JP2006302609A - 燃料電池用セパレータおよび燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】拡散層からの排水を速やかに行い、安定したセル電圧を得ることができる燃料電池用セパレータおよび燃料電池を提供する。
【解決手段】燃料電池用セパレータ１２の膜−電極アセンブリと接する面には、酸化ガスが流れるガス流路部３１が設けられており、このガス流路部３１の内壁には、螺旋流発生手段としてのリブ１５が設けられている。このリブ１５により、ガス流路部３１に導入された酸化ガスは、ガス流路部３１の延在方向に沿う軸回りに旋回しながら下流側に流れる螺旋流となる。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池用セパレータと燃料電池に係り、特に、生成水の排水性向上に有効な技術に関する。

例えば固体高分子電解質型の燃料電池は、膜−電極アセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）と一対のセパレータとからなるセルを１層以上積層して構成される。アノード側のセパレータには、水素ガスを流すガス流路部が形成され、該ガス流路部からＭＥＡに水素ガスが供給される。他方、カソード側のセパレータには酸化ガスを流すガス流路部が形成され、該ガス流路部からＭＥＡに酸化ガスが供給される。その結果、カソード側では水を生成する反応が行われるが、この生成水は、ガス流路部を通じて燃料電池から排出される。

しかしながら、例えば負荷電流が大きくなると生成水量が増える等、発電条件によって生成水量が増加する場合があり、かかる場合にガス流路部における生成水の排水性が低いと、拡散層表面が生成水に覆われてしまい、ガス拡散性が悪化する結果、セル電圧が低下するという問題が生ずる。例えば特許文献１には、ガス流路部内の水分を円滑かつ確実に除去するために、ガス流路部の底壁面にガス入口側から出口側に連続する排水用溝部を形成した技術が開示されている。
特開２０００−１２３８４８号公報

しかしながら、ガス流路部の底壁面に排水用溝部を形成しただけでは、生成水を排出方向に積極的に導くための力があまり作用しないので、発電条件の変動に伴い生成水量が極端に増加した場合には、十分な排水性が得られない虞がある。

本発明は、上記事情に鑑みて成されたものであり、ガス流路部からの排水を速やかに行い、安定したセル電圧を得ることができる燃料電池用セパレータおよび燃料電池を提供することを目的とする。

本発明においては、上記の課題を解決するために、以下の手段を採用した。すなわち、本発明の燃料電池用セパレータは、膜−電極アセンブリと対向する面に、反応ガスが流れるガス流路部を有する燃料電池用セパレータであって、前記ガス流路部にその延在方向に沿う軸回りに前記反応ガスを旋回させつつ下流側に流す螺旋流発生手段を備える。

このような構成によれば、ガス流路部内を流れる反応ガスが螺旋流となるので、膜−電極アセンブリの内部から表面に移動した生成水は、この螺旋流によって速やかに膜−電極アセンブリの表面から持ち去られてガス流路部の下流側に排出される。

螺旋流発生手段としては、例えば、ガス流路部の内壁に形成された複数の突起または溝によって画成されるガイド面や、ガス流路部内に収容された螺旋体などの採用が可能である。これら突起または溝によるガイド面や螺旋体によって、ガス流路部内に螺旋流が発生する。

上記燃料電池用セパレータにおいては、前記ガス流路部の内壁のうち、前記ガイド面をなす部分以外は曲面としてもよい。

このような構成によれば、螺旋流発生手段が設けられている部位以外のガス流路部内壁面に隅部（角部）が形成されることがない。よって、ガス流路部内における生成水の滞留が抑制されて排水性が向上する。また、螺旋流の形成が容易になると共に一旦形成された螺旋流が乱れされることもない。

上記燃料電池用セパレータにおいて、前記ガス流路部は、前記延在方向と直交する平面における断面輪郭形状が略正円の一部をなしていてもよい。

このような構成によれば、反応ガスが断面略正円をなすガス流路部の内壁面に沿って旋回しながら下流へと流れてゆくので、螺旋流が発生しやすい。なお、ガス流路部の深さは、略正円の直径の１／３以上であることが好ましい。かかる構成によれば、螺旋流の乱れ防止とガス流量の確保とを両立させることができる。

本発明の燃料電池は、膜−電極アセンブリの少なくとも一方の面側に積層されたセパレータが上記構成からなる燃料電池用セパレータのいずれかである。

このような構成によれば、ガス流路部内を流れる反応ガスが螺旋流となるので、膜−電極アセンブリの内部から表面に移動した生成水は、この螺旋流によって速やかに膜−電極アセンブリの表面から持ち去られてガス流路部の下流側に排出される。

上記燃料電池においては、前記膜−電極アセンブリは両外表面に拡散層を備え、該拡散層が撥水性を有していてもよい。

このような構成によれば、拡散層表面における生成水の残留と、拡散層表面から一旦ガス流路部側に持ち去られた生成水の拡散層内部への逆移動を抑制できる。

上記燃料電池が、前記膜−電極アセンブリとその両面に積層されたセパレータとを含み、該セパレータの少なくとも一方が請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池用セパレータであるセルが複数積層されてなるセル積層体を備えてなる場合において、前記螺旋流発生手段は、前記セル積層体のうち総マイナス側近傍における前記セルのガス流路部に設けられていてもよい。

セル積層体の総マイナス側近傍におけるセルのガス流路部は、相対的に生成水量の多い場所であるところ、上記構成によれば、かかる場所での排水性が向上する。

本発明によれば、ガス流路部内に螺旋流を発生させることによって生成水の排水性が向上する。よって、生成水によるガス拡散性の悪化を効果的に抑制して、安定したセル電圧を得ることができる。

＜第１実施形態＞

本発明の第１実施形態について、図面を参照して説明する。図１に示すように、単セル（燃料電池）２は、ＭＥＡ（膜−電極アセンブリ）１１と、ＭＥＡ１１を挟持する一対のセパレータ１２ａ，１２ｂとで構成され、全体として積層形態を有している。ＭＥＡ１１と各セパレータ１２ａ，１２ｂとは、それらの間の周辺部を第１シール部材１３ａ，１３ｂによりシールされる。単セル２が複数積層されて燃料電池スタック（燃料電池）が構成される。

ＭＥＡ１１は、高分子材料のイオン交換膜からなる電解質膜２１と、電解質膜２１を両面から挟んだ一対の電極２２ａ，２２ｂ（カソードおよびアノード）と、電極２２ａ，２２ｂの外側表面に形成された拡散層２３（図２参照）とで構成され、全体として積層形態を有している。

電極２２ａ，２２ｂは白金などの触媒層であり、その表面には拡散層２３として例えば多孔質のカーボン素材が形成される。一方の電極２２ａ（カソード）には、空気や酸化剤などの酸化ガスが供給され、他方の電極２２ｂ（アノード）には、燃料ガスとしての水素ガスが供給される。この二つのガスによってＭＥＡ１１内で電気化学反応が生じ、単セル２は起電力を得る。

各セパレータ１２ａ，１２ｂは、ガス不透過の導電性材料で構成されている。導電性材料としては、例えばカーボンや導電性を有する硬質樹脂のほか、アルミニウムやステンレス等の金属（メタル）が挙げられる。

セパレータ１２ａ，１２ｂには、電極２２ａ，２２ｂと接する(対向する）部分を例えばプレス成形されることで、表裏各面に複数の凹凸が形成されている。この複数の凸部および凹部は、それぞれ一方向に延在しており、酸化ガスのガス流路部３１ａまたは水素ガスのガス流路部３１ｂや、冷却水流路部３２を画定している。

具体的には、セパレータ１２ａの電極２２ａ側となる内側の面には、ストレート状の酸化ガスのガス流路部３１ａが複数形成され、その反対側の外側の面には、ストレート状の冷却水流路部３２が複数形成されている。同様に、セパレータ１２ｂの電極２２ｂ側となる内側の面には、ストレート状の水素ガスのガス流路部３１ｂが複数形成され、その反対側の外側の面には、ストレート状の冷却水流路部３２が複数形成されている。

隣接する二つの単セル２，２においては、一方の単セル２のセパレータ１２ａの外面と、その隣の単セル２のセパレータ１２ｂの外面とが枠状の第２シール部材１３ｃを挟んで付き合わされ、両者の冷却水流路部３２が連通されてその流路断面が四角形となる。

セパレータ１２ａ，１２ｂの一方の端部には、酸化ガスの入口側のマニホールド４１、水素ガスの入口側のマニホールド４２、および冷却水の入口側のマニホールド４３が矩形状に貫通形成されている。セパレータ１２ａ，１２ｂの他方の端部には、酸化ガスの出口側のマニホールド５１、水素ガスの出口側のマニホールド５２、および冷却水の出口側のマニホールド５３が矩形状に貫通形成されている。

セパレータ１２ａにおける酸化ガス用のマニホールド４１とマニホールド５１とは、セパレータ１２ａに溝状に形成した入口側の連絡通路６１および出口側の連絡通路６２を介して、酸化ガスのガス流路部３１ａに連通している。同様に、セパレータ１２ｂにおける水素ガス用のマニホールド４２とマニホールド５２とは、セパレータ１２ｂに溝状に形成した入口側の連絡通路６３および出口側の連絡流路６４を介して、水素ガスのガス流路部３１ｂに連通している。

また、各セパレータ１２ａ，１２ｂにおける冷却水のマニホールド４３とマニホールド５３とは、各セパレータ１２ａ，１２ｂに溝状に形成した入口側の連絡通路６５および出口側の連絡流路６６を介して、冷却水流路部３２に連通している。このような各セパレータ１２ａ，１２ｂの構成により、単セル２には、酸化ガス、水素ガスおよび冷却水が適切に供されるようになっている。

例えば、酸化ガスは、セパレータ１２ａのマニホールド４１から連絡通路６１を介してガス流路部３１ａに導入され、ＭＥＡ１１の発電に供された後、連絡通路６２を介してマニホールド５１に導出される。酸化ガスは、セパレータ１２ｂのマニホールド４１およびマニホールド５１を通流するが、セパレータ１２ｂの内方向には導入されない。

なお、本実施形態では、ガス流路部３１ａ，３１ｂや冷却水流路部３２についてストレート流路を例に説明したが、もちろんこれらの各流路部３１ａ，３１ｂ，３２をサーペンタイン流路で構成してもよく、かかる場合の流路部延在方向とは、サーペンタイン形状に沿う方向をいう。

図２に、単セル２におけるセパレータ１２ａの側断面を示した。なお、同図においてはセパレータ１２ｂの側構造は図示を省略してある。

ＭＥＡ１１は、上述のように電解質膜２１、触媒層である電極２２ａ、および拡散層２３が積層して構成されており、拡散層２３に対してセパレータの１２ａのガス流路部３１ａが面している。このガス流路部３１ａは、その延在方向と直交する平面における断面輪郭形状が略正円の一部をなす凹曲面形状をなしている。

図３に、ガス流路部３１ａの内壁の状態を拡大して示した。同図に示したように、ガス流路部３１ａの内壁には、断面略半円に突出したリブ（螺旋流発生手段）１５が複数形成されている。各リブ１５は、ガス流路部３１ａをＭＥＡ１１側から平面視したときに、ガス流路部３１ａの延在方向と交差する方向に延在しており、リブ１５の外面が螺旋流を発生させるガイド面を構成している。

これにより、ガス流路部３１ａ内を流れる酸化ガスは、ガス流路部３１ａの延在方向に沿う軸回りに旋回させられつつ下流側に流されることで、図３に示したような螺旋流となる。特に、ガス流路部３１ａは、その延在方向と直交する平面における断面輪郭形状が略正円の一部をなしているので、螺旋流が発生し易く、しかも一旦発生した螺旋流が乱れされることもない。

そして、この螺旋流により、ＭＥＡ１１の内部から拡散層２３の表面に移動してきた生成水は、該拡散層２３の表面から速やかに取り除かれ（持ち去られ）、ガス流路部３１ａに沿って排出される。また、ガス流路部３１ａ内には、リブ１５が設けられている部位以外に隅部（角部）を有しないので、生成水の滞留が抑制されて、排水性の更なる向上が図られている。

以上のように、本実施形態においては、発電条件の変化等に伴い生成水量が増加した場合でも、この生成水は酸化ガスの螺旋流によって速やかに排出されるので、拡散層２３におけるガス拡散性の悪化を抑制することができる。したがって、安定したセル電圧を得ることができる。
＜第２実施形態＞

上記実施形態においては、螺旋流発生手段としてリブ１５を示したが、図４に示したように、ガス流路部３１ａの内壁に、断面略半円状の凹溝であるグルーブ（螺旋流発生手段）１６を複数形成するようにしてもよい。各グルーブ１６は、ガス流路部３１ａをＭＥＡ１１側から平面視したときに、ガス流路部３１ａの延在方向と交差する方向に延在しており、グルーブ１６の内面が螺旋流を発生させるガイド面を構成している。グルーブ１６は、例えば削りだし加工により形成される。

本実施形態においても、ガス流路部３１ａ内を流れる酸化ガスは、各グルーブ１６の存在によってガス流路部３１ａの延在方向に沿う軸回りに旋回させられつつ下流側に流されることで、螺旋流となる。この螺旋流により、ＭＥＡ１１の内部から拡散層２３の表面に移動してきた生成水は、該拡散層２３の表面から速やかに取り除かれ、ガス流路部３１ａに沿って排出される。したがって、上記実施形態と同様に安定したセル電圧を得ることができる。
＜第３実施形態＞

本発明の更に他の実施形態として、図５に示したように、コイル状の螺旋体（螺旋流発生手段）１７を別部材として用意し、この螺旋体１７をリブ１５およびグルーブ１６が形成されていないガス流路部３１ａ’に嵌め込んでも良い。螺旋体１７は、例えば樹脂製または金属製とされる。ガス流路部３１ａ’の寸法が深さａ，幅ｄのとき、螺旋体１７の寸法も高さａ，幅ｄとする。

この螺旋体１７により、ガス流路部３１ａ’内を流れる酸化ガスは、該ガス流路部３１ａ’の延在方向に沿う軸回りに旋回させられつつ下流側に流されることで、螺旋流となる。この螺旋流により、ＭＥＡ１１の内部から拡散層２３の表面に移動してきた生成水は、該拡散層２３の表面から速やかに取り除かれ、ガス流路部３１ａ’に沿って排出される。したがって、上記実施形態と同様に安定したセル電圧を得ることができる。
＜他の実施形態＞

なお、上記の各実施形態においては、カソード側のガス流路部３１ａに、リブ１５，グルーブ１６，及び螺旋体１７等の螺旋流発生手段を設けた例について示したが、この螺旋流発生手段は、アノード側のセパレータ１２ｂのガス流路部３１ｂに設けてもよい。また、リブ１５，グルーブ１６，及び螺旋体１７の横断面形状については、特に上記の形状に限定されるものでないことは言うまでもない。

また、ＭＥＡ１１の拡散層２３に撥水性を持たせてもよい。これにより、拡散層２３の表面からガス流路部３１ａ，３１ｂ内に持ち去られた生成水の拡散層２３内部への逆移動を抑制することができる。したがって、かかる構成によれば、ガス拡散性の低下をより一層効果的に抑制して、セル電圧の低下を抑制することが可能となる。

さらにまた、上記各螺旋流発生手段として示したリブ１５，グルーブ１６，及び螺旋体１７は、ガス流路部３１ａ，３１ｂの延在方向全域に渡って設けてもよいし、一部のみ（入口側のみ、または出口側のみ等）に設けてもよい。また、ガス流路部３１ａ，３１ｂがサーペンタイン流路である場合は、該流路が直線状の部位のみ、または折返し部にのみ設けてもよい。

また、燃料電池が単セルを複数積層してなるスタック構造をなす場合には、螺旋流発生手段としてのリブ１５，グルーブ１６，及び螺旋体１７は、セル積層体の少なくとも総マイナス側近傍における単セルのガス流路部に設けておくことが好ましい。総マイナス側近傍のガス流路部は、相対的に生成水量の多い場所であるところ、かかる構成によれば、生成水量の多い場所での排水性を向上させることができる。

本発明の一実施形態として示した燃料電池の単セルを分解して示す分解斜視図である。 同単セルの一部を拡大して示した断面図である。 同単セルが備えるセパレータのガス流路部の一部を拡大して示した斜視図である。 本発明の他の実施形態に係るガス流路部の一部を拡大して示した斜視図である。 本発明の更に他の実施形態に係るガス流路部の一部を拡大して示した斜視図である。

符号の説明

２…単セル（燃料電池）、１１…ＭＥＡ（膜−電極アセンブリ）、１２ａ，１２ｂ…セパレータ、１５…リブ（螺旋流発生手段）、１６…グルーブ（螺旋流発生手段）、１７…螺旋体（螺旋流発生手段）、２１…電解質膜、２２ａ，２２ｂ…電極、２３…拡散層、３１ａ，３１ｂ，３１ｂ’…ガス流路部

Claims (8)

1. 膜−電極アセンブリと対向する面に、反応ガスが流れるガス流路部を有する燃料電池用セパレータであって、
   前記ガス流路部にその延在方向に沿う軸回りに前記反応ガスを旋回させつつ下流側に流す螺旋流発生手段を備える燃料電池用セパレータ。
2. 前記螺旋流発生手段は、前記ガス流路部の内壁に設けられたガイド面である請求項１に記載の燃料電池用セパレータ。
3. 前記ガス流路部の内壁のうち、前記ガイド面をなす部分以外は曲面である請求項２に記載の燃料電池用セパレータ。
4. 前記螺旋流発生手段は、前記ガス流路部内に収容された螺旋体である請求項１に記載の燃料電池用セパレータ。
5. 前記ガス流路部は、前記延在方向と直交する平面における断面輪郭形状が略正円の一部をなす請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池用セパレータ。
6. 膜−電極アセンブリの少なくとも一方の面側に積層されたセパレータが請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池用セパレータである燃料電池。
7. 前記膜−電極アセンブリは両外表面に拡散層を備え、該拡散層が撥水性を有する請求項６に記載の燃料電池。
8. 前記膜−電極アセンブリとその両面に積層されたセパレータとを含み、該セパレータの少なくとも一方が請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池用セパレータであるセルが複数積層されてなるセル積層体を備え、
   前記螺旋流発生手段は、前記セル積層体のうち総マイナス側近傍における前記セルのガス流路部に設けられている請求項６又は７に記載の燃料電池。
   
   
   

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