JP2010015725A - 燃料電池および燃料電池用セパレータ - Google Patents

Abstract

【課題】 発電性能を向上させつつ、設計要求に応じてガス供給口からガス排出口までの流路本数を変更可能な燃料電池および燃料電池用セパレータを提供する。
【解決手段】 本発明に係る燃料電池（２００）は、膜−電極接合体（１）と、膜−電極接合体に沿って配置され、膜−電極接合体側の表面に複数の第１溝流路（６４，６６）と複数の第２溝流路（６７，６８）とが形成されたセパレータ（６０）と、を備え、複数の第１溝流路は、それぞれ一端がセパレータのガス供給口（８０）に接続され、途中で２以上の流路に分岐し、他端が閉塞されており、複数の第２溝流路は、それぞれ分岐した流路の間に形成され、一端が分岐した流路の間で閉塞され、他端がセパレータのガス排出口（８１）に接続されていることを特徴とするものである。
【選択図】 図３

Description

本発明は、燃料電池および燃料電池用セパレータに関する。

燃料電池は、一般的には水素および酸素を燃料として電気エネルギを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れており、また高いエネルギ効率を実現できることから、今後のエネルギ供給システムとして広く開発が進められてきている。

燃料電池は、例えば、プロトン伝導性を有する電解質膜を含む膜−電極接合体と、膜−電極接合体のカソード側およびアノード側の面に沿って配置された一対のセパレータと、を備える。また、セパレータの膜−電極接合体側には、ガス流路として用いられる溝が形成されている。このような燃料電池においては、カソード側のセパレータのガス流路に酸化剤ガスが供給され、アノード側のセパレータのガス流路に燃料ガスが供給される。それにより、膜−電極接合体において発電が行われる。

特許文献１には、酸化剤ガスのガス供給口にのみ連通する櫛歯状の流路と酸化剤ガスのガス排出口にのみ連通する櫛歯状の流路とが、それぞれの櫛が交互に並ぶように配置された燃料電池が記載されている。

特開２００５−１９０９８３号公報

特許文献１に記載の燃料電池によれば、セパレータの溝と溝との間（以下、リブと称する）の下側の領域（以下、リブ下領域と称する）に酸化剤ガスを流すことができるため、燃料電池の発電性能は向上すると考えられる。ここで、燃料電池の小型化を検討した場合、マニホールドの大きさに応じてセルの途中で流路本数を変更する必要がある。しかしながら、特許文献１に記載の流路構造では、ガス供給口からガス排出口までの流路本数を途中で変更することができない。したがって、特許文献１の技術では、設計要求に応じた流路本数の変更が困難である。

本発明は、発電性能を向上させつつ、設計要求に応じてガス供給口からガス排出口までの流路本数を変更可能な燃料電池および燃料電池用セパレータを提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池は、膜−電極接合体と、膜−電極接合体に沿って配置され、膜−電極接合体側の表面に複数の第１溝流路と複数の第２溝流路とが形成されたセパレータと、を備え、複数の第１溝流路は、それぞれ一端がセパレータのガス供給口に接続され、途中で２以上の流路に分岐し、他端が閉塞されており、複数の第２溝流路は、それぞれ分岐した流路の間に形成され、一端が分岐した流路の間で閉塞され、他端がセパレータのガス排出口に接続されていることを特徴とするものである。

本発明に係る燃料電池によれば、第２溝流路が第１溝流路の分岐した流路の間に形成されていることから、アノードガスおよび／またはカソードガスを効率よくガス拡散層の全体に拡散させることができる。それにより、燃料電池の発電効率を向上させることができる。また、燃料電池の小型化を検討すると、ガス供給口およびガス排出口の大きさに応じて、途中で流路本数を変更する必要が生じる。本発明に係る構成によれば、第１溝流路を途中で分岐させて流路本数を増加せることができる。したがって、設計要求に応じて、流路本数を変更することができる。

上記構成において、膜−電極接合体とセパレータとの間に親水性の多孔体流路をさらに備えていてもよい。この構成によれば、発電によって生じた生成水を親水性の多孔体流路が吸収する。それにより、フラッディングの発生が抑制される。

上記構成において、多孔体流路は、発泡金属からなってもよい。上記構成において、発泡金属の表面に金薄膜が形成されていてもよい。この構成によれば、発泡金属が親水性を有することができる。

本発明に係る燃料電池用セパレータは、膜−電極接合体に沿って配置される燃料電池用セパレータであって、膜−電極接合体側の表面に複数の第１溝流路と複数の第２溝流路とを有し、複数の第１溝流路は、それぞれ一端がセパレータのガス供給口に接続され、途中で２以上の流路に分岐し、他端が閉塞されており、複数の第２溝流路は、それぞれ分岐した流路の間に形成され、一端が分岐した流路の間で閉塞され、他端がセパレータのガス排出口に接続されていることを特徴とするものである。

本発明に係る燃料電池用セパレータによれば、第２溝流路が第１溝流路の分岐した流路の間に形成されていることから、アノードガスおよび／またはカソードガスを効率よくガス拡散層の全体に拡散させることができる。それにより、燃料電池の発電効率を向上させることができる。また、燃料電池の小型化を検討すると、ガス供給口およびガス排出口の大きさに応じて、途中で流路本数を変更する必要が生じる。本発明に係る構成によれば、第１溝流路を途中で分岐させて流路本数を増加せることができる。したがって、設計要求に応じて、流路本数を変更することができる。

本発明によれば、発電性能を向上させつつ、設計要求に応じてガス供給口からガス排出口までの流路本数を変更可能な燃料電池および燃料電池用セパレータを提供することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

図１は、本発明の実施例１に係る燃料電池２００の模式的な拡大断面図である。燃料電池２００は、膜−電極接合体１と、セパレータ６０と、セパレータ７０と、を備える。膜−電極接合体１は、電解質膜１０と、カソード触媒層２０およびアノード触媒層３０と、ガス拡散層４０およびガス拡散層５０と、を備える。電解質膜１０としては、例えばプロトン伝導性を有する固体高分子電解質が用いられる。

カソード触媒層２０およびアノード触媒層３０は、電解質膜１０の両面に配置されている。カソード触媒層２０およびアノード触媒層３０は、触媒を含有する導電性材料からなる。カソード触媒層２０およびアノード触媒層３０は、例えば白金を担持したカーボンによって構成される。カソード触媒層２０は、プロトンと酸素との反応を促進するための触媒層として機能する。アノード触媒層３０は、水素のプロトン化を促進するための触媒層として機能する。

ガス拡散層４０は、カソード触媒層２０の電解質膜１０と反対側に配置されている。ガス拡散層５０は、アノード触媒層３０の電解質膜１０と反対側に配置されている。ガス拡散層４０およびガス拡散層５０は、それぞれ酸化剤ガスおよび燃料ガスを拡散させて、カソード触媒層２０およびアノード触媒層３０に供給する機能を有する。ガス拡散層４０，５０は、導電性およびガス透過性を備えた材料から構成される。ガス拡散層４０，５０として、例えばカーボンペーパー、カーボンクロス等のカーボン繊維が用いられる。ガス拡散層４０，５０は、撥水性を有していてもよい。

セパレータ６０，７０は、膜−電極接合体１に沿って配置されている。具体的には、セパレータ６０は、ガス拡散層４０のカソード触媒層２０と反対側に配置されている。セパレータ７０は、ガス拡散層５０のアノード触媒層３０と反対側に配置されている。セパレータ６０，７０の材質として、例えば金属等の導電性材料が用いられる。セパレータ６０，７０には、溝によって構成されたガス流路が形成されている。セパレータ６０における各溝間の領域をリブ６１と称する。セパレータ７０における各溝間の領域をリブ７１と称する。以下、図１〜図３を参照しつつ、セパレータ６０の詳細について説明する。

図２は、セパレータ６０のガス流路側を示す平面図である。セパレータ６０の一方の側にはマニホールド８０，９０，１００が形成されている。セパレータ６０の他方の側にはマニホールド８１，９１，１０１が形成されている。マニホールド８０は、カソードガスが流動するマニホールドである。マニホールド８１は、カソードオフガスが流動するマニホールドである。マニホールド９０は、アノードガスが流動するマニホールドである。マニホールド９１はアノードオフガスが流動するマニホールドである。マニホールド１００，１０１は、燃料電池２００を冷却する冷媒が流動するマニホールドである。

マニホールド８０には、複数のガス導入流路６４が接続されている。ガス導入流路６４内には、ガス導入流路６４を流動するガスの流れの整流および電子の受け渡しのための凸部６５が形成されている。ガス導入流路６４の下流には複数の分岐流路６６が接続されている。また、分岐流路６６の間には、中間流路６７が配置されている。中間流路６７の下流には、ガス導出流路６８が接続されている。ガス導出流路６８の下流側は、マニホールド８１に接続されている。

図３は、図２のガス流路を示す模式図である。図３を参照して、図２のガス流路についてさらに詳細に説明する。なお、図３において、図２のマニホールド９０，９１，１００，１０１および凸部６５は省略されている。また、図示を簡略化するために、ガス導入流路６４、分岐流路６６、中間流路６７およびガス導出流路６８の本数を、図２よりも少なくしてある。

図３に示すように、各ガス導入流路６４は、マニホールド８１に向かって伸び、途中で２本の分岐流路６６に分岐する。各分岐流路６６の下流端は、閉塞壁６２によって閉塞されている。各分岐流路６６の間には、中間流路６７が形成されている。中間流路６７の上流端は、閉塞壁６３によって閉塞されている。中間流路６７は、下流においてガス導出流路６８に接続されている。各ガス導出流路６８は、マニホールド８１に向かって伸びて接続されている。以上のように、セパレータ６０に形成された溝部においては、ガス導入流路６４および分岐流路６６と中間流路６７およびガス導出流路６８とは、連通していない。

なお、図示は省略するが、セパレータ７０においても、セパレータ６０と同様のガス流路が形成されている。セパレータ７０においては、マニホールド９０に複数のガス導入流路が接続され、各ガス導入流路は途中で分岐して分岐流路７６に接続されている。分岐流路７６の下流端は、閉塞壁によって閉塞されている。分岐流路７６の間には、中間流路７７が形成されている。中間流路７７の上流端は、閉塞壁によって閉塞されている。中間流路７７は、下流においてガス導出流路に接続され、各ガス導出流路はマニホールド９１に接続されている。

続いて、図１〜図３を参照しつつ、燃料電池２００の動作について説明する。酸素を含むカソードガスは、マニホールド８０からガス導入流路６４を介して分岐流路６６に流入する。それにより、カソードガスは、セパレータ６０の全体に供給され、閉塞壁６２によって滞留する。その後、カソードガスは、ガス拡散層４０を拡散する。特に、本実施例においては分岐流路６６から中間流路６７へのガス流れが形成されることから、カソードガスは、ガス拡散層４０の全体に効率よく拡散する。したがって、ガス拡散層４０においてリブ６１と接する領域にもカソードガスが十分に拡散する。

水素を含むアノードガスは、マニホールド９０からガス導入流路を介して分岐流路７６に流入する。それにより、アノードガスは、セパレータ７０の全体に供給され、閉塞壁によって滞留する。その後、アノードガスは、ガス拡散層５０を拡散する。特に、本実施例においては分岐流路７６から中間流路７７へのガス流れが形成されることから、アノードガスはガス拡散層５０の全体に効率よく拡散する。したがって、ガス拡散層５０においてリブ７１と接する領域にもアノードガスが十分に拡散する。

ガス拡散層５０を拡散したアノードガスは、アノード触媒層３０に到達する。アノード触媒層３０に到達したアノードガス中の水素は、プロトンと電子とに分離される。プロトンは、電解質膜１０を伝導して、カソード触媒層２０に到達する。

ガス拡散層４０を拡散したカソードガスは、カソード触媒層２０に到達する。カソード触媒層２０においては、カソードガス中の酸素と電解質膜１０を伝導したプロトンとから水が生成されるとともに、電力が発生する。発生した電力は、セパレータ６０およびセパレータ７０を介して回収される。以上の動作によって、燃料電池２００は発電を行う。

なお、カソードオフガスは、セパレータ６０の中間流路６７を通って、燃料電池２００の外部へ排出される。アノードオフガスは、セパレータ７０の中間流路７７を通って燃料電池２００の外部へ排出される。

以上のことから、本実施例のように分岐流路の間に中間流路を形成することによって、アノードガスおよびカソードガスを効率よくガス拡散層の全体に拡散させることができる。それにより、燃料電池２００の発電効率を向上させることができる。また、燃料電池２００の小型化を検討すると、マニホールドの大きさに応じて、途中で流路本数を変更する必要が生じる。本実施例に係る構成によれば、ガス導入流路を途中で分岐させて流路本数を増加せることができる。したがって、設計要求に応じて、流路本数を変更することができる。

なお、セパレータ６０およびセパレータ７０のいずれか一方が、図３に示すガス流路を備えていればよく、必ずしもセパレータ６０およびセパレータ７０の両方が図３に示すガス流路を備える必要はない。

また、図３において、１本のガス導入流路６４に対して２本の分岐流路６６が接続されているが、これに限られない。例えば、分岐流路６６は、１本のガス導入流路６４に対して４本、６本等のように多数本接続されていてもよい。

実施例１においては、マニホールド８０，９０がガス供給口に相当し、マニホールド８１，９１がガス排出口に相当する。セパレータ６０においては、ガス導入流路６４および分岐流路６６が第１溝流路に相当し、中間流路６７およびガス導出流路６８が第２溝流路に相当する。セパレータ７０においては、ガス導入流路および分岐流路７６が第１溝流路に相当し、中間流路７７およびガス導出流路が第２流路に相当する。

図４は、本発明の実施例２に係る燃料電池２００ａの模式的な拡大断面図である。燃料電池２００ａは、セパレータ６０とガス拡散層４０との間に親水性多孔体流路１１０をさらに備える点で、図１の燃料電池２００と異なる。その他の構成は、燃料電池２００と同じため、説明を省略する。

親水性多孔体流路１１０は、親水性を有し、かつガス流路としての機能を有する多孔質部材である。本実施例において、親水性を有するとは多孔質部材に水が垂らされた場合に垂らされた水が多孔質部材に吸われることをいい、接触角が２０°〜８０°（平板と仮定した場合）の親水性を有することをいう。親水性多孔体流路１１０として、例えば親水性多孔体流路１１０に水を垂らした場合に、垂らされた水が０．１秒〜１０秒程度の時間で親水性多孔体流路１１０に吸収される程度の水吸収性能を有する多孔体が用いられる。例えば、親水性多孔体流路１１０として、発泡金属の表面にめっき等によって金薄膜が形成された部材が用いられる。表面に金薄膜が形成されることにより、発泡金属自体が親水性を有しない場合であっても、親水性多孔体流路１１０は親水性を有するようになる。

また、発泡金属の孔径は、０．１μｍ〜２００μｍ程度であればよく、好ましくは１μｍ〜８０μｍ程度である。発泡金属が多数の孔を有することにより、親水性多孔体流路１１０は、ガス流路としての機能を有する。なお、親水性多孔体流路１１０の厚みは特に限定されないが、例えば数百μｍ程度である。本実施例においては、親水性多孔体流路１１０として、厚さ３００μｍであり、かつ孔径５０μｍ程度の孔を複数有するチタン製の発泡焼結部材の表面に金薄膜が形成されたものが用いられる。

なお、親水性多孔体流路１１０は、複数の孔を有する多孔体部材と水を吸収する吸収部材とが接合された接合部材であってもよい。

図５は、図４のＡ−Ａ線断面の拡大図である。なお、図５は、分岐流路６６の下流側付近が拡大されて図示されている。また、ガス拡散層４０の図示は省略されている。図５に示すように、カソードガスは、分岐流路６６を流動しつつ親水性多孔体流路１１０に流入する。ここで、分岐流路６６の下流端は、閉塞壁６２によって閉塞されていることから、分岐流路６６を流動したカソードガスは滞留する。それにより、カソードガスを親水性多孔体流路１１０に効率的に流入させることができる。その結果、親水性多孔体流路１１０に滞留している水を排出することができる。

本実施例に係る燃料電池２００ａにおいても、分岐流路の間に中間流路を形成することによって、カソードガスを効率よくガス拡散層の全体に拡散させることができる。それにより、燃料電池２００ａの発電効率を向上させることができる。また、燃料電池２００ａの小型化を検討すると、マニホールドの大きさに応じて、途中で流路本数を変更する必要が生じる。本実施例に係る構成によれば、ガス導入流路を途中で分岐させて流路本数を増加せることができる。したがって、設計要求に応じて、流路本数を変更することができる。

また、本実施例に係る燃料電池２００ａによれば、親水性多孔体流路１１０を有することにより、発電によって生じた生成水を親水性多孔体流路１１０が吸収することができる。その結果、フラッディングの発生を抑制することができる。

なお、本実施例において、親水性多孔体流路１１０はカソード側にのみ配置されているが、これに限られない。親水性多孔体流路１１０は、カソード側およびアノード側の両方の側に配置されていてもよく、アノード側にのみ配置されていてもよい。

図１は、実施例１に係る燃料電池の模式的な拡大断面図である。 図２は、セパレータのガス流路側を示す平面図である。 図３は、セパレータのガス流路を示す模式図である。 図４は、実施例２に係る燃料電池の模式的な拡大断面図である。 図５は、図４のＡ−Ａ線断面の拡大図である。

符号の説明

１ 膜−電極接合体
１０ 電解質膜
２０ カソード触媒層
３０ アノード触媒層
４０，５０ ガス拡散層
６０ セパレータ
６１ リブ
６２，６３ 閉塞壁
６４ ガス導入流路
６５ 凸部
６６ 分岐流路
６７ 中間流路
６８ ガス導出流路
７０ セパレータ
７１ リブ
７６ 分岐流路
７７ 中間流路
８０，８１，９０，９１，１００，１０１ マニホールド
１１０ 親水性多孔体流路
２００ 燃料電池

Claims (5)

1. 膜−電極接合体と、
   前記膜−電極接合体に沿って配置され、前記膜−電極接合体側の表面に複数の第１溝流路と複数の第２溝流路とが形成されたセパレータと、を備え、
   前記複数の第１溝流路は、それぞれ一端が前記セパレータのガス供給口に接続され、途中で２以上の流路に分岐し、他端が閉塞されており、
   前記複数の第２溝流路は、それぞれ前記分岐した流路の間に形成され、一端が前記分岐した流路の間で閉塞され、他端が前記セパレータのガス排出口に接続されていることを特徴とする燃料電池。
2. 前記膜−電極接合体と前記セパレータとの間に親水性の多孔体流路をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
3. 前記多孔体流路は、発泡金属からなることを特徴とする請求項２記載の燃料電池。
4. 前記発泡金属の表面に金薄膜が形成されていることを特徴とする請求項３記載の燃料電池。
5. 膜−電極接合体に沿って配置される燃料電池用セパレータであって、
   前記膜−電極接合体側の表面に複数の第１溝流路と複数の第２溝流路とを有し、
   前記複数の第１溝流路は、それぞれ一端が前記セパレータのガス供給口に接続され、途中で２以上の流路に分岐し、他端が閉塞されており、
   前記複数の第２溝流路は、それぞれ前記分岐した流路の間に形成され、一端が前記分岐した流路の間で閉塞され、他端が前記セパレータのガス排出口に接続されていることを特徴とする燃料電池用セパレータ。

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