燃料電池スタック用分離板及びその製造方法
【課題】 単位セルを構成する分離板間の接触抵抗を除去して、燃料電池の効率を向上させる燃料電池スタック及びその製造方法を提供する。
【解決手段】 本発明の燃料電池スタック用分離板は、内部には多数の冷却水流路が貫通形成され、一方の外表面と他方の外表面で、前記冷却水流路のすれ違う位置に水素流路及び空気流路が形成された構造のチャンネル部、前記チャンネル部の両端に一体に形成され、各冷却水流路と連通される一つの内部空間を有する導入部と、前記導入部の両端に一体に形成されるマニホールドで構成され、前記マニホールド部の冷却水入出口マニホールドと、前記導入部の内部空間との間を区分する仕切り板には、冷却水流出入口が貫通形成されることを特徴とする。
【解決手段】 本発明の燃料電池スタック用分離板は、内部には多数の冷却水流路が貫通形成され、一方の外表面と他方の外表面で、前記冷却水流路のすれ違う位置に水素流路及び空気流路が形成された構造のチャンネル部、前記チャンネル部の両端に一体に形成され、各冷却水流路と連通される一つの内部空間を有する導入部と、前記導入部の両端に一体に形成されるマニホールドで構成され、前記マニホールド部の冷却水入出口マニホールドと、前記導入部の内部空間との間を区分する仕切り板には、冷却水流出入口が貫通形成されることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタック用分離板及びその製造方法に係り、より詳しくは、燃料電池スタックを構成する分離板を複合材料の間に金属パイプが挿入された構造に製作すると同時に、分離板と接するガスケットを分離板の水素及び空気流路を限定する構造に製作することにより、単位セルを構成する分離板間の接触抵抗を除去し、燃料電池の効率を向上させることができる燃料電池スタック用分離板及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素と酸素が持っている化学エネルギーを電気化学反応により直接電気エネルギーに変換させる無公害発電装置として、電解質の種類によって、リン酸型燃料電池（Ｐｈｏｓｐｈｏｒｉｃ Ａｃｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ；ＰＡＦＣ）、アルカリ型燃料電池（Ａｌｋａｌｉｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ；ＡＦＣ）、高分子電解質型燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｉｎ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ；ＰＥＭＦＣ）、溶融炭酸塩型燃料電池（Ｍｏｌｔｅｎ Ｃａｒｂｏｎａｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ；ＭＣＦＣ）と、固体酸化物型燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ；ＳＯＦＣ）と、直接メタノール燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ；ＤＭＦＣ）などに分類される。
【０００３】
このような燃料電池のうち、高分子電解質型燃料電池は、電解質が液体ではない固体高分子重合体として他の燃料電池とは区別されるが、約５０〜８０℃の低温で動作し、他の形態の燃料電池に比べて効率が高く、電流密度及び出力密度が大きく、始動時間が短いため、負荷変化に早い応答性を見せる長所を持つことによって、無公害車両の動力源、自家発電用及び軍事用電源などの多様な分野で応用されている。
【０００４】
ここで、一般的な高分子電解質型燃料電池スタックの構造を図１を参照して説明する。
【０００５】
一般的な高分子電解質型燃料電池スタック１０は、複数個の単位セル１１が結合されたものであり、各単位セル１１の中心には、電極膜（ＭＥＡ）１２が位置する。
【０００６】
前記電極膜１２は、水素陽イオン（ｐｒｏｔｏｎ）を移動させることができる固体高分子電解質膜１３と、水素と酸素が反応することができるように、電解質膜１３の両面に塗布された触媒層である燃料（水素）極（ａｎｏｄｅ）１４及び空気極（ｃａｔｈｏｄｅ）１５を含む。
【０００７】
更に、前記電極膜１２の外側には、ガス拡散層（ＧＤＬ）１６とガスケット１７が順に積層され、ガスケット１７の外側には、燃料または空気を供給し、反応により生成される水を排出するように流路が形成された分離板１８が位置し、最外側には、前記各構成を支持するためのエンドプレートが結合される。
【０００８】
このとき、前記ガスケット１７は、分離板に形成された燃料又は空気流路を気密し、燃料及び空気が外部に漏れないようにする機能を行う。
【０００９】
このような構成を含む燃料電池スタックの電気エネルギー発生原理を簡略に見てみると、前記燃料極１４で水素の酸化反応が行われ、水素イオンと電子が発生し、水素イオンと電子は各々電解質膜１３と燃料極１４を通して空気極１５に移動し、以降、空気極１５では、水素イオン、電子及び空気中の酸素が参与する電気化学反応が起きて水が生成され、燃料極１４と空気極１５との間の電子の流れにより電気エネルギーが発生する。
【００１０】
即ち、燃料極に供給された水素は、水素イオン（Ｈ＋）と電子（ｅ−）に分解され、分解された水素イオンは、電解質を通過して空気極に移動し、この空気極では、燃料極から移動されてきた水素イオン（Ｈ＋）と外部導線を通して移動した電子（ｅ−）及び空気極に供給された酸素が、電極で出会い水を生成すると同時に、熱を発生させる反応を通して電気エネルギーを生成する。
【００１１】
このような高分子電解質型燃料電池スタック１０において、前記分離板１８は各単位セル１１を区分すると同時に、燃料、空気、冷却水のための流路を提供する役割を行う。
【００１２】
そして、前記分離板１８は、気体の透過度が低く、単位セル１１の形状を維持することができるように十分な構造強度を有し、単位セル１１間の電気接触抵抗を減少させる特性を持たなければならないため、前記分離板１８の特性は燃料電池全体の性能を左右し得る。
【００１３】
一方、燃料電池スタックの構成中、分離板の構造を見ると、図２に示したように、その一面及び多面には、独立的な微細チャンネル構造である水素又は空気流路２０，２２を含むチャンネル部２４が形成されており、このチャンネル部の両端部に各々水素、空気、冷却水供給及び排出のためのマニホールド部２６が貫通形成されている。
【００１４】
特に、分離板と分離板が互いに積層接合されると、その間に冷却水流路２８が形成される。
【００１５】
更に詳しくは、燃料電池スタック１０の単位セル１１と単位セル１１が互いに積層されると、図１及び図２に示したように、分離板１８同士が積層されるが、一方の分離板１８の外側面に形成された流路は空気流路２２となり、もう一方の分離板の外側面に形成された流路は水素流路２０となり、互いに接合された間の流路は冷却水流路２８となる。
【００１６】
このような構造を有する従来の高分子電解質型燃料電池スタック１０の分離板１８は、黒鉛板に流路を機械加工するか、薄いステンレススチールのような金属をプレス成形法で加工するか、高分子基盤（ｍａｔｒｉｘ）に膨張カーボン粒子や黒鉛粒子を混ぜて圧縮成形する方法で製作される。
【００１７】
特に、燃料電池の分離板は優れた電気伝導性及び構造強度と、低い接触抵抗及び表面抵抗と、低い気体透過度と、耐腐食性が要求されると共に、燃料電池の常用化のために大量生産が可能であり、少ない費用で製造されなければならない。
特許文献１には、金属板両表面に樹脂薄層からなる密着層を形成し、その上に黒鉛粉末を直接圧縮成形して燃料電池用セパレータを得る方法が記載されている。
【００１８】
しかし、従来のように２枚の分離板を積層して冷却水流路を形成すると、単位セルとの間の接触抵抗、即ち、水素流路を有する燃料極側の分離板と空気流路を有する空気極側の分離板間の接触抵抗が存在してしまい、電気を発生させる燃料電池の効率が減少する問題点がある。
【００１９】
【特許文献１】特開２００３−２１７６１１号公報
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】燃料電池スタックの構成を説明するための概略的断面図である。
【図２】従来の分離板構造を説明する図面である。
【図３】本発明による分離板の製作方法を説明する斜視図である。
【図４】本発明による分離板の製作方法を説明する斜視図である。
【図５】本発明による分離板を表す平面図である。
【図６】本発明による分離板を表す図５のＡ−Ａ線の断面図である。
【図７】本発明による分離板を表す図５のＢ−Ｂ線の断面図である。
【図８】本発明による分離板を表す図５のＣ−Ｃ線の断面図である。
【図９】本発明による分離板の一面及び多面の水素側ガスケット及び空気側ガスケットが各々密着された状態を表す斜視図である。
【図１０】本発明による分離板の一面に水素側ガスケットが密着された状態を表す平面図である。
【図１１】本発明による分離板の一面に空気側ガスケットが密着された状態を表す平面図である。
【図１２】本発明による分離板と水素側ガスケットと空気側ガスケットが互いに密着された状態を表す平面図である。
【図１３】図１２のＤ−Ｄ線の断面図である。
【図１４】図１２のＥ−Ｅ線の断面図である。
【図１５】図１２のＦ−Ｆ線の断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面を参照して、詳しく説明する。
【００３４】
本発明は、２枚の分離板を積層してその間に冷却水流路を形成することによって、単位セルとの間の接触抵抗、即ち、水素流路を有する燃料極側の分離板と空気流路を有する空気極側の分離板間の接触抵抗が存在するようになり、電気を発生させる燃料電池の効率が減少する問題点を解決するために、複合材料を利用した板の一方の表面ともう一方の表面に各々水素流路及び空気流路を形成すると共に、その内部にパイプ形態の冷却水流路を形成して接触抵抗を除去することができるようにした点に着眼点がある。
【００３５】
次に、本発明の分離板の製造方法に対する一実施形態を説明する。
【００３６】
図３及び図４は、本発明による分離板の製作方法を説明する斜視図であり、図５は、本発明による分離板を表す平面図である。
【００３７】
まず、所望する分離板のサイズに合わせて裁断された半硬化状態である２枚の複合材料３０を具備するのに、分離板の厚さによって各枚の複合材料３０は、原材料が数枚重なり合ったもので具備され得る。
【００３８】
前記複合材料３０は、熱硬化性及び可塑性樹脂を基盤とする炭素繊維プリプレグを使用するか、または伝導性の炭素繊維、カーボンブラック、黒鉛粒子、金属粒子を含有するポリマーを使用することができる。
【００３９】
更に、前記２枚の複合材料３０の間に配列される多数の中空形部材３２を具備するに当たり、この中空形部材３２は、注射針のような微細の直径の金属パイプを使用することが好ましく、その他に複合材料パイプ、ＰＶＣパイプなども使用することができる。
【００４０】
このように複合材料３０及び中空形部材３２を具備した状態で、これらをホットプレスに配置する。
【００４１】
前記ホットプレスの上型３４の表面は、水素又は空気流路形成用凹凸区間３８が形成され、下型３６の表面にも、水素又は空気流路形成用凹凸区間３８が形成される。
【００４２】
例えば、前記ホットプレスの上型３４の表面に形成された水素又は空気流路形成用凹凸区間３８が水素流路形成用凹凸区間として選択されると、反対に、前記下型３６の表面に形成された水素又は空気流路形成用凹凸区間３８が空気流路形成用凹凸区間として選択される。
【００４３】
そこで、前記２枚の複合材料３０及びその間に等間隔で配列された多数の中空形部材３２を水素又は空気流路形成用凹凸区間３８を有するホットプレスの下型３６に安着させる。
【００４４】
次に、水素又は空気流路形成用凹凸区間３８を有するホットプレスの上型３４を前記下型３６側に下降させ、前記２枚の複合材料３０を高温加圧にて成形する。
【００４５】
このとき、半硬化状態であった２枚の複合材料３０は、前記のような高温加圧により圧着されると同時に、硬化されながら互いに一体となる。
【００４６】
従って、前記複合材料３０の両表面に各々凹溝構造の水素及び空気流路２０，２２が形成され、同時に、その内部に挿入された中空形部材３２の内部空間が冷却水流路２８となる構造の分離板１８が完成される。
【００４７】
さらに、本発明の分離板の製造方法に対する別の実施形態を説明する。
【００４８】
まず、一実施例のように、所望する分離板のサイズに合わせて裁断された半硬化状態である２枚の複合材料を具備する。
【００４９】
このとき、前記２枚の複合材料３０との間には、一実施例と異なり、冷却水流路形成のための複数のインサート４０が配列される。
【００５０】
前記インサート４０は、溶媒（水）の中で解けるセルロースのように、特定溶媒に溶解されるか、分解される物質で製作されるか、又は溶点が２００℃以下である物質（硫黄、熱可塑性ポリマー、金属）で製作されたものを使用する。
【００５１】
そこで、前記２枚の複合材料３０との間に冷却水流路形成のための複数のインサート４０を等間隔で配列しながら、水素または空気流路形成用凹凸区間３８を有するホットプレスの下型３６に安着させる。
【００５２】
次いで、水素又は空気流路形成用凹凸区間３８を有するホットプレスの上型３４を前記下型３６側に下降させ、２枚の複合材料を高温加圧させることで、半硬化状態であった２枚の複合材料３０は、互いに圧着されると同時に硬化されながら一体化される。
【００５３】
従って、前記複合材料３０の両表面に、各々水素及び空気流路２０，２２が形成されると同時に、その内部にインサート４０が内在された構造の分離板が一度完成される。
【００５４】
続いて、前記複合材料３０内部のインサート４０を除去する工程を通して、その除去された場所を冷却水流路２８とすることで、最終的に分離板１８が完成される。
【００５５】
前記インサート４０を除去する方法は、特定溶媒に溶解されるか、分解される物質を採択した場合、例えば、インサートをセルロースで製作した場合、水に溶かしてやれば良く、前記インサートとして溶点が２００℃以下である物質を採択した場合は、前記高温加圧成形段階時、そのまま解けて除去される。
【００５６】
このようにして、複合材料３０内のインサート４０が除去された部分に中空の冷却水流路２８が形成され、両表面に各々水素及び空気流路２０，２２が凹溝構造に形成された分離板１８が完成される。
【００５７】
一方、前記のような各実施例によって製造された分離板は、冷却水流路、空気流路、水素流路を含むチャンネル部に対して説明したが、このチャンネル部２４の両端には、同一の複合材料により導入部５０とマニホールド部２６が一体に成形され、これを図６乃至図８を参照して下記の通り説明する。
【００５８】
前記導入部５０は、チャンネル部２４の両端に一体に形成され、チャンネル部２４の各冷却水流路２８と連通される一つの内部空間５２を有する。
【００５９】
前記一つの内部空間５２を形成する方法は、マンドレル（図示せず）を成形前に挿入した後、成形後に除去すると、その除去された部分が空洞となり、この空洞が前記冷却水流路２８と連通する一つの内部空間５２となる。
【００６０】
前記導入部５０の両端には、マニホールド部２６が一体に形成されるが、一方のマニホールド部は空気吸入マニホールド２６ａ、冷却水入口マニホールド２６ｂと水素吸入マニホールド２６ｃが各々貫通形成され、もう一方のマニホールド部には、空気排気マニホールド２６ｄ、冷却水出口マニホールド２６ｅと水素排気マニホールド２６ｆが各々貫通形成される。
【００６１】
ここで、前記マニホールド部２６の冷却水入出口マニホールド２６ｂ，２６ｅと、前記導入部５０の内部空間５２との間を区分する仕切り板５４には、複数個の冷却水流出入口５６，５８が貫通形成される。
【００６２】
従って、前記分離板１８のチャンネル部２４に形成された冷却水流路２８は、前記導入部５０の一つの内部空間５２と連通される状態となり、更に、前記仕切り板５４に形成された複数個の冷却水流出入口５６，５８を通して、前記導入部５０の一つの内部空間５２と前記マニホールド部２６の冷却水入出口マニホールド２６ｂ，２６ｅが、互いに連通される状態となる。
【００６３】
これによって、マニホールド部２６の冷却水入口マニホールド２６ｂ、一方の仕切り板５４に形成された複数個の冷却水流入口５６、一方の導入部５０内の一つの内部空間５２、チャンネル部２４の冷却水流路２８（例えば、金属パイプ）、他方の導入部５０内の一つの内部空間５２、他方の仕切り板５４に形成された複数個の冷却水流入口５８、マニホールド部２６の冷却水出口マニホールド２６ｅの順で冷却水が流れる。
【００６４】
ここで、本発明による分離板にガスケットが密着する構造を説明する。
【００６５】
図９乃至１５は、本発明の分離板に各々水素側ガスケット及び空気側ガスケットが密着結合される状態を表す図面である。
【００６６】
本発明による分離板１８がスタックで組み立てられる場合、分離板１８の一面に形成された凹溝構造の水素流路２０とその反対面に形成された凹溝構造の空気流路２２には、各々水素側ガスケット６０と空気側ガスケット６２が密着され、実質的な密閉構造の水素流路及び空気流路が形成される。
【００６７】
前記水素側ガスケット６０と空気側ガスケット６２の両側端部には、前記分離板１８の空気吸入マニホールド２６ａ、冷却水入口マニホールド２６ｂと水素吸入マニホールド２６ｃと各々一致する貫通溝が形成されるか、前記分離板１８の空気排気マニホールド２６ｄ、冷却水出口マニホールド２６ｅと水素排気マニホールド２６ｆと各々一致する貫通溝が形成される。
【００６８】
このとき、前記水素側ガスケット６０の貫通溝のうち、前記分離板１８の水素吸入マニホールド２６ｆと水素排気マニホールド２６ｃと一致する貫通溝６０ａ，６０ｂを前記導入部５０側に開放させることで、水素の流れは、水素吸入マニホールド２６ｃ、貫通溝６０ａ、一方の導入部５０の表面、チャンネル部２４の水素流路２０、他方の導入部５０の表面、貫通溝６０ｂ、水素排気マニホールド２６ｆの順に流れる。
【００６９】
更に、前記空気側ガスケット６２の貫通溝のうち、前記分離板１８の空気吸入マニホールド２６ａと空気ハイマニホールド２６ｄと一致する貫通溝６２ａ，６２ｂを前記導入部５０側に開放させることで、空気の流れは、空気吸入マニホールド２６ａ、貫通溝６２ａ、一方の導入部５０の表面、チャンネル部２４の空気流路２２、他方の導入部５０の表面、貫通溝６２ｂ、空気排気マニホールド２６ｄの順に流れる。
【００７０】
このように、水素及び空気側ガスケット６０，６２の構造を改善し、本発明による分離板１８に積層させると、実質的な密閉構造の水素流路及び空気流路が容易に形成されるようになる。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本発明は、単位セルを構成する分離板間の接触抵抗を除去して、燃料電池の効率を向上させる燃料電池スタック及びその製造方法の分野に適用できる。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタック用分離板及びその製造方法に係り、より詳しくは、燃料電池スタックを構成する分離板を複合材料の間に金属パイプが挿入された構造に製作すると同時に、分離板と接するガスケットを分離板の水素及び空気流路を限定する構造に製作することにより、単位セルを構成する分離板間の接触抵抗を除去し、燃料電池の効率を向上させることができる燃料電池スタック用分離板及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素と酸素が持っている化学エネルギーを電気化学反応により直接電気エネルギーに変換させる無公害発電装置として、電解質の種類によって、リン酸型燃料電池（Ｐｈｏｓｐｈｏｒｉｃ Ａｃｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ；ＰＡＦＣ）、アルカリ型燃料電池（Ａｌｋａｌｉｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ；ＡＦＣ）、高分子電解質型燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｉｎ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ；ＰＥＭＦＣ）、溶融炭酸塩型燃料電池（Ｍｏｌｔｅｎ Ｃａｒｂｏｎａｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ；ＭＣＦＣ）と、固体酸化物型燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ；ＳＯＦＣ）と、直接メタノール燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ；ＤＭＦＣ）などに分類される。
【０００３】
このような燃料電池のうち、高分子電解質型燃料電池は、電解質が液体ではない固体高分子重合体として他の燃料電池とは区別されるが、約５０〜８０℃の低温で動作し、他の形態の燃料電池に比べて効率が高く、電流密度及び出力密度が大きく、始動時間が短いため、負荷変化に早い応答性を見せる長所を持つことによって、無公害車両の動力源、自家発電用及び軍事用電源などの多様な分野で応用されている。
【０００４】
ここで、一般的な高分子電解質型燃料電池スタックの構造を図１を参照して説明する。
【０００５】
一般的な高分子電解質型燃料電池スタック１０は、複数個の単位セル１１が結合されたものであり、各単位セル１１の中心には、電極膜（ＭＥＡ）１２が位置する。
【０００６】
前記電極膜１２は、水素陽イオン（ｐｒｏｔｏｎ）を移動させることができる固体高分子電解質膜１３と、水素と酸素が反応することができるように、電解質膜１３の両面に塗布された触媒層である燃料（水素）極（ａｎｏｄｅ）１４及び空気極（ｃａｔｈｏｄｅ）１５を含む。
【０００７】
更に、前記電極膜１２の外側には、ガス拡散層（ＧＤＬ）１６とガスケット１７が順に積層され、ガスケット１７の外側には、燃料または空気を供給し、反応により生成される水を排出するように流路が形成された分離板１８が位置し、最外側には、前記各構成を支持するためのエンドプレートが結合される。
【０００８】
このとき、前記ガスケット１７は、分離板に形成された燃料又は空気流路を気密し、燃料及び空気が外部に漏れないようにする機能を行う。
【０００９】
このような構成を含む燃料電池スタックの電気エネルギー発生原理を簡略に見てみると、前記燃料極１４で水素の酸化反応が行われ、水素イオンと電子が発生し、水素イオンと電子は各々電解質膜１３と燃料極１４を通して空気極１５に移動し、以降、空気極１５では、水素イオン、電子及び空気中の酸素が参与する電気化学反応が起きて水が生成され、燃料極１４と空気極１５との間の電子の流れにより電気エネルギーが発生する。
【００１０】
即ち、燃料極に供給された水素は、水素イオン（Ｈ＋）と電子（ｅ−）に分解され、分解された水素イオンは、電解質を通過して空気極に移動し、この空気極では、燃料極から移動されてきた水素イオン（Ｈ＋）と外部導線を通して移動した電子（ｅ−）及び空気極に供給された酸素が、電極で出会い水を生成すると同時に、熱を発生させる反応を通して電気エネルギーを生成する。
【００１１】
このような高分子電解質型燃料電池スタック１０において、前記分離板１８は各単位セル１１を区分すると同時に、燃料、空気、冷却水のための流路を提供する役割を行う。
【００１２】
そして、前記分離板１８は、気体の透過度が低く、単位セル１１の形状を維持することができるように十分な構造強度を有し、単位セル１１間の電気接触抵抗を減少させる特性を持たなければならないため、前記分離板１８の特性は燃料電池全体の性能を左右し得る。
【００１３】
一方、燃料電池スタックの構成中、分離板の構造を見ると、図２に示したように、その一面及び多面には、独立的な微細チャンネル構造である水素又は空気流路２０，２２を含むチャンネル部２４が形成されており、このチャンネル部の両端部に各々水素、空気、冷却水供給及び排出のためのマニホールド部２６が貫通形成されている。
【００１４】
特に、分離板と分離板が互いに積層接合されると、その間に冷却水流路２８が形成される。
【００１５】
更に詳しくは、燃料電池スタック１０の単位セル１１と単位セル１１が互いに積層されると、図１及び図２に示したように、分離板１８同士が積層されるが、一方の分離板１８の外側面に形成された流路は空気流路２２となり、もう一方の分離板の外側面に形成された流路は水素流路２０となり、互いに接合された間の流路は冷却水流路２８となる。
【００１６】
このような構造を有する従来の高分子電解質型燃料電池スタック１０の分離板１８は、黒鉛板に流路を機械加工するか、薄いステンレススチールのような金属をプレス成形法で加工するか、高分子基盤（ｍａｔｒｉｘ）に膨張カーボン粒子や黒鉛粒子を混ぜて圧縮成形する方法で製作される。
【００１７】
特に、燃料電池の分離板は優れた電気伝導性及び構造強度と、低い接触抵抗及び表面抵抗と、低い気体透過度と、耐腐食性が要求されると共に、燃料電池の常用化のために大量生産が可能であり、少ない費用で製造されなければならない。
特許文献１には、金属板両表面に樹脂薄層からなる密着層を形成し、その上に黒鉛粉末を直接圧縮成形して燃料電池用セパレータを得る方法が記載されている。
【００１８】
しかし、従来のように２枚の分離板を積層して冷却水流路を形成すると、単位セルとの間の接触抵抗、即ち、水素流路を有する燃料極側の分離板と空気流路を有する空気極側の分離板間の接触抵抗が存在してしまい、電気を発生させる燃料電池の効率が減少する問題点がある。
【００１９】
【特許文献１】特開２００３−２１７６１１号公報
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】燃料電池スタックの構成を説明するための概略的断面図である。
【図２】従来の分離板構造を説明する図面である。
【図３】本発明による分離板の製作方法を説明する斜視図である。
【図４】本発明による分離板の製作方法を説明する斜視図である。
【図５】本発明による分離板を表す平面図である。
【図６】本発明による分離板を表す図５のＡ−Ａ線の断面図である。
【図７】本発明による分離板を表す図５のＢ−Ｂ線の断面図である。
【図８】本発明による分離板を表す図５のＣ−Ｃ線の断面図である。
【図９】本発明による分離板の一面及び多面の水素側ガスケット及び空気側ガスケットが各々密着された状態を表す斜視図である。
【図１０】本発明による分離板の一面に水素側ガスケットが密着された状態を表す平面図である。
【図１１】本発明による分離板の一面に空気側ガスケットが密着された状態を表す平面図である。
【図１２】本発明による分離板と水素側ガスケットと空気側ガスケットが互いに密着された状態を表す平面図である。
【図１３】図１２のＤ−Ｄ線の断面図である。
【図１４】図１２のＥ−Ｅ線の断面図である。
【図１５】図１２のＦ−Ｆ線の断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面を参照して、詳しく説明する。
【００３４】
本発明は、２枚の分離板を積層してその間に冷却水流路を形成することによって、単位セルとの間の接触抵抗、即ち、水素流路を有する燃料極側の分離板と空気流路を有する空気極側の分離板間の接触抵抗が存在するようになり、電気を発生させる燃料電池の効率が減少する問題点を解決するために、複合材料を利用した板の一方の表面ともう一方の表面に各々水素流路及び空気流路を形成すると共に、その内部にパイプ形態の冷却水流路を形成して接触抵抗を除去することができるようにした点に着眼点がある。
【００３５】
次に、本発明の分離板の製造方法に対する一実施形態を説明する。
【００３６】
図３及び図４は、本発明による分離板の製作方法を説明する斜視図であり、図５は、本発明による分離板を表す平面図である。
【００３７】
まず、所望する分離板のサイズに合わせて裁断された半硬化状態である２枚の複合材料３０を具備するのに、分離板の厚さによって各枚の複合材料３０は、原材料が数枚重なり合ったもので具備され得る。
【００３８】
前記複合材料３０は、熱硬化性及び可塑性樹脂を基盤とする炭素繊維プリプレグを使用するか、または伝導性の炭素繊維、カーボンブラック、黒鉛粒子、金属粒子を含有するポリマーを使用することができる。
【００３９】
更に、前記２枚の複合材料３０の間に配列される多数の中空形部材３２を具備するに当たり、この中空形部材３２は、注射針のような微細の直径の金属パイプを使用することが好ましく、その他に複合材料パイプ、ＰＶＣパイプなども使用することができる。
【００４０】
このように複合材料３０及び中空形部材３２を具備した状態で、これらをホットプレスに配置する。
【００４１】
前記ホットプレスの上型３４の表面は、水素又は空気流路形成用凹凸区間３８が形成され、下型３６の表面にも、水素又は空気流路形成用凹凸区間３８が形成される。
【００４２】
例えば、前記ホットプレスの上型３４の表面に形成された水素又は空気流路形成用凹凸区間３８が水素流路形成用凹凸区間として選択されると、反対に、前記下型３６の表面に形成された水素又は空気流路形成用凹凸区間３８が空気流路形成用凹凸区間として選択される。
【００４３】
そこで、前記２枚の複合材料３０及びその間に等間隔で配列された多数の中空形部材３２を水素又は空気流路形成用凹凸区間３８を有するホットプレスの下型３６に安着させる。
【００４４】
次に、水素又は空気流路形成用凹凸区間３８を有するホットプレスの上型３４を前記下型３６側に下降させ、前記２枚の複合材料３０を高温加圧にて成形する。
【００４５】
このとき、半硬化状態であった２枚の複合材料３０は、前記のような高温加圧により圧着されると同時に、硬化されながら互いに一体となる。
【００４６】
従って、前記複合材料３０の両表面に各々凹溝構造の水素及び空気流路２０，２２が形成され、同時に、その内部に挿入された中空形部材３２の内部空間が冷却水流路２８となる構造の分離板１８が完成される。
【００４７】
さらに、本発明の分離板の製造方法に対する別の実施形態を説明する。
【００４８】
まず、一実施例のように、所望する分離板のサイズに合わせて裁断された半硬化状態である２枚の複合材料を具備する。
【００４９】
このとき、前記２枚の複合材料３０との間には、一実施例と異なり、冷却水流路形成のための複数のインサート４０が配列される。
【００５０】
前記インサート４０は、溶媒（水）の中で解けるセルロースのように、特定溶媒に溶解されるか、分解される物質で製作されるか、又は溶点が２００℃以下である物質（硫黄、熱可塑性ポリマー、金属）で製作されたものを使用する。
【００５１】
そこで、前記２枚の複合材料３０との間に冷却水流路形成のための複数のインサート４０を等間隔で配列しながら、水素または空気流路形成用凹凸区間３８を有するホットプレスの下型３６に安着させる。
【００５２】
次いで、水素又は空気流路形成用凹凸区間３８を有するホットプレスの上型３４を前記下型３６側に下降させ、２枚の複合材料を高温加圧させることで、半硬化状態であった２枚の複合材料３０は、互いに圧着されると同時に硬化されながら一体化される。
【００５３】
従って、前記複合材料３０の両表面に、各々水素及び空気流路２０，２２が形成されると同時に、その内部にインサート４０が内在された構造の分離板が一度完成される。
【００５４】
続いて、前記複合材料３０内部のインサート４０を除去する工程を通して、その除去された場所を冷却水流路２８とすることで、最終的に分離板１８が完成される。
【００５５】
前記インサート４０を除去する方法は、特定溶媒に溶解されるか、分解される物質を採択した場合、例えば、インサートをセルロースで製作した場合、水に溶かしてやれば良く、前記インサートとして溶点が２００℃以下である物質を採択した場合は、前記高温加圧成形段階時、そのまま解けて除去される。
【００５６】
このようにして、複合材料３０内のインサート４０が除去された部分に中空の冷却水流路２８が形成され、両表面に各々水素及び空気流路２０，２２が凹溝構造に形成された分離板１８が完成される。
【００５７】
一方、前記のような各実施例によって製造された分離板は、冷却水流路、空気流路、水素流路を含むチャンネル部に対して説明したが、このチャンネル部２４の両端には、同一の複合材料により導入部５０とマニホールド部２６が一体に成形され、これを図６乃至図８を参照して下記の通り説明する。
【００５８】
前記導入部５０は、チャンネル部２４の両端に一体に形成され、チャンネル部２４の各冷却水流路２８と連通される一つの内部空間５２を有する。
【００５９】
前記一つの内部空間５２を形成する方法は、マンドレル（図示せず）を成形前に挿入した後、成形後に除去すると、その除去された部分が空洞となり、この空洞が前記冷却水流路２８と連通する一つの内部空間５２となる。
【００６０】
前記導入部５０の両端には、マニホールド部２６が一体に形成されるが、一方のマニホールド部は空気吸入マニホールド２６ａ、冷却水入口マニホールド２６ｂと水素吸入マニホールド２６ｃが各々貫通形成され、もう一方のマニホールド部には、空気排気マニホールド２６ｄ、冷却水出口マニホールド２６ｅと水素排気マニホールド２６ｆが各々貫通形成される。
【００６１】
ここで、前記マニホールド部２６の冷却水入出口マニホールド２６ｂ，２６ｅと、前記導入部５０の内部空間５２との間を区分する仕切り板５４には、複数個の冷却水流出入口５６，５８が貫通形成される。
【００６２】
従って、前記分離板１８のチャンネル部２４に形成された冷却水流路２８は、前記導入部５０の一つの内部空間５２と連通される状態となり、更に、前記仕切り板５４に形成された複数個の冷却水流出入口５６，５８を通して、前記導入部５０の一つの内部空間５２と前記マニホールド部２６の冷却水入出口マニホールド２６ｂ，２６ｅが、互いに連通される状態となる。
【００６３】
これによって、マニホールド部２６の冷却水入口マニホールド２６ｂ、一方の仕切り板５４に形成された複数個の冷却水流入口５６、一方の導入部５０内の一つの内部空間５２、チャンネル部２４の冷却水流路２８（例えば、金属パイプ）、他方の導入部５０内の一つの内部空間５２、他方の仕切り板５４に形成された複数個の冷却水流入口５８、マニホールド部２６の冷却水出口マニホールド２６ｅの順で冷却水が流れる。
【００６４】
ここで、本発明による分離板にガスケットが密着する構造を説明する。
【００６５】
図９乃至１５は、本発明の分離板に各々水素側ガスケット及び空気側ガスケットが密着結合される状態を表す図面である。
【００６６】
本発明による分離板１８がスタックで組み立てられる場合、分離板１８の一面に形成された凹溝構造の水素流路２０とその反対面に形成された凹溝構造の空気流路２２には、各々水素側ガスケット６０と空気側ガスケット６２が密着され、実質的な密閉構造の水素流路及び空気流路が形成される。
【００６７】
前記水素側ガスケット６０と空気側ガスケット６２の両側端部には、前記分離板１８の空気吸入マニホールド２６ａ、冷却水入口マニホールド２６ｂと水素吸入マニホールド２６ｃと各々一致する貫通溝が形成されるか、前記分離板１８の空気排気マニホールド２６ｄ、冷却水出口マニホールド２６ｅと水素排気マニホールド２６ｆと各々一致する貫通溝が形成される。
【００６８】
このとき、前記水素側ガスケット６０の貫通溝のうち、前記分離板１８の水素吸入マニホールド２６ｆと水素排気マニホールド２６ｃと一致する貫通溝６０ａ，６０ｂを前記導入部５０側に開放させることで、水素の流れは、水素吸入マニホールド２６ｃ、貫通溝６０ａ、一方の導入部５０の表面、チャンネル部２４の水素流路２０、他方の導入部５０の表面、貫通溝６０ｂ、水素排気マニホールド２６ｆの順に流れる。
【００６９】
更に、前記空気側ガスケット６２の貫通溝のうち、前記分離板１８の空気吸入マニホールド２６ａと空気ハイマニホールド２６ｄと一致する貫通溝６２ａ，６２ｂを前記導入部５０側に開放させることで、空気の流れは、空気吸入マニホールド２６ａ、貫通溝６２ａ、一方の導入部５０の表面、チャンネル部２４の空気流路２２、他方の導入部５０の表面、貫通溝６２ｂ、空気排気マニホールド２６ｄの順に流れる。
【００７０】
このように、水素及び空気側ガスケット６０，６２の構造を改善し、本発明による分離板１８に積層させると、実質的な密閉構造の水素流路及び空気流路が容易に形成されるようになる。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本発明は、単位セルを構成する分離板間の接触抵抗を除去して、燃料電池の効率を向上させる燃料電池スタック及びその製造方法の分野に適用できる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部には多数の冷却水流路が貫通形成され、一方の外表面と多方の外表面で、前記冷却水流路のすれ違う位置に水素流路及び空気流路が形成された構造のチャンネル部、
前記チャンネル部の両端に一体に形成され、各冷却水流路と連通される一つの内部空間を有する導入部と、
前記導入部の両端に一体に形成されるマニホールドで構成され、前記マニホールド部の冷却水入出口マニホールドと、前記導入部の内部空間との間を区分する仕切り板には、冷却水流出入口が貫通形成されることを特徴とする燃料電池スタック用分離板。
【請求項２】
前記チャンネル部、導入部と、マニホールド部は、複合材料により一体に成形され、前記複合材料は、熱硬化性及び可塑性樹脂を基盤とする炭素繊維プリプレグ、又は伝導性の炭素繊維、カーボンブラック、黒鉛粒子、金属粒子が含有されたポリマーであることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池スタック用分離板。
【請求項３】
前記チャンネル部の冷却水流路内には、中空形部材が挿入されることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池スタック用分離板。
【請求項４】
前記中空形部材は、金属パイプ、複合材料パイプ、ＰＶＣパイプの中から選択されたいずれか１種であることを特徴とする、請求項３に記載の燃料電池スタック用分離板。
【請求項５】
所望する分離板のサイズに合わせて裁断された半硬化状態である２枚の複合材料を具備する段階、
複数の中空形部材を前記２枚の複合材料との間に配列しながら、水素又は空気流路形成用凹凸表面を有するホットプレスの下型に安着させるか、冷却水流路形成のための複数のインサートを前記２枚の複合材料との間に配列しながら、水素又は空気流路形成用凹凸表面を有するホットプレスの下型に安着させる段階、
水素又は空気流路形成用凹凸表面を有するホットプレスの上型を前記下型側に下降させ、前記２枚の複合材料を一体となるように圧着硬化させる高温加圧成形段階、
前記複合材料の両表面に各々水素及び空気流路が形成されると同時に、その内部の中空形部材が冷却水流路となる構造に製作された分離板、又は前記インサートが挿入された状態で、複合材料の両表面に各々水素及び空気流路が形成された分離板を脱型させる段階、及び
前記複合材料内部のインサートを除去して冷却水流路を形成する段階、
を含むことを特徴とする燃料電池スタック用分離板の製造方法。
【請求項６】
前記インサートは、特定溶媒に溶解されるか、分解される物質で製作されるか、溶点が２００℃以下である物質で製作されることを特徴とする、請求項５に記載の燃料電池スタック用分離板の製造方法。
【請求項７】
前記インサートとして、特定溶媒に溶解されるか、分解される物質を採択した場合、前記加圧成形段階後、別途にインサートを溶媒で溶解させるか、分解させて除去する段階が更に行われることを特徴とする、請求項５又は６に記載の燃料電池スタック用分離板の製造方法。
【請求項８】
前記インサートとして、溶点が２００℃以下である物質を採択した場合、前記高温加圧成形段階時に、溶解して除去されることを特徴とする、請求項５又は６に記載の燃料電池スタック用分離板の製造方法。
【請求項１】
内部には多数の冷却水流路が貫通形成され、一方の外表面と多方の外表面で、前記冷却水流路のすれ違う位置に水素流路及び空気流路が形成された構造のチャンネル部、
前記チャンネル部の両端に一体に形成され、各冷却水流路と連通される一つの内部空間を有する導入部と、
前記導入部の両端に一体に形成されるマニホールドで構成され、前記マニホールド部の冷却水入出口マニホールドと、前記導入部の内部空間との間を区分する仕切り板には、冷却水流出入口が貫通形成されることを特徴とする燃料電池スタック用分離板。
【請求項２】
前記チャンネル部、導入部と、マニホールド部は、複合材料により一体に成形され、前記複合材料は、熱硬化性及び可塑性樹脂を基盤とする炭素繊維プリプレグ、又は伝導性の炭素繊維、カーボンブラック、黒鉛粒子、金属粒子が含有されたポリマーであることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池スタック用分離板。
【請求項３】
前記チャンネル部の冷却水流路内には、中空形部材が挿入されることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池スタック用分離板。
【請求項４】
前記中空形部材は、金属パイプ、複合材料パイプ、ＰＶＣパイプの中から選択されたいずれか１種であることを特徴とする、請求項３に記載の燃料電池スタック用分離板。
【請求項５】
所望する分離板のサイズに合わせて裁断された半硬化状態である２枚の複合材料を具備する段階、
複数の中空形部材を前記２枚の複合材料との間に配列しながら、水素又は空気流路形成用凹凸表面を有するホットプレスの下型に安着させるか、冷却水流路形成のための複数のインサートを前記２枚の複合材料との間に配列しながら、水素又は空気流路形成用凹凸表面を有するホットプレスの下型に安着させる段階、
水素又は空気流路形成用凹凸表面を有するホットプレスの上型を前記下型側に下降させ、前記２枚の複合材料を一体となるように圧着硬化させる高温加圧成形段階、
前記複合材料の両表面に各々水素及び空気流路が形成されると同時に、その内部の中空形部材が冷却水流路となる構造に製作された分離板、又は前記インサートが挿入された状態で、複合材料の両表面に各々水素及び空気流路が形成された分離板を脱型させる段階、及び
前記複合材料内部のインサートを除去して冷却水流路を形成する段階、
を含むことを特徴とする燃料電池スタック用分離板の製造方法。
【請求項６】
前記インサートは、特定溶媒に溶解されるか、分解される物質で製作されるか、溶点が２００℃以下である物質で製作されることを特徴とする、請求項５に記載の燃料電池スタック用分離板の製造方法。
【請求項７】
前記インサートとして、特定溶媒に溶解されるか、分解される物質を採択した場合、前記加圧成形段階後、別途にインサートを溶媒で溶解させるか、分解させて除去する段階が更に行われることを特徴とする、請求項５又は６に記載の燃料電池スタック用分離板の製造方法。
【請求項８】
前記インサートとして、溶点が２００℃以下である物質を採択した場合、前記高温加圧成形段階時に、溶解して除去されることを特徴とする、請求項５又は６に記載の燃料電池スタック用分離板の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２００９−３０２０３７（Ｐ２００９−３０２０３７Ａ）
【公開日】平成２１年１２月２４日（２００９．１２．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−４４８４１（Ｐ２００９−４４８４１）
【出願日】平成２１年２月２６日（２００９．２．２６）
【出願人】（５９１２５１６３６）現代自動車株式会社 (1,064)
【出願人】（５９２１２７１４９）韓国科学技術院 (129)
【氏名又は名称原語表記】ＫＯＲＥＡ ＡＤＶＡＮＣＥＤ ＩＮＳＴＩＴＵＴＥ ＯＦ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
【住所又は居所原語表記】３７３−１，Ｇｕｓｕｎｇ−ｄｏｎｇ，Ｙｕｓｅｏｎｇ−ｋｕ，Ｄａｅｊｅｏｎ ３０５−７０１ ＫＲ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１２月２４日（２００９．１２．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年２月２６日（２００９．２．２６）
【出願人】（５９１２５１６３６）現代自動車株式会社 (1,064)
【出願人】（５９２１２７１４９）韓国科学技術院 (129)
【氏名又は名称原語表記】ＫＯＲＥＡ ＡＤＶＡＮＣＥＤ ＩＮＳＴＩＴＵＴＥ ＯＦ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
【住所又は居所原語表記】３７３−１，Ｇｕｓｕｎｇ−ｄｏｎｇ，Ｙｕｓｅｏｎｇ−ｋｕ，Ｄａｅｊｅｏｎ ３０５−７０１ ＫＲ
【Ｆターム（参考）】
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