KR20050001369A - 고분자 전해질형 연료전지 - Google Patents

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KR20050001369A
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Abstract

본 발명의 고분자 전해질형 연료전지는, 수소이온 전도성의 고분자 전해질막과 상기 고분자 전해질막을 끼운 애노드 및 캐소드를 가진 MEA와, 정면이 상기 애노드측에 접촉하도록 상기 MEA의 한쪽에 배치되어 상기 정면에 연료가스가 흐르는 연료가스 유로가 형성된 판형상의 애노드측 세퍼레이터와, 정면이 상기 캐소드에 접촉하도록 상기 MEA의 다른쪽에 배치되어 상기 정면에 산화제가스가 흐르는 산화제가스 유로가 형성된 판형상의 캐소드측 세퍼레이터를 가진 셀과, 복수의 상기 셀이 적층되는 셀 스택과, 상기 셀 스택의 적어도 소정 셀의 상기 애노드측 세퍼레이터 및 캐소드측 세퍼레이터의 적어도 어느 하나의 배면에 형성된 냉각수가 흐르는 냉각수 유로를 구비하고, 상기 연료가스, 상기 산화제가스, 및 상기 냉각수가, 각각, 상기 연료가스 유로, 상기 산화제가스 유로, 및 상기 냉각수 유로에 있어서 중력에 거스르지 않도록 흐른다.

Description

고분자 전해질형 연료전지{Polymer Electrolyte Fuel Cell}
본 발명은, 포터블전원, 전기자동차용전원, 가정내 코제너레이션 시스템 등에 사용하는 연료전지, 특히 고분자 전해질을 사용한 고분자 전해질형 연료전지에 관한 것이다.
고분자 전해질을 사용한 연료전지는, 수소를 함유한 연료가스와 공기 등의산소를 함유한 산화제가스를 전기화학적으로 반응시킴으로써, 전력과 열을 동시에 발생시키는 것이다. 이 연료전지는, 기본적으로는 수소이온을 선택적으로 수송하는 고분자 전해질막, 및 고분자 전해질막의 양면에 형성된 한 쌍의 전극, 즉 애노드와 캐소드로 구성된다. 상기의 전극은, 백금족 금속촉매를 담지한 카본분말을 주성분으로 하여, 고분자 전해질막의 표면에 형성되는 촉매층, 및 촉매층의 바깥면에 형성되는 통풍성과 전자도전성을 더불어 가지는 가스확산층으로 이루어진다.
전극에 공급되는 연료가스 및 산화제가스가 외부로 새거나, 2종류의 가스가 서로 혼합하거나 하지 않도록, 고분자 전해질막의 가장자리부 이외의 부분의 양면에 각각 전극이 형성되고, 고분자 전해질막의 가장자리부에 각 전극을 둘러싸도록 가스시일재나 가스켓이 배치된다. 이들 가스시일재나 가스켓은, 전극 및 고분자 전해질막과 일체화하여 미리 조립된다. 이것을 MEA(전해질막 전극 접합체)라고 한다. MEA의 양쪽에는, MEA를 기계적으로 고정함과 동시에, 인접한 MEA를 서로 전기적으로 직렬로 접속하기 위한 도전성의 세퍼레이터가 배치된다. 세퍼레이터의 MEA와 접촉하는 부분에는, 전극면에 반응가스를 공급하고, 생성물이나 잉여가스를 운반하기 위한 가스유로가 형성된다. 가스유로는, 세퍼레이터와 별도로 설치할 수도 있지만, 세퍼레이터의 표면에 홈을 형성하여 가스유로로 하는 방식이 일반적이다.
이 가스유로에의 반응가스의 공급 및 가스유로로부터의 반응가스, 생성물의 배출은, 세퍼레이터에 매니폴드구멍이라고 하는 관통하는 구멍을 형성하고, 가스유로의 출입구를 이 매니폴드구멍에 연이어 통하게 하여, 매니폴드구멍으로부터 각 가스유로에 반응가스를 분배함으로써 이루어진다. 연료전지는, 운전중에 발열하기때문에, 전지를 양호한 온도상태로 유지하기 위해서, 냉각수 등으로 냉각해야 한다. 통상, 1∼3셀마다 냉각수를 흐르게 하는 냉각부가 형성된다. 이들 MEA, 세퍼레이터 및 냉각부가 교대로 적층되어 나가며, 10∼200셀 적층한 후, 집전판과 절연판을 통해 끝단판으로 이것을 끼워, 체결 로드로 양 끝단에서 고정하는 것이 일반적인 적층전지의 구조이다.
이러한 종류의 전지의 고분자 전해질막으로는, 퍼플루오로술폰산계의 재료가 사용되어 왔다. 이 고분자 전해질막은, 수분을 함유한 상태에서 이온전도성을 발현하기 때문에, 통상은 연료가스나 산화제가스를 가습하여 전지에 공급할 필요가 있다. 또한, 캐소드측에서는, 반응에 의해서 물이 생성되기 때문에, 전지의 동작온도보다 높은 노점이 되도록 가습된 가스가 공급되면, 전지내부의 가스유로나 전극내부에서 결로(結露)가 발생하여, 물이 가득 차는 등의 현상에 의해서 전지성능이 안정되지 않거나, 성능이 저하하거나 하는 문제가 있었다. 통상, 이렇게 지나치게 물에 젖는 것에 의한 전지성능의 저하나 동작불안정이 발현하는 현상은 플러딩현상이라고 한다. 한편, 연료전지를 발전시스템화하는 경우에는, 공급가스의 가습 등을 포함시킨 시스템화가 필요하다. 시스템의 간소화, 시스템효율의 향상을 위해서는, 공급되는 가습가스의 노점을 약간이라도 저감하는 것이 바람직하다.
이상과 같이, 플러딩현상의 방지, 시스템효율의 향상, 시스템의 간소화 등의 관점에서, 공급가스는, 전지온도에 대하여 조금 낮은 노점이 되도록 가습하여 공급하는 것이 통상적이었다.
그러나, 전지의 고성능화를 위해서는, 고분자 전해질막의 이온전도도를 향상시킬 필요가 있고, 그를 위해서는 공급가스를 상대습도 100%에 가까운 습도, 또는 상대습도 100% 이상으로 공급하는 것이 바람직하다. 또한, 고분자 전해질막의 내구성의 관점에서도, 공급가스를 고(高)가습으로 공급하는 것이 바람직한 것을 알 수 있었다. 그러나, 상대습도 100%에 가까운 습도의 가스를 공급하고자 할 경우, 상술한 플러딩현상의 발생이 문제가 된다. 즉, 공급가스의 습도를 조정함으로써 플러딩현상을 적합하게 방지할 수는 없다.
한편, 플러딩현상을 피하기 위해서는, 공급가스의 세퍼레이터유로부분에서의 유속을 빠르게 하여, 결로한 물을 흩날리는 수법이 효과적인 것으로 알려져 있다. 그러나, 공급가스 유속을 증가시키기 위해서는, 높은 압력으로 가스를 공급하는 것이 필요하며, 시스템화한 경우의 가스공급 블로어 또는 컴프레서 등의 보조기계동력을 극단적으로 증가시키지 않으면 안되기 때문에, 시스템효율의 악화를 초래한다. 또한, 플러딩현상이 애노드측에서 발생하면, 연료가스의 결핍을 초래하고, 이것은 전지에 있어서 치명상이 되어 버린다. 이것은, 연료가스가 부족한 상태로 부하전류가 강제적으로 취해지면, 연료가 없는 상태에서 전자와 프로톤을 만들기 위해서 애노드의 촉매를 담지하고 있는 카본이 분위기내의 물과 반응하여 버리기 때문이다. 그 결과, 촉매층의 카본의 용출에 의해, 애노드의 촉매층이 파괴되는 것이다.
또한, 적층전지를 탑재한 시스템에서는, 상품성을 고려하면, 전지를 정격출력조건으로 운전하는 것뿐만 아니라, 전력수요에 따라 출력을 억제한 저부하운전이 가능할 것이 불가결하다. 저부하운전에서는, 효율을 유지하기 위해서, 연료가스나산화제가스의 이용율을 정격운전과 같은 조건으로 할 필요가 있다. 즉, 정격운전시에 대하여, 예를 들면 부하를 1/2로 억제한 경우, 연료가스나 산화제가스의 유량도 1/2 정도로 저감하지 않으면, 여분의 연료가스나 산화제가스를 사용하게 되기 때문에 발전효율이 저하한다. 그러나, 가스의 이용율을 일정하게 하여 저부하운전을 하면, 가스유로내의 가스유속이 저하하여, 응측수(凝縮水)나 생성수(生成水)를 세퍼레이터 외부로 배출할 수 없고, 상술한 바와 같은 플러딩현상이 발생하여, 전지성능이 저하하거나, 불안정하게 되거나 한다고 하는 문제가 있었다.
또한, 이러한 플러딩현상은, 가스유로에 중력에 거슬러 흐르는 부분이 존재하면, 그 부분에서 응축수나 생성수가 체류하여, 보다 발생하기 쉬워지는 것이 알려져 있다. 이 대책으로서는, 산화제가스 혹은 연료가스를 중력에 거스르지 않는 방향으로 흐르게 하는 방법이 제안되어 있다(일본 특허공개공보 평성 11-233126호 및 일본 특허공개공보 2001-068131호 참조). 이 방법에 의하면, 산화제가스 혹은 연료가스를 중력에 대하여 거스르지 않는 방향으로 흐르게 함에 따라, 응축수나 생성수의 배출을 부드럽게 하여, 플러딩의 발생을 억제할 수가 있다.
그런데, 일반적으로, 산화제가스 및 연료가스는, 셀 입구에서 출구를 향하여, 하류가 될수록 가스량이 감소하고 생성물이 증가하기 때문에, 상대습도가 상승한다. 또한, 상대습도가 100%를 넘는 경우에는, 응축수가 되어 수분량이 증가한다. 이에 대하여 냉각수는, 셀로의 입구부에서 가장 온도가 낮고, 출구부를 향함에 따라서 고온이 된다. 앞서도 설명한 바와 같이, 전지에의 공급가스는 상대습도100%에 가까운 가습상태로 공급되는 것이 필요하다. 통상, 이 냉각수는, 세퍼레이터의 반응가스가 흐르는 주면(主面)과 반대쪽의 주면(主面)에 흐르고, 그에 따라 세퍼레이터를 통해 발열하는 전극부가 냉각된다. 여기서, 만약에 냉각수를 반응가스와 서로 반대방향으로 흐르게 하면, 고온의 냉각수에 대하여 상대습도 100%까지 가습한 반응가스를 공급할 필요가 있다. 또한, 이 공급된 대량의 가습된 물은, 냉각수의 온도가 낮은 반응가스 하류부분에서는 모두 응축수가 되기 때문에, 물이 가득 차는 등에 의한 플러딩현상이 발생하기 쉽다. 더욱이, 실제의 코제너레이션 시스템에 있어서, 냉각수를 사용하여 공급가스의 가습을 행하는 경우에는, 냉각수의 출구온도와 같은 온도까지의 가습온도를 상승시키는 것은 불가능하다. 그 결과, 반응가스의 상대습도를 100%로 공급할 수 없기 때문에, 가스입구부에서 고분자 전해질막에 건조가 발생하여, 내구성이 악화한다고 하는 문제가 발생한다.
또한, 이 냉각수를 중력방향 위쪽에서 적층스택에 공급하여 아래방향으로 흐르게 하면, 냉각수가 중력에 따라서 냉각수의 입구 매니폴드구멍으로부터 각 냉각수 유로로 분기되기 때문에, 냉각수의 매니폴드구멍에의 입구배관에 가까운 쪽의 셀일수록 많이 냉각수가 흐르고, 냉각수의 등배성(等配性)이 악화한다. 특히, 부분부하 운전시에는, 발전반응에 의한 발열량이 저하하기 때문에, 전지의 온도를 일정하게 유지하기 위해서는 냉각수의 유량을 줄일 필요가 있어, 그에 따라 더욱 냉각수의 등배성이 악화한다고 하는 문제가 발생한다.
본 발명은 이러한 과제를 해결하는 것을 목적으로 하여 이루어졌다. 그리고 이 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 관한 고분자 전해질형 연료전지는, 수소이온 전도성의 고분자 전해질막과 상기 고분자 전해질막을 끼운 애노드 및 캐소드를 가진 MEA와, 정면이 상기 애노드에 접촉하도록 상기 MEA의 한쪽에 배치되어 상기 정면에 연료가스가 흐르는 연료가스 유로가 형성된 판형상의 애노드측 세퍼레이터와, 정면이 상기 캐소드에 접촉하도록 상기 MEA의 다른쪽에 배치되어 상기 정면에 산화제가스가 흐르는 산화제가스 유로가 형성된 판형상의 캐소드측 세퍼레이터를 가진 셀과, 복수의 상기 셀이 적층된 셀 스택과, 상기 셀 스택의 적어도 소정 셀의 상기 애노드측 세퍼레이터 및 캐소드측 세퍼레이터가 적어도 어느 하나의 배면에 형성된 냉각수가 흐르는 냉각수 유로를 구비하고, 상기 연료가스, 상기 산화제가스, 및 상기 냉각수가, 각각, 상기 연료가스 유로, 상기 산화제가스 유로, 및 상기 냉각수 유로에 있어서 중력에 거스르지 않도록 흐른다. 또, 연료가스, 산화제가스, 및 냉각수가, 매니폴드 부분에서 중력에 거슬러 흐르더라도 좋다.
상기 연료가스 유로, 상기 산화제가스 유로, 및 상기 냉각수 유로가, 각각, 하류를 향하여 수평 또는 내리막 기울기가 되도록 형성되어 있어도 좋다.
상기 연료가스 유로, 상기 산화제가스 유로, 및 상기 냉각수 유로의 적어도 어느 하나가, 수평인 부분과 연직인 부분으로 실질적으로 구성되어 있어도 좋다.
상기 캐소드측 세퍼레이터에 있어서, 상기 냉각수 유로의 입구의 근방부에 상기 산화제가스 유로의 상류부가 위치하고 있어도 좋다.
상기 애노드측 세퍼레이터에 있어서, 상기 냉각수 유로의 입구의 근방부에 상기 연료가스 유로의 상류부가 위치하고 있어도 좋다.
상기 캐소드측 세퍼레이터에 있어서, 두께 방향에서 보아, 상기 냉각수 유로와 상기 산화제가스 유로가 대략 전체적으로 겹치도록 형성되어 있어도 좋다.
상기 애노드측 세퍼레이터 또는 상기 캐소드측 세퍼레이터에 있어서, 상기 냉각수 유로에 냉각수를 공급하는 입구 매니폴드구멍이, 상기 세퍼레이터를 두께 방향으로 관통하고 또한 대향하는 안쪽둘레면의 국부적인 접근부로 이루어지는 조임부를 가지도록 설치되고, 상기 조임부의 한쪽에 위치하는 제 1 부분이 냉각수 공급배관에 연이어 통하고, 상기 조임부의 다른쪽에 위치하는 제 2 부분이 상기 냉각수 유로에 연이어 통하고 있어도 좋다.
상기 애노드측 세퍼레이터 또는 상기 캐소드측 세퍼레이터에 있어서, 상기 냉각수 유로에 냉각수를 공급하는 입구 매니폴드구멍이, 상기 세퍼레이터를 두께방향으로 관통하고 또한 안쪽둘레면의 하부에 둘레방향에 있어서의 단차를 가지도록 설치되고, 상기 단차의 아래에 위치하는 제 1 부분이 냉각수 공급배관에 연이어 통하고, 상기 단차의 위에 위치하는 제 2 부분이 상기 냉각수 유로에 연이어 통하고 있어도 좋다.
본 발명의 상기 목적, 다른 목적, 특징, 및 이점은 첨부한 도면을 참조하여 이하의 바람직한 실시형태의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명의 실시형태 1의 연료전지에 사용한 캐소드측 세퍼레이터의 정면도이다.
도 2는 마찬가지로 캐소드측 세퍼레이터의 배면도이다.
도 3은 본 발명의 실시형태 1의 연료전지에 사용한 애노드측 세퍼레이터의 정면도이다.
도 4는 마찬가지로 애노드측 세퍼레이터의 배면도이다.
도 5는 본 발명의 실시형태 2의 연료전지에 사용한 애노드측 세퍼레이터의 배면도이다.
도 6은 본 발명의 실시형태 3의 연료전지에 사용한 애노드측 세퍼레이터의 배면도이다.
도 7은 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1의 연료전지의 전류-전압특성을 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예 1 및 실시예 2의 연료전지의 셀번호와 셀전압과의 관계를 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예 1 및 실시예 2의 연료전지의 내구시험 후의 셀번호와 셀전압의 관계를 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예 2 및 실시예 3의 연료전지의 셀번호와 셀전압의 관계를 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예 2 및 실시예 3의 연료전지의 내구시험 후의 셀번호와 셀전압의 관계를 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시형태 1에 관한 고분자 전해질형 연료전지의 개략의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 13은 도 12의 XIII-XIII 평면에 따른 단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 셀 스택
2 : 셀
3A : 제 1 끝단판
3B : 제 2 끝단판
4 : 산화제가스 공급 매니폴드
5 : 연료가스 공급 매니폴드
6 : 연료가스 배출 매니폴드
7 : 산화제가스 배출 매니폴드
8 : 냉각수 공급 매니폴드
9 : 냉각수 배출 매니폴드
10 : 캐소드측 세퍼레이터
11, 21 : 산화제가스의 입구 매니폴드구멍
12, 22 : 연료가스의 입구 매니폴드구멍
13, 23 : 산화제가스의 출구 매니폴드구멍
14, 24 : 연료가스의 출구 매니폴드구멍
15, 25, 25A, 25B : 냉각수의 입구 매니폴드구멍
16, 26 : 냉각수의 출구 매니폴드구멍
17 : 산화제가스 유로
19, 29 : 냉각수 유로
20, 20A, 20B : 애노드측 세퍼레이터
28 : 연료가스 유로
30 : 냉각수 공급배관
31 : 냉각수 배출배관
32 : 조임부
제일 먼저 본 발명의 개념을 설명한다. 본건 발명자는, 산화제가스, 연료가스 및 냉각수의 전극의 연재면(延在面)과 평행한 면내에서의 흐름을 중력에 거스르지 않는 방향을 향하게 함으로써, 응축수의 부드러운 배출을 촉진하여, 플러딩현상에 대한 내성을 향상시키고, 또한, 가스입구 부분에서의 전해질막의 건조의 발생을억제하여, 연료전지의 내구성을 향상시킬 수 있다는 것을 발견하였다. 본 발명의 제 1 관점은 이 지견에 근거하여 이루어졌다.
또한, 본 발명의 제 2 관점에 의하면, 냉각수의 입구 매니폴드구멍에 조임부나 단차를 형성함에 따라, 냉각수의 분배성을 확보할 수가 있다.
연료전지 발전시스템의 상품성을 높이기 위해서는, 전력수요에 따른 연료전지의 부하를, 발전효율을 저하시키지 않고 변동할 수 있도록 하는 것이 요구된다. 그를 위해서는, 정격출력에 대하여 부하를 증대시키는 경우에는, 그것에 적절한 유량으로 연료가스 및 산화제가스의 유량을 증대시키고, 정격출력에 대하여 부하를 감소시키는 경우에는, 그것에 적절한 유량으로 연료가스 및 산화제가스의 유량을 감소시켜 운전할 필요가 있다. 통상적으로, 연료전지에 사용되는 도전성 세퍼레이터에 설치된 가스유로는, 정격출력에 있어서 가장 적합한 가스유속이 되도록 설계되어 있다. 따라서, 전력부하를 증대시킨 경우에는, 가스유량의 증대에 따라 유로의 가스유속이 증대하고, 전력부하를 감소시키는 경우에는, 가스유량의 감소에 따라 유로의 가스유속이 감소한다. 유로의 가스유속이 증대한 경우에는, 공급가스의 압력손실이 증대하기 때문에, 보조기계동력의 증대에 의해 발전효율이 약간은 저하하지만, 유로의 가스유속이 증대하기 때문에, 세퍼레이터의 가스유로내의 결로수나 생성수는 오히려 효율적으로 제거할 수 있고, 플러딩현상이 발생하는 일은 없다.
그러나, 전력부하를 감소시키는 경우에는, 가스유량의 감소에 따라 유로의 가스유속도 감소한다. 유로의 가스유속이 감소한 경우에는, 가스유속의 감소정도에 의해서, 세퍼레이터의 가스유로내의 결로수나 생성수를 효율적으로 제거하는 것이 곤란하게 되어, 플러딩현상이 발생한다. 이 때, 전력부하가 감소하였음에도 불구하고, 공급가스의 유량을 감소시키지 않으면, 발전출력에 대한 보조기계동력의 비율이 상대적으로 커져, 발전시스템전체에서의 발전효율이 저하한다. 또한, 이 때 연료전지의 온도를 일정하게 유지하기 위해서는, 냉각수의 유량도 전력부하의 증감에 맞추어 변화시킬 필요가 있고, 특히 저부하시에 냉각수의 유량을 줄인 경우에는, 냉각수의 등배성(等配性)이 손상된다.
본 발명은, 산화제가스 유로, 연료가스 유로 및 냉각수 유로의 모든 흐름을 중력에 거스르지 않는 방향으로 흐르게 함으로써, 응축수의 부드러운 배출을 촉진하여 플러딩을 방지하고, 또한 가스입구부에서의 전해질막의 건조를 해소하여, 내구성을 향상시킨다. 예를 들어, 최고부하 발전출력과 최저부하 발전출력의 비를 4대 1로 하는 경우, 가스의 이용율을 일정하게 하고 가스량을 저하시키면, 유속은 1/4이 된다. 종래의 세퍼레이터는, 가스유속이 저하하면, 응축수를 중력에 거슬러 배출할 수 없어, 플러딩현상이 발생하고 있었다. 이에 대하여, 본 발명에서는, 산화제가스 및 연료가스가 항상 중력에 거스르지 않는 방향으로 흐르기 때문에, 응축수의 부드러운 배출이 가능해져 플러딩이 발생하지 않는 것을 발견하였다. 또한, 세퍼레이터의 두께 방향에서 보아, 가장 상대습도가 낮아지는 가스 입구부분과 냉각수의 입구부분을 일치시킴에 따라, 전해질막의 건조를 해소할 수 있기 때문에, 내구성을 향상시킬 수 있는 것을 발견하였다.
또한, 냉각수의 입구 매니폴드구멍에 조임부를 형성함에 따라, 셀 스택에 공급된 냉각수를, 셀 스택내의 복수의 냉각수 유로에 분배할 때에, 냉각수의 등배성을 향상시킬 수 있는 것을 알 수 있다. 더욱이, 냉각수의 입구 매니폴드구멍으로부터 냉각수를 각 유로에 분배하기 위한 각 유로의 입구를, 냉각수의 입구 매니폴드구멍에 냉각수를 공급하는 위치보다도 중력방향에서 높게 위치시킴에 따라, 냉각수의 유량을 줄인 경우에 있어서도, 등배성을 확보하는 것이 가능하고, 보다 안정된 운전이 가능한 것을 발견하였다.
이하, 본 발명의 실시형태를, 도면을 참조하면서 설명한다.
≪실시형태 1≫
도 12는 본 발명의 실시형태 1에 관한 고분자 전해질형 연료전지(이하, 간단히 연료전지라고 한다)의 개략적인 구성을 나타내는 사시도, 도 13은 도 12의 XIII-XIII 평면에 따른 단면도이다.
도 12에 있어서는, 연료전지에 있어서의 상하방향을, 도면에서의 상하방향으로서 표시하고 있다. 한편, 이것은, 후술하는 도 1 내지 도 6에 있어서도 같다.
도 12에 도시한 바와 같이, 본 실시형태의 연료전지는 셀 스택(1)을 가지고 있다.
셀 스택(1)은, 판형상의 전체형상을 가진 셀(2)이 그 두께방향으로 적층되어 이루어지는 셀 적층체(101)와, 셀 적층체(101)의 양 끝단에 배치된 제 1 및 제 2 끝단판(3A, 3B)과, 셀 적층체(2)와 제 1 및 제 2 끝단판(3A, 3B)을 셀(2)의 적층방향에 있어서 체결하는 도시되지 않은 체결구를 가지고 있다. 또한, 제 1 및 제 2 끝단판(3A, 3B)에는 집전단자가 각각 배열설치되어 있지만 도시를 생략하고 있다.
판형상의 셀(2)은, 연직면에 평행하게 연재하고 있으며, 따라서, 셀(2)의 적층방향은 수평방향이 되고 있다.
셀 적층체(101)의 한쪽의 측부(이하, 제 1 측부라고 한다)의 상부에는, 해당 셀 적층체(101)를 적층방향으로 관통하도록 산화제가스 공급 매니폴드(4)가 형성되어 있다. 산화제가스 공급 매니폴드(4)의 일끝단은 제 1 끝단판(3A)에 형성된 관통구멍에 연이어 통하고, 이 관통구멍에 산화제가스공급 배관(51)이 접속되어 있다. 산화제가스 공급 매니폴드(4)의 다른 끝단은 제 2 끝단판(3B)에 의해서 폐쇄되어 있다. 또한, 셀 적층체(101)의 다른측부(이하, 제 2 측부)의 하부에는, 해당 셀 적층체(101)를 적층방향으로 관통하도록 산화제가스 배출 매니폴드(7)가 형성되어 있다. 산화제가스 공급 매니폴드(7)의 일끝단은 제 1 끝단판(3A)에 의해서 폐쇄되어 있다. 산화제가스 배출 매니폴드(7)의 다른 끝단은 제 2 끝단판(3B)에 형성된 관통구멍에 연이어 통하고, 이 관통구멍에 산화제가스배출 배관(52)이 접속되어 있다.
셀 적층체(101)의 제 2 측부의 상부에는, 해당 셀 적층체(101)를 적층방향으로 관통하도록 연료가스 공급 매니폴드(5)가 형성되어 있다. 연료가스 공급 매니폴드(5)의 일끝단은 제 1 끝단판(3A)에 형성된 관통구멍에 연이어 통하고, 이 관통구멍에 연료가스공급 배관(53)이 접속되어 있다. 연료가스 공급 매니폴드(5)의 다른 끝단은 제 2 끝단판(3B)에 의해서 폐쇄되어 있다. 또한, 셀 적층체(101)의 제 1 측부의 하부에는, 해당 셀 적층체(101)를 적층방향으로 관통하도록 연료가스 배출 매니폴드(6)가 형성되어 있다. 연료가스 배출 매니폴드(6)의 일끝단은 제 1 끝단판(3A)에 의해서 폐쇄되어 있다. 연료가스 공급 매니폴드(5)의 다른 끝단은 제2 끝단판(3B)에 형성된 관통구멍에 연이어 통하고, 이 관통구멍에 연료가스배출 배관(54)이 접속되어 있다.
산화제가스 공급 매니폴드(4)의 상부의 안쪽에는, 셀 적층체(101)를 적층방향으로 관통하도록 냉각수 공급 매니폴드(8)가 형성되어 있다. 냉각수 공급 매니폴드(8)의 일끝단은 제 1 끝단판(3A)에 형성된 관통구멍에 연이어 통하고, 이 관통구멍에 냉각수 공급배관(30)이 접속되어 있다. 냉각수 공급 매니폴드(8)의 다른 끝단은 제 2 끝단판(3B)에 의해서 폐쇄되어 있다. 또한, 산화제가스 배출 매니폴드(7)의 하부의 안쪽에는, 셀 적층체(101)를 적층방향으로 관통하도록 냉각수 배출 매니폴드(9)가 형성되어 있다. 냉각수 배출 매니폴드(9)의 일끝단은 제 1 끝단판 (3A)에 의해서 폐쇄되어 있다. 냉각수 배출 매니폴드(9)의 다른 끝단은 제 2 끝단판(3B)에 형성된 관통구멍에 연이어 통하고, 이 관통구멍에 냉각수 배출배관 (31)이 접속되어 있다. 냉각수 공급 매니폴드(8) 및 냉각수 배출 매니폴드(9)는, 여기서는, 수평방향으로 긴구멍형상(사각형의 대항하는 직선의 2변이 반원의 2변으로 치환된 형상)의 단면형상을 가지고 있다.
도 13에 도시한 바와 같이, 셀(2)은, 판형상의 MEA(43)와, MEA(43)의 양 주면(主面)에 접촉하도록 배치된 캐소드측 세퍼레이터(10) 및 애노드측 세퍼레이터 (20)로 구성되어 있다. 그리고, 서로 인접한 셀(2,2)에 있어서, 한쪽 셀(2)의 캐소드측 세퍼레이터(10)의 배면과 다른쪽 셀(2)의 애노드측 세퍼레이터(20)의 배면이 접촉하도록 하여, 셀(2)이 적층되어 있다. MEA(43), 캐소드측 세퍼레이터(10), 및 애노드측 세퍼레이터(20)는, 서로 같은 크기의 같은 형상(여기서는 사각형)으로형성되어 있다. 그리고, MEA(43), 캐소드측 세퍼레이터(10), 및 애노드측 세퍼레이터(20)에는, 서로 대응하는 소정 부분에, 이들을 두께 방향으로 관통하는, 산화제의 입구 매니폴드구멍, 산화제의 출구 매니폴드구멍, 연료의 입구 매니폴드구멍, 연료의 출구 매니폴드구멍, 냉각수의 입구 매니폴드구멍, 및 냉각수의 출구 매니폴드구멍이 형성되고, 모든 셀(2)에 있어서의 MEA(43), 캐소드측 세퍼레이터(10), 및 애노드측 세퍼레이터(20)의, 산화제의 입구 매니폴드구멍, 산화제의 출구 매니폴드구멍, 연료의 입구 매니폴드구멍, 연료의 출구 매니폴드구멍, 냉각수의 입구 매니폴드구멍, 및 냉각수의 출구 매니폴드구멍이, 각각 연결되고, 산화제의 공급 매니폴드(4), 산화제의 배출 매니폴드(7), 연료의 공급 매니폴드(5), 연료의 배출 매니폴드(6), 냉각수의 공급 매니폴드(8), 및 냉각수의 배출 매니폴드(7)가 각각 형성되어 있다.
캐소드측 세퍼레이터(10)의 정면 및 배면에는, 각각, 산화제가스 유로(17) 및 냉각수 유로(19)가 형성되어 있다. 산화제가스 유로(17)는 후술하는 바와 같이, 산화제가스의 입구 매니폴드구멍과 산화제가스의 출구 매니폴드구멍을 연락하도록 형성되고, 냉각수 유로(19)는 후술하는 바와 같이, 냉각수의 입구 매니폴드구멍과 냉각수의 출구 매니폴드구멍을 연락하도록 형성되어 있다. 그리고, 캐소드측 세퍼레이터(10)는, 정면이 MEA(43)에 접촉하도록 배치되어 있다.
애노드측 세퍼레이터(20)의 정면 및 배면에는, 각각, 연료가스 유로(28) 및 냉각수 유로(29)가 형성되어 있다. 연료가스 유로(19)는 후술하는 바와 같이, 연료가스의 입구 매니폴드구멍과 연료가스의 출구 매니폴드구멍을 연락하도록 형성되고, 냉각수 유로(29)는 후술하는 바와 같이, 냉각수의 입구 매니폴드구멍과 냉각수의 출구 매니폴드구멍을 연락하도록 형성되어 있다. 그리고, 애노드측 세퍼레이터(20)는, 정면이 MEA(43)에 접촉하도록 배치되어 있다.
각 유로(17,19,28,29)는 캐소드측 세퍼레이터(10) 또는 애노드측 세퍼레이터 (20)의 주면에 형성된 홈으로 구성되어 있다. 또한, 각 유로(17,19,28 ,29)는, 도 13에서는, 각각, 2개의 유로로 구성되어 있지만, 다수의 유로로 구성되어 있어도 좋다.
또한, 인접한 캐소드측 세퍼레이터(10)의 냉각수 유로(19)와 애노드측 세퍼레이터(20)의 냉각수 유로(29)는, 셀(2)이 적층되었을 때 서로 합쳐지도록(접합하도록) 형성되어 있고, 양자로 1개의 냉각수 유로가 형성되어 있다.
또한, 캐소드측 세퍼레이터(10)의 배면 및 애노드측 세퍼레이터(20)의 배면에는, 냉각수의 입구 매니폴드구멍 및 출구 매니폴드구멍 및 냉각수 유로와, 산화제의 입구 매니폴드구멍과, 산화제의 출구 매니폴드구멍과, 연료의 입구 매니폴드구멍과, 연료의 출구 매니폴드구멍을, 각각, 둘러싸도록 0링의 수용홈이 형성되고, 그 홈에 0링(47)이 각각 배치되어 있다. 이에 따라, 상기의 매니폴드구멍 등이 서로 시일되어 있다.
MEA(43)는, 고분자 전해질막(41)과, 캐소드(42A)와, 애노드(42B)와, 한 쌍의 가스켓(46)을 가지고 있다. 그리고, 고분자 전해질막(41)의 가장자리부 이외의 부분의 양면에 각각 캐소드(42A) 및 애노드(42B)가 형성되고, 고분자 전해질막(41)의 가장자리부의 양면에 캐소드(42A) 및 애노드(42B)를 각각 둘러싸도록 가스켓(46)이배치되어 있다. 한 쌍의 가스켓(46), 캐소드(42A), 애노드(42B), 및 고분자 전해질막(41)은 서로 일체화되어 있다.
또한, 캐소드(42A)와, 애노드(42B)와, 캐소드측 세퍼레이터(10)에 있어서의 산화제가스 유로(17)가 형성된 영역 및 냉각수 유로(19)가 형성된 영역과, 애노드측 세퍼레이터(20)에 있어서의 연료가스 유로(28)가 형성된 영역 및 냉각수 유로 (29)가 형성된 영역은, 셀(2)의 적층방향에서 보아 서로 실질적으로 전체적으로 겹치도록 배설되어 있다.
다음에, 캐소드측 세퍼레이터 및 애노드측 세퍼레이터에 대하여 자세히 설명한다.
도 1은 캐소드측 세퍼레이터의 정면도, 도 2는 그 배면도, 도 3은 애노드측 세퍼레이터의 정면도, 도 4는 그 배면도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 캐소드측 세퍼레이터(10)는, 산화제가스의 입구 매니폴드구멍(11) 및 출구 매니폴드구멍(13), 연료가스의 입구 매니폴드구멍(12) 및 출구 매니폴드구멍(14) 및 냉각수의 입구 매니폴드구멍(15) 및 출구 매니폴드구멍(16)을 가진다. 세퍼레이터(10)는, 더욱, 캐소드와 대향하는 면에, 매니폴드구멍(11)과 (13)을 연락하는 가스유로(17)를 가지며, 배면에는, 냉각수의 매니폴드구멍(15)과 (16)을 연락하는 유로(19)를 가진다.
도 1에 있어서, 산화제가스의 입구 매니폴드구멍(11)은 세퍼레이터(10)의 한쪽의 측부(도면 좌측의 측부: 이하, 제 1 측부라고 한다)의 상부에 설치되고, 출구 매니폴드구멍(13)은 세퍼레이터(10)의 다른쪽 측부(도면 오른쪽의 측부: 이하, 제2 측부라고 한다)의 하부에 설치된다. 연료가스의 입구 매니폴드구멍(12)은, 세퍼레이터(10)의 제 2 측부의 상부에 설치되고, 출구 매니폴드구멍(14)은 세퍼레이터 (10)의 제 1 측부의 하부에 설치된다. 냉각수의 입구 매니폴드구멍(15)은 산화제가스의 입구 매니폴드구멍(11)의 상부의 안쪽에 설치되고, 출구 매니폴드구멍(16)은 산화제가스의 출구 매니폴드구멍(13)의 하부의 안쪽에 설치된다. 냉각수 매니폴드구멍(15,16)은, 수평방향으로 긴구멍형상으로 형성되어 있다.
산화제가스 유로(17)는, 본 실시형태에서는 2개의 유로로 구성되어 있다. 물론, 임의의 수의 유로로 구성할 수가 있다. 각 유로는, 수평방향으로 이어지는 수평부(17a)와, 연직방향으로 이어지는 연직부(17b)로 실질적으로 구성되어 있다. 구체적으로는, 산화제가스 유로(17)의 각 유로는, 산화제가스의 입구 매니폴드구멍 (11)의 상부로부터 세퍼레이터(10)의 제 2 측부까지 수평으로 이어지고, 거기에서 아래쪽으로 임의의 거리 이어지고, 거기에서 수평으로 세퍼레이터(10)의 제 1 측부까지 수평으로 이어지며, 거기에서 아래쪽으로 임의의 거리 이어지고 있다. 그리고, 거기에서, 상기의 연재패턴을 2회 반복하여, 그 도달점에서 산화제가스의 출구 매니폴드구멍(13)의 하부에 도달하도록 수평으로 이어지고 있다. 그리고, 각 유로의 수평으로 이어지는 부분이 수평부(17a)를 형성하고, 아래쪽으로 이어지는 부분이 연직부(17b)를 형성하고 있다. 이에 따라, 산화제가스 유로(17)로서는, 산화제가스가, 수평부(17a)와 연직부(17b)를 교대로 통과하도록 하여 사행하면서 중력에 거슬러 흐르고, 그 결과, 플러딩이 억제된다.
또, 각 유로는, 여기서는 수평부(17a)와 연직부(17b)로 구성되어 있지만, 가스의 통과흐름방향을 향하여 수평 또는 내리막 기울기(수직을 포함한다)가 되도록 형성되어 있으면 좋다. 단, 각 유로를 수평부(17a)와 연직부(17b)로 구성하면, 산화제가스 유로(17)를 고밀도로 형성할 수가 있다.
도 2에 있어서, 냉각수 유로(19)는, 2개의 유로로 구성되어 있다. 각 유로는, 수평방향으로 이어지는 수평부(19a)와, 연직방향으로 이어지는 연직부(19b)로 실질적으로 구성되어 있다. 구체적으로는, 냉각수 유로(19)의 각 유로는, 냉각수의 입구 매니폴드구멍(15)의, 산화제가스의 입구 매니폴드구멍(11)에 가까운 쪽의 끝단부로부터 임의의 거리 아래쪽으로 이어지고, 거기에서, 세퍼레이터(10)의 제 2 측부(도면 좌측의 측부)까지 수평으로 이어지고, 거기에서 아래쪽으로 임의의 거리 이어지고, 거기에서 제 1 측부(도면 우측의 측부)까지 수평으로 이어지고 있다. 그리고, 거기에서, 상기의 연재패턴을 2회 반복하여, 그 도달점에서 냉각수의 출구 매니폴드구멍(16)의, 산화제가스의 출구 매니폴드구멍(13)에 가까운 쪽의 끝단부에 도달하도록 아래쪽으로 이어지고 있다. 그리고, 각 유로의 수평으로 이어지는 부분이 수평부(19a)를 형성하고, 아래쪽으로 이어지는 부분이 연직부(19b)를 형성하고 있다. 이에 따라, 냉각수 유로(19)에서는, 냉각수가, 수평부(19a)와 연직부 (19b)를 교대로 통과하도록 하여 사행하면서 중력에 거역하지 않고서 흐른다.
그리고, 여기서 중요한 것은, 이하의 점이다. 즉, 냉각수의 입구 매니폴드구멍(15)과 산화제가스의 입구 매니폴드구멍(11)이 근접하여 설치되고, 냉각수의 출구 매니폴드구멍(16)과 산화제가스의 출구 매니폴드구멍(13)이 근접하여 설치되며, 또한 세퍼레이터(10)의 두께방향에서 보아, 냉각수 유로(18)가 산화제가스 유로(17)와 실질적으로 겹치도록 형성되어 있고, 그 결과, 냉각수와 산화제가스가 세퍼레이터(10)를 사이에 두고 실질적으로 같은 방향으로 흐른다고 하는 점이다. 이와 같이 구성함으로써, 세퍼레이터(10)의 두께 방향에서 보아, 가장 상대습도가 낮아지는 산화제가스의 입구부분과 냉각수의 입구부분이 거의 일치하기 때문에, 고분자 전해질막의 건조를 해소할 수가 있고, 나아가서는 고분자 전해질막의 내구성을 향상시킬 수가 있다.
또, 각 유로는, 여기서는 수평부(19a)와 연직부(19b)로 실질적으로 구성되어 있지만, 냉각수의 통과흐름방향을 향하여 수평 또는 내리막 기울기가 되도록 형성되어 있으면 좋다. 단, 각 유로를 수평부(19a)와 연직부(19b)로 구성하면, 냉각수 유로(19)를 고밀도로 형성할 수가 있다.
애노드측 세퍼레이터(20)는, 산화제가스의 입구 매니폴드구멍(21) 및 출구 매니폴드구멍(23), 연료가스의 입구 매니폴드구멍(22) 및 출구 매니폴드구멍(24) 및 냉각수의 입구 매니폴드구멍(25) 및 출구 매니폴드구멍(26)을 가진다. 세퍼레이터(20)는, 더욱, 애노드와 대향하는 면에, 매니폴드구멍(22)와 (24)를 연락하는 가스 유로(28)를 가지며, 배면에는, 냉각수의 매니폴드구멍(25)와 (26)을 연락하는 유로(29)를 가진다.
도 3에 있어서, 산화제가스의 입구 매니폴드구멍(21)은 세퍼레이터(20)의 한쪽의 측부(도면 우측의 측부: 이하, 제 1 측부라고 한다)의 상부에 설치되고, 출구 매니폴드구멍(23)은 세퍼레이터(20)의 다른쪽 측부(도면좌측의 측부: 이하, 제 2 측부라고 한다)의 하부에 설치된다. 연료가스의 입구 매니폴드구멍(22)은, 세퍼레이터(20)의 제 2 측부의 상부에 설치되고, 출구 매니폴드구멍(24)은 세퍼레이터 (20)의 제 1 측부의 하부에 설치된다. 냉각수의 입구 매니폴드구멍(25)은 산화제가스의 입구 매니폴드구멍(21)의 상부의 안쪽에 설치되고, 출구 매니폴드구멍(26)은 산화제가스의 출구 매니폴드구멍(23)의 하부의 안쪽에 설치된다. 냉각수 매니폴드구멍(25,26)은, 수평방향으로 긴구멍형상으로 형성되어 있다.
연료가스 유로(28)는, 본 실시형태에서는 2개의 유로로 구성되어 있다. 각 유로는, 수평방향으로 이어지는 수평부(28a)와, 연직방향으로 이어지는 연직부 (28b)로 실질적으로 구성되어 있다. 구체적으로는, 연료가스 유로(28)의 각 유로는, 연료가스의 입구 매니폴드구멍(22)의 상부로부터 세퍼레이터(20)의 제 1 측부까지 수평으로 이어지고, 거기서 아래쪽으로 임의의 거리 및, 거기에서 수평으로 세퍼레이터(20)의 제 2 측부까지 수평으로 이어지고, 거기에서 아래쪽으로 임의의 거리 이어지고 있다. 그리고, 거기에서, 상기의 연재패턴을 2회 반복하여, 그 도달점에서 연료가스의 출구 매니폴드구멍(24)의 하부에 도달하도록 수평으로 이어지고 있다. 그리고, 각 유로의 수평으로 이어지는 부분이 수평부(28a)를 형성하고, 아래쪽으로 이어지는 부분이 연직부(28b)를 형성하고 있다. 이에 따라, 연료가스 유로(28)에서는, 연료가스가, 수평부(28a)와 연직부(28b)를 교대로 통과하도록 하여 사행하면서 중력에 거스르지 않고 흘러, 그 결과, 플러딩이 억제된다.
또, 각 유로는, 여기서는 수평부(28a)와 연직부(28b)로 실질적으로 구성되어 있지만, 가스의 통과흐름방향을 향하여 수평 또는 내리막 기울기(수직을 포함한다)가 되도록 형성되어 있으면 좋다. 단, 각 유로를 수평부(28a)와 연직부(28b)로 구성하면, 연료가스 유로(28)를 고밀도로 형성할 수가 있다.
도 4에 있어서, 냉각수 유로(29)는, 도 2의 캐소드측 세퍼레이터(10)의 배면에 형성된 냉각수 유로(19)와 도면에서의 좌우가 반대로 되도록 형성되어 있다. 즉, 각 유로는, 수평방향으로 이어지는 수평부(29a)와, 연직방향으로 이어지는 연직부(29b)로 실질적으로 구성되어 있다. 구체적으로는, 냉각수 유로(29)의 각 유로는, 냉각수의 입구 매니폴드구멍(25)의, 산화제가스의 입구 매니폴드구멍(21)에 가까운 쪽의 끝단부로부터 임의의 거리 아래쪽으로 이어지고, 거기에서, 세퍼레이터(20)의 제 2 측부(도면 우측의 측부)까지 수평으로 이어지고, 거기에서 아래쪽으로 임의의 거리 이어지고, 거기에서 제 1 측부(도면 좌측의 측부)까지 수평으로 이어지고 있다. 그리고, 거기에서, 상기의 연재패턴을 2회 반복하여, 그 도달점에서 냉각수의 출구 매니폴드구멍(26)의, 산화제가스의 출구 매니폴드구멍(23)에 가까운 쪽의 끝단부에 도달하도록 아래쪽으로 이어지고 있다. 그리고, 각 유로의 수평으로 이어지는 부분이 수평부(29a)를 형성하고, 아래쪽으로 이어지는 부분이 연직부(29b)를 형성하고 있다. 이에 따라, 냉각수 유로(29)에서는, 냉각수가, 수평부(29a)와 연직부(29b)를 교대로 통과하도록 하여 사행하면서 중력에 거스르지 않고 흐른다.
그리고, 여기서 중요한 점은, 이하의 점이다. 즉, 냉각수의 입구 매니폴드구멍(25)과 연료가스의 입구 매니폴드구멍(22)이 모두 세퍼레이터(20)의 상부에 설치되고, 냉각수의 출구 매니폴드구멍(26)과 연료가스의 출구 매니폴드구멍(24)이 모두 세퍼레이터(20)의 하부에 설치되며, 또한 세퍼레이터(20)의 두께 방향에서 보아, 냉각수 유로(29)가 연료가스 유로(28)와 실질적으로 겹치도록 형성되어 있고, 그 결과, 냉각수와 산화제가스는 수평방향에서는 세퍼레이터(20)를 사이에 두고 서로 반대방향으로 흐르지만, 연직방향에서는, 전체적으로는, 모두 위에서 아래로 같은 방향으로 흐른다고 하는 점이다. 이와 같이 구성함으로써, 가장 상대습도가 낮아지는 연료가스 유로(28)의 상류부분이, 세퍼레이터(20)의 연직방향에 있어서, 냉각수의 입구부분이 설치되고 가장 온도가 낮은 상부에 위치하기 때문에, 고분자 전해질막의 건조 해소에 기여하고, 나아가서는 고분자 전해질막의 내구성의 향상에 기여한다.
또, 각 유로는, 여기서는 수평부(29a)와 연직부(29b)로 실질적으로 구성되어 있지만, 냉각수의 통과흐름방향을 향하여 수평 또는 내리막 기울기가 되도록 형성되어 있으면 좋다. 단, 각 유로를 수평부(29a)와 연직부(29b)로 구성하면, 냉각수 유로(29)를 고밀도로 형성할 수가 있다.
이미 설명한 바와 같이, 상기의 캐소드측 세퍼레이터(10)와 애노드측 세퍼레이터(20)에 의해 MEA를 끼우는 것에 의해 셀이 구성된다. 따라서, 인접하는 셀 사이에는, 캐소드측 세퍼레이터(10)와 애노드측 세퍼레이터(20)가 그들 냉각수의 유로(19)와 (29)를 서로 향하게 하여 배치되어, 냉각부가 구성된다. 복수 셀마다 냉각부를 설치하는 경우는, 상기와 같은 복합 세퍼레이터 대신에, 한쪽 면이 캐소드측 세퍼레이터, 다른쪽 면이 애노드측 세퍼레이터로서 작용하는 단일의 세퍼레이터가 적절히 사용된다.
다음에, 이상과 같이 구성된 연료전지의 연료가스, 산화제가스, 및 냉각수의통과흐름 동작을 설명한다.
도 1 내지 도 6, 도 12, 및 도 14에 있어서, 연료가스는, 연료가스 공급배관 (43)을 통하여 셀 스택(1)의 연료가스 공급 매니폴드(5)에 공급된다. 이 공급된 연료가스는, 연료가스 공급 매니폴드(5)로부터, 각 셀(2)의 입구 매니폴드구멍(22)으로 유입하여, 연료가스 유로(28)를 흐른다. 그리고, 그 동안에, 애노드, 고분자 전해질막, 및 캐소드를 통해 산화제가스와 반응하여 소비되고, 소비되지 않은 연료가스가 오프가스로서 출구 매니폴드구멍(24)으로부터 연료가스 배출 매니폴드(6)로 유출하여, 연료가스 배출배관(44)을 통하여 셀 스택(1)으로부터 배출된다.
한편, 산화제가스는, 산화제가스 공급배관(41)을 통하여 셀 스택(1)의 산화제가스 공급 매니폴드(8)에 공급된다. 이 공급된 산화제가스는, 산화제가스 공급 매니폴드(4)로부터, 각 셀(2)의 입구 매니폴드구멍(11)에 유입하여, 산화제가스 유로(17)를 흐른다. 그리고, 그 동안에, 캐소드, 고분자 전해질막, 및 애노드를 통해 연료가스와 반응하여 소비되고, 소비되지 않은 산화제가스가 출구 매니폴드구멍 (13)으로부터 산화제가스 배출 매니폴드(7)에 유출하여, 산화제가스 배출배관(42)을 통하여 셀 스택(1)으로부터 배출된다.
또한, 냉각수는, 냉각수 공급배관(30)을 통하여 셀 스택(1)의 냉각수 공급 매니폴드(8)에 공급된다. 이 공급된 냉각수는, 냉각수 공급 매니폴드(8)로부터, 각 셀(2)의 입구 매니폴드구멍(15,25)에 유입하여, 냉각수 유로(19,29)를 흐른다. 그리고, 그 동안에, 캐소드측 세퍼레이터(10) 및 애노드측 세퍼레이터(20)를 통해 캐소드 및 애노드를 냉각함과 동시에 이들로부터 열을 회수하여, 출구 매니폴드구멍(16,26)으로부터 냉각수 배출 매니폴드(9)로 유출하여, 냉각수 배출배관(31)을 통하여 셀 스택(1)으로부터 배출된다.
그리고, 이 과정에서, 연료가스 및 산화제가스는, 각각, 연료가스 유로(28) 및 산화제가스 유로(17)를, 중력에 거스르지 않도록 흐르고, 그에 따라, 플러딩이 방지된다.
또한, 각 세퍼레이터(10,20)에 있어서, 냉각수의 입구 근방부에, 상대습도가 가장 낮아지는, 연료가스 유로(28) 또는 산화제가스 유로(17)의 상류부가 위치하고 있기 때문에, 고분자 전해질막의 건조가 방지된다.
≪실시형태 2≫
도 5는 본 발명의 실시형태 2에 관한 연료전지의 애노드측 세퍼레이터의 배면도이다. 도 5에 있어서, 도 4와 동일부호는 동일 또는 해당하는 부분을 나타낸다.
본 실시형태에서는, 도 12에 나타내는 실시형태 1의 셀 스택(1)에 있어서, 냉각수 공급 매니폴드(8)가, 도 5에 도시한 애노드측 세퍼레이터(20A)의 냉각수의 입구 매니폴드구멍(25A)과 같은 단면형상을 갖고 있다.
도 5에 도시한 바와 같이, 애노드측 세퍼레이터(20A)는, 냉각수의 입구 매니폴드구멍(25A)이, 조임부(32)에 의해서, 제 1 부분(31a)과 제 2 부분(31b)으로 구획되어 있다. 그리고, 도시되지 않지만, 캐소드측 세퍼레이터 및 MEA의 냉각수의 입구 매니폴드구멍도 이 애노드측 세퍼레이터(20A)의 냉각수의 입구 매니폴드구멍 (25A)과 같은 형상으로 형성되어 있다. 이 입구 매니폴드구멍(25A)의 제 1 부분(31a)은, 냉각수 공급배관(30)으로부터 냉각수 공급 매니폴드(8)로 공급되는 냉각수가 흐르는 부분이고, 제 2 부분(31b)은, 냉각수 유로(29)로 냉각수를 공급하는 부분이다. 본 실시형태는, 이 밖의 점은 실시형태 1과 같다.
도 12 및 도 5를 참조하면, 이상과 같이 구성된 본 실시형태의 연료전지에서는, 냉각수가, 냉각수 공급배관(30)으로부터 냉각수 공급 매니폴드(8)의, 입구 매니폴드구멍(25A)의 제 1 부분(31a)에 대응하는 부분에 공급된다. 그리고, 이 공급된 냉각수는, 셀 스택(1)의 적층방향으로 흐르면서 각 셀(2)에 분배된다. 여기서, 입구 매니폴드구멍(25A)에 조임부(32)가 없는 경우는, 중력의 영향에 의해서, 냉각수가 냉각수 공급배관(30)에 가까운 셀일수록 많이 흐르는 경향이 있다. 본 실시형태에서는, 조임부(32)의 효과에 의해서, 냉각수의 입구 매니폴드구멍(25A)에 공급되는 냉각수는, 한번 조임부(32)의 상류측, 즉 제 1 부분(31a)내에 충만하고 나서 제 2 부분(31b)을 경유하여 각 셀(2)의 냉각수 유로(29)에 공급된다. 그 때문에, 냉각수 공급배관(30)에 가장 가까운 셀(2)로부터 가장 먼 셀(2)까지 균등하게 냉각수를 분배하는 것이 가능해진다. 여기서, 조임부(32)의 냉각수가 통과하는 방향의 단면적은, 냉각수 유로(29)의 각 유로의 단면적의 합계치에 대하여 1∼10배의 범위로 설계하는 것이 바람직하다. 또, 조임부(32)의 냉각수가 통과하는 방향은, 도 5의 화살표 X의 방향, 즉, 셀(2)(나아가서는 세퍼레이터(20A))의 연재면내에서의 수평방향이다.
≪실시형태 3≫
도 6은 본 발명의 실시형태 3에 관한 연료전지의 애노드측 세퍼레이터의 배면도이다. 도 6에 있어서, 도 4와 동일부호는 동일 또는 해당하는 부분을 나타낸다.
본 실시형태에서는, 도 12에 도시한 실시형태 1의 셀 스택(1)에 있어서, 냉각수 공급 매니폴드(8)가, 도 6에 도시한 애노드측 세퍼레이터(20B)의 냉각수의 입구 매니폴드구멍(25B)과 같은 단면형상을 가지고 있다.
이 세퍼레이터(20B)에서는, 냉각수의 입구 매니폴드구멍(25B)이, 바닥이 깊은 제 1 부분(41a)과 바닥이 얕은 제 2 부분(41b)을 갖도록 바닥이 2단으로 구성되어 있다. 바꾸어 말하면, 입구 매니폴드구멍(25B)은, 안쪽둘레면의 하부에 둘레방향에 있어서의 단차(47c)를 가지며, 단차(47c)의 아래에 위치하는 제 1 부분(41a)과 단차(57c)의 위에 위치하는 제 2 부분(41b)을 갖도록 형성되어 있다. 그리고, 도시되지 않지만, 캐소드측 세퍼레이터 및 MEA의 냉각수의 입구 매니폴드구멍도 이 애노드측 세퍼레이터(20B)의 냉각수의 입구 매니폴드구멍(25B)과 같은 형상으로 형성되어 있다. 그리고, 이 입구 매니폴드구멍(25B)의 제 1 부분(41a)은, 냉각수 공급배관(30)으로부터 냉각수 공급 매니폴드(8)로 공급되는 냉각수가 흐르는 부분이고, 제 2 부분(41b)은, 냉각수 유로(29)로 냉각수를 공급하는 부분이다.
세퍼레이터(20B)에서는, 냉각수의 입구 매니폴드구멍(25B)에서 냉각수를 각 유로로 분배하기 위한 제 2 부분(41b)이, 냉각수 공급배관(30)으로부터 냉각수가 공급되는 제 1 부분(41a)보다도 연직방향에 있어서 높은 위치에 형성되어 있다. 냉각수의 입구 매니폴드구멍(25B)을 이러한 형상으로 함에 따라, 제 2 부분(41b)의 상류측인 제 1 부분(41a)에 충만한 냉각수는 제 2 부분(41b)에서 세퍼레이터(20B)의 연재면내에서의 수평방향으로 유속을 빠르게 하고, 그 유속을 유지하도록 하여 각 유로에 분배되기 때문에, 더욱 냉각수의 등배성을 향상할 수가 있다. 또한, 실시형태 2와 같이, 제 2 부분(31b)의 입구측에 단순히 조임부(32)를 설치하는 구성이면, 부분 부하운전시에 있어서 냉각수의 유량을 줄인 경우에는, 조임효과가 저하하여, 냉각수의 등배성이 악화할 위험이 있다. 그러나, 본 실시형태에서는, 하류측에 위치하는 제 2 부분(41b)의 바닥이 상류측에 위치하는 제 1 부분(41a)의 바닥보다 얕게 되어 있기 때문에, 냉각수의 유량이 적은 경우에도, 냉각수 공급배관 (30)으로부터 공급되는 냉각수는, 제 1 부분(41a)에 한번 고이고 나서, 냉각수 유로(29)의 각 유로에 연이어 통하는 제 2 부분(41b)으로 흘러가기 때문에, 등배성을 확보할 수 있다. 또한, 냉각수내에 이물질 등이 혼입한 경우에는, 이것이 제 1 부분(41a)에서 침전하기 때문에, 이것이 냉각수 유로(29)에 흘러 들어오는 것을 방지할 수 있고, 이물질 등에 의해 냉각수가 가득 차는 것을 방지할 수가 있다.
[실시예]
이하, 본 발명의 실시예를 설명한다.
≪실시예 1≫
아세틸렌블랙계 카본분말(전기화학 주식회사제 DENKA BLACK FX-35)에, 평균입자지름 약 30Å의 백금입자를 25중량% 담지시켰다. 이것을 캐소드의 촉매로 한다. 또한, 아세틸렌블랙계 카본분말(전기화학 주식회사제 DENKA BLACK FX-35)에, 평균입자지름 약 30Å의 백금-루테늄합금(Pt:Ru=1:1(중량비))입자를 25중량% 담지시켰다. 이것을 애노드의 촉매로 한다. 이들 촉매분말의 이소프로판올 분산액에,퍼플루오로카본술폰산분말의 에틸알콜 분산액(아사히가라스 주식회사제 Flemion FSS-1)을 혼합하여, 페이스트 상태로 하였다. 이들 페이스트를 원료로 하여 스크린인쇄법을 사용하여, 각각 두께 250㎛의 카본부직포(도오레 공업주식회사제 TGP-H-090)의 한쪽 면에 전극촉매층을 형성하였다. 이렇게 해서 형성된 전극의 촉매층에 포함되는 백금량은 0.3mg/cm2, 퍼플루오로카본술폰산의 양은 1.2mg/cm2로 하였다.
이들 전극은, 촉매재료 이외의 구성은 캐소드·애노드 모두 동일한 구성이다. 이들 전극을, 전극보다 한둘레 큰 면적을 가진 프로톤전도성 고분자 전해질막 (미국 듀퐁사제 NAFION 122)의 중심부의 양면에, 인쇄한 촉매층이 전해질막측에 접하도록 핫 프레스에 의해서 접합하였다. 또한, 전극의 바깥둘레에 노출하는 고분자 전해질막의 둘레가장자리부는, 두께 250㎛의 불소계 고무(아사히가라스 주식회사제 아프라스(등록상표))의 시트로 이루어지는 가스켓으로 끼워, 핫 프레스에 의해서 접합 일체화시켰다. 이렇게 해서, 전해질막 전극접합체(MEA)를 제작하였다. 프로톤전도성 고분자 전해질막으로서, 퍼플루오로카본술폰산을 30㎛의 두께로 박막화한 것을 사용하였다.
본 실시예에서는 실시형태 1에 나타내는 구조의 도전성 세퍼레이터를 사용하였다. 도면은 이 세퍼레이터를 적층한 연료전지가 실제 운전시에 설치된 상태로, 중력에 대하여 위가 되는 방향을 위쪽 방향으로 하고 있다. 이 도전성 세퍼레이터는, 두께 3mm의 등방성(等方性) 흑연판에 기계가공에 의해서 가스유로 및 매니폴드구멍을 형성하였다. 가스유로(17) 및 (28)의 홈의 폭은 2mm, 깊이는 1mm, 유로사이의 폭은 1mm으로 하여, 각각 2개 패스의 유로구성으로 하였다. 냉각수의 유로는 홈의 깊이를 0.5mm로 한 것 외에는 가스유로와 같다. 이 전지의 정격 운전조건은, 연료이용율 75%, 산소이용율 40%, 전류밀도 0.3A/cm2이다.
이상과 같은 캐소드측 세퍼레이터와 애노드측 세퍼레이터로 MEA를 끼운 셀을 50셀 적층하였다. 인접하는 셀 사이에는, 양 세퍼레이터판에 의해 냉각수의 유로가 형성된다. 이 셀 적층체를, 표면에 금도금한 동제 집전판과 폴리페닐렌설파이드제의 절연판을 통해 스텐레스강제의 끝단판으로 끼우고, 양 끝단판을 체결로드로 체결하였다. 체결압은 전극의 면적당 10kgf/cm2로 하였다. 또한, 운전시에는 도면에서 나타낸 세퍼레이터의 상부가 위가 되도록 적층전지를 설치하였다.
이와 같이 제작한 본 실시예의 연료전지를 70℃로 유지하고, 애노드에 70℃의 노점이 되도록 가습·가온한 연료가스(80% 수소가스/20% 이산화탄소/10ppm 일산화탄소)를, 캐소드에 70℃의 노점이 되도록 가습·가온한 공기를 각각 공급하였다. 이 전지를 정격의 25%의 저부하가 되는 전류밀도 0.075A/cm2로부터 정격부하가 되는 0.3A/cm2까지 전류밀도를 변화시켜 전류-전압특성을 평가하였다. 단, 시험중의 이용율은 정격조건과 동등하게 하였다. 그 결과를 도 7에 나타낸다. 도 7에는 비교예의 연료전지의 특성도 병기하였다. 비교예의 연료전지는, 냉각수의 입구·출구를 실시예 1과는 반대로 하고, 가스는 입구부에서 상대습도 100%로 가습되도록 하였다. 도면으로부터, 본 실시예의 연료전지에서는, 비교예의 연료전지가 가스유속의 저하에 의해서 플러딩을 발생하여 운전이 곤란하게 되어 있던 0.075A/cm2부근에서도, 플러딩을 발생시키지 않고, 안정된 운전을 할 수 있는 것을 알 수 있다. 본 실시예에서는, 냉각부를 각각 인접한 셀의 애노드측 세퍼레이터와 캐소드측 세퍼레이터의 사이에 설치하였지만, 냉각부를 복수셀마다 배치하여도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
≪실시예 2≫
본 실시예에서는, 실시형태 2에서 설명한 세퍼레이터를 사용하였다. 조임부 (32)의 냉각수가 통과하는 방향의 단면적은, 각 냉각면에 있어서의 냉각수의 유로의 단면적의 합계치에 대하여 1∼10배의 범위로 설계하였다. 본 실시예에서는, 냉각수의 유로 2개의 합계 단면적은 4평방mm이기 때문에, 조임부(32)의 단면적은 4∼ 40평방mm의 범위로 설계하였다.
이 연료전지를 실시예 1에 도시한 운전조건으로, 정격부하운전을 하였을 때의 각 셀의 전압을 측정하였다. 이 결과를 도 8에 도시한다. 도 8에는 실시예 1의 연료전지의 각 셀의 전압도 병기하였다. 여기서, 냉각수는 셀번호 1번측에서 공급되고, 매니폴드, 냉각수 유로를 통과하여, 셀번호 50번측으로 배출되는 구성으로 되어 있다. 실시예 1의 연료전지는, 냉각수의 입구측에서 전압값이 높고, 출구에 근접함에 따라서 저하하고 있는 것을 알 수 있다. 이것은, 냉각수의 유량이 불균일하게 되었기 때문에, 온도가 낮은 셀과 높은 셀이 생겼기 때문이다. 이에 대하여, 본 실시예의 연료전지에서는, 냉각수의 등배성이 향상하였기 때문에, 온도분포가 균일해져, 셀전압이 균일화되고 있는 것을 알 수 있다. 또한, 도 9는 이들 연료전지를 1000시간 운전한 후에 비교한 결과를 도시하고 있다. 도 9로부터, 실시예 1의 전지에서는, 냉각수의 출구부근의 셀전압의 열화(劣化)율이 큰 데 비하여, 본 실시예의 전지에서는, 모든 셀에 걸쳐 극단적인 열화가 보이지 않은 것을 알 수 있다. 셀전압의 열화는, 냉각수의 유량이 적어진 셀의 온도가 상승하여, 전해질막의 건조에 의한 열화가 발생하였기 때문이라고 생각된다. 따라서, 본 실시예에 의한 냉각수의 등배성의 향상이, 내구성 열화(劣化)의 억제에도 효과적인 것을 알 수 있다.
≪실시예 3≫
본 실시예에서는, 실시형태 3의 세퍼레이터를 사용하였다. 입구 매니폴드구멍(25B)의 유로에 연이어 통하는 부분(41b)의 입구측의 조임부의 단면적은, 실시예 2와 같은 방법으로 설계하였다.
이 연료전지를 실시예 1에 나타낸 운전조건으로, 정격의 1/4의 부하로 운전을 했을 때에, 냉각수를 정격유량의 1/4까지 줄였을 때의 각 셀의 전압을 측정하였다. 이 결과를 도 10에 도시한다. 도 10에는 실시예 2에서 도시한 연료전지의 각 셀의 전압도 병기하였다. 여기서, 냉각수는 셀번호 1번측에서 공급되고, 매니폴드, 냉각수 유로를 통과하여, 셀번호 50번으로 배출되는 구성으로 되어 있다. 도 10으로부터, 실시예 2 및 본 실시예의 전지 모두, 1/4 부하운전에 있어서도, 안정된 운전이 가능한 것을 알 수 있다. 또한, 실시예 2의 전지는, 냉각수의 유량을1/4까지 줄인 경우에는, 냉각수의 등배성이 악화하고, 약간이기는 하지만 셀마다의 전압불균형이 증대하는 경향에 있는 것을 알 수 있다. 이에 대하여, 본 실시예의 전지에서는, 냉각수의 유량이 저하했음에도 불구하고, 셀전압은 균일하게 유지되고 있는 것을 알 수 있다. 이것은, 입구 매니폴드구멍(25B)에서, 그 상류측의 제 1 부분(41a)에 냉각수가 한번 고이고 나서, 하류측의 제 2 부분(41b)을 경유하여 유로(29)에 공급되기 때문에, 냉각수량이 낮을 때의 등배성이 향상하였기 때문이라고 생각된다.
도 11은, 이들 전지를 저부하 운전조건하에서 1000시간 운전한 후에, 셀사이의 전압을 비교한 결과를 도시하고 있다. 도 11로부터, 실시예 2의 전지에서는, 냉각수의 출구부근의 셀전압의 열화율이 약간 큰 데 비하여, 본 실시예의 전지에서는, 셀전압의 저하율이 똑같은 것을 알 수 있다. 셀전압의 열화는, 냉각수의 유량이 적어진 셀의 온도가 상승하여, 전해질막의 건조에 의한 열화가 발생하였기 때문이라고 생각된다. 본 실시예에 의한 냉각수의 등배성의 향상이, 내구성의 열화의 억제에도 효과적인 것을 알 수 있다. 특히, 저부하운전시의 냉각수의 유량을 줄여 운전하는 시간이 긴 시스템에 대해서는, 본 실시예와 같은 매니폴드형상으로 하는 것이 효과적인 것을 알 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 의하면, 세퍼레이터에 있어서의 산화제가스, 연료가스, 및 냉각수의 모든 흐름을 중력에 거스르지 않는 방향으로 함으로써, 응축수의 부드러운 배출을 촉진하고, 저부하운전시에 있어서도 플러딩을 발생시키지 않고,고효율로 안정된 운전이 가능하며, 또한 가스 입구부에서의 전해질막의 건조를 해소하여, 내구성을 향상시키는 것이 가능하다.
또한, 냉각수의 입구 매니폴드구멍에 조임부를 설치함에 따라, 셀을 적층하였을 때에, 냉각수의 등배성을 향상시킬 수 있고, 셀 사이의 온도분포를 저감할 수 있기 때문에, 셀전압의 불균형을 낮게 억제할 수 있다. 더욱이, 온도가 높은 셀이 발생하지 않기 때문에, 내구성의 열화를 저감할 수 있다.
또한, 냉각수의 입구 매니폴드구멍으로부터 냉각수를 각 유로에 분배하기 위한 연통부의 접속부를, 냉각수의 입구 매니폴드구멍에 냉각수를 공급하는 위치보다도 중력방향에서 높은 위치로 함에 따라, 저부하운전시에 냉각수의 유량을 줄인 경우에 있어서도, 등배성을 확보할 수 있어, 온도분포의 증대에 의한 전압불균형의 증대를 억제할 수 있다.
상기 설명으로부터, 당업자에 있어서는, 본 발명의 많은 개량이나 다른 실시형태가 명백해졌다. 따라서, 상기 설명은, 예시로서만 해석되어야 하는 것이며, 본 발명을 실행하는 최선의 형태를 당업자에게 교시할 목적으로 제공된 것이다. 본 발명의 정신을 일탈하지 않고, 그 구조 및/또는 기능의 상세한 내용을 실질적으로 변경할 수 있다.

Claims (8)

  1. 수소이온 전도성의 고분자 전해질막과 상기 고분자 전해질막을 끼운 애노드 및 캐소드를 가진 MEA와, 정면이 상기 애노드에 접촉하도록 상기 MEA의 한쪽에 배치되어 상기 정면에 연료가스가 흐르는 연료가스 유로가 형성된 판형상의 애노드측 세퍼레이터와, 정면이 상기 캐소드에 접촉하도록 상기 MEA의 다른쪽에 배치되어 상기 정면에 산화제가스가 흐르는 산화제가스 유로가 형성된 판형상의 캐소드측 세퍼레이터를 가진 셀과,
    복수의 상기 셀이 적층된 셀 스택과,
    상기 셀 스택의 적어도 소정 셀의 상기 애노드측 세퍼레이터 및 캐소드측 세퍼레이터가 적어도 어느 하나의 배면에 형성된 냉각수가 흐르는 냉각수 유로를 구비하며,
    상기 연료가스, 상기 산화제가스, 및 상기 냉각수가, 각각, 상기 연료가스 유로, 상기 산화제가스 유로, 및 상기 냉각수 유로에 있어서 중력에 거스르지 않도록 흐르는 고분자 전해질형 연료전지.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 연료가스 유로, 상기 산화제가스 유로, 및 상기 냉각수 유로가, 각각, 하류를 향하여 수평 또는 내리막 기울기가 되도록 형성되어 있는 고분자 전해질형 연료전지.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 연료가스 유로, 상기 산화제가스 유로, 및 상기 냉각수 유로의 적어도 어느 하나가, 수평인 부분과 연직인 부분으로 실질적으로 구성되어 있는 고분자 전해질형 연료전지.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 캐소드측 세퍼레이터에 있어서, 상기 냉각수 유로의 입구의 근방부에 상기 산화제가스 유로의 상류부가 위치하고 있는 고분자 전해질형 연료전지.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 애노드측 세퍼레이터에 있어서, 상기 냉각수 유로의 입구의 근방부에 상기 연료가스 유로의 상류부가 위치하고 있는 고분자 전해질형 연료전지.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 캐소드측 세퍼레이터에 있어서, 두께 방향에서 보아, 상기 냉각수 유로와 상기 산화제가스 유로가 대략 전체적으로 겹치도록 형성되어 있는 고분자 전해질형 연료전지.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 애노드측 세퍼레이터 또는 상기 캐소드측 세퍼레이터에 있어서, 상기 냉각수 유로에 냉각수를 공급하는 입구 매니폴드구멍이, 상기 세퍼레이터를 두께 방향으로 관통하고 또한 대향하는 안쪽둘레면의 국부적인 접근부로 이루어지는 조임부를 가지도록 설치되며, 상기 조임부의 한쪽에 위치하는 제1 부분이 냉각수 공급배관에 연이어 통하고, 상기 조임부의 다른쪽에 위치하는 제 2 부분이 상기 냉각수 유로에 연이어 통하고 있는 고분자 전해질형 연료전지.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 애노드측 세퍼레이터 또는 상기 캐소드측 세퍼레이터에 있어서, 상기 냉각수 유로에 냉각수를 공급하는 입구 매니폴드구멍이, 상기 세퍼레이터를 두께 방향으로 관통하고 또한 안쪽둘레면의 하부에 둘레방향에 있어서의 단차를 가지도록 설치되고, 상기 단차의 아래에 위치하는 제 1 부분이 냉각수 공급배관에 연이어 통하고, 상기 단차의 위에 위치하는 제 2 부분이 상기 냉각수 유로에 연이어 통하고 있는 고분자 전해질형 연료전지.
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