JP4758730B2

JP4758730B2 - バイポーラプレートおよび直接液体燃料電池スタック

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Publication number: JP4758730B2
Application number: JP2005323785A
Authority: JP
Inventors: 京煥崔; 鍾九林; 勇勳趙; 逸文
Original assignee: Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2004-11-13
Filing date: 2005-11-08
Publication date: 2011-08-31
Anticipated expiration: 2025-11-08
Also published as: US20060105223A1; KR20060053034A; US7951506B2; CN1773756A; JP2006140153A; KR100626034B1; CN100416899C

Description

本発明は，バイポーラプレートおよび直接液体燃料電池スタックに関する。

直接液体燃料電池は，メタノール，エタノールなどの有機化合物燃料と，酸化剤である酸素との電気化学反応により，電気を生成する発電装置であり，エネルギー密度および電力密度が非常に高く，メタノールなど液体燃料を直接使用するために，燃料改質器などの周辺装置が不要であり，燃料の保存および供給が容易である長所を持っている。

直接液体燃料電池の単位セルは，図１に示すように，アノード電極２とカソード電極３との間に電解質膜１が介在されて，メンブレン電極アセンブリ（ＭＥＡ：ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ）構造を形成する。各アノード電極２およびカソード電極３の構造は，燃料の供給および拡散のための燃料拡散層２２，３２と，燃料の，酸化反応または還元反応が起きる触媒層２１，３１と，そして電極支持体２３，３３とを備える。電極反応に作用する触媒層２１，３１では，低温でも優秀な特性を持つ，白金のような貴金属触媒が使われる。また，反応副生成物である一酸化炭素による，触媒毒現象を防止するためにルテニウム，ロジウム，オスニウム，ニッケルのような遷移金属を含む合金が使われる。電極支持体２３，３３は，炭素紙，炭素織物などが使われ，燃料の供給および反応生成物の排出が容易であるように撥水処理して使用される。電解質膜１は，厚さが５０〜２００μｍの高分子膜であり，水分を含有し，イオン伝導性を持つ水素イオン交換膜が使われる。

メタノールおよび水を混合燃料として使用する直接メタノール燃料電池（ＤＦＭＣ：ＤｉｒｅｃｔＭｅｔｈａｎｏｌＦｕｅｌＣｅｌｌ）の電極反応は，燃料が酸化されるアノード反応および，水素イオンと酸素との還元によるカソード反応で構成され，反応式は次の通りである。
ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻（アノード反応）
・・・（化学式１）
３／２Ｏ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻→３Ｈ_２Ｏ（カソード反応）
・・・（化学式２）
ＣＨ_３ＯＨ＋３／２Ｏ_２→２Ｈ_２Ｏ＋ＣＯ_２（ＤＭＦＣ総括反応）
・・・（化学式３）

アノード反応（化学式１）が起きるアノード電極２では，メタノールと水との反応によって二酸化炭素，６個の水素イオンおよび電子が生成され，生成された水素イオンは，電解質膜１を経てカソード電極３に伝えられる。カソード反応（化学式２）が起きるカソード電極３では，水素イオンと外部回路を通じて伝えられた電子と酸素との間の反応により水が生成される。したがって，ＤＭＦＣ総括反応（化学式３）は，メタノールと酸素とが反応して，水および二酸化炭素を生成する反応である。

ＤＭＦＣの単位セルの発生電圧は，理論的には１．２Ｖ程度であるが，常温，常圧条件で開回路電圧は１Ｖ以下となり，実際の作動電圧は，活性化過電圧および抵抗過電圧による電圧降下が起きるために，０．４〜０．６Ｖ程度となる。したがって，所望容量の電圧を得るためには，複数枚の単位セルを直列に連結する必要がある。

スタック電池は，複数の上記ＤＭＦＣの単位セルが積層されたものであって，積層された単位セルは電気的に直列連結されたものである。単位セルの間には導電性プレートであるバイポーラプレート４が介在して，電気的に隣接した単位セルを電気的に相互連結する。

バイポーラプレート４には，電気伝導性および機械的強度が優秀であり，加工性の良い黒鉛ブロックが主に適用され，メタルまたは伝導性高分子が含まれた複合材料によるブロックも適用される。バイポーラプレート４の両面には，接触されるアノード電極２およびカソード電極３に，それぞれ燃料であるメタノールを独立的に供給するための流路である燃料チャンネル４１と，空気を独立的に供給するための流路である空気チャンネル４２とが形成されている。スタックの中間に位置するバイポーラプレート４の両面に，空気チャンネル４２および燃料チャンネル４１がそれぞれ形成されており，スタックの終端には，それぞれ接触されるアノード電極２またはカソード電極３に燃料または酸素を供給するモノポーラプレートであるエンドプレート（図示せず）が配置される。エンドプレートには，接触される単位セルに空気または燃料を供給するチャンネル（図１の符号４１，４２参照）が形成される。

図２は，従来のバイポーラプレートの一面，例えば，液体燃料チャンネルが形成された面，を示す平面図である。

図２を参照すれば，従来のバイポーラプレート４には，ＭＥＡが配置される電極領域４７に複数の燃料チャンネル４１がサーペンチン（蛇模様）状にその上部が開放して形成されている。電極領域４７の外部には，燃料チャンネル４１の入出口に連結されるマニホールド４６と，上記マニホールド４６に連通されて，液体燃料または酸化剤燃料が供給または排出される通路であって，バイポーラプレート４を貫通する燃料通路ホール４３ａ，４３ｂ，４４ａ，４４ｂとが形成される。燃料通路ホール４３ａ，４３ｂ，４４ａ，４４ｂは，液体燃料の，入口４３ａおよび出口４３ｂと，酸化剤の，入口４４ａおよび出口４４ｂとから形成される。

従来から，サーペンチン状の流路を持つチャンネルであって，流路の折り曲げ角度が９０゜以上である流路チャンネル，例えば，図２に図示された流路チャンネル，を構成する技術が提案されている（例えば，特許文献１，特許文献２に記載の燃料チャンネルを参照）。

一方，流路チャンネルを突起状に形成して，突起間に，液体または空気を流す構造が提案されている（例えば，特許文献３，特許文献４を参照）。上記構造は，アノード電極およびカソード電極からそれぞれ排出される，水滴および気泡を小さくして，流体の流れを円滑にする。

米国特許第６，３０９，７７３号明細書米国特許第６，０９９，９８４号明細書米国特許第６，５４１，１４５号明細書米国特許第６，５８６，１２８号明細書

しかし，図２と従来の特許文献１および特許文献２に提案された流路チャンネルによれば，流路の折り曲げ角度が９０゜以上になるため，流体の圧力損失が大きいという問題点がある。また，特許文献３および特許文献４に提案された流路チャンネルによれば，流路チャンネルの相対面積が狭いため，ＭＥＡに燃料を均一に供給し難い問題点がある。

そこで，本発明は，このような問題点に鑑みてなされたものであり，その目的は，燃料流体の圧力損失を減らし，上記燃料流体の流れを円滑にすることが可能な，新規かつ改良されたバイポーラプレート，および上記バイポーラプレートを備えた直接液体燃料電池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，燃料または酸化剤が流動する流路が形成された燃料電池用バイポーラプレートにおいて，上記流路は複数の流路チャンネルで構成された第１流路と，複数の突起によって形成された第２流路とを備えることを特徴とするバイポーラプレートが提供される。

上記流路チャンネルには複数の屈曲部が形成されており，上記屈曲部での折り曲げ角度は，９０゜以下であってもよい。

上記屈曲部での折り曲げ角度は，４５゜以下であってもよい。

上記突起は，円柱形状であってもよい。

上記複数の突起は，相隣接する３つの上記突起が三角形の各頂点に位置するように配置されていてもよい。

上記突起の直径は，上記突起間の距離以下であってもよい。

上記突起は，上記流路チャンネルによって取り囲まれるように設置される。

上記流路チャンネルは，ウェーブ状であってもよい。

上記第１流路の幅が反復的に変化するとしてもよい。

上記流路チャンネルは，上記各屈曲部において一方向に連続的に折り曲げられるとしてもよい。

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，電解質膜の両面にそれぞれ設けられるアノード電極及びカソード電極を備えるメンブレン電極アセンブリが，複数のバイポーラプレート間に積層された直接液体燃料電池スタックにおいて，
上記バイポーラプレートは，上記アノード電極及び上記カソード電極にそれぞれ燃料または酸化剤を供給する流路を備え，上記流路は，複数の流路チャンネルで構成された第１流路と，複数の突起によって形成された第２流路とを備えることを特徴とする直接液体燃料電池スタックが提供される。

上記突起は，円柱形状であってもよい。

上記流路チャンネルは，ウェーブ状であってもよい。

上記第１流路の幅が反復的に変化するとしてもよい。

以上説明したように，本発明によれば，燃料流体の圧力損失を減らし，上記燃料流体の流れを円滑にすることができる。

以下に添付図面を参照しながら，本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお，本明細書および図面において，実質的に同一の機能構成を有する構成要素については，同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

（第１の実施形態）
図３は，本発明の第１の実施形態にかかるバイポーラプレートの一面，例えば，液体燃料の流路が形成された面，を示す説明図である。図４は，図３のバイポーラプレート１００をＩＶ−ＩＶ線で縦断した断面図である。

図３および図４を参照すれば，バイポーラプレート１００の一の面には液体燃料が流動する流路が形成されており，その下部には酸化剤である空気が流動する流路が形成されている。上記流路は，ＭＥＡ（図１の符号１参照）が配置される電極領域１０２の外郭に複数の流路チャンネル１１０で形成された第１流路と，複数の突起１２０によって形成された第２流路とを備える。ここで，上記第２流路は，上記第１流路に取り囲まれている。すなわち，上記突起１２０は，上記流路チャンネル１１０により取り囲まれている。また，上記突起１２０は円柱形状であることが望ましい。

上記流路チャンネル１１０の入出口は，マニホールド１１２と連通されている。上記マニホールド１１２は，液体燃料または酸化剤燃料を，供給または回収する通路であり，上記バイポーラプレート１００を貫通する燃料通路ホール１３０ａ，１３０ｂ，１３２ａ，１３２ｂに連通されている。上記燃料通路ホール１３０ａ，１３０ｂ，１３２ａ，１３２ｂは，液体燃料の，入口１３０ａおよび出口１３０ｂと，酸化剤燃料の，入口１３２ａおよび出口１３２ｂとで形成される。

上記第１流路を構成する流路チャンネル１１０には，一端の燃料通路ホール１３０ａから他端の燃料通路ホール１３０ｂまで，複数の屈曲部が形成されている。上記屈曲部での折り曲げ角度は４５゜以下に形成されており，それによって，流体の圧力損失を減少させることができる。また，上記流路チャンネル１１０はウェーブ状であり，この幅が約０．５〜１．５ｍｍ間で反復的に変わる。このような幅の変化は，流体の流れをポンピングさせる，つまり流体を加速させる，効果がある。

上記突起１２０の直径は，上記突起１２０間の間隔以下に形成されて，極力ＭＥＡ１と液体燃料との接触面積を増加させることが望ましい。また，上記複数の突起１２０は，上記燃料または酸化剤の流れる方向に対して，隣の突起１２０と三角形をなす。つまり，相隣接する３つの突起１２０が三角形の各頂点に位置するように，複数の突起１２０は配置されている。この配置によって，流体内の気泡の大きさを制限することができる。また，上記突起１２０は，アノード反応で生成されたＣＯ_２が気泡状になったものを破壊することによって，ＭＥＡ１への燃料供給を円滑にする。さらに，上記突起１２０は，カソード反応で生成された水滴を破壊する。

上記バイポーラプレート１００において，燃料チャンネル１１０を通過する流体と，突起１２０を通過する流体の流速がほぼ一定であることは，シミュレーションを通じて確認できる。

図５は，本発明の第１実施形態にかかるバイポーラプレートが適用された，直接液体燃料電池スタックの断面図を示す説明図であり，第１の実施形態と実質的に同じ構成要素には同じ符号を使用し，詳細な説明は省略する。

図５を参照すれば，直接液体燃料電池スタックには複数のＭＥＡが積層されており，各ＭＥＡ間には，導電性プレートであるバイポーラプレート１００が配置されている。各ＭＥＡは，メンブレン１４０を中央にして，その両側にアノード電極１４２およびカソード電極１４４が配置されている。上記直接液体燃料電池スタックの上下部にそれぞれ終端導電性プレート１６０ａ，１６０ｂが配置されている。上記終端導電性プレート１６０ａ，１６０ｂは，その一面のみＭＥＡと接触されるため，バイポーラプレート１００の一面の形状を持ち，その作用はバイポーラプレート１００と同一である。上記終端導電性プレート１６０ａ，１６０ｂの外側表面に電流集電板１７０ａ，１７０ｂが配置される。ＭＥＡおよび各ＭＥＡ間のバイポーラプレート１００，上記直接液体燃料電池スタック上下の終端導電性プレート１６０ａ，１６０ｂ，電流集電板１７０ａ，１７０ｂは，両固定用エンドプレート１８０ａ，１８０ｂにより螺合されて固定される。

符号番号１５０はシーリング剤，例えば，ガスケット，は燃料通路ホール１３０ａ，１３０ｂ，１３２ａ，１３２ｂからの，液体燃料または酸化剤である空気がアノード電極１４２またはカソード電極１４４と連通されることを防止する。

第１の実施形態にかかる直接液体燃料電池スタックは，上記バイポーラプレート１００を装着することによって，発生する気泡の大きさを小さくして液体燃料の供給を効率的にすることができ，圧力損失を減らすことができる。

（第２の実施形態）
図６は，本発明の第２実施形態によるバイポーラプレートの一面，例えば液体燃料の流路が形成された面，を示す説明図である。

図６を参照すれば，バイポーラプレート２００の一の面には，液体燃料が流動する流路が形成されている。上記流路は，ＭＥＡが配置される電極領域２０２の外郭に複数の流路チャンネル２１０で形成された第１流路と，複数の突起２２０によって形成された第２流路とを備える。ここで，上記第２流路は，上記第１流路に取り囲まれている。すなわち，上記突起２２０は，上記流路チャンネル２１０により取り囲まれている。

上記流路チャンネル２１０の入出口はマニホールド２１２と連通されている。上記マニホールド２１２は，液体燃料または酸化剤燃料を，供給または回収する通路であり，上記バイポーラプレート２００を貫通する燃料通路ホール２３０ａ，２３０ｂ，２３２ａ，２３２ｂに連通されている。上記燃料通路ホール２３０ａ，２３０ｂ，２３２ａ，２３２ｂは，液体燃料の，入口２３０ａおよび出口２３０ｂと，酸化剤の，入口２３２ａおよび出口２３２ｂとで形成される。

上記第１流路を形成する流路チャンネル２１０には，一端の燃料通路ホール２３０ａから他端の燃料通路ホール２３０ｂまで，複数の屈曲部が形成されている。上記屈曲部での折り曲げ角度は約４５゜で形成されており，一方向に連続して折り曲げられている。このような小さな角度で折り曲げられた部分によって，流体の圧力損失は減少させることができる。

一方，上記流路チャンネル２１０は，その経路において幅が約０．５〜１．５ｍｍ間で反復的に変わりうる。このような幅の変化は，流体の流れをポンピングさせる，つまり流体を加速させる，効果がある。

上記突起２２０の直径は，上記突起２２０間の間隔以下に形成されて，極力ＭＥＡと液体燃料との接触面積を増加させることが望ましい。また，上記複数の突起２２０は，上記燃料または酸化剤の流れる方向に対して，隣の突起２２０と三角形をなす。つまり，相隣接する３つの突起２２０が三角形の各頂点に位置するように，複数の突起２２０は配置されている。この配置によって，流体内の気泡の大きさを制限することができる。また，上記突起２２０は，アノード反応で生成されたＣＯ_２が気泡状になったものを破壊することによって，ＭＥＡへの燃料供給を円滑にする。さらに，上記突起２２０は，カソード反応で生成された水滴を破壊する。

上記実施形態にかかるバイポーラプレートは流体の圧力損失を減少させ，生成される気泡を破壊して同じ面積での燃料供給効率を高めることができる。また、流体のフローを均一にできる。また，上記実施形態にかかる直接液体燃料電池スタックは，上記バイポーラプレートを装着することによって発生する気泡の大きさを小さくして，液体燃料の供給を効率的にすることができ，圧力損失を減らすことができる。

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。

本発明は，バイポーラプレートおよび直接液体燃料電池スタックに適用可能である。

従来の直接液体燃料電池の単位セル構造を示す断面図である。従来のバイポーラプレートの一面を示す平面図である。本発明の第１の実施形態にかかるバイポーラプレートの一面を示す説明図である。図３のバイポーラプレートをＩＶ−ＩＶ線で縦断した断面図である。同実施形態にかかるバイポーラプレートが適用された直接液体燃料電池スタックの断面図である。本発明の第２実施形態によるバイポーラプレートの一面を示す説明図である。

符号の説明

１００，２００バイポーラプレート
１０２，２０２電極領域
１１０，２１０流路チャンネル
１１２，２１２マニホールド
１２０，２２０突起
１３０ａ，１３０ｂ，１３２ａ，１３２ｂ，２３０ａ，２３０ｂ，２３２ａ，２３２ｂ燃料通路ホール

Claims

燃料または酸化剤が流動する流路が形成された燃料電池用バイポーラプレートにおいて、
前記流路は、
複数の突起を有する第２流路と、
前記第２流路の周囲を囲み、複数の流路チャンネルを有する第１流路と、
前記燃料または酸化剤を前記第１流路及び前記第２流路に導入する入口側マニホールドと、
前記第１流路及び前記第２流路を通った前記燃料または酸化剤を、前記第１流路及び前記第２流路の外部に排出する出口側マニホールドと、を備えることを特徴とする、バイポーラプレート。
前記流路チャンネルには複数の屈曲部が形成されており、
前記屈曲部での折り曲げ角度は、９０゜以下であることを特徴とする、請求項１に記載のバイポーラプレート。
前記屈曲部での折り曲げ角度は、４５゜以下であることを特徴とする、請求項２に記載のバイポーラプレート。
前記突起は、円柱形状であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載のバイポーラプレート。
前記突起の直径は、前記突起間の距離以下であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載のバイポーラプレート。
前記流路チャンネルは、ウェーブ状であることを特徴とする、請求項２〜５のいずれかに記載のバイポーラプレート。
前記第１流路の幅が反復的に変化することを特徴とする、請求項６に記載のバイポーラプレート。
前記流路チャンネルは、前記各屈曲部において一方向に連続的に折り曲げられることを特徴とする、請求項２〜５のいずれか１項に記載のバイポーラプレート。
電解質膜の両面にそれぞれ設けられるアノード電極及びカソード電極を備えるメンブレン電極アセンブリが複数のバイポーラプレート間に積層された直接液体燃料電池スタックにおいて、
前記バイポーラプレートは、前記アノード電極及び前記カソード電極にそれぞれ燃料または酸化剤を供給する流路を備え、
前記流路は、
複数の突起を有する第２流路と、
前記第２流路の周囲を囲み、複数の流路チャンネルを有する第１流路と、
前記燃料または酸化剤を前記第１流路及び前記第２流路に導入する入口側マニホールドと、
前記第１流路及び前記第２流路を通った前記燃料または酸化剤を、前記第１流路及び前記第２流路の外部に排出する出口側マニホールドと、を備えることを特徴とする、直接液体燃料電池スタック。
前記流路チャンネルには複数の屈曲部が形成されており、前記屈曲部での折り曲げ角度は９０゜以下であることを特徴とする請求項９に記載の直接液体燃料電池スタック。
前記屈曲部での折り曲げ角度が４５゜以下であることを特徴とする請求項１０に記載の直接液体燃料電池スタック。
前記突起は円柱形状であることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の直接液体燃料電池スタック。
前記突起の直径は、前記突起間の距離以下であることを特徴とする、請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の直接液体燃料電池スタック。
前記流路チャンネルは、ウェーブ状であることを特徴とする、請求項１１〜１３のいずれか１項に記載の直接液体燃料電池スタック。
前記第１流路の幅が反復的に変わることを特徴とする、請求項１４に記載の直接液体燃料電池スタック。
前記流路チャンネルは、前記各屈曲部において一方向に連続的に折り曲げられることを特徴とする、請求項９〜１３のいずれか１項に記載の直接液体燃料電池スタック。