JP2020119713A

JP2020119713A - 燃料電池スタック

Info

Publication number: JP2020119713A
Application number: JP2019008805A
Authority: JP
Inventors: 博之川合; Hiroyuki Kawai
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2019-01-22
Filing date: 2019-01-22
Publication date: 2020-08-06
Anticipated expiration: 2039-01-22
Also published as: JP7088045B2

Abstract

【課題】反応ガスの圧損のばらつきが抑制された燃料電池スタックを提供する。【解決手段】カソードセパレータ２０のリブ部２１は、膜電極ガス拡散層接合体１０−１に当接し、前記カソードセパレータ２０の溝部２５は、前記膜電極ガス拡散層接合体１０−１との間で酸化剤ガスが流れ、アノードセパレータ３０のリブ部３１は、膜電極ガス拡散層接合体１０−２に当接し、アノードセパレータ３０の溝部３５は、前記膜電極ガス拡散層接合体１０−２との間で燃料ガスが流れ、前記溝部２５、３５は、少なくとも一部分で互いに当接し、前記溝部２５は、溝深さが一定である定常部２６と、前記定常部２６と溝幅が同じであって溝深さが浅い浅底部２７と、を含み、前記溝部３５は、前記定常部２６に当接し溝深さが一定である定常部３６と、前記定常部３６よりも溝深さが深く前記浅底部２７に当接した深底部３７と、を含む、燃料電池スタック。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池スタックに関する。

燃料電池スタックに採用されるセパレータには、反応ガスが流れる溝部が設けられている。このような溝部には、部分的に溝幅が狭く形成されているものや、部分的に溝深さが浅く形成されたものがある（例えば特許文献１参照）。

特開２０１７−２２８４８２号公報

上記のようなセパレータでは、このセパレータからのガス拡散層への面圧のばらつきが増大し、これによりガス拡散層のセパレータの溝部内への撓みこみ量が不均一となり、反応ガスの圧損のバラつきが増大する恐れがある。このような反応ガスの圧損のばらつきが増大すると、セル毎の圧損のばらつきも増大して、各セルに反応ガスを十分に供給できない恐れがある。

そこで本発明は、反応ガスの圧損のばらつきが抑制された燃料電池スタックを提供することを目的とする。

上記目的は、膜電極を一対のガス拡散層で挟持した第１膜電極ガス拡散層接合体と、膜電極を一対のガス拡散層で挟持した第２膜電極ガス拡散層接合体と、前記第１膜電極ガス拡散層接合体に当接した第１セパレータと、前記第１セパレータと前記第２膜電極ガス拡散層接合体とに挟持された第２セパレータと、を備え、前記第１セパレータは、互いに隣接した第１リブ部及び第１溝部を含み、前記第２セパレータは、互いに隣接した第２リブ部及び第２溝部を含み、前記第１リブ部は、前記第１膜電極ガス拡散層接合体に当接し、前記第１溝部は、前記第１膜電極ガス拡散層接合体から退避して前記第１膜電極ガス拡散層接合体との間で第１反応ガスが流れ、前記第２リブ部は、前記第２膜電極ガス拡散層接合体に当接し、前記第２溝部は、前記第２膜電極ガス拡散層接合体から退避して前記第２膜電極ガス拡散層接合体との間で第２反応ガスが流れ、前記第１及び第２溝部は、少なくとも一部分で互いに当接し、前記第１溝部は、溝深さが一定である第１定常部と、前記第１定常部と溝幅が同じであって溝深さが浅い浅底部と、を含み、前記第２溝部は、前記第１定常部に当接し溝深さが一定である第２定常部と、前記第２定常部よりも溝深さが深く前記浅底部に当接した深底部と、を含む、燃料電池スタック。

反応ガスの圧損のばらつきが抑制された燃料電池スタックを提供できる。

図１は、燃料電池スタックの部分断面図である。図２は、上方から見た場合のセパレータの一部を示した模式図である。図３Ａ及び図３Ｂは、セパレータの一部分を示した斜視図である。図４Ａは、第１比較例の燃料電池スタックの部分断面図であり、図４Ｂは、第２比較例の燃料電池スタックの部分断面図である。

［燃料電池スタックの概略構成］
図１は、燃料電池スタック１の部分断面図である。図１には、互いに直交するＸ方向、Ｙ方向、及びＺ方向を示している。＋Ｙ方向は、図１では紙面に垂直であって紙面の奥から手前の方向である。燃料電池スタック１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。燃料電池スタック１は、膜電極ガス拡散層接合体１０−１（以下、ＭＥＧＡ（Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly）と称する）、カソードセパレータ（以下、セパレータと称する）２０、アノードセパレータ３０、及びＭＥＧＡ１０−２を含む。ここで、ＭＥＧＡ１０−１及び１０―２は、互いに同一の部材であるが、便宜上異なる符号を付している。また、図１では、ＭＥＧＡ１０−１、セパレータ２０及び３０、及びＭＥＧＡ１０―２のみを示しているが、実際には、−Ｚ方向に順に、ＭＥＧＡ１０−１、セパレータ２０、セパレータ３０、ＭＥＧＡ１０―２、セパレータ２０、セパレータ３０、ＭＥＧＡ１０−３、セパレータ２０、セパレータ３０…が繰り返すように積層されている。

ＭＥＧＡ１０−１は、アノードガス拡散層１２ａ及びカソードガス拡散層１２ｃ（以下、拡散層と称する）と、拡散層１２ａ及び１２ｃにより挟持された膜電極接合体１１（以下、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）と称する）１１とを有している。ＭＥＡ１１は、電解質膜と、電解質膜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及びカソード触媒層とを含む。電解質膜は、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。アノード触媒層及びカソード触媒層は、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、電解質膜に塗布することにより形成される。拡散層１２ａ及び１２ｃ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１２ａ及び１２ｃは、それぞれアノード触媒層及びカソード触媒層に接合されている。

セパレータ２０及び３０は、ガス遮断性及び導電性を有する材料によって形成され、プレス成形されたステンレス鋼や、チタンやチタン合金といった金属によって形成される薄板状部材である。セパレータ２０及び３０は、ＭＥＧＡ１０−１及び１０−２に挟持されるように積層されている。セパレータ２０は、ＭＥＧＡ１０−１の拡散層１２ｃに当接し、セパレータ３０は、ＭＥＧＡ１０−２の拡散層１２ａに当接している。

セパレータ２０には、Ｘ方向に交互に並んでおりＹ方向に互いに平行に延びたリブ部２１及び溝部２５が形成されている。リブ部２１は、拡散層１２ｃに当接しており、溝部２５は、拡散層１２ｃから退避するように凹んでいる。換言すれば、溝部２５は、拡散層１２ｃから退避するように−Ｚ方向に突出している。拡散層１２ｃと溝部２５との間では、カソードガスが溝部２５に沿って流れ、溝部２５に沿って流れるカソードガスの一部が拡散層１２ｃ内を流れる。

同様に、セパレータ３０には、Ｘ方向に交互に並んでおりＹ方向に互いに平行に延びたリブ部３１及び溝部３５が形成されている。リブ部３１は、拡散層１２ａに当接しており、溝部３５は、拡散層１２ａから退避するように凹んでいる。換言すれば、溝部３５は、拡散層１２ａから退避するように＋Ｚ方向に突出している。拡散層１２ａと溝部３５との間では、アノードガスが溝部３５に沿って流れ、溝部３５に沿って流れるアノードガスの一部が拡散層１２ａ内を流れる。互いにＺ方向で対向するリブ部２１及び３１は、当接せずに互いに離間しているが、Ｚ方向で互いに対向する溝部２５及び３５は、互いに当接している。尚、Ｚ方向で互いに対向するリブ部２１及び３１との間には冷却水が流れる。

単一の溝部２５は、定常部２６及び浅底部２７を含む。浅底部２７は、隣接するリブ部２１を介して定常部２６に対向するように設けられている。即ち、リブ部２１を介して浅底部２７同士が隣接するようには設けられていない。図２は、上方から見た場合のセパレータ２０の一部を示した模式図である。図２の例では、単一の溝部２５に対して、２つの浅底部２７が、定常部２６を介してＹ方向に一定の間隔を空けて配置されている。溝部２５内の定常部２６に沿ってカソードガスが流れ、浅底部２７を通過する際に、カソードガスの一部が浅底部２７によって拡散層１２ｃ側に案内される。これにより、ＭＥＡ１１のカソード極側に案内されるカソードガスの量が確保されている。ここで、溝部２５の溝幅は常に一定である。即ち、図１に示すように定常部２６での溝幅βと浅底部２７での溝幅αとは同じである。ここで、溝部２５の溝幅は、溝部２５を介して隣接した２つのリブ部２１の間で拡散層１２ｃから離間した部分であって、Ｘ方向での最大幅である。一方、浅底部２７の深さａは、定常部２６の深さｂよりも浅い。ここで、溝部２５の溝深さは、複数のリブ部２１が含まれるＸＹ平面からの−Ｚ方向での深さである。

定常部３６の幅は定常部２６の幅と同じであり、深底部３７の幅は浅底部２７の幅と同じである。従って、定常部３６での溝幅βと深底部３７での溝幅αとは同じである。一方、深底部３７の深さｃは、定常部３６の深さｄよりも深い。また、互いに対向する溝部２５及び３５は、常に当接している。即ち、定常部２６及び３６は互いに当接し、浅底部２７及び深底部３７も互いに当接している。ここで、ＭＥＧＡ１０―１及び１０−２間のＺ方向での間隔は略一定である。従って、浅底部２７の深さａと深底部３７の深さｃとの合計は、定常部２６の深さｂと定常部３６の深さｄとの合計と、略同じである。図３Ａ及び図３Ｂは、セパレータ２０及び３０の一部分を示した斜視図である。

図２に示したように、何れの溝部２５にも、それぞれ２つの浅底部２７が設けられている。これにより、溝部２５をそれぞれ流れるカソードガスの圧損のばらつきの増大が抑制されている。また、図２に示した浅底部２７と重なるように、セパレータ３０の各溝部３５の深底部３７も設けられているため、溝部３５をそれぞれ流れるアノードガスの圧損のばらつきの増大が抑制されている。

次に、複数の比較例について説明する。図４Ａは、第１比較例の燃料電池スタック１ｘの部分断面図である。セパレータ２０ｘでは、溝部２５の溝幅は常に一定ではなく、浅底部２７ｘの溝幅αｘは、定常部２６の溝幅βよりも狭い。このため、図４Ａに点線で包囲した部位である、Ｘ方向で浅底部２７ｘと定常部２６との間に位置するリブ部２１の部位と拡散層１２ｃとの接触面積は、Ｘ方向で定常部２６同士により挟まれるリブ部２１の部位と拡散層１２ｃとの接触面積よりも増大している。このため、燃料電池スタック１ｘでのセパレータ２０ｘからの拡散層１２ｃに対する面圧のばらつきが増大して、カソードガスの圧損のばらつきが増大する可能性がある。

また、セパレータ３０ｘの溝部３５ｘでは、深底部３７は設けられておらず、常に溝幅が一定である定常部３６が設けられている。更に、互いに対向する定常部２６及び３６は互いに当接しているが、互いに対向する浅底部２７ｘ及び定常部３６は当接していない。溝部３５ｘの深さｄは、部位によらずに常に一定だからである。このため、このような構成によっても更にセパレータ２０ｘから拡散層１２ｃに対する面圧のばらつきが増大し、カソードガスの圧損のばらつきが増大して、カソードガスの圧損のばらつきが増大する可能性がある。

また、互いに対向する定常部２６及び３６は互いに当接しているが、互いに対向する浅底部２７ｘ及び定常部３６は当接していないため、セパレータ３０ｘから拡散層１２ａに対する面圧のばらつきが増大して拡散層１２ａの撓みが不均一となり、アノードガスの圧損のばらつきが増大する可能性がある。

図４Ｂは、第２比較例の燃料電池スタック１ｙの部分断面図である。燃料電池スタック１ｙでは、セパレータ２０を採用している点で上述した本実施例の燃料電池スタック１と同じであるが、セパレータ３０ｙを採用している点で上述した本実施例と異なっている。セパレータ２０の浅底部２７と対向したセパレータ３０ｙの定常部３６ｙは、共に溝幅αであるが、溝高さｄを有しているため、定常部３６ｙは浅底部２７には当接していない。従って、このような構成によっても更にセパレータ２０から拡散層１２ｃに対する面圧のばらつき、及びセパレータ３０ｙから拡散層１２ａに対する面圧のばらつきが増大し、カソードガス及びアノードガスの圧損のばらつきが増大する可能性がある。

しかしながら本実施例では、互いに対向した定常部２６及び３６は互いに当接し、互いに対向した浅底部２７及び深底部３７は互いに当接しており、また、互いに対向した定常部２６及び３６のそれぞれの溝幅βと、互いに対向した浅底部２７及び深底部３７のそれぞれの溝幅αとは、同じである。このため、セパレータ２０からの拡散層１２ｃに対する面圧のばらつきの増大が抑制され、セパレータ３０からの拡散層１２ａに対する面圧のばらつきの増大が抑制されている。これにより、カソードガス及びアノードガスの圧損のばらつきの増大が抑制され、カソードガス及びアノードガスをＭＥＡ１１に沿って均一に流すことができ、発電効率が向上する。

上記実施例では、定常部２６及び３６のそれぞれの深さｂ及びｄは同じであるがこれに限定されない。浅底部２７の深さａが定常部２６の深さｂよりも浅く、深底部３７の深さｃが定常部３６の深さｄよりも深ければ、定常部２６の深さｂが定常部３６の深さｄよりも深くても浅くてもよい。

上記実施例では、図２に示したように、浅底部２７の密度が均一となるように配置されているが、これに限定されずに、浅底部２７の密度が位置によってことなるように配置されていてもよい。

上記実施例では、セパレータ２０のリブ部２１及び溝部２５と、セパレータ３０のリブ部３１及び溝部３５とが同じ方向に延びているがこれに限定されない。例えば、セパレータ２０のリブ部２１及び溝部２５が延びた方向と、セパレータ３０のリブ部３１及び溝部３５が延びた方向とが、交差していてもよい。この場合、溝部２５及び３５は、浅底部２７と深底部３７とで当接していればよい。

上記実施例では、浅底部２７を備えたセパレータ２０をカソードセパレータとして用い、深底部３７を備えたセパレータ３０をアノードセパレータとして用いたがこれに限定されず、セパレータ２０をアノードセパレータとして用いてもよいし、セパレータ３０をカソードセパレータとして用いてもよい。

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燃料電池スタック
１０−１、１０−２膜電極ガス拡散層接合体
２０カソードセパレータ
３０アノードセパレータ
２１、３１リブ部
２５、３５溝部
２６、３６定常部
２７浅底部
３７深底部

Claims

膜電極を一対のガス拡散層で挟持した第１膜電極ガス拡散層接合体と、
膜電極を一対のガス拡散層で挟持した第２膜電極ガス拡散層接合体と、
前記第１膜電極ガス拡散層接合体に当接した第１セパレータと、
前記第１セパレータと前記第２膜電極ガス拡散層接合体とに挟持された第２セパレータと、を備え、
前記第１セパレータは、互いに隣接した第１リブ部及び第１溝部を含み、
前記第２セパレータは、互いに隣接した第２リブ部及び第２溝部を含み、
前記第１リブ部は、前記第１膜電極ガス拡散層接合体に当接し、
前記第１溝部は、前記第１膜電極ガス拡散層接合体から退避して前記第１膜電極ガス拡散層接合体との間で第１反応ガスが流れ、
前記第２リブ部は、前記第２膜電極ガス拡散層接合体に当接し、
前記第２溝部は、前記第２膜電極ガス拡散層接合体から退避して前記第２膜電極ガス拡散層接合体との間で第２反応ガスが流れ、
前記第１及び第２溝部は、少なくとも一部分で互いに当接し、
前記第１溝部は、溝深さが一定である第１定常部と、前記第１定常部と溝幅が同じであって溝深さが浅い浅底部と、を含み、
前記第２溝部は、前記第１定常部に当接し溝深さが一定である第２定常部と、前記第２定常部よりも溝深さが深く前記浅底部に当接した深底部と、を含む、
燃料電池スタック。