JP2010003541A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】金属セパレータの両面に燃料ガス流路と酸化剤ガス流路とが設けられるとともに、特に前記燃料ガス流路から効率的且つ確実に排水することを可能にする。
【解決手段】燃料電池スタック１０を構成する発電ユニット１２は、第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂ間に、第２金属セパレータ１８を介装する。第２金属セパレータ１８に設けられる第１燃料ガス流路４２は、複数の第１燃料ガス流路溝部４２ａを有するとともに、前記第１燃料ガス流路溝部４２ａの出口側には、出口バッファ部４４ｂに連通する出口絞り部４２ｃが設けられる。出口絞り部４２ｃは、出口バッファ部４４ｂに向かって流路幅寸法及び流路深さが減少するとともに、前記流路深さは、前記出口バッファ部４４ｂの深さと同一に設定されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、電解質の両側に一対の電極が配設される少なくとも第１及び第２電解質・電極構造体を有し、前記第１及び第２電解質・電極構造体間に介装される単一の金属セパレータは、前記第１電解質・電極構造体に向かう面に燃料ガス流路を有する一方、前記第２電解質・電極構造体に向かう面に酸化剤ガス流路を有する燃料電池スタックに関する。

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固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池では、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒層と多孔質カーボンからなる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（電解質・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、単位セルが構成されている。通常、この単位セル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。

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。

この場合、上記の反応ガス流路内には、凝縮水や反応による生成水が滞留し易く、燃料ガスや酸化剤ガスがアノード側電極やカソード側電極に良好に供給されないおそれがある。

そこで、例えば、特許文献１に開示されているセパレータが知られている。具体的には、図９に示すように、セパレータ１は、ガス入口２に連なる集合部３を有するとともに、前記集合部３から複数の分岐路４が櫛歯状に延在している。各分岐路４は、排水溝５を介して集合部６に連通するとともに、前記集合部６がガス出口７に連通している。

排水溝５は、分岐路４よりも小さな断面積に設定されており、前記排水溝５を通るガスの流速が大きくなるため、結露水が集合部６に送り込まれてガス出口７から排出される、としている。

特開２００６−４７０２号公報

しかしながら、上記の従来技術では、小断面積の排水溝５が集合部６に連通するため、この集合部６に供給されるガスの流速が低下してしまう。これにより、集合部６に送り込まれた結露水をガス出口７に確実に排出することができないという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、金属セパレータの両面に燃料ガス流路と酸化剤ガス流路とが設けられるとともに、特に前記燃料ガス流路から効率的且つ確実に排水することが可能な燃料電池スタック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少なくとも第１及び第２電解質・電極構造体を有し、前記第１及び第２電解質・電極構造体間に介装される単一の金属セパレータは、前記第１電解質・電極構造体に向かう面に燃料ガス流路を有する一方、前記第２電解質・電極構造体に向かう面に酸化剤ガス流路を有する燃料電池スタックに関するものである。

燃料ガス流路は、少なくとも燃料ガス出口側に出口バッファ部に連通する絞り部を設けるとともに、前記絞り部は、流路幅寸法及び流路深さが減少し且つ該流路深さが前記出口バッファ部の深さと同一に設定されている。

また、酸化剤ガス流路は、少なくとも酸化剤ガス出口側に出口バッファ部に連通し且つ絞り部の裏面形状によって拡開する拡開部を設けることが好ましい。

さらに、燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路は、蛇行する波形状流路に構成されることが好ましい。

本発明では、燃料ガス流路の少なくとも燃料ガス出口側に絞り部が設けられるため、流速が増加するとともに、圧力損失が高くなり、セパレータ面内の排水性が良好に向上する。

しかも、絞り部の流路深さは、出口バッファ部の深さと同一に設定されている。従って、反応生成水は、絞り部から出口バッファ部に円滑且つ効率的に排出されることが可能になる。

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池スタック１０の分解斜視説明図である。図２は、燃料電池スタック１０の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面図であり、図３は、前記燃料電池スタック１０の、図１中、ＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。

燃料電池スタック１０は、複数の発電ユニット１２を矢印Ａ方向（水平方向）に積層して構成される（図２及び図３参照）。発電ユニット１２は、第１金属セパレータ１４、第１電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）１６ａ、第２金属セパレータ１８、第２電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）１６ｂ及び第３金属セパレータ２０の順に積層される。

図１に示すように、発電ユニット１２の長辺方向（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２４ａが設けられる。

発電ユニット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２２ｂが設けられる。

発電ユニット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、前記発電ユニット１２の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。

第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、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２８と、前記固体高分子電解質膜２８を挟持するカソード側電極３０及びアノード側電極３２とを備える。カソード側電極３０及びアノード側電極３２は、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し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２８の両面に形成される。

図１及び図５に示すように、第１金属セパレータ１４の第１電解質膜・電極構造体１６ａに向かう面１４ａ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とを連通する第１酸化剤ガス流路３４が形成される。

第１酸化剤ガス流路３４は、矢印Ｃ方向（長辺方向）に蛇行して延在する複数の波形状の第１酸化剤ガス流路溝部３４ａを有する。第１酸化剤ガス流路３４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（凸部）を有する。

第１金属セパレータ１４の面１４ｂと、隣接する第３金属セパレータ２０の面２０ｂとの間には、第１酸化剤ガス流路３４の裏面形状に対応して冷却媒体供給連通孔２６ａと冷却媒体排出連通孔２６ｂとを連通する第１冷却媒体流路４０ａが形成される。

図６に示すように、第２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、燃料ガス供給連通孔２４ａと燃料ガス排出連通孔２４ｂとを連通する第１燃料ガス流路４２が形成される。

第１燃料ガス流路４２は、矢印Ｃ方向（長辺方向）に蛇行して延在する複数の波形状の第１燃料ガス流路溝部４２ａを有する。第１燃料ガス流路４２の矢印Ｃ方向上端及び下端に位置して入口バッファ部４４ａ及び出口バッファ部４４ｂが設けられる。入口バッファ部４４ａ及び出口バッファ部４４ｂは、複数のエンボス（凸部）を有する。

第１燃料ガス流路溝部４２ａの入口側と出口側とには（少なくとも出口側には）、入口バッファ部４４ａに連通する入口絞り部４２ｂと出口バッファ部４４ｂに連通する出口絞り部４２ｃとが設けられる。

図３及び図４に示すように、出口絞り部４２ｃは、出口バッファ部４４ｂに向かって流路幅寸法及び流路深さが減少するとともに、前記流路深さは、前記出口バッファ部４４ｂの深さと同一に設定される。入口絞り部４２ｂは、同様に入口バッファ部４４ａに向かって流路幅寸法及び流路深さが減少するとともに、前記流路深さは、前記入口バッファ部４４ａの深さと同一に設定される。

第２金属セパレータ１８の第２電解質膜・電極構造体１６ｂに向かう面１８ｂには、図７に示すように、酸化剤ガス供給連通孔２２ａと酸化剤ガス排出連通孔２２ｂとを連通する第２酸化剤ガス流路４８が形成される。第２酸化剤ガス流路４８は、矢印Ｃ方向（長辺方向）に蛇行して延在する複数の波形状の第２酸化剤ガス流路溝部４８ａを有する。

第２酸化剤ガス流路４８の矢印Ｃ方向上端及び下端に位置して入口バッファ部５０ａ及び出口バッファ部５０ｂが設けられる。入口バッファ部５０ａ及び出口バッファ部５０ｂは、複数のエンボス（凸部）を設ける。

第２酸化剤ガス流路溝部４８ａの入口側と出口側とには、入口バッファ部５０ａに連通する入口拡開部４８ｂと、出口バッファ部５０ｂに連通する出口拡開部４８ｃとが設けられる。入口拡開部４８ｂは、入口絞り部４２ｂの裏面形状によって入口バッファ部５０ａに向かって拡開する一方、出口拡開部４８ｃは、出口絞り部４２ｃの裏面形状によって出口バッファ部５０ｂに向かって拡開する（図３及び図４参照）。

図８に示すように、第３金属セパレータ２０の第２電解質膜・電極構造体１６ｂに向かう面２０ａには、燃料ガス供給連通孔２４ａと燃料ガス排出連通孔２４ｂとを連通する第２燃料ガス流路５４が形成される。

第２燃料ガス流路５４は、矢印Ｃ方向（長辺方向）に蛇行して延在する複数の波形状の第２燃料ガス流路溝部５４ａを有する。第２燃料ガス流路５４の矢印Ｃ方向上端及び下端に位置して入口バッファ部５６ａ及び出口バッファ部５６ｂが設けられる。入口バッファ部５６ａ及び出口バッファ部５６ｂは、複数のエンボス（凸部）を設ける。

なお、第１酸化剤ガス流路３４は、上記の第２酸化剤ガス流路４８と同様に構成してもよい。同様に、第２燃料ガス流路５４は、上記の第１燃料ガス流路４２と同様に構成してもよい。

第３金属セパレータ２０の面２０ｂと、隣接する第１金属セパレータ１４の面１４ｂ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とを連通する第２冷却媒体流路４０ｂが形成される（図１参照）。

第１金属セパレータ１４、第２金属セパレータ１８及び第３金属セパレータ２０の面には、第１シール部材６０、第２シール部材６２及び第３シール部材６４が一体成形される。

このように構成される燃料電池スタック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、燃料電池スタック１０を構成する各発電ユニット１２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、例えば、空気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、例えば、純水素が供給される。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。

酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔２２ａから第１金属セパレータ１４の第１酸化剤ガス流路３４及び第２金属セパレータ１８の第２酸化剤ガス流路４８に導入される。このため、酸化剤ガスは、第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂの各カソード側電極３０に沿って鉛直下方向に移動する。

一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔２４ａから第２金属セパレータ１８の第１燃料ガス流路４２及び第３金属セパレータ２０の第２燃料ガス流路５４に導入される。従って、燃料ガスは、第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂの各アノード側電極３２に沿って鉛直下方向に移動する。

上記のように、第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂでは、各カソード側電極３０に供給される酸化剤ガスと、各アノード側電極３２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、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２２ｂに排出される。同様に、アノード側電極３２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に排出される。

また、冷却媒体は、各発電ユニット１２間に形成される第１及び第２冷却媒体流路４０ａ、４０ｂに導入される。冷却媒体は、矢印Ｂ方向（図１中、水平方向）に沿って流動し、一方の発電ユニット１２の第２電解質膜・電極構造体１６ｂと他方の発電ユニット１２の第１電解質膜・電極構造体１６ａとを冷却する。すなわち、冷却媒体は、発電ユニット１２内の第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂ間を冷却しない、所謂、間引き冷却した後、冷却媒体排出連通孔２６ｂに排出される。

この場合、本実施形態では、図３、図４及び図６に示すように、第２金属セパレータ１８の面１８ａには、第１燃料ガス流路４２を構成する複数の第１燃料ガス流路溝部４２ａが設けられるとともに、前記第１燃料ガス流路溝部４２ａの出口側には、出口バッファ部４４ｂに連通する出口絞り部４２ｃが設けられている。

このため、出口絞り部４２ｃで燃料ガスの流速が増加し、生成水の排出性が良好に向上するとともに、電極面圧の減少を抑制することができる。

具体的には、図２及び図３に示すように、第１燃料ガス流路溝部４２ａ及び出口絞り部４２ｃの流量が一定であるとすると、前記第１燃料ガス流路溝部４２ａの流路断面積Ａ_Nと前記出口絞り部４２ｃの流路断面積Ａ_Sとは、Ａ_N＞Ａ_Sの関係を有する。

さらに、第１燃料ガス流路溝部４２ａの水力直径Ｄ_Nと出口絞り部４２ｃの水力直径Ｄ_Sとは、Ｄ_N＞Ｄ_Sの関係を有するとともに、前記第１燃料ガス流路溝部４２ａの流速Ｖ_Nと前記出口絞り部４２ｃの流速Ｖ_Sとは、Ｖ_S＞Ｖ_Nの関係を有する。

そして、圧力損失ΔＰ＝λ×（Ｌ／Ｄ）×（ρＶ²／２）の関係から、第１燃料ガス流路溝部４２ａの圧力損失ΔＰ_Nと出口絞り部４２ｃの圧力損失ΔＰ_Sとは、ΔＰ_S＞ΔＰ_Nとなり、高い圧力損失が得られる。

しかも、図３及び図４に示すように、出口絞り部４２ｃは、出口バッファ部４４ｂに向かって流路幅寸法及び流路深さが減少するとともに、前記流路深さは、前記出口バッファ部４４ｂの深さと同一に設定されている。従って、反応生成水は、出口絞り部４２ｃから出口バッファ部４４ｂに円滑且つ効率的に排出されることが可能になるという効果が得られる。

特に、燃料ガスとして、純水素が用いられる場合、第１燃料ガス流路溝部４２ａの出口バッファ部４４ｂ側の燃料ガス流量が少なく、しかも固体高分子電解質膜２８を介した水の逆拡散により第２酸化剤ガス流路４８側の生成水が流れている。固体高分子電解質膜２８の膜厚が薄く（例えば、５０μｍ）なると、逆拡散水の量が増加する。このため、上記の効果が一層顕著になる。

また、図３及び図７に示すように、第２金属セパレータ１８の面１８ｂには、第２酸化剤ガス流路４８を構成する複数の第２酸化剤ガス流路溝部４８ａが設けられるとともに、前記第２酸化剤ガス流路溝部４８ａの出口側には、出口バッファ部５０ｂに連通する出口拡開部４８ｃが設けられている。

これにより、第２酸化剤ガス流路溝部４８ａの出口側で圧損が減少し、特に酸化剤ガスを供給するためのポンプ（図示せず）等の出力を低下させることができ、経済的である。その際、第２酸化剤ガス流路溝部４８ａの入口側には、入口バッファ部５０ａに連通する入口拡開部４８ｂが設けられている。このため、第２酸化剤ガス流路溝部４８ａに供給される酸化剤ガスの流量が良好に増加され、排水性の向上が容易に図られる。特に酸化剤ガスとして、空気が使用される場合、第２酸化剤ガス流路溝部４８ａの出口側でも窒素が残存している。従って、酸化剤ガスの流量が増加されることにより、生成水を円滑に排出することができる。

なお、本実施形態では、第１燃料ガス流路４２及び第２酸化剤ガス流路４８は、蛇行する複数の波形状流路に構成されているが、これに限定されるものではなく、例えば、複数の直線状流路に構成されていてもよい。

本発明の実施形態に係る燃料電池スタックの分解斜視説明図である。 前記燃料電池スタックの、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面図である。 前記燃料電池スタックの、図１中、ＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。 前記燃料電池スタックを構成する第２金属セパレータの絞り部及び拡開部の説明図である。 前記燃料電池スタックを構成する第１金属セパレータの正面説明図である。 前記第２金属セパレータの一方の面の説明図である。 前記第２金属セパレータの他方の面の説明図である。 前記燃料電池スタックを構成する第３金属セパレータの正面説明図である。 特許文献１のセパレータの説明図である。

符号の説明

１０…燃料電池スタック １２…発電ユニット
１４、１８、２０…金属セパレータ １６ａ、１６ｂ…電解質膜・電極構造体
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…カソード側電極
３２…アノード側電極 ３４、４８…酸化剤ガス流路
３４ａ、４８ａ…酸化剤ガス流路溝部
３６ａ、４４ａ、５０ａ、５６ａ…入口バッファ部
３６ｂ、４４ｂ、５０ｂ、５６ｂ…出口バッファ部
４０ａ、４０ｂ…冷却媒体流路 ４２、５４…燃料ガス流路
４２ａ、５４ａ…燃料ガス流路溝部 ４２ｂ…入口絞り部
４２ｃ…出口絞り部 ４８ｂ…入口拡開部
４８ｃ…出口拡開部

Claims (3)

1. 電解質の両側に一対の電極が配設される少なくとも第１及び第２電解質・電極構造体を有し、前記第１及び第２電解質・電極構造体間に介装される単一の金属セパレータは、前記第１電解質・電極構造体に向かう面に燃料ガス流路を有する一方、前記第２電解質・電極構造体に向かう面に酸化剤ガス流路を有する燃料電池スタックであって、
   前記燃料ガス流路は、少なくとも燃料ガス出口側に出口バッファ部に連通する絞り部を設けるとともに、
   前記絞り部は、流路幅寸法及び流路深さが減少し且つ該流路深さが前記出口バッファ部の深さと同一に設定されることを特徴とする燃料電池スタック。
2. 請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記酸化剤ガス流路は、少なくとも酸化剤ガス出口側に出口バッファ部に連通し且つ前記絞り部の裏面形状によって拡開する拡開部を設けることを特徴とする燃料電池スタック。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池スタックにおいて、前記燃料ガス流路及び前記酸化剤ガス流路は、蛇行する波形状流路に構成されることを特徴とする燃料電池スタック。

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