KR101805260B1 - 연료 전지 및 연료 전지의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

연료 전지(10)는, 막 전극 접합체(110); 상기 막 전극 접합체의 캐소드측에 면하여 배치된 제1 면(171), 제2 면(172), 단부면부(173)를 갖고, 상기 단부면부는 제1 면의 단변부(171UE)와 제2 면의 단변부(172UE) 사이에 있도록 구성된 다공질 부재(170); 상기 제1 면의 상기 단변부를 따라 배치되는 실링 플레이트(180); 및, 상기 제2 면 상에 배치되는 세퍼레이터 플레이트(150)를 포함한다. 상기 다공질 부재는 상기 제1 면을 통하여 상기 막 전극 접합체에 산화제 가스를 공급함과 함께, 상기 단부면부를 통하여 산화제 배기 가스를 상기 연료 전지의 배출부로 배출하도록 구성되고, 상기 제1 면은 상기 실링 플레이트와 면하는 제1 영역(171UA)을 갖고, 상기 제2 면은 제2 영역(172UA)을 갖는다. 상기 제1 영역은 상기 실링 플레이트와 상기 제2 영역의 사이에 있고, 상기 제1 영역의 친수성과 상기 제2 영역의 친수성은 상이하다.

Description

연료 전지 및 연료 전지의 제조 방법 {FUEL CELL AND MANUFACTURING METHOD OF FUEL CELL}
본 발명은 연료 전지 및 연료 전지의 제조 방법에 관한 것이다.
종래부터, 산화제 가스를 막 전극 접합체에 공급하는 유로를 형성하는 다공질 부재와, 다공질 부재의 한쪽 면에 배치되는 실링 플레이트와, 다공질 부재의 다른 쪽 면에 배치되는 세퍼레이터 플레이트를 구비하는 연료 전지가 알려져 있다(일본 특허 공개 제2012-123949호). 이 연료 전지는, 다공질 부재에 의하여 형성된 유로를 경유하여, 발전에 의하여 생성된 물을 연료 전지의 외부로 배출한다.
일본 특허 공개 제2012-123949호
그러나 다공질 부재에 의하여 형성된 유로에 있어서, 생성된 물이 실링 플레이트 및 세퍼레이터 플레이트의 양쪽에 부착됨으로써, 다공질 부재 중 실링 플레이트와 세퍼레이터 플레이트 사이에 끼워진 부분에 물이 체류하는 경우가 있었다. 이 부분에 물이 체류하면, 이 부분을 경유하여 배출되는 산화제 배기 가스의 압력 손실이 증가함으로써, 발전 성능이 저하될 가능성이 있다.
본 발명은 이하의 형태로서 실현하는 것이 가능하다.
본 발명의 일 형태로는 연료 전지를 제공한다. 이 연료 전지는, 막 전극 접합체; 제1 면, 제2 면, 단부면부를 갖고, 상기 제1 면과 상기 제2 면은 다공질 부재의 양면이며, 상기 제1 면은 상기 막 전극 접합체의 캐소드측의 면 상에 배치되고, 상기 단부면부는 제1 면의 단변부와 제2 면의 단변부 사이에 있도록 구성된 다공질 부재; 상기 제1 면의 상기 단변부를 따라 배치되는 실링 플레이트; 및, 상기 제2 면 상에 배치되는 세퍼레이터 플레이트를 포함하고, 상기 다공질 부재는 상기 제1 면을 통하여 상기 막 전극 접합체에 산화제 가스를 공급함과 함께, 상기 단부면부를 통하여 산화제 배기 가스를 상기 연료 전지의 배출부로 배출하도록 구성되고, 상기 제1 면은 상기 실링 플레이트와 면하는 제1 영역을 갖고, 상기 제2 면은 제2 영역을 갖고, 상기 제1 영역은 상기 실링 플레이트와 상기 제2 영역 사이에 있고, 상기 제1 영역의 친수성과 상기 제2 영역의 친수성은 상이하다. 상기 구성에 의하면, 다공질 부재 중 실링 플레이트와 세퍼레이터 플레이트 사이에 끼워진 부분에 있어서, 발전에 의하여 생성된 물은 다공질 부재의 제1 면과 제2 면 중 친수성이 높은 어느 한쪽을 따라 흐르고, 다른 쪽에 있어서 산화제 배기 가스가 유통한다. 이것에 의하여, 발전에 의하여 생성된 물이 다공질 부재의 내부를 막는 상태를 발생시키기 어렵게 하여, 다공질 부재의 내부를 경유하여 배출되는 산화제 배기 가스의 압력 손실의 증가를 억제할 수 있다.
본 발명의 다른 일 형태는 연료 전지를 제공한다. 이 연료 전지는, 막 전극 접합체; 제1 면, 제2 면, 단부면부를 갖고, 상기 제1 면과 상기 제2 면은 다공질 부재의 양면이며, 상기 제1 면은 상기 막 전극 접합체의 캐소드측의 면 상에 배치되고, 상기 단부면부는 제1 면의 단변부와 제2 면의 단변부 사이에 있도록 구성된 다공질 부재; 상기 제1 면의 상기 단변부를 따라 배치되는 실링 플레이트; 및, 상기 제2 면 상에 배치되는 세퍼레이터 플레이트를 포함하고, 상기 다공질 부재는 상기 제1 면을 통하여 상기 막 전극 접합체에 산화제 가스를 공급함과 함께, 상기 단부면부를 통하여 산화제 배기 가스를 상기 연료 전지의 배출부로 배출하도록 구성되고, 상기 실링 플레이트는 상기 다공질 부재와 면하는 제3 영역을 갖고, 상기 세퍼레이터 플레이트는 상기 다공질 부재를 개재하여 상기 실링 플레이트의 상기 제3 영역에 대향하는 제4 영역을 갖고, 상기 제3 영역의 친수성과 상기 제4 영역의 친수성은 상이하다. 상기 구성에 의하면, 다공질 부재에 의하여 형성되는 유로에 있어서, 발전에 의하여 생성된 물은 실링 플레이트와 세퍼레이터 플레이트 중 친수성이 높은 어느 한쪽을 따라 흐르고, 다른 쪽에 있어서 산화제 배기 가스가 유통한다. 이것에 의하여, 발전에 의하여 생성된 물이 유로를 막는 상태를 발생시키기 어렵게 하여, 이 유로를 경유하여 배출되는 산화제 배기 가스의 압력 손실의 증가를 억제할 수 있다.
본 발명의 다른 일 형태는 연료 전지를 제공한다. 이 연료 전지는, 막 전극 접합체; 제1 면, 제2 면, 단부면부를 갖고, 상기 제1 면과 상기 제2 면은 다공질 부재의 양면이며, 상기 제1 면은 상기 막 전극 접합체의 캐소드측의 면 상에 배치되고, 상기 단부면부는 제1 면의 단변부와 제2 면의 단변부 사이에 있도록 구성된 다공질 부재; 상기 제1 면의 상기 단변부를 따라 배치되는 실링 플레이트; 및, 상기 제2 면 상에 배치되는 세퍼레이터 플레이트를 포함하고, 상기 다공질 부재는 상기 제1 면을 통하여 상기 막 전극 접합체에 산화제 가스를 공급함과 함께, 상기 단부면부를 통하여 산화제 배기 가스를 상기 연료 전지의 배출부로 배출하도록 구성되고, 상기 실링 플레이트는 상기 다공질 부재와 면하는 제3 영역을 갖고, 상기 제3 영역은 친수 처리가 실시되어 있는 제5 영역을 갖고, 상기 세퍼레이터 플레이트는 상기 다공질 부재를 개재하여 상기 실링 플레이트의 상기 제3 영역과 대향하는 제4 영역을 갖고, 상기 제4 영역은 친수 처리가 실시되어 있는 제6 영역을 갖고, 상기 제5 영역의 면적과 상기 제6 영역의 면적은 상이하다. 상기 구성에 의하면, 다공질 부재에 의하여 형성되는 유로에 있어서, 발전에 의하여 생성된 물은, 실링 플레이트와 세퍼레이터 플레이트 중 친수 처리되어 있는 면적이 큰 측을 따라 주로 흐르고, 다른 쪽에 있어서 주로 산화제 배기 가스가 유통한다. 이것에 의하여, 발전에 의하여 생성된 물이 유로를 막는 상태를 발생시키기 어렵게 하여, 이 유로를 경유하여 배출되는 산화제 배기 가스의 압력 손실의 증가를 억제할 수 있다.
본 발명의 다른 일 형태는 연료 전지의 제조 방법을 제공한다. 이 연료 전지의 제조 방법은, 다공질 부재의 제1 면의 단변부를 따라 실링 플레이트를 배치함으로써 상기 다공질 부재와 상기 실링 플레이트의 집합체를 형성하는 것; 상기 집합체 전체에 친수 처리를 행하는 것; 및, 상기 친수 처리를 행한 상기 집합체에, 상기 다공질 부재의 제1 면의 단변부가 산화제 배기 가스를 배출하기 위한 배출부에 면하는 상태에서, 상기 다공질 부재의 상기 제1 면에 막 전극 접합체를 배치함과 함께, 상기 제1 면의 반대측의 면인 제2 면에 세퍼레이터 플레이트를 배치하는 것을 포함한다. 상기 제조 방법에 의하면, 다공질 부재의 제1 면에 있어서 실링 플레이트와 면하는 제1 영역은 친수 처리 시에 마스크된다. 그로 인하여 제1 영역보다도 제2 영역의 친수성을 높게 할 수 있다. 이 친수 처리를 행한 다공질 부재를 사용하여 연료 전지를 구성함으로써, 이 다공질 부재의 내부를 경유하여 배출되는 산화제 배기 가스의 압력 손실의 증가를 억제할 수 있다.
또한 본 발명은 다양한 형태로 실현하는 것이 가능하며, 예를 들어 연료 전지에 있어서의 생성수의 배출 방법, 연료 전지에 사용되는 다공질 부재 및 그 제조 방법 등의 형태로 실현할 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예의 특징과, 이점과, 기술적 및 산업적인 의의는, 동등한 도면 부호가 동등한 요소를 나타내는 첨부된 도면을 참조하여 설명된다.
도 1은 제1 실시 형태의 연료 전지를 도시하는 개략 사시도이다.
도 2는 연료 전지 셀의 분해 사시도이다.
도 3은 막 전극 가스 확산층 접합체의 구성을 도시하는 설명도이다.
도 4는 다공질 부재와 프레임 부재를 Z 방향에서 본 설명도이다.
도 5는 연료 전지 셀의 산화제 배기 가스 배출 매니폴드 부근을 도시하는 단면도이다.
도 6은 다공질 부재의 구성을 예시한 설명도이다.
도 7a는 다공질 부재 실링 플레이트를 배치한 다공질 부재의 평면도이다.
도 7b는 도 7a의 A-A 단면을 예시한 도면이다.
도 8은 발전 시에 있어서의 산화제 가스 유로의 내부 상태를 예시한 설명도이다.
도 9는 비교예의 연료 전지 셀의 내부 상태를 예시한 설명도이다.
도 10은 본 실시 형태와 비교예의 산화제 배기 가스의 압력 손실을 비교한 도면이다.
도 11은 제2 실시 형태의 연료 전지 셀을 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 제2 실시 형태의 변형예에 관한 연료 전지 셀을 도시한 도면이다.
도 13은 캐소드측 세퍼레이터 플레이트의 제6 영역을 예시한 평면도이다.
도 14는 변형예의 연료 전지 셀을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 본 발명의 제1 실시 형태를 설명한다.
도 1은 제1 실시 형태의 연료 전지(10)를 도시하는 개략 사시도이다. 연료 전지(10)는, 연료 전지 셀(100)을 Z 방향(이하, 「적층 방향」이라고도 칭함)으로 복수 적층하고, 한 쌍의 엔드 플레이트(230, 240)로 끼움 지지한 스택 구조를 갖고 있다. 연료 전지(10)는, 전단부측의 엔드 플레이트(230)와 연료 전지 셀(100) 사이에 절연 플레이트(220)와 터미널 플레이트(200)가 배치되고, 후단부측의 엔드 플레이트(240)와 연료 전지 셀(100) 사이에 절연 플레이트(250)와 터미널 플레이트(210)가 배치되어 있다. 터미널 플레이트(200, 210)는 각 연료 전지 셀(100)의 발전 전력의 집전판이며, 도시하지 않은 단자로부터 집전한 전력을 외부로 출력한다. 연료 전지 셀(100)과, 터미널 플레이트(200, 210)와, 절연 플레이트(220, 250) 및 엔드 플레이트(230, 240)는 각각, 대략 직사각형의 외형을 갖는 플레이트 구조를 갖고 있으며, 긴 변이 X 방향(수평 방향)이고 짧은 변이 Y 방향(수직 방향, 연직 방향)을 따르도록 배치되어 있다.
엔드 플레이트(230), 절연 플레이트(220), 터미널 플레이트(200) 및 연료 전지 셀(100)은 각각, 급배구로서 기능하는 복수의 개구부를 갖고 있으며, 이들 개구부가 연통하여 매니폴드(310, 315, 320, 325, 330, 335)가 형성되어 있다. 매니폴드(310)는 연료 전지 셀(100)에 산화제 가스를 공급하기 위하여 사용된다. 이후, 매니폴드(310)를 산화제 가스 공급 매니폴드(310)라고도 칭한다. 매니폴드(315)는 연료 전지 셀(100)로부터 배출되는 산화제 배기 가스를 배출하기 위하여 사용된다. 이후, 매니폴드(315)를 산화제 배기 가스 배출 매니폴드(315)라고도 칭한다. 이하, 매니폴드(320, 325, 330, 335)는 각각의 역할에 대응하여 「연료 가스 공급 매니폴드(320)」, 「연료 배기 가스 배출 매니폴드(325)」, 「냉매 공급 매니폴드(330)」, 「냉매 배출 매니폴드(335)」라고도 칭한다. 또한 본 실시 형태의 연료 전지(10)는 반응 가스(연료 가스, 산화제 가스) 및 냉각수를 전단부측의 엔드 플레이트(230)로부터 공급 매니폴드(310, 320, 330)를 통하여 각각의 연료 전지 셀(100)에 대하여 공급한다. 또한 연료 전지(10)는 각각의 연료 전지 셀(100)로부터의 배출 가스 및 배출수를 배출 매니폴드(315, 325, 335)로부터 전단부측의 엔드 플레이트(230)를 통하여 외부로 배출한다. 배출 매니폴드(325)를 본 발명의 배출부로 간주해도 된다. 또한 본 실시 형태의 연료 전지(10)는 상기 구성에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어 연료 전지(10)는 전단부측의 엔드 플레이트(230)로부터 반응 가스 및 냉각수를 공급하고, 후단부측의 엔드 플레이트(240)로부터 배출 가스 및 배출수가 외부로 배출되는 구성이어도 된다.
본 실시 형태에서는, 산화제 가스 공급 매니폴드(310)는 연료 전지(10)의 하단부의 외측 테두리부에 X 방향(긴 변 방향)을 따라 배치되어 있으며, 산화제 배기 가스 배출 매니폴드(315)는 상단부의 외측 테두리부에 X 방향을 따라 배치되어 있다. 연료 가스 공급 매니폴드(320)는 연료 전지(10)의 우측 단부의 외측 테두리부의 Y 방향(짧은 변 방향)의 상단부에 배치되어 있으며, 연료 배기 가스 배출 매니폴드(325)는 좌측 단부의 외측 테두리부의 Y 방향의 하단부에 배치되어 있다. 냉매 공급 매니폴드(330)는 연료 가스 공급 매니폴드(320)의 하측에 Y 방향을 따라 배치되어 있으며, 냉매 배출 매니폴드(335)는 연료 배기 가스 배출 매니폴드(325)의 상측에 Y 방향을 따라 배치되어 있다.
도 2는 연료 전지 셀(100)의 분해 사시도이다. 연료 전지 셀(100)은, 막 전극 가스 확산층 접합체(MEGA: Membrane Electrode & Gas Diffusion Layer Assembly)(110)와, 프레임 부재(140)와, 캐소드측 세퍼레이터 플레이트(150)와, 애노드측 세퍼레이터 플레이트(160)와, 다공질 부재(170)를 구비한다. MEGA(110)는 직사각형 형상의 외형을 구비한 발전체이며, 구성에 대해서는 후술한다.
프레임 부재(140)는 MEGA(110)의 외주를 따라 배치되고, 시일성과 절연성을 갖는 수지 또는 고무 등에 의하여 형성된다. 프레임 부재(140)는, 중앙에 MEGA(110)의 외형을 따른 직사각형 형상의 발전 영역 창(141)을 갖는다. 이 발전 영역 창(141)의 주연부에는, 도시하지 않은 단차부가 형성되어 있다. MEGA(110)는 단차부에 내장됨으로써 발전 영역 창에 장착된다. 발전 영역 창(141)에 장착된 MEGA(110)는, 프레임 부재(140)의 단차부에 있어서 프레임 부재(140)와 Z 방향에 있어서 중첩된다. MEGA(110) 중 발전 영역 창(141)에서 노출된 영역을, 애노드측 세퍼레이터 플레이트(160)로부터 연료 가스의 공급을 받는 발전 영역(111)으로 한다. 프레임 부재(140)는 발전 영역 창(141)의 주위 영역에, 상술한 매니폴드를 구성하는 급배구로서, 연료 가스 공급구(142) 및 연료 배기 가스 배출구(143)와, 복수의 산화제 가스 공급구(144) 및 산화제 배기 가스 배출구(145)와, 냉각수 공급구(146) 및 냉각수 배출구(147)를 구비한다. 연료 가스 공급구(142)는 연료 가스 공급 매니폴드(320)의 일부를 구성하고, 연료 배기 가스 배출구(143)는 연료 배기 가스 배출 매니폴드(325)의 일부를 구성한다. 산화제 가스 공급구(144)는 산화제 가스 공급 매니폴드(310)의 일부를 구성하고, 산화제 배기 가스 배출구(145)는 산화제 배기 가스 배출 매니폴드(315)의 일부를 구성한다. 냉각수 공급구(146)는 냉매 공급 매니폴드(330)의 일부를 구성하고, 냉각수 배출구(147)는 냉매 배출 매니폴드(335)의 일부를 구성한다. 프레임 부재(140)는 애노드측 세퍼레이터 플레이트(160)와 캐소드측 세퍼레이터 플레이트(150) 사이에 배치되며, 산화제 가스나 연료 가스, 냉매의 누설을 방지하기 위하여, MEGA(110)와 면하는 가스 유로나 공급구 및 배출구를 시일한다.
캐소드측 세퍼레이터 플레이트(150) 및 애노드측 세퍼레이터 플레이트(160)는 각각 직사각형 형상을 가지며, 가스 차단성 및 전자 전도성을 갖는 부재에 의하여 구성되어 있다. 캐소드측 세퍼레이터 플레이트(150) 및 애노드측 세퍼레이터 플레이트(160)는, 예를 들어 카본 입자를 압축하여 가스 불투과로 한 치밀질 카본 등의 카본제 부재나, 스테인레스강이나 티타늄 등의 금속 부재로 이루어진다. 본 실시 형태에서는, 캐소드측 세퍼레이터 플레이트(150)는 스테인레스강을 프레스 성형하여 제작되어 있다.
캐소드측 세퍼레이터 플레이트(150)는 대략 평판 형상이며, 중앙부에 있어서 다공질 부재(170)와 면하고 있고, 외주부에 있어서 프레임 부재(140)와 면하고 있다. 캐소드측 세퍼레이터 플레이트(150)는, 연료 가스 공급구(152) 및 연료 배기 가스 배출구(153)와, 복수의 산화제 가스 공급구(154) 및 산화제 배기 가스 배출구(155)와, 복수의 냉각수 공급구(156) 및 냉각수 배출구(157)를 구비한다.
애노드측 세퍼레이터 플레이트(160)는 중앙부에 있어서 MEGA(110)의 애노드측과 면하고 있고, 외주부에 있어서 프레임 부재(140)와 면하고 있다. 애노드측 세퍼레이터 플레이트(160)는 MEGA(110)측 면에, 복수의 줄무늬형의 홈으로 이루어지는 연료 가스 유로를 구비하고, 반대측 면에, 복수의 줄무늬형의 홈으로 이루어지는 냉각수 유로를 구비한다. 애노드측 세퍼레이터 플레이트(160)는, 상술한 매니폴드를 구성하는 급배구로서, 연료 가스 공급구(162) 및 연료 배기 가스 배출구(163)와, 복수의 산화제 가스 공급구(164) 및 산화제 배기 가스 배출구(165)와, 복수의 냉각수 공급구(166) 및 냉각수 배출구(167)를 구비한다.
다공질 부재(170)는 직사각형 형상을 가지며, 금속 다공체(예를 들어 익스팬드 메탈) 등의, 가스 확산성 및 도전성을 갖는 다공질의 재료에 의하여 구성되어 있다. 다공질 부재(170)는 산화제 가스를 MEGA(110)에 공급함과 함께, 산화제 배기 가스를 산화제 배기 가스 배출 매니폴드(315)로 배출하기 위한 산화제 가스 유로를 형성하기 위한 부재이다. 다공질 부재(170)는 MEGA(110)의 캐소드측과 캐소드측 세퍼레이터 플레이트(150) 사이에 위치하고 있다. 다공질 부재(170)는, MEGA(110)의 캐소드측과 면하는 제1 면(171)과, 제1 면(171)의 반대측에 형성되고 캐소드측 세퍼레이터 플레이트(150)와 면하는 제2 면(172)을 포함하고 있다. 다공질 부재(170)의 제1 면(171) 중, 도 2의 상하 방향의 양단부 변부에는 실링 플레이트(180, 181)가 각각 배치되어 있다.
실링 플레이트(180, 181)는 직사각형의 장판형을 가지며, 금속 등의 가스 비투과의 부재로 이루어진다. 실링 플레이트(180, 181)는, 프레임 부재(140)를 제작할 때 프레임 부재(140)를 구성하는 수지 또는 고무가 다공질 부재(170)의 내부로 유입되는 것을 규제하기 위한 부재이며, 다공질 부재(170)와 프레임 부재(140) 사이에 배치되어 있다.
도 3은 막 전극 가스 확산층 접합체(110)(MEGA(110))의 구성을 도시하는 설명도이다. MEGA(110)는, 전해질막(112)과, 캐소드측 촉매층(114)과, 애노드측 촉매층(116)과, 캐소드측 가스 확산층(118)과, 애노드측 가스 확산층(120)을 구비한다. 전해질막(112)은 프로톤 전도성을 갖는 전해질막이며, 예를 들어 퍼플루오로카본술폰산 중합체와 같은 불소계 전해질 수지(이온 교환 수지)를 포함한다. MEGA(110)를 본 발명의 막 전극 접합체로 간주해도 된다.
캐소드측 촉매층(114)과 애노드측 촉매층(116)은, 촉매(예를 들어 백금)를 담지한 카본을 포함하고 있으며, 전해질막(112)의 양측에 각각 배치되어 있다. 캐소드측 촉매층(114) 상에는 캐소드측 가스 확산층(118)이 배치되어 있다. 애노드측 촉매층(116) 상에는 애노드측 가스 확산층(120)이 배치되어 있다. 캐소드측 가스 확산층(118) 및 애노드측 가스 확산층(120)은 카본 페이퍼 또는 카본 부직포에 의하여 형성된다.
도 4는, 실링 플레이트(180, 181)가 배치된 다공질 부재(170)와 프레임 부재(140)를 Z 방향에서 본 설명도이다. 도 4에서는, 프레임 부재(140)의 발전 영역 창(141)에 MEGA(110)(도 2)가 장착되어 있지 않은 상태가 도시되어 있다. 또한 다공질 부재(170) 및 실링 플레이트(180, 181) 중, 프레임 부재(140)의 배면측에 위치하는 부분은 파선으로 나타나 있다. 다공질 부재(170)의 상방측의 단부(170UE)에 실링 플레이트(180)가 배치되어 있다. 다공질 부재(170)는, 상방측의 단부(170UE)가 산화제 배기 가스 배출 매니폴드(315)의 하방측의 단부변을 따르도록 배치되어 있다. 또한 다공질 부재(170)는, 하방측의 단부(170LE)가 산화제 가스 공급 매니폴드(310)의 상방측의 단부변을 따르도록 배치된다. 다공질 부재(170)의 하방측의 단부(170LE)에 실링 플레이트(181)가 배치된다. 다공질 부재(170)는, 산화제 가스 공급 매니폴드(310)로부터 공급되는 산화제 가스 Ga를, 실링 플레이트(181)가 배치된 하방측의 단부(170LE)로부터 다공질 부재(170)의 면 방향(XY 평면 방향)을 따라 흐르게 하고, 제1 면(171)을 통하여 MEGA(110)에 공급한다. 또한 다공질 부재(170)는, MEGA(110)로부터 배출되는 산화제 배기 가스 Gex를, 실링 플레이트(180)가 배치된 상방측의 단부(170UE)를 통하여 산화제 배기 가스 배출 매니폴드(315)로 배출한다.
도 5는 연료 전지 셀(100)의 산화제 배기 가스 배출 매니폴드(315)의 부근을 도시하는 단면도이다. 연료 전지 셀(100)은 다공질 부재(170)에 의하여, 캐소드측 세퍼레이터 플레이트(150)와 실링 플레이트(180) 사이나, 캐소드측 세퍼레이터 플레이트(150)와 프레임 부재(140) 사이에 산화제 가스 유로(131)가 형성된다. 캐소드측 세퍼레이터 플레이트(150)는, 한쪽의 면이 다공질 부재(170)와 면하고 있고, 다른 쪽의 면이 인접하는 다른 연료 전지 셀(100)의 애노드측 세퍼레이터 플레이트(160)와 면하고 있다. 이 서로 인접하는 애노드측 세퍼레이터 플레이트(160)와 캐소드측 세퍼레이터 플레이트(150) 사이에는 냉매 유로(134)가 형성된다. 한편, 애노드측 세퍼레이터 플레이트(160)와 MEGA(110) 사이에는 연료 가스 유로(132)가 형성된다.
다공질 부재(170)의 상방측의 단부(170UE)에는, 제1 면(171)의 상방측의 단변부(171UE)와, 제2 면(172)의 상방측의 단변부(172UE)와, 단변부(171UE)와 단변부(172UE) 사이에 위치하는 단부면부(173)가 형성되어 있다. 단부면부(173)는 산화제 배기 가스 배출 매니폴드(315)에 면하고 있다. 다공질 부재(170)의 상측의 단부(170UE)는, 실링 플레이트(180) 및 캐소드측 세퍼레이터 플레이트(150)의 상측의 단부와 함께, 산화제 배기 가스 배출 매니폴드(315)의 내측으로 돌출되어 있다. MEGA(110)로부터 배출되는 산화제 배기 가스는 다공질 부재(170)의 내측을 유통하여, 단부면부(173)를 통하여 산화제 배기 가스 배출 매니폴드(315)로 배출된다.
실링 플레이트(180)는 다공질 부재(170)의 제1 면(171)의 단변부(171UE)를 따라 배치되며, 프레임 부재(140)와 면하고 있다. 다공질 부재(170)의 하방측의 단부(170LE)(도 4)에 배치되는 실링 플레이트(181)도, 마찬가지로 다공질 부재(170)의 제1 면(171)의 하방측의 단변부(도시하지 않음)를 따라 배치되며, 프레임 부재(140)와 면하고 있다.
도 6은 다공질 부재(170)의 구성을 예시한 설명도이다. 도 6에서는, 설명을 위하여 실링 플레이트(180), 캐소드측 세퍼레이터 플레이트(150) 및 프레임 부재(140)를 다공질 부재(170)로부터 이격하여 도시하고 있다. 이하의 설명에서는, 다공질 부재(170)의 제1 면(171)에 있어서, 실링 플레이트(180)와 면하는 영역을 「제1 영역(171UA)」이라고도 칭하고, 제2 면(172)에 있어서, 제1 면(171)의 제1 영역(171UA)의 반대측에 있는 영역을 「제2 영역(172UA)」이라고도 칭한다. 연료 전지 셀(100)은, 제1 면(171)의 제1 영역(171UA)과, 제2 면(172)의 제2 영역(172UA)의 친수성이 상이하도록 구성되어 있다. 본 실시 형태에서는, 제2 면(172)의 제2 영역(172UA)이 제1 면(171)의 제1 영역(171UA)보다도 친수성이 높아지도록 구성되어 있다. 본 명세서에서는, 영역의 친수성이란 영역 내의 친수성의 평균값을 의미한다. 또한 친수성이 높다는 용어는 접촉각이 작은 것을 의미한다. 이때, 비교되는 2개의 영역의 접촉각 중 한쪽 또는 양쪽의 접촉각이 90°를 초과하고 있어도 된다. 즉, 본 명세서에서 사용되는 광의의 「친수성」은 접촉각이 90°를 초과하는 경우도 포함한다. 또한 협의의 「친수성」이란 접촉각이 90° 미만을 의미한다.
도 7은, 다공질 부재(170)의 제1 영역(171UA)보다도 제2 영역(172UA)의 친수성을 높게 하는 방법의 일례를 도시한 설명도이다. 도 7a는 실링 플레이트(180, 181)를 배치한 다공질 부재(170)의 평면도이고, 도 7b는 도 7a의 A-A 단면을 예시한 도면이다. 처음에, 도 7a에 도시한 바와 같이 다공질 부재(170)와 실링 플레이트(180)를 준비하고, 다공질 부재(170)의 제1 면(171)의 상측의 단변부(171UE)를 따라 실링 플레이트(180)를 배치한다. 본 실시 형태에서는, 하측의 단변부(171LE)에 실링 플레이트(181)도 함께 배치된다. 그 후, 도 7b에 도시한 바와 같이, 실링 플레이트(180)를 배치한 다공질 부재(170) 전체에 친수 처리를 행한다. 친수 처리로서는, 예를 들어 자외선 조사 처리, 호닝 처리, 플라즈마 처리, 물리적인 표면 조화 처리, 친수제의 도포, 소 돌기의 형성 등의 처리가 있다. 또한 친수 처리의 방법은 이들에 한정되지 않는다. 다공질 부재(170)에 있어서, 실링 플레이트(180)에 의하여 마스킹되어 있는 제1 면(171)의 제1 영역(171UA)은 친수 처리가 행해지지 않고, 제2 면(172)의 제2 영역(172UA)은 친수 처리가 행해진다. 따라서 다공질 부재(170)의 제1 영역(171UA)보다도 제2 영역(172UA)의 친수성을 높게 할 수 있다.
도 8은 발전 시에 있어서의 산화제 가스 유로(131)의 내부 상태를 예시한 설명도이다. 본 실시 형태의 연료 전지 셀(100)은, 산화제 가스 유로(131)가 적어도 실링 플레이트(180)와 캐소드측 세퍼레이터 플레이트(150) 사이에 끼워진 부분에 있어서, 다공질 부재(170)의 제2 면(172)이 제1 면(171)보다도 친수성이 높아지도록 구성되어 있다. 그로 인하여, 산화제 가스 유로(131)의 상기 부분에 있어서, 발전에 의하여 생성된 물 Wa를 다공질 부재(170)의 제2 면(172)을 따라 흐르게 할 수 있다. 이것에 의하여, 산화제 배기 가스 Gex를 다공질 부재(170)의 제1 면(171)을 따라 유통시켜, 산화제 배기 가스 배출 매니폴드(315)로 배출시킬 수 있다.
도 9는 발전 시에 있어서의 비교예의 연료 전지 셀(100C)의 내부의 상태를 예시한 설명도이다. 비교예의 연료 전지 셀(100C)은, 다공질 부재(170C)의 구성만에 있어서 본 실시 형태의 연료 전지 셀(100)과 상이하다. 비교예의 다공질 부재(170C)는 친수 처리를 행하고 있지 않으며, 제1 면(171C)과 제2 면(172C)의 친수성이 거의 같은 정도로 되어 있다. 비교예의 연료 전지 셀(100C)에서는, 적어도 실링 플레이트(180)와 캐소드측 세퍼레이터 플레이트(150) 사이에 끼워진 부분에 있어서, 물 Wa는 다공질 부재(170C)의 제1 면(171C)과 제2 면(172C)의 양측을 유통한다. 다공질 부재(170C)의 양측에서 물 Wa가 유통하면, 도 9에 도시한 바와 같이 물 Wa가 산화제 가스 유로(131)를 막는 경우가 있다. 산화제 가스 유로(131)가 물 Wa로 막히면, 산화제 배기 가스 Gex를 산화제 배기 가스 배출 매니폴드(315)로 배출할 때의 압력 손실이 증가하기 때문에, 발전 성능이 저하된다.
도 10은, 본 실시 형태의 연료 전지 셀(100)과 비교예의 연료 전지 셀(100C)의 산화제 배기 가스의 압력 손실을 비교한 도면이다. 에어 이론 공연비를 2.0, 전류 밀도를 1.5A/㎠, 캐소드 입구 가스 온도를 20℃로 하고, 각각의 연료 전지 셀의 압력 손실의 비교를 행하였다. 그 결과, 비교예의 연료 전지 셀(100C)의 압력 손실은 4.0㎪인 데 비하여, 본 실시 형태의 연료 전지 셀(100)에서는 압력 손실은 3.5㎪로 되었다. 이 점으로부터, 본 실시 형태의 구성에 의하여 산화제 가스 유로(131)에 있어서의 산화제 배기 가스 Gex의 압력 손실이 저감되는 것을 알 수 있다.
이상 설명한 제1 실시 형태에 따른 연료 전지(10)에 의하면, 다공질 부재(170)의 내부를 경유하여 배출되는 산화제 배기 가스 Gex의 압력 손실의 증가를 억제할 수 있다. 구체적으로는, 다공질 부재(170) 중 실링 플레이트(180)와 캐소드측 세퍼레이터 플레이트(150) 사이에 끼워진 부분에 있어서, 발전에 의하여 생성된 물 Wa를 다공질 부재(170)의 제1 면(171)과 제2 면(172) 중 상대적으로 친수성이 높은 어느 한쪽을 따라 흐르게 할 수 있고, 다른 쪽에 있어서 산화제 배기 가스 Gex를 유통시킬 수 있다. 이것에 의하여, 발전에 의하여 생성된 물 Wa가 다공질 부재(170)의 내부를 막는 상태를 발생시키기 어렵게 하여, 다공질 부재(170)의 내부를 경유하여 배출되는 산화제 배기 가스 Gex의 압력 손실의 증가와, 그에 수반하는 발전 성능의 저하를 억제할 수 있다.
이하, 본 발명의 제2 실시 형태에 대하여 설명한다.
도 11은 제2 실시 형태의 연료 전지 셀(100S)을 설명하기 위한 도면이다. 도 11에서는, 설명을 위하여 실링 플레이트(180S), 캐소드측 세퍼레이터 플레이트(150S) 및 프레임 부재(140)를 다공질 부재(170S)로부터 이격하여 도시하고 있다. 제2 실시 형태의 연료 전지 셀(100S)은, 제1 실시 형태의 연료 전지 셀(100)과 비교하면 친수 처리를 행하는 부재가 상이하다. 이하의 설명에서는, 실링 플레이트(180S)에 있어서 다공질 부재(170S)와 면하는 영역을 「제3 영역(180FA)」이라고도 칭하고, 캐소드측 세퍼레이터 플레이트(150S)에 있어서 다공질 부재(170S)를 개재하여 실링 플레이트(180S)의 제3 영역(180FA)과 대향하는 영역을 「제4 영역(150FA)」이라고도 칭한다.
제2 실시 형태의 연료 전지 셀(100S)은, 실링 플레이트(180S)의 제3 영역(180FA)과, 캐소드측 세퍼레이터 플레이트(150S)의 제4 영역(150FA)의 친수성이 상이하도록 구성되어 있다. 본 실시 형태에서는, 캐소드측 세퍼레이터 플레이트(150S)의 제4 영역(150FA)이 실링 플레이트(180S)의 제3 영역(180FA)보다도 친수성이 높아지도록 구성되어 있다. 다공질 부재(170S)는 친수 처리를 행하고 있지 않으며, 제1 면(171S)과 제2 면(172S)의 친수성이 거의 같은 정도로 되어 있다.
이 구성이어도, 다공질 부재(170S)의 내부를 경유하여 배출되는 산화제 배기 가스 Gex의 압력 손실의 증가를 억제할 수 있다. 구체적으로는, 산화제 가스 유로에 있어서, 발전에 의하여 생성된 물을 실링 플레이트(180S)와 캐소드측 세퍼레이터 플레이트(150S) 중 상대적으로 친수성이 높은 어느 한쪽을 따라 흐르게 할 수 있고, 다른 쪽에 있어서 산화제 배기 가스를 유통시킬 수 있다. 이것에 의하여, 발전에 의하여 생성된 물 Wa가 유로를 막는 상태를 발생시키기 어렵게 하여, 이 유로를 경유하여 배출되는 산화제 배기 가스 Gex의 압력 손실의 증가와, 그에 수반하는 발전 성능의 저하를 억제할 수 있다.
또한 다공질 부재(170S)는, 제1 면(171S)과 제2 면(172S) 중, 상대적으로 친수성이 높은 면과 대향하고 있는 쪽의 면이, 다른 쪽의 면보다도 친수성이 높아지도록 구성되어 있어도 된다. 구체적으로는, 캐소드측 세퍼레이터 플레이트(150S)의 제4 영역(150FA)이 실링 플레이트(180S)의 제3 영역(180FA)보다도 친수성이 높아지도록 구성되어 있는 경우에는, 다공질 부재(170S)의 제2 면(172S)을 제1 면(171S)보다도 친수성이 높아지도록 구성해도 된다. 이 경우, 발전에 의하여 생성된 물 Wa는 보다 안정적으로 한쪽, 즉 캐소드측 세퍼레이터 플레이트(150S)와 다공질 부재(170S)의 제2 면(172S) 사이를 흐른다. 따라서 물 Wa가 다공질 부재(170S)의 내부를 막는 상태를 보다 발생하기 어렵게 할 수 있어, 보다 바람직하다.
도 12는, 제2 실시 형태의 변형예에 관한 연료 전지 셀(100S1, 100S2)을 도시한 도면이다. 도 12에서는, 실링 플레이트(180S) 및 캐소드측 세퍼레이터 플레이트(150S)의 선단부 부분만이 도시되고, 다공질 부재(170), 프레임 부재(140) 및 애노드측 세퍼레이터 플레이트(160)의 도시가 생략되어 있다. 도 12에는, 상술한 비교예의 연료 전지 셀(100C), 제2 실시 형태의 연료 전지 셀(100S) 외에, 제2 실시 형태의 변형예 1에 관한 연료 전지 셀(100S1) 및 제2 실시 형태의 변형예 2에 관한 연료 전지 셀(100S2)이 도시되어 있다.
변형예 1의 연료 전지 셀(100S1)에서는, 캐소드측 세퍼레이터 플레이트(150S)의 제4 영역(150FA)에 대하여 부분적으로 친수 처리가 행해져 있다. 그로 인하여 캐소드측 세퍼레이터 플레이트(150S)의 제4 영역(150FA)에는, 친수 처리되어 있는 영역과 친수 처리되어 있지 않은 영역의 2가지 영역이 포함되어 있다. 실링 플레이트(180S)의 제3 영역(180FA)은 친수 처리되어 있지 않다.
변형예 2에 관한 연료 전지 셀(100S2)에서는, 실링 플레이트(180S)의 제3 영역(180FA) 및 캐소드측 세퍼레이터 플레이트(150S)의 제4 영역(150FA)에 대하여 각각 부분적으로 친수 처리가 행해져 있다. 그로 인하여 제3 영역(180FA) 및 제4 영역(150FA)에는 각각, 친수 처리되어 있는 영역과 친수 처리되어 있지 않은 영역의 2가지 영역이 포함되어 있다. 제4 영역(150FA)에 대하여 친수 처리가 실시되는 범위는, 제3 영역(180FA)에 대하여 친수 처리가 실시되는 범위보다도 넓어지도록 구성되어 있다. 각각의 영역의 친수성은 거의 같은 정도로 되어 있다. 변형예 1, 2의 연료 전지 셀(100S1, 100S2)에서는, 다공질 부재에는 친수 처리가 실시되어 있지 않으며, 양면의 친수성이 거의 같은 정도로 되어 있다. 여기서는, 실링 플레이트(180S)의 제3 영역(180FA) 중, 친수 처리가 실시되어 있는 영역을 「제5 영역(180FAP)」이라고도 칭한다. 또한 캐소드측 세퍼레이터 플레이트(150S)의 제4 영역(150FA) 중, 친수 처리가 실시되어 있는 영역을 「제6 영역(150FAP)」이라고도 칭한다. 친수 처리가 실시되어 있지 않은 영역을 「미처리 영역 NP」라고도 칭한다.
도 13은, 변형예 1의 캐소드측 세퍼레이터 플레이트(150S)의 제6 영역(150FAP)과 미처리 영역 NP를 예시한 평면도이다. 도 13에 있어서의 변형예 (a) 내지 (f)에는 캐소드측 세퍼레이터 플레이트(150S)의 제4 영역(150FA)이 도시되어 있으며, 지면(紙面)의 상방측이 산화제 배기 가스 배출 매니폴드(315)와 면하고 있다. 도 13에 있어서의 변형예 (a)과 같이, 제6 영역(150FAP)은 복수의 직사각형 형상의 영역에 의하여 구성되고, 각 영역이 직사각형 형상의 미처리 영역 NP와 교대로 배치되어 있어도 된다. 제6 영역(150FAP)은 캐소드측 세퍼레이터 플레이트(150S)의 상방측의 단변에 접하고 있는 것이 바람직하다. 이 경우, 제6 영역(150FAP)을 따라 유통하는 물 Wa를 산화제 배기 가스 배출 매니폴드(315)로 용이하게 배출할 수 있다. 또한 도 13에 있어서의 변형예 (b)과 같이, 제6 영역(150FAP)은 복수의 곡선형의 영역에 의하여 구성되어 있어도 된다. 또한 도 13에 있어서의 변형예 (c)에 도시한 바와 같이, 제6 영역(150FAP)은 산화제 배기 가스 배출 매니폴드(315)를 향함에 따라 폭이 좁아지는, 대략 삼각형의 복수의 영역에 의하여 구성되어 있어도 된다. 또한 반대로, 도 13에 있어서의 변형예 (d)에 도시한 바와 같이, 제6 영역(150FAP)을 구성하는 복수의 영역의 각각은 산화제 배기 가스 배출 매니폴드(315)를 향함에 따라 폭이 넓어져도 된다. 또한 제6 영역(150FAP)을 구성하는 복수의 영역의 각각의 폭과, 미처리 영역 NP의 각각의 폭의 비율은 임의로 설정 가능하며, 예를 들어 도 13에 있어서의 변형예 (e), (f)에 도시한 바와 같이, 도 13에 있어서의 변형예 (c), (d)보다도 제6 영역(150FAP)을 구성하는 복수의 영역의 각각의 폭을 상대적으로 넓게 해도 된다. 또한 도 13에 있어서의 변형예 (a) 내지 (f)는 제6 영역(150FAP)의 형상을 예시한 것이며, 제6 영역(150FAP)의 형상은 이들에 한정되지 않는다.
변형예 1, 2에 관한 연료 전지 셀(100S1, 100S2)은, 실링 플레이트(180S)의 제3 영역(180FA) 중 친수 처리가 실시되어 있는 제5 영역(180FAP)의 면적 AS와, 캐소드측 세퍼레이터 플레이트(150S)의 제4 영역(150FA) 중 친수 처리가 실시되어 있는 제6 영역(150FAP)의 면적 AC가 상이하도록 구성되어 있다. 여기서는 그 일례로서, 실링 플레이트(180S)의 제5 영역(180FAP)의 면적 AS가, 캐소드측 세퍼레이터 플레이트(150S)의 제6 영역(150FAP)의 면적 AC보다도 커지는 구성이 도시되어 있다.
예를 들어 변형예 1의 연료 전지 셀(100S1)에서는, 캐소드측 세퍼레이터 플레이트(150S)의 제4 영역(150FA)에 대하여 부분적으로 친수 처리가 실시되어 있지만, 실링 플레이트(180S)의 제3 영역(180FA)에는 친수 처리가 실시되어 있지 않다. 그로 인하여, 캐소드측 세퍼레이터 플레이트(150S)의 제6 영역(150FAP)의 면적 AC는 0보다도 커지는 데 비하여, 실링 플레이트(180S)의 제5 영역(180FAP)의 면적 AS는 0으로 된다. 따라서 면적 AC가 면적 AS보다도 커진다. 변형예 2의 연료 전지 셀(100S2)에서는, 제4 영역(150FA)에 대하여 친수 처리가 실시되는 범위가 제3 영역(180FA)에 대하여 친수 처리가 실시되는 범위보다도 넓어지도록 구성되어 있기 때문에, 면적 AC가 면적 AS보다도 커진다.
상기 구성이어도, 캐소드측 세퍼레이터 플레이트(150S)와 실링 플레이트(180S) 사이에 형성되는 유로를 경유하여 배출되는 산화제 배기 가스 Gex의 압력 손실의 증가를 억제할 수 있다. 구체적으로는, 산화제 가스 유로에 있어서, 실링 플레이트(180S)와 캐소드측 세퍼레이터 플레이트(150S) 중, 친수 처리가 실시된 영역의 면적이 큰 한쪽을 따라 주로 물 Wa를 흐르게 할 수 있고, 다른 쪽에 있어서, 주로 산화제 배기 가스 Gex를 유통시킬 수 있다. 이것에 의하여, 발전에 의하여 생성된 물 Wa가 유로를 막는 상태를 발생시키기 어렵게 하여, 이 유로를 경유하여 배출되는 산화제 배기 가스 Gex의 압력 손실의 증가와, 그에 수반하는 발전 성능의 저하를 억제할 수 있다.
또한 본 발명은 상기 실시 형태나 실시 형태에 한정되는 것은 아니며, 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 다양한 형태로 실시하는 것이 가능하고, 예를 들어 다음과 같은 변형도 가능하다.
이하, 본 발명의 실시 형태의 변형예의 한 가지를 설명한다.
도 14는 변형예의 연료 전지 셀을 설명하기 위한 도면이다. 제1 실시 형태에서는, 다공질 부재(170)의 제2 면(172)의 제2 영역(172UA)이 제1 면(171)의 제1 영역(171UA)보다도 친수성이 높아지도록 구성되어 있다. 그러나 도 14에 도시한 바와 같이, 제1 면(171)의 제1 영역(171UA)에 친수 처리를 실시하여, 제1 면(171)의 제1 영역(171UA)이 제2 면(172)의 제2 영역(172UA)보다도 친수성이 높아지도록 구성해도 된다. 이 경우에도, 친수성이 상대적으로 높은 제1 면(171)측에 물 Wa를 유통시킬 수 있고, 제2 면(172)측에 있어서 산화제 배기 가스 Gex를 유통시킬 수 있다.
제1 실시 형태에서는, 다공질 부재(170)의 제1 영역(171UA)과 제2 영역(172UA) 중 어느 한쪽에만 친수 처리가 행해지는 것으로서 설명했지만, 친수성의 정도가 상이하도록 하여 양쪽에 친수 처리가 실시되어 있어도 된다. 이 경우에도, 이들 영역(171UA, 172UA) 중 친수성이 상대적으로 높은 측에 물 Wa를 유통시킬 수 있고, 다른 쪽에 있어서 산화제 배기 가스 Gex를 유통시킬 수 있다.
또한 제2 실시 형태에 있어서, 실링 플레이트(180S)의 제3 영역(180FA)과 캐소드측 세퍼레이터 플레이트(150S)의 제4 영역(150FA)에 대해서도, 친수성의 정도가 상이하도록 하여 양쪽에 친수 처리가 실시되어 있어도 된다.
제1 실시 형태에서는, 다공질 부재(170)의 제1 영역(171UA)과 제2 영역(172UA) 중 어느 한쪽에 친수 처리된 것으로서 설명했지만, 어느 한쪽에 발수 처리를 행함으로써 이들 영역(171UA, 172UA)의 친수성의 정도, 즉 접촉각의 정도에 차이를 설정해도 된다. 발수 처리로서는, 예를 들어 수지 도포 시공, 도장 가공, 경면 마무리 등이 있다.
또한 제2 실시 형태에 있어서, 실링 플레이트(180S)의 제3 영역(180FA)과 캐소드측 세퍼레이터 플레이트(150S)의 제4 영역(150FA)의 친수성의 정도의 차이를 발수 처리에 의하여 형성해도 된다. 또한 제2 실시 형태의 변형예 1, 2에 있어서, 실링 플레이트(180S)의 제3 영역(180FA) 및 캐소드측 세퍼레이터 플레이트(150S)의 제4 영역(150FA)에 대하여 부분적으로 발수 처리를 행하고, 발수 처리를 행하고 있지 않은 영역을 제5 영역(180FAP) 또는 제6 영역(150FAP)으로 해도 된다.
제1 실시 형태에서는, 다공질 부재(170)의 제1 영역(171UA)과 제2 영역(172UA) 중 어느 한쪽 전체에 친수 처리를 실시하는 것으로서 설명했지만, 부분적으로 친수 처리를 행해도 된다. 이 경우에도, 친수 처리가 실시된 부분을 통하여 물 Wa가 유통될 수 있기 때문에, 다른 쪽에 있어서 산화제 배기 가스 Gex를 유통시킬 수 있다. 부분적으로 친수 처리를 실시하는 경우, 친수 처리를 실시하는 영역은 단변부(171UE) 또는 단변부(172UE)에 접하고 있는 것이 바람직하다. 또한 영역 전체에 친수 처리를 실시하는 것이 보다 바람직하다. 영역 전체에 친수 처리를 실시한 쪽이 물 Wa를 안정적으로 한쪽으로 유통시킬 수 있다.
제1 실시 형태의 연료 전지 셀(100)의 구성과 제2 실시 형태의 연료 전지 셀(100S)의 구성은 적절히 조합해도 된다. 예를 들어 제1 실시 형태의 다공질 부재(170)를 제2 실시 형태의 연료 전지 셀(100S)에 사용해도 된다. 또한 제1 실시 형태의 다공질 부재(170)의 제1 영역(171UA)과 제2 영역(172UA)을, 제2 실시 형태의 변형예 2의 실링 플레이트(180S)의 제3 영역(180FA)과 캐소드측 세퍼레이터 플레이트(150S)의 제4 영역(150FA)과 같이 부분적으로 친수 처리를 행해도 된다.

Claims (4)

  1. 연료 전지(10)에 있어서,
    막 전극 접합체;
    제1 면(171), 제2 면(172), 단부면부(173)를 갖고,
    상기 제1 면과 상기 제2 면은 다공질 부재의 양면이며, 상기 제1 면은 상기 막 전극 접합체의 캐소드측의 면 상에 배치되고, 상기 단부면부는 제1 면의 단변부(171UE)와 제2 면의 단변부(172UE) 사이에 있도록 구성된, 다공질 부재(170);
    상기 제1 면의 상기 단변부를 따라 배치되는 실링 플레이트(180); 및,
    상기 제2 면 상에 배치되는 세퍼레이터 플레이트(150)를 포함하고,
    상기 다공질 부재는 상기 제1 면을 통하여 상기 막 전극 접합체에 산화제 가스를 공급함과 함께, 상기 단부면부를 통하여 산화제 배기 가스를 상기 연료 전지의 배출부로 배출하도록 구성되고,
    상기 실링 플레이트는 상기 다공질 부재와 면하는 제3 영역을 갖고, 상기 세퍼레이터 플레이트는 상기 다공질 부재를 개재하여 상기 실링 플레이트의 상기 제3 영역에 대향하는 제4 영역을 갖고, 상기 제3 영역과 상기 제4 영역 중 어느 한 쪽은 친수 처리가 된 친수 처리 영역인,
    연료 전지.
  2. 연료 전지(10)에 있어서,
    막 전극 접합체;
    제1 면(171), 제2 면(172), 단부면부(173)를 갖고,
    상기 제1 면과 상기 제2 면은 다공질 부재의 양면이며, 상기 제1 면은 상기 막 전극 접합체의 캐소드측의 면 상에 배치되고, 상기 단부면부는 제1 면의 단변부(171UE)와 제2 면의 단변부(172UE) 사이에 있도록 구성된, 다공질 부재(170);
    상기 제1 면의 상기 단변부를 따라 배치되는 실링 플레이트(180); 및,
    상기 제2 면 상에 배치되는 세퍼레이터 플레이트(150)를 포함하고,
    상기 다공질 부재는 상기 제1 면을 통하여 상기 막 전극 접합체에 산화제 가스를 공급함과 함께, 상기 단부면부를 통하여 산화제 배기 가스를 상기 연료 전지의 배출부로 배출하도록 구성되고, 상기 실링 플레이트는 상기 다공질 부재와 면하는 제3 영역을 갖고, 상기 제3 영역은 친수 처리가 실시되어 있는 제5 영역을 갖고, 상기 세퍼레이터 플레이트는 상기 다공질 부재를 개재하여 상기 실링 플레이트의 상기 제3 영역과 대향하는 제4 영역을 갖고, 상기 제4 영역은 친수 처리가 실시되어 있는 제6 영역을 갖고, 상기 제5 영역의 면적과 상기 제6 영역의 면적은 상이한,
    연료 전지.
  3. 연료 전지(10)의 제조 방법에 있어서,
    다공질 부재(170)의 제1 면(171)의 단변부(171UE)를 따라 실링 플레이트(180)를 배치함으로써 상기 다공질 부재와 상기 실링 플레이트의 집합체를 형성하는 것;
    상기 집합체 전체에 친수 처리를 행하는 것; 및,
    상기 친수 처리를 행한 상기 집합체에, 상기 다공질 부재의 제1 면의 단변부가 산화제 배기 가스를 배출하기 위한 배출부(325)에 면하는 상태에서, 상기 다공질 부재의 상기 제1 면에 막 전극 접합체를 배치함과 함께, 상기 제1 면의 반대측의 면인 제2 면(172)에 세퍼레이터 플레이트(150)를 배치하는 것을 포함하는,
    연료 전지의 제조 방법.
  4. 삭제
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Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11251019B2 (en) * 2016-12-15 2022-02-15 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Plasma device
JP6863199B2 (ja) 2017-09-25 2021-04-21 トヨタ自動車株式会社 プラズマ処理装置
JP6922749B2 (ja) * 2018-01-12 2021-08-18 トヨタ自動車株式会社 燃料電池セル
DE102019216867A1 (de) 2019-10-31 2021-05-06 Robert Bosch Gmbh Verfahren zur Vorbehandlung von Oberseiten oder Oberflächen von Einzelelementen einer Brennstoffzelle
KR20210076414A (ko) * 2019-12-16 2021-06-24 현대자동차주식회사 연료전지용 분리판

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013187030A (ja) * 2012-03-08 2013-09-19 Toyota Motor Corp 燃料電池セル、および、燃料電池セルの製造方法
JP2013191502A (ja) * 2012-03-15 2013-09-26 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1327275A2 (en) * 2000-09-27 2003-07-16 Proton Energy Systems, Inc. Method and apparatus for improved fluid flow within an electrochemical cell
US6519793B2 (en) * 2001-07-18 2003-02-18 Gray Matter Holdings Llc Collapsible mat with removable portion and method of making same
US20030148164A1 (en) * 2001-09-07 2003-08-07 Koch Carol A. Efficient fuel cell water transport plates
US7904524B2 (en) * 2006-03-06 2011-03-08 Aggregate Knowledge Client recommendation mechanism
JP2008004420A (ja) 2006-06-23 2008-01-10 Toyota Motor Corp 燃料電池
JP5380771B2 (ja) 2006-11-28 2014-01-08 トヨタ自動車株式会社 燃料電池用セパレータ、燃料電池用セパレータの製造方法、及び燃料電池
JP2009026519A (ja) * 2007-07-18 2009-02-05 Toyota Motor Corp 燃料電池および燃料電池搭載車両
JP2009218190A (ja) 2008-03-13 2009-09-24 Toyota Motor Corp 燃料電池
US8268041B2 (en) * 2008-06-30 2012-09-18 L'air Liquide Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude Hollow organic/inorganic composite fibers, sintered fibers, methods of making such fibers, gas separation modules incorporating such fibers, and methods of using such modules
JP2010061991A (ja) 2008-09-03 2010-03-18 Toyota Motor Corp 燃料電池
JP5348416B2 (ja) 2009-09-16 2013-11-20 トヨタ自動車株式会社 燃料電池用セパレータの製造方法
JP2011108547A (ja) * 2009-11-19 2011-06-02 Toyota Motor Corp 燃料電池
US9249508B2 (en) * 2010-03-14 2016-02-02 Mark S. Braiman Bromine-sensitized solar photolysis of carbon dioxide
JP5240282B2 (ja) 2010-12-06 2013-07-17 トヨタ自動車株式会社 燃料電池セル

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013187030A (ja) * 2012-03-08 2013-09-19 Toyota Motor Corp 燃料電池セル、および、燃料電池セルの製造方法
JP2013191502A (ja) * 2012-03-15 2013-09-26 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池

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