JP5122865B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層され、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成されるとともに、前記反応ガスを積層方向に流通させる反応ガス連通孔が形成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電解質膜（電解質）の両側に、それぞれ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、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の発電セルを積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。

上記の燃料電池では、セパレータの面内に、アノード側電極に燃料ガスを流すための燃料ガス流路（以下、反応ガス流路ともいう）と、カソード側電極に酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路（以下、反応ガス流路ともいう）とが設けられている。さらに、各発電セル毎又は複数の発電セル毎に、冷却媒体を流すための冷却媒体流路がセパレータの面方向に沿って設けられている。

燃料電池は、セパレータの積層方向に貫通する反応ガス連通孔及び冷却媒体連通孔が前記燃料電池の内部に設けられる、所謂、内部マニホールドを構成する場合がある。その際、一般的に、反応ガス連通孔と反応ガス流路との間には、前記反応ガス流路に反応ガスを均一に分散させて供給するために、バッファ部が設けられている。

例えば、特許文献１では、図７に示すように、シートメタルエレメント１の長手方向一端縁部には、酸化剤ガス入口マニホールド２ａ、冷媒入口マニホールド３ａ及び燃料ガス入口マニホールド４ａが貫通形成されている。シートメタルエレメント１の長手方向他端縁部には、酸化剤ガス出口マニホールド２ｂ、冷媒出口マニホールド３ｂ及び燃料ガス出口マニホールド４ｂが貫通形成されている。

このシートメタルエレメント１の燃料ガス供給面側には、波形流路５が形成されるとともに、前記波形流路５の両端には、それぞれディンプルからなる入口バッファ部６ａ及び出口バッファ部６ｂが設けられている。波形流路５は、直線状の複数の流路溝５ａを有している。

特表２００２−５３０８３６号公報

上記の特許文献１では、燃料ガス入口マニホールド４ａは、シートメタルエレメント１の幅方向（矢印Ｈ方向）一端側に近接して設けられている。このため、燃料ガス入口マニホールド４ａから入口バッファ部６ａに供給された燃料ガスは、波形流路５の幅方向に分散される際、特に、前記波形流路５の幅方向中央側のガス流量が幅方向両端側のガス流量に比べて低下し易い。

これにより、燃料ガスを波形流路５の全面にわたって均一に分配することができず、発電性能が低下するとともに、例えば、固体高分子電解質膜の劣化が惹起されるという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、反応ガスを反応ガス連通孔から反応ガス流路全面に均一に供給することができ、所望の発電性能を確保す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、電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層され、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成されるとともに、前記反応ガスを積層方向に流通させる反応ガス連通孔が形成される燃料電池に関するものである。

セパレータには、反応ガス流路の入口側に位置する入口バッファ部と、前記入口バッファ部の一方の稜線側に沿って位置する反応ガス連通孔の供給側とが設けられている。そして、反応ガス流路は、直線状又は波状を有して一方向に延在する複数の流路溝を備え、少なくとも前記反応ガス流路の幅方向中央側で互いに隣接する前記流路溝は、入口バッファ部側の端部位置が互いに段差状に構成されている。

また、複数の流路溝は、入口バッファ部側の各端部を交互に突出させて千鳥状に配列されることが好ましい。

さらに、セパレータには、反応ガス流路の出口側に位置する出口バッファ部と、反応ガス連通孔の供給側と点対象の位置に対応し、前記出口バッファ部の一方の稜線側に沿って位置する前記反応ガス連通孔の排出側とが設けられ、隣接する流路溝の前記出口バッファ部側の端部位置が、互いに段差状に構成されることが好ましい。

本発明によれば、反応ガス流路を構成し互いに隣接する流路溝の入口バッファ部側の端部位置が、互いに段差状に構成されている。このため、特に反応ガスが入口バッファ部に沿って通過し易い反応ガス流路の幅方向中央側では、流路溝の段差状部位を介して前記反応ガスを前記流路溝に案内することができる。これにより、簡単な構成で、反応ガスを反応ガス連通孔から反応ガス流路全面に均一に供給することができ、所望の発電性能を確保することが可能になる。

しかも、互いに隣接する流路溝の端部位置が、互いに段差状に構成されているため、入口バッファ部側に突出する端部を構成する山形状部に反応ガスが接触し、反応ガスの流れ方向が変動する。

従って、入口バッファ部側に突出する端部を有する流路溝を流れる反応ガスの流速は、段差状部位の内方に位置する端部を有する流路溝を流れる反応ガスの流速に比べて、高速になる。このため、隣接する流路溝間に比較的大きな流速差が惹起され、反応ガスは、山形状部を越えて前記流路溝間を移動し、前記山形状部におけるガス拡散性が良好に向上する。これにより、発電性能の向上を図ることができる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０の分解斜視図であり、図２は、前記燃料電池１０の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。

図１に示すように、燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体１６が、アノード側の第１金属セパレータ１８とカソード側の第２金属セパレータ２０とに挟持されている。第１及び第２金属セパレータ１８、２０は、金属製薄板を波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状を有している。

なお、第１及び第２金属セパレータ１８、２０は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板により構成される。また、第１及び第２金属セパレータ１８、２０に代えて、例えば、カーボンセパレータを採用してもよい。

燃料電池１０の長辺方向（図１中、矢印Ｃ方向）の上端縁部には、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（反応ガス連通孔）２２ａと、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔（反応ガス連通孔）２４ａとが設けられる。

燃料電池１０の長辺方向の下端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔（反応ガス連通孔）２４ｂと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔（反応ガス連通孔）２２ｂとが設けられる。酸化剤ガス供給連通孔２２ａと酸化剤ガス排出連通孔２２ｂとは、点対象の位置に対応して設けられるとともに、燃料ガス供給連通孔２４ａと燃料ガス排出連通孔２４ｂとは、同様に点対象の位置に対応して設けられる。

燃料電池１０の短辺方向（矢印Ｂ方向）の一端縁部には、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冷却媒体供給連通孔２６ａが設けられるとともに、短辺方向の他端縁部には、前記冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔２６ｂが設けられる。

電解質膜・電極構造体１６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２８と、前記固体高分子電解質膜２８を挟持するアノード側電極３０及びカソード側電極３２とを備える。アノード側電極３０は、カソード側電極３２よりも小さな表面積を有している。

アノード側電極３０及びカソード側電極３２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２８の両面に形成される。

第１金属セパレータ１８の電解質膜・電極構造体１６に向かう面１８ａには、燃料ガス供給連通孔２４ａと燃料ガス排出連通孔２４ｂとを連通する燃料ガス流路３４が形成される。この燃料ガス流路３４は、図３に示すように、矢印Ｃ方向に延在する複数の波状流路溝３４ａを有し、前記波状流路溝３４ａの矢印Ｃ方向上端及び下端に位置して入口バッファ部３６ａ及び出口バッファ部３６ｂが設けられる。

入口バッファ部３６ａ及び出口バッファ部３６ｂは、略三角形状を有するとともに、複数のエンボス３８ａ、３８ｂを設ける。燃料ガス供給連通孔２４ａは、入口バッファ部３６ａの一方（矢印Ｂ１方向側）の稜線側に沿って位置するとともに、燃料ガス排出連通孔２４ｂは、出口バッファ部３６ｂの一方（矢印Ｂ２方向）の稜線側に沿って位置する。

少なくとも燃料ガス流路３４の幅方向（矢印Ｂ方向）中央側で、第１の実施形態では、前記燃料ガス流路３４の幅方向全体で、互いに隣接する波状流路溝３４ａは、入口バッファ部３６ａ側の端部位置が互いに段差状に構成される。具体的には、各波状流路溝３４ａを形成する山形状部４０ａ、４０ｂの上端位置は、矢印Ｂ方向に交互に入口バッファ部３６ａ側に突出して千鳥状に配列して構成される。例えば、山形状部４０ｂは、入口バッファ部３６ａ側に突出する外方端部を構成する一方、山形状部４０ａは、前記山形状部４０ｂの内方に位置する内方端部を構成する。

第１金属セパレータ１８の面１８ａには、燃料ガス供給連通孔２４ａと入口バッファ部３６ａとを連通する連通路形成用の複数の受け部４１ａと、燃料ガス排出連通孔２４ｂと出口バッファ部３６ｂとを連通する連通路形成用の複数の受け部４１ｂとが形成される。受け部４１ａ、４１ｂの近傍には、それぞれ複数の供給孔部４２ａ及び排出孔部４２ｂが形成される。供給孔部４２ａは、面１８ｂ側で燃料ガス供給連通孔２４ａに連通する一方、排出孔部４２ｂは、同様に前記面１８ｂ側で燃料ガス排出連通孔２４ｂに連通する。

図４に示すように、第２金属セパレータ２０の電解質膜・電極構造体１６に向かう面２０ａには、酸化剤ガス供給連通孔２２ａと酸化剤ガス排出連通孔２２ｂとを連通して酸化剤ガス流路４４が形成される。この酸化剤ガス流路４４は、矢印Ｃ方向に延在する複数の波状流路溝４４ａを有し、前記波状流路溝４４ａの矢印Ｃ方向上端及び下端に位置して入口バッファ部４６ａ及び出口バッファ部４６ｂが設けられる。

入口バッファ部４６ａ及び出口バッファ部４６ｂは、複数のエンボス４８ａ、４８ｂを有する。酸化剤ガス供給連通孔２２ａは、入口バッファ部４６ａの一方（矢印Ｂ２方向）の稜線側に沿って位置するとともに、酸化剤ガス排出連通孔２２ｂは、出口バッファ部の４６ｂの一方（矢印Ｂ１方向）の稜線側に沿って位置する。

少なくとも酸化剤ガス流路４４の幅方向（矢印Ｂ方向）中央側で、第１の実施形態では、前記酸化剤ガス流路４４の幅方向全体で、互いに隣接する波状流路溝４４ａは、入口バッファ部４６ａ側の端部位置が互いに段差状に構成される。具体的には、各波状流路溝４４ａを形成し、矢印Ｂ方向に交互に配置される山形状部５０ａ、５０ｂは、互いに異なる長さに設定され、千鳥状に配列して構成される。例えば、山形状部５０ｂは、入口バッファ部４６ａ側に突出する外方端部を構成する一方、山形状部５０ａは、前記山形状部５０ｂの内方に位置する内方端部を構成している。

面２０ａには、酸化剤ガス供給連通孔２２ａと入口バッファ部４６ａとを連通する連通路形成用の複数の受け部５１ａと、酸化剤ガス排出連通孔２２ｂと出口バッファ部４６ｂとを連通する連通路形成用の複数の受け部５１ｂとが設けられる。

図１に示すように、第２金属セパレータ２０の面２０ｂと、第１金属セパレータ１８の面１８ｂとの間には、冷却媒体供給連通孔２６ａと冷却媒体排出連通孔２６ｂとに連通する冷却媒体流路５４が形成される。この冷却媒体流路５４は、燃料ガス流路３４の裏面形状と酸化剤ガス流路４４の裏面形状とが重なり合うことによって、矢印Ｂ方向に延在して形成される。

第１金属セパレータ１８の面１８ａ、１８ｂには、この第１金属セパレータ１８の外周端縁部を周回して第１シール部材５６が一体成形される。第２金属セパレータ２０の面２０ａ、２０ｂには、この第２金属セパレータ２０の外周端縁部を周回して第２シール部材５８が一体成形される。第１及び第２シール部材５６、５８としては、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材が用いられる。

図１及び図３に示すように、第１シール部材５６は、面１８ａ側に燃料ガス流路３４を囲繞して設けられるシール部５６ａと、このシール部５６ａの外方に設けられるシール部５６ｂとを有する。シール部５６ａは、燃料ガス流路３４、入口バッファ部３６ａ、出口バッファ部３６ｂ、供給孔部４２ａ及び排出孔部４２ｂを周回する凸状シールを構成する。

図４に示すように、第２シール部材５８は、第２金属セパレータ２０の面２０ａ側に酸化剤ガス流路４４、入口バッファ部４６ａ、出口バッファ部４６ｂ、酸化剤ガス供給連通孔２２ａ及び酸化剤ガス排出連通孔２２ｂを囲繞して形成されるシール部５８ａを有する。

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。

先ず、図１に示すように、燃料電池１０では、酸化剤ガス供給連通孔２２ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス供給連通孔２４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給連通孔２６ａに純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。

酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔２２ａから第２金属セパレータ２０の酸化剤ガス流路４４に導入され、電解質膜・電極構造体１６のカソード側電極３２に沿って移動する。

その際、図４に示すように、第２金属セパレータ２０の面２０ａでは、酸化剤ガス供給連通孔２２ａを流れる酸化剤ガスは、複数の受け部５１ａ間を通って入口バッファ部４６ａに供給される。この入口バッファ部４６ａに供給された酸化剤ガスは、矢印Ｂ方向に分散されるとともに、酸化剤ガス流路４４を構成する複数の波状流路溝４４ａに沿って鉛直下方向に流動し、電解質膜・電極構造体１６のカソード側電極３２に供給される。

一方、燃料ガスは、図１及び図３に示すように、第１金属セパレータ１８の面１８ｂにおいて、燃料ガス供給連通孔２４ａから複数の供給孔部４２ａを通って面１８ａ側に供給される。この燃料ガスは、受け部４１ａ間を通って入口バッファ部３６ａに導入される。入口バッファ部３６ａで矢印Ｂ方向に分散された燃料ガスは、燃料ガス流路３４を構成する複数の波状流路溝３４ａに沿って鉛直下方向に移動し、電解質膜・電極構造体１６のアノード側電極３０に供給される。

従って、各電解質膜・電極構造体１６では、カソード側電極３２に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３０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（図２参照）。

次いで、カソード側電極３２に供給されて消費された酸化剤ガスは、図４に示すように、酸化剤ガス流路４４の下部に連通する出口バッファ部４６ｂに送られる。さらに、酸化剤ガスは、出口バッファ部４６ｂから複数の受け部５１ｂ間に沿って酸化剤ガス排出連通孔２２ｂに排出される。

同様に、アノード側電極３０に供給されて消費された燃料ガスは、図１及び図３に示すように、燃料ガス流路３４の下部に連通する出口バッファ部３６ｂに送られた後、複数の受け部４１ｂ間を流れる。燃料ガスは、複数の排出孔部４２ｂを通って面１８ｂ側に移動し、燃料ガス排出連通孔２４ｂに排出される。

また、冷却媒体は、冷却媒体供給連通孔２６ａから第１及び第２金属セパレータ１８、２０間の冷却媒体流路５４に導入された後、矢印Ｂ方向（水平方向）に沿って流動する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１６を冷却した後、冷却媒体排出連通孔２６ｂから排出される。

この場合、第１の実施形態では、図４に示すように、酸化剤ガス流路４４を構成し互いに隣接する波状流路溝４４ａの入口バッファ部４６ａ側の端部位置が、互いに段差状に構成されている。すなわち、各波状流路溝４４ａを形成する山形状部５０ａ、５０ｂがそれぞれ交互に且つ高さを異にして千鳥状に配列されている。

このため、酸化剤ガス供給連通孔２２ａから入口バッファ部４６ａに供給された酸化剤ガスは、この入口バッファ部４６ａに沿って矢印Ｂ１方向に分散される際、特に、酸化剤ガスが通過し易い酸化剤ガス流路４４の幅方向中央側では、千鳥状に配列されている山形状部５０ａ、５０ｂによって流れ方向が変更され、各波状流路溝４４ａに円滑に案内される。

これにより、簡単な構成で、酸化剤ガスを酸化剤ガス供給連通孔２２ａから酸化剤ガス流路４４の全面にわたり均一に供給することができ、所望の発電性能を確保することが可能になるという効果が得られる。

しかも、酸化剤ガス流路４４の矢印Ｂ２方向端部側の上部に設けられている酸化剤ガス供給連通孔２２ａから供給された酸化剤ガスは、入口バッファ部４６ａを矢印Ｂ１方向に移動する際、上方に突出する山形状部５０ｂに衝突し易い。

このため、図５に示すように、山形状部５０ａに接触した酸化剤ガスは、波状流路溝４４ａ１に強制的に導入される一方、前記山形状部５０ｂの下流側の波状流路溝４４ａ２には、前記酸化剤ガスが流れ難くなる。従って、流速の速い波状流路溝４４ａ１と流速の遅い波状流路溝４４ａ２との流速差によって、前記波状流路溝４４ａ１を流れる酸化剤ガスは、山形状部５０ａ、５０ｂを越えて隣接する波状流路溝４４ａ２側に移動する。

これにより、第１の実施形態では、山形状部５０ａ、５０ｂにおける酸化剤ガスの拡散性が良好に向上し、発電性能の向上が容易に遂行されるという利点がある。

図６は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を構成する第２金属セパレータ６０の正面説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池１０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付してその詳細な説明は省略する。

第２金属セパレータ６０の面２０ａには、酸化剤ガス流路４４が形成されるとともに、この酸化剤ガス流路４４を構成する複数の波状流路溝４４ａを構成する山形状部６２ａ、６２ｂは、互いに矢印Ｂ方向に交互に設けられる。山形状部６２ｂの上端位置は、山形状部６２ａの上端位置よりも入口バッファ部４６ａ側に突出する一方、前記山形状部６２ａの下端位置は、前記山形状部６２ｂの下端位置よりも出口バッファ部４６ｂ側に突出する。なお、図示していないが、燃料ガス流路においても、同様に構成される。

この第２の実施形態では、図６に示すように、山形状部６２ａ、６２ｂが、矢印Ｃ方向に同一長さに設定されており、各波状流路溝４４ａの流路長を同一寸法に設定することができる。しかも、波状流路溝４４ａの出口バッファ部４６ｂ側の端部位置は、互いに段差状に構成されている。このため、波状流路溝４４ａの下端部に水が滞留することを確実に阻止し、排水性の向上を図って発電性能を良好に維持することができるという効果が得られる。

なお、第１及び第２の実施形態では、酸化剤ガス流路４４が複数の波状流路溝４４ａにより構成されているが、これに限定されるものではなく、複数の直線状流路溝により構成されても、同様の効果が得られる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の分解斜視図である。 前記燃料電池の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。 前記燃料電池を構成する第１金属セパレータの正面図である。 前記燃料電池を構成する第２金属セパレータの正面図である。 酸化剤ガス流路に酸化剤ガスが供給される際の説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を構成する第２金属セパレータの正面説明図である。 特許文献１のシートメタルエレメントの説明図である。

符号の説明

１０…燃料電池 １６…電解質膜・電極構造体
１８、２０、６０…金属セパレータ ２２ａ…酸化剤ガス供給連通孔
２２ｂ…酸化剤ガス排出連通孔 ２４ａ…燃料ガス供給連通孔
２４ｂ…燃料ガス排出連通孔 ２６ａ…冷却媒体供給連通孔
２６ｂ…冷却媒体排出連通孔 ２８…固体高分子電解質膜
３０…アノード側電極 ３２…カソード側電極
３４…燃料ガス流路 ３４ａ、４４ａ…波状流路溝
３６ａ、４６ａ…入口バッファ部 ３６ｂ、４６ｂ…出口バッファ部
４０ａ、４０ｂ、５０ａ、５０ｂ、６２ａ、６２ｂ…山形状部
４２ａ…供給孔部 ４２ｂ…排出孔部
４４…酸化剤ガス流路 ５４…冷却媒体流路

Claims (3)

1. 電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層され、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成されるとともに、前記反応ガスを積層方向に流通させる反応ガス連通孔が形成される燃料電池であって、
   前記セパレータには、前記反応ガス流路の入口側に位置する入口バッファ部と、
   前記入口バッファ部の一方の稜線側に沿って位置する前記反応ガス連通孔の供給側と、
   が設けられ、
   前記反応ガス流路は、直線状又は波状を有して一方向に延在する複数の流路溝を備え、少なくとも前記反応ガス流路の幅方向中央側で互いに隣接する前記流路溝は、前記入口バッファ部側の端部位置が互いに段差状に構成されるとともに、複数の前記流路溝は、前記入口バッファ部側の各端部を交互に突出させて千鳥状に配列され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、前記セパレータには、前記反応ガス流路の出口側に位置する出口バッファ部と、
   前記反応ガス連通孔の供給側と点対象の位置に対応し、前記出口バッファ部の一方の稜線側に沿って位置する前記反応ガス連通孔の排出側と、
   が設けられ、
   隣接する前記流路溝の前記出口バッファ部側の端部位置が、互いに段差状に構成されることを特徴とする燃料電池。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池において、隣接する前記流路溝を形成する山形状部は高さが異なるように形成されることを特徴とする燃料電池。

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