KR20160055687A - 연료 전지 스택 - Google Patents

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도요타지도샤가부시키가이샤
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Abstract

셀 적층체에 있어서의 온도 차를 억제하여 양호한 발전 효율을 얻을 수 있는 연료 전지 스택을 제공한다.
복수의 셀(20)을 적층시킨 셀 적층체(21)를 구비하고, 셀 적층체(21)의 애노드 단부(21a)로부터 공기가 도입되는 연료 전지 스택(11)이며, 셀 적층체(21)는, 캐소드 단부(21b)측에 2개의 엔드 셀(24)을 구비함으로써, 캐소드 단부(21b)의 단열성이 높다.

Description

연료 전지 스택{FUEL CELL STACK}
본 발명은, 연료 전지를 구성하는 연료 전지 스택에 관한 것이다.
연료 전지 스택은, 복수의 셀을 적층시킨 셀 적층체를 구비하고 있다. 셀 적층체의 각 셀은, 셀 적층체의 일단부측으로부터 수소 가스와 공기가 공급됨으로써, 수소 가스와 공기에 포함되는 산소와의 전기 화학 반응에 의해 발전을 행한다(예를 들어, 특허문헌 1 참조).
일본 특허 공개 제2009-158349호 공보
그런데, 셀 적층체에 산소 가스를 포함하는 공기가 도입되는 산소 가스 입구로부터 먼 측의 셀에서는, 산소 가스 입구측의 셀에 비하여 압력 손실에 의해 산소 가스량이 적어진다. 또한, 셀 적층체의 양단부의 셀은, 중앙부의 셀보다 방열되기 쉽기 때문에 냉각되기 쉽고, 발전 시에 생성되는 물이 셀에 남기 쉽다. 이로 인해, 특히 압력 손실에 의해 산소 가스량이 적어지는 산소 가스 입구로부터 먼 측의 셀에서는, 발전 시에 생성되는 물에 의해 유로 내에 있어서의 산소 가스의 흐름이 저해되고, 산소 가스 부족이 되어, 발전 효율이 저하될 우려가 있다.
본 발명은, 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 셀 적층체에 있어서의 온도 차를 억제하여 양호한 발전 효율을 얻을 수 있는 연료 전지 스택을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 연료 전지 스택은,
복수의 셀을 적층시킨 셀 적층체를 구비하고, 상기 셀 적층체의 일단부측의 가스 도입측 단부로부터 산소 가스가 도입되는 연료 전지 스택이며,
상기 셀 적층체는, 적어도 상기 가스 도입측 단부로부터 먼 측의 단부의 단열성이 가까운 측보다도 상대적으로 높다.
이 구성의 연료 전지 스택에 의하면, 가스 도입측 단부로부터 먼 측의 단부에 있어서의 단열성을 가까운 측과 비교하여 상대적으로 높임으로써, 당해 단부측에 있어서의 셀 온도의 상대적인 저하를 방지할 수 있고, 가스에 의한 생성수의 탈취량이 다른 셀에 비하여 적어지는 것을 방지할 수 있다. 그 결과, 셀 적층체의 가스 도입측 단부로부터 먼 측의 단부에서의 셀에 남는 생성수의 양을 억제할 수 있다.
이에 의해, 생성수에 의한 산소 가스 흐름의 저해를 억제할 수 있고, 가스 도입측 단부로부터 먼 측의 셀에서의 산소 가스의 부족을 억제할 수 있다. 따라서, 셀 적층체에 있어서의 산소 가스 공급의 편차를 억제하여 양호한 발전 효율을 얻을 수 있다.
본 발명의 연료 전지 스택에 있어서, 상기 셀 적층체는, 적어도 상기 가스 도입측 단부로부터 먼 측의 단부에 다른 상기 셀보다도 단열성이 높은 비발전 엔드 셀을 구비하고 있어도 된다.
이 구성의 연료 전지 스택에 의하면, 셀 적층체에 있어서의 가스 도입측 단부로부터 먼 측의 단부에 엔드 셀을 구비함으로써, 가스 도입측 단부로부터 먼 측의 단부의 방열이 억제되고, 결과적으로 단열성이 높아진다. 이에 의해, 셀 적층체의 가스 도입측 단부로부터 먼 측의 단부에서의 셀에 남는 생성수의 양을 억제하여, 생성수에 의한 산소 가스 흐름의 저해를 억제해서 가스 도입측 단부로부터 먼 측의 셀에서의 산소 가스의 부족을 억제할 수 있다.
본 발명의 연료 전지 스택에 있어서, 상기 셀 적층체는, 양단부에 상기 엔드 셀을 구비하고, 상기 가스 도입측 단부에 구비된 상기 엔드 셀보다도, 상기 가스 도입측 단부로부터 먼 측의 단부에 구비된 상기 엔드 셀의 수가 많게 되어 있어도 된다.
이 구성의 연료 전지 스택에 의하면, 셀 적층체에 있어서의 가스 도입측 단부 및 가스 도입측 단부로부터 먼 측의 단부에 엔드 셀을 구비함으로써, 가스 도입측 단부 및 가스 도입측 단부로부터 먼 측의 단부의 방열이 억제되어, 결과적으로 단열성이 높아진다. 이에 의해, 셀 적층체의 가스 도입측 단부 및 가스 도입측 단부로부터 먼 측의 단부에서의 셀에 남는 생성수의 양을 억제하여, 생성수에 의한 산소 가스 흐름의 저해를 억제해서 산소 가스의 부족을 억제할 수 있다.
게다가, 엔드 셀의 수가 많은 가스 도입측 단부로부터 먼 측의 단부의 단열성이 가스 도입측 단부보다도 높다. 이에 의해, 특히, 셀 적층체의 가스 도입측 단부로부터 먼 측의 단부에서의 셀에 남는 생성수의 양을 억제하여, 생성수에 의한 산소 가스 흐름의 저해를 억제해서 산소 가스의 부족을 억제할 수 있다. 그리고, 이상의 작용 효과를 공통 부분인 엔드 셀에 의해 실현하고 있으므로, 가열 히터나 냉각계 부품 등에 의해 실현한 경우와 비교하여, 비용 상승이나 대형화를 억제할 수 있다.
본 발명의 연료 전지 스택에 의하면, 셀 적층체에 있어서의 온도 차를 억제하여 양호한 발전 효율을 얻을 수 있다.
도 1은 본 실시 형태에 따른 연료 전지의 측면도.
도 2는 본 실시 형태에 따른 연료 전지를 구성하는 연료 전지 스택의 개략 분해 사시도.
도 3은 연료 전지 스택의 셀 적층체를 구성하는 셀의 단면도.
도 4는 엔드 셀이 없는 셀 적층체에 있어서의 함수량 및 셀 온도를 설명하는 그래프.
도 5는 셀 적층체에 있어서의 셀 온도를 나타내는 그래프.
도 6은 엔드 셀의 수와 캐소드 단부에서의 중앙부와의 온도 차와의 관계를 나타내는 그래프.
이하, 본 발명에 관한 연료 전지 스택의 실시 형태에 대하여 도면을 참조하면서 설명한다.
도 1은, 본 실시 형태에 관한 연료 전지의 측면도이다. 도 2는, 본 실시 형태에 따른 연료 전지를 구성하는 연료 전지 스택의 개략 분해 사시도이다. 도 3은, 연료 전지 스택의 셀 적층체를 구성하는 셀의 단면도이다.
도 1에 도시하는 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 연료 전지 스택(11)은, 양단부에 엔드 플레이트(12)를 구비하고 있다. 엔드 플레이트(12)끼리는 체결 로드(도시 생략)에 의해 체결되어 서로 연결되어 있다. 연료 전지 스택(11)은, 엔드 플레이트(12)끼리의 체결력에 의해 양단부측으로부터 소정의 하중으로 가압되고 있다. 연료 전지 스택(11)은, 예를 들어 차량 등의 이동체에 탑재하여 사용되는 연료 전지를 구성한다.
도 2에 도시하는 바와 같이, 연료 전지 스택(11)은, 셀 적층체(21)와, 집전 플레이트(22)와, 방청 플레이트(23)를 갖고 있다. 셀 적층체(21)는, 복수의 셀(20)을 적층시킴으로써 구성되어 있고, 그 양단부에는, 엔드 셀(24)이 구비되어 있다. 셀 적층체(21)는, 그 일단부측이 가스 도입측 단부로 되어 있고, 타단부측이 가스 반환측 단부로 되어 있다.
도 3에 도시하는 바와 같이, 셀(20)은, 전해질막(1)의 양측에 촉매층(2)과 확산층(3)으로 구성된 전극(4)이 설치된 막전극 접합체(MEA: Membrane Electrode Assembly)(5)를 갖고 있다. 막전극 접합체(5)의 양면에는 세퍼레이터(6)가 설치되어 있다. 세퍼레이터(6)는, 예를 들어 스테인리스를 판상으로 형성한 것이다. 셀(20)은, 연료 전지(11)에 있어서의 발전을 행하는 단위 모듈이고, 수소 가스와 공기에 포함되는 산소와의 전기 화학 반응에 의해 발전을 행한다.
집전 플레이트(22)는, 예를 들어 알루미늄이나 스테인리스 등의 도전성 금속재료로 형성되어 있다. 집전 플레이트(22)에는, 도시하지 않은 출력 단자가 설치되어 있고, 출력 단자를 통하여 연료 전지 스택(11)에서 발전된 전력이 취출된다. 셀 적층체(21)의 가스 도입측 단부측의 집전 플레이트(22)는, 애노드측의 전극으로 되어 있고, 셀 적층체(21)의 가스 반환측 단부측의 집전 플레이트(22)는, 캐소드측의 전극으로 되어 있다. 즉, 셀 적층체(21)는, 가스 도입측 단부가 애노드(An) 단부(21a)로 되고, 가스 반환측 단부가 캐소드(Ca) 단부(21b)로 되어 있다. 방청 플레이트(23)는, 셀 적층체(21)의 캐소드 단부(21b)측에 있어서의 집전 플레이트(22)와 셀 적층체(21)의 사이에 설치되어 있다.
셀 적층체(21)에는, 가스 도입측 단부인 애노드 단부(21a)로부터 산소 가스를 포함하는 공기가 공급된다. 애노드 단부(21a)로부터 공급되는 공기는, 가스 반환측 단부인 캐소드 단부(21b)에서 반환되어 애노드 단부(21a)로부터 배출된다. 이에 의해, 각 셀(20)에 공기가 통과된다. 수소 가스는, 공기와 마찬가지로, 셀 적층체(21)의 애노드 단부(21a)로부터 공급되고, 캐소드 단부(21b)에서 반환되어 애노드 단부(21a)로부터 배출된다. 이에 의해, 셀 적층체(21)에서는, 각 셀(20)에 있어서, 수소 가스와 공기에 포함되는 산소와의 전기 화학 반응에 의해 발전이 행해진다.
셀 적층체(21)는, 그 양단부인 애노드 단부(21a) 및 캐소드 단부(21b)에, 각각 엔드 셀(24)을 구비하고 있다. 애노드 단부(21a)에는, 하나의 엔드 셀(24)이 구비되고, 캐소드 단부(21b)에는, 2개의 엔드 셀(24)이 구비되어 있다. 이들 엔드 셀(24)은 동일한 구성이고, 셀(20)과 유사한 구성을 갖고 있다. 예를 들어, 엔드 셀(24)은, 전해질막은 구비하고 있지 않지만, 촉매층과 확산층이 접합된 접합체를 갖고 있으며, 이 접합체의 양면에 셀(20)의 세퍼레이터(6)와 마찬가지인 세퍼레이터가 설치되어 있다.
엔드 셀(24)은, 이상의 구성을 포함하는 비발전 셀이다.
엔드 셀(24)을 셀 적층체(21)의 애노드 단부(21a) 및 캐소드 단부(21b)에 구비함으로써, 셀 적층체(21)에 공급되는 수소 가스, 공기 및 냉각수는 엔드 셀(24) 내의 유로를 통과한다. 이때, 공기와 수소 가스가 공급되어도 공기 중의 산소 가스와 수소 가스는 발전에 도움이 되는 바가 없고, 그대로 소비되지 않고 당해 엔드 셀(24)을 바이패스한다. 한편, 냉각수는 열용량이 크고, 엔드 셀(24) 내를 냉각수가 흐르고 있으면 엔드 셀(24) 전체의 열용량도 상대적으로 커지므로, 단열성도 셀(20)에 비하여 상대적으로 높아진다. 이에 의해, 엔드 셀(24)에 인접하고 있는 셀(20)의 외부로의 방열이 억제 내지 차단된다.
도 4에 도시하는 바와 같이, 일반적으로, 셀 적층체(21)의 애노드 단부(21a)로부터 가스를 분배하는 구조의 연료 전지 스택에서는, 발전 중·방전 중을 통해서, 셀 적층체(21)의 캐소드 단부(21b)는 방열에 의한 영향을 받아서 셀 온도가 중앙부나 애노드 단부(21a)보다도 낮아지기 쉽고, 중앙부와의 온도 차 △T가 발생하기 쉽다. 그 결과, 특히, 저온 환경에 있어서의 아이들링 시 등의 저부하 시에, 캐소드 단부(21b)측에서는, 공기의 유로 내에서 발전에 의해 생성되는 물의 함수량이 많아지고, 공기의 흐름이 저해되기 쉬워진다. 게다가, 캐소드 단부(21b)에서는, 애노드 단부(21a)와 비교하여, 압력 손실에 의해 공기의 유량이 적어진다. 따라서, 셀 적층체(21)에서는, 캐소드 단부(21b)에 있어서의 공기의 분배 불량이 발생할 우려가 있다.
이에 반해, 본 실시 형태에 따른 연료 전지 스택(11)에서는, 가스 도입측 단부인 애노드 단부(21a)로부터 먼 측의 캐소드 단부(21b)측에 2개의 엔드 셀(24)을 구비함으로써, 결과적으로 셀 적층체(21)의 캐소드 단부(21b)의 단열성을 높일 수 있다. 이에 의해, 셀 적층체(21)의 캐소드 단부(21b)에 있어서의 중앙부와의 온도 차 △T를 최대한 작게 할 수 있고, 셀 적층체(21)의 캐소드 단부(21b)에서의 생성수의 양을 억제하여, 생성수에 의한 공기의 흐름의 저해를 억제해서 캐소드 단부(21b)에서의 산소 가스의 부족을 억제할 수 있다.
또한, 셀 적층체(21)의 가스 도입측 단부인 애노드 단부(21a)에서는, 압력 손실에 의한 공기의 유량 저하는 없지만, 캐소드 단부(21b)와 마찬가지로 방열되기 쉬우므로 셀 온도가 중앙부보다도 낮아지기 쉽다. 따라서, 본 실시 형태에서는, 애노드 단부(21a)측에 하나의 엔드 셀(24)을 구비함으로써, 결과적으로, 셀 적층체(21)의 애노드 단부(21a)의 단열성을 높여서 셀 적층체(21)의 애노드 단부(21a)에 있어서의 중앙부와의 온도 차 △T를 최대한 작게 할 수 있다. 이에 의해, 셀 적층체(21)의 애노드 단부(21a)에서의 생성수의 양도 억제하여, 생성수에 의한 공기의 흐름의 저해를 억제해서 애노드 단부(21a)에서의 산소 가스의 부족을 억제할 수 있다.
본 실시 형태와 같이, 애노드 단부(21a)측에 하나의 엔드 셀(24)을 구비하고, 캐소드 단부(21b)측에 2개의 엔드 셀(24)을 구비함으로써, 도 5에 도시하는 바와 같이, 엔드 셀(24)을 구비하지 않는 경우와 같이 양단부에서 저하되는 셀 온도(도 5 중 점선으로 나타내는 온도)를, 양단부에서의 저하가 억제된 셀 온도(도 5 중 실선으로 나타내는 온도)로 할 수 있다.
이와 같이, 본 실시 형태에 따른 연료 전지 스택(11)에 의하면, 특별한 단열 부재 등을 사용하지 않고, 엔드 셀(24)을 셀 적층체(21)의 애노드 단부(21a) 및 캐소드 단부(21b)에 구비함으로써, 셀 적층체(21)의 셀 온도의 온도 차 △T를 최대한 억제할 수 있고, 셀 적층체(21)에 대하여 전체적으로 산소 가스를 양호하게 공급하여 효율적으로 발전시킬 수 있다. 게다가, 공통 부품인 엔드 셀(24)을 사용하므로, 셀 온도의 온도 차 △T를 억제하기 위한 가열 히터나 냉각계 부품 등을 사용하는 것에 의한 비용 상승이나 대형화를 억제할 수 있다.
여기서, 셀 적층체(21)의 캐소드 단부(21b)측에 구비하는 엔드 셀(24)의 수에 의한 캐소드 단부(21b)에서의 중앙부와의 온도 차 △T를 측정하였다. 또한, 온도 차 △T의 측정은, 냉각수 온도 60℃, 전류값 15A, 외기온 -20℃에서 행하였다.
그 결과, 도 6에 도시하는 바와 같이, 엔드 셀(24)을 하나 구비한 경우에는, 여전히 온도 차 △T가 컸지만, 엔드 셀(24)을 2개 구비함으로써, 온도 차 △T를 대폭으로 작게 할 수 있었다. 이론상으로는 온도 차 △T를 없애는 것이 공기의 분배 불량을 없애는 데도 최적이지만, 엔드 셀(24)을 2개 구비함으로써, 공기의 분배 불량을 거의 없애는 효과를 발휘할 수 있음을 알았다. 또한, 엔드 셀(24)을 더 많은 수(3개, 5개, 7개) 구비함으로써 온도 차 △T를 작게 할 수 있었지만, 셀 적층체(21)의 대형화를 초래하게 된다.
이로 인해, 셀 적층체(21)의 대형화를 억제하면서 온도 차 △T를 충분히 작게 하기 위해서는, 2개의 엔드 셀(24)을 구비하는 것이 좋다는 것을 알 수 있다.
또한, 셀 적층체(21)의 애노드 단부(21a) 및 캐소드 단부(21b)에 구비하는 엔드 셀(24)의 수는, 상기 실시 형태에 한정되지 않고, 셀 적층체(21)의 중앙부에 대한 애노드 단부(21a) 및 캐소드 단부(21b)의 온도 차 △T의 필요 저감량에 따라서 선택된다. 예를 들어, 셀 적층체(21)의 애노드 단부(21a) 및 캐소드 단부(21b)에 구비하는 엔드 셀(24)의 수는, 셀 적층체(21)의 형상, 재질, 가스나 냉각수의 유로의 위치, 케이스 등에 수용되는 연료 전지 스택(11)의 설치 환경 등에 따라 적절히 변경하는 것이 바람직하다.
11: 연료 전지 스택
20: 셀
21: 셀 적층체
21a: 애노드 단부(가스 도입측 단부)
21b: 캐소드 단부(가스 도입측 단부로부터 먼 측의 단부)
24: 엔드 셀

Claims (3)

  1. 복수의 셀을 적층시킨 셀 적층체를 구비하고, 상기 셀 적층체의 일단부측의 가스 도입측 단부로부터 산소 가스가 도입되는 연료 전지 스택이며,
    상기 셀 적층체는, 적어도 상기 가스 도입측 단부로부터 먼 측의 단부의 단열성이 가까운 측보다도 상대적으로 높은, 연료 전지 스택.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 셀 적층체는, 적어도 상기 가스 도입측 단부로부터 먼 측의 단부에 다른 상기 셀보다도 단열성이 높은 비발전 엔드 셀을 구비하고 있는, 연료 전지 스택.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 셀 적층체는, 양단부에 상기 엔드 셀을 구비하고, 상기 가스 도입측 단부에 구비된 상기 엔드 셀보다도, 상기 가스 도입측 단부로부터 먼 측의 단부에 구비된 상기 엔드 셀의 수가 많게 되어 있는, 연료 전지 스택.
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