JPH10312818A - 固体電解質型燃料電池 - Google Patents
固体電解質型燃料電池Info
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- JPH10312818A JPH10312818A JP9123621A JP12362197A JPH10312818A JP H10312818 A JPH10312818 A JP H10312818A JP 9123621 A JP9123621 A JP 9123621A JP 12362197 A JP12362197 A JP 12362197A JP H10312818 A JPH10312818 A JP H10312818A
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- 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
Landscapes
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Abstract
(57)【要約】
【課題】燃料ガスと酸化剤ガスのクロスリークによる損
傷の恐れがなく、安定して運転できるものとする。 【解決手段】セル基板11の上にアノード層12、電解
質層13、カソード層14を形成してなるセル10を、
燃料ガス通流溝20と酸化剤ガス通流溝を備えたセパレ
ータ15と積層して燃料電池を構成するものにおいて、
セパレータ15の一面に設けられた凹み部に、セル10
のセル基板11を埋設して組み込み、セル基板11の側
面がセパレータ15に覆われるように配して、セル基板
11に導かれた反応ガスの側面からの漏洩を防止する。
傷の恐れがなく、安定して運転できるものとする。 【解決手段】セル基板11の上にアノード層12、電解
質層13、カソード層14を形成してなるセル10を、
燃料ガス通流溝20と酸化剤ガス通流溝を備えたセパレ
ータ15と積層して燃料電池を構成するものにおいて、
セパレータ15の一面に設けられた凹み部に、セル10
のセル基板11を埋設して組み込み、セル基板11の側
面がセパレータ15に覆われるように配して、セル基板
11に導かれた反応ガスの側面からの漏洩を防止する。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は固体電解質型燃料
電池、特に基板上に電解質層と電極層を積層して形成さ
れるセルを用いる平板型支持膜方式の固体電解質型燃料
電池に関する。
電池、特に基板上に電解質層と電極層を積層して形成さ
れるセルを用いる平板型支持膜方式の固体電解質型燃料
電池に関する。
【0002】
【従来の技術】ジルコニア等の酸化物固体電解質を用い
る固体電解質型燃料電池は、その作動温度がおよそ1000
℃と高温であるため、発電効率が高い上に触媒が不要で
あり、また電解質が固体であるため取り扱いが容易であ
るなどの特徴を備えており、将来の発電システムを担う
ものとして期待されている。
る固体電解質型燃料電池は、その作動温度がおよそ1000
℃と高温であるため、発電効率が高い上に触媒が不要で
あり、また電解質が固体であるため取り扱いが容易であ
るなどの特徴を備えており、将来の発電システムを担う
ものとして期待されている。
【0003】しかしながら、固体電解質型燃料電池は、
セラミックスが主要構成材料であるために熱衝撃や熱応
力により破損しやすく、またガスの適切なシール方法が
ないため実現が困難であった。そのため、特殊な形状で
ある円筒型の燃料電池が考案され、これらの課題の解決
が図られているが、円筒型は平板型と比較して原理的に
単位体積当たりの出力密度が低くなることが指摘されて
いる。一方、高出力密度が期待される平板型において
は、大面積化して大出力を得る方式として、セル基板に
電極層と固体電解質層を形成する支持膜方式が提案され
てきている。
セラミックスが主要構成材料であるために熱衝撃や熱応
力により破損しやすく、またガスの適切なシール方法が
ないため実現が困難であった。そのため、特殊な形状で
ある円筒型の燃料電池が考案され、これらの課題の解決
が図られているが、円筒型は平板型と比較して原理的に
単位体積当たりの出力密度が低くなることが指摘されて
いる。一方、高出力密度が期待される平板型において
は、大面積化して大出力を得る方式として、セル基板に
電極層と固体電解質層を形成する支持膜方式が提案され
てきている。
【0004】図8は、従来より用いられている平板型支
持膜方式の固体電解質型燃料電池の基本構成を示す分解
斜視図である。平板の外縁部に燃料ガス通流孔5と酸化
剤ガス通流孔6とを備えた、ニッケルとイットリア安定
化ジルコニアのサーメットからなるアノード多孔質基板
1の上に、イットリア安定化ジルコニアからなる固体電
解質層2とランタンマンガナイトからなるカソード層3
を、プラズマ溶射法等の方法を用いて順次形成すること
によりセル4が構成されている。このように構成したセ
ル4の側面にガラスペーストを塗布したのち、パイレッ
クスガラスからなるシール材8を介装しながら、Ni−
Cr合金からなるセパレータ7と交互に積層することに
より電池積層体が構成されている。シール材8およびセ
パレータ7には、いずれにもセル4の燃料ガス通流孔5
と酸化剤ガス通流孔6とに連通する通流孔が設けられて
おり、さらにセパレータ7には、セル4のアノード多孔
質基板1に対向する面に、複数の燃料ガス通流溝9が、
またカソード層3に対向する面に、燃料ガス通流溝9と
直交する方向に伸びる図示しない酸化剤ガス通流溝が備
えられている。
持膜方式の固体電解質型燃料電池の基本構成を示す分解
斜視図である。平板の外縁部に燃料ガス通流孔5と酸化
剤ガス通流孔6とを備えた、ニッケルとイットリア安定
化ジルコニアのサーメットからなるアノード多孔質基板
1の上に、イットリア安定化ジルコニアからなる固体電
解質層2とランタンマンガナイトからなるカソード層3
を、プラズマ溶射法等の方法を用いて順次形成すること
によりセル4が構成されている。このように構成したセ
ル4の側面にガラスペーストを塗布したのち、パイレッ
クスガラスからなるシール材8を介装しながら、Ni−
Cr合金からなるセパレータ7と交互に積層することに
より電池積層体が構成されている。シール材8およびセ
パレータ7には、いずれにもセル4の燃料ガス通流孔5
と酸化剤ガス通流孔6とに連通する通流孔が設けられて
おり、さらにセパレータ7には、セル4のアノード多孔
質基板1に対向する面に、複数の燃料ガス通流溝9が、
またカソード層3に対向する面に、燃料ガス通流溝9と
直交する方向に伸びる図示しない酸化剤ガス通流溝が備
えられている。
【0005】外部より供給される燃料ガスは一方の燃料
ガス通流孔5を通流して電池積層体の内部へと送られ、
各セパレータ7の燃料ガス通流溝9を分流して流れた
後,もう一方の燃料ガス通流孔5を通流して外部へと排
出される。同様に、酸化剤ガスも、一方の酸化剤ガス通
流孔6より供給され、酸化剤ガス通流溝を分流して流れ
た後、もう一方の酸化剤ガス通流孔6より排出される。
燃料ガス通流溝9を流れる燃料ガスは、アノード多孔質
基板1の内部を拡散して固体電解質層2へと到達する。
また、酸化剤通流溝を流れる酸化剤ガスは、カソード層
3において還元され、酸素イオンとなって固体電解質層
2の内部を拡散し、アノード多孔質基板1との界面にお
いて燃料ガスの水素と反応して水を生成する。
ガス通流孔5を通流して電池積層体の内部へと送られ、
各セパレータ7の燃料ガス通流溝9を分流して流れた
後,もう一方の燃料ガス通流孔5を通流して外部へと排
出される。同様に、酸化剤ガスも、一方の酸化剤ガス通
流孔6より供給され、酸化剤ガス通流溝を分流して流れ
た後、もう一方の酸化剤ガス通流孔6より排出される。
燃料ガス通流溝9を流れる燃料ガスは、アノード多孔質
基板1の内部を拡散して固体電解質層2へと到達する。
また、酸化剤通流溝を流れる酸化剤ガスは、カソード層
3において還元され、酸素イオンとなって固体電解質層
2の内部を拡散し、アノード多孔質基板1との界面にお
いて燃料ガスの水素と反応して水を生成する。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】従来の平板型支持膜方
式の固体電解質型燃料電池においては、上記のごとく電
池積層体を構成することにより、燃料ガスと酸化剤ガス
を気密に分離して、各電極層へと供給し電気化学反応に
より発電を行っている。しかしながら、本構成において
は、上述のごとく、セル4の側面にガラスペーストを塗
布することにより燃料ガスあるいは酸化剤ガスの漏洩を
防止しているが、ガラスペーストは必ずしもシール性能
が十分でなく、特に熱サイクルを受けるとシール性能が
劣化してしまうという難点がある。また、セル4とセパ
レータ7との間に介装されるシール材8もパイレックス
ガラスで形成されているので、同様に熱サイクルに弱
く、過度の熱サイクルを受けるとシール性能が劣化し、
燃料ガスと酸化剤ガスのクロスリークを生じる危険性が
ある。このように、燃料ガスと酸化剤ガスのクロスリー
クが生じると、電池特性が大幅に低下するばかりでな
く、最悪の場合には電池積層体の損傷を引き起こすこと
となる。
式の固体電解質型燃料電池においては、上記のごとく電
池積層体を構成することにより、燃料ガスと酸化剤ガス
を気密に分離して、各電極層へと供給し電気化学反応に
より発電を行っている。しかしながら、本構成において
は、上述のごとく、セル4の側面にガラスペーストを塗
布することにより燃料ガスあるいは酸化剤ガスの漏洩を
防止しているが、ガラスペーストは必ずしもシール性能
が十分でなく、特に熱サイクルを受けるとシール性能が
劣化してしまうという難点がある。また、セル4とセパ
レータ7との間に介装されるシール材8もパイレックス
ガラスで形成されているので、同様に熱サイクルに弱
く、過度の熱サイクルを受けるとシール性能が劣化し、
燃料ガスと酸化剤ガスのクロスリークを生じる危険性が
ある。このように、燃料ガスと酸化剤ガスのクロスリー
クが生じると、電池特性が大幅に低下するばかりでな
く、最悪の場合には電池積層体の損傷を引き起こすこと
となる。
【0007】本発明の目的は、発電運転に伴って熱サイ
クルを受けても、セルの燃料ガス系と酸化剤ガス系とが
互いに気密にシールされ、燃料ガスと酸化剤ガスのクロ
スリークによる損傷を生じる恐れがなく、安定して運転
できる固体電解質型燃料電池を提供することにある。
クルを受けても、セルの燃料ガス系と酸化剤ガス系とが
互いに気密にシールされ、燃料ガスと酸化剤ガスのクロ
スリークによる損傷を生じる恐れがなく、安定して運転
できる固体電解質型燃料電池を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明においては、 (1)アノード層およびカソード層を両主面に備えた固
体電解質層をセル基板上に配してなるセルと、両主面に
反応ガスの通流溝を備えたガス不透過性のセパレータと
を積層して燃料電池本体を構成し、一方の通流溝に燃料
ガスを導入してアノード層に導き、もう一方の通流溝に
酸化剤ガスを導入してカソード層に導き電気化学反応に
より発電する固体電解質型燃料電池において、 (イ)セル基板をセパレータの凹部に埋設して積層する
こととする。
めに、本発明においては、 (1)アノード層およびカソード層を両主面に備えた固
体電解質層をセル基板上に配してなるセルと、両主面に
反応ガスの通流溝を備えたガス不透過性のセパレータと
を積層して燃料電池本体を構成し、一方の通流溝に燃料
ガスを導入してアノード層に導き、もう一方の通流溝に
酸化剤ガスを導入してカソード層に導き電気化学反応に
より発電する固体電解質型燃料電池において、 (イ)セル基板をセパレータの凹部に埋設して積層する
こととする。
【0009】(ロ)あるいは、セパレータに一体化して
接合されたセル基板の上に、アノード層、電解質層、カ
ソード層を、上記の順序、あるいは上記の逆の順序で、
順次形成することによりセルを構成することとする。 (2)セパレータの一主面の凹部に埋設されたセル基板
の上にセルが形成されてなり、これを複数積層した積層
体からなる固体電解質型燃料電池において、 (イ)上記のセパレータの少なくとも一辺に凹型の切り
欠き部を形成し、この切り欠き部の連続により形成され
る積層体側端の凹み部を板状のマニホールド構造体で覆
うことにより形成される空間をマニホールドとし、各セ
パレータをそれぞれ上記のマニホールド構造体に結合す
ることとする。
接合されたセル基板の上に、アノード層、電解質層、カ
ソード層を、上記の順序、あるいは上記の逆の順序で、
順次形成することによりセルを構成することとする。 (2)セパレータの一主面の凹部に埋設されたセル基板
の上にセルが形成されてなり、これを複数積層した積層
体からなる固体電解質型燃料電池において、 (イ)上記のセパレータの少なくとも一辺に凹型の切り
欠き部を形成し、この切り欠き部の連続により形成され
る積層体側端の凹み部を板状のマニホールド構造体で覆
うことにより形成される空間をマニホールドとし、各セ
パレータをそれぞれ上記のマニホールド構造体に結合す
ることとする。
【0010】(ロ)あるいは、上記の積層体の少なくと
も一つの側面に断面形状が凹型であるマニホールド構造
体を設けて、側面とマニホールド構造体で囲まれた空間
をマニホールドとし、 各セパレータをそれぞれ上記の
マニホールド構造体に結合することとする。 (3)あるいは、アノード層およびカソード層を両主面
に備えた固体電解質層をセル基板上に配してなるセルを
ガス不透過性の平板状セパレータ上に設けてこれを金属
フェルトを介して複数積層した固体電解質型燃料電池に
おいて、上記のセパレータの一主面にセル基板を埋設す
るための凹み部を備え、この凹み部の底面に、セパレー
タの一辺から反応ガスを導入して面内を通流させた後同
一辺から排出させる往復流路からなる反応ガス通流溝を
形成し、上記の凹み部に埋設されかつ一体に接合された
セル基板の上に、アノード層、電解質層、カソード層
を、その順序あるいはその逆の順序で、順次形成するこ
とにより、セルを構成し、燃料ガスおよび酸化剤ガスの
いずれか一方を前記金属フェルト間に、他方を前記反応
ガス通流溝に通流させることとする。
も一つの側面に断面形状が凹型であるマニホールド構造
体を設けて、側面とマニホールド構造体で囲まれた空間
をマニホールドとし、 各セパレータをそれぞれ上記の
マニホールド構造体に結合することとする。 (3)あるいは、アノード層およびカソード層を両主面
に備えた固体電解質層をセル基板上に配してなるセルを
ガス不透過性の平板状セパレータ上に設けてこれを金属
フェルトを介して複数積層した固体電解質型燃料電池に
おいて、上記のセパレータの一主面にセル基板を埋設す
るための凹み部を備え、この凹み部の底面に、セパレー
タの一辺から反応ガスを導入して面内を通流させた後同
一辺から排出させる往復流路からなる反応ガス通流溝を
形成し、上記の凹み部に埋設されかつ一体に接合された
セル基板の上に、アノード層、電解質層、カソード層
を、その順序あるいはその逆の順序で、順次形成するこ
とにより、セルを構成し、燃料ガスおよび酸化剤ガスの
いずれか一方を前記金属フェルト間に、他方を前記反応
ガス通流溝に通流させることとする。
【0011】上記(1)の(イ)のごとくとすれば、セ
ル基板の側面がセパレータの凹部の壁面に密接して配さ
れることとなるので、セパレータの通流溝に導入され、
セル基板の内部へ拡散した反応ガスのセル基板の側面か
らの漏れが防止されることとなる。したがって、本構成
においては、側面からのガスの漏れに起因するガスのク
ロスリークによる電池特性の劣化が回避されることとな
る。
ル基板の側面がセパレータの凹部の壁面に密接して配さ
れることとなるので、セパレータの通流溝に導入され、
セル基板の内部へ拡散した反応ガスのセル基板の側面か
らの漏れが防止されることとなる。したがって、本構成
においては、側面からのガスの漏れに起因するガスのク
ロスリークによる電池特性の劣化が回避されることとな
る。
【0012】また、上記(1)の(ロ)のごとくとすれ
ば、反応ガスのセル基板の側面からの漏れが防止される
ばかりでなく、セパレータとセル基板の界面からのガス
の漏れも抑制される。したがって、ガスのクロスリーク
による電池特性の劣化が回避されることとなる。また、
上記(2)の(イ)、(ロ)のごとく、セパレータの一
主面の凹部に埋設されたセル基板の上にセルを形成し、
これを複数積層して積層体を構成し、その側端にマニホ
ールド構造体を配してマニホールドを形成すれば、燃料
ガスおよび酸化剤ガスは、通流方向と直交する側面から
のガスの漏れに起因するガスのクロスリークによる電池
特性の劣化を生じることなく、マニホールドより各セル
へと安定して供給されることとなる。
ば、反応ガスのセル基板の側面からの漏れが防止される
ばかりでなく、セパレータとセル基板の界面からのガス
の漏れも抑制される。したがって、ガスのクロスリーク
による電池特性の劣化が回避されることとなる。また、
上記(2)の(イ)、(ロ)のごとく、セパレータの一
主面の凹部に埋設されたセル基板の上にセルを形成し、
これを複数積層して積層体を構成し、その側端にマニホ
ールド構造体を配してマニホールドを形成すれば、燃料
ガスおよび酸化剤ガスは、通流方向と直交する側面から
のガスの漏れに起因するガスのクロスリークによる電池
特性の劣化を生じることなく、マニホールドより各セル
へと安定して供給されることとなる。
【0013】また、上記(3)のごとくとすれば、燃料
ガスおよび酸化剤ガスは、通流方向と直交する側面から
の漏洩やセパレータとセル基板の界面からの漏洩に起因
するガスのクロスリークによる電池特性の劣化を生じる
ことなく、マニホールドより各セルへと安定して供給さ
れることとなる。
ガスおよび酸化剤ガスは、通流方向と直交する側面から
の漏洩やセパレータとセル基板の界面からの漏洩に起因
するガスのクロスリークによる電池特性の劣化を生じる
ことなく、マニホールドより各セルへと安定して供給さ
れることとなる。
【0014】
<実施例1>図1は、本発明の固体電解質型燃料電池の
実施例1の基本構成図で、(a)は分解斜視図、(b)
は断面図である。図1(a)のごとき形状のセパレータ
15、セル10、シール材17を積層して基本単位を形
成し、この基本単位を多数積層することにより本実施例
の燃料電池スタックが構成されている。
実施例1の基本構成図で、(a)は分解斜視図、(b)
は断面図である。図1(a)のごとき形状のセパレータ
15、セル10、シール材17を積層して基本単位を形
成し、この基本単位を多数積層することにより本実施例
の燃料電池スタックが構成されている。
【0015】セパレータ15は、Ni−Cr合金板に燃
料ガス通流孔18、酸化剤ガス通流孔19を形成し、ア
ノード側の面に燃料ガス通流溝20を、また相対する裏
面に燃料ガス通流溝20と直交する方向に配された図示
しない酸化剤ガス通流溝を形成して構成されており、ア
ノード側の面の周縁部の表面には、大気圧プラズマ溶射
法によりYSZ(イットリア安定化ジルコニア)を溶射
して形成された絶縁層16が、また、カソード側の表面
にはランタンストロンチウムマンガナイトからなる図示
しない酸化防止層が形成されている。また、セル10
は、Ni−Cr合金粉末をプレス法により成形し真空焼
結して作製されたセル基板11の上に、大気圧プラズマ
溶射法によりNiO−YSZ粉末を溶射してアノード層
12を、またYSZ粉末を溶射して電解質層13を形成
し、さらに電解質層13の上にランタンストロンチウム
マンガナイトをフレーム溶射してカソード層14を形成
することにより作製されている。
料ガス通流孔18、酸化剤ガス通流孔19を形成し、ア
ノード側の面に燃料ガス通流溝20を、また相対する裏
面に燃料ガス通流溝20と直交する方向に配された図示
しない酸化剤ガス通流溝を形成して構成されており、ア
ノード側の面の周縁部の表面には、大気圧プラズマ溶射
法によりYSZ(イットリア安定化ジルコニア)を溶射
して形成された絶縁層16が、また、カソード側の表面
にはランタンストロンチウムマンガナイトからなる図示
しない酸化防止層が形成されている。また、セル10
は、Ni−Cr合金粉末をプレス法により成形し真空焼
結して作製されたセル基板11の上に、大気圧プラズマ
溶射法によりNiO−YSZ粉末を溶射してアノード層
12を、またYSZ粉末を溶射して電解質層13を形成
し、さらに電解質層13の上にランタンストロンチウム
マンガナイトをフレーム溶射してカソード層14を形成
することにより作製されている。
【0016】このようにして作製したセパレータ15と
セル10、およびパイレックスガラスよりなるシール材
17を組み合わせると、図1(b)のごとき基本単位が
形成される。このとき、セル10は、セパレータ15の
燃料ガス通流溝20を形成した凹部にセル基板11が嵌
合する形で挿入されて組み合わされる。また、セル10
のカソード層14の外面がシール材17の外面と同一面
となるよう組み立てられる。したがって、カソード層1
4は、次の層の基本単位のセパレータ15の酸化剤ガス
通流溝に面して配されることとなる。
セル10、およびパイレックスガラスよりなるシール材
17を組み合わせると、図1(b)のごとき基本単位が
形成される。このとき、セル10は、セパレータ15の
燃料ガス通流溝20を形成した凹部にセル基板11が嵌
合する形で挿入されて組み合わされる。また、セル10
のカソード層14の外面がシール材17の外面と同一面
となるよう組み立てられる。したがって、カソード層1
4は、次の層の基本単位のセパレータ15の酸化剤ガス
通流溝に面して配されることとなる。
【0017】本構成では、セル基板11がセパレータ1
5の凹部に嵌合する形で組み込まれ、セル基板11の側
面がセパレータ15の壁面に密着して面することとなる
ので、燃料ガス通流溝20よりセル基板11へと拡散し
た燃料ガスの側面からの漏れが防止され、特に従来例の
ごとくシール材を塗布してシールする構造ではないの
で、劣化がなく、安定してシール性能が得られる。
5の凹部に嵌合する形で組み込まれ、セル基板11の側
面がセパレータ15の壁面に密着して面することとなる
ので、燃料ガス通流溝20よりセル基板11へと拡散し
た燃料ガスの側面からの漏れが防止され、特に従来例の
ごとくシール材を塗布してシールする構造ではないの
で、劣化がなく、安定してシール性能が得られる。
【0018】なお、本実施例では、セル基板11にアノ
ード層12、電解質層13、カソード層14を順次形成
したセル10を、セパレータ15の燃料ガス通流溝20
の側の凹部に嵌合する形で組み込むものとしているが、
この構造に限らず、セル基板にカソード層、電解質層、
アノード層の順序で順次形成してなるセルを、セパレー
タの酸化剤ガス通流溝を形成した側の凹部に嵌合する形
で組み込むものとしても、同様の効果が得られることは
例示するまでもなく明らかである。
ード層12、電解質層13、カソード層14を順次形成
したセル10を、セパレータ15の燃料ガス通流溝20
の側の凹部に嵌合する形で組み込むものとしているが、
この構造に限らず、セル基板にカソード層、電解質層、
アノード層の順序で順次形成してなるセルを、セパレー
タの酸化剤ガス通流溝を形成した側の凹部に嵌合する形
で組み込むものとしても、同様の効果が得られることは
例示するまでもなく明らかである。
【0019】<実施例2>図2は、本発明の固体電解質
型燃料電池の実施例2の基本構成を示す斜視図である。
本構成は、燃料ガス通流溝および酸化剤ガス通流溝を形
成したセパレータ27にセル基板21を接合し、その上
に、アノード層22、アノード高さ調整層25、電解質
層23、カソード層24、カソード高さ調整層26を形
成して作製されたセル基板/セパレータ一体型セルであ
る。
型燃料電池の実施例2の基本構成を示す斜視図である。
本構成は、燃料ガス通流溝および酸化剤ガス通流溝を形
成したセパレータ27にセル基板21を接合し、その上
に、アノード層22、アノード高さ調整層25、電解質
層23、カソード層24、カソード高さ調整層26を形
成して作製されたセル基板/セパレータ一体型セルであ
る。
【0020】図3は、本構成のセル基板/セパレータ一
体型セルの作製方法を示す工程説明図である。以下、図
中の分図番号に従って作製方法を説明する。 (a)まず、耐熱合金からなるセパレータ27のアノー
ド側の面に燃料ガス通流溝28とセル基板組み込み用凹
部を形成し、反対側の面に図示しない酸化剤ガス通流溝
を形成する。
体型セルの作製方法を示す工程説明図である。以下、図
中の分図番号に従って作製方法を説明する。 (a)まず、耐熱合金からなるセパレータ27のアノー
ド側の面に燃料ガス通流溝28とセル基板組み込み用凹
部を形成し、反対側の面に図示しない酸化剤ガス通流溝
を形成する。
【0021】(b)次いで、セパレータ27のセル基板
組み込み用凹部に、Ni22Crベース耐熱合金よりな
るセル基板21を置き、不活性ガス雰囲気中で昇温させ
て、セパレータ27とセル基板21を一体化する。 (c)次いで、セル基板21の上面を覆って、大気圧プ
ラズマ溶射法によってNiO−YSZ粉末を溶射し、ア
ノード層22を形成する。
組み込み用凹部に、Ni22Crベース耐熱合金よりな
るセル基板21を置き、不活性ガス雰囲気中で昇温させ
て、セパレータ27とセル基板21を一体化する。 (c)次いで、セル基板21の上面を覆って、大気圧プ
ラズマ溶射法によってNiO−YSZ粉末を溶射し、ア
ノード層22を形成する。
【0022】(d)次いで、アノード層22の両側端部
のセパレータ27の上面部分に、セパレータ27の形成
に使用の耐熱合金と同種の耐熱合金粉末を緻密に溶射し
て、アノード層22との高さを調整するアノード高さ調
整層25を形成する。 (e)次いで、アノード層22、アノード高さ調整層2
5の上面に、YSZをプラズマ溶射して固体電解質体よ
りなる電解質層23を形成する。
のセパレータ27の上面部分に、セパレータ27の形成
に使用の耐熱合金と同種の耐熱合金粉末を緻密に溶射し
て、アノード層22との高さを調整するアノード高さ調
整層25を形成する。 (e)次いで、アノード層22、アノード高さ調整層2
5の上面に、YSZをプラズマ溶射して固体電解質体よ
りなる電解質層23を形成する。
【0023】(f)次いで、電解質層23の上面に、ラ
ンタンストロンチウムマンガナイトをプラズマ溶射し
て、カソード層24を形成する。 (g)次いで、カソード層24の両側端部に、セパレー
タ27に用いられている耐熱合金と同種の耐熱合金粉末
を緻密に溶射して、カソード高さ調整層26を形成す
る。
ンタンストロンチウムマンガナイトをプラズマ溶射し
て、カソード層24を形成する。 (g)次いで、カソード層24の両側端部に、セパレー
タ27に用いられている耐熱合金と同種の耐熱合金粉末
を緻密に溶射して、カソード高さ調整層26を形成す
る。
【0024】(h)次いで、セパレータ27の酸化剤ガ
ス通流溝が形成された面の表面に、ランタンストロンチ
ウムマンガナイトをプラズマ溶射して、耐熱性保護膜3
0を形成する。 このような方法により形成されたセル基板/セパレータ
一体型セルにおいては、セル基板21の側面はセパレー
タ27の壁面に密着して配されているので、セル基板2
1の側面に従来例のごときシール材を形成しなくともガ
スの漏洩を防止することができる。また、セル基板21
とセパレータ27が一体化されているので、セル基板2
1とセパレータ27との界面に従来のごときシール材を
配さなくとも安定したシール性能が得られる。さらに、
本構成においては、一体化構成としたことにより、セル
基板21とセパレータ27との界面の接触抵抗が小さく
なる。また、セパレータ27により支持されるので、セ
ル基板21を薄くすることが可能となる。したがって、
燃料ガスの拡散が容易となり、燃料利用率を向上させる
ことができる。
ス通流溝が形成された面の表面に、ランタンストロンチ
ウムマンガナイトをプラズマ溶射して、耐熱性保護膜3
0を形成する。 このような方法により形成されたセル基板/セパレータ
一体型セルにおいては、セル基板21の側面はセパレー
タ27の壁面に密着して配されているので、セル基板2
1の側面に従来例のごときシール材を形成しなくともガ
スの漏洩を防止することができる。また、セル基板21
とセパレータ27が一体化されているので、セル基板2
1とセパレータ27との界面に従来のごときシール材を
配さなくとも安定したシール性能が得られる。さらに、
本構成においては、一体化構成としたことにより、セル
基板21とセパレータ27との界面の接触抵抗が小さく
なる。また、セパレータ27により支持されるので、セ
ル基板21を薄くすることが可能となる。したがって、
燃料ガスの拡散が容易となり、燃料利用率を向上させる
ことができる。
【0025】<実施例3>図4は、本発明の固体電解質
型燃料電池の実施例3の基本構成を示す斜視図である。
また、図5は、本構成のセル基板/セパレータ一体型セ
ルを積層して形成された燃料電池積層体の斜視図であ
る。本実施例は、積層方向を水平方向に配して設置され
る燃料電池積層体に用いられるセル基板/セパレータ一
体型セルの例を示すもので、実施例1、2に示した一体
型セルでは、セパレータに、それぞれ燃料ガス入口マニ
ホールド、燃料ガス出口マニホールド、酸化剤ガス入口
マニホールド、酸化剤ガス出口マニホールドの4個のマ
ニホールドに対応する通流孔が設けられていたのに対し
て、本実施例に用いられているセパレータ32には、酸
化剤ガス入口マニホールドと酸化剤ガス出口マニホール
ドに対応する2個の酸化剤ガス通流孔33のみが備えら
れているのが特徴である。すなわち、本構成において
は、2個の酸化剤ガス通流孔33を備えたセパレータ3
2の一面に鉛直方向に配した複数の燃料ガス通流溝34
を、反対面に水平方向に配した複数の酸化剤ガス通流溝
35を形成し、燃料ガス通流溝34を形成した面に備え
られた凹部にセル31の基板を埋設させて、セル31と
セパレータ32を一体化して組み合わせている。したが
って、本構成においても、セル基板の側面からのガスの
漏洩、およびセル31とセパレータ32との界面からの
ガスの漏洩が効果的に防止される。なお、セル31の作
製方法として、実施例1および実施例2で述べたいずれ
の方法も用いることができるのは言うまでもない。
型燃料電池の実施例3の基本構成を示す斜視図である。
また、図5は、本構成のセル基板/セパレータ一体型セ
ルを積層して形成された燃料電池積層体の斜視図であ
る。本実施例は、積層方向を水平方向に配して設置され
る燃料電池積層体に用いられるセル基板/セパレータ一
体型セルの例を示すもので、実施例1、2に示した一体
型セルでは、セパレータに、それぞれ燃料ガス入口マニ
ホールド、燃料ガス出口マニホールド、酸化剤ガス入口
マニホールド、酸化剤ガス出口マニホールドの4個のマ
ニホールドに対応する通流孔が設けられていたのに対し
て、本実施例に用いられているセパレータ32には、酸
化剤ガス入口マニホールドと酸化剤ガス出口マニホール
ドに対応する2個の酸化剤ガス通流孔33のみが備えら
れているのが特徴である。すなわち、本構成において
は、2個の酸化剤ガス通流孔33を備えたセパレータ3
2の一面に鉛直方向に配した複数の燃料ガス通流溝34
を、反対面に水平方向に配した複数の酸化剤ガス通流溝
35を形成し、燃料ガス通流溝34を形成した面に備え
られた凹部にセル31の基板を埋設させて、セル31と
セパレータ32を一体化して組み合わせている。したが
って、本構成においても、セル基板の側面からのガスの
漏洩、およびセル31とセパレータ32との界面からの
ガスの漏洩が効果的に防止される。なお、セル31の作
製方法として、実施例1および実施例2で述べたいずれ
の方法も用いることができるのは言うまでもない。
【0026】図4に見られるように、本構成の一体型セ
ルのセパレータ32の上端には上方へ開口する凹み部3
6が、下端には下方へ突出する突出部37が備えられて
おり、本一体型セルを水平方向に積層し、図5に示した
ごとく、凹み部36を燃料ガス出口マニホールド構造体
38に、また突出部37を燃料ガス入口マニホールド構
造体39に組み合わせることにより、燃料ガス出口マニ
ホールド40、燃料ガス入口マニホールド41が形成さ
れる。また、図4に示した2個の酸化剤ガス通流孔33
は、積層に伴い、酸化剤ガス入口マニホールド42およ
び酸化剤ガス出口マニホールド43を構成することとな
る。燃料ガス出口マニホールド構造体38および燃料ガ
ス入口マニホールド構造体39は、一体型セルの凹み部
にシール材を挿入したのち燃料ガス出口マニホールド構
造体38に備えられた突出部分を嵌めあわせ、また燃料
ガス入口マニホールド構造体39に備えられた凹み部分
にシール材を挿入したのち一体型セルの突出部を嵌めあ
わせることにより一体型セルに組み込まれる。発電運転
に伴って温度が上昇すると、挿入したシール材は溶融し
て凹部の底面に滞留することとなるので、優れたシール
性能が得られることとなる。
ルのセパレータ32の上端には上方へ開口する凹み部3
6が、下端には下方へ突出する突出部37が備えられて
おり、本一体型セルを水平方向に積層し、図5に示した
ごとく、凹み部36を燃料ガス出口マニホールド構造体
38に、また突出部37を燃料ガス入口マニホールド構
造体39に組み合わせることにより、燃料ガス出口マニ
ホールド40、燃料ガス入口マニホールド41が形成さ
れる。また、図4に示した2個の酸化剤ガス通流孔33
は、積層に伴い、酸化剤ガス入口マニホールド42およ
び酸化剤ガス出口マニホールド43を構成することとな
る。燃料ガス出口マニホールド構造体38および燃料ガ
ス入口マニホールド構造体39は、一体型セルの凹み部
にシール材を挿入したのち燃料ガス出口マニホールド構
造体38に備えられた突出部分を嵌めあわせ、また燃料
ガス入口マニホールド構造体39に備えられた凹み部分
にシール材を挿入したのち一体型セルの突出部を嵌めあ
わせることにより一体型セルに組み込まれる。発電運転
に伴って温度が上昇すると、挿入したシール材は溶融し
て凹部の底面に滞留することとなるので、優れたシール
性能が得られることとなる。
【0027】<実施例4>図6は、本発明の固体電解質
型燃料電池の実施例4の基本構成を示す斜視図である。
また、図7は、本構成の要部の分解斜視図である。本構
成においては、平板状のセパレータ44の一面に形成し
た複数の酸化剤ガス通流溝45に隣接して設けた凹み部
にセル基板46を一体化して組み込み、その外面に電解
質層46、アノード層48を形成して、一体型セルを構
成し、燃料ガス通流路を形成するNiフェルトと交互に
積層することにより、燃料電池積層体が構成される。す
なわち、図7に示したごとく、セパレータ44の一面に
往復流路よりなる酸化剤ガス通流溝45を形成したの
ち、この面にランタンストロンチウムマンガナイトを溶
射し、酸化剤ガス通流溝45に隣接して設けた凹み部に
ランタンストロンチウムマンガナイト多孔質体を配し、
大気中において昇温して一体焼成する。その後、セパレ
ータ44のアノード側の面、すなわち反対面に形成され
た酸化被膜をサンドブラスト処理により除去したのち、
実施例2に記載の方法と同一の方法により、電解質層4
7、アノード層48を形成して、セル基板/セパレータ
一体型セルを得る。本構成においては、酸化剤ガスはセ
パレータ44の同一面より供給、排出され、燃料ガスは
セルとセルとの間に介装されたNiフェルトを通して供
給される。
型燃料電池の実施例4の基本構成を示す斜視図である。
また、図7は、本構成の要部の分解斜視図である。本構
成においては、平板状のセパレータ44の一面に形成し
た複数の酸化剤ガス通流溝45に隣接して設けた凹み部
にセル基板46を一体化して組み込み、その外面に電解
質層46、アノード層48を形成して、一体型セルを構
成し、燃料ガス通流路を形成するNiフェルトと交互に
積層することにより、燃料電池積層体が構成される。す
なわち、図7に示したごとく、セパレータ44の一面に
往復流路よりなる酸化剤ガス通流溝45を形成したの
ち、この面にランタンストロンチウムマンガナイトを溶
射し、酸化剤ガス通流溝45に隣接して設けた凹み部に
ランタンストロンチウムマンガナイト多孔質体を配し、
大気中において昇温して一体焼成する。その後、セパレ
ータ44のアノード側の面、すなわち反対面に形成され
た酸化被膜をサンドブラスト処理により除去したのち、
実施例2に記載の方法と同一の方法により、電解質層4
7、アノード層48を形成して、セル基板/セパレータ
一体型セルを得る。本構成においては、酸化剤ガスはセ
パレータ44の同一面より供給、排出され、燃料ガスは
セルとセルとの間に介装されたNiフェルトを通して供
給される。
【0028】本構成においても、セル基板とセパレータ
とが一体に形成されているので、セル基板46の側面か
らのガスの漏洩や、セル基板46とセパレータ44との
界面からのガスの漏洩が効果的に防止される。
とが一体に形成されているので、セル基板46の側面か
らのガスの漏洩や、セル基板46とセパレータ44との
界面からのガスの漏洩が効果的に防止される。
【0029】
【発明の効果】上述のように、本発明においては、 (1)固体電解質型燃料電池を請求項1に記載のごとく
構成することとしたので、セル基板の側面からのガス漏
洩が防止されることとなり、燃料ガスと酸化剤ガスのク
ロスリークによる損傷を生じる恐れがなく、安定して運
転できる固体電解質型燃料電池が得られることとなっ
た。
構成することとしたので、セル基板の側面からのガス漏
洩が防止されることとなり、燃料ガスと酸化剤ガスのク
ロスリークによる損傷を生じる恐れがなく、安定して運
転できる固体電解質型燃料電池が得られることとなっ
た。
【0030】(2)また、固体電解質型燃料電池を請求
項2に記載のごとく構成することとすれば、さらに、セ
ル基板とセパレータとの界面からのガス漏洩が防止さ
れ、セル基板を薄くすることが可能となるので、ガスの
クロスリークによる損傷の恐れがなく、燃料利用率の高
い固体電解質型燃料電池が得られることとなる。 (3)固体電解質型燃料電池を請求項3あるいは4に記
載のごとく構成することとすれば、セル基板の側面から
のガス漏洩による損傷が防止され、側端に設けたマニホ
ールドより安定して反応ガスが供給されるので、安定し
て運転でき、かつ組み合わせが容易な固体電解質型燃料
電池が得られることとなる。
項2に記載のごとく構成することとすれば、さらに、セ
ル基板とセパレータとの界面からのガス漏洩が防止さ
れ、セル基板を薄くすることが可能となるので、ガスの
クロスリークによる損傷の恐れがなく、燃料利用率の高
い固体電解質型燃料電池が得られることとなる。 (3)固体電解質型燃料電池を請求項3あるいは4に記
載のごとく構成することとすれば、セル基板の側面から
のガス漏洩による損傷が防止され、側端に設けたマニホ
ールドより安定して反応ガスが供給されるので、安定し
て運転でき、かつ組み合わせが容易な固体電解質型燃料
電池が得られることとなる。
【0031】(4)固体電解質型燃料電池を請求項5に
記載のごとく構成することとすれば、セル基板の側面か
らのガス漏洩、さらにセル基板とセパレータとの界面か
らのガス漏洩が防止され、側端に設けたマニホールドよ
り安定して反応ガスが供給され、安定して運転できる固
体電解質型燃料電池が得られることとなる。
記載のごとく構成することとすれば、セル基板の側面か
らのガス漏洩、さらにセル基板とセパレータとの界面か
らのガス漏洩が防止され、側端に設けたマニホールドよ
り安定して反応ガスが供給され、安定して運転できる固
体電解質型燃料電池が得られることとなる。
【図1】本発明の固体電解質型燃料電池の実施例1の基
本構成図で、(a)は分解斜視図、(b)は断面図
本構成図で、(a)は分解斜視図、(b)は断面図
【図2】本発明の固体電解質型燃料電池の実施例2の基
本構成を示す斜視図
本構成を示す斜視図
【図3】実施例2の構成の一体型セルの作製方法を示す
工程説明図
工程説明図
【図4】本発明の固体電解質型燃料電池の実施例3の基
本構成を示す斜視図
本構成を示す斜視図
【図5】実施例3の構成の一体型セルを積層して形成さ
れた燃料電池積層体の斜視図
れた燃料電池積層体の斜視図
【図6】本発明の固体電解質型燃料電池の実施例4の基
本構成を示す斜視図
本構成を示す斜視図
【図7】実施例4の構成の要部の分解斜視図
【図8】従来より用いられている平板型支持膜方式の固
体電解質型燃料電池の基本構成を示す分解斜視図
体電解質型燃料電池の基本構成を示す分解斜視図
10 セル 11 セル基板 12 アノード層 13 電解質層 14 カソード層 15 セパレータ 16 絶縁層 17 シール材 18 燃料ガス通流孔 19 酸化剤ガス通流孔 20 燃料ガス通流溝 21 セル基板 22 アノード層 23 電解質層 24 カソード層 25 アノード高さ調整層 26 カソード高さ調整層 27 セパレータ 28 燃料ガス通流溝 29 酸化剤ガス通流溝 30 耐酸性保護膜 31 セル 32 セパレータ 33 酸化剤ガス通流孔 34 燃料ガス通流溝 35 酸化剤ガス通流溝 36 凹み部 37 突出部 38 燃料ガス出口マニホールド構造体 39 燃料ガス入口マニホールド構造体 40 燃料ガス出口マニホールド 41 燃料ガス入口マニホールド 42 酸化剤ガス入口マニホールド 43 酸化剤ガス出口マニホールド 44 セパレータ 45 酸化剤ガス通流溝 46 セル基板 47 電解質層 48 アノード層 49 Niフェルト
Claims (5)
- 【請求項1】アノード層およびカソード層を両主面に備
えた固体電解質層をセル基板上に配してなるセルと、両
主面に反応ガス通流溝を備えたガス不透過性のセパレー
タとを積層して燃料電池本体を構成し、一方の面に形成
された反応ガス通流溝に燃料ガスを導入してアノード層
に導き、もう一方の面に形成された反応ガス通流溝に酸
化剤ガスを導入してカソード層に導き電気化学反応によ
り発電する固体電解質型燃料電池において、 セル基板がセパレータの凹部に埋設されて積層されてな
ることを特徴とする固体電解質型燃料電池。 - 【請求項2】アノード層およびカソード層を両主面に備
えた固体電解質層をセル基板上に配してなるセルと、両
主面に反応ガス通流溝を備えたガス不透過性のセパレー
タとを積層して燃料電池本体を構成し、一方の面に形成
された反応ガス通流溝に燃料ガスを導入してアノード層
に導き、もう一方の面に形成された反応ガス通流溝に酸
化剤ガスを導入してカソード層に導き電気化学反応によ
り発電する固体電解質型燃料電池において、 前記セルは、セパレータの凹部に埋設され、かつ一体に
接合されたセル基板の上に、アノード層、電解質層、カ
ソード層を、その順序あるいはその逆の順序で、順次形
成されたものであることを特徴とする固体電解質型燃料
電池。 - 【請求項3】セパレータの一主面の凹部に埋設されたセ
ル基板の上にセルが形成されてなり、これを複数積層し
た積層体からなる固体電解質型燃料電池において、 前記セパレータの少なくとも一辺は凹型の切り欠き部が
形成されてなり、 前記切り欠き部の連続により形成される前記積層体側面
の凹み部を板状のマニホールド構造体で覆った空間をマ
ニホールドとし、 前記各セパレータはそれぞれ前記マニホールド構造体に
結合してなることを特徴とする固体電解質型燃料電池。 - 【請求項4】セパレータの一主面の凹部に埋設されたセ
ル基板の上にセルが形成されてなり、これを複数積層し
た積層体からなる固体電解質型燃料電池において、 前記積層体の少なくとも一つの側面に断面形状が凹型で
あるマニホールド構造体を設けて前記側面とマニホール
ド構造体で囲まれた空間をマニホールドとし、 前記各セパレータはそれぞれ前記マニホールド構造体に
結合してなることを特徴とする固体電解質型燃料電池。 - 【請求項5】アノード層およびカソード層を両主面に備
えた固体電解質層をセル基板上に配してなるセルをガス
不透過性の平板状セパレータ上に設けてこれを金属フェ
ルトを介して複数積層した固体電解質型燃料電池におい
て、 前記セパレータの一主面には、前記セル基板を埋設する
ための凹部を有し、 前記凹み部の底面には、前記セパレータの一辺から反応
ガスを導入して面内を通流させた後同一辺から排出させ
る往復流路からなる反応ガス通流溝が形成されてなり、 前記セルは、前記凹部に埋設されかつ一体に接合された
セル基板の上に、アノード層、電解質層、カソード層
を、その順序あるいはその逆の順序で、順次形成された
ものであり、 燃料ガスおよび酸化剤ガスのいずれか一方を前記金属フ
ェルト間に、他方を前記反応ガス通流溝に通流させるこ
とを特徴とする固体電解質型燃料電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9123621A JPH10312818A (ja) | 1997-05-14 | 1997-05-14 | 固体電解質型燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9123621A JPH10312818A (ja) | 1997-05-14 | 1997-05-14 | 固体電解質型燃料電池 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10312818A true JPH10312818A (ja) | 1998-11-24 |
Family
ID=14865127
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9123621A Pending JPH10312818A (ja) | 1997-05-14 | 1997-05-14 | 固体電解質型燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH10312818A (ja) |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007149393A (ja) * | 2005-11-24 | 2007-06-14 | Toyota Motor Corp | 燃料電池、燃料電池システム及び燃料電池の製造方法 |
| JP2007323955A (ja) * | 2006-05-31 | 2007-12-13 | Dainippon Printing Co Ltd | 固体酸化物形燃料電池、及びそのスタック構造 |
| JP2010067592A (ja) * | 2008-09-08 | 2010-03-25 | Korea Advanced Inst Of Sci Technol | 金属支持体及びそれを含む固体酸化物燃料電池 |
| JP2010067593A (ja) * | 2008-09-08 | 2010-03-25 | Korea Advanced Inst Of Sci Technol | 金属支持体型固体酸化物燃料電池及びその製造方法 |
| WO2011102290A1 (ja) * | 2010-02-16 | 2011-08-25 | Toto株式会社 | 燃料電池システム |
| WO2012133087A1 (ja) * | 2011-03-30 | 2012-10-04 | 株式会社村田製作所 | 固体酸化物形燃料電池用接合材、固体酸化物形燃料電池及び固体酸化物形燃料電池モジュール |
| JP2018516429A (ja) * | 2015-03-30 | 2018-06-21 | フラウンホーファー−ゲゼルシャフト ツゥア フェアデルング デア アンゲヴァンドテン フォァシュング エー.ファウ. | 電気化学セル装置及びその使用 |
| KR20230056881A (ko) * | 2021-10-21 | 2023-04-28 | 한국과학기술연구원 | 밀봉성 향상을 위한 연료전지용 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택 |
-
1997
- 1997-05-14 JP JP9123621A patent/JPH10312818A/ja active Pending
Cited By (10)
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| WO2012133765A1 (ja) * | 2011-03-30 | 2012-10-04 | 株式会社村田製作所 | 固体酸化物形燃料電池用接合材、固体酸化物形燃料電池及び固体酸化物形燃料電池モジュール |
| JP2018516429A (ja) * | 2015-03-30 | 2018-06-21 | フラウンホーファー−ゲゼルシャフト ツゥア フェアデルング デア アンゲヴァンドテン フォァシュング エー.ファウ. | 電気化学セル装置及びその使用 |
| US10411274B2 (en) | 2015-03-30 | 2019-09-10 | Fraunhofer-Gesellschaft Zur Foerderung Der Angewandten Forschung E.V. | Arrangement of electrochemical cells and the use of the same |
| KR20230056881A (ko) * | 2021-10-21 | 2023-04-28 | 한국과학기술연구원 | 밀봉성 향상을 위한 연료전지용 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택 |
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