KR102027718B1 - 연료 전지의 단셀 구조 및 해당 연료 전지 단셀을 적층한 연료 전지의 스택 구조 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 연료 전지 단셀은, 막 전극 접합체와, 해당 막 전극 접합체를 지지하는 저강성 프레임과, 해당 저강성 프레임과 상기 막 전극 접합체를 끼움 지지하는 한 쌍의 세퍼레이터와, 해당 한 쌍의 세퍼레이터간의 상기 막 전극 접합체에 가스를 공급하는 가스 유로와, 상기 저강성 프레임 및 상기 한 쌍의 세퍼레이터에 형성되어 상기 가스 유로에 가스를 공급하는 매니폴드부와, 해당 매니폴드부 근방에서 상기 저강성 프레임을 구속하는 구속 리브와, 해당 구속 리브보다도 상기 매니폴드부측으로 돌출되는 상기 저강성 프레임의 돌출부와, 해당 돌출부에 형성되어 상기 매니폴드부로부터 상기 가스 유로에 가스를 공급하는 가스 유통부를 구비한다.

Description

연료 전지의 단셀 구조 및 해당 연료 전지 단셀을 적층한 연료 전지의 스택 구조
본 발명은 연료 전지의 단셀 구조에 관한 것이며, 더욱 상세하게는, 로버스트성을 향상시킨 연료 전지 단셀 및 해당 연료 전지 단셀을 적층한 연료 전지의 스택 구조에 관한 것이다.
연료 전지 단셀은, 예를 들어 전해질막의 한쪽의 면에 애노드측 전극, 다른쪽의 면에 캐소드측 전극을 대향 설치한 막 전극 접합체(MEA; Membrane Electrode Assembly)를 프레임에 의해 지지하고, 상기 막 전극 접합체 및 상기 프레임을 한 쌍의 세퍼레이터 사이에 끼움 지지함으로써 형성된다. 그리고, 상기 연료 전지 단셀은 소정수를 적층한 연료 전지 스택으로서 사용된다.
상기 연료 전지 단셀의 애노드측 전극에 공급된 연료 가스, 예를 들어 주로 수소를 함유하는 가스는, 전극 촉매 상에서 수소가 이온화되고, 전해질막을 통해 캐소드측 전극측으로 이동한다.
그리고, 캐소드측 전극에는 산화제 가스, 예를 들어 주로 산소를 함유하는 가스 혹은 공기가 공급되어, 상기 수소 이온, 전자 및 산소가 반응하여 물이 생성되고, 그 동안에 발생한 전자가 외부 회로로 취출되어, 직류의 전기 에너지로서 이용된다.
일반적으로, 상기 연료 전지 단셀의 외연부에는, 상기 프레임 및 상기 세퍼레이터를 적층 방향으로 관통하는 매니폴드부가 형성된다. 그리고, 상기 매니폴드 부로부터 공급된 반응 가스는, 한 쌍의 세퍼레이터의 사이를 통과하여 애노드측 전극 또는 캐소드측 전극에 공급된다.
특허문헌 1의 일본 특허 공개 2005-108506호 공보에는, 상기 매니폴드부에 대응하는 세퍼레이터의 개구 단부를 시일 부재로 덮고, 반응 가스를 유통시키는 반응 가스 연결 유로를 상기 시일 부재에 형성하는 것이 개시되어 있다.
그리고, 상기 반응 가스 연결 유로가 형성된 시일 부재에 의하면, 반응 가스의 유통을 방해하지 않고, 가스 누설이 없고 기밀성이 높은 연료 전지를 형성할 수 있다는 취지가 기재되어 있다.
일본 특허 공개 2005-108506호 공보
최근 몇년간, 상기 막 전극 접합체 등을 얇게 함으로써 연료 전지 단셀의 성능 향상이 도모되고 있다. 그러나, 상기 막 전극 접합체를 지지하는 프레임을 얇게 하면, 충분한 강성을 얻는 것이 곤란하며, 상기 프레임이 변형되어 매니폴드부로부터 공급되는 반응 가스의 유통을 방해하는 경우가 있다.
본 발명은 이러한 종래 기술이 갖는 과제를 감안하여 이루어진 것이며, 그 목적으로 하는 바는, 간단한 구성으로 반응 가스를 막 전극 접합체에 양호하게 유통시킬 수 있는, 로버스트성을 향상시킨 연료 전지 단셀 및 해당 연료 전지 단셀을 사용한 연료 전지 스택을 제공하는 데 있다.
본 발명자들은 상기 목적을 달성하기 위해 예의 검토를 거듭한 결과, 프레임에 반응 가스를 유통시키는 가스 유통부를 설치함으로써, 프레임이 변형되어도 반응 가스의 유통을 방해하지 않고, 상기 목적을 달성할 수 있다는 것을 발견하여, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
즉, 본 발명의 연료 전지의 단셀 구조는, 막 전극 접합체와, 해당 막 전극 접합체를 지지하는 저강성 프레임과, 해당 저강성 프레임 및 상기 막 전극 접합체를 끼움 지지하는 한 쌍의 세퍼레이터를 구비한다.
그리고, 상기 한 쌍의 세퍼레이터간에, 상기 막 전극 접합체에 가스를 공급하는 가스 유로를 갖고, 해당 가스 유로에 가스를 공급하는 매니폴드부가 상기 저강성 프레임 및 상기 한 쌍의 세퍼레이터에 형성된다.
또한, 상기 가스 유로의 상기 매니폴드부 근방에 상기 저강성 프레임을 구속하는 구속 리브를 갖고, 상기 저강성 프레임이 상기 구속 리브보다도 상기 매니폴드부측으로 돌출되는 돌출부를 갖고, 해당 돌출부에 상기 매니폴드부로부터 상기 가스 유로에 가스를 공급하는 가스 유통부를 구비한다.
또한, 본 발명의 연료 전지의 스택 구조는, 상기 단셀 구조를 갖는 연료 전지를 복수 적층하여 이루어지는 것이다.
본 발명에 따르면, 상기 저강성 프레임의 돌출부에 가스 유통부를 구비하는 것으로 했기 때문에, 상기 저강성 프레임이 변형된 경우에도, 한 쌍의 세퍼레이터간의 가스 유로가 폐색되는 일 없이, 간단한 구성으로 반응 가스를 양호하게 유통시킬 수 있다.
도 1은 도 2에 도시한 연료 전지 단셀을 적층하여 이루어지는 연료 전지 스택을 설명하는 분해 사시도 (A) 및 조립 후의 사시도 (B)이다.
도 2는 본 발명의 연료 전지 단셀의 일 실시 형태를 설명하는 분해 상태의 평면도이다.
도 3은 도 2에 도시한 연료 전지 단셀의 저강성 프레임의 평면도이다.
도 4는 본 발명의 연료 전지 단셀을 적층한 상태를 도시하는 개략도이다.
도 5는 도 3 중, 점선으로 나타내는 가스 유로(I)의 모식적인 확대도이다.
도 6의 (a)는, 본 발명의 연료 전지 단셀의 제1 실시 형태의 반응 가스의 흐름을 설명하는 도면이며, 도 6의 (b)는, 매니폴드부로부터 가스 유로 방향을 본 개략도이다.
도 7은 본 발명의 연료 전지 단셀의 제2 실시 형태의 가스 유로(I)의 모식적인 확대도이다.
도 8은 본 발명의 연료 전지 단셀의 제3 실시 형태의 가스 유로(I)의 모식적인 확대도이다.
도 9는 본 발명의 연료 전지 단셀의 제4 실시 형태의 가스 유로(I)의 모식적인 확대도이다.
도 10은 본 발명의 연료 전지 단셀의 제4 실시 형태의 돌출 길이(X)를 설명하는 도면이다.
도 11은 본 발명의 제5 실시 형태의 프레임의 주요부를 반응 가스가 유통하는 면을 적층 방향으로부터 본 도면이다.
도 12는 본 발명의 제5 실시 형태의 프레임의 외형을 도시하는 도면이다.
도 13은 이방성을 갖는 형상의 가스 유통부를 부분적으로 배치한 상태의 일례를 도시하는 개략도이다.
<연료 전지 스택>
본 발명의 연료 전지 스택(FS)은, 후술하는 연료 전지 단셀(C)을 복수 적층하여 이루어진다.
연료 전지 스택(FS)은, 도 1에 도시한 바와 같이 연료 전지 단셀(C)을 복수 적층한 것이다. 그리고, 도 1의 (a)에 도시한 바와 같이, 연료 전지 단셀(C)의 적층체(A)에 대하여, 단셀 적층 방향의 일단부(도 1 중에서 우측 단부)에 집전판(4A) 및 스페이서(5)를 통해 엔드 플레이트(6A)가 설치되어 있음과 함께, 타단부에 집전판(4B)을 통해 엔드 플레이트(6B)가 설치되어 있다.
또한, 연료 전지 스택(FS)은, 적층체(A)에 대하여 연료 전지 단셀(C)의 긴 변측이 되는 양면(도 1 중에서 상하면)에 체결판(7A, 7B)이 설치되어 있음과 함께, 짧은 변측이 되는 양면에 보강판(8A, 8B)이 설치되어 있다.
그리고, 연료 전지 스택(FS)은, 각 체결판(7A, 7B) 및 보강판(8A, 8B)을 볼트(B)에 의해 양 엔드 플레이트(6A, 6B)에 연결한다. 이와 같이 하여, 연료 전지 스택(FS)은 도 1의 (b)에 도시한 바와 같은 케이스 일체형 구조가 되고, 적층체(A)를 단셀 적층 방향으로 구속·가압하여 개개의 연료 전지 셀(C)에 소정의 접촉 면압을 가하여, 가스 시일성이나 도전성 등을 양호하게 유지한다.
<연료 전지 단셀>
본 발명의 연료 전지 단셀에 대하여 상세하게 설명한다.
상기 연료 전지 단셀은 저강성 프레임에 지지된 막 전극 접합체와, 상기 저강성 프레임 및 상기 막 전극 접합체를 끼움 지지하는 한 쌍의 세퍼레이터를 구비하는 것이다.
우선, 연료 전지 단셀을 구성하는 각 부재에 대하여 설명한다.
(저강성 프레임)
상기 저강성 프레임(1)은, 거의 일정한 두께의 박판형을 이루고 있으며, 그 모서리부를 제외한 대부분이 막 전극 접합체(2)의 두께보다도 얇은 것이다. 상기 저강성 프레임(1)의 두께는 0.01 mm 이상 0.5mm 이하이다.
상기 저강성 프레임(1)으로서는 수지 프레임을 사용한다. 해당 수지 프레임은, 수지 성형(예를 들어 사출 성형)에 의해 막 전극 접합체(2)와 일체화되어 있다. 이 실시 형태에서는, 막 전극 접합체(2)를 중앙으로 하여 직사각형을 이루고 있다.
상기 수지 프레임을 구성하는 수지는 절연성을 갖는 것이며, 예를 들어PET(폴리에틸렌테레프탈레이트), PEN(폴리에틸렌나프탈레이트), SPS(신디오택틱 폴리스티렌), PI(폴리이미드) 등을 들 수 있다.
(막 전극 접합체)
상기 막 전극 접합체(2)는, 일반적으로 MEA(Membrane Electrode Assembly)라 불리는 것이며, 예를 들어 고체 고분자를 포함하는 전해질층을 공기극층(캐소드)과 연료극층(애노드) 사이에 끼움 지지한 구조를 갖고 있다.
이 막 전극 접합체(2)는, 공기극층에 반응 가스인 산화제 가스(공기)가 공급되고, 연료극층에는 반응 가스인 연료 가스(수소)가 공급됨으로써, 전기 화학 반응에 의해 발전한다.
또한, 상기 막 전극 접합체(2)는, 공기극층과 연료극층의 표면에 카본 페이퍼나 다공질체 등을 포함하는 가스 확산층을 구비한 것이어도 된다.
(세퍼레이터)
상기 한 쌍의 세퍼레이터(3a, 3b)는 도전성을 갖는 것이며, 예를 들어 스테인리스 등의 금속판을 프레스 성형한 금속 세퍼레이터를 사용한다.
(제1 실시 형태)
도 2 내지 도 5는, 본 발명의 연료 전지 단셀의 실시 형태를 설명하는 도면이다.
연료 전지 단셀(C)은, 도 2에 도시한 바와 같이 저강성 프레임(1)에 지지된 막 전극 접합체(2)와, 상기 저강성 프레임(1) 및 상기 막 전극 접합체(2)를 끼움 지지하는 한 쌍의 세퍼레이터(3a, 3b)를 구비한다.
상기 저강성 프레임(1) 및 상기 한 쌍의 세퍼레이터(3a, 3b)는, 모두 거의 동일한 종횡 치수를 갖는 대략 직사각형이며, 상기 저강성 프레임(1)에 지지된 막 전극 접합체(2)와, 한 쌍의 세퍼레이터(3a, 3b)가 중첩되어 연료 전지 단셀(C)을 구성한다.
상기 연료 전지 단셀(C)은, 한 쌍의 세퍼레이터간의 막 전극 접합체에 가스를 공급하는 가스 유로(I)와, 상기 저강성 프레임(1) 및 상기 한 쌍의 세퍼레이터(3a, 3b)의 양단부에 형성된 매니폴드부(H1 내지 H6)를 갖는다. 상기 매니폴드부는 상기 가스 유로(I)에 가스를 공급한다.
상기 각 매니폴드부(H1 내지 H3)는 산화제 가스 공급용(H1), 냉각 유체 공급용(H2) 및 연료 가스 공급용(H3)이며, 각각 적층 방향으로 연통하여 각각 유로를 형성한다.
또한, 도 2의 우측에 도시한 다른쪽의 각 매니폴드부(H4 내지 H6)는, 연료 가스 배출용(H4), 냉각 유체 배출용(H5) 및 산화제 가스 배출용(H6)이며, 적층 방향으로 연통하여 각각 유로를 형성한다. 또한, 공급용과 배출용은, 일부 또는 전부가 역의 위치 관계여도 된다.
또한, 도 3에 도시한 바와 같이, 상기 가스 유로(I)에는 디퓨저부(D)를 설치한다. 디퓨저부(D)는 가스 유통부로부터 도입된 반응 가스를 정류하는 것이며, 소정 간격으로 일체 성형된 원뿔대 형상의 돌기부(13)가 배치된다. 상기 돌기부(13)의 형상은, 반응 가스의 유통을 방해하지 않는 것이면 특별히 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 돌기부(13)는 세퍼레이터(3a, 3b)에 형성되어 있어도 된다.
상기 발전부(G)는, 막 전극 접합체(2)에 대응하는 세퍼레이터(3a, 3b)의 중앙 부분이 짧은 변 방향의 단면이 파형 형상으로 형성되며, 이 파형 형상은 도 2에 도시한 바와 같이 긴 변 방향으로 연속되어 있다. 이에 의해, 각 세퍼레이터(3a, 3b)의 파형 형상의 볼록 부분이 막 전극 접합체(2)에 접촉하고, 파형 형상에 있어서의 각 오목 부분에 반응 가스가 흐른다.
또한, 연료 전지 셀(C)은, 도 2에 도시한 바와 같이 저강성 프레임(1)과 한 쌍의 세퍼레이터(3a, 3b)의 모서리부끼리의 사이나, 매니폴드부(H1 내지 H6)의 주위에 가스 시일(SL)이 설치된다.
상기 가스 시일(SL)은 개개의 층간에 있어서, 산화제 가스, 반응 가스 및 냉각 유체 각각의 유통 영역을 기밀적으로 분리함과 함께, 매니폴드부(H1 내지 H6)의 주연부의 적당한 개소에 개구가 설치된다.
그리고, 연료 전지 단셀(C)을 복수 적층한 상태에서는 연료 전지 단셀끼리, 즉 인접하는 세퍼레이터(3a, 3b)끼리의 사이에도 가스 시일(SL)이 설치된다. 이 실시 형태에서는, 인접하는 세퍼레이터간에 냉각 유체를 유통시키는 구조이다.
도 4는, 연료 전지 단셀(C)을 복수 적층한 것을 도 2 중 A-A'으로 자른 상태를 도시하는 단면도이다. 도 4 중, 1은 저강성 프레임, 3은 세퍼레이터, 31은 구속 리브, 15는 극간 시일, I는 가스 유로, R은 냉각 유체의 유로이다.
또한, 도 3 중, 점선으로 나타내는 가스 유로(I)의 모식적인 확대도를 도 5에 도시한다. 도 5의 (a)는, 저강성 프레임(1)의 반응 가스가 유통하는 면을 적층 방향으로부터 본 상태를 나타내는 것이며, 도 5의 (b)는, 도 5의 (a)의 A-A'으로 잘랐을 때의 단면도이다.
상기 연료 전지 셀(C)은, 도 5에 도시한 바와 같이 상기 가스 유통부(I)의 상기 매니폴드부 근방에 상기 저강성 프레임(1)을 구속하는 구속 리브(31)를 갖는다. 그리고, 상기 구속 리브(31)는, 도 5의 (b)에 도시한 바와 같이 적층 방향으로 이격되는 한 쌍의 세퍼레이터(3a, 3b) 사이에 배치된 저강성 프레임(1)을 세퍼레이터(3a)에 압박하여 끼움 지지한다.
상기 저강성 프레임(1)은, 도 5에 도시한 바와 같이 상기 구속 리브(31)보다도 상기 매니폴드부측으로 돌출되는 돌출부(14)를 갖고 있으며, 해당 돌출부(14)에는, 상기 매니폴드부로부터 상기 가스 유로에 가스를 공급하는 가스 유통부(11)를 구비한다.
상기 매니폴드부로부터 공급된 반응 가스는, 상기 한 쌍의 세퍼레이터(3a, 3b)의 사이를 유통한다. 그러나, 상기 한 쌍의 세퍼레이터간의 저강성 프레임(1)의 돌출부(14)가 상기 구속 리브(31)에 의해 구속되어 있지 않기 때문에, 저강성 프레임(1)이 변형되어 반응 가스의 유통을 방해하는 경우가 있다.
도 6은, 저강성 프레임(1)이 변형되어 세퍼레이터(3b)에 접한 상태를 도시하는 개략도이다. 도 6의 (a)는, 도 5의 (a)의 A-A'으로 잘랐을 때의 단면도이며, 도 6의 (b)는, 도 6의 (a)를 90° 회전시켜, 매니폴드부로부터 가스 유로 방향을 본 상태를 도시하는 도면이다.
즉, 제1 실시 형태에 의하면, 도 6의 (a) 중, 점선으로 나타내는 위치에 있었던 저강성 프레임(1)이 변형되어 세퍼레이터(3b)에 접했다고 해도, 도 6의 (b)에 도시한 바와 같이 가스 유통부를 통해 매니폴드부로부터 가스 유로를 예측할 수 있다. 따라서, 도 6의 (a) 중 화살표로 나타낸 바와 같이, 반응 가스는 저강성 프레임에 설치된 가스 유통부를 통해 저강성 프레임에 의해 가스의 유통을 방해하지 않고, 상기 매니폴드부로부터 가스 유로에 공급된다.
또한, 상기 가스 유통부(11)로부터 구속 리브(31)의 매니폴드부측의 단부(311)까지의 거리는, 구속 리브(31)의 높이보다도 짧은 것이 바람직하다. 상기 가스 유통부(11)가 구속 리브(31)의 근방에 형성됨으로써, 저강성 프레임(1)의 변형량이 커져도 확실하게 반응 가스를 유통시킬 수 있다.
제1 실시 형태에서는, 상기한 바와 같이 상기 구속 리브(31)보다도 매니폴드부측으로 돌출된 돌출부(14)에 관통 구멍 등의 가스 유통부(11)를 구비한다. 그리고, 상기 가스 유통부(11)에 의해, 상기 매니폴드부로부터 상기 가스 유로에 가스를 공급하기로 했기 때문에, 저강성 프레임(1)이 변형되어 세퍼레이터(3b)에 접했다고 해도 상기 가스 유통부(11)에 의해 반응 가스의 유통이 확보되어, 가스 유로가 폐색되는 것이 방지된다.
(제2 실시 형태)
도 7은, 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 연료 전지 단셀(C)의 가스 유로(I)를 설명하는 것이며, 저강성 프레임(1)의 반응 가스가 유통하는 면의 모식도이다.
제2 실시 형태에서는, 가스 유로(I)의 구속 리브(31)가 반응 가스의 유통 방향과 직교하는 방향으로 정렬하여 복수 설치된다. 반응 가스는 구속 리브간에 구획 형성된 도 7 중 점선으로 나타내는 채널(12)을 흐른다.
그리고, 상기 가스 유통부(11)가 상기 채널(12)과 가스 유통 방향으로 직선형으로 나란히 배치되어 형성된다.
제2 실시 형태에 의하면, 상기 채널(12)과 직선형으로 배열된 상기 가스 유통부(11)를 구비하는 것으로 했기 때문에, 가스 유통부(11)를 통과한 반응 가스는 구속 리브(31)에 충돌하지 않고 채널(12)을 흐른다. 따라서, 압력 손실이 저감됨과 함께, 발전부(G)에서 생성된 물의 배출이 용이해진다.
(제3 실시 형태)
본 발명의 제3 실시 형태에 관한 연료 전지(C)의 반응 가스 도입부(I)를 도 8에 의해 설명한다. 도 8의 (a)는 저강성 프레임(1)의 반응 가스가 유통하는 면의 모식도이며, 도 8의 (b)는 도 8 (a) 중의 A-A' 단면도이다. 또한, 도 8의 (a)에 있어서, 이면측의 극간 시일(15)을 점선으로 나타내고 있다. 또한, 앞의 실시 형태와 동일한 구성 부위는, 동일 부호를 붙여 상세한 설명을 생략한다.
제3 실시 형태에서는, 저강성 프레임(1)의 돌출부(14)에 형성된 가스 유통부(11)가 상기 저강성 프레임을 관통하는 관통 구멍이며, 해당 관통 구멍의 형상이 이방성을 갖는다. 그리고, 상기 관통 구멍의 장경 방향이 가스 유통 방향과 동일한 방향으로 설치된다.
상기 관통 구멍이 디퓨저부(D)의 매니폴드부측에 설치되는 극간 시일(15)까지의 사이, 즉 관통 구멍이 돌출부(14) 뿐만 아니라, 구속 리브(31) 사이의 채널(12)까지 연신하여 형성된다.
또한, 도 8의 (a)에서는 타원형의 관통 구멍을 나타냈지만, 직사각형 등의 다각형이어도 된다.
제3 실시 형태에 의하면, 이방성을 갖는 관통 구멍이 돌출부(14)로부터 구속 리브(31) 사이의 채널(12) 내까지 연속하여 형성되어 있다. 따라서, 도 8의 (b)에 도시한 바와 같이, 저강성 프레임(1)의 두께 만큼 채널의 높이가 높아져, 압력 손실이 저감됨과 함께, 발전부(G)에서 생성된 물의 배출이 용이해진다.
(제4 실시 형태)
본 발명의 제4 실시 형태에 관한 연료 전지(C)의 가스 도입부(I)를 도 9에 의해 설명한다. 도 9는, 연료 전지(C)의 적층 방향의 가스 도입부(I)를 모식적으로 도시하는 단면도이다.
또한, 앞의 실시 형태와 동일한 구성 부위는, 동일 부호를 붙여 상세한 설명을 생략한다.
제4 실시 형태에서는, 저강성 프레임(1)의 돌출부(14)를 매니폴드부에 대응하는 한 쌍의 세퍼레이터(3a, 3b)의 개방 단부(32)보다도 더 매니폴드측부로 돌출시켜 형성한다.
즉, 상기 저강성 프레임(1)의 상기 매니폴드부에 대응하는 개방 단부(141)로부터 구속 리브(31)의 단부(311)까지의 길이가, 상기 세퍼레이터의 상기 매니폴드부에 대응하는 개방 단부(32)로부터 구속 리브(31)의 단부(311)까지의 길이보다도 길다.
상기 돌출부(14)가 세퍼레이터의 개방 단부(32)보다도 더 매니폴드부측으로 돌출되는 돌출 길이(X)는, 하기 식 (1)을 만족시킨다.
X≥δ(1/sinθ-1/tanθ)+부품 공차+부품 적층 공차…(1)
단, 식 (1) 중, δ는 저강성 프레임의 변형량을 나타내고, θ는 저강성 프레임의 변형각을 나타낸다.
상기 저강성 프레임(1)의 변형량 δ는, 도 10에 도시한 바와 같이 전형적으로는 가스 유로의 높이, 즉, 구속 리브(31)의 높이이며, 저강성 프레임(1)의 변형각 θ는 구속 리브(31)의 정상부와 해당 정상부를 향하는 경사면이 교차하는 각도이다.
그리고, 상기 매니폴드부에 대응하는 세퍼레이터의 개방 단부(32)보다도 상기 막 전극 접합체(2)측에 상기 가스 유통부(11)를 형성한다.
연료 전지 단셀(C)의 한 쌍의 세퍼레이터(3a, 3b)간을 좁게 하면, 상기 한 쌍의 세퍼레이터(3a, 3b) 중 어느 하나가 조금만 변형되더라도 세퍼레이터(3a)와 세퍼레이터(3b)가 접촉하여 쇼트되는 경우가 있다.
제4 실시 형태에 의하면, 저강성 프레임(1)의 돌출부(14)가 매니폴드부에 대응하는 세퍼레이터(3a, 3b)의 개방 단부(32)보다도 더 매니폴드측부로 돌출되어 있다. 따라서, 저강성 프레임(1)이 변형되었다고 해도, 도 10에 도시한 바와 같이 절연성을 갖는 저강성 프레임(1)이 세퍼레이터(3a)의 개방 단부와 세퍼레이터(3b)의 개방 단부 사이에 존재하고, 한 쌍의 세퍼레이터(3a, 3b)가 확실하게 저강성 프레임(1)으로 이격된다.
또한, 상기 가스 유통부(11)가 세퍼레이터의 개방 단부(32)보다도 상기 막 전극 접합체(2)측에 형성되어 있기 때문에, 세퍼레이터(3a)와 세퍼레이터(3b)가 상기 가스 유통부(11)를 통해 접촉하는 것도 방지된다.
따라서, 연료 전지 단셀(C)을 적층 방향으로 구속·가압해도 세퍼레이터(3a)와 세퍼레이터(3b)가 직접 접촉하는 것이 방지되고, 확실하게 절연할 수 있으며, 세퍼레이터(3a), 세퍼레이터(3b) 사이에서 쇼트되는 일이 없다. 또한, 차량에 탑재한 경우에는, 큰 충격을 받았다고 해도 세퍼레이터(3a, 3b)가 쇼트되는 것이 방지된다.
(제5 실시 형태)
본 실시 형태에 있어서는, 가스 유로(I)의 디퓨저부(D)가 매니폴드부(H1)와 매니폴드부(H3) 사이 및 매니폴드부(H4)와 매니폴드부(H6) 사이에 설치된다. 매니폴드부로부터 공급되는 반응 가스를, 디퓨저부(D)에서 유통 방향을 대략 직각 방향으로 크게 바꾸어 발전부(G)에 공급하는 저강성 프레임 및 세퍼레이터를 사용하는 것 이외에는 상기 실시 형태 1 내지 4와 마찬가지이다.
반응 가스가 저강성 프레임(1) 상을 유통하는 면의 주요부를 적층 방향으로부터 본 상태를 도 11의 (a)에 도시한다. 또한, 도 11 (a) 중 원으로 둘러싼 가스 도입부(I)의 확대도를 도 11의 (b)에 도시한다.
도 11 중, 1은 저강성 프레임, 2는 막 전극 접합체, H1 내지 H3은 매니폴드부, SL은 가스 시일, 13은 돌기부, 15은 극간 시일, 11은 가스 유통부, 14는 돌출부, 31은 구속 리브이다.
제5 실시 형태에 의하면, 매니폴드부(H1)와 매니폴드부(H3) 사이에 디퓨저부(D)를 설치하고, 반응 가스의 유통 방향을 대략 직각 방향으로 크게 바꾸는 것으로 했기 때문에, 반응 가스의 흐름이 분산되고, 발전부(G)에 반응 가스를 균일하게 공급할 수 있다.
또한, 상기 저강성 프레임(1) 및 한 쌍의 세퍼레이터(3a, 3b)는 직사각형 뿐만 아니라, 도 12에 도시한 H형인 것을 사용할 수 있다. H형의 저강성 프레임 및 세퍼레이터를 사용함으로써 경량화할 수 있다.
(제6 실시 형태)
본 발명의 제6 실시 형태에 관한 연료 전지(C)의 가스 도입부(I)를 도 13에 의해 설명한다.
본 실시 형태에 있어서는 도 13에 도시한 바와 같이, 매니폴드부가 가스 유로를 향해 볼록 형상을 하고 있으며, 해당 볼록 형상에 대응하는 저강성 프레임(1)의 오목부에 설치된 가스 유통부만을 이방성을 갖는 형상으로 하는 것 이외에는, 상기 제5 실시 형태와 마찬가지이다.
제6 실시 형태에 따르면, 저강성 프레임(1)의 오목부에 설치된 가스 유통부를 이방성을 갖는 형상으로 했기 때문에 압력 손실이 저감된다.
1: 저강성 프레임
11: 가스 유통부
12: 채널
13: 돌기부
14: 돌출부
141: 개방 단부
15: 극간 시일
2: 막 전극 접합체
3a, 3b: 세퍼레이터
31: 구속 리브
311: 단부
32: 개방 단부
C: 연료 전지 단셀
H1 내지 H6: 매니폴드부
I: 가스 유로
D: 디퓨저부
G: 발전부
SL: 가스 시일
FS: 연료 전지 스택
A: 적층체
4A, 4B: 집전판
5: 스페이서
6A, 6B: 엔드 플레이트
7A, 7B: 체결판
8A, 8B: 보강판
B: 볼트

Claims (10)

  1. 막 전극 접합체와,
    상기 막 전극 접합체를 지지하는 프레임과,
    상기 프레임과 상기 막 전극 접합체를 끼움 지지하는 한 쌍의 세퍼레이터와,
    상기 한 쌍의 세퍼레이터간의 상기 막 전극 접합체에 가스를 공급하는 가스 유로와,
    상기 프레임 및 상기 한 쌍의 세퍼레이터에 형성되어 상기 가스 유로에 가스를 공급하는 매니폴드부와,
    상기 매니폴드부 근방에서 상기 프레임을 구속하는 구속 리브와,
    상기 구속 리브보다도 상기 매니폴드부측으로 돌출되는 상기 프레임의 돌출부와,
    상기 돌출부에 형성되어 상기 매니폴드부로부터 상기 가스 유로에 가스를 공급하는 가스 유통부를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료 전지의 단셀 구조.
  2. 제1항에 있어서, 상기 가스 유통부가 상기 프레임을 관통하는 관통 구멍인 것을 특징으로 하는 연료 전지의 단셀 구조.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 구속 리브간에 상기 가스가 유통하는 채널이 구획 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 전지의 단셀 구조.
  4. 제3항에 있어서, 상기 가스 유통부의 형상이 이방성을 갖고 또한 장경 방향이 가스 유통 방향인 것을 특징으로 하는 연료 전지의 단셀 구조.
  5. 제4항에 있어서, 상기 가스 유통부의 형상이 타원형인 것을 특징으로 하는 연료 전지의 단셀 구조.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 프레임의 돌출부가, 세퍼레이터의 구속 리브보다 매니폴드부측에 형성된 세퍼레이터 개방 단부보다, 더 매니폴드부측으로 돌출된 것인 것을 특징으로 하는 연료 전지의 단셀 구조.
  7. 제6항에 있어서, 상기 세퍼레이터의 개방 단부보다도 더 매니폴드측으로 돌출된 돌출 길이(X)가 하기 식 (1)을 만족시키는 것을 특징으로 하는 연료 전지의 단셀 구조.
    X≥δ(1/sinθ-1/tanθ)+부품 공차+부품 적층 공차…(1)
    (단, 식 (1) 중, δ는 프레임의 변형량을 나타내고, θ는 프레임의 변형각을 나타냄)
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 프레임의 상기 매니폴드부에 대응하는 개방 단부로부터 구속 리브의 단부까지의 길이가, 상기 세퍼레이터의 상기 매니폴드부에 대응하는 개방 단부로부터 구속 리브의 단부까지의 길이보다도 긴 것을 특징으로 하는 연료 전지의 단셀 구조.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 매니폴드부에 대응하는 세퍼레이터의 개방 단부보다도 상기 막 전극 접합체측의 돌출부에 상기 가스 유통부를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료 전지의 단셀 구조.
  10. 막 전극 접합체와,
    상기 막 전극 접합체를 지지하는 프레임과,
    상기 프레임과 상기 막 전극 접합체를 끼움 지지하는 한 쌍의 세퍼레이터와,
    상기 한 쌍의 세퍼레이터간의 상기 막 전극 접합체에 가스를 공급하는 가스 유로와,
    상기 프레임 및 상기 한 쌍의 세퍼레이터에 형성되어 상기 가스 유로에 가스를 공급하는 매니폴드부와,
    상기 매니폴드부 근방에서 상기 프레임을 구속하는 구속 리브와,
    상기 구속 리브보다도 상기 매니폴드부측으로 돌출되는 상기 프레임의 돌출부와,
    상기 돌출부에 형성되어 상기 매니폴드부로부터 상기 가스 유로에 가스를 공급하는 가스 유통부
    를 포함하는 단셀을 복수 적층한 것을 특징으로 하는 연료 전지의 스택 구조.
KR1020187014157A 2015-11-06 2015-11-06 연료 전지의 단셀 구조 및 해당 연료 전지 단셀을 적층한 연료 전지의 스택 구조 KR102027718B1 (ko)

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