KR100802880B1 - 세퍼레이터 및 그것을 이용한 연료 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 과제는 전해질이 물을 포함하는 연료 전지에 있어서, 물에 의해 협착, 폐색된 가스 통로에 있어서의 가스 공급 불능을 해소하는 것이다.
세퍼레이터는 무공의 세퍼레이터 기판(16)과, 전극(12, 13)과 세퍼레이터 기판 사이에 개재 삽입되는 스페이서판(14, 15)으로 이루어진다. 스페이서판은 단면이 구형파 형상으로 형성되어 전극에 접촉시키는 구형파의 정상부를 가스 확산부(141, 151)로 하여 그물코 형상으로 구성되는 동시에, 인접하는 직사각 형상의 복부와 파 사이 부분을 가스 확산부와 세퍼레이터 기판 사이에 가스 통로를 획정하는 스페이서부(142, 152)로 하고, 상기 스페이서부에 인접하는 가스 통로를 서로 연통하는 통기 구멍(143, 153)을 구비한다. 이에 의해, 물방울의 체류에 의해 협착, 폐색된 가스 통로 하류로의 가스 공급이 가능해진다.
연료 전지, 세퍼레이터, 스페이서판, 가스 확산부, 전해질

Description

세퍼레이터 및 그것을 이용한 연료 전지 {SEPARATOR AND FUEL CELL USING THAT SEPARATOR}
도1은 연료 전지 시스템의 구성도.
도2는 본 발명의 실시예에 관한 연료 전지 스택을 구성하는 셀 모듈의 상면도.
도3은 셀 모듈을 공기극측에서 본 정면도.
도4는 셀 모듈을 연료극측에서 본 정면도.
도5는 도3의 B-B 부분 단면도.
도6은 도3의 A-A 부분 종단면도.
도7은 셀 모듈의 세퍼레이터를 분해하여 도시하는 부분 사시도.
도8은 세퍼레이터의 작용을 개략화하여 도시하는 부분 사시도.
도9는 세퍼레이터의 그물코 형상의 대표예를 나타내는 평면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10A : 단위 셀
10B : 세퍼레이터
11 : 전해질
12, 13 : 전극
14, 15 : 콜렉터(스페이서판)
16 : 세퍼레이터 기판
141, 151 : 가스 확산부
142, 152 : 스페이서부
143, 153 : 통기 구멍
A, H : 가스 통로
[문헌 1] 일본 특허 공개 평5-29009호 공보
[문헌 2] 일본 특허 공개 평6-44981호 공보
본 발명은 연료 전지에 관한 것으로, 특히 그 단위 셀 사이에 개재 삽입되는 세퍼레이터에 관한 것이다.
연료 전지에는 다양한 형식의 것이 있지만, 그것들 중, 특히 반응 온도가 낮아 소형으로 구성 가능하므로, 차량으로의 탑재에 적합한 것으로서 고분자 전해질형 연료 전지가 있다. 이 형식의 연료 전지는 고분자 전해질막을 가스 확산 전극[촉매층과 다공질 지지층(가스 확산층)으로 이루어짐]으로 협지한 막ㆍ전극 접합체(MEA)를 단위로 하고, 그 외측에 수소(연료 가스)나 산소(산화제 가스) 등의 반응 가스의 공급 통로를 겸하는 세퍼레이터를 배치한 적층 구조로 되어 있다. 이 세퍼 레이터는 적층 방향에 인접하는 MEA로의 반응 가스의 투과를 방지하는 동시에, 발생한 전류를 외부로 취출하기 위한 집전을 행한다. 상기와 같은 MEA와 세퍼레이터로 1유닛의 단전지가 구성된다. 실제의 고분자 전해질형 연료 전지에서는 이러한 단전지를 다수개 직렬로 적층하여 셀 모듈이 구성된다.
고분자 전해질형 연료 전지에서는 충분한 발전 효율을 유지하기 위해, 전해질막을 충분히 습윤 상태로 유지할 필요가 있고, 일반적으로 전극 반응에 의해 생성되는 물만으로는 수분이 부족한 경우가 있으므로, 각 MEA에 가습수를 공급하는 수단을 필요로 한다. 또한, 전극 반응에 의해 발생 전력에 대략 상당하는 열량의 열이 발생하므로, 연료 전지 본체가 과도하게 히트 업하는 것을 방지하는 냉각 수단이 강구된다.
출원인은, 먼저 상기와 같은 전해질막의 습윤과 냉각을 위해, 공기극으로 공급하는 반응 가스 중에 가습수를 안개 형상으로 혼재시켜 가스 확산 전극에 공급하는 기술을 제안하고 있다. 이 기술에서는 상기 세퍼레이터의 가공성의 향상과, 연료 전지의 박육화(薄肉化)를 목표로 하여 세퍼레이터를 파판 형상의 박판 금속판으로 하고, 파판의 파산부와 파저부의 중간 부분에 통기 구멍을 마련하여, 상기 통기 구멍을 경유하여 반응 가스와 세퍼레이터로부터의 가열에 의해 증기화된 가습수를 가스 확산 전극에 공급하는 구성을 채용하고 있다.
이 구성에 따르면, 세퍼레이터의 파형 형상에 의해 가스 공급로를 세분화하여 전극에 대한 반응 가스의 공급을 균일화할 수 있고, 게다가 가습수의 가스 공급 통로 내에서의 증발을 잠열 냉각에도 이용함으로써, 냉각 효율을 향상시킬 수 있 다.
그런데, 전극이 보습을 필요로 하지 않는 용융탄산염형 연료 전지에 있어서는 세퍼레이터를 박판 금속판으로 구성하는 기술이 있다(특허문헌 1 참조). 이 종래 기술에서는 전극에 접촉시키는 부분(집전체)을 평판 형상 구멍 개방 금속판으로 하고, 가스 공급로를 구성하는 부분(스페이서로서 기능하는 유로판)을 파 형상으로 프레스 가공한 구멍 개방 금속판으로 하고 있다.
같은 구성을 일본 특허 공개 평6-44981호 공보에 기재된 기술에서도 볼 수 있다. 이 기술에서는 고체 전해질판의 양면에 각 전극을 일체 형성한 것을 유공성 통전 평판, 통전성 스페이서로서의 유공성 파판 및 양면에 평평한 바닥 형상 오목부 등을 마련한 세퍼레이터를 거쳐서 집적한 구성이 채용되고 있다.
[특허문헌 1]
일본 특허 공개 평5-29009호 공보
[특허문헌 2]
일본 특허 공개 평6-44981호 공보
상기 특허문헌 1이나 특허문헌 2에 기재된 기술은 용융탄산염형 연료 전지로의 적용을 의도하는 것이므로, 이들 기술을 고분자 전해질형 연료 전지와 같이 전해질이 물을 포함한 것에 적용할 수 없다. 왜냐하면, 이들 종래 기술에서는 유로판 또는 통전 스페이서가 집전체 또는 통전 평판을 거쳐서 전극에 접촉하는 구성이므로, 이들이 포개어지는 부분에서 구멍 위치의 어긋남에 의해 가스 공급로가 좁아 지고, 이 좁아진 부분에 반응 생성수나 공급수의 물방울이 부착한 경우, 공급 가스의 전극으로의 확산을 방해하는 유로 폐색의 가능성이 생기기 때문이다.
본 발명은 상기한 사정에 비추어 안출된 것으로, 전해질이 물을 포함하는 연료 전지에 있어서, 냉각, 막습윤의 유지 및 집전 저항의 저감을 달성하면서 공급수 또는 반응 생성수에 의한 가스 공급로의 협착이나 폐색을 방지함으로써 전극으로의 가스 공급을 확실하게 행할 수 있고, 게다가 가공성이 높은 단순한 세퍼레이터 구성을 실현하는 것을 주요한 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 물을 포함한 전해질(11)을 전극(12, 13)으로 협지한 연료 전지의 단위 셀(10A)을 서로 적층하기 위해, 상기 단위 셀 사이에 삽입되는 세퍼레이터(10B)에 있어서, 무공(無孔)의 세퍼레이터 기판(16)과, 상기 전극과 상기 세퍼레이터 기판 사이에 개재 삽입되는 스페이서판(14, 15)으로 이루어지고, 상기 스페이서판은 단면이 구형파 형상으로 형성되어 상기 전극에 접촉시키는 구형파의 정상부를 가스 확산부(141, 151)로 하여 그물코 형상으로 구성되는 동시에, 인접하는 직사각 형상의 복부와 파(波) 사이 부분을 상기 가스 확산부와 상기 세퍼레이터 기판 사이에 복수의 가스 통로(A, H)를 획정하는 스페이서부(142, 152)로 하고, 상기 스페이서부에 인접하는 가스 통로를 서로 연통하는 통기 구멍(143, 153)을 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기한 구성에 있어서, 상기 스페이서부의 통기 구멍은 그물코 형상으로 구성되어 있는 것이 바람직하다.
다음에, 발명은 물을 포함한 전해질(11)을 전극(12, 13)으로 협지한 연료 전지의 단위 셀(10A)을, 세퍼레이터를 협지하여 서로 적층한 연료 전지에 있어서, 상기 세퍼레이터는 무공의 세퍼레이터 기판(16)과, 상기 전극과 상기 세퍼레이터 기판 사이에 개재 삽입된 스페이서판(14, 15)으로 이루어지고, 상기 스페이서판은 단면이 구형파 형상으로 형성되어 상기 전극에 접촉하는 구형파의 정상부를 가스 확산부(141, 151)로 하여 그물코 형상으로 구성되는 동시에, 인접하는 직사각 형상의 복부와 파 사이 부분을 상기 가스 확산부와 상기 세퍼레이터 기판 사이에 복수의 가스 통로(A, H)를 획정하는 스페이서부(142, 152)로 하고, 상기 스페이서부에 인접하는 가스 통로를 서로 연통하는 통기 구멍(143, 153)을 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기한 구성에 있어서, 상기 통기 구멍은 금속망의 그물코 형상으로 형성되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명은 연료 가스와 산화 가스의 반응에 수반하여 물이 생성되는 고분자 전해질형 연료 전지에 적용하는 데 특별히 유효한 것이고, 특히 생성물이 배출되는 공기극측의 가스 확산층에 접촉하여 설치되는 세퍼레이터에 적용하는 데 유효한 것이다. 즉, 공기극측에서는 가스 확산층에서 생성된 물이나 공급수가 금속망의 그물코에 부착하여 큰 물방울이 되어 체류한 경우, 물방울 부착부보다 하류측의 가스 공급로로의 반응 가스의 공급이 정체되게 되지만, 본 발명에 따르면, 스페이서판의 파 형상의 복부에 통기 구멍이 있음으로써 이 통기 구멍을 거쳐서 인접하는 가스 공급로로부터 물방울 부착부를 우회하여 가스 공급이 가능해진다. 이에 의해, 가 스 확산의 불균일에 의해 효율의 저하가 방지된다.
또한, 스페이서판의 파 형상의 복부는 가스 확산부와 마찬가지로 그물코 형상으로 하고, 그물코의 개구를 통기 구멍으로 하는 것이 바람직하다. 이 구성에 따르면, 스페이서판의 가스 확산부와, 가스 통로를 이격하는 파 형상의 복부를 모두 일련의 그물코 형상으로 할 수 있어 스페이서판의 구성이 단순화된다.
(제1 실시예)
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다. 도1은 본 발명의 적용에 관한 연료 전지 스택(1)을 이용한 차량용 연료 전지 시스템의 구성예를 나타낸다. 이 연료 전지 시스템은 연료 전지 스택(1)을 주체로 하고, 또한 공기를 공급하는 공기 공급 수단으로서의 공기 팬(21)을 포함하는 공기 공급계(도면에 실선으로 나타냄)(2) 및 물 응축기(31)를 포함하는 공기 배출계(3)로 이루어지는 연료 전지 주체부와, 수소 공급 수단으로서의 수소 탱크(41)를 포함하는 연료 공급계(도면에 2점쇄선으로 나타냄)(4)와, 반응부의 습윤과 냉각을 위한 물 공급계(도면에 파선으로 나타냄)(6)로 구성된다.
연료 전지의 주체부에 배치된 공기 팬(21)은 공기 공급로(20)를 거쳐서 공기 매니폴드(22)에 접속되고, 공기 매니폴드(22)는 연료 전지 스택을 수용하는 도시하지 않은 하우징에 접속되어 있다. 물 응축기(31)는 하우징의 공기 배출로(30) 중에 개재 삽입하여 연료 전지 스택(1)에 접속되어 있다. 공기 배출로(30)에는 배기 온도 센서(32)가 배치되어 있다.
연료 공급계(4)는 수소 탱크(41)에 저장된 수소를 수소 공급로(40)를 거쳐서 연료 전지 스택(1)의 수소 통로로 이송하기 위해 설치되어 있다. 수소 공급로(40)에는 수소 탱크(41)측으로부터 연료 전지 스택(1)측을 향해 1차압 센서(42), 압력 조정 밸브(43A), 공급 전자 밸브(44A), 압력 조정 밸브(43B), 공급 전자 밸브(44B), 2차압 센서(45)가 설치되어 있다. 또한, 수소 공급로(40)에는 부수적으로 수소 귀환로(40a)와 수소 배출로(50)가 설치되어 있다. 수소 귀환로(40a)에는 연료 전지 스택(1)측으로부터 차례로 수소 농도 센서(46A, 46B), 흡입 펌프(47), 역지 밸브(48)가 배치되고, 역지 밸브(48)의 하류가 수소 공급로(40)에 접속되어 있다. 수소 귀환로(40a)에 있어서의 흡입 펌프(47)와 역지 밸브(48) 사이에는 수소 배출로(50)가 접속되어 있고, 수소 배출로(50)에는 역지 밸브(51)와, 배출 전자 밸브(52)와, 연소기(53)가 배치되어 있다.
물 공급계(6)는 물 탱크(61)에 저장된 물을 물 공급로(60)를 거쳐서 연료 전지 스택(1)의 공기 매니폴드(22)에 배치된 노즐(63)로 이송하기 위해 설치되어 있다. 물 공급로(60)에는 펌프(62)가 배치되어 있다. 또한, 물 탱크(61)에는 레벨 센서(64)가 배치되어 있다. 물 공급계(6)에는 또한 연료 전지 스택(1)과 물 탱크(61)를 연결하는 물 귀환로(60a)가 설치되고, 물 귀환로(60a)에는 펌프(65)와 역지 밸브(66)가 배치되어 있다. 물 귀환로(60a)는 펌프(65)의 상류측에서 물 응축기(31)에 접속되어 있다. 또한, 도면에 있어서, 부호 71은 연료 전지의 발전압을 모니터하는 전압계를 나타낸다.
상기와 같이 구성된 연료 전지 시스템은, 운전시에는 공기 공급 팬(21)의 가동에 의해 공기 매니폴드(22)에 공기가 공급되는 동시에, 물 공급계로부터 펌프 (62)의 가동에 의해 물이 공급되고, 계속해서 연료 공급계(4)로부터 공급 전자 밸브(44A, 44B)의 가동에 의해 수소가 공급된다.
이 때, 연료 공급계(4)에서는 수소 1차압 센서(42)에 의해 수소 탱크(41)측의 수소압이 모니터되고, 수소 압력 조정 밸브(43A, 43B)에 의해 연료 전지 스택(1)으로 공급함으로써 적절한 압력으로 조정된다. 그리고, 공급 전자 밸브(44A, 44B)의 개폐에 의해 수소의 연료 전지 스택(1)으로의 공급이 전기적으로 제어된다. 수소 가스의 공급의 차단은 공급 전자 밸브(44A, 44B)의 폐쇄에 의해 이루어진다. 또한, 수소 2차압 센서(45)에 의해 연료 전지 스택(1)에 공급되기 직전의 수소 가스압이 모니터된다. 또한, 물 공급계(6)에서는 물 탱크(61)의 물은 펌프(62)에 의해 공기 매니폴드(22) 내에 배치된 노즐(63)로 압송되고, 이곳으로부터 공기 매니폴드(22) 내에서 연속적 혹은 간헐적으로 분출되고, 공기 흐름에 안개 형상으로 혼입되어 연료 전지 스택(1)으로 송입된다.
상기한 구성으로 이루어지는 연료 전지 시스템에 있어서 연료 전지 스택(1)을 구성하는 유닛으로서의 셀 모듈(10)의 구성을 도2 내지 도7에 도시한다. 도2에 상면(이하, 셀 모듈의 배치 자세를 기초로 하여 상하 및 종횡의 관계를 설명함)을 도시한 바와 같이, 셀 모듈(10)은 단위 셀(MEA)(10A)과, 단위 셀끼리를 전기적으로 접속하는 동시에 단위 셀에 도입되는 수소 가스의 유로와 공기의 유로를 분리하는 세퍼레이터(10B)와, 단위 셀(10A)과 세퍼레이터(10B)를 지지하는 2종류의 프레임(17, 18)을 1세트로 하여 판두께 방향에 복수 세트(나타낸 예에서는 10세트) 포개어 구성되어 있다.
또한, 단위 셀(10A)은 프레임(18)의 내측에 위치하므로, 도2에는 명확하게 표시되어 있지 않다. 셀 모듈(10)은 단위 셀(10A)끼리가 소정의 간극을 두고 배치되도록 단위 셀(10A)과 세퍼레이터(10B)가 2종류의 프레임(17, 18)을 교대로 스페이서로서 다단으로 포개어져 적층되어 있고, 적층 방향의 일단부(도2에 있어서의 상단부면측)는, 도3에 도시한 바와 같이 세퍼레이터(10B)의 종방향 볼록조 형성면과 한 쪽 프레임(17)의 단부면으로 종단하고, 타단부(도2에 있어서의 하단부면측)는, 도4에 도시한 바와 같이 세퍼레이터(10B)의 횡방향 볼록조 형성면과 다른 쪽 프레임(18)의 단부면으로 종단하고 있다.
도5 및 도6에 확대하여 단면 구조를 도시한 바와 같이, 단위 셀(10A)은 고분자 전해질막(11)과, 이 고분자 전해질막(11)의 일측에 설치된 산화제극인 공기극(12) 및 다른 측에 설치된 연료극(13)으로 구성되어 있다. 이들 공기극(12)과 연료극(13)은 상술한 반응 가스를 확산하면서 투과하는 카본 크로스 등의 도전성 재료로 이루어지는 가스 확산층과, 이 확산층과 고분자 전해질막(11) 사이에 협입된 촉매 물질을 포함하는 촉매층으로 이루어진다. 이들 부재 중, 공기극(12)과 연료극(13)은 그것들의 지지 부재로서의 프레임(18)의 개구부의 폭보다 약간 긴 횡방향 치수와, 개구부의 높이보다 약간 짧은 종방향 치수를 갖는 것으로 되어 있다. 또한, 고분자 전해질막(11)은 개구부의 종횡 방향 치수보다 한바퀴 큰 종횡 치수로 되어 있다.
세퍼레이터(10B)는 단위 셀(10A) 사이의 가스 차단 부재로서의 무공의 세퍼레이터 기판(16)과, 전극(12, 13)과 세퍼레이터 기판(16) 사이에 개재 삽입되는 스 페이서판(14, 15)으로 구성되어 있다.
도7에 분해하여 상세를 도시한 바와 같이, 스페이서판(이하, 공기극측의 것을「공기극측 콜렉터」, 연료극측의 것을「연료극측 콜렉터」라 칭함)(14, 15)은 단면이 구형파 형상으로 형성되고, 전극에 접촉시키는 구형파의 정상부를 가스 확산부(141, 151)로 하여 그물코 형상으로 구성되는 동시에, 인접하는 직사각 형상의 복부와 파 사이 부분을 가스 확산부(141, 151)와 세퍼레이터 기판(16) 사이에 복수의 가스 통로(A, H)를 획정하는 스페이서부(142, 152)로 하고, 상기 스페이서부에 인접하는 가스 통로를 서로 연통하는 통기 구멍(143, 153)을 구비한다.
본 실시예에서는, 특히 통기 구멍(143, 153)의 개설 위치를 구형파 형상으로 맞추는 것이 세퍼레이터 기판(16)의 가공을 복잡하게 하므로, 세퍼레이터 기판(16)을 전체에 똑같은 통기 구멍을 구비하는 그물코 형상 부재로 구성하고 있다.
이들을 단위 셀(10A)도 포함하여 소정의 위치 관계로 보유 지지하기 위해, 공기극측 콜렉터(14)의 좌우 양측에 배치된 프레임(17)[최외측의 것만 상하단부를 서로 백업 플레이트(17a, 17b)로 연결되어 프레임 형상(도3 참조)을 이룸]과, 연료극측 콜렉터(15) 및 단위 셀(10A)의 주연부에 프레임(18)이 설치되어 있다.
본 발명에 있어서의 가스 확산부와 스페이서부를 구성하는 그물코 형상 부재로 이루어지는 콜렉터(14, 15)는, 본 예에서는 금속 박판, 예를 들어 판두께가 0.2 ㎜ 정도의 익스팬디드 메탈로 구성되어 있다. 또한, 세퍼레이터 기판(16)은 판두께가 더 얇은 금속 박판으로 구성된다. 이 구성 금속으로서는 도전성과 내식성을 구비한 금속, 예를 들어 스테인레스강, 니켈 합금, 티탄 합금 등이나 그것들의 금 속에 금 도금 등의 내식 도전 처리를 실시한 것을 들 수 있다. 또한, 프레임(17, 18)은 적절한 절연 재료로 구성된다.
공기극측 콜렉터(14)는, 도3에 도시한 바와 같이 전체 형상을 가로로 긴 직사각형(단, 바닥변만이 물 끊김 효과의 향상을 위해 경사변으로 되어 있음)이 되고, 도7에 일부를 확대하여 상세를 도시한 바와 같이, 개구율 59 ％인 그물코 형상의 마름모형의 통기 구멍(143)을 갖는(판면 형상의 참조를 용이하게 하기 위해, 일부에만 그물코 형상을 표기) 그물코 형상 판재로 이루어지고, 프레스 가공에 의해 단면 구형파 형상으로 절곡되어 형성된 미세한 볼록조(14a)를 갖는 파판으로 되어 있다.
이들 볼록조(14a)는 판재의 종변(도시한 형태에 있어서의 짧은 변)에 평행하게 등간격이고, 판면을 완전히 종단하는 배치로 되어 있다. 이에 의해 볼록조의 배후에 평행하게 분할됨으로써 부분마다의 유량의 불균일을 없앤 가스 유로가 형성된다. 볼록조(14a)의 단면 형상은, 대략적으로는 구형파 형상 단면이 되고, 프레스 가공의 형 빠짐의 관계로부터 근원측이 약간 골이 넓은 형상으로 되어 있다. 볼록조(14a)의 높이는 프레임(17)의 두께에 실질상 동등한 높이가 되고, 그것에 의해 적층 상태에서 양측의 프레임(17) 사이를 종방향으로 관통하는 소정의 개구 면적의 공기 유로(A)를 확보하고 있다. 또한, 볼록조(14a)와 골부의 폭의 비는 볼록조(14a)에 대해 골부의 폭이 클수록 접촉 면적이 감소되고 집전 저항이 증가되므로, 4 : 1 이하의 비로 되어 있다.
각 볼록조(14a)의 정상부(141)의 평면은 공기극(12)측 확산층이 접촉하는 접 촉부, 즉 가스 확산부가 되어 있고, 볼록조(14a) 사이에서 가스 확산 전극의 표면에 대해 교차하는 방향으로 연장되는 부분과, 그것들의 부분을 연결하는 골부는 가스 통로(A)의 통로 단면적을 확보하기 위한 스페이서부(142)를 구성하고 있고, 상기 골부는 콜렉터(14)와 세퍼레이터 기판(16)의 도전을 위한 접촉부로 되어 있다.
연료극측 콜렉터(15)는 공기극측 콜렉터(14)와 같은 치수로 그물코 형상의 마름모형의 통기 구멍(153)을 갖는(판면 형상의 참조를 용이하게 하기 위해, 일부에만 그물코 형상을 표기) 직사각형의 그물코 형상 판재로 이루어지고, 프레스 가공에 의해 복수의 볼록조(15a)가 압출하여 형성되어 있다. 볼록조(15a)는 정상부(151)가 평탄하고, 단면 형상도 앞의 볼록조(14a)의 경우와 마찬가지로 실질상 구형파 형상으로 되어 있지만, 이 콜렉터(15)인 경우의 볼록조(15a)는 횡방향에 판면을 완전히 횡단하여 연장하는 것으로 하여 종방향에 일정한 피치로 마련되어 있다. 이 경우도 볼록조의 배후에 평행하게 분할됨으로써 부분마다의 유량의 불균일을 없앤 가스 유로가 형성된다. 또한, 볼록조(15a)와 골부의 폭의 비는 볼록조(15a)에 대해 골부의 폭이 클수록 접촉 면적이 감소되어 집전 저항이 증가되므로, 4 : 1 이하의 비로 되어 있다.
이들 볼록조(15a)의 정상부(151)의 평면은 연료극(13)이 접촉하는 접촉부, 즉 가스 확산부로 되어 있고, 볼록조(15a) 사이에서 가스 확산 전극의 표면에 대해 교차하는 방향으로 연장되는 부분과, 그것들의 부분을 연결하는 골부는 가스 통로(H)의 통로 단면적을 확보하기 위한 스페이서부(152)를 구성하고 있고, 상기 골부는 콜렉터(15)와 세퍼레이터 기판(16)의 도전을 위한 접촉부로 되어 있다. 이들 볼록조(15a)의 단면 형상도 대략적으로는 구형파 형상 단면이 되고, 프레스 가공의 형 빠짐의 관계로부터 근원측이 약간 골부가 넓은 형상으로 되어 있다. 볼록조(15a)의 높이는 단위 셀(10A)의 두께와 맞추어 프레임(18)의 두께에 실질상 상당하는 높이가 되고, 그것에 의해 적층 상태에서 프레임(18)의 내측을 횡방향으로 관통하는 소정의 개구 면적의 연료 유로를 확보하고 있다.
상기한 구성으로 이루어지는 양 콜렉터(14, 15)는 각 볼록조(14a, 15a)가 함께 외측이 되도록 세퍼레이터 기판(16)을 사이에 협지하여 배치된다. 이 때, 양 콜렉터(14, 15)의 볼록조의 골부가 세퍼레이터 기판(16)과 접촉한 상태가 되어 서로 통전 가능한 상태가 된다. 또한, 콜렉터(14, 15)가 세퍼레이터 기판(16)과 포개어짐으로써 세퍼레이터 기판(16)의 일방측에서 콜렉터(14)가 가스 확산 전극의 표면을 덮는 부분의 이측에 공기 유로(A)가 구성되고, 타방측에 같은 위치 관계로 연료 유로(H)가 구성되게 된다. 그리고 이 종방향의 공기 유로(A)로부터 단위 셀(10A)의 공기극(12)으로 공기와 물이 공급되고, 마찬가지로 횡방향의 연료 유로(H)로부터 단위 셀(10A)의 연료극(13)으로 수소가 공급된다.
상기한 구성으로 이루어지는 세퍼레이터(10B)의 외측에는 프레임(17, 18)이 각각 배치된다. 도5 및 도6에 도시한 바와 같이, 콜렉터(14)를 둘러싸는 프레임(17)은 외측단부(도5에 있어서 최상부, 도6에 있어서 좌측단부)의 것을 제외하고, 콜렉터(14)의 짧은 변을 따르는 양측을 둘러싸는 종프레임부(171)만을 구비하게 되고, 이들 종프레임부(171)를 판두께 방향으로 관통하는 긴 구멍(172)이 연료 유로 형성을 위해 마련되어 있다. 프레임(17)의 판두께는, 상기와 같이 파판 형상이 된 콜렉터(14)의 두께에 필적하는 두께로 되어 있다. 따라서, 프레임(17)이 콜렉터(14)에 조합된 상태에서는, 콜렉터(14)의 볼록조(14a)는 단위 셀(10A)의 공기극(12)에 접촉하고, 골부는 세퍼레이터 기판(16)을 거쳐서 콜렉터(15)에 접촉하는 위치 관계가 된다. 또한, 세퍼레이터 기판(16)은 프레임(17)의 높이와 전체 폭에 상당하는 외형 치수가 되고, 프레임(17)의 상기 긴 구멍(172)과 포개어지는 위치에 같은 긴 구멍(162)을 구비하는 구성으로 되어 있다. 이렇게 하여 프레임(17)의 양 종프레임부(171) 사이에는 단위 셀(10A)의 공기극(12)면과 세퍼레이터 기판(16)으로 둘러싸인 종방향에 전체 통과하는 공기 유로(A)가 획정된다.
콜렉터(15)와 단위 셀(10A)을 둘러싸는 프레임(18)은 프레임(17)과 동일한 크기로 구성되어 있지만, 프레임(17)과는 달리, 좌우 종프레임부[도5에서는 기재 범위보다 더 우측 외측에 위치하므로 나타나 있지 않지만, 프레임(17)의 양 종프레임부(171)의 좌우 양측단부와 동일한 위치에 양측단부를 갖는 횡방향 폭이 상하 횡프레임부의 거의 동일한 프레임부]와 상하 횡프레임부(182)를 구비하는 완전한 프레임 형상으로 되어 있다. 그리고, 프레임(18)은 외측단부(도2에 있어서 최하부, 도4에 도시하는 면)의 것을 제외하고, 좌우 종프레임부와 평행하게 연장되고, 콜렉터(15)의 좌우단부에 포개어지는 얇은 판 형상의 백업 플레이트(18a)와 두꺼운 판 형상의 백업 플레이트(18b)를 구비하는 것이 되고, 이들 백업 플레이트(18a)와 종프레임부로 둘러싸이는 공간이 상기 프레임(17)을 판두께 방향으로 관통하는 긴 구멍(172)과 정렬하는 연료 유로 형성을 위한 공간을 구성하고 있다.
프레임(18)의 판두께는 상기와 같이 파판 형상이 된 콜렉터(15)의 두께와 단 위 셀(10A)의 두께에 대략 필적하는 두께로 되어 있다. 따라서, 프레임(18)이 콜렉터(15)에 조합된 상태에서는 콜렉터(15)의 볼록조(15a)는 단위 셀(10A)의 연료극(13)에 접촉하고, 골부는 세퍼레이터 기판(16)을 거쳐서 콜렉터(14)에 접촉하는 위치 관계가 된다. 이렇게 하여 프레임(18)의 양 종프레임부와 백업 플레이트(18a) 사이에는 프레임(17)의 종프레임부(171)의 긴 구멍(172)과 정렬하는 프레임 적층 방향의 연료 유로(H)가 형성되고, 또한 개개의 프레임(18)의 내부에 있어서, 콜렉터(15)의 파형에 의해 세퍼레이터 기판(16)과 백업 플레이트(18a)에 협지되는 횡방향 유로로서의 연료 유로(H)가 획정된다.
이상과 같이 구성된 프레임(17, 18)에 의해 콜렉터(14, 15) 및 세퍼레이터 기판(16)을 보유 지지하여 세퍼레이터(10B)가 구성되고, 세퍼레이터(10B)와 단위 셀(10A)을 교대로 적층하여 셀 모듈이 구성된다. 이렇게 하여 적층된 셀 모듈에는, 도2에 도시한 바와 같이 프레임(18)으로 협지되는 사이의 부분에 셀 모듈의 상면으로부터 종방향으로 셀 모듈의 하면까지 전체 통과하는 슬릿 형상의 공기 유로가 형성된다.
이렇게 한 구성으로 이루어지는 셀 모듈을 하우징 내에 복수개 늘어서서 배치함으로써 구성되는 연료 전지 스택(도1 참조)(1)은 그 상부로부터 공기 매니폴드(22)로 혼합된 공기와 물을 공급하고, 측방으로부터 수소를 공급함으로써 발전 작동한다. 공기 유로에 공급되는 공기와 물은 공기 흐름 중에 물방울이 안개 형상으로 혼입한 상태(이하 이 상태를 혼합 흐름이라 함)에서 공기 유로의 상부로 들어간다. 연료 전지의 정상 운전 상태에서는 단위 셀(10A)이 반응에 의해 발열하고 있 으므로, 공기 유로 내의 혼합 흐름이 가열된다. 혼합 흐름 중의 물방울은 일부가 콜렉터(14)의 그물코에 부착하고, 콜렉터(14)의 그물코에 부착하지 않았던 물방울은 콜렉터(14)와 가스 확산층 사이의 기상 중에서 가열됨으로써 증발 커넥터(14)로부터 열을 빼앗는 잠열 냉각 작용이 생긴다. 이렇게 하여 증기가 된 물은 공기극(12)측으로부터의 고분자 전해질막(11) 중의 수분의 증발을 억제하여 보습시킨다. 그리고, 공기 유로에 들어간 잉여의 공기와 증기 및 물은 셀 스택의 하방의 공기 유로 개구로부터 배출된다.
한편, 연료 유로로의 수소의 공급은 도4에 도시하는 최외측의 프레임(18)의 종프레임부의 긴 구멍으로부터 차례로 적층된 세퍼레이터 기판(16)의 긴 구멍(162), 프레임(17)의 종프레임부(171)의 긴 구멍(172)을 경유하여 각 프레임(18)의 종횡 프레임부 및 백업 플레이트(18a)에 의해 둘러싸이는 공간으로 유입하고, 세퍼레이터 기판(16)과 백업 플레이트(18a)에 의해 협지되는 공간을 경유하여 단위 셀(10A)의 연료극(13)측으로 공급된다. 이에 의해 단위 셀(10A)의 연료극(13)으로의 수소의 공급이 행해진다. 그리고 연료극(13)을 따라서 횡방향으로 흐르는 수소 중, 반응에 관여하지 않았던 잉여분이 반대측의 수소 유로에 배출되고, 이 수소 유로에 연결되는 도1에 도시하는 배관에 의해 순환되어 최종적으로 연소기로 배출된다.
이렇게 하여 연료 전지 스택에 공기와 함께 송입된 물은, 앞에서 설명한 바와 같이 일부는 콜렉터(14)의 그물코에 부착하여 증발하고, 그 이외에는 기상 중에서 그물코에 부착하지 않고 증발하여 잠열을 빼앗기 때문에, 공기극(12)측의 전해질막(11)으로부터의 수분의 증발이 방지된다. 따라서, 전해질막(11)은 그 공기극 (12)측에서 건조되지 않고, 생성물에 의해 항상 균일한 습기가 많은 상태를 유지한다. 또한, 공기극(12)의 표면에 공급된 물은 공기극(12) 자체로부터도 열을 빼앗아 이를 냉각한다. 이에 의해 연료 전지 스택(1)의 온도를 제어할 수 있다.
연료 전지 스택(1) 내에서의 수소의 흐름은 앞에서 설명한 바와 같다. 연료 공급계(4)에 있어서, 연료 전지 스택(1)의 수소 통로로부터 펌프(47)의 흡입에 의해 배출되는 수소 가스는 농도 센서(45A, 45B)에 의해 농도가 계측되고, 소정의 농도 이상일 때에는 전자 밸브(52)의 폐쇄에 의해 환류 역지 밸브(48)를 경유하여 수소 공급로(40)로 환류된다. 또한, 소정의 농도로 만족되지 않을 때에는 배출 전자 밸브(52)의 간헐적 개방에 의해 역지 밸브(51) 및 전자 밸브(52)를 경유하여 연소기(53)로 수소가 배출되고, 연소기(53)에서 완전 연소시킨 배기가 대기로 방출된다.
이렇게 하여 이 시스템에서는 연료 전지 스택(1)으로, 특히 냉각수계를 부설하지 않아도 공기 흐름에 태워 물을 공급함으로써, 연료 전지 스택(1)을 충분히 습윤하고, 또한 냉각할 수 있다. 이 때, 연료 전지 스택(1)의 농도는 배기 온도 센서(32)에서 검출된 배기 공기의 온도에 대응하여 펌프(62)의 출력이나 운전 간격을 적절하게 제어함으로써 노즐(63)로부터 공기 매니폴드(22) 내로 분출시키는 물의 분사량이 제어되어 원하는 온도로 유지된다.
구체적으로는, 연료 전지 스택(1) 내에 공급하는 수량을 늘리면 증발량이 증가되고, 수량을 줄이면 증발량이 감소되는 동시에, 풍량을 증가시키면 온도가 내려가고, 풍량을 줄이면 온도가 올라가므로, 공급수량과 풍량을 제어함으로써 운전 온 도를 제어할 수 있다. 또한, 연료 전지 스택(1)으로부터 공기와 함께 배출되는 물은 대부분이 액체의 상태를 유지한 상태에서 배출되므로, 물 귀환로(60a)로 흐르고 펌프(65)에 흡입되어 역지 밸브(66) 경유로 물 탱크(61)로 복귀되고, 증발하여 수증기 형상이 된 것이나 물 귀환로(60a)로 회수되지 않았던 것에 대해서는 물 응축기(31)에서 응축되어 액상이 되고, 펌프(65)에 의한 흡입으로 물 탱크(61)로 복귀된다. 또한, 배기 공기에 포함되는 수증기에는 연료 전지 스택(1)의 발전 반응에 수반하는 반응수에 기인하는 것도 있다고 생각된다. 이 물 탱크(61)의 수위는 수위 센서(64)로 모니터된다.
이 시스템의 특징은 콜렉터(14, 15)가 미세한 그물코 형상이 되어 있고, 가스 확산층과의 접촉면 전체 영역에도 통기 구멍이 형성되어 있음으로써 공기와 물의 혼합 흐름이 이 통기 구멍을 통과할 때에 교반되는 동시에, 가스 확산층의 콜렉터(14, 15)와의 접촉면에도 혼합 가스가 공급되므로, 연료 전지 스택(1)에 있어서의 전극 전면에 균일하게 공기를 공급할 수 있고, 그것에 의해 농도 분극을 적게 할 수 있는 점에 있다. 또한, 전극과 콜렉터의 그물코에서의 접촉에 의해, 전극 전체로부터 균일하게 집전할 수 있으므로, 집전 저항이 감소된다. 또한, 전극 전체의 촉매를 유효하게 사용할 수 있으므로, 활성화 분극이 적어지는 점에 있다. 또한, 전극의 유효 면적을 크게 할 수 있는 이점도 얻을 수 있다.
다음에 도시하는 도8은 실시예 구성에 의한 작용을 도시한다. 도시한 바와 같이 가스 통로(도시하는 3개의 통로 중 중앙의 통로) 중에 큰 물방울(W)이 그물코에 부착하여 체류된 경우, 이 물방울(W)은 스페이서판(14)으로부터 받는 열에 의해 증발할 때까지 체류되게 된다. 이러한 경우, 이 부분에서 가스 통로가 좁아지거나, 혹은 막혀 그것보다 하류의 가스 통로로의 가스의 공급을 방해하게 된다. 그러나, 본 발명에 의해 세퍼레이터판(14)의 파 형상의 복부에는 그물코에 의해 형성되는 통기 구멍(143)이 있으므로, 도면에 백색 화살표로 나타낸 바와 같이, 물방울(W)보다 상류의 가스는 다른 가스 통로(양측의 2개의 통로)에 대한 압력의 상승으로, 통기 구멍(143)을 통해 인접하는 것 외의 가스 통로로 흘러 나옴으로써 유로 상류에서의 가스의 체류를 방지할 수 있다.
또한, 이 통로의 물방울(W)보다 하류에서는 다른 가스 통로에 대한 압력의 저하가 생기므로, 반대로 인접하는 통로로부터 통기 구멍(143)을 통해 중앙의 통로로 가스가 유입된다. 이에 의해, 국부적으로 협착 또는 폐색된 통로의 하류에서의 가스의 공급 부족도 해소된다.
이렇게 하여 본 실시예에 따르면, 스페이서판(14)의 단면 구형파 형상의 형상으로 보다 세분화된 가스 통로가 통기 구멍(143)에 의해 서로 연통하고 있으므로, 산화극측의 전극에 있어서 물이 물방울 상태로 체류되어 가스 통로를 협착 또는 폐색하는 상태가 생겨도 이들 부위를 우회하여 인접하는 통로로부터의 통기 구멍(143)을 거치는 가스 공급이 이루어지므로, 협착 또는 폐색부보다 앞의 전극으로의 균일한 가스 확산이 가능해진다.
이상 설명한 실시예에서는 세퍼레이터의 콜렉터(14, 15)의 그물코를 마름모형으로 한 것을 예시하였지만, 이 콜렉터(14, 15)의 그물코는 마름모형으로 한정되지 않고, 다양한 형상으로 할 수 있다. 다음의 도9에 통기 구멍 형상의 대표예를 나타낸다. 이들 중 어느 하나의 형상을 채용하는 경우에도 이하에 예시한 바와 같이 통기 구멍끼리의 간격이 일정한 것이 가스 확산을 균일하게 하기 위해 유효하다. 또한, 인접하는 통기 구멍의 모서리 사이의 간격도 대략 일정한 것이, 특히 콜렉터(14)에 있어서 물의 부착에 의한 통기 구멍의 막힘을 방지하는 데 바람직하다.
도9의 (a)에 나타내는 예는 상기 실시예에 적용한 익스팬디드 메탈의 마름모형의 그물코 형상을 도시한다. 이 형상 경우, 예를 들어 통기 구멍이 되는 개구(143)[이하, 콜렉터(14)의 부호만 부기함]의 횡방향 치수를 1 ㎜, 종방향 치수를 0.5 ㎜, 개구 사이의 모서리부의 폭을 0.1 ㎜라 하면, 개구율은 68.4 ％가 된다. 이 개구 형상은 선재를 짠 금속망에 의해서도 실현할 수 있다.
도9의 (b)에 나타내는 예는 직사각형의 개구의 일예로서의 정사각형의 통기 구멍(143)을 개방한 펀칭 메탈의 그물코를 도시한다. 나타낸 예의 경우, 통기 구멍(143)의 개설 피치를 종방향 또는 횡방향에 맞추어 종횡 격자 형상의 그물코를 형성하고 있지만, 개구 위치를 종방향 또는 횡방향에 절반 피치 어긋난 배치에 의해서도 같은 개구율을 얻을 수 있다. 이 개구 형상도 선재를 짠 금속망에 의해서도 실현할 수 있다.
도9의 (c)에 나타내는 예는 다각형 개구의 일예를 나타내는 것으로, 6각형의 통기 구멍(143)을 개방한 펀칭 메탈의 그물코를 도시한다. 이 경우의 그물코의 형상은 벌집 형상이 된다. 이 개구 형상도 선재를 짠 금속망에 의해서도 실현할 수 있다.
도9의 (d)에 나타내는 예는 구형의 개구 중 가장 단순한 예로서의 원형의 통기 구멍(143)을 개방한 펀칭 메탈의 그물코를 도시한다. 이 경우, 통기 구멍(143)의 개설 피치를 상호의 중심 위치 사이의 거리를 동등하게 한 배치에 의해, 큰 개구율의 대강 격자 형상의 그물코가 형성되어 있다. 이 형상의 경우, 개구율이 25 ％ 이상이고, 구멍 직경이 0.5 내지 1.0 ㎜인 것에 있어서, 양호한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에 따르면, 단면이 구형파 형상으로 된 스페이서부를 가스 통로로 하여 공급되는 가스가 스페이서판의 그물코 형상의 가스 확산부를 통해 직접 전극으로 공급되므로, 공급 가스의 확산을 양호하게 할 수 있다.
또한, 스페이서판의 단면 구형파 형상의 형상에 의해 세분화된 가스 통로가 통기 구멍에 의해 서로 연통하고 있으므로, 산화극측의 전극에 있어서 물이 물방울 형상으로 체류되어 가스 통로를 협착 또는 폐색하는 상태가 생겨도 이들 부위를 우회하여 인접하는 유로로부터의 통기 구멍을 거치는 가스 공급이 이루어지므로, 협착 또는 폐색부보다 앞의 전극으로의 균일한 가스 확산이 가능해진다.
또한, 전극과 스페이서판의 가스 확산부와의 접촉이, 개구율이 큰 그물코 형상의 접촉이 되므로, 충분한 가스 확산을 가능하게 하면서 가스 확산부 전체에 걸쳐서 부분적인 치우침이 없고, 폭이 좁은 선 형상의 그물코의 접촉에 의한 접촉압이 높은 균일한 접촉면을 확보할 수 있고, 그것에 의해 스페이서판을 집전 부재로 하면서 집전 저항의 증가를 억제할 수 있다.
그리고, 통기 구멍을 그물코 형상으로 한 경우에는 스페이서판을 그물코 형상 부재의 구부림 가공에 의해 형성할 수 있으므로, 고도의 기술이 필요하지 않은 단순한 가공에 의해 세퍼레이터, 나아가서는 연료 전지의 생산성을 향상시킬 수 있다.

Claims (4)

  1. 물을 포함한 전해질(11)을 전극(12, 13)으로 협지한 연료 전지의 단위 셀(10A)을 서로 적층하기 위해, 상기 단위 셀 사이에 삽입되는 세퍼레이터(10B)에 있어서,
    무공(無孔)의 세퍼레이터 기판(16)과, 상기 전극과 상기 세퍼레이터 기판 사이에 개재 삽입되는 스페이서판(14, 15)으로 이루어지고,
    상기 스페이서판은 단면이 구형파 형상으로 형성되어 상기 전극에 접촉시키는 구형파의 정상부를 가스 확산부(141, 151)로 하여 그물코 형상으로 구성되는 동시에, 인접하는 직사각 형상의 복부와 파 사이 부분을 상기 가스 확산부와 상기 세퍼레이터 기판 사이에 복수의 가스 통로(A, H)를 획정하는 스페이서부(142, 152)로 하고, 상기 스페이서부에 인접하는 가스 통로를 서로 연통하는 통기 구멍(143, 153)을 구비하는 것을 특징으로 하는 세퍼레이터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 스페이서부의 통기 구멍은 그물코 형상으로 구성되어 있는 세퍼레이터.
  3. 물을 포함한 전해질(11)을 전극(12, 13)으로 협지한 연료 전지의 단위 셀(10A)을, 세퍼레이터를 협지하여 서로 적층한 연료 전지에 있어서,
    상기 세퍼레이터는 무공의 세퍼레이터 기판(16)과, 상기 전극과 상기 세퍼레 이터 기판 사이에 개재 삽입된 스페이서판(14, 15)으로 이루어지고,
    상기 스페이서판은 단면이 구형파 형상으로 형성되어 상기 전극에 접촉하는 구형파의 정상부를 가스 확산부(141, 151)로 하여 그물코 형상으로 구성되는 동시에, 인접하는 직사각 형상의 복부와 파 사이 부분을 상기 가스 확산부와 상기 세퍼레이터 기판 사이에 복수의 가스 통로(A, H)를 획정하는 스페이서부(142, 152)로 하고, 상기 스페이서부에 인접하는 가스 통로를 서로 연통하는 통기 구멍(143, 153)을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  4. 제3항에 있어서, 상기 통기 구멍은 금속망의 그물코 형상으로 형성되어 있는 연료 전지.
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