KR20200136952A - 전기 화학 모듈, 전기 화학 모듈의 조립 방법, 전기 화학 장치 및 에너지 시스템 - Google Patents

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노리히사 신케
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오사까 가스 가부시키가이샤
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Abstract

적층체가 팽창한 경우에도, 적층체를 적절하게 체결하는 것이 가능한 소형이면서 경량의 전기 화학 모듈 등을 제공하는 것을 목적으로 한다. 전기 화학 모듈(M)은, 전해질층과, 전해질층의 양측에 각각 배치되어 있는 제1 전극 및 제2 전극이, 기판을 따라 형성되어 있는 복수의 전기 화학 소자가 소정의 적층 방향으로 적층되어 있는 전기 화학 소자 적층체(S)와, 전기 화학 소자 적층체(S)의 제1 평면 및 제2 평면 중 적어도 한쪽을 따라 배치되어 있는, 탄성을 가지는 평판형 부재(220)와, 적층 방향에 있어서, 제1 평면에 따른 제1 협지체(230T), 및 제2 평면에 따른 제2 협지체(230B)를 포함하고, 평판형 부재(220)를 통하여 전기 화학 소자 적층체(S)를 협지하는 협지체(230)를 구비한다.

Description

전기 화학 모듈, 전기 화학 모듈의 조립 방법, 전기 화학 장치 및 에너지 시스템
본 발명은, 전기 화학 모듈, 전기 화학 모듈의 조립 방법, 전기 화학 장치 및 에너지 시스템에 관한 것이다.
특허문헌 1, 2의 연료전지 스택에 있어서는, 복수의 발전 셀이 적층됨으로써 적층체가 구성되어 있다. 이 적층체는, 그 적층 방향의 양단에 배치된 한 쌍의 직사각형상의 엔드 플레이트(end plate)에 의해 협지되어 있다. 한 쌍의 엔드 플레이트 사이에는, 한 쌍의 엔드 플레이트 둘레의 4개소를 지지하는, 적층체의 적층 방향으로 연장되는 연결 바가 배치되어 있다. 그리고, 연결 바의 양 단부는, 한 쌍의 엔드 플레이트 각각 볼트로 고정되어 있다. 따라서, 한 쌍의 엔드 플레이트는, 그 주위 중 4개소의 연결 바가 고정된 부분에 의해 지지 고정되어 있고, 한 쌍의 엔드 플레이트 사이에 협지된 적층체를 체결하고 있다. 이로써, 적층체에 적층 방향의 체결 압력을 부여하고, 내부 저항의 증대를 억제하고, 및 반응 가스의 실링성의 저하를 억제하고, 복수의 발전 셀을 일체의 적층체에 구성하고 있다.
일본공개특허 제2015-153679호 공보 일본공개특허 제2016-62852호 공보
특허문헌 1, 2의 연료전지 스택은, 발전 시에 고온이 됨으로써, 복수의 발전 셀이 적층된 적층체가 예를 들면, 적층 방향으로 팽창한다. 또한, 한 쌍의 엔드 플레이트끼리는, 연결 바에 의해 적층체를 적층 방향으로 체결하여 협지하고 있지만, 연결 바도 또한 발전 시의 고온에 의해 적층 방향으로 팽창한다.
이 때문에, 적층체와 엔드 플레이트 사이의 간격이 커지고, 적층체의 체결 압력이 불충분하게 되고, 적층체의 내부 저항의 증대 및 반응 가스의 실링성의 저하를 초래하는 경우가 있다.
이에, 적층체를 협지하고 있는 한 쌍의 엔드 플레이트를 두껍게 하여, 적층체의 팽창을 두꺼운 엔드 플레이트로 받아들이는 구성을 채용하고 있다. 또한, 한 쌍의 두꺼운 엔드 플레이트의 주변 중 4구석의 부분을, 연결 바로 지지하고 또한, 팽창에 의한 변화를 스프링을 이용한 대형의 체결 볼트로 받아들이고 있다.
그러나, 상기한 구성에서는, 한 쌍의 엔드 플레이트가 두꺼우며 또한, 두꺼운 엔드 플레이트를 체결하는 스프링을 이용한 대형의 체결 볼트를 사용하여 연료전지 스택이 형성되어 있다. 따라서, 연료전지 스택의 대형화 및 중량화 등을 피할 수 없다.
이에, 본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것이며, 적층체가 팽창한 경우에도, 적층체를 적절하게 체결하는 것이 가능한 소형이면서 경량의 전기 화학 모듈 및 전기 화학 모듈의 조립 방법 등을 제공하는 것을 목적으로 한다.
[구성]
본 발명에 따른 전기 화학 모듈의 특징적 구성은,
전해질층과, 상기 전해질층의 양측에 각각 배치되어 있는 제1 전극 및 제2 전극이, 기판을 따라 형성되어 있는 복수의 전기 화학 소자가 소정의 적층 방향으로 적층되어 있는 적층체와,
상기 적층 방향에서의 상기 적층체의 제1 평면, 및 상기 제1 평면과는 반대의 제2 평면 중 적어도 한쪽을 따라 배치되어 있는, 탄성을 가지는 평판형 부재와,
상기 적층 방향에 있어서, 상기 제1 평면을 따라 배치되어 있는 평판형의 제1 협지체, 및 상기 제2 평면을 따라 배치되어 있는 평판형의 제2 협지체를 포함하고, 상기 평판형 부재를 통하여 상기 적층체를 협지하는 협지체
를 구비하는 점에 있다.
본 특징적 구성에 의하면, 적층체의 적층 방향의 제1 평면과 제1 협지체 사이, 및 제1 평면과는 반대의 제2 평면과 제2 협지체 사이 중 적어도 한쪽에는, 적층체의 평면 및 협지체의 평면을 따라 평판형 부재가 배치되어 있다. 즉, 적층체 중 적어도 한쪽의 평면 측에 있어서는, 탄성을 가지는 평판형 부재가 적층체의 평면 및 협지체의 평면을 따라 배치되어 있다.
여기서, 적층체 및 협지체 중 적어도 어느 하나가 팽창한 경우, 적층체와 협지체 사이의 간격은, 적층체 등의 팽창 전후에서 변동할 가능성이 있다. 평판형 부재는 탄성력을 가지고 있으므로, 적층체와 협지체 사이의 간격이 변동한 경우에서도, 그 탄성력에 의해 한 쌍의 협지체 사이에 적층체를 탄성 협지한다.
보다 구체적으로는, 적층체 및 협지체 중 적어도 어느 하나의 팽창에 의해 적층체와 협지체 사이의 간격이 변동하면, 이 간격의 변동에 기인하여 평판형 부재에 부하되는 압압력(押壓力)도 또한 변동한다. 이 변동한 압압력은, 평판형 부재에 의해, 적층체의 평면 및 협지체의 평면의 대략 전체를 따라 대략 균일하게 분산된 접촉 개소에서 탄력적으로 받아들여진다.
따라서, 적층체 등의 팽창에 의해 적층체 및 협지체 등의 간격이 변동해도, 평판형 부재에 의해, 적층 방향의 적절한 체결 압력을 적층체의 평면을 따라 대략 균일하게 부여할 수 있다.
이와 같이, 적층체의 제1 평면 및 제2 평면 중 적어도 한쪽과, 협지체의 평면과의 사이에, 적층체 및 협지체의 평면을 따라 평판형 부재를 배치하는 간단한 구성으로, 적층체 등의 팽창을 고려한 전기 화학 모듈을 구성할 수 있다. 따라서, 적층체 등이 팽창한 경우에도, 적층체 등을 적절하게 체결하는 것이 가능한 소형이면서 경량의 전기 화학 모듈을 제공할 수 있다.
그리고, 전해질층의 양측에 제1 전극 및 제2 전극이 각각 배치되어 있는 구성에는, 제1 전극이 전해질층에 접촉하여 배치되어 있는 경우와, 제1 전극이 개재층(介在層)을 통하여 전해질층에 면하여 배치되어 있는 경우의 어느 하나의 구성을 포함한다. 제2 전극과 전해질층과의 관계도 동일하다. 개재층으로서는, 예를 들면, 반응방지층 및 중간층 등이 포함된다.
[구성]
본 발명에 따른 전기 화학 모듈의 더 한층의 특징적 구성은, 상기 평판형 부재는, 열에 의해 팽창하는 열팽창 부재인 점에 있다.
예를 들면, 적층체 및 협지체 등은, 전기 화학 소자가 발전하지 않고 있는 저온(예를 들면, 실온에서 약 20℃ 등)의 상태로부터, 발전 시의 고온(예를 들면, 약 650℃∼약 950℃ 등)의 상태가 되면 팽창한다. 이 때, 적층체의 열팽창과 협지체의 열팽창 사이에 열팽창차가 생기면, 적층체와 협지체 사이의 간격이 발전 시(고온 시)와 발전하지 않고 있을 시(저온 시)가 상이하다.
본 특징적 구성에 의하면, 평판형 부재는 열팽창 부재이므로, 평판형 부재도 또한, 전기 화학 소자가 발전 시에 고온이 되므로, 열팽창한다. 따라서, 열팽창에 의해 적층체와 협지체 사이의 간격이 변동한 경우에서도, 평판형 부재는, 평판형 부재 자체의 열팽창에 의한 탄성력의 변동을 이용하여, 협지체를 압압면으로 하여 적층체에 적절한 체결 압력을 부하한다.
즉, 열팽창에 의한 적층체와 협지체 사이의 간격의 변동을, 평판형 부재의 열팽창에 의한 변동에 의해 보완함으로써, 전술한 간격이 변동한 후라도, 적절한 체결 압력을 적층체에 부하한다.
그리고, 평판형 부재는, 적층체의 평면 및 협지체의 평면을 따라 배치되어 있으므로, 전술한 간격이 변동한 후라도, 적절한 체결 압력을 적층체의 평면을 따라 거의 균일하게 부여한다. 따라서, 전기 화학 모듈에 있어서, 내부 저항의 증대를 억제하고, 및 반응 가스의 실링성의 저하를 억제할 수 있다.
[구성]
본 발명에 따른 전기 화학 모듈의 더 한층의 특징적 구성은, 상기 평판형 부재와, 상기 적층체의 평면 및 상기 협지체의 평면 중 적어도 한쪽이, 분산된 복수 개소에서 접촉하고 있는 점에 있다.
본 특징적 구성에 의하면, 평판형 부재는, 적층체의 평면과 협지체의 평면 사이에 이들 평면을 따라 배치되어 있다. 그리고, 평판형 부재와, 적층체의 평면 및 협지체의 평면 중 적어도 한쪽이, 분산된 복수 개소에 있어서 접촉하고 있다.
여기서, 적층체 및 협지체 중 적어도 어느 한쪽의 팽창에 의해 적층체와 협지체 사이의 간격이 변동하면, 이 간격의 변동에 기인하여 평판형 부재에 부하되는 압압력도 또한 변동한다. 이 변동한 압압력은, 평판형 부재를 통하여, 적층체의 평면 및 협지체의 평면의 대략 전체를 따라 대략 균일하게 분산된 상태로 탄력적으로 받아들여진다. 이는, 평판형 부재가, 적층체의 평면 및 협지체의 평면 중 적어도 한쪽과, 분산된 복수 개소에서 접촉하고 있기 때문이다. 또한, 평판형 부재가 열변동하는 경우에는, 적층체와 협지체 사이의 간격의 변동을, 평판형 부재의 열변동에 의해 전술한 복수 개소에 있어서 받아들인다.
따라서, 적층체 등의 팽창에 의해 적층체 및 협지체 등의 간격이 변동해도, 평판형 부재에 의해, 적층 방향의 적절한 체결 압력을 적층체의 평면을 따라 대략 균일하게 부여할 수 있다. 이로써, 전기 화학 모듈에 있어서, 내부 저항의 증대를 억제하고, 및 반응 가스의 실링성의 저하를 억제할 수 있는 동시에, 소형화 및 경량화를 달성할 수 있다.
[구성]
본 발명에 따른 전기 화학 모듈의 더 한층의 특징적 구성은,
상기 평판형 부재는, 상기 전기 화학 소자가 발전하고 있을 때와, 상기 전기 화학 소자가 발전하지 않고 있을 때에 있어서의, 상기 적층체 및 상기 협지체 사이의 열팽창차를, 그 탄성력에 의해 받아들이는 점에 있다.
예를 들면, 적층체 및 협지체 등은, 전기 화학 소자가 발전하지 않고 있는 저온(예를 들면, 실온에서 약 20℃ 등)의 상태로부터, 발전 시의 고온(예를 들면, 약 650℃∼약 950℃ 등)의 상태가 되면 팽창한다. 이 때, 적층체의 열팽창과 협지체의 열팽창 사이에 열팽창차가 생기면, 적층체와 협지체 사이의 간격이 발전 시(고온 시)와 발전하지 않고 있을 시(저온 시)가 상이하다.
본 특징적 구성에 의하면, 평판형 부재는, 그 탄성력을 이용하여, 열팽창에 의한 적층체와 협지체 사이의 간격의 변동을 보완한다.
예를 들면, 평판형 부재가 열팽창 부재일 경우에는, 평판형 부재는, 열팽창에 의한 적층체와 협지체 사이의 간격의 변동을, 평판형 부재 자체의 열팽창에 의해 보완한다.
또한, 예를 들면, 평판형 부재의 열팽창율이 작은 경우라도, 적층체, 평판형 부재 및 협지체 등을 큰 체결 압력에 의해 조립해 둔다. 이 경우에, 평판형 부재에는 큰 반발력이 생기고 있다. 따라서, 적층체와 협지체 사이의 간격이 벌어져도, 평판형 부재의 반발력은 어느 정도 잔존하고 있어, 전술한 간격의 벌어짐을 보완한다.
이로써, 평판형 부재는, 전술한 간격이 변동한 후라도 적절한 체결 압력을, 적층체의 평면을 따라 대략 균일하게 부하한다. 따라서, 전기 화학 모듈에 있어서, 내부 저항의 증대를 억제하고, 및 반응 가스의 실링성의 저하를 억제할 수 있다.
[구성]
본 발명에 따른 전기 화학 모듈의 더 한층의 특징적 구성은,
상기 전기 화학 소자가 발전하지 않고 있을 때 상기 평판형 부재가 상기 적층체에 주는 체결 압력을, 상기 전기 화학 소자가 발전하고 있을 때 필요하게 되는 상기 평판형 부재가 상기 적층체에 주는 체결 압력을 확보할 수 있는 정도로 미리 부여해 두는 점에 있다.
전기 화학 소자가 발전하지 않고 있는 저온 시로부터, 전기 화학 소자가 발전하고 있는 고온 시로 변화하면, 적층체 및 협지체 등이 팽창하여, 적층체와 협지체 사이의 간격이 변동한다.
본 특징적 구성에 의하면, 평판형 부재는, 전기 화학 소자가 발전하지 않고 있는 저온 시에는, 발전하고 있는 고온 시에 대하여 동일 정도 이상의 체결 압력을 적층체에 부하하도록 조립되어 있다. 따라서, 열팽창에 의해 적층체와 협지체 사이의 간격에 변동이 생긴 경우라도, 평판형 부재는, 적절한 체결 압력을 적층체의 평면을 따라 대략 균일하게 부하한다. 따라서, 내부 저항의 증대를 억제하고, 및 반응 가스의 실링성의 저하를 억제할 수 있다.
[구성]
본 발명에 따른 전기 화학 모듈의 더 한층의 특징적 구성은, 상기 평판형 부재의 열팽창율은, 상기 협지체를 구성하는 부재의 열팽창율보다 큰 점에 있다.
예를 들면, 평판형 부재의 열팽창량이 협지체의 열팽창량보다 작은 경우에는, 열팽창에 의해 적층체와 협지체 사이의 간격이 커지면, 평판형 부재는, 그 팽창을 이용해도 적층체에 적절한 체결 압력을 부여할 수 없는 경우가 있다.
본 특징적 구성에 의하면, 평판형 부재의 열팽창율은 협지체보다 크다. 이 때문에, 특히 협지체의 팽창에 의해 확대한 적층체와 협지체 사이의 간격을, 평판형 부재의 열팽창에 의해 보완할 수 있다. 즉, 열팽창에 의해 적층체와 협지체 사이의 간격이 크게 벌어지는 방향으로 변동한 경우에서도, 보다 크게 열팽창하는 평판형 부재에 의해, 적절한 체결 압력을 적층체에 부하할 수 있다.
[구성]
본 발명에 따른 전기 화학 모듈의 더 한층의 특징적 구성은, 상기 협지체는, 페라이트계 스테인레스, 마르텐사이트계 스테인레스, 또는 이들과 세라믹스와의 복합체로 형성되어 있는 점에 있다.
본 특징적 구성에 의하면, 협지체에 사용되는 상기한 재료는, 비교적 열팽창율이 작다. 따라서, 상기한 재료에 의해 협지체를 형성함으로써, 예를 들면, 발전 시에 고온이 된 경우에, 협지체의 열팽창량을 작게 억제할 수 있다. 이로써, 열팽창에 의한 적층체와 협지체 사이의 간격의 벌어짐을 작게 억제할 수 있다. 따라서, 평판형 부재의 열팽창율이 비교적 크지 않은 경우라도, 전술한 간격이 변동한 후에 적절한 체결 압력을 적층체에 부하할 수 있다.
또한, 협지체의 열팽창량이 작으므로, 협지체의 팽창에 의해 전기 화학 소자의 기판 등의 위치 어긋남 및 파손 등을 억제할 수 있다.
[구성]
본 발명에 따른 전기 화학 모듈의 더 한층의 특징적 구성은, 상기 평판형 부재는, 오스테나이트계 스테인레스로 형성되어 있는 점에 있다.
본 특징적 구성에 의하면, 평판형 부재에 사용되는 상기한 재료는, 비교적 열팽창율이 크다. 따라서, 열팽창에 의해 적층체와 협지체 사이의 간격이 변동한 경우에서도, 보다 크게 열팽창하는 평판형 부재에 의해, 전술한 간격의 변동을 보완하여, 적절한 체결 압력을 적층체에 부하할 수 있다.
[구성]
본 발명에 따른 전기 화학 모듈의 더 한층의 특징적 구성은, 상기 평판형 부재는, 상기 적층체의 적층 방향과 교차하는 방향시(方向視)에 있어서 파형판 형상인 점에 있다.
본 특징적 구성에 의하면, 평판형 부재가 파형 형상이므로, 평판형 부재에 적절한 탄성력을 가지게 할 수 있다. 또한, 평판형 부재는, 적층체 및 협지체와 분산된 복수 개소에서 접촉하므로, 체결 압력을 거의 균일하게 분산된 상태로 적층체에 부하할 수 있다.
[구성]
본 발명에 따른 전기 화학 모듈의 더 한층의 특징적 구성은, 상기 제1 협지체 및 상기 제2 협지체 중 적어도 한쪽은, 상기 적층체를 둘러싸는 하우징의 일부인 점에 있다.
본 특징적 구성에 의하면, 제1 및 제2 협지체 중 적어도 한쪽이 하우징의 일부이므로, 적층체 중 적어도 한쪽을 둘러싸서 일체의 전기 화학 모듈로서 용이하게 구성할 수 있다.
[구성]
본 발명에 따른 전기 화학 모듈의 더 한층의 특징적 구성은, 상기 전기 화학 소자는 고체산화물형 연료전지인 점에 있다.
본 특징적 구성에 의하면, 전기 화학 소자는 고체산화물형 연료전지이며, 발전 시에는, 예를 들면, 약 650℃∼약 950℃ 등의 고온이 된다. 따라서, 적층체 및 협지체 등은, 고온에 노출됨으로써 팽창한다. 이 때, 적층체의 열팽창과 협지체의 열팽창 사이에 열팽창차가 생기면, 적층체와 협지체 사이의 간격이 발전하고 있을 때와 발전하지 않고 있을 때는 상이하다.
평판형 부재는, 그 탄성력을 이용하여, 열팽창에 의해 적층체와 협지체 사이의 간격이 변동한 경우에서도, 협지체와의 사이에서 적층체에 적절한 체결 압력을 부여한다. 이로써, 전기 화학 모듈에 있어서, 내부 저항의 증대를 억제하고, 및 반응 가스의 실링성의 저하를 억제할 수 있다.
[구성]
본 발명에 따른 전기 화학 모듈의 더 한층의 특징적 구성은, 상기 전기 화학 소자는 고체산화물형 전해 셀인 점에 있다.
상기한 특징적 구성에 의하면, 내구성·신뢰성 및 성능이 우수한 전기 화학 소자가 고체산화물형 전해 셀로서 전해반응에 의한 가스의 생성을 행할 수 있으므로, 고내구(高耐久)·고성능 고체산화물형 전해 셀을 얻을 수 있다.
[구성]
본 발명에 따른 전기 화학 모듈의 조립 방법의 특징적 구성은,
전해질층과, 상기 전해질층의 양측에 각각 배치되어 있는 제1 전극 및 제2 전극이, 기판을 따라 형성되어 있는 복수의 전기 화학 소자가 소정의 적층 방향으로 적층되어 있는 적층체에 있어서, 상기 적층 방향에서의 제1 평면 및 상기 제1 평면과는 반대의 제2 평면 중 적어도 한쪽을 따라 평판형 부재를 배치하고,
상기 제1 평면을 따라 평판형의 제1 협지체를 배치하고, 상기 제2 평면을 따라 평판형의 제2 협지체를 배치하고,
상기 전기 화학 소자가 발전하지 않고 있을 때 상기 평판형 부재가 상기 적층체에 주는 체결 압력이, 상기 전기 화학 소자가 발전하지 않고 있을 때 상기 평판형 부재가 상기 적층체에 주는 체결 압력에 대하여, 동일 정도 이상이 되도록, 상기 제1 협지체와 상기 제2 협지체를 상기 적층 방향으로 체결하는 점에 있다.
본 특징적 구성에 의하면, 평판형 부재는, 전기 화학 소자가 발전하지 않고 있는 저온 시에는, 발전하고 있는 고온 시에 대하여 동일 정도 이상의 체결 압력을 적층체에 부하하도록 조립되어 있다. 따라서, 열팽창에 의해 적층체와 협지체 사이의 간격에 변동이 생긴 경우라도, 평판형 부재는, 적절한 체결 압력을 적층체의 평면을 따라 거의 균일하게 부하한다. 따라서, 내부 저항의 증대를 억제하고, 및 반응 가스의 실링성의 저하를 억제할 수 있다.
그리고, 전해질층의 양측에 제1 전극 및 제2 전극이 각각 배치되어 있는 구성에는, 제1 전극이 전해질층에 접촉하여 배치되어 있는 경우와, 제1 전극이 개재층을 통하여 전해질에 면하여 배치되어 있는 경우의 어느 하나의 구성을 포함한다. 제2 전극과 전해질층의 관계도 동일하다. 개재층으로서는, 예를 들면, 반응방지층 및 중간층 등이 포함된다.
[구성]
본 발명에 따른 전기 화학 장치의 특징적 구성은,
상기 전기 화학 모듈과 연료 변환기를 적어도 가지고, 상기 전기 화학 모듈에 대하여 연료 변환기로부터의 환원성 성분 가스를 유통하는, 혹은 상기 전기 화학 모듈로부터 연료 변환기에 환원성 성분 가스를 유통하는 연료 공급부를 가지는 점에 있다.
상기한 특징적 구성에 의하면, 전기 화학 모듈과 연료 변환기를 가지고 전기 화학 모듈과 연료 변환기 사이에서 환원성 성분을 함유하는 가스를 유통하는 연료 공급부를 가지므로, 전기 화학 모듈을 연료전지로서 동작시키는 경우, 도시가스 등의 기존의 원연료 공급 인프라를 사용하여 공급되는 천연가스 등보다 개질기 등의 연료 변환기에 의해 수소를 생성하는 구성으로 하면, 내구성·신뢰성 및 성능이 우수한 전기 화학 모듈을 구비한 전기 화학 장치를 실현할 수 있다. 또한, 전기 화학 모듈로부터 배출되는 미이용의 연료 가스를 리사이클하는 시스템을 구축하기 용이하므로, 고효율의 전기 화학 장치를 실현할 수 있다.
전기 화학 모듈을 전해 셀로서 동작시키는 경우에는, 전극층에 수증기나 이산화탄소를 함유하는 가스가 유통되고, 전극층과 대극(對極) 전극층 사이에 전압이 인가된다. 이렇게 하면, 전극층에 있어서 전자(e-)와 물 분자(H2O)나 이산화탄소 분자(CO2)가 반응하여 수소 분자(H2)나 일산화탄소(CO)와 산소 이온(O2-)이 된다. 산소 이온(O2-)은 전해질층을 통하여 대극 전극층으로 이동한다. 대극 전극층에 있어서 산소 이온(O2-)이 전자를 방출하여 산소 분자(O2)가 된다. 이상의 반응에 의해, 물 분자(H2O)가 수소(H2)와 산소(O2)로, 이산화탄소 분자(CO2)를 함유하는 가스가 유통되는 경우에는 일산화탄소(CO)와 산소(O2)로 전기분해된다.
수증기와 이산화탄소 분자(CO2)를 함유하는 가스가 유통되는 경우에는 상기 전기분해에 의해 전기 화학 모듈에 의해 생성한 수소 및 일산화탄소 등으로부터 탄화 수소 등의 다양한 화합물을 합성하는 연료 변환기를 설치할 수 있다. 연료 공급부에 의해, 이 연료 변환기가 생성한 탄화 수소 등을 전기 화학 모듈에 유통하거나, 본 시스템·장치 밖으로 추출하여 별도의 연료나 화학 원료로서 이용할 수 있다.
[구성]
본 발명에 따른 전기 화학 장치의 특징적 구성은,
상기 전기 화학 모듈과, 상기 전기 화학 모듈로부터 전력을 추출 혹은 상기 전기 화학 모듈에 전력을 유통하는 전력 변환기를 적어도 가지는 점에 있다.
상기한 특징적 구성에 의하면, 전력 변환기는, 전기 화학 모듈이 발전한 전력을 추출, 혹은, 전기 화학 모듈에 전력을 유통한다. 이로써, 상기한 바와 같이 전기 화학 모듈은, 연료전지로서 작용하고, 혹은, 전해 셀로서 작용한다. 따라서, 상기한 구성에 의하면, 연료 등의 화학적 에너지를 전기 에너지로 변환하는, 혹은 전기 에너지를 연료 등의 화학적 에너지로 변환하는 효율을 향상시킬 수 있는 전기 화학 모듈 등을 제공할 수 있다.
그리고, 예를 들면, 전력 변환기로서 인버터를 사용하는 경우, 내구성·신뢰성 및 성능이 우수한 전기 화학 모듈로부터 얻어지는 전기 출력을, 인버터에 의해 승압하거나, 직류를 교류로 변환하거나 할 수 있으므로, 전기 화학 모듈로 얻어지있는 전기 출력을 이용하기 용이하므로 바람직하다.
[구성]
본 발명에 따른 에너지 시스템의 특징적 구성은,
상기한 전기 화학 장치와, 상기 전기 화학 장치 혹은 연료 변환기로부터 배출되는 열을 재이용하는 배열(排熱) 이용부를 가지는 점에 있다.
상기한 특징적 구성에 의하면, 전기 화학 장치와, 전기 화학 장치 혹은 연료 변환기로부터 배출되는 열을 재이용하는 배열 이용부를 가지므로, 내구성·신뢰성 및 성능이 우수하고, 또한 에너지 효율도 우수한 에너지 시스템을 실현할 수 있다. 그리고, 전기 화학 장치 혹은 연료 변환기로부터 배출되는 미사용의 연료 가스의 연소열을 이용하여 발전하는 발전 시스템과 조합하여 에너지 효율이 우수한 하이브리드 시스템을 실현할 수도 있다.
도 1은 전기 화학 모듈의 단면도이다.
도 2는 전기 화학 모듈의 상면도이다.
도 3은 전기 화학 모듈의 측면도이다.
도 4는 전기 화학 모듈의 개략도이다.
도 5는 다른 형태 1에 관한 전기 화학 모듈의 단면도이다.
도 6은 다른 형태 2에 관한 전기 화학 모듈의 단면도이다.
도 7은 도 6의 전기 화학 모듈의 상면도이다.
도 8은 도 6의 전기 화학 모듈의 측면도이다.
도 9는 전기 화학 소자의 개략도이다.
도 10은 도 9에서의 X-X선을 따라 절단한 단면도이다.
도 11은 도 9에서의 XI-XI선을 따라 절단한 단면도이다.
도 12는 도 9에서의 XII-XII선을 따라 절단한 단면도이다.
도 13은 도 9에서의 XIII-XIII선을 따라 절단한 단면도이다.
도 14는 도 9에서의 XIV-XIV선을 따라 절단한 단면도이다.
도 15는 도 9에서의 XV-XV선을 따라 절단한 단면도이다.
도 16은 도 9에서의 XVI-XVI선을 따라 절단한 단면도이다.
도 17은 도 9에서의 XVII-XVII선을 따라 절단한 단면도이다.
도 18은 전기 화학 반응부의 주요부 확대도이다.
도 19는 에너지 시스템의 개략도이다.
도 20은 다른 형태에 관한 전기 화학 모듈의 설명 도이다.
도 21은 다른 에너지 시스템의 개략도이다.
도 22는 다른 전기 화학 소자의 개략도이다.
도 23은 도 22에서의 XXIII-XXIII선을 따라 절단한 단면도이다.
도 24는 도 22에서의 XXIV-XXIV선을 따라 절단한 단면도이다.
도 25는 도 22에서의 XXV-XXV선을 따라 절단한 단면도이다.
도 26은 도 22에서의 XXVI-XXVI선을 따라 절단한 단면도이다.
도 27은 도 22에서의 XXVII-XXVII선을 따라 절단한 단면도이다.
도 28은 도 22에서의 XXVIII-XXVIII선을 따라 절단한 단면도이다.
도 29는 도 22에서의 XXIV-XXIV선을 따라 절단한 단면도이다.
도 30은 도 22에서의 XXX-XXX선을 따라 절단한 단면도이다.
도 31는 도 22에서의 XXXI-XXXI선을 따라 절단한 단면도이다.
도 32는 도 22에서의 XXXII-XXXII선을 따라 절단한 단면도이다.
도 33은 도 22에서의 XXXIII-XXXIII선을 따라 절단한 단면도이다.
도 34는 도 22에서의 XXXIV-XXXIV선을 따라 절단한 단면도이다.
도 35는 도 22에서의 XXXV-XXXV선을 따라 절단한 단면도이다.
도 36은 도 22에서의 XXXVI-XXXVI선을 따라 절단한 단면도이다.
도 37은 도 22에서의 XXXVII-XXXVII선을 따라 절단한 단면도이다.
도 38은 전기 화학 반응부의 주요부 확대도이다.
도 39는 공급 구조체 및 배출 구조체의 설명도이다.
[실시형태]
이하에, 본 발명의 실시형태에 따른 전기 화학 모듈(M) 및 전기 화학 모듈(M)의 조립 방법에 대하여 설명한다. 그리고, 층의 위치 관계 등을 나타낼 때, 예를 들면, 전극층으로부터 볼 때 전해질층의 측을 「위」 「상측」, 제1 판형체의 측을 「아래」 「하측」 등이라고 한다. 또한, 본 발명은 전기 화학 모듈(M)을 수직 혹은 수평 방향으로 설치해도 동일한 효과가 얻어지므로, 「위」 「아래」를 각각 「좌」 「우」로 달리 칭해도 상관없다.
(1) 전기 화학 모듈(M)의 전체 구성
이하에, 전기 화학 모듈(M)의 전체 구성을 설명한다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 전기 화학 모듈(M)은, 전기 화학 소자 적층체(적층체)(S)와, 전기 화학 소자 적층체(S)를 내장하는 대략 직육면체형의 용기(하우징, 제1 협지체, 제2 협지체)(200)를 구비하고 있다. 전기 화학 소자(A)(도 4)는 발전을 행하는 소자이며, 도 1의 단면에서 볼 때 지면(紙面) 바로 앞으로부터 지면 내측 방향을 따라 연장되는 판형으로 형성되어 있다. 그리고, 전기 화학 소자 적층체(S)는, 복수의 평판형의 전기 화학 소자(A)가 도 1의 단면에서 볼 때 상하의 적층 방향으로 적층되어 구성되어 있다. 본 실시형태에서는, 전기 화학 소자(A)로서 SOFC(Solid Oxide Fuel Cell)를 예로 들어 설명한다.
또한, 전기 화학 모듈(M)은, 용기(200)의 외부로부터, 제1 가스를 전기 화학 소자 적층체(S)에 공급하는 제1 가스 공급부(61)와, 전기 화학 소자 적층체(S)에 있어서 반응 후의 제1 가스를 배출하는 제1 가스 배출부(62)를 구비하고 있다.
용기(200)에는, 도 1∼도 3에 나타낸 바와 같이, 제2 가스 공급부(71)가 형성되어 있고, 용기(200)의 외부로부터 전기 화학 소자 적층체(S)에 제2 가스를 공급한다. 전기 화학 소자 적층체(S)에 있어서 반응 후의 제2 가스는, 용기(200)에 설치된 제2 가스 배출부(72)로부터 외부로 배출된다. 여기서는, 제1 가스는, 예를 들면, 연료 가스 등의 환원성 성분 가스이며, 제2 가스는 공기 등의 산화성 성분 가스이다.
또한, 전기 화학 모듈(M)은, 도 1의 단면에서 볼 때, 전기 화학 소자 적층체(S)의 양 측면에 개구가 형성된 판 부재(240)를 구비하고 있다. 개구가 형성된 판 부재(240)는, 전기 화학 소자 적층체(S)의 양 측면에 대응하고, 전기 화학 소자(A)의 적층 방향을 따라 연장되는 판형 부재이며, 전기 화학 모듈(M)에서의 전기적 단락(쇼트)을 방지하기 위하여, 마이카 등의 절연 재료가 바람직하다. 개구가 형성된 판 부재(240)에는, 전기 화학 소자 적층체(S)의 평면 방향을 따라 관통하는 복수의 개구(240a)가 형성되어 있다.
따라서, 전기 화학 소자 적층체(S)는, 제1 가스 공급부(61)로부터 연료 가스의 공급을 받고, 제2 가스 공급부(71)로부터 개구가 형성된 판 부재(240)의 개구(240a)를 통하여 공기의 공급을 받고, 연료 가스 및 공기 중의 산소를 전기 화학 반응시켜 발전한다. 전기 화학 반응 후의 연료 가스는 제1 가스 배출부(62)로부터 외부로 배출된다. 또한, 전기 화학 반응 후의 공기는, 개구가 형성된 판 부재(240)의 개구(240a)를 통하여 제2 가스 배출부(72)에 인도되고, 제2 가스 배출부(72)로부터 외부로 배출된다.
그리고, 여기서는, 전기 화학 소자 적층체(S)의 양 측면에 인접하여 개구가 형성된 판 부재(240)가 설치되어 있지만, 필수가 아니고, 어느 한쪽이 설치되어 있어도 되고, 양쪽이 생략되어도 된다.
또한, 전기 화학 모듈(M)은, 전기 화학 소자 적층체(S)의 상부에, 전기 화학 소자 적층체(S) 측으로부터 외측을 향하여 순서대로, 상부 절연체(210T), 상부 평판형 부재(220T), 상부 플레이트(제1 협지체)(230T)를 구비하고 있다. 마찬가지로, 전기 화학 모듈(M)은, 전기 화학 소자 적층체(S)의 하부에, 전기 화학 소자 적층체(S) 측으로부터 외측을 향하여 순서대로, 하부 절연체(210B), 하부 평판형 부재(220B), 하부 플레이트(제2 협지체)(230B)를 구비하고 있다. 전기 화학 소자 적층체(S)에 대해서는, 나중에 상술한다.
(2) 절연체, 평판형 부재, 플레이트 및 용기
이하에, 절연체(상부 및 하부 절연체(210T 및 210B))(210), 평판형 부재(상부 및 하부 평판형 부재(220T 및 220B))(220), 플레이트(상부 및 하부 플레이트(230T 및 230B))(230), 용기(200)에 대하여 추가로 설명한다.
상부 절연체(210T)는, 판형 부재이며, 전기 화학 소자 적층체(S)의 상부 평면(제1 평면)을 덮도록 배치되어 있다. 상부 절연체(210T)는, 예를 들면, 경질 마이카로 형성되어 있고, 전기 화학 소자 적층체(S)를 외부로부터 전기적으로 절연하고 있다.
상부 평판형 부재(220T)는, 상부 절연체(210T)의 상부에 배치되어 있다. 상부 평판형 부재(220T)는, 탄성을 가지는 부재이며, 본 실시형태에서는, 예를 들면, 도 1의 단면에서 볼 때 파형(波形)의 형상으로 형성되어 있다. 파형은, 전기 화학 소자 적층체(S)의 평면을 따라 연장되어 있다. 따라서, 상부 평판형 부재(220T)는, 파형의 정상부(頂上部)(220Ta)가 상부 절연체(210T)와 접촉하도록 배치되어 있다.
파형 형상의 상부 평판형 부재(220T)의 판 두께는, 이것으로 한정되지 않지만, 예를 들면, 0.1mm∼1mm 정도이다. 또한, 파형의 진폭(높이)은, 이것으로 한정되지 않지만, 예를 들면, 1mm∼10mm 정도이다. 상부 평판형 부재(220T)의 역할에 대해서는 후술한다.
상부 플레이트(230T)는, 판형 부재이며, 상부 평판형 부재(220T)의 상부에 배치되어 있고, 고온에서의 굽힘 강도가 높은 세라믹스계 재료, 예를 들면, 99알루미나로 형성되어 있다. 상부 플레이트(230T)는, 상부 평판형 부재(220T) 중 적어도 일부와 접촉한다. 본 실시형태에서는, 상부 평판형 부재(220T)의 파형의 정상부(220Tb)가 상부 플레이트(230T)와 접촉한다.
상부 플레이트(230T)는, 하부 플레이트(230B)와 함께, 용기(200)로부터 소정의 체결 압력을 받고, 전기 화학 소자 적층체(S)와, 한 쌍의 상부 및 하부 절연체(210T 및 210B)와, 상부 및 하부 평판형 부재(220T 및 220B)를 협지하고 있다. 여기서, 체결 압력은, 예를 들면, 1mm2당 등의 단위면적당의 압력이다.
하부 절연체(210B)는, 전기 화학 소자 적층체(S)의 하부 평면(제2 평면)을 덮도록 배치되어 있다. 하부 평판형 부재(220B)는 하부 절연체(210B)의 하부에, 하부 플레이트(230B)는 하부 평판형 부재(220B)의 하부에 배치되어 있다. 하부 절연체(210B), 하부 평판형 부재(220B) 및 하부 플레이트(230B)는, 각각 상부 절연체(210T), 상부 평판형 부재(220T) 및 상부 플레이트(230T)와 동일하다. 그리고, 하부 평판형 부재(220B)의 파형의 정상부(220Ba)가 하부 플레이트(230B)와 접촉하고, 정상부(220Bb)가 하부 절연체(210B)와 접촉한다.
전기 화학 소자 적층체(S)를 내장하는 용기(200)는, 도 1∼도 3에 나타낸 바와 같이, 대략 직육면체형의 용기이다. 용기(200)는, 아래쪽이 개구된 상자형의 상부 커버(제1 협지체)(201)와, 위쪽이 개구된 하부 커버(제2 협지체)(203)를 포함한다. 상부 커버(201) 하부 커버(203)와 대향하는 단면에는 연결부(202)가 설치되어 있고, 하부 커버(203)의 상부 커버(201)와 대향하는 단면에는 연결부(205)가 설치되어 있다. 연결부(202)와 연결부(205)가, 예를 들면, 용접됨으로써, 상부 커버(201)와 하부 커버(203)가 연결되어, 내부에 직육면체형의 공간이 형성된다.
본 실시형태에서는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 하부 커버(203) 상하 방향(전기 화학 소자(A)의 적층 방향)의 깊이는, 상부 커버(201)의 깊이보다 깊다. 다만, 상부 커버(201) 및 하부 커버(203)는, 일체로서 내부에 공간을 형성할 수 있으면 되고, 깊이의 관계는 이것으로 한정되지 않는다. 예를 들면, 상부 커버(201)의 깊이가 하부 커버(203)보다 깊어도 된다.
도 1∼도 3에 나타낸 바와 같이, 용기(200) 상하 방향의 중앙부에 있어서, 하부 커버(203)의 대향하는 한 쌍의 측벽 각각 제2 가스 공급부(71) 및 제2 가스 배출부(72)가 형성되어 있다.
그리고, 여기서는, 하부 커버(203)에 제2 가스 공급부(71) 및 제2 가스 배출부(72)가 형성되어 있다. 그러나, 제2 가스 공급부(71) 및 제2 가스 배출부(72)의 형성 위치는 이것으로 한정되지 않고, 용기(200)의 어느 쪽 위치에 형성되어도 된다. 제2 가스 공급부(71) 및 제2 가스 배출부(72)는, 예를 들면, 상부 커버(201)에 형성되어도 된다.
상부 커버(201)는, 도 1, 도 2에 나타낸 바와 같이, 상부 커버(201)의 외측 에지보다 한층 작은 개구(201c)를 가지고 있다. 그리고, 도 1의 단면에서 볼 때, 개구(201c)에 인접하여, 전기 화학 소자 적층체(S)에 면하는 내측의 단부가 제1 단부(201a) 및 제2 단부(201b)로 분기되어 있다. 그리고, 제1 단부(201a)는 용기(200)의 내측을 향해 평면 방향으로 소정 길이로 연장되어 있고, 제2 단부(201b)는, 제1 단부(201a)로부터 분기되어 용기(200)의 아래쪽으로 소정 길이로 연장되어 있다. 제1 단부(201a)와 제2 단부(201b)는, 단면에서 볼 때 대략 90°를 이루고 있어, L자형의 각부(角部)를 구성하고 있다. 이 L자의 각부는, 도 2에 나타낸 상부 커버(201)의 상면시(上面視)의 외측 에지의 내측으로, 외측 에지를 따라 형성되어 있다. 이로써, 제1 단부(201a)의 종단(終端)에 의해, 도 1, 도 2에 나타낸 바와 같이 전술한 대로 상부 커버(201)의 외측 에지보다 한층 작은 개구(201c)가 상부 커버(201)의 상면에 형성되어 있다.
하부 커버(203)는, 상부 커버(201)와 마찬가지로, 도 1에 나타낸 단면에서 볼 때, 대략 90°를 이루는 L자형의 각부를 구성하는 제1 단부(203a) 및 제2 단부(203b)를 가지고 있다. 그리고, 제1 단부(203a)의 종단에 의해, 도 1에 나타낸 바와 같이, 하부 커버(203)의 외측 에지보다 한층 작은 개구(203c)가 형성되어 있다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 상부 커버(201)의 제1 단부(201a) 및 제2 단부(201b)가 형성하는 L자의 각부에는, 한 쌍의 개구가 형성된 판 부재(240)의 상단과, 상부 절연체(210T)와, 상부 평판형 부재(220T)와, 상부 플레이트(230T)가 끼워 넣어져 있다. 구체적으로는, 전기 화학 소자 적층체(S)의 평면 방향을 따른 상부 플레이트(230T)는, 그 외주 단부의 상면이 제1 단부(201a)의 하면(L자의 각부의 내면의 일부)에 접촉하여 지지되어 있다. 또한, 전기 화학 소자 적층체(S)의 측면 따른 개구가 형성된 판 부재(240)는, 그 상단의 외면이, 제2 단부(201b)의 내측면(L자의 각부의 내면의 일부)에 접촉하여 지지되어 있다. 상부 평판형 부재(220T) 및 상부 절연체(210T)는, 상부 플레이트(230T) 및 개구가 형성된 판 부재(240)를 통하여, 제1 단부(201a) 및 제2 단부(203b)로 이루어지는 L자의 각부에 지지되고 있다.
마찬가지로, 하부 커버(203)의 평면 방향으로 대향하는 한 쌍의 L자의 각부에는, 한 쌍의 개구가 형성된 판 부재(240)의 하단과, 하부 절연체(210B)와, 하부 평판형 부재(220B)와, 하부 플레이트(230B)가 끼워 넣어져 있다. 그리고, 전기 화학 소자 적층체(S)는, 그 상면이, 상부 플레이트(230T), 상부 평판형 부재(220T) 및 상부 절연체(210T)를 통하여 상부 커버(201)에 의해 지지되고 있다. 또한, 전기 화학 소자 적층체(S)는, 그 하면이, 하부 플레이트(230B), 하부 평판형 부재(220B) 및 하부 절연체(210B)를 통하여 하부 커버(203)에 의해 지지되고 있다.
이와 같은 구성으로, 상부 커버(201) 및 하부 커버(203)는, 전기 화학 소자 적층체(S), 상부 및 하부 절연체(210T 및 210B), 상부 및 하부 평판형 부재(220T 및 220B), 상부 및 하부 플레이트(230T 및 230B) 등을 상부 및 하부로부터 협지한 상태로, 연결부(202)와 연결부(205)가, 예를 들면, 용접되어 연결된다. 이 연결 시에, 상부 커버(201) 및 하부 커버(203)는, 전기 화학 소자 적층체(S) 등에 소정의 체결 압력을 부하하여 연결된다. 즉, 상부 커버(201) 및 하부 커버(203)가 연결된 상태에 있어서, 전기 화학 소자 적층체(S), 상부 및 하부 절연체(210T 및 210B), 상부 및 하부 평판형 부재(220T 및 220B), 상부 및 하부 플레이트(230T 및 230B)에는, 소정의 체결 압력이 부하되어 있다.
그리고, 도 3에 나타낸 바와 같이 하부 커버(203)의 측면에는, 개구(203e)가 형성되어 있다. 따라서, 개구(203e)로부터는, 전기 화학 소자 적층체(S)의 측면의 일부가 노출되어 있다. 그리고, 전술한 개구(201c, 203c)와, 개구(203e)가 용기(200)에 형성됨으로써, 용기(200)를 경량화하고, 용기(200)에 필요한 재료를 삭감할 수 있다. 그리고, 전기 화학 소자 적층체(S)의 측면과, 상부 커버(201) 혹은 하부 커버(203) 또는 양쪽이 접촉함으로써 전기적으로 단락(쇼트)할 가능성이 있는 경우에는, 마이카 등의 재료에 의해 구성된 측면 절연체(245)가, 전기 화학 소자 적층체(S)와 상부 커버(201) 혹은 하부 커버(203)의 측면 사이에 설치된다.
(3) 평판형 부재 및 그와 관련된 부재의 구성 및 작용
다음으로, 평판형 부재(상부 및 하부 평판형 부재(220T 및 220B))(220) 및 그와 관련된 부재의 구성 및 작용에 대하여 추가로 설명한다.
전술한 바와 같이, 상부 커버(201) 및 하부 커버(203)가 연결된 상태에 있어서, 전기 화학 소자 적층체(S) 및 상부 및 하부 절연체(210T 및 210B)는, 상부 및 하부 평판형 부재(220T 및 220B)를 통하여, 소정의 체결 압력을 부하되어 상부 및 하부 플레이트(230T 및 230B)에 협지되어 있다.
(3-1) 평판형 부재 및 그와 관련된 부재의 구성
평판형 부재(220)는, 본 실시형태에서는, 열에 의해 팽창하는 열팽창 부재로 형성되어 있다. 평판형 부재(220)의 열팽창율은, 전기 화학 소자 적층체(S) 및 용기(200) 등을 구성하는 부재의 열팽창율보다 크면 된다. 이와 같은 평판형 부재(220)의 재료로서는, 예를 들면, 오스테나이트계 스테인레스가 있다.
오스테나이트계 스테인레스의 열팽창율은, 비교적 크다. 예를 들면, 알루미늄의 열팽창율이 약 23.8×10-6/℃인 것에 대하여, 오스테나이트계 스테인레스의 열팽창율은, 알루미늄의 열팽창율 등과 동일한 정도로 크다. 오스테나이트계 스테인레스의 열팽창율은, SUS303 및 SUS304가 약 17.3×10-6/℃이며, SUS316이 약 16×10-6/℃다. 다만, 평판형 부재(220)의 재료는 이것으로 한정되지 않고, 열팽창율이 용기(200) 등보다 크고, 또한 내부식성(耐腐食性)이 우수한 부재가 선택되면 된다.
또한, 용기(200)의 열팽창율은, 평판형 부재(220)의 열팽창율보다 작으면 된다. 용기(200)는, 플레이트(230)를 통하여 평판형 부재(220)에 인접하여 배치되어 있다. 그리고, 용기(200) 하부 커버(203)와 상부 커버(201)는, 이들이 결합됨으로써, 평판형 부재(220)를 통하여 전기 화학 소자 적층체(S)에 체결 압력을 부하한다. 이와 같은 용기(200)의 재료로서는, 예를 들면, 페라이트계 스테인레스, 마르텐사이트계 스테인레스, 또는 이들과 세라믹스의 복합체 등이 있다. 이들 재료는 오스테나이트계 스테인레스보다 열팽창율이 작고, 페라이트계 스테인레스의 열팽창율은 SUS430이 약 11×10-6/℃이다. 또한, 마르텐사이트계 스테인레스의 열팽창율은 SUS403 및 SUS420J1이 약 10.4×10-6/℃이며, SUS410 및 SUS440C가 약 10.1×10-6/℃다. 다만, 용기(200)는 이것으로 한정되지 않고, 열팽창율이 평판형 부재(220)보다 작고, 또한 내부식성이 우수한 재료가 선택되면 된다.
전기 화학 소자 적층체(S)의 재료는, 용기(200)와 동일한 재료인 것이 바람직하다. 바꿔 말하면, 전기 화학 소자 적층체(S) 및 용기(200)의 재료는, 용기(200)와 동일한 정도의 열팽창율인 것이 바람직하다. 이 경우에, 전기 화학 소자 적층체(S)의 기판, 용기(200)가, 예를 들면, 전기 화학 소자(A)가 고온이 되는 발전에 있어서 동일한 정도로 열팽창한다. 따라서, 예를 들면, 전기 화학 소자(A)의 기판과 용기(200)와의 열팽창차를 작게 억제하고, 기판이 파손하는 것 등을 억제할 수 있다.
(3-2) 전기 화학 모듈(M)의 조립 방법 및 조립 시의 평판형 부재의 압축 변위
(a) 전기 화학 모듈(M)의 조립 방법
다음으로, 상기한 전기 화학 모듈(M)의 조립 방법에 대하여 설명한다. 복수의 전기 화학 소자(A)를 적층하여 전기 화학 소자 적층체(S)를 준비한다. 전기 화학 소자 적층체(S)의 구성 및 제조 방법에 대해서는 후술한다.
또한, 전기 화학 소자 적층체(S)를 수용하기 위한 용기(200)를 준비한다. 용기(200)는, 이것으로 한정되지 않지만, 예를 들면, 로스트 왁스 주조법(鑄造法)을 사용하여 제조할 수 있다. 로스트 왁스 주조법을 사용하는 경우, 예를 들면, 밀랍이나 송지 등으로 이루어지는 열가소성 물질에 의해 용기(200)의 외형에 대응하는 공동(空洞)하는 모형을 제조한다. 이 모형을 규산질 모래나 석회분말 등으로 이루어지는 내화 재료로 피복한다. 그 후, 내화재료로 피복된 모형을 가열하여, 열가소성물질에 의해 구성된 모형을 용출한다. 이로써, 내화재료 내부에, 용기(200)의 형상을 모방한 모형에 대응하는 공동이 형성된다. 이 공동에 용기(200)의 재료를 주입하고 고착화시킨 후에 내화재료를 제거한다. 이로써, 로스트 왁스 주조법에 의해, 상부 커버(201) 및 하부 커버(203)를 가지는 용기(200)가 제조된다. 그리고, 상부 커버(201) 및 하부 커버(203)는 따로따로 제조되어도 된다.
다음으로, 예를 들면, 한 쌍의 개구가 형성된 판 부재(240)가 전기 화학 소자 적층체(S)의 양 측면에 배치되고, 절연체(210), 평판형 부재(220) 및 플레이트(230)가, 전기 화학 소자 적층체(S)의 상부 평면 및 하부 평면에, 순서대로 배치된 상태로 하부 커버(203) 내에 수용된다. 이 하부 커버(203)를 상부 커버(201)로 덮고, 전기 화학 소자 적층체(S)에 소정의 체결 압력이 부하되도록 위치 조정을 행하고, 하부 커버(203)와 상부 커버(201)를 용접 등을 행하여 결합한다. 이로써, 전기 화학 모듈(M)을 조립할 수 있다.
상기한 바와 같이, 로스트 왁스 주조법을 사용하여 용기(200)를 제조한 경우에는, 박형화, 정밀화 및 양산화에 의한 저비용화를 달성할 수 있다. 또한, 상자형의 용기(200)를 형성함으로써, 본 실시형태에서는, 제2 가스 공급부(71)로부터 전기 화학 소자 적층체(S)에 공급하는 공기의 매니폴드 공간을 설치할 수 있다.
(b) 조립 시의 평판형 부재의 압축 변위
상기한 전기 화학 모듈(M)의 조립 시에는, 하부 커버(203)와 상부 커버(201)를 결합할 때 전기 화학 소자 적층체(S)에 소정의 체결 압력을 부하한다. 이 체결 압력은, 평판형 부재(220)에 소정의 압축 변위(L)을 부여함으로써 부하된다.
이하에 이 압축 변위(L)에 대하여 설명한다. 이하에서는, 용기(200)가 소정의 재료(A)를 사용하여 형성되고, 전기 화학 소자 적층체(S)가 기판 등의 주요부가 소정의 재료(B)를 사용하여 형성되고, 평판형 부재(220)가 소정의 재료(C)를 사용하여 형성되어 있는 것으로 한다. 재료(C)의 열팽창율은, 재료(A) 및 재료(B)의 열팽창율보다 크다.
여기서 평판형 부재(220)는, 실온(20℃)에 있어서 스프링상수가 K20이다. 스프링상수 K20은, 평판형 부재(220)의 예를 들면, 판 두께, 파형 형상의 진폭(높이) 및 파형의 피치 등을 사용하여 산출된다.
또한, 전기 화학 소자(A)에 의한 발전 시의 온도(예를 들면, 700℃)에 있어서 스프링상수가 K700이다. 그리고, K700은, 예를 들면 K20의 약 75%이다.
여기서, 전기 화학 소자 적층체(S)가 발전 시(예를 들면, 700℃)에 있어서 필요로 하는, 단위면적당의 체결 압력을 P로 한다. 여기서, P는 이것으로 한정되지 않지만, 예를 들면, 약 1∼3 kgf/cm2이다. 전기 화학 소자 적층체(S)의 면적을 SB라 하면, 가중력(F)은, F=P×SB다.
또한, 실온(20℃)으로부터 발전 시의 고온(예를 들면, 700℃)까지 온도가 상승한 경우에 있어서, 가중 방향(여기서는, 전기 화학 소자(A)의 적층 방향)에서는, 용기(200)의 열팽창길이를 LA로 하고, 전기 화학 소자 적층체(S)의 열팽창길이를 LB로 하고, 평판형 부재(220)의 열팽창길이를 LC로 한다.
용기(200)와 전기 화학 소자 적층체(S)와의 열팽창길이의 차분(ΔG)은, ΔG=LA-LB다. 여기서, 열팽창길이의 차분(ΔG)으로서, 용기(200), 전기 화학 소자 적층체(S) 및 평판형 부재(220)의 열팽창길이의 차분을 산출할 수도 있다. 이 경우에, ΔG=LA-(LB+LC)가 된다. 이하에서는, 평판형 부재(220)가 열팽창하지 않는 것으로 가정함으로써, 용기(200) 등이 열팽창 한 후에도, 조립 시의 평판형 부재(220)의 압축 변위(L)에 의해 적절한 체결 압력을 더욱 확실하게 부하 가능하도록 ΔG=LA-LB를 사용한다.
여기서, 발전 시의 고온(예를 들면, 700℃)에 있어서, 단위면적당의 체결 압력(P)을 유지하기 위하여, 평판형 부재(220)의 실온(20)에서의 압축 변위(L)는 이하의 수식에 의해 산출된다.
L=P×SB/(K700)+ΔG
이상으로부터, 전기 화학 소자 적층체(S) 및 평판형 부재(220) 등이 용기(200) 내에 수용된 후, 하부 커버(203)와 상부 커버(201)는, 평판형 부재(220)에 상기에서 산출한 압축 변위(L)을 부여하도록 결합 거리 등이 조정되어 용접 등에 의해 봉지(封止)된다. 이로써, 전기 화학 소자 적층체(S)에 소정의 체결 압력을 부하할 수 있다.
(3-3) 평판형 부재의 작용
상기한 바와 같이, 열팽창 부재로 이루어지는 평판형 부재(220)는, 전기 화학 소자 적층체(S)의 상부 평면 및 하부 평면에 배치되어 있고, 상부 및 하부 플레이트(230)로부터 소정의 체결 압력을 부하되어, 탄성적으로 전기 화학 소자 적층체(S)를 지지하고 있다.
여기서, 예를 들면, 전기 화학 소자 적층체(S) 및 용기(200) 등 중 적어도 어느 하나는, 전기 화학 소자(A)가 발전하지 않고 있는 저온(예를 들면, 실온에서 약 20℃ 등)의 상태로부터, 전기 화학 소자(A)가 발전 시에 고온(예를 들면, 약 650℃∼약 950℃ 등)의 상태로 되면 팽창한다. 이 때, 전기 화학 소자 적층체(S) 및 용기(200) 사이에서 열팽창차가 생기면, 전기 화학 소자 적층체(S)와 용기(200) 사이의 간격이 발전 시(고온 시)와 발전하지 않고 있을 시(저온시)가 상이하다.
상기한 구성에 의하면, 평판형 부재(220)는 열팽창 부재이므로, 평판형 부재(220)도 또한, 전기 화학 소자(A)가 발전 시에 고온이 되므로, 열팽창한다. 따라서, 열팽창에 의해 전기 화학 소자 적층체(S)와 용기(200) 사이의 간격이 변동한 경우에서도, 평판형 부재(220)는, 평판형 부재(220) 자체의 열팽창에 의해 발생하는 탄성력과 미리 주어진 압축 변위(L)에 의한 탄성력을 이용하여, 플레이트(230)를 압압면으로 하여, 전기 화학 소자 적층체(S)에 적절한 체결 압력을 부하한다.
즉, 열팽창에 의한 전기 화학 소자 적층체(S)와 용기(200) 사이의 간격의 변동을, 평판형 부재(220)의 열팽창에 의한 변동에 의해 보완할 수 있다. 따라서, 전술한 간격이 변동한 후라도, 적절한 체결 압력을 전기 화학 소자 적층체(S)에 부하한다. 예를 들면, 열팽창에 의해 커진 전기 화학 소자 적층체(S)와 용기(200) 사이의 간격을, 평판형 부재(220)가 열팽창함으로써 보충하고, 전기 화학 소자 적층체(S)에 적절한 체결 압력을 부하한다.
그리고, 평판형 부재(220)는, 전기 화학 소자 적층체(S)의 평면 및 플레이트(230)의 평면을 따라 배치되어 있으므로, 전술한 간격이 변동한 후라도, 적절한 체결 압력을 전기 화학 소자 적층체(S)의 평면을 따라 거의 균일하게 부여한다. 따라서, 전기 화학 모듈(M)에 있어서, 전기 화학 소자(A)끼리의 접촉 면적의 저하를 억제하여, 내부 저항을 저하할 수 있다. 또한, 전기 화학 소자(A) 사이를 적절하게 접촉시켜 밀폐성이 유지할 수 있으므로, 연료 가스 등이 전기 화학 소자(A)의 외부로 누출하는 것을 억제할 수 있고, 반응 가스의 실링성의 저하를 억제할 수 있다.
이와 같이 하여, 전기 화학 소자 적층체(S) 등이 팽창한 경우에도, 전기 화학 소자 적층체(S) 등을 적절하게 체결하는 것이 가능한 소형, 경량이면서 저비용의 전기 화학 모듈을 달성할 수 있다.
특히, 상기 실시형태에서는, 평판형 부재(220)의 열팽창율은, 용기(200)를 구성하는 부재의 열팽창율보다 크다. 이 관계를 달성하기 위하여, 평판형 부재(220)의 재료로서, 예를 들면, 오스테나이트계 스테인레스가 채용되고 있고, 용기(200)의 재료로서 페라이트계 스테인레스, 마르텐사이트계 스테인레스, 또는 이들과 세라믹스와의 복합체 등이 채용되고 있다. 또한, 전기 화학 소자 적층체(S)의 재료로서는, 용기(200)의 재료와 동일한 것이 채용되고 있다.
여기서, 전술한 바와 같이, 전기 화학 소자 적층체(S)에 있어서 발전하지 않고 있는 저온의 상태로부터, 발전 시의 고온의 상태로 되면, 전기 화학 소자 적층체(S) 및 용기(200) 중 적어도 어느 하나가 열팽창하고, 전기 화학 소자 적층체(S)의 열팽창량과 용기(200)의 열팽창량의 차가 생긴다. 이렇게 하면, 고온 시의 전기 화학 소자 적층체(S)와 용기(200)의 간격이, 저온 시보다 확대된다. 예를 들면, 용기(200)의 열팽창량이 비교적 큰 경우, 전기 화학 소자 적층체(S)와 용기(200)의 간격은 보다 확대된다.
본 실시형태에서는, 전술한 바와 같이, 평판형 부재(220)의 열팽창율은 용기(200)를 구성하는 부재의 열팽창율보다 크다. 따라서, 특히 용기(200)의 팽창에 의해 확대한 전기 화학 소자 적층체(S)와 용기(200) 사이의 간격을, 평판형 부재(220)의 열팽창에 의해 보완할 수 있다. 즉, 열팽창에 의해 전기 화학 소자 적층체(S)와 용기(200) 사이의 간격이 크게 벌어지는 방향으로 변동한 경우에서도, 더욱 크게 열팽창하는 평판형 부재(220)에 의해, 전술한 간격을 보완할 수 있다. 따라서, 이 간격이 변동한 후라도, 평판형 부재(220)에 미리 주어져 있던 압축 변위에 의한 탄성력과 평판형 부재(220) 자체의 열팽창에 의해 발생하는 탄성력에 의해 적절한 체결 압력을 전기 화학 소자 적층체(S)의 평면을 따라 대략 균일하게 부하할 수 있다.
그리고, 용기(200)의 열팽창율이 비교적 작을 경우에는, 예를 들면, 발전 시에 고온이 된 경우에, 용기(200)의 열팽창량을 작게 억제할 수 있다. 이로써, 열팽창에 의한 전기 화학 소자 적층체(S)와 용기(200) 사이의 간격의 벌어짐을 작게 억제할 수 있다. 따라서, 평판형 부재(220)의 열팽창율이 비교적 작은 경우라도, 전술한 간격이 변동한 후에 적절한 체결 압력을, 전기 화학 소자 적층체(S)의 평면을 따라 거의 균일하게 부하할 수 있다. 또한, 용기(200)의 열팽창량이 작은 경우, 용기(200)의 팽창에 의해 전기 화학 소자(A)의 기판 등의 위치 어긋남 및 파손 등을 억제할 수 있다.
또한, 상기 실시형태에서는, 평판형 부재(220)는 파형 형상으로 형성되어 있다. 따라서, 평판형 부재(220)의 파형 정상부가 교호적(交互的)으로, 플레이트(230)의 평면과, 절연체(210)를 통하여 전기 화학 소자 적층체(S)의 평면에, 분산된 복수 개소에서 접촉하고 있다.
여기서, 전기 화학 소자 적층체(S) 및 용기(200) 중 적어도 어느 한쪽의 팽창에 의해 전기 화학 소자 적층체(S)와 용기(200) 사이의 간격이 변동하면, 이 간격의 변동에 기인하여 평판형 부재(220)에 부하되는 압압력도 또한 변동한다. 이 변동한 압압력은, 평판형 부재(220)를 통하여, 전기 화학 소자 적층체(S)의 평면 및 플레이트(230)의 평면의 대략 전체를 따라 대략 균일하게 분산된 상태로 탄력적으로 받아들여진다. 이는, 전술한 바와 같이, 평판형 부재(220)가, 전기 화학 소자 적층체(S)의 평면 및 플레이트(230)의 평면과, 분산된 복수 개소에서 접촉하고 있기 때문이다. 또한, 평판형 부재(220)가 열변동하는 경우에는, 전기 화학 소자 적층체(S)와 용기(200) 사이의 간격의 변동을, 평판형 부재(220) 자체의 열팽창과 탄성에 의해 전술한 복수 개소에 있어서 받아들인다.
따라서, 전기 화학 소자 적층체(S) 등의 팽창에 의해 전기 화학 소자 적층체(S) 및 용기(200) 사이의 간격이 변동해도, 평판형 부재(220)에 의해, 적층 방향의 적절한 체결 압력을 전기 화학 소자 적층체(S)의 평면을 따라 대략 균일하게 부여할 수 있다. 이로써, 전기 화학 모듈(M)에 있어서, 내부 저항의 증대를 억제하고, 및 반응 가스의 실링성의 저하를 억제할 수 있고 또한, 소형화 및 경량화를 달성할 수 있다.
또한, 본 실시형태에서는, 전기 화학 소자 적층체(S)는 전기 화학 소자인 SOFC로 구성되어 있다. SOFC는, 발전 시의 온도가 약 650℃∼약 950℃ 등으로 고온이 된다. 이 때문에, 전기 화학 소자 적층체(S) 및 용기(200) 등의 팽창량은, 비발전 시의 저온(예를 들면, 실온에서 약 20℃ 등)의 상태로부터, 발전 시의 고온(예를 들면, 약 650℃∼약 950℃ 등)의 상태가 되므로, 커진다. 본 실시형태에서는, 평판형 부재(220)는, 평판형 부재(220) 자체의 열팽창에 의한 탄성력의 변동을 이용하여, 플레이트(230)를 압압면으로서 전기 화학 소자 적층체(S)에 적절한 체결 압력을 부하할 수 있다. 따라서, 고온 영역에서 발전이 행해지는 SOFC 등에 있어서도, 본 실시형태를 적용하여 전기 화학 소자 적층체(S)에 적절한 체결 압력을 부하할 수 있다.
전기 화학 모듈(M)의 소형화에 대하여 추가로 설명한다. 예를 들면, 한 쌍의 두꺼운 협지판의 주변을 체결하여 전기 화학 소자 적층체(S)에 체결 압력을 부하하는 구성의 경우에는, 체결 부재로서, 전기 화학 모듈(M)의 외부에 스프링을 이용한 대형의 체결 볼트를 배치할 필요가 있다. 그러나, 상기 실시형태에서는, 전기 화학 모듈(M)의 내부에 평판형 부재(220)를 배치하는 것만이면 되고, 전기 화학 모듈(M)을 소형화할 수 있다.
또한, 대형의 체결 볼트 등의 돌기체가 전기 화학 모듈(M)의 외부에 배치되어 있는 경우에는, 이와 같은 전기 화학 모듈(M)의 돌기체에 의해 발전 시에 방열되기 쉬워진다. 본 실시형태의 평판형 부재(220)는 전기 화학 모듈(M)의 내부에 배치되어 있으므로, 방열면을 적게 할 수 있고, 전기 화학 모듈(M)의 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 실시형태에서는, 평판형 부재(220)에 의해 체결 압력이 조정되므로, 대형의 복수의 체결 볼트 등을 사용하여 전기 화학 소자 적층체(S)의 체결 압력을 조정하는 경우와 비교하여, 체결 압력의 조정에 필요한 수고를 대폭으로 삭감할 수 있다. 예를 들면, 대형의 복수의 체결 볼트를 사용하여 전기 화학 소자 적층체(S)를 체결하는 경우에는, 복수의 볼트의 토크를 관리하면서 압력의 조정을 행할 필요가 있다. 그러나, 본 실시형태의 평판형 부재(220)를 사용하는 경우에는, 평판형 부재(220)가 전기 화학 소자 적층체(S)의 평면에 대략 균일하게 체결 압력을 부하하므로, 전술한 바와 같은 복잡한 토크 관리가 불필요하다.
(4) 전기 화학 모듈(M)의 구체적 구성
다음으로, 도 1 및 도 4을 사용하여, 전기 화학 모듈(M)의 구체적 구성에 대하여 설명한다. 도 1의 전기 화학 소자 적층체(S)의 상세한 것이 도 1에 나타나 있다.
도 1 및 도 4에 나타낸 바와 같이, 전기 화학 모듈(M)은, 전기 화학 소자 적층체(S)를 내장하는 용기(200)(상부 커버(201) 및 하부 커버(203))와, 용기(200)의 외부로부터 공급로(4)를 통하여 내부 유로(流路)(A1)에 제1 가스를 공급하는 제1 가스 공급부(61)와, 반응 후의 제1 가스를 배출하는 제1 가스 배출부(62)와, 용기(200)의 외부로부터 통류부(通流部)(A2)에 제2 가스를 공급하는 제2 가스 공급부(71)와, 반응 후의 제2 가스를 배출하는 제2 가스 배출부(72)와, 전기 화학 반응부(3)에서의 전기 화학 반응에 따른 출력을 얻는 출력부(8)를 구비하고,
용기(200) 내에, 제2 가스 공급부(71)로부터 공급되는 제2 가스를 통류부(A2)에 분배 공급하는 분배실(9)을 구비하고 있다.
분배실(9)은, 전기 화학 소자 적층체(S)에 대하여 상기 전기 화학 소자 적층체(S)에 제2 가스를 공급하는 측에 위치하는 공간이며,
통류부(A2)는, 공간 측에 개구 형성되고 상기 공간과 연통되어 있다.
전기 화학 소자 적층체(S)는, 용기(200)에 대하여, 한 쌍의 집전체(81, 82)에 협지된 상태로 내장되어 있고, 이 집전체(81, 82)에 출력부(8)가 연장되고, 용기(200) 외부의 전력공급처에 전력 공급 가능하게 접속되고 또한, 집전체(81, 82)는 용기(200)에 대하여 적어도 한쪽이 전기적으로 절연되고, 또한, 제1 가스가 용기(200)에 대하여 기밀하게 되도록 수용되어 있다.
이로써, 전기 화학 모듈(M)은, 제1 가스 공급부(61)로부터 연료 가스를 공급하고 또한, 제2 가스 공급부(71)로부터 공기를 공급함으로써, 도 1, 4의 파선 화살표로 나타낸 바와 같이 연료 가스가 진입하고 실선 화살표로 나타낸 바와 같이 공기가 진입한다.
제1 가스 공급부(61)로부터 공급된 연료 가스는, 전기 화학 소자 적층체(S)의 최상부의 전기 화학 소자(A)의 제1 관통부(41)로부터 공급로(4)로 유도되고, 제1 환형(環形) 실링부(42)에 의해 구획되는 공급로(4)로부터, 모든 전기 화학 소자(A)의 내부 유로(A1)에 통류한다. 또한 제2 가스 공급부(71)로부터 공급된 공기는, 분배실(9)에 일시적으로 유입된 이후, 각 전기 화학 소자(A) 사이에 형성되는 통류부(A2)에 통류한다.
덧붙이면, 제2 판형체(2)(판형 지지체(10)의 일부)를 기준으로 하면, 파형판형의 제2 판형체(2) 부분이 제1 판형체(1)(판형 지지체(10)의 일부)로부터 팽출하는 부분에서 제1 판형체(1)와 제2 판형체(2) 사이에 내부 유로(A1)가 형성되는 동시에, 인접하는 전기 화학 소자(A)의 전기 화학 반응부(3)에 접촉하여 전기 접속 가능하게 한다. 한편, 파형판형의 제2 판형체(2)가 제1 판형체(1)와 접촉하는 부분이 제1 판형체(1)와 전기 접속하고, 제2 판형체(2)와 인접하는 전기 화학 소자(A)의 전기 화학 반응부(3) 사이에 통류부(A2)를 형성한다.
도 18의 일부에 내부 유로(A1)를 포함하는 단면이 나타나는 전기 화학 소자(A)와, 통류부(A2)를 포함하는 단면이 나타나는 전기 화학 소자(A)를 편의상 나란히 나타내는 부분이 있지만, 제1 가스 공급부(61)로부터 공급된 연료 가스는, 분배부(A12)에 도달하고(도 9, 12, 15 참조), 분배부(A12)를 통하여 일단부 측의 폭 방향을 따라 퍼져서 흐르고, 내부 유로(A1) 중 각각의 부유로(副流路)(A11)에 도달한다(도 9, 도 11, 도 15 참조). 이 경우에, 분배부(A12)로부터 복수의 부유로(A11)에 균등하게 제1 가스를 분배할 수 있고, 각 전기 화학 소자에 있어서 균등하게 전기 화학 출력을 생성시킬 수 있다.
하면, 내부 유로(A1)에 진입한 연료 가스는 기체통류허용부(1A)를 통하여 전극층(31), 전해질층(32)에 진입할 수 있다. 또한, 연료 가스는, 전기 화학 반응 완료의 연료 가스와 함께, 내부 유로(A1)를 더욱 진행하고, 합류부(A13), 제2 관통부(51)를 통하여, 제2 환형 실링부(52)에 의해 형성되는 배출로(5)로 진행하고, 다른 전기 화학 소자(A)로부터의 전기 화학 반응 완료의 연료 가스와 함께 제1 가스 배출부(62)로부터 용기(200) 밖으로 배출된다.
한편, 제2 가스 공급부(71)로부터 공급된 공기는, 분배실(9)을 통하여 통류부(A2)에 진입하고, 대극 전극층(33), 전해질층(32)에 진입할 수 있다. 또한, 공기는, 전기 화학 반응 완료의 공기와 함께, 전기 화학 반응부(3)를 따라 통류부(A2)를 진행하여 제2 가스 배출부(72)로부터 용기(200) 밖으로 배출된다.
이 연료 가스 및 공기의 흐름을 따라 전기 화학 반응부(3)에서 생긴 전력은, 인접하는 전기 화학 소자(A)의 전기 화학 반응부(3)와 제2 판형체(2)의 접촉에 의해 집전체(81, 82)끼리의 사이에 직렬로 접속되고, 합성 출력이 출력부(8)로부터 인출되는 형태가 된다.
전기 화학 소자 적층체(S)의 구성에 대해서는, 나중에 상술한다.
(5) 평판형 부재의 변형예
(a) 상기에서는, 평판형 부재(220)는, 열에 의해 팽창하는 열팽창 부재이다. 그러나, 평판형 부재(220)는, 전기 화학 소자 적층체(S) 및 용기(200) 등의 팽창 및 수축 시 등에, 전기 화학 소자 적층체(S)의 평면에 대략 균일하게 체결 압력을 부하할 수 있는 부재이면 되고, 열팽창 부재로 한정되지 않는다. 예를 들면, 평판형 부재(220)는, 열팽창율이 작지만, 어느 정도의 탄성을 가지는 부재라도 된다.
탄성을 가지는 평판형 부재(220)는, 전기 화학 소자 적층체(S)의 상부 평면 및 하부 평면에, 그 평면을 따라 배치되어 있다. 그리고, 평판형 부재(220)는, 용기(200)로부터 상부 및 하부 플레이트(230)를 통하여 소정의 체결 압력을 부하되어, 탄성적으로 전기 화학 소자 적층체(S)를 지지하고 있다.
여기서, 전기 화학 소자 적층체(S) 및 용기(200) 중 적어도 어느 하나가 팽창할 때, 전기 화학 소자 적층체(S)와 용기(200) 사이의 간격은, 전기 화학 소자 적층체(S) 등의 팽창 전후에서 변동될 가능성이 있다. 평판형 부재(220)는 탄성력을 가지고 있으므로, 전기 화학 소자 적층체(S)와 용기(200) 사이의 간격이 변동한 경우에도, 그 탄성력에 의해 용기(200) 내에 전기 화학 소자 적층체(S)를 탄성 협지한다. 즉, 평판형 부재(220)는, 용기(200)로부터 체결 압력을 받아 한 쌍의 플레이트(230)의 사이에 전기 화학 소자 적층체(S)를 탄성 협지한다.
보다 구체적으로는, 전기 화학 소자 적층체(S) 및 용기(200) 중 적어도 하나의 팽창에 의해 전기 화학 소자 적층체(S)와 용기(200) 사이의 간격이 변동하면, 이 간격의 변동에 기인하여 평판형 부재(220)에 부하되는 압압력도 또한 변동한다. 이 변동한 압압력은, 전기 화학 소자 적층체(S)의 평면 및 플레이트(230)의 평면을 따라 배치된 평판형 부재(220)에 의해, 전기 화학 소자 적층체(S)의 평면 및 플레이트(230)의 평면의 대략 전체를 따라 대략 균일하게 분산된 상태로 탄력적으로 받아들여진다.
따라서, 전기 화학 소자 적층체(S) 등의 팽창에 의해 전기 화학 소자 적층체(S) 및 용기(200) 사이의 간격이 변동해도, 평판형 부재(220)에 의해, 적층 방향의 적절한 체결 압력을 전기 화학 소자 적층체(S)의 평면을 따라 대략 균일하게 부여할 수 있다.
이와 같이, 전기 화학 소자 적층체(S)의 평면과, 플레이트(230)의 평면 사이에, 전기 화학 소자 적층체(S) 및 플레이트(230)의 평면을 따라 평판형 부재(220)를 배치하고, 용기(200)에 수납하는 간단한 구성으로, 전기 화학 소자 적층체(S) 등의 팽창을 고려한 전기 화학 모듈(M)을 구성할 수 있다.
그리고, 평판형 부재(220)가 열팽창율이 작은 부재일 경우에는, 용기(200)에 평판형 부재(220) 및 전기 화학 소자 적층체(S) 등을 수용하여 조립할 때, 평판형 부재(220)가 열팽창율이 큰 부재인 경우보다 체결 압력을 크게 하는 것이 바람직하다. 이 경우에, 조립에 있어서, 큰 체결 압력에 의해 평판형 부재(220)에는 큰 반발력이 생기고 있다. 따라서, 전기 화학 소자 적층체(S) 등의 팽창에 의해 전기 화학 소자 적층체(S) 및 용기(200) 싱;의 간격이 벌어지고, 체결 압력이 어느 정도 작아지게 되어도, 전기 화학 소자 적층체(S)에 적절한 체결 압력을 가할 수 있다.
(b) 상기에서는, 상부 및 하부 평판형 부재(220T, 220B)가 설치되어 있지만, 어느 한쪽의 평판형 부재(220)만이 설치되어 있어도 된다. 다만, 상부 및 하부 평판형 부재(220T, 220B)가 설치되어 있는 경우에는, 전기 화학 소자 적층체(S)에 대하여 상부 및 하부로부터 평판형 부재(220)에 의해 체결 압력을 부하할 수 있으므로, 전기 화학 소자 적층체(S)의 평면에 대하여 보다 균일하게 체결 압력을 부하할 수 있으므로, 바람직하다.
(c) 상기에서는, 평판형 부재(220)는 파형형상이지만, 이것으로 한정되지 않고, 전기 화학 소자 적층체(S) 및 플레이트(230) 등과 복수 개소에 있어서 분산시켜 접촉하는 다른 구성도 채용할 수 있다. 예를 들면, 평판형 부재(220)는 메탈 허니컴(honeycomb) 형상이라도 된다.
또한, 평판형 부재(220)는, 전기 화학 소자 적층체(S)의 평면 및 플레이트(230)의 평면 중 어느 하나만과, 분산된 복수 개소에서 접촉해도 된다.
예를 들면, 평판형 부재(220)는, 전기 화학 소자 적층체(S)의 평면과, 분산된 복수 개소에 있어서 접촉하고 있고, 플레이트(230)의 평면과는 면접촉할 수도 있다. 이 경우에, 평판형 부재(220)는, 전기 화학 소자 적층체(S)와 접촉된 부분에서 전기 화학 소자 적층체(S) 등의 팽창에 의한 부하력을 분산하여 받아들인다.
또한, 예를 들면, 평판형 부재(220)는, 전기 화학 소자 적층체(S)의 평면과 면 접촉하고 있고, 플레이트(230)의 평면과 복수 개소에 있어서 접촉할 수도 있다. 이 경우에, 평판형 부재(220)는, 플레이트(230)의 평면과 접촉된 부분에서 전기 화학 소자 적층체(S) 등의 팽창에 의한 부하력을 분산하여 받아들인다.
(d) 상기에서는, 평판형 부재(220)의 열팽창율은, 용기(200)를 구성하는 부재의 열팽창율보다 크다. 그러나, 열팽창에 의해 생긴 전기 화학 소자 적층체(S)와 용기(200) 사이의 간격을, 평판형 부재(220)의 팽창에 의해 보완할 수 있으면 되고, 이와 같은 열팽창율의 관계로 한정되지 않는다.
예를 들면, 평판형 부재(220)의 열팽창율은, 용기(200)를 구성하는 부재의 열팽창율과 동일한 정도라도 되고, 혹은, 작아도 된다.
(e) 상기에서는, 평판형 부재(220)는, 팽창에 의한 전기 화학 소자 적층체(S) 및 용기(200) 사이의 간격의 변동을 조정하는 경우에 대하여 설명했다. 그러나, 수축에 의한 전기 화학 소자 적층체(S) 및 용기(200) 사이의 간격의 변동에 대해서도, 평판형 부재(220)를 채용할 수 있다.
(f) 상기에서는, 평판형 부재(220)는, 발전에 따른 온도 변화뿐만 아니라, 예를 들면, 전기 화학 모듈(M)에 가해지는 진동, 외압, 습도 및 외기 온도 등의 변화에 의해 생기는 전기 화학 소자 적층체(S) 및 용기(200) 등의 팽창 및 수축을 받아들일 수도 있다.
(g) 상기에서는, 전기 화학 모듈(M)은, 절연성을 가지는 절연체(210) 등의 기능층이 설치되어 있다. 전기 화학 모듈(M)은, 상기에 나타낸 기능층에 더하여, 혹은, 그것을 대신하여 별도의 기능층을 형성해도 된다.
(h) 상기에서는, 하부 커버(203)와 상부 커버(201)는 용접에 의해 결합되어 있다. 그러나, 하부 커버(203)와 상부 커버(201)의 결합은 용접으로 한정되지 않고, 예를 들면, 볼트 등에 의해 결합되어도 된다.
(6) 다른 형태의 전기 화학 모듈(M)
이하에서, 상기 실시형태의 전기 화학 모듈(M)과는 상이한 형태의 전기 화학 모듈(M)에 대하여 다른 형태 1 및 다른 형태 2를 예로 들어 설명한다.
(6-1) 다른 형태 1
다른 형태 1에 관한 전기 화학 모듈(M1)에 대하여, 도 5를 참조하여 설명한다. 다른 형태 1에 관한 전기 화학 모듈(M1)은, 도 1의 전기 화학 모듈(M)과는, 평판형 부재(220)에 더하여, 평판형 부재(320)가 설치되어 있는 점이 상이하다. 즉, 다른 형태 1에 관한 전기 화학 모듈(M1)에는, 2개의 평판형 부재(220, 320)가 설치되어 있다.
도 5에 나타낸 바와 같이, 전기 화학 모듈(M1)은, 전기 화학 소자 적층체(S)의 상부에, 전기 화학 소자 적층체(S) 측으로부터 외측을 향하여 순서대로, 상부 절연체(210T), 상부 평판형 부재(320T), 상부 평판형 부재(220T), 상부 플레이트(230T)를 구비하고 있다. 마찬가지로, 전기 화학 모듈(M1)은, 전기 화학 소자 적층체(S)의 하부에, 전기 화학 소자 적층체(S) 측으로부터 외측을 향하여 순서대로, 하부 절연체(210B), 하부 평판형 부재(320B), 하부 평판형 부재(220B), 하부 플레이트(230B)를 구비하고 있다.
도 5에서는, 평판형 부재(320)(상부 및 하부 평판형 부재(320T 및 320B))는, 예를 들면, 메탈 허니컴 형상의 평판형 부재이다. 한편, 평판형 부재(220)(상부 및 하부 평판형 부재(220T 및 220B))는, 예를 들면, 파형형상의 평판형 부재이다. 전기 화학 모듈(M1)이 평판형 부재(320) 및 평판형 부재(220)를 구비하는 것의 작용 효과는, 도 1의 전기 화학 모듈(M)과 동일하다. 또한, 전기 화학 모듈(M1)의 그 외의 구성은, 도 1의 전기 화학 모듈(M)과 동일하므로, 설명을 생략한다.
그리고, 도 5의 전기 화학 모듈(M1)에 있어서, 평판형 부재(320)를 파형형상의 평판형 부재로 하고, 평판형 부재(220)를 메탈 허니컴 형상의 평판형 부재로 해도 된다.
(6-2) 다른 형태 2
다른 형태 2에 관한 전기 화학 모듈(M2)에 대하여, 도 6를 참조하여 설명한다. 다른 형태 2에 관한 전기 화학 모듈(M2)은, 도 5의 전기 화학 모듈(M)과는, 용기(200)에 상면부(201d) 및 하면부(203d)가 설치되어 있는 점, 상부 및 하부 플레이트(230T 및 230B)가 생략되어 있는 점이 주로 상이하다.
또한, 전기 화학 모듈(M2)에서는, 도 7 및 도 8에 나타낸 바와 같이, 하부 커버(203)와 상부 커버(201)가 볼트에 의해 결합되어 있는 점이 도 5의 전기 화학 모듈(M)과는 상이하다. 구체적으로는, 하부 커버(203)의 에지부와 상부 커버(201)의 에지부가 대향하고 있고, 에지부의 복수 개소에 복수의 체결 부재(250)가 체결되어 있다. 체결 부재(250)는, 헤드부 및 축부(軸部)를 가지는 볼트(251)와 너트(253)로 구성되어 있다. 볼트(251)의 축부가 하부 커버(203)의 에지부 및 상부 커버(201)의 에지부 관통공에 삽통(揷通)되고, 너트(253)가 볼트(251)에 체결된다. 이로써, 하부 커버(203)의 에지부와 상부 커버(201)가 결합되어 있다.
다만, 하부 커버(203)와 상부 커버(201)는 도 5와 동일하게 용접에 의해 결합되어 있어도 된다.
도 6에 대하여 추가로 설명하면, 상부 커버(201)는, 전기 화학 소자 적층체(S)의 평면 방향을 따른 상면부(201d)를 가지고 있다. 또한, 상부 커버(201)는, 도 5의 상부 커버(201)와 동일하게, 제1 단부(201a) 및 제2 단부(201b)를 가지고 있다. 그리고, 제1 단부(201a)의 내측의 종단으로부터 연속하여 상면부(201d)가 연장되어 있다. 제1 단부(201a)와 상면부(201d) 사이의 소정 개소에는, 도 6∼도 8에 나타낸 바와 같이 제1 가스 공급부(61) 및 제1 가스 배출부(62)를 각각 구성하는 통형부(201e)가 설치되어 있다. 도 6의 상부 커버(201)의 그 외의 구성은, 도 5의 상부 커버(201)와 동일하다.
한편, 하부 커버(203)는, 전기 화학 소자 적층체(S)의 평면 방향을 따른 하면부(203d)를 가지고 있다. 도 8의 하부 커버(203)의 그 외의 구성은, 도 7의 하부 커버(203)와 동일하다.
또한, 전기 화학 모듈(M2)은, 전기 화학 소자 적층체(S)의 상부에, 전기 화학 소자 적층체(S) 측으로부터 외측을 향하여 순서대로, 상부 절연체(210T), 예를 들면, 메탈 허니컴 형상의 상부 평판형 부재(320T), 예를 들면, 파형형상의 상부 평판형 부재(220T)를 구비하고 있다. 이 경우에, 통형부(201e), 제1 단부(201a) 및 상면부(201d)에 둘러싸여지는 공간에는, 상부 절연체(210T), 상부 평판형 부재(320T) 및 상부 평판형 부재(220T)는 배치되어 있지 않다.
또한, 전기 화학 모듈(M2)은, 전기 화학 소자 적층체(S)의 하부에, 전기 화학 소자 적층체(S) 측으로부터 외측을 향하여 순서대로, 하부 절연체(210B), 예를 들면, 메탈 허니컴 형상의 하부 평판형 부재(320B), 예를 들면, 파형형상의 하부 평판형 부재(220B)를 구비하고 있다.
상부 커버(201)의 상면부(201d)는, 전기 화학 소자 적층체(S)의 상부 평면에 대향하고 있고, 하부 커버(203)의 하면부(203d)는, 전기 화학 소자 적층체(S)의 하부 평면에 대향하고 있다. 그리고, 상부 커버(201)와 하부 커버(203)가 결합됨으로써, 전기 화학 소자 적층체(S)는, 그 평면을 따라 대략 균일하게, 평판형 부재(220, 320)를 통하여 상면부(201d) 및 하면부(203d)로부터 체결 압력을 받는다.
그리고, 상부 및 하부 평판형 부재(320)와, 상부 및 하부 평판형 부재(220) 중 적어도 어느 하나가 설치되어 있는 구성이라도 된다. 또한, 통형부(201e), 제1 단부(201a) 및 상면부(201d)에 둘러싸여지는 공간에 있어서도, 상부 절연체(210T), 상부 평판형 부재(320T) 및 상부 평판형 부재(220T)가 배치되어 있어도 된다.
(7) 전기 화학 소자 적층체(S)의 구체적 구성
다음으로, 전기 화학 소자 적층체(S)의 구체적 구성을 설명한다. 전기 화학 소자 적층체(S)는, 복수의 전기 화학 소자(A)가 적층되어 형성되어 있다.
도 9∼도 18을 사용하여 전기 화학 소자(A)에 대하여 설명한다.
(전기 화학 소자)
도 9∼도 17에 나타낸 바와 같이, 전기 화학 소자(A)는, 도전성의 제1 판형체(1)와 도전성의 제2 판형체(2)의 대향면 사이에 형성된 내부 유로(A1)를 가지는 판형 지지체(10)를 구비하고,
판형 지지체(10)는, 상기 판형 지지체(10)를 구성하는 제1 판형체(1) 및 제2 판형체(2) 중 적어도 일부에 있어서, 상기 판형 지지체(10)의 내측인 내부 유로(A1)와 외측에 걸쳐 기체를 투과할 수 있는 기체통류허용부(1A)와, 기체통류허용부(1A)의 전부 또는 일부를 피복하는 상태로, 막형(膜形)의 전극층(31)과 막형의 전해질층(32)과 막형의 대극 전극층(33)을 기재순으로 가지는 전기 화학 반응부(3)를 구비한다 (도 13∼도 17 참조). 또한, 판형 지지체(10)에는, 표면 관통 방향 외측으로부터 내부 유로(A1)에 예를 들면, 연료 가스 등의 환원성 성분 가스 및 예를 들면, 공기 등의 산화성 성분 가스 중 한쪽인 제1 가스를 공급하는 공급로(4)를 형성하는 제1 관통부(41)를 일단부 측에 구비하고, 내부 유로(A1)를 통류한 제1 가스를 판형 지지체의 표면 관통 방향 외측으로 배출하는 배출로(5)를 형성하는 제2 관통부(51)를 타단부 측에 구비한다(도 9, 도 11, 도 16, 도 17 참조, 그리고, 공급로(4) 등과 배출로(5) 등은 대칭형이며 동일한 구조인 것도 이해된다).
(판형 지지체)
제1 판형체(1)는, 전극층(31)과 전해질층(32)과 대극 전극층(33)을 가지는 전기 화학 반응부(3)를 지지하여 전기 화학 소자(A)의 강도를 유지하는 역할을 한다. 제1 판형체(1)의 재료로서는, 전자전도성, 내열성, 내산화성 및 내부식성이 우수한 재료가 사용된다. 예를 들면, 페라이트계 스테인레스, 오스테나이트계 스테인레스, 니켈 기 합금 등이 사용된다. 특히, 크롬을 포함하는 합금이 바람직하게 사용된다. 본 실시형태에서는, 제1 판형체(1)는, Cr을 18질량% 이상 25질량% 이하 함유하는 Fe-Cr계 합금을 사용하고 있지만, Mn을 0.05질량% 이상 함유하는 Fe-Cr계 합금, Ti를 0.15질량% 이상 1.0질량% 이하 함유하는 Fe-Cr계 합금, Zr을 0.15질량% 이상 1.0질량% 이하 함유하는 Fe-Cr계 합금, Ti 및 Zr을 함유하고 Ti와 Zr의 합계의 함유량이 0.15질량% 이상 1.0질량% 이하인 Fe-Cr계 합금, Cu를 0.10질량% 이상 1.0질량% 이하 함유하는 Fe-Cr계 합금이면 특히 바람직하다.
제2 판형체(2)는, 제1 판형체(1)와 중첩된 상태로, 주위 에지부(1a)를 용접 일체와 되어 판형 지지체(10)를 구성한다(도 10∼도 17 참조). 제2 판형체(2)는, 제1 판형체(1)에 대하여 복수 개로 분할되어 있어도 되고, 반대로 제1 판형체(1)가 제2 판형체(2)에 대하여 복수 개로 분할된 상태라도 된다. 또한, 일체화하는 데 있어서, 용접 대신, 접착, 끼워맞춤 등 다른 수단을 채용할 수 있고, 내부 유로를 외부 특개 구획하여 형성할 수 있는 것이면, 주위 에지부(1a) 이외의 부분에서 일체로 해도 된다.
제1 판형체(1)는, 표면측의 면과 이면측(裏面側)의 면을 관통하여 설치되는 복수의 관통공(11)을 다수 설치하여 이루어지는 기체통류허용부(1A)를 가진다(도 13∼도 17 참조). 그리고, 예를 들면, 관통공(11)은, 레이저 가공 등에 의해, 제1 판형체(1)에 설치할 수 있다. 관통공(11)은, 제1 판형체(1)의 이면측의 면으로부터 표면측의 면에 기체를 투과시키는 기능을 가진다. 기체통류허용부(1A)는, 제1 판형체(1)에서의 전극층(31)이 설치되는 영역보다 작은 영역에 설치되는 것이 바람직하다.
제1 판형체(1)에는 그 표면에, 확산 억제층으로서의 금속 산화물층(12)(후술함, 도 18 참조)이 설치된다. 즉, 제1 판형체(1)와 후술하는 전극층(31) 사이에, 확산 억제층이 형성되어 있다. 금속 산화물층(12)은, 제1 판형체(1)의 외부에 노출된 면뿐만 아니라, 전극층(31)과의 접촉면(계면)에도 설치된다. 또한, 관통공(11)의 내측의 면에 설치할 수도 있다. 이 금속 산화물층(12)에 의해, 제1 판형체(1)와 전극층(31) 사이의 원소 상호 확산을 억제할 수 있다. 예를 들면, 제1 판형체(1)로서 크롬을 함유하는 페라이트계 스테인레스를 ctk용한 경우에는, 금속 산화물층(12)이 주로 크롬산화물이 된다. 그리고, 제1 판형체(1)의 크롬 원자 등이 전극층(31)이나 전해질층(32)에 확산하는 것을, 크롬산화물를 주성분으로 하는 금속 산화물층(12)이 억제한다. 금속 산화물층(12)의 두께는, 확산 방지 성능의 높음과 전기 저항의 낮음을 양립시킬 수 있는 두께라면 된다.
금속 산화물층(12)은 다양한인 방법에 의해 형성될 수 있지만, 제1 판형체(1)의 표면을 산화시켜 금속 산화물로 하는 방법이 바람직하게 사용된다. 또한, 제1 판형체(1)의 표면에, 금속 산화물층(12)을 스프레이 코팅법(용사법이나 에어로졸데포지션법, 에어로졸가스데포지션법, 파우더제트데포지션법, 파티클제트데포지션법, 콜드스프레이법 등의 방법), 스퍼터링법이나 PLD법 등의 PVD법, CVD법 등에 의해 형성해도 되고, 도금과 산화 처리에 의해 형성해도 된다. 또한, 금속 산화물층(12)은 도전성이 높은 스피넬(spinel)상 등을 포함해도 된다.
제1 판형체(1)로서 페라이트계 스테인레스 재료를 사용한 경우, 전극층(31)이나 전해질층(32)의 재료인 YSZ(이트리어 안정화 지르코니아)나 GDC(가돌륨도핑세리아, CGO이라고도 함) 등과 열팽창계수가 유사하다. 따라서, 저온과 고온의 온도 사이클이 반복된 경우에도 전기 화학 소자(A)가 데미지를 받기 어렵다. 따라서, 장기 내구성이 우수한 전기 화학 소자(A)를 실현하므로, 바람직하다. 그리고, 제1 판형체(1)는, 표면측의 면과 이면측의 면을 관통하여 설치되는 복수의 관통공(11)을 가진다. 그리고, 예를 들면, 관통공(11)은, 기계적, 화학적 혹은 광학적 천공 가공 등에 의해, 제1 판형체(1)에 설치할 수 있다. 관통공(11)은, 제1 판형체(1)의 이면측의 면으로부터 표면측의 면에 기체를 투과시키는 기능을 가진다. 제1 판형체(1)에 기체투과성을 가지게 하기 위하여, 다공질 금속을 사용하는 것도 가능하다. 예를 들면, 제1 판형체(1)는, 소결 금속이나 발포 금속 등을 사용할 수도 있다.
제2 판형체(2)는, 제1 판형체(1)의 기체통류허용부(1A)에 대향하는 영역에 있어서, 일단부 측으로부터 타단부 측을 향하는 복수의 부유로(A11, A11………)를 구비한 내부 유로(A1)를 형성하는 파형판형으로 형성된다(도 9, 도 13 참조). 또한, 제2 판형체(2)는, 표면과 이면 양면 모두 파형판형으로 형성되어 있고, 내부 유로(A1)를 구획 형성하는 면의 반대면은, 인접하는 전기 화학 소자(A)의 전기 화학 반응부(3)에 전기적으로 접속하고, 파형 형상의 제2 판형체(2)가 제1 판형체(1)와 접촉하는 부분의 근방에 형성되는 통로가, 통류부(A2)로서 기능한다. 이 부유로(A11)는 직사각형상으로 형성되는 판형 지지체(10)의 장변을 따라 복수 평행하게 형성되어 있고, 일단부에 설치되는 공급로(4)로부터 타단부에 설치되는 배출로(5)에 이르는 내부 유로(A1)를 구성한다. 또한, 제1 관통부(41)와 내부 유로(A1)의 접속 개소는, 제1 판형체(1)와의 접촉 부분으로부터 아래쪽으로 팽출시켜 이루어지고, 제1 관통부(41)로부터 공급되는 제1 가스를 부유로(A11)의 각각에 분배하는 분배부(A12)를 구비하고(도 9 참조), 제2 관통부(51)와 내부 유로(A1)의 접속 개소는, 제1 판형체(1)와의 접촉 부분으로부터 아래쪽으로 팽출시켜 이루어지고, 부유로(A11)의 각각을 통류한 제1 가스를 집약하여 제2 관통부(51)에 인도하는 합류부(A13)를 구비한다(도 9, 도 11, 도 12, 도 14∼도 17 참조, 그리고, 공급로(4) 등과 배출로(5) 등은 대칭형이며 동일한 구조인 것도 이해된다). 또한, 제2 판형체(2)의 재료에 대해서는, 내열성의 금속인 것이 바람직하고, 제1 판형체(1)와의 열팽창차의 저감이나, 용접 등의 접합성의 신뢰성 확보의 관점에서, 제1 판형체(1)와 동일한 재료이면, 보다 바람직하다.
(전기 화학 반응부)((전극층))
전극층(31)은, 도 13∼18에 나타낸 바와 같이, 제1 판형체(1)의 표면측의 면으로서 관통공(11)이 설치된 영역보다 큰 영역에, 박층(薄層)의 상태로 설치할 수 있다. 박층으로 하는 경우에는, 그 두께를, 예를 들면, 1㎛∼100㎛ 정도, 바람직하게는, 5㎛∼50㎛로 할 수 있다. 이와 같은 두께로 하면, 고가의 전극층 재료의 사용량을 저감하여 코스트다운을 도모하면서, 충분한 전극 성능을 확보하는 것이 가능하게 된다. 관통공(11)이 설치된 영역 전체가, 전극층(31)으로 덮여져 있다. 즉, 관통공(11)은 제1 판형체(1)에서의 전극층(31)이 형성된 영역의 내측에 형성되어 있다. 바꾸어 말하면, 모든 관통공(11)이 전극층(31)에 면하여 설치되어 있다.
전극층(31)은, 기체투과성을 가지게 하기 위해서, 그 내부 및 표면에 복수의 세공(細孔)을 가진다.
즉 전극층(31)은, 다공질층으로서 형성된다. 전극층(31)은, 예를 들면, 그 치밀도가 30% 이상 80% 미만이 되도록 형성된다. 세공의 사이즈는, 전기 화학 반응을 행할 때 원활한 반응이 진행하기에 적합한 사이즈를 적절하게 선택할 수 있다. 그리고 치밀도는, 층을 구성하는 재료의 공간에서 차지하는 비율이며, (1-공공률(空孔率))로 표시할 수 있고, 또한, 상대밀도와 동등하다.
전극층(31)의 재료로서는, 예를 들면, NiO-GDC, Ni-GDC, NiO-YSZ, Ni-YSZ, CuO-CeO2, Cu-CeO2 등의 복합 재료를 사용할 수 있다. 이 예에서는, GDC, YSZ, CeO2을 복합 재료의 골재로 칭할 수 있다. 그리고, 전극층(31)은, 저온소성법(예를 들면, 1100℃보다 높은 고온 영역에서의 소성 처리를 하지 않는 저온 영역에서의 소성 처리를 사용하는 습식법)이나 스프레이 코팅법(용사법이나 에어로졸데포지션법, 에어로졸가스데포지션법, 파우더제트데포지션법, 파티클제트데포지션법, 콜드스프레이법 등의 방법), PVD법(스퍼터링법이나 펄스레이저데포지션법 등), CVD법 등에 의해 형성하는 것이 바람직하다. 이들, 저온 영역에서 사용 가능한 프로세스에 의해, 예를 들면, 1100℃보다 높은 고온 영역에서의 소성을 사용하지 않고, 양호한 전극층(31)이 얻어진다. 이 때문에, 제1 판형체(1)를 손상시키지 않고, 또한, 제1 판형체(1)와 전극층(31)의 원소 상호 확산을 억제할 수 있고, 내구성이 우수한 전기 화학 소자(A)를 실현할 수 있으므로, 바람직하다. 또한, 저온소성법을 사용하면, 원재료의 핸들링이 용이하게 되므로 더욱 바람직하다.
(중간층)
중간층(34)은, 전극층(31)을 덮은 상태로, 전극층(31) 위에 박층의 상태로 형성할 수 있다. 박층으로 하는 경우에는, 그 두께를, 예를 들면, 1㎛∼100㎛ 정도, 바람직하게는 2㎛∼50㎛ 정도, 보다 바람직하게는 4㎛∼25㎛ 정도로 할 수 있다. 이와 같은 두께로 하면, 고가의 중간층(34)의 재료 사용량을 저감하여 코스트다운을 도모하면서, 충분한 성능을 확보하는 것이 가능하게 된다. 중간층(34)의 재료로서는, 예를 들면, YSZ(이트리어 안정화 지르코니아), SSZ(스칸듐 안정화 지르코니아)이나 GDC(가돌륨·도핑·세리아), YDC(이트륨·도핑·세리아), SDC(사마륨·도핑·세리아) 등을 사용할 수 있다. 특히 세리아계의 세라믹스가 바람직하게 사용된다.
중간층(34)은, 저온소성법(예를 들면, 1100℃보다 높은 고온 영역에서의 소성 처리를 하지 않는 저온 영역에서의 소성 처리를 사용하는 습식법)이나 스프레이 코팅법(용사법이나 에어로졸데포지션법, 에어로졸가스데포지션법, 파우더제트데포지션법, 파티클제트데포지션법, 콜드스프레이법 등의 방법), PVD법(스퍼터링법, 펄스레이저데포지션법 등), CVD법 등에 의해 형성하는 것이 바람직하다. 이들, 저온 영역에서 사용 가능한 성막 프로세스에 의해, 예를 들면, 1100℃보다 높은 고온 영역에서의 소성을 사용하지 않고 중간층(34)이 얻어진다. 이에 따라, 제1 판형체(1)를 손상시키지 않고, 제1 판형체(1)와 전극층(31)의 원소 상호 확산을 억제할 수 있고, 내구성이 우수한 전기 화학 소자(A)를 실현할 수 있다. 또한, 저온소성법을 사용하면, 원재료의 핸들링이 용이하게 되므로 더욱 바람직하다.
중간층(34)으로서는, 산소 이온(산화물 이온) 전도성을 가지는 것이 바람직하다. 또한, 산소 이온(산화물 이온)과 전자의 혼합 전도성을 가지면 더욱 바람직하다. 이러한 성질을 가지는 중간층(34)은, 전기 화학 소자(A)로의 적용에 적합하다.
((전해질층))
도 13∼도 18에 나타낸 바와 같이, 전해질층(32)은, 전극층(31) 및 중간층(34)을 덮은 상태로, 상기 중간층(34) 위에 박층의 상태로 형성된다. 또한, 두께가 10㎛ 이하의 박막의 상태로 형성할 수도 있다. 상세하게는, 전해질층(32)은, 중간층(34) 위와 제1 판형체(1) 위에 걸쳐(타고넘어) 설치된다. 이와 같이 구성하고, 전해질층(32)을 제1 판형체(1)에 접합함으로써, 전기 화학 소자 전체로서 견뢰성이 우수한 것으로 할 수 있다.
또한 전해질층(32)은, 도 13에 나타낸 바와 같이, 제1 판형체(1)의 표면측의 면으로서 관통공(11)이 설치된 영역보다 큰 영역에 설치된다. 즉, 관통공(11)은 제1 판형체(1)에서의 전해질층(32)이 형성된 영역의 내측에 형성되어 있다.
또한 전해질층(32)의 주위에 있어서는, 전극층(31) 및 상기 중간층(도시하지 않음)으로부터의 가스의 리크(leak)를 억제할 수 있다. 설명하면, 전기 화학 소자(A)를 SOFC의 구성 요소로서 사용하는 경우, SOFC의 작성 시에는, 제1 판형체(1)의 이면측으로부터 관통공(11)을 통하여 전극층(31)에 가스가 공급된다. 전해질층(32)이 제1 판형체(1)에 접하고 있는 부위에 있어서는, 개스킷 등의 별개의 부재를 설치하지 않고, 가스의 리크를 억제할 수 있다. 그리고, 본 실시형태에서는 전해질층(32)에 의해 전극층(31)의 주위를 모두 덮고 있지만, 전극층(31) 및 상기 중간층(34)의 상부에 전해질층(32)을 설치하고, 주위에 개스킷 등을 설치하는 구성으로 해도 된다.
전해질층(32)의 재료로서는, YSZ(이트리어 안정화 지르코니아), SSZ(스칸듐 안정화 지르코니아)나 GDC(가돌륨·도핑·세리아), YDC(이트륨·도핑·세리아), SDC(사마륨·도핑·세리아), LSGM(스트론튬·마그네슘 첨가 란탄갈레이트) 등의 산소 이온을 전도하는 전해질 재료나, 페로브스카이트형 산화물 등의 수소 이온을 전도하는 전해질 재료를 사용할 수 있다. 특히 지르코니아계의 세라믹스가 바람직하게 사용된다. 전해질층(32)을 지르코니아계 세라믹스로 하면, 전기 화학 소자(A)를 사용한 SOFC의 가동 온도를 세리아계 세라믹스나 다양한 수소 이온 전도성 재료에 비교하여 높게 할 수 있다. 예를 들면, 전기 화학 소자(A)를 SOFC에 사용하는 경우, 전해질층(32)의 재료로서 YSZ와 같은 650℃ 정도 이상의 고온 영역에서도 높은 전해질 성능을 발휘할 수 있는 재료를 사용하고, 시스템의 원연료에 도시가스나 LPG 등의 탄화 수소계의 원연료를 사용하고, 원연료를 수증기 개질 등에 의해 SOFC의 애노드 가스로 하는 시스템 구성을 하면, SOFC의 셀 스택에서 생기는 열을 원연료 가스의 개질에 사용하는 고효율의 SOFC 시스템을 구축할 수 있다.
전해질층(32)은, 저온소성법(예를 들면, 1100℃를 초과하는 고온 영역에서의 소성 처리를 하지 않는 저온 영역에서의 소성 처리를 사용하는 습식법)이나 스프레이 코팅법(용사법이나 에어로졸데포지션법, 에어로졸가스데포지션법, 파우더제트데포지션법, 파티클제트데포지션법, 콜드스프레이법 등의 방법), PVD법(스퍼터링법, 펄스레이저데포지션법 등), CVD(화학기상성장)법 등에 의해 형성하는 것이 바람직하다. 이들, 저온 영역에서 사용 가능한 성막 프로세스로 의해, 예를 들면, 1100℃를 초과하는 고온 영역에서의 소성을 사용하지 않고, 치밀하며 기밀성 및 가스 배리어성이 높은 전해질층(32)이 얻어진다. 이에 따라, 제1 판형체(1)의 손상을 억제하고, 또한 제1 판형체(1)와 전극층(31)의 원소 상호 확산을 억제할 수 있고, 성능·내구성이 우수한 전기 화학 소자(A)를 실현할 수 있다. 특히, 저온소성법이나 스프레이 코팅법 등을 사용하면, 저비용 소자가 실현되므로, 바람직하다. 또한, 스프레이 코팅법을 사용하면, 치밀하며 기밀성 및 가스 배리어성이 높은 전해질층이 저온 영역에서 용이하게 얻어지기 쉬우므로 더욱 바람직하다.
전해질층(32)은, 애노드 가스나 캐소드 가스의 가스 리크를 차폐(遮蔽)하고, 또한에, 높은 이온 전도성을 발현하기 위하여, 치밀하게 구성된다. 전해질층(32)의 치밀도는 90% 이상이 바람직하고, 95% 이상이면 보다 바람직하고, 98% 이상이면 더욱 바람직하다. 전해질층(32)은, 균일한 층인 경우에는, 그 치밀도가 95% 이상인 것이 바람직하고, 98% 이상이면 더욱 바람직하다. 또한, 전해질층(32)이, 복수의 층형으로 구성되어 있는 경우에는, 그 중 적어도 일부가, 치밀도가 98% 이상인 층 (치밀 전해질층)을 포함하고 있으면 되고, 99% 이상인 층(치밀 전해질층)을 포함하고 있으면 더욱 바람직하다. 이와 같은 치밀 전해질층이 전해질층의 일부에 포함되어 있으면, 전해질층이 복수의 층형으로 구성되어 있는 경우라도, 치밀하며 기밀성 및 가스 배리어성이 높은 전해질층을 형성하기 쉽게 되기 때문이다.
(반응방지층)
반응방지층(35)은, 전해질층(32) 위에 박층의 상태로 형성할 수 있다. 박층으로 하는 경우에는, 그 두께를, 예를 들면, 1㎛∼100㎛ 정도, 바람직하게는 2㎛∼50㎛ 정도, 더욱 바람직하게는 3㎛∼15㎛ 정도로 할 수 있다. 이와 같은 두께로 하면, 고가인 반응방지층 재료의 사용량을 저감하여 코스트다운을 도모하면서, 충분한 성능을 확보하는 것이 가능하게 된다. 상기 반응방지층의 재료로서는, 전해질층(32)의 성분과 대극 전극층(33)의 성분 사이의 반응을 방지할 수 있는 재료이면 되지만, 예를 들면, 세리아계 재료 등이 사용된다. 또한 반응방지층(35)의 재료로서, Sm, Gd 및 Y로 이루어지는 군으로부터 선택되는 원소 중 적어도 1개를 함유하는 재료가 바람직하게 사용된다. 그리고, Sm, Gd 및 Y으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 원소 중 적어도 1개를 함유하고, 이들 원소의 함유율의 합계가 1.0질량% 이상 10질량% 이하이면 된다. 반응방지층(35)을 전해질층(32)과 대극 전극층(33) 사이에 도입함으로써, 대극 전극층(33)의 구성 재료와 전해질층(32)의 구성 재료의 반응이 효과적으로 억제되고, 전기 화학 소자(A)의 성능의 장기안정성을 향상시킬 수 있다. 반응방지층(35)의 형성은, 1100℃ 이하의 처리 온도에서 형성할 수 있는 방법을 적절하게 사용하여 행하면, 제1 판형체(1)의 손상을 억제하고, 또한 제1 판형체(1)와 전극층(31)의 원소 상호 확산을 억제할 수 있고, 성능·내구성이 우수한 전기 화학 소자(A)를 실현할 수 있으므로, 바람직하다. 예를 들면, 저온소성법(예를 들면, 1100℃를 초과하는 고온 영역에서의 소성 처리를 하지 않는 저온 영역에서의 소성 처리를 사용하는 습식법), 스프레이 코팅법(용사법이나 에어로졸데포지션법, 에어로졸가스데포지션법, 파우더제트데포지션법, 파티클제트데포지션법, 콜드스프레이법 등의 방법), PVD법(스퍼터링법, 펄스레이저데포지션법 등), CVD법 등을 적절하게 사용하여 행할 수 있다. 특히, 저온소성법이나 스프레이 코팅법 등을 사용하면, 저비용 소자가 실현되므로, 바람직하다. 또한, 저온소성법을 사용하면, 원재료의 핸들링이 용이하게 되므로 더욱 바람직하다.
((대극 전극층))
도 13∼도 18에 나타낸 바와 같이, 대극 전극층(33)을, 전해질층(32) 또는 반응방지층(35) 위에 박층의 상태로 형성할 수 있다. 박층으로 하는 경우에는, 그 두께를, 예를 들면, 1㎛∼100㎛ 정도, 바람직하게는, 5㎛∼50㎛로 할 수 있다. 이와 같은 두께로 하면, 고가의 대극 전극층 재료의 사용량을 저감하여 코스트다운을 도모하면서, 충분한 전극 성능을 확보하는 것이 가능하게 된다. 대극 전극층(33)의 재료로서는, 예를 들면, LSCF, LSM 등의 복합 산화물, 세리아계 산화물 및 이들의 혼합물을 사용할 수 있다. 특히 대극 전극층(33)이, La, Sr, Sm, Mn, Co 및 Fe로 이루어지는 군으로부터 선택되는 2종류 이상의 원소를 함유하는 페로브스카이트형 산화물을 포함하는 것이 바람직하다. 이상의 재료를 사용하여 구성되는 대극 전극층(33)은, 캐소드로서 기능한다.
그리고, 대극 전극층(33)의 형성은, 1100℃ 이하의 처리 온도에서 형성할 수 있는 방법을 적절하게 사용하여 행하면, 제1 판형체(1)의 손상을 억제하고, 또한 제1 판형체(1)와 전극층(31)의 원소 상호 확산을 억제할 수 있고, 성능·내구성이 우수한 전기 화학 소자(A)를 실현할 수 있으므로, 바람직하다. 예를 들면, 저온소성법(예를 들면, 1100℃를 초과하는 고온 영역에서의 소성 처리를 하지 않는 저온 영역에서의 소성 처리를 사용하는 습식법), 스프레이 코팅법(용사법이나 에어로졸데포지션법, 에어로졸가스데포지션법, 파우더제트데포지션법, 파티클제트데포지션법, 콜드스프레이법 등의 방법), PDV법(스퍼터링법, 펄스레이저데포지션법 등), CVD법 등을 적절하게 사용하여 행할 수 있다. 특히, 저온소성법이나 스프레이 코팅법 등을 사용하면, 저비용 소자가 실현되므로, 바람직하다. 또한, 저온소성법을 사용하면, 원재료의 핸들링이 용이하게 되므로 더욱 바람직하다.
이와 같은 전기 화학 반응부(3)를 구성함으로써, 전기 화학 반응부(3)를 연료전지(전기 화학발전 셀)로서 기능시키는 경우에는, 전기 화학 소자(A)를 고체산화물형 연료전지의 발전 셀로서 사용할 수 있다. 예를 들면, 제1 판형체(1)의 이면측의 면으로부터 관통공(11)을 통하여 제1 가스로서의 수소를 포함하는 연료 가스를 전극층(31)에 공급하고, 전극층(31)의 대극이 되는 대극 전극층(33)에 제2 가스로서의 공기를 공급하고, 예를 들면, 700℃ 정도의 작동 온도로 유지한다. 이렇게 하면, 대극 전극층(33)에 있어서 공기에 포함되는 산소(O2)가 전자(e-)와 반응하여 산소 이온(O2-)이 생성된다. 그 산소 이온(O2-)이 전해질층(32)을 통하여 전극층(31)에 이동한다. 전극층(31)에 있어서는, 공급된 연료 가스에 포함되는 수소(H2)가 산소 이온(O2-)과 반응하여, 물(H2O)과 전자(e-)가 생성된다.
전해질층(32)에 수소 이온을 전도하는 전해질 재료를 사용한 경우에는, 전극층(31)에 있어서 유통된 연료 가스에 포함되는 수소(H2)가 전자(e-)를 방출하여 수소 이온(H+)이 생성된다. 이 수소 이온(H+)이 전해질층(32)을 통하여 대극 전극층(33)에 이동한다. 대극 전극층(33)에 있어서 공기에 포함되는 산소(O2)와 수소 이온(H+), 전자(e-)가 반응하여 물(H2O)이 생성된다.
이상의 반응에 의해, 전극층(31)과 대극 전극층(33) 사이에 전기 화학 출력으로서 기전력이 발생한다. 이 경우에, 전극층(31)은 연료전지의 연료극(애노드)으로서 기능하고, 대극 전극층(33)은 공기극(空氣極)(캐소드)으로서 기능한다.
또한, 도 13∼도 17에서 생략하였으나, 도 18에 나타낸 바와 같이, 본 실시형태에서는, 전기 화학 반응부(3)는 전극층(31)과 전해질층(32) 사이에 중간층(34)을 구비한다. 또한, 전해질층(32)과 대극 전극층(33) 사이에는 반응방지층(35)이 설치된다.
(전기 화학 반응부의 제조 방법)
다음으로, 전기 화학 반응부(3)의 제조 방법에 대하여 설명한다. 그리고, 도 13∼도 17에 있어서는, 하기 중간층(34) 및 반응방지층(35)을 생략하여 기술하고 있으므로, 여기서는, 주로 도 18를 참조하여 설명한다.
(전극층 형성 단계)
전극층 형성 단계에서는, 제1 판형체(1)의 표면측의 면의 관통공(11)이 설치된 영역보다 넓은 영역에 전극층(31)이 박막의 상태로 형성된다. 제1 판형체(1)의 관통공(11)은 레이저 가공 등에 의해 설치할 수 있다. 전극층(31)의 형성은, 전술한 바와 같이, 저온소성법(1100℃ 이하의 저온 영역에서의 소성 처리를 행하는 습식법), 스프레이 코팅법(용사법이나 에어로졸데포지션법, 에어로졸가스데포지션법, 파우더제트데포지션법, 파티클제트데포지션법, 콜드스프레이법 등의 방법), PVD법(스퍼터링법, 펄스레이저데포지션법 등), CVD법 등의 방법을 사용할 수 있다. 어느 방법을 사용하는 경우라도, 제1 판형체(1)의 열화를 억제하기 위하여, 1100℃ 이하의 온도에서 행하는 것이 바람직하다.
전극층 형성 단계를 저온소성법으로 행하는 경우에는, 구체적으로는 이하의 예와 같이 행한다. 먼저 전극층(31)의 재료 분말과 용매(분산매)를 혼합하여 재료 페이스트를 작성하고, 제1 판형체(1)의 표면측의 면에 도포하고, 800℃∼1100℃에서 소성한다.
(확산 억제층 형성 단계)
전술한 전극층 형성 단계에서의 소성 공정 시에, 제1 판형체(1)의 표면에 금속 산화물층(12)(확산 억제층)이 형성된다. 그리고, 상기 소성 공정에, 소성분위기를 산소분압이 낮은 분위기 조건으로 하는 소성 공정이 포함되어 있으면 원소의 상호 확산 억제 효과가 높고, 저항값이 낮은 양질의 금속 산화물층(12)(확산 억제층)이 형성되므로, 바람직하다. 전극층 형성 단계를, 소성을 행하지 않는 코팅 방법으로 행하는 경우를 포함하여, 별도의 확산 억제층 형성 단계를 포함해도 된다. 어느 경우라도, 제1 판형체(1)의 손상을 억제 가능한 1100℃ 이하의 처리 온도에서 실시하는 것이 바람직하다.
(중간층 형성 단계)
중간층 형성 단계에서는, 전극층(31)을 덮는 형태로, 전극층(31) 위에 중간층(34)이 박층의 상태로 형성된다. 중간층(34)의 형성은, 전술한 바와 같이, 저온소성법(1100℃ 이하의 저온 영역에서의 소성 처리를 행하는 습식법), 스프레이 코팅법(용사법이나 에어로졸데포지션법, 에어로졸가스데포지션법, 파우더제트데포지션법, 파티클제트데포지션법, 콜드스프레이법 등의 방법), PVD법(스퍼터링법, 펄스레이저데포지션법 등), CVD법 등의 방법을 사용할 수 있다. 어느 방법을 사용하는 경우라도, 제1 판형체(1)의 열화를 억제하기 위하여, 1100℃ 이하의 온도에서 행하는 것이 바람직하다.
중간층 형성 단계를 저온소성법으로 행하는 경우에는, 구체적으로는 이하의 예와 같이 행한다.
먼저, 중간층(34)의 재료 분말과 용매(분산매)를 혼합하여 재료 페이스트를 작성하고, 제1 판형체(1)의 표면측의 면에 도포한다. 그리고, 중간층(34)을 압축 성형하고(중간층 평활화 공정), 1100℃ 이하에서 소성한다(중간층 소성 공정). 중간층(34)의 압연은, 예를 들면, CIP(Cold Isostatic Pressing, 냉간 정수압 가압) 성형, 롤 가압 성형, RIP(Rubber Isostatic Pressing) 성형 등에 의해 행할 수 있다. 또한, 중간층(34)의 소성은, 800℃ 이상 1100℃ 이하의 온도에서 행하면 바람직하다. 이는, 이와 같은 온도이면, 제1 판형체(1)의 손상·열화를 억제하면서, 강도가 높은 중간층(34)을 형성할 수 있기 때문이다. 또한, 중간층(34)의 소성을 1050℃ 이하에서 행하면 보다 바람직하고, 1000℃ 이하에서 행하면 더욱 바람직하다. 이는, 중간층(34)의 소성 온도를 저하시킬수록, 제1 판형체(1)의 손상·열화를 보다 억제하면서, 전기 화학 소자(A)를 형성할 수 있기 때문이다. 또한, 중간층 평활화 공정과 중간층 소성 공정의 순서를 바꿀 수도 있다.
그리고, 중간층 평활화 공정는, 랩 성형이나 레벨링 처리, 표면의 절삭·연마 처리 등을 실시하는 것에 의해 행할 수도 있다.
(전해질층 형성 단계)
전해질층 형성 단계에서는, 전극층(31) 및 중간층(34)을 덮은 상태로, 전해질층(32)이 중간층(34) 위에 박층의 상태로 형성된다. 또한, 두께가 10㎛ 이하의 박막의 상태로 형성되어도 된다. 전해질층(32)의 형성은, 전술한 바와 같이, 저온소성법(1100℃ 이하의 저온 영역에서의 소성 처리를 행하는 습식법), 스프레이 코팅법(용사법이나 에어로졸데포지션법, 에어로졸가스데포지션법, 파우더제트데포지션법, 파티클제트데포지션법, 콜드스프레이법 등의 방법), PVD법(스퍼터링법, 펄스레이저데포지션법 등), CVD법 등의 방법을 사용할 수 있다. 어느 방법을 사용하는 경우라도, 제1 판형체(1)의 열화를 억제하기 위하여, 1100℃ 이하의 온도에서 행하는 것이 바람직하다.
치밀하며 기밀성 및 가스 배리어 성능이 높는, 양질의 전해질층(32)을 1100℃ 이하의 온도 영역에서 형성하기 위해서는, 전해질층 형성 단계를 스프레이 코팅법으로 행하는 것이 바람직하다. 이 경우에, 전해질층(32)의 재료를 제1 판형체(1)위의 중간층(34)을 향하여 분사하여, 전해질층(32)을 형성한다.
(반응방지층 형성 단계)
반응방지층 형성 단계에서는, 반응방지층(35)이 전해질층(32) 위에 박층의 상태로 형성된다. 반응방지층(35)의 형성은, 전술한 바와 같이, 저온소성법(1100℃ 이하의 저온 영역에서의 소성 처리를 행하는 습식법), 스프레이 코팅법(용사법이나 에어로졸데포지션법, 에어로졸가스데포지션법, 파우더제트데포지션법, 파티클제트데포지션법, 콜드스프레이법 등의 방법), PVD법(스퍼터링법, 펄스레이저데포지션법 등), CVD법 등의 방법을 사용할 수 있다. 어느 방법을 사용하는 경우라도, 제1 판형체(1)의 열화를 억제하기 위하여, 1100℃ 이하의 온도에서 행하는 것이 바람직하다. 그리고 반응방지층(35) 상측의 면을 평탄하게 하기 위하여, 예를 들면, 반응방지층(35)의 형성 후에 레벨링 처리나 표면을 절삭·연마 처리를 실시하거나, 습식 형성 후 소성 전에, 프레스가공을 실시해도 된다.
(대극 전극층 형성 단계)
대극 전극층 형성 단계에서는, 대극 전극층(33)이 반응방지층(35) 위에 박층의 상태로 형성된다. 대극 전극층(33)의 형성은, 전술한 바와 같이, 저온소성법(1100℃ 이하의 저온 영역에서의 소성 처리를 행하는 습식법), 스프레이 코팅법(용사법이나 에어로졸데포지션법, 에어로졸가스데포지션법, 파우더제트데포지션법, 파티클제트데포지션법, 콜드스프레이법 등의 방법), PVD법(스퍼터링법, 펄스레이저데포지션법 등), CVD법 등의 방법을 사용할 수 있다. 어느 방법을 사용하는 경우라도, 제1 판형체(1)의 열화를 억제하기 위하여, 1100℃ 이하의 온도에서 행하는 것이 바람직하다.
이상과 같이 하여, 전기 화학 반응부(3)를 제조할 수 있다.
그리고 전기 화학 반응부(3)에 있어서, 중간층(34)과 반응방지층(35)은, 어느 한쪽, 혹은 양쪽을 구비하지 않는 형태로 할 수도 있다. 즉, 전극층(31)과 전해질층(32)이 접촉하여 형성되는 형태, 혹은 전해질층(32)과 대극 전극층(33)이 접촉하여 형성되는 형태도 가능하다. 이 경우에 전술한 제조 방법에서는, 중간층 형성 단계, 반응방지층 형성 단계가 생략된다. 그리고, 다른 층을 형성하는 단계를 추가하거나, 동종의 층을 복수 적층하거나 할 수도 있지만, 어느 경우라도, 1100℃ 이하의 온도에서 행하는 것이 바람직하다.
(전기 화학 소자 적층체)
도 4에 나타낸 바와 같이, 전기 화학 소자 적층체(S)는, 전기 화학 소자(A)를 복수 가지고, 인접하는 전기 화학 소자(A)에 관하여, 하나의 전기 화학 소자(A)를 구성하는 판형 지지체(10)와, 다른 하나의 전기 화학 소자(A)를 구성하는 판형 지지체(10)가 대향하는 형태로, 또한 하나의 전기 화학 소자(A)를 구성하는 판형 지지체(10)에서의 전기 화학 반응부(3)가 배치되는 제1 판형체(1)과는 다른 제2 판형체(2)의 외면과, 다른 하나의 전기 화학 소자(A)를 구성하는 판형 지지체(10)에서의 제1 판형체(1)의 외면이 전기적으로 접속되는 형태에서, 또한 이들 양쪽 외면끼리의 인접 사이에, 상기 양쪽 외면을 따라 제2 가스가 통류하는 통류부(A2)가 형성되는 형태로, 복수의 전기 화학 소자(A)가 적층 배치되어 있다. 전기적으로 접속시키기 위해서는, 전기 전도성 표면부끼리를 단순하게 접촉시키는 것 외에, 접촉면에 면압을 인가하거나, 고전기전도성의 재료를 개재시켜 접촉 저항을 내리는 방법 등이 채용 가능하다. 구체적으로는, 직사각형상의 각 전기 화학 소자가 일단부의 제1 관통부(41)와 타단부의 제2 관통부(51)를 구비한 상태로, 각각의 전기 화학 소자의 전기 화학 반응부가 위를 향하는 상태로 정렬하고, 각 제1 관통부(41), 제2 관통부(51)끼리의 사이에 제1 환형 실링부, 제2 환형 실링부를 개재하여, 적층되는 것에 의해, 상기한 구성이 된다.
판형 지지체(10)에는, 표면 관통 방향 외측으로부터 내부 유로(A1)에 환원성 성분 가스 및 산화성 성분 가스 중 한쪽인 제1 가스를 공급하는 공급로(4)를 형성하는 제1 관통부(41)를 직사각형상의 판형 지지체(10)의 길이 방향 일단부 측에 구비하고, 통류부(A2) 내에 있어서, 판형 지지체(10)의 양쪽 외면에 각각 형성되는 제1 관통부(41)를 통류부(A2)와 구획하는 환형 실링부로서의 제1 환형 실링부(42)를 구비하고, 제1 관통부(41) 및 제1 환형 실링부(42)에 의해, 제1 가스를 내부 유로(A1)에 공급하는 공급로(4)가 형성된다. 그리고, 제1 판형체(1)에서의 제1 환형 실링부(42)의 맞닿는 부위의 주위에는 제1 판형체(1)에서의 상기 내부 유로(A1)와는 반대측면에 환형의 팽출부(a)를 설치하여 제1 환형 실링부(42)의 제1 판형체(1)의 면을 따른 방향에서의 위치 결정을 용이하게 하고 있다.
또한, 판형 지지체(10)는, 내부 유로(A1)를 통류한 제1 가스를 판형 지지체(10)의 표면 관통 방향 외측으로 배출하는 배출로(5)를 형성하는 제2 관통부(51)를 타단부 측에 구비하고, 제2 관통부(51)는, 제2 가스와 구획된 상태로 제1 가스를 통류시키는 구성이며, 통류부(A2) 내에 있어서, 판형 지지체(10)의 양쪽 외면에 각각 형성되는 제2 관통부(51)를 통류부(A2)와 구획하는 환형 실링부로서의 제2 환형 실링부(52)를 구비하고, 제2 관통부(51) 및 제2 환형 실링부(52)에 의해, 내부 유로(A1)를 통류한 제1 가스를 배출하는 배출로(5)가 형성된다.
제1, 제2 환형 실링부(42, 52)는, 알루미나 등의 세라믹 재료나, 마이카, 혹은 이들을 피복한 금속 등의 절연성 재료로 이루어지고, 인접하는 전기 화학 소자끼리를 전기적으로 절연하는 절연 실링부로서 기능한다.
(8) 에너지 시스템, 전기 화학 장치
다음으로, 에너지 시스템, 전기 화학 장치에 대하여 도 19를 참조하여 설명한다. 에너지 시스템(Z)은, 전기 화학 장치(100)와, 전기 화학 장치(100)로부터 배출되는 열을 재이용하는 배열 이용부로서의 열교환기(190)를 가진다. 전기 화학 장치(100)는, 전기 화학 모듈(M)과, 탈황기(101)와 개질기(102)로 이루어지는 연료 변환기를 가지고, 전기 화학 모듈(M)에 대하여 환원성 성분을 함유하는 연료 가스를 공급하는 연료 공급부(103)와, 전기 화학 모듈(M)로부터 전력을 인출하는 출력부(8)로서의 인버터(전력 변환기의 일례)(104)를 가진다.
상세하게는 전기 화학 장치(100)는, 탈황기(101), 개질수 탱크(105), 기화기(106), 개질기(102), 블로어(107), 연소부(108), 인버터(104), 제어부(110), 및 전기 화학 모듈(M)을 가진다.
탈황기(101)는, 도시가스 등의 탄화 수소계의 원연료에 포함되는 유황 화합물 성분을 제거(탈황)한다. 원연료 중에 유황 화합물이 함유되는 경우, 탈황기(101)를 구비함으로써, 유황 화합물에 의한 개질기(102) 혹은 전기 화학 소자(A)에 대한 악영향을 억제할 수 있다. 기화기(106)는, 개질수 탱크(105)로부터 공급되는 개질수로부터 수증기를 생성한다. 개질기(102)는, 기화기(106)에서 생성된 수증기를 사용하여 탈황기(101)에서 탈황된 원연료를 수증기 개질하여, 수소를 포함하는 개질 가스를 생성한다.
전기 화학 모듈(M)은, 개질기(102)로부터 공급된 개질 가스와, 블로어(107)로부터 공급된 공기를 사용하여, 전기 화학 반응시켜 발전한다. 연소부(108)는, 전기 화학 모듈(M)로부터 배출되는 반응 배기 가스와 공기를 혼합시켜, 반응 배기 가스 중의 가연 성분을 연소시킨다.
인버터(104)는, 전기 화학 모듈(M)의 출력 전력을 조정하여, 상용계통(도시하지 않음)으로부터 수전하는 전력과 동일한 전압 및 동일한 주파수로 한다. 제어부(110)는 전기 화학 장치(100) 및 에너지 시스템(Z)의 운전을 제어한다.
개질기(102)는, 연소부(108)에서의 반응 배기 가스의 연소에 의해 발생하는 연소열을 사용하여 원연료의 개질 처리를 행한다.
원연료는, 승압 펌프(111)의 작동에 의해 원연료 공급로(112)를 통하여 탈황기(101)에 공급된다. 개질수 탱크(105)의 개질수는, 개질수 펌프(113)의 작동에 의해 개질수공급로(114)를 통하여 기화기(106)에 공급된다. 그리고, 원연료 공급로(112)는 탈황기(101)보다 하류 측의 부위에서, 개질수공급로(114)에 합류되어 있고, 용기(200) 밖에서 합류된 개질수와 원연료가 기화기(106)에 공급된다.
개질수는 기화기(106)에서 기화되어 수증기가 된다. 기화기(106)에서 생성된 수증기를 포함하는 원연료는, 수증기 함유 원연료 공급로(115)를 통하여 개질기(102)에 공급된다. 개질기(102)에서 원연료가 수증기 개질되어, 수소 가스를 주성분으로 하는 개질 가스(환원성 성분을 가지는 제1 가스)가 생성된다. 개질기(102)에서 생성된 개질 가스는, 연료 공급부(103)를 통하여 전기 화학 모듈(M)에 공급된다.
반응 배기 가스는 연소부(108)에서 연소되어, 연소 배기 가스가 되어 연소 배기 가스 배출로(116)로부터 열교환기(190)에 보내진다. 연소 배기 가스 배출로(116)에는 연소 촉매부(117)(예를 들면, 백금계 촉매)가 배치되어, 연소 배기 가스에 함유되는 일산화탄소나 수소 등의 환원성 성분을 연소 제거한다.
열교환기(190)는, 연소부(108)에서의 연소로 생긴 연소 배기 가스와, 공급되는 냉수를 열교환시켜, 온수를 생성한다. 즉 열교환기(190)는, 전기 화학 장치(100)로부터 배출되는 열을 재이용하는 배열 이용부로서 동작한다.
그리고, 배열 이용부 대신, 전기 화학 모듈(M)로부터 (연소되지 않고) 배출되는 반응 배기 가스를 이용하는 반응 배기 가스 이용부를 설치해도 된다. 또한, 제1 가스 배출부(62)로부터 용기(200) 밖으로 유통되는 반응 배기 가스 중 적어도 일부를 도 19의 100, 101, 103, 106, 112, 113, 115 중 어느 하나의 부위에 합류시켜 리사이클해도 된다. 반응 배기 가스에는, 전기 화학 소자(A)에서 반응에 사용되지 않은 잔여의 수소 가스가 포함된다. 반응 배기 가스 이용부에서는, 잔여의 수소 가스를 이용하여, 연소에 의한 열이용이나, 연료전지 등에 의한 발전이 행해지고, 에너지의 유효 이용이 이루어진다.
[다른 실시형태]
그리고 전술한 실시형태(다른 실시형태를 포함함, 이하 동일함)에서 개시되는 구성은, 모순이 생기지 않는 한, 다른 실시형태에서 개시된 구성과 조합하여 적용하는 것이 가능하며, 또한, 본 명세서에 있어서 개시된 실시형태는 예시로서, 본 발명의 실시형태는 이것으로 한정되지 않고, 본 발명의 목적을 벗어나지 않는 범위내에서 적절하게 개변할 수 있다.
(1) 상기 실시형태에서는, 전기 화학 소자(A)가 SOFC인 전기 화학 모듈(M)에 평판형 부재(220)를 적용했다. 그러나, 상기한 평판형 부재(220)는, SOEC(Solid Oxide Electrolyzer Cell) 및 2차 전지 등에도 적용할 수 있다.
(2) 상기한 실시형태에서는, 전기 화학 소자(A)를 전기 화학 장치(100)로서의 고체산화물형 연료전지에 사용하였지만, 전기 화학 소자(A)는, 고체산화물형 전해 셀이나, 고체산화물을 이용한 산소 센서 등에 이용할 수도 있다. 또한, 전기 화학 소자(A)는, 전기 화학 소자 적층체(S)나 전기 화학 모듈(M)로서 복수 조합하여 사용하는 것으로 한정되지 않고, 단독으로 사용하는 것도 가능하다.
즉, 상기한 실시형태에서는, 연료 등의 화학적 에너지를 전기 에너지로 변환하는 효율을 향상시킬 수 있는 구성에 대하여 설명했다. 즉, 상기한 실시형태에서는, 전기 화학 소자(A) 및 전기 화학 모듈(M)을 연료전지로서 동작시키고, 전극층(31)에 수소 가스가 유통되고, 대극 전극층(33)에 산소 가스가 유통된다. 이렇게 하면, 대극 전극층(33)에 있어서 산소 분자(O2)가 전자(e-)와 반응하여 산소 이온(O2-)이 생성된다. 이 산소 이온(O2-)이 전해질층(32)을 통하여 전극층(31)에 이동한다. 전극층(31)에 있어서는, 수소 분자(H2)가 산소 이온(O2-)과 반응하여, 물(H2O)과 전자(e-)가 생성된다. 이상의 반응에 의해, 전극층(31)과 대극 전극층(33) 사이에 기전력이 발생하고, 발전이 행해진다.
한편, 전기 화학 소자(A) 및 전기 화학 모듈(M)을 전해 셀로서 동작시키는 경우에는, 전극층(31)에 수증기나 이산화탄소를 함유하는 가스가 유통되고, 전극층(31)과 대극 전극층(33) 사이에 전압이 인가된다. 이렇게 하면, 전극층(31)에 있어서 전자(e-)와 물 분자(H2O), 이산화탄소 분자(CO2)가 반응하여 수소 분자(H2)나 일산화탄소(CO)와 산소 이온(O2-)이 된다. 산소 이온(O2-)은 전해질층(32)을 통하여 대극 전극층(33)에 이동한다. 대극 전극층(33)에 있어서 산소 이온(O2-)이 전자를 방출하여 산소 분자(O2)가 된다. 이상의 반응에 의해, 물 분자(H2O)가 수소(H2)와 산소(O2)로, 이산화탄소 분자(CO2)를 함유하는 가스가 유통되는 경우에는 일산화탄소(CO)와 산소(O2)로 전기분해된다.
수증기와 이산화탄소 분자(CO2)를 함유하는 가스가 유통되는 경우에는 상기 전기분해에 의해 전기 화학 소자(A) 및 전기 화학 모듈(M)에 의해 생성한 수소 및 일산화탄소 등으로부터 탄화 수소 등의 다양한 화합물 등을 합성하는 연료 변환기(25)(도 21)를 설치할 수 있다. 연료 공급부(도시하지 않음)에 의해, 이 연료 변환기(25)가 생성한 탄화 수소 등을 전기 화학 소자(A) 및 전기 화학 모듈(M)에 유통하거나, 본 시스템·장치 밖으로 인출하여 별도의 연료나 화학 원료로서 이용할 수 있다.
도 21에는, 전기 화학 반응부(3)를 전해 셀로서 동작시키는 경우의 에너지 시스템(Z) 및 전기 화학 장치(100)의 일례가 나타나 있다. 본 시스템에서는 공급된 물과 이산화탄소가 전기 화학 반응부(3)에 있어서 전기분해되어, 수소 및 일산화탄소 등을 생성한다. 또한 연료 변환기(25)에 있어서 탄화 수소 등이 합성된다. 도 21의 열교환기(24)를, 연료 변환기(25)에서 일어나는 반응에 의해 생기는 반응열과 물을 열교환시켜 기화시키는 배열 이용부로서 동작시키고 또한, 도 21 중의 열교환기(23)를, 전기 화학 소자(A)에 의해 생기는 열배출과 수증기 및 이산화탄소를 열교환시켜 예열하는 배열 이용부로서 동작시키는 구성으로 함으로써, 에너지 효율을 높일 수 있다.
또한, 전력 변환기(93)는, 전기 화학 소자(A)에 전력을 유통한다. 이로써, 상기한 바와 같이 전기 화학 소자(A)는 전해 셀로서 작용한다.
따라서, 상기한 구성에 의하면, 전기 에너지를 연료 등의 화학적 에너지로 변환하는 효율을 향상시킬 수 있는 전기 화학 장치(100) 및 에너지 시스템(Z) 등을 제공할 수 있다.
(3) 상기한 실시형태에서는, 전극층(31)의 재료로서, 예를 들면, NiO_GDC, Ni_GDC, NiO_YSZ, Ni_YSZ, CuO_CeO2, Cu_CeO2 등의 복합 재료를 사용하고, 대극 전극층(33)의 재료로서, 예를 들면, LSCF, LSM 등의 복합 산화물을 사용했다. 이와 같이 구성된 전기 화학 소자(A)는, 전극층(31)에 수소 가스를 공급하여 연료극(애노드)로 하고, 대극 전극층(33)으로 공기를 공급하여 공기극(캐소드)으로 하여, 고체산화물형 연료전지 셀로서 사용하는 것이 가능하다. 이 구성을 변경하여, 전극층(31)을 공기극으로 하고, 대극 전극층(33)을 연료극으로 하는 것이 가능하도록, 전기 화학 소자(A)를 구성하는 것도 가능하다. 즉, 전극층(31)의 재료로서 예를 들면 LSCF, LSM 등의 복합 산화물을 사용하고, 대극 전극층(33)의 재료로서 예를 들면 NiO_GDC, Ni_GDC, NiO_YSZ, Ni_YSZ, CuO_CeO2, Cu_CeO2 등의 복합 재료를 사용한다. 이와 같이 구성한 전기 화학 소자(A)라면, 전극층(31)에 공기를 공급하여 공기극으로 하고, 대극 전극층(33)에 수소 가스를 공급하여 연료극으로 하여, 전기 화학 소자(A)를 고체산화물형 연료전지 셀로서 사용할 수 있다.
(4) 전술한 실시형태에서는, 제1 판형체(1)와 전해질층(32) 사이에 전극층(31)을 배치하고, 전해질층(32)으로부터 볼 때 제1 판형체(1)와는 반대측에 대극 전극층(33)을 배치했다. 전극층(31)과 대극 전극층(33)을 반대로 배치하는 구성도 가능하다. 즉, 제1 판형체(1)와 전해질층(32) 사이에 대극 전극층(33)을 배치하고, 전해질층(32)으로부터 볼 때 제1 판형체(1)과는 반대측에 전극층(31)을 배치하는 구성도 가능하다. 이 경우에, 전기 화학 소자(A)로의 기체의 공급에 대해서도 변경할 필요가 있다.
즉, 전극층(31)과 대극 전극층(33)의 순서나 제1 가스, 제2 가스 중 어느 하나가 환원성 성분 가스 및 산화성 성분 가스의 한쪽 또는 다른 쪽인가에 대해서는, 전극층(31)과 대극 전극층(33)에 대하여 제1 가스, 제2 가스가 적정하게 반응하는 형태로 공급되도록 배치되어 있으면, 다양한 형태를 채용할 수 있다.
(5) 또한, 전술한 실시형태에서는, 기체통류허용부(1A)를 덮고 전기 화학 반응부(3)를, 제1 판형체(1)의 제2 판형체(2)와는 반대측에 설치하였으나, 제1 판형체(1)의 제2 판형체(2) 측에 설치해도 된다. 즉, 전기 화학 반응부(3)는 내부 유로(A1)에 배치되는 구성이라도 본 발명은 성립된다.
(6) 상기 실시형태에서는, 제1 관통부(41), 제2 관통부(51)를 직사각형상의 판형 지지체의 양 단부에 한쌍 설치하는 형태로 하였으나, 양 단부에 설치하는 형태로 한정되지 않고, 또한, 2쌍 이상 설치하는 형태라도 된다. 또한, 제1 관통부(41), 제2 관통부(51)는, 쌍으로 설치되어 있을 필요는 없다. 따라서, 제1 관통부(41), 제2 관통부(51) 각각이, 1개 이상 설치될 수 있다.
또한, 판형 지지체는 직사각형상으로 한정되지 않고, 정방형상, 원형상 등 다양한 형태를 채용할 수 있다.
(7) 제1, 제2 환형 실링부(42, 52)는, 제1, 제2 관통부(41, 51)끼리를 연통시키고 가스의 누설을 방지할 수 있는 구성이라면 형상은 상관없다. 즉, 제1, 제2 환형 실링부(42, 52)는, 내부에 관통부와 연통되는 개구부를 가지는 무한형의 구성으로, 인접하는 전기 화학 소자(A)끼리의 사이를 실링하는 구성이면 된다. 제1, 제2 환형 실링부(42, 52)는, 예를 들면, 환형이다. 환형으로는, 원형, 타원형, 방형, 다각형상 등 어떠한 형상이라도 된다.
(8) 상기에서는, 판형 지지체(10)는, 제1 판형체(1) 및 제2 판형체(2)에 의해 구성되어 있다. 여기서, 제1 판형체(1)와 제2 판형체(2)는, 별개의 판형체로 구성되어 있어도 되고, 도 20에 나타낸 바와 같이 하나의 판형체로 구성되어 있어도 된다. 도 20의 경우, 하나의 판형체가 절곡됨으로써, 제1 판형체(1)와 제2 판형체(2)가 중첩된다. 그리고, 주위 에지부(1a)가 용접되는 등에 의해 제1 판형체(1)와 제2 판형체(2)가 일체화된다. 그리고, 제1 판형체(1)와 제2 판형체(2)는 일련의 이음매없는 판형체로 구성되어 있어도 되고, 일련의 판형체가 절곡됨으로써 도 20과 같이 성형되어도 된다.
또한, 후술하지만, 제2 판형체(2)가 하나의 부재로 구성되어 있어도 되고, 2개 이상의 부재로 구성되어 있어도 된다. 마찬가지로, 제1 판형체(1)가 하나의 부재로 구성되어 있어도 되고, 2개 이상의 부재로 구성되어 있어도 된다.
(9) 상기한 제2 판형체(2)는, 제1 판형체(1)와 함께 내부 유로(A1)를 형성한다. 내부 유로(A1)는, 분배부(A12), 복수의 부유로(A11), 합류부(A13)를 가지고 있다. 분배부(A12)에 공급된 제1 가스는, 도 9에 나타낸 바와 같이, 복수의 부유로(A11) 각각에 분배하여 공급되고, 복수의 부유로(A11)의 출구에서 합류부(A13)에 있어서 합류한다. 따라서, 제1 가스는, 분배부(A12)로부터 합류부(A13)를 향하는 가스 흐름 방향을 따라 흐른다.
복수의 부유로(A11)는, 제2 판형체(2) 중 분배부(A12)로부터 합류부(A13) 이외의 부분을 파형판형으로 형성함으로써 구성되어 있다. 그리고, 도 13에 나타낸 바와 같이, 복수의 부유로(A11)는, 제1 가스의 가스 흐름 방향에 교차하는 흐름 교차 방향에서의 단면에서 볼 때 파형판형으로 구성되어 있다. 이와 같은 복수의 부유로(A11)는, 도 9에 나타낸 가스 흐름 방향을 따라 파형판이 연장되어 형성되어 있다. 복수의 부유로(A11)는, 분배부(A12)와 합류부(A13) 사이에서 일련의 파형의 판형체로 형성되어 있어도 되고, 2개 이상의 파형의 판형체로 구성되어 있어도 된다. 복수의 부유로(A11)는, 예를 들면, 가스 흐름 방향을 따른 방향을 따라 분리한 2개 이상의 파형의 판형체로 구성되어 있어도 되고, 흐름 교차 방향을 따른 방향을 따라 분리한 2개 이상의 파형의 판형체로 구성되어 있어도 된다.
또한, 복수의 부유로(A11)는, 도 13에 나타낸 바와 같이 동일 형상의 산(山) 및 골(谷)이 반복 형성됨으로써 파형으로 구성되어 있다. 그러나, 제2 판형체(2)는, 복수의 부유로(A11)가 형성되는 영역에 있어서 판형 부분을 가지고 있어도 된다. 예를 들면, 복수의 부유로(A11)는, 판형 부분과 돌출형 부분이 교호적으로 형성됨으로써 구성되어 있어도 된다. 그리고, 돌출형 부분을 제1 가스 등의 유체(流體)가 통류하는 부분으로 할 수 있다.
(10) 상기한 제2 판형체(2)에 있어서 복수의 부유로(A11)에 상당하는 부분은, 전체면이 파형판형으로 형성되어 있을 필요는 없고, 적어도 일부가 파형판형으로 형성되어 있으면 된다. 제2 판형체(2)는, 예를 들면, 분배부(A12)와 합류부(A13) 사이에 있어서, 가스 흐름 방향의 일부가 평판형이며, 나머지가 파형판형이라도 된다. 또한, 제2 판형체(2)는, 흐름 교차 방향의 일부가 평판형이며, 나머지가 파형판형이라도 된다.
(11) 상기한 내부 유로(A1)에는, 발전 효율의 향상이 가능한 구조체를 설치할 수 있다. 이와 같은 구성에 대하여 이하에 설명한다. 상기 실시형태와 중복되는 부분은 기재를 간략화하거나 생략한다.
(I) 전기 화학 모듈(M)의 구체적 구성
다음으로, 도 22∼도 39 등을 사용하여, 전기 화학 모듈(M)의 구체적 구성에 대하여 설명한다. 전기 화학 모듈(M)에는 도 4에 나타낸 전기 화학 소자 적층체(S)가 포함된다.
여기서, 도 22∼도 39 등에 나타낸 바와 같이, 전기 화학 소자 적층체(S)의 적층 방향은 +Z 방향 및 -Z 방향(Z 방향)이다. 또한, 제1 판형체(1) 및 제2 판형체(2)의 사이에 있어서 제1 가스가 제1 가스 공급부(61) 측으로부터 제1 가스 배출부(62) 측에 통류하는 방향, 마찬가지로 제1 판형체(1) 및 제2 판형체(2)의 사이에 있어서 제2 가스가 제2 가스 공급부(71) 측으로부터 제2 가스 배출부(72) 측에 통류하는 방향은, +Z 방향 및 -Z 방향(Z 방향)에 교차하는 +X 방향 및 -X 방향(X 방향)이다. 또한, +Z 방향 및 -Z 방향(Z 방향) 및 +X 방향 및 -X 방향(X 방향)에 교차하는 방향은, +Y 방향 및 -Y 방향(Y 방향)이다. 그리고, XZ 평면과 XY 평면과 YZ 평면은 서로 대략 직교하고 있다.
도 4 및 도 22 등에 나타낸 바와 같이, 전기 화학 모듈(M)은, 공급로(4)를 통하여 내부 유로(A1)에 제1 가스를 공급하는 제1 가스 공급부(61)와, 반응 후의 제1 가스를 배출하는 제1 가스 배출부(62)와, 외부로부터 통류부(A2)에 제2 가스를 공급하는 제2 가스 공급부(71)와, 반응 후의 제2 가스를 배출하는 제2 가스 배출부(72)와, 전기 화학 반응부(3)에서의 전기 화학 반응에 따른 출력을 얻는 출력부(8)를 구비하고, 용기(200) 내에, 제2 가스 공급부(71)로부터 공급되는 제2 가스를 통류부(A2)에 분배 공급하는 분배실(9)을 구비하고 있다.
이로써, 전기 화학 모듈(M)은, 제1 가스 공급부(61)로부터 연료 가스(제1 가스라고 하는 경우도 있음)를 공급하고 또한, 제2 가스 공급부(71)로부터 공기(제2 가스라고 하는 경우도 있음)를 공급함으로써, 도 4, 도 22 등의 파선 화살표로 나타낸 바와 같이 연료 가스가 진입하고 실선 화살표로 나타낸 바와 같이 공기가 진입한다.
제1 가스 공급부(61)로부터 공급된 연료 가스는, 전기 화학 소자 적층체(S)의 최상부의 전기 화학 소자(A)의 제1 관통부(41)로부터 공급로(4)에 유도되고, 제1 환형 실링부(42)에 의해 구획되는 공급로(4)로부터, 모든 전기 화학 소자(A)의 내부 유로(A1)에 통류한다. 또한 제2 가스 공급부(71)로부터 공급된 공기는, 분배실(9)에 일시적으로 유입된 후, 각 전기 화학 소자(A) 사이에 형성되는 통류부(A2)에 통류한다. 본 실시형태에서는, 연료 가스가 내부 유로(A1)를 판형 지지체(10)의 평면을 따라 통류하는 통류 방향은, +X 방향으로부터 -X 방향으로 향하는 방향이다. 마찬가지로, 공기가 통류부(A2)를 판형 지지체(10)의 평면을 따라 통류하는 통류 방향은, +X 방향으로부터 -X 방향으로 향하는 방향이다.
덧붙이면, 제2 판형체(2)(판형 지지체(10)의 일부)를 기준으로 하면, 파형판형의 제2 판형체(2) 부분이 제1 판형체(1)(판형 지지체(10)의 일부)로부터 팽출하는 부분에서 제1 판형체(1)와 제2 판형체(2) 사이에 내부 유로(A1)가 형성되고 또한, 인접하는 전기 화학 소자(A)의 전기 화학 반응부(3)에 접촉하여 전기 접속 가능하게 한다. 한편, 파형판형의 제2 판형체(2)가 제1 판형체(1)와 접촉하는 부분이 제1 판형체(1)와 전기 접속하고, 제2 판형체(2)와 인접하는 전기 화학 소자(A)의 전기 화학 반응부(3)와의 사이에 통류부(A2)를 형성한다.
도 38 등의 일부에 내부 유로(A1)를 포함하는 단면이 나타나는 전기 화학 소자(A)와, 통류부(A2)를 포함하는 단면이 나타나는 전기 화학 소자(A)를 편의상 나란히 나타내는 부분이 있지만, 제1 가스 공급부(61)로부터 공급된 연료 가스는, 분배부(A12)에 도달하고(도 22∼도 25 등 참조), 분배부(A12)를 통하여 일단부 측의 폭 방향을 따라 퍼져서 흐르고, 내부 유로(A1) 중 각 부유로(A11)에 도달한다(도 22∼도 25 등 참조).
여기서, 도 22 등에 나타낸 바와 같이, 내부 유로(A1)는, 분배부(A12)와, 복수의 부유로(A11)와, 후술하는 합류부(A13)를 가지고 있다. 또한, 내부 유로(A1)는, 분배부(A12)와 복수의 부유로(A11) 사이의 공급 버퍼부(144)와, 복수의 부유로(A11)와 합류부(A13) 사이의 배출 버퍼부(154)를 가지고 있다.
이 내부 유로(A1)는, 제1 판형체(1)와 제2 판형체(2)가 대향하는 공간에 의해 형성되어 있다. 본 실시형태에서는, 제1 판형체(1)는 평판형이며, 후술하는 기체통류허용부(1A)가 형성되어 있다. 제2 판형체(2)는, 적층 방향에 대하여 상방향으로 돌출하는 부분과, 하방향으로 오목한 부분을 가지고 있다. 따라서, 제1 판형체(1)와 제2 판형체(2)가 대향하여 조합됨으로써, 제2 판형체(2)의 상방향으로 돌출하는 부분이 제1 판형체(1)와 맞닿는다. 그리고, 제2 판형체(2)의 하방향으로 오목한 부분과 제1 판형체(1)에 의해, 분배부(A12), 공급 버퍼부(144), 복수의 부유로(A11), 배출 버퍼부(154) 및 합류부(A13) 등의 각 부가 구획된 공간이 형성된다.
나중에 상술하지만, 연료 가스의 통류 방향을 따른 방향(+X 방향 및 -X 방향(X 방향))에 있어서, 분배부(A12)와 복수의 부유로(A11) 사이에 공급 구조체(140)가 설치되어 있다. 공급 구조체(140)는, 분배부(A12)에 연료 가스를 일시적으로 저류시켜, 분배부(A12)로부터 복수의 부유로(A11)로의 연료 가스의 공급을 제한한다.
또한, 연료 가스의 통류 방향을 따른 방향에 있어서, 복수의 부유로(A11)와 합류부(A13) 사이에 배출 구조체(150)가 설치되어 있다. 배출 구조체(150)는, 복수의 부유로(A11)로부터 합류부(A13)로의 연료 가스의 배출을 제한한다.
연료 가스는, 제1 가스 공급부(61), 제1 환형 실링부(42), 제1 관통부(41) 등을 통류하고, 각 전기 화학 소자(A)의 분배부(A12)에 공급된다. 분배부(A12)에 공급된 연료 가스는, 공급 구조체(140)에 의해 분배부(A12)에 일시적으로 저류된다. 그 후, 연료 가스는, 분배부(A12)로부터 복수의 부유로(A11)에 도입된다.
각 부유로(A11)에 진입한 연료 가스는, 각 부유로(A11)를 통류하고 또한, 기체통류허용부(1A)를 통하여 전극층(31), 전해질층(32)에 진입한다. 또한, 연료 가스는, 전기 화학 반응 완료된 연료 가스와 함께, 부유로(A11)를 진행한다. 복수의 부유로(A11)의 통류 방향의 종단까지 도달한 연료 가스는, 배출 구조체(150)에 의해 합류부(A13)로의 통류가 부분적으로 제한된 상태로, 합류부(A13)로 진행한다. 합류부(A13)로 진행한 연료 가스는, 합류부(A13), 제2 관통부(51), 제2 환형 실링부(52) 등을 통류한다. 그리고, 다른 전기 화학 소자(A)로부터의 전기 화학 반응 완료된 연료 가스와 함께 제1 가스 배출부(62)로부터 밖으로 배출된다.
한편, 제2 가스 공급부(71)로부터 공급된 공기는, 분배실(9)을 통하여 통류부(A2)에 진입하고, 대극 전극층(33), 전해질층(32)에 진입할 수 있다. 또한, 공기는, 전기 화학 반응 완료된 공기와 함께, 또한 전기 화학 반응부(3)를 따라 통류부(A2)를 진행하여 제2 가스 배출부(72)로부터 밖으로 배출된다.
이 연료 가스 및 공기의 흐름을 따라 전기 화학 반응부(3)에서 생긴 전력은, 인접하는 전기 화학 소자(A)의 전기 화학 반응부(3)와 제2 판형체(2)의 접촉에 의해 집전체(81, 82)끼리의 사이에 직렬로 접속되어, 합성 출력이 출력부(8)로부터 인출되는 형태가 된다.
전기 화학 소자 적층체(S)의 구성에 대해서는, 나중에 상술한다.
(II) 내부 유로 및 제2 판형체의 구성
제1 판형체(1)와 제2 판형체(2)가 대향하여 형성되는 내부 유로(A1)의 구성에 대하여 더욱 설명한다.
본 실시형태에서는, 평판형의 제1 판형체(1)와, 적층 방향을 따라 위쪽(+Z 방향)으로 돌출되도록, 혹은, 적층 방향을 따라 아래쪽(-Z 방향)으로 오목하도록 요철에 형성된 제2 판형체(2)가 서로 대향하여 조합된 내면에 내부 유로(A1)가 형성된다. 내부 유로(A1)에는, 분배부(A12), 공급 버퍼부(144), 복수의 부유로(A11), 배출 버퍼부(154) 및 합류부(A13)가 포함된다. 또한, 내부 유로(A1)에는, 제1 가스가 통과하는, 공급통과부(141)(공급 구조체(140)의 일부) 및 배출통과부(151)(배출 구조체(150)의 일부)도 포함된다.
그리고, 제1 가스 공급부(61), 제1 환형 실링부(42), 제1 관통부(41) 등이 설치되어 있는 공급로(4) 측과, 제1 가스 배출부(62), 제2 환형 실링부(52), 제2 관통부(51) 등이 설치되어 있는 배출로(5) 측은 대칭하는 구조다. 도 23∼도 25, 도 27∼도 30 등에 있어서는, 제1 가스 배출부(62), 제2 환형 실링부(52), 제2 관통부(51) 등이 설치되어 있는 배출로(5) 측의 단면도를 나타내고 있다. 한편, 도 31∼도 37 등에 있어서는, 제1 가스 공급부(61), 제1 환형 실링부(42), 제1 관통부(41) 등이 설치되어 있는 공급로(4) 측의 단면도를 나타내고 있다. 그리고, 도 23∼도 25, 도 27∼도 30 등의 배출로(5) 측의 단면도에서는, 제1 가스는 복수의 부유로(A11)로부터 합류부(A13)를 거쳐 제2 관통부(51) 등에 배출되는 방향으로 통류한다. 한편, 도 31∼도 37 등의 공급로(4) 측의 단면도에서는, 제1 가스는 제1 관통부(41) 등을 거쳐 분배부(A12)로부터 복수의 부유로(A11)에 공급되는 방향으로 통류한다.
분배부(A12)는, 각 전기 화학 소자(A)에 대응하여 설치되어 있다. 분배부(A12)는, 공급로(4) 측에 형성되어 있고, 각 전기 화학 소자(A)에 제1 가스를 공급하기 위한 버퍼부이다. 또한, 분배부(A12)는, 제1 가스의 통류 방향(+X 방향으로부터 -X 방향으로 향하는 방향)에 있어서, 내부 유로(A1) 중 복수의 부유로(A11)의 상류 측에 설치되어 있다. 도 22, 도 39 등에 나타낸 바와 같이, 분배부(A12)에는, 통류 방향의 교차 방향(+Y 방향 및 -Y 방향(Y 방향)) 및 통류 방향(+X 방향 및 -X 방향(X 방향))의 대략 중앙부에, 제2 판형체(2)를 관통하는 제1 관통부(41)가 형성되어 있다. 제1 가스는, 제1 가스 공급부(61), 제1 환형 실링부(42), 제1 관통부(41) 등을 통류하여, 각 전기 화학 소자(A)의 분배부(A12)에 공급된다.
제1 판형체(1)와 제2 판형체(2)는, 도 23∼도 37 등에 나타낸 바와 같이, 제1 판형체(1)의 에지부와 제2 판형체(2)의 에지부가 주위 에지부(1a)에 있어서 용접됨으로써 일체로 되어 있다. 분배부(A12)는, 주위 에지부(1a)보다 적층 방향의 아래쪽(-Z 방향)으로 오목하도록 제2 판형체(2)를 가공함으로써 형성되어 있다. 다시 말하면, 분배부(A12)는, 공급저지부(142)(공급 구조체(140)의 일부)에 있어서 적층 방향에 있어서 위치가 상이하도록 형성되어 있다. 즉, 도 34 등에 나타낸 바와 같이, 적층 방향에 있어서, 분배부(A12)의 상면은 공급저지부(142)의 상면보다 아래쪽에 위치한다. 그리고, 공급저지부(142)의 상면은 제1 판형체(1)의 하면과 맞닿아 있다. 이로써, 분배부(A12)에 도입된 제1 가스는, 적층 방향의 위쪽으로 돌출하는 공급저지부(142)에 의해 분배부(A12)로부터의 배출이 제한되어, 오목형으로 형성된 분배부(A12)에 일시적으로 저류된다.
또한, 분배부(A12)는, 상면에서 볼 때, 도 22 등에 나타낸 바와 같이 +Y 방향 및 -Y 방향(Y 방향)으로 길다. 그리고, 분배부(A12)의 Y 방향의 길이는, Y 방향으로 간격을 두고 평행하게 배치되어 있는 복수의 부유로(A11)의 영역의 Y 방향의 길이에 대응하고 있다.
제1 가스가 통류하는 복수의 부유로(A11)는, 도 22∼도 39 등에 나타낸 바와 같이, 통류 방향을 따라, 즉 +X 방향 및 -X 방향(X 방향)을 따라 연장되어 있다. 그리고, 복수의 부유로(A11)는, 전술한 바와 같이, Y 방향으로 간격을 두고 평행하게 나란히 배치되어 있다. 제2 판형체(2)는, 도 22∼도 39 등에 나타낸 바와 같이, 복수의 부유로(A11) 각각을 형성하는 복수의 부유로 형성부(160)와, 인접하는 부유로 형성부(160)의 사이에 설치되고, 인접하는 부유로(A11) 각각을 구획하는 복수의 칸막이부(161)를 가지고 있다. 도 38 등에 나타낸 바와 같이, 부유로 형성부(160)는 바닥면을 가지는 오목형으로 형성되어 있고, 칸막이부(161)의 상면은 부유로 형성부(160)의 바닥면보다 적층 방향의 위쪽에 위치하고 있다. 그리고, 칸막이부(161)의 상면은 제1 판형체(1)의 하면과 맞닿아 있다. 이로써, 각 부유로(A11)가 분리되어 있고, 각 부유로(A11) 중 각각을 제1 가스가 통류 방향을 따라 통류한다.
그리고, 부유로(A11)는, 도 22 등에서는, 공급 구조체(140)의 근방으로부터 배출 구조체(150)의 근방까지, 통류 방향을 따라 연장되어 있다. 그러나 이것으로 한정되지 않고, 부유로(A11)는, 공급 구조체(140)의 근방으로부터 배출 구조체(150)의 근방까지의 일부에만 형성되어 있어도 된다. 즉, 부유로(A11)를 형성하는 부유로 형성부(160)는, 공급 구조체(140)의 근방으로부터 배출 구조체(150)의 근방까지의 일부에만 배치되어 있어도 된다.
도 38, 도 39에 나타낸 바와 같이, +Y 방향 및 -Y 방향(Y 방향, 통류 방향과 교차하는 교차 방향)에 있어서, 칸막이부(161)의 길이(L3)는 부유로 형성부(160)의 길이(L4)보다 작다(L3<L4). L3<L4의 경우, 도 38 등에 나타낸 바와 같이, 칸막이부(161)의 상면과 제1 판형체(1)의 하면의 맞닿은 면적을 작게 할 수 있다. 즉, 기체통류허용부(1A)가 형성된 제1 판형체(1)에 면하는 부유로(A11)의 공간을 크게 할 수 있여, 부유로(A11)로부터 전기 화학 반응부(3)를 향하는 제1 가스의 양을 많게 할 수 있다.
제2 판형체(2)는, 도 22, 도 31∼도 39 등에 나타낸 바와 같이, 통류 방향을 따른 방향(+X 방향 및 -X 방향(X 방향))에 있어서, 분배부(A12)와 복수의 부유로(A11) 사이에 공급 구조체(140)를 가지고 있다. 공급 구조체(140)는, 분배부(A12)에 제1 가스를 일시적으로 저류시키고 또한, 분배부(A12)로부터 복수의 부유로(A11)로의 제1 가스의 공급을 제한한다.
공급 구조체(140)는, 복수의 공급통과부(141) 및 복수의 공급저지부(142)를 가지고 있다. 공급통과부(141)는, 제1 가스를 분배부(A12)로부터 복수의 부유로(A11)에 통과시킨다. 공급저지부(142)는, 제1 가스의 분배부(A12)로부터 복수의 부유로(A11)로의 통과를 저지한다. 도 33 등에 나타낸 바와 같이, 공급저지부(142)의 상면은 공급통과부(141)의 상면보다 적층 방향의 위쪽에 위치하고 있고, 제1 판형체(1)의 하면과 맞닿아 있다. 따라서, 분배부(A12) 내의 제1 가스는, 공급저지부(142)에 의해 통류 방향으로의 통류가 저지되는 한편, 공급통과부(141)를 통하여 통류 방향으로 통류하고, 복수의 부유로(A11)에 흐른다.
본 실시형태에서는, 각 공급저지부(142)는, 예를 들면, 도 22, 도 39 등에 나타낸 바와 같이 대략 직사각형상으로 형성되어 있다. 그리고, 직사각형상의 각 공급저지부(142)는, 장변이 +Y 방향 및 -Y 방향(Y 방향)을 따르도록 Y 방향을 따라 배치되어 있다. 인접하는 공급저지부(142)의 사이에 공급통과부(141)가 설치되어 있다. 즉, 공급통과부(141)는, 인접하는 공급저지부(142)의 단변이 대향하는 구간에 설치되어 있다.
도 39에 나타낸 바와 같이, +Y 방향 및 -Y 방향(Y 방향, 통류 방향과 교차하는 교차 방향)에 있어서, 공급저지부(142)의 길이(L2)는 공급통과부(141)의 길이(L1)보다 크다(L2>L1). 또한, 공급통과부(141)의 길이(L1)는, 칸막이부(161)의 길이(L3)보다 작은 것이 바람직하다(L1<L3). 이로써, 분배부(A12)로부터 공급통과부(141)를 통하여 압출된 제1 가스를 칸막이부(161)의 +X 방향 측의 단부에 충돌시킬 수 있고, 후술하는 공급 버퍼부(144)에 일시적으로 저류시킬 수 있다,
L1과 L2의 관계는, 예를 들면, 분배부(A12)에 단위 시간에 공급되는 제1 가스의 양, 복수의 부유로(A11)에 단위 시간에 공급할 제1 가스의 양, 공급저지부(142)의 수, 칸막이부(161)의 Y 방향의 길이(L3), 부유로(A11)의 Y 방향의 길이(L4) 등에 의해 결정된다.
전술한 바와 같이, 각 부유로(A11)는 각 칸막이부(161)에 의해 구획되어 있다. 통류 방향(+X 방향 및 -X 방향(X 방향))에 있어서, 공급통과부(141)에는, 복수의 칸막이부(161) 중 어느 하나의 칸막이부(161)가 대응하여 배치되어 있다.
또한, 통류 방향에 있어서, 공급저지부(142)에는, 복수의 부유로(A11) 중 적어도 1개의 부유로(A11)가 대응하여 배치되어 있다.
여기서, 제1 가스는, 분배부(A12)로부터 공급통과부(141)를 거쳐 복수의 부유로(A11)에 인도된다. 상기한 구성에 의하면, 통류 방향에 있어서 공급통과부(141)에는 어느 하나의 칸막이부(161)가 대응하여 배치되어 있으므로, 분배부(A12)로부터 공급통과부(141)에 압출된 제1 가스는, 통류 방향을 따라 진행함으로써 적층 방향의 위쪽으로 돌출되어 있는 칸막이부(161)에 충돌한다. 칸막이부(161)와의 충돌에 의해, 제1 가스는 통류 방향과 교차하는 교차 방향으로 진행한다. 즉, 분배부(A12)로부터 공급통과부(141)를 거쳐 통류해 온 제1 가스는, 즉시 복수의 부유로(A11)에 도입되는 것이 아니고, 부유로(A11)의 바로 앞에서 칸막이부(161)와 충돌하여 교차 방향으로 진행한다. 또한, 교차 방향으로 진행한 제1 가스는, 적층 방향의 위쪽으로 돌출되어 있는 공급저지부(142)에 의해 분배부(A12)로 되돌아가지 않고, 공급 구조체(140)와 복수의 부유로(A11) 사이에서 일시적으로 저류된다. 그 후, 제1 가스는, 분배부(A12)로부터의 압출을 따라, 복수의 부유로 형성부(160)가 형성하는 복수의 부유로(A11)에 도입된다.
그리고, 제1 가스가 공급 구조체(140)와 복수의 부유로(A11) 사이에서 일시적으로 저류되는 영역이, 공급 버퍼부(144)이다.
본 실시형태에서는, 통류 방향에 있어서, 1개의 공급통과부(141)에 대응하여 1개의 칸막이부(161)가 배치되어 있다. 그러나, 이것으로 한정되지 않고, 1개의 공급통과부(141)에 대응하여 복수의 칸막이부(161)가 배치되어 있어도 된다. 또한, 1개의 공급통과부(141)에 대응하여 칸막이부(161)가 배치되어 있지 않고, 별도의 1개의 공급통과부(141)에 대응하여 칸막이부(161)가 배치되어 있어도 된다.
또한, 통류 방향에 있어서, 제1 관통부(41)에 대응하여 공급저지부(142)가 설치되어 있다. 이로써, 제1 관통부(41)로부터 분배부(A12)에 도입된 제1 가스가 즉시 복수의 부유로(A11)를 향하는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 분배부(A12)에 제1 가스를 일시적으로 저류 가능하다.
공급저지부(142)의 수는, 이것으로 한정되지 않지만, 예를 들면 2개 이상이다. 또한, 복수의 부유로(A11)의 수에 따라 공급저지부(142)의 수가 설정되는 것이 바람직하다.
또한, 공급저지부(142)는, 상기에서는, 통류 방향의 교차 방향으로 일렬로 배치되어 있다. 그러나, 제1 가스를 분배부(A12)에 일시적으로 저류하고, 복수의 부유로(A11)에 대략 균일하게 제1 가스를 공급할 수 있으면, 이 배치로 한정되지 않는다. 예를 들면, 복수의 공급저지부(142)는, 교차 방향으로부터 어긋나게 배치되어도 된다. 또한, 복수의 공급저지부(142)가 교차 방향을 따라, 혹은 교차 방향으로부터 어긋나게 배치되어도 된다.
또한, 상기에서는, 공급저지부(142)는 직사각형상이다. 그러나, 분배부(A12)로부터 복수의 부유로(A11)에 균일하게 가스를 공급할 수 있으면, 공급저지부(142)의 형상은 이것으로 한정되지 않는다. 예를 들면, 공급저지부(142)는, 정방형상, 원형상, 타원형상, 삼각형상 등 다양한 형상으로 형성되어 있어도 된다.
또한, 이것으로 한정되지 않지만, 도 22, 도 39 등의 상기 실시형태에 나타낸 바와 같이, 복수의 공급저지부(142) 중 2개는, 분배부(A12)의 +Y 방향의 단부 및 -Y 방향의 단부에 대응하는 위치에 각각 설치되어 있는 것이 바람직하다. 제1 가스는, 분배부(A12)의 제1 관통부(41)로부터 분배부(A12)의 공간을 퍼지도록 분배부(A12)에 두루 미치고, 분배부(A12)의 단면에 충돌한다. 따라서, 분배부(A12)의 단면에 충돌한 제1 가스는, 단면에서 방향을 바꾸어 복수의 부유로(A11)를 향하여 흐르는 경우가 있다. 따라서, 분배부(A12)의 단부에 대응하는 위치에 공급저지부(142)를 설치해 둠으로써, 분배부(A12)로부터 복수의 부유로(A11)에 즉시 제1 가스가 유출되는 것을 억제할 수 있다. 이로써, 후술하는 바와 같이, 분배부(A12)로부터 각 부유로(A11)에 대략 균일하게 제1 가스를 공급할 수 있다.
다음으로, 합류부(A13) 및 배출 구조체(150)에 대하여 설명한다. 합류부(A13) 및 배출 구조체(150)는, 각각 분배부(A12) 및 공급 구조체(140)와 동일한 구성이다.
합류부(A13)는, 배출로(5) 측에 형성되어 있고, 복수의 부유로(A11)를 통류한 제1 가스를 배출하기 위한 버퍼부이다. 합류부(A13)는, 제1 가스의 통류 방향에 있어서, 내부 유로(A1) 중 복수의 부유로(A11)의 하류 측에 설치되어 있다. 도 22, 도 39 등에 나타낸 바와 같이, 합류부(A13)에는, 통류 방향 및 그 교차 방향의 대략 중앙부에, 제2 판형체(2)를 관통하는 제2 관통부(51)가 형성되어 있다. 복수의 부유로(A11)를 통과한 제1 가스는, 합류부(A13)에 도입되고, 제2 관통부(51), 제2 환형 실링부(52), 제1 가스 배출부(62) 등을 통하여 외부로 배출된다.
또한, 합류부(A13)는, 배출저지부(152)(배출 구조체(150)의 일부)에 있어서 적층 방향에 있어서 위치가 상이하도록 형성되어 있다. 즉, 도 27 등에 나타낸 바와 같이, 적층 방향에 있어서, 합류부(A13)의 상면은 배출저지부(152)의 상면보다 아래쪽에 위치한다. 그리고, 배출저지부(152)의 상면은 제1 판형체(1)의 하면와 맞닿아 있다. 이로써, 복수의 부유로(A11)로부터 합류부(A13)를 향한 제1 가스는, 적층 방향의 위쪽으로 돌출한 배출저지부(152)에 의해 합류부(A13)로의 배출이 제한되어, 복수의 부유로(A11)에 일시적으로 저류된다.
또한, 합류부(A13)는, 상면에서 볼 때, 도 22 등에 나타낸 바와 같이 +Y 방향 및 -Y 방향(Y 방향)으로 길다. 그리고, 합류부(A13)의 Y 방향의 길이는, Y 방향으로 간격을 두고 평행하게 나란히 배치되어 있는 복수의 부유로(A11)의 영역의 Y 방향의 길이에 대응하고 있다.
제2 판형체(2)는, 도 22, 도 26∼도 30, 도 39 등에 나타낸 바와 같이, 통류 방향을 따른 방향(+X 방향 및 -X 방향(X 방향))에 있어서, 복수의 부유로(A11)와 합류부(A13) 사이에 배출 구조체(150)를 가지고 있다. 배출 구조체(150)는, 복수의 부유로(A11)로부터 합류부(A13)로의 제1 가스의 배출을 제한한다.
배출 구조체(150)는, 복수의 배출통과부(151) 및 복수의 배출저지부(152)를 가지고 있다. 배출통과부(151)는, 제1 가스를 복수의 부유로(A11)로부터 합류부(A13)에 통과시킨다. 배출저지부(152)는, 제1 가스의 복수의 부유로(A11)로부터 합류부(A13)로의 통과를 저지한다. 도 27 등에 나타낸 바와 같이, 배출저지부(152)의 상면은 배출통과부(151)의 상면보다 적층 방향의 위쪽에 위치하고 있고, 제1 판형체(1)의 하면과 맞닿아 있다. 따라서, 복수의 부유로(A11) 내의 제1 가스는, 배출저지부(152)에 의해 통류 방향으로의 통류가 저지되는 한편, 배출통과부(151)를 통하여 통류 방향으로 통류하고, 합류부(A13)에 흐른다.
본 실시형태에서는, 배출저지부(152)는, 공급저지부(142)와 마찬가지로, 예를 들면, 도 22, 도 39 등에 나타낸 바와 같이 대략 직사각형상으로 형성되어 있다. 그리고, 직사각형상의 각 배출저지부(152)는, 장변이 +Y 방향 및 -Y 방향(Y 방향)을 따르도록 Y 방향을 따라 배치되어 있다. 인접하는 배출저지부(152)의 사이에 배출통과부(151)가 설치되어 있다. 즉, 배출통과부(151)는, 인접하는 배출저지부(152)의 단변이 대향하는 구간에 설치되어 있다.
도 39에 나타낸 바와 같이, +Y 방향 및 -Y 방향(Y 방향, 통류 방향과 교차하는 교차 방향)에 있어서, 배출저지부(152)의 길이(L12)는 배출통과부(151)의 길이(L11)보다 크다(L12>L11). 또한, 배출저지부(152)의 길이(L12)는 부유로 형성부(160)의 길이(L4)보다 큰 것이 바람직하다(L12>L3). 이로써, 복수의 부유로(A11)로부터 합류부(A13)를 향하는 제1 가스를 배출저지부(152)에 충돌시킬 수 있어, 후술하는 배출 버퍼부(154)에 일시적으로 저류시킬 수 있다, L11과 L12의 관계는, 예를 들면, 복수의 부유로(A11)에 단위 시간에 공급되는 제1 가스의 양, 합류부(A13)로부터 단위 시간에 배출할 제1 가스의 양, 배출저지부(152)의 수, 칸막이부(161)의 Y 방향의 길이(L3), 부유로(A11)의 Y 방향의 길이(L4) 등에 의해 결정된다.
통류 방향에 있어서, 배출저지부(152)에는, 복수의 부유로(A11) 중 적어도 1개의 부유로(A11)가 대응하여 배치되어 있다. 또한, 통류 방향에 있어서, 배출통과부(151)에는, 복수의 칸막이부(161) 중 어느 하나의 칸막이부(161)가 대응하여 배치되어 있다.
상기한 구성에 의하면, 복수의 부유로(A11)로부터 압출된 제1 가스는, 통류 방향을 따라 진행함으로써 적층 방향의 위쪽으로 돌출되어 있는 배출저지부(152)에 충돌한다. 배출저지부(152)와의 충돌에 의해, 제1 가스는 통류 방향과 교차하는 교차 방향으로 진행한다. 즉, 복수의 부유로(A11)로부터 통류해 온 제1 가스는, 즉시 합류부(A13)에 도입되는 것이 아니라, 합류부(A13)의 바로 앞에서 배출저지부(152)와 충돌하여 교차 방향으로 진행한다. 그 후, 제1 가스는, 복수의 부유로(A11)로부터의 압출을 따라, 배출통과부(151)를 통과하여 합류부(A13)에 도입된다.
그리고, 제1 가스가 복수의 부유로(A11)와 배출 구조체(150) 사이에서 일시적으로 저류되는 영역이, 배출 버퍼부(154)이다.
또한, 통류 방향에 있어서, 제2 관통부(51)에 대응하여 배출저지부(152)가 설치되어 있다. 이로써, 복수의 부유로(A11)를 통류한 제1 가스가 즉시 합류부(A13)에 도입되고, 제2 관통부(51)로부터 배출되는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 복수의 부유로(A11)에 제1 가스를 일시적으로 저류 가능하다.
배출통과부(151) 및 배출저지부(152)의 형상, 크기, 배치, 수는, 공급통과부(141) 및 공급저지부(142)와 동일하다. 예를 들면, 도 39에 있어서, +Y 방향 및 -Y 방향(Y 방향, 통류 방향과 교차하는 교차 방향)에 있어서의, 배출저지부(152)의 길이(L12) 및 배출통과부(151)의 길이(L11)는, 전술한 공급저지부(142)의 길이(L1) 및 공급통과부(141)의 길이(L2)와 동일하다.
다만, 배출통과부(151) 및 배출저지부(152)의 형상, 크기, 배치, 수는, 공급통과부(141) 및 공급저지부(142)와 상이하게 해도 된다. 예를 들면, 배출통과부(151)의 크기를 공급통과부(141)보다 크게 해도 된다. 이로써, 분배부(A12)로부터 복수의 부유로(A11)에 제1 가스를 공급할 때의 공급압보다, 복수의 부유로(A11)로부터 합류부(A13)로의 배출압을 작게 해도 된다. 분배부(A12)로부터 복수의 부유로(A11)에 어느 정도의 공급압으로 제1 가스를 공급하여 복수의 부유로(A11) 사이에서의 흐름 분포를 일정하게 하면서, 제1 가스를 배출할 때는 원활하게 합류부(A13)에 도입할 수 있다.
(b) 공급 구조체 및 배출 구조체의 작용
(b1) 공급 구조체의 작용
다음으로, 공급 구조체(140)의 작용에 대하여 설명한다.
상기한 구성의 공급 구조체(140)의 공급저지부(142)는, 분배부(A12)와 복수의 부유로(A11)과의 사이에 형성되어 있고, 분배부(A12)로부터 복수의 부유로(A11)로의 제1 가스의 흐름의 장벽이 된다. 따라서, 분배부(A12)로부터 복수의 부유로(A11)에 통류할 때의 제1 가스의 압력 손실이 높아지고, 분배부(A12)에 도입된 제1 가스는 분배부(A12)에 충만하도록 고루 미치고, 일시적으로 저류된다. 이 때문에, 분배부(A12) 중 전체가 대략 균일한 압력(균압(均壓))이 된다. 즉, 분배부(A12)와 복수의 부유로(A11) 각각과의 차압(差壓)이 대략 동일하게 된다. 또한, 분배부(A12)로부터 공급통과부(141)를 통하여 복수의 부유로(A11)에 제1 가스가 공급되므로, 제1 가스가 각 부유로(A11)에 대략 균압인 상태로 공급된다. 이로써, 각 부유로(A11) 사이에 있어서, 통류 방향을 따른 제1 가스의 흐름 분포(유속, 유량 및 압력 등)가 대략 균일하게 된다.
또한, 제1 가스는, 분배부(A12)로부터 복수의 부유로(A11)로 분기하여 흐른다. 이와 같이 복수의 유로로 분기하여 흐르는 것에 의한 정류(整流) 작용에 의해서도, 제1 가스는, 복수의 유로가 형성되어 있지 않은 내부 유로를 흐르는 경우와 비교하여, 흐름 분포(유속, 유량 및 압력 등)이 대략 일정하게 된다.
이상과 같이, 각 부유로(A11) 사이에 있어서, 통류 방향을 따른 제1 가스의 흐름 분포가 대략 균일하게 된다. 예를 들면, 각 부유로(A11) 사이에 있어서 통류 방향이 있는 하나의 위치를 보았을 경우, 상기 하나의 위치에 교차하는 교차 방향에서는, 각 부유로(A11)의 제1 가스의 유속, 유량 및 압력 등이 대략 일정하다. 이로써, 전기 화학 반응부(3)에 있어서, 제1 가스가 부족한 부분과, 과잉으로 제1 가스가 통류되는 부분의 차이를 작게 하여, 전기 화학 소자(A) 전체에서의 제1 가스의 이용율을 향상시켜 전기 화학 반응의 반응 효율을 향상시킬 수 있다.
그리고, 상기한 분배부(A12), 복수의 부유로(A11) 및 공급 구조체(140) 등의 구성을 채용하지 않는 경우, 각 부유로(A11)에서의 제1 가스의 흐름 분포가 상이하고, 어떤 부유로(A11)에서는 제1 가스의 유속이 빠르고, 다른 부유로(A11)에서는 제1 가스의 유속이 느린 경우가 있다. 제1 가스의 유속이 느린 부유로(A11)에서는 전기 화학 반응에 의해 제1 가스가 소비되어, 제1 가스가 부족하다. 이로써, 제1 가스의 농도가 저하되어, 전기 화학 반응부(3)의 전극층이 산화 열화하고, 전극 성능이나 기계적 강도가 저하될 우려가 있다. 한편, 제1 가스의 유속이 빠른 부유로에서 A11은 제1 가스가 전기 화학 반응에 있어서 소비되기 전에 배출된다. 즉, 제1 가스가 수소 등의 연료 가스인 경우에는, 농도가 높은 채로 제1 가스가 배출되어, 연료 이용율이 저하된다. 여기서, 제1 가스의 유속이 느린 부유로(A11)에서의 제1 가스의 부족에 대하여, 각 부유로(A11)에 공급하는 제1 가스의 공급량을 증가시키는 것도 고려할 수 있다. 그러나, 이 경우에, 제1 가스의 유속이 빠른 부유로(A11)에서는, 전기 화학 반응에 있어서 소비되기 전에 배출되는 제1 가스의 양이 더욱 증가하여, 연료 이용율이 더욱 저하된다. 이러한 점을 고려하면, 각 부유로(A11)에서의 제1 가스의 흐름 분포가 상이한 경우에는, 전기 화학 반응의 반응 효율이 저하되어, 발전 효율이 저하된다.
(b2) 배출 구조체의 작용
다음으로, 배출 구조체(150)의 작용에 대하여 설명한다.
상기한 구성에 의하면, 분배부(A12)로부터 복수의 부유로(A11)에 제1 가스를 대략 균일한 흐름 분포로 공급하기 위한 공급 구조체(140)뿐만 아니라, 복수의 부유로(A11)로부터 제1 가스를 합류부(A13)에 합류시키는 부분에 배출 구조체(150)가 설치되어 있다. 복수의 부유로(A11)가 공급 구조체(140)와 배출 구조체(150)에 협지되어 있으므로, 복수의 부유로(A11) 내에서의 제1 가스의 흐름 분포(유속, 유량 및 압력 등)를 대략 균일하게 하면서, 전기 화학 반응의 반응 효율을 향상시킬 수 있다.
보다 구체적으로 설명하면, 상기한 구성의 배출 구조체(150)의 배출저지부(152)는, 복수의 부유로(A11)와 합류부(A13) 사이에 형성되어 있고, 부유로(A11)로부터 합류부(A13)로의 제1 가스의 흐름의 장벽이 된다. 따라서, 복수의 부유로(A11)로부터 합류부(A13)에 통류할 때의 제1 가스의 압력 손실이 높아진다. 이 때문에, 복수의 부유로(A11)에 도입된 제1 가스는, 복수의 부유로(A11)로부터 즉시 합류부(A13)에 도입되기 어렵고, 복수의 부유로(A11)에 충만하도록 두루 미치게 된다. 이로써, 각 부유로(A11) 사이에 있어서, 통류 방향을 따른 제1 가스의 흐름 분포(유속, 유량 및 압력 등)를 대략 균일하게 할 수 있다. 또한, 제1 가스가 복수의 부유로(A11)에 충만하도록 두루 미치므로, 복수의 부유로(A11) 내에 있어서 전기 화학 반응이 충분히 행해진다. 이러한 것에 의해, 전기 화학 반응의 반응 효율을 향상시킬 수 있다.
(12) 상기 실시형태에 있어서, 전기 화학 장치는, 복수의 전기 화학 소자(A)를 구비하는 전기 화학 모듈(M)을 구비하고 있다. 그러나, 상기 실시형태의 전기 화학 장치는 1개의 전기 화학 소자를 구비하는 구성에도 적용할 수 있다.
31: 전극층
32: 전해질층
33: 대극 전극층
100: 전기 화학 장치
101: 탈황기
102: 개질기
103: 연료 공급부
104: 인버터
220: 평판형 부재
230: 플레이트
245: 측면 절연체
320: 평판형 부재
A : 전기 화학 소자
M : 전기 화학 모듈
S : 전기 화학 소자 적층체
Z : 에너지 시스템

Claims (16)

  1. 전해질층과, 상기 전해질층의 양측에 각각 배치되어 있는 제1 전극 및 제2 전극이, 기판을 따라 형성되어 있는 복수의 전기 화학 소자가 소정의 적층 방향으로 적층되어 있는 적층체;
    상기 적층 방향에서의 상기 적층체의 제1 평면, 및 상기 제1 평면과는 반대의 제2 평면 중 적어도 한쪽을 따라 배치되어 있는, 탄성을 가지는 평판형 부재; 및
    상기 적층 방향에 있어서, 상기 제1 평면을 따라 배치되어 있는 평판형의 제1 협지체, 및 상기 제2 평면을 따라 배치되어 있는 평판형의 제2 협지체를 포함하고, 상기 평판형 부재를 통하여 상기 적층체를 협지하는 협지체
    를 포함하는, 전기 화학 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 평판형 부재는, 열에 의해 팽창하는 열팽창 부재인, 전기 화학 모듈.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 평판형 부재와, 상기 적층체의 평면 및 상기 협지체의 평면 중 적어도 한쪽이, 분산된 복수 개소에서 접촉하고 있는, 전기 화학 모듈.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 평판형 부재는, 상기 전기 화학 소자가 발전하고 있을 때와, 상기 전기 화학 소자가 발전하지 않고 있을 때에 있어서의, 상기 적층체 및 상기 협지체 사이의 열팽창차를, 그 탄성력에 의해 받아들이는, 전기 화학 모듈.
  5. 제4항에 있어서,
    전기 화학 소자가 발전하지 않고 있을 때 상기 평판형 부재가 상기 적층체에 부여하는 체결 압력을, 상기 전기 화학 소자가 발전하고 있을 때 필요하게 되는 상기 체결 압력을 확보할 수 있을 정도로 미리 부여되어 있는, 전기 화학 모듈.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 평판형 부재의 열팽창율은, 상기 협지체를 구성하는 부재의 열팽창율보다 큰, 전기 화학 모듈.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 협지체는, 페라이트계 스테인레스, 마르텐사이트계 스테인레스, 또는 이들과 세라믹스의 복합체로 형성되어 있는, 전기 화학 모듈.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 평판형 부재는, 오스테나이트계 스테인레스로 형성되어 있는, 전기 화학 모듈.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 평판형 부재는, 상기 적층체의 적층 방향과 교차하는 방향시(方向視)에 있어서 파형판 형상인, 전기 화학 모듈.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 협지체 및 상기 제2 협지체 중 적어도 한쪽은, 상기 적층체를 둘러싸는 하우징의 일부인, 전기 화학 모듈.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 화학 소자는 고체산화물형 연료전지인, 전기 화학 모듈.
  12. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 화학 소자는 고체산화물형 전해 셀인, 전기 화학 모듈.
  13. 전해질층과, 상기 전해질층의 양측에 각각 배치되어 있는 제1 전극 및 제2 전극이, 기판을 따라 형성되어 있는 복수의 전기 화학 소자가 소정의 적층 방향으로 적층되어 있는 적층체에 있어서, 상기 적층 방향에서의 제1 평면 및 상기 제1 평면과는 반대의 제2 평면 중 적어도 한쪽을 따라 평판형 부재를 배치하고,
    상기 제1 평면을 따라 평판형의 제1 협지체를 배치하고, 상기 제2 평면을 따라 평판형의 제2 협지체를 배치하고,
    전기 화학 소자가 발전하지 않고 있을 때 상기 평판형 부재가 상기 적층체에 부여하는 체결 압력을, 상기 전기 화학 소자가 발전하고 있을 때 필요하게 되는 상기 평판형 부재가 상기 적층체에 부여하는 체결 압력을 확보할 수 있는 정도로 미리 부여해 두도록, 상기 제1 협지체와 상기 제2 협지체를 상기 적층 방향으로 체결하는, 전기 화학 모듈의 조립 방법.
  14. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 기재된 전기 화학 모듈과 연료 변환기를 적어도 가지고, 상기 전기 화학 모듈에 대하여 연료 변환기로부터의 환원성 성분 가스를 유통하는, 혹은 상기 전기 화학 모듈로부터 연료 변환기에 환원성 성분 가스를 유통하는 연료 공급부를 가지는, 전기 화학 장치.
  15. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 기재된 전기 화학 모듈과, 상기 전기 화학 모듈로부터 전력을 인출 혹은 상기 전기 화학 모듈에 전력을 유통하는 전력 변환기를 적어도 가지는, 전기 화학 장치.
  16. 제14항 또는 제15항에 기재된 전기 화학 장치와, 상기 전기 화학 장치 혹은 연료 변환기로부터 배출되는 열을 재이용하는 배열(排熱) 이용부를 가지는, 에너지 시스템.
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