JP2021099975A

JP2021099975A - 燃料電池用セパレータ

Info

Publication number: JP2021099975A
Application number: JP2019232195A
Authority: JP
Inventors: 善記篠崎; Yoshinori Shinozaki; 諭二見; Satoshi Futami
Original assignee: Toyota Auto Body Co Ltd
Current assignee: Toyota Auto Body Co Ltd
Priority date: 2019-12-24
Filing date: 2019-12-24
Publication date: 2021-07-01
Anticipated expiration: 2039-12-24
Also published as: US20220407087A1; EP4084160A1; JP7192759B2; KR20220075363A; CN114667619A; WO2021131138A1

Abstract

【課題】生成水の排出性を高めることができる燃料電池用セパレータを提供する。【解決手段】第２セパレータ５０の突条６１における発電部１１に当接する当接面６３には、突条６１の延在方向に沿って延びる第１溝６５が設けられている。突条６１の下流側端部には、当接面６３に対して下流側に連なるとともに下流側ほど発電部１１から離間するように傾斜する傾斜面６４が設けられている。傾斜面６４には、第１溝６５に連なる第２溝６６が設けられている。【選択図】図４

Description

本発明は、燃料電池用セパレータに関する。

従来、固体高分子形燃料電池は、膜電極接合体を有する発電部と、複数の凸部及び凹部が交互に形成され、発電部を挟持する一対の金属製のセパレータとを含む単セルが複数積層されたスタックを備えている（例えば、特許文献１参照）。

単セルを構成する各セパレータと発電部との間には、上記凸部及び凹部により区画され、燃料ガスや酸化ガスを供給するガス流路が形成されている。各ガス流路に水素などの燃料ガス、及び酸素などの酸化ガスが供給される。これにより、膜電極接合体内における燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電が行われる。

特開２０１９−２０４６５９号公報

ところで、上述した電気化学反応により生成された水（以下、生成水と称する）は、カソード側のガス流路、すなわち酸化ガスが供給されるガス流路に流入する。こうした生成水は、ガス流路を流れる酸化ガスの圧力によって外部に排出される。しかしながら、生成水の量が多くなった場合には、ガス流路が生成水により閉塞されたり、酸化ガスの圧力損失が過度に増大したりするおそれがある。

本発明の目的は、生成水の排出性を高めることができる燃料電池用セパレータを提供することにある。

上記目的を達成するための燃料電池用セパレータは、燃料電池の発電部に当接して設けられる燃料電池用セパレータであって、互いに間隔をおいて並列して延びるとともに前記発電部に当接する複数の突条と、互いに隣り合う２つの前記突条の間に設けられ、反応ガスが流れる流路を形成する複数のガス流路部と、を有し、前記ガス流路部を流れる反応ガスの流れ方向の下流側を下流側とするとき、前記突条における前記発電部に当接する当接面には、前記突条の延在方向に沿って延びる第１溝が設けられており、前記突条の下流側端部には、前記当接面に対して下流側に連なるとともに前記発電部から離間する離間面が設けられており、前記離間面には、前記第１溝に連なる第２溝が設けられている。

同構成によれば、燃料電池の発電に伴い発生する生成水は、発電部に当接する突条の当接面に設けられた第１溝に流入するとともに下流側に向かって移動する。そして、第１溝の下流側端部に到達した生成水は、当接面に対して下流側に連なるとともに発電部から離間する離間面に設けられた第２溝に流入するとともに下流側に向かって移動するようになる。したがって、生成水の排出性を高めることができる。

上記燃料電池用セパレータにおいて、前記離間面は、下流側ほど前記発電部から離間するように傾斜する傾斜面であることが好ましい。
同構成によれば、第２溝に流入した生成水が、傾斜面の傾斜を利用して下流側に向かって円滑に移動しやすくなる。これにより、生成水が円滑に排出されやすくなることから、生成水の排出性を一層高めることができる。

上記燃料電池用セパレータにおいて、複数の前記突条が、互いに間隔をおいて直列して設けられており、前記第２溝が、前記突条の各々の前記離間面に設けられていることが好ましい。

同構成によれば、複数の突条が互いに間隔をおいて直列して設けられているため、互いに直列する２つの突条同士の間を通じて、これら２つの突条に隣接するガス流路部同士が連通される。これにより、反応ガスの分配性を向上させることができる。また、各突条の下流側端部に第２溝が設けられているため、各突条の第１溝に流入した生成水が第２溝を通じて下流側に向かって排出される。以上のことから、反応ガスの分配性の向上と、生成水の排出性の向上との両立を図ることができる。

上記燃料電池用セパレータにおいて、前記当接面には、前記第１溝と前記ガス流路部とを連通する第３溝が設けられていることが好ましい。
同構成によれば、第１溝とガス流路部とを連通する第３溝が当接面に設けられているため、発電部から第１溝に流入した生成水の一部は第２溝に向かって流れる一方、生成水の他の一部は第３溝を通じてガス流路部に向かって流れるようになる。これにより、発電部から第１溝に流入した生成水は、第２溝とガス流路部との双方を通じて下流側に向かって流れるようになるため、生成水の排出性を一層高めることができる。また、このように生成水の排出経路を複数設けることにより、生成水がセパレータの一部に滞留することを抑制できる。

上記燃料電池用セパレータにおいて、前記ガス流路部を流れる反応ガスの流れ方向の上流側を上流側とするとき、複数の前記第３溝が設けられており、前記第３溝の前記当接面に占める割合は、上流側よりも下流側の方が小さいことが好ましい。

発電部における生成水は、ガス流路部を上流側から下流側に向かって流れるため、ガス流路部における下流側の部分ほど生成水が滞留しやすくなる。
上記構成によれば、第３溝の当接面に占める割合が上流側よりも下流側の方が小さい。このため、第３溝を通じて第１溝からガス流路部に向かって流れる生成水の量が、上流側よりも下流側の方が少なくなる。これにより、第１溝内における上流側の生成水については、第１溝内を下流側に向かって流れるよりも第３溝を通じてガス流路部に向かって排出されやすくなる。また、第１溝内における下流側の生成水については、第３溝を通じてガス流路部に向かって排出されるよりも、第２溝を通じて下流側に向かって排出されやすくなる。以上のことから、第１溝内に生成水が過度に流れることで第１溝内が生成水により閉塞されることを抑制しつつ、ガス流路部の下流側に生成水が過度に滞留することを抑制できる。このように、第３溝の当接面に占める割合を適宜変更することで、第１溝内の生成水を排出するにあたり、第３溝を通じて排出する生成水の量と、第２溝を通じて排出する生成水の量とを調節することができる。したがって、生成水を効率的に排出することができる。

本発明によれば、生成水の排出性を高めることができる。

燃料電池用セパレータの一実施形態について、当該セパレータを有する単セルを中心とした燃料電池スタックの断面図。同実施形態の第２セパレータの平面図。同実施形態の第２セパレータにおける突条の上流側の部分を示す斜視図。同実施形態の第２セパレータにおける突条の下流側端部を示す斜視図。第１変更例の第２セパレータの突条を示す斜視図。第２変更例の第２セパレータの突条を示す斜視図。第３変更例の第２セパレータの突条を示す斜視図。

以下、図１〜図４を参照して、燃料電池用セパレータの一実施形態について説明する。
各図面では、説明の便宜上、構成の一部を誇張又は簡略化して示す場合がある。また、各部分の寸法比率については実際と異なる場合がある。

図１に示すように、本実施形態の燃料電池用セパレータ（以下、セパレータ２０と称する）は、固体高分子形燃料電池のスタック１００に用いられるものである。なお、セパレータ２０は、後述する第１セパレータ３０及び第２セパレータ５０の総称である。

スタック１００は、複数の単セル１０が積層された構造を有している。単セル１０は、アノード側の第１セパレータ３０と、カソード側の第２セパレータ５０とにより挟持された発電部１１を備えている。

発電部１１は、膜電極接合体１２と、膜電極接合体１２を挟持するアノード側ガス拡散層１５及びカソード側ガス拡散層１６とにより構成されている。アノード側ガス拡散層１５は、膜電極接合体１２と第１セパレータ３０との間に設けられている。カソード側ガス拡散層１６は、膜電極接合体１２と第２セパレータ５０との間に設けられている。アノード側ガス拡散層１５及びカソード側ガス拡散層１６は、共に炭素繊維により形成されている。

膜電極接合体１２は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を有する固体高分子材料からなる電解質膜１３と、電解質膜１３を挟持する一対の電極触媒層１４とを備えている。各電極触媒層１４には、燃料電池における反応ガスの電気化学反応を促進するために、例えば白金などの触媒が担持されている。

第１セパレータ３０は、例えば、ステンレス鋼などの金属板材をプレス成形することにより形成されている。第１セパレータ３０における発電部１１に対向する部分には、反応ガスを発電部１１の全体に分配する分配部４０が形成されている。分配部４０は、互いに間隔をおいて並列して延びるとともに発電部１１に当接する複数の突条４１と、互いに隣り合う２つの突条４１の間に設けられ、反応ガスが流れる流路を形成する複数のガス流路部４２とを有している。各突条４１は、アノード側ガス拡散層１５に当接している。なお、各突条４１及びガス流路部４２は、図１の紙面に直交する方向に延びている。

第２セパレータ５０は、例えば、ステンレス鋼などの金属板材をプレス成形することにより形成されている。第２セパレータ５０における発電部１１に対向する部分には、反応ガスを発電部１１の全体に分配する分配部６０が形成されている。分配部６０は、互いに間隔をおいて並列して延びるとともに発電部１１に当接する複数の突条６１と、互いに隣り合う２つの突条６１の間に設けられ、反応ガスが流れる流路を形成する複数のガス流路部６２とを有している。各突条６１は、カソード側ガス拡散層１６に当接している。なお、各突条６１及びガス流路部６２は、図１の紙面に直交する方向に延びている。

第１セパレータ３０のガス流路部４２とアノード側ガス拡散層１５とで区画される部分には、反応ガスとしての燃料ガスが流通する燃料ガス流路が形成されている。第２セパレータ５０のガス流路部６２とカソード側ガス拡散層１６とで区画される部分には、反応ガスとしての酸化ガスが流通する酸化ガス流路が形成されている。本実施形態において、燃料ガス流路を流通する燃料ガスは水素であり、酸化ガス流路を流通する酸化ガスは空気である。

第１セパレータ３０におけるガス流路部４２の底部と、同第１セパレータ３０に隣り合う第２セパレータ５０のガス流路部６２の底部とは、レーザ溶接などにより互いに接合されている。第１セパレータ３０の突条４１の裏面と、第２セパレータ５０における突条６１の裏面とで区画される部分には、冷却水が流通する冷却水流路が形成されている。

本実施形態のスタック１００においては、燃料ガス流路に供給された燃料ガスと、酸化ガス流路に供給された酸化ガスとが発電部１１において電気化学反応することにより発電が行われる。このとき、カソード側の電極触媒層１４及びカソード側ガス拡散層１６には、燃料ガスと酸化ガス、すなわち水素と酸素との電気化学反応により水（以下、生成水と称する）が生成される。こうした生成水は、第２セパレータ５０のガス流路部６２を流れる酸化ガスの圧力により下流側に移動して後述する酸化ガス排出マニホールド５３ｂを通じて外部に排出される。

次に、第２セパレータ５０について詳細に説明する。
図２に示すように、第２セパレータ５０は、長辺及び短辺を有する略長方形板状をなしている。

以降において、第２セパレータ５０の長辺が延びる方向を長手方向と称し、短辺が延びる方向であって長手方向と直交する方向を幅方向と称する。また、図２における右側及び左側をそれぞれ長手方向の一方側及び長手方向の他方側とし、上側及び下側をそれぞれ幅方向の一方側及び幅方向の他方側として説明する。また、第２セパレータ５０の突条６１が延在する方向を単に延在方向と称し、突条６１が並ぶ方向を単に並び方向と称する。

第２セパレータ５０における長手方向の一方側の端部には、燃料ガス排出マニホールド５１ｂ、冷却水排出マニホールド５２ｂ、及び酸化ガス供給マニホールド５３ａが、幅方向の一方側から順に形成されている。また、第２セパレータ５０における長手方向の他方側の端部には、燃料ガス供給マニホールド５１ａ、冷却水供給マニホールド５２ａ、及び酸化ガス排出マニホールド５３ｂが、幅方向の他方側から順に形成されている。

燃料ガスは、燃料ガス供給マニホールド５１ａを通じて上記燃料ガス流路に供給され、燃料ガス排出マニホールド５１ｂから排出される。冷却水は、冷却水供給マニホールド５２ａを通じて上記冷却水流路に供給され、冷却水排出マニホールド５２ｂから排出される。酸化ガスは、酸化ガス供給マニホールド５３ａを通じて上記酸化ガス流路に供給され、酸化ガス排出マニホールド５３ｂから排出される。

第２セパレータ５０の中央部には、上述した分配部６０が設けられている。本実施形態の分配部６０は、拡散部５４ａを介して酸化ガス供給マニホールド５３ａに接続されるとともに、拡散部５４ｂを介して酸化ガス排出マニホールド５３ｂに接続されている。分配部６０は長手方向に沿って延びるとともに二度にわたって折り返されている。したがって、各突条６１及び各ガス流路部６２が、長手方向に沿って延びるとともに二度にわたって折り返されている。

拡散部５４ａは分配部６０に向かう反応ガスを拡散させるものであり、拡散部５４ｂは酸化ガス排出マニホールド５３ｂに向かう反応ガスを拡散させるものである。拡散部５４ａ，５４ｂには、第２セパレータ５０の厚さ方向に突出した複数の半球状の突起が設けられている。

以降において、酸化ガス流路を形成するガス流路部６２を流れる反応ガスの流れ方向の上流側及び下流側を単に上流側及び下流側と称する。
各マニホールド５１ａ，５１ｂ，５２ａ，５２ｂの外周側には、これらを個別に取り囲むシール枠部５５が設けられている。また、酸化ガス供給マニホールド５３ａ、拡散部５４ａ、分配部６０、拡散部５４ｂ、及び酸化ガス排出マニホールド５３ｂの外周側には、これらを一括して取り囲むシール枠部５６が設けられている。各シール枠部５５，５６は、第２セパレータ５０の厚さ方向に突出しており、隣接する他の単セル１０に当接することで反応ガスの漏洩を抑制するものである。

図３及び図４に示すように、各突条６１における発電部１１に当接する、より詳しくはカソード側ガス拡散層１６に当接する当接面６３には、延在方向に沿って延びる第１溝６５が設けられている。本実施形態の第１溝６５は、延在方向の全体にわたって設けられている。すなわち、第１溝６５は、突条６１の上流側端部から下流側端部まで延びている。

図４に示すように、各突条６１の下流側端部には、当接面６３に対して下流側に連なるとともに発電部１１から離間する離間面としての傾斜面６４が設けられている。傾斜面６４は、下流側ほど発電部１１から離間するように傾斜している。換言すると、傾斜面６４は、下流側ほど発電部１１側とは反対側に位置するように傾斜している。傾斜面６４は、拡散部５４ｂに滑らかに連なっている。なお、図示は省略するが各突条６１の上流側端部には、上流側ほど発電部１１から離間するように傾斜する傾斜面が設けられている。

傾斜面６４には、第１溝６５に連なるとともに下流側に向かって延びる第２溝６６が設けられている。第２溝６６は、傾斜面６４における延在方向の全体にわたって設けられている。

当接面６３には、第１溝６５とガス流路部６２とを連通する複数の第３溝６７が設けられている。より詳しくは、第１溝６５から並び方向の両側に分岐するとともに同両側のガス流路部６２に連通する一対の第３溝６７が、延在方向に互いに間隔をおいて設けられている。一対の第３溝６７の各々は、第１溝６５に対して直交して延びるとともに延在方向において同一の位置に設けられている。本実施形態の第３溝６７の幅及び深さは突条６１の全体にわたって同一である。

図３及び図４に示すように、第３溝６７の当接面６３に占める割合は、上流側よりも下流側の方が小さい。ここで、図３は突条６１の上流側の部分を示しており、図４は突条６１の下流側端部を示している。より詳細には、図３及び図４に一点鎖線にて示す所定の範囲Ａにおける第３溝６７の数が、上流側よりも下流側の方が少ない。本実施形態では、延在方向における第３溝６７同士の間隔を上流側よりも下流側の方が大きくなるようにすることで、第３溝６７の数を上流側よりも下流側の方が少なくなるようにしている。

本実施形態の作用について説明する。
燃料電池の発電に伴い発生する生成水は、発電部１１に当接する第２セパレータ５０の突条６１の当接面６３に設けられた第１溝６５に流入するとともに下流側に向かって移動する。そして、第１溝６５の下流側端部に到達した生成水は、当接面６３に連なる傾斜面６４に設けられた第２溝６６に流入するとともに傾斜面６４の傾斜を利用して下流側に向かって円滑に移動しやすくなる。

本実施形態の効果について説明する。
（１）第２セパレータ５０の突条６１における発電部１１に当接する当接面６３には、突条６１の延在方向に沿って延びる第１溝６５が設けられている。突条６１の下流側端部には、当接面６３に対して下流側に連なるとともに下流側ほど発電部１１から離間するように傾斜する傾斜面６４が設けられている。傾斜面６４には、第１溝６５に連なる第２溝６６が設けられている。

こうした構成によれば、上述した作用を奏することから、生成水の排水性を高めることができる。
（２）当接面６３には、第１溝６５とガス流路部６２とを連通する第３溝６７が設けられている。

こうした構成によれば、第１溝６５とガス流路部６２とを連通する第３溝６７が当接面６３に設けられているため、発電部１１から第１溝６５に流入した生成水の一部は第２溝６６に向かって流れる一方、生成水の他の一部は第３溝６７を通じてガス流路部６２に向かって流れるようになる。これにより、発電部１１から第１溝６５に流入した生成水は、第２溝６６とガス流路部６２との双方を通じて下流側に向かって流れるようになるため、生成水の排出性を一層高めることができる。また、このように生成水の排出経路を複数設けることにより、生成水が第２セパレータ５０の一部に滞留することを抑制できる。

（３）第３溝６７の当接面６３に占める割合は、上流側よりも下流側の方が小さい。
発電部１１における生成水は、ガス流路部６２を上流側から下流側に向かって流れるため、ガス流路部６２における下流側の部分ほど生成水が滞留しやすくなる。

上記構成によれば、第３溝６７の当接面６３に占める割合が上流側よりも下流側の方が小さい。このため、第３溝６７を通じて第１溝６５からガス流路部６２に向かって流れる生成水の量が、上流側よりも下流側の方が少なくなる。これにより、第１溝６５内における上流側の生成水については、第１溝６５内を下流側に向かって流れるよりも第３溝６７を通じてガス流路部６２に向かって排出されやすくなる。また、第１溝６５内における下流側の生成水については、第３溝６７を通じてガス流路部６２に向かって排出されるよりも、第２溝６６を通じて下流側に向かって排出されやすくなる。以上のことから、第１溝６５内に生成水が過度に流れることで第１溝６５内が生成水により閉塞されることを抑制しつつ、ガス流路部６２の下流側に生成水が過度に滞留することを抑制できる。このように、第３溝６７の当接面６３に占める割合を適宜変更することで、第１溝６５内の生成水を排出するにあたり、第３溝６７を通じて排出する生成水の量と、第２溝６６を通じて排出する生成水の量とを調節することができる。したがって、生成水を効率的に排出することができる。

＜変更例＞
本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。

なお、以下の図５〜図７にそれぞれ示す第１変更例〜第３変更例において、上記実施形態と同一の構成については、同一の符号を付すとともに、対応する構成については、それぞれ「１００」、「２００」、「３００」を加算した符号を付すことにより、重複した説明を省略する。

・図５に示すように、複数の突条１６１を互いに間隔をおいて直列して設けるようにしてもよい。各突条１６１の離間面としての傾斜面６４には、第２溝６６が設けられている。こうした構成によれば、複数の突条１６１が互いに間隔をおいて直列して設けられているため、互いに直列する２つの突条１６１同士の間を通じて、これら２つの突条１６１に隣接するガス流路部１６２同士が連通される。これにより、反応ガスの分配性を向上させることができる。また、各突条１６１の下流側端部に第２溝６６が設けられているため、各突条１６１の第１溝６５に流入した生成水が第２溝６６を通じて下流側に向かって排出される。以上のことから、反応ガスの分配性の向上と、生成水の排出性の向上との両立を図ることができる。

・図６に示すように、一対の第３溝６７において、並び方向の一方側の第３溝６７と、並び方向の他方側の第３溝６７とが、延在方向において互いに異なる位置に設けられていてもよい。

・図７に示すように、傾斜面６４を省略するとともに、発電部１１に直交する離間面３６４が設けられた突条３６１を採用することもできる。この場合、離間面３６４には、発電部１１に直交して延びる第２溝３６６が形成される。

・第３溝６７の当接面６３に占める割合は、上流側から下流側に向かうほど徐々に小さくなっていてもよいし、段階的に小さくなっていてもよい。
・第３溝６７の当接面６３に占める割合は、反応ガスの流れ方向の全体にわたって同一であってもよい。

・本実施形態の第３溝６７の幅及び深さは突条６１の全体にわたって同一であったが、これらは適宜変更することができる。例えば、第３溝６７の幅及び深さを上流側よりも下流側の方が小さくなるようにすれば、上述した効果（３）に準じた効果を奏することができる。

・第３溝６７は、第１溝６５に対して直交して延びるものに限定されず、第１溝６５に対して任意の角度にて交差して延びるものであってもよい。例えば、第３溝６７がガス流路部６２側に向かうほど下流側に位置するように第１溝６５に対して傾斜して延びる場合には、第１溝６５に対して直交して延びる場合に比べて第３溝６７の形成範囲を長くすることができる。

・一対の第３溝６７の片方を省略することもできる。
・第３溝６７を省略することもできる。
・第１溝６５は、１つの当接面６３において並び方向に複数設けられていてもよい。この場合、各第１溝６５は、突条６１の延在方向の途中において合流していてもよい。

・１つの当接面６３において、複数の第１溝６５が延在方向に互いに間隔をおいて直列して設けられていてもよい。この場合、各第１溝６５のうち最も下流側に位置する第１溝６５に第２溝６６が連通される。

・第１溝６５は、延在方向に対して傾斜して延びるものであってもよい。
・第１溝６５、第２溝６６、及び第３溝６７の隅部は、直角をなすものであってもよいし湾曲していてもよい。

・第１セパレータ３０に第１溝６５、第２溝６６、及び第３溝６７を設けることもできる。すなわち、第１セパレータ３０と第２セパレータ５０とは同一形状であってもよい。
・セパレータ２０は、金属板材により形成されるものに限定されず、他に例えばカーボンを含む材料により形成されるものであってもよい。

１１…発電部
５０…第２セパレータ
６１…突条
６２…ガス流路部
６３…当接面
６４…傾斜面
６５…第１溝
６６…第２溝
６７…第３溝

Claims

燃料電池の発電部に当接して設けられる燃料電池用セパレータであって、
互いに間隔をおいて並列して延びるとともに前記発電部に当接する複数の突条と、互いに隣り合う２つの前記突条の間に設けられ、反応ガスが流れる流路を形成する複数のガス流路部と、を有し、
前記ガス流路部を流れる反応ガスの流れ方向の下流側を下流側とするとき、
前記突条における前記発電部に当接する当接面には、前記突条の延在方向に沿って延びる第１溝が設けられており、
前記突条の下流側端部には、前記当接面に対して下流側に連なるとともに前記発電部から離間する離間面が設けられており、
前記離間面には、前記第１溝に連なる第２溝が設けられている、
燃料電池用セパレータ。
前記離間面は、下流側ほど前記発電部から離間するように傾斜する傾斜面である、
請求項１に記載の燃料電池用セパレータ。
複数の前記突条が、互いに間隔をおいて直列して設けられており、
前記第２溝が、前記突条の各々の前記離間面に設けられている、
請求項１または請求項２に記載の燃料電池用セパレータ。
前記当接面には、前記第１溝と前記ガス流路部とを連通する第３溝が設けられている、
請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池用セパレータ。
前記ガス流路部を流れる反応ガスの流れ方向の上流側を上流側とするとき、
複数の前記第３溝が設けられており、
前記第３溝の前記当接面に占める割合は、上流側よりも下流側の方が小さい、
請求項４に記載の燃料電池用セパレータ。