JP2010073626A - 燃料電池用セパレータ及び燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】生成水による水詰まりを抑制することを目的とする。
【解決手段】本発明によるセパレータは、膜電極接合体との対向面に形成され、反応ガス導入孔４２ａから導入された反応ガスを、鉛直下側から上側に流したあとＵターンさせて、鉛直上側から鉛直下側に流して反応ガス排出孔４２ｂから排出する複数の溝状の反応ガス流路１２２と、膜電極接合体との対向面の背面に形成され、冷却水導入孔４１ａから導入された冷却水を、鉛直下側から上側に流して冷却水排出孔４１ｂから排出する複数の溝状の冷却水流路１２３と、を備えるプレート１２１の前記冷却水流路１２３が形成された面同士を重ね合わせて構成されることを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は燃料電池用セパレータ及び燃料電池スタックに関する。

従来の燃料電池用セパレータは、水素導入マニホールドと水素排出マニホールドと空気導入マニホールドと空気排出マニホールドを隣接させ、膜電極接合体に対してサーペンタイン形状の水素流路と空気流路が鏡面対称となるように水素流路と空気流路を形成していた（例えば、特許文献１参照）。
特開２００６−１８５６１５号公報

しかしながら、従来の燃料電池用セパレータは、ガス流路の折り返し部に、電極反応によって生じた生成水が溜まりやすく、反応ガスの供給を妨げるという問題点があった。

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、生成水による水詰まりを抑制する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、反応ガス導入孔からセパレータの反応ガス流路に導入された反応ガスを、鉛直下側から上側に流したあとＵターンさせて、鉛直上側から鉛直下側に流して反応ガス排出孔から排出し、冷却水導入孔からセパレータの冷却水流路に導入された冷却水を、鉛直下側から上側に流して冷却水排出孔から排出することを特徴とする。

本発明によれば、鉛直下側から鉛直上側に冷却水を流すこととしたので、セパレータの鉛直上側が高温、鉛直下側が低温となる温度場を形成することができる。そして、このような温度場が形成された状態で、反応ガスを鉛直下側から上側に流したあと、鉛直上側から鉛直下側に流すことで、ガス流路の折り返し部をセパレータの鉛直上側に位置させることができる。これにより、折り返し部において、反応ガスが飽和しにくくなるので、水蒸気の凝縮を抑制でき、水詰まりを抑制できる。

以下、図面等を参照して本発明の実施形態について説明する。

（第１実施形態）
燃料電池システムは、燃料が有する化学エネルギを直接電気エネルギに変換するシステムである。燃料電池システムは、固体高分子電解質膜（以下「電解質膜」という）をアノード電極（陽極）とカソード電極（陰極）とで挟み、アノード電極に水素を含有する燃料ガスを供給し、カソード電極に酸素を含有する酸化剤ガスを供給する。これにより、アノード電極及びカソード電極の電解質膜側の表面で生じる以下の電気化学反応を利用して、電極から電気エネルギを取り出す。

アノード電極 ： ２Ｈ₂→４Ｈ⁺＋４ｅ^- ・・・（１）
カソード電極 ： ４Ｈ⁺＋４ｅ^-＋Ｏ₂→２Ｈ₂Ｏ ・・・（２）

図１は、このような燃料電池システムとして、自動車などの移動車両に用いられる燃料電池スタック１０の斜視図である。

燃料電池スタック１０は、積層された複数の単セル１と、一対の集電板２ａ，２ｂと、一対の絶縁板３ａ，３ｂと、一対のエンドプレート４ａ，４ｂと、図示しない４本のテンションロッドに螺合するナット５とを有する。

単セル１は、起電力を生じる固体高分子型燃料電池の単位セルである。単セル１は、１ボルト程度の起電圧を生じる。単セル１の構成の詳細については後述する。

一対の集電板２ａ，２ｂは、積層された複数の単セル１の外側にそれぞれ配置される。集電板２ａ，２ｂは、ガス不透過性の導電性部材で形成され、例えば、緻密質カーボンによって形成される。集電板２ａ，２ｂは、上辺の一部に出力端子６を備える。燃料電池スタック１０は、出力端子６によって、各単セル１で生じた電子ｅ^-を取り出して出力する。

一対の絶縁板３ａ，３ｂは、集電板２ａ，２ｂの外側にそれぞれ配置される。絶縁板３ａ，３ｂは、絶縁性の部材で形成され、例えばゴムなどで形成される。

一対のエンドプレート４ａ，４ｂは、絶縁板３ａ，３ｂの外側にそれぞれ配置される。エンドプレート４ａ，４ｂは、剛性を備える金属性の材料で形成され、例えば鋼などで形成される。

一対のエンドプレート４ａ，４ｂのうち、一方のエンドプレート４ａには、冷却水の導入孔４１ａ及び排出孔４１ｂと、アノードガスの導入孔４２ａ及び排出孔４２ｂと、カソードガスの導入孔４３ａ及び排出孔４３ｂとが形成される。なお、冷却水排出孔４１ｂは、エンドプレート４ａの鉛直上側に形成され、冷却水導入孔４１ａ、アノードガス導入孔４２ａ、アノードガス排出孔４２ｂ、カソードガス導入孔４３ａ及びカソードガス排出孔４３ｂは、鉛直下側に形成される。

ここで、アノードガス導入孔４２ａに燃料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等がある。水素を含有する燃料としては、天然ガス、メタノール、ガソリン等が考えられる。また、カソードガス導入孔４３ａに供給する酸化剤ガスとしては、一般的に空気が利用される。

ナット５は、燃料電池スタック１０の内部を貫通する図示しない４本のテンションロッドの両端部に形成された雄ねじ部に螺合する。テンションロッドにナット５を螺合締結することで、燃料電池スタック１０を積層方向に締め付ける。テンションロッドは、剛性を備えた金属材料で形成され、例えば鋼などで形成される。テンションロッドの表面には絶縁処理が施され、単セル同士の電気短絡を防止している。

以下では、図２を参照して、単セル１の構成の詳細について説明する。

図２は、単セル１の分解斜視図である。

単セル１は、膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly；以下「ＭＥＡ」という）１１と、ＭＥＡ１１の表裏両面に設けられるセパレータ１２と、を備える。

ＭＥＡ１１は、電解質膜１１ａと、アノード電極１１ｂと、カソード電極１１ｃとを有する。ＭＥＡ１１は、電解質膜１１ａの一方の面にアノード電極１１ｂを有し、他方の面にカソード電極１１ｃを有する。

電解質膜１１ａは、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。電解質膜１１ａは、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。そのため、電解質膜１１ａの性能を引き出して発電効率を向上させるためには、電解質膜１１ａの水分状態を最適に保つ必要がある。そこで、本実施形態では、燃料電池スタック１０に導入するアノードガスやカソードガスを加湿している。なお、電解質膜１１ａの水分状態を最適に保つための水には純水を用いる必要がある。これは不純物が混入した水を燃料電池スタック１０に導入した場合には電解質膜１１ａに不純物が蓄積し、発電効率が低下するためである。

アノード電極１１ｂ及びカソード電極１１ｃは、ガス拡散層、撥水層、及び触媒層から構成される。ガス拡散層は、充分なガス拡散性および導電性を有する部材によって形成され、例えば、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスで形成される。撥水層は、ポリエチレンフルオロエチレンと炭素材を含む層である。触媒層は、白金が担持されたカーボンブラック粒子から形成される。

セパレータ１２は、２枚のプレート１２１が重ね合わせて構成される。以下では、図３を参照して、本実施形態によるセパレータ１２を構成するプレート１２１について詳しく説明する。

図３（Ａ）は、本実施形態によるプレート１２１をアノード電極側から見たときの表面図である。図３（Ｂ）は、プレート１２１の裏面図である。

図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示すように、プレート１２１の鉛直上側には、冷却水排出孔４１ｂが形成される。一方、鉛直下側には、冷却水導入孔４１ａ、アノードガス導入孔４２ａ、アノードガス排出孔４２ｂ、カソードガス導入孔４３ａ及びカソードガス排出孔４３ｂが形成される。

図３（Ａ）に示すように、プレート１２１の表面には、アノードガス又はカソードガスが流れる複数の溝状のガス流路１２２が形成される。

ガス流路１２２は、第１直線部１２２ａと、第２直線部１２２ｂと、折り返し部１２２ｃと、を備えたＵ字形の流路である。ガス流路１２２はガス流路底面からアノード電極側へ突出してアノード電極と接する複数のリブ１２６の間に形成される流路である。

第１直線部１２２ａは、アノードガス導入孔４２ａから鉛直上向きに延びる直線状の流路である。第２直線部１２２ｂは、アノードガス排出孔４２ｂから鉛直上向きに延びる直線状の流路である。折り返し部１２２ｃは、第１直線部１２２ａと第２直線部１２２ｂとを接続する円弧上の流路である。

アノードガス導入孔４２ａから供給されたアノードガスは、第１直線部１２２ａを鉛直上向きに流れ、折り返し部１２２ｃを通った後、第２直線部１２２ｂを鉛直下向きに流れてアノードガス排出孔４２ｂから排出される。

図３（Ｂ）に示すように、プレート１２１の裏面には、発電により暖められた燃料電池スタック全体を冷却するための冷却水が流れる冷却水流路１２３が形成される。冷却水流路１２３は、冷却水流路底面から突出する複数のリブ１２７の間に形成される流路である。

冷却水流路１２３は、冷却水導入孔４１ａから冷却水排出孔４１ｂへ向けて鉛直上側にまっすぐに延びる直線状の流路である。

次に、２枚のプレート１２１の裏面（冷却水流路１２３が形成される面）同士を重ね合わせて構成されるセパレータ１２の作用効果について、図４及び図５を参照して説明する。

図４は、セパレータ１２の表面を流れるアノードガスの流れと、その背面を流れる冷却水の流れを示す図である。

冷却水流路を流れる冷却水は、冷却水排出孔４１ｂに近づくほど温度が高くなる。そのため、冷却排出孔４１ｂの近傍は、冷却水導入孔４１ａの近傍よりも高温となる。これにより、流路が湾曲しているため、電極反応によって生じた生成水が詰まりやすい折り返し部１２２ｃにおいて、反応ガス中の水蒸気が凝縮するのを抑制できるので、水詰まりを抑制できる。

一方で、冷却水導入孔４１ａの近傍は、冷却排出孔４１ｂの近傍よりも低温となる。これにより、折り返し部１２２ｃを高温としつつ、第１及び第２直線部１２２ａ，１２２ｂを低温にできるので、第１及び第２直線部１２２ａ，１２２ｂに接するＭＥＡが過度に乾燥するのを抑制できる。したがって、発電性能の低下及びＭＥＡの劣化を抑制できる。

また、折り返し部１２２ｃより下流の第２直線部１２２ｂを流れる反応ガスは、鉛直下向きに流れるので、折り返し部１２２ｃにおいて発生した液水を重力によってアノードガス排出孔４２ｂへと導くことができる。したがって、より一層水詰まりを抑制できる。

図５は、セパレータ１２の表面を流れるアノードガスの流れと、その裏面を流れるカソードガスの流れと、を示した図である。

図５に矢印で示すように、本実施形態によるセパレータ１２によれば、アノードガスの流れ方向と、カソードガスの流れ方向とが、逆になる。

ここで、カソード電極では式（２）の反応が起こり、生成水が発生する。そのため、カソード電極と接するセパレータにおいては、ガス流路１２２の下流ほど、カソードガスの湿度が高くなる。

また、式（２）のカソード反応で発した生成水の一部は、アノード電極とカソード電極との水分濃度差によってＭＥＡを通り、アノード電極と接するセパレータ１２に形成されたガス流路１２１へと拡散移動していく。そのため、アノード電極と接するセパレータ１２においても、ガス流路１２１の下流ほど、アノードガスの湿度が高くなる。

したがって、アノードガスの流れ方向と、カソードガスの流れ方向とを、逆向きにすることで、ＭＥＡを介して反応ガス中の湿度が高い部分と低い部分とを対峙させることができる。これにより、水分濃度差によって、湿度の高い反応ガス中の水分がＭＥＡを介して湿度の低い反応ガスのガス流路側に移動させることができる。

その結果、反応ガス（アノードガス及びカソードガス）の導入孔４２ａ，４３ａから供給される反応ガスを加湿することができる。また、反応ガスの排出孔４２ｂ、４３ｂの近傍の反応ガスの水分濃度を下げることができる。そのため、反応ガスが飽和するのを抑制できるので、凝縮水の発生を抑制でき、水詰まりを抑制できる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態を、図６を参照して説明する。本実施形態は、ガス流路１２２の折り返し部１２２ｃに、ガス流路１２２ｃの溝深さが他より浅い浅底部１２４を設けた点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。なお、以下に示す各実施形態では前述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を用いて重複する説明を適宜省略する。

図６（Ｂ）は、図６（Ａ）の折り返し部１２２ｃのガス流路１２２及び冷却水流路１２３の構成を示した図である。

上記した図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示すように、ガス流路１２２の折り返し部１２２ｃと、冷却水流路１２３とは、互いに平行に形成されていない。そのため、板厚が薄いと、ガス流路１２２と冷却水流路１２３とが互いに干渉してしまうという問題がある。プレート１２１の板厚が厚ければ、冷却水流路溝をガス流路１２２の形状に関係なく独立して彫ることができる。しかし、プレート１２１の板厚を厚くすると、冷却性能が低下するとともに、燃料電位スタックが大型化するので、できるだけ薄くすることが望ましい。

そこで、本実施形態では、図６（Ｂ）に示すように、ガス流路１２２の折り返し部１２２ｃに、ガス流路１２２の溝深さが他より浅い浅底部１２４を設け、その浅底部１２４の背面を冷却水が通過する構成とした。浅底部１２４は、冷却水流路１２３とガス流路１２２が交差する部分に設けられる。

これにより、表面のガス流路１２２と、裏面の冷却水流路１２３と、が互いに平行に形成されていないプレート１２１の板厚を薄くすることができる。また、折り返し部１２２ｃに浅底部１２４を設けることで、浅底部１２４の流路断面積が小さくなる分、浅底部１２４を通過する反応ガスの流速が速くなる。したがって、折り返し部１２２ｃに溜まりやすい液水を第２直線部１２２ｂまで押し流すことができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第２実施形態を、図７〜図１１を参照して説明する。本実施形態は、冷却水流路形状が異なる２つのプレート１２１ａ，１２１ｂを用いる点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。

図７は、本実施形態による単セル１の分解斜視図である。以下では、アノード電極１１ｂと接するプレート１２１を「アノードプレート１２１ａ」と、カソード電極１１ｃと接するプレート１２１を「カソードプレート１２１ｂ」という。また、発明の理解を容易にするため、図７においては、アノードガス及びカソードガスの導入孔及び排出孔の記載を省略した。

図７に示すように、本実施形態では、アノードプレート１２１ａ及びカソードプレート１２１ｂに形成される冷却水流路１２３がそれぞれ異なっている。以下、図８及び図９を参照して各プレート１２１ａ，１２１ｂの構成について詳しく説明する。

図８（Ａ）は、アノードプレート１２１ａをアノード電極側から見たときの表面図である。図８（Ｂ）は、アノードプレート１２１ａの裏面図である。

図８（Ａ）及び図８（Ｂ）に示すように、本実施形態では、冷却水排出孔４１ｂは、アノードプレート１２１ａの鉛直上側の角部に形成される。

図８（Ｂ）に示すように、アノードプレート１２１ａの裏面には、凹部１２５が形成される。凹部１２５は、冷却水排出孔４１ｂを含むように、冷却水排出孔４１ｂの周りに形成される。凹部１２５は、図７に示すように、アノードプレート１２１ａとカソードプレート１２１ｂとを重ね合わせたときに、カソードプレート１２１ｂの冷却水流路１２３と重なる位置に形成され、冷却水を冷却水排出孔４１ｂに誘導する。

冷却水流路１２３の折り返し部１２３ｂは、凹部１２５を避けるように形成される。

図８（Ａ）に示すように、アノードプレート１２１ａの表面には、ガス流路１２２が形成される。本実施形態では、冷却水流路１２３のリブ下をガス流路１２２として、ガス流路１２２を冷却水流路１２３に対応させた形状としている。これにより、アノードプレート１２１ａの板厚を薄くすることができる。

図９（Ａ）は、カソードプレート１２１ｂをカソード電極側から見たときの表面図である。図９（Ｂ）は、カソードプレート１２１ｂの裏面図である。

図９（Ａ）及び図９（Ｂ）に示すように、カソードプレート１２１ｂには、アノードプレート１２１ａと同様に、冷却水排出孔４１ｂが鉛直上側に形成される。

図９（Ｂ）に示すように、カソードプレート１２１ｂの裏面には、表面に形成されたＵ字状のガス流路１２２に対応したＵ字状の冷却水流路１２３が形成される。ガス流路１２２のリブ下が冷却水流路１２３となっている。これにより、カソードプレート１２１ｂの板厚を薄くすることができる。

図１０は、アノードプレート１２１ａとカソードプレート１２１ｂとを重ね合わせて構成されるセパレータ１２の冷却水の流れを示した図である。

図１０に示すように、アノードプレート１２１ａとカソードプレート１２１ｂとを重ね合わせたときに、アノードプレート１２１ａの凹部１２５と、カソードプレート１２１ｂの冷却水流路１２３と、が重なり合う。そのため、カソードプレート１２１ｂの冷却水流路１２３を介して、凹部１２５に冷却水を誘導し、冷却水を冷却水排出孔４１ｂから排出することができる。

このように、本実施形態によれば、各プレート１２１ａ，１２１ｂの表裏に形成されるガス流路１２２及び冷却水流路１２３を同一の形状にしつつ、セパレータ１２の板厚を薄くすることができる。したがって、第１実施形態の効果に加えて、セパレータ１２の製造コストを抑えることができ、燃料電池スタック１０の小型化を図ることができる。

なお、本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。

例えば、第２実施形態において、図１１に示すように、浅底部の位置は、一列に形成せず、段階的に設けても良い。

また、第３実施形態において、図１２及び図１３に示すように、冷却水流路の形状や凹部の位置は、事情に応じて種々の変更が可能である。なお。図１２及び図１３はそれぞれ、図１０に対応する図であり、アノードプレート１２１ａとカソードプレート１２１ｂとを重ね合わせて構成されるセパレータ１２の冷却水の流れを示した図である。

さらに、第３実施形態において、アノードプレート１２１ａをカソードプレート１２１ｂとして、カソードプレート１２１ｂをアノードプレート１２１ａとして使用してもよい。

燃料電池スタックの斜視図である。 単セルの分解斜視図である。 プレートの詳細図である。 セパレータの表面を流れるアノードガスの流れと、その背面を流れる冷却水の流れを示す図である。 セパレータの表面を流れるアノードガスの流れと、その裏面を流れるカソードガスの流れと、を示した図である。 第２実施形態による折り返し部におけるガス流路及び冷却水流路の構成を示した図である。 第２実施形態による単セルの分解斜視図である。 アノードプレートの詳細図である。 カソードプレートの詳細図である。 アノードプレートとカソードプレートとを重ね合わせて構成されるセパレータの冷却水の流れを示した図である。 第２実施形態とは別形態の折り返し部におけるガス流路及び冷却水流路の構成を示した図である。 第３実施形態とは別形態のアノードプレートとカソードプレートとを重ね合わせて構成されるセパレータの冷却水の流れを示した図である。 第３実施形態とは別形態のアノードプレートとカソードプレートとを重ね合わせて構成されるセパレータの冷却水の流れを示した図である。

符号の説明

１０ 燃料電池スタック
１１ 膜電極接合体
１２ セパレータ
４１ａ 冷却水導入孔
４１ｂ 冷却水排出孔
４２ａ アノードガス導入孔（反応ガス導入孔）
４２ｂ アノードガス排出孔（反応ガス排出孔）
４３ａ カソードガス導入孔（反応ガス導入孔）
４３ｂ カソードガス排出孔（反応ガス排出孔）
１２１ プレート
１２１ａ アノードプレート（一方のプレート、他方のプレート）
１２１ｂ カソードプレート（一方のプレート、他方のプレート）
１２２ ガス流路（反応ガス流路）
１２２ａ 第１直線部（第１流路部）
１２２ｂ 第２直線部（第２流路部）
１２２ｃ 折り返し部（折り返し流路部）
１２３ 冷却水流路
１２４ 浅底部
１２５ 凹部

Claims (6)

1. 膜電極接合体との対向面に形成され、反応ガス導入孔から導入された反応ガスを、鉛直下側から上側に流したあとＵターンさせて、鉛直上側から鉛直下側に流して反応ガス排出孔から排出する複数の溝状の反応ガス流路と、
   前記膜電極接合体との対向面の背面に形成され、冷却水導入孔から導入された冷却水を、鉛直下側から上側に流して冷却水排出孔から排出する複数の溝状の冷却水流路と、
   を備えるプレートの前記冷却水流路が形成された面同士を重ね合わせて構成される燃料電池用のセパレータ。
2. 請求項１に記載したセパレータであって、
   前記反応ガス流路は、
   鉛直下側から鉛直上側に反応ガスが流れる第１流路部と、
   鉛直上側から鉛直下側に反応ガスが流れる第２流路部と、
   前記第１流路部と前記第２流路部とを接続する折り返し流路部と、を含む流路であり、
   前記冷却水流路は、直線状の流路である
   ことを特徴とするセパレータ。
3. 請求項２に記載したセパレータであって、
   前記第１流路部、第２流路部及び冷却水流路は、互いに平行に形成され、
   前記折り返し流路部は、流路の溝深さが浅い浅底部を有し、
   前記折り返し流路部の裏面に形成される前記冷却水流路は、前記浅底部の背面に形成される
   ことを特徴とするセパレータ。
4. 請求項１に記載したセパレータであって、
   一方のプレートは、他方のプレートと重ね合わせたときに、その他方のプレートの前記冷却水流路上に位置するように、前記冷却水排出孔の周りに形成された凹部を有する
   ことを特徴とするセパレータ。
5. 請求項４に記載したセパレータであって、
   前記一方のプレートは、前記凹部を避けるように形成された同一形状の前記反応ガス流路及び前記冷却水流路を備える
   ことを特徴とするセパレータ。
6. 請求項１から５までのいずれか１つのセパレータを用いた燃料電池スタックであって、
   前記膜電極接合体を介して向き合う前記反応ガス流路を流れる反応ガスの流れを逆にした
   ことを特徴とする燃料電池スタック。

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