JP2005050566A

JP2005050566A - 燃料電池用セパレータ

Info

Publication number: JP2005050566A
Application number: JP2003203267A
Authority: JP
Inventors: Ryoichi Shimoi; 亮一下井; Kazuya Tajiri; 和也田尻
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-07-29
Filing date: 2003-07-29
Publication date: 2005-02-24

Abstract

【課題】フラッディングを防止して高い出力密度を達成する燃料電池用セパレータを提供する。
【解決手段】燃料または酸化剤または冷媒を供給するための流路６、７を有し、膜電極接合体１を挟持する燃料電池用セパレータにおいて、前記セパレータ４、５の少なくとも前記膜電極接合体に対する面に形成された流路の断面形状が、円弧または楕円の一部からなることを特徴とする。
【選択図】図１４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池用セパレータの改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池スタックのセルを構成するセパレータの形状に関する発明として、流路断面形状を直線と曲線、または複数の曲線から構成し、主に薄い金属をプレス加工して製造する技術がある（特許文献１を参照。）。
【０００３】
また、セパレータの流路断面形状を三角形に形成し、アノード側は三角形の頂点を上向きにし、重力で下向きに必要な水を供給し、カソード側は三角形の頂点を下向きにし重力で下向きに余分な水分を排出する発明がある（特許文献２を参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−７５４０１号公報
【特許文献２】
特開平１０−１７２５８５号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述の特許文献１の技術では、流路断面形状を直線と曲線、または複数の曲線から構成するため、電流通過部の断面積が小さく、電気抵抗が通常のセパレータと比較して大きくなる。
【０００６】
また特許文献２の技術では、流路断面形状を三角形にすることで流路断面積が矩形や円形と比較して大幅に小さくなるため総合的な効率が低下する恐れがある。また、この構造ではセパレータの厚さを薄くすることは困難であり、高い出力密度を得ることができない。
【０００７】
本発明では、このような課題を鑑みて、セパレータ内の電気抵抗の低減とフラッディングを防止して高い出力密度を達成する燃料電池用セパレータを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、燃料電池用セパレータにおいて、少なくとも前記膜電極接合体に対するセパレータの面に形成された燃料または酸化剤または冷媒の流路の断面形状が、円弧または楕円の一部からなることを特徴とする。
【０００９】
【発明の効果】
本発明によれば、燃料電池用セパレータにおいて、流路の断面形状が、円弧または楕円の一部からなるため、セパレータに生じる応力集中を緩和して強度を向上するとともに、電気抵抗を減らし、電気伝導度を向上できる。また、ガスの流れをスムーズにでき、反応ガス中の水分が凝縮しても、凝縮水をスムーズに流し、フラッディングが生じにくくすることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明を適用する燃料電池スタックの構成を示す構成図である。
【００１１】
膜電極接合体１は、電解質膜２と、この電解質膜を挟持する燃料極（アノード）ガス拡散電極３ａと酸化剤極（カソード）ガス拡散電極３ｂとから構成される。この膜電極接合体１を燃料極セパレータ４と酸化剤極セパレータ５とで挟持し、燃料電池単セルが形成される。この単セルを複数個積層状に重ねることで燃料電池スタックが構成される。
【００１２】
燃料極セパレータ４には膜電極接合体１に面して燃料ガスを流通させるための燃料ガス流路６が設けられ、酸化剤極セパレータ５にも膜電極接合体１に面して酸化剤ガスを流通させるための酸化剤ガス流路７が形成される。図１に示す従来のセパレータでは、セパレータが板材を機械加工して製造されるため、ガス流路形状が矩形となるのが一般的である。
【００１３】
各セパレータ４、５にはガス流路６、７を隔てるリブ８、９が形成され、リブ８、９が膜電極接合体１を挟持する。
【００１４】
以下、本発明のセパレータに形成されるガス流路の構成を図を用いて説明する。なお、以下、燃料極セパレータ４を用いて説明を行うが、酸化剤極セパレータ５でも同様に構成することができる。
【００１５】
図２は、燃料ガス流路６を構成する、膜電極接合体１に接触する縦壁６ａ、６ｂを平面で構成し、縦壁６ａ、６ｂは膜電極接合体１から離れるほど近づくように、言い換えると「ハの字」状に形成される。さらにこの縦壁６ａ、６ｂに接続する円弧面で形成された横壁６ｃが設けられて燃料ガス流路６が形成される。なお、ガス流路を構成する壁面には親水処理が施されている。
【００１６】
図３は、燃料ガス流路６の他の一例を示すものである。この構成は、横壁６ｃを平面で構成し、縦壁６ａ、６ｂと横壁６ｃとを曲面６ｄ、６ｅを介して接続した構成である。
【００１７】
図４に示す燃料ガス流路６の形状は、その断面形状を半円状の断面としたものである。
【００１８】
図５に示す燃料ガス流路６の断面形状は、円弧状にしたもので、一例として図に示した円弧は、中心角を１２０°とする扇形の円弧とした例である。
【００１９】
図６に示す燃料ガス流路６の形状は、楕円断面を基本とした形状である。この流路断面形状は、楕円の焦点を結ぶ線を膜電極接合体１のセパレータ接触面に対して垂直に配置し、垂直方向の長さを長径の半分以下とした断面形状である。
【００２０】
図７は、図６に類似する燃料ガス流路形状であり、この流路断面形状は、楕円の焦点を結ぶ線を膜電極接合体１のセパレータ接触面に対して平行に配置し、接触面に対する垂直方向の長さを短径の半分以下とした断面形状である。
【００２１】
図８は、図６において楕円の焦点を結ぶ線を膜電極接合体１のセパレータ接触面に対して垂直に配置したものに対して、セパレータ接触面に対して所定角度傾斜して楕円断面を形成したものである。したがって燃料ガス流路の断面形状は、膜電極接合体１のセパレータ接触面に対する垂直線に対して対称な形状とならない。
【００２２】
このようにガス流路の断面形状は種々の形状が考えられるが、本発明の流路形状は、曲面を用いてガス流路を形成するため、本発明の形状を持ったセパレータを備えた燃料電池スタックは、ガス流路内に水分が貯留し難く、ガスの流通が良好となるため、フラッディングが生じ難く、燃料電池スタックの発電効率を向上することができる。
【００２３】
また、セパレータの材質を多孔質体、特にカーボン多孔質体とするとセパレータの厚さを薄く（例えば１ｍｍ以下）してもガス流路の断面に曲面があるためにセパレータの応力集中を避けることができ、割れ等を防止し、またガス流路の断面積を大きく確保することができ、水の移動を促進し、また電気抵抗の低下を図ることができる。
【００２４】
このようにして、高い出力密度と信頼性を両立した燃料電池スタックを実現することができる。また、セパレータの材質をカーボンとしてモールド成形により生産することで大量生産が可能となり、燃料電池スタックの製造コストを低減することが可能となる。
【００２５】
また、流路壁面に親水処理を施すことで水をガス拡散層から流路への移動を促進でき、フラッディング防止の効果を向上することができる。
【００２６】
図９と図１０は、図８に示したガス流路断面の効果を説明するための図であり、ガス流路断面を形成する楕円の焦点を結ぶ線は図中、右下がりに形成される。図９と図１０の違いは、膜電極接合体１のセパレータ接触面に対する焦点を結ぶ線の傾斜角が図９のほうが図１０より直角に近いものである（図中θ１、θ２で示し、θ１＞θ２である。）。
【００２７】
図において、重力は下向きに作用し、ガス流路中の生成水または加湿ガス中の凝縮水等の水１０は、ガス流路６の下側に貯留する。ここで、ガス流路６の下面とセパレータ接触面とが成す角度θ３、θ４は、図９でθ３≒９０°、図１０でθ４＜９０°である。このように、ガス流路中の水分をガス流路下側に貯留させることで、ガス流路全体に水分がばらついて存在することを防止して、ガス流路内の抵抗を減少させてガスの流速を速め、このガスの運動エネルギによりガス流路下側に貯留した水分を下流側に排出することができる。したがって、ガス流路内にフラッディングが発生する可能性を低減し、燃料電池にスタックの発電効率を向上することができる。
【００２８】
図１１は、燃料極セパレータ４に形成したガス流路６の一例を示すもので、この例では、サーペンタインパターンでガス流路を形成した例を示す。図１２は、燃料極セパレータ４に形成したガス流路６の他の一例を示すもので、この例では、インターディジテイテッドパターンでガス流路を形成した例を示す。なお。ここで、サーペンタインパターンのガス流路とは、ガス流路を蛇行させて形成する流路のことであり、インターディジテイテッドパターンのガス流路とは、２つの櫛を交差させたような流路で、それぞれの流路は独立して形成されるものである。
【００２９】
図１３は、図１１のＡ−Ａ、Ｂ−Ｂ断面および図１２のＣ−Ｃ、Ｄ−Ｄ断面のガス流路断面形状を示しており、Ａ−Ａ断面とＣ−Ｃ断面、つまり流路上流側の断面形状は、従来同様に台形の流路断面を有し、Ｂ−Ｂ断面とＤ−Ｄ断面、つまりフラッディングが生じやすい下流側のガス流路に本発明の断面形状を有するガス流路６を用いるようにする。このような断面形状とすることで、ガス流路内のフラッディングを防止し、燃料電池スタックの発電効率を向上することができる。
【００３０】
図１４は単セルの断面形状を示す図であり、燃料極セパレータ４のガス流路６と酸化剤極セパレータ５のガス流路７との断面形状を異ならせたものである。図では、燃料ガス流路６を従来同様の台形断面として酸化剤ガス流路７の断面形状を本発明の図６に示す楕円状の断面としたものである。少なくとも酸化剤ガス流路７を本発明の断面形状を有する流路とすることにより、電気化学反応によって生成水が生じる酸化剤ガス流路７のみの排水性を向上させて、燃料電池スタックの発電効率を向上させるようにしてもよい。
【００３１】
図１５は、従来の燃料電池スタックの断面形状を示す図である。これまでの説明では、各セパレータ４、５の膜電極接合体１側の面に形成するガス流路６、７について説明してきたが、以下の実施形態は、セパレータ４、５の一面にガス流路６、７が形成され、他方の面に冷媒が流通する流路１３する構成を備える。以下の説明では、膜電極接合体１側のガス流路には燃料ガスが流通し、他方の流路には冷媒が流通するものとして説明する。
【００３２】
図１６は、本発明の流路形状の一例を示し、膜電極接合体１側のガス流路６は図７に示した楕円断面のガス流路であり、このガス流路６に背合わせに冷媒流路１３が形成され、その断面形状はガス流路と同様の断面形状を備えている。
【００３３】
図１７は、両面に流路を備えたセパレータの他の一例を示す。このセパレータでは、冷媒流路１３が２つのガス流路６間に位置して形成される。なお、この例では、冷媒流路１３の断面形状を従来の台形断面としたが、図１８に示すように本発明の楕円断面として形成してもよい。
【００３４】
また図１９は図１８の構成に類似するが、図１８ではガス流路６の断面積と冷媒流路１３の断面積とが略同一として形成したが、図１９ではガス流路６の断面積を冷媒流路１３より大きく設定した点が異なる。ここで、図１８と図１９に示すガス流路６間のピッチｐを同一とすると、図１８に示す隣接するガス流路６間のリブ幅ａが、図１９に示すリブ幅ｂより厚く構成され、またセパレータの電流通過部の断面積が大きいことになる。なお、図では一方の流路を燃料ガス流路６とし、他方の流路を冷媒流路１３として説明したが、冷媒流路１３を酸化剤ガス流路７として用いてもよい。
【００３５】
このようなセパレータの構成とすることで、ガス流路内にフラッディングが生じることを抑制し、燃料電池スタックの発電効率を向上することができる。１枚のセパレータの両面にガス流路または冷媒流路を設けることで、セパレータの厚さを薄くして燃料電池スタックの出力密度を向上することができる。また、セパレータの材質をカーボンとしてモールド成形により生産することで大量生産が可能となり、燃料電池スタックの製造コストを低減することが可能となる。
【００３６】
図２０と図２１は、図１７と図１９に示したセパレータを用いたスタック構造の一例を示すものである。
【００３７】
したがって、本発明においては、燃料電池用セパレータにおいて、セパレータの膜電極接合体に対する面と背合わせの他面の両面に流路を形成し、前記セパレータに形成された流路の少なくとも一方の流路の断面形状が、円弧または楕円の一部からなるため、セパレータに生じる応力集中を緩和して強度を向上するとともに、導電部の体積を増やし、電気抵抗を減らし、電気伝導度を向上できる。また、流路の断面形状を円の一部または楕円の一部から構成するため、ガスの流れがスムーズにでき、反応ガス中の水分が凝縮しても、凝縮水をスムーズに流し、フラッディングが生じにくくすることができる。
【００３８】
また、流路の断面形状が円弧または楕円の一部である流路に、燃料電池に供給される燃料または酸化剤を流通させるため、流路の隅部でもガスの流れをスムーズにでき、発電効率を向上できる。また、ガスの流れがスムーズなので、反応ガス中の水分が凝縮しても、凝縮水がスムーズに流れ、フラッディングが生じにくくすることができる。
【００３９】
楕円の一部からなる流路断面形状において、楕円の焦点を結ぶ線がセパレータの流路面に対して傾斜しているため、セルを水平方向に積層して、セパレータ内の流路を水平に構成する場合、流路内の重力方向下側に水を溜め、膜電極接合体から生じた生成水が再び膜電極接合体に浸透することを防止でき、水吐けがよくなり、フラッデイングが発生しにくくできる。
【００４０】
流路断面形状を楕円の一部から形成し、さらに楕円の焦点を結ぶ線がセパレータの表面に対して傾斜して形成した流路を少なくともカソード流路の下流側流路に適用したため、生成水の溜まり易いカソード流路の下流側でのフラッディングを防止することができる。
【００４１】
前記流路断面形状が円弧または楕円の一部である側の流路が、酸化剤ガスを流す流路であるため、他方の流路の流体となりうる燃料ガスまたは冷媒に比べて、酸化剤ガスは流量が多いので流れの損失を生じやすいが、流路断面を円の一部または楕円の一部とすることでガスの流れをスムーズにできる。
【００４２】
本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内でさまざまな変更がなしうることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用する燃料電池スタックを示す構成図である。
【図２】本発明のセパレータの構成図である。
【図３】他のセパレータの構成図である。
【図４】他のセパレータの構成図である。
【図５】他のセパレータの構成図である。
【図６】他のセパレータの構成図である。
【図７】他のセパレータの構成図である。
【図８】他のセパレータの構成図である。
【図９】ガス流路内の水の状態を説明する図である。
【図１０】同じくガス流路内の水の状態を説明する図である。
【図１１】セパレータのガス流路の形状を説明する図である。
【図１２】他のセパレータのガス流路の形状を説明する図である。
【図１３】ガス流路の上流側と下流側の断面形状を説明する図である。
【図１４】燃料電池スタック単セルの断面形状の一例を示す図である。
【図１５】燃料電池スタックの断面形状の一例を示す図である。
【図１６】他のセパレータのガス流路の形状を説明する図である。
【図１７】他のセパレータのガス流路の形状を説明する図である。
【図１８】他のセパレータのガス流路の形状を説明する図である。
【図１９】他のセパレータのガス流路の形状を説明する図である。
【図２０】他の燃料電池スタックの断面形状の一例を示す図である。
【図２１】他の燃料電池スタックの断面形状の一例を示す図である。
【符号の説明】
１膜電極接合体
２電解質膜
３ａ燃料極ガス拡散電極
３ｂ酸化剤極ガス拡散電極
４燃料極セパレータ
５酸化剤極セパレータ
６燃料ガス流路
７酸化剤ガス流路
８リブ
９リブ
１０水
１３冷媒流路

Claims

燃料または酸化剤または冷媒を供給するための流路を有し、膜電極接合体を挟持する燃料電池用セパレータにおいて、
前記セパレータの少なくとも前記膜電極接合体に対する面に形成された流路の断面形状が、円弧または楕円の一部からなることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
前記断面形状を備えた流路が、燃料電池に供給される燃料または酸化剤の流路であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用セパレータ。
前記断面形状が楕円の一部からなる流路において、前記楕円の焦点を結ぶ線が前記セパレータの面に対して傾斜することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用セパレータ。
前記断面形状を少なくともカソード流路の下流側に適用したことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池用セパレータ。
前記断面形状を備えた流路が、酸化剤ガスを流す流路であることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池用セパレータ。
前記酸化剤ガス流路の断面積が、他方の面に形成された流路断面積より大きいことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池用セパレータ。
前記流路に親水処理を施すことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用セパレータ。
前記セパレータが多孔質体としたことを特徴とする請求項１または３に記載の燃料電池用セパレータ。