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KR20060128957A - 연료 전지 및 연료 전지 스택 - Google Patents

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KR20060128957A
KR20060128957A KR1020067015069A KR20067015069A KR20060128957A KR 20060128957 A KR20060128957 A KR 20060128957A KR 1020067015069 A KR1020067015069 A KR 1020067015069A KR 20067015069 A KR20067015069 A KR 20067015069A KR 20060128957 A KR20060128957 A KR 20060128957A
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electrolyte electrode
fuel
electrode assembly
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히로키 홈마
마사히코 이즈미
Original Assignee
혼다 기켄 고교 가부시키가이샤
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Abstract

연료 전지(10)는 전해질 전극 접합체(26) 및 상기 전해질 전극 접합체(26)를 끼운 한 쌍의 세퍼레이터(28)를 포함한다. 상기 세퍼레이터(28)의 각각은 복수의 원형 디스크(36)를 구비한다. 제1 돌기부(48) 및 제2 돌기부(52)는 원형 디스크(36)의 양면에 설치된다. 상기 제1 돌기부(48)는 상기 전해질 전극 접합체(26)의 아노드(24)에 접촉하며, 상기 제2 돌기부(52)는 상기 전해질 전극 접합체(26)의 캐소드(22)에 접촉한다. 상기 세퍼레이터(28)의 부위는 각각의 전해질 전극 접합체(26)에 대응하는 부분으로 분할된다. 상기 세퍼레이터(28)의 분할된 부분은 전해질 전극 접합체(26)를 끼우는 것에 의해 각각 연료 가스 통로(46) 및 산소-함유 가스 통로(50)를 형성한다.

Description

연료 전지 및 연료 전지 스택{FUEL CELL AND FUEL CELL STACK}
본 발명은 전해질 전극 접합체 및 상기 전해질 전극 접합체를 끼운 한 쌍의 세퍼레이터를 포함하는 연료 전지에 관한 것이다. 상기 전해질 전극 접합체는 아노드, 캐소드, 및 상기 아노드 및 상기 캐소드 사이에 개재된 전해질을 포함한다. 또한, 본 발명은 복수의 연료 전지를 적층하여 형성된 연료 전지 스택에 관한 것이다.
통상적으로, 고체 산화물 연료 전지(SOFC)는 안정화된 지르코니아와 같은 이온 전도성 고체 산화물의 전해질을 이용한다. 아노드과 캐소드 사이에는 전해질이 개재되어 전해질 전극 접합체(단위 전지)를 형성한다. 전해질 전극 접합체는 세퍼레이터(바이폴라 판) 사이에 개재된다. 사용에 있어서, 소정 수의 단위 전지 및 세퍼레이터가 서로 적층되어 연료 전지 스택을 형성한다.
연료 전지에서, 산소-함유가스 또는 공기는 캐소드에 공급된다. 산소-함유 가스의 산소는 캐소드과 전해질 사이의 경계면에서 이온화되며, 산소 이온(O2-)은 전해질을 통해 아노드을 향해 이동한다. 수소-함유 가스와 같은 연료 가스 또는 일산화탄소(CO)는 아노드에 공급된다. 산소 이온은 수소-함유 가스에 있는 수소와 반응하여 물을 생성하거나 또는 CO와 반응하여 CO2를 생성한다. 상기 반응에서 방출된 전자는 외부 회로를 통해 캐소드으로 흐르고, 직류(DC) 전기 에너지가 발생된다.
이런 유형의 연료 전지에서, 다수의 단위 전지 및 세퍼레이터가 수직으로 적층될 때, 상기 세퍼레이터 및 단위 전지의 무게가 하부에 있는 단위 전지에 작용하기 때문에, 하부에 있는 단위 전지는 바람직하지 않게 손상될 수 있다. 상기 문제점의 관점에서, 연료 전지의 각 단위 전지에 하중을 균일하게 부여하는 것이 바람직하다. 이에 관하여, 예를 들면, 일본국 특허공개공보 제2002-280052호에 기재된 구조가 알려져 있다.
도 17에 도시한 바와 같이, 일본국 특허공개공보 제2002-280052호의 기재에 의하면, 연료 전지(1)는 수직 방향으로 발전 전지(2) 및 세퍼레이터(3)를 교대로 적층하여 형성된다. 각각의 발전 전지(2)는 연료 전극층(2b), 산화제 전극층(2c), 및 상기 연료 전극층(2b) 및 상기 산화제 전극층(2c) 사이에 개재된 고체 전해질층(2a)을 포함한다. 연결 부재(4)는 적층 방향에서 세퍼레이터(3)의 외부를 통해서 연장된다. 연결 부재(4)는 세퍼레이터(3)로부터 절연된다. 세퍼레이터(3)는 고정 부재(5)에 의해 연결 부재(4)에 접속된다. 각각의 고정 부재(5)는 하나의 세퍼레이터(3) 또는 복수의 세퍼레이터(3)를 연결 부재(4)에 고정하기 위해 사용된다.
그러나, 일본국 특허공개공보 제2002-280052호의 기재에 의하면, 하중을 각 각의 발전 전지(2)에 균일하게 부여하기 위해서는, 발전 전지(2)와 더불어 연결 부재(4) 및 고정 부재(5)를 필요로 한다. 그러므로, 연료 전지(1)의 수평에서의 크기가 증가하고, 연료 전지(1)의 단위 부피당 발전량이 저하된다. 또한, 발전 전지(2)의 스택을 포함하는 연료 전지(1)를 제조하기 위하여 많은 공정이 필요하고, 연료 전지(1)의 생산 비용이 증가한다.
본 발명의 일반적인 목적은 간단하고 콤팩트한 구조를 갖는 연료 전지를 제공하는 것이며, 여기에서 하중은 밀봉이 요구되는 연료 전지의 일부에 우선적으로 부여된다.
본 발명의 주목적은 전해질 전극 접합체에 원하는 하중을 확실하게 부여하는 것이 가능한 연료 전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 연료 전지의 적층 방향에서의 하중이 각각의 전해질 전극 접합체에 대해 독립적으로 결정되는 연료 전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 추가의 또다른 목적은 효율적인 발전이 달성되는 연료 전지 스택을 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 연료 전지는 아노드에 연료 가스를 공급하기 위해서 세퍼레이터의 한 면과 전해질 전극 접합체의 각 아노드 사이에 형성된 복수의 연료 가스 통로, 캐소드에 산소-함유 가스를 공급하기 위해서 상기 세퍼레이터의 다른 면과 전해질 전극 접합체의 각 캐소드 사이에 형성된 복수의 산소-함유 가스 통로, 및 연료 가스 공급부로부터 분기되고, 연료 가스 통로에 연결되는 복수의 연료 가스 공급 채널을 포함한다.
전해질 전극 접합체를 끼운 세퍼레이터의 부위는 전해질 전극 접합체의 수에 대응하는 복수의 부분으로 분할되고, 각각의 부분은 연료 가스 통로, 산소-함유 가스 통로, 및 연료 가스 공급 채널을 형성한다.
본 발명에 따르면, 각 전해질 전극 접합체를 끼운 세퍼레이터의 부분들은 서로 분리된다. 적층 방향에서의 하중은 인접한 전해질 전극 접합체에 독립적으로 부여된다. 따라서, 전해질 전극 접합체 또는 세퍼레이터의 치수 오차는 흡수되고, 전체 세퍼레이터에서 어떠한 뒤틀림도 발생하지 않는다. 하중은 전해질 전극 접합체의 각각에 균일하게 부여된다.
또한, 전해질 전극 접합체에서 발생할 수 있는 열에 의한 뒤틀림 등이 인접한 전해질 전극 접합체에 전달되지 않는다. 그러므로, 전해질 전극 접합체들 사이에 특별한 치수 변화 흡수 기구가 필요하지 않다. 따라서, 전해질 전극 접합체는 서로 긴밀히 접촉하고, 연료 전지의 전체 크기에서의 감소가 손쉽게 달성된다.
연료 가스 공급부는 전해질 전극 접합체 및 세퍼레이터의 적층 방향으로 연장되고, 연료 전지는 조임 하중 부여 기구를 추가로 포함하며, 상기 조임 하중 부여 기구에 의해 상기 연료 가스 공급부 근처의 위치에 부여되는 하중은 상기 조임 하중 부여 기구에 의해 상기 전해질 전극 접합체에 부여되는 하중보다 큰 것이 바람직하다.
또한, 상기 연료 전지는 전해질 전극 접합체에서 반응에 소비된 반응 가스를 배기 가스로서 전해질 전극 접합체 및 세퍼레이터의 적층 방향으로 배출하기 위한 배기 가스 채널을 포함하고, 상기 연료 가스 공급 채널은 적층 방향으로 연장된 상기 배기 가스 채널을 교차하는 세퍼레이터의 면을 따라 연장하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 세퍼레이터는 단일 플레이트를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따르면, 연료 전지 스택에서, 연료 전지의 인접한 전해질 전극 접합체는 세퍼레이터 사이에 독립적으로 끼워지고, 연료 전지 스택은 적층 방향으로 연료 전지의 스택에 조임 하중을 부여하기 위한 조임 하중 부여 기구를 포함한다. 연료 가스 공급부는 연료 전지의 중심부에 형성되고, 전해질 전극 접합체는 연료 전지의 외부에 설치된다. 조임 하중 부여 기구에 의해 적층 방향에서 연료 전지의 중심부에 부여되는 하중은 조임 하중 부여 기구에 의해 적층 방향에서 연료 전지의 외부에 부여되는 하중보다 크고, 적층 방향에서 연료 전지의 외부에 부여되는 하중은 각각의 전해질 전극 접합체에 대해 독립적으로 결정된다.
본 발명에 따르면, 적층 방향에서의 조임 하중은 연료 가스 공급부 및 전해질 전극 접합체를 끼우는 부분에 독립적으로 부여된다. 조임 하중 부여 기구는 원하는 하중을 각각의 전해질 전극 접합체에 부여한다. 그러므로, 간단하고 콤팩트한 구조로, 큰 하중은 밀봉이 요구되는 부분에 선택적으로 부여되고, 상대적으로 작은 하중은 전해질 전극 접합체에 부여된다. 따라서, 원하는 밀봉성이 달성되고, 전해질 전극 접합체를 손상시키지 않고 효율적인 발전이 수행된다.
본 발명의 상기 및 다른 목적, 특징 및 장점은, 본 발명의 바람직한 실시형태를 예시적 실시예로 도시한 첨부도면을 참조하는 하기의 상세한 설명으로부터 보다 명백해진다.
도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 복수의 연료 전지를 적층하여 형성된 연료 전지 스택을 개략적으로 도시하는 사시도이다.
도 2는 연료 전지 스택이 케이싱 내에 설치되는 연료 전지 시스템의 일부를 도시하는 단면도이다.
도 3은 연료 전지를 도시하는 분해 사시도이다.
도 4는 연료 전지에서의 가스 흐름을 도시하는 일부 분해 사시도이다.
도 5는 세퍼레이터의 한 면을 도시하는 도면이다.
도 6은 상기 세퍼레이터의 다른 한 면을 도시하는 도면이다.
도 7은 세퍼레이터에 형성된 제1 및 제2 돌기부를 도시하는 사시도이다.
도 8은 연료 전지 스택을 도시하는 단면도이다.
도 9는 연료 전지의 작동을 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 10은 세퍼레이터에 고정된 통로 부재를 도시하는 도면이다.
도 11은 도 8에서의 ⅩⅠ-ⅩⅠ선에 따른, 연료 전지를 도시하는 단면도이다.
도 12는 본 발명의 제2 실시형태에 따른 연료 전지를 도시하는 분해 사시도이다.
도 13은 복수의 연료 전지를 적층하여 형성된 연료 전지 스택을 도시하는 단면도이다.
도 14는 연료 전지의 작동을 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 15는 도 7에 도시한 제1 및 제2 돌기부와 구별되는 제1 및 제2 돌기부를 도시하는 평면도이다.
도 16은 도 7 및 도 15에 도시한 제1 및 제2 돌기부와 구별되는 제1 및 제2 돌기부를 도시하는 사시도이다.
도 17은 일본국 특허공개공보 제2002-280052호에 기재된 연료 전지를 도시하는 단면도이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 복수의 연료 전지(10)를 화살표 A 방향으로 적층하여 형성된 연료 전지 스택(12)을 개략적으로 도시하는 사시도이다. 도 2는 연료 전지 스택(12)이 케이싱(14) 내에 설치되는 연료 전지 시스템(16)의 일부를 도시하는 단면도이다.
연료전지(10)는, 고정용과 이동용을 포함하는, 다양한 용도에서 사용되는 고체 산화물 연료 전지(SOFC)이다. 도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이, 연료 전지(10)는 전해질 전극 접합체(26)를 포함한다. 각 전해질 전극 접합체(26)는 캐소드(22), 아노드(24) 및 상기 캐소드(22) 및 상기 아노드(24) 사이에 개재된 전해질(전해질 판)(20)을 포함한다. 예를 들면, 전해질(20)은 안정화 지르코니아 등의 이온 전도성 고체 산화물로 구성된다. 전해질 전극 접합체(26)는 원형 디스크 형상을 갖는다. 전해질 전극 접합체(26)는 산소-함유 가스의 진입을 방지하기 위해서 적어도 그 외주 단부에 배리어(barrier) 층을 포함한다.
복수의, 예를 들면, 8개의 전해질 전극 접합체(26)가 한 쌍의 세퍼레이터(28) 사이에 개재되어 연료 전지(10)를 형성한다. 전해질 전극 접합체(26)는 세퍼레이터(28)의 중심을 통해 연장되는 연료 가스 공급 연통구멍(연료 가스 공급부)(30)과 중심이 같다.
도 3에 도시한 바와 같이, 예를 들면, 각 세퍼레이터(28)는 예를 들어 스테인리스 합금으로 된 금속 판 또는 탄소 판을 포함한다. 세퍼레이터(28)는 제1 소경(small diameter) 단부(32)를 갖는다. 연료 가스 공급 연통구멍(30)은 상기 제1 소경 단부(32)의 중심에 형성된다. 제1 소경 단부(32)는 복수의 제1 가교부(bridge)(34)를 통해 각각 상대적으로 큰 직경을 갖는 원형 디스크(36)와 일체로 형성된다. 제1 가교부(34)는 동일한 각도(간격)로 제1 소경 단부(32)로부터 바깥쪽으로 방사상으로 연장된다. 원형 디스크(36) 및 전해질 전극 접합체(26)는 대략 동일한 크기를 갖는다.
도 3, 도 5, 및 도 6에 도시한 바와 같이, 인접한 원형 디스크(36)는 슬릿(38)을 통해 서로 분리된다. 각 원형 디스크(36)는, 각각 양쪽의 인접한 원형 디스크(36)를 향해서 돌출한 연장부(40a, 40b)를 포함한다. 인접한 연장부(40a, 40b) 사이에는 공간부(42)가 형성된다. 방해판 부재(44)는, 화살표 B로 나타낸 흐름 방향 이외의 방향으로, 후술하는 산소-함유 가스 통로(50)에 산소-함유 가스가 진입하는 것을 방지하기 위해서, 각 공간부(42)에 설치된다. 방해판 부재(44)는 적층 방향에서 공간부(42)를 따라 연장된다. 도 3, 도 5, 및 도 6에 도시된 방해판 부재 (44)는 V-형상이지만, 방해판 부재(44)는 산소-함유 가스의 진입을 방지할 수 있으면 어떠한 형상이라도 가질 수 있다.
각 원형 디스크(36)는 아노드(24)과 접촉한 면(36a) 상에 제1 돌기부(48)를 갖는다. 제1 돌기부(48)는 아노드(24)의 전극면을 따라 연료 가스를 공급하기 위한 연료 가스 통로(46)를 형성한다(도 5 참조). 각 원형 디스크(36)는 캐소드(22)과 접촉한 면(36b) 상에 제2 돌기부(52)를 갖는다. 제2 돌기부(52)는 캐소드(22)의 전극면을 따라 산소-함유 가스를 공급하기 위한 산소-함유 가스 통로(50)를 형성한다(도 6 참조). 도 7에 도시한 바와 같이, 제1 돌기부(48) 및 제2 돌기부(52)는 반대 방향으로 돌출되어 있다.
본 발명의 실시 형태에서, 제1 돌기부(48)는 환형(ring shaped) 돌기이고, 제2 돌기부(52)는 산형(mountain shaped) 돌기이다(제2 돌기부(52)는 평평한 정상 면을 가지는 원뿔형을 갖는다). 제2 돌기부(산형 돌기)(52)는 제1 돌기부(환형 돌기)(48)로 둘려쌓여 있다.
제2 돌기부(52)는 제1 돌기부(48)에 대응하는 오목부(53)가 형성된 면 상에 형성된다. 그러므로, 제2 돌기부(52)는 오목부(53)에 설치된다.
본 발명의 실시 형태에서, 진원 환형을 갖는 제1 돌기부(48)의 중심축선(L1)은 제2 돌기부(52)의 중심축선(L2)과 일치한다. 달리 말하면, 제1 돌기부(48)의 중심은 제2 돌기부(52)의 중심과 동축에 있다.
도 8 및 도 9에 도시한 바와 같이, 복수의 제1 및 제2 돌기부(48, 52)가 설치되고, 제1 돌기부(48)의 높이(H1)는 제2 돌기부(52)의 높이(H2)보다 낮다 (H1<H2). 그러므로, 산소-함유 가스 통로(50)의 부피는 연료 가스 통로(46)의 부피보다 크다. 이러한 형상의 제1 및 제2 돌기부(48, 52)는 예를 들어, 프레스 형성, 에칭 공정 또는 절단 공정에 의해 형성할 수 있다.
제1 돌기부(48)가 산형 돌기이고, 제2 돌기부(52)가 환형 돌기일 수도 있다. 이러한 경우, 환형 돌기의 높이가 산형 돌기의 높이보다 높은 것이 바람직하다.
도 3 내지 도 6에 도시한 바와 같이, 연료 가스 도입구(54)가 각 원형 디스크(36)에 설치된다. 연료 가스는 연료 가스 도입구(54)를 통해서 연료 가스 통로(46) 안으로 흐른다. 연료 가스는 아노드(24)의 중심부로부터 공급된다. 연료 가스 도입구(54)의 위치는 연료 가스의 압력 및 산소-함유 가스의 압력에 의해 결정된다. 예를 들면, 연료 가스 도입구(54)는 원형 디스크(36)의 중심에 설치된다. 선택적으로, 연료 가스 도입구(54)는 화살표 B로 나타낸 산소-함유 가스의 흐름 방향에서 원형 디스크(36)의 중심으로부터 벗어난 상류 측에 설치될 수 있다.
통로 부재(56)는 캐소드(22)과 대향하는 면에 납땜이나 레이저 용접에 의해 세퍼레이터(28)에 고정된다. 도 10에 도시한 바와 같이, 통로 부재(56)는 제2 소경(small diameter) 단부(58)를 포함한다. 연료 가스 공급 연통구멍(30)은 제2 소경 단부(58)의 중심에 형성된다. 8개의 제2 가교부(60)는 제2 소경 단부(58)로부터 방사상으로 연장된다. 각각의 제2 가교부(60)는 세퍼레이터(28)의 원형 디스크(36)로 제1 가교부(34)에 고정되고, 연료 가스 도입구(54)에 이른다.
복수의 슬릿(62)은 통로 부재(56)의 제2 소경 단부(58)에 형성된다. 슬릿(62)은 세퍼레이터(28)에 연결된 제2 소경 단부(58)의 면에 방사상으로 형성된다. 슬릿(62)은 연료 가스 공급 연통구멍(30)에 연결된다. 또한, 슬릿(62)은 제2 소경 단부(58)의 외주부에 형성된 오목부(64)에 연결된다. 오목부(64)는 납땜 재료의 흐름을 방지하고, 연료 가스의 균일한 흐름을 달성한다. 복수의 연료 가스 공급 채널(66)은 제1 및 제2 가교부(34, 60) 사이에 형성된다. 각 연료 가스 공급 채널(66)은 슬릿(62) 및 오목부(64)를 통해 연료 가스 통로(46)에 연결된다. 도 11에 도시한 바와 같이, 제2 가교부(60)가 화살표 A로 나타낸 적층 방향에서 탄성적으로 변형될 수 있도록 각각의 세퍼레이터(28)에 연결된 통로 부재(56)는 만곡된 단면을 갖는다.
도 8 및 도 9에 도시한 바와 같이, 산소-함유 가스 통로(50)는 산소-함유 가스 공급부(68)에 연결된다. 산소-함유 가스는 화살표 B로 나타낸 방향에서 전해질 전극 접합체(26)의 외주 가장자리 및 원형 디스크(36)의 외주 가장자리 사이의 공간을 통해 공급된다. 산소-함유 가스 공급부(68)는 각 원형 디스크(36)의 연장부(40a, 40b) 사이에 설치된다. 인접한 연장부(40a, 40b) 사이의 공간부(42)에 설치되는 방해판 부재(44)는 산소-함유 가스 공급부(68) 이외로부터의 산소-함유 가스의 진입을 방지한다.
도 3에 도시하는 바와 같이, 전해질 전극 접합체(26)를 끼운 세퍼레이터(28)의 부위는 복수의 슬릿(38)에 의해 각각 연료 가스 통로(46), 산소-함유 가스 통로(50), 및 연료 가스 공급 채널(66)을 형성하는 부분으로 분할된다. 즉, 각각의 세퍼레이터(28)는 슬릿(38)에 의해 각각 원형 디스크(36), 및 제1 및 제2 가교부(34, 60)를 포함하는 부분으로 분할된다. 슬릿(38)의 수는 세퍼레이터(28)의 면에 설치 된 전해질 전극 접합체(26)의 수에 대응한다.
도 8에 도시하는 바와 같이, 연료 가스 공급 연통구멍(30)을 밀봉하기 위한 절연 시일(69)이 세퍼레이터(28) 사이에 설치된다. 예를 들면, 절연 시일(69)은 운모 재료, 또는 세라믹 재료로 만들어진다. 배기 가스 채널(67)은 각각의 원형 디스크(36)로부터 내부에 위치하고 적층 방향에서 연료 전지(10)를 따라서 연장된다.
도 1 및 도 2에 도시하는 바와 같이, 연료 전지 스택(12)은 서로 적층된 복수의 연료 전지(10)를 포함하고, 적층 방향의 양끝에 원형의 단부 플레이트(end plate)(70a, 70b)를 설치한다. 연료 전지 스택(12)의 연료 전지(10)는 조임 하중 부여 기구(72)에 의해 적층 방향으로 서로 조여진다.
조임 하중 부여 기구(72)는 연료 가스 공급 연통구멍(30) 근처의 위치에 제1 조임 하중 T1을 부여하기 위한 제1 조임부(74a) 및 전해질 전극 접합체(26)에 제2 조임 하중 T2를 부여하기 위한 제2 조임부(74b)를 포함한다. 제2 조임 하중 T2는 제1 조임 하중 T1보다 작다(T1 > T2).
단부 플레이트(70a)는 케이싱(14)으로부터 절연된다. 연료 가스 공급구(76)는 단부 플레이트(70a)의 중심에 설치된다. 연료 가스 공급구(76)는 각각의 연료 전지(10)에서 연료 가스 공급 연통구멍(30)에 연결된다. 단부 플레이트(70a)는 두 개의 볼트 삽입구(78a)를 구비한다. 연료 가스 공급구(76)는 두 개의 볼트 삽입구(78a) 사이에 위치한다. 볼트 삽입구(78a)는 연료 전지 스택(12)의 배기 가스 채널(67)에 상응하는 위치에 설치된다.
8개의 원형 개구부(80)는 연료 가스 공급구(76)와 중심이 같은 원형 라인을 따라 설치된다. 즉, 원형 개구부(80)는 각각의 전해질 전극 접합체(26)에 상응하는 위치에 설치된다. 원형 개구부(80)는 연료 가스 공급구(76)를 향해 연장된 구형 개구부(82)에 연결된다. 구형 개구부(82)는 배기 가스 채널(67)과 부분적으로 겹친다. 그러므로, 배기 가스는 구형 개구부(82)로부터 배출된다.
단부 플레이트(70b)는 전도성 부재이다. 도 2에 도시한 바와 같이, 접속 단자(84)는 단부 플레이트(70b)의 중심으로부터 축방향으로 돌출되어 있고, 단부 플레이트(70b)는 두 개의 볼트 삽입구(78b)를 구비한다. 접속 단자(84)는 두 개의 볼트 삽입구(78b) 사이에 위치한다. 볼트 삽입구(78a)는 볼트 삽입구(78b)와 동축상에 있다. 두 개의 조임 볼트(조임 부재)(86)는 볼트 삽입구(78a, 78b)에 삽입된다. 조임 볼트(86)는 단부 플레이트(70b)로부터 절연된다. 조임 볼트(86)의 선단은 너트(88)에 돌려 끼워넣어 제1 조임부(74a)를 형성한다. 제1 조임부(74a)는 단부 플레이트(70a, 70b) 사이의 연료 전지(10)를 조이기 위해서 원하는 조임 하중을 부여한다.
접속 단자(84)는 케이싱(14)에 고정된 출력 단자(92a)에 전기적으로 접속된다.
제2 조임부(74b)는 단부 플레이트(70a)의 각 원형 개구부(80)에 설치된다. 제2 조임부(74b)는 단자판(terminal plate)으로서 압착 부재(94)를 포함한다. 압착 부재(94)는 적층 방향에서 연료 전지 스택(12)의 끝에 전기적으로 접속한다. 스프링(96)의 한 끝은 압착 부재(94)와 접촉하고, 상기 스프링(96)의 다른 한 끝은 케이싱(14)의 내벽부에 의해 지지된다. 스프링(96)은 제1 조임 하중 T1보다 작은 스 프링 하중을 갖는다. 예를 들면, 발전시에 열의 영향을 방지하고, 절연성을 제공하기 위해 스프링(96)은 세라믹으로 만들어진다.
접속 도체(98)는 각 압착 부재(94)의 끝에 연결된다. 접속 도체(98) 및 조임 볼트(86)의 한쪽 끝은 도선(100)을 통해 전기적으로 접속된다. 상기 조임 볼트(86)의 다른 쪽 끝(헤드)은 접속 단자(84) 근처에 위치하고, 도선(102)을 통해 출력 단자(92b)에 전기적으로 접속된다. 출력 단자(92a, 92b)는 평형으로 설치되고, 서로 인접하고 있다. 출력 단자(92a, 92b)는 또한 서로 전기적으로 절연되어 있고, 케이싱(14)에 고정되어 있다.
케이싱(14)은 출력 단자(92a, 92b)에 인접한 공기 공급구(104)를 가진다. 배기구(106)는 다른 단부 플레이트(70a) 측에 설치된다. 연료 가스 공급구(108)는 배기구(106)에 인접하여 설치된다. 그러므로, 배기 가스 및 연료 가스 사이에서 열 교환된다. 연료 가스 공급구(108)는 필요에 따라 개질기(110)를 통해 연료 가스 공급 연통구멍(30)에 연결된다. 열교환기(111)는 개질기(110) 주위에 설치된다.
다음에, 연료 전지 스택(12)의 작동에 대해서 이하에 설명한다.
도 3에 도시한 바와 같이, 연료 전지(10)를 조립할 때는, 우선, 세퍼레이터(28)가 캐소드(22)에 접하고 있는 면에서 통로 부재(56)에 접합된다. 그러므로, 연료 가스 공급 연통구멍(30)에 연결된 각각의 연료 가스 공급 채널(66)은 세퍼레이터(28) 및 통로 부재(56) 사이에 형성된다. 각각의 연료 가스 공급 채널(66)은 연료 가스 도입구(54)를 통해서 연료 가스 통로(46)에 접속된다(도 8 참조). 환형 절연 시일(69)은 연료 가스 공급 연통구멍(30) 주위에서 각각의 세퍼레이터(28)에 설 치된다.
이런 식으로, 세퍼레이터(28)가 조립된다. 8개의 전해질 전극 접합체(26)가 세퍼레이터(28) 사이에 개재되어 연료 전지(10)를 형성한다. 도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이, 전해질 전극 접합체(26)는 한 세퍼레이터(28)의 면(36a) 및 다른 세퍼레이터(28)의 면(36b) 사이에 개재된다. 원형 디스크(36)의 연료 가스 도입구(54)는 각 아노드(24)의 중심에 위치한다.
복수의 연료 전지(10)가 화살표 A로 나타낸 방향으로 적층되고, 단부 플레이트(70a, 70b)가 적층 방향에서의 양단에 설치된다. 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 조임 볼트(86)가 단부 플레이트(70a, 70b)의 각각의 볼트 삽입구(78a, 78b)에 삽입된다. 조임 볼트(86)의 선단은 너트(88)에 돌려 끼운다. 그리하여, 연료 전지 스택(12)을 제조한다. 연료 전지 스택(12)의 요소들은 적층 방향에서 조임 하중 부여 기구(72)에 의해 서로 조여지고, 연료 전지 스택(12)은 케이싱(14)에 장착된다(도 2 참조).
이어서, 수소-함유 가스 등의 연료 가스는 케이싱(14)의 연료 가스 공급구(108)에 공급되고, 산소-함유 가스(이하에서는, 공기라고도 칭함)는 케이싱(14)의 공기 공급구(104)에 공급된다. 연료 가스는 개질기(110)를 통해 흐르고, 연료 전지 스택(12)의 연료 가스 공급 연통구멍(30)에 공급된다. 연료 가스는 화살표 A로 나타낸 적층 방향으로 흐르고, 각각의 연료 전지(10)에서 세퍼레이터(28)의 슬릿(62)을 통해 흘러, 연료 가스 공급 채널(66)로 도입된다(도 8 참조).
제1 및 제2 가교부(34, 60) 사이에서 연료 가스 공급 채널(66)의 하나를 따 라서 흐르는 연료 가스는 원형 디스크(36)의 연료 가스 도입구(54)를 통해서 연료 가스 통로(46)에 도입된다. 연료 가스 도입구(54)는 각각의 전해질 전극 접합체(26)에서 아노드(24)의 대략 중심 위치에 위치한다. 선택적으로, 연료 가스 도입구(54)는 화살표 B로 나타낸 산소-함유 가스의 흐름 방향에서 아노드(24)의 중심 위치로부터 벗어난 상류 측에 설치될 수 있다. 그러므로, 연료 가스는 연료 가스 도입구(54)로부터 아노드(24)의 중심부에 공급된다. 연료 가스는 아노드(24)의 중심부로부터 아노드(24)의 외주부로 흐른다(도 9 참조).
산소-함유 가스는 각각의 연료 전지(10)의 외주부에 있는 산소-함유 가스 공급부(68)에 공급된다. 산소-함유 가스는 화살표 B로 나타낸 방향에서 전해질 전극 접합체(26)의 외주부 및 원형 디스크(36)의 외주부 사이의 공간으로 유입되고, 산소-함유 가스 통로(50)를 향해 흐른다. 도 8 및 도 9에 도시한 바와 같이, 산소-함유 가스 통로(50)에는, 산소-함유 가스가 전해질 전극 접합체(26)의 캐소드(22)의 외주부의 한 쪽 끝(세퍼레이터(28)의 외부)으로부터 외주부의 다른 쪽 끝(세퍼레이터(28)의 중심부)으로 흐른다.
따라서, 전해질 전극 접합체(26)에서, 연료 가스는 아노드(24)의 중심부로부터 외주부로 흐르고, 산소-함유 가스는 캐소드(22)의 전극면 상에서 화살표 B로 나타낸 한 방향으로 흐른다(도 9 및 도 11 참조). 이 때, 산소 이온은 전기 화학 반응에 의해 전기를 발생하기 위하여 전해질(20)을 통해 아노드(24)을 향해 흐른다.
연료 전지(10)는 화살표 A로 나타낸 적층 방향에서 직렬로 접속된다. 도 2에 도시한 바와 같이, 전극 중 하나는 도선(90)을 통해 도전성 단부 플레이트(70b)의 접속 단자(84)로부터 출력 단자(92a)에 접속된다. 다른 전극은 도선(102)을 통해 조임 볼트(86)로부터 출력 단자(92b)에 접속된다. 따라서, 출력 단자(92a, 92b)로부터 전기 에너지를 수집할 수 있다.
반응에서 연료 가스 및 산소-함유 가스가 소비된 후, 연료 가스 및 산소-함유 가스는, 각 전해질 전극 접합체(26)에서, 각각 아노드(24) 및 캐소드(22)의 외주부를 향해 흐르고, 함께 혼합된다. 혼합된 가스는 배기 가스로서 세퍼레이터(28)를 통해 연장된 배기 가스 채널(67)로 유입하고, 적층 방향으로 흐른다. 이어서, 배기 가스는 배기구(106)로부터 케이싱(14)의 외부로 배출된다.
제1 실시형태에서, 세퍼레이터(28)는 전해질 전극 접합체(26)를 끼우고, 연료 가스 통로(46), 산소-함유 가스 통로(50), 및 연료 가스 공급 채널(66)을 형성한다. 세퍼레이터(28)의 부위는 슬릿(38)에 의해 한 전해질 전극 접합체(26)에 각각 대응하는 부분들로 분할된다(도 3 참조).
그러므로, 연료 전지(10)에서, 적층 방향에서의 하중은 각 전해질 전극 접합체(26)에 독립적으로 부여된다. 전해질 전극 접합체(26) 또는 세퍼레이터(28)의 치수 오차에 기인하여 각각의 전해질 전극 접합체(26)에 부여되는 하중(응력)에서의 변화는 흡수된다. 따라서, 전체 세퍼레이터(28)에서 어떠한 뒤틀림도 발생하지 않는다. 하중은 각 전해질 전극 접합체(26)에 동일하게 부여된다.
또한, 전해질 전극 접합체(26)에서 발생할 수 있는 열에 의한 뒤틀림 등이 인접한 전해질 전극 접합체(26)에 전달되지 않는다. 그러므로, 전해질 전극 접합체들(26) 사이에 특별한 치수 변화 흡수 기구가 필요하지 않다. 따라서, 전해질 전극 접합체(26)는 서로 긴밀히 접촉하고, 연료 전지(10)의 전체 크기에서의 감소가 손쉽게 달성된다.
또한, 제1 실시 형태에서는, 제1 및 제2 가교부(34, 60)는 배기 가스 채널(67)에 설치된다. 제1 및 제2 가교부(34, 60) 사이에 형성된 연료 가스 공급 채널(66)은 적층 방향으로 연장한 배기 가스 채널(67)을 교차하는 세퍼레이터(28)의 면을 따라서 연장한다. 그러므로, 연료 가스 공급 채널(66)을 통해 흐르는 연료 가스는 폐열에 의해 효과적으로 가열되고, 열 효율에서의 개선이 유리하게 달성된다.
또한, 제1 실시 형태에서는, 도 2에 도시한 바와 같이, 연료 전지 스택(12)의 연료 전지(10)는 조임 하중 부여 기구(72)에 의해 서로 조여진다. 조임 하중 부여 기구(72)는 각 전해질 전극 접합체(26)에 원하는 하중을 부여한다. 또한, 세퍼레이터(28)의 부위는 제1 및 제2 가교부(34,60)에 의해 연료 가스 공급 연통구멍(30) 근처의 부분 및 전해질 전극 접합체(26)를 끼우고 연료 가스 통로(46) 및 산소-함유 가스 통로(50)를 형성하는 부분으로 분리된다. 적층 방향에서의 조임 하중은 연료 가스 공급 연통구멍(30) 근처의 부분 및 전해질 전극 접합체(26)를 끼우고 연료 가스 통로(46) 및 산소-함유 가스 통로(50)를 형성하는 부분에 독립적으로 부여된다.
특히, 연료 가스 공급 연통구멍(30)에 대한 원하는 밀봉성을 유지하기 위해 큰 조임 하중(제1 조임 하중 T1)이 연료 가스 공급 연통구멍(30) 근처의 부분에 부여된다. 상대적으로 작은 조임 하중(제2 조임 하중 T2)은 전해질 전극 접합체(26)를 끼우는 부분에 부여되어, 전해질 전극 접합체(26)의 어떠한 손상 등도 없이, 집 전성을 향상시키기 위해 세퍼레이터(28)가 전해질 전극 접합체(26)에 단단하게 접촉하도록 한다.
간단하고 콤팩트한 구조로, 원하는 밀봉성이 달성되고, 전해질 전극 접합체(26)의 손상은 방지된다. 따라서, 효과적인 발전이 유리하게 수행된다.
도 12는 본 발명의 제2 실시형태에 따른 연료 전지(120)를 도시하는 분해 사시도이다. 도 13은 복수의 연료 전지(120)를 적층하여 형성된 연료 전지 스택(122)을 도시하는 단면도이다. 도 14는 연료 전지(120)의 작동을 개략적으로 도시하는 단면도이다. 제1 실시 형태에 따른 연료 전지(10)와 동일한 구성 요소에는 동일한 참조 부호를 부여하고, 그 상세한 설명은 생략한다.
통로 부재(124)는, 아노드(24)에 대향하는 면에서, 연료 전지(120)의 각 세퍼레이터(28)에 고정된다. 통로 부재(124)는 세퍼레이터(28)의 제1 가교부(34)에 고정된 제2 가교부(126)를 포함한다. 복수의 연료 가스 공급 채널(66)이 제1 및 제2 가교부(34, 126) 사이에 형성된다. 각 제2 가교부(126)의 선단은 전해질 전극 접합체(26)의 아노드(24)의 중심 근처의 위치에서 종단한다. 복수의 연료 가스 도입구(128)는 제2 가교부(126)의 선단에 형성된다. 연료 가스는 연료 가스 도입구(128)를 통해 아노드(24)을 향해 흐른다. 세퍼레이터(28)의 원형 디스크(36)는 제1 실시 형태의 연료 가스 도입구(54)를 갖지 않는다.
본 발명의 제2 실시 형태에서는, 연료 가스 공급 연통구멍(30)에 공급되는 연료 가스는 세퍼레이터(28) 및 통로 부재(124) 사이에 있는 연료 가스 공급 채널(66)을 따라 흐른다. 이어서, 연료 가스는 통로 부재(124)의 선단에 형성된 연료 가스 도입구(128)를 통해 아노드(24)을 향해 흐른다.
제1 및 제2 실시 형태에서는, 도 7에 도시한 바와 같이, 제1 돌기부(48)는 진원의 환형(고리 형상)을 가진다. 선택적으로, 예를 들면, 도 15에 도시한 바와 같이, 제1 돌기부(48)(오목부(53))는 타원 환형을 가질 수 있다. 이러한 경우, 장경 "a"과 단경 "b"의 교점이 제1 돌기부(48)의 중심이고, 만약 상기 중심을 통과하여 연장되는 축선이 제2 돌기부(52)의 중심축선과 일치하면, "제1 및 제2 돌기부(48, 52)는 동축이다" 라고 한다.
도 7에 도시한 예시에서, 제2 돌기부(52)는 원뿔 형상을 가지며, 그 정상 면은 평평하다. 수평 방향에서(예를 들어, 정상 면) 제2 돌기부(52)의 단면은 진원 형상을 갖는다. 그러나, 본 발명의 "산형 돌기"는 이러한 점에 한정되는 것은 아니다. 산형 돌기는 수직 단면(돌기의 높이에 따른 단면)이 사다리꼴 형상을 갖는 돌기를 포함할 수 있다. 즉, 산형 돌기는 수평 방향의 단면(예를 들어, 정상 면)이 타원 형상인 돌기를 포함할 수 있다.
또한, 도 7에서, 제1 및 제2 돌기부(48, 52)는 동축에 있으며, 즉, 환형 제1 돌기부(48)의 중심축선(L1)은 제2 돌기부(52)의 중심축선(L2)과 일치한다. 그러나, 제1 돌기부(48)의 중심축선(L1)이 제2 돌기부(52)의 중심축선(L2)과 일치하는 것이 필수적인 것은 아니며, 즉, 제1 및 제2 돌기부(48, 52)가 반드시 서로 동축에 있을 필요는 없다. 예를 들면, 도 16에 도시한 바와 같이, 제2 돌기부(52)의 중심축선(L2)은 제1 돌기부(48)의 중심축선(L1)으로부터 벗어나 있어도 된다. 이 경우 제1 돌기부(48)는 타원 환형을 가질 수 있고, 제2 돌기부(52)는 수평 단면이 타원 형상 을 가질 수 있음은 당연한 것이다.
본 발명은 바람직한 실시 형태를 참조로 특별하게 도시되고 기술되지만, 첨부된 특허청구범위로 한정된 바와 같이 본 발명의 사상과 범위로부터 이탈하지 않고 기술분야에서의 당업자에 의해 각종 변화와 변형이 이루어질 수 있다는 것이 이해될 것이다.

Claims (19)

  1. 복수의 전해질 전극 접합체(26) 및 상기 전해질 전극 접합체(26)를 끼운 세퍼레이터(28)를 포함하는 연료 전지(10)에 있어서, 상기 전해질 전극 접합체(26)는 각각 아노드(24), 캐소드(22), 및 상기 아노드(24) 및 상기 캐소드(22) 사이에 개재된 전해질(20)을 포함하고, 여기서
    복수의 연료 가스 통로(46)가, 상기 아노드(24)에 연료 가스를 공급하기 위해서, 상기 세퍼레이터(28)의 한 면과 상기 전해질 전극 접합체(26)의 각 아노드(24) 사이에 형성되고;
    복수의 산소-함유 가스 통로(50)가, 상기 캐소드(22)에 산소-함유 가스를 공급하기 위해서, 상기 세퍼레이터(28)의 다른 면과 상기 전해질 전극 접합체(26)의 각 캐소드(22) 사이에 형성되고;
    복수의 연료 가스 공급 채널(66)이 연료 가스 공급부(30)로부터 분기되어, 상기 연료 가스 통로(46)에 연결되며; 또한
    상기 전해질 전극 접합체(26)를 끼운 상기 세퍼레이터(28)의 부위는 상기 전해질 전극 접합체(26)의 수에 대응하는 복수의 부분으로 분할되고, 상기 복수의 부분은 각각 상기 연료 가스 통로(46), 상기 산소-함유 가스 통로(50), 및 상기 연료 가스 공급 채널(66)을 형성하는 연료 전지(10).
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 연료 가스 공급부(30)는 상기 전해질 전극 접합체(26) 및 상기 세퍼레이터(28)의 적층 방향으로 연장되고, 또한 상기 연료 전지(10)는 조임 하중 부여 기구(72)를 추가로 포함하며, 상기 조임 하중 부여 기구(72)에 의해 상기 연료 가스 공급부(30) 근처의 위치에 부여되는 하중은 상기 조임 하중 부여 기구(72)에 의해 상기 전해질 전극 접합체(26)에 부여되는 하중보다 큰 연료 전지(10).
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 전해질 전극 접합체(26)에서 반응에 소비된 반응 가스를, 배기 가스로서, 상기 전해질 전극 접합체(26) 및 상기 세퍼레이터(28)의 적층 방향으로 배출하기 위한 배기 가스 채널(67)을 추가로 포함하고; 또한
    상기 연료 가스 공급 채널(66)은 적층 방향으로 연장된 상기 배기 가스 채널(67)을 교차하는 상기 세퍼레이터(28)의 면을 따라 연장하는 연료 전지(10).
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 세퍼레이터(28)는 단일 플레이트를 포함하는 연료 전지(10).
  5. 청구항 1 내지 청구항 4의 어느 한 항에 있어서, 제1 돌기부(48)가 상기 세퍼레이터(28)의 한 면에 설치되고, 제2 돌기부(52)가 상기 세퍼레이터(28)의 다른 면에 설치되며; 또한
    상기 연료 가스 통로(46)는 상기 제1 돌기부(48) 및 상기 세퍼레이터(28) 사이에 형성되고, 상기 산소-함유 가스 통로(50)는 상기 제2 돌기부(52) 및 상기 세퍼레이터(28) 사이에 형성되는 연료 전지(10).
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 제1 및 제2 돌기부(48, 52) 중 하나는 고리형(annular) 돌기이고, 상기 제1 및 제2 돌기부(48, 52) 중 다른 하나는 산형(mountain shaped) 돌기인 연료 전지(10).
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 산형 돌기는 상기 고리형 돌기에 의해 형성된 오목부(recess)(53)에 설치되는 연료 전지(10).
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 산형 돌기 및 상기 고리형 돌기는 서로 동축에 있는 연료 전지(10).
  9. 청구항 7 또는 청구항 8에 있어서, 상기 오목부(53)는 진원 형상을 가지는 연료 전지(10).
  10. 청구항 7 또는 청구항 8에 있어서, 상기 오목부(53)는 타원 형상을 가지는 연료 전지(10).
  11. 청구항 6 내지 청구항 10의 어느 한 항에 있어서, 상기 산형 돌기의 수직 단면은 사다리꼴 형상을 가지는 연료 전지(10).
  12. 적층 방향으로 복수의 연료 전지(10)를 적층하여 형성된 연료 전지 스택(12)에 있어서, 상기 연료 전지(10)는 각각 전해질 전극 접합체(26) 및 상기 전해질 전극 접합체(26)를 끼운 한 쌍의 세퍼레이터(28)를 포함하고, 상기 전해질 전극 접합체(26)는 각각 아노드(24), 캐소드(22), 및 상기 아노드(24) 및 상기 캐소드(22) 사이에 개재된 전해질(20)을 포함하며, 여기에서
    상기 연료 전지(10)의 인접한 전해질 전극 접합체(26)는 상기 세퍼레이터(28) 사이에 독립적으로 끼워지고;
    상기 연료 전지 스택(12)은 적층 방향에서 상기 연료 전지(10)에 조임 하중을 부여하기 위한 조임 하중 부여 기구(72)를 추가로 포함하며;
    연료 가스 공급부(30)가 상기 연료 전지(10)의 중심부에 형성되고, 상기 전해질 전극 접합체(26)는 상기 연료 전지(10)의 외부에 설치되고; 또한
    상기 조임 하중 부여 기구(72)에 의해 적층 방향에서 상기 연료 전지(10)의 상기 중심부에 부여되는 하중은 상기 조임 하중 부여 기구(72)에 의해 적층 방향에서 상기 연료 전지(10)의 상기 외부에 부여되는 하중보다 크고, 적층 방향에서 상기 연료 전지(10)의 상기 외부에 부여되는 하중이 각각의 상기 전해질 전극 접합체(26)에 대해 독립적으로 결정되는 연료 전지 스택(12).
  13. 청구항 12에 있어서,
    제1 돌기부(48)가 상기 세퍼레이터(28)의 한 면에 설치되고, 제2 돌기부(52)는 상기 세퍼레이터(28)의 다른 면에 설치되며; 또한
    상기 연료 가스 통로(46)는 상기 제1 돌기부(48) 및 상기 세퍼레이터(28) 사이에 형성되고, 상기 산소-함유 가스 통로(50)는 상기 제2 돌기부(52) 및 상기 세퍼레이터(28) 사이에 형성되는 연료 전지 스택(12).
  14. 청구항 13에 있어서, 상기 제1 및 제2 돌기부(48, 52) 중 하나는 고리형 돌 기이고, 상기 제1 및 제2 돌기부(48, 52) 중 다른 하나는 산형 돌기인 연료 전지 스택(12).
  15. 청구항 14에 있어서, 상기 산형 돌기는 상기 고리형 돌기에 의해 형성된 오목부(53)에 설치되는 연료 전지 스택(12).
  16. 청구항 15에 있어서, 상기 산형 돌기 및 상기 고리형 돌기는 서로 동축에 있는 연료 전지 스택(12).
  17. 청구항 15 또는 청구항 16에 있어서, 상기 오목부(53)는 진원 형상을 가지는 연료 전지 스택(12).
  18. 청구항 15 또는 청구항 16에 있어서, 상기 오목부(53)는 타원 형상을 가지는 연료 전지 스택(12).
  19. 청구항 14 내지 청구항 18의 어느 한 항에 있어서, 상기 산형 돌기의 수직 단면은 사다리꼴 형상을 가지는 연료 전지 스택(12).
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