JP5985892B2 - 燃料電池用多孔性分離板 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池用多孔性分離板に関するものであり、より詳しくは、反応気体の乱流流れを誘導し、製作加工性に優れた新たな構造の燃料電池用多孔性分離板に関するものである。

燃料電池スタックを図６を参照して説明すると、最も内側に電極膜接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）が位置している。電極膜接合体は、中心に水素陽イオン（Ｐｒｏｔｏｎ）を移動させる高分子電解質膜１０があり、電解質膜１０の一側に水素と酸素との反応触媒が塗布された触媒層、すなわち空気極（ｃａｔｈｏｄｅ）１２、他側に燃料極（ａｎｏｄｅ）１４が配置される。さらに、電極膜の外側部分、すなわち空気極１２と燃料極１４が位置した外側部分にガス拡散層（ＧＤＬ：Ｇａｓ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｌａｙｅｒ）１６が積層され、ガス拡散層１６の外側には、ガスケット（Ｇａｓｋｅｔ）１８を挟んで、燃料を供給し、反応により発生した水を排出する流路（Ｆｌｏｗ Ｆｉｅｌｄ）が形成された分離板２０が位置し、最外側には各構成を支持及び固定させるためのエンドプレート（Ｅｎｄ ｐｌａｔｅ）３０が結合される。

燃料電池スタックの燃料極１４では、水素の酸化反応が行われて水素イオン（Ｐｒｏｔｏｎ）と電子（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ）が発生し、この時生成した水素イオンと電子は、それぞれ電解質膜１０と分離板２０を通して空気極１２に移動し、空気極１２では燃料極１４から移動した水素イオンと電子、空気中の酸素による電気化学反応から水を生成すると共に、電子の流れから電気エネルギーを生成する。

通常、分離板は、ガス拡散層に密着支持されたランドと流体の流れ経路となるチャンネル（流路）が、繰り返し形成された構造に製作される。具体的に、一般的な分離板は、ランドとチャンネル（流路）が繰り返し屈曲している構造であり、ガス拡散層に向かい合う一面側のチャンネルは水素または空気のような反応気体が流れる空間として活用され、反対側のチャンネルは冷却水が流れる空間として使用される。従って、水素／冷却水チャンネルを有する分離板１枚と、空気／冷却水チャンネルを有する分離板１枚の合計２枚の分離板により１つの単位セルを構成することになる。

本願の出願人は、従来の一般的な分離板に比べて、反応気体が乱流となり、ガス拡散層への拡散がより容易に行われるようにした多孔性分離板を特許出願した（特許文献１参照）。これを図５を参照して説明する。
多孔性分離板は、金属板にエッチングして複数の流路孔を形成した後、隆起部と陥没部が繰り返し形成されるエンボス状の金型を用いてプレス加工して製造される。このように製造された多孔性分離板２０は、複数の流路孔２３がジグザグ状に配列され、貫通形成され、また、平板２４が密着される隆起部２１と、ガス拡散層１６に密着する陥没部２２が、ジグザグに配列している。

平板２４は、水素または空気のチャンネルのための密閉隔壁の役割をし、１つのセルの平板２４と他のセルの平板２４との間の空間はガスケットなどにより密閉されて冷却水チャンネルになる。従って、反応気体が多孔性分離板の流路孔を通過して隆起部と陥没部に沿って上側及び下側に流動すると共に、左側と右側に流動して反応気体の流れに強制的な乱流を与えることができ、このように反応気体が乱流を形成してガス拡散層に伝達されることにより気体拡散量が増加して燃料電池の性能を向上させることができる。

しかし、従来の多孔性分離板は、流路孔だけでなく、隆起部と陥没部がジグザグ状に形成されることにより、全体的な形状及び構造が非常に複雑である。従って、複雑な形状とするが故にプレス金型の製作が難しく、製作費用が嵩むという短所がある。

その他、燃料電池の分離板については、反応により生成した水がガス拡散層から排水用溝を通して容易に排出され、分離板の流路から供給された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分離板〔特許文献２参照〕、分離板のチャンネル内面に渦流発生構造を形成して、チャンネル内を流れる流体の渦流れを誘導することで、電極への反応ガスの供給及びガス拡散層内の液滴除去が容易に行われるようにした燃料電池分離板〔特許文献３参照〕などの提案がある。

韓国特許出願第２０１１−００９１５２０号（２０１１年９月９日） 特開２０１０−１０８８９０号公報 特開２０１２−０９４４７４号公報

上記のような点を考慮してなされた本発明の目的は、反応気体を乱流にすることができ、形状が単純で、加工性に優れ、反応気体の流動抵抗性を減少できる新たな構造の燃料電池用多孔性分離板を提供するにある。

本発明の燃料電池用多孔性分離板は、複数の流路孔が形成され上向き傾斜した第１流路面と、複数の流路孔が形成され下向き傾斜した第２流路面が、長手方向に沿って繰り返し形成された構造の流路板を、一方の面にガス拡散層の外側面を密着させ、他方の面を平板と密閉させて、ガス拡散層の外側面と流路板との間にできた空間と平板と流路板との間にできた空間が、流路孔で連通されて、水素または空気のチャンネルとしている。

複数のセルを積層して燃料電池とする時、セルの平板と隣接するセルの平板との間を、冷却水チャンネルとすることができる。

好ましくは、第１流路面に形成された流路孔と、第２流路面に形成された流路孔は、ジグザグ状に配列されるようにする。

さらに好ましくは、流路板の長手方向に沿って繰り返し形成された上向き傾斜した第１流路面と下向き傾斜した第２流路面は、ウェーブ状の波形断面とする。

本発明燃料電池用多孔性分離板は、次のような効果が実現できる。
本発明による分離板は、反応気体を乱流にすることは勿論、従来の分離板に比べて形状が単純であって、加工性に優れる。また、反応気体の流動抵抗を小さくさせ、ガス拡散層に対する反応気体の拡散量を増加させることができる。また、従来の分離板に比べて形状が単純になったことで、金型の製作費を含む諸費用を節減することができる。

本発明による燃料電池用多孔性分離板を示す斜視図である。 本発明による燃料電池用多孔性分離板を示す平面図である。 本発明による燃料電池用多孔性分離板を示す側面図である。 本発明による燃料電池用多孔性分離板を燃料電池スタックに組み立てた状態を説明する概略的な断面図である。 従来の多孔性分離板を示す概略図である。 燃料電池スタックの構成を説明する概略図である。

以下、本発明の好ましい実施形態を挙げ、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１〜図３に示すように、本発明に係る多孔性分離板は、長手方向（＝気体流れ方向）に沿って上向き傾斜した第１流路面４１と下向き傾斜した第２流路面４２が繰り返し形成された流路板４０を有している。

流路板４０は、上向き傾斜した第１流路面４１と下向き傾斜した第２流路面４２が長手方向に沿って繰り返し形成されると共に、第１流路面４１と第２流路面４２それぞれには、複数の流路孔４３が貫通形成された構造である。すなわち、流路板４０は、上向き傾斜した第１流路面４１と下向き傾斜した第２流路面４２が交互に並んで、幅方向（＝長手方向に対して直角方向）がウェーブ状の波形断面となる。

このとき、第１流路面４１に貫通形成された流路孔４３は流路板４０の幅方向に沿って等間隔で形成され、第２流路面４２に貫通形成された流路孔４３も流路板４０の幅方向に沿って等間隔で形成されるが、第１流路面４１の流路孔４３と第２流路面４２の流路孔４３は、長手方向に同じ位置にならず、互いにずれてジグザグ状に配列されるのが好ましい。

この流路板４０を製作するには、代表的に、平らな金属板に化学的エッチングや機械的パンチングなどにより複数の流路孔４３を貫通形成し、流路孔４３が形成された金属板をプレス金型で波板状にプレスして行われる。従って、製作は簡単である。

本発明に係る分離板２０は、流路板４０の一方の面にガス拡散層１６の外側面を密着させ、他方の面を金属プレートの平板５０と密閉させている。すなわち、この分離板２０を燃料電池に用いたとき、ガス拡散層１６の外側面と流路板４０との間にできた空間と平板５０と流路板４０との間にできた空間が、流路板４０にある流路孔４３で連通し、水素または空気のチャンネルとすることができる。

このような構造でなる本発明の分離板は、従来の多孔性分離板に比べて形状が単純であって製作するに容易であり、金型製作費を含む諸費用を節減することができる。

本発明の多孔の分離板を、燃料電池スタックに組立てた状態を図４を参照して説明する。
高分子電解質膜１０の一方の面に水素と酸素が反応するように触媒層の空気極１２、他方の面に燃料極１４を形成し、空気極１２と燃料極１４それぞれの外側にガス拡散層１６が接合される。そして、ガス拡散層１６の外側面には、本発明の分離板２０が構成する流路板４０、さらにその外側に平板５０が配置される。
この時、ガス拡散層１６の外側面に流路板４０の一側面の波形断面頂点部を接触させて積層し、次いで、反対側面の頂点部に接触させて平板５０を積層させる。

これにより、外側から順に平板５０、流路板４０、ガス拡散層１６、空気極１２、高分子電解質膜１０、燃料極１４、ガス拡散層１６、流路板４０、平板５０が積層された燃料電池スタックの１つのセル、すなわちユニットセルが完成する。

燃料電池スタックは、数十〜数百個のユニットセルが積層されたものであり、燃料電池を構成する複数のセルを積層する時、隣合うセルの平板５０と平板５０との間の空間をガスケット（図示していない）により密閉して冷却水チャンネル５２を形成する。
従って、燃料電池スタックに空気と水素がそれぞれ供給されると、これらのガスは、流路板４０の第１流路面４１に沿って上向きに、次いで第２流路面４２に沿って下向きに流れて上下方向に流動し、かつ空気または水素が第１流路面４１の流路孔４３を貫通して前進すると、左右側に離れて第２流路面４２の流路孔４３を貫通して流れて左右方向に流動するようになる。

このように、空気または水素が第１流路面４１と第２流路面４２に沿って上下方向に流動すると共に、第１流路面４１の流路孔４３から第２流路面４２の流路孔４３に左右方向に流れることにより、反応気体である空気または水素が乱流となり、ガス拡散層に対する反応気体の拡散量を増加させることができる。一方、平板５０の外側、すなわち、セルの平板５０と平板５０との間に冷却水が流れるので、スタックの冷却効率も良くなる。

１０；電解質膜
１２；空気極
１４；燃料極
１６；ガス拡散層
１８；ガスケット
２０；分離板
２１；隆起部
２２；陥没部
２３；流路孔
２４；平板
３０；エンドプレート
４０；流路板
４１；第１流路面
４２；第２流路面
４３；流路孔
５０；平板
５２；冷却水チャンネル

Claims (3)

1. 高分子電解質膜（１０）の一方の面に水素と酸素を反応させる触媒層の空気極（１２）、他方の面に燃料極（１４）を形成し、前記空気極（１２）と燃料極（１４）それぞれの外側にガス拡散層（１６）が接合され、該ガス拡散層（１６）のそれぞれの外側面には、該ガス拡散層（１６）の外側に配置された平板（５０）との間に、水素または空気の流れ経路となるチャンネル（流路）が形成された燃料電池に配置されている多孔性分離板（２０）であって、
   前記多孔性分離板（２０）は、前記チャンネル（流路）に配置され、スタック積層方向に隆起部と陥没部が繰り返し形成され、
   前記多孔性分離板（２０）は、スタック積層方向に対して上向きに流れる上向き傾斜した第１流路面（４１）と、スタック積層方向に対して下向きに流れる下向き傾斜した第２流路面（４２）が、水素または空気の流れる長手方向に繰り返し形成された構造の流路板（４０）からなり、
   該流路板は、一方の面に前記ガス拡散層（１６）の外側面を密着させ、他方の面に前記平板（５０）を密閉させて、前記ガス拡散層（１６）の外側面と前記流路板（４０）との間にできた空間と前記平板（５０）と前記流路板（４０）との間にできた空間が流路孔（４３）で連通されて、水素または空気のチャンネルとし、
   前記流路板（４０）の前記第１流路面（４１）に貫通形成された前記流路孔（４３）は流路板（４０）の水素または空気の流れに垂直な幅方向に沿って形成され、前記第２流路面（４２）に貫通形成された流路孔（４３）は流路板（４０）の前記幅方向に沿って形成され、前記第１流路面（４１）に形成された流路孔（４３）と前記第２流路面（４２）に形成された流路孔（４３）は、流路孔の中心が互いにずれてジグザグ状に配列されたことを特徴とする燃料電池用多孔性分離板。
2. 複数のセルを積層して燃料電池とする時、セルの前記平板（５０）と隣接するセルの前記平板（５０）との間は、冷却水チャンネル（５２）とすることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用多孔性分離板。
3. 前記流路板（４０）の長手方向に沿って繰り返し形成された上向き傾斜した第１流路面（４１）と下向き傾斜した第２流路面（４２）は波形断面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多孔性分離板。

Images