JP6233220B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、固体高分子形燃料電池に関する。

固体高分子形燃料電池（以下、燃料電池と略称する。）は、多数のセルを積層することによって構成されている（例えば特許文献１参照）。１つのセルは、固体高分子膜からなる電解質膜を燃料極と空気極とによって挟むことにより形成された膜電極接合体と、同膜電極接合体を挟む一対のセパレータとを備えている。

特許文献１に記載の燃料電池は、凹凸形状を有する溝流路プレートを一方のセパレータとして備えている。また、前記燃料電池は、溝流路プレートに隣接するフラットプレートと、同フラットプレートに対して溝流路プレートが接する面とは反対側の面に接する多孔体プレートとを他方のセパレータとして有している。

溝流路プレートにおける前記膜電極接合体に対向する面には、供給用マニホルド孔からの燃料ガスを同膜電極接合体に供給するとともに未反応の燃料ガスを排出用マニホルド孔へ排出するためのガス流路が形成されている。

多孔体プレートには、供給用マニホルド孔からの酸化剤ガスを膜電極接合体に供給するとともに未反応の酸化剤ガスを排出用マニホルド孔へ排出するためのガス流路が形成されている。

各ガス流路を通じて膜電極接合体に燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されると、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電が行なわれる。また、発電に伴って生成される水（以下、生成水と称する。）は、多孔体プレートの前記ガス流路を通じて排出用マニホルド孔へ排出される。

特開２０１２―１２３９４９号公報

ところで、こうした従来の燃料電池においては、生成水がガス流路から排出用マニホルド孔へ排出されるときに、生成水の流れが同ガス流路から排出される酸化剤ガスによって分断されやすい。そのため、生成水の排出が滞ることでガス流路内に生成水が滞留しやすくなり、滞留する生成水によって反応ガスの圧力損失が増大するなどの問題が生じるおそれがある。

なお、燃料電池においては、通常、燃料ガスが加湿されていることから、燃料ガスが流通するガス流路には水蒸気が凝縮することにより水が生じることがある。そのため、多孔体プレートのガス流路に燃料ガスを流通させる構成においても、凝縮水がガス流路から排出用マニホルド孔へ排出される際に前述した問題が同様にして生じるおそれがある。

本発明の目的は、ガス流路内での水の滞留を抑制することができる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は、膜電極接合体と同膜電極接合体を挟む一対のセパレータとを備えるセルを積層することにより形成された燃料電池において、前記一対のセパレータには、供給用マニホルド孔からの反応ガスを前記膜電極接合体に供給するとともに未反応の反応ガスを排出用マニホルド孔に排出するガス流路がそれぞれ形成され、前記ガス流路の出口部に隣接する部位には、前記排出用マニホルド孔内に開口する水溜部が形成され、前記ガス流路における前記排出用マニホルド孔よりも上流側には、前記ガス流路を通じて前記出口部から排出される水を前記水溜部に導入する導入部が形成され、一方の前記セパレータは、凹凸形状を有する溝流路プレートであり、他方の前記セパレータは、前記溝流路プレートに隣接するフラットプレートと、同フラットプレートに対して前記溝流路プレートが接する面とは反対側の面に接するとともに前記ガス流路が形成された多孔体プレートとを有し、前記水溜部は、前記溝流路プレートと前記フラットプレートとによって形成され、前記導入部は、前記フラットプレートに形成されている。

同構成によれば、一方のセパレータのガス流路内の水は同セパレータを伝って排出用マニホルド孔に向けて移動するとともに、同セパレータに形成された導入部を通じてガス流路の出口部に隣接する水溜部へ流入する。このように、ガス流路内の水は排出用マニホルド孔に直接排出されるのではなく、ガス流路における排出用マニホルド孔よりも上流側に形成された導入部を通じて水溜部へ流入することとなるため、ガス流路内での生成水の滞留が抑制される。そして、水溜部に溜まった水は酸化剤ガスによって同排出用マニホルド孔に持ち去られるようになる。

本発明によれば、ガス流路内での水の滞留を抑制することができる。

第１実施形態における燃料電池のセルの斜視図。 同実施形態における燃料電池のセルの分解平面図。 同実施形態におけるフラットプレートの平面図。 同実施形態における第２樹脂フレーム及び多孔体プレートの平面図。 （ａ）は図３の５ａ−５ａ線に沿った燃料電池の断面図、（ｂ）は図３の５ｂ−５ｂ線に沿った燃料電池の断面図。 第２実施形態におけるフラットプレートの平面図。 同実施形態における第２樹脂フレーム及び多孔体プレートの平面図。 図６の８−８線に沿った燃料電池の断面図。 変形例におけるフラットプレートの平面図。 （ａ）は図９の１０ａ−１０ａ線に沿った燃料電池の断面図、（ｂ）は図９の１０ｂ−１０ｂ線に沿った燃料電池の断面図。 （ａ）〜（ｇ）は他の変形例におけるフラットプレートの拡大平面図。

＜第１実施形態＞
以下、図１〜図５を参照して、第１実施形態について説明する。なお、図１〜図４におけるセル１０の上下方向を単に上下方向とし、図１〜図４における左右方向を単に左右方向として説明する。

図１、図２及び図５に示すように、固体高分子形燃料電池は、多数のセル１０を積層することによって構成されている。
図２及び図５に示すように、セル１０は、フラットプレート６０と、第２樹脂フレーム４０によって周縁を囲まれるとともにフラットプレート６０に隣接して設けられる多孔体プレート５０とを備えている。また、セル１０は、第１樹脂フレーム２０によって周縁を囲まれるとともに多孔体プレート５０に隣接して設けられる膜電極接合体３０と、同膜電極接合体３０に隣接して設けられ、凹凸形状を有する溝流路プレート７０とを備えている。膜電極接合体３０は、固体高分子膜からなる電解質膜を燃料極と空気極とによって挟むことにより形成されている。フラットプレート６０、溝流路プレート７０、及び多孔体プレート５０は、金属板材をプレス加工することによりそれぞれ形成されている。

図１に示すように、セル１０の左上側周縁部には、同セル１０の中央部に位置する膜電極接合体３０に向けて燃料ガス（例えば水素ガス）を供給するための燃料ガス供給用マニホルド孔１１が形成されている。また、セル１０の右下側周縁部には、同セル１０の中央部からの未反応の燃料ガスを排出するための燃料ガス排出用マニホルド孔１２が形成されている。

セル１０の下側周縁部には、前記膜電極接合体３０に向けて酸化剤ガス（例えば空気）を供給するための酸化剤ガス供給用マニホルド孔１３が左右方向に間隔をおいて複数形成されている。また、セル１０の上側周縁部には、同セル１０の中央部からの未反応の酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出用マニホルド孔１４が左右方向に間隔をおいて複数形成されている。

セル１０の左下側周縁部には、同セル１０の中央部に向けて冷却水を供給するための冷却水供給用マニホルド孔１５が形成されている。また、セル１０の右上側周縁部には、同セル１０の中央部からの冷却水を排出するための冷却水排出用マニホルド孔１６が形成されている。

図１及び図２に併せ示すように、燃料ガス給排用のマニホルド孔１１，１２は、フラットプレート６０の周縁部に形成された孔６１，６２、第２樹脂フレーム４０の周縁部に形成された孔４１，４２、第１樹脂フレーム２０の周縁部に形成された孔２１，２２、及び溝流路プレート７０の周縁部に形成された孔７１，７２によって構成されている。

酸化剤ガス給排用のマニホルド孔１３，１４は、フラットプレート６０の周縁部に形成された孔６３，６４、第２樹脂フレーム４０の周縁部に形成された孔４３，４４、第１樹脂フレーム２０の周縁部に形成された孔２３，２４、及び溝流路プレート７０の周縁部に形成された孔７３，７４によって構成されている。

冷却水給排用のマニホルド孔１５，１６は、フラットプレート６０の周縁部に形成された孔６５，６６、第２樹脂フレーム４０の周縁部に形成された孔４５，４６、第１樹脂フレーム２０の周縁部に形成された孔２５，２６、及び溝流路プレート７０の周縁部に形成された孔７５，７６によって構成されている。

図１、図２及び図５（ａ），（ｂ）に示すように、溝流路プレート７０における膜電極接合体３０に対向する面の中央部には、燃料ガスが流通する溝状のガス流路７７が形成されている。このガス流路７７は、燃料ガス給排用のマニホルド孔１１，１２に連通している。

溝流路プレート７０におけるフラットプレート６０に対向する面の中央部には、冷却水が流通する冷却水流路７８が形成されている。この冷却水流路７８は、冷却水給排用のマニホルド孔１５，１６に連通するとともに、互いに隣接するガス流路７７の間に位置している。

多孔体プレート５０には、酸化剤ガスが流通するガス流路５７が形成されている。このガス流路５７においては、膜電極接合体３０での発電に伴って生成される水（以下、生成水と称する。）も流通する。

本実施形態の燃料電池は、酸化剤ガス排出用マニホルド孔１４の下方に酸化剤ガス供給用マニホルド孔１３が位置する姿勢で車両に搭載されており、図５（ａ），（ｂ）に示すように、多孔体プレート５０のガス流路５７は、酸化剤ガス排出用マニホルド孔１４から下方に向けて延びている。

図５（ａ），（ｂ）に示すように、溝流路プレート７０の孔７４の下側縁を含む平面部７０Ａが第１樹脂フレーム２０及び膜電極接合体３０に接しており、同平面部７０Ａの下方に位置する突出部７０Ｂがフラットプレート６０に接している。そして、溝流路プレート７０の平面部７０Ａとフラットプレート６０の突出部７０Ｂとによって酸化剤ガス排出用マニホルド孔１４に開口する水溜部９０が形成されている。

また、図３及び図５（ａ），（ｂ）に示すように、フラットプレート６０の各孔６４の下方には、ガス流路５７内と水溜部９０とを連通する連通孔６７が形成されている。水溜部９０はガス流路５７の出口部５８と連通孔６７を介して隣接している。

図３に示すように、連通孔６７は、前記孔６４の各々の並び方向に沿って一端の孔６４から他端の孔６４までの全体にわたって連続して延びている。また、前記水溜部９０は前記並び方向に沿って連通孔６７の形成範囲に対応して延びている。

図３及び図５（ｂ）に示すように、フラットプレート６０には、前記連通孔６７と、前記一端の孔６４との間の部位が切り欠かれた切欠部６９が形成されている。
図４及び図５（ｂ）に示すように、第２樹脂フレーム４０及び多孔体プレート５０における前記切欠部６９に対応する部位には、切欠部４９，５９がそれぞれ形成されている。

図５（ｂ）に示すように、第１樹脂フレーム２０及び膜電極接合体３０における前記切欠部６９に対応する部位には、切欠部２９，３９がそれぞれ形成されている。
図２及び図５（ｂ）に示すように、溝流路プレート７０における前記切欠部６９に対応する部位には、切欠部７９が形成されている。

次に、本実施形態の作用について説明する。
各ガス流路７７，５７を通じて膜電極接合体３０に燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されると、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電が行なわれる。また、発電に伴って生成される水（以下、生成水と称する。）は、多孔体プレート５０のガス流路５７を通じて酸化剤ガス排出用マニホルド孔１４へ排出される。

このとき、図５（ａ）に示すように、ガス流路５７内の生成水はフラットプレート６０を伝って酸化剤ガス排出用マニホルド孔１４に向けて移動するとともに、フラットプレート６０に形成された連通孔６７を通じてガス流路５７の出口部５８に隣接する水溜部９０へ流入する。このように、ガス流路５７内の生成水は酸化剤ガス排出用マニホルド孔１４に直接排出されるのではなく、ガス流路５７における酸化剤ガス排出用マニホルド孔１４の上流側に形成された連通孔６７を通じて水溜部９０へ流入することとなるため、ガス流路５７内での生成水の滞留が抑制される。

そして、図５（ｂ）に示すように、水溜部９０に溜まった生成水は、酸化剤ガスによって酸化剤ガス排出用マニホルド孔１４に持ち去られるようになる。
以上説明した本実施形態に係る燃料電池によれば、以下に示す効果が得られるようになる。

（１）ガス流路５７の出口部５８に隣接する部位には、酸化剤ガス排出用マニホルド孔１４内に開口する水溜部９０が形成されている。ガス流路５７における酸化剤ガス排出用マニホルド孔１４よりも上流側には、ガス流路５７を通じて排出される水を水溜部９０に導入する導入部としての連通孔６７が形成されている。

こうした構成によれば、ガス流路５７内の生成水は酸化剤ガス排出用マニホルド孔１４に直接排出されるのではなく、ガス流路５７における酸化剤ガス排出用マニホルド孔１４の上流側に形成された連通孔６７を通じて水溜部９０へ流入することとなるため、ガス流路５７内での生成水の滞留を抑制することができる。従って、ガス流路５７内での酸化剤ガスの流れが円滑となる。よって、酸化剤ガスの圧力損失を低減することができるとともに酸化剤ガスの拡散性能を高めることができ、ひいては燃料電池の発電効率を高めることができる。

（２）水溜部９０は、凹凸形状を有する溝流路プレート７０とフラットプレート６０とによって形成されている。このため、溝流路プレート７０の平面部７０Ａ及び突出部７０Ｂとフラットプレート６０とによって水溜部９０を容易に形成することができる。

（３）連通孔６７は、前記孔６４の各々の並び方向に沿って一端の孔６４から他端の孔６４までの全体にわたって連続して延びている。また、前記水溜部９０は前記並び方向に沿って連通孔６７の形成範囲に対応して延びている。また、フラットプレート６０には連通孔６７と複数の孔６４のうちの前記並び方向の一端の孔６４との間の部位が切り欠かれた切欠部６９が形成されている。また、多孔体プレート５０、第２樹脂フレーム４０、膜電極接合体３０、第１樹脂フレーム２０、及び溝流路プレート７０における前記切欠部６９に対応する部位には切欠部５９，４９，３９，２９，７９が形成されている。

こうした構成によれば、酸化剤ガス排出用マニホルド孔１４を流れる酸化剤ガスが各切欠部６９，５９，４９，３９，２９，７９を流れることで、水溜部９０に溜まった水が持ち去られやすくなる。このため、水溜部９０に溜まった生成水の排出を促進することができる。

＜第２実施形態＞
以下、図６〜図８を参照して、第２実施形態について説明する。なお、上記実施形態の構成に対応する構成には「１００」を加算した符号を付すことにより、重複する説明を省略する。

図６に示すように、フラットプレート１６０の各孔１６４の下側縁における幅方向の中央には、導入部としての後退部１６７が形成されている。後退部１６７は、幅方向の中央に近づくほど下側に位置するように三角形状を有している。

図７に示すように、多孔体プレート１５０の下端部は第２樹脂フレーム１４０の孔１４３の上側縁を形成しており、多孔体プレート１５０の上端部は第２樹脂フレーム１４０の孔１４４の下側縁を形成している。

図８に示すように、溝流路プレート１７０の孔１７４の下側縁、多孔体プレート１５０の上端、及び第１樹脂フレーム１２０の下側縁は同一面上に位置しているのに対して、フラットプレート１６０の後退部１６７は、前記同一面よりも下方に位置している。

次に、本実施形態の作用について説明する。
図８に示すように、ガス流路１５７内の生成水はフラットプレート１６０を伝って酸化剤ガス排出用マニホルド孔１１４に向けて移動するとともに、フラットプレート１６０に形成された後退部１６７を通じてガス流路１５７の出口部１５８に隣接する水溜部１９０へ流入する。このように、ガス流路１５７内の生成水は酸化剤ガス排出用マニホルド孔１１４に直接排出されるのではなく、酸化剤ガス排出用マニホルド孔１１４の手前に形成された後退部１６７を通じて水溜部１９０へ流入することとなるため、ガス流路１５７内での生成水の滞留が抑制される。

そして、水溜部１９０に溜まった生成水は、酸化剤ガスによって酸化剤ガス排出用マニホルド孔１１４に持ち去られるようになる。
以上説明した本実施形態に係る燃料電池によれば、上記実施形態の効果（１）に準じた効果が得られるようになる。

なお、上記実施形態は、例えば以下のように変更することもできる。
・セル１０を斜めに傾けた状態で燃料電池を使用することもできる。
・図６に二点鎖線にて示すように、フラットプレート１６０の孔１６４の下側縁全体に後退部１６７Ａを形成することもできる。

・図９に示すように、フラットプレート２６０の連通孔２６７と酸化剤ガス排出用マニホルド孔２１４（図１０参照）を形成する複数の孔２６４との間に第１実施形態において例示した切欠部を形成しないようにしてもよい。この場合、図１０（ａ），（ｂ）に示すように、第１樹脂フレーム２２０、膜電極接合体２３０、第２樹脂フレーム２４０、多孔体プレート２５０、及び溝流路プレート２７０には、第１実施形態において例示した切欠部２９，３９，４９，５９，７９に対応する切欠部は形成されていない。また、図１０（ａ），（ｂ）に示すように、連通孔２６７に後退部２６８を形成すればよい。この場合であっても、第１実施形態の効果（１）に準じた効果を奏することができる。

・第２実施形態において例示した後退部１６７に代えて、図１１（ａ）に示すように、後退部３６７を孔３６４の幅方向の両端に形成するとともに同幅方向の端に近づくほどガス流路の上流側（同図における下側）に位置するように形成してもよい。また、図１１（ｂ）に示すように、後退部４６７を孔４６４の幅方向の中央に形成するとともに半円状にしてもよい。また、図１１（ｃ）に示すように、後退部５６７を孔５６４の幅方向の全体に形成するとともに、幅方向の中央に近づくほどガス流路の上流側に位置するように形成してもよい。また、図１１（ｄ）に示すように、図１１（ａ）の後退部３６７に代えて、半円状の後退部６６７を採用することもできる。また、図１１（ｅ）に示すように、後退部７６７を孔７６４の幅方向の一端に形成するとともに矩形状にすることもできる。また、図１１（ｆ）に示すように、図１１（ｃ）の後退部５６７に代えて、孔８６４の幅方向の一端側ほどガス流路の上流側に位置する形状を有する後退部８６７を採用することもできる。また、図１１（ｇ）に示すように、図１１（ａ）の後退部３６７の一方が省略された後退部９６７の形状を採用することもできる。

・溝流路プレートのガス流路を用いて酸化剤ガスや燃料ガス（以下、これらを反応ガスと総称する。）及び生成水や凝縮水（以下、これらを水と総称する。）を排出用マニホルド孔に排出する構成の場合には、同ガス流路の出口部に隣接する部位に、一対のセパレータによって排出用マニホルド孔内に開口する水溜部を形成すればよい。また、前記ガス流路を有する一方のセパレータに、同ガス流路を通じて排出される水を水溜部に導入する導入部を形成すればよい。

１０，１１０，２１０…セル、１３…酸化剤ガス供給用マニホルド孔、１４，１１４，２１４…酸化剤ガス排出用マニホルド孔、２０，１２０，２２０…第１樹脂フレーム、２１〜２６，１２４，２２４…孔、２９…切欠部、３０，１３０，２３０…膜電極接合体、３９…切欠部、４０，１４０，２４０…第２樹脂フレーム、４１〜４６，１４１〜１４６…孔、４９…切欠部、５０，１５０，２５０…多孔体プレート（他方のセパレータ）、５７，１５７，２５７…ガス流路、５８，１５８，２５８…出口部、５９…切欠部、６０，１６０，２６０，３６０，４６０，５６０，６６０，７６０，８６０，９６０…フラットプレート（他方のセパレータ）、６１〜６６，１６４，２６４…孔、６７，２６７…連通孔（導入部）、６９…切欠部、７０，１７０，２７０…溝流路プレート（一方のセパレータ）、７０Ａ，１７０Ａ，２７０Ａ…平面部、７０Ｂ，１７０Ｂ，２７０Ｂ…突出部、７１〜７６，１７４，２７４…孔、７７，１７７，２７７…ガス流路、７８，１７８，２７８…冷却水流路、７９…切欠部、９０，１９０，２９０…水溜部、１６７…後退部（導入部）、２６８…後退部（導入部）。

Claims (4)

1. 膜電極接合体と同膜電極接合体を挟む一対のセパレータとを備えるセルを積層することにより形成された燃料電池において、
   前記一対のセパレータには、供給用マニホルド孔からの反応ガスを前記膜電極接合体に供給するとともに未反応の反応ガスを排出用マニホルド孔に排出するガス流路がそれぞれ形成され、
   前記ガス流路の出口部に隣接する部位には、前記排出用マニホルド孔内に開口する水溜部が形成され、
   前記ガス流路における前記排出用マニホルド孔よりも上流側には、前記ガス流路を通じて前記出口部から排出される水を前記水溜部に導入する導入部が形成され、
   一方の前記セパレータは、凹凸形状を有する溝流路プレートであり、
   他方の前記セパレータは、前記溝流路プレートに隣接するフラットプレートと、同フラットプレートに対して前記溝流路プレートが接する面とは反対側の面に接するとともに前記ガス流路が形成された多孔体プレートとを有し、
   前記水溜部は、前記溝流路プレートと前記フラットプレートとによって形成され、
   前記導入部は、前記フラットプレートに形成されている、
   燃料電池。
2. 前記導入部は、前記フラットプレートに形成され、前記ガス流路と前記水溜部とを連通する連通孔である、
   請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記セルには、複数の前記排出用マニホルド孔が並んで形成されており、
   前記フラットプレートには、前記排出用マニホルド孔を構成する複数の孔が形成されており、
   前記連通孔及び前記水溜部は、前記複数の孔の並び方向に沿って延びている、
   請求項２に記載の燃料電池。
4. 前記フラットプレート及び前記溝流路プレートには、前記排出用マニホルド孔を構成する孔がそれぞれ形成されており、
   前記導入部は、前記フラットプレートの前記孔の縁に形成され、前記溝流路プレートの前記孔の縁よりも前記ガス流路の上流側に位置する後退部である、
   請求項１に記載の燃料電池。