KR20210143260A - 전기 화학 모듈, 전기 화학 장치 및 에너지 시스템 - Google Patents

전기 화학 모듈, 전기 화학 장치 및 에너지 시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR20210143260A
KR20210143260A KR1020217034204A KR20217034204A KR20210143260A KR 20210143260 A KR20210143260 A KR 20210143260A KR 1020217034204 A KR1020217034204 A KR 1020217034204A KR 20217034204 A KR20217034204 A KR 20217034204A KR 20210143260 A KR20210143260 A KR 20210143260A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
gas
electrochemical
plate
annular sealing
electrochemical element
Prior art date
Application number
KR1020217034204A
Other languages
English (en)
Inventor
노리히사 신케
가즈유키 미나미
미쓰아키 에치고
Original Assignee
오사까 가스 가부시키가이샤
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 오사까 가스 가부시키가이샤 filed Critical 오사까 가스 가부시키가이샤
Publication of KR20210143260A publication Critical patent/KR20210143260A/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/02—Hydrogen or oxygen
    • C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/23—Carbon monoxide or syngas
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00—Operating or servicing cells
    • C25B15/08—Supplying or removing reactants or electrolytes; Regeneration of electrolytes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/60—Constructional parts of cells
    • C25B9/63—Holders for electrodes; Positioning of the electrodes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/70—Assemblies comprising two or more cells
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/70—Assemblies comprising two or more cells
    • C25B9/73—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type
    • C25B9/77—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type having diaphragms
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J15/00—Sealings
    • F16J15/02—Sealings between relatively-stationary surfaces
    • F16J15/06—Sealings between relatively-stationary surfaces with solid packing compressed between sealing surfaces
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
    • H01M8/0276—Sealing means characterised by their form
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
    • H01M8/028—Sealing means characterised by their material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • H01M8/2425—High-temperature cells with solid electrolytes
    • H01M8/2432—Grouping of unit cells of planar configuration
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/247—Arrangements for tightening a stack, for accommodation of a stack in a tank or for assembling different tanks
    • H01M8/248—Means for compression of the fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/2483—Details of groupings of fuel cells characterised by internal manifolds
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/2484—Details of groupings of fuel cells characterised by external manifolds
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/2484—Details of groupings of fuel cells characterised by external manifolds
    • H01M8/2485—Arrangements for sealing external manifolds; Arrangements for mounting external manifolds around a stack
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M2008/1293—Fuel cells with solid oxide electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04858—Electric variables
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/10—Process efficiency
    • Y02P20/129—Energy recovery, e.g. by cogeneration, H2recovery or pressure recovery turbines

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
  • Gasket Seals (AREA)

Abstract

본 발명은 가스 누설을 억제할 수 있는 전기 화학 모듈, 전기 화학 장치 및 에너지 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다. 전기 화학 모듈(M)은, 전극층, 전해질층 및 대극 전극층이 기판을 따라 형성되어 있는 복수의 전기 화학 소자가, 환원성 성분 가스 및 산화성 성분 가스 중 한쪽인 제1 가스를 통류하기 위한 환형 실링부를 통하여 소정의 적층 방향으로 적층되어 있는 적층체와, 적층체의 적층 방향에서의 제1 평면을 압압하는 상부 커버(201), 및 제1 평면과는 반대측의 제2 평면을 압압하는 하부 커버(203)를 포함하고, 상부 커버(201) 및 하부 커버(203)에 의해 적층체를 협지하는 용기(200)과, 제1 평면과 상부 커버(201) 사이에 배치되고, 탄성을 가지는 하부 평판형 부재(220B)와, 환형 실링부를 연통하는 상태로, 제2 평면에 접속되는 제1 가스 공급부(61) 및 제1 가스 배출부(62)를 구비한다.

Description

전기 화학 모듈, 전기 화학 장치 및 에너지 시스템
본 발명은, 전기 화학 모듈, 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. 이에 의해, 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, 2에서는, 적층체의 전체면을 엔드 플레이트에 의해 체결하고 있으므로, 적층체 전체에 대략 균일한 체결 압력이 부여된다. 그러나, 적층체는, 캐소드, 애노드 및 전해질을 가지는 전극 구조체가 적층되어 있는 영역과, 발전 반응에 이용하는 가스를 전극 구조체에 공급 및 전극 구조체로부터 배출하기 위한 공급 배출부가 형성되어 있는 영역을 구비하고 있다. 그리고, 공급 배출부는, 복수의 전극 구조체 각각에 대응하여 설치된 환형체(環形體)가, 복수의 전극 구조체의 적층과 함께 적층 방향으로 연결됨으로써 형성된다. 예를 들면, 전극 구조체가 적층되어 있는 영역에 대한 체결 압력이 충분해도, 공급 배출부가 형성되어 있는 영역에 대한 체결 압력이 불충분한 경우에는, 환형체와 환형체에 접하는 부재 사이에 간극이 발생한다. 이 경우, 해당 간극으로부터 누설된다.
그래서, 복수의 부재가 적층 방향으로 적층됨으로써 가스를 통류시키는 유로가 구성될 경우에, 해당 복수의 부재와 다른 부재의 접촉 부분의 간극의 발생을 억제하고, 가스 누설을 억제하는 것이 요망되고 있다.
이에, 본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것이며, 적층 방향으로 가스를 통류시키는 부재와 다른 부재 사이의 간극의 발생을 억제하고, 가스 누설을 억제할 수 있는 전기 화학 모듈, 전기 화학 장치 및 에너지 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
[구성]
본 발명에 따른 전기 화학 모듈의 특징적 구성은,
전해질층과 상기 전해질층의 양측에 각각 배치되어 있는 전극층 및 대극(對極) 전극층이 기판을 따라 형성되어 있는 복수의 전기 화학 소자가, 환원성 성분 가스 및 산화성 성분 가스 중 한쪽인 제1 가스를 통류하기 위한 환형 실링부를 통하여 소정의 적층 방향으로 적층되어 있는 적층체와,
상기 적층체의 상기 적층 방향에서의 제1 평면을 압압(押壓)하는 제1 협지체(挾持體), 및 상기 제1 평면과는 반대측의 제2 평면을 압압하는 제2 협지체를 포함하고, 상기 제1 협지체 및 상기 제2 협지체에 의해 상기 적층체를 협지하는 협지체와,
상기 제1 평면과 상기 제1 협지체 사이에 배치되고, 탄성을 가지는 제1 평판형 부재와,
상기 환형 실링부를 연통(連通)하는 상태로, 상기 제2 평면에 접속되는 통류관
을 구비하는 점에 있다.
환형 실링부에는, 환원성 성분 가스 또는 산화성 성분 가스가 통류한다. 환형 실링부로의 압압력이 부족한 경우에는, 환형 실링부와 다른 부재의 접촉 부분의 간극으로부터 제1 가스가 누설되어 버린다. 예를 들면, 복수의 전기 화학 소자는 적층 방향으로 적층되고, 소정의 체결 압력에 의해 압압되지만, 환형 실링부에 대하여 필요한 압압력이, 전극층, 전해질층 및 대극 전극층에 의해 구성되는 전기 화학 반응부에 대한 압압력보다 커지는 경우가 있다.
보다 구체적으로 설명하면, 전기 화학 소자는, 기판을 따라 형성되어 있는 전극층과 전해질층과 대극 전극층을 가지고 있다. 이 전극층, 전해질층 및 대극 전극층은, 제1 가스의 공급 등을 받아 전기 화학 반응을 행하는 전기 화학 반응부가 된다. 그리고, 복수의 전기 화학 소자가 환형 실링부를 통하여 소정의 적층 방향으로 적층되고, 소정의 체결 압력에 의해 압압되어 적층체가 형성되어 있다.
이 경우, 구성의 차이로부터, 적층체 중, 전기 화학 반응부가 존재하는 영역의 압압력과, 환형 실링부가 존재하는 영역의 압압력이 상이한 경우가 있다. 그리고, 환형 실링부가 존재하는 영역에 대하여 필요한 압압력이, 전기 화학 반응부가 존재하는 영역의 압압력보다 커지는 경우가 있다. 이 경우에, 적층체에 전기 화학 반응부에 필요한 압압력밖에 가해지지 않는다고 하면, 환형 실링부는 그것이 필요로 하는 압압력으로 압압되지 않는다. 따라서, 환형 실링부와 다른 부재의 접촉 부분에 간극이 발생하고, 해당 간극으로부터 제1 가스가 누설되어 버린다.
상기 특징적 구성에 의하면, 적층체는, 적층체의 제1 평면 측으로부터는 탄성을 가지는 제1 평판형 부재로 압압되고 있다. 한편, 적층체의 제2 평면 측에 제1 가스가 통류하는 환형 실링부와 연통하는 통류관이 설치되어 있다. 따라서, 적층체는, 제1 평판형 부재에 의해 환형 실링부가 연결되는 공급관 및 배출관 등의 배관 측으로 압압된다. 이에 의해, 환형 실링부와 다른 부재의 간극으로부터의 제1 가스의 누설을 억제할 수 있다.
또한, 제1 평판형 부재에 의해, 적층체가 제1 평면 측으로부터 통류관이 설치되어 있는 제2 평면 측으로 압압되고 있으므로, 적층체와 통류관의 접속 위치를 대략 고정 위치로 할 수 있다. 따라서, 환형 실링부와 통류관을 용접 등에 의해 고정할 수 있다. 그 때문에, 환형 실링부와 통류관의 접속 위치의 변동을 고려하여, 가요성의 배관을 사용할 필요가 없고, 내구성이 있는 일반적인 스테인레스강관 등을 배관으로서 사용할 수 있다.
그리고, 적층체 등의 팽창 혹은 수축에 의해 적층체 및 협지체 등의 간격이 변동되어도, 탄성을 가지는 제1 평판형 부재에 의해 흡수된다. 즉, 적층체 및 협지체 중 적어도 어느 하나가 팽창한 경우, 적층체와 협지체의 간격은, 적층체 등의 팽창 전후에서 변동될 가능성이 있다. 제1 평판형 부재는 탄성력을 가지고 있으므로, 적층체와 협지체의 간격이 변동된 경우라도, 그 탄성력에 의해 한 쌍의 협지체의 사이에 적층체를 탄성 협지한다. 따라서, 적층 방향이 적당한 체결 압력을 적층체에 부여할 수 있다.
[구성]
본 발명에 따른 전기 화학 모듈의 더 한층의 특징적 구성은,
상기 제2 평면과 상기 제2 협지체 사이에 배치되고, 탄성을 가지는 제2 평판형 부재를 구비하고,
상기 제1 평판형 부재의 탄성력은, 상기 제2 평판형 부재의 탄성력보다 큰 점에 있다.
본원에서의 「탄성력이 크다」란, 상기 평판형 부재 자체가 탄성 변형해도, 평판형 부재가 발생하는 탄성력의 저하가 작다는 의미이다.
적층체는, 적층체의 제1 평면 측으로부터는 탄성을 가지는 제1 평판형 부재로 압압되고 또한, 적층체의 제2 평면 측으로부터는 탄성을 가지는 제2 평판형 부재로 압압된다. 그리고, 적층체의 제2 평면 측에 제1 가스가 통류하는 환형 실링부와 연통하는 통류관이 설치되어 있다. 제1 평판형 부재의 탄성력이 제2 평판형 부재의 탄성력보다 크기 때문에, 적층체는, 제1 평판형 부재에 의해 환형 실링부가 연결되는 공급관 및 배출관 등의 배관 측으로 압압된다. 이에 의해, 적층체와 통류관의 접속 위치를 대략 고정 위치로 할 수 있고 또한, 환형 실링부와 다른 부재의 간극으로부터의 제1 가스의 누설을 억제할 수 있다.
그리고, 제1 평판형 부재의 탄성력>제2 평판형 부재의 탄성력의 관계는, 제1 평판형 부재의 열팽창율>제2 평판형 부재의 열팽창율의 관계에 의해 얻을 수도 있다.
[구성]
본 발명에 따른 전기 화학 모듈의 더 한층의 특징적 구성은,
상기 제2 평면 측에 설치되어 있고, 상기 환형 실링부의 장착 개소를, 상기 적층 방향에 있어서 상기 협지체에 대하여 압압하는 압압 기구를 구비하는 점에 있다.
상기 특징적 구성에 의하면, 적층체는, 적층체의 제1 평면 측의 제1 평판형 부재에 의해, 제2 평면 측으로부터보다 제1 평면 측으로부터 더 강하게 압압되고 있다. 따라서, 적층체는, 제1 평판형 부재에 의해 환형 실링부가 연결되는 공급관 및 배출관 등의 배관 측으로 압압된다. 또한, 상기 특징적 구성에 의하면, 전기 화학 모듈은, 환형 실링부를 적층 방향을 따라 압압하는 압압 기구를 구비하고 있으므로, 환형 실링부를 압압 가능하며, 환형 실링부와 다른 부재의 간극으로부터의 제1 가스의 누설을 억제할 수 있다. 또한, 환형 실링부를 전기 화학 반응부와는 독립적으로 압압 가능하므로, 이들 간극으로부터의 제1 가스의 누설을 억제 가능한 적절한 압압력을 환형 실링부에 부하 가능하다.
[구성]
본 발명에 따른 전기 화학 모듈의 더 한층의 특징적 구성은,
상기 압압 기구는, 상기 통류관을 통하여 상기 환형 실링부가 존재하는 영역을 상기 적층 방향을 따라 압압하고,
상기 압압 기구의 열팽창율은, 상기 통류관의 열팽창율 이하인 점에 있다.
상기 특징적 구성에 의하면, 압압 기구의 열팽창율이 통류관의 열팽창율 이하이므로, 압압 기구로부터 통류관을 통한 환형 실링부로의 압압력의 전달 손실을 억제할 수 있다. 예를 들면, 압압 기구의 열팽창율이 통류관의 열팽창율보다 큰 경우로 한다. 그리고, 압압 기구가 통류관 및 환형 실링부에 전달해야 할 압압 방향 과는 상이한 방향으로 압압 기구가 열팽창한 경우, 통류관이 압압 기구의 팽창에 추종할 수 없는 경우가 있다. 따라서, 압압 기구와 통류관 사이의 간격이 커지고, 압압 기구로부터 통류관을 통하여 환형 실링부에 충분히 압압력을 전달할 수 없다.
[구성]
본 발명에 따른 전기 화학 모듈의 더 한층의 특징적 구성은,
상기 압압 기구는, 상기 제1 협지체에 설치된 제1 나사결합 부재와, 상기 제1 나사결합 부재와의 나사결합에 의해 상기 환형 실링부를 상기 적층 방향으로 압압 가능한 제2 나사결합 부재를 구비하는 점에 있다.
상기 특징적 구성에 의하면, 압압 기구를 구성하는 제1 나사결합 부재와 제2 나사결합 부재를 서로 나사결합시킴으로써, 환형 실링부를 적층 방향을 따라 압압하고, 환형 실링부와 다른 부재의 간극으로부터의 제1 가스의 누설을 억제할 수 있다.
[구성]
본 발명에 따른 전기 화학 모듈의 더 한층의 특징적 구성은,
상기 제1 나사결합 부재는 통형 부재이며, 내주면(內周面)에 암나사부를 가지고 있고,
상기 제2 나사결합 부재는 통형 부재이며, 외주면(外周面)에 수나사부를 가지고 있고,
상기 제2 나사결합 부재의 상기 수나사부를 상기 제1 나사결합 부재의 상기 암나사부에 나사결합시키는 점에 있다.
상기 특징적 구성에 의하면, 제2 나사결합 부재의 수나사부를 제1 나사결합 부재의 암나사부에 나사결합시킴으로써, 환형 실링부를 적층 방향을 따라 압압하고, 환형 실링부와 다른 부재의 간극으로부터의 제1 가스의 누설을 억제할 수 있다.
[구성]
본 발명에 따른 전기 화학 모듈의 더 한층의 특징적 구성은,
상기 압압 기구는, 상기 제2 나사결합 부재와 상기 통류관 사이의 전기 절연성 실링부를 구비하는 점에 있다.
상기 특징적 구성에 의하면, 제2 나사결합 부재와 환형 실링부와의 사이가 실링부에 의해 실링되어 있으므로, 제2 나사결합 부재와 환형 실링부 사이에서의 제1 가스의 누설을 억제할 수 있다. 또한, 실링부가 절연성이므로, 전기 화학 모듈에서의 전기적 단락(쇼트)를 억제할 수 있다.
[구성]
본 발명에 따른 전기 화학 모듈의 더 한층의 특징적 구성은,
상기 기판은, 상기 환형 실링부를 통하여 상기 제1 가스가 도입되는 내부 유로를 내부에 가지고 있고,
상기 적층 방향으로 인접하는 전기 화학 소자 사이에, 상기 환원성 성분 가스 및 상기 산화성 성분 가스 중 다른 쪽인 제2 가스가 통류하는 통류부가 형성되어 있는 점에 있다.
상기 특징적 구성에 의하면, 각 전기 화학 소자는, 기판의 내부에 제1 가스가 통류하는 내부 유로가 형성되어 있고, 인접하는 전기 화학 소자 사이에는 제2 가스가 통류하는 통류부가 형성되어 있다. 따라서, 각 전기 화학 소자는, 내부 유로로부터 공급된 제1 가스와 통류부로부터 공급된 제2 가스에 의해 전기 화학 반응을 행하고, 발전을 행할 수 있다.
[구성]
본 발명에 따른 전기 화학 모듈의 더 한층의 특징적 구성은,
각 전기 화학 소자의 기판은, 상기 제1 가스를 통류하는 공급로를 형성하는 제1 관통부를 가지고,
각 전기 화학 소자의 제1 관통부는, 인접하는 전기 화학 소자의 사이에 개재하는 환형 실링부의 환형 구멍과 연통하고 있는 점에 있다.
상기 특징적 구성에 의하면, 제1 가스는 각 전기 화학 소자의 제1 관통부 및 환형 실링부를 통하여 적층체에 공급된다.
[구성]
본 발명에 따른 전기 화학 모듈의 더 한층의 특징적 구성은,
상기 복수의 전기 화학 소자에서는, 제1 전기 화학 소자와 제2 전기 화학 소자가 서로 인접하여 적층되어 있고,
각 전기 화학 소자를 구성하는 상기 기판은, 상기 환형 실링부를 통하여 상기 제1 가스가 통류하는 내부 유로를 내부에 가지고 있고,
상기 제1 전기 화학 소자를 구성하는 상기 기판과, 상기 제2 전기 화학 소자를 구성하는 상기 기판이 대향하는 형태로, 또한, 상기 제1 전기 화학 소자를 구성하는 상기 기판에서의 전기 화학 반응부가 배치되는 외면과, 상기 제2 전기 화학 소자를 구성하는 상기 기판에서의 상기 전기 화학 반응부가 배치되는 측과는 별도의 외면이 전기적으로 접속되어 있고, 또한, 이들 양 외면끼리의 인접 사이에, 해당 양 외면을 따라 상기 환원성 성분 가스 및 상기 산화성 성분 가스 중 다른 쪽인 제2 가스가 통류하는 통류부가 형성되어 있는 점에 있다.
상기 특징적 구성에 의하면, 전기 화학 소자는, 기판의 내부의 내부 유로를 가지고 있고, 내부 유로에는 제1 가스가 통류한다. 한편, 내부 유로와 구획된 통류부에는 제2 가스가 통류한다. 따라서, 제1 가스와 제2 가스를 분배하여 통류시킬 수 있다.
[구성]
본 발명에 따른 전기 화학 모듈의 더 한층의 특징적 구성은,
각 전기 화학 소자를 구성하는 상기 기판에는, 해당 기판의 내측인 상기 내부 유로와 외측에 걸쳐 기체를 투과할 수 있는 기체 통류 허용부가 형성되어 있고,
상기 기체 통류 허용부의 전부 또는 일부를 피복하는 상태에서, 상기 전극층과 상기 전해질층과 상기 대극 전극층에 의해 전기 화학 반응부가 형성되어 있고,
상기 기판의 표면 관통 방향 외측과 상기 내부 유로에 걸쳐 상기 제1 가스가 유통하는 공급로를 형성하는 제1 관통부가 형성되어 있는 점에 있다.
전기 화학 소자를 「연료 등의 화학적 에너지를 전기 에너지로 변환하는」 연료전지(전기 화학 발전 셀)로서 기능하게 하는 경우에는, 제1 가스는, 전기 화학 반응에 의해 소비되는 수소 가스 등의 환원성 성분 가스 및 공기 등의 산화성 성분 가스 중 한쪽이며, 제2 가스는 다른 쪽이다.
전기 화학 소자를 「전기 에너지를 연료 등의 화학적 에너지로 변환하는」 전해 셀로서 기능하게 하는 경우에는, 제1 가스는, 전기 화학 반응에 의해 생성되는 수소 가스 등의 환원성 성분 가스 및 산소 등의 산화성 성분 가스 중 한쪽이며, 제2 가스는 다른 쪽이다.
또한, 기판은, 기판의 내측인 내부 유로와 외측에 걸쳐 기체를 투과할 수 있는 기체 통류 허용부와, 기체 통류 허용부의 전부 또는 일부를 피복하는 상태에서, 전극층과 전해질층과 대극 전극층이 가지는 전기 화학 반응부를 구비한다. 따라서, 전기 화학 소자를 연료전지(전기 화학 발전 셀)로서 기능하게 하는 경우에는, 제1 가스와 제2 가스는, 기판의 외측으로부터의 경로와, 내부 유로로부터 기판의 기체 통류 허용부를 통하는 경로로부터, 전기 화학 반응부에 도달하고, 전극층 및 대극 전극층에 있어서 서로 반응함으로써, 예를 들면 전기를 생성하는 등의 전기 화학 반응을 발생시킬 수 있다.
전기 화학 소자를 전해 셀로서 기능하게 하는 경우에는, 전기 화학 반응부에 전기를 공급하는 것에 의해, 물 등의 전기분해 반응에 의해 제1 가스와 제2 가스가 발생하고, 기판의 외측의 경로와, 기판의 기체 통류 허용부로부터 내부 유로를 통하는 경로로부터 배출할 수 있다.
[구성]
본 발명에 따른 전기 화학 모듈의 더 한층의 특징적 구성은,
상기 통류부 내에 있어서, 상기 양 외면에 각각 형성되는 상기 제1 관통부를 상기 통류부와 구획하는 상기 환형 실링부로서의 제1 환형 실링부를 구비하고,
상기 제1 관통부 및 상기 제1 환형 실링부에 의해, 상기 내부 유로와의 사이에 상기 제1 가스를 유통하는 상기 공급로가 형성되는 점에 있다.
제1 환형 실링부를 설치하는 것에 의해, 적층체에서의 서로 적층되는 전기 화학 소자의 제1 관통부끼리를 통류부와 구획하여 연통 접속할 수 있다. 그러므로, 인접하는 전기 화학 소자의 제1 관통부끼리를 긴밀히 접속하는 것만의 지극히 간단한 구성으로, 각각의 전기 화학 소자가 제1 가스, 제2 가스에 의해 적절하게 동작하는 형태로 접속할 수 있고, 제작이 용이하면서 또한 신뢰성이 높은 전기 화학 모듈이 되고, 전기 화학 모듈을 제작하는 데 있어서, 취급하기 용이한 구조로 된다.
그리고, 환형 실링부는, 관통부끼리를 연통시켜 가스의 누설을 방지할 수 있는 구성이라면 형상은 상관없다. 즉, 환형 실링부는, 내부에 관통부와 연통되는 개구부를 가지는 무단(無端)형의 구성으로, 인접하는 전기 화학 소자끼리의 사이를 실링하는 구성이면 된다. 환형 실링부는 예를 들면 환형이다. 환형으로는 원형, 타원형, 사각형, 다각형상 등 어떠한 형상이라도 된다.
[구성]
본 발명에 따른 전기 화학 모듈의 더 한층의 특징적 구성은,
상기 기판은, 상기 내부 유로를 통류하는 상기 제1 가스를 상기 기판의 표면 관통 방향 외측과 유통시키는 배출로를 형성하는 제2 관통부를 구비하고,
상기 통류부 내에 있어서, 상기 양 외면에 각각 형성되는 상기 제2 관통부를 상기 통류부와 구획하는 상기 환형 실링부로서의 제2 환형 실링부를 구비하고,
상기 제2 관통부 및 상기 제2 환형 실링부에 의해, 상기 내부 유로를 통류하는 상기 제1 가스가 유통하는 상기 배출로가 형성되는 점에 있다.
즉, 예를 들면, 전기 화학 소자를 연료전지(전기 화학 발전 셀)로서 기능하게 하는 경우에는, 제1 관통부로부터 내부 유로에 진입한 제1 가스는, 내부 유로를 통하여, 기체 통류 허용부를 통하여 전기 화학 반응부에 유통되면서, 잔부는 배출로를 형성하는 제2 관통부에 통류하게 된다. 배출로는 제2 관통부가, 제2 가스와 구획된 상태로 형성되어 있으므로, 제1 가스는, 제2 가스와 구별된 상태로 배출로로부터 회수할 수 있는 상태로 할 수 있다. 이 배출로는 제1 관통부에서의 공급로와 마찬가지로 실링부로 구성되어 있으므로, 인접하는 전기 화학 소자의 제2 관통부끼리를 긴밀히 접속하는 것만의 지극히 간단한 구성으로, 통류부를 구획한 상태로 연통 접속할 수 있고, 각각의 전기 화학 소자가 제1 가스, 제2 가스에 의해 적절하게 동작하는 형태에 접속할 수 있고, 제작이 용이하며 또한 신뢰성이 있는 전기 화학 모듈이 되고, 전기 화학 모듈을 제작하는 데 있어서, 취급하기 용이한 구조로 된다.
[구성]
본 발명에 따른 전기 화학 장치의 특징적 구성은, 상기의 전기 화학 모듈과, 상기 전기 화학 모듈에 환원성 성분을 함유하는 가스를 유통하는 연료 변환기, 혹은 상기 전기 화학 소자 혹은 상기 전기 화학 모듈에 의해 생성하는 환원성 성분을 함유하는 가스를 변환하는 연료 변환기를 적어도 가지는 점에 있다.
상기의 특징적 구성에 의하면, 전기 화학 모듈과 전기 화학 모듈에 환원성 성분을 함유하는 가스를 유통하는 연료 변환기를 가진다. 따라서, 전기 화학 모듈을 연료전지로서 동작시키는 경우, 개질기 등의 연료 변환기에 의해, 도시가스 등의 기존의 원연료 공급 인프라를 이용하여 공급되는 천연가스 등으로부터 수소를 생성하고, 연료 전지에 유통시키는 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 재활용하는 시스템을 구축하기 쉬워지므로, 고효율의 전기 화학 장치를 실현할 수 있다.
또한, 상기의 특징적 구성에 의하면, 전기 화학 모듈과 전기 화학 모듈에 의해 생성하는 환원성 성분을 함유하는 가스를 변환하는 연료 변환기를 가진다. 따라서, 전기 화학 모듈을 전해 셀로서 동작시키는 경우에는, 예를 들면, 물의 전해 반응에 의해 생성하는 수소를 연료 변환기에서 일산화탄소나 이산화탄소와 반응시켜 메탄 등으로 변환시키는 전기 화학 장치로 할 수 있으며, 이와 같은 구성으로 하면, 내구성·신뢰성 및 성능이 우수한 전기 화학 모듈을 구비한 전기 화학 장치를 실현할 수 있다.
[구성]
본 발명에 따른 전기 화학 장치의 특징적 구성은,
상기의 전기 화학 모듈과, 상기 전기 화학 모듈로부터 전력을 인출하거나 혹은 상기 전기 화학 모듈에 전력을 유통하는 전력 변환기를 적어도 가지는 점에 있다.
상기의 특징적 구성에 의하면, 전력 변환기는, 전기 화학 모듈이 발전한 전력을 인출, 혹은, 전기 화학 모듈에 전력을 유통한다. 이에 의해, 상기한 바와 같이 전기 화학 모듈은, 연료전지로서 작용하고, 혹은, 전해 셀로서 작용한다. 따라서, 상기한 구성에 의하면, 연료 등의 화학적 에너지를 전기 에너지로 변환하거나, 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 얻어지는 전기 출력을 이용하기 쉬워지므로 바람직하다.
[구성]
본 발명에 따른 에너지 시스템의 특징적 구성은,
상기의 전기 화학 장치와, 상기 전기 화학 장치 혹은 연료 변환기로부터 배출되는 열을 재이용하는 배열(排熱) 이용부를 가지는 점에 있다.
상기의 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 1] 전기 화학 모듈의 단면도(斷面圖)이다.
[도 2] 전기 화학 모듈의 상면도이다.
[도 3] 전기 화학 모듈의 측면도이다.
[도 4] 전기 화학 모듈의 개략도이다.
[도 5] 다른 형태 1에 관한 전기 화학 모듈의 단면도이다.
[도 6] 다른 형태 2에 관한 전기 화학 모듈의 단면도이다.
[도 7] 도 6의 전기 화학 모듈의 상면도이다.
[도 8] 도 6의 전기 화학 모듈의 측면도이다.
[도 9] 전기 화학 소자의 개략도이다.
[도 11] 도 9에서의 XI-XI 단면도이다.
[도 12] 도 9에서의 XII-XII 단면도이다.
[도 13] 도 9에서의 XIII-XIII 단면도이다.
[도 14] 도 9에서의 XIV-XIV 단면도이다.
[도 15] 도 9에서의 XV-XV 단면도이다.
[도 16] 도 9에서의 XVI-XVI 단면도이다.
[도 17] 도 9에서의 XVII-XVII 단면도이다.
[도 18] 전기 화학 반응부의 주요부 확대도이다.
[도 19] 에너지 시스템의 개략도이다.
[도 20] 전기 화학 모듈의 단면도이다.
[도 21] 전기 화학 모듈의 상면도이다.
[도 22] 전기 화학 모듈의 측면도이다.
[도 23] 전기 화학 모듈의 개략도이다.
[도 24] 전기 화학 모듈의 단면도이다.
[도 25] 다른 형태에 관한 전기 화학 모듈의 설명도이다.
[도 26] 다른 에너지 시스템의 개략도이다.
[도 27] 다른 전기 화학 소자의 개략도이다.
[도 28] 도 27에서의 XXVIII-XXVIII 단면도이다.
[도 29] 도 27에서의 XXIX-XXIX 단면도이다.
[도 30] 도 27에서의 XXX-XXX 단면도이다.
[도 31] 도 27에서의 XXXI-XXXI 단면도이다.
[도 32] 도 27에서의 XXXII-XXXII 단면도이다.
[도 33] 도 27에서의 XXXIII-XXXIII 단면도이다.
[도 34] 도 27에서의 XXXIV-XXXIV 단면도이다.
[도 35] 도 27에서의 XXXV-XXXV 단면도이다.
[도 36] 도 27에서의 XXXVI-XXXVI 단면도이다.
[도 37] 도 27에서의 XXXVII-XXXVII 단면도이다.
[도 38] 도 27에서의 XXXVIII-XXXVIII 단면도이다.
[도 39] 도 27에서의 XXXIX-XXXIX 단면도이다.
[도 40] 도 27에서의 XL-XL 단면도이다.
[도 41] 도 27에서의 XLI-XLI 단면도이다.
[도 42] 도 27에서의 XLII-XLII 단면도이다.
[도 43] 전기 화학 반응부의 주요부 확대도이다.
[도 44] 공급 구조체 및 배출 구조체의 설명도이다.
이하에, 본 발명의 실시형태에 관한 전기 화학 모듈(M)에 대하여 설명한다. 그리고, 층의 위치 관계 등을 나타낼 때, 예를 들면, 전극층에서 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.
[실시형태]
(1)전기 화학 모듈(M)의 전체 구성
이하에, 실시형태에 따른 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(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. 제1 가스 공급부(통류관)(61) 및 제1 가스 배출부(통류관)(62)은, 전기 화학 소자 적층체(S)의 상부 평면(제2 평면)에 접속되고 있다.
또한, 제1 가스 공급부(61) 및 제1 가스 배출부(62) 각각에 대응하여, 후술하는 압압 기구(400)가 설치되어 있다. 압압 기구(400)는, 제1 가스 공급부(61) 및 복수의 제1 환형 실링부(42)와, 제1 가스 배출부(62) 및 복수의 제2 환형 실링부(52)를 전기 화학 소자 적층체(S) 측에 압압 가능한 기구이다.
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 대응하여, 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 플레이트(제1 협지체)(230T)를 구비하고 있다. 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(제1 평판형 부재)(220B), 하부 플레이트(제2 협지체)(230B)를 구비하고 있다.
전기 화학 소자 적층체(S)에 대해서는, 나중에 상술한다.
(2) 절연체, 하부 평판형 부재, 플레이트, 용기 및 압압 기구
이하에, 절연체(상부 및 하부 절연체(210T 및 210B))(210), 하부 평판형 부재(220B), 플레이트(상부 및 하부 플레이트(230T 및 230B))(230), 용기(200) 및 압압 기구(400)에 대하여 추가로 설명한다.
(2-1) 상부 절연체
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 절연체(210T)에는, 제1 가스 공급부(61)가 관통하는 개구(210Ta)가 형성되어 있다.
(2-2) 상부 플레이트
상부 플레이트(230T)는 판형 부재이며, 상부 절연체(210T)의 상부에 배치되어 있고, 고온에서의 굽힘 강도가 높은 세라믹스계 재료, 예를 들면, 99알루미나로 형성되어 있다. 또한, 상부 플레이트(230T)에는, 제1 가스 공급부(61) 및 제1 가스 배출부(62)가 관통하는 개구(230Ta)가 형성되어 있다.
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, 하부 평판형 부재(220B)를 협지하고 있다. 여기서, 체결 압력이란, 예를 들면 1mm2당 등의 단위면적당의 압력이다
(2-3) 하부 절연체
하부 절연체(210B)는, 전기 화학 소자 적층체(S)의 하부 평면(제1 평면)을 덮도록 배치되어 있다. 하부 절연체(210B)는, 상부 절연체(210T)와 동일한 구성이지만, 관통구를 가지고 있지 않다.
(2-4) 하부 평판형 부재
하부 평판형 부재(220B)는 하부 절연체(210B)의 하부에 배치되어 있다. 따라서, 하부 평판형 부재(220B)는 전기 화학 소자 적층체(S)의 하부 평면(제1 평면)을 따라 설치되어 있는 데 대하여, 제1 가스 공급부(통류관)(61) 및 제1 가스 배출부(통류관)(62)은 전기 화학 소자 적층체(S)의 상부 평면(제2 평면)에 접속되고 있다.
하부 평판형 부재(220B)는 탄성을 가지는 부재이며, 본 실시형태에서는, 예를 들면, 도 1의 단면에서 볼 때 파형의 형상으로 형성되어 있다. 파형은, 전기 화학 소자 적층체(S)의 평면을 따라 연장되어 있다. 따라서, 하부 평판형 부재(220B)는, 파형의 정상부(220Ba)가 하부 절연체(210B)와 접촉하도록 배치되어 있다. 하부 평판형 부재(220B)는 관통구를 가지고 있지 않다.
파형 형상의 하부 평판형 부재(220B)의 판 두께는, 이것으로 한정되지 않지만, 예를 들면 0.1㎜∼1㎜ 정도이다. 또한, 파형의 진폭(높이)는, 이것으로 한정되지 않지만, 예를 들면 1㎜∼10㎜ 정도이다.
하부 평판형 부재(220B)의 역할에 대해서는 후술한다.
(2-5) 하부 플레이트
하부 플레이트(230B)는 하부 평판형 부재(220B)의 하부에 배치되어 있다. 하부 플레이트(230B)는 상부 플레이트(230T)와 동일한 구성이지만, 하부 플레이트(230B)는 관통구를 가지고 있지 않다.
(2-6) 용기
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)의 외측 에지는, 하부 커버(203)의 외측 에지보다 크고, 하부 커버(203)의 외측 에지를 상부 커버(201)가 덮도록 조합된다. 그리고, 상부 커버(201)와 하부 커버(203)의 접촉면끼리가 용접, 접착, 끼워맞춤 등을 행함으로써 상부 커버(201)와 하부 커버(203)가 체결된다. 이에 의해, 상부 커버(201)와 하부 커버(203)의 내부에 직육면체형의 공간이 형성된다.
본 실시형태에서는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 하부 커버(203)의 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 각각에 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, 평면부(201a)를 가지고 있다. 평면부(201a)의 가장 외측에는, 측면인 제1 단부(201c)가 전기 화학 소자 적층체(S)의 적층 방향의 아래쪽을 향하여 소정 길이로 연장되어 있다. 제1 단부(201c)는, 평면부(201a)와는 단면에서 볼 때 대략 90°를 이루고 있고, 상부 커버(201)의 외측 에지를 형성하고 있다. 제1 단부(201c)의 내측에는, 제2 단부(20lb)가, 평면부(201a)와는 단면에서 볼 때 대략 90°를 이루고 상기 적층 방향의 아래쪽을 향하여 소정 길이로 연장되어 있다. 평면부(201a)와 제2 단부(20lb)는, L자형의 각부(角部)를 구성하고 있다.
또한, 평면부(201a)에는, 제2 단부(20lb)보다 안쪽에 있어서, 외측 에지를 이루는 제1 단부(201c)보다 한 바퀴 작은 개구(201d)가 형성되어 있다.
또한, 평면부(201a)에는, 제2 단부(20lb)와 개구(201d) 사이에, 제1 가스 공급부(61) 및 제1 가스 배출부(62)에 대응하여 원통형의 개구가 형성되어 있고, 이 개구로부터 상기 적층 방향의 위쪽을 향하여 후술하는 제1 나사결합 부재(401)가 돌출하고 있다.
하부 커버(203)는 도 1에 나타낸 바와 같이, 평면부(203a)를 가지고 있다. 평면부(203a)의 가장 외측에는, 측면인 제1 단부(203b)가 전기 화학 소자 적층체(S)의 적층 방향의 위쪽을 향하여 소정 길이로 연장되어 있다. 제1 단부(203b)는, 평면부(203a)와는 단면에서 볼 때 대략 90°를 이루고 있고, 하부 커버(203)의 외측 에지를 형성하고 있다. 하부 커버(203)의 외측 에지를 형성하는 제1 단부(203b)는, 상부 커버(201)의 외측 에지를 형성하는 제1 단부(201c)보다 한 바퀴 작다. 그리고, 상부 커버(201)를 하부 커버(203)에 끼워넣은 경우에, 상부 커버(201)의 제1 단부(201c)의 내주면에 하부 커버(203)의 제1 단부(203b)가 밀착한다.
또한, 제1 단부(203b)의 내측에는, 제2 단부(203c)가, 평면부(201a)와는 단면에서 볼 때 대략 90°를 이루고 상기 적층 방향의 위쪽을 향하여 소정 길이로 연장되어 있다. 평면부(203a)와 제2 단부(203c)는, L자형의 각부를 구성하고 있다.
또한, 제1 단부(203b)에는, 외측을 향하여 적층 방향과 교차하는 방향으로 연장되는 제3 단부(203d)가 형성되어 있다. 제3 단부(203d)는, 제2 가스 공급부(71) 및 제2 가스 배출부(72)를 구성하고 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 플레이트(230T)가 끼워넣어져 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 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 끼워넣어져 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 구성에서, 전기 화학 소자 적층체(S), 상부 및 하부 절연체(210T 및 210B), 하부 평판형 부재(220B), 상부 및 하부 플레이트(230T 및 230B) 등을 상부 및 하부로부터 협지한 상태로, 상부 커버(201)의 제1 단부(201c)의 내주면에 하부 커버(203)의 제1 단부(203b)가 밀착, 용접, 접착, 끼워맞춤 등이 됨으로써, 상부 커버(201)와 하부 커버(203)가 체결된다. 이 체결 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), 하부 평판형 부재(220B), 상부 및 하부 플레이트(230T 및 230B)에는, 소정의 체결 압력이 부하되고 있다.
또한, 제1 가스 공급부(61) 및 제1 가스 배출부(62)는, 압압 기구(400)에 의해 전기 화학 소자 적층체(S) 측에 압압 가능하다.
따라서, 도 4에 나타낸 바와 같이, 전기 화학 소자 적층체(S)에 있어서, 전기 화학 반응부(3)가 설치되어 있는 적층 방향을 따르는 영역은, 상부 및 하부 절연체(210T 및 210B), 하부 평판형 부재(220B), 상부 및 하부 플레이트(230T 및 230B) 등이, 상부 커버(201) 및 하부 커버(203)에 의해 압압됨으로써, 소정의 체결 압력이 부하되고 있다. 한편, 전기 화학 소자 적층체(S)에 있어서, 제1 가스 공급부(61) 및 제1 가스 배출부(62)가 설치되어 있는 적층 방향을 따르는 영역은, 상부 커버(201) 및 하부 커버(203)에 의한 체결 압력에 더하여, 압압 기구(400)에 의해 더욱 압압 가능하다.
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, 전술의 개구(201d) 및 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.
(2-7) 압압 기구
압압 기구(400)는, 제1 가스 공급부(61) 및 제1 가스 배출부(62) 각각에 대응하여 설치되어 있다.
먼저, 제1 가스 공급부(61)에 대하여 설명한다.
도 1 및 도 4에 나타낸 바와 같이, 제1 가스 공급부(61)는, 제1 가스를 전기 화학 소자 적층체(S)에 공급하기 위하여, 용기(200)의 외부로부터 제1 가스를 용기(200) 내에 도입하는 통로이다. 제1 가스 공급부(61)는, 제1 가스가 통류하는 원통형의 공급 관통부(61a)와, 상단인 공급 상단부(6lb)와, 하단인 공급 하단부(61c)를 가지고 있다. 그리고, 제1 가스 공급부(61)의 아래쪽에는, 각 전기 화학 소자(A)에 설치되어 있는 후술하는 제1 환형 실링부(42)가, 각 전기 화학 소자(A)가 적층되는 데 수반하여 적층 방향으로 적층되어 있다. 이 경우, 제1 가스 공급부(61)의 축심과, 복수의 제1 환형 실링부(42)의 적층 방향의 축심은 대략 일치하고 있다.
후술하는 집전체(81)와 인접하는 제1 판형체(1)의 상면에는, 환형의 팽출부(a)가 설치되어 있다. 이 환형의 팽출부(a)의 내주에, 제1 가스 공급부(61)의 공급 하단부(61c)가 끼워넣어져 제1 판형체(1)의 상면에 용접되어 있다. 팽출부(a)는, 예를 들면 패킹 등의 봉지(封止) 부재로 구성되어 있다. 또한, 제1 가스 공급부(61)와 제1 판형체(1)가 용접되는 부분의 팽출부(a), 즉 도 4가 나타내는 최상부의 팽출부(a)는, 예를 들면 집전 패킹 등으로 구성되어 있다.
그리고, 후술하지만, 제1 판형체(1)의 상면에는, 제1 환형 실링부(42)에 대응하는 위치에도 팽출부(a)가 설치되어 있다.
다음으로, 제1 가스 공급부(61)에 대응하여 설치되어 있는 압압 기구(400)에 대하여 설명한다. 압압 기구(400)는, 제1 가스 공급부(61) 및 복수의 제1 환형 실링부(42)을 적층 방향을 따라 압압한다.
압압 기구(400)는, 상부 커버(201)의 평면부(201a) 중, 제1 가스 공급부(61)에 대응하는 부분에 있어서, 전기 화학 소자 적층체(S)의 적층 방향의 위쪽을 향하여 소정 길이로 연장되어 있는 제1 나사결합 부재(401)를 가지고 있다. 제1 나사결합 부재(401)는 통형 부재이며, 내주면에 암나사부(401a)가 형성되어 있다.
압압 기구(400)는, 제1 나사결합 부재(401)의 원통 부분에 삽입되도록 나사결합하는 제2 나사결합 부재(403)와, 제2 나사결합 부재(403)를 비틀어 넣기 위한 나사삽입부(405)를 더 가지고 있다. 제2 나사결합 부재(403)의 외주면에는, 제1 나사결합 부재(401)의 암나사부(401a)와 나사결합하는 수나사부(403a)가 형성되어 있다.
제2 나사결합 부재(403) 및 나사삽입부(405)에는, 이들을 관통하는 공급 관통공(407)이 형성되어 있다. 제2 나사결합 부재(403) 및 나사삽입부(405)와 제1 가스 공급부(61)는, 공급 관통공(407)과 공급 관통부(61a)가 연통하도록 대응하고 있다. 이에 의해, 공급 관통공(407) 및 공급 관통부(61a)를 통하여 제1 가스가 외부로부터 전기 화학 소자 적층체(S)에 공급된다.
압압 기구(400)는, 제2 나사결합 부재(403)와 제1 가스 공급부(61)의 공급 상단부(6lb) 사이에, 전기 절연성의 환형 실링부(실링부)(410)를 가지고 있으면 바람직하다. 전기 절연성의 환형 실링부(410)는, 제2 나사결합 부재(403)와 제1 가스 공급부(61) 사이에서의 제1 가스의 누설을 억제하고 또한, 전기 화학 소자 적층체(S)에서의 전기적 단락(쇼트)을 억제한다.
제1 나사결합 부재(401)에 대하여 제2 나사결합 부재(403)를 비틀어 넣으면, 암나사부(401a)와 수나사부(403a)가 맞물리고, 제2 나사결합 부재(403)가 적층 방향의 아래쪽을 향하여 밀어 넣어진다. 이에 의해, 제2 나사결합 부재(403)가, 환형 실링부(410)를 통하여 제1 가스 공급부(61)를 적층 방향의 아래쪽으로 밀어 넣는다. 제1 가스 공급부(61)의 압입(押入)에 의해, 제1 가스 공급부(61)의 아래쪽으로 적층되어 있는 복수의 제1 환형 실링부(42)에, 제1 가스 공급부(61)로의 압입력이 전달된다.
한편, 하부 평판형 부재(220B)는, 미리 주어져 있던 압축 변위에 의한 탄성력과 하부 평판형 부재(220B) 자체의 열팽창에 의해 발생하는 탄성력에 의해 적절한 체결 압력을, 전기 화학 소자 적층체(S) 측에 전달한다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 제1 환형 실링부(42)는, 제1 판형체(1) 및 제2 판형체(2)와 접촉하고 있다. 제1 환형 실링부(42)에 대하여, 압압 기구(400)에 의해 적층 방향의 아래쪽으로 압입력이 부하되고 또한, 하부 평판형 부재(220B)에 의해 적층 방향의 위쪽으로 압입력이 부하됨으로써, 제1 환형 실링부(42)와 그것과 접촉하는 부재와의 간극의 발생을 억제할 수 있다. 이에 의해, 해당 간극으로부터의 제1 가스의 누설을 억제할 수 있다.
그리고, 제2 나사결합 부재(403)와 제1 가스 공급부(61)의 공급 상단부(6lb)가 밀접하게 접속되어 있고, 접속 부분에 있어서 제1 가스가 누설되고 있지 않을 경우에는, 환형 실링부(410)는 반드시 설치되어 있을 필요는 없다. 혹은, 해당 접속 부분에 있어서 전기 화학 모듈에서의 전기적 단락(쇼트)가 발생하지 않는 경우에는, 환형 실링부(410)는 반드시 설치되어 있을 필요는 없다.
다음으로, 제1 가스 배출부(62) 및 그에 대응하는 압압 기구(400)에 대하여 설명한다.
제1 가스 배출부(62)는, 제1 가스를 외부로 배출하는 통로이며, 제1 가스 공급부(61)와 동일한 구성이다. 따라서, 이하에서는, 제1 가스 배출부(62) 및 압압 기구(400)에 대하여 간단히 설명한다. 제1 가스 배출부(62)는, 제1 가스가 통류하는 원통형의 배출 관통부(62a)와, 상단인 배출 상단부(62b)와, 하단인 배출 하단부(62c)를 가지고 있다.
압압 기구(400)는, 제1 나사결합 부재(401)와, 제2 나사결합 부재(403)와, 나사삽입부(405)를, 환형 실링부(410)를 가지고 있다.
제1 나사결합 부재(401)에 대하여 제2 나사결합 부재(403)를 비틀어 넣으면, 제2 나사결합 부재(403)가 적층 방향의 아래쪽을 향하여 밀어 넣어진다. 이에 의해, 제2 나사결합 부재(403)가, 환형 실링부(410)를 통하여 제1 가스 배출부(62)를 적층 방향의 아래쪽으로 밀어 넣는다. 제1 가스 배출부(62)의 압입에 의해, 제1 가스 배출부(62)의 아래쪽으로 적층되어 있는 복수의 제2 환형 실링부(52)에, 제1 가스 배출부(62)로의 압입력이 전달된다. 한편, 하부 평판형 부재(220B)는, 압압 기구(400)에 의한 적층 방향의 아래쪽으로의 압압 방향과는 상이하고, 적층 방향의 위쪽으로의 압압력을 전기 화학 소자 적층체(S) 측에 전달한다. 즉, 하부 평판형 부재(220B)는, 미리 주어져 있던 압축 변위에 의한 탄성력과 하부 평판형 부재(220B) 자체의 열팽창에 의해 발생하는 탄성력에 의해 적층 방향의 위쪽을 향하여 적절한 체결 압력을, 전기 화학 소자 적층체(S) 측에 전달한다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 제2 환형 실링부(52)는, 제1 판형체(1) 및 제2 판형체(2)와 접촉하고 있다. 제2 환형 실링부(52)에 대하여, 압압 기구(400)에 의해 적층 방향의 아래쪽으로 압입력이 부하되고 또한, 하부 평판형 부재(220B)에 의해 적층 방향의 위쪽으로 압입력이 부하됨으로써, 제2 환형 실링부(52)와 그것과 접촉하는 부재와의 사이의 간극의 발생을 억제할 수 있다. 이에 의해, 해당 간극으로부터의 제1 가스의 누설을 억제할 수 있다.
(3) 하부 평판형 부재 및 그와 관련된 부재의 구성 및 작용
다음으로, 하부 평판형 부재(220B) 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, 하부 평판형 부재(220B)를 통하여, 소정의 체결 압력이 부하되어 상부 및 하부 플레이트(230T 및 230B)에 협지되어 있다.
(3-1) 하부 및 그와 관련된 부재의 구성
하부 평판형 부재(220B)는, 본 실시형태에서는, 열에 의해 팽창하는 열팽창 부재로 형성되어 있다. 하부 평판형 부재(220B)의 열팽창율은, 전기 화학 소자 적층체(S) 및 용기(200) 등을 구성하는 부재의 열팽창율보다 크면 바람직하다. 이와 같은 하부 평판형 부재(220B)의 재료로서는, 예를 들면 오스테나이트계 스테인레스를 들 수 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, 하부 평판형 부재(220B)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, 하부 평판형 부재(220B)의 열팽창율보다 작으면 바람직하다. 용기(200)는, 플레이트(230)을 통하여 하부 평판형 부재(220B)에 인접하여 배치되어 있다. 그리고, 용기(200) 하부 커버(203)와 상부 커버(201)는, 이들이 결합됨으로써, 하부 평판형 부재(220B)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 등을 들 수 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)의 열팽창차를 작게 억제하고, 기판이 파손하는 것 등을 억제할 수 있다.
(3-2) 압압 기구 및 그와 관련된 부재의 구성
압압 기구(400)를 구성하는 제1 나사결합 부재(401) 및 제2 나사결합 부재(403)의 열팽창율은, 제1 가스 공급부(61) 및 제1 가스 배출부(62)의 열팽창율 이하이다. 압압 기구(400)는, 예를 들면 SUS316 등의 금속으로 형성할 수 있다. 또한, 제1 가스 공급부(61)도 또한 예를 들면 SUS316 등의 금속으로 형성할 수 있다.
압압 기구(400)의 열팽창율이 제1 가스 공급부(61) 및 제1 가스 배출부(62)의 열팽창율 이하이므로, 압압 기구(400)로부터, 제1 가스 공급부(61) 및 제1 가스 배출부(62)를 통한, 제1 환형 실링부(42) 및 제2 환형 실링부(52)로의 압압력에 대한 전달 손실을 억제할 수 있다.
예를 들면, 압압 기구(400)의 열팽창율이 제1 가스 공급부(61) 및 제1 가스 배출부(62)의 열팽창율보다 크다고 한다. 그리고, 압압 기구(400)가, 제1 가스 공급부(61) 및 제1 가스 배출부(62), 제1 환형 실링부(42) 및 제2 환형 실링부(52)에 전달해야 할 압압 방향과는 상이한 방향, 즉 전기 화학 소자 적층체(S)가 존재하는 측과는 반대 방향으로 압압 기구(400)가 열팽창하는 경우가 있다. 또한, 제1 가스 공급부(61) 및 제1 가스 배출부(62)가 이 압압 기구(400)의 팽창에 추종할 수 없는 경우가 있다. 따라서, 압압 기구(400)와 제1 가스 공급부(61) 및 제1 가스 배출부(62) 사이의 간격이 커지고, 압압 기구(400)로부터 제1 가스 공급부(61) 및 제1 가스 배출부(62)를 통하여, 제1 환형 실링부(42) 및 제2 환형 실링부(52)에 충분히 압압력을 전달할 수 없다.
(3-3) 전기 화학 모듈(M)의 조립 방법 및 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, 내화 재료로 피복된 모형을 가열하여, 열가소성물질에 의해 구성된 모형을 용출한다. 이에 의해, 내화 재료 내부에, 용기(200)의 형상을 모방한 모형에 대응하는 공동이 형성된다. 이 공동에 용기(200)의 재료를 주입하여 고착화시킨 후에 내화 재료를 제거한다. 이에 의해, 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, 적층 방향 위에서 아래를 향하여, 상부 플레이트(230T), 상부 절연체(210T), 전기 화학 소자 적층체(S), 하부 절연체(210B), 하부 평판형 부재(220B), 하부 플레이트(230B)가 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. 이에 의해, 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.
또한, 제1 환형 실링부(42) 및 제2 환형 실링부(52)와, 그것과 접촉하는 부재와의 간극으로부터 제1 가스가 누설될 가능성이 있는 경우에는, 압압 기구(400)에 의해 제1 환형 실링부(42) 및 제2 환형 실링부(52)에 대하여 압압력을 부하한다. 즉, 제1 나사결합 부재(401)에 대하여 제2 나사결합 부재(403)를 비틀어 넣고, 제2 나사결합 부재(403)를 적층 방향의 아래쪽을 향하여 밀어 넣는다.
(b) 조립 시의 평판형 부재의 압축 변위
상기의 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, 하부 평판형 부재(220B)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, 하부 평판형 부재(220B)가 소정의 재료(C)를 사용하여 형성되어 있는 것으로 한다. 재료(C)의 열팽창율은, 재료(A) 및 재료(B)의 열팽창율보다 크다.
여기서 하부 평판형 부재(220B)는, 실온(20℃)에 있어서 스프링상수가 K20이다. 스프링상수 K20은, 하부 평판형 부재(220B)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 열팽창 길이를 LA로 하고, 전기 화학 소자 적층체(S)의 열팽창 길이를 LB로 하고, 하부 평판형 부재(220B)의 열팽창 길이를 LC로 한다.
용기(200)와 전기 화학 소자 적층체(S)의 열팽창 길이의 차분(ΔG)은, ΔG=LA-LB다. 여기서, 열팽창 길이의 차분(ΔG)으로서, 용기(200), 전기 화학 소자 적층체(S) 및 하부 평판형 부재(220B)의 열팽창 길이의 차분을 산출해도 된다. 이 경우에, ΔG=LA-(LB+LC)가 된다. 이하에서는, 하부 평판형 부재(220B)가 열팽창하지 않는 것으로 가정함으로써, 용기(200) 등이 열팽창한 후에도, 조립 시의 하부 평판형 부재(220B)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, 하부 평판형 부재(220B)의 실온(20℃)에서의 압축 변위(L)는 이하의 수식에 의해 산출된다.
L=P×SB/(K700)+ΔG
이상으로부터, 전기 화학 소자 적층체(S) 및 하부 평판형 부재(220B) 등이 용기(200) 내에 수용된 후, 하부 커버(203)와 상부 커버(201)는, 하부 평판형 부재(220B)에 상기에서 산출한 압축 변위(L)을 부여하도록 결합 거리 등이 조정되어 용접 등에 의해 봉지된다. 이에 의해, 전기 화학 소자 적층체(S)에 소정의 체결 압력을 부하할 수 있다.
(3-4) 작용
(a) 하부 평판형 부재(220B)의 작용
상기와 같이, 열팽창 부재로 이루어지는 하부 평판형 부재(220B)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.
여기에서, 예를 들면, 전기 화학 소자 적층체(S) 및 용기(200) 등 중 적어도 어느 하나는, 전기 화학 소자(A)가 발전하고 있지 않은 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(저온 시)가 상이하다.
상기 구성에 의하면, 하부 평판형 부재(220B)는 열팽창 부재이므로, 하부 평판형 부재(220B)도 또한, 전기 화학 소자(A)가 발전 시에 고온이 되는 것에 의해 열팽창한다. 따라서, 열팽창에 의해 전기 화학 소자 적층체(S)와 용기(200) 사이의 간격이 변동한 경우에서도, 하부 평판형 부재(220B)는, 하부 평판형 부재(220B) 자체의 열팽창에 의해 발생하는 탄성력과 미리 주어진 압축 변위(L)에 의한 탄성력을 이용하여, 하부 플레이트(230B)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, 하부 평판형 부재(220B)(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, 하부 평판형 부재(220B)가 열팽창함으로써 보충하고, 전기 화학 소자 적층체(S)에 적절한 체결 압력을 부하한다.
그리고, 하부 평판형 부재(220B)는, 전기 화학 소자 적층체(S)의 하부 평면 및 하부 플레이트(230B)의 평면을 따라 배치되어 있으므로, 전술한 간격이 변동한 후라도, 적절한 체결 압력을 전기 화학 소자 적층체(S)의 하부 평면을 따라 대략 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 밀폐성을 유지할 수 있으므로, 연료 가스 등이 전기 화학 소자(A)의 외부로 누출되는 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, 하부 평판형 부재(220B)의 열팽창율은, 용기(200)을 구성하는 부재의 열팽창율보다 크다. 이 관계를 달성하기 위하여, 하부 평판형 부재(220B)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.
여기에서, 전술한 바와 같이, 전기 화학 소자 적층체(S)에 있어서 발전하고 있지 않은 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, 하부 평판형 부재(220B)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, 하부 평판형 부재(220B)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 하부 평판형 부재(220B)에 의해, 전술한 간격을 보완할 수 있다. 따라서, 이 간격이 변동한 후라도, 하부 평판형 부재(220B)에 미리 주어져 있던 압축 변위에 의한 탄성력과 하부 평판형 부재(220B)(220) 자체의 열팽창에 의해 발생하는 탄성력에 의해 적절한 체결 압력을, 적층 방향의 위쪽을 향하여 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. 이에 의해, 열팽창에 의한 전기 화학 소자 적층체(S)와 용기(200) 사이의 간격의 벌어짐을 작게 억제할 수 있다. 따라서, 하부 평판형 부재(220B)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, 하부 평판형 부재(220B)는 파형 형상으로 형성되어 있다. 따라서, 하부 평판형 부재(220B)의 파형 정상부가 교호적(交互的)으로, 하부 플레이트(230B)의 평면과, 하부 절연체(210B)를 통하여 전기 화학 소자 적층체(S)의 하부 평면에, 분산된 복수 개소에서 접촉하고 있다.
여기에서, 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 하부 평판형 부재(220B)에 부하되는 압압력도 또한 변동한다. 이 변동한 압압력은, 하부 평판형 부재(220B)를 통하여, 전기 화학 소자 적층체(S)의 하부 평면 및 하부 플레이트(230B)의 평면의 대략 전체를 따라 대략 균일하게 분산된 상태로 탄력적으로 받아들여진다. 이는, 전술한 바와 같이고, 하부 평판형 부재(220B)가, 전기 화학 소자 적층체(S)의 하부 평면 및 하부 플레이트(230B)의 평면과, 분산된 복수 개소에서 접촉하고 있기 때문이다. 또한, 하부 평판형 부재(220B)가 열변동하는 경우에는, 전기 화학 소자 적층체(S)와 용기(200) 사이의 간격의 변동을, 하부 평판형 부재(220B) 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, 하부 평판형 부재(220B)에 의해, 적층 방향의 적절한 체결 압력을 전기 화학 소자 적층체(S)의 평면을 따라 대략 균일하게 부여할 수 있다. 이에 의해, 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. SSOFC는, 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, 하부 평판형 부재(220B)는, 하부 평판형 부재(220B) 자체의 열팽창에 의한 탄성력의 변동을 이용하여, 하부 플레이트(230B)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 하부 평판형 부재(220B)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 하부 평판형 부재(220B)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, 하부 평판형 부재(220B)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 하부 평판형 부재(220B)를 사용하는 경우에는, 하부 평판형 부재(220B)가 전기 화학 소자 적층체(S)의 평면에 대략 균일하게 체결 압력을 부하하므로, 전술한 바와 같은 복잡한 토크 관리가 불필요하다.
(b) 압압 기구의 작용
제1 가스는 전술한 바와 같이, 제1 가스 공급부(61), 제1 환형 실링부(42), 제1 가스 배출부(62), 및 제2 환형 실링부(52) 등의 복수의 가스 통류용 부재를 통류한다. 특히, 제1 환형 실링부(42) 및 제2 환형 실링부(52)로의 압압력이 부족한 경우에는, 이들 부재와 다른 부재의 접촉 부분의 간극으로부터 제1 가스가 누설되어 버린다. 예를 들면, 복수의 전기 화학 소자(A)는 적층 방향으로 적층되고, 소정의 체결 압력에 의해 압압되지만, 제1 환형 실링부(42) 및 제2 환형 실링부(52)에 대하여 필요한 압압력이, 전기 화학 반응부(3)에 대한 압압력보다 커지는 경우가 있다.
보다 구체적으로 설명하면, 전기 화학 반응부(3)는, 전극층(31)과 전해질층(32)과 대극 전극층(33)을 가지고 있고, 제1 판형체(1)와 제2 판형체(2)에 의해 형성되는 후술하는 내부 유로(A1)에 공급되는 제1 가스와, 내부 유로(A1)와 대향하는 측의 후술하는 통류부(A2)에 별도 공급되는 제2 가스(환원성 성분 가스 및 산화성 성분 가스 중 제1 가스와는 상이한 가스)를 사용하여 전기 화학 반응을 행한다. 제1 환형 실링부(42) 및 제2 환형 실링부(52)는, 내부 유로(A1)에 제1 가스를 공급하고 또한, 내부 유로(A1)로부터 제1 가스를 배출한다. 이와 같은 전기 화학 반응부(3), 제1 환형 실링부(42) 및 제2 환형 실링부(52) 등을 가지는 전기 화학 소자(A)가 적층되고, 소정의 체결 압력에 의해 압압되어 전기 화학 소자 적층체(S)가 형성되어 있다.
이 경우, 구성의 차이로부터, 전기 화학 소자 적층체(S) 중, 복수의 전기 화학 반응부(3)가 존재하는 영역의 압압력과, 제1 환형 실링부(42) 및 제2 환형 실링부(52)가 존재하는 영역의 압압력이 상이한 경우가 있다. 그리고, 제1 환형 실링부(42) 및 제2 환형 실링부(52)가 존재하는 영역에 대하여 필요한 압압력이, 복수의 전기 화학 반응부(3)가 존재하는 영역의 압압력보다 커지는 경우가 있다. 이 경우에, 전기 화학 소자 적층체(S)에 전기 화학 반응부(3)에 필요한 압압력밖에 더해지지 않는다고 하면, 제1 환형 실링부(42) 및 제2 환형 실링부(52)는 그것이 필요로 하는 압압력으로 압압되지 않는다. 따라서, 제1 환형 실링부와 다른 부재의 접촉 부분에 간극이 발생하고, 해당 간극으로부터 제1 가스가 누설되어 버린다.
상기 구성에 의하면, 전기 화학 모듈(M)은, 전기 화학 소자 적층체(S)의 하부 평면의 측으로부터는, 탄성을 가지는 하부 평판형 부재(220B)에 의해, 제1 환형 실링부(42) 및 제2 환형 실링부(52)가 존재하는 영역이 적층 방향의 아래쪽으로부터 위쪽으로 압압되고 있다. 한편, 전기 화학 소자 적층체(S)의 상부 평면의 측으로부터는, 압압 기구(400)에 의해, 제1 환형 실링부(42) 및 제2 환형 실링부(52)가 존재하는 영역이 적층 방향의 아래쪽으로 압압되고 있다. 따라서, 복수의 제1 환형 실링부(42) 및 제2 환형 실링부(52)는, 전기 화학 소자 적층체(S)의 하부 평면의 측 및 상부 평면 측의 양 방향으로부터 적층 방향을 따라 압압된다. 이에 의해, 제1 환형 실링부(42) 및 제2 환형 실링부(52)와 다른 부재의 간극으로부터의 제1 가스의 누설을 억제할 수 있다. 또한, 복수의 제1 환형 실링부(42) 및 제2 환형 실링부(52)를 복수의 전기 화학 반응부(3)와는 독립적으로 압압 가능하므로, 이들 간극으로부터의 제1 가스의 누설을 억제 가능한 적절한 압압력을 제1 환형 실링부(42) 및 제2 환형 실링부(52)에 부하 가능하다.
또한, 전기 화학 소자 적층체(S)는, 하부 평판형 부재(220B)에 의해 제1 환형 실링부(42) 및 제2 환형 실링부(52)가 연결되는 제1 가스 공급부(61) 및 제1 가스 배출부(62) 등의 배관 측으로 압압된다. 따라서, 제1 환형 실링부(42) 및 제2 환형 실링부(52)와 배관의 접속 위치를 대략 고정 위치로 할 수 있다. 그러므로, 제1 환형 실링부(42) 및 제2 환형 실링부(52)와 배관을 용접 등에 의해 고정할 수 있다. 이에 의해, 제1 환형 실링부(42) 및 제2 환형 실링부(52)와 배관의 접속 위치의 변동을 고려하여, 가요성의 배관을 사용할 필요가 없고, 내구성이 있는 강관을 배관으로서 사용할 수 있다.
(4) 전기 화학 모듈(M)의 구체적 구성
다음으로, 도 1 및 도 4를 이용하여, 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(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(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 해당 전기 화학 소자 적층체(S)에 제2 가스를 공급하는 측에 위치하는 공간이며,
통류부(A2)는, 공간 측에 개구 형성되고 해당 공간과 연통하고 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 전력 공급처에 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.
이에 의해, 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.
본 실시형태에서는, 제1 가스 공급부(61)는, 집전체(81)의 관통공(81a)을 관통하고, 집전체(81)에 인접하는 제1 판형체(1)의 상면의 환형의 팽출부(a)에 위치결정된다. 그리고, 제1 가스 공급부(61)의 공급 상단부(6lb)와 제1 판형체(1)가 용접 등이 행해져 연결된다. 마찬가지로, 제1 가스 배출부(62)는, 집전체(81)의 관통공(81a)을 관통하고, 집전체(81)에 인접하는 제1 판형체(1)의 상면의 환형의 팽출부(a)에 위치결정되고, 배출 상단부(62b)가 제1 판형체(1)에 용접 등이 행해져 연결된다.
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 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, 파판(波板)형의 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, 파판형의 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, 도 12, 도 13 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 13 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 기체 통류 허용부(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 더 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 더 진행하여 제2 가스 배출부(72)로부터 용기(200) 밖으로 배출된다.
이 연료 가스 및 공기의 흐름에 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) 하부 평판형 부재(220B)의 변형예
(a) 상기에서는, 하부 평판형 부재(220B)는, 열에 의해 팽창하는 열팽창 부재이다. 그러나, 하부 평판형 부재(220B), 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, 하부 평판형 부재(220B)는, 열팽창율이 작지만, 어느 정도의 탄성을 가지는 부재라도 된다.
탄성을 가지는 하부 평판형 부재(220B)는, 전기 화학 소자 적층체(S)의 하부 평면에, 그 평면을 따라 배치되어 있다. 그리고, 하부 평판형 부재(220B)는, 용기(200)로부터 하부 플레이트(230B)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 팽창했을 때, 전기 화학 소자 적층체(S)와 용기(200) 사이의 간격은, 전기 화학 소자 적층체(S) 등의 팽창 전후에서 변동될 가능성이 있다. 하부 평판형 부재(220B)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, 하부 평판형 부재(220B)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 하부 평판형 부재(220B)에 부하되는 압압력도 또한 변동한다. 이 변동한 압압력은, 전기 화학 소자 적층체(S)의 하부 평면 및 하부 플레이트(230B)의 평면을 따라 배치된 하부 평판형 부재(220B)에 의해, 전기 화학 소자 적층체(S)의 하부 평면 및 하부 플레이트(230B)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, 하부 평판형 부재(220B)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 하부 평면과, 하부 플레이트(230B)의 평면 사이에, 전기 화학 소자 적층체(S) 및 플레이트(230)의 평면을 따라 하부 평판형 부재(220B)를 배치하고, 용기(200)에 수납한다는 간단한 구성으로, 전기 화학 소자 적층체(S) 등의 팽창을 고려한 전기 화학 모듈(M)을 구성할 수 있다.
그리고, 하부 평판형 부재(220B)가 열팽창율이 작은 부재일 경우에는, 용기(200)에 하부 평판형 부재(220B) 및 전기 화학 소자 적층체(S) 등을 수용하여 조립할 때, 하부 평판형 부재(220B)가 열팽창율이 큰 부재인 경우보다 체결 압력을 크게 하는 것이 바람직하다. 이 경우, 조립에 있어서, 큰 체결 압력에 의해 하부 평판형 부재(220B)에는 큰 반발력이 생기고 있다. 따라서, 전기 화학 소자 적층체(S) 등의 팽창에 의해 전기 화학 소자 적층체(S) 및 용기(200)의 간격이 벌어지고, 체결 압력이 어느 정도 작아져도, 전기 화학 소자 적층체(S)에 적절한 체결 압력을 가할 수 있다.
(b) 상기에서는, 하부 평판형 부재(220B)는 파형 형상이지만, 이것으로 한정되지 않고, 전기 화학 소자 적층체(S) 및 플레이트(230) 등과 복수 개소에 있어서 분산시켜 접촉하는 다른 구성도 채용할 수 있다. 예를 들면, 하부 평판형 부재(220B)는, 볼록부를 가지는 판스프링의 형상이나, 상기 판스프링을 적층한 형상,혹은 메탈 허니컴(honeycomb) 형상이라도 된다.
또한, 하부 평판형 부재(220B)는, 전기 화학 소자 적층체(S)의 하부 평면 및 하부 플레이트(230B)의 평면 중 어느 하나만과, 분산된 복수 개소에서 접촉해도 된다.
예를 들면, 하부 평판형 부재(220B)는, 전기 화학 소자 적층체(S)의 하부 평면과, 분산된 복수 개소에 있어서 접촉하고 있고, 하부 플레이트(230B)의 평면과는 면접촉할 수도 있다. 이 경우에, 하부 평판형 부재(220B)는, 전기 화학 소자 적층체(S)와 접촉된 부분에서 전기 화학 소자 적층체(S) 등의 팽창에 의한 부하력을 분산하여 받아들인다.
또한, 예를 들면, 하부 평판형 부재(220B)는, 전기 화학 소자 적층체(S)의 평면과 면 접촉하고 있고, 하부 플레이트(230B)의 평면과 복수 개소에 있어서 접촉할 수도 있다.
이 경우, 하부 평판형 부재(220B)는, 하부 플레이트(230B)의 평면과 접촉된 부분에서 전기 화학 소자 적층체(S) 등의 팽창에 의한 부하력을 분산하여 받아들인다.
(c) 상기에서는, 하부 평판형 부재(220B)의 열팽창율은, 용기(200)을 구성하는 부재의 열팽창율보다 크다. 그러나, 열팽창에 의해 생긴 전기 화학 소자 적층체(S)와 용기(200) 사이의 간격을, 하부 평판형 부재(220B)의 팽창에 의해 보완할 수 있으면 되고, 이와 같은 열팽창율의 관계로 한정되지 않는다.
예를 들면, 하부 평판형 부재(220B)의 열팽창율은, 용기(200)를 구성하는 부재의 열팽창율과 동일한 정도라도 되고, 혹은, 작아도 된다.
(d) 상기에서는, 하부 평판형 부재(220B)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, 하부 평판형 부재(220B)를 채용할 수 있다.
(e) 상기에서는, 하부 평판형 부재(220B)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.
(f) 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.
(g) 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 이용하여 설명한다. 다른 형태 1에 관한 전기 화학 모듈(M1)은, 도 1의 전기 화학 모듈(M)과는, 하부 평판형 부재(220B)에 더하여, 하부 평판형 부재(320B)가 설치되어 있는 점이 상이하다. 즉, 다른 형태 1에 관한 전기 화학 모듈(M1)에는, 2개의 하부 평판형 부재(220B, 320B)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 플레이트(230T)를 구비하고 있다. 마찬가지로, 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, 하부 평판형 부재(320B)는, 예를 들면 메탈 허니컴 형상의 평판형 부재이다. 한편, 하부 평판형 부재(220B)는, 예를 들면 파형 형상의 평판형 부재이다. 전기 화학 모듈(M1)이 하부 평판형 부재(320B) 및 하부 평판형 부재(220B)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, 하부 평판형 부재(320B)를 파형 형상의 평판형 부재로 하고, 하부 평판형 부재(220B)를 메탈 허니컴 형상의 평판형 부재로 해도 된다.
(6-2) 다른 형태 2
다른 형태 2에 관한 전기 화학 모듈(M2)에 대하여, 도 6을 이용하여 설명한다. 다른 형태 2에 관한 전기 화학 모듈(M2)은, 도 5의 전기 화학 모듈(M)과는, 상부 커버(201)의 평면부(201a)에 개구(201d)가 형성되어 있지 않은 점, 하부 커버(203)의 측면인 제1 단부(203b)에 개구(201e)가 형성되어 있지 않은 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 에지부(205)와 상부 커버(201)의 에지부(202)가 대향하고 있고, 에지부(202, 205)의 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(205) 및 상부 커버(201)의 에지부(202)의 관통공에 삽통(揷通)되고, 너트(253)가 볼트(251)에 체결된다. 이에 의해, 하부 커버(203)의 에지부(205)와 상부 커버(201)의 에지부(202)가 결합되어 있다.
다만, 하부 커버(203)과 상부 커버(201)는 도 5와 마찬가지로 용접에 의해 결합되어 있어도 된다.
도 6에 대하여 추가로 설명하면, 전기 화학 모듈(M2)은, 전기 화학 소자 적층체(S)의 상부에, 전기 화학 소자 적층체(S) 측으로부터 외측으로 상부 절연체(210T)를 구비하고 있다. 이 경우, 평면부(201a), 제1 가스 공급부(61) 및 제2 단부(20lb)에 둘러싸이는 공간과, 평면부(201a), 제1 가스 배출부(62) 및 제2 단부(20lb)에 둘러싸이는 공간에는, 상부 절연체(210T)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 파형 형상의 하부 평판형 부재(220B)를 구비하고 있다.
상부 커버(201)의 평면부(201a)는, 전기 화학 소자 적층체(S)의 상부 평면에 대향하고 있고, 하부 커버(203)의 평면부(203a)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, 하부 평판형 부재(220B, 320B)를 통하여 평면부(201a) 및 평면부(203a)로부터 체결 압력을 받는다.
그리고, 하부 평판형 부재(220B) 및 하부 평판형 부재(320B) 중 적어도 어느 하나가 설치되어 있는 구성이어도 된다. 또한, 평면부(201a), 제1 가스 공급부(61) 및 제2 단부(20lb)에 둘러싸이는 공간과, 평면부(201a), 제1 가스 배출부(62) 및 제2 단부(20lb)에 둘러싸이는 공간에 있어서도, 상부 절연체(210T)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 참조하여 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 있다.
판형 지지체(10)는, 해당 판형 지지체(10)를 구성하는 제1 판형체(1) 및 제2 판형체(2) 중 적어도 일부에 있어서, 해당 판형 지지체(10)의 내측인 내부 유로(A1)와 외측에 걸쳐 기체를 투과할 수 있는 기체 통류 허용부(1A)와, 기체 통류 허용부(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, 니켈기 합금 등이 사용된다. 특히, 크롬을 포함하는 합금이 바람직하게 사용된다. 본 실시형태에서는, 제1 판형체(1)는, Cr을 18 질량% 이상 25 질량% 이하 함유하는 Fe-Cr계 합금을 사용하고 있지만, Mn을 0.05 질량% 이상 함유하는 Fe-Cr계 합금, Ti를 0.15 질량% 이상 1.0 질량% 이하 함유하는 Fe-Cr계 합금, Zr을 0.15 질량% 이상 1.0 질량% 이하 함유하는 Fe-Cr계 합금, Ti 및 Zr을 함유하고 Ti와 Zr의 합계의 함유량이 0.15 질량% 이상 1.0 질량% 이하인 Fe-Cr계 합금, Cu를 0.10 질량% 이상 1.0 질량% 이하 함유하는 Fe-Cr계 합금이면 특히 바람직하다.
제2 판형체(2)는, 제1 판형체(1)와 중첩된 상태로, 주위 에지부(1a)를 용접 일체화되어 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 외부와 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 기체 통류 허용부(1A)를 가진다(도 13∼도 17 참조). 그리고, 예를 들면, 관통공(11)은, 레이저 가공 등에 의해, 제1 판형체(1)에 형성할 수 있다. 관통공(11)은, 제1 판형체(1)의 이면측의 면으로부터 표면측의 면에 기체를 투과시키는 기능을 가진다. 기체 통류 허용부(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)(후술, 도 18 참조)이 형성된다. 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 사용한 경우에는, 금속 산화물층(12)이 주로 크롬 산화물이 된다. 그리고, 제1 판형체(1)의 크롬 원자 등이 전극층(31)이나 전해질층(32)에 확산하는 것을, 크롬 산화물을 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 다양한 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 에어로졸 데포지션법, 에어로졸 가스 데포지션법, 파우더 제트 데포지션법, 파티클 제트 데포지션법, 콜드 스프레이법 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(이트리아 안정화 지르코니아)나 GDC(가돌륨도핑세리아, CGO이라고도 함) 등과 열팽창 계수가 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 실현할 수 있으므로 바람직하다. 그리고, 제1 판형체(1)는, 표면측의 면과 이면측의 면을 관통하여 형성되는 복수의 관통공(11)을 가진다. 그리고, 예를 들면, 관통공(11)은, 기계적, 화학적 혹은 광학적 천공 가공 등에 의해, 제1 판형체(1)에 형성할 수 있다. 관통공(11)은, 제1 판형체(1)의 이면측의 면으로부터 표면측의 면에 기체를 투과시키는 기능을 가진다. 제1 판형체(1)에 기체 투과성을 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 기체 통류 허용부(1A)에 대향하는 영역에 있어서, 일단부 측으로부터 타단부 측을 향하는 복수의 부유로(A11, A11………)를 구비한 내부 유로(A1)를 형성하는 파판형으로 형성된다(도 9, 도 13 참조). 또한, 제2 판형체(2)는, 표면과 이면 양면 모두 파판형으로 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.
이상과 같은 제1 판형체(1) 및 제2 판형체(2)로 이루어지는 판형 지지체(10)는 전극층(31), 전해질층(32) 및 대극 전극층(33) 등이 그 상면에 형성된다. 즉, 전극층(31), 전해질층(32) 및 대극 전극층(33) 등이 판형 지지체(10)에 지지되는 것에 의해, 강도가 높고, 신뢰성·내구성이 우수한 전기 화학 소자(A)를 실현할 수 있다. 또한, 금속성의 판형 지지체(10)는 가공성이 우수하여 바람직하다. 또한, 저렴한 금속을 판형 지지체(10)에 사용해도 강도가 높은 판형 지지체(10)가 가능하므로, 고가인 전극층(31)이나 전해질층(32) 등을 박층으로 하는 것이 가능하게 되고, 재료 비용이나 가공 비용을 억제한 저비용의 전기 화학 소자(A)를 실현할 수 있어 바람직하다.
(전기 화학 반응부)
(전극층)
전극층(31)은, 도 13∼18에 나타낸 바와 같이, 제1 판형체(1)의 표면측의 면으로서 관통공(11)이 형성된 영역보다 큰 영역에, 박층의 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 형성된 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 형성되어 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. 이들 예에서는, GDC, YSZ, CeO2을 복합 재료의 골재로 칭할 수 있다. 그리고, 전극층(31)은, 저온 소성법(예를 들면, 1100℃보다 높은 고온 영역에서의 소성 처리를 하지 않는 저온 영역에서의 소성 처리를 사용하는 습식법)이나 스프레이 코팅법(용사법이나 에어로졸 데포지션법, 에어로졸 가스 데포지션법, 파우더 제트 데포지션법, 파티클 제트 데포지션법, 콜드 스프레이법 등의 방법), PVD법(스퍼터링법이나 펄스 레이저 데포지션법 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, 저온 소성법을 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(이트리아 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, 저온 소성법(예를 들면, 1100℃보다 높은 고온 영역에서의 소성 처리를 하지 않는 저온 영역에서의 소성 처리를 사용하는 습식법)이나 스프레이 코팅법(용사법이나 에어로졸 데포지션법, 에어로졸 가스 데포지션법, 파우더 제트 데포지션법, 파티클 제트 데포지션법, 콜드 스프레이법 등의 방법), PVD법(스퍼터링법, 펄스 레이저 데포지션법 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. 그러므로, 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, 저온 소성법을 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㎛ 이하인 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 형성된 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 작동 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(이트리아 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 탄화수소계의 원연료를 사용하고, 원연료를 수증기 개질 등에 의해 SOFC의 애노드 가스로 하는 시스템 구성으로 하면, SOFC의 셀 스택에서 생기는 열을 원연료 가스의 개질에 사용하는 고효율의 SOFC 시스템을 구축할 수 있다.
전해질층(32)은, 저온 소성법(예를 들면, 1100℃를 초과하는 고온 영역에서의 소성 처리를 하지 않는 저온 영역에서의 소성 처리를 사용하는 습식법)이나 스프레이 코팅법(용사법이나 에어로졸 데포지션법, 에어로졸 가스 데포지션법, 파우더 제트 데포지션법, 파티클 제트 데포지션법, 콜드 스프레이법 등의 방법), PVD법(스퍼터링법, 펄스 레이저 데포지션법 등), CVD(화학 기상 성장)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. 그 때문에, 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, 저온 소성법이나 스프레이 코팅법 등을 사용하면, 저비용 소자를 실현할 수 있으므로 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 차폐하고, 또한, 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 보다 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.
(반응 방지층)
반응 방지층(35)은, 전해질층(32) 위에 박층의 상태로 형성할 수 있다. 박층으로 하는 경우에는, 그 두께를, 예를 들면, 1㎛∼100㎛ 정도, 바람직하게는 2㎛∼50㎛ 정도, 보다 바람직하게는 3㎛∼15㎛ 정도로 할 수 있다. 이와 같은 두께로 하면, 고가인 반응 방지층 재료의 사용량을 저감하여 코스트다운을 도모하면서, 충분한 성능을 확보하는 것이 가능하게 된다. 상기 반응 방지층의 재료로서는, 전해질층(32)의 성분과 대극 전극층(33)의 성분 사이의 반응을 방지할 수 있는 재료이면 되지만, 예를 들면, 세리아계 재료 등이 사용된다. 또한 반응 방지층(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 1.0 질량% 이상 10 질량% 이하이면 된다. 반응 방지층(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 장기 안정성을 향상시킬 수 있다. 반응 방지층(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, 저온 소성법(예를 들면, 1100℃를 초과하는 고온 영역에서의 소성 처리를 하지 않는 저온 영역에서의 소성 처리를 사용하는 습식법), 스프레이 코팅법(용사법이나 에어로졸 데포지션법, 에어로졸 가스 데포지션법, 파우더 제트 데포지션법, 파티클 제트 데포지션법, 콜드 스프레이법 등의 방법), PVD법(스퍼터링법, 펄스 레이저 데포지션법 등), CVD법 등을 적절하게 사용하여 행할 수 있다. 특히, 저온 소성법이나 스프레이 코팅법 등을 사용하면, 저비용 소자를 실현할 수 있으므로 바람직하다. 또한, 저온 소성법을 사용하면, 원재료의 핸들링이 용이하게 되므로 더욱 바람직하다.
(대극 전극층)
도 13∼도 18에 나타낸 바와 같이, 대극 전극층(33)을, 전해질층(32) 또는 반응 방지층(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, 저온 소성법(예를 들면, 1100℃를 초과하는 고온 영역에서의 소성 처리를 하지 않는 저온 영역에서의 소성 처리를 사용하는 습식법), 스프레이 코팅법(용사법이나 에어로졸 데포지션법, 에어로졸 가스 데포지션법, 파우더 제트 데포지션법, 파티클 제트 데포지션법, 콜드 스프레이법 등의 방법), PDV법(스퍼터링법, 펄스 레이저 데포지션법 등), CVD법 등을 적절하게 사용하여 행할 수 있다. 특히, 저온 소성법이나 스프레이 코팅법 등을 사용하면, 저비용 소자를 실현할 수 있으므로 바람직하다. 또한, 저온 소성법을 사용하면, 원재료의 핸들링이 용이하게 되므로 더욱 바람직하다.
이와 같은 전기 화학 반응부(3)를 구성함으로써, 전기 화학 반응부(3)를 연료전지(전기 화학 발전 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 반응 방지층(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 반응 방지층(35)을 생략하여 기술하고 있으므로, 여기서는, 주로 도 18을 이용하여 설명한다.
(전극층 형성 단계)
전극층 형성 단계에서는, 제1 판형체(1)의 표면측의 면의 관통공(11)이 형성된 영역보다 넓은 영역에 전극층(31)이 박막의 상태로 형성된다. 제1 판형체(1)의 관통공(11)은 레이저 가공 등에 의해 형성할 수 있다. 전극층(31)의 형성은, 전술한 바와 같이, 저온 소성법(1100℃ 이하의 저온 영역에서의 소성 처리를 행하는 습식법), 스프레이 코팅법(용사법이나 에어로졸 데포지션법, 에어로졸 가스 데포지션법, 파우더 제트 데포지션법, 파티클 제트 데포지션법, 콜드 스프레이법 등의 방법), PVD법(스퍼터링법, 펄스 레이저 데포지션법 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 저온 소성법으로 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, 소성 분위기를 산소 분압이 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, 저온 소성법(1100℃ 이하의 저온 영역에서의 소성 처리를 행하는 습식법), 스프레이 코팅법(용사법이나 에어로졸 데포지션법, 에어로졸 가스 데포지션법, 파우더 제트 데포지션법, 파티클 제트 데포지션법, 콜드 스프레이법 등의 방법), PVD법(스퍼터링법, 펄스 레이저 데포지션법 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 저온 소성법으로 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. 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㎛ 이하인 박막의 상태로 형성되어도 된다. 전해질층(32)의 형성은, 전술한 바와 같이, 저온 소성법(1100℃ 이하의 저온 영역에서의 소성 처리를 행하는 습식법), 스프레이 코팅법(용사법이나 에어로졸 데포지션법, 에어로졸 가스 데포지션법, 파우더 제트 데포지션법, 파티클 제트 데포지션법, 콜드 스프레이법 등의 방법), PVD법(스퍼터링법, 펄스 레이저 데포지션법 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.
(반응 방지층 형성 단계)
반응 방지층 형성 단계에서는, 반응 방지층(35)이 전해질층(32) 위에 박층의 상태로 형성된다. 반응 방지층(35)의 형성은, 전술한 바와 같이, 저온 소성법(1100℃ 이하의 저온 영역에서의 소성 처리를 행하는 습식법), 스프레이 코팅법(용사법이나 에어로졸 데포지션법, 에어로졸 가스 데포지션법, 파우더 제트 데포지션법, 파티클 제트 데포지션법, 콜드 스프레이법 등의 방법), PVD법(스퍼터링법, 펄스 레이저 데포지션법 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 반응 방지층(35) 상측의 면을 평탄하게 하기 위하여, 예를 들면, 반응 방지층(35)의 형성 후에 레벨링 처리나 표면을 절삭·연마 처리를 실시하거나, 습식 형성 후 소성 전에, 프레스 가공을 실시해도 된다.
(대극 전극층 형성 단계)
대극 전극층 형성 단계에서는, 대극 전극층(33)이 반응 방지층(35) 위에 박층의 상태로 형성된다. 대극 전극층(33)의 형성은, 전술한 바와 같이, 저온 소성법(1100℃ 이하의 저온 영역에서의 소성 처리를 행하는 습식법), 스프레이 코팅법(용사법이나 에어로졸 데포지션법, 에어로졸 가스 데포지션법, 파우더 제트 데포지션법, 파티클 제트 데포지션법, 콜드 스프레이법 등의 방법), PVD법(스퍼터링법, 펄스 레이저 데포지션법 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 반응 방지층(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, 반응 방지층 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, 복수의 전기 화학 소자(A)가 소정의 적층 방향으로 적층되어 구성되어 있다. 인접하는 전기 화학 소자(A)에 관하여, 하나의 전기 화학 소자(A)(제1 전기 화학 소자(A))를 구성하는 판형 지지체(10)와, 다른 하나의 전기 화학 소자(A)(제2 전기 화학 소자(A))를 구성하는 판형 지지체(10)가 대향하는 형태로 배치되어 있다.
예를 들면, 하나의 전기 화학 소자(A)(제1 전기 화학 소자(A))는, 전기 화학 반응부(3)가 배치되는 제1 판형체(1)와 제2 판형체(2)를 가지는 판형 지지체(10)를 구비하고 있다. 마찬가지로, 제1 전기 화학 소자(A)의 하방향(제1 방향) 및 상방향(제2 방향)으로 인접하는 제2 전기 화학 소자(A)의 판형 지지체(10)는, 전기 화학 반응부(3)가 배치되는 제1 판형체(1)와 제2 판형체(2)를 가지는 판형 지지체(10)를 구비하고 있다.
제1 전기 화학 소자(A)의 제2 판형체(2)의 외면과, 상방향으로 인접하는 제2 전기 화학 소자(A)의 제1 판형체(1)의 외면이 전기적으로 접속된다. 또한, 제1 전기 화학 소자(A)의 제2 판형체(2)의 외면과 상방향으로 인접하는 제2 전기 화학 소자(A)의 제1 판형체(1)의 외면 사이에, 해당 양 외면을 따라 제2 가스가 통류하는 통류부(A2)가 형성된다.
또한, 제1 전기 화학 소자(A)의 제1 판형체(1)의 외면과, 하방향으로 인접하는 제2 전기 화학 소자(A)의 제2 판형체(2)의 외면이 전기적으로 접속된다. 전기적으로 접속시키기 위해서는, 전기전도성 표면부끼리를 단순하게 접촉시키는 것 외에, 접촉면에 면압을 인가하거나, 고전기전도성의 재료를 개재시켜 접촉 저항을 내리는 방법 등이 채용 가능하다. 또한, 제1 전기 화학 소자(A)의 제1 판형체(1)의 외면과 하방향으로 인접하는 제2 전기 화학 소자(A)의 제2 판형체(2)의 외면 사이에, 해당 양 외면을 따라 제1 가스가 통류하는 부유로(A11)(내부 유로(A1)의 일부)가 형성된다.
이와 같은 복수의 전기 화학 소자(A)가 적층 배치되어 있다. 구체적으로는, 직사각형상의 각 전기 화학 소자가 일단부의 제1 관통부(41)와 타단부의 제2 관통부(51)를 갖춘 상태로, 각각의 전기 화학 소자의 전기 화학 반응부가 향상되는 상태로 정렬되어 적층된다. 그리고, 각 제1 관통부(41)끼리의 사이에 제1 환형 실링부(42)가 개재하고, 제2 관통부(51)끼리의 사이에 제2 환형 실링부(52)가 개재하고 있다.
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)가, 직사각형상의 판형 지지체(10)의 길이 방향 일단부 측에 구비되어 있다. 통류부(A2) 내에 있어서, 판형 지지체(10)의 양 외면에 각각 형성되는 제1 관통부(41)가, 통류부(A2)과 구획하는 환형 실링부로서의 제1 환형 실링부(42)를 구비하고 있다. 또한, 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 반대측 면에 환형의 팽출부(a)를 형성하고 있고, 제1 환형 실링부(42)의 제1 판형체(1)의 면에 따른 방향에서의 위치결정을 용이하게 하고 있다.
또한, 판형 지지체(10)에는, 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 구비되어 있다. 제2 관통부(51)는 제2 가스와 구획된 상태로 제1 가스를 통류시키는 구성이다. 제2 관통부(51)는, 통류부(A2) 내에 있어서, 판형 지지체(10)의 양 외면에 각각 형성되는 제2 관통부(51)를 통류부(A2)와 구획하는 환형 실링부로서의 제2 환형 실링부(52)를 구비하고 있다. 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 이용하여 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, 연료 공급 모듈과, 전기 화학 모듈(M)로부터 전력을 인출하는 출력부(8)로서의 인버터(전력 변환기의 일례)(104)를 가진다. 연료 공급 모듈은, 탈황기(101), 기화기(106) 및 개질기(102)로 이루어지고, 전기 화학 모듈(M)에 대하여 환원성 성분을 함유하는 연료 가스를 공급하는 연료 공급부(103)를 가진다. 그리고, 이 경우, 개질기(102)가 연료 변환기가 된다.
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 탄화수소계의 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 개질수 공급로(114)를 통하여 기화기(106)에 공급된다. 그리고, 원연료 공급로(112)는 탈황기(101)보다 하류 측의 부위에서, 개질수 공급로(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 연소되고, 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 배치되고, 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 포함하고, 이하 동일)에서 개시되는 구성은, 모순이 생기지 않는 한, 다른 실시형태에서 개시되는 구성과 조합하여 적용하는 것이 가능하며, 또한, 본 명세서에 있어서 개시된 실시형태는 예시로서, 본 발명의 실시형태는 이것으로 한정되지 않고, 본 발명의 목적을 벗어나지 않는 범위 내에서 적절히 개변할 수 있다.
(1) 상기 실시형태에서는, 전기 화학 소자 적층체(S)는, 압압 기구(400)와 하부 평판형 부재(제1 평판형 부재)(220B)로부터의 압압을 받는다. 그러나, 압압 기구(400)가 설치되어 있지 않은 구성이라도 된다. 이와 같은 구성에 대하여, 도 20∼도 23를 이용하여 설명한다. 다만, 상기 실시형태와 상이한 구성을 중심으로 설명하고, 동일한 구성에 대해서는 설명을 간단하게 하거나 생략한다.
(1-1) 전기 화학 모듈(M)의 전체 구성
이하에, 도 20∼도 23을 이용하여 전기 화학 모듈(M)의 전체 구성을 설명한다. 도 20에 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. 상기 실시형태와는 상이하고, 압압 기구(400)는 설치되어 있지 않다.
전기 화학 모듈(M)은, 용기(200)의 외부로부터, 제1 가스를 전기 화학 소자 적층체(S)에 공급하는 제1 가스 공급부(통류관)(61)와, 전기 화학 소자 적층체(S)에 있어서 반응 후의 제1 가스를 배출하는 제1 가스 배출부(통류관)(62)를 구비하고 있다. 또한, 용기(200)에는, 용기(200)의 외부로부터 전기 화학 소자 적층체(S)에 제2 가스를 공급하는 제2 가스 공급부(71)와, 제2 가스를 배출하는 제2 가스 배출부(72)가 설치되어 있다.
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 플레이트(제1 협지체)(230T)를 구비하고 있다. 한편, 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)를 내장하는 용기(200)는, 도 20∼도 22에 나타낸 바와 같이, 대략 직육면체형의 용기이다. 용기(200)는, 아래쪽이 개구된 상자형의 상부 커버(201)와, 위쪽이 개구된 하부 커버(203)를 포함한다. 상부 커버(201)의 하부 커버(203)와 대향하는 단면(端面)에는 연결부(202)가 형성되어 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 연결되고, 내부에 직육면체형의 공간이 형성된다.
상부 커버(201)는 도 20, 도 21에 나타낸 바와 같이, 상부 커버(201)의 외측 에지보다 한 바퀴 작은 개구(201c)를 가지고 있다. 그리고, 도 20의 단면에서 볼 때, 개구(201c)에 인접하여, 전기 화학 소자 적층체(S)에 면하는 내측의 단부가 제1 단부(201a) 및 제2 단부(20lb)로 분기되어 있다. 그리고, 제1 단부(201a)는 용기(200)의 내측을 향하여 평면 방향으로 소정 길이로 연장되어 있고, 제2 단부(20lb)는, 제1 단부(201a)로부터 분기되어 용기(200)의 아래쪽으로 소정 길이로 연장되어 있다. 제1 단부(201a)와 제2 단부(20lb)는, 단면에서 볼 때 대략 90°를 이루고 있고, L자형의 각부를 구성하고 있다. 이 L자의 각부는, 도 20에 나타낸 상부 커버(201)의 상면에서 볼 때의 외측 에지의 내측에, 외측 에지를 따라 형성되어 있다. 이에 의해, 제1 단부(201a)의 종단에 의해, 도 20, 도 21에 나타낸 바와 같이 전술한 대로 상부 커버(201)의 외측 에지보다 한 바퀴 작은 개구(201c)가 상부 커버(201)의 상면에 형성되어 있다.
하부 커버(203)는, 상부 커버(201)와 마찬가지로, 도 20에 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 20에 나타낸 바와 같이, 하부 커버(203)의 외측 에지보다 한 바퀴 작은 개구(203c)가 형성되어 있다.
도 20에 나타낸 바와 같이, 상부 커버(201)의 제1 단부(201a) 및 제2 단부(20lb)가 형성하는 L자의 각부에는, 한 쌍의 개구가 형성된 판 부재(240)의 상단과, 상부 절연체(210T)와, 상부 플레이트(230T)가 끼워 넣어지고 있다.
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 넣어지고 있다.
그리고, 전기 화학 소자 적층체(S)는, 그 상면이, 상부 플레이트(230T) 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.
또한, 도 23에 나타낸 바와 같이, 전기 화학 소자 적층체(S)의 제1 관통부(41) 및 제1 환형 실링부(42)의 관통공은, 집전체(81)의 개구를 통하여 제1 가스 공급부(61)와 연통하고 있다. 마찬가지로, 제2 관통부(51) 및 제2 환형 실링부(52)의 관통공은, 집전체(81)의 개구를 통하여 제1 가스 배출부(62)와 연통하고 있다.
이와 같은 구성에서, 상부 커버(201) 및 하부 커버(203)는, 전기 화학 소자 적층체(S), 상부 및 하부 절연체(210T 및 210B), 하부 평판형 부재(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.
(1-2) 하부 평판형 부재 및 그와 관련된 부재의 구성 및 작용
하부 평판형 부재(220B)는 상기 실시형태와 동일한 구성이다.
상기 구성에 의하면, 전기 화학 모듈(M)은, 탄성을 가지는 하부 평판형 부재(220B)에 의해, 전기 화학 소자 적층체(S)의 하부 평면의 측으로부터 압압되고 있다. 이에 의해, 전기 화학 소자 적층체(S)는, 제1 환형 실링부(42) 및 제2 환형 실링부(52)가 존재하는 영역도 포함하여 하부 평면의 측으로부터 압압되고 있다. 한편, 전기 화학 소자 적층체(S)의 상부 평면의 측에는, 제1 가스 공급부(통류관)(61) 및 제1 가스 배출부(통류관)(62)가 설치되어 있다.
복수의 제1 환형 실링부(42) 및 제2 환형 실링부(52)는, 전기 화학 소자 적층체(S)의 하부 평면의 측으로부터 적층 방향의 위쪽을 향하여 압압된다. 이에 의해, 제1 환형 실링부(42) 및 제2 환형 실링부(52)와 다른 부재의 간극으로부터의 제1 가스의 누설을 억제할 수 있다.
또한, 전기 화학 소자 적층체(S)는, 하부 평판형 부재(220B)에 의해 제1 환형 실링부(42) 및 제2 환형 실링부(52)가 연결되는 제1 가스 공급부(61) 및 제1 가스 배출부(62) 등의 배관 측으로 압압된다. 따라서, 제1 환형 실링부(42) 및 제2 환형 실링부(52)와 배관의 접속 위치를 대략 고정 위치로 할 수 있다. 그러므로, 제1 환형 실링부(42) 및 제2 환형 실링부(52)와 배관을 용접 등에 의해 고정할 수 있다. 이에 의해, 제1 환형 실링부(42) 및 제2 환형 실링부(52)와 배관의 접속 위치의 변동을 고려하여, 가요성의 배관을 사용할 필요가 없고, 내구성이 있는 스테인레스강관 등을 배관으로서 사용할 수 있다.
그리고, 후술하는 (2)의 도 24와 마찬가지로, 도 20∼도 23의 구성에 있어서도, 하부 평판형 부재(제1 평판형 부재)(220B)에 더하여 상부 평판형 부재(제2 평판형 부재)(220T)가 더 설치되어 있어도 된다. 이 경우, 하부 평판형 부재(220B)의 탄성력은 상부 평판형 부재(220T)의 탄성력보다 크다(하부 평판형 부재(220B)의 탄성력>상부 평판형 부재(220T)의 탄성력). 이 관계는, 하부 평판형 부재(220B)의 열팽창율을, 상부 평판형 부재(220T)의 열팽창율보다 크게 함으로써도 달성할 수 있다.
(2) 상기 실시형태에서는, 평판형 부재로서는, 전기 화학 소자 적층체(S)를 협지하여 압압 기구(400)와는 반대측의 하부 평판형 부재(제1 평판형 부재)(220B)만이 설치되어 있다. 그러나, 도 24에 나타낸 바와 같이, 압압 기구(400)와 동일한 측의 상부 평판형 부재(제2 평판형 부재)(220T)가 더 설치되어 있어도 된다.
이하에 있어서, 상기 실시형태와 상이한 구성을 중심으로 설명하고, 동일한 구성에 대해서는 설명을 간단하게 하거나 생략한다.
(2-1) 전기 화학 모듈(M)의 전체 구성
도 24에 나타낸 바와 같이, 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(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(230B)를 구비하고 있다.
상부 평판형 부재(220T)는 상부 절연체(210T)의 상부에 배치되어 있다. 상부 평판형 부재(220T)는 하부 평판형 부재(220B)와 동일한 구성이며, 탄성을 가지는 부재이다. 상부 평판형 부재(220T)는, 예를 들면 도 24의 단면에서 볼 때 파형의 형상으로 형성되어 있다. 상부 평판형 부재(220T)는, 파형의 정상부(220Ta)가 상부 절연체(210T)와 접촉하도록 배치되어 있다. 또한, 상부 평판형 부재(220T)의 파형의 정상부(220Tb)가 상부 플레이트(230T)와 접촉하고 있다.
상부 평판형 부재(220T)의 재료 및 열팽창율 등은 상기 실시형태에서 정의되고 있는 대로이지만, 하부 평판형 부재(220B)의 탄성력은 상부 평판형 부재(220T)의 탄성력보다 크다(하부 평판형 부재(220B)의 탄성력>상부 평판형 부재(220T)의 탄성력). 이 관계는, 하부 평판형 부재(220B)의 열팽창율을, 상부 평판형 부재(220T)의 열팽창율보다 크게 함으로써도 달성할 수 있다.
도 4에 나타낸 바와 마찬가지로, 제1 가스 공급부(61) 및 제1 가스 배출부(62)는 집전체(81)의 관통공(81a)을 관통하고 있다. 이 집전체(81)와 인접하는 제1 판형체(1)의 상면에는, 제1 가스 공급부(61) 및 제1 가스 배출부(62)의 외주를 따라 외주벽(415)이 설치되어 있다. 외주벽(415)은, 전기의 제1 판형체(1)의 상면으로부터, 집전체(81)의 관통공(81a)을 통하여 상부 플레이트(230T)의 근방까지 위쪽으로 연장되어 있다. 따라서, 상부 평판형 부재(220T)는, 외주벽(415)이 존재하는 부분에서는, 평면에서 볼 때 외주벽(415)에 대응하는 원형 부분이 제거되어 있다.
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, 상부 커버(201)의 제1 단부(201c)의 내주면에 하부 커버(203)의 제1 단부(203b)가 밀착, 용접, 접착, 끼워맞춤 등이 행해짐으로써, 상부 커버(201)와 하부 커버(203)가 체결된다. 이 체결 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 부하되고 있다. 이 체결 압력은, 상부 및 하부 평판형 부재(220T 및 220B)에 소정의 압축 변위(L)를 부여함으로써 부하된다. 여기서의 압축 변위(L)는, 상부 및 하부 평판형 부재(220T 및 220B)의 양쪽을 고려한 변위이다.
또한, 제1 가스 공급부(61) 및 제1 가스 배출부(62)는, 압압 기구(400)에 의해 전기 화학 소자 적층체(S) 측, 즉 적층 방향의 아래쪽으로 압압 가능하다. 압압 기구(400)의 구성은 상기 실시형태와 동일하다.
(2-2) 평판형 부재 및 압압 기구의 작용
다음으로, 평판형 부재(상부 및 하부 평판형 부재(220T 및 220B))(220) 및 압압 기구(400)의 작용에 대하여 추가로 설명한다.
열팽창 부재로 이루어지는 상부 및 하부 평판형 부재(220T 및 220B)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. 그리고, 상부 평판형 부재(220T)는, 전기 화학 소자 적층체(S)를 적층 방향의 위쪽으로부터 압압하도록 지지하고, 하부 평판형 부재(220B)는, 전기 화학 소자 적층체(S)를 적층 방향의 아래쪽으로부터 압압하도록 지지한다. 예를 들면, 열팽창에 의해 커진 전기 화학 소자 적층체(S)와 용기(200) 사이의 간격을, 상부 및 하부 평판형 부재(220T 및 220B)가 열팽창하는 것에 의해 보충하고, 전기 화학 소자 적층체(S)에 적절한 체결 압력을 부하한다.
여기에서, 전술한 바와 같이, 하부 평판형 부재(220B)의 열팽창율은, 상부 평판형 부재(220T)의 열팽창율보다 크다. 따라서, 하부 평판형 부재(220B)가 전기 화학 소자 적층체(S)를 적층 방향의 아래쪽으로부터 압압하는 압압력 쪽이, 상부 평판형 부재(220T)가 전기 화학 소자 적층체(S)를 적층 방향의 위쪽으로부터 압압하는 압압력쪽이 크다. 그 때문에, 전기 화학 소자 적층체(S)는 위쪽에 비하여 아래쪽으로부터, 보다 큰 압압력으로 위쪽으로 압압되고 있다.
또한, 압압 기구(400)에 있어서, 제1 나사결합 부재(401)에 대하여 제2 나사결합 부재(403)를 비틀어 넣으면, 제2 나사결합 부재(403)가 적층 방향의 아래쪽을 향하여 밀어 넣어진다. 이에 의해, 제2 나사결합 부재(403)가, 제1 가스 공급부(61) 및 복수의 제1 환형 실링부(42)를 적층 방향의 아래쪽으로 밀어 넣는다. 마찬가지로, 압압 기구(400)를 작용시키면, 제1 가스 배출부(62) 및 복수의 제2 환형 실링부(52)가 적층 방향의 아래쪽으로 밀어 넣어진다.
제1 가스 공급부(61) 및 제1 가스 배출부(62)가 설치되어 있는 적층 방향을 따르는 영역은, 하부 평판형 부재(220B)의 탄성력>상부 평판형 부재(220T)의 탄성력의 관계로부터, 적층 방향의 아래쪽으로부터 위쪽을 향하여 보다 큰 압압력으로 압압되고 있다. 또한, 해당 영역은, 압압 기구(400)에 의해 적층 방향의 위쪽으로부터 아래쪽을 향하여 압압되고 있다. 즉, 복수의 제1 환형 실링부(42) 및 제2 환형 실링부(52)는, 적층 방향의 아래쪽으로부터 하부 평판형 부재(220B)에 의해 압압되고 또한, 적층 방향의 위쪽으로부터 압압 기구(400)에 의해 압압된다. 이에 의해, 제1 환형 실링부(42) 및 제2 환형 실링부(52)와 다른 부재의 간극의 발생을 억제하고, 제1 가스의 누설을 억제할 수 있다.
또한, 전기 화학 소자 적층체(S)에 있어서 전기 화학 반응부(3)가 설치되어 있는 영역에는, 상부 및 하부 절연체(210T 및 210B), 상부 및 하부 평판형 부재(220T 및 220B), 상부 및 하부 플레이트(230T 및 230B) 등이, 상부 커버(201) 및 하부 커버(203)에 의해 압압됨으로써, 소정의 체결 압력이 부하되고 있다.
그리고, 상기 (1)과 마찬가지로, 도 24의 구성에 있어서도 압압 기구(400)를 생략 가능하다. 압압 기구(400)를 생략한 경우라도, 하부 평판형 부재(220B)의 탄성력>상부 평판형 부재(220T)의 탄성력이므로, 전기 화학 소자 적층체(S)는 적층 방향의 아래쪽으로부터 위쪽을 향하여 보다 큰 압압력으로 압압되고 있다. 따라서, 전기 화학 소자 적층체(S)는, 제1 환형 실링부(42) 및 제2 환형 실링부(52)가 존재하는 영역도 포함하여 적층 방향의 아래쪽으로부터 위쪽을 향하여 압압된다. 이에 의해, 제1 환형 실링부(42) 및 제2 환형 실링부(52)와 다른 부재의 간극으로부터의 제1 가스의 누설을 억제할 수 있다. 또한, 전술한 바와 같이, 전기 화학 소자 적층체(S)는, 하부 평판형 부재(220B)에 의해 제1 환형 실링부(42) 및 제2 환형 실링부(52)가 연결되는 제1 가스 공급부(61) 및 제1 가스 배출부(62) 등의 배관 측으로 압압된다. 제1 환형 실링부(42) 및 제2 환형 실링부(52)와 배관의 접속 위치를 대략 고정 위치로 할 수 있다. 그러므로, 제1 환형 실링부(42) 및 제2 환형 실링부(52)와 배관을 용접 등에 의해 고정할 수 있다.
또한, 상부 평판형 부재(220T)는, 전술한 하부 평판형 부재(220B)의 도 5, 도 6 등과 같이 변형 가능하다.
(3) 상기 실시형태에서는, 전기 화학 소자 적층체(S)의 상부 평면(제2 평면)에 제1 가스 공급부(통류관)(61) 및 제1 가스 배출부(통류관)(62)이 접속되고 있다. 한편, 전기 화학 소자 적층체(S)의 하부 평면(제1 평면)을 따라 하부 평판형 부재(220B)가 설치되어 있다. 그러나, 제1 환형 실링부(42) 및 제2 환형 실링부(52)가 제1 가스 공급부(61) 및 제1 가스 배출부(62) 등의 배관측에 압압되면 되고, 이 구성에 한정되지 않는다. 예를 들면, 전기 화학 소자 적층체(S)에 있어서, 제1 가스 공급부(통류관)(61) 및 제1 가스 배출부(통류관)(62)이 접속되어 있는 측과, 평판형 부재가 설치되어 있는 측이 반대이면 된다. 따라서, 전기 화학 소자 적층체(S)의 하부 평면(제1 평면)에 제1 가스 공급부(통류관)(61) 및 제1 가스 배출부(통류관)(62)이 접속되고, 상부 평면(제2 평면)에 따라 상부 평판형 부재(220T)가 설치되어도 된다.
(4) 상기 실시형태에서는, 압압 기구(400)는, 나사의 나사결합에 의해 제2 나사결합 부재(403)를 제1 나사결합 부재(401)에 밀어 넣는 기구로 구성되어 있다. 그러나, 제1 환형 실링부(42) 및 제2 환형 실링부(52)을 압압할 수 있으면 되고, 압압 기구(400)는 상기의 구성에 한정되지 않는다. 압압 기구(400)는, 예를 들면 제2 나사결합 부재(403)가 통형의 제1 나사결합 부재(401)에 삽입되고, 마찰 등에 의해 압입 위치에 고정되는 구성이라도 된다. 또한, 압압 기구(400)는, 제1 나사결합 부재(401)에 형성된 수나사부와, 제2 나사결합 부재(403)에 형성된 암나사부를 형성하고, 이들 수나사부 및 암나사부를 나사결합시킴으로써 제2 나사결합 부재(403)를 제1 나사결합 부재(401)에 밀어 넣는 기구로 구성되어 있어도 된다.
(5) 상기 실시형태에서는, 전기 화학 소자(A)가 SOFC인 전기 화학 모듈(M)에 평판형 부재(220)를 적용했다. 그러나, 상기의 평판형 부재(220)는, SOEC(Solid Oxide Electrolyzer Cell) 및 2차 전지 등에도 적용할 수 있다.
(6) 상기 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, 상기의 실시형태에서는, 연료 등의 화학적 에너지를 전기 에너지로 변환하는 효율을 향상시킬 수 있는 구성에 대하여 설명했다.
즉, 상기의 실시형태에서는, 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 탄화수소 등의 다양한 화합물 등을 합성하는 연료 변환기(25)(도 26)를 설치할 수 있다. 연료 공급부(도시하지 않음)에 의해, 이 연료 변환기(25)가 생성한 탄화수소 등을 본 시스템·장치 밖으로 인출하여 별도의 연료나 화학 원료로서 이용할 수 있다. 또한, 연료 변환기(25)에서 수소나 일산화탄소를 화학 원료로 변환하여 이용할 수도 있다.
도 26에는, 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 탄화수소 등이 합성된다. 도 26의 열교환기(24)를, 연료 변환기(25)에서 일어나는 반응에 의해 생기는 반응열과 물을 열교환시켜 기화시키는 배열 이용부로서 동작시키고 또한, 도 26 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.
(7) 상기 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)에 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.
(8) 상기 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.
(9) 상기 실시형태에서는, 기체 통류 허용부(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.
(10) 상기에서는, 용기(제1 협지체, 제2 협지체)(200)에 의해 전기 화학 소자 적층체(S)를 협지하고 있다. 그러나, 전기 화학 소자 적층체(S)를 협지할 수 있으면, 용기(200)를 사용할 필요는 없다. 예를 들면, 엔드 플레이트(제1 협지체, 제2 협지체) 등으로 전기 화학 소자 적층체(S)를 협지해도 된다.
(11) 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, 정사각형상, 원형상 등 다양한 형태를 채용할 수 있다.
(12) 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 무단형의 구성으로, 인접하는 전기 화학 소자(A)끼리의 사이를 실링하는 구성이면 된다. 제1, 제2 환형 실링부(42, 52)는 예를 들면 환형이다. 환형으로는, 원형, 타원형, 사각형, 다각형상 등 어떠한 형상이라도 된다.
(13) 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 25에 나타낸 바와 같이 하나의 판형체로 구성되어 있어도 된다. 도 25의 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 25와 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.
(14) 상기의 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 파판형으로 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 파판형으로 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.
(15) 상기의 제2 판형체(2)에 있어서 복수의 부유로(A11)에 상당하는 부분은, 전체면이 파판형으로 형성되어 있을 필요는 없고, 적어도 일부가 파판형으로 형성되어 있으면 된다. 제2 판형체(2)는, 예를 들면, 분배부(A12)와 합류부(A13) 사이에 있어서, 가스 흐름 방향의 일부가 평판형이며, 나머지가 파판형이라도 된다. 또한, 제2 판형체(2)는, 흐름 교차 방향의 일부가 평판형이며, 나머지가 파판형이라도 된다.
(16) 상기의 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 27∼도 44 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 27 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.
이에 의해, 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 27 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, 파판형의 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, 파판형의 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 43 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 27∼도 30 등 참조), 분배부(A12)를 통하여 일단부 측의 폭 방향을 따라 퍼져서 흐르고, 내부 유로(A1) 중 각 부유로(A11)에 도달한다(도 27∼도 30 등 참조).
여기에서, 도 27 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 기체 통류 허용부(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, 기체 통류 허용부(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 흐름에 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 추가로 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, 공급 통과부(141)(공급 구조체(140)의 일부) 및 배출 통과부(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) 측과는 대칭의 구조이다. 도 28∼도 30, 도 32∼도 35 등에 있어서는, 제1 가스 배출부(62), 제2 환형 실링부(52), 제2 관통부(51) 등이 설치되어 있는 배출로(5) 측의 단면도를 나타내고 있다. 한편, 도 36∼도 42 등에 있어서는, 제1 가스 공급부(61), 제1 환형 실링부(42), 제1 관통부(41) 등이 설치되어 있는 공급로(4) 측의 단면도를 나타내고 있다. 그리고, 도 28∼도 30, 도 32∼도 35 등의 배출로(5) 측의 단면도에서는, 제1 가스는 복수의 부유로(A11)로부터 합류부(A13)를 경과하여 제2 관통부(51) 등에 배출되는 방향으로 통류한다. 한편, 도 36∼도 42 등의 공급로(4) 측의 단면도에서는, 제1 가스는 제1 관통부(41) 등을 경과하여 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 27, 도 42 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 28∼도 42 등에 나타낸 바와 같이, 제1 판형체(1)의 에지부와 제2 판형체(2)의 에지부가 주위 에지부(1a)에 있어서 용접됨으로써 일체화되어 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, 공급 저지부(142)(공급 구조체(140)의 일부)에 있어서 적층 방향에 있어서 위치가 상이하도록 형성되어 있다. 즉, 도 39 등에 나타낸 바와 같이, 적층 방향에 있어서, 분배부(A12)의 상면은 공급 저지부(142)의 상면보다 아래쪽에 위치한다. 그리고, 공급 저지부(142)의 상면은 제1 판형체(1)의 하면과 맞닿아 있다. 이에 의해, 분배부(A12)에 도입된 제1 가스는, 적층 방향의 위쪽으로 돌출하는 공급 저지부(142)에 의해 분배부(A12)로부터의 배출이 제한되어, 오목형으로 형성된 분배부(A12)에 일시적으로 저류된다.
또한, 분배부(A12)는, 상면에서 볼 때, 도 27 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 나란히 배치되어 있는 복수의 부유로(A11)의 영역의 Y 방향의 길이에 대응하고 있다.
제1 가스가 통류하는 복수의 부유로(A11)은, 도 27∼도 44 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 27∼도 44 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 43 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. 이에 의해, 각 부유로(A11)가 분리되어 있고, 각 부유로(A11) 중 각각을 제1 가스가 통류 방향을 따라 통류한다.
그리고, 부유로(A11)는, 도 27 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 43, 도 44에 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 43 등에 나타낸 바와 같이, 칸막이부(161)의 상면과 제1 판형체(1)의 하면의 접촉 면적을 작게 할 수 있다. 즉, 기체 통류 허용부(1A)가 형성된 제1 판형체(1)에 면하는 부유로(A11)의 공간을 크게 할 수 있어, 부유로(A11)로부터 전기 화학 반응부(3)를 향하는 제1 가스의 양을 많게 할 수 있다.
제2 판형체(2)는, 도 27, 도 36∼도 44 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 공급 통과부(141) 및 복수의 공급 저지부(142)를 가지고 있다. 공급 통과부(141)는, 제1 가스를 분배부(A12)로부터 복수의 부유로(A11)에 통과시킨다. 공급 저지부(142)는, 제1 가스의 분배부(A12)로부터 복수의 부유로(A11)로의 통과를 저지한다. 도 38 등에 나타낸 바와 같이, 공급 저지부(142)의 상면은 공급 통과부(141)의 상면보다 적층 방향의 위쪽에 위치하고 있고, 제1 판형체(1)의 하면과 맞닿아 있다. 따라서, 분배부(A12) 내의 제1 가스는, 공급 저지부(142)에 의해 통류 방향으로의 통류가 저지되는 한편, 공급 통과부(141)를 통하여 통류 방향으로 통류하고, 복수의 부유로(A11)에 흐른다.
본 실시형태에서는, 각 공급 저지부(142)는, 예를 들면 도 27, 도 44 등에 나타낸 바와 같이 대략 직사각형상으로 형성되어 있다. 그리고, 직사각형상의 각 공급 저지부(142)는, 장변이 +Y 방향 및 -Y 방향(Y 방향)을 따르도록 Y 방향을 따라 배치되어 있다. 인접하는 공급 저지부(142)의 사이에 공급 통과부(141)가 설치되어 있다. 즉, 공급 통과부(141)는, 인접하는 공급 저지부(142)의 단변이 대향하는 구간에 설치되어 있다.
도 44에 나타낸 바와 같이, +Y 방향 및 -Y 방향(Y 방향, 통류 방향과 교차하는 교차 방향)에 있어서, 공급 저지부(142)의 길이(L2)는 공급 통과부(141)의 길이(L1)보다 크다(L2>L1). 또한, 공급 통과부(141)의 길이(L1)는, 칸막이부(161)의 길이(L3)보다 작은 것이 바람직하다(L1<L3). 이에 의해, 분배부(A12)로부터 공급 통과부(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, 공급 저지부(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 칸막이되어 있다. 통류 방향(+X 방향 및 -X 방향(X 방향))에 있어서, 공급 통과부(141)에는, 복수의 칸막이부(161) 중 어느 하나의 칸막이부(161)가 대응하여 배치되어 있다.
또한, 통류 방향에 있어서, 공급 저지부(142)에는, 복수의 부유로(A11) 중 적어도 1개의 부유로(A11)가 대응하여 배치되어 있다.
여기서, 제1 가스는, 분배부(A12)로부터 공급 통과부(141)를 거쳐 복수의 부유로(A11)에 인도된다. 상기한 구성에 의하면, 통류 방향에 있어서 공급 통과부(141)에는 어느 하나의 칸막이부(161)가 대응하여 배치되어 있으므로, 분배부(A12)로부터 공급 통과부(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 공급 통과부(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 공급 저지부(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 공급 통과부(141)에 대응하여 1개의 칸막이부(161)가 배치되어 있다. 그러나, 이것으로 한정되지 않고, 1개의 공급 통과부(141)에 대응하여 복수의 칸막이부(161)가 배치되어 있어도 된다. 또한, 1개의 공급 통과부(141)에 대응하여 칸막이부(161)가 배치되어 있지 않고, 별도의 1개의 공급 통과부(141)에 대응하여 칸막이부(161)가 배치되어 있어도 된다.
또한, 통류 방향에 있어서, 제1 관통부(41)에 대응하여 공급 저지부(142)가 설치되어 있다. 이에 의해, 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.
공급 저지부(142)의 수는, 이것으로 한정되지 않지만, 예를 들면 2개 이상이다. 또한, 복수의 부유로(A11)의 수에 따라 공급 저지부(142)의 수가 설정되는 것이 바람직하다.
또한, 공급 저지부(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 공급 저지부(142)는, 교차 방향으로부터 어긋나게 배치되어도 된다. 또한, 복수의 공급 저지부(142)가 교차 방향을 따라, 혹은 교차 방향으로부터 어긋나게 배치되어도 된다.
또한, 상기에서는, 공급 저지부(142)는 직사각형상이다. 그러나, 분배부(A12)로부터 복수의 부유로(A11)에 균일하게 가스를 공급할 수 있으면, 공급 저지부(142)의 형상은 이것으로 한정되지 않는다. 예를 들면, 공급 저지부(142)는, 정사각형상, 원형상, 타원형상, 삼각형상 등 다양한 형상으로 형성되어 있어도 된다.
또한, 이것으로 한정되지 않지만, 도 27, 도 44 등의 상기 실시형태에 나타낸 바와 같이, 복수의 공급 저지부(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 공급 저지부(142)를 설치해 둠으로써, 분배부(A12)로부터 복수의 부유로(A11)에 즉시 제1 가스가 유출되는 것을 억제할 수 있다. 이에 의해, 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 설치되어 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 27, 도 44 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, 배출 저지부(152)(배출 구조체(150)의 일부)에 있어서 적층 방향에 있어서 위치가 상이하도록 형성되어 있다. 즉, 도 32 등에 나타낸 바와 같이, 적층 방향에 있어서, 합류부(A13)의 상면은 배출 저지부(152)의 상면보다 아래쪽에 위치한다. 그리고, 배출 저지부(152)의 상면은 제1 판형체(1)의 하면과 맞닿아 있다. 이에 의해, 복수의 부유로(A11)로부터 합류부(A13)를 향한 제1 가스는, 적층 방향의 위쪽으로 돌출한 배출 저지부(152)에 의해 합류부(A13)로의 배출이 제한되어, 복수의 부유로(A11)에 일시적으로 저류된다.
또한, 합류부(A13)는, 상면에서 볼 때, 도 27 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 27, 도 31∼도 35, 도 44 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 배출 통과부(151) 및 복수의 배출 저지부(152)를 가지고 있다. 배출 통과부(151)는, 제1 가스를 복수의 부유로(A11)로부터 합류부(A13)에 통과시킨다. 배출 저지부(152)는, 제1 가스의 복수의 부유로(A11)로부터 합류부(A13)로의 통과를 저지한다. 도 32 등에 나타낸 바와 같이, 배출 저지부(152)의 상면은 배출 통과부(151)의 상면보다 적층 방향의 위쪽에 위치하고 있고, 제1 판형체(1)의 하면과 맞닿아 있다. 따라서, 복수의 부유로(A11) 내의 제1 가스는, 배출 저지부(152)에 의해 통류 방향으로의 통류가 저지되는 한편, 배출 통과부(151)를 통하여 통류 방향으로 통류하고, 합류부(A13)에 흐른다.
본 실시형태에서는, 배출 저지부(152)는 공급 저지부(142)와 마찬가지로, 예를 들면 도 27, 도 44 등에 나타낸 바와 같이 대략 직사각형상으로 형성되어 있다. 그리고, 직사각형상의 각 배출 저지부(152)는, 장변이 +Y 방향 및 -Y 방향(Y 방향)을 따르도록 Y 방향을 따라 배치되어 있다. 인접하는 배출 저지부(152)의 사이에 배출 통과부(151)가 설치되어 있다. 즉, 배출 통과부(151)는, 인접하는 배출 저지부(152)의 단변이 대향하는 구간에 설치되어 있다.
도 44에 나타낸 바와 같이, +Y 방향 및 -Y 방향(Y 방향, 통류 방향과 교차하는 교차 방향)에 있어서, 배출 저지부(152)의 길이(L12)는 배출 통과부(151)의 길이(L11)보다 크다(L12>L11). 또한, 배출 저지부(152)의 길이(L12)는 부유로 형성부(160)의 길이(L4)보다 큰 것이 바람직하다(L12>L3). 이에 의해, 복수의 부유로(A11)로부터 합류부(A13)를 향하는 제1 가스를 배출 저지부(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, 배출 저지부(152)의 수, 칸막이부(161)의 Y 방향의 길이(L3), 부유로(A11)의 Y 방향의 길이(L4) 등에 의해 결정된다.
통류 방향에 있어서, 배출 저지부(152)에는, 복수의 부유로(A11) 중 적어도 1개의 부유로(A11)가 대응하여 배치되어 있다.
또한, 통류 방향에 있어서, 배출 통과부(151)에는, 복수의 칸막이부(161) 중 어느 하나의 칸막이부(161)가 대응하여 배치되어 있다.
상기 구성에 의하면, 복수의 부유로(A11)로부터 압출된 제1 가스는, 통류 방향을 따라 진행함으로써 적층 방향의 위쪽으로 돌출되어 있는 배출 저지부(152)에 충돌한다. 배출 저지부(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 배출 저지부(152)와 충돌하여 교차 방향으로 진행한다. 그 후, 제1 가스는, 복수의 부유로(A11)로부터의 압출을 따라, 배출 통과부(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 배출 저지부(152)가 설치되어 있다. 이에 의해, 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.
배출 통과부(151) 및 배출 저지부(152)의 형상, 크기, 배치, 수는, 공급 통과부(141) 및 공급 저지부(142)와 동일하다. 예를 들면, 도 44에 있어서, +Y 방향 및 -Y 방향(Y 방향, 통류 방향과 교차하는 교차 방향)에 있어서의, 배출 저지부(152)의 길이(L12) 및 배출 통과부(151)의 길이(L11)는, 전술한 공급 저지부(142)의 길이(L1) 및 공급 통과부(141)의 길이(L2)와 동일하다.
다만, 배출 통과부(151) 및 배출 저지부(152)의 형상, 크기, 배치, 수는, 공급 통과부(141) 및 공급 저지부(142)와 상이하게 해도 된다. 예를 들면, 배출 통과부(151)의 크기를 공급 통과부(141)보다 크게 해도 된다. 이에 의해, 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.
(a) 공급 구조체 및 배출 구조체의 작용
(a1) 공급 구조체의 작용
다음으로, 공급 구조체(140)의 작용에 대하여 설명한다.
상기 구성의 공급 구조체(140)의 공급 저지부(142)는, 분배부(A12)와 복수의 부유로(A11) 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 가득하도록 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. 게다가, 분배부(A12)로부터 공급 통과부(141)를 통하여 복수의 부유로(A11)에 제1 가스가 공급되므로, 제1 가스가 각 부유로(A11)에 대략 균압인 상태로 공급된다. 이에 의해, 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, 각각 부유로(A11) 사이에 있어서, 통류 방향을 따른 제1 가스의 흐름 분포가 대략 균일하게 된다. 예를 들면, 각 부유로(A11) 사이에 있어서 통류 방향의 어느 하나의 위치를 본 경우, 해당 하나의 위치에 교차하는 교차 방향에서는, 각 부유로(A11)의 제1 가스의 유속, 유량 및 압력 등이 대략 일정하다. 이에 의해, 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, 상기의 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 느려지는 경우가 있다. 제1 가스의 유속이 느린 부유로(A11)에서는 전기 화학 반응에 의해 제1 가스가 소비되어, 제1 가스가 부족하다. 이에 의해, 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.
(a2) 배출 구조체의 작용
다음으로, 배출 구조체(150)의 작용에 대하여 설명한다.
상기 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, 상기 구성의 배출 구조체(150)의 배출 저지부(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 가득하도록 두루 미치게 된다. 이에 의해, 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 가득하도록 두루 미치므로, 복수의 부유로(A11) 내에 있어서 전기 화학 반응이 충분히 행해진다. 이러한 것에 의해, 전기 화학 반응의 반응 효율을 향상시킬 수 있다.
(17) 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.
(18) 상기 실시형태의 도 1에 있어서, 전기 화학 소자 적층체(S)는, 적층 방향 상측에 있어서는, 상부 절연체(210T)를 통하여 상부 플레이트(230T)에 협지되어 있다. 또한, 전기 화학 소자 적층체(S)는, 적층 방향 하측에 있어서는, 하부 절연체(210B)를 통하여, 하부 평판형 부재(220B), 하부 플레이트(230B)에 협지되어 있다. 그리고, 이와 같이 배치된 전기 화학 소자 적층체(S), 상부 절연체(210T), 상부 플레이트(230T), 하부 절연체(210B), 하부 평판형 부재(220B), 하부 플레이트(230B)는, 용기(200)에 수용되고 있다. 특허청구의 범위에서의 협지체는, 상부 및 하부 플레이트(230) 및 용기(200)에 상당한다.
또한, 상기의 도 5에 있어서, 전기 화학 소자 적층체(S)는, 적층 방향 위쪽에 있어서는, 상부 절연체(210T)를 통하여 상부 플레이트(230T)에 협지되어 있다. 또한, 전기 화학 소자 적층체(S)는, 적층 방향 하측에 있어서는, 하부 절연체(210B)를 통하여, 하부 평판형 부재(320B), 하부 평판형 부재(220B), 하부 플레이트(230B)에 협지되어 있다. 그리고, 이와 같이 배치된 전기 화학 소자 적층체(S), 상부 절연체(210T), 상부 플레이트(230T), 하부 절연체(210B), 하부 평판형 부재(320B), 하부 평판형 부재(220B), 하부 플레이트(230B)는, 용기(200)에 수용되고 있다. 특허청구의 범위에서의 협지체는, 상부 및 하부 플레이트(230) 및 용기(200)에 상당한다.
또한, 상기의 도 6에 있어서, 전기 화학 소자 적층체(S)는, 적층 방향 상측에 있어서는, 상부 절연체(210T)에 협지되어 있다. 또한, 전기 화학 소자 적층체(S)는, 적층 방향 하측에 있어서는, 하부 절연체(210B)를 통하여, 하부 평판형 부재(320B), 하부 평판형 부재(220B)에 협지되어 있다. 그리고, 이와 같이 배치된 전기 화학 소자 적층체(S), 상부 절연체(210T), 하부 절연체(210B), 하부 평판형 부재(320B), 하부 평판형 부재(220B)는, 용기(200)에 수용되고 있다. 특허청구의 범위에서의 협지체는, 상부 및 하부 플레이트(230) 및 용기(200)에 상당한다.
1: 제1 판형체
1A : 기체 통류 허용부
2: 제2 판형체
3: 전기 화학 반응부
4: 공급로
5: 배출로
9: 분배실
10: 판형 지지체
11: 관통공
31: 전극층
32: 전해질층
33: 대극 전극층
41: 제1 관통부
42: 제1 환형 실링부
51: 제2 관통부
52: 제2 환형 실링부
61: 제1 가스 공급부
62: 제1 가스 배출부
71: 제2 가스 공급부
72: 제2 가스 배출부
100: 전기 화학 장치
200: 용기
201: 상부 커버
203: 하부 커버
220: 평판형 부재
400: 압압 기구
401: 제1 나사결합 부재
401a : 암나사부
403: 제2 나사결합 부재
403a : 수나사부
A : 전기 화학 소자
A : 제2 전기 화학 소자
A : 제1 전기 화학 소자
A1: 내부 유로
A11: 부유로
A12: 분배부
A13: 합류부
A2: 통류부
M : 전기 화학 모듈
M1: 전기 화학 모듈
M2: 전기 화학 모듈

Claims (16)

  1. 전해질층과 상기 전해질층의 양측에 각각 배치되어 있는 전극층 및 대극(對極) 전극층이 기판을 따라 형성되어 있는 복수의 전기 화학 소자가, 환원성 성분 가스 및 산화성 성분 가스 중 한쪽인 제1 가스를 통류하기 위한 환형 실링부를 통하여 소정의 적층 방향으로 적층되어 있는 적층체;
    상기 적층체의 상기 적층 방향에서의 제1 평면을 압압(押壓)하는 제1 협지체(挾持體), 및 상기 제1 평면과는 반대측의 제2 평면을 압압하는 제2 협지체를 포함하고, 상기 제1 협지체 및 상기 제2 협지체에 의해 상기 적층체를 협지하는 협지체;
    상기 제1 평면과 상기 제1 협지체 사이에 배치되고, 탄성을 가지는 제1 평판형 부재; 및
    상기 환형 실링부를 연통(連通)하는 상태로, 상기 제2 평면에 접속되는 통류관;
    을 구비하는, 전기 화학 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 평면과 상기 제2 협지체 사이에 배치되고, 탄성을 가지는 제2 평판형 부재를 구비하고,
    상기 제1 평판형 부재의 탄성력은, 상기 제2 평판형 부재의 탄성력보다 큰, 전기 화학 모듈.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제2 평면 측에 설치되어 있고, 상기 환형 실링부의 장착 개소를, 상기 적층 방향에 있어서 상기 협지체에 대하여 압압하는 압압 기구를 구비하는, 전기 화학 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 압압 기구는, 상기 통류관을 통하여 상기 환형 실링부가 존재하는 영역을 상기 적층 방향을 따라 압압하고,
    상기 압압 기구의 열팽창율은, 상기 통류관의 열팽창율 이하인, 전기 화학 모듈.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 압압 기구는, 상기 제1 협지체에 설치된 제1 나사결합 부재와, 상기 제1 나사결합 부재와의 나사결합에 의해 상기 환형 실링부를 상기 적층 방향으로 압압 가능한 제2 나사결합 부재를 구비하는, 전기 화학 모듈.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 나사결합 부재는 통형 부재이며, 내주면(內周面)에 암나사부를 가지고 있고,
    상기 제2 나사결합 부재는 통형 부재이며, 외주면(外周面)에 수나사부를 가지고 있고,
    상기 제2 나사결합 부재의 상기 수나사부를 상기 제1 나사결합 부재의 상기 암나사부에 나사결합시키는, 전기 화학 모듈.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 압압 기구는, 상기 제2 나사결합 부재와 상기 통류관 사이의 전기 절연성 실링부를 구비하는, 전기 화학 모듈.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판은, 상기 환형 실링부를 통하여 상기 제1 가스가 도입되는 내부 유로를 내부에 가지고 있고,
    상기 적층 방향으로 인접하는 전기 화학 소자 사이에, 상기 환원성 성분 가스 및 상기 산화성 성분 가스 중 다른 쪽인 제2 가스가 통류하는 통류부가 형성되어 있는, 전기 화학 모듈.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    각 전기 화학 소자의 기판은, 상기 제1 가스를 통류하는 공급로를 형성하는 제1 관통부를 가지고,
    각 전기 화학 소자의 제1 관통부는, 인접하는 전기 화학 소자의 사이에 개재하는 환형 실링부의 환형 구멍과 연통하고 있는, 전기 화학 모듈.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 복수의 전기 화학 소자에서는, 제1 전기 화학 소자와 제2 전기 화학 소자가 서로 인접하여 적층되어 있고,
    각 전기 화학 소자를 구성하는 상기 기판은, 상기 환형 실링부를 통하여 상기 제1 가스가 통류하는 내부 유로를 내부에 가지고 있고,
    상기 제1 전기 화학 소자를 구성하는 상기 기판과, 상기 제2 전기 화학 소자를 구성하는 상기 기판이 대향하는 형태로, 또한, 상기 제1 전기 화학 소자를 구성하는 상기 기판에서의 전기 화학 반응부가 배치되는 외면과, 상기 제2 전기 화학 소자를 구성하는 상기 기판에서의 상기 전기 화학 반응부가 배치되는 측과는 별도의 외면이 전기적으로 접속되어 있고, 또한, 이들 양 외면끼리의 인접 사이에, 상기 양 외면을 따라 환원성 성분 가스 및 산화성 성분 가스 중 다른 쪽인 제2 가스가 통류하는 통류부가 형성되어 있는, 전기 화학 모듈.
  11. 제10항에 있어서,
    각 전기 화학 소자를 구성하는 상기 기판에는, 상기 기판의 내측인 상기 내부 유로와 외측에 걸쳐 기체를 투과할 수 있는 기체 통류 허용부가 형성되어 있고,
    상기 기체 통류 허용부의 전부 또는 일부를 피복하는 상태로, 상기 전극층과 상기 전해질층과 상기 대극 전극층에 의해 전기 화학 반응부가 형성되어 있고,
    상기 기판의 표면 관통 방향 외측과 상기 내부 유로에 걸쳐 상기 제1 가스가 유통하는 공급로를 형성하는 제1 관통부가 형성되어 있는, 전기 화학 모듈.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 통류부 내에 있어서, 상기 양 외면에 각각 형성되는 상기 제1 관통부를 상기 통류부와 구획하는 상기 환형 실링부로서의 제1 환형 실링부를 구비하고,
    상기 제1 관통부 및 상기 제1 환형 실링부에 의해, 상기 내부 유로와의 사이에 상기 제1 가스를 유통하는 상기 공급로가 형성되는, 전기 화학 모듈.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 기판은, 상기 내부 유로를 통류하는 상기 제1 가스를 상기 기판의 표면 관통 방향 외측과 유통시키는 배출로를 형성하는 제2 관통부를 구비하고,
    상기 통류부 내에 있어서, 상기 양 외면에 각각 형성되는 상기 제2 관통부를 상기 통류부와 구획하는 상기 환형 실링부로서의 제2 환형 실링부를 구비하고,
    상기 제2 관통부 및 상기 제2 환형 실링부에 의해, 상기 내부 유로를 통류하는 상기 제1 가스가 유통하는 상기 배출로가 형성되는, 전기 화학 모듈.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 기재된 전기 화학 모듈; 및
    상기 전기 화학 모듈에 환원성 성분을 함유하는 가스를 유통하는 연료 변환기, 혹은 상기 전기 화학 모듈에 의해 생성하는 환원성 성분을 함유하는 가스를 변환하는 연료 변환기;를 적어도 가지는, 전기 화학 장치.
  15. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 기재된 전기 화학 모듈; 및
    상기 전기 화학 모듈로부터 전력을 인출하거나 혹은 상기 전기 화학 모듈에 전력을 유통하는 전력 변환기;를 적어도 가지는, 전기 화학 장치.
  16. 제14항 또는 제15항에 기재된 전기 화학 장치; 및
    상기 전기 화학 장치 혹은 연료 변환기로부터 배출되는 열을 재이용하는 배열(排熱) 이용부;를 가지는, 에너지 시스템.
KR1020217034204A 2019-03-29 2020-03-27 전기 화학 모듈, 전기 화학 장치 및 에너지 시스템 KR20210143260A (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2019069391A JP7203669B2 (ja) 2019-03-29 2019-03-29 電気化学モジュール、電気化学装置及びエネルギーシステム
JPJP-P-2019-069391 2019-03-29
PCT/JP2020/014330 WO2020203895A1 (ja) 2019-03-29 2020-03-27 電気化学モジュール、電気化学装置及びエネルギーシステム

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20210143260A true KR20210143260A (ko) 2021-11-26

Family

ID=72668047

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020217034204A KR20210143260A (ko) 2019-03-29 2020-03-27 전기 화학 모듈, 전기 화학 장치 및 에너지 시스템

Country Status (7)

Country Link
US (1) US11757122B2 (ko)
EP (1) EP3951217A4 (ko)
JP (1) JP7203669B2 (ko)
KR (1) KR20210143260A (ko)
CN (1) CN113614422A (ko)
TW (1) TW202121724A (ko)
WO (1) WO2020203895A1 (ko)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2021009820A (ja) * 2019-07-02 2021-01-28 株式会社デンソー エネルギマネジメントシステム

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015153679A (ja) 2014-02-18 2015-08-24 本田技研工業株式会社 燃料電池スタック
JP2016062852A (ja) 2014-09-22 2016-04-25 本田技研工業株式会社 燃料電池スタックの組み立て方法

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3053364B2 (ja) * 1996-04-25 2000-06-19 溶融炭酸塩型燃料電池発電システム技術研究組合 燃料電池の電気絶縁ガス分配管
JPH11224684A (ja) 1998-02-06 1999-08-17 Osaka Gas Co Ltd 燃料電池
JP2000133290A (ja) * 1998-10-30 2000-05-12 Mitsubishi Plastics Ind Ltd 固体高分子型燃料電池
JP2004510311A (ja) 2000-09-27 2004-04-02 プロトン　エネルギー　システムズ，インク． 電気化学セルにおける活性領域の圧縮を維持するための装置及び方法
US7329471B2 (en) * 2002-12-10 2008-02-12 General Electric Company Methods and apparatus for assembling solid oxide fuel cells
JP2005222809A (ja) * 2004-02-05 2005-08-18 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池
JP5040043B2 (ja) * 2006-06-20 2012-10-03 トヨタ自動車株式会社 燃料電池
KR100783842B1 (ko) * 2006-12-07 2007-12-10 현대자동차주식회사 연료전지 스택의 체결 구조
EP2330674B1 (en) * 2008-10-02 2015-04-01 NGK Spark Plug Co., Ltd. Solid oxide fuel cell battery
EP2333890B1 (en) * 2009-03-17 2014-04-30 Panasonic Corporation Fuel cell stack
WO2010108530A1 (en) * 2009-03-26 2010-09-30 Topsoe Fuel Cell A/S Compression arrangement for fuel or electrolysis cells in a fuel cell stack or an electrolysis cell stack
JP5613392B2 (ja) 2009-09-08 2014-10-22 本田技研工業株式会社 燃料電池スタック
CN102723507B (zh) * 2012-05-22 2014-08-27 华中科技大学 一种外气道式平板型固体氧化物燃料电池堆及其装配方法
WO2014156314A1 (ja) * 2013-03-29 2014-10-02 日本特殊陶業株式会社 燃料電池
JP6216283B2 (ja) * 2014-04-23 2017-10-18 本田技研工業株式会社 燃料電池スタック
US11973253B2 (en) 2018-03-30 2024-04-30 Osaka Gas Co., Ltd. Electrochemical module, method for assembling electrochemical module, electrochemical device, and energy system

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015153679A (ja) 2014-02-18 2015-08-24 本田技研工業株式会社 燃料電池スタック
JP2016062852A (ja) 2014-09-22 2016-04-25 本田技研工業株式会社 燃料電池スタックの組み立て方法

Also Published As

Publication number Publication date
US20220181671A1 (en) 2022-06-09
CN113614422A (zh) 2021-11-05
TW202121724A (zh) 2021-06-01
JP7203669B2 (ja) 2023-01-13
EP3951217A4 (en) 2023-08-23
US11757122B2 (en) 2023-09-12
JP2020167129A (ja) 2020-10-08
WO2020203895A1 (ja) 2020-10-08
EP3951217A1 (en) 2022-02-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP7292259B2 (ja) 電気化学モジュール、電気化学モジュールの組立方法、電気化学装置及びエネルギーシステム
JP7353270B2 (ja) 電気化学素子、電気化学モジュール、電気化学装置およびエネルギーシステム
KR20210143260A (ko) 전기 화학 모듈, 전기 화학 장치 및 에너지 시스템
WO2020203891A1 (ja) 弾性体、電気化学モジュール、電気化学装置及びエネルギーシステム
JP7345267B2 (ja) 電気化学素子、電気化学モジュール、電気化学装置及びエネルギーシステム
WO2020203892A1 (ja) 電気化学素子、電気化学モジュール、電気化学装置及びエネルギーシステム
WO2020203894A1 (ja) 電気化学モジュール、電気化学装置及びエネルギーシステム
JP7353226B2 (ja) 電気化学モジュール、電気化学装置及びエネルギーシステム
TWI811329B (zh) 電化學元件、電化學模組、電化學裝置及能源系統
JP2022156331A (ja) 金属セパレータ、電気化学ユニット、電気化学モジュール、電気化学装置、エネルギーシステム、固体酸化物形燃料電池及び固体酸化物形電解セル