KR20080080202A - 연료 전지 - Google Patents

Abstract

연료 전지 스택에서, 각각의 세퍼레이터는 애노드 대향 플레이트(42), 중간 플레이트(43) 및 캐소드 대향 플레이트(44)를 순차적으로 적층시켜 결합하여 형성된다. 애노드 대향 플레이트(42)는 그 플레이트 표면 상에 이차원적으로 분산되는 식으로 배열된 복수의 수소 공급 구멍(422i)을 갖는다. 이러한 장치는 애노드 또는 캐소드 중 한 쪽 표면 상에 다른 불순물이나 발전을 위한 전기화학 반응 과정에서 생성된 물의 국소적인 축적으로 인한 발전 용량의 감소를 효율적으로 방지한다.

연료 전지 스택, 애노드 대향 플레이트, 캐소드 대향 플레이트, 중간 플레이트, 공급 구멍, 전해질막, 세퍼레이터

Description

연료 전지 {FUEL CELLS}

본 발명은 연료 전지에 관한 것이고, 특히 프로톤 전도성 전해질막의 양면 상에 형성된 애노드 및 캐소드를 갖는 각각의 전지 적층체를, 세퍼레이터를 거쳐 복수 적층된 전지 적층체의 스택 구조를 가진 연료 전지에 관한 것이다.

산소와 수소의 전기화학 반응을 통해 전력을 발생시키는 연료 전지는 효율적인 에너지원으로 주목되고 있다. 일본 특허 공개 제2003-68318호에 개시된 바와 같이, 이러한 연료 전지의 하나의 전형적인 배치는 막 전극 조립체와 세퍼레이터가 교번식으로 배치되고 각각의 막 전극 조립체가 프로톤 전도성 전해질막의 양면 상에 형성된 캐소드(산소 전극)와 애노드(질소 전극)를 갖는 스택 구조이다(이하, 스택 구조의 연료 전극은 '연료 전지 스택'이라 언급하기로 한다).

연료 전지 스택에 사용되는 세퍼레이터의 구조에 대해 다양한 기술이 제안되고 있다. 예를 들어, 일본 특허 공개 제2004-6104호에 개시된 세퍼레이터의 하나의 제안된 구조는 애노드에 대향된 연료 가스 플레이트, 캐소드에 대향된 산화 가스 플레이트 및 연료 가스 플레이트와 산화 가스 플레이트 사이에 위치된 중간 플레이트를 포함한다. 이 제안된 기술에서, 각각의 플레이트는 연료 가스와 산화 가스를 연료 전지에 공급하고 연료 전지를 냉각시키기 위한 냉각 매체를 흐르게 하기 위한 구조 요소를 갖도록 설계된다. 연료 가스 및 산화 가스는 애노드의 전체 표면과 캐소드의 전체 표면에 대해 사실상 균일하게 공급되도록 애노드와 캐소드의 각각의 외주부의 특정 부분으로부터 애노드와 캐소드 안으로 주입된다.

연료 전지에서, 발전을 위한 산소와 수소의 전기화학 반응 과정에서 물이 생성된다. 생성된 물은 일반적으로 배기 가스와 함께 배출된다. 그러나, 몇몇 작업 조건에서, 생성된 물은 애노드의 표면 또는 캐소드의 표면 상에 국소적으로 축적되어 연료 가스(수소) 통로 또는 산화 가스(산소) 통로를 부분적으로 차단한다. 이러한 가스 통로의 차단은 바람직하지 않게 애노드의 전체 표면 또는 캐소드의 전체 표면에 걸쳐서 연료 가스 또는 산화 가스의 균일한 공급을 방해하고 연료 전지의 발전 성능을 저하시킬 수 있다. 발전 성능을 저하시키는 문제는 생성된 물의 국소적인 축적에 의해서만 야기되는 것이 아니라 또한 애노드의 표면 또는 캐소드의 표면 상에 발전을 위한 전기화학 반응에서 사용되지 않는 비반응 가스 성분(예를 들어, 산화 가스로써 사용되는 산소-함유 공기에 포함된 질소)의 국소적인 축적에 의해서도 야기된다.

연료 전지에서, 바람직한 발전 성능을 위해 전해질막을 습윤 상태로 유지하는 것이 필수적이다. 전해질막은 예를 들어, 반응 가스(연료 가스와 산화 가스)를 가습함으로써 습윤 상태가 유지되게 하고 있었다.

연료 전지에서 촉매 전극(애노드와 캐소드)의 외주부의 특정 부분으로부터 가습된 반응 가스를 공급하는 경우, 반응 가스는 촉매 전극의 전체 표면에 걸쳐 완전히 공급되지 않을 수 있다. 이는 전해질막의 일부 부위가 불충분하게 가습된다. 불충분한 가습은 전해질막을 국소적으로 건조하게 하고 연료 전지의 전지 성능을 저하시킬 수 있다.

따라서, 연료 전지 스택에서, 애노드의 표면 또는 캐소드의 표면 상에 발전을 위한 전기화학 반응의 과정에서 생성된 적어도 물의 국소적인 축적으로 인한 발전 성능의 저하를 방지할 필요가 있다. 또한, 전해질막이 연료 전지에서 국소적으로 건조되는 것을 방지할 필요가 있다.

본 발명은 상술된 과제의 적어도 일부와 다음의 구성에 의한 다른 관련된 과제를 해결한다. 일 태양에 따르면, 본 발명은 프로톤 전도성 전해질막의 양면에 각각 애노드 및 캐소드를 구비한 전지 적층체를, 세퍼레이터를 개재시켜서 복수 적층시킨 스택 구조를 갖는 연료 전지 스택에 관한 것이다. 세퍼레이터는 전지 적층체의 애노드에 대향하는 애노드 대향 플레이트와, 전지 적층체의 캐소드에 대향하는 캐소드 대향 플레이트를 구비한다. 애노드 대향 플레이트 및 캐소드 대향 플레이트의 적어도 한 쪽은 플레이트를 두께 방향으로 관통시키도록 형성되고 전지 적층체의 표면에 대하여 사실상 수직 방향으로 소정의 반응 가스를 각각의 전지 적층체의 표면에 공급하도록 배치된 복수의 반응 가스 공급 구멍을 구비한다. 복수의 반응 가스 공급 구멍은 애노드 대향 플레이트 및 캐소드 대향 플레이트 중 적어도 하나의 플레이트 표면 상에 이차원적으로 분산되는 식으로 배치된다.

'소정의 반응 가스'란 막 전극 조립체로 구성된 전지 적층체의 애노드와 캐소드에 각각 공급되는 연료 가스 및 산화 가스 양쪽을 가리킨다.

본 발명의 상기 태양에 따른 연료 전지 스택의 구조에서, 반응 가스는 복수의 반응 가스 공급 구멍을 통해 유입되고 각각의 전지 적층체의 표면에 또는 특히 각각의 막 전극 조립체의 애노드와 캐소드 중 적어도 한 쪽의 표면에 이차원적으로 분산되는 식으로 공급된다. 이러한 장치는 발전을 위한 전기화학 반응 과정에서 생성된 물이 애노드와 캐소드 중 적어도 한 쪽의 표면 상에 국소적으로 축적되는 것을 방지하고 각각의 가스 통로를 차단하는 것을 방지한다. 이 배치는 또한 발전용으로 사용되지 않는 잔류 가스가 애노드와 캐소드 중 적어도 한 쪽의 표면 상에 국소적으로 축적되는 것을 방지하고 각각의 가스 통로를 차단하는 것을 방지한다. 따라서, 이는 연료 전지 스택의 발전 용량의 감소를 방지한다.

본 발명의 상기 태양에 따른 연료 전지 스택의 바람직한 실시예에서, 세퍼레이터는 애노드 대향 플레이트와 캐소드 대향 플레이트 사이에 위치된 중간 플레이트를 더 포함한다. 중간 플레이트는 애노드 대향 플레이트, 중간 플레이트 및 캐소드 대향 플레이트의 순차적인 적층에 의해 분산되는 식으로 복수의 반응 가스 공급 구멍 안으로 반응 가스를 공급하는 반응 가스 공급 유동 통로를 한정하도록 형성된 반응 가스 공급 유동 채널을 구비한다.

본 발명의 상기 태양에 따른 연료 전지 스택에서, 형상, 개구 면적 및 복수의 반응 가스 공급 구멍의 레이아웃은 임의로 설정될 수 있다. 예를 들어, 복수의 반응 가스 공급 구멍은 애노드 대향 플레이트 및 캐소드 대향 플레이트 중 적어도 하나의 플레이트 표면 상의 전지 적층체의 발전 영역에 대응하는 특정 영역에 사실상 동일한 간격으로 배치될 수 있다.

이 배치는 전지 적층체의 애노드와 캐소드 중 적어도 하나의 전체 표면에 걸쳐서 반응 가스의 면내 분산을 효율적으로 균등화시키고 반응 가스의 이차원적으로 분산된 공급을 보장하여 효율적인 발전을 달성한다.

연료 전지 스택의 바람직한 구조에서, 복수의 반응 가스 공급 구멍은 반응 가스가 공급되는 반응 가스 공급 구멍이 반응 가스 공급 유동 통로의 더 하류일수록 넓은 개구 면적을 갖는 식으로 상이한 개구 면적을 갖는다.

반응 가스 공급 통로의 상류로부터 하류까지의 전체 면적에 걸쳐서 사실상 동일한 간격으로 사실상 동일한 개구 면적의 복수의 반응 가스 공급 구멍의 배치에서, 전지 적층체의 애노드와 캐소드 중 적어도 한 쪽의 표면에 공급되는 반응 가스의 압력은 반응 가스 공급 유동 통로의 하류일수록 낮다. 이 경우에, 단위 시간당 각각의 반응 가스 공급 구멍을 통해 공급되는 반응 가스의 유속은 반응 가스 공급 유동 통로의 하류일수록 낮다.

상기 바람직한 구조의 연료 전지 스택에서, 반응 가스 공급 구멍은 반응 가스 공급 유동 통로의 하류일수록 넓은 개구 면적을 갖도록 설계된다. 이러한 장치는 단위 시간당 각각의 반응 가스 공급 구멍을 통해 공급되는 반응 가스의 유속을 효율적으로 균등화시켜서 효율적인 발전을 가능하게 한다.

연료 전지 스택의 다른 바람직한 구조에서, 복수의 반응 가스 공급 구멍은 사실상 동일한 개구 면적을 갖고 반응 가스 공급 유동 통로의 하류일수록 반응 가스가 공급되는 반응 가스 공급 구멍이 고밀도로 형성되는 식으로 상이한 밀도로 배치된다.

이러한 장치는 반응 가스 공급 유동 통로의 하류측에 낮은 반응 가스 공급 압력의 경우에도 애노드와 캐소드 중 적어도 한 쪽의 표면에 대해서 공급되는 반응 가스의 유속의 면내 분산을 효율적으로 균등화시켜서 효율적인 발전을 가능하게 한다.

각각의 세퍼레이터에서 중간 플레이트를 포함하는 연료 전지 스택의 바람직한 적용예에서, 중간 플레이트는 애노드 대향 플레이트, 중간 플레이트 및 캐소드 대향 플레이트의 순차적인 적층에 의해 연료 전지를 냉각시키는 냉각 매체를 흐르게 하는 냉각 매체 유동 통로를 한정하도록 형성된 냉각 매체 유동 채널을 구비한다.

이 구조는 바람직하게 세퍼레이터의 전체 두께를 감소시켜서 별도의 부재에 형성된 냉각 매체 유동 통로를 가진 구조와 비교해서 연료 전지 스택을 소형화시킨다.

연료 전지 스택에서, 세퍼레이터는 반응 가스 공급 유동 채널과 냉각 매체 유동 채널이 복수의 중간 플레이트로 분리되어 구비된 복수의 중간 플레이트를 포함할 수 있다. 그러나, 단일의 중간 플레이트가 반응 가스 공급 유동 채널과 냉각 매체 유동 채널 양쪽을 갖는 것이 바람직하다.

이 구조는 바람직하게 세퍼레이터로서 부품의 전체 수를 감소시켜서 복수의 별도의 부재에 형성된 반응 가스 공급 유동 채널과 냉각 매체 유동 채널을 가진 구조와 비교하여 연료 전지 스택을 소형화한다.

각각의 세퍼레이터에 중간 플레이트를 포함하는 연료 전지 스택의 다른 바람직한 적용예에서, 복수의 반응 가스 공급 구멍을 갖는 캐소드 대향 플레이트와 애노드 대향 플레이트 중 적어도 한 쪽은 플레이트를 두께 방향으로 관통시키고 복수의 반응 가스 공급 구멍을 통해 공급되는 반응 가스에서 발전용으로 사용되지 않는 잔류 가스인 배기 가스를 전지 적층체의 표면에 수직 방향으로 배출하도록 형성된 배기 가스 배출구를 더 구비한다. 중간 플레이트는 애노드 대향 플레이트, 중간 플레이트 및 캐소드 대향 플레이트의 순차적인 적층에 의해 배기 가스 배출구로부터 연료 전지 스택 외부로 배기 가스를 배출하는 배기 가스 배출 유동 통로를 한정하도록 형성된 배기 가스 배출 유동 채널을 갖는다.

이러한 장치는 바람직하게 발전용으로 소비되지 않는 반응 가스의 잔류 부분과 발전용으로 사용되지 않는 반응 가스의 비반응 부분을 연료 전지 스택의 외부로 배출시킨다.

상기 적용예의 연료 전지 스택에서, 복수의 반응 가스 공급 구멍과 배기 가스 배출구는 애노드 대향 플레이트에 구비되고 배기 가스는 적어도 발전 중에 배기 가스 배출구로부터 연료 전지 스택 외부로 배출되지 않는 것이 바람직하다.

이러한 장치는 적어도 발전 중에 연료 전지 스택의 외부로 배출되지 않고 애노드에 공급되는 연료 가스가 발전을 위해 사실상 완전히 소비될 수 있다. 이는 연료 가스의 높은 이용 효율을 보장한다.

본 발명의 상기 태양에 따른 연료 전지 스택의 바람직한 실시예에서, 복수의 반응 가스 공급 구멍이 애노드 대향 플레이트에 구비되고, 복수의 반응 가스 공급 구멍을 통해 공급되는 반응 가스는 연료 전지 스택 외부로 배출되지 않고 발전용으로 사실상 완전히 사용된다. 이 실시예에서, 애노드 대향 플레이트는 복수의 반응 가스 공급 구멍을 갖지만 배기 가스 배출구는 없다.

이러한 장치는 애노드에 공급되는 연료 가스가 발전을 위해 완전히 소비되게 하여 연료 가스의 높은 이용 효율을 보장한다.

임의의 상술된 장치의 연료 전지 스택에서, 애노드 대향 플레이트, 캐소드 대향 플레이트 및 중간 플레이트는 바람직하게 모두 평판형 부재이다.

평판형 부재를 사용하는 것은 바람직하게 애노드 대향 플레이트, 캐소드 대향 플레이트 및 중간 플레이트의 가공을 용이하게 한다.

본 발명의 상기 태양에 따른 연료 전지 스택의 바람직한 구조에서, 각각의 전지 적층체는 캐소드측 면을 따르는 방향으로 반응 가스를 확산식으로 유동시키도록 전지 적층체의 적어도 캐소드측 상에 다공질 재료의 가스 확산층을 구비한다.

이러한 장치는 반응 가스가 적어도 캐소드의 전체 표면에 걸쳐서 효율적으로 확산되게 한다.

다른 태양에 따르면, 본 발명은 고체 고분자 재료로 이루어지는 전해질막의 양면에 각각 애노드 및 캐소드를 구비한 전지 적층체를, 세퍼레이터를 개재시켜서 복수 적층시킨 스택 구조를 갖는 고분자 전해질 연료 전지 스택에 관한 것이다. 세퍼레이터는, 전지 적층체의 애노드에 대향하는 애노드 대향 플레이트와, 전지 적층체의 캐소드에 대향하는 캐소드 대향 플레이트를 구비한다. 애노드 대향 플레이트 및 상기 캐소드 대향 플레이트의 적어도 한 쪽은 플레이트를 두께 방향으로 관통시키도록 형성되고 전지 적층체의 표면에 대하여 사실상 수직 방향으로 각각의 전지 적층체의 표면에 물을 공급하도록 배치된 복수의 물 공급 구멍을 구비한다. 복수의 물 공급 구멍은 애노드 대향 플레이트 및 캐소드 대향 플레이트 중 적어도 하나의 플레이트 표면 상에 이차원적으로 분산되는 식으로 배치된다.

본 발명의 상기 태양에 따른 연료 전지 스택에서, 각각의 전지 적층체의 표면 또는 특히 애노드와 캐소드의 적어도 한 쪽 표면에 이차원적으로 분산되는 식으로 물이 공급된다. 이 식으로 공급되는 물은 애노드 또는 캐소드를 가로질러 전해질막 안으로 관통된다. 이러한 장치는 전해질막이 국소적으로 건조되는 것을 효율적으로 방지하여 연료 전지 스택의 전지 성능의 저하를 방지한다.

본 발명의 상기 태양에 따른 연료 전지 스택의 바람직한 실시예에서, 세퍼레이터는 애노드 대향 플레이트와 상기 캐소드 대향 플레이트 사이에 위치된 중간 플레이트를 더 포함한다. 중간 플레이트는 애노드 대향 플레이트, 중간 플레이트 및 캐소드 대향 플레이트의 순차적인 적층에 의해 분산되는 식으로 복수의 물 공급 구멍 안으로 물을 공급하는 물 공급 유동 통로를 한정하도록 형성된 물 공급 유동 채널을 구비한다.

각각의 세퍼레이터에서 중간 플레이트를 포함하는 연료 전지 스택의 바람직한 적용예에서, 중간 플레이트는 애노드 대향 플레이트, 중간 플레이트 및 캐소드 대향 플레이트의 순차적인 적층에 의해 연료 전지를 냉각시키는 냉각 매체를 흐르게 하는 냉각 매체 유동 통로를 한정하도록 형성된 냉각 매체 유동 채널을 구비한다.

이 구조는 바람직하게 세퍼레이터의 전체 두께를 감소시켜서 별도의 부재에 형성된 냉각 매체 유동 통로를 가진 구조와 비교해서 연료 전지 스택을 소형화시킨다.

상기 적용예의 연료 전지 스택에서, 냉각 매체 유동 채널은 물 공급 유동 채널로서 작용할 수 있다. 이러한 장치는 세퍼레이터에서 냉각 매체 유동 채널과 물 공급 유동 채널을 별도로 형성할 필요가 없어서 바람직하게 세퍼레이터의 가공을 용이하게 한다.

각각의 세퍼레이터에서 중간 플레이트를 포함하는 연료 전지 스택의 다른 바람직한 적용예에서, 복수의 물 공급 구멍을 구비한 캐소드 대향 플레이트와 애노드 대향 플레이트 중 적어도 하나는 플레이트를 두께 방향으로 관통시키도록 형성되고 전지 적층체의 표면에 사실상 수직 방향으로 소정의 반응 가스를 전지 적층체의 표면에 공급하도록 배치된 복수의 반응 가스 공급 구멍을 더 구비한다. 중간 플레이트는 애노드 대향 플레이트, 중간 플레이트 및 캐소드 대향 플레이트의 순차적인 적층에 의해 분산되는 식으로 복수의 반응 가스 공급 구멍 안으로 반응 가스를 공급하는 반응 가스 공급 유동 통로를 한정하도록 형성된 반응 가스 공급 유동 채널을 구비한다. 복수의 반응 가스 공급 구멍이 애노드 대향 플레이트와 캐소드 대향 플레이트 중 적어도 하나의 플레이트 표면 상에 이차원적으로 분산되는 식으로 배치된다.

이러한 적용예의 연료 전지 스택에서, 반응 가스는 복수의 반응 가스 공급 구멍을 통해 유입되고 각각의 전지 적층체의 표면 또는 특히 애노드와 캐소드 중 적어도 한 쪽의 표면에 이차원적으로 분산되는 식으로 공급된다. 이러한 장치는 애노드 또는 캐소드의 전체 표면에 대해 반응 가스의 사실상 균일한 공급을 가능하게 하고 따라서 연료 전지 스택의 전지 성능의 저하를 방지한다.

상기 적용예의 연료 전지 스택의 바람직한 실시예에서, 복수의 물 공급 구멍 및 복수의 반응 가스 공급 구멍이 애노드 대향 플레이트에 구비되고 전지 적층체의 표면에 공급된 연료 가스가 고분자 전해질 연료 전지 스택 외부로 배출되지 않고 내부에 보유되어 발전이 실행된다. 이러한 장치는 애노드에 공급되는 연료 가스의 소비 효율을 효율적으로 향상시킨다.

본 발명의 상기 태양에 따른 연료 전지 스택에서, 형상, 개구 면적 및 복수의 물 공급 구멍의 레이아웃은 임의로 설정될 수 있다. 예를 들어, 복수의 물 공급 구멍이 애노드 대향 플레이트와 캐소드 대향 플레이트 중 적어도 하나의 플레이트 표면 상에 사실상 동일한 간격으로 배치될 수 있다.

이러한 장치는 전지 적층체의 애노드와 캐소드 중 적어도 하나의 전체 표면에 걸쳐서 물의 면내 분산을 효율적으로 균등화시키고 물의 이차원적으로 분산된 공급을 보장하여 효율적인 발전을 얻는다.

상술된 임의의 장치의 연료 전지 스택에서, 애노드 대향 플레이트, 캐소드 대향 플레이트 및 중간 플레이트는 바람직하게 모두 평판형 부재이다. 평판형 부재의 사용은 바람직하게 애노드 대향 플레이트, 캐소드 대향 플레이트 및 중간 플레이트의 가공을 용이하게 한다.

본 발명의 이러한 태양에 따른 연료 전지 스택에서, 복수의 물 공급 구멍이 애노드 대향 플레이트에 제공될 수 있다. 이러한 장치는 전해질막이 두께 방향으로 습윤 상태를 유지할 수 있게 한다.

본 발명은 상술된 연료 전지 스택에 제한되지 않고, 다양한 다른 적용예, 예를 들어, 연료 전지 스택을 제조하는 방법뿐 아니라 연료 전지 스택을 포함하는 연료 전지 시스템 및 연료 전지 스택에 이용되는 세퍼레이터에 의해 실행될 수 있다.

도1은 본 발명의 제1 실시예에서 연료 전지 스택(100)을 포함하는 연료 전지 시스템(1000)의 구조를 개략적으로 도시한다.

도2는 연료 전지 모듈(40)의 구성부품을 도시한 평면도이다.

도3은 MEA 유닛(45)의 MEA(451)를 도시한 단면도이다.

도4는 세퍼레이터(41)를 도시한 평면도이다.

도5는 연료 전지 모듈(40)의 단면 구조를 도시한다.

도6은 제2 실시예의 연료 전지 스택에서 연료 전지 모듈(40A)의 구성성분을 도시한 평면도이다.

도7은 세퍼레이터(41A)를 도시한 평면도이다.

도8은 연료 전지 모듈(40A)의 단면 구조를 도시한다.

도9는 제3 실시예의 연료 전지 스택(100B)을 포함한 연료 전지 시스템(1000B)의 구조를 개략적으로 도시한다.

도10은 제3 실시예의 연료 전지 스택(100B)에서 연료 전지 모듈(40B)의 구성성분을 도시한 평면도이다.

도11은 세퍼레이터(41B)를 도시한 평면도이다.

도12는 연료 전지 모듈(40B)의 단면 구조를 도시한다.

도13은 제4 실시예의 연료 전지 스택에서 연료 전지 모듈(40C)의 구성성분을 도시한 평면도이다.

도14는 세퍼레이터(41C)를 도시한 평면도이다.

도15는 연료 전지 모듈(40C)의 단면 구조를 도시한다.

도16은 하나의 변형된 예에서 연료 전지 시스템(1000D)의 구조를 개략적으로 도시한다.

도17은 제1 실시예의 애노드 대향 플레이트(42)의 변형된 예로써 애노드 대향 플레이트(42E, 42F, 42G)를 도시한 평면도이다.

도18은 제1 실시예의 연료 전지 모듈(40)의 변형된 예로서 연료 전지 모듈의 단면 구조를 도시한다.

도19는 본 발명의 제5 실시예에서 연료 전지 스택(100E)을 포함하는 연료 전지 시스템(1000E)의 구조를 개략적으로 도시한다.

도20은 제5 실시예의 연료 전지 스택(100E)에서 연료 전지 모듈(200)의 개략적 구조를 도시한 단면도이다.

도21은 도20의 연료 전지 모듈(200)의 선 A-A 상에서 취한 MEA 유닛(110)의 단면 구조를 도시한 평면도이다.

도22는 제5 실시예의 중간 플레이트(133)의 형상을 도시한다.

도23은 제5 실시예의 애노드 대향 플레이트(131)의 형상을 도시한다.

도24는 제5 실시예의 캐소드 대향 플레이트(132)의 형상을 도시한다.

도25는 본 발명의 제6 실시예의 연료 전지 스택(100F)을 포함하는 연료 전지 시스템(1000F)의 구조를 개략적으로 도시한다.

도26은 제6 실시예의 중간 플레이트(133A)의 형상을 도시한다.

도27은 제6 실시예의 애노드 대향 플레이트(131A)의 형상을 도시한다.

도28은 제6 실시예의 캐소드 대향 플레이트(132A)의 형상을 도시한다.

도29는 본 발명의 제7 실시예의 연료 전지 스택(100G)을 포함하는 연료 전지 시스템(1000G)의 구조를 개략적으로 도시한다.

A. 제1 실시예

A1. 연료 전지 시스템의 구조

도1은 본 발명의 제1 실시예에서 연료 전지의 스택 또는 연료 전지 스택(100)을 포함하는 연료 전지 시스템(1000)의 구조를 개략적으로 도시한다.

연료 전지 스택(100)은 세퍼레이터를 통해 적층된 복수의 전지 적층체의 스택 구조를 갖는다. 각각의 전지 적층체는 산소와 수소의 전기화학 반응을 통해 전기를 생성하고 후술되는 바와 같이 프로톤 전도성 전해질막을 사이에 두고 배치된 애노드와 캐소드를 갖는다. 고체 고분자막은 본 실시예에서 전해질막용으로 사용된다. 본 실시예의 세퍼레이터는 함께 적층되어 결합되고 각각 다층의 관통 구멍을 갖는 세 개의 평면 금속 플레이트로 구성된다. 세퍼레이터의 세 개의 금속 플레이트는 애노드에 공급되는 연료 가스로서 수소의 유동 통로, 캐소드에 공급되는 산화 가스로서 공기의 유동 통로 및 냉각수의 유동 통로를 형성한다. 연료 전지 스택(100)에 포함된 연료 적층체의 수는 연료 전지 스택(100)에 필요한 출력 요구에 따라서 임의로 설정된다.

연료 전지 스택(100)은 다층의 연료 전지 모듈(40)을 따라 한 쌍의 집전판(30), 한 쌍의 절연판(20) 및 한 쌍의 엔드 플레이트(10)를 차례로 외향으로 배치되어 구성된다. 연료 전지 스택(100)의 이러한 요소는 연료 전지 스택(100) 안으로 및 그로부터의 수소 유동, 산소 유동 및 냉각수 유동을 주입하고 배출하는 공급 구멍 및 배출구를 갖는다. 각각의 연료 전지 모듈(40)은 세퍼레이터(41)와, 애노드와 캐소드를 갖는 전해질막을 포함하는 막 전극 조립체(이후 MEA라 함) 유닛(45)을 포함한다. 연료 전지 모듈(40) 및 MEA 유닛(45)의 상세한 구조는 후술된다.

엔드 플레이트(10)는 강성을 제공하는 강철과 같은 금속으로 형성된다. 절연판(20)은 고무 또는 수지와 같은 절연 재료로 형성된다. 집전판(30)은 치밀한 카본 또는 구리와 같은 가스 비투과성 전도성 재료로 형성된다. 집전판(30)은 연료 전지 스택(100)에 발생된 전력을 출력하는 (도시되지 않은) 출력 단자를 갖는다.

상세히 도시되지는 않았지만, 스택 구조의 임의 위치에서 접촉 저항의 증가로 인한 전지 성능의 저하를 방지하고 스택 구조에서 임의 가스 누출을 방지하기 위해 스택 구조의 적층 방향으로 연료 전지 스택(100)에 압박력이 가해진다.

수소의 공급은 파이프(53)를 통해 고압 수소의 수소 탱크(50)로부터 주입되고 연료 전지 스택(100)의 애노드에 연료 가스로서 공급된다. 수소 탱크(50)를 사 용하는 대신에, 애노드에 공급되는 수소는 개시 재료로써 알콜, 탄화수소 또는 알데히드의 개질 반응에 의해 생성될 수 있다.

수소 탱크(50)에 저장된 고압 수소는 애노드에 공급되기 전에 유속과 압력이 조절 처리되는 수소 탱크(50)의 배출구에 제공된 셧 밸브(51)와 레귤레이터(52)를 통해 유동한다. 본 실시예의 연료 전지 시스템(1000)은 발전을 위해 연료 전지 스택(100)의 애노드에 공급되는 수소를 완전히 소비하고 연료 전지 스택(100)의 외측으로 애노드로부터의 배기 가스(이후, 애노드 오프 가스라 함)를 배출하는 배기 파이프를 구비하지 않도록 설계된다. 이러한 연료 전지 시스템(100)의 구조는 연료 가스의 효율적인 사용을 보장한다.

압축기(60)에 의해 압축된 공기는 파이프(61)를 통해 유동하고 연료 전지 스택(100)의 애노드에 산소 함유 산화 가스로서 공급된다. 캐소드로부터의 배기 가스(이후, 캐소드 오프 가스라 함)는 파이프(62)를 통해 연료 전지 스택(100)의 외측으로 배출된다. 연료 전지 스택(100)의 산소와 수소의 전기화학 반응을 통해 캐소드 상에 생성된 물은 파이프(62)를 통해 캐소드 오프 가스와 함께 배출된다.

냉각수의 유동 또한 연료 전지 스택(100)을 냉각시키도록 연료 전지 스택(100)에 공급된다. 냉각수는 펌프(70)에 의해 파이프(72)를 통해 유동되고 라디에이터(71)에 의해 냉각되어 연료 전지 스택(100)으로 공급된다.

A2. 연료 전지 모듈의 구조

도2는 연료 전지 모듈(40)의 구성부품을 도시한 평면도이다. 이전에 설명된 바와 같이, 연료 전지 모듈(40)은 세퍼레이터(41)와 MEA 유닛(45)을 적층함으로써 구성된다. 세퍼레이터(41)는 복수의 관통 구멍을 각각 가진 세 개의 평면 플레이트, 즉, 애노드 대향 플레이트(42), 중간 플레이트(43) 및 캐소드 대향 플레이트(44)를 이 순서로 적층하여 이러한 세 개의 플레이트 적층체를 차례로 핫프레스 접합함으로써 얻어진다. 본 실시예의 구조에서, 애노드 대향 플레이트(42), 중간 플레이트(43) 및 캐소드 대향 플레이트(44)는 동일한 직사각형 형상의 스테인리스 강철 평판이다. 애노드 대향 플레이트(42), 중간 플레이트(43) 및 캐소드 대향 플레이트(44)의 재료는 스테인리스 강철에 제한되지 않고 티타늄이나 알루미늄과 같은 다른 금속일 수 있다. 이러한 플레이트가 냉각수에 노출되기 때문에, 바람직하게 높은 내식성을 가진 금속이 이러한 플레이트의 재료로 사용된다.

도2a는 MEA 유닛(45)의 애노드면에 접촉되는 애노드 대향 플레이트(42)를 도시한 평면도이다. 도시된 바와 같이, 애노드 대향 플레이트(42)는 수소 공급용 관통 구멍(422a), 복수의 수소 공급 구멍(422i), 공기 공급용 관통 구멍(424a), 공기 배출용 관통 구멍(424b), 냉각수 공급용 관통 구멍(426a) 및 냉각수 배출용 관통 구멍(426b)을 갖는다. 본 실시예의 구조에서, 수소 공급용 관통 구멍(422a), 공기 공급용 관통 구멍(424a), 공기 배출용 관통 구멍(424b), 냉각수 공급용 관통 구멍(426a) 및 냉각수 배출용 관통 구멍(426b)은 사실상 직사각형의 형상이다. 이러한 관통 구멍의 형상, 크기 및 레이아웃은 임의로 특정될 수 있다. 복수의 수소 공급 구멍(422i)은 동일한 직경의 원형 구멍이다. 복수의 수소 공급 구멍(422i)은 MEA 유닛(45)에서 애노드의 전체 표면에 걸쳐서 수소 공급의 면내 분산을 균일하게 하기 위해 MEA 유닛(45)의 MEA(51)에 대향된 특정 영역에 이차원적으로 분산되어 사실상 동일한 간격으로 배치된다.

도2b는 MEA 유닛(45)의 캐소드면과 접촉된 캐소드 대향 플레이트(44)를 도시한 평면도이다. 도시된 바와 같이, 캐소드 대향 플레이트(44)는 수소 공급용 관통 구멍(442a), 공기 공급용 관통 구멍(444a), 복수의 공기 공급 구멍(444i), 복수의 공기 배출구(444o), 공기 배출용 관통 구멍(444b), 냉각수 공급용 관통 구멍(446a) 및 냉각수 배출용 관통 구멍(446b)을 구비한다. 애노드 대향 플레이트(42)에서와 같이, 수소 공급용 관통 구멍(442a), 공기 공급용 관통 구멍(444a), 공기 배출용 관통 구멍(444b), 냉각수 공급용 관통 구멍(446a) 및 냉각수 배출용 관통 구멍(446b)은 사실상 직사각형 형상이다. 복수의 공기 공급 구멍(444i) 및 복수의 공기 배출구(444o)는 동일한 직경의 원형 구멍이다. 복수의 공기 공급 구멍(444i)은 공기 공급용 관통 구멍(444a)에 근접한 MEA 유닛(45)의 캐소드의 외주부 안으로 공기를 유입하도록 배치된다. 복수의 공기 배출구(444o)는 공기 배출용 관통 구멍(444b)에 근접한 MEA 유닛(45)의 캐소드의 외주부로부터 캐소드 오프 가스를 배출하도록 배치된다.

도2c는 중간 플레이트(43)를 도시한 평면도이다. 도시된 바와 같이, 중간 플레이트(43)는 수소 공급용 관통 구멍(432a), 공기 공급용 관통 구멍(434a), 공기 배출용 관통 구멍(434b), 냉각수 공급용 관통 구멍(436a) 및 냉각수 배출용 관통 구멍(436b)을 구비한다. 애노드 대향 플레이트(42) 및 캐소드 대향 플레이트(44)에서와 같이, 수소 공급용 관통 구멍(432a), 공기 공급용 관통 구멍(434a), 공기 배출용 관통 구멍(434b), 냉각수 공급용 관통 구멍(436a) 및 냉각수 배출용 관통 구멍(436b)은 사실상 직사각형 형상이다. 수소 공급용 관통 구멍(432a)은 애노드 대향 플레이트(42)에 형성된 복수의 수소 공급 구멍(422i) 안으로 수소 공급용 관통 구멍(432a)으로부터 분배되는 식으로 수소의 유동을 허용하도록 복수의 수소 공급 유동 채널(432p)을 갖는다. 공기 공급용 관통 구멍(434a)은 캐소드 대향 플레이트(44)에 형성된 복수의 공기 공급 구멍(444i) 안으로 공기 공급용 관통 구멍(434a)으로부터 분배되는 식으로 공기의 유동을 허용하도록 복수의 공기 공급 유동 채널(434pi)을 갖는다. 공기 배출용 관통 구멍(434b)은 캐소드 대향 플레이트(44)에 형성된 복수의 공기 배출구(444o)로부터 공기 배출용 관통 구멍(434b)으로 집합적인 식으로 캐소드 오프 가스의 유동을 허용하도록 복수의 공기 배출 유동 채널(434po)을 갖는다. 도시된 바와 같이, MEA 유닛(45)의 전체 열생성 또는 발열 부위를 냉각시키도록, 냉각수 유동 채널(436p)은 냉각수 배출용 관통 구멍(436b)과 냉각수 공급용 관통 구멍(436a)이 연결되도록 사행식 레이아웃으로 형성되어 복수의 수소 공급 유동 채널(432p) 사이에서 냉각수가 사행식으로 유동하게 한다.

도2d는 MEA 유닛(45)의 캐소드면을 도시한 평면도이다. 도3은 MEA 유닛(45)의 MEA(451)를 도시한 단면도이다.

MEA 유닛(45)의 중심 영역에 배치된 MEA(451)는 도3에 도시된 바와 같이 전해질막(46)의 한 면(캐소드면) 상에 이 순서로 형성된 캐소드 촉매층(47c) 및 캐소드 확산층(48c)과, 전해질막(46)의 다른 면(애노드면) 상에 이 순서로 형성된 애노드 촉매층(47a) 및 애노드 확산층(48a)을 포함하는 막 전극 적층체이다. 본 실시예에서, 다공질 탄소는 애노드 확산층(48a) 및 캐소드 확산층(48c)용으로 사용된 다. 다공질 금속층(49)이 MEA 유닛(45)과 세퍼레이터(41)의 적층체에서 수소 유동과 공기 유동용의 가스 유동 통로층으로 작용하도록 MEA(451)의 양면 상에 더 형성된다. 캐소드 확산층(48c), 애노드 확산층(48a) 및 다공질 금속층(49)은 애노드와 캐소드의 전체 표면에 걸쳐서 가스 공급의 효율적인 확산을 보장한다. 가스 유동 통로층의 재료는 다공질 금속에 제한되지 않고 탄소와 같이 전기 전도성과 가스 확산성을 가진 임의의 다른 적절한 재료일 수 있다.

MEA 유닛(45)은 실리콘 고무 지지 프레임에 의해 보유되는 MEA(451)를 갖는다. 실리콘 고무 지지 프레임은 가스 비투과성, 탄성 및 내열성을 가진 다른 적절한 재료의 지지 프레임으로 대체될 수 있다. 상세히 설명되지 않지만, 지지 프레임은 MEA 유닛(45)과 세퍼레이터(41)의 적층체에서 냉각수와 가스의 누출을 방지하도록 일체식으로 형성된 밀봉 구조물을 갖는다. 지지 프레임은 예를 들어 사출 성형에 의해 형성될 수 있다.

도2d에 도시된 바와 같이, MEA 유닛(45)은 MEA(451)에 추가하여 지지 프레임에 형성된 수소 공급용 관통 구멍(452a), 공기 공급용 관통 구멍(454a), 공기 배출용 관통 구멍(454b), 냉각수 공급용 관통 구멍(456a) 및 냉각수 배출용 관통 구멍(456b)을 갖는다. 애노드 대향 플레이트(42), 캐소드 대향 플레이트(44) 및 중간 플레이트(43)에서와 같이, 수소 공급용 관통 구멍(452a), 공기 공급용 관통 구멍(454a), 공기 배출용 관통 구멍(454b), 냉각수 공급용 관통 구멍(456a) 및 냉각수 배출용 관통 구멍(456b)은 사실상 직사각형 형상이다.

도4는 세퍼레이터(41)를 도시한 평면도이다. 상술된 바와 같이, 세퍼레이 터(41)는 애노드 대향 플레이트(42), 중간 플레이트(43) 및 캐소드 대향 플레이트(44)의 스택 구조물을 갖도록 설계된다. 도4는 세퍼레이터(41)의 애노드 대향 플레이트(42)를 도시한다.

도면으로부터 명확히 이해되듯이, 수소 공급용 관통 구멍(422a), 수소 공급용 관통 구멍(432a) 및 수소 공급용 관통 구멍(442a)은 동일한 형상을 갖고 각각 애노드 대향 플레이트(42), 중간 플레이트(43) 및 캐소드 대향 플레이트(44)의 대응하는 위치에 형성된다. 유사하게 공기 공급용 관통 구멍(424a), 공기 공급용 관통 구멍(434a) 및 공기 공급용 관통 구멍(444a)은 동일한 형상을 갖고 각각 애노드 대향 플레이트(42), 중간 플레이트(43) 및 캐소드 대향 플레이트(44)의 대응하는 위치에 형성된다. 공기 배출용 관통 구멍(424b), 공기 배출용 관통 구멍(434b) 및 공기 배출용 관통 구멍(444b)은 동일한 형상을 갖고 각각 애노드 대향 플레이트(42), 중간 플레이트(43) 및 캐소드 대향 플레이트(44)의 대응하는 위치에 형성된다. 냉각수 공급용 관통 구멍(426a), 냉각수 공급용 관통 구멍(436a) 및 냉각수 공급용 관통 구멍(446a)은 동일한 형상을 갖고 각각 애노드 대향 플레이트(42), 중간 플레이트(43) 및 캐소드 대향 플레이트(44)의 대응하는 위치에 형성된다. 냉각수 배출용 관통 구멍(426b), 냉각수 배출용 관통 구멍(436b) 및 냉각수 배출용 관통 구멍(446b)은 동일한 형상을 갖고 각각 애노드 대향 플레이트(42), 중간 플레이트(43) 및 캐소드 대향 플레이트(44)의 대응하는 위치에 형성된다.

도5는 연료 전지 모듈(40)의 단면 구조를 도시한다. 도5a는 도4의 선 A-A 상에서 취한 단면도이고, 도5b는 도4의 선 B-B 상에서 취한 단면도이다.

MEA 유닛(45)에서 MEA(451)의 애노드 확산층(48a) 상에 형성된 다공질 금속층(49)은 MEA 유닛(45)과 세퍼레이터(41)의 적층체에서 세퍼레이터(41)의 애노드 대향 플레이트(42)와 접촉하도록 배치된다. MEA 유닛(45)에서 MEA(451)의 캐소드 확산층(48c) 상에 형성된 다공질 금속층(49)은 MEA 유닛(45)과 세퍼레이터(41)의 적층체에서 세퍼레이터(41)의 캐소드 대향 플레이트(44)와 접촉하도록 배치된다.

도5a의 화살표에 의해 도시된 바와 같이, 연료 전지 모듈(40)에서, 캐소드 대향 플레이트(44)의 수소 공급용 관통 구멍(442a), 중간 플레이트(43)의 수소 공급용 관통 구멍(432a), 애노드 대향 플레이트(42)의 수소 공급용 관통 구멍(422a)을 관통하는 수소는 복수의 수소 공급 유동 채널(432p)에 진입하기 위해 중간 플레이트(43)의 수소 공급용 관통 구멍(432a)으로부터 분기되어 애노드 대향 플레이트(42)와 애노드측 다공질 금속층(49)의 복수의 수소 공급 구멍(422i)을 통과하고 애노드 확산층(48a)의 전체 표면에 걸쳐 확산식으로 공급된다.

도5b의 화살표에 의해 도시된 바와 같이, 연료 전지 모듈(40)에서, 애노드 대향 플레이트(42)의 공기 공급용 관통 구멍(424a), 중간 플레이트(43)의 공기 공급용 관통 구멍(434a) 및 캐소드 대향 플레이트(44)의 공기 공급용 관통 구멍(444a)을 관통하는 공기는 복수의 공기 공급 유동 채널(434pi)에 진입하기 위해 중간 플레이트(43)의 공기 공급용 관통 구멍(434a)으로부터 분기되어 캐소드 대향 플레이트(44)의 복수의 공기 공급 구멍(444i)을 통과하고 캐소드측 다공질 금속층(49)의 표면에 수직인 방향으로 공급된다. 그 후, 공기는 다공질 금속층(49)과 캐소드 확산층(48c)을 통해 확산식으로 유동한다. 캐소드 오프 가스는 다공질 금 속층(49)의 표면에 수직인 방향으로 캐소드 대향 플레이트(44)의 복수의 공기 배출구(444o) 밖으로 유동되고 중간 플레이트(43)의 공기 배출용 관통 구멍(434b)과 복수의 공기 배출 유동 채널(434po)을 통과하고 애노드 대향 플레이트(42)의 공기 배출용 관통 구멍(424b)으로부터 배출된다.

상세히 설명되지는 않았지만, 애노드 대향 플레이트(42)의 냉각수 공급용 관통 구멍(426a), 중간 플레이트(43)의 냉각수 공급용 관통 구멍(436a) 및 캐소드 대향 플레이트(44)의 냉각수 공급용 관통 구멍(446a)을 관통하는 냉각수는 중간 플레이트(43)의 냉각수 공급용 관통 구멍(436a)으로부터 분기되어 냉각수 유동 채널(436p)을 통과하고 중간 플레이트(43)의 냉각수 배출용 관통 구멍(436b)으로부터 배출된다.

상술된 제1 실시예의 연료 전지 스택(100)에서, 수소는 사실상 동일한 간격으로 애노드 대향 플레이트(42)에 배치된 복수의 수소 공급 구멍(422i)을 통과하여 발전을 위해 애노드의 사실상 전체 표면에 걸쳐 이차원적으로 분산되도록 MEA(451)의 애노드면에 수직 방향으로 공급된다. 이러한 장치는 전기화학 반응 과정에서 생성되고 캐소드측으로부터 애노드측까지 전해질막(46)을 통해 투과되는 물이 애노드의 표면 상에 국소적으로 축적되어 수소 통로를 차단하는 것을 효율적으로 방지한다. 이러한 장치는 또한 질소와 발전을 위해 사용되지 않는 다른 비반응 가스 성분이 캐소드측으로부터 애노드측까지 투과되는 것을 방지하고, 애노드의 표면 상에 국소적으로 축적되어 수소 통로를 차단하는 것을 방지한다. 따라서 제1 실시예의 구조는 바람직하게 연료 전지 스택(100)의 발전 성능의 저하를 방지한다.

전술된 바와 같이, 제1 실시예의 연료 전지 스택(100)은 발전을 위해 연료 전지 스택(100)의 애노드에 공급되는 수소를 완전히 소비하도록 설계되고 연료 전지 스택(100)의 외측으로 애노드 오프 가스를 배출하는 배기 파이프를 구비하지 않는다. 이러한 설계의 종래 연료 전지 시스템에서, 질소와 발전용으로 사용되지 않은 다른 비반응 가스 성분은 애노드의 표면 상에 국소적으로 축적되어 연료 전지 스택의 발전 성능의 상당한 저하를 가져온다. 그러나, 제1 실시예의 연료 전지 시스템(1000)에서, 연료 전지 스택(100)은 질소와 발전용으로 사용되지 않은 다른 비반응 가스 성분이 애노드의 표면 상에 국소적으로 축적되는 것을 방지하여 바람직하게 연료 전지 스택(100)의 발전 성능의 저하를 방지한다.

본 실시예의 구조에서, 냉각수 유동 채널(436p)은 중간 플레이트(43)에 형성된다. 이러한 구조는 바람직하게 세퍼레이터의 전체 두께를 감소시켜서 별도의 부재에 형성된 냉각수 유동 채널을 가진 구조와 비교해서 연료 전지 스택을 소형화시킨다.

수소 공급 유동 채널(432p), 공기 공급 유동 채널(434pi), 공기 배출 유동 채널(434po) 및 냉각수 유동 채널(436p)은 단일의 중간 플레이트(43)에 형성된다. 이 구조는 바람직하게 복수의 별도의 부재에 형성된 냉각수 유동 채널과 가스 유동 채널을 가진 구조와 비교해서 세퍼레이터를 구성하는 부품의 전체수를 감소시킨다.

B. 제2 실시예

제2 실시예의 연료 전지 시스템은 제1 실시예의 연료 전지 스택(100)과 다른 연료 전지 스택을 제외하고 제1 실시예의 연료 전지 시스템(1000)의 구조와 유사한 구조를 갖는다. 따라서, 다음의 설명은 제2 실시예의 연료 전지 스택의 구조에 관한 것이다.

도6은 제2 실시예의 연료 전지 스택에서 연료 전지 모듈(40A)의 구성부품를 도시한 평면도이다. 제1 실시예의 연료 전지 모듈(40)과 유사하게, 제2 실시예의 연료 전지 모듈(40A)은 세퍼레이터(41A)와 MEA 유닛(45A)을 적층하여 구성된다. 세퍼레이터(41A)는 애노드 대향 플레이트(42A), 중간 플레이트(43A) 및 캐소드 대향 플레이트(44A)를 이 순서로 적층하여 이러한 세 개의 플레이트를 고열 가압하여 얻어진다. 본 실시예의 구조에서, 애노드 대향 플레이트(42A), 중간 플레이트(43A) 및 캐소드 대향 플레이트(44A)는 동일한 직사각형 형상의 스테인리스 강철이다.

제1 실시예와 제2 실시예의 구조적 차이는 애노드 대향 플레이트(42A)의 복수의 수소 공급 구멍의 이차원적으로 분산된 배치에 추가하여 캐소드 대향 플레이트(44A)의 복수의 공기 공급 구멍의 이차원적으로 분산된 배치를 포함한다.

도6a는 MEA 유닛(45A)의 애노드면과 접촉하는 애노드 대향 플레이트(42A)를 도시한 평면도이다. 도시된 바와 같이, 애노드 대향 플레이트(42A)는 수소 공급용 관통 구멍(422Aa), 복수의 수소 공급 구멍(422Ai), 공기 공급용 관통 구멍(424Aa), 공기 배출용 관통 구멍(424Ab), 냉각수 공급용 관통 구멍(426Aa), 냉각수 배출용 관통 구멍(426Ab)을 갖는다. 본 실시예의 구조에서, 수소 공급용 관통 구멍(422Aa), 공기 공급용 관통 구멍(424Aa), 공기 배출용 관통 구멍(424Ab), 냉각수 공급용 관통 구멍(426Aa) 및 냉각수 배출용 관통 구멍(426Ab)은 사실상 직사각형 형상이다. 복수의 수소 공급 구멍(422Ai)은 동일한 직경의 원형 구멍이다. 제1 실시예의 구조에서와 같이, 복수의 수소 공급 구멍(422Ai)은 MEA 유닛(45A)의 애노드의 전체 표면에 걸쳐서 수소 공급의 면내 분산을 균일하게 하기 위해 이차원적으로 분산되어 MEA 유닛(45A)의 MEA(451)에 대향된 특정 영역에 사실상 동일한 간격으로 배치된다.

도6b는 MEA 유닛(45A)의 캐소드면과 접촉하는 캐소드 대향 플레이트(44A)를 도시한 평면도이다. 도시된 바와 같이, 캐소드 대향 플레이트(44A)는 수소 공급용 관통 구멍(442Aa), 공기 공급용 관통 구멍(444Aa), 복수의 공기 공급 구멍(444Ai), 복수의 공기 배출구(444Ao), 공기 배출용 관통 구멍(444Ab), 냉각수 공급용 관통 구멍(446Aa) 및 냉각수 배출용 관통 구멍(446Ab)을 갖는다. 애노드 대향 플레이트(42A)에서와 같이, 수소 공급용 관통 구멍(442Aa), 공기 공급용 관통 구멍(444Aa), 공기 배출용 관통 구멍(444Ab), 냉각수 공급용 관통 구멍(446Aa) 및 냉각수 배출용 관통 구멍(446Ab)은 사실상 직사각형 형상이다. 복수의 공기 공급 구멍(444Ai) 및 복수의 공기 배출구(444Ao)는 동일한 직경의 원형 구멍이다. 제1 실시예의 구조와 다르게, 복수의 공기 공급 구멍(444Ai)은 MEA 유닛(45A)에서 캐소드의 전체 표면에 걸쳐서 공기 공급의 면내 분산을 균일하게 하기 위해 이차원적으로 분산되어 MEA 유닛(45A)의 MEA(451)에 대향된 특정 영역에 사실상 동일한 간격으로 배치된다. 복수의 공기 배출구(444Ao)는 공기 배출용 관통 구멍(444Ab)에 근접한 MEA 유닛(45A)의 캐소드의 외주부로부터 캐소드 오프 가스를 배출하도록 배치된다.

도6c는 중간 플레이트(43A)를 도시한 평면도이다. 도시된 바와 같이, 중간 플레이트(43A)는 수소 공급용 관통 구멍(432Aa), 공기 공급용 관통 구멍(434Aa), 공기 배출용 관통 구멍(434Ab), 냉각수 공급용 관통 구멍(436Aa) 및 냉각수 배출용 관통 구멍(436Ab)을 갖는다. 애노드 대향 플레이트(42A) 및 캐소드 대향 플레이트(44A)에서와 같이, 수소 공급용 관통 구멍(432Aa), 공기 공급용 관통 구멍(434Aa), 공기 배출용 관통 구멍(434Ab), 냉각수 공급용 관통 구멍(436Aa) 및 냉각수 배출용 관통 구멍(436Ab)은 사실상 직사각형 형상이다. 수소 공급용 관통 구멍(432Aa)은 애노드 대향 플레이트(42A)에 형성된 복수의 수소 공급 구멍(424Ai) 안으로 수소 공급용 관통 구멍(432Aa)으로부터 분산되는 식으로 수소를 흐르게 하기 위해 복수의 수소 공급 유동 채널(432Ap)을 갖는다. 공기 공급용 관통 구멍(434Aa)은 캐소드 대향 플레이트(44A)에 형성된 복수의 공기 공급 구멍(444Ai) 안으로 공기 공급용 관통 구멍(434Aa)으로부터 분산되는 식으로 공기를 흐르게 하도록 복수의 공기 공급 유동 채널(434Api)을 갖는다. 공기 배출용 관통 구멍(434Ab)은 캐소드 대향 플레이트(44A)에 형성된 복수의 공기 배출구(444Ao)로부터 공기 배출용 관통 구멍(434Ab)으로 집합적인 식으로 캐소드 오프 가스를 흐르게 하도록 복수의 공기 배출 유동 채널(434Apo)을 갖는다. 도시된 바와 같이, MEA 유닛(45A)의 전체 열생성 또는 발열 부위를 냉각시키기 위해, 냉각수 유동 채널(436Ap)은 냉각수 배출용 관통 구멍(436Ab)과 냉각수 공급용 관통 구멍(436Aa)을 연결하도록 사행식 레이아웃으로 형성되어 복수의 수소 공급 유동 채널(432Ap)과 복수의 공기 공급 유동 채널(434Api) 사이에서 냉각수가 사행식으로 유동하게 한다.

도6d는 MEA 유닛(45A)의 캐소드면을 도시한 평면도이다. 도시된 바와 같이, MEA 유닛(45A)은 MEA(451)에 더하여 지지 프레임에 형성된 수소 공급용 관통 구멍(452Aa), 공기 공급용 관통 구멍(454Aa), 공기 배출용 관통 구멍(454Ab), 냉각수 공급용 관통 구멍(456Aa) 및 냉각수 배출용 관통 구멍(456Ab)을 갖는다. 애노드 대향 플레이트(42A), 캐소드 대향 플레이트(44A) 및 중간 플레이트(43A)에서와 같이, 수소 공급용 관통 구멍(452Aa), 공기 공급용 관통 구멍(454Aa), 공기 배출용 관통 구멍(454Ab), 냉각수 공급용 관통 구멍(456Aa) 및 냉각수 배출용 관통 구멍(456Ab)은 사실상 직사각형 형상이다. 제2 실시예의 MEA 유닛(45A)의 다른 구조 요소는 제1 실시예의 MEA 유닛(45A)의 구조와 동일하다.

도7은 세퍼레이터(41A)를 도시한 평면도이다. 제1 실시예의 세퍼레이터(41)와 유사하게, 세퍼레이터(41A)는 애노드 대향 플레이트(42A), 중간 플레이트(43A) 및 캐소드 대향 플레이트(44A)의 스택 구조를 갖도록 설계된다. 도7은 세퍼레이터(41A)의 애노드 대향 플레이트(42A)를 도시한다.

도면으로부터 명확하게 이해되듯이, 수소 공급용 관통 구멍(422Aa), 수소 공급용 관통 구멍(432Aa) 및 수소 공급용 관통 구멍(442Aa)은 동일한 형상을 갖고 애노드 대향 플레이트(42A), 중간 플레이트(43A) 및 캐소드 대향 플레이트(44A)의 대응하는 위치에 각각 형성된다. 유사하게, 공기 공급용 관통 구멍(424Aa), 공기 공급용 관통 구멍(434Aa) 및 공기 공급용 관통 구멍(444Aa)은 동일한 형상을 갖고 애노드 대향 플레이트(42A), 중간 플레이트(43A) 및 캐소드 대향 플레이트(44A)의 대응하는 위치에 각각 형성된다. 공기 배출용 관통 구멍(424Ab), 공기 배출용 관통 구멍(434Ab) 및 공기 배출용 관통 구멍(444Ab)은 동일한 형상을 갖고 애노드 대향 플레이트(42A), 중간 플레이트(43A) 및 캐소드 대향 플레이트(44A)의 대응하는 위치에 각각 형성된다. 냉각수 공급용 관통 구멍(426Aa), 냉각수 공급용 관통 구멍(436Aa) 및 냉각수 공급용 관통 구멍(446Aa)은 동일한 형상을 갖고 애노드 대향 플레이트(42A), 중간 플레이트(43A) 및 캐소드 대향 플레이트(44A)의 대응하는 위치에 각각 형성된다. 냉각수 배출용 관통 구멍(426Ab), 냉각수 배출용 관통 구멍(436Ab) 및 냉각수 배출용 관통 구멍(446Ab)은 동일한 형상을 갖고 애노드 대향 플레이트(42A), 중간 플레이트(43A) 및 캐소드 대향 플레이트(44A)의 대응하는 위치에 각각 형성된다.

도8은 연료 전지 모듈(40A)의 단면 구조를 도시한다. 도8a는 도7의 선 A-A 상에서 취한 단면도이고, 도8b는 도7의 선 B-B 상에서 취한 단면도이고, 도8c는 도7의 선 C-C 상에서 취한 단면도이다.

도7 및 도8로부터 명확하게 이해되듯이, 연료 전지 모듈(40A)에서, 캐소드 대향 플레이트(44A)의 수소 공급용 관통 구멍(442Aa), 중간 플레이트(43A)의 수소 공급용 관통 구멍(432Aa) 및 애노드 대향 플레이트(42A)의 수소 공급용 관통 구멍(422Aa)을 관통하는 수소는 복수의 수소 공급 유동 채널(432Ap)에 진입하기 위한 중간 플레이트(43A)의 수소 공급용 관통 구멍(432Aa)으로부터 분기되어 애노드 대향 플레이트(42A) 및 애노드측 다공질 금속층(49)의 복수의 수소 공급 구멍(422Ai)을 통과하고 애노드 확산층(48a)의 전체 표면에 걸쳐 확산식으로 공급된다.

연료 전지 모듈(40A)에서, 애노드 대향 플레이트(42A)의 공기 공급용 관통 구멍(424Aa), 중간 플레이트(43A)의 공기 공급용 관통 구멍(434Aa) 및 캐소드 대향 플레이트(44A)의 공기 공급용 관통 구멍(444Aa)을 관통하는 공기는 복수의 공기 공급 유동 채널(434Api)에 진입하기 위해 중간 플레이트(43A)의 공기 공급용 관통 구멍(434Aa)으로부터 분기되어 캐소드 대향 플레이트(44A)와 캐소드측 다공질 금속층(49)의 복수의 공기 공급 구멍(444Ai)을 통과하고 캐소드 확산층(48c)의 전체 표면에 걸쳐 확산식으로 공급된다. 그 후, 공기는 캐소드 확산층(48c)을 통해 확산식으로 유동된다. 캐소드 오프 가스는 다공질 금속층(49)의 표면에 수직 방향으로 캐소드 대향 플레이트(44A)의 복수의 공기 배출구(444Ao) 밖으로 유동되고 복수의 공기 배출 유동 채널(434Apo)과 중간 플레이트(43A)의 공기 배출용 관통 구멍(434Ab)을 통과하고, 애노드 대향 플레이트(42A)의 공기 배출용 관통 구멍(424Ab)으로부터 배출된다.

애노드 대향 플레이트(42A)의 냉각수 공급용 관통 구멍(426Aa), 중간 플레이트(43A)의 냉각수 공급용 관통 구멍(436Aa) 및 캐소드 대향 플레이트(44A)의 냉각수 공급용 관통 구멍(446Aa)을 관통하는 냉각수는 중간 플레이트(43A)의 냉각수 공급용 관통 구멍(436Aa)으로부터 분기되어 냉각수 유동 채널(436Ap)을 통과하고 중간 플레이트(43A)의 냉각수 배출용 관통 구멍(436Ab)으로부터 배출된다.

상술된 제2 실시예의 연료 전지 스택에서, 수소는 애노드 대향 플레이트(42A)에서 사실상 동일한 간격으로 배치된 복수의 수소 공급 구멍(424Ai)을 통과하고 발전을 위해 애노드의 사실상 전체 표면에 걸쳐 이차원적으로 분산되도록 MEA(451)의 애노드 표면에 수직 방향으로 공급된다. 공기는 캐소드 대향 플레이 트(44A)에서 사실상 동일한 간격으로 배치된 복수의 공기 공급 구멍(444Ai)을 통과하고 발전을 위해 애노드의 사실상 전체 표면에 걸쳐서 이차원적으로 분산되도록 MEA(451)의 캐소드면에 수직 방향으로 공급된다. 연료 전지 스택의 애노드에서, 이러한 배열은 전기화학 반응 과정에서 생성되어 캐소드측으로부터 애노드측까지 전해질막(46)을 통해 투과되는 물과 질소 및 발전용으로 사용되지 않은 다른 비반응 가스가 애노드의 표면 상에 국소적으로 축적되고 수소 통로를 차단하는 것을 방지한다. 연료 전지 스택의 캐소드에서, 이러한 배열은 전기화학 반응 과정에서 캐소드 상에 생성된 물이 캐소드의 표면 상에 국소적으로 축적되고 공기 통로를 차단하는 것을 방지한다. 따라서, 제2 실시예의 구조는 바람직하게 연료 전지 스택의 발전 성능의 저하를 방지한다.

C. 제3 실시예

도9는 제3 실시예에서 연료 전지 스택(100B)을 포함하는 연료 전지 시스템(1000B)의 구조를 개략적으로 도시한다. 제1 실시예의 연료 전지 시스템(1000)과 다르게, 제3 실시예의 연료 전지 시스템(1000B)은 애노드 오프 가스를 수소 공급을 위한 파이프(53)에 재순환시키는 순환 파이프(54)와 연료 전지 스택(100B) 밖으로 애노드 오프 가스를 배출하기 위한 배기 파이프(56)를 포함한다. 배기 파이프(56)는 배기 밸브(57)를 구비하고, 순환 파이프(54)는 펌프(55)를 구비한다. 연료 전지 스택(100B)은 또한 후술되는 바와 같이 애노드 오프 가스를 배출하는 구조를 갖는다. 펌프(55)와 배기 밸브(57)의 작동을 제어하는 것은 연료 전지 스택(100B) 외부로의 배출과 파이프(53)로의 재순환 사이의 애노드 오프 가스의 유동 에 대해 절환시킨다. 제3 실시예의 연료 전지 시스템(1000B)의 다른 구조 요소는 제1 실시예의 연료 전지 시스템의 구조 요소과 동일하다.

도10은 제3 실시예의 연료 전지 스택(100B)의 연료 전지 모듈(40B)의 구성부품를 도시한 평면도이다. 제1 실시예의 연료 전지 모듈(40)과 유사하게, 제3 실시예의 연료 전지 모듈(40B)은 세퍼레이터(41B)와 MEA 유닛(45B)을 적층함으로써 구성된다. 세퍼레이터(41B)는 애노드 대향 플레이트(42B), 중간 플레이트(43B) 및 캐소드 대향 플레이트(44B)를 이 순서로 적층하여 이러한 3개의 플레이트의 적층체를 핫프레스 접합하여 얻어진다. 이 실시예의 구조에서, 애노드 대향 플레이트(42B), 중간 플레이트(43B) 및 캐소드 대향 플레이트(44B)는 동일한 직사각형 형상의 스테인리스 강철 플레이트이다.

제1 실시예와 제3 실시예의 구조적 차이는 세퍼레이터(41B)와 MEA 유닛(45B)에 수소 배출용 관통 구멍의 형성과 애노드 대향 플레이트(42B)에 복수의 수소 배출구의 형성을 포함하는 것이다.

도10a는 MEA 유닛(45B)의 애노드면과 접촉하는 애노드 대향 플레이트(42B)를 도시한 평면도이다. 도시된 바와 같이, 애노드 대향 플레이트(42B)는 수소 공급용 관통 구멍(422Ba), 복수의 수소 공급 구멍(422Bi), 복수의 수소 배출구(422Bo), 수소 배출용 관통 구멍(422Bb), 공기 공급용 관통 구멍(424Ba), 공기 배출용 관통 구멍(424Bb), 냉각수 공급용 관통 구멍(426Ba) 및 냉각수 배출용 관통 구멍(426Bb)을 갖는다. 수소 공급용 관통 구멍(422Ba), 수소 배출용 관통 구멍(422Bb), 공기 공급용 관통 구멍(424Ba), 공기 배출용 관통 구멍(424Bb), 냉각수 공급용 관통 구 멍(426Ba) 및 냉각수 배출용 관통 구멍(426Bb)은 사실상 직사각형 형상이다. 복수의 수소 공급 구멍(422Bi) 및 복수의 수소 배출구(422Bo)는 동일한 직경의 원형 구멍이다. 제1 실시예의 구조와 유사하게, 복수의 수소 공급 구멍(422Bi)은 이차원적으로 분산되고 MEA 유닛(45B)에서 애노드의 전체 표면에 걸쳐서 수소 공급의 면내 분산을 균등하게 하기 위해 MEA 유닛(45B)의 MEA(451)에 대향된 특정 영역에 사실상 동일한 간격으로 배치된다. 제1 실시예의 구조와 다르게, 복수의 수소 배출구(422Bo)는 수소 배출용 관통 구멍(422Bb)에 근접한 MEA 유닛(45B)의 애노드의 외주부로부터 애노드 오프 가스를 배출하도록 배치된다.

도10b는 MEA 유닛(45B)의 캐소드면과 접촉하는 캐소드 대향 플레이트(44B)를 도시한 평면도이다. 도시된 바와 같이, 캐소드 대향 플레이트(44B)는 수소 공급용 관통 구멍(442Ba), 수소 배출용 관통 구멍(442Bb), 공기 공급용 관통 구멍(444Ba), 복수의 공기 공급 구멍(444Bi), 복수의 공기 배출구(444Bo), 공기 배출용 관통 구멍(444Bb), 냉각수 공급용 관통 구멍(446Ba) 및 냉각수 배출용 관통 구멍(446Bb)을 갖는다. 애노드 대향 플레이트(42B)에서와 같이, 수소 공급용 관통 구멍(442Ba), 수소 배출용 관통 구멍(442Bb), 공기 공급용 관통 구멍(444Ba), 공기 배출용 관통 구멍(444Bb), 냉각수 공급용 관통 구멍(446Ba) 및 냉각수 배출용 관통 구멍(446Bb)은 사실상 직사각형 형상이다. 복수의 공기 공급 구멍(444Bi) 및 복수의 공기 배출구(444Bo)는 동일한 직경의 원형 구멍이다. 복수의 공기 공급 구멍(444Bi)은 공기 공급용 관통 구멍(444Ba)에 근접한 MEA 유닛(45B)의 캐소드의 외주부 안으로 공기를 주입시키도록 배치된다. 복수의 공기 배출구(444Bo)는 공기 배출용 관통 구 멍(444Bb)에 근접한 MEA 유닛(45B)의 캐소드의 외주부로부터 캐소드 오프 가스를 배출하도록 배치된다.

도10c는 중간 플레이트(43B)를 도시한 평면도이다. 도시된 바와 같이, 중간 플레이트(43B)는 수소 공급용 관통 구멍(432Ba), 수소 배출용 관통 구멍(432Bb), 공기 공급용 관통 구멍(434Ba), 공기 배출용 관통 구멍(434Bb), 냉각수 공급용 관통 구멍(436Ba) 및 냉각수 배출용 관통 구멍(436Bb)을 갖는다. 애노드 대향 플레이트(42B)와 캐소드 대향 플레이트(44B)에서와 같이, 수소 공급용 관통 구멍(432Ba), 수소 배출용 관통 구멍(432Bb), 공기 공급용 관통 구멍(434Ba), 공기 배출용 관통 구멍(434Bb), 냉각수 공급용 관통 구멍(436Ba) 및 냉각수 배출용 관통 구멍(436Bb)은 사실상 직사각형 형상이다. 수소 공급용 관통 구멍(432Ba)은 애노드 대향 플레이트(42B)에 형성된 복수의 수소 공급 구멍(422Bi) 안으로 수소 공급용 관통 구멍(432Ba)으로부터 분배되는 식으로 수소를 흐르게 하도록 복수의 수소 공급 유동 채널(432Bp)을 갖는다. 수소 배출용 관통 구멍(432Bb)은 애노드 대향 플레이트(42B)에 형성된 복수의 수소 배출구(422Bo)로부터 수소 배출용 관통 구멍(432Bb)까지 집합적 식으로 애노드 오프 가스의 유동을 허용하도록 복수의 수소 배출 유동 채널(432Bpo)을 갖는다. 공기 공급용 관통 구멍(434Ba)은 캐소드 대향 플레이트(44B)에 형성된 복수의 공기 공급 구멍(444Bi) 안으로 공기 공급용 관통 구멍(434Ba)으로부터 분배되는 식으로 공기의 유동을 허용하도록 복수의 공기 공급 유동 채널(434Bpi)을 갖는다. 공기 배출용 관통 구멍(434Bb)은 캐소드 대향 플레이트(44B)에 형성된 복수의 공기 배출구(444Bo)로부터 공기 배출용 관통 구 멍(434Bb)까지 집합적인 식으로 캐소드 오프 가스의 유동을 허용하도록 복수의 공기 배출 유동 채널(434Bpo)을 갖는다. 도시된 바와 같이, MEA 유닛(45B)의 전체 열생성 또는 발열 부위를 냉각시키기 위해, 냉각수 유동 채널(436Bp)은 냉각수 배출용 관통 구멍(436Bb)과 냉각수 공급용 관통 구멍(436Ba)을 연결하도록 사행식 레이아웃으로 형성되어 복수의 수소 공급 유동 채널(432Bp) 사이에서 냉각수가 사행식 유동하게 한다.

도10d는 MEA 유닛(45B)의 캐소드면을 도시한 평면도이다. 도시된 바와 같이, MEA 유닛(45B)은 MEA(451)에 더하여 지지 프레임에 형성된 수소 공급용 관통 구멍(452Ba), 수소 배출용 관통 구멍(452Bb), 공기 공급용 관통 구멍(454Ba), 공기 배출용 관통 구멍(454Bb), 냉각수 공급용 관통 구멍(456Ba) 및 냉각수 배출용 관통 구멍(456Bb)을 갖는다. 애노드 대향 플레이트(42B), 캐소드 대향 플레이트(44B) 및 중간 플레이트(43B)에서와 같이, 수소 공급용 관통 구멍(452Ba), 수소 배출용 관통 구멍(452Bb), 공기 공급용 관통 구멍(454Ba), 공기 배출용 관통 구멍(454Bb), 냉각수 공급용 관통 구멍(456Ba) 및 냉각수 배출용 관통 구멍(456Bb)은 사실상 직사각형 형상이다. 제3 실시예의 MEA 유닛(45B)의 다른 구조 요소는 제1 실시예의 MEA 유닛(45)의 구조 요소와 동일하다.

도11은 세퍼레이터(41B)를 도시한 평면도이다. 제1 실시예의 세퍼레이터(41)와 유사하게, 세퍼레이터(41B)는 애노드 대향 플레이트(42B), 중간 플레이트(43B) 및 캐소드 대향 플레이트(44B)의 스택 구조를 갖도록 설계된다. 도11은 세퍼레이터(41B)의 애노드 대향 플레이트(42B)를 도시한다.

도면으로부터 명확하게 이해되듯이, 수소 공급용 관통 구멍(422Ba), 수소 공급용 관통 구멍(432Ba) 및 수소 공급용 관통 구멍(442Ba)은 동일한 형상을 갖고 각각 애노드 대향 플레이트(42B), 중간 플레이트(43B) 및 캐소드 대향 플레이트(44B)의 대응하는 위치에 형성된다. 유사하게 수소 배출용 관통 구멍(422Bb), 수소 공급용 관통 구멍(432Bb) 및 수소 공급용 관통 구멍(442Bb)은 동일한 형상을 갖고 각각 애노드 대향 플레이트(42B), 중간 플레이트(43B) 및 캐소드 대향 플레이트(44B)의 대응하는 위치에 형성된다. 공기 공급용 관통 구멍(424Ba), 공기 공급용 관통 구멍(434Ba) 및 공기 공급용 관통 구멍(444Ba)은 동일한 형상을 갖고 각각 애노드 대향 플레이트(42B), 중간 플레이트(43B) 및 캐소드 대향 플레이트(44B)의 대응하는 위치에 형성된다. 공기 배출용 관통 구멍(424Bb), 공기 배출용 관통 구멍(434Bb) 및 공기 배출용 관통 구멍(444Bb)은 동일한 형상을 갖고 각각 애노드 대향 플레이트(42B), 중간 플레이트(43B) 및 캐소드 대향 플레이트(44B)의 대응하는 위치에 형성된다. 냉각수 공급용 관통 구멍(426Ba), 냉각수 공급용 관통 구멍(436Ba) 및 냉각수 공급용 관통 구멍(446Ba)은 동일한 형상을 갖고 각각 애노드 대향 플레이트(42B), 중간 플레이트(43B) 및 캐소드 대향 플레이트(44B)의 대응하는 위치에 형성된다. 냉각수 배출용 관통 구멍(426Bb), 냉각수 배출용 관통 구멍(436Bb) 및 냉각수 배출용 관통 구멍(446Bb)은 동일한 형상을 갖고 각각 애노드 대향 플레이트(42B), 중간 플레이트(43B) 및 캐소드 대향 플레이트(44B)의 대응하는 위치에 형성된다.

도12는 연료 전지 모듈(40B)의 단면 구조를 도시한다. 도12a는 도11의 선 A-A 상에서 취한 단면도이고, 도12b는 도11의 선 B-B 상에서 취한 단면도이다.

도12a의 화살표로 도시된 바와 같이, 연료 전지 모듈(40B)에서, 캐소드 대향 플레이트(44B)의 수소 공급용 관통 구멍(442Ba), 중간 플레이트(43B)의 수소 공급용 관통 구멍(432Ba), 애노드 대향 플레이트(42B)의 수소 공급용 관통 구멍(422Ba)을 관통하는 수소는 복수의 수소 공급 유동 채널(432Bp)에 진입하기 위해 중간 플레이트(43B)의 수소 공급용 관통 구멍(432Ba)으로부터 분기되어 애노드 대향 플레이트(42B)와 애노드측 다공질 금속층(49)의 복수의 수소 공급 구멍(422Bi)을 통과하고 애노드 확산층(48a)의 전체 표면에 걸쳐 확산식으로 공급된다. 애노드 오프 가스는 다공질 금속층(49)의 표면에 수직 방향으로 애노드 대향 플레이트(42B)의 복수의 수소 배출구(422Bo) 밖으로 유동되고 복수의 수소 배출 유동 채널(432Bpo)과 중간 플레이트(43B)의 수소 배출용 관통 구멍(432Bb)을 통과하고, 캐소드 대향 플레이트(44B)의 수소 배출용 관통 구멍(442Bb)으로부터 배출된다.

도12b에 화살표로 도시된 바와 같이, 연료 전지 모듈(40B)에서, 애노드 대향 플레이트(42B)의 공기 공급용 관통 구멍(424Ba), 중간 플레이트(43B)의 공기 공급용 관통 구멍(434Ba) 및 캐소드 대향 플레이트(44B)의 공기 공급용 관통 구멍(444Ba)을 관통하는 공기의 유동은 복수의 공기 공급 유동 채널(434Bpi)에 진입하기 위해 중간 플레이트(43B)의 공기 공급용 관통 구멍(434Ba)으로부터 분기되어 캐소드 대향 플레이트(44B)의 복수의 공기 공급 구멍(444Bi)을 통과하고 캐소드측 다공질 금속층(49)의 표면에 수직인 방향으로 공급된다. 그 후, 공기는 다공질 금속층(49)과 캐소드 확산층(48c)을 통해 확산식으로 유동한다. 캐소드 오프 가스는 다공질 금속층(49)의 표면에 수직인 방향으로 캐소드 대향 플레이트(44B)의 복수의 공기 배출구(444Bo) 밖으로 유동되고 중간 플레이트(43B)의 공기 배출용 관통 구멍(434Bb)과 복수의 공기 배출 유동 채널(434Bpo)을 통과하고 애노드 대향 플레이트(42B)의 공기 배출용 관통 구멍(424Bb)으로부터 배출된다.

애노드 대향 플레이트(42B)의 냉각수 공급용 관통 구멍(426Ba), 중간 플레이트(43B)의 냉각수 공급용 관통 구멍(436Ba) 및 캐소드 대향 플레이트(44B)의 냉각수 공급용 관통 구멍(446Ba)을 관통하는 냉각수는 중간 플레이트(43B)의 냉각수 공급용 관통 구멍(436Ba)으로부터 분기되어 냉각수 유동 채널(436Bp)을 통과하고, 중간 플레이트(43B)의 냉각수 배출용 관통 구멍(436Bb)으로부터 배출된다.

상술된 제3 실시예의 연료 전지 스택에서, 제1 실시예의 연료 전지 스택(100)에서와 같이, 수소는 애노드 대향 플레이트(42B)에서 사실상 동일한 간격으로 배치된 복수의 수소 공급 구멍(424Bi)을 통과하고 발전을 위해 애노드의 사실상 전체 표면에 걸쳐 이차원적으로 분산되도록 MEA(451)의 애노드 표면에 수직 방향으로 공급된다. 이러한 배열은 전기화학 반응 과정에서 생성되어 캐소드측으로부터 애노드측까지 전해질막(46)을 통해 투과되는 물이 애노드의 표면 상에 국소적으로 축적되고 수소 통로를 차단하는 것을 방지한다. 따라서, 제3 실시예의 구조는 바람직하게 연료 전지 스택(100B)의 발전 성능의 저하를 방지한다. 또한, 제3 실시예의 구조는 연료 전지 스택(100B)의 외측으로 발전용으로 사용되지 않는 애노드 오프 가스 함유 비반응 가스 성분을 배출할 수 있게 한다.

D. 제4 실시예

제4 실시예의 연료 전지 시스템은, 연료 전지 스택이 제3 실시예에 있어서의 연료 전지 스택(10OB)과 다른 연료 전지 스택 이외는, 제3 실시예의 연료 전지 시스템(100OB)과 같다. 따라서, 다음의 설명은 제4 실시예의 연료 전지 스택에 관한 것이다.

도13은 제4 실시예의 연료 전지 스택에 있어서의 연료 전지 모듈(40C)의 구성부품을 도시하는 평면도이다. 제4 실시예에 있어서의 연료 전지 모듈(40C)은, 제1 실시예에 있어서의 연료 전지 모듈(40)과 마찬가지로, 세퍼레이터(41C)와 MEA 유닛(45C)을 적층시키는 것에 의해 구성된다. 그리고, 세퍼레이터(41C)는,애노드 대향 플레이트(42C), 중간 플레이트(43C), 캐소드 대향 플레이트(44C)를 이 순서대로 적층시키고, 이러한 세 개의 플레이트를 차례로 핫프레스 접합함으로써 얻어진다. 본 실시예의 구조에서, 애노드 대향 플레이트(42C), 중간 플레이트(43C), 캐소드 대향 플레이트(44C)는 동일한 직사각형의 형상을 갖는 스테인리스 강철 플레이트이다.

제4 실시예와 제3 실시예의 다른 점은, 애노드 대향 플레이트(42C)에 있어서 복수의 수소 공급 구멍을 이차원적으로 분산되게 해서 배치하는 것에 더하여, 캐소드 대향 플레이트(44C)에 있어서 복수의 공기 공급 구멍을 이차원적으로 분산되게 해서 배치하는 것을 포함한다.

도13a는 MEA 유닛(45C)의 애노드면과 접촉하는 애노드 대향 플레이트(42C)를 도시하는 평면도이다. 도시된 바와 같이, 애노드 대향 플레이트(42C)는 수소 공급용 관통 구멍(422Ca), 복수의 수소 공급 구멍(422Ci), 복수의 수소 배출구(422Co), 수소 배출용 관통 구멍(422Cb), 공기 공급용 관통 구멍(424Ca), 공기 배출용 관통 구멍(424Cb), 냉각수 공급용 관통 구멍(426Ca) 및 냉각수 배출용 관통 구멍(426Cb)을 구비한다. 수소 공급용 관통 구멍(422Ca), 수소 배출용 관통 구멍(422Cb), 공기 공급용 관통 구멍(424Ca), 공기 배출용 관통 구멍(424Cb), 냉각수 공급용 관통 구멍(426Ca) 및 냉각수 배출용 관통 구멍(426Cb)은 거의 직사각형 형상이다. 또한, 복수의 수소 공급 구멍(422Ci) 및 복수의 수소 배출구(422Co)는 직경이 동일한 원형 구멍이다. 복수의 수소 공급 구멍(422Ci)은, 제3 실시예와 마찬가지로, MEA 유닛(45C)의 애노드의 전체 표면에 걸쳐 수소 공급의 면내 분포를 균일하게 하기 위해, MEA 유닛(45C)의 MEA(451)에 대향된 특정 영역에 이차원적으로 분산되게 해서 거의 동일한 간격으로 배치된다. 복수의 수소 배출구(422Co)는 수소 배출용 관통 구멍(422Cb)에 근접한 MEA 유닛(45C)의 애노드의 외주부로부터 애노드 오프 가스를 배출하도록 배치된다.

도13b는, MEA 유닛(45C)의 캐소드면과 접촉하는 캐소드 대향 플레이트(44C)를 도시하는 평면도이다. 도시된 바와 같이, 캐소드 대향 플레이트(44C)는 수소 공급용 관통 구멍(442Ca), 수소 배출용 관통 구멍(442Cb), 공기 공급용 관통 구멍(444Ca), 복수의 공기 공급 구멍(444Ci), 복수의 공기 배출구(444Co), 공기 배출용 관통 구멍(444Cb), 냉각수 공급용 관통 구멍(446Ca), 냉각수 배출용 관통 구멍(446Cb)을 구비한다. 수소 공급용 관통 구멍(442Ca), 수소 배출용 관통 구멍(442Cb), 공기 공급용 관통 구멍(444Ca), 공기 배출용 관통 구멍(444Cb), 냉각수 공급용 관통 구멍(446Ca) 및 냉각수 배출용 관통 구멍(446Cb)은 애노드 대향 플레 이트(42C)와 마찬가지로 거의 직사각형 형상이다. 복수의 공기 공급 구멍(444Ci) 및 복수의 공기 배출구(444Co)는 직경이 동일한 원형 구멍이다. 복수의 공기 공급 구멍(444Ci)은 제2 실시예와 마찬가지로, MEA 유닛(45C)의 캐소드의 전체 표면에 걸쳐 공기 공급의 면내 분포를 균일화하기 위해, MEA 유닛(45C)의 MEA(451)에 대향하는 특정 영역에 이차원적으로 분산되게 해서 거의 동일한 간격으로 배치된다. 복수의 공기 배출구(444Co)는 공기 배출용 관통 구멍(444Cb)에 근접한 MEA 유닛(45C)의 캐소드의 외주부로부터 캐소드 오프 가스를 배출하도록 배치되어 있다.

도13c는 중간 플레이트(43C)를 도시하는 평면도이다. 도시된 바와 같이, 중간 플레이트(43C)는 수소 공급용 관통 구멍(432Ca), 수소 배출용 관통 구멍(432Cb), 공기 공급용 관통 구멍(434Ca), 공기 배출용 관통 구멍(434Cb), 냉각수 공급용 관통 구멍(436Ca) 및 냉각수 배출용 관통 구멍(436Cb)을 구비한다. 수소 공급용 관통 구멍(432Ca), 수소 배출용 관통 구멍(432Cb), 공기 공급용 관통 구멍(434Ca), 공기 배출용 관통 구멍(434Cb), 냉각수 공급용 관통 구멍(436Ca) 및 냉각수 배출용 관통 구멍(436Cb)은 애노드 대향 플레이트(42C) 및 캐소드 대향 플레이트(44C)와 마찬가지로, 거의 직사각형 형상이다. 수소 공급용 관통 구멍(432Ca)은 수소 공급용 관통 구멍(432Ca)으로부터 애노드 대향 플레이트(42C)에 형성된 복수의 수소 공급 구멍(422Ci) 안으로 분산되는 식으로 수소를 흐르게 하는 복수의 수소 공급용 유동 채널(432Cp)을 구비한다. 수소 배출용 관통 구멍(432Cb)은 애노드 대향 플레이트(42C)에 형성된 복수의 수소 배출구(422Co)로부터 수소 배출용 관통 구멍(432Cb)으로 집합적 식으로 애노드 오프 가스를 흐르게 하기 위한 복수의 수소 배출용 유동 채널(432Cp)을 구비한다. 공기 공급용 관통 구멍(434Ca)은 공기 공급용 관통 구멍(434Ca)으로부터 캐소드 대향 플레이트(44C)의 복수의 공기 공급 구멍(444Ci)으로 분산되는 식으로 공기를 흐르게 하기 위한 복수의 공기 공급용 유동 채널(434Cp)을 구비한다. 공기 배출용 관통 구멍(434Cb)은 캐소드 대향 플레이트(44C)의 복수의 공기 배출구(444Co)로부터 공기 배출용 관통 구멍(434Cb)으로 캐소드 오프 가스를 흐르게 하기 위한 복수의 공기 배출용 유동 채널(434Cpo)을 구비한다. 도시된 바와 같이, MEA 유닛(45C)의 전체 열생성 또는 발열 부위를 냉각시키기 위해서, 냉각수 유동 채널(436Cp)은 냉각수 공급용 관통 구멍(436Ca)과 냉각수 배출용 관통 구멍(436Cb)을 연결하도록 사행식 레이아웃으로 형성되고 복수의 수소 공급용 유동 채널(432Cp)과 복수의 공기 공급용 유동 채널(434Cp) 사이에서 냉각수가 사행식으로 유동하게 한다.

도13d는 MEA 유닛(45C)의 캐소드면을 도시한 평면도이다. 도시된 바와 같이, MEA 유닛(45C)은 MEA(451)에 더하여 지지 프레임에 설치된 수소 공급용 관통 구멍(452Ca), 수소 배출용 관통 구멍(452Cb), 공기 공급용 관통 구멍(454Ca), 공기 배출용 관통 구멍(454Cb), 냉각수 공급용 관통 구멍(456Ca), 냉각수 배출용 관통 구멍(456Cb)을 구비한다. 수소 공급용 관통 구멍(452Ca), 수소 배출용 관통 구멍(452Cb), 공기 공급용 관통 구멍(454Ca), 공기 배출용 관통 구멍(454Cb), 냉각수 공급용 관통 구멍(456Ca) 및 냉각수 배출용 관통 구멍(456Cb)은 애노드 대향 플레이트(42C), 캐소드 대향 플레이트(44C) 및 중간 플레이트(43C)와 마찬가지로 거의 직사각형 형상이다. 제4 실시예의 MEA 유닛(45)의 다른 구조 요소는 제1 실시예의 MEA 유닛(45)의 것과 동일하다.

도14는 세퍼레이터(41C)를 도시하는 평면도이다. 세퍼레이터(41C)는 제1 실시예에 있어서의 세퍼레이터(41)와 마찬가지로 애노드 대향 플레이트(42C), 중간 플레이트(43C), 캐소드 대향 플레이트(44C)의 적층 구조를 갖도록 설계된다. 도14는 세퍼레이터(41C)의 애노드 대향 플레이트(42C)를 도시한다.

도면으로부터 명확하게 이해되듯이, 애노드 대향 플레이트(42C), 중간 플레이트(43C) 및 캐소드 대향 플레이트(44C)에 있어서, 수소 공급용 관통 구멍(422Ca), 수소 공급용 관통 구멍(432Ca) 및 수소 공급용 관통 구멍(442Ca)은 동일 형상이며, 각각 대응하는 위치에 형성된다. 수소 배출용 관통 구멍(422Cb), 수소 배출용 관통 구멍(432Cb) 및 수소 배출용 관통 구멍(442Cb)은 동일 형상이며, 각각 대응하는 위치에 형성된다. 공기 공급용 관통 구멍(424Ca), 공기 공급용 관통 구멍(434Ca) 및 공기 공급용 관통 구멍(444Ca)은 동일 형상이며, 각각 대응하는 위치에 형성된다. 공기 배출용 관통 구멍(424Cb), 공기 배출용 관통 구멍(434Cb) 및 공기 배출용 관통 구멍(444Cb)은 동일 형상이며, 각각 대응하는 위치에 형성된다. 냉각수 공급용 관통 구멍(426Ca), 냉각수 공급용 관통 구멍(436Ca) 및 냉각수 공급용 관통 구멍(446Ca)은 동일 형상이며, 각각 대응하는 위치에 형성된다. 냉각수 배출용 관통 구멍(426Cb), 냉각수 배출용 관통 구멍(436Cb) 및 냉각수 배출용 관통 구멍(446Cb)은 동일 형상이며, 각각 대응하는 위치에 형성된다.

도15는 연료 전지 모듈(40C)의 단면 구조를 도시한다. 도15a는 도14에 있어서의 선 A-A 상에서 취한 단면도이고, 도15b는 도14에 있어서의 선 B-B 상에서 취 한 단면도이고, 도15c는 도14에 있어서의 선 C-C 상에서 취한 단면도이고, 도15d는 도14에 있어서의 선 D―D 상에서 취한 단면도이다.

도14 및 도15로부터 명확하게 이해되는 바와 같이, 연료 전지 모듈(40C)에 있어서, 캐소드 대향 플레이트(44C)의 수소 공급용 관통 구멍(442Ca), 중간 플레이트(43C)의 수소 공급용 관통 구멍(432Ca) 및 애노드 대향 플레이트(42C)의 수소 공급용 관통 구멍(422Ca)을 관통하는 수소는 복수의 수소 공급용 유동 채널(432Cp)에 진입하도록 중간 플레이트(43C)의 수소 공급용 관통 구멍(432Ca)으로부터 분기되고, 애노드 대향 플레이트(42C)의 복수의 수소 공급 구멍(422Ci) 및 애노드측의 다공질 금속층(49)을 통과하고, 애노드 확산층(48a)의 전체 표면에 걸쳐 확산식으로 공급된다. 애노드 오프 가스는 다공질 금속층(49)의 표면에 수직 방향으로 애노드 대향 플레이트(42C)의 수소 배출구(422Co) 밖으로 유동되고, 수소 배출용 유동 채널(432Cpo) 및 중간 플레이트(43C)의 수소 배출용 관통 구멍(432Cb)을 통과하고, 캐소드 대향 플레이트(44)B의 수소 배출용 관통 구멍(442Cb)으로부터 배출된다.

연료 전지 모듈(40C)에 있어서, 애노드 대향 플레이트(42C)의 공기 공급용 관통 구멍(424Ca), 중간 플레이트(43C)의 공기 공급용 관통 구멍(434Ca) 및 캐소드 대향 플레이트(44C)의 공기 공급용 관통 구멍(444Ca)을 관통하는 공기의 유동은 복수의 공기 공급용 유동 채널(434Cp)에 진입하도록 중간 플레이트(43C)의 공기 공급용 관통 구멍(434Ca)으로부터 분기되고, 캐소드 대향 플레이트(44C)의 복수의 공기 공급 구멍(444Ci) 및 캐소드측의 다공질 금속층(49)을 통과하고, 캐소드 확산층(48c)의 전체 표면에 걸쳐서 확산적으로 공급된다. 그 후, 공기는 캐소드 확산 층(48c)을 통해 확산식으로 유동된다. 캐소드 오프 가스는 다공질 금속층(49)의 표면에 수직 방향으로 캐소드 대향 플레이트(44C)의 공기 배출구(444Co) 밖으로 유동되고, 복수의 공기 배출용 유동 채널(434Cpo) 및 중간 플레이트(43C)의 공기 배출용 관통 구멍(434Cb)을 통과하고, 애노드 대향 플레이트(42C)의 공기 배출용 관통 구멍(424Cb)으로부터 배출된다.

애노드 대향 플레이트(42C)의 냉각수 공급용 관통 구멍(426Ca), 중간 플레이트(43C)의 냉각수 공급용 관통 구멍(436Ca) 및 캐소드 대향 플레이트(44C)의 냉각수 공급용 관통 구멍(446Ca)을 관통하는 냉각수는 중간 플레이트(43C)의 냉각수 공급용 관통 구멍(436Ca)으로부터 분기되고, 냉각수 유동 채널(436Cp)을 통과하고, 중간 플레이트(43C)의 냉각수 배출용 관통 구멍(436Cb)으로부터 배출된다.

상술된 제4 실시예의 연료 전지 스택에서, 수소는 애노드 대향 플레이트(42C)에 거의 동일한 간격으로 배치된 복수의 수소 공급 구멍(422Ci)을 관통하고, 발전을 위해 애노드의 사실상 전체 표면에 걸쳐 이차원적으로 분산되도록 MEA(451)의 애노드 표면에 수직 방향으로 공급된다. 이 공기 유동은 캐소드 대향 플레이트(44C)에 거의 동일한 간격으로 배치된 복수의 공기 공급 구멍(444Ci)을 관통하고, 발전을 위해 캐소드의 사실상 전체 표면에 이차원적으로 분산되도록MEA(451)의 캐소드의 표면에 수직 방향으로 공급된다. 연료 전지 스택의 애노드에 있어서, 이러한 장치는 캐소드측에서 애노드측에 전해질막(46)을 통해 투과되고 전기화학 반응 과정에서 생성된 물이 애노드의 표면에 국소적으로 축적되고, 수소 통로를 차단하는 것을 효율적으로 방지한다. 연료 전지 스택의 캐소드에 있어서, 이 러한 장치는 전기화학 반응 과정에서 캐소드에 생성된 물이 캐소드의 표면에 국소적으로 축적되고, 공기 통로가 차단되는 것을 방지한다. 따라서, 제4 실시예의 구조는 바람직하게 연료 전지 스택의 발전 성능의 저하를 방지할 수 있다. 또한, 제4 실시예의 구조는 발전용으로 사용되지 않는 애노드 오프 가스 함유 비반응 가스 성분을 연료 전지 스택 외부로 배출할 수 있게 한다.

E. 제1 내지 제4 실시예에 대한 다른 태양

상술된 제1 내지 제4 실시예는 모든 면에서 예시적으로만 설명되었고, 이에 제한되지 않는다. 본 발명의 요지의 범위나 기술사상 내에서 이러한 실시예의 여러 가지 변경, 변화 및 대체예가 있을 수 있다. 몇몇 가능한 변형예의 예가 아래에서 설명된다.

El. 제1 변형예

도16은 변형예로서의 연료 전지 시스템(1000D)의 개략적인 구성을 도시한다. 변형된 구조의 연료 전지 시스템(1000D)은 상기 제3 실시예의 연료 전지 시스템 또는 제4 실시예의 연료 전지 시스템으로부터 순환 파이프(54) 및 펌프(55)를 생략하여 설계된다. 이 연료 전지 시스템(1000D)에 이용되는 연료 전지 스택(100D)은 제3 실시예의 연료 전지 스택(10OB) 또는 제4 실시예의 연료 전지 스택일 수 있다. 이 연료 전지 시스템(1OOOD)에서, 발전 중에, 배기 밸브(57)는 연료 전지 스택(10OD)의 애노드에 공급한 수소를 완전히 소비하고 배기 가스의 배출을 방지하는 특정 상태에서 연료 전지 스택(100D)을 구동시키도록 개방된다. 소정의 타이밍으로, 배기 밸브(57)는 발전용으로 사용되지 않고 연료 전지 스택(100D)의 내측에 축 적된 비반응 가스 성분을 외부로 배출하도록 개방된다. 이 변형된 구조는 연료 가스의 효율적인 사용을 보장한다.

E2. 제2 변형예

제1 실시예의 구조에서, 애노드 대향 플레이트(42)에 형성된 복수의 수소 공급 구멍(422i)은 직경이 동일한 원형 구멍이고, 거의 동일한 간격으로 배치된다. 그러나, 이러한 장치는 절대적이거나 이에 한정되지 않는다. 복수의 수소 공급 구멍(422i)의 형상, 크기 또는 레이아웃은 MEA(451)의 애노드의 전체 표면에 걸쳐 수소 공급의 이차원적인 분산을 보장한다면 임의로 특정될 수 있다.

도17은 제1 실시예에 있어서의 애노드 대향 플레이트(42)의 반응 처리로서의 애노드 대향 플레이트(42E, 42F, 42G)를 도시하는 평면도이다.

도17a의 도시된 예에서, 애노드 대향 플레이트(42E)는 수소 유동의 더 하류측에 위치된 복수의 수소 공급 구멍(422Ei)이 더 넓은 개구 면적을 갖는 식으로 다른 직경(개구 면적)을 갖지만 거의 동일한 간격으로 배치되는 복수의 수소 공급 구멍(422Ei)을 갖는다. 수소 유동의 상류로부터 하류까지 전체 면적에 걸쳐 동일한 간격으로 동일한 개구 면적의 복수의 수소 공급 구멍의 배치에서, MEA(451)의 애노드의 표면에 수소를 공급하는 압력은 수소 유동의 하류일수록 낮아진다. 이 경우에, 단위 시간당 각각의 수소 공급 구멍(422Ei)을 통해 공급되는 수소의 유속은 수소 유동의 하류일수록 낮아진다. 애노드 대향 플레이트(42E)의 구조는 단위 시간당 각각의 수소 공급 구멍(422Ei)을 통해 공급된 수소의 유속과 효과적으로 균일화된다.

도17b의 도시된 예에서, 애노드 대향 플레이트(42F)는 수소 유동의 하류일수록 수소 공급 구멍(422Fi)이 좁은 간격으로 배치되는 식으로 다른 간격으로 동일한 개구 면적의 복수의 수소 공급 구멍(422Fi)을 갖는다. 이러한 장치는 가스 유동의 하류에 있어서 낮은 수소 공급 압력의 경우에도 애노드의 표면에 공급된 수소 유속의 면내 분산을 효율적으로 균일화한다.

도17c에 도시된 예에서, 애노드 대향 플레이트(42G)는 직사각형 슬릿으로 형성된 복수의 수소 공급 구멍(422Gi)을 갖는다. 수소 공급 구멍은 임의의 다른 적절한 형상을 가질 수 있다.

이러한 변형예는 제2 실시예 및 제4 실시예의 캐소드 대향 플레이트에 있어서의 공기 공급 구멍뿐 아니라 다른 실시예의 애노드 대향 플레이트에 있어서의 수소 공급 구멍에도 유사하게 적용가능하다.

E3. 제3 변형예

도18은 제1 실시예의 연료 전지 모듈(40)의 변형예로서의 연료 전지 모듈의 단면 구조를 도시한다. 도18a의 좌측 도면은 변형된 실시예에서 MEA 유닛의 MEA의 단면도이다. 우측 도면은 도4에 있어서의 A-A 단면에 상당하는 변형된 예의 연료 전지 모듈의 단면도이다. 도18b는 도4에 있어서의 B-B 단면에 상당하는 변형된 예의 연료 전지 모듈의 단면도이다. 이러한 변형된 구조에서 수소, 공기 및 냉각수의 유동은 제1 실시예의 구조에서와 유사하고, 따라서, 상세한 설명은 생략한다. 변형된 예의 연료 전지 모듈에서, MEA 유닛의 MEA의 애노드측에 형성된 다공질 금속층은 없다. MEA의 애노드측에 다공질 금속층을 구비하지 않는 이러한 구조는 애 노드 대향 플레이트(42)에 형성된 복수의 수소 공급 구멍(422i)을 통해 애노드의 거의 전체 표면에 수소 유동이 공급될 수 있게 한다.

E4. 제4 변형예

상술된 실시예의 몇몇에서, 애노드 대향 플레이트는 이차원적으로 분산되어서 배치된 복수의 수소 공급 구멍을 구비한다. 다른 실시예에서, 애노드 대향 플레이트는 이차원적으로 분산되어서 배치된 복수의 수소 공급 구멍을 갖지만, 캐소드 대향 플레이트는 이차원적으로 분산되어서 배치된 복수의 공기 공급 구멍을 갖는다. 일반적으로, 애노드 대향 플레이트 및 캐소드 대향 플레이트의 적어도 한 쪽은 이차원적으로 분산되어서 배치된 복수의 공급 구멍을 갖는 것이 요구된다.

E5. 반응 처리5

상술된 실시예에서, 냉각수 유동 채널은 중간 플레이트에 형성된다. 그러나, 이것이 필수적이거나 이에 한정되지 않는다. 일 변형예에서, 냉각수 유동 채널은 별개의 부재에 형성될 수 있다. 그러나, 상기 실시예에서와 같이, 냉각수 유동 채널을 중간 플레이트에 형성하는 것은 바람직하게 세퍼레이터의 전체 두께를 감소시켜서 별개의 부재에 형성된 냉각수 유동 채널을 가진 구조와 비교해서 연료 전지 스택을 소형화한다. 상기 실시예의 구조에서, 냉각수 유동 채널과 가스 유동 채널은 단일의 플레이트에 형성된다. 이는 바람직하게 복수의 별도의 부재에 형성된 냉각수 유동 채널과 가스 유동 채널을 가진 구조와 비교해서 세퍼레이터의 구성요소로써 전체 부품수를 감소시킨다.

E6. 제6 변형예

상술된 실시예에서, 애노드 대향 플레이트, 중간 플레이트, 캐소드 대향 플레이트는 모두 평면 플레이트이다. 그러나, 이것이 필수적이거나 이것에 한정되지 않는다. 상술된 특허 문헌1의 기술에서 설명된 바와 같이, 가스 유동 통로용으로 제공된 홈을 가진 애노드 대향 플레이트와, 캐소드 대향 플레이트는 세퍼레이터용으로 이용될 수 있다. 그러나, 애노드 대향 플레이트, 중간 플레이트, 캐소드 대향 플레이트에 대해 평면 플레이트를 사용하면 가공을 용이하게 할 수 있다.

상술된 제1 내지 제4 실시예의 구조에서, 수소 유동 또는 공기 유동은 애노드 대향 플레이트에 형성된 복수의 수소 공급 구멍 또는 캐소드 대향 플레이트에 형성된 복수의 공기 공급 구멍을 관통하고 애노드의 사실상 전체 표면 또는 캐소드의 사실상 전체 표면에 걸쳐 이차원적으로 분산되게 하기 위해 애노드의 표면 또는 캐소드의 표면에 수직 방향으로 공급된다. 후술되는 제5 내지 제7의 실시예의 구조에서, 물은 애노드 대향 플레이트에 형성된 복수의 수소 공급 구멍(관통 구멍)을 통해 유동되고 가스 확산층 및 애노드를 통해 전해질막으로 이차원적으로 분산되어서 공급된다.

F.제5 실시예

도19는 본 발명의 제5 실시예로서의 연료 전지 스택(10OE)을 구비하는 연료 전지 시스템(1OOOE)의 구조를 개략적으로 도시한다. 본 실시예의 연료 전지 스택(1OOE)은 비교적 소형이지만 높은 발전 효율을 갖는 고분자 전해질 연료 전지를 사용한다. 연료 전지 스택(10OE)은 복수의 연료 전지 모듈(200), 한 쌍의 엔드 플레이트(300), 한 쌍의 텐션 플레이트(310), 한 쌍의 절연판(330) 및 한 쌍의 집전 판(340)을 구비한다. 복수의 연료 전지 모듈(200)은 각각의 절연판(330) 및 각각의 집전판(340)을 따라서 한 쌍의 엔드 플레이트(3O0)에 의해 보유된다. 연료 전지 스택(10OE)에서, 복수의 연료 전지 모듈(200)은 층상 구조를 형성하도록 적층된다. 텐션 플레이트(310)는 볼트(320)에 의해 각각의 엔드 플레이트(300)에 부착되어, 복수의 연료 전지 모듈(200)은 그 적층 방향으로 소정의 힘으로 체결된다.

본 실시예의 연료 전지 스택(1OOE)은 전기화학 반응에 제공되는 반응 가스(연료 가스와 산화 가스)의 공급 및 연료 전지 스택(1OOE)을 냉각하는 냉각 매체(예를 들어, 물, 에틸렌 글리콜 등의 부동액 또는 공기)의 공급에 더하여 물탱크(580)로부터 물의 공급을 수용한다.

수소는 파이프(515)를 통해 고압 수소의 수소 탱크(500)로부터 유입되고 연료 전지 스택(1OOE)의 애노드에 연료 가스로서 공급된다. 파이프(515)에는 수소의 공급을 조정하기 위해서 셧 밸브(510) 및 레귤레이터(도시하지 않음)가 제공된다. 연료 전지 스택(1OOE)은 후술하는 애노드로부터 전기화학 반응에 제공되지 않은 애노드 오프 가스를 연료 전지 스택(1OOE) 외부로 배출하기 위해 연료 가스 배기 매니폴드와 연결된 배기 파이프(517)를 구비한다.

공기는 압축기(540)에 의해 압축되고 연료 전지 스택(10OE)의 캐소드에 파이프(544)를 통해 산화 가스로서 공급된다. 연료 전지 스택(1OOE)의 캐소드로부터 배출된 캐소드 오프 가스는 파이프(546)를 통해서 유동되어 대기중으로 방출된다.

냉각 매체는 라디에이터(550)로부터 파이프(555)를 통해 연료 전지 스택(1OOE)에 공급된다. 연료 전지 스택(1OOE)으로부터 배출된 냉각 매체는 파이 프(555)를 통해 라디에이터(550)로 재주입되고 연료 전지 스택(100E)으로 재순환된다. 파이프(555)위로는 냉각 매체의 순환을 위한 순환 펌프(560)가 제공된다.

물은 연료 전지 스택(10OE)에 파이프(587)를 통해서 유동되도록 물 공급 펌프(585)에 의해 물탱크(580)로부터 유입된다. 후술되는 바와 같이, 이러한 물은 연료 전지 스택(1OOE)의 애노드에 공급된다.

제어 회로(600)는 마이크로컴퓨터를 중심으로 한 논리 회로로서 구성되어, 미리 설정된 제어프로그램을 따라서 다양한 연산을 실행하도록 설계된 CPU(도시하지 않음)와, CPU에서 수행되는 각종 연산 처리를 실행하는데 필요한 제어 프로그램이나 제어 데이터를 저장하도록 설계된 R0M(도시하지 않음)과, CPU에서 수행되는 각종 연산 처리를 하는데 필요한 각종 데이터를 일시적으로 읽고 쓰도록 설계된 RAM(도시하지 않음)과, 각종 신호를 입출력하도록 배치된 입출력 포트를 구비한다. 제어 유닛(600)은 연료 전지 스택(1OOE)에 의한 발전에 포함되는 관련 부품, 예를 들어, 셧 밸브(510), 압축기(540), 순환 펌프(560) 및 물 공급 펌프(585)를 조정하고 제어한다.

F2. 연료 전지 모듈의 구조

도20은 제5 실시예의 연료 전지 스택(10OE)의 연료 전지 모듈(200)의 개략적인 구조를 도시한 단면도이다. 도20에 도시된 바와 같이, 연료 전지 모듈(200)은 세퍼레이터(130)와 MEA 유닛(110)을 교대로 적층해서 구성된다. 이하에서는, 세퍼레이터(130)와 MEA 유닛(110)을 교대로 적층하는 방향을 적층 방향('x' 방향에 해당)이라고 부르고, 연료 전지 모듈면에 평행한 방향을 면 방향이라고 부른다.

MEA 유닛(110)은 MEA와, MEA의 외측에 배치된 한 쌍의 제2 가스 확산층(114, 115)과, 시일부(116)를 구비한다. MEA는 전해질막(120)과, 전해질막(120)의 대향 측면 상에 촉매 전극으로 형성되고 전해질막(120)을 따라 배치된 애노드(122) 및 캐소드(124)와, 각각의 촉매 전극의 외측에 배치된 한 쌍의 제1 가스 확산층(126, 128)을 구비한다. MEA에 있어서 실제로 발전이 행해지는 유효 영역을 이하에서 특히 발전 영역이라고도 부른다.

전해질막(120)은 고체 고분자 재료, 예를 들어 퍼플루오로카본 술폰산 함유 불소계 수지에 의해 형성된 프로톤 전도성의 이온 교환막이며, 습윤 상태로 양호한 전기 전도성을 갖는다. 애노드(122) 및 캐소드(124)는 전기화학 반응을 촉진하는 선택된 촉매, 예를 들어, 백금 또는 백금 합금을 구비한다. 제1 가스 확산층(126, 128)은 예를 들어 다공질 카본 부재이다.

제2 가스 확산층(114, 115)은 예를 들어, 티타늄(Ti)의 금속 메쉬 또는 발포 금속과 같이 전기 전도성 다공질 금속제로 형성된다. 제2 가스 확산층(l14, 115)은 MEA와 세퍼레이터(130)에 의해 한정된 공간을 완전히 차지하도록 위치된다. 제2 가스 확산층(l14, 115)의 내부 체적은 다수의 기공을 구비하고 반응 가스(연료 가스 또는 산화 가스)에 대해 연료 전지 모듈내 가스 유동 통로로서 작용한다. 연료 가스는 제2 가스 확산층(114)으로 공급되어 유동된다. 따라서, 제2 가스 확산층(114)에 형성된 연료 전지 모듈내 가스 유동 통로는 연료 가스 유동 통로라고 부른다. 산화 가스는 제2 가스 확산층(115)에 공급되어 유동된다. 제2 가스 확산층(115)에 형성된 연료 전지 모듈내 가스 유동 통로를 산화 가스 유동 통로라고 부 른다.

시일부(116)는 세퍼레이터(130)의 각각의 인접한 쌍 사이에 위치되고 MEA 및 제2 가스 확산층(114, 115)을 둘러싸도록 배치된다. 이 시일부(116)는 예를 들어, 실리콘 고무, 부틸 고무 및 불소 고무와 같이 절연성 고무 재료로 형성되고 MEA와 일체적으로 형성된다. 시일부(116)를 형성하는 하나의 전형적인 절차는 MEA를 금형의 캐비티에 끼워지도록 위치시키고 수지 재료를 금형 안으로 사출 성형하는 것이다. 그 후, 수지 재료가 다공질 부재인 제1 가스 확산층 안으로 흡착되어, MEA와 시일부(116)는 MEA의 양면 사이에 충분한 가스 밀봉성을 확보하도록 서로 긴밀히 결합된다. 시일부(116)는 MEA를 지지하는 지지 부재로서도 기능한다.

도21은 도20의 연료 전지 모듈(200)에 있어서의 선 A-A 단면 상을 취한 MEA 유닛(110)의 단면 구조를 도시한 평면도이다. 도21에 도시된 바와 같이, 시일부(116)는 직사각형 형상의 얇은 플레이트 부재이며, 각각의 매니폴드의 부품을 형성하도록 그 외주부에 설치된 7개의 관통 구멍과 내부에 끼워진 제2 가스 확산층(114, 115)(사선으로 충전된 영역 부분)과 MEA를 수용하는 사실상 직사각형 중심 구멍을 구비한다. 도21에 있어서의 사선으로 충전된 영역은 발전 영역에 대응한다.

도21의 평면도에는 특별히 나타내지 않았지만, 시일부(116)는 실제로 소정의 요철 형상을 갖는다. 연료 전지 스택(1OOE)에서, 시일부(116)는 사실상 직사각형 중심 구멍과 매니폴드용의 7개의 관통 구멍을 둘러싸는 위치에 형성된 시일부(116)의 돌출부를 통해 인접한 세퍼레이터(130)와 접촉한다. 시일부(116)와 세퍼레이 터(130)의 접촉 위치(도20에 있어서 일점쇄선으로 도시됨)는 도21의 평면도에 있어서 시일 라인(SL)으로서 도시된다. 시일부(116)는 탄성 수지 재료로 형성되고, 연료 전지 스택(1OOE)에서 적층 방향에 평행한 방향으로 압박력이 가해져서 시일 라인(SL)의 위치에 있어서 그 밀봉성을 실현하고 있다.

도21의 선 B-B 상에서 취한 시일부(116) 및 제2 가스 확산층(114)의 형상은 도20의 시일부(116) 및 제2 가스 확산층(114)의 단면 형상에 해당한다.

F3. 세퍼레이터(130)의 구조

도22는 제5 실시예에 있어서의 중간 플레이트(133)의 형상을 도시한다. 도23은 제5 실시예에 있어서의 애노드 대향 플레이트(131)의 형상을 도시한다. 도24는 제5 실시예에 있어서의 캐소드 대향 플레이트(132)의 형상을 도시한다. 세퍼레이터(130)는 적층 방향으로 동일한 형상을 가진 3장의 플레이트로 구성되어 3층 적층 세퍼레이터로 구성된다. 세퍼레이터(130)는 제2 가스 확산층(114)과 접하는 애노드 대향 플레이트(131), 제2 가스 확산층(115)과 접하는 캐소드 대향 플레이트(132) 및, 애노드 대향 플레이트(131)와 캐소드 대향 플레이트(132) 사이에 위치되는 중간 플레이트(133)를 구비한다. 이러한 3장의 플레이트는 도전성 재료, 예를 들어 티타늄(Ti)과 같은 금속의 적층체이고 확산 접합 또는 다른 적절한 기술에 의해 일체적으로 결합된다. 이러한 3장의 플레이트는 선택된 위치에 특정 형상으로 형성된 구멍을 가진 평탄한 표면을 갖는다. 도22, 도23 및 도24의 점선은 MEA 유닛(110)과 세퍼레이터(130)를 적층했을 경우에 발전 영역(도21 참조)의 외곽에 대응한다. 도22, 도23 및 도24의 선 B-B 상에 취한 중간 플레이트(133), 애노드 대향 플레이트(131) 및 캐소드 대향 플레이트(132)의 형상은 각각 도20의 중간 플레이트(133), 애노드 대향 플레이트(131) 및 캐소드 대향 플레이트(132)의 단면 형상에 해당한다.

도22, 도23 및 도24에 도시된 바와 같이, 중간 플레이트(133), 애노드 대향 플레이트(131) 및 캐소드 대향 플레이트(132)는 각각 같은 위치에 7개의 관통 구멍 (140 내지 146)을 갖는다. 연료 전지 모듈(200)을 형성하는 이러한 플레이트의 적층 시에, 각각의 플레이트의 7개의 관통 구멍 중 하나와 각각의 동일 위치에 형성된 대응하는 관통 구멍은 연료 전지 모듈(200)에서 적층 방향과 평행하게 유체를 유입하기 위한 매니폴드를 형성하도록 다른 하나를 중첩한다.

관통 구멍(140)은 연료 전지 스택(10OE)에 공급되는 연료 가스의 유동을 각각의 MEA 유닛(110)에 분배하도록 배치된 연료 가스 공급 매니폴드(도면 중 'H2 인'으로 표시됨)를 구성한다. 관통 구멍(141)은 각각의 MEA 유닛(110)으로부터 애노드 오프 가스의 결합 유동을 연료 전지 스택(10OE)의 외측으로 배출하도록 배치된 연료 가스 배기 매니폴드(도면 중 'H2 아웃'으로 표시됨)를 구성한다.

관통 구멍(142)은 연료 전지 스택(10OE)에 공급된 산화 가스를 각각의 MEA 유닛(110)으로 분배하도록 배치된 산화 가스 공급 매니폴드(도면 중 '에어 인'으로 표시됨)를 구성한다. 관통 구멍(143)은 각각의 MEA 유닛(110)으로부터 캐소드 오프 가스의 결합 유동을 연료 전지 스택(100E)의 외부에 배출하도록 배치된 산화 가스 배출 매니폴드(도면 중 '에어 아웃'으로 표시됨)를 구성한다.

관통 구멍(144)은 연료 전지 스택(10OE)에 공급된 냉각 매체의 유동을 각각 의 세퍼레이터(130) 내에 분배하도록 배치된 냉매 공급 매니폴드(도면 중 '냉각 매체 인'으로 표시됨)를 구성한다. 관통 구멍(145)은 각각의 세퍼레이터(130)로부터의 결합 유동을 연료 전지 스택(100E)의 외측으로 배출하도록 배치된 냉각 매체 배출 매니폴드(도면 중, '냉각 매체 아웃'으로 표시됨)를 구성한다.

관통 구멍(146)은 물탱크(580)로부터 연료 전지 스택(10OE)으로 공급된 물의 유동을 애노드(122)에 분배하도록 배치된 물 공급 매니폴드(도면 중, '물 인'으로 표시됨)를 구성한다.

도22에 도시된 바와 같이, 중간 플레이트(133)의 관통 구멍(140 내지 146)은 다른 플레이트(131, 132)의 관통 구멍(140 내지 146)의 것과 다른 형상을 갖는다. 중간 플레이트(133)의 관통 구멍(140)은 발전 영역에 대응하는 특정 영역을 대면한 한 측(특정 영역 대향측)으로부터 특정 영역의 대향 관통 구멍(146)의 외주부를 향해 돌출된 복수의 긴 채널을 갖는다. 이러한 채널은 이후 연통부(150)로 언급된다.

중간 플레이트(133)의 관통 구멍(146)은 특정 영역 대향측으로부터 특정 영역의 대향 관통 구멍(140)을 향해 돌출된 복수의 긴 채널을 갖는다. 이러한 채널은 이후 연통부(151)라고 부른다. 도22에 도시된 바와 같이, 연통부(150)와 연통부(151)는 면 방향으로 교대로 배치되도록 형성된다.

중간 플레이트(133)의 관통 구멍(141, 142, 143)은 각각 각각의 특정 영역 대향측으로부터 특정 영역을 향해 돌출된 복수의 짧은 채널을 갖는다. 이러한 채널은 각각 연통부(152, 153, 154)라고 부른다.

중간 플레이트(133)의 관통 구멍(144)과 관통 구멍(145)은 연통부(155)에 의해 연통된다. 이 연통부(155)는 발전 영역에 대응하는 특정 영역내에 연통부(150)와 연통부(151)를 피하도록 사행식 레이아웃으로 형성된다. 애노드 대향 플레이트(131)와 캐소드 대향 플레이트(132) 사이에 중간 플레이트(133)를 적층시, 관통 구멍(144)에 의해 형성된 냉각 매체 공급 매니폴드는 냉각 매체 공급 매니폴드로부터 냉각 매체 배출 매니폴드까지 냉각 매체의 유동을 허용하고 연료 전지 스택(100E)의 내측을 냉각시키도록 관통 구멍(145)에 의해 형성된 냉각 매체 배출 매니폴드와 연통한다.

도23에 도시된 바와 같이, 애노드 대향 플레이트(131)는 발전 영역에 대응한 특정 영역 내이며 또한 중간 플레이트(133)의 연통부(150)에 대응하는 위치에 사실상 동일한 간격으로 배치된 복수의 공급 구멍(160)으로서 복수의 관통 구멍을 갖는다. 즉, 복수의 공급 구멍(160)은 발전 영역에 대응하는 애노드 대향 플레이트(131)의 특정 영역에 이차원적으로 분산된다. 애노드 대향 플레이트(131)와 중간 플레이트(133)가 적층되었을 때, 복수의 공급 구멍(160)은 연통부(150)를 통해 관통 구멍(140)에 의해 형성된 연료 가스 공급 매니폴드와 연통한다.

애노드 대향 플레이트(131)는 발전 영역에 대응한 특정 영역이며 또한 중간 플레이트(133)에 형성된 연통부(151)에 대응하는 위치에 사실상 동일한 간격으로 배치된 복수의 공급 구멍(161)으로서 복수의 관통 구멍을 구비한다. 즉, 복수의 공급 구멍(161)은 발전 영역에 대응하는 애노드 대향 플레이트(131)의 특정 영역에 이차원적으로 분산된다. 애노드 대향 플레이트(131)와 중간 플레이트(133)가 적층 되었을 때에, 복수의 공급 구멍(161)은 연통부(151)를 통해서 관통 구멍(146)에 의해 형성된 물 공급 매니폴드와 연통한다.

애노드 대향 플레이트(131)는 또한 발전 영역에 대응한 특정 영역이며, 중간 플레이트(133)에 형성된 연통부(152)에 대응하는 위치에 정렬된 복수의 배출구(162)의 어레이로서 복수의 관통 구멍의 어레이를 갖는다. 애노드 대향 플레이트(131)와 중간 플레이트(133)가 적층되었을 때에, 복수의 배출구(162)는 연통부(152)를 통해서 관통 구멍(141)에 의해 형성된 연료 가스 배기 매니폴드와 연통한다.

도24에 도시된 바와 같이, 캐소드 대향 플레이트(132)는 발전 영역에 대응한 특정 영역이며 중간 플레이트(133)에 형성된 연통부(153)에 대응하는 위치에 정렬된 복수의 배출구(163)의 어레이로서 복수의 관통 구멍의 어레이를 갖는다. 캐소드 대향 플레이트(132)는 또한 발전 영역에 대응한 특정 영역이며 중간 플레이트(133)에 형성된 연통부(154)에 대응하는 위치에 정렬된 복수의 배출구(164)의 어레이로서 복수의 관통 구멍의 어레이를 갖는다. 애노드 대향 플레이트(131)와 중간 플레이트(133)가 적층되었을 때에, 복수의 배출구(163)는 연통부(153)를 통해서 관통 구멍(142)에 의해 형성된 산화 가스 공급 매니폴드와 연통한다. 유사하게, 복수의 배출구(164)는 연통부(154)를 통해서 관통 구멍(143)에 의해 형성된 산화 가스 배출 매니폴드와 연통한다.

연료 전지 스택(10OE)(연료 전지 모듈(200))의 내부에, 각각의 플레이트(131, 133, 132)의 관통 구멍(146)에 의해 형성된 물 공급 매니폴드를 통해 물 이 주입되고, 애노드 대향 플레이트(131)(도23 참조)의 이차원적으로 분산된 복수의 공급 구멍(161) 및 중간 플레이트(도22 참조)의 연통부(155)(도20 참조)에 의해 한정된 공간을 통해 제2 가스 확산층(114)에 형성된 연료 전지 모듈내 가스 유동 통로(연료 가스 유동 통로) 안으로 통과하고, 애노드(122)를 가로질러 전해질막(120)에 공급된다. 이 배치는 물이 이차원적으로 분산되는 식으로 전해질막(120)에 공급될 수 있게 하고, 따라서, 전해질막(120)의 전체 표면에 걸쳐서 물의 사실상 균일한 공급을 보장한다. 이러한 물의 균일한 공급은 전해질막(120)이 국소적으로 건조되는 것을 효율적으로 방지하고 이에 따라 연료 전지 스택(100E)의 전지 성능의 저하를 방지한다. 물 공급의 증발을 야기하는 연료 전지 스택(100E)의 몇몇의 작동 조건에서, 연료 전지 스택(100E)은 물 증발의 잠열에 의해 냉각된다.

연료 전지 스택(100E)(연료 전지 모듈(200)) 내부에, 연료 가스의 유동은 각각의 플레이트(131, 133, 132)에 관통 구멍(140)에 의해 형성된 연료 가스 공급 매니폴드를 통해 주입되고, 애노드 대향 플레이트(131)의 이차원적으로 분산된 복수의 공급 구멍(160) 및 중간 플레이트(133)의 연통부(150)에 의해 한정된 공간을 통해서 제2 가스 확산층(114)에 형성된 연료 전지 모듈내 가스 유동 통로(연료 가스 유동 통로) 안으로 통과하고, 면 방향과 면 방향에 수직 방향(즉, 적층 방향)의 양 방향으로 확산된다. 적층 방향으로 확산되는 연료 가스는 제2 가스 확산층(114)과 제1 가스 확산층(126)을 관통하고 전기화학 반응 처리되도록 애노드(122)에 도달한다. 이러한 배열은 이차원적으로 분산되는 식으로 연료 가스가 애노드(122)에 공 급될 수 있게 하고 따라서 애노드(122)의 전체 표면에 걸쳐서 연료 가스의 사실상 균일한 공급을 보장한다. 연료 가스의 이러한 균일한 공급은 연료 전지 스택(100E)의 전지 성능의 저하를 효율적으로 방지한다.

프로톤은 애노드(122)로부터 캐소드(124)까지 전해질막(120)을 거쳐서 이동한다. 프로톤은 물 분자를 잡아당기는 수화 상태로 이동한다. 본 실시예의 연료 전지 스택(100E)에서, 물 공급 매니폴드를 통해 유동하는 물은 애노드(122)를 가로질러 전해질막(120)에 공급된다. 다시 말해서, 물 공급 매니폴드를 통해 유동하는 물은 본 실시예의 연료 전지 스택(100E)에서 프로톤 이동 방향의 상류로부터 전해질막(120)에 공급된다. 따라서, 전해질막(120)은 그 두께 방향으로 습윤 상태가 유지된다.

전기화학 반응 처리되고 제2 가스 확산층(114)의 연료 가스 유동 통로를 통해 유동하는 연료 가스는 애노드 대향 플레이트(131)의 복수의 배출구(162)의 어레이 및 중간 플레이트(133)의 연통부(152)에 의해 한정된 공간을 관통하고, 관통 구멍(141)에 의해 형성된 연료 가스 배기 매니폴드 안으로 배출된다.

유사하게, 연료 전지 스택(100E) 내부에, 산화 가스는 각각의 플레이트(131, 133, 132)의 관통 구멍(142)에 의해 형성된 산화 가스 공급 매니폴드를 통해 유입되고, 캐소드 대향 플레이트(132)(도24 참조)의 복수의 공급 구멍(163)의 어레이 및 중간 플레이트(133)의 연통부(153)에 의해 한정된 공간을 통해서 제2 가스 확산층(115)에 형성된 연료 전지 모듈내 가스 유동 통로(산화 가스 유동 통로) 안으로 통과하고, 면 방향과 적층 방향 양쪽으로 확산된다. 적층 방향으로 확산된 산화 가스는 제2 가스 확산층(115) 및 제1 가스 확산층(128)을 관통하고 전기화학 반응 처리되도록 캐소드(124)에 도달한다. 전기화학 반응 처리되고 제2 가스 확산층(115)의 산화 가스 유동 통로를 통해 유동하는 산화 가스는 중간 플레이트(133)의 연통부(154)에 의해 한정된 공간 및 캐소드 대향 플레이트(132)의 복수의 배출구(164)의 어레이를 관통하고, 관통 구멍(143)에 의해 형성된 산화 가스 배기 매니폴드 안으로 배출된다.

본 실시예의 구조에 있어서 복수의 공급 구멍(161)은 본 발명의 청구범위에서의 복수의 물 공급 구멍에 해당한다. 연통부(151)는 본 발명의 청구범위에서의 물 공급 유동 채널에 해당한다. 연통부(155)는 본 발명의 청구범위에서의 냉각 매체 유동 채널에 해당한다. 복수의 공급 구멍(160)은 본 발명의 청구범위에서의 복수의 반응 가스 공급 구멍에 해당한다. 연통부(150)는 본 발명의 청구범위에서의 반응 가스 공급 유동 채널에 해당한다.

G. 제6 실시예

도25는 본 발명의 제6 실시예에서의 연료 전지 스택(100F)을 포함하는 연료 전지 시스템(1000F)의 구조를 개략적으로 도시한다. 도26은 제6 실시예의 중간 플레이트(133A)의 형상을 도시한다. 도27은 제6 실시예의 애노드 대향 플레이트(131A)의 형상을 도시한다. 도28은 제6 실시예의 캐소드 대향 플레이트(132A)의 형상을 도시한다. 제6 실시예의 연료 전지 스택(100F)은 제5 실시예의 연료 전지 스택(100E)과 유사한 구조를 갖는다. 유사한 요소는 유사한 기호에 의해 표시되고 여기서 상세히 설명되지 않는다.

도26, 도27 및 도28에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 연료 전지 스택(100F)에 사용되는 중간 플레이트(133A), 애노드 대향 플레이트(131A) 및 캐소드 대향 플레이트(132A) 중 어떤 것도 관통 구멍(146)을 갖지 않는다. 즉, 연료 전지 스택(100F)은 물 공급 매니폴드를 갖지 않는다. 따라서, 연료 전지 스택(100F)은 도25에 도시된 바와 같이 물 공급 매니폴드 안으로 물을 공급하기 위해 사용되는 파이프(587), 물 공급 펌프(585) 및 물 탱크(580)를 제외한다. 상세히 도시되지는 않았지만, 시일부(116)는 관통 구멍(146)을 갖는 않는다.

본 실시예의 연료 전지 스택(100F)은 연료 전지를 냉각시키기 위해 냉각 매체로서 물을 사용하고 따라서 도25에 도시된 바와 같이 파이프(555) 상에 구비된 물 탱크(580A)를 갖는다.

본 실시예의 연료 전지 스택(100F)이 물 공급 매니폴드를 갖지 않기 때문에, 연통부(151)와 복수의 공급 구멍(161)은 중간 플레이트(133A)와 애노드 대향 플레이트(131A)로부터 각각 생략된다.

애노드 대향 플레이트(131A)는 발전 영역에 대응한 특정 영역이며, 중간 플레이트(133A)에 형성된 연통부(155)에 대응하는 위치에 소정의 간격으로 배열된 복수의 공급 구멍(161A)으로서 복수의 관통 구멍을 갖는다. 즉, 복수의 공급 구멍(161A)은 발전 영역에 대응한 애노드 대향 플레이트(131A)의 특정 영역에 이차원적으로 분산된다. 애노드 대향 플레이트(131A)와 중간 플레이트(133A)가 적층되었을 때, 복수의 공급 구멍(161A)은 연통부(155)와 연통한다.

본 실시예의 연료 전지 스택(100F) 내부에, 물은 각각의 플레이트(131A, 133A, 132A)의 관통 구멍(144)에 의해 형성된 냉각 매체 공급 매니폴드를 통해 유입되고, 애노드 대향 플레이트(131A)(도27 참조)의 이차원적으로 분산된 복수의 공급 구멍(161A) 및 중간 플레이트(133A)(도26 참조)의 연통부(155)에 의해 한정된 공간을 통해서 제2 가스 확산층(114)에 형성된 연료 전지 모듈내 가스 유동 통로(연료 가스 유동 통로) 안으로 통과하고, 애노드(122)를 거쳐서 전해질막(120)에 공급된다. 이러한 장치는 물이 이차원적으로 분산되는 식으로 전해질막(120)에 공급될 수 있게 하고 따라서 전해질막(120)의 전체 표면에 걸쳐서 물의 사실상 균일한 공급을 보장한다. 물의 이러한 균일한 공급은 전해질막(120)이 국소적으로 건조되는 것을 효율적으로 방지하고 따라서 연료 전지 스택(100F)의 전지 성능의 저하를 방지한다. 물 공급의 증발을 야기하는 연료 전지 스택(100F)의 몇몇 작동 조적에서, 연료 전지 스택(100F)은 물 증기의 잠열에 의해 냉각된다. 제1 실시예의 연료 전지 스택(100)과 유사하게, 제6 실시예의 연료 전지 스택(100F)은 물 공급 매니폴드를 갖지 않는다. 이러한 구조는 바람직하게 세퍼레이터(130)의 구성요소로서 각각의 플레이트의 가공을 용이하게 하고 각각의 플레이트를 장점적으로 소형화한다.

본 실시예의 구조에서 연통부(155)는 본 발명의 청구범위에서의 물 공급 유동 채널과 냉각 매체 유동 채널에 해당한다.

H. 제7 실시예

도29는 본 발명의 제7 실시예의 연료 전지 스택(100G)을 포함하는 연료 전지 시스템(1000G)의 구조를 개략적으로 도시한다. 제7 실시예의 연료 전지 스 택(100G)은 배기 파이프(517) 상에 구비된 셧 밸브(590)를 제외하고 제5 실시예의 연료 전지 스택(100E)의 것과 유사한 구조를 갖는다. 유사한 요소는 유사한 기호로 표시되고 여기서 상세히 설명되지 않는다. 셧 밸브(590)는 제어 회로(600)에 의해 제어된다.

본 실시예의 연료 전지 스택(100G)에서, 산화 가스가 압축기(540)에 의해 캐소드(124)에 공급되는 동안, 제어 회로(600)는 연료 가스를 애노드(122)에 공급하도록 셧 밸브(510)를 개방한다. 발전을 위한 전기화학 반응은 제어 회로(600)에 의해 폐쇄된 셧 밸브(590)로 연료 전지 스택(100G)에서 실행된다. 즉, 연료 전지 스택(100G)은 애노드(122)로의 연료 가스 공급이 연료 전지 스택(100G)의 외측으로 배출되지 않고 내부에 보유되면서 발전이 실행되는 애노드 데드 엔드 타입 연료 전지로서 설계된다. 전해질막(120)을 가로질러 캐소드(124)로부터 누출되는 질소 및 다른 불순물이 제2 가스 확산층(114)에 축적될 수 있다. 따라서, 제어 회로(600)는 애노드 오프 가스의 유동을 가지고 제2 가스 확산층(114)에 축적된 질소 및 다른 불순물을 방출하기 위해 적절한 타이밍으로 셧 밸브(590)를 개방할 수 있다.

상술된 바와 같이, 본 실시예의 연료 전지 스택(100G)에서, 셧 밸브(590)가 연료 전지 스택(100G) 내부에 연료 가스를 보유하도록 개방되어 발전이 실행된다. 이러한 장치는 연료 가스가 애노드(122) 상에서 효율적으로 완전히 소비될 수 있게 하고 이에 따라 연료 가스의 연료 효율을 향상시킨다. 이차원적으로 분산된 식으로 애노드(122)에 연료 가스를 공급하는 것은 애노드(122)의 전체 표면에 걸쳐서 연료 가스의 사실상 균일한 공급을 보장하고 애노드(122) 사에 연료 가스의 소비 효율을 향상시킨다. 이러한 장치는 연료 전지 스택(100G)의 전지 성능을 효율적으로 향상시킨다.

I. 제5 내지 제7 실시예의 다른 태양

상술된 제5 내지 제7 실시예는 모든 면에서 예시적으로만 고려되었지만 이에 제한되지 않는다. 본 발명의 요지의 범위 또는 기술사상 내에서 이러한 실시예의 다양한 변화, 변경 및 대체예가 있을 수 있다. 가능한 변형예의 몇몇 예가 이하에서 설명된다.

I.1 제1 변형예

상기 실시예의 연료 전지 스택에서, 애노드 대향 플레이트는 물 공급 매니폴드를 통해 유동하는 물을 이차원적으로 분산되는 식으로 애노드에 공급하는 복수의 공급 구멍(161)을 갖는다. 그러나, 이 구조에 제한되지 않는다. 하나의 변형예에서, 물 공급 매니폴드를 통해 유동하는 물은 이차원적으로 분산되는 식으로 캐소드에 공급될 수 있다. 이러한 변형된 구조에서 캐소드 대향 플레이트는 발전 영역에 상당하는 특정 영역에 및 중간 플레이트(133)에 형성된 연통부(151)에 상당하는 위치에서 사실상 동일한 간격으로 배치된 복수의 공급 구멍으로서 복수의 관통 구멍을 가질 수 있다. 이 변형된 장치는 물이 캐소드를 가로질러 전해질막(120)에 이차원적으로 분산되는 식으로 공급될 수 있게 하고 따라서 전해질막(120)의 전체 표면에 걸쳐서 물의 사실상 균일한 공급을 보장한다. 이러한 물의 균일한 공급은 전해질막(120)이 국소적으로 건조되는 것을 효율적으로 방지하고 이에 따라 연료 전지 스택(100)의 전지 성능의 저하를 방지한다. 물 공급의 증발을 야기하는 연료 전지 스택(100)의 몇몇 작동 조건에서, 연료 전지 스택(100)은 물 증발의 잠열에 의해 냉각된다.

I2. 제2 변형예

제7 실시예의 연료 전지 스택(100G)에서, 연료 전지 스택(100G)의 외부로 애노드 오프 가스의 배출을 방지하도록 셧 밸브(590)가 폐쇄되어 발전이 실행된다. 그러나, 이 구조에 제한되지 않는다. 하나의 변형예에서, (연료 가스 배기 매니폴드를 구성하는) 관통 구멍(143) 및 파이프(517)는 연료 전지 스택(100G)의 구조로부터 제외될 수 있다. 이 변형된 구조에서, 캐소드(124)로부터 애노드로 누출되는 질소 및 다른 가능한 불순물의 축적을 방지하기 위해, 고농도 산소가 산화 가스로서 캐소드(124)에 공급될 수 있다.

Claims (20)

1. 프로톤 전도성 전해질막의 양면에 각각 애노드 및 캐소드를 구비한 전지 적층체를, 세퍼레이터를 개재시켜서 복수 적층시킨 스택 구조를 갖는 연료 전지 스택이며,

   상기 세퍼레이터는,

   상기 전지 적층체의 애노드에 대향하는 애노드 대향 플레이트와,

   상기 전지 적층체의 캐소드에 대향하는 캐소드 대향 플레이트를 구비하고, 상기 애노드 대향 플레이트 및 상기 캐소드 대향 플레이트의 적어도 한 쪽은 상기 플레이트를 두께 방향으로 관통시키도록 형성되고 상기 전지 적층체의 표면에 대하여 사실상 수직 방향으로 소정의 반응 가스를 상기 각각의 전지 적층체의 표면에 공급하도록 배치된 복수의 반응 가스 공급 구멍을 구비하고,

   상기 복수의 반응 가스 공급 구멍은 애노드 대향 플레이트 및 캐소드 대향 플레이트 중 적어도 하나의 플레이트 표면 상에 이차원적으로 분산되는 식으로 배치되는 연료 전지 스택.
2. 제1항에 있어서, 상기 복수의 반응 가스 공급 구멍은 애노드 대향 플레이트 및 캐소드 대향 플레이트 중 적어도 하나의 플레이트 표면 상에 전지 적층체의 발전 영역에 대응하는 특정 영역에 사실상 동일한 간격으로 배치되는 연료 전지 스택.
3. 제2항에 있어서, 상기 복수의 반응 가스 공급 구멍은 반응 가스 공급 유동 통로의 하류일수록 반응 가스를 공급받는 반응 가스 공급 구멍이 넓은 개구 면적을 갖는 식으로 상이한 개구 면적을 갖는 연료 전지 스택.
4. 제1항에 있어서, 상기 복수의 반응 가스 공급 구멍은 사실상 동일한 개구 면적을 갖고,

   상기 복수의 반응 가스 공급 구멍은 반응 가스 공급 유동 통로의 하류일수록 반응 가스를 공급받는 반응 가스 공급 구멍이 고밀도로 형성되는 식으로 다른 밀도를 갖는 연료 전지 스택.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 세퍼레이터는 상기 애노드 대향 플레이트와 상기 캐소드 대향 플레이트 사이에 위치된 중간 플레이트를 더 포함하고,

   상기 중간 플레이트는 애노드 대향 플레이트, 중간 플레이트 및 캐소드 대향 플레이트의 순차적인 적층에 의해 분산되는 식으로 복수의 반응 가스 공급 구멍 안으로 반응 가스를 공급하는 반응 가스 공급 유동 통로를 한정하도록 형성된 반응 가스 공급 유동 채널을 구비하는 연료 전지 스택.
6. 제5항에 있어서, 상기 중간 플레이트는 애노드 대향 플레이트, 중간 플레이 트 및 캐소드 대향 플레이트의 순차적인 적층에 의해 연료 전지를 냉각시키는 냉각 매체를 흐르게 하는 냉각 매체 유동 통로를 한정하도록 형성된 냉각 매체 유동 채널을 구비하는 연료 전지 스택.
7. 제6항에 있어서, 단일의 중간 플레이트는 상기 반응 가스 공급 유동 채널과 냉각 매체 유동 채널 둘 다를 구비하는 연료 전지 스택.
8. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 복수의 반응 가스 공급 구멍을 갖는 캐소드 대향 플레이트와 애노드 대향 플레이트 중 적어도 한 쪽은 플레이트를 두께 방향으로 관통시키고 복수의 반응 가스 공급 구멍을 통해 공급되는 반응 가스에서 발전용으로 사용되지 않는 잔류 가스인 배기 가스를 전지 적층체의 표면에 수직 방향으로 배출하도록 형성된 배기 가스 배출구를 더 구비하고,

   상기 중간 플레이트는 애노드 대향 플레이트, 중간 플레이트 및 캐소드 대향 플레이트의 순차적인 적층에 의해 배기 가스 배출구로부터 연료 전지 스택 외부로 배기 가스를 배출하는 배기 가스 배출 유동 통로를 한정하도록 형성된 배기 가스 배출 유동 채널을 구비하는 연료 전지 스택.
9. 제8항에 있어서, 상기 복수의 반응 가스 공급 구멍 및 배기 가스 배출구는 애노드 대향 플레이트에 구비되고,

   상기 배기 가스는 적어도 발전 중에 배기 가스 배출구로부터 연료 전지 스택 의 외부로 배출되지 않는 연료 전지 스택.
10. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 반응 가스 공급 구멍은 캐소드 대향 플레이트에 구비되고,

    상기 복수의 반응 가스 공급 구멍을 통해 공급되는 반응 가스는 연료 전지 스택 외부로 배출되지 않고 발전용으로 사실상 완전히 사용되는 연료 전지 스택.
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 전지 적층체는 캐소드측 면을 따르는 방향으로 반응 가스를 확산식으로 유동시키도록 전지 적층체의 적어도 캐소드측 면 상에 다공질 재료의 가스 확산층을 구비하는 연료 전지 스택.
12. 고체 고분자 재료로 이루어지는 전해질막의 양면에 각각 애노드 및 캐소드를 구비한 전지 적층체를, 세퍼레이터를 개재시켜서 복수 적층시킨 스택 구조를 갖는 연료 전지 스택이며,

    상기 세퍼레이터는,

    상기 전지 적층체의 애노드에 대향하는 애노드 대향 플레이트와,

    상기 전지 적층체의 캐소드에 대향하는 캐소드 대향 플레이트를 구비하고, 상기 애노드 대향 플레이트 및 상기 캐소드 대향 플레이트의 적어도 한 쪽은 상기 플레이트를 두께 방향으로 관통시키도록 형성되고 상기 전지 적층체의 표면에 대하여 사실상 수직 방향으로 상기 각각의 전지 적층체의 표면에 물을 공급하도록 배치 된 복수의 물 공급 구멍을 구비하고,

    상기 복수의 물 공급 구멍은 애노드 대향 플레이트 및 캐소드 대향 플레이트 중 적어도 하나의 플레이트 표면 상에 이차원적으로 분산되는 식으로 배치되는 연료 전지 스택.
13. 제12항에 있어서, 상기 세퍼레이터는 상기 애노드 대향 플레이트와 상기 캐소드 대향 플레이트 사이에 위치된 중간 플레이트를 더 포함하고,

    상기 중간 플레이트는 애노드 대향 플레이트, 중간 플레이트 및 캐소드 대향 플레이트의 순차적인 적층에 의해 복수의 물 공급 구멍 안으로 분산되는 식으로 물을 공급하기 위한 물 공급 유동 통로를 한정하도록 형성된 물 공급 유동 채널을 구비하는 연료 전지 스택.
14. 제13항에 있어서, 상기 중간 플레이트는 애노드 대향 플레이트, 중간 플레이트 및 캐소드 대향 플레이트의 순차적인 적층에 의해 연료 전지를 냉각시키는 냉각 매체를 흐르게 하는 냉각 매체 유동 통로를 한정하도록 형성된 냉각 매체 유동 채널을 구비하는 연료 전지 스택.
15. 제14항에 있어서, 상기 냉각 매체 유동 채널은 또한 물 공급 유동 채널로서 작용하는 연료 전지 스택.
16. 제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 복수의 물 공급 구멍을 구비한 캐소드 대향 플레이트와 애노드 대향 플레이트 중 적어도 하나는 플레이트를 두께 방향으로 관통시키도록 형성되고 전지 적층체의 표면에 사실상 수직 방향으로 소정의 반응 가스를 전지 적층체의 표면에 공급하도록 배치된 복수의 반응 가스 공급 구멍을 더 구비하고,

    상기 중간 플레이트는 애노드 대향 플레이트, 중간 플레이트 및 캐소드 대향 플레이트의 순차적인 적층에 의해 분산되는 식으로 복수의 반응 가스 공급 구멍 안으로 반응 가스를 공급하는 반응 가스 공급 유동 통로를 한정하도록 형성된 반응 가스 공급 유동 채널을 구비하고,

    상기 복수의 반응 가스 공급 구멍은 애노드 대향 플레이트와 캐소드 대향 플레이트 중 적어도 하나의 플레이트 표면 상에 이차원적으로 분산되는 식으로 배치되는 연료 전지 스택.
17. 제16항에 있어서, 상기 복수의 물 공급 구멍과 복수의 반응 가스 공급 구멍은 애노드 대향 플레이트에 구비되고,

    전지 적층체의 표면에 공급된 연료 가스가 연료 전지 스택 외부로 배출되지 않고 내부에 보유되어 발전이 실행되는 연료 전지 스택.
18. 제12항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 물 공급 구멍은 애노드 대향 플레이트와 캐소드 대향 플레이트 중 적어도 하나의 플레이트 표면 상 에 사실상 동일한 간격으로 배치되는 연료 전지 스택.
19. 제12항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 물 공급 구멍은 애노드 대향 플레이트에 구비되는 연료 전지 스택.
20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 애노드 대향 플레이트와 캐소드 대향 플레이트 양쪽은 평판형 부재인 연료 전지 스택.

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