JP2016021339A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】ガス流路内での水の滞留を抑制することができる。
【解決手段】燃料電池のセル１０を構成する一方のセパレータは、他方のセパレータである溝流路プレート７０に隣接するフラットプレート６０と、フラットプレート６０に対して溝流路プレート７０が接する面とは反対側の面に接するとともにガス流路５７が形成された多孔体プレート５０とを有している。酸化剤ガス排出用マニホルド孔１４内には、同マニホルド孔１４内を第１流路９１と同第１流路９１よりも流路断面積が大きく且つ同第１流路９１を挟んでガス流路５７とは反対側に位置する第２流路９２とに仕切る仕切壁としての延設部６７の先端部６９が形成されている。フラットプレート６０には、ガス流路５７と第１流路９１とを連通する第１連通孔８１が形成されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、固体高分子形燃料電池に関する。

固体高分子形燃料電池（以下、燃料電池と略称する。）は、多数のセルを積層することによって構成されている（例えば特許文献１参照）。１つのセルは、固体高分子膜からなる電解質膜を燃料極と空気極とによって挟むことにより形成された膜電極接合体と、同膜電極接合体を挟む一対のセパレータとを備えている。

特許文献１に記載の燃料電池は、凹凸形状を有する溝流路プレートを一方のセパレータとして備えている。また、前記燃料電池は、溝流路プレートに隣接するフラットプレートと、同フラットプレートに対して溝流路プレートが接する面とは反対側の面に接する多孔体プレートとを他方のセパレータとして有している。

溝流路プレートにおける前記膜電極接合体に対向する面には、供給用マニホルド孔からの燃料ガスを同膜電極接合体に供給するとともに未反応の燃料ガスを排出用マニホルド孔へ排出するためのガス流路が形成されている。

多孔体プレートには、供給用マニホルド孔からの酸化剤ガスを膜電極接合体に供給するとともに未反応の酸化剤ガスを排出用マニホルド孔へ排出するためのガス流路が形成されている。

各ガス流路を通じて膜電極接合体に燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されると、燃料ガスと酸化剤ガスとの化学反応により発電が行なわれる。また、発電に伴って生成される水（以下、生成水と称する。）は、多孔体プレートの前記ガス流路を通じて排出用マニホルド孔へ排出される。

特開２０１２―１２３９４９号公報

ところで、こうした従来の燃料電池においては、生成水がガス流路から排出用マニホルド孔へ排出されるときに、生成水の流れが同ガス流路から排出される酸化剤ガスによって分断されやすい。そのため、生成水の排出が滞ることでガス流路内に生成水が滞留しやすくなり、滞留する生成水によって反応ガスの圧力損失が増大するなどの問題が生じるおそれがある。

なお、燃料電池においては、通常、燃料ガスが加湿されていることから、燃料ガスが流通するガス流路には水蒸気が凝縮することにより水が生じることがある。そのため、多孔体プレートのガス流路に燃料ガスを流通させる構成においても、凝縮水がガス流路から排出用マニホルド孔へ排出される際に前述した問題が同様にして生じるおそれがある。

本発明の目的は、ガス流路内での水の滞留を抑制することができる燃料電池を提供することにある。

上記目的を達成するための燃料電池は、膜電極接合体と同膜電極接合体を挟む一対のセパレータとを備えるセルを積層することにより形成された燃料電池において、前記一対のセパレータには、供給用マニホルド孔からの反応ガスを前記膜電極接合体に供給するとともに未反応の反応ガスを排出用マニホルド孔へ排出するガス流路がそれぞれ形成され、前記排出用マニホルド孔内には、同排出用マニホルド孔内を第１流路と同第１流路よりも流路断面積が大きく且つ同第１流路を挟んで前記ガス流路とは反対側に位置する第２流路とに仕切る仕切壁が形成され、前記一対のセパレータの少なくとも一方には、同セパレータの前記ガス流路と前記第１流路とを連通する連通孔が形成されている。

こうした構成によれば、セパレータのガス流路内の水は同セパレータを伝って排出用マニホルド孔に向けて移動し、毛管現象により連通孔を通じて第１流路に流入する。一方、ガス流路内の反応ガスは、排出用マニホルド孔に流入する際に、第１流路よりも流路断面積が大きく圧力損失の小さい第２流路に流入しやすくなる。このように、排出用マニホルド孔内において水と反応ガスとが分離された状態が維持されやすくなり、ガス流路から第１流路にわたって水が繋がった状態が維持されやすくなる。このため、水の排出が促進されるようになる。従って、ガス流路内での水の滞留を抑制することができる。

本発明によれば、ガス流路内での水の滞留を抑制することができる。

一実施形態における燃料電池のセルの斜視図。 同実施形態における燃料電池のセルの分解平面図。 同実施形態における酸化剤ガスの排出用マニホルド孔を中心とした断面図。 同実施形態における酸化剤ガスの排出用マニホルド孔に設けられた仕切壁を中心とした斜視図。 （ａ）は同実施形態におけるフラットプレートの平面図、（ｂ）は（ａ）の一部を拡大して示す拡大図。 変形例の燃料電池のセルにおける酸化剤ガスの排出用マニホルド孔を中心とした断面図。

以下、図１〜図５を参照して、一実施形態について説明する。なお、図１及び図２におけるセル１０の上下方向を単に上下方向とし、図１及び図２における左右方向を単に左右方向として説明する。

図１〜図３に示すように、固体高分子形燃料電池は、多数のセル１０を積層することによって構成されている。
図２及び図３に示すように、セル１０は、フラットプレート６０と、第２樹脂フレーム４０によって周縁を囲まれるとともにフラットプレート６０に隣接して設けられる多孔体プレート５０とを備えている。また、セル１０は、第１樹脂フレーム２０によって周縁を囲まれるとともに多孔体プレート５０に隣接して設けられる膜電極接合体３０と、同膜電極接合体３０に隣接して設けられ、凹凸形状を有する溝流路プレート７０とを備えている。膜電極接合体３０は、固体高分子膜からなる電解質膜を燃料極と空気極とによって挟むことにより形成されている。フラットプレート６０、溝流路プレート７０、及び多孔体プレート５０は、金属板材をプレス加工することによりそれぞれ形成されている。

図１に示すように、セル１０の左上側周縁部には、同セル１０の中央部に位置する膜電極接合体３０に向けて燃料ガス（例えば水素ガス）を供給するための燃料ガス供給用マニホルド孔１１が形成されている。また、セル１０の右下側周縁部には、同セル１０の中央部からの未反応の燃料ガスを排出するための燃料ガス排出用マニホルド孔１２が形成されている。

セル１０の下側周縁部には、前記膜電極接合体３０に向けて酸化剤ガス（例えば空気）を供給するための酸化剤ガス供給用マニホルド孔１３が形成されている。また、セル１０の上側周縁部には、同セル１０の中央部からの未反応の酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出用マニホルド孔１４が形成されている。

セル１０の左下側周縁部には、同セル１０の中央部に向けて冷却水を供給するための冷却水供給用マニホルド孔１５が形成されている。また、セル１０の右上側周縁部には、同セル１０の中央部からの冷却水を排出するための冷却水排出用マニホルド孔１６が形成されている。

図１及び図２に併せ示すように、燃料ガス給排用のマニホルド孔１１，１２は、フラットプレート６０の周縁部に形成された孔６１，６２、第２樹脂フレーム４０の周縁部に形成された孔４１，４２、第１樹脂フレーム２０の周縁部に形成された孔２１，２２、及び溝流路プレート７０の周縁部に形成された孔７１，７２によって構成されている。

酸化剤ガス給排用のマニホルド孔１３，１４は、フラットプレート６０の周縁部に形成された孔６３，６４、第２樹脂フレーム４０の周縁部に形成された孔４３，４４、第１樹脂フレーム２０の周縁部に形成された孔２３，２４、及び溝流路プレート７０の周縁部に形成された孔７３，７４によって構成されている。第２樹脂フレーム４０の前記孔４３，４４は、多孔体プレート５０を囲む中央孔４９と繋がっている。また、第１樹脂フレーム２０の前記孔２３，４４は、膜電極接合体３０を囲む中央孔２９と繋がっていない。

冷却水給排用のマニホルド孔１５，１６は、フラットプレート６０の周縁部に形成された孔６５，６６、第２樹脂フレーム４０の周縁部に形成された孔４５，４６、第１樹脂フレーム２０の周縁部に形成された孔２５，２６、及び溝流路プレート７０の周縁部に形成された孔７５，７６によって構成されている。

図１〜図３に示すように、溝流路プレート７０における膜電極接合体３０に対向する面の中央部には、燃料ガスが流通する溝状のガス流路７７が形成されている。このガス流路７７は、燃料ガス給排用のマニホルド孔１１，１２に連通している。

溝流路プレート７０におけるフラットプレート６０に対向する面の中央部には、冷却水が流通する冷却水流路７８が形成されている。この冷却水流路７８は、冷却水給排用のマニホルド孔１５，１６に連通するとともに、互いに隣接するガス流路７７の間に位置している。

多孔体プレート５０には、酸化剤ガスが流通するガス流路５７が形成されている。このガス流路５７においては、膜電極接合体３０での発電に伴って生成される水（以下、生成水と称する。）も流通する。

図３及び図４に示すように、フラットプレート６０は、酸化剤ガス排出用マニホルド孔１４を形成する孔６４の下側縁部から上方、すなわち同孔６４の内側に向けて延びる延設部６７を有している。なお、図４では、フラットプレート６０のみが図示されている。

図４に示すように、延設部６７の先端部６９は基端部６８よりも幅が広くされており、同基端部６８との境界において屈曲されて酸化剤ガス排出用マニホルド孔１４の下流側に向けて延びており、隣接する他のセル１０の第２樹脂フレーム４０の孔４４の内側まで達している。この先端部６９は、酸化剤ガス排出用マニホルド孔１４内を、第１流路９１と、第１流路９１の上側、すなわち第１流路９１を挟んでガス流路５７とは反対側に位置する第２流路９２とに仕切る仕切壁として機能する。また、第１流路９１の流路断面積は第２流路９２の流路断面積よりも小さくされている。

延設部６７の基端部６８には、ガス流路５７と第１流路９１とを連通する第１連通孔８１が幅方向に沿って複数形成されている。また、延設部６７の先端部６９には、第２連通孔が幅方向に沿って複数形成されている。

次に、フラットプレート６０の製造方法について説明する。
図５（ａ），（ｂ）に示すように、まず、金属板材に対して打ち抜き加工を行なうことにより、各孔６１〜６６を有するフラットプレート６０が形成される。またこのとき、酸化剤ガス排出用マニホルド孔１４を構成する孔６４の下側縁部に延設部６７が形成される。

次に、図５（ｂ）に示すように、延設部６７の基端部６８と先端部６９との境界から同先端部６９を折り曲げることにより、図３及び図４に示すフラットプレート６０が形成される。

次に、本実施形態の作用について説明する。
図４に示すように、多孔体プレート５０のガス流路５７内の生成水は、フラットプレート６０を伝って酸化剤ガス排出用マニホルド孔１４に向けて移動し、毛管現象によりフラットプレート６０の第１連通孔８１を通じて第１流路９１に流入する。一方、ガス流路５７内の酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出用マニホルド孔１４に流入する際に、第１流路９１よりも流路断面積が大きく圧力損失の小さい第２流路９２に流入しやすくなる。このように、酸化剤ガス排出用マニホルド孔１４内において生成水と酸化剤ガスとが分離された状態が維持されやすくなり、ガス流路５７から第１流路９１にわたって生成水が繋がった状態が維持されやすくなる。このため、生成水の排出が促進されるようになる。

また、生成水の一部が第２流路９２に流入し、延設部６７の先端部６９の第２流路９２側の面に付着することがあるが、こうして付着した水は毛管現象により第１流路９１に引き込まれる。

以上説明した本実施形態に係る燃料電池によれば、以下に示す効果が得られるようになる。
（１）酸化剤ガス排出用マニホルド孔１４内には、同マニホルド孔１４内を第１流路９１と同第１流路９１よりも流路断面積が大きく且つ同第１流路９１を挟んでガス流路５７とは反対側に位置する第２流路９２とに仕切る仕切壁としての延設部６７の先端部６９が形成されている。フラットプレート６０には、ガス流路５７と第１流路９１とを連通する第１連通孔８１が形成されている。

こうした構成によれば、酸化剤ガス排出用マニホルド孔１４内において生成水と酸化剤ガスとが分離された状態が維持されやすくなり、ガス流路５７から第１流路９１にわたって生成水が繋がった状態が維持されやすくなる。このため、生成水の排出が促進されるようになる。従って、ガス流路５７内での生成水の滞留を抑制することができ、ガス流路５７内での酸化剤ガスの流れが円滑となる。よって、酸化剤ガスの圧力損失を低減することができるとともに酸化剤ガスの拡散性能を高めることができ、ひいては燃料電池の発電効率を高めることができる。

（２）フラットプレート６０は、酸化剤ガス排出用マニホルド孔１４を形成する孔６４の縁部から同孔６４の内側に向けて延びる延設部６７を有し、延設部６７の先端部６９が屈曲されて酸化剤ガス排出用マニホルド孔１４の下流側に向けて延びており、延設部６７の先端部６９が前記仕切壁として機能する。このように仕切壁としての延設部６７がフラットプレート６０と一体形成されているため、打ち抜き加工及び曲げ加工によって延設部６７を容易に形成することができる。

（３）第１連通孔８１が延設部６７の基端部６８に形成されているため、フラットプレート６０を伝って酸化剤ガス排出用マニホルド孔１４に向けて移動してきた生成水を第１連通孔８１から直接、第１流路９１に流入させることができる。

（４）延設部６７の先端部６９には第２連通孔８２が形成されているため、先端部６９の第２流路９２側の面に付着した水を毛管現象により第１流路９１に引き込むことができ、第２流路９２に流入した生成水を回収することができる。

なお、上記実施形態は、例えば以下のように変更することもできる。
・延設部６７の先端部６９の幅を基端部６８の幅と同一にすることもできる。また、先端部６９の幅を基端部６８の幅よりも狭くすることもできる。

・図６に示すように、第２樹脂フレーム１４０によって多孔体プレート１５０の周縁を囲むとともに、上記実施形態において例示した孔４４を省略することもできる。すなわち、第２樹脂フレーム１４０における酸化剤ガス排出用マニホルド孔に対応する部分の全部或いは一部に多孔体プレート１５０が存在するものであってもよい。なお、同図においては、上記実施形態の構成と同一の構成には同一の符号を付し、上記実施形態の構成に対応する構成には「１００」を加算した符号を付すことにより、重複する説明を省略している。

・フラットプレート６０における多孔体プレート５０に対向する部位に第１連通孔８１を形成することもできる。すなわち、第１連通孔は酸化剤ガス排出用マニホルド孔１４の内部に位置しないものであってもよい。

・第２連通孔８２を省略することもできる。
・セル１０を斜めに傾けた状態で燃料電池を使用することもできる。また、酸化剤ガス排出用マニホルド孔１４と酸化剤ガス供給用マニホルド孔１３との上下方向における位置を同じにて燃料電池を使用することもできる。

・第１樹脂フレームの一部として仕切壁を形成することもできる。すなわち、フラットプレートとは別部材によって仕切壁を形成することもできる。
・燃料ガスが流通するガス流路として多孔体プレートを採用することもできる。この場合、上記実施形態において例示した構成やその変形例の構成を同多孔体プレートに隣接するフラットプレートに適用すればよい。

１０…セル、１１…燃料ガス供給用マニホルド孔、１２…燃料ガス排出用マニホルド孔、１３…酸化剤ガス供給用マニホルド孔、１４…酸化剤ガス排出用マニホルド孔、１５…冷却水供給用マニホルド孔、１６…冷却水排出用マニホルド孔、２０…第１樹脂フレーム、２１〜２６…孔、２９…中央孔、３０…膜電極接合体、４０…第２樹脂フレーム、４１〜４６…孔、４９…中央孔、５０…多孔体プレート（一方のセパレータ）、５１〜５６…孔、５７…ガス流路、６０…フラットプレート（一方のセパレータ）、６１〜６６…孔、６７…延設部、６８…基端部、６９…先端部（仕切壁）、７０…溝流路プレート（他方のセパレータ）、７１〜７６…孔、７７…ガス流路、７８…冷却水流路、８１…第１連通孔、８２…第２連通孔、９１…第１流路、９２…第２流路。

Claims (6)

1. 膜電極接合体と同膜電極接合体を挟む一対のセパレータとを備えるセルを積層することにより形成された燃料電池において、
   前記一対のセパレータには、供給用マニホルド孔からの反応ガスを前記膜電極接合体に供給するとともに未反応の反応ガスを排出用マニホルド孔へ排出するガス流路がそれぞれ形成され、
   前記排出用マニホルド孔内には、同排出用マニホルド孔内を第１流路と同第１流路よりも流路断面積が大きく且つ同第１流路を挟んで前記ガス流路とは反対側に位置する第２流路とに仕切る仕切壁が形成され、
   前記一対のセパレータの少なくとも一方には、同セパレータの前記ガス流路と前記第１流路とを連通する連通孔が形成されている、
   燃料電池。
2. 前記一方のセパレータは、他方のセパレータに隣接するフラットプレートと、同フラットプレートに対して前記他方のセパレータが接する面とは反対側の面に接するとともに前記ガス流路が形成された多孔体プレートとを有し、
   前記連通孔は、前記フラットプレートに形成されている、
   請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記仕切壁は前記フラットプレートと一体形成されている、
   請求項２に記載の燃料電池。
4. 前記フラットプレートは、前記排出用マニホルド孔を形成する孔の縁部から同孔の内側に向けて延びる延設部を有し、
   前記延設部の先端部が屈曲されて同排出用マニホルド孔の下流側に向けて延びており、
   前記延設部の先端部が前記仕切壁とされている、
   請求項３に記載の燃料電池。
5. 前記連通孔は前記延設部の基端部に形成されている、
   請求項４に記載の燃料電池。
6. 前記連通孔を第１連通孔とするとき、
   前記仕切壁には第２連通孔が形成されている、
   請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の燃料電池。