KR20180019196A

KR20180019196A - 연료 전지 스택

Info

Publication number: KR20180019196A
Application number: KR1020187001521A
Authority: KR
Inventors: 가즈히로 가게야마; 사토미 후루카와
Original assignee: 닛산 지도우샤 가부시키가이샤
Priority date: 2015-07-17
Filing date: 2015-07-17
Publication date: 2018-02-23
Also published as: CN107851815A; CA2992838A1; CN107851815B; EP3327842A4; CA2992838C; EP3327842A1; KR101880880B1; JPWO2017013710A1; WO2017013710A1; US20190013528A1; EP3327842B1; US10340533B2; JP6458867B2

Abstract

연료 전지 스택(FS)의 연료 전지 셀(C)에는, 2매의 세퍼레이터(30, 40) 중 적어도 어느 한쪽의 세퍼레이터로부터 막전극 접합체측으로 돌출되는 가스 시일 돌기(92A) 및 냉각 매체 시일 돌기(92B)가 형성되어 있다. 이 가스 시일 돌기(92A) 및 냉각 매체 시일 돌기(92B)의 막전극 접합체측과 반대측에는, 냉각 매체 유로(80)가 되는 오목부(33a)가 형성되어 있다. 그리고, 가스 시일 돌기(92A) 및 냉각 매체 시일 돌기(92B) 중 적어도 어느 한쪽에, 냉각 매체의 발전부 냉각부(84)로부터 벗어나는 방향으로의 흐름을 억제하는 저항부(50)가 설치되어 있다.

Description

연료 전지 스택

본 발명은 연료 전지 스택에 관한 것이다.

종래, 연료 전지 스택으로서, 발전부를 갖는 막전극 접합체와, 상기 막전극 접합체를 끼움 지지하는 2매의 세퍼레이터를 갖는 연료 전지 셀이 적층된 연료 전지 모듈을 구비하는 것이 알려져 있다(예를 들어, 특허문헌 1 참조).

이 특허문헌 1에 기재된 연료 전지 셀에는, 가스 도입 구멍 및 가스 배출 구멍과, 냉각 매체 도입 구멍 및 냉각 매체 배출 구멍이 형성되어 있다. 또한, 연료 전지 셀에는, 가스 유로가 가스 도입 구멍 및 가스 배출 구멍과 연통하도록 형성되어 있다.

한편, 연료 전지 모듈의 서로 인접하는 연료 전지 셀의 사이에는, 냉각 매체 도입 구멍 및 냉각 매체 배출 구멍에 연통되는 냉각 매체 유로가 형성되어 있다.

일본 특허 공표 제2015-510218호 공보

상기 종래의 기술에서도, 연료 전지 스택의 소형화를 도모하거나, 냉각 효율의 악화를 억제하는 것은 가능하지만, 연료 전지 스택이 더 한층 소형화를 도모하거나, 냉각 효율의 악화를 보다 확실하게 억제할 수 있도록 하는 편이 바람직하다.

그래서, 본 발명은 소형화를 도모하면서 냉각 효율이 악화되어 버리는 것을 보다 확실하게 억제할 수 있는 연료 전지 스택을 얻는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 한 양태에 관한 연료 전지 스택의 연료 전지 셀에는, 2매의 세퍼레이터 중 적어도 어느 한쪽의 세퍼레이터로부터 막전극 접합체측으로 돌출되는 가스 시일 돌기 및 냉각 매체 시일 돌기가 형성되어 있다. 상기 가스 시일 돌기 및 상기 냉각 매체 시일 돌기의 막전극 접합체측과 반대측에는, 냉각 매체 유로가 되는 오목부가 형성되어 있다. 그리고, 상기 가스 시일 돌기 및 냉각 매체 시일 돌기 중 적어도 어느 한쪽에, 냉각 매체의 발전부 냉각부로부터 벗어나는 방향으로의 흐름을 억제하는 저항부가 설치되어 있다.

본 발명에 따르면, 시일 돌기의 이측으로 형성된 오목부를 냉각 매체 유로로하고 있기 때문에, 시일 돌기의 형성 공간을 여분으로 취할 필요가 없어진다. 그 결과, 세퍼레이터의 소형화를 도모하는 것이 가능하게 되고, 나아가서는, 연료 전지 스택의 소형화를 도모하는 것이 가능해진다.

또한, 가스 시일 돌기 및 냉각 매체 시일 돌기 중 적어도 어느 한쪽에, 냉각 매체의 발전부 냉각부로부터 벗어나는 방향으로의 흐름을 억제하는 저항부가 설치되어 있다. 그 결과, 보다 많은 냉각 매체가 발전부 냉각부로 흐르게 되어, 냉각 효율이 악화되어 버리는 것을 보다 확실하게 억제할 수 있도록 된다.

이와 같이, 본 발명에 따르면, 소형화를 도모하면서 냉각 효율이 악화되어 버리는 것을 보다 확실하게 억제할 수 있는 연료 전지 스택을 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 연료 전지 스택을 나타내는 도면이며, (A)는 연료 전지 스택을 나타내는 사시도, (B)는 연료 전지 스택을 나타내는 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 연료 전지 셀을 분해하여 나타내는 평면도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 막전극 접합체를 나타내는 평면도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 애노드측 세퍼레이터를 나타내는 평면도이다.
도 5는 도 3의 A-A 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 냉각 매체 유로를 설명하는 도면이며, (A)는 애노드측 세퍼레이터의 일부를 확대해 나타내는 평면도, (B)는 도 6의 (A)의 B-B 단면도이다.
도 7은 제1 비교예에 관한 애노드측 세퍼레이터를 일부 확대해 나타내는 평면도이다.
도 8은 제1 비교예에 관한 애노드측 세퍼레이터를 나타내는 도면이며, (A)는 애노드측 세퍼레이터를 일부 확대해 나타내는 평면도, (B)는 도 8의 (A)의 C-C 단면도, (C)는 도 8의 (A)의 D-D 단면도이다.
도 9는 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 애노드측 세퍼레이터를 나타내는 도면이며, (A)는 애노드측 세퍼레이터를 일부 확대해 나타내는 평면도, (B)는 도 9의 (A)의 E-E 단면도, (C)는 도 9의 (A)의 F-F 단면도이다.
도 10은 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 애노드측 세퍼레이터를 일부 확대해 나타내는 평면도이다.
도 11은 제2 비교예에 관한 애노드측 세퍼레이터를 나타내는 도면이며, (A)는 애노드측 세퍼레이터를 일부 확대해 나타내는 평면도, (B)는 도 11의 (A)의 G-G 단면도이다.
도 12는 본 발명의 제3 실시 형태에 관한 애노드측 세퍼레이터를 나타내는 도면이며, (A)는 애노드측 세퍼레이터를 일부 확대해 나타내는 평면도, (B)는 도 12의 (A)의 H-H 단면도이다.
도 13은 제3 비교예에 관한 애노드측 세퍼레이터를 나타내는 도면이며, (A)는 애노드측 세퍼레이터를 일부 확대해 나타내는 평면도, (B)는 도 13의 (A)의 I-I 단면도이다.
도 14는 본 발명의 제4 실시 형태에 관한 애노드측 세퍼레이터를 나타내는 도면이며, (A)는 애노드측 세퍼레이터를 일부 확대해 나타내는 평면도, (B)는 도 14의 (A)의 J-J 단면도이다.
도 15는 본 발명의 제4 실시 형태의 변형예에 관한 애노드측 세퍼레이터를 나타내는 도면이며, (A)는 제1 변형예에 관한 애노드측 세퍼레이터를 일부 확대해 나타내는 평면도, (B)는 제2 변형예에 관한 애노드측 세퍼레이터를 일부 확대해 나타내는 평면도, (C)는 제3 변형예에 관한 애노드측 세퍼레이터를 일부 확대해 나타내는 평면도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 형태를 도면에 기초하여 설명한다. 또한, 이하의 복수의 실시 형태에는, 동일한 구성 요소가 포함되어 있다. 따라서, 이하에서는, 그들 동일한 구성 요소에는 공통된 부호를 부여함과 함께, 중복되는 설명을 생략한다.

(제1 실시 형태)

본 실시 형태에 관한 연료 전지 스택(FS)은, 도 1의 (B)에 도시된 바와 같이, 복수의 연료 전지 셀(C)이 적층된 연료 전지 모듈(M)을 갖고 있다.

본 실시 형태에서는, 대략 직사각형 판상의 연료 전지 모듈(M)이 복수 형성되어 있고, 서로 인접하는 연료 전지 모듈(M, M)끼리의 사이에는, 대략 직사각형 판상의 시일 플레이트(P)가 개재 장착되어 있다.

이와 같이, 복수의 연료 전지 모듈(M)을 시일 플레이트(P)를 통해 적층함으로써 적층체(A)가 형성되어 있다. 또한, 도 1의 (B)에는, 2개의 연료 전지 모듈(M, M)과, 그 사이에 개재 장착되는 1매의 시일 플레이트(P)를 갖는 적층체(A)를 예시하고 있지만, 그 이상의 수의 연료 전지 모듈(M) 및 시일 플레이트(P)를 적층하는 것도 가능하다.

그리고, 이 적층체(A)를 케이스(10) 내에 수용함으로써, 도 1의 (A)에 도시된 바와 같은 케이스 일체형의 연료 전지 스택(FS)이 형성된다.

케이스(10)는, 체결판(11, 12)과, 보강판(13, 14)과, 엔드 플레이트(15, 16)를 구비하고 있고, 체결판(11, 12), 보강판(13, 14) 및 엔드 플레이트(15, 16)에 의해 대략 직육면체 형상으로 형성되어 있다.

구체적으로는, 적층체(A)의 적층 방향 양단부에, 적층체(A)의 적층 방향 양 단면을 덮도록 엔드 플레이트(15, 16)가 각각 배치되어 있다. 그리고, 엔드 플레이트(15, 16)를 적층체(A)의 적층 방향 양단부에 배치한 상태에서, 연료 전지 모듈(M)의 긴 변측을 덮도록 체결판(11, 12)이 배치됨과 함께, 연료 전지 모듈(M)의 짧은 변측을 덮도록 보강판(13, 14)이 배치되어 있다.

이러한 상태에서, 도시되지 않은 볼트에 의해 체결판(11, 12) 및 보강판(13, 14)을 엔드 플레이트(15, 16)에 체결시킴으로써, 적층체(A)가 수용된 대략 직육면체 형상의 케이스(10)가 형성되어 있다.

이 때, 도 1의 (A) 및 도 1의 (B)에 도시된 바와 같이, 도시되지 않은 볼트에 의한 체결 방향을 적층체(A)의 적층 방향으로 하기 때문에, 연료 전지 모듈(M) 및 시일 플레이트(P)가 엔드 플레이트(15, 16)에 의해 적층체(A)의 적층 방향으로 협압하게 된다. 이와 같이, 연료 전지 모듈(M) 및 시일 플레이트(P)를 적층체(A)의 적층 방향으로 협압함으로써, 연료 전지 셀(C)에 소정의 압력이 더하여져서 가스 시일성이나 도전성 등을 양호하게 유지할 수 있다.

연료 전지 모듈(M)은, 상술한 바와 같이, 필요한 매수를 포함하는 연료 전지 셀(C)을 적층한 것이다. 이 연료 전지 모듈(M)의 외벽면은, 후술하는 막전극 접합체(20)의 플랜지부(22)와 접착제(60)에 의해 구성되어 있다(도 5 참조). 이에 따라, 연료 전지 모듈(M)의 내부로의 침수를 방지함과 함께 전기적인 절연을 도모하고 있다. 또한, 도 5에는, 연료 전지 모듈(M)로서 4매의 연료 전지 셀(C)을 적층하여 접착한 것을 예시하고 있지만, 연료 전지 셀(C)의 매수는 이에 한정되는 것은 아니다.

연료 전지 셀(C)은, 도 2에 나타낸 바와 같이, 막전극 접합체(20)와, 막전극 접합체(20)의 양측에 설치되고, 막전극 접합체(20)를 끼움 지지하는 2매의 세퍼레이터(30, 40)를 갖고 있다.

막전극 접합체(20)는, 연료 전지 셀(C)의 적층 방향으로 본 상태에서 대략 직사각형 형상을 하고 있고, 중앙부에 배치된 발전부(23)와, 발전부(23)를 둘러싸도록 설치된 프레임부(21)를 갖고 있다. 이 프레임부(21)는, 예를 들어 절연 부재인 수지에 의해 형성할 수 있다. 또한, 프레임부(21)의 표리 양면의 외주부에는, 표리 양면으로부터 돌출되는 플랜지부(22)가 전체 주위에 걸쳐 형성되어 있다.

발전부(23)는, MEA(Membrane Electrode Assembly)라고도 호칭되는 것이며, 예를 들어 고체 고분자를 포함하는 전해질막과, 전해질막을 끼움 지지하는 한 쌍의 전극(애노드 및 캐소드)을 구비하고 있다.

그리고, 막전극 접합체(20)는, 2매의 세퍼레이터에 의해 발전부(23)가 덮인 상태로 끼움 지지되어 있다.

구체적으로는, 발전부(23)의 애노드측을 덮도록 애노드측 세퍼레이터(30)를 배치함과 함께, 발전부(23)의 캐소드측을 덮도록 캐소드측 세퍼레이터(40)를 배치하고 있다.

애노드측 세퍼레이터(30) 및 캐소드측 세퍼레이터(40)는, 각각 스테인리스 등의 금속판을 프레스 성형한 것이며, 막전극 접합체(20)의 플랜지부(22)의 내측 영역에 배설가능한 크기의 대략 직사각형으로 형성되어 있다.

이러한 구성을 한 연료 전지 셀(C)에는, 발전용 가스를 유통시키기 위한 가스 유로(70)가 구획 형성되어 있다. 본 실시 형태에서는, 상이한 2종류의 발전용 가스가 사용되고 있다. 구체적으로는, 2종류의 발전용 가스는 수소 함유 가스 및 산소 함유 가스이다.

따라서, 연료 전지 셀(C)에는, 수소 함유 가스가 유통하는 수소 함유 가스 유로(71) 및 산소 함유 가스가 유통하는 산소 함유 가스 유로(72)의 2종류의 가스 유로(70)가 구획 형성되어 있다.

구체적으로는, 도 5에 나타낸 바와 같이, 수소 함유 가스 유로(71)가, 막전극 접합체(20)의 애노드측의 면(20a)과 애노드측 세퍼레이터(30)의 막전극 접합체측의 면(30b) 사이에 구획 형성되어 있다. 또한, 산소 함유 가스 유로(72)가, 막전극 접합체(20)의 캐소드측의 면(20b)과 캐소드측 세퍼레이터(40)의 막전극 접합체측의 면(40b) 사이에 구획 형성되어 있다.

그리고, 연료 전지 셀(C)의 수소 함유 가스 유로(71)에 수소 함유 가스를 보내는 것으로, 수소 함유 가스 유로(71)에 면하는 애노드에 수소가 공급된다. 한편, 연료 전지 셀(C)의 산소 함유 가스 유로(72)에 산소 함유 가스를 보내는 것으로, 산소 함유 가스 유로(72)에 면하는 캐소드에 산소가 공급된다. 이와 같이, 애노드에 수소가 공급됨과 함께, 캐소드에 산소가 공급됨으로써, 전기 화학 반응에 의해 발전이 행해진다.

또한, 연료 전지 모듈(M)이 서로 인접하도록 적층된 연료 전지 셀(C) 사이에는, 냉각 매체가 유통하는 냉각 매체 유로(80)가 구획 형성되어 있다. 즉, 한쪽의 연료 전지 셀(C)의 애노드측 세퍼레이터(30)에 있어서의 막전극 접합체측과는 반대측의 면(30a)과, 다른 쪽의 연료 전지 셀(C)의 캐소드측 세퍼레이터(40)에 있어서의 막전극 접합체측과는 반대측의 면(40a) 사이에 냉각 매체 유로(80)를 형성하고 있다.

이와 같이, 냉각 매체 유로(80)를 형성하여 냉각 매체를 유통시킴으로써, 발전부(23)를 냉각 매체에 의해 냉각시키고 있다. 냉각 매체로서는, 냉각 매체 유로(80) 내를 유통시킬 수 있는 유체를 사용하는 것이 바람직하며, 예를 들어 물을 냉각 매체로서 사용할 수 있다.

또한, 연료 전지 셀(C)에는, 발전용 가스가 도입되는 가스 도입 구멍(ML1, ML3) 및 발전용 가스가 배출되는 가스 배출 구멍(MR1, MR3)이 형성되어 있다. 또한, 연료 전지 셀(C)에는, 발전부 냉각용의 냉각 매체가 도입되는 냉각 매체 도입 구멍(ML2) 및 냉각 매체가 배출되는 냉각 매체 배출 구멍(MR2)이 형성되어 있다.

본 실시 형태에서는, 막전극 접합체(20) 및 2매의 세퍼레이터(30, 40)의 긴 변 방향의 한쪽 단부에, 산소 함유 가스 도입 구멍(ML1), 냉각 매체 도입 구멍(ML2) 및 수소 함유 가스 도입 구멍(ML3)이 각각 형성되어 있다. 또한, 막전극 접합체(20) 및 2매의 세퍼레이터(30, 40)의 긴 변 방향의 다른 쪽 단부에, 산소 함유 가스 배출 구멍(MR1), 냉각 매체 배출 구멍(MR2) 및 수소 함유 가스 배출 구멍(MR3)이 각각 형성되어 있다. 또한, 공급용과 배출용은 일부 또는 전부가 반대의 위치 관계여도 된다.

그리고, 막전극 접합체(20) 및 2매의 세퍼레이터(30, 40)의 산소 함유 가스 도입 구멍(ML1)끼리가 연통하도록, 막전극 접합체(20) 및 2매의 세퍼레이터(30, 40)를 적층시킴으로써, 연료 전지 셀(C)에 가스 도입 구멍(ML1)이 형성되도록 하고 있다. 또한, 막전극 접합체(20) 및 2매의 세퍼레이터(30, 40)를 적층시켰을 때에는, 다른 도입 구멍 및 배출 구멍도 마찬가지로, 동일한 부호가 부여되어 있는 구멍끼리가 각각 적층 방향으로 연통되어 있다.

이와 같이 해서, 연료 전지 셀(C)에, 가스 도입 구멍(ML1, ML3) 및 가스 배출 구멍(MR1, MR3), 냉각 매체 도입 구멍(ML2) 및 냉각 매체 배출 구멍(MR2)을 형성하고 있다.

이 가스 도입 구멍(ML1, ML3) 및 가스 배출 구멍(MR1, MR3)은, 가스 유로(70)에 연통되어 있다.

구체적으로는, 산소 함유 가스 도입 구멍(ML1) 및 산소 함유 가스 배출 구멍(MR1)이 산소 함유 가스 유로(72)에 연통되어 있고, 수소 함유 가스 도입 구멍(ML3) 및 수소 함유 가스 배출 구멍(MR3)이 수소 함유 가스 유로(71)에 연통되어 있다.

한편, 냉각 매체 도입 구멍(ML2) 및 냉각 매체 배출 구멍(MR2)은, 냉각 매체 유로(80)에 연통되어 있다.

또한, 도 1에 도시된 바와 같이, 연료 전지 셀(C)을 적층한 연료 전지 모듈(M), 시일 플레이트(P), 엔드 플레이트(15, 16)에도, 도입 구멍(ML1 내지 ML3) 및 배출 구멍(MR1 내지 MR3)이 형성되어 있다. 그리고, 도입 구멍(ML1)끼리 등, 동일한 부호가 부여되어 있는 구멍끼리 각각 적층 방향으로 연통되도록, 적층체(A) 및 연료 전지 스택(FS)을 형성하고 있다.

이와 같이, 동일한 부호가 부여되어 있는 구멍끼리를 각각 적층 방향으로 연통시킴으로써, 산소 함유 가스 도입 매니폴드나 산소 함유 가스 배출 매니폴드 등의 매니폴드부(ML, MR)를 형성하고 있다.

이러한 구성으로 함으로써, 산소 함유 가스 도입 매니폴드로서 기능하는 산소 함유 가스 도입 구멍(ML1)으로부터 산소 함유 가스 유로(72)에 산소 함유 가스가 도입되어서, 산소 함유 가스 중의 산소가 발전부(23)의 캐소드에 공급되고, 잉여의 산소 함유 가스가 산소 함유 가스 유로(72)로부터 산소 함유 가스 배출 매니폴드로서 기능하는 산소 함유 가스 배출 구멍(MR1)으로 배출되게 된다.

한편, 수소 함유 가스 도입 매니폴드로서 기능하는 수소 함유 가스 도입 구멍(ML3)으로부터 물 함유 가스 유로(71)에 수소 함유 가스가 도입되어, 수소 함유 가스 중의 수소가 발전부(23)의 애노드에 공급되고, 잉여의 수소 함유 가스가 수소 함유 가스 유로(71)로부터 수소 함유 가스 배출 매니폴드로서 기능하는 수소 함유 가스 배출 구멍(MR3)으로 배출되게 된다.

또한, 본 실시 형태에서는, 막전극 접합체(20)의 매니폴드부(ML, MR)와 발전부(23) 사이에는, 수소 함유 가스 또는 산소 함유 가스가 유통하는 영역인 디퓨저 영역(25)이 형성되어 있다. 이 디퓨저 영역(25)에는, 원뿔대형으로 한 복수의 돌기(25a)가 필요한 간격으로 배설되어 있다. 또한, 디퓨저 영역(25)은, 막전극 접합체(20)와 세퍼레이터(30, 40)의 각 사이, 즉 막전극 접합체(20)의 양면측에 각각 형성되어 있다.

그리고, 냉각 매체 도입 매니폴드로서 기능하는 냉각 매체 도입 구멍(ML2)으로부터 냉각 매체 유로(80)에 냉각 매체가 도입되어, 냉각 매체가 냉각 매체 유로(80) 내를 흐르면서 발전부(23)를 냉각한다. 그리고, 냉각 매체 유로(80) 내를 흐르는 냉각 매체는, 냉각 매체 유로(80)로부터 냉각 매체 배출 매니폴드로서 기능하는 냉각 매체 배출 구멍(MR2)으로 배출되게 된다.

또한, 본 실시 형태에서는, 연료 전지 셀(C)에는, 시일부(90)가 형성되어 있고, 발전용 가스 및 냉각 매체의 이동이 이 시일부(90)에 의해 억제되어 있다.

즉, 연료 전지 셀(C)에 시일부(90)를 형성함으로써, 각 유통 경로 내에서 발전용 가스끼리 혼합해 버리거나, 발전용 가스와 냉각 매체가 혼합해 버리거나 하는 것을 억제할 수 있도록 하고 있다.

본 실시 형태에서는, 시일부(90)는, 막전극 접합체(20)에 설치한 접착 시일재(91)에, 세퍼레이터(30, 40) 중 적어도 어느 한쪽의 세퍼레이터로부터 막전극 접합체(20)측으로 돌출시킨 시일 돌기(92)를 맞닿게 함으로써 형성되어 있다.

또한, 접착 시일재(91)로서는, 올레핀계 수지 등의 열경화성 수지 소재가 일반적으로 사용되지만, 이에 한정되는 것은 아니다.

또한, 본 실시 형태에서는, 시일 돌기(92)의 막전극 접합체(20)측과는 반대측에는, 냉각 매체 유로(80)가 되는 오목부(33a)가 형성되어 있다.

이하에서는, 도 3 및 도 4를 사용하여, 본 실시 형태에 관한 시일부(90)에 대해 설명한다.

먼저, 도 3에 나타낸 바와 같이, 시일부(90)의 일부를 구성하는 접착 시일재(91)가 막전극 접합체(20)의 면 상에 형성되어 있다. 본 실시 형태에서는, 접착 시일재(91)는, 막전극 접합체(20)의 양면(애노드측의 면(20a) 및 캐소드측의 면(20b))에 형성되어 있다.

또한, 도 3에서는, 막전극 접합체(20)의 애노드측의 면(20a)에 형성된 접착 시일재(91)를 예시하고 있다. 막전극 접합체(20)의 캐소드측의 면(20b)에 형성되는 접착 시일재(91)는, 후술하는 가스 시일재(91A)가, 산소 함유 가스 도입 구멍(ML1) 및 산소 함유 가스 배출 구멍(MR1)의 주위가 아니고, 수소 함유 가스 도입 구멍(ML3) 및 수소 함유 가스 배출 구멍(MR3)에 형성되어 있는 점이 도 3과 상이하다.

접착 시일재(91)는, 도 3에 나타낸 바와 같이, 산소 함유 가스 도입 구멍(ML1) 및 산소 함유 가스 배출 구멍(MR1)의 주위를 둘러싸는 가스 시일재(91A)를 구비하고 있다. 본 실시 형태에서는, 가스의 시일성을 높이기 위하여, 가스 시일재(91A)가 산소 함유 가스 도입 구멍(ML1) 및 산소 함유 가스 배출 구멍(MR1)의 주위를 이중으로 둘러싸고 있다.

또한, 접착 시일재(91)는, 도 3에 나타낸 바와 같이, 냉각 매체 도입 구멍(ML2) 및 냉각 매체 배출 구멍(MR2)의 주위를 둘러싸는 냉각 매체 시일재(91B)를 구비하고 있다.

또한, 접착 시일재(91)는, 도 3에 나타낸 바와 같이, 막전극 접합체(20)의 애노드측의 면(20a)의 외주를 둘러싸는 외주 시일재(91C)를 구비하고 있다.

여기서, 본 실시 형태에서는, 가스 시일재(91A)의 영역을 구획 형성하는 윤곽과 냉각 매체 시일재(91B)의 영역을 구획 형성하는 윤곽 중 서로 인접하는 부분을 공통 시일재(91D)로 하고 있다.

또한, 냉각 매체 시일재(91B)의 영역을 구획 형성하는 윤곽과 외주 시일재(91C)의 영역을 구획 형성하는 윤곽 중 서로 인접하는 부분을 공통 시일재(91E)로 하고 있다. 그리고, 가스 시일재(91A)의 영역을 구획 형성하는 윤곽과 외주 시일재(91C)의 영역을 구획 형성하는 윤곽 중 서로 인접하는 부분을 공통 시일재(91F)로 하고 있다.

이와 같이, 접착 시일재(91)의 일부를 공용화하여 냉각 매체 시일재(91B) 및 외주 시일재(91C)로서의 기능을 갖게 함으로써, 접착 시일재(91)의 배치 영역을 작게 할 수 있고, 막전극 접합체(20)의 소형화를 도모할 수 있다.

한편, 도 4에 나타낸 바와 같이, 애노드측 세퍼레이터(30)에는, 시일부(90)의 일부를 구성하는 시일 돌기(92)가 막전극 접합체(20)측의 면(30b)에 형성되어 있다. 이 시일 돌기(92)는, 막전극 접합체(20)측과는 반대측(면(30a)측)에 냉각 매체 유로(80)가 되는 오목부(33a)가 형성되도록, 애노드측 세퍼레이터(30)를 막전극 접합체(20)측으로 돌출시킴으로써 형성되어 있다.

또한, 도 4에서는, 애노드측 세퍼레이터(30)에 형성된 시일 돌기(92)를 예시하고 있다. 캐소드측 세퍼레이터(40)에 형성되는 시일 돌기(92)는, 후술하는 가스 시일 돌기(92A)가, 산소 함유 가스 도입 구멍(ML1) 및 산소 함유 가스 배출 구멍(MR1)의 주위가 아니고, 수소 함유 가스 도입 구멍(ML3) 및 수소 함유 가스 배출 구멍(MR3)에 형성되어 있는 점이 도 4와 상이하다.

시일 돌기(92)는, 도 4에 나타낸 바와 같이, 산소 함유 가스 도입 구멍(ML1) 및 산소 함유 가스 배출 구멍(MR1)의 주위를 둘러싸는 가스 시일 돌기(92A)를 구비하고 있다. 본 실시 형태에서는, 가스의 시일성을 높이기 위하여, 가스 시일 돌기(92A)가 산소 함유 가스 도입 구멍(ML1) 및 산소 함유 가스 배출 구멍(MR1)의 주위를 이중으로 둘러싸고 있다.

또한, 시일 돌기(92)는, 도 4에 나타낸 바와 같이, 냉각 매체 도입 구멍(ML2) 및 냉각 매체 배출 구멍(MR2)의 주위를 둘러싸는 냉각 매체 시일 돌기(92B)를 구비하고 있다.

또한, 시일 돌기(92)는, 도 4에 나타낸 바와 같이, 애노드측 세퍼레이터(30)의 외주를 둘러싸는 외주 시일 돌기(92C)를 구비하고 있다.

여기서, 본 실시 형태에서는, 가스 시일 돌기(92A)의 영역을 구획 형성하는 윤곽과 냉각 매체 시일 돌기(92B)의 영역을 구획 형성하는 윤곽 중 서로 인접하는 부분을 공통 시일 돌기(92D)로 하고 있다.

또한, 냉각 매체 시일 돌기(92B)의 영역을 구획 형성하는 윤곽과 외주 시일 돌기(92C)의 영역을 구획 형성하는 윤곽 중 서로 인접하는 부분을 공통 시일 돌기(92E)로 하고 있다. 그리고, 가스 시일 돌기(92A)의 영역을 구획 형성하는 윤곽과 외주 시일 돌기(92C)의 영역을 구획 형성하는 윤곽 중 서로 인접하는 부분을 공통 시일 돌기(92F)로 하고 있다.

이와 같이, 시일 돌기(92)의 일부를 공용화하여 냉각 매체 시일 돌기(92B) 및 외주 시일 돌기(92C)로서의 기능을 갖게 함으로써, 시일 돌기(92)의 배치 영역을 작게 할 수 있고, 애노드측 세퍼레이터(30)의 소형화를 도모할 수 있다.

그리고, 막전극 접합체(20)의 애노드측의 면(20a)에 애노드측 세퍼레이터(30)를 적층시켰을 때에, 시일 돌기(92)가 접착 시일재(91)에 맞닿아 시일부(90)가 형성되도록 하고 있다.

구체적으로는, 가스 시일 돌기(92A)가 가스 시일재(91A)에 맞닿아서 가스 시일부(90A)가 형성된다. 또한, 냉각 매체 시일 돌기(92B)가 냉각 매체 시일재(91B)에 맞닿아서 냉각 매체 시일부(90B)가 형성된다. 또한, 외주 시일 돌기(92C)가 외주 시일재(91C)에 맞닿아서 외주 시일부(90C)가 형성된다. 그리고, 공통 시일 돌기(92D, 92E, 92F)가 공통 시일재(91D, 91E, 91F)에 각각 맞닿아서 공통 시일부(90D, 90E, 90F)가 형성된다.

이와 같이, 본 실시 형태에서는, 막전극 접합체(20)의 애노드측의 면(20a)에 형성된 시일부(90)는, 산소 함유 가스 도입 구멍(ML1), 산소 함유 가스 배출 구멍(MR1) 및 산소 함유 가스 유로(72)로부터의 산소 함유 가스의 유출을 억제하는 가스 시일부(90A)를 구비하고 있다. 또한, 막전극 접합체(20)의 애노드측의 면(20a)에 형성된 시일부(90)는, 세퍼레이터(30)와 막전극 접합체(20)사이로의 냉각 매체의 유입을 억제하는 냉각 매체 시일부(90B)를 구비하고 있다. 또한, 가스 시일부(90A) 및 냉각 매체 시일부(90B)는, 각각 공통 시일부(90D, 90E, 90F)의 해당되는 부위를 포함하고 있다.

이와 같이 해서, 매니폴드부(ML)로부터 산소 함유 가스 도입 구멍(ML1)을 통해 막전극 접합체(20)와 캐소드측 세퍼레이터(40) 사이에 공급된 산소 함유 가스를, 산소 함유 가스 배출 구멍(MR1)을 통해 매니폴드부(MR)로 배출하는 유로가 형성된다.

한편, 막전극 접합체(20)의 캐소드측의 면(20b)에는, 수소 함유 가스 도입 구멍(ML3), 수소 함유 가스 배출 구멍(MR3) 및 수소 함유 가스 유로(71)로부터의 수소 함유 가스의 유출을 억제하는 가스 시일부(도시되지 않음)가 형성되어 있다. 또한, 세퍼레이터(40)와 막전극 접합체(20) 사이로의 냉각 매체의 유입을 억제하는 냉각 매체 시일부(도시되지 않음)도 형성되어 있다.

이와 같이 해서, 매니폴드부(ML)로부터 수소 함유 가스 도입 구멍(ML3)을 통해 막전극 접합체(20)와 애노드측 세퍼레이터(30) 사이에 공급된 수소 함유 가스를, 수소 함유 가스 배출 구멍(MR3)을 통해 매니폴드부(MR)로 배출하는 유로가 형성된다.

또한, 매니폴드부(ML)로부터 냉각 매체 도입 구멍(ML2)을 통해 애노드측 세퍼레이터(30)와 캐소드측 세퍼레이터(40) 사이에 공급된 냉각 매체를, 냉각 매체 배출 구멍(MR2)을 통해 매니폴드부(MR)로 배출하는 유로가 형성된다. 이 냉각 매체 시일부(90B)는, 발전용 가스가 냉각 매체 도입 구멍(ML2) 및 냉각 매체 배출 구멍(MR2)으로 유출해 버리는 것을 억제하는 가스 시일로서의 기능도 갖고 있다.

이와 같이, 시일부(90)를 형성함으로써, 발전용 가스 및 냉각 매체가 연료 전지 스택(FS)의 외부로 유출하는 것이 억제된다.

또한, 본 실시 형태에서 나타낸 바와 같이, 접착 시일재(91)와 시일 돌기(92)에 의해 시일부(90)를 형성함으로써, 세퍼레이터(30, 40)와 막전극 접합체(20)를 밀착시킨 상태에서 시일할 수 있다. 그 결과, 시일부(90)에 발전용 가스나 냉각 매체의 압력이 가해진 경우에 시일성이 약해져 버리는 것이 억제되고, 보다 확실하게 시일할 수 있다.

그런데, 도 5에 나타낸 바와 같이, 막전극 접합체(20)끼리의 사이에는, 막전극 접합체(20)의 프레임부(21)끼리를 외측 에지부에서 접착하는 접착 시일재(60)가 형성되어 있다. 접착 시일재(60)는, 막전극 접합체(20)의 외측 에지부에서, 프레임부(21)끼리의 사이에 형성되는 시일이다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 막전극 접합체(20)는 세퍼레이터(30, 40)보다 한층 큰 형상을 하고 있고, 프레임부(21)의 외측 에지부는 세퍼레이터(30, 40)로부터 비어져 나온 상태가 되어 있다.

또한, 프레임부(21)의 외측 에지부에는, 표리 양면으로부터 돌출되는 플랜지부(22)가 형성되어 있다. 그리고, 이 플랜지부(22)를 형성함으로써, 프레임부(21)의 외측 에지부의 두께가, 적층되는 막전극 접합체(20) 사이의 거리와 거의 동등한 두께가 되도록 하고 있다. 그리고, 외측 에지부끼리의 사이는 접착 시일재(60)에 의해 접착되어 있고, 이에 의해, 빗물 등의 액체가 외부에서 침입해 버리는 것을 억제할 수 있는 외측 에지부 시일을 형성하고 있다.

또한, 도 5에 나타낸 바와 같이, 연료 전지 모듈(M, M)간에는, 시일 플레이트(P)가 개재 장착되어 있고, 시일 플레이트(P)와 세퍼레이터(30, 40)의 오목부 형상 사이에는 압축 시일 부재(S1)가 설치되어 있다. 또한, 시일 플레이트(P)와, 막전극 접합체(20)의 외측 에지부 시일이 설치되는 개소와의 사이에는, 압축 시일 부재(S2)가 설치되어 있다.

압축 시일 부재(S1, S2)는, 실리콘 고무 등의 고무재에 의해 구성되어 있고, 시일 플레이트(P)에 접착되어 있다. 또한, 세퍼레이터(30, 40)와 압축 시일 부재(S1, S2)의 사이는, 접착되지 않거나 또는 시일 플레이트(P)와 압축 시일 부재(S1, S2) 사이의 접착력보다도 약한 접착력으로 접착된다.

그리고, 압축 시일 부재(S1)는, 시일 플레이트(P)와 세퍼레이터(30, 40) 사이에 형성되는 냉각 매체 유로(80)에 배치되어 있고, 이 압축 시일 부재(S1)에 의해, 막전극 접합체(20)의 팽윤이나 열 팽창 등에 의한 연료 전지 셀(C)의 적층 방향으로의 변위가 흡수되도록 하고 있다.

또한, 시일 플레이트(P)의 기판(P1)에는, 압력 손실 조정부(P2)가 형성되어 있다(도 1의 (B) 참조).

또한, 상술한 바와 같이, 연료 전지 모듈(M)이 서로 인접하도록 적층된 연료 전지 셀(C) 사이에는, 냉각 매체가 유통하는 냉각 매체 유로(80)가 구획 형성되어 있다. 본 실시 형태에서는, 이 냉각 매체 유로(80) 및 가스 유로(70)는, 세퍼레이터(30, 40)에 요철 형상(32, 42)을 설치함으로써 구획 형성되어 있다.

그리고, 세퍼레이터(30)에 형성된 오목부(33)가 냉각 매체 도입 구멍(ML2)과 냉각 매체 배출 구멍(MR2)을 연통하는 냉각 매체 유로(80)를 이루고 있다.

또한, 본 실시 형태에서는, 시일 돌기(92)의 막전극 접합체(20)측과는 반대측에도 오목부(33)(오목부(33a))가 형성되어 있고, 이 시일 돌기(92)의 이측에 형성된 오목부(33a)도 냉각 매체 유로(80)의 일부를 이루고 있다. 이와 같이, 냉각 매체 유로(80)는, 시일부(90)의 일부를 구성하는 시일 돌기(92)로 형성되는 공통 부분을 갖고 있다. 이와 같이 함으로써, 냉각 매체 유로(80)를 시일부(90)와는 별개로 형성한 경우보다도 세퍼레이터를 소형화시킬 수 있다.

또한, 본 실시 형태에서는, 냉각 매체 유로(80)는, 도 6에 나타낸 바와 같이, 돌기부(32a)와 오목부(32b)를 갖는 협착부(81)와, 냉각 매체 시일부(90B)를 이루는 오목부 형상과 공통되는 공통 부분(82)을 구비하고 있다. 또한, 냉각 매체 유로(80)는, 냉각 매체를 짧은 변 방향으로 확산시키는 디퓨저부(83)와, 발전부(23)를 냉각하는 발전부 냉각부(84)를 구비하고 있다.

협착부(81)는, 도 6의 a-c 구간의 냉각 매체 유로(80)이다. 냉각 매체 도입 구멍(ML2)으로부터 공급된 냉각 매체가 협착부(81)를 통과함으로써, 냉각 매체가 정류되어 공통 부분(82)에 향하는 흐름이 형성된다.

공통 부분(82)은, 도 6의 c-d 구간의 냉각 매체 유로(80)이다. 공통 부분(82)에는, 도 6의 (A)의 상하 방향으로 연장되는 유로가 형성된다. 그로 인하여, 협착부(81)로부터 공통 부분(82)에 유입된 냉각 매체는 대부분이 디퓨저부(83)로 흐르는 한편, 일부의 냉각 매체는 도 6의 (A)의 상하 방향으로 흘러버린다.

디퓨저부(83)는, 도 6의 d보다 우측의 구간 냉각 매체 유로(80)이며, 협착부(81)와 발전부 냉각부(84)를 연통하는 부위이다.

이 디퓨저부(83)는, 협착부(81)를 통해 유입된 냉각 매체를 짧은 변 방향(도 6의 (A)의 상하 방향)으로 확산시켜 발전부 냉각부(84)로 흐르게 하는 기능을 갖고 있다. 또한, 도 6의 f에 도시된 바와 같이, 세퍼레이터(30)의 디퓨저부(83)를 형성하는 부분에는, 인접하는 세퍼레이터를 향해 돌출되는 반구형의 돌기부(32c)가 복수 설치되어 있고, 이 돌기부(32c)에 의해 디퓨저부(83)를 통과하는 냉각 매체의 확산을 촉진하고 있다.

발전부 냉각부(84)는, 적층 방향으로 본 상태에서, 세퍼레이터에 있어서의 막전극 접합체(20)의 발전부(23)와 겹치는 부위에 설치되어 있다. 본 실시 형태에서는, 발전부 냉각부(84)는, 서로 평행한 복수의 요철 형상(31, 41)을 설치함으로써 형성되는 복수의 직선 유로이다. 그리고, 이 발전부 냉각부(84)를 냉각 매체가 통과함으로써, 발전 시의 발열 반응에 의해 고온이 되는 발전부(23)에서 발생된 열이 냉각 매체에 흡수되어서, 발전부(23)가 냉각된다.

이와 같이, 냉각 매체 도입 구멍(ML2)으로부터 냉각 매체 유로(80)에 공급된 냉각 매체는, 공통 부분(82)으로부터 냉각 매체 도입 구멍(ML2)측으로 형성된 냉각 매체 시일 돌기(92B)의 이측의 오목부(33a)에 유입한다.

또한, 본 실시 형태에서는, 냉각 매체 시일 돌기(92B)와 가스 시일 돌기(92A)는 인접하는 돌기가 공통화되어 있다. 즉, 냉각 매체 시일 돌기(92B)의 이측의 오목부(33a)와 가스 시일 돌기(92A)의 이측의 오목부(33a)가 연통되어 있다. 그로 인하여, 도 7에 나타낸 바와 같이, 냉각 매체가 가스 시일측의 오목부(33a)에 유입하여, 발전부 냉각부(84)를 우회하여 냉각 매체 배출 구멍(MR2)으로 향하는 사이드 흐름(g2)이 발생할 우려가 있다.

이와 같이, 냉각 매체의 흐름(g)은, 발전부 냉각부(84)를 통과하는 정규의 흐름(g1)과, 발전부 냉각부(84)를 우회하는 사이드 흐름(g2)으로 분기해버릴 우려가 있다(도 7 참조). 그리고, 사이드 흐름(g2)이 발생하면, 발전부 냉각부(84)를 통과하는 정규의 흐름(g1)이 감소되기 때문에, 발전부(23)의 냉각 성능이 저하되어 버리는 경우가 있다.

그래서, 본 실시 형태에서는, 발전부 냉각부(84)를 우회하는 사이드 흐름(g2)의 발생을 억제하여 발전부 냉각부(84)를 통과하는 정규의 흐름(g1)의 감소를 최대한 억제할 수 있도록 했다.

구체적으로는, 가스 시일 돌기(92A) 및 냉각 매체 시일 돌기(92B) 중 적어도 한쪽에 저항부(50)를 설치하여, 냉각 매체의 발전부 냉각부(84)로부터 벗어나는 방향으로의 흐름(사이드 흐름(g2))을 억제할 수 있도록 했다.

본 실시 형태에서는, 도 9에 나타낸 바와 같이, 가스 시일 돌기(92A) 및 냉각 매체 시일 돌기(92B)의 양쪽에, 유통로의 단면적이 작아지도록 오리피스부(51)(저항부(50))를 형성한 것을 예시하고 있다. 이 오리피스부(51)는, 시일 돌기(92)의 이측으로 형성되는 오목부(33a)의 깊이를 얕게 하거나, 오목부(33a)의 가로 폭을 좁게 하거나 함으로써 형성할 수 있다.

본 실시 형태에서는, 가스 시일 돌기(92A)에 오목부(33a)의 깊이를 얕게 한 오리피스부(51)를 설치함과 함께, 냉각 매체 도입 구멍(ML2)의 하류측에 위치하고, 짧은 변 방향으로 연장되는 냉각 매체 시일 돌기(92B)에, 오목부(33a)의 가로 폭을 좁게 한 오리피스부(51)를 설치하고 있다. 또한, 외주 시일 돌기(92C)에도 오목부(33a)의 깊이를 얕게 한 오리피스부(51)를 설치하고 있다.

그런데, 도 8에 나타내는 비교예 1의 세퍼레이터(300)에서는, 시일 돌기(92)에 오리피스부(51)(저항부(50))가 형성되어 있지 않기 때문에, 시일 돌기(92)의 이측으로 형성된 오목부(33a)의 유로의 단면적이 크게 되어 있다. 그로 인하여, 시일 돌기(92)의 이측으로 형성된 오목부(33a) 내를 냉각 매체가 흐르기 쉽고, 사이드 흐름(g2)이 발생되기 쉬워지고 있다.

이에 반하여, 본 실시 형태에서는, 저항부(50)로서의 오리피스부(51)를 시일 돌기(92)에 형성하고 있다. 이에 의해, 오리피스부(51)에 있어서의 냉각 매체의 통과 방향의 유로 단면적이, 오리피스부(51)가 형성되지 않은 부위에 있어서의 오목부(33a)의 유로 단면적보다도 작아진다. 따라서, 냉각 매체가 시일 돌기(92)의 이측으로 형성된 오목부(33a) 내를 통과할 때의 압력 손실을 크게 할 수 있다. 그 결과, 냉각 매체의 사이드 흐름(g2)의 발생을 억제할 수 있고, 발전부 냉각부(84)를 통과하는 정규의 흐름(g1)을 증대시킬 수 있다. 이와 같이, 발전부 냉각부(84)를 통과하는 정규의 흐름(g1)을 증대시킴으로써, 발전부(23)의 냉각 효율이 감소되어 버리는 것을 억제할 수 있게 된다.

또한, 오목부(33a)를 얕게 함으로써 오리피스부(51)를 형성한 경우, 막전극 접합체(20)와 세퍼레이터(30) 사이의 접착 시일재(91)가 두껍게 도포되게 된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 연료 전지 스택(FS)은, 발전부(23)를 갖는 막전극 접합체(20)와, 막전극 접합체(20)를 끼움 지지하는 2매의 세퍼레이터(30, 40)를 갖는 연료 전지 셀(C)이 적층된 연료 전지 모듈(M)을 구비하고 있다.

또한, 연료 전지 셀(C)에는, 발전용 가스가 도입되는 가스 도입 구멍(ML1, 3)과, 발전용 가스가 배출되는 가스 배출 구멍(MR1, 3)과, 발전부 냉각용의 냉각 매체가 도입되는 냉각 매체 도입 구멍(ML2)과, 냉각 매체가 배출되는 냉각 매체 배출 구멍(MR2)이 형성되어 있다.

또한, 연료 전지 셀(C)에 있어서의 2매의 세퍼레이터(30, 40)사이에는, 발전부(23)가 배치됨과 함께, 가스 도입 구멍(ML1, 3) 및 가스 배출 구멍(MR1, 3)에 연통되는 가스 유로(70)가 형성되어 있다.

또한, 연료 전지 셀(C)에는, 가스 도입 구멍(ML1, 3), 가스 배출 구멍(MR1, 3) 및 가스 유로(70)로부터의 발전용 가스의 유출을 억제하는 가스 시일부(90A)와, 세퍼레이터(30, 40)와 막전극 접합체(20) 사이로의 냉각 매체의 유입을 억제하는 냉각 매체 시일부(90B)가 형성되어 있다.

또한, 연료 전지 모듈(M)의 서로 인접하는 연료 전지 셀(C) 사이에는, 냉각 매체 도입 구멍(ML2) 및 냉각 매체 배출 구멍(MR2)에 연통됨과 함께, 발전부(23)를 냉각하는 발전부 냉각부(84)를 갖는 냉각 매체 유로(80)가 형성되어 있다.

또한, 가스 시일부(90A)는, 연료 전지 셀(C)에 있어서의 2매의 세퍼레이터(30, 40) 중 적어도 어느 한쪽의 세퍼레이터로부터 막전극 접합체측으로 돌출됨과 함께, 막전극 접합체측과는 반대측으로 냉각 매체 유로(80)가 되는 오목부(33a)가 형성된 가스 시일 돌기(92A)를 구비하고 있다.

또한, 냉각 매체 시일부(90B)는, 연료 전지 셀(C)에 있어서의 2매의 세퍼레이터(30, 40) 중 적어도 어느 한쪽의 세퍼레이터로부터 막전극 접합체측으로 돌출됨과 함께, 막전극 접합체측과는 반대측으로 냉각 매체 유로(80)가 되는 오목부(33a)가 형성된 냉각 매체 시일 돌기(92B)를 구비하고 있다.

그리고, 가스 시일 돌기(90A) 및 냉각 매체 시일 돌기(90B) 중 적어도 어느 한쪽에, 냉각 매체의 발전부 냉각부(84)로부터 벗어나는 방향으로의 흐름을 억제하는 저항부(50)가 설치되어 있다.

이와 같이, 본 실시 형태에서는, 시일 돌기(92)의 이측으로 형성된 오목부(33a)를 냉각 매체 유로(80)로 하기 때문에, 시일 돌기(92)의 형성 공간을 여분으로 취할 필요가 없어진다. 그 결과, 세퍼레이터(30, 40)의 소형화를 도모하는 것이 가능하게 되고, 나아가서는, 연료 전지 스택(FS)의 소형화를 도모하는 것이 가능해진다.

또한, 가스 시일 돌기(92A) 및 냉각 매체 시일 돌기(92B) 중 적어도 어느 한쪽에, 냉각 매체의 발전부 냉각부(84)로부터 벗어나는 방향으로의 흐름(사이드 흐름(g2))을 억제하는 저항부(50)를 설치하고 있다. 그 결과, 보다 많은 냉각 매체가 발전부 냉각부(84)에 흐르는 것이 되고, 냉각 효율이 악화되어 버리는 것을 보다 확실하게 억제할 수 있게 된다.

이와 같이, 본 실시 형태에 따르면, 소형화를 도모하면서 냉각 효율이 악화되어 버리는 것을 보다 확실하게 억제할 수 있는 연료 전지 스택을 얻을 수 있다.

또한, 본 실시 형태에서는, 냉각 매체가 오목부(33a)를 통과할 때에 발생되는 압력 손실을 저항부(50)에 의해 증대시킴으로써, 냉각 매체의 흐름을 억제하도록 하고 있다.

이와 같이, 냉각 매체가 시일 돌기(92)의 이측으로 형성된 오목부(33a) 내를 통과할 때의 압력 손실을 크게 함으로써, 냉각 매체의 사이드 흐름(g2)의 발생을 억제할 수 있고, 발전부 냉각부(84)를 통과하는 정규의 흐름(g1)을 증대시킬 수 있다.

또한, 본 실시 형태에 따르면, 저항부(50)가 가스 시일 돌기(90A) 또는 냉각 매체 시일 돌기(90B)에 형성된 오리피스부(51)를 갖고 있다.

이 오리피스부(51)를 형성함으로써, 냉각 매체가 시일 돌기(92)의 이측으로 형성된 오목부(33a) 내를 통과할 때의 압력 손실을 크게 할 수 있고, 냉각 매체의 사이드 흐름(g2)의 발생을 억제할 수 있게 된다. 그 결과, 발전부(23)의 냉각 효율이 감소되어 버리는 것을 억제할 수 있게 된다.

(제2 실시 형태)

본 실시 형태에 관한 세퍼레이터(30A)에 있어서도, 가스 시일 돌기(92A) 및 냉각 매체 시일 돌기(92B) 중 적어도 어느 한쪽에, 냉각 매체의 발전부 냉각부(84)로부터 벗어나는 방향으로의 흐름(사이드 흐름(g2))을 억제하는 저항부(50)를 설치하고 있다.

여기서, 본 실시 형태에 있어서는, 가스 시일 돌기(92A) 및 냉각 매체 시일 돌기(92B) 중 적어도 어느 한쪽에 굴곡부(52)를 형성함으로써 저항부(50)를 설치하고 있는 점이 상기 제1 실시 형태와는 상이하다.

본 실시 형태에서는, 도 10에 나타낸 바와 같이, 냉각 매체 시일 돌기(90B)의 일부를 지그재그상으로 절곡함으로써 굴곡부(52)를 형성하고 있다.

이러한 저항부(50)를 설치하는 것으로도, 냉각 매체가 시일 돌기(92)의 이측으로 형성된 오목부(33a) 내를 통과할 때의 압력 손실을 크게 할 수 있어, 냉각 매체의 사이드 흐름(g2)의 발생을 억제할 수 있게 된다.

(제3 실시 형태)

본 실시 형태에 관한 세퍼레이터(30B)에 있어서도, 가스 시일 돌기(92A) 및 냉각 매체 시일 돌기(92B) 중 적어도 어느 한쪽에, 냉각 매체의 발전부 냉각부(84)로부터 벗어나는 방향으로의 흐름(사이드 흐름(g2))을 억제하는 저항부(50)를 설치하고 있다.

여기서, 본 실시 형태에 있어서는, 도 12에 나타낸 바와 같이, 세퍼레이터(30)에, 오목부(33a)에 연통됨과 함께, 냉각 매체의 발전부 냉각부(84)로부터 벗어나는 방향으로의 흐름을, 발전부 냉각부(84)를 향하는 흐름으로 변화시키는 제2 오목부(53)를 형성하고 있다.

이 제2 오목부(53)를 설치함으로써, 냉각 매체의 발전부 냉각부(84)로부터 벗어나는 방향으로의 흐름을, 발전부 냉각부(84)를 향하는 흐름으로 복귀시킬 수 있다.

또한, 본 실시 형태에서는, 저항부(50)가, 오목부(33a)에 있어서의 제2 오목부(53)의 연통부(53a)보다도 하류측으로 설치되어 있다.

그런데, 도 11의 비교예 2에 도시된 바와 같이, 저항부(50)를 설치한 것만으로는, 냉각 매체의 사이드 흐름(g2)의 발생을 억제할 수는 있지만, 사이드 흐름(g2)을 정규의 흐름(g1)에 효율적으로 복귀시키기 어려웠다.

이에 반하여, 본 실시 형태에서는, 도 12에 나타낸 바와 같이, 냉각 매체의 발전부 냉각부(84)로부터 벗어나는 방향으로의 흐름을, 발전부 냉각부(84)를 향하는 흐름으로 변화시키는 제2 오목부(53)를 오목부(33a)에 연통시키고 있다. 그로 인하여, 사이드 흐름(g2)을 정규의 흐름(g1)으로 보다 효율적으로 복귀시킬 수 있게 된다.

특히, 본 실시 형태에서는, 저항부(50)를 오목부(33a)에 있어서의 제2 오목부(53)의 연통부(53a)보다도 하류측으로 설치하고 있다. 그로 인하여, 냉각 매체가 제2 오목부(53)의 근방에 체류하기 쉬워져서, 보다 효율적으로 사이드 흐름(g2)을 정규의 흐름(g1)으로 복귀시킬 수 있게 된다는 이점이 있다.

(제4 실시 형태)

본 실시 형태에 관한 세퍼레이터(30C)에 있어서도, 가스 시일 돌기(92A) 및 냉각 매체 시일 돌기(92B) 중 적어도 어느 한쪽에, 냉각 매체의 발전부 냉각부(84)로부터 벗어나는 방향으로의 흐름(사이드 흐름(g2))을 억제하는 저항부(50)를 설치하고 있다.

여기서, 본 실시 형태에 있어서는, 도 14에 나타낸 바와 같이, 저항부(50)가 오목부(33a)의 연통을 차단하는 차단부(54)를 갖도록 하고 있다.

본 실시 형태에서는, 세퍼레이터(30)에 오목부(33a)를 부분적으로 설치하지 않고 평탄해지는 구간을 갖도록 함으로써, 차단부(54)를 형성하고 있다.

구체적으로는, 도 14에 나타낸 바와 같이, 가스 시일 돌기(92A)와 냉각 매체 도입 구멍(ML2)의 하류측에 위치하고, 짧은 변 방향으로 연장되는 냉각 매체 시일 돌기(92B)와의 연결 부분에 차단부(54)를 형성하고 있다.

그런데, 도 13에 나타낸 바와 같이, 시일 돌기(92)의 이측으로 형성된 오목부(33a)가 연통되어 있으면, 냉각 매체의 사이드 흐름(g2)의 발생을 억제하기가 어렵다.

이에 반하여, 본 실시 형태에서는, 저항부(50)가 오목부(33a)의 연통을 차단하는 차단부(54)를 갖도록 하고 있다.

이와 같이 함으로써, 오목부(33a)에 유입된 냉각 매체가 사이드로 흘러 버리는 것을 차단할 수 있고, 냉각 매체의 사이드 흐름(g2)의 발생을 억제할 수 있다. 그 결과, 발전부 냉각부(84)를 통과하는 정규의 흐름(g1)을 증대시킬 수 있고, 냉각 효율이 악화되어 버리는 것을 보다 확실하게 억제할 수 있도록 된다.

또한, 본 실시 형태와 같이, 세퍼레이터(30)에 오목부(33a)를 부분적으로 설치하지 않고 평탄해지는 구간을 갖도록 함으로써, 차단부(54)를 형성하면, 차단부(54)에 있어서의 가스 시일 또는 냉각 매체 시일을, 접착 시일재만으로 형성할 필요가 있다. 그로 인하여, 막전극 접합체(20)와 세퍼레이터(30, 40) 사이에서 발생되는 발전용 가스나 냉각 매체의 압력 h에 의해, 접착 시일재의 유지력이 약해져버리는 경우가 있다.

그래서, 도 15에 도시된 바와 같이, 가스 시일 돌기(92A) 또는 냉각 매체 시일 돌기(92B)에 있어서의 차단부(54)의 시점(54a) 및 종점(54b) 중 적어도 한쪽에, 막전극 접합체(20)와 세퍼레이터(30, 40) 사이에 설치되는 접착 시일재(91)를 유지 가능한 유지부(55)를 형성하도록 해도 된다.

도 15의 (A)에는, 차단부(54)의 시점(54a) 및 종점(54b)의 양쪽을 직사각형으로 절취된 형상으로 함으로써 형성된 유지부(55)를 예시하고 있다. 이러한 형상으로 함으로써, 시점(54a)과 종점(54b)에 접착 시일재(91)가 걸릴 수 있게 할 수 있다. 그로 인하여, 평탄 구간에 있어서의 막전극 접합체(20)와 세퍼레이터(30, 40) 사이의 가스 시일부에 가스의 압력 h가 가해졌다고 해도, 접착 시일재(91)의 유지력이 저감되어 버리는 것을 억제할 수 있다.

또한, 도 15의 (B)에는, 시점(54a)과 종점(54b) 사이에서 접착 시일재(91)를 물어서 조이는 형상으로 함으로써 형성된 유지부(55)를 예시하고 있다.

이러한 형상으로 해도, 접착 시일재(91)의 유지력이 저감되어 버리는 것을 억제할 수 있다.

또한, 도 15의 (C)에는, 시점(54a)과 종점(54b)을 지그재그상으로 절곡한 형상으로 함으로써 형성된 유지부(55)를 예시하고 있다.

또한, 시점과 종점의 형상은 이에 한정되지 않고, 접착 시일재의 유지력을 높이는 형상이면 다양한 형상의 것을 채용할 수 있다.

이상, 본 발명에 관한 연료 전지 스택에 대해, 상기 각 실시 형태를 예로 하여 설명했지만, 본 발명은 상기 각 실시 형태에 한정하지 않고 본 발명의 요지를 일탈하지 않은 범위에서 다른 실시 형태를 각종 채용할 수 있다.

예를 들어, 상기 각 실시 형태에서 나타낸 저항부를 적절히 조합하는 것도 가능하여, 저항부의 형성 위치를 적절히 설정하는 것도 가능하다.

또한, 각 구성 부재의 형상, 개수, 배치 위치 및 재질 등을 적절히 변경하는 것도 가능하다.

본 발명에 따르면, 소형화를 도모하면서 냉각 효율이 악화되어 버리는 것을 보다 확실하게 억제할 수 있는 연료 전지 스택을 얻을 수 있다.

FS: 연료 전지 스택
M: 연료 전지 모듈
C: 연료 전지 셀
20: 막전극 접합체
23: 발전부
30, 30A, 30B, 30C: 애노드측 세퍼레이터
33a: 오목부
40: 캐소드측 세퍼레이터
50: 저항부
51: 오리피스부
52: 굴곡부
53: 제2 오목부
54: 차단부
54a: 시단부
54b: 종단부
55: 유지부
70: 가스 유로
80: 냉각 매체 유로
84: 발전부 냉각부
90: 시일부
90A: 가스 시일부
90B: 냉각 매체 시일부
91: 시일재
92: 시일 돌기
92A: 가스 시일 돌기
92B: 냉각 매체 돌기
ML1: 산소 함유 가스 공급용(가스 도입 구멍)
ML2: 냉각 매체 공급용(냉각 매체 도입 구멍)
ML3: 수소 함유 가스 공급용(가스 도입 구멍)
MR1: 산소 함유 가스 배출용(가스 배출 구멍)
MR2: 냉각 매체 배출용(냉각 매체 배출 구멍)
MR3: 수소 함유 가스 배출용(가스 배출 구멍)

Claims

발전부를 갖는 막전극 접합체와, 상기 막전극 접합체를 끼움 지지하는 2매의 세퍼레이터를 갖는 연료 전지 셀이 적층된 연료 전지 모듈을 구비하는 연료 전지 스택에 있어서,
상기 연료 전지 셀에는, 발전용 가스가 도입되는 가스 도입 구멍과, 상기 발전용 가스가 배출되는 가스 배출 구멍과, 발전부 냉각용의 냉각 매체가 도입되는 냉각 매체 도입 구멍과, 상기 냉각 매체가 배출되는 냉각 매체 배출 구멍이 형성되어 있고,
상기 연료 전지 셀에서의 상기 2매의 세퍼레이터 사이에는, 상기 발전부가 배치됨과 함께, 상기 가스 도입 구멍 및 상기 가스 배출 구멍에 연통되는 가스 유로가 형성되어 있고,
상기 연료 전지 셀에는, 상기 가스 도입 구멍, 상기 가스 배출 구멍 및 상기 가스 유로로부터의 상기 발전용 가스의 유출을 억제하는 가스 시일부와, 상기 세퍼레이터와 상기 막전극 접합체 사이로의 상기 냉각 매체의 유입을 억제하는 냉각 매체 시일부가 형성되어 있고,
상기 연료 전지 모듈의 서로 인접하는 연료 전지 셀의 사이에는, 상기 냉각 매체 도입 구멍 및 상기 냉각 매체 배출 구멍에 연통됨과 함께, 상기 발전부를 냉각하는 발전부 냉각부를 갖는 냉각 매체 유로가 형성되어 있고,
상기 가스 시일부는, 상기 연료 전지 셀에서의 상기 2매의 세퍼레이터 중 적어도 어느 한쪽의 세퍼레이터로부터 상기 막전극 접합체측으로 돌출됨과 함께, 상기 막전극 접합체측과는 반대측으로 상기 냉각 매체 유로가 되는 오목부가 형성된 가스 시일 돌기를 구비하고 있고,
상기 냉각 매체 시일부는, 상기 연료 전지 셀에서의 상기 2매의 세퍼레이터 중 적어도 어느 한쪽의 세퍼레이터로부터 상기 막전극 접합체측으로 돌출됨과 함께, 상기 막전극 접합체측과는 반대측으로 상기 냉각 매체 유로가 되는 오목부가 형성된 냉각 매체 시일 돌기를 구비하고 있고,
상기 가스 시일 돌기 및 상기 냉각 매체 시일 돌기 중 적어도 어느 한쪽에, 상기 냉각 매체의 상기 발전부 냉각부로부터 벗어나는 방향으로의 흐름을 억제하는 저항부가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택.
제1항에 있어서, 상기 냉각 매체가 상기 오목부를 통과할 때에 발생되는 압력 손실을 상기 저항부에 의해 증대시킴으로써, 상기 냉각 매체의 흐름을 억제하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 저항부가 상기 가스 시일 돌기 또는 상기 냉각 매체 시일 돌기에 형성된 오리피스부를 갖는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 세퍼레이터에는, 상기 오목부에 연통됨과 함께, 상기 냉각 매체의 상기 발전부 냉각부로부터 벗어나는 방향으로의 흐름을, 상기 발전부 냉각부를 향하는 흐름으로 변화시키는 제2 오목부가 형성되어 있고,
상기 저항부가, 상기 오목부에서의 상기 제2 오목부와의 연통부보다도 하류측으로 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택.
제1항에 있어서, 상기 저항부가 상기 오목부의 연통을 차단하는 차단부를 갖는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택.
제5항에 있어서, 상기 가스 시일 돌기 또는 상기 냉각 매체 시일 돌기에 있어서의 상기 차단부의 시점 및 종점 중 적어도 한쪽에는, 상기 막전극 접합체와 상기 세퍼레이터 사이에 설치되는 접착 시일재를 유지 가능한 유지부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택.