JP4370773B2

JP4370773B2 - 燃料電池セパレータ

Info

Publication number: JP4370773B2
Application number: JP2002360165A
Authority: JP
Inventors: 篤史宮澤; 亮一下井
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-12-12
Filing date: 2002-12-12
Publication date: 2009-11-25
Anticipated expiration: 2022-12-12
Also published as: JP2004192971A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電解質膜の両側の一対の電極のさらに外側に位置して反応ガスを供給するガス流路を備えた燃料電池セパレータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池システムは、燃料が有する化学エネルギを直接電気エネルギに変換する装置であり、電解質膜を挟んで設けた一対の電極のうち陽極に水素を含有する燃料ガスを供給するとともに、他方の陰極に酸素を含有する酸化剤ガスを供給し、これら一対の電極の電解質膜側の表面で生じる下記の電気化学反応を利用して電極から電気エネルギを取り出す。
【０００３】
陽極（アノード）反応：Ｈ₂→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ （１）
陰極（カソード）反応：２Ｈ^＋＋２ｅ⁻＋（１／２）Ｏ_２ → Ｈ_２Ｏ（２）
陽極に供給する燃料ガスは、水素貯蔵装置から直接供給する方法や、水素を含有する燃料を改質し、この改質した水素含有ガスを供給する方法が知られている。水素貯蔵装置としては、高圧ガスタンク、液化水素タンク、水素吸蔵合金タンクなどがある。水素を含有する燃料としては、天然ガス、メタノール、ガソリンなどが考えられる。陰極に供給する酸化剤ガスとしては、一般的に空気を利用している。
【０００４】
上記した燃料電池において、各電極に反応ガスを流し、またガスおよび冷却水などの分離を行うセパレータが使用されることは公知であり、またセパレータの面上には凹凸構造の複雑なガス流路（冷却水の場合は冷却流路）が施されていることも既に公知である。
【０００５】
その一例として、例えば特許文献１に記載されたものがある。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−５２７２３号公報
これはガス流路の本数を、上流から下流にかけて減少させることで、反応ガスの分圧を上げ発電性能を改善しようとするものでもある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、セパレータ上に設けたガス流路は、非常に複雑なレイアウトであることが多く、隣接するガス流路での流れ方向が逆向きであったり、上流と下流のガス流路が隣接していたりする場合がある。このため、反応ガスが設計どおりのガス流路に沿って流れずに、特にガス流路でのガス流れ方向が変化する部位において、反応ガスが、隣接するガス流路相互を隔てる凸部を乗り越えて、隣接するガス流路へ流れてしまう場合がある。そのため、発電面全体を有効に利用することができず、発電性能が低下するという問題がある。
【０００８】
そこで、この発明は、反応ガスの隣接するガス流路への短絡流れを防止することで、セパレータ面内を効率よく利用し、発電性能を向上させることを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、この発明は、電解質膜の両側に一対の電極を設け、この電極のさらに外側に位置し、反応ガスを供給するガス流路を前記電極に対向する面に備えた燃料電池セパレータにおいて、前記ガス流路は複数のものが一組になって流路束を構成し、このガス流路束の前記複数のガス流路は、前記反応ガスの流れ方向が変化する部位が、その上流側および下流側に対し流路断面積が変化し、前記ガス流路束の複数のガス流路は、前記流れ方向が変化する部位の流路断面積が、他の部位の流路断面積に比べて大きくなっている構成としてある。
【００１０】
【発明の効果】
この発明によれば、複数のガス流路におけるガス流れ方向が変化する部位の流路断面積を、その上流側および下流側に対して変化させるようにしたので、ガス流れ方向が変化する部位での反応ガスの流速を制御することができ、反応ガスがガス流路相互を隔てる凸部を乗り越えて隣接するガス流路へ流れ込むのを防止することができ、セパレータ面内を効率よく利用して、発電性能を向上させることができる。
また、複数のガス流路の流れ方向が変わる部位においてその流路断面積を大きくすることにより、反応ガスの流速がその上流側および下流側に比べて低下するので、反応ガスが隣接するガス流路へ流れることを確実に防止することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【００１２】
図１は、燃料電池の基本構成を示す分解斜視図で、電解質膜１をアノード側電極３とカソード側電極５で挟み、そのさらに両側に、アノード側セパレータ７およびカソード側セパレータ９をそれぞれ配置し、これらによって単位セル１１を構成する。そして、通常はこの単位セル１１を複数積層して燃料電池スタックとして使用する。
【００１３】
アノード側セパレータ７のアノード側電極３には、燃料ガスを供給する燃料ガス流路７ａを備え、カソード側セパレータ９のカソード側電極５には、酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路９ａを備えている。これら燃料ガス流路７ａと酸化剤ガス流路９ａとは、互いに直交する方向に形成してある。
【００１４】
また、各セパレータ７，９の各電極３，５と反対側の面には、冷却水流路７ｂ，９ｂをそれぞれ設けてある。
【００１５】
図２は、後述する本発明の各実施形態に適用するセパレータ１３のガス流路１５を設けた側を示す平面図である。上記したセパレータ１３は、図２中で左下角部と同右上角部との間を、複数（ここでは７本）のガス流路１５が一組になって図中で左右に蛇行する流路束１６を備える、いわゆるサーペンタイン流路としてある。
【００１６】
なお、上記したセパレータ１３は、前記図１に示した基本構成の燃料電池におけるアノード側セパレータ７およびカソード側セパレータ９の少なくともいずれかに適用できるが、ここではアノード側セパレータとして説明する。
【００１７】
ガス流路１５の流路幅は１．２ｍｍ、隣接するガス流路１５相互を隔てる凸部（リブ）１７の幅も１．２ｍｍとする。また、ガス流路１５が屈曲する部分の角部は、半径０．６ｍｍの曲面に統一している。なお、このセパレータ１３は、等方性黒鉛材に樹脂含浸を施した２５０ｍｍ×１５０ｍｍの矩形状で２．５ｍｍの板厚の平板に、ガス流路１５となる部分を切削加工したものを用いている。図２では、流路本数を７本としているが、実際にはさらに多数あり、流路本数を省略している。
【００１８】
セパレータ１３の図２中で左下角部には単位セル１１の積層方向に貫通する燃料ガス入口マニホールド１９を、同右上角部には単位セル１１の積層方向に貫通する燃料ガス出口マニホールド２１を、それぞれ上記したガス流路１５に連通するよう設けてある。
【００１９】
また、セパレータ１３の図２中で右下角部には単位セル１１の積層方向に貫通する酸化剤ガス入口マニホールド２３を、同左上角部には単位セル１１の積層方向に貫通する酸化剤ガス出口マニホールド２５を、それぞれ設けてある。これら各酸化剤ガス入口マニホールド２３および酸化剤ガス出口マニホールド２５は、図示しないアノード側セパレータのガス流路の両端部に、それぞれ連通する。
【００２０】
セパレータ１３の図２中で左右両側の中央には、単位セル１１の積層方向に貫通する冷却水入口マニホールド２７および冷却水出口マニホールド２９をそれぞれ設けてある。これら各冷却水入口マニホールド２７および冷却水出口マニホールド２９は、セパレータのガス流路と反対側に形成してある冷却水流路に連通する。
【００２１】
図３は、この発明の第１の実施形態を示している。図３（ａ）は、図２におけるＡ部、すなわち反応ガスの流れ方向が変化する部位となる折り返し部を拡大して示している。この実施形態では、上記した折り返し部において、矢印で示すガス流れ方向に沿って、各ガス流路１５での位置ａから位置ｄにかけて流路深さを変化させている。図３（ｂ）は、折り返し部におけるガス流れに沿った位置ａ〜位置ｄまでと、各位置における流路深さとの関係を、実線で示している。
【００２２】
これによれば、Ａ部における位置ａ〜ｂまでの区間では徐々に深くし、位置ｂ〜ｃの区間を同一深さとして最も深くしている。また、位置ｃ〜ｄまでの区間は、位置ａ〜ｂまでの区間とは逆に徐々に浅くし、位置ｄの深さを位置ａと同じにしている。
【００２３】
ガス流路１５を掘り下げる量は、セパレータ１３自身の余肉厚みに依存するが、ガス流路１５を堀下げていった場合、反応ガスのセパレータ裏面への透過が発生しないことを補償できるところまでであることが望ましい。本実施形態では、位置ａ，ｄに対し、最深部の位置ｂ，ｃの深さを２倍としている。
【００２４】
上記した構成とすることにより、ガス流路１５は、反応ガスの流れ方向が変化する部位Ａが、その上流側および下流側に対し流路断面積が変化していることになり、また他の部位に比べて流路断面積が大きくなっていることになる。
【００２５】
図３（ｂ）における破線は、ガス流路の深さを変化させない例を示し、これを比較例１とする。
【００２６】
上記した第１の実施形態によれば、ガス流路１５でのガス流れ方向が変化する部位において、流路断面積を変化させるようにしたので、ガス流路の流路断面積を変化させない比較例１に対し、反応ガスの流速を制御することができ、反応ガスがガス流路１５相互を隔てる凸部１７を乗り越えて隣接するガス流路１５へ流れ込むのを防止することができる。これにより、セパレータ面内を効率よく利用して、燃料電池として発電性能を向上させることができる。
【００２７】
そして、ガス流路１５の流れ方向が変わる部位においてその流路断面積を大きくすることにより、反応ガスの流速がその上流側および下流側に比べて低下するので、反応ガスが凸部１７を乗り越えて隣接するガス流路１５へ流れることを確実に防止することができる。特に、上記した第１の実施形態のように、ガス流路１５の深さを徐々に変化させることで、ガス流速をスムーズに変化させ、またカソード側においては生成水を無理なく排除できる。
【００２８】
図４は、この発明の第２の実施形態を示している。図４（ａ）は、図３に示した第１の実施形態と同様に、図２におけるＡ部、すなわちガス流れ方向が変化する折り返し部を拡大して示している。この実施形態では、上記した折り返し部において、矢印で示すガス流れ方向に沿って、各ガス流路１５での位置ａから位置ｄにかけて流路幅を変化させている。図４（ｂ）は、折り返し部におけるガス流れに沿った位置ａ〜位置ｄまでと、各位置における流路幅との関係を、実線で示している。
【００２９】
これによれば、Ａ部における位置ａ〜ｂまでの区間では徐々に幅を広くし、位置ｂ〜ｃの区間を同一幅として最も幅広にしている。また、位置ｃ〜ｄまでの区間は、位置ａ〜ｂまでの区間とは逆に徐々に幅を狭くし、位置ｄの幅を位置ａと同じにしている。
【００３０】
図４（ｂ）における破線は、ガス流路の幅を変化させない例を示し、これを比較例２とする。
【００３１】
上記した第２の実施形態においても、ガス流路１５でのガス流れ方向が変化する部位において、流路断面積を変化させるようにしたので、ガス流路の幅を変化させない比較例２に対し、反応ガスの流速を制御することができ、前記図３に示した第１の実施形態と同様な効果を得ることができる。
【００３２】
なお、上記した折り返し部におけるガス流路１５の形状を、第１の実施形態と第２の実施形態とを組み合わせたものとしてもよい。すなわち、折り返し部において、ガス流路１５のガス流れ方向に沿って、図３のように流路深さを変化させるとともに、図４のように流路幅をを変化させる。これにより、反応ガスの流速をより的確に制御することができる。
【００３３】
すなわち、ガス流路１５の流路断面積の変化は、ガス流路１５の深さおよび幅の少なくとも一方を変化させることによって達成することができる。そして、深さだけを変化させる場合には、流路幅を変える必要がなく、結果として流路デザインの決定が容易になる。一方、流路幅のみによって流路断面積の調整を行う場合には、セパレータ自身の厚みを薄くすることができる。
【００３４】
図５は、この発明の第３の実施形態を示している。図５（ａ）は、図２におけるガス流れ方向が変化するＢ部を拡大して示し、図５（ｂ）は、図２におけるガス流れ方向が変化するＣ部を拡大して示している。
【００３５】
この実施形態は、ガス流れの図５中で下部側に位置する上流側と、同上部側に位置する下流側とを隔てる中央の凸部１７ａの幅を、図５（ａ）のＢ部に比べ図５（ｂ）のＣ部で大きくしている。すなわち、Ｂ部の幅をＨｂ、Ｃ部の幅をＨｃとすると、Ｈｂ＜Ｈｃである。
【００３６】
つまり、ガス流れ方向が変化する部位のうち、その上流側と下流側との間の流れ方向の距離が近い部位（Ｂ部）でのガス流路１５相互を隔てる凸部１７ａの幅Ｈｂよりも、同上流側と下流側との間の流れ方向の距離が離れている部位（Ｃ部）でのガス流路１５相互を隔てる凸部１７ａの幅Ｈｃを、大きくしている。
【００３７】
これは、凸部１７ａを隔てて隣接するガス流路１５相互間の圧力差が、Ｂ部よりもＣ部の方が大きいので、Ｃ部の凸部１７ａの幅を大きくすることで、隣接するガス流路１５へ流れ込むことを効果的に抑制できる。
【００３８】
なお、Ｂ部とＣ部との凸部１７ａの幅の変更は、もともとの凸部１７の幅や供給する反応ガスの最大流量などによって適宜変更可能であるが、もともとの凸部１７の幅が０．５〜２ｍｍの範囲においては、Ｃ部のＢ部に対する拡大量は３倍程度までが好ましい。３倍を超えると、凸部１７の上に配置するガス拡散層（電極）上への反応ガスの拡散が律速するために、この部分に配置される電解質膜を効率よく使用できなくなる恐れがある。
【００３９】
また、第４の実施形態として、前記図５に示した第３の実施形態における中央の凸部１７ａの図５中で上下両側のガス流路１５を、図５（ａ）に示すＢ部よりも図５（ｂ）に示すＣ部で大きくする。
【００４０】
すなわち、第４の実施形態では、ガス流れ方向が変化するガス流路１５のうち、その上流側と下流側との間の流れ方向の距離が近い部位（Ｂ部）での流路断面積より、同上流側と下流側との間の流れ方向の距離が離れている部位（Ｃ部）での流路断面積を大きくしている。
【００４１】
つまり、凸部１７ａを隔てて隣接するガス流路１５相互間の圧力差がＢ部よりもＣ部の方が大きいので、Ｂ部よりもＣ部の流路断面積を大きくすることにより、隣接するガス流路１５への反応ガスの流れ込みを抑制することができる。
【００４２】
図６は、この発明の第５の実施形態を示している。図６に示すガス流路の形態は、前記図２に示したセパレータ１３には存在しないが、複数のガス流路１５Ａが一組になって蛇行するガス流路束３１を複数（ここでは２つ）有し、この各ガス流路束３１相互間に位置する凸部３３の幅Ｈを、他の部分の凸部１７Ｂの幅Ｈ_１や凸部１７Ｃの幅Ｈ_２より大きくしている。
【００４３】
この実施形態での凸部３３の幅の拡大量は、前記図５に示した第３の実施形態と同様の理由で、もともとの凸部１７Ｂの幅が０．５〜２ｍｍの範囲においては、凸部１７Ｂの３倍程度までが好ましく、１．５倍程度が好適である。
【００４４】
上記した第５の実施形態によれば、凸部３３を隔てて互いに隣接するガス流路束３１相互間の圧力差が大きい場合にも、反応ガスが隣接する流路束３１へ流れ込むことを効果的に抑制できる。
【００４５】
次に、この発明の第６の実施形態について説明する。この実施形態は、前記図２に示したセパレータ１３におけるガス流路１５の流れ方向が変化する折り返し部のうち、ガス流れの上流側から下流側の順、すなわち図２において、Ｄ部，Ｅ部（Ｂ部に相当），Ｆ部，Ｇ部（Ａ部に相当）の順に、ガス流路１５の流路断面積を次第に増大させている。
【００４６】
つまり、前記図３に示した流路深さや図４に示した流路幅の、位置ａからｂおよび、位置ｃからｄの各変化量を、上流側のＤ部で小さく、下流側のＧ部ほど大きくしている。
【００４７】
ここで、上記した第６の実施形態によるセパレータ１３を、カソード側に配置し、アノード側セパレータとして、ガス流路の深さや幅を変化させない前記図３（ｂ）および図４（ｂ）に示した破線の比較例１または比較例２によるセパレータ（全体のガス流路デザインは、図２のセパレータ１３と同じ）を用い、反応ガスを、アノード側とカソード側とで互いに逆方向となる関係（カウンターフロー）で供給させて発電を行う。
【００４８】
ガス流路１５におけるガス流れ方向が変化する部位での流路断面積の変化は、図３の第１の実施形態に従って、ガス流路１５の深さのみを、上流側からＤ部→Ｅ部→Ｆ部→Ｇ部の順に、２５％ずつ深くなるように設定し、最下流のＧ部の最深部（位置ｂ〜ｃ）の深さが、深さを変化させない他の部位に対し、２倍になるようにする。
【００４９】
一方、前記した比較例１や比較例２によるセパレータ、すなわちガス流路深さや幅を変化させないセパレータを、アノード側およびカソード側の両セパレータに使用したものを比較例３とし、この比較例３を用いて発電を行う。
【００５０】
その結果、前記した第６の実施形態では、比較例３に対し、反応ガスが凸部１７を乗り越える短絡的なガス流れを効果的に抑制してセパレータ１３の全面を有効活用でき、図７に示すように、電流密度とセル電圧との関係を示すＩ−Ｖ特性が、比較例３に比べて優位なものとなる。
【００５１】
また、上記第６の実施形態を適用したカソード側では、ガス流路上流から下流に向けて電気化学反応による生成水が増加するが、第６の実施形態のように、下流側のガス流路の流れ方向が変わる部位の流路断面積を上流側に比べて大きくすることで、生成水による流路閉塞を緩和することができる。
【００５２】
次に、この発明の第７の実施形態について説明する。この実施形態は、前記第６の実施形態によるガス流路の形状をアノード側セパレータに適用し、さらにこのアノード側セパレータにおける反応ガス（水素）の流れを、Ｇ部→Ｆ部→Ｅ部→Ｄ部の順となるよう第５の実施形態とは逆に設定し、これに合わせてカソード側ガス（空気）の流れも、アノード側ガスの流れに対してカウンターフローとなるよう設定する。
【００５３】
この第７の実施形態においても、前記第６の実施形態と同様に、反応ガスが凸部１７を乗り越える短絡的なガス流れを抑制してセパレータの全面を有効活用でき、前記図７に示すＩ−Ｖ特性が、比較例３に比べて優位なものとなる。
【００５４】
また、上記第７の実施形態では、本実施形態を適用したアノード側の反応ガスである水素の分圧が下流に行くほど低下するのに合わせてガス流路の流路断面積が小さくなる（上流側の水素分圧が高い部位の流路断面積を下流側に比べて大きくする）ので、ガス流路全体としての圧力損失を少なくでき、結果として発電性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料電池の基本構成を示す分解斜視図である。
【図２】この発明の各実施形態に適用するセパレータのガス流路を示す平面図である。
【図３】この発明の第１の実施形態を示すもので、（ａ）は図２におけるＡ部の拡大図、（ｂ）はＡ部におけるガス流れに沿った各位置と流路深さとの相関図である。
【図４】この発明の第２の実施形態を示すもので、（ａ）は図２におけるＡ部の拡大図、（ｂ）はＡ部におけるガス流れに沿った各位置と流路幅との相関図である。
【図５】この発明の第３の実施形態を示すもので、（ａ）は図２におけるＢ部の拡大図、（ｂ）は図２におけるＣ部の拡大図である。
【図６】この発明の第５の実施形態に係わるガス流路形状を示す平面図である。
【図７】電流密度と電圧との関係を示すＩ−Ｖ特性図である。
【符号の説明】
１電解質膜
３アノード側電極
５カソード側電極
７アノード側セパレータ
９カソード側セパレータ
１３セパレータ
１５，１５Ａガス流路
１７ａ凸部
３１ガス流路束
３３ガス流路束相互間に位置する凸部
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ反応ガスの流れ方向が変化する部位

Claims

電解質膜の両側に一対の電極を設け、この電極のさらに外側に位置し、反応ガスを供給するガス流路を前記電極に対向する面に備えた燃料電池セパレータにおいて、前記ガス流路は複数のものが一組になって流路束を構成し、このガス流路束の前記複数のガス流路は、前記反応ガスの流れ方向が変化する部位が、その上流側および下流側に対し流路断面積が変化し、前記ガス流路束の複数のガス流路は、前記流れ方向が変化する部位の流路断面積が、他の部位の流路断面積に比べて大きくなっていることを特徴とする燃料電池セパレータ。
前記流れ方向が変化する部位における上流側は、下流に向けて流路断面積が徐々に増加し、前記流れ方向が変化する部位における下流側は、下流に向けて流路断面積が徐々に減少することを特徴とする請求項１記載の燃料電池セパレータ。
電解質膜の両側に一対の電極を設け、この電極のさらに外側に位置し、反応ガスを供給するガス流路を前記電極に対向する面に備えた燃料電池セパレータにおいて、前記ガス流路は、前記反応ガスの流れ方向が変化する部位が、その上流側および下流側に対し流路断面積が変化し、前記流れ方向が変化する部位における上流側は、下流に向けて流路断面積が徐々に増加し、前記流れ方向が変化する部位における下流側は、下流に向けて流路断面積が徐々に減少することを特徴とする燃料電池セパレータ。
前記流路断面積の変化は、前記ガス流路の深さと幅の少なくとも一方によるものであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の燃料電池セパレータ。
前記ガス流路は、前記一対の電極のうちのカソード側電極に対応するものであり、このカソード側ガス流路の流れ方向が変化する部位を複数備え、この複数部位の各流路断面積は、下流側のものほど大きくなっていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の燃料電池セパレータ。
前記ガス流路は、前記一対の電極のうちのアノード側電極に対応するものであり、このアノード側ガス流路の流れ方向が変化する部位を複数備え、この複数部位の各流路断面積は、下流側のものほど小さくなっていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の燃料電池セパレータ。
前記流れ方向が変化する部位のうち、この変化する部位における上流側と下流側との間の流れ方向の距離が近い部位での流路断面積より、同上流側と下流側との間の流れ方向の距離が離れている部位での流路断面積を大きくすることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の燃料電池セパレータ。
前記ガス流路での反応ガスの流れ方向が変化する部位のうち、この変化する部位における上流側と下流側との間の流れ方向の距離が近い部位でのガス流路相互を隔てる凸部の幅より、同上流側と下流側との間の流れ方向の距離が離れている部位でのガス流路相互を隔てる凸部の幅を、大きくすることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の燃料電池セパレータ。