JP2010073564A

JP2010073564A - 燃料電池及び燃料電池用セパレータ

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Publication number: JP2010073564A
Application number: JP2008241096A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Terasaki; 貴行寺崎; Hideyo Ebisaki; 英世戎崎; Nobuo Matsuba; 暢男松葉; Yasushi Ichikawa; 靖市川
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2008-09-19
Filing date: 2008-09-19
Publication date: 2010-04-02
Anticipated expiration: 2028-09-19
Also published as: JP5304130B2

Abstract

【課題】水分の滞留を低減し良好な発電効率が得られる燃料電池及び燃料電池用セパレータを提供する。
【解決手段】膜電極接合体１１に供給する反応ガスを拡散するガス拡散層１１３と、ガス拡散層に対向する面に形成されたガス供給流路１２１ａ−１と、ガス供給流路と同一面に設けられガス供給流路の間に前記ガス供給流路とは前記ガス拡散層を介して連通するように形成されたガス排出流路１２１ａ−２と、を含むセパレータ１２１と、セパレータのガス流路のガス流れ上流側の温度がガス流れ下流側の温度よりも高温になるように調整する温度調整手段１２１ｂと、を有することを特徴とする。
【選択図】図３

Description

この発明は、燃料電池及び燃料電池用セパレータに関する。

ガス拡散層へ当接する面に形成されガス流れ方向下流端が行き止まりになるガス供給流路と、ガス供給流路と同一面に設けられガス供給流路の間に入り込んでガス供給流路とは連続することなく別通路となるように形成されガス流れ方向上流端が行き止まりになるガス排出流路と、を備えるいわゆるインターデジテット(interdigitate)タイプのセパレータの燃料電池が提案されている(特許文献１参照)。このようなセパレータを使用すれば電極触媒層への反応ガスの拡散性が向上する。
特開２００５−８５６２６号公報

しかしながら、前述した従来の構造では、ガスの移動量はガス供給流路及びガス排出流路の上流側よりも下流側で多い。すなわちガス移動量はガス供給流路及びガス排出流路の上流側のほうが下流側よりも少ない。そして燃料電池では、アノード電極触媒層及びカソード電極触媒層において、以下の反応が進行して発電するとともに反応水が生成される。

そして上述のように従来構造では、ガス供給流路及びガス排出流路の上流側では下流側よりもガスの移動量が少ないので、水分Ｈ₂Ｏは流路の上流側で滞留しやすかった。水分が滞留しては反応ガスの拡散性が阻害される可能性がある。すると水分が滞留している部分と滞留していない部分とで電流密度差が大きくなって発電効率が低下する可能性がある。

本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、水分の滞留を低減し良好な発電効率が得られる燃料電池及び燃料電池用セパレータを提供することを目的とする。

本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。

本発明は、膜電極接合体に供給する反応ガスを拡散するガス拡散層に対向する面に形成されたガス供給流路と、ガス供給流路と同一面に設けられガス供給流路の間に前記ガス供給流路とは前記ガス拡散層を介して連通するように形成されたガス排出流路と、を含むセパレータと、を備える。さらに前記セパレータのガス流路のガス流れ上流側の温度がガス流れ下流側の温度よりも高温になるように調整する温度調整手段と、を有する。

本発明によれば、セパレータのガス流路のガス流れ上流側の温度がガス流れ下流側の温度よりも高温になるように調整するので、上流側の飽和水蒸気圧が高まり水蒸気を含みやすくなる。そして水蒸気を多く含んだガスが移動することによって流路に滞留する水分量を減らせるようになる。

以下では図面等を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。
（基本形態）
図１は、本発明による燃料電池の外観を示す図であり、図１(Ａ)は斜視図、図１(Ｂ)は側面図である。

最初に燃料電池の基本構成について説明する。燃料電池スタック１は、積層された複数の発電セル１０と、集電プレート２０と、絶縁プレート３０と、エンドプレート４０と、４本のテンションロッド５０とを備える。

発電セル１０は、燃料電池の単位セルである。各発電セル１０は、１ボルト(Ｖ)程度の起電圧を生じる。各発電セル１０の構成の詳細については後述する。

集電プレート２０は、積層された複数の発電セル１０の外側にそれぞれ配置される。集電プレート２０は、ガス不透過性の導電性部材、たとえば緻密質カーボンで形成される。集電プレート２０は、上辺の一部に出力端子２１を備える。燃料電池スタック１は、出力端子２１によって、各発電セル１０で生じた電子ｅ^-を取り出して出力する。

絶縁プレート３０は、集電プレート２０の外側にそれぞれ配置される。絶縁プレート３０は、絶縁性の部材、たとえばゴムなどで形成される。

エンドプレート４０は、絶縁プレート３０の外側にそれぞれ配置される。エンドプレート４０は、剛性のある金属材料、たとえば鋼などで形成される。

一方のエンドプレート４０(図１(Ａ)では、左手前のエンドプレート４０)には、アノード供給口、アノード排出口、カソード供給口、カソード排出口、冷却水供給口及び冷却水排出口が設けられている。なお図１(Ａ)では、これらを円形で示したが形状は適宜変更すればよい。

アノード供給口にアノードガスとしての水素を供給する方法としては、例えば水素ガスを水素貯蔵装置から直接供給する方法、又は水素を含有する燃料を改質して改質した水素含有ガスを供給する方法などがある。なお、水素貯蔵装置としては、高圧ガスタンク、液化水素タンク、水素吸蔵合金タンクなどがある。水素を含有する燃料としては、天然ガス、メタノール、ガソリンなどがある。また、カソード供給口に供給するカソードガスとしては、一般的に空気が利用される。

テンションロッド５０は、エンドプレート４０の四隅付近にそれぞれ配置される。燃料電池スタック１は内部に貫通した孔(不図示)が形成されている。この貫通孔にテンションロッド５０が挿通される(図１(Ｂ)参照)。テンションロッド５０は、剛性のある金属材料、たとえば鋼などで形成される。テンションロッド５０は、発電セル１０同士の電気短絡を防止するため、表面には絶縁処理されている。このテンションロッド５０にナット５１が螺合する(図１(Ｂ)参照)。テンションロッド５０とナット５１とが燃料電池スタック１を積層方向に締め付けることで、スタッキング圧が発生する。

燃料電池スタック１は、図１(Ｂ)に示すように、積層された複数の発電セル１０の両側に、集電プレート２０と、絶縁プレート３０と、エンドプレート４０と、が配置される。

また燃料電池スタックの片側の絶縁プレート３０の外側には、サブエンドプレート４１が配置され、さらにそのサブエンドプレート４１の外側にたとえば皿バネなどからなる変動吸収部材４２が配置され、その外側にエンドプレート４０が設けられる。このような積層構造の燃料電池スタックを４本のテンションロッド５０で積層方向に締め付ける。このように変動吸収部材４２が設けられているので、燃料電池スタックに作用する面圧の変動を吸収可能である。

図２は、発電セルの拡大図である。

発電セル１０は、燃料電池の単位セルである。各発電セル１０は、１ボルト(Ｖ)程度の起電圧を生じる。発電セル１０は、膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly；ＭＥＡ)１１の両面に、カソードセパレータ１２１及びアノードセパレータ１２２が配置される構造である。ＭＥＡ１１は、イオン交換膜からなる電解質膜１１１の両面に電極触媒層１１２(１１２ａ，１１２ｂ)が形成される。この電極触媒層１１２(１１２ａ，１１２ｂ)の上にガス拡散層(Gas Diffusion Layer；ＧＤＬ)１１３(１１３ａ，１１３ｂ)が形成される。

電極触媒層１１２は、たとえば白金Ｐｔ又は白金系合金をカーボン担体粉末上に担持させた触媒、電解質粒子(アイオノマ)及び撥水剤からなる混合層を電解質膜上に、ホットプレス又は直接噴霧することで形成される。

ＧＤＬ１１３は、十分なガス拡散性及び導電性を有する部材、たとえばカーボン繊維で形成される。

カソードセパレータ１２１は、カソードＧＤＬ１１３ａに重なる。カソードセパレータ１２１には、カソードＧＤＬ１１３ａへの対向面に、カソードガスが流れるカソードガス流路１２１ａが形成される。その反対面には、冷却水が流れる凹部１２１ｂが形成される。なおカソードガス流路１２１ａは、後述のようにカソードガス供給流路１２１ａ−１及びカソードガス排出流路１２１ａ−２からなる。

アノードセパレータ１２２は、アノードＧＤＬ１１３ｂに重なる。アノードセパレータ１２２には、アノードＧＤＬ１１３ｂへの対向面に、アノードガスが流れるアノードガス流路１２２ａが形成される。その反対面には、冷却水が流れる凹部１２２ｂが形成される。アノードガス流路１２２ａは、アノードガス供給流路１２２ａ−１及びアノードガス排出流路１２２ａ−２からなる。

カソードセパレータ１２１の凹部１２１ｂ及びアノードセパレータ１２２の凹部１２２ｂによって、冷却水が流れる冷却水流路が形成される。

カソードセパレータ１２１及びアノードセパレータ１２２は、たとえばカーボンブラック等の導電性カーボン粉末を用いて樹脂モールディング成型によって形成される。

外部から供給されたカソードガスは、図中矢印で示したように、カソードガス供給流路１２１ａ−１を流れてカソードＧＤＬ１１３ａからカソード電極触媒層１１２ａに供給されて触媒反応した後、カソードガス排出流路１２１ａ−２を流れて排出される。

また外部から供給されたアノードガスは、図中矢印で示したように、アノードガス供給流路１２２ａ−１を流れてアノードＧＤＬ１１３ｂからアノード電極触媒層１１２ｂに供給されて触媒反応した後、アノードガス排出流路１２２ａ−２を流れて排出される。

図３は第１実施形態のカソードセパレータを示す図、図３(Ａ)はカソードガス拡散層へ当接する面の形状を示す表面図、図３(Ｂ)は裏面図である。

図３(Ａ)に示すように、カソードセパレータ１２１は、表面に、カソードガス供給流路１２１ａ−１と、カソードガス排出流路１２１ａ−２と、が凹設されたいわゆるインターデジテット(interdigitate)タイプのセパレータである。

カソードガス供給流路１２１ａ−１は、カソード供給口４２ａに連なる。カソードガス供給流路１２１ａ−１は、カソードガス拡散層へ供給する反応ガスが流れる。カソードガス供給流路１２１ａ−１は直線流路である。図３(Ａ)では、反応ガスは紙面上から下に流れる。

カソードガス排出流路１２１ａ−２は、カソード排出口４２ｂに連なる。カソードガス排出流路１２１ａ−２は、カソードガス拡散層を通過した反応ガスが流れる。カソードガス排出流路１２１ａ−２は、カソードガス供給流路１２１ａ−１が凹設された面と同一面に凹設される。カソードガス排出流路１２１ａ−２は、カソードガス供給流路１２１ａ−１の間に入り込んでカソードガス供給流路１２１ａ−１とは連続することなく別通路となるように形成される。カソードガス排出流路１２１ａ−２は直線流路である。図３(Ａ)では、反応ガスは紙面上から下に流れる。

図３(Ｂ)に示すように、カソードセパレータ１２１は、裏面に冷却水路１２１ｂが凹設される。冷却水路１２１ｂは、燃料電池を冷却する冷却水が流れる。冷却水路１２１ｂは、直線流路であって、カソードセパレータ１２１を透視したときにカソードガス供給流路１２１ａ−１及びカソードガス排出流路１２１ａ−２と並行する。冷却水路１２１ｂは、冷却水供給口４３ａ及び冷却水排出口４３ｂに連なる。冷却水供給口４３ａは図３(Ｂ)の下側、すなわちカソードガスの流れ方向下流側に形成される。冷却水排出口４３ｂは図３(Ｂ)の上側、すなわちカソードガスの流れ方向上流側に形成される。このような構成であるので、冷却水は紙面下側(すなわちカソードガスの流れ方向下流側)から上側(すなわちカソードガスの流れ方向上流側)に流れる。

本実施形態によれば、冷却水をカソードガスの流れ方向下流側から上流側に流すようにした。このようにすると冷却水は流れるにつれて暖められるので、カソードセパレータ１２１はガス流路１２１ａの上流側の温度が下流側の温度よりも高温になる。すると上流側の飽和水蒸気圧が高まり水蒸気を含みやすくなる。そして水蒸気を多く含んだガスが移動することによって流路に滞留する水分量を減らせるようになったのである。

（第２実施形態）
図４は本発明による燃料電池の第２実施形態を示す図であり、図４(Ａ)は表面図、図４(Ｂ)は裏面図である。

なお以下では前述と同様の機能を果たす部分には同一の符号を付して重複する説明を適宜省略する。

本実施形態のカソードセパレータ１２１は、表面には図４(Ａ)に示すように、カソードガス供給流路１２１ａ−１及びカソードガス排出流路１２１ａ−２が凹設される。これらは第１実施形態と同様であるので説明を省略する。

カソードセパレータ１２１は、図４(Ｂ)に示すように裏面に冷却水路１２１ｂ(上流側冷却水路１２１ｂ−１，下流側冷却水路１２１ｂ−２)が凹設される。冷却水路１２１ｂは、燃料電池を冷却する冷却水が流れる。冷却水路１２１ｂは、直線流路であって、カソードセパレータ１２１を透視したカソードセパレータ１２１を透視したときにカソードガス供給流路１２１ａ−１及びカソードガス排出流路１２１ａ−２と交差する。本実施形態では、冷却水路１２１ｂは、カソードガス供給流路１２１ａ−１及びカソードガス排出流路１２１ａ−２と直交する。冷却水路１２１ｂは、冷却水供給口４３ａ及び冷却水排出口４３ｂに連なる。冷却水供給口４３ａから供給された冷却水は、図４(Ｂ)では紙面下方から上方に流れる。上流側冷却水路１２１ｂ−１は、冷却水供給口４３ａに対向して直接連設され、冷却水排出口４３ｂには直接的には連設されない。下流側冷却水路１２１ｂ−２は、冷却水排出口４３ｂに対向して直接連設され、冷却水供給口４３ａには直接的には連設されない。冷却水路１２１ｂの流路断面積は、上流側が下流側に比べて大きい。図４(Ａ)では流路深さは一様であり、上流側冷却水路１２１ｂ−１の流路幅Ｗ１が、下流側冷却水路１２１ｂ−２の流路幅Ｗ２よりも大きくなっている。なお上流側冷却水路１２１ｂ−１及び下流側冷却水路１２１ｂ−２を隔てる隔壁の幅は一様である。

このような構成であるので、冷却水供給口４３ａから供給された冷却水は、上流側冷却水路１２１ｂ−１に多く分配され、下流側冷却水路１２１ｂ−２に少なく分配されることとなる。この結果、冷却水によってカソードセパレータ１２１はガス流路１２１ａの下流側が冷却されやすくなり、その熱交換された冷却水が上流側に流れて上流側が下流側よりも高温になる。すると上流側の飽和水蒸気圧が高まり水蒸気を含みやすくなる。そして水蒸気を多く含んだガスが移動することによって流路に滞留する水分量を減らせるようになったのである。

以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に含まれることが明白である。

たとえば第２実施形態においては、冷却水路１２１ｂの流路断面積を変更するために、流路幅を調整したが、流路深さを調整してもよい。

ひとつひとつの流路断面積を一定にし、流路の隔壁の幅を変えることで、流路ピッチに大小をつけてもよい。このようにすれば、ひとつひとつの流路断面積は一定であるが、セパレータの一定面積に占める流路面積に差がつき、同様の効果を得ることができる。

またカソードセパレータ１２１は、熱伝導性がカソードガス流路１２１ａの下流側(すなわち紙面下側)に比べて上流側(すなわち紙面上側)が低くなるように形成するとよい。熱伝導性を調整するには、カーボンに混入する樹脂の比率を調整すればよい。樹脂はカーボンに比べて熱抵抗が高いので配分率を高めれば熱伝導性が低くなる。このようにすることでカソードガス流路１２１ａの上流側と下流側との温度差をつけやすくなる。

本発明による燃料電池の外観を示す図である。発電セルの拡大図である。第１実施形態のカソードセパレータを示す図である。本発明による燃料電池の第２実施形態を示す図である。

符号の説明

１１膜電極接合体(ＭＥＡ)
１１３(１１３ａ，１１３ｂ) ガス拡散層
１２１カソードセパレータ
１２１ａ−１ガス供給流路
１２１ａ−２ガス排出流路
１２１ｂ凹部(冷却水路；温度調整手段)
１２１ｂ−１上流側冷却水路
１２１ｂ−２下流側冷却水路
１２２アノードセパレータ
１２２ｂ凹部(冷却水路；温度調整手段)

Claims

膜電極接合体に供給する反応ガスを拡散するガス拡散層と、
前記ガス拡散層に対向する面に形成されたガス供給流路と、ガス供給流路と同一面に設けられガス供給流路の間に前記ガス供給流路とは前記ガス拡散層を介して連通するように形成されたガス排出流路と、を含むセパレータと、
前記セパレータのガス流路のガス流れ上流側の温度がガス流れ下流側の温度よりも高温になるように調整する温度調整手段と、
を有する燃料電池。
前記温度調整手段は、前記セパレータの裏面に形成され、冷却水をガス流路の下流側から供給し上流側から排出する冷却水路である、
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
ガス供給流路及びガス排出流路は直線流路であり、
前記冷却水路は、直線流路であって、セパレータを透視したときに前記ガス供給流路及びガス排出流路と並行する、
ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
ガス供給流路及びガス排出流路は直線流路であり、
前記冷却水路は、直線流路であって、セパレータを透視したときに前記ガス供給流路及びガス排出流路と交差する、
ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
前記冷却水路は、ガス流路上流側に位置する流路断面積が、ガス流路下流側に位置する流路断面積よりも小さい、
ことを特徴とする請求項２から請求項４までのいずれか１項に記載の燃料電池。
前記セパレータは、ガス流路上流側の熱伝導性が、ガス流路下流側の熱伝導性よりも低い、
ことを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の燃料電池。
片面に形成されたガス供給流路と、ガス供給流路と同一面に設けられガス供給流路の間に入り込んでガス供給流路とは連続することなく別通路となるように形成されたガス排出流路と、を含むガス流路と、
前記ガス流路と反対面に形成され、冷却水を前記ガス流路の下流側から供給し上流側から排出して前記ガス流路の上流側が下流側よりも高温になるように温度を調整する冷却水路と、
を有する燃料電池用セパレータ。