KR100627749B1 - 연료 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 과제는 연료 전지의 출력을 안정시키는 것이다.
연료 전지(100)에 있어서, 세퍼레이터(34)의 연료극측 가스 유로(38)를, 셀(50)을 거쳐서 세퍼레이터(36)의 평탄면에 대향시킨다. 또한, 세퍼레이터(36)의 공기극측 가스 유로(40)를, 셀(50)을 거쳐서 세퍼레이터(34)의 평탄면에 대향시킨다.
연료 전지, 세퍼레이터, 가스 유로, 셀, 촉매층

Description

연료 전지{FUEL CELL}
도1은 실시 형태에 관한 연료 전지의 구성을 개략적으로 도시한 단면도.
도2는 실시 형태에 관한 연료 전지를 구성하는 세퍼레이터 및 셀의 구성을 개략적으로 도시한 분해 사시도.
도3은 실시 형태에 관한 연료 전지용 세퍼레이터의 구성을 도시한 단면도.
도4는 실시 형태에 관한 연료 전지용 세퍼레이터의 구성을 도시한 단면도.
도5는 실시 형태에 관한 연료 전지용 세퍼레이터의 구성을 도시한 단면도.
도6은 실시 형태에 관한 연료 전지용 세퍼레이터의 구성을 도시한 단면도.
도7은 실시 형태에 관한 연료 전지용 세퍼레이터의 제조 방법을 설명한 도면.
도8은 종래의 연료 전지의 구성을 개략적으로 도시한 단면도.
도9는 MEA의 양면을 2매의 세퍼레이터로 협지한 모습을 개략적으로 도시한 단면도.
도10은 MEA의 양면을 2매의 세퍼레이터로 협지한 모습을 개략적으로 도시한 단면도.
도11은 MEA의 양면을 2매의 세퍼레이터로 협지한 모습을 개략적으로 도시한 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
20 : 고체 고분자 전해질막
22 : 연료극
24 : 공기극
26, 30 : 촉매층
28, 32 : 가스 확산층
34, 36 : 세퍼레이터
38 : 연료극측 가스 유로
40 : 공기극측 가스 유로
50 : 셀
60 : MEA
62 : 제1 세퍼레이터
64 : 제2 세퍼레이터
66 : 유로
68 : 침출부
100 : 연료 전지
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
155 : 공기 공급용 제2 매니폴드
157 : 공기 배출용 제2 매니폴드
167 : 공기 공급용 제1 매니폴드
169 : 공기 배출용 제1 매니폴드
265 : 금형
본 발명은, 연료 전지에 관한 것이다.
최근, 에너지 변환 효율이 높고 또한 발전 반응에 의해 유해 물질을 발생시키지 않는 연료 전지가 주목을 받고 있다. 이러한 연료 전지의 하나로서, 100 ℃ 이하의 저온에서 작동하는 고체 고분자형 연료 전지가 알려져 있다.
고체 고분자형 연료 전지는 전해질막인 고체 고분자막을 연료극과 공기극 사이에 배치한 막 전극 접합체(이하, MEA라고도 함)를 기본 구조로 하고, 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 외측에 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, 이들 세퍼레이터 사이에는 전극을 냉각하기 위한 냉각수의 유로가 형성된다.
여기서, 연료 전지를 가정에 보급시키기 위해서는, 소형 및 경량이고 또한 출력 특성 및 안정성이 높은 것이 요구된다. 그래서, 세퍼레이터를 거쳐서 이러한 연료 전지를 적층한 연료 전지 스턱에 대해 검토가 이루어져 있다(특허 문헌 1). 특허 문헌 1에는 세퍼레이터에 형성되는 유로의 평면 배치를 고안함으로써, 연료 전지의 특성을 향상시키는 것이 기재되어 있다. 그런데, 종래의 연료 전지 스턱에서는, 안정적인 출력 발휘의 관점에 있어서 개량의 여지가 있었다.
[특허 문헌 1]
일본 특허 공개 제2001-57219호 공보
본 발명은 상기 사정에 비추어 이루어진 것으로, 그 목적은 연료 전지의 출력을 안정시키는 기술을 제공하는 데 있다.
본 발명자는 연료 전지의 출력을 안정적으로 발휘시킨다고 하는 관점으로부터 예의 검토를 거듭하였다. 그 결과, 연료 전지의 세퍼레이터의 표면에 형성된 유로의 깊이 방향을 향해 MEA가 비어져 나옴으로써, 유로의 연장 방향으로 수직인 단면적의 크기가 유로 사이에서 변동된다고 하는 현상을 발견하였다. 이 현상에 대해, 도9 내지 도11을 참조하여 설명한다.
도9 내지 도11은 MEA의 양면을 2매의 세퍼레이터로 협지한 모습을 개략적으로 도시한 단면도이다. 도9에 있어서, MEA(60)에는 제1 세퍼레이터(62) 및 제2 세퍼레이터(64)의 양측으로부터 압력이 인가된다. 여기서, 제1 세퍼레이터(62)에 있어서, 유로(66)가 형성된 영역에서는 압력으로부터 해방되어 있다. 이로 인해, 유로(66)가 형성된 영역에서는 MEA(60)에 도면 중 상부 방향으로부터의 압력이 인가되어 있지 않아 MEA(60)가 도면 중 상부 방향으로 비어져 나와 유로(66) 중에 MEA 의 침출부(68)가 형성된다. 그리고, 침출부(68)의 크기가 유로(66)마다 변동되면 유로(66)의 단면적에 변동이 발생된다. 침출부(68)의 단면적이 클수록 반응 가스의 공급에 유효한 유로(66)의 단면적이 감소하므로, 유로 저항이 커져 반응 가스가 흐르기 어려워 반응 가스의 안정적인 공급이 곤란해지는 것이 발견되었다.
여기서, 특허 문헌 1의 종래 기술의 항에는 도8에 도시한 바와 같이 단일 셀의 양면에 설치된 2매의 세퍼레이터의 각각에 등간격의 유로가 형성되고, 유로끼리가 대향하여 배치된 구성의 연료 전지가 기재되어 있다(특허 문헌 1, 도8). 그런데, 본 발명자가 검토한 결과, 이와 같이 2매의 세퍼레이터의 유로의 간격이 동등하여 유로끼리가 대향하여 배치되어 있는 경우, 전극이 돌출하는 정도가 크므로 단면적의 변동이 발생하기 쉬웠다.
한편, 연료 가스 및 공기의 각각을 원하는 유량으로 공급하는 방법으로서, 2매의 세퍼레이터의 유로의 간격을 다르게 하는 것도 생각할 수 있다. 그런데, 유로의 간격이 연료 가스측과 공기측에서 다른 경우, 통상의 설계에서는 한 쪽 세퍼레이터에 형성된 유로가 도10에 도시한 바와 같이 다른 쪽 세퍼레이터의 유로에 대향하는 경우, 도9에 도시한 바와 같이 다른 쪽 세퍼레이터의 유로 이외의 영역에 대향하는 경우 및 도11에 도시한 바와 같이 다른 쪽 세퍼레이터의 유로의 일부에 대향하는 경우가 발생된다. 이로 인해, 유로를 피복하는 전극에 가해지는 압력에 변동이 발생되기 쉬워, 전극의 돌출 정도에 변동이 발생되고 있었다. 따라서, 이 경우에도 단면적의 변동이 발생되기 쉬웠다.
또한 본 발명자가 검토한 결과, 이상과 같이 세퍼레이터에 형성된 유로의 단 면적에 변동이 생기면, MEA의 전면에 연료 가스 또는 공기를 안정적으로 공급할 수 없어, 연료 전지의 출력의 안정화를 방해하는 것을 알 수 있었다. 그래서, 본 발명자는 유로의 단면적에 변동이 생기는 것을 억제하기 위해 검토를 행하여 본 발명에 이르렀다.
본 발명에 따르면, 전해질 및 상기 전해질의 양면에 배치된 한 쌍의 전극을 포함하는 막 전극 접합체와, 상기 막 전극 접합체를 협지하는 제1 세퍼레이터 및 제2 세퍼레이터를 갖고, 상기 제1 세퍼레이터에는 상기 막 전극 접합체와의 접촉면에 대해 오목형으로 형성된 복수의 오목부로 이루어지는 제1 유로가 형성되고, 상기 제2 세퍼레이터에는 상기 막 전극 접합체와의 접촉면에 대해 오목형으로 형성된 복수의 오목부로 이루어지는 제2 유로가 형성되고, 상기 제1 세퍼레이터의 상기 오목부가 상기 막 전극 접합체를 거쳐서 상기 제2 세퍼레이터의 상기 접촉면에 대향하고, 상기 제2 세퍼레이터의 상기 오목부가 상기 막 전극 접합체를 거쳐서 상기 제1 세퍼레이터의 상기 접촉면에 대향하고 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지가 제공된다.
본 발명의 연료 전지는, 막 전극 접합체가 이에 접촉하여 설치된 제1 세퍼레이터 및 제2 세퍼레이터에 의해 협지된 구성으로 되어 있다. 그리고, 제1 세퍼레이터의 오목부가 제2 세퍼레이터의 접촉면에 대향하고, 제2 세퍼레이터의 오목부가 제1 세퍼레이터의 접촉면에 대향한 구성이다. 제1 세퍼레이터에 설치된 오목부와 제2 세퍼레이터에 설치된 오목부가 대향하지 않는 구성으로 되어 있다. 이로 인해, 막 전극 접합체가 오목부에 비어져 나올 정도로 변동이 생기는 것이 억제된다. 따라서, 유로의 단면적이 막 전해질 접합체의 침입에 의해 변동되는 것을 적합하게 억제할 수 있다. 따라서, 제1 유로 및 제2 유로 중을 이동하는 유체의 유량의 변동을 억제할 수 있다. 이로 인해, 연료 전지를 안정적으로 운전할 수 있다.
본 발명의 연료 전지에 있어서, 상기 제1 유로를 구성하는 복수의 상기 오목부 및 상기 제2 유로를 구성하는 복수의 상기 오목부는, 일방향으로 연장되어 서로 평행하게 설치된 구성으로 할 수 있다.
또한, 본 발명의 연료 전지에 있어서 상기 제1 세퍼레이터 및 상기 제2 세퍼레이터는, 각각 서로 평행한 복수의 오목부로 이루어지는 직선 유로를 가져도 좋다.
유로가 직선인 경우, 전극의 돌출에 의해 생기는 유로의 단면적의 변동에 의해 유로 사이에서 가스 공급량에 변동이 생기기 쉬웠다. 특허 문헌 1에 기재된 연료 전지와 같이 유로에 구석부가 존재하는 경우, 구석부와 직선 영역에서는 유로의 단면적이 다르므로, 막 전극 접합체가 침출함으로써 유로 단면적의 변동의 기여가 비교적 작다. 이에 대해, 일방향으로 연장되는 직선 유로의 경우에는 막 전극 접합체가 비어져 나옴으로써 유로 단면적의 변동의 영향이 유로 중을 이동하는 유체의 공급량에 현저한 영향을 준다.
본 발명의 구성에 따르면, 제1 유로가 다른 세퍼레이터의 유로 이외의 평면에 대향하는 구성이다. 이로 인해, 유로가 직선인 경우에 유로 단면적의 변동을 적합하게 억제할 수 있다. 이로 인해, 막 전극 접합체의 전면에 유체를 안정적으로 공급할 수 있다. 따라서, 연료 전지의 출력을 안정적으로 발휘시킬 수 있다.
본 발명의 연료 전지에 있어서, 상기 제1 유로를 구성하는 복수의 상기 오목부 및 상기 제2 유로를 구성하는 복수의 상기 오목부가 각각 대략 동일한 단면 형상을 갖고, 각각이 일정한 간격으로 형성되어도 좋다. 이와 같이 함으로써, 막 전극 접합체의 전면에 원하는 양의 유체를 안정적으로 공급할 수 있다.
본 발명의 연료 전지에 있어서, 상기 제1 유로의 간격과 상기 제2 유로의 간격이 다른 구성으로 할 수 있다. 이와 같이 함으로써, 제1 세퍼레이터 및 제2 세퍼레이터의 각각의 측에 있는 전극에 각각 원하는 양의 유체를 안정적으로 공급할 수 있다. 이로 인해, 연료 전지의 출력 특성을 더욱 향상시킬 수 있다.
본 발명의 연료 전지에 있어서, 상기 제1 유로를 구성하는 상기 오목부의 깊이가 상기 제1 유로를 구성하는 상기 오목부의 폭 이상이라도 좋다. 이와 같이 함으로써, 제1 유로의 깊이 방향에 있어서의 전극의 비어져 나옴의 비율을 저감시킬 수 있다. 이로 인해, 전극이 비어져 나옴으로써 유로의 단면적의 감소를 적합하게 억제할 수 있다. 따라서, 연료 전지의 출력을 더욱 안정화시킬 수 있다.
또한, 이상의 구성 요소의 임의의 조합이나 본 발명의 구성 요소나 표현을 방법 및 장치 사이에서 서로 치환한 것도 또한 본 발명의 형태로서 유효하다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 형태에 대해 도면을 참조하면서 설명한다. 우선, 본 실시 형태에 관한 고체 고분자형 연료 전지에 대해 설명한다. 또한, 본 명세서에 있어서 연료 가스와 산화제 가스를 합쳐 적절하게「반응 가스」라 한다.
도1은, 본 발명의 실시 형태에 관한 연료 전지(100)의 단면 구조를 개략적으로 도시한 도면이다. 연료 전지(100)는 평판형의 셀(50)을 구비하고, 이 셀(50)의 양측에는 세퍼레이터(34) 및 세퍼레이터(36)가 설치된다. 본 예에서는 하나의 셀(50)만을 나타내지만, 세퍼레이터(34)나 세퍼레이터(36)를 거쳐서 복수의 셀(50)을 적층하여 연료 전지(100)가 구성되어도 좋다. 셀(50)은 고체 고분자 전해질막(20), 연료극(22) 및 공기극(24)을 갖는다. 셀(50)은, 도9의 MEA(60)에 상당한다. 연료극(22) 및 공기극(24)을「가스 확산 전극」이라 해도 좋다. 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 대향하도록 설치된다.
연료극(22)측에 설치되는 세퍼레이터(34)에는 연료극에 대향하는 한 쪽면에 연료극측 가스 유로(38)가 형성되어 있고, 이 연료극측 가스 유로(38)를 통해 셀(50)에 연료 가스가 공급된다. 마찬가지로, 공기극(24)측에 설치되는 세퍼레이터(36)에도 공기극측 가스 유로(40)가 형성되고, 이 공기극측 가스 유로(40)를 통해 셀(50)에 산화제 가스가 공급된다. 구체적으로는, 연료 전지(100)의 운전시 연료극측 가스 유로(38)로부터 연료극(22)으로 연료 가스, 예를 들어 수소 가스가 공급되고, 공기극측 가스 유로(40)로부터 공기극(24)으로 산화제 가스, 예를 들어 공기가 공급된다. 여기서, 연료극측 가스 유로(38)는 세퍼레이터(36)의 공기극측 가스 유로(40)가 형성되어 있지 않은 영역에 대향하고, 공기극측 가스 유로(40)는 세퍼레이터(34)의 연료극측 가스 유로(38)가 형성되어 있지 않은 영역에 대향하고 있다. ·
이에 의해, 셀(50) 내에서 발전 반응이 발생한다. 가스 확산층(28)을 거쳐 서 촉매층(26)에 수소 가스가 공급되면 가스 중의 수소가 프로톤이 되고, 이 프로톤이 고체 고분자 전해질막(20) 중을 공기극(24)측으로 이동한다. 이 때 방출되는 전자는 외부 회로로 이동하고, 외부 회로로부터 공기극(24)으로 유입된다. 한편, 가스 확산층(32)을 거쳐서 촉매층(30)에 공기가 공급되면, 산소가 프로톤과 결합하여 물이 된다. 이 결과, 외부 회로에 있어서는 연료극(22)으로부터 공기극(24)을 향해 전자가 흐르게 되어 전력을 취출할 수 있다. 또한, 세퍼레이터(34)의 다른 쪽면에는 냉각수 유로가 형성되어 있다.
도2는, 연료 전지(100)를 구성하는 세퍼레이터(34), 셀(50) 및 세퍼레이터(36)의 분해 사시도이다. 도1은 도2의 A-A' 단면도에 대응한다.
도2에 있어서, 세퍼레이터(36)의 표면은 평활면으로 되어 있다. 또한, 세퍼레이터(36)의 이면에는 도면 중에 점선으로 나타낸 바와 같이, 서로 평행한 복수의 공기극측 가스 유로(40)가 형성되어 있다. 공기극측 가스 유로(40)는 공기 공급용 제2 매니폴드(155) 및 공기 배출용 제2 매니폴드(157)에 연통된다. 공기 공급용 제2 매니폴드(155)는 공기 공급용 제1 매니폴드(167)에 연통되고, 공기 배출용 제2 매니폴드(157)는 공기 배출용 제1 매니폴드(169)에 연통되어 있다. 외부로부터 공기 공급용 제1 매니폴드(167)에 공급되는 공기는, 공기 공급용 제2 매니폴드(155)를 경유하여 공기극측 가스 유로(40) 중을 이동하고, 공기 배출용 제2 매니폴드(157)를 경유하여 공기 배출용 제1 매니폴드(169)로부터 외부로 배출된다.
세퍼레이터(34)의 표면에는, 서로 평행한 복수의 연료극측 가스 유로(38)가 형성되어 있다. 연료극측 가스 유로(38)는 연료 공급용 제2 매니폴드(115) 및 연 료 배출용 제2 매니폴드(117)에 연통된다. 연료 공급용 제2 매니폴드(115)는 연료 공급용 제1 매니폴드(107)에 연통되고, 연료 배출용 제2 매니폴드(117)는 연료 배출용 제1 매니폴드(109)에 연통되어 있다. 외부로부터 연료 공급용 제1 매니폴드(107)로 공급되는 연료는 연료 공급용 제2 매니폴드(115)를 경유하여 연료극측 가스 유로(38) 중을 이동하고, 연료 배출용 제2 매니폴드(117)를 경유하여 연료 배출용 제1 매니폴드(109)로부터 외부로 배출된다. 또한, 도시하지 않았지만 세퍼레이터(34)의 이면에는 냉각수 공급용 제1 매니폴드(111) 및 냉각수 배출용 제1 매니폴드(113)에 연통되는 냉각수 유로가 형성되어 있다.
도2에 예시한 바와 같이, 세퍼레이터(34) 또는 세퍼레이터(36)의 형상은 예를 들어 직사각형으로 할 수 있다. 또한, 복수의 연료극측 가스 유로(38) 또는 공기극측 가스 유로(40)는, 예를 들어 세퍼레이터(34) 또는 세퍼레이터(36)의 직사각형의 영역 내에 서로 평행하게 형성되어 있어도 좋다.
연료극측 가스 유로(38) 또는 공기극측 가스 유로(40)가 형성된 직사각형의 변의 비는 짧은 방향 : 길이 방향이, 예를 들어 1 : 2 내지 1 : 6 정도라 할 수 있다. 그 이유는 이하와 같다. 한정된 세퍼레이터의 크기 중에서, 세퍼레이터에 공급되는 연료 가스를 효율적으로 반응에 기여시키기 위해서는, 유로수를 적게 하여 유로를 흐르는 연료 가스의 유속을 크게 하는 것이 바람직하다. 또한, 연료 가스나 공기는 통상 가습되어 세퍼레이터에 공급되므로, 유로 내에 체류하는 응축수를 불어 날려 배출하는 효과라는 관점에서는 유속이 큰 것이 바람직하다. 이상을 근거로 하여 본 발명자가 검토한 결과, 상술한 변의 비로 함으로써 발전 효율이 높은 연료 전지가 실현되는 것이 명백해졌다.
세퍼레이터(34)의 연료극측 가스 유로(38)는, 셀(50)을 거쳐서 세퍼레이터(36)의 평탄면에 대향하고 있다. 마찬가지로, 세퍼레이터(36)의 공기극측 가스 유로(40)는 셀(50)을 거쳐서 세퍼레이터(34)의 평탄면에 대향하고 있다. 이로 인해, 연료극측 가스 유로(38)와 공기극측 가스 유로(40)가 대향하지 않도록 세퍼레이터(34) 및 세퍼레이터(36)가 구성되어 있다. 이러한 구성으로 함으로써, 연료극측 가스 유로(38) 또는 공기극측 가스 유로(40)에 있어서, 셀(50)이 유로측으로 돌출됨으로써 유로의 단면적의 변동을 적합하게 억제할 수 있다. 이로 인해, 수소 가스 또는 공기 공급량의 유로 사이의 변동을 억제할 수 있다. 따라서, 셀(50) 전체에 안정적으로 수소 가스 또는 공기를 공급할 수 있다. 따라서, 연료 전지를 안정적으로 운전시킬 수 있다.
또한, 종래의 연료 전지에서는 전술한 도8과 같이 단일 셀(6)의 양측에 형성되는 가스 유로(10)와 가스 유로(11)를 대향시킨 배치로 하는 구성이 통상 채용되어 왔다. 또한, 가스 유로(10)와 가스 유로(11)를 대향시키지 않는 구성으로 한다고 하는 발상을 기초로 한 구성으로 되어 있지 않았다.
한편, 본 실시 형태에 있어서는 연료극측의 가스 유로와 공기극측의 가스 유로를 대향시키지 않은 구성이라 하는 발상을 기초로 하여, 세퍼레이터(34)와 세퍼레이터(36) 중 한 쪽에 형성된 유로를 서로 다른 쪽 접촉면에 대향시키는 구성으로 함으로써 유로끼리가 대향하지 않아 유로가 평탄한 면과 대향하는 구성이 된다. 이로 인해, 셀(50)이 연료극측 가스 유로(38) 또는 공기극측 가스 유로(40)로 끼워 넣는 정도가 균일화되므로, 유로마다의 압력 손실을 균일화할 수 있다. 따라서, 유로마다의 반응 가스의 분배를 균일화할 수 있다. 따라서, 연료 전지의 출력을 안정적으로 발휘시킬 수 있다.
도3 내지 도6은, 세퍼레이터(34)와 세퍼레이터(36)의 조합에 관한 구성예를 도시한 도면이다. 이들 도면은 유로의 연장 방향으로 수직인 단면을 도시한 도면이다. 도3 내지 도6에서는, 연료극측 가스 유로(38)와 공기극측 가스 유로(40)의 배치를 설명하기 위해 세퍼레이터(34)와 세퍼레이터(36) 사이에 설치되는 셀(50)은 생략하여 도시하고 있다.
도3 내지 도6에 있어서, A는 세퍼레이터(36)의 유로 형성 영역의 폭을 나타낸다. B는 세퍼레이터(34)의 유로 형성 영역의 폭을 나타낸다. C는 공기극측 가스 유로(40)의 폭을 나타낸다. D는 공기극측 가스 유로(40)의 간격을 나타낸다. E는 연료극측 가스 유로(38)의 폭을 나타낸다. F는 연료극측 가스 유로(38)의 간격을 나타낸다. G는 공기극측 가스 유로(40)의 깊이를 나타낸다. H는 연료극측 가스 유로(38)의 깊이를 나타낸다.
A 및 B의 값은 셀(50)의 크기 및 유로의 개수에 따라서 적절하게 선택할 수 있다. 예를 들어, 셀의 반응 면적을 100 ㎠로 한 경우, 40 ㎜ 이상 70 ㎜ 이하로 할 수 있다. 이와 같이 함으로써, 연료극측 가스 유로(38) 또는 공기극측 가스 유로(40)가 직사각형의 영역에 형성될 때에, 직사각형의 짧은 방향 길이와 길이 방향의 길이의 비를 1 : 2 내지 1 : 6으로 할 수 있다. 공기극측 가스 유로(40)의 폭(C) 및 연료극측 가스 유로(38)의 폭(E)은 셀(50)의 크기나 가스의 유량에 따라서 적절하게 설정할 수 있다. 예를 들어, 0.3 ㎜ 이상 1 mm 이하로 할 수 있다.
공기극측 가스 유로(40)의 간격(D) 및 연료극측 가스 유로(38)의 간격(F)의 값은, 연료극측 가스 유로(38) 및 공기극측 가스 유로(40)가 서로 상대방 세퍼레이터의 접촉면에 대향하는 값으로 한다.
또한, [공기극측 가스 유로(40)의 폭(C) ＋ 공기극측 가스 유로(40)의 간격(D)]과 [연료극측 가스 유로(38)의 폭(E) ＋ 연료극측 가스 유로(38)의 간격(F)]의 비는, 1 : 1 내지 1 : 5 정도로 할 수 있다. 또한, 이들의 비는 1 : 2 내지 2 : 3 정도로 해도 좋다. 이러한 범위로 함으로써, 연료 가스 및 공기를 셀(50) 전체에 안정적으로 공급할 수 있다.
또한, 연료극측 가스 유로(38)의 깊이(H)가 연료극측 가스 유로(38)의 폭(E) 이상인 형상으로 할 수 있다. 예를 들어, 도4에서는 연료극측 가스 유로(38)의 깊이(H)가 연료극측 가스 유로(38)의 폭(E)과 같은 구성으로 되어 있다. 이와 같이 하면, 연료극측 가스 유로(38)의 깊이 방향으로의 셀(50)의 침입에 의한 연료극측 가스 유로(38)의 단면적의 변동을 억제할 수 있다. 이로 인해, 공급되는 연료 가스가 연료극측 가스 유로(38) 사이에서 변동되는 것을 적합하게 억제할 수 있다. 마찬가지로, 공기극측 가스 유로(40)의 깊이(G)가 공기극측 가스 유로(40)의 폭(C)보다도 큰 구성으로 할 수 있다.
또한, 연료극측 가스 유로(38)의 깊이(H)를 연료극측 가스 유로(38)의 폭(E)의 2배 이하로 할 수 있다. 이와 같이 함으로써, 세퍼레이터(34)의 두께가 과도하게 증가하지 않도록 할 수 있다. 이로 인해, 연료 전지 스턱을 소형화 및 경량화 할 수 있다. 또한, 공기극측 가스 유로(40)에 대해서도 공기극측 가스 유로(40)의 깊이(G)를 공기극측 가스 유로(40)의 폭(C)의 2배 이하로 할 수 있다.
또한, 연료극측 가스 유로(38)의 깊이(H)가 연료극측 가스 유로(38)의 폭(E)보다도 작은 형상인 경우, 연료극측 가스 유로(38)의 폭(E)을 연료극측 가스 유로(38)의 깊이(H)의 2배 이하로 하는 것이 바람직하다. 이와 같이 함으로써, 연료극측 가스 유로(38) 단면의 물방울 접촉부의 주위 길이를 짧게 할 수 있다. 이로 인해, 연료극측 가스 유로(38) 중에 응축수의 물방울이 발생되었을 때에, 물방울이 움직이기 시작하는 압력을 작게 할 수 있다. 따라서, 응축수가 연료극측 가스 유로(38)에 체류함으로써 반응 가스의 공급에 방해가 발생되는 것을 억제하여, 셀(50) 전면에 연료 가스를 안정적으로 공급할 수 있다. 또한, 공기극측 가스 유로(40)에 대해서도, 공기극측 가스 유로(40)의 폭(C)을 공기극측 가스 유로(40)의 깊이(G)의 2배 이하로 하는 것이 바람직하다.
세퍼레이터(34) 및 세퍼레이터(36)의 두께는, 예를 들어 2 ㎜ 이하로 할 수 있다. 이와 같이 함으로써, 셀(50), 연료극측 가스 유로(38) 및 공기극측 가스 유로(40)를 적층하여 연료 전지 스턱으로 하였을 때의 연료 전지 스턱 전체를 소형화 및 경량화할 수 있다. 또한, 세퍼레이터(34) 및 세퍼레이터(36)의 두께는, 예를 들어 1 ㎜ 이상으로 할 수 있다. 이와 같이 함으로써, 세퍼레이터의 강도를 충분히 확보할 수 있다.
도3 내지 도6에 도시한 세퍼레이터(34) 또는 세퍼레이터(36)는, 모두 연료극측 가스 유로(38)의 단면 형상 또는 공기극측 가스 유로(40)의 단면 형상도 대략 동일한 구성으로 되어 있다. 이와 같이, 1매의 세퍼레이터 중의 복수의 단면 형상이 대략 동일한 구성으로 함으로써, 가스의 공급량에 변동이 발생되는 것을 억제하여, 셀(50)의 전면에 가스를 안정적으로 공급할 수 있다. 이로 인해, 연료 전지를 안정적으로 운전시킬 수 있다.
도3에 도시한 세퍼레이터(34) 및 세퍼레이터(36)의 조합에서는, [공기극측 가스 유로(40)의 폭(C) ＋ 공기극측 가스 유로(40)의 간격(D)]과 [연료극측 가스 유로(38)의 폭(E) ＋ 연료극측 가스 유로(38)의 간격(F)]의 비가 1 : 2로 되어 있다. 또한, 공기극측 가스 유로(40)의 폭(C)과 공기극측 가스 유로(40)의 깊이(G)의 비가 6 : 5로 되어 있다. 또한, 연료극측 가스 유로(38)의 폭(E)과 연료극측 가스 유로(38)의 깊이(H)의 비가 5 : 3으로 되어 있다. 또한, 공기극측 가스 유로(40)의 폭(C)과 공기극측 가스 유로(40)의 간격(D)의 비가 6 : 11이고, 연료극측 가스 유로(38)의 폭(E)과 연료극측 가스 유로(38)의 간격(F)의 비가 5 : 29로 되어 있다.
도4에 도시한 세퍼레이터(34) 및 세퍼레이터(36)의 조합에서는, [공기극측 가스 유로(40)의 폭(C) ＋ 공기극측 가스 유로(40)의 간격(D)]과 [연료극측 가스 유로(38)의 폭(E) ＋ 연료극측 가스 유로(38)의 간격(F)]의 비가 1 : 5로 되어 있다. 또한, 공기극측 가스 유로(40)의 폭(C)과 공기극측 가스 유로(40)의 깊이(G)의 비가 1 : 1로 되어 있다. 또한, 연료극측 가스 유로(38)의 폭(E)과 연료극측 가스 유로(38)의 깊이(H)의 비가 1 : 1로 되어 있다. 또한, 공기극측 가스 유로(40)의 폭(C)과 공기극측 가스 유로(40)의 간격(D)의 비가 3 : 5이고, 연료극측 가 스 유로(38)의 폭(E)와 연료극측 가스 유로(38)의 간격(F)의 비가 3 : 37로 되어 있다.
도5에 도시한 세퍼레이터(34) 및 세퍼레이터(36)의 조합에서는, [공기극측 가스 유로(40)의 폭(C) ＋ 공기극측 가스 유로(40)의 간격(D)]과 [연료극측 가스 유로(38)의 폭(E) ＋ 연료극측 가스 유로(38)의 간격(F)]의 비가 2 : 3으로 되어 있다. 또한, 공기극측 가스 유로(40)의 폭(C)과 공기극측 가스 유로(40)의 깊이(G)의 비가 1 : 1로 되어 있다. 또한, 연료극측 가스 유로(38)의 폭(E)과 연료극측 가스 유로(38)의 깊이(H)의 비가 5 : 3으로 되어 있다. 또한, 공기극측 가스 유로(40)의 폭(C)과 공기극측 가스 유로(40)의 간격(D)의 비가 5 : 19이고, 연료극측 가스 유로(38)의 폭(E)과 연료극측 가스 유로(38)의 간격(F)의 비가 5 : 31로 되어 있다.
또한, 도6에 도시한 세퍼레이터(34) 및 세퍼레이터(36)의 조합에서는, [공기극측 가스 유로(40)의 폭(C) ＋ 공기극측 가스 유로(40)의 간격(D)]과 [연료극측 가스 유로(38)의 폭(E) ＋ 연료극측 가스 유로(38)의 간격(F)]의 비가 1 : 1로 되어 있다. 연료극측 가스 유로(38)와 공기극측 가스 유로(40)가 등피치로 형성되어 있으므로, 연료극(22)과 공기극(24)에 있어서의 확산 분극을 동일하게 할 수 있다. 또한, 공기극측 가스 유로(40)의 폭(C)과 공기극측 가스 유로(40)의 깊이(G)의 비가 1 : 1로 되어 있다. 또한, 연료극측 가스 유로(38)의 폭(E)과 연료극측 가스 유로(38)의 깊이(H)의 비가 5 : 3으로 되어 있다. 또한, 공기극측 가스 유로(40)의 폭(C)과 공기극측 가스 유로(40)의 간격(D)의 비가 5 : 20이고, 연료극측 가스 유로(38)의 폭(E)과 연료극측 가스 유로(38)의 간격(F)의 비도 5 : 20으로 되어 있다.
이와 같이, 도3 내지 도6에서는 복수의 연료극측 가스 유로(38)가 등간격으로 형성되어 있다. 또한, 공기극측 가스 유로(40)도 등간격으로 형성되어 있다. 이와 같이 함으로써, 연료극측 가스 유로(38)와 공기극측 가스 유로(40)가 직접 대향하지 않는 구성을 용이하게 실현하는 것이 가능해진다. 이로 인해, 유로 단면적의 크기의 변동을 확실하게 억제할 수 있다.
또한 도3 내지 도5에서는, 연료극측 가스 유로(38)의 간격과 공기극측 가스 유로(40)의 간격이 다른 구성으로 되어 있다. 이와 같이 함으로써, 연료 가스 및 공기의 공급량이 각각에 대해 적합해지도록 조절할 수 있다. 연료극측 가스 유로(38)와 공기극측 가스 유로(40)의 간격이 다른 경우, 종래의 연료 전지에 있어서는 연료극측 가스 유로(38)와 공기극측 가스 유로(40)가 셀(50)을 거쳐서 대향하는 영역, 연료극측 가스 유로(38)가 공기극측 가스 유로(40)에 대향하지 않는 영역 및 연료극측 가스 유로(38)가 공기극측 가스 유로(40)의 일부와 대향하는 영역이 혼재하고 있었다. 이에 대해, 도3 내지 도5의 연료 전지에서는, 연료극측 가스 유로(38)가 공기극측 가스 유로(40)에 대향하지 않는 구성으로 되어 있으므로, 유로 단면적의 크기의 변동을 확실하게 억제할 수 있다. 또한, 공기극측 가스 유로(40)에 대해서도, 마찬가지로 연료극측 가스 유로(38)에 대향하지 않도록 구성되어 있다.
다음에, 세퍼레이터(34) 및 세퍼레이터(36)의 제조 방법에 대해, 세퍼레이터(34)의 경우를 예로 설명한다. 세퍼레이터(36)에 대해서도, 마찬가지로 하여 제작 할 수 있다. 도7은 연료 전지용 세퍼레이터의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
세퍼레이터(34) 및 세퍼레이터(36)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.
도7의 (A)는 세퍼레이터(34)의 제조 공정을 나타낸 도면이다. 또한, 도7의 (B)는 그 제조 모습을 설명한 설명도이다. 도7의 (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 가하고, 미리 최종 성형 형상에 근사한 형상으로 냉간 성형한다(S101). 계속해서, 그 예비 성형체를 도7의 (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, 도7의 (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 세퍼레이터(34)가 제조된다(S104).
이와 같이 하여 제조되는 세퍼레이터(34)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 세퍼레이터(34)에 균질하게 성형할 수 있다.
또한, 이와 같이 얻어진 세퍼레이터(34)에는 연료의 공급 및 배출을 행하기 위한 연료 공급구(도시하지 않음) 및 연소 배출구(도시하지 않음)를 형성해도 좋다. 또한, 유로 형성 영역의 외주에 밀봉 부재(도시하지 않음)를 설치해도 좋다. 이와 같이 하면, 연료 전지 스턱을 형성할 때에 세퍼레이터끼리의 밀착성을 확보할 수 있다. 이로 인해, 연료 가스의 누출을 방지하여, 연료극측 가스 유로(38)로부터 확실하게 연료 가스를 셀(50)에 공급할 수 있다.
도1로 돌아가, 셀(50)을 구성하는 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. 술폰산형퍼플루오로카본 중합체의 예로서, 나피온(듀퐁샤제 : 등록 상표)(112) 등을 예로 들 수 있다. 또한, 비불소 중합체의 예로서 술폰화된 방향족 폴리에테르에테르케톤, 폴리술폰 등을 예로 들 수 있다.
연료극(22)에 있어서의 촉매층(26) 및 공기극(24)에 있어서의 촉매층(30)은, 다공막이며 이온 교환 수지와 촉매를 담지한 탄소 입자, 즉 촉매 담지 탄소 입자로 구성되는 것이 바람직하다. 담지되는 촉매에는, 예를 들어 백금, 루테늄, 로듐 등 중 1 종류 또는 2 종류를 혼합한 것 등이 있다. 촉매층(26)과 촉매층(30)에는 동일한 물질을 이용해도 좋고, 다른 물질을 이용해도 좋다. 또한, 촉매를 담지하는 탄소 입자로는 아세틸렌블랙, 케첸블랙 등이 있다.
이온 교환 수지는 촉매를 담지한 탄소 입자와 고체 고분자 전해질막(20)을 접속하고, 양자간에 프로톤을 전달하는 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 발생하는 전하를 외부 회로로 이동시키는 기능이나, 물이나 미반응 가스 등을 외부로 방출하는 기능도 갖는다. 가스 확산층(28) 및 가스 확산층(32)은 전자 전도성을 갖는 다공체로 구성되는 것이 바람직하고, 예를 들어 카본페이퍼나 카본 크로스 등으로 구성된다.
다음에, 셀(50)의 제작 방법의 일예를 나타낸다. 우선, 연료극(22) 및 공기극(24)을 제작하기 위해 백금 등의 촉매 금속을, 예를 들어 함침법이나 콜로이드법을 이용하여 촉매 담지용 탄소 입자에 담지시킨다. 이와 같이 하여 얻어진 촉매 담지용 탄소 입자와 촉매 금속의 복합체를 촉매 담지 입자라 한다.
이와 같이 하여 얻어진 촉매 담지 입자와 이온 교환 수지를 용매로 분산시켜 촉매 잉크를 생성한다. 가스 확산층이 되는 재료, 예를 들어 카본페이퍼에 이와 같이 하여 얻어진 촉매 잉크를 도포하여 가열 및 건조시킴으로써, 연료극(22) 및 공기극(24)을 제작한다. 도포 방법은, 예를 들어 브러싱, 스프레이 도포, 스크린 인쇄, 닥터블레이드 도포, 전사의 기술을 이용해도 좋다.
계속해서, 고체 고분자 전해질막(20)을 연료극(22)의 촉매층(26)과 공기극(24)의 촉매층(30) 사이에 협지하고 핫프레스하여 접합한다. 이에 의해, 셀(50)이 제작된다. 고체 고분자 전해질막(20)이나, 촉매층(26) 및 촉매층(30)에 있어서의 이온 교환 수지를 연화점이나 유리 전이가 있는 고분자 재료로 구성하는 경우, 연화 온도나 유리 전이 온도를 넘는 온도로 핫프레스를 행하는 것이 바람직하다.
셀(50)의 다른 제작 방법으로서, 이하의 예를 들 수 있다. 촉매 잉크를 직접, 고체 고분자 전해질막(20)에 도포하여 가열 및 건조시킴으로써 촉매층(26) 및 촉매층(30)을 형성해도 좋고, 도포 방법으로서는 예를 들어 스프레이 도포 등의 기술을 이용해도 좋다. 이 촉매층(26) 및 촉매층(30)의 외측에 가스 확산층(28) 및 가스 확산층(32)을 배치하여, 핫프레스를 행함으로써 셀(50)을 제작해도 좋다. 셀(50)의 또 다른 제작 방법으로서, 촉매 잉크를 테플론(등록 상표) 시트 등의 위에 도포하여 가열 및 건조시킴으로써 촉매층(26) 및 촉매층(30)을 형성해도 좋고, 도포 방법으로서는 예를 들어 스프레이 도포나 스크린 인쇄 등의 기술을 이용해도 좋다. 계속해서, 테플론 시트 상에 형성한 촉매층(26) 및 촉매층(30)을 고체 고분자 전해질막(20)에 대향시킴으로써 협지하고 핫프레스하여 접합한다. 그 후 테플론 시트를 박리하여 촉매층(26) 및 촉매층(30)의 외측에 가스 확산층(28) 및 가스 확산층(32)을 배치해도 좋다.
이상, 본 발명을 실시 형태를 기초로 하여 설명하였다. 이들 실시 형태는 예시이며 다양한 변형예가 가능한 것, 또한 그러한 변형예도 본 발명의 범위에 있는 것은 당업자에게 이해되는 바이다.
예를 들어, 이상에 있어서는 연료극(22) 및 공기극(24)의 가스 확산층(28) 및 가스 확산층(32)이 각각 세퍼레이터(34) 및 세퍼레이터(36)에 접촉되는 구성으로 하였지만, 가스 확산층(28)과 세퍼레이터(34) 사이 또는 가스 확산층(32)과 세퍼레이터(36) 사이에 다른 층이 설치되어 있어도 좋다.
또한, 이상에 있어서는 연료극에 연료 가스가 공급되는 연료 전지인 경우를 예로 설명하였지만, 메탄올 등의 액체 연료가 직접 투입되는 타입의 연료 전지(DMFC)의 경우에도 이상의 실시 형태에서 설명한 구성을 이용할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 연료 전지의 출력을 안정시킬 수 있다.

Claims (5)

  1. 전해질 및 상기 전해질의 양면에 배치된 한 쌍의 전극을 포함하는 막 전극 접합체와, 상기 막 전극 접합체를 협지하는 제1 세퍼레이터 및 제2 세퍼레이터를 갖고,
    상기 제1 세퍼레이터에는 상기 막 전극 접합체와의 접촉면에 대해 오목형으로 형성된 복수의 오목부로 이루어지는 제1 유로가 형성되고,
    상기 제2 세퍼레이터에는 상기 막 전극 접합체와의 접촉면에 대해 오목형으로 형성된 복수의 오목부로 이루어지는 제2 유로가 형성되고,
    상기 제1 세퍼레이터의 상기 오목부가 상기 막 전극 접합체를 거쳐서 상기 제2 세퍼레이터의 상기 접촉면에 대향하고,
    상기 제2 세퍼레이터의 상기 오목부가 상기 막 전극 접합체를 거쳐서 상기 제1 세퍼레이터의 상기 접촉면에 대향하고 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 유로를 구성하는 복수의 상기 오목부 및 상기 제2 유로를 구성하는 복수의 상기 오목부는, 일방향으로 연장되어 서로 평행하게 설치된 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1 유로를 구성하는 복수의 상기 오목부 및 상기 제2 유로를 구성하는 복수의 상기 오목부가 각각 동일한 단면 형상을 갖고, 각각이 일정한 간격으로 형성된 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제1 유로의 간격과 상기 제2 유로의 간격이 다른 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 제1 유로를 구성하는 상기 오목부의 깊이가 상기 제1 유로를 구성하는 상기 오목부의 폭의 1/2배 이상이며 2배 이하인 것을 특징으로 하는 연료 전지.
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