JP6214342B2 - 燃料電池のセパレータ構造 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池のセパレータ構造に関する。

燃料電池は、複数のセルが積み重ねられたセルスタック構造を有している。各セルは、電解質膜の一方面および他方面にそれぞれアノード（燃料極）およびカソード（酸素極）を接合してなる膜／電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）をセパレータで挟み込むことにより構成されている。

各セパレータには、燃料導入口、燃料排出口、空気導入口および空気排出口が貫通して形成されている。アノード側のセパレータには、膜／電極接合体と対向する面に、燃料導入口および燃料排出口と連通する燃料流路が形成されている。カソード側のセパレータには、膜／電極接合体と対向する面に、空気導入口および空気排出口と連通する空気流路が形成されている。燃料が燃料導入口から燃料排出口に向けて燃料流路を流れ、空気が空気導入口から空気排出口に向けて空気流路を流れることにより、発電反応が生じ、アノードとカソードとの間に起電力が発生する。

膜／電極接合体およびセパレータは、上下方向に延びる状態に配置される。液体燃料を使用する燃料電池では、発電反応による燃料流路内での気体の発生および液体燃料などのアノードからカソードへのクロスリークの発生を考慮して、燃料導入口および空気排出口は、セパレータの下端部に左右（膜／電極接合体と対向する面における左右）に分かれて形成され、燃料排出口および空気導入口は、セパレータの上端部に左右に分かれて形成されている。

特開２００５−２２８５１７号公報

発電反応に伴って、反応熱が発生する。燃料電池が高温になると、発電効率の低下などの問題が生じるので、燃料電池を冷却する必要がある。液体燃料を用いた燃料電池では、液体燃料を冷却することにより、その冷却された液体燃料により燃料電池を冷却することができる。

しかしながら、燃料導入口および燃料排出口がそれぞれセパレータの下端部および上端部に形成されているので、発電が進むにつれて、燃料電池の上部が相対的に高温となり、燃料電池の下部が相対的に低温となり、燃料電池に温度分布の偏りが生じる。この温度分布の偏りは、燃料電池の発電性能および耐久性に影響を及ぼす。

また、従来の燃料電池では、燃料導入口、燃料排出口、空気導入口および空気排出口が左右一方に偏って配置されているので、燃料導入口と燃料流路との接続部分および空気導入口と空気流路との接続部分には、それぞれ液体燃料および空気を左右方向に均一に分配するための分配部が設けられる。また、燃料流路と燃料排出口との接続部分および空気流路と空気排出口との接続部分には、それぞれ液体燃料および空気を集約するための集約部が設けられる。

ところが、分配部および集約部において、液体燃料／空気の勢いが弱まるため、燃料流路で発生した気体が分配部に滞留し、また、カソード側にクロスリークした液体燃料などが集約部に滞留して、燃料流路における液体燃料の流れおよび空気流路における空気の流れが不均一になるおそれがある。液体燃料／空気の流れが不均一になると、セル内に発電分布の偏りが生じ、燃料電池の発電性能および耐久性に影響を及ぼす。

本発明の目的は、燃料電池における温度分布の偏りを低減させることができ、かつ、液体燃料／空気の流れの均一化を図ることができる、燃料電池のセパレータ構造を提供することである。

前記の目的を達成するため、本発明に係る燃料電池のセパレータ構造は、膜／電極接合体のアノード側およびカソード側にそれぞれセパレータを配置した構成を有する燃料電池のセパレータ構造であって、セパレータは、上下方向に延びるとともに、上下方向および膜／電極接合体とセパレータとの積層方向の両方向に直交する幅方向に延び、セパレータには、燃料導入口および燃料排出口がそれぞれ下部および上部に形成され、ガス導入口およびガス排出口がそれぞれ上部および下部に形成されており、セパレータにおけるアノードと対向する面には、燃料導入口および燃料排出口と連通し、幅方向に延びる部分が上下方向に積み重なるように葛折り状に屈曲し、燃料導入口から燃料排出口に向けて液体燃料が流通する燃料流路溝が形成されており、セパレータにおけるカソードと対向する面には、ガス導入口およびガス排出口と連通し、上下方向に直線状に延び、ガス導入口からガス排出口に向けて酸素を含むガスが流通するガス流路溝が形成されている。

この構成によれば、膜／電極接合体のアノード側およびカソード側には、それぞれセパレータが配置されている。各セパレータは、上下方向ならびに上下方向および膜／電極接合体とセパレータとの積層方向の両方向に直交する幅方向に延びている。各セパレータの上部には、燃料排出口およびガス導入口が形成されている。一方、各セパレータの下部には、燃料導入口およびガス排出口が形成されている。そして、セパレータにおけるアノードと対向する面には、燃料導入口および燃料排出口と連通する燃料流路溝が形成されている。また、セパレータにおけるカソードと対向する面には、ガス導入口およびガス排出口と連通するガス流路溝が形成されている。

液体燃料が燃料導入口から燃料排出口に向けて燃料流路溝を流れ、酸素を含むガスがガス導入口からガス排出口に向けてガス流路溝を流れることにより、発電反応が生じ、アノードとカソードとの間に起電力が発生する。

発電反応に伴って、反応熱が発生する。この反応熱により、燃料流路溝を流れる液体燃料は、セパレータの上部の燃料排出口に近づくにつれて昇温する。一方、セパレータの上部のガス導入口からガス流路溝に比較的低温のガスが供給され、そのガスがガス流路溝を流れる。そのため、燃料電池の上部は、液体燃料から熱を受けるとともに、ガスにより冷却される。よって、燃料電池における温度分布の偏りを低減させることができる。

また、燃料流路溝は、上下方向と直交する方向に延びる部分が上下方向に積み重なるように葛折り状に屈曲している。燃料流路溝が葛折り状に屈曲していても、液体燃料が燃料流路溝を下方から上方へ流れるので、燃料流路溝内で発電反応により発生する気体は、液体燃料とともに燃料排出口から排出され、燃料流路溝内に滞留しない。一方、ガス流路溝は、ガス導入口およびガス排出口と連通し、上下方向に直線状に延びている。そのため、液体燃料などのアノードからカソードへのクロスリークが生じても、クロスリークした液体燃料などは、重力により、燃料流路溝内を流下し、ガス排出口から排出される。しかも、セパレータには、液体燃料およびガスを分配／集約する部分が形成されていないので、その部分で液体燃料およびガスが滞留することもない。よって、セパレータにおける液体燃料／ガスの流れの均一化を図ることができる。

そして、燃料電池における温度分布の偏りを低減させることができ、セパレータにおける液体燃料／ガスの流れの均一化を図ることができるので、燃料電池の発電性能および耐久性を向上させることができる。

本発明によれば、燃料電池における温度分布の偏りを低減させることができる。また、セパレータにおける液体燃料／ガスの流れの均一化を図ることができる。その結果、燃料電池の発電性能および耐久性を向上させることができる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池を含む燃料電池システムの構成図である。 燃料電池のセルの構成を図解的に示す側面図である。 セパレータにおけるアノードと対向する面を示す図である。 セパレータにおけるカソードと対向する面を示す図である。

以下では、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係るセパレータ構造が適用された燃料電池２を含む燃料電池システム１の構成図である。図２は、燃料電池２のセルの構成を図解的に示す側面図である。

燃料電池システム１は、燃料電池（ＦＣ：Fuel Cell）２を備えている。燃料電池２は、所定数（たとえば、１００〜２００）のセルが一方向に積層された、いわゆるセルスタックを有している。このセルスタックは、セルの積層方向の両側から出力端子付の集電板によって挟まれ、さらにその両外側からエンドプレートに挟まれている。

燃料電池２のセルは、図２に示されるように、膜／電極接合体（ＭＥＡ：Membrane
Electrode Assembly）１１を備えている。膜／電極接合体１１は、電解質膜１２の両側にアノード（燃料極）１３およびカソード（酸素極）１４を貼り合わせて一体化したものである。また、燃料電池２のセルは、ガス拡散層（ＧＤＬ：Gas Diffusion Layer）一体型ガスケット１５およびセパレータ１６を備えている。ガス拡散層一体型ガスケット１５は、膜／電極接合体１１の両側に配置されている。セパレータ１６は、各ガス拡散層一体型ガスケット１５の外側に配置されている。

また、燃料電池システム１は、燃料循環路３、燃料循環タンク４、燃料循環ポンプ５、エアコンプレッサ６、冷却装置７、給気路８および排気路９を備えている。

燃料循環路３の一端は、燃料電池２の燃料入口に接続され、その他端は、燃料電池２の燃料出口に接続されている。

燃料循環タンク４は、燃料循環路３の一部として、燃料循環路３の途中部に介装されている。燃料循環タンク４には、液体燃料（たとえば、ヒドラジン）が電解液（たとえば、水酸化カリウム水溶液）と混合された状態で貯留されている。

なお、以下では、電解液と混合された状態の液体燃料を「液体燃料」という。

燃料循環ポンプ５は、燃料循環路３の途中部であって、燃料循環タンク４と燃料電池２の燃料入口との間に介装されている。

燃料循環ポンプ５が駆動されると、燃料循環タンク４に貯留されている液体燃料が燃料循環路３を燃料電池２の燃料入口に向けて送られ、燃料入口に液体燃料が供給される。そして、液体燃料は、燃料電池２内を流通して、燃料電池２の燃料出口から燃料循環路３に排出され、燃料循環路３を流通して、燃料循環タンク４に戻される。

冷却装置７は、燃料循環路３の途中部であって、燃料電池２の燃料出口と燃料循環タンク４との間に介装されている。冷却装置７において、燃料循環路３を燃料電池２から燃料循環タンク４に向けて流通する液体燃料が冷却される。そして、冷却装置７で冷却された液体燃料が燃料循環タンク４に供給されることにより、燃料循環タンク４が冷却される。

エアコンプレッサ６の吐出口には、給気路８の一端が接続されている。

給気路８の他端は、燃料電池２の空気入口に接続されている。

排気路９の一端は、燃料電池２の空気出口に接続されている。

エアコンプレッサ６が駆動されると、エアコンプレッサ６に吸込口から酸素を含むガスとしての空気（大気）が取り込まれる。エアコンプレッサ６に取り込まれた空気は、エアコンプレッサ６で圧縮されて、圧縮空気となり、エアコンプレッサ６から給気路８に送り出される。そして、圧縮空気は、燃料電池２内を流通して、燃料電池２の空気出口から排気路９に排出される。排気路９に排出された空気は、排気処理器（図示せず）を介して、大気に放出される。

燃料電池２内を液体燃料および空気が流通すると、燃料電池２において、発電反応（電気化学反応）が生じ、その発電反応による起電力が発生する。

図３は、セパレータ１６におけるアノード１３と対向する面を示す図である。図４は、セパレータ１６におけるカソード１４と対向する面を示す図である。

燃料電池２は、セルの積層方向が水平方向となるように配置されている。

なお、水平方向の概念には、水平に対して多少傾斜している場合も含まれる。また、燃料電池システム１が車両に搭載される場合には、車両が水平面で停車している状態において、水平方向を規定する。

セパレータ１６は、略矩形板状をなしている。

セパレータ１６をアノード１３と対向する面側から見て、セパレータ１６の左下角部、右下角部、左上角部および右上角部には、それぞれ第１燃料導入口２１、第２燃料導入口２２、第１燃料排出口２３および第２燃料排出口２４が厚さ方向（セルの積層方向）に貫通して形成されている。第１燃料導入口２１、第２燃料導入口２２、第１燃料排出口２３および第２燃料排出口２４は、たとえば、直角三角形状をなし、その隣辺（互いに直交する２辺）は、セパレータ１６の角部をなす２つの端縁と平行をなしている。

また、セパレータ１６の上部および下部には、それぞれ空気導入口２５および空気排出口２６が厚さ方向に貫通して形成されている。空気導入口２５は、第１燃料排出口２３および第２燃料排出口２４に対して左右方向の内側に設けられ、左右方向（上下方向およびセルの積層方向の両方向に直交する幅方向）に延び、下端に近づくにつれて左右方向に広がる台形状をなしている。空気排出口２６は、左右方向に延び、第１燃料導入口２１および第２燃料導入口２２に対して左右方向の内側に設けられ、下端に近づくにつれて左右方向に窄まる台形状をなしている。

セルの積層により、各セパレータ１６の第１燃料導入口２１および第２燃料導入口２２は、積層方向に連続して、それぞれ積層方向に延びる管状の第１燃料導入路および第２燃料導入路を形成する。第１燃料導入路および第２燃料導入路は、燃料電池２の燃料入口と連通する。また、セルの積層により、各セパレータ１６の第１燃料排出口２３および第２燃料排出口２４は、積層方向に連続して、それぞれ積層方向に延びる管状の第１燃料排出路および第２燃料排出路を形成する。第１燃料排出路および第２燃料排出路は、燃料電池２の燃料出口と連通する。さらに、セルの積層により、各セパレータ１６の空気導入口２５および空気排出口２６は、積層方向に連続して、それぞれ積層方向に延びる管状の空気導入路および空気排出路を形成する。空気導入路および空気排出路は、それぞれ燃料電池２の空気入口および空気出口と連通する。

セパレータ１６のアノード１３と対向する面には、図３に示されるように、第１燃料流路溝３１および第２燃料流路溝３２が形成されている。

第１燃料流路溝３１は、第１燃料導入口２１および第１燃料排出口２３と連通し、左右方向に延びる部分が上下方向に積み重なるように葛折り状に屈曲している。具体的には、セパレータ１６のアノード１３と対向する面において、左右方向の中央から第１燃料導入口２１および第１燃料排出口２３側の部分には、断面矩形状の凹部３３が形成されている。凹部３３の一端部は、第１燃料導入口２１の斜辺に接続され、第１燃料導入口２１と上下方向に同じ幅を有している。凹部３３は、セパレータ１６をアノード１３と対向する面側から見て、第１燃料導入口２１から右側に直線状に延び、上側に屈曲し、左側に屈曲して直線状に延び、上側に屈曲し、右側に屈曲して直線状に延び、上側にさらに屈曲し、左側に屈曲して直線状に延びている。凹部３３の他端部は、第１燃料排出口２３の斜辺に接続され、第１燃料排出口２３と上下方向に同じ幅を有している。そして、凹部３３内には、複数（図３に示される一例では、４つ）の壁部３４が立設されている。複数の壁部３４は、互いに等間隔を空けて平行をなし、凹部３３に沿って葛折り状に屈曲しており、各壁部３４に挟まれる部分により、第１燃料流路溝３１が形成されている。

第２燃料流路溝３２は、第２燃料導入口２２および第２燃料排出口２４と連通し、左右方向に延びる部分が上下方向に積み重なるように葛折り状に屈曲している。具体的には、セパレータ１６のアノード１３と対向する面において、左右方向の中央から第２燃料導入口２２および第２燃料排出口２４側の部分には、断面矩形状の凹部３５が形成されている。凹部３５の一端部は、第２燃料導入口２２の斜辺に接続され、第２燃料導入口２２と上下方向に同じ幅を有している。凹部３５は、凹部３３を左右反転した形状に形成されている。凹部３５の他端部は、第２燃料排出口２４の斜辺に接続され、第２燃料排出口２４と上下方向に同じ幅を有している。そして、凹部３５内には、複数（図３に示される一例では、４つ）の壁部３６が立設されている。複数の壁部３６は、互いに等間隔を空けて平行をなし、凹部３５に沿って葛折り状に屈曲しており、各壁部３６に挟まれる部分により、第２燃料流路溝３２が形成されている。

セパレータ１６のカソード１４と対向する面には、図４に示されるように、空気流路溝４１が形成されている。

空気流路溝４１は、空気導入口２５および空気排出口２６と連通し、上下方向に直線状に延びている。具体的には、セパレータ１６のカソード１４と対向する面には、六角形状の凹部４２が形成されている。凹部４２の上端部は、空気導入口２５に接続され、空気導入口２５の下端と左右方向に同じ幅を有している。凹部４２の下端部は、空気排出口２６に接続され、空気排出口２６の上端と左右方向に同じ幅を有している。そして、凹部４２内には、複数の壁部４３が立設されている。複数の壁部４３は、左右方向に等間隔を空けて、上下方向に直線状に延びており、各壁部４３に挟まれる部分により、空気流路溝４１が形成されている。

燃料循環路３から燃料電池２の燃料入口に供給される液体燃料は、第１燃料導入路および第２燃料導入路をほぼ等しい流量で流通し、各セルにおいて、セパレータ１６の第１燃料導入口２１から凹部３３に流入し、第２燃料導入口２２から凹部３５に流入する。第１燃料導入口２１と各第１燃料流路溝３１との間の間隔は、互いにほぼ等しく、第２燃料導入口２２と各第２燃料流路溝３２との間の間隔は、互いにほぼ等しい。これにより、凹部３３，３５に流入した液体燃料は、各第１燃料流路溝３１および各第２燃料流路溝３２をほぼ同じ流量で流通する。そして、液体燃料は、第１燃料排出口２３および第２燃料排出口２４からそれぞれ第１燃料排出路および第２燃料排出路に流出し、第１燃料排出路および第２燃料排出路を流通して、燃料電池２の燃料出口から燃料循環路３に流出する。

また、給気路８から燃料電池２の空気入口に供給される圧縮空気は、空気導入路を流通し、各セルにおいて、セパレータ１６の空気導入口２５から凹部４２に流入し、各空気流路溝４１をほぼ等しい流量で流通する。そして、空気は、空気排出口２６から空気排出路に流出し、空気排出路を流通して、燃料電池２の空気出口から排気路９に流出する。

燃料電池２における発電反応に伴って、反応熱が発生する。この反応熱により、第１燃料流路溝３１および第２燃料流路溝３２を流れる液体燃料は、セパレータ１６の上部の第１燃料排出口２３および第２燃料排出口２４に近づくにつれて昇温する。一方、セパレータ１６の上部の空気導入口２５から空気流路溝４１に比較的低温の空気が供給され、その空気が空気流路溝４１を流れる。そのため、燃料電池２の上部は、液体燃料から熱を受けるとともに、空気により冷却される。よって、燃料電池２における温度分布の偏りを低減させることができる。

また、第１燃料流路溝３１および第２燃料流路溝３２は、左右方向に延びる部分が上下方向に積み重なるように葛折り状に屈曲している。第１燃料流路溝３１および第２燃料流路溝３２が葛折り状に屈曲していても、液体燃料が第１燃料流路溝３１および第２燃料流路溝３２を下方から上方へ流れるので、第１燃料流路溝３１および第２燃料流路溝３２内で発電反応により発生する気体は、液体燃料とともに第１燃料排出口２３および第２燃料排出口２４から排出され、第１燃料流路溝３１および第２燃料流路溝３２内に滞留しない。一方、空気流路溝４１は、空気導入口２５および空気排出口２６と連通し、上下方向に直線状に延びている。そのため、液体燃料などのアノード１３からカソード１４へのクロスリークが生じても、クロスリークした液体燃料などは、重力により、第１燃料流路溝３１内または第２燃料流路溝３２内を流下し、空気排出口２６から排出される。しかも、セパレータ１６には、液体燃料および空気を分配／集約する部分が形成されていないので、その部分で液体燃料および空気が滞留することもない。よって、セパレータ１６における液体燃料／空気の流れの均一化を図ることができる。

そして、燃料電池２における温度分布の偏りを低減させることができ、セパレータ１６における液体燃料／空気の流れの均一化を図ることができるので、燃料電池２の発電性能および耐久性を向上させることができる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、他の形態で実施することもできる。

たとえば、前述の実施形態では、第１燃料流路溝３１、第２燃料流路溝３２および空気流路溝４１がそれぞれ複数設けられた構成を取り上げたが、第１燃料流路溝３１、第２燃料流路溝３２および空気流路溝４１の数は、複数に限定されず、それぞれ１つの第１燃料流路溝３１、第２燃料流路溝３２および空気流路溝４１を設けた構成が採用されてもよい。

また、第１燃料導入口２１、第２燃料導入口２２、第１燃料排出口２３、第２燃料排出口２４、空気導入口２５および空気排出口２６の各形状は、前述の形状に限定されず、適宜変更されてもよい。

燃料電池システム１は、モータを走行用駆動源として搭載した車両（自動車）に搭載されてもよいし、家屋などに非常用電源として設置されてもよい。

その他、前述の構成には、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

２ 燃料電池
１１ 膜／電極接合体
１６ セパレータ
２１ 第１燃料導入口（燃料導入口）
２２ 第２燃料導入口（燃料導入口）
２３ 第１燃料排出口（燃料排出口）
２４ 第２燃料排出口（燃料排出口）
２５ 空気導入口（ガス導入口）
２６ 空気排出口（ガス排出口）
３１ 第１燃料流路溝（燃料流路溝）
３２ 第２燃料流路溝（燃料流路溝）
４１ 空気流路溝（ガス流路溝）

Claims (1)

1. 膜／電極接合体のアノード側およびカソード側にそれぞれセパレータを配置した構成を有する燃料電池のセパレータ構造であって、
   前記セパレータは、上下方向に延びるとともに、上下方向および前記膜／電極接合体と前記セパレータとの積層方向の両方向に直交する幅方向に延び、
   前記セパレータには、第１燃料導入口および第２燃料導入口が下部に形成され、第１燃料排出口および第２燃料排出口が上部に形成され、ガス導入口およびガス排出口がそれぞれ上部および下部に形成されており、
   前記セパレータにおける前記アノードと対向する面には、前記第１燃料導入口および前記第１燃料排出口と連通し、前記幅方向に延びる部分が上下方向に積み重なるように葛折り状に屈曲し、前記燃料導入口から前記燃料排出口に向けて液体燃料が流通する第１燃料流路溝と、前記第２燃料導入口および前記第２燃料排出口と連通し、前記幅方向に延びる部分が上下方向に積み重なるように葛折り状に屈曲して、前記第１燃料流路溝を前記幅方向に反転した形状に形成され、前記第２燃料導入口から前記第２燃料排出口に向けて液体燃料が流通する第２燃料流路溝とが形成されており、
   前記セパレータにおける前記カソードと対向する面には、前記ガス導入口および前記ガス排出口と連通し、上下方向に直線状に延び、前記ガス導入口から前記ガス排出口に向けて酸素を含むガスが流通するガス流路溝が形成されている、燃料電池のセパレータ構造。

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