JP2008287944A - 燃料電池のガス流路形成部材および燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】電池セル内において水の溜まる量を少なくする。
【解決手段】電池セル内のガス流路にラスカットメタルからなるガス流路形成部材１２を配置する。このガス流路形成部材１２は、ラスカット前の板材の表面を親水性、裏面を疎水性とすることで、ラスカット後の梁部は、表面側が親水性、裏面側が疎水性となっている。これによって、開口を形成する梁部が一部親水性、一部疎水性となり、開口を覆う水膜の形成を防止してここに溜まる水の量を少なくできる。
【選択図】図６

Description

本発明は、燃料電池セルにおいて反応用のガスを流通させるためのガス流路を形成する燃料電池のガス流路形成部材およびこれを使用する燃料電池に関する。

従来より、燃料電池について各種の提案がなされている。燃料電池は、通常複数の電池セルを積層して構成され、１つの電池セルは膜電極接合体（ＭＥＡ）の両側にガス流路を介し配置される一対のセパレータからなっている。このような燃料電池セルにおいて、ガスの流通を効果的に行うことは重要であり、このガス流路の構成について、例えば特許文献１，２の提案がある。

特許文献１では、ラスカットメタルを平面上に圧延して得られたエキスパンドメタルについて筋状の凹凸を形成したものをガス流路セパレータとＭＥＡの間にガス流路形成部材として配置している。

また、引用文献２では、ラスカットメタルをコルゲート成型機で、波形に成型したものをガス流路形成部材として利用することが示されている。

特開２００５−３１０６３３号公報 特開２００７−２６８１２号公報

このようなガス流路形成部材は、ガスをなるべくＭＥＡの全体に均一に供給することが求められる。また、電池セルのカソード側では電池反応によって生じた水が生じるため、この水を効果的に排出できることが望まれる。

本発明は、燃料電池セルにおいて反応用のガスを流通させるためのガス流路を形成する燃料電池のガス流路形成部材であって、板材を離散的にカットして、梁部を残しながら千鳥状に複数の開口部を形成したラスカットメタルを使用するとともに、ラスカット前の板材の一面を親水性、他面を疎水性とすることで、ラスカット後の梁部は、一面側が親水性、他面側が疎水性となっていることを特徴とする。

また、前記梁部は、同時にカットする横方向において上下して山部谷部を繰り返すとともに、山部の頂部または谷部の底部の一方が他方に比べて長い構造であり、同時にカットする方向と直交する縦方向に隣接する開口を形成する山部と谷部は、部分的に接続され、これによって、前記開口は、上に向かって先細りの上側台形部分と、下に向かって先細りの下側台形部分とから構成され、前記上側台形部分と下側台形部分の大きさが異なっていることが好適である。

また、前記梁部は、同時にカットする横方向において上下して山部谷部を繰り返すとともに、同時にカットする方向に直交する縦方向で隣接する開口を形成する山部と谷部は連続平面を形成する接続部で接続され、この接続部のガス流路形成部材の厚み方向に対する傾きが縦方向の一方側の領域と他方側の領域で異なっていることが好適である。

また、本発明に係る燃料電池セルは、電池反応部材の両側にガス流路を介し一対のセパレータが設けられて構成され、前記ガス流路のうち、少なくともカソード側のガス流路に上述した燃料電池のガス流路形成部材を配置することが好適である。

また、前記ガス流路形成部材の親水面が前記セパレータに向いていることが好適である。

本発明によれば、ガス流路形成部材の開口を形成する梁部の一部が疎水性、他の部分が親水性となっているため、開口を塞ぐ形で水膜が形成されにくくなる。従って、ガス流路形成部材に水が溜まりにくく、排水を促進することができる。

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。

図１は、電池セルの構成を示す断面図である。ＭＥＡ（膜電極接合体）の両側に拡散層が形成されたＭＥＧＡ（膜電極ガス拡散層接合体）１０の両側には、ガス流路形成部材１２が配置され、その外側にセパレータ１４が配置されている。また、ガス流路形成部材１２はＭＥＧＡ１０およびセパレータ１４に比べ面積が小さく、ＭＥＧＡ１０と一対のセパレータ１４周辺部をシール材１６でシールすることで、ガス流路形成部材１２が配置されているガス流路を密閉状態でシールしている。

そして、カソード側のガス流路には、酸化剤ガスとして空気（酸素含有ガス）が流通され、アノード側ガス流路には燃料ガスとして水素ガス（水素含有ガス）が供給され、これらガスがＭＥＧＡ１０内で反応し、発電電力が一対の電極間に得られる。ガス流路形成部材１２は、ステンレスなどのメタルで形成され、これが集電部材としても機能する。そして、通常はこのような電池セルが多数積層され、その両端から電池出力が得られる。

図２には、実施形態に係るガス流路形成部材１２の基本的構成が示されている。このガス流路形成部材１２は、ラスカットメタルで形成されている。すなわち、メタルの板材を離散的に千鳥状にカットすることで、図２に示すように、連結する梁部を残して千鳥状に複数の六角形の開口部を形成される。各六角形の開口の頂部は上の開口の底部を形成し、梁の連結部になっている。開口の六角形は、ほぼ正六角形であり、図における開口はハニーコーム状に配置されており、各開口の頂部の長さと底部の長さは同一になっている。

このようなガス流路形成部材１２は、梁部の面が板材の面に対し傾斜している。そして、この梁の傾斜面がセパレータ１４側に向けて下がるように、ガス流路形成部材１２が配置される。

図３は、電池セルの内側における、ガス流路形成部材１２およびセパレータ１４の構成が示されている。このように、セパレータ１４には、上辺には酸化剤ガスの入口（この例では３つ）が設けられており、下辺には酸化剤ガスの出口（この例では３つ）が設けられている。これら入口および出口は複数の電池セルのセパレータ１４を貫通するマニホールドとして構成され、このマニホールドとガス流路がセパレータ１４に設けられた多数の通路で連通している。

そこで、この図３では、酸化剤ガス入口からの流入するガスがガス流路形成部材１２中を通過して下方に向けて流れ、酸化剤ガス出口から排出される。なお、ＭＥＧＡ１０の反対側のガス流路には、燃料ガス（水素ガス）が供給される。例えば、燃料ガスの入口、出口用のマニホールドは、酸化剤ガスのマニホールドのない部分に配置されており、同様にガス流路を入口側から出口側に燃料ガスが流れる。

本実施形態においては、ガス流路形成部材１２について、一方の面を親水性、他方の面を疎水性とする。すなわち、図２のガス流路形成部材１２であれば、上方向から刃によって順次カットするが、もともとの板材について、表面（一面）を親水性、裏面（他面）を疎水性としておく。これによって、ラスカット後のガス流路形成部材１２についても、表面側が親水性、裏面側が疎水性になる。

図４、５には、このようなガス流路形成部材１２の説明図が示されている。このように、板材の表面側を親水性、裏面側を疎水性となるように処理する。そして、この板材をラスカット刃によって、順次位相をずらし千鳥状にカットしていく。これによって、ラスカット後に得られる梁部も表面側が親水性、裏面側が疎水性になる。従って、１つの開口を形成する梁部は、３辺の表面が親水性、３辺の表面が疎水性となる。このように、開口を形成する壁面の水に対する性状が異なることで、開口全体を覆う水膜が形成されづらくなり、開口が水膜で覆われて閉じられてしまうことを効果的に防止することができる。

図６には、セパレータ１４側から見たガス流路形成部材１２の様子を示してある。このように、開口の六角形は、２段の梁部から形成され、裏面側が疎水性で、表面側が親水性であることで、開口に水膜が貼ることを防止することができる。

本実施形態においては、セパレータ１４側に親水性の表面を位置させ、ＭＥＧＡ１０側に疎水性表面を位置させている。これによって、ＭＥＧＡ１０に水が付着しにくくなり電池反応を効果的なものにできる。しかし、開口への水膜形成を阻害すれば水排出は促進できるため、表裏は反対でも問題ない。

なお、板材の表面に対する親水性は、ショットブラストや、液体ホーニングなどで構造的に親水度を増加する方法を採ってもよいし、ＯＨ基などの親水性の官能基を有する材料のコーティングや、材料自体を親水性に改質してもよい。また、疎水性（撥水性）の付与は、Ｆ等の官能基を付ける化学処理などを採用することができる。親水性、疎水性の付与は、公知の各種の処理を採用することができる。

「その他の構成」
上述のように、本実施形態では、ガス流路形成部材１２は、表面側と裏面側とで親水性、疎水性と表面性状が異なっており、これによって開口が水膜で塞がれるのを効果的に防止できる。

ここで、燃料電池におけるガス流路に流れるガスの水分量は出口側に至るほど大きくなる。特に、酸化剤流路においては、発生水分量が大きくなっている。従って、ガス流路の出口側において水の排出を促進する構成を採ることが好ましい。

そこで、ガス流路形成部材１２について、その他１、その他２のような形状とすることも好適である。

「その他１の構成」
この実施形態では、図７に示すように、開口が正六角形ではなく、異形形状になっているガス流路形成部材１２を用いる。すなわち、開口は、上向きの台形と下向きの台形を接続した形になっているが、上側の台形が小さく、下側の台形が大きい。従って、上側の台形の頂部は、上側の開口の底部の一部のみと連結している。言い換えれば、図に示すようにＢ方向から見たＢ視では、連結部については、図２の構造に比べ、図７の方が短くなっている。

なお、図７の構造の場合、ガス流路形成部材１２の一方面側では、開口の頂部（長辺）のみが対向面と接触し、他方面側では、開口の底部（短辺）のみが対向面と接触する。すなわち、図７の構造において、紙面の上方からセパレータ１４を被せることによって、梁部の面は、セパレータ１４に対し傾斜することになり、前方側となる短辺の先端のみがセパレータ１４と接触する。また、ガスの流れは、基本的に図における縦方向とする。

そして、本実施形態においては、酸化剤ガスの流路における入口側に図２のガス流路形成部材１２を用い、出口側に図７のガス流路形成部材１２を用いている。これによって、入口側においては、ガス流通に対し抵抗の少ない開口である全て六角形の形状の開口を利用してガスの流通が行われる。

一方、出口側では、開口自体はいびつな形状であるが、セパレータ１４との接触部が小さくなっている。これによって、ガス流路形成部材１２と、セパレータ１４との接触部に溜まる水の量を少なくできる。

すなわち、図８に示すように、酸化剤ガス流路において、ガスの出口に向けての流れが、ガス流路形成部材１２と、セパレータ１４との接触部に当たり、ここに水が溜まりやすい。図９（Ａ）に示すように、接触部の面積が大きいと、それだけ接触部に溜まる水の量が多くなる。本実施形態では、図９（Ｂ）に示すように、この接触部の面積が小さいため、ここに溜まる水の量を少なくできる。また、セパレータ１４側に傾斜するため、ＭＥＧＡ１０側に水が溜まりにくく、電池反応が阻害されにくい。

水が溜まった部分は、燃料電池として機能できないため、溜まる水の量を少なくすることで、電池の有効面積を増やすことができ、また水をセル内から効果的に排出することができる。

なお、入口側の図２の構成と、出口側の図７の構成の割合は、任意に設定できるが、出口側の図３の構成の部分を少なくとも１０％程度形成することが好ましく、５０％でも、１００％（すべて出口側の図７の構成）でもよい。

また、酸化剤ガス流通側について、説明したが、燃料ガス流通側についても同様の構成を採ることが好適である。また、水の排出を考慮すると、ガス出口が下方に位置することが好ましいが、水はガスの流れに随伴されるため、水平方向にガスを流してもよい。

「その他２の構成」
この実施形態においては、酸化剤ガスの流路における入口側と、出口側とで、梁部の面の傾斜を変更する。

すなわち、酸化剤ガス流路において、ガスの出口に向けての流れが、ガス流路形成部材１２と、セパレータ１４との接触部に当たり、ここに水が溜まりやすい。そこで、本実施形態では、図１０に示すように、梁部の面の傾斜をガスの入口側で小さく、出口側で大きく設定する。なお、ガスの流れに対しては、入口側で角度が大きく、出口側で角度が小さくなる。

図１１に示すように、傾斜を大きくすると、それだけ水が溜まりにくくなる。燃料電池セルでは、反応生成物である水がＭＥＧＡ１０の全体から生成され、これが流通するガスに随伴されるため、出口側において水が溜まりやすい。本実施形態によれば、出口側において傾斜が大きくなっているため、水が溜まりにくくなっており、全体として水が溜まりにくい。また、入口側では、傾斜が小さいことで、ガス流れを十分整流して、ＭＥＧＡ１０に対し全体的にガスを拡散することができる。また、セパレータ１４側に傾斜するため、ＭＥＧＡ１０側に水が溜まりにくく、電池反応が阻害されにくい。

傾斜角度θは、入口側で０〜３０度、中間部分で３０〜６０度、出口側で６０〜９０度程度に設定することが好適である。また、図に示すように、ガス流路形成部材１２の梁部は、セパレータ１４に向けて傾斜することが好適である。

水が溜まった部分は、燃料電池として機能できないため、溜まる水の量を少なくすることで、電池の有効面積を増やすことができ、また水をセル内から効果的に排出することができる。

また、酸化剤ガス流通側について、説明したが、燃料ガス流通側についても同様の構成を採ることが好適である。また、水の排出を考慮すると、ガス出口が下方に位置することが好ましいが、水はガスの流れに随伴されるため、水平方向にガスを流してもよい。

なお、梁部の傾きは、ラスカットの際の刃の向きを変更することで容易に行うことができる。この傾きは、１段ごとに順次変更してもよいし、複数段階（例えば、３段階）で変更してもよい。

このように、その他１、その他２の構成を上述の実施形態の構成を組み合わせることで、排水性をさらに向上することができる。

電池セルの断面図である。 ガス流路形成部材の構成例を示す図である。 セパレータおよびガス流路形成部材の構成を示す図である。 ガス流路形成部材の形成の様子を示す図である。 ラスカット刃による流路形成部材の形成の様子を示す図である。 ガス流路形成部材の構成例を示す図である。 その他１のガス流路形成部材の構成例を示す図である。 その他１のガス流路形成部材へ溜まる水の状態を示す図である。 その他１のガス流路形成部材へ溜まる水の状態を示す図である。 その他２のガス流路形成部材の傾きを示す図である。 その他２ガス流路形成部材へ溜まる水の状態を示す図である。

符号の説明

１０ ＭＥＧＡ、１２ ガス流路形成部材、１４ セパレータ、１６ シール材。

Claims (5)

1. 燃料電池セルにおいて反応用のガスを流通させるためのガス流路を形成する燃料電池のガス流路形成部材であって、
   板材を離散的にカットして、梁部を残しながら千鳥状に複数の開口部を形成したラスカットメタルを使用するとともに、
   ラスカット前の板材の一面を親水性、他面を疎水性とすることで、ラスカット後の梁部は、一面側が親水性、他面側が疎水性となっていることを特徴とする燃料電池のガス流路形成部材。
2. 請求項１に記載の燃料電池のガス流路形成部材において、
   前記梁部は、同時にカットする横方向において上下して山部谷部を繰り返すとともに、山部の頂部または谷部の底部の一方が他方に比べて長い構造であり、同時にカットする方向と直交する縦方向に隣接する開口を形成する山部と谷部は、部分的に接続され、
   これによって、前記開口は、上に向かって先細りの上側台形部分と、下に向かって先細りの下側台形部分とから構成され、前記上側台形部分と下側台形部分の大きさが異なっていることを特徴とする燃料電池のガス流路形成部材。
3. 請求項１又は２に記載の燃料電池のガス流路形成部材において、
   前記梁部は、同時にカットする横方向において上下して山部谷部を繰り返すとともに、同時にカットする方向に直交する縦方向で隣接する開口を形成する山部と谷部は連続平面を形成する接続部で接続され、
   この接続部のガス流路形成部材の厚み方向に対する傾きが縦方向の一方側の領域と他方側の領域で異なっていることを特徴とする燃料電池のガス流路形成部材。
4. 請求項１〜３のいずれか１つに記載の燃料電池のガス流路形成部材を使用する燃料電池であって、
   燃料電池セルは、電池反応部材の両側にガス流路を介し一対のセパレータが設けられて構成され、
   前記ガス流路のうち、少なくともカソード側のガス流路に請求項１〜３のいずれか１つに記載の燃料電池のガス流路形成部材を配置することを特徴とする燃料電池。
5. 請求項４に記載の燃料電池であって、
   前記ガス流路形成部材の親水面が前記セパレータに向いていることを特徴とする燃料電池。