JP5273376B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、セパレータを含むセル構成部材間に配置されたエキスパンドメタルによりガス流路が形成されたセル構造を有する燃料電池に関するものである。

燃料電池は、図４に示されるように、複数種類のセル構成部材が積層されることによって、セル（単セル）１０が構成され、なおかつ、セル１０が複数枚積層された燃料電池スタック１１を構成することで、必要な電圧が確保されるものである。セル１０の構造例としては、図５に示されるように、膜電極接合体１２（Membrane Electrode Assembly：以下、「ＭＥＡ」という。）がセル１０の厚み方向の中心部に配置され、その両面に、ガス拡散層１４（アノード側/カソード側のガス拡散層１４Ａ、１４Ｃ）、ガス流路１６（アノード側/カソード側のガス流路１６Ａ、１６Ｃ）、セパレータ１８が夫々配置された構造となっている。なお、ＭＥＡ１２とガス拡散層１４とが一体となった形態を、膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ：Membrane Electrode ＆Gas Diffusion Layer Assembly）と称することもある。
そして、図５のようにガス流路１６がセパレータ１８と別体構造をなすセル構造においては、ガス流路１６を形成する構造物として、例えばエキスパンドメタルが用いられる（例えば、特許文献１参照）。

ところで、セル１０のガス流路１６を形成する構造物として用いられるエキスパンドメタル２０は、一般的には、既に説明した亀甲形のメッシュ２２（図６、図８（ｃ）参照）や、図８（ａ）に示されるような、菱形のメッシュ２６が、いわゆる千鳥配置された連続構造をなしている。このエキスパンドメタル２０は、平板材料を送りながら金型によって一段づつ切れ込みを入れることによってメッシュ２２が形成されるという製造手順（後述する）に起因して、各メッシュ２２が、材料送り方向〔（Materials）Forwarding Direction：以下、本説明において「ＦＤ方向」ともいう。〕に、階段状に連なった構造となっている。

メッシュ２２、２６は、図８に示されるように、その交差部をボンド部ＢＯ、メッシュのボンド部ＢＯ間をつなぐ部分をストランド部ＳＴという。又、ボンド部ＢＯのＴＤ方向の長さをボンド長さＢＯｌ、ストランド部ＳＴの厚みを刻み幅（送り幅）Ｗという。図中、符号ｔは素材の板厚、符号Ｄはエキスパンドメタルの全厚であり、この全厚Ｄが、セル構成部材間に配置された状態における、エキスパンドメタルの厚みとなる。なお、図６には、併せてＦＤ方向（材料送り方向）、ＴＤ方向（ツール送り方向）及びＷＤ方向（メッシュの刻み幅方向）を示している。
各部名称から明らかなように、亀甲形のメッシュ２２は、ボンド部ＢＯのボンド長さＢＯｌの長いメッシュ形状であり、菱形のメッシュ２６は、ボンド部ＢＯのボンド長さＢＯｌの短いメッシュ形状である。そして、菱形のメッシュ２６のＦＤ方向断面形状（Ａ−Ａ断面形状）と、亀甲形のメッシュ２２のＦＤ方向断面形状（Ａ’−Ａ’断面図）とは同一であることから、図６（ｂ）に両者のＦＤ方向断面形状を示している。

このエキスパンドメタル２０の製造装置は、図９に示されるように、下刃３８及び上刃４０を含む金型を備えている。下刃３８、上刃４０は、いずれもＦＤ方向と直交する方向〔Transverse Direction又はTool Direction：以下、本説明において「ツール送り方向」又は「ＴＤ方向」ともいう。〕にシフトし、かつ上刃４０はＷＤ方向（上下方向）に昇降するものである。又、上刃４０の下面には、図示の例では台形状の凸部４０ａがＴＤ方向に一定間隔を空けて形成され、下刃３８の上面には、上刃４０の台形状の凸部４０ａと噛合うように一定間隔を空けて、台形状の凹部３８ａが形成されている。なお、図９の例は亀甲形のメッシュ２２を成形するものであるが、菱形のメッシュ２６（図６（ａ））を成形する場合には、下刃３８の凹部３８ａ及び、上刃４０の凸部４０ａを三角形に構成する。

そして、平板材料４２は、ローラ等を備えた材料送り手段によって、所定の刻み幅Ｗで金型へと送り込まれ、この平板材料４２の送り込みのタイミングに合わせて、上刃４０及び下刃３８が開閉する。この際、上刃４０の台形状の凸部４０ａと、下刃３８の台形状の凹部３８ａとによって、平板材料４２は一定間隔に部分的にせん断され、下方向に突出する台形状の切り起しが形成される。

そして、上刃４０の上昇の都度、上刃４０及び下刃３８がＴＤ方向にシフトすることで、台形状の切起こしが千鳥状に一段づつ成形され、階段状のメッシュを有するラスカットメタル２０’が形成されるものである。
その後、階段状のメッシュを有するラスカットメタル２０’が、図１０に示される圧延ローラ４３によって圧延されることにより、必要な全厚Ｄ（図６（ｂ）参照）のエキスパンドメタル２０が成形される。このとき、図１１に示されるように、エキスパンドメタル２０のメッシュ２２には、セパレータ１８との接触面Ｃｓが形成される。

このようにして製造されるエキスパンドメタル２０は、図７に示されるように、メッシュ２２がガス拡散層１４とセパレータ１８との間に傾斜面を構成するようにして配置されることで、千鳥配置されたメッシュ２２と、ガス拡散層１４表面及びセパレータ１８表面との間に、空間２４が千鳥状に構成される。従って、ガス流路１６を流れるガスは、千鳥状に配置された空間２４を順に伝ってＦＤ方向へと流れ、この際、ガス流ＧＦは、微視的には図６に示されるようにＴＤ方向に揺動し、ターンを繰り返す態様の流れとなって、巨視的にはガス流路１６のガス流入端ＧＦ−Ｉｎからガス流出端ＧＦ−Ｏｕｔへ向かって流れる。

特開２００８−１４６９４７号公報

ところで、図１２（ａ）に示されるように、メッシュ２２の素材の板厚ｔに起因して、セパレータ１８及びエキスパンドメタル２２、２６の接点部分（楕円で囲んだ部分）には、くさび状の狭空間ＮＳが形成される。そして、くさび状の狭空間ＮＳの毛管吸引力がガス流ＧＦによる排水力を上回り、図１２（ａ）〜（ｃ）に示されるように、メッシュ２２のセパレータ１８との接触面Ｃｓの近傍に生成水１００が滞留することとなる。その結果、排水性が悪化し、ガス流路１６におけるガスの圧損の上昇、濃度過電圧の増加を招くこととなる。又、必要なガス流を確保するために、エアコンプレッサーや水素循環ポンプ等に求められる性能値も必然的に高くなり、これら補機の大型化、ひいては燃料電池システムの大型化を来たすこととなる。
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、セパレータ及びエキスパンドメタルの接点部分に生成水が滞留することに起因する、セルのガス流路におけるガスの圧損の増大及び濃度過電圧の増加を防ぎ、燃料電池システムの小型化、出力向上、電圧安定性の確保等を図ることにある。

上記課題を解決するための、本発明に係る燃料電池は、セパレータを含むセル構成部材間に配置されたエキスパンドメタルによりガス流路が形成されたセル構造を有する燃料電池であって、前記セパレータ及び前記エキスパンドメタルの接点部分の接触面積を減少させるための、排水溝を備えるものであり、前記セパレータ及び前記エキスパンドメタルの接点部分に形成されるくさび状の狭空間に滞留する生成水の排水性を高めるものである。
（発明の態様）
以下の発明の態様は、本発明の構成を例示するものであり、本発明の多様な構成の理解を容易にするために、項別けして説明するものである。各項は、本発明の技術的範囲を限定するものではなく、発明を実施するための最良の形態を参酌しつつ、各項の構成要素の一部を置換し、削除し、又は、更に他の構成要素を付加したものについても、本願発明の技術的範囲に含まれ得るものである。

（１）セパレータを含むセル構成部材間に配置されたエキスパンドメタルによりガス流路が形成されたセル構造を有する燃料電池であって、前記セパレータ及び前記エキスパンドメタルのうち、少なくとも前記セパレータ側に、前記セパレータ及び前記エキスパンドメタルの接点部分に形成されるくさび状の狭空間に開口する排水溝が形成されていることを特徴とする燃料電池（請求項１）。
本項に記載の燃料電池は、セパレータ及びエキスパンドメタルのうち、少なくともセパレータ側に形成された、セパレータ及びエキスパンドメタルの接点部分の、くさび状の狭空間に開口する排水溝により、この狭空間から生成水の排水を促すものである。

（２）上記（１）項において、前記排水溝は、前記セパレータの表面に形成された、前記ガス流路の巨視的なガス流れ方向に対し直交しない方向に延びる溝である燃料電池燃料電池（請求項２）。
本項に記載の燃料電池は、セパレータの表面に形成された溝によって、セパレータ及びエキスパンドメタルの接点部分に形成されるくさび状の狭空間からの、生成水の排水を促すものである。しかも、この溝がガス流路の巨視的なガス流れ方向に対し直交しない方向に延びるように形成されていることから、ガス流路を流れるガス流の圧力が効果的にかかる狭空間に作用して、排水を促すものである。

（３）上記（２）項において、前記セパレータの表面の溝が、前記セパレータ及び前記エキスパンドメタルの、隣接する接点を結ぶ位置に形成されている燃料電池（請求項３）。
本項に記載の燃料電池は、セパレータの表面の溝が、セパレータ及びエキスパンドメタルの、隣接する接点を結ぶ位置に形成されていることにより、隣接する接点に各々形成されるくさび状の狭空間における排水の連鎖を起こさせ、排水効率を高めるものである。

（４）上記（２）項において、前記セパレータの表面の溝が、前記セパレータ及び前記エキスパンドメタルの、最も近い接点を結ぶ位置に形成されている請求項２記載の燃料電池（請求項４）。
本項に記載の燃料電池は、各接点に各々形成されるくさび状の狭空間における排水の連鎖を起こさせ、排水効率を高めるものである。しかも、セパレータの表面の溝が、セパレータ及びエキスパンドメタルの、最も近い接点を結ぶ位置に形成されていることにより、排水の連鎖を最も頻繁に発生させ、最も排水効率を高めるものである。

（５）上記（１）から（４）項において、記排水溝には、前記エキスパンドメタルのメッシュを構成するボンド部の、前記セパレータとの接触端側に面して形成された切り欠きが含まれる燃料電池（請求項５）。
本項に記載の燃料電池は、エキスパンドメタルのメッシュを構成するボンド部の、セパレータとの接触端側に面して形成された切り欠きによっても、セパレータ及びエキスパンドメタルの接点部分に形成されるくさび状の狭空間から、生成水の排水を促すものである。

本発明はこのように構成したので、セパレータ及びエキスパンドメタルの接点部分に生成水が滞留することに起因する、セルのガス流路におけるガスの圧損の増大及び濃度過電圧の増加を防ぎ、燃料電池システムの小型化、出力向上、電圧安定性の確保等を図ることが可能となる。

本発明の実施の形態に係る燃料電池のセルの断面図であり、（ａ）はＴＤ方向視断面図、（ｂ）は（ａ）の矢視Ｂ図、（ｃ）は（ｂ）の別例、（ｄ）は（ａ）の矢視Ｃ図である。 本発明の実施の形態に係る燃料電池のセルの別例に係るものであり、（ａ）は、エキスパンドメタルのボンド部の拡大図、（ｂ）は当該燃料電池のセルのＴＤ方向視断面図、（ｃ）は（ａ）の矢視Ｂ図、（ｄ）は（ａ）の矢視Ｃ図である。 本発明の実施の形態に係る燃料電池セルの単体図である。 従来の燃料電池スタックの立体模式図である。 図４に示される燃料電池スタックを構成するセルの、構成部材を示す模式図である。 図６に示されるセルのガス流路を形成するエキスパンドメタルの平面図である。 図６に示されるエキスパンドメタルを用いたガス流路のＴＤ方向視断面図である。 エキスパンドメタルの各部名称の説明図であり、（ａ）は菱形のメッシュの平面図、（ｂ）はＡ−ＡおよびＡ’−Ａ’線における断面図、（ｃ）は亀甲形のメッシュの平面図である。 燃料電池用エキスパンドメタルの製造装置を構成する金型の立体模式図である。 燃料電池用エキスパンドメタルの製造装置を構成する、圧延ローラの模式図である。 図１０の圧延ローラによりエキスパンドメタルのメッシュに形成される、セパレータとの接触面を示す斜視図である。 （ａ）は、従来のセル構成部材間に配置されたエキスパンドメタルによりガス流路が形成されたセル構造を有する燃料電池において、エキスパンドメタルのメッシュの素材の板厚に起因して、セパレータ及びエキスパンドメタルの接点部分に形成されるくさび状の狭空間とここに滞留する生成水を示すものであり、（ｂ）は（ａ）の矢視Ｂ図、（ｃ）は（ａ）の矢視Ｃ図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態を添付図面に基づいて説明する。なお、従来技術と同一部分若しくは相当する部分については同一符号で示し、詳しい説明を省略する。
本発明の実施の形態に係る燃料電池は、図１に示されるように、セパレータ１８（フラットタイプセパレータ）の表面に、セパレータ１８及びエキスパンドメタル２２の接点部分に形成されるくさび状の狭空間ＮＳに開口する、排水溝２８が形成されている。排水溝２８の設置方向は、ガス流路１６の巨視的なガス流れ方向に対し直交しない方向に延びるものであれば良く、好ましくは、セパレータ１８及びエキスパンドメタル２２の、最も近い接点（メッシュ２２のセパレータ１８との接触面Ｃｓで示す。）を結ぶ位置に形成されている。例えば、セパレータ１８及びエキスパンドメタル２２の接点位置に応じ、図１（ｂ）に示されるようにエキスパンドメタル２２のＦＤ方向に対し斜めに、又は、図１（ｃ）に示されるようにＦＤ方向と平行に形成されるものである。又、図１（ｂ）、（ｃ）の排水溝を組み合わせることも可能である。
なお、排水溝２８は、エキスパンドメタル２２の形状に応じ、幅・深さが０．１μｍ〜１０μｍの範囲で適宜設定される。この範囲よりも大きい排水溝は、想定外のガス抜けが生じるおそれがあり、この範囲よりも小さい排水溝は、生成水の排水に支障を来たすおそれがある。

又、図１に示される例では、排水溝３８は平行な三本が一組となり、この三本がメッシュ２２の接触面Ｃｓを横切るように形成されているが、一組をなす本数についても、エキスパンドメタル２２の形状に応じ適宜設定される。なお、セパレータ１８表面への排水溝３８の形成方法は、エッチング、プレス成形、ローラ成形等の方法が用いられる。
又、図２に示されるように、エキスパンドメタル２０のメッシュ２２を構成するボンド部ＢＯの、セパレータ１８との接触端側に面して形成された切り欠き３０が、排水溝の構成要素として含まれるものであっても良い。切り欠き３０は、エキスパンドメタル２０の成形時に打ち抜かれるものである。又、切り欠き３０自体がくさび状の狭空間ＮＳの排水手段として機能し得るものであるが、図１に示される排水溝２８と共に用いられることがより望ましい。

さて、上記構成をなす本発明の実施の形態によれば、次のような作用効果を得ることが可能である。すなわち、セパレータ１８及びエキスパンドメタル２２のうち、少なくともセパレータ側に形成された、セパレータ１８及びエキスパンドメタル２２の接点部分に形成されるくさび状の狭空間ＮＳに開口する排水溝２８により、この狭空間ＮＳから生成水１００の排水を促すことができる。
又、排水溝２８は、セパレータ１８の表面に形成されており、しかも、この排水溝２８がガス流路の巨視的なガス流れ方向に対し直交しない方向に延びるように形成されていることから、ガス流路１６を流れるガス流ＧＦの圧力が効果的に、くさび状の狭空間ＮＳに作用し、狭空間ＮＳからの排水を促すことができる。

又、セパレータ１８の表面に形成された排水溝２８が、図１（ｂ）、（ｃ）に示されるように、セパレータ１８及びエキスパンドメタル２２の、隣接する接点を結ぶ位置に形成されていることにより、隣接する接点（Ｃｓ）に各々形成されるくさび状の狭空間ＮＳにおける排水の連鎖を起こさせ、排水効率を高めるものである。
しかも、セパレータ１８の表面に形成された排水溝２８が、セパレータ１８及びエキスパンドメタル２２の、最も近い接点を結ぶ位置に形成されていることにより、排水の連鎖を最も頻繁に発生させ、最も排水効率を高めることができる。

更に、本発明の実施の形態では、図２に示されるように、エキスパンドメタル２０のメッシュ２２を構成するボンド部ＢＯの、セパレータ１８との接触端側に面して形成された切り欠き３０によっても、セパレータ１８及びエキスパンドメタル２２の接点部分に形成されるくさび状の狭空間ＮＳから、生成水１００の排水を促すことができる。
なお、排水溝３８又は切り欠き３０は、セパレータ１８のメッシュ２２との接触範囲の全体に形成されるものであっても良いが、図３に示されるように、セル１０の、特に生成水の滞留が生じやすいカソード出口ＣＡ−Ｏｕｔ近傍（楕円で囲んだ領域）に形成することで、効率的に生成水１００の排水効果を高めることが可能となる。
又、図１、図２では、亀甲形のメッシュ２２を例示して説明したが、これに限定されることなく、菱形のメッシュ２６（図８（ａ）参照）及びその他の形状のメッシュにも適応可能である。

１０：セル、１２：ＭＥＡ、１４：ガス拡散層、１６：ガス流路、１８：セパレータ、２０：エキスパンドメタル、２２：亀甲形のメッシュ、２６：菱形のメッシュ、２８：排水溝、３０：切り欠き、１００：生成水、ＢＯ：ボンド部、Ｃｓ：メッシュのセパレータとの接触面、ＮＳ：くさび状の狭空間

Claims (5)

1. セパレータを含むセル構成部材間に配置されたエキスパンドメタルによりガス流路が形成されたセル構造を有する燃料電池であって、
   前記セパレータ及び前記エキスパンドメタルのうち、少なくとも前記セパレータ側に、前記セパレータ及び前記エキスパンドメタルの接点部分に形成されるくさび状の狭空間に開口する排水溝が形成されていることを特徴とする燃料電池。
2. 前記排水溝は、前記セパレータの表面に形成された、前記ガス流路の巨視的なガス流れ方向に対し直交しない方向に延びる溝であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
3. 前記セパレータの表面の溝が、前記セパレータ及び前記エキスパンドメタルの、隣接する接点を結ぶ位置に形成されていることを特徴とする請求項２記載の燃料電池。
4. 前記セパレータの表面の溝が、前記セパレータ及び前記エキスパンドメタルの、最も近い接点を結ぶ位置に形成されていることを特徴とする請求項２記載の燃料電池。
5. 前記排水溝には、前記エキスパンドメタルのメッシュを構成するボンド部の、前記セパレータとの接触端側に面して形成された切り欠きが含まれることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の燃料電池