JP6951142B2 - 燃料電池用分離板及び燃料電池単位セル - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池用分離板及び燃料電池単位セルに係り、より詳しくは、結合突起を用いて、多孔体を含む燃料電池用分離板の組立を容易にし、互いに隣接する分離板にそれぞれ結合突起及び結合溝を設けて燃料電池単位セルの積層性を向上させることができる燃料電池用分離板及び燃料電池単位セルに関する。

燃料電池は、燃料が持っている化学エネルギーをスタック内で電気化学的に反応させて電気エネルギーに変換する一種の発電装置であって、産業用、家庭用及び車両用の駆動電力の供給だけでなく、携帯用装置などの小型電子製品の電力供給に使用でき、最近、高効率のクリーンエネルギー源として漸次その使用領域が拡大しつつある。
図１は従来の一般な燃料電池スタックを示す分解斜視図である。
図１に示すように、従来の一般な燃料電気スタックは、電解質膜と、その両面にそれぞれ配置される電極とからなる膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ、ＭＥＡ）４と、膜電極接合体の電極にそれぞれ接合されて反応ガスの拡散を助ける一対のガス拡散層（Ｇａｓ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｌａｙｅｒ、ＧＤＬ）６と、それぞれのガス拡散層に密着結合されて反応ガスを供給する分離板８と、反応ガスの漏洩を防止するガスケット８ａとを含んでなる。

この際、分離板８は、反応ガスである水素と酸素とが混合されないようにしながら、膜電極接合体４を電気的に接続及び支持することにより、燃料電池スタックの形態を維持させる役目をする。
したがって、分離板８は、反応ガスが互いに混合しないようにその構造が緻密でなければならないうえ、伝導体及び支持体の役目のために、優れた伝導性及び強度を有しなければならない。このため、主に金属材質の分離板８が使用された。
この際、膜電極接合体４、ガス拡散層６、ガスケット８ａ及び分離板８で構成される一つの単位セル２から発生する電圧は低いため、必要とする電圧に応じて多数個を積層して使用する。
しかし、このように多くの単位セル２を積層する場合、分離板８が均一な面圧を維持することができず、局部的な変形が発生し或いはシールが維持できないという問題点を持っていた。

また、従来の積層された複数の分離板８を固定させるために、スポット溶接またはレーザー溶接などの方式を使用したが、溶接部の耐食性が低くて腐食するおそれがあり、溶接部は周辺に比べて強度が低くなってクラックなどが発生するという問題点を持っていた。
特に、分離板８の厚さが０．１ｍｍ以下である場合、溶接の際に圧力により変形などを誘発し、積層性が低下するという問題点があった。
従来の分離板８の積層性を向上させるための技術として、嵌合可能な凹凸を分離板８の両側に形成することにより積層性を向上させる技術などが開発された。しかし、前述のような方法は、凹凸が嵌合形態を持つための高さの確保が不可欠であり、厚さ０．１ｍｍ以下の分離板８の場合には凹凸を嵌合するためのプレス作業の際に変形やクラックなどの分離板８の損傷を誘発するという問題点があった。

特開２００７−２１４１３５号公報

本発明は、かかる問題点を解決するためになされたものであって、その目的とするところは、分離板と多孔体との結合を容易にして組立時間を短縮し、耐食性の低下を防止することができる燃料電池用分離板及び燃料電池単位セルを提供することにある。
また、本発明の他の目的は、分離板の厚さを低減して燃料電池の体積及び重量を減らすことができる燃料電池用分離板及び燃料電池単位セルを提供することにある。
さらに、本発明の別の目的は、隣接する燃料電池単位セル間の積層性を向上させることができる燃料電池用分離板及び燃料電池単位セルを提供することにある。

本発明の一実施形態に係る燃料電池用分離板は、縁部に結合突起が突設された分離プレートと、前記結合突起が挿入されて固定される結合孔が設けられて前記分離プレートの平面に結合され、反応ガスが流動する流路を提供する多孔体とを含んでなることを特徴とする。

前記分離プレート及び多孔体は、縁部の両側にそれぞれ少なくとも一対の前記結合突起及び結合孔が互いに対向して設けられたことを特徴とする。

前記結合孔は、スリット（ｓｌｉｔ）状をし、短軸の長さは前記結合突起の直径に対応する幅を有するように設けられたことを特徴とする。

この際、互いに対向して配置された前記結合孔は、その長軸が互いに垂直となるように設けられたことを特徴とする。

前記結合突起は、その端部の直径が前記結合孔の短軸の長さよりも大きいことを特徴とする。

前記分離プレートは、前記多孔体との結合の際に、スプリングバックによる変形量を吸収して平坦度を確保することができるように前記結合突起が前記結合孔の長軸方向に遊動可能に結合されたことを特徴とする。

前記分離プレートはその平面に取り付けられるガスケットをさらに含み、前記結合突起はガスケットに設けられたことを特徴とする。

また、本発明の一実施形態に係る燃料電池単位セルは、複数個が積層されて燃料電池を構成する燃料電池単位セルであって、両側面に配置される一対の分離板を含み、隣接する前記燃料電池単位セル間の結合を容易にするために、一対の前記分離板の中から選択されたいずれか一方の分離板には固定突起が突設され、選択されていない他方の分離板には前記固定突起が挿入されて固定できるように陰刻された固定溝が設けられたことを特徴とする。

前記固定突起及び固定溝は複数個が備えられ、前記固定溝は前記固定突起が挿入された状態で移動できるようにスリット（ｓｌｉｔ）状に設けられたことを特徴とする。

この際、互いに対向して配置される前記固定溝は、長軸が互いに垂直となるように設けられたことを特徴とする。

前記固定突起は、端部に行くほどその直径が増加するように設けられ、前記固定溝は、前記固定突起の断面に対応して、前記固定突起が挿入される方向にその幅が漸次増加するように設けられたことを特徴とする。

本発明によれば、燃料電池単位セルの組立時に多孔体と分離板との整列を容易にすることにより、組立性を向上させ、固定のための別途の溶接工程を省略することができるため、耐食性が低下することを防止し、組立時間を短縮して生産性を向上させることができるという効果がある。
また、本発明によれば、分離板の厚さを減少させても、燃料電池単位セルの組立工程における変形及び損傷の発生を最小限に抑えることができ、さらに燃料電池の体積及び重量を減少させて車両の性能を向上させることができるという効果がある。

従来の一般な燃料電池スタックを示す分解斜視図である。 本発明の一実施形態に係る分離板を説明するための図である。 本発明の一実施形態に係る結合突起と結合孔との結合を説明するための図である。 本発明の他の実施形態に係る分離板を説明するための図である。 本発明の一実施形態に係る燃料電池単位セルを示す図である。 本発明の一実施形態に係る固定溝を説明するための図である。 本発明の一実施形態に係る固定突起と固定溝との結合を説明するための断面図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態をより詳細に説明する。図２は本発明の一実施例による分離板を説明するための図であり、図３は本発明の一実施形態に係る結合突起と結合孔との結合を説明するための図である。
図２及び図３に示すように、本発明の一実施形態に係る燃料電池用分離板１０は、縁部に結合突起１１０が突設された分離プレート１００と、結合突起１１０が挿入されて固定されるように結合孔２１０が設けられて分離プレート１００の平面に結合された多孔体２００とを含んでなる。
分離プレート１００は、金属材質の平板状に形成され、多孔体２００は、金属フォーム（Ｍｅｔａｌ Ｆｏａｍ）、炭素フォーム（Ｃａｒｂｏｎ Ｆｏａｍ）及びワイヤーメッシュ（Ｗｉｒｅ Ｍｅｓｈ）などの微細気孔構造を有する伝導性材質で形成され、分離プレートの平面に結合されて反応ガス流動のための流路を提供する。

本発明の一実施形態に係る多孔体２００は、プレス工法を用いて金属薄板に微細ホール（Ｈｏｌｅ）などの多孔構造とチャンネルを設けて３次元微細多孔構造体を形成する方式で製造できる。
前述のように設けられた多孔体２００は、結合突起１１０と結合孔２１０との結合によって分離プレート１００の平面に一体に固定され、ガス拡散層（ＧＤＬ）６を均一に圧縮させて面圧を分散させることにより電気抵抗を最小化して燃料電池の性能を極大化させることができるという効果がある。
また、従来の溶接方式による固定の際に発生する溶接部の耐食性低下及び溶接部の微細クラックなどによる気密性低下を防止することができ、一定の期間ごとに溶接部を交換および管理する必要がないため管理コストを節減することができ、分離板１０の変形を最小限に抑えることができるという効果がある。
特に、分離プレート１００の厚さを０．１ｍｍ以下に形成しても、多孔体２００を固定するための別途の溶接工程を必要としないため、変形などの損傷による積層性の低下を最小限に抑えることができるという効果がある。

好ましくは、本発明の一実施形態に係る分離プレート１００及び多孔体２００は、少なくとも一対の結合突起１１０及び結合孔２１０が互いに対向して配置されることを特徴とすることができるが、その理由は、一つの結合突起１１０及び結合孔２１０によって分離プレート１００と多孔体２００とを結合する場合、結合部位を中心に回転するなどの問題点があるので、その位置を固定するためには少なくとも一対の結合部が形成されることが好ましい。
本発明の一実施形態に係る結合孔２１０は、一方向に延長されたスリット（Ｓｌｉｔ）形状を有するように設けられるが、短軸Ｂの長さが結合突起１１０の直径に対応する幅を有するように設けられることが好ましい。
従来、分離プレート１００と多孔体２００との結合時にスポット溶接などの方式などを用いて両端を固定させた場合、分離プレート１００と多孔体２００との結合時に分離プレート１００と多孔体２００との幅の差により比較的広い幅を有する分離プレート１００または多孔体２００の中心に浮き現象が発生するおそれがある。

このような浮き現象は、分離プレート１００及び多孔体２００の平坦度の確保を難しくして面圧の不均一などによる性能及び耐久性の低下を誘発し、さらに燃料電池スタックの組み立てを難しくし、性能を低下させるという問題点を持っていた。
このため、本発明の一実施形態に係る多孔体２００は、結合孔２１０がスリット状に設けられ、結合突起１１０が結合孔２１０に挿入されて結合された状態で結合孔２１０の長軸Ａの方向に長軸Ａの長さだけ遊動可能なので、分離プレート１００と多孔体２００との結合の際にスプリングバックによる変形量を吸収して浮き現象の発生を防止することにより、分離プレート１００及び多孔体２００の平坦度を確保することができるため、燃料電池スタックの組立性及び性能を向上させることができるという効果がある。
また、多孔体２００の両端に互いに対向して配置される結合孔２１０は、その長軸Ａが互いに垂直となるように設けられることが好ましいが、その理由は、四角平板状の多孔体２００及び分離プレート１００の垂直方向、すなわち、幅方向及び長さ方向の変形を防止することができなければならないためである。

この際、本発明の一実施形態に係る結合突起１１０は、突出した端部の直径Ｃが結合孔２１０の短軸Ｂの長さよりも大きく形成されることが好ましいが、その理由は、結合孔２１０の内部に挿入された結合突起１１０が結合孔２１０から離脱することを防止することができるためである。
図４は本発明の他の実施形態に係る分離板を説明するための図である。
図４に示すように、本発明の他の実施形態に係る分離板１０は、その平面の縁部に取り付けられるガスケット１２０をさらに含み、この際、結合突起１１０がガスケット１２０から延長されて上方に突出するように設けられる。よって、分離プレート１００の平面に固定されたガスケット１２０に設けられた結合突起１１０が多孔体２００の結合孔２１０に挿入されて固定されることにより、分離プレート１００と多孔体２００とが一体に結合できる。
図５は本発明の一実施形態に係る燃料電池単位セルを示す図であり、図６は本発明の一実施形態に係る固定溝を説明するための図であり、図７は本発明の一実施形態に係る固定突起と固定溝との結合を説明するための断面図である。

図５〜図７に示すように、本発明の一実施形態に係る燃料電池単位セル１は、複数個が積層されて燃料電池を構成する燃料電池単位セルであって、膜電極接合体（ＭＥＡ）４、膜電極接合体（ＭＥＡ）４の両面に付着する一対のガス拡散層（ＧＤＬ）６、及び一対の分離板１０を含んでなる。
この際、前述した分離プレート１００と多孔体２００との結合構造と同様に、隣接する分離板１０との積層性が向上することができるように、一対の分離板１０の中から選択されたいずれか一方の分離板１０には固定突起１１が突設され、選択されていない他方の分離板１０には固定突起１１が挿入されて固定される固定溝１２が設けられる。
このため、隣接する分離板１０との積層性を向上させることにより、燃料電池スタックの組立を容易にして製造時間を短縮し、生産性を向上させることができ、燃料電池単位セル１の変形を最小限に抑えて燃料電池の性能及び寿命を向上させることができるという効果がある。

この際、本発明の一実施形態に係る固定突起１１及び固定溝１２は、前記結合突起１１０及び結合孔２１０と同様に複数個が備えられ、固定溝１２がスリット状に設けられ、固定突起１１が固定溝１２に挿入された状態で一定の領域に移動できる。
また、互いに対向して配置される固定溝１２は、長軸が互いに垂直となるように設けられることにより、燃料電池単位セル１の変形を防止することができ、燃料電池単位セル１の積層性を向上させることができる。
好ましくは、本発明の一実施形態に係る固定突起１１は、突出方向に端部に行くほどその直径が増加し、この際、固定溝１２は、固定突起１１の断面に対応する形状を有し、固定突起１１が挿入される方向にその幅が漸次増加するように設けられ得る。
このため、隣接する燃料電池単位セル１間の結合の際に、固定溝１２に結合された固定突起１１の離脱を防止することにより、燃料電池単位セル１の結合力及び積層性を向上させることができるという効果がある。

以上、本発明に関する好ましい実施例を説明したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の属する技術分野を逸脱しない範囲での全ての変更が含まれる。

１ 燃料電池単位セル
２ 単位セル
４ 膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ、ＭＥＡ）
６ ガス拡散層（Ｇａｓ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｌａｙｅｒ、ＧＤＬ）
８ 分離板
８ａ ガスケット
１０ 分離板
１１ 固定突起
１２ 固定溝
１００ 分離プレート
１１０ 結合突起
１２０ ガスケット
２００ 多孔体
２１０ 結合孔

Claims (4)

1. 燃料電池用分離板であって、
   第１の平面の縁部に結合突起が突設された分離プレートと、
   前記結合突起が挿入されて固定される結合孔が設けられて前記分離プレートの前記第１の平面に結合され、反応ガスが流動する流路を提供する多孔体と、を含んでなり、
   前記分離プレート及び前記多孔体は、それぞれ四角平板状であり、
   前記分離プレート及び前記多孔体のそれぞれの対角位置にある２箇所の縁部端にそれぞれ少なくとも一対の前記結合突起及び前記結合孔が互いに対向して設けられ、
   前記結合孔は、スリット（ｓｌｉｔ）状をし、短軸の長さは前記結合突起の直径に対応する幅を有するように設けられ、
   互いに対向して配置された前記結合孔はその長軸が互いに垂直となるように設けられたことを特徴とする燃料電池用分離板。
2. 前記結合突起はその端部の直径が前記結合孔の短軸の長さよりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用分離板。
3. 前記分離プレートは、
   前記多孔体との結合の際に、スプリングバックによる変形量を吸収して平坦度を確保することができるように、前記結合突起が前記結合孔の長軸方向に遊動可能に結合されたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用分離板。
4. 前記分離プレートは、
   前記第１の平面に取り付けられるガスケットをさらに含み、前記結合突起は前記ガスケットに設けられたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用分離板。
   

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