JP2008021515A - 燃料電池のセパレータ構造 - Google Patents

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Abstract

【課題】波形セパレータを使用したときの各セル間における反応ガス及び冷却水の流量のばらつきを抑制しながらセルピッチを低減する燃料電池のセパレータ構造を提供する。
【解決手段】燃料電池のセパレータ構造は、第1マニホールド22と第1反応ガス流路部との間に設けられる第1反応ガス配流部と、第2マニホールド20と第2反応ガス流路部との間に設けられる第2反応ガス配流部と、第1反応ガス配流部の背面より冷却媒体マニホールド側に凹設される第1冷却媒体配流部43bと、第2反応ガス配流部の背面より冷却媒体マニホールド側に凹設される第2冷却媒体配流部47bとを備え、第1反応ガス配流部と第2反応ガス配流部とはセパレータの積層方向に対してずれており、第1反応ガス配流部の背面は第2反応ガス流路部と対向し、第2反応ガス配流部の背面は第1冷却媒体配流部と対向する。
【選択図】図7

Description

本発明は、燃料電池のセパレータ構造に関するものである。
燃料電池のセパレータには、セパレータの積層方向に反応ガス及び冷却水を流すマニホールドと、セパレータの長手方向に反応ガス及び冷却水を流すガス流路及び冷却水流路と、マニホールドからガス流路及び冷却水流路までを連通する連通路とが形成される。特許文献1には、連通路において反応ガス及び冷却水をセパレータの幅方向に拡散させる配流部を設けることで、反応ガス及び冷却水を均一に配流させる構成が開示されている。
特開2003−77499公報
セパレータが金属プレス成型品などの波形セパレータである場合、セルピッチを低減することができるが、上記従来の技術では隣接するセルの2つの電解質膜・電極構造体の間において2つの反応ガス配流部と冷却水配流部とがセパレータ積層方向に重なってしまう。これにより、配流部1つ当たりの積層方向の深さが小さくなるので、配流部の深さに対する製作誤差の相対的な影響が大きくなり、各セル間における反応ガス及び冷却水の流量のばらつきが大きくなる。
本発明は、波形セパレータを使用したときの各セル間における反応ガス及び冷却水の流量のばらつきを抑制しながらセルピッチを低減することを目的とする。
本発明の燃料電池のセパレータ構造は、第1反応ガスが流れる第1マニホールドと、第2反応ガスが流れる第2マニホールドと、冷却媒体が流れる冷却媒体マニホールドとを一端に有する第1セパレータ及び第2セパレータを備え、第1セパレータは、第1反応ガスが流れる第1反応ガス流路部と、第1反応ガス流路部の背面において冷却媒体が流れる第1冷却媒体流路部とを有し、第2セパレータは、第2反応ガスが流れる第2反応ガス流路部と、第2反応ガスの背面において冷却媒体が流れる第2冷却媒体流路部とを有し、第1セパレータの第1反応ガス流路側の面と、第2セパレータの第2反応ガス流路側の面とが対向するように、電解質膜・電極構造体を挟んで構成される燃料電池セルを複数積層して構成される燃料電池のセパレータ構造において、第1セパレータの第1反応ガス流路側の面における第1マニホールドと第1反応ガス流路部との間に設けられ、第1反応ガスを第1反応ガス流路部の流路幅方向へ配流する第1反応ガス配流部と、第2セパレータの第2反応ガス流路側の面における第2マニホールドと第2反応ガス流路部との間に設けられ、第2反応ガスを第2反応ガス流路部の流路幅方向へ配流する第2反応ガス配流部と、第1セパレータの第1冷却媒体流路側の面において、第1反応ガス配流部の背面と冷却媒体マニホールド及び第2マニホールドとの間に凹設され、冷却媒体を第1冷却媒体流路の流路幅方向へ配流する第1冷却媒体配流部と、第2セパレータの第2冷却媒体流路側の面において、第2反応ガス配流部の背面と冷却媒体マニホールド及び第1マニホールドとの間に凹設され、冷却媒体を第2冷却媒体流路の流路幅方向へ配流する第2冷却媒体配流部とを備え、第1反応ガス配流部と第2反応ガス配流部とはセパレータの積層方向に対して第1反応ガス流路部及び第2反応ガス流路部の流路方向にずれており、第1反応ガス配流部の背面は第2反応ガス流路部と対向し、第2反応ガス配流部の背面は第1冷却媒体配流部と対向し、冷却媒体マニホールドから供給される冷却媒体は、第2反応ガス配流部の背面において第1冷却媒体配流部を流れた後、第1反応ガス配流部の背面において第2冷却媒体流路部を流れる。
本発明によれば、隣接するセルの第1セパレータと第2セパレータとの間で、第1反応ガス配流部に対応する面と第2反応ガス配流部に対応する面とが対向しないので、隣接するセルの2つの電解質膜・電極構造体の間において、第1反応ガス、第2反応ガス及び冷却媒体の3流体が積層方向に重なる部分がなく、1つの流体に割り振ることができる配流部の積層方向高さを制限することなくセルピッチを低減することができる。
以下では図面等を参照して本発明の実施の形態について詳しく説明する。
(第1実施形態)
図1は、本発明の実施形態における燃料電池のセパレータ構造を示す要部分解斜視図である。燃料電池10は、電解質膜・電極構造体12をセパレータ13によって両面から挟持したものを複数積層することで構成される。セパレータ13は、第1金属プレート14(第1セパレータ)及び第2金属プレート15(第2セパレータ)であり、隣接するセル間では第1金属プレート14と第2金属プレート15とが接する。
燃料電池10の矢印B方向の左端縁部には、セパレータ13の積層方向である矢印A方向に連通するマニホールドが、矢印C方向に配列して設けられる。マニホールドはそれぞれ図1中下から、空気などの酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガスマニホールド20(第2マニホールド)、冷却水などの冷却媒体を供給するための冷却媒体マニホールド21(冷却媒体マニホールド)、及び水素ガスなどの燃料ガスを供給するための燃料ガスマニホールド22(第1マニホールド)である。
図2は、第1金属プレート14の電解質膜・電極構造体側の面14aを示す平面図である。第1金属プレート14の電解質膜・電極構造体側の面14aには燃料ガス流路34(第1反応ガス流路部)が設けられ、燃料ガスマニホールド22から供給される燃料ガスを図中B方向に流通させる。
燃料ガス流路34と燃料ガスマニホールド22との間の領域には、燃料ガス配流部44(第1反応ガス配流部)が設けられ、燃料ガスマニホールド22から燃料ガス流路34へ供給される燃料ガスを図中C方向に分配する。燃料ガス配流部44と燃料ガスマニホールド22との間には燃料ガス導入部42が設けられ、燃料ガス導入部42の片端と燃料ガスマニホールド22の端部とは所定の間隔離れて配置される。燃料ガス配流部44と冷却媒体マニホールド21及び酸化剤ガスマニホールド20との間にはシール受け凸部43aが平面状に設けられ、シール受け凸部43aはC方向に所定の寸法で連続した凸部を形成する。
第1金属プレート14の外周部及び各マニホールド間には線状シール54が設けられ、燃料ガス流路34から燃料ガスが外部へ漏出すること、また燃料ガス流路34に冷却媒体マニホールド21及び酸化剤ガスマニホールド20から冷却水及び酸化剤ガスが流入することを防止する。
図3は、第2金属プレート15の電解質膜・電極構造体側の面15aを示す平面図である。第2金属プレート15の電解質膜・電極構造体側の面15aには燃料ガス流路35(第2反応ガス流路部)が設けられ、酸化剤ガスマニホールド20から供給される酸化剤ガスを図中B方向に流通させる。
酸化剤ガス流路35と酸化剤ガスマニホールド20との間の領域には、酸化剤ガス配流部45(第2反応ガス配流部)が設けられ、酸化剤ガスマニホールド20から酸化剤ガス流路35へ供給される酸化剤ガスを図中C方向に分配する。酸化剤ガス配流部45と酸化剤ガスマニホールド20との間には酸化剤ガス導入部46が設けられ、酸化剤ガス導入部46の片端と酸化剤ガスマニホールド20の端部とは所定の間隔離れて配置される。酸化剤ガス配流部46と冷却媒体マニホールド21及び燃料ガスマニホールド22との間にはシール受け凸部47aが平面状に設けられ、シール受け凸部47aはC方向に所定の寸法で連続した凸部を形成する。
第2金属プレート15の外周部及び各マニホールド間には線状シール55が設けられ、酸化剤ガス流路35から酸化剤ガスが外部へ漏出すること、また酸化剤ガス流路35に冷却媒体マニホールド21及び燃料ガスマニホールド22から冷却水及び燃料ガスが流入することを防止する。
第1金属プレート14及び第2金属プレート15の電解質膜・電極構造体側の面14a、15aはそれぞれ以上のように構成され、図4に示すように、燃料ガス配流部44が酸化剤ガス配流部45よりマニホールド側となるように図中B方向にずれて配置される。また、シール受け凸部47aはシール受け凸部43a、燃料ガス配流部44及び燃料ガス流路34の一部と対向するように配置され、シール受け凸部43aとシール受け凸部47aとは図中C方向にずれて配置される。
図5は、第1金属プレート14の冷却媒体側の面14bを示す平面図である。第1金属プレート14の冷却媒体側の面14bには冷却媒体流路60(第1冷却媒体流路部)が設けられ、冷却媒体マニホールド21から供給される冷却媒体を図中B方向に流通させる。
冷却媒体流路60と冷却媒体マニホールド21との間の領域には、冷却媒体配流部43b(第1冷却媒体配流部)が設けられ、冷却媒体マニホールド21から冷却媒体流路60へ供給される冷却媒体を図中C方向に分配する。
第1金属プレート14の外周部及び各マニホールド間には線状シール56が設けられ、冷却媒体流路60から冷却媒体が外部へ漏出すること、また冷却媒体流路60に燃料ガスマニホールド22及び酸化剤ガスマニホールド20から燃料ガス及び酸化剤ガスが流入することを防止する。
図6は、第2金属プレート15の冷却媒体側の面15bを示す平面図である。第2金属プレート15の冷却媒体側の面15bには冷却媒体流路60(第2冷却媒体流路部)が設けられ、冷却媒体マニホールド21から供給される冷却媒体を図中B方向に流通させる。
冷却媒体流路60と冷却媒体マニホールド21との間の領域には、冷却媒体配流部47b(第2冷却媒体配流部)が設けられ、冷却媒体マニホールド21から冷却媒体流路60へ供給される冷却媒体を図中C方向に分配する。冷却媒体配流部47bと冷却媒体マニホールド21との間には冷却媒体マニホールド21と連通する冷却媒体導入凹部48が設けられる。
第2金属プレート15の外周部及び各マニホールド間には第1金属プレート14と同様に線状シール56が設けられ、冷却媒体流路60から冷却媒体が外部へ漏出すること、また冷却媒体流路60に燃料ガスマニホールド22及び酸化剤ガスマニホールド20から燃料ガス及び酸化剤ガスが流入することを防止する。
図5及び図6に示すように、第1金属プレート14の冷却媒体側の面14b及び第2金属プレート15の冷却媒体側の面15bには、冷却媒体流路60から冷却媒体が外部へ漏出すること、また冷却媒体流路60に燃料ガスマニホールド22及び酸化剤ガスマニホールド20から燃料ガス及び酸化剤ガスが流入することを防止するように溶接又は溶着される領域が設けられる。
このようにして第1金属プレート14と第2金属プレート15が溶着又は溶接されると、それぞれの冷却媒体流路60が一体として冷却媒体流路60を構成する。
第1金属プレート14及び第2金属プレート15の冷却媒体側の面14b、15bはそれぞれ以上のように構成され、図7に示すように、冷却媒体配流部43bは冷却媒体導入部48の一部から冷却媒体流路60の一部までにわたって対向する。これにより、冷却媒体は冷却媒体マニホールド21から冷却媒体導入凹部48を経由して第1金属プレート14の冷却媒体配流部43b及び第2金属プレート15の冷却媒体配流部47bに到達し、矢印C方向に分配されて冷却媒体流路60に供給される。
図8は、第1の金属プレート14及び第2の金属プレート15をぞれぞれの面14b、15bが接するように重ねて図7の矢印Sの方向から見た場合のP−P’、Q−Q’、R−R’、X−X’、Y−Y’断面図である。
P−P’断面において、第2金属プレート15の冷却媒体導入凹部48から導入された冷却媒体は第1金属プレート14の冷却媒体配流部43bに到達する。Q−Q’断面において、冷却媒体の一部は第2金属プレート15の冷却媒体配流部47bに流入する。R−R’断面において、冷却媒体の一部は第2の金属プレート側の冷却媒体流路60へ流入する。X−X’断面において、全ての冷却媒体は第2の金属プレート側の冷却媒体流路60を流れる。Y−Y’断面において、第1の金属プレート14及び第2の金属プレート15の冷却媒体流路60が一体として冷却媒体流路60を構成する。
図9は、第1の金属プレート14及び第2の金属プレート15をぞれぞれの面14b、15bが接するように重ねて図7の矢印Tの方向から見た場合のZ−Z’断面図である。
第2金属プレート15の冷却媒体導入凹部48より導入された冷却媒体は、矢印A方向に屈曲しながら矢印B方向へ流れ、第1金属プレート側に設けられる冷却媒体配流部43bを経由して、第2金属プレート側に設けられる冷却媒体流路60及び第1金属プレート側に設けられる冷却媒体流路60へ流入する。
以上のように本実施形態では、隣接するセルの第1金属プレート14と第2金属プレート15との間で、冷却媒体配流部43bを冷却媒体導入部48の一部から冷却媒体流路60の一部までにわたって対向させ、燃料ガス配流部34に対応する面と酸化剤ガス配流部35に対応する面とを対向させないので、隣接するセルの2つの電解質膜・電極構造体12の間において、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体の3流体が積層方向に重なる部分がなく、1つの流体に割り振ることができる配流部の積層方向高さを制限することなくセルピッチを低減することができる。
また、配流部の深さに対する製作誤差の相対的な影響を低減でき、各セル間における燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却水の流量のバラツキを抑制することができる。
さらに、燃料ガス配流部44と酸化剤ガス配流部45とのうち、マニホールドに近い側に酸化剤ガス配流部45を配置するので、圧力損失が燃料ガスより大きい酸化剤ガスについて圧力損失が最大となるマニホールドと配流部との間の距離を短くすることができる。これにより、酸化剤ガスの圧力損失を抑制することができ、酸化剤ガスマニホールド20から酸化剤ガス流路35へ効率的に酸化剤ガスを供給することができる。
(第2実施形態)
図10は、本実施形態における第1金属プレートの電解質膜・電極構造体側の面を示す平面図である。本実施形態の構成は第1実施形態とほぼ同様であり、第1金属プレート14の構造が一部異なる。なお、以下の実施形態において同一の構成部分については同一の符号を付して適宜説明を省略する。
本実施形態の第1金属プレート14では、燃料ガス配流部44に凸部70が複数形成される。凸部70は例えばエンボス加工によって形成される。凸部70の形状は円形状や四角形状などに限定されるものではない。
また、この凸部70を第2金属プレート15の酸化剤ガス配流部45に設けてもよい。
以上のように本実施形態では、燃料ガス配流部44に複数の凸部70が形成されるので、マニホールド22からガス流路34へと流れる燃料ガスが凸部70に当たって拡散し、ガスの流れを図中C方向に均一化することができる。これにより、流路間におけるガスの流れのバラツキを抑制することができる。
(第3実施形態)
図11は、本実施形態における第1金属プレートの電解質膜・電極構造体側の面を示す平面図である。本実施形態の構成は第1実施形態とほぼ同様であり、第1金属プレート14の構造が一部異なる。本実施形態の第1金属プレート14では、燃料ガス配流部44に第1の凸部73と、第1の凸部73より小さい第2の凸部74とがそれぞれ複数形成される。第1の凸部73及び第2の凸部74は例えばエンボス加工によって形成される。第1の凸部73及び第2の凸部74の形状は円形状や四角形状などに限定されるものではない。また第1の凸部73及び第2の凸部74の大きさは、燃料ガスの流通抵抗が燃料ガスマニホールド22から遠いほど小さくなるように設定される。なお、凸部の種類は2種類に限らずそれ以上でもよく、凸部の形状及び大きさを燃料ガスの流通抵抗が燃料ガスマニホールド22から遠いほど小さくなるように徐々に変化させてもよい。
また、第1の凸部73及び第2の凸部74を第2金属プレート15の酸化剤ガス配流部45に設けてもよい。この場合、第1の凸部73及び第2の凸部74の大きさは、酸化剤ガスの流通抵抗が酸化剤ガスマニホールド20から遠いほど小さくなるように設定される。
以上のように本実施形態では、燃料ガスの流通抵抗が燃料ガスマニホールド22から遠いほど小さくなるように凸部73、74が設けられるので、燃料ガスが到達しにくい燃料ガスマニホールド22から遠い部分ほど燃料ガスが流れやすくなり、燃料ガスの流れを図中C方向に均一化することができる。
(第4実施形態)
図12は、本実施形態における第1金属プレートの電解質膜・電極構造体側の面を示す平面図である。本実施形態の構成は第1実施形態とほぼ同様であり、第1金属プレート14の構造が一部異なる。本実施形態の第1金属プレート14では、燃料ガス配流部44に楕円形状の凸部72が複数形成される。凸部72の図中C方向の長さは、燃料ガス流路34の流路の幅の2倍以上であり、燃料ガス流路34の隣接する少なくとも2つの凸部36の延長線上に重なるように設けられる。すなわち、凸部72の背面である凹部が、凹部に対向する第2金属プレート15の第2冷却媒体流路60の流路間を連通するように凸部72が設けられる。
また、この凸部72を第2金属プレート15の酸化剤ガス配流部45に設けてもよい。
以上のように本実施形態では、凸部72の背面である凹部が、凹部に対向する第2金属プレート15の第2冷却媒体流路60の流路間を連通するように凸部72が設けられるので、第2実施形態と同様に凸部72によってガスの流れを図中C方向に均一化するとともに、凹部によって第2の金属プレート15の冷却媒体流路間が連通され、冷却媒体の流れを図中C方向に均一化することができる。
(第5実施形態)
図13は、本実施形態における第1金属プレートの電解質膜・電極構造体側の面を示す平面図である。本実施形態の構成は第1実施形態とほぼ同様であり、第1金属プレート14の構造が一部異なる。本実施形態の第1金属プレート14では、第1実施形態における第1金属プレート14のシール受け凸部43aに対応する部分を平面状の凸部ではなく、燃料ガス流路34へ向けて燃料ガス流路34と平行に延びる櫛歯状の凸部71aとする。
また、第2金属プレート15のシール受け凸部47aを第1金属プレート14と同様に櫛歯状の凸部としてもよい。
以上のように本実施形態では、第1金属プレート14のシール受け凸部43aを櫛歯状の凸部71aとするので、平面状の凸部とするよりシール受け凸部43aの裏面にある凹部の体積が小さくなり、その分燃料電池全体で必要な冷却媒体の体積が低下する。これにより、燃料電池全体の熱容量が低下して零下始動時における暖気終了までに要する時間を短縮することができ、低温環境下における燃料電池の始動性を向上させることができる。
以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能である。
第1実施形態における燃料電池のセパレータ構造を示す要部分解斜視図である。 第1金属プレートの電解質膜・電極構造体側の面を示す平面図である。 第2金属プレートの電解質膜・電極構造体側の面を示す平面図である。 第1金属プレート及び第2金属プレートの電解質膜・電極構造体側の面を比較して示す比較図である。 第1金属プレートの冷却媒体側の面を示す平面図である。 第2金属プレートの冷却媒体側の面を示す平面図である。 第1金属プレート及び第2金属プレートの冷却媒体側の面を比較して示す比較図である。 図7の各断面をS方向から見た断面図である。 図7の断面をT方向から見た断面図である。 第2実施形態における第1金属プレートの電解質膜・電極構造体側の面を示す平面図である。 第3実施形態における第1金属プレートの電解質膜・電極構造体側の面を示す平面図である。 第4実施形態における第1金属プレートの電解質膜・電極構造体側の面を示す平面図である。 第5実施形態における第1金属プレートの電解質膜・電極構造体側の面を示す平面図である。
符号の説明
10 燃料電池
12 電解質膜・電極構造体
14 第1金属プレート
15 第2金属プレート
20 酸化剤ガスマニホールド
21 冷却媒体マニホールド
22 燃料ガスマニホールド
34 燃料ガス流路
35 酸化剤ガス流路
43b 冷却媒体配流部
44 燃料ガス配流部
45 酸化剤ガス流路部
47b 冷却媒体配流部
60 冷却媒体流路
70 凸部
71b 冷却媒体配流部
72 凸部
73 凸部

Claims (6)

  1. 第1反応ガスが流れる第1マニホールドと、第2反応ガスが流れる第2マニホールドと、冷却媒体が流れる冷却媒体マニホールドとを一端に有する第1セパレータ及び第2セパレータを備え、
    前記第1セパレータは、第1反応ガスが流れる第1反応ガス流路部と、前記第1反応ガス流路部の背面において冷却媒体が流れる第1冷却媒体流路部とを有し、
    前記第2セパレータは、第2反応ガスが流れる第2反応ガス流路部と、前記第2反応ガスの背面において冷却媒体が流れる第2冷却媒体流路部とを有し、
    前記第1セパレータの前記第1反応ガス流路側の面と、前記第2セパレータの前記第2反応ガス流路側の面とが対向するように、電解質膜・電極構造体を挟んで構成される燃料電池セルを複数積層して構成される燃料電池のセパレータ構造において、
    前記第1セパレータの前記第1反応ガス流路側の面における前記第1マニホールドと前記第1反応ガス流路部との間に設けられ、第1反応ガスを前記第1反応ガス流路部の流路幅方向へ配流する第1反応ガス配流部と、
    前記第2セパレータの前記第2反応ガス流路側の面における前記第2マニホールドと前記第2反応ガス流路部との間に設けられ、第2反応ガスを前記第2反応ガス流路部の流路幅方向へ配流する第2反応ガス配流部と、
    前記第1セパレータの前記第1冷却媒体流路側の面において、前記第1反応ガス配流部の背面と前記冷却媒体マニホールド及び前記第2マニホールドとの間に凹設され、冷却媒体を前記第1冷却媒体流路の流路幅方向へ配流する第1冷却媒体配流部と、
    前記第2セパレータの前記第2冷却媒体流路側の面において、前記第2反応ガス配流部の背面と前記冷却媒体マニホールド及び前記第1マニホールドとの間に凹設され、冷却媒体を前記第2冷却媒体流路の流路幅方向へ配流する第2冷却媒体配流部と、
    を備え、
    前記第1反応ガス配流部と前記第2反応ガス配流部とは前記セパレータの積層方向に対して前記第1反応ガス流路部及び前記第2反応ガス流路部の流路方向にずれており、前記第1反応ガス配流部の背面は前記第2反応ガス流路部と対向し、前記第2反応ガス配流部の背面は前記第1冷却媒体配流部と対向し、前記冷却媒体マニホールドから供給される冷却媒体は、前記第2反応ガス配流部の背面において前記第1冷却媒体配流部を流れた後、前記第1反応ガス配流部の背面において前記第2冷却媒体流路部を流れることを特徴とする燃料電池のセパレータ構造。
  2. 前記第1反応ガス配流部及び前記第2反応ガス配流部の少なくとも一方には、複数の凸部が設けられることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池のセパレータ構造。
  3. 前記第1反応ガス配流部の前記凸部は前記第1マニホールドから離れるほど反応ガスの流路抵抗が小さくなるように設けられ、前記第2反応ガス配流部の前記凸部は前記第2マニホールドから離れるほど反応ガスの流通抵抗が小さくなるように設けられることを特徴とする請求項2に記載の燃料電池のセパレータ構造。
  4. 前記凸部は、前記凸部の背面である凹部が前記凹部に対向する前記第1冷却媒体流路部又は前記第2冷却媒体流路部の流路間を連通するように設けられることを特徴とする請求項2又は3に記載の燃料電池のセパレータ構造。
  5. 前記第1冷却媒体配流部及び前記第2冷却媒体配流部の少なくとも一方は、櫛歯状に凹設されることを特徴とする請求項1から4までのいずれか1項に記載の燃料電池のセパレータ構造。
  6. 前記第1反応ガスは水素であり、前記第2反応ガスは空気であることを特徴とする請求項1から5までのいずれか1項に記載の燃料電池のセパレータ構造。
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