JP4259041B2 - 燃料電池 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の金属製セパレータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子電解質型燃料電池は、イオン交換膜からなる電解質膜とこの電解質膜の一面に配置された触媒層および拡散層からなる電極（アノード、燃料極）および電解質膜の他面に配置された触媒層および拡散層からなる電極（カソード、空気極）とからなる膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）と、アノード、カソードに燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための流体通路または冷却媒体を流すための流路を形成するセパレータとからセルを構成し、少なくとも１つのセルの積層体からモジュールを構成し、モジュールを積層してモジュール群（１セルモジュールの場合はセル群）とし、モジュール群（１セルモジュールの場合はセル群）のセル積層方向両端に、ターミナル、インシュレータ、エンドプレートを配置してスタックを構成し、スタックをスタックの外側でセル積層体積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート）にて締め付け、固定したものからなる。
固体高分子電解質型燃料電池では、アノード側では、水素を水素イオンと電子にする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソード側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる）から水を生成する反応が行われる。
アノード側：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ-
カソード側：２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋（１／２）Ｏ2 →Ｈ2 Ｏ
燃料電池ではジュール熱が生じるとともにカソードでの水生成反応では熱が出るので、セパレータには、各セル毎にあるいは複数個（たとえば、２個）のセル毎に、冷却媒体（通常は冷却水）が流れる流路が形成されており、燃料電池を冷却している。
燃料電池では、反応ガスの流路長が短いと、一定ＭＥＡ面積に一定ガス量を流す場合のガス流速が低くなり、ガスの拡散性が悪くなって電圧性能が出にくい。また、流速が低いと生成水がガスで出口に運ばれにくくなって生成水も溜まりやすくなり、生成水によるガス流路の閉塞も起こりやすくなる。
反応ガスの流路長を長くして、燃料電池の電圧性能を出すとともに生成水の溜を抑制するためには、反応ガス流路を蛇行させる構造をとる。
特開平２０００−２２８２０７は、一筆書き状に蛇行させて形成されたガス流路をもつ金属製セパレータを開示している。そのセパレータは、表面にガス流路が形成された２枚のセパレータ板で中間板を挟んで構成されており、セパレータ板の裏面と中間板との間に冷却水流路が形成されている。冷却水流路は、ガス流路の蛇行に対応して蛇行しており、ガス流路と同様に流路長が長い。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の燃料電池の金属製セパレータには、
▲１▼ 冷却水流路も蛇行していて長いため、冷却水のセパレータからの出口側で 、冷却水温度が上昇し、燃料電池の冷却が効率的でなくなる、
▲２▼ 冷却水流路も蛇行していて長いため、冷却水流路の圧損が大きくなる、
▲３▼ ガス流路だけ蛇行または屈曲させ冷却水流路をストレートにすると、両流路の交叉部において、冷却水流路がガス流路の畝によって遮断されてしまうので、冷却水流路ストレート構造をとることができない、
等の問題がある。
本発明の目的は、燃料電池の出力向上を維持したまま、燃料電池の冷却の効率アップをはかった燃料電池のセパレータを提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ＭＥＡを２つのセパレータで挟んだセルを複数積層した固体高分子電解質型の燃料電池において、前記セパレータは、第１の面におけるガス流路の仕切り壁となる凸部が第２の面において冷媒流路となる凹部になっており、前記ＭＥＡを真ん中に位置させてその両面側に配置した２つのセパレータにおける平行直線部の凸部同士および凹部同士がＭＥＡを介し対向するように位置させて、前記セパレータの第１の面をＭＥＡの一方の面に当接することで、ＭＥＡと前記セパレータの第１の面とによって、前記ＭＥＡの燃料電池発電部上において、この燃料電池発電部を挟んで対向して位置する一対のガス出入り口として機能する対向部の間で２回以上Ｕターンして前記一対の対向部にわたって延びるガス流路であって奇数個の平行直線部と（前記奇数−１）個の偶数個のＵターン部とを有し、一方側の対向部から他方側の対向部に至るガス流路を形成し、前記ＭＥＡの他の面に他のセパレータの第１の面をＭＥＡに当接することで、ＭＥＡと前記セパレータの第１の面とによって、前記ＭＥＡの燃料電池発電部上において、この燃料電池発電部を挟んで対向して位置する一対のガス出入り口として機能する対向部の間で２回以上Ｕターンして前記一対の対向部にわたって延びるガス流路であって奇数個の平行直線部と（前記奇数−１）個の偶数個のＵターン部とを有し、前記ＭＥＡの一方の面における他方側の対向部に対応する位置の対向部から前記ＭＥＡの一方の面における一方側の対向部に対応する位置の対向部に至る、前記ＭＥＡの一方側の面とはＵターン部の位置が平行直線部の互いに反対側の端に位置するガス流路を形成し、前記ＭＥＡを真ん中に位置させてその両面上に配置した２つのセパレータによって形成されたそれぞれのガス流路におけるＵターン部分の位置が、互いにずれていることで、前記２つのセパレータの第２面の凹部同士によって構成された冷媒流路は、一方のセパレータにおける冷媒流路がそのセパレータにおけるガス流路のＵターン部によって形成される前記平行直線部に直交する方向の凸部によって閉塞されるときには、他方のセパレータにおける冷媒流路がそのセパレータの前記ガス流路におけるＵターン部が存在しないことによって、閉塞されていないことを特徴とする。
【０００５】
本発明によれば、冷却水通路おける抵抗を小さくできるため、冷却効果を上昇できる。また、冷却水通路を直線状にすることが容易となる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の燃料電池のセパレータを図１〜図８を参照して、説明する。
図１〜図７は本発明の実施例１を示し、図８は本発明の実施例２を示す。本発明の実施例１、２に共通する、または類似する部分には、本発明の実施例１、２にわたって同じ符号を付してある。
まず、本発明の実施例１、２に共通する、または類似する部分を図１〜図７を参照して説明する。
【０００７】
本発明の燃料電池は固体高分子電解質型燃料電池１０である。本発明の燃料電池１０は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。
固体高分子電解質型燃料電池１０は、図１、図２に示すように、イオン交換膜からなる電解質膜１１とこの電解質膜１１の一面に配置された触媒層１２および拡散層１３からなる電極１４（アノード、燃料極）および電解質膜１１の他面に配置された触媒層１５および拡散層１６からなる電極１７（カソード、空気極）とからなる膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）と、電極１４、１７に燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための反応ガス通路２７、２８および燃料電池冷却用の冷媒（冷却水）が流れる冷媒流路（冷却水流路）２６を形成するセパレータ１８とを重ねてセルを形成し、該セルを１層以上積層してモジュール１９を構成し（図示例では、１セルで１モジュールを構成している）、モジュール１９を積層してモジュール群とし、モジュール群のセル積層方向（燃料電池積層方向）両端に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置してスタック２３を構成し、スタック２３を積層方向に締め付けスタック２３の外側で燃料電池積層体積層方向に延びる締結部材２４（たとえば、テンションプレート、スルーボルトなど）とボルト２５またはナットで固定したものからなる。
冷却水流路２６はセル毎に、または複数のセル毎に、設けられる。
また、セパレータ１８は、メタルセパレータ１８Ａ、１８Ｂと樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄとからなる。
【０００８】
図３に示すように、セパレータ１８でＭＥＡを挟む際、ＭＥＡに対応する部分が中抜きされた樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄをメタルセパレータ１８Ａ、１８ＢのＭＥＡ側にそれぞれ配して、メタルセパレータ１８Ａ、樹脂フレーム１８Ｃ、ＭＥＡ、樹脂フレーム１８Ｄ、メタルセパレータ１８Ｂの順に積層する。ＭＥＡの部分は、樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄが中抜きされているので、メタルセパレータ１８Ａ、ＭＥＡ、メタルセパレータ１８Ｂの順で積層されており、樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄの部分は、ＭＥＡが張り出していないので、メタルセパレータ１８Ａ、樹脂フレーム１８Ｃ、樹脂フレーム１８Ｄ、メタルセパレータ１８Ｂの順で積層されている。ＭＥＡの部分は、燃料電池の発電部を構成し、セパレータのうち燃料電池の発電部に対応する部分は、セパレータの燃料電池発電部対応部を構成する。
【０００９】
触媒層１２、１５は白金（Ｐｔ）を含むカーボン（Ｃ）からなる。拡散層１３、１６はＣからなる。
メタルセパレータ１８Ａ、１８Ｂは、不透過性で、金属からなり、たとえば金属板（たとえば、ステンレス板）に良導電性金属をメッキ（たとえば、ニッケルメッキ）したものからなる。
【００１０】
セパレータ１８は、燃料ガス（たとえば、水素）と酸化ガス（たとえば、空気）、燃料ガスと冷媒（たとえば、冷却水）、酸化ガスと冷媒、の何れかを区画するとともに、隣り合うセルのアノードからカソードに電子が流れる電気の通路を形成している。
メタルセパレータ１８Ａおよび樹脂フレーム１８Ｃは、燃料ガスと冷却水とを区画し、メタルセパレータ１８Ｂおよび樹脂フレーム１８Ｄは、酸化ガスと冷却水とを区画する。
【００１１】
メタルセパレータ１８Ａのうち燃料電池発電部対応部の一面（ＭＥＡに対向する側の面）には、燃料ガス流路２７が形成され、裏面には冷媒流路（冷却水流路）２６が形成されている。同様に、メタルセパレータ１８Ｂのうち燃料電池発電部対応部の一面（ＭＥＡに対向する側の面）には、酸化ガス流路２８が形成され、裏面には冷媒流路（冷却水流路）２６が形成されている。ガス流路の凹凸はプレス成形によって形成される。
燃料ガス流路２７は、セパレータの燃料電池発電部対応部を挟んで対向する一対の対向部３０、３１の間で２回以上Ｕターンして一対の対向部３０、３１にわたって延び、奇数個の平行直線部２７ａと前記奇数−１個の偶数個のＵターン部２７ｂとを有する。同様に、酸化ガス流路２８は、セパレータの燃料電池発電部対応部を挟んで対向する一対の対向部３０、３１の間で２回以上Ｕターンして一対の対向部３０、３１にわたって延び、奇数個の平行直線部２８ａと前記奇数−１個の偶数個のＵターン部２８ｂとを有する。
燃料ガス流路２７は、複数個、並列に形成されており、酸化ガス流路２８も、複数個、並列に形成されている。
セパレータ１８の裏面に形成される冷却水流路２６は、一対の対向部３０、３１にわたって直線状に延びＵターン部をもたない。
【００１２】
ＭＥＡを挟んで積層された２つのメタルセパレータ１８Ａ、１８Ｂのうち一方のセパレータ１８Ａに形成されたガス流路は燃料ガス流路２７であり、他方のセパレータ１８Ｂに形成されたガス流路は酸化ガス流路２８である。
図５は、燃料ガス流路２７と酸化ガス流路２８をそれぞれ１本の線、破線で示し、燃料ガス流路２７と酸化ガス流路２８の位置関係を示している。
図５、図６に示すように、燃料ガス流路２７の平行直線部２７ａと酸化ガス流路２８の平行直線部２８ａとはセル積層方向にＭＥＡを挟んで互いに対応している。
【００１３】
図５、図７に示すように、燃料ガス流路２７のＵターン部２７ｂと、該燃料ガス流路２７のＵターン部２７ｂと一対の対向部３０、３１間方向に見て同じ側にある酸化ガス流路２８のＵターン部２８ｂとは、セル積層方向にＭＥＡを挟んで、互いに燃料ガス流路２７または酸化ガス流路２８の平行直線部２７ａ、２８ａ間間隔１ピッチ分だけ、該平行直線部２７ａ、２８ａと直交する方向にずれている。
同様に、酸化ガス流路２８のＵターン部２８ｂと、該酸化ガス流路２８のＵターン部２８ｂと一対の対向部３０、３１間方向に見て同じ側にある燃料ガス流路２７のＵターン部２７ｂとは、セル積層方向にＭＥＡを挟んで互いに燃料ガス流路２７または酸化ガス流路２８の平行直線部２７ａ、２８ａ間間隔１ピッチ分だけ該平行直線部２７ａ、２８ａと直交する方向にずれている。
したがって、１つのセルの冷却水流路２６と隣りのセルの冷却水流路２６は、該１つのセルの冷却水流路２６と隣りのセルの冷却水流路２６の一方の冷却水流路２６がガス流路のＵターンにより閉塞されるときには該１つのセルの冷却水流路２６と隣りのセルの冷却水流路２６の他方の冷却水流路２６が開で冷却水を流通させるように、互いに一体（図７に示すようにセル積層方向に位置が一致するとともに連通状態）となっている。
【００１４】
また、セパレータ１８の燃料電池発電部対応部の燃料ガス流路２７への燃料ガス入口２７ｃと燃料ガス出口２７ｄとはセパレータの燃料電池発電部対応部を挟んで互いに反対側に位置している。同様に、セパレータ１８の燃料電池発電部対応部の酸化ガス流路２８への酸化ガス入口２８ｃと酸化ガス出口２８ｄとはセパレータの燃料電池発電部対応部を挟んで互いに反対側に位置している。
また、セパレータ１８の燃料電池発電部対応部の燃料ガス流路２７への燃料ガス入口２７ｃと酸化ガス流路２８への酸化ガス入口２８ｃとは、セパレータの燃料電池発電部対応部を挟んで互いに反対側に位置している。
【００１５】
メタルセパレータ１８Ａ、１８Ｂおよび樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄの、燃料電池発電部対応部を挟んで互いに対向する対向部３０、３１には、冷却水マニホルド３２、燃料ガスマニホルド３３、空気マニホルド３４が形成されている。燃料電池発電部対応部を挟んで互いに対向する対向部３０、３１の一方３０には、入り側の冷却水マニホルド３２ａ、出側の燃料ガスマニホルド３３ｂ、入り側の空気マニホルド３４ａが設けられ、他方３１には、出側の冷却水マニホルド３２ｂ、入り側の燃料ガスマニホルド３３ａ、出側の空気マニホルド３４ｂが設けられる。
それぞれの入り側マニホルドと発電部対応部流路との間には流れをマニホルド長から燃料電池発電部全幅に拡げる整流部３５が設けられ、それぞれの出側マニホルドと発電部対応部流路との間には流れを燃料電池発電部全幅からマニホルド長に縮小する流れ整流部３６が設けられる。冷却水流路、燃料ガス流路、空気流路は、互いにシールされる。
【００１６】
つぎに、上記の本発明の実施例１、２に共通する、または類似する部分の作用を説明する。
本発明の燃料電池のセパレータ１８では、セパレータ１８のガス流路２７、２８がセパレータの一対の対向部３０、３１間で２回以上Ｕターンして一対の対向部３０、３１にわたって延びるので、Ｕターンすることなくストレートに延びる場合に比べてガス流路長が長くなる。その結果、ＭＥＡに同じ量の反応ガスを供給する場合のガス流速が増し、燃料電池出力が上がるとともに、生成水がガス流路２７、２８に溜まりにくくなる。また、冷媒流路（冷却水流路）２６は、セパレータの対向部３０、３１間にわたって直線状に延び、Ｕターン部をもたないので、流路長がガス流路２７、２８に比べて短く、冷媒の昇温が少なく、効率的な燃料電池冷却が行われるとともに、冷媒流路２６での冷媒流れの圧損も抑えられる。
【００１７】
また、燃料ガス流路２７のＵターン部２７ｂと、燃料ガス流路２７のＵターン部２７ｂと一対の対向部３０、３１間方向に見て同じ側にある酸化ガス流路２８のＵターン部２８ｂとは、互いに燃料ガス流路２７または酸化ガス流路２８の平行直線部２７ａ、２８ａ間間隔１ピッチ分だけ平行直線部２７ａ、２８ａと直交する方向にずれているので、燃料ガス流路２７間の冷却水流路２６が燃料ガス流路２７のＵターン部２７ｂと交叉する部位では冷却水は酸化ガス流路２８間の冷却水流路２６を通って流れることができ、燃料ガス流路２７間の冷却水流路２６と酸化ガス流路２８間の冷却水流路２６との和の冷却水流路２６が、燃料ガス流路２７のＵターン部２７ｂで閉塞されることはない。
同様に、酸化ガス流路２８のＵターン部２８ｂと、酸化ガス流路２８のＵターン部２８ｂと一対の対向部３０、３１間方向に見て同じ側にある燃料ガス流路２７のＵターン部２７ｂとは、互いに燃料ガス流路２７または酸化ガス流路２８の平行直線部２７ａ、２８ａ間間隔１ピッチ分だけ平行直線部２７ａ、２８ａと直交する方向にずれているので、酸化ガス流路２８間の冷却水流路２６が酸化ガス流路２８のＵターン部２８ｂと交叉する部位では冷却水は燃料ガス流路２７間の冷却水流路２６を通って流れることができ、酸化ガス流路２８間の冷却水流路２６と燃料ガス流路２７間の冷却水流路２６との和の冷却水流路２６が、酸化ガス流路２８のＵターン部２８ｂで閉塞されることはない。
【００１８】
つぎに、本発明の各実施例に特有な部分を説明する。
本発明の実施例１では、図３〜図７に示すように、セパレータ１８の燃料電池発電部対応部に形成された複数の燃料ガス流路２７の各燃料ガス流路２７は、３つの平行直線部２７ａと２つのＵターン部２７ｂを有し、Ｓ字状ガス流路となっている。互いに同形状のＳ字状燃料ガス流路２７が、同じ向きで、セパレータ１８面内に、対向部３０、３１を結ぶ方向と直交する方向に複数、併設されている。
同様に、セパレータ１８の燃料電池発電部対応部に形成された複数の酸化ガス流路２８の各酸化ガス流路２８は、３つの平行直線部２８ａと２つのＵターン部２８ｂを有し、Ｓ字状ガス流路となっている。互いに同形状のＳ字状酸化ガス流路２８が、同じ向きで、セパレータ１８面内に、対向部３０、３１を結ぶ方向と直交する方向に複数、併設されている。
冷却水流路２６は、対向部３０、３１間にわたって直線状に延び、Ｕターン部をもたない。
作用、効果は、前述した、本発明の実施例１、２に共通または、類似する作用、効果に準じる。
【００１９】
本発明の実施例２では、図８に示すように、セパレータ１８の燃料電池発電部対応部に形成された複数の燃料ガス流路２７の各燃料ガス流路２７は、５つの平行直線部２７ａと４つのＵターン部２７ｂを有し、屈曲状ガス流路となっている。互いに同形状の屈曲状燃料ガス流路２７が、同じ向きで、セパレータ１８面内に、対向部３０、３１を結ぶ方向と直交する方向に複数、併設されている。
同様に、セパレータ１８の燃料電池発電部対応部に形成された複数の酸化ガス流路２８の各酸化ガス流路２８は、５つの平行直線部２８ａと４つのＵターン部２８ｂを有し、屈曲状ガス流路となっている。互いに同形状の屈曲状酸化ガス流路２８が、同じ向きで、セパレータ１８面内に、対向部３０、３１を結ぶ方向と直交する方向に複数、併設されている。
冷却水流路２６は、対向部３０、３１間にわたって直線状に延び、Ｕターン部をもたない。
作用、効果は、前述した、本発明の実施例１、２に共通または、類似する作用、効果に準じる。
【００２０】
本発明によれば、冷却水通路おける抵抗を小さくできるため、冷却効果を上昇できる。また、冷却水通路を直線状にすることが容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のセパレータを備えた燃料電池の、セル積層方向を上下方向とした姿勢での、全体概略図である。
【図２】本発明のセパレータを備えた燃料電池の電解質膜−電極アッセンブリの一部の拡大断面図である。
【図３】本発明のセパレータを備えた燃料電池の、セル積層方向を上下方向とした姿勢での、単セルの分解斜視図である。
【図４】本発明の実施例１のセパレータの備えた燃料電池のセパレータの平面図である。
【図５】本発明実施例１のセパレータにおいてガス流路を１本の線で示した場合のガス流路の配置図である。
【図６】本発明の燃料ガス流路と酸化ガス流路の、セル積層方向の配置の関係を示す一部断面図（図５、図８のＡ−Ａ線に沿う断面図）である。
【図７】本発明の燃料ガス流路間冷媒流路と酸化ガス流路間冷媒流路の、セル積層方向の配置の関係を示す一部断面図（図５、図８のＢ−Ｂ線に沿う断面図）である。
【図８】本発明実施例２のセパレータにおいてガス流路を１本の線で示した場合のガス流路の配置図である。
【符号の説明】
１０ （固体高分子電解質型）燃料電池
１１ 電解質膜
１２ 触媒層
１３ 拡散層
１４ 電極（アノード、燃料極）
１５ 触媒層
１６ 拡散層
１７ 電極（カソード、空気極）
１８ セパレータ
１８Ａ 燃料ガスと冷却水とを区画するメタルセパレータ
１８Ｂ 酸化ガスと冷却水とを区画するメタルセパレータ
１８Ｃ 樹脂フレーム
１８Ｄ 樹脂フレーム
１９ モジュール
２０ ターミナル
２１ インシュレータ
２２ エンドプレート
２３ スタック
２４ 締結部材（テンションプレート）
２５ ボルトまたはナット
２６ 冷却水流路
２７ 燃料ガス流路
２７ａ 燃料ガス流路の平行直線部
２７ｂ 燃料ガス流路のＵターン部
２７ｃ 燃料ガス入口
２７ｄ 燃料ガス出口
２８ 酸化ガス流路
２８ａ 酸化ガス流路の平行直線部
２８ｂ 酸化ガス流路のＵターン部
２８ｃ 酸化ガス入口
２８ｄ 酸化ガス出口
３０、３１ 対向部
３２ 冷却水マニホルド
３２ａ 入り側の冷却水マニホルド
３２ｂ 出側の冷却水マニホルド
３３ 燃料ガスマニホルド
３３ａ 入り側の燃料ガスマニホルド
３３ｂ 出側の燃料ガスマニホルド
３４ 空気マニホルド
３４ａ 入り側の空気マニホルド
３４ｂ 出側の空気マニホルド
３５ 整流部
３６ 整流部
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の金属製セパレータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子電解質型燃料電池は、イオン交換膜からなる電解質膜とこの電解質膜の一面に配置された触媒層および拡散層からなる電極（アノード、燃料極）および電解質膜の他面に配置された触媒層および拡散層からなる電極（カソード、空気極）とからなる膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）と、アノード、カソードに燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための流体通路または冷却媒体を流すための流路を形成するセパレータとからセルを構成し、少なくとも１つのセルの積層体からモジュールを構成し、モジュールを積層してモジュール群（１セルモジュールの場合はセル群）とし、モジュール群（１セルモジュールの場合はセル群）のセル積層方向両端に、ターミナル、インシュレータ、エンドプレートを配置してスタックを構成し、スタックをスタックの外側でセル積層体積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート）にて締め付け、固定したものからなる。
固体高分子電解質型燃料電池では、アノード側では、水素を水素イオンと電子にする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソード側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる）から水を生成する反応が行われる。
アノード側：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ-
カソード側：２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋（１／２）Ｏ2 →Ｈ2 Ｏ
燃料電池ではジュール熱が生じるとともにカソードでの水生成反応では熱が出るので、セパレータには、各セル毎にあるいは複数個（たとえば、２個）のセル毎に、冷却媒体（通常は冷却水）が流れる流路が形成されており、燃料電池を冷却している。
燃料電池では、反応ガスの流路長が短いと、一定ＭＥＡ面積に一定ガス量を流す場合のガス流速が低くなり、ガスの拡散性が悪くなって電圧性能が出にくい。また、流速が低いと生成水がガスで出口に運ばれにくくなって生成水も溜まりやすくなり、生成水によるガス流路の閉塞も起こりやすくなる。
反応ガスの流路長を長くして、燃料電池の電圧性能を出すとともに生成水の溜を抑制するためには、反応ガス流路を蛇行させる構造をとる。
特開平２０００−２２８２０７は、一筆書き状に蛇行させて形成されたガス流路をもつ金属製セパレータを開示している。そのセパレータは、表面にガス流路が形成された２枚のセパレータ板で中間板を挟んで構成されており、セパレータ板の裏面と中間板との間に冷却水流路が形成されている。冷却水流路は、ガス流路の蛇行に対応して蛇行しており、ガス流路と同様に流路長が長い。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の燃料電池の金属製セパレータには、
▲１▼ 冷却水流路も蛇行していて長いため、冷却水のセパレータからの出口側で 、冷却水温度が上昇し、燃料電池の冷却が効率的でなくなる、
▲２▼ 冷却水流路も蛇行していて長いため、冷却水流路の圧損が大きくなる、
▲３▼ ガス流路だけ蛇行または屈曲させ冷却水流路をストレートにすると、両流路の交叉部において、冷却水流路がガス流路の畝によって遮断されてしまうので、冷却水流路ストレート構造をとることができない、
等の問題がある。
本発明の目的は、燃料電池の出力向上を維持したまま、燃料電池の冷却の効率アップをはかった燃料電池のセパレータを提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ＭＥＡを２つのセパレータで挟んだセルを複数積層した固体高分子電解質型の燃料電池において、前記セパレータは、第１の面におけるガス流路の仕切り壁となる凸部が第２の面において冷媒流路となる凹部になっており、前記ＭＥＡを真ん中に位置させてその両面側に配置した２つのセパレータにおける平行直線部の凸部同士および凹部同士がＭＥＡを介し対向するように位置させて、前記セパレータの第１の面をＭＥＡの一方の面に当接することで、ＭＥＡと前記セパレータの第１の面とによって、前記ＭＥＡの燃料電池発電部上において、この燃料電池発電部を挟んで対向して位置する一対のガス出入り口として機能する対向部の間で２回以上Ｕターンして前記一対の対向部にわたって延びるガス流路であって奇数個の平行直線部と（前記奇数−１）個の偶数個のＵターン部とを有し、一方側の対向部から他方側の対向部に至るガス流路を形成し、前記ＭＥＡの他の面に他のセパレータの第１の面をＭＥＡに当接することで、ＭＥＡと前記セパレータの第１の面とによって、前記ＭＥＡの燃料電池発電部上において、この燃料電池発電部を挟んで対向して位置する一対のガス出入り口として機能する対向部の間で２回以上Ｕターンして前記一対の対向部にわたって延びるガス流路であって奇数個の平行直線部と（前記奇数−１）個の偶数個のＵターン部とを有し、前記ＭＥＡの一方の面における他方側の対向部に対応する位置の対向部から前記ＭＥＡの一方の面における一方側の対向部に対応する位置の対向部に至る、前記ＭＥＡの一方側の面とはＵターン部の位置が平行直線部の互いに反対側の端に位置するガス流路を形成し、前記ＭＥＡを真ん中に位置させてその両面上に配置した２つのセパレータによって形成されたそれぞれのガス流路におけるＵターン部分の位置が、互いにずれていることで、前記２つのセパレータの第２面の凹部同士によって構成された冷媒流路は、一方のセパレータにおける冷媒流路がそのセパレータにおけるガス流路のＵターン部によって形成される前記平行直線部に直交する方向の凸部によって閉塞されるときには、他方のセパレータにおける冷媒流路がそのセパレータの前記ガス流路におけるＵターン部が存在しないことによって、閉塞されていないことを特徴とする。
【０００５】
本発明によれば、冷却水通路おける抵抗を小さくできるため、冷却効果を上昇できる。また、冷却水通路を直線状にすることが容易となる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の燃料電池のセパレータを図１〜図８を参照して、説明する。
図１〜図７は本発明の実施例１を示し、図８は本発明の実施例２を示す。本発明の実施例１、２に共通する、または類似する部分には、本発明の実施例１、２にわたって同じ符号を付してある。
まず、本発明の実施例１、２に共通する、または類似する部分を図１〜図７を参照して説明する。
【０００７】
本発明の燃料電池は固体高分子電解質型燃料電池１０である。本発明の燃料電池１０は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。
固体高分子電解質型燃料電池１０は、図１、図２に示すように、イオン交換膜からなる電解質膜１１とこの電解質膜１１の一面に配置された触媒層１２および拡散層１３からなる電極１４（アノード、燃料極）および電解質膜１１の他面に配置された触媒層１５および拡散層１６からなる電極１７（カソード、空気極）とからなる膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）と、電極１４、１７に燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための反応ガス通路２７、２８および燃料電池冷却用の冷媒（冷却水）が流れる冷媒流路（冷却水流路）２６を形成するセパレータ１８とを重ねてセルを形成し、該セルを１層以上積層してモジュール１９を構成し（図示例では、１セルで１モジュールを構成している）、モジュール１９を積層してモジュール群とし、モジュール群のセル積層方向（燃料電池積層方向）両端に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置してスタック２３を構成し、スタック２３を積層方向に締め付けスタック２３の外側で燃料電池積層体積層方向に延びる締結部材２４（たとえば、テンションプレート、スルーボルトなど）とボルト２５またはナットで固定したものからなる。
冷却水流路２６はセル毎に、または複数のセル毎に、設けられる。
また、セパレータ１８は、メタルセパレータ１８Ａ、１８Ｂと樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄとからなる。
【０００８】
図３に示すように、セパレータ１８でＭＥＡを挟む際、ＭＥＡに対応する部分が中抜きされた樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄをメタルセパレータ１８Ａ、１８ＢのＭＥＡ側にそれぞれ配して、メタルセパレータ１８Ａ、樹脂フレーム１８Ｃ、ＭＥＡ、樹脂フレーム１８Ｄ、メタルセパレータ１８Ｂの順に積層する。ＭＥＡの部分は、樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄが中抜きされているので、メタルセパレータ１８Ａ、ＭＥＡ、メタルセパレータ１８Ｂの順で積層されており、樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄの部分は、ＭＥＡが張り出していないので、メタルセパレータ１８Ａ、樹脂フレーム１８Ｃ、樹脂フレーム１８Ｄ、メタルセパレータ１８Ｂの順で積層されている。ＭＥＡの部分は、燃料電池の発電部を構成し、セパレータのうち燃料電池の発電部に対応する部分は、セパレータの燃料電池発電部対応部を構成する。
【０００９】
触媒層１２、１５は白金（Ｐｔ）を含むカーボン（Ｃ）からなる。拡散層１３、１６はＣからなる。
メタルセパレータ１８Ａ、１８Ｂは、不透過性で、金属からなり、たとえば金属板（たとえば、ステンレス板）に良導電性金属をメッキ（たとえば、ニッケルメッキ）したものからなる。
【００１０】
セパレータ１８は、燃料ガス（たとえば、水素）と酸化ガス（たとえば、空気）、燃料ガスと冷媒（たとえば、冷却水）、酸化ガスと冷媒、の何れかを区画するとともに、隣り合うセルのアノードからカソードに電子が流れる電気の通路を形成している。
メタルセパレータ１８Ａおよび樹脂フレーム１８Ｃは、燃料ガスと冷却水とを区画し、メタルセパレータ１８Ｂおよび樹脂フレーム１８Ｄは、酸化ガスと冷却水とを区画する。
【００１１】
メタルセパレータ１８Ａのうち燃料電池発電部対応部の一面（ＭＥＡに対向する側の面）には、燃料ガス流路２７が形成され、裏面には冷媒流路（冷却水流路）２６が形成されている。同様に、メタルセパレータ１８Ｂのうち燃料電池発電部対応部の一面（ＭＥＡに対向する側の面）には、酸化ガス流路２８が形成され、裏面には冷媒流路（冷却水流路）２６が形成されている。ガス流路の凹凸はプレス成形によって形成される。
燃料ガス流路２７は、セパレータの燃料電池発電部対応部を挟んで対向する一対の対向部３０、３１の間で２回以上Ｕターンして一対の対向部３０、３１にわたって延び、奇数個の平行直線部２７ａと前記奇数−１個の偶数個のＵターン部２７ｂとを有する。同様に、酸化ガス流路２８は、セパレータの燃料電池発電部対応部を挟んで対向する一対の対向部３０、３１の間で２回以上Ｕターンして一対の対向部３０、３１にわたって延び、奇数個の平行直線部２８ａと前記奇数−１個の偶数個のＵターン部２８ｂとを有する。
燃料ガス流路２７は、複数個、並列に形成されており、酸化ガス流路２８も、複数個、並列に形成されている。
セパレータ１８の裏面に形成される冷却水流路２６は、一対の対向部３０、３１にわたって直線状に延びＵターン部をもたない。
【００１２】
ＭＥＡを挟んで積層された２つのメタルセパレータ１８Ａ、１８Ｂのうち一方のセパレータ１８Ａに形成されたガス流路は燃料ガス流路２７であり、他方のセパレータ１８Ｂに形成されたガス流路は酸化ガス流路２８である。
図５は、燃料ガス流路２７と酸化ガス流路２８をそれぞれ１本の線、破線で示し、燃料ガス流路２７と酸化ガス流路２８の位置関係を示している。
図５、図６に示すように、燃料ガス流路２７の平行直線部２７ａと酸化ガス流路２８の平行直線部２８ａとはセル積層方向にＭＥＡを挟んで互いに対応している。
【００１３】
図５、図７に示すように、燃料ガス流路２７のＵターン部２７ｂと、該燃料ガス流路２７のＵターン部２７ｂと一対の対向部３０、３１間方向に見て同じ側にある酸化ガス流路２８のＵターン部２８ｂとは、セル積層方向にＭＥＡを挟んで、互いに燃料ガス流路２７または酸化ガス流路２８の平行直線部２７ａ、２８ａ間間隔１ピッチ分だけ、該平行直線部２７ａ、２８ａと直交する方向にずれている。
同様に、酸化ガス流路２８のＵターン部２８ｂと、該酸化ガス流路２８のＵターン部２８ｂと一対の対向部３０、３１間方向に見て同じ側にある燃料ガス流路２７のＵターン部２７ｂとは、セル積層方向にＭＥＡを挟んで互いに燃料ガス流路２７または酸化ガス流路２８の平行直線部２７ａ、２８ａ間間隔１ピッチ分だけ該平行直線部２７ａ、２８ａと直交する方向にずれている。
したがって、１つのセルの冷却水流路２６と隣りのセルの冷却水流路２６は、該１つのセルの冷却水流路２６と隣りのセルの冷却水流路２６の一方の冷却水流路２６がガス流路のＵターンにより閉塞されるときには該１つのセルの冷却水流路２６と隣りのセルの冷却水流路２６の他方の冷却水流路２６が開で冷却水を流通させるように、互いに一体（図７に示すようにセル積層方向に位置が一致するとともに連通状態）となっている。
【００１４】
また、セパレータ１８の燃料電池発電部対応部の燃料ガス流路２７への燃料ガス入口２７ｃと燃料ガス出口２７ｄとはセパレータの燃料電池発電部対応部を挟んで互いに反対側に位置している。同様に、セパレータ１８の燃料電池発電部対応部の酸化ガス流路２８への酸化ガス入口２８ｃと酸化ガス出口２８ｄとはセパレータの燃料電池発電部対応部を挟んで互いに反対側に位置している。
また、セパレータ１８の燃料電池発電部対応部の燃料ガス流路２７への燃料ガス入口２７ｃと酸化ガス流路２８への酸化ガス入口２８ｃとは、セパレータの燃料電池発電部対応部を挟んで互いに反対側に位置している。
【００１５】
メタルセパレータ１８Ａ、１８Ｂおよび樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄの、燃料電池発電部対応部を挟んで互いに対向する対向部３０、３１には、冷却水マニホルド３２、燃料ガスマニホルド３３、空気マニホルド３４が形成されている。燃料電池発電部対応部を挟んで互いに対向する対向部３０、３１の一方３０には、入り側の冷却水マニホルド３２ａ、出側の燃料ガスマニホルド３３ｂ、入り側の空気マニホルド３４ａが設けられ、他方３１には、出側の冷却水マニホルド３２ｂ、入り側の燃料ガスマニホルド３３ａ、出側の空気マニホルド３４ｂが設けられる。
それぞれの入り側マニホルドと発電部対応部流路との間には流れをマニホルド長から燃料電池発電部全幅に拡げる整流部３５が設けられ、それぞれの出側マニホルドと発電部対応部流路との間には流れを燃料電池発電部全幅からマニホルド長に縮小する流れ整流部３６が設けられる。冷却水流路、燃料ガス流路、空気流路は、互いにシールされる。
【００１６】
つぎに、上記の本発明の実施例１、２に共通する、または類似する部分の作用を説明する。
本発明の燃料電池のセパレータ１８では、セパレータ１８のガス流路２７、２８がセパレータの一対の対向部３０、３１間で２回以上Ｕターンして一対の対向部３０、３１にわたって延びるので、Ｕターンすることなくストレートに延びる場合に比べてガス流路長が長くなる。その結果、ＭＥＡに同じ量の反応ガスを供給する場合のガス流速が増し、燃料電池出力が上がるとともに、生成水がガス流路２７、２８に溜まりにくくなる。また、冷媒流路（冷却水流路）２６は、セパレータの対向部３０、３１間にわたって直線状に延び、Ｕターン部をもたないので、流路長がガス流路２７、２８に比べて短く、冷媒の昇温が少なく、効率的な燃料電池冷却が行われるとともに、冷媒流路２６での冷媒流れの圧損も抑えられる。
【００１７】
また、燃料ガス流路２７のＵターン部２７ｂと、燃料ガス流路２７のＵターン部２７ｂと一対の対向部３０、３１間方向に見て同じ側にある酸化ガス流路２８のＵターン部２８ｂとは、互いに燃料ガス流路２７または酸化ガス流路２８の平行直線部２７ａ、２８ａ間間隔１ピッチ分だけ平行直線部２７ａ、２８ａと直交する方向にずれているので、燃料ガス流路２７間の冷却水流路２６が燃料ガス流路２７のＵターン部２７ｂと交叉する部位では冷却水は酸化ガス流路２８間の冷却水流路２６を通って流れることができ、燃料ガス流路２７間の冷却水流路２６と酸化ガス流路２８間の冷却水流路２６との和の冷却水流路２６が、燃料ガス流路２７のＵターン部２７ｂで閉塞されることはない。
同様に、酸化ガス流路２８のＵターン部２８ｂと、酸化ガス流路２８のＵターン部２８ｂと一対の対向部３０、３１間方向に見て同じ側にある燃料ガス流路２７のＵターン部２７ｂとは、互いに燃料ガス流路２７または酸化ガス流路２８の平行直線部２７ａ、２８ａ間間隔１ピッチ分だけ平行直線部２７ａ、２８ａと直交する方向にずれているので、酸化ガス流路２８間の冷却水流路２６が酸化ガス流路２８のＵターン部２８ｂと交叉する部位では冷却水は燃料ガス流路２７間の冷却水流路２６を通って流れることができ、酸化ガス流路２８間の冷却水流路２６と燃料ガス流路２７間の冷却水流路２６との和の冷却水流路２６が、酸化ガス流路２８のＵターン部２８ｂで閉塞されることはない。
【００１８】
つぎに、本発明の各実施例に特有な部分を説明する。
本発明の実施例１では、図３〜図７に示すように、セパレータ１８の燃料電池発電部対応部に形成された複数の燃料ガス流路２７の各燃料ガス流路２７は、３つの平行直線部２７ａと２つのＵターン部２７ｂを有し、Ｓ字状ガス流路となっている。互いに同形状のＳ字状燃料ガス流路２７が、同じ向きで、セパレータ１８面内に、対向部３０、３１を結ぶ方向と直交する方向に複数、併設されている。
同様に、セパレータ１８の燃料電池発電部対応部に形成された複数の酸化ガス流路２８の各酸化ガス流路２８は、３つの平行直線部２８ａと２つのＵターン部２８ｂを有し、Ｓ字状ガス流路となっている。互いに同形状のＳ字状酸化ガス流路２８が、同じ向きで、セパレータ１８面内に、対向部３０、３１を結ぶ方向と直交する方向に複数、併設されている。
冷却水流路２６は、対向部３０、３１間にわたって直線状に延び、Ｕターン部をもたない。
作用、効果は、前述した、本発明の実施例１、２に共通または、類似する作用、効果に準じる。
【００１９】
本発明の実施例２では、図８に示すように、セパレータ１８の燃料電池発電部対応部に形成された複数の燃料ガス流路２７の各燃料ガス流路２７は、５つの平行直線部２７ａと４つのＵターン部２７ｂを有し、屈曲状ガス流路となっている。互いに同形状の屈曲状燃料ガス流路２７が、同じ向きで、セパレータ１８面内に、対向部３０、３１を結ぶ方向と直交する方向に複数、併設されている。
同様に、セパレータ１８の燃料電池発電部対応部に形成された複数の酸化ガス流路２８の各酸化ガス流路２８は、５つの平行直線部２８ａと４つのＵターン部２８ｂを有し、屈曲状ガス流路となっている。互いに同形状の屈曲状酸化ガス流路２８が、同じ向きで、セパレータ１８面内に、対向部３０、３１を結ぶ方向と直交する方向に複数、併設されている。
冷却水流路２６は、対向部３０、３１間にわたって直線状に延び、Ｕターン部をもたない。
作用、効果は、前述した、本発明の実施例１、２に共通または、類似する作用、効果に準じる。
【００２０】
本発明によれば、冷却水通路おける抵抗を小さくできるため、冷却効果を上昇できる。また、冷却水通路を直線状にすることが容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のセパレータを備えた燃料電池の、セル積層方向を上下方向とした姿勢での、全体概略図である。
【図２】本発明のセパレータを備えた燃料電池の電解質膜−電極アッセンブリの一部の拡大断面図である。
【図３】本発明のセパレータを備えた燃料電池の、セル積層方向を上下方向とした姿勢での、単セルの分解斜視図である。
【図４】本発明の実施例１のセパレータの備えた燃料電池のセパレータの平面図である。
【図５】本発明実施例１のセパレータにおいてガス流路を１本の線で示した場合のガス流路の配置図である。
【図６】本発明の燃料ガス流路と酸化ガス流路の、セル積層方向の配置の関係を示す一部断面図（図５、図８のＡ−Ａ線に沿う断面図）である。
【図７】本発明の燃料ガス流路間冷媒流路と酸化ガス流路間冷媒流路の、セル積層方向の配置の関係を示す一部断面図（図５、図８のＢ−Ｂ線に沿う断面図）である。
【図８】本発明実施例２のセパレータにおいてガス流路を１本の線で示した場合のガス流路の配置図である。
【符号の説明】
１０ （固体高分子電解質型）燃料電池
１１ 電解質膜
１２ 触媒層
１３ 拡散層
１４ 電極（アノード、燃料極）
１５ 触媒層
１６ 拡散層
１７ 電極（カソード、空気極）
１８ セパレータ
１８Ａ 燃料ガスと冷却水とを区画するメタルセパレータ
１８Ｂ 酸化ガスと冷却水とを区画するメタルセパレータ
１８Ｃ 樹脂フレーム
１８Ｄ 樹脂フレーム
１９ モジュール
２０ ターミナル
２１ インシュレータ
２２ エンドプレート
２３ スタック
２４ 締結部材（テンションプレート）
２５ ボルトまたはナット
２６ 冷却水流路
２７ 燃料ガス流路
２７ａ 燃料ガス流路の平行直線部
２７ｂ 燃料ガス流路のＵターン部
２７ｃ 燃料ガス入口
２７ｄ 燃料ガス出口
２８ 酸化ガス流路
２８ａ 酸化ガス流路の平行直線部
２８ｂ 酸化ガス流路のＵターン部
２８ｃ 酸化ガス入口
２８ｄ 酸化ガス出口
３０、３１ 対向部
３２ 冷却水マニホルド
３２ａ 入り側の冷却水マニホルド
３２ｂ 出側の冷却水マニホルド
３３ 燃料ガスマニホルド
３３ａ 入り側の燃料ガスマニホルド
３３ｂ 出側の燃料ガスマニホルド
３４ 空気マニホルド
３４ａ 入り側の空気マニホルド
３４ｂ 出側の空気マニホルド
３５ 整流部
３６ 整流部
Claims (1)
- ＭＥＡを２つのセパレータで挟んだセルを複数積層した固体高分子電解質型の燃料電池において、
前記セパレータは、第１の面におけるガス流路の仕切り壁となる凸部が第２の面において冷媒流路となる凹部になっており、
前記ＭＥＡを真ん中に位置させてその両面側に配置した２つのセパレータにおける平行直線部の凸部同士および凹部同士がＭＥＡを介し対向するように位置させて、
前記セパレータの第１の面をＭＥＡの一方の面に当接することで、ＭＥＡと前記セパレータの第１の面とによって、前記ＭＥＡの燃料電池発電部上において、この燃料電池発電部を挟んで対向して位置する一対のガス出入り口として機能する対向部の間で２回以上Ｕターンして前記一対の対向部にわたって延びるガス流路であって奇数個の平行直線部と（前記奇数−１）個の偶数個のＵターン部とを有し、一方側の対向部から他方側の対向部に至るガス流路を形成し、
前記ＭＥＡの他の面に他のセパレータの第１の面をＭＥＡに当接することで、ＭＥＡと前記セパレータの第１の面とによって、前記ＭＥＡの燃料電池発電部上において、この燃料電池発電部を挟んで対向して位置する一対のガス出入り口として機能する対向部の間で２回以上Ｕターンして前記一対の対向部にわたって延びるガス流路であって奇数個の平行直線部と（前記奇数−１）個の偶数個のＵターン部とを有し、前記ＭＥＡの一方の面における他方側の対向部に対応する位置の対向部から前記ＭＥＡの一方の面における一方側の対向部に対応する位置の対向部に至る、前記ＭＥＡの一方側の面とはＵターン部の位置が平行直線部の互いに反対側の端に位置するガス流路を形成し、
前記ＭＥＡを真ん中に位置させてその両面上に配置した２つのセパレータによって形成されたそれぞれのガス流路におけるＵターン部分の位置が、互いにずれていることで、
前記２つのセパレータの第２面の凹部同士によって構成された冷媒流路は、一方のセパレータにおける冷媒流路がそのセパレータにおけるガス流路のＵターン部によって形成される前記平行直線部に直交する方向の凸部によって閉塞されるときには、他方のセパレータにおける冷媒流路がそのセパレータの前記ガス流路におけるＵターン部が存在しないことによって、閉塞されていないことを特徴とする燃料電池。
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