JP7236913B2

JP7236913B2 - 燃料電池用分離板組立体およびこれを含む燃料電池スタック

Info

Publication number: JP7236913B2
Application number: JP2019068747A
Authority: JP
Inventors: ホ、ソンイル; ヤン、ユチャン; チョン、ビョン－ホン
Original assignee: Hyundai Motor Co
Current assignee: Hyundai Motor Co
Priority date: 2018-12-06
Filing date: 2019-03-29
Publication date: 2023-03-10
Anticipated expiration: 2039-03-29
Also published as: JP2020092076A; KR20200069452A; US20200185730A1; DE102019207234A1; US11658313B2; CN111293326A

Description

本発明は、燃料電池用分離板組立体およびこれを含む燃料電池スタックに係り、より詳細には、生産コストを削減しながらもスタックの気密性および耐久性能を向上させることができる燃料電池用分離板組立体およびこれを含む燃料電池スタックに関する。

燃料電池は、燃料が持っている化学エネルギーをスタック内で電気化学的に反応させて電気エネルギーに変換する一種の発電装置であって、産業用、家庭用および車両の駆動電力を供給するだけでなく、携帯用装置などの小型電子製品の電力供給に使用でき、最近、その使用領域が高効率のクリーンエネルギー源へと益々拡大しつつある。

図１は一般な燃料電池スタックの構成を示す図、図２はサブガスケットが適用された燃料電池用単位セルを示す図、図３はサブガスケットが適用された燃料電池用単位セルにおけるガスケットの配置を示す図である。

図１から分かるように、一般な燃料電池スタックは、最も内側に膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ－ＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ）が位置するが、この膜電極接合体１０は、水素プロトン（Ｐｒｏｔｏｎ）を移動させることができる高分子電解質膜１１と、この電解質膜の両面に水素と酸素とが反応することができるように塗布された触媒層、すなわち、燃料極１２（ａｎｏｄｅ）および空気極１３（ｃａｔｈｏｄｅ）で構成されている。

また、前記膜電極集合体１０の外側部分、すなわち、燃料極１２および空気極１３が位置した外側部分には、ガス拡散層２０（ＧＤＬ：ＧａｓＤｉｆｆｕｓｉｏｎＬａｙｅｒ）が積層され、前記ガス拡散層２０の外側には、燃料を供給し且つ反応により発生した水を排出するように流路（ＦｌｏｗＦｉｅｌｄ）が形成された分離板３０ａ、３０ｂがガスケット４０（Ｇａｓｋｅｔ）を挟んで位置し、最も外側には、前述した各構成を支持および固定させるためのエンドプレート５０（Ｅｎｄｐｌａｔｅ）が結合される。

したがって、前記燃料電池スタックの燃料極１２では、水素の酸化反応が行われて水素イオン（プロトン（Ｐｒｏｔｏｎ））と電子（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ）が発生し、この時、生成された水素イオンと電子は、それぞれ電解質膜１１と電線を介して空気極１３へ移動し、前記空気極１３では、燃料極１２から移動した水素イオンと電子、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。

一方、前記分離板３０ａ、３０ｂは、支持の役割を果たすランドと、流体の流路となるチャネルが繰り返し形成された構造で製作されるのが一般的である。

つまり、一般な分離板は、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ので、ガス拡散層２０と向かい合う一面側のチャネルは、水素または空気などの反応ガスが流れる空間として活用されるとともに、反対側のチャネルは、冷却水が流れる空間として活用されることにより、水素／冷却水チャネルを有する分離板１枚と、空気／冷却水チャネルを有する分離板１枚の合計２枚の分離板から一つの単位セルを構成することができる。

一方、図２に示すように、膜電極集合体１０は、高分子電解質膜１１、燃料極１２および空気極１３のハンドリング（Ｈａｎｄｌｉｎｇ）を容易にしながらスタックの気密性を向上させるために、燃料極１２および空気極１３の縁領域にサブガスケット１４を形成することができる。

また、サブガスケット１４および分離板３０ａ、３０ｂには、両端領域に対して反応ガスおよび冷却水を流出入させる複数の入口マニホールドおよび出口マニホールドがそれぞれ形成される。

一方、図３に示すように、サブガスケット１４と一対の分離板３０ａ、３０ｂとの間には、反応ガスと冷却水が流動しなければならないため、サブガスケット１４と一対の分離板３０ａ、３０ｂとの間には、所定の厚さをもってゴム材質で形成されるガスケット４０ａ、４０ｂ、４０ｃが射出されて配置されることにより、単位セルの積層の際にガスケットが圧着されて相互間の間隔を維持しながらもスタックの気密性が保障される。

しかし、ゴム材質のガスケット４０ａ、４０ｂ、４０ｃは、コストが高いため、最近では、ガスケット４０ａ、４０ｂ、４０ｃが配置される厚さだけ分離板を突出させたビードシールを形成しながら薄い厚さでシール剤を塗布してスタックの気密性を確保している。

ところが、複数の単位セルを積層した後、圧着してスタックを構成する場合に、ビードシールが形成された領域に作用する面圧によってビードシールの形状が変更されながら気密性が低下するという問題が生じた。

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既に知られている従来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。

特開２０１８－１２５２５８号公報（２０１８年８月９日）

本発明は、ビードシールを適用して生産コストを削減しながらもスタックの気密性および耐久性能を向上させることができる燃料電池用分離板組立体およびこれを含む燃料電池スタックを提供することを目的とする。

本発明の一実施形態に係る燃料電池用分離板組立体は、シーリングのために突出したビードシールが形成される第１分離板と；前記第１分離板に接合されて一体化され、前記ビードシールが形成された位置と対応する位置に、前記ビードシールと同じ方向に突出するアーチ型の膨隆部が形成される第２分離板と；前記第２分離板の膨隆部が形成された位置における、突出方向と反対の方向面に形成されるガスケットと；前記第１分離板のビードシールが形成された位置における突出方向面に塗布されるシール剤と；を含んでなる。

前記第２分離板から膨隆部が突出する高さは、前記第１分離板からビードシールが突出する高さよりも低いことが好ましい。

前記第２分離板に形成される膨隆部の高さは、第１分離板と第２分離板との厚さの和と同じか小さいことが好ましい。

前記ガスケットの幅は前記シール剤の幅よりも大きいことが好ましい。

前記ガスケットは弾性のあるゴム素材を射出して形成され、前記シール剤はスクリーンコートされて塗布されることが好ましい。

一方、本発明の一実施形態に係る燃料電池スタックは、両端にサブガスケットが形成された膜電極接合体と、一対のガス拡散層、アノード分離板およびカソード分離板からなる多数の燃料電池セルとが積層されて形成される燃料電池スタックであって、互いに隣接する燃料電池セルにおいて互いに対面するアノード分離板とカソード分離板とが接合されて一体化され、前記アノード分離板には、シーリングのために突出したビードシールが形成され、前記カソード分離板には、前記ビードシールの形成位置と対応する位置に、前記ビードシールと同じ方向に突出するアーチ型の膨隆部が形成されることを特徴とする。

前記カソード分離板の膨隆部が形成された位置における、突出方向と反対の方向面にはガスケットが形成され、前記アノード分離板のビードシールが形成された位置における突出方向面にはシール剤が塗布されることが好ましい。

前記アノード分離板に形成されるビードシールは、隣接するサブガスケット方向に突出して前記シール剤によって前記サブガスケットに密着してシールされ、水素が流動する領域では、前記ビードシールの両側外郭領域でアノード分離板とカソード分離板とを接合させる接合部が形成され、前記ビードシールには、ビードシールの両側外郭領域を連通させてアノード分離板とサブガスケットとの間に水素を流動させる一対の連通孔が形成されることが好ましい。

前記カソード分離板に形成される膨隆部は、隣接するサブガスケット方向の反対方向に突出して前記ガスケットによって前記サブガスケットに密着してシールされ、空気が流動する領域では、前記膨隆部の両側外郭領域のうち、空気の流れ方向における上流領域はカソード分離板とアノード分離板との間を離隔させ、空気の流れ方向における下流領域にはカソード分離板とアノード分離板とを接合させる接合部が形成され、前記膨隆部には、空気の流れ方向における下流領域に膨隆部の一面と他面を貫通させて、カソード分離板とアノード分離板との間に流動する空気をカソード分離板とサブガスケットとの間に流動させる貫通孔が形成されることが好ましい。

前記カソード分離板に形成される膨隆部は、隣接するサブガスケット方向の反対方向に突出して前記ガスケットにより前記サブガスケットに密着してシールされ、空気が流動する領域では、前記ガスケットに段差を形成して段差によりガスケットの両側外郭領域を連通するようにして、カソード分離板とサブガスケットとの間に空気を流動させることが好ましい。

前記アノード分離板は、前記シール剤により前記サブガスケットに密着してシールされ、前記カソード分離板は、前記ガスケットにより前記サブガスケットに密着してシールされ、冷却水が流動する領域では、前記アノード分離板に形成されるビードシールのうち、前記アノード分離板とカソード分離板との間で冷却水が流動する領域に形成されるビードシールの両側外郭領域をカソード分離板と離隔させて、アノード分離板とカソード分離板との間に冷却水を流動させることが好ましい。

本発明の実施形態によれば、一対の分離板を一体化させる場合、１つの分離板にはビードシールを適用し、残り一つの分離板にはアーチ型の膨隆部とゴム素材のガスケットを適用することにより、生産コストを削減しながらもスタックの気密性および耐久性能を向上させることができる。

一般な燃料電池スタックの構成を示す図である。サブガスケットが適用された燃料電池用単位セルを示す図である。サブガスケットが適用された燃料電池用単位セルにおけるガスケットの配置を示す図である。本発明の一実施形態に係る燃料電池用分離板組立体の要部を示す図である。本発明の一実施形態に係る燃料電池用分離板組立体の要部を示す図である。本発明の一実施形態に係る燃料電池用分離板組立体における、水素が流動する領域を示す図である。本発明の一実施形態に係る燃料電池用分離板組立体における、空気が流動する領域を示す図である。本発明の一実施形態に係る燃料電池用分離板組立体における、空気が流動する領域を示す図である。本発明の一実施形態に係る燃料電池用分離板組立体における、冷却水が流動する領域を示す図である。本発明の一実施形態に係る燃料電池用分離板組立体に作用する面圧を示す図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態をより詳細に説明する。しかし、本発明は、以下で開示する実施形態に限定されるものではなく、互いに異なる多様な形態で実現される。但し、本実施形態は、本発明の開示を完全たるものし、通常の知識を有する者に発明の範疇を完全に知らせるために提供されるものである。図面上において、同一符号は同一の要素を指し示す。

本発明の一実施形態に係る燃料電池スタックは、図１および図２に示された従来のスタック構成をそのまま維持しながら、分離板の形状および気密構造を改善して反応ガスおよび冷却水の流動性を確保しかつ気密性を向上させるものである。したがって、本発明の一実施形態に係る燃料電池スタックは、図１および図２に示すように、両端にサブガスケット１４が形成された膜電極接合体１０、一対のガス拡散層２０、アノード分離板３０ａおよびカソード分離板３０ｂを含めて単位セルを構成し、単位セルが多数個直列に接続されて構成される。よって、１つのセルに構成されるアノード分離板３０ａは、それに隣接するセルに構成されるカソード分離板３０ｂと互いに対面して配置されるが、本実施形態では、互いに対面するアノード分離板３０ａとカソード分離板３０ｂとを接合して一体化させることにより分離板組立体を構成する。

付け加えると、図４および図５は本発明の一実施形態に係る燃料電池用分離板組立体の要部を示す図である。図４および図５は、説明の便宜のために、本実施形態で改善される分離板の形状および気密構造を示す要部を表現したものである。このとき、サブガスケット１４、アノード分離板２００およびカソード分離板１００は、説明の便宜のために、互いに離隔して配置された状態を示す。

図５に示すように、本実施形態に係る燃料電池用分離板組立体は、相互間に積層されて圧着が行われる場合に気密性を維持しながら、面圧によって分離板が変形することを最小限に抑えるための方案として、シーリングのために突出したビードシール２１０が形成される第１分離板２００と；前記第１分離板２００と接合されて一体化されるが、前記ビードシール２１０が形成された位置と対応する位置に、前記ビードシール２１０と同じ方向に突出するアーチ型の膨隆部１１０が形成される第２分離板１００と；前記第２分離板１００の膨隆部１１０が形成された位置における、突出方向と反対の方向面に形成されるガスケット３００と；前記第１分離板２００のビードシール２１０が形成された位置における突出方向面に塗布されるシール剤４００と；を含む。以下、第１分離板２００はアノード分離板と説明し、第２分離板１００はカソード分離板と説明する。

また、ガスケット３００は弾性のあるゴム素材を射出して形成され、シール剤４００はスクリーンコートされて塗布されることが好ましい。

このようにアノード分離板２００に形成されるビードシール２１０に対応する膨隆部１１０をカソード分離板１００に形成する理由は、スタックの積層時にビードシール２１０が形成された領域に面圧が作用する場合、ビードシール２１０によって形成されるカソード分離板１００とアノード分離板２００との間の空間にカソード分離板１００が変形しながら、カソード分離板１００とアノード分離板２００との密着度が低下し、これによりスタックの気密性が低下することを防止するためである。

このため、本実施形態では、カソード分離板１００に予めアーチ型の膨隆部１１０を形成することにより、該当領域に面圧が発生してもアーチ型の構造によって該当領域での変形が防止されるようにする。

よって、カソード分離板１００に形成される膨隆部１１０が突出する高さは、アノード分離板２００からビードシール２１０が突出する高さよりも低くすることが好ましい。さらに好ましくは、膨隆部１１０の高さｈはアノード分離板２００とカソード分離板１００との厚さの和と同一にするかそれよりも小さくするのがよい。

面圧の分散のために、ガスケット３００の幅Ｗ_Ｇはシール剤４００の幅Ｗ_Ｓよりも大きくすることが好ましい。さらに好ましくは、ガスケット３００の幅Ｗ_Ｇはシール剤４００の幅Ｗ_Ｓと積層公差との和よりも大きくすることが好ましい。もしシール剤４００の幅Ｗ_Ｓがガスケット３００の幅Ｗ_Ｇよりも大きく形成される場合には、その分だけビードシール２１０の幅が大きくなることを意味し、この場合、ビードシール２１０の剛性が弱いため、スタックの積層時にビードシール２１０での変形が発生して気密性が低下する問題が発生するおそれがある。

一方、前記で提示された気密構造は、燃料電池スタックに構成される膜電極接合体を取り囲む領域、複数の入口マニホールドおよび出口マニホールドを取り囲む領域に適用され、該当領域の気密性を確保することが好ましい。

但し、膜電極接合体が配置される反応面と複数の入口マニホールドおよび出口マニホールドとの間には、水素および空気などの反応ガスと冷却水を流動させるための流路を確保しなければならない。

そのため、本発明に係る分離板組立体は、水素、空気および冷却水が流動する領域の構造にそれぞれ流路を形成することができるようにビードシール、膨隆部およびガスケットのいずれかの構造を変更することができる。

図６は本発明の一実施形態に係る燃料電池用分離板組立体における、水素が流動する領域を示す図であり、図７および図８は本発明の一実施形態に係る燃料電池用分離板組立体における、空気が流動する領域を示す図であり、図９は本発明の一実施形態に係る燃料電池用分離板組立体における、冷却水が流動する領域を示す図である。例えば、図６は図２におけるＡ－Ａ線に沿った断面構造に該当し、図７および図８は図２におけるＣ－Ｃ線に沿った断面構造に該当し、図９は図２におけるＢ－Ｂ線に沿った断面構造に該当する。

まず、図６に示すように、水素が流動する領域では、アノード分離板２００に形成されるビードシール２１０が隣接のサブガスケット１４の方向に突出し、シール剤４００によってサブガスケット１４に密着してシールされる。このとき、ビードシール２１０の両側外郭領域に、アノード分離板２００とカソード分離板１００とを接合させる接合部Ｗ１、Ｗ２が形成される。

また、ビードシール２１０には、ビードシール２１０の両側外郭領域を連通させる一対の連通孔２１１が形成される。よって、一対の連通孔２１１を介して、アノード分離板２００とサブガスケット１４との間に水素が流動して反応面へ水素が供給される。

また、空気が流動する領域では、図７に示すように、カソード分離板１００に形成される膨隆部１１０は、隣接するサブガスケット１４方向の反対方向に突出し、ガスケット３００によってサブガスケット１４に密着してシールされる。この時、膨隆部１１０の両側外郭領域のうち、空気の流れ方向における上流領域はカソード分離板１００とアノード分離板２００との間を離隔させ、空気の流れ方向における下流領域にはカソード分離板１００とアノード分離板２００とを接合させる接合部Ｗ１が形成される。

また、膨隆部１１０には、空気の流れ方向における下流領域に膨隆部１１０の一面と他面を貫通させて、カソード分離板１００とアノード分離板２００との間に流動する空気をカソード分離板１００とサブガスケット１４との間に流動させる貫通孔１１１が形成される。そのため、空気の流れ方向における上流領域では、カソード分離板１００とアノード分離板２００との間に空気が流動した後に貫通孔１１１を通過し、次いで、空気の流れ方向における下流領域では、カソード分離板１００とサブガスケット１４との間に空気が流動して反応面へ空気が供給される。

一方、図８を参照すると、空気が流動する領域では、空気を流動させる他の実施形態として、カソード分離板１００に形成される膨隆部１１０は隣接するサブガスケット１４方向の反対方向に突出し、ガスケット３００によってサブガスケット１４に密着してシールされる。そして、ビードシール２１０の両側外郭領域に、アノード分離板２００とカソード分離板１００とを接合させる接合部Ｗ１、Ｗ２が形成される。

このとき、カソード分離板１００とサブガスケット１４との間に形成されるガスケット３００に段差３１０を形成し、段差３１０によってガスケットの両側外郭領域を連通させる。よって、カソード分離板１００とサブガスケット１４との間に空気を流動させることにより、反応面へ空気が供給される。

一方、冷却水が流動する領域では、図９に示すように、アノード分離板２００はシール剤４００によってサブガスケット１４に密着してシールされ、カソード分離板１００はガスケット３００によってサブガスケット１４に密着してシールされる。

この時、アノード分離板２００とカソード分離板１００との間で冷却水が流動する領域に形成されるビードシール２１０の両側外郭領域は、カソード分離板１００と離隔させる。そのため、アノード分離板２００とカソード分離板１００との間に冷却水を流動させる。

一方、図１０は本発明の一実施形態に係る燃料電池用分離板組立体に作用する面圧を示す図である。本発明に係る分離板組立体を適用してスタックを積層する場合には、面圧分布Ａがビードシール２１０の形状に沿ってビードシール２１０の中心部に向かうほど面圧が高くなる傾向を示した。このように形成される面圧に対してカソード分離板１００が変形するのを防止するために、カソード分離板１００にアーチ型の膨隆部１１０を形成したのである。

本発明を添付図面と前述した好適な実施形態を参照して説明したが、本発明は、これに限定されず、後述される特許請求の範囲によって限定される。よって、本技術分野における通常の知識を有する者であれば、後述される特許請求の範囲の技術的思想から逸脱することなく、本発明を多様に変更および修正することができる。

１００カソード分離板
１１０膨隆部
１１１連通孔
２００アノード分離板
２１０ビードシール
２１１貫通孔
３００ガスケット
３１０段差
４００シール剤

Claims

シーリングのために突出したビードシールが形成される第１分離板と；
前記第１分離板に接合されて一体化され、前記ビードシールが形成された位置と対応する位置に、前記ビードシールと同じ方向に突出するアーチ型の膨隆部が形成される第２分離板であって、前記アーチ型の膨隆部の中央側の上面が前記第２分離板の両端面よりも上方に位置する、第２分離板と；
前記第２分離板の膨隆部が形成された位置における、突出方向と反対の方向面に形成されるガスケットと；
前記第１分離板のビードシールが形成された位置における突出方向面に塗布されるシール剤と；を含む、燃料電池用分離板組立体。
前記第２分離板から膨隆部が突出する高さは、前記第１分離板からビードシールが突出する高さよりも低いことを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池用分離板組立体。
前記第２分離板に形成される膨隆部の高さは、第１分離板と第２分離板との厚さの和と同じか小さいことを特徴とする、請求項２に記載の燃料電池用分離板組立体。
前記ガスケットの幅は前記シール剤の幅よりも大きいことを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池用分離板組立体。
前記ガスケットは弾性のあるゴム素材を射出して形成されることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池用分離板組立体。
両端にサブガスケットが形成された膜電極接合体と、一対のガス拡散層、アノード分離板およびカソード分離板からなる多数の燃料電池セルとが積層されて形成される燃料電池スタックであって、
互いに隣接する燃料電池セルにおいて互いに対面するアノード分離板とカソード分離板とが接合されて一体化され、
前記アノード分離板には、シーリングのために突出したビードシールが形成され、
前記カソード分離板には、前記ビードシールの形成位置と対応する位置に、前記ビードシールと同じ方向に突出するアーチ型の膨隆部が形成され、前記アーチ型の膨隆部の中央側の上面が前記カソード分離板の両端面よりも上方に位置し、
前記カソード分離板の膨隆部が形成された位置における、突出方向と反対の方向面にはガスケットが形成され、
前記アノード分離板のビードシールが形成された位置における突出方向面にはシール剤が塗布されることを特徴とする、燃料電池スタック。
前記アノード分離板に形成されるビードシールは、隣接するサブガスケット方向に突出し、前記シール剤によって前記サブガスケットに密着してシールされ、
水素が流動する領域では、前記ビードシールの両側外郭領域でアノード分離板とカソード分離板とを接合させる接合部が形成され、前記ビードシールには、ビードシールの両側外郭領域を連通させてアノード分離板とサブガスケットとの間に水素を流動させる一対の連通孔が形成されることを特徴とする、請求項６に記載の燃料電池スタック。
前記カソード分離板に形成される膨隆部は、隣接するサブガスケット方向の反対方向に突出し、前記ガスケットによって前記サブガスケットに密着してシールされ、
空気が流動する領域では、前記膨隆部の両側外郭領域のうち、空気の流れ方向における上流領域はカソード分離板とアノード分離板との間を離隔させ、空気の流れ方向における下流領域にはカソード分離板とアノード分離板とを接合させる接合部が形成され、前記膨隆部には、空気の流れ方向における下流領域に膨隆部の一面と他面を貫通させて、カソード分離板とアノード分離板との間に流動する空気をカソード分離板とサブガスケットとの間に流動させる貫通孔が形成されることを特徴とする、請求項６に記載の燃料電池スタック。
前記カソード分離板に形成される膨隆部は、隣接するサブガスケット方向の反対方向に突出し、前記ガスケットにより前記サブガスケットに密着してシールされ、
空気が流動する領域では、前記ガスケットに段差を形成して段差によりガスケットの両側外郭領域を連通するようにして、カソード分離板とサブガスケットとの間に空気を流動させることを特徴とする、請求項６に記載の燃料電池スタック。
前記アノード分離板は、前記シール剤により、隣接する異なるサブガスケットのうちの一方に密着してシールされ、前記カソード分離板は、前記ガスケットにより前記隣接する異なるサブガスケットのうちの他方に密着してシールされ、
冷却水が流動する領域では、前記アノード分離板に形成されるビードシールのうち、前記アノード分離板とカソード分離板との間で冷却水が流動する領域に形成されるビードシールの両側外郭領域をカソード分離板と離隔させてアノード分離板とカソード分離板の間に冷却水を流動させることを特徴とする、請求項６に記載の燃料電池スタック。