JP2019200909A

JP2019200909A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2019200909A
Application number: JP2018094525A
Authority: JP
Inventors: 加藤　英明; Hideaki Kato; 英明加藤; 丈明齋藤; Takeaki Saito
Original assignee: Toyota Motor Corp; Soken Inc
Current assignee: Toyota Motor Corp; Soken Inc
Priority date: 2018-05-16
Filing date: 2018-05-16
Publication date: 2019-11-21

Abstract

【課題】ガス拡散性能及び発電性能がより向上された燃料電池を提供する。【解決手段】膜電極接合体１０と、膜電極接合体１０の両側に配置されるセパレータ２０、３０と、を備える燃料電池１００であって、燃料極側のセパレータ２０は、曲線状の燃料ガス流路２１を複数並列された状態で備え、空気極側のセパレータ３０は、酸化ガス流路３１を複数並列された状態で備え、酸化ガス流路３１は、隣り合う燃料ガス流路２１の間に形成されるリブ部２２のリブ拡大部２２Ａに相当する位置に、当該酸化ガス流路３１を形成する溝部の底面が他の部分よりもガス拡散層１１側に突出する絞り部３３を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池に関する。

特許文献１には、膜電極接合体（ＭＥＡ；ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ）の燃料極側（負極側）に配置される負極側セパレータのガス拡散層側の面、及び、当該膜電極接合体の空気極側（正極側）に配置される正極側セパレータのガス拡散層側の面に、燃料ガス又は酸化ガスが流れる曲線状（連続した波状）に設けられた溝部である曲線流路が複数形成されている燃料電池が記載されている。

特開２００６−１４７４６６号公報

特許文献１のセパレータには、燃料ガス又は酸化ガスが流れる曲線流路が複数並列している。換言すれば、隣り合う曲線流路の間には、リブ部が設けられている。そして、最も端に位置する曲線流路の外側（セパレータの端側）のリブ部の幅は、当該最も端に位置する曲線流路がセパレータの中央側に湾曲する部分において、広くなっている。そして、本発明者らは、当該リブ部の幅が広くなる部分（以下、「リブ拡大部」と称する。）において、局所的に水が溜まりやすいことを見出した。当該リブ拡大部に局所的に水が溜まることにより、当該リブ拡大部におけるガス拡散性能が阻害され、燃料電池における反応によって連続的に生成される水の排水性にも悪影響を及ぼす。そのため、当該リブ拡大部における燃料電池の発電性能が低下してしまうという問題がある。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、ガス拡散性能及び発電性能がより向上された燃料電池を提供することを目的とするものである。

本発明に係る燃料電池は、電解質膜と、前記電解質膜の両側に積層された触媒層と、前記触媒層の上に積層されるガス拡散層と、を備える膜電極接合体と、前記膜電極接合体の両側に配置されるセパレータと、を備える燃料電池であって、燃料極側の前記セパレータの前記ガス拡散層側の面は、曲線状に延設された溝部であって燃料ガスが流れる曲線流路を複数並列された状態で備え、空気極側の前記セパレータの前記ガス拡散層側の面は、酸化ガスが流れる溝部である流路を複数並列された状態で備え、前記酸化ガスが流れる前記流路は、隣り合う前記曲線流路の間に形成されるリブ部のリブ拡大部に相当する位置に、当該流路を形成する溝部の底面が他の部分よりも前記ガス拡散層側に突出する絞り部を備える。

本発明に係る燃料電池によれば、空気極側の流路は、燃料極側のリブ拡大部に相当する位置に、絞り部を備えるため、燃料極側のリブ拡大部に相当する位置において空気極側の流路が狭くなっている。そのため、当該絞り部における酸化ガスのガス拡散層へのもぐりこみを促進させることができ、ガス拡散層へともぐりこんだ酸化ガスによって、ガス拡散層内及び電解質膜内の水分を排出することができる。これにより、絞り部の位置において電解質膜近傍に存在する水を燃料極側から空気極側へと移動させることができる。そのため、燃料極側のリブ拡大部に溜まる水を空気極側へと移動させることができる。これにより、リブ拡大部において局所的に水が溜まることを抑制することができる。よって、ガス拡散性能及び発電性能がより向上された燃料電池を提供することができる。

本発明の実施の形態１に係る燃料電池を説明する分解斜視図である。本発明の実施の形態１に係る空気極側のセパレータの一例を示す斜視図である。本発明の実施の形態１に係るセパレータの酸化ガス流路の一例の断面を示す模式図である。本発明の実施の形態１に係るセパレータの酸化ガス流路の他の例を説明する断面図である。本発明の実施の形態１に係るセパレータの酸化ガス流路の他の例の断面を示す模式図である。本発明の実施の形態１に係るセパレータの酸化ガス流路の他の例を説明する断面図である。本発明の実施の形態１に係るセパレータの酸化ガス流路の他の例の断面を示す模式図である。

実施の形態１
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池１００を説明する分解斜視図である。図２は、本発明の実施の形態１に係る空気極側のセパレータの一例を示す斜視図である。図３は、実施の形態１に係るセパレータ３０の酸化ガス流路３１の一例の断面を示す模式図である。

図１に示すように、本実施の形態１に係る燃料電池１００は、膜電極接合体１０、セパレータ２０、３０を備える。

膜電極接合体１０は、電解質膜（図示省略）と、当該電解質膜の両側に積層された触媒層と、触媒層の上（電解質膜側の反対側）に積層されるガス拡散層１１と、を備える。
電解質膜は、イオン伝導性を有する高分子膜である。
電解質膜の一方の面上に積層される触媒層と、当該触媒層の上に積層されるガス拡散層１１は、燃料極を形成する。また、電解質膜の他方の面上に積層される触媒層と、当該触媒層の上に積層されるガス拡散層１１は、空気極を形成する。

セパレータ２０は、膜電極接合体１０の燃料極側に配置される。また、セパレータ３０は、膜電極接合体１０の空気極側に配置される。セパレータ２０、３０は、バイポーラプレート（ＢｉｐｏｌａｒＰｌａｔｅ）と呼ばれる導電板等である。

また、セパレータ２０のガス拡散層１１側の面は、燃料ガス（例えば、水素）が流れる燃料ガス流路２１を備える。具体的には、燃料ガス流路２１は、セパレータ２０のガス拡散層１１側の面に形成された曲線状（連続した波状）に延設された溝部（曲線流路）である。また、セパレータ２０がガス拡散層１１上に積層されることにより、燃料ガス流路２１である溝部の開口部は、ガス拡散層１１によって覆われる。そして、ガス拡散層１１とセパレータ２０との間に形成された当該燃料ガス流路２１に燃料ガスが供給されることにより、燃料ガスは当該燃料ガス流路２１を流れる。また、燃料ガス流路２１は、セパレータ２０上において、複数並列するように設けられている。
なお、セパレータ２０を例えばプレス成形することにより、燃料ガス流路２１を備えるセパレータ２０を形成することができる。

また、セパレータ２０のガス拡散層１１側の面は、隣り合う燃料ガス流路２１の間にガス拡散層１１側に突出するリブ部２２を備える。また、最も端に位置する燃料ガス流路２１の外側（セパレータ２０の端側）のリブ部２２の幅は、当該最も端に位置する燃料ガス流路２１がセパレータ２０の中央側に湾曲する部分において、広くなっている。当該リブ部２２の幅が広くなる部分を、以下、「リブ拡大部２２Ａ」と称する。図１において、リブ拡大部２２Ａは、破線で囲む領域である。本発明者らは、当該リブ拡大部２２Ａでは、セパレータ２０とガス拡散層１１との接触する面積がリブ部２２の他の部分より広いため、他の部分に比べて局所的に水が溜まりやすくなってしまうことを見出した。

セパレータ３０のガス拡散層１１側の面は、酸化ガス（例えば、空気（エア））が流れる酸化ガス流路３１を備える。具体的には、酸化ガス流路３１は、セパレータ３０のガス拡散層１１側の面に形成された略直線状に延設された溝部である。また、セパレータ３０がガス拡散層１１上に積層されることにより、酸化ガス流路３１である溝部の開口部は、ガス拡散層１１によって覆われる。そして、ガス拡散層１１とセパレータ３０との間に形成された当該酸化ガス流路３１に酸化ガスが供給されることにより、酸化ガスは当該酸化ガス流路３１を流れる。また、酸化ガス流路３１は、セパレータ３０上において、複数並列するように設けられている。

また、セパレータ３０のガス拡散層１１側の面は、隣り合う酸化ガス流路３１の間にガス拡散層１１側に突出するリブ部３２を備える。

また、セパレータ３０の酸化ガス流路３１は、セパレータ２０のリブ部２２に相当する位置に形成されている。さらに、それぞれの酸化ガス流路３１は、当該酸化ガス流路３１を形成する溝部の底面が他の部分よりもガス拡散層１１側に突出する絞り部３３を複数備えている。また、最も端に位置する酸化ガス流路３１の絞り部３３は、少なくともセパレータ２０のリブ部２２のリブ拡大部２２Ａに相当する位置に設けられている。

当該絞り部３３における流路が狭くなっているため、当該絞り部３３における酸化ガスのガス拡散層１１へのもぐりこみが促進される。そして、ガス拡散層１１にもぐりこんだ酸化ガスによって、絞り部３３の位置におけるガス拡散層１１内及び電解質膜内の水分を排出することができる。さらに、酸化ガス流路３１は、セパレータ２０のリブ拡大部２２Ａに相当する位置に、絞り部３３を備えるため、リブ拡大部２２Ａに相当する位置において酸化ガスのガス拡散層１１へのもぐりこみを促進させて、ガス拡散層１１内及び電解質膜内の水分を排出することができる。これにより、リブ拡大部２２Ａの位置において電解質膜近傍に存在する水を燃料極側から空気極側へと移動させることができる。そのため、燃料極側のリブ拡大部２２Ａに溜まる水を空気極側へと移動させることができる。これにより、リブ拡大部２２Ａにおいて局所的に水が溜まることを抑制することができる。
なお、セパレータ３０を例えばプレス成形することにより、酸化ガス流路３１及び絞り部３３を備えるセパレータ３０を形成することができる。

また、図２に示すように、最も端に位置する酸化ガス流路３１には、最も端に位置する酸化ガス流路３１以外の酸化ガス流路３１より多くの絞り部３３が設けられてもよい。これにより、最も端に位置する酸化ガス流路３１におけるガス拡散層１１内及び電解質膜内の水分の排出効果を、他の酸化ガス流路３１よりも高めることができる。そのため、リブ拡大部２２Ａにおいて局所的に水が溜まることをより確実に抑制することができる。

図３に、酸化ガス流路３１の酸化ガスが流れる方向に略垂直な断面を模式的に示す。図３（Ａ）は、最も端に位置する酸化ガス流路３１以外の酸化ガス流路３１の断面を示している。また、図３（Ｂ）は、最も端に位置する酸化ガス流路３１の断面を示している。図３に示すように、酸化ガス流路３１の内壁３１Ａは、酸化ガス流路３１である溝部の幅及び深さが徐々に小さくなる内壁３３Ｃを介して絞り部３３の内壁３３Ａに繋がっている。また、酸化ガス流路３１である溝部の開口部は、ガス拡散層１１のセパレータ３０側の面１１Ａによって覆われている。

図３に示すように、最も端に位置する酸化ガス流路３１に設けられる絞り部３３の断面積は、最も端に位置する酸化ガス流路３１以外の酸化ガス流路３１に設けられる絞り部３３の断面積よりも小さくなっている。これにより、リブ拡大部２２Ａに相当する位置に設けられる絞り部３３による排水効果をその他の部分の絞り部３３による排水効果よりも高めることができる。そのため、リブ拡大部２２Ａにおいて局所的に水が溜まることをさらに確実に抑制することができる。

また、最も端に位置する酸化ガス流路３１の絞り部３３以外の酸化ガスが流れる方向に略垂直な断面積は、最も端に位置する酸化ガス流路３１以外の酸化ガス流路３１の当該断面積よりも広いことが好ましい。これにより、最も端に位置する酸化ガス流路３１に他の酸化ガス流路３１よりも多くの絞り部３３を設けたり、最も端に位置する酸化ガス流路３１に設けられる絞り部３３の断面積を他の酸化ガス流路３１に設けられる絞り部３３の断面積よりも小さくしたりすることによって生じる、最も端に位置する酸化ガス流路３１の圧力損失を相殺することができる。

図４、図５に、実施の形態１に係るセパレータ３０の酸化ガス流路３１の他の例の断面を模式的に示す。図４は、酸化ガス流路３１の酸化ガスが流れる方向に略平行な断面を示す。図５は、酸化ガス流路３１の酸化ガスが流れる方向に略垂直な断面を示す。図４は、図５のＩＶ−ＩＶ矢視方向の断面を示し、図５は、図４のＶ−Ｖ矢視方向の断面を示す。図４において、酸化ガス（エア）の流れる経路を二点鎖線で示す。また、図５において、酸化ガス流路３１の中心線Ｃを一点鎖線で示す。図４、図５に示す酸化ガス流路３１では、酸化ガス流路３１の内壁３１Ａは、酸化ガス流路３１である溝部の深さのみが徐々に小さくなる内壁３３Ｃを介して絞り部３３の内壁３３Ａに繋がっている。すなわち、絞り部３３の幅は、酸化ガス流路３１の絞り部３３以外の部分の幅と実質的に同じとなっている。そして、セパレータ３０の厚みは、酸化ガス流路３１の絞り部３３の部分において、ガス拡散層１１側に突出するように厚くなっている。すなわち、酸化ガス流路３１は、絞り部３３において、当該酸化ガス流路３１である溝部の底面がガス拡散層１１側に突出する突出部３３Ｂを備えている。

図４、図５に示す酸化ガス流路３１は、当該酸化ガス流路３１である溝部の深さのみが徐々に小さくなることによって形成される絞り部３３を備える。これにより、当該酸化ガス流路３１である溝部の幅及び深さの双方が徐々に小さくなることによって絞り部３３を形成する場合に比べて、酸化ガス流路３１の圧力損失を低減することができる。

図６、図７に、実施の形態１に係るセパレータ３０の酸化ガス流路３１の他の例の断面を模式的に示す。図６は、酸化ガス流路３１の酸化ガスが流れる方向に略平行な断面を示す。図７は、酸化ガス流路３１の酸化ガスが流れる方向に略垂直な断面を示す。図６は、図７のＶＩ−ＶＩ矢視方向の断面を示し、図７は、図６のＶＩＩ−ＶＩＩ矢視方向の断面を示す。図６において、酸化ガス（エア）の流れる経路を二点鎖線で示す。また、図７において、酸化ガス流路３１の中心線Ｃを一点鎖線で示す。図６、図７に示す酸化ガス流路３１では、酸化ガス流路３１の内壁３１Ａは、酸化ガス流路３１である溝部の幅及び深さが徐々に小さくなる内壁３３Ｃを介して絞り部３３の内壁３３Ａに繋がっている。そして、セパレータ３０の厚みは、酸化ガス流路３１の絞り部３３の部分において、ガス拡散層１１側に突出するように厚くなっている。すなわち、酸化ガス流路３１は、絞り部３３において、当該酸化ガス流路３１である溝部の底面がガス拡散層１１側に突出する突出部３３Ｂを備えている。

また、絞り部３３の断面形状は、図７に示すように、例えば、矩形形状となっている。また、絞り部３３の流路は、酸化ガス流路３１の中心線Ｃを含む。なお、当該絞り部３３は、セパレータ３０の酸化ガス流路３１にエッチング処理等を行うことによって形成することができる。なお、絞り部３３の断面形状は図７に示すものに限定されるものではない。例えば、絞り部３３の断面形状は、図３に示すように、丸みを帯びた凹形状であってもよい。
酸化ガス流路３１を流れる酸化ガスの流速は、中心線Ｃを含む中央部分において最も速くなっている。そのため、絞り部３３の流路が、酸化ガス流路３１の中心線Ｃを含むことにより、絞り部３３を設けることによる圧力損失を低減することができる。

以上に説明した、実施の形態１に係る燃料電池１００によれば、酸化ガス流路３１（空気極側の流路）は、燃料極側のリブ拡大部２２Ａに相当する位置に、絞り部３３を備えるため、燃料極側のリブ拡大部２２Ａに相当する位置において酸化ガス流路３１が狭くなっている。そのため、当該絞り部３３における酸化ガスのガス拡散層１１へのもぐりこみを促進させることができ、ガス拡散層１１へともぐりこんだ酸化ガスによって、ガス拡散層１１内及び電解質膜内の水分を排出することができる。これにより、絞り部３３の位置において電解質膜近傍に存在する水を燃料極側から空気極側へと移動させることができる。そのため、燃料極側のリブ拡大部２２Ａに溜まる水を空気極側へと移動させることができる。これにより、リブ拡大部２２Ａにおいて局所的に水が溜まることを抑制することができる。よって、ガス拡散性能及び発電性能がより向上された燃料電池１００を提供することができる。

また、最も端に位置する酸化ガス流路３１には、最も端に位置する酸化ガス流路３１以外の酸化ガス流路３１より多くの絞り部３３が設けられることにより、最も端に位置する酸化ガス流路３１におけるガス拡散層１１内及び電解質膜内の水分の排出効果を、他の酸化ガス流路３１よりも高めることができる。そのため、リブ拡大部２２Ａにおいて局所的に水が溜まることをより確実に抑制することができる。

また、最も端に位置する酸化ガス流路３１に設けられる絞り部３３の断面積が、最も端に位置する酸化ガス流路３１以外の酸化ガス流路３１に設けられる絞り部３３の断面積よりも小さいことにより、リブ拡大部２２Ａに相当する位置に設けられる絞り部３３による排水効果をその他の部分の絞り部３３による排水効果よりも高めることができる。そのため、リブ拡大部２２Ａにおいて局所的に水が溜まることをさらに確実に抑制することができる。

また、最も端に位置する酸化ガス流路３１の絞り部３３以外の酸化ガスが流れる方向に略垂直な断面積が、最も端に位置する酸化ガス流路３１以外の酸化ガス流路３１の当該断面積よりも広いことにより、最も端に位置する酸化ガス流路３１に他の酸化ガス流路３１よりも多くの絞り部３３を設けたり、最も端に位置する酸化ガス流路３１に設けられる絞り部３３の断面積を他の酸化ガス流路３１に設けられる絞り部３３の断面積よりも小さくしたりすることによって生じる、最も端に位置する酸化ガス流路３１の圧力損失を相殺することができる。

また、酸化ガス流路３１において絞り部３３が、当該酸化ガス流路３１である溝部の深さのみが徐々に小さくなることによって形成されることにより、当該酸化ガス流路３１である溝部の幅及び深さの双方が徐々に小さくなることによって絞り部３３を形成する場合に比べて、酸化ガス流路３１の圧力損失を低減することができる。

絞り部３３の流路が、酸化ガス流路３１の中心線Ｃを含むことにより、絞り部３３を設けることによる圧力損失を低減することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、図１において、燃料ガスがセパレータ２０の左下から供給され右上から排出され、酸化ガスがセパレータ３０の左上から供給され右下から排出されるが、燃料ガスがセパレータ２０の左上から供給され右下に排出され、酸化ガスがセパレータ３０の左下から供給され右上に排出されてもよい。

また、セパレータ３０のリブ部３２は、セパレータ３０の膜電極接合体１０側の反対側の面が膜電極接合体１０側に窪む溝部によって形成されており、セパレータ３０の酸化ガス流路３１である溝部と、セパレータ３０のリブ部３２を形成する溝部とを繋ぐ貫通穴がセパレータ３０に設けられてもよい。これにより、当該貫通穴を介して、酸化ガス流路３１からリブ部３２の溝部へと水を積極的に排出することができる。

また、セパレータ２０に形成される燃料ガス流路２１の形状及びリブ部２２の形状は、図１に限定されるものではなく、適宜変更され得る。そして、セパレータ２０に形成される燃料ガス流路２１の形状及びリブ部２２の形状の変更に伴って、リブ拡大部２２Ａの位置も変更され得るが、セパレータ３０に、変更されたリブ拡大部２２Ａの位置に相当する位置に、絞り部３３が形成されれば、本実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

また、燃料ガス及び酸化ガスが流れる方向は、図１及び図２に示した向きに限定されるものではない。例えば、一の燃料ガス流路２１において燃料ガスが流れる方向は、他の燃料ガス流路２１において燃料ガスが流れる方向と対向する方向であってもよい。同様に、一の酸化ガス流路３１において酸化ガスの流れる方向は、他の酸化ガス流路３１において酸化ガスが流れる方向と対向する方向であってもよい。

１００燃料電池
１０膜電極接合体
１１ガス拡散層
２０燃料極側のセパレータ
２１燃料ガス流路（曲線流路）
２２リブ部
２２Ａリブ拡大部
３０空気極側のセパレータ
３１酸化ガス流路
３１Ａ酸化ガス流路の内壁
３２リブ部
３３絞り部
３３Ａ絞り部の内壁
３３Ｂ突出部
３３Ｃ酸化ガス流路である溝部の幅及び深さが徐々に小さくなる内壁

Claims

電解質膜と、前記電解質膜の両側に積層された触媒層と、前記触媒層の上に積層されるガス拡散層と、を備える膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の両側に配置されるセパレータと、
を備える燃料電池であって、
燃料極側の前記セパレータの前記ガス拡散層側の面は、曲線状に延設された溝部であって燃料ガスが流れる曲線流路を複数並列された状態で備え、
空気極側の前記セパレータの前記ガス拡散層側の面は、酸化ガスが流れる溝部である流路を複数並列された状態で備え、
前記酸化ガスが流れる前記流路は、隣り合う前記曲線流路の間に形成されるリブ部のリブ拡大部に相当する位置に、当該流路を形成する溝部の底面が他の部分よりも前記ガス拡散層側に突出する絞り部を備える、燃料電池。