JP5436670B2 - 燃料電池用金属分離板及びこれを備える燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池用金属分離板及びこれを備える燃料電池スタックに関するもので、より詳細には、反応ガスチャンネル及び冷却水チャンネルを含み、ガスケットと一体化された高分子マニホールド部を含むマニホールド―ガスケットアセンブリを用いて気密性を維持する技術に関するものである。

燃料電池とは、一般に水素と酸素の酸化、還元反応を用いて化学エネルギーを電気エネルギーに変換する発電装置である。陰極では、水素が酸化されて水素イオンと電子に分離され、水素イオンは電解質を通して陽極に移動する。このとき、電子は回路を通して陽極に移動する。陽極では、水素イオン、電子及び酸素が反応して水になる還元反応が生じる。

まず、従来技術に係る燃料電池用金属分離板を説明すると、矩形状に備えられる金属本体部が形成され、その中心部に反応ガスチャンネル及び冷却水チャンネルが形成され、その周辺を取り囲むガスケットが形成される。

次に、前記チャンネル部の両側分離板には酸素（空気）流入マニホールド、冷却水流入マニホールド、水素流入マニホールドが形成され、酸素（空気）流入マニホールドとチャンネル部との間には反応ガス流入ホールが形成される。

このとき、ガスケットは、前記各マニホールドと反応ガス流入ホールの周辺に気密性を維持できる構造で形成される。ここで、前記のような各構成が集まっている部分を燃料電池用金属分離板の流入部といい、それと対面する他側を排出部という。

したがって、前記流入部と対称になる位置には、反応ガス排出ホール、酸素（空気）排出マニホールド、冷却水排出マニホールド及び水素排出マニホールドが形成される。

上述した構造の燃料電池のうち、特に固体高分子燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ；ＰＥＭＦＣ）の場合、高分子電解質膜に反応ガスを供給・排出する金属分離板のガス流出入構造は、燃料電池の性能を左右する重要な要素の一つになる。また、反応ガス流出入ホールは、金属分離板の耐久性向上とともに、燃料電池の性能向上のために必要な核心要素として作用することができる。

従来の燃料電池スタックは、膜―電極接合体（ＭＥＡ）の両面にそれぞれ燃料ガス及び還元ガスの反応ガスが流れ、金属分離板は、単位セルを連結して燃料電池スタックを積層すると同時に、燃料ガス、還元ガス及び冷却水が混じらないように分離する。そして、ガスケットは、反応ガス及び冷却水が漏れないように密封する役割をする。このとき、黒鉛系分離板とは異なり、薄板成形で製作された金属分離板の場合、反応ガスと冷却水との間の気密性を確保するために反応ガスマニホールドから反応ガスチャンネル内部への反応ガス流入構造が複雑になるしかない。

特に、既存の燃料電池は、金属分離板をスタンピングプレス加工を通して形成していた。反応ガスチャンネル及び冷却水チャンネルをスタンピング方法を用いて形成する場合、反応ガスチャンネルの幅が狭くなり、反応ガス流出入ホールを金属分離板に直接形成する場合、微細加工に失敗する可能性が高いので、反応ガスの流れが円滑でないという問題が発生した。また、反応ガス流出入ホールを分離板に直接形成した場合、薄板の剛性が脆弱になり、小さな曲げによってもガス流入構造が容易に変形し得るという問題がある。

併せて、金属分離板のマニホールド部には反応ガスマニホールドと冷却水マニホールドを分割する薄型の分割フレームを形成しなければならないが、このような分割フレームは、その相対的な構造が他の分離板部分に比べて非常に薄く、脆弱な構造を有しているので、反応ガス流入構造が変形する危険が非常に高い。

このような変形が発生する場合、反応ガスと冷却水の円滑な流れが阻害される。これによって、周辺装置、特に燃料電池用ブロワーやポンプに多くの負荷を加えるようになり、システムの効率が低下する。

前記のような問題を解決するために、変形が発生する部分に変形防止のための別途のガスケットを塗布する技術が開示されている。しかし、ガスケットによる支持は、燃料電池スタックの荷重による圧縮変形を完全に排除することができなく、別途のガスケットが離脱されて反応ガス流入部を遮る場合、反応ガスの流入時に抵抗がより大きくなるという問題がある。

本発明は、金属分離板のサイズを最小化しながら冷却性能及び反応ガス流路を確保できる燃料電池用金属分離板及びこれを備える燃料電池スタックを提供することを目的とする。

併せて、本発明は、冷却水流出入マニホールド部及び反応ガス流出入マニホールド部を構成するマニホールド部とチャンネル部の気密性を確保するガスケットとを一体的に形成したマニホールド―ガスケットアセンブリ構造を提供し、簡単な構造を有しながら容易に製造できる燃料電池用金属分離板及びこれを備える燃料電池スタックを提供することを目的とする。

併せて、本発明は、マニホールド―ガスケットアセンブリに反応ガス流出入ホールを一体的に形成することによって、燃料電池スタックの締結時の締結圧によって金属分離板に変形が発生することを防止できる燃料電池用金属分離板及びこれを備える燃料電池スタックを提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池用金属分離板は、中心部に形成され、第１の面から第２の面に突出形成される反応ガスチャンネルと、前記第２の面に突出した前記反応ガスチャンネル間に形成される冷却水チャンネルと、前記反応ガスチャンネル及び前記冷却水チャンネルの両側にそれぞれ一つの開口部形態で構成される流入開口部及び排出開口部とを含む金属本体部と；前記流入開口部及び前記排出開口部の各枠を取り囲みながら、前記流入開口部及び前記排出開口部をそれぞれ第１の反応ガスマニホールド領域、冷却水マニホールド領域及び第２の反応ガスマニホールド領域に分割する分割部を含み、前記金属分離板の前記第１の面及び前記第２の面の枠の上部にそれぞれ形成されるガスケットと；を含むことを特徴とする。

ここで、前記流入開口部は、前記金属本体部の前記互いに対面する２側面のうち一側の枠部のみを残留させる矩形状の開口部形態で形成され、反応ガスと冷却水が流入する通路として提供され、前記排出開口部は、前記金属本体部の前記互いに対面する２側面のうち他側の枠部のみを残留させる矩形状の開口部形態で形成され、前記流入開口部から前記反応ガスチャンネル及び前記冷却水チャンネルを介して流れる前記反応ガスと前記冷却水を排出させる通路として提供されることを特徴とする。

前記ガスケットは、前記流入開口部と前記反応ガスチャンネルとの間に形成される反応ガス流入ホールと、前記反応ガスチャンネルと前記排出開口部との間に形成される反応ガス排出ホールとを一体的に含むことを特徴とし、前記反応ガス流入ホール及び前記反応ガス排出ホールは、前記ガスケットの第１の面と前記ガスケットの第２の面を「Ｓ」字状に連結するガス流出入構造であることを特徴とする。

併せて、本発明の一実施例に係る燃料電池スタックは、上述した金属分離板及び膜―電極接合体（ＭＥＡ）の接合構造が複数積層されてなることを特徴とする。

併せて、本発明の他の実施例に係る燃料電池スタックは、上述した２個の金属分離板がそれぞれの第１の面が対向する形態で接合されている積層構造物と、前記積層構造物の上部に形成される膜―電極接合体とを含むことを特徴とする。

本発明に係る金属分離板及びこれを備える燃料電池スタックは、反応ガス及び冷却水流出入マニホールド部を一体的に備える金属本体部を形成することによって、分離板の厚さ、面積、体積を増加させないとともに燃料電池の性能を向上させることができ、生産効率を増加できるという効果を提供する。

また、本発明に係る金属分離板及びこれを備える燃料電池スタックは、金属材質の分離板の場合、ガスケットによって流出入マニホールド部を分割し、ガス流出入ホールをガスケットに一体的に形成することによって、流出入効率を増加させることができる。また、金属分離板に流出入ホールを直接形成する場合に比べて製造時間を短縮させることができ、製造単価を下げることができるという効果を提供する。

また、本発明が提供するガスケットは、反応ガス流出入ホールを一体的に有しているので、金属分離板に流出入ホールが形成された場合に比べて空間変形に対する抵抗性に優れ、反応ガスの流動抵抗を低減させ、圧力降下量を減少させることができる。

また、本発明の金属分離板及びこれを備える燃料電池スタックは、ガスケットのマニホールド部の分割部をさらに備えることによって、金属分離板及びガスケットの変形をより確実に防止し、分離板間の積層を容易にすることができるという効果を提供する。

本発明に係る燃料電池用金属分離板を示した平面図である。 本発明に係る燃料電池用金属分離板の金属本体部を示した平面図である。 図２の金属本体部に本発明に係る燃料電池用金属分離板のマニホールド―ガスケットアセンブリを適用した状態を示した平面図である。 本発明に係る燃料電池用金属分離板の流入部分を拡大して示した平面図である。 図４のＡ１―Ａ２方向に沿った断面を示した断面図である。 図４のＢ１―Ｂ２方向に沿った断面を示した断面図である。 図４のＣ１―Ｃ２方向に沿った断面を示した断面図である。

以下では、本発明に係る燃料電池用金属分離板及びこれを備える燃料電池スタックについて詳細に説明する。

図１は、本発明に係る燃料電池用金属分離板を示した平面図である。

図１を参照すると、金属本体部１００を基準にして両側に第１の反応ガス流入マニホールド１２０、冷却水流入マニホールド１２４、第２の反応ガス流入マニホールド１２８、第１の反応ガス排出マニホールド１６０、冷却水排出マニホールド１６４及び第２の反応ガス排出マニホールド１６８が備えられ、その中心部に反応ガスチャンネル１４０及び冷却水チャンネル１４５が備えられる。

ここで、反応ガスチャンネル１４０は、金属本体部の第１の面から第２の面に突出する形態で形成され、冷却水チャンネル１４５は、反応ガスチャンネル１４０の突出部分間の領域をいう。そして、反応ガスチャンネル１４０及び冷却水チャンネル１４５を含む金属本体部１００の中心部分をチャンネル部という。

次に、第１の反応ガス流入マニホールド１２０、冷却水流入マニホールド１２４、第２の反応ガス流入マニホールド１２８は、一体化された高分子フレーム構造によって定義されるが、本発明では、このようなフレーム構造を流入マニホールド部といい、第１の反応ガス排出マニホールド１６０、冷却水排出マニホールド１６４及び第２の反応ガス排出マニホールド１６８を定義するフレーム構造を排出マニホールド部という。

そして、チャンネル部の４側面の気密性確保のためのガスケットが形成されるが、本発明では、図示したように、前記各マニホールド部とガスケットが一体的に形成される。したがって、本発明では、このようなマニホールド部とガスケットの結合構造をマニホールド―ガスケットアセンブリ１３０と定義する。

このとき、前記流入マニホールド部は、第１の反応ガス流入マニホールド領域及び冷却水流入マニホールド領域を分割する第１の分割部１２２と、冷却水流入マニホールド領域及び第２の反応ガス流入マニホールド領域を分割する第２の分割部１２６とを含み、前記排出マニホールド部は、第１の反応ガス排出マニホールド領域及び冷却水排出マニホールド領域を分割する第３の分割部１６２と、冷却水排出マニホールド領域及び第２の反応ガス排出マニホールド領域を分割する第４の分割部１６６とを含む構造を有する。また、前記各マニホールド部とチャンネル部との間のマニホールド―ガスケットアセンブリ１３０は、反応ガス流入ホール１３５及び反応ガス排出ホール１５０が一体的に含まれる構造を有する。

従来は、前記分割部及び反応ガス流出入ホールが金属本体部に形成され、金属分離板全体の強度低下及び気密性低下の問題を誘発していたが、本発明では、前記問題を誘発させる分割部及び反応ガス流出入ホールをマニホールド―ガスケットアセンブリに一体化させる構造を提供することによって、金属分離板の基本特性を向上させることができ、さらに、燃料電池の効率も向上させることができる。

上述した構造で形成される本発明の燃料電池用金属分離板は、複数が積層・結合されて燃料電池スタックを形成するが、このとき、各金属分離板間の領域には電気生産のための膜―電極接合体（ＭＥＡ）が挿入される。ここで、本発明のマニホールド―ガスケットアセンブリは、各金属分離板間又は金属分離板と膜―電極接合体との間の気密性を向上させることができ、一体化されたマニホールド部を通して安定的に反応ガスの供給及び排出を行うことができる。

ここで、第１及び第２の反応ガス流入マニホールド１２０、１２８を基準にして説明すると、金属本体部１００の反応ガスチャンネル１４０に水素又は酸素（空気）などの反応ガスを供給する役割をする。このとき、第１の反応ガスが酸素（空気）である場合、第２の反応ガスは水素になり、その反対の場合も可能である。

前記マニホールドに流入した反応ガスを反応ガスチャンネル１４０に誘導させ、金属本体部１００の表面に沿って流して電極（図示せず）と反応させる。このとき、本発明に係る燃料電池スタックでは、前記金属本体部１００と電極（図示せず）との間にガス拡散層（Ｇａｓ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｌａｙｅｒ：ＧＤＬ）をさらに形成し、反応ガスの流動をより容易にすることができる。

次に、本発明に係る金属材質の金属本体部１００を形成する方法を説明すると、燃料電池のスタック体積を減少させるために薄板で形成されることが望ましい。併せて、金属本体部１００で、反応ガスチャンネル１４０はプレス機械によるスタンピング工程で形成される。このとき、反応ガスチャンネル１４０の形態は、第１の面から第２の面に突出した形態であって、第１の面での凹溝部が第２の面での突出部になる。

ここで、図１に示した反応ガスチャンネル１４０を凹溝部として説明する。したがって、図示している部分が第１の面になり、これを反応ガス面とし、反応ガスチャンネル１４０の突出部が形成される第２の面を冷却水面という。

そして、冷却水面（第２の面）を基準にすると、突出した反応ガスチャンネル１４０間の領域が冷却水チャンネル１４５になる。このとき、冷却水流入マニホールド１２４を通して金属本体部１００に流入した冷却水は、冷却水チャンネル１４５に沿って流れながら燃料電池の反応熱を冷却させる。

上述したように、本発明の一実施例に係る燃料電池用金属分離板においては、金属本体部１００に反応ガスチャンネル１４０及び冷却水チャンネル１４５をスタンピング工程を通して形成する。そして、その両側には、反応ガスチャンネル１４０及び冷却水チャンネル１４５に反応ガス及び冷却水を円滑に流出入させるために微細な反応ガス流出入ホールを精密に形成することが望ましい。しかし、図示したように、反応ガスチャンネル１４０及び冷却水チャンネル１４５が複数のチャンネルに形成される場合、金属本体部１００に段差部が備えられた微細な反応ガス流出入ホールを形成することは非常に難しい工程になる。すなわち、従来の場合、反応ガス流出入ホールの周辺をガスケットを用いて一々気密構造で形成すべきであったが、このような過程が非常に難しく、微細化される場合の危険負担によって気密構造の達成に失敗し、反応ガスの流出入が円滑に行われなく、金属本体部１００が変形する危険があった。

したがって、本発明では、反応ガス流出入ホール１３５、１５０をマニホールド―ガスケットアセンブリ１３０に一体的に形成する構造を使用する。このようにマニホールド―ガスケットアセンブリ１３０に一体的に形成される反応ガス流出入ホール１３５、１５０は、金属本体部にホールを直接形成する場合に比べて加工が容易であり、黒鉛分離板のガス流入構造で安定的に使用していたガス流入構造を具現できるようになる。

併せて、本発明では、第１の反応ガス流入マニホールド１２０、冷却水流入マニホールド１２４、第２の反応ガス流入マニホールド１２８、第１の反応ガス排出マニホールド１６０、冷却水排出マニホールド１６４及び第２の反応ガス排出マニホールド１６８の分割がマニホールド―ガスケットアセンブリ１３０によって行われることが分かる。すなわち、従来は、各マニホールドの分割が金属本体部に形成された所定の分割フレーム構造によって行われたが、本発明では、金属本体部１００の加工時にマニホールド部を一つの統合された開口部形態で形成した後、マニホールド―ガスケットアセンブリ１３０によって各領域を分割する構造を使用する。このとき、本発明は、従来の金属本体部に形成される分割フレーム構造と異なる方式を有しているので、分割フレーム構造で発生し得る不純物によって冷却水及び反応ガスの流れが妨害され、燃料電池の効率が低下するという問題を解決することができる。すなわち、本発明に係るマニホールド―ガスケットアセンブリ１３０を含む金属分離板を使用する場合、従来の問題を根本的に防止することができる。

そして、図示したように、第１の分割部１２２、第２の分割部１２６、第３の分割部１６２及び第４の分割部１６６を形成することによって、薄型の金属分離板によって発生し得る剛性低下の問題を補完することができ、また、分離板の積層時に整列を容易にすることができる。したがって、本発明に係る燃料電池用金属分離板を使用すると、燃料電池スタックの製造効率を極大化できるという長所がある。

併せて、前記一体型マニホールド部及びマニホールド分割部を含むマニホールド―ガスケットアセンブリ構造のみを見た場合、前記剛性補強を通して得られる上昇効果を勘案し、金属本体部内に反応ガス流出入ホールを形成する構造も選択的に使用可能である。

図２は、本発明に係る燃料電池用金属分離板の金属本体部を示した平面図である。

図２を参照すると、本発明に係る金属本体部は、中心部に形成され、第１の面から第２の面に突出形成される反応ガスチャンネル２４０と、第２の面に突出した反応ガスチャンネル２４０間に形成される冷却水チャンネル２４５とを含む。ここで、反応ガスチャンネル２４０及び冷却水チャンネル２４５からなる領域をチャンネル部とする場合、前記チャンネル部の４側面の枠に前記チャンネル部と一体に構成され、このうち互いに対面する２側面には第１の面と第２の面を貫通して形成される開口部２２０Ａ、２６０Ａがそれぞれ備えられることによって、矩形状の金属本体部２００が完成する。

ここで、流入開口部２２０Ａは、金属本体部２００の２側面のうち一側の枠部のみを残留させる矩形状の開口部形態で形成され、反応ガスと冷却水を流入させる通路として提供される。

そして、排出開口部２６０Ａは、前記金属本体部２００の２側面のうち他側の枠部のみを残留させる矩形状の開口部形態で形成され、流入開口部２２０Ａから反応ガスチャンネル２４０及び冷却水チャンネル２４５を通して流れる反応ガスと冷却水を排出させる通路として提供される。

このような構造の金属本体部２００は、構造的な空間変形防止性に脆弱な従来のマニホールド分割フレーム部を含んでいないので、不良発生の問題を事前に根本的に防止できるという効果を提供する。

併せて、反応ガス流入ホール又は反応ガス排出ホールが金属本体部２００に直接形成されないので、金属本体部を製造する工程を簡素化することができ、ホールの形成によって本体の強度が低下するという問題を解決することができる。

図３は、図２の金属本体部に本発明に係る燃料電池用金属分離板のマニホールド―ガスケットアセンブリを適用した状態を示した平面図である。

図３を参照すると、本発明に係るマニホールド―ガスケットアセンブリ２３０は、マニホールド部とガスケットが結合された形態で形成される。まず、ガスケットは、チャンネル部の４側面の枠部及びその他にシーリングを必要とする部位に高分子フレーム構造で形成されるが、ここでは、反応ガスチャンネル２４０及び冷却水チャンネル２４５を含むチャンネル部の外郭に四角形状に形成される部分を示し、金属本体部２００の第１の面及び第２の面に同一に形成される。

次に、マニホールド部は、第１の反応ガス流入マニホールド２２０及び冷却水流入マニホールド２２４を分割する第１の分割部２２２と、冷却水流入マニホールド２２４及び第２の反応ガス流入マニホールド２２８を分割する第２の分割部２２６とを一体的に含む高分子フレーム構造の流入マニホールド部と；第１の反応ガス排出マニホールド２６０及び冷却水排出マニホールド２６４を分割する第３の分割部２６２と、冷却水排出マニホールド２６４及び第２の反応ガス排出マニホールド２６８を分割する第４の分割部２６６とを一体的に含む高分子フレーム構造の排出マニホールド部と；を含む。このとき、マニホールド部は、下記の図６及び図７に示したように、金属本体部に嵌められる形態で形成される。

このように、本発明に係るマニホールド部は、金属本体部によって空間が分割されるのではなく、高分子フレーム構造によって自体的に分割空間を設けることによって、金属分離板の設計変更による不必要な不良を事前に防止することができる。

また、本発明のマニホールド―ガスケットアセンブリ２３０は、図３に示した実施形態と同様に、予め製造された固形のフレーム構造物を金属本体部２００に付着する方式で形成することができ、射出成形法を用いて金属本体部２００に直接塗布して製造することもできる。このとき、射出成形法を用いて製造すると、別途の付着方法及び付着工程を必要としないので、燃料電池スタックの製造に必要な時間を短縮させることができる。

併せて、金属本体部２００には、マニホールド―ガスケットアセンブリ２３０の形成予定領域に別途の固定部（図示せず）を予め形成することができる。金属本体部２００に反応ガスチャンネルをスタンピング工程で形成するとき、マニホールド―ガスケットアセンブリ２３０の固定部を共に形成し、装着されるマニホールド―ガスケットアセンブリ２３０の離脱を防止することができる。この場合、本発明に係るマニホールド―ガスケットアセンブリ２３０の構造が従来のガスケット構造より相対的に単純であり、その線幅に対する調節が容易であるので、固定部上に整列させるマージンをより確保できるという長所がある。

次に、本発明に係るマニホールド―ガスケットアセンブリ２３０は、図２の流入開口部２２０Ａと反応ガスチャンネル２４０との間に形成される反応ガス流入ホール２３５と、反応ガスチャンネル２４０と図２の排出開口部２６０Ａとの間に形成される反応ガス排出ホール２５０とを一体的に含む構造を有する。

このとき、反応ガス流入ホール２３５及び反応ガス排出ホール２５０は、マニホールド―ガスケットアセンブリ２３０の第１の面とガスケットの第２の面を「Ｓ」字状に連結する構造で形成することが望ましい。このとき、第１の面は、金属本体部２００の反応ガス面と同一の方向を示す表面を意味し、第２の面は、冷却水面と同一の方向を示す表面を意味する。このような構造で反応ガスが流入する部分を基準にして説明すると、冷却水面（図３に示した面の背面であるので図示していない。）に形成された溝に流入する反応ガスは、反応ガス流入ホール２３５を通過して反応ガス面に形成される溝に沿って金属本体部２００に形成される反応ガスチャンネル２４０に自然に流入する。

これと関連した反応ガス流入ホール２３５及び反応ガス排出ホール２５０のより詳細な構造は、下記の図６及び図７を参照して説明する。

図４は、本発明に係る燃料電池用金属分離板の流入部分を拡大して示した平面図である。

図４を参照すると、上述した構造と同様に、金属本体部３００、第１の反応ガス流入マニホールド３２０、第１の分割部３２２、冷却水流入マニホールド３２４、第２の分割部３２６、第２の反応ガス流入マニホールド３２８、凹状の反応ガスチャンネル３４０、冷却水チャンネル３４５を有する。そして、マニホールド部とチャンネル部との間のマニホールド―ガスケットアセンブリ３３０部分には、一体的に形成される反応ガス流入ホール３３５を有する。

このような構造についてより詳細に説明するために、Ａ１―Ａ２、Ｂ１―Ｂ２、Ｃ１―Ｃ２方向に切断し、以下では、それぞれの断面について説明する。

図５は、図４のＡ１―Ａ２方向に沿った断面を示した断面図である。

図５を参照すると、金属本体部３００の内側枠をマニホールド―ガスケットアセンブリ３３０が取り囲むことが分かる。ここで、マニホールド―ガスケットアセンブリ３３０、第１の分割部３２２及び第２の分割部３２６は、いずれもマニホールド部を示したものであり、これらは、第２の反応ガス流入マニホールド３２８、第１の反応ガス流入マニホールド３２０及び冷却水流入マニホールド３２４を定義する高分子フレーム形態になることが分かる。

併せて、本発明の場合、上述したように別途のフレーム部が存在しないので、不良が発生する危険が全くなく、それぞれの分割部を通して所望の強度を得ることができ、分離板間の整列を容易にすることができる。

図６は、図４のＢ１―Ｂ２方向に沿った断面を示した断面斜視図である。

図６は、図４のＢ１―Ｂ２方向に沿って切断し、金属本体部３００を裏返した形態を示したものである。すなわち、金属本体部３００の冷却水面（第２の面）を基準にして示したものである。したがって、上部に突出形態の反応ガスチャンネル３４０が形成され、その横の各しわが冷却水チャンネル３４５になる。

ここで、反応ガス流入ホール３３５を基準にして説明すると、第１の反応ガス流入マニホールド３２０から反応ガスチャンネル３４０方向につながる「Ｓ」字状の反応ガス流路が備えられることが分かる。ここでは、「Ｓ」字状が逆になった形態を示すが、マニホールド―ガスケットアセンブリ３３０の第２の面の表面一部に溝が形成され、前記溝と連結されるようにマニホールド―ガスケットアセンブリ３３０の中心部を貫通する反応ガス流入ホール３３５が形成され、前記反応ガス流入ホール３３５と連結されるようにマニホールド―ガスケットアセンブリ３３０の第１の面の表面に溝が形成される構造を有する。このような構造により、反応ガスがチャンネル部に自然に流入するようになる。

このとき、金属本体部３００がマニホールド―ガスケットアセンブリ３３０に噛み合っている部分の長さＤ１は、気密性確保及び安定的な結合を達成するために十分な長さであることが望ましいが、これが過度に長い場合、反応ガス流入ホール３３５部分が損傷したり、金属本体部３００の面積を効率的に活用できないという問題が発生し得るので、前記のような事項を勘案してマニホールド―ガスケットアセンブリ３３０を設計することが望ましい。

図７は、図４のＣ１―Ｃ２方向に沿った断面を示した断面斜視図である。

図７は、図６の場合と同様に、金属本体部３００の冷却水面（第２の面）が上部に向かうように裏返して示したものであり、第１の分割部３２２を基準にして切断したので、第１の分割部３２２の一部分を示している。このとき、第１の反応ガス流入マニホールド３２０の枠部がマニホールド―ガスケットアセンブリ３３０と噛み合う長さを「Ｄ２」とし、噛み合っていない部分の長さを「Ｄ３」とする場合、Ｄ３の長さが短くなると、相対的にＤ２の長さが増加するが、この場合、気密性はある程度向上できるが、分離板本体の活用効率が減少し得る。

また、Ｄ２の長さが短くなると、相対的にＤ３の長さが増加するが、この場合、気密性も低下し、マニホールド部の空間が狭くなり得るので、その効率性を勘案してマニホールド―ガスケットアセンブリ３３０を設計することが望ましい。

ここで、図６及び図７は、いずれも反応ガス流入部分を基準にして示したが、これは、反応ガス排出部分にも同一に適用することができ、第１及び第２の反応ガスのいずれにも同一に適用可能である。

また、燃料電池スタックの形成時、マニホールドの形態がスタックの中心部に行くほど狭くなる場合があり得るが、このような複合構造の場合、従来は、金属本体部の構造を一々変更すべきであったが、本発明では、マニホールド部をなす高分子フレーム構造のみを変更すればよいので、燃料電池スタック製造工程を効率的に向上させることができる。

上述したように、本発明に係る金属分離板及びこれを備える燃料電池スタックは、反応ガス及び冷却水流出入マニホールド部及びガスケットを一体的に形成したマニホールド―ガスケットアセンブリを適用した金属本体部を形成することによって、分離板の厚さ、面積、体積を変更させない状態で燃料電池の性能を効率的に向上させることができる。すなわち、マニホールド―ガスケットアセンブリによって燃料電池用金属分離板の気密性が維持されながら、反応ガス及び冷却水流出入マニホールドが分割される新しい構造を適用し、マニホールド部の分割部を通して燃料電池スタックの剛性を確保するとともに、その活用範囲をより向上させることができる。

併せて、反応ガス流出入ホールをマニホールド―ガスケットアセンブリに一体的に形成することによって、反応ガス流出入効率を増加させることができ、反応ガス流出入ホールを一体的に有している従来の金属分離板の場合に比べて空間変形に対する抵抗性に優れ、反応ガスの流動抵抗を低減させ、圧力降下量を減少できる燃料電池用金属分離板を製造することができる。また、従来の金属分離板に流出入ホールを直接形成する場合に比べて製造時間を短縮させることができ、製造単価を下げることができる。

併せて、前記のような本発明の燃料電池用金属分離板１枚に膜―電極接合体（ＭＥＡ）を接合したり、上述した金属分離板の反応ガス面を互いに対向するように接合した後、膜―電極接合体を積層することによって、高効率を有し、多様な形態のマニホールドを有することのできる燃料電池スタックを製造することができる。

ここで、膜―電極接合体は、燃料電池の多くの構成部品の一つであって、反応ガスを用いて電気化学反応を起こす役割をする。このとき、ＭＥＡの表面に反応ガスを均一に分散させる多孔性媒体であるＧＤＬをさらに含むことができ、本発明に係る燃料電池用金属分離板は、ＭＥＡとＧＤＬを支持し、反応ガスと冷却水を輸送する役割、及び生成された電気を収集して伝達する役割をする。

本発明では、ＭＥＡ及びＧＤＬを含む燃料電池用金属分離板を数十、数百個積層して燃料電池スタックを製造することができ、燃料電池の発電容量は、ＭＥＡの反応面積とスタックの積層量に比例して大きくなる。このとき、本発明に係る高分子材質のマニホールド―ガスケットアセンブリは、燃料電池の発電時、ＭＥＡとＧＤＬ、分離板の各面への水素、酸素及び冷却水の流れを円滑にし、それぞれの反応ガスと冷却水が互いに混じらないように気密性を確保することができ、金属分離板に輸送される反応ガスの流出入を円滑にすることができる。したがって、燃料電池システムの運転において、その効率を極大化させることができる。

Claims (7)

1. 中心部に形成され、第１の面から第２の面に突出形成される反応ガスチャンネル、及び前記第２の面に突出した前記反応ガスチャンネル間に形成される冷却水チャンネルからなるチャンネル部と、前記チャンネル部の４側面の枠に前記チャンネル部と一体に構成され、このうち互いに対面する２側面には前記第１の面と第２の面を貫通してそれぞれ形成されている開口部と、を含む金属本体部；及び高分子材質の分割部を有するガスケットであって、前記開口部の枠及びシーリングを必要とする部位に一体的に形成されるガスケットと、前記開口部を前記ガスケットの高分子材質の分割部で分割することで反応ガスと冷却水の供給及び排出のために分割された空間として設けられるマニホールド部と、を含むマニホールド―ガスケットアセンブリを含む燃料電池用金属分離板。
2. 前記開口部は、
   前記金属本体部の前記互いに対面する２側面のうち一側の枠部のみを残留させる形態で形成され、反応ガスと冷却水が流入する通路を提供する流入開口部；及び
   前記金属本体部の前記互いに対面する２側面のうち他側の枠部のみを残留させる形態で形成され、前記反応ガスチャンネル及び前記冷却水チャンネルを介して流れ出る前記反応ガスと前記冷却水を排出させる排出開口部を含むことを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池用金属分離板。
3. 前記マニホールド部は、前記開口部の枠に嵌められる形態で形成されることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池用金属分離板。
4. 前記チャンネル部と前記開口部との間に形成される前記マニホールド―ガスケットアセンブリに一体的に形成される反応ガス流出入ホールを含むことを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池用金属分離板。
5. 前記反応ガス流出入ホールは、前記マニホールド部の第１の面と第２の面を「Ｓ」字状に貫通させるガス流出入構造を含むことを特徴とする、請求項４に記載の燃料電池用金属分離板。
6. 請求項１の金属分離板及び膜―電極接合体（ＭＥＡ）の接合構造が複数積層されてなることを特徴とする燃料電池スタック。
7. 請求項１の２個の金属分離板がそれぞれの第１の面が対向する形態で接合されている積層構造物；及び
   前記積層構造物の上部に形成される膜―電極接合体を含むことを特徴とする燃料電池スタック。

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