KR101851886B1 - 연료 전지 - Google Patents

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다카시 곤도
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Abstract

복수의 발전 유닛(100)이 적층됨으로써 형성되는 연료 전지(10). 상기 발전 유닛(100)은 막 전극 가스 확산층 접합체(110); 그의 외주를 따라 배치된 밀봉부(140); 캐소드측 촉매층에 공급되는 산화제 가스가 유동하는 다공체 유로(170); 상기 밀봉부와 상기 다공체 유로 사이에 제공된 차폐 플레이트(180); 및 상기 막 전극 가스 확산층 접합체 및 상기 다공체 유로를 사이에 샌드위치하도록 구성된 제1, 제2 세퍼레이터 플레이트(150, 160)를 포함한다. 상기 차폐 플레이트(180), 상기 다공체 유로(170) 및 상기 다공체 유로와 접촉하는 상기 제1 세퍼레이터 플레이트(150)는 상기 밀봉부(140)에 의해 결정되는 상기 산화제 배기 가스 배출 매니폴드(315) 내로 돌출되어 있다.

Description

연료 전지 {FUEL CELL}
본 발명은 다공체를 반응 가스 유로로서 사용하는 연료 전지에 관한 것이다.
일본 특허 출원 공개 번호 2012-123949 (JP 2012-123949 A)에는 익스팬디드 메탈 및 밀봉 플레이트가 캐소드의 공급측 매니폴드 내로 돌출되도록 구성된 연료 전지가 기재되어 있다.
캐소드 가스 배출측에서는, 반응으로 인해 생성된 물이 배출된다. 그러나, JP 2012-123949 A에는 배출측 매니폴드에서 효율적으로 물을 배출시키기 위한 구조에 대해서는 충분히 검토되지 않았다.
본 발명의 일 형태는 복수의 발전 유닛이 적층됨으로써 형성되는 연료 전지에 관한 것이다. 이러한 연료 전지에서, 각각의 상기 발전 유닛은 전해질 막이 애노드측 촉매층과 캐소드측 촉매층 사이에 샌드위치되도록 전해질 막, 애노드측 촉매층 및 캐소드측 촉매층을 포함하는 막 전극 가스 확산층 접합체; 상기 막 전극 가스 확산층 접합체의 외주를 따라 배치된 밀봉부; 상기 캐소드측 촉매층에 대향하도록 배치되며, 상기 캐소드측 촉매층에 공급되는 산화제 가스가 유동하는 다공체 유로; 상기 밀봉부와 상기 다공체 유로 사이에 제공된 차폐 플레이트; 및 상기 막 전극 가스 확산층 접합체 및 상기 다공체 유로를 사이에 샌드위치하도록 구성된 제1, 제2 세퍼레이터 플레이트를 포함한다. 상기 밀봉부 및 상기 제1, 제2 세퍼레이터 플레이트는 서로 대응하는 위치에 개구부를 갖는다. 상기 개구부는 상기 복수의 발전 유닛이 적층되었을 때에 서로 연통하여, 상기 다공체 유로로부터 산화제 배기 가스를 배출하는 산화제 배기 가스 배출 매니폴드를 형성한다. 상기 제1 세퍼레이터 플레이트는 상기 다공체 유로와 접촉한다. 상기 차폐 플레이트, 상기 다공체 유로 및 상기 다공체 유로와 접촉하는 상기 제1 세퍼레이터 플레이트는 상기 밀봉부에 의해 규정되는 상기 산화제 배기 가스 배출 매니폴드 내로 돌출되어 있다. 이러한 연료 전지에 따르면, 차폐 플레이트, 다공체 유로 및 제1 세퍼레이터 플레이트는 밀봉부에 의해 규정되는 산화제 배기 가스 배출 매니폴드 내로 돌출되어 있다. 따라서, 연료 전지의 반응으로 인해 생성된 생성수가 산화제 배기 가스 배출 매니폴드 내로 용이하게 배출되어, 산화제 배기 가스 배출 매니폴드로부터 다공체 유로로의 물의 역류를 억제하는 것이 가능해진다.
상기 다공체 유로의 상기 산화제 배기 가스 배출 매니폴드 내로 돌출된 부분의 양면은, 상기 차폐 플레이트 및 상기 제1 세퍼레이터 플레이트로 덮일 수 있다. 이러한 구성에서, 다공체 유로의 양면은 차폐 플레이트 및 제1 세퍼레이터 플레이트로 덮여 있기 때문에, 이렇게 하여 덮여진 영역으로부터의 생성수의 역류를 억제하는 것이 가능하다.
상기 차폐 플레이트 및 상기 제1 세퍼레이터 플레이트 중 상기 산화제 배기 가스 배출 매니폴드에서의 산화제 배기 가스의 유동 방향에서 하류에 배치된 하나는, 상류에 배치된 다른 하나보다도 상기 산화제 배기 가스 배출 매니폴드 내로 돌출된 돌출량이 더 작을 수 있다. 산화제 배기 가스 배출 매니폴드로 배출된 생성수는 상류로부터 하류로 유동한다. 이러한 구성에서, 다공체 유로의 상류측은 덮여 있기 때문에, 생성수가 다공체 유로로 역류하기 어렵다.
상기 다공체 유로는 상기 차폐 플레이트 및 상기 제1 세퍼레이터 플레이트보다도 상기 산화제 배기 가스 배출 매니폴드 내로 더 돌출될 수 있다. 이러한 구성으로, 생성수가 다공체의 돌출부로부터 용이하게 배출된다.
상기 차폐 플레이트 및 상기 제1 세퍼레이터 플레이트 중 상기 산화제 배기 가스 배출 매니폴드에서의 산화제 배기 가스의 유동 방향에서 하류에 배치된 하나는, 상기 산화제 배기 가스 배출 매니폴드를 상기 다공체 유로와 연통시키도록 구성된 구멍 또는 슬릿을 포함할 수 있다. 이러한 구성으로, 생성수가 구멍 또는 슬릿으로부터 배출될 수 있다.
본 발명은 다양한 형태로 실현될 수 있다는 것에 유의한다. 예를 들어, 본 발명은 연료 전지 이외에, 연료 전지의 생성수 배수 구조 및 유사 형태로 달성가능하다.
본 발명의 예시적 실시형태의 특색, 이점, 및 기술 및 산업 유의성을 첨부 도면을 참조하여 하기에 기재할 것이며, 여기서 유사 부호는 유사 요소를 나타내고, 여기서
도 1은 연료 전지의 외관을 모식적으로 도시하는 설명도이고;
도 2는 터미널 플레이트에 더 가깝게 제공된 발전 유닛에서의 산화제 배기 가스 배출 매니폴드 근방을 모식적으로 도시하는 단면도이고;
도 3은 막 전극 가스 확산층 접합체 (MEGA)의 구성을 도시하는 설명도이고;
도 4는 발전 유닛의 산화제 배기 가스 배출 매니폴드에 가까운 부분을 확대 방식으로 도시하는 설명도이고;
도 5는 비교예 및 본 실시형태에서의 산화제 배기 가스의 유동 방향의 시뮬레이션 결과 지표를 나타내는 설명도이고;
도 6은 비교예에서, 산화제 배기 가스 배출 매니폴드의 터미널 플레이트에 가까운 부분에서의 생성수의 분포를 나타내는 설명도이고;
도 7은 본 실시형태에서, 산화제 배기 가스 배출 매니폴드의 터미널 플레이트에 가까운 부분에서의 생성수의 분포를 나타내는 설명도이고;
도 8은 본 실시형태 및 비교예의 생성수의 유동을 간략하게 비교하는 설명도이고;
도 9는 발전 유닛의 압력 손실을 나타내는 그래프이고;
도 10은 공기 화학량론적 비 및 발전 유닛의 전압 (전지 전압)을 나타내는 설명도이고;
도 11의 (A) 내지 (C)는 본 실시형태의 변형예의 일부를 나타내는 설명도이다.
제1 실시형태: 도 1은 연료 전지의 외관을 모식적으로 도시하는 설명도이다. 연료 전지(10)는 발전 유닛(100), 터미널 플레이트(200, 210), 절연 플레이트(220) 및 엔드 플레이트(230, 240)를 포함한다. 복수의 발전 유닛(100)은 적층 방식으로 제공되어 있다. 터미널 플레이트(200, 210)는 이렇게 하여 적층된 발전 유닛(100)의 각 측에 배치되고, 발전 유닛(100)으로부터의 전압 및 전류를 취출하기 위해서 사용된다. 절연 플레이트(220)는 터미널 플레이트(200)의 외측에 배치된다. 본체에 대한 고정 부분에 따라, 절연 플레이트는 터미널 플레이트(210)의 외측에 배치될 수 있다. 엔드 플레이트(230, 240)는 발전 유닛(100), 터미널 플레이트(200, 210) 및 절연 플레이트(220)를 체결하기 위해 연료 전지(10)의 각 측에 배치된다.
연료 전지(10)는 발전 유닛(100), 터미널 플레이트(200), 절연 플레이트(220) 및 엔드 플레이트(230)가 각각 복수의 개구부를 갖고, 대응하는 개구부가 서로 연통하여, 매니폴드(310, 315, 320, 325, 330, 335)를 형성한다. 매니폴드(310)는 발전 유닛(100)에 산화제 가스를 공급하기 위해 사용되므로, 매니폴드(310)는 산화제 가스 공급 매니폴드(310)로도 지칭된다. 이하, 각 역할 관점에서, 매니폴드(315, 320, 325, 330, 335)는 각각 "산화제 배기 가스 배출 매니폴드(315)", "연료 가스 공급 매니폴드(320)", "연료 배기 가스 배출 매니폴드(325)", "냉매 공급 매니폴드(330)" 및 "냉매 배출 매니폴드(335)"로 지칭된다.
도 2는 터미널 플레이트(210)에 더 가깝게 제공된 발전 유닛(100)에서의 산화제 배기 가스 배출 매니폴드(315) 근방을 모식적으로 도시하는 단면도이다. 발전 유닛(100) 각각은 막 전극 가스 확산층 접합체(110) (이하, "MEGA(110)"로 지칭됨), 프레임(140), 캐소드측 세퍼레이터 플레이트(150), 애노드측 세퍼레이터 플레이트(160), 다공체 유로(170) 및 차폐 플레이트(180)를 포함한다. MEGA(110)의 구성에 대해서는 나중에 기재할 것이다.
프레임(140)은 MEGA(110)를 그의 외측 에지로부터 지지하는 부재이며, 수지로 제조된다. 프레임(140)은 캐소드측 세퍼레이터 플레이트(150) 및 애노드측 세퍼레이터 플레이트(160)와 함께, 산화제 가스, 연료 가스 및 냉매의 누설을 밀봉하므로, 프레임(140)은 밀봉부로도 지칭된다. 프레임(140)의 캐소드측에는 차폐 플레이트(180)가 배치된다. 차폐 플레이트(180)는 금속 플레이트이며, 산화제 배기 가스 배출 매니폴드(315) 내로 부분적으로 돌출되어 있다. 본 실시형태에서, 캐소드측 세퍼레이터 플레이트(150), 애노드측 세퍼레이터 플레이트(160) 및 프레임(140)의 길이가 상이하므로, 산화제 배기 가스 배출 매니폴드(315)의 단부 (도 2에서의 하단부)는 프레임(140)의 단부면(140a)에 의해 결정된다는 것에 유의한다. 프레임(140)의 제조 편차, 버(burr) 등을 고려하여, 산화제 배기 가스 배출 매니폴드(315)의 단부는 프레임(140)의 단부면(140a)의 평균 위치에 의해 결정될 수 있다. 프레임(140)의 반대측 단부면(140b), 캐소드측 세퍼레이터 플레이트(150) 및 애노드측 세퍼레이터 플레이트(160)의 단부 위치는 도면의 상하 방향에서 동일 위치이므로, 산화제 배기 가스 배출 매니폴드(315)의 다른 쪽 단부 (도 2의 상단부)는 프레임(140)의 반대측 단부면(140b), 및 캐소드측 세퍼레이터 플레이트(150) 및 애노드측 세퍼레이터 플레이트(160)의 단부 중 어느 것에 의해 결정될 수 있다는 것에 유의한다. MEGA(110), 프레임(140) 및 차폐 플레이트(180)의 캐소드측에는 다공체 유로(170)가 배치된다. 다공체 유로(170)는 산화제 가스가 유동하기 위한 유로이며, 익스팬디드 메탈로 제조된다. 익스팬디드 메탈 대신에, 다공체 유로(170)는 다른 유형의 금속 다공체로 제조될 수 있다. 다공체 유로(170)는 차폐 플레이트(180)와 동일 위치까지 산화제 배기 가스 배출 매니폴드(315) 내로 돌출되어 있다. 도 2에서, 캐소드측 세퍼레이터 플레이트(150), 다공체 유로(170) 및 차폐 플레이트(180)의 돌출량은 모식적으로 제시되어 있다는 것에 유의한다.
다공체 유로(170)의 발전 유닛(100) 또는 터미널 플레이트(210)에 인접하는측에는, 캐소드측 세퍼레이터 플레이트(150)가 배치된다. 캐소드측 세퍼레이터 플레이트(150)는 금속 플레이트이며, 산화제 배기 가스 배출 매니폴드(315) 내로 부분적으로 돌출되어 있다. MEGA(110) 및 프레임(140)의 다공체 유로(170)와 반대측인 면에는, 애노드측 세퍼레이터 플레이트(160)가 배치된다. 애노드측 세퍼레이터 플레이트(160)는 요철 형상을 갖는 금속 플레이트이다. 애노드측 세퍼레이터 플레이트(160)는 산화제 배기 가스 배출 매니폴드(315) 내로 돌출되지 않는다. 애노드측 세퍼레이터 플레이트(160)와 MEGA(110) 사이에는 연료 가스 유로(132)가 형성되고, 애노드측 세퍼레이터 플레이트(160)와 캐소드측 세퍼레이터 플레이트(150) 사이에는 냉매 통로가 형성된다.
도 3은 막 전극 가스 확산층 접합체(110) (MEGA(110))의 구성을 도시하는 설명도이다. MEGA(110)는 전해질 막(112), 캐소드측 촉매층(114), 애노드측 촉매층(116), 캐소드측 가스 확산층(118) 및 애노드측 가스 확산층(120)을 포함한다. 전해질 막(112)은 양성자 전도성을 갖는 전해질 막이며, 예를 들어 퍼플루오로카본 술폰산 중합체와 같은 플루오린화 전해질 수지 (이온 교환 수지)가 사용된다.
캐소드측 촉매층(114) 및 애노드측 촉매층(116)은 촉매 (예를 들어, 백금)을 담지한 카본을 갖는다. 본 실시형태에서, 애노드측 촉매층(116)은 전해질 막(112)의 제1 면 전체에 걸쳐 도포되어 있지만, 캐소드측 촉매층(114)은 전해질 막(112)의 제2 면 중 일부 영역 (발전 영역)에만 도포되어 있다. 그 이유는 애노드측 촉매층(116)이 캐소드측 촉매층(114)보다도 단위 면적당 촉매량이 더 적을 수 있으므로 (전형적으로 캐소드측 촉매층(114)의 단위 면적당 촉매량의 1/2 이하, 예를 들어 그의 약 1/3), 촉매가 전해질 막(112)의 제1 면 전체에 걸쳐 도포된 경우에도 과도한 낭비를 초래하지 않고, 도포 단계가 용이하게 행해질 수 있기 때문이다.
캐소드측 촉매층(114) 상에는 캐소드측 가스 확산층(118)이 배치되고, 애노드측 촉매층(116) 상에는 애노드측 가스 확산층(120)이 배치된다. 캐소드측 가스 확산층(118) 및 애노드측 가스 확산층(120)은 카본 페이퍼로 제조된다. 그러나, 이들은 카본 페이퍼 대신에 카본 부직포로 제조될 수 있다.
도 4는 발전 유닛(100)의 산화제 배기 가스 배출 매니폴드(315)에 가까운 부분을 확대 방식으로 도시하는 설명도이다. 여기서, 본 실시형태 및 비교예의 2개의 구조가 도시되어 있다. 본 실시형태 및 비교예는 다공체 유로(170) 및 차폐 플레이트(180)가 산화제 배기 가스 배출 매니폴드(315) 내로 돌출되어 있다는 점에서 공통이다. 그러나, 본 실시형태에서는, 캐소드측 세퍼레이터 플레이트(150) 및 차폐 플레이트(180)가 다공체 유로(170)와 동일한 길이만큼만 산화제 배기 가스 배출 매니폴드(315) 내로 돌출되어 있고, 다공체 유로(170)의 양면이 캐소드측 세퍼레이터 플레이트(150) 및 차폐 플레이트(180)로 덮여 있다. 반면에, 비교예에서는, 캐소드측 세퍼레이터 플레이트(150)가 산화제 배기 가스 배출 매니폴드(315) 내로 돌출되지 않으며, 이는 본 실시형태와 상이하다.
도 5는 비교예 및 본 실시형태의 산화제 배기 가스의 유동 방향의 시뮬레이션 결과 지표를 나타내는 설명도이다. 본 실시형태에서는, 다공체 유로(170)의 양면이 차폐 플레이트(180) 및 캐소드측 세퍼레이터 플레이트(150)로 덮여 있기 때문에, 다공체 유로(170)로부터 배출되는 산화제 배기 가스 및 생성수의 방향이, 산화제 배기 가스 배출 매니폴드(315)를 통해 유동하는 산화제 배기 가스의 유동 방향에 대해 일반적으로 수직이다. 반면에, 비교예에서는, 다공체 유로(170)의 캐소드측 세퍼레이터 플레이트(150)측의 면 중 일부가 캐소드측 세퍼레이터 플레이트(150)로 덮여 있지 않기 때문에, 다공체 유로(170)로부터 배출되는 산화제 배기 가스 및 생성수가, 산화제 배기 가스 배출 매니폴드(315)를 통해 유동하는 산화제 배기 가스의 유동 방향에 대해 일반적으로 수직인 방향, 뿐만 아니라 산화제 배기 가스 배출 매니폴드(315)를 통해 유동하는 산화제 배기 가스의 유동 방향에 대해 역방향으로도 유동한다.
도 6은 비교예에서, 산화제 배기 가스 배출 매니폴드(315)의 터미널 플레이트(210)에 가까운 부분에서의 생성수의 분포를 나타내는 설명도이다. 상기 기재된 바와 같이, 비교예에서는, 다공체 유로(170)로부터 배출되는 산화제 배기 가스 및 생성수가, 산화제 배기 가스 배출 매니폴드(315)를 통해 유동하는 산화제 배기 가스의 유동 방향에 대해 역방향으로도 유동하기 때문에, 생성수가 도 6의 좌측 도면 상에서 화살표에 의해 나타낸 바와 같이 산화제 배기 가스 배출 매니폴드(315)의 안쪽, 즉 터미널 플레이트(210) 근방에 모이고 체류한다. 여기서, 연료 전지(10) (도 1)에 대한 부하가 작아져서 산화제 가스의 유량이 감소되는 경우에는, 다공체 유로(170)로부터 배출되는 산화제 배기 가스에 대해 이렇게 하여 체류되는 생성수 (이하, "체류수"로도 지칭됨)가 덮개로서 기능하여, 산화제 배기 가스의 배출을 저해한다. 그 결과, 산화제 가스의 압력 손실이 증대한다. 이는 산화제 가스가 안쪽의 발전 유닛(100)에 공급되기 어려운 것을 초래한다. 또한, 체류수와 다공체 유로(170) 사이의 접촉부가 크며, 따라서 연료 전지(10)에의 산화제 가스의 공급이 정지된 경우에는, 체류수가 다공체 유로(170)로 역류하기 쉽다.
도 7은 본 실시형태에서, 산화제 배기 가스 배출 매니폴드(315)의 터미널 플레이트(210)에 가까운 부분에서의 생성수의 분포를 나타내는 설명도이다. 다공체 유로(170)의 산화제 배기 가스의 출구 부분에는 체류수가 거의 존재하지 않기 때문에, 다른 부분에 체류수가 존재하는 경우에도, 체류수가 덮개처럼 작용하기 어렵다. 또한, 체류수와 다공체 유로(170) 사이의 접촉부가 작기 때문에, 연료 전지(10)에의 산화제 가스의 공급이 정지된 경우에도, 체류수가 다공체 유로(170)로 역류하기 어렵다.
도 8은 본 실시형태 및 비교예의 생성수의 유동을 간략하게 비교하는 설명도이다. 본 실시형태에서는, 산화제 배기 가스 및 생성수가 다공체 유로(170)의 길이 방향을 따르는 방향 (도 8의 상하 방향)으로 배출된다. 반면에, 비교예에서는, 산화제 배기 가스 및 생성수가 다공체 유로(170)의 길이 방향을 따르는 방향과 산화제 배기 가스 배출 매니폴드(315)의 상류를 향하는 방향 사이의 중간 방향을 향해 배출된다. 본 실시형태에서는, 도 7에 도시된 바와 같이, 체류수 (생성수)가 캐소드측 세퍼레이터 플레이트(150)와 차폐 플레이트(180) 사이의 오목부에 모인다는 것에 유의한다. 그러나, 체류수는 다공체 유로(170)와 거의 접촉하지 않으므로, 체류수는 다공체 유로(170)로 역류하기 어렵다. 반면에, 비교예에서는, 도 6에 도시된 바와 같이, 체류수 (생성수)가 다공체 유로(170)와 차폐 플레이트(180) 사이의 오목부에 모여서 다공체 유로(170)와 접촉하며, 따라서 체류수가 다공체 유로(170)로 역류하기 쉽다고 말할 수 있다.
도 9는 발전 유닛(100)의 압력 손실을 나타내는 그래프이다. 도 9에서, 압력 손실은 비교예의 건조 상태에서의 압력 손실을 1.0으로 했을 때의 비를 사용하여 나타내어진다는 것에 유의한다. 또한, 연료 전지(10)에는 다수의 발전 유닛(100)이 제공되어 있지만, 그래프에서의 값은 평균 값이다. "건조"는 연료 전지(10)에서 발전되지 않는 상태, 즉 생성수가 발생되지 않는 상태에서 산화제 가스가 유동하는 상태를 나타낸다. "습윤"는 연료 전지(10)에서 최대 전류량으로 발전되는 상태, 즉 생성수의 생성량이 최대인 상태에서 산화제 가스가 유동하는 상태를 나타낸다. 연료 전지(10)가 사용을 위해 차량 등에 제공되는 경우에, 연료 전지(10)는 건조 상태와 습윤 상태 사이의 상태에서 운전된다.
일반적으로, 산화제 가스 공급 매니폴드(310)의 입구측에서는, 산화제 가스가 발전 유닛(100)에 들어가기 쉽다. 그러나, 터미널 플레이트(210)의 막다른 쪽에서는, 압력 손실로 인해 산화제 가스가 발전 유닛(100)에 들어가기 어렵다. 특히, 습윤 상태에서는, 입구측에서의 압력 손실이 건조 상태와 별 차이가 없다. 그러나, 터미널 플레이트(210)의 막다른 쪽에서는, 생성수로 인해 압력 손실이 추가로 증대하므로, 압력 손실로 인해 산화제 가스가 발전 유닛(100)에 들어가기 어렵다. 따라서, 건조 상태보다도 습윤 상태에서 압력 손실이 더 크다.
상기 기재된 바와 같이, 차량에서, 연료 전지(10)는 건조 상태와 습윤 상태 사이의 상태에서 운전된다. 이를 감안하여, 압력 손실이 큰 습윤 상태에서 압력 손실이 작은 것이 바람직하다. 비교예에서의 건조 상태에서의 압력 손실을 1.0으로 했을 때에, 비교예에서의 습윤 상태에서의 압력 손실은 2.8이고, 본 실시형태에서의 습윤 상태에서의 압력 손실은 2.5이다. 이와 같이, 비교예보다도 본 실시형태가 더 바람직하다.
또한, 습윤/건조 압력 손실비도 하기 이유로 인해 작은 것이 바람직하다. 예를 들어, 고온에서 연료 전지(10)가 운전되는 경우의 운전 상태에서, 연료 전지(10)는 고온으로 인해 건조되므로, 이때의 운전 상태는 건조 상태의 운전 상태에 가깝다. 여기서, 차량을 정차하고 주차장에 들어가는 것 등을 위해 천천히 이동시키는 경우에는, 연료 전지(10)의 온도가 내려가므로, 운전 상태는 건조 상태로부터 습윤 상태로 변화한다. 이러한 경우에, 모든 발전 유닛(100)이 동일 습윤 상태에 들어가지는 않는다. 여기서, 건조 상태와 습윤 상태 사이의 압력 손실비가 큰 경우에는, 이들 2가지 상태 사이에서 각각의 발전 유닛(100)의 가스 공급 상태가 크게 변화하므로, 효율적인 발전이 저해될 수 있다. 따라서, 습윤/건조 압력 손실비는 작은 것이 바람직하다. 습윤/건조 압력 손실비는 비교예에서는 2.8인 반면에, 본 실시형태에서는 2.4이므로, 비교예보다도 본 실시형태가 더 바람직하다.
도 10은 공기 화학량론적 비와 발전 유닛(100)의 전압 (전지 전압)을 나타내는 설명도이다. 본 실시형태에서는, 발전 유닛(100)을 통해 주어진 전류를 흐르게 했을 때의 발전 유닛(100)의 전압을 측정한다. 여기서, 공기 화학량론적 비는 발전 유닛(100)을 통해 주어진 전류를 흐르게 하는데 필요한 산화제 가스량에 대한, 발전 유닛(100)을 통해 흐르게 한 산화제 가스량의 비를 의미한다. 예를 들어, 공기 화학량론적 비가 2인 경우에는, 발전 유닛(100)을 통해 주어진 전류를 흐르게 하는데 필요한 산화제 가스량의 2배로 큰 양의 산화제 가스를 발전 유닛을 통해 흐르게 한다. 여기서, 생성수의 체류에 의한 영향은 산화제 가스의 유량이 적은, 낮은 공기 화학량론적 비 측에서 용이하게 일어난다. 공기 화학량론적 비가 낮은 영역에서는, 비교예에서보다도 본 실시형태에서 전지 전압이 더 높으므로, 본 실시형태가 효과적이라고 말할 수 있다.
상기 기재된 바와 같이, 본 실시형태에서는, 다공체 유로(170), 캐소드측 세퍼레이터 플레이트(150) 및 차폐 플레이트(180)가 프레임(140)에 의해 규정되는 산화제 배기 가스 배출 매니폴드 내로 돌출되어 있으므로, 다공체 유로(170)의 산화제 배기 가스의 출구 부분에서 체류수가 거의 존재하지 않고, 체류수가 덮개처럼 작용하기 어렵다. 또한, 체류수와 다공체 유로(170) 사이의 접촉부가 작기 때문에, 연료 전지(10)에의 산화제 가스의 공급이 정지된 경우에도, 체류수가 다공체 유로(170)로 역류하기 어렵다. 그 결과, 생성수가 배출되기 쉬워서, 습윤 상태에서의 발전 성능의 저하를 억제하는 것이 가능해진다.
도 11의 (A) 내지 (C)는 본 실시형태의 변형예의 일부를 나타내는 설명도이다. 도 11의 (A)에서, 다공체 유로(170), 캐소드측 세퍼레이터 플레이트(150) 및 차폐 플레이트(180)는 프레임(140)에 의해 규정되는 산화제 배기 가스 배출 매니폴드 내로 돌출되어 있으며, 이는 본 실시형태와 공통이다. 그러나, 차폐 플레이트(180)의 돌출량이 다공체 유로(170)의 돌출량보다도 더 작다. 그 결과, 차폐 플레이트(180)는 다공체 유로(170)의 프레임(140)의 단부면(140a)에 더 가까운 부분을 덮고 있지만, 다공체 유로(170)의 단부 (도 11의 (A)의 상측)는 덮지 않는다. 이러한 변형예에서, 산화제 배기 가스 및 생성수는 다공체 유로(170)의 길이 방향을 따르는 방향과 산화제 배기 가스 배출 매니폴드(315)의 하류를 향하는 방향 사이의 중간 방향을 향해 배출된다. 그에 의해, 생성수가 역류하지 않고 원활하게 배출된다.
도 11의 (B)에서, 다공체 유로(170), 캐소드측 세퍼레이터 플레이트(150) 및 차폐 플레이트(180)는 본 실시형태와 동일한 방식으로 배치되지만, 차폐 플레이트(180)가 다수의 구멍(181)을 포함하며, 이는 본 실시형태와 상이하다. 이러한 변형예에서, 산화제 배기 가스 및 생성수는 본 실시형태와 유사하게, 다공체 유로(170)의 길이 방향을 따르는 방향으로 배출되며, 추가로 차폐 플레이트(180)의 구멍(181)으로부터 산화제 배기 가스의 유동 하류 방향으로 배출된다. 그에 의해, 생성수가 역류하지 않고 연료 전지(10) 외측으로 용이하게 배출된다. 생성수가 배출가능한 한, 구멍(181) 대신에 슬릿이 사용될 수 있다는 것에 유의한다.
도 11의 (C)에서, 다공체 유로(170), 캐소드측 세퍼레이터 플레이트(150) 및 차폐 플레이트(180)는 프레임(140)에 의해 규정되는 산화제 배기 가스 배출 매니폴드(315) 내로 돌출되도록 구성되며, 이는 본 실시형태와 공통이지만, 차폐 플레이트(180) 및 캐소드측 세퍼레이터 플레이트(150)의 돌출량이 다공체 유로(170)의 돌출량보다도 더 작다. 즉, 다공체 유로(170)의 프레임(140)의 단부면(140a)에 더 가까운 부분은 캐소드측 세퍼레이터 플레이트(150) 및 차폐 플레이트(180)로 덮여 있지만, 다공체 유로(170)의 단부 (도 11의 (C)의 상측)는 차폐 플레이트(180) 및 캐소드측 세퍼레이터 플레이트(150)로 덮여 있지 않다. 이러한 변형예에서, 산화제 배기 가스 및 생성수는 본 실시형태와 유사하게, 다공체 유로(170)의 길이 방향을 따르는 방향으로 배출된다. 체류수가 존재하는 경우에, 체류수는 도 6의 우측 또는 도 7에 도시된 바와 같이 캐소드측 세퍼레이터 플레이트(150)와 차폐 플레이트(180) 사이에 모인다. 이러한 변형예에서도, 도 7에 도시된 본 실시형태와 유사하게, 다공체 유로(170)는 체류수와 접촉하기 어려우므로, 체류수가 덮개처럼 작용하기 어렵다. 또한, 연료 전지(10)에의 산화제 가스의 공급이 정지된 경우에도, 체류수가 다공체 유로(170)로 역류하기 어렵다. 차폐 플레이트(180) 및 캐소드측 세퍼레이터 플레이트(150)의 돌출량은 다공체 유로(170)의 돌출량보다도 더 작은 한, 차폐 플레이트(180) 및 캐소드측 세퍼레이터 플레이트(150)의 돌출량이 동일한 돌출량을 갖는 것 또는 산화제 배기 가스의 유동 상류에 제공된 캐소드측 세퍼레이터 플레이트(150)가 차폐 플레이트(180)보다도 더 돌출되는 것이 바람직하다. "다공체 유로(170)의 돌출량 > 캐소드측 세퍼레이터 플레이트(150)의 돌출량 ≥ 차폐 플레이트(180)의 돌출량"의 관계가 충족되는 것이 바람직하다. 차폐 플레이트(180)는 캐소드측 세퍼레이터 플레이트(150)보다도 더 돌출될 수 있다는 것에 유의한다.
상기 실시형태에서는, 발전 유닛(100)의 캐소드측이 산화제 배기 가스 배출 매니폴드(315)의 유동 상류에 배치되고, 그의 애노드측이 산화제 배기 가스 배출 매니폴드(315)의 유동 하류에 배치되어 있지만, 캐소드와 애노드의 관계는 상기와 역일 수 있다. 이러한 경우에, 변형예의 도 11의 (A)에 대응하는 예에서는, 캐소드측 세퍼레이터 플레이트(150)의 돌출량이 다공체 유로(170) 및 차폐 플레이트(180)의 돌출량보다도 더 작아야 한다. 또한, 변형예의 도 11의 (B)에 대응하는 예에서는, 캐소드측 세퍼레이터 플레이트(150)에 개구부가 제공되어야 한다.
상기 실시형태 및 다양한 변형예로부터 이해할 수 있는 바와 같이, 차폐 플레이트(180), 다공체 유로(170) 및 캐소드측 세퍼레이터 플레이트(150)는 프레임(140)에 의해 규정되는 산화제 배기 가스 배출 매니폴드(315) 내로 돌출되는 것이 바람직하다.
몇몇 실시예에 기초하여 본 발명의 실시형태에 대해 상기 기재하였지만, 본 발명의 상기 실시형태는 본 발명의 이해를 용이하게 하기 위한 것이며 본 발명을 제한하려는 것은 아니다. 본 발명은 그 취지 및 청구범위의 범주를 일탈하지 않고 변경 또는 변형될 수 있고, 또한 물론 본 발명은 그의 등가물을 포함한다.

Claims (5)

  1. 복수의 발전 유닛이 적층됨으로써 형성되는 연료 전지이며,
    각각의 상기 발전 유닛(100)은
    전해질 막이 애노드측 촉매층과 캐소드측 촉매층 사이에 샌드위치되도록 전해질 막(112), 애노드측 촉매층(116) 및 캐소드측 촉매층(114)을 포함하는 막 전극 가스 확산층 접합체(110);
    상기 막 전극 가스 확산층 접합체의 외주를 따라 배치된 밀봉부;
    상기 캐소드측 촉매층에 대향하도록 배치되며, 상기 캐소드측 촉매층에 공급되는 산화제 가스가 유동하는 다공체 유로(170);
    상기 밀봉부와 상기 다공체 유로 사이에 제공된 차폐 플레이트(180); 및
    상기 막 전극 가스 확산층 접합체(110) 및 상기 다공체 유로(170)를 사이에 샌드위치하도록 구성된 제1, 제2 세퍼레이터 플레이트(150, 160)
    를 포함하고,
    상기 밀봉부(140) 및 상기 제1, 제2 세퍼레이터 플레이트(150, 160)는 서로 대응하는 위치에 개구부를 갖고,
    상기 개구부는 상기 복수의 발전 유닛이 적층되었을 때에 서로 연통하여, 상기 다공체 유로로부터 산화제 배기 가스를 배출하는 산화제 배기 가스 배출 매니폴드(315)를 형성하고,
    상기 제1 세퍼레이터 플레이트(150)는 상기 다공체 유로(170)와 접촉하고,
    상기 차폐 플레이트(180), 상기 다공체 유로(170) 및 상기 제1 세퍼레이터 플레이트(150)는 상기 밀봉부에 의해 규정되는 상기 산화제 배기 가스 배출 매니폴드(315) 내로 돌출되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 다공체 유로(170)의 상기 산화제 배기 가스 배출 매니폴드 내로 돌출된 부분의 양면은 상기 차폐 플레이트(180) 및 상기 제1 세퍼레이터 플레이트(150)로 덮여 있는 것인 연료 전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 차폐 플레이트(180) 및 상기 제1 세퍼레이터 플레이트(150) 중 상기 산화제 배기 가스 배출 매니폴드(315)에서의 산화제 배기 가스의 유동 방향에서 하류에 배치된 하나는, 유동 방향에서 상류에 배치된 다른 하나보다도 상기 산화제 배기 가스 배출 매니폴드 내로 돌출된 돌출량이 더 작은 것인 연료 전지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 다공체 유로(170)는 상기 차폐 플레이트(180) 및 상기 제1 세퍼레이터 플레이트(150)보다도 상기 산화제 배기 가스 배출 매니폴드(315) 내로 더 돌출되는 것인 연료 전지.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 차폐 플레이트(180) 및 상기 제1 세퍼레이터 플레이트(150) 중 상기 산화제 배기 가스 배출 매니폴드에서(315)의 산화제 배기 가스의 유동 방향에서 하류에 배치된 하나는, 상기 산화제 배기 가스 배출 매니폴드(315)를 상기 다공체 유로(170)와 연통시키도록 구성된 구멍 또는 슬릿을 포함하는 것인 연료 전지.
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