JP2017063017A - 多層集電板構造を持つ燃料電池スタック - Google Patents

多層集電板構造を持つ燃料電池スタック Download PDF

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Abstract

【課題】燃料電池車両の零下始動及び低温運転性能を向上させるために、零下始動時に発生するエンドセルの氷結に対応可能な急速解氷及びヒーティングの機能を具現することができる燃料電池スタックの提供。【解決手段】一列に積層されたスタックセルの両側に配置され、スタックセルを固定支持するエンドプレート１２０、及びエンドプレート１２０の内側に配置され、スタックセルが発生した電気を集めて外部に送り出す集電体を持つ燃料電池スタックであって、前記スタックセルの両側に配置される集電体の中で少なくとも一方の集電体が、集電端子を持つ第１集電板１３２及び第１集電板１３２の一面に積層された第２集電板１３４を含んでなり、零下の低温でスタックセルの熱的収縮によって第１集電板１３２と第２集電板１３４の間に断熱機能を果たすことができる間隙が発生するようにする燃料電池スタック。【選択図】図２

Description

本発明は多層集電板構造を持つ燃料電池スタックに係り、より詳しくは燃料電池車両の零下始動及び低温運転性能を向上させるためにスタックのエンドプレートの近くに配置されたセルを受動的に昇温させることができる燃料電池スタックに関する。
一般に、燃料電池スタックは、電気発生のための複数の単位セル、積層された単位セルの両側に配置され、単位セルを固定支持するエンドプレート、及びエンドプレートの内側に配置され、単位セルが発生した電気を集めて外部に送り出すための集電板（ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ ｐｌａｔｅ）を含む構造を持つ。
一方、図６には燃料電池スタックの運転時のセルの温度プロファイルが示されている。
図６に示すように、スタックの中央に配置されたセルは温度が最も高く、スタックの両端部に位置してエンドプレートに近接したセル（以下、‘エンドセル’と混用する）は相対的に温度が低い。スタック運転の際、それぞれのセルの発熱反応によって温度が一定温度に上昇するが、一般的にステンレスとプラスチックからなるエンドプレートは外気（あるいは大気）の影響によってスタックの中央部より熱損失が大きくなって相対的に温度が低くなり、生成水の残存及びこれによるエンドセル電圧の低下が起こる。
この際、エンドセルの温度がスタックの運転温度より低くなる場合、セルのフラッディング（ｆｌｏｏｄｉｎｇ）、活性エネルギーの低下などの原因でセル電圧降下が起こる。これはスタックの性能低下につながり、長期間持続するとき、電極損傷によるセル劣化が発生してスタックの寿命短縮につながる。
燃料電池車両の場合、特定セルの電圧降下が大きいとき、一般的にシャットダウン（Ｓｈｕｔ ｄｏｗｎ）ロジッグを適用するため、運転者は運転時に突発的な状況に直面することができる。
特に、冬季のように生成水が凍ることができる零下の始動条件や低温動作条件でエンドセルの温度をスタック内の全体セルと同等にして、均一なセル温度分布の確保によって燃料電池スタックの動作信頼性を向上させる必要がある。
このような点を考慮し、エンドプレートとエンドセルの間の区間の温度を上昇させることで、エンドプレートの周辺のセル温度が低下することを防止する従来技術が提示されたことがある。
一例として、大韓民国特許登録第１０−１２１９３４２号には、スタックから排出される高温の冷却水を循環させる構造をエンドプレートに形成することで、スタックの末端側に配置されたセルの温度低下を防止するようにする技術が開示されている。
他の例として、アメリカ特許登録第８，５３５，８４２号には、スタックの冷始動の際、解氷のためのヒーティング手段としてターミナルプレート内の隔室で水素／空気の混合気を燃消させて加熱する技術が開示されている。
しかし、大韓民国特許登録第１０−１２１９３４２号の場合、低温の零下始動時にセルの昇温のために冷却水が循環しなくなれば、実質的なエンドセルのヒーティングがなされない欠点があり、アメリカ特許登録第８，５３５，８４２の場合、冷始動の際、エンドセルの氷結解消のためにターミナルプレート内の隔室で水素を燃消させるので、水素利用率及び車両燃費に不利であり、高電位が形成されるターミナルプレート内隔室の残留水素除去などの安全管理問題がある。
大韓民国特許登録第１０−１２１９３４２号公報 アメリカ特許登録第８，５３５，８４２号公報
本発明は前記のような点に鑑みてなされたもので、温度変化によって構造的に敏感に膨脹または収縮可能な少なくとも一つの薄板型集電板を持つ多層構造の集電体を用い、零下始動時に発生するエンドセル（スタックの両端部に位置し、エンドプレートに近接したセル）の氷結に対応可能な急速解氷及びヒーティングの機能を具現することができる燃料電池スタックを提供することにその目的がある。
したがって、本発明は、一列に積層されたスタックセルの両側に配置され、スタックセルを固定支持するエンドプレート、及びエンドプレートの内側に配置され、スタックセルが発生した電気を集めて外部に送り出す集電体を持つ燃料電池スタックであって、前記スタックセルの両側に配置される集電体の中で少なくとも一方の集電体が、集電端子を持つ第１集電板及び前記第１集電板の一面に積層された第２集電板を含んでなり、零下の低温でスタックセルの熱的収縮によって前記第１集電板と第２集電板の間に断熱機能を果たすことができる間隙が発生するようにすることを特徴とする、多層集電板構造を持つ燃料電池スタックを提供する。
本発明の実施例によれば、前記エンドプレートに形成された端子通孔とこの端子通孔を貫く第１集電板の集電端子との間には、前記集電端子を弾支する弾性部材が挿入されることができる。
具体的に、前記端子通孔と集電端子にはそれぞれ段差部が形成され、前記端子通孔に集電端子が挿入されるとき、互いに対面する集電端子の段差部と端子通孔の段差部の間に弾性部材が収納されることができる。
また、前記第１集電板は、第２集電板と向い合う一面に凹凸構造を持つことができる。
また、本発明の実施例によれば、前記第１集電板が第２集電板より小さな厚さを持つ薄板型集電板であってもよい。
また、前記第１集電板がスタックセルに接触するように積層され、前記第１集電板の集電端子が第２集板の電通孔とエンドプレートの端子通孔に通過するように挿入されることができる。
また、前記第１集電板は、０．０５〜０．２ｍｍの厚さを持つことができる。
また、前記第１集電板と第２集電板は、零下２０〜３０℃の低温で前記間隙を発生し、所定の零上の温度範囲内で昇温したとき、スタックの締結圧力によって最小接触抵抗を形成するようになることができる。
ここで、前記第１集電板と第２集電板は、零上４０〜７０℃に昇温したとき、スタックの締結圧力によって最小接触抵抗を形成するようになることができる。
また、前記集電端子は、第１集電板に一体型に接合され、あるいは締結手段によって第１集電板に一体型になるように組み立てられ、あるいは電気的に接続されるように第１集電板に密着して設けられることができる。
本発明によれば、多層構造に形成された集電体がエンドプレートとエンドセル（スタックの両端部に位置し、エンドプレートに近接したセル）の間に内在し、燃料電池車両の零下始動及び低温運転の際、スタックのエンドセル昇温速度を向上させてスタック始動速度及び運転性を改善し、低温状態のエンドセルによるセル電圧の低下を緩和して零下始動性を向上させることができる。
具体的に、本発明は、温度変化によって発生するスタックセルの熱的膨脹または収縮に敏感に反応して作動する少なくとも一つの薄板型集電板を持つ多層構造の集電体を採択することにより、零下の低温始動の際、スタックセルの熱的収縮によってセル積層方向に積層された第１集電板と第２集電板の間に断熱機能を果たすことができる間隙が発生し、零下始動及び低温運転の際、スタックセルから発生する電流が通電されることによって発生する集電体の抵抗熱とエンドセルの発電廃熱が前記間隙によって断熱されることにより、エンドセルを速やかに昇温させることができる。
本発明の実施例による燃料電池スタックを示した外部斜視図である。 本発明の実施例による燃料電池スタックの要部構成を示した分解斜視図である。 図１のＡ−Ａ線に沿って見た断面図である。 本発明の実施例による燃料電池スタックのエンドプレートを示した斜視図である。 本発明の実施例による燃料電池スタックの作動形態を示した例示図である。 従来の燃料電池スタックの運転時のセルの温度プロファイルを示した図である。
通常燃料電池車両の場合、零下２０℃以下の冷始動の際、要素部品の冷却による熱的収縮によって締結面圧と積層方向の長さが減少する。この際、集電板とエンドセル（スタックの両端部に位置し、エンドプレートに近接したセル）の間の締結荷重減少とこれによる接触抵抗増加を考慮し、零下始動の際、スタックのエンドセルを昇温させるための構造を構成することができる。
本発明は、既存の断層型集電板の代わりに少なくとも一つの薄板型集電板を持つ多層構造の集電体が適用される。
本発明の実施例において、非常に薄い厚さを持つ薄板型の集電板とその後面に配置されて積層される厚板型集電板とを含む多層構造の集電体を形成し、零下の低温で前記集電板の間の間隙、つまり一種のエアポケット（ａｉｒ ｐｏｃｋｅｔ）のような断熱体として利用可能な層間ギャップ（ｇａｐ）が発生するように構成される。
この際、零下２０〜３０℃程度の低温で前記層間ギャップが発生するようにし、零上４０〜７０℃程度に昇温したとき、スタックの締結圧力によって最小接触抵抗が形成されるようにすれば、付加の発熱量や温度モニタリングが必要でないバイメタル機構のようにスタックのエンドセルをヒーティングすることができる。
このように、互いに異なる厚さを持つ集電板からなる多層構造の集電体を構成して、零下始動時に主に薄板型の集電板に通電されるようにし、零下始動時にスタックセルから発生する高電位起電力と大面積反応による発電電流を薄板型の集電板に通電させれば、大電流通電によるジュール発熱（Ｊｏｕｌｅ ｈｅａｔｉｎｇ）が起こる。
以下、添付図面に基づいて本発明の好適な実施例を詳細に説明する。
図１は本発明の実施例による燃料電池スタックを示した外部斜視図、図２は図１の要部構造を示した分解斜視図、図３は図１のＡ−Ａ線に沿って見た断面図である。
ここで、エンドセルは、スタック１００の両端部に位置し、エンドプレート１２０に近接したセルを示すものであることをもう一度明かしておく。
図１〜３に示したように、燃料電池スタック１００は、中央に電気発生のための複数のスタックセル１１０が一列に積層配列され、左右両側に、スタックセル１１０を固定支持するエンドプレート１２０が配設され、それぞれのエンドプレート１２０の内側には、スタックセル１１０が発生した電気を集めて外部に送り出すための集電体１３０が配設される。
前記スタックセル１１０の積層方向に両側に配置される集電体１３０の中で少なくとも一方の集電体は、エンドプレート１２０の厚さを考慮した一定高さの集電端子１３３を持つ薄板型の第１集電板１３２と前記第１集電板１３２の一面（エンドプレートと対面する一面）に積層された第２集電板１３４とを含んでなり、前記集電端子１３３には弾性部材１３６を作動可能に収容することができる段差部１３３ａが形成される。
図１〜図３は第１集電板１３２と第２集電板１３４の二つの集電板が積層されてなる二重層構造の集電体が適用された実施例を示している。
第１集電板１３２は非常に薄い厚さの薄板型金属伝導体から形成でき、第２集電板１３４と向い合う一面にエンボス加工などによる凹凸構造を持つことが、零下または低温始動時にエンドプレート１２０に隣接したセルの発生熱を保温し、セルの昇温及びこれに伴うスタックセル１１０の積層方向への膨脹及び収縮に対する適正積層圧力（荷重）及び電気的接続を維持することに好ましい。
本発明の実施例において、第１集電板１３２はスタックセル１１０に接触するように積層される集電板からなることができる。この際、第１集電板１３２の反対面に第２集電板１３４が積層される。
集電端子１３３は、ブレイジング、ソルダリング、摩擦熔接などによって第１集電板１３２と一体型に接合され、あるいはボルト、リベットなどの締結手段によってボルティングやリベッティング方式で第１集電板１３２に組み立てられ、あるいは組立及び接合のない機械的または物理的接触によって第１集電板１３２と電気的に接続可能に密着して連結される。
そして、第２集電板１３４は第１集電板１３２より相対的に厚い厚さを持つ厚板型の集電板で、銅、銅合金、アルミニウム、コートされたステンレススチール、カーボンプレートなどの導体から形成でき、集電端子１３３と弾性部材１３６が通過することができる直径の通孔１３５を持つ。
このような第２集電板１３４は一定の厚さ及び断面積を持つプレートで、エンドプレート１２０の一面（スタックセルと対面する一面）に形成された集電体収容部１２２の内側に固定される。
前記第２集電板１３４は簡単なボルティングによって組み立てられるか接着剤によって付着されるなどの方式で集電体収容部１２２の内側に固定可能であり、あるいは図面に示されていないが、集電体収容部１２２の内面に形成された溝に嵌合式で固定可能である。
図４に示すように、エンドプレート１２０はスタックセル１１０と対面する一面に少なくとも第２集電体１３４を収容する集電体収容部１２２が形成され、この集電体収容部１２２に連結される少なくとも一つの端子通孔１２４がスタックセル１１０の積層方向に延設されてエンドプレート１２０を厚さ方向に穿孔する。
この際、集電体収容部１２２は、第１集電板１３２と第２集電板１３４が密着した状態の集電体１３０の厚さ及び断面積を収容することができるように凹んでいる構造に形成される。図５を参照すれば、第１集電板１３２は、零下の低温始動の際、スタックセルの熱的収縮によって第２集電板１３４との間に間隙を形成し、集電体収容部１２２の外に突出し、昇温後の正常始動時にスタックの熱的膨脹によって第２集電板１３４に密着して集電体収容部１２２内に進入する。
そして、前記端子通孔１２４は第１集電板１３２の集電端子１３３を収容するもので、集電端子１３３の高さ（長さ）に対応する深み（長さ）を持つことができ、その長手方向の中央に集電端子１３３を弾支する弾性部材１３６を作動可能に収容することができる段差部１２５を持つ。
よって、第１集電板１３２の集電端子１３３は第２集電板１３４の通孔とエンドプレート１２０の端子通孔１２４を通過するように挿入されることができ、端子通孔１２４に集電端子１３３が挿入されるとき、互いに対面する集電端子１３３の段差部１３３ａと端子通孔１２４の段差部１２５との間に弾性部材１３６が収納され、このように配置された弾性部材１３６が第１集電板１３２を弾力的に支持するようになる。
したがって、図５に示すように、零下の低温始動の際、スタックの熱的収縮状態で第２集電板１３４との間に間隙を形成する第１集電板１３２は、前記弾性部材１３６によって弾支されてエンドセルに安定的に密着することになる。
言い換えれば、前記弾性部材１３６は第１集電板１３２を弾力的に支持し、零下の低温始動の際、第１集電板１３２と第２集電板１３４との間に発生する間隙を安定的に維持する。
このような弾性部材１３６としては、リング状のリーフスプリングやコイルスプリングのようなスプリング部材、または高分子及びゴムのようなエラストマー類の素材が使われる。
本発明による燃料電池スタック１００は、スタックセル１１０の両側エンドプレート１２０の中で少なくとも一方のエンドプレートの内側に前記のような集電体１３０を含む構造を持ち、図１に示したように、締結バンド１４０または締結棒などの変位固定型締結器具を備えることで、スタック１００の両側にエンドプレート１２０が締結面圧を受けることになる。
このような燃料電池スタック１００は、極低温の零下でエンドプレート１２０に作用する締結荷重が冷却による要素部品の収縮によって初期荷重に比べて減少し、よってエンドプレート１２０とエンドセルの間の締結力（密着力）が減少して微細なギャップが形成される。この際、第１集電板１３２が弾性部材１３６によってエンドプレート１２０からエンドセル側に押し出されてエンドセルに密着するように移動しながら第２集電板１３４から分離され、第２集電板１３４との間に間隙を形成することになる。
このように、第１集電板１３２と第２集電板１３４の間に形成される微細な間隙は零下の低温でエアポケットのような断熱体として機能し、零下始動の際、第１集電板１３２の通電抵抗による発熱とエンドセルの発電廃熱の損失を緩和して、セルの昇温速度向上及びスタックの始動速度改善を可能にする。
したがって、燃料電池車両の零下始動及び低温運転の際にスタックセル１１０の熱的収縮によって集電体１３０内に形成される間隙を断熱体として活用して熱損失を最小化することで、エンドセルの急速解氷及びヒーティングを具現してエンドセルの低温状態によるセル電圧低下を緩和する。
また、このように第１集電板１３２の抵抗熱とエンドセルなどの廃熱を活用して、スタック１００の両端部においてエンドプレート１２０の近くに配置されたセルを昇温させ、正常始動がなされると、それによるスタック昇温によってスタックセル１１０の積層方向に熱膨脹が発生する。この際、第１集電板１３２がエンドセルからエンドプレート１２０側に押し出され、第１集電板１３２と第２集電板１３４が密着することになる。
したがって、前記第１集電板１３２と第２集電板１３４を含む多層構造の集電体１３０は、正常始動後のスタック運転の際、既存の断層型集電体のような厚さ及び断面積を持つ同等水準の集電及び通電が可能なので、付加の制御や付加器具が不要になる。
言い換えれば、集電体１３０の抵抗熱などでエンドセルを昇温させ、正常始動によるスタックの昇温によってスタックセルの積層方向に熱膨脹が発生し、第１集電板１３２と第２集電板１３４がくっつき合うと、既存の一般的な厚さ及び断面積を持つ集電体と同等な集電及び通電の機能を果たすことが可能なので、このための付加の制御や高価の付加器具が不要である。
また、薄板型の集電板を多層構造に積層して集電体を構成すれば、薄板型集電板の厚さと成形形状、集電板間の連結構造を多様に変更して、断熱を主要機能とする多孔性または多数の空隙を持つ通電体を形成するなど、いろいろの付加可能の具現が可能であり、通電電流の伝導経路（ｐａｔｈ）を多様に形成して、抵抗熱の発生を大きくするか小さくするなど、自由に調整可能である。
一例として、本発明の好適な実施例において、薄板型集電板である第１集電板１３２は０．０５〜０．２ｍｍの厚さを持つことが好ましい。
第１集電板１３２の厚さが、０．２ｍｍを超える場合、大電流通電による所望のジュール発熱の発生が難しい問題があり、０．０５ｍｍ未満の場合、集電端子１３３を介して加わる弾性部材１３６の弾性力によって第２集電板１３４との間隙発生及び間隙維持、かつ第２集電板１３４との接触において、第１集電板１３２の形状維持や耐久性の側面で好ましくない。
また、前記第１集電板１３２の厚さが前記の範囲を外れる場合、零下２０〜３０℃程度の低温で所望程度の間隙（層間ギャップ）が発生し難く、零上４０〜７０℃程度に昇温したとき、スタックの締結圧力によって均一な最小面積抵抗（ａｒｅａｌ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）あるいは最小接触抵抗が形成されることが難しい。これは第１集電板１３２の厚さが薄すぎて曲げ剛性が低い場合、屈曲などによる不均一な面接触による電圧降下をもたらすことができるからである。
以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、本発明の権利範囲は前述した実施例に限定されなく、次の特許請求範囲で定義している本発明の基本概念を用いた当業者の多くの変形及び改良も本発明の権利範囲に含まれる。
１００ 燃料電池スタック
１１０ スタックセル
１２０ エンドプレート
１２２ 集電体収容部
１２４ 端子通孔
１２５ 段差部
１３０ 集電体
１３２ 第１集電板
１３３ 集電端子
１３３ａ 段差部
１３４ 第２集電板
１３５ 通孔
１３６ 弾性部材
１４０ 締結バンド

Claims (10)

  1. 一列に積層されたスタックセルの両側に配置され、スタックセルを固定支持するエンドプレート、及びエンドプレートの内側に配置され、スタックセルが発生した電気を集めて外部に送り出す集電体を持つ燃料電池スタックであって、
    前記スタックセルの両側に配置される集電体の中で少なくとも一方の集電体が、集電端子を持つ第１集電板及び前記第１集電板の一面に積層された第２集電板を含んでなり、零下の低温でスタックセルの熱的収縮によって前記第１集電板と第２集電板の間に断熱機能を果たすことができる間隙が発生するようにすることを特徴とする、多層集電板構造を持つ燃料電池スタック。
  2. 前記エンドプレートに形成された端子通孔とこの端子通孔を貫く第１集電板の集電端子との間には、前記集電端子を弾支する弾性部材が挿入されたことを特徴とする、請求項１に記載の多層集電板構造を持つ燃料電池スタック。
  3. 前記端子通孔と集電端子にはそれぞれ段差部が形成され、前記端子通孔に集電端子が挿入されるとき、互いに対面する集電端子の段差部と端子通孔の段差部の間に弾性部材が収納されることを特徴とする、請求項２に記載の多層集電板構造を持つ燃料電池スタック。
  4. 前記第１集電板は、第２集電板と向い合う一面に凹凸構造を持つことを特徴とする、請求項１に記載の多層集電板構造を持つ燃料電池スタック。
  5. 前記第１集電板が、第２集電板より小さな厚さを持つ薄板型集電板であることを特徴とする、請求項１に記載の多層集電板構造を持つ燃料電池スタック。
  6. 前記第１集電板が、スタックセルに接触するように積層され、前記第１集電板の集電端子が第２集板の電通孔とエンドプレートの端子通孔に通過するように挿入されることを特徴とする、請求項５に記載の多層集電板構造を持つ燃料電池スタック。
  7. 前記第１集電板は、０．０５〜０．２ｍｍの厚さを持つことを特徴とする、請求項５に記載の多層集電板構造を持つ燃料電池スタック。
  8. 前記第１集電板と第２集電板は、零下２０〜３０℃の低温で前記間隙を発生し、所定の零上の温度範囲内で昇温したとき、スタックの締結圧力によって最小接触抵抗を形成するようになったことを特徴とする、請求項１に記載の多層集電板構造を持つ燃料電池スタック。
  9. 前記第１集電板と第２集電板は、零上４０〜７０℃に昇温したとき、スタックの締結圧力によって最小接触抵抗を形成するようになったことを特徴とする、請求項８に記載の多層集電板構造を持つ燃料電池スタック。
  10. 前記集電端子は、第１集電板に一体型に接合され、あるいは締結手段によって第１集電板に一体型になるように組み立てられ、あるいは電気的に接続されるように第１集電板に密着して設けられることを特徴とする、請求項１に記載の多層集電板構造を持つ燃料電池スタック。
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