JP6458286B2 - 燃料電池用ガス流路形成板及び燃料電池スタック - Google Patents

燃料電池用ガス流路形成板及び燃料電池スタック Download PDF

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Description

本発明は、膜電極接合体と平板状のフラットセパレータとの間に介設されて燃料電池の単セルのセパレータを構成するガス流路形成板、及び同単セルが複数積層して形成された燃料電池スタックに関する。
例えば固体高分子型燃料電池は、膜電極接合体と、膜電極接合体を挟む一対のセパレータとを備えた単セルを複数積層することによって形成された燃料電池スタックを備えている。
こうしたセパレータとしては、平板状のフラットセパレータと、膜電極接合体とフラットセパレータとの間に介設されたガス流路形成板とを備えたものがある(例えば特許文献1参照)。
ガス流路形成板における膜電極接合体に対向する面には、互いに平行に延びる複数の凹溝が形成されており、同凹溝が燃料ガスまたは酸化剤ガスを流通させるためのガス流路とされる。また、ガス流路形成板における隣り合う2つのガス流路の間にはそれぞれ突条が形成されており、これら突条の裏面には、それぞれ複数の凹溝が形成されている。この凹溝が発電に伴って生成された水を排出するための水流路とされる。また、上記突条には、ガス流路と水流路とを連通するとともに毛管作用を利用してガス流路内の水を水流路に導入する連通路が形成されている。
こうした燃料電池スタックにおいては、膜電極接合体での発電に伴って生成された水がガス流路形成板のガス流路に流入し、連通路を通じて水流路に導入される。そして、水流路を流れる燃料ガスあるいは酸化剤ガス(以下、ガス)の流動圧力によって水流路の外部へ排出される。
特開2015―15218号公報
ところで、燃料電池スタックにおいては、ガス流路内に乾燥したガスが導入されるため、膜電極接合体のうち、ガス流路の入口部に近い部分が乾燥しやすい。特に、発電量の少ない低負荷時には、膜電極接合体での発電に伴って生成される水の量が少なくなることから、膜電極接合体が一層乾燥しやすくなる。その結果、膜電極接合体内におけるプロトンの水を介した移動が円滑に行なわれなくなり、発電性能を低下させる一因となっている。
本発明の目的は、ガス流路内に水が滞留することを抑制しつつ、膜電極接合体の乾燥に起因した発電性能の低下を抑制することのできる燃料電池用ガス流路形成板及び燃料電池スタック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用ガス流路形成板は、膜電極接合体と平板状のフラットセパレータとの間に介設されて燃料電池の単セルのセパレータを構成するものであって、前記膜電極接合体に対向する面に形成され、互いに平行に延びる凹溝状の複数のガス流路と、隣り合う2つの前記ガス流路の間にそれぞれ位置する突条の裏面に形成された複数の凹溝状の水流路と、を備え、前記突条には、前記ガス流路と前記水流路とを連通するとともに毛管作用を利用して前記ガス流路内の水を前記水流路に導入する連通部が前記突条の延伸方向において複数形成され、ガスの流れ方向の上流側には、前記連通部による毛管作用を利用した前記水流路への水の導入が抑制されるように、同連通部における前記膜電極接合体に対向する面に開口する開口面積が下流側の前記連通部の開口面積よりも拡大された拡大領域が形成されている。
同構成によれば、ガスの流れ方向の上流側に形成された拡大領域においては、連通部の開口面積が拡大されることによって同連通部による毛管作用を利用した水流路への水の導入が抑制される。このため、膜電極接合体のうち乾燥しやすい上流側部分について、乾燥を抑制することができる。これにより、膜電極接合体を湿った状態に保持することができ、膜電極接合体内におけるプロトンの水を介した移動を促すことができる。
また、拡大領域よりも下流側の領域においては、連通部による毛管作用を利用してガス流路内の水が水流路に効果的に導入される。したがって、ガス流路内に水が滞留することでガスの流れが妨げられることを抑制することができる。
一方、膜電極接合体において生成される水の量が多くなった場合には、拡大領域においても連通部による毛管作用を利用してガス流路内の水が水流路に導入される。したがって、ガス流路内に水が滞留することでガスの流れが妨げられることを抑制することができる。
本発明によれば、ガス流路内に水が滞留することを抑制しつつ、膜電極接合体の乾燥に起因した発電性能の低下を抑制することができる。
燃料電池用ガス流路形成板及び燃料電池スタックの一実施形態について、燃料電池スタックの断面図。 同実施形態における第1セパレータの斜視断面図。 図2のX部を拡大して示す斜視断面図。 (a)は図3のa−a線に沿った部分断面図、(b)は図3のb−b線に沿った部分断面図。 図2のY部を拡大して示す斜視断面図。 同実施形態の下流側連通部を中心とした断面図。 同実施形態の上流側連通部を中心とした断面図。 (a),(b)はガス流路及び連通路の模式図。 (a)〜(d)は、図6に対応する断面図であって、同実施形態の作用を説明する説明図。
以下、図1〜図9を参照して、一実施形態について説明する。
図1に示すように、固体高分子型燃料電池は、複数の単セル10が積層されることにより形成された燃料電池スタックを備えている。なお、同図において、上側の単セル10については後述する水流路26,36が示される位置で切断した断面形状が示される一方、下側の単セル10については後述するガス流路25,35が示される位置で切断した断面形状が示されている。
各単セル10は、いずれも四角枠状をなす第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によって四角シート状をなす周知の膜電極接合体13の外縁部が挟持されている。
膜電極接合体13は、固体高分子電解質膜14を有しており、固体高分子電解質膜14は周知の電極触媒層15,16によってそれぞれ挟持されている。また、電極触媒層15,16の表面には、周知のガス拡散層17,18がそれぞれ設けられている。
膜電極接合体13は、第1セパレータ20及び第2セパレータ30によってそれぞれカソード側(同図の下側)及びアノード側(同図の上側)から挟まれている。
第1セパレータ20は、平板状のフラットセパレータ21と、フラットセパレータ21と膜電極接合体13との間に介設されたガス流路形成板22とを備えている。
第2セパレータ30は、平板状のフラットセパレータ31と、フラットセパレータ31と膜電極接合体13との間に介設されたガス流路形成板32とを備えている。
フラットセパレータ21,31及びガス流路形成板22,32はそれぞれ金属板材によって形成されている。
第1フレーム11及びフラットセパレータ21によって、図示しない酸化剤ガス供給源からの酸化剤ガスを後述するガス流路25へ供給するための供給通路41と、発電に供されなかった酸化剤ガスをガス流路25の外部へ排出するための排出通路42とが区画形成されている。
また、第2フレーム12及びフラットセパレータ31によって、図示しない燃料ガス供給源からの燃料ガスを後述するガス流路35へ供給するための供給通路51と、発電に供されなかった燃料ガスをガス流路35の外部へ排出するための排出通路52とが区画形成されている。
なお、図1に示す部分においては、第2セパレータ30のガス流路形成板32は第1セパレータ20のガス流路形成板22を上下反転し、且つ左右反転した形状を有している。このため、以降においては、第1セパレータ20のガス流路形成板22について説明し、第2セパレータ30のガス流路形成板32については第1セパレータ20のガス流路形成板22の各部の符号「2*」にそれぞれ「10」を加算した符号「3*」を付すことによって重複する説明を省略する。また、符号「27*」,「28*」にそれぞれ「100」を加算した符号「37*」,「38*」を付すことによって重複する説明を省略する。
次に、ガス流路形成板22の構造について説明する。
図2に示すように、ガス流路形成板22は断面略波形状をなしており、例えばステンレス鋼板などの一枚の金属板材をロール成形することによって形成されている。ガス流路形成板22の上面には、互いに平行に延びる複数の内側突条23が形成されており、内側突条23の頂面が膜電極接合体13に当接される。また、互いに隣り合う2つの内側突条23の間には、それぞれ凹溝状をなし、酸化剤ガスを流通させるための複数のガス流路25が形成されている。
ガス流路形成板22の下面には、互いに平行に延びる複数の外側突条24が形成されており、外側突条24の頂面がフラットセパレータ21に当接される。また、内側突条23の裏面には、それぞれ凹溝状をなし、膜電極接合体13での発電に伴って生成された水を排出する複数の水流路26が形成されている。したがって、外側突条24は隣り合う2つの水流路26の間に位置し、2つの水流路26を区画している。
突条23,24には、ガス流路25と水流路26とを連通する連通部27,28が内側突条23の延伸方向Lにおいて複数形成されている。
図2、図3、及び図6に示すように、ガスの流れ方向の下流側に位置する各下流側連通部27は、内側突条23の延伸方向Lに所定の間隔L1をおいて形成された2つのスリット271を有している。スリット271は、内側突条23の延伸方向Lに直交して延びるとともに一定の幅A1を有しているまた、この幅A1は、上記間隔L1と同一の大きさに設定されている(L1=A1)。また、この幅A1は、毛管作用を利用してガス流路25内の水を水流路26に導入することが可能な大きさに設定されている。
図2〜図4に示すように、水流路26の内部には、スリット271に相対するリブ272がスリット271毎に形成されている。リブ272は、内側突条23の延伸方向Lに対して直交する方向(以下、幅方向Wと称する。)に沿って延びている。なお、各リブ272は、幅方向Wに沿って金属板材をロール成形してガス流路形成板22を形成する際に、各突条23,24が部分的に剪断曲げ加工されることによって形成される。すなわち、上記リブ272を形成することによって上記スリット271が形成される。図4(a)に示すように、リブ272は、ガス流路25の内部及び水流路26の内部にそれぞれ位置している。また、外側突条24には、互いに隣接する水流路26を連通する連通溝273が形成されている。
図2に示すように、下流側連通部27は、内側突条23の延伸方向Lにおいて所定の間隔L3をおいて形成されている。この間隔L3は、下流側連通部27の2つのスリット271の間の間隔L1よりも大きい(L3>L1)。また、下流側連通部27は、同連通部27が形成された内側突条23と隣り合う内側突条23の互いに隣り合う2つの下流側連通部27の間の中央に位置している。
ガスの流れ方向の上流側に位置する上流側連通部28は、内側突条23の延伸方向Lに所定の間隔L2をおいて形成された2つのスリット281を有している。
スリット281は、内側突条23の延伸方向Lに直交して延びるとともに一定の幅A2を有している。この幅A2は、下流側連通部27のスリット271の幅A1よりも大きく設定されている(A2>A1)。したがって、上流側連通部28における膜電極接合体13に対向する面に開口する開口面積が下流側連通部27の開口面積よりも拡大されている。また、この幅A2は、上記間隔L2と同一の大きさに設定されている(L2=A2)。
水流路26の内部には、スリット281に相対するリブ282がスリット281毎に形成されている。リブ282は、下流側連通部27のリブ272と同様にして形成される。
また、内側突条23における上流側連通部28を構成する2つのスリット281の間の隔壁284が水流路26の内部に位置している。
上流側連通部28は、内側突条23の延伸方向Lにおいて所定の間隔L4をおいて形成されている。この間隔L4は、上流側連通部28の2つのスリット281の間の間隔L2よりも大きい(L4>L2)。また、上流側連通部28は、同連通部28が形成された内側突条23と隣り合う内側突条23の互いに隣り合う2つの上流側連通部28の間の中央に位置している。
ここで、連通部27,28のリブ272,282は、ガス流路形成板22の厚さ方向(図4(a)、図4(b)、図6、及び図7の上下方向)において内側突条23の頂面よりも外側突条24の頂面に近接して設けられている。このため、リブ272のうち水流路26を遮る部分の断面積はガス流路25を遮る部分の断面積よりも大きい。したがって、延伸方向Lにおけるリブ272,282が存在しない位置でのガス流路25の流路断面積と水流路26の流路断面積とが同一に設定されていても、水流路26全体における圧力損失は、ガス流路25全体における圧力損失よりも大きくなる。また、スリット271,281の形状及び大きさは、スリット271,281における圧力損失がガス流路25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。これらのことから、酸化剤ガスは主に圧力損失の小さいガス流路25を流れることとなる。
次に、本実施形態の作用について説明する。
図1の下側の単セル10にて示すように、燃料ガスが供給通路51を通じてガス流路35内に供給されると、同燃料ガスはガス流路35を通じてガス拡散層18に流入する。そして、燃料ガスはガス拡散層18を通過するとともに拡散されて電極触媒層16に供給される。
また、酸化剤ガスが供給通路41を通じてガス流路25内に供給されると、同酸化剤ガスはガス流路25を通じてガス拡散層17に流入する。そして、酸化剤ガスはガス拡散層17を通過するとともに拡散されて電極触媒層15に供給される。
このようにして膜電極接合体13に対して燃料ガス及び酸化剤ガスがそれぞれ供給されると、膜電極接合体13での電気化学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水は主にカソード側のガス流路形成板22のガス流路25に流入する。
図8(a)及び図8(b)に白抜きの太い矢印にて示すように、この水の一部は、ガス流路25を流れる酸化剤ガスの流動圧力によってガス流路25内を流れる。そして、水は排出通路42(図1参照)を通じて外部に排出される。前述したように、スリット271(281)における圧力損失はガス流路25における圧力損失よりも大きくされている。このため、図8(b)に示すように、酸化剤ガスは主にガス流路25を流れることとなる。これにより、ガス流路25に存在する水Sの多くは酸化剤ガスによって押されながら排出通路42に向けてガス流路25内を移動する。また、図8(b)に細い矢印にて示すように、一部の水はスリット271(281)を通じて水流路26に導入される。
このとき、水流路26に導入された水は、水流路26の出口開口の開口面積に応じて作用する表面張力によって水滴となる。水流路26が湿潤状態のときには、この水滴Sがリブ272に係留すると、水流路26内の水が呼び水となって、スリット271内の水が毛管作用により水流路26内に導かれるとともに上記出口開口を通じて排出される。
また、水流路26内に呼び水となる水がない乾燥状態のときには、図9(a)に示すように、ガス拡散層17に当接している内側突条23の頂面において、水が各スリット271内に毛管作用により導かれて、水滴S1,S2を形成する。
そして、更に水が導かれることで水滴S1,S2が成長すると、図9(b)に示すように、両水滴S1,S2が結合して1つの水滴S3となる。この結合した直後、または水滴S3が更に成長すると、水滴S3はリブ272に触れることとなる。そして、図9(c)に示すように、水滴S3が一対のリブ272の間の隙間に至ると、図9(d)に示すように、水滴S3が毛管作用により同隙間に引き込まれることにより水流路26内に導入される。
ここで、酸化剤ガスの流速が小さいときには、上記のようにして水滴S3が導入されることによって水流路26内に水が徐々に溜まっていく。
また、酸化剤ガスの流速が大きいときには、水流路26に導入された水は水流路26を流れる酸化剤ガスの流動圧力によって押されながら排出通路42(図1参照)に向けて水流路26内を移動する。
ところで、前述したように、燃料電池スタックにおいては、ガス流路25内に乾燥した酸化剤ガスが導入されるため、膜電極接合体13のうち、ガス流路25の入口部に近い部分が乾燥しやすい。特に、発電量の少ない低負荷時には、膜電極接合体13での発電に伴って生成される水の量が少なくなることから、膜電極接合体13が一層乾燥しやすくなる。
この点、本実施形態では、ガスの流れ方向の上流側に形成された拡大領域においては、上流側連通部28の開口面積が拡大されることによって同連通部28による毛管作用を利用した水流路26への水の導入が抑制される。このため、膜電極接合体13のうち乾燥しやすい上流側部分について、乾燥を抑制することができる。これにより、膜電極接合体13を湿った状態に保持することができ、プロトンの移動を促すことができる。
また、拡大領域よりも下流側の領域においては、下流側連通部27による毛管作用を利用してガス流路25内の水が水流路26に効果的に導入される。したがって、ガス流路25内に水が滞留することでガスの流れが妨げられることを抑制することができる。
一方、膜電極接合体13において生成される水の量が多くなった場合には、拡大領域においても上流側連通部28による毛管作用を利用してガス流路25内の水が水流路26に導入される。したがって、ガス流路25内に水が滞留することでガスの流れが妨げられることを抑制することができる。
また、発電に伴って生成された水の一部はアノード側(図1の上側)の電極触媒層16、ガス拡散層18を通じてガス流路形成板32のガス流路35に流入する。本実施形態では、アノード側のガス流路形成板32がカソード側のガス流路形成板22と基本的に同一な構成とされているため、アノード側のガス流路35及び水流路36においてもカソード側のガス流路25及び水流路26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用ガス流路形成板及び燃料電池スタックによれば、以下に示す効果が得られるようになる。
(1)ガスの流れ方向の上流側には、上流側連通部28による毛管作用を利用した水流路26への水の導入が抑制されるように、同連通部28における膜電極接合体13に対向する面に開口する開口面積が下流側連通部27の開口面積よりも拡大された拡大領域を形成するようにした。
こうした構成によれば、膜電極接合体13のうち乾燥しやすい上流側部分について、乾燥を抑制することができる。これにより、膜電極接合体13を湿った状態に保持することができ、プロトンの移動を促すことができる。
また、拡大領域よりも下流側の領域においては、下流側連通部27による毛管作用を利用してガス流路25内の水が水流路26に効果的に導入される。一方、膜電極接合体13において生成される水の量が多くなった場合には、拡大領域においても上流側連通部28による毛管作用を利用してガス流路25内の水が水流路26に導入される。したがって、ガス流路25内に水が滞留することでガスの流れが妨げられることを抑制することができる。
よって、ガス流路25内に水が滞留することを抑制しつつ、膜電極接合体13の乾燥に起因した発電性能の低下を抑制することができる。
(2)拡大領域では、同拡大領域の下流側のスリット271よりもスリット281の幅A1が大きく設定されている(A2>A1)。
こうした構成によれば、スリット281の幅A2を大きく設定することによって連通部27の開口面積を容易に拡大することができる。
(3)拡大領域では、内側突条23における上流側連通部28を構成する2つのスリット281の間の隔壁284が水流路26の内部に位置している。
内側突条23における上流側連通部28を構成するスリット281同士の間の隔壁284を水流路26の内部に位置させることによって、上流側連通部28の開口面積を下流側連通部27の開口面積よりも拡大することができる。したがって、上記構成によれば、スリット281の幅をそれほど拡大しなくとも、上流側連通部28の開口面積を容易に拡大することができる。
<変形例>
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。
・ガス流路形成板22,32をチタン板などのステンレス鋼板以外の金属板材によって形成してもよい。
・例えば図7に二点鎖線にて示すように、上流側連通部28の隔壁284をリブ282と同じ高さに設定することもできる。すなわち、隔壁284とリブ282とを一体化させてもよい。
・上記実施形態において、上流側連通部28の隔壁284を水流路26の内部に位置させるのではなく、内側突条23の頂面と同一の高さに設定することもできる。この場合であっても、スリット281の幅A2を下流側連通部27のスリット271の幅A1よりも大きくすることによって、膜電極接合体13に対向する面に開口する開口面積を拡大させることができる。
・上記実施形態において、上流側連通部28のスリット281の幅A2を下流側連通部27のスリット271の幅A1と同一の大きさに設定することもできる。この場合であっても、隔壁284が水流路26の内部に位置することによって、膜電極接合体13に対向する面に開口する開口面積を拡大させることができる。
・1つの連通部を構成するスリットの数は2つに限定されない。すなわち、1つのスリットによって連通部を構成することもできるし、3つ以上のスリットによって連通部を構成することもできる。
・リブ272,282,372,382(中間構造部)を省略することもできる。
・上記実施形態では、膜電極接合体13のカソード側及びアノード側の双方に拡大領域(上流側連通部28,38)を有するガス流路形成板22,32を設けるようにした。これに代えて、膜電極接合体13のカソード側のみに拡大領域を有するガス流路形成板22を設け、アノード側には拡大領域を有していないガス流路形成板を設けることもできる。
また、膜電極接合体13のアノード側のみに拡大領域を有するガス流路形成板32を設け、カソード側には拡大領域を有していないガス流路形成板を設けることもできる。
10…単セル、11…第1フレーム、12…第2フレーム、13…膜電極接合体、14…固体高分子電解質膜、15,16…電極触媒層、17,18…ガス拡散層、20…第1セパレータ、21…フラットセパレータ、22…ガス流路形成板、23…内側突条、24…外側突条、25…ガス流路、251…隅部、26…水流路、27…下流側連通部、271…スリット、272…リブ(中間構造部)、273…連通溝、274…隔壁、28…上流側連通部、281…スリット、282…リブ(中間構造部)、283…連通溝、284…隔壁、30…第2セパレータ、31…フラットセパレータ、32…ガス流路形成板、33…内側突条、34…外側突条、35…ガス流路、351…隅部、36…水流路、37…連通部、371…スリット、372…リブ(中間構造部)、373…連通溝、374…隔壁、38…連通部、381…スリット、382…リブ(中間構造部)、383…連通溝、384…隔壁、41…供給通路、42…排出通路、51…供給通路、52…供給通路。

Claims (5)

  1. 膜電極接合体と平板状のフラットセパレータとの間に介設されて燃料電池の単セルのセパレータを構成する断面波形状をなすガス流路形成板であって、
    前記膜電極接合体に対向する面に形成され、互いに平行に延びる凹溝状の複数のガス流路と、
    隣り合う2つの前記ガス流路の間にそれぞれ位置する突条の裏面に形成された複数の凹溝状の水流路と、を備え、
    前記突条には、前記ガス流路と前記水流路とを連通するとともに毛管作用を利用して前記ガス流路内の水を前記水流路に導入する連通部が前記突条の延伸方向において複数形成され、
    ガスの流れ方向の上流側には、前記連通部による毛管作用を利用した前記水流路への水の導入が抑制されるように、同連通部における前記膜電極接合体に対向する面に開口する開口面積が下流側の前記連通部の開口面積よりも拡大された拡大領域が形成されている、
    燃料電池用ガス流路形成板。
  2. 前記連通部は、前記突条の延伸方向に直交して延びるとともに所定の幅を有するスリットを有しており、
    前記水流路の内部には、前記スリットに相対する中間構造部が前記スリット毎に形成されている、
    請求項1に記載の燃料電池用ガス流路形成板。
  3. 前記拡大領域では、同拡大領域の下流側の前記連通部よりも前記スリットの幅が大きく設定されている、
    請求項2に記載の燃料電池用ガス流路形成板。
  4. 前記連通部は前記突条の延伸方向に所定の間隔をおいて形成された少なくとも2つの前記スリットを有し、
    前記所定の間隔は、前記突条の延伸方向における前記連通部同士の間隔よりも小さく設定され、
    前記拡大領域では、前記突条における前記連通部を構成する2つの前記スリットの間の隔壁が前記水流路の内部に位置している、
    請求項2または請求項3に記載の燃料電池用ガス流路形成板。
  5. 複数の単セルが積層されることにより形成された燃料電池スタックであって、
    前記単セルは、膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟む一対のセパレータとを備え、
    一方の前記セパレータは、前記フラットセパレータと、前記膜電極接合体と前記フラット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燃料電池用ガス流路形成板と、を備えている、
    燃料電池スタック。
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