JP6155711B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は燃料電池に関する。

燃料電池は、電解質膜の両面に一対の電極を設けたもの（いわゆる膜電極接合体。以下ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と記載）を一対のセパレータで挟持して構成した燃料電池セルを所定数積層することによって構成される。そして、セパレータは、燃料または酸化剤を流通させる流路となる凸部と、ＭＥＡと接触する凹部と、が複数設けられた波形形状を有し、上記凸部に燃料や酸化剤を流通させ、電気化学反応を発生させることによって発電が行われる。

燃料又は酸化剤が流れる凸部の形状は、流体力学等の観点において燃料電池の発電特性を左右することから当該凸部を含む波形形状については研究開発が鋭意行われている。上記波形形状に関する課題には、波形形状に均一に流体を供給することが難しく、これにより発電性能の向上が妨げられる、といったものがある。

セパレータに設けられた波形形状に均一に流体を供給する技術としては、例えば波形形状において流路となる部位の幅方向中央部の流路幅を酸化剤ガス流路では幅方向両端部の流路幅よりも大きくし、燃料ガス流路では幅方向両端部よりも小さくするといったものがある（特許文献１参照）。

特開２０１１−１１３７８５号公報

燃料電池セルを構成するセパレータは、隣接する燃料電池セルのセパレータと凸部同士が接触して溶接等によって接合される。しかしながら、特許文献１ではセパレータの波形形状の幅を変化させた際の、隣接して対向するセパレータ間の凸部の対応関係については考慮されていない。そのため、流路幅の広い凸部と幅の狭い凸部とが無秩序に接合されれば、接合を十分に行えないおそれがある。燃料電池は、燃料電池セルの積層方向に電気が流れるが、セパレータ同士の接合が不十分である場合、通電抵抗が高くなってしまい、これによって燃料電池の発電特性を低下させてしまうおそれがある、といった問題がある。

そこで本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、セパレータの波形形状が形成する流路を流れる燃料及び酸化剤等の流れを均一にし、かつ、隣接するセパレータ同士の通電性能をも良好な燃料電池を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明は、アノードとカソードとを電解質膜の両側に接合したＭＥＡが一対のセパレータによって挟持された燃料電池セルを複数積層した積層体を有する燃料電池である。上記セパレータは電気化学反応により発電を生じさせるための流体を流す流路部と、ＭＥＡと接触する接触部と、を各々ＭＥＡの面方向に複数並んで備えている。本発明では、隣接する一のセパレータと他のセパレータにおける流路部同士が対向して接触し、隣接する一のセパレータと他のセパレータにおいて対向する流路部は所定の流路幅を有する第１流路部をいずれのセパレータにも有し、隣接する一のセパレータと他のセパレータの少なくともいずれか一方は第１流路部よりも流路幅が小さく流路の高さが第１流路部と同じである第２流路部を有し、第１流路部と第２流路部とが流路部と接触部の並ぶ方向に規則的に配列されることを特徴とする。また、本発明では隣接する一のセパレータと他のセパレータとが第１流路部において接合され、固着部が形成されることをも特徴とする。

上記構成を有する本発明によれば、第２流路部よりも流路幅の大きい第１流路部において隣接するセパレータ同士が接合されて固着部が形成されている。そのため、セパレータに流路幅の異なる第１流路部や第２流路部を形成した場合であっても、流路幅の大きい第１流路部同士を用いてセパレータ同士を接合できる。そのため、隣接するセパレータ同士を十分に接合させ、通電抵抗の増大を防止して通電性能を良好にできる。また、流路幅の異なる第１流路部と第２流路部とは流路部と接触部とが並ぶ方向に規則的に並べて配置されている。流路を流れる燃料や酸化剤の流れは隣接する流路の影響をも受けるため、流路幅の異なる第１流路部と第２流路部とを規則的に配列することによって、波形形状に複数設けられた流路部全体としての流れを平均化して燃料電池の発電特性を良好なものとすることができる。

本発明の実施形態１に係る燃料電池を示す斜視図である。 燃料電池の構成を示す分解斜視図である。 図３（Ａ）は図２の３−３線に沿う、燃料電池のセル構造を示す要部拡大断面図であり、図３（Ｂ）は燃料電池セルを構成するセパレータをＭＥＡと接触する側から見た平面図である。 同実施形態１に係るセパレータをＭＥＡと接触する側から見た斜視図である。 同実施形態１に係るセパレータの変形例であって、流路幅の異なる第１流路部と第２流路部を有するセパレータと第１流路部のみを有するセパレータとを配置した状態を示す要部拡大断面図である。

以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。なお、以下の記載は特許請求の範囲に記載される技術的範囲や用語の意義を限定するものではない。また、図面の寸法比率は説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。

図１は本発明の実施形態１に係る燃料電池を示す斜視図、図２は燃料電池の構成を示す分解斜視図、図３（Ａ）は図２の３−３線に沿う、燃料電池のセル構造を示す要部拡大断面図であり、図３（Ｂ）は燃料電池セルを構成するセパレータをＭＥＡと接触する側から見た平面図である。また、図４は同実施形態１に係るセパレータをＭＥＡと接触する側から見た斜視図である。

図１〜図４を参照して本実施形態に係る燃料電池１００は、アノード１１ｂとカソード１１ｃとを電解質膜１１ａの両側に接合したＭＥＡ１１が一対のセパレータ１２、１３によって挟持された燃料電池セル１０ａを複数積層した積層体１０を有するものである。セパレータ１２、１３は電気化学反応により発電を生じさせるための流体を流す流路２５，２６を形成する流路部２１と、ＭＥＡ１１と接触する接触部２２と、をＭＥＡ１１の面方向に複数並んで備えている。図３（Ａ）においてセパレータ１２ａ、１２ｂ、１３a、１３ｂの流路部２１は比較的流路幅の大きな第１流路部２３と比較的流路幅の小さい第２流路部２４とによって構成される。本実施形態において第１流路部２３と第２流路部２４とは流路部２１及び接触部２２の並ぶ方向に規則的に並べて配列されている。また、隣接するセパレータ１３ａとセパレータ１２ｂとは第１流路部２３において溶接等により接合されて固着部３２が形成されている。以下、詳述する。

まず、本実施形態に係る燃料電池１００について説明する。燃料電池１００は、図２に示すように水素等のアノードガスと酸素等のカソードガスの反応により起電力を生じる単位電池セル（燃料電池セル）１０ａを所定数だけ積層して積層体１０とし、積層体１０の両端に集電板１５ａ、絶縁板１６及びエンドプレート１７を配置している。

燃料電池セル１０ａは、図３（Ａ）に示すようにＭＥＡ１１と、ＭＥＡ１１の両面にそれぞれ配置されるセパレータ１２、１３と、枠体１４と、を有する。以下、ＭＥＡ１１のアノード側に配置されるセパレータをアノードセパレータ１２と称し、カソード側に配置されるセパレータをカソードセパレータ１３と称する。

ＭＥＡ１１は、図３（Ａ）に示すように例えば水素イオンを通す高分子電解質膜である固体高分子電解質膜１１ａと、アノード１１ｂと、カソード１１ｃと、を有する。ＭＥＡ１１は、アノード１１ｂとカソード１１ｃによって、固体高分子電解質膜１１ａをその両側から挟み込んだ積層構造となっている。アノード１１ｂは、電極触媒層、撥水層、ガス拡散層と、を有し、薄板状に形成されている。カソード１１ｃは、電極触媒層、撥水層、及びガス拡散層、を有し、アノード１１ｂと同様に薄板状に構成されている。アノード１１ｂ及びカソード１１ｃの電極触媒層は、導電性の担体に触媒成分が担持された電極触媒と高分子電解質を含んでいる。また、アノード１１ｂ及びカソード１１ｃのガス拡散層は、例えばカーボンペーパー、又はカーボンフェルト等から形成されている。

枠体１４は、電気絶縁性を有する樹脂等からなる長方形の板状部材である。枠体１４は、ＭＥＡ１１の外周を保持する。枠体１４の長手方向における一端部にはカソードガス供給口１４ａ、媒体供給口１４ｂ、及びアノードガス供給口１４ｃが貫通孔で形成されている。長手方向における他端にはアノードガス排出口１４ｄ、媒体排出口１４ｅ、及びカソードガス排出口１４ｆが同様に貫通孔で形成されている。

集電板１５ａは、積層体１０の両端にそれぞれ接合される。集電板１５ａは、例えば緻密質カーボンのようなガスを透過させない導電性部材から形成されている。集電板１５ａには電力取出部材１５ｂが接続され、集電板１５ａで集電された電力を外部に取り出す。

絶縁板１６は、積層体１０の両端に配置されて集電板１５ａを絶縁する。絶縁板１６は、長方形からなる板状に形成し、長手方向の一端にカソードガス供給口１６ａ、媒体供給口１６ｂ、アノードガス供給口１６ｃを貫通孔で形成し、長手方向における他端にアノードガス排出口１６ｄ、媒体排出口１６ｅ、及びカソードガス排出口１６ｆを貫通孔で形成している。

エンドプレート１７は、対になって一対の絶縁板１６を両側から付勢した状態で担持する。エンドプレート１７は、例えば金属からなり、中央部分には電力取出部材１５ｂを取付ける切欠き部を形成している。エンドプレート１７は、長方形からなる板状で形成し、長手方向の一端にカソードガス供給口１７ａ、媒体供給口１７ｂ、アノードガス供給口１７ｃを貫通孔で形成し、長手方向における他端にアノードガス排出口１７ｄ、媒体排出口１７ｅ、及びカソードガス排出口１７ｆを貫通孔で形成している。

テンションプレート１９ａ、１９ｂは、燃料電池セル１０ａの積層方向における側面の中でもセル端子１８が設置された面と当該面に対向する面を覆う平板状部材である。テンションプレート１９ａ、１９ｂのセルの積層方向における両端にはフランジ部が設けられ、両端からエンドプレート１７にボルト等で締結することにより燃料電池セル１０ａが加圧される。

テンションガイド１９ｃ、１９ｄは、テンションプレート１９ａ、１９ｂと直交する面に取り付けられる断面がコの字状の部材である。テンションガイド１９ｃ、１９ｄが図１、図２におけるセルの横方向における側面に取付けられることによって、燃料電池セル１０ａの水平方向における位置ズレが防止される。

セパレータ１２、１３は、板厚の薄い導電性金属板を金型で所定形状に成形することにより形成される。セパレータ１２、１３は、図３（Ａ）に示すように、発電に寄与するアクティブ領域（ＭＥＡと接する中央部分の領域）に、流路部２１と接触部２２とを交互に形成した波形形状（いわゆるコルゲート形状）を有する。なお、図３（Ａ）ではセパレータを複数図示する都合上、アノードセパレータを１２ａ、１２ｂとして図示し、カソードセパレータを１３ａ、１３ｂとして図示している。

次にセパレータの波形形状を構成する流路部及び接触部について説明する。セパレータ１２、１３において、流路部２１には水素等の燃料や酸素等の酸化剤が流れる。アノードセパレータ１２の流路部２１には、アノードガスを流通させるアノードガス流路２５が形成される。同様に、カソードセパレータ１３の流路部２１には、カソードガスを流通させるカソードガス流路２６が形成される。接触部２２はＭＥＡ１１と接触し、図３（Ａ）に示すように隣接するセパレータ１３ａとセパレータ１２ｂとを組み付けた際に流路部２１と接触部２２によって囲まれる空間３１には水等の冷却媒体が流通する。

第１流路部２３、第２流路部２４、及び接触部２２は、矩形状の枠体１４の長辺に沿って伸延している。カソードガス供給口１４ａ、１６ａ、１７ａ、媒体供給口１４ｂ、１６ｂ、１７ｂ、アノードガス供給口１４ｃ、１６ｃ、１７ｃから供給されたアノードガス、カソードガス、及び冷却媒体は、第１流路部２３、第２流路部２４、または空間３１のいずれかを通じ、アノードガス排出口１４ｄ、１６ｄ、１７ｄ、媒体排出口１４ｅ、１６ｅ、１７e、及びカソードガス排出口１４ｆ、１６ｆ、１７ｆに流通する。

燃料電池１００の発電特性は、流路部２１を流れるアノードガスやカソードガスの流れによる影響を受ける。よって、発電特性を良好にするにはアノードガスやカソードガスの流路となる流路部２１を細くしたり、ＭＥＡ１１の長手方向又は幅方向に沿って流路の形状を変化させたりすればよいようにも思われる。しかし、発電特性については流路の形状以外にも燃料電池セル間の通電についても考慮する必要がある。流路の形状を変化させることによって隣接するセパレータ同士を十分に接合できなくなれば、燃料電池セル間の通電抵抗が高くなり、発電特性に影響を与えてしまう。

これに対し、本実施形態では流路部２１を比較的流路幅の大きい第１流路部２３と比較的流路幅の小さい第２流路部２４によって構成し、隣接するセパレータ１３ａ、１２ｂを流路幅の大きい第１流路部２３によって接合するように構成している。そのため、流路の形状を変化させた場合でも隣接するセパレータ同士を十分に接合することができ、通電抵抗の増加を抑制して発電特性を良好にすることができる。また、燃料や酸化剤の流路となる第１流路部２３及び第２流路部２４は、流路部２１及び接触部２２の並ぶ方向に規則的に配列している。流路を流れる流体の流れは、流路部２１の形状単独によるものだけでなく、隣接する流路部２１の形状の影響をも受ける。そのため、流路幅の大きい第１流路部２３と流路幅の小さい第２流路部２４とを規則的に並べることによって、複数の流路部全体としての流体の流れを平均化し、燃料電池の発電特性を良好なものとすることができる。

また、隣接するセパレータ１２ｂ、１３ａを第１流路部２３によって接合することによって、セパレータ同士が接触する第１流路部２３には固着部３２が形成される。セパレータは、アルミやマグネシウム等の導電性の高い材料によって構成されるが、このようなセパレータを接合して固着部３２を形成すれば、固着された第１流路部２３においても電気の導通を確保でき、燃料電池セル間の電気の授受を確保して燃料電池としての電力の取出しを確保することができる。

また、隣接するセパレータ１２ｂ、１３ａを接合する方法は、従来のシームレス溶接やレーザー溶接、または接着によって行うことができる。このように本実施形態に係る流路幅の異なる流路部２１を有するセパレータ１２ｂ、１３ａを特別の工法を用いることなく、従来の工法を用いて簡便に接合することができる。

図５は本実施形態に係るセパレータの変形例であって、流路幅の異なる第１流路部と第２流路部を有するセパレータと第１流路部のみを有するセパレータとを配置した状態を示す要部拡大断面図である。図３（Ａ）ではアノードセパレータ１２ａ、１２ｂ及びカソードセパレータ１３ａ、１３ｂのいずれにも第１流路部２３及び第２流路部２４を設けている。しかし、流路幅の大きい第１流路部２３によって隣接するセパレータを接合できれば、第１流路部２３及び第２流路部２４の組み合わせは、図５に示すように隣接するセパレータのいずれか一方（図５ではカソードセパレータ１３ａ、１３ｂ）のみであってもよく、他方のセパレータ１２ｃ、１２ｄは第１流路部２３のみによって構成してもよい。この場合においては接触部２２の長さを調整することによって第１流路部２３同士での接合を確保することができる。

燃料と酸化剤による電気化学反応ではカソードにおいて水素イオンと酸素イオンによって水が生成されるため、カソードの流路では流路内に発生した水を付着しにくくするために流体の流速を下げないようにすることが好ましい。そのため、対向するセパレータのいずれか一方を溝幅の大きい第１流路部２３のみによって構成する場合には、アノードセパレータ１３を第１流路部２３のみとし、カソードセパレータ１３は第１流路部２３と第２流路部２４とによって構成することが好ましい。流路幅の小さい第２流路部２４は流速を比較的速くできるため、第２流路部２４をカソード側に設けることによって発生した水を流路内に付着しないようにでき、アノードセパレータ１２に流路幅が均一の従来のセパレータを用いたとしても燃料電池の発電特性を良好なものとすることができる。

また、図４に示すようにセパレータ１２、１３の流路には、流路内の断面形状を変化させる断面形状変化部２７（流量調整部、流路幅減少部に相当）を設けており、断面形状変化部２７によって流路内の断面形状は流体の流入側ｓ１から流出側ｓ２にかけて変化する。断面形状変化部２７は、第１流路部２３の流路内の流れ方向に沿って一定間隔で配置されている。本実施形態において断面形状変化部２７は、流体の流れ方向において隣接する第１流路部２３と同じ位相で設けられ、セパレータ全体としてはいわゆる千鳥形状のように配列されているが、これに限定されない。また、断面形状変化部２７は、図３（Ｂ）に示すように曲面形状２８とテーパ形状２９とを有する。断面形状変化部２７は、曲面形状２８とテーパ形状２９とによって周辺の第１流路部２３の形状と連続的に接続されている。これによって、流路内の断面形状を急激にではなく徐々に変化させ、断面積の変化によるエネルギー損失をできるだけ少なくするように構成している。

流路となる流路部２１の形状は、流路幅を小さく形成して断面積を小さくすることによって、流体の流速を下げないようにでき、これが燃料電池の発電特性を良好にする点において好ましいことがわかっている。燃料電池セル間の通電抵抗を抑制するために流路部２１の流路幅を大きくすることと、流速を下げないように流路幅を小さくすることとはトレードオフの関係になっているが、流路内に断面形状変化部２７を設けて流路内の断面形状を変化させることによって、ひとつの流路内に流路幅の広い部分と狭い部分とを併存させて、通電抵抗の増加と流速の低下を共に抑制することができる。

なお、本実施形態では燃料又は酸化剤の流れる側に断面形状変化部２７を設けて流路内の断面形状及び流路幅を減少させている。しかし、流路幅の小さい第２流路部２４において逆に流路内の断面積を増やす断面形状変化部を設けてもよい。このように構成することによって、第２流路部２４においても隣接するセパレータ１２ｂと、セパレータ１３ａとを流路幅の広い部位において溶接でき、通電抵抗の増加と流速の低下とを共に抑制することができる。

次に本実施形態に係る発明の作用、効果について説明する。

本実施形態に係る燃料電池１００は、隣接するセパレータ１２ｂ、１３ａのいずれにも流路幅の大きい第１流路部２３を設け、少なくとも一方に第１流路部２３よりも流路幅の小さい第２流路部２４を設けて、第１流路部２３と第２流路部２４とを流路部２１と接触部２２の並ぶ方向に規則的に配列し、隣接するセパレータ１２ｂとセパレータ１３ａを比較的流路幅の大きい第１流路部２３において接合するように構成している。

そのため、隣接するセパレータ１２ｂ、１３ａを比較的流路幅の大きい第１流路部２３で接合することによって、流路幅の異なる流路部を設けた場合であっても燃料電池セル間における通電抵抗の増大を抑制することができる。また、第１流路部２３と第２流路部２４とは、流路部２１及び接触部２２の並ぶ方向に規則的に配列しているため、複数の流路部全体としての流体の流れを平均化して燃料電池の発電特性を良好にすることができる。

また、第１流路部２３と第２流路部２４との組み合わせはカソードセパレータ１３ａにのみ設け、第１流路部２３のみはアノードセパレータ１２ｂに設けるように構成することもできる。このように構成することによって、電気化学反応により発生した水が第２流路部２４によって流路内に付着することを抑制でき、アノードセパレータ１２ｂに流路幅の均一な従来のセパレータを用いても燃料電池の発電特性を良好にすることができる。

また、第１流路部２３や第２流路部２４には、断面形状変化部２７を設けて流路内の断面形状を変化させて、流路内の断面積を増加させたり、減少させたりするように構成している。そのため、流路部２１の流れ方向において断面形状変化部２７の設けられた部位と設けられていない部位とで流路幅の大きい部位と小さい部位を作ることができ、通電抵抗の増加と流路内を流れる流体の流速の低下とを共に抑制することができる。

また、セパレータ１２、１３が導電性を有する材料で構成することによって、第１流路部２３に設けられた固着部３２は導電性を有することができる。これにより、燃料電池セル間の電気の授受を確保し、燃料電池としての電力の取り出しを確保することができる。

また、隣接するセパレータ１２ｂ、１３ａにおける第１流路部２３同士の接合は、レーザー溶接、シームレス溶接、または接着等のいずれかによって行われるように構成している。そのため、本実施形態に係る流路幅の異なる流路部２１を有するセパレータ１２ｂ、１３ａの接合を特別の工法を用いずに従来の工法によって簡便に行うことができる。

なお、本発明は上述した実施形態のみに限定されず、特許請求の範囲内において種々の変更が可能である。

図３（Ａ）においては第１流路部２３、接触部２２、第２流路部２４、接触部２２といったパターンで波形形状が構成されているが、これに限定されない。上記以外にも、第１流路部２３、接触部２２、第１流路部２３、接触部２２、第２流路部２４、及び接触部２２といったパターン等のように、第１流路部２３及び／又は第２流路部２４を複数個配置してパターンを構成するようにしてもよい。

１０ 積層体、
１０ａ 燃料電池セル、
１００ 燃料電池、
１１ ＭＥＡ（膜電極接合体）、
１１ａ 固体高分子電解質膜、
１１ｂ アノード、
１１ｃ、 カソード、
１２、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ アノードセパレータ、
１３、１３ａ、１３ｂ カソードセパレータ、
１４ 枠体、
１５ａ 集電板、
１５ｂ 電力取出し部材、
１６ 絶縁板、
１７ エンドプレート、
１８ セル端子、
１９ａ、１９ｂ テンションガイド、
１９ｃ、１９ｄ テンションプレート、
２１ 流路部、
２２ 接触部、
２３ 第１流路部、
２４ 第２流路部、
２５ アノードガス流路、
２６ カソードガス流路、
２７ 断面形状変化部（流量調整部、流路幅減少部）、
２８ 曲面形状、
２９ テーパ形状、
３１ 冷却媒体の流れる空間、
３２ 固着部、
ｓ１ 流入側、
ｓ２ 流出側。

Claims (6)

1. アノードとカソードとを電解質膜の両側に接合した膜電極接合体が一対のセパレータによって挟持された燃料電池セルを複数積層した積層体を有する燃料電池であって、
   前記セパレータは、電気化学反応により発電を生じさせるための流体を流す流路部と、前記膜電極接合体と接触する接触部と、を各々前記膜電極接合体の面方向に複数並んで備え、
   一の前記セパレータと隣接する他の前記セパレータとは前記流路部が対向して接触し、
   前記一のセパレータと隣接する前記他のセパレータにおける対向する前記流路部は、所定の流路幅を有する第１流路部をいずれの前記セパレータにも有し、前記一のセパレータと隣接する前記他のセパレータの少なくともいずれか一方に前記第１流路部よりも流路幅が小さく流路の高さが前記第１流路部と同じである第２流路部とをさらに有し、
   前記第１流路部と、前記第２流路部と、は前記流路部及び前記接触部が並ぶ方向に規則的に並べて配列され、
   隣接する前記一のセパレータと前記他のセパレータとは前記第１流路部において接合されて固着部が形成されることを特徴とする燃料電池。
2. 前記セパレータは、前記膜電極接合体のアノード側に配置されるアノードセパレータと、前記膜電極接合体のカソード側に配置されるカソードセパレータと、を有し、
   前記アノードセパレータは、前記第１流路部のみを有する請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記第１流路部及び前記第２流路部は、燃料または酸化剤が流入する流入側と、前記燃料または前記酸化剤が流出する流出側と、を有し、
   前記第１流路部及び／又は前記第２流路部は、前記流入側から前記流出側にかけて前記第１流路部及び／又は前記第２流路部を流れる流体の流量を調整する流量調整部を有する請求項１または２に記載の燃料電池。
4. 前記第１流路部は、燃料または酸化剤が流入する流入側と、前記燃料または前記酸化剤が流出する流出側と、を有し、前記流入側から前記流出側にかけて前記第１流路部の流路幅を部分的に減少させる流路幅減少部を備える請求項１または２に記載の燃料電池。
5. 前記固着部は、レーザー溶接、シームレス溶接、または接着のいずれかにより形成される請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料電池。
6. 前記固着部は、導電性を有する請求項１から５のいずれか１項に記載の燃料電池。