KR100534677B1 - 연료 전지 - Google Patents

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KR100534677B1
KR100534677B1 KR10-2003-7011206A KR20037011206A KR100534677B1 KR 100534677 B1 KR100534677 B1 KR 100534677B1 KR 20037011206 A KR20037011206 A KR 20037011206A KR 100534677 B1 KR100534677 B1 KR 100534677B1
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미야자아아츠시
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닛산 지도우샤 가부시키가이샤
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Abstract

연료 전지(1)는 막 전극 접합체들(2)과 분리기들(3)을 적층하여 구성되며, 상기 분리기들(3)에 의하여 형성되는 연료 가스 유로들(16), 산화 가스 유로들(17), 및 냉각수 유로들(9)은 막 전극 접합체들(2)의 가스 확산층들(6A, 6C)의 외측면들을 따라 병렬로 배열된다. 이러한 구성으로, 분리기들(3)의 두께 치수가 감소될 수 있고, 연료 전지 스택의 적층 방향에 대하여, 적층된 단위 셀들수는 종래의 연료 전지 스택의 치수와 동일 치수로 증가될 수 있다. 그러므로, 고 출력 밀도를 가지는 연료 전지 스택이 획득될 수 있다.

Description

연료 전지{FUEL CELL}
본 발명은 전해질층에 대하여 고체 고분자 전해질을 이용하여, 반응 가스를 공급하여 전기화학 반응에 의해 전기 에너지를 획득하는 고체 고분자형 전해질 연료 전지(SPEFC)에 관한 것이다.
종래의 고체 고분자형 전해질 연료 전지의 기본 구성으로서, 일본국 특개평 제H6-260193호(1994) 공보에 개시된 것이 있다. 종래의 막 전극 접합체(MEA)에서, 고체 고분자 전해질의 양 주면들 상에 귀금속들(주로 백금)을 포함하는 촉매층들이 형성된다. 상기 촉매층들의 외측 상에는, 반응 가스를 고체 고분자 전해질에 도입하는 다공성 재료층들이 더 배열되어 있다. 또한, 상기 다공성 재료층들의 외측 상에는 분리기들이 배열되어 있다. 상기 분리기들에서, 애노드측 분리기들과 캐소드측 분리기들이 존재한다. 애노드측 분리기의 일면 상에, 연료 가스 유로들이 형성되고, 그 타면 상에 냉각수 유로가 형성된다. 캐소드측 분리기들에서, 산화 가스 유로들이 형성된다. 상술된 바와 같은 구성 요소들에 의하여 각각이 형성된 단위 셀들이 순차적으로 적층되어, 연료 전지 스택이 구성된다.
도 1은 본 발명의 실시예 1의 연료 전지를 도시하는 실질적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1의 연료 전지용으로 사용되는 분리기를 도시하는 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1의 연료 전지, 그 변형예, 및 종래의 연료 전지의 전류-전압 곡선을 도시하는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예 2의 연료 전지를 도시하는 실질적인 단면도이다.
발명의 개시
그러나, 상술된 바와 같은 종래의 연료 전지와 같은 구성에서 스택이 형성될 때, 개별적인 분리기들에서 구성된 연료 가스 유로들, 산화 가스 유로들, 및 냉각수 유로들이 스택의 두께 방향으로 배열된다. 그러므로, 각 애노드측 분리기와 각 캐소드측 분리기의 구조들이 다소 얇아도, 스택의 체적은 충분히 감소될 수 없다. 따라서, 단위 체적당 출력, 즉 출력 밀도가 제한된다는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기 문제점을 고려하여 안출되었다. 그 목적은 고 출력 밀도의 고체 고분자형 전해질 연료 전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 제1 태양에 따르면, 고체 고분자 전해질; 상기 고체 고분자 전해질의 양 면들 상에 배치된 촉매층들; 상기 각 촉매층들의 외부면들 상에 배치되고 도전성을 가지는 가스 확산층들; 및 연료 가스 유로, 산화 가스 유로, 및 냉각수 유로를 포함하고, 상기 각 가스 확산층들의 외부면들 상에 배치되는 분리기들을 구비하는 연료 전지로서, 상기 냉각수 유로는 상기 가스 확산층의 표면을 따른 방향으로 상기 연료 가스 유로와 상기 산화 가스 유로 중 어느 하나와 평행으로 배치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명을 보다 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들이 이하의 도면을 참조하여 설명될 것이다.
(실시예 1)
도 1은 본 발명에 따른 연료 전지의 제1 실시예를 도시하는 것으로, 설명의 편의를 위하여 3개의 단위 셀들을 적층한 단순한 구조를 도시한다.
본 실시예는, 분리기들에 의해서 형성되는 연료 가스 유로, 산화 가스 유로, 및 냉각수 유로가 막 전극 접합체의 외측면에 따른 방향으로 직선으로 배열된다.
도 1에 도시하는 바와 같이, 본 실시예에 따른 연료 전지(1)는, 예컨대 막 전극 접합체들(2)과 분리기들(3)을 임의의 층수를 형성하도록 적층시킴으로써 구성된다. 도 1은 3개의 막 전극 접합체들(2)과, 상기 각각의 막 전극 접합체들(2)의 양면들 상에 배열된 분리기들(3)을 도시하고 있다. 상기 막 전극 접합체들(2) 각각의 사이에는 분리기(3)가 개재되어 있다는 것에 주목바란다.
막 전극 접합체(2)는 고체 고분자 전해질(4), 촉매층들(5), 및 가스 확산층들(6A, 6C)로 구성된다. 고체 고분자 전해질(4)은 여기에 공급된 연료 가스와 산화 가스를 전기화학적으로 반응시킨다. 촉매층들(5)은 고체 고분자 전해질(4)의 양 주면들 상에 배열되어, 전기화학 반응을 촉진시킨다. 가스 확산층들(6A, 6C)은 각 촉매층들(5)의 외부면들 상에 배열되고, 도전성을 갖는 다공성 재료들로 구성된다. 하나의 가스 확산층(6A)은 애노드로서 기능하고, 다른 하나의 가스 확산층(6C)은 캐소드로서 기능한다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 분리기(3)는 막 전극 접합체(2)의 면적과 거의 동일한 면적을 가지는 판 형상 구조를 가진다. 보다 자세하게는, 도 2에 도시하는 바와 같이, 분리기(3)의 일면 상에, 복수의 연료 가스 유로 형성 홈들(7)이 도 2에 도시된 바와 같이 y 방향을 따라 소정 간격으로 직선으로 형성된다. 분리기(3)의 각 연료 가스 유로 형성 홈(7)의 일측 상에는, 연료 가스 유로 형성 홈(7)을 형성하는 격벽(8)에 의하여 이 격벽으로부터 분리되도록 냉각수 유로(9)가 형성된다. 분리기(3)에서, 냉각수 유로(9)는 도 2에 도시된 y 방향을 따라 관통하도록 형성된다.
분리기(3)의 타면 상에는, 산화 가스 유로 형성 홈들(10)이 형성되고, 각각은 인접한 연료 가스 유로 형성 홈들(7) 끼리의 사이에 위치된다. 이들 산화 가스 유로 형성 홈들(10)은 또한 도 2에 도시된 y 방향을 따라 형성된다. 이 결과, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 연료 가스 유로 형성 홈들(7), 냉각수 유로들(9), 및 산화 가스 유로 형성 홈들(10) 모두 y 방향을 따라 직선으로 연장된다. 각 산화 가스 유로 형성 홈(10)과 각 냉각수 유로(9)는 이들 간에 개제된 격벽(11)으로 형성된다.
분리기(3)의 일면 상에 형성된 연료 가스 유로 형성 홈들(7) 간에 위치된 각 벽(12)의 외측상에는, 인접하는 연료 가스 유로 형성 홈들(7)을 연결시키는 복수의 연료 가스 확산 홈들(13)이 도 2에 도시된 x 방향을 따라 형성된다. 이들 연료 가스 확산 홈들(13)은 소정 간격으로 y 방향을 따라 배열된다.
한편, 분리기(3)의 타면 상에 형성된 산화 가스 유로 형성 홈들(10) 간에 위치된 각 벽(14)의 외부면 상에, 이들 산화 가스 유로 형성 홈들(10)을 연결시키는 복수의 산화 가스 확산 홈들(15)이 형성된다. 연료 가스 확산 홈들(13)과 유사하게, 이들 산화 가스 확산 홈들(15)은 또한 도 2에서 y 방향을 따라 소정 간격으로 평행하게 형성된다.
상술된 바와 같이 구성된 분리기들(3)과 막 전극 접합체들(2)은 도 1에 도시하는 바와 같이 적층되어, 연료 전지(1)가 구성된다. 이 실시예에서, 각 분리기(3)는 상하 방향이 바뀌어도 동일한 구조를 가진다는 것에 주목바란다. 분리기(3)의 적층면은 막 전극 접합체(2)와의 적층 상태에 따라 애노드 또는 캐소드가 된다. 그러므로, 상기 적층면이 애노드이면, 그 홈들은 연료 가스 유로 형성 홈들(7)이 되고, 상기 적층면이 캐소드이면, 그 홈들은 산화 가스 유로 형성 홈들(10)이 된다. 그러므로, 이 실시예에서, 분리기(3)가 막 전극 접합체(2)의 애노드측 또는 캐소드측 상에 배열되는 지의 여부에 따라, 애노드측 분리기와 캐소드측 분리기 모두로서 기능할 수 있다.
이러한 구성의 제1 실시예에 따른 연료 전지(1)에서, 도 1에 도시하는 바와 같이, 분리기(3)의 일면은 막 전극 접합체(2)의 애노드측 가스 확산층(6A)에 접합한다. 따라서, 각 연료 가스 유로(16)는 연료 가스 유로 형성 홈(7)과 애노드측 가스 확산층(6A)에 의하여 형성된다. 또한, 막 전극 접합체(2)의 캐소드측 상의 가스 확산층(6C)에 분리기(3)의 타면이 접합하여, 각 산화 가스 유로(17)는 산화 가스 유로 형성 홈(10)과 캐소드측 상의 가스 확산층(6C)에 의하여 형성된다.
이러한 구성의 제1 실시예에서, 냉각수 유로들(9), 연료 가스 유로들(16), 및 산화 가스 유로들(17)은 하나의 분리기(3)에 병렬로 배열된다. 그러므로, 스택의 적층 방향에 대하여, 적층된 단위 셀들의 수는 종래의 것과 동등한 적층 방향 치수로 증가될 수 있다. 그러므로, 본 실시예에 따른 연료 전지(1)에서, 고 출력 밀도의 연료 전지 스택을 얻을 수 있다.
또한, 본 실시예에서, 연료 가스 유로(16)에서의 연료 가스는 연료 가스 확산 홈들(13)을 통하여 통과하여, 애노드측 상의 가스 확산층(6A)의 연료 가스의 확산이 용이하게 된다. 그러므로, 연료 가스가 막 전극 접합체(2)로 효율적으로 도입될 수 있다. 마찬가지로, 산화 가스 유로(17)내의 산화 가스는 산화 가스 확산 홈들(15)을 통하여 통과하여, 캐소드측 상의 가스 확산층(6C)의 산화 가스의 확산이 용이하게 된다. 그러므로, 산화 가스가 막 전극 접합체(2)에 효율적으로 도입될 수 있다. 이 결과, 막 전극 접합체(2)에서의 연료 가스와 산화 가스 간의 전기화학 반응을 효율적으로 수행할 수 있다.
본 실시예에서, 연료 가스 확산 홈들(13)은 분리기(3)의 일면 상의 벽들(12) 상에 형성되고, 산화 가스 확산 홈들(15)는 그 타면 상의 벽들(14) 상에 형성된다. 그러나, 연료 가스 확산 홈들(13)과 산화 가스 확산 홈들(15) 중 임의의 하나만이 형성된 구성이 채용될 수도 있다. 그러나, 연료 가스 확산 홈들(13)과 산화 가스 확산 홈들(15) 모두가 형성되지 않은 다른 구성(변형예)이 채용될 수도 있다.
(변형예)
도 3은 상술된 종래의 연료 전지와, 본 실시예에 따른 연료 전지와, 연료 가스 확산 홈들(13)과 산화 가스 확산 홈들(15) 모두 형성하지 않은 구성의 연료 전지에 대한 단위 셀에서의 동일 막 면적당 전류 밀도와 셀 전압과의 관계(전류-전압 곡선)를 도시한다. 도면 부호 18은 종래 전지의 곡선을 나타내고, 도면 부호 19는 가스 확산 홈들을 가지는 본 발명의 연료 전지의 곡선을 나타내고, 도면 부호 20은 어떠한 가스 확산 홈들도 가지지 않은 본 발명의 연료 전지(변형예)의 곡선을 나타낸다. 도 3으로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 실시예의 연료 전지와 변형예의 연료 전지에서, 연료 전지 효율이 높은 저 전류 밀도 영역에서 종래 연료 전지의 성능과 비교하여 단위 셀당의 각 성능이 손색이 없다. 특히, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 연료 전지에서, 연료 가스 확산 홈들(13)과 산화 가스 확산 홈들(15)이 제공된다. 따라서, 막 전극 접합체(2)의 가스 확산층들(6A, 6C)과 접하는 분리기(3)의 접촉면들 상에 연료 가스와 산화 가스가 공급된다. 그러므로, 종래의 연료전지의 셀의 레벨과 동일한 단위 셀당의 출력이 얻어진다.
본 실시예에서, 적층 방향으로 연료 전지 스택의 치수를 상당히 감소시킬 수 있으므로, 단위 체적 또는 단위 중량당 그 출력, 즉 출력 밀도는 종래 것과 비교하여 훨씬 대폭으로 증가될 수 있다.
(실시예 2)
도 4에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 연료 전지는, 각 단위 셀이 막 전극 접합체(21)의 양 면들 상에 분리기들(22)을 배열함으로써 구성되고, 이 단위 셀 상에 막 전극 접합체들(22)과 분리기들(22)이 순차 적층되는 방식으로 구성된다.
상기 제1 실시예와 유사하게, 본 실시예의 각 막 전극 접합체(21)는 고체 고분자 전해질(23), 촉매층들(24), 및 가스 확산층들(25A, 25C)로 구성된다. 고체 고분체 전해질(23)은 여기에 공급된 연료 가스와 산화 가스를 전기화학 반응을 시킨다. 촉매층들(24)은 이 고체 고분자 전해질(23)의 양 주 면들 상에 배열되어, 상기 전기화학 반응을 촉진시킨다. 가스 확산층들(25A, 25C)은 각 촉매층들(24)의 외부면들 상에 배열되고, 도전성을 갖는 다공성 재료로 구성된다. 여기서, 하나의 가스 확산층(25A)은 애노드로서 기능하고, 다른 가스 확산층(25C)은 캐소드로서 기능한다.
도 4에 도시하는 바와 같이, 각 분리기(22)에서, 연료 가스 유로 형성 홈들(26)이 일측 면 상에 형성되고, 산화 가스 유로 형성 홈들(27)이 타측 면 상에 형성된다. 본 실시예의 경우에서, 연료 가스 유로 형성 홈들(26)과 산화 가스 유로 형성 홈들(27)은 저면으로부터 홈 형성 표면을 향하여 폭이 점차 넓어지도록 형성된다. 그러나, 이들은 점차 넓어지도록 형성될 필요는 없다. 이후, 연료 가스 유로 형성 홈들(26)과 산화 가스 유로 형성 홈들(27) 모두는 막 전극 접합체(21)와의 접합면 방향을 따라 병렬이도록 형성된다.
서로 인접하는 연료 가스 유로 형성 홈(26)과 산화 가스 유로 형성 홈(27) 간에는, 냉각수 유로(30)가 형성되어 있다.
또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 분리기(22)의 구성에서, 냉각수 유로(30)는 연료 가스 유로들(16)을 구성하는 분리기(22A)와 산화 가스 유로들(17)을 구성하는 분리기(22B)를 적층하여 구성된다. 그러므로, 각 분리기의 형상이 간소하게 되어, 그 제작이 용이하게 되는 효과가 있다.
이러한 구성으로, 냉각수 유로들(30), 적층된 연료 가스 유로 형성 홈들(26), 및 적층된 산화 가스 유로 형성 홈들(27)은 막 전극 접합체(21)와의 접합면 방향으로 병렬이 되도록 배열된다. 그러므로, 분리기(22)의 두께는 종래의 분리기와 비교하여 대폭 감소될 수 있다.
그러므로, 스택의 적층 방향에 대하여, 종래의 것과 동등한 적층 방향 치수로 단위 셀들의 적층수가 증가될 수 있다. 그러므로, 본 실시 형태에 따른 연료 전지에서도, 고 출력 밀도의 연료 전지 스택을 획득할 수 있다.
본 실시예에서 이용하는 분리기(22)의 양 면들 상에, 제1 실시예의 것과 유사한 가스 확산 홈들이 형성될 수도 있다.
2001년 12월 11일 출원된 일본 특개평 제 P2001-376851 호의 전체 내용이 여기서 참조용으로 사용되었다.
본 발명이 본 발명의 특정 실시예를 참조하여 상술되었으나, 본 발명은 상술된 실시예들에 한정되지 않고, 교시에 부합하는 각종 변경이 당업자들에게 가능할 것이다. 본 발명의 범위는 다음의 청구항을 참조하여 정의된다.
상술된 바와 같이, 본 적용에서, 연료 전지 스택의 적층 방향에 대하여, 적층된 단위 셀들수는 종래의 연료 전지 스택과 비교하여 동일한 치수로 증가될 수 있다. 그러므로, 고 출력 밀도를 가지는 연료 전지 스택이 획득될 수 있다. 또한, 분리기의 두께 치수가 더욱 감소될 수 있으므로, 고 출력 밀도를 가지는 연료 전지 스택이 구현될 수 있다. 또한, 연료 가스 유로들과 산화 가스 유로들을 통하여 흐르는 가스가 가스 확산 홈들을 경유하여 가스 확산층으로 도입될 수 있으므로, 고체 고분자 전해질에서의 연료 가스와 산화 가스 간의 전기화확 반응이 효율적으로 수행될 수 있다. 따라서, 2 형태의 분리기들이 적층될 수 있는 구성이 채용되므로, 각 분리기의 형상이 단순화될 수 있다.

Claims (4)

  1. 삭제
  2. 고체 고분자 전해질;
    상기 고체 고분자 전해질의 양 면들 상에 배치된 촉매층들;
    상기 각 촉매층들의 외면들 상에 배치되고, 도전성을 가지는 가스 확산층들; 및
    상기 각 가스 확산층들의 외면들 상에 배치되고, 연료 가스 유로, 산화 가스 유로, 및 냉각수 유로를 포함하는 분리기들을 구비하고,
    상기 냉각수 유로, 상기 연료 가스 유로, 및 상기 산화 가스 유로는 상기 가스 확산층의 표면을 따라 병렬로 배치되는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 가스 확산층과 접하는 상기 분리기의 접합면 상에 제공된 가스 확산 홈을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 각 분리기들은 연료 가스 유로를 구성하는 분리기와 산화 가스 유로를 구성하는 분리기를 적층함으로써 구성되는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
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