KR20220016226A - 연료전지 스택 - Google Patents

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KR20220016226A
KR20220016226A KR1020217043373A KR20217043373A KR20220016226A KR 20220016226 A KR20220016226 A KR 20220016226A KR 1020217043373 A KR1020217043373 A KR 1020217043373A KR 20217043373 A KR20217043373 A KR 20217043373A KR 20220016226 A KR20220016226 A KR 20220016226A
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flow
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passage
gas
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KR1020217043373A
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요시노리 시노자키
사토시 후타미
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도요타 샤타이 가부시키가이샤
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Abstract

연료전지 스택은 서로 적층된 복수의 단셀을 구비한다. 각 단셀은, 시트 형상의 발전부, 한 쌍의 세퍼레이터, 가스유로 형성판, 및 프레임 부재를 구비한다. 가스유로 형성판은 반응가스가 유통하는 가스 유로부를 구성한다. 프레임 부재는, 가스 유로부에 대해서 반응가스를 공급하는 공급구 및 가스 유로부로부터 반응가스를 배출하는 배출구를 갖는다. 가스 유로부는, 반응가스의 흐름 방향을 따라서 연장됨과 동시에 직교 방향에서 서로 병렬로 설치되는 복수의 대향부와, 직교 방향에 직교하는 단면 형상이 물결 형상을 이루는 복수의 파상부를 갖는다. 가스 유로부는, 흐름 방향에서 공급구에 인접하는 제1 유로부와, 직교 방향에서 제1 유로부에 인접하는 제2 유로부를 포함한다. 제2 유로부에서의 연통로 각각의 유로 단면적은 제1 유로부에서의 상기 연통로 각각의 유로 단면적보다 크다.

Description

연료전지 스택
본 개시는 연료전지 스택에 관한 것이다.
고체 고분자형 연료전지는 서로 적층된 복수의 단(單)셀에 의해 구성되는 연료전지 스택을 구비하고 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조). 동일 특허문헌 1에 기재된 단셀은, 막전극 접합체를 갖는 발전부, 발전부를 협지(挾持)하는 한 쌍의 세퍼레이터, 및 발전부와 한 쌍의 세퍼레이터 사이에 설치된 가스유로 형성판을 구비하고 있다.
상기 가스유로 형성판은, 교대로 나란한 복수의 요부 및 철부와, 가스 유로부를 갖고 있다. 가스 유로부는, 상기 요부 및 철부와 발전부에 의해 구획되는 부분에 의해 구성되어 있으며, 그물코 형상을 이루고 있다. 연료가스나 산화제 가스 등의 반응가스가 가스 유로부를 유통한다.
상기 단셀은 평면시(視) 직사각형 형상을 이룬다. 동(同) 단셀의 단변측의 양단부에는 연료가스를 공급하는 연료가스 공급구와 연료가스를 배출하는 연료가스 배출구가 발전부를 사이에 두고 설치되어 있다. 또한, 동 단셀의 장변측의 양단부에는 산화제 가스를 공급하는 복수의 산화제 가스 공급구와 산화제 가스를 배출하는 복수의 산화제 가스 배출구가 발전부를 사이에 두고 설치되어 있다. 복수의 산화제 가스 공급구는 단셀의 장변의 길이 방향으로 서로 간격을 두고 위치하고 있다. 마찬가지로, 복수의 산화제 가스 배출구는 단셀의 장변의 길이 방향으로 서로 간격을 두고 위치하고 있다.
각 산화제 가스 공급구로부터 공급되는 산화제 가스는 가스유로 형성판의 가스 유로부를 통해 발전부로 공급된다. 그리고, 발전부에서 산화제 가스와 연료가스가 전기화학 반응함으로써 발전이 이루어진다. 한편, 발전부에서의 발전에 제공되지 않은 산화제 가스는 가스 유로부를 통해 각 산화제 가스 배출구로부터 외부로 배출된다.
일본 공개특허 공보 2016-21339호
그런데, 연료전지 스택에서는 발전 효율을 높이는데 있어서, 발전부의 보다 넓은 범위, 즉, 가스 유로부의 보다 넓은 범위로 반응가스를 도달하게 하는 것이 바람직하다.
그런데, 산화제 가스 공급구가 단셀의 장변 길이 방향으로 서로 간격을 두고 설치되어 있으므로, 서로 이웃(隣合)하는 산화제 가스 공급구 사이에는 이들 산화제 가스 공급구를 구분하는 칸막이부(仕切部)가 존재한다. 이 때문에, 산화제 가스 공급구로부터 가스 유로부를 통해서 산화제 가스 배출구를 향하는 산화제 가스는 상기 칸막이부와 서로 이웃하는 부분으로는 흐르기 어렵다. 따라서, 가스 유로부의 보다 넓은 범위로 반응가스를 도달하게 하는, 즉, 반응가스의 분배성을 높이는데 있어서는 개선의 여지가 있다.
본 명시된 목적은 반응가스의 분배성을 높일 수 있는 연료전지 스택을 제공하는 것에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 연료전지 스택은, 서로 적층된 복수의 단셀을 구비하고, 각 단셀은, 시트 형상의 발전부와, 상기 발전부를 두께 방향에서 협지하는 한 쌍의 세퍼레이터와, 상기 한 쌍의 세퍼레이터의 적어도 일방과 상기 발전부 사이에 설치되고 반응가스가 유통하는 가스 유로부를 구성하는 가스유로 형성판과, 상기 가스유로 형성판 주위에 설치되어 상기 가스 유로부에 대해서 상기 반응가스를 공급하는 공급구 및 상기 가스 유로부로부터 상기 반응가스를 배출하는 배출구를 갖는 프레임 부재를 구비하는 것으로, 상기 공급구로부터 상기 배출구를 향하는 상기 반응가스의 흐르는 방향을 흐름 방향으로 하고, 상기 발전부와 상기 가스 유로부가 대향하는 방향을 대향 방향으로 하고, 상기 흐름 방향과 상기 대향 방향의 쌍방에 직교하는 방향을 직교 방향으로 할 때, 상기 가스 유로부는, 상기 흐름 방향을 따라서 연장됨과 동시에 상기 직교 방향에서 서로 병렬로 설치되고 상기 발전부에 대향하는 복수의 대향부와, 각 대향부의 상기 직교 방향의 양측에 일체로 설치되고 상기 직교 방향에 직교하는 단면 형상이 물결 형상을 이루는 복수의 파상부(波狀部)를 갖고, 각 파상부는, 상기 대향부보다 상기 발전부측으로 돌출됨과 동시에 상기 발전부에 맞닿는(當接) 복수의 제1 철부와, 상기 대향부보다 상기 세퍼레이터측으로 돌출됨과 동시에 상기 세퍼레이터에 맞닿는 복수의 제2 철부(凸部)를 구비하고, 상기 제1 철부 및 상기 제2 철부는 상기 흐름 방향으로 교대로 나란히 위치하고 있으며, 각 대향부와 상기 발전부 사이에는 주(主)유로가 형성되어 있고, 상기 가스 유로부에는 상기 제1 철부와 상기 대향부에 의해 구획되어 상기 주유로의 각각을 연통하는 복수의 연통로가 상기 흐름 방향으로 서로 간격을 두고 설치되고, 상기 가스 유로부는, 상기 흐름 방향에서 상기 공급구에 인접(隣接)하는 제1 유로부와, 상기 직교 방향에서 상기 제1 유로부에 인접하는 제2 유로부를 포함하고, 상기 제2 유로부에서의 상기 연통로 각각의 유로 단면적은 상기 제1 유로부에서의 상기 연통로 각각의 유로 단면적보다 크다.
동일 구성에 따르면, 제2 유로부에서의 각 연통로의 유로 단면적이 제1 유로부에서의 각 연통로의 유로 단면적보다 크다. 이 때문에, 제2 유로부의 각 연통로에서의 반응가스의 압력 손실은 제1 유로부의 각 연통로에서의 반응가스의 압력 손실보다 작아진다. 이로 인해, 공급구로부터 제1 유로부의 각 주유로에 유입된 반응가스는 제2 유로부의 각 연통로를 통해서 제2 유로부로 유입되기 쉬워진다. 즉, 공급구로부터 유입된 반응가스가 제1 유로부로부터 제2 유로부를 향해 흐르기 쉬워지고, 가스 유로부의 보다 넓은 범위로 반응가스를 도달하게 할 수 있다. 따라서, 반응가스의 분배성을 높일 수 있다.
상기 연료전지 스택에서, 상기 가스 유로부는 상기 흐름 방향의 하류측에서 상기 제1 유로부에 인접하는 제3 유로부를 포함하고, 상기 제3 유로부에서의 상기 연통로 각각의 유로 단면적은 상기 제1 유로부에서의 상기 연통로 각각의 유로 단면적보다 작은 것이 바람직하다.
동일 구성에 따르면, 제3 유로부에서의 각 연통로의 유로 단면적이 제1 유로부에서의 각 연통로의 유로 단면적보다 작다. 이 때문에, 제3 유로부의 각 연통로에서의 반응가스의 압력 손실은 제1 유로부의 각 연통로에서의 반응가스의 압력 손실보다 커진다. 이로 인해, 공급구로부터 제1 유로부로 유입된 반응가스는 제3 유로부에서의 각 연통로보다 제2 유로부에서의 각 연통로를 통해서 제2 유로부를 향해 흐르기 쉬워진다. 따라서, 반응가스의 분배성을 더욱 높일 수 있다.
상기 연료전지 스택에서, 상기 파상부는 상기 직교 방향에서 이웃하여 설치되는 제1 파상부와 제2 파상부를 포함하고, 상기 제1 파상부와 상기 제2 파상부는 상기 제1 파상부의 상기 제1 철부와 상기 제2 파상부의 상기 제2 철부가 상기 직교 방향에서 이웃함과 동시에, 상기 제1 파상부의 상기 제2 철부와 상기 제2 파상부의 상기 제1 철부가 상기 직교 방향에서 이웃하도록 설치되고, 상기 가스 유로부에는 복수의 부(副)유로가 상기 흐름 방향으로 서로 간격을 두고 설치되며, 각 부유로는 상기 흐름 방향에서 이웃하는 상기 연통로끼리의 사이에서, 상기 제1 파상부의 상기 제1 철부와 상기 제2 파상부의 상기 제1 철부와 상기 발전부에 의해 구획되어 상기 연통로끼리를 연통하고, 상기 제2 유로부에서의 상기 부유로 각각의 유로 단면적은 상기 제1 유로부에서의 상기 부유로 각각의 유로 단면적보다 큰 것이 바람직하다.
동일 구성에 따르면, 제2 유로부의 각 부유로에서의 반응가스의 압력 손실은 제1 유로부의 각 부유로에서의 반응가스의 압력 손실보다 작아진다. 이로 인해, 공급구로부터 제1 유로부로 유입된 반응가스는 제2 유로부에서의 각 부유로를 통해 제2 유로부로 유입되기 쉬워진다. 즉, 공급구로부터 유입된 반응가스가 제1 유로부로부터 제2 유로부를 향해 흐르기 쉬워져, 가스 유로부의 보다 넓은 범위로 반응가스를 도달하게 할 수 있다.
상기 연료전지 스택에서, 상기 파상부는 상기 직교 방향에서 이웃하여 설치되는 제1 파상부와 제2 파상부를 포함하고, 상기 제1 파상부와 상기 제2 파상부는 상기 제1 파상부의 상기 제1 철부와 상기 제2 파상부의 상기 제2 철부가 상기 직교 방향에서 이웃함과 동시에, 상기 제1 파상부의 상기 제2 철부와 상기 제2 파상부의 상기 제1 철부가 상기 직교 방향에서 이웃하도록 설치되고, 상기 가스 유로부에는 복수의 부유로가 상기 흐름 방향으로 서로 간격을 두고 설치되며, 각 부유로는 상기 흐름 방향에서 이웃하는 상기 연통로끼리의 사이에서, 상기 제1 파상부의 상기 제1 철부와 상기 제2 파상부의 상기 제1 철부와 상기 발전부에 의해 구획되어 상기 연통로끼리를 연통하고, 상기 가스 유로부는 상기 흐름 방향의 하류측에서 상기 제1 유로부에 인접하는 제3 유로부를 포함하고, 상기 제3 유로부에서의 상기 부유로 각각의 유로 단면적은 상기 제1 유로부에서의 상기 부유로 각각의 유로 단면적보다 작은 것이 바람직하다.
동일 구성에 따르면, 제3 유로부의 각 부유로에서의 반응가스의 압력 손실은 제1 유로부의 각 부유로에서의 반응가스의 압력 손실보다 커진다. 이로 인해, 공급구로부터 제1 유로부로 유입된 반응가스는 제3 유로부에서의 각 부유로보다 제2 유로부에서의 각 부유로를 통해서 제2 유로부로 유입되기 쉬워진다. 즉, 공급구로부터 유입된 반응가스가 제1 유로부로부터 제2 유로부를 향해 흐르기 쉬워져, 가스 유로부의 보다 넓은 범위로 반응가스를 도달하게 할 수 있다.
상기 연료전지 스택에서, 상기 제2 유로부에서의 상기 주유로 각각의 유로 단면적은 상기 제1 유로부에서의 상기 주유로 각각의 유로 단면적보다 큰 것이 바람직하다.
동일 구성에 따르면, 제2 유로부에서의 각 주유로의 유로 단면적이 제1 유로부에서의 각 주유로의 유로 단면적보다 크다. 이 때문에, 제2 유로부의 각 주유로에서의 반응가스의 압력 손실은 제1 유로부의 각 주유로에서의 반응가스의 압력 손실보다 작아진다. 이로 인해, 공급구로부터 제1 유로부의 각 주유로에 유입된 반응가스는 각 연통로를 통해서 제2 유로부의 각 주유로를 향해 흐르기 쉬워진다. 즉, 공급구로부터 유입된 반응가스가 제1 유로부로부터 제2 유로부를 향해 흐르기 쉬워진다. 따라서, 반응가스의 분배성을 더욱 높일 수 있다.
상기 연료전지 스택에서, 상기 제2 유로부의 상기 대향부 각각은 상기 제1 유로부의 상기 대향부 각각보다 상기 대향 방향에서 상기 발전부로부터 이간한 위치에 설치되는 것이 바람직하다.
동일 구성에 따르면, 제2 유로부의 각 주유로를 형성하는 대향부가, 제1 유로부의 각 주유로를 형성하는 대향부보다 대향 방향에서 발전부로부터 이간한 위치에 설치되어 있다. 이 때문에, 제2 유로부에서의 각 주유로의 유로 단면적이, 제1 유로부에서의 각 주유로의 유로 단면적보다 커진다.
이와 같이, 상기 구성에 따르면, 발전부로부터의 대향부의 거리를 변경하는 간단한 구성 변경에 의해, 제2 유로부에서의 각 주유로의 유로 단면적을 제1 유로부에서의 각 주유로의 유로 단면적보다 크게 할 수 있다.
상기 연료전지 스택에서, 상기 제2 유로부의 상기 대향부 각각에서의 상기 직교 방향의 폭은 상기 제1 유로부의 상기 대향부 각각에서의 상기 직교 방향의 폭보다 큰 것이 바람직하다.
동일 구성에 따르면, 제2 유로부의 각 주유로를 형성하는 대향부의 폭이 제1 유로부의 각 주유로를 형성하는 대향부의 폭보다 크다. 이 때문에, 제2 유로부에서의 각 주유로의 유로 단면적이 제1 유로부에서의 각 주유로의 유로 단면적보다 커진다.
이와 같이, 상기 구성에 따르면, 대향부의 직교 방향에서의 폭을 변경하는 간단한 구성 변경에 의해, 제2 유로부에서의 각 주유로의 유로 단면적을 제1 유로부에서의 각 주유로의 유로 단면적보다 크게 할 수 있다.
상기 연료전지 스택에서, 상기 가스 유로부는 상기 흐름 방향의 하류측에서 상기 제1 유로부에 인접하는 제3 유로부를 포함하고, 상기 제3 유로부에서의 상기 주유로 각각의 유로 단면적은 상기 제1 유로부에서의 상기 주유로 각각의 유로 단면적보다 작은 것이 바람직하다.
동일 구성에 따르면, 제3 유로부에서의 각 주유로의 유로 단면적이, 제1 유로부에서의 각 주유로의 유로 단면적보다 작다. 이 때문에, 제3 유로부의 각 주유로에서의 반응가스의 압력 손실은 제1 유로부의 각 주유로에서의 반응가스의 압력 손실보다 커진다. 이로 인해, 공급구로부터 제1 유로부의 각 주유로에 유입된 반응가스는 압력 손실이 큰 제3 유로부보다 압력 손실이 작은 제2 유로부를 향해 흐르기 쉬워진다. 따라서, 반응가스의 분배성을 더욱 높일 수 있다.
상기 연료전지 스택에서, 상기 제3 유로부의 상기 대향부의 각각은 상기 제1 유로부의 상기 대향부의 각각보다 상기 대향 방향에서 상기 발전부에 근접한 위치에 설치되는 것이 바람직하다.
동일 구성에 따르면, 제3 유로부의 각 주유로를 형성하는 대향부가 제1 유로부의 각 주유로를 형성하는 대향부보다 대향 방향에서 발전부에 근접한 위치에 설치되어 있다. 이 때문에, 제3 유로부에서의 각 주유로의 유로 단면적이 제1 유로부에서의 각 주유로의 유로 단면적보다 작아진다.
이와 같이, 상기 구성에 따르면, 발전부로부터의 대향부 거리를 변경하는 간단한 구성 변경에 의해, 제3 유로부에서의 각 주유로의 유로 단면적을 제1 유로부에서의 각 주유로의 유로 단면적보다 작게 할 수 있다.
상기 연료전지 스택에서, 상기 제1 유로부의 상기 대향부의 각각과 상기 제3 유로부의 상기 대향부의 각각은 단차부를 통해 이어져 있는 것이 바람직하다.
동일 구성에 따르면, 흐름 방향을 따라서 흐르는 반응가스가 단차부에 충돌하기 때문에, 제1 유로부와 제3 유로부의 경계 부분에서의 반응가스의 압력 손실이 커지기 쉽다. 이로 인해, 제1 유로부와 제3 유로부의 반응가스의 압력 손실차를 크게 할 수 있다.
본 개시에 따른 연료전지 스택에 의하면, 반응가스의 분배성을 높일 수 있다.
도 1은, 연료전지 스택의 일 실시형태를 나타내는 단면도.
도 2는, 동(同) 실시형태의 가스유로 형성판 및 프레임 부재를 나타내는 평면도.
도 3은, 동 실시형태의 제1 유로부에서의 가스유로 형성판 및 제2 세퍼레이터의 일부를 나타내는 단면 사시도.
도 4는, 동 실시형태의 제1 유로부, 제2 유로부 및 제3 유로부에서의 서로의 위치관계를 나타내는 평면도.
도 5는, 도 4의 5 - 5선에 따른 단면도.
도 6은, 도 4의 6 - 6선에 따른 단면도.
도 7은, 도 4의 7 - 7선에 따른 단면도.
도 8은, 도 4의 8 - 8선에 따른 단면도.
도 9는, 도 4의 9 - 9선에 따른 단면도.
도 10은, 도 4의 10 - 10선에 따른 단면도.
도 11은, 도 4의 11 - 11선에 따른 단면도.
도 12는, 동 실시형태의 산화제 가스의 흐름을 나타내는 가스유로 형성판의 평면도.
도 13은, 제1 변경예의 제1 유로부, 제2 유로부 및 제3 유로부에서의 서로의 위치관계를 나타내는 평면도.
도 14는, 제2 변경예의 제1 유로부, 제2 유로부 및 제3 유로부에서의 서로의 위치관계를 나타내는 평면도.
도 15는, 제3 변경예에서의 도 8에 대응하는 단면도.
도 16은, 제4 변경예에서의 도 10에 대응하는 단면도.
이하, 도 1 내지 도 12를 참조하여 일 실시형태에 대해 설명한다.
각 도면에서는 설명의 편의 상, 구성 일부를 과장 또는 간략화하여 나타내는 경우가 있다. 또한, 각 부분의 치수 비율에 대해서는 실제와 상이한 경우가 있다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 연료전지 스택은 고체 고분자형 연료전지를 구성하는 것으로, 평면시 대략 직사각형 판모양을 이루는 복수의 단셀(10)이 적층된 구조를 갖고 있다. 각 단셀(10)은, 시트 형상의 발전부(11)를 구성하는 막전극 가스 확산층 접합체(Membrane Electrode Gas Diffusion Layer Assembly, 이하, MEGA(20)으로 칭함)와, MEGA(20)를 두께 방향에서 협지하는 제1세퍼레이터(30) 및 제2 세퍼레이터(40)를 구비하고 있다. MEGA(20)와 제2 세퍼레이터(40) 사이에는 반응가스가 유통하는 가스 유로부(51)를 구성하는 가스유로 형성판(50)이 설치되어 있다.
제1세퍼레이터(30)는 발전부(11)의 애노드측에 배치되어 있다. 또한, 제2 세퍼레이터(40)는 발전부(11)의 캐소드측에 배치되어 있다.
도 2에 나타내는 바와 같이, 가스유로 형성판(50)의 주위에는 수지재료로 이루어지고, 평면시 대략 직사각형 판모양을 이루는 프레임 부재(60)가 설치되어 있다. 본 실시형태의 프레임 부재(60)에는 MEGA(20)와 가스유로 형성판(50)이 겹쳐진 상태로 끼워 넣어져(嵌入) 있다. 프레임 부재(60)는 제1세퍼레이터(30)와 제2 세퍼레이터(40)에 의해 두께 방향에서 협지된다.
이후, 도 2의 설명에 한해 동(同) 도면의 상하 방향을 단순히 상하 방향으로 하고, 동 도면의 좌우 방향을 단순히 좌우 방향으로 하여 설명한다. 그리고, 상하 방향 및 좌우 방향은 프레임 부재(60)의 실제 자세를 나타내는 것은 아니다.
프레임 부재(60)에는, 반응가스로서 연료가스를 공급하는 연료가스 공급구(12)와 연료가스를 배출하는 연료가스 배출구(13)가 좌우 방향으로 가스유로 형성판(50)을 사이에 두고 설치된다. 본 실시형태의 연료가스는, 예를 들면, 수소가스이다. 연료가스 공급구(12)는 가스유로 형성판(50)의 좌측부에서, 상하 방향에서의 가스유로 형성판(50)의 중앙보다 상측으로 치우친 위치에 설치되어 있다. 또한, 연료가스 배출구(13)는 가스유로 형성판(50)의 우측부에서, 상하 방향에서의 가스유로 형성판(50)의 중앙보다 하측으로 치우친 위치에 설치되어 있다.
연료가스 공급구(12)의 하측 부분에는 발전부(11)를 향해 냉각수를 공급하는 3개의 냉각수 공급구(14)가 상하 방향으로 서로 간격을 두고 설치되어 있다. 또한, 연료가스 배출구(13)의 상측 부분에는 발전부(11)로부터 냉각수를 배출하는 3개의 냉각수 배출구(15)가 상하 방향으로 서로 간격을 두고 설치되어 있다.
또한, 프레임 부재(60)에는 반응가스로서 산화제 가스를 공급하는 복수의 산화제 가스 공급구(16)와 산화제 가스를 배출하는 복수의 산화제 가스 배출구(17)가 상하 방향으로 가스유로 형성판(50)을 사이에 두고 설치되어 있다. 본 실시형태의 산화제 가스는, 예를 들면, 공기이다. 본 실시형태에서는, 6개의 산화제 가스 공급구(16)가 좌우 방향으로 서로 간격을 두고 설치되어 있다. 마찬가지로, 6개의 산화제 가스 배출구(17)가 좌우 방향으로 서로 간격을 두고 설치되어 있다. 이웃하는 2개의 산화제 가스 공급구(16) 사이에는 이러한 산화제 가스 공급구(16)를 구획하는 칸막이부(18)가 형성된다.
그리고, 도시는 생략하지만, 제1세퍼레이터(30) 및 제2 세퍼레이터(40)에는 상술한 각 공급구(12, 14, 16) 및 각 배출구(13, 15, 17)에 대응하는 위치에 각각 관통공이 형성되어 있다.
각 산화제 가스 공급구(16)로부터 공급되는 산화제 가스는, 가스유로 형성판(50)으로 유통한 후, 각 산화제 가스 배출구(17)로부터 배출된다.
이후, 산화제 가스 공급구(16)로부터 산화제 가스 배출구(17)를 향하는 산화제 가스의 흐르는 방향을 흐름 방향(X)으로 칭하고, 발전부(11)와 가스유로 형성판(50)의 가스 유로부(51)가 대향하는 방향을 대향 방향(Y)으로 칭한다. 또한, 흐름 방향(X)과 대향 방향(Y)의 쌍방에 직교하는 방향을 직교 방향(Z)으로 칭한다.
이어서, 단셀(10)의 각 구성에 대해서 상세하게 설명한다.
＜MEGA(20)＞
도 1에 나타내는 바와 같이, MEGA(20)는, 막전극 접합체(21)와, 모두 탄소섬유로 이루어지고 막전극 접합체(21)를 협지하는 애노드측 가스 확산층(24) 및 캐소드측 가스 확산층(25)을 구비하고 있다. 막전극 접합체(21)는, 전해질막(22)과, 전해질막(22)을 협지하는 한 쌍의 전극 촉매층(23)을 구비하고 있다. 전해질막(22)은 습윤상태로 양호한 프로톤 전도성을 갖는 고체 고분자 재료로 형성되어 있다. 각 전극 촉매층(23)에는 연료전지에서의 반응가스의 전기화학 반응을 촉진하기 위해서 예를 들면 백금 등의 촉매가 담지되어 있다.
＜제1세퍼레이터(30)＞
도 1에 나타내는 바와 같이, 제1세퍼레이터(30)는 스테인레스강 등의 금속 판재를 프레스 성형함으로써 형성된다. 제1세퍼레이터(30)의 중앙부는 MEGA(20)의 애노드측 가스 확산층(24)에 맞닿고(當接) 있다. 또한, 도시는 생략하지만, 제1세퍼레이터(30)의 중앙부보다 외주측의 부분은 프레임 부재(60)에 맞닿고 있다.
제1세퍼레이터(30)의 상기 중앙부에는 적어도 흐름 방향(X)을 따라서 연장되는 부분을 갖는 홈 형상의 복수의 연료가스 유로(31)가 형성되어 있다. 연료가스 유로(31)는 연료가스 공급구(12) 및 연료가스 배출구(13)에 연통되어 있다.
제1세퍼레이터(30)에서의 연료가스 유로(31)와는 반대측 면에는, 홈 형상의 복수의 냉각수 유로(32)가 형성되어 있다. 냉각수 유로(32)는 서로 이웃하는 연료가스 유로(31) 사이의 부분에 1개씩 형성되고, 냉각수 공급구(14) 및 냉각수 배출구(15)에 연통된다.
＜제2 세퍼레이터(40)＞
도 1에 나타내는 바와 같이, 제2 세퍼레이터(40)는 스테인레스강 등의 금속 판재를 프레스 성형함으로써 형성되어 있다. 제2 세퍼레이터(40)의 대향 방향(Y)의 제1 면은 가스유로 형성판(50)에 맞닿고 있다. 제2 세퍼레이터(40)의 대향 방향(Y)의 제2 면은 상기 제2 세퍼레이터(40)를 구비하는 단셀(10)에 인접하는 단셀(10)에서의 제1세퍼레이터(30)에 맞닿고 있다.
＜가스유로 형성판(50)＞
도 3에 나타내는 바와 같이, 가스유로 형성판(50)은, 예를 들면 스테인레스강 등의 금속 판재를 롤 성형함으로써 형성된다.
도 4에 나타내는 바와 같이, 가스 유로부(51)는 서로 형상이 상이한 복수의 영역을 갖고 있다. 보다 자세하게는, 가스 유로부(51) 중, 흐름 방향(X)에서 산화제 가스 공급구(16)에 인접하는 제1 유로부(151)와, 직교 방향(Z)에서 제1 유로부(151)에 인접하는 제2 유로부(251)와, 흐름 방향(X)의 하류측에서 제1 유로부(151)에 인접하는 제3 유로부(351)에 있어서 가스 유로부(51)의 형상이 서로 상이하다.
그리고, 직교 방향(Z)에서의 제1 유로부(151)의 길이와 동 직교 방향(Z)에서의 산화제 가스 공급구(16)의 길이는 대략 동일하다. 또한, 직교 방향(Z)에서의 제2 유로부(251)의 길이와 동(同) 직교 방향(Z)에서의 칸막이부(18)의 길이는 대략 동일하다. 또한, 직교 방향(Z)에서의 제3 유로부(351)의 길이와 동 직교 방향(Z)에서의 제1 유로부(151)의 길이는 대략 동일하다. 또한, 흐름 방향(X)에서의 제1 유로부(151)의 길이와 동 흐름 방향(X)에서의 제2 유로부(251)의 길이는 대략 동일하다.
이어서, 제1 유로부(151), 제2 유로부(251), 및 제3 유로부(351)의 형상에 대해 설명한다.
＜제1 유로부(151)＞
도 3, 도 5, 및 도 6에 나타내는 바와 같이, 제1 유로부(151)는 발전부(11)에 대향하는 복수의 대향부(160)를 갖고 있다. 이들 복수의 대향부(160)는 흐름 방향(X)을 따라서 연재함과 동시에 직교 방향(Z)에서 서로 병렬로 설치된다. 각 대향부(160)는 대략 사각봉모양을 이룬다. 그리고, 도 3은, 가스 유로부(51)의 기본적인 형상인 제1 유로부(151)를 나타내는 사시도이다.
각 대향부(160)의 직교 방향(Z)의 양측에는 직교 방향(Z)에 직교하는 단면 형상이 물결 형상을 이루는 파상부(170, 180)가 일체로 설치되어 있다.
각 파상부(170, 180)는 동일한 형상을 갖는다. 이 때문에, 이후에서는 파상부(170)의 구성에 대해서만 설명하고, 파상부(180)의 구성에 대해서는 파상부(170)의 부호 "17*"에 "10"을 가산한 부호 "18*"를 부여함에 따라 중복되는 설명은 생략한다. 그리고, 파상부(170)가 제1 파상부에 상당한다. 또한, 파상부(180)가 제2 파상부에 상당한다.
각 파상부(170)는 복수의 제1 철부(171) 및 복수의 제2 철부(172)를 갖고 있다. 각 제1 철부(171)는 대향부(160)보다 발전부(11)측으로 돌출됨과 동시에, 발전부(11), 보다 자세하게는, 캐소드측 가스 확산층(25)에 맞닿고 있다. 각 제2 철부(172)는 대향부(160)보다 제2 세퍼레이터(40)측으로 돌출됨과 동시에 제2 세퍼레이터(40)에 맞닿고 있다. 제1 철부(171) 및 제2 철부(172)의 각각은 흐름 방향(X)을 따라 연장되는 평탄한 정부(頂部)를 갖는다. 제1 철부(171)와 제2 철부(172)는 흐름 방향(X)으로 교대로 나란히 설치되어 있다. 각 제1 철부(171)는 각 제1 철부(171)의 흐름 방향(X)의 양측에 형성되고, 대향 방향(Y)에 대해서 경사짐과 더불어 제2 철부(172)에 연결되는 한 쌍의 경사부(173)를 갖는다.
제1 철부(171)와 제2 철부(182)가 직교 방향(Z)에서 이웃함과 동시에, 제2 철부(172)와 제1 철부(181)가 직교 방향(Z)에서 이웃하도록, 파상부(170)와 파상부(180)가 직교 방향(Z)에서 이웃하도록 설치되어 있다.
도 5에 나타내는 바와 같이, 각 대향부(160)와 발전부(11) 사이에는 각 산화제 가스 공급구(16)로부터 공급된 산화제 가스가 흐르는 주(主)유로(152)가 형성된다. 주유로(152)는 각 대향부(160)에 대응하여 형성되므로, 직교 방향(Z)에서 서로 병렬하고 있다.
그리고, 이후에는, 주유로(152)의 유로 단면적은, 흐름 방향(X)에 직교하는 면에서의 주유로(152)의 유로 단면적을 가리키는 것으로 한다.
각 대향부(160)와 제2 세퍼레이터(40) 사이에는, 발전부(11)에서의 전기 화학반응에 의해 생성된 생성수가 흐르는 수로(153)가 형성된다.
도 6에 나타내는 바와 같이, 제1 유로부(151)에는 각 주유로(152)를 연통하는 복수의 연통로(154)가 흐름 방향(X)으로 서로 간격을 두고 형성되어 있다. 각 연통로(154)는 직교 방향(Z)에 직교하는 면에서, 각 파상부(170, 180)의 각 제1 철부(171, 181)와 대향부(160)에 의해 구획되는 부분에 의해 구성된다.
흐름 방향(X)에서 이웃하는 2개의 연통로(154) 사이에는 이들 2개의 연통로(154)를 연통하는 부(副)유로(155)가 형성된다. 각 부유로(155)는 직교 방향(Z)에 직교하는 면에서, 서로 인접하는 파상부(170) 및 파상부(180)의 제1 철부(171) 및 제1 철부(181), 보다 자세하게는, 경사부(173) 및 경사부(183) 및 발전부(11)에 의해 구획되는 부분에 의해 구성된다.
그리고, 이후에는, 연통로(154)의 유로 단면적은 직교 방향(Z)에 직교하는 면에서의 연통로(154)의 유로 단면적을 가리키며, 부유로(155)의 유로 단면적은 직교 방향(Z)에 직교하는 면에서의 부유로(155)의 유로 단면적을 가리키는 것으로 한다.
파상부(170) 및 파상부(180)는 연통로(154)의 유로 단면적이 부유로(155)의 유로 단면적보다 커지도록 설치된다. 이 때문에, 연통로(154)를 흐르는 산화제 가스의 압력 손실은 부유로(155)를 흐르는 산화제 가스의 압력 손실보다 작아진다. 따라서, 주유로(152)를 흐르는 산화제 가스의 대부분은 연통로(154)를 통해 상기 주유로(152)에 이웃하는 주유로(152)에 흐르게 된다.
＜제2 유로부(251)＞
제2 유로부(251)의 형상은 제1 유로부(151)의 형상과 유사하다. 이후에서는, 제1 유로부(151)의 구성을 나타내는 부호 "1**"에 "100"을 가산한 부호 "2**"를 부여함으로써, 중복되는 설명은 생략하는 경우가 있다.
도 5 및 도 7에 나타내는 바와 같이, 제2 유로부(251)에서의 각 대향부(260)의 직교 방향(Z)의 폭(W2)은 제1 유로부(151)에서의 각 대향부(160)의 직교 방향(Z)의 폭(W1)보다 크다. 또한, 각 대향부(260)는 각 대향부(160)보다 대향 방향(Y)에서 발전부(11)로부터 이간한 위치에 설치된다. 이들에 의해, 제2 유로부(251)에서의 각 주유로(252)의 유로 단면적은 제1 유로부(151)에서의 각 주유로(152)의 유로 단면적보다 커진다.
도 6 및 도 8에 나타내는 바와 같이, 제2 유로부(251)에서의 제1 철부(271)의 정부 및 제1 철부(281)의 정부의 흐름 방향(X)의 길이(L2)는, 제1 유로부(151)에서의 제1 철부(171)의 정부 및 제1 철부(181)의 정부의 흐름 방향(X)의 길이(L1)보다 길다. 이로 인해, 제2 유로부(251)에서의 각 연통로(254)의 유로 단면적은 제1 유로부(151)에서의 각 연통로(154)의 유로 단면적보다 커진다.
그리고, 제2 유로부(251)에서의 각 경사부(273, 283)와 제1 유로부(151)에서의 각 경사부(173, 183)는 동일한 형상을 이룬다. 이 때문에, 제2 유로부(251)에서의 각 부유로(255)의 유로 단면적은 제1 유로부(151)에서의 각 부유로(155)의 유로 단면적과 동일하다.
＜제3 유로부(351)＞
제3 유로부(351)의 형상은 제1 유로부(151)의 형상과 유사하다. 이후에서는, 제1 유로부(151)의 구성을 나타내는 부호 "1**"에 "200"을 가산한 부호 "3**"를 부여함으로써, 중복되는 설명은 생략하는 경우가 있다.
도 5 및 도 9에 나타내는 바와 같이, 제3 유로부(351)에서의 각 대향부(360)의 직교 방향(Z)의 폭(W3)은 제1 유로부(151)에서의 각 대향부(160)의 직교 방향(Z)의 폭(W1)과 동일하다. 또한, 각 대향부(360)는 각 대향부(160)보다 대향 방향(Y)에서 발전부(11)에 근접한 위치에 설치된다. 이로 인해, 제3 유로부(351)에서의 각 주유로(352)의 유로 단면적은 제1 유로부(151)에서의 각 주유로(152)의 유로 단면적보다 작아진다.
도 6 및 도 10에 나타내는 바와 같이, 제3 유로부(351)에서의 제1 철부(371)의 정부 및 제1 철부(381)의 정부의 흐름 방향(X)의 길이(L3)는, 제1 유로부(151)에서의 제1 철부(171)의 정부 및 제1 철부(181)의 정부의 흐름 방향(X)의 길이(L1)보다 짧다. 이로 인해, 제3 유로부(351)에서의 각 연통로(354)의 유로 단면적은 제1 유로부(151)에서의 각 연통로(154)의 유로 단면적보다 작아진다.
그리고, 제3 유로부(351)에서의 각 경사부(373, 383)와 제1 유로부(151)에서의 각 경사부(173, 183)는 동일한 형상을 이룬다. 이 때문에, 제3 유로부(351)에서의 각 부유로(355)의 유로 단면적은 제1 유로부(151)에서의 각 부유로(155)의 유로 단면적과 동일하다.
도 11에 나타내는 바와 같이, 각각 흐름 방향(X)을 따라 연재하는 각 대향부(160)와 각 대향부(360)는 발전부(11)로부터의 거리가 상이하다. 이 때문에, 이들 대향부(160, 360)의 경계 부분에서는 단차부(52)가 형성된다.
본 실시형태의 작용에 대해서 설명한다.
제2 유로부(251)에서의 각 연통로(254)의 유로 단면적이 제1 유로부(151)에서의 각 연통로(154)의 유로 단면적보다 크다. 이 때문에, 제2 유로부(251)의 각 연통로(254)에서의 산화제 가스의 압력 손실은 제1 유로부(151)의 각 연통로(154)에서의 산화제 가스의 압력 손실보다 작아진다. 이로 인해, 도 12에 화살표 A로 나타내는 바와 같이, 산화제 가스 공급구(16)로부터 제1 유로부(151)로 유입된 산화제 가스는 제2 유로부(251)의 각 연통로(254)를 통해 제2 유로부(251)로 유입되기 쉬워진다(이상, 작용 1).
또한, 제3 유로부(351)에서의 각 연통로(354)의 유로 단면적이 제1 유로부(151)에서의 각 연통로(154)의 유로 단면적보다 작다. 이 때문에, 제3 유로부(351)의 각 연통로(354)에서의 산화제 가스의 압력 손실은 제1 유로부(151)의 각 연통로(154)에서의 산화제 가스의 압력 손실보다 커진다. 이로 인해, 도 12에 화살표 A로 나타내는 바와 같이, 산화제 가스 공급구(16)로부터 제1 유로부(151)로 유입된 산화제 가스는 제3 유로부(351)에서의 각 연통로(354)보다 제2 유로부(251)에서의 각 연통로(254)를 통해서 제2 유로부(251)를 향해 흐르기 쉬워진다(이상, 작용 2).
또한, 제2 유로부(251)에서의 각 주유로(252)의 유로 단면적이 제1 유로부(151)에서의 각 주유로(152)의 유로 단면적보다 크다. 이 때문에, 제2 유로부(251)의 각 주유로(252)에서의 산화제 가스의 압력 손실은 제1 유로부(151)의 각 주유로(152)에서의 산화제 가스의 압력 손실보다 작아진다. 이로 인해, 도 12에 화살표 A로 나타내는 바와 같이, 산화제 가스 공급구(16)로부터 제1 유로부(151)의 각 주유로(152)에 유입된 산화제 가스는, 각 연통로(154)를 통해서 제2 유로부(251)의 각 주유로(252)를 향해 흐르기 쉬워진다(이상, 작용 3).
또한, 제3 유로부(351)에서의 각 주유로(352)의 유로 단면적이 제1 유로부(151)에서의 각 주유로(152)의 유로 단면적보다 작다. 이 때문에, 제3 유로부(351)의 각 주유로(352)에서의 산화제 가스의 압력 손실은 제1 유로부(151)의 각 주유로(152)에서의 산화제 가스의 압력 손실보다 커진다. 이로 인해, 산화제 가스 공급구(16)로부터 제1 유로부(151)의 각 주유로(152)에 유입된 산화제 가스는, 도 12에 화살표 A로 나타내는 바와 같이, 압력 손실이 큰 제3 유로부(351)보다 압력 손실이 작은 제2 유로부(251)를 향해 흐르기 쉬워진다(이상, 작용 4).
본 실시형태의 효과에 대해서 설명한다.
(1) 가스 유로부(51)는 복수의 대향부(160, 260)를 갖고 있다. 이들 복수의 대향부(160, 260)는 흐름 방향(X)을 따라서 연장됨과 동시에, 직교 방향(Z)에서 서로 병렬로 설치된다. 대향부(160, 260)와 발전부(11) 사이에는 주유로(152, 252)가 형성되어 있다. 가스 유로부(51)에는 각 주유로(152, 252)를 연통함과 동시에, 흐름 방향(X)으로 서로 간격을 두어 설치되는 복수의 연통로(154, 254)가 형성되어 있다. 제2 유로부(251)에서의 각 연통로(254)의 유로 단면적은 제1 유로부(151)에서의 각 연통로(154)의 유로 단면적보다 크다.
이러한 구성에 따르면, 상기 작용 1을 이룸으로써, 산화제 가스 공급구(16)로부터 유입된 산화제 가스가 제1 유로부(151)로부터 제2 유로부(251)를 향해 흐르기 쉬워져, 가스 유로부(51)의 보다 넓은 범위로 산화제 가스를 도달하게 할 수 있다. 따라서, 산화제 가스의 분배성을 높일 수 있다.
(2) 제3 유로부(351)에서의 각 연통로(354)의 유로 단면적은 제1 유로부(151)에서의 각 연통로(154)의 유로 단면적보다 작다.
이러한 구성에 따르면, 상기 작용 2를 이룸으로써, 산화제 가스의 분배성을 더욱 높일 수 있다.
(3) 제2 유로부(251)에서의 각 주유로(252)의 유로 단면적은 제1 유로부(151)에서의 각 주유로(152)의 유로 단면적보다 크다.
이러한 구성에 따르면, 상기 작용 3을 이룸으로써, 산화제 가스의 분배성을 더욱 높일 수 있다.
(4) 제2 유로부(251)의 각 대향부(260)는 제1 유로부(151)의 각 대향부(160)보다 대향 방향(Y)에서 발전부(11)로부터 이간한 위치에 설치되어 있다.
이러한 구성에 따르면, 제2 유로부(251)의 각 주유로(252)를 형성하는 대향부(260)가 제1 유로부(151)의 각 주유로(152)를 형성하는 대향부(160)보다 대향 방향(Y)에서 발전부(11)로부터 이간한 위치에 설치된다. 이 때문에, 제2 유로부(251)에서의 각 주유로(252)의 유로 단면적이 제1 유로부(151)에서의 각 주유로(152)의 유로 단면적보다 커진다.
이와 같이 상기 구성에 따르면, 발전부(11)로부터의 대향부(260) 거리를 변경하는 간단한 구성 변경에 의해, 제2 유로부(251)에서의 각 주유로(252)의 유로 단면적을 제1 유로부(151)에서의 각 주유로(152)의 유로 단면적보다 크게 할 수 있다.
(5) 제2 유로부(251)의 각 대향부(260)에서의 직교 방향(Z)의 폭(W2)은 제1 유로부(151)의 각 대향부(160)에서의 직교 방향(Z)의 폭(W1)보다 크다.
이러한 구성에 따르면, 제2 유로부(251)의 각 주유로(252)를 형성하는 대향부(260)의 폭(W2)이 제1 유로부(151)의 각 주유로(152)를 형성하는 대향부(160)의 폭(W1)보다 크다. 이 때문에, 제2 유로부(251)에서의 각 주유로(252)의 유로 단면적이 제1 유로부(151)에서의 각 주유로(152)의 유로 단면적보다 커진다.
이와 같이, 상기 구성에 따르면, 대향부(260)의 직교 방향(Z)에서의 폭(W2)을 변경하는 간단한 구성 변경에 의해, 제2 유로부(251)에서의 각 주유로(252)의 유로 단면적을 제1 유로부(151)에서의 각 주유로(152)의 유로 단면적보다 크게 할 수 있다.
(6) 제3 유로부(351)에서의 각 주유로(352)의 유로 단면적은 제1 유로부(151)에서의 각 주유로(152)의 유로 단면적보다 작다.
이러한 구성에 따르면, 상기 작용 4를 이룸으로써, 산화제 가스의 분배성을 더욱 높일 수 있다.
(7) 제3 유로부(351)의 각 대향부(360)는 제1 유로부(151)의 각 대향부(160)보다 대향 방향(Y)에서 발전부(11)에 근접한 위치에 설치되어 있다.
이러한 구성에 따르면, 제3 유로부(351)의 각 주유로(352)를 형성하는 대향부(360)가 제1 유로부(151)의 각 주유로(152)를 형성하는 대향부(160)보다 대향 방향(Y)에서 발전부(11)에 근접한 위치에 설치되어 있다. 이 때문에, 제3 유로부(351)에서의 각 주유로(352)의 유로 단면적이 제1 유로부(151)에서의 각 주유로(152)의 유로 단면적보다 작아진다.
이와 같이, 상기 구성에 따르면, 발전부(11)로부터의 대향부(360)의 거리를 변경하는 간단한 구성 변경에 의해, 제3 유로부(351)에서의 각 주유로(352)의 유로 단면적을 제1 유로부(151)에서의 각 주유로(152)의 유로 단면적보다 작게 할 수 있다.
(8) 제1 유로부(151)의 각 대향부(160)와 제3 유로부(351)의 각 대향부(360)는 단차부(52)를 통해 이어진다.
이러한 구성에 따르면, 흐름 방향(X)을 따라서 흐르는 반응가스가 단차부(52)에 충돌하기 때문에, 제1 유로부(151)와 제3 유로부(351)의 경계 부분에서의 산화제 가스의 압력 손실이 커지기 쉽다. 이로 인해, 제1 유로부(151)와 제3 유로부(351)의 산화제 가스의 압력 손실차를 크게 할 수 있다.
＜변경예＞
본 실시형태는 이하와 같이 변경하여 실시할 수 있다. 본 실시형태 및 이하의 변경예는 기술적으로 모순되지 않는 범위에서 서로 조합하여 실시할 수 있다.
· 도 13에 나타내는 바와 같이, 흐름 방향(X)의 하류측에서, 제1 유로부(151) 및 제2 유로부(251) 쌍방에 인접하는 부분을 제3 유로부(351)에 의해 구성할 수도 있다. 이 경우, 산화제 가스는 제2 유로부(251)로부터 제3 유로부(351)를 향해 흐르기 어려워지기 때문에 직교 방향(Z)으로 흐르기 쉬워진다.
· 도 14에 나타내는 바와 같이, 가스 유로부(51) 중, 제1 유로부(151)의 직교 방향(Z) 양측에 인접하는 부분에 제2 유로부(251)를 설치할 수도 있다.
· 본 실시형태에서는, 제1 유로부(151)의 각 부유로(155)의 유로 단면적과 제2 유로부(251)의 각 부유로(255)의 유로 단면적은 동일하나, 도 15에 나타내는 바와 같이, 각 부유로(255)의 유로 단면적을 각 부유로(155)의 유로 단면적보다 크게 할 수도 있다. 이 경우, 제2 유로부(251)의 각 부유로(255)에서의 산화제 가스의 압력 손실은 제1 유로부(151)의 각 부유로(155)에서의 산화제 가스의 압력 손실보다 작아진다. 이로 인해, 산화제 가스 공급구(16)로부터 제1 유로부(151)로 유입된 산화제 가스는 제2 유로부(251)에서의 각 부유로(255)를 통해 제2 유로부(251)로 유입되기 쉬워진다. 즉, 산화제 가스 공급구(16)로부터 유입된 산화제 가스가 제1 유로부(151)로부터 제2 유로부(251)를 향해 흐르기 쉬워져, 가스 유로부(51)의 보다 넓은 범위로 산화제 가스를 도달하게 할 수 있다. 그리고, 본 변경예에서는, 각 경사부(273, 283)의 대향 방향(Y)에 대한 경사 각도를 각 경사부(173, 183)의 대향 방향(Y)에 대한 경사 각도보다 작게 함으로써, 각 부유로(255)의 유로 단면적이 각 부유로(155)의 유로 단면적보다 크게 된다.
· 본 실시형태에서는, 제1 유로부(151)의 각 부유로(155)의 유로 단면적과 제3 유로부(351)의 각 부유로(355)의 유로 단면적은 동일하나, 도 16에 나타내는 바와 같이, 각 부유로(355)의 유로 단면적을 각 부유로(155)의 유로 단면적보다 작게 할 수도 있다. 이 경우, 제3 유로부(351)의 각 부유로(355)에서의 산화제 가스의 압력 손실은 제1 유로부(151)의 각 부유로(155)에서의 산화제 가스의 압력 손실보다 커진다. 이로 인해, 산화제 가스 공급구(16)로부터 제1 유로부(151)로 유입된 산화제 가스는 제3 유로부(351)에서의 각 부유로(355)보다 제2 유로부(251)에서의 각 부유로(255)를 통해 제2 유로부(251)로 유입되기 쉬워진다. 즉, 산화제 가스 공급구(16)로부터 유입된 산화제 가스가 제1 유로부(151)로부터 제2 유로부(251)를 향해 흐르기 쉬워져, 가스 유로부(51)의 보다 넓은 범위로 산화제 가스를 도달하게 할 수 있다. 그리고, 본 변경예에서는, 각 경사부(373, 383)의 대향 방향(Y)에 대한 경사 각도를 각 경사부(173, 183)의 대향 방향(Y)에 대한 경사 각도보다 크게 함으로써, 각 부유로(355)의 유로 단면적이 각 부유로(155)의 유로 단면적보다 작아지게 된다.
· 대향부(160, 260, 360)는 흐름 방향(X)의 하류측을 향할수록 대향 방향(Y)에서 발전부(11)측에 근접하도록 경사해도 좋다. 이 경우, 흐름 방향(X)의 하류측을 향할수록 산화제 가스의 압력 손실이 서서히 커진다.
· 제3 유로부(351)의 각 대향부(360)의 발전부(11)로부터의 거리와 제1 유로부(151)의 각 대향부(160)의 발전부(11)로부터의 거리는 동일해도 좋다. 이 경우에서도, 제3 유로부(351)에서의 각 제1 철부(371, 381)의 정부의 길이(L3)가 제1 유로부(151)에서의 각 제1 철부(171, 181)의 정부의 길이(L1)보다 짧다. 이 때문에, 제3 유로부(351)의 각 연통로(354)의 유로 단면적은 제1 유로부(151)의 각 연통로(154)의 유로 단면적보다 작아진다. 따라서, 상기 효과 (2)를 이룰 수 있다.
· 제2 유로부(251)의 각 대향부(260)가 제1 유로부(151)의 각 대향부(160)보다 대향 방향(Y)에서 발전부(11)로부터 이간한 위치에 설치되어 있으면, 각 대향부(260)의 폭(W2)과 각 대향부(160)의 폭(W1)은 동일해도 좋다.
· 제2 유로부(251)의 각 대향부(260)의 폭(W2)이 제1 유로부(151)의 각 대향부(160)의 폭(W1)보다 크면, 각 대향부(260)의 발전부(11)로부터의 거리와 각 대향부(160)의 발전부(11)로부터의 거리는 동일해도 좋다.
· 제2 유로부(251)의 각 대향부(260)의 발전부(11)로부터의 거리와 제1 유로부(151)의 각 대향부(160)의 발전부(11)로부터의 거리를 동일하게 함과 동시에, 각 대향부(260)의 폭(W2)과 각 대향부(160)의 폭(W1)을 동일하게 할 수도 있다. 이 경우에서도, 제2 유로부(251)에서의 각 제1 철부(271, 281)의 정부의 길이(L2)가 제1 유로부(151)에서의 각 제1 철부(171, 181)의 정부의 길이(L1)보다 길다. 이 때문에, 제2 유로부(251)의 각 연통로(254)의 유로 단면적은 제1 유로부(151)의 각 연통로(154)의 유로 단면적보다 커진다. 따라서, 상기 효과 (1)을 이룰 수 있다.
· 제1 유로부(151)에서의 각 제1 철부(171, 181)의 정부의 길이(L1)와 제3 유로부(351)에서의 각 제1 철부(371, 381)의 정부의 길이(L3)를 동일하게 할 수도 있다. 이 경우에서도, 제3 유로부(351)의 각 대향부(360)는 제1 유로부(151)의 각 대향부(160)보다 대향 방향(Y)에서 발전부(11)에 근접하기 때문에, 제3 유로부(351)에서의 각 주유로(352)의 유로 단면적은 제1 유로부(151)에서의 각 주유로(152)의 유로 단면적보다 작아진다. 따라서, 상기 효과 (6)을 이룰 수 있다.
· 제3 유로부(351)의 각 대향부(360)의 발전부(11)로부터의 거리와 제1 유로부(151)의 각 대향부(160)의 발전부(11)로부터의 거리를 동일하게 함과 동시에, 제3 유로부(351)에서의 각 제1 철부(371, 381)의 정부의 길이(L3)와 제1 유로부(151)에서의 각 제1 철부(171, 181)의 정부의 길이(L1)를 동일하게 할 수도 있다. 이 경우에서도, 제2 유로부(251)의 각 대향부(260)가 제1 유로부(151)의 각 대향부(160)보다 대향 방향(Y)에서 발전부(11)로부터 이간함과 동시에, 각 대향부(260)의 폭(W2)이 각 대향부(160)의 폭(W1)보다 크다. 또한, 제2 유로부(251)에서의 각 제1 철부(271, 281)의 정부의 길이(L2)가 제1 유로부(151)에서의 각 제1 철부(171, 181)의 정부의 길이(L1)보다 길다. 이로 인해, 제2 유로부(251)에서의 각 주유로(252)의 유로 단면적은 제1 유로부(151)에서의 각 주유로(152)의 유로 단면적보다 커진다. 따라서, 상기 효과 (3) 내지 효과 (5)를 이룰 수 있다.
· 각 경사부(173, 183, 273, 283, 373, 383)의 경사 각도를 변경함으로써, 각 연통로(154, 254, 354)의 유로 단면적을 변경할 수도 있다.
· 본 실시형태에서, 제1 유로부(151)에서는 직교 방향(Z)에서 나란한 2개의 대향부(160) 사이에는 파상부(170)와 파상부(180)가 설치되어 있는 것이다. 이들에 대신하여, 2개의 대향부(160) 사이에, 1개의 파상부(170) 또는 1개의 파상부(180)만을 설치하도록 해도 좋고, 3개 이상의 파상부(170, 180)를 설치하도록 해도 좋다. 또한, 제2 유로부(251) 및 제3 유로부(351)에서도 동일한 변경을 실시할 수 있다.
· 본 실시형태의 가스유로 형성판(50)은 산화제 가스가 공급되는 캐소드측에 설치되는 것이나, 연료가스가 공급되는 애노드측에 설치할 수도 있다.
· 가스 유로부(51) 중, 제1 유로부(151), 제2 유로부(251), 및 제3 유로부(351) 이외 부분의 형상은 적절히 변경 가능하다. 예를 들면, 상기 부분을 제1 유로부(151)와 동일한 형상으로 할 수도 있다.
10: 단셀
11: 발전부
12: 연료가스 공급구
13: 연료가스 배출구
14: 냉각수 공급구
15: 냉각수 배출구
16: 산화제 가스 공급구
17: 산화제 가스 배출구
18: 칸막이부
20: MEGA
21: 막전극 접합체
22: 전해질막
23: 전극 촉매층
24: 애노드측 가스 확산층
25: 캐소드측 가스 확산층
30: 제1세퍼레이터
31: 연료가스 유로
32: 냉각수 유로
40: 제2 세퍼레이터
50: 가스유로 형성판
51: 가스 유로부
52: 단차부
60: 프레임 부재
151: 제1 유로부
152, 252, 352: 주유로
153, 253, 353: 수로, 154, 254, 354: 연통로
155, 255, 355: 부유로
160, 260, 360: 대향부
170, 270, 370: 파상부
171, 271, 371: 제1 철부
172, 272, 372: 제2 철부
173, 273, 373: 경사부
180, 280, 380: 파상부
181, 281, 381: 제1 철부
182, 282, 382: 제2 철부
183, 283, 383: 경사부
251: 제2 유로부
351: 제3 유로부

Claims (10)

  1. 서로 적층된 복수의 단셀을 구비하고, 각 단셀은, 시트 형상의 발전부와, 상기 발전부를 두께 방향에서 협지하는 한 쌍의 세퍼레이터와, 상기 한 쌍의 세퍼레이터의 적어도 일방과 상기 발전부 사이에 설치되고 반응가스가 유통하는 가스 유로부를 구성하는 가스유로 형성판과, 상기 가스유로 형성판의 주위에 설치되어 상기 가스 유로부에 대해서 상기 반응가스를 공급하는 공급구 및 상기 가스 유로부로부터 상기 반응가스를 배출하는 배출구를 갖는 프레임 부재를 구비하는 연료전지 스택에 있어서,
    상기 공급구로부터 상기 배출구를 향하는 상기 반응가스의 흐르는 방향을 흐름 방향으로 하고, 상기 발전부와 상기 가스 유로부가 대향하는 방향을 대향 방향으로 하고, 상기 흐름 방향과 상기 대향 방향의 쌍방에 직교하는 방향을 직교 방향으로 할 때,
    상기 가스 유로부는, 상기 흐름 방향을 따라서 연장됨과 동시에 상기 직교 방향에서 서로 병렬로 설치되고 상기 발전부에 대향하는 복수의 대향부와, 각 대향부의 상기 직교 방향의 양측에 일체로 설치되고 상기 직교 방향에 직교하는 단면 형상이 물결 형상을 이루는 복수의 파상부를 갖고,
    각 파상부는, 상기 대향부보다 상기 발전부측으로 돌출됨과 동시에 상기 발전부에 맞닿는 복수의 제1 철부와, 상기 대향부보다 상기 세퍼레이터측으로 돌출됨과 동시에 상기 세퍼레이터에 맞닿는 복수의 제2 철부를 구비하고, 상기 제1 철부 및 상기 제2 철부는 상기 흐름 방향으로 교대로 나란히 위치하고,
    각 대향부와 상기 발전부 사이에는 주유로가 형성되고,
    상기 가스 유로부에는 상기 제1 철부와 상기 대향부에 의해 구획되어 상기 주유로의 각각을 연통하는 복수의 연통로가 상기 흐름 방향으로 서로 간격을 두고 설치되고,
    상기 가스 유로부는, 상기 흐름 방향에서 상기 공급구에 인접하는 제1 유로부와, 상기 직교 방향에서 상기 제1 유로부에 인접하는 제2 유로부를 포함하고,
    상기 제2 유로부에서의 상기 연통로 각각의 유로 단면적은 상기 제1 유로부에서의 상기 연통로 각각의 유로 단면적보다 큰,
    연료전지 스택.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가스 유로부는 상기 흐름 방향의 하류측에서 상기 제1 유로부에 인접하는 제3 유로부를 포함하고,
    상기 제3 유로부에서의 상기 연통로 각각의 유로 단면적은 상기 제1 유로부에서의 상기 연통로 각각의 유로 단면적보다 작은,
    연료전지 스택.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 파상부는 상기 직교 방향에서 이웃하여 설치되는 제1 파상부와 제2 파상부를 포함하고,
    상기 제1 파상부와 상기 제2 파상부는, 상기 제1 파상부의 상기 제1 철부와 상기 제2 파상부의 상기 제2 철부가 상기 직교 방향에서 이웃함과 동시에, 상기 제1 파상부의 상기 제2 철부와 상기 제2 파상부의 상기 제1 철부가 상기 직교 방향에서 이웃하도록 설치되고,
    상기 가스 유로부에는 복수의 부유로가 상기 흐름 방향으로 서로 간격을 두고 설치되며, 각 부유로는 상기 흐름 방향에서 이웃하는 상기 연통로끼리의 사이에서, 상기 제1 파상부의 상기 제1 철부와 상기 제2 파상부의 상기 제1 철부와 상기 발전부에 의해 구획되어 상기 연통로끼리를 연통하고,
    상기 제2 유로부에서의 상기 부유로 각각의 유로 단면적은 상기 제1 유로부에서의 상기 부유로 각각의 유로 단면적보다 큰,
    연료전지 스택.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 파상부는 상기 직교 방향에서 이웃하여 설치되는 제1 파상부와 제2 파상부를 포함하고,
    상기 제1 파상부와 상기 제2 파상부는, 상기 제1 파상부의 상기 제1 철부와 상기 제2 파상부의 상기 제2 철부가 상기 직교 방향에서 이웃함과 동시에, 상기 제1 파상부의 상기 제2 철부와 상기 제2 파상부의 상기 제1 철부가 상기 직교 방향에서 이웃하도록 설치되고,
    상기 가스 유로부에는 복수의 부유로가 상기 흐름 방향으로 서로 간격을 두고 설치되며, 각 부유로는 상기 흐름 방향에서 이웃하는 상기 연통로끼리의 사이에서, 상기 제1 파상부의 상기 제1 철부와 상기 제2 파상부의 상기 제1 철부와 상기 발전부에 의해 구획되어 상기 연통로끼리를 연통하고,
    상기 가스 유로부는 상기 흐름 방향의 하류측에서 상기 제1 유로부에 인접하는 제3 유로부를 포함하고,
    상기 제3 유로부에서의 상기 부유로 각각의 유로 단면적은 상기 제1 유로부에서의 상기 부유로 각각의 유로 단면적보다 작은,
    연료전지 스택.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 유로부에서의 상기 주유로 각각의 유로 단면적은 상기 제1 유로부에서의 상기 주유로 각각의 유로 단면적보다 큰,
    연료전지 스택.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2 유로부의 상기 대향부의 각각은 상기 제1 유로부의 상기 대향부의 각각보다 상기 대향 방향에서 상기 발전부로부터 이간한 위치에 설치되는,
    연료전지 스택.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 제2 유로부의 상기 대향부 각각에서의 상기 직교 방향의 폭은 상기 제1 유로부의 상기 대향부 각각에서의 상기 직교 방향의 폭보다 큰,
    연료전지 스택.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스 유로부는 상기 흐름 방향의 하류측에서 상기 제1 유로부에 인접하는 제3 유로부를 포함하고,
    상기 제3 유로부에서의 상기 주유로 각각의 유로 단면적은 상기 제1 유로부에서의 상기 주유로 각각의 유로 단면적보다 작은,
    연료전지 스택.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제3 유로부의 상기 대향부의 각각은 상기 제1 유로부의 상기 대향부의 각각보다 상기 대향 방향에서 상기 발전부에 근접한 위치에 설치되는,
    연료전지 스택.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 유로부의 상기 대향부의 각각과 상기 제3 유로부의 상기 대향부의 각각은 단차부를 통해 이어져 있는,
    연료전지 스택.
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