JP2020047443A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】排水性が向上した燃料電池を提供する。【解決手段】膜電極接合体と、前記膜電極接合体に積層されたガス拡散層と、前記ガス拡散層に積層されたセパレータ４０と、を備え、前記セパレータは、前記ガス拡散層側で反応ガスが流れるガス流路部を含み、前記ガス流路部は、前記ガス拡散層から退避した第１及び第２溝と、前記第１及び第２溝間にあり前記ガス拡散層に当接したリブ４３１とを含み、当該第１溝４１１には、溝断面積を縮小する縮小部４１１ａが形成されており、前記リブを介して前記縮小部に対向する部位での、当該第２溝の溝断面積は、前記縮小部により縮小された前記第１溝の溝断面積よりも大きく、前記リブの前記ガス拡散層側の面には、前記第１溝側から前記第２溝側に延びた微細溝４３１ａが形成されており、前記微細溝は第１溝に接続し互いに分離した第１及び第２分岐部と、第２溝に接続し第１及び第２分岐部が合流した合流部とを含む。【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池に関する。

特許文献１に記載の燃料電池のセパレータでは、隔壁用凸状部を挟んで蛇行流路溝同士を連通される流路溝が形成されている。

特開２００７−００５２３５号公報

流路溝により連通された蛇行流路溝同士においても、反応ガスは並列に流れるため、一方の蛇行流路溝での反応ガスの圧力と、他方の蛇行流路溝での反応ガスの圧力とが略同じであった場合には、蛇行流路溝同士を連通した流路溝には反応ガスが流れにくくなり、例えばこの流路溝から水が排出されにくくなる可能性がある。これによって排水性が低下する可能性がある。

そこで本発明は、排水性が向上した燃料電池を提供することを目的とする。

上記目的は、膜電極接合体と、前記膜電極接合体に積層されたガス拡散層と、前記ガス拡散層に積層されたセパレータと、を備え、前記セパレータは、前記ガス拡散層側で反応ガスが流れるガス流路部を含み、前記ガス流路部は、前記ガス拡散層から退避した第１及び第２溝と、前記第１及び第２溝間にあり前記ガス拡散層に当接したリブと、を含み、前記第１溝には、当該第１溝の溝断面積を縮小する縮小部が部分的に形成されており、前記リブを介して前記縮小部に対向する部位での、当該第２溝の溝断面積は、前記縮小部により縮小された前記第１溝の溝断面積よりも大きく、前記リブの前記ガス拡散層側の面には、前記第１溝側から前記第２溝側に延びた微細溝が形成されており、前記微細溝は、前記縮小部よりも前記第１溝を流れる前記反応ガスの上流側に位置し、前記微細溝は、前記第１溝に接続し互いに分離した第１及び第２分岐部と、前記第２溝に接続し前記第１及び第２分岐部が合流した合流部と、を含む、燃料電池によって達成できる。

排水性が向上した燃料電池を提供できる。

図１は、燃料電池の単セルの分解斜視図である。 図２は、単セルが複数積層された燃料電池の部分断面図である。 図３は、セパレータの一部分を示した斜視図である。 図４は、微細溝の拡大図である。 図５Ａは、第１変形例の微細溝の説明図であり、図５Ｂは、第２変形例の微細溝の説明図である。

図１は、燃料電池１の単セル２の分解斜視図である。燃料電池１は、単セル２が複数積層されることで構成される。図１では、一つの単セル２のみを示し、その他の単セルについては省略してある。単セル２は、図１に示したＺ方向で他の単セルと共に積層される。単セル２は略矩形状であり、単セル２の長手方向及び短手方向がそれぞれ図１に示したＹ方向及びＸ方向に相当する。

燃料電池１は、反応ガスとしてアノードガス（例えば水素）とカソードガス（例えば酸素）の供給を受けて発電する固体高分子型燃料電池である。単セル２は、膜電極ガス拡散層接合体１０（以下、ＭＥＧＡ（Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly）と称する）と、ＭＥＧＡ１０を支持する支持フレーム１８と、ＭＥＧＡ１０を挟持するアノードセパレータ２０及びカソードセパレータ４０（以下、セパレータと称する）とを含む。ＭＥＧＡ１０は、カソードガス拡散層１６ｃ及びアノードガス拡散層１６ａ（以下、拡散層と称する）を有している。支持フレーム１８は、略枠状であって内周側がＭＥＧＡ１０の周縁領域に接合されている。

セパレータ２０の２つの短辺の一方側には孔ａ１〜ａ３が形成され、他方側には孔ａ４〜ａ６が形成されている。同様に、支持フレーム１８の２つの短辺の一方側には孔ｓ１〜ｓ３が形成され、他方側には孔ｓ４〜ｓ６が形成されている。同様に、セパレータ４０の２つの短辺の一方側には孔ｃ１〜ｃ３が形成され、他方側には孔ｃ４〜ｃ６が形成されている。孔ａ１、ｓ１、及びｃ１は連通してアノード出口マニホールドを画定する。同様に、孔ａ２、ｓ２、及びｃ２は、冷媒入口マニホールドを、孔ａ３、ｓ３、及びｃ３はカソード入口マニホールドを、孔ａ４、ｓ４、及びｃ４はカソード出口マニホールドを、孔ａ５、ｓ５、及びｃ５は冷媒出口マニホールドを、孔ａ６、ｓ６、及びｃ６はアノード入口マニホールドを画定する。尚、本実施例の燃料電池１では、冷媒としては液体である冷却水が用いられる。

ＭＥＧＡ１０に対向するセパレータ４０の面には、カソード入口マニホールドとカソード出口マニホールドとを連通してカソードガスが流れるカソード流路部４０Ａ（以下、流路部と称する）が形成されている。ＭＥＧＡ１０に対向するセパレータ２０の面には、アノード入口マニホールドとアノード出口マニホールドとを連通してアノードガスが流れるアノード流路部２０Ａ（以下、流路部と称する）が形成されている。セパレータ４０の流路部４０Ａとは反対側の面、及びセパレータ２０の流路部２０Ａとは反対側の面には、冷媒入口マニホールドと冷媒出口マニホールドとを連通し冷媒が流れる冷媒流路部４０Ｂ及び２０Ｂ（以下、流路部と称する）がそれぞれ形成されている。流路部２０Ａ及び２０Ｂはセパレータ２０の長手方向（Ｙ方向）に延びている。流路部４０Ａ及び４０Ｂも同様に、セパレータ４０の長手方向（Ｙ方向）に延びている。これらの流路部は、主に、ＸＹ平面において各セパレータのＭＥＧＡ１０に対向する領域に設けられている。セパレータ２０及び４０の材料は、ガス遮断性及び導電性を有した材料であり、具体的には、ステンレス鋼、チタン、チタン合金といった金属、又はカーボンを圧縮した緻密質カーボン、又はこれら複合した材料である。また、セパレータ２０及び４０は、プレス加工により成形されたものであるが、これに限定されず、切削加工により成形されたものであってもよい。

図２は、単セル２が複数積層された燃料電池１の部分断面図である。図２では、１つの単セル２のみを図示し、その他の単セルについては省略してある。図２に示した断面は、Ｙ方向に直交する断面である。

ＭＥＧＡ１０は、拡散層１６ａ及び１６ｃと、膜電極接合体１１（以下、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）と称する）とを有している。ＭＥＡ１１は、電解質膜１２と、電解質膜１２の一方の面及び他方の面のそれぞれに形成されたアノード触媒層１４ａ及びカソード触媒層１４ｃ（以下、触媒層と称する）とを含む。電解質膜１２は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜であり、例えばフッ素系のイオン交換膜である。触媒層１４ａ及び１４ｃは、例えば白金（Ｐｔ）などを担持したカーボン担体とプロトン伝導性を有するアイオノマとを含む触媒インクを、電解質膜１２に塗布することにより形成される。拡散層１６ａ及び１６ｃは、ガス透過性及び導電性を有する材料、例えば炭素繊維や黒鉛繊維などの多孔質の繊維基材で形成されている。拡散層１６ａ及び１６ｃは、それぞれ触媒層１４ａ及び１４ｃに接合されている。尚、拡散層１６ａ及び１６ｃの少なくとも一方が、金属発泡焼結体や網状のエキスパンドメタル等の多孔体であってもよい。

流路部２０Ａ、２０Ｂ、４０Ａ、及び４０Ｂは、Ｙ方向から見てその断面形状は波形状である。詳細には、流路部２０Ａでは、拡散層１６ａから退避するように凹んだ凹状の流路溝２１と、拡散層１６ａに向けて突出して拡散層１６ａに当接したリブ２３とが、Ｘ方向に交互に形成されている。アノードガスは、流路溝２１内に沿って流れ、拡散層１６ａを介してＭＥＡ１１の触媒層１４ａ側に供給される。また、流路部２０Ｂでは、拡散層１６ａとは反対側に突出してセパレータ２０よりも＋Ｚ方向側で隣接した不図示の他の単セルのカソード側のセパレータに当接するリブ２２と、このカソード側のセパレータから退避した流路溝２４とがＸ方向に交互に形成されている。冷媒は、流路溝２４内に沿って流れる。ここで、流路部２０Ａ及び２０Ｂは、表裏一体の関係にある。具体的には、流路溝２１とリブ２２とは表裏一体の関係であり、リブ２３と流路溝２４とも表裏一体の関係にある。流路溝２１及び２４とリブ２２及び２３はＹ方向に延在している。

同様に、流路部４０Ａでは、拡散層１６ｃから退避するように凹んだ凹状の流路溝４１と、拡散層１６ｃに向けて突出して拡散層１６ｃに当接したリブ４３とが、Ｘ方向に交互に形成されている。カソードガスは、流路溝４１内に沿って流れ、拡散層１６ｃを介してＭＥＡ１１の触媒層１４ｃ側に供給される。また、流路部４０Ｂでは、拡散層１６ｃとは反対側に突出してセパレータ４０よりも−Ｚ方向側で隣接した不図示の他の単セルのアノード側のセパレータに当接するリブ４２と、このアノード側のセパレータから退避した流路溝４４とがＸ方向に交互に形成されている。冷媒は、流路溝４４内に沿って流れる。ここで、流路部４０Ａ及び４０Ｂは、表裏一体の関係にある。具体的には、流路溝４１とリブ４２とは表裏一体の関係であり、リブ４３と流路溝４４とも表裏一体の関係にある。流路溝４１及び４４とリブ４２及び４３はＹ方向に延在している。

図３は、セパレータ４０の一部分を示した斜視図である。図３では、カソードガスが流れるセパレータ４０の流路溝４１及び４３側を示している。流路溝４１は、互いにＹ方向に延びてＸ方向に並んだ溝４１１、４１２、及び４１３を含む。また、リブ４３は、互いにＹ方向に延びてＸ方向に並んだリブ４３１及び４３２を含む。リブ４３１は、Ｘ方向で溝４１１及び４１２により挟まれる位置にある。リブ４３２は、Ｘ方向で溝４１２及び４１３により挟まれる位置にある。また、溝４１２はＸ方向でリブ４３１及び４３２に挟まれる位置にある。図３において、カソードガスは、＋Ｙ方向に流れる。

溝４１１、４１２、及び４１３のそれぞれには、壁部４１１ａ、４１２ａ、及び４１３ａが形成されている。壁部４１１ａは、溝４１１の底面から拡散層１６ｃ側に壁状に突出しており、壁部４１１ａの溝４１１の底面からの突出高さは、溝４１１の底面からリブ４３１までの高さよりも低い。即ち、壁部４１１ａの高さはリブ４３１よりも低い。このため、壁部４１１ａは、溝４１１の一部分を閉塞しているが、完全に塞ぐ形状ではない。換言すれば、壁部４１１ａは、溝４１１の溝断面積を縮小するように形成されている。壁部４１２ａ及び４１３ａについても同様である。壁部４１１ａ、４１２ａ、及び４１３ａは、それぞれ、溝４１１、４１２、及び４１３の溝断面積を縮小する縮小部の一例である。ここで溝４１１の溝断面積とは、溝４１１内での溝４１１の底面と、互いに対向する２つの側面とに包囲された領域での、溝４１１が延びた方向に垂直な断面積である。壁部４１１ａ、４１２ａ、及び４１３ａは、このような形状に限定されず、例えば、リブ４３１及び４３２と同一の高さを有していてもよい。また、例えば、溝４１１の幅が部分的に狭くなることにより溝断面積を縮小した形状であってもよい。

図３に示すように、壁部４１１ａ及び４１３ａは、Ｙ方向で略同じ位置に設けられているが、壁部４１２ａは、壁部４１１ａ及び４１３ａとＹ方向で離れている。具体的には、壁部４１２ａは、壁部４１１ａ及び４１３ａよりも、カソードガスの上流側に位置している。換言すれば、リブ４３１を介して壁部４１１ａに対向する部位での、溝４１２の溝断面積は、壁部４１１ａにより絞られた溝４１１の溝断面積よりも大きい。

このように壁部４１２ａは壁部４１１ａ及び４１３ａよりもカソードガスの上流側に位置している。このため、図３の点線の矢印で示すように、溝４１２よりも先に溝４１１及び４１３に沿ってカソードガスが流れ、壁部４１１ａ及び４１３ａにより、溝４１１及び４１３に沿って流れたカソードガスがリブ４３１及び４３２を介して壁部４１２ａよりも下流側で溝４１２へと流れることが促進される。

リブ４３１の拡散層１６ｃ側の面には、複数の微細溝４３１ａがＹ方向に所定の間隔を空けて設けられている。同様に、リブ４３２の拡散層１６ｃ側の面にも、複数の微細溝４３２ａがＹ方向に所定の間隔を空けて設けられている。微細溝４３１ａは、溝４１１側から溝４１２側に延びている。微細溝４３１ａは、溝４１１側が二股状に形成され、溝４１２側は一本の溝状に形成されている。微細溝４３１ａの形状の詳細については後述する。微細溝４３１ａ及び４３２ａは、溝４１２の底面のＸ方向での中心に交差したＺＹ平面に対して略対称の形状である。

溝４１１とリブ４３１との間では、溝４１１の底面とリブ４３１の面とに対して傾斜してこれらに連続した側壁が形成されている。リブ４３１と溝４１２との間、溝４１２とリブ４３２との間、リブ４３２と溝４１３との間も、同様に側壁が形成されている。例えば、溝４１１とリブ４３１との間の側壁の拡散層１６ｃ側の面には、排水溝４１１ｂが形成されている。排水溝４１１ｂは、Ｙ方向、即ち溝４１１が延びた方向に延びている。排水溝４１１ｂは、壁部４１１ａよりも高い位置に形成されている。同様に、リブ４３１と溝４１２との間の側壁の拡散層１６ｃ側の面、溝４１２とリブ４３２との間の側壁の拡散層１６ｃ側の面、及びリブ４３２と溝４１３との間の側壁の拡散層１６ｃ側の面にも、それぞれ排水溝４１２ｂ、４１２ｃ、及び４１３ｂが形成されている。尚、微細溝４３１ａや排水溝４１１ｂ等の各部位での幅や深さは、溝４１１の幅や深さよりも小さい。

微細溝４３１ａの溝４１１側の端部は、上述した側壁上にまで延びて排水溝４１１ｂに接続し、微細溝４３１ａの溝４１２側の端部も上述した側壁上にまで延びて排水溝４１２ｂに接続している。同様に、微細溝４３２ａの溝４１２側の端部は排水溝４１２ｃに接続し、微細溝４３２ａの溝４１３側の端部は排水溝４１３ｂに接続している。

ここで、微細溝４３１ａ及び４３２ａでは、発電反応により生じた生成水が液水として捕捉される。特に、リブ４３１及び４３２の反対側では冷媒が流れるため、微細溝４３１ａ及び４３２ａの内側面の温度は低下しやすい。そのため、微細溝４３１ａ及び４３２ａ内では、水蒸気の凝縮が促進されている。ここで、上述したように、カソードガスはリブ４３１及び４３２を介して溝４１２側へと流れることが促進されているため、微細溝４３１ａ及び４３２ａ内の液水も、カソードガスの圧力を受けて溝４１２側へと排出される。従って、微細溝４３１ａ及び４３２ａ内で液水が滞留することが抑制されており、排水性が向上している。

また、上述したように、微細溝４３１ａは、溝４１２側の排水溝４１２ｂに接続されているため、微細溝４３１ａ内の液水は排水溝４１２ｂに流入して、溝４１２内を流れるカソードガスの圧力を受けて、カソードガスの下流側へと排出される。同様に、微細溝４３２ａの溝４１２側の端部も排水溝４１２ｃに接続されているため、排水性が向上している。

微細溝４３１ａは、溝４１１側の排水溝４１１ｂにも接続されている。このため、排水溝４１１ｂに捕捉された液水の一部は、溝４１１側から溝４１２側に流れるカソードガスの圧力を受けて、微細溝４３１ａに流入し得る。このように液水が排水溝４１１ｂ、微細溝４３１ａ、排水溝４１２ｂの順に流れるため、排水性が向上している。ここで、排水溝４１１ｂは、壁部４１１ａに干渉しない位置に設けられており、それぞれ溝４１１に沿って延びている。このため、排水溝４１１ｂに捕捉された液水の一部は、上述のように微細溝４３１ａに流れ得るが、残りの一部は排水溝４１１ｂに沿って溝４１１の下流側へと流れるため、排水性が向上している。尚、微細溝４３２ａと排水溝４１３ｂについても同様である。

上述したように、本実施例でのセパレータ４０は、プレス加工により成形されたものであり、微細溝４３１ａ等もプレス加工により成形されている。このため、微細溝４３１ａは、流路部４０Ａ側から見て凹んでいるが、流路部４０Ｂ側から見ると突出している。このため、流路部４０Ａ側から見て凹んでおりカソードガスに接する微細溝４３１ａの内側面の面積と、流路部４０Ｂ側から見て突出しており冷媒に接する微細溝４３１ａの外側面の面積とが確保されている。従って、微細溝４３１ａを介してカソードガスと冷媒との間で熱交換される熱量が確保されており、微細溝４３１ａ内での水蒸気の凝縮が促進されている。微細溝４３２ａや、排水溝４１１ｂ等についても同様である。

次に、微細溝４３１ａの形状について詳細に説明する。図４は、微細溝４３１ａの拡大図である。微細溝４３１ａは、互いに分離した分岐部４３１１及び４３１２と、分岐部４３１１及び４３１２が合流した一本の溝となった合流部４３１５とを含む。ここで、分岐部４３１１及び４３１２は溝４１１に接続され、合流部４３１５は溝４１２に接続されている。カソードガスは、図３及び図４に示すように、溝４１１側からリブ４３１を介して溝４１２側に流れることが促進されているため、このカソードガスの流れに対しては、合流部４３１５は、分岐部４３１１及び４３１２よりも下流側に位置していることになる。分岐部４３１１及び４３１２と合流部４３１５とは、それぞれ、深さが同じであり、幅も同じである。

従って、溝４１１側からリブ４３１を介して溝４１２側へ流れるカソードガスの下流側にある一本の合流部４３１５よりも、その上流側にある２本の２分岐部４３１１及び４３１２で液水が捕捉しやすくなる。このため、微細溝４３１ａでの液水の捕捉性が確保されており、排水性が向上している。

ここで、分岐部４３１１及び４３１２と合流部４３１５との各溝断面積は、略同じである。換言すれば、合流部４３１５の溝断面積は、分岐部４３１１及び４３１２の合計の溝断面積よりも小さい。このため、毛細管現象により、分岐部４３１１及び４３１２内にある液水は合流部４３１５側へと流れやすくなる。ここで、カソードガスが溝４１１側からリブ４３１を介して溝４１２側に流れることが促進されており、上述の液水の移動方向と一致している。このことにより、液水を溝４１１側から溝４１２側へと流動しやすくなっており、排水性が向上している。尚、分岐部４３１１及び４３１２と合流部４３１５とのそれぞれの深さや幅は、同一に限定されない。

尚、微細溝４３１ａや排水溝４１２ｂ等は、親水処理がなされていることが望ましい。これにより、微細溝４３１ａや排水溝４１２ｂ内での液水の流動性が向上し、排水性が向上するからである。親水処理としては、周知の種々の技術を適用可能であり、例えば、プラズマ処理、紫外線処理、親水被膜の形成等が挙げられる。

図３に示したように、溝４１１及び４１３から溝４１２にカソードガスが流れることを促進するためには、壁部４１１ａ及び４１３ａよりも上流側に壁部４１２ａが設けられていることが好ましいが、これに限定されない。例えば、壁部４１２ａが設けられていない場合であっても、壁部４１１ａ及び４１３ａが設けられていることにより、溝４１１及び４１３を流れるカソードガスの流量を絞り、溝４１１及び４１３から溝４１２にカソードガスが流れることを促進できるからである。

次に、接続溝の変形例について説明する。図５Ａは、第１変形例の微細溝４３１ｂの説明図である。微細溝４３１ｂでは、３本の分岐部４３１１、４３１２、及び４３１３が１本の合流部４３１５と同じ個所で合流している。この場合であっても、毛細管現象により液水の流動性を確保する観点から、合流部４３１５の溝断面積は、分岐部４３１１、４３１２、及び４３１３の合計の溝断面積よりも小さいことが望ましく、微細溝４３１ｂは親水処理がなされていることが望ましい。

図５Ｂは、第２変形例の微細溝４３１ｃの説明図である。微細溝４３１ｃでは、３本の分岐部４３１１、４３１２、及び４３１３が、２本の合流部４３１６及び４３１７に合流している。この場合であっても、毛細管現象により液水の流動性を確保する観点から、合流部４３１６及び４３１７の合計の溝断面積は、分岐部４３１１、４３１２、及び４３１３の合計の溝断面積よりも小さいことが望ましく、微細溝４３１ｃは親水処理がなされていることが望ましい。

また、微細溝は、４本から２本に合流した形状であってもよいし、複数本の溝からより少ない本数の溝に合流する形状であってもよい。

上記実施例及び変形例では、カソード側のセパレータ４０を例に説明したが、アノード側のセパレータ２０も同様に構成されていてもよいし、アノード側及びカソード側の一方のセパレータのみが上述のように形成されていてもよい。

上述した燃料電池１の単セル２の積層方向は、鉛直方向であっても水平方向であってもよく、または鉛直方向に対して傾いていてもよい。尚、単セル２の積層方向が鉛直方向に沿うように配置されている場合であって、上述したセパレータのリブに形成された微細溝が、鉛直上方側に位置するように単セルが積層されている場合には、重力の作用により液水が微細溝に捕捉されやすくなり、効果的に液水が捕捉される。

上記のセパレータは、冷媒として液体を用いた水冷式の燃料電池に採用するものに限定されず、例えば冷媒として空気を用いた空冷式の燃料電池に採用してもよい。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態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。

１ 燃料電池
２ 単セル
２０、４０ セパレータ
４０Ａ 流路部
４１１、４１２、４１３ 溝
４１１ａ、４１２ａ、４１３ａ 壁部（縮小部）
４３１ａ、４３２ａ 微細溝
４１１ｂ、４１２ｂ、４１２ｃ、４１３ｂ 排水溝
４３１１、４３１２ 分岐部
４３１５ 合流部

Claims (1)

1. 膜電極接合体と、
   前記膜電極接合体に積層されたガス拡散層と、
   前記ガス拡散層に積層されたセパレータと、を備え、
   前記セパレータは、前記ガス拡散層側で反応ガスが流れるガス流路部を含み、
   前記ガス流路部は、前記ガス拡散層から退避した第１及び第２溝と、前記第１及び第２溝間にあり前記ガス拡散層に当接したリブと、を含み、
   前記第１溝には、当該第１溝の溝断面積を縮小する縮小部が形成されており、
   前記リブを介して前記縮小部に対向する部位での、当該第２溝の溝断面積は、前記縮小部により縮小された前記第１溝の溝断面積よりも大きく、
   前記リブの前記ガス拡散層側の面には、前記第１溝側から前記第２溝側に延びた微細溝が形成されており、
   前記微細溝は、前記縮小部よりも前記第１溝を流れる前記反応ガスの上流側に位置し、
   前記微細溝は、前記第１溝に接続し互いに分離した第１及び第２分岐部と、前記第２溝に接続し前記第１及び第２分岐部が合流した合流部と、を含む、燃料電池。

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