JP6696201B2 - 燃料電池用のセパレータ - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池用のセパレータに関する。
燃料電池では、膜電極接合体を挟持する一対のセパレータを備える。このセパレータは、膜電極接合体側に、膜電極接合体の発電に供する反応流体が流通する流路溝が形成されている。このようなセパレータの流路溝は、下流端が閉塞された供給流路溝と、供給流路溝に並列に設けられ上流端が閉塞された排出流路溝と、を備えたものが知られている。
このような燃料電池では、燃料電池の発電に供する反応流体が供給流路溝内からガス拡散層を経由して排出流路溝内へと流れる。ここで、供給流路溝及び排出流路溝の各断面積が上流側から下流側にかけて一定の場合、供給流路溝と排出流路溝と差圧は、上流域及び下流域で大きく、中流域では小さいことが知られている。このため、中流域では、上流域及び下流域よりも、供給流路溝から排出流路溝へ反応流体の流量が低下して、発電分布が不均一になる可能性がある。
例えば特許文献１に開示されているセパレータでは、供給流路溝内から排出流路溝内へ流通する反応流体への抵抗となる、両溝を仕切る隔壁の厚みを、中流域で上流域及び下流域よりも薄くすることにより、反応流体がガス拡散層を通過する抵抗を小さくすることにより中流域での反応流体の流量を確保して、発電分布の不均一を抑制している。
特許文献１のセパレータは、中流域で供給流路溝内から排出流路溝内へ流通する反応流体への抵抗を低減する観点に基づいてなされたものであって、中流域での供給流路溝と排出流路溝との差圧の低下を抑制する観点に基づいてなされたものではない。
そこで、本発明は、供給流路溝と排出流路溝との中流域での差圧の低下を抑制することにより、発電分布の不均一を抑制する燃料電池用のセパレータを提供することを目的とする。
上記目的は、燃料電池の発電に供する反応流体が供給される供給孔と、前記燃料電池の発電に使用された反応流体が排出される排出孔と、前記供給孔と連通して、下流端が閉塞された供給流路溝と、前記供給流路溝に並列に設けられ、前記排出孔と連通して、上流端が閉塞された排出流路溝と、を備え、前記供給流路溝は、当該供給流路溝の長さを３等分した上流域、中流域、及び下流域を有し、前記排出流路溝は、当該排出流路溝の長さを３等分した上流域、中流域、及び下流域を有し、前記供給流路溝の流れ方向に垂直な横断面の断面積が最大となる最大部が、当該供給流路溝の前記中流域のみに設けられ、前記排出流路溝の流れ方向に垂直な横断面の断面積が最小となる最小部が、当該排出流路溝の前記中流域のみに設けられている、燃料電池用のセパレータによって達成できる。
供給流路溝と排出流路溝との中流域での差圧の低下を抑制することにより、発電分布の不均一を抑制する燃料電池用のセパレータを提供できる。
図１は、単セル２が複数積層された燃料電池１の部分断面図である。この燃料電池は、反応流体である燃料ガス（例えば水素）と酸化剤ガス（例えば酸素）の供給を受けて発電する固体高分子型燃料電池である。単セル２は、膜電極ガス拡散層接合体１０（以下、ＭＥＧＡ（Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly）と称する）と、ＭＥＧＡ１０を挟持するアノード側セパレータ４０ａ及びカソード側セパレータ２０ｃ（以下、セパレータと称する）とを含む。ＭＥＧＡ１０は、アノードガス拡散層１６ａ及びカソードガス拡散層１６ｃ（以下、拡散層と称する）と、膜電極接合体（以下、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）と称する）１１とを有している。
ＭＥＡ１１は、電解質膜１２と、電解質膜１２の一方の面及び他方の面のそれぞれに形成されたアノード触媒層１４ａ及びカソード触媒層１４ｃ（以下、触媒層と称する）とを含む。電解質膜１２は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜であり、例えばフッ素系のイオン交換膜である。触媒層１４ａ及び１４ｃは、例えば白金（Ｐｔ）などを担持したカーボン担体とプロトン伝導性を有するアイオノマとを含む触媒インクを、電解質膜１２に塗布することにより形成される。
拡散層１６ａ及び１６ｃは、ガス透過性及び導電性を有する材料、例えば炭素繊維や黒鉛繊維などの多孔質の繊維基材で形成されている。拡散層１６ａ及び１６ｃは、それぞれ触媒層１４ａ及び１４ｃに接合されている。
セパレータ２０ｃには、供給流路溝２３、排出流路溝２７、及び隔壁２５が形成されている。同様にセパレータ４０ａには、供給流路溝４３、排出流路溝４７、及び隔壁４５が形成されている。詳しくは後述する。尚、図示は省略しているが、燃料電池１の内部温度を調整するために、単セル２間に冷媒が通過する流路が形成されている。
次に、セパレータ２０ｃについて説明する。図２は、セパレータ２０ｃの正面図である。セパレータ２０ｃには、酸化剤ガス用の供給孔ｃ１及び排出孔ｃ２、冷媒用の供給孔ｗ１及び排出孔ｗ２、アノードガス用の供給孔ａ１及び排出孔ａ２が形成されている。セパレータ４０ａにも同様の供給孔及び排出孔が形成されており、セパレータ２０ｃのそれぞれの供給孔及び排出孔とセパレータ４０ａのそれぞれの供給孔及び排出孔が連通することにより、酸化剤ガス用、冷媒用、アノードガス用の、それぞれの供給マニホールド及び排出マニホールドを画定する。
また、セパレータ２０ｃには、供給孔ｃ１に連通した分配部２１及び供給流路溝２３と、排出孔ｃ２に連通した合流部２９及び排出流路溝２７とを備えている。供給流路溝２３は、並列に複数設けられており、分配部２１から合流部２９に延びている。同様に排出流路溝２７は、並列に複数設けられており、分配部２１から合流部２９に向けて延びている。供給流路溝２３の下流端は閉塞しており、排出流路溝２７や合流部２９には連通していない。同様に、排出流路溝２７の上流端は閉塞しており、分配部２１や供給流路溝２３には連通していない。供給流路溝２３及び排出流路溝２７は、隔壁２５を介して交互に並ぶように設けられている。供給流路溝２３及び排出流路溝２７の長さは略同じであるがこれに限定されない。
供給孔ｃ１を介して分配部２１から供給流路溝２３を流通する酸化剤ガスは、上流から下流に流通する間に、その一部が図１に示すように拡散層１６ｃを介して供給流路溝２３に隣接する排出流路溝２７に流通する。これにより、供給流路溝２３や排出流路溝２７の真下の１０の部分のみならず、隔壁２５の真下の部分にも酸化剤ガスが供給される。
次に、供給流路溝２３及び排出流路溝２７について詳細に説明する。図３は、供給流路溝２３及び排出流路溝２７を示した図２の部分拡大図である。供給流路溝２３は、その長さを３等分した場合での上流域２３ａ、中流域２３ｂ、及び下流域２３ｃを含み、同様に排出流路溝２７は、上流域２７ａ、中流域２７ｂ、及び下流域２７ｃを含む。供給流路溝２３及び排出流路溝２７はそれぞれ、溝が延びた方向に亘って深さは一定であり、両溝の深さは同じである。
中流域２３ｂには、幅が拡大することによって、供給流路溝２３の流れ方向に垂直な横断面の断面積が最大となる最大部２３ｂ１が形成されている。また、中流域２７ｂには、幅が縮小することにより、排出流路溝２７の流れ方向に垂直な横断面の断面積が最小となる最小部２７ｂ１が、最大部２３ｂ１に隣接している。最大部２３ｂ１では、具体的には、互いに対向する両内側面は、上流から下流にかけて互いに離れてその後に接近するように形成されている。また、最小部２７ｂ１では、互いに対向する両内側面が上流から下流にかけて互いに接近してその後に離れるように形成されている。最大部２３ｂ１以外の供給流路溝２３の部分、及び最小部２７ｂ１以外の排出流路溝２７の部分では、幅が一定である。
上述のように、最大部２３ｂ１の断面積は、それ以外の供給流路溝２３の何れの部分での断面積よりも大きく、最大である。また、最小部２７ｂ１での断面積は、それ以外の排出流路溝２７の何れの部分での断面積よりも小さく、最小である。このため、供給流路溝２３を流通する酸化剤ガスは、最大部２３ｂ１で流速が低下し、排出流路溝２７を流通する酸化剤ガスは最小部２７ｂ１で流速が上昇する。このため、ベルヌーイの定理で示されているように、最大部２３ｂ１では、この位置での幅が一定だった場合と比較して、圧力が上昇している。また、最小部２７ｂ１では、この位置での幅が一定だった場合と比較して、圧力が低下している。このように、最大部２３ｂ１と最小部２７ｂ１との差圧は、この位置での双方の断面積が一定であった場合と比較して、増大している。
このように、最大部２３ｂ１及び最小部２７ｂ１を設けることによりこの部分での差圧の低下が抑制されているため、供給流路溝２３の中流域２３ｂ側から隔壁２５の真下を介して排出流路溝２７の中流域２７ｂ側へ流れる酸化剤ガスの流量を確保することができる。これにより、供給流路溝２３及び排出流路溝２７の上流から下流にかけて、隔壁２５の真下を流れる酸化剤ガスの流量の変化を小さくすることができる。このため、発電分布の不均一が抑制されている。尚、セパレータ４０ａもセパレータ２０ｃと同様の構造を有している。
また、最大部２３ｂ１及び最小部２７ｂ１間の部分も含めて、上流から下流にかけて隔壁２５の厚みは略一定である。最大部２３ｂ１の幅が拡大しているのに対して、それに隣接する最小部２７ｂ１の幅が縮小しているからである。このように隔壁２５の厚みが略一定であるため、例えば中流域で隔壁２５の厚みが増加していることに起因して最大部２３ｂ１から最小部２７ｂ１へ流れる酸化剤ガスの抵抗が増大することが抑制されている。
また、セパレータ２０ｃが金属製でありプレス成型により製造された場合、供給流路溝と排出流路溝の間の隔壁内に、冷却水が流通する冷媒流路が形成されることが多い。隔壁２５の厚みが略一定の場合には、隔壁２５の厚みが部分的に大きく変化している場合と比較して、冷媒流路の幅が一定となるため、冷媒流路断面積が変化することによる圧損の増大や冷却水流れの淀みを抑制できる。また、セパレータ２０ｃがカーボン等の導電性物質を含む樹脂製の場合には、圧縮成形や射出成型により製造できるが、隔壁２５の厚みが略一定の場合には、隔壁２５の厚みが部分的に大きく変化している場合と比較して、隔壁となる部分で樹脂の未充填部分が生じることを抑制でき、生産性を確保できる。
尚、最大部２３ｂ１及び最小部２７ｂ１で溝幅が変化しているが、酸化剤ガスの流通の抵抗を抑制するために、最大部２３ｂ１及び最小部２７ｂ１の内壁部の形状が変化する部分にアールがつけられていることが望ましい。また、供給流路溝２３及び排出流路溝２７はそれぞれ同じ数だけ設けられており、隣接する供給流路溝２３及び排出流路溝２７の内容積は略同じであることが望ましい。
次に、変形例であるセパレータ３０ｃについて説明する。図４は、変形例であるセパレータ３０ｃの供給流路溝３３及び排出流路溝３７を示した部分拡大図である。尚、セパレータ３０ｃについて、セパレータ２０ｃと同一又は類似の構成については同一又は類似の符号を付することにより重複する説明を省略する。
供給流路溝３３及び排出流路溝３７についても、深さが一定である。また、中流域３３ｂ及び３７ｂには、それぞれ最大部３３ｂ１及び最小部３７ｂ１が設けられている。最大部３３ｂ１は、供給流路溝３３のうちで最も幅が広く、断面積は最大である。従って、供給流路溝３３は、上流域３３ａから最大部３３ｂ１にかけて、幅が徐々に広がっており、最大部３３ｂ１から下流域３３ｃにかけて幅が徐々に狭くなっている。また、最小部３７ｂ１は、排出流路溝３７のうちで最も幅が狭く、断面積は最小である。従って、排出流路溝３７は、上流域３７ａから最小部３７ｂ１かけて幅が徐々に狭くなっており、最小部３７ｂ１から下流域３７ｃにかけて幅が徐々に大きくなっている。
具体的には、供給流路溝３３の互いに対向する内側面３３１及び３３３のうち、内側面３３１は直線状に延び、排出流路溝３７に対向する内側面３３３は排出流路溝３７に凸となるように円弧状に延びている。また、排出流路溝３７の互いに対向する内側面３７１及び３７３のうち、内側面３７１は直線状に延び、内側面３３３に対向する内側面３７３は内側に凸となるように円弧状に延びている。従って、内側面３３３及び３７３は相補形状である。
以上のように、中流域３３ｂ及び３７ｂにそれぞれ最大部３３ｂ１及び最小部３７ｂ１が設けられているため、変形例においても中流域３３ｂと中流域３７ｂとの差圧が確保されて、発電分布の不均一が抑制されている。
また、内側面３３３及び３７３は、相補形状であるため、隔壁３５の厚みも上流から下流にわたって略一定である。このため、金属材料をプレス形成する場合には冷媒の流れが好適となし、カーボンを含む樹脂材料の場合には圧縮成形又は射出成型により製造でき、生産性が確保されている。
以上のように、セパレータ２０ｃ及び３０ｃを例に説明したが、供給流路溝２３及び排出流路溝２７や、供給流路溝３３及び排出流路溝３７のような形状に限定されない。
また、上記実施例及び変形例では、供給流路溝２３及び排出流路溝２７や、供給流路溝３３及び排出流路溝３７の深さが同一である場合を例に説明したがこれに限定されない。例えば、供給流路溝及び排出流路溝の幅が一定であり、供給流路溝の中流域で深さが最大となって断面積が最大となる最大部を有し、排出流路の中流域で深さが最小になって断面積が最小となる最小部を有していてもよい。また、深さ及び幅が共に一定ではなく、供給流路溝の中流域で断面積が最大となる最大部を有し、排出流路の中流域で断面積が最小となる最小部を有していてもよい。
上記実施例及び変形例では、カソード側のセパレータ２０ｃ及び３０ｃを例に説明したが、このような流路溝を有したセパレータを、アノード側及びカソード側の双方のセパレータとして採用しても、一方側のみのセパレータに採用してもよい。また、レドックスフロー燃料電池に用いられるセパレータに採用してもよい。この場合、カソード側には反応流体として反応溶液が供給されるが、この場合であっても供給流路溝と排出流路溝との中流域での差圧の低下を抑制でき、発電分布の不均一を抑制できる。
以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。
１ 燃料電池
１０ ＭＥＧＡ
１１ ＭＥＡ
２０ｃ、３０ｃ カソード側セパレータ
４０ａ アノード側セパレータ
２３、３３ 供給流路溝
２５、３５ 隔壁
２７、３７ 排出流路溝
２３ａ、２７ａ、３３ａ、３７ａ 上流域
２３ｂ、２７ｂ、３３ｂ、３７ｂ 中流域
２３ｃ、２７ｃ、３３ｃ、３７ｃ 下流域
２３ｂ１ 最大部
２７ｂ１ 最小部
１０ ＭＥＧＡ
１１ ＭＥＡ
２０ｃ、３０ｃ カソード側セパレータ
４０ａ アノード側セパレータ
２３、３３ 供給流路溝
２５、３５ 隔壁
２７、３７ 排出流路溝
２３ａ、２７ａ、３３ａ、３７ａ 上流域
２３ｂ、２７ｂ、３３ｂ、３７ｂ 中流域
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２３ｂ１ 最大部
２７ｂ１ 最小部
Claims (1)
- 燃料電池の発電に供する反応流体が供給される供給孔と、
前記燃料電池の発電に使用された反応流体が排出される排出孔と、
前記供給孔と連通して、下流端が閉塞された供給流路溝と、
前記供給流路溝に並列に設けられ、前記排出孔と連通して、上流端が閉塞された排出流路溝と、を備え、
前記供給流路溝は、当該供給流路溝の長さを３等分した上流域、中流域、及び下流域を有し、
前記排出流路溝は、当該排出流路溝の長さを３等分した上流域、中流域、及び下流域を有し、
前記供給流路溝の流れ方向に垂直な横断面の断面積が最大となる最大部が、当該供給流路溝の前記中流域のみに設けられ、
前記排出流路溝の流れ方向に垂直な横断面の断面積が最小となる最小部が、当該排出流路溝の前記中流域のみに設けられている、燃料電池用のセパレータ。
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