JP6216535B2 - 燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池スタックに係り、より詳細には、２つ以上の反応面積部が絶縁可能に連結されている分離板を適用することにより、同一出力の燃料電池スタックにおいて、出力電圧は高く、出力電流は低く維持できる燃料電池スタックに関する。

燃料電池スタックのセル単位構成を図６及び図７を参照して説明する。図６及び７は、従来の分離板及びこれを含む燃料電池スタックの積層例を示す概略図である。
燃料電池スタックの最も内側には水素陽イオン（Ｐｒｏｔｏｎ）を移動させる高分子電解質膜１１と、この電解質膜の両面に水素と酸素が反応するように塗布された触媒層、すなわち空気極（ｃａｔｈｏｄｅ）１２及び燃料極（ａｎｏｄｅ）１３を含む電極膜接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）１０が位置している。

また、空気極１２及び燃料極１３の外側部分にはガス拡散層（ＧＤＬ：Ｇａｓ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｌａｙｅｒ）１６及びガスケット（Ｇａｓｋｅｔ）１８が順次積層され、ガス拡散層１６の外側にはそれぞれ燃料（水素）と酸化剤（空気）を供給及び排出するように形成された流路（Ｆｌｏｗ Ｆｉｅｌｄ）と、分離板の内部に冷却水の供給と排出を可能とする流路が形成された分離板２０と、が位置し、最も外側には各構成を支持及び固定するためのエンドプレート（Ｅｎｄ ｐｌａｔｅ）が結合される。

燃料電池スタックの燃料極１３では、水素の酸化反応により水素イオン（Ｐｒｏｔｏｎ）と電子（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ）が発生し、この際に生成された水素イオンと電子はそれぞれ電解質膜１１と分離板２０とから空気極１２に移動し、空気極１２では燃料極１３から移動してきた水素イオン、電子、及び空気中の酸素による電気化学反応により水を生成し、このような電子の流れから最終生成された電気エネルギーは、エンドプレート内に連接されている集電板３０から電気エネルギーを必要とする負荷に供給される。

一方、図６及び図７に示すように、分離板２０は、ガス拡散層１６と直接的に接合される平坦な部分であるランド部（Ｌａｎｄ）２１及びこのランド部２１とランド部２１との間の空間であって燃料の水素と空気（酸素）の通路となるチャンネル（Ｃｈａｎｎｅｌ）２２で構成される反応面積部２３と、反応面積部２３の両側端部に空気、冷却水、水素などを供給及び排出するための貫通孔の形態を有するマニホールドと、を含む。

この際、マニホールドは、反応面積部２３の一側端部に並んで貫通形成される空気供給マニホールド２４、冷却水供給マニホールド２５、及び水素供給マニホールド２６、そして、他側端部に並んで貫通形成される空気排出マニホールド２７、冷却水排出マニホールド２８、及び水素排出マニホールド２９を含んで構成される。

図６の反応面積が２Ａとなる分離板のセル数がｎ枚である場合と、図７の反応面積がＡとなる分離板のセル数が２ｎ枚である場合を比較すると、全体スタックにおいて、２つのスタックの全体反応面積が同一であるため、スタックの出力が同じであると予想されるが、図６と図７のスタックの出力電圧と電流は異なる。
スタック出力＝
反応面積（ｃｍ^２）×電流密度（Ａ／ｃｍ^２）×セル数×セル平均電圧（Ｖ ｃｅｌｌ）

図６の右側に示された従来の分離板２０は、その反応面積部の面積を広く製作して単一モジュールタイプのスタック内に組み立てられるが、反応面積（電流に比例）が大きく、セル数（電圧に比例）が少ないため、相対的に電圧が低く、電流が大きいという特徴を有する。

このような特徴により、スタック組立時の容易性及びスタックの小型化、そして製造経費の低減を図ることができるが、相対的に電圧が低くて高電流を使用しなければならないため、駆動部（駆動モータ及びインバータなど）の効率が低下し、それによる冷却問題などが発生し、同一出力の場合は駆動部の重さ及び体積が増加する問題がある。

図７の右側に示された従来の分離板２０は、図６に示されたものに比べてその反応面積部の面積を半分に減らして製作し、２つの単一モジュールが上下に配置された二重モジュールタイプのスタック内に組み立てられるが、スタックの出力電圧は高く（図６の分離板が適用されたスタックに比べて２倍）、出力電流は低く（図６の分離板が適用されたスタックに比べて１／２倍）維持でき、駆動部（駆動モータ及びインバータなど）の効率を高めることができるが、積層されるセル数の増加に伴ってスタックの製作工数及び部品数が増加し、それによって製作費用が上昇する問題がある。

上記のような分離板を含む燃料電池スタックは、コストダウンや生産工程の単純化のためにスタックのセル数を減らす反面、分離板の反応面積部の反応面積を増大させる研究開発が求められている。

このようにスタックのセル数を減らし、分離板の反応面積を増加させる場合、スタックで生成される電力を電気動力部品（例えば、燃料電池車両の走行用駆動モータ及びインバータなど）で同一出力として使用する時、スタックで生成される電圧は高く、電流は低く維持することが有利であり、この点を考慮して一般的にスタック出力をブースティング（ｂｏｏｓｔｉｎｇ）して電圧は高め、電流は減らして使用する場合が多い。

特開２０１１−１２９３６７号公報

本発明は、上記のような点を考慮して案出したもので、スタックで生成可能な電圧は上昇させ、電流は低く維持するように２つ以上の反応面積部が絶縁体を媒介として絶縁可能に連結された新たな構造の分離板と、各反応面積部にガス拡散層及び電極膜接合体などを順次積層して２つ以上の反応部を有するスタックモジュールを構成し、それぞれの反応部を直列接続して１つのスタックモジュールを構成することで、スタックの積層セル数を減らして製作工数及び費用を低減し、スタックの生産性及び車両搭載性を向上させ、スタックの高出力電圧による駆動部品類（駆動モータ、インバータなど）の効率を向上させるようにした燃料電池スタックと、を提供することにその目的がある。

本発明は、水素、冷却水、空気を供給するマニホールドが形成された構造を有する反応面
積部の２つ以上が、互いに絶縁されて接合された分離板と、
前記分離板の各反応面積部に積層されるガス拡散層と、
前記ガス拡散層に積層される電極膜接合体と、
を含み、
前記分離板は、
一側端部に水素、冷却水、空気を供給するための供給側マニホールドが貫通形成され、
他側には水素、冷却水、空気を排出するための排出側共用マニホールドが形成され、供給
側マニホールドと排出側共用マニホールドとの間には反応面積部が形成された分割型分離
板を、２つ以上絶縁されて接合させ、
前記分離板の各分割型分離板の反応面積部の周縁、及び各マニホールドの周縁にガスケ
ットが一体に射出されると共に、排出側共用マニホールドが互いに対向する面にもガスケ
ットが絶縁されて結合された分離板に一体に射出されることを特徴とする。

本発明の好ましい実施例による分離板は、各分割型分離板の排出側共用マニホールドを
互いに絶縁されて結合された分離板に接合させて２つ以上の反応面積部が互いに隣接配列
されることを特徴とする。

特に、分割型分離板において、接合前の排出側共用マニホールドは、外側が開放されて
おり、接合後の排出側共用マニホールドは、２つ以上の反応面積部から排出される水素、
冷却水、空気が共に流れる共用の貫通孔として形成されることを特徴とする。

本発明によるガス拡散層は、各分割型分離板の反応面積部それぞれに積層されることを特徴とする。
本発明による電極膜接合体は、分割型分離板が接合されている平面形状と同じ形状に形成され、ガス拡散層を隔てて分離板に積層されることを特徴とする。

また本発明は、分割型分離板の接合による２つ以上の反応面積部にガス拡散層、電極膜接合体、及び集電板が順次積層され、互いに直列接続されて１つのスタックモジュールを形成することを特徴とする。

本発明によれば、分割型分離板を、ガスケットを媒介として絶縁可能に連結して２つ以上の反応面積部が並んで隣接配列される分離板を備え、各反応面積部にガス拡散層、電極膜接合体、集電板などを積層させて２つ以上の反応部を有するスタックモジュールを構成することにより、スタックで生成可能な電圧は上昇させ、電流は低く維持する燃料電池スタックを提供することができる。

また、本発明の燃料電池スタックは、１つのスタックモジュールに２つ以上のスタックモジュールが直列接続された構造であるため、燃料電池スタックの積層セル数を減らし、それによって、スタックの組立生産性を向上させ、製作工数及び製造コストを低減し、スタックの車両搭載空間を容易に確保することができる。

本発明の一実施例による燃料電池スタックに含まれる分離板構造を示す平面図である。 図１のＣ−Ｃ線断面図である。 本発明の一実施例による燃料電池スタックの積層構造を示す分離斜視図である。 本発明の一実施例による燃料電池スタックの積層組立状態を示す概略図である。 本発明の他の実施例による燃料電池スタックに含まれる分離板構造を示す平面図である。 従来の分離板及びこれを含む燃料電池スタックの積層例を示す概略図である。 従来の分離板及びこれを含む燃料電池スタックの積層例を示す概略図である。

以下、本発明の好ましい実施例を添付図面を参照して詳細に説明する。
本発明の燃料電池スタックは、上述した従来の単一モジュールスタックに含まれる分離板と、二重モジュールスタックに含まれる分離板の長所を生かした構造に改善された分離板と、を含む点に主な特徴がある。

本発明の燃料電池スタックに含まれる分離板は、２つ以上の分割型分離板が互いに絶縁可能に並んで配列された構造であり、本発明の理解を助けるために２つの分割型分離板をそれぞれ第１分割型分離板２０ａと第２分割型分離板２０ｂと記載する。

図１は、本発明の一実施例による燃料電池スタックに含まれる分離板構造を示す平面図である。
図１に示すように、本発明の一実施例による第１分割型分離板２０ａ及び第２分割型分離板２０ｂは、一側端部には供給側マニホールドとして、水素供給マニホールド２６、冷却水供給マニホールド２５、及び空気供給マニホールド２４がそれぞれ貫通形成され、他側には排出側マニホールドとして、水素排出共用マニホールド３３、冷却水排出共用マニホールド３２、及び空気排出共用マニホールド３１が形成される。

この際、第１分割型分離板２０ａ及び第２分割型分離板２０ｂを一体に連結する前には水素排出共用マニホールド３３、冷却水排出共用マニホールド３２、及び空気排出共用マニホールド３１の外側は開放状態である。
特に、第１分割型分離板２０ａ及び第２分割型分離板２０ｂの供給側マニホールドと排出側共用マニホールドとの間の領域はガス拡散層と直接的に接合されるランド部と、燃料の水素と空気（酸素）の通路となるチャンネルと、を含む反応面積部２３として形成される。

このように形成された第１分割型分離板２０ａ及び第２分割型分離板２０ｂが同一平面を形成して絶縁可能に接合されると、第１分割型分離板２０ａ及び第２分割型分離板２０ｂの反応面積部２３、すなわち、２つ以上の反応面積部２３が同一平面を形成して並んで配列される状態となる。
この際、第１分割型分離板２０ａ及び第２分割型分離板２０ｂを絶縁可能に接合させる方法として、第１分割型分離板２０ａ及び第２分割型分離板２０ｂにガスケット１８を一体に射出成形する方法が適用される。

図２は図１のＣ−Ｃ線断面図である。
より詳細には、第１分割型分離板２０ａ及び第２分割型分離板２０ｂの周縁領域、すなわち、反応面積部２３の周縁及び各供給側及び排出側共用マニホールドの周縁に沿ってガスケット１８を一体に射出成形し、図２に示すように、排出側共用マニホールドが互いに対向する面にもガスケット１８が一体に射出成形されることにより、第１分割型分離板２０ａ及び第２分割型分離板２０ｂがガスケット１８により絶縁可能に一体に接合される状態となる。

一方、第１分割型分離板２０ａ及び第２分割型分離板２０ｂにおいて、接合前の排出側共用マニホールド、すなわち、水素排出共用マニホールド３３、冷却水排出共用マニホールド３２、及び空気排出共用マニホールド３１は、その外側が開放状態であるが、上述したように第１分割型分離板２０ａ及び第２分割型分離板２０ｂがガスケット１８により相互接合されると、水素排出共用マニホールド３３、冷却水排出共用マニホールド３２、及び空気排出共用マニホールド３１はそれぞれ１つの共用貫通孔として形成される。

即ち、第１分割型分離板２０ａ及び第２分割型分離板２０ｂが接合された後、水素排出共用マニホールド３３、冷却水排出共用マニホールド３２、及び空気排出共用マニホールド３１それぞれは、第１分割型分離板２０ａの反応面積部２３と第２分割型分離板２０ｂの反応面積部２３とから排出される水素、冷却水、及び空気が流れる共用の貫通孔として使用される。

上記のように構成された本発明の分離板に、ガス拡散層及び電極膜接合体などを積層してスタックを構成する一実施例を、図３及び図４を参照して説明する。
図３及び図４は、本発明の一実施例による燃料電池スタックの積層構造を示す分離斜視図である。
図３及び図４に示すように、本発明の分離板２０、即ち、第１分割型分離板２０ａ及び第２分割型分離板２０ｂの、各反応面積部２３それぞれにガス拡散層１６が積層される。

この際、ガス拡散層１６は、第１分割型分離板２０ａ及び第２分割型分離板２０ｂの各反応面積部２３に積層されるため、合計２枚を必要とする。
また、ガス拡散層１６を隔てて分離板２０に電極膜接合体１０が積層されるが、本発明の電極膜接合体１０は、第１分割型分離板２０ａ及び第２分割型分離板２０ｂが接合された平面形状と同じ形状に形成される。

より詳細には、電極膜接合体１０は、第１分割型分離板２０ａ及び第２分割型分離板２０ｂの各反応面積部２３に積層されたガス拡散層１６と対向する位置に触媒層（燃料極または空気極）がそれぞれ形成され、両側には供給側マニホールドの通路を確保するために同じ大きさの貫通孔が形成され、また、中央部分には排出側共用マニホールドの通路を確保するために同じ大きさの貫通孔が形成された構造である。

したがって、ガス拡散層１６が第１分割型分離板２０ａ及び第２分割型分離板２０ｂの各反応面積部２３に積層された状態で、１枚の電極膜接合体１０がガス拡散層１６を隔てて第１分割型分離板２０ａ及び第２分割型分離板２０ｂに積層される。
勿論、多数のセルを構成するために第１分割型分離板２０ａ及び第２分割型分離板２０ｂ、ガス拡散層１６、電極膜接合体１０などが繰り返し積層され、積層後に両側の最外側にはスタックで生成された電気を集電するための集電板３０が積層される。

このように第１分割型分離板２０ａにガス拡散層１６、電極膜接合体１０、集電板３０などが順次積層されて１つのスタックモジュールが構成され、また、第２分割型分離板２０ｂにガス拡散層１６、電極膜接合体１０、集電板３０などが順次積層されて他の１つのスタックモジュールが構成されることで、２つのスタックモジュールを有する燃料電池スタックが完成される。
この際、上述した２つのスタックモジュールは、１つのスタックモジュールを構成するように直列接続される。

具体的には、第１分割型分離板２０ａ、ガス拡散層１６、電極膜接合体１０、ガス拡散層１６、第１分割型分離板２０ａなどが順次繰り返し積層された後、その両側に集電板３０が積層されて１つのスタックモジュールが構成され、また、第２分割型分離板２０ｂ、ガス拡散層１６、電極膜接合体１０、ガス拡散層１６、第２分割型分離板２０ｂなどが順次繰り返し積層された後、その両側に集電板３０が積層されて他の１つのスタックモジュールが構成されるが、１つのスタックモジュールと他の１つのスタックモジュールの一側の集電板３０を通電可能に接続することにより、結局２つのスタックモジュールが直列接続されて１つのスタックモジュールを構成するようになる。
勿論、各集電板３０の外側にはスタックに対する締結面圧を提供するエンドプレートが積層される。

以上のように、本発明の一実施例による第１分割型分離板２０ａ及び第２分割型分離板２０ｂが接合されている分離板２０を用いて１つのパッケージ空間内に２つ以上のスタックモジュールを構成でき、また、２つ以上のスタックモジュールを直列接続して１つのスタックモジュールとして構成することにより、スタックで生成可能な電圧は上昇させ、電流は低く維持する燃料電池スタックを提供することができる。

ここで、本発明の他の実施例による分離板を図５を参照して説明する。
図５は、本発明の他の実施例による燃料電池スタックに含まれる分離板構造を示す平面図である。
図５に示すように、本発明の他の実施例による分離板は、第１分割型分離板２０ａ及び第２分割型分離板２０ｂが並列に配列されて絶縁可能に連結される点に特徴がある。

第１分割型分離板２０ａ及び第２分割型分離板２０ｂは、一側端部には供給側マニホールドとして、水素供給マニホールド２６、冷却水供給マニホールド２５、及び空気供給マニホールド２４がそれぞれ貫通形成され、他側には排出側マニホールドとして、水素排出マニホールド２９、冷却水排出マニホールド２８、及び空気排出マニホールド２７が形成される。

第１分割型分離板２０ａ及び第２分割型分離板２０ｂの、供給側マニホールド及び排出側マニホールドの間の領域は、ガス拡散層と直接的に接合されるランド部及び燃料の水素と空気（酸素）の通路となるチャンネルを含む反応面積部２３として形成される。
このような第１分割型分離板２０ａ及び第２分割型分離板２０ｂは、並列に配列されてガスケット１８により絶縁可能に接合されることにより、本発明の他の実施例による分離板２０が製造される。

より詳細には、第１分割型分離板２０ａ及び第２分割型分離板２０ｂの周縁領域、すなわち、反応面積部２３の周縁と、供給側及び排出側マニホールドの周縁と、に沿ってガスケット１８を一体に射出成形し、図５に示すように、並列に配置される各分割型分離板２０ａ及び２０ｂの境界部にガスケット１８が絶縁可能に一体に射出されることにより、本発明の他の実施例による分離板２０が製造される。

以上のように、本発明の他の実施例による分離板の大きさは、前記一実施例による分離板に比べて大きいが、分割型分離板がガスケットを媒介として絶縁可能に連結されて２つ以上の反応面積部が並んで隣接配列される構造を形成することにより、燃料電池スタックの積層セル数を減らし、スタックの組立生産性を向上させ、製作工数及び製造コストの低減を図ることができる。

１０ 電極膜接合体
１１ 高分子電解質膜
１２ 空気極
１３ 燃料極
１６ ガス拡散層
１８ ガスケット
２０ 分離板
２０ａ 第１分割型分離板
２０ｂ 第２分割型分離板
２１ ランド部
２２ チャンネル
２３ 反応面積部
２４ 空気供給マニホールド
２５ 冷却水供給マニホールド
２６ 水素供給マニホールド
２７ 空気排出マニホールド
２８ 冷却水排出マニホールド
２９ 水素排出マニホールド
３０ 集電板
３１ 空気排出共用マニホールド
３２ 冷却水排出共用マニホールド
３３ 水素排出共用マニホールド

Claims (8)

1. 水素、冷却水、空気を供給するマニホールドが形成された構造を有する反応面積部の２
   つ以上が、互いに絶縁されて接合された分離板と、
   前記分離板の各反応面積部に積層されるガス拡散層と、
   前記ガス拡散層に積層される電極膜接合体と、
   を含み、
   前記分離板は、
   一側端部に水素、冷却水、空気を供給するための供給側マニホールドが貫通形成され、
   他側には水素、冷却水、空気を排出するための排出側共用マニホールドが形成され、供給
   側マニホールドと排出側共用マニホールドとの間には反応面積部が形成された分割型分離
   板を、２つ以上絶縁されて接合させ、
   前記分離板の各分割型分離板の反応面積部の周縁、及び各マニホールドの周縁にガスケ
   ットが一体に射出されると共に、排出側共用マニホールドが互いに対向する面にもガスケ
   ットが絶縁されて一体に射出されることを特徴とする燃料電池スタック。
2. 前記分割型分離板の排出側共用マニホールドを、互いに絶縁されて接合させて、２つ以
   上の反応面積部が互いに隣接配列される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. 前記分割型分離板において、接合前の排出側共用マニホールドは、外側が開放されてお
   り、接合後の排出側共用マニホールドは、２つ以上の反応面積部から排出される水素、冷
   却水、空気が共に流れる共用の貫通孔として形成されることを特徴とする請求項１に記載
   の燃料電池スタック。
4. 前記ガス拡散層は、分離板の各反応面積部それぞれに積層されることを特徴とする請求
   項１に記載の燃料電池スタック。
5. 前記電極膜接合体は、２つ以上の分割型分離板が接合されている分離板の平面形状と同
   じ形状に形成され、ガス拡散層を隔てて分離板に積層されることを特徴とする請求項１に
   記載の燃料電池スタック。
6. 前記分離板の２つ以上の反応面積部に、ガス拡散層、電極膜接合体、及び集電板が順次
   積層され、互いに直列接続されて１つのスタックモジュールを形成することを特徴とする
   請求項１に記載の燃料電池スタック。
7. 前記分離板は、
   一側端部に水素、冷却水、空気を供給するための供給側マニホールドが貫通形成され、
   他側には水素、冷却水、空気を排出するための排出側共用マニホールドが形成され、供給側マニホールドと排出側共用マニホールドとの間には反応面積部が形成された分割型分離板を、
   ２つ以上絶縁されて接合されたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
8. 前記各分割型分離板の反応面積部の周縁及び各マニホールドの周縁にガスケットが一体
   に射出されると共に、上下並列に配置される各分割型分離板の境界部にガスケットが絶縁
   されて一体に射出されることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池スタック。

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