JP5651541B2 - 燃料電池用セパレータと燃料電池 - Google Patents
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Description
また、近年では、コンパクト化の要求から、金属製の波板を重ね合わせて構成したセパレータが多く用いられている(例えば、特許文献1,2参照)。
ところで、燃料ガスとして用いる水素は、分子量も小さく、拡散性が高いので、燃料ガス流路105の流路断面積は小さくても構わない。一方、冷却液は、液体であり、粘度も高いので、冷却液流路103の流路断面積は大きい方が望ましい。
前記従来のセパレータ100において、第2セパレータ102の波部の高さを低くすると、燃料ガス流路105の流路断面積は小さくなるが、冷却液流路103の流路断面積が大きくなるので、冷却性能を向上させることができる。
また、単純に、燃料ガス流路105の流路断面積を小さくし冷却液流路103の流路断面積を大きくすることで冷却能力を高めると、燃料ガス流路105が過冷状態となり、アノード側に結露水が発生して燃料ガス流路105を閉塞させる虞もある。一般に、燃料電池において発電による発熱は、アノード側よりもカソード側の方が大きいことが知られており、冷却効果の向上を求められているのはカソード側である。
請求項1に係る発明は、波部(例えば、後述する実施例における波部19,23)の高さが異なる一対の金属製波板(例えば、後述する実施例における第1セパレータ板13、第2セパレータ板15)を備え、波部の高さが大きい一方の金属製波板(例えば、後述する実施例における第1セパレータ板13)の凹部(例えば、後述する実施例における凹部19b)に、波部の高さが低い他方の金属製波板(例えば、後述する実施例における第2セパレータ板15)の凸部(例えば、後述する実施例における凸部23a)を収容して前記一対の金属製波板を重ね合わせて、前記凹部と前記凸部との間の空間で燃料電池冷却用の冷却液が流通する冷却液流路(例えば、後述する実施例における冷却液流路25)を形成し、重ね合わせた前記一対の金属製波板の両外側の凹部のうちの波部の高さが大きい前記一方の金属製波板の凹部(例えば、後述する実施例における凹部19b)で酸化剤ガス流路(例えば、後述する実施例における酸化剤ガス流路27)を形成し、波部の高さが低い前記他方の金属製波板の凹部(例えば、後述する実施例における凹部23b)で燃料ガス流路(例えば、後述する実施例における燃料ガス流路29)を形成する燃料電池用セパレータ(例えば、後述する実施例におけるセパレータ3)において、波部の高さが大きい前記一方の金属製波板の凹部に収容された波部の高さが低い前記他方の金属製波板の凸部の少なくとも一つは、その一方の傾斜部(例えば、後述する実施例における傾斜部24aまたは24b)のみが、波部の高さが大きい前記一方の金属製波板の凹部に接触し、隣接する二つの他方の傾斜部(例えば、後述する実施例における傾斜部24a,24b)間、または、他方の傾斜部と前記一方の金属製波板の凹部との間に前記冷却液流路を有することを特徴とする燃料電池用セパレータである。
請求項4に係る発明は、固体高分子電解質膜(例えば、後述する実施例における固体高分子電解質膜7)をアノード電極(例えば、後述する実施例におけるアノード電極9)とカソード電極(例えば、後述する実施例におけるカソード電極11)とで挟持して構成された電極膜構造体(例えば、後述する実施例における膜電極構造体5)と、前記請求項1記載の燃料電池用セパレータ(例えば、後述する実施例におけるセパレータ3)とを交互に積層してなることを特徴とする燃料電池(例えば、後述する実施例における燃料電池1)である。
請求項4に係る発明によれば、燃料電池における燃料ガス流路の流路閉塞を防止しつつ、燃料電池における冷却液による冷却性能を向上することができる。
初めに、この発明に係る燃料電池用セパレータと燃料電池の実施例1を図1から図6の図面を参照して説明する。
図1は、燃料電池1の縦断面図であり、燃料電池1は、燃料電池用セパレータ(以下、セパレータという)3と膜電極構造体5とが交互に積層して構成されている。
第2セパレータ板15の波部23のピッチは、第1セパレータ板13の波部19のピッチの半分に設定されており、第1セパレータ板13の波部19の高さh1は、第2セパレータ板15の波部23の高さh2よりも高く設定されている(h1>h2)。
そして、第1セパレータ板13の波部19の凸部19aにおいてカソード電極11に接近する方向に突出する凸部19aがカソード電極11に密接し、第2セパレータ板15の波部23の凸部23aにおいてアノード電極9に接近する方向に突出する凸部23aがアノード電極9に密接するように配置されている。
さらに、膜電極構造体5を間に挟んで両側に配置されたセパレータ3,3はいずれも同位相に配置されている。
なお、第2セパレータ板15の波部23の高さh2は、アノード電極9側の拡散層が変形した場合にも燃料ガス流路29が閉塞されない高さに設定されている。
ところで、第1セパレータ板13の波部19の高さh1が第2セパレータ板15の波部23の高さh2よりも高いため、酸化剤ガス流路27の流路断面積の方が燃料ガス流路29の流路断面積よりも大きくなる。これは、この実施の形態では、酸化剤ガスとして空気を用いており、空気の場合には、例えば純水素を用いた燃料ガスよりも多く流す必要があることによる。
なお、1つのセパレータ3において第1セパレータ板13の平面部31と第2セパレータ板15の平面部33を、溶接またはロウ付け等のシール性を有する接合手段によって接合することにより、前記シール材36を不要にし部品点数の削減を図ることも可能である。
第1セパレータ板13の左平坦部39の略中央部には冷却液を流通させるための入口側冷却液連通孔51aが設けられ、右平坦部41の略中央部には使用後の前記冷却液を流通させるための出口側冷却液連通孔51bが設けられている。
なお、シール材35とシール材37、および、シール材55とシール材59は固体高分子電解質膜7を挟んで対向して配置されており、これによって、第1セパレータ板13と固体高分子電解質膜7との間がシール材35およびシール材55によって水密にシールされ、第2セパレータ板15と固体高分子電解質膜7との間がシール材37およびシール材59によって水密にシールされるようになっている。
単位燃料電池83には、燃料ガス、例えば、炭化水素を改質した水素を含むガスまたは純水素が供給されるとともに酸化剤ガスとして酸素含有ガス(以下、例えば空気)が供給され、さらに、その発電面を冷却するために、冷却液が供給される。
燃料ガスは、入口側燃料ガス流路71に供給され、入口側燃料ガス連通孔47aから燃料ガス流路57aを通って、各燃料ガス流路29へと移動する。各燃料ガス流路29に供給された燃料ガスは、アノード電極9に沿って水平方向に移動し、その際に、燃料ガス中の水素ガスがアノード電極9に供給される。そして、未使用の燃料ガスは燃料ガス流路29を移動しながらアノード電極9に供給されるとともに、燃料ガス流路29の終端から第2セパレータ板15の右平坦部45と固体高分子電解質膜7との間に移動し、さらに燃料ガス流路57bを通って、出口側燃料ガス連通孔47bから出口側燃料ガス流路73に排出される。
このように、燃料ガス流路29の流路断面積を大きく確保することができるので発電性能を高めることができる。
一方、酸化剤ガス流路27と冷却液流路25は第1セパレータ板13を介して十分に大きな面積を確保して対向しているので、酸化剤ガス流路27を流通する酸化剤ガスに対する冷却能力を十分に大きくすることができる。その結果、燃料電池1における冷却液による冷却性能を向上することができる。
この実施例2におけるセパレータ3においては、第1セパレータ板13は前述した実施例1のものと同じであるが、第2セパレータ板15が前述した実施例1のものと異なる。以下、実施例1との相違点を説明し、実施例1と同一態様部分には同一符号を付して説明を省略する。
尚、この発明は前述した実施の形態に限られるものではない。例えば、前述した実施例1では、第1セパレータ板13の波部19の各凹部19bに、第2セパレータ板15において隣り合う二つの波部23の凸部23aを収容したが、第1セパレータ板13の波部19の各凹部19bに収容する第2セパレータ板15の波部23の凸部23aの数は三つ以上であってもよい。その場合には、第1セパレータ板13の波部19の各凹部19bに収容された第2セパレータ板15の三つ以上の凸部23aのうち、最外側に配置された凸部23aの各一方の傾斜部のみを第1セパレータ板13の波部19の凹部19bに接触させ、最外側に配置される以外の凸部23aは両方の傾斜部24a,24bが第1セパレータ板13の波部19の凹部19bに非接触となる。
さらに、第1セパレータ板13と第2セパレータ板15の材質はステンレス鋼に限るものではなく、防食性を有する他の金属で構成してもよいし、あるいは、導電性に優れた防錆被膜で被覆された金属板で構成してもよい。
3 燃料電池用セパレータ
5 膜電極構造体
7 固体高分子電解質膜
9 アノード電極
11 カソード電極
13 第1セパレータ板(一方の金属製波板)
15 第2セパレータ板(他方の金属製波板)
19 波部
19b 凹部
23 波部
23a 凸部
24a,24b 傾斜部
25 冷却液流路
26 平坦部
27 酸化剤ガス流路
29 燃料ガス流路
Claims (4)
- 波部の高さが異なる一対の金属製波板を備え、波部の高さが大きい一方の金属製波板の凹部に、波部の高さが低い他方の金属製波板の凸部を収容して前記一対の金属製波板を重ね合わせて、前記凹部と前記凸部との間の空間で燃料電池冷却用の冷却液が流通する冷却液流路を形成し、重ね合わせた前記一対の金属製波板の両外側の凹部のうちの波部の高さが大きい前記一方の金属製波板の凹部で酸化剤ガス流路を形成し、波部の高さが低い前記他方の金属製波板の凹部で燃料ガス流路を形成する燃料電池用セパレータにおいて、
波部の高さが大きい前記一方の金属製波板の凹部に収容された波部の高さが低い前記他方の金属製波板の凸部の少なくとも一つは、その一方の傾斜部のみが、波部の高さが大きい前記一方の金属製波板の凹部に接触し、隣接する二つの他方の傾斜部間、または、他方の傾斜部と前記一方の金属製波板の凹部との間に前記冷却液流路を有することを特徴とする燃料電池用セパレータ。 - 波部の高さが大きい前記一方の金属製波板の各凹部に、波部の高さが低い前記他方の金属製波板の複数の凸部を収容したことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池用セパレータ。
- 波部の高さが低い前記他方の金属製波板は、隣接する二つの凸部間に平坦部を有することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池用セパレータ。
- 固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで挟持して構成された電極膜構造体と、前記請求項1記載の燃料電池用セパレータとを交互に積層してなることを特徴とする燃料電池。
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