JP5633504B2 - 燃料電池用セパレータ - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池用セパレータに関するものである。

燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。この燃料電池は、一般に、電解質膜の両面に電極を接合してなる膜電極接合体を含む発電体を、セパレータで挟持することによって構成される。セパレータの表面には、燃料電池の電極の表面に沿って発電に供する反応ガスを流すための反応ガス流路が形成される。

そして、このような燃料電池について、従来、反応ガス流路からの排水性を向上させるための種々の技術が提案されている。例えば、下記特許文献１には、燃料ガス流路の出口側と燃料ガス出口連通孔（燃料ガス排出部）との間に、これらを連通するバッファ部と連結通路（アノードオフガス導出流路）とを設け、連結通路の流路開口断面積を燃料ガス流路の出口側の流路開口断面積よりも小さくすることが記載されている。下記特許文献１に記載された技術によれば、連結流路から燃料ガス出口連通孔に排出される燃料ガス（アノードオフガス）の流速を高め、排水性を向上させることができる。

特開２００６−２７８１７７号公報

しかし、上記特許文献１に記載された技術では、バッファ部に水が残留したまま、氷点下環境下において凍結すると、連結通路が閉塞されて、始動時に、燃料電池のアノードに燃料ガスを供給できなくなるおそれがあった。すなわち、上記特許文献１に記載された技術では、アノードオフガスの排出経路におけるガスの流れが停止された後にバッファ部に残留した残留水がアノードオフガスの排出経路を閉塞することについては考慮されていなかった。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池において、燃料ガス流路とアノードオフガス排出部との間に設けられたバッファ部に水が残留した場合であっても、アノードオフガスの排出経路を確保することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］
燃料電池用セパレータであって、
燃料電池のアノードの表面に沿って燃料ガスを流すための燃料ガス流路と、
前記燃料電池用セパレータの厚さ方向に貫通し、前記アノードから排出されたアノードオフガスを前記燃料電池の外部に排出するためのアノードオフガス排出部と、
前記燃料ガス流路の終端に接続され、該燃料ガス流路の終端から排出された前記アノードオフガスが流入するバッファ部であって、前記アノードと対向する内壁面に、該内壁面から前記アノードの表面側に向かって突起する複数の突起部が形成されたバッファ部と、
前記バッファ部に流入した前記アノードオフガスを前記アノードオフガス排出部に導出するためのアノードオフガス導出流路と、
を備え、
前記燃料電池用セパレータの姿勢を、前記燃料電池用セパレータの表面に対して垂直な方向が重力方向に対して垂直になる姿勢にしたときに、
前記燃料ガス流路の終端と、前記バッファ部と、前記アノードオフガス導出流路と、前記アノードオフガス排出部とは、水平方向に並べて配置されており、
前記バッファ部は、第１の領域と、該第１の領域の重力方向についての上部に隣接して位置する第２の領域と、を含み、
前記アノードオフガス導出流路は、前記アノードオフガスを、前記バッファ部における前記第１の領域から前記アノードオフガス排出部に水平方向に導くように形成されており、
前記バッファ部の前記アノードと対向する内壁面において、
前記第１の領域に面する部位には、前記複数の突起部の一部が第１の密度で２次元的に配列されており、
前記第２の領域に面する部位には、前記複数の突起部の他の一部が前記第１の密度よりも高い第２の密度で２次元的に配列されている、
燃料電池用セパレータ。

適用例１の燃料電池用セパレータを用いた燃料電池では、バッファ部には、アノードオフガスとともに水（例えば、発電によって生成された生成水）も流入する。バッファ部では、複数の突起部によって、水を含むアノードオフガスの流れ方向が分散される。バッファ部に流入した水は、アノードオフガスとともに、バッファ部からアノードオフガス導出流路を通じてアノードオフガス排出流路に排出される。また、適用例１の燃料電池用セパレータでは、燃料ガス流路の終端と、バッファ部と、アノードオフガス導出流路と、アノードオフガス排出部とが、水平方向に配置されている。また、アノードオフガス導出流路は、アノードオフガスを、バッファ部における第１の領域からアノードオフガス排出部に水平方向に導くように形成されている。したがって、燃料ガス流路の終端からアノードオフガス排出部にかけて、アノードオフガスおよび水の流れ方向は、水平方向となる。そして、バッファ部において、水は、重力によって、第２の領域の重力方向についての下部に隣接して位置する第１の領域に滞留しやすく、この第１の領域に水が滞留すると、滞留した水によって、アノードオフガス導出流路が閉塞されやすくなる。

適用例１の燃料電池用セパレータでは、バッファ部のアノードと対向する内壁面において、第１の領域に面する部位には、複数の突起部の一部が第１の密度で２次元的に配列されており、第２の領域に面する部位には、複数の突起部の他の一部が第１の密度よりも高い第２の密度で２次元的に配列されている。こうすることによって、バッファ部において、重力によって水が滞留しやすい第１の領域に水が残留した場合であっても、この残留した水を、毛管現象によって、複数の突起部が高密度で配列された第２の領域に吸い上げることができる。したがって、バッファ部における第１の領域に水が滞留することを抑制し、アノードオフガス導出流路が閉塞されることを抑制し、アノードオフガスの排出経路を確保することができる。

なお、本適用例において、複数の突起部がバッファ部の第２の領域に配列される「第２の密度」、換言すれば、複数の突起部間の距離、複数の突起部間に形成される各ガス流路の流路断面積は、毛管現象によって、第２の領域から水を吸い上げることができるように設定されている。

本発明の一実施例としての燃料電池１００の概略構成を示す説明図である。 アノード側セパレータ３０ａの概略構成を示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
Ａ．燃料電池：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池１００の概略構成を示す説明図である。図１では、燃料電池１００の断面構造を模式的に示した。図示するように、この燃料電池１００は、膜電極接合体１０の両面に、アノード側ガス拡散層２０ａ、および、カソード側ガス拡散層２０ｃを接合し、これらを、アノード側セパレータ３０ａ、および、カソード側セパレータ３０ｃで挟持することによって構成されている。

膜電極接合体１０は、プロトン伝導性を有する電解質膜１２の両面に、アノード側触媒層１４ａ、および、カソード側触媒層１４ｃを接合することによって構成されている。アノード側触媒層１４ａ、および、カソード側触媒層１４ｃは、それぞれ、電解質膜１２の表面に、触媒インクを塗布して乾燥させることによって形成される。本実施例では、電解質膜１２として、ナフィオン（登録商標）等の固体高分子からなる電解質膜を用いるものとした。また、本実施例では、アノード側ガス拡散層２０ａ、および、カソード側ガス拡散層２０ｃとして、カーボンクロスを用いるものとした。アノード側ガス拡散層２０ａ、および、カソード側ガス拡散層２０ｃとして、カーボンペーパ等、ガス拡散性、および、導電性を有する他の材料を用いるものとしてもよい。

アノード側セパレータ３０ａにおけるアノード側ガス拡散層２０ａと当接する側の表面には、図示するように、リブ部および溝部が形成されており、これらのリブ部および溝部は、燃料ガスとしての水素、および、アノードから排出されるアノードオフガスを流すためのガス流路（水素流路）を形成する。また、カソード側セパレータ３０ｃにおけるカソード側ガス拡散層２０ｃと当接する表面には、図示するように、リブ部および溝部が形成されており、これらのリブ部および溝部は、酸化剤ガスとしての空気、および、カソードから排出されるカソードオフガスを流すためのガス流出流路を形成する。アノード側セパレータ３０ａ、および、カソード側セパレータ３０ｃの材料としては、カーボンや、金属など、導電性を有する種々の材料を適用可能である。本実施例では、アノード側セパレータ３０ａ、および、カソード側セパレータ３０ｃの材料として、ステンレスや、チタン等の、比較的撥水性が高い材料を用いるものとした。

以下、アノード側セパレータ３０ａの要部である燃料ガスとしての水素の流路について、詳しく説明する。そして、本明細書では、燃料電池１００における空気および冷却水の流路については、図示および説明を省略する。

Ｂ．アノード側セパレータ：
図２は、アノード側セパレータ３０ａの概略構成を示す説明図である。図２では、アノード側セパレータ３０ａを、アノード側ガス拡散層２０ａ（図１参照）と当接する側から見た平面図を示した。図２（ａ）に示したように、アノード側セパレータ３０ａは、水素供給部３１と、複数の水素導入流路３２と、入口バッファ部３３と、複数の水素流路３４と、出口バッファ部３５と、複数のアノードオフガス導出流路３６と、アノードオフガス排出部３７と、を備える。

水素供給部３１は、アノード側セパレータ３０ａの厚さ方向に貫通する貫通孔である。水素供給部３１は、燃料電池１００の外部から供給された水素を燃料電池１００の積層方向に流すための流路を形成する。また、アノードオフガス排出部３７は、アノード側セパレータ３０ａの厚さ方向に貫通する貫通孔である。アノードオフガス排出部３７は、燃料電池１００のアノードから排出されたアノードオフガスを燃料電池１００の積層方向に流して燃料電池１００の外部に排出するための流路を形成する。

水素供給部３１と複数の水素流路３４とは、複数の水素導入流路３２、および、入口バッファ部３３を介して連通している。複数の水素導入流路３２は、図示した重力方向に等間隔に配置されている。また、複数の水素導入流路３２の流路断面積は、複数の水素流路３４の流路断面積よりも小さい。

入口バッファ部３３のアノード側ガス拡散層２０ａと対向する内壁面には、この内壁面からアノード側ガス拡散層２０ａと当接する表面側に向かって突起する複数の突起部３３ｐが形成されている。本実施例では、複数の突起部３３ｐのアノード側ガス拡散層２０ａとの当接面の形状は、円形であるものとした。複数の突起部３３ｐのアノード側ガス拡散層２０ａとの当接面の形状および配列は、任意に設定可能である。

燃料電池１００の外部から供給された水素は、水素供給部３１から複数の水素導入流路３２を通じて入口バッファ部３３に流入する。そして、この水素は、入口バッファ部３３において複数の突起部３３ｐによって分散されて、複数の水素流路３４に分配される。

複数の水素流路３４は、いわゆるサーペンタイン流路であり、アノード側セパレータ３０ａの表面に蛇行するように形成されている。複数の水素流路３４は、等間隔で配置されている。そして、複数の水素流路３４は、水素およびアノードオフガスが、蛇行しながら、アノード側セパレータ３０ａの図示した上方から下方（重力方向）に流れるように形成されている。

複数の水素流路３４とアノードオフガス排出部３７とは、出口バッファ部３５、および、複数のアノードオフガス導出流路３６を介して連通している。出口バッファ部３５は、複数の水素流路３４の終端に接続されている。出口バッファ部３５は、図示した重力方向についての下部に位置する下部領域３５Ａｂと、下部領域３５Ａｂの上部に隣接して位置する上部領域３５Ａｕと、を含んでいる（図２（ｂ）参照）。出口バッファ部３５のアノード側ガス拡散層２０ａと対向する内壁面には、この内壁面からアノード側ガス拡散層２０ａと当接する表面側に突起する複数の突起部３５ｐが形成されている。本実施例では、複数の突起部３５ｐのアノード側ガス拡散層２０ａとの当接面の形状は、楕円形であるものとした。複数の突起部３５ｐのアノード側ガス拡散層２０ａとの当接面の形状は、任意に設定可能である。複数の突起部３５ｐの配列については、後から説明する。

複数のアノードオフガス導出流路３６は、出口バッファ部３５における下部領域３５Ａｂとアノードオフガス排出部３７との間に、図示した重力方向に等間隔に配置されている。また、複数のアノードオフガス導出流路３６の流路断面積は、複数の水素流路３４の流路断面積よりも小さい。複数のアノードオフガス導出流路３６の流路断面積を、複数の水素流路３４の流路断面積よりも小さくすることによって、複数のアノードオフガス導出流路３６からアノードオフガス排出部３７に流れるアノードオフガスの流速を速くすることができる。

複数の水素流路３４の終端から排出されたアノードオフガスは、出口バッファ部３５に流入する。このとき、出口バッファ部３５には、アノードオフガスとともに、水（例えば、発電によって生成された生成水）も流入する。出口バッファ部３５では、複数の突起部３５ｐによって、水を含むアノードオフガスの流れ方向が分散される。そして、出口バッファ部３５に流入したアノードオフガスおよび水は、出口バッファ部３５から複数のアノードオフガス導出流路３６を通じてアノードオフガス排出部３７に導出される。

また、本実施例では、アノード側セパレータ３０ａにおいて、複数の水素流路３４の終端と、出口バッファ部３５と、複数のアノードオフガス導出流路３６と、アノードオフガス排出部３７とは、水平方向に並べて配置されている。また、複数のアノードオフガス導出流路３６は、アノードオフガスを、出口バッファ部３５における下部領域３５Ａｂからアノードオフガス排出部３７に水平方向に導くように形成されている。したがって、アノード側セパレータ３０ａにおいて、複数の水素流路３４の終端からアノードオフガス排出部３７にかけて、アノードオフガスおよび水の流れ方向は、水平方向となる。そして、出口バッファ部３５において、水は、重力によって、下部領域３５Ａｂに滞留しやすく、この下部領域３５Ａｂに水が滞留すると、滞留した水によって、複数のアノードオフガス導出流路３６が閉塞されやすくなる。

図２（ｂ）に、出口バッファ部３５における複数の突起部３５ｐの配列を示した。出口バッファ部３５において、下部領域３５Ａｂは、出口バッファ部３５の高さ（幅）ｃのうち、重力方向についての最下部から高さ（幅）ｂの範囲に位置する領域である。また、上部領域３５Ａｕは、下部領域３５Ａｂの上部に隣接して位置する領域であり、下部領域３５Ａｂの最上部から出口バッファ部３５の最上部までの高さ（幅）ａの範囲に位置する領域である（ｃ＝ａ＋ｂ）。なお、下部領域３５Ａｂの高さ（幅）ｂは、図示した複数のアノードオフガス導出流路３６全体の高さｄ（幅）よりも大きい。下部領域３５Ａｂは、［課題を解決するための手段］における第１の領域に相当する。また、上部領域３５Ａｕは、［課題を解決するための手段］における第２の領域に相当する。

そして、図示するように、下部領域３５Ａｂにおけるアノードと対向する内壁面には、複数の突起部３５ｐが、第１の密度で、粗に２次元配列されている。一方、上部領域３５Ａｕにおけるアノードと対向する内壁面には、複数の突起部３５ｐが、第１の密度よりも高い第２の密度で、密に２次元配列されている。本実施例では、下部領域３５Ａｂ、および、上部領域３５Ａｕにおいて、突起部３５ｐのサイズは同じであるものとした。下部領域３５Ａｂ、および、上部領域３５Ａｕにおいて、突起部３５ｐのサイズは異なるものとしてもよい。そして、上部領域３５Ａｕにおける複数の突起部３５ｐ間の距離は、下部領域３５Ａｂにおける複数の突起部３５ｐ間の距離よりも大きい。また、上部領域３５Ａｕにおける複数の突起部３５ｐ間に形成される各ガス流路の流路断面積は、下部領域３５Ａｂにおける複数の突起部３５ｐ間に形成される各ガス流路の流路断面積よりも大きい。

以上説明した本実施例のアノード側セパレータ３０ａを用いた燃料電池１００では、出口バッファ部３５において、下部領域３５Ａｂにおけるアノードと対向する内壁面には、複数の突起部３５ｐが第１の密度で２次元的に配列されており、上部領域３５Ａｕのアノードと対向する内壁面には、複数の突起部３５ｐが第１の密度よりも高い第２の密度で２次元的に配列されている。こうすることによって、出口バッファ部３５において、重力によって水が滞留しやすい下部領域３５Ａｂに水が残留した場合であっても、この残留した水を、毛管現象によって、複数の突起部３５ｐが高密度で配列された上部領域３５Ａｕに吸い上げることができる。したがって、出口バッファ部３５における下部領域３５Ａｂに水が滞留することを抑制し、複数のアノードオフガス導出流路３６が閉塞されることを抑制し、アノードオフガスの排出経路を確保することができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。

１００…燃料電池
１０…膜電極接合体
１２…電解質膜
１４ａ…アノード側触媒層
１４ｃ…カソード側触媒層
２０ａ…アノード側ガス拡散層
２０ｃ…カソード側ガス拡散層
３０ａ…アノード側セパレータ
３０ｃ…カソード側セパレータ
３１…水素供給部
３２…水素導入流路
３３…入口バッファ部
３３ｐ…突起部
３４…水素流路
３５…出口バッファ部
３５Ａｂ…下部領域
３５Ａｕ…上部領域
３５ｐ…突起部
３６…アノードオフガス導出流路
３７…アノードオフガス排出部

Claims (1)

1. 燃料電池用セパレータであって、
   燃料電池のアノードの表面に沿って燃料ガスを流すための燃料ガス流路と、
   前記燃料電池用セパレータの厚さ方向に貫通し、前記アノードから排出されたアノードオフガスを前記燃料電池の外部に排出するためのアノードオフガス排出部と、
   前記燃料ガス流路の終端に接続され、該燃料ガス流路の終端から排出された前記アノードオフガスが流入するバッファ部であって、前記アノードと対向する内壁面に、該内壁面から前記アノードの表面側に向かって突起する複数の突起部が形成されたバッファ部と、
   前記バッファ部に流入した前記アノードオフガスを前記アノードオフガス排出部に導出するためのアノードオフガス導出流路と、
   を備え、
   前記燃料電池用セパレータの姿勢を、前記燃料電池用セパレータの表面に対して垂直な方向が重力方向に対して垂直になる姿勢にしたときに、
   前記燃料ガス流路の終端と、前記バッファ部と、前記アノードオフガス導出流路と、前記アノードオフガス排出部とは、水平方向に並べて配置されており、
   前記バッファ部は、第１の領域と、該第１の領域の重力方向についての上部に隣接して位置する第２の領域と、を含み、
   前記アノードオフガス導出流路は、前記アノードオフガスを、前記バッファ部における前記第１の領域から前記アノードオフガス排出部に水平方向に導くように形成されており、
   前記バッファ部の前記アノードと対向する内壁面において、
   前記第１の領域に面する部位には、前記複数の突起部の一部が第１の密度で２次元的に配列されており、
   前記第２の領域に面する部位には、前記複数の突起部の他の一部が前記第１の密度よりも高い第２の密度で２次元的に配列されている、
   燃料電池用セパレータ。

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