KR101347770B1

KR101347770B1 - 연료전지

Info

Publication number: KR101347770B1
Application number: KR1020127013198A
Authority: KR
Inventors: 유지 이시카와
Original assignee: 도요타 지도샤（주）
Priority date: 2011-02-21
Filing date: 2011-02-21
Publication date: 2014-01-03
Also published as: KR20120132466A; EP2680354B1; WO2012114432A1; CN102782918A; JPWO2012114432A1; EP2680354A1; JP5408263B2; CN102782918B; US20130052551A1; EP2680354A4

Abstract

연료전지 셀은, MEA(10)와, 애노드측 가스 확산층(12)과, 캐소드측 가스 확산층(14)과, 애노드측 가스 유로(16)와, 캐소드측 가스 유로(18)와, 세퍼레이터(20, 22)를 구비한다. 애노드측 가스 유로(16)와 캐소드측 가스 유로(18)는 대향 유로이고，모두 가스 유로의 상류로부터 하류를 향하여 가스 유로를 구성하는 익스팬드 메탈 등의 금속 다공체의 가스 확산층과의 접촉 면적 또는 접촉률이 작아지도록 설정된다. 접촉 면적 또는 접촉률의 상이에 의해 애노드측 가스 유로(16)와 캐소드측 가스 유로(18) 사이에서 생성수의 이동이 생긴다.

Description

연료전지{FUEL CELL}

본 발명은 연료전지, 특히 가스 유로의 구성에 관한 것이다.

고체고분자형 연료전지는, 고체고분자막으로 이루어지는 전해질막을 연료극과 공기극의 2매의 전극으로 끼운 막전극 접합체(MEA : Membrane Electrode Assembly)를, 추가로 2매의 세퍼레이터로 협지하여 이루어지는 셀을 최소 단위로 하고, 이 셀을 복수 겹쳐 쌓아서 연료전지 스택으로서 고출력을 얻고 있다.

고체고분자형 연료전지의 발전의 구조는 주지되어 있지만, 간단히 설명하면, 연료극(애노드측 전극)에 연료가스로서 예를 들면 수소 가스가, 공기극(캐소드측 전극)에 산화제 가스로서 예를 들면 공기가 공급된다. 수소 가스는, 연료가스 유로를 통과하여 애노드측 전극에 공급되고, 전극의 촉매의 작용에 의해 전자와 수소 이온으로 분해된다. 전자는 외부 회로를 통과하여 캐소드측 전극으로 이동한다. 한편, 수소 이온은 전해질막을 통과하여 캐소드 전극에 도달하고, 산소 및 외부 회로를 통과해 온 전자와 결합하여, 반응수가 된다. 수소와 산소 및 전자의 결합 반응에 의해 발생하는 열은, 냉각수에 의해 회수된다. 캐소드 전극측에 생성된 물(이하 「생성수」라고 한다)은, 캐소드측으로부터 배출된다.

상기 서술한 연료전지의 애노드 전극 및 캐소드 전극은, 각각 촉매층으로 이루어지고, 이 촉매층에는 각각 연료가스, 산화제 가스를 확산하기 위한 가스 확산층이 적층되어 있다.

그런데, 상기 서술한 반응에 의해 생긴 생성수의 배출이 캐소드측에서 정체된 경우, 캐소드 전극에 폐색 현상(플러딩)이 생기는 경우가 있다.

그래서, 가스 확산층을, 탄소 섬유로 이루어지는 층과 발수층으로 구성하고, 발수층에 의해 생성수의 배수를 촉진하고 있다. 막전극 접합체(MEA)와 가스 확산층이 일체가 된 구성을, 막전극 가스 확산층 접합체(MEGA)라고 칭하는 경우도 있다.

특허문헌 1에는, 연료전지 셀을 발전부와 세퍼레이터로 구성하고, 세퍼레이터의 표면에 가스 유로를 형성하여, 반응 가스를 연료극과 산소극에 공급하는 구성에 있어서, 세퍼레이터의 배면에 액체 통로를 형성하고, 액체 통로를 흐르는 온도 조정수에 의해 발전부의 열을 빼앗는 구성이 개시되어 있다. 그리고, 유체 통로의 홈 폭을 가스 유로의 하류측일수록 좁고 상류측일수록 넓게 설정하고, 발전부의 열을 가스 하류측일수록 적게 상류측일수록 많이 빼앗는 구성으로 하여, 가스 하류측의 온도를 상대적으로 높게 하여 발전부의 플러딩을 억제하고, 가스 상류측의 온도를 상대적으로 낮게 하여 발전부의 드라이업(저습도 상태)을 억제한다고 하고 있다.

일본 특허공개 제2008-140640호 공보

드라이업이 생기면, 전해질막의 프로톤 전도성이 저하하여 발전 효율이 저하되기 때문에, 가스 상류측에 있어서의 드라이업을 억제할 필요가 있다. 그러나, 액체 통로의 홈 폭을 가스 유로의 상류측에 있어서 상대적으로 넓게 한 경우, 세퍼레이터 표면의 가스 유로와 세퍼레이터 이면의 홈은 표리의 관계에 있기 때문에, 생성수를 배수하기 위한 유로는 반대로 좁아져서 배수성이 저하될 우려가 있다.

따라서, 연료전지에 있어서, 배수성을 확보하여 플러딩을 억제함과 동시에, 가스 상류측에 있어서의 드라이업을 확실하게 방지할 수 있는 구조가 요망되고 있다.

본 발명은, 연료전지로서, 애노드측 가스 확산층에 접하고, 상기 애노드측 가스 확산층에 연료가스를 공급하는 애노드측 가스 유로와, 캐소드측 가스 확산층에 접하고, 상기 캐소드측 가스 확산층에 산화제 가스를 공급하는 캐소드측 가스 유로를 구비하고, 상기 애노드측 가스 유로와 상기 캐소드측 가스 유로는, 가스가 흐르는 방향이 서로 역방향인 대향 유로이고, 상기 애노드측 가스 유로를 구성하는 금속 부재의 상기 애노드측 가스 확산층과의 접촉 면적 또는 접촉률은, 상기 애노드측 가스 유로의 상류로부터 하류를 향하여 작게 설정되고, 상기 캐소드측 가스 유로를 구성하는 금속 부재의 상기 캐소드측 가스 확산층과의 접촉 면적 또는 접촉률은, 상기 캐소드측 가스 유로의 상류로부터 하류를 향하여 작게 설정되고, 상기 캐소드측 가스 유로의 하류에 있어서, 상기 캐소드측 가스 유로를 구성하는 금속 부재의 접촉 면적 또는 접촉률은, 상기 애노드측 가스 유로를 구성하는 금속 부재의 접촉 면적 또는 접촉률보다 상대적으로 작게 설정되고, 상기 캐소드측 가스 유로의 상류에 있어서, 상기 애노드측 가스 유로를 구성하는 금속 부재의 접촉 면적 또는 접촉률은, 상기 캐소드측 가스 유로를 구성하는 금속 부재의 접촉 면적 또는 접촉률보다 상대적으로 작게 설정되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 1개의 실시 형태에서는, 적어도 상기 캐소드측 가스 유로를 구성하는 금속 부재는, 금속 다공체이다.

또, 본 발명의 다른 실시 형태에서는, 상기 캐소드측 가스 유로를 구성하는 금속 부재 및 상기 애노드측 가스 유로를 구성하는 금속 부재는, 금속 다공체이다.

또, 본 발명의 다른 실시 형태에서는, 상기 캐소드측 가스 유로를 구성하는 금속 부재는, 금속 다공체이고, 상기 애노드측 가스 유로를 구성하는 금속 부재는, 리브이다.

또, 본 발명의 다른 실시 형태에서는, 상기 금속 다공체는, 익스팬드 메탈이다.

또, 본 발명의 다른 실시 형태에서는, 상기 캐소드측 가스 유로를 구성하는 금속 다공체의 접촉 면적 또는 접촉률은, 상기 캐소드측 가스 유로의 상류, 중류, 하류의 3개의 부분의 각각에 있어서 일정함과 함께, 하류는 중류보다 작게 설정되고, 또한, 중류는 상류보다 작게 설정된다.

또, 본 발명의 다른 실시 형태에서는, 캐소드측에서 생성된 물은, 상기 캐소드측 가스 유로의 하류에 있어서 상기 캐소드측 가스 유로로부터 상기 애노드측 가스 유로로 이동하고, 또한, 상기 애노드측 가스 유로의 하류에 있어서 상기 애노드측 가스 유로로부터 상기 캐소드측 가스 유로로 이동하며, 외부로부터의 가습이 없는 무가습 상태로 운전된다.

본 발명에 의하면, 연료전지에 있어서, 배수성을 확보하여 플러딩이 억제됨과 동시에 드라이업이 억제된다. 이 결과, 연료전지의 발전 효율이 향상된다.

도 1은 제1 실시 형태의 연료전지 셀의 단면 구성도이다.
도 2는 제1 실시 형태에 있어서의 애노드측 가스 유로와 캐소드측 가스 유로의 접촉 면적의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 3은 익스팬드 메탈의 외관 사시도이다.
도 4는 제1 실시 형태에 있어서의 생성수의 순환을 나타내는 설명도이다.
도 5는 제1 실시 형태에 있어서의 익스팬드 메탈의 유로 설명도이다.
도 6은 셀 면 내 방향의 수분량 분포를 나타내는 그래프이다.
도 7은 온도와 셀 전압의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 8은 제2 실시 형태에 있어서의 애노드측 가스 유로와 캐소드측 가스 유로의 접촉 면적의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 9는 제3 실시 형태의 연료전지 셀의 단면 구성도이다.
도 10은 제3 실시 형태에 있어서의 생성수의 순환을 나타내는 설명도이다.

이하, 도면에 의거하여 본 발명의 실시 형태에 대하여 설명한다. 또한, 이하의 실시 형태는 단지 예시이고, 본 발명은 이하의 실시 형태에 한정되는 것은 아니다.

1. 기본 원리

먼저, 본 실시 형태의 기본 원리에 대하여 설명한다.

연료전지에 있어서는, 발전에 수반하여 열과 생성수가 발생하고, 캐소드측에 있어서 생긴 생성수 캐소드측 가스 유로 내에서 공기 등의 산화제 가스에 압출되어, 가스 유로의 상류측으로부터 하류측으로 흐른다. 따라서, 가스 상류측에서는 드라이업이 되기 쉽고, 가스 하류측에서는 플러딩이 되기 쉽다.

가스 상류측에서의 드라이업을 방지하기 위해서는, 산화제 가스를 가습기 등으로 외부로부터 가습한 후에 연료전지 셀에 공급하는 것도 생각할 수 있지만, 별도로, 가습기가 필요하게 되기 때문에 비용 증가를 초래한다. 따라서, 가습하지 않고 드라이업을 억제할 수 있고, 또한, 플러딩을 억제할 수 있는 것이 바람직하다.

그래서, 본 실시 형태에서는, 애노드측 가스 유로와 캐소드측 가스 유로를, 서로 흐름의 방향이 역방향이 되는 것과 같은 대향 유로로 설정하고, MEA를 통해 애노드측 가스 유로의 상류측과 캐소드측 가스 유로의 하류측이 대향하며, 또한, 애노드측 가스 유로의 하류측과 캐소드측 가스 유로의 상류측이 대향하도록 설정한다.

그리고, 애노드측 가스 유로의 상류측과 캐소드측 가스 유로의 하류측이 MEA를 통해 대향하는 영역에 있어서, 캐소드측 가스 유로의 하류측의 온도를, 애노드측 가스 유로의 상류측의 온도보다 상대적으로 높게 한다. 또, 애노드측 가스 유로의 하류측과 캐소드측 가스 유로의 상류측이 MEA를 통해 대향하는 영역에 있어서, 애노드측 가스 유로의 하류측의 온도를, 캐소드측 가스 유로의 상류측의 온도보다 상대적으로 높게 한다.

캐소드측 가스 유로에 있어서, 생성수는 공기 등의 산화제 가스에 압출되어 하류측으로 흐르지만, 캐소드측 가스 유로의 하류측의 온도는, 애노드측 가스 유로의 상류측의 온도보다 높기 때문에, 캐소드측 가스 유로의 하류측으로 흘려보내진 생성수는, 상대적으로 온도가 낮은 애노드측 가스 유로의 상류측으로 MEA를 통해 이동한다. 그리고, 애노드측 가스 유로의 상류측으로 이동한 생성수는, 애노드측 가스 유로에 있어서 수소 가스 등의 연료가스에 압축되어 애노드측 가스 유로의 하류측으로 흐른다.

애노드측 가스 유로의 하류측의 온도는, 캐소드측 가스 유로의 상류측보다 높기 때문에, 애노드측 가스 유로의 하류측으로 흘려보내진 생성수는, 상대적으로 온도가 낮은 캐소드측 가스 유로의 상류측으로 MEA를 통해 이동한다.

결과적으로, 캐소드측에서 생긴 생성수는, 캐소드측 가스 유로의 상류측→캐소드측 가스 유로의 하류측→애노드측 가스 유로의 상류측→애노드측 가스 유로의 하류측→캐소드측 가스 유로의 상류측으로 이동하여, 캐소드측 가스 유로 안과 애노드측 가스 유로 안을 순환하게 되기 때문에, 캐소드측 가스 유로의 하류측에 있어서의 플러딩이 억제됨과 함께, 캐소드측 가스 유로의 상류측에 있어서의 드라이업이 억제된다.

애노드측 가스 유로의 상류측과 캐소드측 가스 유로의 하류측이 대향하는 영역에 있어서, 캐소드측 가스 유로의 하류측의 온도를 애노드측 가스 유로의 상류측의 온도보다 상대적으로 높게 하기 위해서는, 애노드측 가스 유로의 상류측의 냉각 성능(혹은 방열 특성)을 캐소드측 가스 유로의 하류측보다 상대적으로 크게 하면 되고, 구체적으로는, 냉각은 가스 유로를 구성하는 금속 부재와 MEA의 접촉에 의한 열전도로 생기기 때문에, 애노드측 가스 유로의 상류측에 있어서의 금속 부재와 MEA의 접촉 면적(더 특정적으로는, 금속 부재와 가스 확산층의 접촉 면적)을, 캐소드측 가스 유로의 하류측보다 상대적으로 크게 하면 된다.

이것에 의해, 애노드측 가스 유로의 상류측에 있어서는, 더 많은 열이 금속 부재에 의해 빼앗기기 때문에, 캐소드측 가스 유로의 하류측보다 상대적으로 온도가 낮아진다.

또, 애노드측 가스 유로의 하류측과 캐소드측 가스 유로의 상류측이 대향하는 영역에 있어서, 애노드측 가스 유로의 하류측의 온도를 캐소드측 가스 유로의 상류측의 온도보다 상대적으로 높게 하기 위해서는, 캐소드측 가스 유로의 상류측의 냉각 성능(방열 특성)을 애노드측 가스 유로의 하류측보다 상대적으로 크게 하면 되고, 구체적으로는, 캐소드측 가스 유로의 상류측에 있어서의 금속 부재와 MEA의 접촉 면적을, 애노드측 가스 유로의 하류측보다 상대적으로 크게 하면 된다.

이것에 의해, 캐소드측 가스 유로의 상류측에 있어서는, 더 많은 열이 금속 부재에 의해 빼앗기기 때문에, 애노드측 가스 유로의 하류측보다 상대적으로 온도가 낮아진다.

캐소드측 가스 유로에 착목하면, 캐소드측 가스 유로의 상류측에 있어서는 냉각 성능을 크게 하고, 캐소드측 가스 유로의 하류측에 있어서 냉각 성능을 작게 하기 때문에, 캐소드측 가스 유로에 있어서, 상류로부터 하류를 향하여 냉각 성능은 작아진다. 바꿔 말하면, 캐소드측 가스 유로에 있어서, 상류로부터 하류를 향하여 캐소드측 가스 유로를 구성하는 금속 부재의 캐소드측 가스 확산층과의 접촉 면적은 작아진다.

또, 애노드측 가스 유로에 착목하면, 애노드측 가스 유로의 상류측에 있어서는 냉각 성능을 크게, 애노드측 가스 유로의 하류측에 있어서 냉각 성능을 작게 하기 때문에, 애노드측 가스 유로에 있어서, 상류로부터 하류를 향하여 냉각 성능은 작아진다. 바꿔 말하면, 애노드측 가스 유로에 있어서, 상류로부터 하류를 향하여 애노드측 가스 유로를 구성하는 금속 부재의 애노드측 가스 확산층과의 접촉 면적은 작아진다.

이상과 같은 원리에 의해, 생성수를 반응 가스 유로 내에서 순환시켜, 플러딩 및 드라이업이 동시에 억제된다. 또, 본 실시 형태에서는, 생성수를 순환시켜서 드라이업을 억제하기 때문에, 반응 가스의 가습이 불필요하게 되어, 비용 저감이 도모된다.

다음으로, 본 실시 형태에 대하여, 더 구체적으로 설명한다.

2. 제1 실시 형태

도 1에, 본 실시 형태에 있어서의 연료전지 셀의 단면 구성도를 나타낸다. 연료전지 셀은, 고체고분자막으로 이루어지는 전해질막을 연료극과 공기극의 2매의 전극으로 끼운 막전극 접합체(MEA)(10)와, 애노드측 가스 확산층(12)과, 캐소드측 가스 확산층(14)과, 애노드측 가스 확산층(12)에 접하여 형성되는 애노드측 가스 유로(16)와, 캐소드측 가스 확산층(14)에 접하여 형성되는 캐소드측 가스 유로(18)와, 세퍼레이터(20, 22)를 포함하여 구성된다.

애노드측 가스 유로(16) 및 캐소드측 가스 유로(18)는，모두 금속 부재로서의 익스팬드 메탈로 구성되고, 애노드측 가스 유로(16)에는 연료가스로서 수소 가스가 공급되며, 캐소드측 가스 유로(18)에는 산화제 가스로서 공기가 공급된다.

애노드측 가스 유로(16)와 캐소드측 가스 유로(18)는, 서로 대향하는 유로이다. 즉, 애노드측 가스 유로(16)에 있어서의 수소 가스의 유로와, 캐소드측 가스 유로(18)에 있어서의 공기의 유로는, 서로 역방향이다. 예를 들면, 도면에 나타내는 바와 같이, 애노드측 가스 유로(16)에 있어서 수소 가스는 도면 중 왼쪽에서 오른쪽을 향하여 흐르는 한편, 캐소드측 가스 유로(18)에 있어서 공기는 도면 중 오른쪽에서 왼쪽을 향하여 흐른다. 2개의 유로가 서로 대향하기 때문에, 애노드 가스 유로(16)의 상류는, MEA(10)를 사이에 두고 캐소드측 가스 유로(18)의 하류에 대향하고, 애노드측 가스 유로(16)의 하류는, MEA(10)를 사이에 두고 캐소드측 가스 유로(18)의 상류에 대향한다. 도면에 입각하여 설명하면, 도면 중 A 영역은 애노드측 가스 유로(16)의 상류임과 함께 캐소드측 가스 유로(18)의 하류에 상당하고, 도면 중 B 영역은 애노드측 가스 유로(16)의 하류임과 함께 캐소드측 가스 유로(18)의 상류에 상당한다.

이미 서술한 바와 같이, 수소 가스는, 애노드측 가스 유로(16)를 통과하여 애노드측 전극에 공급되고, 전극의 촉매 작용에 의해 전자와 수소 이온으로 분해된다. 전자는 외부 회로를 통과하여 캐소드측 전극으로 이동한다. 한편, 수소 이온은 MEA(10)를 통과하여 캐소드 전극에 도달하고, 공기에 포함되는 산소 및 외부 회로를 통과해 온 전자와 결합하여, 반응수가 된다. 생성수는 공기 유로에 의해 압출되고, 공기 유로의 상류측으로부터 하류측으로 흐른다. 따라서, 캐소드측 유로(18)의 상류측에서는 드라이업이 되기 쉽고, 캐소드측 가스 유로(18)의 하류측에서는 플러딩이 되기 쉽다.

그래서, 본 실시 형태에서는, 캐소드측 가스 유로(18)를 구성하는 익스팬드 메탈의, 캐소드측 가스 확산층(14)과 접하는 접촉 면적에 착목하여, 캐소드측 가스 유로(18)의 하류측의 접촉 면적을, 상류측의 접촉 면적보다 상대적으로 작게 한다.

또, 동시에, 애노드측 가스 유로(16)를 구성하는 익스팬드 메탈의, 애노드측 가스 확산층(12)과 접하는 접촉 면적에 착목하여, 애노드측 가스 유로(16)의 하류측의 접촉 면적을, 상류측의 접촉 면적보다 상대적으로 작게 한다.

도 2에, 본 실시 형태에 있어서의, 캐소드측 가스 유로(18)를 구성하는 익스팬드 메탈의 캐소드측 가스 확산층(14)과의 접촉 면적의 셀 면 내 방향의 변화, 및 애노드측 가스 유로(16)를 구성하는 익스팬드 메탈의 애노드측 가스 확산층(12)과의 접촉 면적의 셀 면 내 방향의 변화를 나타낸다. 도면에 있어서, 캐소드측 가스 유로(18)를 구성하는 익스팬드 메탈의 접촉 면적의 변화를 실선(100)으로, 애노드측 가스 유로(16)를 구성하는 익스팬드 메탈의 접촉 면적의 변화를 일점 쇄선(200)으로 나타낸다.

캐소드측 가스 유로(18)를 구성하는 익스팬드 메탈의 접촉 면적은, 셀 면 내 방향에 대하여, 캐소드측 가스 유로(18)의 상류로부터 하류를 향하여 연속적으로 작아지도록 변화된다. 도면에 있어서, 캐소드측 가스 유로(18)를 구성하는 익스팬드 메탈의 접촉 면적은, 도면 중 오른쪽(상류)에서 왼쪽(하류)을 향하여 리니어로 감소하고 있다.

또, 애노드측 가스 유로(16)를 구성하는 익스팬드 메탈의 접촉 면적은, 애노드측 가스 유로(16)의 상류로부터 하류를 향하여 연속적으로 작아지도록 변화된다.

도면에 있어서, 애노드측 가스 유로(16)를 구성하는 익스팬드 메탈의 접촉 면적은, 도면 중 왼쪽(상류)에서 오른쪽(하류)을 향하여 리니어로 감소하고 있다.

이와 같이, 캐소드측 가스 유로(18)를 구성하는 익스팬드 메탈의 접촉 면적은, 캐소드측 가스 유로(18)의 하류측에 있어서 상대적으로 작고, 그 한편으로, 애노드측 가스 유로(16)를 구성하는 익스팬드 메탈의 접촉 면적은, 애노드측 유로(16)의 상류측에 있어서 상대적으로 크기 때문에, 캐소드측 가스 유로(18)를 구성하는 익스팬드 메탈의 접촉 면적은, 애노드측 가스 유로(16)를 구성하는 익스팬드 메탈의 접촉 면적보다 상대적으로 작아진다.

마찬가지로, 캐소드측 가스 유로(18)를 구성하는 익스팬드 메탈의 접촉 면적은, 캐소드측 가스 유로(16)의 상류측에 있어서 상대적으로 크고, 그 한편으로, 애노드측 가스 유로(16)를 구성하는 익스팬드 메탈의 접촉 면적은, 애노드측 가스 유로(16)의 하류측에 있어서 상대적으로 작기 때문에, 애노드측 가스 유로(16)를 구성하는 익스팬드 메탈의 접촉 면적은, 캐소드측 가스 유로(18)를 구성하는 익스팬드 메탈의 접촉 면적보다 상대적으로 작아진다.

도 3에, 캐소드측 가스 유로(18) 및 애노드측 가스 유로(16)를 구성하는 익스팬드 메탈의 사시도를 나타낸다. 익스팬드 메탈은, 연료전지 셀의 가스 유로를 구성하는 부재로서 일반적으로 사용되고 있고, 평판 형상의 얇은 금속판에 대하여, 순차적으로, 지그재그로 배치된 슬릿을 가공함과 함께, 가공한 슬릿을 눌러 구부림으로써 그물코 형상의 직경이 작은 관통 구멍을 형성하고, 추가로 압연 가공하여 대략 평판 형상으로 한 것이다.

익스팬드 메탈의 제조 방법은 공지되어 있으나, 간단히 설명하면, 평판 재료를 하부 칼날 및 상부 칼날을 구비한 금형으로 소정 간격의 폭으로 보내고, 상부 칼날의 사다리꼴 형상의 볼록부와 하부 칼날의 사다리꼴 형상의 오목부에 의하여, 평판 재료를 일정 간격으로 부분적으로 자른다. 그리고, 상부 칼날의 상승 시마다, 상부 칼날 및 하부 칼날을 소정의 이송 방향으로 시프트시킴으로써 사다리꼴 형상의 잘라 떼어냄이 지그재그 형상으로 1단씩 형성되고, 계단 형상의 메시를 가지는 라스 컷(lath-cut) 메탈이 형성된다. 또한, 계단 형상의 메시를 가지는 라스 컷 메탈을 압연 롤러에 의해 압연함으로써, 대략 평판의 익스팬드 메탈이 제조된다.

익스팬드 메탈은, 본드부(BO), 및 본드부(BO)를 서로 연결하는 스트랜드부(ST)를 가지고, 또한 가스 확산층(12)(혹은 14)과의 접촉면(Cs)이 형성된다. 본 실시 형태에 있어서, 익스팬드 메탈에 있어서의 접촉면(Cs)이 동일하지는 않고, 가스 유로의 상류와 하류에서 상대적으로 변화된다.

다시 도 2로 되돌아가, 이와 같이 익스팬드 메탈의 접촉 면적이 변화되면, 그것에 수반하여 가스 유로의 냉각 성능에 상대적인 차이가 생기게 된다. 즉, 캐소드측 가스 유로(18) 및 애노드측 가스 유로(16)를 구성하는 익스팬드 메탈은, 발전에 의해 생성된 열을 빼앗는 기능을 가지고 있기 때문에, 익스팬드 메탈의 접촉 면적은, 그 냉각 기능에 직접 영향을 주고, 익스팬드 메탈의 접촉 면적이 상대적으로 크면, 그 냉각 성능도 상대적으로 커진다. 캐소드측 가스 유로의 하류측(도 1, 2의 A 영역)에 있어서는, 캐소드측 가스 유로(18)를 구성하는 익스팬드 메탈의 접촉 면적은, 애노드측 가스 유로(16)를 구성하는 익스팬드 메탈의 접촉 면적보다 상대적으로 작기 때문에, 캐소드측 가스 유로(18)의 하류는, 애노드측 가스 유로(16)의 상류보다 상대적으로 냉각 성능이 작다. 따라서, 캐소드측 가스 유로(18)의 하류에 있어서는, 캐소드측 가스 유로(18)의 하류 쪽이 애노드측 가스 유로(16)의 상류보다 상대적으로 온도가 높아진다.

한편, 캐소드측 가스 유로의 상류(도 1, 2의 B 영역)에 있어서는, 캐소드측 가스 유로(18)를 구성하는 익스팬드 메탈의 접촉 면적은, 애노드측 가스 유로(16)를 구성하는 익스팬드 메탈의 접촉 면적보다 상대적으로 크기 때문에 냉각 성능이 크다. 따라서, 애노드측 가스 유로(16)의 하류 쪽이 캐소드측 가스 유로(18)의 상류보다 상대적으로 온도가 높아진다. 이와 같은 상대적인 온도차, 즉 온도 구배가 생기면, 생성수의 순환이 생긴다.

도 4에, 본 실시 형태에 있어서의 생성수의 흐름을 모식적으로 나타낸다. 발전 반응에 수반하여 캐소드측에서 생긴 생성수는, 캐소드측 가스 유로(18)를 흐르는 공기에 의해 압출되어 캐소드측 가스 유로(18)의 하류측(도면에 있어서의 A 영역)으로 흐른다. 캐소드측 가스 유로(18)의 하류측은, 애노드측 가스 유로(16)의 상류측보다 상대적으로 온도가 높기 때문에, 이 온도 구배에 의해 생성수는 MEA(10)를 통해 캐소드측으로부터 애노드측으로 이동한다. 도면에 있어서, 화살표(50)는 생성수의 캐소드측으로부터 애노드측으로의 이동을 나타낸다. 애노드측으로 이동한 생성수는, 애노드측 가스 유로(16)를 흐르는 수소 가스에 압출되어 애노드측 가스 유로의 하류측, 즉 캐소드측 가스 유로의 상류측(도면에 있어서의 B 영역)으로 흐른다. 캐소드측 가스 유로(18)의 상류측은, 애노드측 가스 유로(16)의 하류측보다 상대적으로 온도가 낮기 때문에, 이 온도 구배에 의해 생성수는 MEA(10)를 통해서 애노드측으로부터 캐소드측으로 이동한다. 도면에 있어서, 화살표(60)는 생성수의 애노드측으로부터 캐소드측으로의 이동을 나타낸다.

이상과 같이 하여, 생성수는, 캐소드측 가스 유로(18)의 상류측→캐소드측 가스 유로(18)의 하류측→애노드측 가스 유로(16)의 상류측→애노드측 가스 유로(16)의 하류측→캐소드측 가스 유로(18)의 상류측으로 이동하여, 캐소드측 가스 유로(18)에 생성수가 순환 공급되게 되기 때문에, 캐소드측 가스 유로(18)의 하류측에 있어서의 플러딩이 억제됨과 함께, 캐소드측 가스 유로(18)의 상류에 있어서의 드라이업이 억제된다. 또한, 생성수의 전부가 순환되는 것은 아니고, 그 일부는 캐소드측으로부터 외부로 배출된다.

본 실시 형태에서는, 익스팬드 메탈의 접촉 면적을 변화시킴으로써 캐소드측과 애노드측 사이에서 상대적인 온도 구배를 생성하고, 이것에 의해 생성수를 이동시키고 있지만, 익스팬드 메탈에서는 가스 유로와 배수용의 유로가 서로 분리되어 있고, 익스팬드 메탈과 세퍼레이터(20, 22)의 계면에 있어서 물이 흐르는 구성이기 때문에, 본 실시 형태와 같이 익스팬드 메탈과 가스 확산층(12, 14)의 접촉 면적을 크게 해도, 가스 유로 및 물의 유로는 확보되기 때문에, 가스 유로나 배수 유로의 협착에 의한 발전 성능의 저하는 생기지 않는다.

도 5에, 익스팬드 메탈의 접촉 면적의 변화에 수반하는 가스 유로와 배수 유로의 변화를 모식적으로 나타낸다. 도 5(A)에, 캐소드측 가스 유로(18) 및 애노드측 가스 유로(16)의 익스팬드 메탈의 접촉 면적이 있는 값의 경우를 나타내고, 도 5(B)에, 캐소드측 가스 유로(18)의 익스팬드 메탈의 접촉 면적을 증대시킨 경우를 나타낸다. 익스팬드 메탈에 의해 가스 유로(70)와 배수 유로(80)가 분리되어 형성되고, 익스팬드 메탈과 세퍼레이터(20, 22)의 친수/친수 계면에 물이 고여 배수 유로(80)가 형성된다. 익스팬드 메탈의 접촉 면적을 증대시켜서 냉각 성능을 향상시켜도, 가스 유로(70), 배수 유로(80)를 어느 것도 협착하지 않고 확보되는 것이 이해된다.

도 6에, 본 실시 형태에 있어서의 셀 면 내 방향의 수분량 분포를 나타낸다.

도면에 있어서, 실선(300)은 본 실시 형태에 있어서의 수분량 분포를 나타낸다. 파선(400)은, 비교를 위해, 캐소드측 가스 유로(18) 및 애노드측 가스 유로(16)를 구성하는 익스팬드 메탈의 접촉 면적이 일정한 경우의 수분량 분포를 나타낸다. 접촉 면적이 일정한 경우, 캐소드측 가스 유로(18)의 상류측(도면에 있어서의 B 영역)에 있어서 수분량이 급격하게 감소하고 있고, 드라이업이 생기고 있다. 또, 상대적으로 캐소드측 가스 유로의 하류측이 상류측보다 상대적으로 수분량이 많아져 있다.

이것에 대하여, 본 실시 형태에서는, 캐소드측 가스 유로(18)의 하류측에 있어서 캐소드측으로부터 애노드측으로 수분이 이동하기 때문에, 비교예보다 상대적으로 수분량은 저하된다. 또, 캐소드측 가스 유로(18)의 상류측에 있어서 애노드측으로부터 캐소드측으로 수분이 이동하기 때문에, 비교예보다 상대적으로 수분량이 증대한다. 따라서, 본 실시 형태에서는, 캐소드측 가스 유로(18)의 상류측과 하류측의 수분량의 편차가 적어진다. 이 도 6으로부터도, 본 실시 형태에서는 캐소드측 가스 유로(18)의 하류측에 있어서의 플러딩과 상류측에 있어서의 드라이업이 함께 억제되는 것이 이해될 것이다.

도 7에, 본 실시 형태에 있어서의 셀 온도와 셀 전압(출력 전압)의 관계를 나타낸다. 도면에 있어서, 실선(500)은 본 실시 형태에 있어서의 셀 전압의 변화를 나타낸다. 파선(600)은, 비교를 위해, 캐소드측 가스 유로(18) 및 애노드측 가스 유로(16)를 구성하는 익스팬드 메탈의 접촉 면적이 일정한 경우의 셀 전압의 변화를 나타낸다. 접촉 면적이 일정한 경우, 온도가 90도 가까이까지 증대하면, 드라이업의 영향에 의해 전해질막의 프로톤 전도성이 저하하여 발전 효율이 저하되기 때문에 셀 전압도 저하된다.

이에 대하여, 본 실시 형태에서는, 드라이업이 억제되기 때문에, 셀 온도가 높아져도 발전 효율의 저하가 억제되어, 셀 전압은 대략 일정하게 유지된다.

3. 제2 실시 형태

제1 실시 형태에서는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 캐소드측 가스 유로(18) 및 애노드측 가스 유로(16)를 구성하는 익스팬드 메탈의 접촉 면적을 리니어로 변화시키고 있지만, 익스팬드 메탈의 접촉 면적은 비(非)리니어로 변화되어도 되고, 혹은 계단 형상(스텝 형상)으로 변화되어도 된다.

도 8에, 본 실시 형태에 있어서의, 셀 면 내 방향의 익스팬드 메탈의 접촉 면적 변화를 나타낸다. 실선(100)은 캐소드측 가스 유로(18)를 구성하는 익스팬드 메탈의 접촉 면적 변화이고, 캐소드측 가스 유로(18)의 하류측으로부터 상류측을 향하여 계단 형상으로 접촉 면적이 증대한다. 즉, 캐소드측 가스 유로(18)를, 하류 영역, 중류 영역, 상류 영역의 3개로 분할하고, 분할한 각각의 영역에 있어서는 접촉 면적을 일정값으로 하면서, 하류 영역의 접촉 면적(100a) < 중류 영역의 접촉 면적(100b) < 상류 영역의 접촉 면적(100c)이 되도록 설정한다.

또, 파선(200)은 애노드측 가스 유로(16)를 구성하는 익스팬드 메탈의 접촉 면적 변화이고, 캐소드측 가스 유로(18)의 하류측으로부터 상류측을 향하여[즉, 애노드측 유로(16)의 상류측으로부터 하류측을 향하여] 계단 형상으로 접촉 면적이 감소한다. 즉, 애노드측 가스 유로를, 하류 영역, 중류 영역, 상류 영역의 3개로 분할하고, 분할한 각각의 영역에 있어서는 접촉 면적을 일정값으로 하면서, 하류 영역의 접촉 면적(200a) > 중류 영역의 접촉 면적(200b) > 상류 영역의 접촉 면적(200c)이 되도록 설정한다.

본 실시 형태에 있어서도, 캐소드측 가스 유로(18)의 하류에 있어서, 애노드측 가스 유로(16) 쪽이 캐소드측 가스 유로(18)보다 익스팬드 메탈의 접촉 면적이 상대적으로 커지고, 이 접촉 면적의 상대적인 대소 관계에 기인하여, 캐소드측 가스 유로(18) 쪽이 애노드측 가스 유로(16)보다 상대적으로 온도가 높아진다. 따라서, 캐소드측 가스 유로(18)의 하류측에 압출된 생성수는, 이 온도 구배에 의해 MEA(10)를 통해 애노드측으로 이동한다.

또, 캐소드측 가스 유로(18)의 상류에 있어서, 캐소드측 가스 유로(18) 쪽이 애노드측 가스 유로(16)보다 익스팬드 메탈의 접촉 면적이 상대적으로 커지고, 이 접촉 면적의 상대적인 대소 관계에 기인하여, 애노드측 가스 유로(16) 쪽이 캐소드측 가스 유로(18)보다 상대적으로 온도가 높아진다. 따라서, 애노드측 가스 유로(16)의 하류측에 압출된 생성수는, 이 온도 구배에 의해 MEA(10)를 통해 캐소드측으로 이동한다.

이상과 같이 하여, 생성수는 캐소드측 가스 유로(18)의 상류로 순환하고, 캐소드측 가스 유로(18)의 하류에 있어서의 플러딩이 억제됨과 함께, 캐소드측 가스 유로(16)의 상류에 있어서의 드라이업이 억제된다.

4. 제3 실시 형태

상기의 제1 실시 형태에서는, 캐소드측 가스 유로(18) 및 애노드측 가스 유로(16)를 모두 익스팬드 메탈로 구성하고 있지만, 배수성이 문제가 되는 것은 캐소드측인 것을 고려하여, 캐소드측 가스 유로(18)를 익스팬드 메탈로 구성하는 한편, 애노드측을 익스팬드 메탈 이외에, 예를 들면, 세퍼레이터(20)의 표면에 형성된 요철 또는 홈으로 구성해도 된다.

도 9에, 본 실시 형태에 있어서의 연료전지 셀의 단면 구성을 나타낸다. 연료전지 셀은, 고체고분자막으로 이루어지는 전해질막을 연료극과 공기극의 2매의 전극으로 끼운 막전극 접합체(MEA)(10)와, 애노드측 가스 확산층(12)과, 캐소드 측 가스 확산층(14)과, 애노드측 가스 유로(17)와, 캐소드측 가스 유로(18)와, 세퍼레이터(20, 22)를 포함하여 구성된다.

캐소드 측 가스 유로(18)는, 익스팬드 메탈로 구성된다. 또, 애노드측 가스 유로(17)는, 세퍼레이터(20)의 표면에 형성된 요철 또는 홈으로 구성된다. 홈의 볼록부는, 애노드측 가스 확산층(12)에 맞닿고, MEA(10) 혹은 애노드측 가스 확산층(12)에 있어서 리브로서 기능한다. 따라서, 이하에서는 적절하게, 애노드측 가스 유로(17)를 구성하는 부재를 리브라고 칭한다.

캐소드측 가스 유로(18)에는 산화제 가스로서 공기가 공급된다. 또, 애노드측 가스 유로(17)에는 연료가스로서 수소 가스가 공급된다. 캐소드측 가스 유로(18)(공기 유로)와 애노드측 가스 유로(17)(수소 가스 유로)는 서로 대향한다. 즉, 공기 유로와 수소 가스 유로는 서로 역방향이고, 공기 유로의 상류는 수소 가스 유로의 하류에 대응하며, 공기 유로의 하류는 수소 가스 유로의 상류에 대응한다.

캐소드측 가스 유로(18)를 구성하는 익스팬드 메탈의, 캐소드측 가스 확산층(14)과의 접촉 면적은, 상류측 쪽이 하류측보다 상대적으로 크다. 한편, 애노드측 가스 유로(17)를 구성하는 리브의 접촉 면적도, 상류측 쪽이 하류측보다 상대적으로 크다. 애노드 가스 유로(17)의 상류는 캐소드측 가스 유로(18)의 하류에 대응하고, 애노드측 가스 유로(17)의 하류는 캐소드측 가스 유로(18)의 상류에 대응하기 때문에, 캐소드측 가스 유로(18)의 흐름을 기준으로 하면, 리브의 접촉 면적은 하류측 쪽이 상류측보다 상대적으로 크다.

애노드측 가스 유로(17)를 구성하는 리브는, 냉각면으로서 기능하기 때문에, 그 접촉 면적이 클수록 냉각 성능이 커진다. 따라서, 도면 중 A 영역으로 나타내는 캐소드측 가스 유로(18)의 하류측에서는, 애노드측 가스 유로(17)의 리브의 접촉 면적이 캐소드측 가스 유로(18)의 익스팬드 메탈의 접촉 면적보다 상대적으로 커지고, 캐소드측 가스 유로(18)가 애노드측 가스 유로(17)보다 상대적으로 온도가 높아진다. 또, 도면 중 B 영역으로 나타내는 캐소드측 가스 유로(18)의 상류측에서는, 캐소드측 가스 유로(18)의 익스팬드 메탈의 접촉 면적 쪽이 애노드측 가스 유로(17)의 리브의 접촉 면적보다 상대적으로 커지고, 애노드측 가스 유로(17) 쪽이 캐소드측 가스 유로(18)보다 상대적으로 온도가 높아진다.

이와 같이, 캐소드측 가스 유로(18)와 애노드측 가스 유로(17)의 사이에 온도 구배가 생기기 때문에, 도 10에 나타내는 바와 같이, 도면 중 A 영역으로 나타내는 캐소드측 가스 유로(18)의 하류측에서는, 캐소드측 가스 유로(18)의 하류측으로부터 MEA(10)를 통해 애노드측 가스 유로(17)의 상류측으로 생성수가 이동한다[화살표(50)]. 또, 도면 중 B 영역으로 나타내는 캐소드측 가스 유로(18)의 상류측에서는, 애노드측 가스 유로(17)의 하류측으로부터 MEA(10)를 통해 캐소드측 가스 유로(18)의 상류측으로 생성수가 이동한다[화살표(60)].

따라서, 본 실시 형태에 의해도, 발전 반응에 수반하여 캐소드측에서 생긴 생성수는, 캐소드측 가스 유로(18)의 상류측→캐소드측 가스 유로(18)의 하류측→애노드측 가스 유로(17)의 상류측→애노드측 가스 유로 유로(17)의 하류측→캐소드측 가스 유로(18)의 상류측으로 이동하고, 캐소드측 가스 유로(18)에 생성수가 순환 공급되게 되기 때문에, 캐소드측 가스 유로(18)의 하류측에 있어서의 플러딩이 억제됨과 함께, 캐소드측 가스 유로(18)의 상류에 있어서의 드라이업이 억제된다.

또한, 애노드측 가스 유로(17)를 구성하는 리브의 접촉 면적을 크게 하면, 그 분만큼 리브 폭이 넓어져서, 배수 성능이 저하될 우려가 있지만, 애노드측이기 때문에 문제가 되지 않는다.

5. 변형예

이상, 본 발명의 실시 형태에 대하여 설명하였는데, 본 발명은 이것들 이외에도 여러가지 변형이 가능하다.

예를 들면, 제1 및 제2 실시 형태에서는, 캐소드측 가스 유로(18)와 애노드측 가스 유로(16)를 모두 익스팬드 메탈로 구성하고, 제3 실시 형태에서는, 캐소드측 가스 유로(18)를 익스팬드 메탈로 구성하며, 애노드측 가스 유로(17)를 요철 혹은 홈으로 구성하고 있지만, 캐소드측 가스 유로와 애노드측 가스 유로를 대향 유로로 함과 함께, 캐소드측 가스 유로와 애노드측 가스 유로를 모두 요철 또는 홈으로 구성할 수도 있다. 이 경우에 있어서도, 각각의 유로에 있어서의 리브의 접촉 면적을 변화시켜서 온도 구배를 형성하는 것은 물론이다.

또, 본 실시 형태에서는, 익스팬드 메탈의 접촉 면적 혹은 리브의 접촉 면적을 변화시키고 있지만, 접촉 면적이 아니라 접촉률(콘택트율)을 변화시켜도 된다. 여기서, 접촉률이란, 가스 유로를 구성하는 익스팬드 메탈 또는 요철의 가스 확산층과의 계면에 있어서의 표면적 중, 가스 확산층에 접촉하고 있는 면적의 비율이다. 본 실시 형태에서는, 캐소드측 가스 유로(18)와 애노드측 가스 유로(16)(혹은 17)의 사이의 접촉률의 차를 이용하여 온도 구배를 형성하고, 생성수를 이동시키는 것이라고 할 수 있다. 캐소드측 가스 유로(18)와 애노드측 가스 유로(16)(혹은 17) 사이의 접촉률은, 예를 들면 도 1의 A 영역에 있어서,

캐소드측 가스 유로(18) : 8-10%

애노드측 가스 유로(16) : 15-20%

정도이면 된다. 접촉률의 차는 7% 이상 있는 것이 바람직하지만, 반드시 이것에 한정되는 것은 아니다. 본원 출원인은, 캐소드측 가스 유로(18)와 애노드측 가스 유로(16)(혹은 17)의 사이에 적어도 1%의 접촉률의 차가 있으면, 생성수가 MEA(10)를 통해 대향 유로로 이동하는 것을 확인하고 있다.

또, 본 실시 형태에 있어서, 캐소드측 가스 유로(18)를 구성하는 부재로서 익스팬드 메탈을 예시하였지만, 이것에 한정되는 것은 아니고, 익스팬드 메탈 그 외의 금속 부재, 더 특정적으로는 금속 다공체를 이용할 수 있다.

또, 본 실시 형태에서는, 생성수를 대향 유로 내에서 순환시켜서 캐소드측 가스 유로의 상류에 공급하기 때문에 고온 무가습 운전이 가능하지만, 필요에 따라 가습 운전을 행해도 되는 것은 물론이고, 가습 운전을 배제하는 것은 아니다. 단, 무가습 운전함으로써 가습 설비가 불필요하게 되기 때문에, 그 분만큼 비용이 저감되어, 양산화에 특히 적합하다.

또한, 본 실시 형태의 연료전지는, 전기 자동차나 연료전지 자동차 등의 차량에 탑재하는 것이 가능하지만, 반드시 차량용에 한정되는 것은 아니다.

10 : MEA 12 : 애노드측 가스 확산층
14 : 캐소드측 가스 확산층 16, 17 : 애노드측 가스 유로
18 : 캐소드측 가스 유로 20, 22 : 세퍼레이터

Claims

연료전지로서,
애노드측 가스 확산층에 접하고, 상기 애노드측 가스 확산층에 연료가스를 공급하는 애노드측 가스 유로와,
캐소드측 가스 확산층에 접하고, 상기 캐소드측 가스 확산층에 산화제 가스를 공급하는 캐소드측 가스 유로를 구비하고,
상기 애노드측 가스 유로와 상기 캐소드측 가스 유로는, 가스가 흐르는 방향이 서로 역방향인 대향 유로이고,
상기 애노드측 가스 유로를 구성하는 금속 부재의 상기 애노드측 가스 확산층과의 접촉 면적 또는 접촉률은, 상기 애노드측 가스 유로의 상류로부터 하류를 향하여 작게 설정되고,
상기 캐소드측 가스 유로를 구성하는 금속 부재의 상기 캐소드측 가스 확산층과의 접촉 면적 또는 접촉률은, 상기 캐소드측 가스 유로의 상류로부터 하류를 향하여 작게 설정되고,
상기 캐소드측 가스 유로의 하류에 있어서, 상기 캐소드측 가스 유로를 구성하는 금속 부재의 접촉 면적 또는 접촉률은, 상기 애노드측 가스 유로를 구성하는 금속 부재의 접촉 면적 또는 접촉률보다 상대적으로 작게 설정되고,
상기 캐소드측 가스 유로의 상류에 있어서, 상기 애노드측 가스 유로를 구성하는 금속 부재의 접촉 면적 또는 접촉률은, 상기 캐소드측 가스 유로를 구성하는 금속 부재의 접촉 면적 또는 접촉률보다 상대적으로 작게 설정되고,
상기 캐소드측 가스 유로를 구성하는 금속 부재는, 금속 다공체이고,
상기 애노드측 가스 유로를 구성하는 금속 부재는, 리브인 것을 특징으로 하는 연료전지.
제1항에 있어서,
상기 금속 다공체는, 익스팬드 메탈인 것을 특징으로 하는 연료전지.
제1항에 있어서,
상기 캐소드측 가스 유로를 구성하는 금속 다공체의 접촉 면적 또는 접촉률은, 상기 캐소드측 가스 유로의 상류, 중류, 하류의 3개의 부분의 각각에 있어서 일정함과 함께, 하류는 중류보다 작게 설정되고, 또한, 중류는 상류보다 작게 설정되는 것을 특징으로 하는 연료전지.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
캐소드측에서 생성된 물은, 상기 캐소드측 가스 유로의 하류에 있어서 상기 캐소드측 가스 유로로부터 상기 애노드측 가스 유로에 막전극 접합체를 지나 이동하고, 또한, 상기 애노드측 가스 유로의 하류에 있어서 상기 애노드측 가스 유로로부터 상기 캐소드측 가스 유로에 상기 막전극 접합체를 지나 이동하며, 외부로부터의 가습이 없는 무가습 상태로 운전되는 것을 특징으로 하는 연료전지.
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