JP2006080084A - 燃料電池スタック - Google Patents

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Abstract

【課題】 金属素材のセパレータを使用して燃料電池を構成し,燃料電池の電気的な接続構造を改善することができる燃料電池スタックを提供することにある。
【解決手段】 燃料電池スタック10は,燃料および酸素の反応によって電気エネルギーを発生させる少なくとも一つ以上の電気発生部11を含み,電気発生部11は,膜−電極アセンブリ(MEA)12の両側面に密着されるように配置されるセパレータ13と,セパレータ13と膜−電極アセンブリ12との間に形成され,各々の隣接する電気発生部を電気的に接続する導電部20とを含む。
【選択図】 図2

Description

本発明は,燃料電池スタックに係り,より詳しくは,金属素材のセパレータを使用した燃料電池スタックに関する。
周知のように,燃料電池(Fuel Cell)は,炭化水素系の燃料に含まれている水素の酸化反応および酸素の還元反応によって電気エネルギーを発生させる発電システムに用いられる。
燃料電池は,高分子電解質型燃料電池(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)と,直接酸化型燃料電池(Direct Oxidation Fuel Cell)とに区分される。
高分子電解質型燃料電池は,スタック(stack)といわれる燃料電池本体(以下,便宜上,“スタック”とする)を含み,通常の改質装置から供給される水素の酸化反応および空気ポンプまたはファンの稼動によって供給される酸素の還元反応によって電気エネルギーを発生させる構造を有する。ここで,改質装置は,燃料を改質し,燃料から水素を発生させ,水素をスタックに供給する燃料処理装置としての機能を担う。
直接酸化型燃料電池は,高分子電解質型燃料電池とは異なって,水素を使用せずに燃料の供給を直接受け,燃料中に含まれている水素の酸化反応および別途に供給される酸素の還元反応によって電気エネルギーを発生させる構造を有する。
直接酸化型燃料電池において,スタックは,膜−電極アセンブリ(Membrane Electrode Assembly;以下,“MEA”という)と,セパレータ(当業界では,バイポーラプレート’ともいう)とからなる単位セルが数個〜数十個に積層されて構成される。MEAは,電解質膜を間に置いてアノード電極およびカソード電極が付着された構造を有する。そして,セパレータは,MEAを間に置いて,MEAの両側面に配置されて,水素または燃料および酸素をMEAに供給する通路としての機能と,MEAのアノード電極およびカソード電極を直列に接続する伝導体としての機能とをともに担う。
したがって,MEAのアノード電極には,セパレータによって水素または燃料が供給される反面,MEAのカソード電極には,セパレータによって酸素が供給される。この過程で,アノード電極では,水素または燃料の酸化反応が起こり,カソード電極では,酸素の還元反応が起こり,この時に発生する電子の移動によって,スタックでは電気エネルギーを発生することができる。
従来の燃料電池スタックは,下記特許文献1〜5などに開示されている。従来の技術は,各単位セルのセパレータそのものまたはこのセパレータに連結設置される別途の端子を通じて単位セルを電気的に接続することによって,所定の電位差を有する電気エネルギーを発生させる構造を有する。
特開平6−60905号公報 特開平8−138699号公報 特開2000−58074号公報 特開2000−164234号公報 特開2001−6702号公報
しかし,従来の燃料電池スタックは,共通に形成される単位セルのセパレータがグラファイトまたはカーボン複合体で形成されるため,セパレータの成形が複雑で値段が高く,経済的な負担が重い問題点がある。また,燃料電池スタックで電気エネルギーを生成する際に生じる水分,熱,および酸素によって,セパレータが腐食し,電子の流れを阻害するため,セパレータ固有の伝導性が低下することとなり,燃料電池スタックの性能が低下するという問題がある。
そこで,本発明は,このような問題に鑑みてなされたもので,その目的とするところは,比較的安価な素材をセパレータに使用して燃料電池を構成し,燃料電池間の電気的な接続構造を改善して電気エネルギー生成時に発生する水分,熱,および酸素にセパレータが腐食されても性能低下を防ぐことができる燃料電池スタックを提供することにある。
上記課題を解決するために,本発明の第1の観点によれば,燃料および酸素の反応によって電気エネルギーを発生させる少なくとも一つ以上の電気発生部を含み,上記電気発生部は,膜−電極アセンブリ(MEA)の両側面に密着されるように配置されるセパレータと,上記セパレータと上記膜−電極アセンブリとの間に形成され,各々の隣接する上記電気発生部を電気的に接続する導電部とを含む燃料電池スタックが提供される。
本発明によれば,燃料電池スタックで電気エネルギーを生成する際に生じる水分,熱および酸素によってセパレータが腐食されて電気の流れを阻害されても,導電部を通じて電気的な接続をすることができるので,燃料電池スタックの性能および寿命を向上することができる。また,セパレータは,例えば,比較的安価な金属素材で形成されることができる。これにより,燃料電池スタックを製造する際にかかる費用も削減することができる。
上記燃料電池スタックにおいて,上記導電部は,上記セパレータと上記膜−電極アセンブリとの間に配置される少なくとも一つ以上の気体拡散層と,上記セパレータの少なくとも一側の周縁外側に延長されて形成される上記気体拡散層の延長部分とを含み,上記延長部分が端子部をなすことができる。
上記燃料電池スタックは,互いに隣接する上記電気発生部において,対向する各々の上記端子部の間に設置され,上記導電部を電気的に接続するコネクタを含むことができる。
上記燃料電池スタックは,一つの上記電気発生部おいて,上記端子部の間に形成され,各々の上記導電部を絶縁させる第1絶縁部を含むことができる。
上記燃料電池スタックは,最外側に位置する上記セパレータに密着されるように配置され,最外側の上記端子部との間に形成される上記コネクタによって,上記最外側の上記導電部と電気的に接続される集電プレートを含むことができる。
上記燃料電池スタックは,上記最外側のセパレータと上記集電プレートとの間に形成され,上記最外側のセパレータおよび上記集電プレートを絶縁させる第2絶縁部を含むことができる。
上記燃料電池スタックは,上記電気発生部を複数含み,上記複数の電気発生部を連続的に配置して上記電気発生部による集合体構造を構成し,互いに隣接する上記電気発生部において,対向する上記端子部の間に設置される上記コネクタによって,隣接する上記電気発生部を直列に接続することができる。
上記燃料電池スタックにおいて,上記コネクタは,導電性を有するブロック形状のカーボン素材で形成されることができる。
上記燃料電池スタックにおいて,上記コネクタは,導電性を有するアルミニウム,銅,ニッケル,および鉄からなる群より選択されるいずれか一つの金属素材または二つ以上の合金素材で形成されることができる。
上記燃料電池スタックにおいて,上記コネクタは,互いに隣接する上記電気発生部における対向する各々の上記端子部を結合させるリベットを含むことができる。この場合,上記燃料電池スタックの上記コネクタは,上記リベットと上記端子部との間に設置されるワッシャを含むこともできる。
上記燃料電池スタックにおいて,上記コネクタは,互いに隣接する上記電気発生部における対向する各々の上記端子部を結合させるボルトおよびナットを含むことができる。この場合,上記燃料電池スタックの上記コネクタは,上記ボルトおよび上記ナットと上記端子部との間に設置されるワッシャを含むこともできる。
上記燃料電池スタックにおいて,上記セパレータは,金属素材で形成されることができる。
上記燃料電池スタックにおいて,一つの上記電気発生部の上記セパレータは,上記膜−電極アセンブリの一側面に位置する上記気体拡散層に密着する上記セパレータの一面に形成され,燃料の流れを可能にする燃料通路と,上記膜−電極アセンブリの他側面に位置する上記気体拡散層に密着する上記セパレータの一面に形成され,酸素の流れを可能にする酸素通路とを含むことができる。
一つの上記電気発生部における上記セパレータの上記一面と隣接する上記電気発生部の上記セパレータの上記一面とが対向し,上記電気発生部における上記セパレータと,上記隣接する電気発生部の上記セパレータとが,一体に形成されることができる。
上記燃料電池スタックは,上記電気発生部を複数含み,上記複数の電気発生部を連続的に配置して上記電気発生部による集合体構造を構成し,各々の上記電気発生部を絶縁させる第3絶縁部が互いに隣接する上記電気発生部の上記セパレータの間に形成されることができる。
上記燃料電池スタックにおいて,上記セパレータは,板状の金属をプレス加工する方式によって,上記燃料通路または上記酸素通路を形成することができる。
上記燃料電池スタックにおいて,上記セパレータは,アルミニウム,銅,鉄,ニッケル,およびコバルトからなる群より選択されるいずれか一つの金属素材または二つ以上の合金素材で形成されることができる。
上記燃料電池スタックにおいて,上記セパレータは,カーボン素材より相対的に導電性が小さい素材で形成されることもできる。この場合,上記セパレータは,セラミック,ポリマー,合成樹脂,およびゴム素材からなる群より選択されるいずれか一つの素材で形成されることができる。
上記燃料電池スタックにおいて,上記気体拡散層は,シートタイプのカーボン複合体,カーボンペーパー,およびカーボンクロースからなる群より選択されるいずれか一つの素材で形成されることができる。
上記燃料電池スタックにおいて,上記導電部は,上記膜−電極アセンブリの両側面に対向配置される気体拡散層と,上記セパレータの少なくとも一側の周縁外側に延長されて形成される上記気体拡散層の延長部分とを含み,上記延長部分は,端子部をなすことができる。
上記燃料電池スタックにおいて,上記導電部は,上記燃料および/または上記酸素が上記膜−電極アセンブリの外側に拡散するのを防止するためのシーリング部材を含むことができる。この場合,上記シーリング部材は,上記膜−電極アセンブリの周縁端に相当する位置の上記気体拡散層に形成され,ポリマーまたはゴム素材で形成されることができる。
上記燃料電池スタックにおいて,上記導電部は,上記膜−電極アセンブリの両側面に互いに対向するように配置される複数の上記気体拡散層から構成され,上記セパレータに密着する最外側の上記気体拡散層は,上記セパレータの少なくとも一側の周縁外側に延長される延長部分を含み,上記延長部分は,端子部をなすこともできる。
上記燃料電池スタックにおいて,上記膜−電極アセンブリに密着する内側の上記気体拡散層は,上記内側の気体拡散層の両側面の各々が上記膜−電極アセンブリの側面の面積に相当する面積を有するように形成されることができ,上記燃料および/または上記酸素が上記膜−電極アセンブリの外側に拡散するのを防止するための第1シーリング部材を含むことができる。この場合,上記第1シーリング部材は,上記膜−電極アセンブリの周縁端に相当する上記内側の気体拡散層の周縁部分に形成され,ポリマーまたはゴム素材で形成されることができる。
上記燃料電池スタックにおいて,上記セパレータに密着する上記最外側の気体拡散層は,上記燃料および/または上記酸素が上記膜−電極アセンブリの外側に拡散するのを防止するための第2シーリング部材を含むことができる。この場合,上記第2シーリング部材は,上記膜−電極アセンブリの周縁端に相当する位置の上記最外側の気体拡散層の周縁部分に形成され,ポリマーまたはゴム素材で形成されることができる。
上記課題を解決するために,本発明の第2の観点によれば,燃料および酸素の反応によって電気エネルギーを発生させる少なくとも一つ以上の電気発生部を含み,上記電気発生部は,膜−電極アセンブリの両側面に密着されるように配置されるセパレータと,互いに隣接する上記電気発生部において,対向する各々の上記セパレータの上端部分の面および側面を囲むように配置され,各々隣接する上記電気発生部を電気的に接続する導電部とを含む燃料電池スタックが提供される。
上記燃料電池スタックにおいて,上記導電部は,互いに隣接する上記電気発生部の対向する各々の上記セパレータの側面に各々密着して形成される気体拡散層を有し,各々の上記気体拡散層は,互いに隣接する上記電気発生部において,対向する各々の上記セパレータの上端部で連結されることができる。
この場合,互いに隣接する上記電気発生部において,対向する各々の上記気体拡散層は,一つの上記電気発生部における上記セパレータの一側面に密着される第1部分と,隣接する上記電気発生部における上記セパレータの一側面に密着される第2部分と,上記第1部分および上記第2部分に連結され,互いに隣接する上記電気発生部において,対向する各々の上記セパレータの上端部分の面に密着して上記第1部分および上記第2部分を電気的に接続するコネクタとして構成される第3部分とを含むことができる。
上記燃料電池スタックにおいて,上記第1部分および上記第2部分は,上記燃料および/または上記酸素が上記膜−電極アセンブリの外側に拡散するのを防止するためのシーリング部材を含むことができる。この場合,上記シーリング部材は,上記膜−電極アセンブリの周縁端に相当する上記第1部分および上記第2部分の周縁部分に形成され,ポリマーまたはゴム素材で形成されることができる。
上記燃料電池スタックの上記気体拡散層は,上記第1部分と上記第3部分が連結される部分および上記第2部分と上記第3部分が連結される部分に配置され,上記第1部分と上記第3部分との連結,および上記第2部分と上記第3部分との連結のために用いられる上記第1部分および第2部分のバンディングを可能にするバンディング部材を含むこともできる。この場合,上記バンディング部材は,ポリマー,ゴム,および金属素材からなる群より選択されるいずれか一つの素材で形成されることができる。
上記燃料電池スタックは,上記電気発生部において,互いに対向する各々の上記導電部の間に形成され,各々の上記導電部を絶縁させる第1絶縁部を含むことができる。
上記燃料電池スタックは,最外側に位置する上記導電部に密着されるように配置され,上記導電部と電気的に接続される集電プレートを含むことができる。
上記燃料電池スタックは,上記最外側の導電部と最外側の上記セパレータとの間に形成され,上記最外側の導電部および上記最外側のセパレータを絶縁させる第2絶縁部を含むことができる。
上記燃料電池スタックにおいて,上記電気発生部の上記セパレータは,上記膜−電極アセンブリの一側面に位置する上記気体拡散層に密着する上記セパレータの一面に形成され,燃料の流れを可能にする燃料通路と,上記膜−電極アセンブリの他側面に位置する上記気体拡散層に密着する上記セパレータの一面に形成され,酸素の流れを可能にする酸素通路とを有することができる。
一つの上記電気発生部における上記セパレータの上記一面と隣接する上記電気発生部の上記セパレータの上記一面とが対向し,上記電気発生部における上記セパレータと,上記隣接する電気発生部の上記セパレータとが,一体に形成されることができる。
上記燃料電池スタックは,上記電気発生部を複数含み,複数の上記電気発生部を連続的に配置して上記電気発生部による集合体構造を構成し,各々の上記電気発生部を絶縁させる第3絶縁部が互いに隣接する上記電気発生部の上記セパレータの間に形成されることができる。
上記燃料電池スタックにおいて,上記セパレータは,セラミック,ポリマー,合成樹脂,および金属素材からなる群より選択されるいずれか一つの素材で形成されることができる。
上記課題を解決するために,本発明の第3の観点によれば,燃料および酸素の反応によって電気エネルギーを発生させる少なくとも一つ以上の電気発生部を含み,上記電気発生部は,膜−電極アセンブリの両側面に密着されるように配置されるセパレータと,上記セパレータと上記膜−電極アセンブリとの間に配置され,上記膜−電極アセンブリの両側面に互いに対向するように配置される気体拡散層と,上記気体拡散層に各々連結設置され,各々の隣接する上記電気発生部を電気的に接続する導電部とを含む燃料電池スタックが提供される。
上記燃料電池スタックにおいて,上記導電部は,上記セパレータの周縁部分と上記膜−電極アセンブリの周縁部分との間に介在され,上記気体拡散層に接触するように設置されて,上記セパレータの少なくとも一側の周縁外側に突出されるように形成され,突出部分は,端子をなす一対の端子フレームを含むことができる。
上記燃料電池スタックは,互いに隣接する上記電気発生部において,対向する上記端子フレームの間に形成され,上記導電部を電気的に接続するコネクタを含むことができる。
上記燃料電池スタックにおいて,上記セパレータは,セラミック,ポリマー,合成樹脂,および金属素材からなる群より選択されるいずれか一つの素材で形成されることができる。
上記燃料電池スタックにおいて,上記端子フレームは,導電性を有するカーボン素材で形成されることができる。
上記燃料電池スタックにおいて,上記端子フレームは,所定の幅および長さを有する棒形状に形成され,上記気体拡散層と密着する第1部分と,上記セパレータの周縁外側に突出される第2部分を含むことができる。
上記燃料電池スタックにおいて,上記端子フレームは,上記セパレータの周縁部分を結合させる結合溝を形成することができる。
上記燃料電池スタックにおいて,上記端子フレームは,開放部を有する四角形フレーム形状に形成され,上記気体拡散層と密着する第1部分と,上記セパレータの周縁外側に突出される第2部分とを含むことができる。
上記燃料電池スタックにおいて,上記端子フレームは,上記セパレータの周縁部分を結合させる結合溝を形成することができる。
上記燃料電池スタックは,上記電気発生部を複数含み,複数の上記電気発生部を連続的に配置して上記電気発生部による集合体構造を構成し,互いに隣接する上記電気発生部において,対向する各々の上記端子フレームの間に設置される上記コネクタによって,上記各電気発生部を直列に接続することができる。
上記燃料電池スタックにおいて,上記コネクタは,導電性を有するブロック形状のカーボン素材で形成されることができる。
上記燃料電池スタックにおいて,上記コネクタは,導電性を有するプレート形状の金属素材で形成されるリード部材を含むこともできる。この場合,上記端子フレームは,上記リード部材を据置くための据置き突起を形成することができる。そして,上記リード部材は,アルミニウム,ニッケル,銅,または鉄からなる群より選択されるいずれか一つの金属素材または二つ以上の合金素材で形成されることができる。
上記燃料電池スタックは,上記端子フレームと上記セパレータとの間に形成され,上記端子フレームおよび上記セパレータを絶縁させる第1絶縁部を含むことができる。
上記燃料電池スタックは,一つの上記電気発生部において,対向する各々の上記端子フレームの間に形成され,各々の上記端子フレームを絶縁させる第2絶縁部を含むことができる。
上記燃料電池スタックは,最外側に位置する上記セパレータに密着されるように配置され,最外側の上記端子フレームとの間に形成される上記コネクタによって,上記最外側の上記端子フレームと電気的に接続される集電プレートを含むことができる。
上記燃料電池スタックは,上記最外側のセパレータと上記集電プレートとの間に形成され,上記最外側のセパレータおよび上記集電プレートを絶縁させる第3絶縁部を含むことができる。
上記燃料電池スタックにおいて,上記電気発生部の上記セパレータは,上記膜−電極アセンブリの一側面に位置する上記気体拡散層に密着する上記セパレータの一面に形成されて燃料の流れを可能にする燃料通路と,上記膜−電極アセンブリの他側面に位置する上記気体拡散層に密着する上記セパレータの一面に形成されて酸素の流れを可能にする酸素通路とを有することができる。
一つの上記電気発生部における上記セパレータの上記一面と隣接する上記電気発生部の上記セパレータの上記一面とが対向し,上記電気発生部における上記セパレータと,上記隣接する電気発生部の上記セパレータとが,一体に形成されることができる。
上記燃料電池スタックは,上記電気発生部を複数含み,複数の上記電気発生部を連続的に配置して上記電気発生部による集合体構造を構成し,各々の上記電気発生部を絶縁させる第4絶縁部が互いに隣接する上記電気発生部の上記セパレータの間に形成されることができる。
上記燃料電池スタックにおいて,上記気体拡散層は,上記燃料および/または上記酸素が上記膜−電極アセンブリの外側に拡散するのを防止するためのシーリング部材を含むことができる。この場合,上記シーリング部材は,上記膜−電極アセンブリの周縁端に相当する位置の上記気体拡散層に形成され,ポリマーまたはゴム素材で形成されることができる。
以上説明したように本発明によれば,セパレータが金属素材または非伝導性素材で形成されるので,セパレータの成形が容易で,セパレータの厚さを減少させることができる。したがって,燃料電池スタックの製造単価を節減することができ,燃料電池スタックの体積を減少させることができる。また,導電体および端子の機能をする導電部または端子部を通じて電気発生部間の電気的な接続が可能なので,金属素材のセパレータが熱,水分,および酸素などにより腐蝕されても,燃料電池スタックの性能が低下したり寿命が短縮するなどの心配がない。
以下,添付した図面を参照して,本発明の実施例について,本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施することができるように詳細に説明する。しかし,本発明は多様な相異した形態で実現でき,ここで説明する実施例に限定されない。
(第1実施形態)
図1は,本発明の第1実施形態に係る燃料電池スタックの構成を分解して示した斜視図である。図2は,図1の結合断面図である。
図1を参照すれば,本発明の第1実施形態に係る燃料電池スタック10は,燃料の酸化反応および酸素の還元反応によって電気エネルギーを発生させるセル(cell)単位の電気発生部11を含んで構成される。
したがって,本実施形態では,電気発生部11を複数含み,電気発生部11を連続的に配置することによって,電気発生部11の集合体構造を構成する燃料電池スタック10を形成することができる。
燃料電池スタック10に使用される燃料は,メタノール,エタノール,LPG,LNG,ガソリンなどのような水素を含む液体燃料または気体燃料である。この場合,本実施形態の燃料電池スタック10は,電気発生部11による液体燃料または気体燃料の酸化反応および酸素の還元反応によって電気エネルギーを発生させる直接酸化型燃料電池(Direct Oxidation Fuel Cell)方式に区分される。
代案として,本実施形態の燃料電池スタック10は,通常の改質装置を通じて液体燃料または気体燃料からクラッキング(cracking)された水素を燃料として使用することもできる。この場合,燃料電池スタック10は,電気発生部11による水素の酸化反応および酸素の還元反応によって電気エネルギーを発生させる高分子電解質型燃料電池(Polymer Electrode Membrane Fuel Cell)方式に区分されることができる。
そして,本実施形態の燃料電池スタック10は,還元反応する酸素として,別途の保存手段で保存された純粋な酸素を使用することができ,酸素を含む空気をそのまま使用することもできる。
図2によれば,燃料電池スタック10において,各々の電気発生部11は,MEA12を中心に置いて,MEA12の両側面にセパレータ13を配置して構成される。
MEA12は,一側面にアノード電極(図示せず)を形成し,他側面にカソード電極(図示せず)を形成して,これら二つの電極間に電解質膜(図示せず)を形成する構造を有する。アノード電極は,燃料を酸化反応させ,燃料を電子および水素イオンに分離し,電解質膜は,水素イオンをカソード電極に移動させ,カソード電極は,アノード電極から受けた電子,水素イオン,および酸素を還元反応させて水分を発生させる機能をする。
一つの電気発生部11において,セパレータ13は,MEA12を間に置いて,MEA12の両側面に密着されるように配置され,MEA12の一側面に密着されるセパレータ13の一面に燃料の流れを可能にする燃料通路13aを有し,およびMEA12の他側面に密着されるセパレータ13の一面に酸素の流れを可能にする酸素通路13bを有する。一つの電気発生部において,燃料通路13aは,セパレータ13のMEA12の一側面に密着する一面に形成されるチャンネルより構成され,燃料をMEA12のアノード電極に供給することができる。そして,酸素通路13bは,セパレータ13のMEA12の他側面に密着する一面に形成されるチャンネルより構成され,酸素をMEA12のカソード電極に供給することができる。
本発明の第1実施形態において,セパレータ13は,図2に示したように,燃料電池スタック10の最外側のセパレータ13を除くその他の各セパレータ13において,MEA12に密着する一面に燃料通路13aまたは酸素通路13bを形成し,隣接する電気発生部11のセパレータ13の一面に酸素通路13bまたは燃料通路13aを形成し,一つの電気発生部11におけるセパレータ13の一面と隣接する電気発生部11のセパレータ13の一面が,互いに対向し,一つの電気発生部11におけるセパレータ13と隣接する電気発生部11のセパレータ13とが一体に形成される。つまり,MEA12に密着する一面に形成される燃料通路13aまたは酸素通路13bは,一つの電気発生部11のセパレータ13に含まれ,一面に対向する他面に形成される酸素通路13bまたは燃料通路13aは,隣接する他の電気発生部11のセパレータ13に含まれる。ここで,一つの電気発生部11のセパレータ13において,MEA12に密着する一面に燃料通路13aが形成される場合,隣接する電気発生部11のセパレータ13においてMEA12に密着する一面に酸素通路13bが形成され,MEA12に密着する一面に酸素通路13bが形成される場合は,隣接する電気発生部11のセパレータ13においてMEA12に密着する一面に燃料通路13aが形成される。
これに加えて,セパレータ13は,金属素材,例えば,アルミニウム,銅,鉄,ニッケル,またはコバルトからなる群より選択されるいずれか一つの金属素材または二つ以上の合金素材で形成される板状の金属,つまり,金属プレートに成形される。この場合,セパレータ13の燃料通路13aおよび酸素通路13bは,金属プレートをスタンピング(stamping)またはエッチング(etching)方式で成形して形成されることができ,好ましくは,金属プレートをプレス(press)方式で成形して形成されることができる。
代案として,セパレータ13は,通常のカーボン素材より相対的に導電性が小さい素材,または非導電性素材,例えば,セラミック,ポリマー,合成樹脂,ゴム素材などを射出成形または圧出成形する方式で形成されることもできる。
上記のように構成される燃料電池スタック10の作動時には,一つの電気発生部11において,MEA12に密着する一面に形成されるセパレータ13の燃料通路13aを通じてMEA12のアノード電極に燃料が供給される反面,MEA12に密着する一面に形成されるセパレータ13の酸素通路13bを通じてカソード電極に酸素が供給される。したがって,アノード電極では,燃料の酸化反応によって,燃料を電子および水素イオン(proton)に分離する。この時,水素イオンは,MEA12の電解質膜を通じてカソード電極に移動し,電子は,MEA12の電解質膜を通じて移動できず,セパレータ13を通じて隣接する電気発生部11のMEA12のカソード電極に移動することができる。この時の電子の流れで電流が発生し,カソード電極では,アノード電極から受けた電子,水素イオン,および酸素の還元反応によって熱および水分が発生する。
上記過程で,本実施形態の燃料電池スタック10は,セパレータ13が金属素材で形成されるために,セパレータ13が水分,熱,および酸素によって腐蝕されるようになる。セパレータ13の腐蝕は,セパレータ13そのものに電子の流れを妨害する抵抗として作用し,セパレータ13の固有の機能である伝導性が喪失されることによって,燃料電池スタック10全体の性能が低下する。
セパレータ13の腐食による燃料電池スタック10の性能低下を防止するために,本実施形態の燃料電池スタック10は,各々の電気発生部11において,各セパレータ13とMEA12との間に導電部20が形成される。導電部20は,燃料電池スタック10全体において,各々の電気発生部11で発生する電子の流れを可能にする機能をする。
本実施形態によれば,導電部20は,電気発生部11の各セパレータ13とMEA12との間に配置される気体拡散層(Gas Diffusion Layer)14a,気体拡散層14bを含む。気体拡散層14a,気体拡散層14bは,MEA12を間に置いて,MEA12の両側面に互いに対向するように配置される単一層に形成され,通常のシートタイプのカーボン複合体,カーボンペーパー,またはカーボンクロースで形成されることができる。気体拡散層14a,気体拡散層14bは,機能の他に,MEA12の両電極(アノード電極およびカソード電極)に燃料および酸素を拡散させる機能もともに有する。
本実施形態で,気体拡散層14a,気体拡散層14bは,隣接する電気発生部11間の電気的な接続を可能にする導電体であって,気体拡散層14a,気体拡散層14bの周縁部分がセパレータ13の周縁外側に延長された形状に構成される。
つまり,本実施形態の導電部20は,燃料電池スタック10の各々の電気発生部11において,図2に“A”で示した気体拡散層14a,気体拡散層14bの延長部分が端子部22をなし,端子部22を通じた電気的な接続によって,MEA12で発生する電子の流れを可能にする。つまり,一つの電気発生部11において,燃料通路13aを通じてMEA12のアノード電極に供給される燃料が酸化されて,電子および水素が生成される。電子は,MEA12の電解質膜を通過できないため,導電体である端子部22によって,隣接する電気発生部11のMEA12のカソード電極に供給され,これによって,電気の流れを発生することができる。
ここで,端子部22は,図2に示したように,気体拡散層14a,気体拡散層14bの周縁部分がMEA12の周縁端外側に延長され,セパレータ13の周縁端外側に拡張されて形成されることができる。つまり,端子部22は,MEA12の周縁端を基準にする時,気体拡散層14a,気体拡散層14bを少なくともMEA12の少なくとも一側の周縁端外側に延長し,セパレータ13の少なくとも一側の周縁端外側に拡張する部分を有する。図3は,図2に示した気体拡散層の平面図である。しかし,図3では,端子部22が気体拡散層14a,気体拡散層14bをセパレータ13の4つの周縁端外側に延長する形状を構成する例を示している。
上記で,導電部20は,図2に示したように,MEA12の周縁端に相当する部分の気体拡散層14a,気体拡散層14bにシーリング部材19が形成されている。シーリング部材19は,燃料および酸素が気体拡散層14a,気体拡散層14bを通じて拡散する場合に,燃料および酸素が端子部22に拡散してMEA12の外側に拡散して電気発生部11の外部に漏れ出るのを阻止することができる。そして,シーリング部材19は,導電部20の領域全体において,気体拡散層14a,気体拡散層14bに相当する部分および端子部22を区画することができる。シーリング部材19は,MEA12の周縁端に相当する位置の気体拡散層14a,気体拡散層14bに形成され,ポリテトラフルオロエチレン(テフロン(登録商標)),ポリイミドなどのようなポリマー素材,またはゴム素材などで形成されることができる。
そして,本実施形態の燃料電池スタック10は,各々の電気発生部11において,導電部20を絶縁させる第1絶縁部21を含む。
好ましくは,第1絶縁部21は,各々の電気発生部11において,MEA12を間に置いた対向する端子部22の間に形成されることができる。これは,一つの電気発生部11において,一つの電気発生部11におけるMEA12のアノード電極側に位置する端子部22と,隣接する電気発生部11におけるカソード電極側に位置する端子部22が後に説明するコネクタ23によって電気的に接続され,所定の電位差を有する(+),(−)端子の機能を果たすため,端子の短絡を防止するためである。
第1絶縁部21は,絶縁テープまたは絶縁シート形状に構成され,フェノール樹脂,ポリウレタン,ポリエステル樹脂,ポリアミド,アクリル,ウレア/メラミン樹脂,シリコン樹脂などのような通常の合成高分子化合物,または絶縁ニスなどのようなニス系の絶縁物を含むことができる。
これに加えて,本実施形態の燃料電池スタック10は,互いに隣接する電気発生部11の対向する端子部22の間にコネクタ23を含む。コネクタ23は,互いに隣接する一つの電気発生部11の導電部20と他の電気発生部11の導電部20を電気的に接続することができる。
コネクタ23は,燃料電池スタック10全体において,互いに隣接する電気発生部11で発生する電気を直列に連結することができる。つまり,コネクタ23は,複数の電気発生部11のいずれか一つの電気発生部11の導電部20と隣接する他の電気発生部11の導電部20を電気的に接続することができる。
コネクタ23は,導電性を有するブロック形状のカーボン素材で形成されることができ,互いに隣接する電気発生部11において,端子部22の間に設置される。また,コネクタ23は,導電性を有するアルミニウム,銅,ニッケル,および鉄からなる群より選択されるいずれか一つの金属素材または二つ以上の合金素材で形成されることができる。
具体的に,本実施形態のコネクタ23は,互いに隣接する電気発生部11において,一つの電気発生部11のアノード電極側の端子部22と他の電気発生部11のカソード電極側の端子部22の間に設置される。従って,コネクタ23と,気体拡散層14a,気体拡散層14b,端子部22を含む導電部20とによって,隣接する電気発生部11を電気的に接続することができる。
そして,本実施形態の燃料電池スタック10の最外側には,燃料電池スタック10で発生する電気を集電する集電プレート26が設置されている。集電プレート26は,図2に示したように,第2絶縁部27が集電プレート26と最外側のセパレート13との間に形成されることによって,最外側のセパレータ13と絶縁された状態で配置される。そして,燃料電池スタック10の最外側に位置する導電部20の端子部22と集電プレート26との間には,コネクタ23が設置されている。集電プレート26は,最外側のセパレータ13に密着されるように配置され,複数の電気発生部11を加圧密着させることができる。このために,集電プレート26は,別途の締結部材(図示せず),例えば,ボルトおよびナットまたはリベットなどによって締結されることにより,複数の電気発生部11を加圧密着させるようになる。
上記のように構成される本発明の第1実施形態に係る燃料電池スタック10の作動時に,一つの電気発生部11において,燃料は,セパレータ13の燃料通路13aを通じてMEA12の一側面に位置する気体拡散層14aに供給され,気体拡散層14aを通じてMEA12のアノード電極に拡散するようになる。そして,酸素は,セパレータ13の酸素通路13bを通じてMEA12の他側面に位置する気体拡散層14bに供給され,気体拡散層14bを通じてMEA12のカソード電極に拡散するようになる。
これにより,MEA12のアノード電極では,燃料の酸化反応によって,燃料を電子および水素イオンに分離する。ここで,水素イオンは,MEA12の電解質膜を通じてカソード電極に移動し,電子は,気体拡散層14a,気体拡散層14bを通じて一つの電気発生部11に隣接する他の電気発生部11のMEA12のカソード電極に移動して,この時の電子の流れで電流を発生させる。そして,MEA12のカソード電極では,アノード電極から受けた電子,水素イオン,および酸素の還元反応によって熱および水分を発生させる。
このような燃料電池スタック10の作動をより具体的に説明すると,各々の電気発生部11において,気体拡散層14a,気体拡散層14bの延長部分(A)が互いに絶縁された端子部22をなし,互いに隣接する電気発生部11において,端子部22がコネクタ23によって直列に接続されているため,コネクタ23を通じて電子が一つの電気発生部11のアノード電極側の気体拡散層14aから他の電気発生部11のカソード電極側の気体拡散層14bに移動することができる。
このような過程を経て,各々の電気発生部11は,電子の移動によって電流を発生させ,燃料電池スタック10の最外側に位置する集電プレート26を通じて,所定の電位差を有する電気エネルギーをロード,例えば,ノートブックPC,PDAのような携帯用電子機器に印加することができるようになる。
したがって,本実施形態の燃料電池スタック10は,電気発生部11を構成する金属素材のセパレータ13が熱,水分,および酸素によって腐蝕されて電子の流れを妨害する電気抵抗が増大しても,導電体および端子の機能をする導電部20およびコネクタ23を通じて,各々隣接する電気発生部11間の電気的な接続を可能にする。よって,セパレータ13の腐食による燃料電池スタック10自体の性能低下を防ぐことができる。
(第2実施形態)
図4は,本発明の第2実施形態に係る燃料電池スタックの構成を示した断面図である。図2で説明された符号と同一な符号を付けた構成要素は,同一な機能をする同一な部材である。
図4を参照すれば,本発明の第2実施形態に係る燃料電池スタック10は,第1実施形態とは異なって,単一の電気発生部11において,MEA12を間に置いて互いに対向するように配置される各々セパレータ43のMEA12に密着する一面に燃料通路43aまたは酸素通路43bを形成し,一面に対向する他面に燃料通路43aまたは酸素通路43bを形成しない単面構造に形成される。
具体的に,単一の電気発生部11において,互いに対向するセパレータ43のうちの一つのセパレータ43は,MEA12の一側面に位置する気体拡散層14aに密着されるように配置され,密着面にチャンネル形状の燃料通路43aを形成し,この密着面の対向面には,燃料通路43aまたは酸素通路43bは形成されない。そして,他のセパレータ43は,MEA12の他側面に位置する気体拡散層14bに密着されるように配置され,密着面にチャンネル形状の酸素通路43bを形成し,この密着面の対向面には,燃料通路43aまたは酸素通路43bは形成されない。ここで,密着面とは,MEA12の両側面に位置する気体拡散層14a,気体拡散層14bに密着するセパレータ43の一面である。密着面の反対面は,一面に対向する他面である。
したがって,本実施形態では,各々のセパレータ43の燃料通路43aまたは酸素通路43bが形成されない面が互いに密着されるように各々の電気発生部11を連続的に配置することによって,電気発生部11の集合体構造による燃料電池スタック10を形成することができる。
そして,上記のように構成される本実施形態の燃料電池スタック10は,互いに隣接する各々の電気発生部11を絶縁させるための第3絶縁部25を含む。第3絶縁部25は,互いに隣接する電気発生部11のセパレータ43の間に形成され,絶縁テープまたは絶縁シート形状に構成される。つまり,第3絶縁部25は,互いに隣接する電気発生部11において,互いに密着されるセパレータ43の燃料通路43aまたは酸素通路43bが形成されない面の間に形成されることができる。
第3絶縁部25は,セパレータ43が金属素材で形成されることによって,セパレータ43が電気発生部11の電気発生時に,水分,熱,および酸素によって腐蝕されて電気抵抗が増大するために,各々の電気発生部11で発生する一部の電子が気体拡散層14a,気体拡散層14bに通じないでセパレータ43を通じて隣接する電気発生部11のセパレータ43に通じるのを遮断するためのものである。
ここで,第3絶縁部25は,フェノール樹脂,ポリウレタン,ポリエステル樹脂,ポリアミド,アクリル,ウレア/メラミン樹脂,シリコン樹脂などのような通常の合成高分子化合物,または絶縁ニスなどのようなニス系の絶縁物を含むことができる。
本実施形態の燃料電池スタック10のその他の構成および作用は,第1実施形態と同一であるので,詳細な説明は省略する。
(第3実施形態)
図5は,本発明の第3実施形態に係る燃料電池スタックの構成を示した断面図である。図2で説明された符号と同一な符号を付けた構成要素は,同一な機能をする同一な部材である。
図5を参照すれば,本発明の第3実施形態は,第1実施形態の構造を基本としながら,互いに隣接する一つの電気発生部11の導電部20と他の電気発生部11の導電部20とを電気的に接続するコネクタ73をリベット74で構成することができる。
このために,本実施形態の燃料電池スタック10は,互いに隣接する電気発生部11において,気体拡散層14a,気体拡散層14bの延長部分(A)であり,対向する各々の端子部22を互いに重なるように構成する。リベット74は,互いに重なった端子部22をリベット結合して,端子部22を電気的に接続することができる。これに加えて,コネクタ73は,リベット74および端子部22の結合力を増進させるために,リベット74と端子部22との間にワッシャ75を設置することもできる。ここで,リベット74およびワッシャ75は,伝導性を有する金属素材,例えば,アルミニウム,銅,鉄,およびニッケルからなる群より選択されるいずれか一つの金属素材または二つ以上の合金素材で形成されることができる。
一方,燃料電池スタック10の最外側に位置する導電部20において,端子部22は,上記のようなコネクタ73を通じて集電プレート26に固定設置されることができる。
本実施形態の燃料電池スタック10におけるその他の構成および作用は,第1実施形態と同一であるので,詳細な説明は省略する。
(第4実施形態)
図6は,本発明の第4実施形態に係る燃料電池スタックの構成を示した断面図である。図2で説明された符号と同一な符号を付けた構成要素は,同一な機能をする同一な部材である。
図6を参照すれば,本発明の第4実施形態は,第1実施形態の構造を基本としながら,一つの電気発生部11の導電部20と他の電気発生部11の導電部20を電気的に接続するコネクタ83をボルト84およびナット85で構成することができる。
このために,本実施形態の燃料電池スタック10は,互いに隣接する電気発生部11において,気体拡散層14a,気体拡散層14bの延長部分(A)であり,対向する各々の端子部22を互いに重なるように構成する。ボルト84およびナット85は,互いに重なった端子部22を結合し,端子部22を電気的に接続することができる。これに加えて,コネクタ83は,ボルト84およびナット85と端子部22との結合力を増進させるために,ボルト84およびナット85と端子部22との間にワッシャ75を設置することもできる。ここで,ボルト84およびナット85とワッシャ75とは,伝導性を有する金属素材,例えば,アルミニウム,銅,鉄,およびニッケルからなる群より選択されるいずれか一つの金属素材または二つ以上の合金素材で形成されることができる。
一方,燃料電池スタック10の最外側に位置する導電部20において,端子部22は,上記のようなコネクタ83を通じて集電プレート26に固定設置されることができる。
本実施形態の燃料電池スタック10おけるその他の構成および作用は,第1実施形態と同一であるので,詳細な説明は省略する。
(第5実施形態)
図7は,本発明の第5実施形態に係る燃料電池スタックの構成を示した断面図である。
図7を参照すれば,本発明の第5実施形態に係る燃料電池スタック110は,第1実施形態のように,電気発生部111の各々のセパレータ113とMEA112との間に配置される導電部120を含むが,導電部120は,MEA112を間に置いて,MEA112の両側面に互いに対向するように配置される複数の第1気体拡散層114a,第2気体拡散層115aと,複数の第1気体拡散層114b,第2気体拡散層115bを含む。ここで,第1気体拡散層114a,第1気体拡散層114bは,MEA112に密着する内側の気体拡散層であり,第2気体拡散層115a,第2気体拡散層115bは,セパレータ113に密着する最外側の気体拡散層である。
図7に示された導電部120は,第1気体拡散層114aと第2気体拡散層115a,第1気体拡散層114bと第2気体拡散層115bが二重層に構成され,電気発生部111において,各々のセパレータ113とMEA112との間に介在される。しかし,本実施形態は,図7に示された構造に限定されるわけではない。
具体的に,導電部120は,MEA112の両側面に密着されるように配置される第1気体拡散層114a,第1気体拡散層114b,および第1気体拡散層114a,第1気体拡散層114bに各々密着されるように配置され,各々のセパレータ113と密着する第2気体拡散層115a,第2気体拡散層115bを含んで構成される。導電部120は,燃料電池スタック110全体において,電気発生部111で発生する電子の流れを可能にする導電体としての機能と,MEA112の両電極に燃料および酸素を拡散する機能をともにになうことができる。
ここで,第1気体拡散層114a,第1気体拡散層114bおよび第2気体拡散層115a,第2気体拡散層115bは,通常のカーボン複合体(carbon composite),カーボンペーパー(carbon paper),またはカーボンクロース(carbon cloth)などで形成されることができる。そして,各々のセパレータ113は,図7に示したように,燃料電池スタック110の最外側のセパレータ113を除くその他の各セパレータ113において,第2気体拡散層115aまたは第2気体拡散層115bに密着する一面に燃料通路113aまたは酸素通路113bを形成し,隣接する電気発生部111のセパレータ113において,第2気体拡散層115aまたは第2気体拡散層115bに密着する一面に燃料通路113aまたは酸素通路113bを形成し,一つの電気発生部111のセパレータ113の一面と隣接する電気発生部111のセパレータ113の一面とが,互いに対向し,一つの電気発生部111のセパレータ113と隣接する電気発生部111のセパレータ113とが一体に形成される。つまり,第2気体拡散層115aまたは第2気体拡散層115bに密着する一面に形成される燃料通路113aまたは酸素通路113bは,一つの電気発生部111のセパレータ113に含まれ,一面に対向する他面に形成される酸素通路113bまたは燃料通路113aは,隣接する他の電気発生部111のセパレータ113に含まれる。ここで,一つの電気発生部111のセパレータ113において,第2気体拡散層115aに密着する一面に燃料通路113aが形成される場合,隣接する電気発生部111のセパレータ113において第2気体拡散層115bに密着する一面に酸素通路113bが形成され,第2気体拡散層115bに密着する一面に酸素通路113bが形成される場合は,隣接する電気発生部111のセパレータ113において第2気体拡散層115aに密着する一面に燃料通路113aが形成される。
本実施形態の導電部120において,第1気体拡散層114a,第1気体拡散層114bは,MEA112およびセパレータ113の側面が有する面積に相当する面積を有するように形成される。ここで,セパレータ113の側面とは,セパレータ113において,燃料通路113aまたは酸素通路113bが形成される面であり,MEA112の側面とは,第1気体拡散層114a,第1気体拡散層114bが密着される面である。図8は,図7に示した第1気体拡散層の平面図である。図8に示したように,燃料および酸素がMEA112の外側に拡散するのを防止するための第1シーリング部材118が第1気体拡散層114a,第1気体拡散層114bの周縁部分に形成されている。第1シーリング部材118は,セパレータ113の燃料通路113aを通じて供給される燃料およびセパレータ113の酸素通路113bを通じて供給される酸素が第1気体拡散層114a,第1気体拡散層114bを通じて拡散する場合に,燃料および酸素がMEA112の外側に拡散して電気発生部111の外部に漏れ出るのを阻止することができる。第1シーリング部材118は,MEA112の周縁端に相当する位置,つまり第1気体拡散層114a,第1気体拡散層114bの周縁部分に形成され,ポリテトラフルオロエチレン(テフロン(登録商標)),ポリイミドなどのようなポリマー素材,またはゴム素材などで形成されることができる。
本実施形態の導電部120において,第2気体拡散層115a,第2気体拡散層115bの延長部分は,互いに隣接する電気発生部111の間の電気的な接続を可能にする端子をなす。このために,第2気体拡散層115a,第2気体拡散層115bは,各々の電気発生部111において,セパレータ113と第1気体拡散層114a,第1気体拡散層114bとの間に配置され,第1気体拡散層114a,第1気体拡散層114bに密着して形成される。
第2気体拡散層115a,第2気体拡散層115bは,図7に“A”で示した周縁部分が第1気体拡散層114a,第1気体拡散層114bおよびセパレータ113の周縁外側に延長された形態に構成される。
つまり,本実施形態の第2気体拡散層115a,第2気体拡散層115bは,燃料電池スタック110の各々の電気発生部111において,その延長部分(A)が端子部122をなし,端子部122を通じて各々の電気発生部111間の電気的な接続を可能にする。
図9は,図7に示した第2気体拡散層の平面図である。ここで,端子部122は,図7および図9に示したように,第2気体拡散層115a,第2気体拡散層115bの周縁部分が第1気体拡散層114a,第1気体拡散層114bおよびセパレータ113の周縁端の外側に延長されて形成されることができる。つまり,端子部122は,第1気体拡散層114a,第1気体拡散層114bの周縁端を基準にした時,第1気体拡散層114a,第1気体拡散層114bの少なくとも一側の周縁端外側に延長されて,セパレータ113の少なくとも一側の周縁端外側に拡張される形態に構成される。しかし,図9では,端子部122が第1気体拡散層114a,第1気体拡散層114bの4つの周縁端外側に延長される形態に構成される例を示している。
第2気体拡散層115a,第2気体拡散層115bは,図9に示したように,第1気体拡散層114a,気体拡散層114bおよびMEA112の周縁端に相当する部分に第2シーリング部材119が形成されている。第2シーリング部材119は,セパレータ113の燃料通路113aを通じて供給される燃料およびセパレータ113の酸素通路113bを通じて供給される酸素が第2気体拡散層115a,第2気体拡散層115bを通じて拡散する場合に,燃料および酸素が端子部122に拡散して電気発生部111の外部,MEA112の外部に漏れ出るのを阻止することができる。そして,第2シーリング部材119は,導電部120の領域全体を第2気体拡散層115a,第2気体拡散層115bに相当する部分と端子部122とに区画することができる。第2シーリング部材119は,第1気体拡散層114a,第1気体拡散層114bおよびMEA112の周縁端に相当する位置の第2気体拡散層115a,第2気体拡散層115bの周縁部分に形成され,第1シーリング部材118と同様に,ポリテトラフルオロエチレン(テフロン(登録商標)),ポリイミドなどのポリマー素材,またはゴム素材などで形成される。
そして,本実施形態の燃料電池スタック110は,各々の電気発生部111において,導電部120を絶縁させるための第1絶縁部121を含む。
好ましくは,第1絶縁部121は,各々の電気発生部111において,対向する各々の端子部122の間に形成されることができる。第1絶縁部121のより詳細な構成および作用は,第1実施形態と同一であるので,詳細な説明は省略する。
これに加えて,本実施形態の燃料電池スタック110は,各々の電気発生部111において,互いに隣接する一つの電気発生部111の導電部120と他の電気発生部111の導電部120を電気的に接続するコネクタ123を含む。
コネクタ123は,燃料電池スタック110全体において,互いに隣接する電気発生部111で発生する電気を直列に接続することができる。つまり,コネクタ123は,複数の電気発生部111のうちのいずれか一つの電気発生部111の導電部120と他の電気発生部111の導電部120を電気的に接続することができる。
コネクタ123は,導電性を有するブロック形状のカーボン素材で形成されることができ,互いに隣接する電気発生部111において,対向する各々の端子部122の間に設置される。コネクタ123のより詳細な構成および作用は,第1実施形態と同一であるので,詳細な説明は省略する。
そして,本実施形態の燃料電池スタック110の最外側には,燃料電池スタック110で発生する電気を集電する集電プレート126が配置されている。集電プレート126は,通常の締結部材によって複数の電気発生部111を加圧密着させることができる。集電プレート126は,図7に示したように,集電プレート126と最外側のセパレータ113との間に形成される第2絶縁部127によって最外側のセパレータ113と絶縁された状態で配置される。そして,燃料電池スタック110の最外側に位置する導電部120,つまり端子部122と集電プレート126との間には,コネクタ123が設置されている。
上記のように構成される本実施形態の燃料電池スタック110の作動時に,燃料は,各々の電気発生部111において,セパレータ113の燃料通路113aを通じてMEA112の一側面に位置する第1気体拡散層114a,第2気体拡散層115aに供給され,第1気体拡散層114a,第2気体拡散層115aを通じてMEA112のアノード電極に拡散するようになる。そして,酸素は,各々の電気発生部111において,セパレータ113の酸素通路113bを通じてMEA112の他側面に位置する第1気体拡散層114b,第2気体拡散層115bに供給され,第1気体拡散層114b,第2気体拡散層115bを通じてMEA112のカソード電極に拡散するようになる。
したがって,燃料電池スタック110の各電気発生部111では,第1実施形態で説明したように,燃料の酸化反応および酸素の還元反応によって電気エネルギーを発生させる。この場合,各々の電気発生部111において,第2気体拡散層115a,第2気体拡散層115bの延長部分(A)が互いに絶縁された端子部122をなし,互いに隣接する電気発生部111において,端子部122がコネクタ123によって直列に接続されているため,コネクタ123を通じてMEA112で発生する電子が一つの電気発生部111のアノード電極側の第2気体拡散層115aから隣接する他の電気発生部111のカソード電極側の第2気体拡散層115bに移動するようになる。
このような過程を経て,各々の電気発生部111は,電子の移動によって電流を発生させ,燃料電池スタック110の最外側に位置する集電プレート126を通じて所定の電位差を有する電気エネルギーをロード,例えばノートブックPC,PDAのような携帯用電子機器に印加することができるようになる。
したがって,本実施形態の燃料電池スタック110は,電気発生部111を構成する金属素材のセパレータ113が熱,水分,および酸素によって腐蝕されて電子の流れを妨害する電気抵抗が増大しても,導電体および端子の機能をする第1気体拡散層114a,第1気体拡散層114bおよび第2気体拡散層115a,第2気体拡散層115b,コネクタ123を通じて電気発生部111間の電気的な接続を可能にする。従って,セパレータ113の腐食による燃料電池スタック110の性能低下を防ぐことができる。
(第6実施形態)
図10は,本発明の第6実施形態に係る燃料電池スタックの構成を示した断面図である。図7で説明された符号と同一な符号を付けた構成要素は,同一な機能をする同一な部材である。
図10を参照すれば,本発明の第6実施形態に係る燃料電池スタック110は,第5実施形態とは異なって,単一の電気発生部111において,MEA112を間に置いて互いに対向するように配置される各々セパレータ143のMEA112に密着する一面に燃料通路143aまたは酸素通路143bを形成し,一面に対向する他面に燃料通路143aまたは酸素通路143bを形成しない単面構造に形成される。
具体的に,単一の電気発生部111において,互いに対向するセパレータ143のうちの一つセパレータ143は,MEA112の一側面に位置する第2気体拡散層115aに密着されるように配置され,密着面にチャンネル形状の燃料通路143aを形成し,密着面の反対面には,燃料通路143aまたは酸素通路143bが形成されない。そして,他のセパレータ143は,MEA112の他側面に位置する第2気体拡散層115bに密着されるように配置され,密着面にチャンネル形状の酸素通路143bを形成し,密着面の反対面には,燃料通路143aまたは酸素通路143bが形成されない。。ここで,密着面とは,MEA112の両側面に位置する第2気体拡散層115a,第2気体拡散層115bに密着するセパレータ143の一面である。密着面の反対面は,一面に対向する他面である。
したがって,本実施形態では,各セパレータ143の燃料通路143aまたは酸素通路143bが形成されない面が互いに密着されるように各々の電気発生部111を連続的に配置することによって,電気発生部111の集合体構造による燃料電池スタック110を形成することができる。
そして,燃料電池スタック110は,互いに隣接する各々の電気発生部111を絶縁させるための第3絶縁部125を含む。第3絶縁部125は,互いに隣接する電気発生部111のセパレータ143の間に形成され,絶縁テープまたは絶縁シート形状に構成される。つまり,第3絶縁部125は,互いに隣接する電気発生部111において,互いに密着されるセパレータ143の燃料通路143aまたは酸素通路143bが形成されない面の間に形成されることができる。
第3絶縁部125は,セパレータ143が金属素材で形成されることによって,セパレータ143が電気発生部111の電気発生時に水分,熱,および酸素によって腐蝕されて電気抵抗が増大するために,各々の電気発生部111で発生する一部の電子が第2気体拡散層115a,第2気体拡散層115bに通じないでセパレータ143を通じて隣接する電気発生部111のセパレータ143に通じるのを遮断するためのものである。
ここで,第3絶縁部125は,フェノール樹脂,ポリウレタン,ポリエステル樹脂,ポリアミド,アクリル,ウレア/メラミン樹脂,シリコン樹脂などのような通常の合成高分子化合物,または絶縁ニスなどのようなニス系の絶縁物を含むことができる。
本実施形態の燃料電池スタック110におけるその他の構成および作用は,第5実施形態と同一であるので,詳細な説明は省略する。
(第7実施形態)
図11は,本発明の第7実施形態に係る燃料電池スタックの構成を示した断面図である。図7で説明された符号と同一な符号を付けた構成要素は,同一な機能をする同一な部材である。
図7を参照すれば,本発明の第7実施形態は,第5実施形態の構造を基本としながら,互いに隣接する一つの電気発生部111の導電部120と他の電気発生部111の導電部120とを電気的に接続するコネクタ173をリベット174で構成することができる。
このために,本実施形態の燃料電池スタック110は,互いに隣接する電気発生部111において,第2気体拡散層115a,第2気体拡散層115bの延長部分(A)であり,対向する各々の端子部122を互いに重なるように構成する。リベット174は,互いに重なった端子部122をリベット結合して,端子部122を電気的に接続させることができる。これに加えて,コネクタ173は,リベット174および端子部122の結合力を増進させるために,リベット174と端子部122との間にワッシャ175を設置することもできる。ここで,リベット174およびワッシャ175は,伝導性を有する金属素材,例えば,アルミニウム,銅,鉄,およびニッケルなどからなる群より選択されるいずれか一つの金属素材または二つ以上の合金素材で形成されることができる。
そして,燃料電池スタック110の最外側に位置する導電部120において,端子部122は,上記のようなコネクタ173を通じて集電プレート126に固定設置されることができる。
本実施形態の燃料電池スタック110におけるその他の構成および作用は,第5実施形態と同一なので,詳細な説明は省略する。
(第8実施形態)
図12は,本発明の第8実施形態に係る燃料電池スタックの構成を示した断面図である。図7で説明された符号と同一な符号を付けた構成要素は,同一な機能をする同一な部材である。
図12を参照すれば,本発明の第8実施形態は,第5実施形態の構造を基本としながら,互いに隣接する一つの電気発生部111の導電部120と他の電気発生部111の導電部120とを電気的に接続するコネクタ183をボルト184およびとナット185で構成することができる。
このために,本実施形態の燃料電池スタック110は,互いに隣接する電気発生部111において,第2気体拡散層115a,第2気体拡散層115bの延長部分(A)であり,対向する各々の端子部122を互いに重なるように構成する。ボルト184およびナット185は,互いに重なった端子部122を結合し,端子部122を電気的に接続させることができる。これに加えて,コネクタ183は,ボルト184およびナット185と端子部122との結合力を増進させるために,ボルト184およびナット185と端子部122との間にワッシャ175を設置することもできる。ここで,ボルト184およびナット185とワッシャ175とは,伝導性を有する金属素材,例えば,アルミニウム,銅,鉄,およびニッケルなどからなる群より選択されるいずれか一つの金属素材または二つ以上の合金素材で形成されることができる。
そして,燃料電池スタック110の最外側に位置する導電部120において,端子部122は,上記のようなコネクタ183を通じて集電プレート126に固定設置されることができる。
本実施形態の燃料電池スタック110におけるその他の構成および作用は,第5実施形態と同一なので,詳細な説明は省略する。
(第9実施形態)
図13は,本発明の第9実施形態に係る燃料電池スタックの構成を示した断面図である。
図13を参照すれば,本発明の第9実施形態に係る燃料電池スタック210は,電気発生部211における各々のセパレータ213の周囲を囲むように形成され,MEA212で発生する電子の流れを可能にする導電部220を含むことができる。つまり,導電部220は,隣接する各々の電気発生部211を電気的に接続することができる。
この場合,電気発生部211の各々のセパレータ213は,図13に示したように,MEA212を中心に置いて,MEA212の両側面に密着配置され,燃料電池スタック210の最外側のセパレータ213を除くその他の各セパレータ213において,MEA213に密着する一面に燃料通路213aまたは酸素通路213bを形成し,隣接する電気発生部211のセパレータ213の一面に酸素通路213bまたは燃料通路213aを形成し,一つの電気発生部211のセパレータ213の一面と隣接する電気発生部211のセパレータ213の一面とが,互いに対向し,一つの電気発生部211のセパレータ213と隣接する電気発生部211のセパレータ213とが一体に形成される。つまり,MEA213に密着する一面に形成される燃料通路213aまたは酸素通路213bは,一つの電気発生部211のセパレータ213に含まれ,一面に対向する他面に形成される酸素通路213bまたは燃料通路213aは,隣接する他の電気発生部211のセパレータ213に含まれる。ここで,一つの電気発生部211のセパレータ213において,MEA212に密着する一面に燃料通路213aが形成される場合,隣接する電気発生部211のセパレータ213においてMEA212に密着する一面に酸素通路213bが形成され,MEA212に密着する一面に酸素通路213bが形成される場合は,隣接する電気発生部211のセパレータ213においてMEA212に密着する一面に燃料通路213aが形成される。
本実施形態によれば,導電部220は,各々のセパレータ213とMEA212との間に配置され,各々のセパレータ213に密着する部分が連結されて,隣接する電気発生部211における互いに対向する各々のセパレータ213の側面,上端部分の面を囲む気体拡散層221を含む。
導電部220は,気体拡散層221を通じて互いに隣接する電気発生部211間の電気的な接続を可能にする。つまり,導電部220は,気体拡散層221を通じた電気的な接続によって,MEA212で発生する電子を隣接する電気発生部211に円滑に移動することができる。そして,導電部220は,MEA212の両側電極に燃料および酸素を拡散する気体拡散層としての固有の機能も有する。
図14は,図13に示した導電部の展開図であって,上記のように気体拡散層221で構成される導電部220は,一部分が隣接する電気発生部211において,互いに対向する各々のセパレータ213の側面に密着され,他部分が隣接する電気発生部211における対向する各々のセパレータ213の上端部分の面に密着されて,隣接する電気発生部211における対向する各々のセパレータ213を囲むように一部分および他部分が連結された構造を有する。
具体的に,導電部220は,一つの電気発生部211のセパレータ213の一側面に密着される第1部分221a,隣接する電気発生部211におけるセパレータ213の一側面に密着される第2部分221b,および第1部分221aおよび第2部分221bを連結し,隣接する電気発生部211における対向する各々のセパレータ213の上端部分の面に密着する第3部分221cを含む。
ここで,第1部分221aおよび第2部分221bは,各セパレータ213とMEA212との間に位置して,電気発生部211間の電気的な接続を可能にする導電体および端子として機能することができる。そして,第3部分221cは,隣接する電気発生部211における対向する各々のセパレータ213の周縁に位置して,つまり,隣接する電気発生部211における対向する各々のセパレータ213の上端部分の面に密着して第1部分221aおよび第2部分221bを電気的に接続するコネクタとして機能することができる。
導電部220は,所定の幅および長さを有するシート(sheet)形状で第3部分221cを中心にシートの両側に,第1部分221aおよび第2部分221bを区画形成し,第3部分221cを中心に,第1部分221aおよび第2部分221bが直角に折畳まれたほぼ“コ”形状からなる。ここで,導電部220は,通常の気体拡散層を形成する素材,例えば,カーボン複合体(carbon composite),カーボンペーパー(carbon paper),またはカーボンクロース(carbon cloth)素材などで形成される。
そして,導電部220の第1部分221aおよび第2部分221bには,MEA212の周縁端に相当する位置にシーリング部材219が形成されている。シーリング部材219は,セパレータ213の燃料通路213aを通じて第1部分221aに供給される燃料およびセパレータ213の酸素通路213bを通じて第2部分221bに供給される酸素が,第1部分221aおよび第2部分221bを通じて拡散する場合に,燃料および酸素がMEA212の外側に拡散して電気発生部211の外部に漏れ出るのを阻止することができ,また,第3部分221cに拡散するのを防止することができる。これに加えて,シーリング部材219は,第1部分221aおよび第2部分221bの領域全体において,MEA212に対応する部分と端子の部分を区画することができる。シーリング部材219は,MEA212の周縁端に相当する第1部分221aおよび第2部分221bに形成され,ポリテトラフルオロエチレン(テフロン(登録商標)),ポリイミドなどのようなポリマー素材,またはゴム素材などで形成される。
本実施形態の導電部220において,第1部分221aと第3部分221cと,および第2部分221bと第3部分221cとを連結するために,導電部220の第1部分221aと第3部分221cとの連結部分,および第2部分221bと第3部分221cとの連結部分にバンディング部材222が形成されている。バンディング部材222は,ポリマー素材,ゴム素材,または金属素材で形成されるのが好ましい。
そして,燃料電池スタック210は,各々の電気発生部211において,導電部220を絶縁させる第1絶縁部223を含む。第1絶縁部223は,各々の電気発生部211において,対向する導電部220の間,つまり,MEA212の周縁部分に位置する第1部分221aと第2部分221bとの間に形成されることができる。これは,一つの電気発生部211において,一つのセパレータ213を囲む導電部220と他のセパレータ213を囲む導電部220とが所定の電位差を有する(+),(−)端子の機能をするため,このような端子の短絡を防止するためである。
ここで,第1絶縁部223は,絶縁テープまたは絶縁シート形状に構成され,フェノール樹脂,ポリウレタン,ポリエステル樹脂,ポリアミド,アクリル,ウレア/メラミン樹脂,シリコン樹脂などのような通常の合成高分子化合物を含むことができ,絶縁ニスなどのようなニス系の絶縁物を含むこともできる。
一方,本実施形態の燃料電池スタック210の最外側には,燃料電池スタック210で発生する電気を集電する集電プレート224が配置されている。集電プレート224は,通常の締結部材によって複数の電気発生部211を加圧密着することができる。
これに加えて,燃料電池スタック210の最外側の導電部220と最外側のセパレータ213との間には,最外側の導電部220および最外側のセパレータ213を絶縁させるための第2絶縁部225が形成されている。これは,セパレータ213が金属素材で形成されることによって,セパレータ213が電気発生部211の電気発生時に水分,熱,および酸素によって腐蝕されて電気抵抗が増大するために,最外側の導電部220を通じて集電プレート224に集電される電流がセパレータ213に通じるのを遮断するためである。
上記のように構成される本実施形態の燃料電池スタック210の作動時に,各々の電気発生部211において,燃料は,セパレータ213の燃料通路213aを通じて導電部220の第1部分221aに供給され,第1部分221aを通じてMEA212のアノード電極に拡散することができる。そして,酸素は,セパレータ213の酸素通路213bを通じて導電部220の第2部分221bに供給され,第2部分221bを通じてMEA212のカソード電極に拡散することができる。
したがって,MEA212のアノード電極では,燃料の酸化反応によって,燃料を電子および水素イオン(proton)に分解する。ここで,水素イオンは,MEA212の電解質膜を通じてカソード電極に移動し,電子は,導電部220,つまり,気体拡散層221を通じて隣接する電気発生部211のMEA212のカソード電極に移動して,この時の電子の流れで電流を発生させる。そして,MEA212のカソード電極では,アノード電極から受けた電子,水素イオン,および酸素の還元反応によって所定の温度の熱および水分を発生させる。
このような作動をより具体的に説明すると,各々の電気発生部211において,気体拡散層221から構成された導電部220が互いに絶縁された状態を維持しながら隣接する電気発生部211において,対向する各々のセパレータ213の側面,および上端部分の面を囲むように配置され,隣接する電気発生部211が導電部220を通じて直列に接続されているため,各々の電気発生部211で発生する電子は,導電部220を通じて移動することができる。この過程を経て,燃料電池スタック210では,電子の移動によって電流を発生させることができ,燃料電池スタック210の最外側に位置する集電プレート224を通じて所定の電位差を有する電気エネルギーをロード,例えば,ノートブックPC,PDAのような携帯用電子機器に印加することができるようになる。
したがって,本実施形態の燃料電池スタック210は,電気発生部211を構成する金属素材のセパレータ213が熱,水分,および酸素によって腐蝕されて電子の流れを妨害する電気抵抗が増大しても,各々の電気発生部211において,隣接する電気発生部211における対向する各々のセパレータ213の側面,および上端部分の面を囲んでいる気体拡散層221が導電体および端子の機能をする導電部220を構成するため,導電部220を通じて電気発生部211間の電気的な接続を可能にする。従って,セパレータ213の腐食による燃料電池スタック210の性能低下を防ぐことができる。
(第10実施形態)
図15は,本発明の第10実施形態に係る燃料電池スタックの構成を示した断面図である。図13で説明された符号と同一な符号を付けた構成要素は,同一な機能をする同一な部材である。
図15を参照すれば,本発明の第10実施形態に係る燃料電池スタック210は,第9実施形態とは異なって,単一の電気発生部211において,MEA212を間に置いて互いに対向するように配置される各々セパレータ243のMEA212に密着する一面に燃料通路243aまたは酸素通路243bを形成し,一面に対向する他面に酸素通路243bまたは燃料通路243aを形成しない単面構造に形成される。
具体的に,単一の電気発生部211において,互いに対向するセパレータ243のうちの一つのセパレータ243は,導電部220の第1部分221aに密着されるように配置され,密着面にチャンネル形状の燃料通路243aを形成し,密着面の反対面には,燃料通路243aまたは酸素通路243bは形成されない。そして,他のセパレータ243は,導電部220の第2部分221bに密着されるように配置され,密着面にチャンネル形状の酸素通路243bを形成し,密着面の反対面には,燃料通路243aまたは酸素通路243bは形成されない。ここで,密着面とは,セパレータ243において,導電部220の第2部分221bまたは第1部分221aに密着する一面である。密着面の反対面とは,セパレータ243の一面に対向する面である。
したがって,本実施形態では,各々のセパレータ243の密着面の反対面が互いに密着されるように,各々の電気発生部211を連続的に配置して,反対面が互いに密着される隣接する電気発生部211の一対のセパレータ243の側面および上端部分の面と,最外側のセパレータ243の両側面および上端部分の面とを囲むように導電部220を配置することによって,電気発生部211の集合体構造による燃料電池スタック210を形成することができる。
そして,燃料電池スタック210は,互いに隣接する各々の電気発生部211を絶縁させるための第3絶縁部226を含む。第3絶縁部226は,互いに隣接する電気発生部211のセパレータ243の間に形成され,絶縁テープまたは絶縁シート形状に構成される。つまり,第3絶縁部226は,互いに隣接する電気発生部211において,互いに密着されるセパレータ243の燃料通路243aまたは酸素通路243bが形成されない面の間に形成されることができる。
第3絶縁部226は,セパレータ243が金属素材で形成されることによって,セパレータ243が電気発生部211の電気発生時に水分,熱,および酸素によって腐蝕されて電気抵抗が増大するために,各々の電気発生部211で発生する一部の電子が導電部220に通じないでセパレータ243を通じて隣接する電気発生部211のセパレータ243に通じるのを遮断するためのものである。
ここで,第3絶縁部226は,フェノール樹脂,ポリウレタン,ポリエステル樹脂,ポリアミド,アクリル,ウレア/メラミン樹脂,シリコン樹脂などのような通常の合成高分子化合物を含むことができ,絶縁ニスなどのようなニス系の絶縁物を含むこともできる。
本実施形態の燃料電池スタック210におけるその他の構成および作用は,第9実施形態と同一であるので,詳細な説明は省略する。
(第11実施形態)
図16は,本発明の第11実施形態に係る燃料電池スタックの構成を示した断面図である。図17は,図16に示したスタックの一部を分解して示した斜視図である。
図16を参照すれば,本発明の第11実施形態に係る燃料電池スタック310は,MEA312を中心に置いて,MEA312の両側面に第1実施形態のようなセパレータ313を配置して構成されるセル(cell)単位の電気発生部311を含む。したがって,本実施形態では,上記のような電気発生部311を複数含み,電気発生部311を連続的に配置することによって,電気発生部311の集合体構造による燃料電池スタック310を形成することができる。
この場合,電気発生部311の各々のセパレータ313は,図16に示したように,燃料電池スタック310の最外側のセパレータ313を除くその他のセパレータ313において,MEA312の両側面に密着する一面に燃料通路313aまたは酸素通路313bを形成し,隣接する電気発生部311のセパレータ313の一面に酸素通路313bまたは燃料通路313aを形成し,一つの電気発生部311のセパレータ313の一面と隣接する電気発生部311のセパレータ313の一面とが,互いに対向し,一つの電気発生部311のセパレータ313と隣接する電気発生部311のセパレータ313とが一体に形成される。つまり,MEA312に密着する一面に形成される燃料通路313aまたは酸素通路313bは,一つの電気発生部311のセパレータ313に含まれ,一面に対向する他面に形成される酸素通路313bまたは燃料通路313aは,隣接する他の電気発生部311のセパレータ313に含まれる。ここで,一つの電気発生部311のセパレータ313において,MEA312に密着する一面に燃料通路313aが形成される場合,隣接する電気発生部311のセパレータ313においてMEA312に密着する一面に酸素通路313bが形成され,MEA312に密着する一面に酸素通路313bが形成される場合は,隣接する電気発生部311のセパレータ313においてMEA312に密着する一面に燃料通路313aが形成される。セパレータ313は,セラミック,ポリマー,合成樹脂,および金属素材からなる群より選択されるいずれか一つの素材で形成されることができる。
そして,各々のセパレータ313とMEA312との間には,MEA312の両側電極に燃料および酸素を拡散し,MEA312で発生する電子を隣接する電気発生部311のMEA312のカソード電極に円滑に移動させるための気体拡散層314a,気体拡散層314bを含む。気体拡散層314a,気体拡散層314bは,MEA312を間に置いて,MEA312の両側面に互いに対向するように配置され,MEA312の側面が有する面積に相当する面積を有するように形成され,カーボン複合体(carbon composite),カーボンペーパー(carbon paper),またはカーボンクロース(carbon cloth)などで形成されることができる。
このような構造を基本とする本実施形態の燃料電池スタック310において,電気発生部311は,気体拡散層314a,気体拡散層314bを通じた電気的な接続によってMEA312で発生する電子の流れを可能にする導電部320を含む。つまり,導電部320は,互いに隣接する電気発生部311を電気的に接続することができる。
本実施形態によれば,導電部320は,電気発生部311において,各々の気体拡散層314a,気体拡散層314bに連結するように設置され,セパレータ313の少なくとも一側の周縁外側に一部突出される一対の端子フレーム321,端子フレーム322を含む。
具体的に,一対の端子フレーム321,端子フレーム322は,単一の電気発生部311において,MEA312を間においた両側のセパレータ313の少なくとも一側の周縁部分の間に互いに対向するように所定の間隔をおいて配置され,各々の気体拡散層314a,気体拡散層314bに連結設置される。図16では,電気発生部311の各々のセパレータ313の周縁部分において,互いに対向するように所定の間隔をおいて配置され,各々の気体拡散層314a,気体拡散層314bに連結する端子フレーム321,端子フレーム322が形成される。
端子フレーム321,端子フレーム322は,便宜上,第1端子フレーム321および第2端子フレーム322に区分することができる。第1端子フレーム321は,電気発生部311において,気体拡散層314aに密着するセパレータ313の周縁部分とMEA312の周縁部分との間に設置され,MEA312の一側面に位置する気体拡散層314aと接触しながらセパレータ313の周縁外側に一部突出される。そして,第2端子フレーム322は,気体拡散層314bに密着するセパレータ313の周縁部分とMEA312の周縁部分との間で第1端子フレーム321と対向して設置され,MEA312の他側面に位置する気体拡散層314bと接触しながらセパレータ313の周縁外側に一部突出される。
ここで,第1端子フレーム321,第2端子フレーム322は,所定の幅および長さを有してMEA312を間においた両側のセパレータ313の周縁部分の間で,両側のセパレータ313の周縁方向に長く形成されるプレート形状または棒形状から構成され,導電性を有するカーボン素材で形成されることができる。
第1端子フレーム321,第2端子フレーム322は,各々の気体拡散層314a,気体拡散層314bと接触する第1部分321a,第1部分322a,セパレータ313の周縁外側に突出される第2部分321b,第2部分322b,セパレータ313の周縁部分に密着される第3部分321c,第3部分322cから構成される。そして,図面符号321d,322dは,一対の第1端子フレーム321,第2端子フレーム322において,第1端子フレーム321,第2端子フレーム322が一定の間隔をおいて配置され,第3部分321c,第3部分322cの反対面,つまり第1端子フレーム321,第2端子フレーム322の互いに対向する面に突出形成される第4部分を示す。
ここで,本実施形態の第1端子フレーム321,第2端子フレーム322は,第2部分321b,第2部分322bが少なくともセパレータ313のいずれか一側の周縁外側に突出されるように配置される。しかし,図17では,第2部分321b,第2部分322bがセパレータ313の4つの周縁端の外側に突出される例を示している。
そして,各々の第1端子フレーム321,第2端子フレーム322およびセパレータ313の密着部分,つまり第1端子フレーム321,第2端子フレーム322の第3部分321c,第3部分322cとセパレータ313の周縁部分との間には,第1端子フレーム321,第2端子フレーム322およびセパレータ313を絶縁させるための第1絶縁部323が形成されている。
第1絶縁部323は,セパレータ313が金属素材で形成されることによって,セパレータ313が電気発生部311の電気発生時に水分,熱,および酸素によって腐蝕されて電気抵抗が増大するために,各々の電気発生部311で発生する一部の電子が第1端子フレーム321,第2端子フレーム322に通じないでセパレータ313を通じて隣接する電気発生部311のセパレータ313に通じるのを遮断するためのものである。
第1絶縁部323は,絶縁テープまたは絶縁シート形状に構成される。この絶縁テープまたは絶縁シートは,フェノール樹脂,ポリウレタン,ポリエステル樹脂,ポリアミド,アクリル,ウレア/メラミン樹脂,シリコン樹脂などのような通常の合成高分子化合物を含むことができ,絶縁ニスなどのようなニス系の絶縁物を含むこともできる。
また,各々の電気発生部311において,第1端子フレーム321および第2端子フレーム322との間には,第1端子フレーム321,第2端子フレーム322を絶縁させるための第2絶縁部324が形成されている。
第2絶縁部324は,各々の電気発生部311において,第1端子フレーム321および第2端子フレーム322の第2部分321b,第2部分322bの間に形成されることができる。これに加えて,各々の電気発生部311は,互いに対向する第1端子フレーム321および第2端子フレーム322の第4部分321d,第4部分322dの間にもこのような第2絶縁部324が形成されている。これは,一つの電気発生部311において,一側の気体拡散層314aに連結される第1端子フレーム321および他側の気体拡散層314bに連結される第2端子フレーム322が後に説明するコネクタ325で電気的に接続され,所定の電位差を有する(+),(−)端子の機能をするため,このような端子の短絡を防止するためである。ここで,第2絶縁部324は,第1絶縁部323のような絶縁テープまたは絶縁シート形状に構成される。
一方,図18は,図16に示した気体拡散層の平面図であって,本実施形態の気体拡散層314a,気体拡散層314bは,MEA312の周縁端に相当する部分にシーリング部材319が形成されている。シーリング部材319は,セパレータ313の燃料通路313aを通じて供給される燃料およびセパレータ313の酸素通路313bを通じて供給される酸素が,気体拡散層314a,気体拡散層314bを通じて拡散する場合に,燃料および酸素がMEA312の外側に拡散して電気発生部311の外部に漏れ出るのを阻止することができる。シーリング部材319は,気体拡散層314a,気体拡散層314bの周縁部分,つまり,MEA312の周縁端に相当する位置に形成され,ポリテトラフルオロエチレン(テフロン(登録商標)),ポリイミドなどのようなポリマー素材,またはゴム素材が気体拡散層314a,気体拡散層314bに形成されるのが好ましい。
これに加えて,本実施形態の燃料電池スタック310は,各々の電気発生部311において,互いに隣接する一つの電気発生部311の導電部320と他の電気発生部311の導電部320とを電気的に接続するコネクタ325を含む。
コネクタ325は,燃料電池スタック310全体において,互いに隣接する電気発生部311で発生する電気を直列に接続させるためのものである。つまり,コネクタ325は,複数の電気発生部311のうちのいずれか一つの電気発生部311の第1端子フレーム321または第2端子フレーム322と隣接する他の電気発生部311の第1端子フレーム321,第2端子フレーム322を電気的に接続することができる。
そのためのコネクタ325は,導電性を有するブロック形状のカーボン素材で形成されることができ,互いに隣接する各々の電気発生部311において,第1端子フレーム321,第2端子フレーム322の第2部分321b,第2部分322bの間に設置される。
具体的に,本実施形態のコネクタ325は,互いに隣接する電気発生部311において,一つの電気発生部311の一側の気体拡散層314aに連結される第1端子フレーム321の第2部分321bと他の電気発生部311の他側の気体拡散層314bに連結される第2端子フレーム322の第2部分322bとの間に設置される。
そして,本実施形態の燃料電池スタック310の最外側には,燃料電池スタック310で発生する電気を集電する集電プレート327が設置されている。集電プレート327は,複数の電気発生部311を加圧密着することができる。集電プレート327は,図16に示したように,集電プレート327と最外側のセパレータ313との間に形成される第3絶縁部328によって最外側のセパレータ313と絶縁された状態で配置される。そして,燃料電池スタック310の最外側に位置する第1端子フレーム321,第2端子フレーム322と集電プレート327との間には,コネクタ325が設置されている。
上記のように構成される本実施形態の燃料電池スタック310の作動時に,燃料は,セパレータ313の燃料通路313aを通じてMEA312の一側面に位置する気体拡散層314aに供給され,気体拡散層314aを通じてMEA312のアノード電極に拡散する。そして,酸素は,セパレータ313の酸素通路313bを通じてMEA312の他側面に位置する気体拡散層314bに供給され,気体拡散層314bを通じてMEA312のカソード電極に拡散する。
これにより,MEA312のアノード電極では,燃料の酸化反応によって,燃料を電子および水素イオン(proton)に分離する。ここで,水素イオンは,MEA312の電解質膜を通じてカソード電極に移動し,電子は,気体拡散層314a,気体拡散層314bを通じて隣接するMEA312のカソード電極に移動して,この時の電子の流れで電流を発生させる。そして,MEA312のカソード電極では,アノード電極から受けた電子,水素イオン,および酸素の還元反応によって熱および水分を発生させる。
このような作動をより具体的に説明すれば,各々の電気発生部311において,気体拡散層314a,気体拡散層314bと各々連結設置される第1端子フレーム321,第2端子フレーム322が絶縁された状態を維持して,互いに隣接する電気発生部311において,各々の第1端子フレーム321,第2端子フレーム322がコネクタ325を通じて直列に接続されているため,コネクタ325を通じて電子が一つの電気発生部311の第1端子フレーム321から隣接する他の電気発生部311の第2端子フレーム322に移動することができる。
このような過程を経て,各々の電気発生部311は,電子の移動によって電流を発生させるようになり,燃料電池スタック310の最外側に位置する集電プレート327を通じて所定の電位差を有する電気をロード,例えば,ノートブックPC,PDAのような携帯用電子機器に印加することができるようになる。
したがって,本実施形態の燃料電池スタック310は,電気発生部311を構成する金属素材のセパレータ313が熱,水分,および酸素によって腐蝕されて電子の流れを妨害する電気抵抗が増大しても,第1端子フレーム321,第2端子フレーム322によって気体拡散層314a,気体拡散層314bを通じた電気発生部311間の電気的な接続を可能にする。したがって,セパレータ313の腐食による燃料電池スタック310の性能低下を防ぐことができる。
(第12実施形態)
図19は,本発明の第12実施形態に係る燃料電池スタックの構成を示した断面図である。図16で説明された符号と同一な符号を付けた構成要素は,同一な機能をする同一な部材である。
図19を参照すれば,本実施形態の燃料電池スタック310は,第11実施形態とは異なって,単一の電気発生部311において,MEA312を間に置いて互いに対向するように配置される各々セパレータ343において,各々のセパレータ343のMEA312に密着する一面に燃料通路343aまたは酸素通路343bを形成し,一面に対向する他面には,燃料通路343aまたは酸素通路343bを形成しない単面構造に形成される。
具体的に,単一の電気発生部311において,互いに対向するセパレータ343のうちの一つのセパレータ343は,MEA312の一側面に位置する気体拡散層314aに密着されるように配置され,密着面にチャンネル形状の燃料通路343aを形成し,密着面の反対面には,燃料通路343aまたは酸素通路343bが形成されない。そして,他のセパレータ343は,MEA312の他側面に位置する気体拡散層314bに密着されるように配置され,密着面にチャンネル形状の酸素通路343bを形成し,密着面の反対面には,燃料通路343aまたは酸素通路343bが形成されない。ここで,密着面とは,セパレータ343がMEA312に密着する一面である。密着面の反対面とは,セパレータ343において,一面に対向する他面である。
したがって,本実施形態では,各々のセパレータ343の燃料通路343aまたは酸素通路343bが形成されない面が互いに密着されるように,各々の電気発生部311を連続的に配置することによって,電気発生部311の集合体構造によるスタック310を形成することができる。
そして,燃料電池スタック310は,互いに隣接する各々の電気発生部311を絶縁させるための第4絶縁部329を含む。第4絶縁部329は,互いに隣接する電気発生部311のセパレータ343の間に形成され,絶縁テープまたは絶縁シート形状に構成される。つまり,第4絶縁部329は,互いに隣接する電気発生部311において,互いに密着されるセパレータ343の燃料通路343aまたは酸素通路343bが形成されない面の間に形成されることができる。
第4絶縁部329は,セパレータ343が金属素材で形成されることによって,セパレータ343が電気発生部311の電気発生時に水分,熱,および酸素によって腐蝕されて電気抵抗が増大するために,各々の電気発生部311で発生する一部の電子が気体拡散層314a,気体拡散層314bに通じないでセパレータ343を通じて隣接する電気発生部311のセパレータ343に通じるのを遮断するためのものである。
ここで,第4絶縁部329は,フェノール樹脂,ポリウレタン,ポリエステル樹脂,ポリアミド,アクリル,ウレア/メラミン樹脂,シリコン樹脂などのような通常の合成高分子化合物を含むことができ,絶縁ニスなどのようなニス系の絶縁物を含むこともできる。
本実施形態の燃料電池スタック310におけるその他の構成および作用は,第11実施形態と同一であるので,詳細な説明は省略する。
(第13実施形態)
図20は,本発明の第13実施形態に係る燃料電池スタックの構成を示した断面図である。図16で説明された符号と同一な符号を付けた構成要素は,同一な機能をする同一な部材である。
図20を参照すれば,本発明の第13実施形態は,第11実施形態,第12実施形態の構造を基本としながら,互いに隣接する一つの電気発生部311の導電部360と他の電気発生部311の導電部360とを電気的に接続することができるコネクタ355を導電性を有する金属素材のリード部材356で構成することができる。
図20では,第11実施形態の構造を基本として本実施形態の燃料電池スタック310を構成しているが,これに限定されず,第12実施形態の構造を基本として本実施形態による燃料電池スタック310を構成することもできる。
本実施形態によれば,リード部材356は,導電性を有するプレート形状に構成され,互いに隣接する電気発生部311の第1端子フレーム361,第2端子フレーム362に据置かれるように設置される。リード部材356は,アルミニウム,ニッケル,銅,および鉄からなる群より選択されるいずれか一つの金属素材または二つ以上の合金素材で形成されることができる。
リード部材356を互いに隣接する電気発生部311の第1端子フレーム361,第2端子フレーム362の間に据置くために,互いに対向する第1端子フレーム361,第2端子フレーム362の第2部分361b,第2部分362bには,据置き突起361e,据置き突起362eが一体に形成されている。
したがって,リード部材356は,互いに隣接する電気発生部311において,第1端子フレーム361,第2端子フレーム362の据置き突起361e,据置き突起362eに据置かれることによって,各々の電気発生部311を電気的に接続することができる。
一方,燃料電池スタック310の最外側に位置するセパレータ313と集電プレート327との間に位置するリード部材356は,リベットまたはボルトおよびナットの結合によって集電プレート327に固定設置されることができる。
本実施形態の燃料電池スタック310におけるその他の構成および作用は,第11実施形態,第12実施形態と同一であるので,詳細な説明は省略する。
(第14実施形態)
図21は,本発明の第14実施形態に係る燃料電池スタックの構成を示した断面図である。図19で説明された符号と同一な符号を付けた構成要素は,同一な機能をする同一な部材である。
図21を参照すれば,本発明の第14実施形態は,第11実施形態,第12実施形態,第13実施形態の構造を基本としながら,各々の電気発生部311において,MEA312を間においた両側のセパレータ343の周縁部分の間に設置される第1端子フレーム421,第2端子フレーム422に,セパレータ343の周縁部分を結合させる結合溝426が形成されている。
図21では,第12実施形態の構造を基本として本実施形態の燃料電池スタック310を構成しているが,これに限定されず,第11実施形態,第13実施形態の構造を基本として本実施形態の燃料電池スタック310を構成することもできる。
具体的に,第1端子フレーム421,第2端子フレーム422は,MEA312を間においた両側のセパレータ343の周縁部分と各々密着する部分に結合溝426を形成する。そして,第1端子フレーム421,第2端子フレーム422とセパレータ343とが接する面には,第1端子フレーム421,第2端子フレーム422およびセパレータ343を絶縁させるための第1絶縁部323が形成されている。図21には,結合溝426が形成される面とセパレータ343とが接する面に第1絶縁部323が形成された構造を示したが,本発明はこのような構造に限定されるわけではない。ここで,図21で示す結合講426は,第1端子フレーム421,第2端子フレーム422の各々の突出部分(a)の間に形成される溝のことであり,セパレータ343の周縁部分(b)が結合講426に結合される。
本実施形態の燃料電池スタック310におけるその他の構成および作用は,第11実施形態,第12実施形態,第13実施形態実施形態と同一であるので,詳細な説明は省略する。
(第15実施形態)
図22は,本発明の第15実施形態に係る燃料電池スタックにおける導電部の構成を概略的に示した斜視図である。
図22を参照すれば,この場合は,第11〜14実施形態の構造を基本としながら,第1端子フレーム521,第2端子フレーム522が四角形フレーム形状からなる導電部520を構成することができる。
本実施形態で,第1端子フレーム521,第2端子フレーム522は,開放部523を有する四角形フレーム形状に形成され,セパレータ(図示せず)の4つの周縁端の外側に一部突出されるように形成される。導電部520のその他の構成は,第11実施形態の端子フレームと同一なので,詳細な説明は省略する。
以上,添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが,本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば,特許請求の範囲に記載された範疇内において,各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり,それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
本発明の第1実施形態に係る燃料電池スタックを分解して示した斜視図である。 図1の結合断面図である。 図2に示した気体拡散層の平面図である。 本発明の第2実施形態に係る燃料電池スタックの構成を示した断面図である。 本発明の第3実施形態に係る燃料電池スタックの構成を示した断面図である。 本発明の第4実施形態に係る燃料電池スタックの構成を示した断面図である。 本発明の第5実施形態に係る燃料電池スタックの構成を示した断面図である。 図7に示した第1気体拡散層の平面図である。 図7に示した第2気体拡散層の平面図である。 本発明の第6実施形態に係る燃料電池スタックの構成を示した断面図である。 本発明の第7実施形態に係る燃料電池スタックの構成を示した断面図である。 本発明の第8実施形態に係る燃料電池スタックの構成を示した断面図である。 本発明の第9実施形態に係る燃料電池スタックの構成を示した断面図である。 図13に示した導電部の展開図である。 本発明の第10実施形態に係る燃料電池スタックの構成を示した断面図である。 本発明の第11実施形態に係る燃料電池スタックの構成を示した断面図である。 図16に示した燃料電池スタックの一部を分解して示した斜視図である。 図16に示した気体拡散層の平面図である。 本発明の第12実施形態に係る燃料電池スタックの構成を示した断面図である。 本発明の第13実施形態に係る燃料電池スタックの構成を示した断面図である。 本発明の第14実施形態に係る燃料電池スタックの構成を示した断面図である。 本発明の第15実施形態に係る燃料電池スタックにあって導電部の構成を概略的に示した斜視図である。
符号の説明
10 燃料電池スタック
11 電気発生部
12 MEA
13 セパレータ
19 シーリング部
20 導電部
21 第1絶縁部
22 端子部
23 コネクタ
25 第3絶縁部
26 集電プレート
27 第2絶縁部
74 リベット
75 ワッシャ
222 バンディング部

Claims (67)

  1. 燃料および酸素の反応によって電気エネルギーを発生させる少なくとも一つ以上の電気発生部を含み,
    前記電気発生部は,
    膜−電極アセンブリの両側面に密着されるように配置されるセパレータと;
    前記セパレータと前記膜−電極アセンブリとの間に形成され,各々の隣接する前記電気発生部を電気的に接続する導電部と;
    を含むことを特徴とする,燃料電池スタック。
  2. 前記導電部は,
    前記セパレータと前記膜−電極アセンブリとの間に配置される少なくとも一つ以上の気体拡散層と;
    前記セパレータの少なくとも一側の周縁外側に延長されて形成される前記気体拡散層の延長部分と;
    を含み,
    前記延長部分は,端子部をなすことを特徴とする,請求項1に記載の燃料電池スタック。
  3. 互いに隣接する前記電気発生部の対向する各々の前記端子部の間に設置され,各々の前記導電部を電気的に接続するコネクタを含むことを特徴とする,請求項2に記載の燃料電池スタック。
  4. 一つの前記電気発生部において,前記端子部の間に形成され,各々の前記導電部を絶縁させる第1絶縁部を含むことを特徴とする,請求項2または3に記載の燃料電池スタック。
  5. 最外側に位置する前記セパレータに密着されるように配置され,最外側の前記端子部との間に形成される前記コネクタによって,最外側の前記導電部と電気的に接続される集電プレートを含むことを特徴とする,請求項3または4に記載の燃料電池スタック。
  6. 前記最外側のセパレータと前記集電プレートとの間に形成され,前記最外側のセパレータおよび前記集電プレートを絶縁させる第2絶縁部を含むことを特徴とする,請求項5に記載の燃料電池スタック。
  7. 前記電気発生部を複数含み,前記複数の電気発生部を連続的に配置して前記電気発生部による集合体構造を構成し,
    互いに隣接する前記電気発生部において,対向する前記端子部の間に設置される前記コネクタによって,隣接する前記電気発生部を直列に接続することを特徴とする,請求項3〜6のいずれかに記載の燃料電池スタック。
  8. 前記コネクタは,導電性を有するブロック形状のカーボン素材で形成されることを特徴とする,請求項3〜7のいずれかに記載の燃料電池スタック。
  9. 前記コネクタは,導電性を有するアルミニウム,銅,ニッケル,および鉄からなる群より選択されるいずれか一つの金属素材または二つ以上の合金素材で形成されることを特徴とする,請求項3〜7のいずれかに記載の燃料電池スタック。
  10. 前記コネクタは,互いに隣接する前記電気発生部の対向する各々の前記端子部を結合させるリベットを含むことを特徴とする,請求項3〜9のいずれかに記載の燃料電池スタック。
  11. 前記コネクタは,前記端子部と前記リベットとの間に設置されるワッシャを含むことを特徴とする,請求項10に記載の燃料電池スタック。
  12. 前記コネクタは,互いに隣接する前記電気発生部の対向する各々の前記端子部を結合させるボルトおよびナットを含むことを特徴とする,請求項3〜9のいずれかに記載の燃料電池スタック。
  13. 前記コネクタは,前記端子部と前記ボルトおよび前記ナットとの間に設置されるワッシャを含むことを特徴とする,請求項12に記載の燃料電池スタック。
  14. 前記セパレータは,金属素材で形成されることを特徴とする,請求項1〜13のいずれかに記載の燃料電池スタック。
  15. 一つの前記電気発生部の前記セパレータは,
    前記膜−電極アセンブリの一側面に位置する前記気体拡散層に密着する前記セパレータの一面に形成される燃料通路と;
    前記膜−電極アセンブリの他側面に位置する前記気体拡散層に密着する前記セパレータの一面に形成される酸素通路と;
    を含むことを特徴とする,請求項2〜14のいずれかに記載の燃料電池スタック。
  16. 一つの前記電気発生部における前記セパレータの前記一面と隣接する前記電気発生部の前記セパレータの前記一面とが対向し,一つの前記電気発生部における前記セパレータと,前記隣接する電気発生部の前記セパレータとが,一体に形成されることを特徴とする,請求項15に記載の燃料電池スタック。
  17. 前記電気発生部を複数含み,前記複数の電気発生部を連続的に配置して前記電気発生部による集合体構造を構成し,
    各々の前記電気発生部を絶縁させる第3絶縁部が互いに隣接する前記電気発生部の前記セパレータの間に形成されることを特徴とする,請求項1〜16のいずれかに記載の燃料電池スタック。
  18. 前記セパレータは,板状の金属をプレス加工して前記燃料通路または前記酸素通路を形成することを特徴とする,請求項15〜17のいずれかに記載の燃料電池スタック。
  19. 前記セパレータは,アルミニウム,銅,鉄,ニッケル,およびコバルトからなる群より選択されるいずれか一つの金属素材または二つ以上の合金素材で形成されることを特徴とする,請求項1〜18のいずれかに記載の燃料電池スタック。
  20. 前記セパレータは,カーボン素材より導電性が小さい素材で形成されることを特徴とする,請求項1〜19のいずれかに記載の燃料電池スタック。
  21. 前記セパレータは,セラミック,ポリマー,合成樹脂,およびゴム素材からなる群より選択されるいずれか一つの素材で形成されることを特徴とする,請求項1〜20のいずれかに記載の燃料電池スタック。
  22. 前記気体拡散層は,シートタイプのカーボン複合体,カーボンペーパー,およびカーボンクロースからなる群より選択されるいずれか一つの素材で形成されることを特徴とする,請求項2〜21のいずれかに記載の燃料電池スタック。
  23. 前記導電部は,
    前記膜−電極アセンブリの両側面に対向配置される気体拡散層と;
    前記セパレータの少なくとも一側の周縁外側に延長されて形成される前記気体拡散層の延長部分と;
    を含み,
    前記延長部分は,端子部をなすことを特徴とする,請求項1〜22のいずれかに記載の燃料電池スタック。
  24. 前記導電部は,前記燃料および/または前記酸素が前記膜−電極アセンブリの外側に拡散するのを防止するためのシーリング部材を含むことを特徴とする,請求項1〜23のいずれかに記載の燃料電池スタック。
  25. 前記シーリング部材は,前記膜−電極アセンブリの周縁端に相当する位置の前記気体拡散層に形成され,ポリマーまたはゴム素材で形成されることを特徴とする,請求項24に記載の燃料電池スタック。
  26. 前記導電部は,
    前記膜−電極アセンブリの両側面に互いに対向するように配置される複数の気体拡散層から構成され,
    前記セパレータに密着する最外側の前記気体拡散層は,前記セパレータの少なくとも一側の周縁外側に延長される延長部分を含み,
    前記延長部分は,端子部をなすことを特徴とする,請求項1に記載の燃料電池スタック。
  27. 前記膜−電極アセンブリに密着する内側の前記気体拡散層において,前記内側の気体拡散層の両側面の各々が前記膜−電極アセンブリの側面の面積に相当する面積を有するように形成され,前記燃料および/または前記酸素が前記膜−電極アセンブリの外側に拡散するのを防止するための第1シーリング部材を含むことを特徴とする,請求項26に記載の燃料電池スタック。
  28. 前記第1シーリング部材は,前記膜−電極アセンブリの周縁端に相当する前記内側の気体拡散層の周縁部分に形成され,ポリマーまたはゴム素材で形成されることを特徴とする,請求項27に記載の燃料電池スタック。
  29. 前記最外側の気体拡散層は,前記燃料および/または前記酸素が前記膜−電極アセンブリの外側に拡散するのを防止するための第2シーリング部材を含むことを特徴とする,請求項26〜28のいずれかに記載の燃料電池スタック。
  30. 前記第2シーリング部材は,前記膜−電極アセンブリの周縁端に相当する前記最外側の気体拡散層の周縁部分に形成され,ポリマーまたはゴム素材で形成されることを特徴とする,請求項29に記載の燃料電池スタック。
  31. 燃料および酸素の反応によって電気エネルギーを発生させる少なくとも一つ以上の電気発生部を含み,
    前記電気発生部は,
    膜−電極アセンブリの両側面に密着されるように配置されるセパレータと;
    互いに隣接する前記電気発生部において,対向する各々の前記セパレータの上端部分の面および側面を囲むように配置され,各々隣接する前記電気発生部を電気的に接続する導電部と;
    を含むことを特徴とする,燃料電池スタック。
  32. 前記導電部は,互いに隣接する前記電気発生部において,対向する各々の前記セパレータの側面に各々密着して形成される気体拡散層を有し,各々の前記気体拡散層は,互いに隣接する前記電気発生部において,対向する各々の前記セパレータの上端部で連結されることを特徴とする,請求項31に記載の燃料電池スタック。
  33. 互いに隣接する前記電気発生部において,対向する前記気体拡散層は,
    一つの前記電気発生部における前記セパレータの一側面に密着して形成される第1部分と;
    隣接する前記電気発生部における前記セパレータの一側面に密着して形成される第2部分と;
    前記第1部分および前記第2部分に連結され,互いに隣接する前記電気発生部において,対向する各々の前記セパレータの上端部分の面に密着して前記第1部分および前記第2部分を電気的に接続するコネクタとして構成される第3部分と;
    を含むことを特徴とする,請求項32に記載の燃料電池スタック。
  34. 前記第1部分および前記第2部分は,前記燃料および/または前記酸素が前記膜−電極アセンブリの外側に拡散するのを防止するためのシーリング部材を含むことを特徴とする,請求項33に記載の燃料電池スタック。
  35. 前記シーリング部材は,前記膜−電極アセンブリの周縁端に相当する前記第1部分および前記第2部分の周縁部分に形成され,ポリマーまたはゴム素材で形成されることを特徴とする,請求項34に記載の燃料電池スタック。
  36. 前記気体拡散層は,前記第1部分と前記第3部分が連結される部分および前記第2部分と前記第3部分が連結される部分に配置され,前記第1部分と前記第3部分との連結,および前記第2部分と前記第3部分との連結のために用いられるバンディング部材を含むことを特徴とする,請求項33〜35のいずれかに記載の燃料電池スタック。
  37. 前記バンディング部材は,ポリマー,ゴム,および金属素材からなる群より選択されるいずれか一つの素材で形成されることを特徴とする,請求項36に記載の燃料電池スタック。
  38. 前記電気発生部において,互いに対向する各々の前記導電部の間に形成され,各々の前記導電部を絶縁させる第1絶縁部を含むことを特徴とする,請求項31〜37のいずれかに記載の燃料電池スタック。
  39. 最外側に位置する前記導電部に密着されるように配置され,前記導電部と電気的に接続される集電プレートを含むことを特徴とする,請求項31〜38のいずれかに記載の燃料電池スタック。
  40. 前記最外側の導電部と最外側の前記セパレータとの間に形成され,前記最外側の導電部および前記最外側のセパレータを絶縁させる第2絶縁部を含むことを特徴とする,請求項39に記載の燃料電池スタック。
  41. 前記電気発生部の前記セパレータは,
    前記膜−電極アセンブリの一側面に位置する前記気体拡散層に密着する前記セパレータの一面に形成される燃料通路と;
    前記膜−電極アセンブリの他側面に位置する前記気体拡散層に密着する前記セパレータの一面に形成される酸素通路と;
    を含むことを特徴とする,請求項32〜40のいずれかに記載の燃料電池スタック。
  42. 一つの前記電気発生部における前記セパレータの前記一面と隣接する前記電気発生部の前記セパレータの前記一面とが対向し,前記電気発生部における前記セパレータと,前記隣接する電気発生部の前記セパレータとが,一体に形成されることを特徴とする,請求項41に記載の燃料電池スタック。
  43. 前記電気発生部を複数含み,複数の前記電気発生部を連続的に配置して前記電気発生部による集合体構造を構成し,
    各々の前記電気発生部を絶縁させる第3絶縁部が互いに隣接する前記電気発生部の前記セパレータの間に形成されることを特徴とする,請求項31〜42のいずれかに記載の燃料電池スタック。
  44. 前記セパレータは,セラミック,ポリマー,合成樹脂,および金属素材からなる群より選択されるいずれか一つの素材で形成されることを特徴とする,請求項31〜43のいずれかに記載の燃料電池スタック。
  45. 燃料および酸素の反応によって電気エネルギーを発生させる少なくとも一つ以上の電気発生部を含み,
    前記電気発生部は,
    膜−電極アセンブリの両側面に密着されるように配置されるセパレータと;
    前記セパレータと前記膜−電極アセンブリとの間に配置され,前記膜−電極アセンブリの両側面に互いに対向するように配置される気体拡散層と;
    前記気体拡散層に各々連結設置され,各々隣接する前記電気発生部を電気的に接続する導電部と;
    を含むことを特徴する,燃料電池スタック。
  46. 前記導電部は,
    前記セパレータの周縁部分と前記膜−電極アセンブリの周縁部分との間に介在され,前記気体拡散層に接触するように設置されて,前記セパレータの少なくとも一側の周縁外側に突出されるように形成され,突出部分が端子をなす一対の端子フレームを含むことを特徴とする,請求項45に記載の燃料電池スタック。
  47. 互いに隣接する前記電気発生部において,対向する前記端子フレームの間に形成され,前記導電部を電気的に接続するコネクタを含むことを特徴とする,請求項46に記載の燃料電池スタック。
  48. 前記セパレータは,セラミック,ポリマー,合成樹脂,および金属素材からなる群より選択されるいずれか一つの素材で形成されることを特徴とする,請求項45〜47のいずれかに記載の燃料電池スタック。
  49. 前記端子フレームは,導電性を有するカーボン素材で形成されることを特徴とする,請求項46〜48のいずれかに記載の燃料電池スタック。
  50. 前記端子フレームは,
    所定の幅と長さを有する棒形状に形成され,
    前記気体拡散層と密着する第1部分と;
    前記セパレータの周縁外側に突出される第2部分と;を含むことを特徴とする,請求項46〜49のいずれかに記載の燃料電池スタック。
  51. 前記端子フレームは,前記セパレータの周縁部分を結合させる結合溝を形成することを特徴とする,請求項46〜50のいずれかに記載の燃料電池スタック。
  52. 前記端子フレームは,
    開放部を有する四角形のフレーム形状に形成され,
    前記気体拡散層と密着する第1部分と;
    前記セパレータの周縁外側に突出される第2部分と;
    を含むことを特徴とする,請求項46〜49のいずれかに記載の燃料電池スタック。
  53. 前記端子フレームは,前記セパレータの周縁部分を結合させる結合溝を形成することを特徴とする,請求項52に記載の燃料電池スタック。
  54. 前記電気発生部を複数含み,複数の前記電気発生部を連続的に配置して前記電気発生部による集合体構造を構成し,
    互いに隣接する前記電気発生部において,対向する各々の前記端子フレームの間に設置される前記コネクタによって,各々の前記電気発生部を直列に接続することを特徴とする,請求項47〜53のいずれかに記載の燃料電池スタック。
  55. 前記コネクタは,導電性を有するブロック形状のカーボン素材で形成されることを特徴とする,請求項47〜54のいずれかに記載の燃料電池スタック。
  56. 前記コネクタは,導電性を有するプレート形状の金属素材で形成されるリード部材を含むことを特徴とする,請求項47〜55のいずれかに記載の燃料電池スタック。
  57. 前記端子フレームは,前記リード部材を据置くための据置き突起を有することを特徴とする,請求項56に記載の燃料電池スタック。
  58. 前記リード部材は,アルミニウム,ニッケル,銅,または鉄からなる群より選択されるいずれか一つの金属素材または二つ以上の合金素材で形成されることを特徴とする,請求項56または57に記載の燃料電池スタック。
  59. 前記端子フレームと前記セパレータとの間に形成され,前記端子フレームおよび前記セパレータを絶縁させる第1絶縁部を含むことを特徴とする,請求項46〜58のいずれかに記載の燃料電池スタック。
  60. 一つの前記電気発生部において,対向する各々の前記端子フレームの間に形成され,各々の前記端子フレームを絶縁させる第2絶縁部を含むことを特徴とする,請求項46〜59のいずれかに記載の燃料電池スタック。
  61. 最外側に位置する前記セパレータに密着されるように配置され,最外側の前記端子フレームとの間に形成される前記コネクタによって,最外側の前記端子フレームと電気的に接続される集電プレートを含むことを特徴とする,請求項47〜60のいずれかに記載の燃料電池スタック。
  62. 前記最外側のセパレータと前記集電プレートとの間に形成され,前記最外側のセパレータおよび前記集電プレートを絶縁させる第3絶縁部を含むことを特徴とする,請求項61に記載の燃料電池スタック。
  63. 前記電気発生部の前記セパレータは,
    前記膜−電極アセンブリの一側面に位置する前記気体拡散層に密着する前記セパレータの一面に形成される燃料通路と;
    前記膜−電極アセンブリの他側面に位置する前記気体拡散層に密着する前記セパレータの一面に形成される酸素通路と;
    を有することを特徴とする,請求項45〜62のいずれかに記載の燃料電池スタック。
  64. 一つの前記電気発生部における前記セパレータの前記一面と隣接する前記電気発生部の前記セパレータの前記一面とが対向し,前記電気発生部における前記セパレータと,前記隣接する電気発生部の前記セパレータとが,一体に形成されることを特徴とする,請求項63に記載の燃料電池スタック。
  65. 前記電気発生部を複数含み,複数の前記電気発生部を連続的に配置して前記電気発生部による集合体構造を構成し,
    各々の前記電気発生部を絶縁させる第4絶縁部が互いに隣接する前記電気発生部の前記セパレータの間に形成されることを特徴とする,請求項45〜64のいずれかに記載の燃料電池スタック。
  66. 前記気体拡散層は,前記燃料および/または前記酸素が前記膜−電極アセンブリの外側に拡散するのを防止するためのシーリング部材を含むことを特徴とする,請求項45〜65のいずれかに記載の燃料電池スタック。
  67. 前記シーリング部材は,前記膜−電極アセンブリの周縁端に相当する位置の前記気体拡散層に形成され,ポリマーまたはゴム素材で形成されることを特徴とする,請求項66に記載の燃料電池スタック。


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