JP2009266828A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で、電極面内での反応生成水の結露を可及的に阻止することができ、良好な発電性能を確保することを可能にする。
【解決手段】燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体１２と、前記電解質膜・電極構造体１２を挟持する第１および第２金属製セパレータ８０、１６とを備える。第１金属製セパレータ８０には、カソード側電極３０に当接する第１平坦部８２、第２平坦部８４が交互に設けられ、これら第１平坦部８２、第２平坦部８４同士の間の凹状部８６が、酸化剤ガス流路３６として機能する。第２平坦部８４は、第１平坦部８２に比して短尺に構成される。
【選択図】図１０

Description

本発明は、固体高分子電解質膜の両側にそれぞれ電極を設けた電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体を挟持するとともに、各電極に対向する面にそれぞれ所定の反応ガスを供給する反応ガス流路が形成された一組の金属製セパレータとを備え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（陽イオン交換膜）からなる固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒と多孔質カーボンからなるアノード側電極およびカソード側電極を対設して構成される電解質膜・電極構造体を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持することにより構成されている。通常、この燃料電池を所定数だけ積層した燃料電池スタックが使用されている。

この種の燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス（反応ガス）、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）は、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス（反応ガス）、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成される。

上記の燃料電池では、セパレータの面内に、アノード側電極に対向して燃料ガスを流すための燃料ガス流路（反応ガス流路）と、カソード側電極に対向して酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路（反応ガス流路）とが設けられている。また、セパレータ間には、必要に応じて冷却媒体を流すための冷却媒体流路が前記セパレータの面方向に沿って設けられている。

この種のセパレータは、通常、カーボン系材料で構成されているが、前記カーボン系材料では、強度等の要因で薄肉化が図れないという不具合が指摘されている。そこで、最近、この種のカーボン製セパレータよりも強度に優れかつ薄肉化が容易な金属薄板製のセパレータ（以下、金属製セパレータともいう）を用い、この金属製セパレータにプレス加工を施して所望の反応ガス流路を成形することにより、該金属製セパレータの厚さの減少を図って燃料電池全体を小型化かつ軽量化する工夫がなされている（例えば、特許文献１参照）。

例えば、図１１に示す燃料電池１は、アノード側電極２とカソード側電極３との間に電解質膜４が介装されることにより構成された電解質膜・電極構造体５と、前記電解質膜・電極構造体５を挟持する一組の金属製のセパレータ６ａ、６ｂとを備えている。

セパレータ６ａには、アノード側電極２に対向する面に燃料ガス（例えば、水素含有ガス）を供給するための燃料ガス流路７ａが設けられる一方、セパレータ６ｂには、カソード側電極３に対向する面に酸化剤ガス（例えば、空気等の酸素含有ガス）を供給するための酸化剤ガス流路７ｂが設けられている。セパレータ６ａ、６ｂには、アノード側電極２およびカソード側電極３に当接する平坦部８ａ、８ｂが設けられるとともに、前記平坦部８ａ、８ｂの裏面（当接面とは反対の面）側には、冷却媒体を流すための冷却媒体流路９ａ、９ｂが形成されている。

国際公開第０１／５９８６４号パンフレット（特に、第３頁第２行〜第１３行）

しかしながら、上記の酸化剤ガス流路７ｂおよび燃料ガス流路７ａでは、生成水の発生や反応ガスの消費等により、入口側から出口側に向かうにつれて相対湿度が上昇してしまう。このため、出口側が入口側よりも結露し易くなり、薄肉でかつ裏面に沿って冷却媒体が流れる金属製のセパレータ６ａ、６ｂでは、冷却効率が高くなって高湿度状態で結露が発生してしまう。

特に、反応ガス出口側の平坦部８ａ、８ｂでは、裏面側に冷却媒体が直接流れているために当接面側が結露し易くなるとともに、反応ガスの流速が低下しているために結露水が排出され難く、滞留する場合が多い。従って、電解質膜・電極構造体５には、反応ガス出口側の平坦部８ａ、８ｂが当接する部分に対応して滞留水が発生し、この滞留水により反応ガスが拡散されない部分、すなわち、未反応面部分Ｓが存在してしまう。これにより、電解質膜・電極構造体５では、触媒反応に有効な面積が減少してしまい、良好かつ効率的な発電性能を維持することができないという問題が指摘されている。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、電極面内での反応生成水の結露を可及的に阻止することができ、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を目的とする。

本発明の請求項１に係る燃料電池では、固体高分子電解質膜の両側にそれぞれ電極を設けた電解質膜・電極構造体を、一組の金属製セパレータで挟持するとともに、前記金属製セパレータは、それぞれの電極に当接する平坦部と、前記平坦部を挟んで前記電極から離間することにより、反応ガス流路を形成する凹状部とを備えている。そして、平坦部は、反応ガス流路の上流から下流に向かって、電極に当接する幅寸法が小さくなるように設定されている。

このため、例えば、生成水が多く発生して相対湿度が高くなり易い反応ガス流路の下流側では、金属製セパレータが電極に当接する面積を大幅に削減することができる。さらに、冷却媒体が電極に接する面積も小さくなり、電極面が冷却され難くなって結露の発生を抑制することが可能になる。これにより、滞留水による電極面の未反応面部分を有効に削減して前記電極面の反応有効面積を良好に確保することができ、濃度過電圧の上昇を抑えることが可能になる。

一方、反応ガス流路の上流側では、相対湿度が低いために結露し難い。従って、金属製セパレータが電極に当接する平坦部の面積を大きく設定することにより、抵抗過電圧を有効に低減することが可能になる。このため、簡単な構成で、燃料電池の良好な発電性能を確実に維持することができる。

本発明に係る燃料電池では、例えば、生成水が多く発生して相対温度が高くなり易い反応ガス流路の下流側で、金属製セパレータが電極に当接する面積を大幅に削減することができる。これにより、滞留水による電極面の未反応面部分を有効に削減して前記電極面の反応有効面積を良好に確保することが可能になり、濃度過電圧の上昇を抑えることができる。

一方、反応ガス流路の上流側では、相対湿度が低いために結露し難い。従って、金属製セパレータが電極に当接する平坦部の面積を大きく設定することにより、抵抗過電圧を有効に低減することが可能になる。このため、簡単な構成で、燃料電池の良好な発電性能を確実に維持することができる。

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第１金属製セパレータの正面説明図である。 前記第１金属製セパレータの一部拡大斜視図である。 図３中、Ｖ−Ｖ線断面図である。 図３中、ＶＩ−ＶＩ線断面図である。 前記燃料電池を構成する第２金属製セパレータの正面説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を構成する第１金属製セパレータの一部拡大斜視図である。 前記第１金属製セパレータの一部断面説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池を構成する第１金属製セパレータの正面説明図である。 従来技術に係る燃料電池の一部断面説明図である。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０の要部分解斜視図である。

燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体１２と、前記電解質膜・電極構造体１２を挟持する第１および第２金属製セパレータ１４、１６とを備える。電解質膜・電極構造体１２と第１および第２金属製セパレータ１４、１６との間には、後述する連通孔の周囲および電極面（発電面）の外周を覆って、ガスケット等のシール部材１８が介装されている。

電解質膜・電極構造体１２と第１および第２金属製セパレータ１４、１６の矢印Ｂ方向の一端縁部には、積層方向である矢印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２０ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔２２ｂ、および燃料ガス、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２４ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。

電解質膜・電極構造体１２と第１および第２金属製セパレータ１４、１６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２４ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔２２ａ、および酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔２０ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

電解質膜・電極構造体１２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てなる固体高分子電解質膜２６と、該固体高分子電解質膜２６を挟持するアノード側電極２８およびカソード側電極３０とを備える。

アノード側電極２８およびカソード側電極３０は、カーボンペーパー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を前記ガス拡散層の表面に一様に塗布した電極触媒層とをそれぞれ有する。電極触媒層は、互いに固体高分子電解質膜２６を介装して対向するように、前記固体高分子電解質膜２６の両面に接合されている。シール部材１８の中央部には、アノード側電極２８およびカソード側電極３０に対応して開口部３４が形成されている。

第１金属製セパレータ１４の電解質膜・電極構造体１２側の面１４ａには、例えば、矢印Ｂ方向に延在する複数本の溝部からなる酸化剤ガス流路３６が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路３６は、酸化剤ガス供給連通孔２０ａと酸化剤ガス排出連通孔２０ｂとに連通する。

図２および図３に示すように、第１金属製セパレータ１４は、電解質膜・電極構造体１２のカソード側電極３０に当接する平坦部３８と、前記平坦部３８を挟んで前記カソード側電極３０から離間することにより酸化剤ガス流路３６を形成する凹状部４０とを備える。平坦部３８は、第１金属製セパレータ１４にプレス成形処理等を施すことにより一体成形されており、酸化剤ガス流路３６の上流から下流に向かって（矢印Ｂ１方向）、カソード側電極３０に当接する幅寸法Ｌが小さくなるように設定される（図４参照）。

各平坦部３８は、矢印Ｃ方向に所定間隔ずつ離間しかつ矢印Ｂ方向に互いに平行に設けられており、酸化剤ガス流路３６の上流側である矢印Ｂ２方向先端側が、図５に示すように、最大幅寸法Ｌ１に設定された略台形状に構成される。平坦部３８は、酸化剤ガス流路３６の下流側である矢印Ｂ１方向先端部が、図６に示すように、最小幅寸法Ｌ２に設定された略円弧状に構成される。平坦部３８の幅寸法Ｌは、最大幅寸法Ｌ１から最小幅寸法Ｌ２に向かって連続的にあるいは段階的に小さくなるように設定される。

第２金属製セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１２側の面１６ａには、燃料ガス供給連通孔２４ａと燃料ガス排出連通孔２４ｂとに連通する燃料ガス流路４２が形成される。この燃料ガス流路４２は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の溝部を備えている。第２金属製セパレータ１６の面１６ｂには、冷却媒体供給連通孔２２ａと冷却媒体排出連通孔２２ｂとに連通する冷却媒体流路４４が形成される。この冷却媒体流路４４は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の溝部を備えている。

図７に示すように、第２金属製セパレータ１６の面１６ａ側には、電解質膜・電極構造体１２のアノード側電極２８に当接する平坦部４６と、前記平坦部４６を挟んで前記アノード側電極２８から離間することにより燃料ガス流路４２を形成する凹状部４８とが設けられる。

平坦部４６は、矢印Ｃ方向に所定間隔ずつ離間し、かつ矢印Ｂ方向に互いに平行して延在している。各平坦部４６は、燃料ガス流路４２の上流から下流に向かって（矢印Ｂ１方向）、アノード側電極２８に当接する幅寸法Ｌが小さくなるように設定される。この平坦部４６は、第１金属製セパレータ１４の平坦部３８と同様に構成されており、その詳細な説明は省略する。

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とともに、酸化剤ガス供給連通孔２０ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給連通孔２２ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。

酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔２０ａから第１金属製セパレータ１４の酸化剤ガス流路３６に導入され、電解質膜・電極構造体１２を構成するカソード側電極３０に沿って移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔２４ａから第２金属製セパレータ１６の燃料ガス流路４２に導入され、電解質膜・電極構造体１２を構成するアノード側電極２８に沿って移動する。

従って、電解質膜・電極構造体１２では、カソード側電極３０に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極２８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。

次いで、アノード側電極２８に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔２４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、カソード側電極３０に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔２０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

また、冷却媒体供給連通孔２２ａに供給された冷却媒体は、第２金属製セパレータ１６の冷却媒体流路４４に導入された後、矢印Ｂ方向に沿って流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１２を冷却した後、冷却媒体排出連通孔２２ｂから排出される。

ここで、例えば、電解質膜・電極構造体１２を構成するカソード側電極３０では、反応により生成水が発生し、この生成水が酸化剤ガスの流れ方向に沿って増加している。このため、第１金属製セパレータ１４に形成される酸化剤ガス流路３６では、出口側（酸化剤ガス排出連通孔２０ｂ側）に結露水が発生し易い。

そこで、第１の実施形態では、酸化剤ガス流路３６を構成する平坦部３８が、酸化剤ガス流路３６の上流から下流に向かってカソード側電極３０に接触する幅寸法Ｌが小さくなるように構成されている（図３および図４参照）。このため、生成水が多く発生して相対湿度が高くなり易い酸化剤ガス流路３６の下流側では、第１金属製セパレータ１４がカソード側電極３０に当接する平坦部３８の面積を大幅に削減することができる。

従って、カソード側電極３０の滞留水による未反応面部分が、図６に示すように、最小幅寸法Ｌ２まで大幅に削減される。これにより、カソード側電極３０の反応有効面積を良好に確保することが可能になり、濃度過電圧の上昇を抑えることができるという効果が得られる。

一方、酸化剤ガス流路３６の上流側では、相対湿度が低いために結露し難く、第１金属製セパレータ１４がカソード側電極３０に当接する平坦部３８の面積を大きく設定することが可能になる。このため、酸化剤ガス流路３６の上流側における抵抗過電圧を有効に低減することができるという利点がある。

これにより、第１の実施形態では、特に、第１金属製セパレータ１４が用いられる際、生成水の増加および酸化剤ガスの流速の低下に起因して結露水が排出され難い場合であっても、平坦部３８の幅寸法Ｌを上流側から下流側に向かって小さくなるように設定することにより、簡単な構成で、未反応面部分を有効に削減することができ、燃料電池１０の発電性能を確実に維持することが可能になる。

なお、第２金属製セパレータ１６に形成された燃料ガス流路４２においても同様に、燃料ガスが消費されることによって上流側に比べて下流側の相対湿度が高くなり易い。その際、図７に示すように、平坦部４６の幅寸法Ｌを、上流から下流に向かって小さくなるように設定するだけで、滞留水を大幅に削減して良好な発電性能を維持することができる。

図８は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を構成する第１金属製セパレータ６０の一部拡大斜視図であり、図９は、前記第１金属製セパレータ６０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。また、以下に説明する第３の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。

第１金属製セパレータ６０は、電解質膜・電極構造体１２を構成するカソード側電極３０に当接する平坦部６２と、前記平坦部６２を挟んで前記カソード側電極３０から離間することにより、酸化剤ガス流路３６を形成する凹状部６４とを備える。

平坦部６２は、酸化剤ガス流路３６の上流から下流に向かってカソード側電極３０に当接する幅寸法Ｌが小さくなるように設定される。平坦部６２は、下流側の最小幅寸法Ｌ２を構成するために断面多角形状に設定されるとともに、この下流側の酸化剤ガス流路３６の流路断面積が、上流側の前記酸化剤ガス流路３６の流路断面積よりも同等以下に設定されている。

これにより、第２の実施形態では、相対湿度が高くなる酸化剤ガス流路３６の下流側に最小幅寸法Ｌ２に設定された平坦部６２を設けることによって、滞留水を有効に削減して良好な発電性能を維持することができる等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

しかも、第２の実施形態では、酸化剤ガス流路３６の流路断面積が、上流から下流に向かって同等以下に設定されている。このため、酸化剤ガスの流速の低下を阻止するとともに、カソード側電極３０の全面にわたって酸化剤ガスを円滑かつ確実に供給することが可能になり、発電性能を高く維持することができるという利点がある。

図１０は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池を構成する第１金属製セパレータ８０の正面説明図である。

第１金属製セパレータ８０は、酸化剤ガスの流れ方向に平行して第１平坦部８２と第２平坦部８４とを交互に設けるとともに、前記第１および第２平坦部８２、８４間には、酸化剤ガス流路３６を形成する凹状部８６が設けられている。第１平坦部８２は、矢印Ｂ方向に長尺に構成される一方、第２平坦部８４は、上流側が前記第１平坦部８２と略同一位置に設定され、下流側が前記第１平坦部８２の途上で終端する短尺に構成されている。

このため、第３の実施形態では、第１および第２平坦部８２、８４のカソード側電極３０に接触する面積が、上流から下流に向かって減少しており、下流側での滞留水の発生を有効に削減することができる等、第１および第２の実施形態と同様の効果が得られる。

１０…燃料電池 １２…電解質膜・電極構造体
１４、１６、６０、８０…金属製セパレータ
２０ａ…酸化剤ガス供給連通孔 ２０ｂ…酸化剤ガス排出連通孔
２２ａ…冷却媒体供給連通孔 ２２ｂ…冷却媒体排出連通孔
２４ａ…燃料ガス供給連通孔 ２４ｂ…燃料ガス排出連通孔
２６…固体高分子電解質膜 ２８…アノード側電極
３０…カソード側電極 ３６…酸化剤ガス流路
３８、４６、６２、８２、８４…平坦部
４０、４８、６４…凹状部 ４２…燃料ガス流路
４４…冷却媒体流路

Claims (1)

1. 固体高分子電解質膜の両側にそれぞれ電極を設けた電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体を挟持するとともに、各電極に対向する面にそれぞれ所定の反応ガスを供給する反応ガス流路が形成された一組の金属製セパレータとを備える燃料電池であって、
   前記金属製セパレータは、前記電極に当接する平坦部と、
   前記平坦部を挟んで該電極から離間することにより、前記反応ガス流路を形成する凹状部と、
   を備えるとともに、
   前記平坦部は、前記反応ガス流路の上流から下流に向かって、前記電極に当接する幅寸法が小さくなるように設定されることを特徴とする燃料電池。

Images