JP4388390B2

JP4388390B2 - 燃料電池用セパレータ

Info

Publication number: JP4388390B2
Application number: JP2004048394A
Authority: JP
Inventors: 輝幸大谷; 保秀福島; 耕爾小谷
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2004-02-24
Filing date: 2004-02-24
Publication date: 2009-12-24
Anticipated expiration: 2024-02-24
Also published as: JP2005243297A

Description

本発明は、固体高分子型等の燃料電池に用いるセパレータに関する。

固体高分子型燃料電池は、平板状の電極構造体（MEA：Membrane Electrode Assembly）の両側にセパレータが積層されたものが１つのセルとされ、複数のセルが積層されて燃料電池スタックとして構成される。電極構造体は、正極（カソード）および負極（アノード）を構成する一対のガス拡散電極の間にイオン交換樹脂等からなる電解質膜が挟まれた三層構造である。ガス拡散電極は、電解質膜に接触する電極触媒層の外側にガス拡散層が形成されたものである。また、セパレータは、電極構造体のガス拡散電極に接触するように積層され、ガス拡散電極との間にガスを流通させるガス流路や冷媒流路が形成されている。このような燃料電池によると、例えば、負極側のガス拡散電極に面するガス流路に燃料である水素ガスを流し、正極側のガス拡散電極に面するガス流路に酸素や空気等の酸化性ガスを流すと電気化学反応が起こり、電気が発生する。

このような燃料電池における上記ガス流路としては、例えば、ガス流路の表面に、反応ガスを供給するガス流路入口から、往路、折り返し部、復路を経て反応ガスを排出するガス流路出口に至るＵ字型のガス流路を２組設け、これら２組のガス流路を、復路部分を重ね合わせて配置することで、結露水の排出性を向上させることを目的としたものが挙げられる（特許文献１参照）。

特開２００２−１５１１０４号公報（請求項１、段落００５０等）

ところで、燃料電池のセパレータに形成されるガス流路や冷媒流路には、流通するガスや、反応によって生じる生成水が、滞留することなく円滑に流通して排出されていく構造が求められる。これは、生成水の排出性の向上により発電時の濃度過電圧の低下が図られ、また、燃料ガスおよび酸化性ガスの滞留防止による反応有効面積の向上や、冷媒の滞留防止による冷却効率の向上が図られるからである。一般に、ガス流路や冷媒流路は、直線と屈曲部が連続するジグザグ状に形成され、ガスや生成水の滞留は特に屈曲部において顕著に生じるものである。上記文献に提示されたガス流路は、ガス流路の下流側では生成水が増加することに対処して、単に復路部分の流路を増加させた構造であり、屈曲部での滞留に関しては改善されないものである。

よって本発明は、ガス流路や冷媒流路の屈曲部におけるガスや冷媒あるいは生成水の滞留を効果的に防止して発電効率の向上が図られる燃料電池用セパレータを提供することを目的としている。

本出願人は、上記流路の屈曲部において生じる滞留の要因を鋭意検討したところ、屈曲部の断面形状によって滞留の程度に変動が生じることを見出し、本発明を達成するに至った。すなわち本発明は、直線部と屈曲部とを有する溝状のガス用および／または冷媒用の流路を備え、該流路の側壁がＲ形状に形成され、積層して使用される燃料電池用セパレータにおいて、流路の前記屈曲部の前記側壁におけるＲの半径ｒ１と、直線部の側壁におけるＲの半径ｒ２とが、以下の式で表される関係を満たすことを特徴としている。
ｒ１／ｒ２≧１．２

本発明の燃料電池用セパレータによれば、ガス流路や冷媒流路の屈曲部の断面形状を適宜に規定することにより、その屈曲部におけるガスや冷媒あるいは生成水の滞留を効果的に防止することができ、その結果、生成水の排出促進、冷却効率の向上効果を得ることができ、もって発電効率の向上が図られる。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。
図１は、一実施形態に係る燃料電池用セパレータ１０の平面を示している。このセパレータ１０は、例えばステンレス鋼板の薄板を矩形状に切り出し、その素材板をプレス成形し、外周縁をトリミングして得られるもので、厚さは例えば０．２ｍｍ程度とされ、その片面側に、燃料ガスや冷媒を流通させる溝状の流路２０が、所定の流路形状に形成されている。セパレータ１０は、間に電極構造体を挟んで１つのセルを構成し、複数のセルが積層されて燃料電池スタックが組み立てられる。セパレータ１０の流路（ここでは流路を燃料ガスが流通するガス流路とする）２０は、図示のごとく直線部２０Ａと屈曲部２０Ｂとを有している。図２はガス流路２０の直線部２０Ａの断面、図３は屈曲部２０Ｂの断面をそれぞれ示している。

ガス流路２０は、図２および図３に示すように、凸条３０の間において、所定の幅の平坦な底部２１と、底部２１の両側に立ち上がる傾斜した側壁２２とによって溝状に形成されている。図２に示すように、直線部２０Ａの断面形状は左右対称で、セパレータ１０の積層方向（一点鎖線で示す）に対する両側の側壁２２の傾斜角度θ２は、例えば３９°とされる。また、側壁２２から凸条３０への移行部はＲ形状に形成され、この部分の内面側のＲ部２３の半径ｒ２は、例えば０．５ｍｍとされる。また、底部２１から側壁２２への移行部もＲ形状に形成され、この部分の内面側のＲ部２４の半径ｒ２’は、例えば０．３５ｍｍとされる。また、他の寸法例として、隣り合う凸条間Ｗは３．８ｍｍとされる。

一方、屈曲部２０Ｂは、図３に示すように、内側側壁２２ａが外側側壁２２ｂよりもなだらかに形成されており、内側側壁２２ａの傾斜角度θ１は、例えば６５°とされる。また、内側側壁２２ａから凸条３０への移行部における内面側のＲ部２５の半径ｒ１は、例えば０．８ｍｍとされる。また、底部２１から内側側壁２２ａへの移行部における内面側のＲ部２６の半径ｒ１’は、例えば０．６５ｍｍとされる。また、隣り合う凸条間３０は、直線部２０Ａと同様に３．８ｍｍとされる。なお、外側側壁２２ｂに関する寸法例は、直線部２０Ａの側壁２２と同様とされる。

ここで、本実施形態では、屈曲部２０Ｂの内側側壁２２ａの傾斜角度θ１と直線部２０Ａの側壁２２の傾斜角度θ２が、以下の式で表される関係を満たしている。
ｓｉｎθ１／ｓｉｎθ２≧１．２
また、本実施形態では、屈曲部２０ＢのＲ部２５の半径ｒ１と直線部２０ＡのＲ部２３の半径ｒ２が、以下の式で表される関係を満たしている。
ｒ１／ｒ２≧１．２

次に、実施例を示して本発明の効果を実証する。
表１に示す成分を有するオーステナイト系ステンレス鋼板を用い、図１に示した形状で、かつ、ガス流路の直線部および屈曲部が表２に示す寸法の２６種類のセパレータ：試料Ｎｏ．１〜２６を必要数製造した。これら試料では、図２で示した直線部２０ＡのＲ部２３の半径ｒ２が０．５ｍｍ、側壁の傾斜角度θ２が３９°で共通しているが、屈曲部２０ＢのＲ部２５と内側側壁２２ａの傾斜角度θ１を変化させ、断面形状を異ならせている。表２には、求めた「ｒ１／ｒ２」と「ｓｉｎθ１／ｓｉｎθ２」の値を併記している。表２に示すように、「ｒ１／ｒ２」が１．２以上を示すものは試料Ｎｏ．６〜１４、Ｎｏ．２４〜２６であり、これら試料Ｎｏ．６〜１４、Ｎｏ．２４〜２６が本発明の実施例であり、Ｎｏ．２０〜２３が参考例である。そして、これら以外の試料Ｎｏ．１〜５およびＮｏ．１５〜１９が、本発明を逸脱する比較例とされる。

試料Ｎｏ．１〜２６のセパレータを用い、同一試料のセパレータと電極構造体とを組み合わせて積層し、複数のセルを積層させた燃料電池スタックを作製した。次に、これら試料Ｎｏ．１〜２６のセパレータを用いた２６種類の燃料電池スタックにつき、電極構造体の負極側に面するガス流路に燃料として水素ガスを流し、正極側に面するガス流路に空気を流して発電させた。その際の発電条件は、ガス流量は両極ともに１００ｋＰａ、利用率５０％、相対湿度５０％、温度は８５℃とした。そして、図１の上流側から下流側に連続するガス流路でのＣ，Ｄ，Ｅ，Ｆで示す箇所におけるガス流路内の温度（℃）、１０００時間発電後のセパレータ内に残留した生成水の重量（ｇ）、０．７Ｖ発電時の発電電流密度（Ａ／ｃｍ^２）を測定した。その結果を表２に併記する。また、ガス流路のＣ，Ｄ，Ｅ，Ｆの箇所での発電時の温度と、上記ｒ１／ｒ２および上記ｓｉｎθ１／ｓｉｎθ２との関係を図４、図５にそれぞれ示す。また、０．７Ｖ発電時の発電電流密度および１０００時間発電後の残留生成水量と、上記ｒ１／ｒ２および上記ｓｉｎθ１／ｓｉｎθ２との関係を図６、図７にそれぞれ示す。さらに、Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆでの測定温度を試料ごとに表すグラフを、図８に示す。なお、図５および図７は参考のためのものである。

表２によれば、上記ｒ１／ｒ２が１．２以上を示す試料Ｎｏ．６〜１４、Ｎｏ．２４〜２６（本発明の実施例）は、他の試料（Ｎｏ．１〜５、Ｎｏ．１５〜１９：比較例）よりも生成水の残量が格段に少なく、かつ、発電電流密度が高かった。これは、図４および図６で明らかである。これらの試料では、図８に示すように、屈曲部のＤ，Ｅでの温度が他の箇所Ｃ，Ｆと同等の温度であり、したがって、屈曲部でのガスの滞留が起こっておらず円滑に流通していることを示している。

本発明の一実施形態に係るセパレータの平面図である。図１のＡ−Ａ’断面図である。図２のＢ−Ｂ’断面図である。実施例で製造したセパレータのｒ１／ｒ２と発電時のガス流路の温度との関係を示すグラフである。実施例で製造したセパレータのｓｉｎθ１／ｓｉｎθ２と発電時のガス流路の温度との関係を示すグラフである。実施例で製造したセパレータのｒ１／ｒ２と発電電流密度および残留生成水量との関係を示すグラフである。実施例で製造したセパレータのｓｉｎθ１／ｓｉｎθ２と発電電流密度および残留生成水量との関係を示すグラフである。実施例で製造したセパレータのガス流路の温度を示すグラフである。

符号の説明

１０…セパレータ、２０…ガス流路、２０Ａ…直線部、２０Ｂ…屈曲部、２２…側壁、
２２ａ…内側側壁、２２ｂ…外側側壁。

Claims

直線部と屈曲部とを有する溝状のガス用および／または冷媒用の流路を備え、該流路の側壁がＲ形状に形成され、積層して使用される燃料電池用セパレータにおいて、
前記流路の前記屈曲部の前記側壁におけるＲの半径ｒ１と、前記直線部の側壁におけるＲの半径ｒ２とが、以下の式で表される関係を満たすことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
ｒ１／ｒ２≧１．２