JP5354576B2 - 燃料電池用分離板 - Google Patents

Description

本発明は燃料電池用分離板に係り、より詳しくは、燃料電池のガス拡散層と接触する分離板のランド部に排水孔を形成し、燃料電池反応により生成された水がガス拡散層から排水手段を通して極めて容易に排出されるようにした燃料電池用分離板に関する。

高分子電解質燃料電池は、別の形態の燃料電池に比べて効率が高く、電流密度及び出力密度が大きく、始動時間が短い上に固体電解質を使うため、腐食及び電解質の調節が必要ないという長所を持っており、更に、排気ガスとして純粋な水のみを排出する環境に優しい動力源であるため、自動車業界全般において活発な研究が進められている。

このような燃料電池の構成を図１に示す。図１に示す通り、最内側に膜・電極結合体（ＭＥＡ）が位置し、この膜・電極結合体は水素陽イオンを移動させ得る固体高分子電解質膜１０と、この電解質膜の両面に水素と酸素が反応し得るように塗布された触媒層、即ち、カソード（空気極）１２及びアノード（燃料極）１４で構成されている。

更に、電解質膜の外側部分、即ち、カソード１２及びアノード１４が位置する外側部分には、ガス拡散層（ＧＤＬ）１６及びガスケット１８が順に積層され、ガス拡散層１６の外側には、燃料を供給して反応により発生した水を排出する排出路が形成された分離板２０が位置し、最外側には前記した各構成を支持、固定させるためのエンドプレート３０が結合される。

従って、燃料電池スタックのアノード１４では、水素の酸化反応が行われ、水素イオンと電子が発生し、このとき生成された水素イオンと電子は、各々電解質膜１０と分離板２０を通してカソード１２に移動し、カソード１２ではアノード１４から移動した水素イオンと電子、空気中の酸素が関与する電気化学反応を通して水を生成し、このような電子の流れから最終的に生成された電気エネルギーはエンドプレート３０の集電板を通して電気エネルギーを要する負荷に供給される。

図２は、このような構成を基盤として、電気エネルギーを生成する燃料電池スタックの単位セルのみを示しており、分離板２０はガス拡散層１６と直接結合する平坦部のランド３２と、各ランド３２との間に形成され、燃料である水素と空気の通路となるガス流路３４とで構成されており、水素と空気の供給通路だけでなく、カソード側で生成された水の除去通路としての機能のほか、特に、外部回路に電気を流す機能も持つ。

従来技術による分離板は、凹凸形状のランド及びガス流路で構成され、ガス流路は、図３に示すように、直線形ガス流路３６または直線形ガス流路を改善したウェーブ形ガス流路３８からなり、ウェーブ形状のガス流路３８は、水素または空気が該当するガス流路の壁面にぶつかりながらその進行方向を変更して、ガス拡散層への拡散がよりうまくいくという長所を持つと同時に、電気発生に大きく向上できる長所を持つ。

しかし、図４に例示するように、カソード１２側で反応により多量に生成される水は、カソード１２側のガス拡散層１６から分離板２０のガス流路３４に排出され、反面、分離板２０のガス流路３４から供給されてガス拡散層１６に空気が拡散されるため、排出される水の流れと拡散される空気の流れが互いに衝突して、相互間の流れを悪くする短所がある。
そこで、水の排出の流れが空気の流れにより阻害されて水の排出効率が低下し、反対に、空気の流れが水の排出の流れにより阻害されてガス拡散層に空気が拡散される効率が低下する問題が生じる。
特開２００５−０７１９２６号公報

本発明の目的は、燃料電池のガス拡散層と接触して結合される分離板のランドと、各ランドの間の空間に形成され、水素または空気の通路となるガス流路との間にベンチュリ管のような排水用孔を形成することで、燃料電池の膜・電極結合体内で電気エネルギーを得るための反応と共に生成される水がガス拡散層から排水用溝を通して容易に排出され、分離板のガス流路から供給される空気がガス拡散層により容易に拡散されるようにした燃料電池用分離板を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明は、燃料電池のガス拡散層と接触する複数のランドと、前記ランドそれぞれの間に水素または空気の通路となるガス流路が形成された燃料電池用分離板において、
ランドのガス拡散層と接する面からガス流路に向けて複数個の排水孔が貫通して形成されて、ガス拡散層からガス流路に向かって水の排出が行われるようにされていることを特徴とする。

排水孔は、直角経路または斜線経路でランドを貫通形成されていることを特徴とする。

排水孔は、ガス流路に供給された空気の流れ方向及び前記ランドの前記ガス拡散層と接する面に対して４５°の角度で形成されることを特徴とする。

排水孔内には、ミクロ多孔を有する多孔性物質が満たされることを特徴とする。

燃料電池のガス拡散層と接触するランドと、ランドそれぞれの間の空間に形成されて水素または空気の通路となるガス流路が凹凸構造に形成された燃料電池用金属分離板において、ランドのガス拡散層と接する面からガス流路に向けて貫通された複数個の溝が形成され、ガス拡散層と接する面とガス流路と接する面を除く溝の開放部位を密封して、ランドのガス拡散層と接する面とガス流路を連結する排水孔が形成されたことを特徴とする。

本発明に係る燃料電池用分離板によると、燃料電池のガス拡散層と接触して結合される分離板のランドと、各ランドとの間の空間に形成されて、水素または空気の通路となるガス流路との間にベンチュリ管のような排水孔を形成することで、電気エネルギーを得るための反応と共に生成される水がガス拡散層から排水用溝のベンチュリ作用によりガス流路側に容易に排出される。
特に、本発明による排水孔に沿ってランドからガス流路側に水が排出されるため、排出された水がガス流路からガス拡散層に供給される空気の流れに阻害されず、排水効率及びガス拡散層に空気が拡散される効率を増加させることができる。
更に、本発明による排水孔は、ガス流路に供給された空気の流れ方向に対して４５°の角度で形成されることによって、空気が排水孔側に逆流することを防止できる。

以下、添付図面を参照し、本発明に係る燃料電池用分離板について説明する。

〔実施例１〕
図５は、本発明による燃料電池用分離板に直角経路の排水孔が形成された構造及びそれによる水の排出及び空気拡散作用を説明する断面図であり、図６は、本発明による燃料電池用分離板に斜線経路の排水孔が形成されたことを説明する凹部平面図及び断面図である。

図１は、燃料電池の一般的な構成を示す概略図であるが、本発明も同じ構成を有する。即ち、燃料電池は、高分子電解質膜１０と、この電解質膜の両面に水素と酸素が反応し得るように塗布されたカソード１２及びアノード１４を含む触媒層と、このカソード１２及びアノード１４の外側に積層されたガス拡散層１６と、このガス拡散層１６の外側に燃料を供給して反応により発生する水を排出するよう排水孔が形成された分離板２０とを含めて構成される。

分離板２０は、ガス拡散層１６と直接結合する平坦部であるランド３２と、このランド３２との間に形成され、燃料である水素または空気の通路となるガス流路３４から構成されている。本発明によると、ガス拡散層１６と接触するランド３２と、ランド３２の間に貫通して形成された排水手段としてベンチュリ効果を有する複数個の排水孔４０に特徴があり、この複数個の排水孔４０は、直角経路または斜線経路に貫通される。従って、カソード１２側での反応により発生した多量の水が、ガス拡散層１６から排水孔４０を通って分離板２０のガス流路３４に排出される。

即ち、排水孔４０のベンチュリ効果によりガス拡散層１６からの水がランドの排水孔４０側に集中すると同時に、ガス流路３４側に容易に排出される。
このとき、空気が分離板２０のガス流路３４に供給されてガス拡散層１６に拡散するが、排水孔４０を通って排出される水の流れが拡散される空気の流れに衝突しなくなるため、既存のように相互間の流れを妨害することはない。従って、排水孔４０を通って排水の効率が良くなると同時に、空気の流れも排水の流れにより阻害されないため、ガス拡散層１６に空気が拡散される効率も良くなる。

図７は、本発明による燃料電池用分離板に形成される排水孔の形成角度を説明する概略図である。
図７に示す通り、排水孔４０は、ガス流路３４に供給される空気の流れ方向及びランドの表面に対して４５°の角度で貫通することで、空気が排水孔４０側に逆流するのを防止できる。

〔実施例２〕
次に本発明の実施例２による排水手段を説明する。
図８は、本発明による燃料電池用分離板に形成された排水のための多孔性物質を示す断面図である。
本発明の実施例２による排水手段は、ガス拡散層１６と接触するランド３２と、各ランド３２の間に形成され、水素または空気の通路となるガス流路３４との間の複数個の排水孔４０を形成すると同時に、この排水孔４０にミクロ多孔を有する多孔性物質４２を充填するか、または排水孔４０自体が多孔性を有する点に特徴がある。従って、多孔性物質４２を通じて水の排出が緩い速度に調節できる。

〔参考例〕
以下に、本発明の技術範囲の外である参考例による排水手段を説明する。
図９は、別の形態による排水手段として燃料電池用分離板に形成された排水のための金属板を示す断面図である。
この参考例での排水手段は、分離板２０のランド３２とガス流路３４との間に排水孔４０を形成する代りに、ガス拡散層１６からの水を凝縮させる熱伝導性金属板４４をランド３２の表面からその内部に圧入させた点に特徴がある。カソード１２側で反応により多量に生成されたガス拡散層１６内の水がランド３２の熱伝導性金属板４４に触れると、熱伝導性金属板４４の温度が低い状態であるため、水の凝縮が行われる。そこで、ガス拡散層１６内の水が熱伝導性金属板４４側に凝縮されて集まり、集められた水がランド３２から徐々にガス流路３４の壁面に沿って排出される。特に、ガス拡散層１６内の水がランド３２の金属板４４側に凝縮されて集められた状態であるため、分離板２０のガス流路３４内に供給された空気が水の流れの抵抗を受けることなく、ガス拡散層１６に容易に拡散される。

ここで、本発明による排水孔を金属分離板に形成させる方法について説明する。
図１０（ａ）及び（ｂ）は、本発明による燃料電池用分離板が金属分離板である場合に、排水孔を形成する方法を概略説明するための図面である。金属分離板５０は、燃料電池のガス拡散層と接触して結合されるランド３２と、各ランド３２との間に形成され、水素または空気の通路となるガス流路３４が凹凸構造に形成されたものであり、ランド３２の裏面空間は冷却水通路として利用される。
通常、金属分離板５０は、プレス加工により凹凸構造に製作されるが、プレス成形時、ランド３２にガス流路３４と連通する多数個の溝５２が形成されるようにする。

このように加工された各溝５２について、ガス拡散層１６と接する面とガス流路３４と接する面を除く前記溝の開放部位を密封手段５４で覆うと、その内部にランド３２を貫通してガス拡散層１６とガス流路３４を連結する排水孔４０が形成される。このとき、図１０（ａ）に示すように、密封手段５４としては、各溝５２の開放部位を一挙に密封できるテープが使用可能である。また、図１０（ｂ）に示すように、各溝５２の開放部位に圧入される別の密封材を使用することもできる。各溝５２の開放部位を密封して、その内部に排水孔４０が形成するためにどのような密封手段を採択することも可能である。

燃料電池の構成を説明するための概略図である。 燃料電池の単位セルのみを示した断面図であり、分離板のランド及びガス構造を示す断面図である。 従来の分離板のガス構造を説明する平面図である。 従来の分離板で発生する問題点を説明する断面図である。 本発明による燃料電池用分離板に直角経路の排水孔が形成された構造及びそれによる排水及び空気拡散作用を説明する断面図である。 本発明による燃料電池用分離板に斜線経路の排水孔が形成されたことを説明する凹部平面図及び断面図である。 本発明による燃料電池用分離板に形成される排水孔の形成角度を説明する概略図である。 本発明による燃料電池用分離板に形成された水を排出するための多孔性物質を示す断面図である。 参考例として示した燃料電池用分離板に形成された水を排出するための金属板を示す断面図である。 （ａ）及び（ｂ）は、本発明による燃料電池用分離板が金属分離板である場合に、排水孔を形成する方法を概略的に説明するための図面である。

１０：高分子電解質膜
１２：カソード
１４：アノード
１６：ガス拡散層
１８：ガスケット
２０：分離板
３０：エンドプレート
３２：ランド
３４：ガス流路
３６：直線形ガス流路
３８：ウェイブ形ガス流路
４０：排水孔
４２：多孔性物質
４４：熱伝導性金属板
５０：金属分離板
５２：溝
５４：密封手段

Claims (5)

1. 燃料電池のガス拡散層と接触する複数のランドと、前記ランドそれぞれの間に水素または空気の通路となるガス流路が形成された燃料電池用分離板において、
   前記ランドの前記ガス拡散層と接する面から前記ガス流路に向けて複数個の排水孔が貫通して形成されて、前記ガス拡散層から前記ガス流路に向かって水の排出が行われるようにされていることを特徴とする燃料電池用分離板。
2. 前記排水孔は、直角経路または斜線経路で前記ランドを貫通形成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用分離板。
3. 前記排水孔は、前記ガス流路に供給された空気の流れ方向及び前記ランドの前記ガス拡散層と接する面に対して４５°の角度で形成されることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池用分離板。
4. 前記排水孔内には、ミクロ多孔を有する多孔性物質が満たされることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用分離板。
5. 燃料電池のガス拡散層と接触するランドと、前記ランドそれぞれの間の空間に形成されて水素または空気の通路となるガス流路が凹凸構造に形成された燃料電池用金属分離板において、
   前記ランドの前記ガス拡散層と接する面から前記ガス流路に向けて貫通された複数個の溝が形成され、前記ガス拡散層と接する面と前記ガス流路と接する面を除く前記溝の開放部位を密封して、前記ランドの前記ガス拡散層と接する面と前記ガス流路を連結する排水孔が形成されたことを特徴とする燃料電池用分離板。

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