JP2010272360A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】表裏に凸部が設けられる金属セパレータの剛性を向上させることができ、前記金属セパレータの変形を確実に阻止することを可能にする。
【解決手段】燃料電池１０は、カソード側金属セパレータ１２、電解質膜・電極構造体１４及びアノード側金属セパレータ１６を設ける。カソード側金属セパレータ１２は、酸化剤ガス流路３０側に突出する第１凸部３４と、冷却媒体流路３２側に突出する第２凸部３６とを備え、前記第１凸部３４と前記第２凸部３６との少なくとも一部同士は、滑らかな連続形状部３９を介して連結される。アノード側金属セパレータ１６は、燃料ガス流路４０側に突出する第１凸部４２と、冷却媒体流路３２側に突出する第２凸部４４とを備え、前記第１凸部４２と前記第２凸部４４との少なくとも一部同士は、滑らかな連続形状部４８を介して連結される。
【選択図】図６

Description

本発明は、電解質の両面に電極が設けられた電解質・電極構造体と波板形状の金属セパレータとが積層されるとともに、前記金属セパレータの両面には、燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体のいずれかの流体が流通される第１及び第２流体流路が形成され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からなる電解質膜の両側に、それぞれ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（ＭＥＡ）を、一対のセパレータによって挟持した単位セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の単位セルを積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。

上記の燃料電池では、一方の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が設けられるとともに、他方のセパレータの面内に、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が設けられている。また、セパレータ間には、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。

その際、セパレータとして金属セパレータが使用される場合、アノード側の金属セパレータの一方の面に燃料ガス流路用の凹部が設けられると、前記金属セパレータの他方の面には、前記凹部の裏面形状である凸部が形成される。さらに、カソード側の金属セパレータの一方の面に酸化剤ガス流路用の凹部が設けられると、前記金属セパレータの他方の面には、前記凹部の裏面形状である凸部が形成される。

例えば、特許文献１に開示されている燃料電池用セパレータは、図１６に示すように、セパレータ板１とセパレータ枠２とから構成されている。セパレータ板１は、金属材料で構成されるとともに、エンボス加工乃至ディンプル加工を施してその表裏面に、数ミリ間隔で多数の突起３、４が形成されている。各突起３、４は、燃料電池スタックを構成したときに、突起の頂上が燃料電池単セル５に密接している。セパレータ板１と燃料電池単セル５との間には、突起３側に燃料ガス用流路６が形成される一方、突起４側に酸化剤ガス用流路７が形成されている。

特開平８−２２２２３７号公報

ところで、上記のセパレータ板１では、表裏の突起３と突起４との間に、平坦状の中間高さ部８が存在している。このため、セパレータ板１は、中間高さ部８における積層方向の荷重に対する剛性が低下してしまう。

特に、セパレータ板１を薄肉化して積層方向の短尺化を図る際には、前記セパレータ板１は、比較的小さな荷重によって変形し易くなる。これにより、ガス流路が閉塞乃至狭小化し、ガスの供給不足によって発電不良が惹起されるという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、表裏に凸部が設けられる金属セパレータの剛性を向上させることができ、前記金属セパレータの変形を確実に阻止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。

本発明は、電解質の両面に電極が設けられた電解質・電極構造体と波板形状の金属セパレータとが積層されるとともに、前記金属セパレータの両面には、燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体のいずれかの流体が流通される第１及び第２流体流路が形成される燃料電池に関するものである。

金属セパレータは、第１流体流路側に突出する第１凸部と、第２流体流路側に突出する第２凸部と、中間高さの平坦部とを備え、互いに隣接する前記第１凸部と前記第２凸部との少なくとも一部同士は、滑らかな連続形状部を介して連結されている。

また、第１凸部及び第２凸部は、それぞれエンボス形状部を構成することが好ましい。

さらに、第１凸部は、ライン形状部を構成する一方、第２凸部は、エンボス形状部を構成することが好ましい。

さらにまた、第１凸部及び第２凸部は、バッファ部に設けられることが好ましい。

本発明によれば、波板形状の金属セパレータの表裏に設けられ、互いに隣接する第１凸部と第２凸部との少なくとも一部同士が、滑らかな連続形状部を介して連結されている。このため、第１凸部と第２凸部との境界部位の剛性を良好に向上させることができる。

従って、金属セパレータは、積層方向の荷重が付与される際に変形することがなく、前記金属セパレータの板厚及び流路高さを薄くすることができ、燃料電池全体の小型化及び軽量化が容易に図られる。しかも、金属セパレータの変形による流路の潰れが惹起されることがなく、ガス供給不足による発電不良を可及的に阻止することが可能になる。

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説明図である。 前記燃料電池を構成するカソード側金属セパレータの正面説明図である。 前記カソード側金属セパレータの要部斜視説明図である。 前記カソード側金属セパレータの、図３中、ＩＶ−ＩＶ線断面説明図である。 前記カソード側金属セパレータの、図３中、Ｖ−Ｖ線断面説明図である。 前記カソード側金属セパレータの、図３中、ＶＩ−ＶＩ線断面説明図である。 前記燃料電池を構成するアノード側金属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の要部分解斜視説明図である。 前記燃料電池を構成するカソード側金属セパレータの正面説明図である。 前記カソード側金属セパレータの、図９中、Ｘ−Ｘ線断面説明図である。 前記燃料電池を構成するアノード側金属セパレータの正面説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視説明図である。 前記燃料電池を構成するカソード側金属セパレータの正面説明図である。 前記カソード側金属セパレータの要部斜視説明図である。 前記燃料電池を構成するアノード側金属セパレータの正面説明図である。 従来の燃料電池の説明図である。

図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０は、カソード側金属セパレータ１２、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）（ＭＥＡ）１４及びアノード側金属セパレータ１６を設ける。

カソード側金属セパレータ１２及びアノード側金属セパレータ１６は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板により構成される。カソード側金属セパレータ１２及びアノード側金属セパレータ１６は、金属製薄板を波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状を有する。

電解質膜・電極構造体１４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１８と、前記固体高分子電解質膜１８を挟持するカソード側電極２０及びアノード側電極２２とを備える。

カソード側電極２０及びアノード側電極２２は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）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されて形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜１８の両面に形成される。

燃料電池１０の長辺方向の（矢印Ｂ方向）一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、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入口連通孔２４ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔２６ｂ、及び酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔２８ｂが設けられる。

燃料電池１０の長辺方向の（矢印Ｂ方向）他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔２８ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔２６ａ、及び燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔２４ｂが設けられる。

図１及び図２に示すように、カソード側金属セパレータ１２の電解質膜・電極構造体１４に向かう面１２ａには、酸化剤ガス入口連通孔２８ａと酸化剤ガス出口連通孔２８ｂとに連通する酸化剤ガス流路（第１流体流路）３０が形成される。カソード側金属セパレータ１２の他の面１２ｂには、酸化剤ガス流路３０の裏面形状である冷却媒体流路（第２流体流路）３２が形成される。

酸化剤ガス流路３０は、図２及び図３に示すように、カソード側金属セパレータ１２の面１２ａの酸化剤ガス流路３０側に突出する第１凸部３４と、面１２ｂの冷却媒体流路３２側に突出する第２凸部３６とを備える。第１凸部３４は、矢印Ｃ方向に複数設けられるとともに、矢印Ｂ方向に所定間隔ずつ離間して形成される。第２凸部３６は、第１凸部３４と千鳥の位置に且つ前記第１凸部３４と矢印Ｂ方向に交互に複数設けられる。第１凸部３４及び第２凸部３６は、発電面全域にわたってエンボス形状部を構成しており、平坦状の中間高さ部（平坦部）３８から互いに反対方向に突出形成される。

図２〜図４に示すように、各第１凸部３４は、中間高さ部３８を挟んで、電解質膜・電極構造体１４側に突出する一方、図２、図３及び図５に示すように、各第２凸部３６は、前記中間高さ部３８を挟んで、前記電解質膜・電極構造体１４と反対側に突出形成される。

図２、図３及び図６に示すように、互いに隣接する第１凸部３４と第２凸部３６とは、少なくとも一部同士が滑らかな連続形状部３９を介して連結されている。すなわち、第１凸部３４と第２凸部３６との少なくとも一部は、中間高さ部３８を有することなく連続形成されている。

図１及び図７に示すように、アノード側金属セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１４に向かう面１６ａには、燃料ガス入口連通孔２４ａと燃料ガス出口連通孔２４ｂとに連通する燃料ガス流路（第１流体流路）４０が形成される。アノード側金属セパレータ１６の面１６ｂには、燃料ガス流路４０の裏面形状である冷却媒体流路（第２流体流路）３２が形成される。

図４〜図７に示すように、アノード側金属セパレータ１６は、燃料ガス流路４０側に突出する第１凸部４２と、冷却媒体流路３２側に突出する第２凸部４４とを備える。第１凸部４２及び第２凸部４４は、発電面全域にわたってエンボス形状部を構成しており、中間高さ部４６から両面側に突出形成される。

第１凸部４２と第２凸部４４とは、矢印Ｂ方向及び矢印Ｃ方向に沿って千鳥状に配置されるとともに、前記第１凸部４２と前記第２凸部４４との少なくとも一部同士は、滑らかな連続形状部４８を介して連結される。

カソード側金属セパレータ１２の面１２ａ、１２ｂには、前記カソード側金属セパレータ１２の外周端縁部を周回して第１シール部材５０が一体成形される。アノード側金属セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂには、このアノード側金属セパレータ１６の外周端縁部を周回して、第２シール部材５２が一体成形される。

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。

先ず、図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２８ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔２４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔２６ａ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。

このため、燃料電池１０では、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔２８ａからカソード側金属セパレータ１２の酸化剤ガス流路３０に導入される。この酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路３０に沿って矢印Ｂ方向（水平方向）に移動し、電解質膜・電極構造体１４のカソード側電極２０に供給される。

一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔２４ａからアノード側金属セパレータ１６の燃料ガス流路４０に沿って水平方向（矢印Ｂ方向）に移動し、電解質膜・電極構造体１４のアノード側電極２２に供給される。

従って、電解質膜・電極構造体１４では、カソード側電極２０に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極２２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て、発電が行われる。

次いで、電解質膜・電極構造体１４のカソード側電極２０に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔２８ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、電解質膜・電極構造体１４のアノード側電極２２に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔２４ｂに排出される。

一方、冷却媒体入口連通孔２６ａに供給された冷却媒体は、燃料電池１０を構成するカソード側金属セパレータ１２とアノード側金属セパレータ１６との間に形成された冷却媒体流路３２に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１４を冷却した後、冷却媒体出口連通孔２６ｂに排出される。

この場合、第１の実施形態では、図２、図３及び図６に示すように、カソード側金属セパレータ１２には、中間高さ部３８から酸化剤ガス流路３０側に突出する第１凸部（エンボス形状部）３４と冷却媒体流路３２側に突出する第２凸部（エンボス形状部）３６とが設けられている。

そして、第１凸部３４と第２凸部３６との少なくとも一部同士は、滑らかな連続形状部３９を介して連結されている。従って、第１凸部３４と第２凸部３６とが、それぞれ中間高さ部３８を有して交互に形成される構成に比べ、前記第１凸部３４と前記第２凸部３６との境界部位の剛性を有効に向上させることができる。

中間高さ部３８では、積層方向の荷重に対する剛性が小さく、第１凸部３４と第２凸部３６との少なくとも一部に、前記中間高さ部３８を設けない、すなわち、滑らかな連続形状部３９を設けることにより、剛性の向上が図られるからである。

一方、アノード側金属セパレータ１６においても同様に、中間高さ部４６から燃料ガス流路４０側に突出する第１凸部４２と、冷却媒体流路３２側に突出する第２凸部４４との少なくとも一部同士が、滑らかな連続形状部４８を介して連結されている。

これにより、カソード側金属セパレータ１２及びアノード側金属セパレータ１６は、積層方向の荷重が付与される際に変形することがない。従って、カソード側金属セパレータ１２及びアノード側金属セパレータ１６の板厚及び流路高さを薄くすることができ、燃料電池１０全体の小型化及び軽量化が容易に図られるという効果が得られる。

しかも、カソード側金属セパレータ１２及びアノード側金属セパレータ１６の変形による酸化剤ガス流路３０及び燃料ガス流路４０の潰れが惹起されることがなく、酸化剤ガス及び燃料ガスの供給不足による発電不良を可及的に阻止することが可能になる。

図８は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池６０の要部分解斜視説明図である。

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。

燃料電池６０は、カソード側金属セパレータ６２、電解質膜・電極構造体１４及びアノード側金属セパレータ６４を設ける。カソード側金属セパレータ６２の電解質膜・電極構造体１４に向かう一方の面１２ａには、酸化剤ガス入口連通孔２８ａと酸化剤ガス出口連通孔２８ｂとを連通する酸化剤ガス流路（第１流体流路）６６が形成される。カソード側金属セパレータ６２の他方の面１２ｂには、酸化剤ガス流路３０の裏面形状である冷却媒体流路（第２流体流路）６８が形成される。

図８及び図９に示すように、酸化剤ガス流路６６は、発電面に沿って矢印Ｂ方向に延在し且つ矢印Ｃ方向に配列される複数本の直線状流路部７０と、前記直線状流路部７０の入口及び出口近傍に設けられる入口バッファ部７２ａ及び出口バッファ部７２ｂとを有する。

入口バッファ部７２ａ及び出口バッファ部７２ｂは、中間高さ部３８ａ、３８ｂから酸化剤ガス流路６６側に突出する第１凸部３４ａ、３４ｂと、前記中間高さ部３８ａ、３８ｂから冷却媒体流路６８側に突出する第２凸部３６ａ、３６ｂとを有する。第１凸部３４ａと第２凸部３６ａとの少なくとも一部同士は、滑らかな連続形状部３９ａを介して連結されるとともに、第１凸部３４ｂと第２凸部３６ｂとの少なくとも一部同士は、滑らかな連続形状部３９ｂを介して連結される。

図９及び図１０に示すように、直線状流路部７０は、電解質膜・電極構造体１４側に突出する突起部７４ａと、この突起部７４ａとは逆方向に突出する突起部７４ｂとを矢印Ｃ方向に向かって交互に設ける。

図１１に示すように、アノード側金属セパレータ６４の面１６ａには、燃料ガス入口連通孔２４ａと燃料ガス出口連通孔２４ｂとを連通する燃料ガス流路（第１流体流路）７６が形成される。アノード側金属セパレータ６４の面１６ｂには、燃料ガス流路７６の裏面形状である冷却媒体流路（第２流体流路）６８が形成される。

燃料ガス流路７６は、発電面に沿って矢印Ｂ方向に延在し、且つ矢印Ｃ方向に配列される複数本の直線状流路部７８と、前記直線状流路部７８の入口及び出口近傍に設けられる入口バッファ部８０ａ及び出口バッファ部８０ｂとを有する。

入口バッファ部８０ａは、中間高さ部４６ａから燃料ガス流路７６側に突出する第１凸部４２ａと、前記中間高さ部４６ａから冷却媒体流路６８側に突出する第２凸部４４ａとを有する。第１凸部４２ａと第２凸部４４ａの少なくとも一部同士は、滑らかな連続形状部４８ａを介して連結される。

出口バッファ部８０ｂは、中間高さ部４６ｂから燃料ガス流路７６側に突出する第１凸部４２ｂと、前記中間高さ部４６ｂから冷却媒体流路６８側に突出する第２凸部４４ｂとを有する。第１凸部４２ｂと第２凸部４４ｂとの少なくとも一部同士は、滑らかな連続形状部４８ｂを介して連結される。

直線状流路部７８は、電解質膜・電極構造体１４側に突出する突起部８２ａと、この突起部８２ａとは逆方向に突出する突起部８２ｂとを矢印Ｃ方向に交互に設ける。

このように構成される第２の実施形態では、例えば、カソード側金属セパレータ６２の入口バッファ部７２ａは、第１凸部３４ａと第２凸部３６ａとを両面側に突出形成するとともに、前記第１凸部３４ａと前記第２凸部３６ａとの少なくとも一部同士は、中間高さ部３８ａを設けることなく、滑らかな連続形状部３９ａを介して連結されている。これにより、第２の実施形態は、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

図１２は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池９０の要部分解斜視説明図である。なお、第１及び第２の実施形態に係る燃料電池１０、６０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。

燃料電池９０は、カソード側金属セパレータ９２、電解質膜・電極構造体１４及びアノード側金属セパレータ９６を設ける。図１２及び図１３に示すように、カソード側金属セパレータ９２の面１２ａには、酸化剤ガス流路（第１流体流路）９８が形成される。一方、面１２ｂには、前記酸化剤ガス流路９８の裏面形状である冷却媒体流路（第２流体流路）１００が形成される。酸化剤ガス流路９８は、直線状流路部７０と入口バッファ部１０２ａ及び出口バッファ部１０２ｂとを有する。

入口バッファ部１０２ａは、中間高さ部３８ａから酸化剤ガス流路９８側に突出する第１凸部１０４ａと、前記中間高さ部３８ａから冷却媒体流路１００側に突出する第２凸部３６ａとを有する。第１凸部１０４ａは、ライン形状部を有し、酸化剤ガス入口連通孔２８ａから直線状流路部７０の全領域にわたって酸化剤ガスを案内するためのガイド凸部を構成する。第１凸部１０４ａと第２凸部３６ａとの少なくとも一部同士は、滑らかな連続形状部３９ａを介して連結される（図１４参照）。

出口バッファ部１０２ｂは、同様に、中間高さ部３８ｂから酸化剤ガス流路９８側に突出する第１凸部（ライン形状部）１０４ｂと、前記中間高さ部３８ｂから冷却媒体流路１００側に突出する第２凸部３６ｂとを有する。第１凸部１０４ｂと第２凸部３６ｂとの少なくとも一部同士は、滑らかな連続形状部３９ｂを介して連結される。

図１５に示すように、アノード側金属セパレータ９６の面１６ａには、燃料ガス流路（第１流体流路）１０６が形成されるとともに、面１６ｂには、前記燃料ガス流路１０６の裏面形状である冷却媒体流路（第２流体流路）１００が形成される。燃料ガス流路１０６は、直線状流路部７８と入口バッファ部１０８ａ及び出口バッファ部１０８ｂとを有する。

入口バッファ部１０８ａは、中間高さ部４６ａから燃料ガス流路１０６側に突出する第１凸部（ライン形状部）１１０ａと、前記中間高さ部４６ａから冷却媒体流路１００側に突出する第２凸部４４ａとを備える。第１凸部１１０ａと第２凸部４４ａとの少なくとも一部同士は、滑らかな連続形状部４８ａを介して連結される。

出口バッファ部１０８ｂは、中間高さ部４６ｂから燃料ガス流路１０６側に突出する第１凸部（ライン形状部）１１０ｂと、前記中間高さ部４６ｂから冷却媒体流路１００側に突出する第２凸部４４ｂとを備える。第１凸部１１０ｂと第２凸部４４ｂとの少なくとも一部同士は、滑らかな連続形状部４８ｂを介して連結される。

このように構成される第３の実施形態では、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。

１０、６０、９０…燃料電池
１２、６２、９２…カソード側金属セパレータ
１４…電解質膜・電極構造体
１６、６４、９６…アノード側金属セパレータ
１８…固体高分子電解質膜 ２０…カソード側電極
２２…アノード側電極 ３０、６６、９８…酸化剤ガス流路
３２、６８、１００…冷却媒体流路
３４、３４ａ、３４ｂ、３６、３６ａ、３６ｂ、４２、４２ａ、４２ｂ、４４、４４ａ、４４ｂ、１０４ａ、１０４ｂ、１１０ａ、１１０ｂ…凸部
３８、３８ａ、３８ｂ、４６、４６ａ、４６ｂ…中間高さ部
３９、３９ａ、３９ｂ、４８、４８ａ、４８ｂ…連続形状部
４０、７６、１０６…燃料ガス流路 ７０、７８…直線状流路部
７２ａ、８０ａ、１０２ａ、１０８ａ…入口バッファ部
７２ｂ、８０ｂ、１０２ｂ、１０８ｂ…出口バッファ部

Claims (4)

1. 電解質の両面に電極が設けられた電解質・電極構造体と波板形状の金属セパレータとが積層されるとともに、前記金属セパレータの両面には、燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体のいずれかの流体が流通される第１及び第２流体流路が形成される燃料電池であって、
   前記金属セパレータは、前記第１流体流路側に突出する第１凸部と、
   前記第２流体流路側に突出する第２凸部と、
   中間高さの平坦部と、
   を備え、
   互いに隣接する前記第１凸部と前記第２凸部との少なくとも一部同士は、滑らかな連続形状部を介して連結されることを特徴とする燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池において、前記第１凸部及び前記第２凸部は、それぞれエンボス形状部を構成することを特徴とする燃料電池。
3. 請求項１記載の燃料電池において、前記第１凸部は、ライン形状部を構成する一方、
   前記第２凸部は、エンボス形状部を構成することを特徴とする燃料電池。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記第１凸部及び前記第２凸部は、バッファ部に設けられることを特徴とする燃料電池。

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