JP2007141537A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】セパレータ基板に金型を介してシールガスケットを一体成形する場合に、金型が配置される平坦な型押え代を設けても、ラビリンス状の流路を構成して、セル面内の流量制御ができ、均一な流量分布で良好な発電性能を確保することが可能な燃料電池を提供することである。
【解決手段】セパレータ基板に設けられた流量制御部側に向かって、シールガスケットに突起を設けることにより、セパレータ最外周までラビリンス状の流量制御部を構成することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は燃料電池に係わり、特に燃料電池のセパレータ流路構造およびシール構造に関するものである。

固体高分子形燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側を燃料極と酸化剤極とからなる電極触媒で被覆した電解質膜／電極複合体の両側をガス拡散層で挟み、さらにその両側に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するためのセパレータを配置して構成する単位セルを複数個設置して積層体を形成し、この積層体の両端を締付板により締め付けて燃料電池セルスタックを構成する。この燃料電池セルスタックを電解質膜／電極複合体の面内方向が水平方向に対して垂直となるように積層設置する。

固体高分子形燃料電池の反応式を次に示す。

燃料極 ： Ｈ₂ → ２Ｈ⁺ ＋ ２ｅ^-
酸化剤極 ： ２Ｈ⁺ ＋ ２ｅ^- ＋ １／２Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ
全体 ： Ｈ₂ ＋ １／２Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ
固体高分子形燃料電池では、ガス拡散層内を拡散してきた燃料ガス中に含まれる水素
（Ｈ₂）は燃料極に至ると電子（ｅ^-）を放出してプロトン（Ｈ⁺）になる。プロトン(Ｈ⁺)は燃料極側から酸化剤極側に固体高分子電解質膜を経て移動するが、電子（ｅ^- ）は燃料極側から酸化剤極側に移動することができないため、外部回路を経由して酸化剤極側に移動する。

一方、酸化剤極側では、前記の固体高分子電解質膜を経て移動したプロトン（Ｈ⁺ ）と外部回路から送られてくる電子（ｅ^- ）と酸化剤ガス（空気）中の酸素とが反応して水
（Ｈ₂Ｏ ）を生成する。その生成水の大部分は未反応ガス中に蒸発し、そのままセルスタック外に排出されるが、過飽和となる状態では水として残留する。その水を除去しない場合、燃料ガスや酸化剤ガスの拡散の障害となり、電池反応が著しく低下して、電池性能が低下する。以下では、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応ガスと呼ぶ。

この性能低下を改善するためには、流路内に滞留した液体の水をセルスタックの流路に沿って排出するために必要となる一定流速以上のガスを流通させることが考えられる。燃料電池の反応では、反応ガスの流れ方向の上流側から下流側に向かうにしたがって、反応によりガスが消費されるために流路内の反応ガス流速は遅くなるとともに、流路内の相対湿度が上昇し、過飽和となりやすく、凝縮しやすい環境となる。したがって、反応ガス流路の最も下流域、すなわち、セル流路の出口近傍での流速が凝縮水を排出するのに必要な流速以上であることが望ましい。

燃料電池用セパレータでは、小型化，軽量化を狙って、黒鉛製セパレータよりも高強度で、かつ、薄肉化が可能な金属製の薄板をプレス成形したセパレータ（以下、金属セパレータと称す。）も用いられている。特許文献では、外周部流路の流路断面積を中央付近の流路にと同等にする工夫がなされている。

特開２００５−２３５６１３号公報

金属セパレータでは、プレス成型の性質上、最外周の流路断面積が中央付近の流路断面積に比べて大きくなる。この場合、マニホールドからセパレータの流路に導入されたガスが、主に最外周の断面積の大きい流路を通って排出されてしまう。従って、セパレータ面内において反応ガスや、冷却水などの流体の流量が偏って分布してしまう結果、電池の性能を十分に引き出せない。

本発明の目的は、流量分布の偏りを少なくし、良好な発電性能を確保することが可能な燃料電池を提供することである。

電解質膜を一対の電極で挟んで構成される電解質膜／電極複合体と、流体を導く入口マニホールドと流体を排出する出口マニホールドと流体が流れる流路部と入口マニホールドから流路部に流体を配分する流量制御部とを有するセパレータ基板と、セパレータと電解質膜／電極接合体との間に形成されるシールガスケットとを有する燃料電池であって、シールガスケットは、セパレータ基板の外周に沿って配置され、流量制御部に向かって突起を形成することを特徴とする燃料電池である。

本発明によれば、セパレータを流れる流体の流量分布の偏りを少なくし、良好な発電性能を確保することが可能な燃料電池を提供できる。

以下、本発明に係わる燃料電池の実施形態を、固体高分子形燃料電池を例にとり、図を用いて説明する。

本発明を実施するための最良の形態に係わる燃料電池は、電解質膜を一対の電極で挟んで構成される電解質膜／電極複合体を両側からセパレータで挟持して積層配置して構成する燃料電池であって、裏面および表面の両面に反応ガスまたは冷却剤を流通させるための流路部が形成された１枚のセパレータ基板とその外周縁部を覆うシールガスケットを設けた構造の燃料電池である。

燃料ガス，酸化剤ガス，冷却剤の各入口マニホールドと電極反応部との間にはセパレータ基板にエンボス加工により成形された凹凸を有する流量制御部が設けられている。また、電極反応部と燃料ガス，酸化剤ガス，冷却剤の各出口マニホールドとの間にも同様に流量制御部が設けられている。

セパレータ基板は、金属製の材料を被覆した材料であり、例えば、鉄，アルミニウム，銅，チタン，マグネシウム，ジルコニウム，タンタル，ニオブ，タングステン，ニッケル，クロムおよびこれらの合金から選ばれる少なくとも１種の金属を有し、カーボン，導電性セラミクス，金属粉末から選ばれる少なくとも１種の導電材と、導電材を固定するための樹脂結着材とで構成される被覆層で被覆されている材料が選ばれる。

（実施例１）
図１は、本発明における燃料電池の実施例１によるセル構造を示すものである。本実施形態に係わる燃料電池セルは、図９に示すように、固体高分子電解質膜の片側を燃料極、もう一方を酸化剤極となる電極触媒で被覆した電解質膜／電極複合体２の両側をガス拡散層３で挟み、さらにその両側に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するためのセパレータ基板４を配置して構成する単位セル１を図２に示すように複数個積層設置して燃料電池積層体６を形成する。この燃料電池積層体６の積層方向両端に締付端板５を配置し、所要の締付面圧を作用させてセルスタック７を構成する。図９に示したように、単位セル１内には燃料ガス，酸化剤ガスおよび冷却剤を流す燃料ガス流路５１，酸化剤ガス流路５２，冷却剤流路５３が設けられている。

図１は、セパレータ基板４の酸化剤ガス流路側を示している。セパレータ基板４にはその外周縁部にシールガスケット１３が一体成形されている。また、シールガスケット１３は、個々のマニホールド穴２１〜２６を分離するように成形されている。以下において、セパレータ基板４とシールガスケット１３を組み合わせたものをセパレータという。セパレータ基板４には、燃料ガス入口マニホールド２１，燃料ガス出口マニホールド２２，酸化剤ガス入口マニホールド２３，酸化剤ガス出口マニホールド２４，冷却剤入口マニホールド２５，冷却剤出口マニホールド２６が設けられている。セルスタックに供給された酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口マニホールド２３のマニホールド開口部２７からセパレータ面内の酸化剤ガス流路に供給され、流量制御部３２を通ってセパレータ基板４の流路溝
１０に供給され、燃料電池反応に使用される。残された酸化剤ガスは排出ガスとして流量制御部３２を通って、酸化剤ガス出口マニホールド２４のマニホールド開口部２７からセル外へ排出される。

金属薄板をプレス成形するセパレータ（以下、金属セパレータと略す。）の場合、流量制御部３２は、セパレータ基板４の表裏の両面に凹凸を設け凸部３１を形成するエンボス加工によって流路を構成する。片面の凹部は逆側の面の凸部を形成する流量制御部３２は、セパレータ基板４の流路溝１０の流路部１１と平行であるガス流れ方向の流路抵抗が、ガス流れ方向と直交する方向の流路抵抗より大きくなるように設定することで、マニホールド開口部から流路部１１に反応ガスや冷却剤を均一に分配する機能を有する。流路抵抗を制御する方法としては、ガス流れ方向の流路断面積をその直交方向よりも小さくすることや流量制御部３２のエンボス加工の凸部３１をラビリンス状、すなわち、流体がマニホールド開口部２７から流路部１１に流れ込むまでに、必ず凸部３１に衝突するように、配置することが考えられる。

図３は本発明における燃料電池の実施例１によるマニホールド穴２０と電池反応領域の流路部１１との間の流量制御部３２の流路構造を示すものである。入口マニホールドの開口幅寸法と流路部１１の幅寸法との差が大きいほど流路部１１の流量分布が不均一になる可能性がある。流路部１１における流量分布を均一化するためには、流量制御部３２が必要となる。この流量制御部３２はマニホールド開口部２７から流路部１１までのガス流れ方向の流路抵抗が大きくなるようにし、ガス流れ方向に対して直交する方向にガスが分散しやすくなるように流路構造を設定する。その流量制御部３２の流路構造の一例として、図３では、セパレータ基板４に設けたエンボス加工の凸部３１は、ガス流れ方向寸法よりガス流れ方向に直交する方向が長くなる形状としている。すなわち、凸部３１は、流路部１１を流れる流体の流れ方向を横とした場合の縦横比が１を超える。

金属セパレータの外周縁部にシール部材を射出成形等で一体成形する場合には、金型を介してシール成形される。シール成形用金型には平坦な型押え部が必要となり、最外周流路溝４１の流路溝断面積が他の流路溝よりも大きくなり、冷却剤が大量に流入することから温度が局所的に低下し、生成水が凝縮しやすい。

図３に記載した金属セパレータの流路構造では、外周縁部のシールガスケット１３にセパレータ基板４の流量制御部３２の方向に突起１４を設けることで、流量制御部３２の外周縁部に一直線上の流路が生じるのを防止することができる。

また、突起１４と凸部３１とをセパレータのガス流れ方向に直交する方向に略一直線上に配置することで、突起１４も流量制御部３２を構成する流路の一部とすることができる。

また、図４に示すように、突起１４と凸部３１とをセパレータのガス流れ方向に互い違いに配置することによっても、突起１４を、流量制御部３２を構成する流路の一部とすることができる。

図４に示した突起１４と凸部３１とをガス流れ方向に互い違いに配置する場合よりも、図３に示した突起１４と凸部３１とをセパレータのガス流れ方向に直交する方向に一直線上に配置する場合のほうが、凸部３１をマニホールド開口部２７から流路部１１までの間に、凸部３１を高密度に配置することができるので、流量制御の効果を強くすることができる。セパレータの入口マニホールド２１，２３，２５からセパレータの出口マニホールド２２，２４，２６の各流体の出入口圧力損失に上限値がない場合は、図３に示した凸部３１と突起１４とが一直線上に配置される構成を選択するのがよい。しかしながら、燃料電池スタックを組み込んだ燃料電池システムを運転する場合に、機器選定において燃料電池スタックの圧力損失を低減する必要がある。そのような場合には、図４に示した凸部
３１と突起１４とが互い違いとなる構成を選択するのがよい。また、運転条件として低電流密度での運転をするシステムでは圧力損失が高くなっても流量制御ができる図３の一直線状の構成が向いており、高電流密度での運転をするシステムでは圧力損失を低く抑えた上で流量制御ができる図４の互い違いの構成が向いている。

流量制御部３２の構造としては、マニホールド穴開口幅と流路部１１の幅との寸法比が大きいほど、セパレータのガス流れ方向と直交する方向に反応ガスや冷却剤を分散させる必要があるため、図５に示すように、流量制御部３２のセパレータのガス流れ方向にマニホールド開口部２７に近いほど、即ち、入口部では上流側の入口マニホールドに近いほど、出口部では下流側の出口マニホールドに近いほど、凸部３１をセパレータガス流れ方向よりも、直交する方向の寸法を大きくすることによって、より流量制御の効果が大きくなる。また、ガス流れ方向で凸部３１の長さを変化させるのに合せて、突起１４の長さも変化させることで、同じ効果を得ることができる。

流量制御部３２は、凸部３１がラビリンス状に配置されており、外周端部では、流量制御部３２に向かってシールガスケット１３に突起１４が設けられており、突起１４も流路を構成する構造となっている。

本実施例によれば、セパレータ基板４に設けられた流量制御部３２側へシールガスケットに突起１４を設けることにより、セパレータ最外周まで流量を制御することができ、簡単な構成でセル面内の反応ガスまたは冷却剤の流量分布を任意に設定することが可能となる。このため、セル面内の反応ガスの流量分布を均一化し、かつ、発電部全面を均一に冷却できるので、発電性能を向上させることができる。

（実施例２）
本発明は、マニホールド穴開口幅寸法と発電部の流路部１１の入口マニホールドから流体が流れ込む幅寸法との比が大きい流路形状で効果が大きいが、図７に示すようにサーペンタイン流路部１２に対しても適用することができ、同じ技術課題を解決できる。

（実施例３）
セパレータ基板４の両面には燃料ガス，酸化剤ガスまたは冷却剤などの異種の流体が流れる。各セルに供給されるこれらの流体は、流量および物性値が異なるため、セル出入口間の圧力損失の差を低減するためには、流路断面積を調整する必要がある。その圧力調整手段を実現するセパレータ基板４の断面図を図８に示す。図８に示したセパレータ基板４には、その上側および下側にそれぞれ凸部を設けたエンボス形状となっており、その上下の凸部は、平面が上側の凸部３５と下側の凸部３６の間に設けた中立面３３からそれぞれ突出するように形成されている。その圧力調整手段として、セパレータ中立面３３の板厚方向中心をセパレータの厚さ方向のセンタ３４からずらせて、エンボス加工の凸部３１の片側の突出寸法Ｂをもう一方への突出寸法Ａより大きく設定することで、その大きい方に流量の多い流体、あるいは、密度の大きい流体を流すことで、流動条件に合せた流路構造を設定することができる。

たとえば、燃料ガスを突出寸法の小さいＡ側に流通させ、酸化剤ガスを突出寸法の大きいＢ側に流通させることで、燃料ガスの圧力損失と酸化剤ガスの圧力損失との差を低減することができる。

また、冷却剤として冷却水や不凍液を用いた場合、気体に比べて密度が大きいことから圧力損失が大きくなる。冷却剤を突出寸法の大きいＢ側に流通させることで冷却剤の圧力損失を燃料ガスや酸化剤ガスの圧力損失とバランスさせることができる。さらに、２枚のセパレータの突出寸法の小さいＡ側によって形成された流路に冷却剤を流通させ、それぞれのセパレータの突出寸法の大きいＢ側に燃料ガスおよび酸化剤ガスを流通させることで、燃料ガスおよび酸化剤ガスと冷却剤との圧力損失をバランスさせることも可能となる。

このセパレータ基板４のセパレータ中立面３３とセパレータ厚さ方向のセンタ３４とに一致させずに、セパレータ基板４の裏表を流れる流体の圧力損失を調整する手段は、流路部１１やサーペンタイン流路部１２に対して適用することで、流量制御部３２と同様の効果を得ることができる。この圧力調整手段は図９に示したように中立面を設けて任意に両面への突出寸法を設定する同様の断面形状にすることで実現できる。流路部１１やサーペンタイン流路部１２に対して適用する場合は、セパレータ流路部１１や、サーペンタイン流路部１２が電解質膜／電極複合体２やガス拡散層３を支持する機能をも有するため、支持するピッチを流量制御部３２と同じか、もしくは、小さくすることが望ましい。その支持ピッチが小さい方が電解質膜／電極複合体２やガス拡散層３に締付面圧を均等に伝播しやすくなり、密着性を良好として接触抵抗を低減できるため、性能向上に貢献できる。

また、セパレータ基板４のセパレータ中立面３３からの凸部の高さに応じてシールガスケットの成形高さを設定することで、シールガスケットに設けた突起にて流量の制御を最外周の流路溝にまで及ぼすことができる。

本発明の第１の実施形態に係わる燃料電池の主要部説明図。 本発明の第１の実施形態に係わる燃料電池セルスタックの基本構成図。 本発明の第１の実施形態に係わる燃料電池の流量制御部の斜視説明図。 本発明の第２の実施形態に係わる燃料電池の流量制御部の斜視説明図。 本発明の第３の実施形態に係わる燃料電池の流量制御部の斜視説明図。 本発明の第３の実施形態に係わる燃料電池の流量制御部の斜視説明図。 本発明の第４の実施形態に係わる燃料電池の流量制御部の斜視説明図。 本発明の第５の実施形態に係わる燃料電池用セパレータの断面説明図。 本発明の第１の実施形態に係わる燃料電池セルの基本構成図。

符号の説明

１…単位セル、２…電解質膜／電極複合体、３…ガス拡散層、４…セパレータ基板、５…締付端板、６…燃料電池積層体、７…セルスタック、１０…流路溝、１１…流路部、
１２…サーペンタイン流路部、１３…シールガスケット、１４…突起、２０…マニホールド穴、２１…燃料ガス入口マニホールド、２２…燃料ガス出口マニホールド、２３…酸化剤ガス入口マニホールド、２４…酸化剤ガス出口マニホールド、２５…冷却剤入口マニホールド、２６…冷却剤出口マニホールド、２７…マニホールド開口部、３１…凸部、３２…流量制御部、３３…セパレータ中立面板厚方向中心、３３Ａ…セパレータ中立面の突出寸法が小さい突起側の面、３３Ｂ…セパレータ中立面の突出寸法が大きい突起側の面、
３４…セパレータの厚さ方向のセンタ、３５…セパレータ突起先端面（突出寸法が大きい突起側）、３６…セパレータ突起先端面（突出寸法が小さい突起側）、４１…最外周流路溝、５１…燃料ガス流路、５２…酸化剤ガス流路、５３…冷却剤流路。

Claims (12)

1. 電解質膜を一対の電極で挟んで構成される電解質膜／電極複合体と、流体を導く入口マニホールドと流体を排出する出口マニホールドと前記流体が流れる流路部と前記入口マニホールドから前記流路部に前記流体を配分する流量制御部とを有するセパレータ基板と、前記セパレータ基板と前記電解質膜／電極接合体との間に形成されるシールガスケットとを有する燃料電池であって、前記シールガスケットは、前記セパレータ基板の外周に沿って配置され、前記流量制御部に向かって突起を形成することを特徴とする燃料電池。
2. 前記セパレータ基板は、金属製であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
3. 前記セパレータ基板は、鉄，アルミニウム，銅，チタン，マグネシウム，ジルコニウム，タンタル，ニオブ，タングステン，ニッケル，クロムおよびこれらの合金から選ばれる少なくとも１種の金属を有し、カーボン，導電性セラミクス，金属粉末から選ばれる少なくとも１種の導電材と、前記導電材を固定するための樹脂結着材とで構成される被覆層で被覆されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
4. 前記流量制御部には、複数の凸部が設けられていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
5. 前記シールガスケットと前記セパレータ基板とが一体成型されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
6. 前記凸部は略直線状に配置され、前記突起は前記凸部の略直線上に形成されることを特徴とする請求項４記載の燃料電池。
7. 前記凸部は略直線状に配置され、前記突起は前記凸部と互い違いに形成されることを特徴とする請求項４記載の燃料電池。
8. 前記突起は、前記流路部を流れる流体の流れ方向に対して略垂直方向に伸びていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
9. 前記凸部は、前記流路部を流れる流体の流れ方向を横とした場合の縦横比が１を超えることを特徴とする請求項４記載の燃料電池。
10. 前記凸部の縦方向長さは、前記入口マニホールドにより遠い凸部の縦方向長さと比べて、同等もしくは長いことを特徴とする請求項９記載の燃料電池。
11. 前記突起は、前記流路部を流れる流体の流れ方向を横とした場合の縦横比が１を超えることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
12. 前記突起の縦方向長さは、前記入口マニホールドにより遠い突起の縦方向長さと比べて、同等もしくは長いことを特徴とする請求項１１記載の燃料電池。

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