JP2017041404A - 燃料電池用ガス流路形成板及び燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】ガスの流量が少ない発電状態のときであっても発電効率を向上させることができる。【解決手段】ガス流路形成板２２は、金属板材により形成され、膜電極接合体１３と平板状のフラットセパレータ２１との間に介設されて燃料電池の単セル１０の第１セパレータ２０を構成するものであり、膜電極接合体１３に対向する面に形成され、互いに平行に延びる凹溝状の複数のガス流路２５と、隣り合う２つのガス流路２５の間にそれぞれ位置する内側突条２３の裏面に形成された複数の凹溝状の水流路２６と、を備える。内側突条２３には、ガス流路２５と水流路２６とを連通する複数の連通路２７が形成され、ガス流路２５の底面には、ガス流路２５を流れる酸化剤ガスの流れ方向の下流側ほど突出して酸化剤ガスを膜電極接合体１３に向けて案内する案内部２８が形成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、膜電極接合体と平板状のフラットセパレータとの間に介設されて燃料電池の単セルのセパレータを構成するガス流路形成板、及び同単セルが複数積層して形成された燃料電池スタックに関する。

例えば固体高分子型燃料電池は、膜電極接合体と、膜電極接合体を挟む一対のセパレータとを備えた単セルを複数積層することによって形成された燃料電池スタックを備えている。

こうしたセパレータとしては、平板状のフラットセパレータと、膜電極接合体とフラットセパレータとの間に介設されたガス流路形成板とを備えたものがある（例えば特許文献１参照）。

ガス流路形成板における膜電極接合体に対向する面には、互いに平行に延びる複数の凹溝が形成されており、同凹溝が燃料ガスまたは酸化剤ガスを流通させるためのガス流路とされる。また、ガス流路形成板における隣り合う２つのガス流路の間にはそれぞれ突条が形成されており、これら突条の裏面には、それぞれ複数の凹溝が形成されている。この凹溝が発電に伴って生成された水を排出するための水流路とされる。また、上記突条には、ガス流路と水流路とを連通する連通路が形成されている。

こうした燃料電池スタックにおいては、膜電極接合体での発電に伴って生成された水がガス流路形成板のガス流路に流入し、連通路を通じて水流路に流入する。そして、水流路を流れる燃料ガスあるいは酸化剤ガス（以下、ガス）の流動圧力によって水流路の外部へ排出される。

特開２０１５―１５２１８号公報

ところで、こうした従来のガス流路形成板では、ガスの流量が少ない発電状態のときには、酸化剤ガスの流れが層流となり、ガス流路を流れるガスのうちフラットセパレータ側を流れるものと膜電極接合体側を流れるものとが混ざり合いにくい。そのため、ガス流路を流れるガスのうち膜電極接合体側を流れるものは同膜電極接合体に導入されて発電に供されるものの、フラットセパレータ側を流れるものは同膜電極接合体に導入されにくく、発電に供されにくい。その結果、発電効率が低いものとなっている。

本発明の目的は、ガスの流量が少ない発電状態のときであっても発電効率を向上させることのできる燃料電池用ガス流路形成板及び燃料電池スタック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用ガス流路形成板は、金属板材により形成され、膜電極接合体と平板状のフラットセパレータとの間に介設されて燃料電池の単セルのセパレータを構成するものであって、前記膜電極接合体に対向する面に形成され、互いに平行に延びる凹溝状の複数のガス流路と、隣り合う２つの前記ガス流路の間にそれぞれ位置する突条の裏面に形成された複数の凹溝状の水流路と、を備え、前記突条には、前記ガス流路と前記水流路とを連通する複数の連通路が形成され、前記ガス流路の底面には、同ガス流路を流れるガスの流れ方向の下流側ほど突出してガスを前記膜電極接合体に向けて案内する案内部が形成されている。

また、上記目的を達成するための燃料電池スタックは、複数の単セルが積層されることにより形成されたものであって、前記単セルは、膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟む一対のセパレータとを備え、一方の前記セパレータは、前記フラットセパレータと、前記膜電極接合体と前記フラットセパレータとの間に介設された前記燃料電池用ガス流路形成板と、を備えている。

同構成によれば、ガス流路の底面付近を流れるガスが案内部に沿って流れることにより、膜電極接合体に向けて案内される。このため、ガスの流量が少ない発電状態のときであっても、膜電極接合体に対して、より多くのガスが導入されて発電に供されることとなる。

本発明によれば、ガスの流量が少ない発電状態のときであっても発電効率を向上させることができる。

燃料電池用ガス流路形成板及び燃料電池スタックの一実施形態について、燃料電池スタックの断面図。 同実施形態における第１セパレータの斜視断面図。 図２の部分拡大図。 （ａ）は図３のａ−ａ線に沿った部分断面図、（ｂ）は図３のｂ−ｂ線に沿った部分断面図。 （ａ），（ｂ）はガス流路及び連通路の模式図。 （ａ）〜（ｄ）は、連通路を中心とした断面図であって、同実施形態の作用を説明する説明図。 図１の酸化剤ガスのガス流路を中心とした拡大断面図。 変形例における酸化剤ガスのガス流路を中心とした拡大断面図。

以下、図１〜図７を参照して、一実施形態について説明する。
図１に示すように、固体高分子型燃料電池は、複数の単セル１０が積層されることにより形成された燃料電池スタックを備えている。なお、同図において、上側の単セル１０については後述する水流路２６，３６が示される位置で切断した断面形状が示される一方、下側の単セル１０については後述するガス流路２５，３５が示される位置で切断した断面形状が示されている。

各単セル１０は、いずれも四角枠状をなす第１フレーム１１及び第２フレーム１２を備えており、これらフレーム１１，１２によって四角シート状をなす周知の膜電極接合体１３の外縁部が挟持されている。

膜電極接合体１３は、固体高分子電解質膜１４を有しており、固体高分子電解質膜１４は周知の電極触媒層１５，１６によってそれぞれ挟持されている。また、電極触媒層１５，１６の表面には、周知のガス拡散層１７，１８がそれぞれ設けられている。

膜電極接合体１３は、第１セパレータ２０及び第２セパレータ３０によってそれぞれカソード側（同図の下側）及びアノード側（同図の上側）から挟まれている。
第１セパレータ２０は、平板状のフラットセパレータ２１と、フラットセパレータ２１と膜電極接合体１３との間に介設されたガス流路形成板２２とを備えている。

第２セパレータ３０は、平板状のフラットセパレータ３１と、フラットセパレータ３１と膜電極接合体１３との間に介設されたガス流路形成板３２とを備えている。
フラットセパレータ２１，３１及びガス流路形成板２２，３２はそれぞれ金属板材によって形成されている。

第１フレーム１１及びフラットセパレータ２１によって、図示しない酸化剤ガス供給源からの酸化剤ガスを後述するガス流路２５へ供給するための供給通路４１と、発電に供されなかった酸化剤ガスをガス流路２５の外部へ排出するための排出通路４２とが形成されている。

また、第２フレーム１２及びフラットセパレータ３１によって、図示しない燃料ガス供給源からの燃料ガスを後述するガス流路３５へ供給するための供給通路５１と、発電に供されなかった燃料ガスをガス流路３５の外部へ排出するための排出通路５２とが形成されている。

なお、図１に示す部分においては、第２セパレータ３０のガス流路形成板３２は第１セパレータ２０のガス流路形成板２２と上下反転し、且つ左右反転した形状を有している。このため、以降においては、第１セパレータ２０のガス流路形成板２２について説明し、第２セパレータ３０のガス流路形成板３２については第１セパレータ２０のガス流路形成板２２の各部の符号「２＊」にそれぞれ「１０」を加算した符号「３＊」を付すことによって重複する説明を省略する。また、符号「２７＊」，「２８＊」にそれぞれ「１００」を加算した符号「３７＊」，「３８＊」を付すことによって重複する説明を省略する。

次に、ガス流路形成板２２の構造について説明する。
図２に示すように、ガス流路形成板２２は断面略波形状をなしており、例えばステンレス鋼板などの一枚の金属板材をロール成形することによって形成されている。ガス流路形成板２２の上面には、互いに平行に延びる複数の内側突条２３が形成されており、内側突条２３の頂面が膜電極接合体１３に当接される。また、互いに隣り合う２つの内側突条２３の間には、それぞれ凹溝状をなし、酸化剤ガスを流通させるための複数のガス流路２５が形成されている。

ガス流路形成板２２の下面には、互いに平行に延びる複数の外側突条２４が形成されており、外側突条２４の頂面がフラットセパレータ２１に当接される。また、内側突条２３の裏面には、それぞれ凹溝状をなし、膜電極接合体１３での発電に伴って生成された水を排出する複数の水流路２６が形成されている。したがって、外側突条２４は隣り合う２つの水流路２６の間に位置し、２つの水流路２６を区画している。

図２〜図４に示すように、ガス流路形成板２２には、各突条２３，２４の延伸方向、すなわちガス流路２５の延伸方向（以下、単に延伸方向Ｌと略称する。）に対して直交する方向（以下、幅方向Ｗ）に沿って延びる複数のリブ２７１が形成されている。

図２に示すように、各ガス流路２５には、延伸方向Ｌに互いに近接して形成された一対のリブ２７１からなる組が複数形成されている。一対のリブ２７１からなる組は、延伸方向Ｌにおいて等間隔にて設けられている。なお、複数のリブ２７１は、幅方向Ｗに沿って金属板材をロール成形してガス流路形成板２２を形成する際に、各突条２３，２４が部分的に剪断曲げ加工されることによって形成される。

図２〜図４に示すように、ガス流路形成板２２の内側突条２３には、上記複数のリブ２７１を形成することによって、ガス流路２５と水流路２６とを連通する複数の連通路２７が形成されている。図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、リブ２７１は、ガス流路２５の内部及び水流路２６の内部にそれぞれ突出している。また、図２〜図４に示すように、外側突条２４には、互いに隣接する水流路２６を連通する連通溝２７２が形成されている。

リブ２７１は、ガス流路形成板２２の厚さ方向（図４（ａ）及び図４（ｂ）の上下方向）において内側突条２３の頂面よりも外側突条２４の頂面に近接して設けられている。このため、リブ２７１のうち水流路２６を遮る部分の断面積はガス流路２５を遮る部分の断面積よりも大きい。したがって、延伸方向Ｌにおけるリブ２７１が存在しない位置でのガス流路２５の流路断面積と水流路２６の流路断面積とが同一に設定されていても、水流路２６全体における圧力損失は、ガス流路２５全体における圧力損失よりも大きくなる。また、連通路２７の形状及び大きさは、連通路２７における圧力損失がガス流路２５における圧力損失よりも大きくなるように設定されている。これらのことから、酸化剤ガスは主に圧力損失の小さいガス流路２５を流れることとなる。

図１、図２、及び図７に示すように、ガス流路２５の底面には、複数の案内部２８が一体形成されている。各案内部２８は、ガス流路２５を流れる酸化剤ガスの流れ方向の下流側（以下、単に下流側と略称する。）ほど突出しており、ガスを膜電極接合体１３に向けて案内する。

図２に示すように、各案内部２８は、いずれも同一の形状及び同一の大きさを有しており、同案内部２８が形成されたガス流路２５に隣接する内側突条２３の連通路２７と幅方向Ｗにおいて隣り合うように形成されている。したがって、各案内部２８も、連通路２７と同様に延伸方向Ｌにおいて等間隔にて設けられている。

図７に示すように、案内部２８は、ガス流路形成板２２の厚さ方向（同図の上下方向）の中間位置よりも外側突条２４の頂面に近接した位置に形成されており、下流側ほど突出するように傾斜した傾斜面２８１を有している。

複数の案内部２８は、前記リブ２７１と同様にして、幅方向Ｗに沿って金属板材をロール成形してガス流路形成板２２を形成する際に、剪断曲げ加工されることによって形成される。また、案内部２８の下流側には、ガス流路２５と水流路２６とを連通する連通孔２９が形成されている。この連通孔２９は、案内部２８を形成することに伴って形成される。

次に、本実施形態の作用について説明する。
図１の下側の単セル１０にて示すように、燃料ガスが供給通路５１を通じてガス流路３５内に供給されると、同燃料ガスはガス流路３５を通じてガス拡散層１８に流入する。そして、燃料ガスはガス拡散層１８を通過するとともに拡散されて電極触媒層１６に供給される。

また、酸化剤ガスが供給通路４１を通じてガス流路２５内に供給されると、同酸化剤ガスはガス流路２５を通じてガス拡散層１７に流入する。そして、酸化剤ガスはガス拡散層１７を通過するとともに拡散されて電極触媒層１５に供給される。

このようにして膜電極接合体１３に対して燃料ガス及び酸化剤ガスがそれぞれ供給されると、膜電極接合体１３での電気化学反応によって発電が行なわれる。
本実施形態では、図１及び図７に示すように、ガス流路２５の底面付近を流れる酸化剤ガスが案内部２８に沿って流れることにより、膜電極接合体１３に向けて案内される。このため、酸化剤ガスの流量が少ない発電状態のときであっても、膜電極接合体１３に対して、より多くの酸化剤ガスが導入されて発電に供されることとなる。

また、図１に示すように、ガス流路３５の底面付近を流れる燃料ガスが案内部３８に沿って流れることにより、膜電極接合体１３に向けて案内される。このため、燃料ガスの流量が少ない発電状態のときであっても、膜電極接合体１３に対して、より多くの燃料ガスが導入されて発電に供されることとなる。

ところで、図７に示すように、ガス流路２５における案内部２８の下流側には、酸化剤ガスの流れにくい隅部２５１が形成されるため、膜電極接合体１３での発電に伴って生成した水Ｓが同隅部２５１に滞留しやすい。この点、本実施形態によれば、ガス流路２５内の水Ｓが連通孔２９を通じて水流路２６に移動するようになる。

またこのとき、発電に伴って生成した水は主にカソード側のガス流路形成板２２のガス流路２５に流入する。
図５（ａ）及び図５（ｂ）に白抜きの太い矢印にて示すように、この水の一部は、ガス流路２５を流れる酸化剤ガスの流動圧力によってガス流路２５内を流れる。そして、水は排出通路４２（図１参照）を通じて外部に排出される。前述したように、連通路２７における圧力損失はガス流路２５における圧力損失よりも大きくされている。このため、図５（ｂ）に示すように、酸化剤ガスは主にガス流路２５を流れることとなる。これにより、ガス流路２５に存在する水Ｓの多くは酸化剤ガスによって押されながら排出通路４２に向けてガス流路２５内を移動する。また、図５（ｂ）に細い矢印にて示すように、一部の水は連通路２７を通じて水流路２６に導入される。なお、図５では、案内部２８の図示を省略している。

このとき、水流路２６に導入された水は、水流路２６の出口開口の開口面積に応じて作用する表面張力によって水滴となる。水流路２６が湿潤状態のときには、この水滴Ｓがリブ２７１に係留すると、水流路２６内の水が呼び水となって、連通路２７内の水が毛管作用により水流路２６内に導かれるとともに上記出口開口を通じて排出される。

また、水流路２６内に呼び水となる水がない乾燥状態のときには、図６（ａ）に示すように、ガス拡散層１７に当接している内側突条２３の頂面において、水が各連通路２７内に毛管作用により導かれて、水滴Ｓ１，Ｓ２を形成する。

そして、更に水が導かれることで水滴Ｓ１，Ｓ２が成長すると、図６（ｂ）に示すように、両水滴Ｓ１，Ｓ２が結合して１つの水滴Ｓ３となる。この結合した直後、または水滴Ｓ３が更に成長すると、水滴Ｓ３はリブ２７１に触れることとなる。そして、図６（ｃ）に示すように、水滴Ｓ３が一対のリブ２７１の間の隙間に至ると、図６（ｄ）に示すように、水滴Ｓ３が毛管作用により同隙間に引き込まれて水流路２６内に導入される。

また、発電に伴って生成された水の一部はアノード側（図１の上側）の電極触媒層１６、ガス拡散層１８を通じてガス流路形成板３２のガス流路３５に流入する。本実施形態では、アノード側のガス流路形成板３２がカソード側のガス流路形成板２２と基本的に同一な構成とされているため、アノード側のガス流路３５及び水流路３６においてもカソード側のガス流路２５及び水流路２６と同様な作用が奏される。

以上説明した本実施形態に係る燃料電池用ガス流路形成板及び燃料電池スタックによれば、以下に示す効果が得られるようになる。
（１）ガス流路２５，３５の底面に、下流側ほど突出して酸化剤ガス及び燃料ガスを膜電極接合体１３に向けてそれぞれ案内する案内部２８，３８を一体形成した。このため、酸化剤ガス及び燃料ガスの流量が少ない発電状態のときであっても、膜電極接合体１３に対してより多くの酸化剤ガス及び燃料ガスが導入されて発電に供されることとなる。したがって、酸化剤ガス及び燃料ガスの流量が少ない発電状態のときであっても発電効率を向上させることができる。

（２）ガス流路２５，３５の延伸方向Ｌに対して直交する幅方向Ｗに沿ってそれぞれ金属板材をロール成形することによりガス流路形成板２２，３２を形成した。また、案内部２８，３８を、同案内部２８，３８が形成されたガス流路２５，３５に隣接する内側突条２３，３３の連通路２７，３７と隣り合うようにそれぞれ形成した。

ロール成形装置は、複数の切刃をそれぞれ軸線方向に積層した一対のロールを備えている（図示略）。上記構成によれば、各ロールを構成する複数の切刃のうち連通路２７（３７）をそれぞれ形成する切刃に案内部２８（３８）に対応した形状を付加するだけで、連通路２７（３７）を形成することができる。したがって、既存のロールを構成する複数の切刃のうちの一部の形状を変更するだけでガス流路形成板２２，３２を製造することができる。

（３）案内部２８，３８に対して下流側ほど突出するように傾斜した傾斜面２８１，３８１をそれぞれ設けたため、傾斜面２８１，３８１に沿って酸化剤ガス及び燃料ガスがそれぞれ円滑に流れるようになる。このため、ガス流路２５，３５に案内部２８，３８を追加することに伴う酸化剤ガスあるいは燃料ガスの圧力損失の増大を抑制することができる。

（４）ガス流路２５，３５における案内部２８，３８の下流側には同案内部２８，３８をそれぞれ一体形成することに伴い隅部２５１，３５１が形成される。この隅部２５１，３５１に、ガス流路２５，３５と水流路２６，３６とを連通する連通孔２９，３９をそれぞれ形成した。

こうした構成によれば、ガス流路２５，３５内の水Ｓが連通孔２９，３９を通じて水流路２６，３６に移動するようになる。したがって、ガス流路２５，３５の隅部２５１，３５１に水が滞留することを抑制することができる。

＜変形例＞
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。
・ガス流路形成板２２，３２をチタン板などのステンレス鋼板以外の金属板材によって形成してもよい。

・連通孔２９，３９が形成されないように案内部２８，３８を形成することもできる。
・例えば図８に示すように、案内部１２８を、下流側ほど突出するように階段状に形成することもできる。この場合、上記実施形態の作用と同様にして、ガス流路１２５の底面付近を流れる酸化剤ガスが案内部１２８に沿って流れることにより、膜電極接合体１３に向けて案内される。このため、酸化剤ガスの流量が少ない発電状態のときであっても、膜電極接合体１３に対して、より多くの酸化剤ガスが導入されて発電に供されることとなる。なお、第１セパレータ１２０の構成のうち上記実施形態の第１セパレータ２０に対応する構成については、第１セパレータ２０の構成の符号「２＊」にそれぞれ「１００」を加算した符号「１２＊」を付すことによって重複する説明を省略する。

・案内部２８は連通路２７と隣り合って形成されるものに限定されず、延伸方向Ｌにおいて案内部２８を連通路２７と異なる位置に形成することもできる。
・上記実施形態では、延伸方向Ｌにおいて等間隔にて案内部２８，３８を設けたが、こうした案内部２８，３８をガス流路２５，３５の上流側よりも下流側に多く配置するようにしてもよい。ガス流路２５，３５においては、上流側から順にガスが消費されることから、下流側ほどガスが少なくなる。この点、案内部２８，３８をガス流路２５，３５の下流側ほど多く配置するようにすれば、ガス流路２５，３５のうち膜電極接合体１３に対してガスが導入されにくい下流側においてもより多くのガスが膜電極接合体１３に導入されるようになる。また、ガス流路２５，３５の上流側においては、案内部２８，３８が相対的に少なく配置されることから、案内部２８，３８の追加に起因してガスの圧力損失が増大することを適切に抑制することができる。

・上記実施形態では、各案内部２８，３８をいずれも同一の形状及び同一の大きさを有するものとしたが、複数の案内部の形状や大きさを位置によって異ならせることもできる。

・上記実施形態では、膜電極接合体１３のカソード側及びアノード側の双方に案内部２８，３８を有するガス流路形成板２２，３２を設けるようにしたが、これに代えて、膜電極接合体１３のカソード側のみに案内部２８を有するガス流路形成板２２を設け、アノード側には案内部を有していないガス流路形成板を設けることもできる。また、アノード側には、連通孔を有してないセパレータを配置することもできる。

また、膜電極接合体１３のアノード側のみにガス流路形成板３２を設け、カソード側には案内部を有していないガス流路形成板を設けることもできる。

１０…単セル、１１…第１フレーム、１２…第２フレーム、１３…膜電極接合体、１４…固体高分子電解質膜、１５，１６…電極触媒層、１７，１８…ガス拡散層、２０…第１セパレータ、２１…フラットセパレータ、２２…ガス流路形成板、２３…内側突条、２４…外側突条、２５…ガス流路、２５１…隅部、２６…水流路、２７…連通路、２７１…リブ、２７２…連通溝、２８…案内部、２８１…傾斜面、２９…連通孔、３０…第２セパレータ、３１…フラットセパレータ、３２…ガス流路形成板、３３…内側突条、３４…外側突条、３５…ガス流路、３５１…隅部、３６…水流路、３７…連通路、３７１…リブ、３７２…連通溝、３８…案内部、３８１…傾斜面、３９…連通孔、４１…供給通路、４２…排出通路、５１…供給通路、５２…供給通路。

Claims (6)

1. 金属板材により形成され、膜電極接合体と平板状のフラットセパレータとの間に介設されて燃料電池の単セルのセパレータを構成するガス流路形成板であって、
   前記膜電極接合体に対向する面に形成され、互いに平行に延びる凹溝状の複数のガス流路と、
   隣り合う２つの前記ガス流路の間にそれぞれ位置する突条の裏面に形成された複数の凹溝状の水流路と、を備え、
   前記突条には、前記ガス流路と前記水流路とを連通する複数の連通路が形成され、
   前記ガス流路の底面には、同ガス流路を流れるガスの流れ方向の下流側ほど突出してガスを前記膜電極接合体に向けて案内する案内部が形成されている、
   燃料電池用ガス流路形成板。
2. 前記ガス流路形成板は、前記ガス流路の延伸方向に対して直交する方向に沿って金属板材をロール成形することにより形成され、
   前記案内部は、同案内部が形成された前記ガス流路に隣接する前記突条の前記連通路と隣り合うように形成されている、
   請求項１に記載の燃料電池用ガス流路形成板。
3. 前記案内部は、前記ガス流路を流れるガスの流れ方向の下流側ほど突出するように傾斜した傾斜面を有している、
   請求項１または請求項２に記載の燃料電池用ガス流路形成板。
4. 前記案内部は、前記ガス流路を流れるガスの流れ方向の下流側ほど突出するように階段状に形成されている、
   請求項１または請求項２に記載の燃料電池用ガス流路形成板。
5. 前記ガス流路における前記案内部の下流側には同案内部を一体形成することに伴い隅部が形成され、
   前記隅部には、前記ガス流路と前記水流路とを連通する連通孔が形成されている、
   請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池用ガス流路形成板。
6. 複数の単セルが積層されることにより形成された燃料電池スタックであって、
   前記単セルは、膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟む一対のセパレータとを備え、
   一方の前記セパレータは、前記フラットセパレータと、前記膜電極接合体と前記フラットセパレータとの間に介設された請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の燃料電池用ガス流路形成板と、を備えている、
   燃料電池スタック。