JP5016228B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、電解質の両側にアノード側電極及びカソード側電極が設けられた電解質・電極構造体と、セパレータとが積層される燃料電池に関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒（電極触媒層）と多孔質カーボン（拡散層）からなるアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持する発電セル（単位セル）により構成されている。通常、燃料電池では、この発電セルを所定の数だけ積層した燃料電池スタックが使用されている。

上記の燃料電池では、セパレータとして、例えば、薄板状の金属プレートで構成される金属セパレータが使用される場合がある。この金属セパレータでは、プレス加工によって一方の面に反応ガス流路（燃料ガス流路又は酸化剤ガス流路）が形成されると、他方の面には、前記反応ガス流路の形状により決定された冷却媒体流路（又は他の反応ガス流路）が形成されることになる。このため、反応ガス流路の形状によっては、冷却媒体流路に沿って冷却媒体を良好に流すことができないという問題がある。

そこで、特許文献１に開示されている燃料電池では、電解質・電極接合体を挟持する第１及び第２セパレータは、燃料ガス及び酸化剤ガスを流通させるための中空部を有する長尺な第１及び第２中空状凸部を有し、前記第１中空状凸部と前記第２中空状凸部との頂面同士が一部離間することによって、冷却媒体を流通させる空間が形成されている。

このような構成により、互いに隣接した単位セル同士の間に、スペーサ等を使用することなく冷却水を流通させることができ、軽量且つ小型ながらも冷却効率に優れた燃料電池とすることが可能になる。

特開２００３−３３８３００号公報（図４）

本発明はこの種の燃料電池に関するものであり、特にセパレータ面内での冷却媒体の流量制御を容易且つ確実に行うことができ、冷却効率を一層向上させることが可能な燃料電池を提供することを目的とする。

本発明は、電解質の両側にアノード側電極及びカソード側電極が設けられた電解質・電極構造体と、１又は２以上のセパレータとが交互に積層される燃料電池に関するものである。

２以上のセパレータは、積層方向に互いに重なり合う第１及び第２セパレータを有し、前記第１セパレータは、アノード側電極に供給される燃料ガスを流通させる複数の燃料ガス流路用第１凹部を設けるとともに、前記第１凹部の裏面側には、長尺な屈曲乃至湾曲する第１凸状部が形成されている。第２セパレータは、カソード側電極に供給される酸化剤ガスを流通させる複数の酸化剤ガス流路用第２凹部を設けるとともに、前記第２凹部の裏面側には、第１凸状部に対向し且つ該第１凸状部と同一方向に延在する長尺な屈曲乃至湾曲する第２凸状部が形成されている。

そして、第１凸状部の第１頂面と第２凸状部の第２頂面とは、互いに離間してセパレータ面方向に冷却媒体を流通させる冷却媒体流路を設けるための離間部と、所定の長さにわたって互いに積層方向に接触し、前記冷却媒体流路の流れ方向に沿う前記冷却媒体の流通を阻止する封止領域を形成するための連続接触部とを構成している。

また、第１及び第２凸状部は、連続して異なる方向に交互に屈曲する第１及び第２屈曲部を有し、離間部では、前記第１及び第２屈曲部の振幅と長さとが同一で且つ位相が相違するとともに、連続接触部では、前記第１及び第２屈曲部の位相が一致することが好ましい。

本発明によれば、冷却媒体流路内には、連続接触部を介して冷却媒体の流通を阻止する封止領域が形成されるため、前記冷却媒体流路は、実質的に、複数の流路部に分割される。従って、例えば、冷却媒体流路内の特定流路部の流量のみを変更することができる。これにより、セパレータ面内における冷却媒体の流量制御が容易且つ確実に遂行され、前記セパレータ面内での温度分布が良好に制御されるとともに、冷却効率を一層向上させることが可能になる。

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池１０の概略斜視説明図であり、図２は、前記燃料電池１０を構成する発電セル１２の要部分解斜視図である。

燃料電池１０は、複数の発電セル１２を矢印Ａ方向に積層した積層体１４を備える。積層体１４の積層方向両端には、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂ、絶縁プレート１８ａ、１８ｂ及びエンドプレート２０ａ、２０ｂが配設されており、前記エンドプレート２０ａ、２０ｂ間には、所定の締め付け荷重が付与されている。なお、燃料電池１０は、積層体１４を図示しない箱状のケーシング内に収容して構成してもよい。

図２に示すように、発電セル１２は、電解質膜（電解質）・電極構造体２２と、前記電解質膜・電極構造体２２を挟持する第１及び第２セパレータ２４、２６とを備える。第１及び第２セパレータ２４、２６は、縦長の金属製プレートで構成されている。

発電セル１２の矢印Ｃ方向の一端縁部（上端縁部）には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔３０ａ、及び燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔３２ａが、矢印Ｂ方向に配列して設けられる。

発電セル１２の矢印Ｃ方向の他端縁部（下端縁部）には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔３０ｂ、及び燃料ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔３２ｂが、矢印Ｂ方向に配列して設けられる。

発電セル１２の矢印Ｂ方向の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、冷却媒体を供給するための４つの冷却媒体供給連通孔３４ａが矢印Ｃ方向に配列して設けられる。発電セル１２の矢印Ｂ方向の他端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、冷却媒体を排出するための４つの冷却媒体排出連通孔３４ｂが矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

電解質膜・電極構造体２２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜３６と、該固体高分子電解質膜３６を挟持するアノード側電極３８及びカソード側電極４０とを備える。

アノード側電極３８及びカソード側電極４０は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布して形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜３６の両面に形成される。

図３に示すように、第１セパレータ２４の電解質膜・電極構造体２２側の面２４ａには、燃料ガス供給連通孔３２ａと燃料ガス排出連通孔３２ｂとに連通する燃料ガス流路４２が形成される。

燃料ガス流路４２は、左右に交互に屈曲して、すなわち、ジグザグに矢印Ｃ方向に蛇行して延在する複数の燃料ガス流路溝（第１凹部）４２ａを有する。燃料ガス流路４２の裏面側には、すなわち、第１セパレータ２４の面２４ｂ側には、各燃料ガス流路溝４２ａを設けることによって、前記面２４ｂ側に突出する長尺な屈曲（又は湾曲）する第１凸状部４４が形成される（図２参照）。図４に示すように、各第１凸状部４４の第１頂面４４ａは、ジグザグに形成されるとともに、第１セパレータ２４の面２４ｂと平行にして設けられる。各第１頂面４４ａは、一方の山部間が全て長さＨ１に設定される。

図２に示すように、第２セパレータ２６の電解質膜・電極構造体２２側の面２６ａには、酸化剤ガス供給連通孔３０ａと酸化剤ガス排出連通孔３０ｂとに連通する酸化剤ガス流路４６が形成される。酸化剤ガス流路４６は、左右に交互に屈曲して、すなわち、ジグザグに矢印Ｃ方向に延在する蛇行流路である複数の酸化剤ガス流路溝（第２凹部）４６ａを有する。

各酸化剤ガス流路溝４６ａの裏面側には、すなわち、図５に示すように、第２セパレータ２６の面２６ｂ側には、矢印Ｃ方向に長尺な屈曲（又は湾曲）する第２凸状部４８が形成される。第２凸状部４８の第２頂面４８ａは、第２セパレータ２６の面２６ｂから突出し且つこの面２６ａに平行に形成される（図４参照）。

各第２頂面４８ａは、矢印Ｃ方向に向かって左右方向（矢印Ａ方向）に交互に屈曲するとともに、一方の山部間には、長さＨ１を有する領域と、長さＨ２（＝２×Ｈ１）を有する領域とが設けられる。長さＨ１を有する領域は、矢印Ａ方向に沿って冷却媒体供給連通孔３４ａ及び冷却媒体排出連通孔３４ｂの開口幅寸法に対応する一方、長さＨ２を有する領域は、前記冷却媒体供給連通孔３４ａ間及び前記冷却媒体排出連通孔３４ｂ間に対応している。

第２頂面４８ａの長さＨ１に対応する領域では、前記第２頂面４８ａの振幅及び長さＨ１が第１凸状部４４の第１頂面４４ａの振幅及び長さＨ１と同一で且つ位相が反転しており、離間部５０を構成する。第２頂面４８ａの長さＨ２を有する領域では、第１頂面４４ａの位相と一致して互いに接触しており、連続接触部５２を構成する。

第１セパレータ２４の面２４ａ、２４ｂには、この第１セパレータ２４の外周端縁部を周回して第１シール部材５３ａが一体成形される。第２セパレータ２６の面２６ａ、２６ｂには、この第２セパレータ２６の外周端縁部を周回して第２シール部材５３ｂが一体成形される。

そこで、一方の発電セル１２を構成する第１セパレータ２４と、他方の発電セル１２を構成する第２セパレータ２６とは、互いに重なり合うことにより、第１及び第２凸状部４４、４８の第１及び第２頂面４４ａ、４８ａが互いに離間して、すなわち、離間部５０が設けられる。この離間部５０に対応して、セパレータ面方向に冷却媒体を流通させる冷却媒体流路５４が設けられる。

また、第１及び第２頂面４４ａ、４８ａ同士が所定の長さにわたって互いに積層方向に接触する領域、すなわち、連続接触部５２が設けられる。この連続接触部５２では、冷却媒体流路５４の流れ方向に沿う冷却媒体の流通を阻止する封止領域が構成される。

このように構成される燃料電池１０の動作について、以下に説明する。

燃料電池１０内には、空気等の酸素含有ガスである酸化剤ガス、水素含有ガス等の燃料ガス、及び純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。このため、図２に示すように、酸化剤ガス供給連通孔３０ａから第２セパレータ２６の酸化剤ガス流路４６に酸化剤ガスが導入され、この酸化剤ガスが各酸化剤ガス流路溝４６ａをジグザグに流れることにより、電解質膜・電極構造体２２を構成するカソード側電極４０に沿って鉛直下方向に移動する。

一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔３２ａから第１セパレータ２４の燃料ガス流路４２に導入される。図３に示すように、燃料ガスは、各燃料ガス流路溝４２ａをジグザグに流れることにより、電解質膜・電極構造体２２を構成するアノード側電極３８に沿って鉛直下方向に移動する。従って、電解質膜・電極構造体２２では、カソード側電極４０に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３８に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。

カソード側電極４０に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔３０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、アノード側電極３８に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔３２ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

また、冷却媒体供給連通孔３４ａに供給された冷却媒体は、第１及び第２セパレータ２４、２６間の冷却媒体流路５４に導入された後、矢印Ｂ方向に沿って流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体２２を冷却した後、冷却媒体排出連通孔３４ｂから排出される。

この場合、本実施形態では、図４に示すように、第１凸状部４４の第１頂面４４ａと第２凸状部４８の第２頂面４８ａとは、離間部５０に対応して互いに位相を反転させることにより、セパレータ面方向に冷却媒体を流通させる冷却媒体流路５４が設けられている。

一方、各冷却媒体供給連通孔３４ａ間及び各冷却媒体排出連通孔３４ｂ間には、第１及び第２頂面４４ａ、４８ａが所定の長さＨ１にわたって互いに積層方向に接触し、連続接触部５２を設けている。このため、冷却媒体流路５４は、実質的に４つの冷却媒体流路部５４ａ、５４ｂ、５４ｃ及び５４ｄに分割されている。

従って、冷却媒体流路５４内の特定流路部、例えば、冷却媒体流路部５４ａの流量を、他の冷却媒体流路部５４ｂ〜５４ｄの流量よりも多く設定することができ、特に発熱が著しい酸化剤ガス供給連通孔３０ａ及び燃料ガス供給連通孔３２ａの近傍を効果的に冷却することが可能になる。これにより、セパレータ面内における冷却媒体の流量制御が容易且つ確実に遂行され、前記セパレータ面内での温度分布が良好に制御されるとともに、冷却効率を一層向上させることができるという効果が得られる。

なお、本実施形態では、発電セル１２が電解質膜・電極構造体２２と第１及び第２セパレータ２４、２６とを備え、各発電セル１２同士が積層されることにより、前記電解質膜・電極構造体２２間には、２枚のセパレータである第１及び第２で２４、２６が介装されている。すなわち、各電解質膜・電極構造体２２間には、冷却媒体流路５４が形成されている。

これに代えて、例えば、電解質膜・電極構造体２２の一方に２枚のセパレータを積層するとともに、前記電解質膜・電極構造体２２の他方に１枚のセパレータを積層してもよい。すなわち、電解質膜・電極構造体２２間には、１つ置きに冷却媒体流路５４が形成される、いわゆる、間引き冷却構造を採用してもよい。

また、第１及び第２凸状部４４、４８は、ジグザグに構成されているが、これに代えて、湾曲に構成してもよい。

本発明の実施形態に係る燃料電池の概略斜視説明図である。 前記燃料電池を構成する発電セルの要部分解斜視図である。 前記発電セルを構成する第１セパレータの正面図である。 前記発電セルを構成する第１及び第２凸状部の斜視説明図である。 前記発電セルを構成する第２セパレータの正面図である。

符号の説明

１０…燃料電池 １２…発電セル
１４…積層体 ２２…電解質膜・電極構造体
２４、２６…セパレータ ３０ａ…酸化剤ガス供給連通孔
３０ｂ…酸化剤ガス排出連通孔 ３２ａ…燃料ガス供給連通孔
３２ｂ…燃料ガス排出連通孔 ３４ａ…冷却媒体供給連通孔
３４ｂ…冷却媒体排出連通孔 ３６…固体高分子電解質膜
３８…アノード側電極 ４０…カソード側電極
４２…燃料ガス流路 ４２ａ…燃料ガス流路溝
４４、４８…凸状部 ４４ａ、４８ａ…頂面
４６…酸化剤ガス流路 ４６ａ…酸化剤ガス流路溝
５０…離間部 ５２…連続接触部
５４…冷却媒体流路

Claims (2)

1. 電解質の両側にアノード側電極及びカソード側電極が設けられた電解質・電極構造体と、セパレータとが交互に積層される燃料電池であって、
   前記セパレータは、少なくとも積層方向に互いに重なり合う第１及び第２セパレータを有し、
   前記第１セパレータは、前記アノード側電極に供給される燃料ガスを流通させる複数の燃料ガス流路用第１凹部を設けるとともに、前記第１凹部の裏面側には、屈曲乃至湾曲を繰り返してジグザグに蛇行する長尺な第１凸状部が形成され、
   前記第２セパレータは、前記カソード側電極に供給される酸化剤ガスを流通させる複数の酸化剤ガス流路用第２凹部を設けるとともに、前記第２凹部の裏面側には、前記第１凸状部に対向し且つ該第１凸状部と同一方向に延在し、屈曲乃至湾曲を繰り返してジグザグに蛇行する長尺な第２凸状部が形成され、
   前記第１凸状部の第１頂面と前記第２凸状部の第２頂面とは、互いに離間してセパレータ面方向で、前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの流通方向と交差する方向に冷却媒体を流通させる冷却媒体流路を設けるための離間部と、
   前記第１凸状部の山部間又は第２凸状部の山部間の全てにわたって前記第１頂面と前記第２頂面とが互いに積層方向に接触し、セパレータ面方向で、前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの流通方向と交差する方向に、前記冷却媒体の流通を阻止する封止領域を形成するための連続接触部と、
   を構成することを特徴とする燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池において、前記第１及び第２凸状部は、連続して異なる方向に交互に屈曲する第１及び第２屈曲部を有し、
   前記離間部では、前記第１及び第２屈曲部の振幅と長さとが同一且つ位相が相違するとともに、
   前記連続接触部では、前記第１及び第２屈曲部の位相が一致することを特徴とする燃料電池。

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