(57)【要約】【課題】  周知の技術中の燃料電池セット組立のプロセスを簡易化し時間を短縮すること。【解決手段】  燃料電池セット中のカソードガス導流構造、アノードガス導流構造及び冷却剤導流構造を整合して単一モジュールとなし、該冷却剤導流構造をカソードガス導流構造とアノードガス導流構造の間に形成する。該燃料電池セットを組み立てる時は、燃料電池単電池の膜電極アセンブリの両側にアノードガス拡散層とカソードガス拡散層を結合させた後、その隣り合う界面に整合式双極板モジュールを配置すれば、複数の単電池をモジュール化した構造が完成する。【選択図】        図４
2004186132.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池セットの整合式双極板モジュールにおいて、該燃料電池セットは複数の燃料電池単電池で組成され、該整合式双極板モジュールは、カソードガス導流構造、アノードガス導流構造、冷却剤導流構造を具え、該カソードガス導流構造は隣り合う燃料電池単電池の膜電極アセンブリのカソードガス拡散層に対向して該燃料電池単電池の膜電極アセンブリが反応に必要とするカソードガスを提供し、該アノードガス導流構造は隣り合う燃料電池単電池の膜電極アセンブリのアノードガス拡散層に対向して該燃料電池単電池の膜電極アセンブリが反応に必要とするアノードガスを提供し、該冷却剤導流構造は該カソードガス導流構造と該アノードガス導流構造の間に形成されて燃料電池セットを冷却するのに供され、該燃料電池セットが組み立てられる時、燃料電池単電池の膜電極アセンブリの両側にアノードガス拡散層とカソードガス拡散層が結合されて、その隣り合う界面に整合式双極板モジュールが配置されることで、複数の燃料電池単電池のモジュール化組立が完成することを特徴とする、燃料電池セットの整合式双極板モジュール。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池セットの整合式双極板モジュールにおいて、複数の燃料電池単電池のモジュール化組立完成後に、更にアノード集電板、アノード端板、カソード集電板、カソード端板、及び固定用ねじ部品が結合されて全体の燃料電池セットの組立が完成することを特徴とする、燃料電池セットの整合式双極板モジュール。
【請求項３】
請求項１記載の燃料電池セットの整合式双極板モジュールにおいて、カソードガス導流構造の中央区域に複数の相互に平行な溝が形成されて空気送入溝より送り込まれた空気を空気送出溝より送出するのに供され、この空気がカソードガス導流構造の溝を通過する時、隣り合うカソードガス拡散層を介して膜電極アセンブリのカソード触媒層に至ることを特徴とする、燃料電池セットの整合式双極板モジュール。
【請求項４】
請求項１記載の燃料電池セットの整合式双極板モジュールにおいて、アノードガス導流構造の中央区域に複数の相互に平行な溝が形成されて水素ガス送入溝より送り込まれた水素ガスを水素ガス送出溝より送出するのに供され、この水素ガスがアノードガス導流構造の溝を通過する時、隣り合うアノードガス拡散層を介して膜電極アセンブリのアノード触媒層に至ることを特徴とする、燃料電池セットの整合式双極板モジュール。
【請求項５】
請求項１記載の燃料電池セットの整合式双極板モジュールにおいて、冷却剤導流構造の中央区域に複数の相互に平行な溝が形成されて冷却剤送入溝より送り込まれた冷却剤を冷却剤送出溝より送出するのに供され、この冷却剤が冷却剤導流構造の溝を通過する時、燃料電池単電池を冷却することを特徴とする、燃料電池セットの整合式双極板モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一種の燃料電池セットの双極板構造に係り、特に、燃料電池セットの整合式双極板モジュールに関するものであり、単一モジュール中にカソードガス導流構造、アノードガス導流構造及び冷却剤導流構造が設けられたものに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池（Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）は電気化学反応により、水素含有燃料と空気を利用して電力を発生する装置である。燃料電池は低汚染、高効率、高エネルギー密度の長所を有するため、近年、各国で開発、推奨の対象となっている。各種の燃料電池中、プロトン交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）の操作温度は比較的低く、起動が迅速で、体積と重量のエネルギー密度が比較的高いため、最も産業上の利用価値を有している。
【０００３】
図１は典型的なＰＥＭＦＣ燃料電池セットの組成部品分解時の側面図である。燃料電池セット１は複数の燃料電池単電池１０で構成され、各燃料電池単電池１０中には膜電極アセンブリ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｅｓ；ＭＥＡ）があり、それはプロトン交換膜、アノード触媒層、カソード触媒層で構成されている。該膜電極アセンブリ１１のアノード側はアノードガス拡散層１２及びアノード導流板１３を具え、膜電極アセンブリ１１のカソード側はカソードガス拡散層１４とカソード導流板１５を具えている。
【０００４】
実際の応用中、該燃料電池は複数の燃料電池単電池１０、アノード集電板２０、アノード端板３０、カソード集電板４０、カソード端板５０、及び複数のシールパッキングと固定用ねじ部品で燃料電池セットを構成して電気エネルギーを供給する。
【０００５】
各燃料電池単電池１０中のアノード導流板１３はアノードガス拡散層１２に向いた表面には複数のアノードガスチャネル１３１が形成されて、該燃料電池単電池１０が反応時に必要とするアノードガス（水素ガス）を供給するのに供される。このほか、該燃料電池単電池１０中のカソード導流板１５のカソードガス拡散層１４に面した表面には複数のカソードガスチャネル１５１が設けられて該燃料電池単電池１０が反応時に必要とするカソードガス（空気）を供給するのに供される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
周知の燃料電池セットの構造中、各燃料電池単電池中にアノード導流板とカソード導流板を配置しなければならず、組立時には各部品を順に正確にアライメントさせて重畳させて組み合せなければならず、組立に手間と時間がかかり、且つ各部品がそれぞれ製作されるため、部品の管理の問題が増す。
【０００７】
このほか、該燃料電池セット中の各燃料電池単電池中にはアノード導流板とカソード導流板のほかに、実際の製品化応用時には、通常冷却チャネル（図示せず）の配置が必要となる。この冷却剤チャネルは該燃料電池セットの構造を更に複雑とし、且つ組立を更に面倒とする。
【０００８】
このため、本発明の主要な目的は、一種の燃料電池セットの整合式双極板モジュールを提供することにあり、それは、該燃料電池セットの組立作業を簡易化し、組立の歩留りを高められるものとする。
【０００９】
本発明のもう一つの目的は、一種の、構造を簡易化した燃料電池セットの整合式双極板モジュールを提供することにあり、それは、単一モジュール中にカソードガス導流構造、アノードガス導流構造と冷却剤導流構造が設けられて、大幅に燃料電池セットの全体構造が簡易化されたものとする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１の発明は、燃料電池セットの整合式双極板モジュールにおいて、該燃料電池セットは複数の燃料電池単電池で組成され、該整合式双極板モジュールは、カソードガス導流構造、アノードガス導流構造、冷却剤導流構造を具え、該カソードガス導流構造は隣り合う燃料電池単電池の膜電極アセンブリのカソードガス拡散層に対向して該燃料電池単電池の膜電極アセンブリが反応に必要とするカソードガスを提供し、該アノードガス導流構造は隣り合う燃料電池単電池の膜電極アセンブリのアノードガス拡散層に対向して該燃料電池単電池の膜電極アセンブリが反応に必要とするアノードガスを提供し、該冷却剤導流構造は該カソードガス導流構造と該アノードガス導流構造の間に形成されて燃料電池セットを冷却するのに供され、該燃料電池セットが組み立てられる時、燃料電池単電池の膜電極アセンブリの両側にアノードガス拡散層とカソードガス拡散層が結合されて、その隣り合う界面に整合式双極板モジュールが配置されることで、複数の燃料電池単電池のモジュール化組立が完成することを特徴とする、燃料電池セットの整合式双極板モジュールとしている。
請求項２の発明は、請求項１記載の燃料電池セットの整合式双極板モジュールにおいて、複数の燃料電池単電池のモジュール化組立完成後に、更にアノード集電板、アノード端板、カソード集電板、カソード端板、及び固定用ねじ部品が結合されて全体の燃料電池セットの組立が完成することを特徴とする、燃料電池セットの整合式双極板モジュールとしている。
請求項３の発明は、請求項１記載の燃料電池セットの整合式双極板モジュールにおいて、カソードガス導流構造の中央区域に複数の相互に平行な溝が形成されて空気送入溝より送り込まれた空気を空気送出溝より送出するのに供され、この空気がカソードガス導流構造の溝を通過する時、隣り合うカソードガス拡散層を介して膜電極アセンブリのカソード触媒層に至ることを特徴とする、燃料電池セットの整合式双極板モジュールとしている。
請求項４の発明は、請求項１記載の燃料電池セットの整合式双極板モジュールにおいて、アノードガス導流構造の中央区域に複数の相互に平行な溝が形成されて水素ガス送入溝より送り込まれた水素ガスを水素ガス送出溝より送出するのに供され、この水素ガスがアノードガス導流構造の溝を通過する時、隣り合うアノードガス拡散層を介して膜電極アセンブリのアノード触媒層に至ることを特徴とする、燃料電池セットの整合式双極板モジュールとしている。
請求項５の発明は、請求項１記載の燃料電池セットの整合式双極板モジュールにおいて、冷却剤導流構造の中央区域に複数の相互に平行な溝が形成されて冷却剤送入溝より送り込まれた冷却剤を冷却剤送出溝より送出するのに供され、この冷却剤が冷却剤導流構造の溝を通過する時、燃料電池単電池を冷却することを特徴とする、燃料電池セットの整合式双極板モジュールとしている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は大幅に燃料電池セットの組立作業を簡易化し、組立歩留りを高めることができる。本発明の単一モジュールにより大幅に該燃料電池セットの全体構造を簡易化できる。伝統的な技術では一つずつ燃料電池セット中の各部品をアライメントさせて組み立てる煩瑣なプロセスが必要であった。それに較べて本発明は明らかに効果が高められている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明が周知の技術の問題を解決するために採用する技術手段は、モジュール構造中に、カソードガス導流構造、アノードガス導流構造、冷却剤導流構造を共に設計し、そのうち該冷却剤導流構造は該カソードガス導流構造とアノードガス導流構造の間に形成する。該燃料電池セットを組み立てる時は、燃料電池単電池の膜電極アセンブリの両側にアノードガス拡散層とカソードガス拡散層を結合させ、即ちその隣り合う界面に整合式双極板モジュールを配置すれば、複数の燃料電池単電池のモジュール化組立が完成する。複数の燃料電池単電池のモジュール化組立の後、さらにアノード集極板、アノード端板、カソード集極板、カソード端板、及び固定用ねじ部品を結合させて、全体の燃料電池セットの組立を完成する。
【実施例１】
【００１３】
図２は本発明の整合式双極板モジュールの燃料電池セットの各部品分解時の側面図であり、図３は組立完成後の燃料電池セットの斜視図である。図示される燃料電池セット１はまた複数の燃料電池単電池１０で構成され、各燃料電池単電池１０には膜電極アセンブリ１１（ＭＥＡ）があり、そのアノード側にアノードガス拡散層１２があり、そのカソード側にカソードガス拡散層１４がある。
【００１４】
水素ガスと空気を燃料電池に送って燃料電池に電気化学反応を行なわせるため、燃料電池内部に適当なガスチャネルが開設されている。アノード端板３０の外側端面には空気入口４１ａと空気出口４１ｂが形成され、送風装置（例えばブロワ）の供給する空気が該空気入口４１ａより燃料電池セット１内部に形成された空気チャネルに送り込まれ、該燃料電池セット１の反応に必要な空気が供給され、さらに空気出口４１ｂより送出される。
【００１５】
該アノード端板３０の外側面には水素ガス入口４２ａと水素ガス出口４２ｂが形成され、水素ガス供給装置（例えば水素ガスボンベ）の供給する水素ガスが水素ガス入口４２ａより燃料電池セット１内部に形成された水素ガスチャネルに送り込まれて、該燃料電池セット１の反応に必要な水素ガスが供給され、更に該水素ガス出口４２ｂより送出される。
【００１６】
このほか、該アノード端板３０の外側面に冷却剤入口４３ａと冷却剤出口４３ｂが形成され、冷却剤（例えば冷却空気或いは冷却液）が該冷却剤入口４３ａより燃料電池セット１内部に形成された冷却剤チャネルに送り込まれ、さらに冷却剤出口４３ｂより送出され、該燃料電池セット１が適当な冷却を得られるものとされている。
【００１７】
本発明の設計中、各隣り合う燃料電池単電池１０の間に、整合式双極板モジュール５が設けられて、従来の導流板の代わりとされている。図４は本発明の整合式双極板モジュール５の前面斜視図である。該整合式双極板モジュール５の上面はカソードガス導流構造５１とされ、それは隣り合う燃料電池単電池１０の膜電極アセンブリ１１のカソードガス拡散層１４に対向している。該整合式双極板モジュール５の底面はアノードガス導流構造５２とされ、それは隣り合う燃料電池単電池１０の膜電極アセンブリ１１のアノードガス拡散層１２に対向している。該カソードガス導流構造５１とアノードガス導流構造５２の間には冷却剤導流構造５３が形成され、カソードガス導流構造５１、アノードガス導流構造５２と冷却剤導流構造５３が結合される時、隣り合う板体の間に樹脂が塗布されて加熱加圧方式で加工されて接合と気密の機能が達成される。
【００１８】
本発明の実施例構造中、該カソードガス導流構造５１の中央区域に複数の相互に平行な溝５１０が形成され（図４、図５も参照されたい）、それは波状或いは凹溝状の構造とされ、空気送入溝５１１より連通溝５１２を介し導入される空気を、更に連通溝５１３を通し空気送出溝５１４より送出する。空気が該カソードガス導流構造５１の溝５１０に導入され通過する時、隣り合うカソードガス拡散層１４により膜電極アセンブリ１１のカソード触媒層に到達し、該燃料電池単電池１０が反応を行なう時に必要な空気が供給される。
【００１９】
図６は本発明の整合式双極板モジュール５の後視平面図である。図示されるように、整合式双極板モジュール５のアノードガス導流構造５２の中央区域には複数の相互に平行で且つ延伸され折り曲げられた溝５２０が配置され、それは波状或いは凹溝状の構造とされ、水素ガス送入溝５２１より連通溝５２２を介して送り込まれる水素ガスを、さらに連通溝５２３を介し水素ガス送出溝５２４より送出する。水素ガスが該アノードガス導流構造５２の溝５２０を通過する時、隣り合うアノードガス拡散層１２により膜電極アセンブリ１１のアノード触媒層に到達し、燃料電池単電池１０が反応を行なう時に必要な水素ガスが供給される。
【００２０】
図７は本発明の整合式双極板モジュール５中の冷却剤導流構造５３の後視平面図である。図示されるように、本発明の整合式双極板モジュール５の冷却剤導流構造５３の中央区域には複数の相互に平行で且つ延伸され折り曲げられた溝５３０が配置され、それは波状或いは凹溝状の構造とされ、冷却剤送入溝５３１より送り込まれる冷却剤（例えば冷却水或いは空気）を、さらに冷却剤送出溝５３２より送出する。冷却剤が該冷却剤導流構造５３の溝５３０を通過する時、燃料電池セットに対して冷却を行ない、該燃料電池セットが適当な操作温度で操作されるようにする。ゆえに該燃料電池セット１を組み立てる時は、ただ膜電極アセンブリ１１の両側にアノードガス拡散層１２及びカソードガス拡散層１４を結合させた後に、その隣り合う界面に整合式双極板モジュール５を配置すれば、簡単に複数の燃料電池単電池１０のモジュール化組立が完成する。こうして各燃料電池単電池１０中にそれぞれ導流板を組み付ける必要がなくなる。
【００２１】
最後に複数の燃料電池単電池１０で組成されたモジュール構造に、アノード集電板２０、アノード端板３０、カソード集電板４０、カソード端板５０、及び複数のシールパッキング及び固定用ねじ部品を結合させれば、全体の燃料電池セットの組立が完成する。
【００２２】
前述の実施例中、該カソードガス導流構造５１、アノードガス導流構造５２と冷却剤導流構造５３は異なる板体の構造に分けて形成される。当然、そのうちの二つの部品を先に一体成形した後に、第３の部品と結合させることも可能である。例えばカソードガス導流構造５１と冷却剤導流構造５３を一体成形後に、さらにアノードガス導流構造５２を冷却剤導流構造５３の底面に結合させるか、或いはアノードガス導流構造５２と冷却剤導流構造５３を先に一体成形後に、さらにカソードガス導流構造５１を冷却剤導流構造５３の上面に結合させうる。当然、これら三つの部品を一体成形の方式で製作することもできる。
【００２３】
以上の本発明の実施例の説明から分かるように、本発明の整合式双極板モジュールにより、単一モジュール中にカソードガス導流構造、アノードガス導流構造、冷却剤導流構造が設けられる。ゆえに組立時に大幅に組立の手間と時間を節約でき、製品の歩留りを高めることができる。このほか、本発明は有効に燃料電池セット中のアノードガス導流板、カソードガス導流板、冷却剤導流構造の全体の複雑な構造の問題を解決する。ゆえに本発明は確実に産業上の利用価値を有し、且つ本発明はその出願前に同じ或いは類似の特許或いは製品が未公開であり、ゆえに本発明は特許の要件を満たしている。
【００２４】
なお、以上の実施例は本発明の実施範囲を限定するものではなく、本発明に基づきなしうる細部の修飾或いは改変は、いずれも本発明の請求範囲に属するものとする。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】周知のＰＥＭＦＣ燃料電池セットの構成部品分解時の側面図である。
【図２】本発明の整合式双極板モジュールを具えた燃料電池セットの各構成部品の分解時の側面図である。
【図３】本発明の組立完成後の燃料電池セットの斜視図である。
【図４】本発明の整合式双極板モジュールの前面立体図である。
【図５】本発明の整合式双極板モジュールの前面図であり、整合式双極板モジュールのカソードガス導流構造を示す。
【図６】本発明の整合式双極板モジュールの後面図であり、整合式双極板モジュールのアノードガス導流構造を示す。
【図７】本発明の整合式双極板モジュール中の冷却剤導流構造の後面図である。
【符号の説明】
【００２６】
１  燃料電池セット
１０  燃料電池単電池
１１  膜電極アセンブリ
１２  アノードガス拡散層
１３  アノード導流板
１４  カソードガス拡散層
１５  カノード導流板
２０  アノード集電板
３０  アノード端板
４０  カソード集電板
４１ａ  空気入口
４１ｂ  空気出口
４２ａ  水素ガス入口
４２ｂ  水素ガス出口
４３ａ  冷却剤入口
４３ｂ  冷却剤出口
５  整合式双極板モジュール
５０  カソード端板
５１  カソードガス導流構造
５１０  溝
５１１  空気送入溝
５１２  連通溝
５１３  連通溝
５１４  空気送出溝
５２  アノードガス導流構造
５２０  溝
５２１  水素ガス送入溝
５２２  連通溝
５２３  連通溝
５２４  水素ガス送出溝
５３  冷却剤導流構造
５３０  溝
５３１  冷却剤送入溝
５３２  冷却剤送出溝
【図１】
2004186132.tif 000003
【図２】
2004186132.tif 000004
【図３】
2004186132.tif 000005
【図４】
2004186132.tif 000006
【図５】
2004186132.tif 000007
【図６】
2004186132.tif 000008
【図７】
2004186132.tif 000009