JP7036498B2 - 燃料電池セルおよびこれを含む燃料電池スタック - Google Patents

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Description

本発明は燃料電池セルおよびこれを含む燃料電池スタックに関する。
本出願は２０１８年２月２２日付韓国特許出願第１０－２０１８－００２０８４０号に基づいた優先権の利益を主張し、該当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、酸化剤（燃料）および還元剤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って、燃料が継続して供給される限り持続的に発電が可能な長所がある。
図１および図２は、従来の燃料電気スタック１を示す概略図である。
燃料電池スタック１は複数個の燃料電池セル１０を含み、複数個の燃料電池セルは積層されてスタックを形成する。
燃料電池スタック１は、高分子物質で構成された電解質膜を中心としてアノード１１ａ（ａｎｏｄｅ）とカソード１１ｂ（ｃａｔｈｏｄｅ）がそれぞれ塗布されて形成された電極層を具備する膜－電極接合体１１（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ、ＭＥＡ）、電極層領域の外周にプラスチックフィルム素材の熱粘着保護フィルム１７（ｓｕｂｇａｓｋｅｔ）、反応ガスを反応領域の全体に亘って等しく分布させ、アノード電極の酸化反応によって発生した電子をカソード電極側に伝達する役割をするガス拡散層１２（Ｇａｓ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｌａｙｅｒ、ＧＤＬ）、反応ガスをガス拡散層に供給し、同様の役割をするグラファイト（ｇｒａｐｈｉｔｅ）および金属素材の分離板１３（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および冷却水の漏出を防止する、弾性を有するゴム素材のガスケット１８（ｇａｓｋｅｔ）を含むことができる。
前記分離板１３はガス拡散層１２と接触する複数個のリブ１４および反応ガスの流れを案内する複数個のチャネル１５を含む。また、分離板１３は内部に冷却水の流動を案内するための冷却水チャネル１６を有する。
また、イオンの移動方向は膜厚方向Ｆに沿ってなされる。
特に、高分子電解質燃料電池は高分子電解質のイオン伝導度の確保のために燃料の加湿が必要である。具体的には、水素燃料電池は駆動は水素ガスと酸素（空気）ガスの酸化還元反応を通じて電気エネルギーに切り替える装置であり、電気化学的反応のために反応表面である触媒層とイオン伝導の媒介体である電解質膜に水（加湿）が必ず必要である。
このような理由で、反応物である水素と空気の反応のために加湿が必要であり、加湿器の容量の低減とシステム費用の低減のために、低加湿または無加湿で駆動する燃料電池技術が必要である。これに伴い、低加湿環境で加湿量の確保のための多様な自家加湿方式に対する技術が開発されている。
本発明は、反応燃料の低加湿または無加湿で駆動す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。
前記のような課題を解決するために、本発明の一側面によると、第１面および第１面と反対方向の第２面を有し、第１面にアノード電極およびカソード電極がそれぞれ配置された膜－電極接合体；第２面上に所定の間隔で離隔配置されるエンドプレート；アノード電極上に配置された第１ガス拡散層；カソード電極上に配置された第２ガス拡散層；第１ガス拡散層上に配置され、複数個の流動チャネルを有する第１分離板；および第２ガス拡散層上に配置され、複数個の流動チャネルを有する第２分離板を含む燃料電池セルが提供される。
本発明の一実施例と関連した燃料電池スタックは下記のような効果を有する。
低加湿または無加湿で駆動し得、燃料電池の駆動時に無加湿反応物（水素、酸素（空気））の使用が可能である。
特に、反応物を無加湿状態で注入（ｄｒａｙ ｇａｓ）し、燃料電池スタックに必須的に供給されて運用される冷却水を膜－電極接合体（ＭＥＡ）の加湿の用途で使用できる構造を有する。
この時、反応物は無加湿状態で供給されるが、膜－電極接合体の一面が冷却水に露出するため、従来のように反応物の助けがなくても膜－電極接合体の加湿が可能となる。
また、従来にはガスの透過が膜の薄い厚さ方向になされていたため耐久性に影響を及ぼしていたが、本発明の場合、ガスの透過が膜の面方向に沿ってなされるため、距離と抵抗が大きくなり、ガス透過度の低減によるＯＣＶおよび耐久性が向上する。
本発明の一実施例と関連した燃料電池スタックを示す概略図。 本発明の一実施例と関連した燃料電池スタックを示す概略図。 本発明の一実施例と関連した燃料電池スタックを示す概略図。 図３に図示された膜－電極接合体を示す図面。 本発明の一実施例と関連した燃料電池セルの分離斜視図。 膜－電極接合体の多様な実施例を示す概略図。
以下、本発明の一実施例に係る燃料電池セルおよびこれを含む燃料電気スタックを、添付された図面を参照して詳細に説明する。
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する参照番号を付与してこれに対する重複説明は省略し、説明の便宜のために図示された各構成部材の大きさおよび形状は誇張または縮小され得る。
図３は本発明の一実施例と関連した燃料電池スタック１００を示す概略図であり、図４は図３に図示された膜－電極接合体２１０を示す図面であり、図５は本発明の一実施例と関連した燃料電池セル２００の分離斜視図である。
また、図６は膜－電極接合体の多様な実施例を示す概略図である。
図３～図５を参照すると、燃料電池スタック１００は複数個の燃料電池セル２００を含む。
燃料電池セル２００は、膜－電極接合体２１０、エンド（ｅｎｄ）プレート２４０、第１ガス拡散層２２１、第２ガス拡散層２２２、第１分離板２３１および第２分離板２３２を含む。
具体的には、燃料電池セル２００は第１面および第１面と反対方向の第２面を有し、第１面にアノード（ａｎｏｄｅ）電極２１１およびカソード（ｃａｔｈｏｄｅ）電極２１２がそれぞれ配置された膜－電極接合体２１０を含む。また、燃料電池セル２００は膜－電極接合体２１０の第２面上に所定の間隔で離隔配置されるエンドプレート２４０を含む。冷却水の漏水を防止するガスケット２６０により前記エンドプレート２４０および膜－電極接合体２１０の第２面間に所定の空間部Ｓが形成され、膜－電極接合体２１０の第２面は前記空間部Ｓに露出する。
また、燃料電池セル２００は、アノード電極２１１上に配置された第１ガス拡散層２２１およびカソード電極２１２上に配置された第２ガス拡散層２２２を含む。すなわち、第１ガス拡散層２２１および第２ガス拡散層２２２はいずれも膜－電極接合体２１０の第１面上に配置される。
また、燃料電池セル２００は第１ガス拡散層２２１上に配置され、複数個の流動チャネルを有する第１分離板２３１および第２ガス拡散層２２２上に配置され、複数個の流動チャネルを有する第２分離板２３２を含む。第１および第２分離板２３１、２３２は、それぞれのガス拡散層に接触する複数個のリブおよび反応ガスが流動する複数個の流動チャネルを有する。また、第１および第２分離板２３１、２３２は内部に冷却水の流動を案内するための冷却水チャネルを有することができる。
このような構造において、イオンの移動方向は膜－電極接合体２１０の面方向Ｆである。
また、エンドプレート２４０と膜－電極接合体２１０の第２面との間の空間に冷却水が供給され得る。これに伴い、膜－電極接合体２１０の第２面は冷却水に露出し、加湿がなされることになる。また、いずれか一つの燃料電池セル２００のエンドプレート２４０は隣接して積層された他の燃料電池セルの第１および第２分離板と接触する。この時、エンドプレート２４０を媒介として、隣接した燃料電池セルの第１および第２分離板の冷却がなされる。
すなわち、膜－電極接合体２１０の第２面とエンドプレート２４０との間の空間に冷却水を供給することによって、燃料電池セル２００の冷却および膜－電極接合体への加湿が同時になされ得る。
また、エンドプレート２４０と膜－電極接合体２１０の第２面との間の空間には、冷却水の流れを案内するためのチャネル部材が配置され得る。この時、チャネル部材はメッシュ（ｍｅｓｈ）部材２５０を含むことができる。また、チャネル部材は流路および多孔性メッシュ部材を含むことができる。
また、燃料電池セル２００は第１ガス拡散層２２１および第２ガス拡散層２２２を個別にシーリングするための一つ以上の第１ガスケット２７０を含むことができる。例えば、第１ガス拡散層２２１および第２ガス拡散層２２２を個別にシーリングするために、第１ガスケット２７０は第１ガス拡散層２２１が収容される第１開口部２７１および第２ガス拡散層２２２が収容される第２開口部２７２を含むことができる。
前記第１分離板２３１および第２分離板２３２は電気伝導性を有し、第１分離板２３１と第２分離板２３２を電気的に絶縁させるために、燃料電池セル２００は第１分離板２３１および第２分離板２３２の間に配置された絶縁部材２８０をさらに含むことができる。前記絶縁部材２８０は、アクリル、ポリカーボネート、テフロン（登録商標）、およびポリビニルクロライドなどのプラスチック系列の素材を含み、前記絶縁部材２８０はエンドプレート２４０と同じ素材で、一体に形成されてもよい。
また、燃料電池セル２００はエンドプレート２４０と膜－電極接合体２１０の第２面との間に配置される第２ガスケット２６０をさらに含むことができる。第２ガスケット２６０は中央領域に開口部を有することができ、前記開口部には前述したメッシュ部材２５０が挿入され得る。
また、エンドプレート２４０は絶縁エンドプレートであって、電気絶縁性を有することができる。前記エンドプレート２４０は電気絶縁性を有する素材で形成され得る。例えば、エンドプレート２４０は、アクリル、ポリカーボネート、テフロン、およびポリビニルクロライドなどのプラスチック系列の素材で形成され得、前記エンドプレート２４０は絶縁部材２８０と同じ素材で形成され得、前記絶縁部材２８０と一体に形成され得る。
図６を参照すると、膜－電極接合体２１０、２１０'、２１０''でアノード電極２１１、２１１'、２１１''およびカソード電極２２１、２２１'、２２１''は多様な形状および大きさを有することができる。
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って、本発明に対する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多様な修正、変更、付加が可能であり、このような修正、変更および付加は下記の特許請求の範囲に属するものと見なされるべきである。
本発明の一実施例と関連した燃料電池スタックは低加湿または無加湿で駆動し得、燃料電池の駆動時に無加湿反応物（水素、酸素（空気））の使用が可能な構造を有する。

Claims (9)

  1. 第１面および前記第１面と反対方向の第２面を有し、前記第１面にアノード電極およびカソード電極がそれぞれ配置された膜－電極接合体；
    前記第２面上に離隔して配置されるエンドプレート；
    前記アノード電極上に配置された第１ガス拡散層；
    前記カソード電極上に配置された第２ガス拡散層；
    前記第１ガス拡散層上に配置され、複数個の流動チャネルを有する第１分離板；および
    前記第２ガス拡散層上に配置され、複数個の流動チャネルを有する第２分離板を含み、
    前記エンドプレートと前記膜－電極接合体の前記第２面との間の空間に冷却水が供給される、燃料電池セル。
  2. 前記エンドプレートと前記膜－電極接合体の前記第２面との間の空間には冷却水の流れを案内するためのチャネル部材が配置された、請求項１に記載の燃料電池セル。
  3. 前記チャネル部材はメッシュ部材を含む、請求項２に記載の燃料電池セル。
  4. 前記第１ガス拡散層および前記第２ガス拡散層を個別にシーリングするための一つ以上の第１ガスケットを含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料電池セル。
  5. 前記第１ガス拡散層が収容される第１開口部および前記第２ガス拡散層が収容される第２開口部を含む第１ガスケットを含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料電池セル。
  6. 前記第１分離板および前記第２分離板との間に配置された絶縁部材をさらに含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の燃料電池セル。
  7. 前記エンドプレートと前記膜－電極接合体の前記第２面との間に配置される第２ガスケットをさらに含む、請求項１から６のいずれか一項に記載の燃料電池セル。
  8. 前記エンドプレートは電気絶縁性を有する、請求項１から７のいずれか一項に記載の燃料電池セル。
  9. 請求項１から８のいずれか一項に記載の燃料電池セルを含む、燃料電池スタック。
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