JP2019023982A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】圧力損失の増大を抑えつつ、発電性能を向上させること。【解決手段】ＭＥＡ１０と、ＭＥＡ１０を挟持するアノード側セパレータ１８ａ及びカソード側セパレータ１８ｃと、を備え、カソード側セパレータ１８ｃは、空気が流通し、ＭＥＡ１０側に開口した凹部２４とＭＥＡ１０とは反対側に開口した凹部２６とが、空気の流通方向に交差する方向で側壁２８を間に挟んで交互に配置されるとともに、凹部２４と凹部２６とが、空気の流通方向で交互に設けられた複数の空気流路２２を有し、複数の空気流路２２それぞれにおいて、凹部２４での側壁２８と凹部２６での側壁２８とは空気の流通方向において少なくとも一部が重なっている、燃料電池。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池に関する。

発電用に供給される酸化剤ガスを冷却にも用いる空冷式の燃料電池が知られている。例えば、冷却性能を向上させるために、酸化剤ガス流路の下流側では上流側に対して酸化剤ガス流路を幅方向に流路幅の半分程度オフセットして配置した空冷式の燃料電池が知られている（例えば、特許文献１）。

特表２０１７−５１０９５４号公報

膜電極接合体側に開口した第１凹部と膜電極接合体とは反対側に開口した第２凹部とが一端から他端にかけて直線状に延在することで酸化剤ガス流路が形成されたカソード側セパレータを用いた燃料電池が知られている。このような燃料電池では、膜電極接合体のうちの第２凹部の下側に位置する領域に酸化剤ガスが供給され難く、発電性能が低下してしまうことがある。

また、特許文献１のように、酸化剤ガス流路の一部を酸化剤ガス流路幅の半分程度オフセットして配置した場合、酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの流れが阻害されるようになり、圧力損失が増大してしまう。圧力損失が増大すると、例えば酸化剤ガスを供給するためのファンの使用電力が大きくなってしまう。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、圧力損失の増大を抑えつつ、発電性能を向上させることを目的とする。

本発明は、膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟持するアノード側セパレータ及びカソード側セパレータと、を備え、前記カソード側セパレータは、酸化剤ガスが流通し、前記膜電極接合体側に開口した第１凹部と前記膜電極接合体とは反対側に開口した第２凹部とが、前記酸化剤ガスの流通方向に交差する方向で側壁を間に挟んで交互に配置されるとともに、前記第１凹部と前記第２凹部とが、前記酸化剤ガスの流通方向で交互に設けられた複数の酸化剤ガス流路を有し、前記複数の酸化剤ガス流路それぞれにおいて、前記第１凹部での前記側壁と前記第２凹部での前記側壁とは前記酸化剤ガスの流通方向において少なくとも一部が重なっている、燃料電池である。

本発明によれば、圧力損失の増大を抑えつつ、発電性能を向上させることができる。

図１は、実施例１に係る空冷式燃料電池を構成する単セルの分解斜視図である。 図２（ａ）は、実施例１におけるカソード側セパレータのＭＥＧＡとは反対側から見た平面図、図２（ｂ）から図２（ｅ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ間からＤ−Ｄ間の断面図である。 図３（ａ）及び図３（ｂ）は、実施例１におけるカソード側セパレータの製造方法を示す図である。 図４（ａ）は、実施例２におけるカソード側セパレータのＭＥＧＡとは反対側から見た平面図、図４（ｂ）から図４（ｅ）は、図４（ａ）のＡ−Ａ間からＤ−Ｄ間の断面図である。 図５（ａ）は、実施例３におけるカソード側セパレータのＭＥＧＡとは反対側から見た平面図、図５（ｂ）から図５（ｅ）は、図５（ａ）のＡ−Ａ間からＤ−Ｄ間の断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。

実施例１の空冷式燃料電池は、反応ガスとして燃料ガス（例えば水素）と酸化剤ガス（例えば空気）との供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池であり、多数の単セルを積層したスタック構造を有する。図１は、実施例１に係る空冷式燃料電池を構成する単セル１００の分解斜視図である。図１のように、実施例１における単セル１００は、アノード側セパレータ１８ａ、膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ：Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly）２０、及びカソード側セパレータ１８ｃを備える。ＭＥＧＡ２０は、絶縁部材４０の内側に配置されている。絶縁部材４０は、例えばエポキシ樹脂又はフェノール樹脂などの樹脂で形成されている。ＭＥＧＡ２０及び絶縁部材４０は、アノード側セパレータ１８ａとカソード側セパレータ１８ｃとによって挟持されている。

カソード側セパレータ１８ｃは、ガス遮断性及び電子伝導性を有する部材によって形成されている。カソード側セパレータ１８ｃは、例えばプレス成型による曲げ加工によって凹凸形状が形成されたステンレス鋼などの金属板からなる。カソード側セパレータ１８ｃの詳細については後述する。

アノード側セパレータ１８ａは、ガス遮断性及び電子伝導性を有する部材によって形成され、例えばカーボンを圧縮してガス不透過とした緻密性カーボンなどのカーボン部材やステンレス鋼などの金属部材によって形成されている。アノード側セパレータ１８ａには孔ａ１及び孔ａ２が設けられ、絶縁部材４０には孔ｓ１及び孔ｓ２が設けられ、カソード側セパレータ１８ｃの両側に配置された絶縁部材４２には孔ｃ１及び孔ｃ２が設けられている。孔ａ１と孔ｓ１と孔ｃ１は連通し、水素を供給する供給マニホールドを画定する。孔ａ２と孔ｓ２と孔ｃ２は連通し、水素を排出する排出マニホールドを画定する。アノード側セパレータ１８ａのＭＥＧＡ２０側の面には、供給マニホールドから排出マニホールドに向かって延在し、ＭＥＧＡ２０に供給される水素が流れる水素流路（燃料ガス流路）３２が設けられている。

ＭＥＧＡ２０は、電解質膜１２、アノード触媒層１４ａ、カソード触媒層１４ｃ、アノードガス拡散層１６ａ、及びカソードガス拡散層１６ｃを備える。アノード触媒層１４ａは電解質膜１２の一方の面に設けられ、カソード触媒層１４ｃは電解質膜１２の他方の面に設けられている。これにより、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）１０が形成されている。電解質膜１２は、例えばスルホン酸基を有するフッ素系樹脂材料又は炭化水素系樹脂材料で形成された固体高分子膜であり、湿潤状態において良好なプロトン伝導性を有する。アノード触媒層１４ａ及びカソード触媒層１４ｃは、例えば電気化学反応を進行する触媒（白金又は白金−コバルト合金など）を担持したカーボン粒子（カーボンブラックなど）と、スルホン酸基を有する固体高分子であって湿潤状態で良好なプロトン伝導性を有するアイオノマーと、を含む。

アノードガス拡散層１６ａとカソードガス拡散層１６ｃは、ＭＥＡ１０の両側に設けられ、ＭＥＡ１０を挟持している。アノードガス拡散層１６ａ及びカソードガス拡散層１６ｃは、ガス透過性及び電子伝導性を有する部材によって形成されていて、例えばカーボンクロス又はカーボンペーパなどの多孔質カーボン製部材によって形成されている。なお、ＭＥＡ１０とアノードガス拡散層１６ａ及びカソードガス拡散層１６ｃとの間に、ＭＥＡ１０内に含まれる水分量の調整を目的とした撥水層を備えていてもよい。

ここで、図１に加えて、図２（ａ）から図２（ｅ）を用いて、カソード側セパレータ１８ｃについて説明する。図２（ａ）は、実施例１におけるカソード側セパレータ１８ｃのＭＥＧＡ２０とは反対側から見た平面図、図２（ｂ）から図２（ｅ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ間からＤ−Ｄ間の断面図である。

図１及び図２（ａ）から図２（ｅ）のように、カソード側セパレータ１８ｃには、一端から他端に向かって直線状に延在し、ＭＥＧＡ２０に供給される空気及びＭＥＧＡ２０の冷却に用いられる空気が流れる複数の空気流路（酸化剤ガス流路）２２が設けられている。空気流路２２を流れる空気は、カソード側セパレータ１８ｃの一端側である空気供給口から他端側である空気排出口に向かって流れる。

複数の空気流路２２は、カソード側セパレータ１８ｃのＭＥＧＡ２０側の面に設けられてＭＥＧＡ２０側に開口した凹部２４と、ＭＥＧＡ２０とは反対側の面に設けられてＭＥＧＡ２０とは反対側に開口した凹部２６と、で形成されている。複数の空気流路２２は、凹部２４と凹部２６とが空気の流通方向に交差する方向で側壁２８を間に挟んで交互に配置されるとともに、凹部２４と凹部２６とが空気の流通方向で交互に設けられている。つまり、複数の空気流路２２のうちの隣接する空気流路２２の一方における凹部２４と他方における凹部２６とは空気の流通方向に交差する方向で側壁２８を挟んで隣り合うように並列に配置されている。

複数の空気流路２２の幅Ｗは、例えば互いに略同じになっている。複数の空気流路２２それぞれにおいて、凹部２４の長さＬ１と凹部２６の長さＬ２は、例えば略同じになっている。なお、略同じとは、製造誤差程度の違いを含むものである。

複数の空気流路２２それぞれにおいて、凹部２４と凹部２６とが切替る切替り部３０に対して空気の流通方向の上流側に位置する側壁２８と下流側に位置する側壁２８とは、空気の流通方向において少なくとも一部が重なって配置されている。すなわち、複数の空気流路２２それぞれにおいて、凹部２４での側壁２８と凹部２６での側壁２８とは空気の流通方向において少なくとも一部が重なっていて、少なくとも一部が接している。

図３（ａ）及び図３（ｂ）は、実施例１におけるカソード側セパレータ１８ｃの製造方法を示す図である。図３（ａ）のように、平坦形状の金属板５０に、例えばレーザ光を照射することで、金属板５０を貫通する複数の切り込み５２を形成する。複数の切り込み５２は、互いにほぼ平行に形成される。図３（ｂ）のように、金属板５０をプレス成型することで、複数の切り込み５２の間を凹凸形状として、凹部２４と凹部２６を形成する。その後、金属板５０を所望の大きさに切断することで、図１から図２（ｅ）に示したカソード側セパレータ１８ｃが形成される。

実施例１によれば、図１及び図２（ａ）から図２（ｅ）のように、カソード側セパレータ１８ｃに設けられた複数の空気流路２２は、ＭＥＧＡ２０側に開口した凹部２４とＭＥＧＡ２０とは反対側に開口した凹部２６とが空気の流通方向に交差する方向で側壁２８を間に挟んで交互に配置されるとともに、凹部２４と凹部２６とが空気の流通方向で交互に設けられている。これにより、図２（ａ）から図２（ｅ）のように、ＭＥＧＡ２０とは反対側に開口した凹部２６の下側のＭＥＧＡ２０に、空気流路２２を流れる空気が４方向から供給されるようになる（黒矢印参照）。このため、凹部２６の下側のＭＥＧＡ２０における空気不足を緩和することができ、発電性能を向上させることができる。また、実施例１によれば、図１及び図２（ａ）から図２（ｅ）のように、複数の空気流路２２それぞれにおいて、凹部２４での側壁２８と凹部２６での側壁２８とは空気の流通方向において少なくとも一部が重なっている。これにより、空気流路２２を流通する空気の流れが乱れることを抑制でき、圧力損失の増大を抑制できる。したがって、実施例１によれば、圧力損失の増大を抑えつつ、発電性能を向上させることができる。

また、ＭＥＧＡ２０側に開口した凹部２４（溝部）とＭＥＧＡ２０とは反対側に開口した凹部２６（リブ部）との境界部分では発電性能が良好であることが知られている。これは、溝部は空気の供給に優れ、リブ部は導電性に優れているためと考えられる。実施例１では、凹部２４（溝部）と凹部２６（リブ部）との境界部分が増大することから、この点においても、発電性能を向上させることができる。

圧力損失の増大を効果的に抑制するために、複数の空気流路２２それぞれにおいて、凹部２４での側壁２８と凹部２６での側壁２８とは、側壁２８のうちの１／４以上が重なっている場合が好ましく、１／２以上が重なっている場合がより好ましく、全てが重なっている場合がさらに好ましい。

図２（ａ）において、凹部２４の空気の流通方向の長さＬ１及び凹部２６の空気の流通方向の長さＬ２は、空気流路２２の幅Ｗ（凹部２４及び凹部２６の幅）よりも短い場合が好ましい。これにより、凹部２６の下側に位置するＭＥＧＡ２０の空気不足を効果的に緩和できる。

図４（ａ）は、実施例２におけるカソード側セパレータ１８ｃのＭＥＧＡ２０とは反対側から見た平面図、図４（ｂ）から図４（ｅ）は、図４（ａ）のＡ−Ａ間からＤ−Ｄ間の断面図である。図４（ａ）から図４（ｅ）のように、実施例２におけるカソード側セパレータ１８ｃでは、凹部２６の底面のうちの側壁２８側に凹部２６の側面から底面にかけて切り欠き６０が設けられている。その他の構成は実施例１と同じであるため説明を省略する。

実施例２によれば、凹部２６の側面から底面にかけて切り欠き６０が設けられている。このため、切り欠き６０からも凹部２６の下側のＭＥＧＡ２０に空気が供給されるようになるため、凹部２６の下側のＭＥＧＡ２０への空気の供給を促進させることができる。

なお、切り欠き６０は、凹部２６の底面のうちの空気の流通方向での中央部に位置して設けられることが好ましい。これは、ＭＥＧＡ２０のうちの凹部２６の底面の中央直下に位置する部分に空気が供給され難いためである。また、切り欠き６０は、１つだけに限られず、複数設けられていてもよい。

図５（ａ）は、実施例３におけるカソード側セパレータ１８ｃのＭＥＧＡ２０とは反対側から見た平面図、図５（ｂ）から図５（ｅ）は、図５（ａ）のＡ−Ａ間からＤ−Ｄ間の断面図である。図５（ａ）から図５（ｅ）のように、実施例３におけるカソード側セパレータ１８ｃでは、凹部２６の底面にカソード側セパレータ１８ｃを貫通する貫通孔６２が設けられている。その他の構成は実施例１と同じであるため説明を省略する。

実施例３によれば、凹部２６の底面に貫通孔６２が設けられているため、貫通孔６２からも凹部２６の下側のＭＥＧＡ２０に空気が供給されるようになるため、凹部２６の下側のＭＥＧＡ２０への空気の供給を促進させることができる。

実施例２で記載したように、ＭＥＧＡ２０のうちの凹部２６の底面の中央直下に位置する部分に空気が供給され難いことから、貫通孔６２は凹部２６の底面の中央に位置して設けられることが好ましい。また、貫通孔６２は、１つだけに限られず、複数設けられていてもよい。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０ 膜電極接合体
１２ 電解質膜
１４ａ アノード触媒層
１４ｃ カソード触媒層
１６ａ アノードガス拡散層
１６ｃ カソードガス拡散層
１８ａ アノード側セパレータ
１８ｃ カソード側セパレータ
２０ 膜電極ガス拡散層接合体
２２ 空気流路
２４ 凹部
２６ 凹部
２８ 側壁
３０ 切替り部
３２ 水素流路
４０ 絶縁部材
４２ 絶縁部材
５０ 金属板
５２ 切り込み
６０ 切り欠き
６２ 貫通孔
１００ 単セル

Claims (1)

1. 膜電極接合体と、
   前記膜電極接合体を挟持するアノード側セパレータ及びカソード側セパレータと、を備え、
   前記カソード側セパレータは、
   酸化剤ガスが流通し、前記膜電極接合体側に開口した第１凹部と前記膜電極接合体とは反対側に開口した第２凹部とが、前記酸化剤ガスの流通方向に交差する方向で側壁を間に挟んで交互に配置されるとともに、前記第１凹部と前記第２凹部とが、前記酸化剤ガスの流通方向で交互に設けられた複数の酸化剤ガス流路を有し、
   前記複数の酸化剤ガス流路それぞれにおいて、前記第１凹部での前記側壁と前記第２凹部での前記側壁とは前記酸化剤ガスの流通方向において少なくとも一部が重なっている、燃料電池。

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