JP2008103168A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】電解質・電極構造体と冷却媒体との距離を良好に短くすることができ、温度制御の応答性を向上させることを可能にする。
【解決手段】燃料電池１０は、互いに隣接する第１発電セル１２及び第２発電セル１４を備える。第１発電セル１２を構成する金属セパレータ１８は、第１波形状流路部を設ける一方、第２発電セル１４を構成し前記金属セパレータ１８に隣接する金属セパレータ２４は、前記第１波形状部と同一の流路ピッチに設定され且つ前記第１波形状部との間に第１冷却媒体流路４８ａが形成される第２波形状流路部を設ける。金属セパレータ１８の第１冷却媒体流路４８ａ側の直線状凹部４０ｂは、金属セパレータ２４の直線状凸部７２ａと積層方向に重なり合う平坦面４３ｂを有するとともに、前記平坦面４３ｂの裏面側の平坦面４３ａは、第１電解質膜・電極構造体１６ａに直接接触する。
【選択図】図２

Description

本発明は、電解質の両側に一対の電極が配設される電解質・電極構造体が、第１金属セパレータ及び第２金属セパレータで挟持される発電セルを備えるとともに、前記発電セルが積層される燃料電池に関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜（電解質）の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の発電セルを積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。

上記の燃料電池では、特に車載用として使用する場合、所望の発電力を得るために数百の発電セルが積層されている。その際、燃料電池スタックの設置スペース等の関係から、前記燃料電池スタック全体の小型化が望まれている。そこで、セパレータとして、カーボンセパレータに代えて薄肉化が容易な金属セパレータを使用するとともに、前記金属セパレータの積層方向のさらなる短尺化を図る工夫がなされている。

例えば、特許文献１に開示されている燃料電池用セパレータでは、波部の高さが異なり波部のピッチが同じである一対の金属製波板を備え、波部の高さが大きい一方の金属製波板の凹部に、波部の高さが低い他方の金属製波板の凸部を重ね合わせて、前記凹部と前記凸部との間の空間で冷却媒体流路を形成し、重ね合わせた前記一対の金属製波板の両外側の凹部のうち、一方の凹部で酸化剤ガス流路を形成し、他方の側の凹部で燃料ガス流路を形成することを特徴としている。

特開２００２−１００３８１号公報（図１）

上記の特許文献１では、凹部と凸部とが重なり合った状態で、この凹部の外側（突起側）が電解質・電極構造体に接触している。このため、凹部と凸部との間の空間に冷却媒体流路が形成されていても、前記凹部の外側が電解質・電極構造体に接触する部分では、前記凹部と前記凸部とが互いに面接触して密着し易い。これにより、電解質・電極構造体には、セパレータが接触することにより冷却媒体との距離が大きく離間する部分が存在してしまい、低温始動時や運転時の温度制御に対する応答性が低下するおそれがある。

本発明はこの種の燃料電池に関するものであり、電解質・電極構造体と冷却媒体との距離を良好且つ確実に短尺化させることができ、温度制御の応答性を向上させることが可能な燃料電池を提供することを目的とする。

本発明は、電解質の両側に一対の電極が配設される電解質・電極構造体が、一対の金属セパレータにより挟持される発電セルを備えるとともに、複数の前記発電セルが積層される燃料電池に関するものである。

この燃料電池は、互いに隣接する第１の発電セル及び第２の発電セルを備え、前記第１の発電セルを構成する第１金属セパレータは、凸部と凹部とを有する第１波形状流路部を設け、前記第２の発電セルを構成し前記第１金属セパレータに隣接する第２金属セパレータは、凸部と凹部とを有して前記第１波形状流路部と同一の流路ピッチに設定され且つ前記第１波形状流路部との間に冷却媒体流路が形成される第２波形状流路部を設けている。

そして、第１波形状流路部の冷却媒体流路側の凹部は、第２波形状流路部の凸部と積層方向に重なり合う平坦面を有するとともに、前記平坦面が電解質・電極構造体に接触している。

また、第２波形状流路部の冷却媒体流路側の凹部は、第１波形状流路部の凸部と積層方向に重なり合う平坦面を有するとともに、前記平坦面が電解質・電極構造体に接触することが好ましい。さらに、凸部は、凹部の平坦面に対して積層方向に重なり合う部分が湾曲形状に設定されることが好ましい。

本発明では、第１波形状流路部の凹部の平坦面が、第２波形状流路部の凸部と積層方向に重なり合って電解質・電極構造体に接触するため、前記凹部と前記凸部とは、広範囲に密着することがなく、例えば、互いに線接触している。これにより、凹部と凸部との間には、冷却媒体流路用の空間が有効に形成され、電解質・電極構造体では、金属セパレータが接触する領域で冷却媒体との距離を短くすることができる。従って、電解質・電極構造体に部分的な温度勾配が発生することを抑制することが可能になり、燃料電池の低温始動時や運転時における温度制御に対する応答性が良好に向上する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０の要部分解斜視説明図であり、図２は、前記燃料電池１０の一部断面説明図である。

燃料電池１０は、第１発電セル１２と第２発電セル１４とが、矢印Ａ方向に交互に積層されて構成され、例えば、自動車等の車両に搭載されている。

第１発電セル１２は、第１電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）１６ａを、一対の金属セパレータ１８、２０により挟持するとともに、第２発電セル１４は、第２電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）１６ｂを、一対の金属セパレータ２２、２４とにより挟持して構成される。

第１電解質膜・電極構造体１６ａ及び第２電解質膜・電極構造体１６ｂは、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜２６と、前記固体高分子電解質膜２６を挟持するカソード側電極２８及びアノード側電極３０とを備える。

カソード側電極２８及びアノード側電極３０は、図示しないが、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜２６の両面に形成される。

図１に示すように、燃料電池１０の矢印Ｂ方向の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガス（空気等）を供給するための酸化剤ガス供給連通孔３２ａ、冷却媒体、例えば、純水やエチレングリコール等を供給するための冷却媒体供給連通孔３４ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔３６ｂが設けられる。

燃料電池１０の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔３６ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔３４ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔３２ｂが設けられる。

金属セパレータ１８（第１金属セパレータ）は、波状に成形されることにより凹凸形状を有する第１波形状流路部を設ける。この金属セパレータ１８の第１電解質膜・電極構造体１６ａに向かう面１８ａには、図３に示すように、第１波形状流路部の一方である第１燃料ガス流路３８ａが形成される。第１燃料ガス流路３８ａは、複数の直線状凸部４０ａ間に、矢印Ｂ方向に延在して設けられる複数の直線状凹部４２ｂを有する。直線状凸部４０ａは、第１電解質膜・電極構造体１６ａに接触する平坦面４３ａを有する（図２参照）。第１燃料ガス流路３８ａは、燃料ガス供給連通孔３６ａ側に複数のエンボス４４ａを有する入口分配部４６ａと、燃料ガス排出連通孔３６ｂ側に複数のエンボス４４ｂを有する出口分配部４６ｂとを設ける（図３参照）。

図４に示すように、金属セパレータ１８の面１８ａと反対の面１８ｂには、前記面１８ａに第１燃料ガス流路３８ａを形成することによって第１波形状流路部の他方である第１冷却媒体流路４８ａが設けられる。この第１冷却媒体流路４８ａは、直線状凸部４２ａ間に形成される直線状凹部４０ｂを有する。直線状凹部４０ｂは、後述する第２波形状流路部の直線状凸部７２ａと積層方向に重なり合う平坦面４３ｂを有する。第１冷却媒体流路４８ａは、冷却媒体供給連通孔３４ａ側に複数のエンボス５０ａを有する入口分配部５２ａと、冷却媒体排出連通孔３４ｂ側に複数のエンボス５０ｂを有する出口分配部５２ｂとを設ける。

金属セパレータ１８の面１８ａ、１８ｂには、シール部材５４が一体成形される。面１８ａには、図３に示すように、シール部材５４が設けられることにより、燃料ガス供給連通孔３６ａ及び燃料ガス排出連通孔３６ｂが第１燃料ガス流路３８ａに連通する。面１８ｂでは、図４に示すように、シール部材５４が設けられることにより、冷却媒体供給連通孔３４ａ及び冷却媒体排出連通孔３４ｂが第１冷却媒体流路４８ａに連通する。

図５に示すように、金属セパレータ２０（第２金属セパレータ）は、波状に成形されることにより凹凸形状を有する第２波形状流路部を設ける。この金属セパレータ２０の第１電解質膜・電極構造体１６ａに向かう面２０ａには、第２波形状流路部の他方である第１酸化剤ガス流路５４ａが形成される。第１酸化剤ガス流路５４ａは、複数の直線状凸部５６ａ間に矢印Ｂ方向に延在して設けられる複数の直線状凹部５８ｂを有する。第１酸化剤ガス流路５４ａは、酸化剤ガス供給連通孔３２ａ側に複数のエンボス６０ａを有する入口分配部６２ａと、酸化剤ガス排出連通孔３２ｂ側に複数のエンボス６０ｂを有する出口分配部６２ｂとを設ける。

図１に示すように、金属セパレータ２０の面２０ａと反対の面２０ｂには、前記面２０ａに第１酸化剤ガス流路５４ａを形成することによって、第２波形状流路部の他方である第２冷却媒体流路４８ｂが設けられる。この第２冷却媒体流路４８ｂは、鋭角状に湾曲する直線状凸部５８ａ間に形成される直線状凹部５６ｂを有する。第２冷却媒体流路４８ｂは、第１冷却媒体流路４８ａと同様に、複数のエンボス５０ａを有する入口分配部５２ａと、複数のエンボス５０ｂを有する出口分配部５２ｂとを設ける。

金属セパレータ２０の面２０ａ、２０ｂには、シール部材６０が一体成形される。面２０ａでは、シール部材６０により酸化剤ガス供給連通孔３２ａ及び酸化剤ガス排出連通孔３２ｂが、第１酸化剤ガス流路５４ａに連通し（図５参照）、面２０ｂでは、前記シール部材６０により冷却媒体供給連通孔３４ａ及び冷却媒体排出連通孔３４ｂが第２冷却媒体流路４８ｂに連通する（図１参照）。

金属セパレータ２２（第１金属セパレータ）は、波状に成形されることにより凹凸形状を有する第１波形状流路部を設ける。図１及び図６に示すように、金属セパレータ２２の第２電解質膜・電極構造体１６ｂ側の面２２ａには、第１波形状流路部の一方である第２燃料ガス流路３８ｂが形成される。第２燃料ガス流路３８ｂは、複数の直線状凸部６６ａと直線状凹部６８ｂとを交互に設けることにより形成される。直線状凸部６６ａは、第２電解質膜・電極構造体１６ｂに接触する平坦面６９ａを有する（図２参照）。

図１及び図２に示すように、第１燃料ガス流路３８ａと第２燃料ガス流路３８ｂとは、積層方向に対してそれぞれの直線状凸部４０ａ、６６ａが、直線状凹部６８ｂ、４２ｂに対向して配置される。

金属セパレータ２２の面２２ａとは反対の面２２ｂには、この面２２ａに第２燃料ガス流路３８ｂを形成することによって第１波形状流路部の他方である第２冷却媒体流路４８ｂが形成される。この第２冷却媒体流路４８ｂは、直線状凸部６８ａと直線状凹部６６ｂとを交互に有するとともに、金属セパレータ２０との間に形成される。直線状凹部６６ｂは、直線状凸部５８ａと積層方向に重なり合う平坦面６９ｂを有する。

金属セパレータ２２のその他の構成は、上記の金属セパレータ１８と同様であり、同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、金属セパレータ２４は、金属セパレータ２４と同様に構成されており、同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。

金属セパレータ２４（第２金属セパレータ）は、波状に成形されることにより凹凸形状を有する第２波形状流路部を設ける。図１及び図７に示すように、金属セパレータ２４の第２電解質膜・電極構造体１６ｂに向かう面２４ａには、第２波形状流路部の一方である第２酸化剤ガス流路５４ｂが形成される。この第２酸化剤ガス流路５４ｂは、複数の直線状凸部７０ａと直線状凹部７２ｂとにより形成される。

金属セパレータ２４の面２４ａとは反対の面２４ｂには、金属セパレータ１８と接合されることにより、第２波形状流路部の他方である第１冷却媒体流路４８ａが形成される。この第１冷却媒体流路４８ａは、複数の直線状凸部７２ａと直線状凹部７０ｂとにより形成される。

このように構成される燃料電池１０の動作について、以下に説明する。

図１に示すように、燃料電池１０を構成する第１発電セル１２及び第２発電セル１４において、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔３２ａに供給される一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔３６ａに供給される。また、冷却媒体は、冷却媒体供給連通孔３４ａに供給される。

酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔３２ａから金属セパレータ２０の面２０ａに形成されている第１酸化剤ガス流路５４ａに導入される。図５に示すように、第１酸化剤ガス流路５４ａは、入口分配部６２ａを有しており、酸化剤ガスが前記入口分配部６２ａで分配されて各直線状凹部５８ｂに供給される。このため、直線状凹部５８ｂに沿って矢印Ｂ方向に移動する酸化剤ガスは、第１電解質膜・電極構造体１６ａのカソード側電極２８に供給される。

一方、酸化剤ガス供給連通孔３２ａは、金属セパレータ２４に形成されている第２酸化剤ガス流路５４ｂに連通している。従って、酸化剤ガスは、金属セパレータ２４の第２酸化剤ガス流路５４ｂに供給され、各直線状凹部７２ｂに沿って第２電解質膜・電極構造体１６ｂのカソード側電極２８に供給される（図７参照）。

また、図１に示すように、燃料ガス供給連通孔３６ａに供給される燃料ガスは、金属セパレータ１８に形成された第１燃料ガス流路３８ａに導入される。このため、燃料ガスは、図３に示すように、入口分配部４６ａから各直線状凹部４２ｂを通って第１電解質膜・電極構造体１６ａのアノード側電極３０に沿って供給される。燃料ガスは、さらに金属セパレータ２２の第２燃料ガス流路３８ｂに送られ、第２電解質膜・電極構造体１６ｂのアノード側電極３０に沿って供給される（図１参照）。

従って、第１電解質膜・電極構造体１６ａ及び第２電解質膜・電極構造体１６ｂでは、それぞれカソード側電極２８に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３０に供給される燃料ガスとが、電気化学反応により消費され、発電が行われる。

次いで、第１酸化剤ガス流路５４ａに供給された酸化剤ガスは、図５に示すように、出口分配部６２ｂを介して酸化剤ガス排出連通孔３２ｂに排出される。第２酸化剤ガス流路５４ｂに供給された酸化剤ガスは、図７に示すように、出口分配部６２ｂを介して酸化剤ガス排出連通孔３２ｂに導出される。

第１燃料ガス流路３８ａ及び第２燃料ガス流路３８ｂに供給された燃料ガスは、出口分配部４６ｂを通って燃料ガス排出連通孔３６ｂに排出される（図３及び図６参照）。

また、純水やエチレングリコール等の冷却媒体は、図１に示すように、第１発電セル１２と第２発電セル１４との間、すなわち、金属セパレータ１８、２４間に形成された第１冷却媒体流路４８ａ及び金属セパレータ２０、２２間に形成された第２冷却媒体流路４８ｂ間に導入される。この冷却媒体は、第１電解質膜・電極構造体１６ａ及び第２電解質膜・電極構造体１６ｂを冷却した後、冷却媒体排出連通孔３４ｂに排出される。

この場合、第１の実施形態では、図２に示すように、互いに隣接する第１発電セル１２と第２発電セル１４とを備え、前記第１発電セル１２を構成する金属セパレータ１８と、前記第２発電セル１４を構成する金属セパレータ２４とは、互いに隣接し且つそれぞれ同一の流路ピッチに設定される第１波形状流路部と第２波形状流路部とを設けている。

そして、金属セパレータ１８の第１冷却媒体流路４８ａ側の直線状凹部４０ｂは、金属セパレータ２４の直線状凸部７２ａと積層方向に重なり合う平坦面４３ｂを有するとともに、前記平坦面４３ｂの反対側の平坦面４３ａは、第１電解質膜・電極構造体１６ａに直接接触している。さらに、直線状凸部７２ａは、先端が鋭角状に湾曲している。従って、直線状凸部７２ａと直線状凹部４０ｂとは線接触しており、前記直線状凸部７２ａと前記直線状凹部４０ｂとが互いに広範囲に密着することがない。

これにより、直線状凹部４０ｂと直線状凸部７２ａとの間には、第１冷却媒体流路４８ａを形成するための空間が有効に設けられ、第１電解質膜・電極構造体１６ａでは、金属セパレータ１８が接触する領域で冷却媒体との距離を有効に短尺化することができる。このため、第１電解質膜・電極構造体１６ａの部分的な温度変化を惹起することがなく、燃料電池１０の低温始動時や運転時における温度制御に対する応答性が良好に向上するという効果が得られる。

また、金属セパレータ２２の直線状凹部６６ｂは、金属セパレータ２０の先端鋭角状に湾曲する直線状凸部５８ａと積層方向に重なり合う平坦面６９ｂを有するとともに、前記直線状凹部６６ｂの反対側の平坦面６９ａが第２電解質膜・電極構造体１６ｂに直接接触している。このため、第２電解質膜・電極構造体１６ｂに部分的な温度勾配が発生することを抑制することができる。

図８は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池８０の一部断面説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。

燃料電池８０は、第１発電セル８２と第２発電セル８４とが矢印Ａ方向に交互に積層される。第１発電セル８２は、第１電解質膜・電極構造体１６ａを一対の金属セパレータ８６、２０により挟持するとともに、第２発電セル８４は、第２電解質膜・電極構造体１６ｂを一対の金属セパレータ８８、２４により挟持する。

金属セパレータ８６は、金属セパレータ１８と同様に構成されており、第１燃料ガス流路３８ａを設けるとともに、この第１燃料ガス流路３８ａは、複数の直線状凸部４０ａと直線状凹部９０ｂとを交互に設けることにより構成される。直線状凹部９０ｂの裏面側、すなわち、第１冷却媒体流路４８ａ側は、直線状凸部９０ａを構成し、この直線状凸部９０ａが、金属セパレータ２４の凹部７０ｂの平坦面９２と積層方向に重なり合っている。この平坦面９２の裏面側は、第２電解質膜・電極構造体１６ｂに直接接触する。

金属セパレータ８８は、金属セパレータ２２と同様に構成されており、第２燃料ガス流路３８ｂを有するとともに、この第２燃料ガス流路３８ｂは、複数の直線状凸部６６ａと直線状凹部９４ｂとを交互に設けることにより構成される。

直線状凹部９４ｂの反対側、すなわち、第２冷却媒体流路４８ｂ側に直線状凸部９４ａが設けられ、この直線状凸部９４は、金属セパレータ２０の凹部５６ｂの平坦面９６に積層方向に重なり合っている。平坦面９６の裏面側は、第１電解質膜・電極構造体１６ａに直接接触する。

このように構成される第２の実施形態では、金属セパレータ２０、２４の直線状凸部５８ａ、７２ａが、直線状凹部６６ｂ、４０ｂの平坦面６９ａ、４３ｂに線接触で重なり合う一方、金属セパレータ８６、８８の直線状凸部９０ａ、９４ａが、凹部７０ｂ、５６ｂの平坦面９２、９６に線接触で重なり合っている。

このため、第１電解質膜・電極構造体１６ａ及び第２電解質膜・電極構造体１６ｂに部分的な温度勾配が惹起することを抑制するとともに、燃料電池８０全体の積層方向の強度が一層向上するという効果が得られる。

さらに、それぞれの直線状凸部５８ａ、７２ａ、９０ａ及び９４ａは、先端鋭角状の湾曲形状を有している。従って、流路ピッチを可及的に短尺化することができ、発電性能の向上が容易に図られるという利点がある。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視説明図である。 前記燃料電池の一部断面説明図である。 前記燃料電池を構成する金属セパレータの一方の面の説明図である。 前記金属セパレータの他方の面の説明図である。 前記燃料電池を構成する他の金属セパレータの一方の面の説明図である。 前記燃料電池を構成するさらに他の金属セパレータの一方の面の説明図である。 前記燃料電池を構成する別の金属セパレータの一方の面の説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の一部断面説明図である。

符号の説明

１０、８０…燃料電池 １２、１４、８２、８４…発電セル
１６ａ、１６ｂ…電解質膜・電極構造体
１８、２０、２２、２４、８６、８８…金属セパレータ
２６…固体高分子電解質膜 ２８…カソード側電極
３０…アノード側電極 ３２ａ…酸化剤ガス供給連通孔
３２ｂ…酸化剤ガス排出連通孔 ３４ａ…冷却媒体供給連通孔
３４ｂ…冷却媒体排出連通孔 ３６ａ…燃料ガス供給連通孔
３６ｂ…燃料ガス排出連通孔 ３８ａ、３８ｂ…燃料ガス流路
４０ａ、４２ａ、５６ａ、５８ａ、６６ａ、６８ａ、７０ａ、７２ａ、９０ａ、９４ａ…直線状凸部
４０ｂ、４２ｂ、５６ｂ、５８ｂ、６６ｂ、６８ｂ、７０ｂ、７２ｂ、９０ｂ、９４ｂ…直線状凹部
４３ａ、４３ｂ、６９ａ、６９ｂ、９２、９６…平坦面
４８ａ、４８ｂ…冷却媒体流路 ５４ａ、５４ｂ…酸化剤ガス流路
５２、６０…シール部材

Claims (3)

1. 電解質の両側に一対の電極を配設する電解質・電極構造体が、一対の金属セパレータにより挟持される発電セルを備えるとともに、複数の前記発電セルが積層される燃料電池であって、
   互いに隣接する第１の発電セル及び第２の発電セルを備え、
   前記第１の発電セルを構成する第１金属セパレータは、凸部と凹部とを有する第１波形状流路部を設け、
   前記第２の発電セルを構成し前記第１金属セパレータに隣接する第２金属セパレータは、凸部と凹部とを有して前記第１波形状流路部と同一の流路ピッチに設定され且つ前記第１波形状流路部との間に冷却媒体流路が形成される第２波形状流路部を設け、
   前記第１波形状流路部の前記冷却媒体流路側の凹部は、前記第２波形状流路部の凸部と積層方向に重なり合う平坦面を有するとともに、前記平坦面が前記電解質・電極構造体に接触することを特徴とする燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池において、前記第２波形状流路部の前記冷却媒体流路側の凹部は、前記第１波形状流路部の凸部と前記積層方向に重なり合う平坦面を有するとともに、前記平坦面が前記電解質・電極構造体に接触することを特徴とする燃料電池。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池において、前記凸部は、前記凹部の平坦面に対して前記積層方向に重なり合う部分が湾曲形状に設定されることを特徴とする燃料電池。

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