JP2008277185A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却媒体供給連通孔から冷却媒体流路に供給される冷却媒体に混在するエアを容易且つ確実に除去することができ、簡単な構成で、所望の冷却機能を保持することを可能にする。
【解決手段】燃料電池１０を構成する発電セル１２は、電解質膜・電極構造体１６を挟持する第１及び第２金属セパレータ１８、２０を有する。第１金属セパレータ１８の面１８ｂには、水平方向に冷却媒体を供給する冷却媒体流路５４が設けられるとともに、この冷却媒体流路５４は、冷却媒体供給連通孔２６ａ及び冷却媒体排出連通孔２６ｂに、それぞれ複数の連結流路６６ａ、６６ｂを介して連通する。面１８ｂには、冷却媒体供給連通孔２６ａに連通し、内側シール部６２ｃに沿って冷却媒体流路５４の上方に延在するエア抜き流路６８が設けられ、前記エア抜き流路６８の開口断面積は、連結流路６６ａの開口断面積よりも小さく設定される。
【選択図】図１

Description

本発明は、電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体と、シール部材が一体成形された金属セパレータとを積層し、電極面に沿って重力方向に反応ガスを供給する反応ガス流路が形成されるとともに、水平方向に向かって冷却媒体を供給する冷却媒体流路が形成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、セパレータの面内に、アノード側電極に燃料ガスを流すための燃料ガス流路（以下、反応ガス流路ともいう）と、カソード側電極に酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路（以下、反応ガス流路ともいう）とが設けられている。さらに、各発電セル毎又は複数の発電セル毎に、冷却媒体を流すための冷却媒体流路がセパレータの面方向に沿って設けられている。

燃料電池は、セパレータの積層方向に貫通する反応ガス連通孔及び冷却媒体連通孔が前記燃料電池の内部に設けられる、所謂、内部マニホールドを構成する場合がある。その際、冷媒マニホールドでは、冷却媒体に混在するエアが前記冷媒マニホールドの上部に残存し、冷却機能が低下するおそれがある。

このため、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池スタックでは、冷却媒体供給連通孔に連通する冷却媒体供給口が設けられるマニホールド部材を備え、前記マニホールド部材は、前記冷却媒体供給口よりも高い位置に前記冷却媒体供給連通孔に連通するエア抜き口を設けることを特徴としている。

これにより、冷却媒体が冷却媒体供給口に供給されると、この冷却媒体に混在するエアが、前記冷却媒体供給口の鉛直方向上方に移動してエア抜き口から円滑且つ確実に排出される。このため、冷却媒体供給連通孔にエアが導入されることを有効に阻止することができ、冷却効率が良好に向上する。

特開２００６−３２０５４号公報（図１）

本発明は、上記のように、冷却媒体に混在するエアによる冷却効率の低下を阻止するためになされたものであり、冷却媒体供給連通孔から冷却媒体流路に供給される冷却媒体に混在するエアを容易且つ確実に除去することができ、簡単な構成で、所望の冷却機能を保持す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、電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体と、シール部材が一体成形された金属セパレータとを積層し、電極面に沿って重力方向に反応ガスを供給する反応ガス流路が形成されるとともに、水平方向に向かって冷却媒体を供給する冷却媒体流路が形成される燃料電池に関するものである。

金属セパレータは、積層方向に冷却媒体を流す冷却媒体連通孔と、前記冷却媒体連通孔を冷却媒体流路に連通する連結流路と、前記冷却媒体連通孔の上部に連通し、前記冷却媒体流路を形成するシール部材に沿って前記冷却媒体流路の上方に延在するエア抜き流路とを設けるとともに、前記エア抜き流路の開口断面積は、前記連結流路の開口断面積よりも小さく設定されている。

また、セパレータは、シール部材が一体成形される金属セパレータであることが好ましい。

さらに、反応ガス流路の上部及び下部には、上部バッファ部及び下部バッファ部が設けられるとともに、エア抜き流路は、冷却媒体連通孔の上部から前記上部バッファ部の裏面形状に沿って設けられることが好ましい。

さらにまた、反応ガス流路の上方には、エア抜き流路に連通するエア抜き孔が積層方向に貫通して設けられることが好ましい。

本発明によれば、冷却媒体連通孔から連結流路を通って冷却媒体流路に冷却媒体が供給され、燃料電池の冷却が行われている。一方、冷却媒体連通孔の上部に連通するエア抜き流路には、冷却媒体に混在するエアが導入され、このエアはエア抜き流路に沿って排出されている。

その際、エア抜き流路の開口断面積は、連結流路の開口断面積よりも小さく設定されている。従って、エア抜き流路に冷却媒体が導入されることを抑制することができ、発電面に沿って供給される冷却媒体の流量が減少することを良好に阻止することが可能になる。これにより、簡単な構成で、所望の冷却機能を保持することが可能になる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０を構成する発電セル１２の分解概略斜視図であり、図２は、複数の前記発電セル１２を矢印Ａ方向に積層してスタック化された前記燃料電池１０の断面説明図である。

燃料電池１０は、図２に示すように、複数の発電セル１２を矢印Ａ方向に積層するとともに、積層方向両端にエンドプレート（図示せず）が配置される。エンドプレートは、図示しないタイロッドを介して固定され、又は、図示しないケーシング内に収容されることにより、積層されている複数の発電セル１２には、矢印Ａ方向に所定の締め付け荷重が付与される。

図１及び図２に示すように、発電セル１２は、電解質膜・電極構造体１６が、アノード側の第１金属セパレータ１８とカソード側の第２金属セパレータ２０とに挟持されている。第１及び第２金属セパレータ１８、２０は、金属製薄板を波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状を有している。

なお、第１及び第２金属セパレータ１８、２０は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板により構成される。また、第１及び第２金属セパレータ１８、２０に換えて、カーボンセパレータを使用してもよい。

発電セル１２の長辺方向（図１中、矢印Ｃ方向）の上端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔（反応ガス連通孔）２２ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔（反応ガス連通孔）２４ａが設けられる。

発電セル１２の長辺方向の下端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔（反応ガス連通孔）２４ｂ、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（反応ガス連通孔）２２ｂが設けられる。

発電セル１２の短辺方向（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、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔２６ａが設けられるとともに、短辺方向の他端縁部には、前記冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔２６ｂが設けられる。

電解質膜・電極構造体１６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２８と、前記固体高分子電解質膜２８を挟持するアノード側電極３０及びカソード側電極３２とを備える。アノード側電極３０は、カソード側電極３２よりも小さな表面積を有している。

アノード側電極３０及びカソード側電極３２は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）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して形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜２８の両面に形成される。

図３に示すように、第１金属セパレータ１８の電解質膜・電極構造体１６に向かう面１８ａには、燃料ガス供給連通孔２４ａと燃料ガス排出連通孔２４ｂとを連通する燃料ガス流路３４が形成される。この燃料ガス流路３４は、矢印Ｃ方向に延在する複数の波状流路溝３４ａを有し、前記波状流路溝３４ａの矢印Ｃ方向上端及び下端に位置して入口バッファ部３６ａ及び出口バッファ部３６ｂが設けられる。入口バッファ部３６ａ及び出口バッファ部３６ｂは、複数のエンボスで構成されるとともに、幅方向中央部が上下に突出する略三角形状を有する。

第１金属セパレータ１８の面１８ａには、燃料ガス供給連通孔２４ａと入口バッファ部３６ａとを連通する連通路形成用の複数の受け部４０ａと、燃料ガス排出連通孔２４ｂと出口バッファ部３６ｂとを連通する連通路形成用の複数の受け部４０ｂとが形成される。受け部４０ａ、４０ｂの近傍には、それぞれ複数の供給孔部４２ａ及び排出孔部４２ｂが形成される。供給孔部４２ａは、面１８ｂ側で燃料ガス供給連通孔２４ａに連通する一方、排出孔部４２ｂは、同様に前記面１８ｂ側で燃料ガス排出連通孔２４ｂに連通する（図４参照）。

図１に示すように、第２金属セパレータ２０の電解質膜・電極構造体１６に向かう面２０ａには、酸化剤ガス供給連通孔２２ａと酸化剤ガス排出連通孔２２ｂとを連通する酸化剤ガス流路４４が形成される。この酸化剤ガス流路４４は、矢印Ｃ方向に延在する複数の波状流路溝４４ａを有し、前記波状流路溝４４ａの矢印Ｃ方向上端及び下端に位置して入口バッファ部４６ａ及び出口バッファ部４６ｂが設けられる。入口バッファ部４６ａ及び出口バッファ部４６ｂは、複数のエンボスで構成されるとともに、幅方向中央部が上下に突出する略三角形状を有する。

面２０ａには、酸化剤ガス供給連通孔２２ａと入口バッファ部４６ａとを連通する連通路形成用の複数の受け部５０ａと、酸化剤ガス排出連通孔２２ｂと出口バッファ部４６ｂとを連通する連通路形成用の複数の受け部５０ｂとが設けられる。

図１及び図２に示すように、第１金属セパレータ１８の面１８ｂと、第２金属セパレータ２０の面２０ｂとの間には、冷却媒体供給連通孔２６ａと冷却媒体排出連通孔２６ｂとに連通する冷却媒体流路５４が形成される。この冷却媒体流路５４は、燃料ガス流路３４の裏面形状と酸化剤ガス流路４４の裏面形状とが重なり合うことによって、矢印Ｂ方向に延在して形成される。

図１及び図４に示すように、冷却媒体流路５４の矢印Ｃ方向上端及び下端には、入口バッファ部３６ａ及び出口バッファ部３６ｂの裏面形状に対応して略三角形状のバッファ部５６ａ、５６ｂが設けられる。第１及び第２金属セパレータ１８、２０には、バッファ部５６ａの上方にエア抜き孔５８が積層方向に貫通して形成されるとともに、バッファ部５６ｂの下方にドレン孔６０が積層方向に貫通して形成される。

第１金属セパレータ１８の面１８ａ、１８ｂには、この第１金属セパレータ１８の外周端縁部を周回して第１シール部材６２が一体成形される。第２金属セパレータ２０の面２０ａ、２０ｂには、この第２金属セパレータ２０の外周端縁部を周回して平面シールである第２シール部材６４が一体成形される。第１及び第２シール部材６２、６４としては、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材が用いられる。

図３に示すように、第１シール部材６２は、面１８ａ側に燃料ガス流路３４を囲繞して設けられる内側シール部６２ａと、この内側シール部６２ａの外方に設けられる外側シール部６２ｂとを有する。内側シール部６２ａは、燃料ガス流路３４、入口バッファ部３６ａ、出口バッファ部３６ｂ、供給孔部４２ａ及び排出孔部４２ｂを周回する凸状シールを構成する。

図４に示すように、第１シール部材６２は、面１８ｂ側に冷却媒体流路５４を囲繞して設けられる内側シール部６２ｃと、この内側シール部６２ｃの外方に設けられる外側シール部６２ｄとを有する。内側シール部６２ａと内側シール部６２ｃ、及び外側シール部６２ｂと外側シール部６２ｄは、それぞれ積層方向に対して互いに略対応する位置に設けられる。

内側シール部６２ｃは、冷却媒体流路５４、冷却媒体供給連通孔２６ａ及び冷却媒体排出連通孔２６ｂを囲繞するとともに、バッファ部５６ａ、５６ｂ、エア抜き孔５８及びドレン孔６０を覆っている。冷却媒体供給連通孔２６ａ及び冷却媒体排出連通孔２６ｂと、冷却媒体流路５４とは、それぞれ複数本の連結流路６６ａ、６６ｂを介して連通する。

冷却媒体供給連通孔２６ａの上端部と内側シール部６２ｃとの間には、前記内側シール部６２ｃに沿って斜め上方に延在するエア抜き流路６８が設けられる。エア抜き流路６８は、エア抜き孔５８に連通する。

エア抜き流路６８の開口断面積は、連結流路６６ａの開口断面積よりも小さく設定される。本実施形態では、エア抜き流路６８の開口幅Ｈ１は、連結流路６６ａの開口幅Ｈ２よりも小さく設定される。

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。

先ず、図１に示すように、燃料電池１０では、酸化剤ガス供給連通孔２２ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス供給連通孔２４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給連通孔２６ａに純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。このため、矢印Ａ方向に重ね合わされた複数の発電セル１２に対し、酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体が、それぞれ矢印Ａ方向に供給される。

酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔２２ａから第２金属セパレータ２０の酸化剤ガス流路４４に導入され、電解質膜・電極構造体１６のカソード側電極３２に沿って重力方向に移動する。

その際、第２金属セパレータ２０の面２０ａでは、酸化剤ガス供給連通孔２２ａを流れる酸化剤ガスは、複数の受け部５０ａ間を通って入口バッファ部４６ａに供給される。この入口バッファ部４６ａに供給された酸化剤ガスは、矢印Ｂ方向に分散されるとともに、酸化剤ガス流路４４を構成する複数の波状流路溝４４ａに沿って鉛直下方向に流動し、電解質膜・電極構造体１６のカソード側電極３２に供給される。

一方、燃料ガスは、図１及び図３に示すように、第１金属セパレータ１８の面１８ｂにおいて、燃料ガス供給連通孔２４ａから複数の供給孔部４２ａを通って面１８ａ側に供給される。この燃料ガスは、受け部４０ａ間を通って入口バッファ部３６ａに導入される。入口バッファ部３６ａで矢印Ｂ方向に分散された燃料ガスは、燃料ガス流路３４を構成する複数の波状流路溝３４ａに沿って鉛直下方向に移動し、電解質膜・電極構造体１６のアノード側電極３０に供給される。

従って、各電解質膜・電極構造体１６では、カソード側電極３２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、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる（図２参照）。

次いで、カソード側電極３２に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路４４の下部に連通する出口バッファ部４６ｂに送られる。さらに、酸化剤ガスは、出口バッファ部４６ｂから複数の受け部５０ｂ間に沿って酸化剤ガス排出連通孔２２ｂに排出される。

同様に、アノード側電極３０に供給されて消費された燃料ガスは、図１及び図３に示すように、燃料ガス流路３４の下部に連通する出口バッファ部３６ｂに送られた後、複数の受け部４０ｂ間を流れる。燃料ガスは、複数の排出孔部４２ｂを通って面１８ｂ側に移動し、燃料ガス排出連通孔２４ｂに排出される。

また、冷却媒体は、冷却媒体供給連通孔２６ａから第１及び第２金属セパレータ１８、２０間の冷却媒体流路５４に導入された後、矢印Ｂ方向（水平方向）に沿って流動する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１６を冷却した後、冷却媒体排出連通孔２６ｂから排出される。

この場合、本実施形態では、図４に示すように、冷却媒体は、冷却媒体供給連通孔２６ａから複数の連結流路６６ａを通って冷却媒体流路５４に供給されている。その際、冷却媒体供給連通孔２６ａの上端側には、第１シール部材６２を構成する内側シール部６２ｃとバッファ部５６ａとの間にエア抜き流路６８が設けられるとともに、前記エア抜き流路６８の開口断面積は、前記連結流路６６ａの開口断面積よりも小さく設定されている。

従って、冷却媒体は、冷却媒体供給連通孔２６ａから各連結流路６６ａを通って冷却媒体流路５４に供給されるとともに、前記冷却媒体に混在するエアは、前記冷却媒体供給連通孔２６ａの上方に移動し、エア抜き流路６８を通ってエア抜き孔５８に円滑且つ確実に排出される。なお、運転中において、エア抜き孔５８には、常に冷却媒体が流れている。

しかも、冷却媒体は、エア抜き流路６８への導入が抑制されるため、電解質膜・電極構造体１６の発電面に沿って供給される冷却媒体の流量が減少することを阻止することが可能になる。これにより、簡単な構成で、所望の冷却機能を確実に保持することができるという効果が得られる。

なお、本実施形態では、エア抜き流路６８の幅寸法Ｈ１を連結流路６６ａの幅寸法Ｈ２よりも小さく設定しているが、これに限定されるものではない。例えば、エア抜き流路６８の深さを、連結流路６６ａの深さよりも浅く設定してもよい。

本発明の実施形態に係る燃料電池を構成する発電セルの分解斜視図である。 前記燃料電池の断面説明図である。 前記発電セルを構成する第１金属セパレータの一方の正面図である。 前記第１金属セパレータの他方の正面図である。

符号の説明

１０…燃料電池 １２…発電セル
１６…電解質膜・電極構造体 １８、２０…金属セパレータ
２２ａ…酸化剤ガス供給連通孔 ２２ｂ…酸化剤ガス排出連通孔
２４ａ…燃料ガス供給連通孔 ２４ｂ…燃料ガス排出連通孔
２６ａ…冷却媒体供給連通孔 ２６ｂ…冷却媒体排出連通孔
２８…固体高分子電解質膜 ３０…アノード側電極
３２…カソード側電極 ３４…燃料ガス流路
３６ａ、４６ａ…入口バッファ部 ３６ｂ、４６ｂ…出口バッファ部
４２ａ…供給孔部 ４２ｂ…排出孔部
４４…酸化剤ガス流路 ５４…冷却媒体流路
５８…エア抜き孔 ６２、６４…シール部材
６２ａ〜６２ｄ…シール部 ６６ａ、６６ｂ…連結流路
６８…エア抜き流路

Claims (4)

1. 電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体と、セパレータとを積層し、電極面に沿って重力方向に反応ガスを供給する反応ガス流路が形成されるとともに、水平方向に向かって冷却媒体を供給する冷却媒体流路が形成される燃料電池であって、
   前記セパレータは、積層方向に冷却媒体を流す冷却媒体連通孔と、
   前記冷却媒体連通孔を前記冷却媒体流路に連通する連結流路と、
   前記冷却媒体連通孔の上部に連通し、前記冷却媒体流路を形成するシール部材に沿って前記冷却媒体流路の上方に延在するエア抜き流路と、
   を設けるとともに、
   前記エア抜き流路の開口断面積は、前記連結流路の開口断面積よりも小さく設定され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、前記セパレータは、前記シール部材が一体成形される金属セパレータであることを特徴とする燃料電池。
3. 請求項２記載の燃料電池において、前記反応ガス流路の上部及び下部には、上部バッファ部及び下部バッファ部が設けられるとともに、
   前記エア抜き流路は、前記冷却媒体連通孔の上部から前記上部バッファ部の裏面形状に沿って設けられることを特徴とする燃料電池。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記反応ガス流路の上方には、前記エア抜き流路に連通するエア抜き孔が積層方向に貫通して設けられることを特徴とする燃料電池。

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