JP6459603B2 - 燃料電池用セパレータ及び発電セルの積層体 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池用セパレータ及び発電セルの積層体に関する。

燃料電池のセパレータには、燃料ガスや酸化ガスのための流路が形成されている。燃料ガスや酸化ガスは、流路内を流動する間に、発電のために消費されて、量が徐々に減少する。この消費にともない、流路内のガスの圧力が変化して、発電電極内部の燃料ガスや酸化ガスの拡散量が変化する。このため、発電電極に対する燃料ガスや酸化ガスの拡散性が場所によって異なって全体として不均一となり、発電能力が低下する一因となる。

特許文献１に開示されたセパレータにおいては、燃料ガスや酸化ガスの流路がセパレータに形成した凹部によって構成されている。そして、前記流路は、出口側が入口側より幅狭に形成されている。このため、燃料ガスや酸化ガスの量が流動にともなって減少しても、拡散性の向上に貢献できるとしている。

特開２０００−２２３１３７号公報

特許文献１の従来構成のセパレータにおいては、その中央部のほぼ全面にわたって突条を形成してその裏側を流路としているが、流路の幅が出口側に向けて次第に幅狭になっているために、突条の幅が均一ではない。このため、セパレータが反ったり、歪んだりするおそれがあった。

本発明の目的は、反りや歪みを抑制できる燃料電池用セパレータ及び発電セルの積層体を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明においては、金属薄板に作動ガス流路用の突条を形成するとともに、その突条の壁部に凹部を形成した燃料電池用セパレータとして、前記ガス流路は、複数の平行に蛇行する突条の裏面側によって形成されており、前記複数の平行に蛇行する突条は、板状の電極部材の長辺に沿って延びる第１部分及び第２部分及び第３部分と、前記電極部材の短辺に沿って延びる一対の第４部分とを備えており、前記第１部分の一方の端部は前記ガス流路の出口となる開口であり、前記第４部分のうちの一方は、前記第１部分の他方の端部と前記第２部分の他方の端部との間に配置され、前記第４部分のうちの他方は、前記第２部分の一方の端部と前記第３部分の一方の端部との間に配置されており、前記第３部分の他方の端部は前記ガス流路の入口となる開口であり、前記凹部は、前記第１部分及び前記第２部分にのみ形成されており、前記第１部分に位置する前記凹部は、前記第２部分に位置する前記凹部よりも容積が大きくなっていることを特徴とする。
前記の構成においては、突条の壁部に凹部が形成されているため、凹部の裏側において流路内にはトラップが形成される。このため、流路用の突条の幅や高さを入口側と出口側との間で変更する必要がない。よって、セパレータに反りや歪みが発生したりすることを抑制できる。

本発明によれば、セパレータに反りが発生することを抑制できる。

燃料電池の一部正面図。 同じく燃料電池の一部断面図。 同じく燃料電池の一部拡大断面図。 発電電極部材を示す一部拡大断面図。 セパレータの突条側を示す平面図。 セパレータの流路側を示す平面図。 セパレータの突条側を示す斜視図。 セパレータの流路側を示す斜視図。 燃料電池の分解斜視図。 冷却水流路を示す断面図。 別の位置における冷却水流路を示す断面図。 さらに別の位置における冷却水流路を示す断面図。 流路の開口の近傍を示す部分断面図。

以下、実施形態について説明する。
以下の燃料電池は固体高分子型であり、図１〜図３に示すように、多数の発電セル１１を積層して構成されている。

図１〜図３及び図９に示すように、発電セル１１は、長方形状をなし、板状の発電電極部材（以下、単に電極部材という）１２と、この電極部材１２の両側に積層されたチタン合金やステンレス鋼等の金属薄板よりなるセパレータ１３，１４とを備えている。なお、図面においては、セパレータ１３，１４は実際のものより厚く描かれている。

図３に示すように、隣接する発電セル１１のセパレータ１３，１４は互いに当接されている。各発電セル１１の外周部間には電気絶縁材よりなるシール枠１５が介在されている。シール枠１５は、各発電セル１１の外周間におけるシール性と間隔とを保持するためのものである。

図４に示すように、前記電極部材１２は、固体電解質膜２１と、その固体電解質膜２１の両側に積層されたカソード側電極層２２及びアノード側電極層２３とを備えている。カソード側電極層２２及びアノード側電極層２３は、それぞれ触媒層２４及び拡散層２５を備え、拡散層２５がセパレータ１３，１４側に位置している。

図２及び図３に示すように、カソード側のセパレータ１３のカソード側電極層２２側には酸素あるいは空気よりなる発電作動ガスとしての酸化ガスの流路３１が蛇行状に形成されている。アノード側のセパレータ１４のアノード側電極層２３側には水素よりなる発電作動ガスとしての燃料ガスの流路３２が蛇行状に形成されている。両流路３１，３２の両端にはそれぞれ開口３３が形成されている。

図２，図３及び図１０に示すように、隣接するセパレータ１３，１４間には冷却水を流すための冷却水流路３４が形成されている。
図２，図３及び図９に示すように、前記セパレータ１３，１４、シール枠１５及び電極部材１２を含む発電セル１１には酸化ガス供給路３５，燃料ガス供給路３６，酸化ガス排出路３７及び燃料ガス排出路３８が貫設されている。各路３５，３６，３７及び３８は前記各開口３３と連通されている。図９及び図１３に示すように、シール枠１５には各路３５，３６，３７及び３８の近傍において後述の突条５１を凹凸の嵌合関係で支持する支持部３９が形成されている。なお、開口３３は各路３５，３６，３７及び３８に直接連通されることなく、開口３３が各路３５，３６，３７及び３８と離間し、開口３３と各路３５，３６，３７及び３８とが接続される通路をシール枠１５に形成してもよい。

そして、燃料ガスは、燃料ガス供給路３６から開口３３を介して燃料ガス流路３２内に供給される。この燃料ガスは、図４に示すように、電極部材１２の拡散層２５上を通過することによって同拡散層２５に拡散されて、アノード側電極層２３側の触媒層２４に供給される。一方、酸化ガスは、酸化ガス供給路３５から開口３３を介して酸化ガス流路３１に供給される。この酸化ガスは、電極部材１２の拡散層２５を通過することによって同拡散層２５に拡散されて、カソード側電極層２２側の触媒層２４に供給される。そして、電極部材１２において燃料ガス及び酸化ガスによる電極反応が発現されて、発電が行われる。

発電に用いられなかった残留燃料ガスは、燃料オフガスとして燃料ガス流路３２から開口３３及び燃料ガス排出路３８に排出され、そこから図示しない流路を介して外部に排出される。発電に用いられなかった残留酸化ガスは、酸化オフガスとして酸化ガス供給路３５から開口３３及び酸化ガス排出路３７を介して排出され、そこから図示しない通路を介して外部に排出される。

図２，図９及び図１０に示すように、前記シール枠１５，電極部材１２及びセパレータ１３，１４を含む発電セル１１には、冷却水供給路４１及び冷却水排出路４２が貫設されている。両路４１，４２と前記冷却水流路３４との間においてシール枠１５には連通路４３が形成されている。そして、発電に際して発熱された電極部材１２は、冷却水供給路４１，連通路４３からセパレータ１３，１４の冷却水流路３４を通る冷却水によって冷却される。冷却に供された冷却水は、連通路４３，冷却水排出路４２を経て外部流路に排出される。冷却水は冷却水排出路４２側から冷却水供給路４１側に流れてもよい。この場合、冷却水排出路が冷却水供給路に、冷却水供給路が冷却水排出路になる。

次に、前記セパレータ１３，１４の構成を詳細に説明する。
図５〜図８に示すように、セパレータ１３，１４は同一構成である。前記ガス流路３１，３２は、セパレータ１３，１４の外周部を除く中央部に配置され、複数の平行に蛇行する突条５１の裏面側の溝部によって形成されている。この突条５１はセパレータ１３，１４を構成する金属薄板にプレス加工を施すことによって形成される。そして、隣接するセパレータ１３，１４は、突条５１の頂壁５２どうしを当接させて、背中合わせ状に配置されている。

各突条５１の両端には燃料ガスまたは酸化ガスの入口または出口となる前記開口３３が形成されている。
突条５１は、電極部材１２の長辺に沿って延びる第１部分５１１，第２部分５１２，第３部分５１３と、短辺に沿って延びる一対の第４部分５１４とを備えている。そして、第１部分５１１側がガス流路３１，３２の下流側に、第３部分５１３側が上流側になる。長辺に沿って延びる平行部分である前記第１部分５１１及び第２部分５１２において、各突条５１の頂壁５２には、その頂壁５２を凹ませることにより、ほぼ等間隔をおいて複数の凹部５３が形成されている。この凹部５３は、流路３１，３２の出口の開口３３側、すなわち流路の下流側に位置する第１部分５１１上のものが第２部分５１２上に位置するものよりも幅広に、かつ深くなっていて、容積が大きくなっている。この凹部５３の形成により、流路３１，３２内において凹部５３の裏面側にトラップ６１が形成されている。従って、流路３１，３２の下流側のトラップ６１が上流側のものに比較して高くなっている。

そして、図１０〜図１２に示すように、セパレータ１３，１４を背中合わせにすることにより、突条５１間の蛇行する凹条５４によって形成された第１空隙５５と、隣接するセパレータ１３，１４の凹部５３間及び凹部５３と突条５１の頂壁５２との間に形成された第２空隙５６とにより前記冷却水流路３４が形成されている。ここで、図１１及び図１２から明らかなように、凹部５３の容積の相違により、各第２空隙５６の流路断面積がほぼ等しくなっている。すなわち、図１１に示すように、大容積の深い凹部５３が隣接する頂壁５２の凹部５３を有しない部分に位置する状態と、図１２に示すように、小容積の浅い凹部５３どうしが対向する状態とにおいて各第２空隙５６の流路断面積がほぼ等しくなるように凹部５３の容積が設定されている。

次に、実施形態の作用をセパレータ１３，１４の機能を中心に説明する。
燃料電池の発電のために、酸化ガス流路３１及び燃料ガス流路３２内をそれぞれ酸化ガス，燃料ガスが流れる。この場合、両流路３１，３２内の下流側である第１部分５１１及び第２部分５１２内には、トラップ６１が形成されている。そして、このトラップ６１は、酸化ガス流路３１及び燃料ガス流路３２の下流側のものが、つまり第１部分５１１側ものが高くなっている。このため、両流路３１，３２は下流側ほど実質の流路断面積が小さくなる。従って、燃料ガス及び酸化ガスが両流路３１，３２内の流動にともない、それらのガスが反応によって減少しても、ガス圧力はあまり変化せず、このため、拡散層２５における拡散度合いもあまり変化しない。従って、電極部材１２はその全面において高い発電能力を維持できる。

そして、この発電中には、電極部材１２が発熱するため、冷却を必要とするが、この冷却は、冷却水流路３４を通る冷却水によって実行される。この場合、冷却水流路３４を形成する第１，第２空隙５５，５６は、流路断面積が均等化されているため、電極部材１２のほぼ全域にわたって冷却水の流量及び流速が均一化される。従って、ムラのない有効な冷却を行なうことができる。

この実施形態においては、以下の効果がある。
（１）突条５１の頂壁５２に凹部５３が形成され、その凹部５３の流路側の面に流量を制限するトラップ６１が形成されている。このため、突条５１の高さや幅を調整することなく、セパレータ１３，１４の全体にわたって同幅、同高さの突条５１を形成すればよい。従って、セパレータ１３，１４の反りや歪み等を有効に防止できる。

（２）同一形状の１種類のセパレータ１３，１４を背中合わせに配置すれば、燃料ガス流路と３２と酸化ガス流路３１とを形成できるため、セパレータ１３，１４の成形装置や成形工程の煩雑化を避けることができる。

（３）突条５１の頂壁５２に凹部５３を形成するのみで、冷却水流路３４とトラップ６１との双方を形成できるため、言い換えれば、凹部５３が冷却水流路３４の機能とトラップ６１の機能とを兼備するため、専用の冷却水流路やトラップを設ける必要がなく、セパレータ１３，１４に対する加工箇所の数を少なくできる。

（４）ガス流路３１，３２の内部に下流側ほど流路断面積を狭くするトラップ６１が形成されているため、燃料ガス及び酸化ガスがその流動にともなって消費されても、拡散層２５におけるガス拡散度合いをほぼ均等に維持することができる。このため、高効率な発電機能を得ることができる。

（５）凹部５３がセパレータ１３，１４の長辺に沿って延びる突条５１の第１部分５１１及び第２部分５１２に形成されているため、冷却水をセパレータ１３，１４の長辺に沿った広い幅の領域で短辺方向に流すことができる。従って、冷却効率を向上させることができる。

前記実施形態は以下のように変更することも可能である。
・前記実施形態においては、突条５１の第１部分５１１及び第２部分５１２に凹部５３を形成したが、他の部分にも形成すること。

・前記実施形態では、突条５１の頂壁５２を凹ませることにより凹部５３を形成したが、側壁を凹ませることにより凹部５３を形成すること。
・隣接するセパレータ１３，１４間に別のセパレータを介在させた構成に前記実施形態の構成を適用すること。この場合は、第１部分５１１，第２部分５１２及び第３部分５１３の突条５１の頂壁５２に凹部５３を形成する必要がある。この場合において、第４部分５１４の頂壁に凹部５３を形成してもよい。

前記実施形態からは、以下の（１）項及び（２）項に示す技術的思想が把握される。
（１）請求項１〜５のうちのいずれか一項に記載の燃料電池用セパレータを板状の電極部材に前記突条の開放側が電極部材側となるように重ねるとともに、その反対側に隣接する別のセパレータを当接させて、両セパレータ間において前記凹部により冷却水流路を形成した燃料電池。

（２）深い凹部と浅い凹部とを設け、深い凹部を隣接する別のセパレータの頂壁の凹部を有しない部分に配置するとともに、浅い凹部を隣接する別のセパレータの頂壁の浅い凹部と対向させた前記技術的思想（１）項に記載の燃料電池。

１２…電極部材、１３…セパレータ、１４…セパレータ、３１…酸化ガス流路、３２…燃料ガス流路、３３…開口、３４…冷却水流路、５１…突条、５２…頂壁、５３…凹部、６１…トラップ。

Claims (4)

1. 金属薄板に発電作動ガス流路用の突条を形成するとともに、その突条の壁部に凹部を形成して、凹部の裏面側のガス流路にトラップを形成した燃料電池用セパレータであって、
   前記ガス流路は、複数の平行に蛇行する突条の裏面側によって形成されており、
   前記複数の平行に蛇行する突条は、板状の電極部材の長辺に沿って延びる第１部分及び第２部分及び第３部分と、前記電極部材の短辺に沿って延びる一対の第４部分とを備えており、
   前記第１部分の一方の端部は前記ガス流路の出口となる開口であり、
   前記第４部分のうちの一方は、前記第１部分の他方の端部と前記第２部分の他方の端部との間に配置され、前記第４部分のうちの他方は、前記第２部分の一方の端部と前記第３部分の一方の端部との間に配置されており、
   前記第３部分の他方の端部は前記ガス流路の入口となる開口であり、
   前記凹部は、前記第１部分及び前記第２部分にのみ形成されており、
   前記第１部分に位置する前記凹部は、前記第２部分に位置する前記凹部よりも容積が大きくなっている燃料電池用セパレータ。
2. 前記凹部を突条の頂壁に形成した請求項１に記載の燃料電池用セパレータ。
3. 請求項２に記載の燃料電池用セパレータにて電極部材を挟持してなる発電セルを、前記燃料電池用セパレータが背中合わせに当接するようにして積層した発電セルの積層体であって、
   前記燃料電池用セパレータは、前記突条の開放側が前記電極部材側となる状態で前記電極部材を挟みこむようにして一対配置されており、
   積層方向に隣り合う２つの前記発電セルを第１の発電セル及び第２の発電セルとした場合、
   前記第１の発電セルを構成する前記燃料電池用セパレータの前記第１部分に位置する前記突条の頂壁と前記第２の発電セルを構成する前記燃料電池用セパレータの前記第３部分に位置する前記突条の頂壁とが当接するとともに、前記第１の発電セルを構成する前記燃料電池用セパレータの前記第２部分に位置する前記突条の頂壁と前記第２の発電セルを構成する前記燃料電池用セパレータの前記第２部分に位置する前記突条の頂壁とが当接して配置されることにより、前記第１の発電セルと前記第２の発電セルとの間において冷却水流路が形成されている発電セルの積層体。
4. 前記第１の発電セルを構成する前記燃料電池用セパレータの前記第１部分に位置する前記凹部と前記第２の発電セルを構成する前記燃料電池用セパレータの前記第３部分の頂壁との間に形成された空隙、及び、前記第１の発電セルを構成する前記燃料電池用セパレータの前記第２部分に位置する前記凹部と前記第２の発電セルを構成する前記燃料電池用セパレータの前記第２部分に位置する前記凹部との間に形成された空隙は、流路断面積が等しくなっている請求項３に記載の発電セルの積層体。