KR100619193B1 - 연료 전지 및 연료 전지용 세퍼레이터 - Google Patents

연료 전지 및 연료 전지용 세퍼레이터 Download PDF

Info

Publication number
KR100619193B1
KR100619193B1 KR1020040086410A KR20040086410A KR100619193B1 KR 100619193 B1 KR100619193 B1 KR 100619193B1 KR 1020040086410 A KR1020040086410 A KR 1020040086410A KR 20040086410 A KR20040086410 A KR 20040086410A KR 100619193 B1 KR100619193 B1 KR 100619193B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
reaction gas
flow path
fuel
cooling water
manifold
Prior art date
Application number
KR1020040086410A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20050040780A (ko
Inventor
요시모또야스노리
이자끼히로까즈
하마다아끼라
Original Assignee
산요덴키가부시키가이샤
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 산요덴키가부시키가이샤 filed Critical 산요덴키가부시키가이샤
Publication of KR20050040780A publication Critical patent/KR20050040780A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100619193B1 publication Critical patent/KR100619193B1/ko

Links

Images

Classifications

    • 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
    • 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
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • 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
    • H01M8/0247—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the 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
    • H01M8/0202—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
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0267—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors having heating or cooling means, e.g. heaters or coolant flow channels
    • 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
    • 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
    • H01M8/2457—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with both reactants being gaseous or vaporised
    • 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
    • H01M8/04—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
    • H01M8/04029—Heat exchange using liquids
    • 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
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • 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
    • 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

Abstract

본 발명의 과제는 연료 전지의 출력 특성을 안정시키는 것이다.
연료극측 세퍼레이터(101)에 있어서, 연료 도입 유로(125) 및 연료 공급용 제2 매니폴드(115)의 이면에 위치하도록 냉각수 도입 유로(129)를 형성한다.
세퍼레이터, 연료 도입 유로, 매니폴드, 냉각수 도입 유로, 연료 전지

Description

연료 전지 및 연료 전지용 세퍼레이터 {FUEL CELL AND SEPARATOR FOR FUEL CELL}
도1은 실시 형태에 관한 연료 전지용 세퍼레이터의 구성을 도시한 도면.
도2는 실시 형태에 관한 연료 전지용 세퍼레이터의 구성을 도시한 도면.
도3은 도1 및 도2의 연료 전지용 세퍼레이터를 포함하는 연료 전지 스턱의 구성을 도시한 분해 사시도.
도4는 도3의 연료 전지 스턱을 포함하는 연료 전지의 구성을 도시한 사시도.
도5는 도1 및 도2의 연료 전지용 세퍼레이터의 주요부 구성을 설명하기 위한 확대 부분 개략도.
도6은 실시 형태에 관한 연료 전지용 세퍼레이터의 냉각수 유로가 형성된 면의 구성을 도시한 도면.
도7은 도6의 연료 전지용 세퍼레이터의 주요부 구성을 설명하기 위한 확대 부분 개략도.
도8은 실시 형태에 관한 셀의 단면 구조를 개략적으로 도시한 도면.
도9는 실시 형태에 관한 연료 전지용 세퍼레이터의 구성을 도시한 도면.
도10은 실시 형태에 관한 연료 전지용 세퍼레이터의 제조 방법을 설명하기 위한 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
20 : 고체 고분자 전해질막
22 : 연료극
24 : 공기극
26, 30 : 촉매층
28, 32 : 가스 확산층
38, 40 : 가스 유로
50 : 셀
101, 171 : 연료극측 세퍼레이터
103, 149 : 기판
105 : 연료 유로
106 : 냉각수 유로
107 : 연료 공급용 제1 매니폴드
109 : 연료 배출용 제1 매니폴드
111 : 냉각수 공급용 제1 매니폴드
113 : 냉각수 배출용 제1 매니폴드
115 : 연료 공급용 제2 매니폴드
117 : 연료 배출용 제2 매니폴드
119 : 냉각수 공급용 제1 매니폴드
121 : 냉각수 배출용 제2 매니폴드
125 : 연료 도입 유로
127 : 연료 배출 유로
129 : 냉각수 도입 유로
131 : 냉각수 배출 유로
133, 151 : 밀봉재
135 : 비드
141 : 노즐
147 : 공기극측 세퍼레이터
153 : 공기 유로
155 : 공기 공급용 제2 매니폴드
157 : 공기 배출용 제2 매니폴드
159 : 공기 도입 유로
167 : 공기 공급용 제1 매니폴드
169 : 공기 배출용 제1 매니폴드
170 : 공기 배출 유로
201 : 인슐레이터
207 : 집전판
213 : 엔드 플레이트
215 : 셀 적층체
217 : 타이 플레이트
219 : 너트
221 : 타이 로드
223 : 나사부
225 : 연료 전지
227 : 접속 유로
265 : 금형
본 발명은 연료 전지 및 연료 전지용 세퍼레이터에 관한 것이다.
최근, 에너지 변환 효율이 높고 또한 발전 반응에 의해 유해 물질을 발생하지 않는 연료 전지가 주목을 받고 있다. 이러한 연료 전지 중 하나로서, 100 ℃ 이하의 저온에서 작동하는 고체 고분자형 연료 전지가 알려져 있다.
고체 고분자형 연료 전지는 전해질막인 고체 고분자막을 연료극과 공기극 사이에 배치한 기본 구조를 갖고, 연료극에 수소를 포함하는 연료 가스 및 공기극에 산소를 포함하는 산화제 가스를 공급하여, 이하의 전기 화학 반응에 의해 발전하는 장치이다.
연료극 : H2 → 2H+ ＋ 2e-
공기극 : 1/2O2 ＋ 2H+ ＋ 2e- → H2O
연료극에 있어서는, 공급된 연료 중에 포함되는 수소가 상기 [화학식 1]에 나타낸 바와 같이 수소 이온과 전자로 분해된다. 이 중 수소 이온은 고체 고분자 전해질막의 내부를 공기극을 향해 이동하고, 전자는 외부 회로를 통해 공기극으로 이동한다. 한편, 공기극에 있어서는 공기극에 공급된 산화제 가스에 포함되는 산소가 연료극으로부터 이동해 온 수소 이온 및 전자와 반응하여, 상기 [화학식 2]에 나타낸 바와 같이 물이 생성된다. 이와 같이, 외부 회로에서는 연료극으로부터 공기극을 향해 전자가 이동하므로 전력이 취출된다.
또한, 연료극 및 공기극의 외측에는 세퍼레이터가 설치된다. 연료극측의 세퍼레이터에는 연료 가스 유로가 형성되어 있어, 연료극에 연료 가스가 공급된다. 마찬가지로, 공기극측의 세퍼레이터에도 산화제 가스 유로가 형성되어, 공기극에 산화제 가스가 공급된다. 또한, 본 명세서에 있어서 연료 가스 및 산화제 가스를 합쳐「반응 가스」라 한다. 또한, 이들 세퍼레이터 사이에는 전극을 냉각하기 위한 냉각수 유로가 형성된다.
여기서, 반응 가스는 통상 가습기에 의해 가습되어 도입되지만 반응 가스 공급용 매니폴드 내에 있어서 냉각되면, 대량의 응축수가 발생된다. 그러나, 종래의 연료 전지용 세퍼레이터에 있어서는, 반응 가스 공급 구멍으로부터 반응 가스 유로로의 도입부에 있어서 냉각을 방지하는 수단은 강구되어 있지 않아, 반응 가스 유 래의 응축수가 세퍼레이터의 반응 가스 공급 구멍 상에 퇴적되거나, 반응 가스 공급 구멍으로부터 반응 가스 유로로 침입하거나 하는 등의 문제점이 있었다. 이로 인해, 종래의 연료 전지용 세퍼레이터에서는 반응 가스의 유로가 응축수에 의해 폐색되고 전극 표면으로의 균일한 반응 가스의 공급이 저해되어, 연료 전지의 출력이 저하되는 경우가 있었다.
그래서, 가스 중의 수분의 응축 및 결로에 의한 전지 특성의 저하를 회피하는 기술이 제안되어 있다(특허 문헌 1). 특허 문헌 1에서는, 세퍼레이터의 냉각수 통류홈을 연료 가스의 공급에 이용되는 개구부 근방의 측단부에 마련함으로써, 가스 입구측 매니폴드의 부분을 승온시키는 것이 기재되어 있다.
그런데, 특허 문헌 1의 구성에서는, 연료 전지의 출력 저하의 억제라고 하는 관점에서는 개량의 여지가 있었다. 또한, 가열수를 가스 입구측에 공급하기 위한 연통관을 설치할 필요가 있었으므로, 연료 전지 전체의 구성이 복잡화 및 대형화되어 버렸다.
[특허 문헌 1]
일본 특허 공개 평10-64562호 공보
본 발명은 상기 사정에 비추어 이루어진 것으로, 그 목적은 연료 전지의 출력 특성을 안정시키는 기술을 제공하는 데 있다.
본 발명자는 연료 전지의 출력 특성을 안정시킨다고 하는 관점으로부터 예의 검토를 거듭하였다. 그 결과, 종래의 연료 전지의 구성에서는 가습된 반응 가스로부터 발생된 응축수에 의한 반응 가스의 공급 저해를 충분히 억제할 수 없는 것이 발견되었다.
전술한 특허 문헌 1의 구성에서는, 세퍼레이터의 한 쪽면에 형성된 가스 입구가 다른 쪽면에 관통되어 있고, 가스 입구가 관통된 다른 쪽면에 가스 입구측 매니폴드가 형성되어 있다. 이로 인해, 냉각수 통류홈이 가스 입구의 근방에 마련되어 있지만, 가스 입구로부터 가스 입구측 매니폴드를 경유하여 가스 통류홈에 반응 가스가 공급되는 경로에 있어서 반응 가스의 냉각을 충분히 억제할 수 없었다. 이로 인해, 가스 입구측 매니폴드 또는 가스 통류홈에서 발생된 응축수에 의해 반응 가스의 안정적인 공급이 방해되는 것이 발견되었다.
이와 같이, 가습된 이슬점 온도가 높은 반응 가스가 방열에 의해 냉각되면, 응축수가 발생된다. 응축수가 발생되면 반응 가스의 공급 경로가 물에 의해 폐색되어 흐름이 저해되므로, 출력 특성의 불안정화를 초래한다. 그래서, 본 발명자는 반응 가스 유로의 상류에 있어서의 반응 가스의 냉각을 억제하여, 반응 가스의 이슬점 온도를 향상시키는 관점으로부터 검토를 거듭하여 본 발명에 이르렀다.
본 발명에 따르면, 전해질 및 상기 전해질의 양면에 배치된 한 쌍의 전극을 포함하는 막 전극 접합체와 상기 막 전극 접합체를 협지하는 한 쌍의 세퍼레이터를 갖고, 상기 한 쌍의 세퍼레이터에는 각각 반응 가스 공급용 개구부가 설치되고, 한 쪽면에 반응 가스 유로와 상기 반응 가스 공급용 개구부로부터 상기 반응 가스 유로로 반응 가스를 유도하는 반응 가스 도입 유로를 갖고, 적어도 한 쪽의 상기 세 퍼레이터의 상기 반응 가스 도입 유로의 이면에 냉각수 유로가 형성된 것을 특징으로 하는 연료 전지가 제공된다.
본 발명에 관한 연료 전지에서는, 본래는 전극에 있어서의 반응열을 냉각시키기 위해 공급되는 냉각수를 반응 가스 도입 유로의 이면에 간단한 구성으로 공급한다. 이로 인해, 냉각수의 열에 의해 반응 가스의 냉각을 억제하여, 반응 가스의 이슬점 온도를 향상시킬 수 있다. 따라서, 반응 가스 도입 유로와 매니폴드 주변에 있어서의 응축수의 발생을 억제할 수 있다. 따라서, 고가습의 반응 가스를 막 전극 접합체에 확실하게 공급할 수 있다. 이로 인해, 응축수의 반응 가스 도입 유로로의 진입을 억제하여, 반응 가스의 공급을 확실하게 행할 수 있다. 이와 같이 하여, 출력의 안정성이 우수한 연료 전지를 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면, 반응 가스 공급용 개구부와 한 쪽면에 형성된 반응 가스 유로 및 상기 반응 가스 공급용 개구부로부터 상기 반응 가스 유로로 반응 가스를 유도하는 반응 가스 도입 유로를 갖고, 상기 반응 가스 도입 유로의 이면에 냉각수 유로가 형성된 것을 특징으로 하는 연료 전지용 세퍼레이터가 제공된다.
본 발명에 관한 연료 전지용 세퍼레이터는 반응 가스 도입 유로의 이면에 냉각수 유로가 형성된 구성으로 되어 있다. 이로 인해, 반응 가스 도입 유로를 이면으로부터 확실하게 가온해 두는 구성으로 되어 있다. 따라서, 반응 가스 공급용 개구부로부터 반응 가스 도입 유로로 유도된 반응 가스의 냉각에 의한 응축수의 발생을 억제할 수 있다. 따라서, 반응 가스가 반응 가스 도입 유로를 경유하여 반응 가스 유로에 안정적으로 공급된다. 이로 인해, 연료 전지의 출력을 안정화시킬 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 반응 가스 도입 유로는 상기 반응 가스 공급용 개구부의 횡방향으로부터 상기 반응 가스 유로로 상기 반응 가스를 유도하는 구성으로 할 수 있다. 이와 같이 하면, 반응 가스의 결로에 의해 발생된 응축수를 반응 가스 공급용 개구부의 바닥부에 침강시킬 수 있다. 따라서, 간소한 구성으로 반응 가스 중의 응축수를 제거하면서 반응 가스 유로에 반응 가스를 안정적으로 공급할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 냉각수 유로는 상기 반응 가스 공급용 개구부의 외주 전체에 상기 냉각수가 통수되도록 구성되어도 좋다. 이와 같이 하면, 반응 가스 공급용 개구부의 외주 부분을 덮도록 냉각수 유로가 구성되므로, 냉각수가 보다 균등하게 효율적으로 공급되기 때문에 보다 확실하게 응축수의 발생을 억제할 수 있다.
본 발명의 연료 전지에 있어서, 상기 한 쌍의 세퍼레이터에는 냉각수 공급용 개구부가 설치되고, 상기 반응 가스 공급용 개구부 및 상기 냉각수 공급용 개구부는 상기 반응 가스 유로의 상방에 설치되고, 상기 냉각수 공급용 개구부는 상기 반응 가스 공급용 개구부보다도 실질적으로 상방에 위치하여, 상기 냉각수가 상기 냉각수 개구부로부터 연직 하방을 향해 흐르도록 구성되어도 좋다.
이 구성에 의해, 본래는 전극에 있어서의 반응열을 냉각시키기 위해 공급되는 냉각수는 세퍼레이터의 상방에 배치된 냉각수 공급용 개구부로부터 연직 하부 방향으로 반응 가스 도입 유로의 이면을 가로질러 흐르게 된다. 이로 인해, 간단 한 구성으로 냉각수의 열에 의해 반응 가스의 냉각을 억제하여, 응축수의 발생을 억제할 수 있다.
본 발명의 연료 전지에 있어서, 상기 반응 가스 도입 유로는 상기 반응 가스 공급용 개구부로부터 상부를 향해 형성된 접속 유로를 포함해도 좋다. 이 구성에서는, 접속 유로는 반응 가스 공급용 개구부를 통과한 반응 가스를 세퍼레이터의 상방으로 유도하도록 되어 있다. 이로 인해, 반응 가스는 반응 가스 도입 유로에 있어서 한번 세퍼레이터의 상방으로 유도된 후, 하방의 반응 가스 유로를 향해 흐르게 된다. 또한, 접속 유로의 이면을 냉각수가 흐르는 구성으로 되어 있다. 이러한 구성으로 함으로써, 반응 가스의 결로에 의해 발생된 응축수를 반응 가스 공급용 개구부의 바닥부에 침강시킬 수 있다. 한편, 이슬점 온도가 높은 반응 가스는 접속 유로를 상방을 향해 이동한다. 이와 같이, 본 발명의 연료 전지에 있어서는 응축수를 제거하여 반응 가스 유로로 유도하는 기구가 간소한 구성으로 실현되어 있다. 이로 인해, 접속 유로를 이동하는 반응 가스가 응축수를 포함함으로써 유로의 폐색을 보다 한층 확실하게 억제할 수 있다.
본 발명의 연료 전지에 있어서, 상기 냉각수 공급용 개구부가 상기 연료 가스 및 산화제 가스를 각각 공급하는 2개의 상기 반응 가스 공급용 개구부 사이에 위치하고, 상기 산화제 가스를 공급하는 상기 반응 가스 공급용 개구부보다도 상기 연료 가스를 공급하는 상기 반응 가스 공급용 개구부에 상기 냉각수 공급용 개구부가 근접하고 있는 구성으로 할 수 있다.
이 구성에 의해, 동일한 가스 온도라도 산화제 가스보다 공급량이 적기 때문 에, 방열의 영향을 받아 온도가 저하되기 쉬운 연료 가스측의 냉각을 보다 효과적으로 제어할 수 있어, 연료 가스측의 응축수의 발생을 억제할 수 있다.
본 발명의 연료 전지에 있어서, 상기 냉각수는 상기 연료 가스 및 상기 산화제 가스보다 고온인 것이 바람직하다. 이에 의해, 연료 가스 및 산화제 가스를 보다 효율적으로 데울 수 있어 응축수의 발생을 억제할 수 있다.
본 발명의 연료 전지에 있어서, 상기 산화제 가스를 공기로 할 수 있다.
본 발명에 따르면, 반응 가스 공급용 개구부와 한 쪽면에 형성된 반응 가스 유로 및 상기 반응 가스 공급용 개구부로부터 상기 반응 가스 유로로 상기 반응 가스를 유도하는 반응 가스 도입 유로와, 냉각수 공급용 개구부와 다른 쪽면에 형성된 냉각수 유로 및 상기 냉각수 개구부로부터 상기 냉각수 유로로 냉각수를 유도하는 냉각수 도입 유로를 갖고, 상기 반응 가스 도입 유로의 이면에 상기 냉각수 도입 유로가 형성된 것을 특징으로 하는 연료 전지용 세퍼레이터가 제공된다.
본 발명에 따르면, 제1 기판 및 제2 기판이 접촉하여 구성된 연료 전지용 세퍼레이터이며, 상기 제1 기판은 제공 반응 가스 공급용 개구부와 상기 제2 기판과의 비접촉면에 형성된 반응 가스 유로 및 상기 반응 가스 공급용 개구부로부터 상기 반응 가스 유로로 상기 반응 가스를 유도하는 반응 가스 도입 유로를 갖고, 상기 제2 기판은 상기 제1 기판과의 접촉면에 냉각수 유로를 갖는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 세퍼레이터가 제공된다.
이 구성에 의해, 본래는 전극에 있어서의 반응열을 냉각시키기 위해 공급되는 냉각수를 반응 가스 도입 유로의 이면에 간단한 구성으로 효율적으로 공급할 수 있다. 이로 인해, 냉각수의 열에 의해 반응 가스의 방열에 의한 냉각을 억제하고, 반응 가스 도입 유로 주변에 있어서의 응축수의 발생을 억제할 수 있다. 따라서, 응축수의 반응 가스 유로로의 진입이 억제되므로, 반응 가스의 공급을 확실하게 행할 수 있다. 이와 같이 하여, 연료 전지의 출력 특성을 안정화시키는 연료 전지용 세퍼레이터를 제공할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시 형태에 대해 도면을 이용하여 설명한다. 또한, 모든 도면에 있어서 동일한 구성 요소에는 동일한 부호를 붙이고, 이하의 설명에 있어서 상세한 설명을 적절하게 생략한다.
(제1 실시 형태)
본 실시 형태에 있어서, 한 쪽면에 연료 유로가 형성된 연료 전지용 세퍼레이터, 한 쪽면에 공기 유로가 형성된 연료 전지용 세퍼레이터 및 연료 전지에 대해 서로 대략 평행한 복수의 유로가 형성되어 있는 경우를 예로 설명한다. 또한, 본 실시 형태에 있어서는 연료 유로의 이면에 냉각수 유로가 형성되어 있는 구성을 예로 설명하지만 이에 한정되는 것은 아니며, 공기 유로의 이면에 냉각수 유로가 형성되어도 좋고, 혹은 한 쪽면에 냉각수 유로가 형성된 연료 전지용 세퍼레이터를 개별로 설치한 구성으로 해도 좋다.
도3의 (A)는 본 실시 형태의 연료 전지용 세퍼레이터를 포함하는 연료 전지 스턱의 구성을 도시한 분해 사시도이고, 도3의 (B)는 도3의 (A)의 연료 전지 스턱을 이면으로부터 본 분해 사시도이다. 또한, 도4는 도3의 연료 전지 스턱을 포함하는 연료 전지의 구성을 도시한 사시도이다.
도3의 (A) 및 도3의 (B)에서는, 스턱 구성의 예로서 2셀 구조인 경우를 도시하고 있다. 셀(50)의 연료극측에 연료극측 세퍼레이터(101), 공기극측에 공기극측 세퍼레이터(147)를 배치하고, 이를 1단위로 하여 소정의 단위수만큼 적층함으로써 스턱을 얻을 수 있다. 본 실시 형태의 연료 전지에 있어서, 셀(50)의 적층수에 특별히 제한은 없지만, 예를 들어 50 내지 200셀 정도의 적층체로 할 수 있다. 스턱의 양단부에는 인슐레이터(201) 및 엔드 플레이트(213)[도3의 (A) 및 도3의 (B)에서는 도시하지 않음]가 외측을 향해 이 순서로 설치된다. 또한, 인슐레이터(201)에 인접하는 연료극측 세퍼레이터에는, 연료극측 세퍼레이터(101) 대신에 냉각수 유로가 형성되어 있지 않은 연료극측 세퍼레이터(171)를 이용해도 좋다.
또한, 연료 전지용 세퍼레이터는 그 직사각형 기판의 길이 방향이 연직이 되도록 배치되어 적층되고, 스턱을 형성한다.
다음에, 셀(50)의 구성에 대해 설명한다. 도8은 세퍼레이터에 협지된 셀(50)의 단면 구조를 개략적으로 도시한 도면이다. 셀(50)의 양측에는 연료극측 세퍼레이터(101) 및 공기극측 세퍼레이터(147)가 설치된다. 이 예에서는 1개의 셀(50)만을 도시하지만, 연료극측 세퍼레이터(101)나 공기극측 세퍼레이터(147)를 거쳐서 복수의 셀(50)을 적층하여 연료 전지가 구성되어도 좋다.
셀(50)은 고체 고분자 전해질막(20)과, 연료극(22)과, 공기극(24)을 갖는다. 연료극(22)은 적층한 촉매층(26) 및 가스 확산층(28)을 갖고, 마찬가지로 공기극(24)도 적층한 촉매층(30) 및 가스 확산층(32)을 갖는다. 연료극(22)의 촉매층(26)과 공기극(24)의 촉매층(30)은 고체 고분자 전해질막(20)을 사이에 두고 대향 하도록 설치된다.
연료극(22)측에 설치되는 연료극측 세퍼레이터(101)에는 가스 유로(38)가 형성되어 있어, 이 가스 유로(38)를 통해 셀(50)에 연료 가스가 공급된다. 마찬가지로, 공기극(24)측에 설치되는 공기극측 세퍼레이터(147)에도 가스 유로(40)가 형성되어, 이 가스 유로(40)를 통해 셀(50)에 산화제 가스가 공급된다. 구체적으로는, 연료 전지의 운전시 가스 유로(38)로부터 연료극(22)에 연료 가스, 예를 들어 수소 가스가 공급되고, 가스 유로(40)로부터 공기극(24)에 산화제 가스, 예를 들어 공기가 공급된다.
고체 고분자 전해질막(20)은 습윤 상태에 있어서 양호한 이온 전도성을 나타내는 것이 바람직하고, 연료극(22) 및 공기극(24) 사이에서 프로톤을 이동시키는 이온 교환막으로서 기능한다. 고체 고분자 전해질막(20)은 불소 함유 중합체나 비불소 중합체 등의 고체 고분자 재료에 의해 형성되고, 예를 들어 술폰산형 퍼플루오로카본 중합체, 폴리살폰 수지, 포스폰산기 또는 카르본산기를 갖는 퍼플루오로카본 중합체 등을 이용할 수 있다. 술폰산형 퍼플루오로카본 중합체의 예로서, 나피온(듀퐁샤제 : 등록 상표)(112) 등을 들 수 있다. 또한, 비불소 중합체의 예로서, 술폰화된 방향족 폴리에테르에테르케톤, 폴리술폰 등을 들 수 있다.
연료극(22)에 있어서의 촉매층(26) 및 공기극(24)에 있어서의 촉매층(30)은, 다공막이며 이온 교환 수지와 촉매를 담지한 탄소 입자로 구성되는 것이 바람직하다. 담지되는 촉매에는, 예를 들어 백금, 루테늄, 로듐 등 중 1 종류 또는 2 종류 이상을 혼합한 것을 이용한다. 또한, 촉매를 담지하는 탄소 입자로는 아세틸렌블 랙, 케첸블랙 등이 있다.
이온 교환 수지는 촉매를 담지한 탄소 입자와 고체 고분자 전해질막(20)을 접속하고, 양자간에 있어서 프로톤을 전도하는 역할을 갖는다. 이온 교환 수지는, 고체 고분자 전해질막(20)과 동일한 고분자 재료로 형성되어도 좋다.
연료극(22)에 있어서의 가스 확산층(28) 및 공기극(24)에 있어서의 가스 확산층(32)은, 공급되는 수소 가스 또는 공기를 촉매층(26) 및 촉매층(30)에 공급하는 기능을 갖는다. 또한, 발전 반응에 의해 발생되는 전하를 외부 회로로 이동시키는 기능이나, 물이나 미반응 가스 등을 외부로 방출시키는 기능도 갖는다. 가스 확산층(28) 및 가스 확산층(32)은 전자 전도성을 갖는 다공체로 구성되는 것이 바람직하고, 예를 들어 카본 페이퍼나 카본 크로스 등으로 구성된다.
도4로 되돌아가, 본 실시 형태의 연료 전지(225)에는 셀 적층체(215)를 중심으로, 외측을 향해 차례로 각각 한 쌍의 집전판(207), 인슐레이터(201), 엔드 플레이트(213)가 설치되고, 가장 외측에는 타이 플레이트(217)가 배치된다. 여기서, 집전판(207)을 설치함으로써 셀 적층체(215)에서 발전된 전기를 외부로 취출할 수 있다. 또한, 엔드 플레이트(213)를 설치함으로써 셀 적층체(215)를 구성하는 각 플레이트의 면 내에 균일한 압축 가중을 가할 수 있다.
셀 적층체(215)를 협지하는 타이 플레이트(217)는, 편측에 2매씩 배치되어 있다. 타이 플레이트(217)에는 양단부에 나사부(223)가 설치된 타이 로드(221)가 관통하고, 너트(219)에 의해 체결된다. 이와 같이 함으로써, 셀 적층체(215), 집전판(207), 인슐레이터(201) 및 엔드 플레이트(213)가 압축 가중을 인가한 상태에 서 일체화된다. 또한, 인슐레이터(201)는 절연성 및 연료 전지의 운전 온도에 대한 내열성을 갖는 물질로부터 선택할 수 있고, 예를 들어 PPS(폴리페닐렌설파이드) 등을 이용할 수 있다. 또한, 연료 전지(225)의 주위에는 단열재(도시하지 않음)가 설치되어도 좋다.
다음에, 연료극측 세퍼레이터(101) 및 공기극측 세퍼레이터(147)의 구성에 대해, 도1의 (A), 도1의 (B) 및 도2의 (A), 도2의 (B)를 이용하여 설명한다.
도1의 (A) 및 도1의 (B)는, 본 실시 형태에 있어서의 한 쪽면에 연료 유로가 형성된 연료 전지용 세퍼레이터의 구성을 도시한 도면이다.
본 실시 형태에 있어서, 연료 전지용 세퍼레이터의 기판(103)의 한 쪽면에는 도1의 (A)에 도시된 바와 같이 연료 유로(105)가 형성되고, 다른 쪽면에는 도1의 (B)에 도시된 바와 같이 냉각수 유로(106)가 형성되어 있다. 또한, 연료 유로(105)는 도8의 가스 유로(38)에 해당된다.
도1의 (A) 및 도1의 (B)에 도시한 바와 같이, 기판(103)은 연료 전지 스턱의 적층 방향으로 연료 가스, 공기 및 냉각수를 각각 공급하는 공급 유로를 형성하는 연료 공급용 제1 매니폴드(107), 공기 공급용 제1 매니폴드(167) 및 냉각수 공급용 제1 매니폴드(111)와, 연료 전지 스턱의 적층 방향으로 연료 가스, 공기 및 냉각수를 각각 배출하는 배출 유로를 형성하는 연료 배출용 제1 매니폴드(109), 공기 배출용 제1 매니폴드(169) 및 냉각수 배출용 제1 매니폴드(113)를 갖는다.
본 실시 형태에 있어서, 냉각수는 연료 전지의 전극에 있어서의 반응열을 냉각시키기 위한 것을 사용하지만, 연료 가스 또는 공기보다 고온인 것이 바람직하 다. 이와 같이 하면, 연료 가스 또는 공기의 냉각을 억제할 수 있다. 예를 들어, 연료 가스 또는 공기의 온도의 온도를 65 ℃ 내지 70 ℃ 정도로 하고, 냉각수 공급용 제1 매니폴드(111)에 있어서의 냉각수의 온도를 71 ℃로 할 수 있다.
이하, 기판(103)의 각각의 면에 대해 상세하게 설명한다.
도1의 (A)는 한 쪽면에 연료 유로가 형성된 연료 전지용 세퍼레이터의 기판의 연료 유로가 형성된 한 쪽면의 입면도이다. 도1의 (A)에 도시한 바와 같이, 기판(103)의 한 쪽면에는 연료 가스를 연료 공급용 제1 매니폴드(107)로부터 도입하는 연료 도입 유로(125)와, 직사각형의 유로 형성 영역의 길이 방향으로 서로 실질적으로 평행하게 형성된 복수의 연료 유로(105)와, 연료 도입 유로(125)와 복수의 연료 유로(105)를 연결하는 연료 공급용 제2 매니폴드(115)와, 연료 배출용 제1 매니폴드(109)를 거쳐서 연료 가스를 배출하는 연료 배출 유로(127)와, 복수의 연료 유로(105)와 연료 배출 유로(127)를 연결하는 연료 배출용 제2 매니폴드(117)가 형성되어 있다.
냉각수 공급용 제1 매니폴드(111)는 연료 공급용 제1 매니폴드(107) 및 공기 공급용 제1 매니폴드(167)보다도 실질적으로 상방에 위치하고 있다. 즉, 냉각수 공급용 제1 매니폴드(111)의 바닥부가 연료 공급용 제1 매니폴드(107) 및 공기 공급용 제1 매니폴드(167)의 바닥부보다도 상방에 위치하도록 형성되어 있다.
또한, 연료 공급용 제2 매니폴드(115)와 연료 유로(105) 사이에는, 노즐(141)이 설치되어 있다. 노즐(141)을 설치함으로써, 연료 유로(105)의 입구 영역에 저항이 발생된다. 연료 공급용 제2 매니폴드(115)와 노즐(141) 또는 연료 도입 유로(125)에 있어서의 유로의 깊이는 같아지도록 단차를 형성함으로써, 연료 가스를 효율적으로 공급할 수 있다. 노즐(141)의 재료로서는, 예를 들어 수지를 이용할 수 있다. 이 때, 성형시의 유동성이 양호하여 완성 치수 정밀도가 높고, 약간 가요성이 있어 열전도성이 우수한 재료를 이용하는 것이 바람직하고, 예를 들어 폴리아세탈, 폴리메틸펜틴, 폴리페닐렌에테르, 폴리페닐렌설파이드, 액정폴리머 등을 이용하여 일체 성형할 수 있다.
노즐(141)의 구멍 직경은, 연료 유로(105)의 상류에 압력 손실을 발생시켜 응축수를 제거할 수 있도록 결정된다. 예를 들어, 노즐(141)의 구멍 직경은 입구측 즉 연료 공급용 제2 매니폴드(115)측을 예를 들어 0.25 ㎜로 할 수 있다. 이 때, 각 연료 유로(105)에 있어서의 압력 손실이 균일해지도록 형상이 선정되어 설정되어 있으므로, 1개당 연료 유로(105)를 흐르는 연료 가스량이 균일화된다. 또한, 연료 유로(105)에 있어서의 수분 제어가 양호하게 행해져, 고체 고분자 전해질막의 드라이업이나 응축 생성된 물방울에 의한 연료 유로(105)의 폐색 등이 방지된다. 이로 인해, 전극에 있어서의 전기 화학 반응이 안정되어 균일화되고, 전영역에 있어서 양호한 전기 화학 반응이 행해져 연료 전지의 출력이 안정된다.
이와 같이 구성된 연료 전지용 세퍼레이터에 있어서, 연료 가스는 연료 공급용 제1 매니폴드(107)로부터 연료 공급용 제1 매니폴드(107)의 측방에 형성된 연료 도입 유로(125)를 경유하여, 연료 공급용 제2 매니폴드(115)에 이르고, 연료 공급용 제2 매니폴드(115)로부터 노즐(141)을 경유하여 연료 유로(105)에 공급된다. 그리고, 연료 유로(105)를 통과한 연료 가스는 연료 배출용 제2 매니폴드(117)로부 터 연료 배출 유로(127)를 경유하여 연료 배출용 제1 매니폴드(109)에 이르고, 연료 전지 스턱의 적층 방향으로 배출되어 기판(103)의 외부로 배출된다.
도1의 (B)는 도1의 (A)의 연료 전지용 세퍼레이터의 기판(103)의 냉각수 유로(106)가 형성된 다른 쪽면의 입면도이다. 도1의 (B)에 도시한 바와 같이, 기판(103)의 다른 쪽면에는 냉각수를 냉각수 공급용 제1 매니폴드(111)로부터 도입하는 냉각수 도입 유로(129)와, 직사각형의 유로 형성 영역의 길이 방향으로 서로 실질적으로 평행하게 형성된 복수의 냉각수 유로(106)와, 냉각수 도입 유로(129)와 복수의 냉각수 유로(106)를 연결하는 냉각수 공급용 제2 매니폴드(119)와, 냉각수 배출용 제1 매니폴드(113)를 경유하여 냉각수를 배출하는 냉각수 배출 유로(131)와, 복수의 냉각수 유로(106)와 냉각수 배출 유로(131)를 연결하는 냉각수 배출용 제2 매니폴드(121)가 형성되어 있다.
또한, 냉각수 유로(106)의 주위 기판(103)의 표면에는 밀봉재(133)가 접착되어 있고, 볼록형의 비드(135)가 형성되어 있다. 이로 인해, 적층하여 스턱을 형성하였을 때에 연료극측 세퍼레이터(101)와 다른 세퍼레이터와의 밀착성이 양호하며, 가스나 물의 누출을 적합하게 억제할 수 있다. 밀봉재(133)로서는, 예를 들어 EPDM(에틸렌 - 프로필렌 - 디엔 - 고무) 등의 탄성 부재를 이용할 수 있다.
이와 같이 구성된 연료 전지용 세퍼레이터에 있어서, 냉각수는 냉각수 공급용 제1 매니폴드(111)로부터 냉각수 도입 유로(129)를 경유하여 냉각수 공급용 제2 매니폴드(119)에 이르고, 냉각수 공급용 제2 매니폴드(119)로부터 냉각수 유로(106)로 공급된다. 그리고, 냉각수 유로(106)를 통과한 냉각수는 냉각수 배출용 제2 매니폴드(121)로부터 냉각수 배출 유로(131)를 통해 냉각수 배출용 제1 매니폴드(113)에 이르고, 연료 전지 스턱의 적층 방향으로 배출되어 기판(103) 외부로 배출된다.
도2의 (A) 및 도2의 (B)는 본 실시 형태에 있어서의 한 쪽면에 공기 유로가 형성된 연료 전지용 세퍼레이터의 구성을 도시한 도면이다. 도2의 (A) 및 도2의 (B)에 도시한 바와 같이, 기판(149)은 도1의 기판(103)과 마찬가지로 연료 전지 스턱의 적층 방향으로 연료 가스, 공기 및 냉각수를 각각 공급하는 공급 유로를 형성하는 연료 공급용 제1 매니폴드(107), 공기 공급용 제1 매니폴드(167) 및 냉각수 공급용 제1 매니폴드(111)와, 연료 전지 스턱의 적층 방향으로 연료 가스, 공기 및 냉각수를 각각 배출하는 배출 유로를 형성하는 연료 배출용 제1 매니폴드(109), 공기 배출용 제1 매니폴드(169) 및 냉각수 배출용 제1 매니폴드(113)를 갖는다.
본 실시 형태에 있어서, 연료 전지용 세퍼레이터의 기판(149)의 한 쪽면에는 도2의 (A)에 도시된 바와 같이 유로가 형성되어 있지 않은 평탄면으로 되어 있다. 또한, 다른 쪽면에는 도2의 (B)에 도시된 바와 같이 공기 유로(153)가 형성되어 있다. 또한, 공기 유로(153)는 도8의 가스 유로(40)에 해당된다.
도2의 (B)는, 도2의 (A)의 연료 전지용 세퍼레이터의 다른 쪽면의 입면도이다. 도2의 (B)에 도시한 바와 같이, 기판(149)의 다른 쪽면에는 공기를 공기 공급용 제1 매니폴드(167)로부터 도입하는 공기 도입 유로(159)와, 직사각형의 유로 형성 영역의 길이 방향으로 서로 평행하게 형성된 복수의 공기 유로(153)와, 공기 도입 유로(159)와 복수의 공기 유로(153)를 연결하는 공기 공급용 제2 매니폴드(155) 와, 공기를 공기 배출용 제1 매니폴드(169)를 거쳐서 배출하는 공기 배출 유로(170)와, 복수의 공기 유로(153)와 공기 배출 유로(170)를 연결하는 공기 배출용 제2 매니폴드(157)가 형성되어 있다.
또한, 공기극측 세퍼레이터(147)에 있어서도 기판(149)의 공기 유로(153) 형성 영역 주변에 밀봉재(151)가 피복되어 있으므로, 비드(도시하지 않음)에 의해 공기극측 세퍼레이터(147)를 적층하였을 때의 밀착성이 확보되어 있다.
또한, 공기 공급용 제2 매니폴드(155)와 공기 유로(153) 사이에는 노즐(141)이 설치되고 있고, 공기 유로(153) 내의 응축수를 배출하기 위한 압력이 확보되므로, 공기 유로(153) 내에 균일하게 공기가 공급된다.
또한, 도1의 (A)의 연료 유로측의 연료 전지용 세퍼레이터와 마찬가지로, 공기 공급용 제2 매니폴드(155)와 노즐(141) 또는 공기 도입 유로(159)에 있어서의 유로의 깊이가 같아지도록 단차를 형성함으로써, 공기를 효율적으로 공급할 수 있다.
이와 같이 구성된 연료 전지용 세퍼레이터에 있어서, 공기는 공기 공급용 제1 매니폴드(167)로부터 공기 공급용 제1 매니폴드(167)의 측방에 형성된 공기 도입 유로(159)를 경유하여 공기 공급용 제2 매니폴드(155)에 이르고, 공기 공급용 제2 매니폴드(155)로부터 노즐(141)을 거쳐서 공기 유로(153)에 공급된다. 그리고, 공기 유로(153)를 통과한 공기는, 공기 배출용 제2 매니폴드(157)로부터 공기 배출 유로(170)를 통해 공기 배출용 제1 매니폴드(169)에 이르고, 연료 전지 스턱의 적층 방향으로 배출되어 기판(149) 외부에 배출된다.
도1의 (A), 도1의 (B) 및 도2의 (A), 도2의 (B)에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태에 있어서 연료 도입 유로(125) 및 공기 도입 유로(159)는 세로로 긴 대략 타원형의 연료 공급용 제1 매니폴드(107) 및 공기 공급용 제1 매니폴드(167)의 상부 측방에 각각 형성되어 있다. 이에 의해, 연료 공급용 제1 매니폴드(107) 및 공기 공급용 제1 매니폴드(167)로부터 도입되는 가습된 연료 가스 및 공기 유래의 응축수는 연료 공급용 제1 매니폴드(107) 및 공기 공급용 제1 매니폴드(167)의 바닥부에 저장되고, 연료 도입 유로(125) 및 공기 도입 유로(159)에 각각 진입하지 않도록 되어 있다. 이로 인해, 연료 가스가 연료 공급용 제1 매니폴드(107)의 횡방향으로부터 연료 공급용 제2 매니폴드(115)로 이동할 때, 또는 공기가 공기 공급용 제1 매니폴드(167)의 횡방향으로부터 공기 공급용 제2 매니폴드(165)로 이동할 때의 반응 가스, 또는 공기 중으로의 응축수의 혼입을 억제하는 것이 가능해진다.
또한, 본 실시 형태에 있어서 냉각수 공급용 제1 매니폴드(111)는 연료 공급용 제1 매니폴드(107) 및 공기 공급용 제1 매니폴드(167)와 대략 수평 방향으로 나란히 배치되는 동시에, 연료 공급용 제1 매니폴드(107) 및 공기 공급용 제1 매니폴드(167)보다 실질적으로 상방에 배치된다. 또한, 냉각수 도입 유로(129)는 냉각수 공급용 제1 매니폴드(111)의 하부에 형성되고, 냉각수가 냉각수 공급용 제1 매니폴드(111)로부터 중력의 방향에 따라서 연직 하부 방향으로 흐르는 동시에, 연료 도입 유로(125) 및 공기 도입 유로(159)를 가로지르도록 형성된다.
이에 의해, 본래는 전극에 있어서의 반응열을 냉각시키기 위해 공급되는 냉각수가 냉각수 공급용 제1 매니폴드(111)로부터 냉각수 도입 유로(129)를 거쳐서 냉각수 공급용 제2 매니폴드(119)를 향해 하방으로 유입되는 동안, 연료 도입 유로(125) 및 공기 도입 유로(159)가 형성된 이면을 가로지르므로, 냉각수의 열에 의해 연료 가스 및 공기의 냉각을 억제하여 연료 도입 유로(125) 및 공기 도입 유로(159)의 주변에 있어서의 가습 연료 유래의 응축수의 발생을 억제할 수 있다. 이로 인해, 응축수의 연료 도입 유로(125) 및 공기 도입 유로(159)로의 진입이 억제되므로, 연료 가스 및 공기의 공급을 확실하게 행할 수 있다. 이와 같이 하여, 출력의 안정성이 우수한 연료 전지를 제공할 수 있다.
또한, 도5에 도시한 바와 같이 본 실시 형태에 있어서 냉각수 공급용 제1 매니폴드(111)는, 연료 공급용 제1 매니폴드(107) 및 공기 공급용 제1 매니폴드(167) 사이에 위치하고, 또한 연료 공급용 제1 매니폴드(107)와의 거리(d1)의 쪽이 공기 공급용 제1 매니폴드(167)와의 거리(d2)보다 작아지도록 배치된다.
이 구성에 의해, 동일한 가스 온도라도 산화제 가스보다 공급량이 적으므로, 방열의 영향을 받아 온도가 저하되기 쉬운 연료 가스측의 냉각을 보다 효과적으로 제어할 수 있어, 연료 가스측의 응축수의 발생을 억제할 수 있다.
도9는 연료극측 세퍼레이터(101)의 다른 구성을 도시한 도면이다. 도9의 연료극측 세퍼레이터(101)의 기본 구성은 도1의 (A)의 구성과 동일하지만, 접속 유로(227)가 형성되어 있는 점이 서로 다르다. 접속 유로(227)는 연료 공급용 제1 매니폴드(107)로부터 상부를 향해 비스듬히 설치되고, 연료 공급용 제2 매니폴드(115)에 연통하고 있다.
도9의 구성에서는, 접속 유로(227)가 냉각수 공급용 제1 매니폴드(111)를 통 과한 연료 가스를 연료극측 세퍼레이터(10l)의 상방으로 유도되도록 되어 있다. 이로 인해, 연료 가스는 한번 연료극측 세퍼레이터(101) 상방으로 유도된 후, 하방의 연료 공급용 제2 매니폴드(115)를 향해 흐르게 된다. 또한, 접속 유로(227)의 이면을 냉각수가 흐르는 구성으로 되어 있다.
이로 인해, 연료 가스의 결로에 의해 발생된 응축수를 냉각수 공급용 제1 매니폴드(111)의 바닥부에 더욱 확실하게 퇴적시킬 수 있다. 한편, 이슬점 온도가 높은 연료 가스는 접속 유로(227)를 상방을 향해 이동한다. 이와 같이, 도9의 구성에 있어서는 응축수를 제거하여 연료 유로(105)로 유도하는 기구가 간소한 구성으로 실현되어 있다. 이로 인해, 접속 유로(227)를 이동하는 연료 가스가 응축수를 포함함으로써 연료 유로(105)의 폐색을 보다 한층 확실하게 억제할 수 있다.
다음에, 연료극측 세퍼레이터(101) 및 공기극측 세퍼레이터(147)의 제조 방법에 대해, 연료극측 세퍼레이터(101)의 경우를 예로 설명한다. 공기극측 세퍼레이터(147)에 대해서도 마찬가지로 하여 제작할 수 있다. 도10의 (A) 및 도10의 (B)는, 본 실시 형태에 관한 연료 전지용 세퍼레이터의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
연료극측 세퍼레이터(101) 및 공기극측 세퍼레이터(147)는 카본 분말과 열경화성 수지 분말의 혼합물로 성형할 수 있다. 이 때, 수지 분말이 결착제가 되므로, 성형이 용이하고 저렴한 플레이트를 얻을 수 있다. 카본 분말과 열경화성 수지 분말의 배합비는, 예를 들어 중량비로 1 : 1 내지 19 : 1 정도로 할 수 있다.
도10의 (A)는 연료극측 세퍼레이터(101)의 제조 공정을 나타낸 도면이다. 또한, 도10의 (B)는 그 제조 모습을 설명한 설명도이다. 도10의 (A)에 나타낸 바와 같이, 우선 흑연 분말과 열경화성 수지를 균일하게 혼합하여 조정하고 소정의 컴파운드를 작성한다(S100). 계속해서, 이 컴파운드에 2 내지 10 ㎫의 범위의 면압을 가하여, 미리 최종 성형 형상에 근사한 형상으로 냉간 성형한다(S101). 계속해서, 그 예비 성형체를 도10의 (B)에 도시한 바와 같이 소정의 최종 형상을 갖는 금형(265) 내에 충전한다(S102). 이 상태에서, 금형(265)을 150 ℃ 내지 170 ℃로 가열 승온하는 동시에, 프레스(도시하지 않음)를 동작시킨다. 이 때, 도10의 (B)에 도시된 바와 같이, 화살표 f 방향으로부터 10 내지 100 ㎫, 바람직하게는 20 내지 50 ㎫의 범위의 면압을 가함으로써(S103), 금형(265)의 형상에 따른 최종 형상의 연료극측 세퍼레이터(101)가 제조된다(S104).
이와 같이 하여 제조되는 연료극측 세퍼레이터(101)에 있어서는, 컴파운드를 최종 형상에 근사한 형상으로 예비 성형한 후, 그 예비 성형체를 금형(265)에 충전하여 150 ℃ 내지 170 ℃로 가열 승온하면서, 10 내지 100 ㎫(바람직하게는, 20 내지 50 ㎫)의 높은 성형 면압을 가함으로써 열경화성 수지가 용해되는 동시에 열경화 반응이 일어나, 성형체 밀도가 큰 소정 형상의 연료극측 세퍼레이터(101)에 균질하게 성형할 수 있다.
(제2 실시 형태)
도6은 본 실시 형태에 있어서의 한 쪽면에 연료 유로가 형성된 연료 전지용 세퍼레이터의 냉각수 유로가 형성된 다른 쪽면의 구성을 도시한 도면이다. 도6의 세퍼레이터의 기본 구성은 도1의 (B)와 동일하지만, 냉각수 도입 유로(129)가 연료 공급용 제1 매니폴드(107) 및 공기 공급용 제1 매니폴드(167)의 외주 전체에 형성된 점이 서로 다르다.
또한, 도7에 도시한 바와 같이 본 실시 형태에 있어서도 상기 실시 형태와 마찬가지로, 냉각수 공급용 제1 매니폴드(111)는 연료 공급용 제1 매니폴드(107) 및 공기 공급용 제1 매니폴드(167) 사이에 위치하고, 또한 연료 공급용 제1 매니폴드(107)와의 거리(d1) 쪽이 공기 공급용 제1 매니폴드(167)와의 거리(d2)보다 작아지도록 배치된다.
이와 같이 구성된 본 실시 형태에 있어서의 연료 전지에 있어서도, 제1 실시 형태와 동일한 효과를 얻을 수 있다. 또한, 본 실시 형태의 구성에서는 냉각수 도입 유로(129)가 공기 공급용 제1 매니폴드(167) 및 연료 공급용 제1 매니폴드(107)의 외주 전체를 덮도록 형성되어 있으므로, 연료 가스 및 공기의 냉각을 보다 한층 확실하게 억제할 수 있다. 이로 인해, 연료 전지의 출력을 더욱 안정화시킬 수 있다.
이상, 본 발명을 실시 형태를 기초로 하여 설명하였다. 이들 실시 형태는 예시이며, 그들의 각 구성 요소의 조합에 다양한 변형예가 가능한 것, 또한 그러한 변형예도 본 발명의 범위에 있는 것은 당업자에게 이해되는 바이다.
예를 들어, 상술한 실시 형태에 있어서는 1개의 셀(50)당 1개의 냉각수 유로(106)가 형성된 구성으로 하였지만, 연료 전지를 더욱 박형화할 필요가 있는 경우, 냉각 효율을 확보할 수 있는 범위 내에서, 예를 들어 2개의 셀(50)당 1개의 냉각수 유로(106)를 형성하는 등 적층 형식의 변경이 가능하다.
또한, 본 발명의 실시 형태의 연료 전지에 있어서, 냉각수 유로(106)가 형성된 면만을 갖는 세퍼레이터를 포함할 수 있다.
또한, 연료극측 세퍼레이터(101) 또는 공기극측 세퍼레이터(147)에 있어서, 밀봉재(133) 또는 밀봉재(151)를 유로의 주위에 설치하는 면은 전술한 면과는 다른 면, 즉 연료 유로(105)가 형성된 면이나 유로가 형성되어 있지 않은 평활면으로 할 수도 있다.
또한, 냉각수 유로(106)는 연료 유로(105)의 이면에 형성하였지만, 공기 유로(153)의 이면에 형성해도 좋다.
또한, 냉각수 공급용 제1 매니폴드(111)와 냉각수 배출용 제1 매니폴드(113)를 교체하여, 냉각수 배출용 제1 매니폴드(113)를 냉각수의 공급용으로서 이용해도 좋고, 냉각수 공급용 제1 매니폴드(111)를 냉각수의 배출용으로서 이용해도 좋다.
이상 서술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 연료 전지의 출력 특성을 안정시킬 수 있다.

Claims (7)

  1. 전해질 및 상기 전해질의 양면에 배치된 한 쌍의 전극을 포함하는 막 전극 접합체와,
    상기 막 전극 접합체를 협지하는 한 쌍의 세퍼레이터를 갖고,
    상기 한 쌍의 세퍼레이터에는 각각 반응 가스 공급용 개구부가 설치되고, 한 쪽면에 반응 가스 유로와 상기 반응 가스 공급용 개구부로부터 상기 반응 가스 유로로 반응 가스를 유도하는 반응 가스 도입 유로를 갖고,
    적어도 한 쪽의 상기 세퍼레이터의 상기 반응 가스 도입 유로의 이면에 냉각수 유로가 형성된 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  2. 제1항에 있어서, 상기 냉각수 유로는 상기 반응 가스 공급용 개구부의 외주 전체에 상기 냉각수가 통수되도록 구성된 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 한 쌍의 세퍼레이터에는 냉각수 공급용 개구부가 설치되고,
    상기 반응 가스 공급용 개구부 및 상기 냉각수 공급용 개구부는 상기 반응 가스 유로의 상방에 설치되고,
    상기 냉각수 공급용 개구부는 상기 반응 가스 공급용 개구부보다도 실질적으로 상방에 위치하고,
    상기 냉각수가 상기 냉각수 개구부로부터 연직 하방을 향해 흐르도록 구성된 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  4. 제3항에 있어서, 상기 냉각수 공급용 개구부가 상기 연료 가스 및 산화제 가스를 각각 공급하는 2개의 상기 반응 가스 공급용 개구부 사이에 위치하고,
    상기 산화제 가스를 공급하는 상기 반응 가스 공급용 개구부보다도 상기 연료 가스를 공급하는 상기 반응 가스 공급용 개구부에 상기 냉각수 공급용 개구부가 근접하고 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 반응 가스 도입 유로는 상기 반응 가스 공급용 개구부로부터 상부를 향해 형성된 접속 유로를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  6. 반응 가스 공급용 개구부와 한 쪽면에 형성된 반응 가스 유로 및 상기 반응 가스 공급용 개구부로부터 상기 반응 가스 유로로 반응 가스를 유도하는 반응 가스 도입 유로를 갖고,
    상기 반응 가스 도입 유로의 이면에 냉각수 유로가 형성된 것을 특징으로 하는 연료 전지용 세퍼레이터.
  7. 제6항에 있어서, 상기 냉각수 유로는 상기 반응 가스 공급용 개구부의 외주 전체에 상기 냉각수가 통수되도록 구성된 것을 특징으로 하는 연료 전지용 세퍼레이터.
KR1020040086410A 2003-10-29 2004-10-28 연료 전지 및 연료 전지용 세퍼레이터 KR100619193B1 (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JPJP-P-2003-00369507 2003-10-29
JP2003369507A JP3858016B2 (ja) 2003-10-29 2003-10-29 燃料電池および燃料電池用セパレータ

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20050040780A KR20050040780A (ko) 2005-05-03
KR100619193B1 true KR100619193B1 (ko) 2006-09-13

Family

ID=34587203

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020040086410A KR100619193B1 (ko) 2003-10-29 2004-10-28 연료 전지 및 연료 전지용 세퍼레이터

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20050112422A1 (ko)
JP (1) JP3858016B2 (ko)
KR (1) KR100619193B1 (ko)
CN (1) CN100392904C (ko)

Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100709223B1 (ko) * 2005-11-09 2007-04-18 삼성에스디아이 주식회사 직접 산화형 연료 전지
JP4598638B2 (ja) * 2005-09-21 2010-12-15 本田技研工業株式会社 車載用燃料電池システム
US8415060B2 (en) 2005-09-21 2013-04-09 Honda Motor Co., Ltd. In-vehicle fuel cell system
WO2007046522A1 (ja) * 2005-10-17 2007-04-26 Dai Nippon Printing Co., Ltd. 高分子電解質型燃料電池用のセパレータおよびその製造方法
JP5171047B2 (ja) * 2006-01-25 2013-03-27 キヤノン株式会社 燃料電池装置
KR101314973B1 (ko) * 2006-05-03 2013-10-04 삼성에스디아이 주식회사 연료전지용 분리판
JP5245315B2 (ja) * 2007-07-31 2013-07-24 日産自動車株式会社 燃料電池
US8501362B2 (en) * 2010-09-22 2013-08-06 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell stack
KR101282619B1 (ko) * 2011-12-14 2013-07-12 기아자동차주식회사 연료전지용 분리판
JP6117736B2 (ja) * 2013-06-04 2017-04-19 本田技研工業株式会社 燃料電池
JP6065859B2 (ja) * 2014-03-05 2017-01-25 ブラザー工業株式会社 セパレータ及びこれを備えた燃料電池

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR970077796A (ko) * 1996-05-30 1997-12-12 와다 아키히로 연료전지 발전장치
KR20020064307A (ko) * 1999-11-08 2002-08-07 마쯔시다덴기산교 가부시키가이샤 고분자 전해질형 연료전지

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4590047B2 (ja) * 1999-08-13 2010-12-01 本田技研工業株式会社 燃料電池スタック
JP4128844B2 (ja) * 2002-10-16 2008-07-30 松下電器産業株式会社 高分子電解質型燃料電池用複合セパレータ板およびそれを用いた高分子電解質型燃料電池

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR970077796A (ko) * 1996-05-30 1997-12-12 와다 아키히로 연료전지 발전장치
KR20020064307A (ko) * 1999-11-08 2002-08-07 마쯔시다덴기산교 가부시키가이샤 고분자 전해질형 연료전지

Also Published As

Publication number Publication date
CN1612390A (zh) 2005-05-04
US20050112422A1 (en) 2005-05-26
CN100392904C (zh) 2008-06-04
KR20050040780A (ko) 2005-05-03
JP3858016B2 (ja) 2006-12-13
JP2005135707A (ja) 2005-05-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6921598B2 (en) Polymer electrolyte fuel cell and method of manufacturing the same
KR100539649B1 (ko) 연료 전지용 세퍼레이터 및 이를 이용한 연료 전지
KR100482419B1 (ko) 고분자 전해질형 연료전지
JP4129289B2 (ja) 固体高分子型燃料電池
EP1517392B1 (en) Solid high polymer type cell assembly
US20100068599A1 (en) Fuel cell stack
US20060199055A1 (en) Electrochemical Cell Stacks and Use Thereof
CA2400452C (en) A fuel cell stack and a method of supplying reactant gases to the fuel cell stack
KR100619193B1 (ko) 연료 전지 및 연료 전지용 세퍼레이터
US6492054B1 (en) Polymer electrolyte fuel cell including a water-retaining layer on a ribbed plate
CN1697222A (zh) 燃料电池
JP4739880B2 (ja) 固体高分子形燃料電池
US20040157111A1 (en) Fuel cell
KR100627749B1 (ko) 연료 전지
JP2004207082A (ja) 燃料電池および燃料電池用セパレータ
JP4989185B2 (ja) 燃料電池用セパレータセット
JP2004213954A (ja) 燃料電池用セパレータおよびこれを用いた燃料電池
CN2718795Y (zh) 一种具有较高运行稳定性的燃料电池
CN1734814A (zh) 一种具有较高运行稳定性的燃料电池
JP4498681B2 (ja) 高分子電解質型燃料電池
JP2004185904A (ja) 燃料電池
US20180248212A1 (en) Fuel cell for optimising air humidification
CN115706245A (zh) 集成式燃料电池端板及其应用的燃料电池
KR20060004269A (ko) 가습부 일체형 연료전지 분리판
KR20080013283A (ko) 비전도성 물질이 처리된 연료전지용 금속분리판

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20120802

Year of fee payment: 7

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20130801

Year of fee payment: 8

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20140808

Year of fee payment: 9

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20150730

Year of fee payment: 10

LAPS Lapse due to unpaid annual fee