JP5912579B2

JP5912579B2 - 燃料電池

Info

Publication number: JP5912579B2
Application number: JP2012014700A
Authority: JP
Inventors: 佐藤　修二; 修二佐藤; 佐藤　雅彦; 雅彦佐藤
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2012-01-27
Filing date: 2012-01-27
Publication date: 2016-04-27
Anticipated expiration: 2032-01-27
Also published as: US20130196249A1; US9368815B2; JP2013157094A

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、反応ガスを積層方向に流通させる反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔と、電極面に沿って反応ガスを供給するとともに、前記反応ガス入口連通孔から前記反応ガス出口連通孔に連なる反応ガス流路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の両側に、それぞれアノード電極及びカソード電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、一対のセパレータによって挟持した発電セルを備えている。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、例えば、車載用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、アノード電極に対向して燃料ガスを流すための燃料ガス流路（反応ガス流路）と、カソード電極に対向して酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路（反応ガス流路）とが設けられている。また、セパレータ間には、冷却媒体を流すための冷却媒体流路が、前記セパレータの面方向に沿って設けられている。

燃料電池では、セパレータの積層方向に貫通する反応ガス入口連通孔、反応ガス出口連通孔、冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口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、積層された燃料電池では、各セパレータの複数本の反応ガス流路に対して反応ガスを均等に分配供給する必要がある。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池が知られている。この燃料電池は、図５に示すように、固体電解質層の両面にそれぞれ空気極と燃料極とを配置した単電池（図示せず）と、セパレータ１とを交互に積層している。セパレータ１の一方の対角位置には、ガス給気孔１ａ及びガス排気孔１ｂが設けられるとともに、前記セパレータ１の面内には、複数のガス流通溝１ｃが刻設されている。

そして、セパレータ１のガス導入部、ガス導出部のいずれか一方又は両方にガス流の絞り部２、障害物３のいずれか一方又は両方を形成し、及び／又はガス流通溝１ｃの深さを該溝の他の部分の深さより浅くして圧力損失機能を持たせている。

特開平１０−１７２５９４号公報

上記の燃料電池では、ガス導入部やガス導出部やガス流通溝１ｃにおけるガスの圧力損失を大きくして、ガスの均等分配を図るものである。しかしながら、ガス導入部及びガス導出部は、ガス流通溝１ｃに対してガス流れが不連続になる領域である。

このため、ガス導入部及びガス導出部とガス流通溝１ｃとの相対的な圧損によっては、反応ガスに伴って移動する水分は、前記ガス導入部や前記ガス導出部に滞留して滞留水が発生し易い。この滞留水は、反応ガスの円滑な流通を阻害して、ガス流通溝１ｃにおける反応ガスの流配性が低下するおそれがある。これにより、ガス導入部やガス導出部は、バッファ部としての機能（反応ガスの均等な流配）を発揮することができないという問題がある。

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、セパレータ面内から滞留水を確実に排出させることができ、反応ガス流路における反応ガスの流配性を良好に向上させ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、反応ガスを積層方向に流通させる反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔と、電極面に沿って反応ガスを供給するとともに、前記反応ガス入口連通孔から前記反応ガス出口連通孔に連なる反応ガス流路が形成される燃料電池に関するものである。

この燃料電池では、セパレータには、反応ガス入口連通孔から反応ガス流路に向かって、複数本の流路溝を有する入口連結流路、及び反応ガスの流れを揃える入口バッファ部が設けられる一方、前記反応ガス流路から反応ガス出口連通孔に向かって、前記反応ガスの流れを揃える出口バッファ部、及び複数本の流路溝を有する出口連結流路が設けられている。

そして、入口バッファ部の圧損は、反応ガス流路の圧損よりも小さく設定されるとともに、出口バッファ部の圧損は、出口連結流路の圧損よりも小さく設定されている。

また、この燃料電池では、反応ガス入口連通孔と入口連結流路との間には、反応ガスの流れが不連続となる入口側間隙部位を介して、反応ガス流れ方向に沿って反応ガス導入流路が設けられるとともに、前記入口側間隙部位の圧損は、前記入口連結流路の圧損よりも小さく設定されることが好ましい。

さらに、この燃料電池では、反応ガス出口連通孔と出口連結流路との間には、反応ガスの流れが不連続となる出口側間隙部位を介して、反応ガス流れ方向に沿って反応ガス導出流路が設けられるとともに、前記出口側間隙部位の圧損は、前記反応ガス導出流路の圧損よりも小さく設定されることが好ましい。

本発明によれば、反応ガス流路の圧損は、入口バッファ部の圧損よりも大きく設定されている。このため、連続流路を構成しない不連続な流れを形成する入口バッファ部に滞留する水は、下流側の圧損が高くなるために、差圧によって反応ガス流路に円滑に排出される。さらに、反応ガス流路から出口バッファ部に導入された滞留水は、この出口バッファ部よりも大きな圧損に設定された出口連結流路に、差圧を介して円滑に排出される。

これにより、簡単な構成で、セパレータ面内から滞留水を確実に排出させることができ、反応ガス流路における反応ガスの流配性を良好に向上させることが可能になる。

本発明の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視説明図である。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説明図である。前記燃料電池を構成する第２金属セパレータの正面説明図である。従来の燃料電池の要部斜視説明図である。

図１に示すように、燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）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とに挟持される。燃料電池１０は、例えば、水平方向（矢印Ａ方向）に沿って互いに積層されて燃料電池スタックを構成する。この燃料電池スタックは、例えば、車載用燃料電池スタックとして、燃料電池電気自動車に搭載される。

第１金属セパレータ１８及び第２金属セパレータ２０は、平面が矩形状を有し縦長形状に構成されるとともに、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。第１金属セパレータ１８及び第２金属セパレータ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。なお、第１金属セパレータ１８及び第２金属セパレータ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入口連通孔（反応ガス入口連通孔）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入口連通孔（反応ガス入口連通孔）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出口連通孔（反応ガス出口連通孔）２４ｂと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔（反応ガス出口連通孔）２２ｂとが設けられる。

酸化剤ガス入口連通孔２２ａと酸化剤ガス出口連通孔２２ｂとは、点対称の位置に対応して設けられるとともに、燃料ガス入口連通孔２４ａと燃料ガス出口連通孔２４ｂとは、同様に点対称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入口連通孔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出口連通孔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電極３０及びカソード電極３２とを備える。アノード電極３０は、カソード電極３２よりも小さな表面積を有する、所謂、段差型ＭＥＡを構成する。なお、カソード電極３２をアノード電極３０よりも小さな表面積に設定してもよく、又は、前記カソード電極３２と前記アノード電極３０とを同一の表面積に設定してもよい。

アノード電極３０及びカソード電極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され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、燃料ガス入口連通孔２４ａと燃料ガス出口連通孔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。なお、燃料ガス流路３４は、複数の波状流路溝３４ａに代えて、複数の直線状流路溝を有していてもよい。

入口バッファ部３６ａ及び出口バッファ部３６ｂは、互いに点対称の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。入口バッファ部３６ａ及び出口バッファ部３６ｂの三角形の頂点は、燃料ガス流路３４の幅範囲内に配設される。

入口バッファ部３６ａには、燃料ガス入口連通孔２４ａに向かって延在する入口連結流路４０がプレス成形される。入口連結流路４０は、凸状部間に複数の流路溝４０ａが設けられる。入口連結流路４０の上流側近傍には、複数の供給孔部４２ａが形成される。供給孔部４２ａは、面１８ｂ側で燃料ガス入口連通孔２４ａに連通する。

出口バッファ部３６ｂには、燃料ガス出口連通孔２４ｂに向かって延在する出口連結流路４３がプレス成形される。出口連結流路４３は、凸状部間に複数の流路溝４３ａが設けられる。出口連結流路４３の下流側近傍には、複数の排出孔部４２ｂが形成される。排出孔部４２ｂは、面１８ｂ側で燃料ガス出口連通孔２４ｂに連通する。

入口バッファ部３６ａの全体の圧損（全体量としての圧損をいい、以下、単に圧損という）は、燃料ガス流路３４の圧損よりも小さく設定されるとともに、出口バッファ部３６ｂの圧損は、出口連結流路４３の圧損よりも小さく設定される。

具体的には、燃料ガス流路３４では、波状流路溝３４ａの流路長を確保することにより、圧損を高めている。入口バッファ部３６ａでは、深さ方向（積層方向）の寸法を大きく設定することにより、圧損を低減させている。出口連結流路４３では、流路溝４３ａの本数を燃料ガス流路３４の本数よりも少なくすることにより、圧損を高めている。

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、酸化剤ガス入口連通孔２２ａと酸化剤ガス出口連通孔２２ｂとを連通して酸化剤ガス流路４４が形成される。

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、互いに点対称の略三角形状を有するとともに、複数のエンボス４８ａ、４８ｂを設ける。なお、酸化剤ガス流路４４は、複数の波状流路溝４４ａに代えて、複数の直線状流路溝を有していてもよい。

入口バッファ部４６ａには、酸化剤ガス入口連通孔２２ａに向かって延在する入口連結流路５０がプレス成形される。入口連結流路５０は、凸状部間に複数の流路溝５０ａが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔２２ａと入口連結流路５０との間には、酸化剤ガス流れ方向に沿って酸化剤ガス導入流路（反応ガス導入流路）５２ａ、及び酸化剤ガスの流れが不連続になる入口側間隙部位５４ａが設けられる。

酸化剤ガス導入流路５２ａは、後述する第２シール部材６４と一体に成形されるゴムブリッジ５６ａにより構成される。入口側間隙部位５４ａは、酸化剤ガス導入流路５２ａと入口連結流路５０との間に設けられる。

出口バッファ部４６ｂには、酸化剤ガス出口連通孔２２ｂに向かって延在する出口連結流路５８がプレス成形される。出口連結流路５８は、凸状部間に複数の流路溝５８ａが設けられる。酸化剤ガス出口連通孔２２ｂと出口連結流路５８との間には、酸化剤ガス流れ方向に沿って酸化剤ガスの流れが不連続になる出口側間隙部位５４ｂ、及び酸化剤ガス導出流路（反応ガス導出流路）５２ｂが設けられる。

酸化剤ガス導出流路５２ｂは、後述する第２シール部材６４と一体に成形されるゴムブリッジ５６ｂにより構成される。出口側間隙部位５４ｂは、酸化剤ガス導出流路５２ｂと出口連結流路５８との間に設けられる。

入口バッファ部４６ａの圧損は、酸化剤ガス流路４４の圧損よりも小さく設定されるとともに、出口バッファ部４６ｂの圧損は、出口連結流路５８の圧損よりも小さく設定される。

具体的には、酸化剤ガス流路４４では、波状流路溝４４ａの流路長を確保することにより、圧損を高めている。入口バッファ部４６ａでは、深さ方向（積層方向）の寸法を大きく設定することにより、圧損を低減させている。出口連結流路５８では、流路溝５８ａの本数を酸化剤ガス流路４４の本数よりも少なくすることにより、圧損を高めている。

入口側間隙部位５４ａの圧損は、入口連結流路５０の圧損よりも小さく設定される。出口側間隙部位５４ｂの圧損は、酸化剤ガス導出流路５２ｂの圧損よりも小さく設定される。具体的には、入口連結流路５０では、流路溝５０ａの本数を削減することにより、圧損を高めている。なお、高さ方向の寸法を小さく設定することにより、圧損を高めてもよい。酸化剤ガス導出流路５２ｂでは、シール部材を表面張力の高い材質に設定するとともに、高さ方向（積層方向）の寸法を小さく設定することにより、圧損を高めている。

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、冷却媒体入口連通孔２６ａと冷却媒体出口連通孔２６ｂとに連通する冷却媒体流路６０が形成される。この冷却媒体流路６０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。

図２に示すように、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６２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６４が一体成形される。

第１シール部材６２及び第２シール部材６４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。

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、酸化剤ガス入口連通孔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、燃料ガス入口連通孔２４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔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、酸化剤ガス入口連通孔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、酸化剤ガス入口連通孔２２ａを流れる酸化剤ガスは、酸化剤ガス導入流路５２ａ、入口側間隙部位５４ａ及び入口連結流路５０を通って入口バッファ部４６ａに供給される。

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、燃料ガス入口連通孔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、入口連結流路４０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、カソード電極３２に供給される酸化剤ガスと、アノード電極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から出口連結流路５８、出口側間隙部位５４ｂ及び酸化剤ガス導出流路５２ｂに沿って酸化剤ガス出口連通孔２２ｂに排出される。

同様に、アノード電極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、出口連結流路４３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、燃料ガス出口連通孔２４ｂに排出される。

また、冷却媒体は、冷却媒体入口連通孔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６０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、冷却媒体出口連通孔２６ｂから排出される。

この場合、本実施形態では、図３に示すように、第１金属セパレータ１８において、入口バッファ部３６ａの圧損は、燃料ガス流路３４の圧損よりも小さく設定されている。このため、連続流路を構成しない不連続な流れを形成する入口バッファ部３６ａに滞留する水は、下流側の圧損が高くなるために、差圧によって燃料ガス流路３４に円滑に排出される。

さらに、出口バッファ部３６ｂの圧損は、出口連結流路４３の圧損よりも小さく設定されている。従って、燃料ガス流路３４から出口バッファ部３６ｂに導入された滞留水は、この出口バッファ部３６ｂよりも大きな圧損に設定された出口連結流路４３に、差圧を介して円滑に排出される。

これにより、簡単な構成で、第１金属セパレータ１８のセパレータ面内から滞留水を確実に排出させることができ、燃料ガス流路３４における燃料ガスの流配性を良好に向上させることが可能になるという効果が得られる。

一方、図４に示すように、第２金属セパレータ２０において、入口バッファ部４６ａの圧損は、酸化剤ガス流路４４の圧損よりも小さく設定されている。このため、連続流路を構成しない不連続な流れを形成する入口バッファ部４６ａに滞留する水は、下流側の圧損が高くなるために、差圧によって酸化剤ガス流路４４に円滑に排出される。

さらに、出口バッファ部４６ｂの圧損は、出口連結流路５８の圧損よりも小さく設定されている。従って、酸化剤ガス流路４４から出口バッファ部４６ｂに導入された滞留水は、この出口バッファ部４６ｂよりも大きな圧損に設定された出口連結流路５８に、差圧を介して円滑に排出される。

これにより、簡単な構成で、第２金属セパレータ２０のセパレータ面内から滞留水を確実に排出させることができ、酸化剤ガス流路４４における燃料ガスの流配性を良好に向上させることが可能になるという効果が得られる。

さらに、本実施形態では、入口側間隙部位５４ａの圧損は、入口連結流路５０の圧損よりも小さく設定されている。しかも、出口側間隙部位５４ｂの圧損は、酸化剤ガス導出流路５２ｂの圧損よりも小さく設定されている。

このため、入口側間隙部位５４ａ及び出口側間隙部位５４ｂに水が滞留することがなく、第２金属セパレータ２０のセパレータ面内から滞留水を一層確実且つ円滑に排出させることができるという効果が得られる。

１０…燃料電池１６…電解質膜・電極構造体
１８、２０…金属セパレータ２２ａ…酸化剤ガス入口連通孔
２２ｂ…酸化剤ガス出口連通孔２４ａ…燃料ガス入口連通孔
２４ｂ…燃料ガス出口連通孔２６ａ…冷却媒体入口連通孔
２６ｂ…冷却媒体出口連通孔２８…固体高分子電解質膜
３０…アノード電極３２…カソード電極
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
４０、５０…入口連結流路
４０ａ、４３ａ、５０ａ、５８ａ…流路溝
４２ａ…供給孔部４２ｂ…排出孔部
４３、５８…出口連結流路４４…酸化剤ガス流路
５２ａ…酸化剤ガス導入流路５２ｂ…酸化剤ガス導出流路
５４ａ…入口側間隙部位５４ｂ…出口側間隙部位
５６ａ、５６ｂ…ゴムブリッジ６０…冷却媒体流路
６２、６４…シール部材

Claims

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、反応ガスを積層方向に流通させる反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔と、電極面に沿って反応ガスを供給するとともに、前記反応ガス入口連通孔から前記反応ガス出口連通孔に連なる反応ガス流路が形成される燃料電池であって、
前記セパレータには、前記反応ガス入口連通孔から前記反応ガス流路に向かって、複数本の流路溝を有する入口連結流路、及び前記反応ガスの流れを揃える入口バッファ部が設けられる一方、前記反応ガス流路から前記反応ガス出口連通孔に向かって、前記反応ガスの流れを揃える出口バッファ部、及び複数本の流路溝を有する出口連結流路が設けられ、
前記入口バッファ部の圧損は、前記反応ガス流路の圧損よりも小さく設定されるとともに、前記出口バッファ部の圧損は、前記出口連結流路の圧損よりも小さく設定されることを特徴とする燃料電池。
請求項１記載の燃料電池において、前記反応ガス入口連通孔と前記入口連結流路との間には、前記反応ガスの流れが不連続となる入口側間隙部位を介して、反応ガス流れ方向に沿って反応ガス導入流路が設けられるとともに、
前記入口側間隙部位の圧損は、前記入口連結流路の圧損よりも小さく設定されることを特徴とする燃料電池。
請求項１又は２記載の燃料電池において、前記反応ガス出口連通孔と前記出口連結流路との間には、前記反応ガスの流れが不連続となる出口側間隙部位を介して、反応ガス流れ方向に沿って反応ガス導出流路が設けられるとともに、
前記出口側間隙部位の圧損は、前記反応ガス導出流路の圧損よりも小さく設定されることを特徴とする燃料電池。