JP2010282944A - 透明な流路を具えた燃料電池スタック及びそのバイポーラ板構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 透明な流路を具えた燃料電池スタック及びそのバイポーラ板構造を提供することを課題とする。
【解決手段】 本発明は、透明な流路を具えた燃料電池スタック、及び、そのバイポーラ板構造で、前記燃料電池スタックには、膜電極接合体、及び、バイポーラ板を有する。バイポーラ板を介して膜電極接合体をその中に挟んで設置し、且つ、バイポーラ板には透明なマニホールド、及び、透明なマニホールドの側辺に組み込んだ集電板を具備するため、膜電極接合体が発生した電気エネルギーは集電板を利用して伝導できる。透明なマニホールドを設置しているため、燃料電池スタックの外部から燃料電池スタック中の流路内の生成水状態を直ちに観察できることで、随時流路の閉塞問題が起きているかどうかを監視し、従って燃料電池スタックに好ましい発電効率を維持させることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、透明な流路を具えた燃料電池スタック及びそのバイポーラ板構造に関し、特に、燃料電池スタックに応用する透明な流路を具えた燃料電池スタック及びそのバイポーラ板構造に関する。

燃料電池は、一種の低騒音、低排出、充電不要及び高効率の発電装置で、継続して燃料を供給することで、燃料電池が電気化学反応を持続的に起こして電気エネルギーを発生できる。燃料電池の燃料はメタノール、エタノール、水素ガス或いはその他の炭化水素化合物とすることができ、更に酸素を酸化剤として電気エネルギーを発生し、且つこの電気化学反応の過程において副生成物として水を生成する。

燃料電池の燃料は、流路を通じて運ばれるため、流路を運ぶ能力が燃料電池の発電効率に影響を及ぼす。しかしながら燃料電池が生成した水を順調に排出できない時、水が流路内に溜まり流路の閉塞が起き、従って燃料電池内の電気化学反応に影響を及ぼし、且つ燃料電池の反応速度を引き下げる。

透明板を導電流路板の一側に組み込むことでバイポーラ板として構成し、透明板を通じてバイポーラ板の内部流路を観察でき、流路内の状態がはっきり見え、これにより燃料電池セルが動作した時、内部の水の生成及び分布を観察できるようにしたものが開示されている（例えば、特許文献１参照）。

上記の先願特許発明は、透明板を導電流路板に組み込むことで、不透明な導電流路板内の流路を容易に観察できるようにさせた。ところが、複数の燃料電池セルから燃料電池スタックとして組成した時、透明板が燃料電池スタック内に挟んで設置され、最外両側の燃料電池セルについて透明板を通じて流路内の状態を観察できることを除き、その他の燃料電池セルの透明板が燃料電池スタック内に挟んで設置されたため、観察できる効果を持たず、燃料電池スタックの内部流路に閉塞状態が起きた時、透明板を通じて観察しても発見することができなかった。

中華民国発明公告第Ｉ２３６１７８号號公報「透明な流路の水溜りを観察する燃料電池製作技術」

本発明の透明な流路を具えた燃料電池スタック及びそのバイポーラ板構造は、各燃料電池セルに透明なマニホールドを使用したため、燃料電池セルから燃料電池スタックとして組成した時、燃料電池スタック内の生成水状態について各透明マニホールドを通じて観測することで、流路状態を直ちに観測できる効果を果たすことになる。

本発明の透明な流路を具えた燃料電池スタック及びそのバイポーラ板構造では、透明なマニホールドを通じて流路内の状態を直ちに観測できるため、内部流路が閉塞しているかどうかを直ちに発見でき、従って燃料電池の効率への影響を避けることができる。

本発明の透明な流路を具えた燃料電池スタック及びそのバイポーラ板構造では、非金属材料で透明なマニホールドを製作したため、燃料電池のコストを効果的に削減し、且つ軽量化の効果を達成できる。

上記の効果を達成するため、本発明が提供する透明な流路を具えた燃料電池スタック構造には、少なくとも１つの膜電極接合体及び膜電極接合体の両側に介装する少なくとも１対のバイポーラ板を有し、且つ各バイポーラ板には透明なマニホールド及び透明なマニホールドの一側辺に組み込んだ少なくとも１枚の集電板を具備する。
また、上記の効果を達成するため、本発明が提供する透明な流路を具えたバイポーラ板構造には、透明なマニホールド及び透明なマニホールドの一側辺に組み込んだ少なくとも１枚の集電板を具備する。

本発明は下記の特徴を有する。
（１）少なくとも１つの膜電極接合体、及び、前記膜電極接合体の両側に介装する少なくとも１対のバイポーラ板とを含み、且つ、各バイポーラ板には透明なマニホールド、及び、前記透明なマニホールドの一側辺に組み込んだ少なくとも１枚の集電板とを備えることを特徴とする透明な流路を具えた燃料電池スタック構造。
（２）前記集電板は、延伸して前記透明なマニホールドの一側面をカバーすることを特徴とする（１）記載の燃料電池スタック構造。
（３）前記集電板は、両面を前記透明マニホールドの前記側辺に組み込だことを特徴とする（２）記載の燃料電池スタック構造。
（４）各前記バイポーラ板は、２枚の集電板を有し、且つ、前記集電板が各前記透明なマニホールドの対向両側辺に組み込むことを特徴とする（１）記載の燃料電池スタック構造。
（５）各前記集電板は、延伸して前記透明なマニホールドの対向する一側面をカバーすることを特徴とする（４）記載の燃料電池スタック構造。
（６）これら集電板は、各々両面を前記透明なマニホールドの対向両側辺に組み込むことを特徴とする（５）記載の燃料電池スタック構造。
（７）前記透明なマニホールドの材質は、高分子ポリマー、ガラス、固体酸化物、または、非導電性材料であることを特徴とする（１）記載の燃料電池スタック構造。
（８）前記集電板は、導電薄板であることを特徴とする（１）記載の燃料電池スタック構造。
（９）前記集電板は、更に少なくとも１個の放熱部材を備え、前記放熱部材が前記集電板から前記透明なマニホールドの外側へ延伸して形成されたもので、且つ、前記放熱部材が前記集電板と熱伝導の結合することを特徴とする（１）記載の燃料電池スタック構造。
（１０）前記集電板は、埋め込み射出、ホットプレス、または、接着剤による接着方法で前記透明なマニホールドに組み込むことを特徴とする（１）記載の燃料電池スタック構造。
（１１）透明なマニホールド、及び、前記透明なマニホールドの一側辺に組み込む少なくとも１枚の集電板とを備えることを特徴とする透明な流路を具えたバイポーラ板構造。
（１２）前記集電板は、延伸して前記透明なマニホールドの一側面をカバーすることを特徴とする（１１）記載のバイポーラ板構造。
（１３）前記集電板は、両面を前記透明マニホールドの前記側辺に組み込だことを特徴とする（１２）記載のバイポーラ板構造。
（１４）２枚の集電板を有し、且つ、前記集電板が各前記透明なマニホールドの対向両側辺に各々組み込むことを特徴とする（１１）記載のバイポーラ板構造。
（１５）各前記集電板は、延伸して前記透明なマニホールドの対向する一側面をカバーすることを特徴とする（１４）記載のバイポーラ板構造。
（１６）これら集電板は、各々両面を前記透明なマニホールドの対向両側辺に組み込むことを特徴とする（１５）記載のバイポーラ板構造。
（１７）前記透明なマニホールドの材質は、高分子ポリマー、ガラス、固体酸化物、または、非導電性材料であることを特徴とする（１１）記載のバイポーラ板構造。
（１８）前記集電板は、導電薄板であることを特徴とする（１１）記載のバイポーラ板構造。
（１９）前記集電板は、更に少なくとも１個の放熱部材を備え、前記放熱部材が前記集電板から前記透明なマニホールドの外側へ延伸して形成されたもので、且つ、前記放熱部材が前記集電板と熱伝導の結合することを特徴とする（１１）記載のバイポーラ板構造。
（２０）前記集電板は、埋め込み射出、ホットプレス、または、接着剤による接着方法で前記透明なマニホールドに組み込むことを特徴とする（１１）記載のバイポーラ板構造。

本発明を実施することで、少なくとも下記の進歩した効果を達成できる。
一、透明なマニホールドの設置により、燃料電池スタック内の水の生成と分布状態を直接、且つ直ちに外部から観測することができる。
二、燃料電池スタック内の水の生成水を直ちに観測できるため、燃料電池スタック内の流路閉塞を避ける効果を達成できる。
三、非金属材料の透明なマニホールドの使用により、燃料電池スタックのコスト削減及び軽量化の効果を達成できる。

本発明の透明な流路を具えた燃料電池スタック構造の立体分解実施例図である。 図１を組立てた実施例図である。 本発明の透明な流路を具えたバイポーラ板構造の第１の立体実施例図である。 本発明の透明な流路を具えたバイポーラ板構造の第２の立体実施例図である。 本発明の透明な流路を具えたバイポーラ板構造の第３の立体実施例図である。 本発明の透明な流路を具えたバイポーラ板構造の第４の立体実施例図である。 本発明の透明な流路を具えた燃料電池スタック構造の立体実施例図である。

当該技術分野を熟知する者に本発明の技術内容を理解させると共にこれをもって実施させ、且つ当明細書で開示した内容、特許請求の範囲及び図面により、当該技術分野を熟知する者が容易に本発明の目的及び長所を理解できるため、実施形態において本発明の詳細な特徴及び長所をについて詳しく説明する。

まず図１に示すように、本実施例は透明な流路を具えた燃料電池スタック構造１００で、少なくとも１つの膜電極接合体１１０及び少なくとも１対のバイポーラ板１２０を有する。燃料電池スタック構造１００は複数の燃料電池セルで積層を形成し、又各燃料電池セルには膜電極接合体１１０及び１対のバイポーラ板１２０を具備する。

膜電極接合体１１０は、陽イオン交換膜、２層の触媒層及び２層のガス拡散層を有し、酸化剤と燃料がそれぞれガス拡散層を通じて膜電極接合体１１０に入った時、膜電極接合体１１０の中で電気化学反応を起こして電子及び生成水を発生する。

又、各膜電極接合体１１０が生成した電子は、隣接するバイポーラ板１２０内の集電板１２２を介して伝達できるため、燃料電池スタック１００において電流を発生できる。これにより燃料電池スタック１００内に具備する膜電極接合体１１０の数量が、燃料電池スタック１００で発生できる電力量を決定する。

図１及び図２に示すように、膜電極接合体１１０をバイポーラ板１２０の間に設置できるようにバイポーラ板１２０が、膜電極接合体１１０を挟んで設置され、且つ各膜電極接合体１１０が発生した電子は、バイポーラ板１２０の集電板１２２を経由して隣接する別の膜電極接合体１１０に伝導され、膜電極接合体１１０が発生した電流は、燃料電池スタック１００の間に伝達できるようにさせる。

図３に示すように、各バイポーラ板１２０は、透明なマニホールド１２１及び少なくとも１枚の集電板１２２を具備する。透明なマニホールド１２１において複数組の透明な流路１２４が形成されており、集電板１２２が透明なマニホールド１２１の一側辺１２５に組み込まれ、且つ集電板１２２が透明なマニホールド１２１の一側面１２６をカバーするため、更に外部へ延伸できる。

又、集電板１２２をＵ形板体とすることができ、且つＵ形板体の凹窪が透明なマニホールド１２１の側面１２６に挟むように設置されたため、集電板１２２が両面で透明なマニホールド１２１の側辺１２５の両表面に組み込むことができる。

次に、図４に示すように、バイポーラ板１２０は、２枚の集電板１２２を具備することができ、且つ集電板１２２が各透明なマニホールド１２１の対向両側辺１２５に組み込むことができる。また集電板１２２も延伸して透明なマニホールド１２１の対向両側面１２６をカバーでき、並びに各々の両面を透明なマニホールド１２１の対向両側辺１２５の両表面に組み込むことができ、これにより集電板１２２と膜電極接合体１１０との接触面積を増やして電子の伝達速度を増大することで、燃料電池スタック２００の電気生成の効果を向上させる。

集電板１２２が透明なマニホールド１２１の側辺１２５に設置したため、独立した集電板の設置に代わり、両隣接する透明なマニホールド１２１が電線を利用して集電板１２２に繋ぐことで電気的な接続を形成することで透明なマニホールド１２１の集電板１２２に設置し、従って燃料電池スタック２００が軽量化の効果を達成させることができる。

図５図に示すように、バイポーラ板１２０’の集電板１２２には、更に少なくとも１個の放熱部材１２３を具えることができ、且つ放熱部材１２３が集電板１２２から透明なマニホールド１２１の外側へ延伸して形成したもので、また放熱部材１２３が集電板１２２と熱伝導の結合を行う。このため、膜電極接合体１１０が電気化学反応を起こして熱エネルギーを発生した時、集電板１２２の放熱部材１２３を通じて熱を放出でき、これにより膜電極接合体１１０内に過多な廃熱を蓄積して、膜電極接合体１１０の反応速度に影響を与えることを避けることができる。

図６に示すように、バイポーラ板１２０’両側の集電板１２２は、膜電極接合体１１０に速やかに廃熱を放出させるため、いずれも更に少なくとも１個の放熱部材１２３を具えることができ、従って膜電極接合体１１０に安定的な反応速度を維持させることができる。図７に示すように、放熱部材１２３を具えたバイポーラ板１２０’からなる燃料電池スタック１００’において、放熱部材１２３と集電板１２２との熱伝導の結合設計を利用して、燃料電池スタック１００’内の化学反応で発生した廃熱を放熱部材１２３を通じて速やかに放出させることで、燃料電池スタック１００’に安定的な電力供給の効果を達成させることができる。

上記の透明なマニホールド１２１の材質は、高分子ポリマー、ガラス或いは固体酸化物等の非導電性材料とすることができることで、軽量及び低コストという特徴を持ち、従って燃料電池スタック構造１００、１００’の全体重量及びコストを減らして、軽量化と低コストの効果を達成できる。

その他、透明なマニホールド１２１内の流路１２４が透明で観測できるため、透明な流路を具えた料電池スタック構造１００、１００’（図２及び図７に表示）は、外部から内部流路１２４の水の生成と分布状態を直接観測でき、従って直ちに流路１２４内の閉塞を発見する効果を果たすことができる。

上記の集電板１２２は、いずれも導電薄板とすることができるため、集電板１２２と透明マニホールド１２１との組み込み方法は埋め込み射出、ホットプレス、接着剤による接着、超音波溶接等とすることができる。これによりバイポーラ板１２０、１２０’の製造速度を高め、並びにバイポーラ板１２０、１２０’の製造工程を簡素化できる。

以上の各実施例について、ただ本発明の特徴を説明するためのもので、本発明の特許範囲が限定されるものではなく、当該技術分野を熟知する者に本発明の内容を理解させると共にこれをもって実施することを目的とし、本発明の精神を逸脱しない範囲内において種々の改良変更をなし得ることは、後記の特許請求の範囲内に含めるものであるのが勿論である。

１００、１００’透明な流路を具えた燃料電池スタック構造
１１０ 膜電極接合体
１２０、１２０’バイポーラ板
１２１ 透明なマニホールド
１２２ 集電板
１２３ 放熱部材
１２４ 流路
１２５ 側辺
１２６ 側面

Claims (20)

1. 少なくとも１つの膜電極接合体、及び、前記膜電極接合体の両側に介装する少なくとも１対のバイポーラ板とを含み、且つ、各バイポーラ板には透明なマニホールド、及び、前記透明なマニホールドの一側辺に組み込んだ少なくとも１枚の集電板とを備えることを特徴とする透明な流路を具えた燃料電池スタック構造。
2. 前記集電板は、延伸して前記透明なマニホールドの一側面をカバーすることを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタック構造。
3. 前記集電板は、両面を前記透明マニホールドの前記側辺に組み込だことを特徴とする請求項２記載の燃料電池スタック構造。
4. 各前記バイポーラ板は、２枚の集電板を有し、且つ、前記集電板が各前記透明なマニホールドの対向両側辺に組み込むことを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタック構造。
5. 各前記集電板は、延伸して前記透明なマニホールドの対向する一側面をカバーすることを特徴とする請求項４記載の燃料電池スタック構造。
6. これら集電板は、各々両面を前記透明なマニホールドの対向両側辺に組み込むことを特徴とする請求項５記載の燃料電池スタック構造。
7. 前記透明なマニホールドの材質は、高分子ポリマー、ガラス、固体酸化物、または、非導電性材料であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタック構造。
8. 前記集電板は、導電薄板であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタック構造。
9. 前記集電板は、更に少なくとも１個の放熱部材を備え、前記放熱部材が前記集電板から前記透明なマニホールドの外側へ延伸して形成されたもので、且つ、前記放熱部材が前記集電板と熱伝導の結合することを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタック構造。
10. 前記集電板は、埋め込み射出、ホットプレス、または、接着剤による接着方法で前記透明なマニホールドに組み込むことを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタック構造。
11. 透明なマニホールド、及び、前記透明なマニホールドの一側辺に組み込む少なくとも１枚の集電板とを備えることを特徴とする透明な流路を具えたバイポーラ板構造。
12. 前記集電板は、延伸して前記透明なマニホールドの一側面をカバーすることを特徴とする請求項１１記載のバイポーラ板構造。
13. 前記集電板は、両面を前記透明マニホールドの前記側辺に組み込だことを特徴とする請求項１２記載のバイポーラ板構造。
14. ２枚の集電板を有し、且つ、前記集電板が各前記透明なマニホールドの対向両側辺に各々組み込むことを特徴とする請求項１１記載のバイポーラ板構造。
15. 各前記集電板は、延伸して前記透明なマニホールドの対向する一側面をカバーすることを特徴とする請求項１４記載のバイポーラ板構造。
16. これら集電板は、各々両面を前記透明なマニホールドの対向両側辺に組み込むことを特徴とする請求項１５記載のバイポーラ板構造。
17. 前記透明なマニホールドの材質は、高分子ポリマー、ガラス、固体酸化物、または、非導電性材料であることを特徴とする請求項１１記載のバイポーラ板構造。
18. 前記集電板は、導電薄板であることを特徴とする請求項１１記載のバイポーラ板構造。
19. 前記集電板は、更に少なくとも１個の放熱部材を備え、前記放熱部材が前記集電板から前記透明なマニホールドの外側へ延伸して形成されたもので、且つ、前記放熱部材が前記集電板と熱伝導の結合することを特徴とする請求項１１記載のバイポーラ板構造。
20. 前記集電板は、埋め込み射出、ホットプレス、または、接着剤による接着方法で前記透明なマニホールドに組み込むことを特徴とする請求項１１記載のバイポーラ板構造。

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