JP6880202B2 - 燃料電池スタック - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池スタックに関する。
本出願は、２０１７年１月３１日付の韓国特許出願第１０−２０１７−００１３５１４号に基づく優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示されたすべての内容は、本明細書の一部として含まれる。
一般的に、燃料電池（Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）は、燃料と酸化剤との電気化学反応を通じて電気エネルギーを発生させるエネルギー変換装置であり、燃料が継続的に供給される限り持続的に発電が可能な長所がある。
水素イオンを透過させることができる高分子膜を電解質として使用する高分子電解質燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ、ＰＥＭＦＣ）は、他の形態の燃料電池に比べて低い、約１００℃以下の作動温度を有し、エネルギー変換効率と出力密度が高く、応答特性が速いという長所がある。それだけでなく、小型化が可能であるため、携帯用、車両用及び家庭用電源装置として提供され得る。
高分子電解質燃料電池スタックは、複数の燃料電池セルが積層された構造を有し、それぞれの燃料電池セルは、高分子物質で構成された電解質膜を中心にアノード（Ａｎｏｄｅ）とカソード（Ｃａｔｈｏｄｅ）がそれぞれ塗布されて形成された電極層を備える膜−電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ、ＭＥＡ）、反応気体を反応領域の全体にわたって均等に分布させ、アノード電極の酸化反応により発生した電子をカソード電極側に伝達する役割のガス拡散層（Ｇａｓ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｌａｙｅｒ、ＧＤＬ）、反応気体をガス拡散層に供給し、電気化学反応により発生した水を外部に排出させる分離板（Ｂｉｐｏｌａｒ Ｐｌａｔｅ）、分離板または膜−電極接合体の反応領域の外周に配置されて反応気体及び冷却水の漏れを防止する、弾性を有する素材のガスケット（Ｇａｓｋｅｔ）を含み得る。
従来の反応ガスチャネル及び冷却水チャネルが両面にそれぞれ設けられた分離板は、高出力領域で燃料電池内の水伝達の不均衡、及び反応面内の反応ガスの高い物質伝達抵抗（通常拡散抵抗）の技術的問題を有する。
また、最近、高出力運転領域における拡散抵抗の低減を通じて燃料電池の性能を向上させるために、Ｍｅｔａｌ Ｆｏａｍ、Ｍｅｔａｌ Ｍｅｓｈ、Ｅｘｐａｎｄｅｄ Ｍｅｔａｌなどを適用した分離板（以下、「多孔体」と呼ばれる）が提案されるが、多孔体の形状及び構造は、冷却水供給流路の流動特性を決定する重要な因子として作用するため、多孔体における冷却水流路を改善するための研究が必要な実情である。
本発明は、反応ガス及び冷却水流路内の圧力損失を下げることができる燃料電池スタックを提供することを、解決しようとする課題とする。
また、本発明は、燃料電池セルの積層時に、圧縮締結における構造補強及び冷却性能の向上が可能な燃料電池スタックを提供することを、解決しようとする課題とする。
上記の課題を解決するために、本発明の一側面によると、複数の燃料電池セルを含む燃料電池スタックであって、燃料電池セルは、アノード電極及びカソード電極を有する膜−電極接合体と、膜−電極接合体の両面にそれぞれ配置されたガス拡散層と、ガス拡散層と接触するように前記アノード電極側と対向する第１面及び第１面の反対方向の第２面を有する第１分離板と、ガス拡散層と接触するように前記カソード電極側と対向する第１面及び第１面の反対方向の第２面を有する第２分離板と、を含み、第１分離板の第２面及び第２分離板の第２面のうち少なくとも一方には、外部へ突出した一つ以上の突出部が設けられた燃料電池スタックが提供される。
以上で示したように、本発明の一実施例に係る燃料電池スタックは、次のような効果を有する。
冷却水進入部の流体抵抗を減少させることができ、冷却性能の向上及び冷却水供給系統に連係されている流体機器の動力消費を減少させることができ、燃料電池システムの性能、安定性及び発電効率を向上させることができる。
以下、本発明の一実施例による燃料電池スタックを添付された図面を参考して詳しく説明する。
また、図面符号にかかわらず、同一または対応する構成要素は、同一または類似の参照番号を付与し、これについての重複説明は省略することとし、説明の便宜のために、示された各構成部材の大きさ及び形状は、誇張されたり縮小され得る。
図１及び図２は、本発明の一実施例に係る燃料電池スタックの概念図であり、図３は、第１分離板１１０を示す平面図及び要部断面図であり、図４ａ及び図４ｂは、第２分離板１５０を示す平面図である。
また、図５は、第１分離板１１０において燃料ガスの流動を示す図であり、図６は、第２分離板１５０において酸化ガスの流動を示す図であり、図７ａ及び図７ｂは、第１突出部と第２突出部を示す要部斜視図である。
また、図８は、冷却水流路を説明するための図であり、図９は、燃料電池スタックの切開斜視図である。
本発明の一実施例に係る燃料電池スタックは、複数の燃料電池セル１００、１００-１、１００-２を含む。
図１を参照すると、燃料電池セル１００は、アノード電極１１とカソード電極１２を有する膜−電極接合体１０、及び膜−電極接合体の両面にそれぞれ配置されたガス拡散層２０を含む。
図９に示される２つのガス拡散層２０のうち、下領域はアノード側のガス拡散層２０を示し、上領域はカソード側のガス拡散層２０を示す。
また、燃料電池セル１００は、ガス拡散層２０と少なくとも一部で接触するように前記アノード電極１１側と対向する第１面１１１及び第１面の反対方向の第２面１１２を有する第１分離板１１０を含む。
また、燃料電池セル１００は、ガス拡散層２０と少なくとも一部で接触するように前記カソード電極１２側と対向する第１面１５１及び第１面１５１の反対方向の第２面１５２を有する第２分離板１５０を含む。
また、第１分離板１１０の第２面１１２及び第２分離板１５０の第２面１５２のうち少なくとも一方には、外部へ突出した一つ以上の突出部１３１、１３２、１７１が設けられる。前記突出部１３１、１３２、１７１が外部へ突出するとは、第２面の外側へ突出することを意味する。
また、複数の燃料電池セル１００、１００-１、１００-２は、同一の構造を有する。
図２を参照すると、燃料電池スタックにおいて、隣接する２つの燃料電池セル１００-１、１００-２は、いずれか一方の燃料電池セル１００-２の第１分離板１１０の第２面１１２と、他方の燃料電池セル１００-１の第２分離板１５０の第２面１５２とが対向するように積層される。また、第１分離板１１０の第２面１１２と第２分離板１５０の第２面１５２とは、前記突出部によって所定の間隔で離隔され、その間の空間２００に冷却水が供給される。
また、第１分離板１１０には、第２面１１２に外部へ突出した一つ以上の第１突出部１３１、１３２が設けられることができる。また、第２分離板１５０には、第２面１５２に前記第１突出部１３１、１３２と接触するように外部へ突出した一つ以上の第２突出部１７１が設けられることができる。例えば、燃料電池セルの積層時に、第１突出部１３１、１３２及び第２突出部１７１は、１：１の対応構造で接触するように設けられることができる。１：１の対応構造により、圧縮締結における構造補強及び冷却性能の向上に寄与することができる。
このような構造で、隣接する２つの燃料電池セル１００-１、１００-２の間の冷却水流動空間２００は、第１突出部１３１及び第２突出部１７１の高さの和以上の厚さを有し得る。
図３及び図５を参照して、第１分離板１１０の構造及び燃料ガスの流動を説明する。
第１分離板１１０は、第１面１１１に燃料ガス（水素）が流動する複数の第１チャネル１１３を含む反応領域１２０を有し、第２面１１２に冷却水が流動するように、隣接する２つの第１チャネル１１３の間に設けられた第２チャネル１１５を含む。また、第１チャネル１１３は、燃料ガス流動空間１１７を形成し、第２チャネル１１５は、冷却水流動空間１１９を形成する。
また、第１分離板１１０には、第１チャネルの長さ方向の両側に位置する燃料ガス流入／排出口１４１及び冷却水流入／排出口１４２と、第１チャネルの幅方向の両側に位置する酸化ガス流入／排出口１４３とがそれぞれ設けられる。
また、第１チャネル１１３及び第２チャネル１１５は、燃料ガスの流動方向に沿ってそれぞれ長く形成され得る。また、隣接する２つの第１チャネル１１３は、第２チャネル１１５を通じて連結され得る。また、第１分離板１１０は、第１面１１１と第２面１１２がそれぞれ流路を有するように表面構造化される。
例えば、第１分離板１１０は、スタンピング成形金属分離板であり得る。また、第１チャネル１１３と第２チャネル１１５は、表裏反転の構造を有し得る。具体的に、第１分離板１１０は、成形工程の特性上、第１面に燃料ガス供給用第１チャネルを形成すると、従属的に第２面に冷却水供給用第２チャネルが決定される構造を有する。このような直線流路の構造によると、特に高出力領域で過度に流入する反応ガス（水素）と冷却水の流動抵抗を低減できる。
また、複数の第１突出部１３１、１３２は、反応領域１２０に位置しないように、第１分離板１１０の端に設けられ得る。具体的に、複数の第１突出部１３１、１３２は、反応領域１２０の一側に位置し、燃料ガスを反応領域１２０のそれぞれのチャネルに分配するための分配領域１３０に設けられ得る。前記第１突出部１３１、１３２は、反応ガスの分配均一度を向上させる機能を共に行う。
一方、第１突出部１３１、１３２は、円形または四角形の断面を有し得る。例えば、第１面の外部へ突出した第１突出部１３１は、四角形の断面を有し得、第２面の外部へ突出した第１突出部１３２は、円形の断面を有し得る。一方、第２面の外部へ突出した第１突出部１３２は、第２分離板の第２突出部１７１と接触することになる。このように、様々な形状の突出部を所定の配列で分配領域１３０に形成することにより、燃料／冷却水の流入／排出口における流動損失を低減し、流量分配の均一度を向上させることができる。前記分配領域１３０は、流動緩衝／分配機能を行う。また、第１分離板１１０には、反応領域と流入／流出口などをシーリングするためのガスケット（Ｇ）が設けられる。
一方、第２分離板１５０の第２面１５２は、第１分離板１１０の第２チャネル１１５と対向する面が平坦面に形成され得る。また、第１突出部１３１、１３２と第２突出部１７１とが接触するとき、第１分離板１１０の第２チャネル１１５は、第２分離板１５０の第２面１５２と接触しない。
以下、図４ａ、４ｂ及び図６を参照して、第２分離板１５０の構造及び酸化ガス（酸素）の流動を説明する。
第２分離板１５０は、第１面１５１に酸化ガスが流動するように、複数のホールを有する多孔体１８０が位置する反応領域１６０を備え、第２面１５２が平坦面に形成される。すなわち、第２分離板１５０は、第１面１５１が酸化ガスの流動のために表面構造化される。
具体的に、前記第１分離板１１０には、反応領域１２０に複数のチャネル１１３が直接成形されるが、第２分離板１５０は、平坦面上に結合された多孔体１８０が反応領域１６０を形成する構造を有する。第２分離板１５０は、第１面に金属材質の多孔体１８０（図９）が結合されることができる。このとき、前記多孔体１８０は、溶接（例えば、Ｓｐｏｔ Ｗｅｌｄｉｎｇなど）を通じて第１面１５１に固定され得る。
前記多孔体１８０は、反応ガス（例えば、酸化ガス）の流路を形成するための複数の流動ホールを有し得る。前記複数の流動ホールは、定形または非定形の反応ガス及び生成水の流路を形成し得る。
また、第２分離板１５０には、反応領域と流入／流出口などをシーリングするためのガスケット（Ｇ）が設けられ、セル電圧モニタリング端子１５５が設けられ得る。
また、複数の第２突出部１７１は、反応領域１６０に位置しないように、第２分離板１５０の端（第１分離板の分配領域に対応する位置）に設けられ得る。また、第２分離板１５０には、第１分離板１１０の分配領域１３０に対応する位置に複数の第２突出部１７１が形成された分配領域１７０が設けられ得る。
前記分配領域１３０、１７０により、反応ガス（燃料ガス、酸化ガス）の分配均一度を向上させることができる。
また、第２分離板１５０には、燃料ガス流入／排出口１９１及び冷却水流入／排出口１９２と、第１チャネルの幅方向の両側に位置する酸化ガス流入／排出口１９３とがそれぞれ設けられる。
また、第１分離板１１０における燃料ガスの流動方向と、第２分離板１５０における酸化ガスの流動方向とは、所定の角度で傾くことができる。例えば、第１分離板１１０における燃料ガスの主な流動方向と、第２分離板１５０における酸化ガスの主な流動方向とは、実質的に直交するようにそれぞれ供給され得る。
このように、第１分離板１１０と第２分離板１５０は互いに異なる構造を有し得る。このとき、アノード側／カソード側の分離板の両方をスタンピング成形分離板に形成する場合に比べて、いずれか一方の分離板に多孔体を適用する場合には、冷却水流路を形成する一面が平坦面に形成されるため、冷却水流路の深さが低くなる。このとき、セル性能の増加分だけ冷却水供給流量が増加する一方、冷却水流動可用面積が減少するため、冷却水流路２００の圧力損失増加の問題が発生し得る。このとき、第１突出部１３１と第２突出部１７１の整合構造により、冷却水流路の深さを増加させることができる。
以上で説明された本発明の好ましい実施例は、例示の目的のために開示されたものであり、本発明についての通常の知識を有する当業者であれば、本発明の思想と範囲内で様々な修正、変更、付加が可能であり、これらの修正、変更及び付加は、下記の特許請求の範囲に属するものと理解すべきである。
本発明の一実施例に係る燃料電池スタックによると、冷却水進入部の流体抵抗を減少させることができ、冷却性能の向上及び冷却水供給系統に連係されている流体機器の動力消費を減少させることができる。
Claims (11)
- 複数の燃料電池セルを含む燃料電池スタックであって、
前記複数の燃料電池セルのそれぞれは、アノード電極及びカソード電極を有する膜−電極接合体と、
前記膜−電極接合体の両面にそれぞれ配置されたガス拡散層と、
前記ガス拡散層と接触するように前記アノード電極側と対向する第１面及び前記第１面の反対方向の第２面を有する第１分離板と、
前記ガス拡散層と接触するように前記カソード電極側と対向する第１面及び前記第１面の反対方向の第２面を有する第２分離板と、
を含み、
隣接する２つの燃料電池セルは、いずれか一方の燃料電池セルの前記第１分離板の前記第２面と、他方の燃料電池セルの前記第２分離板の前記第２面とが対向するように積層され、
前記第１分離板には、前記第２面に外部へ突出した一つ以上の第１突出部が設けられ、
前記第２分離板には、前記第２面に前記第１突出部と接触するように外部へ突出した一つ以上の第２突出部が設けられ、
前記第１分離板の前記第２面と前記第２分離板の前記第２面とは、前記第１突出部及び前記第２突出部によって離隔され、
その間の空間に冷却水が供給され、
前記第２分離板は、前記第１面に酸化ガスが流動するように、複数のホールを有する多孔体が位置する反応領域を備え、
前記第２面が平坦面に形成された
燃料電池スタック。 - 隣接する２つの燃料電池セルの間の冷却水流動空間は、前記第１突出部及び前記第２突出部の高さの和以上の厚さを有する
請求項１に記載の燃料電池スタック。 - 前記第１分離板は、
前記第１面に燃料ガスが流動する複数の第１チャネルを含む反応領域を有し、
前記第２面に冷却水が流動するように、隣接する２つの第１チャネルの間に設けられた第２チャネルを含む
請求項１または２に記載の燃料電池スタック。 - 前記第１チャネル及び前記第２チャネルは、燃料ガスの流動方向に沿ってそれぞれ長く形成された
請求項３に記載の燃料電池スタック。 - 隣接する２つの前記第１チャネルは、前記第２チャネルを通じて連結される
請求項３または４に記載の燃料電池スタック。 - 複数の前記第１突出部は、反応領域に位置しないように、前記第１分離板の端に設けられた
請求項１から５のいずれか一項に記載の燃料電池スタック。 - 複数の前記第１突出部は、反応領域の一側に位置し、燃料ガスを反応領域のそれぞれのチャネルに分配するための分配領域に設けられた
請求項６に記載の燃料電池スタック。 - 前記第２分離板の前記第２面は、前記第１分離板の前記第２チャネルと対向する面が平坦面に形成された
請求項３に記載の燃料電池スタック。 - 前記第１突出部と前記第２突出部とが接触するとき、前記第１分離板の前記第２チャネルは、前記第２分離板の前記第２面と接触しない
請求項８に記載の燃料電池スタック。 - 複数の前記第２突出部は、反応領域に位置しないように、前記第２分離板の端に設けられた
請求項１から９のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。 - 前記第１分離板における燃料ガスの流動方向と、前記第２分離板における酸化ガスの流動方向とは、所定の角度で傾いた
請求項１０に記載の燃料電池スタック。
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