KR20120068748A - 연료전지 스택 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 연료전지 스택으로서, 복수의 연료전지 모듈을 구비한다. 연료전지 모듈은, 전해질막과, 제 1 전극끼리 대향하도록 배치된 제 1과 제 2 막전극 접합체와, 제 1과 제 2 막전극 접합체의 제 1 전극에 제 1 반응가스를 공급하기 위한 제 1 반응가스 유로와, 제 1과 제 2 막전극 접합체의 제 2 전극에 제 2 반응 가스를 공급하기 위한 제 2 반응가스 유로와, 제 1과 제 2 막전극 접합체의 제 2 전극을 냉각하기 위한 냉각 유로를 가진다. 연료전지 스택은, 제 1 전극을 냉각하기 위한 냉각 유로를 가지지 않고, 제 1과 제 2 막전극 접합체의 사이에 배치된 제 1 유로 형성 부재로서, 제 1 반응가스 유로가 형성된 제 1 유로 형성 부재를 가진다.

Description

연료전지 스택{FUEL CELL STACK}
본 발명은, 연료전지 스택에 관한 것이다.
연료전지는, 복수매가 적층된 연료전지 스택으로서 사용되는 것이 일반적이다. 연료전지 스택은, 연료전지와, 연료전지의 애노드 및 캐소드를 냉각하기 위한 냉각 유로를 구비하고 있다(예를 들면, 특허문헌 1). 연료전지는, 막전극 접합체와, 막전극 접합체에 반응가스를 공급하기 위한 반응가스 유로를 가진다.
일본국 특개2008-186783호 공보 일본국 특개2006-114244호 공보 국제공개 제2003/107466호
연료전지 스택은, 차량이나 선박 등의 이동체에 설치되어 동력원으로서 이용된다. 또, 연료전지 스택은, 각종 시설에 설치되어 전원으로서 이용된다. 따라서, 설치의 용이함을 고려하면, 소형화를 도모하는 것이 요구되고 있다. 그러나, 종래의 연료전지 스택의 구성으로는 소형화가 충분히 도모되지 않는 경우가 있었다.
따라서, 본 발명은, 연료전지 스택에 있어서 소형화를 도모할 수 있는 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 상기의 과제의 적어도 일부를 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 이하의 형태 또는 적용예로서 실현할 수 있다.
[적용예 1]
연료전지 스택에 있어서,
소정 방향으로 적층된 복수의 연료전지 모듈을 구비하고,
상기 연료전지 모듈은,
전해질막과, 상기 전해질막의 양면을 끼우도록 배치된 제 1과 제 2 전극을 각각 가지는 제 1과 제 2 막전극 접합체로서, 상기 제 1 전극끼리 대향하도록 배치된 제 1과 제 2 막전극 접합체와,
상기 제 1과 제 2 막전극 접합체의 상기 제 1 전극에 제 1 반응가스를 공급하기 위한 제 1 반응가스 유로와,
상기 제 1과 제 2 막전극 접합체의 상기 제 2 전극에 제 2 반응가스를 공급하기 위한 제 2 반응가스 유로와,
상기 제 1과 제 2 막전극 접합체의 상기 제 2 전극을 냉각하기 위한 냉각 유로를 가지고,
상기 연료전지 스택은, 상기 제 1 전극을 냉각하기 위한 냉각 유로를 가지지 않고, 상기 제 1과 제 2 막전극 접합체의 사이에 배치된 제 1 유로 형성 부재로서, 상기 제 1 반응가스 유로가 형성된 제 1 유로 형성 부재를 가지는 연료전지 스택.
적용예 1에 기재된 연료전지 스택에 의하면, 제 1과 제 2 막전극 접합체의 대향하는 2개의 제 1 전극을 냉각하기 위한 냉각 유로를 가지지 않기 때문에, 제 1 전극을 냉각하기 위한 냉각 유로를 가지는 연료전지 스택에 비해 소형화를 도모할 수 있다.
[적용예 2]
적용예 1에 기재된 연료전지 스택에 있어서,
상기 제 1 유로 형성 부재는, 상기 제 1과 제 2 막전극 접합체의 상기 제 1 전극에 상기 제 1 반응가스를 공급 가능한 다공체인 연료전지 스택.
적용예 2에 기재된 연료전지 스택에 의하면, 제 1 유로 형성 부재를 다공체에 의해 형성함으로써, 제 1 유로 형성 부재의 양측에 배치된 제 1과 제 2 막전극 접합체의 제 1 전극에 제 1 반응가스를 용이하게 공급할 수 있다.
[적용예 3]
적용예 1에 기재된 연료전지 스택에 있어서,
상기 제 1 유로 형성 부재는, 판형상의 부재이고,
상기 제 1 막전극 접합체에 대향하는 제 1 면과, 상기 제 2 막전극 접합체에 대향하는 제 2 면을 가지고,
상기 제 1 반응가스 유로는, 상기 제 1과 제 2 면에 형성된 홈인 연료전지 스택.
적용예 3에 기재된 연료전지 스택에 의하면, 판형상의 부재의 양면에 홈을 형성함으로써, 제 1과 제 2 막전극 접합체의 제 1 전극에 제 1 반응가스를 공급할 수 있다.
[적용예 4]
적용예 1 내지 적용예 3 중 어느 하나에 기재된 연료전지 스택에 있어서,
인접하는 상기 연료전지 모듈의 사이에 배치된 절연체를 더 구비하고,
상기 냉각 유로는, 상기 절연체의 내부에 형성되어 있는 연료전지 스택.
적용예 4에 기재된 연료전지 스택에 의하면, 절연체와는 별도로 냉각 유로를 가지는 부재를 배치할 필요가 없기 때문에, 더욱 소형화를 도모할 수 있다.
[적용예 5]
적용예 1 내지 적용예 4 중 어느 하나에 기재된 연료전지 스택에 있어서,
상기 제 1 전극은, 캐소드이고,
상기 제 2 전극은, 애노드인 연료전지 스택.
일반적으로, 전해질막은 고온일수록 많은 물을 함수할 수 있다는 특징을 가진다. 한편, 캐소드에서는, 전기화학반응에 의해 물이 발생한다. 적용예 5에 기재된 연료전지 스택에 의하면, 캐소드 측에 냉각 유로를 가지지 않고, 애노드 측에 냉각 유로를 가짐으로써, 물이 발생하는 캐소드를 애노드보다 고온으로 유지할 수 있다. 이것에 의해, 전해질막의 캐소드 측에서는 애노드 측보다 많은 물을 함수시킬 수 있고, 전해질막의 물의 구배(勾配)에 의해, 캐소드 측에서 애노드 측으로 물을 확산시킬 수 있다. 따라서, 연료전지 스택의 소형화를 도모할 수 있음과 함께, 전해질막의 함수율을 균일화할 수 있다.
[적용예 6]
적용예 1 내지 적용예 5 중 어느 하나에 기재된 연료전지 스택에 있어서,
상기 제 1과 제 2 막전극 접합체를 전기적으로 병렬로 접속하는 외부 회로를 가지는 연료전지 스택.
적용예 6에 기재된 연료전지 스택에 의하면, 제 1 전극끼리 대향시킨 제 1과 제 2 막전극 접합체를 가지는 연료전지 스택으로부터 집전(集電)하는 것이 가능해 진다.
또한, 본 발명은, 여러가지 형태로 실현하는 것이 가능하고, 상기에 기재한 연료전지 스택으로서의 구성 외에, 예를 들면, 연료전지 스택을 탑재한 차량(이동체)이나, 연료전지 스택을 구비한 시설 등의 형태로 실현할 수 있다.
도 1은 연료전지 시스템(1)의 전체 구성을 나타내는 설명도,
도 2는 연료전지 스택(10)의 내부 구성을 설명하기 위한 도,
도 3은 도 2의 3-3 단면도,
도 4는 제 1 실시예의 전기 회로도를 설명하기 위한 도,
도 5는 대향하는 캐소드에 공기를 공급하는 방법을 설명하기 위한 도,
도 6은 연료전지 스택(10)의 효과를 설명하기 위한 도,
도 7은 연료전지 스택(10)의 효과를 설명하기 위한 도,
도 8은 연료전지 스택(10)의 효과를 설명하기 위한 도,
도 9는 제 2 실시예의 연료전지 스택(10a)의 내부 구성을 설명하기 위한 도,
도 10은 제 3 실시예의 연료전지 스택(10b)을 설명하기 위한 도면이다.
다음에, 본 발명의 실시형태를 이하의 순서로 설명한다.
A. 제 1 실시예 :
B. 제 2 실시예 :
C. 제 3 실시예 :
D. 변형예 :
A. 제 1 실시예 :
A-1. 연료전지 시스템의 구성:
도 1은, 본 발명의 제 1 실시예로서의 연료전지 스택(10)을 구비하는 연료전지 시스템(1)의 전체 구성을 나타내는 설명도이다. 제 1 실시예의 연료전지 시스템(1)은, 예를 들면, 차량에 탑재되어, 차량의 동력원으로서 사용할 수 있다. 연료전지 시스템(1)은, 연료전지 스택(10)과, 산화제 가스 공급부로서의 에어 펌프(60)와, 연료가스 공급부로서의 수소탱크(70)와, 냉각 매체 공급부로서의 라디에이터(84)와, 연료전지 시스템의 운전을 제어하는 제어부(도시 생략)를 구비하고 있다. 또한, 연료전지 시스템(1)은, 반응가스나 냉각 매체가 유통하는 배관(62, 64, 72, 77, 78, 82, 86)과, 밸브(71, 74)와, 순환펌프(76, 80)를 구비한다.
연료전지 스택(10)은, 비교적 소형으로 발전 효율이 우수한 고체 고분자형 연료전지를 형성한다. 연료전지 스택(10)은, 연료전지 모듈(40)이 절연체(도시 생략)를 거쳐 복수 적층된 스택 구조를 가진다. 또, 연료전지 모듈(40)은, 각 연료전지 모듈(40)의 두께 방향으로 적층되고, 양측에 배치된 엔드 플레이트(30)에 의해 협지(挾持)되어 있다. 연료전지 모듈(40)은, 후술하는 2개의 막전극 접합체(MEA : Membrane Electrode Assembly)를 가진다. 또한, 연료전지 스택(10)의 내부 구성의 상세는 후술한다.
연료전지 스택(10) 내부에는, 산화제 가스 공급 매니폴드(63)와, 산화제 가스 배출 매니폴드(65)와, 연료가스 공급 매니폴드(73)와, 연료가스 배출 매니폴드(75)와, 냉각 매체 공급 매니폴드(81)와, 냉각 매체 배출 매니폴드(85)가 형성되어 있다.
연료가스로서의 수소는, 고압 수소를 저장한 수소탱크(70)로부터 연료가스 공급 배관(72) 및 연료가스 공급 매니폴드(73)를 거쳐 각 연료전지 모듈(40)의 막전극 접합체(상세하게는, 애노드)에 공급된다. 연료가스 공급 배관(72)에는 수소의 공급을 조정하기 위한 밸브(71)가 설치되어 있다. 막전극 접합체(상세하게는 애노드)에 공급된 수소는, 전기화학반응에 의한 발전에 제공된다. 애노드를 통과한 수소인 애노드 오프 가스는, 연료가스 배출 매니폴드(75) 및 연료가스 배출 배관(78)을 거쳐 외부로 배출된다. 또한, 연료전지 시스템(1)은, 연료가스 공급 배관(72)과 연료가스 배출 배관(78)을 연통시키는 연료가스 순환 배관(77)과, 순환 펌프(76)를 구비한다. 애노드 오프 가스는, 밸브(74)와 순환 펌프(76)을 제어함으로써, 연료가스 순환 배관(77) 및 연료가스 공급 배관(72)을 거쳐 다시 연료전지 스택(10)에 공급해도 된다.
산화제 가스로서의 공기는, 에어 펌프(60)를 구동함으로써, 산화제 가스 공급 배관(62) 및 산화제 가스 공급 매니폴드(63)를 거쳐 각 연료전지 모듈(40)의 막전극 접합체(상세하게는, 캐소드)에 공급된다. 막전극 접합체(상세하게는 캐소드)에 공급된 공기는, 전기화학반응에 의한 발전에 제공된다. 캐소드를 통과한 공기인 캐소드 오프 가스는, 산화제 가스 배출 매니폴드(65) 및 산화제 가스 배출 배관(64)을 거쳐 외부로 배출된다.
냉각 매체로서의 냉각수는, 라디에이터(84)로부터 냉각 매체 공급 배관(86) 및 냉각 매체 공급 매니폴드(81)를 거쳐, 각 연료전지 모듈(40)에 공급된다. 각 연료전지 모듈(40)을 통과한 냉각수는, 순환 펌프(80)에 의해 냉각 매체 배출 배관(82)을 거쳐 라디에이터(84)로 보내지고, 다시, 냉각 매체 공급 배관(86)을 거쳐 연료전지 스택(10) 내부에 공급된다. 또한, 냉각 매체로서는, 물뿐만 아니라, 에틸렌글리콜 등의 부동액이나 공기 등을 사용할 수 있다.
A-2. 연료전지 스택의 구성 :
도 2는, 연료전지 스택(10)의 내부 구성을 설명하기 위한 도면이다. 도 2는, 연료전지 스택(10)의 개략 구성을 나타내고 있다. 연료전지 스택(10)은, 각 구성의 면과 직교하는 방향으로 적층된 복수의 연료전지 모듈(40)과, 인접하는 연료전지 모듈(40)의 사이에 배치된 절연체(21)와, 외부 회로(도시 생략)를 구비한다. 연료전지 모듈(40)은, 2개의 연료전지 셀(42)을 구비한다. 2개의 연료전지 셀(42)은, 동극(同極)끼리 대향하도록 배치되어 있다. 각 연료전지 셀(42)은, 막전극 접합체의 양측에 가스 확산층을 접합한 막전극 가스 확산층 접합체(MEGA : Membrane Electrode & Gas Diffusion Layer Assembly)(30)와, MEGA의 양면을 끼우도록 배치된 제 1과 제 2 세퍼레이터(22, 26)를 구비한다. 제 1과 제 2 세퍼레이터(22, 26)는 판형상의 부재이고, 양면에는 홈이 형성되어 있다. 형성된 홈에는, 각 매니폴드(63, 73, 86)(도 1)로부터 분배되어 공급된 반응가스(공기, 수소)나 냉각수가 유통된다. 당해 홈에 반응가스가 유통됨으로써, MEGA(30)를 구성하는 각 전극에 반응가스가 공급되어, 전기화학반응에 의한 발전에 제공된다. 또, 냉각수에 의해 연료전지 스택(10)의 온도 조절이 행하여진다. 이상과 같이, 제 1과 제 2 세퍼레이터(22, 26)의 양면의 홈은, 반응가스나 냉각수를 유통시키기 위한 유로로서 기능한다.
도 3은, 도 2의 3-3 단면도이다. 도 3을 이용하여 연료전지 스택(10)의 상세 구성에 대해서 설명한다. MEGA(30)는, 막전극 접합체(MEA : Membrane Electrode Assembly)(35)와, MEA(35)의 양면을 끼우도록 배치(접합)된 캐소드 가스 확산층(36) 및 애노드 가스 확산층(37)을 구비한다. MEA(35)는, 전해질막(31)과, 제 1 전극으로서의 캐소드(33)와, 제 2 전극으로서의 애노드(34)를 구비한다. 캐소드(33) 및 애노드(34)는, 전해질막(31)의 양면을 끼우도록 배치되어 있다.
전해질막(31)은, 고체 고분자 재료, 예를 들면, 불소계 수지에 의해 형성된 프로톤 전도성의 이온 교환막으로, 습윤 상태에서 양호한 전기 도전성을 나타낸다. 즉, 전해질막(31)은, 고체 고분자 전해질막이다.
캐소드(33) 및 애노드(34)는, 촉매(예를 들면, 백금 또는 백금 합금)를 구비하고 있고, 이들 촉매를, 도전성을 가지는 담체(예를 들면, 카본 입자) 상에 담지시킴으로써 형성되어 있다. 캐소드(33) 및 애노드(34)를 형성하기 위해서는, 예를 들면, 백금 등의 촉매 금속을 담지시킨 카본 분말을 제작하고, 이 촉매 담지 카본과, 전해질막을 구성하는 전해질과 동일한 전해질을 사용하여 페이스트를 제작하며, 제작한 촉매 페이스트를 전해질막 상에 도포하면 된다.
캐소드 가스 확산층(36) 및 애노드 가스 확산층(37)은, 가스 투과성을 가지는 도전성 부재, 예를 들면, 카본 페이퍼나 카본 크로스에 의해 형성할 수 있다. MEA(20)와 가스 확산층(36, 37)은, MEA(35)를 가스 확산층(36, 37)에 의해 협지하여, 프레스 접합함으로써 일체화되어 있다. 여기서, 연료전지 모듈(40)은, 2개의 MEA(35)의 동극끼리 대향하도록 배치되어 있다. 본 실시예에서는, 캐소드(33)끼리 대향하도록 배치되어 있다.
연료전지 모듈(40)을 구성하는 2개의 MEGA(30)의 사이에는, 제 1 세퍼레이터(22)가 배치되어 있다. 또, 2개의 MEGA(30)를 끼우도록 제 2 세퍼레이터(26)가 배치되어 있다. 제 1과 제 2 세퍼레이터(22, 26)는, 가스 불투과한 도전성 부재, 예를 들면, 카본을 압축하여 가스 불투과로 한 치밀질(緻密質) 카본이나, 소성(燒成) 카본, 또는 스테인리스강 등의 금속 재료에 의해 형성되는 판형상 부재이다. 제 1과 제 2 세퍼레이터(22, 26)의 양면에는 홈(25a, 25b, 25c)이 형성되어 있다.
제 1 세퍼레이터(22)에 형성된 홈(25a)에는, 산화제 가스 공급 매니폴드(63)(도 1)를 흐르는 공기가 유통된다. 홈(25a)을 유통하는 공기는, 캐소드 가스 확산층(36)에 의해 MEGA(30)의 면 방향으로 확산되어, 연료전지 모듈(40)을 구성하는 2개의 캐소드(33)에 공급된다. 즉, 제 1의 세퍼레이터(22)는, 대향하는 2개의 캐소드(33)에 공기를 공급하기 위한 공통(단일)의 유로 형성 부재로서 기능한다. 즉, 연료전지 모듈(40)의 2개의 연료전지 셀(42)(도 2) 중, 공기를 공급하는 유로는 공통의 부재[제 1 세퍼레이터(22)]에 의해 형성되어 있다. 또한, 2개의 MEGA(20)의 사이에는 냉각수가 흐르는 냉각 유로는 형성되어 있지 않다.
제 2 세퍼레이터(26)에 형성된 홈(25b, 25c) 중, 애노드(34)와 대향하는 면에 형성된 홈(25b)에는, 연료가스 공급 매니폴드(73)를 흐르는 수소가 유통된다. 홈(25b)을 유통하는 수소는, 애노드 가스 확산층(37)에 의해 MEGA(30)의 면내(面內) 방향으로 확산되어, 연료전지 모듈(40)을 구성하는 2개의 애노드(34)에 공급된다. 또, 제 2 세퍼레이터(26)에 형성된 홈(25b, 25c) 중, 애노드(34)와 대향하는 면과는 반대 측의 면에 형성된 홈(25c)에는, 냉각 매체 공급 매니폴드(81)(도 1)를 흐르는 냉각수가 유통된다. 바꾸어 말하면, 냉각수의 유로인 홈(25c)은, 수소의 유로인 홈(25b)에 대하여, 애노드(34)가 위치하는 측과는 반대 측에 위치한다. 이것에 의해, 연료전지 스택(10)[주로, 애노드(34)]의 온도 조절이 행하여진다. 이와 같이, 제 2 세퍼레이터(26)는, 연료전지 모듈(40)의 애노드(34)에 수소를 공급하기 위한 유로 형성 부재와, 애노드(34)를 냉각하는 냉각수를 공급하기 위한 유로 형성 부재로서 기능한다.
또, 제 1과 제 2 세퍼레이터(22, 26)는, MEA(35)에 있어서 발전된 전기를 집전하기 위한 집전체로서도 기능하고, 제 1과 제 2 세퍼레이터(22, 26)에는, 외부 회로(45)가 전기적으로 접속되어 있다. 구체적으로는, 외부 회로(45)는, 연료전지 모듈(40)의 2개의 MEA(35)를 병렬로 접속한다.
인접하는 연료전지 모듈(40)의 사이에는, 인접하는 연료전지 모듈(40)의 동극끼리 직접적으로 접속되는 것을 방지하기 위하여 절연체(21)가 배치되어 있다. 절연체(21)는, 시트형상의 불소 수지나, 절연지 등의 절연 시트를 사용할 수 있다. 본 실시예에서는, 제 1과 제 2 세퍼레이터(22, 26)보다 얇은 절연 시트를 사용하고 있다.
도 4는, 제 1 실시예의 전기 회로도를 설명하기 위한 도면이다. 연료전지 스택(10)은, 연료전지 모듈(40)을 구성하는 2개의 연료전지 셀(42)이 병렬로 접속되어 있다. 또, 병렬로 접속된 2개의 연료전지 셀(42)이 복수 직렬로 접속되어 있다. 그리고, 외부 회로(45)에는, 부하(90)가 접속되어 있다. 부하(90)는, 예를 들면, 차량의 구동용 모터나 연료전지 시스템(1)을 구성하는 각종 액추에이터[예를 들면, 순환 펌프(80)나 밸브(71) 등]를 들 수 있다. 이와 같이, 병렬로 접속된 2개의 연료전지 셀(42)을 복수 직렬로 접속함으로써, 출력 전압을 높게 할 수 있다.
도 5는, 대향하는 캐소드(33)에 공기를 공급하는 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 5(A)는, 대향하는 2개의 캐소드(33)에 공기를 공급하는 제 1 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 5(B)는, 대향하는 2개의 캐소드(33)에 공기를 공급하는 제 2 방법을 설명하기 위한 도면이다.
연료전지 시스템(1)은, 연료전지 모듈(40)의 대향하는 2개의 캐소드(33)에 공기를 공급하는 방법으로서, 예를 들면 2개의 공급 방법 중 어느 하나를 채용할 수 있다. 제 1 방법은, 도 5(A)에 나타내는 바와 같이, 산화제 가스 공급 매니폴드(63)로부터 제 1 세퍼레이터(22)의 양측의 홈 유로(25a)에 각각 병행하여 공기가 공급되는 방법이다. 제 1 방법은, 전기화학반응에 제공되는 반응가스인 공기를 확실하게 대향하는 2개의 캐소드(33)에 공급할 수 있다. 제 2 방법은, 도 5(B)에 나타내는 바와 같이, 산화제 가스 공급 매니폴드(63)로부터 제 1 세퍼레이터(22)의 한쪽 면에 형성된 홈 유로(25a)[「제 1 홈 유로(25a)」라고도 한다]에 공기가 공급되고, 제 1 홈 유로(25a)에서 나온 공기가 제 1 세퍼레이터의 다른쪽 면에 형성된 홈 유로(25a)에 공급되는 방법이다. 제 2 방법은, 산화제 가스 공급 매니폴드(63)로부터 제 1 세퍼레이터(22)에 공급되는 공기를 유효하게 이용할 수 있다.
A-3. 제 1 실시예의 효과 :
도 6은, 연료전지 스택(10)의 효과를 설명하기 위한 도면이다. 도 6(A)는, 제 1 실시예의 연료전지 스택(10)의 3-3 단면도이다. 도 6(B)는, 비교예의 연료전지 스택(10g)의 3-3 단면도에 상당하는 단면도이다. 또한, 외부 회로의 도시는 생략하고 있다.
비교예의 연료전지 스택(10g)은, 인접하는 MEGA(30)에 대하여, 다른 극이 대향하도록 적층되어 있다. 즉, MEGA(30)를 포함하는 각 연료전지 셀이 전기적으로 직렬이 되도록 접속되어 있다. 또, 연료전지 스택(10g)은, 세퍼레이터(22g)를 구비한다. 세퍼레이터(22g)는, 제 1과 제 2 세퍼레이터(22, 26)와 마찬가지로, 가스 불투과한 도전성 부재에 의해 형성되고, 양면에 반응가스나 냉각수를 유통시키기 위한 홈(25a, 25b, 25c)이 형성되어 있다. 세퍼레이터(22g)의 두께는, 제 1과 제 2 세퍼레이터(22, 26)와 동일하다. 또, 연료전지 스택(10g)은, 인접하는 MEGA(30)의 사이에 2매의 세퍼레이터(22g)가 배치되어 있다. 그리고, 2매의 세퍼레이터(22g) 중, MEGA(30)의 캐소드(33)와 대향하는 홈(25a)에는, 공기가 유통된다. MEGA(30)의 애노드(34)와 대향하는 홈(25b)에는, 공기가 유통된다. 그리고, 2매의 세퍼레이터(22g)가 대향하는 면에 설치된 홈(25c)에는, 연료전지 스택(10g)[캐소드(33) 및 애노드(34)]을 냉각하기 위한 냉각수가 유통된다. 즉, 연료전지 스택(10g)은, 캐소드(33)와 애노드(34)의 양쪽을 냉각하기 위한 냉각 유로를 가지는 구성이다.
여기서, MEGA(30)의 두께를 2t1, 세퍼레이터(22, 26, 22g)의 두께를 2t2, 절연체(21)의 두께를 2t3이라고 한다. 또, 연료전지 스택(10)의 각 구성의 1 반복 주기가 되는 연료전지 스택 부분[MEGA(30)와, 반응가스 유로(25a, 25b)와, 냉각 유로(25c)와, 절연체(21)]의 두께를 a라고 한다. 또, 연료전지 스택(10g)의 각 구성의 1 반복 주기가 되는 연료전지 스택 부분[MEGA(30)와, 반응가스 유로(25a, 25b)와, 냉각 유로(25c)]의 두께를 b라고 한다. 도 6(A)로부터, 두께 a는, 이하의 식 (1)과 같이 산출할 수 있다. 한편, 도 6(B)로부터, 두께 b는, 이하의 식 (2)와 같이 산출할 수 있다.
두께 a = 3t1 + 2t2 + t3 (1)
두께 b = 4t1 + 2t2 (2)
여기서, 절연체(21)의 두께 2t3은 세퍼레이터(22, 26, 22g)의 두께 2t1보다 작기 때문에, 이하의 식 (3)이 성립한다.
두께 a < 두께 b (3)
상기와 같이, 제 1 실시예의 연료전지 스택(10)은, 동극[캐소드(33)]끼리 대향하도록 배치되고, 연료전지 모듈(40)의 2개의 캐소드(33)를 냉각하기 위한 냉각 유로를 가지지 않고, 대향하는 2개의 캐소드(33)에 공기를 공급하기 위해 공통되는 제 1 세퍼레이터(22)를 사용하였다(도 3). 이것에 의해, 연료전지 스택(10)의 1 반복 주기가 되는 연료전지 스택 부분의 두께 a를 비교예의 연료전지 스택(10g)의 1 반복 주기가 되는 연료전지 스택 부분의 두께 b보다 작게 할 수 있다. 따라서, 캐소드(33) 및 애노드(34)의 쌍방을 냉각하기 위한 냉각 유로를 가지는 연료전지 스택(10g)에 비해 소형화를 도모할 수 있다.
도 7은, 연료전지 스택(10)의 효과를 설명하기 위한 도면이다. 도 7은, MEA(35)를 이용하여 연료전지(단셀)를 제작하고, 캐소드(33) 측 및 애노드(34) 측에 소정 온도의 냉각수를 유통시킴으로써, 캐소드(33) 및 애노드(34)를 소정의 온도 상태로 하였다. 즉, 예를 들면, 캐소드(33) 측에 냉각수온 60℃, 애노드(34) 측에 냉각수온 80℃의 냉각수를 유통시킴으로써, 캐소드(33)의 온도를 60℃, 애노드(34)의 온도를 80℃로 설정하고 있다. 또, 캐소드(33) 및 애노드(34)에는 각각 가습한 반응가스[캐소드(33) : 공기, 애노드(34) : 수소]를 공급하고 있다. 도 7은, 전류 밀도를 변화시켰을 때의 셀 전압의 변화(V-Ｉ 특성), 및, 셀 저항의 변화를 조사한 결과를 나타내고 있다. 여기서, 상기 비교예의 연료전지 스택(10g)[도 6(B)]을 운전한 경우에 실현되는 캐소드(33) 및 애노드(34)의 온도 상태를 재현하기 위하여, 캐소드(33) 및 애노드(34)의 냉각수온을 80℃로 설정한 샘플(샘플 No.1)을 사용하여 실험을 행하였다. 또, 제 1 실시예의 연료전지 스택(10)[도 6(A)]을 운전한 경우에 실현되는 캐소드(33) 및 애노드(34)의 온도 상태를 재현하기 위하여, 애노드(34)의 냉각수온을 캐소드(33)의 냉각수온보다 낮게 설정한 샘플을 2개(샘플 No.2, 샘플 No.3)를 사용하여 실험을 행하였다.
도 7에 나타내는 V-Ｉ 특성으로부터 알 수 있는 바와 같이, 샘플 No.2 및 샘플 No.3은, 샘플 No.1에 비해, 동일한 전류 밀도에 대하여 높은 셀 전압이 얻어졌다. 또, 도 7에 나타내는 셀 저항으로부터 알 수 있는 바와 같이, 샘플 No.2 및 샘플 No.3은, 샘플 No.1에 비해, 동일한 전류 밀도에 대하여 낮은 셀 저항값을 나타내었다. 즉, 샘플 No.2 및 No.3은, 샘플 No.1에 비해 발전 효율을 향상시킬 수 있다. 특히, 샘플 No.1과 샘플 No.2 및 샘플 No.3을 비교한 경우에, 고출력 측(전류 밀도 1.0A/㎠ 근방)에서는, 저출력 측(전류 밀도 0.5A/㎠ 근방)보다, 동일한 전류 밀도에 대하여 얻어지는 셀 전압의 차가 커져 있다. 즉, 애노드(34)의 온도를 캐소드(33)의 온도보다 낮게 함으로써, 고출력이 요구되는 경우(차량의 경우, 예를 들면, 비탈길 운전이나 고속운전을 행하는 경우)에, 원하는 출력에 의한 연료전지 시스템(1)의 운전이 더욱 가능해 진다.
도 8은, 연료전지 스택(10)의 효과를 설명하기 위한 도면이다. 도 8(A)는, 도 7의 실험에 사용한 MEA(35)를 나타내고 있다. 도 8(B) 내지 도 8(D)는 , 각 샘플에 있어서, 도 7의 전류 밀도가 1.0A/㎠인 경우에 대하여, MEA(35)를 면내 방향으로 복수의 영역으로 분할한 경우의 각 영역에 있어서의 전류 밀도와 저항값을 나타내고 있다. 즉, 도 8(B) 내지 도 8(D)에 나타내는 전류 밀도를 평균하면 1.0A/㎠가 되고, 저항값을 평균하면 도 7에 나타내는 전류 밀도 1.0A/㎠에 있어서의 저항값이 된다.
도 8(B) 내지 도 8(D)에 나타내는 바와 같이, 샘플 No.2 및 샘플 No.3은, 샘플 No.1에 비해, 각 영역에 있어서의 저항[전해질막(31)의 저항] 분포의 불균일이 작은 것을 알 수 있다. 상세하게는, 샘플 No.1에서는 MEA(35)의 양단(兩端)[도 8(A)에 나타내는 MEA(35)의 우단 및 좌단]의 저항은 커져 있는 것에 대하여, 샘플 No. 2 및 샘플 No.3은 샘플 No.1에 비해, MEA(35)의 양단의 저항이 작아져 있다. 즉, 애노드 냉각수온을 캐소드 냉각수온보다 낮게 설정한 샘플 No.2 및 No.3은, 냉각수온을 동일하게 설정한 샘플 No.1에 비해, 전해질막(31)의 면내 방향의 함수율 불균일의 발생을 저감할 수 있었음을 알 수 있다. 즉, 전기화학반응에 의해 물이 발생하는 캐소드(33)를 애노드(34)보다 고온으로 유지함으로써, 전해질막(31)의 캐소드 측을 애노드 측보다 많은 물을 함수시킬 수 있다. 이것에 의해, 전해질막(31)의 캐소드(33) 측에서 애노드(34) 측으로의 물의 확산을 촉진시킴으로써, 면내 방향으로의 물의 확산도 촉진시켜, 전해질막(31)의 면내 방향의 함수율을 균일화 할 수 있다.
전해질막(31)의 면내 방향의 함수율을 균일화하여, 면내 방향의 막 저항을 균일화함으로써, 면내 방향의 전류 밀도를 균일화할 수 있다. 이것에 의해, MEA(35)가 국소적으로 열화할 가능성을 저감할 수 있고, MEA(35)의 성능을 장시간에 걸쳐 유지할 수 있다.
즉, 제 1 실시예의 연료전지 스택(10)은, 캐소드(33)를 냉각하기 위한 냉각 유로를 가지지 않고, 애노드(34)를 냉각하기 위한 냉각 유로(25c)(도 3)를 가진다. 따라서, 도 7, 도 8에 나타내는 바와 같은 샘플 No.2 및 No.3과 같이, 캐소드(33)를 애노드(34)보다 고온으로 유지할 수 있다. 이것에 의해, 제 1 실시예의 연료전지 스택(10)은 비교예의 연료전지 스택(10g)에 비해, 전해질막(31)의 함수율을 균일화할 수 있다. 따라서, 연료전지 스택(10)은 MEA(35)의 열화를 억제하고, MEA(35)의 성능을 장시간에 걸쳐 유지할 수 있다. 또, 제 1 실시예의 연료전지 스택(10)은, 비교예의 연료전지 스택(10g)에 비해, 발전 효율을 향상시킬 수 있다. 또, 제 1 실시예의 연료전지 스택(10)은, 캐소드(33)를 냉각하기 위한 냉각 유로를 가지지 않기 때문에, 연료전지 시스템(1)의 시동시에, 더욱 단시간에 연료전지 스택(10)을 소정의 온도(예를 들면, 80℃ ~ 90℃)까지 승온시킬 수 있다. 또한, 연료전지 스택(10)은, 캐소드(33) 및 애노드(34)의 쌍방을 냉각하기 위한 냉각 유로를 가지는 연료전지 스택(10g)[도 6(B)]에 비해 소형화를 도모할 수 있다.
B. 제 2 실시예 :
도 9는, 제 2 실시예의 연료전지 스택(10a)의 내부 구성을 설명하기 위한 도면이다. 제 1 실시예의 연료전지 스택(10)과의 차이는, 제 1 세퍼레이터(22a)의 구성이다. 그 외의 구성에 대해서는 제 1 실시예의 연료전지 스택(10)과 동일한 구성이기 때문에, 동일한 구성에 대해서는, 동일 부호를 붙임과 동시에 설명을 생략한다. 또, 연료전지 시스템의 그 외의 구성[도 1 : 수소 탱크(70), 라디에이터(84) 등]은, 제 1 실시예와 동일한 구성이기 때문에 설명을 생략한다. 또한, 도 9는, 도 2에 상당하는 도면이다.
연료전지 스택(10a) 중, 연료전지 모듈(40)의 2개의 MEA(30)의 사이에는, 수소를 유통시키는 유로를 형성하는 부재(수소 유로 형성 부재)에, 제 1 세퍼레이터로서의 다공체(22a)를 사용하고 있다. 다공체(22a)는, 외표면 및 내부에 연통한 다수의 구멍을 가지는 부재이다. 또, 다공체(22a)는, 도전성을 가지는 부재이다. 다공체(22a)는, 예를 들면, 카본, Au, Fe, Cr, Ni, Ti, Pt, Zn, Sn, 및, 이들의 합금, 또는, 적어도 이들을 1종류 이상 포함하는 복합체에 의해 제작된다. 또한, 다공체(22a)의 두께는, 제 1 세퍼레이터(22)의 두께와 동일하다.
다공체(22a)를 사용함으로써, 산화제 가스 공급 매니폴드(63)(도 1)로부터 다공체(22a)에 공급된 공기는, 다공체(22a) 내를 유통하여, 양측에 위치하는 2개의 MEGA(30)의 캐소드(33)에 공급된다.
이와 같이, 제 2 실시예의 연료전지 스택(10a)은, 수소 유로 형성 부재를 다공체(22a)로 함으로써, 수소 유로 형성 부재를 판형상의 부재로서 양면에 홈을 가지는 부재[도 2 : 세퍼레이터(22)]로 하는 것보다, 용이하게 2개의 캐소드(33)에 수소를 공급하기 위한 유로를 형성할 수 있다. 또, 제 2 실시예의 연료전지 스택(10a)은, 제 1 실시예의 연료전지 스택(10)과 마찬가지로, 애노드(34)를 냉각하기 위한 냉각 유로를 가짐과 함께, 캐소드(33)을 냉각하기 위한 유로를 가지지 않는다. 따라서, 제 1 실시예와 마찬가지로, 연료전지 스택(10a)을 소형화할 수 있다. 또, 제 1 실시예와 마찬가지로, 전해질막(31)의 함수율을 균일화할 수 있어, MEA(35)의 열화를 억제하고, MEA(35)의 성능을 장시간에 걸쳐 유지할 수 있다. 또, 제 1 실시예와 마찬가지로, 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
C. 제 3 실시예 :
도 10은, 제 3 실시예의 연료전지 스택(10b)을 설명하기 위한 도면이다. 제 1 실시예의 연료전지 스택(10)과의 차이는, 절연체(21b) 및 제 2 세퍼레이터(26b)의 구성이다. 그 외의 구성에 대해서는 제 1 실시예의 연료전지 스택(10)과 동일한 구성이기 때문에, 동일한 구성에 대해서는, 동일 부호를 붙임과 동시에 설명을 생략한다. 또, 연료전지 시스템의 그 외의 구성[도 1 : 수소탱크(70), 라디에이터(84) 등]은, 제 1 실시예와 동일한 구성이기 때문에 설명을 생략한다. 또한, 도 10은, 도 3에 상당하는 도면이다. 단, 외부 회로(45)(도 3)의 도시는 생략하고 있다.
제 3 실시예의 연료전지 스택(10b)은, 절연체(21b) 내에 냉각 유로(25c)가 형성되어 있다. 또, 절연체(21b)와 인접하여 배치되어 있는 제 2 세퍼레이터(26b)는, 애노드(34) 측의 면에만 홈이 형성되어 있다. 절연체(21b)는, 소정의 두께를 가지고, 불소 수지 등의 절연 부재에 의해 형성되어 있다. 이와 같이, 절연체(21b) 내에 냉각 유로(25c)를 형성함으로써, 제 2 세퍼레이터(26b)에 냉각 유로용 홈을 형성할 필요가 없어져서, 제 2 세퍼레이터(26b)의 구조를 단순화할 수 있다.
여기서, 제 2 세퍼레이터(26b)는 한쪽 면에만 홈을 형성하면 되기 때문에, 제 1 실시예의 제 2 세퍼레이터(26)에 비해, 두께가 반(t1)이다. 한편, 절연체(21b)는 내부에 냉각 유로(25c)를 형성할 필요가 있기 때문에, 두께가 제 2 세퍼레이터(26b)와 마찬가지로 t1이다. 그렇게 하면, 연료전지 스택(10b)의 1 반복 주기가 되는 연료전지 스택 부분의 두께 c는, 이하의 식 (4)와 같이 산출할 수 있다.
두께 c = t1 + 2t2 + t1 + t1/2 = (5t1/2) + 2t2 (4)
여기서, 제 1 실시예의 연료전지 스택(10)의 연료전지 스택 부분의 두께 a는 3t1 + 2t2 + t3이었기 때문에[도 6(A)], 제 3 실시예의 연료전지 스택(10b)은, 제 1 실시예의 연료전지 스택(10)보다 더욱 소형화를 도모할 수 있다. 또, 상기 실시예와 마찬가지로, 전해질막(31)의 함수율을 균일화할 수 있고, MEA(35)의 열화를 억제하고, MEA(35)의 성능을 장시간에 걸쳐 유지할 수 있다. 또, 제 1 실시예와 마찬가지로, 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
D. 변형예 :
또한, 상기 실시예에 있어서의 구성 요소 중의, 특허청구의 범위의 독립항에 기재된 요소 이외의 요소는, 부가적인 요소이고, 적절히 생략 가능하다. 또, 본 발명의 상기 실시예나 실시 형태에 한정되는 것이 아니고, 그 요지를 일탈하지 않는 범위에 있어서 여러가지 형태로 실시하는 것이 가능하며, 예를 들면 다음과 같은 변형도 가능하다.
D-1. 제 1 변형예 :
상기 실시예에서는, 연료전지 모듈(40)에 있어서, 캐소드(33)가 대향하도록 MEGA(30)가 배치되어 있었으나(도 3), 애노드(34)가 대향하도록 MEGA(30)를 배치해도 된다. 이렇게 해도, 연료전지 스택(10, 10a, 10b)은, 대향하는 애노드(34)를 냉각하기 위한 냉각 유로를 가지지 않기 때문에, 애노드(34)를 냉각하기 위한 냉각 유로를 가지는 연료전지 스택에 비해, 소형화를 도모할 수 있다.
D-2. 제 2 변형예 :
상기 제 3 실시예에 있어서, 반응가스 유로(25a, 25b)는 판형상의 부재(제 1 과 제 2 세퍼레이터)(22, 26b)에 홈을 형성함으로써 형성되어 있었으나, 이것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 제 1과 제 2 세퍼레이터(22, 26b) 중 적어도 한쪽을 다공체로 하여도 된다. 이렇게 함으로써, 반응 가스 유로를 용이하게 형성할 수 있다.
D-3. 제 3 변형예 :
상기 실시예에서는, 연료전지 스택(10 ~ 10b)은, 가스 확산층(36, 37)을 구비하고 있었으나(도 3), 생략 가능하다. 이 경우, 캐소드(33) 및 애노드(34)의 면내 방향으로 균일하게 반응가스를 공급하기 위하여, 반응가스 유로는 다공체(22a)(도 9)로 형성하는 것이 바람직하다.
D-4. 제 4 변형예 :
상기 실시예에서는, 연료전지 스택(10 ~ 10b)에 고체 고분자형 연료전지를 사용하였으나, 인산형 연료전지, 용융 탄산염형 연료전지, 고체 산화물형 연료전지 등, 여러가지 연료전지를 사용할 수 있다.
D-5. 제 5 변형예 :
상기 실시예의 연료전지 스택(10 ~ 10b) 중 어느 하나를 구비한 연료전지 시스템(1)은, 차량에 한정되지 않고, 선박 등의 각종 이동체에 탑재되어, 각종 이동체의 동력원으로서 사용할 수 있다. 또, 연료전지 시스템(1)을 정치형(定置型) 전원으로서 사용할 수도 있다.
1 : 연료전지 시스템 10 : 연료전지 스택
10a : 연료전지 스택 10b : 연료전지 스택
10g : 연료전지 스택 21 : 절연체
21b : 절연체 22 : 제 1 세퍼레이터
22a : 제 1 세퍼레이터(다공체) 22g : 세퍼레이터
25a : 홈(홈 유로, 반응 가스 유로) 25b : 홈
25c : 홈(냉각 유로) 26 : 제 2 세퍼레이터
26b : 제 2 세퍼레이터 30 : 엔드 플레이트
31 : 전해질막 33 : 캐소드
34 : 애노드 36 : 캐소드 가스 확산층
37 : 애노드 가스 확산층 40 : 연료전지 모듈
42 : 연료전지 셀 45 : 외부 회로
60 : 에어 펌프 62 : 산화제 가스 공급 배관
63 : 산화제 가스 공급 매니폴드 64 : 산화제 가스 배출 배관
65 : 산화제 가스 배출 매니폴드 70 : 수소탱크
71 : 밸브 72 : 연료가스 공급 배관
73 : 연료가스 공급 매니폴드 74 : 밸브
75 : 연료가스 배출 매니폴드 76 : 순환 펌프
77 : 연료가스 순환 배관 78 : 연료가스 배출 배관
80 : 순환 펌프 81 : 냉각 매체 공급 매니폴드
82 : 냉각 매체 배출 배관 84 : 라디에이터
85 : 냉각 매체 배출 매니폴드 86 : 냉각 매체 공급 배관
90 : 부하

Claims (6)

  1. 연료전지 스택에 있어서,
    소정 방향으로 적층된 복수의 연료전지 모듈을 구비하고,
    상기 연료전지 모듈은,
    전해질막과, 상기 전해질막의 양면을 끼우도록 배치된 제 1과 제 2 전극을 각각 가지는 제 1과 제 2 막전극 접합체로서, 상기 제 1 전극끼리 대향하도록 배치된 제 1과 제 2 막전극 접합체와,
    상기 제 1과 제 2 막전극 접합체의 상기 제 1 전극에 제 1 반응 가스를 공급하기 위한 제 1 반응가스 유로와,
    상기 제 1과 제 2 막전극 접합체의 상기 제 2 전극에 제 2 반응 가스를 공급하기 위한 제 2 반응가스 유로와,
    상기 제 1과 제 2 막전극 접합체의 상기 제 2 전극을 냉각하기 위한 냉각 유로를 가지고,
    상기 연료전지 스택은, 상기 제 1 전극을 냉각하기 위한 냉각 유로를 가지지 않고, 상기 제 1과 제 2 막전극 접합체의 사이에 배치된 제 1 유로 형성 부재로서, 상기 제 1 반응가스 유로가 형성된 제 1 유로 형성 부재를 가지는 연료전지 스택.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 유로 형성 부재는, 상기 제 1과 제 2 막전극 접합체의 상기 제 1 전극에 상기 제 1 반응가스를 공급 가능한 다공체인 연료전지 스택.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 유로 형성 부재는, 판형상의 부재이고,
    상기 제 1 막전극 접합체에 대향하는 제 1 면과, 상기 제 2 막전극 접합체에 대향하는 제 2 면을 가지고,
    상기 제 1 반응가스 유로는, 상기 제 1과 제 2 면에 형성된 홈인 연료전지 스택.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    인접하는 상기 연료전지 모듈의 사이에 배치된 절연체를 더 구비하고,
    상기 냉각 유로는, 상기 절연체의 내부에 형성되어 있는 연료전지 스택.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 전극은, 캐소드이고,
    상기 제 2 전극은, 애노드인 연료전지 스택.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1과 제 2 막전극 접합체를 전기적으로 병렬로 접속하는 외부 회로를 더 가지는 연료전지 스택.
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