KR100843873B1

KR100843873B1 - 세퍼레이터 및 이를 이용한 연료 전지 장치

Info

Publication number: KR100843873B1
Application number: KR1020050035049A
Authority: KR
Inventors: 무네히사 호리구찌; 마사오 안도오
Original assignee: 가부시키가이샤 에쿼스.리서치
Priority date: 2004-04-28
Filing date: 2005-04-27
Publication date: 2008-07-03
Also published as: DE102005019582A1; US20050244689A1; CN1691369A; KR20060047536A

Abstract

본 발명의 과제는 공기극측에 공급하는 공기를 이용하여 단일 셀을 냉각하는 방식의 연료 전지에 있어서, 단순한 구성으로 냉각 효율을 향상시키는 것이다.

전해질(11)을 전극(12, 13)으로 협지한 단일 셀(10A) 사이에 냉각 공간(A)을 형성하기 위해, 단일 셀(10A) 사이에 개재 삽입되는 연료 전지 장치의 세퍼레이터(10B)는 단일 셀(10A)의 전극(12, 13)에 접촉하는 다공의 방열판(14)을 구비한다. 이에 의해, 방열판(14)과 공급 공기의 접촉면이 구멍의 형성에 의해 넓어지므로, 전극(12, 13)의 열을, 냉각 공간(A)을 흐르는 공기류로 전달하는 방열 핀으로서의 기능이 향상된다.

단일 셀, 연료 전지, 세퍼레이터, 방열판, 전극, 전해질

Description

세퍼레이터 및 이를 이용한 연료 전지 장치{SEPARATOR AND FUEL CELL SYSTEM USING THAT SEPARATOR}

도1은 연료 전지 장치의 시스템 구성도.

도2는 연료 전지 장치의 제어계의 블럭도.

도3은 연료 전지 장치의 기동 제어의 흐름도.

도4는 연료 전지 장치의 공기 공급 제어의 흐름도.

도5는 본 발명의 제1 실시예에 관한 연료 전지 스택을 구성하는 셀 모듈의 상면도.

도6은 셀 모듈을 공기극측으로부터 본 정면도.

도7은 셀 모듈을 연료극측으로부터 본 정면도.

도8은 도6의 B-B 부분 횡단면을 상측으로부터 본 도면.

도9는 도6의 A-A 부분 종단면을 가로로부터 본 도면.

도10은 셀 모듈의 세퍼레이터의 분해 부분 사시도.

도11은 본 발명의 제2 실시예에 관한 세퍼레이터의 분해 부분 사시도.

도12는 본 발명의 제3 실시예에 관한 세퍼레이터의 분해 부분 사시도.

도13은 본 발명의 제4 실시예에 관한 세퍼레이터의 분해 부분 사시도.

[도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명]

10A : 단일 셀

10B : 세퍼레이터

11 : 고체 고분자 전해질막

12 : 공기극

13 : 연료극

14 : 공기극측 콜렉터

14a : 볼록조

15, 19 : 연료극측 콜렉터

141 : 바닥부

[문헌 1] JP 5-29009 A

[문헌 2] JP 6-44981 A

본 발명은 연료 전지 장치에 관한 것으로, 특히 그 단일 셀 사이에 개재 삽입되는 세퍼레이터를 이용한 연료 전지 장치의 냉각 기술에 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 : Membrane Electrode Assembly)를 단일 셀(단일 전지)로 하고, 그 외측에 수소(연료 가스)나 산소(산화제 가스) 등의 반응 가스의 공급 통로를 형성하는 세퍼레이터를 배치한 적층 구조로 되어 있다. 이 세퍼레이터는 적층 방향에 인접하는 MEA로의 반응 가스의 투과를 방지하는 동시에, 발생한 전류를 외부로 취출하기 위한 집전을 행한다. 상기와 같은 MEA와 세퍼레이터를 복수 적층하여 셀 스택이 구성된다.

연료 전지에서는 전해 반응에 의해 발생 전력에 대략 상당하는 열량의 열이 발생하므로, 특히 저온에서 작동하는 고분자 전해질형 연료 전지에 있어서는 단일 셀이 과열되는 것을 방지하는 냉각 수단을 필수로 한다. 이 냉각 수단으로서는, 일반적으로 셀 스택 중에 반응 가스의 공급로와는 다른 냉각 통로를 마련하고, 이 통로에 냉각수를 흐르게 하는 등의 수단이 이용된다.

출원인은 먼저 상기와 같은 전해질막의 냉각을 위해, 공기극으로 공급하는 산화제 가스로서의 공기의 공급을 본래 반응에 필요로 하는 양보다 훨씬 많게 하여, 단일 셀을 직접 공랭하는 기술을 제안하고 있다. 이 제안에 관련된 기술에서는, 또한 전해질막의 습윤을 위해, 공기극으로 공급하는 공기 중에 가습수를 안개 형상으로 혼재시켜 가스 확산 전극에 공급하는 방식이 채용되고 있다. 상세하게는, 이 기술에서는 상기 세퍼레이터 가공성의 향상과, 연료 전지의 박육화(薄肉化)를 목적으로 하여 세퍼레이터 스페이서부를 파형상의 박판 금속판으로 하고, 파형판의 파산부와 파저부의 중간 부분에 통기 구멍을 마련하고, 상기 통기 구멍을 경유하여 공기와 세퍼레이터로부터의 가열에 의해 증기화된 가습수를 가스 확산 전극에 공급하는 구성을 채용하고 있다.

이 구성에 따르면, 세퍼레이터 스페이서부의 파형 형상에 의해 가스 공급로를 세분화하여 전극에 대한 공기의 공급을 균일화할 수 있고, 게다가 가습수의 가스 공급 통로 내에서의 증발을 잠열 냉각에도 이용함으로써, 기류에 의한 냉각과 함께 냉각 효율을 향상시킬 수 있다.

그런데, 전극이 보습을 필요로 하지 않는 용융 탄산염형 연료 전지에 있어서는, 세퍼레이터 스페이서부를 박판 금속판으로 구성하는 기술이 제안되어 있다(예를 들어, 문헌 1 참조). 이 종래 기술에서는 전극에 접촉시키는 부분(집전체)을 평판 형상 구멍의 개방 금속판으로 하고, 가스 공급로를 구성하는 부분(스페이서로서 기능하는 유로판)을 파형 형상으로 프레스 가공한 구멍 개방 금속판으로 하고 있다.

이와 같은 구성이 JP 6-44981 A에 기재된 기술에서도 볼 수 있다. 이 기술에서는 고체 전해질판의 양면에 각 전극을 일체 형성한 것을 유공성 통전 평판, 통전성 스페이서로서의 유공성 파형판 및 양면에 평평한 바닥 형상 오목부 등을 마련한 세퍼레이터를 거쳐서 집전한 구성이 채용되어 있다.

상기 문헌 1이나 문헌 2에 기재된 기술은 용융 탄산염형 연료 전지에 관한 것으로, 산화극측으로의 공기의 공급과 동시에 이산화탄소의 공급을 필수로 하므로, 출원인의 제안에 관한 상압의 공기의 공급에 의한 단일 셀의 냉각을 의도하는 것은 아니다.

또한, 이들 기술에서는 유로판 또는 통전 스페이서가 집전체 또는 통전 평판을 거쳐서 전극에 접하는 구성이므로, 이들이 포개어지는 부분에서 구멍 위치의 어긋남에 의해 전극면과 공기류의 접촉면이 좁아지므로, 가령 이러한 구성을 공랭에 이용하였다고 해도 충분한 냉각 효과를 기대할 수 없다.

본 발명은 상기한 사정에 비추어 안출된 것으로, 공기극측에 공급하는 공기를 이용하여 단일 셀을 냉각하는 방식의 연료 전지에 있어서, 단순한 구성으로 냉각 효율을 향상시키는 것을 주요한 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 전해질(11)을 전극(12, 13)으로 협지한 단일 셀(10A) 사이에 냉각 공간(A)을 형성하기 위해, 단일 셀(10A) 사이에 개재 삽입되는 연료 전지 장치의 세퍼레이터(10B)에 있어서, 상기 단일 셀(10A)의 전극(12, 13)에 접촉하는 다공의 방열판(14)을 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

다음에, 본 발명은 전해질(11)을 전극(12, 13)으로 협지한 단일 셀(10A) 사이에 상압의 기류를 유동시키는 냉각 공간(A)을 형성하기 위해, 단일 셀(10A) 사이에 세퍼레이터(10B)가 개재 삽입된 연료 전지 장치에 있어서, 상기 세퍼레이터(10B)는 상기 단일 셀(10A)의 전극(12, 13)에 접촉하는 다공의 방열판(14)을 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기한 구성에 있어서, 상기 방열판(14)은 상기 전극(12, 13)에 접하는 전열 부(141)와, 상기 전열부(141)로부터 공간 내로 연장되는 방열부(14a)를 일체로 구비하는 구성으로 하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 방열부(14a)는 상기 냉각 공간(A)을 상기 냉각 공간(A)의 일단부로부터 타단부로 통과하는 복수의 공간으로 분할하는 구성이 바람직하다.

또한, 상기 방열판(14)은 구형파 파형상의 금속망 부재로 구성되고, 구형파의 파저부를 상기 전극(12, 13)에 접하는 전열부(141)로 하는 구성이 유효하다.

이 경우, 상기 금속망 부재의 개구율은 25[％] 이상 100[％] 미만인 것이 바람직하다.

또한, 상기 금속망 부재의 구멍 직경은 1[㎜] 이하인 것이 바람직하다.

상기 어떠한 구성도 상기 단일 셀(10A)의 전해질(11)이 물을 포함하는 것으로의 적용이 유효하다.

본 발명은 공급 공기 중에 냉각수를 직접 분사에 의해 혼입시켜 공기극 측에 공급하는 방식의 연료 전지에 적용하여 특히 유효한 것이고, 이에 의해 공기류에 의한 냉각과 아울러, 다공의 방열판에 냉각수가 균일하게 부착되고 또한 보유 지지됨으로써, 전극 전체면에서 반응 생성열을 이용한 균일한 잠열 냉각이 가능해져 냉각능이 한층 향상된다.

금속망 부재의 개구율은 충분한 반응 가스를 전극에 공급하는 면에서, 큰 것이 바람직하고, 기능 달성을 위해 25[％] 이상 100[％] 미만인 것이 바람직하다.

또한, 상기 금속망 부재의 구멍 직경은, 반응 가스의 확산을 균일화하는 면에서, 1[㎜] 이하인 것이 바람직하다.

<제1 실시예>

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다. 우선, 도1 내지 도10은 본 발명의 제1 실시예를 도시한다. 도1은 본 발명의 적용에 관한 연료 전지 스택(1)을 이용한 차량용 연료 전지 장치의 구성예를 도시한다. 이 연료 전지 장치는 연료 전지 스택(1)을 주체로 하고, 그에 산화제와 냉매를 겸하는 공기를 공급하는 팬이며 공기 공급 수단으로서의 공기 팬(21)을 포함하는 공기 공급계(2)(도면에 실선으로 나타냄) 및 물 응축기(31)를 포함하는 공기 배출계(3)로 이루어지는 연료 전지 주체부와, 연료로서의 수소를 공급하는 수소 공급 수단으로서의 수소 탱크(41)를 포함하는 연료 공급계(도면에 2점 쇄선으로 나타냄)(4)와, 반응부의 습윤과 냉각을 위한 물을 공급하는 물 공급계(도면에 파선으로 나타냄)(6)로 구성된다.

연료 전지의 주체부에 배치된 공기 팬(21)은 공기 공급로(20)를 통해 공기 매니폴드(22)에 접속되고, 상기 공기 매니폴드(22)는 연료 전지 스택(1)을 수용하는 도시하지 않은 하우징에 접속되어 있다. 공기 배출계(3)의 물 응축기(31)는 상기 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 통해 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, 수소압 센서로서의 1차압 센서(42), 수소 공급 압력 조절 밸브로서의 압력 조절 밸브(43A), 공급 전자 밸브(44A), 수소 공급 압력 조절 밸브로서의 압력 조절 밸브(43B), 공급 전자 밸브(44B), 수소압 센서로서의 2차압 센서(45)가 마련되어 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), 흡인 펌프(47), 역지 밸브(48)가 배치되고, 상기 역지 밸브(48)의 하류가 수소 공급로(40)에 접속되어 있다. 상기 수소 귀환로(40a)에 있어서의 흡인 펌프(47)와 역지 밸브(48) 사이에는 수소 배출로(50)가 접속되어 있고, 상기 수소 배출로(50)에는 역지 밸브(51)와, 배출 전극 밸브(52)와, 연소기(53)가 배치되어 있다.

물 공급계(6)는 물탱크(61)에 저장된 물을 물 공급로(60)를 통해 연료 전지 스택(1)의 상기 하우징의 공기 매니폴드(22)에 배치된 노즐(63)로 이송하기 위해 설치되어 있다. 물 공급로(60)에는 물 펌프(62)가 배치되어 있다. 또한, 물탱크(61)에는 수위 센서로서의 레벨 센서(64)가 배치되어 있다. 물 공급계(6)에는 또한 연료 전지 스택(1)의 상기 하우징과 물탱크(61)를 연결하는 물 귀환로(60a)가 설치되고, 상기 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 기전압을 모니터하는 전압계를 나타낸다.

도2는 도1에 도시한 연료 전지 장치의 제어계를 블럭으로 도시한다. 도2의 좌측 열에 나타낸 블럭은 제어를 위한 정보를 취득하는 입력 수단을 나타내고, 우측 열로 나타낸 블럭은 제어 대상이 되는 출력 수단을 나타낸다. 이러한 수단을 연결하는 컴퓨터로부터 이루는 제어 장치(8)는 메모리(81)를 구비하는 것이 되고, 연료 전지 장치의 제어 프로그램, 각종 제어를 실행할 때의 변수 및 룩 업 테이블이 수납되어 있다.

다음에, 본 실시예의 연료 전지 장치의 운전 제어를 설명한다. 이 운전 제어는 수소 공급량 제어와, 공기 공급량 제어와, 물 공급량 제어로 구성된다. 우선, 연료 전지 장치의 기동시는, 도3에 도시한 흐름을 참조하여, 스텝 S1에서 기동 스위치(도1 및 도2에는 도시하지 않음)를 온으로 하면, 스텝 S2에 의해 물 펌프(62)가 온이 된다. 이 때, 소정의 물 분사량이 되도록 물 펌프(62)의 운전 상태가 조절되고, 스텝 S3에 의해 노즐(63)로부터 공기 매니폴드(22) 내에 물이 분사된다. 이 때 수량은 이상 반응으로부터 연료 전지 스택(1)을 보호하기 위해 공기극으로의 공급 수량이 최대량이 되도록 된다. 다음 스텝 S4에 의해, 공기 공급계(2)가 온이 된다. 이 때 공기 팬(21)의 풍량도 최대가 되고, 단일 셀의 냉각에 따라 이상 반응의 방지가 도모된다. 이어서 스텝 S5에 의해 수소 공급계(4)가 온이 된다. 이리하여 연료 전지 스택(1)의 공기극과 연료극 사이에 원하는 출력이 확인되면 전력이 외부로 출력된다.

상기의 흐름에 있어서, 공기 공급계(2)의 가동(스텝 S4)은 물 공급계(6)의 가동(스텝 S2 및 S3)으로 선행하여 이루어져도 좋고, 수소 공급계(4)의 가동(스텝 S5) 후에 이루어져도 좋다. 단, 물 공급계(6)의 가동은 수소 공급계(4)를 가동시키기 전에 이루어질 필요가 있다. 그 이유는 단일 셀에는 공기 공급계(2)의 가동의 유무에 상관없이 공기가 존재하고 있기 때문에, 전해질막이 건조된 상태에서 수소를 공급하면, 이상 연소가 발생할 가능성이 있기 때문이다. 즉, 이 연소에 의한 이상 열이 발생한 경우라도, 단일 셀이 손상도지 않도록, 수소를 공급하기 전에 물을 분사하여 미리 공기극을 적셔 둔다. 이렇게 함으로써, 이상 열을 물의 증발열 로 바꾸거나, 또는 전해질막의 습윤을 촉진시켜 단일 셀의 손상을 미연에 방지할 수 있다.

상기와 같이 하여 기동이 완료된 후는 수소 공급량 제어와, 공기 공급량 제어와, 물 공급량 제어가 병렬로 실행된다. 수소 공급량 제어에 있어서는 압력 조절 밸브(43A, 43B)가 폭발 한계 이하의 소정 농도로 수소 가스가 연료극에 공급되도록 조절된다. 그리고, 기동시에 폐쇄 상태의 배출 전자 밸브(52)를 미리 정해진 규칙적에 의거하여 개방하고, 수소 분압이 저하된 가스를 배기하고, 연료극의 분위기 가스를 리플래쉬하는 처리가 행해진다. 이 때 미리 정해진 규칙은 메모리(81)에 보존되어 있고, 압력 조절 밸브(43A, 43B)의 조절 및 배출 전자 밸브(52)의 개폐는 제어 장치(8)가 이 규칙을 메모리(81)로부터 판독하여 실행된다. 이와 같이 배출 전자 밸브(52)를 운전시에 적절하게 개방하는 것은, 배출 전자 밸브(52)를 폐쇄한 상태에서 연료 전지 장치를 계속하여 운전하면, 공기극으로부터 투과하는 N₂, O₂ 혹은 생성수의 영향이고, 연료극으로 소비되는 수소의 분압이 서서히 저하되기 때문에, 이에 수반하여 출력 전압도 저하되어 안정된 전압을 얻을 수 없게 되기 때문이다.

다음에, 공기 공급량 제어에 있어서는, 도4의 흐름을 참조하여 스텝 S41에 있어서 연료 전지 스택(1)으로부터 배출된 직후의 배출 공기의 온도를 배기 온도 센서(32)에 의해 검출한다. 그 온도가 스텝 S42의 판단으로 80〔℃〕를 넘으면, 단일 셀이 소부될 우려가 있기 때문에, 스텝 S43에 의해 공기 팬(21)의 회전수를 늘려 풍량을 증대시키고, 열 발생원인 공기극의 온도를 내린다. 이 때, 단일 셀 사이의 냉각 가스 유로에는 80〔℃〕를 넘은 단일 셀을 냉각하는 데 필요한 양의 물이 공급되는 것으로 한다. 스텝 S42의 판단으로 검출된 온도가 80〔℃〕이하인 경우에는, 스텝 S44에서 단일 셀의 부하를 검출한다. 그리고, 스텝 S45에서 연료 전지의 부하와, 그 상태에서 필요로 하는 풍량의 관계를 메모리(81)에 테이블 형식으로 보존되어 있는 관계를 조회하는 풍량 최적 판단을 행하고, 풍량 최적 판단이 불성립할 때에, 스텝 S46에 의해 풍량 조절을 행한다.

다음에, 물 공급량 제어에 있어서는 물탱크(61)의 물이 물 펌프(62)로 압송되고, 노즐(63)로부터 분무된다. 이 분무의 토출 압력은 물 펌프(62)에 인가되는 전압의 조절에 의해 이루어진다. 이에 의해, 원하는 수량을 얻을 수 있다. 이 경우 물의 공급량은 배기 온도에 따라서 미리 정해지고 있다. 이 양은, 물 펌프(62)에 의한 동력 손상을 가능한 한 적게 하므로, 배기 온도를 유지하기 위해 필요한 최소량이 된다. 또, 배기 온도가 소정의 온도(예를 들어, 30〔℃〕) 이하가 되면, 물의 공급을 중지시킬 수도 있다. 배기 온도와 그 때에 공급해야 할 수량, 또는 수량과 펌프 토출압의 관계는 메모리(81)에 보존되어 있는 룩 업 테이블을 참조하여 연산 처리된다.

상기 물 공급량 제어에 대해서는 다른 방법도 있다. 예를 들어, 소정의 시간 경과(예를 들어, 5 내지 10초)마다 일정한 수압으로 물 공급계(6)를 가동시키는 방법도 좋다. 또, 물 분출량을 일정하게 유지해 두고, 배기 온도 그 밖의 운전 상황에 따라서 그 온 오프 제어에 의해 물의 공급량을 제어할 수도 있다. 또한, 잠 열에 의한 스택의 냉각에 필요한 수량 이상에 물을 공급해도 스택의 냉각 능력이 저하되는 것은 아니므로, 물 펌프(62)가 온일 때에는 최대 풍량(최대 공기 공급량)에 대응한 최대 물 공급량이 항상 공급되도록 해도 좋다. 또한, 배기 온도가 소정의 온도(예를 들어, 30〔℃〕) 이하인 경우는 최저량의 물을 간헐적으로 분사시키도록 하여, 물 공급계(6)에 가해지는 부하를 가능한 한 작게 할 수도 있다.

상기의 제어에 있어서, 연료 공급계(4)에서는 1차압 센서(42)에 의해 수소 탱크(41)측의 수소압이 모니터되고, 압력 조절 밸브(43A, 43B)에 의해 연료 전지 스택(1)으로 공급하는 데 적합한 압력으로 조절된다. 그리고, 공급 전자 밸브(44A, 44B)의 개폐에 의해, 수소의 연료 전지 스택(1)으로의 공급이 제어된다. 수소 가스의 공급 차단은 공급 전자 밸브(44A, 44B)의 폐쇄에 의해 이루어진다. 또한, 2차압 센서(45)에 의해, 연료 전지 스택(1)에 공급되기 직전의 수소 가스압이 모니터된다.

상기의 구성으로 이루어지는 연료 전지 시스텝에 있어서, 연료 전지 스택(1)을 구성하는 단위 유닛으로서의 셀 모듈(10)의 구성을 도5 내지 도10에 도시한다. 도5에 상면[이하, 셀 모듈(10)의 배치 자세에 의거하여 상하 및 종횡의 관계를 설명한다]을 도시하는 바와 같이, 셀 모듈(10)은 단일 셀(MEA)(10A)과, 단일 셀(10A)끼리를 전기적으로 접속하는 동시에 단일 셀(10A)에 도입되는 수소 가스의 유로와 공기의 유로를 분리하는 세퍼레이터(10B)와, 단일 셀(10A)과 세퍼레이터(10B)를 지지하는 2 종류의 프레임(17, 18)을 1 세트로 하여, 판 두께 방향으로 복수 세트(도시한 예에서는 10 세트)가 겹쳐 구성되어 있다. 또, 단일 셀(10A)은 프레임(18)의 내측에 위치하므로, 도5에는 명확하게 나타나 있지 않다. 셀 모듈(10)은 단일 셀(10A)끼리가 소정의 간극을 사이에 두고 배치되도록 단일 셀(10A)과 세퍼레이터(10B)가, 2 종류의 프레임(17, 18)을 번갈아 스페이서로서 다단으로 겹쳐져 적층되어 있고, 적층 방향의 일단부(도5에 있어서의 상단부면측)는 도6에 도시한 바와 같이 세퍼레이터(10B)의 종방향 볼록조 형성면과 한 쪽 프레임(17)의 단부면으로 종단되고, 타단부(도5에 있어서의 하단부면측)는 도7에 도시한 바와 같이 세퍼레이터(10B)의 횡방향 볼록조 형성면과 다른 쪽 프레임(18)의 단부면으로 종단되어 있다.

도8 및 도9에 확대하여 단면 구조를 도시한 바와 같이, 단일 셀(10A)은 고체 고분자 전해질막(11)과, 이 고체 고분자 전해질막(11) 중 일측에 설치된 산화제극인 공기극(12) 및 다른 측에 설치된 연료극(13)으로 구성되어 있다. 이들 공기극(12)과 연료극(13)은, 상술한 반응 가스를 확산시키면서 투과하는 도전성 재료로 이루어지는 확산층과, 이 확산층 상에 형성되고 고체 고분자 전해질막(11)과 접촉시켜 지지되는 촉매 물질을 포함하는 촉매층으로 이루어진다. 이들 부재 중 공기극(12)과 연료극(13)은, 그들 지지 부재로서의 프레임(18)의 개구부의 폭보다 약간 긴 횡방향 치수와, 개구부의 높이보다 약간 짧은 종방향 치수를 갖는 것으로 되어 있다. 또한, 고체 고분자 전해질막(11)은 개구부의 종횡 방향 치수보다 한층 큰 종횡 치수로 되어 있다.

세퍼레이터(10B)는 단일 셀(10A) 사이의 가스 차단 부재로서의 세퍼레이터 기판(16)과, 상기 세퍼레이터 기판(16)의 일측에 설치되고 단일 셀(10A)의 공기극(12)측의 전극 확산층에 접촉하여 집전하는 동시에 공기와 물의 혼합류를 투과하는 복수의 개구가 형성된 그물코 형상의 도전체(본 발명에 있어서의 방열판을 구성함. 이하「공기극측 콜렉터」라 함)(14)와, 세퍼레이터 기판(16)의 다른 측에 설치되고 단일 셀(10A)의 연료극(13)측의 전극 확산층에 접촉하여 동일하게 전류를 외부로 도출하기 위한 그물코 형상의 도전체(이하「연료극측 콜렉터」라 함)(15)로 구성되어 있다. 그리고, 이들을 단일 셀(10A)도 포함하여 소정의 위치 관계로 유지하기 위해 공기극측 콜렉터(14)의 좌우 양측에 배치된 프레임(17)[최외측의 것만 상하 단부를 서로 백업 플레이트(17a, 17b)로 연결하여 프레임 형상(도6 참조)을 이룸]과, 연료극측 콜렉터(15) 및 단일 셀(10A)의 주연부에 프레임(18)이 설치되어 있다. 콜렉터(14, 15)는 본 예에서는 금속 박판, 예를 들어 판 두께가 0.2 [mm] 정도인 것으로 구성되어 있다. 또한, 세퍼레이터 기판(16)은 판 두께가 더 얇은 금속 박판으로 구성된다. 이 구성 금속으로서는, 도전성과 내식성을 구비한 금속, 예를 들어 스테인레스 강, 니켈 합금, 티탄 합금 등에 금속 도금 등의 내식 도전 처리를 실시한 것을 들 수 있다. 또한, 프레임(17, 18)은 적절한 절연 재료로 구성된다.

공기극측 콜렉터(14)는, 도6에 도시한 바와 같이 전체 형상을 가로로 긴 직사각형(단, 바닥변만 물 고갈 효과의 향상을 위해 경사변으로 되어 있음)이 되고, 도10에 일부를 확대하여 상세를 도시한 바와 같이 개구율 59 [％]의 그물코 형상의 개구(143)를 갖는(판면 형상의 참조를 용이하게 하기 위해, 일부에만 그물코 형상을 표기) 익스팬디드 메탈 판재로 이루어지고, 프레스 가공에 의해 형성된 가는 볼록조(14a)를 갖는 파형판으로 있다. 이들 볼록조(14a)는 판재의 세로 변(도시한 형태에 있어서의 짧은 변)에 평행하게 등간격으로, 판면을 완전하게 종단하는 배치로 되어 있다. 이들 볼록조(14a)의 단면 형상은, 대략적으로는 구형파 형상 단면이 되고, 프레스 가공에서의 탈형의 관계로부터 근원측이 약간 끝이 넓어지는 형상으로 되어 있다. 이들 볼록조(14a)의 높이는 프레임(17)의 두께에 실질적으로 같은 높이가 되고, 그에 의해 적층 상태에서 양측의 프레임(17) 사이를 종방향으로 관통하는 소정의 개구 면적의 공기 유로(본 발명에 있어서의 냉각 공간으로서의 기능을 가짐)를 확보하고 있다. 각 볼록조(14a) 사이의 바닥부(141)의 평면은 공기극(12)측 확산층이 접촉하는 접촉부로 되어 있고, 볼록조(14a)의 정상부(142)는 세퍼레이터 기판(16)과의 접촉부로 되어 있다.

또, 공기극측 콜렉터(14)에는 친수성 처리가 실시되어 있다. 처리 방법으로서는 친수성 처리제를 표면에 도포하는 방법이 채용된다. 도포되는 처리제로서는 폴리아크릴아미드, 폴리우레탄계 수지, 산화티탄(TiO₂) 등을 예로 들 수 있다. 이 밖의 친수성 처리로서는, 금속 표면의 거칠기를 거칠게 하는 처리를 예로 들 수 있다. 예를 들어, 플라즈마 처리 등이 그 예이다. 친수성 처리는 가장 온도가 높아지는 부위에 실시하는 것이 바람직하고, 예를 들어 단일 셀(10A)에 접촉되어 있는 볼록조(14a) 사이의 바닥부(141), 특히 공기 유로측에 실시된다. 이와 같이, 친수성 처리를 실시함으로써 콜렉터(14)와 공기극측 확산층과의 접촉면의 젖음이 촉진되어 물의 잠열 냉각에 의한 효과가 향상된다. 또한, 이에 의해 그물코의 개구부가 물로 막히기 어려워지므로, 물이 공기의 공급을 저해할 가능성도 한층 낮아진 다.

연료극측 콜렉터(15)는 공기극측 콜렉터(14)와 동일한 치수로 그물코 형상의 개구(153)를 갖는(판면 형상의 참조를 용이하게 하기 위해, 일부에만 그물코 형상을 표기) 익스팬디스 메탈의 직사각형의 판재로 이루어지고, 프레스 가공에 의해 복수의 볼록조(15a)가 압출 형성되어 있다. 볼록조(15a)는 볼록조 사이의 바닥부(151)가 평탄하고, 단면 형상도 앞서 설명한 볼록조(14a)인 경우와 마찬가지로 실질상 구형파 형상으로 되어 있지만, 이 콜렉터(15)인 경우의 볼록조(15a)는 횡방향으로 판면을 완전하게 횡단하여 연장되는 것으로서 종방향으로 일정한 피치로 설치되어 있다. 이들 볼록조(15a) 사이의 바닥부(151)의 평면은, 연료극(13)이 접촉하는 접촉부로 되어 있고, 볼록조(152)의 정상부(152)가 세퍼레이터 기판(16)과의 접촉부로 되어 있다. 이들 볼록조(15a)의 단면 형상도 대략적으로는 구형파 형상 단면이 되고, 프레스 가공의 탈형 관계로부터 근원측이 약간 끝이 넓어지는 형상으로 되어 있다. 이들 볼록조(15a)의 높이는 단일 셀(10A)의 두께와 맞추어져 프레임(18)의 두께에 실질상 상당하는 높이가 되고, 그에 의해 적층 상태에서 프레임(18)의 내측을 횡방향으로 관통하는 소정의 개구 면적의 연료 유로를 확보하고 있다.

상기한 구성으로 이루어지는 양쪽 콜렉터(14, 15)는 각 바닥부(141, 151)가 모두 외측이 되도록 세퍼레이터 기판(16)을 사이에 두고 배치된다. 이 때, 양쪽 콜렉터(14, 15)의 정상부(142, 152)가 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 한 쪽측에 반응 가스 공급로와 냉각 공간을 겸하는 공기 유로(도10에 흐름 방향을 화살표 A로 나타냄)가 구성되고, 다른 측에 연료 유로(상기 도10에 흐름 방향을 화살표 H로 나타냄)가 구성되게 된다. 그리고, 이 종방향의 공기 유로(A)로부터 단일 셀(10A)의 공기극(12)에 공기와 물이 공급되고, 마찬가지로 횡방향의 연료 유로(H)로부터 단일 셀(10A)의 연료극(13)에 수소가 공급된다.

상기한 구성으로 이루어지는 세퍼레이터(10B)의 외측에는, 프레임(17, 18)이 각각 배치된다. 도8 및 도9에 도시한 바와 같이, 콜렉터(14)를 둘러싸는 프레임(17)은 외측 단부(도8에 있어서 최상부, 도9에 있어서 좌측 단부)를 제외하고, 콜렉터(14)의 짧은 변에 따른 양측을 둘러싸는 종프레임부(171)만을 구비하는 것이 되고, 이들 종프레임부(171)를 판 두께 방향으로 관통하는 긴 구멍(172)이 연료 유로 형성을 위해 마련되어 있다. 프레임(17)의 판 두께는 상기한 바와 같이 파형상으로 된 콜렉터(14)의 두께에 필적하는 두께로 되어 있다. 따라서, 프레임(17)이 콜렉터(14)에 조합된 상태에서는 콜렉터(14)의 볼록조 사이의 바닥부(141)는 단일 셀(10A)의 공기극(12)에 접촉하고, 정상부(142)는 세퍼레이터 기판(16)을 거쳐서 콜렉터(15)에 접촉하는 위치 관계가 된다. 또, 세퍼레이터 기판(16)은 프레임(17)의 높이와 전체 폭에 상당하는 외형 치수가 되고, 프레임(17)의 상기 긴 구멍(172)과 겹쳐지는 위치에 동일한 긴 구멍(162)을 구비하는 구성으로 되어 있다. 이리하여, 프레임(17)의 양 종프레임부(171)의 사이에는, 단일 셀(10A)의 공기극(12)면과 세퍼레이터 기판(16)으로 둘러싸인 종방향으로 전체 통과하는 공기 유로가 구별되어 정해진다.

콜렉터(15)와 단일 셀(10A)을 둘러싸는 프레임(18)은 프레임(17)과 동일한 크기로 구성되어 있지만, 프레임(17)과는 달리 좌우 종프레임부[도8에서는 기재 범위보다 더욱 우측 외측에 위치하기 때문에 나타나 있지 않지만, 프레임(17)의 양 종프레임부(171)의 좌우 양쪽 측단부와 동일한 위치에 양쪽 측단부를 갖는 횡방향 폭이 상하 횡프레임부와 대략 동일한 프레임부]와 상하 횡프레임부(182)를 구비하는 완전한 프레임 형상으로 되어 있다. 그리고, 프레임(18)은 외측 단부(도5에 있어서 최하부, 도7에 도시한 면)를 제외하고, 좌우 종프레임부와 평행하게 연장되고 콜렉터(15)의 좌우 단부에 겹쳐지는 박판 형상의 백업 플레이트(18a)와 두꺼운 판 형상의 백업 플레이트(18b)를 구비하는 것으로 되어, 이들 백업 플레이트(18a)와 종프레임부(171)로 둘러싸이는 공간이 상기 프레임(17)을 판 두께 방향으로 관통하는 긴 구멍(172)과 정렬하는 연료 유로 형성을 위한 공간을 구성하고 있다. 프레임(18)의 판 두께는 상기한 바와 같이 파형상으로 된 콜렉터(15)의 두께와 단일 셀(10A)의 두께에 거의 필적하는 두께로 되어 있다. 따라서, 프레임(18)이 콜렉터(15)에 조합된 상태에서는 콜렉터(15)의 볼록조 사이의 바닥부(151)는 단일 셀(10A)의 연료극(13)에 접촉하고, 정상부(152)는 세퍼레이터 기판(16)을 거쳐서 콜렉터(14)에 접촉하는 위치 관계가 된다. 이리하여, 프레임(18)의 양 종프레임부(171)와 백업 플레이트(18a)의 사이에는 프레임(17)의 종프레임부(171)의 긴 구멍(172)과 정렬하는 프레임 적층 방향의 연료 유로가 형성되고, 또한 각각의 프레임(18)의 내부에 있어서, 콜렉터(15)의 파형에 의해 세퍼레이터 기판(16)과 백업 플레이트(18a) 사이에 끼워지는 횡방향 유로로서의 연료 유로가 구별되어 정해진다.

이상과 같이 구성된 프레임(17, 18)에 의해 콜렉터(14, 15) 및 세퍼레이터 기판(16)을 보유 지지하여 세퍼레이터(10B)가 구성되고, 상기 세퍼레이터(10B)와 단일 셀(10A)을 번갈아 적층하여 셀 모듈(10)이 구성된다. 이와 같이 하여 적층된 셀 모듈(10)에는, 도5에 도시한 바와 같이 프레임(18)으로 협지되는 사이의 부분에 셀 모듈(10)의 상면으로부터 종방향으로 셀 모듈(10)의 하면까지 전체 통과하는 슬릿 형상의 공기 유로가 형성된다.

이러한 구성으로 이루어지는 셀 모듈(10)을 하우징 내에 복수개 나열하여 배치함으로써 구성되는 연료 전지 스택(1)(도1 참조)은 그 상부로부터 공기 매니폴드(22)로 혼합된 공기와 물을 공급하고, 측방으로부터 수소를 공급함으로써 발전 작동한다. 공기 유로로 공급되는 공기와 물은, 공기류 중에 물방울이 안개 형상으로 혼입된 상태(이하, 이 상태를 혼합류라 함)에서 공기 유로의 상부로 들어간다. 연료 전지의 정상 운전 상태에서는, 단일 셀(10A)이 반응에 의해 발열하고 있으므로, 공기 유로 내의 혼합류가 가열된다. 상기 혼합류 중의 물방울은, 친수성 처리에 의해 일부가 공기극측 콜렉터(14)의 그물코 형상 부분과 단일 셀(10A)의 공기극(12)측에 부착되고, 공기극측 콜렉터(14)의 그물코 형상 부분에 부착되지 않은 물방울은 공기극측 콜렉터(14)와 전극 확산층 사이의 기상 중에서 가열됨으로써 증발하여 공기극측 콜렉터(14)로부터 열을 빼앗는 잠열 냉각 작용이 생긴다. 이와 같이 하여 증기가 된 물은, 공기극(12)측으로부터의 고체 고분자 전해질막(11) 중 수분의 증발을 억제하여 보습시킨다. 그리고, 공기 유로로 들어간 잉여의 공기와 증기는, 셀 스택의 하방의 공기 유로 개구로부터 배출된다.

한편, 연료 유로로의 수소 공급은 도7에 도시한 최외측의 프레임(18)의 종프레임부의 긴 구멍으로부터, 차례로 적층된 세퍼레이터 기판(16)의 긴 구멍(162) 및 프레임(17)의 종프레임부(171)의 긴 구멍(172)을 경유하여 각 프레임(18)의 종프레임부 및 백업 플레이트(18a)에 의해 둘러싸이는 공간에 유입되고, 세퍼레이터 기판(16)과 백업 플레이트(18a)에 의해 협지되는 공간을 경유하여 단일 셀(10A)의 연료극(13)측으로 공급된다. 이에 의해, 단일 셀(10A)의 연료극(13)으로의 수소의 공급이 행해진다. 그리고 연료극(13)을 따라 횡방향으로 흐르는 수소 중, 반응에 관여하지 않은 잉여분이 반대측의 수소 유로로 배출되고, 이 수소 유로로 이어지는 도1에 도시한 배관에 의해 순환되어 최종적으로 연소기(53)로 배출된다.

이리하여 연료 전지 스택(1)에 공기와 함께 송입된 물은, 앞에서 설명한 바와 같이 일부는 공기극측 콜렉터(14)의 그물코에 부착되어 증발하고, 그 이외는 기상 중에서 그물코에 부착되지 않고 증발하여 잠열을 빼앗기 때문에, 공기극(12)측의 고체 고분자 전해질막(11)으로부터의 수분의 증발이 방지된다. 따라서, 고체 고분자 전해질막(11)은 그 공기극(12)측에서 건조되는 일 없이 생성수에 의해 항상 균일한 습윤 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 흡인 펌프(47)의 흡인에 의해 배출되는 수소 가스는 수소 온도 센서(46A, 46B)에 의해 농도가 계측되고, 소정의 농도 이상일 때에는 배출 전자 밸브(52)의 폐쇄에 의해 역지 밸브(48)를 경유하여 수소 공급로(40)로 환류된다. 또한, 소정의 농도로 가득차지 않을 때에는, 배출 전자 밸브(52)의 간헐적 개방에 의해 역지 밸브(51) 및 배출 전자 밸브(52)를 경유하여 연소기(53)에 수소가 배출되고, 연소기(53)에서 완전 연소시킨 배기가 대기로 방출된다.

이리하여 연료 전지 장치에서는 연료 전지 스택(1)으로, 특히 냉각수계를 부설하지 않아도 공기류를 타고 물을 공급함으로써 연료 전지 스택(1)을 충분히 습윤하고, 또한 냉각할 수 있다. 이 때, 연료 전지 스택(1)의 온도는 배기 온도 센서(32)에서 검출된 배출 공기의 온도에 대응하여 물 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 증가시키면 증발량이 증가하고, 수량을 감소시키면 증발량이 감소하는 동시에, 풍량을 증가시키면 온도가 내려가고, 풍량을 감소시키면 온도가 올라가므로, 공급 수량과 풍량을 제어함으로써 운전 온도를 제어할 수 있다. 또, 연료 전지 스택(1)으로부터 공기와 함께 배출되는 물은 대부분이 액체의 상태를 유지한 상태로 배출되므로, 물 귀환로(60a)에 흘러 펌프(65)로 흡인되어 역지 밸브(66) 경유에 의해 물탱크(61)로 복귀되고, 증발하여 수증기 형상이 된 것이나 물 귀환로(60a)에 회수되지 않았던 것에 대해서는 물 응축기(31)에서 응축되어 액상이 되고, 혹은 그대로 물 응축기(31)를 통해 마찬가지로 펌프(65)에 의한 흡인으로 물탱크(61)로 복귀된다. 또, 배기 공기에 포함되는 수증기에는 연료 전지 스택(1)의 발전 반응에 수반하는 반응수에 기인하는 것도 있다고 생각된다. 이 물탱크(61)의 수위는 레벨 센서(64)로 모니터된다.

이 연료 전지 장치의 특징은 단일 셀(10A)의 공기극(12)에 직접 접촉하는 콜렉터(14)가 다공의 금속망 형상으로 되어 있음으로써, 모두 예로 든 종래 기술과 같이, 구멍부의 포개어짐으로써 공기극(12)으로의 공기 공급이 규제되는 일이 없어지는 점에 있다. 또한, 콜렉터(14)와 공급 공기의 접촉면이 구멍의 형성과 구형파 파형상의 굴곡에 의해 확대되므로, 콜렉터(14)에 있어서의 공기극(12)에서 발생하는 열을 냉각 공간을 흐르는 공기류에 전달하는 방열 핀으로서의 기능이 향상된다. 이로 인해, 공기극(12)측에 공급하는 공기를 이용하여 단일 셀(10A)을 냉각하는 방식의 연료 전지에 있어서, 단순한 구성으로 공기의 확산성과 냉각 효율을 아울러 향상시킬 수 있다.

또한, 콜렉터(14)가 미세한 그물코 형상으로 되어 있고, 전극 확산층과의 접촉면에도 개구가 형성되어 있음으로써, 공기와 물의 혼합류가 이 개구를 통과할 때에 교반되는 동시에, 전극 확산층의 콜렉터(14)와의 접촉면에도 혼합 가스가 공급되므로, 연료 전지 스택(1)에 있어서의 전극 전체면에 균일하게 공기를 공급할 수 있고, 그에 의해 농도 분극을 적게 할 수 있는 점이 있다. 또한 전극과 콜렉터와의 그물코 형상의 접촉에 의해 전극 전체로부터 균일하게 집전할 수 있으므로, 집전 저항이 감소된다. 또한, 전극 전체의 촉매를 유효하게 사용할 수 있으므로, 활성화 분극이 적어지는 점이 있다. 또한, 전극의 유효 면적을 크게 할 수 있는 이점도 얻을 수 있다.

이상 설명한 제1 실시예에서는 세퍼레이터의 전극 확산층과의 접촉측, 즉 콜렉터(14, 15)를 익스팬디스 메탈로 구성한 것을 예시하였지만, 이 콜렉터(14, 15)의 소재로서, 금속 섬유나 금속 다공체, 이차원 금속 직포, 금속 부직포, 파 형상 금속 부재, 홈 형상 금속 부재, 금속망, 펀칭 메탈 등 다른 것을 이용할 수도 있다. 다음에, 콜렉터 소재를 변경한 다른 실시예에 대해 설명한다.

<제2 실시예>

다음의 도11에 나타내는 제2 실시예는 양쪽 콜렉터(14, 15)를 펀칭 메탈로 구성한 예이다. 또한 본 예에서는 양쪽 콜렉터 소자를 공통화하기 위해 파 형상 치수, 즉 파의 높이 및 피치를 제1 실시예에 있어서의 연료극(13)측 콜렉터(15)와 동일한 것으로 하고 있다. 그리고, 이 구성의 채용에 수반하여, 파 높이가 낮아진 공기극(12)측의 유로 단면적을 확보하기 위해, 세퍼레이터 기판(16)에도 콜렉터(14)의 정상부(142)의 배치 피치에 맞춘 피치로 콜렉터(14)측으로 돌출되는 볼록조(16a)를 형성하여 세퍼레이터 기판(16)도 파형상으로 하고 있다. 이하, 본 실시예에 있어서의 제1 실시예의 공통 부분에 대해서는 같은 참조 부호를 부여하여 설명하는 대신에, 이하 차이점만 설명한다.

본 예에서는 제1 실시예의 콜렉터(14, 15)와 같은 판 두께의 소재에 펀치에 의한 복수의 구멍을 일면에 형성하고 있다. 덧붙여서 말하면 도시한 예에서는 판 두께 0.2[㎜]의 판에 종횡 폭 0.1[㎜]의 구멍을 0.1[㎜]의 간격을 두고 형성하고 있다. 또, 도면에서는 구멍(143, 153)의 개구 형상의 방향을 종횡 평행하게 하고 있지만, 이 방향은 특별히 규제되는 것은 아니며, 제1 실시예와 마찬가지로 기울기 방향으로 하는 것도 포함하여 어떠한 방향의 배치도 가능하다. 본 실시예에 있어서의 세퍼레이터 기판(16)의 볼록조(16a)의 높이는 이 높이와 콜렉터(14)의 볼록조(14a)의 높이와의 합이 제1 실시예에 있어서의 콜렉터(14)의 볼록조(14a)의 높이와 같아지는 설정으로 함으로써, 공기극(12)측의 유로 단면적을 제1 실시예와 마찬가지로 할 수 있다.

본 제2 실시예에 의해서도, 제1 실시예와 마찬가지로 확산층에 접하는 콜렉터(14)가 미세한 그물코 형상이면서 또한 파형상으로 되어 있음으로써, 제1 실시예와 같은 효과를 달성할 수 있다.

<제3 실시예>

다음에 도12에 나타낸 예는 양쪽 콜렉터(14, 15)를 제2 실시예와 같은 펀칭 메탈로 구성하고 있지만, 연료극(13)측의 콜렉터(15)를 파 형상을 갖고 있지 않은 평판으로 구성한 예이다. 본 예의 경우에는 공기극(12)측과 연료극(13)측의 유로 단면적을 모두 확보하기 위해, 세퍼레이터 기판(16)은 상기 기판의 기준면에 대해 공기극(12)측과 연료극(13)측으로 모두 돌출되는 볼록조(16a, 16b)를 형성한 파형판으로 구성되어 있다. 그 밖의 구성에 대해서는 모두 제2 실시예와 마찬가지이므로, 상당하는 부재와 마찬가지인 참조 부호를 부여하여 설명을 대신한다.

<제4 실시예>

다음에 도13에 나타낸 예는 공기극(12)에 접촉하는 방열판으로서, 제1 실시예와 마찬가지로 복수의 개구가 형성된 익스팬디스 메탈로 구성되어 있는 공기극측 콜렉터(14)를 사용하고 있는 데 반해, 연료극(13)에 접촉하는 방열판으로서 개구가 형성되어 있지 않은 판재로 구성된 연료극측 콜렉터(19)를 사용하고 있는 예이다. 상기 연료극측 콜렉터(19)는 공기극측 콜렉터(14)와 같은 치수이지만, 개구를 구비하지 않은 직사각형의 금속판으로 이루어지고, 프레스 가공에 의해 복수의 볼록조(19a)가 압출 형성되어 있다. 볼록조(19a)는 볼록조 사이의 바닥부(191)가 평탄하고, 단면 형상도 앞의 볼록조(14a)인 경우와 마찬가지로 실질상 구형파 형상으로 되어 있지만, 이 콜렉터(19)인 경우의 볼록조(19a)는 횡방향으로 파면을 완전히 횡단하여 연장되는 것으로서 종방향으로 일정한 피치로 설치되어 있다. 이들 볼록조(19a) 사이의 바닥부(191)의 평면은 연료극(13)이 접촉하는 접촉부로 되어 있고, 볼록조(19a)의 정상부(192)가 세퍼레이터 기판(16)과의 접촉부로 되어 있다. 이들 볼록조(19a)의 단면 형상도 대략 구형파 형상 단면이 되고, 프레스 가공의 탈형의 관계로부터 근원측이 약간 골이 넓어지는 형상으로 되어 있다. 이들 볼록조(19a)의 높이는 단일 셀(10)의 두께에 맞추어 프레임(18)의 두께에 실질상 상당하는 높이가 되고, 그에 의해 적층 상태에서 프레임의 내측을 횡방향으로 관통하는 소정의 개구 면적의 연료 유로를 확보하고 있다.

본 실시예에 있어서는, 연료극(13)에 접촉하는 방열판으로서 개구가 형성되어 있지 않은 금속판으로 구성된 연료극측 콜렉터(19)를 사용하고 있으므로, 제1 실시예와 같이 익스팬디스 메탈로 구성된 연료극측 콜렉터(15)를 사용한 경우보다도 전달성이 향상되어 방열 효과가 높아진다.

또한, 연료극(13)이 접촉하는 접촉부로서 기능하는 바닥부(191)에 개구가 형성되어 있지 않으므로, 단일 셀(10A)의 건조를 제어할 수 있다. 또, 단일 셀(10A) 의 건조를 억제하는 관점으로부터는 적어도 바닥부(191)에 개구가 형성되지 않으면 좋고, 연료극측 콜렉터(19)의 다른 부분, 예를 들어 볼록조(19a) 등의 부분에는 개구가 형성되어 있어도 좋다.

또한, 연료 전지 스택(1)에 있어서 건조하기 쉬운 부분에 있어서는 연료극(13)에 접촉하는 방열판으로서 개구가 형성되어 있지 않은 연료극측 콜렉터(19)를 사용하고, 연료 전지 스택(1)에 있어서 건조하기 어려운 부분에 있어서는 개구가 형성된 공기극측 콜렉터(14)를 사용하도록 할 수도 있다.

그 밖의 구성에 대해서는 모두 제1 내지 제3 실시예와 마찬가지이므로, 상당하는 부재에 같은 참조 부호를 부여하여 설명을 대신한다.

본 발명에 따르면, 단일 셀의 전극에 접촉하는 방열판이 다공으로 되어 있음으로써, 구멍부의 포개어짐에 따라 전극으로의 공기의 공급이 규제되는 일이 없어진다. 또한, 방열판과 공급 공기의 접촉면이 구멍의 형성에 의해 넓어지므로, 전극의 열을, 냉각 공간을 흐르는 공기류로 전달하는 방열 핀으로서의 기능이 향상된다. 이로 인해, 공기극측에 공급하는 공기를 이용하여 단일 셀을 냉각하는 방식의 연료 전지에 있어서, 단순한 구성으로 공기의 확산성과 냉각 효율을 아울러 향상시킬 수 있다.

또, 방열판을 전극에 접하는 전열부와, 상기 전열부로부터 공간 내로 연장되는 방열부를 일체로 구비하는 구성으로 한 경우, 방열판과 공급 공기와의 접촉면을 한층 넓힐 수 있고, 게다가 전극으로부터 방열판의 방열부로의 열 전달이 양호해진 다.

또한, 방열부가 냉각 공간을 상기 냉각 공간의 일단부로부터 타단부로 통과하는 복수의 공간으로 분할하는 구성으로 한 경우, 방열부를 이용하여 냉각 공간 내를 흐르는 공기의 흐름의 치우침을 없앨 수 있으므로, 공기의 확산의 균일화가 가능해지고, 전극에 대한 공급 공기의 확산성을 향상시키는 동시에, 전극 냉각의 균일화에 의한 온도 분포의 평균화가 가능해진다.

또한, 방열판을 직사각형파 파형상의 금속망 부재로 구성한 경우, 전극과 방열판의 접촉부가 구형파 바닥부의 평탄한 그물코로 되기 때문에, 구형파의 파저부 폭에 대응하는 면 부분에서 그물코 부분의 접촉에 의해 접촉압이 높은 접촉 상태가 확립되어 방열판에 의한 집전 성능이 향상되고, 게다가 그물코 사이의 넓은 개구부에 의해 공급 공기의 전극으로의 확산성도 향상된다.

Claims

전해질(11)을 전극(12, 13)으로 협지한 단일 셀(10A) 사이에 냉각 공간(A)을 형성하기 위해, 단일 셀(10A) 사이에 개재 삽입되는 연료 전지 장치의 세퍼레이터(10B)에 있어서,

상기 단일 셀(10A)의 전극(12, 13)에 접촉하는 다공의 방열판(14)을 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 세퍼레이터.
제1항에 있어서, 상기 방열판(14)은 상기 전극(12, 13)에 접하는 전열부(141)와, 상기 전열부(141)로부터 공간 내로 연장되는 방열부(14a)를 일체로 구비하는 세퍼레이터.
제2항에 있어서, 상기 방열부(14a)는 상기 냉각 공간(A)을 상기 냉각 공간(A)의 일단부로부터 타단부로 통과하는 복수의 공간으로 분할하는 세퍼레이터.
제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 방열판(14)은 구형파 파형상의 금속망 부재로 구성되고, 구형파의 파저부를 상기 전극(12, 13)에 접하는 전열부(141)로 하는 세퍼레이터.
제4항에 있어서, 상기 금속망 부재의 개구율은 25[％] 이상 100[％] 미만인 세퍼레이터.
제5항에 있어서, 상기 금속망 부재의 구멍 직경은 1[㎜] 이하인 세퍼레이터.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 단일 셀(10A)의 전해질(11)은 물을 포함하는 것인 세퍼레이터.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 단일 셀(10A)의 전극(12, 13)은 공기극(12) 및 연료극(13)으로 이루어지고, 상기 공기극(12)에 접촉하는 방열판(14)이 다공인 세퍼레이터.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 단일 셀(10A)의 전극(12, 13)은 공기극(12) 및 연료극(13)으로 이루어지고, 상기 공기극(12) 및 연료극(13)에 접촉하는 방열판(14, 15)이 다공인 세퍼레이터.
전해질(11)을 전극(12, 13)으로 협지한 단일 셀(10A) 사이에 상압의 기류를 유동시키는 냉각 공간(A)을 형성하기 위해, 단일 셀(10A) 사이에 세퍼레이터(10B)가 개재 삽입된 연료 전지 장치에 있어서,

상기 세퍼레이터(10B)는 상기 단일 셀(10A)의 전극(12, 13)에 접촉하는 다공의 방열판(14)을 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
제10항에 있어서, 상기 방열판(14)은 상기 전극(12, 13)에 접하는 전열부(141)와, 상기 전열부(141)로부터 공간 내로 연장되는 방열부(14a)를 일체로 구비하는 연료 전지 장치.
제11항에 있어서, 상기 방열부(14a)는 상기 냉각 공간(A)을 상기 냉각 공간(A)의 일단부로부터 타단부로 통과하는 복수의 기류 흐름 공간으로 분할하는 연료 전지 장치.
제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 방열판(14)은 구형파 파형상의 금속망 부재로 구성되고, 구형파의 파저부를 상기 전극(12, 13)에 접하는 전열부(141)로 하는 연료 전지 장치.
제13항에 있어서, 상기 금속망 부재의 개구율은 25[％] 이상 100[％] 미만인 연료 전지 장치.
제13항에 있어서, 상기 금속망 부재의 구멍 직경은 1[㎜] 이하인 연료 전지 장치.
제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 단일 셀(10A)의 전해질(11)은 물을 포함하는 연료 전지 장치.
제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 단일 셀(10A)의 전극(12, 13)은 공기극(12) 및 연료극(13)으로 이루어지고, 상기 공기극(12)에 접촉하는 방열판(14)이 다공인 연료 전지 장치.
제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 단일 셀(10A)의 전극(12, 13)은 공기극(12) 및 연료극(13)으로 이루어지고, 상기 공기극(12) 및 연료극(13)에 접촉하는 방열판(14, 15)이 다공인 연료 전지 장치.