(57)【要約】【課題】  膜-電極接合体及びセパレータのシーリング構造を改善して、スタックの組立て時にセパレータに加わる加圧力の差によってガスケットとセパレータとの間にスキ間が発生しないようにする、燃料電池システム用スタックを提供すること。【解決手段】  膜-電極接合体、及びこの膜-電極接合体の両面に密着配置されるセパレータを含む少なくとも一つの電気発生部を含み、前記膜-電極接合体と両セパレータとの間の周縁部分にはガスケットが介在して、このガスケットと前記セパレータとの間には前記膜-電極接合体と前記セパレータとの間の気密を維持するシーリング部が形成される。【選択図】  図３
2006108089.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素及び酸素の電気化学的な反応によって電気エネルギーを発生させる電気発生部を含むスタック；
燃料を前記スタックに供給する燃料供給部；及び
酸素を前記スタックに供給する酸素供給部；を含み、
前記電気発生部は、膜-電極接合体、及びこの膜-電極接合体の両面に密着配置されるセパレータを含み、
前記膜-電極接合体と両セパレータとの間の周縁部分にはガスケットが介在し、このガスケットと前記セパレータとの間には前記膜-電極接合体と前記セパレータとの間の気密を維持するシーリング部が形成される、燃料電池システム。
【請求項２】
前記セパレータは、前記膜-電極接合体と対応する部分である第１領域、及び前記ガスケットと対応する第１領域の外側周縁部分である第２領域を構成し、
前記ガスケットと前記第２領域との間に前記シーリング部が形成される、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記シーリング部は、前記第２領域に相応する前記ガスケットの表面に塗布形成されるシーリング膜を含む、請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記シーリング部は、前記ガスケットの表面に相応する前記セパレータの前記第２領域に塗布形成されるシーリング膜を含む、請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記シーリング膜はタールからなる、請求項３または請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料供給部は、
水素を含む燃料を保存する燃料タンク；及び
前記燃料タンクに連結設置される燃料ポンプ；を含む、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記酸素供給部は、空気を吸入し、この空気を前記電気発生部に供給する少なくとも一つの空気ポンプを含む、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料供給部は、前記電気発生部及び燃料タンクに連結設置されるとともに、前記燃料タンクから燃料の供給を受けて水素を含む改質ガスを発生させ、この改質ガスを前記スタックに供給する改質装置を含む、請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記燃料電池システムは高分子電解質型燃料電池方式からなる、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記燃料電池システムは直接酸化型燃料電池方式からなる、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
膜-電極接合体、及びこの膜-電極接合体の両面に密着配置されるセパレータを含む少なくとも一つの電気発生部を含み、
前記膜-電極接合体と両セパレータとの間の周縁部分にはガスケットが介在して、このガスケットと前記セパレータとの間には前記膜-電極接合体と前記セパレータとの間の気密を維持するシーリング部が形成される、燃料電池システム用スタック。
【請求項１２】
前記セパレータは、前記膜-電極接合体と対応する部分である第１領域、及び前記ガスケットと対応する部分である第２領域を構成し、
前記ガスケット及び前記第２領域の密着部分に前記シーリング部が形成される、請求項１１に記載の燃料電池システム用スタック。
【請求項１３】
前記シーリング部は、前記第２領域の密着面に相応する前記ガスケットの密着面に塗布形成されるシーリング膜を含む、請求項１２に記載の燃料電池システム用スタック。
【請求項１４】
前記シーリング部は、前記ガスケットの密着面に相応する前記セパレータの前記第２領域の密着面に塗布形成されるシーリング膜を含む、請求項１２に記載の燃料電池システム用スタック。
【請求項１５】
前記シーリング膜はタールからなる、請求項１３または請求項１４に記載の燃料電池システム用スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池システムに関し、より詳しくは、膜-電極接合体及びセパレータのシーリング構造を改善した、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
周知のように、燃料電池（Fuel Cell）は、メタノールのような炭化水素系の物質内に含まれる水素と酸素または酸素を含む空気との化学反応エネルギーを、直接、電気エネルギーに変換する発電システムである。
【０００３】
このような燃料電池は、メタノールまたはエタノールなどを改質して生成された水素を燃料として使用し、自動車のための移動用電源はもちろん、住宅、公共建物のような分散用電源及び電子機器のような小型電源など、その応用範囲が広いという長所がある。
【０００４】
前記燃料電池は、水素及び酸素の酸化/還元反応によって電気を発生させる膜-電極接合体（Membrane Electrode Assembly：ＭＥＡ）、及びこの膜-電極接合体の両面に密着されて、膜-電極接合体に水素及び酸素を供給するセパレータ（‘二極式プレート’ともいう）で単位セルを形成し、このような単位セルを複数積層してスタック（stack）を形成する。
【０００５】
このような燃料電池において、膜-電極接合体と両セパレータとの間の周縁部分には膜-電極接合体と両セパレータとの間の気密を維持するガスケットが配置される。このガスケットは、前記スタックの製造過程で両セパレータによって膜-電極接合体に密着して、両セパレータを通じて膜-電極接合体に供給される水素及び酸素が漏出したり、あるいは互いに混ざるのを防止する。
【０００６】
しかし、従来の燃料電池は、スタックの組立時にセパレータに加わる加圧力がガスケットに均一に分散されないために、ガスケット及びセパレータの密着面の間に隙間が生じることが頻繁にあった。
【０００７】
そのために、従来の燃料電池では、前記隙間によって膜-電極接合体と両セパレータとの間の気密を維持できず、水素及び酸素が前記セパレータを通過する時にこれらが漏出した。
【０００８】
したがって、従来の燃料電池は、スタックの正常な電気出力が難しく、セパレータを通過する水素及び酸素の圧力低下によってその性能が低下するのはもちろん、水素及び酸素が漏出して事故が起こる恐れがあった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、前記のような問題点を勘案したものであって、膜-電極接合体及びセパレータのシーリング構造を改善して、スタックの組立時にセパレータに加わる加圧力の差によってガスケットとセパレータとの間に隙間が生じないようにする、燃料電池システム用スタックを提供する。
【００１０】
また、本発明は、前記スタックを含む燃料電池システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
このために、本発明の例示的な実施例による燃料電池システム用スタックは、膜-電極接合体、及びこの膜-電極接合体の両面に密着配置されるセパレータを含む少なくとも一つの電気発生部を含み、前記膜-電極接合体と両セパレータとの間の周縁部分にはガスケットが介在し、このガスケットと前記セパレータとの間には前記膜-電極接合体と前記セパレータとの間の気密を維持するシーリング部が形成される。
【００１２】
前記セパレータは、前記膜-電極接合体と対応する部分である第１領域、及び前記ガスケットと対応する部分である第２領域を構成し、前記ガスケット及び前記第２領域の密着部分に前記シーリング部を形成し得る。
【００１３】
前記シーリング部は、前記第２領域の密着面に相応する前記ガスケットの密着面に塗布形成されるシーリング膜を含み得る。
【００１４】
前記シーリング部は、前記ガスケットの密着面に相応する前記セパレータの前記第２領域の密着面に塗布形成されるシーリング膜を含み得る。
【００１５】
前記シーリング膜はタールから構成し得る。
【００１６】
本発明の他の例示的な実施例による燃料電池システムは、前記スタック、燃料を前記スタックに供給する燃料供給部、及び酸素を前記スタックに供給する酸素供給部を含む。
【００１７】
前記燃料供給部は、水素を含む燃料を保存する燃料タンク、及び前記燃料タンクに連結設置される燃料ポンプを含み得る。
【００１８】
前記酸素供給部は、空気を吸入し、この空気を前記電気発生部に供給する少なくとも一つの空気ポンプを含み得る。
【００１９】
前記燃料供給部は、前記電気発生部及び燃料タンクに連結設置されて、前記燃料タンクから燃料の供給を受けて水素を含む改質ガスを発生させ、この改質ガスを前記スタックに供給する改質装置を含み得る。
【発明の効果】
【００２０】
本発明による燃料電池システムによれば、スタックの組立時にセパレータを通じて加えられる加圧力をガスケットの表面に均一に分散させるようにセパレータとガスケットとの間にシーリング膜を形成することによって、ガスケットとセパレータとの間に隙間が生じないので、スタックの駆動中にガスケットとセパレータとの間に水素及び酸素の漏出が起こる可能性を防止し得る。
【００２１】
これにより、本発明による燃料電池システムは、スタックの固有の性能条件に合う電気出力が可能になり、ＭＥＡに供給される水素及び酸素の圧力低下を防止して、燃料電池の性能をさらに向上させ得る効果を奏する。
【００２２】
また、水素及び酸素の漏出による事故を未然に防止し得る効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施例について、当業者が容易に実施することができるように詳細に説明する。しかし、本発明は多様な異なる形態で実現でき、ここで説明する実施例には限定されない。
【００２４】
図１は本発明の実施例による燃料電池システムの全体的な構成を示す概略図である。
図面を参照すれば、前記燃料電池システム１００は、水素を含む燃料を改質して水素を発生させ、この水素及び酸素の電気化学的な反応によって電気エネルギーを発生させる、高分子電解質型燃料電池（Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell；PEMFC）方式を採用している。
【００２５】
本発明において、燃料としては、メタノール、エタノール、または天然ガス等のように水素を含む液体または気体の燃料を適用することができ、本実施例では、液体の燃料を適用する場合を説明する。
【００２６】
また、本発明において、前記燃料と反応する酸素としては、別途の保存場所に保存された純粋な酸素や空気中の酸素を使用することができ、本実施例では、空気中の酸素を使用する場合を説明する。
【００２７】
本発明の実施例による燃料電池システム１００は、基本的に、水素及び酸素の電気化学的な反応によって電気エネルギーを発生させるスタック１１０と、燃料から水素を発生させ、この水素をスタック１１０に供給する燃料供給部１２０と、空気をスタック１１０に供給する酸素供給部１３０と、を含む。
【００２８】
スタック１１０は、膜-電極接合体（Membrane Electrode Assembly：以下、‘ＭＥＡ’とする）１１２を中心に置いてその両側にセパレータ（Separator）１１６を配置して、電気を発生させる電気発生部１１１を含む。この電気発生部１１１は、燃料電池の単位セルを構成する。
【００２９】
燃料供給部１２０は、前記燃料を保存する燃料タンク１２１と、この燃料タンク１２１に連結設置される燃料ポンプ１２２と、燃料タンク１２１と連結設置されて、前記燃料から水素を含む改質ガスを発生させ、この改質ガスを電気発生部１１１に供給する改質装置１２３と、を含む。
【００３０】
酸素供給部１３０は、空気を吸入し、この空気を前記電気発生部１１１に供給する少なくとも一つの空気ポンプ１３１を含む。
【００３１】
燃料供給部１２０において、改質装置１２３は、熱エネルギーによる化学触媒反応によって前記燃料から改質ガスを発生させ、この改質ガスに含まれる一酸化炭素の濃度を低減させる構造をしている。
【００３２】
一例として、改質装置１２３は、水蒸気改質、部分酸化、または自熱反応などの触媒反応によって前記燃料から改質ガスを発生させ得る。
【００３３】
さらに、一例として、改質装置１２３は、水性ガス転換方法、選択的酸化方法などのような触媒反応または分離膜を利用した水素精製等の方法によって改質ガスに含まれる一酸化炭素の濃度を低減させ得る。
【００３４】
一方、本発明による燃料電池システム１００は、前記燃料を直接電気発生部１１１に供給して電気を発生させる、直接酸化型燃料電池（Direct Oxidation Fuel Cell）方式を採用し得る。
【００３５】
このような直接酸化型燃料電池は、前記高分子電解質型燃料電池とは異なり、前記で説明した改質装置１２３を必要としない。
【００３６】
図２は図１に示すスタック１１０の分解斜視図であり、図３は図２に示す一つの電気発生部１１１の部分結合断面図である。
【００３７】
スタック１１０は、電気発生部１１１を複数備え、これら電気発生部１１１による集合体を形成する。
【００３８】
電気発生部１１１において、両セパレータ１１６、１１６´の間に介在するＭＥＡ１１２は、電解質膜１１２ａを間に置いて、この電解質膜１１２ａの一面にアノード電極１１２ｂが位置し、電解質膜１１２ａの他の一面にカソード電極１１２ｃが位置する構造をしている。
【００３９】
両セパレータ１１６、１１６´は、ＭＥＡ１１２を間に置いてこのＭＥＡ１１２の両側面に密着配置されて、ＭＥＡ１１２の両側に各々水素通路１１６ａ及び空気通路１１６ｂが配置されるようにする。
【００４０】
ここで、水素通路１１６ａはＭＥＡ１１２のアノード電極１１２ｂ側に位置し、空気通路１１６ｂはＭＥＡ１１２のカソード電極１１２ｃ側に位置する。
【００４１】
両セパレータ１１６、１１６´は、ＭＥＡ１１２に水素及び空気中の酸素を供給する機能の他に、アノード電極１１２ｂ及びカソード電極１１２ｃを直列に接続する伝導体の機能をする。
【００４２】
このようなセパレータ１１６、１１６´は、その本体の一面に対して水素通路１１６ａ及び空気通路１１６ｂを形成する第１領域（Ａ）、及びこの第１領域（Ａ）の外側周縁部分に相当する第２領域（Ｂ）に区分し得る（図２参照）。
【００４３】
スタック１１０の最も外側には複数の電気発生部１１１を密着させて、この電気発生部１１１が締結するようにする加圧プレート１１３、１１３´が配置される。この時、加圧プレート１１３、１１３´にも水素通路及び空気通路が形成されて、前記セパレータの機能を兼ねることもできる。
【００４４】
ここで、複数の電気発生部１１１が加圧プレート１１３、１１３´に加圧されて固定される構造は、実質的に加圧プレート１１３、１１３´にネジ結合される締結棒（図示せず）によって行い得る。
【００４５】
また、前記複数の電気発生部１１１が互いに密着されて締結される構造は、前記のように加圧プレート１１３、１１３´による構造によらず、この加圧プレートが排除された状態で、複数の電気発生部１１１のうちの最も外側に配置される電気発生部のセパレータに前記締結棒を適用しても行い得る。
【００４６】
一方、ＭＥＡ１１２と両セパレータ１１６、１１６´との間の周縁部分には、ＭＥＡ１１２と両セパレータ１１６との間の気密を維持するガスケット１１９が介在する。
【００４７】
ガスケット１１９は、セパレータ１１６の第２領域（Ｂ）に配置されて、セパレータ１１６、１１６´の水素通路１１６ａ及び空気通路１１６ｂを通じてＭＥＡ１１２に供給される水素及び空気が外部に漏出したり、あるいは互いに混ざるのを防止する機能をする。
【００４８】
このようなガスケット１１９は、弾性材料であるゴム素材、例えばシリコン系、フッ素系、またはオレフィン系ゴム素材から構成し得る。
【００４９】
このガスケット１１９は、スタック１１０の製造過程で加圧プレート１１３、１１３´によって複数の電気発生部１１１が加圧されて互いに密着する時にセパレータ１１６、１１６´に加圧されると、その弾性領域内で適切に収縮してセパレータ１１６、１１６´とＭＥＡ１１２との間のガス密封に必要な面圧を維持しながら、スタック１１０の稼動中にセパレータ１１６、１１６´とＭＥＡ１１２との間に起こる可能性があるガス漏出を予防する。
【００５０】
さらに、スタック１１０には、ガスケット１１９に付加されるセパレータ１１６、１１６´の加圧力がこのガスケット１１９全域に均一に分散されなかったり、両側のセパレータ１１６、１１６´が付加する加圧力に差がある場合には、セパレータ１１６、１１６´とガスケット１１９との間に生じる隙間を密封すなわちシーリングするためのシーリング部１１８が提供される。
【００５１】
本実施例において、シーリング部１１８は、セパレータ１１６、１１６´の第２領域（Ｂ）とガスケット１１９との間に形成されて、ＭＥＡ１１２とセパレータ１１６との間の気密を維持するシーリング膜１１７を含む。
【００５２】
具体的に、シーリング膜１１７は、セパレータ１１６の第２領域（Ｂ）に密着するガスケット１１９の表面に一定の厚さに塗布形成される。本実施例では、シーリング膜１１７は、タール（tar）からなるシーリング物質をノズルを通じて噴射する方式でガスケット１１９の表面に塗布して前記ガスケット１１９の表面に対して一定の厚さを有するように形成し得る。
【００５３】
それだけでなく、シーリング膜１１７は真空グリース（vacuum grease）でも形成し得る。
【００５４】
つまり、シーリング膜１１７は、高温でも安定した状態を維持してシーリング機能が低下しない物質を適用するのが好ましい。
【００５５】
これにより、前記のように構成される燃料電池システム１００では、セパレータ１１６、１１６´の第２領域（Ｂ）とガスケット１１９との間にシーリング膜１１７を形成することによって、ＭＥＡ１１２を中心に置いて両セパレータ１１６、１１６´を加圧してこれらを互いに密着させる時に、前記シーリング膜１１７がセパレータ１１６、１１６´の第２領域（Ｂ）及びガスケット１１９の表面に接着して、セパレータ１１６、１１６´及びガスケット１１９の密着性を向上させる。
【００５６】
したがって、セパレータ１１６、１１６´に加わる加圧力が均一でなくても、シーリング膜１１７がガスケット１１９の密着面及びセパレータ１１６、１１６´の密着面に密着されて、セパレータ１１６、１１６´を通じて加わる加圧力をガスケット１１９に均一に分散させながらガスケット１１９とセパレータ１１６、１１６´との間を密封するので、ＭＥＡ１１２と両セパレータ１１６、１１６´と間の気密をより確実に維持し得る。
【００５７】
図４は本発明の実施例に対するスタックの変形例を示す分解斜視図であり、図５は図４に示す電気発生部を示す結合断面構成図である。図２及び図３で説明した符号と同一な構成要素は同一な機能を有する同一部材であるので、以下では詳細な説明は省略する。
【００５８】
図面を参照すると、この場合は、セパレータ１１６、１１６´とガスケット１１９との間に形成されるシーリング膜１１７Ａが、前記で説明した実施例とは異なり、ＭＥＡ１１２側に形成されずにセパレータ１１６、１１６´の第２領域（Ｂ）に一定の厚さに塗布形成されてシーリング部１１８Ａを構成する。
【００５９】
本変形例のその他の構成及び作用は前記実施例と同一なので、詳細な説明は省略する。
【００６０】
以上で、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれに限定されず、特許請求の範囲、明細書、及び添付図面の範囲内で多様に変形して実施し得るものであり、これも当然本発明の範囲に属する。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の実施例による燃料電池システムの全体的な構成を示す概略図である。
【図２】図１に示すスタックの構造を示す分解斜視図である。
【図３】図２に示す電気発生部の結合断面構成図である。
【図４】本発明の実施例に対するスタックの変形例を示す分解斜視図である。
【図５】図４に示す電気発生部の結合断面構成図である。
【符号の説明】
【００６２】
１００  燃料電池システム
１１０  スタック
１１１  電気発生部
１１２  膜-電極接合体（ＭＥＡ）
１１２ａ  電解質膜
１１２ｂ  アノード電極
１１２ｃ  カソード電極
１１３、１１３´  加圧プレート
１１６、１１６´  セパレータ
１１６ａ  水素通路
１１６ｂ  空気通路
１１７、１１７Ａ  シーリング膜
１１８、１１８Ａ  シーリング部
１１９  ガスケット
１２０  燃料供給部
１２１  燃料タンク
１２２  燃料ポンプ
１２３  改質装置
１３０  酸素供給部
１３１  空気ポンプ
【図１】
2006108089.tif 000003
【図２】
2006108089.tif 000004
【図３】
2006108089.tif 000005
【図４】
2006108089.tif 000006
【図５】
2006108089.tif 000007