KR20210116616A - 연료 전지 카트리지, 연료 전지 모듈 및 복합 발전 시스템 - Google Patents

연료 전지 카트리지, 연료 전지 모듈 및 복합 발전 시스템 Download PDF

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KR20210116616A
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류타로 모리
노리히사 마타케
마사히로 미하라
다이고 고바야시
나가오 히사토메
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미츠비시 파워 가부시키가이샤
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Abstract

연료 전지 카트리지는, 고체 산화물형 연료 전지를 형성하는 복수의 셀을 포함하는 복수의 셀 스택을 구비한다. 복수의 셀 스택으로 구성되는 셀 스택군은, 셀 배치 영역의 내측 영역에 배치되는 내측 셀 스택군과, 외측 영역에 배치되는 외측 셀 스택군을 포함한다. 내측 셀 스택군 및 외측 셀 스택군은 서로 직렬로 접속되고, 외측 셀 스택군의 전류 밀도가 내측 셀 스택군의 전류 밀도보다 커지도록 구성된다.

Description

연료 전지 카트리지, 연료 전지 모듈 및 복합 발전 시스템
본 개시는 고체 산화물형 연료 전지의 연료 전지 카트리지, 연료 전지 모듈 및 복합 발전 시스템에 관한 것이다.
전기 화학 반응에 의한 발전 방식을 이용한 발전 장치이며, 우수한 발전 효율 및 환경 대응 등의 특성을 갖는 연료 전지가 알려져 있다. 이 중, 고체 산화물형 연료 전지(SOFC: Solid Oxide Fuel Cell)는 전해질로서 지르코니아 세라믹스 등의 세라믹스가 사용되고, 도시 가스, 천연 가스, 석탄 가스화 가스 등의 연료를 개질하여 생성되는 수소 및 일산화탄소를 사용하여 발전한다. 고체 산화물형 연료 전지에서는, 이온 전도율을 높이기 위해 작동 온도가 약 700 내지 1100℃ 정도로 높고, 용도가 넓은 고효율의 고온형 연료 전지로서 알려져 있다. 고체 산화물형 연료 전지는, 예를 들어 공기극과 연료극을 갖는 통 형상의 셀 스택(셀 튜브)의 내부와 외부에 공급되는 연료 가스와 산화제 가스를 반응시킴으로써 전력을 발생시킨다.
SOFC는, 예를 들어 가스 터빈이나 마이크로 가스 터빈 및 터보 과급기 등의 회전 기기와 조합하여 운전 압력을 높임으로써 보다 고효율의 발전이 가능해진다. 또한, 이러한 가압 시스템에 있어서는 압축기로부터 토출되는 압축 공기를 산화성 가스로서 SOFC의 공기극에 공급함과 함께, SOFC로부터 배출되는 고온의 배기 연료 가스를 회전 기기 입구의 연소기에 공급하여 연소시키고, 연소기에서 발생한 고온의 연소 가스로 회전 기기를 회전시킴으로써 동력의 회수를 도모할 수 있다.
특허문헌 1에는, 연료 전지를 구성하는 복수의 셀 스택을 도전성의 집전 부재에 의해 전기적으로 접속함으로써, 배선 작업을 쉽게 한 연료 전지 장치가 개시되어 있다. 이러한 복수의 셀 스택에는 운용 시에 적지 않게 온도 분포가 발생하고, 각 셀 스택의 내부 저항은 온도에 의존하게 된다. 즉, 온도가 높은 셀 스택일수록 내부 저항이 작아지고, 전류가 흐르기 쉬워지기 때문에, 병렬 접속의 각 셀 스택의 전압이 동등해지도록 각 셀 스택에 전류를 분배하면, 각 셀 스택에 흐르는 전류의 언밸런스가 발생한다. 특허문헌 1에서는, 이러한 전류의 언밸런스를 억제하기 위해서, 복수의 셀 스택을 고온 영역과 저온 영역으로 분류하고, 각각을 분할된 집전 부재에 의해 전기적으로 접속한 것을 서로 직렬 접속하는 구성이 제안되어 있다.
일본 특허 공개 제2016-81647호 공보
특허문헌 1에서는, 온도 분포에 기초하여 판단된 고온 영역 및 저온 영역에 대응하도록 복수의 셀 스택을 분류하고, 각각을 분할된 집전 부재로 전기적으로 접속하고 있다. 그러나, 각 집전 부재로 접속되는 셀 스택의 수에 따라서는, 고온 영역에 있어서의 셀 스택의 수가 저온 영역에 있어서의 셀 스택의 수 이하로 됨으로써, 고온 영역에 있어서의 전류 밀도가 저온 영역에 있어서의 전류 밀도보다 커져버리는 경우가 있다. 이것은, 고온 영역에 있어서의 발열량이 저온 영역에 있어서의 발열량보다 커지고, 온도 분포의 치우침을 촉진시켜버리는 방향으로 작용하는 것을 의미한다. 그 때문에 특허문헌 1에서는, 전류의 언밸런스의 요인이 되는 복수의 셀 스택간의 온도 분포를 충분히 평준화할 수 없을 가능성이 있다.
본 발명의 적어도 일 실시 형태는 상술한 사정을 감안하여 이루어진 것이며, 복수의 셀 스택간의 온도 분포를 평준화하는 것이 가능한 연료 전지 카트리지, 연료 전지 모듈 및 복합 발전 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
(1) 본 발명의 적어도 일 실시 형태에 관한 연료 전지 카트리지는 상기 과제를 해결하기 위해서,
고체 산화물형 연료 전지를 형성하는 복수의 셀을 포함하는 복수의 셀 스택을 구비하는 연료 전지 카트리지이며,
상기 복수의 셀 스택으로 구성되는 셀 스택군은,
상기 복수의 셀 스택이 배치되는 셀 배치 영역 중 내측 영역에 배치되는 내측 셀 스택군과,
상기 셀 배치 영역 중 상기 내측 영역보다 외측에 위치하는 외측 영역에 배치되는 외측 셀 스택군
을 포함하고,
상기 내측 셀 스택군 및 상기 외측 셀 스택군은 외부 부하에 대하여 서로 직렬로 접속되어 있고,
상기 외측 셀 스택군의 전류 밀도가 상기 내측 셀 스택군의 전류 밀도보다 커지도록 구성된다.
상기 (1)의 구성에 의하면, 연료 전지 카트리지가 구비하는 복수의 셀 스택으로 구성되는 셀 스택군은, 내측 셀 스택군과, 내측 셀 스택보다 외측에 배치되는 외측 셀 스택군을 포함한다. 내측 셀 스택군 및 외측 셀 스택군은 외부 부하에 대하여 서로 직렬로 접속되어 있고, 통전 시에는, 외측 셀 스택군의 전류 밀도가 내측 셀 스택군의 전류 밀도보다 커지도록 구성된다. 그 때문에, 내측 셀 스택군과 외측 셀 스택군의 전류 밀도가 동등한 경우에 비해, 외측 셀 스택군에서는 내측 셀 스택군에 대하여 상대적으로 발열량이 증가한다. 그 결과, 내측 셀 스택군에 비해 방열량이 큰 외측 셀 스택군과, 외측 셀 스택군에 비해 방열량이 작은 내측 셀 스택군 사이에 있어서의 온도 분포를 평준화할 수 있다.
(2) 몇 가지의 실시 형태에서는 상기 (1)의 구성에 있어서,
상기 복수의 셀 스택은 서로 동등한 도전 면적을 각각 갖고,
상기 외측 셀 스택군은 상기 내측 셀 스택군에 비교하여 적은 수의 상기 셀 스택을 포함한다.
상기 (2)의 구성에 의하면, 연료 전지 카트리지를 구성하는 각 셀 스택은 서로 동등한 도전 면적을 갖는다. 외측 셀 스택군에 포함되는 셀 스택수를 내측 셀 스택군에 포함되는 셀 스택수보다 적게 함으로써, 통전 시에 내측 셀 스택군 및 외측 셀 스택군이 외부 부하에 대하여 서로 직렬로 접속되었을 때, 외측 셀 스택군의 전류 밀도를 내측 셀 스택군의 전류 밀도보다 크게 구성할 수 있다.
(3) 몇 가지의 실시 형태에서는 상기 (1) 또는 (2)의 구성에 있어서,
상기 내측 셀 스택군을 구성하는 상기 셀 스택과 상기 외측 셀 스택군을 구성하는 상기 셀 스택은, 서로 독립된 집전 부재에 의해 전기적으로 접속된다.
상기 (3)의 구성에 의하면, 내측 셀 스택군 및 외측 셀 스택군을 구성하는 셀 스택은 각각 서로 독립된 집전 부재에 의해 전기적으로 접속된다. 이에 의해, 다수의 셀 스택이 배열되어 구성되는 종래의 연료 전지 카트리지의 구성을 크게 변경하지 않고, 효율적인 레이아웃으로 상기 구성을 실현할 수 있다.
(4) 몇 가지의 실시 형태에서는 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 하나의 구성에 있어서,
상기 외측 셀 스택군은 상기 내측 셀 스택군을 전체 둘레에 걸쳐 둘러싼다.
상기 (4)의 구성에 의하면, 내측 셀 스택군은 외측 셀 스택군에 의해 전체 둘레에 걸쳐 둘러싸이기 때문에, 외측 셀 스택군에 비해 방열량이 작아지기 쉽고, 고온이 되기 쉽지만, 외측 셀 스택군의 전류 밀도를 내측 셀 스택군에 비해 크게 함으로써 온도 분포를 평준화할 수 있다.
(5) 몇 가지의 실시 형태에서는 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 하나의 구성에 있어서,
상기 외측 셀 스택군은 상기 내측 셀 스택군의 양측에 각각 배치된다.
상기 (5)의 구성에 의하면, 내측 셀 스택군의 양측에 외측 셀 스택군을 배치한 구성을 채용함으로써, 당해 연료 전지 카트리지를 복수 배열하여 확장하였을 때에 있어서도, 온도 분포의 평준화가 가능해진다.
(6) 몇 가지의 실시 형태에서는 상기 (1) 내지 (5) 중 어느 하나의 구성에 있어서,
상기 내측 셀 스택군은 인접하는 제1 내측 셀 스택군 및 제2 내측 셀 스택군을 포함하고,
상기 제1 내측 셀 스택군 및 제2 내측 셀 스택군은 서로 직렬로 접속된다.
상기 (6)의 구성에 의하면, 내측 셀 스택군은 서로 인접하는 제1 내측 셀 스택군 및 제2 내측 셀 스택군으로 더욱 세분화된다. 제1 내측 셀 스택군 및 내측 셀 스택군은 서로 직렬로 접속됨으로써, 내측 셀 스택군 내에 있어서의 온도 분포를 더욱 평준화할 수 있다.
(7) 몇 가지의 실시 형태에서는 상기 (1) 내지 (6) 중 어느 하나의 구성에 있어서,
상기 셀 스택은 복수의 연료 전지 셀을 전기적으로 직렬로 접속한 원통 가로 줄무늬 형상을 갖는다.
상기 (7)의 구성에 의하면, 상술한 구성은 원통 가로 줄무늬 형상을 갖는 셀 스택으로 구성되는 연료 전지 카트리지에 적합하게 적용 가능하다.
(8) 몇 가지의 실시 형태에서는 상기 (1) 내지 (6) 중 어느 하나의 구성에 있어서,
상기 셀 스택은 편평 원통 가로 줄무늬 형상을 갖는다.
상기 (8)의 구성에 의하면, 상술한 구성은 편평 원통 가로 줄무늬 형상을 갖는 셀 스택으로 구성되는 연료 전지 카트리지에 적합하게 적용 가능하다.
(9) 본 발명의 적어도 일 실시 형태에 관한 연료 전지 모듈은 상기 (1) 내지 (8) 중 어느 하나의 구성의 연료 전지 카트리지를 구비한다.
상기 (9)의 구성에 의하면, 연료 전지 카트리지를 구성하는 복수의 셀 스택에 있어서의 온도 분포가 평준화됨으로써, 보다 고효율의 발전이 가능한 연료 전지 모듈을 실현할 수 있다.
(10) 본 발명의 적어도 일 실시 형태에 관한 복합 발전 시스템은 상기 과제를 해결하기 위해서,
상기 (9)의 구성의 연료 전지 모듈과 상기 연료 전지로부터 배기되는 배기 연료 가스와 배기 산화성 가스를 사용하여 회전 동력을 생성하는 가스 터빈 또는 터보 과급기를 구비하고, 상기 연료 전지 모듈에는, 상기 회전 동력을 사용하여 압축된 상기 산화성 가스가 공급되고, 복수의 상기 셀 스택은 상기 연료 가스와 상기 산화성 가스를 사용하여 발전한다.
상기 (10)의 구성에 의하면, 보다 고효율의 발전이 가능한 복합 발전 시스템을 실현할 수 있다.
본 발명의 적어도 일 실시 형태에 의하면, 복수의 셀 스택간의 온도 분포를 평준화하는 것이 가능한 연료 전지 카트리지, 연료 전지 모듈 및 복합 발전 시스템을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 적어도 일 실시 형태에 관한 연료 전지 모듈의 전체 구성을 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1의 연료 전지 카트리지의 내부 구성을 나타내는 단면도이다.
도 3은 도 2의 셀 스택을 나타내는 단면도이다.
도 4는 연료 전지 카트리지를 연직 방향 상방에서 본 평면도이다.
도 5는 도 4에 나타내는 연료 전지 카트리지의 L-L선 단면 사시도이다.
도 6은 도 4의 L-L간에 있어서의 온도 분포를 나타내는 도면이다.
도 7은 도 4의 제1 변형예이다.
도 8은 도 7에 나타내는 연료 전지 카트리지의 N-N선 단면 사시도이다.
도 9는 제1 변형예의 연료 전지 카트리지의 확장예이다.
도 10은 도 4의 제2 변형예이다.
도 11은 도 10에 나타내는 연료 전지 카트리지의 O-O선 단면 사시도이다.
도 12는 편평 원통형의 셀 스택을 갖는 연료 전지 카트리지를 나타내는 모식도이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 몇 가지의 실시 형태에 대하여 설명한다. 단, 실시 형태로서 기재되어 있거나 또는 도면에 도시되어 있는 구성 부품의 치수, 재질, 형상, 그의 상대적 배치 등은 본 발명의 범위를 이것에 한정하는 취지가 아니고, 단순한 설명예에 지나지 않는다.
도 1은 본 발명의 적어도 일 실시 형태에 관한 연료 전지 모듈(201)의 전체 구성을 나타내는 사시도이며, 도 2는 도 1의 연료 전지 카트리지(203)의 내부 구성을 나타내는 단면도이다. 연료 전지 모듈(201)은 복수의 연료 전지 카트리지(203)와, 복수의 연료 전지 카트리지(203)를 수납하는 압력 용기(205)를 구비한다. 또한 연료 전지 모듈(201)은 연료 가스 공급관(207)과 복수의 연료 가스 공급 지관(207a)을 갖는다. 또한 연료 전지 모듈(201)은 연료 가스 배출관(209)과 복수의 연료 가스 배출 지관(209a)을 갖는다. 또한 연료 전지 모듈(201)은 산화성 가스 공급관(도시 생략)과 산화성 가스 공급 지관(도시 생략)을 갖는다. 또한 연료 전지 모듈(201)은 산화성 가스 배출관(도시 생략)과 복수의 산화성 가스 배출 지관(도시 생략)을 갖는다.
연료 가스 공급관(207)은 압력 용기(205)의 내부에 마련되고, 연료 전지 모듈(201)의 발전량에 대응하여 소정 가스 조성과 소정 유량의 연료 가스 G를 공급하는 연료 공급계(도시 생략)에 접속됨과 함께, 복수의 연료 가스 공급 지관(207a)에 접속되어 있다. 이 연료 가스 공급관(207)은 연료 공급계(도시 생략)로부터 공급되는 소정 유량의 연료 가스를, 복수의 연료 가스 공급 지관(207a)으로 분기하여 유도한다.
연료 가스 공급 지관(207a)은 연료 가스 공급관(207)에 접속됨과 함께, 복수의 연료 전지 카트리지(203)에 접속되어 있다. 이 연료 가스 공급 지관(207a)은 연료 가스 공급관(207)으로부터 공급되는 연료 가스를 복수의 연료 전지 카트리지(203)에 대략 균등한 유량으로 유도하고, 복수의 연료 전지 카트리지(203)의 발전 성능을 대략 균일화시키는 것이다.
연료 가스 배출 지관(209a)은 복수의 연료 전지 카트리지(203)에 접속됨과 함께, 연료 가스 배출관(209)에 접속되어 있다. 이 연료 가스 배출 지관(209a)은 연료 전지 카트리지(203)로부터 배출되는 배기 연료 가스를 연료 가스 배출관(209)으로 유도하는 것이다. 또한, 연료 가스 배출관(209)은 복수의 연료 가스 배출 지관(209a)에 접속됨과 함께, 일부가 압력 용기(205)의 내부에 배치되어 있다. 이 연료 가스 배출관(209)은 연료 가스 배출 지관(209a)으로부터 대략 균등한 유량으로 도출되는 배기 연료 가스를 압력 용기(205)의 외부의 연료 가스 배출계(도시 생략)로 유도한다.
압력 용기(205)는 내부의 압력이 0.1MPa 내지 약 1MPa, 내부의 온도가 대기 온도 내지 약 550℃에서 운용되고, 내압성과 산화성 가스 중에 포함되는 산소 등의 산화제에 대한 내식성을 보유하는 재질이 이용된다. 예를 들어 SUS304 등의 스테인리스계 재료가 적합하다.
연료 전지 카트리지(203)는 도 2에 나타내는 바와 같이, 복수의 셀 스택(101)과, 발전실(215)과, 연료 가스 공급실(217)과, 연료 가스 배출실(219)과, 산화성 가스 공급실(221)과, 산화성 가스 배출실(223)을 갖는다. 또한 연료 전지 카트리지(203)는 상부 관판(225a)과, 하부 관판(225b)과, 상부 단열체(227a)와, 하부 단열체(227b)를 갖는다.
또한, 본 실시 형태에서는, 연료 전지 카트리지(203)는 연료 가스 공급실(217)과 연료 가스 배출실(219)과 산화성 가스 공급실(221)과 산화성 가스 배출실(223)이 도 2와 같이 배치됨으로써, 연료 가스와 산화성 가스가 셀 스택(101)의 내측과 외측을 대향하여 흐르는 구조로 되어 있지만, 다른 구조여도 된다. 예를 들어, 셀 스택(101)의 내측과 외측을 평행하게 흐르거나, 또는 산화성 가스가 셀 스택(101)의 길이 방향과 직교하는 방향으로 흐르도록 해도 된다.
발전실(215)은 상부 단열체(227a)와 하부 단열체(227b) 사이에 형성된 영역이다. 이 발전실(215)은 셀 스택(101)의 연료 전지 셀(105)이 배치되고, 연료 가스와 산화성 가스를 전기 화학적으로 반응시켜 발전을 행하는 영역이다. 또한, 이 발전실(215)의 셀 스택(101)의 길이 방향의 중앙부 부근에서의 온도는, 연료 전지 모듈(201)의 정상 운전 시에 약 700℃ 내지 1100℃의 고온 분위기가 된다.
연료 가스 공급실(217)은 연료 전지 카트리지(203)의 상부 케이싱(229a)과 상부 관판(225a)으로 둘러싸인 영역이다. 또한, 연료 가스 공급실(217)은 상부 케이싱(229a)에 구비된 연료 가스 공급 구멍(231a)에 의해, 연료 가스 공급 지관(207a)(도시 생략)과 연통되어 있다. 또한, 연료 가스 공급실(217)에는 셀 스택(101)의 한쪽 단부가, 셀 스택(101)의 기체관(103)의 내부가 연료 가스 공급실(217)에 대하여 개방되어 배치되어 있다. 이 연료 가스 공급실(217)은 연료 가스 공급 지관(207a)(도시 생략)으로부터 연료 가스 공급 구멍(231a)을 통해 공급되는 연료 가스를, 복수의 셀 스택(101)의 기체관(103)의 내부에 대략 균일 유량으로 유도하여, 복수의 셀 스택(101)의 발전 성능을 대략 균일화시킨다.
연료 가스 배출실(219)은 연료 전지 카트리지(203)의 하부 케이싱(229b)과 하부 관판(225b)으로 둘러싸인 영역이다. 또한, 연료 가스 배출실(219)은 하부 케이싱(229b)에 구비된 연료 가스 배출 구멍(231b)에 의해, 연료 가스 배출 지관(209a)(도시 생략)과 연통되어 있다. 또한, 연료 가스 배출실(219)에는 셀 스택(101)의 다른 쪽 단부가, 셀 스택(101)의 기체관(103)의 내부가 연료 가스 배출실(219)에 대하여 개방되어 배치되어 있다. 이 연료 가스 배출실(219)은 복수의 셀 스택(101)의 기체관(103)의 내부를 통과하여 연료 가스 배출실(219)에 공급되는 배기 연료 가스를 집약하여, 연료 가스 배출 구멍(231b)을 통해 연료 가스 배출 지관(209a)(도시 생략)으로 유도한다.
연료 전지 모듈(201)의 발전량에 대응하여 소정 가스 조성과 소정 유량의 산화성 가스를 산화성 가스 공급 지관으로 분기하여, 복수의 연료 전지 카트리지(203)에 공급한다. 산화성 가스 공급실(221)은 연료 전지 카트리지(203)의 하부 케이싱(229b)과 하부 관판(225b)과 하부 단열체(227b)로 둘러싸인 영역이다. 또한, 산화성 가스 공급실(221)은 하부 케이싱(229b)에 구비된 산화성 가스 공급 구멍(233a)에 의해, 산화성 가스 공급 지관(도시 생략)과 연통되어 있다. 이 산화성 가스 공급실(221)은 산화성 가스 공급 지관(도시 생략)으로부터 산화성 가스 공급 구멍(233a)을 통해 공급되는 소정 유량의 산화성 가스를, 후술하는 산화성 가스 공급 간극(235a)을 통해 발전실(215)로 유도한다.
산화성 가스 배출실(223)은 연료 전지 카트리지(203)의 상부 케이싱(229a)과 상부 관판(225a)과 상부 단열체(227a)로 둘러싸인 영역이다. 또한, 산화성 가스 배출실(223)은 상부 케이싱(229a)에 구비된 산화성 가스 배출 구멍(233b)에 의해, 산화성 가스 배출 지관(도시 생략)과 연통되어 있다. 이 산화성 가스 배출실(223)은 발전실(215)로부터, 후술하는 산화성 가스 배출 간극(235b)을 통해 산화성 가스 배출실(223)에 공급되는 배기 산화성 가스를, 산화성 가스 배출 구멍(233b)을 통해 산화성 가스 배출 지관(도시 생략)으로 유도한다.
상부 관판(225a)은 상부 케이싱(229a)의 천장판과 상부 단열체(227a) 사이에, 상부 관판(225a)과 상부 케이싱(229a)의 천장판과 상부 단열체(227a)가 대략 평행해지도록 상부 케이싱(229a)의 측판에 고정되어 있다. 또한 상부 관판(225a)은 연료 전지 카트리지(203)에 구비되는 셀 스택(101)의 개수에 대응한 복수의 구멍을 갖고, 해당 구멍에는 셀 스택(101)이 각각 삽입되어 있다. 이 상부 관판(225a)은 복수의 셀 스택(101)의 한쪽 단부를 시일 부재 및 접착 부재 중 어느 한쪽 또는 양쪽을 통해 기밀하게 지지함과 함께, 연료 가스 공급실(217)과 산화성 가스 배출실(223)을 격리한다.
하부 관판(225b)은 하부 케이싱(229b)의 저판과 하부 단열체(227b) 사이에, 하부 관판(225b)과 하부 케이싱(229b)의 저판과 하부 단열체(227b)가 대략 평행해지도록 하부 케이싱(229b)의 측판에 고정되어 있다. 또한 하부 관판(225b)은 연료 전지 카트리지(203)에 구비되는 셀 스택(101)의 개수에 대응한 복수의 구멍을 갖고, 해당 구멍에는 셀 스택(101)이 각각 삽입되어 있다. 이 하부 관판(225b)은 복수의 셀 스택(101)의 다른 쪽 단부를 시일 부재 및 접착 부재 중 어느 한쪽 또는 양쪽을 통해 기밀하게 지지함과 함께, 연료 가스 배출실(219)과 산화성 가스 공급실(221)을 격리한다.
상부 단열체(227a)는 상부 케이싱(229a)의 하단부에, 상부 단열체(227a)와 상부 케이싱(229a)의 천장판과 상부 관판(225a)이 대략 평행해지도록 배치되고, 상부 케이싱(229a)의 측판에 고정되어 있다. 또한, 상부 단열체(227a)에는, 연료 전지 카트리지(203)에 구비되는 셀 스택(101)의 개수에 대응하여, 복수의 구멍이 마련되어 있다. 이 구멍의 직경은 셀 스택(101)의 외경보다 크게 설정되어 있다. 상부 단열체(227a)는 이 구멍의 내면과, 상부 단열체(227a)에 삽입 관통된 셀 스택(101)의 외면 사이에 형성된 산화성 가스 배출 간극(235b)을 갖는다.
이 상부 단열체(227a)는 발전실(215)과 산화성 가스 배출실(223)을 구획하는 것이며, 상부 관판(225a)의 주위의 분위기가 고온화되어 강도 저하나 산화성 가스 중에 포함되는 산화제에 의한 부식이 증가하는 것을 억제한다. 상부 관판(225a) 등은 인코넬 등의 고온 내구성이 있는 금속 재료를 포함하는데, 상부 관판(225a) 등이 발전실(215) 내의 고온에 노출되어 상부 케이싱(229a)과의 온도차가 커짐으로써 열변형되는 것을 방지하는 것이다. 또한, 상부 단열체(227a)는 발전실(215)을 통과하여 고온에 노출된 배기 산화성 가스를, 산화성 가스 배출 간극(235b)을 통과시켜 산화성 가스 배출실(223)로 유도하는 것이다.
본 실시 형태에 따르면, 상술한 연료 전지 카트리지(203)의 구조에 의해, 연료 가스와 산화성 가스가 셀 스택(101)의 내측과 외측을 대향하여 흐르는 것으로 되어 있다. 이에 의해, 배기 산화성 가스는, 기체관(103)의 내부를 통과하여 발전실(215)에 공급되는 연료 가스 사이에서 열교환이 이루어지고, 금속 재료를 포함하는 상부 관판(225a) 등이 좌굴 등의 변형을 하지 않는 온도로 냉각되어 산화성 가스 배출실(223)에 공급된다. 또한, 연료 가스는 발전실(215)로부터 배출되는 배기 산화성 가스와의 열교환에 의해 승온되어, 발전실(215)에 공급된다. 그 결과, 히터 등을 사용하지 않고 발전에 적합한 온도로 예열 승온된 연료 가스를 발전실(215)에 공급할 수 있다.
하부 단열체(227b)는 하부 케이싱(229b)의 상단부에, 하부 단열체(227b)와 하부 케이싱(229b)의 저판과 하부 관판(225b)이 대략 평행해지도록 배치되고, 상부 케이싱(229a)의 측판에 고정되어 있다. 또한, 하부 단열체(227b)에는, 연료 전지 카트리지(203)에 구비되는 셀 스택(101)의 개수에 대응하여 복수의 구멍이 마련되어 있다. 이 구멍의 직경은 셀 스택(101)의 외경보다 크게 설정되어 있다. 하부 단열체(227b)는 이 구멍의 내면과, 하부 단열체(227b)에 삽입 관통된 셀 스택(101)의 외면 사이에 형성된 산화성 가스 공급 간극(235a)을 갖는다.
이 하부 단열체(227b)는 발전실(215)과 산화성 가스 공급실(221)을 구획하는 것이며, 하부 관판(225b) 주위의 분위기가 고온화되어 강도 저하나 산화성 가스 중에 포함되는 산화제에 의한 부식이 증가하는 것을 억제한다. 하부 관판(225b) 등은 인코넬 등의 고온 내구성이 있는 금속 재료를 포함하는데, 하부 관판(225b) 등이 고온에 노출되어 하부 케이싱(229b)과의 온도차가 커짐으로써 변형되는 것을 방지하는 것이다. 또한, 하부 단열체(227b)는 산화성 가스 공급실(233)에 공급되는 산화성 가스를, 산화성 가스 공급 간극(235a)을 통과시켜 발전실(215)로 유도하는 것이다.
본 실시 형태에 따르면, 상술한 연료 전지 카트리지(203)의 구조에 의해, 연료 가스와 산화성 가스가 셀 스택(101)의 내측과 외측을 대향하여 흐르는 것으로 되어 있다. 이에 의해, 기체관(103)의 내부를 통과하여 발전실(215)을 통과한 배기 연료 가스는, 발전실(215)에 공급되는 산화성 가스 사이에서 열교환이 이루어지고, 금속 재료를 포함하는 하부 관판(225b) 등이 좌굴 등의 변형을 하지 않는 온도로 냉각되어 연료 가스 배출실(219)에 배출된다. 또한, 산화성 가스는 배기 연료 가스와의 열교환에 의해 승온되어, 발전실(215)에 공급된다. 그 결과, 히터 등을 사용하지 않고 발전에 필요한 온도로 승온된 산화성 가스를 발전실(215)에 공급할 수 있다.
발전실(215)에서 발전된 직류 전력은, 복수의 연료 전지 셀(105)에 마련된 Ni/YSZ 등을 포함하는 리드막(115)에 의해 셀 스택(101)의 단부 부근까지 도출된 후에, 연료 전지 카트리지(203)의 집전 기구를 통해 집전하여 각 연료 전지 카트리지(203)의 외부로 취출된다. 집전 기구에 의해 연료 전지 카트리지(203)의 외부로 도출된 전력은, 각 연료 전지 카트리지(203)의 발전 전력을 소정의 직렬수 및 병렬수로 서로 접속하고, 연료 전지 모듈(201)의 외부로 도출되고, 인버터 등에 의해 소정의 교류 전력으로 변환되어 전력 부하에 공급된다. 직류 전력을 집전하는 집전 기구의 상세에 대하여는 후술한다.
이어서, 도 3을 참조하여 본 실시 형태의 원통형 셀 스택에 대하여 설명한다. 도 3은 도 2의 셀 스택(101)을 나타내는 단면도이다.
셀 스택(101)은 원통 형상의 기체관(103)과, 기체관(103)의 외주면에 복수 형성된 연료 전지 셀(105)과, 인접하는 연료 전지 셀(105) 사이에 형성된 인터커넥터(107)를 갖는다. 연료 전지 셀(105)은 연료극(109)과 고체 전해질(111)과 공기극(113)이 적층되어 형성되어 있다. 또한 셀 스택(101)은 기체관(103)의 외주면에 형성된 복수의 연료 전지 셀(105) 중, 기체관(103)의 축 방향에 있어서 가장 단부에 형성된 연료 전지 셀(105)의 공기극(113)에, 인터커넥터(107)를 통해 전기적으로 접속된 리드막(115)을 갖는다.
기체관(103)은 다공질 재료를 포함하고, 예를 들어 CaO 안정화 ZrO2(CSZ), 또는 Y2O3 안정화 ZrO2(YSZ), 또는 MgAl2O4를 포함한다. 이 기체관(103)은 연료 전지 셀(105), 인터커넥터(107) 및 리드막(115)을 지지함과 함께, 기체관(103)의 내주면에 공급되는 연료 가스를 기체관(103)의 세공을 통해 기체관(103)의 외주면에 형성되는 연료극(109)으로 확산시킨다.
연료극(109)은 Ni와 지르코니아계 전해질 재료의 복합재의 산화물로 구성되고, 예를 들어 Ni/YSZ가 사용된다. 이 경우, 연료극(109)은 연료극(109)의 성분인 Ni가 연료 가스에 대하여 촉매 작용을 갖는다. 이 촉매 작용은 기체관(103)을 통해 공급된 연료 가스, 예를 들어 메탄(CH4)과 수증기의 혼합 가스를 반응시켜, 수소(H2)와 일산화탄소(CO)로 개질하는 것이다. 또한, 연료극(109)은 개질에 의해 얻어지는 수소(H2) 및 일산화탄소(CO)와, 고체 전해질(111)을 통해 공급되는 산소 이온(O2-)을 고체 전해질(111)과의 계면 부근에 있어서 전기 화학적으로 반응시켜 물(H2O) 및 이산화탄소(CO2)를 생성하는 것이다. 또한, 연료 전지 셀(105)은 이 때, 산소 이온으로부터 방출되는 전자에 의해 발전한다.
고체 전해질(111)은 가스를 통과시키기 어려운 기밀성과, 고온에서 높은 산소 이온 도전성을 갖는 YSZ가 주로 사용된다. 이 고체 전해질(111)은 공기극에서 생성되는 산소 이온(O2-)을 연료극으로 이동시키는 것이다.
공기극(113)은, 예를 들어 LaSrMnO3계 산화물 또는 LaCoO3계 산화물로 구성된다. 이 공기극(113)은 고체 전해질(111)과의 계면 부근에 있어서, 공급되는 공기 등의 산화성 가스 중의 산소를 해리시켜 산소 이온(O2-)을 생성하는 것이다.
인터커넥터(107)는 SrTiO3계 등의 M1-xLxTiO3(M은 알칼리 토류 금속 원소, L은 란타노이드 원소)으로 표시되는 도전성 페로브스카이트형 산화물로 구성되고, 연료 가스와 산화성 가스가 혼합되지 않도록 치밀한 막으로 되어 있다. 또한, 인터커넥터(107)는 산화 분위기와 환원 분위기의 양쪽 분위기 하에서 안정된 전기 도전성을 갖는다. 이 인터커넥터(107)는 인접하는 연료 전지 셀(105)에 있어서, 한쪽의 연료 전지 셀(105)의 공기극(113)과 다른 쪽의 연료 전지 셀(105)의 연료극(109)을 전기적으로 접속하고, 인접하는 연료 전지 셀(105)을 직렬로 접속하는 것이다.
리드막(115)은 전자 전도성을 갖는 것, 및 셀 스택(101)을 구성하는 다른 재료와의 열팽창 계수가 가까운 것이 필요한 점에서, Ni/YSZ 등의 Ni와 지르코니아계 전해질 재료의 복합재로 구성되어 있다. 이 리드막(115)은 인터커넥터에 의해 직렬로 접속되는 복수의 연료 전지 셀(105)에서 발전된 직류 전력을 셀 스택(101)의 단부 부근까지 도출하는 것이다.
다음에 연료 전지 카트리지(203)의 집전 기구에 대하여 설명한다. 도 4는 연료 전지 카트리지(203)를 연직 방향 상방에서 본 평면도이다(도 4에서는, 상부 케이싱(229a)은 생략되어 있음). 도 5는 도 4에 나타내는 연료 전지 카트리지(203)의 L-L선 단면 사시도이다. 또한, 상술한 도 2는 도 4의 M-M선 단면도에 대응하는 것이다.
연료 전지 카트리지(203)는 연료 전지를 구성하는 원통상의 복수의 셀 스택(101)을 구비한다(본 실시 형태에서는, 연료 전지 카트리지(203)에 합계 56개의 셀 스택(101)이 구비되어 있다). 각 셀 스택(101)은 도 3을 사용하여 설명한 바와 같이 공기극(113)(정극)과 연료극(109)(부극)을 갖는다. 각 셀 스택(101)은 도 2를 참조하여 전술한 바와 같이, 셀 스택(101)의 중심축이 연직 방향으로 연장되고 또한 중심축에 직교하는 수평면 내에서 인접한 상태로 배치되도록, 상부 케이싱(229a)(하우징)과 하부 케이싱(229b)(하우징)에 의해 지지되어 있다.
도 4 및 도 5에 도시한 바와 같이, 이들 복수의 셀 스택(101)으로 구성되는 셀 스택군은, 복수의 셀 스택(101)이 배치되는 셀 배치 영역 중 내측 영역(A1)에 배치되는 내측 셀 스택군(101A)과, 셀 배치 영역(A) 중 내측 영역(A1)보다 외측에 위치하는 외측 영역(A2)에 배치되는 외측 셀 스택군(101B)을 포함하도록 분류된다.
연료 전지 카트리지(203)는 집전판(11)(제1 정극 집전부)과, 집전판(12)(제2 정극 집전부)과, 집전판(21)(제1 부극 집전부)과, 집전판(22)(제2 부극 집전부)을 구비한다. 집전판(11)(제1 정극 집전부)은 외측 셀 스택군(101B)의 정극끼리를 전기적으로 접속하는 도전성의 판상 부재이며, 외측 영역(A2)에 배치되어 있다. 또한 집전판(12)(제2 정극 집전부)은 내측 셀 스택군(101A)의 정극끼리를 전기적으로 접속하는 도전성의 판상 부재이며, 내측 영역(A1)에 배치되어 있다. 또한 집전판(21)(제1 부극 집전부)은 내측 셀 스택군(101A)의 부극끼리를 전기적으로 접속하는 도전성의 판상 부재이며, 내측 영역(A1)에 배치되어 있다. 또한 집전판(22)(제2 부극 집전부)은 외측 셀 스택군(101B)의 부극끼리를 전기적으로 접속하는 도전성의 판상 부재이며, 외측 영역(A2)에 배치되어 있다.
도 5에 도시한 바와 같이, 연료 전지 카트리지(203) 내에서 전류를 유통시키는 경로는, 집전판(21)과 집전판(22)을 전기적으로 분리하여 집전판(21)과 집전판(11)을 전기적으로 접속함으로써 형성되어 있다. 이 경로는 내측 영역(A1)의 내측 셀 스택군(101A)과, 외측 영역(A2)의 외측 셀 스택군(101B)이 외부 부하(도시하지 않음)에 대하여 직렬 접속된 경로이다.
또한, 경로 중에 나타내는 화살표는 경로를 흐르는 전류의 유통 방향을 나타내고 있다. 이하의 각 도면에 있어서도, 경로 중에 나타내는 화살표는 경로를 흐르는 전류의 유통 방향을 나타내는 것으로 한다.
여기서 연료 전지 카트리지(203)가 구비하는 각 셀 스택(101)은 서로 동등한 도전 면적을 각각 갖고 있으며, 외측 셀 스택군(101B)은 내측 셀 스택군(101A)에 비교하여 적은 수의 상기 셀 스택(101)을 포함한다. 그 때문에, 외부 부하에 대하여 직렬 접속된 내측 셀 스택군(101A) 및 외측 셀 스택군(101B)이 통전되었을 때, 총 도전 면적이 작은 외측 셀 스택군(101B)의 전류 밀도가, 총 도전 면적이 큰 내측 셀 스택군(101A)의 전류 밀도보다 커지도록 구성된다.
도 6은 도 4의 L-L간에 있어서의 온도 분포 T를 나타내고 있다. 도 6에서는, 비교예로서 내측 셀 스택군(101A) 및 외측 셀 스택군(101B)이 동일 수임으로써, 양자의 전류 밀도가 동등한 경우에 대응하는 온도 분포 T´가 파선으로 나타나 있다. 이 비교예에서는, 외부로의 방열량이 큰 외측 셀 스택군(101B)에서는 온도가 낮고, 외부로의 방열량이 작은 내측 셀 스택군(101A)에서는 온도가 낮아지는 온도 분포 T´가 나타나 있다. 또한 온도 분포 T´는 최고 온도 Tmax´를 갖고 있다.
한쪽의 본 실시 형태에서는, 상술한 바와 같이 외측 셀 스택군(101B)의 전류 밀도가 내측 셀 스택군(101A)의 전류 밀도보다 커지도록 구성됨으로써, 외측 셀 스택군(101B)에 있어서의 발열량이 내측 셀 스택군(101A)에 대하여 상대적으로 증가하고, 그 결과 비교예에 비해 평준화된 온도 분포 T가 얻어진다.
본 실시 형태에서는, 도 4에 나타내는 바와 같이 외측 셀 스택군(101B)은 내측 셀 스택군(101A)을 전체 둘레에 걸쳐 둘러싸도록 구성되어 있기 때문에, 내측 셀 스택군(101A)은 외측 셀 스택군(101B)에 비해 방열량이 작아지기 쉽고, 고온이 되기 쉽지만, 이렇게 외측 셀 스택군(101B)의 전류 밀도를 내측 셀 스택군(101A)에 비해 크게 함으로써, 온도 분포를 효과적으로 평준화할 수 있다.
또한, 이 온도 분포 T에서는, 최고 온도 Tmax는 비교예의 최고 온도 Tmax´에 비해 억제되면서 평준화되어 있다. 그 때문에, 도 6에서 온도 분포 Ta로서 나타내는 바와 같이, 비교예의 최고 온도 Tmax´와 동등한 최고 온도를 상한으로 하면서도, 연료 전지 카트리지(203)의 출력을 향상시킬 수 있어, 보다 고효율의 연료 전지 카트리지(203)를 실현할 수 있다.
이와 같은 구성은 상술한 각 집전판(집전판(11)(제1 정극 집전부), 집전판(12)(제2 정극 집전부), 집전판(21)(제1 부극 집전부) 및 집전판(22)(제2 부극 집전부))과 같이, 내측 셀 스택군(101A)과 외측 셀 스택군(101B)을 서로 독립된 집전 부재에 의해 전기적으로 접속함으로써 구축할 수 있다. 이에 의해, 다수의 셀 스택이 배열되어 구성되는 종래의 연료 전지 카트리지의 구성을 크게 변경하지 않고, 효율적인 레이아웃으로 상기 구성을 실현할 수 있다.
도 7은 도 4의 제1 변형예이며, 도 8은 도 7에 나타내는 연료 전지 카트리지(203)의 N-N선 단면 사시도이다. 이 제1 변형예에서는, 내측 영역(A1)의 양측에 2개의 외측 영역(A2)이 각각 규정됨으로써, 외측 셀 스택군(101B1 및 101B2)이 내측 셀 스택군(101A)의 양측에 각각 배치된다.
연료 전지 카트리지(203) 내에서 전류를 유통시키는 경로는, 도 8에 있어서 좌측에 나타내는 외측 셀 스택군(101B1)과 내측 셀 스택군(101A)이 외부 부하(도시하지 않음)에 대하여 직렬 접속된 경로와, 도 8에 있어서 우측에 나타내는 외측 셀 스택군(101B2)와 내측 셀 스택군(101A)이 외부 부하(도시하지 않음)에 대하여 직렬 접속된 경로가 서로 병렬로 조합된 것이 된다.
이렇게 외측 셀 스택군(101B)이 내측 셀 스택군(101A)의 양측으로 분리되어 마련되는 경우에 있어서도, 외측 셀 스택군(101B)의 전류 밀도를 내측 셀 스택군(101A)에 비해 크게 함으로써, 온도 분포를 효과적으로 평준화할 수 있다.
도 9는 제1 변형예의 연료 전지 카트리지(203)의 확장예이다. 도 9에서는, 제1 변형예에 관한 연료 전지 카트리지(203A, 203B, 203C…)가 소정 방향을 따라서 배열되어 있고, 서로 인접하는 연료 카트리지(203)의 내측 영역(A1) 및 외측 영역(A2)이 각각 연속되도록 배치되어 있다. 이렇게 복수의 연료 전지 카트리지(203)를 인접 배치함으로써 확장한 경우에도, 방열량이 비교적 큰 외측 셀 스택군(101B)의 전류 밀도를, 방열량이 비교적 작은 내측 셀 스택군(101A)에 비해 크게 함으로써, 복수의 연료 전지 카트리지(203)에 걸친 온도 분포를 효과적으로 평준화할 수 있다.
또한 복수의 연료 전지 카트리지(203)를 확장 배치한 경우에는, 서로 인접하는 연료 전지 카트리지(203) 사이의 접면은 단열 상태에 가깝고 온도 구배도 발생하기 어렵기 때문에, 온도 분포를 평준화하는 것에 대한 요구가 작다. 이러한 경우에는, 도 9에 나타내는 바와 같이 열 단위로 각 집전판을 구성함으로써, 효율적인 레이아웃으로, 배열 방향과는 직각 방향에 있어서의 온도 분포의 표준화를 할 수 있다.
또한, 내측 셀 스택군(101A)의 양측에 배치된 외측 셀 스택군(101B1 및 101B2)은 서로 동일 수의 셀 스택(101)을 포함해도 되지만, 온도 분포의 밸런스를 고려하여 다른 수의 셀 스택(101)을 포함해도 된다.
도 10은 도 4의 제2 변형예이며, 도 11은 도 10에 나타내는 연료 전지 카트리지(203)의 O-O선 단면 사시도이다. 제2 변형예에서는, 외측 셀 스택군(101B1 및 101B2) 사이에 내측 셀 스택군(101A)이 배치되어 있고, 당해 내측 셀 스택군(101A)은 제1 내측 셀 스택군(101A1) 및 제2 내측 셀 스택군(101A2)으로 더욱 세분화되어 있다.
도 11에 도시한 바와 같이 연료 전지 카트리지(203) 내에서 전류를 유통시키는 경로는, 외측 셀 스택군(101B1)의 집전판(30)(제1 정극 집전부)이 제1 내측 셀 스택군(101A1)의 집전판(31)(제1 부극 집전부)에 전기적으로 접속된다. 제1 내측 셀 스택군(101A1)의 집전판(32)(제2 정극 집전부)은 제2 내측 셀 스택군(101A2)의 집전판(33)(제2 부극 집전부)에 전기적으로 접속된다. 제2 내측 셀 스택군(101A2)의 집전판(34)(제3 정극 집전부)은 외측 셀 스택군(101B2)의 집전판(35)(제3 부극 집전부)에 전기적으로 접속된다. 또한 외측 셀 스택군(101B1)의 집전판(36)(제4 부극 집전부) 및 외측 셀 스택군(101B2)의 집전판(37)(제4 정극 집전부)은 외부 부하에 접속된다. 이에 의해, 내측 셀 스택군(101A1, 101A2) 및 외측 셀 스택군(101B1, 101B2)을 전기적으로 분리하여 각 스택군을 전기적으로 접속함으로써 형성되어 있다. 이 경로는 도 11에 나타내는 경로이며, 외부 부하(도시하지 않음)에 대하여 직렬 접속된다.
이렇게 제2 변형예에서는, 내측 셀 스택군(101A)을 보다 세분화하고, 각각의 셀 스택군에 포함되는 셀 스택수를 바꿈으로써, 제1 변형예에 비해 보다 미세한 온도 조정을 행함으로써 온도 분포의 평준화가 가능해진다. 이 경우에도 제1 변형예의 도 9와 마찬가지로, 복수의 연료 전지 카트리지(203)를 인접 배치함으로써 확장해도 된다.
전술한 실시 형태에서는 연료 전지 카트리지(203)가 원통형의 셀 스택(101)을 갖는 경우에 대하여 설명하였지만, 연료 전지 카트리지(203)가 갖는 셀 스택(101)은 다른 형식이어도 된다. 도 12는 편평 원통형의 셀 스택(101)을 갖는 연료 전지 카트리지(303)를 나타내는 모식도이다. 이 연료 전지 카트리지(303)에서는, 연직 방향을 따라서 수평 방향으로 연장되는 복수의 셀 스택(101)이 배열되어 있고, 상방측 및 하방측(외측)에 있어서 외기와 접함으로써 내측에 비해 셀 스택(101)의 온도가 낮아지는 온도 분포를 갖는다.
이러한 연료 전지 카트리지(303)에 있어서도 복수의 셀 스택(101)을 내측 영역(A1) 및 외측 영역(A2)을 규정하고, 내측 영역(A1)에 위치하는 내측 셀 스택군(101A)과, 외측 영역(A2)에 위치하는 외측 셀 스택군(101B)으로 분류한다. 내측 셀 스택군(101A) 및 외측 셀 스택군(101B)은, 도시하지 않은 외부 부하에 대하여 소정의 집전 계통을 통해 직렬로 접속되어 있다.
여기서 연료 전지 카트리지(303)가 구비하는 각 셀 스택(101)은 서로 동등한 도전 면적을 각각 갖고 있으며, 외측 셀 스택군(101B)은 내측 셀 스택군(101A)에 비교하여 적은 수의 상기 셀 스택(101)을 포함한다. 그 때문에, 외부 부하에 대하여 직렬 접속된 내측 셀 스택군(101A) 및 외측 셀 스택군(101B)이 통전되었을 때, 총 도전 면적이 작은 외측 셀 스택군(101B)의 전류 밀도가, 총 도전 면적이 큰 내측 셀 스택군(101A)의 전류 밀도보다 커지도록 구성된다. 이렇게 외측 셀 스택군(101B)의 전류 밀도를 내측 셀 스택군(101A)에 비해 크게 함으로써, 온도 분포를 효과적으로 평준화할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이 상기 실시 형태에 따르면, 외측 셀 스택의 전류 밀도가 내측 셀 스택의 전류 밀도보다 커지도록 구성됨으로써, 내측 셀 스택에 비해 방열량이 큰 외측 셀 스택과, 외측 셀 스택에 비해 방열량이 작은 내측 셀 스택 사이에 있어서의 온도 분포를 평준화할 수 있다.
연료 전지 모듈(201)은 GTCC(Gas Turbine Combined Cycle: 가스 터빈 컴바인드 사이클 발전), MGT(Micro Gas Turbine: 마이크로 가스 터빈) 또는 터보 과급기와 조합되어 이용되는 복합 발전 시스템에 적용되는 경우가 있다. 이러한 복합 발전 시스템에서는, SOFC 모듈로부터 배기되는 배기 연료 가스와 배기 산화성 가스가 가스 터빈의 연소기(도시하지 않음)에 공급되어 고온의 연소 가스를 생성하고, 이 연소 가스를 가스 터빈으로 단열 팽창시킴으로써 생성되는 회전 동력에 의해, 압축기를 구동하여 압축된 압축 가스가 산화성 가스로서 연료 전지 모듈(10)의 산화성 가스 공급 주관(21)에 공급된다. 또한, 산화성 가스란, 산소를 대략 15％ 내지 30％ 포함하는 가스이며, 대표적으로는 공기가 적합하지만, 공기 이외에도 연소 배기 가스와 공기의 혼합 가스나, 산소와 공기의 혼합 가스 등을 사용할 수 있다.
본 발명의 적어도 일 실시 형태는 고체 산화물형 연료 전지의 연료 전지 카트리지, 연료 전지 모듈 및 복합 발전 시스템에 이용 가능하다.
101: 셀 스택
101A: 내측 셀 스택군
101B: 외측 셀 스택군
103: 기체관
105: 연료 전지 셀
107: 인터커넥터
109: 연료극
111: 고체 전해질
113: 공기극
115: 리드막
201: 연료 전지 모듈
203: 연료 전지 카트리지
205: 압력 용기
207: 연료 가스 공급관
209: 연료 가스 배출관
215: 발전실
217: 연료 가스 공급실
219: 연료 가스 배출실
221: 산화성 가스 공급실
223: 산화성 가스 배출실
225a: 상부 관판
225b: 하부 관판
227a: 상부 단열체
227b: 하부 단열체
229a: 상부 케이싱
229b: 하부 케이싱
231a: 연료 가스 공급 구멍
231b: 연료 가스 배출 구멍
233a: 산화성 가스 공급 구멍
233b: 산화성 가스 배출 구멍
235a: 산화성 가스 공급 간극
235b: 산화성 가스 배출 간극
303: 편평 원통형 원료 전지 카트리지
A1: 내측 영역
A2: 외측 영역

Claims (10)

  1. 고체 산화물형 연료 전지를 형성하는 복수의 셀을 포함하는 복수의 셀 스택을 구비하는 연료 전지 카트리지이며,
    상기 복수의 셀 스택으로 구성되는 셀 스택군은,
    상기 복수의 셀 스택이 배치되는 셀 배치 영역 중 내측 영역에 배치되는 내측 셀 스택군과,
    상기 셀 배치 영역 중 상기 내측 영역보다 외측에 위치하는 외측 영역에 배치되는 외측 셀 스택군
    을 포함하고,
    상기 내측 셀 스택군 및 상기 외측 셀 스택군은 외부 부하에 대하여 서로 직렬로 접속되어 있고,
    상기 외측 셀 스택군의 전류 밀도가 상기 내측 셀 스택군의 전류 밀도보다 커지도록 구성되는, 연료 전지 카트리지.
  2. 제1항에 있어서, 상기 복수의 셀 스택은 서로 동등한 도전 면적을 각각 갖고,
    상기 외측 셀 스택군은 상기 내측 셀 스택군에 비교하여 적은 수의 상기 셀 스택을 포함하는, 연료 전지 카트리지.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 내측 셀 스택군을 구성하는 상기 셀 스택과 상기 외측 셀 스택군을 구성하는 상기 셀 스택은, 서로 독립된 집전 부재에 의해 전기적으로 접속되는, 연료 전지 카트리지.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 외측 셀 스택군은 상기 내측 셀 스택군을 전체 둘레에 걸쳐 둘러싸는, 연료 전지 카트리지.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 외측 셀 스택군은 상기 내측 셀 스택군의 양측에 각각 배치되는, 연료 전지 카트리지.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 내측 셀 스택군은 인접하는 제1 내측 셀 스택군 및 제2 내측 셀 스택군을 포함하고,
    상기 제1 내측 셀 스택군 및 제2 내측 셀 스택군은 서로 직렬로 접속되는, 연료 전지 카트리지.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 셀 스택은 복수의 연료 전지 셀을 전기적으로 직렬로 접속한 원통 가로 줄무늬 형상을 갖는, 연료 전지 카트리지.
  8. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 셀 스택은 편평 원통 가로 줄무늬 형상을 갖는, 연료 전지 카트리지.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 기재된 연료 전지 카트리지를 구비하는, 연료 전지 모듈.
  10. 제9항에 기재된 연료 전지 모듈과 상기 연료 전지로부터 배기되는 배기 연료 가스와 배기 산화성 가스를 사용하여 회전 동력을 생성하는 가스 터빈 또는 터보 과급기를 구비하고, 상기 연료 전지 모듈에는, 상기 회전 동력을 사용하여 압축된 상기 산화성 가스가 공급되고, 복수의 상기 셀 스택은 상기 연료 가스와 상기 산화성 가스를 사용하여 발전하는, 복합 발전 시스템.
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