(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
両面に水素または空気が流入される触媒層と、
前記触媒層の一側に設けられ、前記水素または空気のいずれか一つが流動するように複数個の第１チャネルを含む一側分離板と、
前記触媒層の他側に設けられ、前記第１チャネルの垂直方向に配置されている複数個の第２チャネルを含む他側分離板と、を含み、
前記第２チャネルそれぞれは、前記水素または空気の他の一つが前記第２チャネルの垂直方向に流動するように複数個の通気孔を含み、
前記通気孔は、前記他側分離板の折り曲げられた一端と他端をつなぐ傾斜面に形成され、前記通気孔は、前記第２チャネルの長さに沿って予め設定された間隔おきに形成され、
複数個の傾斜面のいずれか一つの傾斜面に形成された通気孔は、両側に隣接する傾斜面に形成された通気孔と交互に配列されている、ことを特徴とする、燃料電池。
【請求項２】
両面に水素または空気が流入される触媒層と、
前記触媒層の一側に設けられ、前記水素または空気のいずれか一つが流動するように複数個の第１チャネルを含む一側分離板と、
前記触媒層の他側に設けられ、前記第１チャネルの垂直方向に配置されている複数個の第２チャネルを含む他側分離板と、を含み、
前記第２チャネルそれぞれは、前記水素または空気の他の一つが前記第２チャネルの垂直方向に流動するように複数個の通気孔を含み、
前記通気孔は、前記他側分離板の折り曲げられた一端と他端をつなぐ傾斜面に形成され、前記通気孔は、前記第２チャネルの長さに沿って予め設定された間隔おきに形成され、
複数個の傾斜面のいずれか一つの傾斜面に形成された通気孔は、両側に隣接する傾斜面に形成された隣接する二つの通気孔間の中央部に対応する位置に形成されている、ことを特徴とする、燃料電池。
【請求項３】
前記一側分離板および他側分離板は、ジグザグ状に折り曲げられ、それぞれの一側面に形成された折り曲げられた端部が前記触媒層と接触することで、前記一側分離板は前記触媒層との間に前記第１チャネルを形成し、前記他側分離板は前記触媒層との間に前記第２チャネルを形成することを特徴とする、請求項１又は２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記一側分離板または他側分離板の少なくともいずれか一つの他側面を覆う気密パネルをさらに含むことを特徴とする、請求項１又は２に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記一側分離板の一側面と前記触媒層との接触面積は、前記一側分離板の他側面と前記気密パネルとの接触面積より大きいことを特徴とする、請求項４に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関し、より詳細には、燃料電池の分離板の流路構造の変更により反応ガスの拡散性向上と反応面の面圧均一化を図る燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
通常、金属分離板を適用した燃料電池の構造は、反応ガスおよび冷却水の流路が形成されている金属分離板の反応ガスの拡散を容易にする一対のガス拡散層（Ｇａｓ  Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  Ｌａｙｅｒ、ＧＤＬ）１２間に化学反応を起こす膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ、ＭＥＡ）１１が位置している。
【０００３】
通常、金属分離板には、図１に示すように、反応ガスの流れと同じ方向に反応ガスが流れるチャネル部４１と、前記ＧＤＬ１２と接触するランド部４２が繰り返して形成されており、正極（アノード）分離板３０と負極（カソード）分離板２０の流路が互いに対称して、二つの分離板の間を冷却流路５０として活用する。
【０００４】
また、燃料電池の性能を極大化するためには、分離板２０、３０のチャネルの間隔を緻密にしてＧＤＬ１２およびＭＥＡ１１への面圧を均一にし、ＧＤＬ１２が、反応が起こる全面にわたり所定の透過性を有するようにしなければならないが、成形段階で生じる不良（Ｃｒａｃｋ、Ｓｐｒｉｎｇ  ｂａｃｋ）を防止するためには、分離板２０、３０チャネルの間隔を緻密にすることに限界があり、かかる現実的な問題によって以下のような性能低下の要因が生じる。
【０００５】
１．反応ガスの拡散性および生成水の排出性の低下：チャネルピッチが大きくなると、分離板とＧＤＬ１２が接触するランド部４２に応力が集中して面圧不均一が生じる。これによってＧＤＬ１２の多孔性構造が破壊されて透過性が劣り、反応ガスの拡散性および生成水の排出性を低下させる。また、チャネル部４１は応力が低くて、ＧＤＬ１２が前記チャネル部４１に侵透して流体の流動性を低下させる。
【０００６】
２．電極膜の損傷：ＧＤＬ１２構造が破壊されたランド部４２では、炭素繊維（ｃａｒｂｏｎ  ｆｉｂｅｒ）が電極膜にまで侵透して膜を損傷する。
【０００７】
３．電気伝導性の不均一：ＧＤＬ１２が露出しているチャネル部４１は、反応ガスの供給がスムーズに行われて化学反応は活発であるが、ＧＤＬ１２とＭＥＡ１１との間の面圧不足によって接触抵抗が増加し、反応によって生成された電子の移動を困難にする。
【０００８】
したがって、上述の問題を解決する手段が必要となっている。
【０００９】
前記の背景技術として説明された事項は、本発明の背景に関する理解を容易にするためのものに過ぎず、本技術分野における通常の知識を有する者にとって公知の従来技術に該当することを認めるものと受けられてはならない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】日本特開２００９‐０３７７５９号公報（２００９．０２．１９）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、かかる問題点を解決するために導き出されたものであり、チャネルの方向を反応ガスの流動方向と垂直になるように構成し、反応ガスの流動通路を形成するために各チャネルを貫通する開口部をチャネルの壁面に規則的に形成し、正極と負極に該当する分離板の各チャネルが互いに交差するように形成される燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記の目的を達成するための本発明による燃料電池は、両面に水素または空気が流入される触媒層と、前記触媒層の一側に設けられ、前記水素または空気のいずれか一つが流動するように複数個の第１チャネルを含む一側分離板と、前記触媒層の他側に設けられ、前記第１チャネルの垂直方向に配置されている複数個の第２チャネルを含む他側分離板と、を含み、前記第２チャネルそれぞれは、前記水素または空気の他の一つが前記第２チャネルの垂直方向に流動するように複数個の通気孔を含むことができる。
【００１３】
前記一側分離板および他側分離板は、ジグザグ状に折り曲げられ、それぞれの一側面に形成された折り曲げられた端部が前記触媒層と接触してそれぞれの分離板と触媒層との間に閉ループを形成することで第１チャネルおよび第２チャネルを形成することができる。
【００１４】
前記通気孔は、前記他側分離板の折り曲げられた一端と他端をつなぐ傾斜面に形成され、前記通気孔は、前記第２チャネルの長さに沿って予め設定された間隔おきに形成されることができる。
【００１５】
複数個の傾斜面のいずれか一つの傾斜面に形成された通気孔は、隣接する傾斜面に形成された通気孔と交互に配列されていることができる。
【００１６】
複数個の傾斜面のいずれか一つの傾斜面に形成された通気孔は、それぞれ隣接する傾斜面に形成された二つの通気孔間の中央部に対応する位置に形成されていることができる。
【００１７】
前記一側分離板または他側分離板の少なくともいずれか一つの他側面を覆う気密パネルをさらに含むことができる。
【００１８】
前記一側分離板の一側面と前記触媒層との接触面積は、前記一側分離板の他側面と前記気密パネルとの接触面積より大きいことができる。
【発明の効果】
【００１９】
上述のような構造からなる燃料電池によれば、触媒層に作用する面圧を増加させ、反応ガスの拡散性を向上させて、燃料電池の性能を増大させることができる。
【００２０】
また、第１チャネルと第２チャネルとが互いに垂直に配列されることで、燃料電池の構造安定性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】従来の燃料電池の構造を示す図である。
【図２】本発明の一実施例による燃料電池の構成図である。
【図３】本発明の一実施例による燃料電池の流体の流れを示す図である。
【図４】本発明の一実施例による燃料電池の断面図である。
【図５】本発明の一実施例による燃料電池と従来の燃料電池の空気当量比に対する出力電圧を比較した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、添付の図面を参照して本発明の好ましい実施例による燃料電池について説明する。
【００２３】
図２は本発明の一実施例による燃料電池の構成図であり、本発明の一実施例による燃料電池は、両面に水素または空気が流入される触媒層１００と、前記触媒層１００の一側に設けられ、前記水素または空気のいずれか一つが流動するように複数個の第１チャネル２１０を含む一側分離板２００と、前記触媒層１００の他側に設けられ、前記第１チャネル２１０の垂直方向に配置されている複数個の第２チャネル３１０を含む他側分離板３００と、を含み、前記第２チャネル３１０それぞれは、前記水素または空気の他の一つが前記第２チャネル３１０の垂直方向に流動するように複数個の通気孔３２０を含むことができる。
【００２４】
より具体的に説明すると、前記一側分離板２００および他側分離板３００は、断面形状がジグザグ状に折り曲げられて、折り曲げられた一端２０１、３０１と他端２０３、３０３を形成し、前記一側分離板２００および他側分離板３００の一側面が前記触媒層１００と接触し、折り曲げられた一端２０１、３０１が前記触媒層１００と接触してそれぞれの分離板２００、３００と触媒層１００との間に閉ループを形成することで、第１チャネル２１０および第２チャネル３１０を構成することができる。
【００２５】
ここで、前記触媒層１００は、図２に示すように、燃料電池の膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ、ＭＥＡ）１１０および前記膜電極接合体の両面に接合される一対のガス拡散層（Ｇａｓ  Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  Ｌａｙｅｒ、ＧＤＬ）１２０からなる接合体になることが好ましく、前記第１チャネル２１０および第２チャネル３１０は、前記ガス拡散層１２０の外側面と接触することが好ましい。
【００２６】
また、好ましくは、前記第１チャネル２１０には水素が流動し、前記第２チャネル３１０には酸素が流動することができる。無論、前記第１チャネル２１０と第２チャネル３１０に流れる物質は、設計者の意図に応じて変化されてもよい。
【００２７】
前記第１チャネル２１０と第２チャネル３１０が互いに交差するように配列されることで、前記触媒層１００に均一な面圧が加えられることができ、接触面における応力が分散して応力集中発生が阻止されることで、前記触媒層１００の損傷および反応性の低下を防止することができる。
【００２８】
一方、前記通気孔３２０は、前記他側分離板３００の折り曲げられた一端３０１と他端３０３をつなぐ傾斜面３０２に形成され、前記通気孔３２０は、前記第２チャネル３１０の長さに沿って予め設定された間隔おきに形成されることができる。
【００２９】
より詳細には、前記複数個の傾斜面３０２のいずれか一つの傾斜面３０２に形成された通気孔３２０は、隣接する傾斜面３０２に形成された通気孔３２０と交互に配列されることが好ましい。
【００３０】
図３は本発明の一実施例による燃料電池の流体の流れを示す図であり、図２を上から見た図である。水素または酸素は、複数個の通気孔３２０のいずれか一つの通気孔３２０に流入され始め、流入された水素または酸素は、それぞれの第２チャネル３１０の内部または第２チャネル３１０と第２チャネル３１０との間の空間に流入され、流入された水素または酸素は、通気孔３２０を介して第２チャネル３１０と第２チャネル３１０との間の空間およびそれぞれの第２チャネル３１０の内部にまた流入される。
【００３１】
流入された水素または酸素は、通気孔３２０を介して前記第２チャネル３１０の長さ方向に対して垂直の方向、すなわち前記第１チャネル２１０の長さ方向と平行な方向に移動するようになり、各通気孔３２０が互いに予め設定された間隔おきに配置されて、隣接する傾斜面３０２に形成された通気孔３２０と交互に配列されることで前記第２チャネル３１０の内部を所定区間移動するようになり、これによって前記触媒層１００との反応面積および時間を増大させることができる。これは、水素または酸素の拡散性を増大させて、流入された水素または酸素に対する反応効率を向上させることである。
【００３２】
特に、前記複数個の傾斜面３０２のいずれか一つの傾斜面３０２に形成された通気孔３２０は、それぞれ隣接する傾斜面３０２に形成された二つの通気孔３２０の間の中央部に対応する位置に形成されることができる。流入される水素または空気が複数個の通気孔３２０を介して移動しながら通気孔３２０と通気孔３２０との距離をすべての通気孔３２０に対して同等にすることができ、これにより拡散の均一性を維持し、前記触媒層１００の全体にわたり均一な反応性を誘導することができる。
【００３３】
拡散性の効果は、図５を参照してはっきりと確認できる。図５は前記第２チャネル３１０に空気が流入される場合を示す図であり、流入された空気の拡散性を従来と比較したグラフであり、供給される空気の量を縮小したときに出力される電圧の偏差を比較したものである。反応ガスの拡散性が良好になるということは、燃料供給がスムーズに行われて少量の燃料を供給しても性能があまり低下しないことを意味する。図５を参照すると、空気の当量比を縮小しても本発明の燃料電池から出力される電圧の減少幅が従来の燃料電池より小さいことが分かる。これは、反応ガスの拡散性が本発明においてより良好になったことを意味する。
【００３４】
一方、図２に示すように、本発明の一実施例による燃料電池は、前記一側分離板２００または他側分離板３００の少なくともいずれか一つの他側面を覆う気密パネル４００をさらに含むことができる。
【００３５】
前記気密パネル４００は、一側分離板２００または他側分離板３００の他側面と接触するが、前記折り曲げられた他端２０３、３０３と接触することが好ましく、前記一側分離板２００と前記気密パネル４００との間の空間および前記他側分離板３００と前記気密パネル４００との間の空間に閉ループを形成して、前記第１チャネル２１０と第１チャネル２１０との間の空間には冷却水が流れるようにし、冷却水が前記第２チャネル３１０と第２チャネル３１０との間の空間には流入されないようにする。
【００３６】
前記気密パネル４００は、前記一側分離板２００の他側面または他側分離板３００の他側面のいずれか一つにのみ設けられて、複数個の燃料電池を積層する際に、前記気密パネル４００の一側面には前記一側分離板２００の他側面が接触し、前記気密パネル４００の他側面には前記他側分離板３００の他側面が接触するように構成されてもよく、もしくは、前記一側分離板２００の他側面および他側分離板３００の他側面それぞれに設けられて、複数個の燃料電池を積層する際に気密パネル４００間に接触するようにしてもよい。
【００３７】
上述の前記触媒層１００、一側分離板２００、他側分離板３００および気密パネル４００は、すべて外力によって加圧されて接触状態を維持してもよく、全体または部分的に接合されて一体に形成されてもよい。前記構成要素を接合する方法としては、溶接方法、接着方法、ボルティング方法、リベッティング方法などの様々な接合方法が用いられることができる。
【００３８】
一方、図４は図２のＡ‐Ａ断面図であり、図示したように、前記一側分離板２００の一側面と前記触媒層１００との接触面積は、前記一側分離板２００の他側面と前記気密パネル４００との接触面積より大きいことが好ましい。前記他側分離板３００には、前記複数個の通気孔３２０によって第２チャネル３１０の内外部が互いにつながり、冷却水が流れることができない構造となっており、これを補うために、冷却水が流動することができる流路の大きさを増大させる必要がある。したがって、前記一側分離板２００の一側面と前記触媒層１００との接触面積を前記一側分離板２００の他側面と前記気密パネル４００との接触面積より大きくして、前記一側分離板２００と前記気密パネル４００との間の空間に流れる冷却水の量を増大させ、また、前記一側分離板２００が前記触媒層１００を支持する面積を増大させて、前記触媒層１００の面圧不均一を解消できるようにすることが好ましい。
【００３９】
上述のような構造からなる燃料電池によれば、触媒層１００に作用する面圧を増加させ、反応ガスの拡散性を向上させて、燃料電池の性能を増大させることができる。
【００４０】
また、第１チャネル２１０と第２チャネル３１０が互いに垂直に配列されることで、燃料電池の構造安定性を向上させることができる。
【００４１】
本発明は、特定の実施例について図示して説明しているが、以下の特許請求の範囲により提供される本発明の技術的思想から逸脱しない範囲内で本発明を多様に改良および変化することができるということは、当業界における通常の知識を有する者にとっては自明であろう。
【符号の説明】
【００４２】
１００  触媒層
２００  一側分離板
２１０  第１チャネル
３００  他側分離板
３１０  第２チャネル
３２０  通気孔
４００  気密パネル
【図１】
0006461545.tif 000002
【図２】
0006461545.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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