KR100817706B1 - 연료 전지 스택 - Google Patents

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산요덴키가부시키가이샤
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Abstract

고체 고분자형 연료 전지 스택은 셀의 냉각에 이용된 냉각수를, 냉각수 배출용 매니폴드를 유통하는 냉각수를 단부판 및 단부판의 상부 영역에 셀의 고온 영역에 대응하여 대략 연속 S자형으로 형성된 스택 단부 유로로 유입시킨다. 스택 단부의 셀로부터 냉각수 배출용 매니폴드로 유입되는 냉각수는 유량 제어 소자에 의해 일정한 온도로 유지된다.
연료 전지 스택, 셀, 매니폴드, 스택 단부 유로, 유량 제어 소자

Description

연료 전지 스택{FULL CELL STACK}
도1은 제1 실시예에 관한 고체 고분자형 연료 전지 스택의 구성을 도시한 도면.
도2는 고체 고분자형 연료 전지 스택의 단부판의 구성을 도시한 개략도.
도3의 (a)는 단부판에 설치된 유량 제어 소자를 도시한 도면.
도3의 (b)는 도3의 (a)에 도시한 유량 제어 소자의 B-B선 상의 단면도.
도4는 제1 비교예에 관한 고체 고분자형 연료 전지 스택을 도시한 개략도.
도5는 제1 비교예에 관한 고체 고분자형 연료 전지 스택의 단부판의 구성을 도시한 도면.
도6은 제2 비교예에 관한 고체 고분자형 연료 전지 스택을 도시한 개략도.
도7은 제1 실시예, 제1 비교예 및 제2 비교예의 고체 고분자형 연료 전지 스택의 각 셀의 온도 분포 측정의 실험 결과를 나타낸 그래프.
도8은 제2 실시예에 관한 고체 고분자형 연료 전지 스택의 단부판의 구성을 도시한 개략도.
도9는 제3 실시예에 관한 고체 고분자형 연료 전지 스택의 단부판의 구성을 도시한 개략도.
도10은 제4 실시예에 관한 고체 고분자형 연료 전지 스택의 구성을 도시한 개략도.
도11은 제4 실시예에 관한 고체 고분자형 연료 전지 스택의 단부판의 구성을 도시한 개략도.
도12는 제5 실시예에 관한 고체 고분자형 연료 전지 스택의 단부판의 구성을 도시한 도면.
도13은 제6 실시예에 관한 고체 고분자형 연료 전지 스택의 단부판의 구성을 도시한 도면.
도14는 제7 실시예에 관한 고체 고분자형 연료 전지 스택의 단부판의 구성을 도시한 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 연료 전지 스택
20 : 셀
22 : MEA
24 : 애노드측 플레이트
26 : 캐소드측 플레이트
30 : 냉각 플레이트
40 : 적층체
삭제
44 : 매니폴드
50 : 집전판
60 : 절연판
70, 80 : 단부판
71 : 냉각수 공급구
72 : 스택 단부 유로
73 : 유량 제어 소자
74 : 냉각수 배출구
75 : 냉각수 입구
76 : 연료 입구
77 : 연료 출구
78 : 산화제 입구
79 : 산화제 출구
81 : 폐색 플레이트
90 : 절입부
92 : 구멍
[문헌 1] JP 2001-68141 A
본 발명은 연료 전지 스택에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 본 발명은 셀의 온도의 적정화가 도모된 연료 전지 스택에 관한 것이다.
일반적으로, 고체 고분자형 연료 전지 스택은 고체 고분자막의 한 쪽면에 애노드, 다른 쪽면에 캐소드를 접합하여 막 전극 접합체(이하,「MEA」라 표기함)를 구성하고, 이 MEA의 애노드에 대향하여 연료 유로를 형성한 애노드측 플레이트와, MEA의 캐소드에 대향하여 산화제 유로를 형성한 캐소드측 플레이트에 협지하여 셀을 구성하고, 또한 이 셀 사이에 냉각 플레이트를 개재시켜 복수 적층함으로써 적층체를 형성하고, 이 적층체의 양단부에 단부판을 첨부하여 체결 부착함으로써 구성된다.
고체 고분자형 연료 전지 스택은, 애노드측 플레이트에 개질 가스 등의 연료 가스를 유통시키는 동시에 캐소드측 플레이트에 공기 등의 산화제 가스를 유통시키고, 전해질막을 거쳐서 전기 화학 반응을 발생시킴으로써 직류 전력을 발전한다. 전기 화학 반응은 발열 반응이므로, 냉각 플레이트에 냉각수를 유통시켜 각 셀을 냉각시킴으로써 고체 고분자형 연료 전지 스택의 정상적인 운전 온도(예를 들어, 약 70 내지 80 ℃)의 유지가 도모되고 있다.
고체 고분자형 연료 전지 스택에 있어서, 단부판에 인접하는 양단부의 셀은 외기의 영향을 받기 쉽다. 이로 인해, 양단부의 셀은 다른 부분의 셀에 비해 온도가 낮아진다. 셀의 온도가 저하되면, 애노드측 플레이트 또는 캐소드측 플레이트의 유로를 흐르는 반응 가스 중의 수증기가 유로 내에서 응축되기 쉬워져, 다른 부분의 셀보다도 유로 내에 많은 응축수가 발생한다. 그 결과, 양단부의 셀은 다른 부분의 셀보다도 유로 저항이 증가함으로써 반응 가스 유량이 저하되어 전지 성능 의 저하를 야기시킨다.
이러한 현상(現狀)을 근거로 하여, 고체 고분자형 연료 전지 스택에 있어서 양단부의 셀의 온도 저하를 억제하는 기술이 요망되고 있다. 이러한 종류의 기술로서는, 예를 들어 양단부의 단부판에 냉각수를 흐르게 하기 위한 유로를 형성하고, 운전 온도에 근접한 온도로 승온되어 발전 후에 배출되는 냉각수를 단부판 전체면에 형성된 유로에 흐르게 하여 양단부의 셀을 가온하는 기술이 알려져 있다(예를 들어, 문헌 1).
[문헌 1]
JP 2001-68141 A
일반적으로, 셀은 냉각 플레이트 내의 냉각수의 유통에 의해 온도 분포가 발생된다. 즉, 냉각 플레이트에 막 공급된 냉각수는 효율적으로 셀을 냉각시키지만, 냉각 플레이트를 흐름에 따라 냉각수의 온도는 상승하여 셀의 냉각 효과가 떨어진다. 이로 인해, 냉각수의 유동 방향을 따라 셀에 온도 구배가 발생된다. 또한,「냉각수의 유동 방향」이라 함은 냉각 플레이트에 형성된 냉각수 유로의 경로를 따른 방향 그 자체가 아닌, 냉각수 유로의 입구로부터 출구를 향한 방향을 가리킨다.
그러나, 종래와 같이 냉각 플레이트로부터 배출되는 냉각수를 단부판 전체면에 형성된 유로에 흐르게 하면, 양단부의 셀이 균등하게 가온된다. 이에 의해, 양단부의 셀과 다른 부분의 셀에서 온도 분포에 차이가 생기고, 양단부의 셀과 다른 부분의 셀에서 응축수가 발생되는 부분이 다르기 때문에 고체 고분자형 연료 전지 가 발생하는 전압이 불안정해져 고체 고분자형 연료 전지를 안정적으로 동작시키는 것이 곤란해진다.
본 발명은 이러한 과제에 비추어 이루어진 것으로, 그 목적은 연료 전지를 안정적으로 동작시키기 위해 양단부의 셀을 적절하게 가온할 수 있는 연료 전지 스택의 제공에 있다.
본 발명의 연료 전지 스택의 일 형태는, 전해질막과 상기 전해질막의 한 쪽면에 설치된 애노드와 상기 전해질막의 다른 쪽면에 설치된 캐소드를 갖는 막 전극 접합체, 상기 애노드에 대향하는 연료 유로를 갖는 애노드측 플레이트 및 상기 캐소드에 대향하는 산화제 유로를 갖는 캐소드측 플레이트를 갖는 셀 및 상기 셀을 냉각시키는 열 매체가 흐르는 열 매체 유로가 형성된 냉각 플레이트를 복수 적층한 적층체와, 집전판 및 절연판을 거쳐서 상기 적층체의 양단부에 설치되어 상기 적층체를 체결 부착하는 단부판과, 상기 단부판의 상기 셀의 고온 영역에 대응하는 영역에 형성되는 동시에 상기 냉각 플레이트를 통과한 열 매체가 흐르는 스택 단부 유로를 갖는다.
본 발명의 연료 전지 스택의 다른 형태는, 전해질막과 상기 전해질막의 한 쪽면에 설치된 애노드와 상기 전해질막의 다른 쪽면에 설치된 캐소드를 갖는 막 전극 접합체, 상기 애노드에 대향하는 연료 유로를 갖는 애노드측 플레이트 및 상기 캐소드에 대향하는 산화제 유로를 갖는 캐소드측 플레이트를 갖는 셀 및 상기 셀을 냉각시키는 열 매체가 흐르는 열 매체 유로가 형성된 냉각 플레이트를 복수 적층한 적층체와, 집전판 및 절연판을 거쳐서 상기 적층체의 양단부에 설치되어 상기 적층체를 체결 부착하는 단부판과, 상기 단부판을, 상기 셀의 비교적 고온의 영역에 대응하는 제1 영역과 상기 셀의 비교적 저온의 영역에 대응하는 제2 영역으로 나누어 상기 제1 영역에만 형성되는 동시에, 상기 냉각 플레이트를 통과한 열 매체가 흐르는 제1 스택 단부 유로를 갖는다.
본 발명의 연료 전지 스택의 또 다른 형태는, 전해질막과 상기 전해질막의 한 쪽면에 설치된 애노드와 상기 전해질막의 다른 쪽면에 설치된 캐소드를 갖는 막 전극 접합체, 상기 애노드에 대향하는 연료 유로를 갖는 애노드측 플레이트 및 상기 캐소드에 대향하는 산화제 유로를 갖는 캐소드측 플레이트를 갖는 셀 및 상기 셀을 냉각시키는 열 매체가 흐르는 열 매체 유로가 형성된 냉각 플레이트를 복수 적층한 적층체와, 집전판 및 절연판을 거쳐서 상기 적층체의 양단부에 설치되어 상기 적층체를 체결 부착하는 단부판과, 상기 단부판에 형성되는 동시에 상기 냉각 플레이트를 통과한 열 매체가 상기 단부판으로 유입되는 입구 및 열 매체가 상기 단부판의 외부로 유출되는 출구를 구비하고 열 매체가 흐르는 스택 단부 유로를 갖고, 상기 입구로부터 상기 출구까지의 상기 열 매체 유로를 흐르는 열 매체의 유동 방향의 거리는 상기 전해질의 상기 열 매체의 유동 방향의 거리의 1/4 이상 1/2 이하이다.
이들에 따르면, 스택 양단부의 셀의 고온 부분이 다른 부분의 셀의 온도 분포에 따라서 적절하게 가온되므로, 스택 양단부의 셀의 고온 부분이 다른 부분의 셀의 온도 분포와 근사하다. 이에 의해, 스택 양단부의 셀에 있어서 발생되는 응 축수의 양이 저감되어 셀 내의 반응 가스 유로의 폐색이 억제되고, 각 셀 내에 있어서 응축수가 발생되는 부분이 균일화되므로 각 셀에서 발생되는 전압의 변동이 억제되어 연료 전지를 안정적으로 동작시킬 수 있다. 또한, 열 매체로서는 물이 적합하지만 물 외의 유동체를 이용하는 것도 가능하다.
상기 각 형태에 있어서, 상기 스택 단부 유로로 유입되는 상기 열 매체의 유량을 상기 열 매체의 온도에 따라서 제어하는 제1 유량 제어 소자를 가져도 좋다. 이에 의해, 연료 전지 스택의 출력이 변동된 경우라도 스택 단부 유로를 유통하는 열 매체의 온도를 조절함으로써, 양단부의 셀의 온도 구배를 일정하게 유지할 수 있으므로 연료 전지 스택의 동작 안정성을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 각 형태에 있어서 상기 적층체를 관통하여 스택 단부 유로에 연통되는 냉각수 배출용 매니폴드로 유입되는 동시에, 상기 적층체의 단부에 설치된 냉각 플레이트를 통과하는 열 매체의 유량을 상기 냉각 플레이트를 통과한 열 매체의 온도에 따라서 제어하는 제2 유량 제어 소자를 가져도 좋다. 이에 따르면, 연료 전지 스택의 출력이 변동된 경우라도 적층체 단부의 냉각 플레이트를 통과하는 열 매체의 온도를 조절함으로써, 양단부의 셀의 온도 구배를 일정하게 유지할 수 있으므로 연료 전지 스택의 동작 안정성을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 각 형태에 있어서 상기 스택 단부 유로가 형성되어 있지 않은 상기 단부판의 나머지 부분, 또는 상기 셀의 비교적 저온의 영역에 대응하는 제2 영역에 있어서의 상기 열 매체 유로를 흐르는 열 매체의 유동 방향의 열전달성이, 상기 열 매체 유로를 흐르는 열 매체의 유동 방향과 수직 방향인 열전달성보다 작게 해도 된다. 이에 따르면, 스택 단부 유로를 흐르는 열 매체로 스택 단부의 셀의 고온 영역을 가온하는 동시에, 스택 단부 유로가 형성되어 있지 않은 단부판의 부분에도 셀의 온도 분포에 따른 온도 분포를 부여할 수 있으므로, 스택 단부의 셀의 온도 분포를 다른 부분의 셀의 온도 분포에 의해 근접시킬 수 있다. 또한,「열 매체의 유동 방향」이라 함은 냉각 플레이트에 형성된 열 매체 유로의 경로를 따른 방향 그 자체가 아닌, 열 매체 유로의 입구로부터 출구를 향한 방향을 가리킨다.
또한, 상기 각 형태에 있어서 상기 연료 유로, 상기 산화제 유로 및 상기 열 매체 유로가 각각 복수의 직선 형상의 유로로 구성되고, 상기 연료 유로를 흐르는 연료와 상기 산화제 유로를 흐르는 산화제가 상방으로부터 하방으로 흐르는 병행류를 이루어도 좋고, 상기 열 매체 유로를 흐르는 열 매체가 상기 연료 및 상기 산화제에 대해 병행류 또는 대향류를 이루어도 좋다. 연료 유로, 산화제 유로 및 열 매체 유로가 지그재그로 되어 있는 경우에는 부분적으로 불규칙한 온도 분포가 발생되지만, 상기 구성에 따르면 각 유로를 따른 연속적인 온도 분포가 형성되므로 연료 전지 스택의 안정성을 개선할 수 있다.
또한, 상기 각 형태에 있어서 상기 집전판, 상기 절연판 및 상기 단부판 중 적어도 하나의 스택 단부재에 있어서, 상기 열 매체 유로를 흐르는 열 매체의 유동 방향의 열전달성이 상기 열 매체의 유동 방향과 수직 방향인 열전달성보다 작아도 된다.
이에 따르면, 집전판, 절연판 및 단부판 중 적어도 하나의 스택 단부재에 있어서 열 매체 유로를 흐르는 열 매체의 유동 방향의 열전도성이 저하되므로, 스택 단부재에 있어서 셀의 온도 분포에 따른 온도 분포가 유지되어 스택 단부의 셀의 온도 분포가 다른 부분의 셀의 온도 분포에 근사한 것이 된다. 이에 의해, 스택 양단부의 셀에 있어서 발생되는 응축수의 양이 저감되어 셀 내의 반응 가스 유로의 폐색이 억제되고, 각 셀내에 있어서 응축수가 발생되는 부분이 균일화되므로 각 셀에서 발생되는 전압의 변동이 억제되어 연료 전지를 안정적으로 동작시킬 수 있다.
또한, 상기 각 형태에 있어서 상기 집전판, 상기 절연판 및 상기 단부판 중 적어도 하나의 스택 단부재에 있어서 상기 열 매체 유로를 흐르는 열 매체의 유동 방향과 수직 방향으로 복수의 절입부가 형성되어 있어도 된다.
이에 따르면, 집전판, 절연판 및 단부판 중 적어도 하나의 스택 단부재에 있어서, 열 매체 유로를 흐르는 열 매체의 유동 방향의 열전도성이 스택 단부재에 형성된 절입부에 의해 저해되므로, 스택 단부재에 있어서 셀의 온도 분포에 따른 온도 분포가 유지되어 스택 단부의 셀의 온도 분포가 다른 부분의 셀의 온도 분포에 근사한 것이 된다. 이에 의해, 스택 양단부의 셀에 있어서 발생되는 응축수의 양이 저감되어 셀 내의 반응 가스 유로의 폐색이 억제되고, 각 셀 내에 있어서 응축수가 발생되는 부분이 균일화되므로 각 셀에서 발생되는 전압의 변동이 억제되어 연료 전지를 안정적으로 동작시킬 수 있다.
또한, 상기 각 형태에 있어서 상기 집전판, 상기 절연판 및 상기 단부판 중 적어도 하나의 스택 단부재에 있어서, 상기 열 매체 유로를 흐르는 열 매체의 유동 방향을 따라 복수의 구멍이 마련되어 있어도 좋다.
이에 따르면, 집전판, 절연판 및 단부판 중 적어도 하나의 스택 단부재에 있 어서, 열 매체 유로를 흐르는 열 매체의 유동 방향의 열전도성이 스택 단부재에 마련된 구멍에 의해 저해되므로, 스택 단부재에 있어서 셀의 온도 분포에 따른 온도 분포가 유지되어 스택 단부의 셀의 온도 분포가 다른 부분의 셀의 온도 분포에 근사한 것이 된다. 이에 의해, 스택 양단부의 셀에 있어서 발생되는 응축수의 양이 저감되어 셀 내의 반응 가스 유로의 폐색이 억제되고, 각 셀 내에 있어서 응축수가 발생되는 부분이 균일화되므로 각 셀에서 발생되는 전압의 변동이 억제되어 연료 전지를 안정적으로 동작시킬 수 있다.
또한, 상기 각 형태에 있어서 상기 집전판, 상기 절연판 및 상기 단부판 중 적어도 하나의 스택 단부재가 상기 열 매체 유로를 흐르는 열 매체의 유동 방향을 따라 복수로 분할되어 있어도 좋다.
이에 따르면, 집전판, 절연판 및 단부판 중 적어도 하나의 스택 단부재에 있어서, 열 매체 유로를 흐르는 열 매체의 유동 방향의 열전도성이 분할된 스택 단부재 사이에서 저해되므로, 스택 단부재에 있어서 셀의 온도 분포에 따른 온도 분포가 유지되어 스택 단부의 셀의 온도 분포가 다른 부분의 셀의 온도 분포에 근사한 것이 된다. 이에 의해, 스택 양단부의 셀에 있어서 발생되는 응축수의 양이 저감되어 셀 내의 반응 가스 유로의 폐색이 억제되고, 각 셀 내에 있어서 응축수가 발생되는 부분이 균일화되므로 각 셀에서 발생되는 전압의 변동이 억제되어 연료 전지를 안정적으로 동작시킬 수 있다.
또한, 상술한 각 요소를 적절하게 조합한 것도 본건 특허 출원에 의해 특허에 의한 보호를 요구하는 발명의 범위에 포함될 수 있다.
(제1 실시예)
도1은 제1 실시예에 관한 고체 고분자형 연료 전지 스택(10)의 구성을 도시한 개략도이다. 고체 고분자형 연료 전지 스택(10)은 복수의 셀(20) 및 셀(20) 사이에 개재되는 냉각 플레이트(30)가 적층된 적층체(40) 및 적층체(40)의 양단부로부터 집전판(50) 및 절연판(60)을 거쳐서 적층체(40)를 체결 부착하는 단부판(70, 80)을 구비한다.
셀(20)은 MEA(22), MEA(22)의 애노드에 대향하여 연료 유로를 형성한 애노드측 플레이트(24) 및 MEA(22)의 캐소드에 대향하여 산화제 유로를 형성한 캐소드측 플레이트(26)를 갖는다.
냉각 플레이트(30)는 열 매체로서 이용되는 냉각수가 흐르는 냉각수 유로를 갖는다. 적층체(40)의 양단부에 위치하는 냉각 플레이트(30)의 냉각수 유로의 출구 부근에는 냉각수 유로로부터 후술하는 냉각수 배출용 매니폴드(44)로 유입되는 냉각수의 유량을 조절하는 유량 제어 소자(34)가 설치되어 있다. 유량 제어 소자(34)에 대해서는 후술한다.
또한, 냉각수 유로는 애노드측 플레이트(24) 및/또는 캐소드측 플레이트(26)의 MEA(22)와 반대측에 형성하는 것도 가능하다. 이 경우에는, 애노드측 플레이트(24) 및/또는 캐소드측 플레이트(26)가 냉각 플레이트(30)를 겸한다. 또한, 1매의 플레이트의 한 쪽면에 연료 유로, 다른 쪽면에 산화제 유로를 형성한, 이른바 바이폴러 플레이트를 부분적으로 이용한 경우도 본 발명에 포함된다.
적층체(40)의 하부에는, 셀(20)의 적층 방향으로 연통되는 냉각수 공급용 매 니폴드(42)가 설치되어 있다. 또한, 적층체(40)의 상부에는 셀(20)의 적층 방향으로 연통되는 냉각수 배출용 매니폴드(44)가 설치되어 있다.
도2는 단부판(70)의 구성을 도시한 개략도이다. 단부판(70)은 냉각수 공급구(71), 스택 단부 유로(72), 유량 제어 소자(73), 냉각수 배출구(74), 냉각수 입구(75), 연료 입구(76), 연료 출구(77), 산화제 입구(78) 및 산화제 출구(79)를 갖는다.
냉각수 공급구(71)는 냉각수 배출용 매니폴드(44)와 연통되고, 냉각수 공급구(71)를 경유하여 냉각수 배출용 매니폴드(44)로부터 스택 단부 유로(72)로 운전 온도에 근접한 온도로 승온된 냉각수가 유입된다. 즉, 냉각수 공급구(71)는 냉각 플레이트(30)를 통과한 냉각수가 단부판(70)으로 유입되는 입구이다. 스택 단부 유로(72)는 단부판(70)에 마련된 오목홈 형상의 위에 폐색 플레이트(81)를 부착함으로써 터널 형상으로 형성된다. 폐색 플레이트(81)는 열전도성이 양호한 재료로 형성하는 것이 바람직하다. 스택 단부 유로(72)는 셀(20)의 고온 영역에 대응하여, 단부판(70)의 상부 영역에 대략 연속 S자형의 경로로 형성되어 있다.
즉 단부판(70)을, 셀(20)의 비교적 고온의 영역에 대응하는 제1 영역과 비교적 저온의 영역에 대응하는 제2 영역으로 나누어, 상기 제1 영역에만 스택 단부 유로(72)가 형성되어 있다. 또한, 고체 고분자형 연료 전지 스택(10)의 구조상의 관계 등으로 인해, 제2 영역에는 제1 영역에 비해 상당히 적은 스택 단부 유로를 형성해도 좋다.
유량 제어 소자(73)는 스택 단부 유로(72)의 냉각수 배출구(74) 부근에 설치 되고, 스택 단부 유로(72)로 유입되는 냉각수의 유량을 조절하여 스택 단부 유로(72) 내의 냉각수의 수온을 소정 온도로 유지한다. 유량 제어 소자(73)는, 예를 들어 스택 단부 유로(72)를 유통하여 열교환한 후의 냉각수의 온도에 따라서 변형하는 감온식 유량 제어 소자로 구성되고, 스택 단부 유로(72) 내의 냉각수의 온도에 따라서 개폐하는 밸브의 기능을 구비한다. 감온식 유량 제어 소자의 구체예로서는, 바이메탈, 형상 기억 합금, 서모로이드 등을 들 수 있다. 또한, 감온식 유량 제어 소자를 이용하는 것 외에, 냉각수의 수온, 단부판(70)의 온도, 또는 양단부의 셀(20)의 온도를 검출하는 온도 센서 및 개폐 구동이 제어 가능한 밸브를 설치하여, 온도 센서에 의해 검출된 스택 단부 유로(72) 내의 냉각수의 수온에 따라서 밸브의 개폐를 제어해도 된다. 이 경우, 밸브의 위치는 스택 단부 유로(72)의 부근이라도 좋다.
도3의 (a)는 바이메탈을 유량 제어 소자(73)에 이용한 경우의 구성을 도시하고, 도3의 (b)는 도3의 (a)의 B-B선 상의 단면도를 도시한다. 유량 제어 소자(73)는, 스택 단부 유로(72)를 유통하여 열교환한 후의 냉각수의 온도를 감지하여 스택 단부 유로(72) 내를 흐르는 냉각수의 유량을 조절한다. 구체적으로는, 유량 제어 소자(73)는 냉각수의 온도가 소정의 온도일 때에 소정 유량이 흐르는 기준 상태에 있지만, 냉각수의 온도가 소정의 온도 이상인 경우에는 기준 상태로부터 도3의 (b)의 화살표 H의 방향으로 변형하여, 스택 단부 유로(72)의 단면적을 작게 하여 스택 단부 유로(72)를 흐르는 냉각수의 유량을 감소시킨다. 또한, 냉각수의 온도가 소정의 온도 이하인 경우에는 기준 상태로부터 도3의 (b)의 화살표 L의 방향으로 변 형하여, 스택 단부 유로(72)의 단면적을 크게 하여 스택 단부 유로(72)를 흐르는 냉각수의 유량을 증가시킨다.
이에 따르면, 고체 고분자형 연료 전지 스택(10)의 출력이 변동하여 셀(20)의 온도가 변동한 경우에, 스택 단부 유로(72) 내의 냉각수의 수온을 일정하게 유지함으로써 양단부의 셀(20)의 온도 분포를 일정하게 유지할 수 있어 고체 고분자형 연료 전지 스택(10)의 동작을 안정화할 수 있다.
냉각수 배출구(74)는 스택 단부 유로(72)의 출구 부분에 연통되어, 스택 단부 유로(72)를 흐른 냉각수를 배출한다. 냉각수 입구(75)는 냉각수 공급용 매니폴드(42)에 연통된다. 즉, 냉각수 배출구(74)는 냉각수가 단부판(70)의 외부로 유출되는 출구이다. 연료 입구(76), 연료 출구(77), 산화제 입구(78) 및 산화제 출구(79)에 대해서는 후술한다.
또한, 냉각수 공급구(71)는 고체 고분자형 연료 전지 스택(10)의 외부에도 연통되어 있어, 스택 단부 유로(72)로 유입되지 않은 여분의 냉각수를 배출시킬 수 있다.
다른 단부판(80)의 구성도 단부판(70)과 기본 구성은 동일하지만, 냉각수 입구(75), 연료 입구(76), 연료 출구(77), 산화제 입구(78) 및 산화제 출구(79)는 설치되어 있지 않다.
또한, 냉각수 공급구(71)로부터 냉각수 배출구(74)까지의 냉각수의 유동 방향의 거리는, 바람직하게는 MEA(22)의 냉각수의 유동 방향의 거리의 1/4 이상 1/2 이하, 보다 바람직하게는 1/3 이상 1/2 이하이다.
(반응 가스의 흐름)
개질 가스 등의 연료 가스는 연료 입구(76)로부터 공급되고, 고체 고분자형 연료 전지 스택(10)의 적층 방향으로 연통되어 설치된 연료 공급용 매니폴드(도시하지 않음)를 통해 각 셀(20)에 분배 공급된다. 각 셀(20)에 공급된 연료 가스는 연료 유로를 유통한다. 한편, 공기 등의 산화제 가스는 산화제 입구(78)로부터 공급되고, 고체 고분자형 연료 전지 스택(10)의 적층 방향으로 연통되어 설치된 산화제 가스 공급용 매니폴드(도시하지 않음)를 통해 각 셀(20)에 분배 공급된다. 각 셀(20)에 공급된 산화제 가스는 산화제 유로를 유통한다.
연료 가스 및 산화제 가스가 유통하는 각 셀(20)에서는, 전해질막을 거쳐서 전기 화학 반응이 발생함으로써 발전이 행해진다. 각 셀(20)로부터 배출되는 미반응 연료 가스는, 고체 고분자형 연료 전지 스택(10)의 적층 방향으로 연통되어 설치된 연료 배출 매니폴드(도시하지 않음)에서 합류하여, 연료 배출 매니폴드를 통해 연료 출구(77)로부터 외부로 배출된다. 연료 출구(77)로부터 배출된 미반응 연료 가스는, 도시하지 않은 연료 개질 장치의 개질기 버너로 도입되어 연소하는 것이 일반적이다.
발전 후에 각 셀(20)로부터 배출되는 미반응 산화제 가스는, 고체 고분자형 연료 전지 스택(10)의 적층 방향으로 연통되어 설치된 산화제 배출 매니폴드(도시하지 않음)에서 합류하여, 산화제 배출 매니폴드를 통해 산화제 출구(79)로부터 외부로 배출된다.
(냉각수의 흐름)
냉각수는 냉각수 입구(75)로부터 공급되고, 고체 고분자형 연료 전지 스택(10)의 적층 방향으로 연통되어 설치된 냉각수 공급용 매니폴드(42)를 통해 각 냉각수 유로에 분배 공급된다. 각 냉각수 유로를 유통하는 냉각수는, 각 셀(20)을 냉각시킴으로써 각 셀(20)을 적정 운전 온도(예를 들어, 약 70 내지 80 ℃)로 유지한다.
냉각수 유로로부터 배출되는 냉각수는, 각 셀(20)에서 발생되는 반응열에 의해 승온되어 온도가 약 72 내지 75 ℃가 된다. 온도가 상승한 냉각수는, 냉각수 배출용 매니폴드(44) 내로 유입된다. 또한, 냉각수 배출용 매니폴드(44)의 고체 고분자형 연료 전지 스택(10)의 적층 방향 중앙부 부근에 구획부(도시하지 않음)를 설치하고, 구획부를 경계로 하여 승온된 냉각수를 2 방향으로 나누어도 좋다.
또한, 적층체(40)의 양단부에 위치하는 냉각수 유로의 출구 부근에 설치된 유량 제어 소자(34)는 단부판(70)에 설치된 유량 제어 소자(73)와 기본적인 구성은 동일하다. 단, 유량 제어 소자(34)는 단부에 위치하는 냉각수 유로를 유통한 냉각수의 온도가 소정의 온도일 때에 소정 유량이 흐르는 기준 상태에 있지만, 냉각수 유로를 유통한 냉각수의 온도가 소정의 온도 이상인 경우에는 단부의 냉각수 유로의 단면적을 크게 하여 단부의 냉각수 유로를 흐르는 냉각수의 유량을 증가시킨다. 또한, 냉각수의 온도가 소정의 온도 이하인 경우에는 단부의 냉각수 유로의 단면적을 작게 하여 단부의 냉각수 유로를 흐르는 냉각수의 유량을 감소시킨다.
이에 따르면, 고체 고분자형 연료 전지 스택(10)의 출력이 변동하여 셀(20)의 온도가 변동한 경우에, 단부의 냉각수 유로 내의 냉각수의 수온을 일정하게 유지함으로써 양단부의 셀(20)의 온도 분포를 일정하게 유지할 수 있어 고체 고분자형 연료 전지 스택(10)의 동작을 안정화할 수 있다.
냉각수 배출용 매니폴드(44) 내를 단부판(70)측으로 유통하는 냉각수는, 단부판(70)의 냉각수 공급구(71)로부터 스택 단부 유로(72)로 유입되어 단부판(70)의 상방부로부터 하방부를 향해 지그재그로 흐른다. 스택 단부 유로(72) 내의 승온된 냉각수의 흐름에 따라서, 폐색 플레이트(81), 집전판(50) 및 절연판(60)을 거쳐서 단부판(70)에 인접하는 단부의 셀(20)을 가온할 수 있다. 게다가, 스택 단부 유로(72)는 셀(20)의 고온 영역에 대응하여 단부판(70)의 상부 영역에 그 경로를 갖고, 스택 단부 유로(72)를 흐르는 냉각수는 스택 단부 유로(72)의 하류로 감에 따라서 서서히 온도가 저하한다. 이로 인해, 단부판(70) 측단부의 셀(20)의 고온 영역이 효율적으로 가온되는 동시에, 단부판(70) 측단부의 셀(20)과 다른 부분의 셀(20)의 온도 분포를 근사시킬 수 있다.
한편, 냉각수 배출용 매니폴드(44) 내를 단부판(80)측으로 유통하는 냉각수는, 단부판(80)의 냉각수 공급구(71)로부터 스택 단부 유로(72)로 유입되어 단부판(80)의 상방부로부터 하방부를 향해 지그재그로 흐른다. 스택 단부 유로(72) 내의 승온된 냉각수의 흐름에 의해, 폐색 플레이트(81), 집전판(50) 및 절연판(60)을 거쳐서 단부판(80)에 인접하는 단부의 셀(20)을 가온할 수 있다. 게다가, 스택 단부 유로(72)는 셀(20)의 고온 영역에 대응하여 단부판(80)의 상부 영역에 그 경로를 갖고, 스택 단부 유로(72)를 흐르는 냉각수는 스택 단부 유로(72)의 하류로 감에 따라서 서서히 온도가 저하된다. 이로 인해, 단부판(80) 측단부의 셀(20)의 고온 영역이 효율적으로 가온되는 동시에, 단부판(80) 측단부의 셀(20)과 다른 부분의 셀(20)의 온도 분포를 근사시킬 수 있다.
양단부의 셀(20)의 고온 영역이 가온되는 결과로서, 양단부의 셀(20)에서 발생되는 응축수의 양이 저감되는 동시에, 양단부의 셀(20)의 온도 분포가 다른 부분의 셀(20)의 온도 분포에 근접해지므로, 각 셀(20) 내에서 응축수가 발생되는 부위가 거의 일치하여 각 셀(20)의 발전 효율을 균등하게 향상시킬 수 있다.
또한, 고체 고분자형 연료 전지 스택(10)을 동작시킬 때에 각 셀(20)의 온도 분포를 적정화하는 관점에서, 연료 유로, 산화제 유로 및 냉각수 유로가 각각 복수의 직선 형상의 유로로 구성되고, 연료 유로를 흐르는 연료 가스와 산화제 유로를 흐르는 산화제 가스가 상방으로부터 하방으로 흐르는 병행류이거나, 냉각수 유로를 흐르는 냉각수가 연료 가스 및 산화제 가스와 병행류 또는 대향류인 것이 바람직하고, 냉각수 유로를 흐르는 냉각수가 연료 가스 및 산화제 가스와 대향류, 즉 냉각수가 하방으로부터 상방으로 유통되는 것이 보다 바람직하다. 이에 따르면, 유로를 따른 연속적인 온도 분포가 형성되므로 고체 고분자형 연료 전지 스택(10)의 안정성을 개선할 수 있다.
(제1 비교예)
도4는 상기 제1 실시예와 비교하기 위해 구성한 제1 비교예에 관한 고체 고분자형 연료 전지 스택(10A)를 도시한다. 고체 고분자형 연료 전지 스택(10A)의 기본적인 구성은, 제1 실시예의 고체 고분자형 연료 전지 스택(10)과 동일하므로 동일 부재에 동일한 부호를 붙이고 상세한 설명을 생략한다. 고체 고분자형 연료 전지 스택(10A)에서는, 양단부의 냉각수 유로에 유량 제어 소자(34)가 설치되어 있지 않아, 단부판(70A, 80A)에 형성된 수류로의 형태가 제1 실시예와는 다르다. 즉, 단부판(70A)과 단부판(80A)은 거의 동일한 구성이므로 단부판(70A)에 대해 설명하면, 도5에 도시한 바와 같이 스택 단부 유로(72A)가 단부판(70A)의 대략 전체면에 걸쳐 대략 연속 S자형으로 형성되어 있는 점, 유량 제어 소자(73)가 설치되어 있지 않아 냉각수 공급구(71)로부터 공급되는 모든 냉각수가 스택 단부 유로(72A)로 유입된다고 하는 점에서 제1 비교예는 제1 실시예와 다르다. 또한, 제1 비교예의 단부판(70A)에서는 산화제 입구(78) 및 산화제 출구(79)의 위치가 제1 실시예와 반대로 되어 있다.
제1 비교예에 있어서는, 발전 후에 각 셀(20)로부터 배출되는 승온 후의 냉각수는 냉각수 배출용 매니폴드(44A)를 통한 후 스택 단부 유로(72A)로 유입되고, 그 상방부로부터 하방부를 향해 지그재그로 흘러 하단부에 설치된 냉각수 배출구(74A)로부터 외부로 배출된다.
제1 비교예에서는, 스택 단부 유로(72A)가 단부판(70A)의 대략 전체면에 걸쳐 형성되어 있고, 또한 냉각수 공급구(71)로부터 공급되는 모든 냉각수가 무제한으로 스택 단부 유로(72A)로 유입되므로 단부판(70A)에 온도 분포가 발생되지 않아 일정한 온도가 되는 동시에, 고체 고분자형 연료 전지 스택의 출력이 변동하면 그에 따라 단부판(70A)의 온도가 변동한다.
(제2 비교예)
도6은 상기 제1 실시예와 비교하기 위해 구성한 제2 비교예에 관한 고체 고분자형 연료 전지 스택(10B)을 도시한다. 고체 고분자형 연료 전지 스택(10B)의 기본적인 구성은, 제1 실시예의 고체 고분자형 연료 전지 스택(10)과 동일하므로 동일 부재에 동일한 부호를 붙이고 상세한 설명을 생략한다. 고체 고분자형 연료 전지 스택(10B)의 단부판(70B, 80B)은 수류로를 갖지 않은 점에서, 제1 실시예의 고체 고분자형 연료 전지 스택(10)과는 현저히 다르다. 단, 단부판(70B)에 냉각수 배출용 매니폴드(44)에 연통되는 냉각수 배출구(74B)가 설치되어 있다.
제2 비교예에서는, 발전 후에 각 셀(20)로부터 배출되는 승온된 냉각수는 냉각수 배출용 매니폴드(44)를 통해 단부판(70B)의 냉각수 배출구(74B)로부터 외부로 배수된다. 따라서, 승온 후의 냉각수를 이용한 양단부의 셀(20)의 가온은 행해지지 않는다.
(실시예 및 비교예의 평가)
제1 실시예, 제1 비교예 및 제2 비교예의 3 종류의 고체 고분자형 연료 전지 스택(셀 수 65개)을 제작하여, 발전 중에 있어서의 각 셀의 온도 분포의 측정 실험을 행하였다. 도7은 셀의 온도 분포 측정의 실험 결과를 나타낸다. 각 셀의 온도는 셀 최하부, 셀 중앙부 및 셀 최상부에서 측정되었다. 도7에 나타낸 바와 같이, 제1 실시예는 셀 최하부의 온도(T10), 셀 중앙부의 온도(T12), 셀 최상부의 온도(T14) 모두 양단부 셀과 다른 셀간의 차이가 작고, 각 셀의 온도 분포가 매우 근사한 것이 확인되었다.
이에 반해, 제2 비교예에서는 양단부 셀에 있어서 다른 셀보다 최하부의 온도(T20), 셀 중앙부의 온도(T22), 셀 최상부의 온도(T24) 모두 저하되어 있고, 특히 셀 최상부의 온도(T24)의 양단부 셀에 있어서의 온도 저하가 현저하였다.
제1 비교예에서는, 양단부 셀에 있어서의 온도 저하가 셀 최하부의 온도(T30), 셀 중앙부의 온도(T32), 셀 최상부의 온도(T34) 모두 제2 비교예와 비교하면 개선되어 있기는 하지만, 양단부 셀과 다른 부분의 셀의 온도 분포는 여전히 다른 것이 확인되었다.
이상의 실험 결과로부터, 제1 실시예의 고체 고분자형 연료 전지 스택은 셀의 고온 영역에 대응하는 단부판(70) 및 단부판(80)의 일부에, 온도가 제어된 승온 후의 냉각수를 흐르게 함으로써 각 셀의 온도 분포를 근사시킬 수 있는 것을 알 수 있었다.
또한, 고체 고분자형 연료 전지 스택의 단부판(70, 80)에 있어서의 스택 단부 유로(72)의 경로는, 제1 실시예의 형태에 한정되지 않는다. 이하에서 설명하는 제2 실시예 및 제3 실시예는, 단부판(70, 80)의 스택 단부 유로(72)의 구성이 다른 것 외에는 제1 실시예와 기본적인 구성은 동일하므로, 동일 부재에 동일한 부호를 붙이고 상세한 설명을 생략한다.
(제2 실시예)
도8은 제2 실시예에 관한 고체 고분자형 연료 전지 스택의 단부판(70C)의 구성을 도시한 개략도이다. 제2 실시예의 단부판(70C)에 있어서의 스택 단부 유로(72C)는, 셀(20)의 고온 영역에 대응하여 단부판(70C)의 상부 영역에 대략 연속 S 자형으로 형성되어 있는 점에서는 제1 실시예와 공통된다. 단, 제2 실시예의 스택 단부 유로(72C)는 단부판(70C)의 상부에 위치할수록 단면적이 크다. 이에 의해, 스택 단부의 셀(20)의 상부가 보다 효과적으로 스택 단부 유로(72C)를 흐르는 냉각수에 의해 가온되기 때문에, 스택 단부의 셀(20)의 온도 분포를 다른 부분의 셀(20)의 온도 분포에 보다 근접하게 할 수 있다.
(제3 실시예)
도9는 제3 실시예에 관한 고체 고분자형 연료 전지 스택의 단부판(70D)의 구성을 도시한 개략도이다. 제3 실시예의 단부판(70D)에 있어서의 스택 단부 유로(72D)는, 셀(20)의 고온 영역에 대응하여 단부판(70D)의 상부 영역에 대략 연속 S자형으로 형성되어 있는 점에서는 제1 실시예와 공통된다. 단, 제3 실시예의 스택 단부 유로(72D)는 단부판(70D)의 상부에 위치할수록 되접힌 경로간의 간격이 밀하게 되어 있다. 이에 의해, 스택 단부의 셀(20)의 상부가 보다 효과적으로 스택 단부 유로(72C)를 흐르는 냉각수에 의해 가온되기 때문에, 스택 단부의 셀(20)의 온도 분포를 다른 부분의 셀(20)의 온도 분포에 보다 근접하게 할 수 있다.
또한, 제1 내지 제3 실시예에 나타낸 스택 단부 유로는 단부판(70, 80)에 형성되어 있지만, 단부판(70, 80)뿐만 아니라 집전판(50) 또는 절연판(60)에 형성되어도 좋고, 또는 단부판(70, 80)이 절연판(60)을 겸하는 구성으로 형성되어도 좋다. 예를 들어, 단부판(70, 80) 및 절연판(60)의 양자에 홈을 마련하고, 단부판(70, 80)과 절연판(60)을 각각 접합함으로써 스택 단부 유로를 형성하는 것이 가능하다.
이상 설명한 제1 내지 제3 실시예는, 셀의 반응열에 의해 온도가 상승한 냉각수를 이용하여 스택 단부의 셀에 적절한 온도 분포를 부여하는 형태이다. 다음에, 제1 내지 제3 실시예와는 다른 형태로 스택 양단부의 셀의 온도 분포를 적정화하는 구성에 대해 설명한다.
(제4 실시예)
도10은 제4 실시예에 관한 고체 고분자형 연료 전지 스택(10E)의 구성을 도시한다. 고체 고분자형 연료 전지 스택(10E)의 기본적인 구성은, 제1 실시예의 고체 고분자형 연료 전지 스택(10)과 동일하므로 동일 부재에 동일한 부호를 붙이고 상세한 설명을 생략한다. 단부판(70E)과 단부판(80E)은 거의 동일한 구성이므로, 이하에서는 단부판(70E)에 대해 설명한다. 단, 고체 고분자형 연료 전지 스택(10E)에는 단부판(70E)에 냉각수 배출용 매니폴드(44)에 연통되는 냉각수 배출구(74E)가 설치되어 있다.
도11은 제4 실시예에 관한 고체 고분자형 연료 전지 스택의 단부판(70E)의 구성을 도시한 개략도이다. 단부판(70E)은 화살표 T로 나타낸 셀(20) 내의 냉각수의 유동 방향에 대해 수직 방향으로 복수의 절입부(90)가 형성되어 있다.
절입부(90)에 의해, 단부판(70E)의 화살표 T 방향으로의 열의 전도가 저해되어, 셀(20) 내의 냉각수의 유동 방향의 열전달량이 셀(20) 내의 냉각수의 유동 방향에 수직 방향인 열전달량에 비해 낮아진다. 이로 인해, 단부판(70E)의 상부와 하부 사이에서 온도차가 유지되고, 단부판(70E)에 집전판(50) 및 절연판(60)을 거쳐서 인접하는 셀(20)의 상부의 온도 저하가 억제되어 스택 단부의 셀(20)의 온도 분포가 다른 부분의 셀(20)의 온도 분포에 근사한 것이 된다.
제4 실시예에서는 단부판(70E)의 횡방향의 한 쪽변으로부터 복수의 절입부(90)가 형성되어 있지만, 단부판(70E)의 횡방향의 양쪽 변으로부터 번갈아 복수의 절입부(90)가 형성되어 있어도 된다.
또한, 고체 고분자형 연료 전지 스택의 단부판(70E)의 열전달량을 냉각수의 유동 방향과 그 수직 방향에서 차이를 발생시키는 형태는, 제4 실시예의 구성에 한정되지 않는다. 이하에서 설명하는 제5 실시예 및 제6 실시예는, 단부판(70E, 80E)의 구성이 다른 것 외에는 제4 실시예와 기본적인 구성은 동일하므로 동일 부재에 동일한 부호를 붙이고 상세한 설명을 생략한다.
(제5 실시예)
도12는 제5 실시예에 관한 고체 고분자형 연료 전지 스택의 단부판(70F)의 구성을 도시한다. 단부판(70F)은 화살표 T로 나타낸 냉각수 유로 내의 냉각수의 유동 방향을 따라 복수의 구멍(92)이 마련되어 있다. 구멍(92)의 형상은 상기 냉각수의 유동 방향에 대해 수직 방향으로 길이 방향이 향하고 있는 것이 바람직하다.
구멍(92)에 의해 단부판(70F)의 화살표 T 방향으로의 열의 전도가 저해되어, 셀(20) 내의 반응 가스의 유동 방향의 열전달량이 냉각수 유로 내의 냉각수의 유동 방향에 수직 방향인 열전달량에 비해 낮아진다. 이로 인해, 단부판(70F)의 상부와 하부의 사이에서 온도차가 유지되고, 단부판(70F)에 집전판(50) 및 절연판(60)을 거쳐서 인접하는 셀(20)의 상부의 온도 저하가 억제되어, 스택 단부의 셀(20)의 온도 분포가 다른 부분의 셀(20)의 온도 분포에 근사한 것이 된다.
(제6 실시예)
도13은 제6 실시예에 관한 고체 고분자형 연료 전지 스택의 단부판(70G)의 구성을 도시한다. 단부판(70G)은 화살표 T로 나타낸 냉각수 유로 내의 냉각수의 유동 방향에 대해 복수로 분할되어 있다. 단부판(70G)이 상기 냉각수의 유동 방향에 대해 복수로 분할되어 있는 결과, 분할된 단부판(70G) 사이에서의 열전도가 현저하게 저해되어 냉각수 유로 내의 냉각수의 유동 방향의 열전달량이 냉각수 유로 내의 냉각수의 유동 방향에 수직 방향인 열전달량에 비해 낮아진다. 이로 인해, 단부판(70G)의 상부와 하부 사이에서 온도차가 유지되고, 단부판(70G)에 집전판(50) 및 절연판(60)을 거쳐서 인접하는 셀(20)의 상부의 온도 저하가 억제되어, 스택 단부의 셀(20)의 온도 분포가 다른 부분의 셀(20)의 온도 분포에 근사한 것이 된다.
또한, 단부판(70G)을 복수로 분할한 경우에는 단부판(70G)의 분할 부분마다 로드 등으로 고체 고분자형 연료 전지 스택 전체를 체결 부착한다.
또한, 제4 내지 제6 실시예에 나타낸 단부판의 판 형상은, 단부판(70, 80)뿐만 아니라 집전판(50) 또는 절연판(60)에도 적용 가능하고, 또는 단부판(70, 80)이 절연판(60)을 겸하는 구성에도 적용 가능하다. 이러한 어떠한 구성에 의해서도, 집전판(50) 또는 절연판(60)의 냉각수 유로 내의 냉각수의 유동 방향의 열전도를 저해하여, 집전판(50) 또는 절연판(60)의 냉각수 유로 내의 냉각수의 유동 방향의 열전달량을 냉각수 유로 내의 냉각수의 유동 방향에 수직 방향인 열전달량에 비해 낮게 할 수 있다. 이로 인해, 집전판(50) 또는 절연판(60)의 상부와 하부 사이에서 온도차가 유지되고, 스택 단부의 셀(20)의 상부의 온도 저하가 억제되어 스택 단부의 셀(20)의 온도 분포가 다른 부분의 셀(20)의 온도 분포에 근사한 것이 된다.
본 발명은 상술한 각 실시 형태에 한정되는 것은 아니며, 당업자의 지식을 기초로 하여 각종 설계 변경 등의 변형을 추가하는 것도 가능하며, 그와 같은 변형이 추가된 실시 형태도 본 발명의 범위에 포함될 수 있는 것이다. 또한, 상기 제1 내지 제3 실시예 중 어느 하나의 형태와 상기 제4 내지 제6 실시예 중 어느 하나의 형태를 조합함으로써, 스택 단부의 셀(20)의 온도 분포와 그 이외의 부분의 셀(20)의 온도 분포에 보다 근접하게 할 수 있다.
(제7 실시예)
예를 들어, 도14는 제7 실시예에 관한 고체 고분자형 연료 전지 스택의 단부판(70H)의 구성을 도시한다. 제7 실시예에 관한 고체 고분자형 연료 전지 스택은 제1 실시예와 기본 구성이 공통된다. 제7 실시예는 단부판(70H)에 셀(20)의 고온 영역에 대응하고, 그 상부 영역에 대략 연속 S자형의 경로로 형성된 스택 단부 유로(72H)가 형성된 것에다가 그 하부 영역에 화살표 T로 나타낸 냉각수 유로 내의 냉각수의 유동 방향을 따라 복수의 구멍(92H)이 마련되어 있다.
이에 따르면, 단부판(70H)의 상부 영역을 셀(20)의 고온 영역에 대응하여 적절하게 가온하는 동시에, 단부판(70H)의 하부 영역에서는 셀(20) 내의 냉각수의 유동 방향으로, 하부가 됨에 따라서 온도가 낮아지는 온도 구배가 발생되기 때문에 스택 단부의 셀(20)의 온도 분포와 그 이외의 부분의 셀(20)의 온도 분포에 보다 근접하게 할 수 있다.
또한 제7 실시예의 구멍(92H)과 함께, 또는 제7 실시예의 구멍(92H) 대신에 제4 실시예의 절입부(90) 또는 제6 실시예의 분할 구조를 채용해도 된다.
또한, 상기 각 실시예에서는 스택 단부 유로가 단부판에 형성된 홈에 의해 구성되어 있지만, 스택 단부 유로를 단부판의 외측에 형성해도 된다. 이 경우, 보온의 관점에서 스택 단부 유로를 단열재로 피복하는 것이 적합하다.
본 발명에 따르면, 연료 전지를 안정적으로 동작시키기 위해 양단부의 셀을 적절하게 가온할 수 있는 연료 전지 스택을 제공할 수 있다.

Claims (28)

  1. 전해질막과 상기 전해질막의 한 쪽면에 설치된 애노드와 상기 전해질막의 다른 쪽면에 설치된 캐소드를 갖는 막 전극 접합체와, 상기 애노드에 대향하는 연료 유로를 갖는 애노드측 플레이트 및 상기 캐소드에 대향하는 산화제 유로를 갖는 캐소드측 플레이트를 갖는 셀 및 상기 셀을 냉각시키는 열 매체가 흐르는 열 매체 유로가 형성된 냉각 플레이트를 복수 적층한 적층체와,
    집전판 및 절연판을 거쳐서 상기 적층체의 양단부에 설치되어 상기 적층체를 체결 부착하는 단부판과,
    상기 단부판의 상기 셀의 고온 영역에 대응하는 영역에 설치되는 동시에, 상기 냉각 플레이트를 통과한 열 매체가 흐르는 스택 단부 유로를 갖는 연료 전지 스택.
  2. 제1항에 있어서, 상기 스택 단부 유로로 유입되는 상기 열 매체의 유량을 상기 열 매체의 온도에 따라서 제어하는 제1 유량 제어 소자를 더 갖는 연료 전지 스택.
  3. 제1항에 있어서, 상기 적층체를 관통하고, 스택 단부 유로에 연통되는 냉각수 배출용 매니폴드로 유입되는 동시에 상기 적층체의 단부에 설치된 냉각 플레이트를 통과하는 열 매체의 유량을, 상기 냉각 플레이트를 통과한 열 매체의 온도에 따라서 제어하는 제2 유량 제어 소자를 더 갖는 연료 전지 스택.
  4. 제2항에 있어서, 상기 적층체를 관통하고, 스택 단부 유로에 연통되는 냉각수 배출용 매니폴드로 유입되는 동시에 상기 적층체의 단부에 설치된 냉각 플레이트를 통과하는 열 매체의 유량을, 상기 냉각 플레이트를 통과한 열 매체의 온도에 따라서 제어하는 제2 유량 제어 소자를 더 갖는 연료 전지 스택.
  5. 제1항에 있어서, 상기 스택 단부 유로가 형성되어 있지 않은 상기 단부판의 나머지 부분에 있어서의 상기 열 매체 유로를 흐르는 열 매체의 유동 방향의 열전달성이, 상기 열 매체 유로를 흐르는 열 매체의 유동 방향과 수직 방향인 열전달성보다 작은 연료 전지 스택.
  6. 제1항에 있어서, 상기 연료 유로, 상기 산화제 유로 및 상기 열 매체 유로는 각각 복수의 직선 형상의 유로로 구성되고,
    상기 연료 유로를 흐르는 연료와 상기 산화제 유로를 흐르는 산화제가 상방으로부터 하방으로 흐르는 병행류를 이루거나, 상기 열 매체 유로를 흐르는 열 매체가 상기 연료 및 상기 산화제에 대해 병행류 또는 대향류를 이루는 연료 전지 스택.
  7. 제1항에 있어서, 상기 집전판, 상기 절연판 및 상기 단부판 중 적어도 하나 의 스택 단부재에 있어서 상기 열 매체 유로를 흐르는 열 매체의 유동 방향의 열전달성이, 상기 열 매체의 유동 방향과 수직 방향인 열전달성보다 작은 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택.
  8. 제7항에 있어서, 상기 집전판, 상기 절연판 및 상기 단부판 중 적어도 하나의 스택 단부재에 있어서 상기 열 매체 유로를 흐르는 열 매체의 유동 방향과 수직 방향으로 복수의 절입부가 형성된 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택.
  9. 제7항에 있어서, 상기 집전판, 상기 절연판 및 상기 단부판 중 적어도 하나의 스택 단부재에 있어서 상기 열 매체 유로를 흐르는 열 매체의 유동 방향을 따라 복수의 구멍이 마련된 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택.
  10. 제7항에 있어서, 상기 집전판, 상기 절연판 및 상기 단부판 중 적어도 하나의 스택 단부재가, 상기 열 매체 유로를 흐르는 열 매체의 유동 방향을 따라 복수로 분할되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택.
  11. 전해질막과 상기 전해질막의 한 쪽면에 설치된 애노드와 상기 전해질막의 다른 쪽면에 설치된 캐소드를 갖는 막 전극 접합체와, 상기 애노드에 대향하는 연료 유로를 갖는 애노드측 플레이트 및 상기 캐소드에 대향하는 산화제 유로를 갖는 캐소드측 플레이트를 갖는 셀 및 상기 셀을 냉각시키는 열 매체가 흐르는 열 매체 유 로가 형성된 냉각 플레이트를 복수 적층한 적층체와,
    집전판 및 절연판을 거쳐서 상기 적층체의 양단부에 설치되어 상기 적층체를 체결 부착하는 단부판과,
    상기 단부판을, 상기 셀의 비교적 고온의 영역에 대응하는 제1 영역과 상기 셀의 비교적 저온의 영역에 대응하는 제2 영역으로 나누어 상기 제1 영역에만 설치되는 동시에, 상기 냉각 플레이트를 통과한 열 매체가 흐르는 제1 스택 단부 유로를 갖는 연료 전지 스택.
  12. 제11항에 있어서, 상기 스택 단부 유로로 유입되는 상기 열 매체의 유량을 상기 열 매체의 온도에 따라서 제어하는 제1 유량 제어 소자를 더 갖는 연료 전지 스택.
  13. 제11항에 있어서, 상기 적층체를 관통하고, 스택 단부 유로에 연통되는 냉각수 배출용 매니폴드로 유입되는 동시에 상기 적층체의 단부에 설치된 냉각 플레이트를 통과하는 열 매체의 유량을, 상기 냉각 플레이트를 통과한 열 매체의 온도에 따라서 제어하는 제2 유량 제어 소자를 더 갖는 연료 전지 스택.
  14. 제12항에 있어서, 상기 적층체를 관통하고, 스택 단부 유로에 연통되는 냉각수 배출용 매니폴드로 유입되는 동시에 상기 적층체의 단부에 설치된 냉각 플레이트를 통과하는 열 매체의 유량을, 상기 냉각 플레이트를 통과한 열 매체의 온도에 따라서 제어하는 제2 유량 제어 소자를 더 갖는 연료 전지 스택.
  15. 제11항에 있어서, 상기 단부판의 제2 영역에 있어서의 상기 열 매체 유로를 흐르는 열 매체의 유동 방향의 열전달성이, 상기 열 매체 유로를 흐르는 열 매체의 유동 방향과 수직 방향인 열전달성보다 작은 연료 전지 스택.
  16. 제11항에 있어서, 상기 연료 유로, 상기 산화제 유로 및 상기 열 매체 유로는 각각 복수의 직선 형상의 유로로 구성되고,
    상기 연료 유로를 흐르는 연료와 상기 산화제 유로를 흐르는 산화제가 상방으로부터 하방으로 흐르는 병행류를 이루거나, 상기 열 매체 유로를 흐르는 열 매체가 상기 연료 및 상기 산화제에 대해 병행류 또는 대향류를 이루는 연료 전지 스택.
  17. 제11항에 있어서, 상기 집전판, 상기 절연판 및 상기 단부판 중 적어도 하나의 스택 단부재에 있어서 상기 열 매체 유로를 흐르는 열 매체의 유동 방향과 수직 방향으로 복수의 절입부가 형성된 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택.
  18. 제11항에 있어서, 상기 집전판, 상기 절연판 및 상기 단부판 중 적어도 하나의 스택 단부재에 있어서 상기 열 매체 유로를 흐르는 열 매체의 유동 방향을 따라 복수의 구멍이 마련된 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택.
  19. 제11항에 있어서, 상기 집전판, 상기 절연판 및 상기 단부판 중 적어도 하나의 스택 단부재가 상기 열 매체 유로를 흐르는 열 매체의 유동 방향을 따라 복수로 분할되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택.
  20. 전해질막과 상기 전해질막의 한 쪽면에 설치된 애노드와 상기 전해질막의 다른 쪽면에 설치된 캐소드를 갖는 막 전극 접합체와, 상기 애노드에 대향하는 연료 유로를 갖는 애노드측 플레이트 및 상기 캐소드에 대향하는 산화제 유로를 갖는 캐소드측 플레이트를 갖는 셀 및 상기 셀을 냉각시키는 열 매체가 흐르는 열 매체 유로가 형성된 냉각 플레이트를 복수 적층한 적층체와,
    집전판 및 절연판을 거쳐서 상기 적층체의 양단부에 설치되어 상기 적층체를 체결 부착하는 단부판과,
    상기 단부판에 형성되는 동시에, 상기 냉각 플레이트를 통과한 열 매체가 상기 단부판으로 유입되는 입구 및 열 매체가 상기 단부판의 외부로 유출되는 출구를 구비하고 열 매체가 흐르는 스택 단부 유로를 갖고,
    상기 입구로부터 상기 출구까지의 상기 열 매체 유로를 흐르는 열 매체의 유동 방향의 거리는, 상기 막 전극 접합체의 상기 열 매체의 유동 방향의 거리의 1/4 이상 1/2 이하인 연료 전지 스택.
  21. 제20항에 있어서, 상기 스택 단부 유로로 유입되는 상기 열 매체의 유량을 상기 열 매체의 온도에 따라서 제어하는 제1 유량 제어 소자를 더 갖는 연료 전지 스택.
  22. 제20항에 있어서, 상기 적층체를 관통하고, 스택 단부 유로에 연통되는 냉각수 배출용 매니폴드로 유입하는 동시에 상기 적층체의 단부에 설치된 냉각 플레이트를 통과하는 열 매체의 유량을, 상기 냉각 플레이트를 통과한 열 매체의 온도에 따라서 제2 유량 제어 소자를 더 갖는 연료 전지 스택.
  23. 제21항에 있어서, 상기 적층체를 관통하고, 스택 단부 유로에 연통되는 냉각수 배출용 매니폴드로 유입하는 동시에 상기 적층체의 단부에 설치된 냉각 플레이트를 통과하는 열 매체의 유량을, 상기 냉각 플레이트를 통과한 열 매체의 온도에 따라서 제어하는 제2 유량 제어 소자를 더 갖는 연료 전지 스택.
  24. 제20항에 있어서, 상기 스택 단부 유로가 형성되어 있지 않은 상기 단부판의 나머지 부분에 있어서의 상기 열 매체 유로를 흐르는 열 매체의 유동 방향의 열전달성이, 상기 열 매체 유로를 흐르는 열 매체의 유동 방향과 수직 방향인 열전달성보다 작은 연료 전지 스택.
  25. 제20항에 있어서, 상기 연료 유로, 상기 산화제 유로 및 상기 열 매체 유로는 각각 복수의 직선 형상의 유로로 구성되고,
    상기 연료 유로를 흐르는 연료와 상기 산화제 유로를 흐르는 산화제가 상방으로부터 하방으로 흐르는 병행류를 이루거나, 상기 열 매체 유로를 흐르는 열 매체가 상기 연료 및 상기 산화제에 대해 병행류 또는 대향류를 이루는 연료 전지 스택.
  26. 제20항에 있어서, 상기 집전판, 상기 절연판 및 상기 단부판 중 적어도 하나의 스택 단부재에 있어서 상기 열 매체 유로를 흐르는 열 매체의 유동 방향과 수직 방향으로 복수의 절입부가 형성된 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택.
  27. 제20항에 있어서, 상기 집전판, 상기 절연판 및 상기 단부판 중 적어도 하나의 스택 단부재에 있어서 상기 열 매체 유로를 흐르는 열 매체의 유동 방향을 따라 복수의 구멍이 마련된 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택.
  28. 제20항에 있어서, 상기 집전판, 상기 절연판 및 상기 단부판 중 적어도 하나의 스택 단부재가, 상기 열 매체 유로를 흐르는 열 매체의 유동 방향을 따라 복수로 분할되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택.
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