JP2021103624A - 燃料電池セルのセパレータ - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池セル内で生成され生成水が燃料電池セルの目詰まりにより溢水することを防止した燃料電池セルのセパレータを提供する。【解決手段】 燃料電池セル１００のセパレータ１０は、膜電極接合体１１にプレート面で面接触するものであって、プレート面に設けられる複数条のリブ１６と、リブ１６により形成されて流体が流れる流通路となる複数条の凹条部１７と、リブ１６の頭頂面に形成され凹条部１７を流れる流体をリブで隔たれた隣接する凹条部１７に転流させる連通路１９と、を備える。【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池セル内の膜電極接合体を仕切るセパレータに関する。

燃料電池の発電時には反応熱などの副生成熱を適切に除去する必要がある。発電を継続させながら副生成熱を除去する方式には、空冷式や水冷式が挙げられる。これらの冷却方式では、空気又は水などの冷媒を燃料電池セルの内部へポンプ等で供給し、熱交換により余分な熱を外部へ排出することで副生成熱を除去する。

ところで、燃料電池内では、水素と酸素とが結合することで反応空気チャネルに水が生成される。生成水は、酸素が使用され酸素割合が低下した空気とともに燃料電池外部へ排出される。この生成水は、燃料電池セル内を冷却する冷媒としての機能及び水素と酸素との反応に寄与する含水量（湿り気）を燃料電池セル内に付与する機能を有する。

特開２０１５−１７３１０８号公報

しかしながら、上述した従来の技術では、燃料電池セル内で生成され流出しようとする生成水が燃料電池セルの目詰まりにより溢水する恐れがあるという課題があった。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、燃料電池セル内で生成され生成水が燃料電池セルの目詰まりにより溢水することを防止した燃料電池セルのセパレータを提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池セルのセパレータは、膜電極接合体にプレート面で面接触する燃料電池セルのセパレータであって、前記プレート面に設けられる複数条のリブと、前記リブにより形成されて流体が流れる流通路となる複数条の凹条部と、前記リブの頭頂面に形成され前記凹条部を流れる前記流体を前記リブで隔たれた隣接する凹条部に転流させる連通路と、を備えるものである。

本発明により、燃料電池セル内で生成され生成水が燃料電池セルの目詰まりにより溢水することを防止した燃料電池セルが提供される。

実施形態に係る燃料電池セルのセパレータ及び膜電極接合体を示す斜視図。 実施形態に係る燃料電池セルのセパレータの変形例を示す上面図。 実施形態に係る燃料電池セルのセパレータの第２の変形例を示す斜視図。 実施形態に係る燃料電池セルの連通路周辺の拡大断面図。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。

実施形態に係る燃料電池セル（以下、単に「セル」という）１００のセパレータ１０は、図１に示されるように、膜電極接合体（ＭＥＡ；Membrane Electrode Assembly）１１にプレート面で面接触する。
電気自動車等で求められる大容量の燃料電池スタックは、ＭＥＡ１１を金属や炭素等熱伝導率の高いセパレータ１０で物理的に隔離して構成されたセル１００が数十以上積層集積されて構成される。なお、ここでいうセパレータ１０には、燃料電池スタック両端に位置するＭＥＡ１１に設けられるエンドプレートも含まれうる。

ＭＥＡ１１は、例えば、アノード１２を構成する燃料拡散層１２ａ及び燃料極触媒層１２ｂと、電解質膜１３と、カソード１４を構成する空気極触媒層１４ａ及び空気拡散層１４ｂと、がこの順で積層されて構成される。
燃料拡散層１２ａに面接触するセパレータ１０ａはアノードプレート１０ａと呼ばれ、空気拡散層１４ｂに面接触するセパレータ１０ｂはカソードプレート１０ｂと呼ばれる。

セパレータ１０（１０ａ ，１０ｂ）には、プレート面に複数条のリブ１６が例えばプレス成型等により設けられる。このリブ１６により、隣り合うリブ１６同士の間に流体を流動させるための複数条の凹条部１７が形成される。この凹条部１７は、多くの場合、セパレータ１０（１０ａ ，１０ｂ）の両面に設けられる。
そして、実施形態に係るセパレータ１０では、このリブ１６の頭頂面に連通路１９が設けられる。連通路１９は、隣り合う凹条部１７を連通するようにリブ１６の頭頂面に形成された凹部である。この連通路１９により、特定の凹条部１７を流れる流体は、リブ１６で隔たれた隣接する凹条部１７に転流可能にされる。

アノードプレート１０ａのＭＥＡ１１側の凹条部１７は燃料である水素が供給される燃料チャネル２１として機能し、その反対面の凹条部１７は冷媒が供給される冷媒チャネル２２として機能する。
カソードプレート１０ｂのＭＥＡ１１側の凹条部１７は酸素を含んだ反応空気が供給される反応空気チャネル２０として機能し、その反対面の凹条部１７はアノードプレート１０ａと同様に冷媒チャネル２２として機能する。
なお、図１に示されるような両面の凹条部１７が互いに直交しているセパレータ１０では、冷媒チャネル２２にファン等で空気を供給する空冷式にも、水を供給する水冷式にも用いることができる。

アノード１２側では、燃料チャネル２１から供給された水素が燃料極触媒層１２ｂで電子を失い水素イオンとなって電解質膜１３を透過する。
一方、カソード１４側では、反応空気中の酸素が電解質膜１３を透過した水素イオンと結合して水になる。よって、燃料電池から電気を取り出すに従い、カソード１４で生成され反応空気チャネル２０を流下する水量が増加する。つまり、反応空気チャネル２０の出口側では、生成水と、酸素量の少ない空気と、が凹条部１７を流れる。

ところで、酸素も水素も、結合反応に必須のイオン化段階において一定程度の湿度が必要になる。
アノード１２で生成された生成水の一部は、電解質膜１３を透過してカソード１４側に流入し、燃料チャネル２１に一定の含水量（湿り気）を付与する。この含水量は、水素のイオン化度合いに寄与する。また、アノード１２内の酸素のイオン化にも、反応空気チャネル２０の含水量が寄与する。

次に、図２及び図３を用いて、実施形態に係るセパレータ１０の変形例について説明する。
セパレータ１０には、発電量や用途に応じて種々のものが知られている。
例えば、図２に示されるセパレータ１０Ｘでは、図１に比べて少ない本数の凹条部１７が数回蛇行することで流体の流路を形成している。このようなセパレータ１０Ｘに対しても、リブ１６の頭頂面に連通路１９を設けることができる。

また、図３に示されるセパレータ１０Ｙでは、両面の凹条部１７は互いに平行している。このセパレータ１０Ｙでは、一面のリブ１６に設けられた連通路１９が、他面の凹条部１７の凸部になるため、より流速を遅くすることが期待できる。つまり、流体の撹拌による温度分布の均一化効果に加え、熱交換が促進され高い冷却効果が得られる。

次に、リブ１６の頭頂面に連通路１９を設けたことによる効果について、各チャネル２０〜２２ごとに説明する。

＜反応空気チャネル２０＞
（１）溢水の防止
反応空気チャネル２０の凹条部１７に何らかの目詰まりが発生すると、生成水が堰き止められて嵩を増し、カソードプレート１０ｂを浮き上がらせる虞がある。カソードプレート１０ｂが浮き上がると、反応空気チャネル２０の出口ではなく周辺の脇部から溢水してしまう。
そこで、生成水を、目詰まりが発生した凹条部１７から連通路１９を通じて隣接する凹条部１７に転流させ、さらにその周辺の凹条部１７に順次流出させることで、溢水を防止する。

（２）生成水の冷媒機能の向上
生成水は、当然に空気よりも熱伝導率が高いため冷媒としても機能する。
さらに、連通路１９を通過した生成水は、より低温に冷却されていることが分かっている。理由は、連通路１９内の流動速度が遅くなること及び連通路１９では生成水とカソードプレート１０ｂとの単位体積当たりの接触面積が大きくなることで、より多く冷媒チャネル２２内の冷媒と熱交換をするためと考えられる。
また、一般に、反応空気チャネル２０内の熱は、主に水素と酸素との結合反応による副生成熱である。従って、反応空気チャネル２０内の温度分布は、反応空気の流方向下流側に向かって高くなる。連通路１９を流れてより低温に冷却された生成水が反応空気チャネル２０内を流れることで、セル１００の冷却性能が向上する。

なお、このような生成水の冷却の観点から、生成水は、できるだけ長く反応空気チャネル２０内に留まることが望ましい。反対に生成水が反応空気チャネル２０内をストレートに流下すると、冷媒チャネル２２内の冷媒との熱交換を十分にせずに高温状態が維持されてしまう。そこで、連通路１９は、流体の流方向下流側に向けて９０°未満の角度θを有して傾斜していることが望ましい。

（３）セル１００内の温度分布の均一化
生成水の連通路１９を通した転流は圧力差により生じるため、この転流は生成水の流量が反応空気チャネル２０の幅方に均一になる方向に生じる。生成水が反応空気チャネル２０内で幅方向（流方向に直交する方向）に均一流量になることで、水素の酸化反応で偏りが生じた反応空気チャネル２０内の温度分布も均一にすることができる。つまり、セル１００の温度分布が均一に維持されることで、冷却性能が向上する。
なお、連通路１９は、流入口の開口幅αよりも狭い開口幅βの流出口を有することが望ましい。このような先細り形状にすることで、生成水に乱流が発生し撹拌が促進され、セル１００内の温度の均一化が促進される。

（４）イオン化反応の維持
前述のように、発電には燃料チャネル２１及び反応空気チャネル２０の両方が適切な含水量であることが必要である。燃料チャネル２１の含水量は、反応空気チャネル２０の生成水がＭＥＡ１１を透過して流入することで維持される。
しかし、反応空気チャネル２０の下流側の温度上昇を放置すると、流出口付近においてＭＥＡ１１が乾燥し、発電性能が低下する。
また、この乾燥に伴い、セル１００内の特に燃料チャネル２１内の湿度分布が不均一になるため、セル１００内の発電分布が偏る。セル１００内の発電分布の偏りは、電極面積の有効な活用を阻害して本来の性能発揮を阻害することに加え、ＭＥＡ１１の局部的な劣化の原因になる。

つまり、高い発電性能を維持するためには、セル１００内の水分を発電に必要な程度に維持することが必要になる。生成水の幅方向の流量を均一にすることで、生成水が均一的に燃料チャネル２１内に浸透し、燃料チャネル２１内の湿度分布を均一に維持する。

（５）ＭＥＡ１１への浸透の促進
図４は、実施形態に係る燃料電池セルの連通路１９周辺の拡大断面図である。
連通路１９は、図４に示されるように、リブ１６の頭頂面に形成され、一側面はＭＥＡ１１で構成される。よって、連通路１９を流れる反応空気は、凹条部１７を流動した場合と比較して、ＭＥＡ１１と接触してこのＭＥＡ１１に取り込まれやすい。つまり、連通路１９が反応空気供給路の機能を有する。反応空気チャネル２０から空気極触媒層１４ａへの酸素の供給が促進されると、セル１００から取り出す電力量を増加させることができる。また、この結果反応空気がセル１００外へ排出する水分量を抑えることができる。
また、生成水も同様に連通路１９でＭＥＡ１１に取り込まれやすくなり、ＭＥＡ１１の乾燥が軽減される。

＜冷媒チャネル２２＞
（１）冷却効率の向上
凹条部１７が連通路１９を有さずストレート形状である場合、冷媒チャネル２２では、冷媒がチャネル中央部分に滞留せずに通過する。よって、冷媒が熱交換をほとんどせず反応空気チャネル２０内又は燃料チャネル２１を冷却することができない。しかし、連通路１９を設けることで、冷媒チャネル２２が撹拌される等して渦が発生し、冷媒の滞留時間が長くなりセル１００内のチャネル２０，２１との熱交換が促進される。
また、セパレータ１０（１０ａ，１０ｂ）の冷却性能が向上すると、必要な冷却水の量が減少する。よって、セル１００へ冷媒を供給するためのポンプ出力が抑えられるため、燃料電池セルが出力できる電力量が増加する。

（２）冷却温度の均一化
連通路１９により冷媒が撹拌されると、冷媒チャネル２２を流れる冷媒全体でセパレータ１０を冷却するため、冷媒チャネル２２の有効伝熱係数が向上する。この結果、反応空気チャネル２０内及び燃料チャネル２１内の湿度分布が均一になって、電流分布が均一になり、発電性能が向上する。
なお、冷媒チャネル２２の連通路１９も、反応空気チャネル２０と同様に流入口の開口幅αよりも狭い開口幅βの流出口を有することが望ましい。このような形状にすることで、生成水に乱流を発生させて撹拌を促進してセル１００内の温度の均一化が促進される。

＜燃料チャネル２１＞
（１）ＭＥＡ１１への浸透の促進
反応空気チャネル２０の連通路１９と同様に、図４に示されるように、連通路１９が水素供給路の機能を有する。燃料チャネル２１から燃料極触媒層１２ｂへの水素の供給が促進されると、セル１００から取り出す電力量を増加させることができる。

（２）燃料チャネル２１内の水素分布の均一化
連通路１９を水素が流れることで、燃料チャネル２１の幅方向の水素分布が均一になるため、均一的にＭＥＡ１１へ取り込まれ、反応空気中の酸素との反応効率を向上させることができる。

本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。
実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

例えば、発電機能を有していれば膜電極接合体の構成態様は実施形態と異なるものであってもよい。

１００…燃料電池セル（セル）、１０（１０Ｘ，１０Ｙ）…セパレータ、１０ａ（１０）…アノードプレート、１０ｂ（１０）…カソードプレート、１１…膜電極接合体（ＭＥＡ）、１２（１２ａ，１２ｂ）…アノード（燃料拡散層，燃料極触媒層）、１３…電解質膜、１４（１４ａ，１４ｂ）…カソード（空気極触媒層，空気拡散層）、１６…リブ、１７…凹条部、１９…連通路、２０…反応空気チャネル、２１…燃料チャネル、α…連通路の入口側の開口幅、β…連通路の出口側の開口幅、２２…冷媒チャネル。

Claims (7)

1. 膜電極接合体にプレート面で面接触する燃料電池セルのセパレータであって、
   前記プレート面に設けられる複数条のリブと、
   前記リブにより形成されて流体が流れる流通路となる複数条の凹条部と、
   前記リブの頭頂面に形成され前記凹条部を流れる前記流体を前記リブで隔たれた隣接する凹条部に転流させる連通路と、を備えることを特徴とする燃料電池セルのセパレータ。
2. 前記流体は、水素、反応空気、生成水、冷却空気、及び冷却水のいずれかである請求項１に記載の燃料電池セルのセパレータ。
3. 前記凹条部は、両面に設けられる請求項１又は請求項２に記載の燃料電池セルのセパレータ。
4. 前記両面の前記凹条部は互いに直交している請求項３に記載の燃料電池セルのセパレータ。
5. 前記両面の前記凹条部は互いに平行している請求項３に記載の燃料電池セルのセパレータ。
6. 前記連通路は、流出口が流入口よりも前記流体の流方向下流側に配置されるように、流方向下流側に向けて９０°未満の角度を有して傾斜する請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池セルのセパレータ。
7. 前記連通路は、流入口の開口幅よりも狭い開口幅の流出口を有する請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池セルのセパレータ。

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