KR20170129272A - 연료 전지 스택 - Google Patents

연료 전지 스택 Download PDF

Info

Publication number
KR20170129272A
KR20170129272A KR1020177032591A KR20177032591A KR20170129272A KR 20170129272 A KR20170129272 A KR 20170129272A KR 1020177032591 A KR1020177032591 A KR 1020177032591A KR 20177032591 A KR20177032591 A KR 20177032591A KR 20170129272 A KR20170129272 A KR 20170129272A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
frame
manifold
fuel cell
cell stack
single cells
Prior art date
Application number
KR1020177032591A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101963998B1 (ko
Inventor
모토키 야기누마
아키라 야스타케
Original Assignee
닛산 지도우샤 가부시키가이샤
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 닛산 지도우샤 가부시키가이샤 filed Critical 닛산 지도우샤 가부시키가이샤
Publication of KR20170129272A publication Critical patent/KR20170129272A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101963998B1 publication Critical patent/KR101963998B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
    • H01M8/0273—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes with sealing or supporting means in the form of a frame
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04156—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
    • H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • H01M8/242—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes comprising framed electrodes or intermediary frame-like gaskets
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/2483—Details of groupings of fuel cells characterised by internal manifolds
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

주위에 프레임(51)을 갖는 막전극 접합체(1)과, 프레임(51) 및 막전극 구조체(1)를 끼움 지지하는 한 쌍의 세퍼레이터(2A, 2B)를 구비한 단셀(C)을 복수매 적층한 구조를 갖고, 각 단셀(C)의 프레임(51) 및 세퍼레이터(2A, 2B)가, 적층 상태에서 서로 연속하여 반응용 가스 유통용 매니폴드(M3)를 형성하는 유통 구멍(H3)을 갖고, 매니폴드의 M3 내주면의 적어도 일부가, 단셀(C)의 적층 방향으로 연속된 평면형으로 형성되어 있는 연료 전지 스택(FS)으로 하고, 반응용 가스의 유통성의 저하나 제조 비용의 증가를 초래하는 일 없이, 매니폴드(M3)를 통하여 생성수를 양호하게 배출한다.

Description

연료 전지 스택
본 발명은 고체 고분자형 연료 전지 등의 연료 전지의 개량에 관한 것으로서, 특히, 막전극 접합체와 한 쌍의 세퍼레이터를 구비한 단셀을 복수매 적층한 구조를 갖는 연료 전지 스택에 관한 것이다.
종래에 있어서, 상기한 바와 같은 연료 전지 스택으로서는, 예를 들어, 특허문헌 1에 기재된 것이 있다. 특허문헌 1에 기재된 연료 전지 스택은, 전해질·전극 구조체와 금속 세퍼레이터를 수평 방향을 따라서 교대로 적층함과 함께, 적층 방향으로 관통하여 냉각 매체 또는 반응 가스 중 어느 것의 유체를 흘리는 유체 연통 구멍을 형성하고 있다. 그리고, 연료 전지 스택은, 금속 세퍼레이터에, 동일 금속 세퍼레이터의 면 및 유체 연통 구멍의 내벽을 덮어서 절연 부재를 설치하여, 이 절연 부재에 의해 냉각 매체 또는 반응 가스 중 어느 것의 유체의 시일성을 확보한 구성이다.
일본 특허 제4551746호 공보
그런데, 상기한 바와 같은 연료 전지 스택에서는, 발전에 수반하여 물이 생성되게 되어, 적층 방향으로 형성한 유체 연통 구멍 중 배출용의 유체 연통 구멍이 생성수의 배출 경로로서도 사용된다. 이에 반해, 상기 종래의 연료 전지 스택은, 유체 연통 구멍의 내주가 각 층의 간극에 의해 요철상으로 되어 있으므로, 유체 연통 구멍의 내부에 생성수가 체류되기 쉽다는 문제점이 있고, 이러한 문제점을 해결하는 것이 과제였다.
또한, 유체 연통 구멍에 있어서의 생성수의 체류를 방지하기 위해서는, 예를 들어, 유체 연통 구멍의 내주 전체면을 절연 부재로 피복하는 것도 생각할 수 있지만, 이 경우에는, 제조 비용이 늘어나는 것 이외에, 온도나 절연 부재의 압축 조건 등에 따라 유로 면적이 변화하여, 유로의 압력 손실이나 각 단셀에의 유체의 분배에 악영향을 줄 우려가 있다.
본 발명은 상기 종래의 상황의 과제에 착안하여 이루어진 것이며, 적층 방향으로 반응용 가스 유통용 매니폴드를 갖는 연료 전지 스택이며, 반응용 가스의 유통성의 저하나 제조 비용의 증가를 초래하는 일 없이, 매니폴드를 통하여 생성수를 양호하게 배출할 수 있는 연료 전지 스택을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
본 발명에 따른 연료 전지 스택은, 주위에 프레임을 갖는 막전극 접합체와, 프레임 및 막전극 구조체를 끼움 지지하는 한 쌍의 세퍼레이터를 구비한 단셀을 복수매 적층한 구조를 갖고 있다. 그리고, 연료 전지 스택은, 각 단셀의 프레임 및 세퍼레이터가, 적층 상태에서 서로 연속하여 반응용 가스 유통용 매니폴드를 형성하는 유통 구멍을 갖고, 매니폴드의 내주면의 적어도 일부가, 단셀의 적층 방향으로 연속된 평면형으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.
본 발명에 따른 연료 전지 스택은, 적층 방향으로 반응용 가스 유통용 매니폴드를 갖는 연료 전지 스택에 있어서, 특별한 부재를 사용하지 않고, 프레임이나 세퍼레이터인 적층 부재의 단부면(유통 구멍의 내주면)에 의해, 매니폴드의 내주면의 적어도 일부가, 단셀의 적층 방향으로 간극 없이 연속된 평면형으로 형성된다. 즉, 매니폴드의 내주면의 적어도 일부에 있어서, 적층 부재의 단부면이 동일 평면형으로 연속된 상태로 된다.
이에 의해, 연료 전지 스택은, 반응용 가스의 유통성의 저하나 제조 비용의 증가를 초래하는 일 없이, 매니폴드를 통하여 생성수를 양호하게 배출할 수 있다. 또한, 연료 전지 스택은, 매니폴드의 내주면에 프레임이나 세퍼레이터인 적층 부재의 단부면이 노출되어 있어도, 배수성이 양호하기 때문에, 체류한 생성수에 의한 적층 부재의 부식을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 연료 전지 스택의 제1 실시 형태를 설명하는 분해 상태의 사시도 (A), 및 조립 후를 도시하는 사시도 (B)이다.
도 2는 도 1에 도시하는 연료 전지 스택을 구성하는 단셀을 설명하는 분해 상태의 평면도 (A), 및 조립 후를 도시하는 평면도 (B)이다.
도 3은 막전극 접합체의 애노드측을 도시하는 부분 평면도 (A), 및 캐소드측을 도시하는 부분 평면도 (B)이다.
도 4는 도 3 중의 X-X선에 기초하는 연료 전지 스택의 주요부의 사시 단면도 (A), 및 유통 구멍 부분의 확대 단면도 (B)이다.
도 5는 본 발명에 따른 연료 전지 스택의 제2 실시 형태를 설명하는 주요부의 사시 단면도 (A), 및 유통 구멍 부분의 확대 단면도 (B)이다.
도 6은 본 발명에 따른 연료 전지 스택의 제3 실시 형태를 설명하는 주요부의 사시 단면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 연료 전지 스택의 제4 실시 형태를 설명하는 주요부의 사시 단면도이다.
<제1 실시 형태>
도 1 내지 도 4는, 본 발명에 따른 연료 전지 스택의 제1 실시 형태를 설명하는 도면이다.
도 1의 (A)에 도시하는 연료 전지 스택(FS)은, 단셀(C)의 적층체(A)에 대하여 적층 방향의 일단부(도 1 중에서 우측 단부)에, 집전판(54A) 및 스페이서(55)를 개재하여 엔드 플레이트(56A)가 설치되어 있음과 함께, 타단부에, 집전판(54B)을 개재하여 엔드 플레이트(56B)가 설치되어 있다. 또한, 연료 전지 스택(FS)은, 적층체(A)에 대하여 단셀(C)의 긴 변측이 되는 양면(도 1 중에서 상하면)에, 체결판(57A, 57B)이 설치되어 있음과 함께, 짧은 변측이 되는 양면에 보강판(58A, 58B)이 설치되어 있다.
그리고, 연료 전지 스택(FS)은, 각 체결판(57A, 57B) 및 보강판(58A, 58B)을 볼트(B)에 의해 양쪽 엔드 플레이트(56A, 56B)에 연결한다. 이와 같이 하여, 연료 전지 스택(FS)은, 도 1의 (B)에 도시한 바와 같은 케이스 일체형 구조로 되어, 적층체(A)를 그 적층 방향으로 구속·가압하여 개개의 단셀(C)에 소정의 접촉 면압을 가하여, 가스 시일성이나 도전성 등을 양호하게 유지한다.
단셀(C)은, 도 2에 도시한 바와 같이, 주위에 프레임(51)을 갖는 막전극 접합체(1)과, 프레임(51) 및 막전극 접합체(1)를 끼움 지지하는 한 쌍의 세퍼레이터(2A, 2B)를 구비하고, 프레임(51) 및 막전극 접합체(1)과 각각의 세퍼레이터(2A, 2B) 사이에 애노드 및 캐소드의 가스 유로를 각각 형성한다.
막전극 접합체(1)는 일반적으로, MEA(Membrane Electrode Assembly)라 불리는 것으로서, 상세한 도시를 생략했지만, 고체 고분자를 포함하는 전해질층을 캐소드 전극층과 애노드 전극층 사이에 끼움 지지한 주지의 구조를 갖는 것이다.
프레임(51)은 수지 성형(예를 들어 사출 성형)에 의해 막전극 접합체(1)과 일체화되어 있고, 이 실시 형태에서는, 막전극 접합체(1)를 중앙으로 하여 직사각형을 이루고 있다. 또한, 프레임(51)은 짧은 변 양측에, 각각 3개씩의 반응용 가스 유통용의 유통 구멍(H1 내지 H3, H4 내지 H6)이 배열되어 있다.
각 세퍼레이터(2A, 2B)는, 프레임(5)과 거의 동등한 종횡 치수를 갖는 금속제의 직사각형의 판 부재이며, 예를 들어 스테인리스제이며, 프레스 가공에 의해 적당한 표리 반전 형상으로 성형되어 있다. 도시된 예의 세퍼레이터(2A, 2B)는, 적어도 막전극 접합체(1)에 대응하는 중앙 부분이 단면 요철 형상으로 형성되어 있다. 양쪽 세퍼레이터(2A, 2B)는, 단면 요철 형상을 긴 변 방향으로 연속적으로 갖고 있으며, 막전극 접합체(1)에 파형 볼록부를 접촉시킴과 함께, 파형 오목부에 의해, 막전극 접합체(1)과의 사이에 애노드 및 캐소드의 가스 유로를 형성한다. 또한, 각 세퍼레이터(2A, 2B)는, 짧은 변 양측에, 프레임(51)의 각 유통 구멍(H1 내지 H6)과 동등한 유통 구멍(H1 내지 H6)이 형성되어 있다.
상기 프레임(51) 및 막전극 접합체(1)과 양쪽 세퍼레이터(2A, 2B)는, 중첩하여 단셀(C)을 구성한다. 이때, 단셀(C)은, 프레임(51) 및 각 세퍼레이터(2A, 2B)의 유통 구멍(H1 내지 H6)끼리가 서로 연속하여 반응용 가스 유통용 매니폴드(M1 내지 M6)를 형성한다. 또한, 단셀(C)은, 복수매 적층하여 상기 연료 전지 스택(적층체(A))(FS)을 구성하고, 적층 방향으로 인접하는 단셀(C)끼리의 사이에 냉각용 유체의 유로를 형성한다. 이에 의해, 연료 전지 스택(FS)은, 단셀(C)의 적층 방향으로 반응용 가스 유통용 매니폴드(M1 내지 M6)를 갖는 것이 된다.
여기서, 도 2의 (B)에 도시하는 단셀(C)에 있어서, 도면 중 좌측인 일단부측의 매니폴드(M1 내지 M3)는, 위에서부터 순차적으로, 캐소드 가스 공급용(M1), 냉각용 유체 공급용(M2), 및 애노드 가스 배출용(M3)이다. 또한, 동 단셀(C)에 있어서, 도면 중 우측인 타단부측의 매니폴드(M4 내지 M6)는, 위에서부터 순차적으로, 애노드 가스 공급용(M4), 냉각용 유체 배출용(M5), 및 캐소드 가스 공급용(M6)이다. 또한, 애노드 가스는, 수소 함유 가스이다. 캐소드 가스는, 산소 함유 가스이며, 예를 들어 공기이다. 냉각용 유체는, 예를 들어 물이다.
또한, 상기 단셀(C)은, 도 3에 프레임(51) 및 막전극 접합체(1)를 나타내도록, 프레임(51)의 모서리부나, 유통 구멍(H1 내지 H3)의 주위에, 세퍼레이터(2A, 2B)와의 사이를 밀봉하는 가스 시일(S)이 설치되어 있다. 이 가스 시일(S)은, 프레임(51)과 세퍼레이터(2A, 2B)를 접합하는 접착제에 의해 형성하는 것이 가능하다. 또한, 도 3에 도시하는 유통 구멍(H1 내지 H3)은, 도 1 및 2에 도시하는 것과 형상이 상이하지만, 그 기능은 마찬가지이다.
이때, 가스 시일(S)은, 도 3의 (A)에 도시하는 애노드측에 있어서는, 애노드 가스의 유통을 방해하지 않도록, 애노드 가스 배출용의 유통 구멍(H3)의 1변을 제외한 모서리부(굵은선부)에 설치된다. 바꾸어 말하면, 가스 시일(S)은, 유통 구멍(H3)의 모서리부의 적당한 개소에, 애노드 가스를 유통시키는 개방부(불연속부)가 설치된다.
또한, 가스 시일(S)은, 도 3의 (B)에 도시하는 캐소드측에 있어서는, 캐소드 가스의 유통을 방해하지 않도록, 캐소드 가스 공급용의 유통 구멍(H1)의 1변을 제외한 모서리부(굵은선부)에 설치된다. 또한, 도시는 생략했지만, 단셀(C)끼리의 사이(서로 대향하는 세퍼레이터끼리의 사이)에 있어서도, 냉각용 유체의 유통을 방해하지 않도록, 세퍼레이터의 유통 구멍(H2, H4)의 1변을 제외한 모서리부에 시일이 설치된다.
상기 단셀(C)을 복수매 적층하여 이루어지는 연료 전지 스택(FS)은, 특히, 반응용 가스 배출용 매니폴드(M3, M6)의 내주면의 적어도 일부가, 단셀(C)의 적층 방향으로 연속된 평면형으로 형성되어 있다. 보다 구체적으로는, 연료 전지 스택(FS)은, 프레임(51)이나 세퍼레이터(2A, 2B)인 적층 부재의 단부면(유통 구멍(H3, H6)의 내주면)에 의해, 매니폴드(M3, M6)의 내주면의 적어도 일부가, 단셀(C)의 적층 방향으로 연속된 평면형으로 형성된다. 즉, 매니폴드(M3, M6)의 내주면의 적어도 일부에 있어서, 적층 부재(51, 2A, 2B)의 단부면이 동일 평면형으로 연속된 상태가 되어 있다.
이 실시 형태에 있어서의 연료 전지 스택(FS)은, 도 1에 도시한 바와 같이, 단셀(C)의 긴 변이 수평으로 되는 자세로 설치된다. 이 경우, 매니폴드(M3, M6)의 내주면에 있어서 평면형으로 형성되는 부분은, 중력 방향에 있어서 적어도 하측의 부분이다. 또한, 평면형으로 형성되는 부분은, 하측의 부분에 추가로, 그 이외의 부분을 포함해도 되고, 또한, 배출용 매니폴드(M3, M6)에 추가로, 공급용 매니폴드(M1, M4)의 내주면에 형성해도 된다.
도 4는, 도 3 중의 X-X선에 기초하는 사시 단면도이며, 애노드 가스 배출용 매니폴드(M3)의 부분을 나타내고 있다. 또한, 도 4의 (A)에서는, 매니폴드(M3) 내의 가스 유통 방향이 화살표로 나타내는 하측 방향인데, 상술한 바와 같이, 연소 전지 스택(FS)의 자세가 도 1에 도시하는 것인 경우, 가스의 유통 방향은 수평 방향이다.
이 실시 형태에서는, 도 4의 (B)에 확대한 단면을 도시하는 바와 같이, 각 단셀(C)의 프레임(51) 및 세퍼레이터(2A, 2B)가, 각각의 유통 구멍(H3)의 내주부에 평탄 형성면(F1, F2, F3)을 갖고 있다. 그리고, 각각의 평탄 형성면(F1, F2, F3)끼리를 서로 동일 평면형으로 연속시킴으로써, 매니폴드(M3)의 내주면의 적어도 일부를, 단셀(C)의 적층 방향으로 연속된 평면형으로 형성하고 있다.
보다 구체적으로는, 프레임(51)은 유통 구멍(H3)의 내주부에, 캐소드측(도 4중에서 하측)의 면에 돌출되는 리브(21)를 일체적으로 갖고 있으며, 이 리브(21)를 포함하는 유통 구멍(H3)의 내주면을 평탄 형성면(F1)이라 하고 있다. 또한, 세퍼레이터(2A, 2B)는, 각각의 유통 구멍(H3)의 내주면을 평탄 형성면(F2, F3)이라 하고 있다.
또한, 상술한 가스 시일(S)은, 애노드측 세퍼레이터(2A) 및 프레임(51)의 각 유통 구멍(H3)의 모서리부끼리의 사이, 프레임(51) 및 캐소드측 세퍼레이터(2B)의 각 유통 구멍(H3)의 모서리부끼리의 사이, 인접하는 단셀(C)의 캐소드측 세퍼레이터(2B) 및 애노드측 세퍼레이터(2A)의 모서리부끼리의 사이에 설치된다.
이때, 도시된 예의 연료 전지 스택(FS)에서는, 프레임(51)의 캐소드측의 면에 돌출되는 리브(21)를 갖고 있으므로, 리브(21)의 선단면과 캐소드측 세퍼레이터(2B) 사이에 가스 시일이 설치된다. 이 경우, 상술한 캐소드 가스를 유통시키기 위한 개방부는, 리브(21)의 일부를 제거하여 설치할 수 있다. 또한, 도 4에는, 애노드 가스 배출용 매니폴드(M3)를 예시했지만, 그 이외의 반응용 가스의 매니폴드(M1, M4, M6)에 동일한 구성을 채용하는 것도 당연히 가능하다.
상기 구성을 구비한 연료 전지 스택(FS)은, 각 단셀(C)에 있어서, 막전극 접합체(1)의 애노드 전극층 및 캐소드 전극층에 애노드 가스 및 캐소드 가스를 각각 공급함으로써, 전기 화학 반응에 의해 발전을 하고, 이때, 발전에 수반하여 물이 생성된다. 이 생성수는, 주로 반응용 가스 배출용 매니폴드(M3, M6)를 통하여 배출된다.
이에 반해, 연료 전지 스택(FS)은, 특별한 부재를 사용하지 않고, 프레임(51)이나 세퍼레이터(2A, 2B)인 적층 부재의 단부면에 의해, 매니폴드(M3)의 내주면의 적어도 일부가, 단셀(C)의 적층 방향으로 간극 없이 연속된 평면형으로 형성되어 있다.
특히, 상기 실시 형태에 있어서의 연료 전지(FS)는, 각 프레임(51) 및 각 세퍼레이터(2A, 2B)가, 각각의 유통 구멍(H3)의 내주부에 평탄 형성면(F1 내지 F3)을 갖고, 각각의 평탄 형성면(F1 내지 F3)끼리를 서로 동일 평면형으로 연속시킴으로써, 매니폴드(M3)의 내주면의 적어도 일부가, 단셀(C)의 적층 방향으로 연속된 평면형으로 형성되어 있다.
이 때문에, 연료 전지 스택(FS)은, 반응용 가스의 유통성의 저하나, 제조 비용의 증가를 초래하는 일 없이, 매니폴드(M3)를 통하여 생성수를 양호하게 배출할 수 있다. 게다가, 연료 전지 스택(FS)은, 매니폴드(M3)의 내주면에 프레임(51)이나 세퍼레이터(2A, 2B)인 적층 부재의 단부면, 즉 평탄 형성면(F1 내지 F3) 단부면이 노출되어 있어도, 배수성이 양호하기 때문에, 체류한 생성수에 의한 적층 부재(51, 2A, 2B)의 부식을 방지할 수 있다.
또한, 상기 실시 형태에 있어서의 연료 전지 스택(FS)은, 매니폴드(M3)의 내주면에 있어서 평면형으로 형성된 부분이, 중력 방향에 있어서 적어도 하측의 부분이기 때문에, 생성수를 보다 원활하게 또한 빠르게 배출할 수 있다.
<제2 실시 형태>
도 5는, 본 발명에 따른 연료 전지의 제2 실시 형태를 설명하는 도면이며, 도 4와 마찬가지로, 도 3 중의 X-X선에 기초하는 사시 단면도 및 확대 단면도이다. 즉, 도 5는, 애노드 가스 배출용 매니폴드(M3)의 부분을 도시하고 있다. 또한, 도 5 내지 도 7에 도시하는 제2 내지 제4 실시 형태에 있어서, 제1 실시 형태와 동일한 구성 부위는, 동일 부호를 붙여서 상세한 설명을 생략한다.
도 5에 도시하는 연료 전지 스택(FS)은, 각 단셀(C)의 프레임(51)이 각각의 유통 구멍(H3)의 내주부(모서리부)에, 당해 프레임(51) 중 적어도 한쪽측의 면에 돌출되어서 세퍼레이터(2A, 2B)의 유통 구멍(H3)의 내주면을 피복하는 리브(21)와, 리브(21)의 측면을 포함하는 평탄 형성면(F1)을 갖고 있다. 도시된 예의 프레임(51)은 캐소드측(도 5중에서 하측)의 면에 돌출되는 리브(21)를 일체적으로 갖고 있다.
그리고, 연료 전지 스택(FS)은, 각 프레임(51)의 평탄 형성면(F1)끼리를 서로 동일 평면형으로 연속시킴으로써, 매니폴드(M3)의 내주면의 적어도 일부를, 단셀(C)의 적층 방향으로 간극 없이 연속된 평면형으로 형성하고 있다. 즉, 상기 제1 실시 형태에서는, 프레임(51) 및 세퍼레이터(2A, 2B)의 평탄 형성면(F1 내지 F3)으로 매니폴드(M3)의 평면을 형성하고 있었던 것에 반해서, 이 실시 형태에서는, 프레임(51)의 평탄 형성면(F1)만으로 매니폴드(M3)의 평면을 형성하고 있다.
상기 연료 전지 스택(FS)은, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 반응용 가스의 유통성의 저하나, 제조 비용의 증가를 초래하는 일 없이, 매니폴드(M3)를 통하여 생성수를 양호하게 배출할 수 있다. 게다가, 연료 전지 스택(FS)은, 수지제의 프레임(51)에 설치한 리브(21)에 의해 금속제의 세퍼레이터(2A, 2B)의 유통 구멍(H3)의 내주면을 피복하고 있으므로, 그 내주면에 생성수가 접촉할 일이 없어, 부식에 대한 내주면이 충분한 보호 기능을 얻을 수 있다.
<제3 실시 형태>
도 6은, 본 발명에 따른 연료 전지 스택의 제3 실시 형태를 도시하는 도면이며, 도 3 중의 X-X선에 기초하는 단셀의 유통 구멍 부분의 단면도이다.
도 6에 도시하는 단셀(C)의 프레임(51)은 유통 구멍(H3)의 내주부(모서리부)에, 당해 프레임(51)의 양쪽 면에 돌출된 리브(21, 21)를 일체적으로 갖고 있으며, 리브(21, 21)의 측면을 포함하는 내주부를 평탄 형성면(F1)으로 하고 있다.
그리고, 단셀(C)은, 프레임(51)의 유통 구멍(H3)의 모서리부에, 적층 방향으로 인접하는 상대 부재와의 접착부를 가짐과 함께, 접착부의 유통 구멍의 반대측에, 접착제(22)의 고임부를 갖고 있다.
접착부는, 경화 후에 시일로서 기능하는 접착제(22)를 도포한 부분이며, 상술한 가스 시일(도 3 참조)과 동등한 것이며, 도시된 예의 경우에는, 리브(21)의 선단면이다. 또한, 적층 방향으로 인접하는 상대 부재는, 애노드측 및 캐소드측의 세퍼레이터(2A, 2B)이다. 또한, 고임부(23)는 프레임(51)에 형성한 홈형의 오목부이며, 접착부에 접착제(22)를 도포하여 세퍼레이터(2A, 2B)를 접합한 때에, 잉여가 된 접착제(22)를 빼내는 부분이다.
상기 구성의 단셀(C)을 적층하여 이루어지는 연료 전지 스택은, 상기 실시 형태와 마찬가지로, 반응용 가스의 유통성의 저하나, 제조 비용의 증가를 초래하는 일 없이, 매니폴드(M3)를 통하여 생성수를 양호하게 배출할 수 있다. 나아가, 프레임(51)과 세퍼레이터(2A, 2B) 사이는, 접착제(22)에 의해 간극 없이 매립됨과 함께, 고임부(23)에 의해, 잉여가 된 접착제(22)를 빼내서 유통 구멍(H3)측으로의 비어져 나옴이 억제되므로, 매니폴드(M3)의 내주면을 평면형으로 형성할 수 있다.
<제4 실시 형태>
도 7은, 본 발명에 따른 연료 전지 스택의 제4 실시 형태를 도시하는 도면이며, 도 3 중의 X-X선에 기초하는 단셀의 유통 구멍 부분의 단면도이다.
도 7에 도시하는 단셀(C)의 프레임(51)은 유통 구멍(H3)의 내주부(모서리부)에, 당해 프레임(51)의 양쪽 면에 돌출된 리브(21, 21)를 일체적으로 갖고 있으며, 리브(21, 21)의 측면을 포함하는 내주부를 평탄 형성면(F1)으로 하고 있다.
그리고, 단셀(C)은, 프레임(51)의 유통 구멍(H3)의 모서리부에, 적층 방향으로 인접하는 상대 부재(세퍼레이터(2A, 2B))의 접착부를 가짐과 함께, 접착부의 유통 구멍(H3)의 반대측에, 접착제(22)의 고임부(23)를 갖고, 또한, 접착부가, 고임부(23)를 향하여 내리막 구배를 이루는 경사면(24)을 갖고 있다.
상기 구성의 단셀(C)을 적층하여 이루어지는 연료 전지 스택은, 상기 실시 형태와 마찬가지로, 반응용 가스의 유통성의 저하나, 제조 비용의 증가를 초래하는 일 없이, 매니폴드(M3)를 통하여 생성수를 양호하게 배출할 수 있다. 나아가, 프레임(51)과 세퍼레이터(2A, 2B) 사이는, 접착제(22)에 의해 간극 없이 매립됨과 함께, 경사면(24)에 의해, 잉여가 된 접착제(22)를 적극적으로 고임부(23)로 빼낼 수 있다. 이에 의해, 유통 구멍(H3)측에의 접착제(22)의 비어져 나옴이 보다 확실하게 억제되므로, 매니폴드(M3)의 내주면을 평면형으로 형성할 수 있다.
본 발명에 따른 연료 전지 스택은, 그 구성이 상기 각 실시 형태에만 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 구성의 세부를 적절히 변경하거나, 상기 각 실시 형태의 구성을 적절히 조합하거나 하는 것이 가능하다.
1: 막전극 접합체
2A, 2B: 세퍼레이터
21: 리브
22: 접착제
23: 고임부
24: 경사면
51: 프레임
C: 단셀
FS: 연료 전지 스택
F1: 프레임의 평탄 형성면
F2, F3: 세퍼레이터의 평탄 형성면
H1 내지 H6: 유통 구멍
M1: 캐소드 가스 공급용 매니폴드
M3: 애노드 가스 배출용 매니폴드
M4: 애노드 가스 공급용 매니폴드
M6: 캐소드 가스 배출용 매니폴드

Claims (6)

  1. 주위에 프레임을 갖는 막전극 접합체와, 프레임 및 막전극 구조체를 끼움 지지하는 한 쌍의 세퍼레이터를 구비한 단셀을 복수매 적층한 구조를 갖고,
    각 단셀의 프레임 및 세퍼레이터가, 적층 상태에서 서로 연속하여 반응용 가스 유통용 매니폴드를 형성하는 유통 구멍을 갖고,
    매니폴드의 내주면의 적어도 일부가, 단셀의 적층 방향으로 연속된 평면형으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택.
  2. 제1항에 있어서, 각 프레임 및 각 세퍼레이터가, 각각의 유통 구멍의 내주부에 평탄 형성면을 갖고 있으며,
    각각의 평탄 형성면끼리를 서로 연속시킴으로써, 매니폴드의 내주면의 적어도 일부를, 단셀의 적층 방향으로 연속된 평면형으로 형성하고 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택.
  3. 제1항에 있어서, 각 프레임이, 각각의 유통 구멍의 내주부에, 당해 프레임 중 적어도 한쪽측의 면에 돌출되어서 세퍼레이터의 유통 구멍의 내주면을 피복하는 리브와, 리브의 측면을 포함하는 평탄 형성면을 갖고 있으며,
    각 프레임의 평탄 형성면끼리를 서로 연속시킴으로써, 매니폴드의 내주면의 적어도 일부를, 단셀의 적층 방향으로 연속된 평면형으로 형성하고 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 매니폴드의 내주면에 있어서 평면형으로 형성된 부분은, 중력 방향에 있어서 적어도 하측의 부분인 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 각 프레임이, 각각의 유통 구멍의 모서리부에, 적층 방향으로 인접하는 상대 부재와의 접착부를 가짐과 함께, 접착부의 유통 구멍의 반대측에, 접착제의 고임부를 갖고 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택.
  6. 제5항에 있어서, 상기 접착부가, 고임부를 향하여 내리막 구배를 이루는 경사면을 갖고 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택.
KR1020177032591A 2015-05-13 2015-05-13 연료 전지 스택 KR101963998B1 (ko)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/JP2015/063753 WO2016181522A1 (ja) 2015-05-13 2015-05-13 燃料電池スタック

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20170129272A true KR20170129272A (ko) 2017-11-24
KR101963998B1 KR101963998B1 (ko) 2019-03-29

Family

ID=57249070

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020177032591A KR101963998B1 (ko) 2015-05-13 2015-05-13 연료 전지 스택

Country Status (7)

Country Link
US (1) US10312528B2 (ko)
EP (1) EP3297080B1 (ko)
JP (1) JP6395121B2 (ko)
KR (1) KR101963998B1 (ko)
CN (1) CN107534178B (ko)
CA (1) CA2985885C (ko)
WO (1) WO2016181522A1 (ko)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6607411B2 (ja) * 2015-11-06 2019-11-20 日産自動車株式会社 燃料電池の単セル構造、及び該燃料電池単セルを積層した燃料電池のスタック構造

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004192893A (ja) * 2002-12-10 2004-07-08 Toyota Motor Corp 積層型燃料電池、積層型燃料電池の製造方法および積層型燃料電池の製造装置
JP2004213972A (ja) * 2002-12-27 2004-07-29 Hitachi Ltd 積層形燃料電池
KR20080100804A (ko) * 2006-06-16 2008-11-19 파나소닉 주식회사 연료전지용 막전극 접합체, 고분자 전해질형 연료전지용셀, 고분자 전해질형 연료전지 및 막전극 접합체의제조방법
US20100003580A1 (en) * 2006-10-24 2010-01-07 Junichi Shirahama Fuel cell
JP4551746B2 (ja) 2004-11-24 2010-09-29 本田技研工業株式会社 燃料電池スタック
KR20110059381A (ko) * 2009-11-27 2011-06-02 현대자동차주식회사 자동차용 연료 전지 스택 및 이에 구비되는 세퍼레이터

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5045413A (en) 1989-05-03 1991-09-03 Institute Of Gas Technology Fully internal mainfolded fuel cell stack
US6613470B1 (en) 1999-09-01 2003-09-02 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha Solid polymer electrolyte fuel cell stack
JP4151314B2 (ja) * 2001-06-18 2008-09-17 トヨタ自動車株式会社 燃料電池
JP4993828B2 (ja) * 2001-09-06 2012-08-08 株式会社日本自動車部品総合研究所 燃料電池
FR2887686B1 (fr) 2005-06-28 2010-08-13 Peugeot Citroen Automobiles Sa Joint d'etancheite et cellule de pile a combustible comportant un tel joint appose sur les plaques bipolaires
JP2007250232A (ja) * 2006-03-14 2007-09-27 Equos Research Co Ltd 燃料電池スタック
JP5286895B2 (ja) * 2008-04-04 2013-09-11 トヨタ自動車株式会社 単セルアセンブリ、および燃料電池
JP5353558B2 (ja) * 2009-08-21 2013-11-27 トヨタ自動車株式会社 燃料電池スタック
JP5445679B2 (ja) * 2010-06-01 2014-03-19 日産自動車株式会社 燃料電池セル
JP5666396B2 (ja) * 2011-07-14 2015-02-12 本田技研工業株式会社 燃料電池用金属セパレータの製造方法
JP5773232B2 (ja) * 2012-03-21 2015-09-02 日産自動車株式会社 燃料電池
CA2896297C (en) 2012-12-26 2019-11-12 Nissan Motor Co., Ltd. Fuel cell stack including deformation absorbing member

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004192893A (ja) * 2002-12-10 2004-07-08 Toyota Motor Corp 積層型燃料電池、積層型燃料電池の製造方法および積層型燃料電池の製造装置
JP2004213972A (ja) * 2002-12-27 2004-07-29 Hitachi Ltd 積層形燃料電池
JP4551746B2 (ja) 2004-11-24 2010-09-29 本田技研工業株式会社 燃料電池スタック
KR20080100804A (ko) * 2006-06-16 2008-11-19 파나소닉 주식회사 연료전지용 막전극 접합체, 고분자 전해질형 연료전지용셀, 고분자 전해질형 연료전지 및 막전극 접합체의제조방법
US20100003580A1 (en) * 2006-10-24 2010-01-07 Junichi Shirahama Fuel cell
KR20110059381A (ko) * 2009-11-27 2011-06-02 현대자동차주식회사 자동차용 연료 전지 스택 및 이에 구비되는 세퍼레이터

Also Published As

Publication number Publication date
KR101963998B1 (ko) 2019-03-29
JPWO2016181522A1 (ja) 2018-03-08
EP3297080A1 (en) 2018-03-21
EP3297080B1 (en) 2020-12-23
US20180138524A1 (en) 2018-05-17
US10312528B2 (en) 2019-06-04
EP3297080A4 (en) 2018-05-30
WO2016181522A1 (ja) 2016-11-17
CN107534178A (zh) 2018-01-02
CN107534178B (zh) 2019-01-22
CA2985885A1 (en) 2016-11-17
CA2985885C (en) 2019-07-30
JP6395121B2 (ja) 2018-09-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5445986B2 (ja) 燃料電池セル
JP5615875B2 (ja) 燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体
JP5234446B2 (ja) 燃料電池スタック用金属セパレータの積層性向上構造
JP6118225B2 (ja) 燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体
JP6968746B2 (ja) 燃料電池用セパレータ部材及び燃料電池スタック
JP6715278B2 (ja) 燃料電池スタック
EP3032626B1 (en) Membrane electrode assembly with frame, fuel cell single cell, and fuel cell stack
JP4852840B2 (ja) セパレータ
JP6778249B2 (ja) 燃料電池スタック
JP6997630B2 (ja) 発電セル
US9318753B2 (en) Fuel cell
JP6666664B2 (ja) 燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体
KR101859894B1 (ko) 연료 전지 스택
JP2011222393A (ja) 燃料電池
KR101963998B1 (ko) 연료 전지 스택
JP6229874B2 (ja) フレーム付き膜電極接合体、燃料電池単セル及び燃料電池スタック
JP2019160665A (ja) 燃料電池スタック及び燃料電池スタック用ダミーセル
JP6666665B2 (ja) 燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体
JP6549864B2 (ja) 燃料電池スタック
US10700366B2 (en) Fuel cell having a metal separator with a flat portion
JP6241594B2 (ja) フレーム付き膜電極接合体、燃料電池単セル及び燃料電池スタック
JP6633114B2 (ja) 燃料電池スタック及びダミーセルの製造方法
JP6656596B2 (ja) 燃料電池の単セル構造
JP6900913B2 (ja) 燃料電池
JP2011008951A (ja) 燃料電池用ガスケット、燃料電池用積層部材、および燃料電池

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
A302 Request for accelerated examination
E902 Notification of reason for refusal
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant