JP6656999B2 - 燃料電池用多孔性分離板 - Google Patents

Description

本発明は、多孔性分離板に係り、さらに詳しくは、多孔性分離板に形成された流路孔の形状を変更して応力集中によるガス拡散層または電極膜接合体の構造破壊を最小化するようにした燃料電池用多孔性分離板に関する。

車両用燃料電池スタックは、多数のセルが連結される構造であって、空気、燃料及び冷却水がスタックの一方の端から供給及び排出される構造を有する。

セルはガス拡散層が両面に接合された電極膜接合体（ＭＥＡ）の両面に分離板がそれぞれ配置され、個々の単位セルが繰り返し積層されてスタックを構成する。

さらに具体的に説明すると、水素陽イオンを移動させることが可能な電解質膜の両面に、水素と酸素が反応することができるように空気極と燃料極が塗布されて構成された電極膜接合体（ＭＥＡ）がセルの中心に位置し、空気極及び燃料極の外面にはガス拡散層（ＧＤＬ）が積層され、ガス拡散層の表側には燃料を供給し、反応により発生した水を排出するように流路（Ｆｌｏｗ Ｆｉｅｌｄ）が形成された分離板がガスケットを挟んで位置する。

分離板は、ガス拡散層に密着支持されるランドと、流体の流れ経路にされるチャネル（流路）とが繰り返し形成された構造で製作されることが一般的であり、ランドとチャネル（流路）が繰り返し屈曲された構造となっているため、ガス拡散層に対向する一面のチャネルは水素や空気などの反応ガスが流れる空間として活用され、反対面のチャネルは冷却水が流れる空間として活用される。

このため、燃料電池スタックは、燃料極で水素の酸化反応が行われて水素イオン（Ｐｒｏｔｏｎ）と電子（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ）が発生する。このとき、生成された水素イオンと電子はそれぞれ電解質膜と分離板を介して空気極へ移動し、空気極では、燃料極から移動してきた水素イオン及び電子と空気中の酸素が参加する電気化学反応を介して水を生成すると同時に、電子の流れから電気エネルギーを生成する。

このような構造は、アノード分離板及びカソード分離板を積層して反応ガス及び冷却水の通路を形成することにより、燃料電池のセル構造を簡素化することができるという利点がある。

ところが、流路形成のためのチャネル及びランドの形状により面圧バラツキが発生して電気抵抗が増加するだけでなく、特にランド部では過度な応力集中によりガス拡散層の構造が破壊されて反応ガスの拡散性が低下するという欠点がある。

一方、従来のチャネル形状の流路の代わりに、Ｍｅｔａｌ／Ｃａｒｂｏｎ ｆｏａｍやＷｉｒｅ ｍｅｓｈなどの微細気孔構造を反応面に挿入すると、反応ガス及び生成水の移動を容易にし、ガス拡散層を均一に圧縮させて面圧を分散させることにより、電気抵抗を最小化して燃料電池の性能向上を極大化することができる。しかし、従来の微細流路多孔構造体は、製作費用が高いだけでなく、重量及び体積が増大するため量産性に劣る。

図１は前述した気孔構造を有する従来の多孔性分離板を示すもので、流路板４０の長手方向（ガス流れ方向）に沿って左右傾斜面に多数の流路孔４３が一定の間隔で繰り返し形成される。

このような凹凸形状を長手方向に繰り返し形成することにより、反応面内の燃料拡散を増大させることができる。特に、燃料消耗の多い高電流区間帯では流量の強さが増大して多孔体の形状による流動抵抗効果が大きくなるため、多孔体の効果が極大化される。

しかも、流路板の一側傾斜面の流路孔を通過した反応ガスは他側の傾斜面に塞がれるため、次のチャネルに進むためには隣接の孔が位置した幅方向に流動が発生する。したがって、このようなジグザグ状の流動が繰り返されることにより、反応ガスの拡散性を向上させることができる。

一方、微細多孔流路は燃料電池のセル内でガス拡散層（ＧＤＬ）に隣接しており、多孔流路を介して流入した反応ガスは、ガス拡散層を介して実際に均一な化学反応が起こる電極膜接合体（ＭＥＡ）に到達するようになる。

ガス拡散層は、微細な炭素繊維（Ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ）が結合されている微細気孔層であって、反応ガスの拡散及び化学反応により発生した生成水の排出がスムーズに行われるためには、スタック締付力によるガス拡散層の微細多孔構造が破壊されるのを最小化しなければならない。他方、これらは反応ガスの通路だけでなく、化学反応により発生した電気の移動通路の役割も果たすため、スタック締結力を向上させることにより、これらの界面から発生する接触抵抗を最小化するのが良い。

しかし、図２及び図３に示すように、凹凸の傾斜面に流路孔が形成されている多孔体の構造的な特性により、流路孔４３の切断部がガス拡散層（ＧＤＬ）に密接し、このように密接した部分に応力集中が発生して、ガス拡散層（ＧＤＬ）をなす炭素繊維（Ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ）が破壊されるという問題が発生する。

つまり、多孔体の構造的特性上、流路孔の切断面がガス拡散層に密接するため応力集中が発生し、ガス拡散層の構造破壊が過度に発生する原因となる。よって、この部分の反応ガス拡散性の低下や水排出性の低下、電極膜接合体への物理的な損傷リスクの増加などといった問題が発生する。

前述の背景技術として説明された事項は、本発明の背景に対する理解増進のためのものに過ぎず、当該技術分野における通常の知識を有する者に公知の従来の技術に該当することを認めるものと受け入れられてはならない。

韓国公開特許１０−２０１３−００６６７９５号公報 特開２０１２−０４８８２５号公報

本発明は、前述したような従来の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、多孔性分離板に形成された流路孔の形状を変更して応力集中によるガス拡散層または電極膜接合体の構造破壊を最小化するようにした燃料電池用多孔質分離板を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明の構成は、ガス拡散層または電極膜接合体側に接触する第１接触部と、冷却水流路側に接触する第２接触部とが長手方向に沿って交互に接触するように第１接触部と第２接触部とを連結部によって連結し、前記連結部上に流路孔を形成し、前記流路孔の内面の一部を流路孔の中心に向けて突出するように形成した流路板；を含むことを特徴とすることができる。

前記流路孔の最大幅をなす長さの中心から流路孔の長手方向に沿って延在する仮想の流路孔中心線を確保するが、前記流路孔の内面の一部には前記流路孔中心線に向かって突出部を形成することができる。

前記突出部は第１接触部に相対的に近く位置した流路孔の内側一面に形成できる。

前記突出部は流路孔中心線を侵犯しない範囲内に形成できる。

前記突出部は流路孔の内側一面の中心部分に形成できる。

前記突出部は流路孔の内側一面に全体的に形成できる。

前記突出部はガス拡散層または電極膜接合体の外側面に沿って面接触するように構成できる。

前記突出部は、ガス拡散層または電極膜接合体に面接触する仮想の平面を基準にガス拡散層または電極膜接合体側に向かって所定の角度で折り曲げられた形状にされることができる。

前記突出部と仮想の平面とがなす角度は１〜４５°であり得る。

前記突出部の曲げ剛性をガス拡散層及び電極膜接合体の圧縮剛性よりも小さくすることにより、スタック締結の際に、前記突出部が、ガス拡散層または電極膜接合体の加圧によって、仮想の平面となす角度が徐々に小さくなる方向に曲げられながら、ガス拡散層または電極膜接合体の外側面に沿って面接触できる。

前記突出部の端部を、ガス拡散層または電極膜接合体の外側面から冷却水流路側に向かって立ち上がる方向に形成することにより、突出部と第１接触部と連結部によって定義される部分に水溜め空間を形成することができる。

前記突出部の一端は第１接触部に連結され、前記突出部の他端は第２接触部側に向かって立ち上がる連結部の形成方向と同一の方向に形成できる。

前記突出部は第２接触部に相対的に近く位置した流路孔の内側他面に形成できる。

前述した課題解決手段によれば、本発明は、流路孔に形成された突出部を介してガス拡散層または電極膜接合体の応力集中現象を防止することにより、ガス拡散層または電極膜接合体の構造破壊を最小化して反応ガスの拡散性を向上させ、反応面の過度な応力集中を緩和させてガス拡散層または電極膜接合体の物理的損傷を最小化するので、燃料電池スタックの耐久性を向上させるという効果がある。

さらに、スタックを締結する過程で、突出部が曲げられてガス拡散層または電極膜接合体と平坦面をなすようにすることにより、スタックの締結後も、多孔性分離板は持続的に弾性力を維持することができるため、スタックの長期運転による面圧低下を防止してスタックの耐久性を向上させるという効果もある。

また、突出部が流路板の形状に沿って曲率形状に形成されることにより、過度な応力集中を回避することができるだけでなく、曲率部分を介して、スタックの内部に凝縮水を保管することができる空間を確保することにより、燃料電池の低温運転時の水排出性を向上させるのはもちろんのこと、高温作動時にドライアウト（Ｄｒｙ−ｏｕｔ）されるのを防止するという効果もある。

また、突出部を介して冷却水の流路に接触する接触面積を増大することにより、燃料電池内の熱伝達を向上させてスタックの性能及び耐久性を向上させるという効果もある。

従来の技術に係る多孔性分離板の斜視図である。 従来の技術に係る多孔性分離板の平面形状を概略的に示す図である。 図２のＡ−Ａ線に沿った断面図である。 本発明に係る多孔性分離板をなす流路板の断面形状及び流路孔の形状を示す図である。 本発明に係る流路孔に形成された突出部の第１実施例の構成を説明するための図である。 本発明に係る流路孔に形成された突出部の第２実施例の構成を説明するための図である。 本発明に係る流路板の締結による突出部の断面構造を例示して示す図である。 本発明に係る流路板の締結による突出部の他の断面構造を例示して示す図である。 本発明に係る流路板の締結によって突出部が冷却水流路側に接触する構造を例示して示す図である。 本発明の流路板を製造する装置を例示して示す図である。 本発明の流路板を製造する装置を例示して示す図である。 本発明の流路板を製造する装置を例示して示す図である。

以下、本発明の好適な実施例を添付図面によって詳細に説明する。

本発明は、流路板１００に形成された流路孔１１０の内面をその中心に向けて突出させたことにその特徴がある。

図４を参照して本発明について具体的に考察すると、本発明の多孔性分離板は、流路板１００及び平板２００を含んで構成できる。

流路板１００の一面はガス拡散層３００または電極膜接合体４００の外側面に対向するように配置される。よって、流路板１００の一面がガス拡散層３００または電極膜接合体４００に密着できる。つまり、セルにガス拡散層３００が含まれている場合には流路板１００がガス拡散層３００に密着できるが、セルにガス拡散層３００が含まれていない場合には流路板１００が電極膜接合体４００に密着できる。

一方、前記流路板１００の他面は平板２００の内側面に対向するように配置される。よって、流路板１００の他面が平板２００の内側面に密着できる。このとき、前記平板２００の外側面には、冷却水の流れる冷却水流路２１０（冷却水チャネル）が設けられてもよい。

このような流路板１００は、ガス拡散層３００または電極膜接合体４００側に接触する第１接触部１００ａと、冷却水流路２１０側に接触する第２接触部１００ｂとが連結部１００ｃによって連結できる。

すなわち、前記流路板１００は、第１接触部１００ａと連結部１００ｃと第２接触部１００ｂが、その長手方向に沿って繰り返し連続した凹凸形状に形成できるもので、前記第１接触部１００ａ及び第２接触部１００ｂが前記流路板１００の長手方向に沿ってガス拡散層３００または電極膜接合体４００側と、冷却水流路２１０側にそれぞれ交互に接触するようになる。

例えば、前記第１接触部１００ａ及び第２接触部１００ｂは、図４に示すように、連結部１００ｃと隣接の連結部１００ｃとの境界領域に位置した第１区間Ｓ１の部分であるか、或いは連結部１００ｃと隣接の連結部１００ｃとの境界線部分であり、連結部１００ｃは、第１接触部１００ａと隣接の第２接触部１００ｂとの間に位置する第２区間Ｓ２の部分である。

前記連結部１００ｃ上に流路孔１１０を形成することができるが、前記流路孔１１０は、第１接触部１００ａまたは第２接触部１００ｂを侵犯しないように形成することができる。

このとき、前記流路孔１１０は、流路板１００の幅方向に沿って等間隔で多数形成することができ、円形、タワー形、長方形などの形状に形成することができる。また、互いに対向する位置に形成された流路孔１１０は交互に配置できる。

つまり、いずれかの連結部１００ｃに形成された二つの流路孔１１０同士の間に、これに対向する他の連結部１００ｃに形成された流路孔１１０が配置されることにより、いずれかの流路孔１１０を通過した反応ガスが次のチャネルの流路孔１１０を通過して越えるためには幅方向に流動が発生するしかなく、これにより反応ガスの流動を発生させて拡散性を増大させることができるようになる。

特に、本発明は、前記流路孔１１０の内面の一部を流路孔１１０の中心に向けて突出するように形成することができる。

例えば、前記流路孔１１０の最大幅をなす長さの中心から流路孔１１０の長手方向に沿って延在する仮想の流路孔中心線ＣＬを確保することができるが、前記流路孔１１０の内面の一部には前記流路孔中心線ＣＬに向かって突出部１２０を形成することができる。

好ましくは、前記突出部１２０は、第１接触部１００ａに相対的に近く位置した、すなわちスタック締結時にガス拡散層３００または電極膜接合体４００に密接する部分に隣接した流路孔１１０の内側一面に形成できる。

このような構成によれば、本発明は、流路孔１１０の中心に向けて突出するように形成された部分の一面がガス拡散層３００または電極膜接合体４００の外側面に密接することにより、流路孔１１０の内面をなす切断部分がガス拡散層３００または電極膜接合体４００に密接する領域を最小化させ、これにより流路板１００によるガス拡散層３００または電極膜接合体４００の応力集中現象を防止する。したがって、ガス拡散層３００または電極膜接合体４００の構造破壊を最小化して反応ガスの拡散性を向上させ、また、反応面の過度な応力集中を緩和させてガス拡散層３００または電極膜接合体４００の物理的な損傷を最小化するので、結果として燃料電池スタックの耐久性を向上させるのである。

本発明において、前記突出部１２０は、流路孔中心線ＣＬを侵犯しない範囲内で形成できる。

例えば、図５に示すように、前記突出部１２０は、流路孔１１０の内側一面の中心部分に形成できる。つまり、応力集中が最もひどく発生する可能性のある流路孔１１０の内側の中心部分に集中して突出部１２０を形成することができる。

そして、図６に示すように、前記突出部１２０は、流路孔１１０の内側一面に全体的に形成できる。つまり、第１接触部１００ａに近い流路孔１１０の内側一面の全体に突出部１２０を形成することができるが、この場合、図５に示した突出部１２０と同一の応力集中防止効果を実現しながらも流路孔１１０の形状を単純化して流路板１００の製造便宜性を増大させる。

図７を参照すると、本発明において、前記突出部１２０は、ガス拡散層３００または電極膜接合体４００の外側面に沿って面接触するように設置することにより、ガス拡散層３００または電極膜接合体４００と平坦面を成すことができる。

これは、流路板１００を加工する過程で突出部１２０がガス拡散層３００または電極膜接合体４００と平坦面をなすように突出部１２０を形成することもできるが、スタック締結過程で突出部１２０がガス拡散層３００または電極膜接合体４００に押圧屈曲されるように突出部１２０を形成することもできる。

このため、前記突出部１２０は、図７の上部に示すように、ガス拡散層３００または電極膜接合体４００に面接触する仮想の平面を基準にガス拡散層３００または電極膜接合体４００に向かって所定の角度折り曲げられた形状に形成することができる。

このとき、前記突出部１２０と仮想の平面とがなす角度は１〜４５°でありうる。その理由は、角度が４５°を超える場合には平面となす角度があまり大きくなり、スタック締結の際に突出部１２０が弾性を受けて曲げられる前にその形状自体によってガス拡散層３００または電極膜接合体４００に損傷を引き起こすおそれがあるという問題があるためである。

また、スタック締結の際に、前述した突出部１２０の曲げ作用のためには、前記突出部１２０の曲げ剛性をガス拡散層３００及び電極膜接合体４００の圧縮剛性よりも小さくすることができる。

これは、図７の下部に示すように、スタック締結の際に、前記突出部１２０が、ガス拡散層３００または電極膜接合体４００の加圧によって、仮想の平面となす角度が益々小さくなる方向に曲げられながら、ガス拡散層３００または電極膜接合体４００の外側面に沿って面接触できるので、前記突出部１２０はガス拡散層３００または電極膜接合体４００と平坦面を成す。

したがって、スタックの締結後も、多孔性分離板１０は、持続的に弾性力を維持することができるため、スタックの長期運転による面圧の低下を防止してスタックの耐久性を向上させる。

これに加えて、図８を参照すると、本発明において、前記突出部１２０の端部を、ガス拡散層３００または電極膜接合体４００の外側面から冷却水流路２１０側に向かって立ち上がる方向に形成することにより、突出部１２０と第１接触部１００ａと連結部１００ｃによって定義される部分に水溜め空間を形成することができる。

例えば、前記突出部１２０の一端が第１接触部１００ａに連結され、前記突出部１２０の他端は第２接触部１００ｂに向かって立ち上がる連結部１００ｃの形成方向と同じ方向に形成できる。
つまり、突出部１２０が流路板１００の形状に沿って曲率形状にガス拡散層３００に接触しても、過度な応力集中を回避することができるだけでなく、このような曲率部分を介して、スタックの内部に凝縮水を保管することが可能な空間を確保することにより、燃料電池の低温運転時の水排出性を向上させるのはもちろんのこと、高温作動時にドライアウト（Ｄｒｙ−ｏｕｔ）されることを防止することができる。

併せて、図９を参照すると、本発明の前記流路孔中心線ＣＬに向かって形成された突出部１２０は、第２接触部１００ｂに相対的に近く位置した、すなわち平板２００に密接した部分に隣接する流路孔１１０の内側他面に形成できる。

つまり、ガス拡散層３００または電極膜接合体４００に接触する一面と反対の流路板１００の他面は、化学反応により発生する熱を放出するための冷却水流路２１０と接触する部分である。この部分の接触面積を増大させて燃料電池内の熱伝達を向上させ、これによりスタックの性能及び耐久性を向上させる。

特に、このような構造は、スタックの運転条件が高温でほとんど行われる場合のように熱伝達問題が重要な場合に、さらに効果的であるといえる。

一方、図１０ａ乃至図１０ｃに示すように、本発明に提示された様々な流路孔１１０の形状は、プレスを用いた打孔法やエッチング工法、ロール工法などを活用して簡単に実現及び製造することができる。

上述したように、本発明は、流路孔１１０の中心に向けて突出して形成された部分の一面がガス拡散層３００または電極膜接合体４００の外側面に密接することにより、流路孔１１０の内面をなす切断部分がガス拡散層３００または電極膜接合体４００に密接する領域を最小化させ、これにより流路板１００によるガス拡散層３００または電極膜接合体４００の応力集中現象を防止する。したがって、ガス拡散層３００または電極膜接合体４００の構造破壊を最小化して反応ガスの拡散性を向上させ、また、反応面の過度な応力集中を緩和させてガス拡散層３００または電極膜接合体４００の物理的な損傷を最小化するので、燃料電池スタックの耐久性を向上させることができる。

一方、本発明は、上述した具体的な例についてのみ詳細に説明したが、本発明の技術思想範囲内において、様々な変形及び修正を加え得るのは当業者にとって自明なことであり、それらの変形及び修正も特許請求の範囲に属するのは当然のことである。

１０ 分離板
１００ 流路板
１００ａ 第１接触部
１００ｂ 第２接触部
１００ｃ 連結部
１１０ 流路孔
１２０ 突出部
２００ 平板
２１０ 冷却水流路
３００ ガス拡散層
４００ 電極膜接合体
Ｓ１ 第１区間
Ｓ２ 第２区間
ＣＬ 流路孔中心線

Claims (10)

1. ガス拡散層または電極膜接合体側に接触する第１接触部と、冷却水流路側に接触する第２接触部とが長手方向に沿って交互に接触するように第１接触部と第２接触部とを連結部によって連結し、前記連結部上に流路孔を形成し、前記流路孔の内面の一部を流路孔の中心に向けて突出するように形成した流路板；を含み、
   前記流路孔の最大幅をなす長さの中心から流路孔の長手方向に沿って延在する仮想の流路孔中心線を確保するが、前記流路孔の内面の一部には前記流路孔中心線に向かって突出部を形成し、
   前記突出部は第１接触部に相対的に近く位置した流路孔の内側一面に形成され、
   前記突出部は、ガス拡散層または電極膜接合体に面接触する仮想の平面を基準にガス拡散層または電極膜接合体側に向かって所定の角度で折り曲げられた形状にされる、燃料電池用多孔性分離板。
2. 前記突出部は流路孔中心線を侵犯しない範囲内に形成されたことを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池用多孔性分離板。
3. 前記突出部は流路孔の内側一面の中心部分に形成されたことを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池用多孔性分離板。
4. 前記突出部は流路孔の内側一面に全体的に形成されたことを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池用多孔性分離板。
5. 前記突出部はガス拡散層または電極膜接合体の外側面に沿って面接触するように構成されたことを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池用多孔性分離板。
6. 前記突出部と仮想の平面とがなす角度は１〜４５°であることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池用多孔性分離板。
7. 前記突出部の曲げ剛性をガス拡散層及び電極膜接合体の圧縮剛性よりも小さくすることにより、スタック締結の際に、前記突出部が、ガス拡散層または電極膜接合体の加圧によって、仮想の平面となす角度が徐々に小さくなる方向に曲げられながら、ガス拡散層または電極膜接合体の外側面に沿って面接触することを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池用多孔性分離板。
8. 前記突出部の端部を、ガス拡散層または電極膜接合体の外側面から冷却水流路側に向かって立ち上がる方向に形成することにより、前記突出部と前記第１接触部と前記連結部によって定義される部分に水溜め空間を形成したことを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池用多孔性分離板。
9. 前記突出部の一端は第１接触部に連結され、前記突出部の他端は第２接触部側に向かって立ち上がる連結部の形成方向と同一の方向に形成されたことを特徴とする、請求項８に記載の燃料電池用多孔性分離板。
10. ガス拡散層または電極膜接合体側に接触する第１接触部と、冷却水流路側に接触する第２接触部とが長手方向に沿って交互に接触するように第１接触部と第２接触部とを連結部によって連結し、前記連結部上に流路孔を形成し、前記流路孔の内面の一部を流路孔の中心に向けて突出するように形成した流路板；を含み、
    前記流路孔の最大幅をなす長さの中心から流路孔の長手方向に沿って延在する仮想の流路孔中心線を確保するが、前記流路孔の内面の一部には前記流路孔中心線に向かって突出部を形成し、
    前記突出部は第２接触部に相対的に近く位置した流路孔の内側他面に形成され、
    前記突出部は、ガス拡散層または電極膜接合体に面接触する仮想の平面を基準に冷却水路側に向かって所定の角度で折り曲げられた形状にされる、燃料電池用多孔性分離板。