KR102490771B1 - 연료 전지용 가스 공급 확산층, 연료 전지용 세퍼레이터 및 연료 전지 셀 스택 - Google Patents
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Abstract
연료 전지용 가스 공급 확산층(42)이며, 가스의 투과 및 확산이 가능하고, 또한, 도전성을 갖는 시트 형상의 다공질체층(40)과, 다공질체층(40)의 한쪽 면에 있어서 병렬로, 또한, 각각이 가스의 유입측으로부터 유출측을 향해서 지그재그 형상 또는 물결 형상으로 형성된 복수의 가스 유로용 홈(55)을 갖고, 평면적으로 보아, 하나의 가스 유로용 홈(55)이 외접하는 제1 직사각형 영역 R1과, 하나의 가스 유로용 홈(55)에 인접하는 가스 유로용 홈(55)이 외접하는 제2 직사각형 영역 R2가 그 접하는 영역을 따라서 겹쳐 있으며, 또한, 제1 직사각형 영역 R1과 제2 직사각형 영역 R2가 겹치는 겹침 영역 R3이, 복수의 가스 유로용 홈(55)의 단면 구조를 불문하고, 복수의 가스 유로용 홈(55)의 어느 깊이 위치에 있어서도 존재하는, 연료 전지용 가스 공급 확산층. 본 발명의 연료 전지용 가스 공급 확산층(42)에 의하면, 종래보다도 연료 전지의 발전 효율을 높게 할 수 있다.
Description
본 발명은, 연료 전지용 가스 공급 확산층, 연료 전지용 세퍼레이터 및 연료 전지 셀 스택에 관한 것이다.
고체 고분자형 연료 전지(PEFC: Polymer Electrolyte Fuel Cell)의 기술 분야에 있어서, 연료 전지용 가스(애노드 가스, 캐소드 가스)를 균일하게 공급 및 확산시키는 것이 가능한 연료 전지 셀 스택이 알려져 있다(예를 들어, 특허문헌 1 참조). 도 26은, 종래의 연료 전지 셀 스택(920)을 모식적으로 나타내는 정면도이다. 도 27 및 도 28은, 종래의 연료 전지 셀 스택(920)에 있어서의 타입 CA의 세퍼레이터(921)의 평면도이다. 이 중 도 27은 연료 전지용 가스 공급 확산층(캐소드 가스 공급 확산층)(942) 측에서 본 평면도이며, 도 28은 연료 전지용 가스 공급 확산층(애노드 가스 공급 확산층)(941) 측에서 본 평면도이다. 도 29는, 도 27의 A-A선을 따른 단면도이다.
종래의 연료 전지 셀 스택(920)은, 도 26 내지 도 29에 도시한 바와 같이, 금속판(30)의 적어도 한쪽 면에 다공질체층에 의한 연료 전지용 가스 공급 확산층이 마련된 구조의 복수의 세퍼레이터(타입 CA의 세퍼레이터(921), 타입 A의 세퍼레이터(922), 타입 C의 세퍼레이터(923), 타입 AW의 세퍼레이터(924))가 적층된 구조를 갖는다. 또한, 타입 CA의 세퍼레이터(921), 타입 A의 세퍼레이터(922) 및 타입 AW의 세퍼레이터(924)의 「A」는 연료 전지용 가스 공급 확산층(애노드 가스 공급 확산층)(941)을 나타내고, 타입 CA의 세퍼레이터(921) 및 타입 C의 세퍼레이터(923)의 「C」는 연료 전지용 가스 공급 확산층(캐소드 가스 공급 확산층)(942)을 나타내며, 타입 AW의 세퍼레이터(924)의 「W」는 냉각수 공급 확산층을 나타낸다. 종래의 연료 전지 셀 스택(920)에 의하면, 세퍼레이터 바로 그 자체에 다공질체층으로 이루어지는 연료 전지용 가스 공급 확산층(941, 942)이 형성되어 있다는 점에서, 연료 전지용 가스를 연료 전지용 가스 공급 확산층의 전체면에 걸쳐 균일하게 확산할 수 있다. 그 결과, 연료 전지용 가스를 막전극 접합체(MEA)(81)의 전체면에 걸쳐 균일하게 공급할 수 있어, 연료 전지의 발전 효율을 종래보다도 높게 할 수 있다.
그런데, 연료 전지의 기술 분야에 있어서는, 종래보다도 연료 전지의 발전 효율을 높게 할 수 있는 기술이 요구되고 있으며, 고체 고분자형 연료 전지의 기술 분야에 있어서도 마찬가지이다. 그래서, 본 발명은, 종래보다도 연료 전지의 발전 효율을 높게 할 수 있는, 연료 전지용 가스 공급 확산층, 연료 전지용 세퍼레이터 및 연료 전지 셀 스택을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시 형태에 의한 연료 전지용 가스 공급 확산층은, 연료 전지용 가스 공급 확산층이며, 가스의 투과 및 확산이 가능하고, 또한, 도전성을 갖는 시트 형상의 다공질체층과, 상기 다공질체층의 한쪽 면에 있어서 병렬로, 또한, 각각이 상기 가스의 유입측으로부터 유출측을 향해 지그재그 형상 또는 물결 형상으로 형성된 복수의 가스 유로용 홈을 갖고, 평면적으로 보아, 상기 복수의 가스 유로용 홈 중 각각의 가스 유로용 홈이 외접하는 복수의 직사각형 영역 R 중, 하나의 가스 유로용 홈이 외접하는 제1 직사각형 영역 R1과, 상기 하나의 가스 유로용 홈에 인접하는 가스 유로용 홈이 외접하는 제2 직사각형 영역 R2가 그 접하는 영역을 따라서 겹쳐 있으며, 또한, 상기 제1 직사각형 영역 R1과 상기 제2 직사각형 영역 R2가 겹치는 겹침 영역 R3이, 상기 복수의 가스 유로용 홈의 단면 형상을 불문하고 상기 복수의 가스 유로용 홈의 어느 깊이 위치에 있어서도 존재한다.
본 발명의 일 실시 형태에 의한 연료 전지용 세퍼레이터는, 가스 차폐판과, 상기 가스 차폐판의 적어도 한쪽 면에 배치된 연료 전지용 가스 공급 확산층을 구비하는 연료 전지용 세퍼레이터이며, 상기 연료 전지용 가스 공급 확산층은, 본 발명의 연료 전지용 가스 공급 확산층이고, 상기 연료 전지용 가스 공급 확산층은, 상기 복수의 가스 유로용 홈이 상기 가스 차폐판측에 위치하도록 상기 가스 차폐판에 대하여 배치되어 있으며, 상기 가스 유로용 홈과 상기 가스 차폐판으로 가스 유로가 구성되어 있다.
본 발명의 일 실시 형태에 의한 연료 전지 셀 스택은, 연료 전지용 세퍼레이터와, 막전극 접합체가 적층되어 이루어지는 연료 전지 셀 스택이며, 상기 연료 전지용 세퍼레이터는, 본 발명의 연료 전지용 세퍼레이터이고, 상기 연료 전지용 세퍼레이터와 상기 막전극 접합체는, 상기 연료 전지용 가스 공급 확산층의 상기 복수의 가스 유로용 홈이 형성되지 않은 측의 면에 상기 막전극 접합체가 위치하는 위치 관계로 적층되어 있다.
본 발명의 일 실시 형태에 의한 연료 전지용 가스 공급 확산층, 연료 전지용 세퍼레이터 및 연료 전지 셀 스택에 의하면, 종래보다도 연료 전지의 발전 효율을 높게 할 수 있으며, 나아가, 종래보다도 배수성이 우수한, 연료 전지용 가스 공급 확산층, 연료 전지용 세퍼레이터 및 연료 전지 셀 스택으로 된다.
도 1은 실시 형태에 따른 연료 전지 셀 스택(20)을 모식적으로 나타내는 정면도이다.
도 2는 실시 형태에 따른 연료 전지 셀 스택(20)을 모식적으로 나타내는 측면도이다.
도 3은 막전극 접합체(MEA)(81)를 설명하기 위해 나타내는 도면이다.
도 4는 실시 형태에 따른 연료 전지용 세퍼레이터(23)의 평면도이다.
도 5는 도 4의 단면도이다.
도 6은 가스 유로용 홈의 평면 구조를 나타내는 도면이다.
도 7은 가스 유로용 홈의 평면 구조 및 단면 구조를 나타내는 도면이다.
도 8은 상이한 깊이 위치에 있어서의 가스 유로용 홈의 평면 구조를 나타내는 도면이다.
도 9는 제1 직사각형 영역 R1, 제2 직사각형 영역 R2 및 겹침 영역 R3의 관계를 나타내는 도면이다.
도 10은 연료 전지용 세퍼레이터(23) 이외의 연료 전지용 세퍼레이터(연료 전지용 세퍼레이터(21, 22, 24, 25))의 단면도이다.
도 11은 변형예 1에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42a)의 평면도이다.
도 12는 변형예 2에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42b)의 평면도이다.
도 13은 변형예 3에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42c)의 평면도이다.
도 14는 변형예 4에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42d)의 평면도이다.
도 15는 변형예 5에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42e)의 평면도이다.
도 16은 변형예 6에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42f)의 평면도이다.
도 17은 변형예 7에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42g)의 평면도이다.
도 18은 변형예 8에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42h)의 평면도이다.
도 19는 변형예 9에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42i)의 평면도이다.
도 20은 변형예 10에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42j)의 평면도이다.
도 21은 변형예 11에 따른 연료 전지용 세퍼레이터(23k)의 평면도이다.
도 22는 변형예 12에 따른 연료 전지용 세퍼레이터(23L)의 평면도이다.
도 23은 변형예 13에 있어서의 가스 유로용 홈의 평면 구조 및 단면 구조를 나타내는 도면이다.
도 24는 변형예 13에 있어서의 다른 깊이 위치에 있어서의 가스 유로용 홈의 평면 구조를 나타내는 도면이다.
도 25는 변형예 14에 따른 연료 전지용 세퍼레이터(23n)의 단면도이다.
도 26은 종래의 연료 전지 셀 스택(920)을 모식적으로 나타내는 정면도이다.
도 27은 종래의 연료 전지 셀 스택(920)에 있어서의 타입 CA의 연료 전지용 세퍼레이터(921)의 평면도이다.
도 28은 종래의 연료 전지 셀 스택(920)에 있어서의 타입 CA의 연료 전지용 세퍼레이터(921)의 평면도이다.
도 29는 도 27의 A-A선을 따른 단면도이다.
도 2는 실시 형태에 따른 연료 전지 셀 스택(20)을 모식적으로 나타내는 측면도이다.
도 3은 막전극 접합체(MEA)(81)를 설명하기 위해 나타내는 도면이다.
도 4는 실시 형태에 따른 연료 전지용 세퍼레이터(23)의 평면도이다.
도 5는 도 4의 단면도이다.
도 6은 가스 유로용 홈의 평면 구조를 나타내는 도면이다.
도 7은 가스 유로용 홈의 평면 구조 및 단면 구조를 나타내는 도면이다.
도 8은 상이한 깊이 위치에 있어서의 가스 유로용 홈의 평면 구조를 나타내는 도면이다.
도 9는 제1 직사각형 영역 R1, 제2 직사각형 영역 R2 및 겹침 영역 R3의 관계를 나타내는 도면이다.
도 10은 연료 전지용 세퍼레이터(23) 이외의 연료 전지용 세퍼레이터(연료 전지용 세퍼레이터(21, 22, 24, 25))의 단면도이다.
도 11은 변형예 1에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42a)의 평면도이다.
도 12는 변형예 2에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42b)의 평면도이다.
도 13은 변형예 3에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42c)의 평면도이다.
도 14는 변형예 4에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42d)의 평면도이다.
도 15는 변형예 5에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42e)의 평면도이다.
도 16은 변형예 6에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42f)의 평면도이다.
도 17은 변형예 7에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42g)의 평면도이다.
도 18은 변형예 8에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42h)의 평면도이다.
도 19는 변형예 9에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42i)의 평면도이다.
도 20은 변형예 10에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42j)의 평면도이다.
도 21은 변형예 11에 따른 연료 전지용 세퍼레이터(23k)의 평면도이다.
도 22는 변형예 12에 따른 연료 전지용 세퍼레이터(23L)의 평면도이다.
도 23은 변형예 13에 있어서의 가스 유로용 홈의 평면 구조 및 단면 구조를 나타내는 도면이다.
도 24는 변형예 13에 있어서의 다른 깊이 위치에 있어서의 가스 유로용 홈의 평면 구조를 나타내는 도면이다.
도 25는 변형예 14에 따른 연료 전지용 세퍼레이터(23n)의 단면도이다.
도 26은 종래의 연료 전지 셀 스택(920)을 모식적으로 나타내는 정면도이다.
도 27은 종래의 연료 전지 셀 스택(920)에 있어서의 타입 CA의 연료 전지용 세퍼레이터(921)의 평면도이다.
도 28은 종래의 연료 전지 셀 스택(920)에 있어서의 타입 CA의 연료 전지용 세퍼레이터(921)의 평면도이다.
도 29는 도 27의 A-A선을 따른 단면도이다.
이하, 본 발명의 연료 전지용 가스 공급 확산층, 연료 전지용 세퍼레이터 및 연료 전지 셀 스택을 도면에 나타내는 실시 형태를 이용하여 상세히 설명한다.
[실시 형태]
도 1은, 실시 형태에 따른 연료 전지 셀 스택(20)을 모식적으로 나타내는 정면도이다. 도 2는, 실시 형태에 따른 연료 전지 셀 스택(20)을 모식적으로 나타내는 측면도이다.
실시 형태에 따른 연료 전지 스택(20)은, 고체 고분자형 연료 전지(PEFC: Polymer Electrolyte Fuel Cell)이다. 연료 전지 스택(20)은, 복수의 단셀을 갖는다. 연료 전지 스택(20)의 각 셀은, 막전극 접합체(81)와, 막전극 접합체(81)를 사이에 두고 캐소드측을 구성하는 요소와 애노드측을 구성하는 요소를 갖는다.
연료 전지용 세퍼레이터(21)는, 가스 차폐판으로서의 금속판(30)의 한쪽 면에 캐소드 가스 공급 확산층 C가 형성되고, 다른 쪽 면에 애노드 가스 공급 확산층 A가 형성되어 있다(타입 CA의 세퍼레이터). 연료 전지용 세퍼레이터(22)는, 금속판(30)의 한쪽 면에 애노드 가스 공급 확산층 A가 형성되어 있다(타입 A의 세퍼레이터). 연료 전지용 세퍼레이터(23)는, 금속판(30)의 한쪽 면에 캐소드 가스 공급 확산층 C가 형성되어 있다(타입 C의 세퍼레이터). 연료 전지용 세퍼레이터(24)는, 금속판(30)의 한쪽 면에 캐소드 가스 공급 확산층 C가 형성되고, 다른 쪽 면에 냉각수 공급 확산층 W가 형성되어 있다(타입 CW의 세퍼레이터).
각 셀은, 캐소드측과 애노드측이 교대가 되도록 배치되어 있다. 캐소드 가스 공급 확산층 C와 애노드 가스 공급 확산층 A는, 막전극 접합체(MEA)(81)를 사이에 두고 대향하여 마련되어 있다. 실시 형태에 있어서는, 단셀이 2개 배치될 때마다 냉각수를 공급하는 냉각수 공급 확산층 W가 마련되어 있다. 또한, 냉각수 공급 확산층 W는, 단셀 하나 걸러 마련되어 있어도 되고, 3개 걸러 또는 그 이상 걸러 마련되어 있어도 된다. 냉각수 공급 확산층 W에는 금속판(30)(바람직하게는 타입 A 또는 타입 C의 세퍼레이터에 있어서의 금속판(30))이 대향하도록, 연료 전지용 세퍼레이터(21 내지 24)가 조합되어 적층되어 있다.
또한, 본 발명의 연료 전지 셀 스택은, 도 1 및 도 2에는 도시하지 않았지만, 금속판(30)의 한쪽 면에 애노드 가스 공급 확산층 A가 형성되고, 다른 쪽 면에 냉각수 공급 확산층 W가 형성된 것(타입 AW의 세퍼레이터)을 구비하고 있어도 된다. 또한, 금속판(30)의 한쪽 면에 냉각수 공급 확산층 W가 형성된 세퍼레이터(타입 W의 세퍼레이터)를 구비하고 있어도 된다. 또한, 금속판의 양면에 냉각수 공급 확산층 W가 형성된 세퍼레이터를 구비하고 있어도 된다. 각 연료 전지용 세퍼레이터의 구성의 상세에 대해서는 후술한다.
적층된 셀의 양단부에는, 집전판(27A, 27B)이 배치되어 있다. 또한 집전판(27A, 27B)의 외측에는, 절연 시트(28A, 28B)를 통해 엔드 플레이트(75, 76)가 배치되어 있다. 연료 전지용 세퍼레이터(21 내지 24)는, 엔드 플레이트(75, 76)에 의해 양측으로부터 압박되어 있다. 연료 전지 셀 스택(20)의 양단에 위치하고, 집전판(27A, 27B)에 접하는 연료 전지용 세퍼레이터에 대해서는, 그 금속판(30)(내식층)이 외측을 향하도록 하는 것이 바람직하다.
도 1 및 도 2에 있어서는, 연료 전지용 세퍼레이터(21 내지 24), 막전극 접합체(81), 집전판(27A, 27B), 절연 시트(28A, 28B), 및 엔드 플레이트(75, 76)는, 이해를 돕기 위해서 이격하여 그려져 있지만, 이들은 도시된 배열의 순으로, 서로 밀하게 접합되어 있다. 접합 방법은 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 엔드 플레이트(75, 76)에 의해 각 부재를 양측으로부터 압박하는 것만으로 접합해도 되고, 각 부재의 적절한 위치를 접착제에 의해 접착한 다음 엔드 플레이트(75, 76)에 의해 각 부재를 양측으로부터 압박함으로써 접합해도 되며, 그 밖의 방법에 의해 접합해도 된다. 각 연료 전지용 세퍼레이터(21 내지 24), 막전극 접합체(81), 집전판(27A, 27B), 절연 시트(28A, 28B) 등은, 예를 들어 두께가 100㎛ 정도 내지 10㎜ 정도이다. 본 명세서의 각 실시 형태에 있어서의 각 도면은, 두께를 과장해서 그려져 있다.
애노드측의 엔드 플레이트(75)의 일단부에는 애노드 가스 공급구(71A), 캐소드 가스 배출구(72B) 및 냉각수 배출구(73B)가 각각 마련되어 있다. 한편, 캐소드측의 엔드 플레이트(76)의 일단부(엔드 플레이트(75)의 상기 일단부와는 반대측)에는, 애노드 가스 배출구(71B), 캐소드 가스 공급구(72A) 및 냉각수 공급구(73A)(도 2에서는 이들을 합쳐서 파선으로 나타나 있음)가 마련되어 있다. 이들 각 공급구, 각 배출구에는 각각 대응하는 유체의 공급관, 배출관이 접속되게 된다.
각 연료 전지용 세퍼레이터(21 내지 24)에는, 각각, 애노드 가스 공급구(71A)에 연통하는 애노드 가스 유입구(61A), 캐소드 가스 배출구(72B)에 연통하는 캐소드 가스(및 생성수) 유출구(62B), 및 냉각수 배출구(73B)에 연통하는 냉각수 유출구(63B)가 마련되어 있다. 또한, 각 연료 전지용 세퍼레이터(21 내지 24)에는, 각각, 애노드 가스 배출구(71B)에 연통하는 애노드 가스 유출구(61B), 캐소드 가스 공급구(72A)에 연통하는 캐소드 가스 유입구(62A), 및 냉각수 공급구(73A)에 연통하는 냉각수 유입구(63A)가 마련되어 있다.
애노드 가스 공급구(71A), 캐소드 가스 공급구(72A) 및 냉각수 공급구(73A)를 통하여 캐소드 가스, 애노드 가스 및 냉각수가 공급된다. 실시 형태에 있어서는, 애노드 가스로서 수소 가스를 사용하고, 캐소드 가스로서 공기를 사용한 경우를 예시한다.
다음으로, 막전극 접합체(81)에 대하여 설명한다.
도 3은, 막전극 접합체(MEA)(81)를 설명하기 위해 나타내는 도면이다. 도3의 (a)는 막전극 접합체(81)의 평면도이고, 도 3의 (b)는 막전극 접합체(81)의 정면도이며, 도 3의 (c)는 막전극 접합체의 측면도이다.
막전극 접합체(81)는, 도 3에 도시한 바와 같이, 전해질막(PEM)(82)과, 전해질막(82)의 양면에 각각 배치된 촉매층(CL)(85)과, 각 촉매층(85)의 외측면에 배치된 마이크로포러스 레이어(MPL)(83)를 갖는다. 실시 형태에 있어서는, 전해질막(82)과 그 양측에 배치된 촉매층(85)으로 구성되는 것을 촉매 코트 전해질막(Catalyst Coated Membrame: CCM)이라고 한다. 마이크로포러스 레이어(83)는 다공질체층(40)보다도 미세한 직경의 기공(세공)을 갖는다. 또한, 마이크로포러스 레이어(83)는 생략할 수도 있다.
다음으로, 연료 전지용 세퍼레이터(21 내지 24) 및 연료 전지용 가스 공급 확산층(42)에 대하여 설명한다.
도 4는, 타입 C의 연료 전지용 세퍼레이터(23)의 금속판(30)의 측에서 본 평면도이다. 단, 도 4에 있어서는, 연료 전지용 세퍼레이터(23)의 유로 패턴을 알기 쉽게 나타내기 위해서, 금속판(30)의 도시는 생략하였다. 도 5는, 도 4의 단면도이다. 도 5의 (a)는 도 4의 A1-A4 단면도(단, A2-A3 부분은 생략)이며, 도 5의 (b)는 도 4의 A2-A3 단면도이다. 도 5에 있어서는, 연료 전지용 세퍼레이터(23)와 막전극 접합체(81)의 위치 관계를 나타내기 위해서, 막전극 접합체(81)가 접합된 상태의 연료 전지용 세퍼레이터(23)를 나타내고 있다. 또한, 막전극 접합체(81)의 단면 구조는 생략하였다.
도 6은, 가스 유로용 홈(55)의 평면 구조를 나타내는 도면이다. 도 7은, 가스 유로용 홈(55)의 평면 구조 및 단면 구조를 나타내는 도면이다. 도 7의 (a)는 평면도이며, 도 7의 (b)는 도 7의 (a)의 A-A 단면도이다. 도 8은, 다른 깊이 위치에 있어서의 가스 유로용 홈(55)의 평면 구조를 나타내는 도면이다. 도 8의 (a)는 깊이 위치 D1(다공질체층(40)(또는 가스 유로용 홈(55))의 표면에 있어서의 깊이 위치)에 있어서의 가스 유로용 홈(55)의 평면 구조를 나타내고, 도 8의 (b)는 깊이 위치 D2(가스 유로용 홈(55)의 깊이 1/2의 깊이 위치)에 있어서의 가스 유로용 홈(55)의 평면 구조를 나타내고, 도 8의 (c)는 깊이 위치 D3(가스 유로용 홈(55)의 바닥에 있어서의 깊이 위치)에 있어서의 가스 유로용 홈(55)의 평면 구조를 나타낸다.
도 6 및 도 7에 있어서, 부호 55는 가스 유로용 홈을 나타내고, 부호 55A는 가스 유로용 홈(55) 중 하나의 가스 유로용 홈을 나타내며, 부호 55B는 하나의 가스 유로용 홈(55A)에 인접하는 가스 유로용 홈을 나타낸다. 따라서, 하나의 가스 유로용 홈(55A)은, 가스 유로용 홈(55)이기도 한 점에서 가스 유로용 홈[55(55A)]이라고 표기하기도 하고, 하나의 가스 유로용 홈(55A)에 인접하는 가스 유로용 홈(55B)도, 가스 유로용 홈(55)이기도 한 점에서 가스 유로용 홈[55(55B)]이라는 부호를 부여하는 경우도 있다. 또한, 도 6 중, 굵은 실선으로 둘러싸인 영역이 제1 직사각형 영역 R1이고, 그 좌우의 굵은 파선으로 둘러싸인 영역이 제2 직사각형 영역 R2이며, 제1 직사각형 영역 R1과 제2 직사각형 영역 R2가 겹친 영역이 겹침 영역 R3으로 색을 진하게 하여 나타내고 있다. 또한, 부호 R은 복수의 가스 유로용 홈(55) 중 각각의 가스 유로용 홈이 외접하는 직사각형 영역을 나타내고, 부호 R1은 그 중 하나의 가스 유로용 홈(55A)이 외접하는 제1 직사각형 영역을 나타내고, 부호 R2는 하나의 가스 유로용 홈(55A)에 인접하는 가스 유로용 홈(55B)이 외접하는 제2 직사각형 영역을 나타내며, 부호 R3은 제1 직사각형 영역 R1과 제2 직사각형 영역 R2가 겹치는 겹침 영역을 나타낸다. 따라서, 제1 직사각형 영역 R1은, 직사각형 영역 R이기도 한 점에서 제1 직사각형 영역 R(R1)이라고 표기하기도 하고, 제2 직사각형 영역 R2도, 직사각형 영역 R이기도 한 점에서 제2 직사각형 영역 R(R2)라고 표기하기도 한다. 또한, 도 7의 (a) 중, 부호 L2는 가스 유로용 홈(55)의 배열 피치를 나타낸다.
도 7 및 도 8에 있어서는, 캐소드 가스의 흐름을 도시하고 있다. 도 7의 (a) 및 도 8 중, 가스 유로용 홈(55) 내의 화살표는 가스 유로용 홈(55)을 따른 흐름이며, 다공질체층(40) 내에 기재한 세로 방향 상향의 화살표는 가스 유로용 홈(55)으로부터 다공질체층(40)(가스 확산층(43)) 내로 압출된 캐소드 가스의 흐름(복류 가스 흐름)이다. 또한, 도 7의 (b) 중, 다공질체층(40) 내에 기재한 가로 방향 및 하측 방향(막전극 접합체측을 향하는 방향)을 향한 화살표는, 가스 유로용 홈(55)으로부터 다공질체층(40)(가스 확산층(43)) 내로 압출된 캐소드 가스의 흐름을 나타낸다. 도 9는, 제1 직사각형 영역 R1, 제2 직사각형 영역 R2 및 겹침 영역 R3의 관계를 나타내는 도면이다.
연료 전지용 세퍼레이터(23)는, 도 4 및 도 5에 도시한 바와 같이, 금속판(30)의 한쪽 면에 연료 전지용 가스 공급 확산층(42)이 형성된 구조를 갖는다. 도 5 중, 금속판(30)에는 단면임을 나타내는 해칭을 실시하고 있다. 금속판(30)은 인코넬, 니켈, 금, 은 및 백금 중 하나 이상으로 이루어지는 금속 또는 오스테나이트계 스테인리스 강판에 대한 금속의 도금 혹은 클래드재인 것이 바람직하다. 이들 금속을 사용함으로써, 내식성을 향상시킬 수 있다.
연료 전지용 세퍼레이터(23)에 있어서는, 금속판(30)의 세로 방향의 일단부(도 4의 하부)에, 도 4의 우측, 중앙, 좌측의 순으로 캐소드 가스 유입구(62A)와, 냉각수 유입구(63A)와, 애노드 가스 유출구(61B)가 마련되어 있다. 또한, 타단부(도 4의 상부)에, 도 4의 좌측, 중앙, 우측의 순으로, 캐소드 가스 유출구(62B)와, 냉각수 유출구(63B)와, 애노드 가스 유입구(61A)가 마련되어 있다.
각 유입구(61A, 62A, 63A), 각 유출구(61B, 62B, 63B), 및 연료 전지용 가스 공급 확산층(42)의 형성 영역의 각각의 주위는, 전자 도전성 또는 비전자 도전성의 치밀 프레임(32)에 의해 둘러싸여 있다. 치밀 프레임(32)은 애노드 가스, 캐소드 가스 및 냉각수의 누설을 방지한다. 치밀 프레임(32)의 외면에는, 각 유입구(61A, 62A, 63A), 각 유출구(61B, 62B, 63B), 및 연료 전지용 가스 공급 확산층(42)의 형성 영역을 둘러싸도록, 치밀 프레임(32)을 따라 홈(33A)이 형성되어 있다(도 4에는 도시생략). 이 홈(33A) 내에 가스킷(패킹, O링 등의 시일재)(33)이 배치되어 있다.
금속판(30)의 양면에는, 상기 각 유입구(61A, 62A, 63A) 및 각 유출구(61B, 62B, 63B)가 마련되어 있는 부분을 제외하고, 그 전체면에 전자 도전성을 갖는 내식층(도 5에 있어서는 도시생략)이 형성되어 있다. 각 유입구(61A, 62A, 63A) 및 각 유출구(61B, 62B, 63B)의 내주면에 내식층이 형성되어 있어도 된다. 금속판(30)의 측면 및 단부면에 내식층이 형성되어 있어도 된다. 내식층은, 바람직하게는 치밀 프레임(32)과 동일한 조성의 치밀층이며, 금속판(30)의 부식을 억제하는 작용을 갖는다. 연료 전지용 세퍼레이터를 조합하여 도 1 혹은 도 2에 도시한 바와 같은 연료 전지 셀 스택을 구성하는 단계에서, 가스킷(33)은 접합되는 다른 연료 전지용 세퍼레이터, 막전극 접합체(81) 또는 집전판(27A, 27B)과 밀착하여 유체의 누설을 억제한다.
연료 전지용 세퍼레이터(23)는, 타입 C의 연료 전지용 세퍼레이터이며, 도 4 및 도 5에 도시한 바와 같이, 기판으로서의 직사각형의 금속판(30)의 한쪽 면에 있어서의 중앙부에 캐소드 가스를 공급·확산하는 연료 전지용 가스 공급 확산층(42)이 형성되어 있다. 연료 전지용 가스 공급 확산층(42)은, 가스의 투과 및 확산이 가능하며, 또한, 도전성을 갖는 시트 형상의 다공질체층(40)과, 다공질체층(40)의 한쪽 면에 있어서 병렬로, 또한, 각각이 가스의 유입측으로부터 유출측을 향해서 지그재그 형상 또는 물결 형상으로 형성된 복수의 가스 유로용 홈(55)과, 다공질체층(40) 중 가스 유로용 홈(55) 이외의 부분인 가스 확산층(43)을 갖는다(도 4 참조).
그리고, 평면적으로 보아, 복수의 가스 유로용 홈(55) 중 각각의 가스 유로용 홈(55)이 외접하는 복수의 직사각형 영역 R 중, 하나의 가스 유로용 홈(55)이 외접하는 제1 직사각형 영역 R1과, 하나의 가스 유로용 홈에 인접하는 가스 유로용 홈이 외접하는 제2 직사각형 영역 R2가 그 접하는 영역을 따라서 겹쳐 있다(도 6 및 도 9 참조). 또한, 제1 직사각형 영역 R1과 제2 직사각형 영역 R2가 겹치는 겹침 영역 R3이, 복수의 가스 유로용 홈(55)의 단면 형상을 불문하고 복수의 가스 유로용 홈(55)의 어느 깊이 위치 D1, D2, D3에 있어서도 존재한다(도 7 및 도 8 참조).
또한, 본 명세서에 있어서, 「직사각형 영역」은, 복수의 가스 유로용 홈 중 각각의 가스 유로용 홈이 외접하는 직사각형 영역 R이지만(도 6 및 7 참조), 다공질체층(40)에, 복수의 가스 유로용 홈과 교차하도록, 가스의 유입측으로부터 유출측을 향하는 방향에 직교하는 폭 방향 전체에 걸쳐서, 하나 또는 복수의 가스압 균등화용 홈이 형성되어 있는 경우에는(예를 들어 후술하는 도 12 참조), 당해 가스압 균등화용 홈에 의해 분할된 영역에 형성되는 각각의 직사각형 영역 R에 관해서도, 그 폭 및/또는 길이의 차이에 관계 없이, 본 발명의 직사각형 영역에 포함되는 것으로 한다. 또한, 본 명세서에 있어서, 「복류 영역」은, 직사각형 영역 중 가스 유로용 홈(55)을 제외한 영역을 말하며, 당해 복류 영역 중, 많은 가스는 유출측을 향해서 최단 거리의 경로를 따라서 흐르게 된다.
또한, 본 명세서에 있어서, 「가스의 유입측으로부터 유출측을 향해서」라고 함은, 「대체로 가스가 흐르는 방향을 따라서」라는 의미이며, 「가스의 유입측으로부터 유출측을 향하는」방향은, 다공질체층(40) 전체로서 본 경우의 다공질체층(40) 내의 가스 흐름의 방향이다. 이것은, 실시 형태에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42)과 같이, 캐소드 가스 유입구(62A)와 캐소드 가스 유출구(62B)가 금속판(30)의 대각선상의 위치에 배치되어 있는 경우에, 가스 유로는 상기 대각선을 따라 형성되어 있을 필요는 없으며, 실시 형태와 같이, 「가스의 유입측으로부터 유출측을 향하는」방향은, 「다공질체층(40) 전체로서 본 경우의 다공질체층(40) 내의 가스 흐름의 방향이, 도 4의 지면 아래로부터 위의 세로 방향을 향하는 경우에는」, 도 4와 같이, 도 4의 지면 아래로부터 위의 세로 방향을 따라 가스 유로용 홈은 형성되어 있으면 되며, 또한 그 이외의 방향을 따라서 형성되어 있어도 된다. 또한, 가스압 균등화용 홈은, 「가스의 유입측으로부터 유출측을 향하는」방향, 즉 다공질체층(40) 전체로서 본 경우의 다공질체층(40) 내의 가스 흐름의 방향에 대하여 대략 직교하도록 배치되면 된다.
여기서, 가스 유입측 홈(51), 가스 유출측 홈(52) 또는 가스압 균등화용 홈(56)의 사이에 놓인 부분에 형성되며, 또한, 다공질체층(40) 단부, 가스 유입측 홈(51), 가스 유출측 홈(52), 가스압 균등화용 홈(56) 중 어느 2개의 인접하는 다공질체층(40) 단부 또는 홈과 연통되도록(환언하면, 복수 홈(51, 52, 56) 및 다공질체층(40) 단부의 어느 2개가 인접하는 다공질체층(40) 단부 또는 홈(51, 52, 56)의 사이에 형성되고, 이들 인접하는 2개의 다공질체층(40) 단부 또는 홈(51, 52, 56)과 연통하도록) 형성되고, 병렬로 배치된 복수의 가스 유로용 홈(55)의 각각에 대하여, 이 가스 유로용 홈(55)이 외접하는 직사각형 영역을 직사각형 영역 R이라 하고 있다. 따라서, 상기와 같이 「제1 직사각형 영역 R1과 제2 직사각형 영역 R2가 그 접하는 영역을 따라서 겹치도록」구성하는, 즉, 도 9의 (a)에 도시한 바와 같이, 가스 유로용 홈(직사각형 영역 R)의 배열 피치 L2와, 직사각형 영역 R(제1 직사각형 영역 R1 및 제2 직사각형 영역 R2)의 폭 L을, L2<L의 관계를 충족하도록 하면, 인접하는 지그재그 형상의 가스 유로용 홈(55)의 한쪽 골측에 다른 쪽 산측이 서로의 유로가 겹치지 않을 정도로 돌출되는 구성으로 된다. 또한, 다공질체층(40) 단부는 다공질체층(40)의 단의 근방을 포함하는 것으로 한다.
실시 형태에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42)에 있어서는, 겹침 영역 R3의 폭 L1과, 직사각형 영역 R(제1 직사각형 영역 R1 및 제2 직사각형 영역 R2)의 폭 L이, 「L1≥0.1×L」의 관계를 충족하는 것이 바람직하고, 「L1≥0.2×L」의 관계를 충족하는 것이 보다 바람직하며, 「L1≥0.3×L」의 관계를 충족하는 것이 더욱 바람직하다(도 7 참조).
캐소드 가스로서의 공기(산소 가스 및 질소 가스)는, 다공질체층(40)(가스 확산층(43)) 내를 확산한다. 다공질체층(40)은, 도전재(바람직하게는 탄소계 도전재)와 고분자 수지의 혼합물을 포함한다. 고분자 수지에 탄소계 도전재를 혼합함으로써, 고분자 수지에 높은 도전성을 부여할 수 있으며, 또한 고분자 수지의 결착성에 의해 탄소재의 성형성을 향상시킬 수 있다. 다공질체층(40)의 유체 저항은, 다공질체층의 기공률과 유체가 흐르는 면의 면적에 의존한다. 기공률이 커지면 유체 저항은 작아지게 된다. 유체가 흐르는 면적이 커지면 유체 저항은 작아지게 된다. 대략의 목표로서는, (캐소드 가스용의) 연료 전지용 가스 공급 확산층(42)에 있어서는, 다공질체층(40)의 기공률은 50 내지 85％ 정도이다. 또한, (애노드 가스용의) 연료 전지용 가스 공급 확산층(41)에 있어서는, 다공질체층(40)의 기공률은 30 내지 85％ 정도이다.
다공질체층(40)의 기공률이 상기와 같이 구성되어 있다는 점에서, 가스 유로용 홈(55)의 내표면을 통해, 가스 유로용 홈(55)과 다공질체층(40) 사이의 캐소드 가스, 수증기, 응결수의 유통이 적절하게 행해지게 되는 결과, 다량의 연료 전지용 가스를 막전극 접합체에 대하여 균일하게 공급할 수 있도록 되고, 또한, 발전 시에 사용되지 않은 캐소드 가스나 발전 시에 생성된 수증기나 응결수를 가스 유로용 홈 밖으로 효율적으로 배출할 수 있게 된다. 그 결과, 가스 유로용 홈(55)의 내표면에, 금속, 세라믹스, 수지 등으로 이루어지는 가스 불투과층에 미세한 가스류 통과 구멍을 다수 개구된 가스 투과 필터와 같은 것을 형성할 필요도 없다.
탄소계 도전재의 함유율을 조정함으로써, 연료 전지용 가스 공급 확산층(42)의 기공률을 조정할 수 있으며, 나아가서는, 연료 전지용 가스 공급 확산층(42)의 이동 저항을 조정할 수 있다. 특히 탄소계 도전재의 함유율을 높게 하면 이동 저항이 작아지게 된다(기공률이 커지게 된다). 반대로, 탄소계 도전재의 함유율을 낮게 하면 이동 저항이 커지게 된다(기공률이 작아지게 된다). 내식층 및 치밀 프레임(32)도 탄소계 도전재와 고분자 수지의 혼합물이며, 탄소계 도전재의 적당한 함유율에 의해, 도전성을 확보하면서 치밀화한 것으로 하는 것이 바람직하다.
탄소계 도전재로서는 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 흑연, 카본 블랙, 다이아몬드 피복 카본 블랙, 탄화규소, 탄화티타늄, 카본 섬유, 카본 나노튜브 등을 사용할 수 있다. 고분자 수지로서는, 열경화성 수지 및 열가소성 수지를 모두 사용할 수 있다. 고분자 수지의 예로서는, 페놀 수지, 에폭시 수지, 멜라민 수지, 고무계 수지, 푸란 수지, 불화비닐리덴 수지 등을 들 수 있다.
캐소드 가스 유입구(62A)와 다공질체층(40)이 형성되어 있는 영역의 사이에는 유입 통로(57)가 형성되어 있다(도 4 참조). 캐소드 가스 유출구(62B)와 다공질체층(40)이 형성되어 있는 영역의 사이에는 유출 통로(58)가 형성되어 있다. 이들의 유입 통로(57) 및 유출 통로(58)는 막전극 접합체(81) 또는 그 프레임(81A)을 지지하기 위한 것이다. 따라서, 캐소드 가스를 원활하게 흐르게 하고, 또한 막전극 접합체(81)를 서포트할 수 있는 구조이면 된다. 예를 들어, 기공률이 매우 큰 다공질층이어도 되고, 다수의 지주를 배열한 구조여도 된다. 다공질체층(40)에 있어서의 유입 통로(57)와 면하는 영역에는 금속판(30)의 폭 방향을 따라서 가늘고 긴 유입측 홈(51)이 형성되어 있다. 또한, 다공질체층(40)에 있어서의 유출 통로(58)와 면하는 영역에도 금속판(30)의 폭 방향을 따라서 가늘고 긴 유출측 홈(52)이 형성되어 있다. 단, 유입측 홈(51) 및 유출측 홈(52)은, 이들을 생략할 수도 있다.
다공질체층(40), 유입 통로(57), 및 유출 통로(58)는, 도 5에 도시한 바와 같이, 치밀 프레임(32)과 동일한 높이(두께)로 형성되어 있다. 연료 전지용 가스 공급 확산층(42)에 있어서의 금속판(30)에 대향하는 측의 면에는, 공극으로 이루어지는 복수의 가스 유로용 홈(55)이 마련되어 있으며, 이들 복수의 가스 유로용 홈(55)과 금속판(30)의 간극에 복수의 가스 유로가 형성되어 있다. 가스 유로용 홈(55)은 소정의 간극으로 복수 형성되어 있다. 각 가스 유로용 홈(55)은, 유입측에 있어서는 유입측 홈(51)을 통해 유입 통로(57)와 연통하고, 유출측에 있어서는 유출측 홈(52)을 통해 유출 통로(58)와 연통하고 있다. 가스 유로용 홈(55)의 수 및 구조는 도시한 것에 한정되지는 않는다.
실시 형태에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42)은, 이것을 수송 기기용 연료 전지에 사용하는 경우에는, 수송 기기의 종류·크기에 따라 다르지만, 다공질체층(40)의 가로 폭은 예를 들어 30㎜ 내지 300㎜ 정도이다. 가스 유로용 홈(55)의 폭 W는 예를 들어 0.3㎜ 내지 2㎜ 정도이다. 다공질체층(40)의 두께는 예를 들어 150 내지 400㎛ 정도이고, 가스 유로용 홈(55)의 깊이는 예를 들어 100 내지 300㎛ 정도이며, 가스 유로용 홈의 바닥과 다공질체층(40)의 다른 쪽 면과의 거리(천장 두께)는 예를 들어 100 내지 300㎛ 정도이다. 실시 형태에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42)을 수송 기기 이외의 용도(예를 들어 정치용)의 연료 전지에 사용하는 경우에는, 상기 사이즈로 한정되는 것이 아니라, 필요한 성능 등에 따라 적절한 사이즈의 것을 사용할 수 있다. 가스 유로용 홈(55)은, 도 4에 도시한 바와 같이, 지그재그 형상을 이루고 있다. 즉, 가스 유로용 홈(55)은, 직선부(551)와, 공기가 흐르는 방향을 바꾸는 구석부(552)를 갖고 있다. 직선부(551)의 길이나, 구석부(552)의 각도는 도시한 것에 한정되지는 않는다. 예를 들어, 도 4에 있어서는 구석부(552)의 각도는 거의 직각이지만, 예각이어도 되고, 둔각이어도 된다. 또한, 구석부(552)는, 적당한 모따기 처리나 라운딩 처리가 실시되어 있어도 된다.
실시 형태에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42)에 있어서는, 도 4에 도시한 바와 같이, 각 직선부(551)의 길이 및 각 구석부(552)의 형상은 모두 동등하다. 그리고, 상기한 바와 같이, 평면적으로 보아, 복수의 가스 유로용 홈(55) 중 각각의 가스 유로용 홈이 외접하는 복수의 직사각형 영역(직사각형 영역) R을 정의했을 때, 하나의 가스 유로용 홈(55)이 외접하는 제1 직사각형 영역 R1과, 하나의 가스 유로용 홈에 인접하는 가스 유로용 홈(55)이 외접하는 제2 직사각형 영역 R2가 그 접하는 영역을 따라서 겹쳐 있으며(도 6 참조), 또한, 제1 직사각형 영역 R1과 제2 직사각형 영역 R2가 겹치는 겹침 영역 R3이, 복수의 가스 유로용 홈(55)의 어느 깊이 위치 D1, D2, D3에 있어서도 존재한다(도 7 및 도 8 참조).
타입 A의 연료 전지용 세퍼레이터(22)에 있어서의 연료 전지용 가스 공급 확산층(41)도, 기본적으로는 연료 전지용 가스 공급 확산층(42)과 마찬가지의 구성을 갖는다. 단, 연료 전지용 가스 공급 확산층에 공급하는 가스가 수소 가스인 점에서, 연료 전지용 가스 공급 확산층(42)보다도 기공률이 낮으며, 또한 두께가 얇다(후술하는 도 10의 (b) 참조).
타입 CA의 연료 전지용 세퍼레이터(21)에 있어서는, 연료 전지용 가스 공급 확산층으로서 연료 전지용 가스 공급 확산층(41) 및 연료 전지용 가스 공급 확산층(42)을 사용한다(후술하는 도 10의 (a) 참조). 타입 CW의 연료 전지용 세퍼레이터(24)는, 타입 C의 연료 전지용 세퍼레이터(23)에 있어서의 연료 전지용 가스 공급 확산층(42)이 형성되지 않은 면에 냉각수 공급 확산층이 형성된 것이다(후술하는 도 10의 (c) 참조). 타입 AW의 연료 전지용 세퍼레이터(25)는, 타입 A의 연료 전지용 세퍼레이터(22)에 있어서의 연료 전지용 가스 공급 확산층(41)이 형성되지 않은 면에 냉각수 공급 확산층이 형성된 것이다(후술하는 도 10의 (d) 참조).
연료 전지 스택(20)을 운전하면, 애노드 가스(수소 가스)를 도입하는 연료극에서는 프로톤(H+)이 생성된다. 프로톤은, 막전극 접합체(81) 중을 확산하여 산소 극측으로 이동하고, 산소와 반응하여 물이 생성된다. 생성된 물은, 산소극측으로부터 배출된다. 이때, 상기와 같은 구조를 갖는 연료 전지용 가스 공급 확산층(42)을 구비하는 연료 전지용 세퍼레이터(23)에 있어서는, 캐소드 가스 유입구(62A)로부터 유입된 공기는 유입 통로(57) 및 유입측 홈(51)을 통하여, 가스 유로용 홈(55)에 유입된다. 유입측 홈(51) 내에 유입된 공기의 일부는 가스 유로용 홈(55) 내에 들어가 가스 유로용 홈(55)으로부터 다공질체층(40)(가스 확산층(43)) 내로 들어가고, 다른 일부는 다공질체층(40)(가스 확산층(43))의 단부면으로부터 직접 다공질체층(40)(가스 확산층(43))으로 들어가, 다공질체층(40)(가스 확산층(43)) 내를 확산해 간다.
공기는, 다공질체층(40)(가스 확산층(43)) 내를 평면 방향으로 확산하면서 두께 방향에도 확산하고, 다공질체층(40)(가스 확산층(43))에 접하여 마련된 막전극 접합체(81)에 공급되어, 발전 반응에 기여한다. 발전에 사용되지 않은 가스(미사용의 산소 가스 및 질소 가스) 및 발전 시에 생성된 물(수증기 또는 응축수)은 다공질체층(40)(가스 확산층(43)), 가스 유로용 홈(55), 유출측 홈(52)을 통해 유출 통로(58)로 유출된다. 유출 통로(58)로 유출된 산소 가스, 질소 가스 및 물은, 최종적으로 유출 통로(58)로부터 캐소드 가스 유출구(62B) 및 캐소드 가스 배출구(72B)를 통하여 배출되어 간다. 이때, 연료 전지용 가스 공급 확산층(42)의 구조상, 모든 물은 배출되지 않고, 일부가 다공질체층(40)(가스 확산층(43)) 내에 머무른다.
실시 형태에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42)은, 상기와 같은 특징을 갖기 때문에, 발전 시에 막전극 접합체에서 생성된 물(수증기 또는 응축수)을, 다공질체층(40) 및 가스 유로용 홈(55)을 통해 가스 유로용 홈 밖으로 효율적으로 배출할 수 있게 된다. 또한, 복류 영역에 있어서는 복류 가스 흐름에 압출되는 형태로 물을 가스 유로용 홈 밖으로 효율적으로 배출할 수 있게 된다.
[실시 형태의 효과]
실시 형태에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42)에 의하면, 다공질체층(40)의 한쪽 면에 있어서 복수의 가스 유로용 홈(55)이 형성되어 있다는 점에서, 종래보다도 연료 전지용 가스의 이동 저항이 감소되어, 막전극 접합체에 대하여 종래보다도 다량의 연료 전지용 가스를 공급할 수 있다.
또한, 실시 형태에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42)에 의하면, 복수의 가스 유로용 홈(55)이 다공질체층(40)의 한쪽 면에 형성되어 있다는 점에서, 다공질체층(40)의 다른 쪽 면에 배치되는 막전극 접합체(81)에 대한 연료 전지용 가스의 공급은 반드시 다공질체층(40)을 통해 행해지므로, 복수의 가스 유로가 다공질체층의 한쪽 면으로부터 다른 쪽 면에 걸쳐 개구되어 있는 경우보다도 연료 전지용 가스를 막전극 접합체에 대하여 균일하게 공급할 수 있다. 또한, 실시 형태에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42)에 의하면, 다공질체층(40)의 한쪽 면에 복수의 가스 유로용 홈(55)이 가스의 유입측으로부터 유출측을 향해서 지그재그 형상 또는 물결 형상으로 형성되어 있다는 점에서, 가스 유로용 홈 중의 가스 흐름에 한하지 않고 상류측 유로와 하류 통로를 단락하여 복류하는 가스 흐름(복류 가스 흐름)이 형성되기 때문에, 다공질체층에 공급되는 연료 전지용 가스의 공급 경로가 면 내에 넓게 분산되게 되어, 복수의 가스 유로용 홈이 가스의 유입측으로부터 유출측을 향해서 직선형으로 형성되어 있는 경우보다도 연료 전지용 가스를 막전극 접합체에 대하여 균일하게 공급할 수 있다.
또한, 실시 형태에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42)에 의하면, 복수의 가스 유로용 홈(55) 중 하나의 가스 유로용 홈(55A)이 외접하는 제1 직사각형 영역 R1에 있어서는, 당해 하나의 가스 유로용 홈(55A) 내를 흐르는 연료 전지용 가스의 일부가 다공질체층(40)에 들어가서 소위 복류 영역이 제1 직사각형 영역 R1 내에 형성되고, 또한, 상기 일 가스 유로용 홈(55A)에 인접하는 가스 유로용 홈(55B) 내를 흐르는 연료 전지용 가스의 일부가 다공질체층(40)에 들어가서 소위 복류 영역이 제2 직사각형 영역 R2 내에 형성되고, 이들 제1 직사각형 영역 R1과 제2 직사각형 영역 R2가 그 접하는 영역을 따라서 겹쳐 있다는 점에서(도 6 및 도 7 참조), 다공질체층(40)에 공급되는 연료 전지용 가스의 공급 경로가 면 내에 간극 없이 분산하게 되기 때문에, 가스 연료 전지용 가스를 막전극 접합체(81)에 대하여 더한층 균일하게 공급할 수 있다.
또한, 실시 형태에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42)에 의하면, 제1 직사각형 영역 R1과 제2 직사각형 영역 R2가 겹치는 겹침 영역 R3이, 복수의 가스 유로용 홈(55)의 어느 깊이 위치 D1, D2, D3에 있어서도 존재한다는 점에서(도 7 및 도 8 참조), 다공질체층(40)에 공급되는 연료 전지용 가스의 공급 경로가 가스 유로용 홈(55)의 어느 깊이 위치 D1, D2, D3에 있어서도 면 내에 간극 없이 분산하게 되기 때문에, 연료 전지용 가스를 막전극 접합체에 대하여 더한층 균일하게 공급할 수 있다.
그 결과, 실시 형태에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42)은, 종래보다도 다량의 연료 전지용 가스를 막전극 접합체(81)에 대하여 균일하게 공급할 수 있게 된다는 점에서, 종래보다도 연료 전지의 발전 효율을 높게 할 수 있는, 연료 전지용 가스 공급 확산층으로 된다.
또한, 실시 형태에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42)은, 상기와 같은 특징을 갖는다는 점에서, 발전에 사용되지 않은 연료 전지용 가스(이 경우 캐소드 가스(산소 가스, 질소 가스))를, 다공질체층(40) 및 가스 유로용 홈(55)을 통해 가스 유로용 홈(55) 밖으로 효율적으로 배출할 수 있게 되기 때문에, 또한, 복류 영역에 있어서는 복류 가스 흐름에 압출되는 형태로 발전에 사용되지 않은 연료 전지용 가스(이 경우 캐소드 가스(산소 가스, 질소 가스))를 가스 유로용 홈(55) 밖으로 효율적으로 배출할 수 있게 되기 때문에, 종래보다도 연료 전지용 가스의 이동 저항을 낮게 유지하는 것, 나아가서는, 반응 가스 농도를 높게 유지하는 것이 가능하게 되어, 종래보다도 연료 전지의 발전 효율을 높게 할 수 있는, 연료 전지용 가스 공급 확산층으로 된다.
또한, 실시 형태에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42)은, 상기와 같은 특징을 갖는다는 점에서, 발전 시에 막전극 접합체(81)에서 생성된 수증기 또는 응축수를, 다공질체층(40) 및 가스 유로용 홈(55)을 통해 가스 유로용 홈(55) 밖으로 효율적으로 배출할 수 있게 되기 때문에, 또한 복류 영역에 있어서는 복류 가스 흐름에 압출되는 형태로 수증기 또는 응축수를 가스 유로용 홈(55) 밖으로 효율적으로 배출할 수 있게 되기 때문에, 종래보다도 배수성이 우수한 연료 전지용 가스 공급 확산층으로 된다.
또한, 실시 형태에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42)에 의하면, 겹침 영역 R3의 폭 L1과, 직사각형 영역의 폭 L이, 「L1≥0.1×L」의 관계를 충족한다는 점에서, 연료 전지용 가스 공급 확산층(42)에 차지하는 겹침 영역 R3의 평면 면적 비율을 크게 할 수 있어, 연료 전지용 가스를 막전극 접합체(81)에 대하여 더한층 균일하게 공급할 수 있다.
실시 형태에 따른 연료 전지용 세퍼레이터(23)는, 금속판(30)과, 금속판(30)의 적어도 한쪽 면에 배치된 연료 전지용 가스 공급 확산층을 구비하는 연료 전지용 세퍼레이터이며, 연료 전지용 가스 공급 확산층이 실시 형태에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42)이고, 당해 연료 전지용 가스 공급 확산층(42)은, 복수의 가스 유로용 홈(55)이 금속판(30)측에 위치하도록 금속판(30)에 대하여 배치되어 있으며, 가스 유로용 홈(55)과 금속판(30)으로 가스 유로가 구성되어 있다는 점에서, 종래보다도 연료 전지의 발전 효율을 높게 할 수 있고, 나아가, 종래보다도 배수성이 우수한, 연료 전지용 세퍼레이터로 된다.
실시 형태에 따른 연료 전지 셀 스택(20)은, 연료 전지용 세퍼레이터와, 막전극 접합체가 적층되어 이루어지는 연료 전지 셀 스택이며, 연료 전지용 세퍼레이터가, 실시 형태에 따른 연료 전지용 세퍼레이터(23)이고, 당해 연료 전지용 세퍼레이터(23)와 막전극 접합체(81)는, 연료 전지용 가스 공급 확산층(42)의 복수의 가스 유로용 홈(55)이 형성되지 않은 측의 면에 막전극 접합체(81)가 위치하는 위치 관계로 적층되어 있다는 점에서, 종래보다도 연료 전지의 발전 효율을 높게 할 수 있고, 나아가, 종래보다도 배수성이 우수한, 연료 전지 셀 스택으로 된다.
[연료 전지용 세퍼레이터(23)의 제조 방법]
일례로서, 내식층, 치밀 프레임(32), 연료 전지용 가스 공급 확산층(42) 등은 등방압 가압에 의해 형성한다. 예를 들어 열경화성 수지를 사용하는 경우(열가소성 수지여도 됨), 탄소계 도전재 분말(및, 상황에 따라 탄소 섬유), 수지 분말 및 휘발성 용제를 혼련하여 페이스트 형상으로 한다. 이 페이스트에는, 내식층 및 치밀 프레임용의 것, 유체 공급 확산층용의 것 등, 다수 종류를 준비해 둔다. 그리고, 금속판(30) 위에 내식층, 치밀 프레임(32)의 패턴, 연료 전지용 가스 공급 확산층(42)의 패턴 등을 순차 프린트, 스탬프, 압착 등에 의해 형성한다. 각 패턴의 형성마다 용제를 휘발시킨다. 상기 모든 패턴이 형성된 금속판(30)의 전체를 연질이 얇은 고무 백에 넣어, 진공에 탈기한 후, 고무 백을 내압 용기에 넣고, 가열 유체를 용기 내에 도입하여, 가열 유체에서 등방압 가압하여 수지를 경화시킨다. 치밀 프레임(32), 연료 전지용 가스 공급 확산층(42)의 높이(두께)를 최종적으로 동일한 높이(두께)로 하기 위해서, 수지 경화 시의 수축의 정도에 따라서, 이들 각 프레임, 벽, 층 등의 높이(두께)를 패턴 제작 시에 조정해 두는 것이 바람직하다.
한편, 금속판(30) 위에 내식층을 형성해 두고, 다른 쪽에서 치밀 프레임(32), 연료 전지용 가스 공급 확산층(42)을 형성하고, 마지막으로 이들을 열압착하여 제조할 수도 있다. 이때 치밀 프레임(32)은 금속판(30) 위의 내식층과 동시에 작성해도 된다. 제1 단계에서 금속판(30) 위에 내식층과 치밀 프레임(32)을 작성하고, 이 후 제2 단계에서 연료 전지용 가스 공급 확산층(42)의 페이스트를 금속판(30)의 내식층 위에 순차 인쇄하고, 건조시킨 후, 롤 프레스(핫 프레스)로 경화시켜 제조할 수도 있다.
또는, 다음과 같은 제조 방법을 이용할 수도 있다. 카본 파이버(CF), 소량의 흑연 미립자(GCB) 및 결착제로 이루어지는 열가소성 혹은 열경화성 또는 섬유 형상물을 형성하는 수지를 혼련하여 시트 형상으로 형성하고, 경화하기 전의 그린 시트 상태일 때, 유입 통로(57), 유출 통로(58), 유입측 홈(51), 유출측 홈(52) 및 가스 유로용 홈(55)에 대응하는 형상의 돌기를 갖는 스탬프형을 시트에 압박하여, 유입 통로(57), 유출 통로(58), 유입측 홈(51), 유출측 홈(52) 및 가스 유로용 홈(55)을 형성한다. 마지막으로 그린 시트를 열처리하고, 이것을 내식층이 형성된 금속판(30)에 접착한다.
연료 전지용 가스 공급 확산층(42)의 이동 저항(또는 유체 저항)은, 다공질체층(40)의 기공률과 유체가 흐르는 방향에 직교하는 면의 면적(각 층의 높이(두께)와 폭)에 의존한다. 기공률이 커지면 이동 저항은 작아지게 된다. 유체가 흐르는 면적이 커지면 이동 저항은 작아진다(단위 면적당 이동 저항은 일정하다). 대략의 목표로서는, 연료 전지용 가스 공급 확산층의 기공률은, (애노드 가스용) 연료 전지용 가스 공급 확산층(42)에 대해서는 30 내지 85％ 정도, (캐소드 가스용) 연료 전지용 가스 공급 확산층(41)에 대해서는 50 내지 85％ 정도이다. 기공률 P는, 측정이 용이한, P=(다공질체층 중의 기공의 체적)/(다공질체층의 체적)으로 정해진다. 여기서, 기공은 외부에 통하지 않는 기공을 포함하는 진정한 기공이다.
또한, 상기한 제조 방법은, 연료 전지용 세퍼레이터(23) 이외의 연료 전지용 세퍼레이터(연료 전지용 세퍼레이터(21), 연료 전지용 세퍼레이터(22), 연료 전지용 세퍼레이터(24) 및 연료 전지용 세퍼레이터(25))를 제조할 때에도 적용할 수 있다.
[연료 전지용 세퍼레이터(23) 이외의 연료 전지용 세퍼레이터]
도 10은, 연료 전지용 세퍼레이터(23) 이외의 연료 전지용 세퍼레이터(연료 전지용 세퍼레이터(21), 연료 전지용 세퍼레이터(22), 연료 전지용 세퍼레이터(24) 및 연료 전지용 세퍼레이터(25))의 단면도이다. 도 10의 (a)는 타입 CA의 연료 전지용 세퍼레이터(21)의 단면도이고, 도 10의 (b)는 타입 A의 연료 전지용 세퍼레이터(22)의 단면도이고, 도 10의 (c)는 타입 CW의 연료 전지용 세퍼레이터(24)의 단면도이며, 도 10의 (d)는 타입 AW의 연료 전지용 세퍼레이터(25)의 단면도이다.
본 발명의 연료 전지용 가스 공급 확산층은, 연료 전지용 세퍼레이터(21)의 (캐소드 가스용) 연료 전지용 가스 공급 확산층(42) 및/또는 (애노드 가스용) 연료 전지용 가스 공급 확산층(41)에 적용할 수 있다(도 10의 (a) 참조). 또한, 본 발명의 연료 전지용 가스 공급 확산층은, 연료 전지용 세퍼레이터(22)의 (애노드 가스용) 연료 전지용 가스 공급 확산층(41)에 적용할 수 있다(도 10의 (b) 참조). 또한, 본 발명의 연료 전지용 가스 공급 확산층은, 연료 전지용 세퍼레이터(24)의 (캐소드 가스용) 연료 전지용 가스 공급 확산층(42)에 적용할 수 있다(도 10의 (c) 참조). 또한, 본 발명의 연료 전지용 가스 공급 확산층은, 연료 전지용 세퍼레이터(25)의 (애노드 가스용) 연료 전지용 가스 공급 확산층(41)에 적용할 수 있다(도 10의 (b) 참조).
이와 같이 본 발명의 연료 전지용 가스 공급 확산층을 상기와 같은 연료 전지용 세퍼레이터(21, 22, 24, 25)의 연료 전지용 가스 공급 확산층에 적용한 경우라도, 종래보다도 다량의 연료 전지용 가스를 막전극 접합체에 대하여 균일하게 공급할 수 있게 된다는 점에서, 종래보다도 연료 전지의 발전 효율을 높게 할 수 있는, 연료 전지용 가스 공급 확산층으로 된다.
[변형예 1]
도 11은, 변형예 1에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42a)의 (금속판(30)의 측에서 본) 평면 구조를 설명하기 위해 나타내는 도면이다. 단, 도 4의 경우와 마찬가지로, 연료 전지용 세퍼레이터(23)의 유로 패턴을 이해하기 쉽게 나타내기 위해서, 금속판(30)의 도시는 생략하였다. 이후의 도 12 내지 도 21에 있어서도 마찬가지이다. 변형예 1에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42a)은, 기본적으로는 실시 형태에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42)과 마찬가지의 구성을 갖지만, 가스 유로용 홈(55)의 구성이 실시 형태에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42)의 경우와 다르다. 즉, 변형예 1에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42a)에 있어서는, 도 11에 도시한 바와 같이, 가스 유로용 홈(55)이, 가스 유로용 홈(55)의 유입측 단부의 폭 W1과, 가스 유로용 홈(55)의 유출측 단부의 폭 W2가, 「W2<W1」의 관계를 충족하는 구성을 갖는다. 변형예 1에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42a)에 의하면, 가스 유로용 홈 중의 가스류의 선속도가 유출 단부측에서 높아진다는 점에서, 유로 간의 다공질 중의 가스의 복류 비율이 높아지고, 더한층 다량의 연료 전지용 가스를 균등하게 다공질체층으로 보내주는 것이 가능하게 되어, 유출측의 영역에 있어서도, 소위 복류 영역에 있어서의 연료 전지용 가스 농도의 저하를 억제할 수 있다. 또한, 반응 생성물로서 발생하여 하류를 향해서 증가하는 수증기 또는 응축수를 효과적으로 배출할 수 있다. 유로용 홈(55)의 폭 W는, 가스의 유입측으로부터 유출측을 향해서 서서히 좁아져 있다.
[변형예 2]
도 12는, 변형예 2에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42b)의 평면 구조를 설명하기 위해 나타내는 도면이다. 도 12에 있어서, 부호 R4는 후술하는 「분할 겹침 영역」을 나타낸다. 변형예 2에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42b)은, 기본적으로는, 실시 형태에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42)과 마찬가지의 구성을 갖지만, 가스 유로용 홈에 더하여 가스압 균등화용 홈이 형성되어 있는 점이, 실시 형태에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42)의 경우와 다르다. 즉, 변형예 2에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42b)에 있어서는, 도 12에 도시한 바와 같이, 다공질체층(40)에는, 복수의 가스 유로용 홈(55)과 교차하도록, 가스의 유입측으로부터 유출측을 향하는 방향에 직교하는 폭 방향 전체에 걸쳐서, 1개의 가스압 균등화용 홈(56)이 형성되어 있다. 또한, 당해 가스압 균등화용 홈(56)에 의해 분할된 겹침 영역을 「분할 겹침 영역 R4」라고 정의했을 때, 분할 겹침 영역 R4가, 복수의 가스 유로용 홈(55)의 어느 깊이 위치에 있어서도 존재한다. 변형예 2에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42b)에 의하면, 가스압 균등화용 홈(56)의 작용에 의해, 가스의 유입측으로부터 유출측을 향하는 방향에 직교하는 폭 방향 전체에 걸쳐 연료 전지용 가스의 공급량을 균등하게 할 수 있다. 또한, 분할 겹침 영역 R4가, 복수의 가스 유로용 홈의 어느 깊이 위치에 있어서도 존재한다는 점에서, 다공질체층에 공급되는 연료 전지용 가스의 공급 경로가 간극 없이 분산하기 위해서, 연료 전지용 가스를 막전극 접합체에 대하여 더한층 균일하게 공급할 수 있다.
또한, 변형예 2에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42b)에 있어서는, 가스 유로용 홈(55)의 깊이와, 가스압 균등화용 홈(56)의 깊이를 동등하게 하고 있다. 이 때문에 가스 유로용 홈(55)과 가스압 균등화용 홈(56)을 동일한 제조 공정이며 또한 단순한 구조의 금형을 사용하여 형성하는 것이 가능하게 된다는 점에서, 가스압 균등화용 홈을 형성함에 따른 제조 비용의 상승을 억제할 수 있다는 효과도 갖는다.
[변형예 3]
도 13은, 변형예 3에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42c)의 평면 구조를 설명하기 위해 나타내는 도면이다. 변형예 3에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42c)은, 기본적으로는, 변형예 2에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42b)과 마찬가지의 구성을 갖지만, 가스 유로용 홈(55)의 구성이 변형예 2에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42c)의 경우와 다르다. 즉, 변형예 3에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42c)에 있어서는, 도 13에 도시한 바와 같이, 가스 유로용 홈(55)이, 가스 유로용 홈(55)의 유입측 단부의 폭 W1과 가스 유로용 홈(55)의 유출측 단부의 폭 W2가 「W2<W1」의 관계를 충족하는 구성을 갖는다. 변형예 3에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42c)에 의하면, 가스 유로용 홈 중의 가스류의 선속도가 유출 단부측에서 높아진다는 점에서, 유로 간의 다공질 중의 가스의 복류 비율이 높아지고, 다량의 연료 전지용 가스를 더한층 균등하게 다공질체층의 전체 영역으로 보내주는 것이 가능하게 되어, 유출측의 영역에 있어서도, 소위 복류 영역에서의 연료 전지용 가스 농도의 저하를 억제할 수 있다. 또한, 반응 생성물로서 발생하여 하류를 향해 증가하는 수증기 또는 응축수를 효과적으로 배출할 수 있다. 유로용 홈(55)의 폭 W는, 가스의 유입측으로부터 유출측을 향해 서서히 좁아져 있지만, 단계적으로 좁아져 있어도 된다.
[변형예 4]
도 14는, 변형예 4에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42d)의 평면 구조를 설명하기 위해 나타내는 도면이다. 변형예 4에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42d)은, 기본적으로는, 변형예 2에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42b)과 마찬가지의 구성을 갖지만, 가스 유로용 홈(55)의 평면 구조가 변형예 2에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42b)의 경우와 다르다. 즉, 변형예 4에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42d)은, 도 14에 도시한 바와 같이, 유출측 단부에 있어서의 가스 유로용 홈(55)의 형성 밀도(단위 면적당 형성 개수)가 유입측 단부에 있어서의 가스 유로용 홈(55)의 형성 밀도(단위 면적당 형성 개수)보다도 높다. 변형예 4에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42d)에 의하면, 반응의 진행 에 수반하여 연료 전지용 가스가 하류를 향해서 흐름에 따라 소비되기 때문에 공급이 적어지는 경향이 있는 유출측에 있어서도 복류 영역에 있어서의 연료 전지용 가스 농도의 저하를 억제할 수 있고, 또한 반응 생성물로서 발생하여 하류를 향해 증가하는 수증기 또는 응축수를 효과적으로 배출할 수 있다.
[변형예 5]
도 15는, 변형예 5에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42e)의 평면 구조를 설명하기 위해 나타내는 도면이다. 변형예 5에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42e)은, 기본적으로는, 변형예 2에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42b)과 마찬가지의 구성을 갖지만, 가스 유로용 홈(55)의 평면 구조가 변형예 2에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42b)의 경우와 다르다. 즉, 변형예 5에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42e)은, 도 15에 도시한 바와 같이, 변형예 4의 경우와 마찬가지로, 유출측 단부에 있어서의 가스 유로용 홈(55)의 형성 밀도(단위 면적당 형성 개수)가 유입측 단부에 있어서의 가스 유로용 홈(55)의 형성 밀도(단위 면적당 형성 개수)보다도 높다. 변형예 5에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42d)에 의하면, 반응의 진행에 수반하여 연료 전지용 가스가 하류를 향해서 흐름에 따라 소비되기 때문에 공급이 적어지는 경향이 있는 유출측에 있어서도 복류 영역에 있어서의 연료 전지용 가스 농도의 저하를 억제할 수 있으며, 또한 반응 생성물로서 발생하여 하류를 향해 증가하는 수증기 또는 응축수를 효과적으로 배출할 수 있다. 또한, 변형예 5에 있어서는, 변형예 4에 있어서보다도 가스 유로용 홈(55)의 세로 방향의 지그재그 피치를 짧게 하고 있다.
[변형예 6]
도 16은, 변형예 6에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42f)의 평면 구조를 설명하기 위해 나타내는 도면이다. 변형예 6에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42f)은, 기본적으로는, 변형예 2 내지 5에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42b 내지 42e)과 마찬가지의 구성을 갖지만, 가스압 균등화용 홈(56)의 형성 개수가, 변형예 2 내지 5에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42b 내지 42e)의 경우와 다르다. 즉, 변형예 6에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42f)에 있어서는, 도 16에 도시한 바와 같이, 가스압 균등화용 홈(56)의 형성 개수가 2개이다. 변형예 6에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42f)에 있어서는, 가스압 균등화용 홈(56)의 형성 개수가 2개인 점에서, 가스압 균등화용 홈(56)의 작용에 의해, 가스의 유입측으로부터 유출측을 향하는 방향에 직교하는 폭 방향 전체에 걸쳐 연료 전지용 가스의 공급량을 더한층 균등하게 할 수 있다. 유로용 홈(55)의 폭 W는, 가스의 유입측으로부터 유출측을 향해서 단계적으로 좁아져 있지만, 서서히 좁아져 있어도 된다.
[변형예 7]
도 17은, 변형예 7에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42g)의 평면 구조를 설명하기 위해 나타내는 도면이다. 변형예 7에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42g)은, 기본적으로는, 실시 형태에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42)과 마찬가지의 구성을 갖지만, 가장 유입측에 있는 가스 유로용 홈의 형성 각도가, 실시 형태에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42)의 경우와 다르다. 즉, 변형예 7에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42g)에 있어서는, 도 17에 도시한 바와 같이, 가장 유입측에 있는 가스 유로용 홈(55)의 형성 각도가, 연료 전지용 가스가 당해 가스 유로용 홈(55)에 들어가기 쉬운 각도로 되어 있다. 변형예 7에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42g)에 의하면, 가장 유입측에 있는 가스 유로용 홈(55)의 형성 각도가, 당해 연료 전지용 가스가 가스 유로용 홈(55)에 들어가기 쉬운 각도로 되어 있다는 점에서, 연료 전지용 가스의 이동 저항이 감소되어, 막전극 접합체에 대하여 더한층 다량의 연료 전지용 가스를 공급할 수 있다.
[변형예 8]
도 18은, 변형예 8에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42h)의 평면 구조를 설명하기 위해 나타내는 도면이다. 변형예 8에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42h)은, 기본적으로는, 실시 형태에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42)과 마찬가지의 구성을 갖지만, 가스 유로용 홈(55)의 유입측 단부와 유출측 단부의 형성 각도가, 실시 형태에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42)의 경우와 다르다. 즉, 변형예 8에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42h)에 있어서는, 도 18에 도시한 바와 같이, 가스 유로용 홈(55)의 유입측 단부와 유출측 단부의 형성 각도의 모두가, 가스의 유입측으로부터 유출측을 따르는 방향(금속판(30)의 세로방향)에 평행이 되는 각도로 되어 있다. 변형예 8에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42h)에 의하면, 가스 유로용 홈(55)의 유입측 단부와 유출측 단부의 형성 각도의 모두가, 가스의 유입측으로부터 유출측을 따르는 방향(금속판(30)의 세로 방향)에 평행이 되는 각도로 되어 있다는 점에서, 연료 전지용 가스의 유입 시 및 유출 시의 유입 시의 이동 저항이 감소되어, 막전극 접합체에 대하여 더한층 다량의 연료 전지용 가스를 공급할 수 있다.
[변형예 9]
도 19는, 변형예 9에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42i)의 평면 구조를 설명하기 위해 나타내는 도면이다. 변형예 9에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42i)은, 기본적으로는, 변형예 8에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42h)과 마찬가지의 구성을 갖지만, 가스 유로용 홈(55)의 유입측 단부와 유출측 단부의 형성 폭이 변형예 8에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42h)의 경우와 다르다. 즉, 변형예 9에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42i)에 있어서는, 도 19에 도시한 바와 같이, 가스 유로용 홈(55)의 유입측 단부와 유출측 단부의 형성 폭이 변형예 8에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42h)의 경우보다도 넓다. 또한, 단부를 향함에 따라 넓어지는 테이퍼 형상으로 되어 있다. 변형예 9에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42i)에 의하면, 가스 유로용 홈(55)의 유입측 단부와 유출측 단부의 형성 폭이 변형예 8에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42h)의 경우보다도 넓고, 또한 단부를 향함에 따라 넓어지는 테이퍼 형상으로 되어 있다는 점에서, 연료 전지용 가스의 유입 시 및 유출 시의 이동 저항이 더한층 감소되어, 막전극 접합체에 대하여 더한층 다량의 연료 전지용 가스를 공급할 수 있다.
[변형예 10]
도 20은, 변형예 10에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42j)의 평면 구조를 설명하기 위해 나타내는 도면이다. 변형예 10에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42j)은, 기본적으로는, 실시 형태에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42)과 마찬가지의 구성을 갖지만, 가스 유로용 홈(55)의 평면 형상이 실시 형태에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42)의 경우와 다르다. 즉, 변형예 10에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42j)에 있어서는, 도 20에 도시한 바와 같이, 복수의 가스 유로용 홈(55)의 평면 형상이 물결 형상이다. 변형예 10에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42j)에 의하면, 가스 유로용 홈(55)의 평면 형상이 실시 형태에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42)의 경우와는 다르지만, 실시 형태에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42)의 경우와 마찬가지로, 다공질체층에 공급되는 연료 전지용 가스의 공급 경로가 면 내에 넓게 분산하게 되기 때문에, 복수의 가스 유로용 홈이 가스의 유입측으로부터 유출측을 향해 직선형으로 형성되어 있는 경우보다도 연료 전지용 가스를 막전극 접합체에 대하여 균일하게 공급할 수 있다.
[변형예 11]
도 21은, 변형예 11에 따른 연료 전지용 세퍼레이터(23k)의 평면 구조를 설명하기 위해 나타내는 도면이다. 변형예 11에 따른 연료 전지용 세퍼레이터(23k)는 C 타입의 연료 전지용 세퍼레이터이며, 기본적으로는, 실시 형태에 따른 연료 전지용 세퍼레이터(23)와 마찬가지의 구성을 갖지만, 캐소드 가스 유입구(62A) 및 캐소드 가스 유출구(62B), 애노드 가스 유입구(61A) 및 애노드 가스 유출구(61B), 그리고, 냉각수 유입구(63A) 및 냉각수 유출구(63B)를 포함하는 평면 구조가 실시 형태에 따른 연료 전지용 세퍼레이터(23)의 경우와 다르다. 즉, 변형예 11에 따른 연료 전지용 세퍼레이터(23k)에 있어서는, 도 21에 도시한 바와 같이, 금속판(30)의 세로 방향 양단부에 각각 캐소드 가스 유입구(62A) 및 캐소드 가스 유출구(62B)만이 형성되고, 애노드 가스 유입구(61A) 및 애노드 가스 유출구(61B) 그리고 냉각수 유입구(63A) 및 냉각수 유출구(63B)는, 금속판(30)의 가로 방향 양단부에 각각 형성되어 있다. 변형예 11에 따른 연료 전지용 세퍼레이터(23k)에 의하면, 애노드 가스보다도 연료 전지용 가스 공급 확산층 내를 확산하기 어려운 캐소드 가스를 유통시키기 위한 캐소드 가스 유입구(62A) 및 캐소드 가스 유출구(62B)의 형성 폭을 넓게 할 수 있다는 점에서, 더한층 다량의 캐소드 가스를 막전극 접합체에 대하여 균일하게 공급할 수 있다. 또한, 발전에 사용되지 않은 산소 가스 및 질소 가스를 가스 유로용 홈 밖으로 효율적으로 배출할 수 있게 되기 때문에, 연료 전지의 발전 효율을 더한층 높게 할 수 있는, 연료 전지용 가스 공급 확산층으로 된다. 또한, 변형예 11에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(23k)에 의하면, 발전 시에 막전극 접합체에서 생성된 수증기 또는 응축수를 가스 유로용 홈 밖으로 효율적으로 배출할 수 있게 되기 때문에, 더한층 배수성이 우수한 연료 전지용 가스 공급 확산층으로 된다.
[변형예 12]
상기한 실시 형태에 있어서는, 막전극 접합체로서, 연료 전지용 가스 공급 확산층(42, 41)과 거의 동일한 면적의 촉매층(85)을 갖는 막전극 접합체(81)를 사용하였지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니다. 막전극 접합체로서, 연료 전지용 가스 공급 확산층(42, 41)보다도 작은 면적의 촉매층(85)을 갖는 막전극 접합체를 사용해도 된다. 도 22는, 변형예 12에 따른 연료 전지용 세퍼레이터(23L)의 평면도이다. 변형예 12에 따른 연료 전지용 세퍼레이터(23L)에 있어서는, 막전극 접합체(81)로서, 연료 전지용 가스 공급 확산층(42, 41)보다도 작은 면적의 촉매층(85)을 갖는 막전극 접합체를 사용함과 함께, 연료 전지용 가스 공급 확산층(42, 41)의 중앙 부분(연료 전지용 가스 공급 확산층(42, 41)의 막전극 접합체(81)측의 표면에 캐소드 가스가 균일하게 공급되는 부분)에 막전극 접합체(81)의 촉매층(85)이 위치하도록 이들을 적층한 것이다. 변형예 12에 따른 연료 전지용 세퍼레이터(23L)에 의하면, 연료 전지용 가스가 균일하게 공급되어 발전 효율이 좋은 영역에서 발전을 행할 수 있도록 되어 연료 전지의 발전 효율을 더한층 높게 할 수 있다.
[변형예 13]
상기한 실시 형태에 있어서는, 가스 유로용 홈으로서, 다공질체층(40)(또는 가스 유로용 홈(55))의 표면의 가스 유로용 홈의 폭과, 가스 유로용 홈(55)의 바닥의 가스 유로용 홈의 폭이 동등하고, 단면이 직사각형인 가스 유로용 홈(55)을 사용하였지만(도 5 및 도 7 참조), 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니다. 홈의 바닥이 표면보다도 좁은 단면 삼각 형상의 가스 유로용 홈이어도 되고, 홈의 바닥이 표면보다도 좁은 단면 반원 형상의 가스 유로용 홈이어도 되며, 그 밖의 형상의 가스 유로용 홈이어도 된다. 도 23 및 도 24는, 변형예 13에 따른 가스 유로용 홈(55)의 형성 패턴을 설명하기 위해 나타내는 도면이다. 이 중, 도 23은 가스 유로용 홈(55)의 구조를 나타내는 도면이며, 도 24는, 상이한 깊이 위치에 있어서의 가스 유로용 홈(55)의 평면 구조를 설명하기 위해 나타내는 도면이다. 도 23의 (a)는 평면도이며, 도 23의 (b)는 도 23의 (a)의 A-A 단면도이다. 도 24의 (a)는 깊이 위치 D1(다공질체층(40)(또는 가스 유로용 홈(55))의 표면에 있어서의 깊이 위치)에 있어서의 가스 유로용 홈(55)의 평면 구조를 나타내고, 도 24의 (b)는 깊이 위치 D2(가스 유로용 홈(55)의 깊이 1/2의 깊이 위치)에 있어서의 가스 유로용 홈(55)의 평면 구조를 나타내며, 도 24의 (c)는 깊이 위치 D3(가스 유로용 홈(55)의 바닥에 있어서의 깊이 위치)에 있어서의 가스 유로용 홈(55)의 평면 구조를 나타낸다. 도 23 및 도 24에 있어서는, 캐소드 가스의 흐름을 나타내고 있다. 도 23의 (a) 및 도 24 중, 가스 유로용 홈(55) 내의 화살표는 가스 유로용 홈(55)을 따른 흐름이며, 다공질체층(40) 내에 기재한 세로 방향 상향의 화살표는 가스 유로용 홈(55)으로부터 다공질체층(40)(가스 확산층(43)) 내로 압출된 캐소드 가스의 흐름(복류 가스 흐름)이다. 또한, 도 24의 (b) 중, 다공질체(40) 내에 기재한 가로 방향 및 하측 방향(막전극 접합체측을 향하는 방향)을 향한 화살표는, 가스 유로용 홈(55m)으로부터 막전극 접합체측을 향해 다공질체층(40)(가스 확산층(43)) 내로 압출된 캐소드 가스의 흐름을 나타낸다.
도 23에 도시한 바와 같이, 가스 유로용 홈으로서, 홈의 바닥이 표면보다도 좁은 단면 삼각 형상의 가스 유로용 홈(55)을 사용할 수도 있다. 이와 같은 경우에는, 깊이 위치 D3에 있어서의 직사각형 영역 R의 면적이 깊이 위치 D1에 있어서의 직사각형 영역 R의 면적보다도 작아지게 되어, 연료 전지용 가스를 막전극 접합체에 대하여 균일하게 공급한다고 하는 관점에서는 불리해지지만, 이와 같은 경우라도, 도 24에 도시한 바와 같이, 제1 직사각형 영역 R1과 제2 직사각형 영역 R2가 겹치는 겹침 영역 R3이, 복수의 가스 유로용 홈(55)의 어느 깊이 위치에 있어서도 존재하도록 하면, 실시 형태에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42)의 경우와 마찬가지로, 연료 전지용 가스를 막전극 접합체에 대하여 더한층 균일하게 공급할 수 있다. 따라서, 본 발명의 연료 전지용 가스 공급 확산층이 갖는 「연료 전지용 가스를 막전극 접합체에 대하여 더한층 균일하게 공급할 수 있다」고 하는 효과는, 겹치는 겹침 영역 R3이, 복수의 가스 유로용 홈(55)의 어느 깊이 위치에 있어서도 존재한다는 조건을 충족하고 있는 경우에는, 가스 유로용 홈(55)의 단면 형상을 불문하고 얻어지는 것이다.
[변형예 14]
상기한 실시 형태에 있어서는, 연료 전지용 가스 공급 확산층으로서, 한쪽 면에 가스 유로용 홈(55)이 형성된 다공질체층(40)을 구비하는 연료 전지용 가스 공급 확산층(42)을 사용하였지만(도 5 참조), 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니다. 도 25는, 변형예 14에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42n)의 단면도이다. 도 5의 경우와 마찬가지로, 막전극 접합체(81)가 접합된 상태의 연료 전지용 세퍼레이터(23n)를 나타내고 있다. 도 25에 도시한 바와 같이, 한쪽 면에 가스 유로용 홈(55)이 형성된 다공질체층(40)과, 당해 다공질체층(40)의 다른 쪽 면에 배치된 마이크로포러스 레이어(44)를 구비하는 연료 전지용 가스 공급 확산층을 사용할 수도 있다. 이와 같은 구성으로 한 경우에는, 마이크로포러스 레이어를 구비하지 않는 막전극 접합체를 사용하여 연료 전지용 세퍼레이터를 구성할 수 있게 된다.
[변형예 15]
상기한 실시 형태에 있어서는, 가스 차폐판으로서, 금속판(30)을 사용하였지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니다. 금속판(30) 이외의, 가스를 차폐하는 성질을 지닌 재료로 이루어지는 판(예를 들어, 세라믹스판, 수지판)을 사용할 수도 있다.
또한, 상기 각 변형예는, 각 변형예에 기재된 특징을, 실시 형태에 따른 연료 전지용 가스 공급 확산층(42), 연료 전지용 세퍼레이터(23) 및 연료 전지 셀 스택(20)에 적용한 것이지만, 각 변형예에 기재된 특징은, 이에 한정되지 않고, 본 발명의 연료 전지용 가스 공급 확산층, 연료 전지용 세퍼레이터 및 연료 전지 셀 스택의 전반에 적용 가능하다. 예를 들어, 각 변형예에 기재된 특징은, 타입 CA의 연료 전지용 가스 공급 확산층(21), 타입 CW의 연료 전지용 가스 공급 확산층(24), 타입 A의 연료 전지용 가스 공급 확산층(22), 타입 AW의 연료 전지용 가스 공급 확산층(25), 이들 연료 전지용 가스 공급 확산층을 구비한 연료 전지용 세퍼레이터 및 연료 전지 셀 스택에도 적용 가능하다.
이상, 본 발명의 연료 전지용 가스 공급 확산층, 연료 전지용 세퍼레이터 및 연료 전지 셀 스택을, 도시한 실시 형태에 기초하여 설명하였지만, 본 발명은 상기 각 실시 형태에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 다양하게 변형 실시 가능하게 되는 것이다.
20: 연료 전지 셀 스택
21, 22, 23, 23a 내지 23k, 23L, 23m, 23n, 24, 25: 연료 전지용 세퍼레이터
27A, 27B: 집전판
28A, 28B: 절연 시트
30: 금속판
32: 치밀 프레임
33: 가스킷
33A: 가스킷용 홈
40: 다공질체층
41: 연료 전지용 가스 공급 확산층(애노드 가스 공급 확산층)
42, 42a 내지 42k, 42m, 42n: 연료 전지용 가스 공급 확산층(캐소드 가스 공급 확산층)
43: 가스 확산층
44: 마이크로포러스 레이어
45: 냉각수 공급 확산층
46: 냉각수 유로
51: 유입측 홈
52: 유출측 홈
55: 가스 유로용 홈
55A: 하나의 가스 유로용 홈
55B: 하나의 가스 유로용 홈(55A)에 인접하는 가스 유로용 홈
56: 가스압 균등화용 층
57: 유입 통로
58: 유출 통로
61A: 애노드 가스 유입구
61B: 애노드 가스 유출구
62A: 캐소드 가스 유입구
62B: 캐소드 가스 유출구
63A: 냉각수 유입구
63B: 냉각수 유출구
74: 체결·스프링 서포트
75, 76: 엔드 플레이트
80: 셀 구조체
81: 막전극 접합체
81A: 테두리(프레임)
82: 전해질막
83: 마이크로포러스 레이어
85: 촉매층
D1: 다공질체층(40)의 표면(또는 가스 유로용 홈(55)의 표면)에 있어서의 깊이 위치
D2: 가스 유로용 홈(55)의 깊이 1/2의 깊이 위치
D3: 가스 유로용 홈(55)의 바닥에 있어서의 깊이 위치
L: 직사각형 영역의 폭
L1: 겹침 영역 R3의 폭
L2: 가스 유로용 홈(55)(직사각형 영역 R)의 배열 피치
R: 직사각형 영역
R1: 제1 직사각형 영역
R2: 제2 직사각형 영역
R3: 겹침 영역
R4: 분할 겹침 영역
W: 가스 유로용 홈(55)의 폭(가스 유로용 홈(55) 내에 있어서의 가스의 흐름에 직교하는 방향을 따른 폭)
W1: 가스 유로용 홈(55)의 유입측 단부의 폭
W2: 가스 유로용 홈(55)의 유출측 단부의 폭
21, 22, 23, 23a 내지 23k, 23L, 23m, 23n, 24, 25: 연료 전지용 세퍼레이터
27A, 27B: 집전판
28A, 28B: 절연 시트
30: 금속판
32: 치밀 프레임
33: 가스킷
33A: 가스킷용 홈
40: 다공질체층
41: 연료 전지용 가스 공급 확산층(애노드 가스 공급 확산층)
42, 42a 내지 42k, 42m, 42n: 연료 전지용 가스 공급 확산층(캐소드 가스 공급 확산층)
43: 가스 확산층
44: 마이크로포러스 레이어
45: 냉각수 공급 확산층
46: 냉각수 유로
51: 유입측 홈
52: 유출측 홈
55: 가스 유로용 홈
55A: 하나의 가스 유로용 홈
55B: 하나의 가스 유로용 홈(55A)에 인접하는 가스 유로용 홈
56: 가스압 균등화용 층
57: 유입 통로
58: 유출 통로
61A: 애노드 가스 유입구
61B: 애노드 가스 유출구
62A: 캐소드 가스 유입구
62B: 캐소드 가스 유출구
63A: 냉각수 유입구
63B: 냉각수 유출구
74: 체결·스프링 서포트
75, 76: 엔드 플레이트
80: 셀 구조체
81: 막전극 접합체
81A: 테두리(프레임)
82: 전해질막
83: 마이크로포러스 레이어
85: 촉매층
D1: 다공질체층(40)의 표면(또는 가스 유로용 홈(55)의 표면)에 있어서의 깊이 위치
D2: 가스 유로용 홈(55)의 깊이 1/2의 깊이 위치
D3: 가스 유로용 홈(55)의 바닥에 있어서의 깊이 위치
L: 직사각형 영역의 폭
L1: 겹침 영역 R3의 폭
L2: 가스 유로용 홈(55)(직사각형 영역 R)의 배열 피치
R: 직사각형 영역
R1: 제1 직사각형 영역
R2: 제2 직사각형 영역
R3: 겹침 영역
R4: 분할 겹침 영역
W: 가스 유로용 홈(55)의 폭(가스 유로용 홈(55) 내에 있어서의 가스의 흐름에 직교하는 방향을 따른 폭)
W1: 가스 유로용 홈(55)의 유입측 단부의 폭
W2: 가스 유로용 홈(55)의 유출측 단부의 폭
Claims (11)
- 연료 전지용 가스 공급 확산층이며,
가스의 투과 및 확산이 가능하고, 또한, 도전성을 갖는 시트 형상의 다공질체층과,
상기 다공질체층의 한쪽 면에 있어서 병렬로, 또한, 각각이 상기 가스의 유입측으로부터 유출측을 향해 지그재그 형상 또는 물결 형상으로 형성된 복수의 가스 유로용 홈을 갖고,
평면적으로 보아, 상기 복수의 가스 유로용 홈 중 각각의 가스 유로용 홈이 외접하는 복수의 직사각형 영역 R 중, 하나의 가스 유로용 홈이 외접하는 제1 직사각형 영역 R1과, 상기 하나의 가스 유로용 홈에 인접하는 가스 유로용 홈이 외접하는 제2 직사각형 영역 R2가 그 접하는 영역을 따라서 겹쳐 있으며, 또한, 상기 제1 직사각형 영역 R1과 상기 제2 직사각형 영역 R2가 겹치는 겹침 영역 R3이, 상기 복수의 가스 유로용 홈의 단면 형상을 불문하고 상기 복수의 가스 유로용 홈의 어느 깊이 위치에 있어서도 존재하고,
상기 다공질체층에는, 상기 복수의 가스 유로용 홈과 교차하도록, 상기 가스의 유입측으로부터 유출측을 향하는 방향에 직교하는 폭 방향 전체에 걸쳐서, 하나 또는 복수의 가스압 균등화용 홈이 형성되고,
상기한 가스압 균등화용 홈에 의해 분할된 상기 겹침 영역을 「분할 겹침 영역 R4」라고 정의했을 때, 상기 분할 겹침 영역 R4는, 상기 복수의 가스 유로용 홈의 단면 형상을 불문하고 상기 복수의 가스 유로용 홈의 어느 깊이 위치에 있어서도 존재하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지용 가스 공급 확산층. - 제1항에 있어서,
상기 겹침 영역 R3의 폭 L1과, 상기 직사각형 영역의 폭 L은, 「L1≥0.1×L」의 관계를 충족하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지용 가스 공급 확산층. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 가스 유로용 홈의 깊이와, 상기 가스압 균등화용 홈의 깊이는 동등한 것을 특징으로 하는, 연료 전지용 가스 공급 확산층. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 다공질체층의 다른 쪽 면에 배치된 마이크로포러스 레이어를 더 구비하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지용 가스 공급 확산층. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 연료 전지용 가스 공급 확산층이, 캐소드 가스용의 연료 전지용 가스 공급 확산층인 것을 특징으로 하는, 연료 전지용 가스 공급 확산층. - 제6항에 있어서,
상기 캐소드 가스가 공기인 것을 특징으로 하는, 연료 전지용 가스 공급 확산층. - 제6항에 있어서,
상기 가스 유로용 홈의 유입측 단부의 폭 W1과, 상기 가스 유로용 홈의 유출측 단부의 폭 W2는, 「W2<W1」의 관계를 충족하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지용 가스 공급 확산층. - 제6항에 있어서,
유출측 단부에 있어서의 상기 가스 유로용 홈의 형성 밀도는, 유입측 단부에 있어서의 상기 가스 유로용 홈의 형성 밀도보다도 높은 것을 특징으로 하는, 연료 전지용 가스 공급 확산층. - 가스 차폐판과,
상기 가스 차폐판의 적어도 한쪽 면에 배치된 연료 전지용 가스 공급 확산층을 구비하는 연료 전지용 세퍼레이터이며,
상기 연료 전지용 가스 공급 확산층은, 제1항 또는 제2항에 기재된 연료 전지용 가스 공급 확산층이고,
상기 연료 전지용 가스 공급 확산층은, 상기 복수의 가스 유로용 홈이 상기 가스 차폐판측에 위치하도록 상기 가스 차폐판에 대하여 배치되어 있으며,
상기 가스 유로용 홈과 상기 가스 차폐판로 가스 유로가 구성되어 있는 것을 특징으로 하는, 연료 전지용 세퍼레이터. - 연료 전지용 세퍼레이터와, 막전극 접합체가 적층되어 이루어지는 연료 전지 셀 스택이며,
상기 연료 전지용 세퍼레이터는, 제10항에 기재된 연료 전지용 세퍼레이터이고,
상기 연료 전지용 세퍼레이터와 상기 막전극 접합체는, 상기 연료 전지용 가스 공급 확산층의 상기 복수의 가스 유로용 홈이 형성되지 않은 측의 면에 상기 막전극 접합체가 위치하는 위치 관계로 적층되어 있는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 셀 스택.
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| PCT/JP2018/017353 WO2019207811A1 (ja) | 2018-04-28 | 2018-04-28 | 燃料電池用ガス供給拡散層、燃料電池用セパレータ及び燃料電池セルスタック |
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| Publication Number | Publication Date |
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| KR20200134294A KR20200134294A (ko) | 2020-12-01 |
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Family Applications (1)
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| KR1020207030416A KR102490771B1 (ko) | 2018-04-28 | 2018-04-28 | 연료 전지용 가스 공급 확산층, 연료 전지용 세퍼레이터 및 연료 전지 셀 스택 |
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Citations (1)
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|---|---|---|---|---|
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| JP2008293811A (ja) * | 2007-05-25 | 2008-12-04 | Toyota Motor Corp | 燃料電池用のガス供給部材と燃料電池 |
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-
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