KR20180002879A

KR20180002879A - 연료 전지용 금속 세퍼레이터 구조체, 당해 세퍼레이터 구조체를 사용한 연료 전지 및 연료 전지 스택

Info

Publication number: KR20180002879A
Application number: KR1020177036333A
Authority: KR
Inventors: 다카노리 오쿠; 시게마사 구와타
Original assignee: 닛산 지도우샤 가부시키가이샤
Priority date: 2015-06-03
Filing date: 2016-06-02
Publication date: 2018-01-08
Also published as: CA2987885C; CN107615538B; JP6512538B2; EP3306721B1; WO2016195045A1; US10128514B2; EP3306721A1; CN107615538A; JPWO2016195045A1; CA2987885A1; EP3306721A4; KR101903317B1; US20180159147A1

Abstract

연료 전지용 금속 세퍼레이터 구조는, 한쪽 막전극 접합체에 접촉하는 제1 세퍼레이터와, 다른 쪽 막전극 접합체에 맞닿는 제2 세퍼레이터를 구비한다. 그리고, 상기 제1 세퍼레이터 및 상기 제2 세퍼레이터와, 상기 막전극 접합체의 적층 방향에 있어서, 2개의 막전극 접합체에 끼워진 반응 영역에서는 상기 제1 세퍼레이터와 제2 세퍼레이터의 사이에 도전 부재를 삽입하고, 막전극 접합체 외측 모서리의 시일부는, 상기 제1 세퍼레이터와 제2 세퍼레이터를 직접 접촉시킴으로써, 시일 홈의 깊이를 깊게 하여 시일 스페이스를 확장한다.

Description

연료 전지용 금속 세퍼레이터 구조체, 당해 세퍼레이터 구조체를 사용한 연료 전지 및 연료 전지 스택

본 발명은 연료 전지에 사용되는 금속 세퍼레이터 구조체에 관한 것이고, 더욱 상세하게는, 박형 가스 확산층을 적용하거나, 얕은 홈 채널의 가스 유로를 채용하거나 하더라도, 시일 설계의 로버스트성을 확보할 수 있는 연료 전지용 금속 세퍼레이터 구조체, 당해 세퍼레이터 구조체를 사용한 연료 전지 및 연료 전지 스택에 관한 것이다.

연료 전지 스택은, 막전극 접합체를 한 쌍의 파형 세퍼레이터로 끼움 지지하여 이루어지는 단셀을 복수 적층하여 구성되는 것이다. 그리고, 2개의 엔드 플레이트 간에 상기 단셀을 복수 적층하고, 체결 볼트나 케이싱에 의해 적층 방향으로 체결 하중을 부여하여 형성된다.

상기 막전극 접합체와 세퍼레이터의 사이에는, 반응 면을 따라 가스 유로가 형성되고, 인접하는 2개의 세퍼레이터 간에는 냉각 매체 유로가 형성된다. 그리고, 상기 막전극 접합체의 외측 모서리에는 시일 부재가 설치되어 가스 등의 누설이 방지된다.

특허문헌 1의 일본 특허 공개 제2011-146247호 공보에는, 상기 단셀의 전극면의 면압에 변동이 발생하면, 접촉 저항이 저하되어 단자 전압이 저하되는 경우가 있기 때문에, 금속 세퍼레이터의 면에 변형 게이지를 마련함으로써, 성능 저하나 액누출이 발생하기 전에 연료 전지 셀의 이상을 검출할 수 있다는 취지가 개시되어 있다.

일본 특허 공개 제2011-146247호 공보

상기 특허문헌 1에 기재된 것은, 연료 전지 셀의 이상을 검출할 수 있는 것이지만, 이상의 발생 자체를 방지할 수는 없다.

차량 탑재용 연료 전지에 있어서는, 상기 막전극 접합체 표면에 형성되는 가스 확산층의 두께를 얇게 하여 반응 가스의 확산성을 향상시키고, 또한, 가스 유로를 얕은 홈화하여 반응 가스의 유속을 증가시킴과 함께 가스 유로로부터의 물 배출성을 향상시킴으로써, 연료 전지의 고성능화가 도모된다.

이러한 연료 전지는, 가스 확산층의 박층화와 가스 유로의 얕은 홈화에 수반하여, 시일 스페이스가 감소해서 로버스트성이 저하되고, 연료 전지로부터 반응 가스 등이 누설될 우려가 발생한다. 즉, 상기 시일 부재가 배치되는 시일 스페이스의 높이가 감소하면, 상기 시일 부재의 자유 길이, 환언하면, 시일 부재의 찌그러짐 여유부가 짧아져서, 시일 부재의 압축률의 변동이 커지고, 시일성이 저하되어 버린다. 따라서, 연료 전지의 고성능화와 신뢰성을 양립시키는 것은 곤란하다.

본 발명은 이러한 종래 기술이 갖는 과제를 감안하여 이루어진 것이며, 그 목적으로 하는 바는, 연료 전지의 고성능화와 신뢰성을 양립시킬 수 있는 연료 전지용 금속 세퍼레이터 구조체, 당해 세퍼레이터 구조체를 사용한 연료 전지, 및 연료 전지 스택을 제공하는 데 있다.

본 발명자들은, 상기 목적을 달성하기 위해 예의 검토를 거듭한 결과, 적층된 연료 전지의 인접하는 파형 금속 세퍼레이터 간에, 도전성의 스페이서를 삽입함으로써, 가스 확산층의 박층화 및 가스 유로의 얕은 홈화와, 시일 스페이스의 확보를 양립시킬 수 있어, 상기 목적이 달성될 수 있음을 알아내어, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

즉, 본 발명의 연료 전지용 금속 세퍼레이터 구조체는, 한쪽 막전극 접합체에 맞닿는 제1 세퍼레이터와, 다른 쪽 막전극 접합체에 맞닿는 제2 세퍼레이터를 구비하고,

상기 제1 세퍼레이터와 상기 한쪽 막전극 접합체의 사이 및, 상기 제2 세퍼레이터와 상기 다른 쪽 막전극 접합체의 사이에, 각각 가스 유로가 형성되고, 상기 제1 세퍼레이터와 상기 제2 세퍼레이터의 사이에 냉각 매체 유로가 형성되는 것이며,

상기 제1 세퍼레이터 및 상기 제2 세퍼레이터와, 상기 막전극 접합체의 적층 방향에 있어서, 상기 막전극 접합체의 외측 모서리에서, 상기 제1 세퍼레이터와 상기 제2 세퍼레이터가 직접 맞닿아서 시일 홈을 형성하고, 또한, 상기 2개의 막전극 접합체에 끼워진 반응 영역에서는, 상기 제1 세퍼레이터와 상기 제2 세퍼레이터의 사이에 도전 부재가 삽입되고, 상기 제1 세퍼레이터 및 상기 제2 세퍼레이터가, 각각, 상기 도전 부재와 맞닿아 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 연료 전지 스택은, 상기 연료 전지용 금속 세퍼레이터 구조체와, 막전극 접합체가, 교대로 적층된 것임을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 연료 전지는, 막전극 접합체를 2개의 금속 세퍼레이터로 끼움 지지하여 이루어지는 연료 전지이며, 상기 막전극 접합체와 상기 2개의 금속 세퍼레이터의 사이에, 각각 가스 유로가 형성되고, 상기 금속 세퍼레이터와 인접하는 연료 전지의 금속 세퍼레이터의 사이에 냉각 매체 유로가 형성되고,

상기 연료 전지의 적층 방향에 있어서, 상기 막전극 접합체의 외측 모서리에서, 상기 2개의 금속 세퍼레이터가, 각각, 인접하는 연료 전지 금속 세퍼레이터와 직접 맞닿아서 시일 홈을 형성하고, 또한, 상기 막전극 접합체를 끼움 지지하는 반응 영역에서는, 상기 금속 세퍼레이터와 인접하는 연료 전지의 금속 세퍼레이터의 사이에 도전 부재가 삽입되어, 상기 금속 세퍼레이터가 상기 도전 부재와 맞닿아 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 적층된 단셀의 인접하는 금속 세퍼레이터 간에, 반응 영역에 있어서는 스페이서가 되는 도전 부재를 삽입하고, 시일부에 있어서는 상기 도전성 스페이서를 삽입하지 않고서, 상기 인접하는 파형 금속 플레이트끼리를 맞닿게 하는 것으로 했기 때문에, 가스 확산층을 박층화하며, 또한 가스 유로를 얕은 홈화한 경우이더라도, 시일 스페이스를 확보할 수 있고, 연료 전지의 고성능화와 신뢰성을 양립시킬 수 있다.

도 1은 연료 전지를 설명하는 사시도 (A) 및 분해 사시도 (B)이다.
도 2는 단셀을 분해 상태에서 도시하는 평면도이다.
도 3은 막전극 접합체(MEA)의 단면도이다.
도 4는 박형 가스 확산층을 사용했을 때의 시일 홈 깊이를 설명하는 도면이다.
도 5는 도전 부재를 삽입했을 때의 시일 홈 깊이를 설명하는 도면이다.
도 6은 도전 부재에 홈을 형성한 상태의 일례를 도시하는 단면도이다.
도 7은 도전 부재를 시일부까지 연장한 상태를 도시하는 단면도이다.
도 8은 코너 맞춤에 의해 도전 부재와 시일부의 위치 결정을 한 상태의 단면도이다.
도 9는 절결부를 갖는 연료 전지용 금속 세퍼레이터 구조체를 분해 상태에서 설명하는 주요부 평면도이다.

본 발명의 연료 전지용 금속 세퍼레이터 구조체에 대하여 상세하게 설명한다.

본 발명의 연료 전지용 금속 세퍼레이터 구조체는, 막전극 접합체를 한 쌍의 세퍼레이터로 끼움 지지하여 이루어지는 단셀을, 복수 적층하여 구성되는 연료 전지 스택에 사용되는 것이며, 인접하는 단셀의 2개의 막전극 접합체 간에 설치되는 2개의 세퍼레이터로 구성되는 것이다.

먼저, 연료 전지 스택에 대하여 설명한다. 도 1에 연료 전지 스택의 일례를 도시한다. 도 1에 도시하는 연료 전지 FC는, 연료 전지용 금속 세퍼레이터 구조체와 막전극 접합체가, 교대로 복수조 적층되고, 복수매의 직사각형 판형의 연료 전지용 단셀(이하, 「단셀」이라 함) C로 구성되는 적층체(연료 전지 스택) L을 구비하고 있다.

이 연료 전지 FC는, 적층체 L의 적층 방향의 일단부(도 1의 (B) 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 FC는, 적층체 L에 대하여 단셀 C의 긴 변측이 되는 양면(도 1의 (B) 중에서 상하면)에, 체결판(57A, 57B)이 설치되어 있음과 함께, 짧은 변측이 되는 양면에, 보강판(58A, 58B)이 설치되어 있다.

그리고, 연료 전지 FC는, 각 체결판(57A, 57B) 및 보강판(58A, 58B)을 볼트 B에 의해 양쪽 엔드 플레이트(56A, 56B)에 연결하여 구성된다. 이에 의해, 연료 전지 FC는, 도 1의 (A)에 도시하는 케이스 일체형 구조가 되고, 적층체 L을 그 적층 방향으로 구속·가압하여 개개의 단셀 C에 소정의 접촉 면압을 가하여, 가스 시일성이나 도전성 등을 양호하게 유지한다.

상기 연료 전지 FC에 있어서, 단셀 C는, 도 2에 도시하는 바와 같이, 주위에 프레임(1)을 갖는 막전극 접합체(2)와, 프레임(1) 및 막전극 접합체(2)를 끼움 지지하는 제1 세퍼레이터(3)와 제2 세퍼레이터(4)를 구비한다.

상기 제1 세퍼레이터(3)와 제2 세퍼레이터(4)는, 예를 들어 프레스 가공에 의해 형성된 스테인리스 등의 금속판이며, 표리 반전 형상의 파형 플레이트이다. 따라서, 셀 내면측의 볼록부 및 오목부의 부분이, 반대로 오목부 및 볼록부로 되어 있다.

상기 제1 세퍼레이터(3)와 제2 세퍼레이터(4)는, 반응 영역의 막전극 접합체(2)측이 되는 셀 내면측에서는, 볼록부에 의해 막전극 접합체(2)에 맞닿음과 함께, 오목부에 의해 가스 유로 G를 형성하고 있다. 셀 외면측에서는, 제1 세퍼레이터와 제2 세퍼레이터의 사이에 냉각 매체 유로 R이 형성된다.

또한, 상기 막전극 접합체(2)의 외측 모서리에는, 제1 세퍼레이터(3) 및 제2 세퍼레이터(4)가 각각, 인접하는 연료 전지의 세퍼레이터와 직접 맞닿아서 시일 홈 S가 형성되고, 당해 시일 홈 S가 대향하여 형성되는 시일부에 시일 부재가 배치되어 가스 누설 등이 방지된다.

상기 막전극 접합체(2)는 소위 MEA(Membrane Electrode Assembly)이며, 도 3에 도시하는 바와 같이, 고체 고분자를 포함하는 전해질막(21)을 애노드측 및 캐소드측의 전극층(22)으로 끼움 지지한 것이며, 촉매층(23)의 표면에는, 예를 들어 두께가 100㎛ 내지 250㎛의 박형의 가스 확산층(24)이 형성된다.

도 4에 단셀 C를 적층한 상태의 단면도를 도시한다. 도 4의 (a)에 도시하는 바와 같이, 상기 막전극 접합체(2)의 가스 확산층(24)의 두께가 두꺼운 경우에는, 시일 홈 S의 깊이가 확보된다.

그러나, 얇은 가스 확산층(24)을 채용하는 경우에는, 도 4의 (b)에 도시하는 바와 같이, 시일 홈 S의 깊이가 얕아져 버리고, 당해 시일 홈 S에 배치되는 도시하지 않은 시일 부재의 자유 길이가 짧아져서, 시일 부재의 찌그러짐 여유부에 변동이 생겨, 가스 누설 등이 발생할 우려가 생긴다.

또한, 도 4의 (a), (b)에 도시하는, 가스 유로 G는, 모두 얕은 홈화한 것이며, 깊은 홈의 가스 유로로 할 경우에는, 시일 홈 S의 깊이를 확보할 수 있기 때문에, 시일성이 저하되는 문제는 일어나지 않는다.

본 발명의 연료 전지용 금속 세퍼레이터 구조체에 있어서는, 상기 제1 세퍼레이터 및 상기 제2 세퍼레이터와, 상기 막전극 접합체와의 적층 방향에 있어서, 도 5의 (b)에 도시하는 바와 같이, 막전극 접합체(2)와 대향하는 개소, 즉, 2개의 막전극 접합체에 끼워진 반응 영역의 제1 세퍼레이터(3)의 볼록부와 제2 세퍼레이터(4)의 오목부가 대향하여 형성되는 가스 유로 G의 반대측에 스페이서가 되는 도전 부재(6)가 삽입된다.

따라서, 반응 영역에 있어서는, 제1 세퍼레이터(3)와 제2 세퍼레이터(4)가 상기 도전 부재(6)를 개재하여 접촉함으로써, 가스 확산층(24)을 박층화하고, 또한 가스 유로 G를 얕은 홈화한 경우이더라도, 단셀의 두께가 확보되고, 또한, 상기 스페이서가 도전성을 가짐으로써, 제1 세퍼레이터(3)와 제2 세퍼레이터(4)의 도통도 확보된다.

그리고, 상기 막전극 접합체(2)의 외측 모서리에 설치되는 시일부에 있어서는, 상기 제1 세퍼레이터(3)와 제2 세퍼레이터(4)가 직접 접촉됨으로써, 시일 홈 S의 깊이가 상기 가스 유로 G보다도 깊어지고, 도전성 스페이서를 구비하고 있지 않은 것(도 5의 (a))과의 비교로부터도 명백해진 바와 같이, 시일 홈 S의 깊이를 확보할 수 있으며, 시일성의 저하가 방지된다.

상기 도전 부재(6)로서는, 단셀의 두께를 확보할 수 있고, 또한 제1 세퍼레이터(3)와 제2 세퍼레이터(4)의 도통을 확보할 수 있으면 되고, 범프(돌기)나 선상의 도전성 스페이서를 파형 플레이트의 볼록부에 형성해도 되지만, 스페이서가 되는 도전 부재(6)는 제작 용이의 관점에서 도전판인 것이 바람직하다.

상기 도전판은, 도 6에 도시하는 바와 같이, 유로 부분에 홈(61)을 형성하고, 각 세퍼레이터에 접하는 부분의 두께보다도 유로 부분의 두께를 얇게 해도 되며, 또한, 천공 가공된 것이나 다공체여도 된다. 도전판이 홈을 갖는 것이나, 판형의 다공체 등임으로써, 냉각 매체 유로 R의 압력 손실을 저하시킬 수 있다.

또한, 상기 반응 영역의 외측 모서리에 형성되는 시일부의 시일 홈 S는, 반응 영역측, 즉, 막전극 접합체측에 홈 깊이가 얕은 부분 SS를 갖는 것이 바람직하다. 도 7에 도시하는 바와 같이, 홈 깊이가 얕은 부분 SS를 형성함으로써, 제1 세퍼레이터(3)와 제2 세퍼레이터(4)의 사이에 간극 V가 형성되고, 당해 간극 V에까지 상기 도전판을 연신시킴으로써, 도 5의 (b)에 도시하는 바와 같이, 반응 영역의 단부에 위치하는 냉각 매체 유로 R만이 넓어지는 경우가 없다.

따라서, 모든 냉각 매체 유로 R의 단면적이 동등해져, 각 냉각 매체 유로 R에의 균등한 분배가 가능해진다.

상기 홈 깊이가 얕은 부분 SS는, 도 8에 도시하는 바와 같이, 제1 세퍼레이터(3), 제2 세퍼레이터(4)를, 도전 부재(6)의 두께와 같은 간극이 생기도록, 굴곡시켜서 형성되는 것이 바람직하다. 각 세퍼레이터(3, 4)의 상기 굴곡부(31, 41)와 상기 도전판의 단부(62)의 각을 접촉시킴으로써, 유로 방향과 직교하는 방향의 위치 결정이 용이해진다.

따라서, 상기 시일부의 시일 홈 S에, 홈 깊이가 얕은 부분 SS를 형성해도, 제1 세퍼레이터(3)와 제2 세퍼레이터(4)의 사이에 발생하는 간극 V를 작게 하거나 또는 매립할 수 있고, 단셀 C를 적층하여 가압·구속해도 각 세퍼레이터의 시일부가 휘는 경우가 없다.

또한, 치수 정밀도가 향상되어, 시일 스페이스의 변동이 방지되고, 시일 성능이 향상된다.

상기 도전 부재(6)는 냉각 매체 유로 방향과 대략 직교 방향의 단부, 즉, 상기 시일 홈 S의 홈 깊이가 얕은 부분 SS까지 연신시키는 개소의 일부 또는 전부에 절결부(63)를 갖는 것이 바람직하다. 도 9에 절결부(63)를 갖는 도전판 및 세퍼레이터(3, 4)의 주요부 평면도를 나타낸다.

상기 도전 부재(6)의 절결부(63)의 형상에 맞춘 감합부(32, 42)를, 제1 세퍼레이터(3) 및 제2 세퍼레이터(4)의 유로 방향의 일부 또는 전부에 형성하고, 상기 절결부(62)와 세퍼레이터의 감합부(32, 42)를 감합시킴으로써, 유로 방향의 위치 결정이 용이해져, 시일 성능이 향상된다.

1: 프레임
2: 막전극 접합체
21: 전해질막
22: 전극층
23: 촉매층
24: 가스 확산층
3: 제1 세퍼레이터
31: 굴곡부
32: 감합부
4: 제2 세퍼레이터
41: 굴곡부
42: 감합부
G: 가스 유로
S: 시일 홈
SS: 홈 깊이가 얕은 부분
R: 냉각 매체 유로
V: 간극
54A: 집전판
54B: 집전판
55: 스페이서
56A: 엔드 플레이트
56B: 엔드 플레이트
57A: 체결판
57B: 체결판
58A: 보강판
58B: 보강판
6: 도전 부재
61: 홈
62: 도전판의 단부
63: 절결부
FC: 연료 전지
C: 단셀
L: 적층체

Claims

2개의 막전극 접합체 간에 설치되는 연료 전지용 금속 세퍼레이터 구조체이며,
한쪽 막전극 접합체에 맞닿는 제1 세퍼레이터와,
다른 쪽 막전극 접합체에 맞닿는 제2 세퍼레이터를 구비하고,
상기 제1 세퍼레이터와 상기 한쪽 막전극 접합체의 사이 및, 상기 제2 세퍼레이터와 상기 다른 쪽 막전극 접합체의 사이에, 각각 가스 유로가 형성되고,
상기 제1 세퍼레이터와 상기 제2 세퍼레이터의 사이에 냉각 매체 유로가 형성되는 것이며,
상기 제1 세퍼레이터 및 상기 제2 세퍼레이터와, 상기 막전극 접합체의 적층 방향에 있어서,
상기 막전극 접합체의 외측 모서리에서, 상기 제1 세퍼레이터와 상기 제2 세퍼레이터가 직접 맞닿아서 시일 홈을 형성하고,
또한,
상기 2개의 막전극 접합체에 끼워진 반응 영역에서는, 상기 제1 세퍼레이터와 상기 제2 세퍼레이터의 사이에 도전 부재가 삽입되고, 상기 제1 세퍼레이터 및 상기 제2 세퍼레이터가, 각각, 상기 도전 부재와 맞닿아 있는 것을 특징으로 하는, 연료 전지용 금속 세퍼레이터 구조체.
제1항에 있어서,
상기 도전 부재가 도전판인 것을 특징으로 하는, 연료 전지용 금속 세퍼레이터 구조체.
제2항에 있어서,
상기 시일 홈이, 상기 반응 영역측에 홈 깊이가 얕은 부분을 갖는 것이며,
당해 홈 깊이가 얕은 부분의 제1 세퍼레이터와 제2 세퍼레이터의 사이에, 상기 도전판을 갖는 것을 특징으로 하는, 연료 전지용 금속 세퍼레이터 구조체.
제3항에 있어서,
상기 시일 홈의 홈 깊이가 얕은 부분이, 상기 제1 세퍼레이터 및 제2 세퍼레이터가 굴곡되어 형성되고,
상기 제1 세퍼레이터 및 제2 세퍼레이터의 굴곡부가, 상기 도전판과 맞닿아 있는 것을 특징으로 하는, 연료 전지용 금속 세퍼레이터 구조체.
제4항에 있어서,
상기 도전판이, 상기 냉각 매체 유로 방향과 대략 직교 방향의 단부에 절결부를 갖는 것이며,
상기 도전판의 절결부와, 상기 제1 세퍼레이터 및 제2 세퍼레이터의 굴곡부가 감합된 것을 특징으로 하는, 연료 전지용 금속 세퍼레이터 구조체.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 도전판이 다공체인 것을 특징으로 하는, 연료 전지용 금속 세퍼레이터 구조체.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 연료 전지용 금속 세퍼레이터 구조체와, 막전극 접합체가 교대로 적층된 것을 특징으로 하는, 연료 전지 스택.
막전극 접합체를 2개의 금속 세퍼레이터로 끼움 지지하여 이루어지는 연료 전지이며,
상기 막전극 접합체와 상기 2개의 금속 세퍼레이터의 사이에, 각각 가스 유로가 형성되고,
상기 금속 세퍼레이터와 인접하는 연료 전지의 금속 세퍼레이터의 사이에 냉각 매체 유로가 형성되고,
상기 연료 전지의 적층 방향에 있어서,
상기 막전극 접합체의 외측 모서리에서, 상기 2개의 금속 세퍼레이터가, 각각, 인접하는 연료 전지의 금속 세퍼레이터와 직접 맞닿아서 시일 홈을 형성하고,
또한,
상기 막전극 접합체를 끼움 지지하는 반응 영역에서는, 상기 금속 세퍼레이터와 인접하는 연료 전지의 금속 세퍼레이터와의 사이에 도전 부재가 삽입되고,
상기 금속 세퍼레이터가 상기 도전 부재와 맞닿아 있는 것을 특징으로 하는, 연료 전지.