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JP7222166B2 - 燃料電池スタック - Google Patents

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Description

本発明は、分離板及びこれを含む燃料電池スタックに関する。
本出願は、２０１６年１２月０２日付け韓国特許出願第１０－２０１６－０１６３６０８号に基づく優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示されたすべての内容は、本明細書の一部として含まれる。
一般に、燃料電池（Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）は、燃料と酸化剤との電気化学反応を介して電気エネルギーを発生させるエネルギー変換装置であり、燃料が継続的に供給される限り持続的に発電が可能であるという長所がある。
水素イオンを透過させることができる高分子膜を電解質として使用する高分子電解質燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ、ＰＥＭＦＣ）は、他の形態の燃料電池に比べて低い、約１００℃以下の作動温度を有し、エネルギー変換効率と出力密度が高く、応答特性が速いという長所がある。それだけではなく、小型化が可能であるために、携帯用、車両用及び家庭用電源装置として提供され得る。
高分子電解質燃料電池スタックは、高分子物質で構成された電解質膜を中心にアノード（Ａｎｏｄｅ）とカソード（Ｃａｔｈｏｄｅ）がそれぞれ塗布されて形成された電極層を備える膜－電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ、ＭＥＡ）、反応気体を反応領域の全体にわたって均等に分布させ、アノード電極の酸化反応に応じて発生した電子をカソード電極側に伝達する役割のガス拡散層（Ｇａｓ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｌａｙｅｒ、ＧＤＬ）、反応気体をガス拡散層に供給し、電気化学反応に応じて発生した水を外部に排出させる分離板（Ｂｉｐｏｌａｒ Ｐｌａｔｅ）、分離板又は膜－電極接合体の反応領域の外周に配置されて反応気体及び冷却水の漏れを防止する、弾性を有するゴム素材のガスケット（Ｇａｓｋｅｔ）を含み得る。
一方、高分子電解質型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）は、電解質高分子膜のイオン伝導性能を維持するため、水分の持続的供給を必要とするが、過流量に発生して反応ガス流路内に停滞した水は、反応ガスの移動と排出を妨害する問題（例えば、Ｆｌｏｏｄｉｎｇ）を発生させる。
また、水の排出性能を改善するために、種々の形状の分離板が開発されているが、水の効率的排出とともに電解質膜の加湿のための水分の確保という２つの目的を同時に満足させることができる分離板は全くないのが実情である。
本発明は、反応ガスの流れを妨げることなく、反応ガス流路に生成された生成水で電解質膜の加湿に再使用が可能に設けられた分離板、及びこれを含む燃料電池スタックを提供することを、解決しようとする課題とする。
また、本発明は、生成水を効果的に排出させ、フラッディング（Ｆｌｏｏｄｉｎｇ）を最小化することができる分離板、及びこれを含む燃料電池スタックを提供することを、解決しようとする課題とする。
また、本発明は、低加湿又は無加湿運転条件の下で、水管理の効率性を向上させ、電解質膜の乾燥を最小化することができる分離板、及びこれを含む燃料電池スタックを提供することを、解決しようとする課題とする。
前述の課題を解決するために、本発明の一側面によると、反応ガスが流動するための流動空間を形成する底面及び前記底面と連結された一対の側壁を含む複数のチャネルと、隣接する２つのチャネルの側壁を連結するように設けられた複数のリブとを含む分離板が提供される。
また、チャネルの側壁には、内側に陥没し、第１角度で連結された第１傾斜面と第２傾斜面を有する貯水部が設けられる。
また、貯水部はくさび（Ｗｅｄｇｅ）形状を有してもよい。
また、第１傾斜面と第２傾斜面は「Ｖ」字形状を有してもよい。
また、第１傾斜面と第２傾斜面は平坦面からなってもよい。
また、チャネルの両側壁には、反応ガスの流動方向に沿って対称となるように、それぞれ複数の貯水部が所定の間隔で離れて設けられてもよい。
これとは異なり、チャネルの両側壁には、反応ガスの流動方向に沿って非対称となるように、それぞれ複数の貯水部が所定の間隔で離れて設けられてもよい。
また、第１角度は鋭角であってもよい。また、第１角度の半分といずれか一方の傾斜面の接触角との和は９０゜以下であってもよい。
また、チャネルの側壁に対する第１傾斜面の傾斜角と第２傾斜面の傾斜角の大きさは同一であってもよい。これとは異なり、チャネルの側壁に対する第１傾斜面の傾斜角と第２傾斜面の傾斜角の大きさは互いに異なってもよい。
また、本発明のまた他の側面によると、膜－電極接合体と、膜－電極接合体の一面に設けられたガス拡散層と、少なくとも一部の領域でガス拡散層に接触するように設けられた分離板と、を含む燃料電池スタックが提供される。ここで、前記分離板は、反応ガスが流動するための流動空間を形成する底面及び前記底面と連結された一対の側壁を含む複数のチャネルと、隣接する２つのチャネルの側壁を連結し、前記ガス拡散層と接触するように設けられた複数のリブとを含む。また、チャネルの側壁には、内側に陥没し、第１角度で連結された第１傾斜面と第２傾斜面を有し、水が貯蔵されるための貯水部が設けられる。前記水は、燃料電池スタックの運転中にチャネル内に生成された生成水であってもよい。
また、貯水部はくさび（Ｗｅｄｇｅ）形状を有してもよい。
また、第１傾斜面と第２傾斜面は「Ｖ」字形状を有するように連結されてもよい。
また、第１傾斜面と第２傾斜面は平坦面からなってもよい。
また、貯水部内の水（生成水）は、第１及び第２傾斜面に沿ってガス拡散層及び膜－電極接合体側に移動されてもよい。したがって、貯水部内に貯蔵された生成水は、電解質膜の加湿に再使用されてもよい。
以上で検討したように、本発明の一実施例に係る分離板及びこれを含む燃料電池スタックは、次のような効果を有する。
分離板内の気体の流れと液体（例えば、生成水）の流れを効率的に分配することができ、特に、生成水（凝縮水）が分離板のチャネル内に蓄積（Ｆｌｏｏｄｉｎｇ）されることを防止することができる。
反応ガスの流れを妨げることなく、反応ガス流路に生成された生成水で電解質膜の加湿に再使用が可能であり、低加湿又は無加湿運転条件の下で、水管理の効率性を向上させ、電解質膜の乾燥を最小化することができる。
本発明の一実施例に係る燃料電池スタックの概略図である。 本発明の一実施例に係る分離板の平面図である。 図２に示された貯水部の斜視図である。 図２に示された貯水部の斜視図である。 燃料電池スタックの一作動状態を説明するための概念図である。 反応ガス流路と冷却水流路を説明するための平面図である。 チャネルの種々の形態を示す概略図である。 貯水部の配列を説明するための概略図である。 貯水部の配列を説明するための概略図である。 貯水部内の水の上昇原理を説明するための概念図である。 貯水部内の水の上昇原理を説明するための概念図である。
以下、本発明の一実施例による分離板、その製造方法及びこれを含む燃料電池スタックを添付の図面を参考して詳しく説明する。
また、図面符号にかかわらず、同一又は対応する構成要素は、同一又は類似の参照番号を付与し、これについての重複説明は省略し、説明の便宜のために示された各構成部材の大きさ及び形状は、誇張又は縮小されることがある。
図１は、本発明の一実施例に係る燃料電池スタック１の概略図であり、図２は、本発明の一実施例に係る分離板１００の平面図である。
また、図３及び図４は、図２に示された貯水部２００の斜視図であり、図５は、燃料電池スタック１の一作動状態を説明するための概念図である。
また、図６は、反応ガス流路Ａと冷却水流路Ｂを説明するための平面図であり、図７は、チャネル１１０－１、１１０－２、１１０－３の種々の形態を示す概略図であり、図８及び図９は、貯水部の配列を説明するための概略図である。
また、図１０及び図１１は、貯水部２００内の水（生成水）の上昇原理を説明するための概念図である。
本発明の一実施例に係る燃料電池スタック１は、膜－電極接合体１０と、膜－電極接合体１０の一面に設けられたガス拡散層２０と、分離板１００とを含む。前記分離板１００は、少なくとも一部の領域でガス拡散層２０と接触するように配置される。
図１及び図２を参照すると、本発明の一実施例に係る分離板１００は、反応ガスが流動するための流動空間を形成する底面１１１及び前記底面１１１と連結された一対の側壁１１２を含む複数のチャネル１１０と、隣接する２つのチャネル１１０の側壁１１２を連結するように設けられた複数のリブ１２０とを含む。前記チャネル１１０は、リブ１２０側に開放された構造を有する。すなわち、前記チャネル１１０は、ガス拡散層２０側に開放された構造を有する。
前記チャネル１１０は、底面１１１とそれぞれの側壁１１２が直交するように設けられてもよい。また、チャネル１１０の底面１１１とリブ１２０は平行に設けられてもよい。また、それぞれのリブ１２０は、前記ガス拡散層２０と接触するように設けられる。
前記チャネル１１０の側壁１１２には、内側に陥没し、第１角度αで連結された第１傾斜面２１０と第２傾斜面２２０を有する貯水部２００が設けられる。前記貯水部２００は、所定の空間を提供し、チャネル１１０内の生成された水（生成水）が貯蔵される。すなわち、前記貯水部２００には、チャネル１１０内に生成される生成水が反応ガスの流れを妨げないように貯蔵される。
また、図３及び図５を参照すると、貯水部２００内に滞留する生成水は、第１傾斜面２１０と第２傾斜面２２０を介してガス拡散層２０と触れ合う水柱Ｗ（コラム）形態を維持し、ガス拡散層２０と膜－電極接合体１０に拡散して高分子電解質膜の加湿に使用されてもよい。すなわち、貯水部２００内の水は、第１及び第２傾斜面２１０、２２０に沿ってガス拡散層２０及び膜－電極接合体１０側に移動される。説明していない符号１１は触媒層を示す。
また、貯水部２００はくさび（Ｗｅｄｇｅ）形状を有してもよい。また、第１傾斜面２１０と第２傾斜面２２０は「Ｖ」字形状を有してもよい。また、第１傾斜面２１０と第２傾斜面２２０は平坦面からなってもよい。一方、第１傾斜面２１０と第２傾斜面２２０が連結される領域（境界領域）は「Ｖ」字形状を有するように設けられ、前記境界領域は曲面部を含んでいないことが好ましい。但し、それぞれの傾斜面２１０、２２０とチャネル１１０の側壁１１２が連結される領域は、曲面部を含んでいてもよい。
図３を参照すると、第１角度αは鋭角であってもよい。具体的に、前記第１角度αは、例えば、直線流路の一側壁１１２に生成された隙間の２つの壁面（第１傾斜面と第２傾斜面）がなす角度を示す。また、第１角度αの半分といずれか一方の傾斜面の接触角θとの和は９０゜以下であることが好ましい。このような場合、高い効果を得ることができる。
一方、図３及び図４を参照すると、接触角θは、傾斜面２１０又は２２０と水表面とが接触する角度を示す。前記接触角θは、分離板１００の素材とガス拡散層２０の親水性（又は疎水性）、そして、図４に示された長さａ、ｂ、ｃ、ｄ、及び／又はａ／ｄの比率などの設計要素に応じて調節できる。例えば、リブ１２０の幅ａと高さｄ、貯水部２００を除いたリブの幅ｂと反応ガスの流動方向に沿って隣接する貯水部２００との間の間隔ｃで、ａとｄは、第１角度αの決定に影響を与える要因である。また、貯水部２００内の含水量（Ｗａｔｅｒ Ｃｏｎｔｅｎｔ）は、第１角度αと高さｄによって決定できる。また、長さｂは、分離板の素材と製作工程及び燃料電池スタック１の運転条件に応じて調整できる。
図５は、貯水部２００内に溜まっている水柱Ｗから水が拡散（Ｂａｃｋ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）してガス拡散層２０と触媒層１１を経て、高分子電解質膜（ＰＥＭ）の加湿に利用されることを例示したものである。
図６を参照すると、Ａは、反応ガスの流路及び流動方向を示し、Ｂは、冷却水の流路及び流動方向を示す。すなわち、反応ガスは、分離板１００の第１面（チャネルが開放された面）を介して流動し、冷却水は、第１面の反対方向の第２面を介して流動するように設けられてもよい。また、貯水部２００を形成することにより、冷却水の流路が長い滞留時間と複雑な流体の流れを生成することができるため、冷却効果を向上させることができる。特に、反応ガスの流動Ａと冷却水の流動Ｂを同じ方向又は反対方向に形成させてもよく、分離板内のチャネル１１０の配列構造、及び反応ガスと冷却水の入／出口の位置と方向に応じて適切に決定できる。
また、図７を参照すると、貯水部２００は、種々の形態のチャネル１１０－１、１１０－２、１１０－３の構造に適用が可能である。
一方、図３を参照すると、前記チャネル１１０の側壁１１２に対する第１傾斜面２１０の傾斜角と第２傾斜面２２０の傾斜角の大きさは同一であってもよい。例えば、第１傾斜面２１０と第２傾斜面２２０は、二等辺三角形の２つの斜辺のように対称の形状を有してもよい。
これとは異なり、図８を参照すると、チャネル１１０の側壁に対する第１傾斜面２３０の傾斜角と第２傾斜面２４０の傾斜角の大きさは互いに異なってもよい。すなわち、また他の実施形態の貯水部２１０－１は、第１傾斜面２３０と第２傾斜面２４０が非対称の形状を有してもよい。また、チャネルの両側壁には、反応ガスの流動方向に沿って非対称となるようにそれぞれ複数の貯水部２１０－１が所定の間隔で離れて設けられてもよい。
これとは異なり、図９を参照すると、チャネルの両側壁には、反応ガスの流動方向に沿って対称となるようにそれぞれ複数の貯水部２１０－１が所定の間隔で離れて設けられてもよい。
図１０は、管（Ｔｕｂｅ）の形態の固体壁面と接する液体の表面が固体壁面と液体接触面の曲率に応じてどのように挙動するかを示す。
図１０を参照すると、Ａ側の壁面は、丸い曲面を有している反面、Ｂ側の端は、Ｖ字型に折れるくさび形状を有する。このとき、固体壁面と接触する液体の表面は、自発的な毛細管現象によってＡ側よりもＢ側の壁面に接する液体面がより高く上がることになる。Ｂ側の端での接触角が小さくなると、結局、陰（Ｎｅｇａｔｉｖｅ）の表面エネルギーを有する水柱（Ｗ）の形態でＶ字型の空間に水が残っていることになり、このような原理によって、チャネル１１０の内部で水の貯蔵空間の役割をすることになる。仮に、貯水部２００がＡ側のような曲面形態の場合、このような現象が生じない。
図１１は、図１０を通じた説明についてより解析的な説明のためのものであって、Ｖ字型くさびの２つの壁面との接触角θ１、θ２が互いに異なる場合には、次のような一般式１の関係を有する。
［一般式１］
Figure 0007222166000001
このとき、θ＝θ１＝θ２である場合、下記のような一般式２で導出される。
［一般式２］
Figure 0007222166000002
したがって、丸い曲面ではなく、Ｖ字型の空間で自発的な毛細管現象がより大きく生じることになる。
以上で説明した本発明の好ましい実施例は、例示の目的のために開示されたものであり、本発明についての通常の知識を有する当業者であれば、本発明の思想と範囲内で種々の修正、変更、付加が可能であり、これらの修正、変更及び付加は、下記の特許請求の範囲に属するものと理解すべきである。
本発明によると、分離板内の気体の流れと液体（例えば、生成水）の流れを効率的に分配することができ、特に、生成水（凝縮水）が分離板のチャネル内に蓄積（Ｆｌｏｏｄｉｎｇ）されることを防止することができる。

Claims (7)

  1. 膜－電極接合体と、
    膜－電極接合体の一面に設けられたガス拡散層と、
    少なくとも一部の領域でガス拡散層に接触するように設けられた分離板（流路端部を閉塞した櫛歯状の分岐流路を交互に有するものを除く。）と、
    を含み、
    前記分離板は、
    反応ガスが流動するための流動空間を形成する底面及び前記底面と連結された一対の側壁を含む複数のチャネルと、
    隣接する２つのチャネルの側壁を連結し、前記ガス拡散層と接触するように設けられた複数のリブと、
    を含み、
    チャネルの側壁には、内側に陥没し、第１角度で連結された第１傾斜面と第２傾斜面を有し、水が貯蔵されるための貯水部が設けられ、
    （ｉ）前記第１角度の大きさ、並びに、（ｉｉ）前記貯水部が設けられたチャネルの側壁に対する、前記第１傾斜面の傾斜角及び第２傾斜面の傾斜角の大きさは、前記第１傾斜面及び第２傾斜面の少なくとも一方の接触角に基づいて、前記貯水部の内部に貯蔵された水が、前記第１傾斜面及び前記第２傾斜面に沿って、前記ガス拡散層及び前記膜－電極接合体側に移動するように設定され、
    前記貯水部に滞留している前記水は、前記第１傾斜面及び前記第２傾斜面を介して前記ガス拡散層と触れ合う水柱形態を維持し、
    前記反応ガスは、前記チャネルが開放された面である前記分離板の第１面を介して流動し、
    冷却水は、前記第１面の反対方向の第２面を介して流動し、
    前記反応ガスの前記流動と、前記冷却水の前記流動とは、反対方向に形成される、
    燃料電池スタック。
  2. 膜－電極接合体と、
    膜－電極接合体の一面に設けられたガス拡散層と、
    少なくとも一部の領域でガス拡散層に接触するように設けられた分離板（流路端部を閉塞した櫛歯状の分岐流路を交互に有するものを除く。）と、
    を含み
    前記分離板は、
    反応ガスが流動するための流動空間を形成する底面及び前記底面と連結された一対の側壁を含む複数のチャネルと、
    隣接する２つのチャネルの側壁を連結し、前記ガス拡散層と接触するように設けられた複数のリブと、
    を含み、
    チャネルの側壁には、内側に陥没し、第１角度で連結された第１傾斜面と第２傾斜面を有し、水が貯蔵されるための貯水部が設けられ、
    前記貯水部が設けられたチャネルの側壁に対する、前記貯水部の第１傾斜面の傾斜角及び第２傾斜面の傾斜角の大きさは互いに異なり、
    前記第１傾斜面は、前記第２傾斜面よりも、前記反応ガスの流動方向の上流側に配され、
    前記貯水部の前記第１傾斜面の辺のうち、前記貯水部が設けられたチャネルの前記側壁と接する辺は、前記貯水部の前記第１傾斜面の辺のうち、前記第２傾斜面と接する辺よりも、前記反応ガスの流動方向の下流側に配され、
    前記貯水部に滞留している前記水は、前記第１傾斜面及び前記第２傾斜面を介して前記ガス拡散層と触れ合う水柱形態を維持し、
    前記反応ガスは、前記チャネルが開放された面である前記分離板の第１面を介して流動し、
    冷却水は、前記第１面の反対方向の第２面を介して流動し、
    前記反応ガスの前記流動と、前記冷却水の前記流動とは、反対方向に形成される、
    燃料電池スタック。
  3. 貯水部はくさび（Ｗｅｄｇｅ）形状を有する
    請求項１又は請求項２に記載の燃料電池スタック。
  4. 第１傾斜面と第２傾斜面は「Ｖ」字形状を有する
    請求項１から請求項３までの何れか一項に記載の燃料電池スタック。
  5. 第１傾斜面と第２傾斜面は平坦面からなる
    請求項４に記載の燃料電池スタック。
  6. 第１角度は鋭角である
    請求項１から請求項５までの何れか一項に記載の燃料電池スタック。
  7. 第１角度の半分といずれか一方の傾斜面の接触角との和は９０゜以下である
    請求項６に記載の燃料電池スタック。
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