KR101024716B1 - 연료전지스택 - Google Patents

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준 야마모토
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Abstract

본 발명은, 연료전지스택을 구성하는 복수의 연료전지유닛에 있어서의 적어도 하나의 연료전지유닛이 산화제유로형성부재와 세퍼레이터가 서로 접촉하는 부분에, 대기에 노출한 면을 구비한 흡수성 부재를 가지고, 적층된 복수의 연료전지유닛 중에서, 상대적으로 저온이 되는 연료전지유닛의 흡수성 부재의 대기에 노출한 면의 면적이, 상대적으로 고온이 되는 연료전지유닛의 흡수성 부재의 대기에 노출한 면의 면적보다 큰 면적으로 되어 있는 연료전지스택을 제공하는 것이다.

Description

연료전지스택{FUEL CELL STACK}
본 발명은 연료전지스택에 관한 것으로, 특히 스택 중의 연료전지유닛의 산화제 유로의 배수성 및 보수성(保水性)을 발전시의 온도 분포를 고려하여 설계한 연료전지스택에 관한 것이다.
고분자형 연료 전지는 기본적으로는 프로톤 전도성을 가지는 고분자 전해질막과 상기 고분자 전해질막의 양면에 배치된 한 쌍의 촉매층 및 전극으로 구성된다.
촉매층은 일반적으로 백금 또는 백금족 금속촉매로 구성된다. 촉매층의 외부에는 가스 공급과 집전을 위한 가스 확산층이 형성된다.
고분자 전해질막과 촉매층을 일체화시킨 것을 막전극 접합체(MEA)로 칭하며, 상기 전극중 한쪽의 전극에는 연료(수소)를, 다른 쪽의 전극에는 산화제(산소)를 공급해서 물을 생성하는 과정에서 발전을 한다.
상기 전극은 연료가 공급된 전극을 연료극, 산화제가 공급된 전극을 산화제극으로 부른다. 양측에 배치된 전극으로부터 전력이 인출된다.
1조의 막전극 접합체를 가지는 연료전지유닛의 이론 전압은 약 1.23V이지만, 통상의 운전 상태에 있어서는 연료전지유닛이 0.7V 정도로 구동되는 경우가 많고, 반응 에너지의 일부는 열로 변환된다.
따라서, 보다 높은 기전압을 필요로 하는 경우에는, 복수의 연료전지유닛을 적층하고, 각 연료전지유닛을 전기적으로 직렬로 접속해서 사용한다.
이러한 형식의 적층구조를 연료전지스택으로 부르고, 통상, 스택 내에서는 산화제 유로와 연료 유로를 세퍼레이터로 불리우는 부재로 격리한다. 판 형상의 각각의 세퍼레이터에는 오목부와 볼록부가 형성되어 있다. 막전극 접합체를 향한 오목부가 가스 유로로 사용되고, 볼록부가 집전부로서 사용된다.
이러한 연료전지스택에서는, 복수의 연료전지유닛이 동시에 발전을 행하고, 적층구조 때문에, 방열의 비율이 스택의 각부에 따라 달라 진다. 발전에 수반하여 생성된 열은 적층 방향의 중앙에 위치한 연료전지유닛 내에서 체류하기 쉽고, 양단에 위치한 연료전지유닛으로부터는 보다 더 방출하기 쉬운 경향이 있다. 그 때문에, 연료전지스택의 적층 방향에 있어서, 중앙에서 가장 온도가 높고, 상대적으로 양단에서 온도가 낮은, 온도의 분포가 생성된다. 이러한 온도의 분포의 존재하에서, 연료전지스택의 각 연료전지유닛은 다른 온도 조건하에서 발전을 한다.
이 때문에, 이하와 같은 불편이 발생되기 쉽다.
우선, 적층 방향의 양단에 위치된 연료전지유닛의 플러딩(flooding) 현상이 발생되기 쉬워진다. 상기 플러딩현상은 산화제극에서 생성된 물이 응집해서, 산화제극 내의 가스 확산성을 저하시켜, 특성 저하를 일으키는 현상이다. 스택 내에서 온도에 분포가 발생되면, 온도가 낮은 연료전지유닛에 물이 응집하기 쉽기 때문에, 양단부에 위치하는 연료전지유닛에 플러딩이 발생하기 쉽다.
또, 적층 방향의 중앙부에 위치하는 상기 전지유닛에서 드라이아웃 현상이 발생되기 쉬워진다. 드라이아웃 현상은 고분자 전해질 중의 수분함량이 온도의 상승과 함께 감소하고, 전지유닛의 내부 저항을 증가시켜서, 특성의 저하를 일으키는 현상이다.
산화제극에서 생성된 물이 응집되지 않고 증산되는 높은 온도의 위치에서 상기 드라이아웃 현상이 발생하기 쉽다.
이러한 온도 분포에 의한 특성의 불안정함을 제거하기 위해서, 일본국 특개 2005-340173호 공보에서는, 연료전지스택의 각 전지유닛에의 공기 공급량에 분포를 가지게 하는 연료전지스택을 제안하고 있다.
구체적으로는, 온도가 낮고, 양단부에 위치하고 있는, 각 전지유닛의 세퍼레이터에 형성된 산화제 유로의 단면적이 가장 크게 되도록 설정되어 있다.
이 구조 때문에, 공급된 공기의 인입량이 양단부에서 커진다. 따라서, 온도가 낮은 경우에도 물이 응집되기 어려워서, 적층 방향에 있어서의 플러딩현상의 발생 정도의 격차가 완화된다.
또, 일본국 특개 2004-311279호 공보에서는, 다음과 같은 연료 전지가 제안되어 있다. 이 연료 전지는 연료전지스택 양단부에서의 연료전지유닛내의 가스의 압력손실을 다른 연료전지유닛 보다 작게 설정하도록 구성함으로써, 온도가 낮아지는 스택의 양단부에서의 연료전지유닛의 생성수의 배수성 저하나 거기에 수반하는 가스 유로의 폐색 등의 불편을 억제할 수 있도록 구성되어 있다.
그러나, 일본국 특개 2005-340173호 공보 및 일본국 특개 2004-311279호 공보에 개시된 상기 종래예는, 다음과 같은 과제를 가지고 있다.
일본국 특개 2005-340173호 공보 및 일본국 특개 2004-311279호 공보에 개시된 구성의 연료전지스택에 있어서는, 생성수를 배수하고 온도변동을 저감하기 위해서는 블로어 등에 의한 산화제의 흐름이 필요하다.
보다 구체적으로는, 공기의 순환 기구나 블로어 등의 보조장치의 설치 및 상기 보조장치를 구동하기 위한 전력의 공급이 필요하다.
따라서, 연료 전지의 시스템을 가능한 한 소형화해야 하는, 예를 들면, 모바일 용도 등에 있어서는, 크기나 중량의 관점으로부터 문제가 되는 경우가 있었다.
본 발명은 공기의 순환 기구 등을 필요로 하지 않고, 자연 확산 또는 최소한의 산화제의 흐름하에서, 적층 방향의 온도 분포에 의해서 발생되는 플러딩 및 드라이아웃에 대처할 수 있는 구조를 가진 연료전지스택에 관한 것이다.
즉, 본 발명은, 고분자 전해질막의 양측에 연료극과 산화제극이 배치된 막전극접합체; 상기 막전극접합체의 상기 산화제극측에 배치되어 산화제를 공급하는 개구부를 구비한 산화제유로형성부재; 및 상기 산화제유로형성부재의 상기 산화제극에 접촉하는 면과 대향하는 면에 접촉해서 배치된 세퍼레이터를 가지는 연료전지유닛을 복수 적층해서 구성된 연료전지스택으로서, 상기 연료전지스택을 구성하는 복수의 연료전지유닛에 있어서 적어도 하나의 연료전지유닛이 상기 산화제유로형성부재와 상기 세퍼레이터가 접촉하는 부분에 대기에 노출된 면을 구비한 흡수성 부재를 가지고, 상기 연료전지스택을 구성하는 복수의 연료전지유닛 중에서 상대적으로 저온이 되는 연료전지유닛의 상기 흡수성 부재의 대기에 노출된 각 면의 면적이, 상대적으로 고온이 되는 연료전지유닛의 상기 흡수성 부재의 대기에 노출된 각 면의 면적보다 큰 면적으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지스택을 제공한다.
또, 본 발명은, 상기 연료전지스택의 양단에 위치된 연료전지유닛의 각각은, 상기 흡수성 부재의 대기에 노출된 면의 면적이 해당 연료전지스택의 내측에 위치 된 연료전지유닛의 흡수성 부재의 대기에 노출된 각 면의 면적보다 큰 것을 특징으로 하는 연료전지스택을 제공한다.
또, 본 발명은, 상기 대기에 노출된 면의 면적간의 차이는, 상기 흡수성 부재의 양단부가 상기 산화제유로형성부재의 상기 개구부로부터 외측으로 돌출한 부분의 면적간의 차이에 해당하는 것을 특징으로 하는 연료전지스택을 제공한다.
또, 본 발명은, 상기 대기에 노출된 면의 면적간의 크기의 차이는 상기 흡수성 부재의 양단부가 상기 세퍼레이터와 접촉하는 부분에서의 상기 산화제유로형성부재로부터 상기 대기에 노출된 부분의 면적간의 차이에 해당하는 것을 특징으로 하는 연료전지스택을 제공한다.
또, 본 발명은, 상기 연료전지스택의 가장 내측에 위치된 연료전지유닛 중의 적어도 하나는, 상기 흡수성 부재가 상기 산화제유로형성부재에 있어서의 상기 개구부측의 양단부로부터 내측에 설치된 연료전지유닛에 의해 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지스택을 제공한다.
또, 본 발명은, 상기 연료전지스택의 가장 내측에 위치된 연료전지유닛 중의 적어도 하나는, 상기 흡수성 부재가 설치되지 않은 연료전지유닛에 의해 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지스택을 제공한다.
또, 본 발명은, 상기 산화제유로형성부재가, 발포 금속으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지스택을 제공한다.
또, 본 발명은, 상기 흡수성 부재는, 온도 25℃, 상대습도 50%의 분위기에 있어서의 해당 흡수성 부재에 흡수된 물 가운데, 1시간에 증산 되는 물의 비율인 건조율이 80%이상이며, 단부를 물에 담그었을 때의 10초 내에 물을 빨아 올리는 높이가 40 mm 이상인 섬유로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지스택을 제공한다.
또, 본 발명은, 중력 방향 최상부의 연료전지유닛에 배치된 상기 흡수성 부재가 연료전지유닛의 외부에 노출되어 외부 공기보다 고온으로 된 스택구성부재와 접촉하는 것을 특징으로 하는 연료전지스택을 제공한다.
또, 본 발명은, 고분자 전해질막의 양측에 연료극와 산화제극이 배치된 막전극 접합체; 상기 막전극 접합체의 상기 산화제극 측에 배치되어 산화제를 공급하는 개구부를 구비한 산화제 유로 형성 부재; 및 상기 산화제 유로 형성 부재의 상기 산화제극에 접하는 면과 대향하는 면에 접촉해서 배치된 세퍼레이터를 각각 가지는 연료전지 유닛을 복수 적층해서 구성된 연료전지 스택으로서, 상기 연료전지스택을 구성하는 복수의 연료전지유닛 중의 적어도 하나의 연료전지유닛이, 상기 산화제 유로 형성 부재와 상기 세퍼레이터가 서로 접촉하는 부분에, 대기에 노출된 면을 구비한 흡수성 부재를 가지고, 상기 연료전지 스택을 구성하는 복수의 연료전지 유닛 중에서 연료전지스택의 양단에 위치된 연료전지 유닛의 각각은, 상기 연료전지 스택을 구성하는 복수의 연료전지 유닛 중에서 연료전지스택의 내측에 위치된 연료전지 유닛 보다 큰, 상기 흡수성 부재에 있어서의 대기에 노출된 각 면의 면적을 가지는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택을 제공한다.
본 발명에 의하면, 공기의 순환 기구 등을 필요로 하지 않고, 자연 확산 또 는 최소한의 산화제의 흐름하에서, 적층 방향의 온도 분포에 의해서 발생되는 플러딩 및 드라이아웃에 대처할 수 있는 구조를 구비한 연료전지스택을 실현할 수 있다.
본 발명의 다른 특징은 첨부도면을 참조한, 다음의 전형적인 실시형태의 설명으로부터 명백해질 것이다.
본 발명의 실시형태에 따른 연료전지스택에 대해 설명한다.
우선, 본 실시형태에 있어서의 연료전지스택을 구성하는 하나의 연료전지유닛의 구성을 설명한다.
도 1은 본 실시형태에 따라서 연료전지스택을 구성하는 하나의 연료전지유닛의 구성을 설명하는 분해 사시도이다.
도 1은, 세퍼레이터(1), 흡수성 부재(2), 산화제유로형성부재(3), 구조유지 부재(4), 산화제극측 가스확산층(5), 지지 부재(6), 막전극 접합체(7), 씰재(8), 연료극측 가스확산층(9), 및 연료극실(10)을 나타내고 있다.
본 실시형태에 따른 연료전지스택을 구성하는 하나의 연료전지유닛은, 양쪽에서 막전극 접합체(7)를 사이에 끼우는 방식으로, 연료극 측에는 세퍼레이터(1), 연료극측 가스확산층(9), 및 씰재(8)를 가지고, 또한, 산화제극 측에는 산화제극측 가스확산층(5), 산화제유로형성부재(3), 흡수성부재(2), 지지부재(6), 구조유지부재(4), 및 세퍼레이터(1)를 가지고 있다.
세퍼레이터(1)는 도전성의 스텐레스 스틸판 등의 금속판을 금으로 도금함으 로써 형성되고, 산화제유로형성부재(3)의 산화제극에 접촉하는 면과 대향하는 면에 접촉해서 배치된다.
또, 연료극에 대응하는 위치에는 연료극실(10)이 설치되어 있다.
연료극측 가스확산층(9)은 카본 페이퍼나 카본 크로스(carbon cloth) 등의 환기성이 있는 도전성 부재이며, 상기 연료극실에 수납되어 있다.
씰재(8)는 씰 기능을 가지고 있으며, 전극판의 외주부를 둘러싸도록 배치되어 있다. 상기 씰재(8)는 체결시에 막전극 접합체(7)와 세퍼레이터(1)의 사이에 밀폐공간을 형성해서, 연료극실로부터의 수소의 누설을 방지한다.
상기 씰재로서는, 개스킷, O-링 등이 사용된다.
또, 막전극 접합체와 전극판을 접착시키는 접착제 등을 사용하여도 되고, 핫멜트 타입의 접착성 시트 등을 사용해도 된다.산화제극 측에는 산화제극측 가스확산층(5)과 산화제유로형성부재(3)이 적층된다.
산화제극측 가스확산층(5)으로서는, 연료극측의 연료극측 가스확산층(9)의 경우와 마찬가지로 카본 페이퍼나 카본 크로스 등이 사용되어도 된다.
산화제유로형성부재(3)는 전기 전도성을 가지는 다공질기재이며, 스텐레스스틸이나 니켈, 크롬 등의 금속을 다공질화 시켜서 얻어진 발포금속이 균일성이 높은 유로형성능력과 체결 압력의 전달에 있어서 우수하기 때문에, 바람직하게 사용될 수 있다.
산화제유로형성부재(3)의 세퍼레이터(1)와 접하는 면에, 도 2에 도시된 바와 같이, 홈을 형성하고, 이 홈내의, 산화제유로형성부재(3)와 세퍼레이터(1) 사이의 접촉부에 흡수성부재(2)가 배치된다.
산화제유로형성부재(3)는 도 1에 나타낸 X축과 수직인 면에 개구측면을 가진다. 이 개구측면을 통해 대기 중의 공기가 공급된다.
발전에 의해, 산화제극으로부터 증기로서 물이 생성되고, 세퍼레이터(1)에서 응집해서 액체가 된다. 산화제유로형성부재(3)와 세퍼레이터(1)의 접촉부에 배치된 흡수성부재(2)가 응집수를 흡수함으로써, 산화제유로형성부재(3)에서의 물의 체류와 플러딩을 억제한다. 이 때, 흡수성부재(2)는 대기에 노출된 면을 가지고 있기 때문에, 상기 흡수된 생성수는 대기에 노출된 면으로부터 대기로 증산(蒸散)되고, 배수된다.
이 때문에, 흡수성부재(2)는 높은 증산성을 필요로하고, 온도 25℃, 상대습도 50%의 분위기에 있어서의 1시간 후의 건조율이 80%이상인 것이 배수성의 관점으로부터 바람직하다. 여기서, "1시간 후의 건조율"이란, 흡수성 부재에 의해 흡수된 물 중에, 1시간에 증산되는 물의 비율로 나타낸다.
보다 구체적으로는, 상기 건조율은 흡수성 부재에 의해 흡수된 물 중에, 1시간 후에 증산된 물의 퍼센트로 나타낸다.
예를 들면, 흡수성 부재의 중량이 1g이고, 흡수한 물의 중량이 2g, 총중량 3g이며, 1시간 후의 총중량이 1.5g인 경우, 1시간 후에 증산에 의해 방출된 물의 중량은 1.5g이므로, 건조율은 1.5 ÷ 2 × 100 = 75%가 된다.
또, 대기에 노출된 면으로 물을 안내하는 구동력은 모세관현상에 의해 제공된다.
그 때문에, 흡수성부재(2)는 모세관현상을 발휘하는 부재일 필요가 있고, 예를 들면, 파이버의 단부를 물에 담구었을 때의 10 초간에 있어서의 빨아 들이는 높이가 40mm 이상인 생성수를 안내하는 파이버 등으로 구성하도록 하는 것이 바람직하다.
이러한 특성을 가지고, 흡수성부재(2)로서 사용될 수 있는 재질의 예로서는, 폴리이미드, 폴리비닐알코올, 폴리에스텔, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등을 들 수 있다.
지지부재(6)는, 연료극측 가스확산층(9)과 막전극 접합체(7)간의 접촉부분을 둘러싸고, 또한, 연료극측의 씰부재(8)에 대응하는 위치에 배치되어 있다.
지지부재(6)의 재료로서는, 도전성은 필요없지만, 내부식성 및 강성이 높은 것이 요구되고, 스텐레스스틸 등의 금속이나 세라믹스 또는 플라스틱이 사용될 수 있다.
또, 지지부재(6)의 막전극 접합체(7)와 접촉하는 면은 평탄성이 높은 것이 요구된다. 이에 대한 이유는 연료전지유닛의 체결시에 씰부재(8)에의 체결 압력을 보다 균일하게 하기 위한 것이다.
또, 지지부재(6)의 두께를 유로형성부재(3)의 두께와 비교해서 충분히 얇게 설정함으로써, 산화제유로형성부재(3)의 측면에서의 공기의 유통을 충분히 확보할 수 있다.
구조유지부재(4)는 적어도 산화제유로형성부재(3)보다 강성이 높은 부재로 형성되고 연료전지유닛의 높이, 산화제극측 가스확산층(5)과 산화제유로형성부재 (3)의 두께를 규정함으로써, 산화제극측 가스확산층(5)과 산화제유로형성부재(3)의 과도한 변형을 방지한다.
또, 구조유지부재(4)는 볼트구멍(11)을 가지고 있다.
또, 구조유지부재(4)는 연료유로(12)가 형성되어 있고, 연료전지스택을 구성한 후에는 연료전지유닛의 적층 방향에 대해서 연료 매니홀드가 된다.
연료 매니홀드로부터의 연료의 누설을 방지하기 위해서, 사용되는 연료의 종류에 따라 서 적절한 씰 부재를 각 구성 부재간에 삽입하는 것이 바람직하다.
이와 같이 형성한 연료 매니홀드는, 강성이 높은 구조유지부재(4)로 형성된다. 그 때문에, 체결시 또는 체결 후의 변형이나 위치 시프트에 의한 연료의 누설을 방지할 수 있다.
구조유지부재(4)의 재료로서 사용될 수 있는 강성이 높은 재료의 예로서는, 스텐레스스틸 등의 금속이나 세라믹스, 플라스틱을 들 수 있다.
구조유지부재(4)가 지지부재(6) 상에 설치되어 있으면, 체결의 압력이 구조 유지부재를 통해 지지 부재에 전달되고, 이에 의해 지지부재의 얼라이먼트가 향상한다.
한편, 구조유지부재(4)와 지지부재(6)는 별도로 구성되어도 되지만, 이들이 일체로 구성되어 있으면, 연료전지의 제조단계의 얼라이먼트 작업이 더욱 저감된다.
본 실시형태에 있어서는, 상기한 구성을 가진 복수의 연료전지유닛을 적층하여 연료전지스택을 구성하는 경우, 적어도 하나부의 연료전지유닛이 산화제유로형 성부재와 상기 세퍼레이터 사이의 접촉하는 부분에 대기에 노출된 면을 구비한 흡수성부재를 가지도록 구성된다.
그리고, 상대적으로 저온이 되는 연료전지유닛에는 흡수성부재의 대기에의 노출 면적을 크게 설정함으로써, 상기 흡수성부재가 흡수한 생성수의 증산성 및 배수성이 높아지게 된다. 이에 대해서, 상대적으로 고온이 되는 연료전지유닛에는 흡수성부재의 대기에의 노출 면적을 작게 설정함으로써, 상기 흡수성부재가 흡수한 생성수의 증산성 및 배수성이 낮아지게 된다.
이 때, 상기 흡수성부재는 상기 산화제유로형성부재와 세퍼레이터 사이의 접촉하는 부분에 공기 흡입방향으로 홈을 형성하도록 구성할 수 있다.
발전에 의해, 산화제극로부터 증기로서 물이 생성되고, 세퍼레이터에서 응집해서 액체가 된다. 산화제유로형성부재인 발포금속의 세퍼레이터와 접촉하는 부분에 흡수성부재를 배치함으로써, 효과적으로 응집수를 흡수, 트랩하는 것이 가능해진다.
또, 상기 흡수성 부재가 산화제극과 접촉하지 않기 때문에, 산화제극에의 공기의 공급을 저해하지 않고, 따라서 출력특성의 저하도 억제된다.
또, 상기 대기에 노출한 면의 면적의 크기의 차이는, 상기 흡수성 부재의 양단부가 상기 산화제 유로형성부재에 있어서의 상기 개구부의 외측으로 돌출한(또는 개구부를 넘어서 연장된) 부분의 면적의 차이에 의해 제공될 수 있다(후술하는 실시형태1 참조). 따라서, 대기에의 노출면의 면적을 증가시킴으로써, 상기 흡수성부재가 흡수한 생성수를 스택외부로 안내하고, 상기 생성수를 증기로서 배출하는 면 의 면적을 증가시킬 수 있다. 이에 의해, 효과적으로 생성수를 배출하는 것이 가능해진다. 또, 상기 대기에 노출된 면의 면적의 크기의 차이는, 상기 흡수성부재의 양단부가, 상기 세퍼레이터와 접촉하는 부분에서의 상기 산화제유로형성부재로부터 상기 대기에 노출된 부분의 면적의 차이에 의해 구성할 수 있다(후술하는 실시형태2 참조).
구체적으로는, 예를 들면, 발포금속에 형성된 홈의 단부에서의 깊이를 홈의 중앙부보다 깊게 형성하여도 된다. 산화제유로형성부재에 형성된 홈은 그 중앙부보다 그 단부를 깊게 형성함으로써, 홈에 단차가 형성된다. 단부가 중앙부보다 깊은 홈이므로, 그 단차에 대응하는 양만큼 홈에 배치된 상기 흡수성부재는 대기에 더 노출되어서 증기로서 배출하는 면적이 증가하므로, 효과적으로 생성수를 배출하는 것이 가능해진다.
또, 상기 연료전지스택을 구성하는 가장 내측부분의 연료전지유닛을, 상기 흡수성부재를 가지지 않은 연료전지유닛으로 구성하여도 된다.
또, 상기 연료전지스택을 구성하는 가장 내측부분의 연료전지유닛을, 상기 흡수성부재가 상기 산화제유로형성부재의 상기 개구부를 가지는 양측면의 내측에 설치되도록 구성해도 된다.
흡수성부재의 양단을 스택 측면보다 내측에 배치함으로써, 상기 흡수성 부재가 대기에 노출되지 않으므로, 상기 흡수성부재는 보수층으로서 기능하고, 드라이아웃이 진행되는 고온 상태에서 유리하게 기능시키는 것이 가능해진다.
이상과 같이 구성하는 것에 의해, 자연 확산 또는 최소한의 산화제의 흐름하 에서, 적층 방향의 온도 분포에 의해 발생되는 플러딩 및 드라이아웃에 대처할 수 있는 구조를 얻을 수 있다.
이에 의해, 저온측의 연료전지유닛의 플러딩 내성과 고온측의 연료전지유닛의 드라이아웃 내성의 양자를 달성할 수 있고, 고출력으로 안정된 발전을 실시할 수 있는 연료전지스택을 실현할 수 있다.
이하에, 상기한 구성의 연료전지유닛을 복수 적층한 본 발명의 각종 실시형태에 따라서 연료전지스택을 더욱 상세하게 설명한다.
이하에 설명하는 각 실시형태의 연료전지스택에서는, 연료전지유닛을 8개 적층한 구성예를 들고 있다. 그러나, 본 발명은 이것으로 제한되는 것은 아니다.
또, 연료전지스택을 구성하는 연료전지유닛을 적어도 2 종류 사용하면, 본 발명의 효과를 기대할 수 있다.
(실시형태1)
실시형태1에서는, 도 1에 도시된 연료전지유닛이 8개 적층된 연료전지스택에 있어서, 흡수성부재를 다음과 같이 형성한 구성예에 대해 설명한다.
보다 구체적으로는, 본 실시형태에서는, 양단의 연료전지유닛에는 대기에 노출된 면의 면적이 가장 큰 흡수성부재를 형성하고, 중간의 연료전지유닛에는 상기 양단의 연료전지유닛의 대기에 노출한 면의 면적보다 작은 면적의 흡수성부재를 형성하고, 가장 내측의 연료전지유닛에는 흡수성부재를 형성하지 않는다.
도 9는 본 실시형태의 연료전지스택의 구성을 나타낸다.
본 실시형태에 의한 연료전지스택은, 도 9에 도시된 바와 같이, 연료극측으 로부터 적층 방향에 대해서 연료전지유닛 No.1, No.2, No.3, No.4, No.5, No.6, No.7, 및 No.8의 순서로 도 1에 각각 도시된 연료전지유닛을 8개 적층하도록 구성되어 있다.
여기서, 양단부에서 비교적 온도가 낮아지는 연료전지유닛 No.1 및 No.8에는, 도 2에 도시된 홈을 형성한 산화제유로형성부재(3)의 홈부분에, 흡수성부재(2)을 배치한다.
이 때, 도 5에 도시된 바와 같이, 흡수성부재(2)는 산화제유로형성부재(3)의 개구 측면으로부터 그 양단부를 돌출하도록(즉,더 연장하도록) 배치된다.
이에 의해, 흡수성부재(2)의 대기에의 노출된 면적이 증가됨으로써, 흡수된 생성수를 효율적으로 증산할 수 있고, 배수할 수 있다.
온도가 중간이 되는 연료전지유닛 No.2, No.3, No.6, 및 No.7에는, 도 2에 도시된 산화제유로형성부재(3)의 홈에, 흡수성부재(2)를 그 양단부 표면이 산화제유로형성부재(3)의 개구측면과 동일 평면이 되도록 각각 배치된다.
이에 의해, 상기 양단부에 위치된 연료전지유닛 보다 흡수성부재(2)에 의한 증산 및 배수가 더 작아진다.
또, 비교적 온도가 고온이 되는 연료전지유닛 No.4 및 5로서는, 도 3에 도시된 바와 같이, 홈이 없는 산화제유로형성부재를 사용하고 흡수성부재(2)를 배치하지 않는 연료전지유닛을 사용한다.
이에 의해, 플러딩 내성과 드라이아웃 내성을 만족시킨 연료전지스택을 얻을 수 있다.
(실시형태2)
실시형태2에서는, 도 1에 도시된 연료전지유닛이 8개 적층된 연료전지스택에 있어서, 흡수성부재를 다음과 같이 형성한 구성 예에 대해서 설명한다.
본 실시형태에서는, 양단의 연료전지유닛에 있어서의 흡수성 부재의 구성이 실시형태1의 구성과 다르다.
보다 구체적으로, 본 실시형태에서는, 대기에 노출된 면의 면적이 가장 큰 흡수성 부재를 구성하기 위해서, 개구 측면을 부분적으로 잘라낸 산화제유로형성부재의 홈에, 흡수성 부재가 배치된다.
그 외의 중간의 연료전지유닛 및 가장 내측 부분의 연료전지유닛의 구성에 있어서, 흡수성 부재에 관한 구성은, 실시형태1과 마찬가지의 구성이다.
도 10은, 본 실시형태에 따른 연료전지스택의 구성을 나타낸다. 본 실시형태에 의한 연료전지스택은, 도 10에 도시된 바와 같이, 연료극측으로부터 적층 방향에 대해서 연료전지유닛 No.1, No.2, No.3, No.4, No.5, No.6, No.7, 및 No.8의 순서로 도 1에 도시된 연료전지유닛을 8개 적층하도록 구성되어 있다. 여기서, 상기 스택의 양단부에서 비교적 온도가 낮아지는 연료전지유닛 No.1 및 No.8에는, 도 4에 도시된 바와 같은 홈을 형성하고, 또한 홈부분의 개구 측면을 잘라낸 산화제유로형성부재(3)의 홈부분에 흡수성부재(2)을 배치한다.
이 상태에서, 도7에 도시된 바와 같이, 산화제유로형성부재(3)의 잘라내지 않은 개구 측면과 흡수성부재(2)의 양단면이 동일 평면이 되도록 흡수성부재(2)가 배치된다.
이에 의해, 산화제유로형성부재(3)의 홈이 형성된 부분의 개구 측면이 잘라져서 후퇴한 부분에서 홈에 배치되어 있는 흡수성 부재가 대기에 노출된다.
그 때문에, 흡수성부재를 연료전지유닛의 외부로 연장할 필요없이 대기에 노출되는 면의 면적을 증대할 수 있어서, 소형의 연료전지유닛을 실현하는 것이 가능해진다.
또, 온도가 중간이 되는 연료전지유닛 No.2, No.3, No.6, 및 No.7에서는, 도 2에 나타내는 산화제유로형성부재(3)의 홈부에 흡수성부재(2)의 양단부가 산화제유로형성부재(3)의 개구측면과 동일 평면이 되도록 흡수성부재(2)가 배치된다.
또, 비교적 온도가 고온이 되는 연료전지유닛 No.4 및 5으로서, 도 3에 도시된 바와 같은 홈을 형성하고 있지 않는 산화제유로형성부재를 사용하고 흡수성부재(2)을 배치하지 않는 연료전지유닛을 사용한다.
이에 의해, 플러딩 내성과 드라이아웃 내성을 양립시킨 연료전지스택을 실현할 수 있다.
(실시형태3)
실시형태3에서는, 도 1에 나타내는 연료전지유닛이 8개 적층된 연료전지스택에 있어서, 흡수성부재를 다음과 같이 형성한 구성 예에 대해서 설명한다.
본 실시형태에서는, 가장 내측에 있어서의 연료전지유닛의 흡수성 부재에 관한 구성이 실시형태1의 구성과 다르다.
보다 구체적으로, 본 실시형태에서는, 흡수성 부재의 양단부가 산화제유로형성부재의 개구측면의 내측에 위결정되도록 스택의 가장 내측에 있어서의 연료전지 유닛에 흡수성 부재가 형성된다.
양단부의 연료전지유닛 및 중간의 연료전지유닛에 있어서의 흡수성 부재의 구성은 실시형태1의 구성과 동일하다.
도 11은 본 실시형태에 있어서의 연료전지스택의 구성을 나타낸다. 본 실시형태에 의한 연료전지스택은, 도 11에 도시된 바와 같이, 연료극측으로부터 적층 방향에 대해서 연료전지유닛 No.1, No.2, No.3, No.4, No.5,No. 6, No.7, 및 No.8의 순서로 도 1에 나타내는 연료전지유닛을 8개 적층하도록 구성되어 있다. 또, 본 실시형태에 있어서는, 비교적 온도가 고온이 되는 연료전지유닛 No.4 및 No.5에서는, 도 8에 도시된 바와 같이, 흡수성부재(2)의 양단부가 도 2에 나타내는 산화제유로형성부재(3)의 양측면의 내측에 위치되도록 흡수성부재(2)가 배치된다. 흡수성부재(2)를 대기에 노출하지 않고 배치하기 때문에, 그 증산성을 억제할 수 있어서 상기 흡수성부재(2)를 보습재로서 사용하는 것이 가능해서, 고온에 있어서의 특성을 향상시킬 수 있다.
이에 의해, 고온에 있어서의 특성을 향상시킴과 동시에, 플러딩 내성과 드라이아웃 내성 양자 모두를 만족시키는 연료전지스택을 실현할 수 있다.
(실시형태4)
실시형태4에서는, 도 1에 나타내는 연료전지유닛이 8개 적층된 연료전지스택에 있어서, 흡수성부재를 다음과 같이 형성한 구성 예에 대해서 설명한다.
본 실시형태에서는, 비교적 고온이 되는 스택의 내측의 연료전지유닛과 가장 고온이 되는 스택의 가장 내측의 연료전지유닛에 있어서의 흡수성부재에 관한 구성 이 실시형태1의 구성과 다르다.
보다 구체적으로, 본 실시형태에서는, 비교적 고온이 되는 스택의 내측의 연료전지유닛에는 흡수성부재(2)를 배치하지 않고, 가장 고온이 되는 상기 스택의 가장 내측의 연료전지유닛에는 흡수성부재의 양단부가 산화제유로형성부재의 개구측면의 내측에 위치되도록 흡수성부재를 배치한다.
도 12는 본 실시형태에 있어서의 연료전지스택의 구성을 나타낸다. 본 실시형태의 연료전지스택은, 도 12에 도시된 바와 같이, 연료극측으로부터 적층 방향에 대해서 연료전지유닛 No.1, No.2, No.3, No.4, No.5,No. 6, No.7, 및 No.8의 순서로 도 1에 도시된 연료전지유닛을 8개 적층하도록 구성되어 있다. 여기서, 양단부에서 비교적 온도가 낮아지는 연료전지유닛 No.1 및 No.8에는 도 2에 도시된 바와 같은 홈을 형성한 산화제유로형성부재(3)의 홈부에 흡수성부재(2)을 배치한다.
이 상태에서, 도 5에 도시된 바와 같이, 산화제유로형성부재(3)의 개구측면으로부터 흡수성부재(2)의 양단부를 돌출하도록(즉, 보다 연장되도록) 흡수성부재(2)가 각각 배치된다.
이에 의해, 흡수성부재(2)의 대기에의 노출되는 면의 면적이 증대되어서, 흡수된 생성수를 효율적으로 증산 및 배수하는 것이 가능하게 된다.
온도가 중간이 되는 연료전지유닛 No.2 및 No.7에는 도 2에 도시되는 산화제유로형성부재(3)의 홈부에, 도 6에 도시된 바와 같이, 흡수성부재(2)의 양단부가 산화제유로형성부재(3)의 양측면과 동일 평면이 되도록 흡수성부재(2)가 각각 배치된다.
또, 비교적 온도가 고온이 되는 연료전지유닛 No.3 및 No.6에는, 도 3에 도시된 바와 같은, 홈을 형성하고 있지 않는 산화제유로형성부재를 사용하고, 흡수성부재(2)를 배치하지 않는 연료전지유닛을 사용한다.
또, 온도가 가장 고온이 되는 연료전지유닛 No.4 및 No.5에는, 도 2에 도시된 산화제유로형성부재(3)의 홈부에, 도 8에 도시된 바와 같이, 흡수성부재(2)의 양단부가 산화제유로형성부재(3)의 개구 측면의 내측에 위치되도록 흡수성부재(2)가 배치된다.
흡수성부재를 대기로 노출하지 않고 배치하므로, 증산성을 억제할 수 있으므로, 흡수성부재를 보습재로서 사용할 수 있고, 고온에 있어서의 특성을 향상시킬 수 있다. 이에 의해, 고온에 있어서의 특성을 향상시킴과 동시에, 플러딩 내성과 드라이아웃 내성의 양자 모두를 만족시키는 연료전지스택을 실현할 수 있다.
(실시형태5)
실시형태5에서는, 도 1에 도시된 연료전지유닛이 8개 적층된 연료전지스택에 있어서, 흡수성부재를 다음과 같이 형성한 구성 예에 대해서 설명한다.
본 실시형태에서는, 스택의 양단부에서 비교적 온도가 낮아지는 연료전지유닛에 있어서의 흡수성부재에 관한 구성이 실시형태1의 구성과 다르다.
도 13은, 본 실시형태에 의한 연료전지스택의 구성을 나타낸다. 본 실시형태의 연료전지스택은, 도 13에 도시된 바와 같이, 연료극측으로부터 적층방향에 대해서 연료전지유닛 No.1, No.2, No.3, No.4, No.5, No.6, No.7, 및 No.8의 순서로 도 1에 도시된 연료전지유닛을 8개 적층하도록 구성되어 있다. 본 실시형태에서는, 양 단부에서 비교적 온도가 낮아지는 연료전지유닛 No.1, No.2, No.7, 및 No.8에는, 도 2에 도시된 바와 같은, 홈을 형성한 산화제유로형성부재(3)의 홈부에 흡수성부재(2)을 배치한다. 이 상태에서, 도 5에 도시된 바와 같이, 산화제유로형성부재(3)의 개구측면으로부터 흡수성부재(2)의 양단부가 각각 돌출되도록 흡수성부재(2)가 배치된다.
이에 의해, 흡수성부재의 대기에의 노출된 면의 면적을 증대할 수 있어서 흡수된 생성수를 효율적으로 증산 및 배수하는 것이 가능하게 된다.
여기서, 스택의 양단부에 위치하는 연료전지유닛 No.1 및 No. 8의 온도가 연료전지유닛 No.1 및No. 8의의 내측에 위치하는 연료전지유닛 No.2 및 No.7의 온도보다 낮게 되므로, 연료전지유닛 No.1 및 No.8의 흡수성부재(2)의 확대된 면적을 연료전지유닛 No.2 및 No.7의 확대된 면적보다 크게 설정한다.
온도가 중간이 되는 연료전지유닛 No.3 및 No.6에는, 도 2에 도시된 산화제유로형성부재(3)의 홈부에, 도 6에 도시된 바와 같이, 흡수성부재(2)의 양단부가 산화제유로형성부재(3)의 개구측면과 동일 평면이 되도록 흡수성부재(2)를 배치한다.
또, 비교적 온도가 고온이 되는 연료전지유닛 No.4 및 No.5에는, 도 3에 도시된 바와 같은, 홈을 형성하고 있지 않은 산화제유로형성부재를 사용하고 흡수성부재(2)을 설치하지 않은 연료전지유닛을 사용한다.
이에 의해, 플러딩 내성과 드라이아웃 내성의 양자 모두를 만족시키는 연료전지스택을 얻을 수 있다.
(실시형태6)
본 실시형태6의 연료전지스택은 도 1에 도시된 연료전지유닛을 8개 적층해서 스택화함으로써 얻어진다.
연료극측으로부터 적층 방향에 대해서 연료전지유닛 No.1, No.2, No.3, No.4, No.5, No.6, No.7, 및 No.8의 번호를 부여하여 적층해서 발전시켰을 경우, 하부층의 연료전지유닛으로부터 배출된 생성수가 수증기로서 상승하기 때문에, 상부층 연료전지유닛의 주위의 습도가 상승한다.
예를 들면, 연료전지유닛 No.1을 하부측에 배치하고 스택을 형성해서 발전시켰을 경우, 각 연료전지유닛에서 발생된 생성수는 수증기가 되어 중력방향에 대해서 윗쪽으로 상승한다.
그 결과, 중력 방향 최상부에서 연료전지유닛 No.8의 주위는 고습도 분위기로 된다.
고습도 분위기에서는, 흡수 섬유의 증산능력이 저하해서, 상부층의 연료전지유닛의 배수능력이 저하한다.
본 실시형태에 의하면, 상부층 연료전지유닛의 배수능력을 향상시키기 위해서, 고습도 분위기에서도 흡수 섬유의 증산능력을 향상시킨다.
구체적으로는, 중력 방향의 상부 부분의 연료전지유닛에 배치된 흡수 섬유의 연료전지유닛의 외부로 연장된 부분을 외부의 기온보다 고온으로 되는 스택구성부재에 접촉시킨다.
스택은 발전시 고온으로 되기 때문에, 집전판이나 엔드 플레이트의 온도는 40℃이상의 고온이 된다.
흡수 섬유에 고온이 된 부재를 접촉시켜서 열을 부여함으로써, 고습도 분위기에서도 증산 및 배수를 가속할 수 있다.
도 14에 본 실시형태의 연료전지스택의 개략 단면도를 나타낸다.
도 14의 개략 단면도에서는, 도 9에 도시된 실시형태1의 연료전지스택의 최상부 연료전지유닛의 외부로 연장한 흡수섬유를 외부 온도보다 고온이 되는 스택 부재인, 집전체 및 엔드 플레이트에 접촉시키고 있다.
최상부 연료전지유닛의 구성이 도 14에 도시된 바와 같은 구성이면 그외의 연료전지유닛의 구성은 실시형태2 내지 5에서 설명된 구성이어도 된다.
(실시예)
이하에, 본 발명의 실시예에 대해서 설명한다.
［실시예1］
우선, 본 실시예에 있어서의 막전극 접합체의 제작에 대해 설명한다.
전해질막에의 전사층으로 사용되는 PTFE(폴리 테트라 플루오르 에틸렌) 시트(닛토 덴코사제 니트프론(상품명)) 상에 반응성 스퍼터링법에 의해 수지상(樹枝狀) 구조를 가지는 백금산화물촉매를 2000 nm의 두께로 형성했다.
이 때의 Pt 담지량을 XRF에 의해 측정했는데, 0.68mg/cm2였다. 상기 반응성 스퍼터링법은, 전체압력 4Pa, 산소 유량비(Q02/(QAr＋QO2)) 70%, 기판 온도 300℃, 투입 파워4.9W/cm2의 조건하에서 실행하였다.
이어서, 이 수지상 구조를 가진 백금산화물촉매에 2% H2/He 분위기(1 atm)에서 120℃, 30 분간의 환원처리를 실시해서, PTFE 시트 상에 수지상 구조의 백금촉매층을 형성하였다. 또한, PTFE와 Nafion(상품명)의 혼합현탁용액을 상기 PTFE 시트에 함침시키는 것에 의해서, 촉매의 표면에 유효하게 전해질 채널을 형성하고, 다음에 적절한 발수 처리를 실시해서, 산화제극측의 촉매층을 얻었다.
다음에, 전해질막에의 전사층으로서 사용되는 PTFE 시트(닛토덴코사제 니트프론(상품명)) 상에 반응성 스퍼터링법에 의해 수지상 구조를 가지는 백금산화물촉매를 500 nm의 두께로 형성했다.
Pt 담지량을 XRF에 의해 측정한바, 0.17mg/cm2였다. 반응성 스퍼터링법은 전체압력 4Pa, 산소 유량비(Q02/(QAr＋QO2)) 70%, 기판 온도 300℃, 투입파워 4.9W/cm2로 되는 조건하에서 실행하였다.
계속해서, 이 수지상 구조를 가지는 백금산화물촉매에 2%H2/He 분위기(1 atm)에서 120℃ 30 분간의 환원처리를 실시해서, PTFE 시트상에 수지상 구조의 백금촉매층을 얻었다. 또한, Nafion(상품명)의 현탁용액을 상기 PTFE 시트에 함침시킴으로써, 촉매의 표면에 유효하게 전해질 채널을 형성하고, 이에 의해 연료극측의 촉매층을 얻었다.
다음에, 상기 공정에 의해 제작한 산화제극측과 연료극측의 촉매층으로 고분자 전해질막(Dupont사제 Nafion 112(상품명))을 사이에 끼워서, 8Mpa, 150℃의 조 건하에서 1분간 핫 프레스를 실시했다.
그 후, PTFE 시트를 박리하여, 한 쌍의 촉매층을 고분자 전해질막에 전사함으로써, 전해질막과 한 쌍의 촉매층을 접합한 막전극 접합체(7)을 얻었다.
다음에, 본 실시예의 스택의 구성예에 대해서 설명한다.
본 실시예의 연료전지스택의 구성예는, 실시형태1의 연료전지스택에 있어서, 대표적인 재료와 수치를 이용하여 제작했을 경우에 대해서 설명한다.
이 대표적인 구성예는 도 1에 나타내는 8개의 연료전지유닛을 적층하고, 연료극측으로부터 연료전지유닛 No.1, No.2, No.3, No.4, No.5, No.6, No.7, 및 N8이라고 부른다.
여기서, 연료전지의 폭은 약 10mm, 길이는 약 30mm이다.
세퍼레이터(1)는 두께 약 0.5mm의 스텐레스스틸 시트표면에 금도금을 함으로써 얻었다.
세퍼레이터(1)에는, 연료극에 대응하는 부분을 깊이 약 0.2mm로 절삭해서 연료극실(10)을 형성했다. 상기 연료극실(10)에는 연료극측 가스확산층(9)으로서 카본 크로스(carbon cloth)를 배치했다.
카본 크로스로서는, E-TEK사의 LT 2500W(상품명)을 사용해서, 체결전의 두께를 약 0.4mm로 설정하고, 체결시에 약 0.3mm로 압축했다.
이에 의해, 체결시에 연료극실(10)에 포함되면서, 막전극 접합체(7)과 세퍼레이터(1)와의 사이에 접촉 저항을 낮추어서 집전성을 유지할 수 있다.
세퍼레이터(1)의 외주 가장자리에는 씰부재(8)를 배치하고, 연료극실(10)로 부터의 수소의 누설을 방지하기 위해, 체결시에 막전극 접합체(7)와 세퍼레이터(1)의 사이에 밀폐 공간을 형성했다.
씰부재(8)로서는, 두께 0.1mm, 폭 1mm의 바이톤(상품명:듀퐁사제)제 씰재를 사용했다.
산화제극 측에는, 산화제극측 가스확산층(5)으로서 두께 약 0.3mm의 카본 크로스(LT1200W(상품명):E-TEK사제)와 산화제유로형성부재(3)로서 발포금속을 배치했다.
발전시에 가장 고온이 되는 연료전지유닛 No.4 및 No.5에는 보수성이 뛰어난 두께 약 0.4mm의 카본 크로스(LT1200W(상품명):E-TEK사제)를 사용했다.
발포 금속으로서는, 니켈 및 크롬을 주성분으로 함유하는 강성의 높은 재료이며, 기공크기가 약 900㎛, 기공율이 약 90%의 것을 사용했다. 또, 상기 재료의 두께를 약 1.5mm로 설정했다.
발포 금속의 세퍼레이터(1)와 접촉하는 측에 미리, 도 2에 도시된 바와 같이, 공기 흡입 방향을 횡단하도록 4개의 폭 2.5mm, 깊이 0.45mm의 홈을 형성했다. 그 홈에 폴리이미드 섬유로 이루어진 흡수성 부재로서 폭 2.5mm로 절단한 암빅사제 액체확산 부직포 P타입을 배치했다.
이 때, 온도가 상대적으로 저온이 되는 스택의 양단부에 있어서의 연료전지유닛 No.1 및 No.8에 있어서는, 도 5에 도시된 바와 같이, 길이 14mm로 각각 절단한 4개의 흡수부재를 그 양단이 2mm 만큼 외부로 연장 되도록 배치했다.
또, 온도가 중간이 되는 연료전지유닛 No.2, No.3, No.6, 및 No.7에는, 그 양단부가 각각 연료전지유닛의 양측면과 동일 평면이 되도록, 길이 10mm로 각각 절단한 흡수부재를 외부로 연장하지 않고 4개 배치하였다.
다음에, 이들의 평가방법에 대해서 설명한다.
스택 구성에서 설명한 3종의 연료전지유닛 No.1, No.2, 및 No.4에 대해 각각 평가를 실시했다.
각 연료전지유닛 내에 히터를 도입해서, 40℃ 내지 65℃에 항온으로 하고, 기온 25℃, 상대습도 50%의 무풍 분위기에 있어서 블로어에 의한 흐름을 이용하지 않는 자연흡기에 의해, 전류밀도 400mA/cm2의 정전류 측정을 실시했다.
또, 3종의 연료전지유닛을 스택 구성에서 설명한 배치로 적층하여 연료전지스택을 제작해서 기온 25℃, 상대습도 50%의 무풍 분위기에 있어서 블로어에 의한 흐름을 이용하지 않는 자연 흡기에 의해, 전류 밀도 400mA/cm2의 정전류 측정을 실시했다.
(비교예)
본 발명의 실시예1의 연료전지스택과의 비교예로서, 실시예1의 연료전지에서 사용되는 전지구성에 있어서, 액체확산 부직포 P타입(암빅사 제품)을 설치하지 않은 연료전지유닛에 대해서, 동일한 막전극 접합체를 사용하여, 상기 평가방법과 같은 방법으로 평가를 실시했다.
여기서, 산화제극측의 가스 확산층으로서 실시예1에서 사용된 것과는 다른 카본 크로스(LT1200W(상품명):E-TEK사)를 사용했다.
이에 의해, 액체확산 부직포 Ｐ타입(암빅사 제품)의 유무 및 산화제극측 확산층의 종류에 의한 특성차이의 비교를 실시했다.
도 15는 여러 온도에 있어서의 각각의 전지유닛 구성의 단위전지 전압을 나타낸다.
또, 이 전지유닛 전압은, 400mA/cm2의 정전류 운전 4.5시간 경과후에 측정된 전압이다.
도 15에 도시된 바와 같이, 연료전지유닛 No.1은 저온에서 전압이 높고, 고온에서는 전압이 낮아졌다.
이에 대해서, 비교 예의 연료전지유닛은 저온에서 전압이 낮고, 고온에서 전압이 높다. 이 특성차이 중에서, 저온측의 특성차이는 생성수의 체류에 의해 플러딩이 발생했던 것에 기인하는 것으로 생각할 수 있다.
따라서, 각 연료전지유닛 내부의 체류수의 중량을 측정한 바, 연료전지유닛 No.1의 40℃에 있어서의 4.5시간 후의 생성수의 체류량이 108mg, 연료전지유닛 No.2의 40℃에 있어서의 4.5시간 후의 생성수의 체류량이 138mg이었다.
이에 대해서, 비교 예의 연료전지유닛에 있어서는 생성수의 체류량이 180mg이었다.
그 이유는, 액체확산 부직포 P타입(암빅사 제품)의 연료전지유닛의 외부로 노출하고 있는 면의 면적이 클수록, 생성수의 증산성이 높고, 이에 의해, 생성수의 배수성이 향상되어서 플러딩을 억제할 수 있기 때문이다.
또, 생성수가 보다 증산되기 쉽고, 드라이아웃 되기 쉬운 고온측에서는, 액체확산 부직포P타입(암빅사 제품)의 연료전지유닛의 외부로 노출하고 있는 면의 면적이 작은 전지유닛, 또는 액체확산 부직포P타입(암빅사 제품)을 배치하지 않은 연료전지유닛이 생성수의 유지능력이 높기 때문에 양호한 특성을 나타내고 있다.
도 16은, 각 온도에 있어서의 전해질막저항을 나타낸다.
일반적으로, 가습이 충분하면, 전해질막의 저항은 온도가 높을 수록 낮은 값을 나타낸다. 그 때문에, 어느 전지유닛의 구성에 있어서도, 비교적 저온측에서는 온도 상승과 함께 막저항이 감소된다. 그러나, 어떤 온도에서 막저항이 상승하기 시작한다. 이것은, 온도가 상승하여, 상대습도가 저하했기 때문에 막이 건조하게 된다는 것을 의미한다.
이 막저항이 상승하기 시작하는 포인트가 액체확산 부직포 P타입(암빅사 제품)의 연료전지유닛의 외부로 노출하고 있는 면의 면적이 클수록 낮은 온도측으로 시프트된다.
이것은, 전지유닛 온도가 높아지면, 배수성이 너무 높아져서, 보수성에 악영향을 끼쳐서, 특성이 열화되는 것을 의미한다.
도 17은, 실시예1의 연료전지유닛 No.4, 비교 예의 연료전지유닛, 및 도 8에 도시된 바와 같이, 액체확산 부직포 P타입(암빅사 제품)의 양단부가 발포 금속 단부의 측면의 내측에 위치된 별도로 제작한 연료전지유닛의 온도 65℃의 연료전지유닛에서의 정전류 특성의 비교를 나타낸다.
도 8에 도시된 바와 같이, 액체확산 부직포 P타입(암빅사 제품)의 양단부가 각각 발포 금속의 내측에 위치되는 연료전지유닛에서는, 액체확산 부직포 P타입(암빅사 제품)의 길이를 5mm로 설정하고, 그 양단부를 발포 금속의 측면보다 2.5mm 만큼 내측에 배치하고 있다.
산화제극측 가스 확산층으로서는, 두께 약 0.3mm의 카본 크로스(E-TEK사제, LT1200Ｗ)을 사용했다.
도 17에 도시되어 있는 바와 같이, 실시예1의 연료전지유닛 No.4의 고온에서의 특성은 비교예의 연료전지유닛의 고온에서의 특성에 비해 향상되었다. 이것은 가스 확산층의 보수성이 높기 때문인 것으로 생각된다.
또, 도 8에 도시된 바와 같은, 액체확산 부직포 P타입(암빅사 제품)의 양단부가 발포 금속의 측면의 내측에 위치된 연료전지유닛에서는, 마찬가지로 고온측의 특성이 향상되었다. 실시예1에 있어서는, 두께 약 0.4mm의 카본 크로스(E-TEK사, LT2500Ｗ)를 사용한 연료전지유닛이 보다 높은 특성을 나타냈기 때문에, 스택중에서 이러한 연료전지유닛을 중앙부가 되는 연료전지유닛 No.4 및 No.5로서 사용했다.
그러나, 이러한 구성 대신에, 두께 약 0.4mm의 카본 크로스(E-TEK사, LT2500W)을 사용한 전지유닛에 있어서, 액체확산 부직포 P타입(암빅사 제품)의 양단부가 발포 금속의 측면의 내측에 위치되어도 된다.
상기한 바와 같이, 비교 예의 연료전지유닛만을 사용한 구성에서는, 안정한 구동을 실시할 수 있는 온도의 범위가 55℃ 내지 60℃이다. 그러나, 상기와 같은 3종의 연료전지유닛을 바람직한 위치에 배치함으로써, 안정한 구동을 실시할 수 있 는 온도의 범위를 40℃ 내지 65℃로 확장하는 것이 가능해졌다.
이에 의해, 온도 분포를 가지는 연료전지스택에 있어서도 각 연료전지유닛이 높은 특성을 나타내는 것이 가능해진다.
상기 결과에 의거하여, 실시예1에서 설명한 구성을 가진 연료전지스택을 제작해서, 스위프 레이트(sweep rate) 0.1ｍA/s·cm2의 갈바노 다이나믹 측정 및, 400mA/cm2에서의 정전류 측정에 의해 특성을 평가했다. 또, 스택의 스페이서부분에 워터 쟈켓을 장착하고, 40℃의 냉각수를 흘려서 스택을 냉각하면서 측정을 실시했다.
도 18은, 스택방향을 수직방향으로 하여 스택을 수직으로 배치한 경우와 스택방향을 횡방향으로 하여 수평하게 배치한 경우의 갈바노다이나믹법에 의해 실시예1의 스택을 평가해서 얻어진 I-V곡선을 나타낸다.
수직 배치에 있어서의 특성은 수평방향에 있어서의 특성보다, 특히 고전류 밀도 영역에서 높은 것을 도 18로부터 알 수 있다.
이것은 자연 흡기로 공기를 도입하는 경우에서의 특유한 현상이다. 스택방향을 수직으로 하여 스택을 수직으로 배치한 경우에 공기의 대류가 좋고, 특히 고전류 밀도 영역에서의 특성이 향상한다.
이 때문에, 스택을 수직으로 배치한 상태에서 평가하는 것이 바람직하다. 수직 배치로 하는 경우, 연료전지유닛 No.1, 즉 스택의 연료극을 하부측으로 하여 배치하는 방법과 연료전지유닛 No.8, 즉 스택의 산화제극를 하부측으로 하여 배치하 는 방법이 있다.
도 19는 연료전지유닛 No.1을 하부측으로 하여 배치해서 정전류 측정을 실시했을 때의 각 연료전지유닛의 전압을 나타내고,도 20은 연료전지유닛 No.8을 하부측으로 하여 배치해서 정전류 측정을 실시했을 때의 각 연료전지유닛의 전압을 나타낸다.
도 19에서는 각 연료전지유닛의 전압에 큰 차이가 발생된 반면에, 도 20에서는 각 연료전지유닛이 서로 대략 동일한 특성을 나타냈다.
도 19에 도시된 바와 같이, 연료전지유닛 No.1을 하부측으로 하여 배치해서 측정했을 경우와 도 20에 도시된 바와 같이, 연료전지유닛 No.8을 하부측으로 하여배치해서 측정했을 경우를 비교하면, 도 19에 도시된 바와 같이, 특히, 최상부 연료전지유닛, 즉 연료전지유닛 No.8의 특성이 크게 저하되고 있다.
도 21은 각각의 배치 방법, 즉 연료전지유닛 No.8을 최상부 연료전지유닛으로서 사용한 경우 및 연료전지유닛 No.8을 최하부 연료전지유닛으로서 사용한 경우에 있어서의 연료전지유닛 No.8 만의 결과를 나타낸다.
연료전지유닛 No.8을 최상부에 배치했을 경우, 전해질막저항의 증대를 수반하지 않고 전압이 저하된다. 따라서, 이것은 플러딩에 의한 전압저하라고 생각할 수 있다. 이에 대해서, 연료전지유닛 No.8을 최하부 연료전지유닛으로 배치했을 경우에는, 상기 전압의 저하가 없거나 또는 적다.
양자의 차이는 스택의 배치 방향의 차이일 뿐이므로, 배치방향의 차이에 의해 상기 차이가 발생된 것으로 생각할 수 있다. 즉, 연료전지유닛 No.8을 최상부에 배치한 도 19에 도시된 경우에서는, 연료전지유닛 No.7 이하, 하부 연료전지유닛에서 생성되고, 배출된 수증기가 상승해서, 연료전지유닛 No.8의 외주의 습도가 상승한 것이라고 생각할 수 있다. 흡수섬유의 증산 및 배수 능력은 고습도 분위기하에서는 저하한다. 그 때문에, 연료전지유닛 No.8이 최상부 연료전지유닛에 배치되어 있는 도 19의 배치에서는 연료전지유닛 No.8의 배수성이 저하해서, 플러딩이 발생한 것이라고 생각할 수 있다.
이에 대해서, 도 20의 배치에서는, 연료전지유닛 No.8이 최하층 연료전지유닛에 배치되고, 따라서 외주의 습도가 상승하지 않고, 플러딩이 발생하지 않는 것이라고 생각할 수 있다.
다음에, 도22는 연료전지유닛 No.8을 최상부 연료전지유닛으로 하고 구동할 경우의 연료전지유닛 No.8의 전압거동, 및 연료전지유닛 No.1을 최상부 연료전지유닛으로 하고 스택을 구동할 경우의 연료전지유닛 No.1의 전압거동을 나타낸다.
즉, 가장 플러딩을 일으키기 쉬운 최상부에 연료전지유닛 No.1 및 연료전지유닛 No.8을 배치했을 경우의 연료전지유닛 No.1 및 연료전지유닛 No.8의 거동을 비교하는 것이다.
그 결과, 연료전지유닛 No.8을 최상부 연료전지유닛으로서 사용함으로써 플러딩에 의해 크게 특성이 저하되고 있다. 그러나, 연료전지유닛 No.1은 연료전지유닛 No.8 에 비해 큰 전압저하는 관측되지 않았다. 그 주요 요인은 구동시의 각 연료전지유닛의 온도에 있다고 생각할 수 있다.
도 23은, 정전류 구동시의 각 연료전지유닛의 산화제극(캐소드) 집전판의 온 도를 측정한 결과를 나타낸다.
연료전지유닛 No.8의 연료극(애노드) 집전판이 연료전지유닛 No.7의 산화제극(캐소드) 집전판을 겸하고 있는 것과 같이, 각 연료전지유닛의 집전판은 연료극(애노드) 집전판과 산화제극(캐소드) 집전판을 겸하고 있다.
물은 발전에 의해 산화제극(캐소드) 측에서 생성되고, 따라서, 산화제극(캐소드) 측의 온도가 플러딩 및 드라이아웃이 발생하는 지배적 요인이 된다.
따라서, 온도를 측정할 때는, 예를 들면, 연료전지유닛 No.8의 연료극(애노드)집전판 및 연료전지유닛 No.7의 산화제극(캐소드)집전판의 양자로 기능하는 집전판은, 연료전지유닛 No.7의 산화제극(캐소드) 집전판으로서 간주한다.
또, 연료전지유닛 No.1의 연료극(애노드)은 어느 연료전지유닛의 산화제극(캐소드)으로서 기능하지 않기 때문에, 연료전지유닛 No.1의 연료극(애노드)으로서 간주한다. 온도는 중앙부에 위치된 연료전지유닛을 향해서 상승하고, 상기 온도는 양단부에 위치된 연료전지유닛을 향해서 저하된다.
또, 그 온도 분포는 중앙 연료전지유닛에 대해서 대략 대칭이다.
이 이유는, 중앙 연료전지유닛에서는 열이 축적되어 온도가 상승하는 반면에, 단부 연료전지유닛은 방열하기 쉽기 때문에 저온이 되기 때문이다. 여기서, 양단부 연료전지유닛인 연료전지유닛 No.1과 연료전지유닛 No.8의 산화제극(캐소드) 집전판의 온도를 비교하면, 연료전지유닛 No.1의 산화제극(캐소드) 집전판의 온도가 높은 것을 알 수 있다.
이 이유는, 연료전지유닛 No.8의 산화제극(캐소드)은 스택의 단부에 배치되 어 있어서, 방열이 가속되는데; 반면에 연료전지유닛 No.1의 산화제극(캐소드)은 외부에 대하여 연료전지유닛 No.1의 연료극(애노드)을 끼워서 내측에 배치되어 있어서, 방열이 억제되기 때문이다.
그 때문에, 연료전지유닛이 양단부에 배치되어 있는 경우에도, 산화제극(캐소드) 집전판온도가 연료전지유닛 No.1에서 높아져서, 거기에서 플러딩이 발생되기 어려워진다.
그 때문에, 연료전지유닛 No.1가 최상부에 배치되는 도 20의 배치방법의 경우에도, 플러딩에 의한 큰 특성 저하는 확인되지 않았다.
또, 모든 연료전지유닛의 온도분포는 중앙 연료전지유닛인 연료전지유닛 No.4에서 최고가 되고, 단부 연료전지유닛인 연료전지유닛 No.8에서 최저가 되며, 온도 분포는 49.4℃ 내지 74.8℃이고, 온도차는 25℃이었다.
이러한 온도 분포가 있는 경우에도, 도 20에서 나타낸 바와 같이, 연료전지유닛 No.1을 최상부 연료전지유닛에 배치하는 배치 방법으로 구동함으로써, 각 연료전지유닛을 90분간 구동한 후의 전압분포는 0.632V 내지 0.66V로 설정할 수 있어서, 안정한 구동이 가능해지는 연료전지스택을 제공할 수 있다.
(실시예2)
본 실시예는, 실시예1의 스택의 최상부 연료전지유닛인, 연료전지유닛 No.8의 흡수 섬유를 연료전지유닛의 외부로 연장한 부분을 집전판 및 엔드 플레이트에 접촉시킨 예이다.
실시예1에서 설명한 바와 같이, 연료전지유닛 No.8을 최상부에 배치해서 스 택을 구동시켰을 경우에는, 연료전지유닛 No.8의 주위의 습도가 상승해서, 흡수 섬유의 증산 및 배수성이 저하한다. 그 결과, 플러딩에 의해 크게 전압이 저하된다.
본 실시예에서는, 연료전지유닛 No.8의 외부에 연장된 흡수 섬유에 집전판 및 엔드 플레이트의 열을 공급함으로써, 고습도 분위기하에서도 증산 및 배수를 촉진해서, 플러딩을 억제한다.
스택의 구성 부재, 치수 등은 실시예1과 동일하지만, 연료전지유닛 No.8의 흡수 섬유의 배치 방법에 있어서만, 실시형태6의 도 14에 도시된 바와 같이 연장부분을 집전체 및 엔드 플레이트에 접촉시켰다.
기온 25℃, 상대습도 50%의 무풍 분위기에 있어서 블로어에 의한 플로우를 이용하지 않는 자연 흡기의 평가조건하에서, 전류밀도 400mA/cm의 정전류 측정을 실시했다.
스택의 배치 방향은 연료전지유닛 No.8을 최상부에 배치되도록 설정하고, 냉각 온도는 35℃로 했다.
가장 플러딩 하기 쉬운 최상부 연료전지유닛인 실시예2의 연료전지유닛 No.8을 실시예1의 것과 비교하였다. 그 결과, 실시예1에서는, 플러딩에 의해 크게 전압이 저하하고, 최대 전압에 비해 구동 개시 90분 후의 전압은 0.341V 만큼 저하되었다.
이에 대해서, 실시예2에서는, 전압저하가 0.183V이었다.
이 이유는, 흡수 섬유에 스택의 열을 공급함으로써, 고습도 분위기하에서도 증산성 및 배수성이 향상해서, 플러딩이 억제되었기 때문이다.
이에 의해, 스택 전체의 전압저하도 실시예1에서는 0.873V인 것에 대해, 실시예2에서는 0.723V로 저감되었다.
본 발명을 전형적인 실시예를 참조하면서 설명하였지만, 본 발명은 상기 개시된 전형적인 실시예로 한정되지 않는 것으로 이해되어야 한다. 이하 특허 청구범위는 이러한 모든 변경과 등가의 구성 및 기능을 망라하도록 최광의로 해석되어야 한다.
도1은 본 발명의 실시형태에 따른 연료전지스택을 구성하는 연료전지유닛의 구성을 설명하기 위한 모식적 분해 사시도;
도 2는 본 발명의 실시형태에 따른 연료전지유닛에 사용하는, 세퍼레이터와의 접촉측에 홈을 형성한 산화제유로 형성부재의 모식적 사시도;
도 3은 본 발명의 실시형태에 따른의 연료전지유닛에 사용하는, 홈을 형성하지 않은 산화제유로 형성부재의 모식적 사시도;
도 4는 본 발명의 실시형태에 따른 연료전지유닛에 사용하는, 세퍼레이터와의 접촉측에 홈을 형성하고, 또한 홈의 양단부를 잘라낸 산화제유로 형성부재의 모식적 사시도;
도 5는 본 발명의 실시형태에 따른, 도 2에 도시된 산화제유로형성부재에 흡수성 부재의 양단부가 산화제유로형성부재의 측단부의 외측으로 연장하도록 흡수성부재가 배치된 산화제유로 형성재료 및 흡수성 부재의 모식적 사시도;
도 6은 본 발명의 실시형태에 따른, 도 2에 도시된 산화제유로형성부재에 흡수성 부재의 양단면이 각각 산화제유로형성부재의 측면과 동일 평면이 되도록 흡수성부재가 배치된 산화제유로 형성부재 및 흡수성 부재의 모식적 사시도;
도 7은 본 발명의 실시형태에 따른, 도 4에 도시된 산화제유로형성부재에 흡수성 부재의 양단면이 각각 산화제유로형성부재의 측면과 동일 평면이 되도록 흡수성부재가 배치된 산화제유로 형성부재 및 흡수성 부재의 모식적 사시도;
도 8은 본 발명의 실시형태에 따른, 도 2에 도시된 산화제유로형성부재에 흡 수성 부재의 양단부가 각각 산화제 유로형성 부재의 측면의 내측에 위치되도록 배치된 산화제유로 형성부재 및 흡수성 부재의 모식적 사시도;
도 9는 본 발명의 실시형태1에 따른 연료전지스택의 구성을 설명하는 모식적 단면도;
도 10은 본 발명의 실시형태2에 따른 연료전지스택의 구성을 설명하는 모식적 단면도;
도 11은 본 발명의 실시형태3에 따른 연료전지스택의 구성을 설명하는 모식적 단면도;
도 12는 본 발명의 실시형태4에 따른 연료전지스택의 구성을 설명하는 모식적 단면도;
도 13은 본 발명의 실시형태5에 따른 연료전지스택의 구성을 설명하는 모식적 단면도;
도 14는 본 발명의 실시형태6에 따른 연료전지스택의 모식적 단면도;
도 15는 실시예 및 비교예에 따른 연료전지유닛의 온도와 연료전지유닛의 전압간의 관계를 나타내는 그래프;
도 16은 실시예 및 비교예에 따른 연료전지유닛 온도와 전해질막 저항 간의 관계를 나타내는 그래프;
도 17은 실시예 및 비교예에 따른 복수의 연료전지유닛 중 65℃의 연료전지유닛온도에 있어서의 정전류 특성의 평가결과를 나타내는 그래프;
도 18은 실시예1에서 제작된 연료전지스택의 Ｉ-V특성을 나타내는 그래프;
도 19는 실시예1에서 제작된 연료전지스택의 연료전지유닛 No.8을 최상부 연료전지유닛으로서 배치한 경우에 측정된, 정전류측정에 있어서의 각 연료전지유닛의 전압을 나타내는 그래프;
도 20은 실시예1에서 제작된 연료전지스택의 연료전지유닛 No.1을 최상부 연료전지유닛으로서 배치한 경우에 측정한, 정전류 측정에 있어서의 각 연료전지유닛의 전압을 나타내는 그래프;
도 21은 실시예1에서 제작된 연료전지스택의 연료전지유닛 No.8을 최상부 연료전지유닛 및 최하부 연료전지유닛으로서 배치한 경우에 측정된, 정전류 측정에 있어서의 연료전지유닛 No.8의 전지 전압을 나타내는 그래프;
도 22는 실시예1에서 제작된 연료전지스택의 연료전지유닛 No.1을 최상부 연료전지유닛으로서 배치한 경우에 측정한, 정전류 측정에 있어서의 연료전지유닛 No.1의 전지 전압과 연료전지유닛 No.8을 최상부 연료전지유닛으로서 배치한 경우에 측정한 정전류 측정에 있어서의 연료전지유닛 No.8의 전지 전압을 나타내는 그래프;
도 23은 실시예1에서 제작된 연료전지스택의 정전류 구동 중의 온도분포를 나타내는 그래프.
[주요부분에 대한 도면부호의 설명]
1: 세퍼레이터 2: 흡수성부재
3: 산화제유로형성부재 4: 구조유지부재
5: 산화제극측 가스확산층 6: 지지 부재
7: 막전극 접합체 8: 씰재
9: 연료극측 가스확산층 10: 연료극실

Claims (10)

  1. 고분자 전해질막의 양측에 연료극과 산화제극이 배치된 막전극 접합체;
    상기 막전극 접합체의 상기 산화제극 측에 배치되어 산화제를 공급하는 개구부를 구비한 산화제유로형성부재; 및
    상기 산화제유로형성부재의 상기 산화제극에 접촉하는 면과 대향하는 면에 접촉해서 배치된 세퍼레이터
    를 가지는 연료전지유닛을 복수 적층해서 구성된 연료전지스택으로서,
    상기 연료전지스택을 구성하는 복수의 연료전지유닛에 있어서의 적어도 하나의 연료전지유닛이 상기 산화제유로형성부재와 상기 세퍼레이터가 접촉하는 부분에 대기에 노출한 면을 구비한 흡수성 부재를 가지고,
    상기 연료전지스택을 구성하는 복수의 연료전지유닛 중에서 상대적으로 저온이 되는 연료전지유닛의 상기 흡수성 부재의 대기에 노출된 각 면의 면적이, 상대적으로 고온이 되는 연료전지유닛의 상기 흡수성 부재의 대기에 노출된 각 면의 면적보다 큰 면적으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지스택.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지스택의 양단에 위치된 연료전지유닛의 각각은, 상기 흡수성 부재의 대기에 노출된 면의 면적이 해당 연료전지스택의 내측에 위치된 연료전지유닛의 흡수성 부재의 대기에 노출된 각 면의 면적보다 큰 것을 특징으로 하는 연료전 지스택.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 대기에 노출된 면의 면적간의 차이는, 상기 흡수성 부재의 양단부가 상기 산화제유로형성부재의 상기 개구부로부터 외측으로 돌출한 부분의 면적간의 차이에 대응하는 것을 특징으로 하는 연료전지스택.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 대기에 노출된 면의 면적간의 크기의 차이는, 상기 흡수성 부재의 양단부가 상기 세퍼레이터와 접촉하는 부분에서의 상기 산화제유로형성부재로부터 상기 대기에 노출된 부분의 면적간의 차이에 해당하는 것을 특징으로 하는 연료전지스택.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지스택의 가장 내측에 위치된 연료전지유닛 중의 적어도 하나는, 상기 흡수성 부재가 상기 산화제유로형성부재에 있어서의 상기 개구부측의 양단부로부터 내측에 설치된 연료전지유닛에 의해 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지스택.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지스택의 가장 내측에 위치된 연료전지유닛 중의 적어도 하나는, 상기 흡수성 부재가 설치되지 않은 연료전지유닛에 의해 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지스택.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 산화제유로형성부재가, 발포 금속으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지스택.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 흡수성 부재는, 온도 25℃, 상대습도 50%의 분위기에 있어서의 해당 흡수성 부재에 흡수 된 물 가운데, 1시간에 증산되는 물의 비율인 건조율이 80%이상이며,
    단부를 물에 담그었을 때의 10 초내에 물을 빨아 올리는 높이가 40mm 이상인 섬유로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지스택.
  9. 제1항에 있어서,
    중력 방향 최상부의 연료전지유닛에 배치된 상기 흡수성 부재가 연료전지유닛의 외부에 노출되어 외부 온도보다 고온으로 된 스택구성부재와 접촉하는 것을 특징으로 하는 연료전지스택.
  10. 고분자 전해질막의 양측에 연료극과 산화제극이 배치된 막전극 접합체;
    상기 막전극 접합체의 상기 산화제극 측에 배치되어 산화제를 공급하는 개구부를 구비한 산화제 유로 형성 부재; 및
    상기 산화제 유로 형성 부재의 상기 산화제극에 접하는 면과 대향하는 면에 접해서 배치된 세퍼레이터
    를 각각 가지는 연료전지유닛을 복수 적층해서 구성된 연료전지스택으로서,
    상기 연료전지스택을 구성하는 복수의 연료전지유닛 중의 적어도 하나의 연료 전지유닛이, 상기 산화제유로형성부재와 상기 세퍼레이터가 서로 접촉하는 부분에, 대기에 노출된 면을 구비한 흡수성 부재를 가지고,
    상기 연료전지스택을 구성하는 복수의 연료전지유닛 중에서 연료전지스택의 양단에 위치된 연료전지 유닛의 각각은, 상기 연료전지스택을 구성하는 복수의 연료전지유닛 중에서 연료전지스택의 내측에 위치된 연료전지유닛보다 큰, 상기 흡수성 부재에 있어서의 대기에 노출된 각 면의 면적을 가지는 것을 특징으로 하는 연료전지스택.
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Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2041820B1 (en) * 2006-02-03 2012-06-13 Canon Kabushiki Kaisha Fuel cell
JP4950505B2 (ja) * 2006-02-13 2012-06-13 キヤノン株式会社 燃料電池スタック
US8076038B2 (en) * 2009-03-31 2011-12-13 American Air Liquide, Inc. Fuel cell with vertical displacement
KR102371046B1 (ko) * 2016-07-15 2022-03-07 현대자동차주식회사 연료전지용 엔드셀 히터
DE102018216101A1 (de) * 2018-09-21 2020-03-26 Robert Bosch Gmbh Verfahren zu einer Herstellung einer metallgestützten Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseureinheit
CN111952632B (zh) * 2020-08-21 2021-07-09 清华大学 一种高燃料利用率内级联固体氧化物燃料电池堆

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20020074451A (ko) * 1999-11-18 2002-09-30 프로톤 에너지 시스템즈, 인코포레이티드 높은 압력 차이 전기화학 전지
JP2005353605A (ja) 2005-07-19 2005-12-22 Nec Corp 燃料電池およびその燃料電池を搭載した携帯型電気機器
JP2007234353A (ja) 2006-02-28 2007-09-13 Equos Research Co Ltd 燃料電池のセル及びスタック
JP2007234590A (ja) 2006-02-03 2007-09-13 Canon Inc 燃料電池セル、および燃料電池

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000251910A (ja) * 1999-03-02 2000-09-14 Sanyo Electric Co Ltd 固体高分子電解質型燃料電池
AU2002313281A1 (en) 2001-12-28 2003-07-24 Canon Kabushiki Kaisha Fuel cell and electric apparatus
JP4185734B2 (ja) * 2002-08-23 2008-11-26 本田技研工業株式会社 燃料電池スタック
JP2004165002A (ja) * 2002-11-13 2004-06-10 Nec Corp 燃料電池および燃料電池の運転方法、ならびにその燃料電池を搭載した携帯型電気機器
JP4645007B2 (ja) 2003-04-09 2011-03-09 ソニー株式会社 燃料電池
JP2006526271A (ja) * 2003-05-15 2006-11-16 日産自動車株式会社 燃料電池システム
JP4907894B2 (ja) 2004-04-27 2012-04-04 パナソニック株式会社 燃料電池スタック
US7745063B2 (en) 2004-04-27 2010-06-29 Panasonic Corporation Fuel cell stack
JP2006228501A (ja) * 2005-02-16 2006-08-31 Nec Tokin Corp 固体高分子型燃料電池
US20070148531A1 (en) 2005-12-22 2007-06-28 Canon Kabushiki Kaisha Catalyst electrode, production process thereof, and polymer electrolyte fuel cell
EP2041820B1 (en) 2006-02-03 2012-06-13 Canon Kabushiki Kaisha Fuel cell
JP4950505B2 (ja) 2006-02-13 2012-06-13 キヤノン株式会社 燃料電池スタック
JP2007294199A (ja) 2006-04-24 2007-11-08 Canon Inc 燃料電池
US7931991B2 (en) 2006-12-26 2011-04-26 Canon Kabushiki Kaisha Fuel cell
US20080187816A1 (en) * 2007-02-06 2008-08-07 Canon Kabushiki Kaisha Fuel cell unit and fuel cell

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20020074451A (ko) * 1999-11-18 2002-09-30 프로톤 에너지 시스템즈, 인코포레이티드 높은 압력 차이 전기화학 전지
JP2005353605A (ja) 2005-07-19 2005-12-22 Nec Corp 燃料電池およびその燃料電池を搭載した携帯型電気機器
JP2007234590A (ja) 2006-02-03 2007-09-13 Canon Inc 燃料電池セル、および燃料電池
JP2007234353A (ja) 2006-02-28 2007-09-13 Equos Research Co Ltd 燃料電池のセル及びスタック

Also Published As

Publication number Publication date
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