KR102459122B1

KR102459122B1 - 연료 전지

Info

Publication number: KR102459122B1
Application number: KR1020200063407A
Authority: KR
Inventors: 다카시 가지와라; 가즈노리 시바타; 사치오 오카다
Original assignee: 도요타지도샤가부시키가이샤
Priority date: 2019-05-31
Filing date: 2020-05-27
Publication date: 2022-10-26
Also published as: US11251454B2; KR20200138031A; CN112018407A; US20200381759A1; BR102020006453A2; JP7196773B2; JP2020198200A; EP3745513A1; RU2730910C1

Abstract

발전 효율이 향상된 연료 전지 스택을 제공하는 것을 과제로 한다. 막전극 접합체를 한 쌍의 가스 확산층에 의해 끼움 지지한 막전극 가스 확산층 접합체와, 상기 막전극 가스 확산층 접합체의 외주부에 맞닿은 프레임상의 절연 부재와, 상기 막전극 가스 확산층 접합체 및 절연 부재를 끼움 지지하는 제1 및 제2 세퍼레이터를 구비하고, 상기 절연 부재는, 프레임상의 기재, 및 상기 제1 세퍼레이터에 대향하는 상기 기재의 제1 면에 미리 마련되어 있으며 상기 기재보다도 탄성률이 작은 제1 탄성부를 포함하고, 상기 제1 세퍼레이터는, 제1 방향으로 병설되어 제1 반응 가스가 흐르는 복수의 제1 홈부, 상기 복수의 제1 홈부보다도 상기 제1 방향측에 위치하여 상기 제1 반응 가스가 흐르는 제1 외측 홈부, 상기 제1 외측 홈부에 대해서 상기 제1 방향에서 인접한 제1 비드부를 포함하고, 상기 제2 세퍼레이터는, 상기 제1 비드부와의 사이에서 상기 절연 부재를 끼움 지지하는 제2 비드부를 포함하고, 상기 제1 탄성부는, 상기 제1 및 제2 비드부의 사이에서 상기 제1 비드부에 의해 압축된 제1 압축 영역, 및 상기 제1 외측 홈부 내에 위치한 제1 비압축 영역을 포함하는, 연료 전지.

Description

연료 전지{FUEL CELL}

본 발명은, 연료 전지에 관한 것이다.

연료 전지는, 막전극 접합체를 한 쌍의 가스 확산층에 의해 끼움 지지한 막전극 가스 확산층 접합체를 갖고 있으며, 반응 가스가 막전극 접합체에 도달함으로써 발전 반응이 발생한다(예를 들어 특허문헌 1 참조).

일본 특허공개 제2018-129174호 공보

그러나, 막전극 가스 확산층 접합체의 주변을 통과하고 막전극 접합체까지는 도달되지 않는 반응 가스의 유량이 많으면, 발전 효율이 저하될 우려가 있다.

그래서 본 발명은, 발전 효율이 향상된 연료 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적은, 막전극 접합체를 한 쌍의 가스 확산층에 의해 끼움 지지한 막전극 가스 확산층 접합체와, 상기 막전극 가스 확산층 접합체의 외주부에 맞닿은 프레임상의 절연 부재와, 상기 막전극 가스 확산층 접합체 및 절연 부재를 끼움 지지하는 제1 및 제2 세퍼레이터를 구비하고, 상기 절연 부재는, 프레임상의 기재, 및 상기 제1 세퍼레이터에 대향하는 상기 기재의 제1 면에 미리 마련되어 있으며 상기 기재보다도 탄성률이 작은 제1 탄성부를 포함하고, 상기 제1 세퍼레이터는, 제1 방향으로 병설되어 제1 반응 가스가 흐르는 복수의 제1 홈부, 상기 복수의 제1 홈부보다도 상기 제1 방향측에 위치하여 상기 제1 반응 가스가 흐르는 제1 외측 홈부, 상기 제1 외측 홈부에 대해서 상기 제1 방향에서 인접한 제1 비드부를 포함하고, 상기 제2 세퍼레이터는, 상기 제1 비드부의 사이에서 상기 절연 부재를 끼움 지지하는 제2 비드부를 포함하고, 상기 제1 탄성부는, 상기 제1 및 제2 비드부의 사이에서 상기 제1 비드부에 의해 압축된 제1 압축 영역, 및 상기 제1 외측 홈부 내에 위치한 제1 비압축 영역을 포함하는, 연료 전지에 의해 달성할 수 있다.

제1 탄성부의 제1 비압축 영역이 제1 외측 홈부 내에 위치함으로써, 제1 외측 홈부에 의해 획정되는 유로의 단면적을 감소시킬 수 있다. 이에 의해, 제1 유로부에 공급되는 제1 반응 가스 전체의 유량 중, 제1 외측 홈부 내를 흐르는 제1 반응 가스의 유량 비율은 감소된다. 이 때문에, 제1 외측 홈부 이외의 홈부 내를 흐르는 제1 반응 가스의 유량 비율이 확보되고, 막전극 접합체에 도달하여 발전 반응에 제공되는 제1 반응 가스의 유량이 확보된다. 이에 의해, 발전 효율이 향상되었다.

상기 막전극 가스 확산층 접합체 및 절연 부재가 상기 제1 및 제2 세퍼레이터에 끼움 지지된 상태에서, 상기 제1 비압축 영역은, 상기 제1 압축 영역보다도 두꺼워도 된다.

상기 막전극 가스 확산층 접합체 및 절연 부재가 상기 제1 및 제2 세퍼레이터에 끼움 지지되기 전의 상태에서는, 상기 제1 비압축 영역 및 제1 압축 영역은, 두께가 동일해도 된다.

상기 막전극 가스 확산층 접합체 및 절연 부재가 상기 제1 및 제2 세퍼레이터에 끼움 지지되기 전의 상태에서는, 상기 제1 비압축 영역은, 상기 제1 압축 영역보다도 두꺼워도 된다.

상기 제1 탄성부는, 상기 기재의 상기 제1 면의 전체면에 형성되어 있어도 된다.

상기 제1 비압축 영역은, 상기 기재보다도 두꺼워도 된다.

상기 제1 탄성부의 재료는, 고무 및 열가소성 엘라스토머 중 적어도 한쪽을 포함해도 된다.

상기 절연 부재는, 상기 기재의 상기 제1 면과는 반대측의 제2 면에 미리 마련되어 있으며 상기 기재보다도 탄성률이 작은 제2 탄성부를 포함하고, 상기 제2 세퍼레이터는, 상기 제1 방향으로 병설되어 제2 반응 가스가 흐르는 복수의 제2 홈부 및 상기 복수의 제2 홈부보다도 상기 제1 방향측에 위치하며 또한 상기 제2 비드부에 대해서 상기 제1 방향과 반대 방향에서 인접하여 상기 제2 반응 가스가 흐르는 제2 외측 홈부를 포함하고, 상기 제2 탄성부는, 상기 제1 및 제2 비드부의 사이에서 상기 제2 비드부에 의해 압축된 제2 압축 영역 및 상기 제2 홈부 내에 위치한 제2 비압축 영역을 포함해도 된다.

상기 막전극 가스 확산층 접합체 및 절연 부재가 상기 제1 및 제2 세퍼레이터에 끼움 지지된 상태에서, 상기 제2 비압축 영역은, 상기 제2 압축 영역보다도 두꺼워도 된다.

상기 막전극 가스 확산층 접합체 및 절연 부재가 상기 제1 및 제2 세퍼레이터에 끼움 지지되기 전의 상태에서는, 상기 제2 비압축 영역 및 제2 압축 영역은, 두께가 동일해도 된다.

상기 막전극 가스 확산층 접합체 및 절연 부재가 상기 제1 및 제2 세퍼레이터에 끼움 지지되기 전의 상태에서는, 상기 제2 비압축 영역은, 상기 제2 압축 영역보다도 두꺼워도 된다.

상기 제2 비압축 영역은, 상기 기재보다도 두꺼워도 된다.

상기 제2 탄성부는, 상기 기재의 상기 제2 면의 전체면에 형성되어 있어도 된다.

상기 제2 탄성부의 재료는, 고무 및 열가소성 엘라스토머 중 적어도 한쪽을 포함해도 된다.

상기 막전극 접합체는, 전해질막, 상기 전해질막의 상기 제1 세퍼레이터측의 제1 면에 형성된 제1 촉매층, 및 상기 전해질막의 상기 제1 면과는 반대측의 제2 면의 당해 막전극 접합체의 에지 영역이 노출되도록 상기 전해질막의 상기 제2 면에 형성된 제2 촉매층을 포함하고, 상기 한 쌍의 가스 확산층은, 상기 제1 촉매층에 접합된 제1 가스 확산층, 및 상기 에지 영역이 노출되도록 상기 제2 촉매층에 접합된 제2 가스 확산층을 포함하고, 상기 제1 세퍼레이터는, 상기 제1 외측 홈부에 상기 제1 방향과는 반대 방향에서 인접하여 상기 제1 가스 확산층에 맞닿은 제1 리브부를 포함하고, 상기 제2 세퍼레이터는, 상기 제1 리브부의 사이에서, 상기 절연 부재, 상기 전해질막의 상기 에지 영역, 상기 제1 촉매층, 및 상기 제1 가스 확산층을 끼움 지지하는 제2 리브부를 포함해도 된다.

상기 제1 탄성부는, 상기 전해질막의 상기 에지 영역에 맞닿지만, 접착은 되어 있지 않아도 된다.

상기 제2 리브부의 적어도 일부는, 상기 제2 가스 확산층에 맞닿고, 상기 제1 리브부와의 사이에서, 상기 막전극 접합체와 상기 한 쌍의 가스 확산층을 끼움 지지해도 된다.

발전 효율이 향상된 연료 전지를 제공할 수 있다.

도 1은, 연료 전지 스택의 단셀의 분해 사시도이다.
도 2는, +Z 방향측에서 본 경우의 프레임, MEGA, 및 세퍼레이터를 나타낸 투시도이다.
도 3은, 도 2에 도시한 A-A선에 대응하는 단셀의 단면도이다.
도 4의 (A)는, 도 3의 부분 확대도이며, 도 4의 (B)는, 비교예의 단셀의 부분 확대 단면도이다.
도 5의 (A)는, 세퍼레이터에 의해 끼움 지지되기 전의 프레임의 부분 확대 단면도이며, 도 5의 (B)는, 세퍼레이터에 의해 끼움 지지되기 전의, 제1 변형예의 단셀의 프레임의 부분 확대 단면도이다.
도 6의 (A)는, 제2 변형예의 단셀의 프레임의 부분 확대 단면도이며, 도 6의 (B)는, 제3 변형예의 단셀의 프레임의 부분 확대 단면도이다.
도 7의 (A)는, 제4 변형예의 단셀의 부분 단면도이며, 도 7의 (B)는, 제5 변형예의 단셀의 부분 단면도이다.

[연료 전지 스택의 개략 구성]

도 1은, 연료 전지 스택(1)의 단셀(2)의 분해 사시도이다. 연료 전지 스택(1)은, 단셀(2)이 복수 적층됨으로써 구성된다. 도 1에서는, 하나의 단셀(2)만을 나타내고, 그 밖의 단셀에 대해서는 생략하였다. 또한, 도 1에는, 서로 직교하는 X 방향, Y 방향, 및 Z 방향을 나타내고 있다. X 방향 및 Y 방향은, 대략 직사각 형상으로 형성된 단셀(2)의 짧은 쪽 방향 및 긴 쪽 방향에 상당한다. Z 방향은, 복수의 단셀(2)이 적층되는 방향에 상당한다.

연료 전지 스택(1)은, 반응 가스로서 애노드 가스(예를 들어 수소)와 캐소드 가스(예를 들어 산소)의 공급을 받아 발전하는 고체 고분자형 연료 전지이다. 단셀(2)은, 막전극 가스 확산층 접합체(10)(이하, 'MEGA(Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly)'라고 칭함)와, 프레임상의 프레임(50)과, 애노드 세퍼레이터(20) 및 캐소드 세퍼레이터(40)(이하, '세퍼레이터'라고 칭함)를 포함한다. 세퍼레이터(20)는, MEGA(10) 및 프레임(50)보다도 -Z 방향측에 배치되고 이들과 대향하고 있다. 세퍼레이터(40)는, MEGA(10) 및 프레임(50)보다도 +Z 방향측에 배치되어 이들과 대향하고 있다. MEGA(10)는, 애노드 가스 확산층(16a) 및 캐소드 가스 확산층(16c)(이하, '확산층'이라고 칭함)을 갖고 있다. 프레임(50)은, 절연성을 갖고 있으며, 내주부가 MEGA(10)의 외주부에 접합된 프레임상의 절연 부재의 일례이다. 세퍼레이터(20 및 40)는, 제1 및 제2 세퍼레이터의 일례이다.

세퍼레이터(20 및 40), 및 프레임(50)에는, 구멍 a1 내지 a6이 관통하도록 형성되어 있다. 세퍼레이터(20 및 40), 및 프레임(50)의 2개의 짧은 변의 일방측에는 구멍 a1 내지 a3이 형성되고, 타방측에는 구멍 a4 내지 a6이 형성되어 있다. 구멍 a1은, 캐소드 입구 매니폴드를 획정한다. 구멍 a2는, 냉각수 입구 매니폴드를 획정한다. 구멍 a3은, 애노드 출구 매니폴드를 획정한다. 구멍 a4는, 애노드 입구 매니폴드를 획정한다. 구멍 a5는, 냉각수 출구 매니폴드를 획정한다. 구멍 a6은, 캐소드 출구 매니폴드를 획정한다.

MEGA(10)에 대향하는 세퍼레이터(20)의 면에는, 애노드 입구 매니폴드와 애노드 출구 매니폴드를 연통하여 애노드 가스가 흐르는 애노드 유로부(20A)(이하, '유로부'라고 칭함)가 형성되어 있다. MEGA(10)에 대향하는 세퍼레이터(20)의 면과는 반대측의 면에는, 냉각수 입구 매니폴드와 냉각수 출구 매니폴드를 연통하여 냉각수가 흐르는 냉각수 유로부(20B)(이하, '유로부'라고 칭함)가 형성되어 있다. MEGA(10)에 대향하는 세퍼레이터(40)의 면에는, 캐소드 입구 매니폴드와 캐소드 출구 매니폴드를 연통하여 캐소드 가스가 흐르는 캐소드 유로부(40A)(이하, '유로부'라고 칭함)가 형성되어 있다. MEGA(10)에 대향하는 세퍼레이터(40)의 면과는 반대측의 면에는, 냉각수 입구 매니폴드와 냉각수 출구 매니폴드를 연통하여 냉각수가 흐르는 냉각수 유로부(40B)(이하, '유로부'라고 칭함)가 형성되어 있다. 유로부(20A 및 20B)는, 세퍼레이터(20)의 길이 방향인 Y 방향으로 연장되어 X 방향으로 병설된 복수의 홈부에 의해 구성되어 있다. 유로부(40A 및 40B)도 마찬가지이다.

유로부(20A)의 복수의 홈부는, MEGA(10)로부터 후퇴하도록 오목하게 들어가 있다. 유로부(40A)의 복수의 홈부도 마찬가지로, MEGA(10)로부터 후퇴하도록 오목하게 들어가 있다. 유로부(20B 및 40B)는, 각각, 유로부(20A 및 40A)와 표리 일체로 형성되어 있다. 세퍼레이터(20 및 40)는, 가스 차단성 및 도전성을 갖는 재료에 의해 형성되고, 프레스 성형된 스테인리스강이나, 티타늄이나 티타늄 합금과 같은 금속에 의해 형성되는 박판상 부재이다.

세퍼레이터(20 및 40)의 외주에는, 각각, 비드부(24 및 44)가 주회하도록 형성되어 있다. 비드부(24)는, 유로부(20A 및 20B)나 구멍 a1 내지 a6을 포위하도록 형성되어 있다. 마찬가지로, 비드부(44)는, 유로부(40A 및 40B)나 구멍 a1 내지 a6을 포위하도록 형성되어 있다. 비드부(24 및 44)는, 상세하게는 후술하지만 프레임(50)을 끼움 지지함으로써, 애노드 가스나 캐소드 가스의 누설을 방지한다. 비드부(24 및 44)는, 제1 및 제2 비드부의 일례이다.

도 2는, +Z 방향측에서 본 경우의 프레임(50), MEGA(10), 및 세퍼레이터(20)를 나타낸 투시도이다. 애노드 가스는, 구멍 a4로부터 유로부(20A)를 -Y 방향으로 흘러 구멍 a3으로 배출된다. 상방에서 보면, 확산층(16a 및 16c)은 모두 직사각 형상이지만, 확산층(16a)은 확산층(16c)보다도 XY 평면 방향으로 크게 형성되어 있다. 도 2에는, 확산층(16c)의 에지(18c 및 19c)와, 확산층(16a)의 에지(18a 및 19a)를 나타내고 있다. 에지(18c 및 19c)는, Y 방향으로 평행하며 X 방향에 대향하고 있다. 에지(18a 및 19a)는, Y 방향으로 평행하며 X 방향에 대향하고 있다. 확산층(16a) 쪽이 확산층(16c)보다도 XY 평면 방향으로 크기 때문에, 에지(18a)는 에지(18c)보다도 외측에 위치하고, 마찬가지로 에지(19a)는 에지(19c)보다도 외측에 위치한다. 에지(18a 및 19a)는, 유로부(20A)의 복수의 홈부가 연장된 방향으로 대략 평행하다. 에지(18c 및 19c)는, 유로부(40A)의 복수의 홈부가 연장된 방향으로 대략 평행하다.

도 2에는, 세퍼레이터(20)와, 이 세퍼레이터(20)에 인접한 세퍼레이터를 용접하는 용접 라인 L을 나타내고 있다. 용접 라인 L은, 비드부(24)와 세퍼레이터(20)의 외주연의 사이에서 연장되어 있다. 또한, 도 2에는 도시하지 않았지만, 구멍 a1, a3, a4, 및 a6을 포위하도록 용접 라인이 설정된다.

도 3은, 도 2에 도시한 A-A선에 대응하는 단셀(2)의 단면도이다. 도 3에는, 단셀(2)보다도 +Z 방향측에서 단셀(2)에 적층된 다른 단셀의 애노드측의 세퍼레이터(20-a)와, 단셀(2)보다도 -Z 방향측에서 단셀(2)에 적층된 다른 단셀의 캐소드측의 세퍼레이터(40-b)를 나타내고 있다. 상술한 용접 라인 L을 따라서, 세퍼레이터(20)와 세퍼레이터(40-b)는 용접되어 있으며, 세퍼레이터(40)와 세퍼레이터(20-a)는 용접되어 있다. 또한, 세퍼레이터(20-a)는, 세퍼레이터(20)와 동일한 부재이며, 세퍼레이터(40-b)는, 세퍼레이터(40)와 동일한 부재이지만, 설명의 편의상, 서로 다른 부호를 붙이고 있다. 또한, 도 3은, 확산층(16a 및 16c)의 각각의 에지(18a 및 18c)측의 구성을 나타내고 있지만, 에지(19a 및 19c)측의 구성도, YZ 평면에서 에지(18a 및 18c)측의 구성과 대칭이 되도록 마련되어 있다.

MEGA(10)는, 확산층(16a 및 16c), 및 막전극 접합체(이하, 'MEA(Membrane Electrode Assembly)'라고 칭함)(11)를 포함한다. MEA(11)는, 전해질막(12), 및 애노드 촉매층(14a) 및 캐소드 촉매층(14c)(이하, '촉매층'이라고 칭함)을 포함한다. 촉매층(14a)은, 전해질막(12)의 세퍼레이터(20)측의 면(12a)에 형성되어 있다. 촉매층(14c)은, 면(12a)의 반대측의 면인 전해질막(12)의 면(12c)에 형성되어 있다. 전해질막(12)은, 습윤 상태에서 양호한 프로톤 전도성을 나타내는 고체 고분자 박막이며, 예를 들어 불소계의 이온 교환막이다. 촉매층(14a 및 14c)은, 예를 들어 백금(Pt) 등을 담지한 카본 담체와 프로톤 전도성을 갖는 아이오노머를 포함하는 촉매 잉크를, 전해질막(12)에 도포함으로써 형성된다. 확산층(16a 및 16c)은, 가스 투과성 및 도전성을 갖는 재료, 예를 들어 탄소 섬유나 흑연 섬유 등의 다공질의 섬유 기재로 형성되어 있다. 확산층(16a 및 16c)은, 각각 촉매층(14a 및 14c)에 접합되어 있다.

촉매층(14a)은, 전해질막(12)의 면(12a)의 대략 전체면에 걸쳐 형성되어 있다. 촉매층(14c)은, 전해질막(12)의 면(12c)의 중앙부에 형성되고, 전해질막(12)의 주연 영역에는 형성되어 있지 않다. 확산층(16a)은, 그 단부가 촉매층(14a)의 단부에 대략 정렬되는 위치에 마련된다. 확산층(16c)은, 그 단부가 촉매층(14c)의 단부에 대략 정렬되는 위치 또는 약간 내측의 위치에 마련되어 있다. 이에 의해, 전해질막(12)의 주연 영역이 노출되어 있다. 노출된 전해질막(12)의 주연 영역에, 프레임(50)의 내주부가 접착되어 있다.

[세퍼레이터(20)의 구성]

단셀(2)의 세퍼레이터(20)에 대하여 설명한다. 도 1 및 도 2에 도시한 세퍼레이터(20)의 유로부(20A)는, 도 3에 도시한 바와 같이, 서로 Y 방향으로 연장된 복수의 홈부(21) 및 외측 홈부(23)를 포함한다. 복수의 홈부(21)는, -X 방향으로 병설되어 있다. 홈부(21)는, 확산층(16a)에 대향하고 확산층(16a)으로부터 후퇴하도록 -Z 방향으로 오목하게 들어가 있다. 배열된 2개의 홈부(21)의 사이에는, Y 방향으로 연장된 리브부(22)가 마련되어 있다. 리브부(22)는, 확산층(16a)에 맞닿도록 +Z 방향으로 돌출되어 있다. 서로 인접하는 홈부(21) 및 리브부(22)는, 측벽부가 공용되어 있다.

외측 홈부(23)는, 복수의 홈부(21)에 대해서 -X 방향측에 위치하고 있다. 외측 홈부(23)는, 확산층(16a)과 프레임(50)에 걸쳐 있으며, 확산층(16a)과 프레임(50)으로부터 후퇴하도록 -Z 방향으로 오목하게 들어가 있다. 외측 홈부(23)는, 애노드 가스가 흐르는 유로부(20A)를 구성하는 홈부 중에서, -X 방향에서 가장 외측에 위치하고 있다. 서로 인접하는 외측 홈부(23) 및 리브부(22)는, 측벽부가 공용되어 있다.

비드부(24)는, 외측 홈부(23)에 대해서 -X 방향에서 인접하고 있으며, 외측 홈부(23)를 따르도록 연장되어 있다. 비드부(24)는, 세퍼레이터(40)의 비드부(44)의 사이에서 프레임(50)을 끼움 지지하도록 +Z 방향으로 돌출되어 있으며, 리브부(22)보다도 +Z 방향의 돌출량이 크다. 서로 인접하는 비드부(24) 및 외측 홈부(23)는, 측벽부가 공용되어 있다. 에지부(25)는, 비드부(24)보다도 -X 방향에서 인접하고 있으며, 프레임(50)으로부터 후퇴하도록 -Z 방향으로 오목하게 들어가 있다.

애노드 가스는, 홈부(21) 및 외측 홈부(23) 내를 -Y 방향, 즉 도 3의 지면 앞쪽으로부터 안쪽으로 흐른다. 홈부(21) 내를 흐르는 애노드 가스의 일부는, -Y 방향으로 흐르면서 확산층(16a) 내에 침입하여, 확산층(16a) 내에서 +X 방향 및 -X 방향으로 확산하여 촉매층(14a)에 도달한다. 촉매층(14a)에 애노드 가스가 도달하면, 애노드 가스 중의 수소의 산화 반응이 촉진된다. 여기서, 확산층(16a)의 에지(18a)는, 외측 홈부(23) 내에 위치하고 있다. 이 때문에, 외측 홈부(23) 내를 흐르는 애노드 가스의 일부는, 예를 들어 확산층(16a)의 에지(18a)와, 에지(18a)에 대향하는 외측 홈부(23) 및 비드부(24)가 공통의 측벽부의 사이를 흐르고, 촉매층(14a)에 도달되지 않고 MEGA(10)를 통과한다. 도 3에 도시한 바와 같이, 외측 홈부(23), 프레임(50), 확산층(16a), 촉매층(14a)의 외연, 및 전해질막(12)의 외연에 의해 포위된 공간을 유로 공간 Fa라고 칭한다.

[세퍼레이터(40)의 구성]

단셀(2)의 세퍼레이터(40)에 대하여 설명한다. 도 1에 도시한 세퍼레이터(40)의 유로부(40A)는, 도 3에 도시한 바와 같이, 서로 Y 방향으로 연장된 복수의 홈부(41) 및 외측 홈부(43)를 포함한다. 복수의 홈부(41)는, -X 방향으로 병설되어 있다. 홈부(41)는, 확산층(16c)으로부터 후퇴하도록 +Z 방향으로 오목하게 들어가 있다. 나열된 2개의 홈부(41)의 사이에는, Y 방향으로 연장된 리브부(42)가 마련되어 있다. 리브부(42)는, 확산층(16c)에 맞닿도록 -Z 방향으로 돌출되어 있다. 서로 인접하는 홈부(41) 및 리브부(42)는, 측벽부가 공용되어 있다.

외측 홈부(43)는, 복수의 홈부(41)에 대해서 -X 방향측에 위치하고 있다. 외측 홈부(43)는, 확산층(16c)과 프레임(50)에 걸친 위치에 마련되어 있으며, 확산층(16c)과 프레임(50)으로부터 후퇴하도록 +Z 방향으로 오목하게 들어가 있다. 외측 홈부(43)는, 캐소드 가스가 흐르는 유로부(40A)를 구성하는 홈부 중에서, -X 방향에서 가장 외측에 위치하고 있다. 서로 인접하는 외측 홈부(43) 및 리브부(42)는, 측벽부가 공용되어 있다.

비드부(44)는, 외측 홈부(43)에 대해서 -X 방향에서 인접하고 있으며, 외측 홈부(43)를 따르도록 연장되어 있다. 비드부(44)는, 세퍼레이터(20)의 비드부(24)와의 사이에서 프레임(50)을 끼움 지지하도록 -Z 방향으로 돌출되어 있으며, 리브부(42)보다도 -Z 방향의 돌출량이 크다. 서로 인접하는 비드부(44) 및 외측 홈부(43)는, 측벽부가 공용되어 있다. 에지부(45)는, 비드부(44)보다도 -X 방향에서 인접하고 있으며, 프레임(50)으로부터 후퇴하도록 +Z 방향으로 오목하게 들어가 있다.

캐소드 가스는, 홈부(41) 및 외측 홈부(43) 내를 +Y 방향, 즉 도 3의 지면 안쪽으로부터 앞쪽으로 흐른다. 홈부(41) 내를 흐르는 캐소드 가스의 일부도, 애노드 가스와 마찬가지로, +Y 방향으로 흐르면서 확산층(16c) 내에 침입되고, 확산층(16c) 내에서 +X 방향 및 -X 방향으로 확산하여 촉매층(14c)에 도달한다. 촉매층(14c)에 캐소드 가스가 도달되면, 캐소드 가스 중의 산소의 환원 반응이 촉진된다. 여기서, 확산층(16c)의 에지(18c)는, 외측 홈부(43) 내에 위치하고 있다. 이 때문에, 외측 홈부(43) 내를 흐르는 캐소드 가스의 일부는, 예를 들어 확산층(16c)의 에지(18c)와, 에지(18c)에 대향하는 외측 홈부(43) 및 비드부(44)가 공통의 측벽부의 사이를 흐르고, 촉매층(14c)에 도달되지 않고 MEGA(10)를 통과한다. 외측 홈부(43), 프레임(50), 확산층(16c), 촉매층(14c), 및 전해질막(12)의 외연에 의해 포위된 공간을 유로 공간 Fc라고 칭한다.

세퍼레이터(20)의 홈부(21), 외측 홈부(23), 및 에지부(25)는, 각각, 세퍼레이터(40-b)의 홈부(41), 외측 홈부(43), 및 에지부(45)에 맞닿는다. 세퍼레이터(20)의 리브부(22) 및 비드부(24)는, 각각, 세퍼레이터(40-b)의 리브부(42) 및 비드부(44)에 Z 방향에서 대향한다. 세퍼레이터(20)의 리브부(22)와 세퍼레이터(40-b)의 리브부(42)에 의해 포위된 공간 내로 냉각수가 흐른다. 세퍼레이터(20)의 비드부(24)와 세퍼레이터(40-b)의 비드부(44)에 의해 포위된 공간 내에는, 냉각수나 반응 가스는 흐르지 않는다. 세퍼레이터(20)의 에지부(25)와 세퍼레이터(40-b)의 에지부(45)는, 상술한 용접 라인 L을 따라서 용접되어 있다. 세퍼레이터(40)의 홈부(41), 외측 홈부(43), 및 에지부(45)는, 각각, 세퍼레이터(20-a)의 홈부(21), 외측 홈부(23), 및 에지부(25)에 맞닿는다. 세퍼레이터(40)의 리브부(42) 및 비드부(44)는, 각각, 세퍼레이터(20-a)의 리브부(22) 및 비드부(24)에 Z 방향에서 대향한다. 세퍼레이터(40)의 리브부(42)와 세퍼레이터(20-a)의 리브부(22)에 의해 포위된 공간 내에 냉각수가 흐른다. 세퍼레이터(40)의 비드부(44)와 세퍼레이터(20-a)의 비드부(24)에 의해 포위된 공간 내에는, 냉각수나 반응 가스는 흐르지 않는다. 세퍼레이터(20-a)의 에지부(25)와 세퍼레이터(40)의 에지부(45)는, 상술한 용접 라인 L에 따라서 용접되어 있다. 세퍼레이터(20 및 40-b)의 용접 및 세퍼레이터(40 및 20-a)의 용접은, 연료 전지 스택(1)으로서 복수의 단셀(2)을 적층하기 전에 미리 실시되어 있다. 또한, 세퍼레이터(20 및 40-b)의 접합이나 세퍼레이터(40 및 20-a)의 접합은, 용접에 한정되지 않고, 접착제에 의해 접합되어 있어도 된다.

[프레임(50)의 구성]

프레임(50)은, 기재(51), 탄성부(52 및 53)를 포함한다. 기재(51)는, 두께가 대략 균일한 얇은 시트상이고, 합성 수지제이며, 예를 들어 PET(폴리에틸렌테레프탈레이트), PBN(폴리부틸렌나프탈레이트), PPS(폴리페닐렌술피드), PEI(폴리에테르이미드), PES(폴리에틸렌숙시네이트), PPSU(폴리페닐렌술폰), PSU(폴리술폰), PP(폴리프로필렌), UHPE(초고분자량 폴리에틸렌), SPS(신디오택틱 폴리스티렌), COC(시클로올레핀 코폴리머) 중 적어도 어느 하나이다. 탄성부(52 및 53)는, 얇은 시트상이고, 탄성을 갖고 있다. 구체적으로는, 탄성부(52 및 53)의 각 재료는, 고무 및 열가소성 엘라스토머 수지 중 적어도 한쪽을 포함하고, 예를 들어 발포 고무나 미발포 고무여도 되고, 고무와 열가소성 엘라스토머 수지가 혼합된 것이어도 된다. 탄성부(52 및 53)는, 형상, 크기 및 재료가 동일하지만, 설명의 편의상, 서로 다른 부호를 붙이고 있다. 탄성부(52)는, 기재(51)의 세퍼레이터(20)측의 면(51a)에 미리 마련되어 있다. 탄성부(53)는, 기재(51)의 면(51a)과는 반대측의 면(51c)에 미리 마련되어 있다. 탄성부(52 및 53)의 각각은, 탄성률이 기재(51)보다도 작고, 기재(51)보다도 탄성 변형이 용이하다. 또한, 탄성부(52 및 53)는, 접착 성분을 함유하고 있지 않지만, 점착 성분을 함유하고 있어도 된다. 프레임(50)의 탄성부(52)는, 전해질막(12)의 주연 영역에 접착되어 있다. 탄성부(52 및 53)는, 제1 및 제2 탄성부의 일례이다.

도 4의 (A)는, 도 3의 부분 확대도이다. 탄성부(52)는, 비압축 영역(523) 및 압축 영역(524)을 포함한다. 압축 영역(524)은, 비드부(24)에 의해 +Z 방향으로 압축되어 탄성 변형하고 있다. 압축 영역(524)과 비드부(24)의 사이에 작용하는 압축 영역(524)의 탄성 복원력에 의해, 프레임(50)과 비드부(24) 사이의 시일성이 확보되어, 애노드 가스가 외측 홈부(23)로부터 외부로 누설되는 것이 방지된다. 비압축 영역(523)은, 압축 영역(524)보다도 +X 방향측에 위치하여 외측 홈부(23) 내에 위치하고 있으며, 압축되어 있지 않다. 압축 영역(524)은 압축되어 있기 때문에, 비압축 영역(523)의 Z 방향에서의 두께 T1은, 압축 영역(524)의 Z 방향에서의 두께 T2보다도 두껍다.

마찬가지로, 탄성부(53)는, 압축 영역(534) 및 비압축 영역(533)을 포함한다. 압축 영역(534)은, 비드부(44)에 의해 -Z 방향으로 압축되어 탄성 변형하고 있다. 압축 영역(534)과 비드부(44)의 사이에 작용하는 압축 영역(534)의 탄성 복원력에 의해, 프레임(50)과 비드부(44) 사이의 시일성이 확보되고, 캐소드 가스가 외측 홈부(43)로부터 외부로 누설되는 것이 방지된다. 비압축 영역(533)은, 압축 영역(534)보다도 +X 방향측에 위치하여 외측 홈부(43) 내에 위치하고 있으며, 압축되어 있지 않다. 압축 영역(534)은 압축되어 있기 때문에, 비압축 영역(533)의 Z 방향에서의 두께 T3은, 압축 영역(534)의 Z 방향에서의 두께 T4보다도 두껍다.

[비교예의 구성]

도 4의 (B)는, 비교예의 단셀(2x)에서의 부분 확대 단면도이다. 비교예에 있어서는, 동일한 구성에 대해서는 동일한 부호를 부여하여 중복 설명을 생략한다. 도 4의 (B)는, 도 4의 (A)에 대응하고 있다. 비교예의 단셀(2x)의 프레임(50x)에서는, 탄성부(52 및 53)는 마련되어 있지 않고, 그 대신에 기재(51)와 비드부(24)의 사이에 가스킷(24x)이 마련되어 있으며, 기재(51)와 비드부(44)의 사이에 가스킷(44x)이 마련되어 있다. 가스킷(24x 및 44x)은, 각각 비드부(24 및 44)에 의해 압축되어 탄성 변형하고 있다. 가스킷(24x 및 44x)은, 모두 박판상이며 고무제이고, 각각, 비드부(24 및 44)의 외측면의 평탄한 정상부에 미리 접합되어 있다. 도 4의 (B)의 비교예에서는, 가스킷(24x 및 44x)의 각각의 Z 방향의 두께 T2 및 T4를, 상술한 본 실시예의 압축 영역(524) 및 압축 영역(534)의 두께 T2 및 T4와 동일한 것으로서 나타내고 있다. 또한, 비교예에서의 유로 공간 Fax는, 외측 홈부(23), 프레임(50x), 확산층(16a), 촉매층(14a), 및 전해질막(12)에 의해 포위된 공간으로 하고, 유로 공간 Fcx는, 외측 홈부(43), 프레임(50x), 확산층(16c), 촉매층(14c), 및 전해질막(12)에 의해 포위된 공간으로 한다.

[본 실시예의 상세한 구성]

본 실시예에서는, 탄성부(52)의 비압축 영역(523)은 외측 홈부(23) 내에 위치하지만, 비교예에서는, 가스킷(24x)은 외측 홈부(23) 내로까지 연장되어 있지 않다. 따라서, 비교예의 유로 공간 Fax의, 외측 홈부(23)가 연장된 Y 방향으로 수직인 단면적(이하, 단순히 유로 공간의 단면적이라고 칭하는 경우에는 유로 공간에 있어서의 외측 홈부가 연장된 방향으로 수직인 단면의 면적을 의미함)은, 본 실시예의 유로 공간 Fa의 단면적보다도 크다.

여기서, 예를 들어 유로 공간 Fax와 같이 단면적이 크면, 단셀(2x)에 공급되는 애노드 가스 전체의 유량 중 유로 공간 Fax를 흐르는 애노드 가스의 유량의 비율이 증대된다. 이 때문에, 유로 공간 Fax 내에서 확산층(16a)의 에지(18a)를 따라 흘러서, 촉매층(14a)에는 공급되지 않고 발전 반응에 기여하지 않는 애노드 가스의 유량이 증대된다. 이에 의해, 본래 홈부(21) 내로부터 확산층(16a)을 통해 촉매층(14a)으로까지 도달되어 발전 반응에 제공되는 애노드 가스의 유량이 감소하여, 발전 효율이 저하된다. 이와 같은 발전 효율의 저하를 억제하기 위해서는, 연료 전지 스택(1)에 공급되는 애노드 가스의 유량을 증량할 필요가 있어, 연비가 악화될 가능성이 있다. 또한, 애노드 오프 가스를 연료 전지 스택(1)으로 재순환시키기 위해서 순환 펌프를 사용하는 시스템에 있어서는, 순환량을 증대시키기 위해서, 순환 펌프의 소비 전력이 증대될 가능성이 있다.

본 실시예에서는 유로 공간 Fa의 단면적은 작기 때문에, 단셀(2)에 공급되는 애노드 가스 전체의 유량 중 유로 공간 Fa를 흐르는 애노드 가스의 유량 비율이 감소하고 있다. 이 때문에, 발전 반응에 제공되어야 할 애노드 가스의 유량이 확보되었다. 이에 의해, 단셀(2)에 공급되는 애노드 가스를 효율적으로 이용할 수 있어, 발전 효율이 향상되고 연비도 향상되었다. 또한, 애노드 오프 가스를 연료 전지 스택(1)으로 재순환시키기 위해서 순환 펌프를 사용하는 경우에는, 소비 전력을 저감시킬 수 있다.

마찬가지로, 예를 들어 유로 공간 Fcx와 같이 단면적이 크면, 단셀(2x)에 공급되는 캐소드 가스 전체의 유량 중 유로 공간 Fcx를 흐르는 캐소드 가스의 유량 비율이 증대된다. 이 때문에, 유로 공간 Fcx 내에서 외측 홈부(43)의 내면과 프레임(50x)의 사이를 흘러서, 촉매층(14c)에 도달하지 않고 발전 반응에 기여하지 않는 캐소드 가스의 유량이 증대된다. 이에 의해, 발전 효율이 저하된다. 이와 같은 발전 효율의 저하를 억제하기 위해서는, 연료 전지 스택(1)에 공급되는 캐소드 가스의 유량을 증량할 필요가 있어, 연료 전지 스택(1)에 캐소드 가스를 공급하기 위한 공기 압축기 소비 전력이 증대될 가능성이 있다. 본 실시예의 유로 공간 Fc의 단면적은 작기 때문에, 발전 효율이 향상되어, 공기 압축기의 소비 전력도 저감시킬 수 있다.

도 5의 (A)는, 세퍼레이터(20 및 40)에 의해 끼움 지지되기 전의 프레임(50)의 부분 확대 단면도이다. 또한, 끼움 지지 전의 상태에서는 탄성부(52 및 53)는 압축되어 있는 개소는 존재하지 않지만, 설명의 편의상, 도 5의 (A)에는 압축 영역(524) 및 압축 영역(534)을 나타내고 있다. 끼움 지지 전의 상태에서는, 압축 영역(524) 및 비압축 영역(523)은 동일한 두께 T1이며, 마찬가지로 압축 영역(534) 및 비압축 영역(533)도 동일한 두께 T2이다. 이와 같이 탄성부(52 및 53)의 각각은 두께가 균일하기 때문에, 프레임(50)의 제조가 용이하며, 제조 비용이 삭감되어 있다. 또한, 두께 T1 및 T2는, 압축 여유를 고려하여 설정하는 것이 바람직하다.

상술한 탄성부(52)의 두께 T1과 탄성부(53)의 두께 T2는, 대략 동일하지만 이에 한정되지 않고, 한쪽이 다른 쪽보다도 두꺼워도 된다. 예를 들어, 연료 전지 스택(1)에 캐소드 가스를 공급하는 공기 압축기의 전력 소비량을 충분히 저하시키고 싶은 경우에는, 캐소드측의 탄성부(53)를 애노드측의 탄성부(52)보다도 두껍게 하여, 유로 공간 Fc의 단면적을 가능한 한 작게 해도 된다. 또한, 연료 전지 스택(1)에 애노드 가스를 순환시키는 순환 펌프의 전력 소비량을 충분히 저하시키고 싶은 경우에는, 탄성부(52)를 탄성부(53)보다도 두껍게 하여, 유로 공간 Fa의 단면적을 가능한 한 작게 해도 된다.

또한, 탄성부(52 및 53)는, 기재(51)의 면(51a 및 51c)의 각각에 전체면에 걸쳐 형성되어 있다. 이에 의해, 프레임(50) 전체에서의 내구성이나 강성을 확보할 수 있다.

여기서, 연료 전지 스택(1)의 가동 중에는, 발전 반응에 의해 프레임(50)은 고온으로 되어 열팽창한다. 한편, 연료 전지 스택(1)이 정지 상태에서 저온 환경 하에 놓여진 경우에는, 프레임(50)은 냉각되어 열수축한다. 이와 같은 프레임(50)의 열변형 시에, 프레임(50)의 애노드측 면의 열변형량과 캐소드측 면의 열변형량의 차가 크면, 프레임(50)으로 휘는 힘이 작용하는 경우가 있다. 이 경우에, 프레임(50)과 전해질막(12)이 접착되어 있었다고 해도, 접착력에 따라서는, 프레임(50)으로부터 전해질막(12)이 받는 면압이 저하되어, 프레임(50)과 전해질막(12) 사이의 시일성이 저하될 가능성이 있다. 본 실시예에서는, 기재(51)의 면(51a 및 51c)의 각각에 탄성부(52 및 53)가 형성되어 있다. 이 때문에, 면(51a 및 51c)의 한쪽 면에만 탄성부가 마련되어 있는 경우와 비교하여, 프레임(50)의 애노드측 면의 열변형량과 캐소드측 면의 열변형량의 차의 증대가 억제되어 있다. 따라서, 상기와 같은 문제가 발생하는 것이 억제되어 있다.

본 실시예에서는, 도 4의 (A)에 도시한 바와 같이, MEGA(10) 및 프레임(50)이 세퍼레이터(20 및 40)에 끼움 지지된 상태에서, 탄성부(52)의 비압축 영역(523)의 두께 T1은 압축 영역(524)의 두께 T2보다도 두껍지만 이에 한정되지 않고, 예를 들어 끼움 지지된 상태에서, 두께 T1은 두께 T2 이하여도 된다. 비압축 영역(523)이 외측 홈부(23) 내에 위치하고 있으면, 이와 같은 비압축 영역(523)이 존재하지 않는 비교예의 유로 공간 Fax보다도 본 실시예의 유로 공간 Fa의 단면적을 삭감할 수 있어, 발전 효율을 향상시킬 수 있기 때문이다. 마찬가지로, 탄성부(53)의 비압축 영역(533)의 두께 T3은 압축 영역(534)의 두께 T4 이하여도 된다.

본 실시예에서는, 끼움 지지 전의 상태에서 압축 영역(524) 및 비압축 영역(523)은 동일한 두께이지만, 이에 한정되지는 않는다. 예를 들어, 끼움 지지 전의 상태에서 압축 영역(524)의 두께는 비압축 영역(523)의 두께보다도 두꺼워도 된다. 압축 영역(534) 및 비압축 영역(533)의 두께에 대해서도 마찬가지이다.

[제1 변형예]

다음으로, 복수의 변형예에 대하여 설명한다. 변형예에 대해서는, 상술한 본 실시예와 동일한 구성에 대해서는 동일한 부호를 이용하여 설명한다. 도 5의 (B)는, 세퍼레이터(20 및 40)에 의해 끼움 지지되기 전의, 제1 변형예의 단셀(2a)의 프레임(50a)의 부분 확대 단면도이다. 도 5의 (B)는, 도 5의 (A)에 대응하고 있다. 프레임(50a)의 탄성부(52a)의 비압축 영역(523a)의 두께 T1a는, 압축 영역(524a)의 두께 T1보다도 두껍다. 마찬가지로, 프레임(50a)의 탄성부(53a)의 비압축 영역(533a)의 두께 T2a는, 압축 영역(534a)의 두께 T2보다도 두껍다. 이 때문에, 상술한 에지 유로의 단면적을 보다 감소시킬 수 있어, 발전 효율이 더욱 향상되었다.

여기서, 가스킷 등의 탄성 부재는, 두께가 얇은 쪽이 시일성은 향상되는 것이 알려져 있다. 제1 변형예에서는, 압축 전의 압축 영역(524a)의 두께 T1 및 압축 영역(534a)의 두께 T2의 각각은, 비압축 영역(523a)의 두께 T1a 및 비압축 영역(533a)의 두께 T2a 중 어느 것보다도 얇기 때문에, 시일성이 확보되었다.

두께 T1a 및 T2a의 각각은, 기재(51)의 두께 T0보다도 두껍지만 이에 한정되지는 않는다. 또한, 외측 홈부(23) 내에 위치하는 비압축 영역(523a)을 본 변형예와 같이 두껍게 하고, 압축 영역(524a)보다도 -X 방향측의 영역을 압축 영역(524a)과 같은 두께로 해도 된다. 마찬가지로, 외측 홈부(43) 내에 위치하는 비압축 영역(533a)만을 상기와 같이 두껍게 하고, 압축 영역(534a)보다도 -X 방향측의 영역을 압축 영역(534a)와 동일한 두께로 해도 된다.

[제2 변형예]

도 6의 (A)는, 제2 변형예의 단셀(2b)의 프레임(50b)의 부분 확대 단면도이다. 도 6의 (A)는, 도 4의 (A)에 대응하고 있다. 프레임(50b)는, 기재(51) 및 탄성부(52)로 구성되고, 상술한 탄성부(53)는 마련되어 있지 않다. 기재(51)와 비드부(44)의 사이에는, 상술한 가스킷(44x)이 마련되어 있다. 가스킷(44x)은, 비드부(44)의 외측면이 평탄한 정상부에 미리 마련되어 있다. 이와 같은 프레임(50b)에 의해, 유로 공간 Fa의 단면적은 삭감되어, 애노드 가스를 효율적으로 발전 반응에 이용할 수 있어 연비가 향상되었다. 또한, 프레임(50b)에는 탄성부(53)가 마련되어 있지 않기 때문에, 재료비를 삭감할 수 있어, 프레임(50b)의 제조 비용이 저감되었다. 제2 변형예에서는, 탄성부(52)는 제1 탄성부의 일례이며, 세퍼레이터(20)는 제1 세퍼레이터의 일례이다. 또한, 제2 변형예에 있어서, 탄성부(52) 대신에 제1 변형예의 탄성부(52a)를 사용해도 되고, 끼움 지지된 상태에서, 비압축 영역의 두께는 압축 영역의 두께 이하여도 된다.

[제3 변형예]

도 6의 (B)는, 제3 변형예의 단셀(2c)의 프레임(50c)의 부분 확대 단면도이다. 도 6의 (B)는, 도 4의 (A)에 대응하고 있다. 프레임(50c)은, 기재(51) 및 탄성부(53)로 구성되고, 상술한 탄성부(52)는 마련되어 있지 않다. 기재(51)와 비드부(24)의 사이에는, 상술한 가스킷(24x)이 마련되어 있다. 이러한 프레임(50c)에 의해, 유로 공간 Fc의 단면적은 삭감되어, 캐소드 가스를 효율적으로 발전 반응에 이용할 수 있어, 공기 압축기의 소비 전력의 증대를 억제할 수 있다. 또한, 프레임(50c)에는 탄성부(52)가 마련되어 있지 않기 때문에, 재료비를 삭감할 수 있어, 프레임(50c)의 제조 비용이 저감되었다. 또한, 제3 변형예에서는, 기재(51)의 면(51a)의 내주부는, 전해질막(12)의 외주부에 접착제에 의해 직접 접합되어 있다. 제3 변형예에서는, 탄성부(53)는 제1 탄성부의 일례이며, 세퍼레이터(40)의 제1 세퍼레이터의 일례이다. 또한, 제3 변형예에 있어서, 탄성부(53) 대신에 제1 변형예의 탄성부(53a)를 사용해도 되고, 끼움 지지된 상태에서, 비압축 영역의 두께는 압축 영역의 두께 이하여도 된다.

[제4 변형예]

도 7의 (A)는, 제4 변형예의 단셀(2d)의 부분 단면도이다. 도 7의 (A)는, 도 3에 대응하고 있다. 제4 변형예에서는, 상술한 세퍼레이터(20, 20-a, 40, 및 40-b) 대신에 세퍼레이터(20a, 20a-a, 40a, 40a-b)가 사용되고 있다. 세퍼레이터(20a 및 20a-a)는 동일한 부재이며, 세퍼레이터(40a 및 40a-b)는 동일한 부재이다. 세퍼레이터(20a)의 리브부(22a)는, 리브부(22a)에 인접하는 홈부(21)로부터 확산층(16a)의 에지(18a)의 근방에까지 Y 방향의 리브 폭이 확대되어 있으며, 구체적으로는, 프레임(50), 전해질막(12), 촉매층(14a), 및 확산층(16a)이 겹치는 영역까지 연장되어 있다.

세퍼레이터(40a)의 리브부(42a)는, 맞닿음부(42a1) 및 가압부(42a2)를 포함한다. 맞닿음부(42a1)는, 확산층(16c)에 맞닿아 있다. 가압부(42a2)는, 맞닿음부(42a1)보다도 -Y 방향측에 위치하고, 맞닿음부(42a1)보다도 -Z 방향으로 돌출되어 있다. 가압부(42a2)는, 촉매층(14a) 및 전해질막(12)과 겹친 프레임(50)의 영역에서 탄성부(53)를 압축하고 있다. 따라서, 가압부(42a2)와 리브부(22a)에 의해, 확산층(16a), 촉매층(14a), 전해질막(12), 및 프레임(50)이, Z 방향에서 끼움 지지되어 있다. 이 때문에, 프레임(50)과 전해질막(12) 사이의 시일성이 확보되었다. 또한, 프레임(50)과 전해질막(12)을 접착시키지 않고, 프레임(50)과 전해질막(12) 사이의 시일성을 확보할 수 있다. 이 때문에, 제조 시에 프레임(50)과 전해질막(12)을 접착시키는 공정이 불필요하게 되어, 제조 공정을 간략화할 수 있다. 제4 변형예에서는, 탄성부(52)는 제1 탄성부의 일례이며, 탄성부(53)는 제2 탄성부의 일례이며, 리브부(22a)는 제1 리브부의 일례이며, 리브부(42a)는 제2 리브부의 일례이다.

또한, 가압부(42a2)는, 탄성부(53)를 압축하고 있다. 이 때문에, 예를 들어 확산층(16c) 내를 흐르는 캐소드 가스의 일부가, 가압부(42a2)와 탄성부(53)의 사이에서 외측 홈부(43a) 내에 침입되는 것이 억제되어 있다. 이에 의해, 확산층(16c) 내를 흐르는 캐소드 가스를 유효하게 이용할 수 있어, 발전 효율이 향상되었다.

또한, 상술한 본 실시예와 마찬가지로, 프레임(50)의 기재(51)의 면(51a 및 51c)의 각각에 탄성부(52 및 53)가 마련되어 있으며, 프레임(50)에 열변형에 수반되어 휨이 발생하는 것이 억제되어 있다. 이에 의해서도, 프레임(50)과 전해질막(12) 사이의 시일성이 확보되었다.

또한, 상술한 경우와 마찬가지로, 외측 홈부(23a) 내에서 탄성부(52)는 압축되어 있지 않고, 외측 홈부(43a) 내에서도 탄성부(53)는 압축되어 있지 않다. 이 때문에, 유로 공간 Faa 및 Fca의 각 단면적이 삭감되어, 발전 효율이 향상되었다.

또한, 리브부(22a)의 폭은 상술한 본 실시예의 리브부(22)보다도 확대되어 있음으로써, 외측 홈부(23a)의 폭은 본 실시예의 외측 홈부(23)보다도 축소되어 있다. 이 때문에, 유로 공간 Faa의 단면적은, 본 실시예의 유로 공간 Fa의 단면적보다도 삭감되어, 발전 효율이 향상되었다. 마찬가지로, 외측 홈부(43a)의 폭도 본 실시예의 외측 홈부(43)보다도 축소되어 있으며, 유로 공간 Fca의 단면적은, 본 실시예의 유로 공간 Fc의 단면적보다도 삭감되어, 발전 효율이 향상되었다.

또한, 폭이 확대된 리브부(22a 및 42a)에 의해, 확산층(16a), MEA(11), 및 확산층(16c)을 끼움 지지할 수 있다. 이 때문에, MEGA(10)를 안정적으로 지지할 수 있다.

제4 변형예에서는, 가압부(42a2)는, 프레임(50)의 두께에 따라서 맞닿음부(42a1)보다도 -Z 방향으로 돌출되어 있지만, 이에 한정되지는 않는다. 예를 들어, 가압부(42a2) 및 맞닿음부(42a1)는 -Z 방향의 돌출량이 동일해도 된다. 이 경우에도 가압부(42a2)에 의해 탄성부(53)가 압축되도록, 이 압축 여유를 제외한 프레임(50)의 두께가, 촉매층(14c) 및 확산층(16c)의 합계의 두께와 대략 동일한 것이 바람직하다. 또한, 가압부(42a2)의 -Z 방향의 돌출량이 맞닿음부(42a1)보다도 적어도 된다. 이 경우에도, 가압부(42a2)에 의해 탄성부(53)가 압축되도록, 이 압축 여유를 제외한 프레임(50)의 두께가, 촉매층(14c) 및 확산층(16c)의 합계의 두께보다도 두꺼운 것이 바람직하다.

[제5 변형예]

도 7의 (B)는, 제5 변형예의 단셀(2e)의 부분 단면도이다. 도 7의 (B)는, 도 3에 대응하고 있다. 제5 변형예에서는, 상술한 세퍼레이터(20, 20-a, 40, 및 40-b) 대신에 세퍼레이터(20b, 20b-a, 40b, 40b-b)가 사용되고 있다. 세퍼레이터(20b 및 20b-a)는 동일한 부재이며, 세퍼레이터(40b 및 40b-b)는 동일한 부재이다.

세퍼레이터(20b)의 리브부(22)와 비드부(24)의 사이에는, 리브부(22b)가 형성되어 있다. 구체적으로는, 리브부(22b)는, 홈부(21b)를 통해 리브부(22)에 인접하고, 외측 홈부(23b)를 통해 비드부(24)에 인접하고 있다. 홈부(21b)는, 홈부(21)보다도 폭이 좁게 형성되어 있다. 마찬가지로, 세퍼레이터(40b)의 리브부(42)와 비드부(44)의 사이에는, 리브부(42b)가 형성되어 있다. 구체적으로는, 리브부(42b)는, 홈부(41b)를 통해 리브부(42)에 인접하고, 외측 홈부(43b)를 통해 비드부(44)에 인접하고 있다. 홈부(41b)는, 홈부(41)보다도 폭이 좁게 형성되어 있다.

리브부(22b)는, 프레임(50), 촉매층(14a), 및 확산층(16a)이 Z 방향에서 겹치는 영역 내에서, 확산층(16a)에 맞닿아 있다. 마찬가지로, 리브부(42b)는, 프레임(50), 촉매층(14a), 및 확산층(16a)이 Z 방향에서 겹치는 영역 내에서, 프레임(50)을 압축하고 있다. 따라서, 리브부(22b 및 42b)에 의해, 확산층(16a), 촉매층(14a), 전해질막(12), 및 프레임(50)이 끼움 지지되어 있다.

리브부(22b 및 42b)의 각각은, 상술한 제4 변형예의 리브부(22a 및 42a)의 각각보다도 폭이 좁게 형성되어 있다. 이 때문에, 리브부(22b)의 확산층(16a)에 맞닿는 부위가, 확산층(16a)으로부터의 반력에 의해 -Z 방향으로 돌출되도록 만곡되는 것이 억제된다. 마찬가지로, 리브부(42b)의 프레임(50)에 맞닿는 부위가, 프레임(50)으로부터의 반력에 의해 +Z 방향으로 돌출되도록 만곡되는 것이 억제된다. 이와 같이, 리브부(22b 및 42b)는, 각각 확산층(16a) 및 프레임(50)으로부터의 반력에 대해서 변형되기 어렵다. 따라서, 리브부(22b 및 42b)는, 확산층(16a), 촉매층(14a), 전해질막(12), 및 프레임(50)을 사이에 끼우는 끼움 지지력이 향상되었다. 따라서, 프레임(50)과 전해질막(12) 사이의 시일성이 확보되어 있으며, 제조 시에 프레임(50)과 전해질막(12)을 접착시키는 공정을 생략할 수 있다. 제5 변형예에서는, 탄성부(52)는 제1 탄성부의 일례이며, 탄성부(53)는 제2 탄성부의 일례이며, 리브부(22b)는 제1 리브부의 일례이며, 리브부(42b)는 제2 리브부의 일례이다.

또한, 홈부(41b)는, 확산층(16c)과 지지 프레임(50)에 걸쳐 형성되어 있다. 이 때문에, 홈부(41b) 내를 흐르는 캐소드 가스의 일부를, 확산층(16c)을 통해 촉매층(14c)의 단부에까지 도달시킬 수 있어, MEA(11)의 발전 부분의 불균일을 억제할 수 있다.

또한, 제4 변형예와 마찬가지로, 외측 홈부(23b) 내에서 탄성부(52)는 압축되어 있지 않고, 외측 홈부(43b) 내에서도 탄성부(53)는 압축되어 있지 않기 때문에, 유로 공간 Fab 및 Fcb의 각 단면적이 삭감되어, 발전 효율이 향상되었다. 또한, 리브부(22b)가 리브부(22)와 비드부(24)의 사이에 마련되어 있기 때문에, 유로 공간 Fab의 단면적은, 본 실시예의 유로 공간 Fa의 단면적보다도 삭감되어, 발전 효율이 향상되었다. 마찬가지로, 유로 공간 Fcb의 단면적은, 본 실시예의 유로 공간 Fc의 단면적보다도 삭감되어, 발전 효율이 향상되었다.

또한, 도 7의 (A)에 도시한 세퍼레이터(40a)와, 도 6의 (A)에 도시한 프레임(50b)을 사용하는 경우에는, 세퍼레이터(40a)의 가압부(42a2)와 프레임(50b)의 기재(51)의 사이에 가스킷을 배치해도 된다. 도 7의 (B)에 도시한 세퍼레이터(40b)와, 도 6의 (A)에 도시한 프레임(50b)을 사용하는 경우에는, 세퍼레이터(40b)의 리브부(42b)와 프레임(50b)의 기재(51)의 사이에 가스킷을 배치해도 된다.

[기타]

상기 실시예 및 변형예에서는, 기재(51)의 적어도 한쪽 면에 전체면에 걸쳐 탄성부가 마련되어 있는 경우를 나타내었지만 이에 한정되지 않고, 부분적으로 탄성부가 마련되어 있어도 된다. 즉, 탄성부는, 비드부에 압축된 압축 영역과, 외측 홈부 내에 위치하여 압축 영역의 두께보다도 두꺼운 비압축 영역을 갖고 있으면 된다. 예를 들어, 도 4의 (A)에 도시한 본 실시예에서는, 압축 영역(524)보다도 -X 방향측에는 탄성부(52)가 마련되어 있지 않고 기재(51)의 면(51a)이 노출되어 있어도 되며, 압축 영역(534)보다도 -X 방향측에는, 탄성부(53)가 마련되어 있지 않고 기재(51)의 면(51c)이 노출되어 있어도 된다. 도 5의 (A)에 도시한 제1 변형예나 그 밖의 제2 및 제 3 변형예도 마찬가지이다. 또한, 상기 실시예 및 변형예에서는, 기재(51)의 한쪽 면에 형성된 탄성부의 압축 영역과 비압축 영역은, 연속적으로 마련되어 있지만, 이에 한정되지 않고, 분단되어 마련되어도 된다. 도 7의 (A)에 도시한 제4 변형예에 있어서, 가압부(42a2)가 기재(51)의 면(51c)을 직접 가압하도록, 탄성부(53)가 가압부(42a2)로부터 후퇴하여 마련되어 있어도 된다. 도 7의 (B)에 도시한 제5 변형예에 있어서도 마찬가지이다.

제4 및 제 5 변형예에서는 프레임(50)과 전해질막(12)은 접착하지 않는 쪽이 제조 공정을 간략화할 수 있기 때문에 바람직하지만, 접착제를 보조적으로 사용하여 양자를 접착해도 된다.

이상 본 발명의 바람직한 실시 형태에 대하여 상세히 설명하였지만, 본 발명에 관한 특정한 실시 형태에 한정되는 것이 아니라, 청구범위에 기재된 본 발명의 요지 범위 내에 있어서, 다양한 변형, 변경이 가능하다.

1: 연료 전지 스택
2, 2a, 2b, 2c, 2d, 2e: 단셀
10: 막전극 가스 확산층 접합체
11: 막전극 접합체
12: 전해질막
14a: 애노드 촉매층
14c: 캐소드 촉매층
16a: 애노드 가스 확산층
16c: 캐소드 가스 확산층
20: 애노드 세퍼레이터
40: 캐소드 세퍼레이터
21, 41: 홈부
22, 22a, 22b, 42, 42a, 42b: 리브부
23, 23a, 23b, 43, 43a, 43b: 외측 홈부
24, 44: 비드부
50, 50a, 50b, 50c: 프레임
51: 기재
52, 52a, 53, 53a: 탄성부

Claims

막전극 접합체를 한 쌍의 가스 확산층에 의해 끼움 지지한 막전극 가스 확산층 접합체와,
상기 막전극 가스 확산층 접합체의 외주부에 맞닿은 프레임상의 절연 부재와,
상기 막전극 가스 확산층 접합체 및 절연 부재를 끼움 지지하는 제1 및 제2 세퍼레이터를
구비하고,
상기 절연 부재는, 프레임상의 기재, 및 상기 제1 세퍼레이터에 대향하는 상기 기재의 제1 면에 미리 마련되어 있으며 상기 기재보다도 탄성률이 작은 제1 탄성부를 포함하고,
상기 제1 세퍼레이터는, 제1 방향으로 병설되고 제1 반응 가스가 흐르는 복수의 제1 홈부, 상기 복수의 제1 홈부보다도 상기 제1 방향측에 위치하여 상기 제1 반응 가스가 흐르는 제1 외측 홈부, 상기 제1 외측 홈부에 대해서 상기 제1 방향에서 인접한 제1 비드부를 포함하고,
상기 제2 세퍼레이터는, 상기 제1 비드부와의 사이에서 상기 절연 부재를 끼움 지지하는 제2 비드부를 포함하고,
상기 제1 탄성부는, 상기 제1 및 제2 비드부의 사이에서 상기 제1 비드부에 의해 압축된 제1 압축 영역, 및 상기 제1 외측 홈부 내에 위치한 제1 비압축 영역을 포함하는, 연료 전지.
제1항에 있어서,
상기 막전극 가스 확산층 접합체 및 절연 부재가 상기 제1 및 제2 세퍼레이터에 끼움 지지된 상태에서, 상기 제1 비압축 영역은, 상기 제1 압축 영역보다도 두꺼운, 연료 전지.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 막전극 가스 확산층 접합체 및 절연 부재가 상기 제1 및 제2 세퍼레이터에 끼움 지지되기 전의 상태에서는, 상기 제1 비압축 영역 및 제1 압축 영역은, 두께가 동일한, 연료 전지.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 막전극 가스 확산층 접합체 및 절연 부재가 상기 제1 및 제2 세퍼레이터에 끼움 지지되기 전의 상태에서는, 상기 제1 비압축 영역은, 상기 제1 압축 영역보다도 두꺼운, 연료 전지.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제1 탄성부는, 상기 기재의 상기 제1 면의 전체면에 형성되어 있는, 연료 전지.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제1 비압축 영역은, 상기 기재보다도 두꺼운, 연료 전지.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제1 탄성부의 재료는, 고무 및 열가소성 엘라스토머 중 적어도 한쪽을 포함하는, 연료 전지.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 절연 부재는, 상기 기재의 상기 제1 면과는 반대측의 제2 면에 미리 마련되어 있으며 상기 기재보다도 탄성률이 작은 제2 탄성부를 포함하고,
상기 제2 세퍼레이터는, 상기 제1 방향으로 병설되고 제2 반응 가스가 흐르는 복수의 제2 홈부 및 상기 복수의 제2 홈부보다도 상기 제1 방향측에 위치하며 또한 상기 제2 비드부에 대해서 상기 제1 방향과 반대 방향에서 인접하여 상기 제2 반응 가스가 흐르는 제2 외측 홈부를 포함하고,
상기 제2 탄성부는, 상기 제1 및 제2 비드부의 사이에서 상기 제2 비드부에 의해 압축된 제2 압축 영역, 및 상기 제2 홈부 내에 위치한 제2 비압축 영역을 포함하는, 연료 전지.
제8항에 있어서,
상기 막전극 가스 확산층 접합체 및 절연 부재가 상기 제1 및 제2 세퍼레이터에 끼움 지지된 상태에서, 상기 제2 비압축 영역은, 상기 제2 압축 영역보다도 두꺼운, 연료 전지.
제8항에 있어서,
상기 막전극 가스 확산층 접합체 및 절연 부재가 상기 제1 및 제2 세퍼레이터에 끼움 지지되기 전의 상태에서는, 상기 제2 비압축 영역 및 제2 압축 영역은, 두께가 동일한, 연료 전지.
제8항에 있어서,
상기 막전극 가스 확산층 접합체 및 절연 부재가 상기 제1 및 제2 세퍼레이터에 끼움 지지되기 전의 상태에서는, 상기 제2 비압축 영역은, 상기 제2 압축 영역보다도 두꺼운, 연료 전지.
제8항에 있어서,
상기 제2 비압축 영역은, 상기 기재보다도 두꺼운, 연료 전지.
제8항에 있어서,
상기 제2 탄성부는, 상기 기재의 상기 제2 면의 전체면에 형성되어 있는, 연료 전지.
제8항에 있어서,
상기 제2 탄성부의 재료는, 고무 및 열가소성 엘라스토머 중 적어도 한쪽을 포함하는, 연료 전지.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 막전극 접합체는, 전해질막, 상기 전해질막의 상기 제1 세퍼레이터측의 제1 면에 형성된 제1 촉매층, 및 상기 전해질막의 상기 제1 면과는 반대측의 제2 면의 당해 막전극 접합체의 에지 영역이 노출되도록 상기 전해질막의 상기 제2 면에 형성된 제2 촉매층을 포함하고,
상기 한 쌍의 가스 확산층은, 상기 제1 촉매층에 접합된 제1 가스 확산층, 및 상기 에지 영역이 노출되도록 상기 제2 촉매층에 접합된 제2 가스 확산층을 포함하고,
상기 제1 세퍼레이터는, 상기 제1 외측 홈부에 상기 제1 방향과는 반대 방향에서 인접하여 상기 제1 가스 확산층에 맞닿은 제1 리브부를 포함하고,
상기 제2 세퍼레이터는, 상기 제1 리브부와의 사이에서, 상기 절연 부재, 상기 전해질막의 상기 에지 영역, 상기 제1 촉매층, 및 상기 제1 가스 확산층을 끼움 지지하는 제2 리브부를 포함하는, 연료 전지.
제15항에 있어서,
상기 제1 탄성부는, 상기 전해질막의 상기 에지 영역에 맞닿지만, 접착은 되어 있지 않은, 연료 전지.
제15항에 있어서,
상기 제2 리브부의 적어도 일부는, 상기 제2 가스 확산층에 맞닿고, 상기 제1 리브부와의 사이에서, 상기 막전극 접합체와 상기 한 쌍의 가스 확산층을 끼움 지지하는, 연료 전지.