KR100488254B1 - 고분자 전해질형 연료전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 복수의 도전성 세퍼레이터판 및 그 세퍼레이터판의 사이에 삽입된 MEA(전해질막-전극접합체)를 포함하는 전지 스택을 구비한 연료전지에 관한 것으로, 특히 세퍼레이터판의 개량에 관한 것이다. 종래에는, 각 세퍼레이터판의 표리 양 주면에, 각각 연료가스유통 홈과 산화제가스유통 홈이 양 가스유통 홈끼리가 대응하는 위치에 형성되어 있었다. 그 때문에, 연료전지를 소형화하고자 하면, 각 세퍼레이터판의, 양 가스유통 홈에 끼워진 홈 바닥부가 얇게 변하고, 그 결과, 그 얇은 부분의 파손에 의한 가스누출, 얇은 부분의 성형을 하기 어려운 등의 문제가 있었다. 본 발명은 각 세퍼레이터판의, 한쪽의 주면상의 가스유통 홈과 다른쪽의 주면상의 리브를 위치적으로 대응시킴으로써, 세퍼레이터판의 박막의 부분을 극력 피하는 것을 가능하게 하고, 그에 따라, 상기 문제를 해결하였다.
Description
본 발명은 고분자 전해질형 연료전지에 관한 것으로, 특히 그 구성요소인 도전성 세퍼레이터판의 개량에 관한 것이다.
고분자 전해질막형 연료전지는 수소를 함유한 연료가스와, 공기 등의 산소를 함유한 산화제가스를, 전기화학적으로 반응시킴으로써, 전력과 열을 동시에 발생시켜, 이 전력을 뽑아내는 것을 기본원리로 하고 있다. 이 연료전지는 기본적으로는 수소이온을 선택적으로 수송하는 고분자 전해질막 및 그 양면에 형성된 한 쌍의 전극, 즉 애노드와 캐소드로 이루어진다. 전극은 백금족 금속촉매를 담지한 카본분말을 주성분으로 하는 촉매층, 및 이 촉매층의 바깥면에 형성된, 통풍성과 전자도전성을 함께 가진 가스확산층으로 구성된다.
공급하는 연료가스 및 산화제가스가 외부로 누출하거나, 2종류의 가스가 서로 혼합하거나 하지 않도록, 전극의 주위에는, 고분자 전해질막을 끼워 가스시일재나 가스켓이 배치된다. 이 시일재나 가스켓은 전극 및 고분자 전해질막과 일체화하여 미리 조립된다. 이것을 MEA(전해질-전극접합체)라고 한다. MEA의 바깥쪽에는 이것을 기계적으로 고정함과 동시에, 인접한 MEA를 서로 전기적으로 직렬로 접속하기 위한 도전성의 세퍼레이터판이 배치된다. 세퍼레이터판의 MEA와 접촉하는 부분에는, 전극면에 반응가스를 공급함과 동시에, 생성가스나 잉여가스를 운반하기 위한 가스유로가 형성된다. 가스유로는 세퍼레이터판과 별도로 설치할 수도 있지만, 세퍼레이터판의 표리(表裏) 양 주면(主面)에 복수의 홈을 형성하여, 그것을 가스유통 홈으로 하는 방식이 일반적이다. 또, 동일 주면상에서 인접한 홈의 사이의 제방의 형상을 가진 것을 리브라고 한다. 이러한 세퍼레이터판의 한 쌍과 그에 끼워지는 MEA로 하나의 전지, 즉 셀이 구성된다.
세퍼레이터판의 표리 양 주면의 한쪽 주면의 가스유통 홈에 연료가스를 공급함과 동시에 잉여가스 등을 배출하고, 다른쪽 주면의 가스유통 홈에 산화제가스를 공급함과 동시에 마찬가지로 잉여가스 등을 배출하기 위해서는 세퍼레이터판에 관통구멍을 2개 형성하여, 가스유통 홈의 출입구를 각각 이들의 관통구멍까지 통과시켜, 한쪽의 관통구멍으로부터 직접 반응가스를 각 가스유통 홈에 분기하면서 공급하고, 다른쪽의 관통구멍으로부터 각 가스를 배출하는 것이 일반적인 방법이다. 이 각 가스유통 홈에 반응가스를 공급하고, 또한 각 가스유통 홈으로부터 잉여가스 등을 배출하기 위한 관통구멍을 매니폴드구멍이라고 한다. 이러한, 가스공급·배출방법을 내부 매니폴드방식이라고 한다.
이 내부 매니폴드 방식 이외에, 외부 매니폴드방식이라고 하는 방법이 있다. 외부 매니폴드 방식이란, 반응가스를 공급하기 위한 배관을 사용하는 세퍼레이터판의 매수로 분기하고, 그 분기되는 끝을 매니폴드라고 하는 배관치구를 사용하여, 직접 세퍼레이터판의 홈에 이어 넣도록 구성하는 방식이다.
또한, 연료전지는 운전중에 발열하기 때문에, 통상은 전지를 냉각매체로 냉각한다. 통상, 1∼3셀마다, 냉각매체가 흐르는 냉각부가 설치된다. 그 경우, 한쪽 주면에 반응가스유통 홈을 가지며, 다른쪽 주면에 냉각매체유로를 가진 세퍼레이터판 2장을, 그 다른쪽의 주면끼리, 즉 냉각매체유로를 가진 면끼리 접하도록 조합하여, 냉각부로 하는 경우가 많다.
이들 MEA와 세퍼레이터판 및 필요에 따라 냉각부를 교대로 겹쳐 나가며, 10∼200셀을 적층한다. 그 적층체를 전지 스택이라고 한다. 이 전지스택을, 집전판과 절연판을 통해 끝단판으로 끼워, 전지스택에 압력을 가하도록 양 끝단판을 체결 볼트로 체결하여 고정된 것이 일반적인 셀적층방식의 연료전지의 구조이다.
이러한 연료전지에 있어서, 종래기술에서는(예를 들면, 일본특허공개2000-133291), 각 세퍼레이터판에 있어서, 그 표리 양 주면중의 한쪽 주면의 가스유통 홈과 다른쪽 주면의 가스유로를, 즉 한쪽 주면의 리브와 다른쪽 주면의 리브를, 서로 대응하는 위치에 형성하는 것이 상식으로 되어 있었다. 그리고, 전지 스택의 일끝단으로부터 다른 끝단까지, 모든 세퍼레이터판의 리브부분이 단순히 얼라인하고, 또한 따라서, 세퍼레이터판의 모든 가스유통홈 부분이 단순히 얼라인하도록 세퍼레이터판을 적층하여, 전지 스택을 고정하기 위한 체결력을 그 리브를 통해서 전달하는 구조로 하는 것이 상식으로 되어 있었다.
그러나, 이러한 종래의 연료전지의 경우는, 각 세퍼레이터판의 표리 양 주면상의 양 가스유통 홈으로 끼워진 유통홈의 바닥부가 세퍼레이터판의 가장 얇은 부분이 된다. 그 결과, 전지 스택제조시의 체결 볼트에 의한 압력, 혹은 제조후의 연료전지 사용시에 연료전지에 가해지는 압력 등에 의해, 홈 바닥부에 균열이나 파손이 발생하여, 그 부분에서 가스 누출이 생길 가능성이 높았다. 또한, 바꾸어 말하면, 근래, 연료전지의 박형화의 요청이 강하지만, 종래의, 홈 바닥부에 가장 얇은 부분을 가진 세퍼레이터판의 단순한 적층이라는 방법에서는, 홈 바닥부의 강도의 한계에 의해, 박형화의 한계가 있었다.
더욱이, 저 비용화를 위해, 세퍼레이터판을 틀을 사용한 압축성형이나 사출성형으로 제조하는 경우, 세퍼레이터용의 재료가 틀내의 상기 얇은 부분의 대응부분으로는 유입하기 어렵다. 그 때문에 제조가 곤란하다고 하는 문제도 있었다.
[발명의 개시]
본 발명은 도전성 세퍼레이터판을 개량하여, 그 기계적 강도를 높이는 것에 의해, 가스 누출의 발생을 억제하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 고분자 전해질형 연료전지는, 복수의 도전성 세퍼레이터판 및 상기 도전성 세퍼레이터판의 사이에 삽입된 MEA를 포함한 전지 스택을 구비하여, 그 MEA가 수소이온 전도성 고분자 전해질막, 및 상기 수소이온 전도성 고분자 전해질막을 끼운 애노드 및 캐소드를 구비하여, 상기 각 도전성세퍼레이터판이 한쪽의 주면에 상기 애노드에 연료가스를 공급·배출하는 복수의 병행한 가스유통 홈을 가지며, 다른쪽의 주면에 상기 캐소드에 산화제가스를 공급·배출하는 복수의 병행한 가스유통 홈을 가진 고분자 전해질형 연료전지로서, 상기 각 도전성 세퍼레이터판의 양 가스유통 홈은 한쪽의 주면의 가스유통 홈이 다른쪽의 주면의 가스유통 홈 사이의 리브에 대응하도록 배치되어 있다.
상기 MEA의 애노드에 연료가스를 공급·배출하는 가스유통 홈과, 동일한 MEA의 캐소드에 산화제가스를 공급·배출하는 가스유통 홈이 대응하는 위치에 있는 것이 바람직하다. 이 홈-MEA-홈 대응의 경우, 실질적으로 모든 상기 도전성 세퍼레이터판이 동일형상을 가지며, 인접한 도전성 세퍼레이터판이 교대로, 각 도전성 세퍼레이터판의 주면상에서 180도회전하여 배치되어 있는 것이 바람직하다.
상기 MEA의 애노드에 연료가스를 공급·배출하는 가스유통 홈과, 동일한 MEA의 캐소드에 산화제가스를 공급·배출하는 가스유통 홈 사이의 리브가 대응하는 위치에 있는 것이, 전지 스택의 제조의 용이함을 유지한다고 하는 관점에서 바람직하다. 이 홈-MEA-리브 대응의 경우, 실질적으로 모든 상기 도전성 세퍼레이터판이 동일형상을 가지며, 인접한 도전성 세퍼레이터판이 각 도전성 세퍼레이터판의 주면상에서 동일방향에 배치되어 있는 것이 바람직하다. 또한, 이 홈-MEA-리브 대응의 경우, 상기 각 도전성 세퍼레이터판의, 상기 한쪽의 주면의 상기 가스유통 홈 사이의 리브의 폭, 및 상기 다른쪽의 주면의 상기 리브의 폭이 각각 상기 한쪽의 주면의 상기 가스유통 홈의 폭, 및 상기 다른쪽의 주면의 상기 가스유통 홈의 폭과 비교하여 크고, 또한 1.4배 이하인 것이 바람직하다. 또한, 이 홈-MEA-리브 대응의 경우, 상기 각 도전성 세퍼레이터판의, 상기 양 가스유통 홈의 바닥면의 폭이 각각 상기 양 가스유통 홈의 표면의 폭과 비교하여 작고, 또한 0.6배 이상인 것이 바람직하다.
또한, 상기 도전성 세퍼레이터판중, 상기 전지 스택의 양 끝단부에 배치한 도전성 세퍼레이터판의 기계적 강도를, 다른 도전성 세퍼레이터판의 기계적 강도보다도 높게 하는 것이 바람직하다. 이 경우, 상기 양 끝단부에 배치한 도전성 세퍼레이터판의 두께를, 다른 도전성 세퍼레이터판의 두께보다 두껍게 하거나, 또는 양 끝단부에 배치한 도전성 세퍼레이터판에, 카본재료 또는 금속재료를 구성요소로 하는 보강부재를 부가하는 것이, 기계적 강도를 간편하게 높인다고 하는 관점에서 바람직하다.
본 발명의 고분자 전해질형 연료전지에 있어서는, 도전성 세퍼레이터판의 두께와 비교한 경우의 도전성 세퍼레이터판내의 가장 얇은 부분의 비교두께를, 종래의 도전성 세퍼레이터판의 경우의 동일 비교두께보다도 두껍게 하는 것에 의해, 종래 문제가 되고 있는 가장 얇은 부분에서의 균열이나 파손을 억제시킴과 동시에, 가장 얇은 부분을 제조하기 쉽게 한다. 그 결과, 연료전지의 기계적 강도를 유지 혹은 더욱 높이면서, 저비용으로 소형화를 가능하게 하는 것이다.
도 1은 본 발명의 실시형태 1의 연료전지의 주요적층구성을 나타내는 개략단면도이고, 부분확대도를 포함한다.
도 2A는 본 발명의 실시형태 1의 연료전지에 사용한 도전성 세퍼레이터판의 캐소드쪽 주면의 평면도이다.
도 2B는 같은 도전성 세퍼레이터판의 애노드쪽 주면의 평면도이다.
도 3은 종래의 도전성 세퍼레이터판 2장으로 MEA를 끼워 이루어지는 적층구성의 일부를 나타내는 개략단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시형태 1의 연료전지에 사용한 도전성 세퍼레이터판 2장으로 MEA를 끼워 이루어지는 적층구성의 일부를 나타내는 개략단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시형태 1의 연료전지에 사용할 수 있는 다른 형태의 도전성 세퍼레이터판 2장을 사용한 적층구성의 일부를 나타내는 개략단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시형태 1 및 2의 연료전지에 사용할 수 있는 전지 스택 양 끝단부용의 도전성 세퍼레이터판의 전지 스택쪽 한 주면의 평면도이다.
도 7은 본 발명의 실시형태 2의 연료전지에 사용한 도전성 세퍼레이터판 2장으로 MEA를 끼워 이루어지는 적층구성의 일부를 나타내는 개략단면도이다.
도 8은 본 발명의 실시형태 2의 연료전지에 사용할 수 있는 다른 형태의 도전성 세퍼레이터판 2장을 사용한 적층구성의 일부를 나타내는 개략단면도이다.
도 9는 실시예 2에서 제작된 6개의 연료전지의 리브폭/홈폭의 비와 평균전압의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 10은 실시예 4 및 그 비교예의 연료전지의 내구시험에 있어서의 평균셀전압의 시간경과에 따른 변화를 나타내는 그래프이다.
[발명을 실시하기 위한 최선의 형태]
본 발명의 특징은 상기한 바와 같이 각 도전성 세퍼레이터판의 표리 양 주면중, 한쪽의 주면의 가스유통 홈이, 다른쪽의 주면의 가스유통 홈 사이의 리브에 대응하도록 배치되어 있는 것이다. 이에 따라, 종래의 도전성 세퍼레이터판의 두께가, 종래의 도전성 세퍼레이터판의 두께와 동일하더라도, 도전성 세퍼레이터판 중의 가장 얇은 부분을 극단적으로 얇게 하지 않고, 가스유통 홈의 필요한 깊이를 확보할 수가 있다. 그 결과, 가장 얇은 부분의 균열이나 파손에 의한 가스 누출을 억제할 수 있다.
또한, 가장 얇은 부분을 어느 정도의 두께로 할 수 있기 때문에, 상술한 압축성형이나 사출성형 등을 할 때의, 세퍼레이터판용의 원재료의 얇은 부분으로의 유입의 악화를 방지할 수 있다. 즉, 본 발명에 의하면, 도전성 세퍼레이터판의 가장 얇은 부분의 필요한 두께를 확보하면서, 도전성 세퍼레이터판의 두께를 얇게 할 수 있어, 소형이고 또한 제조하기 쉬운 연료전지를 제공할 수가 있다.
이러한 도전성 세퍼레이터판을 복수 준비하여, 인접한 도전성 세퍼레이터판 사이에 MEA를 끼워 전지 스택을 만드는 경우, MEA의 애노드에 연료가스를 공급·배출하는 가스유통 홈과, 동일한 MEA의 캐소드에 산화제가스를 공급·배출하는 가스유통 홈이 대응하는 위치, 즉 홈-MEA-홈 대응이 되도록 하면, MEA를 끼워 리브끼리도 대응시킬 수 있기 때문에, 전지 스택에 가해지는 체결압력에 대하여 대항하기 쉽다. 또한, 양 가스의 반응효율도 높게 유지할 수 있다.
이러한 전지 스택구성을 실현하기 위해서는, 인접한 도전성 세퍼레이터판용으로서, 2종류의 형상의 도전성 세퍼레이터판을 만들어, 그것을 복수 준비하여, 차례대로 적층하면 좋다. 또한, 전지 스택의 제조의 용이함, 혹은 저비용화의 관점에서는, 전지 스택의 양 끝단부용이나 냉각부용을 제외하고, 실질적으로 모든 도전성 세퍼레이터판용으로서, 1종류만의 형상의 도전성 세퍼레이터판을 복수 준비하여, 인접한 도전성 세퍼레이터판을, 교대로, 도전성 세퍼레이터판의 주면상에서 180도 회전시켜 배치해 나가는 것에 의해, 홈-MEA-홈 대응을 실현하는 것이 보다 바람직한 방법이다. 그를 위해서는, 각 도전성 세퍼레이터판의 표리 양 주면의 양 가스유통 홈의 패턴을 적절히 설계할 필요가 있다. 그러한 설계의 일례를 후술하는 실시형태 1에 나타낸다. 또한, 이러한 홈-MEA-홈 대응의 구성에 있어서, 각 도전성 세퍼레이터판의, 양 가스유통 홈의 바닥면의 폭이 각각 양 가스유통 홈의 표면의 폭보다 작은 것이 바람직하다. 그것은 홈벽 즉 리브벽이 세퍼레이터판의 내부를 향하여 좁아지는 구조인 것에 의해, 압축성형 혹은 사출성형 등에 의한 세퍼레이터판의 제조상, 틀에서 빠짐이 좋아지기 때문이다.
또한, 마찬가지로, 도전성 세퍼레이터판을 복수 준비하여, 인접한 도전성 세퍼레이터판의 사이에 MEA를 끼워 전지 스택을 만드는 경우, MEA의 애노드에 연료가스를 공급·배출하는 가스유통 홈과, 동일한 MEA의 캐소드에 산화제가스를 공급·배출하는 가스유통 홈사이의 리브가 대응하는 위치, 즉 홈-MEA-리브 대응이 되도록 하면, 실질적으로 모든 도전성 세퍼레이터판용으로서, 1종류만의 형상의 도전성 세퍼레이터판을 복수 준비하고, 인접한 도전성 세퍼레이터판을, 도전성 세퍼레이터판의 주면상에서 동일방향으로 배치해 나갈 수 있어, 전지 스택의 제조의 용이함을 높게 유지할 수 있다.
이 홈-MEA-리브 대응의 경우, MEA를 끼운 2장의 도전성 세퍼레이터판의, 한쪽의 세퍼레이터판의 각 리브의 양 폭 끝단부가, 다른쪽의 세퍼레이터판이 대응하는 2개의 리브의 폭 끝단부와 일부 오버랩하는 관계가 되도록 하는 것이 바람직하다. 그것은 전지 스택의 양 끝단을 체결하여 연료전지를 만들 때의 체결압력을, 그 리브군이 기계적으로 전달함으로써, 그 리브군에 의해서 체결압력에 대항할 수 있기 때문이다. 이러한 이유로부터, 각 도전성 세퍼레이터판의 표리 양 주면의 한쪽의 주면의 가스유통 홈 사이의 리브의 폭, 및 다른쪽의 주면의 리브의 폭이, 각각, 한쪽의 주면의 가스유통 홈의 폭, 및 다른쪽의 주면의 가스유통 홈의 폭보다 큰 것이 바람직하다. 단, 이 리브의 폭/홈의 폭의 비가 1.4보다 커지면, 동일 리브에 의한 MEA 부분의 압착에 의하여, MEA로의 반응가스확산이 악화하고, 얻어지는 전지전압이 저하하기 때문에, 1.4배 이하인 것이 바람직하다.
또한 마찬가지로, 이 홈-MEA-리브 대응의 경우, 각 도전성 세퍼레이터판의, 양 가스유통 홈의 바닥면의 폭이, 각각 양 가스유통 홈의 표면의 폭보다 작은 것이 바람직하다. 그것은 전지스택에 체결압력이 가해진 경우, 도전성 세퍼레이터판중의 크랙발생이 보다 억제되기 때문이다. 단, 이 홈에 있어서의 바닥면의 폭/표면의 폭의 비가 0.6보다 작아지면, 크랙발생의 억제가 그 이상 향상하지 않는 동시에, 가스유통 홈의 단면적이 감소하여, 가스의 압력손실이 증가하므로, 즉 가스의 유효활용이 손상되게 되기 때문에, 홈의 바닥면 폭/홈의 표면폭의 비는 0.6배 이상인 것이 바람직하다.
또, 상기의 기재 및 이하의 실시형태나 실시예에서는, 홈-MEA-홈 대응의 예와, 홈-MEA-리브 대응의 예를, 본 발명을 구현화시키기 위한 대표예 로서 기재하고 있다. 그러나, 각 세퍼레이터판중에서, 표리 양 주면의 한쪽의 주면상의 홈과, 다른쪽의 주면상의 리브가 대응한다고 하는 본 발명의 특징이 발휘되고 있기만 하면, MEA를 끼워 인접한 도전성 세퍼레이터판의 관계는 그들 대표예의 경우에 한정할 필요는 없다. 예를 들면, 본 발명에서는, MEA의 한쪽 전극쪽에 면한 도전성 세퍼레이터판의 홈의 위치와, 동일한 MEA의 다른쪽 전극쪽에 면한 도전성 세퍼레이터판의 홈쪽 면 즉 리브쪽 면이 대응하도록 배치하여도 좋다. 즉, 홈-MEA-홈·리브 중간과 같은 대응관계라도 좋다. 더욱 바꾸어 말하면, MEA를 통해 인접한 2장의 도전성 세퍼레이터판의 서로 마주 보는 홈·리브의 상대적 위치는 필요에 따라, 어긋나게 한 위치로 하여도 좋다.
상기 도전성 세퍼레이터판중에, 전지 스택의 양 끝단부에 배치한 도전성 세퍼레이터판의 기계적 강도를, 다른 도전성 세퍼레이터판, 즉 전지 스택의 중간부분의 도전성 세퍼레이터판의 강도보다도 높게 하는 것이, 전지 스택의 강도를 더욱 높인다고 하는 관점에서 바람직하다. 이에 따라 다음과 같은 문제를 해결한다. 즉, 전지 스택을 체결 로드 등으로 체결할 때에, 도전성 세퍼레이터판의 면내에서 균일한 압력분포가 될 때, 전지 스택의 양 끝단부의 도전성 세퍼레이터판에서는, 집중하중을 받아 버리는 부분의 강도가 부족하여, 그 양 끝단부의 세퍼레이터판 자체가 파손해 버려, 가스 등의 누출이 발생한다고 하는 문제이다. 이 경우, 양 끝단부의 도전성 세퍼레이터판의 두께를, 다른 도전성 세퍼레이터판의 두께보다 두껍게 하거나, 또는 양 끝단부의 도전성 세퍼레이터판에, 카본재료 또는 금속재료를 구성요소로 하는 보강부재를 부가하는 것이, 양 끝단부의 도전성 세퍼레이터판의 기계적 강도를 높이기 위한 간편한 방법으로서 바람직하다.
실시형태 1
본 실시형태 1에서 제작한 고분자 전해질형 연료전지의 주요적층구성을 도 1에 나타낸다. 도 1에서는 적층구성의 일부중간부분을 생략하고 있지만, 생략하고 있는 부분도 도시되어 있는 부분과 같다. 도 1중에서, 번호를 부여한 구성요소를 중심으로 하여 이하에 설명한다. 번호를 부여하지 않는 구성요소도, 도시가 같은 것은, 번호를 부여한 것과 같은 구성요소이다. 한편, 도 1은 개략도로서, 각 구성요소의 치수관계는 반드시 정확하지 않다. 이것은 다른 개략도에 대해서도 동일하다.
먼저, 이 연료전지의 주요부분은, 복수의 도전성 세퍼레이터판과, 인접한 도전성 세퍼레이터판의 사이에 끼워진 MEA(전해질막-전극접합체)를 주구성요소로 하는 전지 스택이고, 도 1에서는, 양 끝단부의 도전성 세퍼레이터판(5ae)에서 (5be)까지의 부분이다. 부분확대도에 번호를 부여하고 있는데, 1은 수소이온을 선택적으로 수송하는 고분자 전해질막이다. 이 고분자전해질막(1)의 양면에, 한 쌍의 전극(2a,2b)이 형성되어 있다. 이 한 쌍의 전극은 한 쪽이 애노드이고 다른쪽이 캐소드이다. 각 전극은 백금족 금속촉매를 담지한 카본분말을 주성분으로 하는 촉매층, 및 이 촉매층의 바깥면에 형성된, 통풍성과 전자도전성을 함께 가진 가스확산층으로 구성된다.
후술하는 방법으로 공급되는 연료가스 및 산화제가스가 외부로 누출하거나, 그 2종류의 가스가 서로 혼합하거나 하지 않도록, 전극(2a,2b)의 주위에는, 고분자 전해질막(1)을 끼워 가스시일재나 가스켓이 배치된다. 도 1에서는, 이들을 대표로 하여 가스켓(3)으로서 도시하고 있다. 이 가스시일재나 가스켓(3)은 전극(2a,2b) 및 고분자 전해질막(1)과 일체화하여 미리 조립된다. 이렇게 해서 일체적으로 조립된 것이 하나의 MEA(4)이다. MEA(4)의 표리 양 주면에는, 이것을 기계적으로 고정함과 동시에, 인접한 MEA를 서로 전기적으로 직렬로 접속하기 위한 도전성 세퍼레이터판(5a,5b)이 배치되어 있다. 도전성 세퍼레이터판(5a,5b)과 MEA(4)로 하나의 전지, 즉 셀이 구성된다.
도전성 세퍼레이터판(5a,5b)의 MEA(4)와 접촉하는 주면에는, 대응하는 전극 (2a,2b)의 전극면에 반응가스, 즉 연료가스 및 산화제가스를 공급함 과 동시에, 생성가스나 잉여가스를 배출하기 위한 복수의 병행한 가스유통 홈(6ar,6bf)이 서로 마주 보도록 형성되어 있다. 또한, 그들 도전성 세퍼레이터판(5a,5b)의 반대쪽의 주면에는, 각각 다음에 인접한 MEA에의 반응가스를 공급·배출하는 가스유통 홈 (6af,6br)이 형성되어 있다. 여기서, 병행한다고 하는 것은, 도 1에 있어서의 끝단면부분에서 지면에 수직으로 신장한다고 하는 의미이지만, 단순히 직선적으로 병행하여 신장하는 경우뿐만 아니라, 예를 들면 후술하는 도 2와 같이, 소위 서펜타인형상으로 구불구불하게 병행하여 신장하더라도 좋다. 인접한 가스유통 홈 (6af)의 사이는 같은 가스유통 홈을 규정하는 리브(7af)이다. 마찬가지로, 인접한 가스유통 홈(6ar,6bf,6br)의 사이는 각각, 그들 가스유통 홈을 규정하는 리브(7ar, 7bf,7br)이다. 따라서, 리브(7af,7ar,7bf,7br)도 가스유통 홈(6af,6ar,6bf,6br)과 같이 병행하여 신장하고 있다. 또, 연료가스는 전극(2a,2b) 중의 애노드에, 또한, 산화제가스는 캐소드에 공급되도록 배치되어 있다.
본 발명의 특징은 각 도전성 세퍼레이터판의 표리 양 주면에 있어서의 가스유통 홈의 위치, 예컨대 가스유통 홈(6af)의 위치와 가스유통 홈(6ar)의 위치가 서로는 대응하지 않고, 각각 리브(7ar,7af)와 대응하도록 되어 있는 데에 있다. 보다 상세하게 말하면, 도 1의 지면상에서, 예를 들어 도전성 세퍼레이터판(5a)을 보았을 때, 가스유통 홈(6ar)과 리브(7af)가, 또 가스유통 홈(6af)과 리브(7ar)가, 각각 상하로 얼라인하고 있는 데에 있다. 또, 도 1에 나타나 있는 바와 같이, 상단부의 도전성 세퍼레이터판(5ae)에서는, 가스유통 홈이 아래쪽 주면에만 형성되고, 하단부의 도전성 세퍼레이터판(5be)에서는, 가스유통 홈이 위쪽 주면에만 형성되어 있다.
본 실시형태 1에서는, 더욱, MEA(4)을 끼운 도전성 세퍼레이터판(5a와 5b)의 MEA(4)에 면하는 주면상의 유통 홈(6ar,6bf)끼리, 또한 리브(7ar,7bf) 끼리가 대응하도록 배치되어 있는 것도 특징이다. 이 특징에 의해, MEA(4)를 끼워 리브끼리 대응하기 때문에, 그들 리브군으로 최종적인 전지 스택에 대한 체결압력을 인식하기 쉽다. 또한, MEA(4)를 통한 반응가스의 반응도 높게 유지하기 쉽다.
도 2를 사용하여 상술하는데, 도 1의 전지 스택내의 모든 도전성 세퍼레이터판의 표리 양 주면의 가스유통 홈을 통해서, 연료가스와 산화제가스를 공급·배출하기 위한 매니폴드구멍 등이 각 도전성 세퍼레이터판에 형성되어 있다. 또한, 1∼3셀마다, 도전성 세퍼레이터판의 배면에 냉각매체용 유로를 가진 냉각부가 설치되어 있다. 이들 MEA와 도전성 세퍼레이터판 및 필요에 따라 냉각부가 교대로 적층되어 도 1의 전지 스택이 구성되어 있다. 이 전지 스택을 집전판(8a,8b)과 절연판(9a,9b)을 통해 끝단판(10a,10b)으로 끼우고, 전지 스택에 압력을 가하도록 양 끝단판을 체결 로드(11a,11b) 및 체결 볼트(12a,12b,12c,12d)로 체결하여 고정된다. 이렇게 하여 제작된 것이 본 실시형태 1의 연료전지이다.
도 2A는 본 실시형태 1의 연료전지에 사용한 도전성 세퍼레이터판, 예를 들면 5a의 캐소드쪽 주면의 평면도이고, 도 2B는 같은 도전성 세퍼레이터판의 애노드쪽 주면의 평면도이고, 도 2A의 이면도이다. 도 2A의 (6af)와 (7af)는 각각 산화제가스유통 홈과 그 홈 사이의 리브이고, 도 2B의 (6ar)와 (7ar)는 각각 연료가스유통 홈과 그 홈 사이의 리브이다. 또한, 도 2A와 도 2B에서 공통적으로, (13a)는 산화제가스를 공급하기 위한 매니폴드구멍, (13b)는 그것을 배출하기 위한 매니폴드구멍이다. (14a)는 연료가스를 공급하기 위한 매니폴드구멍, (14b)는 그것을 배출하기 위한 매니폴드구멍이다. (15a)는 냉각매체를 공급하기 위한 매니폴드구멍, (15b)는 그것을 배출하기 위한 매니폴드구멍이다. 여기에 나타내는 홈·리브의 패턴은 소위 서펜타인형상인 것이지만, 본 발명의 특징을 발휘하는 것이면, 이러한 서펜타인형상인 것이 아니어도 좋다.
또한, 여기서는, 내부 매니폴드방식의 냉각부를 일례로서 기재하고 있지만, 외부 매니폴드방식의 냉각부를 채용하여도, 본 발명의 특징은 발휘시킬 수 있다.
도 1에서 설명한 바와 같이, 도 2A, 2B에서의 도전성 세퍼레이터판의 표리의 가스유통 홈(6af)과 (6ar)는 지면에 수직으로 위치관계를 보면, 대부분의 개소에서 1피치분, 즉 하나의 유통 홈의 폭 분만큼, 시프트하고 있고, 그 결과, 기본적으로 캐소드쪽의 홈(6af)과 애노드쪽의 리브(7ar)가 대응한 대치에 있다. 이러한 도전성 세퍼레이터판을 인접한 도전성 세퍼레이터판이, 각각의 주면상에 머물게 하면서, 교대로 180도 회전시킨 배치가 되도록 적층되면, 도 1과 같이, MEA를 끼워 마주 보는 가스유통 홈끼리가 대응한다. 도전성 세퍼레이터판은 1장 걸러 같은 방향에 배치되게 된다. 이 180도 회전배치를, 도 2A의 도전성 세퍼레이터판(5a) 사각형의 평면도에 근거하여 설명하면, 이 사각형의 중심점을 통해, 지면에 수직인 선을 회전축으로 하고, 그 구형을 180도 회전시키는 배치인 것이다. 요컨대, 이 구성은 1종류의 동일형상의 도전성 세퍼레이터판을 준비하는 것만으로도 좋다고 하는 점에서 바람직하다. 또, 도 1의 단면도는 도 2A, 도 2B의 도전성 세퍼레이터판을 상기한 바와 같이 적층하여, X-Y의 면에서 절단한 단면에 해당한다.
이러한, 홈-MEA-홈 대응의 구성을 실현하고자 하는 경우에, 도 2A, 도 2B에 나타낸 바와 같은 홈·리브의 패턴을 설계하여, 상술한 바와 같은 교대로 180도 회전배치라는 수법을 채용하여도 좋지만, 그 이외에도, 홈-MEA-홈 대응이 되도록 하는 2종류의 도전성 세퍼레이터판을 준비하여, 그것을 차례대로 적층하도록 하여도 좋다.
본 발명의 제 1 특징은 상기한 바와 같이, 각 도전성 세퍼레이터판의 표리 양 주면중, 한쪽의 주면의 가스유통 홈이 다른쪽의 주면의 가스유통 홈 사이의 리브에 대응하도록 배치되어 있는 것이다. 그 점에 대하여, 도 3, 도 4 및 도 5에 근거하여 설명한다.
도 3, 도 4 및 도 5의 (1,2a,2b)는 각각 고분자 전해질막 및 한 쌍의 전극이고, MEA의 주요구성요소이다.
도 3은 종래의 도전성 세퍼레이터판 2장으로 MEA를 끼운 적층구성의 일부를 나타내는 개략단면도이고, 참고도이다. (35a)와 (35b)는 각각 종래의 도전성 세퍼레이터판이고, 각 도전성 세퍼레이터판(35a,35b)에 있어서, 모든 리브(37af,37ar, 37bf,37br)는 상하에 대응, 즉 얼라인하고 있다. 그러나, 마찬가지로 가스유통 홈(36af,36ar)끼리, 및 가스유통 홈(36bf,36br)끼리가 대응하는 위치에 있고, 그 결과, 가장 얇은 부분인 홈 바닥부(38a,38b)의 두께(t)가 얇게 되어 있다. 이 부분이 그 얇기 때문에, 상술한 바와 같이 전지 스택에의 체결압력 등에 의해, 파손이나 균열이 발생하기 쉽고, 그 때문에 가스 누출을 발생시키기 쉬웠다. 또한, 그 때문에 도전성 세퍼레이터판(35a,35b)을 얇게 하는 것이 곤란하였다.
도 4는 도 3과 비교하기 쉽게 하기 위해서, 도 1의 본 실시형태 1의 도전성 세퍼레이터 2장으로 MEA를 끼운 적층구성에 대응하였지만 일부를 나타낸 개략단면도이다. 도전성 세퍼레이터판(45a,45b)에 있어서, 가스유통 홈(46af)은 리브 (46ar)와 대응하고 있다. 마찬가지로, (47af)와 (46ar,47bf)와 (46br,46bf)와 (47br)가 대응하고 있다. 이 때문에, 도 3의 (38a)나 (38b)와 같은 두께(t)와 같은 얇은 부분이 존재하지 않는다. 얇은 부분이 종래보다도 두꺼워지고 있다. 따라서, 도전성 세퍼레이터판의 두께를 더욱 얇게 할 수 있는 동시에, 더욱이 제조상으로도 압축성형이나 사출성형으로 만들기 쉽다.
도 5는 도 4의 도전성 세퍼레이터판의 각 가스유통 홈의 단면형상을 바꾸어, 각 홈의 표면의 폭(Wf)에 비해서 각 홈의 바닥면의 폭(Wb)을 작게 한 것이다. 도전성 세퍼레이터판(55a,55b)에 있어서, 가스유통 홈(56af)은 리브(57ar)와 대응하고 있다. 마찬가지로, (57af)와 (56ar), (57bf)와 (56br,56af)와 (57br)가 대응하고 있다. 이 때문에, 도 3의 (38a)나 (38b) 와 같은 두께(t)와 같은 얇은 부분이 존재하지 않는다. 얇은 부분이 종래보다도 두꺼워지고 있다. 또한, 도 5의 구성의 경우, 홈 바닥부의 폭이 작아지기 때문에, 도전성 세퍼레이터판을 압축성형이나 사출성형으로 제조할 경우, 한층 더 틀빼기의 향상에 의해, 더 큰 제조의 용이함을 실현한다. 또한, 전지 스택의 제조시의 체결압력이나 연료전지사용시에 연료전지에 가해지는 압력에 의해 강한 구조이고, 따라서, 도전성 세퍼레이터판의 두께를 한층 더 얇게 하기 쉽다고 하는 특징도 있다.
이와 같이, 본 발명의 특징을 가진 범위에 있어서, 도전성 세퍼레이터판의 병행하는 가스유통 홈, 리브의 형상은 임의로 설계할 수가 있다. 도 4와 같이, 대응하는 홈, 리브의 폭이나 깊이·높이를 실질적으로 같게 하여도 좋고, 도 5와 같이 바꾸어도 좋다. 또한 그 이외에도 리브의 폭을 넓혀 기계적 강도를 높일 수도 있다.
본 실시형태 1의, 도전성 세퍼레이터판을 강화한다고 하는 목적중에서, 또 하나의 특징은 전지 스택의 양 끝단부의 도전성 세퍼레이터판의 강화에 있다. 즉, 상술한 바와 같이, 전지 스택을 체결 로드 등으로 체결할 때의 불균일한 압력분포의 발생에 기인하는 양 끝단부의 도전성 세퍼레이터판의 파손이다. 그 때문에, 도 1에 나타낸 바와 같이, 양 끝단부의 도전성 세퍼레이터판(4ea,4eb)의 두께를, 다른 도전성 세퍼레이터판의 두께보다도 두껍게 하고 있다. 이 두께를 두껍게 하는 방법으로서 도전성 세퍼레이터판을 2장 이상 겹쳐도 좋다.
도 6은 전지 스택의 양 끝단부에 사용하는 도전성 세퍼레이터판의 전지 스택쪽의 한 주면의 일례의 평면도이고, 양 끝단부의 도전성 세퍼레이터판의 상기 문제를 해결하는 다른 대책의 일례를 나타낸다. 도 6은 일끝단부의 도전성 세퍼레이터판, 예를 들면 (5a)가, 그 한 주면상에 도 2B에 나타내는 애노드쪽 가스유통 홈을 가진 경우의 대책을 나타낸다. (13a,14a,15a)는 각각 산화제가스, 연료가스, 냉각매체를 공급하기 위한 매니폴드구멍이고, (13b,14b,15b)는 각각 산화제가스, 연료가스, 냉각매체를 배출하기 위한 매니폴드구멍이다. (16a,16b)는 카본재료 혹은 금속재료 등을 구성요소로 하는 보강부재이다. 이 보강부재(16a,16b)는 도시되어 있는 바와 같이, 매니폴드구멍(14a,15b,13b,13a,15a,14b)의 주변에 점착되어 있고, 또한 그들 6개의 매니폴드에 대응하는 관통구멍을 갖고 있다. 이 구성에 의해, 전지성능을 유지하면서, 도전성 세퍼레이터판(5a)을 균열 등의 손상을 억제할 수 있다.
실시형태 2
본 발명의 특징은 도 4의 (46af)와 (47ar)의 관계와 같이, 기본적으로, 각 도전성 세퍼레이터판의 표리 양 주면중의, 한쪽의 주면상의 가스유통 홈과 다른쪽의 주면상의 리브가 위치적으로 대응하는 것을 기본으로 하고 있다. 실시형태 1에서는, 더욱 MEA를 끼워, 인접한 도전성 세퍼레이터판의 가스유통 홈끼리, 예를 들면 도 4에서는, (46ar)와 (46bf)가 대응하는 것을 기본으로 하고 있다. 그러나, MEA를 끼워 인접한 도전성 세퍼레이터판의 홈·리브위치의 대응관계는 본 발명의 특징을 가진 범위에 있어서 변화시킬 수 있다. 그것을 본 실시형태 2로 하여 이하에 설명한다.
도 7은 본 발명의 실시형태 2의 연료전지에 사용한 도전성 세퍼레이터판 2장으로 MEA를 끼워 이루어지는 적층구성의 일부를 나타내는 개략단면도이다. 한 쌍의 도전성 세퍼레이터판(75a,75b)으로 MEA를 끼운 구조이고, 도전성 세퍼레이터판 (75a)는 가스유통 홈(76af,76ar), 리브(77af,77ar)를 가지며, 도전성 세퍼레이터판 (75b)은 가스유통 홈(76bf,76br), 리브(77bf,77br)를 가진다. 도 7에 있어서는, MEA를 끼우고, 예컨대 (76ar)와 (77bf)가 대응하고 있다. 즉, MEA를 끼워, 인접한 도전성 세퍼레이터판의, 한쪽의 가스유통 홈과 다른쪽의 리브가 대응하도록 되어 있다. 이 구성에 있어서도, 2종류의 반응가스는 MEA를 통해 충분 반응한다.
이 구성은 도 5의 경우와 같이 각 도전성 세퍼레이터판의 종래와 같은 얇은 부분을 피할 수 있는 동시에, 제조도 하기 쉽다고 하는 특징이 있다. 또한, 1종류만의 동일형상의 도전성 세퍼레이터판을 복수 준비하여, 전부를 단순하게 동일방향으로 적층해 나갈 수 있어, 제조하기 쉬운 것도 특징이다. 또, 도 7에서는 각 홈의 폭(Wg)보다도 각 리브의 폭(Wr)쪽을 크게 하고 있다. (Wg)와 (Wr)는 같아도 좋지만, (Wr)가 (Wg)보다 큰 쪽이 바람직하다. 그것은 MEA를 끼운 2장의 도전성 세퍼레이터판의, 리브의 양 끝단부를 위치적으로 오버랩시킬 수 있어, 그 오버랩부분을 통해서, 전지 스택을 체결할 때의 체결압력을 리브군에 전달시킬 수 있고, 체결압력에 대항하기 쉽기 때문이다. 단, (Wr)가 (Wg)의 1.4배보다도 커지면, MEA에의 반응가스확산이 억제되어 버리기 때문에, 1.4배 이하인 쪽이 바람직하다.
도 8은 본 발명의 실시형태 2의 연료전지에 사용할 수 있는 다른 형태의 도전성 세퍼레이터판 2장을 사용한 적층구성의 일부를 나타내는 개략단면도이다. 한 쌍의 도전성 세퍼레이터판(85a,85b)으로 MEA를 끼운 구조이고, 도전성 세퍼레이터판(85a)은 가스유통 홈(86af,86ar), 리브(87af,87ar)를 가지며, 도전성 세퍼레이터판(85b)은 가스유통 홈(86bf,86br), 리브(87bf,87br)를 가진다. 도 8에 있어서는, MEA를 끼우고, 예를 들면 (86ar)와 (87bf)가 대응하고 있다. 즉, 도 7의 경우와 같이, MEA를 끼우고, 인접한 도전성 세퍼레이터판의, 한쪽의 가스유통 홈과 다른쪽의 리브가 대응하도록 되어 있다. 이 구성에 있어서도, 2종류의 반응가스는 MEA를 통해 충분히 반응한다. 또한, 내(耐)누출성이나 강도를 유지하면서, 압력손실이 작은 도전성 세퍼레이터판을 구성하는 것이 가능해진다.
이 구성도, 도 7의 경우와 같이, 1종류만의 동일형상의 도전성 세퍼레이터판을 복수 준비하여, 전부를 단순히 동일방향으로 적층해 나갈 수 있어, 제조하기 쉽다고 하는 특징을 가진다. 또, 도 8에서도, 각 홈의 폭(Wf)보다도 각 리브의 폭 (Wr)쪽을 크게 하고 있다. (Wf)와 (Wr)는 같아도 좋지만, (Wr)가 (Wf)보다 큰 쪽이, 도 7에 근거하여 상술한, (Wg)와 (Wr)와의 관계와 같은 이유로 바람직하다. 즉, MEA를 끼운 2장의 도전성 세퍼레이터판의, 리브의 양 끝단부를 위치적으로 오버랩시킬 수 있기 때문이다. 또한, (Wg)과 (Wr)와의 관계와 같은 이유로, (Wr)가 (Wf)의 1.4배 이하인 쪽이 바람직하다.
또한, 가스유통 홈의 바닥면의 폭(Wb)이 가스유통 홈의 표면의 폭 (Wf)보다도 작은 것이 바람직하다. 그것은 전지스택에 체결압력이 가해진 경우, 도전성 세퍼레이터판중의 크랙발생이 보다 억제되기 때문이다. 단, (Wb)가 (Wf)의 0.6배 보다 작아지면, 크랙발생의 억제가 그 이상 향상하지 않는 동시에, 가스유통 홈의 단면적이 감소하여, 가스의 압력손실이 증가하므로, 즉 가스의 유효활용이 손상되게 되기 때문에 0.6배 이상인 것이 바람직하다.
또, 본 실시형태 2에 있어서는, 상기와 같은 도전성 세퍼레이터판의 홈·리브의 관계 이외의 전지 스택의 구성, 및 연료전지의 구성은 도 1을 사용하여 실시형태 1에서 기재한 것과 동일하다. 예를 들면, 도 6에서 나타낸 전지 스택 끝단부의 도전성 세퍼레이터판의 보강방법을 그대로 사용할 수 있다. 따라서, 그들 실시형태 1에서 기재한 부분에 대응한 기재는 생략한다.
실시예 1
실시형태 1에 기재하고, 도 1에 나타낸 고분자 전해질형 연료전지를 이하의 방법으로 제작하였다.
우선, 30nm의 평균일차입자지름을 가진 도전성카본입자인 케첸블랙EC (네덜란드, AKZO Chemie사제)를 사용하여, 평균입자지름 약 30Å의 백금입자를 50중량% 담지시킨 것을, 캐소드쪽의 촉매로 하였다. 또한, 상기와 같은 케첸블랙EC에, 평균입자지름 약 30Å의 백금입자와 루테늄입자를, 각각 25% 담지시킨 것을, 애노드쪽의 촉매로 하였다. 이들 촉매분말을 이소프로판올에 분산시켰다. 한편, 퍼플루오로카본술폰산의 분말을 에틸 알콜에 분산시켰다. 각각의 촉매분산액을 퍼플루오로카본술폰산의 분산액과 혼합하여, 페이스트상태로 하였다. 이들 각 페이스트를, 스크린인쇄법을 사용하여, 두께 250㎛의 카본부직포의 한쪽 면에 도공(塗工)하여, 각각 캐소드촉매층과 애노드촉매층을 형성하였다. 형성후의 반응전극중에 포함되는 촉매금속의 양은 0.5mg/cm2, 퍼플루오로카본술폰산의 양은 1.2mg/cm2가 되도록 하였다.
이들 애노드쪽 및 캐소드쪽 전극은 전극보다 한둘레 큰 면적을 가진 프로톤전도성 고분자 전해질막의 중심부의 양면에, 인쇄한 촉매층이 전해질막쪽에 접하도록 핫 프레스에 의해 접합하였다. 여기서는 프로톤전도성 고분자 전해질로서, 퍼플루오로카본술폰산을 박막화한 것(미국 듀퐁사제: 나피온112)를 사용하였다. 또한, 전극의 바깥둘레에는, 전해질막을 끼우고 양쪽에, 도전성 세퍼레이터판과 동일한 형상으로 블랭킹하여 만들어진 가스켓을 핫 프레스에 의해서 접합하여, MEA를 제작하였다. 여기서, 도전성 세퍼레이터판은 등방성 흑연재를 기계가공하여 만든 것이고, 가스켓은 뷰틸 고무의 시트로 만들어진 것이다.
이 MEA를, 도 1의 MEA(4)로서 사용하여, 도 1과 도 2에서 나타낸, 도전성 세퍼레이터판(5a,5b,5ae,5be), 및 집전판(8a,8b), 절연판(9a,9b), 끝단판(10a,10b), 체결 로드(11a,11b), 체결 볼트(12a,12b,12c,12d)를 사용하여 본 실시예 1의 연료전지를 제작하였다.
비교를 위해, 도전성 세퍼레이터판(5a,5b)을, 도 3에 나타내는 구성을 가진 종래예의 도전성 세퍼레이터판(35a,35b)으로 바꾸고, 그 외에는 본 실시예 1과 같은 구성의 연료전지를 제작하였다.
이들 2개의 연료전지에 하중을 가하여, 그 하중을 변화시켰다. 이 때 도전성 세퍼레이터판에 크랙이 발생하기 시작한 최소하중을 크랙발생하중으로서, 표 1에 나타낸다.
표 1
표 1로부터 알 수 있듯이, 본 실시예 1의 도전성 세퍼레이터판의 내(耐)크랙강도가 대폭 향상하고 있는 것을 알 수 있다.
실시예 2
본 실시예 2에서는, 실시예 1과 같은 방법으로, 단지 도전성 세퍼레이터판의 형상만을 바꾸어 연료전지를 제작하였다. 본 실시예 2에서는, 도 7에 나타내는 단면구조의 도전성 세퍼레이터판을 사용하였다.
이 때, 6개의 다른 리브폭의 도전성 세퍼레이터판을 준비하였다. 우선, 어느 하나의 리브폭(Wr1)의 것을 사용하여 연료전지를 제작하였다. 다음에, 리브폭 (Wr2)의 것을 사용하여 연료전지를 제작하였다. 이하와 같이, 리브폭(Wr3)-(Wr6)의 것을 각각 사용하여, 합계 6종류의 연료전지를 제작하였다.
이들 연료전지를 운전시켜, 전지전압을 측정한 결과를 도 9에 나타낸다. 또, 이 운전을 위해서는 다음과 같이 조건을 설정하였다. 즉, 연료전지를 85℃로 유지하여, 한쪽의 전극쪽에 83℃의 노점이 되도록 가습·가온한 수소가스를, 다른쪽의 전극쪽에 78℃의 노점이 되도록 가습·가온한 공기를 공급함과 동시에, 연료전지의 연료이용율 80%, 산소이용율 40%, 전류밀도 0.3A/cm2로 하였다.
도 9에 있어서, 가로축은 리브의 폭(Wr)과 홈의 폭(Wg)의 비이고, 값이 커질수록 리브폭이 넓어지는 것을 나타내고 있다. 도 9로부터 알 수 있는 바와 같이, 리브폭이 넓어짐에 따라 전지전압, 즉 전지성능이 저하하는 경향이 있다. 이것은 리브에 눌러진 MEA 부분에의 반응가스의 확산이 저하하기 때문이라고 생각된다. 특히, (Wr) 대 (Wg)의 비가 1.4를 넘은 부분에서부터 현저한 저조를 나타내는 것을 알 수 있다. 따라서, (Wr) 대 (Wg)의 비는 1.4배 이하로 설정하는 것이 바람직한 것을 알 수 있다.
실시예 3
본 실시예 3에서는, 실시예 1과 같은 방법으로, 단지 도전성 세퍼레이터판의 형상만을 바꾸어 연료전지를 제작하였다. 본 실시예 3에서는, 도 8에 나타내는 단면구조의 도전성 세퍼레이터판을 사용하였다.
이 때, 4개의 다른 홈바닥면 폭/홈표면 폭의 비(Wb/Wf)의 도전성 세퍼레이터판을 준비하였다. 우선, 어떤 하나의 폭비(Wb1/Wf1)의 것을 사용하여 연료전지를 제작하였다. 다음에, 폭비(Wb2/Wf2)의 것을 사용하여 연료전지를 제작하였다. 이하와 같이, 폭비(Wb3/Wf3) 및 (Wb4/Wf4)의 것을 각각 사용하여, 합계 4종류의 연료전지를 제작하였다.
이들 4종류의 연료전지에 체결하중을 가하여, 그 하중을 변화시켰다.
그 때 도전성 세퍼레이터판에 크랙이 발생하기 시작한 최소하중을 크랙발생하중으로 하여, 표 2에 나타낸다.
표 2
표 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 홈 바닥면 폭/홈 표면 폭의 비가 0.6보다 작아지는 범위에서는, 크랙발생하중은 포화하고 있다. 즉 홈 바닥면 폭/홈 표면 폭의 비는 0.6보다 작게 하여도, 가스유통 홈의 단면적이 감소하여, 압력손실이 증가할 뿐이고, 강도적인 효과는 얻을 수 없는 것을 알 수 있다. 따라서, 홈 바닥면의 폭/홈 표면의 비는 0.6 이상인 것이 바람직하다.
실시예 4
본 실시예 4에서는, 실시예 1과 기본적으로는 같은 방법으로, 단 이하의 점에서 부분적으로 구성을 달리 하여 연료전지를 제작하였다.
즉, MEA(1)을 2셀마다, 냉각매체가 흐르는 냉각부를 설치하였다. 각 냉각부는 2장의 도전성 세퍼레이터판을 조합시킨 복합세퍼레이터판에 의해 구성하였다. 즉, 한쪽 면에 공기를 유통시키는 홈을 형성하고, 다른쪽 면에 냉각수를 유통시키는 홈을 형성한 캐소드쪽 세퍼레이터판을, 우선 1장 만들었다. 또한, 한쪽 면에 연료가스를 유통시키는 홈을 형성하고, 다른쪽 면에 냉각수를 유통시키는 홈을 형성한 애노드쪽 세퍼레이터판을 1장 만들었다. 이들 2장의 세퍼레이터판을, 그들 냉각매체용 홈을 가진 면끼리 접하도록, 시일재를 통해 점착함으로써, 냉각부를 구성하였다.
그리고 MEA를 50셀분 적층하여, 전지 스택의 양 끝단부에 위치하는 도전성 세퍼레이터판(5ae,5be)의 두께를 5mm로 하여, 집전판(8a,8b)과 절연판(9a,9b)을 통해, 스텐레스제의 끝단판(10a,10b)과 체결 로드(11a,11b) 및 체결 볼트 등으로 20kgf/cm2의 압력으로 체결하여 본 실시예 4의 연료전지를 제작하였다.
비교를 위해, 이렇게 제작한 본 실시예 4의 연료전지의 양 끝단부의 도전성 세퍼레이터판의 두께를, 그 밖의 중간부의 도전성 세퍼레이터판의 두께와 같은 3mm두께의 것으로 바꾸어 비교예로서의 연료전지를 제작하였다.
체결후의 각 연료전지를 다시 분해하여, 양 끝단부의 도전성 세퍼레이터판을 관찰한 바, 비교예의 연료전지에서는 약간의 균열이 발생했었지만, 가스누출을 일으킬 정도의 중대한 균열은 아니었다. 이 균열은 매니폴드주변에 집중하중을 받기 쉽게 되어 있었기 때문이다. 한편, 본 실시예 4의 연료전지에서는 균열은 보이지 않았다.
이렇게 해서 제작한 본 실시예 4와 비교예의 연료전지 2종류를, 85℃로 유지하여, 한쪽의 전극쪽에 83℃의 노점이 되도록 가습·가온한 수소가스를, 다른쪽의 전극쪽에 78℃의 노점이 되도록 가습·가온한 공기를 공급하였다. 이들 연료전지를 연료이용율 80%, 산소이용율 40%, 전류밀도 0.3A/cm2의 조건하에서 내구시험을 하였다. 이 시험결과를 도 10에 나타낸다.
도 10으로부터 알 수 있는 바와 같이, 시험개시로부터 1000시간을 경과했을 때부터, 비교예의 연료전지의 평균셀전압, 즉 전지성능이 저하하기 시작한다. 이 2종류의 연료전지에 대하여 내구시험이 종료한 후, 체결압력을 제거하여, 양 끝단에 있던 도전성 세퍼레이터판의 상태를 관찰하였다. 그 결과, 비교예에서는, 매니폴드구멍의 주변에서 가스 혹은 냉각매체가 누출할 정도의 균열로 성장하고 있는 것이 관찰되었다. 이 성장의 원인은 초기의 체결시에 생긴 균열이 열 등의 변형에 의해서, 시간이 경과함에 따라 진행해 버렸기 때문이다. 이에 대하여, 본 실시예 4의 연료전지에서는, 양 끝단부의 도전성 세퍼레이터판의 두께를 두껍게 하여 강도를 높인 것에 의해, 균열 등의 손상은 전혀 없고, 연료전지의 내구성과 안전성향상을 확인할 수 있었다.
본 실시예 4에서는, 양 끝단부의 도전성 세퍼레이터판의 두께를 3mm에서 5mm로 두껍게 하는 것을 시도하였지만, 다른 방법으로서, 도전성 세퍼레이터판을 복수매 겹쳐 강도를 높이는 것도 가능하다. 따라서, 양 끝단부의 도전성 세퍼레이터판의 두께와 매수를 변화시켜, 상기와 같은 균열의 발생의 유무를 조사하였다. 단, 전지 스택의 중간부의 도전성 세퍼레이터판의 두께는 3mm로 하였다. 그 결과를, 표 3에 정리한다.
표 3
이 표 3으로부터 명백하듯이, 도전성 세퍼레이터판을 두껍게 하거나, 복수매수 겹치거나 함으로써, 균열억제효과를 얻을 수 있다.
실시예 5
본 실시예 5에서는, 도 6에 일례를 나타낸 바와 같이, 양 끝단부의 도전성 세퍼레이터판의 산화제가스용 매니폴드구멍(13a,13b), 연료전지용 매니폴드구멍 (14a,14b), 및 냉각매체용 매니폴드구멍(15a,15b)의 주변에 스텐레스강을 재료로 한 보강재(16a,16b)를 시일재에 의해서 점착하고, 그 이외의 연료전지구성 및 연료전지의 특성평가조건에 대해서는, 모두 실시예 4와 동일하게 하였다.
그 결과, 2000시간의 내구시험에 있어서, 전지성능의 저하는 보이지 않고, 연료전지 분해후에 양 끝단부의 도전성 세퍼레이터판을 관찰하여도, 균열 등의 손상을 받고 있는 모양은 없고, 연료전지의 내구성의 개선과 안전성의 향상을 확인할 수 있었다. 여기서, 보강부재(16a,16b)의 재료로서 스텐레스강을 사용하였지만, 보강할 수 있는 재료이면 종류는 상관없다. 본 실시예에서는, 스텐레스강 외에, 알루미늄, 유리섬유, 카본섬유, PPS수지, 페놀수지 등의 재료를 사용하여도 연료전지의 내구성의 개선과 안전성의 향상을 확인할 수 있었다.
본 실시예에서는, 각 매니폴드구멍의 주변에 보강부재를 점착하는 것을 시도하였지만, 도전성의 보강재를 세퍼레이터판의 전체면에 점착하는 것도 가능하다.
실시예 6
본 실시예 6에서는, 양 끝단부의 도전성 세퍼레이터판의 재료로서, 두께 3mm의 스텐레스강을 사용하였다. 도전성 세퍼레이터판의 형상은 실시예 1에서, 등방성 흑연재를 기계가공하여 만든 형상과 같이 기계가공하여 만들었다. 그 이외의 연료전지구성 및 연료전지의 특성평가조건에 대해서는 모두 실시예 4와 동일하게 하였다. 여기서는 양 끝단부의 도전성 세퍼레이터판의 재료 역시 스텐레스강을 사용하였지만, 도전성이 있는 고강도의 재료이면 종류는 상관없다.
이 결과, 2000시간의 내구시험에 있어서, 전지성능의 저하는 보이지 않고, 연료전지분해후에 양 끝단부의 도전성 세퍼레이터판을 관찰하여도, 균열 등의 손상을 받고 있는 모양은 없고, 연료전지의 내구성의 개선과 안전성의 향상을 확인할 수 있었다.
이상으로부터 명백하듯이, 본 발명에 의하면, 고분자 전해질형 연료전지의 도전성 세퍼레이터판의 기계적 강도의 문제를 간편하게 해결할 수 있고, 연료전지의 품질향상, 소형화 및 저비용화를 실현할 수 있다.
Claims (12)
- 복수의 도전성 세퍼레이터판 및 상기 도전성 세퍼레이터판의 사이에 삽입된 전해질막-전극접합체를 포함하는 전지 스택을 구비하고, 상기 전해질막-전극접합체가 수소이온 전도성 고분자 전해질막, 및 상기 수소이온 전도성 고분자 전해질막을 끼운 애노드 및 캐소드를 구비하고, 상기 각 도전성 세퍼레이터판이 한쪽의 주면에 상기 애노드에 연료가스를 공급·배출하는 복수의 병행하는 가스유통 홈을 가지며, 다른쪽의 주면에 상기 캐소드에 산화제가스를 공급·배출하는 복수의 병행하는 가스유통 홈을 가진 고분자 전해질형 연료전지로서, 상기 도전성 세퍼레이터판의 양 가스유통 홈은 한쪽의 주면의 가스유통 홈이 다른쪽의 주면의 가스유통 홈 사이의 리브에 대응하도록 배치되어 있고, 상기 리브의 표면으로부터 상기 한쪽의 주면의 상기 가스유통 홈의 바닥면까지의 거리로 정하는 리브두께와, 상기 한쪽의 주면의 상기 가스유통홈의 깊이와의 합계길이가 상기 도전성 세퍼레이터판의 세퍼레이터판두께이고, 상기 리브의 상기 리브두께는 상기 리브에 인접한 상기 다른쪽의 주면의 가스유통홈의 깊이보다도 큰 것을 특징으로 하는 고분자 전해질형 연료전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 전해질막-전극접합체의 애노드에 연료가스를 공급·배출하는 가스유통 홈과, 동일한 전해질막-전극접합체의 캐소드에 산화제가스를 공급·배출하는 가스유통 홈이 대응하는 위치에 있는 고분자 전해질형 연료전지.
- 제 2 항에 있어서, 실질적으로 모든 상기 복수의 도전성 세퍼레이터판이 동일형상을 가지며, 인접한 도전성 세퍼레이터판이, 교대로, 상기 각 도전성 세퍼레이터판의 주면상에서 180도 회전하여 배치되고 있는 고분자 전해질형 연료전지.
- 제 2 항에 있어서, 상기 각 도전성 세퍼레이터판의, 상기 양 가스유통 홈의 바닥면의 폭이 각각 상기 양 가스유통 홈의 표면의 폭보다 작은 고분자 전해질형 연료전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 전해질막-전극접합체의 애노드에 연료가스를 공급·배출하는 가스유통 홈과, 동일한 전해질막-전극접합체의 캐소드에 산화제가스를 공급·배출하는 가스유통 홈 사이의 리브가 대응하는 위치에 있는 고분자 전해질형 연료전지.
- 제 5 항에 있어서, 실질적으로 모든 상기 복수의 도전성 세퍼레이터판이 동일형상을 가지며, 인접한 도전성 세퍼레이터판이 상기 각 도전성 세퍼레이터판의 주면상에서 동일방향으로 배치되어 있는 고분자 전해질형 연료전지.
- 제 5 항에 있어서, 상기 각 도전성 세퍼레이터판의, 상기 한쪽의 주면의 상기 가스유통 홈 사이의 리브의 폭, 및 상기 다른쪽의 주면의 상기 리브의 폭이, 각각 상기 한쪽의 주면의 상기 가스유통 홈의 폭, 및 상기 다른쪽의 주면의 상기 가스유통 홈의 폭보다 크고, 또한 1.4배 이하인 고분자 전해질형 연료전지.
- 제 7 항에 있어서, 상기 각 도전성 세퍼레이터판의, 상기 양 가스유통 홈의 바닥면의 폭이 각각 상기 양 가스유통 홈의 표면의 폭보다 작고, 또한 0.6배 이상인 고분자 전해질형 연료전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 복수의 도전성 세퍼레이터판중, 상기 전지 스택의 양 끝단부에 배치한 도전성 세퍼레이터판의 기계적 강도를, 다른 도전성 세퍼레이터판의 기계적 강도보다도 높게 한 고분자 전해질형 연료전지.
- 제 9 항에 있어서, 상기 복수의 도전성 세퍼레이터판중, 상기 양 끝단부에 배치한 도전성 세퍼레이터판의 두께를, 다른 도전성 세퍼레이터판의 두께보다 두껍게 한 고분자 전해질형 연료전지.
- 제 9 항에 있어서, 상기 양 끝단부에 배치한 상기 도전성 세퍼레이터판에, 카본재료 또는 금속재료를 구성요소로 하는 보강부재를 부가한 고분자 전해질형 연료전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 도전성 세퍼레이터판이 압축성형 혹은 사출성형이 가능한 재료로 이루어지는 고분자 전해질형 연료전지.
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