KR101851046B1 - 연료 전지 - Google Patents

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Abstract

대형화를 초래하지 않고 방청 플레이트의 위치 어긋남을 억제하는 것이 가능한 연료 전지를 제공한다.
복수의 셀(20)을 적층시킨 셀 적층체(21)와, 셀 적층체(21)의 단부에 설치된 금속 재료로 형성된 집전 플레이트(22)와, 집전 플레이트(22)와 다른 금속 재료로 형성되어 셀 적층체(21)와 집전 플레이트(22) 사이에 배치된 방청 플레이트(23)를 구비한 연료 전지(11)이며, 방청 플레이트(23)는 돌기부(31)를 갖고, 집전 플레이트(22)는 돌기부(31)가 끼워 맞추어지는 끼워 맞춤 구멍부(41)를 갖는다.

Description

연료 전지 {FUEL BATTERY}
본 발명은 셀을 적층한 셀 적층체를 구비한 연료 전지에 관한 것이다.
연료 전지를 구성하는 연료 전지 스택은 막전극 접합체를 판상의 세퍼레이터로 양측으로부터 끼움 지지하여 형성한 셀을 복수 적층한 셀 적층체의 양측에 집전 플레이트를 적층한 구성으로 되어 있고, 셀 적층체와 집전 플레이트 사이에 희생 플레이트로 이루어지는 방청 플레이트를 배치한 것이 알려져 있다(예를 들어, 특허문헌 1 참조).
일본 특허 출원 공개 제2007-87766호 공보
방청 플레이트는 셀 적층체와 집전 플레이트 사이에 있어서 가압되고 끼움 지지된 상태로 유지되어 있다. 이로 인해, 방청 플레이트와 집전 플레이트가 다른 금속인 경우, 발전 시의 온도 분포의 치우침이나 이종 금속에 의한 열팽창 차에 의해 방청 플레이트가 평면 방향으로 변위되어 위치 어긋남이 발생하는 경우가 있다. 이 경우, 예를 들어 연료 전지 스택의 주위에 방청 플레이트의 위치 어긋남을 억제하는 기구를 설치하는 것이 생각되지만, 위치 어긋남을 억제하는 기구를 설치함으로써 연료 전지의 대형화를 초래해 버린다.
본 발명은 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 대형화를 초래하지 않고 방청 플레이트의 위치 어긋남을 억제하는 것이 가능한 연료 전지를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 연료 전지는,
복수의 셀을 적층시킨 셀 적층체와, 상기 셀 적층체의 단부에 설치된 금속 재료로 형성된 집전 플레이트와, 상기 집전 플레이트와 다른 금속 재료로 형성되어 상기 셀 적층체와 상기 집전 플레이트 사이에 배치된 방청 플레이트를 구비한 연료 전지이며,
상기 집전 플레이트 및 상기 방청 플레이트의 어느 한쪽은, 적어도 하나의 돌기부를 갖고, 상기 집전 플레이트 및 상기 방청 플레이트의 다른 쪽은, 상기 돌기부가 끼워 맞추어지는 끼워 맞춤 구멍부를 갖는다.
이 구성의 연료 전지에 의하면, 돌기부가 끼워 맞춤 구멍부에 끼워 맞추어짐으로써, 셀 적층체와 집전 플레이트 사이에 배치된 방청 플레이트의 집전 플레이트와의 열팽창 차 등에 의해 발생하는 평면 방향으로의 위치 어긋남이 억제된다. 이에 의해, 방청 플레이트가 위치 어긋남으로써 방청 플레이트가 주위의 부품 등으로 접촉하는 것에 의한 문제를 억제할 수 있다. 또한, 집전 플레이트가 설치된 집전 부분의 주위에 방청 플레이트의 위치 어긋남을 억제하는 기구를 설치하는 경우와 비교하여, 대형화를 억제할 수 있다.
본 발명의 연료 전지에 있어서, 상기 돌기부는 상기 방청 플레이트로부터 상기 집전 플레이트측으로 돌출되도록 설치되고, 상기 집전 플레이트에 상기 끼워 맞춤 구멍부가 형성되어 있어도 된다.
본 발명의 연료 전지에 있어서, 상기 돌기부의 하나는 상기 방청 플레이트 또는 상기 집전 플레이트의 중앙부에 마련되어 있어도 된다.
이 구성의 연료 전지에 의하면, 방청 플레이트와 집전 플레이트를 중첩하여 한쪽의 플레이트의 돌기부가 다른 쪽의 플레이트의 끼워 맞춤 구멍부에 끼워 맞추어지면, 방청 플레이트와 집전 플레이트의 중심 맞춤이 자동으로 행해진다.
본 발명의 연료 전지에 의하면, 대형화를 초래하지 않고 방청 플레이트의 위치 어긋남을 억제할 수 있다.
도 1은 본 실시 형태에 관한 연료 전지의 측면도.
도 2는 본 실시 형태에 관한 연료 전지를 구성하는 연료 전지 스택의 개략 분해 사시도.
도 3은 연료 전지 스택의 셀 적층체를 구성하는 셀의 단면도.
도 4는 방청 플레이트를 도시하는 도면이며, (a)는 방청 플레이트의 사시도, (b)는 (a)에 있어서의 A-A 단면도.
도 5는 집전 플레이트를 도시하는 도면이며, (a)는 집전 플레이트의 사시도, (b)는 (a)에 있어서의 B-B 단면도.
도 6은 서로 중첩된 방청 플레이트 및 집전 플레이트를 도시하는 도면이며, (a)는 방청 플레이트 및 집전 플레이트의 사시도, (b)는 (a)에 있어서의 C-C 단면도.
도 7은 집전 플레이트에 대한 방청 플레이트의 위치 어긋남을 설명하는 개략 단면도.
이하, 본 발명에 관한 연료 전지의 실시 형태에 대해 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 본 실시 형태에 관한 연료 전지의 측면도이다. 도 2는 본 실시 형태에 관한 연료 전지를 구성하는 연료 전지 스택의 개략 분해 사시도이다. 도 3은 연료 전지 스택의 셀 적층체를 구성하는 셀의 단면도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 연료 전지(11)는 연료 전지 스택(12)과, 이 연료 전지 스택(12)의 양단부에 설치된 엔드 플레이트(13)를 구비하고 있다. 연료 전지(11)는, 예를 들어 차량 등의 이동체에 탑재하여 사용된다. 엔드 플레이트(13)끼리는 체결 로드(14)에 의해 체결되어 서로 연결되어 있고, 연료 전지 스택(12)은 그 체결력에 의해 양 단부측으로부터 소정의 하중으로 가압되어 있다.
도 2에 도시한 바와 같이, 연료 전지 스택(12)은 셀 적층체(21)와, 집전 플레이트(22)와, 방청 플레이트(23)를 갖고 있다. 셀 적층체(21)는 복수의 셀(20)을 적층시킴으로써 구성되어 있다.
도 3에 도시한 바와 같이, 셀(20)은 전해질막(1)의 양측에 촉매층(2)과 확산층(3)으로 구성된 전극(4)이 설치된 막전극 접합체(MEA: Membrane Electrode Assembly)(5)를 갖고 있다. 막전극 접합체(5)의 양면에는 세퍼레이터(6)가 설치되어 있다. 세퍼레이터(6)는, 예를 들어 스테인리스를 판상으로 형성한 것이다. 셀(20)은 연료 전지(11)에 있어서의 발전을 행하는 단위 모듈이고, 수소 가스와 공기에 포함되는 산소의 전기 화학 반응에 의해 발전을 행한다.
집전 플레이트(22)는, 예를 들어 알루미늄이나 스테인리스 등의 도전성 금속 재료로 형성되어 있다. 집전 플레이트(22)에는 도시하지 않은 출력 단자가 설치되어 있고, 출력 단자를 통해 연료 전지 스택(12)으로 발전된 전력이 취출된다.
방청 플레이트(23)는 셀 적층체(21)와 정극측의 집전 플레이트(22) 사이에 설치되어 있다. 이에 의해, 방청 플레이트(23)는 셀 적층체(21)를 구성하는 셀(20)의 세퍼레이터(6)와 집전 플레이트(22)로 끼움 지지되어 있다. 방청 플레이트(23)는 집전 플레이트(22)와 다른 금속 재료로 형성되어 있다. 방청 플레이트(23)는, 예를 들어 티타늄 등의 금속 재료로 형성되어 있다.
도 4는 방청 플레이트를 도시하는 도면이며, (a)는 방청 플레이트의 사시도, (b)는 (a)에 있어서의 A-A 단면도이다. 도 5는 집전 플레이트를 도시하는 도면이며, (a)는 집전 플레이트의 사시도, (b)는 (a)에 있어서의 B-B 단면도이다. 도 6은 서로 중첩된 방청 플레이트 및 집전 플레이트를 도시하는 도면이며, (a)는 방청 플레이트 및 집전 플레이트의 사시도, (b)는 (a)에 있어서의 C-C 단면도이다.
도 4의 (a), (b)에 도시한 바와 같이, 방청 플레이트(23)에는 돌기부(31)가 마련되어 있다. 돌기부(31)는 방청 플레이트(23)에 2개 설치되어 있다. 한쪽의 돌기부(31)는 방청 플레이트(23)의 중앙부에 설치되어 있다. 다른 쪽의 돌기부(31)는 직사각형 판 형상을 이루는 방청 플레이트(23)의 짧은 변측의 단부에 있어서의 짧은 변 방향 중앙부에 설치되어 있다. 즉, 2개의 돌기부(31, 31)는 방청 플레이트(23)의 평면에서 볼 때 돌기부(31, 31)의 중심끼리를 연결하는 직선이 방청 플레이트(23)의 긴 변과 평행이 되도록 배치되어 있다.
이들 돌기부(31)는 방청 플레이트(23)에 중첩되는 집전 플레이트(22)측으로 돌출되어 있다. 돌기부(31)는 그 돌출 치수가, 집전 플레이트(22)의 두께 치수 이하로 되어 있다. 돌기부(31)는 핀 부재(32)를 포함하는 것으로, 이 핀 부재(32)를 방청 플레이트(23)에 형성한 고정 구멍(33)에 압입함으로써 방청 플레이트(23)에 고정되어 있다.
도 5의 (a), (b)에 도시한 바와 같이, 방청 플레이트(23)와 중첩되는 집전 플레이트(22)에는 끼워 맞춤 구멍부(41)가 형성되어 있다. 끼워 맞춤 구멍부(41)는 집전 플레이트(22)에 2개 형성되어 있다. 이 끼워 맞춤 구멍부(41)는 집전 플레이트(22)와 방청 플레이트(23)를 중첩했을 때에, 방청 플레이트(23)에 설치된 돌기부(31)에 대응하는 위치에 형성되어 있다. 끼워 맞춤 구멍부(41)는 방청 플레이트(23)의 돌기부(31)의 외경보다도 약간 큰 내경을 갖고 있다.
도 6의 (a)에 도시한 바와 같이, 돌기부(31)를 갖는 방청 플레이트(23) 및 끼워 맞춤 구멍부(41)를 갖는 집전 플레이트(22)는 연료 전지 스택(12)을 구성할 때에 서로 중첩된다. 그리고, 이들 방청 플레이트(23)와 집전 플레이트(22)를 중첩하면, 도 6의 (b)에 도시한 바와 같이, 방청 플레이트(23)의 돌기부(31)가 집전 플레이트(22)의 끼워 맞춤 구멍부(41)에 끼워 맞추어져 서로 중심 맞춤된 상태로 일체화된다.
이 중첩된 방청 플레이트(23) 및 집전 플레이트(22)는 다른 집전 플레이트(22)가 일단부측에 적층된 셀 적층체(21)의 타단부측에 적층되어 연료 전지 스택(12)을 구성한다. 그리고, 이 연료 전지 스택(12)은 그 양단부에 엔드 플레이트(13)가 배치되고, 이들 엔드 플레이트(13)를 체결 로드(14)에 의해 체결함으로써 소정의 하중으로 가압된 상태로 일체화되어 연료 전지(11)가 된다.
이와 같은 방청 플레이트(23)를 구비한 연료 전지(11)에서는, 방청 플레이트(23)를 셀 적층체(21)에 중첩하여 도통함으로써, 셀 적층체(21)를 구성하는 셀(20)에 흐르는 부식 전류를 저감한다. 따라서, 방청 플레이트(23)는 셀(20)의 세퍼레이터(6)보다도 부식 전류가 커져, 셀(20)의 세퍼레이터(6)의 부식이 억제된다.
그런데, 셀 적층체(21)와 집전 플레이트(22) 사이에 있어서 가압되고 끼움 지지된 상태에서 유지된 방청 플레이트(23)는, 도 7에 도시한 바와 같이, 발전 시의 온도 분포의 치우침이나 집전 플레이트(22)에 대해 이종 금속에 의한 열팽창 차에 의해 평면 방향으로 변위되어 위치 어긋남이 발생하는 경우가 있다. 이 경우, 예를 들어 연료 전지 스택(11)의 주위에 방청 플레이트(23)의 위치 어긋남을 억제하는 기구를 설치하는 것이 생각되지만, 위치 어긋남을 억제하는 기구를 설치함으로써 연료 전지(11)의 대형화를 초래해 버린다.
이에 대해, 본 실시 형태에 관한 연료 전지(11)에 의하면, 방청 플레이트(23)에 돌기부(31)가 설치되고, 집전 플레이트(22)에 돌기부(31)가 끼워 맞추어지는 끼워 맞춤 구멍부(41)가 형성되어 있다. 이에 의해, 돌기부(31)가 끼워 맞춤 구멍부(41)에 끼워 맞추어짐으로써, 셀 적층체(21)와 집전 플레이트(22) 사이에 배치된 방청 플레이트(23)의 집전 플레이트(22)와의 열팽창 차 등에 의해 발생하는 평면 방향으로의 위치 어긋남이 억제된다.
이에 의해, 방청 플레이트(23)가 위치 어긋남으로써 방청 플레이트(23)가 주위의 부품 등으로 접촉하는 것에 의한 문제를 억제할 수 있다. 또한, 집전 플레이트(22)가 설치된 집전 부분의 주위에 방청 플레이트(23)의 위치 어긋남을 억제하는 기구를 설치하는 경우와 비교하여, 대형화를 억제할 수 있다.
또한, 방청 플레이트(23)와 집전 플레이트(22)의 체결 방법으로서는, 예를 들어, 접착재나 양면 접착 테이프에 의한 접착, 용접, 브레이징, 솔더링, 리벳 고정, 나사 고정, 코오킹, 외주에 접착 테이프를 부착하는 것에 의한 고정, 외주부를 핀 등의 고정구로 고정하는 것에 의한 고정 등이 있지만, 모두 체결 작업에 수고를 필요로 하게 된다. 또한, 접착재나 양면 접착 테이프에 의한 접착이나 외주에 접착 테이프를 부착하는 것에 의한 고정은 위치 어긋남 억제 효과를 충분히 얻을 수 없어, 외주부를 핀 등의 고정구로 고정하는 것에 의한 고정은, 외주로 돌출되어 연료 전지(11)의 대형화를 초래해 버린다.
상기 실시 형태에서는 방청 플레이트(23)에 돌기부(31)를 마련하고, 집전 플레이트(22)에 끼워 맞춤 구멍부(41)를 형성하였지만, 집전 플레이트(22)에 돌기부(31)를 설치하고, 방청 플레이트(23)에 끼워 맞춤 구멍부(41)를 형성해도 되고, 또한, 서로 끼워 맞추는 돌기부(31) 및 끼워 맞춤 구멍부(41)를, 방청 플레이트(23) 및 집전 플레이트(22)의 양쪽에 형성해도 된다. 또한, 방청 플레이트(23)에 냉각수의 지수(止水) 기능을 갖게 하는 경우에는, 방청 플레이트(23)에 형성하는 끼워 맞춤 구멍부(41)는 끼워 맞춤 구멍부(41)로부터 냉각수가 누설되지 않도록, 방청 플레이트(23)에 대해 비관통으로 한다.
또한, 상기 실시 형태에서는 방청 플레이트(23)를 고전위측의 정극측의 집전 플레이트(22)와 셀 적층체(21) 사이에 설치하였지만, 부극측의 집전 플레이트(22)와 셀 적층체(21) 사이에 설치해도 된다.
11 : 연료 전지
20 : 셀
21 : 셀 적층체
22 : 집전 플레이트
23 : 방청 플레이트
31 : 돌기부
41 : 끼워 맞춤 구멍부

Claims (3)

  1. 복수의 셀을 적층시킨 셀 적층체와, 상기 셀 적층체의 단부에 설치된 금속 재료로 형성된 집전 플레이트와, 상기 집전 플레이트에 대하여 열팽창 차가 있는 이종 금속 재료로 형성되어 상기 셀 적층체와 상기 집전 플레이트 사이에 배치된 방청 플레이트를 구비한 연료 전지이며,
    상기 방청 플레이트에는 상기 방청 플레이트로부터 상기 집전 플레이트측으로 돌출되도록 설치된 돌기부를 복수 갖고, 또한 상기 돌기부와 끼워 맞추어지는 끼워 맞춤 구멍부가 집전 플레이트에 설치되고,
    상기 복수의 돌기부 중 한 쪽은 상기 방청 플레이트의 중앙부에 설치되고, 상기 복수의 돌기부 중 다른 쪽은 직사각형 판 형상을 이루는 상기 방청 플레이트의 짧은 변측의 짧은 변 방향 중앙부에 설치되고,
    상기 복수의 돌기부는 상기 방청 플레이트의 평면에서 볼 때 상기 복수의 돌기부의 중심끼리를 연결하는 직선이 직사각형 판 형상을 이루는 상기 방청 플레이트의 긴 변과 평행이 되도록 배치되어 있는, 연료 전지.
  2. 삭제
  3. 삭제
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