JP7843543B2 - 点接触チャネル構造を有する燃料電池セパレータ - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池セパレータに係り、さらに詳細には、セパレータのチャネル構造を傾斜するように形成して凝縮水の移送及び排出が円滑に行われるようにするとともに、両側の燃料極セパレータと空気極セパレータとが重なり合う部分が点接触して最小の面積を有するようにすることにより、ガス拡散層が押圧されて水溜まりが発生し且つ電極性能が低下することを最小限に抑えることができるようにする、点接触チャネル構造を有する燃料電池セパレータに関する。

燃料電池は、燃料が持っている化学エネルギーを電気化学的に反応させて電気エネルギーに変換させるエネルギー変換装置であって、産業用、家庭用及び車両用電力を供給するだけでなく、小型の電気／電子製品、携帯機器の電力を供給するにも利用可能である。

燃料電池は、様々な種類が存在するが、高い電力密度を有する高分子電解質膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ、Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）が主に使用されており、最も内側に膜電極接合体（ＭＥＡ、Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）が位置し、膜電極接合体には、水素イオンを移動させることが可能な固体高分子電解質膜と、電解質膜の両面に水素と酸素とが反応できるように触媒が塗布された電極層であるカソード（Ｃａｔｈｏｄｅ）及びアノード（Ａｎｏｄｅ）で構成される。

また、膜電極接合体（ＭＥＡ）の両側には、水素及び酸素が電極へ拡散するようにするガス拡散層（ＧＤＬ）が形成され、ガス拡散層の両側には、図１に示すように、水素及び空気が供給される通路を形成するアノードセパレータ及びカソードセパレータが形成される。

このとき、各アノードセパレータ及びカソードセパレータには、下記特許文献のようにチャネルリブ（Ｃｈａｎｎｅｌ Ｒｉｂ）が突設され、水素、空気がそれぞれ流動する複数の通路を形成するが、図１（ｂ）に示すように、ガス拡散層が両側のチャネルリブによって押圧されることにより圧縮されて水溜まりが発生し、水溜まりが発生する場合にガス供給が遮断されて反応可能な電極面積を減少させ、これにより性能の低下が発生するという問題点があった。

韓国登録特許第１０－２１３１７０２号公報

本発明は、かかる問題点を解決するために案出されたもので、その目的は、セパレータのチャネル構造を傾斜するように形成して凝縮水の移送及び排出が円滑に行われるようにするとともに、両側の燃料極セパレータと空気極セパレータとが重なり合う部分が点接触して最小の面積を有するようにすることにより、ガス拡散層が押圧されて水溜まりが発生し且つ電極性能が低下することを最小限に抑えることができるようにする燃料電池セパレータを提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明は、次の構成を有する実施形態によって実現される。

本発明の一実施形態によれば、本発明による燃料電池セパレータは、膜電極接合体の両側に一対が形成され、それぞれ燃料及び空気の流動する通路を形成する燃料極セパレータ及び空気極セパレータを含み、前記燃料極セパレータは、膜電極接合体側に突出し、一定間隔離隔するように複数個が形成されて燃料の流動する複数の通路を形成する第１チャネルを含み、前記空気極セパレータは、膜電極接合体側に突出し、一定間隔離隔するように複数個が形成されて空気の流動する複数の通路を形成する第２チャネルを含み、前記第１チャネル及び第２チャネルは、それぞれ電極の長さ方向に沿って一定角度傾して形成され、互いに異なる角度で傾斜して点接触するように形成されることを特徴とする。

本発明の他の実施形態によれば、本発明に係る燃料電池セパレータにおいて、前記第１チャネルは、電極の長さ方向に対して０°超過９０°未満の角度を有するように傾斜して形成され、前記第２チャネルは、同じ長さ方向に対して９０°超過１８０°未満の角度を有するように傾斜して形成されることを特徴とする。

本発明の別の実施形態によれば、本発明による燃料電池セパレータにおいて、前記第１チャネルと第２チャネルとは、同じ角度を有し、反対方向に傾斜するように形成されることを特徴とする。

本発明の別の実施形態によれば、本発明による燃料電池セパレータにおいて、前記第１チャネル及び第２チャネルが点接触する広さが全体電極面積の１０～２０％の範囲となるようにすることを特徴とする。

本発明の別の実施形態によれば、本発明に係る燃料電池セパレータにおいて、前記燃料極セパレータは、直線状に形成される前記第１チャネルが複数個に分割されながら一定空間を形成し、第１チャネルに沿って一定間隔で形成される第１空間離隔部と、複数個の列をなす第１チャネルの間に形成されて燃料及び凝縮水が流動する第１流動空間部と、を含み、前記空気極セパレータは、直線状に形成される前記第２チャネルを分割して一定空間を形成し、第２チャネルに沿って一定間隔で形成される第２空間離隔部と、複数個の列をなす第２チャネルの間に形成されて空気及び凝縮水が流動する第２流動空間部と、を含み、前記第１、第２空間離隔部は、燃料又は空気が流動する方向の垂直方向にそれぞれ第１、第２チャネルによって閉鎖されることを特徴とする。

本発明は、前述した本実施形態と後述する説明する構成、結合、使用関係によって次の効果を得ることができる。

本発明は、セパレータのチャネル構造を傾斜するように形成して凝縮水の移送及び排出が円滑に行われるようにするとともに、両側の燃料極セパレータと空気極セパレータとが重なり合う部分が点接触して最小の面積を有するようにすることにより、ガス拡散層が押圧されて水溜まりが発生し且つ電極性能が低下することを最小限に抑えることができるようにするという効果がある。

従来の燃料電池スタック構造体の問題点を説明するための参考図である。 本発明の一実施形態による燃料電池セパレータを示す平面図である。 図２のセパレータによる点接触構造を説明するための参考図である。 燃料極セパレータと空気極セパレータとが交差する状態を示す参考図である。 セパレータの詳細構造を示す参考図である。 従来の燃料極セパレータ（ａ）、空気極セパレータ（ｂ）の構造及び水分凝縮部（ｃ）の形成位置を示す図である。 従来の他の構造の燃料極セパレータ及びこれによるフラディング（Ｆｌｏｏｄｉｎｇ）形成過程を示す図である。 従来の別の構造の燃料極セパレータ及びこれによるフラディング（Ｆｌｏｏｄｉｎｇ）緩和過程を示す図である。 図８の問題点を示す図である。

以下、本発明による点接触チャネル構造を有する燃料電池セパレータの好適な実施形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。本発明を説明するにあたり、公知の機能又は構成についての具体的な説明が、本発明の要旨を不要に不明確にするおそれがあると判断された場合には、その詳細な説明を省略する。明細書全体において、ある部分がある構成要素を「含む」とするとき、これは、特に反対の記載がない限り、他の構成要素を除外するものではなく、他の構成要素をさらに含んでもよいことを意味する。

本発明の一実施形態による点接触チャネル構造を有する燃料電池セパレータを図２～図５を参照して説明すると、前記燃料電池セパレータは、膜電極接合体の両側に一対が形成されてそれぞれ燃料及び空気の流動する通路を形成する燃料極セパレータ１及び空気極セパレータ３を含むとともに、前記燃料極セパレータ１及び空気極セパレータ３のそれぞれは電極の長さ方向に対して一定傾斜を有するように形成される第１チャネル１１、第２チャネル３１を含むことで、燃料及び空気の流動する通路を形成するようにする。ここで、燃料は、水素を意味することができる。

前記第１チャネル１１及び第２チャネル３１は、電極の長さ方向Ｌに対して一定角度傾斜して形成され、凝縮水の溜まりを防止し且つ凝縮水の移送及び排出が円滑に行われるようにしながら、特に第１チャネル１１及び第２チャネル３１は、互いに異なる角度で傾斜して形成されるようにして、膜電極接合体を挟んだ第１チャネル１１と第２チャネル３１とが重なり合う部分が点接触を形成するようにして、ガス拡散層の被押圧を最小限に抑え、ガス拡散層の被押圧に応じて水溜まりが発生し且つ性能が減少することを防ぐことができるようにする。

背景技術で前述したように、膜電極接合体を挟んだアノードセパレータ及びカソードセパレータのチャネルリブ同士が突き当たってガス拡散層を押圧する場合、図１（ｂ）に示すように、電極の上下方向にわたって両側のチャネルリブによってガス拡散層が押圧されて水溜まりが発生し、これにより電極面積の損失による性能減少が発生するという問題があった。

したがって、本発明では、図２に示すように、燃料極セパレータ１の第１チャネル１１と空気極セパレータ３の第２チャネル３１とが互いに異なる角度で傾斜して形成され、図３に示すように、第１チャネル１１と第２チャネル３１とが重なり合う部分Ｓが点接触を形成するようにして、第１チャネル１１と第２チャネル３１とが重なり合う面積を最小限に抑えることができるようにする。

このとき、第１チャネル１１、第２チャネル３１が電極の長さ方向に対して傾斜して形成されることを、凝縮水が溜まることなく移送及び排出できるようにするためであり、これについての第１チャネル１１及び第２チャネル３１の詳細な説明は後述する。

特に、前記第１チャネル１１は、電極の長さ方向Ｌに対して０゜超過９０゜未満の角度を有するように傾斜して形成されることができ、第２チャネル３１は、電極の長さ方向Ｌに対して９０゜超過１８０゜未満の角度を有するように傾斜して形成され、第１チャネル１１と第２チャネル３１とが互いに反対方向に傾斜して形成されるようにすることができる。

したがって、前記第１チャネル１１及び第２チャネル３１による空間によって供給される燃料及び空気が電極全体にわたって均一に供給されながら効率的な電力の生成が行われるようにすることができるとともに、点接触による性能低下の低減効果を有するようにすることができる。

また、図４に示すように、前記第１チャネル１１及び第２チャネル３１の長さα、角度βを適切に調節して第１チャネル１１及び第２チャネル３１の重畳面積を最小限に抑えながら支持効果を維持するようにすることができる。

このとき、前記第１チャネル１１と第２チャネル３１とが重なり合う面積は、全体電極面積の１０～２０％の範囲となるようにすることが好ましく、さらに好ましくは、前記第１チャネル１１及び第２チャネル３１が電極の長さ方向Ｌと同一の角度で傾斜して形成されて互いに対称の形状を有するようにすることができ、これによりさらに均一な燃料及び空気の供給と接触面積の最小化が行われるようにすることができる。

前記燃料極セパレータ１及び空気極セパレータ３についてさらに詳細に説明すると、前記燃料極セパレータ１は、図５に示すように、直線状に形成される第１チャネル１１が複数個に分割され、分割される空間に第１空間離隔部１２が一定間隔で複数形成されるようにし、複数の列をなす第１チャネル１１の間には、燃料及び凝縮水の流動する第１流動空間部１３が形成されるようにすることができる。また、前記空気極セパレータ３は、燃料極セパレータ１と対称の形状を有するように反対方向に傾斜して形成されることができ、燃料極セパレータ１と同様に第２空間離隔部３２及び第２流動空間部３３を含むようにすることができる。空気極セパレータ３の第２チャネル３１、第２空間離隔部３２及び第２流動空間部３３は、第１チャネル１１、第１空間離隔部１２及び第１流動空間部１３とは方向が異なるだけであり、同じ機能と効果を有するので、以下では、第１チャネル１１、第１空間離隔部１２及び第２空間離隔部３２についてのみ説明すると、第２チャネル３１、第２空間離隔部３２及び第２流動空間部３３についての説明は省略する。

従来の燃料極セパレータ２００は、図６に示すように平板状に形成されており、空気入口側の低い温度により水分が凝縮した水分凝縮部が形成され、水分凝縮部の停滞によるフラディング（Ｆｌｏｏｄｉｎｇ）現象が発生する。このような場合、水素の移動が詰まってしまうだけでなく、反応電極の減少による電流密度の増加により、温度が急激に上昇するホットスポット（Ｈｏｔ ｓｐｏｔ）が空気出口部に発生して電極を損傷させる。

したがって、図７に示すように、燃料極セパレータ２００に隔壁２０１を形成して空気極セパレータ１００側での空気の流動方向に対して垂直に水素の流動方向を形成することが考えられる。このような場合、図６に比べてフラディング（Ｆｌｏｏｄｉｎｇ）現象を緩和することはできるが、水素流路が電極方向に長く形成されることにより、コールドゾーン（ｃｏｌｄ ｚｏｎｅ）に容易に水が集まって図６のようにフラディング（ｆｌｏｏｄｉｎｇ）現象が発生するという問題がある。また、電極の長さ方向に長く形成された燃料極セパレータ２００は、構造物の積層による変形が容易に発生して変形部分に凝縮水が溜まることがあり、これによりフラディング（ｆｌｏｏｄｉｎｇ）現象がさらに容易に発生するという問題がある。

また、凝縮水による停滞現象を緩和するために、図８に示すように、隔壁２０１を一定間隔離隔するように形成してパターン形状を有するようにすることができ、これにより、電極に対する垂直方向への水素及び水の流動を可能にしてフラディング（Ｆｌｏｏｄｉｎｇ）現象を緩和するようにすることができる。しかし、図９に示すように、空気極セパレータ１００の突出部１０１によって気体拡散層（ＧＤＬ）３００が押圧されて変形が発生し、クロスセクション（Ｃｒｏｓｓ Ｓｅｃｔｉｏｎ）によって凝縮水が停滞する現象が発生し、これにより依然として高温部（空気出口部）では冷却が難しくてドライアウト（Ｄｒｙ ｏｕｔ）現象が発生し、これにより燃料電池の性能が低下するという問題がある。

したがって、本発明では、図５に示すように、電極の長さ方向に対して傾斜した方向に燃料及び空気と共に凝縮水が強制移送できる空間を形成するようにして、凝縮水の停滞を最小限に抑えるようにするとともに、凝縮水の移送による高温部（空気出口部）の冷却が行われるようにすることができるため、ドライアウト（Ｄｒｙ ｏｕｔ）現象を緩和させることができる。また、外部空気の温度が上がる場合でも、凝縮水の移送による冷却で冷却効果を維持するようにして安定的な運転を可能にすることができる。

前記第１チャネル１１は、燃料極セパレータ１からアノード（電極）側へ突出して設けられる構成であって、水素の移動経路を区画するようにする。特に、前記第１チャネル１１は、図２に示すように、電極の長さ方向Ｌに対して０゜超過９０゜未満の角度で傾斜して形成されることができ、入口側での凝縮水が第１チャネル１１間の第１流動空間部１３に沿って出口側へ移送できるようにする。また、前記第１チャネル１１は、複数個が一定間隔離隔して一列に形成されるようにすることができ、一列に形成される第１チャネル１１同士の間には第１空間離隔部１２が形成されて燃料及び凝縮水の流動が行われるようにすることができる。したがって、前記第１チャネル１１は、複数個が一列に形成された状態で互いに平行に複数の列をなすように形成されて微細パターン形状を有するようにすることができ、これにより凝縮水の停滞を防止し、強制移送によってフラディング（Ｆｌｏｏｄｉｎｇ）及びドライアウト（Ｄｒｙ ｏｕｔ）現象を最小限に抑えることができるようにする。また、前記第１チャネル１１は、一定間隔離隔する微細パターン形状に形成されることにより、セパレータの剛性を確保するようにすることができ、これにより構造損傷を防止するようにすることができる。

前記第１空間離隔部１２は、直線状の第１チャネル１１が分割されて形成される空間であって、第１チャネル１１に沿って一列に一定間隔で形成されるようにする。したがって、前記第１空間離隔部１２を介して、隣接した第１流動空間部１３同士の間に燃料及び凝縮水が移送されるようにすることができ、これにより燃料及び凝縮水の流動が停滞することを最小限に抑え、燃料の円滑な供給と凝縮水の高温部移送による冷却とドライアウト（Ｄｒｙ ｏｕｔ）防止が効果的に行われるようにすることができる。また、前記第１空間離隔部１２は、燃料の進行方向、すなわち、第１流動空間部１３が形成される方向と垂直をなす方向で前記第１チャネル１１によって閉鎖されるようにして、高温部側に向かう凝縮水が第１チャネル１１同士の間の第１流動空間部１３全体に伝達できるようにして、凝縮水の停滞によるフラディング（Ｆｌｏｏｄｉｎｇ）現象と高温部によるドライアウト（Ｄｒｙ ｏｕｔ）現象をさらに効果的に遮断することができるようにする。言い換えれば、複数列の第１空間離隔部１２が燃料の進行方向と垂直をなす一直線上で互いに連通するように形成される場合、第１空間離隔部１２を通過する凝縮水が次の列の第１空間離隔部１２へ流通して抜け出すことができ、こうなると、燃料進行方向の第１チャネル１１の間は凝縮水の移送がまともに行われないため凝縮水の停滞が発生し、これによるフラディング（Ｆｌｏｏｄｉｎｇ）現象が発生する。そして、高温部への凝縮水の移送がまともに行われない場合、従来のようにドライアウト（Ｄｒｙ ｏｕｔ）現象が発生する。したがって、前記第１空間離隔部１２は、燃料が進行する方向と垂直をなす方向で第１チャネル１１によって閉鎖されるようにして、第１空間離隔部１２を通過する凝縮水が燃料の進行方向に沿って第１チャネル１１の間の空間を流動することができるようにして、凝縮水の停滞とドライアウト（Ｄｒｙ ｏｕｔ）現象を効果的に遮断するようにすることができる。

前記第１流動空間部１３は、平行をなす傾斜した第１チャネル１１同士の間に形成されて燃料及び凝縮水の流動する空間を形成する構成であって、第１チャネル１１が０°超過９０°未満の角度を有することにより、第１流動空間部１３も、同じ０°超過９０°未満の角度を有するように傾斜して形成される。よって、凝縮水は、第１流動空間部１３に沿って高温部側へ移送されながら停滞現象が緩和するようにすることができ、前記第１空間離隔部１２を介しても流動が行われるので、停滞現象がさらに最小限に抑えられるようにすることができる。したがって、前記第１流動空間部１３は、傾斜した状態で平行をなしながら全体セパレータ上に複数の列をなして形成され、全体電極に対して燃料の円滑な供給が行われるようにすることができ、これにより電極の反応面積を極大化して電力生産効率を高めるようにすることができる。

以上、出願人は本発明の多様な実施形態を説明したが、このような実施形態は本発明の技術的思想を実現する一実施形態に過ぎず、本発明の技術的思想を実現する限り、如何なる変更例又は修正例も本発明の範囲に属するものと解釈されるべきである。

＊図面に使用される符号の説明
１ 燃料極セパレータ
１１ 第１チャネル
１２ 第１空間離隔部
１３ 第１流動空間部
３ 空気極セパレータ
３１ 第２チャネル
３２ 第２空間離隔部
３３ 第２流動空間部
＊従来技術に係る符号の説明
１００ 空気極セパレータ
１０１ 突出部
２００ 燃料極セパレータ
２０１ 隔壁
３００ 気体拡散層

Claims (4)

1. 膜電極接合体の両側に一対が形成され、それぞれ燃料及び空気の流動する通路を形成する燃料極セパレータ及び空気極セパレータを含み、
   前記燃料極セパレータは、
   膜電極接合体側に突出し、一定間隔離隔するように複数個が形成されて燃料の流動する複数の通路を形成する第１チャネルを含み、
   前記空気極セパレータは、
   膜電極接合体側に突出し、一定間隔離隔するように複数個が形成されて空気の流動する複数の通路を形成する第２チャネルを含み、
   前記第１チャネル及び第２チャネルは、それぞれ矩形状の前記燃料極セパレータ及び前記空気極セパレータの長さ方向に沿って一定角度傾斜して形成され、互いに異なる角度で傾斜して点接触するように形成され、
   前記燃料極セパレータは、
   直線状に形成される前記第１チャネルが複数個に分割されながら一定空間を形成し、第１チャネルに沿って一定間隔で形成される第１空間離隔部と、
   複数個の列をなす第１チャネルの間に形成されて燃料及び凝縮水が流動する第１流動空間部と、を含み、
   前記空気極セパレータは、
   直線状に形成される前記第２チャネルを分割して一定空間を形成し、第２チャネルに沿って一定間隔で形成される第２空間離隔部と、
   複数個の列をなす第２チャネルの間に形成されて空気及び凝縮水が流動する第２流動空間部と、を含み、
   前記第１、第２空間離隔部は、
   燃料又は空気が流動する方向の垂直方向にそれぞれ第１、第２チャネルによって燃料又は空気が流動できないようにしてあることを特徴とする、燃料電池セパレータ。
2. 前記第１チャネルは、
   矩形状の前記燃料極セパレータ及び前記空気極セパレータの長さ方向に対して０°超過９０°未満の角度を有するように傾斜して形成され、
   前記第２チャネルは、同じ長さ方向に対して９０°超過１８０°未満の角度を有するように傾斜して形成されることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池セパレータ。
3. 前記第１チャネル及び第２チャネルは、
   同じ角度を有し、反対方向に傾斜するように形成されることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池セパレータ。
4. 前記第１チャネル及び第２チャネルが点接触する広さが全体電極面積の１０～２０％の範囲となるようにすることを特徴とする、請求項２に記載の燃料電池セパレータ。