KR20180105250A - 연료 전지의 단셀 구조 - Google Patents

Abstract

연료 전지의 단셀 구조는, 프레임을 갖는 막전극 접합체, 프레임을 갖는 막전극 접합체의 양면에 배치되는 한 쌍의 세퍼레이터, 세퍼레이터와 막전극 접합체의 사이에 형성되고, 가스가 공급되는 가스 유로부, 프레임을 갖는 막전극 접합체의 프레임과 세퍼레이터의 적층 방향으로 관통하는 구멍이 형성된 매니폴드부, 한 쌍의 세퍼레이터의 적어도 한쪽 세퍼레이터가 프레임을 갖는 막전극 접합체측으로 돌출되고, 매니폴드부 근방에서 프레임을 지지하는 돌출부, 돌출부보다도 매니폴드부측으로 연장 돌출되는 프레임의 연장 돌출부 및 프레임의 연장 돌출부에 형성되고, 매니폴드부로부터 가스 유로부로 가스를 공급하는 가스 유통부를 구비한다. 가스 유통부는 프레임의 연장 돌출부에 설치된 볼록 형상부로 형성되어 있다.

Description

연료 전지의 단셀 구조

본 발명은 연료 전지의 단셀 구조에 관한 것이다.

종래, 간단한 구성으로 원하는 시일 기능을 확보하면서, 브리지부에 적절한 반응 가스 연결 유로를 형성하는 것이 가능한 연료 전지가 제안되어 있다(특허문헌 1 참조).

이 연료 전지는 세퍼레이터 사이에 설치된 브리지부에, 베이킹이나 사출 성형 등에 의해 일체화된 에틸렌프로필렌디엔 고무나 아크릴로니트릴부타디엔 고무 등을 포함하는 각종 시일이 설치되어 있다.

일본 특허 공개 2013-98155호 공보

그런데, 연료 전지의 성능 향상에 대한 가일층의 요구에 수반하여, 막전극 접합체나, 가스 확산층, 프레임 등의 부재가 박형화되고 있어, 단셀의 세퍼레이터 간격도 더욱 작아지고 있다. 이 경우, 특허문헌 1에 기재된 연료 전지에 있어서는, 세퍼레이터 단부를 각종 시일로 덮고 있기 때문에, 연료 전지의 브리지부의 가스 유통부 높이가 낮아져, 압력 손실 증가가 발생할 가능성이 높아진다.

본 발명은 이와 같은 종래 기술이 갖는 과제를 감안하여 이루어진 것이다. 그리고, 본 발명은 단셀의 세퍼레이터 간격이 작은 경우라도, 압력 손실 증가의 억제를 실현할 수 있는 연료 전지의 단셀 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자는 상기 목적을 달성하기 위해 예의 검토를 거듭했다. 그리고, 그 결과, 프레임의 소정의 위치에 볼록 형상부로 형성되는 가스 유통부를 설치함으로써, 상기 목적을 달성할 수 있음을 알아내어, 본 발명을 완성하는 데 이르렀다.

본 발명의 연료 전지의 단셀 구조는 프레임을 갖는 막전극 접합체와, 한 쌍의 세퍼레이터와, 가스 유로부와, 매니폴드부와, 돌출부와, 프레임의 연장 돌출부와, 가스 유통부를 구비하는 것이다. 여기서, 프레임을 갖는 막전극 접합체는 막전극 접합체와 막전극 접합체를 외주로부터 지지하는 프레임을 포함한다. 또한, 한 쌍의 세퍼레이터는 프레임을 갖는 막전극 접합체의 양면에 배치되어 있다. 또한, 가스 유로부는 세퍼레이터와 막전극 접합체의 사이에 형성되어, 가스가 공급된다. 또한, 매니폴드부는 프레임과 세퍼레이터의 적층 방향으로 관통하는 구멍이 형성되어 있다. 또한, 돌출부는 한 쌍의 세퍼레이터의 적어도 한쪽 세퍼레이터가 프레임을 갖는 막전극 접합체측으로 돌출되고, 매니폴드부 근방에서 프레임을 지지하고 있다. 또한, 프레임의 연장 돌출부는 돌출부보다도 매니폴드부측으로 연장 돌출되어 있다. 또한, 가스 유통부는 프레임의 연장 돌출부에 형성되어 있고, 매니폴드부로부터 가스 유로부로 가스를 공급한다. 그리고, 가스 유통부는 프레임의 연장 돌출부에 설치된 볼록 형상부로 형성되어 있다.

본 발명에 따르면, 단셀의 세퍼레이터 간격이 작은 경우라도, 압력 손실 증가의 억제를 실현할 수 있는 연료 전지의 단셀 구조를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 연료 전지 스택을 설명하는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 연료 전지 스택을 설명하는 분해 상태의 사시도이다.
도 3a는 연료 전지 단셀을 설명하는 사시도이고, 도 3b는 연료 전지 단셀을 설명하는 분해 상태의 사시도이다.
도 4는 연료 전지 모듈을 구성하는 제1 실시 형태에 관한 연료 전지 단셀의 주요부를 설명하는 평면도이다.
도 5는 제1 실시 형태에 관한 연료 전지 단셀의 주요부를 설명하는 단면도이다.
도 6은 제1 실시 형태에 관한 연료 전지 단셀의 주요부를 설명하는 다른 단면도이다.
도 7은 제1 실시 형태에 관한 연료 전지 단셀의 주요부를 설명하는 또 다른 단면도이다.
도 8은 연료 전지 모듈을 구성하는 제2 실시 형태에 관한 연료 전지 단셀의 주요부를 설명하는 평면도이다.
도 9는 제2 실시 형태에 관한 연료 전지 단셀의 주요부를 설명하는 단면도이다.
도 10은 제2 실시 형태에 관한 연료 전지 단셀의 주요부를 설명하는 다른 단면도이다.
도 11은 제2 실시 형태에 관한 연료 전지 단셀의 주요부를 설명하는 또 다른 단면도이다.
도 12는 연료 전지 모듈을 구성하는 제3 실시 형태에 관한 연료 전지 단셀의 주요부를 설명하는 평면도이다.
도 13은 제3 실시 형태에 관한 연료 전지 단셀의 주요부를 설명하는 단면도이다.
도 14는 제3 실시 형태에 관한 연료 전지 단셀의 주요부를 설명하는 다른 단면도이다.
도 15는 연료 전지 모듈을 구성하는 제4 실시 형태에 관한 연료 전지 단셀의 주요부를 설명하는 평면도이다.
도 16은 제4 실시 형태에 관한 연료 전지 단셀의 주요부를 설명하는 단면도이다.
도 17은 제4 실시 형태에 관한 연료 전지 단셀의 주요부를 설명하는 다른 단면도이다.

이하, 본 발명의 일 실시 형태에 관한 연료 전지의 단셀 구조에 대하여 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 또한, 이하의 형태에서 인용하는 도면의 치수 비율은 설명의 사정상 과장되어 있어, 실제의 비율과는 상이한 경우가 있다.

(제1 실시 형태)

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 연료 전지 스택을 설명하는 사시도이다. 또한, 도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 연료 전지 스택을 설명하는 분해 상태의 사시도이다. 또한, 도 3a는 연료 전지 단셀을 설명하는 사시도이고, 도 3b는 연료 전지 단셀을 설명하는 분해 상태의 사시도이다.

도 1 내지 도 3에 나타낸 바와 같이, 연료 전지 스택(FS)은 연료 전지 단셀(C)을 복수 적층하여 일체화한 복수의 연료 전지 모듈(M)과, 연료 전지 모듈(M)끼리의 사이에 개재 장착되는 시일 플레이트(P)를 구비하고 있다. 도시예의 연료 전지 단셀(C) 및 시일 플레이트(P)는 모두 거의 동일한 종횡 치수를 갖는 직사각형 판형 형상을 갖고 있다. 또한, 도 2에는 2개의 연료 전지 모듈(M)과, 1개의 시일 플레이트(P)를 나타내고 있지만, 실제로는 그 이상의 수의 연료 전지 모듈(M) 및 시일 플레이트(P)를 적층한다.

또한, 연료 전지 스택(FS)은 연료 전지 모듈(M)의 적층 방향의 양단부에, 엔드 플레이트(56A, 56B)를 각각 배치하고, 연료 전지 단셀(C)의 긴 변측이 되는 양면(도 1 및 도 2 중에서 상하면)에, 체결판(57A, 57B)이 설치되어 있음과 함께, 짧은 변측이 되는 양면에, 보강판(58A, 58B)이 설치되어 있다. 각 체결판(57A, 57B) 및 보강판(58A, 58B)은 도시하지 않은 볼트에 의해, 양 엔드 플레이트(56A, 56B)에 연결한다.

이와 같이 하여, 연료 전지 스택(FS)은 도 1에 나타낸 바와 같은 케이스 일체형 구조가 되고, 각 연료 전지 모듈(M) 및 시일 플레이트(P)를 적층 방향으로 구속·가압하고 개개의 연료 전지 단셀(C)에 소정의 접촉 면압을 가하여, 가스 시일성이나 도전성 등을 양호하게 유지한다.

도 3에 나타낸 바와 같이, 연료 전지 단셀(C)은 막전극 접합체(12)와 막전극 접합체(12)를 외주로부터 지지하는 프레임(20)을 포함하는 프레임을 갖는 막전극 접합체(10)와, 프레임을 갖는 막전극 접합체(10)의 양면에 배치된 한 쌍의 세퍼레이터(30, 30)와, 프레임(20)과 세퍼레이터(30)의 적층 방향으로 관통하는 구멍이 형성된 매니폴드부(H1 내지 H6)를 구비한다. 또한, 연료 전지 단셀(C)은 세퍼레이터(30)와 막전극 접합체(12)의 사이에 형성된, 가스가 공급되는 가스 유로부(F)를 구비한다.

막전극 접합체(12)는 일반적으로, MEA(Membrane Electrode Assembly)라고 불리는 것이며, 상세한 도시는 생략하지만, 고체 고분자를 포함하는 전해질막을 한 쌍의 전극층(애노드, 캐소드)으로 끼움 지지한 구조를 갖고 있다. 이 막전극 접합체(12)는 그 주위에 수지제의 프레임(20)을 갖고, 일체화되어 있다.

각 세퍼레이터(30)는 표리 반전 형상을 갖는 금속제의 판 부재로써, 예를 들어 스테인리스제이고, 프레스 가공에 의해 적당한 형상으로 성형할 수 있다. 또한, 각 세퍼레이터(30)는 적어도 막전극 접합체(12)에 대응하는 부분이 단면 요철 형상으로 형성되어 있다. 또한, 각 세퍼레이터(30)는 막전극 접합체(12)에 볼록부를 접촉시킴과 함께, 오목부와 막전극 접합체(12)의 사이에 가스 유로부(F)를 형성한다.

연료 전지 단셀(C)은, 도 3에 나타낸 바와 같이 짧은 변 양측에, 각각 3개씩의 매니폴드부(H1 내지 H3, H4 내지 H6)가 배열되어 있다. 이것들 매니폴드부(H1 내지 H6)는 막전극 접합체(12)의 프레임(20)이나 각 세퍼레이터(30)의 동일한 위치에 각각 프레임 매니폴드부(FH1 내지 FH6), 세퍼레이터 매니폴드부(SH1 내지 SH6)와 같이 형성되어 있고, 연료 전지 단셀(C)를 구성했을 때 서로 연통된다.

도 3의 좌측에 나타내는 각 매니폴드부(H1 내지 H3)는, 상측으로부터, 캐소드 가스 배출용(H1), 냉각액 공급용(H2) 및 애노드 가스 공급용(H3)이고, 적층 방향으로 서로 연통되어 각각의 유로를 형성한다. 또한, 도 3의 우측에 나타내는 각 매니폴드부(H4 내지 H6)는, 상측으로부터, 애노드 가스 배출용(H4), 냉각액 배출용(H5) 및 캐소드 가스 공급용(H6)이고, 적층 방향으로 서로 연통되어 각각의 유로를 형성한다. 또한, 각 매니폴드부(H1 내지 H6)의 공급 및 배출의 위치 관계는, 일부 또는 전부가 반대여도 된다.

상기한 연료 전지 단셀(C)은 소정 매수를 적층하여 연료 전지 모듈(M)을 형성한다. 이때, 인접하는 연료 전지 단셀(C)끼리의 사이에는 냉각액(예를 들어, 물)의 유로를 형성하고, 인접하는 연료 전지 모듈(M)끼리의 사이에도 냉각액의 유로를 형성한다. 따라서, 시일 플레이트(P)는 연료 전지 모듈(M)끼리의 사이, 즉 냉각액의 유로 내에 배치되어 있다. 시일 플레이트(P)는 상기한 연료 전지 단셀(C)과는 별개로 하여 형성되어 있고, 연료 전지 단셀(C)과 동일한 매니폴드부(H1 내지 H6)가 형성되어 있다.

도 4는 연료 전지 모듈을 구성하는 제1 실시 형태에 관한 연료 전지 단셀의 주요부를 설명하는 평면도이다. 즉, 도 4는 도 3에 나타낸 연료 전지 단셀의 Z선으로 둘러싼 부분의 평면도이다. 단, 상측의 세퍼레이터는 기재를 생략하고 있다. 또한, 하측의 세퍼레이터는 파선으로 나타내고 있다. 또한, 도 5는 제1 실시 형태에 관한 연료 전지 단셀의 주요부를 설명하는 단면도이다. 즉, 도 5는 도 4에 나타낸 연료 전지 단셀의 V-V선을 따른 단면도이다. 단, 연료 전지 단셀이 2매 적층된 상태를 나타내고 있다. 또한, 도 6은 제1 실시 형태에 관한 연료 전지 단셀의 주요부를 설명하는 다른 단면도이다. 즉, 도 6은 도 4에 나타낸 연료 전지 단셀의 VI-VI선을 따른 단면도이다. 또한, 도 7은 도 4에 나타낸 제1 실시 형태에 관한 연료 전지 단셀의 주요부를 설명하는 또 다른 단면도이다. 즉, 도 7은 도 4에 나타낸 연료 전지 단셀의 VII-VII선을 따른 단면도이다. 또한, 상기 설명한 것과 동등한 것에 대해서는, 그것들과 동일한 부호를 부여하여 설명을 생략한다.

도 4 내지 도 7에 나타낸 바와 같이, 한 쌍의 세퍼레이터(30, 30)는 프레임을 갖는 막전극 접합체(10)의 측으로 돌출되고, 또한 매니폴드부(H3) 근방에서 프레임(20)을 지지하는 돌출부(31)를 구비한다. 또한, 프레임(20)은 돌출부(31)보다도 매니폴드부(H3)측으로 연장 돌출되는 연장 돌출부(21)를 구비한다. 또한, 연료 전지 단셀(C)은 매니폴드부(H3)로부터 가스 유로부로 가스를 공급하는 가스 유통부(G)를 구비한다. 그리고, 가스 유통부(G)는 연장 돌출부(21)에 설치된 볼록 형상부(22)로 형성되어 있다.

본 실시 형태에 있어서는, 볼록 형상부(22)는 한 쌍의 세퍼레이터(30, 30)의 한쪽 측으로 돌출된 것이다. 또한, 도시한 볼록 형상부(22)는 평면 형상이 대략 원형이다. 이와 같은 볼록 형상부(22)는, 예를 들어 엠보스 가공에 의해 형성할 수 있다. 이 경우, 볼록 형상부(22)는 한 쌍의 세퍼레이터(30, 30)의 다른 쪽 측으로 오목한 형상을 갖는다. 또한, 볼록 형상부(22)는 한 쌍의 세퍼레이터(30, 30)의 한쪽 세퍼레이터와 접촉하고 있다. 또한, 볼록 형상부(22)는 돌출부(31)에 대하여, 가스 흐름 방향을 따른 직선 상에 설치되어 있다.

또한, 프레임 매니폴드부(FH3)(H3)의 개구 단부면(20a)은 세퍼레이터 매니폴드부(SH3)(H3)의 개구 단부면(30a)보다 세퍼레이터 매니폴드부(SH3)(H3)측으로 돌출되어 형성되어 있다.

또한, 도면 중 화살표 Y는 가스 흐름 방향을 나타내고, 세퍼레이터(30)와 프레임(20)의 사이는, 시일 부재(40)에 의해 일부 시일되어 있다. 또한, 매니폴드부(H3)로부터 공급되는 애노드 가스는, 도 7에 나타낸 바와 같이 볼록 형상부(22)의 사이에 형성된 가스 유통부(G)를 유통하고, 또한 도 6에 나타낸 바와 같이, 프레임(20)과 하측의 세퍼레이터(30)의 사이에 형성된 가스 유로를 유통한다.

본 실시 형태에 있어서는, 가스 유통부가 연장 돌출부에 설치된 볼록 형상부로 형성되어 있는 구성으로 했다. 그로 인해, 프레임이 변형된 경우라도, 가스 유로를 확보할 수 있다. 그 결과, 프레임의 변형의 유무에 관계없이, 단셀의 세퍼레이터 간격이 작은 경우라도, 압력 손실 증가를 억제할 수 있다.

그리고, 본 실시 형태에 있어서는, 볼록 형상부가 돌출부에 대하여 가스 흐름 방향을 따른 직선 상에 설치되어 있는 구성으로 했다. 그로 인해, 볼록 형상부와 돌출부가 직선 상에 설치되어 있지 않은 경우와 비교하여, 압력 손실이 적은 가스 유로를 확보할 수 있다. 그 결과, 프레임의 변형의 유무에 관계없이, 단셀의 세퍼레이터 간격이 작은 경우라도, 압력 손실 증가를 억제할 수 있다. 또한, 생성수의 배출이 용이해진다는 이점도 있다.

또한, 본 실시 형태에 있어서는, 볼록 형상부가 한 쌍의 세퍼레이터의 한쪽 세퍼레이터와 접촉하고 있는 구성으로 했다. 그로 인해, 볼록 형상부가 한 쌍의 세퍼레이터의 어느 것과도 접촉하고 있지 않은 경우와 비교하여 프레임의 변형을 억제할 수 있다. 그 결과, 프레임의 변형의 유무에 관계없이, 단셀의 세퍼레이터 간격이 작은 경우라도, 압력 손실 증가를 억제할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에 있어서는, 프레임 매니폴드 개구 단부면이 세퍼레이터 매니폴드 개구 단부면보다 세퍼레이터 매니폴드부측으로 돌출시켜 형성된 구성으로 했다. 그 결과, 프레임의 변형의 유무에 관계없이, 단셀의 세퍼레이터 간격이 작은 경우라도, 세퍼레이터간 단락을 억제할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에 있어서는, 볼록 형상부의 평면 형상이 대략 원형이다. 그로 인해, 연료 전지 단셀의 조립 시에 위치 정렬이 다소 어긋난 경우라도, 가스 유로를 확보하기 쉽다는 이점이 있다. 또한, 개구 단부면에 가까운 위치에 절곡부를 갖기 때문에, 프레임이 변형되기 어려워, 가스 유로를 확보하기 쉽다는 이점도 있다.

(제2 실시 형태)

도 8은 연료 전지 모듈을 구성하는 제2 실시 형태에 관한 연료 전지 단셀의 주요부를 설명하는 평면도이다. 즉, 도 8은 연료 전지 단셀의 도 3에 나타낸 Z선으로 둘러싼 부분과 동일한 부분의 평면도이다. 단, 상측의 세퍼레이터는 기재를 생략하고 있다. 또한, 하측의 세퍼레이터는 파선으로 나타내고 있다. 또한, 도 9는 제2 실시 형태에 관한 연료 전지 단셀의 주요부를 설명하는 단면도이다. 즉, 도 9는 도 8에 나타낸 연료 전지 단셀의 IX-IX선을 따른 단면도이다. 단, 연료 전지 단셀이 2매 적층된 상태를 나타내고 있다. 또한, 도 10은 제2 실시 형태에 관한 연료 전지 단셀의 주요부를 설명하는 다른 단면도이다. 즉, 도 10은 도 8에 나타낸 연료 전지 단셀의 X-X선을 따른 단면도이다. 또한, 도 11은 도 8에 나타낸 제2 실시 형태에 관한 연료 전지 단셀의 주요부를 설명하는 또 다른 단면도이다. 즉, 도 11은 도 8에 나타낸 연료 전지 단셀의 XI-XI선을 따른 단면도이다. 또한, 상기한 실시 형태에 있어서 설명한 것과 동등한 것에 대해서는, 그것들과 동일한 부호를 부여하여 설명을 생략한다.

도 8 내지 도 11에 나타낸 바와 같이, 본 실시 형태에 있어서는, 볼록 형상부(22)가 가스의 흐름 방향 Y를 따라 직선형 형상을 갖고 있다는 것이, 제1 실시 형태와 상이하다. 즉, 도시한 볼록 형상부(22)는 평면 형상이 가스 흐름 방향으로 긴 변을 갖고, 그 단부가 개구 단부면에 도달한 대략 직사각형이다. 이와 같은 볼록 형상부(22)도, 예를 들어 엠보스 가공에 의해 형성할 수 있다. 이 경우도, 볼록 형상부(22)는 한 쌍의 세퍼레이터(30, 30)의 다른 쪽 측으로 오목한 형상을 갖는다.

본 실시 형태에 있어서는, 가스 유통부가 연장 돌출부에 설치된 볼록 형상부로 형성되어 있는 구성으로 했다. 그로 인해, 프레임이 변형된 경우라도, 가스 유로를 확보할 수 있다. 그 결과, 프레임의 변형의 유무에 관계없이, 단셀의 세퍼레이터 간격이 작은 경우라도, 압력 손실 증가를 억제할 수 있다.

그리고, 본 실시 형태에 있어서는, 볼록 형상부가 돌출부에 대하여 가스 흐름 방향을 따른 직선 상에 설치되어 있는 구성으로 했다. 그로 인해, 볼록 형상부와 돌출부가 직선 상에 설치되어 있지 않은 경우와 비교하여, 압력 손실이 적은 가스 유로를 확보할 수 있다. 그 결과, 프레임의 변형의 유무에 관계없이, 단셀의 세퍼레이터 간격이 작은 경우라도, 압력 손실 증가를 억제할 수 있다. 또한, 생성수의 배출이 용이해진다는 이점도 있다.

또한, 본 실시 형태에 있어서는, 볼록 형상부가 한 쌍의 세퍼레이터의 한쪽 세퍼레이터와 접촉하고 있는 구성으로 했다. 그로 인해, 볼록 형상부가 한 쌍의 세퍼레이터의 어느 것과도 접촉하고 있지 않은 경우와 비교하여 프레임의 변형을 억제할 수 있다. 그 결과, 프레임의 변형의 유무에 관계없이, 단셀의 세퍼레이터 간격이 작은 경우라도, 압력 손실 증가를 억제할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에 있어서는, 프레임 매니폴드 개구 단부면이 세퍼레이터 매니폴드 개구 단부면보다 세퍼레이터 매니폴드부측으로 돌출되어 형성된 구성으로 했다. 그 결과, 프레임의 변형의 유무에 관계없이, 단셀의 세퍼레이터 간격이 작은 경우라도, 세퍼레이터간 단락을 억제할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에 있어서는, 볼록 형상부가 가스의 흐름 방향을 따라 직선형 형상을 갖고 있다. 구체적으로는, 볼록 형상부의 평면 형상이 가스 흐름 방향으로 긴 변을 갖고, 그 단부가 개구 단부면에 도달한 대략 직사각형이다. 그로 인해, 프레임이 변형되기 어려워, 가스 유로를 확보하기 쉽다는 이점이 있다. 또한, 가스 흐름을 정류로 하기 쉽다는 이점도 있다. 그 결과, 프레임의 변형의 유무에 관계없이, 단셀의 세퍼레이터 간격이 작은 경우라도, 압력 손실 증가를 억제할 수 있다.

(제3 실시 형태)

도 12는 연료 전지 모듈을 구성하는 제3 실시 형태에 관한 연료 전지 단셀의 주요부를 설명하는 평면도이다. 즉, 도 12는 연료 전지 단셀의 도 3에 나타낸 Z선으로 둘러싼 부분과 동일한 부분의 평면도이다. 단, 상측의 세퍼레이터는 기재를 생략하고 있다. 또한, 하측의 세퍼레이터는 파선으로 나타내고 있다. 또한, 도 13은 제3 실시 형태에 관한 연료 전지 단셀의 주요부를 설명하는 단면도이다. 즉, 도 13은 도 12에 나타낸 연료 전지 단셀의 XIII-XIII선을 따른 단면도이다. 단, 연료 전지 단셀이 2매 적층된 상태를 나타내고 있다. 또한, 도 14는 제3 실시 형태에 관한 연료 전지 단셀의 주요부를 설명하는 다른 단면도이다. 즉, 도 14는 도 12에 나타낸 연료 전지 단셀의 XVI-XVI선을 따른 단면도이다. 또한, 도 12에 나타낸 연료 전지의 V-V선을 따른 단면도는 도 5와 동일하다. 또한, 상기한 실시 형태에 있어서 설명한 것과 동등한 것에 대해서는, 그것들과 동일한 부호를 부여하여 설명을 생략한다.

도 12 내지 도 14에 나타낸 바와 같이, 본 실시 형태에 있어서는, 볼록 형상부(22)가 한 쌍의 세퍼레이터(30, 30)의 양쪽과 접촉하고 있다는 것이, 제1 실시 형태와 상이하다.

본 실시 형태에 있어서는, 가스 유통부가 연장 돌출부에 설치된 볼록 형상부로 형성되어 있는 구성으로 했다. 그로 인해, 프레임이 변형된 경우라도, 가스 유로를 확보할 수 있다. 그 결과, 프레임의 변형의 유무에 관계없이, 단셀의 세퍼레이터 간격이 작은 경우라도, 압력 손실 증가를 억제할 수 있다.

그리고, 본 실시 형태에 있어서는, 볼록 형상부가 돌출부에 대하여 가스 흐름 방향을 따른 직선 상에 설치되어 있는 구성으로 했다. 그로 인해, 볼록 형상부와 돌출부가 직선 상에 설치되어 있지 않은 경우와 비교하여, 압력 손실이 적은 가스 유로를 확보할 수 있다. 그 결과, 프레임의 변형의 유무에 관계없이, 단셀의 세퍼레이터 간격이 작은 경우라도, 압력 손실 증가를 억제할 수 있다. 또한, 생성수의 배출이 용이해진다는 이점도 있다.

또한, 본 실시 형태에 있어서는, 볼록 형상부가 한 쌍의 세퍼레이터의 양쪽의 세퍼레이터와 접촉하고 있는 구성으로 했다. 그로 인해, 볼록 형상부가 한 쌍의 세퍼레이터의 한쪽과 접촉하고 있는 경우와 비교하여 프레임의 변형을 억제할 수 있다. 그 결과, 프레임의 변형의 유무에 관계없이, 단셀의 세퍼레이터 간격이 작은 경우라도, 압력 손실 증가를 억제할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에 있어서는, 프레임 매니폴드 개구 단부면이 세퍼레이터 매니폴드 개구 단부면보다 세퍼레이터 매니폴드부측으로 돌출되어 형성된 구성으로 했다. 그 결과, 프레임의 변형의 유무에 관계없이, 단셀의 세퍼레이터 간격이 작은 경우라도, 세퍼레이터간 단락을 억제할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에 있어서는, 볼록 형상부의 평면 형상이 대략 원형이다. 그로 인해, 연료 전지 단셀의 조립 시에 위치 정렬이 다소 어긋난 경우라도, 가스 유로를 확보하기 쉽다는 이점이 있다. 또한, 개구 단부면에 가까운 위치에 절곡부를 갖기 때문에, 프레임이 변형되기 어려워, 가스 유로를 확보하기 쉽다는 이점도 있다.

(제4 실시 형태)

도 15는 연료 전지 모듈을 구성하는 제4 실시 형태에 관한 연료 전지 단셀의 주요부를 설명하는 평면도이다. 즉, 도 15는 연료 전지 단셀의 도 3에 나타낸 Z선으로 둘러싼 부분과 동일한 부분의 평면도이다. 단, 상측의 세퍼레이터는 기재를 생략하고 있다. 또한, 하측의 세퍼레이터는 파선으로 나타내고 있다. 또한, 도 16은 제4 실시 형태에 관한 연료 전지 단셀의 주요부를 설명하는 단면도이다. 즉, 도 16은 도 15에 나타낸 연료 전지 단셀의 XVI-XVI선을 따른 단면도이다. 단, 연료 전지 단셀이 2매 적층된 상태를 나타내고 있다. 또한, 도 17은 제4 실시 형태에 관한 연료 전지 단셀의 주요부를 설명하는 다른 단면도이다. 즉, 도 17은 도 15에 나타낸 연료 전지 단셀의 XVII-XVII선을 따른 단면도이다. 또한, 도 17에 나타낸 연료 전지의 IX-IX선을 따른 단면도는 도 9와 동일하다. 또한, 상기한 실시 형태에 있어서 설명한 것과 동등한 것에 대해서는, 그것들과 동일한 부호를 부여하여 설명을 생략한다.

도 15 내지 도 17에 나타낸 바와 같이, 본 실시 형태에 있어서는, 볼록 형상부(22)가 한 쌍의 세퍼레이터(30, 30)의 양쪽과 접촉하고 있다는 것이, 제2 실시 형태와 상이하다.

본 실시 형태에 있어서는, 가스 유통부가 연장 돌출부에 설치된 볼록 형상부로 형성되어 있는 구성으로 했다. 그로 인해, 프레임이 변형된 경우라도, 가스 유로를 확보할 수 있다. 그 결과, 프레임의 변형의 유무에 관계없이, 단셀의 세퍼레이터 간격이 작은 경우라도, 압력 손실 증가를 억제할 수 있다.

그리고, 본 실시 형태에 있어서는, 볼록 형상부가 돌출부에 대하여 가스 흐름 방향을 따른 직선 상에 설치되어 있는 구성으로 했다. 그로 인해, 볼록 형상부와 돌출부가 직선 상에 설치되어 있지 않은 경우와 비교하여, 압력 손실이 적은 가스 유로를 확보할 수 있다. 그 결과, 프레임의 변형의 유무에 관계없이, 단셀의 세퍼레이터 간격이 작은 경우라도, 압력 손실 증가를 억제할 수 있다. 또한, 생성수의 배출이 용이해진다는 이점도 있다.

또한, 본 실시 형태에 있어서는, 볼록 형상부가 한 쌍의 세퍼레이터의 양쪽의 세퍼레이터와 접촉하고 있는 구성으로 했다. 그로 인해, 볼록 형상부가 한 쌍의 세퍼레이터의 한쪽과 접촉하고 있는 경우와 비교하여 프레임의 변형을 억제할 수 있다. 그 결과, 프레임의 변형의 유무에 관계없이, 단셀의 세퍼레이터 간격이 작은 경우라도, 압력 손실 증가를 억제할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에 있어서는, 프레임 매니폴드 개구 단부면이 세퍼레이터 매니폴드 개구 단부면보다 세퍼레이터 매니폴드부측으로 돌출되어 형성된 구성으로 했다. 그 결과, 프레임의 변형의 유무에 관계없이, 단셀의 세퍼레이터 간격이 작은 경우라도, 세퍼레이터간 단락을 억제할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에 있어서는, 볼록 형상부가 가스의 흐름 방향을 따라 직선형 형상을 갖고 있다. 구체적으로는, 볼록 형상부의 평면 형상이 가스 흐름 방향으로 긴 변을 갖고, 그 단부가 개구 단부면에 도달한 대략 직사각형이다. 그로 인해, 프레임이 변형되기 어려워, 가스 유로를 확보하기 쉽다는 이점이 있다. 또한, 가스 흐름을 정류로 하기 쉽다는 이점도 있다. 그 결과, 프레임의 변형의 유무에 관계없이, 단셀의 세퍼레이터 간격이 작은 경우라도, 압력 손실 증가를 억제할 수 있다.

이상, 본 발명을 약간의 실시 형태에 의해 설명했지만, 본 발명은 이들에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 요지의 범위 내에서 다양한 변형이 가능하다.

예를 들어, 상술한 실시 형태에 있어서는, 프레임의 소정의 위치에 볼록 형상부로 형성되는 가스 유통부를 설치하는 위치로서, 애노드 가스가 공급되는 부위를 예로 들어 설명했지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니다. 즉, 애노드 가스가 공급되는 부위로 바꾸거나, 또는 추가하여 캐소드 가스가 공급되는 부위에 적용하는 것도 가능하다. 또한, 이것들에 추가하여, 애노드 가스가 배출되는 부위와 캐소드 가스가 배출되는 부위에 적용하는 것도 가능하다.

FS : 연료 전지 스택
C : 연료 전지 단셀
M : 연료 전지 모듈
P : 시일 플레이트
F : 가스 유로부
G : 가스 유통부
H1 내지 H6 : 매니폴드부
FH1 내지 FH6 : 프레임 매니폴드부
SH1 내지 SH6 : 세퍼레이터 매니폴드부
10 : 프레임을 갖는 막전극 접합체
12 : 막전극 접합체
20 : 프레임
20a : 개구 단부면
21 : 연장 돌출부
22 : 볼록 형상부
30 : 세퍼레이터
30a : 개구 단부면
31 : 돌출부
40 : 시일 부재
56A, 56B : 엔드 플레이트
57A, 57B : 체결판
58A, 58B : 보강판

Claims (4)

1. 막전극 접합체와 상기 막전극 접합체를 외주로부터 지지하는 프레임을 포함하는 프레임을 갖는 막전극 접합체와,
   상기 프레임을 갖는 막전극 접합체의 양면에 배치된 한 쌍의 세퍼레이터와,
   상기 세퍼레이터와 상기 막전극 접합체의 사이에 형성된, 가스가 공급되는 가스 유로부와,
   상기 프레임과 상기 세퍼레이터의 적층 방향으로 관통하는 구멍이 형성된 매니폴드부와,
   상기 한 쌍의 세퍼레이터의 적어도 한쪽 세퍼레이터가 상기 프레임을 갖는 막전극 접합체측으로 돌출되고, 상기 매니폴드부 근방에서 상기 프레임을 지지하는 돌출부와,
   상기 돌출부보다도 상기 매니폴드부측으로 연장 돌출되는 상기 프레임의 연장 돌출부와,
   상기 연장 돌출부에 형성된, 상기 매니폴드부로부터 상기 가스 유로부로 상기 가스를 공급하는 가스 유통부를 구비하고,
   상기 가스 유통부가, 상기 연장 돌출부에 설치된 볼록 형상부로 형성되어 있는
   것을 특징으로 하는 연료 전지의 단셀 구조.
2. 제1항에 있어서, 상기 볼록 형상부가, 상기 가스의 흐름 방향을 따라 직선형 형상을 갖고 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지의 단셀 구조.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 볼록 형상부가, 상기 돌출부에 대하여, 상기 가스의 흐름 방향을 따른 직선 상에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지의 단셀 구조.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 볼록 형상부가, 상기 한 쌍의 세퍼레이터의 적어도 한쪽 세퍼레이터와 접촉하고 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지의 단셀 구조.

Images