KR20230129263A - 가스 확산층, 세퍼레이터 및 전기 화학 반응 장치 - Google Patents

가스 확산층, 세퍼레이터 및 전기 화학 반응 장치 Download PDF

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가부시키 가이샤 에노모토
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Abstract

가스의 투과 및 확산이 가능하고, 또한 도전성을 갖는 시트 형상의 다공질체층(40)과, 다공질체층(40)의 한쪽의 면에 있어서 각각이 가스의 유입측으로부터 유출측을 향해 형성된 복수의 가스 유로용 홈을 갖는 연료 전지용 가스 공급 확산층(42A). 연료 전지용 가스 공급 확산층(42A)에 있어서는, 복수의 가스 유로용 홈은, 가스의 유입측에 형성된 복수의 가스 유입측 홈(53a, 53b)과, 가스의 유출측에 형성된 복수의 가스 유출측 홈(54a, 54b)을 포함하고, 복수의 가스 유입측 홈(53a, 53b)은, 다른 길이를 갖는 2종 이상의 가스 유입측 홈(53a, 53b)을 포함한다. 본 발명에 따르면, 종래보다도 반응 효율(발전 효율)을 높게 하는 것이 가능한 연료 전지용 가스 공급 확산층(42A)을 제공할 수 있다.

Description

가스 확산층, 세퍼레이터 및 전기 화학 반응 장치
본 발명은, 가스 확산층, 세퍼레이터 및 전기 화학 반응 장치에 관한 것이다.
고체 고분자형 연료 전지(PEFC: Polymer Electrolyte Fuel Cell)의 기술 분야에 있어서, 연료 전지용 가스(애노드 가스, 캐소드 가스)를 균일하게 공급 및 확산시키는 것이 가능한 연료 전지 셀 스택이 알려져 있다(예를 들어, 특허문헌 1 참조.). 도 32는, 종래의 연료 전지 셀 스택(920)을 모식적으로 나타내는 정면도이다. 도 33 및 도 34는, 종래의 연료 전지 셀 스택(920)에 있어서의 타입 CA의 세퍼레이터(921)의 평면도이다. 이 중 도 33은 연료 전지용 가스 공급 확산층(캐소드 가스 공급 확산층)(942)측에서 본 평면도이고, 도 34는 연료 전지용 가스 공급 확산층(애노드 가스 공급 확산층)(941)측에서 본 평면도이다. 도 35는, 도 33의 A-A선을 따른 단면도이다.
종래의 연료 전지 셀 스택(920)은, 도 32 내지 도 35에 나타낸 바와 같이, 금속판(30)의 적어도 한쪽의 면에 다공질체층에 의한 연료 전지용 가스 공급 확산층이 마련된 구조의 복수의 세퍼레이터(타입 CA의 세퍼레이터(921), 타입 A의 세퍼레이터(922), 타입 C의 세퍼레이터(923), 타입 AW의 세퍼레이터(924))가 적층된 구조를 갖는다. 또한, 타입 CA의 세퍼레이터(921), 타입 A의 세퍼레이터(922) 및 타입 AW의 세퍼레이터(924)의 「A」는 연료 전지용 가스 공급 확산층(애노드 가스 공급 확산층)(941)을 나타내고, 타입 CA의 세퍼레이터(921) 및 타입 C의 세퍼레이터(923)의 「C」는 연료 전지용 가스 공급 확산층(캐소드 가스 공급 확산층)(942)을 나타내고, 타입 AW의 세퍼레이터(924)의 「W」는 냉각수 공급 확산층을 나타낸다. 종래의 연료 전지 셀 스택(920)에 의하면, 세퍼레이터 그 자체에 다공질체층을 포함하는 연료 전지용 가스 공급 확산층(941, 942)이 형성되어 있는 점에서, 연료 전지용 가스를 연료 전지용 가스 공급 확산층의 전체면에 걸쳐 균일하게 확산시킬 수 있다. 그 결과, 연료 전지용 가스를 막 전극 접합체(MEA)(81)의 전체면에 걸쳐 균일하게 공급할 수 있어, 연료 전지의 발전 효율을 종래보다도 높게 할 수 있다.
또한, 전기 화학의 분야에 있어서는, 가스의 화학 반응을 사용하는 발전과 전기 분해는 표리 일체의 관계에 있다. 상기한 바와 같은 연료 전지용 가스 공급 확산층, 세퍼레이터 및 연료 전지 셀 스택은, 거의 그대로의 구성이고, 가스 대신에 물을 사용하면 전기 분해(캐소드 가스 및 애노드 가스의 생성)에 전용하는 것도 가능하다고 생각된다. 또한, 상기한 바와 같은 연료 전지용 가스 공급 확산층, 세퍼레이터 및 연료 전지 셀 스택은, 거의 그대로의 구성이고, 가스 대신에 가스와 마찬가지의 유체인 액체를 사용하는 메탄올 연료 전지(메탄올 수용액 애노드, 공기 캐소드), 리튬 이온/공기 전지(공기 캐소드) 및 레독스 플로 전지(바나듐 이온수 용액 공급의 애노드/캐소드)에 전용하는 것도 가능하다고 생각된다. 이 때문에, 본 명세서에 있어서는, 「연료 전지용 가스 공급 확산층」을 포함하는 표현(연료 전지용과 전기 분해용을 가리지 않는 표현)으로서 「가스 확산층」을 사용하고, 「연료 전지 셀 스택」을 포함하는 표현으로서 「전기 화학 반응 장치」를 사용한다. 또한, 「가스 확산층」은 「가스의 확산을 주목적으로 하는 층」이라고 하는 정도의 의미이고, 층 내부에 있어서 가스 이외의 것(특히, 물 등의 액체)을 확산시키거나 또는 유통시킬 수도 있다.
국제 공개 제2015/072584호
그런데, 전기 화학의 기술 분야에 있어서는, 종래보다도 반응 효율(연료 전지라면 발전 효율)을 높게 할 수 있는 기술이 요구되고 있다. 그래서, 본 발명은, 종래보다도 반응 효율을 높게 할 수 있는 가스 확산층, 세퍼레이터 및 전기 화학 반응 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시 형태에 의한 가스 확산층은, 가스의 투과 및 확산이 가능하고, 또한 도전성을 갖는 시트 형상의 다공질체층과, 상기 다공질체층의 한쪽의 면에 있어서 각각이 상기 가스의 유입측으로부터 유출측을 향해 형성된 복수의 가스 유로용 홈을 갖는 가스 확산층이며, 상기 복수의 가스 유로용 홈은, 상기 가스의 유입측에 형성된 복수의 가스 유입측 홈과, 상기 가스의 유출측에 형성된 복수의 가스 유출측 홈을 포함하고, 상기 복수의 가스 유입측 홈은, 다른 길이를 갖는 2종 이상의 가스 유입측 홈을 포함하는 가스 확산층이다.
본 발명의 일 실시 형태에 의한 세퍼레이터는, 가스 차폐판과, 상기 가스 차폐판의 적어도 한쪽의 면에 배치된 가스 확산층을 구비하는 세퍼레이터이며, 상기 가스 확산층은, 본 발명의 가스 확산층이고, 상기 복수의 가스 유로용 홈이 상기 가스 차폐판측에 위치하도록 상기 가스 차폐판에 대하여 배치되어 있고, 상기 가스 유로용 홈과 상기 가스 차폐판으로 가스 유로가 구성되어 있는 세퍼레이터이다.
본 발명의 일 실시 형태에 의한 전기 화학 반응 장치는, 세퍼레이터와, 막 전극 접합체가 적층되어 이루어지는 전기 화학 반응 장치이며, 상기 세퍼레이터는, 본 발명의 세퍼레이터이고, 상기 세퍼레이터와 상기 막 전극 접합체는, 상기 가스 확산층의 상기 복수의 가스 유로용 홈이 형성되어 있지 않은 측의 면에 상기 막 전극 접합체가 위치하는 위치 관계로 적층되어 있는 전기 화학 반응 장치이다.
본 발명에 따르면, 종래보다도 반응 효율을 높게 하는 것이 가능한 가스 확산층, 세퍼레이터 및 전기 화학 반응 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 실시 형태 1에 관한 연료 전지 셀 스택(20)을 모식적으로 나타내는 정면도이다.
도 2는 실시 형태 1에 관한 연료 전지 셀 스택(20)을 모식적으로 나타내는 측면도이다.
도 3은 막 전극 접합체(MEA)(81)를 설명하기 위해 나타내는 도면이다.
도 4는 실시 형태 1에 관한 연료 전지용 세퍼레이터(23A)의 평면도이다.
도 5는 실시 형태 1에 관한 연료 전지용 세퍼레이터(23A)의 단면도이다.
도 6은 실시 형태 1에 관한 연료 전지용 가스 공급 확산층(42A)에 있어서의 가스 유입측 홈(53a, 53b) 및 가스 유출측 홈(54a, 54b)을 설명하기 위해 나타내는 도면이다.
도 7은 실시 형태 1에 관한 연료 전지용 가스 공급 확산층(42A)에 있어서의 중계용 홈(55a 내지 55d) 및 연통 홈(56a, 56b)을 설명하기 위해 나타내는 도면이다.
도 8은 실시 형태 1에 관한 연료 전지용 세퍼레이터(23A) 이외의 세퍼레이터(연료 전지용 세퍼레이터(21, 22, 24, 25))의 단면도이다.
도 9는 실시 형태 2에 관한 연료 전지용 세퍼레이터(23B)의 평면도이다.
도 10은 실시 형태 2에 관한 연료 전지용 가스 공급 확산층(42B)에 있어서의 가스 유입측 홈(53c 내지 53f) 및 가스 유출측 홈(54c 내지 54f)을 설명하기 위해 나타내는 도면이다.
도 11은 실시 형태 2에 관한 연료 전지용 가스 공급 확산층(42B)에 있어서의 중계용 홈(55e) 및 연통 홈(56c)을 설명하기 위해 나타내는 도면이다.
도 12는 실시 형태 3에 관한 연료 전지용 세퍼레이터(23C)의 평면도이다.
도 13은 실시 형태 3에 관한 연료 전지용 가스 공급 확산층(42C)에 있어서의 가스 유입측 홈(53g 내지 53j) 및 가스 유출측 홈(54g 내지 54j)을 설명하기 위해 나타내는 도면이다.
도 14는 실시 형태 3에 관한 연료 전지용 가스 공급 확산층(42C)에 있어서의 중계용 홈(55d 내지 55j) 및 연통 홈(56d, 56e)을 설명하기 위해 나타내는 도면이다.
도 15는 실시 형태 4에 관한 연료 전지용 세퍼레이터(23D)의 평면도이다.
도 16은 실시 형태 4에 관한 연료 전지용 가스 공급 확산층(42D)에 있어서의 가스 유입측 홈(53k 내지 53n) 및 가스 유출측 홈(54k, 54l)을 설명하기 위해 나타내는 도면이다.
도 17은 실시 형태 4에 관한 연료 전지용 가스 공급 확산층(42D)에 있어서의 중계용 홈(55k 내지 55p)을 설명하기 위해 나타내는 도면이다.
도 18은 실시 형태 5에 관한 연료 전지용 세퍼레이터(23E)의 평면도이다.
도 19는 실시 형태 6에 관한 연료 전지용 세퍼레이터(23F)의 평면도이다.
도 20은 실시 형태 7에 관한 연료 전지용 세퍼레이터(23G)의 평면도이다.
도 21은 실시 형태 8에 관한 연료 전지용 세퍼레이터(23H)의 평면도이다.
도 22는 비교예에 있어서의 연료 전지용 세퍼레이터(23I)의 평면도이다.
도 23은 시험예에서 사용한 애노드 가스용의 연료 전지용 세퍼레이터(22A)의 평면도이다.
도 24는 시험예 3에 있어서 전류 밀도 분포를 계측할 때에 있어서의 영역의 구분을 설명하기 위해 나타내는 도면이다.
도 25는 시험예 1의 결과(가스 유로용 홈의 패턴과 발전 특성의 관계)를 나타내는 그래프이다.
도 26은 시험예 2의 결과(가스 유로용 홈의 패턴과 연료 전지용 가스 공급 확산층에 있어서의 압력 손실의 관계)를 나타내는 그래프이다.
도 27은 시험예 3의 결과(가스 유로용 홈의 패턴과 연료 전지용 가스 공급 확산층에 있어서의 전류 밀도 분포의 관계)를 나타내는 그래프이다.
도 28은 변형예 1에 관한 연료 전지용 세퍼레이터(23J)의 평면도이다.
도 29는 변형예 2에 관한 연료 전지용 세퍼레이터(23K)의 평면도이다.
도 30은 변형예 3에 관한 연료 전지용 세퍼레이터(23L)의 평면도이다.
도 31은 변형예 4에 관한 연료 전지용 세퍼레이터(23M)의 평면도이다.
도 32는 종래의 연료 전지 셀 스택(920)을 모식적으로 나타내는 정면도이다.
도 33은 종래의 연료 전지 셀 스택(920)에 있어서의 타입 CA의 연료 전지용 세퍼레이터(921)의 평면도이다.
도 34는 종래의 연료 전지 셀 스택(920)에 있어서의 타입 CA의 연료 전지용 세퍼레이터(921)의 평면도이다.
도 35는 도 33의 A-A선을 따른 단면도이다.
이하, 본 발명의 가스 확산층, 세퍼레이터 및 전기 화학 반응 장치를 도면에 나타내는 실시 형태를 사용하여 상세하게 설명한다.
[실시 형태 1]
도 1은, 실시 형태 1에 관한 연료 전지 셀 스택(20)(전기 화학 반응 장치)을 모식적으로 나타내는 정면도이다. 도 2는, 실시 형태 1에 관한 연료 전지 셀 스택(20)을 모식적으로 나타내는 측면도이다.
실시 형태 1에 관한 연료 전지 셀 스택(20)(전기 화학 반응 장치)은, 연료 전지용 세퍼레이터(21, 22, 23A, 24)(세퍼레이터)와, 막 전극 접합체(81)가 적층되어 이루어지는 연료 전지 셀 스택이다. 더 상세히 설명하면, 연료 전지 셀 스택(20)은, 고체 고분자형 연료 전지(PEFC: Polymer Electrolyte Fuel Cell)이다. 연료 전지 셀 스택(20)은, 복수의 단셀을 갖는다. 연료 전지 셀 스택(20)의 각 셀은, 막 전극 접합체(81)와, 막 전극 접합체(81)를 사이에 두고 캐소드측을 구성하는 요소와 애노드측을 구성하는 요소를 갖는다.
연료 전지용 세퍼레이터(21)는, 금속판(30)(가스 차폐판)의 한쪽의 면에 캐소드 가스 공급 확산층 C가 형성되고, 다른 쪽의 면에 애노드 가스 공급 확산층 A가 형성되어 있다(타입 CA의 세퍼레이터). 연료 전지용 세퍼레이터(22)는, 금속판(30)의 한쪽의 면에 애노드 가스 공급 확산층 A가 형성되어 있다(타입 A의 세퍼레이터). 연료 전지용 세퍼레이터(23A)는, 금속판(30)의 한쪽의 면에 캐소드 가스 공급 확산층 C가 형성되어 있다(타입 C의 세퍼레이터). 연료 전지용 세퍼레이터(24)는, 금속판(30)의 한쪽의 면에 캐소드 가스 공급 확산층 C가 형성되고, 다른 쪽의 면에 냉각수 공급 확산층 W가 형성되어 있다(타입 CW의 세퍼레이터).
각 셀은, 캐소드측과 애노드측이 교호로 되도록 배치되어 있다. 캐소드 가스 공급 확산층 C와 애노드 가스 공급 확산층 A는, 막 전극 접합체(MEA)(81)를 사이에 두고 대향하여 마련되어 있다. 실시 형태에 있어서는, 단셀이 2개 배치될 때마다 냉각수를 공급하는 냉각수 공급 확산층 W가 마련되어 있다. 또한, 냉각수 공급 확산층 W는, 단셀 하나 건너서 마련되어 있어도 되고, 3개 건너서 또는 그 이상 건너서 마련되어 있어도 된다. 냉각수 공급 확산층 W에는 금속판(30)(바람직하게는 타입 A 또는 타입 C의 세퍼레이터에 있어서의 금속판(30))이 대향하도록, 연료 전지용 세퍼레이터(21, 22, 23A, 24)가 조합되어 적층되어 있다.
또한, 연료 전지 셀 스택은, 도 1 및 도 2에는 도시하고 있지 않지만, 금속판(30)의 한쪽의 면에 애노드 가스 공급 확산층 A가 형성되고, 다른 쪽의 면에 냉각수 공급 확산층 W가 형성된 것(타입 AW의 세퍼레이터)을 구비하고 있어도 된다. 또한, 금속판(30)의 한쪽의 면에 냉각수 공급 확산층 W가 형성된 세퍼레이터(타입 W의 세퍼레이터)를 구비하고 있어도 된다. 또한, 금속판의 양면에 냉각수 공급 확산층 W가 형성된 세퍼레이터를 구비하고 있어도 된다. 각 세퍼레이터의 구성의 상세에 대해서는 후술한다.
적층된 셀의 양단부에는, 집전판(27A, 27B)이 배치되어 있다. 또한 집전판(27A, 27B)의 외측에는, 절연 시트(28A, 28B)를 통해 엔드 플레이트(75, 76)가 배치되어 있다. 연료 전지용 세퍼레이터(21, 22, 23A, 24)는, 엔드 플레이트(75, 76)에 의해 양측으로부터 압박되어 있다. 연료 전지 셀 스택(20)의 양단에 위치하고, 집전판(27A, 27B)에 접하는 세퍼레이터에 대해서는, 그 금속판(30)(내식층)이 외측을 향하도록 하는 것이 바람직하다.
도 1 및 도 2에 있어서는, 연료 전지용 세퍼레이터(21, 22, 23A, 24), 막 전극 접합체(81), 집전판(27A, 27B), 절연 시트(28A, 28B) 및 엔드 플레이트(75, 76)는, 이해하기 쉽게 하기 위해, 이격하여 그려져 있지만, 이것들은, 도시된 배열의 순으로, 서로 밀하게 접합되어 있다. 접합의 방법은 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 엔드 플레이트(75, 76)에 의해 각 부재를 양측으로부터 압박하는 것에 의해서만 접합해도 되고, 각 부재의 적당한 위치를 접착제에 의해 접착한 후에 엔드 플레이트(75, 76)에 의해 각 부재를 양측으로부터 압박함으로써 접합해도 되고, 그밖의 방법에 의해 접합해도 된다. 각 연료 전지용 세퍼레이터(21, 22, 23A, 24), 막 전극 접합체(81), 집전판(27A, 27B), 절연 시트(28A, 28B) 등은, 예를 들어 두께가 100㎛ 정도 내지 10㎜ 정도이다. 본 명세서의 각 실시 형태에 있어서의 각 도면은, 두께를 과장하여 그려져 있다.
애노드측의 엔드 플레이트(75)의 일단부에는 애노드 가스 공급구(71in), 캐소드 가스 배출구(72out) 및 냉각수 배출구(73out)가 각각 마련되어 있다. 한편, 캐소드측의 엔드 플레이트(76)의 일단부(엔드 플레이트(75)의 상기 일단부와는 반대측)에는, 애노드 가스 배출구(71out), 캐소드 가스 공급구(72in) 및 냉각수 공급구(73in)(도 2에서는 이것들이 통합되어 파선으로 나타나 있음)가 마련되어 있다. 이들 각 공급구, 각 배출구에는 각각 대응하는 유체의 공급관, 배출관이 접속되게 된다.
각 연료 전지용 세퍼레이터(21, 22, 23A, 24)에는, 각각, 애노드 가스 공급구(71in)에 연통하는 애노드 가스 유입구(61in), 캐소드 가스 배출구(72out)에 연통하는 캐소드 가스(및 생성수) 유출구(62out) 및 냉각수 배출구(73out)에 연통하는 냉각수 유출구(63out)가 마련되어 있다. 또한, 각 연료 전지용 세퍼레이터(21, 22, 23A, 24)에는, 각각, 애노드 가스 배출구(71out)에 연통하는 애노드 가스 유출구(61out), 캐소드 가스 공급구(72in)에 연통하는 캐소드 가스 유입구(62in) 및 냉각수 공급구(73in)에 연통하는 냉각수 유입구(63in)가 마련되어 있다.
애노드 가스 공급구(71in), 캐소드 가스 공급구(72in) 및 냉각수 공급구(73in)를 통해 캐소드 가스, 애노드 가스 및 냉각수가 공급된다. 실시 형태 1에 있어서는, 애노드 가스로서 수소 가스를 사용하고, 캐소드 가스로서 공기를 사용한 경우를 예시한다.
다음으로, 막 전극 접합체(81)에 대하여 설명한다.
도 3은, 막 전극 접합체(MEA)(81)를 설명하기 위해 나타내는 도면이다. 도 3의 (a)는 막 전극 접합체(81)의 평면도이고, 도 3의 (b)는 막 전극 접합체(81)의 정면도이고, 도 3의 (c)는 막 전극 접합체의 측면도이다.
막 전극 접합체(81)는, 도 3에 나타낸 바와 같이, 전해질막(PEM)(82)과, 전해질막(82)의 양면에 각각 배치된 촉매층(CL)(85)과, 각 촉매층(85)의 외측의 면에 배치된 마이크로포러스 레이어(MPL)(83)를 갖는다. 본 명세서에 있어서는, 전해질막(82)과 그 양측에 배치된 촉매층(85)으로 구성되는 것을 촉매 코트 전해질막(Catalyst Coated Membrame: CCM)이라고 한다. 마이크로포러스 레이어(83)는 다공질체층(40)보다도 미세한 직경의 기공(세공)을 갖는다. 또한, 마이크로포러스 레이어(83)는 생략할 수도 있다. 또한, 후술하는 변형예 7에서 후술하는 바와 같이, 마이크로포러스 레이어(83)의 촉매층(85)에 대한 직접 부여를 생략하는 경우에는, 마이크로포러스 레이어(83)를 촉매층(85)과 접하는 연료 전지용 가스 공급 확산층(41, 42A)의 표면에 부여할 수도 있다.
이어서, 연료 전지용 세퍼레이터(23A)를 예로 들어 연료 전지용 가스 공급 확산층(42A)(가스 공급 확산층)에 대하여 설명한다. 도 4는, 연료 전지용 세퍼레이터(23A)의 평면도이다.
도 4는 타입 C의 연료 전지용 세퍼레이터(23A)를 금속판(30)의 측에서 본 평면도이지만, 연료 전지용 세퍼레이터(23A)에 있어서의 복수의 가스 유로용 홈의 배치를 이해하기 쉽게 나타내기 위해, 금속판(30)의 도시는 생략하고 있다. 또한, 도 4를 비롯한 세퍼레이터의 평면도에 있어서는, 부호의 표시가 복잡해지는 것을 피하기 위해, 가스 유로용 홈(가스 유입측 홈, 가스 유출측 홈 및 중계용 홈)에 대해서는, 동일 형상의 홈이 복수 있는 경우라도, 원칙적으로 임의의 1개의 홈에만 부호를 표시하고 있다.
도 5는, 실시 형태 1에 관한 연료 전지용 세퍼레이터(23A)의 단면도이다. 도 5의 (a)는 도 4의 A1-A1선을 따른 단면도이고, 도 5의 (b)는 도 4의 A2-A2선을 따른 단면도이고, 도 5의 (c)는 도 4의 A3-A3선을 따른 단면도이다. 도 5에 있어서는, 연료 전지용 세퍼레이터(23A)와 막 전극 접합체(81)의 위치 관계를 나타내기 위해, 막 전극 접합체(81)가 접합된 상태의 연료 전지용 세퍼레이터(23A)를 나타내고 있다. 또한, 막 전극 접합체(81)의 단면 구조의 도시는 생략하고 있다. 도 6은, 실시 형태 1에 관한 연료 전지용 세퍼레이터(23A)에 있어서의 가스 유입측 홈(53a, 53b) 및 가스 유출측 홈(54a, 54b)을 설명하기 위해 나타내는 도면이다. 도 7은, 실시 형태 1에 관한 연료 전지용 세퍼레이터(23A)에 있어서의 중계용 홈(55a 내지 55d) 및 연통 홈(56a, 56b)을 설명하기 위해 나타내는 도면이다. 홈의 배치를 이해하기 쉽게 나타내기 위해, 도 6에 있어서는 중계용 홈(55a 내지 55d) 및 연통 홈(56a, 56b)의 도시를 생략하고, 도 7에 있어서는 가스 유입측 홈(53a, 53b) 및 가스 유출측 홈(54a, 54b)의 도시를 생략하고 있다.
연료 전지용 세퍼레이터(23A)는, 도 4 및 도 5에 나타낸 바와 같이, 가스 차폐판인 금속판(30)과, 금속판(30)의 적어도 한쪽의 면에 배치된 연료 전지용 가스 공급 확산층(42A)을 구비하는 세퍼레이터이다. 도 5 중, 금속판(30)에는, 단면인 것을 나타내는 해칭을 실시하고 있다. 금속판(30)은, 인코넬, 니켈, 금, 은 및 백금 중 1 이상을 포함하는 금속, 또는 오스테나이트계 스테인리스 강판으로의 금속의 도금 혹은 클래드재인 것이 바람직하다. 이들 금속을 사용함으로써 내식성을 향상시킬 수 있다.
연료 전지용 세퍼레이터(23A)에 있어서는, 금속판(30)의 세로 방향의 일단부(도 4의 하부)에, 도 4의 우측, 중앙, 좌측의 순으로, 캐소드 가스 유입구(62in)와, 냉각수 유입구(63in)와, 애노드 가스 유출구(61out)가 마련되어 있다. 또한, 타단부(도 4의 상부)에, 도 4의 좌측, 중앙, 우측의 순으로, 캐소드 가스 유출구(62out)와, 냉각수 유출구(63out)와, 애노드 가스 유입구(61in)가 마련되어 있다.
각 유입구(61in, 62in, 63in), 각 유출구(61out, 62out, 63out) 및 연료 전지용 가스 공급 확산층(42A)의 형성 영역의 각각의 주위는, 전자 도전성 또는 비 전자 도전성의 치밀 프레임(32)에 의해 둘러싸여 있다. 치밀 프레임(32)은 애노드 가스, 캐소드 가스 및 냉각수의 누설을 방지한다. 치밀 프레임(32)의 외면에는, 각 유입구(61in, 62in, 63in), 각 유출구(61out, 62out, 63out) 및 연료 전지용 가스 공급 확산층(42A)의 형성 영역을 둘러싸도록, 치밀 프레임(32)을 따라 홈이 형성되어 있다(도시하지 않음.). 이 홈 내에 가스킷(패킹, O링 등의 시일재)(33)이 배치되어 있다.
금속판(30)의 양면에는, 상기한 각 유입구(61in, 62in, 63in) 및 각 유출구(61out, 62out, 63out)가 마련되어 있는 부분을 제외하고, 그 전체면에 전자 도전성을 갖는 내식층(도 5에 있어서는 도시하지 않음)이 형성되어 있다. 각 유입구(61in, 62in, 63in) 및 각 유출구(61out, 62out, 63out)의 내주면에 내식층이 형성되어 있어도 된다. 금속판(30)의 측면 및 단부면에 내식층이 형성되어 있어도 된다. 내식층은, 바람직하게는 치밀 프레임(32)과 동일한 조성의 치밀층이고, 금속판(30)의 부식을 억제하는 작용을 갖는다. 세퍼레이터를 조합하여 도 1 혹은 도 2에 나타낸 바와 같은 연료 전지 셀 스택(20)을 구성하는 단계에서, 가스킷(33)은 접합되는 다른 세퍼레이터, 막 전극 접합체(81) 또는 집전판(27A, 27B)과 밀착하여 유체의 누설을 억제한다.
연료 전지용 세퍼레이터(23A)는, 타입 C의 세퍼레이터이며, 도 4 내지 도 7에 나타낸 바와 같이, 기판으로서의 직사각형의 금속판(30)의 한쪽의 면에 있어서의 중앙부에 캐소드 가스를 공급·확산시키는 연료 전지용 가스 공급 확산층(42A)이 형성되어 있다. 즉, 연료 전지용 가스 공급 확산층(42A)은, 캐소드 가스용의 연료 전지용 가스 공급 확산층이다. 연료 전지용 가스 공급 확산층(42A)은, 가스의 투과 및 확산이 가능하고, 또한 도전성을 갖는 시트 형상의 다공질체층(40)과, 다공질체층(40)의 한쪽의 면에 있어서 각각이 가스(연료 전지용 세퍼레이터(23A)에 있어서는 캐소드 가스)의 유입측으로부터 유출측을 향해 형성된 복수의 가스 유로용 홈을 갖는다. 복수의 가스 유로용 홈은, 금속판(30)(가스 차폐판)측에 위치하도록 금속판(30)(가스 차폐판)에 대하여 배치되고, 가스 유로용 홈과 금속판(30)(가스 차폐판)으로 가스 유로가 구성되어 있다. 또한, 연료 전지용 세퍼레이터(23A)와 막 전극 접합체(81)는, 연료 전지용 가스 공급 확산층(42A)의 복수의 가스 유로용 홈이 형성되어 있지 않은 측의 면에 막 전극 접합체(81)가 위치하는 위치 관계로 적층되어 있다(도 5 참조.). 또한, 「가스 유로용 홈」 및 「가스 유로」는 가스 전용의 것은 아니고, 가스 이외의 것(특히, 물 등의 액체)도 유통시키기 위해 사용할 수도 있다.
본 명세서에 있어서, 「가스의 유입측으로부터 유출측을 향해」란, 「대략 가스가 흐르는 방향을 따라」라고 하는 의미이고, 「가스의 유입측으로부터 유출측을 향하는」 방향은, 다공질체층(40) 전체적으로 본 경우의 다공질체층(40) 내의 가스의 흐름의 방향이다. 이것은, 실시 형태 1에 관한 연료 전지용 가스 공급 확산층(42A)과 같이, 캐소드 가스 유입구(62in)와 캐소드 가스 유출구(62out)가 금속판(30)의 대각선 상의 위치에 배치되어 있는 경우에, 가스 유로는 상기한 대각선을 따라 형성되어 있을 필요는 없고, 실시 형태 1과 같이, 「가스의 유입측으로부터 유출측을 향하는」 방향은, 「다공질체층(40) 전체적으로 본 경우의 다공질체층(40) 내의 가스의 흐름의 방향이, 도 4의 지면의 아래로부터 위의 세로 방향을 향하는 경우는」, 도 4와 같이, 도 4의 지면의 아래로부터 위의 세로 방향을 따라 복수의 가스 유로용 홈은 형성되어 있으면 되고, 또한 그 이외의 방향을 따라 형성되어 있어도 된다.
복수의 가스 유로용 홈은, 가스의 유입측(도 4 및 도 6의 하부)에 형성된 복수의 가스 유입측 홈(53a, 53b)과, 가스의 유출측(도 4 및 도 6의 상부)에 형성된 복수의 가스 유출측 홈(54a, 54b)을 포함한다. 복수의 가스 유입측 홈(53a, 53b)은, 다른 길이를 갖는 2종 이상의(이 경우 2종의) 가스 유입측 홈(53a, 53b)을 포함한다.
연료 전지용 가스 공급 확산층(42A)에 있어서는, 인접하는 2개의 가스 유입측 홈(53a, 53b)은 다른 길이를 갖는다(도 6 참조.). 바꾸어 말하면, 가스의 유입측으로부터 유출측을 향하는 「y방향」에 수직인 「x방향」을 따라 인접하는 2개의 가스 유입측 홈(53a, 53b)에 있어서의 유출측의 종단의 위치가 「y방향」을 따라 이격된 위치에 존재한다. 또한, 연료 전지용 가스 공급 확산층(42A)에 있어서는, 인접하는 3개의 가스 유입측 홈 중 적어도 1개의 가스 유입측 홈이 다른 가스 유입측 홈과는 다른 길이를 갖게 되고, 인접하는 4개의 가스 유입측 홈 중 적어도 1개의 가스 유입측 홈이 다른 가스 유입측 홈과는 다른 길이를 갖게 된다.
또한, 본 명세서에 있어서, 「인접하는 3개의 가스 유입측 홈 중 적어도 1개의 가스 유입측 홈이 다른 가스 유입측 홈과는 다른 길이를 갖는다」, 「인접하는 4개의 가스 유입측 홈 중 적어도 1개의 가스 유입측 홈이 다른 가스 유입측 홈과는 다른 길이를 갖는다」란, 「인접하는 3개의 가스 유입측 홈을 1조의 가스 유입측 홈군이라고 정의했을 때, 가스 확산층에 포함되는 복수조의 가스 유입측 홈군의 어느 조의 가스 유입측 홈군을 보더라도, 3개의 가스 유입측 홈 중 적어도 1개가 다른 가스 유입측 홈과는 다른 길이를 갖는다.」, 「인접하는 4개의 가스 유입측 홈을 1조의 가스 유입측 홈군이라고 정의했을 때, 가스 확산층에 포함되는 복수조의 가스 유입측 홈군의 어느 조의 가스 유입측 홈군을 보더라도, 4개의 가스 유입측 홈 중 적어도 1개가 다른 가스 유입측 홈과는 다른 길이를 갖는다」는 것을 의미한다. 후술하는 가스 유출측 홈의 경우도 마찬가지이다.
연료 전지용 가스 공급 확산층(42A)에 있어서는, 복수의 가스 유출측 홈(54a, 54b)은, 다른 길이를 갖는 2종 이상의(이 경우 2종의) 가스 유출측 홈(54a, 54b)을 포함한다. 인접하는 2개의 가스 유출측 홈(54a, 54b)은, 다른 길이를 갖는다(도 6 참조.). 바꾸어 말하면, 상기 「x방향」을 따라 인접하는 2개의 가스 유출측 홈(54A, 54B)에 있어서의 유입측의 시작단의 위치가, 상기 「y방향」을 따라 이격된 위치에 존재한다. 또한, 연료 전지용 가스 공급 확산층(42A)에 있어서는, 인접하는 3개의 가스 유출측 홈 중 적어도 1개의 가스 유출측 홈이 다른 가스 유출측 홈과는 다른 길이를 갖게 되고, 인접하는 4개의 가스 유출측 홈 중 적어도 1개의 가스 유출측 홈이 다른 가스 유출측 홈과는 다른 길이를 갖게 되기도 한다.
연료 전지용 가스 공급 확산층(42A)에 있어서는, 복수의 가스 유입측 홈(53a, 53b) 중 가장 짧은 길이를 갖는 가스 유입측 홈(53a)은, 다공질체층(40)의 가스의 유입측으로부터 유출측을 따른 길이의 30％ 미만의 길이를 갖고, 복수의 가스 유입측 홈(53a, 53b) 중 가장 긴 길이를 갖는 가스 유입측 홈(53b)은, 다공질체층(40)의 가스의 유입측으로부터 유출측을 따른 길이의 40％ 이상의 길이를 갖는다.
연료 전지용 가스 공급 확산층(42A)에 있어서는, 복수의 가스 유입측 홈(53a, 53b) 중 가장 짧은 길이를 갖는 가스 유입측 홈(53a)은, 다공질체층(40)의 가스의 유입측으로부터 유출측을 따른 길이의 30％ 미만의 길이를 갖는다. 또한, 복수의 가스 유출측 홈(54a, 54b) 중 가장 긴 길이를 갖는 가스 유출측 홈(54b)은, 다공질체층(40)의 가스의 유입측으로부터 유출측을 따른 길이의 30％ 이상의 길이를 갖는다.
또한, 복수의 가스 유로용 홈은, 복수의 가스 유입측 홈(53a, 53b) 및 복수의 가스 유출측 홈(54a, 54b)에 더하여, 가스 유입측 홈(53a, 53b)과 가스 유출측 홈(54a, 54b) 사이에 형성된 복수의 중계용 홈(55a 내지 55d)을 포함한다. 복수의 중계용 홈(55a 내지 55d)은, 가스의 유입측으로부터 유출측을 향하는 방향과는 수직인 방향(x방향)을 따라 연통되어 있다. 구체적으로는, 중계용 홈(55a, 55b)은 연통 홈(56a)에 의해 연통되어 있고, 중계용 홈(55c, 55d)은 연통 홈(56b)에 의해 연통되어 있다(도 7 참조.). 중계용 홈(55a, 55b)과 중계용 홈(55c, 55d)은 독립되어 있기 때문에, 연료 전지용 가스 공급 확산층(42A)에 있어서는, 복수의 중계용 홈(55a 내지 55d)이 2단으로 형성되어 있다고 할 수도 있다. 또한, 중계용 홈과 연통 홈의 연통 부분과 동일한 가스 유로용 홈에 있어서 각이나 코너가 생기는 부분에는, 적당한 모따기 처리나 라운딩 처리가 실시되어 있어도 된다.
복수의 가스 유입측 홈(53a, 53b), 복수의 가스 유출측 홈(54a, 54b) 및 복수의 중계용 홈(55a 내지 55d)은, 서로 파고들도록 형성되어 있다(도 4 및 도 5 참조.). 또한, 연료 전지용 가스 공급 확산층(42A)을 평면으로 보았을 때, 다공질체층(40) 전체의 면적에 대한 가스 유로용 홈 형성 영역의 면적의 비율은, 30％ 내지 80％의 범위 내에 있다. 당해 면적의 비율은, 40％ 내지 70％의 범위 내에 있는 것이 바람직하다.
캐소드 가스로서의 공기(산소 가스 및 질소 가스)는, 다공질체층(40)(가스 확산층(43)) 내를 확산한다. 다공질체층(40)은, 도전재(바람직하게는 탄소계 도전재)와 고분자 수지의 혼합물을 포함한다. 고분자 수지에 탄소계 도전재를 혼합함으로써, 고분자 수지에 높은 도전성을 부여할 수 있고, 또한 고분자 수지의 결착성에 의해 탄소재의 성형성을 향상시킬 수 있다. 다공질체층(40)의 유체 저항은, 다공질체층의 기공률과 유체가 흐르는 면의 면적에 의존한다. 기공률이 커지면 유체 저항은 작아진다. 유체가 흐르는 면적이 커지면 유체 저항은 작아진다. 대략의 기준으로서는, (캐소드 가스용의) 연료 전지용 가스 공급 확산층(42A)에 있어서는, 다공질체층(40)의 기공률은, 50 내지 85％ 정도이다. 또한, (애노드 가스용의) 연료 전지용 가스 공급 확산층(41)에 있어서는, 다공질체층(40)의 기공률은, 30 내지 85％ 정도이다.
다공질체층(40)의 기공률이 상기와 같이 구성되어 있는 점에서, 복수의 가스 유로용 홈의 내표면을 통해, 가스 유로용 홈과 다공질체층(40) 사이의 캐소드 가스, 수증기, 응결수의 유통이 적절하게 행해지게 되는 결과, 다량의 가스를 막 전극 접합체에 대하여 균일하게 공급할 수 있게 되거나, 또한 발전 시에 사용되지 않은 캐소드 가스나 발전 시에 생성된 수증기나 응결수를 가스 유로용 홈 밖으로 효율적으로 배출할 수 있게 된다. 그 결과, 가스 유로용 홈의 내표면에, 금속, 세라믹스, 수지 등을 포함하는 가스 불투과층에 미세한 가스 유통 구멍을 다수 개구한 가스 투과 필터와 같은 것을 형성할 필요도 없다.
탄소계 도전재의 함유율을 조정함으로써, 연료 전지용 가스 공급 확산층(42A)의 기공률을 조정할 수 있고, 나아가서는, 연료 전지용 가스 공급 확산층(42A)의 이동 저항을 조정할 수 있다. 특히 탄소계 도전재의 함유율을 높게 하면 이동 저항이 작아진다(기공률이 커진다). 반대로, 탄소계 도전재의 함유율을 낮게 하면 이동 저항이 커진다(기공률이 작아진다). 내식층 및 치밀 프레임(32)도 탄소계 도전재와 고분자 수지의 혼합물이고, 탄소계 도전재의 적당한 함유율에 의해, 도전성을 확보하면서 치밀화한 것인 것이 바람직하다.
탄소계 도전재로서는 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 흑연, 카본 블랙, 다이아몬드 피복 카본 블랙, 탄화규소, 탄화티타늄, 카본 섬유, 카본 나노튜브 등을 사용할 수 있다. 고분자 수지로서는, 열경화성 수지 및 열가소성 수지 모두 사용할 수 있다. 고분자 수지의 예로서는, 페놀 수지, 에폭시 수지, 멜라민 수지, 고무계 수지, 푸란 수지, 불화비닐리덴 수지 등을 들 수 있다.
캐소드 가스 유입구(62in)와 다공질체층(40)이 형성되어 있는 영역 사이에는 유입 통로(57)가 형성되어 있다(도 4 참조.). 캐소드 가스 유출구(62out)와 다공질체층(40)이 형성되어 있는 영역 사이에는 유출 통로(58)가 형성되어 있다. 이들 유입 통로(57) 및 유출 통로(58)는 막 전극 접합체(81) 또는 그 프레임(81A)을 지지하기 위한 것이다. 따라서, 캐소드 가스를 원활하게 흐르게 하고, 또한 막 전극 접합체(81)를 서포트할 수 있는 구조이면 된다. 예를 들어, 기공률이 매우 큰 다공질층이어도 되고, 다수의 지주를 배열한 구조여도 된다. 다공질체층(40)에 있어서의 유입 통로(57)와 면하는 영역에는 금속판(30)의 폭 방향을 따라 가늘고 긴 가스 유입측 단차(51)가 형성되어 있다. 또한, 다공질체층(40)에 있어서의 유출 통로(58)와 면하는 영역에도 금속판(30)의 폭 방향을 따라 가늘고 긴 가스 유출측 단차(52)가 형성되어 있다. 단, 가스 유입측 단차(51) 및 가스 유출측 단차(52)는, 이것들을 생략할 수도 있다.
다공질체층(40), 유입 통로(57) 및 유출 통로(58)는, 치밀 프레임(32)과 동일한 높이(두께)로 형성되어 있다. 연료 전지용 가스 공급 확산층(42A)에 있어서의 금속판(30)에 대향하는 측의 면에는, 공극을 포함하는 복수의 가스 유로용 홈이 마련되어 있고, 이들 복수의 가스 유로용 홈과 금속판(30)의 간극에 복수의 가스 유로가 형성되어 있다. 복수의 가스 유입측 홈(53a, 53b)은 가스 유입측 단차(51)를 통해 유입 통로(57)와 연통하고, 복수의 가스 유출측 홈(54a, 54b)은 가스 유출측 단차(52)를 통해 유출 통로(58)와 연통하고 있다. 가스 유로용 홈의 수 및 구조는 도시한 것에 한정되지 않는다.
실시 형태 1에 관한 연료 전지용 가스 공급 확산층(42A)은, 이것을 수송 기기용의 연료 전지에 사용하는 경우에는, 수송 기기의 종류·크기에 따라 다르기도 하지만, 다공질체층(40)의 가로 폭은, 예를 들어 30㎜ 내지 300㎜ 정도이다. 가스 유로용 홈의 폭은 예를 들어 0.3㎜ 내지 2㎜ 정도이다. 다공질체층(40)의 두께는, 예를 들어 150 내지 400㎛ 정도이고, 가스 유로용 홈의 깊이는, 예를 들어 100 내지 300㎛ 정도이고, 가스 유로용 홈의 바닥과 다공질체층(40)의 다른 쪽의 면 사이의 거리(천장 두께)는, 예를 들어 100 내지 300㎛ 정도이다. 실시 형태 1에 관한 연료 전지용 가스 공급 확산층(42A)을 수송 기기 이외의 용도(예를 들어, 정치용)의 연료 전지나 전기 분해를 위한 장치에 사용하는 경우에는, 상기한 사이즈로 한정되는 것은 아니고, 필요한 성능 등에 따라 적절한 사이즈의 것을 사용할 수 있다.
타입 A의 연료 전지용 세퍼레이터(22)에 있어서의 연료 전지용 가스 공급 확산층(41)도, 기본적으로는 연료 전지용 가스 공급 확산층(42A)과 마찬가지의 구성을 갖는다. 단, 가스 공급 확산층에 공급하는 가스가 수소 가스인 점에서, 연료 전지용 가스 공급 확산층(42A)보다도 기공률이 낮고, 또한 두께가 얇다(후술하는 도 8의 (b) 참조.).
타입 CA의 연료 전지용 세퍼레이터(21)에 있어서는, 가스 확산층으로서 연료 전지용 가스 공급 확산층(41) 및 연료 전지용 가스 공급 확산층(42A)을 사용한다(후술하는 도 8의 (a) 참조.). 타입 CW의 연료 전지용 세퍼레이터(24)는, 타입 C의 연료 전지용 세퍼레이터(23A)에 있어서의 연료 전지용 가스 공급 확산층(42A)이 형성되어 있지 않은 면에 냉각수 공급 확산층이 형성된 것이다(후술하는 도 8의 (c) 참조.). 타입 AW의 연료 전지용 세퍼레이터(25)는, 타입 A의 연료 전지용 세퍼레이터(22)에 있어서의 연료 전지용 가스 공급 확산층(41)이 형성되어 있지 않은 면에 냉각수 공급 확산층이 형성된 것이다(후술하는 도 8의 (d) 참조.).
실시 형태 1에 관한 연료 전지 셀 스택(20)을 운전하면, 애노드 가스(수소 가스)를 도입하는 연료극에서는 프로톤(H+)이 생성된다. 프로톤은, 막 전극 접합체(81) 중을 확산하여 산소극측으로 이동하고, 산소와 반응하여 물이 생성된다. 생성된 물은, 산소극측으로부터 배출된다. 이때, 상기와 같은 구조를 갖는 연료 전지용 가스 공급 확산층(42A)을 구비하는 연료 전지용 세퍼레이터(23A)에 있어서는, 캐소드 가스 유입구(62in)로부터 유입된 공기는 유입 통로(57) 및 가스 유입측 단차(51)를 통해, 가스 유입측 홈(53a, 53b)에 유입된다. 가스 유입측 단차(51) 내에 유입된 공기의 일부는 가스 유로용 홈 내에 들어가 가스 유로용 홈으로부터 다공질체층(40)(가스 확산층(43)) 내로 들어가고, 다른 일부는 다공질체층(40)(가스 확산층(43))의 단부면으로부터 직접 다공질체층(40)(가스 확산층(43))으로 들어가서, 다공질체층(40)(가스 확산층(43)) 내를 확산해 간다.
공기는, 다공질체층(40)(가스 확산층(43)) 내를 평면 방향으로 확산하면서 두께 방향으로 확산하여, 다공질체층(40)(가스 확산층(43))에 접하여 마련된 막 전극 접합체(81)에 공급되어, 발전 반응에 기여한다. 발전에 사용되지 않은 가스(미사용의 산소 가스 및 질소 가스) 및 발전 시에 생성된 물(수증기 또는 응축수)은 다공질체층(40)(가스 확산층(43)), 가스 유로용 홈, 가스 유출측 단차(52)를 통해 유출 통로(58)에 유출된다. 유출 통로(58)에 유출된 산소 가스, 질소 가스 및 물은, 최종적으로 유출 통로(58)로부터 캐소드 가스 유출구(62out) 및 캐소드 가스 배출구(72out)를 통해 배출되게 된다. 이때, 연료 전지용 가스 공급 확산층(42A)의 구조상, 모든 물은 배출되지 않고, 일부가 다공질체층(40)(가스 확산층(43)) 내에 머무른다.
실시 형태 1에 관한 연료 전지용 가스 공급 확산층(42A)은, 상기와 같은 특징을 갖는 점에서, 발전 시에 막 전극 접합체(81)에서 생성된 물(수증기 또는 응축수)을, 다공질체층(40) 및 가스 유로용 홈을 통해 가스 유로용 홈 밖으로 효율적으로 배출할 수 있게 된다.
[실시 형태 1의 효과]
실시 형태 1에 관한 연료 전지용 가스 공급 확산층(42A)에 의하면, 다공질체층(40)의 한쪽의 면에 있어서 복수의 가스 유로용 홈(가스 유입측 홈(53a, 53b), 가스 유출측 홈(54a, 54b) 및 중계용 홈(55a 내지 55d))이 형성되어 있는 점에서, 종래보다도 가스의 이동 저항이 감소하여, 막 전극 접합체에 대하여 종래보다도 다량의 가스를 공급할 수 있다.
또한, 실시 형태 1에 관한 연료 전지용 가스 공급 확산층(42A)에 의하면, 다공질체층(40)의 한쪽의 면에 있어서 복수의 가스 유로용 홈이 형성되어 있는 점에서, 다공질체층(40)의 다른 쪽의 면에 배치되는 막 전극 접합체(81)에 대한 가스의 공급은 반드시 다공질체층(40)을 통해 행해지므로, 복수의 가스 유로가 다공질체층(40)의 한쪽의 면으로부터 다른 쪽의 면에 걸쳐서 개구되어 있는 경우보다도 가스를 막 전극 접합체(81)에 대하여 균일하게 공급할 수 있다.
또한, 실시 형태 1에 관한 연료 전지용 가스 공급 확산층(42A)에 의하면, 다공질체층(40)의 한쪽의 면에 있어서 복수의 가스 유로용 홈이 형성되어 있는 점에서, 발전에 사용되지 않은 가스(이 경우 연료 전지용의 캐소드 가스(산소 가스, 질소 가스))를, 다공질체층(40) 및 가스 유로용 홈을 통해 가스 유로용 홈 밖으로 효율적으로 배출할 수 있게 되기 때문에, 또한 복수의 가스 유입측 홈(53a, 53b)과 복수의 가스 유출측 홈(54a, 54b) 사이에 형성되는 복류 영역에 있어서 복류 가스 흐름으로 압출되는 형태로 발전에 사용되지 않은 가스를 가스 유로용 홈 밖으로 효율적으로 배출할 수 있게 되기 때문에, 종래보다도 가스의 이동 저항을 낮게 유지하는 것, 나아가서는, 반응 가스 농도를 높게 유지하는 것이 가능해져, 종래보다도 반응 효율(실시 형태 1의 경우에는 연료 전지의 발전 효율)을 높게 할 수 있는, 가스 확산층이 된다.
또한, 실시 형태 1에 관한 연료 전지용 가스 공급 확산층(42A)에 의하면, 다공질체층(40)의 한쪽의 면에 있어서 복수의 가스 유로용 홈이 형성되어 있는 점에서, 발전 시에 막 전극 접합체(81)에서 생성된 수분(수증기 또는 응축수)을, 다공질체층(40) 및 가스 유로용 홈을 통해 가스 유로용 홈 밖으로 효율적으로 배출할 수 있게 되기 때문에, 또한 복류 영역에 있어서는 복류 가스 흐름으로 압출되는 형태로 수분(수증기 또는 응축수)을 가스 유로용 홈 밖으로 효율적으로 배출할 수 있게 되기 때문에, 종래보다도 배수성이 우수한 가스 확산층이 된다.
또한, 실시 형태 1에 관한 연료 전지용 가스 공급 확산층(42A)에 의하면, 복수의 가스 유로용 홈이, 복수의 가스 유입측 홈(53a, 53b)과 복수의 가스 유출측 홈(54a, 54b)을 포함하고, 이들 중 복수의 가스 유입측 홈(53a, 53b)이, 다른 길이를 갖는 2종 이상의 가스 유입측 홈(53a, 53b)을 포함하는 점에서, 복수의 가스 유입측 홈 중 상대적으로 짧은 길이를 갖는 가스 유입측 홈(53a)(유출측 종단부)의 작용에 의해, 원래 건조시키기 쉬운 유입측 영역에 있어서의 다공질체층(40)이 건조되기 어려워져, 다공질체층(40)이 너무 건조되는 것에 의한 반응 효율의 저하를 억제할 수 있다. 또한, 복수의 가스 유입측 홈(53a, 53b) 중 상대적으로 긴 길이를 갖는 가스 유입측 홈(53b)의 작용에 의해, 원래 체류되기 쉬운 수분(수증기 또는 응축수)이 가스 유입측 홈(53b)을 통해 효율적으로 배출되어 배수성이 높아지고, 또한 유입측 영역으로부터 이격되어 있어 원래 가스압이 저하되기 쉬운 영역에 있어서도 가스압이 저하되기 어려워져, 가스압 저하에 의한 반응 효율의 저하를 억제할 수 있다. 이것들에 의해, 실시 형태 1에 관한 연료 전지용 가스 공급 확산층(42A)은, 종래보다도 반응 효율(실시 형태 1의 경우에는 연료 전지의 발전 효율)을 높게 할 수 있고, 나아가, 종래보다도 배수성이 우수한, 가스 확산층이 된다.
또한, 실시 형태 1에 관한 연료 전지용 가스 공급 확산층(42A)은, 인접하는 2개의 가스 유입측 홈(53a, 53b)은 다른 길이를 갖는, 즉 상기 x방향을 따라 인접하는 2개의 가스 유입측 홈(53a, 53b)에 있어서의 유출측 종단부(데드 엔드부)의 위치가, 상기한 y방향을 따라 이격된 위치에 존재하는 점에서, 유출측 종단부가 한층 분산된다. 이에 의해, 실시 형태 1에 관한 연료 전지용 가스 공급 확산층(42A)은, 반응 효율을 한층 더 높게 할 수 있고, 나아가, 한층 더 배수성이 우수한 가스 확산층이 된다.
또한, 본 발명에 있어서는, 인접하는 4개 또는 3개의 가스 유입측 홈 중 적어도 1개의 가스 유입측 홈이, 다른 가스 유입측 홈과는 다른 길이를 갖는 것이어도 된다. 이 경우에도, 연료 전지용 가스 공급 확산층은, 인접하는 2개의 가스 유입측 홈이 다른 길이를 갖는 경우와 동 취지의 효과를 갖는다.
또한, 실시 형태 1에 관한 연료 전지용 가스 공급 확산층(42A)에 의하면, 복수의 가스 유입측 홈(53a, 53b) 중 가장 짧은 길이를 갖는 가스 유입측 홈(53a)이 다공질체층(40)의 가스의 유입측으로부터 유출측을 따른 길이의 30％ 미만의 길이를 갖는 점에서, 다공질체층(40)이 너무 건조되는 것에 의한 반응 효율의 저하를 한층 억제할 수 있다. 또한, 실시 형태 1에 관한 연료 전지용 가스 공급 확산층(42A)에 의하면, 복수의 가스 유입측 홈(53a, 53b) 중 가장 긴 길이를 갖는 가스 유입측 홈(53b)이 다공질체층(40)의 가스의 유입측으로부터 유출측을 따른 길이의 40％ 이상의 길이를 갖는 점에서, 배수성을 한층 높게 할 수 있고, 또한 가스압 저하에 의한 반응 효율의 저하를 한층 억제할 수 있다.
또한, 실시 형태 1에 관한 연료 전지용 가스 공급 확산층(42A)은, 복수의 가스 유출측 홈(54a, 54b)이, 다른 길이를 갖는 2종 이상의 가스 유출측 홈(54a, 54b)을 포함한다. 따라서, 실시 형태 1에 관한 연료 전지용 가스 공급 확산층(42A)에 의하면, 복수의 가스 유출측 홈(54a, 54b)에 대해서도, 다른 길이를 갖는 2종 이상의 가스 유출측 홈(54a, 54b)을 포함하는 점에서, 복수의 가스 유출측 홈(54a, 54b) 중 상대적으로 긴 가스 유출측 홈(54b)의 작용에 의해, 원래 체류하기 쉬운 수분(수증기·응집수)의 배출 효율이 높아지고, 가스 확산이 촉진되어, 반응 효율(실시 형태 1의 경우에는 발전 효율)이 높아진다. 한편, 복수의 가스 유출측 홈(54a, 54b) 중 상대적으로 짧은 가스 유출측 홈(54a)의 작용에 의해, 가스 유출측의 영역에 있어서도 상류의 가스 확산용 홈으로부터의 가스의 복류에 의해 소정의 반응(실시 형태 1의 경우에는 발전)이 행해져, 전체적인 반응 효율(실시 형태 1의 경우에는 발전 효율)을 높게 할 수 있다.
또한, 실시 형태 1에 관한 연료 전지용 가스 공급 확산층(42A)은, 인접하는 2개의 가스 유출측 홈(54a, 54b)은 다른 길이를 갖는 점에서, 긴 홈과 짧은 홈이 분산되어 배치된다. 이에 의해, 실시 형태 1에 관한 연료 전지용 가스 공급 확산층(42A)은, 반응 효율을 한층 높게 할 수 있고, 나아가, 한층 배수성이 우수한 가스 확산층이 된다.
또한, 본 발명에 있어서는, 인접하는 4개 또는 3개의 가스 유출측 홈 중 적어도 1개의 가스 유출측 홈이, 다른 가스 유출측 홈과는 다른 길이를 갖는 것이어도 된다. 이 경우에도, 연료 전지용 가스 공급 확산층은, 인접하는 2개의 가스 유출측 홈이 다른 길이를 갖는 경우와 동 취지의 효과를 갖는다.
또한, 실시 형태 1에 관한 연료 전지용 가스 공급 확산층(42A)에 의하면, 복수의 가스 유입측 홈(53a, 53b) 중 가장 짧은 길이를 갖는 가스 유입측 홈(53a)은, 다공질체층(40)의 가스의 유입측으로부터 유출측을 따른 길이의 30％ 미만의 길이를 갖기 때문에, 건조하기 쉬운 유입측의 다공질체층(40)을 특히 건조시키기 어렵게 하는 것이 가능해져, 반응 효율을 한층 상승시키는 것이 가능해진다. 또한, 실시 형태 1에 관한 연료 전지용 가스 공급 확산층(42A)에 의하면, 복수의 가스 유출측 홈(54a, 54b) 중 가장 긴 길이를 갖는 가스 유출측 홈(54b)은, 다공질체층(40)의 가스의 유입측으로부터 유출측을 따른 길이의 30％ 이상의 길이를 갖기 때문에, 체류하기 쉬운 수분(수증기·응집수)이 가스 유출측 홈(54b)을 통해 효율적으로 배출되는 점에서, 가스 확산을 촉진하는 것이 가능해지고, 이 관점에서도 반응 효율을 한층 상승시킬 수 있다.
또한, 실시 형태 1에 관한 연료 전지용 가스 공급 확산층(42A)에 의하면, 복수의 가스 유로용 홈은, 복수의 중계용 홈(55a 내지 55d)을 포함하기 때문에, 유출측 종단부(데드 엔드부)의 수를 증가시키는 것이 가능해져, 복류 영역을 통과하는 가스의 양을 증가시켜 반응 효율을 한층 높게 하는 것이 가능해진다. 또한, 다공질체층(40)의 건조 방지나, 수분(수증기·응집수)의 배출 효율 향상의 밸런스의 최적화를 도모하는 것도 가능해진다.
또한, 실시 형태 1에 관한 연료 전지용 가스 공급 확산층(42A)에 의하면, 복수의 중계용 홈(55a 내지 55d)은, 가스의 유입측으로부터 유출측을 향하는 방향과는 수직인 방향(x방향)을 따라 연통하고 있기 때문에, 연통하는 방향을 따라 가스압을 균등화하는 것이 가능해진다.
또한, 실시 형태 1에 관한 연료 전지용 가스 공급 확산층(42A)에 의하면, 복수의 가스 유입측 홈(53a, 53b), 복수의 가스 유출측 홈(54a, 54b) 및 복수의 중계용 홈(55a 내지 55d)은, 서로 파고들도록 형성되어 있기 때문에, 가스압의 균등화나 복류의 증대를 도모하는 것이 가능해진다.
또한, 실시 형태 1에 관한 연료 전지용 가스 공급 확산층(42A)에 의하면, 연료 전지용 가스 공급 확산층(42A)을 평면으로 보았을 때, 다공질체층(40) 전체의 면적에 대한 가스 유로용 홈 형성 영역의 면적의 비율은, 30％ 내지 80％의 범위 내에 있기 때문에, 충분한 가스 공급 능력과 충분한 기계적 강도를 양립시키는 것이 가능해진다.
또한, 실시 형태 1에 관한 연료 전지용 가스 공급 확산층(42A)에 의하면, 연료 전지용 가스 공급 확산층(42A)이, 캐소드 가스용의 연료 전지용 가스 공급 확산층이기 때문에, 연료 전지 셀 스택의 성능을 높게 할 수 있다.
실시 형태 1에 관한 연료 전지용 세퍼레이터(23A)는, 가스 차폐판인 금속판(30)과, 금속판(30)의 적어도 한쪽의 면에 배치된 연료 전지용 가스 공급 확산층(42A)을 구비하는 세퍼레이터이며, 연료 전지용 가스 공급 확산층(42A)은, 실시 형태 1에 관한 연료 전지용 가스 공급 확산층(42A)이고, 복수의 가스 유로용 홈(가스 유입측 홈(53a, 53b), 가스 유출측 홈(54a, 54b) 및 중계용 홈(55a 내지 55d))이 금속판(30)측에 위치하도록 금속판(30)에 대하여 배치되어 있고, 가스 유로용 홈과 금속판(30)으로 가스 유로가 구성되어 있는 점에서, 종래보다도 반응 효율을 높게 할 수 있는 세퍼레이터가 된다.
실시 형태 1에 관한 연료 전지 셀 스택(20)은, 세퍼레이터와, 막 전극 접합체(81)가 적층되어 이루어지는 연료 전지 셀 스택이며, 세퍼레이터는, 실시 형태 1에 관한 연료 전지용 세퍼레이터(23A)이고, 연료 전지용 세퍼레이터(23A)와 막 전극 접합체(81)는, 연료 전지용 가스 공급 확산층(42A)의 복수의 가스 유로용 홈(가스 유입측 홈(53a, 53b), 가스 유출측 홈(54a, 54b) 및 중계용 홈(55a 내지 55d))이 형성되어 있지 않은 측의 면에 막 전극 접합체(81)가 위치하는 위치 관계로 적층되어 있는 점에서, 종래보다도 반응 효율을 높게 할 수 있는 연료 전지 셀 스택이 된다.
또한, 실시 형태 1에 관한 연료 전지 셀 스택(20)에 의하면, 연료 전지 셀 스택(20)이 연료 전지 셀 스택인 점에서, 종래보다도 연료 전지의 발전 효율을 높게 할 수 있는 연료 전지 셀 스택이 된다.
[연료 전지용 세퍼레이터(23A)의 제조 방법]
일례로서, 내식층, 치밀 프레임(32), 연료 전지용 가스 공급 확산층(42A) 등은, 열경화성 수지(또는 열가소성 수지), 탄소계 도전재 분말(및 상황에 따라 탄소 섬유), 수지 분말 및 휘발성 용제를 혼련한 페이스트상의 재료를 사용한 등방압 가압에 의해 형성할 수 있다. 각각의 부재 및 부분에 특유의 형상은, 예를 들어 프린트, 스탬프, 압착 등에 의해 형성할 수 있다. 또한, 각 부재를 열압착이나 롤 프레스(핫 프레스)로 배치 또는 형성할 수도 있다.
또한, 상기한 제조 방법은, 연료 전지용 세퍼레이터(23A) 이외의 세퍼레이터(연료 전지용 세퍼레이터(21, 22, 24, 25))를 제조할 때도 적용할 수 있다.
[연료 전지용 세퍼레이터(23A) 이외의 세퍼레이터]
도 8은, 연료 전지용 세퍼레이터(23A) 이외의 세퍼레이터(연료 전지용 세퍼레이터(21, 22, 24, 25))의 단면도이다. 도 8의 (a)는 타입 CA의 연료 전지용 세퍼레이터(21)의 단면도이고, 도 8의 (b)는 타입 A의 연료 전지용 세퍼레이터(22)의 단면도이고, 도 8의 (c)는 타입 CW의 연료 전지용 세퍼레이터(24)의 단면도이고, 도 8의 (d)는 타입 AW의 연료 전지용 세퍼레이터(25)의 단면도이다. 도 8은, 연료 전지용 세퍼레이터(23A)의 A1-A1 단면(도 5의 (a) 참조.)에 상당하는 단면에 의한 단면도이다. 도 8에 있어서는, 모든 복수의 가스 유로용 홈에 부호를 붙이면 도면을 이해하기 어려워지기 때문에, 1개의 가스 유로용 홈에만 가스 유로용 홈인(가스 유입측 홈, 가스 유출측 홈 또는 중계용 홈의 어느 것인) 것을 나타내는 「53」의 부호를 붙이고 있다.
본 발명의 가스 확산층은, 연료 전지용 세퍼레이터(21)의 (캐소드 가스용) 연료 전지용 가스 공급 확산층(42A) 및/또는 (애노드 가스용) 연료 전지용 가스 공급 확산층(41)에 적용할 수 있다(도 8의 (a) 참조.). 또한, 본 발명의 가스 확산층은, 연료 전지용 세퍼레이터(22)의 (애노드 가스용) 연료 전지용 가스 공급 확산층(41)에 적용할 수 있다(도 8의 (b) 참조.). 또한, 본 발명의 가스 확산층은, 연료 전지용 세퍼레이터(24)의 (캐소드 가스용) 연료 전지용 가스 공급 확산층(42A)에 적용할 수 있다(도 8의 (c) 참조.). 또한, 본 발명의 가스 확산층은, 연료 전지용 세퍼레이터(25)의 (애노드 가스용) 연료 전지용 가스 공급 확산층(41)에 적용할 수 있다(도 8의 (d) 참조.).
이렇게 본 발명의 가스 확산층을 상기와 같은 연료 전지용 세퍼레이터(21, 22, 24, 25)의 연료 전지용 가스 공급 확산층에 적용한 경우라도, 종래보다도 반응 효율(연료 전지라면 발전 효율)을 높게 할 수 있는, 가스 확산층이 된다.
[실시 형태 2]
도 9는, 실시 형태 2에 관한 연료 전지용 세퍼레이터(23B)의 평면도이다. 단, 도 4의 경우와 마찬가지로, 연료 전지용 가스 공급 확산층(42B)의 유로 패턴을 이해하기 쉽게 나타내기 위해, 금속판(30)의 도시는 생략하고 있다. 이후의 도 10 내지 도 23 및 도 29 내지 도 31에 있어서도 마찬가지이다. 도 10은, 실시 형태 2에 관한 연료 전지용 가스 공급 확산층(42B)에 있어서의 가스 유입측 홈(53c 내지 53f) 및 가스 유출측 홈(54c 내지 54f)을 설명하기 위해 나타내는 도면이다. 도 11은, 실시 형태 2에 관한 연료 전지용 가스 공급 확산층(42B)에 있어서의 중계용 홈(55e) 및 연통 홈(56c)을 설명하기 위해 나타내는 도면이다.
실시 형태 2에 관한 연료 전지용 세퍼레이터(23B)에 있어서의 연료 전지용 가스 공급 확산층(42B)은, 기본적으로는 실시 형태 1에 관한 연료 전지용 가스 공급 확산층(42A)과 마찬가지의 구성을 갖지만, 가스 유로용 홈의 구성이 실시 형태 1에 관한 연료 전지용 가스 공급 확산층(42A)의 경우와 다르다. 실시 형태 2에 관한 연료 전지용 가스 공급 확산층(42B)에 있어서는, 도 9 내지 도 11에 나타낸 바와 같이, 각각 길이가 다른 2종 이상의(이 경우 4종의) 가스 유입측 홈(53c 내지 53f) 및 가스 유출측 홈(54c 내지 54f)이 형성되어 있다. 또한, 가스 유입측 홈(53c 내지 53f) 및 가스 유출측 홈(54c 내지 54f)에 들어가도록 중계용 홈(55e)이 형성되어 있다. 중계용 홈(55e)은 복수 형성되어 있고, 각각의 중계용 홈(55e)은 연통 홈(56c)에 의해 연통되어 있다.
실시 형태 2에 관한 연료 전지용 가스 공급 확산층(42B) 및 연료 전지용 세퍼레이터(23B)는, 실시 형태 1에 관한 연료 전지용 가스 공급 확산층(42A) 및 연료 전지용 세퍼레이터(23A)와 마찬가지로, 종래보다도 반응 효율을 높게 할 수 있는 가스 확산층 및 세퍼레이터가 된다. 또한, 실시 형태 2에 관한 연료 전지용 가스 공급 확산층(42B) 및 연료 전지용 세퍼레이터(23B)에 의하면, 실시 형태 1에 관한 연료 전지용 가스 공급 확산층(42A) 및 연료 전지용 세퍼레이터(23A)와 공통되는 특징에 기인하는 공통의 효과도 얻어진다.
[실시 형태 3]
도 12는, 실시 형태 3에 관한 연료 전지용 세퍼레이터(23C)의 평면도이다. 도 13은, 실시 형태 3에 관한 연료 전지용 가스 공급 확산층(42C)에 있어서의 가스 유입측 홈(53g 내지 53j) 및 가스 유출측 홈(54g 내지 54j)을 설명하기 위해 나타내는 도면이다. 도 14는, 실시 형태 3에 관한 연료 전지용 가스 공급 확산층(42C)에 있어서의 중계용 홈(55d 내지 55j) 및 연통 홈(56d, 56e)을 설명하기 위해 나타내는 도면이다.
실시 형태 3에 관한 연료 전지용 세퍼레이터(23C)에 있어서의 연료 전지용 가스 공급 확산층(42C)은, 기본적으로는 실시 형태 1에 관한 연료 전지용 가스 공급 확산층(42A)과 마찬가지의 구성을 갖지만, 가스 유로용 홈의 구성이 실시 형태 1에 관한 연료 전지용 가스 공급 확산층(42A)의 경우와 다르다. 실시 형태 3에 관한 연료 전지용 가스 공급 확산층(42C)에 있어서는, 도 12 내지 도 14에 나타낸 바와 같이, 각각 길이가 다른 2종 이상의(이 경우 4종의) 가스 유입측 홈(53g 내지 53j) 및 가스 유출측 홈(54g 내지 54j)이 형성되어 있다. 또한, 가스 유입측 홈(53g 내지 53j) 및 가스 유출측 홈(54g 내지 54j)에 들어가도록 중계용 홈(55f 내지 55j)이 형성되어 있다. 이 중, 가스 유입측 홈(53i, 53j) 및 중계용 홈(55i, j)은 1개의 홈으로부터 2개의 홈으로의 분기 개소를 갖는다. 또한, 중계용 홈(55f)과 중계용 홈(55g)은 연통 홈(56d)에 의해 연통되어 있고, 중계용 홈(55f, 55g)과 중계용 홈(55h)은 연통 홈(56d)에 의해 연통되어 있다. 즉, 연료 전지용 가스 공급 확산층(42C)은, 복수의 중계용 홈으로서, 인접하는 2개의 중계용 홈이 연통되도록 형성된 중계용 홈의 페어가 가스의 유입측으로부터 유출측을 향하는 방향과는 수직인 방향을 따라 형성되어 있는 복수의 중계용 홈(55f 내지 55h)을 포함한다.
실시 형태 3에 관한 연료 전지용 가스 공급 확산층(42C) 및 연료 전지용 세퍼레이터(23C)는, 실시 형태 1에 관한 연료 전지용 가스 공급 확산층(42A) 및 연료 전지용 세퍼레이터(23A)와 마찬가지로, 종래보다도 반응 효율을 높게 할 수 있는 가스 확산층 및 세퍼레이터가 된다. 또한, 실시 형태 3에 관한 연료 전지용 가스 공급 확산층(42C)에 의하면, 복수의 중계용 홈으로서, 인접하는 2개의 중계용 홈이 연통되도록 형성된 중계용 홈의 페어가 가스의 유입측으로부터 유출측을 향하는 방향과는 수직인 방향을 따라 형성되어 있는 복수의 중계용 홈(55f 내지 55h)을 포함하기 때문에, 압력 손실을 낮게 하는 것이 가능해지고, 복류하는 가스 및 수증기 또는 응집수가 하류측에 유입되기 쉬워져, 가스를 더 균일하게 확산시키는 것이 가능해짐과 함께, 수증기 또는 응집수를 더 효율적으로 연료 전지용 가스 공급 확산층(42C) 밖으로 배출하는 것이 가능해진다. 또한, 실시 형태 3에 관한 연료 전지용 가스 공급 확산층(42C)에 의하면, 복수의 가스 유로용 홈의 일부는, 「1개의 홈으로부터 2개의 홈으로의 분기 개소」를 갖기 때문에, 장소를 한정한 가스압의 균등화가 가능해진다. 또한, 유출측 종단부(데드 엔드부)의 수를 증가시키는 것이 가능해지고, 복류 영역을 통과하는 가스의 양을 증가시켜 반응 효율을 한층 높게 하는 것이 가능해진다. 또한, 실시 형태 3에 관한 연료 전지용 가스 공급 확산층(42C) 및 연료 전지용 세퍼레이터(23C)에 의하면, 실시 형태 1에 관한 연료 전지용 가스 공급 확산층(42A) 및 연료 전지용 세퍼레이터(23A)와 공통되는 특징에 기인하는 공통의 효과도 얻어진다.
[실시 형태 4]
도 15는, 실시 형태 4에 관한 연료 전지용 세퍼레이터(23D)의 평면도이다. 도 16은, 실시 형태 4에 관한 연료 전지용 가스 공급 확산층(42D)에 있어서의 가스 유입측 홈(53k 내지 53n) 및 가스 유출측 홈(54k, 54l)을 설명하기 위해 나타내는 도면이다. 도 17은, 실시 형태 4에 관한 연료 전지용 가스 공급 확산층(42D)에 있어서의 중계용 홈(55k 내지 55p)을 설명하기 위해 나타내는 도면이다.
실시 형태 4에 관한 연료 전지용 세퍼레이터(23D)에 있어서의 연료 전지용 가스 공급 확산층(42D)은, 기본적으로는 실시 형태 1에 관한 연료 전지용 가스 공급 확산층(42A)과 마찬가지의 구성을 갖지만, 가스 유로용 홈의 구성이 실시 형태 1에 관한 연료 전지용 가스 공급 확산층(42A)의 경우와 다르다. 실시 형태 4에 관한 연료 전지용 가스 공급 확산층(42D)에 있어서는, 도 15 내지 도 17에 나타낸 바와 같이, 각각 길이가 다른 2종 이상의(이 경우 4종의) 가스 유입측 홈(53k 내지 53n) 및 가스 유출측 홈(54k, 54l)이 형성되어 있다. 또한, 가스 유입측 홈(53k 내지 53n) 및 가스 유출측 홈(54k, 54l)에 들어가도록 중계용 홈(55k 내지 55p)이 형성되어 있다. 이 중, 중계용 홈(55k 내지 55n)은 2개의 홈으로부터 1개의 홈으로의 합류 개소를 갖는다. 또한, 실시 형태 4의 변형으로서, 가스 유입측 홈(53k 내지 53n)과 가스 유출측 홈(54k, 54l)을 바꾸고, 중계용 홈(55k 내지 55n)을 상기 바꿈에 대응하는 배치 및 형상으로 하는 형태도 생각된다.
실시 형태 4에 관한 연료 전지용 가스 공급 확산층(42D) 및 연료 전지용 세퍼레이터(23D)는, 실시 형태 1에 관한 연료 전지용 가스 공급 확산층(42A) 및 연료 전지용 세퍼레이터(23A)와 마찬가지로, 종래보다도 반응 효율을 높게 할 수 있는 가스 확산층 및 세퍼레이터가 된다. 또한, 실시 형태 4에 관한 연료 전지용 가스 공급 확산층(42D)에 의하면, 복수의 가스 유로용 홈의 일부는, 「2개의 홈으로부터 1개의 홈으로의 합류 개소」를 갖기 때문에, 장소를 한정한 가스압의 균등화가 가능해진다. 또한, 실시 형태 4에 관한 연료 전지용 가스 공급 확산층(42D) 및 연료 전지용 세퍼레이터(23D)에 의하면, 실시 형태 1에 관한 연료 전지용 가스 공급 확산층(42A) 및 연료 전지용 세퍼레이터(23A)와 공통되는 특징에 기인하는 공통의 효과도 얻어진다.
[실시 형태 5 내지 8]
도 18은, 실시 형태 5에 관한 연료 전지용 세퍼레이터(23E)의 평면도이다. 도 19는, 실시 형태 6에 관한 연료 전지용 세퍼레이터(23F)의 평면도이다. 도 20은, 실시 형태 7에 관한 연료 전지용 세퍼레이터(23G)의 평면도이다. 도 21은, 실시 형태 8에 관한 연료 전지용 세퍼레이터(23H)의 평면도이다.
실시 형태 5 내지 8에 관한 연료 전지용 세퍼레이터(23E 내지 23H) 및 연료 전지용 가스 공급 확산층(42E 내지 42H)은, 기본적으로는 실시 형태 1 내지 4에 관한 연료 전지용 세퍼레이터(23A 내지 23D) 및 연료 전지용 가스 공급 확산층(42A 내지 42D)과 마찬가지의 구성을 갖지만, 연료 전지용 가스 공급 확산층의 종횡비가 실시 형태 1 내지 4에 관한 연료 전지용 세퍼레이터(23A 내지 23D) 및 연료 전지용 가스 공급 확산층(42A 내지 42D)의 경우와 다르다. 또한, 실시 형태 5 내지 8에 관한 연료 전지용 가스 공급 확산층(42E 내지 42H)에 있어서는, 가스 유로용 홈을 구성하는 각 홈의 폭 등도 실시 형태 1 내지 4에 관한 연료 전지용 세퍼레이터(23A 내지 23D)와는 다르다. 단, 가스 유로용 홈의 패턴에 대해서는, 실시 형태 5에 관한 연료 전지용 가스 공급 확산층(42E)은 실시 형태 1에 관한 연료 전지용 가스 공급 확산층(42A)과, 실시 형태 6에 관한 연료 전지용 가스 공급 확산층(42F)은 실시 형태 2에 관한 연료 전지용 가스 공급 확산층(42B)과, 실시 형태 7에 관한 연료 전지용 가스 공급 확산층(42G)은 실시 형태 3에 관한 연료 전지용 가스 공급 확산층(42C)과, 실시 형태 8에 관한 연료 전지용 가스 공급 확산층(42H)은 실시 형태 4에 관한 연료 전지용 가스 공급 확산층(42D)과, 각각 마찬가지이다(도 18 내지 도 21 참조.).
실시 형태 5 내지 8에 관한 연료 전지용 가스 공급 확산층(42E 내지 42H) 및 연료 전지용 세퍼레이터(23E 내지 23H)는, 실시 형태 1에 관한 연료 전지용 가스 공급 확산층(42A) 및 연료 전지용 세퍼레이터(23A)와 마찬가지로, 종래보다도 반응 효율을 높게 할 수 있는 연료 전지용 가스 공급 확산층 및 연료 전지용 세퍼레이터가 된다. 또한, 실시 형태 5 내지 8에 관한 연료 전지용 세퍼레이터(23E 내지 23H) 및 연료 전지용 가스 공급 확산층(42E 내지 42H)에 의하면, 대응하는 연료 전지용 가스 공급 확산층(42A 내지 42D) 및 연료 전지용 세퍼레이터(23A 내지 23D)와 마찬가지의 효과가 얻어진다.
[시험예]
이어서, 본 발명에 관한 가스 확산층 및 세퍼레이터를 실제로 제조하여 연료 전지의 최소 단위인 단셀을 형성하고, 가스 유로용 홈의 패턴의 차이가 특성에 어떤 영향을 미치는지 시험한 결과에 대하여 설명한다. 시험예는, 후술하는 실시예 1, 실시예 2 및 비교예에 대하여, 「전류 밀도와 전압의 관계」를 측정하고(시험예 1), 「전류 밀도와 캐소드 가스의 압력의 관계」를 측정하고(시험예 2), 「전류 밀도 분포」를 측정함(시험예 3)으로써 행하였다. 이들 시험은 실시예 1, 실시예 2 및 비교예에 대한 시험 결과를 비교하는 것이기 때문에, 「비교 시험」이라고 할 수도 있다.
먼저, 시험예에서 제조한 단셀에 대하여 설명한다. 단셀로서는, 실시예 1에 관한 단셀(이하, 단순히 「실시예 1」이라고 한다.), 실시예 2에 관한 단셀(이하, 단순히 「실시예 2」라고 한다) 및 비교예에 관한 단셀(이하, 단순히 「비교예」라고 한다)의 3종류를 제조하여 시험을 행하였다. 단셀로서는, 캐소드 가스용의 연료 전지용 세퍼레이터(타입 C의 세퍼레이터)와 애노드 가스용의 연료 전지용 세퍼레이터(타입 A의 세퍼레이터)로 막 전극 접합체를 끼워 넣은 것(도시하지 않음.)을 사용했다. 실시예 1의 캐소드 가스용의 연료 전지용 가스 공급 확산층에 있어서는, 가스 유로용 홈의 형상을 실시 형태 5에 나타내는 것(도 18 참조.)으로 했다. 실시예 2의 캐소드 가스용의 연료 전지용 가스 공급 확산층에 있어서는, 가스 유로용 홈의 형상을 실시 형태 8에 나타내는 것(도 21 참조.)으로 했다. 비교예의 캐소드 가스용의 연료 전지용 가스 공급 확산층에 있어서는, 가스 유로용 홈의 형상을 도 22에 나타내는 것으로 했다.
도 22는, 비교예에 있어서의 연료 전지용 세퍼레이터(23I)의 평면도이다. 도 22의 (a)는 가스 유로용 홈을 모두 표시하는 도면이고, 도 22의 (b)는 가스 유로용 홈 중 가스 유입측 홈(53o) 및 가스 유출측 홈(54m)만을 표시하는 도면(중계용 홈(55q 내지 55t) 및 연통 홈(56f, 56g)을 표시하지 않는 도면)이다. 비교예의 캐소드 가스용의 연료 전지용 가스 공급 확산층에 있어서는, 가스 유로용 홈의 형상을 연료 전지용 세퍼레이터(23I)의 연료 전지용 가스 공급 확산층(42I)에 형성된 것(도 22 참조)으로 했다. 연료 전지용 가스 공급 확산층(42I)에 있어서는, 가스 유입측 홈(53o) 및 가스 유출측 홈(54m)으로서, 각각 동일한 길이의 홈을 사용했다. 중계용 홈(55q 내지 55t) 중 중계용 홈(55q, 55r)은, 폭 방향으로(x방향으로) 연통되어 있는 연통 홈(56f)에 의해 연통되어 있고, 중계용 홈(55s, 55t)은, 연통 홈(56g)에 의해 연통되어 있다.
도 23은, 시험예(실시예 1, 실시예 2 및 비교예)에서 사용한 애노드 가스용의 연료 전지용 세퍼레이터(22A)의 평면도이다. 실시예 1, 실시예 2 및 비교예에 있어서의 애노드 가스용의 연료 전지용 가스 공급 확산층은, 도 23에 나타낸 연료 전지용 세퍼레이터(22A)에 기재된 연료 전지용 가스 공급 확산층(41A)을 사용했다. 연료 전지용 가스 공급 확산층(41A)에 있어서의 가스 유로용 홈의 형상은, 기본적으로는 비교예에 있어서의 연료 전지용 가스 공급 확산층(42I)에 있어서의 가스 유로용 홈의 형상과 마찬가지이고, 가스 유입측 홈(53o), 가스 유출측 홈(54m) 및 중계용 홈(55q 내지 55s)이 형성되어 있다. 단, 단셀에 있어서 애노드 가스와 캐소드 가스는 흐르는 방향이 역으로 되기 때문에, 연료 전지용 가스 공급 확산층(41A)에 있어서는, 가스 유로용 홈의 상류 하류가 바뀌어 있다. 또한, 시험예에 있어서는 시험 결과에 영향을 미치는 것은 가스 유로용 홈의 패턴의 차이뿐이기(실시예 1, 실시예 2 및 비교예에 있어서 가스 유로용 홈 이외의 구성 요소는 공통되어 있기) 때문에, 가스 유로용 홈의 패턴 이외에 대해서는 설명을 생략한다.
각 시험예(시험예 1 내지 3)에 있어서는, 발전 조건으로서, 연료 전지의 사용 조건을 고려하여 「드라이 조건, 배압 없음(발전 조건 1)」, 「드라이 조건, 배압 있음(발전 조건 2)」 및 「웨트 조건, 배압 없음(발전 조건 3)」을 채용했다. 시험 시의 단셀의 온도는 80℃로 했다. 캐소드 가스로서는 공기를 사용하고, 애노드 가스로서는 수소 가스를 사용했다. 캐소드 가스 이용률은 40％로 하고, 애노드 가스 이용률은 70％로 했다. 촉매로서는 백금 촉매(다나카 기킨조쿠 고교제의 TEC10E50E)를 사용하고, 담지량은 양극 모두 약 0.3㎎/㎠로 했다. 고분자막으로서는 머크사의 NAFION(등록 상표) NR211을 포함하는 두께 25㎛의 것을 사용했다. 유효 면적은 29.16㎠(3㎝×9.72㎝)로 했다. 「드라이 조건」에 있어서의 캐소드 가스·애노드 가스의 습도는 30％ RH로 하고, 「웨트 조건」에 있어서의 캐소드 가스·애노드 가스의 습도는 80％ RH로 했다. 「배압 없음」에 있어서의 배압은 0kPaG, 즉 대기압으로 했다. 「배압 있음」에 있어서의 배압은 150kPaG, 즉 대기압에 150kPa을 더한 값으로 했다.
시험예 1 내지 3에 있어서는, 파나소닉 프로덕션 엔지니어링 가부시키가이샤제의 연료 전지 단셀 평가 장치를 사용했다. 그리고, 시험예 1에 있어서의 「전류 밀도와 전압의 관계」의 측정 및 시험예 2에 있어서의 「전류 밀도와 캐소드 가스의 압력의 관계」의 측정은, 전자 부하 장치의 전류값을 변경함으로써 전류 밀도를 점차 증가시키면서 전압 및 캐소드 가스의 입구측의 압력을 측정함으로써 행하였다. 또한, 당해 측정 중, 전류값에 맞춰 반응 가스(애노드 가스 및 캐소드 가스)의 공급량을 조정함으로써, 가스 이용률을 일정하게 했다.
시험예 3에 있어서는, S++사제의 전류 밀도 분포 센서 Current scan lin을 병용했다. 그리고, 시험예 3에 있어서의 「전류 밀도 분포」의 측정은, 단셀에 있어서 발전이 이루어지는 영역을 20행 6열로 구분하여 구분마다 전류 밀도를 측정함으로써 행하였다. 당해 측정은, 평균 전류 밀도가 일정해지는 조건에서 행하였다. 도 24는, 시험예 3에 있어서 전류 밀도 분포를 계측할 때에 있어서의 영역의 구분을 설명하기 위해 나타내는 도면이다. 도 24에 나타내는 세퍼레이터 S는, 단셀에 사용한 타입 C의 세퍼레이터에 공통되는 구성을 나타내는 것(가스 유로용 홈의 기재를 생략한 것)이다. 도 24의 가스 공급 확산층(42) 상의 우측으로부터 3열째에 나타내는 숫자는, 구분한 영역에 가스의 유입측으로부터 유출측을 향해 영역 번호를 붙인 것이다. 당해 영역 번호의 숫자는, 후술하는 도 27의 그래프의 횡축(영역 번호)의 숫자에 대응한다.
다음으로, 시험의 결과에 대하여 설명한다. 도 25는, 시험예 1의 결과(가스 유로용 홈의 패턴과 발전 특성의 관계)를 나타내는 그래프, 직접적으로는 실시예 1, 실시예 2 및 비교예에 있어서의 전류 밀도와 전압의 관계(소위 I-V 성능)를 나타내는 그래프이다. 도 26은, 시험예 2의 결과(가스 유로용 홈의 패턴과 연료 전지용 가스 공급 확산층에 있어서의 압력 손실의 관계)를 나타내는 그래프, 직접적으로는 실시예 1, 실시예 2 및 비교예에 있어서의 전류 밀도와 캐소드 가스의 압력의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 27은, 시험예 3의 결과(가스 유로용 홈의 패턴과 연료 전지용 가스 공급 확산층에 있어서의 전류 밀도 분포의 관계)를 나타내는 그래프, 직접적으로는 실시예 1, 실시예 2 및 비교예에 있어서의 전류 밀도 분포를 나타내는 그래프이다. 도 25의 (a), 도 26의 (a) 및 도 27의 (a)는 발전 조건 1에 대한 그래프이고, 도 25의 (b), 도 26의 (b) 및 도 27의 (b)는 발전 조건 2에 대한 그래프이고, 도 25의 (c), 도 26의 (c) 및 도 27의 (c)는 발전 조건(3)에 대한 그래프이다. 또한, 도 27의 (a), 도 27의 (b) 및 도 27의 (c)에 있어서는, 실시예 1, 실시예 2 및 비교예의 문자의 뒤에 「평균 전류 밀도의 전류를 흐르게 했을 때 얻어지는 출력 전압」의 값을 기재하고 있다. 또한, 각 그래프에 있어서는, 실시예 1의 결과를 파선으로, 실시예 2의 결과를 일점 쇄선으로, 비교예의 결과를 실선으로, 각각 기재하고 있다.
또한, 발전 조건 1에 있어서는, 전류 밀도를 증가시키면 얻어지는 전압이 급격하게 저하되어 유의미한 결과가 얻어지지 않게 되었기 때문에, 도 25 및 도 26에 나타낸 바와 같이, 전류 밀도와 전압의 관계에 대한 측정을 0.6 내지 0.8A/㎠에서 중단했다. 또한, 이 결과, 도 27에 있어서는, 발전 조건 1의 경우만, 설정 평균 전류 밀도를 0.6A/㎠로 한 조건에서 전류 밀도 분포의 측정을 행하였다.
1. 시험예 1의 결과
시험예 1의 결과, 어느 발전 조건의 경우에도, 어느 전류 밀도로 비교해도 실시예 1 및 실시예 2의 경우에는 비교예의 경우보다도 높은 전압이 얻어져, 발전 효율이 높아지는 것을 알 수 있었다(도 25 참조.).
2. 시험예 2의 결과
시험예 2의 결과, 어느 발전 조건의 경우에도, 동일한 전류 밀도가 얻어질 때 발생하는 캐소드 가스의 연료 전지용 가스 공급 확산층 내에 있어서의 압력 손실이, 시험예 1 및 시험예 2의 경우에는 비교예의 경우보다도 낮아지는 것을 알 수 있었다(도 26 참조.).
이들 결과는, 실시예 1 및 실시예 2의 경우에는 비교예의 경우보다도 발전 효율을 높게 할 수 있는 것을 의미하고 있다.
3. 시험예 3의 결과
먼저, 평균 전류 밀도(Jm)란, 도 24의 영역 1 내지 20을 포함하는 각 구획 (i)에서 얻어지는 개별의 전류 밀도 (Ji)의 합계를 전체 구획의 면적으로 제산한 값이다. 이들 구획 내에 있어서, 촉매의 유효 이용률로 결정되는 활성화 과전압(Ea), 연료 전지용 가스 공급 확산층 내의 가스 공급/배출능으로 결정되는 가스 확산 과전압(Ed), 전극 내의 전자 및 이온의 도전성으로 결정되는 저항 과전압(Er)의 각각이 작을수록, 큰 전류 밀도값이 얻어진다. 어느 구획이 관여하여 얻어지는 전압(Ei)과 이론적으로 가능한 전지 전압(Et)의 관계는, 「Ei=Et-Ea-Ed-Er」이라는 식으로 구해진다.
촉매층 및 연료 전지용 가스 공급 확산층은 전자 도전성이기 때문에, 개별의 구획이 관여하여 얻어지는 전압(Ei)은 전극 전체적으로 계측되는 전위(E(도 25에서 나타나는 전압(V)과 실질적으로 일치))와 동일값을 나타낸다. 따라서, 본 발명의 연료 전지용 가스 공급 확산층에 있어서의 가스 유로용 홈의 패턴을 적용하여 반응 가스의 공급/배출능을 개선할 수 있으면, 활성화 과전압(Ea) 및 가스 확산 과전압(Ed)이 감소하고, 또한 국소에서의 반응 생성수의 배출/전극 내의 균등 분배를 할 수 있으면, 저항 과전압(Er)이 감소하고, 그 결과, 개별의 구획이 관여하여 얻어지는 전압(Ei) 및 전극 전체적으로 계측되는 전위(E)가 증가할 터이다.
먼저, 발전 조건 1의 「드라이 조건, 배압 없음」(도 27의 (a) 참조.)에 있어서는, 0.6A/㎠에서의 전지 출력이 실시예 1에서 0.522×0.6W/㎠, 실시예 2에서 0.551×0.6W/㎠로, 비교예의 0.452×0.6W/㎠와 비교하여 명확하게 높다. 그럼에도, 가스 유입측(영역 번호 1 내지 7)에서는, 어느 경우라도, 동일 정도가 낮은 전류 밀도밖에 얻어지지 않는 것을 알 수 있었다. 이것은, 드라이 조건의 가스를 사용한 점에서 다공질체층(특히 가스 유입측의 영역에 있어서의 다공질체층)이 너무 건조되는 것에 기인하고 있다고 생각된다. 그러나, 실시예 1 및 실시예 2에서는 반응 생성수가 중간 영역(영역 번호 7 내지 16)을 유효하게 가습하는 점에서, 비교예에 비해 고전류 밀도를 초래하고, 상술한 높은 전지 출력을 초래하고 있다. 이렇게 된 이유는, 본 발명에 있어서의 가스 유로용 홈의 패턴에 의한 반응 가스의 공급/배출능을 개선할 수 있었던 점에서 활성화 과전압(Ea) 및 가스 확산 과전압(Ed)이 감소한 것, 그리고 반응 생성수의 배출 및 전극 내의 균등 분배를 할 수 있었던 결과, 저항 과전압(Er)이 감소하고, 개별의 구획이 관여하여 얻어지는 전압(Ei) 및 전극 전체적으로 계측되는 전위(E)의 증가로 이어졌다고 판단된다.
이어서, 발전 조건 2의 「드라이 조건, 배압 있음」(도 27의 (b) 참조.)에 있어서도, 2.0A/㎠에서의 전지 출력이 실시예 1에서 0.519×2W/㎠, 실시예 2에서 0.554×2W/㎠이고, 비교예의 0.436×2W/㎠보다도 높았다. 발전 조건 2에 있어서는, 발전 조건 1에서의 어느 결과보다도 전지 출력의 고출력화를 도모할 수 있었다. 이것은, 배압 부여의 효과에 의해 발전량 그 자체가 증대됨과 함께, 발전으로 생성되는 수분량이 증대되는 결과, 다공질체층의 건조가 억제되어 전지 출력이 높아지기 때문이다. 또한, 발전 조건 2에 있어서의 실시예 1 및 실시예 2의 전류 밀도 분포는, 발전 조건 2에 있어서의 비교예의 전류 밀도 분포, 그리고 발전 조건 1에 있어서의 실시예 1, 실시예 2 및 비교예의 전류 밀도 분포에 비해, 발전 영역이 가스 유입측(영역 번호 1 내지 10)에 명확하게 시프트되어 있다. 실시예 1 및 실시예 2의 경우에는, 특히 상대적으로 짧은 길이를 갖는 가스 유입측 홈의 작용에 의해, 가스 유입측의 영역에서의 발전에서 생성되는 수분이 많아지고, 이 영역에서의 다공질체층의 건조가 한층 더 억제되어, 활성화 과전압(Ea) 및 가스 확산 과전압(Ed)의 감소에 의해, 전극 전체적으로 한층 높은 전지 출력이 얻어졌다고 생각된다.
다음으로, 발전 조건(3)의 「웨트 조건, 배압 없음」(도 27의 (c) 참조.)에 있어서도, 실시예 1, 실시예 2 및 비교예의 어느 경우에도, 발전 조건 1의 경우보다도 전지 출력을 높게 할 수 있는 것을 알 수 있었다. 이 결과는, 웨트 조건을 채용한 효과에 의해 가스 유입측(영역 번호 1 내지 10)의 다공질체층의 건조가 억제되고, 이들 영역의 전류 밀도가 증대됨으로써, 전지 출력이 높아지는 것에 기인하는 것을 알 수 있었다. 비교예에 비해, 실시예 1 및 실시예 2에 있어서는, 그 가스 유로용 홈의 패턴에 의해, 전극 전체면으로의 가스 공급 및 가습의 효과가 확대되었기 때문에, 각 구획의 전위(Ei)가 개선되고, 따라서 전극 전위(E)도 개선되어, 전지 출력 향상이 초래되었다.
[변형예 1 내지 4]
본 발명에 있어서의 복수의 가스 유로용 홈의 패턴은, 상기한 각 실시 형태에서 설명한 것에 한정되지 않는다. 도 28은, 변형예 1에 관한 연료 전지용 세퍼레이터(23J)의 평면도이다. 도 29는, 변형예 2에 관한 연료 전지용 세퍼레이터(23K)의 평면도이다. 도 30은, 변형예 3에 관한 연료 전지용 세퍼레이터(23L)의 평면도이다. 도 31은, 변형예 4에 관한 연료 전지용 세퍼레이터(23M)의 평면도이다.
변형예 1에 관한 연료 전지용 세퍼레이터(23J)의 연료 전지용 가스 공급 확산층(42J)에 있어서는, 다른 길이를 갖는 2종 이상의(이 경우 2종의) 가스 유입측 홈(53p, 53q)이 형성되어 있고, 이 중 긴 2개의 가스 유입측 홈(53q)이 연료 전지용 가스 공급 확산층(42J)의 x방향 전체에 걸쳐서 형성되어 있는 연통 홈(56f)과 연통되어 있다(도 28 참조.). 연통 홈(56f)은, 가스의 흐름의 방향을 따라 형성되어 있는 추가의 홈(53r, 53s)과 연통되어 있다. 또한, 변형예 1에 관한 연료 전지용 가스 공급 확산층(42J)에 있어서는 가스 유출측 홈(54m)은 모두 동일한 길이이지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않고, 가스 유출측 홈(54m)과는 길이가 다른 가스 유출측 홈을 갖고 있어도 된다.
변형예 2에 관한 연료 전지용 세퍼레이터(23K)의 연료 전지용 가스 공급 확산층(42K)에 있어서는, 다른 길이를 갖는 2종 이상의(이 경우 2종의) 가스 유입측 홈(53t, 53u)이 형성되어 있고, 이 중 긴 2개의 가스 유입측 홈(53u)이 연료 전지용 가스 공급 확산층(42K)을 3개의 영역으로 구분하는 구성으로 되어 있다(도 29 참조.). 중계용 홈(55u) 등의 중계용 홈은, 가스 유입측 홈(53u)에 의해 구분된 영역에 각각 형성되어 있는 연통 홈(56g 내지 56i) 등의 연통 홈과 연통되어 있다. 또한, 변형예 2에 관한 연료 전지용 가스 공급 확산층(42K)에 있어서는 가스 유출측 홈(54n)은 모두 동일한 길이이지만, 가스 유출측 홈(54n)과는 길이가 다른 가스 유출측 홈을 갖고 있어도 된다.
변형예 3에 관한 연료 전지용 세퍼레이터(23L)의 연료 전지용 가스 공급 확산층(42L)에 있어서는, 단순히 길이가 다른 홈이 형성되어 있을뿐만 아니라, 가스 유입측 홈(53v), 가스 유출측 홈(54o) 및 중계용 홈(55v)과 같은 다단계에 걸쳐서 분기 또는 합류하는 홈이 형성되어 있다(도 30 참조). 도 30에 있어서는, 다단계에 걸치는 분기나 합류의 예시로서, 가스 유입측 홈(53v)이 분기되는 장소를, 부호V를 붙인 파선으로 둘러싸서 강조하고 있다.
변형예 4에 관한 연료 전지용 세퍼레이터(23M)의 연료 전지용 가스 공급 확산층(42M)에 있어서는, 복수의 가스 유로용 홈의 기본적인 패턴은, 기본적으로는 실시 형태 1에 관한 연료 전지용 세퍼레이터(23A)의 연료 전지용 가스 공급 확산층(42A)과 마찬가지이다. 그러나, 변형예 4에 있어서의 가스 유입용 홈(53w, 53x), 가스 유출용 홈(54q, 54r) 및 중계용 홈(55x 내지 55z)은, 각각 지그재그 형상으로 형성되어 있다. 또한, 본 발명에 있어서는, 가스 유로용 홈은, 웨이브 형상이나 원호 형상으로 형성되어 있어도 된다. 또한, 본 발명에 있어서는, 가스 유로용 홈은, 폭이 변화되는 형상이어도 된다. 즉, 본 발명에 있어서는, 가스 유로용 홈은 직선 형상 이외의 형상으로 형성되어 있어도 된다. 이와 같이, 본 발명에 있어서의 복수의 가스 유로용 홈의 패턴은, 본 발명의 효과를 손상시키는 형태가 아니면, 개개의 사정 등에 따라 임의의 형상으로 형성할 수 있다.
[변형예 5]
상기한 각 실시 형태에 있어서는, 막 전극 접합체로서, 연료 전지용 가스 공급 확산층과 거의 동일한 면적의 촉매층(85)을 갖는 막 전극 접합체(81)를 사용했지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니다. 막 전극 접합체로서, 연료 전지용 가스 공급 확산층보다도 작은 면적의 촉매층(85)을 갖는 막 전극 접합체를 사용해도 된다.
[변형예 6]
상기한 각 실시 형태에 있어서는, 가스 유로용 홈으로서, 다공질체층(40)(또는 가스 유로용 홈)의 표면의 가스 유로용 홈의 폭과, 가스 유로용 홈의 바닥의 가스 유로용 홈의 폭이 동등하고, 단면이 직사각 형상인 가스 유로용 홈을 사용했지만(도 5 및 도 8 참조.), 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니다. 홈의 바닥이 표면보다도 좁은 단면 삼각 형상의 가스 유로용 홈이어도 되고, 홈의 바닥이 표면보다도 좁은 단면 반원 형상의 가스 유로용 홈이어도 되고, 그밖의 형상의 가스 유로용 홈이어도 된다.
[변형예 7]
상기한 각 실시 형태에 있어서는, 가스 확산층으로서, 한쪽의 면에 가스 유로용 홈이 형성된 다공질체층(40)을 구비하는 연료 전지용 가스 공급 확산층을 사용했지만(도 4 참조.), 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 한쪽의 면에 가스 유로용 홈이 형성된 다공질체층(40)과, 당해 다공질체층(40)의 다른 쪽의 면에 배치된 마이크로포러스 레이어를 구비하는 연료 전지용 가스 공급 확산층을 사용할 수도 있다. 이러한 구성으로 한 경우에는, 마이크로포러스 레이어를 구비하지 않는 막 전극 접합체를 사용하여 세퍼레이터를 구성할 수 있게 된다.
[변형예 8]
상기한 각 실시 형태에 있어서는, 가스 차폐판으로서 금속판(30)을 사용했지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니다. 금속판(30) 이외의, 가스를 차폐하는 성질을 가진 재료를 포함하는 판(예를 들어, 도전성의 미립자 및 수지를 포함하는 도전성 복합 소재판이나, 집전 시트와 조합한 세라믹스판 또는 수지판)을 사용할 수도 있다.
또한, 각 변형예에 기재된 특징은, 본 발명의 가스 확산층, 세퍼레이터 및 전기 화학 반응 장치의 전반에 적용 가능하다. 예를 들어, 각 변형예에 기재된 특징은, 타입 CA의 연료 전지용 세퍼레이터(21), 타입 CW의 연료 전지용 세퍼레이터(24), 타입 A의 연료 전지용 세퍼레이터(22), 타입 AW의 연료 전지용 세퍼레이터(25), 이들 연료 전지용 가스 공급 확산층을 구비한 연료 전지용 세퍼레이터 및 연료 전지 셀 스택에도 적용 가능하다.
[변형예 9]
본 발명의 가스 확산층, 세퍼레이터 및 전기 화학 반응 장치는, 전기 분해를 위해 사용할 수도 있다.
이상, 본 발명의 가스 확산층, 세퍼레이터 및 전기 화학 반응 장치를, 도시의 실시 형태에 기초하여 설명했지만, 본 발명은 상기한 각 실시 형태에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 다양한 변형 실시 가능해지는 것이다.
20: 연료 전지 셀 스택
21, 22, 22A, 23A 내지 23L, 24, 25: 연료 전지용 세퍼레이터
27A, 27B: 집전판
28A, 28B: 절연 시트
30: 금속판
32: 치밀 프레임
33: 가스킷
40: 다공질체층
41, 41A, 42, 42A 내지 42L: 연료 전지용 가스 공급 확산층
43: 가스 확산층
51: 가스 유입측 단차
52: 가스 유출측 단차
53: 가스 유로용 홈
53a 내지 53q, 53t 내지 53x: 가스 유입측 홈
53r, 53s: 추가의 홈
54a 내지 54q: 가스 유출측 홈
55a 내지 55z: 중계용 홈
56a 내지 56i: 연통 홈
57: 유입 통로
58: 유출 통로
61in: 애노드 가스 유입구
61out: 애노드 가스 유출구
62in: 캐소드 가스 유입구
62out: 캐소드 가스 유출구
63in: 냉각수 유입구
63out: 냉각수 유출구
71in: 애노드 가스 공급구
71out: 애노드 가스 배출구
72in: 캐소드 가스 공급구
72out: 캐소드 가스 배출구
73in: 냉각수 공급구
73out: 냉각수 배출구
75, 76: 엔드 플레이트
81: 막 전극 접합체
81A: 프레임
82: 전해질막
83: 마이크로포러스 레이어
85: 촉매층

Claims (19)

  1. 가스의 투과 및 확산이 가능하고, 또한 도전성을 갖는 시트 형상의 다공질체층과,
    상기 다공질체층의 한쪽의 면에 있어서 상기 가스의 유입측으로부터 유출측을 향해 형성된 복수의 가스 유로용 홈을 갖는 가스 확산층이며,
    상기 복수의 가스 유로용 홈은, 상기 가스의 유입측에 형성된 복수의 가스 유입측 홈과, 상기 가스의 유출측에 형성된 복수의 가스 유출측 홈을 포함하고,
    상기 복수의 가스 유입측 홈은, 다른 길이를 갖는 2종 이상의 가스 유입측 홈을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 확산층.
  2. 제1항에 있어서, 인접하는 4개의 상기 가스 유입측 홈 중 적어도 1개의 상기 가스 유입측 홈은, 다른 상기 가스 유입측 홈과는 다른 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 가스 확산층.
  3. 제2항에 있어서, 인접하는 2개의 상기 가스 유입측 홈은, 다른 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 가스 확산층.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 가스 유입측 홈 중 가장 짧은 길이를 갖는 가스 유입측 홈은, 상기 다공질체층의 상기 가스의 유입측으로부터 유출측을 따른 길이의 30％ 미만의 길이를 갖고, 상기 복수의 가스 유입측 홈 중 가장 긴 길이를 갖는 가스 유입측 홈은, 상기 다공질체층의 상기 가스의 유입측으로부터 유출측을 따른 길이의 40％ 이상의 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 가스 확산층.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 가스 유출측 홈은, 다른 길이를 갖는 2종 이상의 가스 유출측 홈을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 확산층.
  6. 제5항에 있어서, 인접하는 4개의 상기 가스 유출측 홈 중 적어도 1개의 상기 가스 유출측 홈은, 다른 상기 가스 유출측 홈과는 다른 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 가스 확산층.
  7. 제6항에 있어서, 인접하는 2개의 상기 가스 유출측 홈은, 다른 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 가스 확산층.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 가스 유입측 홈 중 가장 짧은 길이를 갖는 가스 유입측 홈은, 상기 다공질체층의 상기 가스의 유입측으로부터 유출측을 따른 길이의 30％ 미만의 길이를 갖고, 상기 복수의 가스 유출측 홈 중 가장 긴 길이를 갖는 가스 유출측 홈은, 상기 다공질체층의 상기 가스의 유입측으로부터 유출측을 따른 길이의 30％ 이상의 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 가스 확산층.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 가스 유로용 홈은, 상기 복수의 가스 유입측 홈 및 상기 복수의 가스 유출측 홈에 더하여, 상기 가스 유입측 홈과 상기 가스 유출측 홈 사이에 형성된 복수의 중계용 홈을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 확산층.
  10. 제9항에 있어서, 상기 복수의 중계용 홈은, 상기 가스의 유입측으로부터 유출측을 향하는 방향과는 수직인 방향을 따라 연통되어 있는 것을 특징으로 하는 가스 확산층.
  11. 제9항에 있어서, 상기 복수의 중계용 홈으로서, 상기 인접하는 2개의 중계용 홈이 연통되도록 형성된 중계용 홈의 페어가 상기 가스의 유입측으로부터 유출측을 향하는 방향과는 수직인 방향을 따라 형성되어 있는 복수의 중계용 홈을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 확산층.
  12. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 가스 유입측 홈, 상기 복수의 가스 유출측 홈 및 상기 복수의 중계용 홈은, 서로 파고들도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 가스 확산층.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 가스 유로용 홈의 전부 또는 일부는, 「1개의 홈으로부터 2개의 홈으로의 분기 개소」 또는 「2개의 홈으로부터 1개의 홈으로의 합류 개소」를 갖는 것을 특징으로 하는 가스 확산층.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가스 확산층을 평면으로 보았을 때, 상기 다공질체층 전체의 면적에 대한 상기 가스 유로용 홈 형성 영역의 면적 비율은, 30％ 내지 80％의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 가스 확산층.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 연료 전지용 가스 공급 확산층인 것을 특징으로 하는 가스 확산층.
  16. 제15항에 있어서, 캐소드 가스용의 연료 전지용 가스 공급 확산층인 것을 특징으로 하는 가스 확산층.
  17. 가스 차폐판과,
    상기 가스 차폐판의 적어도 한쪽의 면에 배치된 가스 확산층을 구비하는 세퍼레이터이며,
    상기 가스 확산층은, 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 기재된 가스 확산층이고, 상기 복수의 가스 유로용 홈이 상기 가스 차폐판측에 위치하도록 상기 가스 차폐판에 대하여 배치되어 있고,
    상기 가스 유로용 홈과 상기 가스 차폐판으로 가스 유로가 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 세퍼레이터.
  18. 세퍼레이터와, 막 전극 접합체가 적층되어 이루어지는 전기 화학 반응 장치이며,
    상기 세퍼레이터는, 제17항에 기재된 세퍼레이터이고,
    상기 세퍼레이터와 상기 막 전극 접합체는, 상기 가스 확산층의 상기 복수의 가스 유로용 홈이 형성되어 있지 않은 측의 면에 상기 막 전극 접합체가 위치하는 위치 관계로 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 전기 화학 반응 장치.
  19. 제18항에 있어서, 연료 전지 셀 스택인 것을 특징으로 하는 전기 화학 반응 장치.
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