JP6440101B2 - 燃料電池モジュール - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池モジュールに関する。

特許文献１に記載された燃料電池は、固体高分子電解質膜の両面に電極触媒層がそれぞれ設けられ、それらの外側にガス拡散層が積層されて膜電極接合体が形成されている。また、膜電極接合体とセパレータ間には、流路形成体が配置されている。

上記流路形成体の膜電極接合体側の面には、複数の溝状のガス流路が直線状に並設され、流路形成体のセパレータ側の面（ガス流路が形成される面とは反対側の面）には、ガス流路と隔壁を介して複数の導水路が直線状に並設されている。ガス流路は、反応ガスを燃料電池に供給する流路であり、導水路は、燃料電池から生じた生成水を排水する流路である。また、ガス流路と導水路を連通する連通路（スリット）が切り込み形成されており、膜電極接合体における電極反応によって生成した生成水は、この連通路を通ってガス流路から導水路に排水される。

特開２０１４−１６７８６０号公報

特許文献１では、ガス流路と導水路とを連通する連通路を流路形成体に形成し、この連通路を介して生成水をセパレータ側（導水路側）に移動させて、生成水を円滑に排水する技術が提案されている。しかし、ガス流路を流れるガスを、積極的に電極（膜電極接合体）へ送り込む流路形成体の形状については何ら考慮されていなく、電極へのガス供給性の観点では改善する必要があった。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、電極へのガス供給性を向上することができる燃料電池モジュールを提供することにある。

上記課題を解決するために本発明に係る燃料電池モジュールは、膜電極接合体とセパレータとの間に配置される流路形成体を備えた燃料電池モジュールであって、前記流路形成体は、前記流路形成体の前記膜電極接合体側の面に並設された複数の凸部間に設けられ、燃料電池にガスを供給するガス流路と、前記流路形成体の前記セパレータ側の面に、前記ガス流路に隣接して設けられ、前記燃料電池から生じた生成水を排水する導水路と、前記凸部を形成する隔壁に形成され、前記ガス流路と前記導水路とを連通した連通路と、を有し、前記凸部を流路方向に対して垂直な断面でみたときに、前記凸部外形の両端部の一方は、流路方向に沿って流路が直線形状と仮定した仮想面よりも凸部中央側に位置するように形成されており、前記凸部中央側に位置する部分は、前記凸部を流路方向にみたときに、前記連通路を挟んで左右反対側の凸部外形の端部に形成されていることを特徴とする。

かかる構成によれば、仮想面よりも凸部中央側に位置するように形成された凸部外形の両端部の一方が、凸部を流路方向にみたときに、連通路を挟んで左右反対側の凸部外形の端部に形成されているため、ガス流路を流れるガスは、凸部における連通路が形成された位置でその流れが乱される。このようにガスの流れが乱されるため、（流路形成体の膜電極接合体側の面に形成された）ガス流路を流れるガスのうち膜電極接合体側へ送り込まれるガス量が増加する。その結果、電極へのガス供給性を向上させることができる。

また本発明に係る燃料電池モジュールにおいて、前記ガス流路の入口側では、前記連通路を挟んで左右反対側の凸部外形の端部に前記凸部中央側に位置する部分が形成された２つの凸部単体の流路方向の間隔を、前記ガス流路の中央側よりも大きくすることが好ましい。

また本発明に係る燃料電池モジュールにおいて、前記ガス流路の出口側では、前記連通路を挟んで左右反対側の凸部外形の端部に前記凸部中央側に位置する部分が形成された２つの凸部単体の流路方向の間隔を、前記ガス流路の中央側よりも小さくすることが好ましい。

また本発明に係る燃料電池モジュールにおいて、隣り合う前記凸部を流路方向に対して垂直な断面でみたときに、隣り合う前記凸部の両端部のうちの同じ端部が、前記仮想面よりも凸部中央側に位置するように形成されていることが好ましい。

また本発明に係る燃料電池モジュールにおいて、隣り合う前記凸部を流路方向に対して垂直な断面でみたときに、隣り合う前記凸部の両端部のうちの異なる端部が、前記仮想面よりも凸部中央側に位置するように形成されていることが好ましい。

本発明によれば、電極へのガス供給性を向上することができる燃料電池モジュールを提供することができる。

本発明の実施形態における燃料電池の流路形成体の構成を説明するための概略斜視図である。 図１に示すＡ−Ａ断面図及びＢ−Ｂ断面図である。 隣り合う凸部が同じ形状の場合の流路形成体を説明するための図である。 隣り合う凸部が線対称の場合の流路形成体を説明するための図である。 ガス流路の入口側及び出口側の流路形成体を説明するための図である。 従来の流路形成体の構成を示す概略平面図である。

以下添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

まず、本実施形態における燃料電池（燃料電池モジュール）に用いられる流路形成体の構成について説明する。図１は、流路形成体の構成を説明するための概略斜視図である。本実施形態における流路形成体は、アノード、カソードに燃料ガス（水素）又は酸化剤ガス（酸素、通常は空気）を供給するための流体通路を形成するものである。

なお、本発明の実施形態における燃料電池は、多数の単セル（図示略）を積層して構成される。この単セルは、イオン交換膜からなる電解質膜の両面に配置された一対の電極（アノード及びカソード）を有する膜電極接合体（ＭＥＡ）と、アノード及びカソードにそれぞれ設けられたガス拡散層と、ガス拡散層の外側に配置された流路形成体１０（図１等）と、流路形成体１０の外側に配置されるセパレータとを備える。上記一対の電極は、その表面に付着された白金などの触媒を担持した例えば多孔質のカーボン素材で構成されている。一方の電極（アノード）には燃料ガス（反応ガス）としての水素ガス、他方の電極（カソード）には空気や酸化剤などの酸化ガス（反応ガス）が供給され、これら２種類の反応ガスによりＭＥＡ内で電気化学反応が生じて単セルの起電力が得られるようになっている。

図１に示す流路形成体１０は、単セルにおける膜電極接合体とセパレータとの間に配置され、ガス流路１２０と導水路１１０とを表裏一体に形成した構造を有する。なお、図１は、流路形成体１０を膜電極接合体側（言い換えれば、ガス拡散層側）からみた図を示す。単セルを構成する部材として流路形成体１０を用いる場合、図１における流路形成体１０の上側（表面側）に、ガス拡散層（図示略）が配置され、図１における流路形成体１０の下側（裏面側）に、セパレータ（図示略）が配置される。また、図１において、矢印Ｗを流路方向Ｗとする。

ガス流路１２０は、流路形成体１０の膜電極接合体側の面（ガス流路形成面１０ａ）に並設された複数の凸部１１間に複数設けられ、燃料電池にガスを供給する溝状の流路である。

導水路１１０は、ガス流路形成面１０ａとは反対側の面（図１では裏面）、言い換えれば、流路形成体１０のセパレータ側の面に設けられ、燃料電池から生じた生成水を排水する流路である。導水路１１０は、ガス流路１２０と凸部１１を形成する隔壁を介して反対側に複数並設されている。

流路形成体１０には、図１に示すように、ガス流路１２０と導水路１１０とを連通する連通路１３０が形成されている。連通路１３０は、凸部１１を形成する隔壁に、流路方向Ｗにおいて所定間隔毎に複数形成され、この連通路１３０を介してガス流路１２０と導水路１１０との間で水が流通することができる。膜電極接合体の電極反応によって生成した生成水は、連通路１３０を通ってガス流路１２０から導水路１１０（言い換えれば、セパレータ側）に移動され、排水される。

流路形成体１０の凸部１１形状について更に説明する。図２は、図１に示す流路形成体１０を、流路方向Ｗに対して垂直な方向で切断したときの凸部の断面図である。図２（Ａ）は、図１のＡ−Ａ断面図である。図２（Ｂ）は、図１のＢ−Ｂ断面図である。

図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示すように、凸部１１を流路方向Ｗに対して垂直な断面でみたときに、凸部中心軸Ｃに対して凸部両端部（１１Ｌ、１１Ｒ）のいずれか一部をトリムした形状をしており、連通路１３０を挟んでトリムした位置が左右反転して形成されている。具体的には、凸部１１を流路方向Ｗに対して垂直な断面でみたときに、凸部両端部（１１Ｌ、１１Ｒ）の一方は、流路方向Ｗに沿って直線状に流路が形成されたと仮定した仮想面（図２に示す破線、以下、仮想面２１０と称する）よりも、凸部中央側（凸部中心軸Ｃ側）に位置するように形成されている。更に、凸部両端部（１１Ｌ、１１Ｒ）のうち凸部中央側に位置する部分は、凸部１１を流路方向Ｗにみたときに、連通路１３０を挟んで左右反対側の凸部１１外形の端部に形成されている。図２（Ａ）では、凸部１１の左端部１１Ｌがトリムされた形状、すなわち、左端部１１Ｌが仮想面２１０よりも凸部中央側に位置するように形成され、図２（Ｂ）では、凸部１１の右端部１１Ｒがトリムされた形状、すなわち、右端部１１Ｒが仮想面２１０よりも凸部中央側に位置するように形成されている。

なお、図２等では、凸部１１の左端部１１Ｌがトリムされた量（左端部１１Ｌにおける中央側へのオフセット量）と、凸部１１の右端部１１Ｒがトリムされた量（右端部１１Ｒにおける中央側へのオフセット量）とが左右同じ例（すなわち、左右対称の形状の例）が示されているが、この例に限定されない。つまり、本発明における「（凸部両端部のうち凸部中央側に位置する部分が）連通路を挟んで左右反対側の凸部外形の端部に形成」とは、図に示す形状に限定されず、左右のオフセット量（左端部１１Ｌにおける中央側へのオフセット量、右端部１１Ｒにおける中央側へのオフセット量）が違う形状（言い換えれば、左右非対称の形状）も含まれる。

また本実施形態では、図２に示すように、流路形成体１０のピッチＰを、流路方向Ｗに同一とした状態で（言い換えれば、凸部１１の位相ピッチをずらさずに）、凸部両端部（１１Ｌ、１１Ｒ）の一方の形状を可変させている。例えば図６に示すように、位相ピッチＰｈをずらして凸部２０１を設けた流路形成体２００では、ガスが蛇行（ウェーブ）しながら流れるため（図６のガス流れ方向Ｗ２）、圧損が高くなるという問題がある。これに対し、本実施形態では、図１及び図２に示すように、ピッチＰを同一とした流路形成体１０としているため、成形時の切れのリスクも抑えられると共に生産性も良くなり、更には、ガスの乱れ（図１に示す矢印Ｗｂ）を発生させながら圧損上昇を少なくすることができる。

続いて、隣り合う凸部１１の形状について更に説明する。流路形成体１０の面内の位置に応じて、隣り合う凸部１１の形状を変えてガス供給量を調整することが可能である。この例を図３及び図４を参照しながら説明する。

図３は、隣り合う凸部１１の形状が同じ場合の流路形成体１０の説明図である。なお、図１及び図２を参照しながら説明した本実施形態と同じ部分については、その説明を省略する。

図３に示すように、隣り合う凸部１１を流路方向Ｗに対して垂直な断面でみたときに、凸部両端部（１１Ｌ、１１Ｒ）のうちの同じ端部が、仮想面２１０よりも凸部中央側に位置するように形成されている。具体的には、図３（Ｂ）では、隣り合う凸部１１の左端部１１Ｌがトリムされた形状、言い換えれば、隣り合う凸部１１の左端部１１Ｌが仮想面２１０よりも凸部中央側に位置するように形成されている。図３（Ｃ）では、隣り合う凸部１１の右端部１１Ｒがトリムされた形状、言い換えれば、隣り合う凸部１１の右端部１１Ｒが仮想面２１０よりも凸部中央側に位置するように形成されている。更に言い換えれば、流路方向Ｗに対して垂直な断面でみたときに、隣り合う凸部１１の間の中心を通る軸Ｃ２に対して左側の凸部１１と、軸Ｃ２に対して右側の凸部１１とが同じ形状となっている。

図３に示すように、隣り合う凸部１１を同じ形状とすることで、矢印Ｗｂに示すように、各々のガス流路１２０を流路方向Ｗに見たときに、交互にガスの流れを乱すことができ（図３の矢印Ｗｂ）、電極へのガス供給量が調整される。

（第１変形例）
続いて、隣り合う凸部１１形状を変更した第１変形例について説明する。図４は、隣り合う凸部１１の形状が軸Ｃ２に対して線対称の場合の流路形成体１０の説明図である。なお、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）のＢ−Ｂ断面図であり、図４（Ｃ）は、図４（Ａ）のＣ−Ｃ断面図である。

図４に示すように、凸部１１を流路方向Ｗに対して垂直な断面でみたときに、隣り合う凸部１１のトリムされた位置が軸Ｃ２に対して線対称となっている。言い換えれば、凸部両端部（１１Ｌ、１１Ｒ）のうち、仮想面２１０よりも凸部中央側に位置するように形成された部分が、軸Ｃ２に対して線対称となっている。具体的には、図４（Ｂ）では、軸Ｃ２に対して左側の凸部１１の左端部１１Ｌが、仮想面２１０よりも凸部中央側に位置するように形成され、軸Ｃ２に対して右側の凸部１１の右端部１１Ｒが、仮想面２１０よりも凸部中央側に位置するように形成されている。図４（Ｃ）では、軸Ｃ２に対して左側の凸部１１の右端部１１Ｒが、仮想面２１０よりも凸部中央側に位置するように形成され、軸Ｃ２に対して右側の凸部１１の左端部１１Ｌが、仮想面２１０よりも凸部中央側に位置するように形成されている。

このように、隣り合う凸部１１の形状を軸Ｃ２に対して線対称とすることで、各々のガス流路１２０を流路方向Ｗに見たときに、ガス流路１２０における連通路１３０に対応する位置（凸部１１の連通路１３０が形成された位置）でガスの流れを乱すことができ（図４に示す矢印Ｗｂ）、電極へのガス供給量が調整される。

（第２変形例）
続いて、隣り合う凸部１１形状を変更した第２変形例について説明する。流路形成体１０の面内の位置に応じて、仮想面２１０よりも凸部中央側に位置するように可変させる形状の間隔を変えることでガス供給量を調整することができる。この例について図５を参照しながら説明する。

図５（Ａ）は、ガス流路の入口側の流路形成体の変形例を示す図であり、図５（Ｂ）は、ガス流路の出口側の流路形成体の変形例を示す図である。

図５（Ａ）に示すように、ガス流路１２０の入口側では、仮想面２１０（図２参照）よりも凸部中央側に位置する部分が連通路１３０を挟んで左右反対側の凸部１１外形の端部に形成された２つの凸部単体１１１ａ、１１１ｂ（隣接する凸部単体）の流路方向Ｗの間隔Ｌ１を、ガス流路１２０の中央側における２つの凸部単体（図示略）の流路方向の間隔より広くする。なお、図５（Ａ）に示す凸部単体１１１ａは、凸部１１のうち、その左端部１１Ｌ（図２（Ａ）参照）を、仮想面２１０よりも凸部中央側に位置するように可変させた部分を示し、図５（Ａ）に示す凸部単体１１１ｂは、凸部１１のうち、その右端部１１Ｒ（図２（Ｂ）参照）を、仮想面２１０よりも凸部中央側に位置するように可変させた部分を示す。ガス流路１２０の入口側では酸素濃度が高いので、間隔Ｌ１を大きくすることで、凸部形状を左右反転させた部分（すなわち、凸部１１における連通路１３０が形成された部分）の位置で生じるガスの乱れ（矢印Ｗｂ）を抑えて、圧損上昇を少なくすることができる。

一方、図５（Ｂ）に示すように、ガス流路１２０の出口側では、仮想面２１０（図２参照）よりも凸部中央側に位置する部分が連通路１３０を挟んで左右反対側の凸部１１外形の端部に形成された２つの凸部単体１１１ａ、１１１ｂ（隣接する凸部単体）の流路方向Ｗの間隔Ｌ２を、ガス流路１２０の中央側における２つの凸部単体（図示略）の流路方向の間隔よりも狭くする。なお、図５（Ｂ）に示す凸部単体１１１ａは、凸部１１のうち、その左端部１１Ｌ（図２（Ａ）参照）を、仮想面２１０よりも凸部中央側に位置するように可変させた部分を示し、図５（Ｂ）に示す凸部単体１１１ｂは、凸部１１のうち、その右端部１１Ｒ（図２（Ｂ）参照）を、仮想面２１０よりも凸部中央側に位置するように可変させた部分を示す。ガス流路１２０の出口側では酸素濃度が低下するので、図５（Ｂ）に示すように間隔Ｌ２を小さくすることで、凸部形状を左右反転させた部分（すなわち、凸部１１における連通路１３０が形成された部分）の位置で生じるガスの乱れ（矢印Ｗｂ）の量を増加させて、電極へのガス供給量を促進させることができる。

なお、以上説明した図３〜図５に示す形態を、１つの流路形成体１０の一部分にのみ（例えば図５の変形例のみ）設けても良いし、例えば図３又は図４に示す形態を流路形成体１０の全体に設けても良い。また、１つの流路形成体１０にそれぞれの形態を組み合わせて配設しても良い。すなわち、ガス流路１２０の入口側及び出口側で、図５に示す形態（間隔Ｌ１、間隔Ｌ２の例）を適用し、更には、流路形成体１０の一部分では図３に示す形態（隣り合う凸部が同じ形状の例）を用いると共に、流路形成体１０の他の部分では図４に示す形態（隣り合う凸部が線対称の形状の例）を用いても良い。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。

１０：流路形成体
１０ａ：ガス流路形成面
１１：凸部
１１Ｌ：凸部左端部
１１Ｒ：凸部右端部
１１０：導水路
１１１ａ、１１０ｂ：凸部単体
１２０：ガス流路
１３０：連通路
２１０：仮想面
Ｃ：凸部中心軸
Ｌ１、Ｌ２：間隔
Ｗ：流路方向

Claims (5)

1. 膜電極接合体とセパレータとの間に配置される流路形成体を備えた燃料電池モジュールであって、
   前記流路形成体は、
   前記流路形成体の前記膜電極接合体側の面に並設された複数の凸部間に設けられ、燃料電池にガスを供給するガス流路と、
   前記流路形成体の前記セパレータ側の面に、前記ガス流路に隣接して設けられ、前記燃料電池から生じた生成水を排水する導水路と、
   前記凸部を形成する隔壁に形成され、前記ガス流路と前記導水路とを連通した連通路と、を有し、
   前記凸部を流路方向に対して垂直な断面でみたときに、凸部外形の両端部の一方は、流路方向に沿って流路が直線形状と仮定した仮想面よりも凸部中央側に位置するように形成されており、
   前記凸部中央側に位置する部分は、前記凸部を流路方向にみたときに、前記連通路を挟んで左右反対側の凸部外形の端部に形成されていることを特徴とする燃料電池モジュール。
2. 前記ガス流路の入口側では、前記連通路を挟んで左右反対側の凸部外形の端部に前記凸部中央側に位置する部分が形成された２つの凸部単体の流路方向の間隔を、前記ガス流路の中央側よりも大きくすることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池モジュール。
3. 前記ガス流路の出口側では、前記連通路を挟んで左右反対側の凸部外形の端部に前記凸部中央側に位置する部分が形成された２つの凸部単体の流路方向の間隔を、前記ガス流路の中央側よりも小さくすることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池モジュール。
4. 隣り合う前記凸部を流路方向に対して垂直な断面でみたときに、隣り合う前記凸部の両端部のうちの同じ端部が、前記仮想面よりも凸部中央側に位置するように形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池モジュール。
5. 隣り合う前記凸部を流路方向に対して垂直な断面でみたときに、隣り合う前記凸部の両端部のうちの異なる端部が、前記仮想面よりも凸部中央側に位置するように形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池モジュール。