JP2017107664A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】生成水が排出マニホールドに溜まることを抑制することができ、良好な排水性を確保することができる燃料電池を提供すること。
【解決手段】本発明に係る燃料電池は、セル１０に燃料電池から排出されるガスが流通する排出マニホールド３０ｄが設けられ、当該排出マニホールド３０ｄの周囲であって、セパレータ２０の膜電極接合体の対向面であるガス面２０ａに、ガス及び水が透過する透過部４０を有し、セパレータ２０における透過部４０の内周面側に、ガス面２０ａと、該ガス面２０ａとは反対側に形成されるセパレータ２０の冷却水面２０ｂとを連通した連通孔５０が形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池に関する。

例えば固体高分子型燃料電池は、膜電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータによって挟持した燃料電池セル（以下、単にセルとも称する）を複数積層したものから構成される。ＭＥＡは、イオン交換膜からなる電解質膜と、この電解質膜の一面に配置された触媒層からなる電極（アノード、燃料極）および電解質膜の他面に配置された触媒層からなる電極（カソード、空気極）とからなる。セパレータは、燃料ガス（水素）および酸化剤ガス（酸素、通常は空気）を供給するためのガス流路を有する。

このような燃料電池には、積層されている各セルのアノード電極及びカソード電極に、それぞれ反応ガスである燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するため、マニホールドが形成されている場合が多い。

マニホールドは、発電セルの積層方向に貫通して設けられる反応ガス入口連通孔（燃料ガス入口連通孔、酸化剤ガス入口連通孔）及び反応ガス出口連通孔（燃料ガス出口連通孔、酸化剤ガス出口連通孔）を備えている。反応ガス入口連通孔は、電極面に沿って反応ガスを供給するガス流路の入口側に連通する一方、反応ガス出口連通孔（排出マニホールド）は、ガス流路の出口側に連通している。

特開２０１３−２５８１０６号公報

ところで、燃料電池から生成される生成水は、排出マニホールドを通って排出されるが、従来の排出マニホールドの構成では、排出マニホールドの周囲に生成水の一部が滞留するおそれがあった。このように生成水が滞留してしまうと、例えば発電停止時にセパレータのガス流路に滞留した生成水が流入し、発電が継続できなくなるおそれがある。このため、排出マニホールドの周囲に生成水が滞留することを抑える必要があった。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、排出マニホールドの周囲に生成水が滞留することを抑制し、良好な排水性を確保することができる燃料電池を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明に係る燃料電池は、膜電極接合体を挟持する一対のセパレータを有するセルを備えた燃料電池であって、前記セルには、前記燃料電池から排出されるガスが流通する排出マニホールドが設けられ、前記排出マニホールドの周囲であって、前記セパレータの前記膜電極接合体の対向面であるガス面に、前記ガス及び水が透過する透過部を有し、前記セパレータにおける前記透過部の内周面側に、前記ガス面と、該ガス面とは反対側に形成される前記セパレータの冷却水面とを連通した連通孔が形成されている。

本発明に係る燃料電池では、ガスと水が透過する透過部を、セパレータの膜電極接合体の対向面であるガス面のうちの排出マニホールドの周囲に設けている。このように透過部を設けることにより、透過部で圧損が発生するため、透過部を通して排出マニホールド周囲に向かうガス及び水の流れを形成し易くすることができる。また、セパレータにおける透過部の内周面側に、ガス面と冷却水面とを連通する連通孔が形成されているため、当該連通孔を通過したガスにより排出マニホールド周囲に滞留した水を押し出すことができる。その結果、排出マニホールドの周囲に生成水が滞留することを抑制することができる。

本発明によれば、排出マニホールドの周囲に生成水が滞留することを抑制することができ、良好な排水性を確保することができる燃料電池を提供することができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池が備える燃料電池セルの概略構成を示す平面図である。 図１に示すセパレータのガス面における排出マニホールド周辺を概略的に示す説明図である。 図１に示すセパレータの冷却水面における排出マニホールド周辺を概略的に示す説明図である。 図３のＡ−Ａ断面を示す断面説明図である。

以下添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

まず、燃料電池セル（以下、セルとも称する）の構成について説明する。図１は、燃料電池セル１０の概略構成を示す平面図である。

なお、図１に示す燃料電池セル１０を複数積層してスタックとすることで燃料電池として用いられる。積層された燃料電池セル１０は、電気的に直列に接続され、燃料極（アノード極）側には水素等の燃料ガスが、酸素極（カソード極）側には酸素や空気等の酸化剤ガスがそれぞれ供給され、電気化学反応により、発電が行われる。

燃料電池セル１０は、膜電極接合体（不図示）と、当該膜電極接合体を挟持するセパレータ２０と、ガスケットＳＬ（図４参照）とを備える。ガスケットＳＬは、積層した燃料電池セル１０間に設けられ、隣接するセル間をシールして気密性及び水密性を確保する機能を有する。なお、膜電極接合体は、イオン交換膜からなる電解質膜と電解質膜の一面に配置された触媒層からなる電極（アノード、燃料極）および電解質膜の他面に配置された触媒層からなる電極（カソード、空気極）とからなる。

図１に示すように、セパレータ２０の膜電極接合体に対向する面（以下、膜電極接合体対向面）には、燃料ガス（水素）又は酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するためのガス流路２１ａが形成されている。セパレータ２０の膜電極接合体対向面とは反対側の面には、燃料電池冷却用の冷却水が流れる冷却水流路２１ｂが形成されている。言い換えれば、冷却水流路２１ｂは、ガス流路２１ａと反対側の面に形成されている。以下の説明では、セパレータ２０における膜電極接合体対向面を、「ガス面２０ａ」と称し、当該膜電極接合体対向面とは反対側の面を、「冷却水面２０ｂ」と称する。

またセパレータ２０には、その長手方向（図１では左右方向）両端部に、貫通孔３０ａ〜３０ｆが形成されている。この貫通孔３０ａ〜３０ｆには、以下のように各種流体が流通する。

具体的には、貫通孔３０ａは、外部から供給されたアノード供給ガス（水素ガス）を流通するためのマニホールド（燃料ガス入口貫通孔）を構成し、貫通孔３０ｂは、アノードオフガスを流通するためのマニホールド（燃料ガス出口貫通孔）を構成する。また、貫通孔３０ｃは、外部から供給されたカソード供給ガス（空気）を流通するためのマニホールド（酸化剤ガス入口貫通孔）を構成し、貫通孔３０ｄは、カソードオフガスを流通するためのマニホールド（酸化剤ガス出口貫通孔（排出マニホールド））を構成する。また、貫通孔３０ｅは、外部から供給された冷却水を流通するためのマニホールド（冷却水入口貫通孔）を構成し、貫通孔３０ｆは、排出された冷却水を流通するためのマニホールド（冷却水出口貫通孔）を構成する。なお、セパレータ２０に形成される貫通孔（マニホールド）の個数や形状は、図１に示す例に限定されるわけではなく、その個数や形状等は適宜変更することが可能である。

続いて、上述した貫通孔３０ｄ（排出マニホールド）周辺の構成について説明する。図２は、図１に示すセパレータ２０の膜電極接合体対向面であるガス面２０ａにおける、貫通孔３０ｄ周辺の構成を概略的に示す説明図である。図３は、図１に示すセパレータ２０の膜電極接合体対向面とは反対側の面である冷却水面２０ｂにおける、貫通孔３０ｄ周辺の構成を概略的に示す説明図である。図４は、図３のＡ−Ａ断面を示す断面説明図である。

図２に示すように、セパレータ２０の膜電極接合体対向面であるガス面２０ａにおける、貫通孔３０ｄの周囲には、透過部４０が設けられている。本実施形態では、この透過部４０が貫通孔３０ｄの全周に設けられている。

透過部４０は、ガス及び水が透過する機能を有する。また透過部４０は、隣接する燃料電池セル１０間に配設されたガスケットＳＬ（図４参照）に付与されるシール線圧に耐えられる支持機能を有する。このような機能を有する透過部４０の材料としては、例えば、ディンプル、網状体、発泡体、波板状物質等の材料が挙げられる。しかし透過部４０の材料としてはこれらに限定されず、ガスケットＳＬに付与されるシール線圧に耐える機能を有し、且つ、ガス及び水が透過する機能を有する材料であれば、他の様々な材料を選択可能である。

連通孔５０について説明する。図２〜図４に示すように、セパレータ２０における透過部４０の内周面側には、セパレータ２０を貫通するように、ガス面２０ａと冷却水面２０ｂとを連通した連通孔５０が形成されている。この連通孔５０は、貫通孔３０ｄの全周に設けられており、ガス及び水が通過するようにセパレータ２０に形成されている。連通孔５０は、ガスや水を通過する機能を有していれば、その個数や形状は図に示す例に限定されず、適宜変更することが可能である。

上述したように貫通孔３０ｄ周囲に透過部４０（図２等）が設けられているため、透過部４０で圧損が発生し、図４の矢印Ｆ３に示すように、透過部４０を通るガス及び水の流れが形成され易くなる。そして、セパレータ２０における透過部４０の内周面側であって貫通孔３０ｄの周囲には連通孔５０が形成されているため、透過部４０を通過したガス及び水は、この連通孔５０を通り貫通孔３０ｄ周囲全体から排出される。このため、貫通孔３０ｄの周囲に水Ｗ（図３参照）が滞留していたとしても、連通孔５０を通過したガスの流れ（図３に示す矢印Ｆ２）により、滞留した水Ｗを押し出すことができる。その結果、貫通孔３０ｄ周囲に滞留した水を排出することができ、良好な排水性を確保することができる。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。

例えば上述した実施形態では、貫通孔３０ｄの周囲に透過部４０及び連通孔５０を設けた構成を説明したが、その他の貫通孔の周囲に設けることも可能である。前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。

１０：燃料電池セル（セル）
２０：セパレータ
２０ａ：ガス面
２０ｂ：冷却水面
２１ａ：ガス流路
２１ｂ：冷却水流路
３０ａ：貫通孔（燃料ガス入口貫通孔）
３０ｂ：貫通孔（燃料ガス出口貫通孔）
３０ｃ：貫通孔（酸化剤ガス入口貫通孔）
３０ｄ：貫通孔（酸化剤ガス出口貫通孔（排出マニホールド））
３０ｅ：貫通孔（冷却水入口貫通孔）
３０ｆ：貫通孔（冷却水出口貫通孔）
４０：透過部
５０：連通孔
ＳＬ：ガスケット

Claims (1)

1. 膜電極接合体を挟持する一対のセパレータを有するセルを備えた燃料電池であって、
   前記セルには、前記燃料電池から排出されるガスが流通する排出マニホールドが設けられ、
   前記排出マニホールドの周囲であって、前記セパレータの前記膜電極接合体の対向面であるガス面に、前記ガス及び水が透過する透過部を有し、
   前記セパレータにおける前記透過部の内周面側に、前記ガス面と、該ガス面とは反対側に形成される前記セパレータの冷却水面とを連通した連通孔が形成されていることを特徴とする燃料電池。

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