JP6205915B2 - 燃料電池のガス流路形成部材及び燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、固体高分子型の燃料電池のガス流路形成部材及び燃料電池に関する。

固体高分子型の燃料電池は、膜電極接合体と、同膜電極接合体を挟む一対のガス流路形成部材と、これらガス流路形成部材を挟む一対のセパレータとからなるセルを備えており、このセルが複数積層されることによって構成されている（例えば特許文献１参照）。

膜電極接合体は、固体高分子電解質膜が一対の電極触媒層によって挟持されてなり、所謂ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と称される。この膜電極接合体のアノード側及びカソード側の表面にはそれぞれガス拡散層が設けられている。

上記ガス流路形成部材における膜電極接合体に対向する面と同膜電極接合体との間には燃料ガス又は酸化剤ガスが流通するガス流路が形成されている。また、ガス流路形成部材におけるセパレータに対向する面と同セパレータとの間には発電に伴って生成された生成水を排出する水流路が形成されている。また、ガス流路形成部材にはガス流路と水流路とを連通する連通路が形成されている。そして、発電に伴って膜電極接合体にて生成された生成水はガス流路に流入し、同生成水の一部は連通路を通じて水流路に流入する。そして、水流路を流れる燃料ガス又は酸化剤ガスの流動圧力によって水流路を通じて外部に排出される。

特開２０１１―１５０８０１号公報

ところで、こうした燃料電池においては、燃料ガス及び酸化剤ガスの流量が増大される高負荷運転時など生成水が多く発生した場合に、水流路による生成水の排出が間に合わなくなり、生成水が連通路を通じて再びガス流路に流入し、ガス流路を閉塞するおそれがある。この場合、燃料ガスや酸化剤ガスがガス拡散層を通じて膜電極接合体に拡散することが妨げられ、燃料電池の電池性能を低下させることとなる。

本発明の目的は、生成水の排出性能を高めることができるとともに、ガス流路におけるガスの圧力損失の増大を抑制することができる燃料電池のガス流路形成部材及び燃料電池を提供することにある。

上記目的を達成するための燃料電池のガス流路形成部材は、固体高分子電解質膜が一対の電極触媒層によって挟持されてなる膜電極接合体とセパレータとの間に介設されるガス流路形成部材であって、前記ガス流路形成部材は、前記膜電極接合体に対向する面に形成されて燃料ガス又は酸化剤ガスが流通するガス流路と、前記セパレータに対向する面に形成されて生成水を排出する水流路と、前記ガス流路と前記水流路とを連通する連通路と、を備え、前記ガス流路は前記膜電極接合体に対向する面に列設され、前記水流路は前記セパレータに対向する面に列設され、前記水流路は前記セパレータに対向する面において互いに隣接する前記ガス流路の間に直線状に延びるように設けられ、前記水流路の出口開口の流路断面積は、同出口開口における当該ガスの流れ方向の上流側に隣接する上流部の流路断面積に比べて大きくされており、前記連通路には、互いに隣接する前記ガス流路及び前記水流路の延設方向に対して直交する方向に沿って延びるリブが形成されている。

水流路の出口開口における生成水の液滴の大きさは同出口開口の流路断面積に応じて大きくなる。上記構成によれば、水流路の出口開口の流路断面積が、水流路における当該出口開口の上流部の流路断面積に比べて大きくされているため、出口開口における生成水の液滴の大きさが大きくなる。このため、生成水の液滴の表面張力、すなわち、当該液滴と水流路の出口開口の縁部との間に働く凝着力が低減される。従って、水流路の出口開口を通じて液滴を押し出すために必要な圧力が小さくなり、より低い流量、より流動圧力の低いガスであっても水流路を通じて生成水を外部に排出することができる。

また、仮に水流路の流路断面積を延設方向全体にわたって大きくすると、これに伴ってガス流路の流路断面積が同ガス流路の延設方向全体にわたって小さくなり、ガス流路におけるガスの圧力損失が大きくなる。これに対して、上記構成によれば、水流路の上流部は、出口開口とは異なり、流路断面積が大きくされていない。このため、ガス流路におけるガスの圧力損失の増大を抑制することができる。

本発明によれば、生成水の排出性能を高めることができるとともに、ガス流路におけるガスの圧力損失の増大を抑制することができる。

第１実施形態の燃料電池の断面図。 同実施形態の第１ガス流路形成体及び第１セパレータの斜視図。 （ａ）は図２の３ａ−３ａ線に沿った断面図、（ｂ）は図２の３ｂ−３ｂ線に沿った断面図。 （ａ）は同実施形態の第１ガス流路形成体における水流路の出口部の端面図、（ｂ）は比較例の第１ガス流路形成体における水流路の出口部の端面図。 （ａ）は同実施形態の水流路の出口部の断面図、（ｂ）は比較例の水流路の出口部の断面図。 （ａ）、（ｂ）はガス流路及び内側連通路の模式図。 第２実施形態の燃料電池の断面図。 同実施形態の第１ガス流路形成体の斜視図。 同実施形態の水流路の出口部を中心とした断面図。

＜第１実施形態＞
以下、図１〜図６を参照して、燃料電池のガス流路形成部材及び燃料電池を具体化した第１実施形態について説明する。

図１に示すように、固体高分子型の燃料電池は、複数のセル１０が積層されることによって構成されている。なお、図１において、最も上に位置するセル１０では後述する水流路３３，１３３が示される位置で切断された断面形状が示される一方、最も下に位置するセル１０では後述するガス流路３２，１３２が示される位置で切断された断面形状が示されている。

セル１０は、いずれも矩形枠状をなす第１フレーム１１及び第２フレーム１２を備えており、これらフレーム１１、１２の内部には膜電極接合体１５が設けられている。この膜電極接合体１５の外周縁が第１フレーム１１と第２フレーム１２とによって挟持されている。

各セル１０のフレーム１１、１２及びセパレータ２３、２４には、図示しない燃料ガス供給源からの燃料ガスをガス流路３２へ供給するための供給通路Ｒ１と、発電に供されなかった燃料ガスを外部に排出するための排出通路Ｒ２が形成されている。

また、各セル１０のフレーム１１、１２及びセパレータ２３、２４には、図示しない酸化剤ガス供給源からの酸化剤ガスをガス流路３２へ供給するための供給通路Ｍ１と、発電に供されなかった酸化剤ガスを外部に排出するための排出通路Ｍ２が形成されている。

膜電極接合体１５のカソード側（同図の下側）の面には、酸化剤ガスが流通する第１ガス流路形成部材３１が設けられている。また、膜電極接合体１５のアノード側（同図の上側）の面には、燃料ガス（水素ガス）が流通する第２ガス流路形成部材１３１が設けられている。

第１ガス流路形成部材３１における膜電極接合体１５とは反対側（同図の下側）には、金属板材からなる平板状の第１セパレータ２３が設けられている。また、第２ガス流路形成部材１３１における膜電極接合体１５とは反対側（同図の上側）には、金属板材からなる平板状の第２セパレータ２４が設けられている。従って、ガス流路形成部材３１、１３１はそれぞれ膜電極接合体１５とセパレータ２３、２４との間に介設されている。

膜電極接合体１５は固体高分子電解質膜１６を有しており、同固体高分子電解質膜１６はそれぞれ第１電極触媒層１７及び第２電極触媒層１８によってカソード側及びアノード側から挟持されている。また、第１電極触媒層１７の表面には第１ガス拡散層１９が設けられており、第２電極触媒層１８の表面には第２ガス拡散層２０が設けられている。

次に、ガス流路形成部材３１、１３１の構造について説明する。なお、本実施形態では第１ガス流路形成部材３１と第２ガス流路形成部材１３１とは互いに同一な構成とされている。このため、以降においては、第１ガス流路形成部材３１の構成について説明し、第２ガス流路形成部材１３１の構成については第１ガス流路形成部材３１の各部の符号にそれぞれ「１００」を加算した符号「１３＊」を付すことによって重複する説明を省略する。また、第１ガス流路形成部材３１及び第１セパレータ２３をそれぞれ単にガス流路形成部材３１及びセパレータ２３と略称する。

図２に示すように、ガス流路形成部材３１は全体として断面略波形状をなしており、一枚の金属板材をプレス成形することによって形成されている。このため、ガス流路形成部材３１における膜電極接合体１５に対向する側（同図における上側）には、膜電極接合体１５に当接する複数の内側突条３１ａが列設されており、互いに隣接する内側突条３１ａの間には酸化剤ガスが流通するガス流路３２が形成されている。また、ガス流路形成部材３１におけるセパレータ２３に対向する側（同図における下面）には、第１セパレータ２３に当接する複数の外側突条３１ｂが列設されており、互いに隣接する外側突条３１ｂの間には膜電極接合体１５において生成された水（以下、生成水と称する）を排出する水流路３３が形成されている。

図２及び図３に示すように、ガス流路形成部材３１には、各突条３１ａ，３１ｂの延設方向Ｌに対して直交する方向に沿って延びる複数のリブ３７が形成されている。リブ３７は、各突条３１ａ，３１ｂの一部を剪断曲げ加工することによって形成されている。

図３（ａ）、（ｂ）に示すように、ガス流路形成部材３１には、リブ３７を打ち抜くことによって連通路３６、３８が形成されている。すなわち、リブ３７は、水流路３３内に位置する外側部３７ａと、ガス流路３２内に位置する内側部３７ｂとを有している。

図１及び図３（ｂ）に示すように、外側突条３１ｂにおけるリブ３７の内側部３７ｂの直下には、互いに隣接する水流路３３を連通する外側連通路３８が形成されている。また、内側突条３１ａにおけるリブ３７の外側部３７ａの直上には、ガス流路３２と水流路３３とを連通する内側連通路３６が形成されている。

図２及び図３（ａ）、（ｂ）に示すように、リブ３７は、ガス流路形成部材３１の厚さ方向（図３（ａ）、（ｂ）の上下方向）において内側突条３１ａの頂部よりも外側突条３１ｂの頂部に近接して形成されている。このため、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、外側部３７ａの流路断面積は内側部３７ｂの流路断面積よりも大きい。従って、それぞれリブ３７が存在しない位置でのガス流路３２と水流路３３とが互いに同一な流路断面積とされていても、水流路３３全体における圧力損失は、ガス流路３２全体における圧力損失よりも大きくなる。よって、酸化剤ガスは主に圧力損失の小さいガス流路３２を流れることとなる。

また、内側連通路３６の形状及び大きさは、同連通路３６における圧力損失がガス流路３２における圧力損失よりも大きくなるように設定されている。
図２に示すように、上記延設方向Ｌにおいて互いに隣接する内側連通路３６（リブ３７の外側部３７ａ）の間隔は、互いに隣接するリブ３７の内側部３７ｂ（外側連通路３８）の間隔の２倍とされている。また、上記延設方向Ｌ及び同延設方向Ｌに直交する方向において、リブ３７の内側連通路３６（外側部３７ａ）はリブ３７の内側部３７ｂ（外側連通路３８）に対して一つおきに形成されている。

図２、図３及び図４（ａ）に示すように、ガス流路形成部材３１における水流路３３の出口開口３３ａを含む出口部３４の流路断面積Ｓ２は、水流路３３の出口部３４における酸化剤ガスの流れ方向の上流側に隣接する上流部３５の流路断面積Ｓ１に比べて大きくされている。図２に示すように、この出口部３４は、各内側突条３１ａにおける最も下流側に位置する内側連通路３６から出口開口３３ａまでの部位全体に形成されている。従って、水流路３３の出口部３４の流路断面積Ｓ２は上流部３５に対してステップ状に大きくされている。

図５（ａ）に示すように、ガス流路形成部材３１における水流路３３の出口開口３３ａの縁部は面取りされている。
次に、本実施形態の作用について説明する。

図１の下側に示すように、燃料ガスが供給通路Ｒ１を通じてガス流路１３２内に供給されると、同燃料ガスはガス流路１３２を通じて第２ガス拡散層２０に流入する。そして、燃料ガスは第２ガス拡散層２０を通過する際に拡散されて第２電極触媒層１８に供給される。

また、供給通路Ｍ１を通じて酸化剤ガスがガス流路３２内に供給されると、同酸化剤ガスは第１ガス拡散層１９を通過する際に拡散されて第１電極触媒層１７に供給される。
このようにして膜電極接合体１５に対して燃料ガスと酸化剤ガスとが供給されると、同膜電極接合体１５での電極反応によって発電が行なわれる。このとき、発電に伴って生成した生成水はカソード側の第１ガス流路形成部材３１のガス流路３２に流入する。

図６（ａ）、（ｂ）に示すように、この生成水の一部は、ガス流路３２を流れる酸化剤ガスの流動圧力によって同ガス流路３２内を流れる。そして、生成水は排出通路Ｍ２を通じて外部に排出される。前述したように、内側連通路３６における圧力損失はガス流路３２における圧力損失よりも大きくされている。このため、図６（ｂ）に示すように、酸化剤ガスは主にガス流路３２を流れることとなる。このため、ガス流路３２に存在する生成水Ｗの多くは酸化剤ガスによって押されながら排出通路Ｍ２に向けてガス流路３２内を移動する。また、一部の生成水は内側連通路３６を通じて水流路３３に流入する。そして、水流路３３に存在する生成水は同水流路３３を流れる酸化剤ガスによって押されながら排出通路Ｍ２に向けて同水流路３３内を移動する。

図４（ｂ）に、比較例の第１ガス流路形成部材における水流路の出口部の端面構造を示す。同図に示すように、比較例の第１ガス流路形成部材４３１における水流路４３３の流路断面積は同水流路４３３の延設方向の全体にわたって同一とされており、比較例の出口開口４３３ａの流路断面積は本実施形態の上流部３５の流路断面積Ｓ１と同一とされている。

水流路３３の出口開口３３ａにおける生成水の液滴の大きさは同出口開口３３ａの流路断面積に応じて大きくなる。
本実施形態の第１ガス流路形成部材３１では、水流路３３の出口部３４の流路断面積Ｓ２が上流部３５の流路断面積Ｓ１に比べて大きくされている。このため、図４（ａ）、（ｂ）に二点鎖線にて示すように、比較例の構成に比べて、出口開口３３ａにおける生成水の液滴の大きさが大きくなる。

更に、図５（ａ）に示すように、本実施形態の第１ガス流路形成部材３１では、水流路３３の出口開口３３ａの縁部が面取りされている。このため、同図に二点鎖線にて示すように、水流路５３３の出口開口５３３ａの縁部が面取りされていない比較例の第１ガス流路形成部材５３１（図５（ｂ））に比べて、水流路３３の出口開口３３ａにおける生成水の液滴の大きさが大きくなる。

これらのことから、生成水の液滴の表面張力、すなわち、当該液滴と水流路３３の出口開口３３ａの縁部との間に働く凝着力が低減される。従って、水流路３３の出口開口３３ａを通じて液滴を押し出すために必要な圧力が小さくなり、より低い流量、より流動圧力の低い酸化剤ガスであっても水流路３３を通じて生成水を外部に排出することができる。

なお、発電に伴って生成された生成水の一部は第２電極触媒層１８、第２ガス拡散層２０を通じてアノード側の第２ガス流路形成部材１３１のガス流路１３２に流入する。本実施形態では、第２ガス流路形成部材１３１が第１ガス流路形成部材３１と同一な構成とされている。このため、アノード側のガス流路１３２及び水流路１３３においてもカソード側のガス流路３２及び水流路３３と同様な作用が奏される。

以上説明した本実施形態に係る燃料電池のガス流路形成部材及び燃料電池によれば、以下に示す効果が得られるようになる。
（１）ガス流路形成部材３１は、膜電極接合体１５に対向する面に列設されて酸化剤ガスが流通する複数のガス流路３２と、セパレータ２３に対向する面において互いに隣接するガス流路３２の間に形成されて生成水を排出する水流路３３と、ガス流路３２と水流路３３とを連通する内側連通路３６と、を備えている。水流路３３の出口開口３３ａを含む出口部３４の流路断面積Ｓ２は、水流路３３の出口部３４における酸化剤ガスの流れ方向の上流側に隣接する上流部３５の流路断面積Ｓ１に比べて大きくされている。

こうした構成によれば、水流路３３の出口開口３３ａを通じて液滴を押し出すために必要な圧力が小さくなり、より低い流量、より流動圧力の低い酸化剤ガスであっても水流路３３を通じて生成水を外部に排出することができる。また、水流路３３の上流部３５は、出口部３４とは異なり、流路断面積が大きくされていないため、ガス流路３２におけるガスの圧力損失の増大を抑制することができる。従って、生成水の排出性能を高めることができるとともに、ガス流路３２におけるガスの圧力損失の増大を抑制することができる。よって、ガス流路３２へ生成水が溢れることを抑制することができ、燃料ガス及び酸化剤ガスの拡散を促進することができ、電池性能を向上させることができる。

（２）水流路３３の出口開口３３ａの縁部が面取りされているため、面取りされていないものに比べて更に水流路３３の出口開口３３ａにおける生成水の液滴の大きさが大きくなる。このため、生成水の液滴と水流路３３の出口開口３３ａの縁部との間に働く凝着力を一層低減することができ、より低い流量、より低い圧力損失のガスであっても生成水を排出することができる。

＜第２実施形態＞
以下、図７〜図９を参照して、第２実施形態について説明する。
本実施形態では、ガス流路形成部材の構成が第１実施形態と相違している。以下、相違点について説明する。なお、図７〜図９において、第１実施形態の構成と同一の構成については同一の符号を付し、第１実施形態の構成と対応する構成についてはそれぞれ「２００」を加算した符号「２＊＊」、「３＊＊」を付すことによって重複する説明を省略する。

本実施形態においても第１ガス流路形成部材２３１と第２ガス流路形成部材３３１とは互いに同一な構成とされている。このため、以降においては、第１ガス流路形成部材２３１の構成について説明し、第２ガス流路形成部材３３１の構成については第１ガス流路形成部材２３１の各部の符号にそれぞれ「１００」を加算した符号「３３＊」、「３４＊」を付すことによって重複する説明を省略する。また、第１ガス流路形成部材２３１及び第１セパレータ２３をそれぞれ単にガス流路形成部材２３１及びセパレータ２３と略称する。

図７及び図８に示すように、第１ガス流路形成部材２３１は金属板材を剪断曲げ加工することによって形成されており、平板状の基部２３１ａに、膜電極接合体１５に向けてそれぞれ突出する複数の第１突部２３６及び複数の第２突部２３８が形成されている。

図８に示すように、第２突部２３８は、図示しない供給通路Ｍ１から排出通路Ｍ２に向かう酸化剤ガスの流れ方向（以下、ガス流れ方向Ｐと称する。）に沿って所定間隔毎に形成されている。また、第２突部２３８の列は、ガス流れ方向Ｐに直交する方向（以下、直交方向Ｑ）に沿って所定間隔毎に形成されている。第２突部２３８は、直交方向Ｑにおいて隣接する第２突部２３８に対してガス流れ方向Ｐにおいて半ピッチずらして配置されている。

第１突部２３６は、直交方向Ｑにおいて互いに隣接する第２突部２３８の間の間隙に同直交方向Ｑに沿って２つ形成されている。また、第１突部２３６は、直交方向Ｑにおいて隣接する第１突部２３６に対してガス流れ方向Ｐにおいて半ピッチずらして配置されている。

図７に示すように、第１突部２３６及び第２突部２３８は膜電極接合体１５に当接しており、基部２３１ａと膜電極接合体１５との間に酸化剤ガスが流通する複数のガス流路２３２が形成されている。

図８に示すように、このガス流路２３２は、ガス流れ方向Ｐに沿って延びる主流路ｈ１と、直交方向Ｑにおいて互いに隣接する主流路ｈ１同士を連通する副流路ｈ２とによって構成されている。

図７〜図９に示すように、第１ガス流路形成部材２３１における第１セパレータ２３に対向する側には複数の突起２４０が形成されている。突起２４０は、ガス流れ方向Ｐにおいて第１突部２３６及び第２突部２３８の上流側の端にそれぞれ形成されている。

突起２４０は第１セパレータ２３に当接しており、基部２３１ａと第１セパレータ２３との間には水流路２３３が形成されている。基部２３１ａと第１セパレータ２３との間の間隔は約数十μｍとされている。

図８に示すように、第１突部２３６及び第２突部２３８の両側面にはそれぞれ連通孔２３７、２３９が形成されており、これら連通孔２３７、２３９を通じてガス流路２３２と水流路２３３とが連通されている。

本実施形態では、図９に示すように、ガス流れ方向Ｐにおいて水流路２３３の出口開口２３３ａに近接した突起２４０ａの高さが、同出口開口２３３ａから離間した突起２４０ｂの高さよりも高くされている。このため、水流路２３３の流路断面積はガス流れ方向Ｐにおいて下流側（同図の左側）ほど大きくされている。従って、水流路２３３における出口開口２３３ａを含む出口部２３４の流路断面積が、同水流路２３３における出口部２３４の上流側に位置する上流部２３５の流路断面積に比べて大きくされている。

以上説明した本実施形態に係る燃料電池のガス流路形成部材及び燃料電池によれば、第１実施形態の効果（１）に準じた効果が得られるようになる。
なお、本発明に係る燃料電池のガス流路形成部材及び燃料電池は、上記実施形態にて例示した構成に限定されるものではなく、これを適宜変更した例えば次のような形態として実施することもできる。

・上記第１実施形態では、水流路３３の出口部３４の流路断面積Ｓ２が上流部３５に対してステップ状に大きくされたものについて例示したが、水流路の出口開口を含む部分の流路断面積が同出口開口に向けて徐々に大きくされたものとすることもできる。

・上記各実施形態では、膜電極接合体１５の両側にガス流路形成部材３１、１３１（２３１、３３１）を設けるようにしたが、これに代えて、膜電極接合体１５の片側のみに本発明に係るガス流路形成部材を設けるようにしてもよい。

１０…セル、１５…膜電極接合体、１６…固体高分子電解質膜、１７…第１電極触媒層、１８…第２電極触媒層、１９…第１ガス拡散層、２０…第２ガス拡散層、２３…第１セパレータ、２４…第２セパレータ、３１…第１ガス流路形成部材、３１ａ…内側突条、３１ｂ…外側突条、３２…ガス流路、３３…水流路、３３ａ…出口開口、３４…出口部、３５…上流部、３６…内側連通路（連通路）、３７…リブ、３７ａ，３７ｂ…部位、３８…外側連通路、２３１…第１ガス流路形成部材、２３１ａ…基部、２３２…ガス流路、２３３…水流路、２３３ａ…出口開口、２３４…出口部、２３５…上流部、２３６…第１突部、２３７…連通孔、２３８…第２突部、２３９…連通孔、２４０…突部、Ｒ１，Ｍ１…供給通路、Ｒ２，Ｍ２…排出通路。

Claims (5)

1. 固体高分子電解質膜が一対の電極触媒層によって挟持されてなる膜電極接合体とセパレータとの間に介設されるガス流路形成部材であって、
   前記ガス流路形成部材は、
   前記膜電極接合体に対向する面に形成されて燃料ガス又は酸化剤ガスが流通するガス流路と、
   前記セパレータに対向する面に形成されて生成水を排出する水流路と、
   前記ガス流路と前記水流路とを連通する連通路と、を備え、
   前記ガス流路は前記膜電極接合体に対向する面に列設され、
   前記水流路は前記セパレータに対向する面に列設され、前記水流路は前記セパレータに対向する面において互いに隣接する前記ガス流路の間に直線状に延びるように設けられ、
   前記水流路の出口開口の流路断面積は、同出口開口における当該ガスの流れ方向の上流側に隣接する上流部の流路断面積に比べて大きくされており、
   前記連通路には、互いに隣接する前記ガス流路及び前記水流路の延設方向に対して直交する方向に沿って延びるリブが形成されている、
   燃料電池のガス流路形成部材。
2. 前記水流路における前記出口開口を含む出口部の流路断面積は前記上流部の流路断面積に対してステップ状に大きくされている、
   請求項１に記載の燃料電池のガス流路形成部材。
3. 前記水流路における前記出口開口を含む出口部の流路断面積は同出口開口に向けて徐々に大きくされている、
   請求項１に記載の燃料電池のガス流路形成部材。
4. 前記水流路の出口開口の縁部は面取りされている、
   請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池のガス流路形成部材。
5. 固体高分子電解質膜が一対の電極触媒層によって挟持されてなる膜電極接合体と、
   前記膜電極接合体に対向して配置されたセパレータと、
   前記膜電極接合体と前記セパレータとの間に介設された請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載のガス流路形成部材と、
   を備える燃料電池。