JP6423210B2

JP6423210B2 - ガス流路構造及び燃料電池

Info

Publication number: JP6423210B2
Application number: JP2014184706A
Authority: JP
Inventors: 勝也永瀬; 太悟平山; 潤治犬飼; 渡辺　政廣; 政廣渡辺
Original assignee: Takahata Precision Co Ltd; University of Yamanashi NUC
Current assignee: Takahata Precision Co Ltd; University of Yamanashi NUC
Priority date: 2014-09-10
Filing date: 2014-09-10
Publication date: 2018-11-14
Anticipated expiration: 2034-09-10
Also published as: JP2016058288A

Description

本発明は、ガス流路構造及び燃料電池に関する。

セパレータにガス流路溝が形成されている燃料電池のセパレータ流路構造であって、ガス流路溝伸長方向に、ガス流路溝の開口部幅とセパレータ母材のガス流路溝深さがそれぞれほぼ一定で、ガス流路断面積が変化している燃料電池のセパレータ流路構造が知られている（特許文献１）。
電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池を積層するために挟まれるセパレータユニットであって、燃料極に供給される燃料ガスと酸素極に供給される酸化剤ガスとを遮断する板状のセパレータ本体と、セパレータ本体の一側に酸素極に当接させて設けられ、酸素極とセパレータ本体との間隔が酸化剤ガスの下流側ほど広くなるように変化する酸化剤流路を形成する酸素極側集電体とを備えたセパレータユニットも知られている（特許文献２）。

特開２００４−２４７１５４号公報特開２００７−２５０４８０号公報

本発明は、発電効率の低下を抑制することができるガス流路構造及び燃料電池を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、請求項１に記載のガス流路構造は、
電解質膜、触媒層、ガス拡散層からなる膜電極接合体を挟持するセパレータの前記ガス拡散層に接する面側に形成された溝状のガス流路構造であって、
ガス供給口に連通するガス供給連通路と、
ガス排出口に連通するガス排出連通路と、
前記ガス供給連通路と前記ガス排出連通路との間で、上流端が前記ガス供給連通路に接続され、下流端が前記ガス排出連通路に接続され、反応ガスの流通方向と交差する横断面において、底面の中央部が前記ガス拡散層の表面に向かってＲ状凸面、両側方部が前記ガス拡散層表面に向かってＲ状凹面で、前記中央部が側面寄りよりも前記ガス拡散層表面との距離が小さくなるように形成された溝状流路と、を備えた、
ことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のガス流路構造において、
前記反応ガスが酸化剤ガスである、
ことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載のガス流路構造において、
前記流路が、前記ガス供給連通路と前記ガス排出連通路との間で複数本並列配置されたストレート溝である、
ことを特徴とする。

前記課題を解決するために、請求項４に記載の燃料電池は、
請求項１ないし３のいずれか１項に記載のガス流路構造を備えたセパレータを含む、
ことを特徴とする。

請求項１及び４に記載の発明によれば、流路の横断面が矩形に形成された場合に比して、水詰まりを抑制しつつ、流路の横断面両側方におけるガス分圧の低下を抑制することができる。
請求項２に記載の発明によれば、流路の横断面両側方における酸素分圧の低下を抑制することができる。
請求項３に記載の発明によれば、入口から出口まで屈曲した流路で構成された場合に比して、必要供給圧力を抑制しつつ、流路の横断面両側方におけるガス分圧の低下を抑制することができる。

燃料電池システム１００の一例を示す概略構成図である。燃料電池スタック５０の一例を示す斜視図である。燃料電池セル１０を平面視した横断面模式図である。燃料電池セル１０の発電原理を説明するための断面模式図である。セパレータ１５のガス流路側に視点をおいた平面模式図である。ガス流通方向と交差する方向における流路の拡大断面模式図である。ガス流路溝深さが一定に形成された矩形状の横断面を有する流路及びガス流路溝深さが両側方に対して中央部が浅くなるように形成されている流路におけるガス流通の流路横断面内のガス拡散層表面における流速分布を示す図である。実施例に係る燃料電池セル１０Ａに適用されたセパレータ１５Ａの具体的な流路構造を示す図である。ガス流路溝深さが一定に形成された矩形状の横断面を有する流路及びガス流路溝深さが両側方に対して中央部が浅くなるように形成されている流路をそれぞれ有する燃料電池セルにおける電圧−電流密度特性を示す図である。ガス流路溝深さが一定に形成された矩形状の横断面を有する流路及びガス流路溝深さが両側方に対して中央部が浅くなるように形成されている流路をそれぞれ有する燃料電池セルにおける他の運転条件による電圧−電流密度特性を示す図である。ガス流路溝深さが一定に形成された矩形状の横断面を有する比較例のセパレータ２００のガス流通方向と交差する方向における流路の拡大断面模式図である。比較例のセパレータ２００における流路に沿った酸素分圧の一例を示す図である。比較例のセパレータ２００における流路横断面のガス拡散層表面における酸素分圧の一例を示す図である。

次に図面を参照しながら、本発明の実施形態の具体例を説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
尚、以下の図面を使用した説明において、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なることに留意すべきであり、理解の容易のために説明に必要な部材以外の図示は適宜省略されている。

（１）燃料電池の構成
図１は本実施形態に係るガス流路構造を有する燃料電池が適用される燃料電池システムの一例を示す概略構成図、図２は燃料電池スタック５０の斜視図、図３は燃料電池セル１０を平面視した横断面模式図、図４は燃料電池セル１０の発電原理を説明するための断面模式図である。
以下、図面を参照しながら、本実施形態に係るガス流路構造が提供されたセパレータ１５が適用される燃料電池システム１００、燃料電池スタック５０、燃料電池セル１０の全体構成及び動作について説明する。

（１．１）燃料電池システムの全体構成
燃料電池システム１００は、燃料ガスと酸素ガスとを反応させて起電力を得るための燃料電池セル１０が直列的に集合した燃料電池スタック５０、燃料電池スタック５０に燃料ガスを供給する燃料供給ライン１１０、燃料電池スタック５０から排出された燃料排ガスを流通する燃料排気ライン１２０を備えて構成されている。
燃料供給ライン１１０には、燃料ガスとしての含水素燃料を供給する燃料供給源１３０を備え、燃料排気ライン１２０には、燃焼器等の水素含有ガス処理装置１４０を備える。

また、燃料電池システム１００は、燃料電池スタック５０に酸化剤ガスの一例としての空気を供給する酸化剤供給ライン１１１と、燃料電池スタック５０から排出された酸化剤排ガスを流通する酸化剤排気ライン１２１を備えている。酸化剤供給ライン１１１には、酸化剤ガスを供給する酸化剤供給源１１３が接続されている。

燃料電池スタック５０で発電される電力は、導電性材料から形成された集電板５１から電気配線１５０で外部へ取り出され、取り出された電力は制御装置１６０で制御される。

（１．２）燃料電池スタック
燃料電池スタック５０は、複数の燃料電池セル１０が直列的に積層した積層体として構成され、両端部のエンドプレート５２を介して、例えばボルトＢおよびナットＮにより挟持されている。
それぞれのエンドプレート５２には、燃料ガスの供給孔５２ａ及び排出孔５２ｂ、酸素ガスの供給孔５２ｃ及び排出孔５２ｄが形成され、積層された燃料電池セル１０への燃料ガス及び酸素ガスの供給、排出が行われる。

（１．３）燃料電池セル
燃料電池セル１０は、燃料側電極３０、酸素側電極４０および電解質膜１１を備え、燃料側電極３０および酸素側電極４０が、それらの間に電解質膜１１を挟んだ状態で、対向配置されている。
燃料側電極３０、酸素側電極４０は、それぞれ電解質膜１１に接する触媒層１２と、その外側に配置されたガス拡散層（ＧＤＬ：ＧａｓＤｉｆｆｕｓｉｏｎＬａｙｅｒ）１３から構成される。また、以下の説明において、電解質膜１１、触媒層１２、ガス拡散層（ＧＤＬ）１３からなる集合体を膜電極接合体（ＭＥＡ：ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ）２０と記す。

ＭＥＡ２０の両側には、セパレータ１５を備える。セパレータ１５は、ガス不透過性の導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンや、プレス成形した金属板によって形成することができる。
燃料側電極３０とセパレータ１５との間には溝状流路の一例としての燃料側ガス流路１６を、酸素側電極４０とセパレータ１５との間には溝状流路の一例としての酸素側ガス流路１７を備え、反応ガスとしての燃料ガスである水素（Ｈ_２）あるいは酸化ガスである空気（酸素：Ｏ_２）の流路となる溝形状（凹形状）が形成されている。
燃料側ガス流路１６の端部は供給孔５２ａ及び排出孔５２ｂに接続し、酸素側ガス流路１７の端部は供給孔５２ｃ及び排出孔５２ｄに接続する。

燃料側ガス流路１６、酸素側ガス流路１７は、それぞれのセパレータ１５の表面に設けた凹溝により構成され、燃料電池セル１０では、隣り合う燃料電池セル１０同士で一枚のセパレータ１５を共用できるようになっている。

ガス拡散層（ＧＤＬ）１３は、導電性の多孔質体、例えば、カーボンクロスやカーボンペーパー等のカーボン多孔質体、金属メッシュや発泡金属などの金属多孔質体からなり、セパレータ１５からの燃料ガス及び酸素の触媒層１２への均一拡散、電気及び熱伝達、発電反応によって生成される水を適切に排出し、また保持する。

触媒層１２は、例えば、白金族元素（Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ）、鉄族元素（Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ）や、例えば、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕなど、さらにはこれらの組み合わせなどが挙げられ、好ましくは、Ｐｔ（白金）が用いられている。

本実施形態においては、電解質膜１１としては、例えば、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換樹脂を用いて、水素イオン（Ｈ^＋）を選択的に通過させる。
また、電解質膜１１としては、例えば、アニオン導電性を示す陰イオン交換樹脂を用いて、水酸化物イオン（ＯＨ⁻）を選択的に通過させてもよい。

（１．３）燃料電池セルの動作
発電時には、燃料供給源１３０から燃料電池スタック５０の供給孔５２ａに燃料ガスが供給され、各燃料電池セル１０の燃料側電極３０とセパレータ１５との間に形成された燃料側ガス流路１６に分配されることにより、燃料側電極３０に含水素燃料ガスが供給される。含水素燃料としては、例えば、水素ガス、アルコール類、ヒドラジン類などが挙げられる。

また、酸化剤供給源１１３から燃料電池スタック５０の供給孔５２ｃに酸素ガス（空気）が供給され、各燃料電池セル１０の酸素側電極４０とセパレータ１５との間に形成された酸素側ガス流路１７に分配されることにより、酸素側電極４０に酸素ガス（空気）が供給される。

そして、図４に示すように、燃料側電極３０においては、触媒層１２で吸着された燃料ガスとしての水素（Ｈ_２）がイオン化し、水素イオン（Ｈ^＋）と電子（ｅ⁻）が生成される。生成された電子（ｅ⁻）は、制御装置１６０を介してセパレータ１５へ移動し、酸素側電極４０へ供給される。
生成した水素イオン（Ｈ^＋）は、プロトン交換膜からなる電解質膜１１を、燃料側電極３０から酸素側電極４０へ移動する。そして、酸素側電極４０においては、電解質膜１１を通過した水素イオン（Ｈ^＋）と、電子（ｅ⁻）と、酸素（Ｏ_２）とが反応して水（Ｈ_２Ｏ）が生成する。

生成した水（Ｈ_２Ｏ）は、酸素側電極４０からセパレータ１５へ移動する。このような燃料側電極３０および酸素側電極４０における電気化学的反応によって、起電力が生じ、発電が行われる。

（２）セパレータ
図５はセパレータ１５のガス流路側に視点をおいた平面模式図、図６はガス流通方向と交差する方向における流路の拡大断面模式図、図１１はガス流路溝深さが一定に形成された矩形状の横断面を有する比較例のセパレータ２００のガス流通方向と交差する方向における流路の拡大断面模式図、図１２は比較例のセパレータ２００における流路に沿った酸素分圧の一例を示す図、図１３は比較例のセパレータ２００における流路横断面のガス拡散層表面における酸素分圧の一例を示す図である。
以下、図面を参照しながら本実施形態に係るガス流路構造の形状及びガス流通について説明する。

（２．１）セパレータの全体構成
セパレータ１５の一端側にはガス供給連通路の一例としての供給孔５２ｃと連通するガス流入側のガスマニホールド１５１が形成され、他端側にはガス排出連通路の一例としてのガス排出側のガスマニホールド１５２が形成されている。
流入側のガスマニホールド１５１は流入するガスをガス流路１７（１６）の全幅に均一に拡げてガス流路１７（１６）へ流出させ、排出側のガスマニホールド１５２はガス流路１７（１６）から流出するガスをガスマニホールド１５２の開口幅に縮小して流出させる。

図５に示すように、ガス流路１７（１６）は、上流端がガス流入側のガスマニホールド１５１に接続され、下流端がガス排出側のガスマニホールド１５２に接続されている。
尚、燃料側ガス流路１６、酸素側ガス流路１７は、セパレータ１５の両面に設けられて、隣り合う燃料電池セル１０同士で一枚のセパレータ１５を共用できるようになっているが、以下の説明においては、酸素側ガス流路１７を例に説明する。
また、図５は、ガス流路１７（１６）がストレート流路の場合を示しているが、本実施形態に係るガス流路構造が適用されるガス流路としては、流入側の流路と排出側の流路とが、隣接しながら互いに蛇行するように配置されたサーペンタイン流路であってもよい。

（２．２）流路内におけるガス分圧分布及び流速分布
図１２に示すように、発電状態の燃料電池セルにおいて、ガス流路内を流通する酸化剤ガスの分圧（酸素分圧）は、ガス流路に沿って下流ほど小さくなる。また、発電で得られる電流密度が増大するにつれ、酸素分圧の低下が増大する。
酸化剤ガスは、ガス拡散層（ＧＤＬ）１３を介して拡散し、ＭＥＡ２０内での発電反応で消費されるために、ガス流路に沿って下流ほど低濃度になり、分圧が小さくなるためと推察される。

また、図１３に示すように、ガス流路内を流通する酸化剤ガスは、ガス流路を形成する凹溝内の横断面においては、中央部に比して両側方部（リブ部近傍）の分圧が小さくなる。
そのために、凹溝のガス拡散層（ＧＤＬ）１３表面における横断面における両側方部で酸化剤ガスの供給が不十分になり発電効率が抑制される虞があった。

（２．３）セパレータの流路構造
図６（ａ）に示すように、セパレータ１５は、酸素側ガス流路１７となる溝状流路の一例としての凹溝１７０と、凹溝１７０の両側に位置するリブ部１７１を有している。
凹溝１７０は、ＭＥＡ２０を構成するガス拡散層（ＧＤＬ）１３に向かって開口した開口部１７０ａ、開口部１７０ａの両側方に立設しリブ部１７１を形成する側面１７０ｂ、開口部１７０ａに対向した溝底部１７０ｃから構成され、開口部１７０ａがガス拡散層（ＧＤＬ）１３によって閉塞されることにより酸素側ガス流路１７が形成される。酸素側ガス流路１７内を流通する酸素は開口部１７０ａからガス拡散層（ＧＤＬ）１３内に拡散していく。
リブ部１７１はガス拡散層（ＧＤＬ）１３に接触して配置され、ＭＥＡ２０で発生した電子の導電通路となる。

本実施形態に係るガス流路構造の一例としての凹溝１７０は、ガス拡散層（ＧＤＬ）１３表面に対するガス流路溝深さが両側方（ｈ１）に対して中央部（ｈ２）が浅くなるように形成されている。
具体的には、凹溝１７０の溝底部１７０ｃが、中央部がガス拡散層（ＧＤＬ）１３表面に向かってＲ状凸面、両側方がガス拡散層（ＧＤＬ）１３表面に向かってＲ状凹面で構成され、ガスの流通に対して、中央部が狭く、両側方が広くなる断面形状を有して形成されている。

「変形例」
図６（ｂ）は変形例の凹溝１７０Ａを示す拡大断面模式図である。図６（ｂ）に示すように、凹溝１７０Ａは、溝底部が斜面部１７０Ａｃを有して中央部がガス拡散層（ＧＤＬ）１３表面に向かって断面視三角形状に突出して形成されている。

（２．４）流速分布
図７はガス流路溝深さが一定に形成された矩形状の横断面を有する凹溝１７０Ｂを有する流路、ガス流路溝深さが両側方（リブ部近傍）に対して中央部が浅くなるように形成されている凹溝１７０、１７０Ａを有する流路、におけるガス流通の流路横断面内のガス拡散層表面における流速分布を流体シミュレーションにより解析した結果を示す図である。解析条件は、
入口流量：２００ｍｌ／ｍｉｎ
出口圧力：大気圧
燃料電池セル温度：８０°Ｃ
流通ガス：酸素
である。
尚、凹溝１７０、１７０Ａ、１７０Ｂにおけるそれぞれの流路溝幅、流路断面積は同一とした。

図７に示すガス流通の流路横断面内のガス拡散層（ＧＤＬ）１３表面における流速分布によれば、ガス拡散層（ＧＤＬ）１３表面に対するガス流路溝深さが両側方（リブ部近傍）に対して中央部が浅くなるように形成されている凹溝１７０、１７０Ａを有する流路においては、ガス流路溝深さが一定に形成された矩形状の横断面の凹溝１７０Ｂを有する流路に比して、中央部に対する両側方側のガス流速が高まり、両側方側においてガスが流れやすくなっている。
その結果、凹溝１７０、１７０Ａの横断面における両側方部で酸素分圧の低下が抑制され、酸化剤ガスの供給が促進される。

図８は実施例に係る燃料電池セル１０Ａに適用されたセパレータ１５Ａの具体的な流路構造を示す図である。
燃料電池セル１０Ａとして、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換樹脂（Ｎａｆｉｏｎ：商品名）からなる電解質膜１１を有し、触媒層面積５００ｍｍ^２（流路長５０ｍｍ、触媒層幅１０ｍｍ）のＭＥＡ２０Ａに対して、ガス拡散層（ＧＤＬ）表面に対するガス流路溝深さが一定に形成された矩形状の横断面の凹溝１７０Ｂ（比較例図１１参照）、ガス拡散層（ＧＤＬ）表面に対するガス流路溝深さが両側方に対して中央部が浅くなるように形成されている凹溝１７０（本実施形態）を有する５本のガス流路１７Ａ、１７Ｂが形成されたそれぞれのセパレータ１５Ａ、１５Ｂを有する単セルを試作して、発電試験を行い電圧−電流密度特性を測定した。
尚、比較例及び本実施形態におけるそれぞれの流路溝幅、流路断面積、リブ幅は同一とした。

「実施例１」
発電条件として、
アノード側ガス：水素（Ｈ_２）
カソード側ガス：空気（Ｏ_２、Ｎ_２）
入口流量：２００ｍｌ／ｍｉｎ
燃料電池セル温度：８０°Ｃ
ガス加湿度：８０％ＲＨ
で発電して電圧−電流密度特性を測定した。

図９に示す電圧−電流密度特性によれば、ガス拡散層（ＧＤＬ）１３表面に対するガス流路溝深さが両側方に対して中央部が浅くなるように形成されている凹溝１７０（本実施形態）の酸素側ガス流路１７Ａを有する燃料電池セル１０においては、ガス流路溝深さが一定に形成された矩形状の横断面を有する凹溝１７０Ｂ（比較例）の流路を有する燃料電池セルに比して、流路長が５０ｍｍという短い酸素側ガス流路１７Ａであっても、電流密度の増加に伴い（電流密度０．３Ａ／ｃｍ^２〜０．８Ａ／ｃｍ^２において）発電性能の向上が見られた。

「実施例２」
発電条件として、
アノード側ガス：水素（Ｈ_２）
カソード側ガス：空気（Ｏ_２、Ｎ_２）
入口流量：２００ｍｌ／ｍｉｎ
燃料電池セル温度：８０°Ｃ
ガス加湿度：５３％ＲＨ
出口背圧：１００ｋＰａ
で発電して電圧−電流密度特性を測定した。

図１０に示す電圧−電流密度特性によれば、ガス加湿度５３％ＲＨ、出口背圧１００ｋＰａという燃料電池としての実環境を考慮した条件で、ガス拡散層（ＧＤＬ）１３表面に対するガス流路溝深さが両側方に対して中央部が浅くなるように形成されている凹溝１７０Ａ（本実施形態）の流路を有する燃料電池セル１０Ａにおいては、ガス流路溝深さが一定に形成された矩形状の横断面の凹溝１７０Ｂ（比較例）の流路を有する燃料電池セルに比して、流路長が５０ｍｍという短い酸素側ガス流路１７Ａであっても、電流密度領域０．７Ａ／ｃｍ^２〜０．９Ａ／ｃｍ^２において発電性能の向上が見られた。

（３）作用・効果
本実施形態に係るガス流路構造は、ガス拡散層（ＧＤＬ）１３表面に対するガス流路溝深さが両側方に対して中央部が浅くなるように形成されている。
その結果、流路横断面における中央部に対する両側方側のガス流速が高まり、両側方側においてガスが流れやすくなっている。
そのために、凹溝１７０の横断面における両側方部で酸素分圧の低下が抑制されて、酸化剤ガスの供給が促進され、特に高電流密度領域において燃料電池セル１０の濃度過電圧の発生を抑制することができる。

１００・・・燃料電池システム
１０、１０Ａ・・・燃料電池セル
１１・・・電解質膜
１２・・・触媒層
１３・・・ガス拡散層（ＧＤＬ）
１５、１５Ａ・・・セパレータ
１６・・・燃料側ガス流路
１７、１７Ａ・・・酸素側ガス流路
１７０、１７０Ａ、１７０Ｂ・・・凹溝
１７０ａ・・・開口部（凹溝）
１７０ｂ・・・側面（凹溝）
１７０ｃ・・・溝底部（凹溝）
１７０Ａｃ・・・斜面部（凹溝）
１７１・・・リブ部
２０・・・膜電極接合体（ＭＥＡ）
３０・・・燃料側電極
４０・・・酸素側電極
５０・・・燃料電池スタック
１００・・・燃料電池システム
２００・・・セパレータ（比較例）

Claims

電解質膜、触媒層、ガス拡散層からなる膜電極接合体を挟持するセパレータの前記ガス拡散層に接する面側に形成された溝状のガス流路構造であって、
ガス供給口に連通するガス供給連通路と、
ガス排出口に連通するガス排出連通路と、
前記ガス供給連通路と前記ガス排出連通路との間で、上流端が前記ガス供給連通路に接続され、下流端が前記ガス排出連通路に接続され、反応ガスの流通方向と交差する横断面において、底面の中央部が前記ガス拡散層の表面に向かってＲ状凸面、両側方部が前記ガス拡散層表面に向かってＲ状凹面で、中央部が側面寄りよりも前記ガス拡散層表面との距離が小さくなるように形成された溝状流路と、を備えた、
ことを特徴とするガス流路構造。
前記反応ガスが酸化剤ガスである、
ことを特徴とする請求項１に記載のガス流路構造。
前記流路が、前記ガス供給連通路と前記ガス排出連通路との間で、複数本並列配置されたストレート溝である、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のガス流路構造。
請求項１ないし３のいずれか１項に記載のガス流路構造を備えたセパレータを含む、
ことを特徴とする燃料電池。