JP4656841B2

JP4656841B2 - 燃料電池用セパレータ

Info

Publication number: JP4656841B2
Application number: JP2004001583A
Authority: JP
Inventors: 育康加藤; 稔幸鈴木
Original assignee: Nippon Soken Inc; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Soken Inc
Priority date: 2004-01-07
Filing date: 2004-01-07
Publication date: 2011-03-23
Anticipated expiration: 2024-01-07
Also published as: JP2005197069A

Description

本発明は燃料電池用セパレータに関する。

従来、固体高分子電解質型燃料電池では、特開平１１−１８５７７８号公報に開示されているように、または、図１４〜図１７に示すように、電解質膜１、触媒層２、３から構成されるＭＥＡを拡散層４、５を介してセパレータ１０ｓで挟み、単位セル（単セル）が構成される。セパレータ１０ｓは、リブ１７で蛇行形状が形成された蛇行流路１８と、蛇行流路１８内に形成された多数の凸部１９および凸部１９間に形成された格子状の流路２０を有する。リブ１７の幅、高さは各凸部１９の幅、高さに、それぞれ等しい。

図１３、図１７に示すように、入口部１３より供給されたガスは大きな蛇行流路１８を出口部１４へと流れる。なお、図１３において、１１は燃料ガス導入穴、１２は酸化ガス排出穴、１３は酸化ガス導入穴、１４は酸化ガス排出穴、１５、１６は冷却水流路穴である。拡散層４、５は、ガス流路２０から触媒層２、３へのガスの流通、拡散をよくするために用いられるものであるため、大きな蛇行流路１８のＵターン部の上流部、下流部を隔てているリブ１７で押されている拡散層部分でも、ガスは通り抜けることができ、リブ１７を通って、Ｕターン部の上流部からＵターン部の下流部に横切って流れるガス流れが存在する。
特開平１１−１８５７７８号公報

しかし、従来燃料電池においては、発電に必要なガス量に対して十分に余裕のあるガス量を供給すると動力損失が多くなって効率（燃費）が低下し、効率（燃費）をよくするためにガス量を少なくすると、リブ下を通り抜けるガスにより必要なガス量が電池面内全面に行き渡らなくなり、電圧低下を起こしやすくなるという課題がある。

本発明の目的は、リブ下を通り抜けるガス量を抑制でき電池の効率（燃費）を向上させることができる燃料電池用セパレータを提供することにある。

上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
（１）蛇行流路を形成するリブと流路内の複数の凸部とを有する燃料電池用セパレータであって、前記リブが、前記凸部よりも幅と高さの何れか少なくとも一つにおいて、拡大された拡大リブとされており、前記リブの断面形状がリブ伸長方向に一定である燃料電池用セパレータ。
（２）前記リブの幅が前記凸部の幅より大であり、前記リブの高さが前記凸部の高さと等しい（１）記載の燃料電池用セパレータ。
（３）前記リブの高さが前記凸部の高さより高く、前記リブの幅が前記凸部の幅と等しい（１）記載の燃料電池用セパレータ。
（４）前記リブの幅が前記凸部の幅より大であり、前記リブの高さが前記凸部の高さより高い（１）記載の燃料電池用セパレータ。

上記（１）の燃料電池用セパレータによれば、リブを拡大リブとしたので、リブ下を通り抜けるガス量を抑制でき、電池の効率（燃費）を向上させることができる。
上記（１）の燃料電池用セパレータによれば、リブの断面形状をリブ伸長方向に一定としたので、リブの形成が容易である。
上記（２）の燃料電池用セパレータによれば、リブ幅を拡幅したので、リブ下を通り抜けるガス量を抑制でき電池の効率（燃費）を向上させることができる。
上記（３）の燃料電池用セパレータによれば、リブ高さを凸部高さとり大としたので、リブ下を通り抜けるガス量を抑制でき電池の効率（燃費）を向上させることができる。
上記（４）の燃料電池用セパレータによれば、リブ幅を拡幅するとともにリブ高さを大としたので、リブ下を通り抜けるガス量を抑制でき電池の効率（燃費）を向上させることができる。

以下に、本発明の燃料電池の制御方法を図１−図１３を参照して説明する。
図１−図７は本発明の実施例１の燃料電池用セパレータを示し、図８は参考例１の燃料電池用セパレータを示し、図９は参考例２の燃料電池用セパレータを示し、図１０は本発明の実施例２の燃料電池用セパレータを示し、図１１は参考例３の燃料電池用セパレータを示し、図１２は参考例４の燃料電池用セパレータを示し、図１３は本発明の実施例３の燃料電池用セパレータを示す。
本発明の全実施例と参考例に共通する、または類似する部分には、本発明の全実施例と参考例にわたって同じ符号を付してある。

まず、本発明の全実施例と参考例に共通する、または類似する部分の構成と作用、効果を図１−図７を参照して説明する。
本発明で対象となる燃料電池は、たとえば固体高分子電解質型燃料電池である。該燃料電池は、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は、図２に示すように、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータ１０とを有する単位燃料電池（「単電池」、「単セル」ともいう）を積層したものからなる。積層方向は任意である。膜−電極アッセンブリは、イオン交換膜からなる電解質膜（「電解質」ともいう）１とこの電解質膜１の一面に配置された触媒層２からなる電極（アノード）および電解質膜１の他面に配置された触媒層３からなる電極（カソード）とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータ１０との間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層４、５が設けられる。セパレータ１０には、アノードに燃料ガス（水素）を供給するための流路２０（燃料ガス流路２０ｆ）が形成され、カソードに酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための流路２０（酸化ガス流路２０ａ）が形成されている。また、セパレータ１０にはガス流路背面に冷媒（通常、冷却水）を流すための流路２０（冷却水流路２０ｗ）も形成されている。膜−電極アッセンブリとセパレータ１０を重ねてセルを構成し、少なくとも１つのセルからモジュールを構成し、モジュールを積層してセル積層体とし、セル積層体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、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層体の外側でセル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）、ボルト・ナットにて固定して、スタックを構成する。

各セルの、アノード側では、水素を水素イオン（プロトン）と電子にする電離反応が行われ、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、またはセル積層方向一端のセルのアノードで生成した電子が外部回路を通して他端のセルのカソードにくる）から水を生成するつぎの反応が行われる。
アノード側：Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-
カソード側：２Ｈ⁺＋２ｅ^-＋（１／２）Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ

セパレータ１０は、カーボンセパレータ、またはメタルセパレータ、または樹脂フレームと組み合わされたメタルセパレータ、または導電性樹脂セパレータからなる。
セパレータ１０は、その縁部近傍に、燃料ガス導入穴１１、燃料ガス排出穴１２、酸化ガス導入穴１３、酸化ガス排出穴１４、冷却水流路穴１５、１６を有する。セパレータ１０の流路２０（燃料ガス流路２０ｆ、酸化ガス流路２０ａ、冷却水流路２０ｗ）は、セパレータ１０の縁部近傍で囲まれた部分に形成される。
燃料ガスは、燃料ガス導入穴１１から燃料ガス流路２０ｆに入り燃料ガス流路２０ｆから燃料ガス排出穴１２に排出される。
酸化ガスは、酸化ガス導入穴１３から酸化ガス流路２０ａに入り酸化ガス流路２０ａから酸化ガス排出穴１４に排出される。
冷却水は、冷却水流路穴１５、１６から冷却水流路２０ｗに入り冷却水流路２０ｗから冷却水流路穴１６、１５に排出される。

セパレータ１０には、蛇行流路１８を形成するリブ１７と、流路１８内に形成された複数の凸部１９とを有している。複数の凸部１９間はガス流路２０（燃料ガス流路２０ｆまたは酸化ガス流路２０ａ）となっている。
蛇行流路１８はリブ１７の先端まわりでＵターンし、リブ１７は蛇行流路１８のＵターン部の上流側の直線状流路と下流側の直線状流路との間に位置して流路を全体として大きく蛇行させる。セルを積層した燃料電池スタックにおいて、リブ１７の頂面は、ガス拡散層４、５に接触してガス拡散層４、５を押圧し、リブ１７で押された拡散層部分を横切って蛇行流路１８のＵターン部の上流側直線状流路から下流側直線状流路へと流れるガス量を抑制している。リブ１７下の拡散層を流れるガス流を抑制する必要がある理由は、もしもリブ１７下の拡散層を横切ってガスが自由に流れると、ガスがセル面内に均一に流れなくなり、セル面全域で効果的に発電しにくくなり、燃料電池全体としての発電効率が低下するからである。
複数の凸部１９は凸部１９間にガス流路２０（燃料ガス流路２０ｆ、酸化ガス流路２０ａ）を形成している。凸部１９が格子状に設けられている場合は、蛇行流路１８内のガス流路２０は格子状流路となる。凸部１９の頂面は、ガス拡散層４、５に接触し、かつ押圧し、ガス拡散層４、５との導電性を確保している。
凸部１９はセル面内形状が、図示例では、ほぼ正方形である。しかし、凸部１９は、矩形状のみに限られず、円形状や楕円形状等であってもよい。

従来の燃料電池セパレータでは、リブは蛇行流路内の凸部と、幅が同一であり、高さも同一とされていたが、本発明では、リブ１７は、蛇行流路内の凸部１９に比べて、幅と高さの何れか少なくとも一つにおいて、拡大された拡大リブとなっている。
拡大リブの形態は、
（イ）リブ１７の幅が凸部１９の幅より大であり、リブ１７の高さが凸部１９の高さと等しい、
（ロ）リブ１７の高さが凸部１９の高さより高く、リブ１７の幅が凸部１９の幅と等しい、
（ハ）リブ１７の幅が凸部１９の幅より大であり、リブ１７の高さが凸部１９の高さより高い、
の何れかである。

リブ１７の幅を凸部１９の幅より大とする場合は、リブ１７の幅が凸部１９の幅の１．２倍以上、あるいは１．５倍以上、あるいは２倍以上、あるいは３倍以上、あるいは４倍以上である。凸部１９と凸部１９の間のガス流路２０の幅が凸部１９の幅と等しく、リブ１７の幅が凸部１９の幅３倍の場合は、リブ１７の幅は、凸部１９の幅と凹部の流路２０の幅と凸部１９の幅の和に等しい。
リブ１７の高さを凸部１９の高さより大とする場合は、リブ１７の高さが凸部１９の高さの１．０５倍以上、あるいは１．１倍以上、あるいは１．２倍以上、あるいは１．３倍以上、あるいは１．５倍以上である。
リブ１７の幅を凸部１９の幅より大とするともに、リブ１７の高さを凸部１９の高さより大としてもよい。

リブ１７は、本発明の実施例では、リブ伸長方向に一定の断面形状（リブ伸長方向に直交する断面の形状）を有しており、参考例では、リブ伸長方向に断面形状が変化している。
リブ断面形状がリブ伸長方向に変化する場合は、リブ伸長方向に根本部の方が先端部よりも断面が大とされている。その理由は、リブ伸長方向根本部でのガスの横切り量が、リブ伸長方向先端部でのガスの横切り量より多いため、リブ拡散層でのガスの横切りによる発電効率低下への影響が大きいためである。
リブ断面形状がリブ伸長方向に変化する場合は、徐々に変化してもよいし、段階状に変化してもよい。

つぎに、本発明の全実施例と参考例に共通する上記構造による作用、効果を説明する。
本発明の燃料電池用セパレータ１０によれば、リブ１７を拡大リブとしたので、リブ１７でつぶされる拡散層の幅が広くなるか、あるいは、拡散層のつぶれ量が多くなる。その結果、リブ下（リブ１７で押された拡散層部分）を通り抜けるガス流れｑ（図６）の量を、従来のガス下流れｑｓ（図１７）の量に比べて抑制でき、電池の効率（燃費）を向上させることができる。リブ１７が複数本（図６はリブ７が２本の場合を示す）あっても、同じことが言える。
リブ下拡散層を横切るガス流は層流であるため、リブ幅が広くなるとそれにほぼ反比例してリブ下拡散層を横切るガス流量が低下する。
同様に、リブ高さが高くなってリブ１７による拡散層の押しつぶし量が多くなるとそれにほぼ反比例してリブ下拡散層を横切るガス流量が低下する。
また、リブ幅が広くなり、リブ高さが高くなると、それにほぼ反比例してリブ下拡散層を横切るガス流量が低下する。

リブ下拡散層を通り抜けるガスにより発電効率が低下するため、従来は理論上必要なガス量より過剰のガスをセルに供給していた。しかし、本発明では、リブ下拡散層を通り抜けるガス量の低下により、従来に比べて、過剰ガス量を減らすことができ、それだけ、ガス供給駆動動力を低減することができる。
図７は、セル電圧を得るに必要なガス量（ガス過剰率）が従来（Ｂ）に比べて本発明（Ａ）の方が低減していることを確認した試験データを示している。図７は酸化ガスの場合を示しているが、燃料ガスの場合も同じことが言える。

リブ１７の断面形状はリブ伸長方向に一定である。その場合は、リブ１７が、圧縮型や、プレス型によって形成される場合、リブ断面形状をリブ伸長方向に変える場合に比べて、リブ１７の形成が容易である。
リブ１７は、参考例ではその断面形状がリブ伸長方向に変わる。リブ１７が、射出成形で形成される場合は、リブ断面形状をリブ伸長方向に容易に変えることができる。
リブ断面形状をリブ伸長方向に変える場合は、リブ根本部をリブ先端部より断面形状を大としたので、リブ１７の先端の拡大度合いが小さく（それでも、凸部１９に比べて、幅、高さの何れか少なくとも一方が拡大されている）、その分、リブ１７の先端近傍における、リブ拡大による流路２０の減少が少なくなり（リブ１７の拡大によってガスが流れなくなる部分の面積が少なくなり）、発電面積が、拡大リブの幅が一定の場合に比べて大きくなる。したがって、発電効率が高い。
また、リブ伸長方向におけるリブ断面積の変化は、徐変でも段階状でもよいため、セパレータ１０およびその製造型の設計の自由度（選択の自由度）が大きくなる。

つぎに、本発明の各実施例と参考例に特有な構成、作用・効果を説明する。
〔実施例１〕
本発明の実施例１では、図１〜図６に示すように、リブ１７の幅が凸部１９の幅に比べて３倍に拡大されている。リブ１７の幅はリブ伸長方向に一定である。リブ１７の高さは凸部１９の高さと等しい。リブ１７の高さもリブ伸長方向に一定である。
蛇行流路１８は、Ｕターン部を２つ有し、Ｓ字状に蛇行している。
図示例は酸化ガス流路の場合を示すが、燃料ガスの場合もこれに準じる。
本発明の実施例１の作用・効果については、リブ下拡散層を通り抜けるガス量ｑが従来のガス量ｑｓの約１／３となり、発電効率を改善することができる。

〔参考例１〕
参考例１では、図８に示すように、リブ１７の幅はリブ伸長方向に徐々に変化しており、リブ１７の幅が凸部１９の幅に比べて、リブ伸長方向根本部で約３倍に拡大されており、リブ伸長方向先端部では凸部１９の幅とほぼ等しい。リブ１７の高さは凸部１９の高さと等しい。リブ１７の高さはリブ伸長方向に一定である。
蛇行流路１８は、Ｕターン部を２つ有し、Ｓ字状に蛇行している。
図示例は酸化ガス流路の場合を示すが、燃料ガスの場合もこれに準じる。
参考例１の作用・効果については、リブ下拡散層を通り抜けるガス量ｑが従来のガス量ｑｓの２／３となり、発電効率を改善することができる。リブ伸長方向先端部でのリブ幅拡大が実施例１に比べて小さいため、リブ伸長方向先端部近傍で発電面積が実施例１より大きい。

〔参考例２〕
参考例２では、図９に示すように、リブ１７の幅はリブ伸長方向に段階状に変化しており、リブ１７の幅が凸部１９の幅に比べて、リブ伸長方向根本部で約３倍に拡大されており、リブ伸長方向先端部では凸部１９の幅とほぼ等しい。リブ１７の高さは凸部１９の高さと等しい。リブ１７の高さはリブ伸長方向に一定である。
蛇行流路１８は、Ｕターン部を２つ有し、Ｓ字状に蛇行している。
図示例は酸化ガス流路の場合を示すが、燃料ガスの場合もこれに準じる。
参考例２の作用・効果については、リブ下拡散層を通り抜けるガス量ｑが従来のガス量ｑｓの２／３となり、発電効率を改善することができる。リブ伸長方向先端部でのリブ幅拡大が実施例１に比べて小さいため、リブ伸長方向先端部近傍で発電面積が実施例１より大きい。

〔実施例２〕
本発明の実施例２では、図１０に示すように、リブ１７の高さが凸部１９の高さに比べて約１．３倍に拡大されている。リブ１７の高さはリブ伸長方向に一定である。リブ１７の幅は凸部１９の幅と等しい。リブ１７の幅もリブ伸長方向に一定である。
蛇行流路１８は、Ｕターン部を２つ有し、Ｓ字状に蛇行している。
図示例は酸化ガス流路の場合を示すが、燃料ガスの場合もこれに準じる。
本発明の実施例２の作用・効果については、リブ下拡散層を通り抜けるガス量ｑが従来のガス量ｑｓより少なくなり、発電効率を改善することができる。

〔参考例３〕
参考例３では、図１１に示すように、リブ１７の高さはリブ伸長方向に段階状に変化しており、リブ１７の高さが、リブ伸長方向根本部で凸部１９の高さの約１．３倍に拡大されており、リブ伸長方向先端部では凸部１９の高さとほぼ等しい。リブ１７の幅は凸部１９の幅と等しい。リブ１７の幅もリブ伸長方向に一定である。
蛇行流路１８は、Ｕターン部を２つ有し、Ｓ字状に蛇行している。
図示例は酸化ガス流路の場合を示すが、燃料ガスの場合もこれに準じる。
参考例３の作用・効果については、リブ下拡散層を通り抜けるガス量ｑが従来のガス量ｑｓより少なくなり、発電効率を改善することができる。

〔参考例４〕
参考例４では、図１２に示すように、リブ１７の高さはリブ伸長方向に徐々に変化しており、リブ１７の高さが、リブ伸長方向根本部で凸部１９の高さの約１．３倍に拡大されており、リブ伸長方向先端部では凸部１９の高さとほぼ等しい。リブ１７の幅は凸部１９の幅と等しい。リブ１７の幅もリブ伸長方向に一定である。
蛇行流路１８は、Ｕターン部を２つ有し、Ｓ字状に蛇行している。
図示例は酸化ガス流路の場合を示すが、燃料ガスの場合もこれに準じる。
参考例４の作用・効果については、リブ下拡散層を通り抜けるガス量ｑが従来のガス量ｑｓより少なくなり、発電効率を改善することができる。

〔実施例３〕
本発明の実施例３では、図１３に示すように、リブ１７の幅が凸部１９の幅に比べて３倍に拡大されており、リブ１７の高さが凸部１９の高さに比べて約１．３倍に拡大されている。リブ１７の幅、高さはリブ伸長方向に一定である。
蛇行流路１８は、Ｕターン部を２つ有し、Ｓ字状に蛇行している。
図示例は酸化ガス流路の場合を示すが、燃料ガスの場合もこれに準じる。
本発明の実施例３の作用・効果については、リブ下拡散層を通り抜けるガス量ｑが従来のガス量ｑｓの１／３以下となり、発電効率を改善することができる。

本発明の実施例１の燃料電池用セパレータの正面図である。本発明の実施例１〜３と参考例１〜４の燃料電池の単セルの断面図である。図１のＡ−Ａ断面図である。図１のＢ−Ｂ断面図である。本発明におけるリブ下のガス流れを示すリブ近傍の概略断面図である。本発明の実施例１〜３と参考例１〜４の燃料電池のセパレータ全面でのガス流れ概略図である。本発明と参考例の効果確認試験の結果を示す、セル電圧／酸化ガス過剰率のグラフである。参考例１の燃料電池用セパレータの正面図である。参考例２の燃料電池用セパレータの正面図である。本発明の実施例２の燃料電池用セパレータの一部の断面図である。参考例３の燃料電池用セパレータの一部の断面図である。参考例４の燃料電池用セパレータの一部の断面図である。本発明の実施例３の燃料電池用セパレータの一部の断面図である。従来の燃料電池用セパレータの正面図である。図１４のセパレータの一部の断面図である。従来燃料電池におけるリブ下のガス流れを示すリブ近傍の概略断面図である。従来の燃料電池のセパレータ全面でのガス流れ概略図である。

１電解質膜
２（アノード側）触媒層
３（カソード側）触媒層
４拡散層
５拡散層
１０セパレータ
１１燃料ガス導入穴
１２燃料ガス排出穴
１３酸化ガス導入穴
１４酸化ガス排出穴
１５、１６冷却水流路穴
１７リブ（流路形成リブ）
１８蛇行流路
１９凸部（正方形凸部）
２０流路
２０ｆ燃料ガス流路
２０ａ酸化ガス流路
２０ｗ冷却水流路

Claims

蛇行流路を形成するリブと流路内の複数の凸部とを有する燃料電池用セパレータであって、前記リブが、前記凸部よりも幅と高さの何れか少なくとも一つにおいて、拡大された拡大リブとされており、前記リブの断面形状がリブ伸長方向に一定である燃料電池用セパレータ。
前記リブの幅が前記凸部の幅より大であり、前記リブの高さが前記凸部の高さと等しい請求項１記載の燃料電池用セパレータ。
前記リブの高さが前記凸部の高さより高く、前記リブの幅が前記凸部の幅と等しい請求項１記載の燃料電池用セパレータ。
前記リブの幅が前記凸部の幅より大であり、前記リブの高さが前記凸部の高さより高い請求項１記載の燃料電池用セパレータ。