 작아져 가는 것을 알 수 있다. 또한, 하류의 발전 단위 (102D) 의 압력 손실이 1 (㎪) 부근에서 연료 이용률의 저하율은 거의 일정해진다. 또, 도 16 에 나타내는 바와 같이, 하류의 연통 체적을 작게 함으로써, 하류의 발전 단위 (102D) 의 압력 손실을 크게 할 수 있다. 또한 도 17 에 나타내는 바와 같이, 하류의 연통 체적을 작게 함으로써, 연료 이용률의 저하율이 작아져 가는 것을 알 수 있다. 또, 하류의 연통 체적이 60 (㎣) 부근에서 연료 이용률의 저하율은 거의 일정해진다. 따라서, 상기 서술한 바와 같이, 각 하류의 발전 단위 (102D) 의 각각에 있어서의 하류의 연통 체적을, 어느 상류의 발전 단위 (102U) 에 있어서의 상류의 연통 체적보다 작게 함으로써, 연료 이용률의 저하율이 억제되기 때문에, 하류의 발전 단위 (102D) 에 있어서의 연료 부족을 억제할 수 있다. 구체적으로는, 하류의 연통 체적이 60 (㎣) 보다 큰 경우에는, 상기 서술한 바와 같이, 하류의 발전 단위 (102) 의 압력 손실이 작아지고, 연료 이용률의 저하율이 커진다. 그러나, 하류의 연통 체적이 60 (㎣) 이하인 경우에는, 하류의 연통 체적이 작을수록, 하류의 발전 단위 (102) 의 압력 손실이 커지지만 (도 16 참조), 하류의 연통 체적의 대소에 관계없이, 연료 이용률의 저하율은 거의 일정해진다 (도 17 참조). 이러한 점은, 복수의 발전 단위 (102D) 의 각각의 하류의 연통 체적이 60 (㎣) 이하인 경우, 복수의 발전 단위 (102D) 에 있어서의 연료 이용률이 대략 균일해지기 때문에, 일부의 하류의 발전 단위 (102D) 에 연료 부족이 생길 가능성이 낮은 것을 의미한다. 그래서, 본 실시형태에서는, 하류의 연통 체적은 60 (㎣) 이하인 것이 바람직하다. 또, 하류의 연통 체적은, 50 (㎣) 이하인 것이 보다 바람직하고, 40 (㎣) 이하인 것이 더욱 바람직하다. 이로써, 복수의 발전 단위 (102D) 에 있어서의 연료 이용률의 차가 억제됨으로써, 연료 전지 스택 (100) 전체적인 성능 저하를, 보다 확실하게 억제할 수 있다. 또한, 도 15 중의 「연료 이용률의 저하율 ΔUf (％)」 는, 복수의 하류의 발전 단위 (102D) 중에서, 가장 높은 연료 이용률의 발전 단위 (102D) 와 가장 낮은 연료 이용률의 발전 단위 (102D) 의 연료 이용률의 차이다.

또한, 상기 서술한 바와 같이, 하류의 각 발전 단위 (102D) 의 연료실 (176) 에는, 상류의 각 발전 단위 (102U) 로부터 배출된 연료 중간 가스 (FMG) 가, 연료 가스 중계 매니폴드 (172) 를 통해서 공급된다. 이 때문에, 하류의 각 발전 단위 (102D) 의 연료실 (176) 에 공급되는 연료 가스 (FG) 의 수소 농도는, 상류의 각 발전 단위 (102U) 의 연료실 (176) 에 공급되는 연료 가스 (FG) 의 수소 농도에 비해 낮다. 여기서, 만일, 하류의 각 발전 단위 (102D) 가 흡열 부재에 인접하도록 배치되었을 경우, 하류의 각 발전 단위 (102D) 에서는, 연료 가스 (FG) 의 수소 농도가 낮은 것에 더하여, 하류의 각 발전 단위 (102D) 의 온도가 저하됨으로써, 발전 반응이 잘 일어나지 않게 되어, 발전 성능이 저하될 우려가 있다.

이에 대해, 본 실시형태에서는, 하류의 발전 단위 (102D) 는, 상류의 발전 단위 (102U) 를 통해서 흡열 부재로부터 이간된 위치에 배치되어 있다. 이 때문에, 하류의 발전 단위 (102D) 가 흡열 부재에 인접하고 있는 경우에 비해, 흡열 부재의 흡열에 의한 하류의 발전 단위 (102D) 의 온도 저하가 억제됨으로써, 하류의 각 발전 단위 (102D) 의 발전 성능의 저하를 억제할 수 있다. 한편, 흡열 부재에 인접하는 상류의 발전 단위 (102U) 의 온도는, 흡열 부재의 흡열에 의해 저하된다. 그러나, 상류의 각 발전 단위 (102U) 에서는, 하류의 각 발전 단위 (102D) 에 비해, 연료실 (176) 에 공급되는 연료 가스 (FG) 의 수소 농도가 높기 때문에, 발전 반응이 많이 일어나, 발열량이 많다. 이 때문에, 상류의 각 발전 단위 (102U) 에서는, 하류의 각 발전 단위 (102D) 에 비해, 흡열 부재의 흡열이 발전 성능에 미치는 영향이 작다. 이상에 의해, 본 실시형태에 의하면, 제 1 발전 블록 (102G1) (연료 전지 스택 (100)) 전체적으로 발전 성능의 저하를 억제할 수 있다.

또한, 본 실시형태에서는, 하류의 발전 단위 (102D) 와 흡열 부재 사이에는 2 개의 상류의 발전 단위 (102U) 가 배치되어 있기 때문에, 하류의 발전 단위 (102D) 와 흡열 부재 사이에 2 개 미만의 상류의 발전 단위 (102U) 가 배치되었을 경우에 비해, 하류의 발전 단위 (102D) 의 발전 성능의 저하가 보다 확실하게 억제되고, 그 결과, 제 1 발전 블록 (102G1) (연료 전지 스택 (100)) 전체적으로 발전 성능의 저하를 효과적으로 억제할 수 있다.

B. 제 2 실시형태 :

도 18 은, 제 2 실시형태의 연료 전지 스택 (100B) 에 있어서의 발전 단위 (102) 와 열교환부 (103) 와 엔드 플레이트 (104, 106) 의 위치 관계를 나타내는 설명도이다. 도 18 에서는, 발전 단위 (102) 의 구성이 간략화되어 있음과 함께, 연료 가스 도입 매니폴드 (171), 연료 가스 중계 매니폴드 (172) 및 연료 가스 배출 매니폴드 (173) 가 점선으로 나타나 있다. 제 2 실시형태의 연료 전지 스택 (100B) 의 구성 중, 상기 서술한 제 1 실시형태의 연료 전지 스택 (100) 과 동일한 구성에 대해서는, 동일 부호를 부여함으로써, 그 설명을 생략한다.

도 18 에 나타내는 바와 같이, 연료 전지 스택 (100B) 은, 45 개의 발전 단위 (102) (102-1 ∼ 45) 와, 3 개의 열교환부 (103) (103-1 ∼ 3) 와, 1 쌍의 엔드 플레이트 (104, 106) 를 구비한다. 45 개의 발전 단위 (102) 는, 제 1 발전 블록 (102G1) 과, 제 2 발전 블록 (102G2) 과, 제 3 발전 블록 (102G3) 과, 제 4 발전 블록 (102G4) 을 포함한다.

(제 1 발전 블록 (102G1) 에 대해)

제 1 발전 블록 (102G1) 은, 엔드 플레이트 (106) 와 제 1 열교환부 (103-1) 사이에 배치되어 있다. 제 1 발전 블록 (102G1) 은, 상하 방향으로 서로 인접하도록 배치된 13 개의 발전 단위 (102) (102-1 ∼ 13) 를 가지고 있다. 13 개의 발전 단위 (102) 중, 아래에서부터 2 번째에서 11 번째까지의 10 개의 발전 단위 (102-2 ∼ 11) 가 하류의 발전 단위 (102D) 이다. 이하, 10 개의 하류의 발전 단위 (102D) 를, 「제 1 하류 발전 단위군 (102DG1)」 이라고 한다. 이 제 1 하류 발전 단위군 (102DG1) 과 엔드 플레이트 (106) 사이에 위치하는 1 개의 발전 단위 (102-1) 와, 제 1 하류 발전 단위군 (102DG1) 과 제 1 열교환부 (103-1) 사이에 위치하는 2 개의 발전 단위 (102-12, 13) 가 상류의 발전 단위 (102U) 이다. 즉, 제 1 하류 발전 단위군 (102DG1) 은, 1 개의 상류의 발전 단위 (102U) 를 통해서, 흡열 부재인 엔드 플레이트 (106) 로부터 이간되어 배치되어 있고, 또, 2 개의 상류의 발전 단위 (102U) 를 통해서, 흡열 부재인 제 1 열교환부 (103-1) 로부터 이간되어 배치되어 있다. 또한, 제 1 발전 블록 (102G1) 에 있어서의 각 하류의 발전 단위 (102D) 의 각각에 대해, 연료 가스 공급 연통공 (142D) 과 연료 가스 배출 연통공 (143D) 의 합계 체적 (하류의 연통 체적) 은, 상류의 발전 단위 (102U) 에 있어서의 연료 가스 공급 연통공 (142U) 과 연료 가스 배출 연통공 (143U) 의 합계 체적 (상류의 연통 체적) 보다 작다. 이 때문에, 복수의 발전 단위 (102D) 에 있어서의 연료 이용률의 차가 억제됨으로써, 연료 전지 스택 (100) 전체적인 성능 저하를, 보다 확실하게 억제할 수 있다. 또한, 하류의 발전 단위 (102D) 가 흡열 부재에 인접하고 있는 경우에 비해, 흡열 부재의 흡열에 의한 하류의 발전 단위 (102D) 의 온도 저하가 억제됨으로써, 하류의 각 발전 단위 (102D) 의 발전 성능의 저하를 억제할 수 있다.

여기서, 발전 단위 (102) 는, 연료 가스 배출 매니폴드 (173) 에 연통하는 배출공 (173A) 에 가까운 위치에 배치되어 있을수록, 당해 발전 단위 (102) 에 형성된 연료실 (176) 로부터 연료 가스 (FG) 가 배출되기 쉽고, 이에 수반하여, 연료실 (176) 에 연료 가스 (FG) 가 공급되기 쉬워진다. 본 실시형태에서는, 제 1 발전 블록 (102G1) 의 상하 방향의 중앙 위치 (발전 단위 (102-7) 의 위치) 와 제 1 발전 블록 (102G1) 의 하단 사이인 하측 영역에는, 5 개의 하류의 발전 단위 (102D) (102-2 ∼ 6) 가 배치되어 있다. 또, 제 1 발전 블록 (102G1) 의 상하 방향의 중앙 위치와 제 1 발전 블록 (102G1) 의 상단 사이인 상측 영역에는, 4 개의 하류의 발전 단위 (102D) (102-8 ∼ 11) 가 배치되어 있다. 즉, 연료 가스 배출 매니폴드 (173) 에 있어서, 배출공 (173A) 에 가까운 하측 영역에 배치된 하류의 발전 단위 (102D) 의 수 (이하, 「배출공측 발전 단위수」 라고 한다) 가, 배출공 (173A) 으로부터 먼 상측 영역에 배치된 하류의 발전 단위 (102D) 의 수 (이하, 「반대측 발전 단위수」 라고 한다) 보다 많다. 이로써, 배출공측 발전 단위수가 반대측 발전 단위수보다 적은 경우에 비해, 연료 부족이 억제됨으로써, 연료 전지 스택 (100B) 전체적인 성능 저하를, 보다 확실하게 억제할 수 있다.

(제 2 발전 블록 (102G2) 에 대해)

제 2 발전 블록 (102G2) 은, 제 1 열교환부 (103-1) 와 제 2 열교환부 (103-2) 사이에 배치되어 있다. 제 2 발전 블록 (102G2) 은, 상하 방향으로 서로 인접하도록 배치된 10 개의 발전 단위 (102) (102-14 ∼ 23) 를 가지고 있다. 10 개의 발전 단위 (102) 중, 아래에서부터 3 번째에서 8 번째까지의 6 개의 발전 단위 (102-16 ∼ 21) 가 하류의 발전 단위 (102D) 이다. 이하, 6 개의 하류의 발전 단위 (102D) 를, 「제 2 하류 발전 단위군 (102DG2)」 이라고 한다. 이 제 2 하류 발전 단위군 (102DG2) 과 제 1 열교환부 (103-1) 사이에 위치하는 2 개의 발전 단위 (102-14, 15) 와, 제 2 하류 발전 단위군 (102DG2) 과 제 2 열교환부 (103-2) 사이에 위치하는 2 개의 발전 단위 (102-22, 23) 가 상류의 발전 단위 (102U) 이다. 즉, 제 2 하류 발전 단위군 (102DG2) 은, 2 개의 상류의 발전 단위 (102U) 를 통해서, 흡열 부재인 제 1 열교환부 (103-1) 및 제 2 열교환부 (103-2) 의 각각으로부터 이간되어 배치되어 있다. 또, 제 2 발전 블록 (102G2) 에 있어서의 각 하류의 발전 단위 (102D) 의 각각에 대해, 하류의 연통 체적은, 상류의 연통 체적보다 작다. 이 때문에, 제 2 발전 블록 (102G2) 에 있어서도, 복수의 발전 단위 (102D) 에 있어서의 연료 이용률의 차가 억제됨으로써, 연료 전지 스택 (100) 전체적인 성능 저하를, 보다 확실하게 억제할 수 있다. 또한, 하류의 발전 단위 (102D) 가 흡열 부재에 인접하고 있는 경우에 비해, 흡열 부재의 흡열에 의한 하류의 발전 단위 (102D) 의 온도 저하가 억제됨으로써, 하류의 각 발전 단위 (102D) 의 발전 성능의 저하를 억제할 수 있다.

(제 3 발전 블록 (102G3) 에 대해)

제 3 발전 블록 (102G3) 은, 제 2 열교환부 (103-2) 와 제 3 열교환부 (103-3) 사이에 배치되어 있다. 제 3 발전 블록 (102G3) 은, 상하 방향으로 서로 인접하도록 배치된 11 개의 발전 단위 (102) (102-24 ∼ 34) 를 가지고 있다. 11 개의 발전 단위 (102) 모두가 상류의 발전 단위 (102U) 이다.

(제 4 발전 블록 (102G4) 에 대해)

제 4 발전 블록 (102G4) 은, 제 3 열교환부 (103-3) 와 엔드 플레이트 (104) 사이에 배치되어 있다. 제 4 발전 블록 (102G4) 은, 상하 방향으로 서로 인접하도록 배치된 11 개의 발전 단위 (102) (102-35 ∼ 45) 를 가지고 있다. 11 개의 발전 단위 (102) 모두가 상류의 발전 단위 (102U) 이다.

(제 1 하류 발전 단위군 (102DG1) 과 제 2 하류 발전 단위군 (102DG2) 에 대해)

제 1 하류 발전 단위군 (102DG1) 에 포함되는 발전 단위 (102D) 의 수는 10 개이고, 제 2 하류 발전 단위군 (102DG2) 에 포함되는 발전 단위 (102D) 의 수는 6 개이다. 또, 제 1 하류 발전 단위군 (102DG1) 은, 제 2 하류 발전 단위군 (102DG2) 보다 연료 가스 배출 매니폴드 (173) 에 있어서 배출공 (173A) 에 가까운 위치에 배치되어 있다. 즉, 제 1 하류 발전 단위군 (102DG1) 은, 제 2 하류 발전 단위군 (102DG2) 에 비해, 포함되는 발전 단위 (102D) 의 수가 많고, 또한 배출공 (173A) 에 가까운 위치에 배치되어 있다. 이로써, 제 1 하류 발전 단위군 (102DG1) 을, 제 2 하류 발전 단위군 (102DG2) 보다 배출공 (173A) 으로부터 먼 위치에 배치했을 경우에 비해, 연료 부족이 억제됨으로써, 연료 전지 스택 (100B) 전체적인 성능 저하를, 보다 확실하게 억제할 수 있다. 또한, 제 1 하류 발전 단위군 (102DG1) 은, 특허청구의 범위에 있어서의 제 2 전기 화학 반응 단위군에 상당하고, 제 2 하류 발전 단위군 (102DG2) 은, 특허청구의 범위에 있어서의 제 1 전기 화학 반응 단위군에 상당한다.

C. 변형예 :

본 명세서에서 개시되는 기술은, 상기 서술한 실시형태에 한정되는 것은 아니며, 그 요지를 일탈하지 않는 범위에 있어서 여러 가지 형태로 변형할 수 있고, 예를 들어 다음과 같은 변형도 가능하다.

상기 제 1 실시형태에 있어서, 하류의 발전 단위 (102D) 와 흡열 부재 사이에, 1 개 또는 3 개 이상의 상류의 발전 단위 (102U) 가 배치되어 있는 것으로 해도 된다. 또, 열교환부 (103) 는, 엔드 플레이트 (104, 106) 에 비해 흡열 능력이 높다 (흡열량이 많다). 그래서, 열교환부 (103) 와 하류의 발전 단위 (102D) 사이에 배치되는 상류의 발전 단위 (102U) 의 수를, 엔드 플레이트 (104, 106) 와 하류의 발전 단위 (102D) 사이에 배치되는 상류의 발전 단위 (102U) 의 수보다 많게 해도 된다. 요컨데, 제 1 흡열 능력을 갖는 흡열 부재와 하류의 발전 단위 (102D) 사이에 배치되는 상류의 발전 단위 (102U) 의 수는, 상기 제 1 흡열 능력보다 낮은 제 2 흡열 능력을 갖는 흡열 부재와 하류의 발전 단위 (102D) 사이에 배치되는 상류의 발전 단위 (102U) 의 수보다 많아도 된다. 이와 같은 구성이면, 흡열 부재의 흡열 능력에 따른 적절한 수의 상류의 발전 단위 (102U) 를 배치함으로써, 흡열 부재의 흡열에 의한 하류의 발전 단위 (102D) 의 온도 저하를 효과적으로 억제할 수 있다. 또한, 상기 각 실시형태에 있어서, 하류의 발전 단위 (102D) 와 흡열 부재 사이에, 상류의 발전 단위 (102U) 가 배치되어 있지 않은 것으로 해도 된다.

흡열 부재는, 열교환부 (103) 나 엔드 플레이트 (104, 106) 에 한정되지 않고, 예를 들어 터미널 플레이트 등이어도 된다. 요컨데, 흡열 부재는, 전기 화학 반응 단위에 근접해서 배치되어 있고, 전기 화학 반응 셀 스택의 동작 중에 있어서, 전기 화학 반응 단위가 발한 열을 흡수하는 부재이면 된다.

상기 실시형태에서는, 전기 화학 반응 셀 스택이 복수의 전기 화학 반응 블록을 포함하는 경우, 적어도 1 개의 전기 화학 반응 블록에 대해 본 발명을 적용하면 되고, 반드시 모든 전기 화학 반응 블록에 대해 본 발명을 적용해야 하는 것은 아니다. 2 개 이상의 하류의 전기 화학 반응 단위의 각각에 대해, 하류의 도입 연통로와 하류의 배출 연통로의 합계 체적은, 1 개 이상의 각 상류의 전기 화학 반응 단위에 있어서의 상기 상류의 도입 연통로와 상기 상류의 배출 연통로의 합계 체적보다 작으면 된다.

또, 상기 실시형태에 있어서, 제 1 하류 발전 단위군 (102DG1) 과 제 2 하류 발전 단위군 (102DG2) 은, 열교환부 (103) 를 통해서 이간되어 있는 것으로 했지만, 이것에 한정되지 않고, 제 1 하류 발전 단위군 (102DG1) 과 제 2 하류 발전 단위군 (102DG2) 은, 열교환부 (103) 등의 흡열 부재와는 상이한 부재에 의해 이간되어 있는 것으로 해도 된다.

제 1 실시형태에 있어서, 하류의 연통 체적은 상류의 연통 체적보다 작게 설정하면, 하류의 연통 체적은 60 (㎣) 보다 커도 된다.

또, 상기 실시형태에 있어서, 연료 전지 스택 (100) 에 포함되는 발전 단위 (102) 의 개수는 어디까지나 일례이고, 발전 단위 (102) 의 개수는 연료 전지 스택 (100) 에 요구되는 출력 전압 등에 따라 적절히 정해진다. 또, 상류의 발전 단위 (102U) 의 개수나 하류의 발전 단위 (102D) 의 개수도 어디까지나 일례이다. 단, 하류의 발전 단위 (102D) 에서는, 상류의 발전 단위 (102U) 에 비해, 연료실 (176) 에 공급되는 가스 (연료 가스 (FG), 연료 중간 가스 (FMG)) 의 수소 농도가 낮다. 따라서, 하류의 발전 단위 (102D) 에서의 가스의 공급 부족을 억제하기 위해, 하류의 발전 단위 (102D) 의 개수는, 상류의 발전 단위 (102U) 의 개수보다 적은 것이 바람직하다.

상기 실시형태에 있어서, 연료 전지 스택 (100) 의 체결에 사용되는 볼트 (22) 의 개수는 어디까지나 일례이고, 볼트 (22) 의 개수는 연료 전지 스택 (100) 에 요구되는 체결력 등에 따라 적절히 정해진다.

또, 상기 실시형태에서는, 볼트 (22) 의 양측에 너트 (24) 가 끼워져 있는 것으로 하고 있지만, 볼트 (22) 가 헤드부를 갖고, 너트 (24) 는 볼트 (22) 의 헤드부의 반대측에만 끼워져 있는 것으로 해도 된다.

또, 상기 실시형태에서는, 엔드 플레이트 (104, 106) 가 출력 단자로서 기능하는 것으로 하고 있지만, 엔드 플레이트 (104, 106) 대신에, 엔드 플레이트 (104, 106) 의 각각과 접속된 다른 부재 (예를 들어, 엔드 플레이트 (104, 106) 의 각각과 발전 단위 (102) 사이에 배치된 도전판) 가 출력 단자로서 기능하는 것으로 해도 된다.

또, 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 공유되는 것으로 하고 있지만, 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 있지만, 이들 인터커넥터 (150) 를 생략하지 않고 형성해도 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 아니라 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 예시이고, 각 부재가 다른 재료에 의해 형성되어도 된다.

또, 상기 실시형태에 있어서, 도시 가스를 개질하여 수소 리치한 연료 가스 (FG) 를 얻는 것으로 하고 있지만, LP 가스나 등유, 메탄올, 가솔린 등의 다른 원료로부터 연료 가스 (FG) 를 얻는 것으로 해도 되고, 연료 가스 (FG) 로서 순수소를 이용해도 된다.

본 명세서에 있어서, 부재 (또는 부재의 어느 부분, 이하 동일) A 를 사이에 두고 부재 B 와 부재 C 가 서로 대향하는이란, 부재 A 와 부재 B 또는 부재 C 가 인접하는 형태에 한정되지 않고, 부재 A 와 부재 B 또는 부재 C 사이에 다른 구성 요소가 개재되는 형태를 포함한다. 예를 들어, 전해질층 (112) 과 공기극 (114) 사이에 다른 층이 형성된 구성이어도 되고, 공기극 (114) 과 연료극 (116) 은 전해질층 (112) 을 사이에 두고 서로 대향한다고 할 수 있다.

또, 상기 실시형태에서는, 연료 전지 스택 (100) 은 복수의 평판형의 발전 단위 (102) 가 적층된 구성이지만, 본 발명은, 다른 구성, 예를 들어 일본 공개특허공보 2008-59797호에 기재되어 있는 바와 같이, 복수의 대략 원통형의 연료 전지 단셀이 직렬로 접속된 구성에도 동일하게 적용할 수 있다.

또, 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 적용할 수 있다. 또한, 전해 셀 스택의 구성은, 예를 들어 일본 공개특허공보 2016-81813호에 기재되어 있는 바와 같이 공지되어 있기 때문에 여기서는 상세히 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 스택이라고 바꾸어 읽고, 발전 단위 (102) 를 전해 셀 단위로 바꾸면 읽으면 된다. 단, 전해 셀 스택의 운전시에는, 공기극 (114) 이 플러스 (양극) 이고 연료극 (116) 이 마이너스 (음극) 가 되도록 양 전극간에 전압이 인가됨과 함께, 연통공 (108) 을 통해서 원료 가스로서의 수증기가 공급된다. 이로써, 각 전해 셀 단위에 있어서 물의 전기 분해 반응이 일어나, 연료실 (176) 에서 수소 가스가 발생하고, 연통공 (108) 을 통해서 전해 셀 스택의 외부로 수소가 취출된다. 이와 같은 구성의 전해 셀 스택에 있어서도, 본 발명을 적용함으로써 상기 서술한 효과를 얻을 수 있다.

22 : 볼트
24 : 너트
26 : 절연 시트
27 : 가스 통로 부재
28 : 본체부
29 : 분기부
100, 100A, 100B : 연료 전지 스택
102 : 발전 단위
102D : 하류의 발전 단위
102DG1 : 제 1 하류 발전 단위군
102DG2 : 제 2 하류 발전 단위군
102G1 : 제 1 발전 블록
102G2 : 제 2 발전 블록
102G3 : 제 3 발전 블록
102G4 : 제 4 발전 블록
102G : 발전 블록
102U : 상류의 발전 단위
103 : 열교환부
104, 106 : 엔드 플레이트
108 : 연통공
110 : 단셀
112 : 전해질층
114 : 공기극
116 : 연료극
120 : 세퍼레이터
121 : 구멍
124 : 접합부
130 : 공기극측 프레임
131 : 구멍
132 : 산화제 가스 공급 연통공
133 : 산화제 가스 배출 연통공
134 : 공기극측 집전체
140 : 연료극측 프레임
141 : 구멍
142 : 연료 가스 공급 연통공
142D : 연료 가스 공급 연통공
142U : 연료 가스 공급 연통공
143 : 연료 가스 배출 연통공
143D : 연료 가스 배출 연통공
143U : 연료 가스 배출 연통공
144 : 연료극측 집전체
145 : 전극 대향부
146 : 인터커넥터 대향부
147 : 연접부
149 : 스페이서
150 : 인터커넥터
161 : 산화제 가스 도입 매니폴드
162 : 산화제 가스 배출 매니폴드
163 : 산화제 가스 공급 매니폴드
166 : 공기실
171 : 연료 가스 도입 매니폴드
172 : 연료 가스 중계 매니폴드
173 : 연료 가스 배출 매니폴드
173A : 배출공
176 : 연료실
182 : 구멍
184 : 연통공
186 : 연통공
188 : 열교환 유로
FG : 연료 가스
FMG : 연료 중간 가스
FOG : 연료 오프 가스
OG : 산화제 가스
OOG : 산화제 오프 가스

Claims

전해질층과 상기 전해질층을 사이에 두고 제 1 방향으로 서로 대향하는 공기극 및 연료극을 각각 포함하고, 상기 연료극에 면하는 연료실이 형성된 전기 화학 반응 단위가 상기 제 1 방향으로 3 개 이상 나열하여 배치된 전기 화학 반응 블록을 구비하는 전기 화학 반응 셀 스택에 있어서,
3 개 이상의 상기 전기 화학 반응 단위는, 1 개 이상의 상류의 전기 화학 반응 단위와, 2 개 이상의 하류의 전기 화학 반응 단위를 포함하고 있고,
상기 전기 화학 반응 블록에는, 상기 전기 화학 반응 블록의 외부에서 내부로 연료 가스를 도입하는 도입 가스 유로와, 상기 전기 화학 반응 블록의 내부에서 외부로 연료 가스를 배출하는 배출 가스 유로와, 중계 가스 유로가 형성되어 있고,
상기 상류의 전기 화학 반응 단위에는, 당해 상류의 전기 화학 반응 단위에 형성된 상류의 상기 연료실과 상기 도입 가스 유로를 연통하는 상류의 도입 연통로와, 상기 상류의 연료실과 상기 중계 가스 유로를 연통하는 상류의 배출 연통로가 형성되어 있고,
상기 하류의 전기 화학 반응 단위에는, 당해 하류의 전기 화학 반응 단위에 형성된 하류의 상기 연료실과 상기 중계 가스 유로를 연통하는 하류의 도입 연통로와, 상기 하류의 연료실과 상기 배출 가스 유로를 연통하는 하류의 배출 연통로가 형성되어 있고,
2 개 이상의 상기 하류의 전기 화학 반응 단위의 각각에 대해, 상기 하류의 도입 연통로와 상기 하류의 배출 연통로의 합계 체적은, 상기 상류의 도입 연통로와 상기 상류의 배출 연통로의 합계 체적보다 작은 것을 특징으로 하는, 전기 화학 반응 셀 스택.
제 1 항에 있어서,
상기 하류의 도입 연통로와 상기 하류의 배출 연통로의 합계 체적은 60 (㎣) 이하인 것을 특징으로 하는, 전기 화학 반응 셀 스택.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 전기 화학 반응 블록의 상기 제 1 방향의 일방측의 단측에 상기 배출 가스 유로에 연통하는 배출공이 형성되어 있고,
상기 전기 화학 반응 블록의 상기 제 1 방향의 중심 위치와 상기 일방측의 단 사이인 일방 영역에 배치된 상기 하류의 전기 화학 반응 단위의 수는, 상기 전기 화학 반응 블록의 상기 중심 위치와 상기 제 1 방향의 타방측의 단 사이인 타방 영역에 배치된 상기 하류의 전기 화학 반응 단위의 수보다 많은 것을 특징으로 하는, 전기 화학 반응 셀 스택.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전기 화학 반응 블록의 상기 제 1 방향의 일방측의 단측에 상기 배출 가스 유로에 연통하는 배출공이 형성되어 있고,
2 개 이상의 상기 하류의 전기 화학 반응 단위는, 상기 제 1 방향으로 서로 연속해서 나열하여 배치된 복수의 상기 하류의 전기 화학 반응 단위인 제 1 전기 화학 반응 단위군과, 상기 제 1 전기 화학 반응 단위군과는 상기 제 1 방향으로 이간되어 있고, 상기 제 1 방향으로 서로 연속해서 나열하여 배치되고, 상기 제 1 전기 화학 반응 단위군보다 많은 복수의 상기 하류의 전기 화학 반응 단위인 제 2 전기 화학 반응 단위군을 포함하고,
상기 제 2 전기 화학 반응 단위군은, 상기 제 1 전기 화학 반응 단위군보다 상기 전기 화학 반응 블록의 상기 일방측에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는, 전기 화학 반응 셀 스택.