JP2023119190A - 発電単位セル、及び燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池において生成された水の滞留を抑制して発電の効率を高める。【解決手段】膜電極接合体、及び、膜電極接合体に積層されたセパレータを有する発電単位セルであって、セパレータは前記膜電極接合体にガスを供給する複数の流路を有し、複数の流路の間には、隣り合う流路を仕切る壁部が設けられており、複数の壁部は、隣り合う流路を連通する連通溝を有する複数の第一壁と、連通溝を具備しない複数の第二壁と、を備える。【選択図】図５

Description

本開示は発電単位セル、及びこれを備える燃料電池に関する。

特許文献１には、燃料電池のセパレータにおいて、隣接する流通路を連通する連通路が具備されていることが開示されている。
特許文献２には、燃料電池のセパレータにおいて、互いに平行となるように直線状に形成された複数の反応ガス流路を有し、反応ガス流路に直角でない角度で反応ガス流路同士を連通する横溝が開示されている。
特許文献３には、燃料電池用セパレータにおいて、互いに平行に延在すると共に隣接する第１及び第２の流路と、第１及び第２の流路間を流体が流れるように第１及び第２の流路間を連通する第３の流路と、を備えることが開示されている。第３の流路は、第１及び第２の流路に対して、傾斜し且つ小なる断面積を有するものである。
特許文献４には反応ガスの流路を形成する複数のチャンネルを有し、隣り合うチャンネルを連通させる連通路を具備することが開示されている。

特開２０２１－１０３６２４号公報 特開２００８－１０３１９７号公報 特開２００８－１７１６３８号公報 特開２００８－１９８３９３号公報

従来のようにセパレータにおいて、隣接する流路同士が連通する構造では、特に発電単位セルが縦に置かれた場合（隣接する流路が上下方向に配列される場合）、発電の際に生成された水が下部に溜まってしまい下部で発電ができない問題がある。

上記問題に鑑み、本開示は燃料電池において生成された水の滞留を抑制して発電の効率を高めることを目的とする。

本願は、膜電極接合体、及び、膜電極接合体に積層されたセパレータを有する発電単位セルであって、セパレータは膜電極接合体にガスを供給する複数の流路を有し、複数の流路の間には、隣り合う流路を仕切る壁部が設けられており、複数の壁部は、隣り合う流路を連通する連通溝を有する複数の第一壁と、連通溝を具備しない複数の第二壁と、を備える、発電単位セルを開示する。

上記発電単位セルにおいて、隣り合う第二壁の間に、複数の第一壁が具備されるように構成してもよい。

上記発電単位セルにおいて、連通溝は第一壁が延びる方向に対して傾斜して延びるように構成してもよい。

本願は、上記発電単位セルが複数積層された燃料電池を開示する。

本開示によれば、燃料電池において生成された水の滞留を抑制して発電の効率を高めることができる。

図１は発電単位セル１０を平面視した図である。 図２は発電部１１の断面でありその層構成を説明する図である。 図３は発電部１１の断面であり図２とは異なる位置における断面である。 図４はカソードセパレータ１５の発電部１１における斜視図である。 図５は図４のＣ-Ｃ断面を表す図である。 図６は図５の一部を拡大した図である。 図７は絞り部を設けた場合について説明する図である。 図８は燃料電池２０を説明する図である。 図９はセパレータ内の流体の挙動について説明する図である。

１．発電単位セル
図１～図３に１つの形態にかかる発電単位セル１０を説明する図を示した。発電単位セル１０は、水素と酸素（空気）を供給することにより発電するための単位要素であり、このような発電単位セル１０が複数積層されて燃料電池を構成している。
図１は発電単位セル１０を平面視した図、図２は発電単位セル１０のうち、Ａ－Ａに沿った断面の発電部１１における層構成を説明する図、図３は発電単位セル１０のうち、Ｂ－Ｂに沿った断面の発電部１１における層構成を説明する図である。

発電部１１は発電に寄与する部分であり、図２、図３に当該発電部１１における層構成（Ａ-Ａ断面の一部、Ｂ-Ｂ断面の一部）を表したように複数の層が積層されてなる。
発電単位セル１０の発電部１１では、電解質膜１２を挟んで一方がカソード（酸素供給側）、他方がアノード（水素供給側）である。カソードは電解質膜１２側からカソード触媒層１３、カソード拡散層１４、及び、カソードセパレータ１５がこの順に積層されている。一方アノードは、電解質膜１２側からアノード触媒層１６、アノード拡散層１７、及び、アノードセパレータ１８をこの順に備えている。なお、電解質膜１２、カソード触媒層１３、カソード拡散層１４、アノード触媒層１６、アノード拡散層１７による積層体を膜電極接合体と呼ぶことがある。膜電極接合体の厚さは０．４ｍｍ程度が典型的であり、発電部１１における発電単位セル１０の厚さは１．３ｍｍ程度が典型的である。

１．１．電解質膜
電解質膜１２は湿潤状態において良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜である。例えばフッ素系のイオン交換膜によって構成され、炭素－フッ素系高分子を用いることができ、具体的にはパーフルオロアルキルスルフォン酸系ポリマー（ナフィオン（登録商標））等が挙げられる。
電解質膜１２の厚さは特に限定されることはないが、１００μｍ以下、好ましくは５０μｍ以下、より好ましくは３０μｍ以下である。

１．２．カソード触媒層
カソード触媒層１３は、触媒金属が担体に担持されている形態で触媒金属が含まれる層である。例えば、触媒金属としてはＰｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、又はこれらを含む合金が挙げられる。担体としては、炭素担体、より詳しくはグラッシーカーボン、カーボンブラック、活性炭、コークス、天然黒鉛、及び、人造黒鉛等からなる炭素粒子を挙げることができる。

１．３．アノード触媒層
アノード触媒層１６も、カソード触媒層１３と同様に、触媒金属が担体に担持されている形態で触媒金属が含まれる層である。例えば、触媒金属としてはＰｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、又はこれらを含む合金が挙げられる。担体としては、炭素担体、より詳しくはグラッシーカーボン、カーボンブラック、活性炭、コークス、天然黒鉛、及び、人造黒鉛等からなる炭素粒子を挙げることができる。

１．４．カソード拡散層
カソード拡散層１４は、例えば導電性を有する多孔質体で構成できる。より具体的な例としては、カーボン多孔体（カーボンペーパー、カーボンクロス、ガラス状カーボン等）、金属多孔体（金属メッシュ、発泡金属）等が挙げられる。
カソード拡散層には必要に応じてＭＰＬ（マイクロポーラス層）を設けてもよい。ＭＰＬは、カソード拡散層１４のうちカソード触媒層１３側に塗工された被覆状の薄膜である。ＭＰＬは必要に応じて撥水性や親水性を有して水分の調整をする機能を有する。ＭＰＬとしてポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の撥水性樹脂とカーボンブラックなどの導電性材料を主成分とするものが典型的である。

１．５．アノード拡散層
アノード拡散層１７は、例えば導電性を有する多孔質体で構成できる。より具体的な例としては、カーボン多孔体（カーボンペーパー、カーボンクロス、ガラス状カーボン等）、金属多孔体（金属メッシュ、発泡金属）等が挙げられる。

１．６．カソードセパレータ
カソードセパレータ１５はカソード拡散層１４に酸化ガス（本形態では空気）を供給する部材であり酸化ガスの流路を有している。流路の形態については後で詳しく説明する。

また、カソードセパレータ１５には、図１からわかるように、発電部１１から延長して発電部１１の外側となる位置で、酸化ガスの流路の一端側となる部位に空気入口孔Ａ_ｉｎ、冷却水入口孔Ｗ_ｉｎ、水素出口孔Ｈ_ｏｕｔが設けられ、酸化ガスの流路の他端側となる部位に空気出口孔Ａ_ｏｕｔ、冷却水出口孔Ｗ_ｏｕｔ、水素入口孔Ｈ_ｉｎが設けられている。ここで酸化ガスの流路は空気入口孔Ａ_ｉｎ、空気出口孔Ａ_ｏｕｔに連通している。また図示は省略するがカソードセパレータ１５に、又は、別途設けれられる冷却水用流路が冷却水入口孔Ｗ_ｉｎ、冷却水出口孔Ｗ_ｏｕｔに連通している。

カソードセパレータ１５を構成する材料は、発電単位セルのセパレータとして用いることができる任意の材料であってよく、ガス不透過性の導電性材料であってよい。このような材料としては、例えばカーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンや、プレス成型した金属板等を挙げることができる。

１．６．１．流路、溝の態様
図４～図６にはカソードセパレータ１５のうち、発電部１１における流路の形態を説明する図を示した。図４～図６は説明のための概念的に示した模式的な図であり、実際には微細な構造であって流路や流路を構成する溝はさらに多数配置されている。図４はカソードセパレータ１５の発電部１１に配置される部位の外観斜視図、図５は図４にＣーＣで示した線に沿った断面図、図６は図５の一部を拡大した図である。なお、図５のＤーＤ断面が図２のうちカソードセパレータ１５の部位に対応し、図５のＥ－Ｅ断面が図３のうちカソードセパレータ１５の部位に対応する。

これら図からわかるように、カソードセパレータ１５は、第一壁１５ａ及び第二壁１５ｂを有し、第一壁１５ａ又は第二壁１５ｂにより仕切られた複数の略平行に延びる主流溝１５ｃ、及び、第一壁１５ａに設けられた連通溝１５ｄを具備している。この主流溝１５ｃ及び連通溝１５ｄが酸化ガス（空気）及び、生成された水が流れる流路として機能する。

第一壁１５ａ、第二壁１５ｂは酸化ガスの流れ方向に沿って延びる壁状の構成部材であり、酸化ガスの流れ方向に直交する方向に複数の第一壁１５ａ及び複数の第二壁１５ｂが間隔を有して配列されている。隣り合う第一壁１５ａ同士の間、及び、隣り合う第一壁１５ａと第二壁１５ｂとの間が主流溝１５ｃを形成し、主要な流路を構成する。

図６に示した主流溝１５ｃのピッチＰ_１（主流溝１５ｃの幅と第一壁１５ａ又は第二壁１５ｂの厚さとの合計）は特に限定されることはないが０．７ｍｍ～２．０ｍｍであることが好ましい。ピッチＰ_１がこれより小さいと圧力損失が大きくなる傾向にあり、これより大きいと酸化ガスの均一性が低下する虞がある。
ピッチＰ_１のうち第一壁１５ａ、第二壁１５ｂの厚みは特に限定されることはないが、０．２ｍｍ～１．０ｍｍであることが好ましい。第一壁１５ａ、第二壁１５ｂがこれよりも厚いと第一壁１５ａ及び第二壁１５ｂの直下のカソード拡散層１４へ酸化ガスが拡散し難くなり性能低下の虞があり、これよりも薄いと生成された水の移動を抑止し難くなる虞がある。

ここで、第一壁１５ａには隣り合う主流溝１５ｃを連通する溝である連通溝１５ｄが酸化ガスの長手方向に沿って複数配列されている。なお、第二壁１５ｂにはこのような連通溝は設けられておらず、第二壁１５ｂを通した隣り合う主流溝１５ｃの間で流体の流通が規制されている。

連通溝１５ｄの態様は特に限定されることはないが、例えば次のように構成することができる。
図６に示した連通溝１５ｄの溝幅Ｗ_ｒは０．１ｍｍ～１．０ｍｍ以下であることが好ましい。溝幅がこれより小さいと連通溝１５ｄに流体が流入し難く、連通溝１５ｄによる流体の分散の効果が小さくなってしまう。一方、溝幅がこれより大きいと連通溝１５ｄへの流体の流通が大きくなりすぎて流体が偏りやすくなる虞がある。

図６に示した連通溝１５ｄのピッチＰ_２（主流溝１５ｃが延びる方向において隣り合う連通溝１５ｄの上流側端部同士の距離）は０．１ｍｍ～１．０ｍｍであることが好ましい。ピッチＰ_２がこれより小さいと連通溝１５ｄが多すぎるため溝幅が大きい場合と同様、流体の流通が大きくなりすぎて流体が偏りやすくなる虞がある。一方、ピッチＰ_２がこれより大きいと連通溝１５ｄが少なくなるため効果が低下する虞がある。

図６にθで示した連通溝１５ｄが延びる角度θは１０°～１７０°であることが好ましい。ここでθは主流溝１５ｃが延びる方向（第一壁が延びる方向）に対する連通溝１５ｄが延びる方向であり、酸化ガスの出口側（図６の紙面右側）に向いている場合が鋭角（θ＝θ_１＜９０°）、その反対側を向いている場合を鈍角（θ＝θ_２＞９０°）とする。
角度θは、複数の連通溝１５ｄで一定である必要はなく、変化してもよい。変化の態様は特に限定されることはないが、例えば図５、図６の例のようにθ_１とθ_２との両方が備えられ、複数配列したθ_１の連通溝１５ｄの一群と複数配列したθ_２の連通溝１５ｄの一群とが繰り返し配置されてもよい。ただし、これに限らずランダムに並んでいてもよい。
また、後述するように燃料電池として配置された発電単位セル１０において、主流溝１５ｃが水平方向に延び、複数の主流溝１５ｃが上下方向に並ぶように配置される場合には、連通溝１５ｄは全てθ_１であってもよい。これによれば、生成した水が重力方向である下方に向けて移動しやすいため、図５、図６で下が下方だとすれば、生成した水が重力で移動する際に若干戻る（酸化ガスの入り口側に向かう）流れになり水の滞留を抑制することができる。
また、下流側に向けて水の量が多くなり、溜まりやすくなること考慮して連通溝１５ｄの態様を変化してもよい。具体的には、上流側から下流側に至る流路のうち、下流側の１／３に配置される連通溝１５ｄではθ_１であれば１０°～４５°、θ_２であれば１３５°～１７０°のように、主流溝１５ｃが延びる方向（第一壁が延びる方向）に近い方向に連通溝１５ｄが延びるようにすることができる。これによれば連通溝１５ｄを水が通り易くなり、円滑な流れが可能となり水が溜まり難くなる。

上記した連通溝１５ｄは、図５に示した視点において、連通溝１５ｄが無いとした場合の第一壁１５ａの面積に対する、複数の連通溝１５ｄの合計の面積の割合が５０％以下であることが好ましい。この割合が５０％を超えるとカソード拡散層１４とカソードセパレータ１５とが接触する面積が小さくなり、抵抗が増大するため性能が低下する虞がある。一方、この割合は１０％以上であることが好ましい。これより小さいと連通溝１５ｄの効果が低い虞がある。

第一壁１５ａと第二壁１５ｂとは、発電単位セル１０の両端部以外の部位でそれぞれが複数配置されていることが好ましい。具体的には図５に表れているように、２つの第二壁１５ｂの間に複数の第一壁１５ａが配置され、このような組み合わせが複数設けられていることが好ましい。図５の例では２つの第二壁１５ｂの間に３つの第一壁１５ａが配置され、この組み合わせが３つ設けられている。
２つの第二壁１５ｂの間に配置される第一壁１５ａの数は特に限定されることはなく、当該組み合わせが設けられる数も特に限定されることはない。

また、主流溝１５ｃはその流路の横断面（流路が延びる方向に直交する方向の断面）の面積が一定であり、途中に流路の横断面の断面積を小さくした絞り部を具備しないことが好ましい。図７に説明のための図を示したように、主流溝に絞り部を設けると当該絞り部では流体の流速が上がり、これによる圧力の低下が起こる。一方、隣接する主流溝で絞り部でない部分（通常部、絞り部よりも流路断面積が大きい部位）では絞り部に対して流速が小さく圧力が高い。この差圧により、図７に矢印で示したように一部のガスが通常部からカソードガス拡散層へ潜り込み、さらに隣接する主流溝の絞り部へ流入する現象が起こる。
これによれば隣接する流路間でガスの拡散が生じて酸化ガスが均一に流れる傾向があり、好ましい一面もあるが、圧力損失が大きく、これよる酸化ガスの流れが阻害される影響の方が大きい。これに対して本開示によれば、主流溝にこのような絞り部を設けなくても、後述するように酸化ガスが連通溝により隣接する主流溝による流路間（主流溝１５ｃ間）を移動し、酸化ガスの拡散を促進することができる。このときの酸化ガスの移動は、絞り部を設けることによるカソードガス拡散層を介する酸化ガスの移動に比べて圧力損失を低く抑えることができる。

１．７．アノードセパレータ
アノードセパレータ１８はアノード拡散層１７に反応ガス（水素）を供給する部材であり、アノード拡散層１７に対向する面に、複数の溝１８ａを有しており、この溝が反応ガス流路として機能する。溝の形状は反応ガスを適切にアノード拡散層１７に供給することができれば特に限定されることはなく、公知の形態を適用することができるが、上記したカソードセパレータ１５の主流溝１５ｃ、連通溝１５ｄに相当する構造としてもよい。

また、アノードセパレータ１８には、図１からわかるように、発電部１１から延長して外側となる位置で、溝１８ａの一端側となる部位には空気入口孔Ａ_ｉｎ、冷却水入口孔Ｗ_ｉｎ、水素出口孔Ｈ_ｏｕｔが設けられ、溝１８ａの他端側となる部位には空気出口孔Ａ_ｏｕｔ、冷却水出口孔Ｗ_ｏｕｔ、水素入口孔Ｈ_ｉｎが設けられている。ここで溝１８ａは水素入口孔Ｈ_ｉｎ、水素出口孔Ｈ_ｏｕｔに連通している。また図示は省略するがアノードセパレータ１８に、又は別途設けれられる冷却水用流路が冷却水入口孔Ｗ_ｉｎ、冷却水出口孔Ｗ_ｏｕｔに連通している。

アノードセパレータ１８を構成する材料は、発電単位セルのセパレータとして用いることができる任意の材料であってよく、ガス不透過性の導電性材料であってよい。このような材料としては、例えばカーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンや、プレス成型した金属板等を挙げることができる。

１．８．発電部による発電
公知の通りであるが、以上説明した発電単位セル１０により次のように発電が行われる。
アノードセパレータ１８の溝１８ａから水素が供給されると水素はアノード拡散層１７を通りアノード触媒層１６にてプロトン（Ｈ^＋）と電子（ｅ^－）に分解され、プロトンは電解質膜１２を通り、電子は外部へつながる導電線を通り、それぞれがカソード触媒層１３に達する。ここで、カソード触媒層１３にはカソードセパレータ１５からカソード拡散層１４を介して酸素（空気）供給されており、カソード触媒層１３では、プロトン、電子、酸素により水（Ｈ_２Ｏ）が発生する。発生した水はカソード拡散層１４を通りカソードセパレータ１５の主流溝１５ｃや連通溝１５ｄを通って排出される。
すなわち、発電単位セル１０ではアノード触媒層１６から外部へつながる導電線を通る電子の流れを電流として利用する。

２．燃料電池
燃料電池２０は、上記した発電単位セル１０が複数（５０枚～４００枚程度）重ねられてなる部材であり、複数の発電単位セル１０から集電を行う。図８にその構成の概要を示した。燃料電池２０は、スタックケース２１、エンドプレート２２、複数の発電単位セル１０、集電板２４、及び、付勢部材２５を備えている。

スタックケース２１は、重ねられた複数の発電単位セル１０、集電板２４、及び、付勢部材２５をその内側に収納する筐体である。本形態でスタックケース２１は四角形の筒状で一端が開口し、他端が閉じているとともに、開口の縁に沿って開口とは反対側に板状の片が張り出し、フランジ２１ａを形成している。

エンドプレート２２は板状の部材であり、スタックケース２１の開口を塞ぐ。スタックケース２１のフランジ２１ａとの重なり部分をボルト及びナット等によりスタックケース２１にフタをするようにエンドプレート２２がスタックケース２１に固定される。

発電単位セル１０は上記の通りである。このような発電単位セル１０が複数重ねられている。このとき、１つの発電単位セル１０のカソードセパレータ１５に隣接する発電単位セル１０のアノードセパレータ１８が重なるように配置する。そしてカソードセパレータ１５とアノードセパレータ１８との間に冷却水流路が形成され、冷却水が流される。

集電板２４は、積層された発電単位セル１０から集電を行う部材である。従って集電板２４は発電単位セル１０の積層体の一端及び他端のそれぞれに配置されており、一方が正極、他方が負極となる。この集電板２４に不図示の端子が接続され、外部に電気的に接続できるように構成されている。

付勢部材２５は、スタックケース２１の内側に収まり、発電単位セル１０の積層体に対してその積層方向に押圧力を付与する。付勢部材として例えば皿バネ等を挙げることができる。

ここで、本開示の発電単位セル１０が、主流溝１５ｃが水平方向（厳密な水平でなく水平から４５°以内）に延びるとともに複数の主流溝１５ｃが鉛直方向（厳密な鉛直でなく鉛直から４５°以内）に配列されるように、燃料電池２０が配置されることが好ましい。これにより、下に説明するように顕著な効果を奏するものとなる。
ただし、このような配置に限定されることはなく他の配置であってもよい。他の配置では効果の程度は低下するにしても、連通溝１５ｄによる流体の拡散及び水の滞留抑制及び排出促進の効果は認められ、発電の効率を高めることができる。

３．効果等
上記のように本開示によれば、発電単位セル１０が、主流溝１５ｃが水平方向（厳密な水平でなく水平から４５°以内）に延びるとともに複数の主流溝１５ｃが鉛直方向（厳密な鉛直でなく鉛直から４５°以内）に配列されるように配置されたときにより顕著な効果を奏する。具体的には次の通りである。図５と同じ視点による図９に示したように、カソードセパレータ１５において水平方向に酸化ガスが流れ、隣り合う主流溝１５ｃが鉛直方向に配列されるように燃料電池が配置された場合に、例えば水は実線矢印で示したように流れ、ガスは点線矢印で示したように流れる。すなわち、水は連通溝１５ｄを通って重力により下方に向かう傾向にあり、下流側では水が溜まるが、本開示によれば連通溝１５ｄがない第二壁１５ｂが設けられているため、第二壁１５ｂより下には水が移動することなく排水される。従ってカソードセパレータ１５の最下部にのみ水が溜まってしまうことを抑制し、第二壁１５ｂが配置された部位ごとに排水が行われるため、全体として排水性を高めることができる。
また、ガスは水が下方に移動するに伴って上方に移動するが、ガスの上方への移動も連通溝１５ｄがない第二壁１５ｂ流路に遮られ、その結果、カソードセパレータ１５の最上部のみにガスが溜まることが抑制されてガス分布の均一性を高めることができる。なお、このときには図７を示して説明したようにガスの移動による圧力損失は絞り部を設けた場合に比べて低く抑えることができる。

１０ 発電単位セル
１１ 発電部
１２ 電解質膜
１３ カソード触媒層
１４ カソード拡散層
１５ カソードセパレータ
１５ａ 第一壁
１５ｂ 第二壁
１５ｃ 主流溝
１５ｄ 連通溝
１６ アノード触媒層
１７ アノード拡散層
１８ アノードセパレータ
２０ 燃料電池

Claims (4)

1. 膜電極接合体、及び、前記膜電極接合体に積層されたセパレータを有する発電単位セルであって、
   前記セパレータは前記膜電極接合体にガスを供給する複数の流路を有し、
   複数の前記流路の間には、隣り合う前記流路を仕切る壁部が設けられており、
   複数の前記壁部は、隣り合う前記流路を連通する連通溝を有する複数の第一壁と、前記連通溝を具備しない複数の第二壁と、を備える、
   発電単位セル。
2. 隣り合う前記第二壁の間に、複数の前記第一壁が具備されている、請求項１に記載の発電単位セル。
3. 前記連通溝は前記第一壁が延びる方向に対して傾斜して延びる請求項１又は２に記載の発電単位セル。
4. 請求項１～３のいずれか１項に記載の発電単位セルが複数積層された燃料電池。