説明

燃料電池構造

【課題】 硬い親水性気密ガスケットを有する燃料電池構造を提供する。
【解決手段】 第一単面チャンネルプレートと、少なくとも1以上の両面チャンネルプレートと、第二単面チャンネルプレートと、複数の膜電極接合体と、複数の硬い親水性気密ガスケットと、を含む燃料電池構造。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、燃料電池構造に関し、特に、燃料と酸素の互いに発生される漏れと混合を効果的に防ぐことができる燃料電池構造に関するものである。
【背景技術】
【0002】
燃料電池(Fuel Cell)はメタノール、或いは水素などの燃料と酸素反応を利用して、燃料を得る。燃料電池に電気化学反応を発生させるために、燃料と酸素は適当な通路をそれぞれ経由して、燃料電池の中に入らなければならない。ここで、通路構造の設計は燃料と酸素の互いの間に漏れと混合がないように確保しなければならなく、燃料電池の作動効率と作動の安全性に影響しないように確保する。
【0003】
従来の燃料電池は、通常、複数の燃料電池ユニットを含む。各燃料電池ユニットは、主に、膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly,MEA)を含み、膜電極接合体は、だいたい、プロトン交換膜と、陽極触媒層と、陰極触媒層とから構成される。
【0004】
燃料と酸素を燃料電池に送り、電気化学反応(或いは酸化還元反応)を行うために、燃料電池の内部は、適当な気体通路を開設する必要がある。例えば、メタノール(CH3OH)を燃料とする燃料電池の場合、メタノールと酸素は各膜電極接合体の陽極反応側と陰極反応側にそれぞれ送られ、酸化還元反応を行う。ここで、陽極反応側と陰極反応側の酸化還元反応はそれぞれ次の通りある。
【0005】
【化1】

【0006】
上記のように、燃料電池の気体通路構造において、気密効果を達成するために、燃料と酸素の互いの間に漏れと混合がないようにさせ、通常のやり方は、二つの隣接する部材との間に気密ガスケット(Gasket)を設置する。
【0007】
図1より、公知の燃料電池構造1は、主に、第一制圧コレクターボード11と、第二制圧コレクターボード12と、第一単面チャンネルプレート21と、第二単面チャンネルプレート22と、複数の両面チャンネルプレート30と、複数の膜電極接合体40と、複数の気密ガスケット50とを含む。第一単面チャンネルプレート21と第二単面チャンネルプレート22は第一制圧コレクターボード11と第二制圧コレクターボード12にそれぞれ接する。気密ガスケット50はソフトワッシャ、或いは硬性ワッシャを使用して、接着剤で第一単面チャンネルプレート21と膜電極接合体40との間、膜電極接合体40と両面チャンネルプレート30との間、及び膜電極接合体40と第二単面チャンネルプレート22との間を接着する。第一制圧コレクターボード11は、第二制圧コレクターボード12に相対し、及び第一単面チャンネルプレート21と、第二単面チャンネルプレート22と、複数の両面チャンネルプレート30と、複数の膜電極接合体40と、複数の気密ガスケット50は第一制圧コレクターボード11と第二制圧コレクターボード12によって制圧し固定される。
【0008】
また、第一制圧コレクターボード11は陽極入口11aと、陽極出口11bと、陰極入口11cと、陰極出口11dとを有する。ここで、メタノール(CH3OH)は陽極入口11aを経由して燃料電池構造1の中に入り、且つメタノールは第一単面チャンネルプレート21と両面チャンネルプレート30を経由して、各膜電極接合体40の陽極反応側41に流れる(図2に示すように)。ここで、メタノールの流れ方向は図2の矢印Aに示す通りである。最後に、メタノールは陽極出口11bを経由して燃料電池構造1に流れ出す。もう一つでは、酸素(O)は陰極入口11cを経由して燃料電池構造1の中に入り、且つ酸素は両面チャンネルプレート30と第二単面チャンネルプレート22を経由して、各膜電極接合体40の陰極反応側42に流れる(図2に示すように)。ここで、酸素の流れ方向は図2の矢印Bに示す通りである。最後に、酸素は陰極出口11dを経由して燃料電池構造1に流れ出す。
【0009】
上述のように、気密ガスケット50は第一単面チャンネルプレート21と膜電極接合体40との間、膜電極接合体40と両面チャンネルプレート30との間、及び膜電極接合体40と第二単面チャンネルプレート22との間の分離作用によって、必ず膜電極接合体40の陽極反応側41に流れるメタノールは膜電極接合体40の陰極反応側42に漏れることはなく、必ず膜電極接合体40の陰極反応側42に流れる酸素は膜電極接合体40の陽極反応側41に漏れることはない。よって、メタノールと酸素の漏れと混合現象の発生を避けることができる。
【0010】
しかしながら、図3に示すように、燃料電池構造1が組合せの過程において、締結力(fastening force)の不均一が発生した時、或いは燃料電池構造1が外力による衝撃を受けた時、ソフトな気密ガスケット50は、よく撓み、或いは変形現象を発生する。この時、撓み、或いは変形した気密ガスケット50は、第一単面チャンネルプレート21と膜電極接合体40との分離、膜電極接合体40と両面チャンネルプレート30との分離、及び膜電極接合体40と第二単面チャンネルプレート22との分離効果を失う。上述のように、メタノールと酸素は陽極入口11aと陰極入口11cをそれぞれ経由して燃料電池構造1に入る時、元来、各膜電極接合体40の陽極反応側41に送られるべきメタノールは陰極反応側42に漏れ(矢印A’に示すように)、元来、各膜電極接合体40の陰極反応側42に送られるべき酸素は陽極反応側41に漏れる(矢印B’に示すように)。よって、メタノールと酸素の漏れと混合現象を招き、燃料電池構造1の作動効率と作動安全性が相当大きく影響される。
【0011】
これに鑑みて、本発明の目的は、硬い親水性気密ガスケットを有する燃料電池構造を提供することにあり、接着剤を塗布しない状況で密閉効果を達成することができ、燃料電池構造内の燃料と酸素の互いに漏れと混合を発生することがないように確保させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0012】
【特許文献1】特開2008−34339号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0013】
本発明の目的は、硬い親水性気密ガスケットを有する燃料電池構造を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0014】
上述の問題を解決するために、本発明は基本的に次の特徴を採用する。言わば、本発明における燃料電池構造は、
第一単面チャンネルプレートと、
第一側面チャンネルと第二側面チャンネルを有し、前記第一側面チャンネルは前記第二側面チャンネルに相対し、分離している少なくとも1以上の両面チャンネルプレートと、
第二単面チャンネルプレートと、
前記第一単面チャンネルプレートと前記両面チャンネルプレートとの間及び前記両面チャンネルプレートと前記第二単面チャンネルプレートとの間にそれぞれ設置され、複数の陽極反応側と複数の陰極反応側を有し、前記複数の陽極反応側は前記第一単面チャンネルプレートのチャンネルと前記両面チャンネルプレートの前記第二側面チャンネルにそれぞれ接続され、及び前記複数の陰極反応側は前記両面チャンネルプレートの前記第一側面チャンネルと前記第二単面チャンネルプレートのチャンネルにそれぞれ接続される複数の膜電極接合体と、
前記第一単面チャンネルプレートと前記複数の膜電極接合体の一つの前記陽極反応側との間、前記複数の膜電極接合体の一つの前記陰極反応側と前記両面チャンネルプレートの前記第一側面チャンネルとの間、前記両面チャンネルプレートの前記第二側面チャンネルと前記複数の膜電極接合体の一つの前記陽極反応側との間、及び前記複数の膜電極接合体の一つの前記陰極反応側と前記第二単面チャンネルプレートとの間にそれぞれ接される複数の硬い親水性気密ガスケットと、を含む。
【0015】
同時に、本発明の燃料電池構造は、前記複数の硬い親水性気密ガスケットはプラズマ処理によって、複数の極性基を有し、
前記複数の硬い親水性気密ガスケットは前記複数の極性基と水によって、前記第一単面チャンネルプレート、前記複数の膜電極接合体の前記複数の陽極反応側、前記複数の膜電極接合体の前記複数の陰極反応側、前記両面チャンネルプレート、及び前記第二単面チャンネルプレートに吸着される。
【0016】
また、本発明において、前記複数の硬い親水性気密ガスケットはコロナ処理によって、複数の極性基を有し、
前記複数の硬い親水性気密ガスケットは前記複数の極性基と水によって、前記第一単面チャンネルプレート、前記複数の膜電極接合体の前記複数の陽極反応側、前記複数の膜電極接合体の前記複数の陰極反応側、前記両面チャンネルプレート、及び前記第二単面チャンネルプレートに吸着される。
【0017】
また、本発明において、前記複数の硬い親水性気密ガスケットの硬度はロックウェル硬度50より大きいことが好ましい。ロックウェル硬度がこの範囲に含まれることにより、複数の硬い親水性気密ガスケットの撓み、或いは変形現象を抑制することができる。
【0018】
また、本発明において、第一制圧コレクターボードと第二制圧コレクターボードとを更に含み、前記第一制圧コレクターボードは前記第二制圧コレクターボードに相対し、且つ陽極入口と陰極入口を有し、
前記陽極入口は前記第一単面チャンネルプレートの前記チャンネルと前記両面チャンネルプレートの前記第二側面チャンネルに接続され、
前記陰極入口は前記両面チャンネルプレートの前記第一側面チャンネルと前記第二単面チャンネルプレートの前記チャンネルに接続されることが好ましい。
【0019】
また、本発明において、前記第一単面チャンネルプレート、前記両面チャンネルプレート及び前記第二単面チャンネルプレートは石墨、金属、電子伝導性のある物質、プラスチック、エポキシ樹脂、高分子ポリマー、ガラスのエポキシ樹脂、或いはガラス強化高分子材料から構成されることが好ましく、より好ましくは、石墨、金属、電子伝導性のある物質である。前記第一単面チャンネルプレート、前記両面チャンネルプレート及び前記第二単面チャンネルプレートをこれらの材料で構成することにより、プラズマ、或いはコロナ処理によって、複数の極性基(例えば、水酸基(OH))を有する硬い親水性気密ガスケットは、複数の極性基と水によって、前記第一単面チャンネルプレート、前記両面チャンネルプレート及び第二単面チャンネルプレートに吸着する。これにより、燃料電池構造において接着剤を塗布しない状況で密閉効果を達成することができる。
【発明の効果】
【0020】
本発明の燃料電池構造によれば、燃料と酸素の互いの漏れと混合現象を確実に避けることができる。よって、燃料電池構造の作動効率と作動安全性を大幅に高めることができる。且つ接着剤によっての接着プロセスを省くことができ、燃料電池構造が組合せでの便利性を効果的に高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【0021】
【図1】公知の燃料電池構造の立体図を表している。
【図2】図1の燃料電池構造に基づいて、正常の作動状態の一部の断面図を表している。
【図3】図1の燃料電池構造に基づいて、非正常の作動状態の一部の断面図を表している。
【図4】本発明の燃料電池構造の立体図を表している。
【図5】図4に基づいた燃料電池構造の一部の断面図を表している。
【図6】本発明の燃料電池構造の構造の一部の平面図を表している。
【発明を実施するための形態】
【0022】
本発明についての目的、特徴、長所が一層明確に理解されるよう、以下に実施形態を例示し、図面を参照にしながら、詳細に説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されない。
【実施例】
【0023】
図面に合わせて本発明のより好ましい実施例を説明する。
【0024】
図4より、本実施例の燃料電池構造100は、主に、第一制圧コレクターボード111と、第二制圧コレクターボード112と、第一単面チャンネルプレート121と、第二単面チャンネルプレート122と、複数の両面チャンネルプレート130と、複数の膜電極接合体140と、複数の硬い親水性気密ガスケット150とを含む。
【0025】
第一制圧コレクターボード111は第二制圧コレクターボード112に相対し、且つ第一制圧コレクターボード111は陽極入口111aと、陽極出口111bと、陰極入口111cと、陰極出口111dとを有する。
【0026】
図4と図5に示すように、第一単面チャンネルプレート121と第二単面チャンネルプレート122は第一制圧コレクターボード111と第二制圧コレクターボード112にそれぞれ接する。ここで、第一単面チャンネルプレート121と第二単面チャンネルプレート122に(カーブ)チャンネル121aと(カーブ)チャンネル121aをそれぞれ成型する。
【0027】
各両面チャンネルプレート130は第一側面(カーブ)チャンネル131と第二側面(カーブ)チャンネル132を有する。図5に示すように、第一側面チャンネル131は第二側面チャンネル132に相対し、分離している。また、本実施例において、第一単面チャンネルプレート121、第二単面チャンネルプレート122、及び両面チャンネルプレート130は石墨、金属、プラスチック、エポキシ樹脂、高分子ポリマー、ガラスのエポキシ基樹脂、或いはガラス強化高分子材料から構成される。
【0028】
複数の膜電極接合体140は第一単面チャンネルプレート121と両面チャンネルプレート130との間、両面チャンネルプレート130との間及び両面チャンネルプレート130と第二単面チャンネルプレート122との間にそれぞれ設置される。また、各膜電極接合体140は陽極反応側141と陰極反応側142を有する。ここで、図5に示すように、複数の膜電極接合体140の陽極反応側141は第一単面チャンネルプレート121のチャンネル121aと複数の両面チャンネルプレート130の第二側面チャンネル132にそれぞれ接続され、一方、複数の膜電極接合体140の陰極反応側142では複数の両面チャンネルプレート130の第一側面チャンネル131と第二単面チャンネルプレート122のチャンネル122aにそれぞれ接続される。
【0029】
複数の硬い親水性気密ガスケット150は第一単面チャンネルプレート121と複数の膜電極接合体140の一つの陽極反応側141との間、複数の膜電極接合体140の一つの陰極反応側142と両面チャンネルプレート130の第一側面チャンネル131との間、両面チャンネルプレート130の第二側面チャンネル132と複数の膜電極接合体140の一つの陽極反応側141との間、及び複数の膜電極接合体140の一つの陰極反応側142と第二単面チャンネルプレート122との間にそれぞれ接される。ここで、硬い親水性気密ガスケット150はプラズマ、或いはコロナ処理によって、複数の極性基(例えば、水酸基(OH))を有する。特に、複数の硬い親水性気密ガスケット150は複数の極性基と水によって、石墨から構成される第一単面チャンネルプレート121、複数の膜電極接合体140の陽極反応側141、複数の膜電極接合体140の陰極反応側142、石墨から構成される両面チャンネルプレート130及び石墨から構成される第二単面チャンネルプレート122に吸着される。更に具体的に言えば、複数の硬い親水性気密ガスケット150は接着剤によって、第一単面チャンネルプレート121、複数の膜電極接合体140の陽極反応側141、複数の膜電極接合体140の陰極反応側142、両面チャンネルプレート130、及び第二単面チャンネルプレート122に接着されるものでない。また、本実施例において、複数の硬い親水性気密ガスケット150の硬度はロックウェル硬度50より大きい。よって、複数の硬い親水性気密ガスケット150(図6に示すブリッジD)はほとんど撓み、或いは変形現象を発生しにくい。
【0030】
また、図6に示すように、第一単面チャンネルプレート121と硬い親水性気密ガスケット150との間の結合の例から言えば、硬い親水性気密ガスケット150は少なくとも、陽極入口111aと陰極入口111cのチャンネル121aの一部に接続するのをカバーする。
【0031】
上述のように、燃料電池構造100が組み合わされた時、第一単面チャンネルプレート121と、第二単面チャンネルプレート122と、複数の両面チャンネルプレート130と、複数の膜電極接合体140、及び複数の硬い親水性気密ガスケット150は第一制圧コレクターボード111と第二制圧コレクターボード112によって制圧し固定される。ここで、図5に示すように、第一制圧コレクターボード111の陽極入口111aは第一単面チャンネルプレート121のチャンネル121aと両面チャンネルプレート130の第二側面チャンネル132に接続され、及び第一制圧コレクターボード111の陰極入口111cは両面チャンネルプレート130の第一側面チャンネル131と第二単面チャンネルプレート122のチャンネル122aに接続される。
【0032】
上述のように、燃料電池構造100が作動した時、燃料(例えば、メタノール)は第一制圧コレクターボード111の陽極入口111aを経由して燃料電池構造100の中に入り、且つメタノールは第一単面チャンネルプレート121のチャンネル121aと両面チャンネルプレート130の第二側面チャンネル132を経由して、各膜電極接合体140の陽極反応側141に流れる。ここで、メタノールの流れ方向は図5の矢印Aに示す通りである。最後に、メタノールは陽極出口111bを経由して燃料電池構造100に流れ出す。もう一つでは、酸素は第一制圧コレクターボード111の陰極入口111cを経由して燃料電池構造100の中に入り、且つ酸素は両面チャンネルプレート130の第一側面チャンネル131と第二単面チャンネルプレート122のチャンネル122aを経由して、各膜電極接合体140の陰極反応側142に流れる。ここで、酸素の流れ方向は図5の矢印Bに示す通りである。最後に、酸素は陰極出口111dを経由して燃料電池構造100に流れ出す。
【0033】
上述のように、硬い親水性気密ガスケット150は第一単面チャンネルプレート121と膜電極接合体140との間、膜電極接合体140と両面チャンネルプレート130との間、及び膜電極接合体140と第二単面チャンネルプレート122との間の分離作用によって、必ず膜電極接合体140の陽極反応側141に流れるメタノールは膜電極接合体140の陰極反応側142に漏れることはない。一方、必ず膜電極接合体140の陰極反応側142に流れる酸素は膜電極接合体140の陽極反応側141に漏れることはない。
【0034】
特に、硬い親水性気密ガスケット150は高硬度を有し、故に、仮に、燃料電池構造100が組合せの過程において、締結力の(fastening force)不均一が発生し、或いは燃料電池構造100が外力による衝撃を受けた時、硬い親水性気密ガスケット150は、依然として、撓み、或いは変形現象を発生せず、第一単面チャンネルプレート121と膜電極接合体140との分離、膜電極接合体140と両面チャンネルプレート130との分離、及び膜電極接合体140と第二単面チャンネルプレート122との分離効果を確保することができ、メタノールと酸素の互いの漏れと混合現象を確実に避けることができる。よって、燃料電池構造100の作動効率と作動安全性を大幅に高めることができる。また、複数の硬い親水性気密ガスケット150は複数の極性基と水によって、第一単面チャンネルプレート121、複数の膜電極接合体140の陽極反応側141、複数の膜電極接合体140の陰極反応側142、両面チャンネルプレート130及び第二単面チャンネルプレート122に吸着される。故に、接着剤によっての接着プロセスを省くことができ、燃料電池構造100が組合せでの便利性を効果的に高めることができる。
【0035】
以上、本発明の好適な実施例を例示したが、図または説明書の説明では、類似または同一の部分は、同一の符号を用いている。また、図では、実施例の形状または厚さを拡大し、標示を簡易化している。また、図中の各素子の部分はそれぞれ説明されるが注意するのは、これは本発明を限定するものではなく、本発明の思想及び範囲を逸脱しない限りにおいては、当業者であれば行い得る少々の変更や修飾を付加することが可能である。従って、本発明が請求する保護範囲は、特許請求の範囲を基準とする。
【符号の説明】
【0036】
1、 100 燃料電池構造
11、111 第一制圧コレクターボード
11a、111a 陽極入口
11b、111b 陽極出口
11c、111c 陰極入口
11d、111d 陰極出口
12、112 第二制圧コレクターボード
21、121 第一単面チャンネルプレート
22、122 第二単面チャンネルプレート
30、130 両面チャンネルプレート
40、140 膜電極接合体
41、141 陽極反応側
42、142 陰極反応側
50 気密ガスケット
121a、122a チャンネル
131 第一側面チャンネル
132 第二側面チャンネル
150 硬い親水性気密ガスケット
D ブリッジ

【特許請求の範囲】
【請求項1】
第一単面チャンネルプレートと、
第一側面チャンネルと第二側面チャンネルを有し、前記第一側面チャンネルは前記第二側面チャンネルに相対し、分離している少なくとも1以上の両面チャンネルプレートと、
第二単面チャンネルプレートと、
前記第一単面チャンネルプレートと前記両面チャンネルプレートとの間及び前記両面チャンネルプレートと前記第二単面チャンネルプレートとの間にそれぞれ設置され、複数の陽極反応側と複数の陰極反応側を有し、前記複数の陽極反応側は前記第一単面チャンネルプレートのチャンネルと前記両面チャンネルプレートの前記第二側面チャンネルにそれぞれ接続され、及び前記複数の陰極反応側は前記両面チャンネルプレートの前記第一側面チャンネルと前記第二単面チャンネルプレートのチャンネルにそれぞれ接続される複数の膜電極接合体と、
前記第一単面チャンネルプレートと前記複数の膜電極接合体の一つの前記陽極反応側との間、前記複数の膜電極接合体の一つの前記陰極反応側と前記両面チャンネルプレートの前記第一側面チャンネルとの間、前記両面チャンネルプレートの前記第二側面チャンネルと前記複数の膜電極接合体の一つの前記陽極反応側との間、及び前記複数の膜電極接合体の一つの前記陰極反応側と前記第二単面チャンネルプレートとの間にそれぞれ接される複数の硬い親水性気密ガスケットと、を含む燃料電池構造。
【請求項2】
前記複数の硬い親水性気密ガスケットはプラズマ処理によって、複数の極性基を有し、
前記複数の硬い親水性気密ガスケットは前記複数の極性基と水によって、前記第一単面チャンネルプレート、前記複数の膜電極接合体の前記複数の陽極反応側、前記複数の膜電極接合体の前記複数の陰極反応側、前記両面チャンネルプレート、及び前記第二単面チャンネルプレートに吸着される請求項1に記載の燃料電池構造。
【請求項3】
前記複数の硬い親水性気密ガスケットはコロナ処理によって、複数の極性基を有し、
前記複数の硬い親水性気密ガスケットは前記複数の極性基と水によって、前記第一単面チャンネルプレート、前記複数の膜電極接合体の前記複数の陽極反応側、前記複数の膜電極接合体の前記複数の陰極反応側、前記両面チャンネルプレート、及び前記第二単面チャンネルプレートに吸着される請求項1に記載の燃料電池構造。
【請求項4】
前記複数の硬い親水性気密ガスケットの硬度はロックウェル硬度50より大きい請求項1〜3のいずれかに記載の燃料電池構造。
【請求項5】
第一制圧コレクターボードと第二制圧コレクターボードとを更に含み、前記第一制圧コレクターボードは前記第二制圧コレクターボードに相対し、且つ陽極入口と陰極入口を有し、前記陽極入口は前記第一単面チャンネルプレートの前記チャンネルと前記両面チャンネルプレートの前記第二側面チャンネルに接続され、及び前記陰極入口は前記両面チャンネルプレートの前記第一側面チャンネルと前記第二単面チャンネルプレートの前記チャンネルに接続される請求項1〜4のいずれかに記載の燃料電池構造。
【請求項6】
前記第一単面チャンネルプレート、前記両面チャンネルプレート及び前記第二単面チャンネルプレートは石墨、金属、プラスチック、エポキシ樹脂、高分子ポリマー、ガラスのエポキシ基樹脂、或いはガラス強化高分子材料から構成される請求項1〜5のいずれかに記載の燃料電池構造。





【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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