JP2015220128A - 燃料電池用セパレータ - Google Patents

Abstract

【課題】突起部とプレートとの間に形成された空間に滞留している生成水が凍結した際に、突起部の変形や割れ等の損傷が生じることを抑制する。
【解決手段】燃料電池用セパレータは、燃料電池の内部に形成されるマニホールドを形成するための開口部と、開口部の周囲に配置され波型の断面形状を有し、燃料電池においてプレートとは反対側に隣接する部材と接して弾性変形することにより開口部の周囲をシールする突起部と、プレートと接することによりガス流路を形成するガス流路形成部と、燃料電池において突起部とプレートとの間に形成された空間と連通し、燃料電池が載置された状態においてガス流路と空間との交差部よりも下方に位置する溝部と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池に用いられるセパレータに関する。

従来から、膜電極接合体と、膜電極接合体を挟む２つのセパレータとを有する複数の単セルが積層された燃料電池が用いられている。特許文献１に記載のセパレータは、膜電極接合体を囲むシール部において、隣接する単セルに向かって突き出る凸部を備え、凸部の弾性変形により隣接する単セル間をシールしている。

特表２００６−５０４８７２号公報

燃料電池反応により生成した水（以下「生成水」と呼ぶ）は、反応オフガスの排出用のマニホールドから排水される。上記特許文献１に記載された燃料電池のセパレータでは、膜電極接合体と対向する面において、前述のマニホールドを形成する開口部の周りにシール部（凸部）が配置されているので、開口部に向かう生成水の一部が凸部の裏側と、膜電極接合体を有するプレートとの間の空間に流入して滞留することがある。滞留した生成水は、氷点下などの低温環境下において凍結して膨張し、凸部に応力を加える。その結果、凸部の変形や割れ等の損傷が生じ、シールが破られてしまうおそれがあった。なお、上記課題は、反応ガスを供給するためのマニホールドの周囲に配置されている凸部においても、供給される反応ガスに含まれる水が凍結することにより起こり得る。その他、従来の燃料電池のセパレータにおいては、低コスト化、製造の容易化、省資源化等が望まれていた。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

本発明の一形態によれば、燃料電池用セパレータが提供される。この燃料電池用セパレータは、膜電極接合体を含むプレートを有する燃料電池において、前記プレートと接して用いられる燃料電池用セパレータであって；前記燃料電池の内部に形成されるマニホールドであって反応ガスを供給するため又は反応オフガスを排出するためのマニホールドを、形成するための開口部と；前記開口部の周囲に配置される波型の断面形状を有する突起部であって、前記燃料電池において前記プレートとは反対側に隣接する部材と接して弾性変形することにより、前記開口部の周囲をシールする突起部と；前記プレートと接することにより、前記開口部と前記膜電極接合体との間において前記反応ガス又は前記反応オフガスを流通させるガス流路を、形成するガス流路形成部と；前記燃料電池において前記突起部と前記プレートとの間に形成された空間と連通する溝部であって、前記燃料電池が載置された状態において前記ガス流路と前記空間との交差部よりも下方に位置する溝部と；を備える。この形態の燃料電池用セパレータによれば、突起部とプレートとの間に形成された空間に生成水が滞留して凍結しても、凍結時の体積膨張分を溝部に逃がすことができるため、突起部へ応力がかかることを抑制でき、突起部の変形や割れ等の損傷を抑制できる。

本発明は、種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池、その燃料電池を備えた燃料電池システム、その燃料電池システムを搭載した車両等の形態で実現することができる。

本発明の一実施形態としての燃料電池用セパレータ１００を適用した燃料電池５００の概略構成を示す斜視図である。 セパレータ１００の構成を示す平面図である。 燃料電池５００の積層方向に沿った断面を拡大して示す断面図である。 セパレータ１００の一部を拡大して示す斜視図である。 実施形態における効果を模式的に示す説明図である。

Ａ．実施形態：
図１は、本発明の一実施形態としての燃料電池用セパレータ１００を適用した燃料電池５００の概略構成を示す斜視図である。燃料電池５００は、複数の単セル３００が、図１に示すＺ軸方向に積層されて形成されている。図中で、Ｘ軸およびＺ軸は水平面と平行であり、＋Ｙ方向は鉛直上方向を示し、−Ｙ方向は鉛直下方を示す。単セル３００は、膜電極接合体（以下、「ＭＥＡ」（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と呼ぶ）プレート２８０と、ＭＥＡプレート２８０を挟んで配置されている２つの燃料電池用セパレータ１００（以下、「セパレータ１００」と呼ぶ）とを備える。ＭＥＡプレート２８０は、発電部２００と支持フレーム２５０とを備える。発電部２００は、単セル３００の積層方向（Ｚ軸方向）に沿って配置されているＭＥＡとＭＥＡを挟む２つのガス拡散層とを有する。なお、発電部２００を１つの膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ）により構成してもよい。支持フレーム２５０の中央部には、厚さ方向に貫通孔が設けられており、かかる貫通孔に発電部２００が配置されている。

燃料電池５００の内部には、単セル３００の積層方向に沿って、酸化剤ガス供給マニホールド１、酸化剤ガス排出マニホールド２、燃料ガス供給マニホールド３、燃料ガス排出マニホールド４、冷却媒体供給マニホールド５、冷却媒体排出マニホールド６が形成されている。燃料電池５００は、いわゆる固体高分子型燃料電池であり、反応ガス（酸化剤ガスおよび燃料ガス）の供給部や、冷却媒体の供給部等と共に燃料電池システムを構成する。このような燃料電池システムは、例えば、駆動用電源を供給するためのシステムとして、電気自動車等に搭載されて用いられる。

図２は、セパレータ１００の構成を示す平面図である。図２の左下の図は、開口部１２の周辺を拡大して示す説明図である。図２では、ＭＥＡプレート２８０を挟む２つのセパレータ１００のうち、発電部２００のカソード側と対向するセパレータ１００を表している。セパレータ１００は、板状の外観形状を有し、一方の面は、燃料電池５００において、ＭＥＡプレート２８０（発電部２００）と対向し、他方の面は、隣接する単セル３００のセパレータ１００と対向する。図２では、セパレータ１００の両面のうち、ＭＥＡプレート２８０と接する側の面を表している。

セパレータ１００は、６つの開口部１１、１２、１３、１４、１５、１６と、シール部２０（突起部２１）と、流路形成部３０と、溝部４０とを備える。開口部１１は、燃料電池５００において、酸化剤ガス供給マニホールド１の一部を形成する。同様に、燃料電池５００において、開口部１２は酸化剤ガス排出マニホールド２の一部を、開口部１３は燃料ガス供給マニホールド３の一部を、開口部１４は燃料ガス排出マニホールド４の一部を、開口部１５は冷却媒体供給マニホールド５の一部を、開口部１６は冷却媒体排出マニホールド６の一部を、それぞれ形成する。セパレータ１００は、ガス不透過の導電性部材により形成されている。このような部材として、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンや、プレス成型した金属板を採用することができる。

図２に示すように、シール部２０は、各開口部１１〜１６の周囲および流路形成部３０の周囲に配置されている。ここで、シール部２０の機構について、図３を用いて説明する。

図３は、燃料電池５００の積層方向に沿った断面を拡大して示す断面図である。図３では、図２におけるセパレータ１００のＡ−Ａ切断線の位置で、圧縮されていない状態の燃料電池５００を切断したときの、一部の断面を示している。シール部２０は、各単セル３００において、２つのセパレータ１００と、支持フレーム２５０と、ゴムシート６０とにより形成される。シール部２０において、２つのセパレータ１００のうちの一方は＋Ｚ方向に突き出る突起部２１を備え、他方は凹凸のない平面形状を有する。図３に示すように、突起部２１の断面形状は、Ｖ字状の波型形状であり、ＭＥＡプレート２８０（支持フレーム２５０）と対向する側に空間Ｓが形成されている。突起部２１は、セパレータ１００の基材となる薄板をプレス加工することにより形成される。

図３に示すように、支持フレーム２５０において、突起部２１と対応する位置は薄肉に形成されており、かかる薄肉部とセパレータ１００との間には空隙部５０が形成されている。図３に示すように、この空隙部５０と前述の空間Ｓとは、一体となっている。空隙部５０のＹ軸方向に沿った長さは、突起部２１のＹ軸方向に沿った長さよりも大きい。このため、図３に示すように、セパレータ１００における突起部２１の周囲には、支持フレーム２５０と接しない突起部両端部２３が形成されている。空隙部５０は、後述のように突起部２１および突起部両端部２３が弾性変形して−Ｚ方向に変位した際に、突起部２１および突起部両端部２３を収容する。

突起部２１と、隣接する単セル３００の間には、ゴムシート６０が配置されている。ゴムシート６０は、請求項における「プレートとは反対側に隣接する部材」に相当する。図中の白抜きの矢印で示すように、燃料電池５００が積層方向（Ｚ軸方向）に圧縮されると、突起部２１はゴムシート６０を介して隣接する単セル３００から反力を受ける。この反力により、突起部２１および突起部両端部２３は、弾性変形し、支持フレーム２５０の空隙部５０に向かって曲がる。この弾性変形により、隣接する２つの単セル３００の間がシールされる。

説明を図２に戻す。図２に示す流路形成部３０は、燃料電池５００において、ＭＥＡプレート２８０と接することにより、図２左下の拡大図に示すガス流路３５を形成する。なお、図２左下の拡大図中の矢印は、ガス流路３５におけるカソード側の反応オフガスの流れを示す。流路形成部３０の詳細構成については後述する。

図４は、セパレータ１００の一部を拡大して示す斜視図である。図４は、セパレータ１００のうち、開口部１２の周辺の一部のみを拡大して表している。図４に示すように、流路形成部３０は、多数のリブ３１を有する。リブ３１は、開口部１１の近傍から開口部１２の近傍に至るまで延設されており、セパレータ１００がＭＥＡプレート２８０と接することによりＭＥＡプレート２８０と接し、隣接するリブ３１との間にガス流路３５を形成する。ガス流路３５は、開口部１１から発電部２００へ酸化剤ガスを供給すると共に、発電部２００から開口部１２へカソード側オフガスを排出する。図４および図２の左下の拡大図に示すように、ガス流路３５とシール部２０とは、交わっている。より正確には、ガス流路３５と、空間Ｓおよび空隙部５０とは、交差部Ｉで交差しており、互いに連通している。

図４および図２の左下の拡大図に示すように、開口部１２の近傍には複数の溝部４０が形成されている。より具体的には、開口部１２を囲むシール部２０のうちの下方部と、開口部１２の下方部との間において、鉛直方向（Ｙ軸方向）に沿って、複数の溝部４０が形成されている。これらの溝部４０は、燃料電池５００において、前述の空間Ｓおよび空隙部５０と連通すると共に開口部１２と連通する。溝部４０の本数および断面積は、シール部２０におけるシール反力と後述する溝部４０の機能とが両立できるような、好ましい範囲で設定することができる。

ここで、燃料電池反応によりカソード側で生じた水（以下、「生成水」と呼ぶ）は、反応オフガスの流れにしたがって、ガス流路３５を通り、開口部１２へ排水される。前述のようにガス流路３５と空間Ｓおよび空隙部５０とは互いに連通しているため、ガス流路３５を通って開口部１２に向かう生成水のうちの一部は、交差部Ｉから空間Ｓおよび空隙部５０に流入する。空間Ｓおよび空隙部５０では、反応オフガスの流れが少ないため、生成水が滞留する可能性がある。特に、開口部１２の周囲のうち、開口部１２の鉛直下方に位置する空間Ｓおよび空隙部５０には、重力によって生成水が集まり滞留する可能性が高い。空間Ｓおよび空隙部５０に滞留している生成水は、低温環境下で凍結して体積が増加する。本実施形態のセパレータ１００では、溝部４０を利用して、空間Ｓおよび空隙部５０に滞留している生成水の凍結に伴う体積増加によって突起部２１が損傷することを抑制している。

図５は、実施形態における効果を模式的に示す説明図である。図５（Ａ）は、空間Ｓおよび空隙部５０に滞留した生成水Ｗが凍結していない状態を示す。図５（Ｂ）は、空間Ｓおよび空隙部５０に滞留した生成水Ｗが凍結した状態を示す。図５では、開口部１２を囲むシール部２０のうち、開口部１２の鉛直下方に位置する部分の空間Ｓおよび空隙部５０と、複数の溝部４０のうちの１つの溝部４０とを模式的に表している。

燃料電池５００が動作中などの比較的高温環境下において、生成水Ｗは、液体として空間Ｓおよび空隙部５０に存在する。図５（Ａ）の例では、空間Ｓおよび空隙部５０が液体の生成水Ｗによって満たされている。この状態のまま、燃料電池５００の動作が停止して、例えば氷点下の低温環境になると、空間Ｓおよび空隙部５０に存在する生成水Ｗは、凍結して体積が増加する。しかしながら、空間Ｓおよび空隙部５０と連通する溝部４０が形成されているため、空間Ｓおよび空隙部５０に存在する生成水Ｗが図５に示す端部から次第に中央部に向かって凍結した場合に、凍結による体積膨張分の生成水Ｗは、溝部４０内に収容される（逃がされる）。このため、シール部２０の突起部２１へ応力がかかることが抑制され、突起部２１の変形や割れ等の損傷が生じることが抑制される。

以上、開口部１２の近傍の構成について説明したが、開口部１１の近傍の構成も同様である。また、発電部２００のアノード側と対向するセパレータ１００における開口部１３および開口部１４の近傍の構成も同様である。開口部１１近傍においては、供給される酸化剤ガスに含まれる水が、低温環境下で凍結するおそれがある。また、開口部１３および開口部１４の近傍においては、発電部２００を通じてカソード側からアノード側に移動した水が、低温環境下で凍結するおそれがある。しかしながら、本実施形態のセパレータ１００を用いることにより、これらの凍結が発生しても、開口部１１、開口部１３および開口部１４の近傍における突起部２１の損傷を抑制できる。

Ｂ．変形例：
Ｂ−１．変形例１：
上記実施形態では、溝部４０は、開口部１１〜１４と、空間Ｓおよび空隙部５０とを連通させるように配置されていたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、溝部４０が空間Ｓおよび空隙部５０のみと連通し、開口部１１〜１４と連通していない構成を採用してもよい。かかる構成によっても、空間Ｓおよび空隙部５０に滞留した生成水が、生成水の端から凍結した場合であっても、凍結による体積膨張分を、溝部４０に逃がすことができる。また、溝部４０は、開口部１１〜１４の鉛直下方に配置されていたが、鉛直下方に代えて、または鉛直下方に加えて、側方に配置されていてもよい。具体的には、例えば、開口部１２を囲む平面視矩形状の空間Ｓおよび空隙部５０のうち、交差部Ｉを含む線分に相当する空間Ｓおよび空隙部５０に、溝部４０を配置してもよい。この構成においては、溝部４０を、空間Ｓおよび空隙部５０から開口部１２に向かう方向に延設してもよい。また、溝部４０を、空間Ｓおよび空隙部５０を起点として、開口部１２から離れる方向に延設してもよい。上述した開口部１１〜１４の側方に溝部４０を配置する構成においても、燃料電池５００が載置された状態で交差部Ｉよりも鉛直下方に溝部４０が配置されるように溝部４０を形成することにより、交差部Ｉから空間Ｓおよび空隙部５０に流入した生成水が凍結する際に、一部を溝部４０に逃がすことができる。

Ｂ−２．変形例２：
本発明の実施形態では、突起部２１の形状は、Ｖ字状の波型の形状であったが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、円弧状波型や、矩形状波型、鋸状波型など、弾性変形可能な、また、より好ましくはプレスし易い任意の形状を採用することができる。

本発明は、上述の実施形態や変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１…酸化剤ガス供給マニホールド
２…酸化剤ガス排出マニホールド
３…燃料ガス供給マニホールド
４…燃料ガス排出マニホールド
５…冷却媒体供給マニホールド
６…冷却媒体排出マニホールド
１１…開口部
１２…開口部
１３…開口部
１４…開口部
１５…開口部
１６…開口部
２０…シール部
２１…突起部
２３…突起部両端部
３０…流路形成部
３１…リブ
３５…ガス流路
４０…溝部
５０…空隙部
６０…ゴムシート
１００…セパレータ
２００…発電部
２５０…支持フレーム
２８０…ＭＥＡプレート
３００…単セル
５００…燃料電池
Ｉ…交差部
Ｓ…空間
Ｗ…生成水

Claims (1)

1. 膜電極接合体を含むプレートを有する燃料電池において、前記プレートと接して用いられる燃料電池用セパレータであって、
   前記燃料電池の内部に形成されるマニホールドであって反応ガスを供給するため又は反応オフガスを排出するためのマニホールドを、形成するための開口部と、
   前記開口部の周囲に配置される波型の断面形状を有する突起部であって、前記燃料電池において前記プレートとは反対側に隣接する部材と接して弾性変形することにより、前記開口部の周囲をシールする突起部と、
   前記プレートと接することにより、前記開口部と前記膜電極接合体との間において前記反応ガス又は前記反応オフガスを流通させるガス流路を、形成するガス流路形成部と、
   前記燃料電池において前記突起部と前記プレートとの間に形成された空間と連通する溝部であって、前記燃料電池が載置された状態において前記ガス流路と前記空間との交差部よりも下方に位置する溝部と、
   を備える、燃料電池用セパレータ。

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