JP6763262B2

JP6763262B2 - 燃料電池スタック

Info

Publication number: JP6763262B2
Application number: JP2016186877A
Authority: JP
Inventors: 佐藤　和之; 和之佐藤
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2016-09-26
Filing date: 2016-09-26
Publication date: 2020-09-30
Anticipated expiration: 2036-09-26
Also published as: JP2018055788A

Description

本発明は、燃料電池スタックに関する。

従来から、燃料電池スタックにおいては、燃料ガス流路を流れた燃料ガスをマニホールドに排出させる構造が公知である（特許文献１参照）。

この特許文献１におけるアノード側セパレータは、水素流路と、水素流路を通ったアノードオフガスが流入する出口バッファ部と、出口バッファ部のマニホールド側に配設されたアノードオフガス導出流路と、を備えている。前記水素流路から流出したアノードオフガスは、出口バッファ部からアノードオフガス導出流路を介してマニホールドに排出される。

特開２０１３−１１８１２５

しかしながら、特許文献１では、出口バッファ部に親水性処理が施され、アノードオフガス導出流路に撥水性処理が施されている。従って、アノードオフガスに混入した残留水が、撥水性を有するアノードオフガス導出流路で溜まりやすくなるという問題があった。

そこで、本発明は、残留水をガス流路から効率的にマニホールドに排出することができる燃料電池スタックを提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池スタックは、膜電極接合体、第１セパレータ、および第２セパレータからなるセルユニットが複数積層されて構成される。撥水性領域がガス通路の全長に亘って連続して繋がっている撥水性領域連続通路を設けた。撥水性領域連続通路において、撥水性領域は下側に配置され、親水性領域は上側に配置されている。

本発明に係る燃料電池スタックによれば、ガスに混入した残留水をガス通路から効率的にマニホールドに排出することができる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するセルユニットの分解斜視図である。図２のうち、（ａ）はセルユニットを構成する第１セパレータの裏面を示す背面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ線による断面図、（ｃ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ線による断面図である。図３のうち、（ａ）はセルユニットを構成する第２セパレータの裏面を示す背面図、（ｂ）は（ａ）におけるＣ−Ｃ線による断面図、（ｃ）は（ａ）におけるＤ−Ｄ線による断面図である。図４は、上下方向に隣接する一対のセルユニットを示す断面図であり、図２（ｂ）および図３（ｂ）に対応している。図５は、上下方向に隣接する一対のセルユニットを示す断面図であり、図２（ｃ）および図３（ｃ）に対応している。図６は、図１における膜電極接合体と第１セパレータと第２セパレータとを組み付けた状態の要部を示す一部が断面の斜視図である。図７は、図６における燃料ガス流出通路を拡大した図である。図８は、図７において親水性領域と撥水性領域とを示す第１態様に係る概略図である。図９は、図７において親水性領域と撥水性領域とを示す第２態様に係る概略図である。図１０は、図７において親水性領域と撥水性領域とを示す第３態様に係る概略図である。図１１は、第２の実施形態に係る燃料ガス流出通路を拡大した図であり、図７に対応している。図１２は、図１１において親水性領域と撥水性領域とを示す概略図である。図１３は、第３の実施形態に係る燃料ガス流出通路を拡大した図であり、図７および図１１に対応している。図１４は、図１３において親水性領域と撥水性領域とを示す第１態様に係る概略図である。図１５は、図１３において親水性領域と撥水性領域とを示す第２態様に係る概略図である。図１６は、第４の実施形態に係る燃料ガス流出通路を拡大した図であり、図７、図１１および図１３に対応している。図１７は、図１６において親水性領域と撥水性領域とを示す概略図である。

以下、本発明の実施形態を図面とともに詳述する。なお、図面において、燃料電池スタックの積載方向の上側（鉛直上方）をＰ方向、下側（鉛直下方）をＱ方向、水平方向をＲ方向、セルユニットの短手方向をＸ方向、長手方向をＹ方向とする。

[第１の実施形態]
まず、第１の実施形態に係る燃料電池スタックを図１〜図１０を用いて説明する。

第１の実施形態に係る燃料電池スタックには、セルユニットが上下方向に沿って複数段に積層されている。

１つのセルユニットは、膜電極接合体１と、膜電極接合体１の下側（Ｑ方向）に配置された第１セパレータ３と、膜電極接合体１の上側（Ｐ方向）に配置された第２セパレータ５と、から構成される。これらの膜電極接合体１、第１セパレータ３および第２セパレータ５は水平方向であるＲ方向に沿って延びる平面視が長方形状に形成されており、図面では長手方向（Ｙ方向）の中央部分まで示している。なお、１つの燃料電池スタックを構成するセルユニットの数は限定されない。

膜電極接合体１は、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）とも呼称されるものであり、長手方向であるＹ方向の中央部に反応面７が形成されている。この反応面７は、例えば固体高分子からなる電解質膜と電解質膜を挟持する一対の電極とを備える。図１，４，５に示すように、膜電極接合体１におけるＹ方向の端部には、短手方向であるＸ方向に沿って燃料ガス用マニホールド９、冷却媒体用マニホールド１１および酸化ガス用マニホールド１３が並列している。また、膜電極接合体１の上面および下面には、断面円形状のシール材１５が配索されている。

第１セパレータ３は、図１，２，４，５に示すように、膜電極接合体１の下側に組み付けられるため、膜電極接合体１と第１セパレータ３とで画成される空間に酸化ガス（例えば、酸素）が流れるように構成されている。第１セパレータ３におけるＹ方向の端部には、短手方向であるＸ方向に沿って燃料ガス用マニホールド１７、冷却媒体用マニホールド１９および酸化ガス用マニホールド２１が並列している。第１セパレータ３の裏側には、長手方向であるＹ方向の中央部にＹ方向に沿って延在する冷却媒体流路２３が複数形成されている。燃料ガス用マニホールド１７の周縁部のうちＹ方向の中央側の周縁部には、平坦な凸面２５が一般面２６よりも上側（Ｐ方向）に膨出して形成されている。また、第１セパレータ３の上面および下面の外周部分には、シート状の薄いシール材２７が配索されている。

第２セパレータ５は、図１，３，４，５に示すように、膜電極接合体１の上側に組み合わされるため、膜電極接合体１と第２セパレータ５とで画成される空間に燃料ガス（例えば、水素）が流れるように構成されている。第２セパレータ５におけるＹ方向の端部には、短手方向であるＸ方向に沿って燃料ガス用マニホールド３１、冷却媒体用マニホールド３３および酸化ガス用マニホールド３５が並列している。また、長手方向であるＹ方向の中央部にＹ方向に沿って延在する燃料ガス流路３７が複数形成されている。燃料ガス流路３７のＹ方向側には、Ｙ方向に沿って延びる燃料ガス排出路３９および凸部４１が形成されている。燃料ガス排出路３９と燃料ガス用マニホールド３１との間には、Ｘ方向に沿って細長く延びるガス排出孔４３が第２セパレータ５に形成され、燃料ガス用マニホールド３１の周縁部のうちＹ方向の中央側の周縁部には、波状部４５が形成されている。この波状部４５は、図１，６，７に示すように、Ｘ方向に行くに従って上下に起伏する波状に延びており、具体的には、湾曲した底部４７と頂部４９を有する。底部４７は、第２セパレータ５の一般面５１と同じ高さに配置され、頂部４９は、第１セパレータ３の凸面２５の裏側に当接している。また、波状部４５はＹ方向に沿って延びており、延在長さはＬに設定されている。つまり、延在長さＬのいずれの断面も図７に示すように形成されている。そして、図６，７に示すように、第１セパレータ３の凸面２５と第２セパレータ５の波状部４５とによって閉断面状の燃料ガス流出通路（ガス通路、撥水性領域連続通路）５３が画成されている。燃料ガス流出通路５３（撥水性領域連続通路）は、セルユニットにおける燃料ガス用マニホールド９，１７，３１（マニホールド）に連通している。

次に、燃料ガスの流れを簡単に説明する。

図１に示す反応面７を通過した燃料ガスは、水蒸気を含んでおり、図６の矢印に示すように、燃料ガス排出路３９に沿ってＹ方向に流れたのち、ガス排出孔４３から上側（Ｐ方向）に流れ、燃料ガス流出通路５３を通ったあとに、燃料ガス用マニホールド９に流れこむ。

次いで、図７，８を用いて、燃料ガス流出通路５３の内面における親水性領域および撥水性領域の第１態様を説明する。なお、図面において、撥水性領域５５を太い実線で示し、親水性領域５７を細い一点鎖線で示す。また、撥水性領域５５は、セパレータの表面に撥水剤を塗布したり、プラズマ処理やＵＶ処理を施したり、サンドブラスト処理を施す等の種々の方法で形成することができる。

図８に示すように、第１態様では、第２セパレータ５の波状部４５の底部４７の上面に撥水性領域５５を形成している。この撥水性領域５５は、断面がＵ字状に湾曲しており、図６に示す波状部４５の延在長さＬの全長に亘って形成されている。燃料ガス流出通路５３の内面における他の部位は、親水性領域５７に形成されている。

図９に示すように、Ｘ方向に沿って閉断面の燃料ガス流出通路５３が複数されている。第２態様では、これらの燃料ガス流出通路５３についてＸ方向に沿って一つとびに第２セパレータ５の波状部４５の上面全体に撥水性領域５５を形成している。つまり、所定の閉断面の燃料ガス流出通路５３においては、第２セパレータ５の波状部４５の上面全体に撥水性領域５５を形成し、第１セパレータ３の凸面２５の裏側には親水性領域５７が形成されている。そして、Ｘ方向において、前記所定の燃料ガス流出通路５３に隣接する燃料ガス流出通路５３の内面は、全面に親水性領域５７を形成し、撥水性領域５５を全く形成していない。なお、この撥水性領域５５は、図６に示す波状部４５の延在長さＬの全長に亘って形成されている。

図１０に示すように、第３態様では、第１セパレータ３の凸面２５の裏側の全面に撥水性領域５５が形成されている。そして、第２セパレータ５の波状部４５の上面全体に親水性領域５７を形成している。なお、この撥水性領域５５は、図６に示す波状部４５の延在長さＬの全長に亘って形成されている。

以下に、第１の実施形態による作用効果を説明する。

（１）膜電極接合体１、膜電極接合体１の下側（表面側）に配設される第１セパレータ３、および、膜電極接合体１の上側（裏面側）に配設される第２セパレータ５からなるセルユニットが複数積層されて構成される燃料電池スタックである。

これらの膜電極接合体１、第１セパレータ３および第２セパレータ５同士の間に形成されてガスが流通可能なガス通路の少なくともいずれかである燃料ガス流出通路５３は、
燃料ガス流出通路５３（ガス通路）の内面に撥水性領域５５および親水性領域５７の双方が形成されると共に、この撥水性領域５５が燃料ガス流出通路５３（ガス通路）の全長に亘って連続して繋がっている撥水性領域連続通路である。

作動中の燃料電池におけるガス（特に燃料ガス）には残留水が混入しているため、残留水を残留したままにしておくとマニホールドからガスを排出する効率が低下する。

本実施形態では、撥水性領域５５が燃料ガス流出通路５３（ガス通路）の全長に亘って連続して繋がっている撥水性領域連続通路を燃料ガス流出通路５３に設定されている。残留水は、撥水性領域５５ではじかれて流通しやすくなっており、かつ、撥水性領域５５が燃料ガス流出通路５３の全長に亘って連続して繋がっている。従って、燃料ガスに混入した残留水を燃料ガス流出通路５３から効率的に燃料ガス用マニホールド９，１７，３１（マニホールド）に排出することができる。

（２）燃料ガス流出通路５３（撥水性領域連続通路）は、セルユニットにおける燃料ガス用マニホールド９，１７，３１（マニホールド）に連通している。

具体的には、燃料ガス流出通路５３の出口が燃料ガス用マニホールド９，１７，３１に続くように形成されている。従って、燃料ガス流出通路５３の出口から流出した残留水を効率的に燃料ガス用マニホールド９，１７，３１（マニホールド）に排出することができる。

（３）燃料ガス流出通路５３（撥水性領域連続通路）において、撥水性領域は下側に配置され、親水性領域は上側に配置されている。

残留水は重力によって下側（垂直下方側）に溜まるため、撥水性領域を下側に配置することにより、残留水をさらに効率的に燃料ガス用マニホールド９，１７，３１（マニホールド）に排出しやすくすることができる。

（４）燃料ガス流出通路５３（撥水性領域連続通路）は、複数の閉断面構造に形成されている。

燃料ガス流出通路５３が複数の閉断面構造からなるため、所定の燃料ガス流出通路５３からの残留水の排出性が低下しても、別の燃料ガス流出通路５３から残留水を排出することができる。

[第２の実施形態]
次に、本発明の第２の実施形態について説明するが、第１の実施形態と同一構成の部位には、同一符号を付けて説明を省略する。

前述した第１の実施形態では、図７で説明したように、第２セパレータ５の波状部４５の頂部４９は、第１セパレータ３の凸面２５の裏側に当接することにより、Ｘ方向に沿って閉断面の燃料ガス流出通路５３が複数形成されている。

しかし、図１１に示すように、第２の実施形態では、第２セパレータ１０５の波状部１４５の高さが低く形成され、波状部１４５の頂部１４９は、第１セパレータ３の凸面２５の裏側まで到達していない。底部１４７の底面は第２セパレータ１０５の一般面と同じ高さに設定されている。そして、図１１に示すように、第１セパレータ３の凸面２５と第２セパレータ１０５の波状部１４５とによって、一つの閉断面状の燃料ガス流出通路１５３が画成されている。また、波状部１４５はＹ方向に沿って延びており、延在長さはＬに設定されている。つまり、延在長さＬのいずれの断面も図１１に示すように形成されている。

図１２に示すように、第２の実施形態では、第２セパレータ１０５の波状部１４５の上面全体に撥水性領域５５を形成している。第１セパレータ３の凸面２５の裏側は、全体が親水性領域５７に形成されている。この撥水性領域５５は、波状部１４５の延在長さＬの全長に亘って形成されている。

以下に、第２の実施形態による作用効果を説明する。

（１）波状部１４５の頂部１４９の高さが第１実施形態における波状部４５の頂部４９よりも低いため、残留水の残存量が少ない場合でも底部１４７の底面に沿って効率的に残留水を排出することができる。

[第３の実施形態]
次に、本発明の第３の実施形態について説明するが、第１および第２の実施形態と同一構成の部位には、同一符号を付けて説明を省略する。

しかし、図１３に示すように、第３の実施形態では、第２セパレータ２０５では平坦な底面２４５が形成されている。そして、図１３に示すように、第１セパレータ３の凸面２５と第２セパレータ２０５の底面とによって、一つの閉断面状の燃料ガス流出通路２５３が画成されている。また、底面はＹ方向に沿って延びており、延在長さはＬに設定されている。つまり、延在長さＬのいずれの断面も図１３に示すように形成されている。

図１４に示すように、第１態様では、第２セパレータ２０５の底面２４５にＸ方向に所定間隔をおいて撥水性領域５５と親水性領域５７とが交互に配置されている。第１セパレータの凸面の裏側は、全体が撥水性領域５５に形成されている。この撥水性領域５５は、波状部の延在長さＬの全長に亘って形成されている。

図１５に示すように、第２態様では、第２セパレータ２０５の底面２４５にＸ方向に沿って所定間隔をおいて撥水性領域５５と親水性領域５７とが交互に配置されている。第１セパレータ３の凸面２５の裏側は、全体が親水性領域５７に形成されている。この撥水性領域５５は、延在長さＬの全長に亘って形成されている。

以下に、第３の実施形態による作用効果を説明する。

（１）第２セパレータ２０５の底面２４５にＸ方向に所定間隔をおいて撥水性領域５５と親水性領域５７とが交互に配置されている。このため、燃料ガス流出通路２５３の延在方向に沿って効率的に残留水を流通させることができる。

[第４の実施形態]
次に、図１６，１７を用いて、本発明の第４の実施形態について説明するが、第１〜第３の実施形態と同一構成の部位には、同一符号を付けて説明を省略する。

前述した第１〜第３の実施形態では、第１セパレータ３および第２セパレータ５がそれぞれ水平方向に沿って延びており、第１セパレータ３と第２セパレータ５とが上下方向に積載されている。

しかし、第４の実施形態では、図１６，１７に示すように、第１セパレータ３および第２セパレータ５がそれぞれ上下方向に沿って延びており、第１セパレータ３と第２セパレータ５とが水平方向に配列されている。この場合、第２セパレータ５の波状部４５は、上下方向に行くに従って水平方向に起伏する波状に延びており、波状部４５は複数形成されている。そして、図１６に示す波状部４５の上下方向の中央部よりも下側の波状部４５のみに撥水性領域５５を形成している。即ち、上下方向の中央部よりも下側の波状部４５の内面のみに撥水性領域５５を形成し、この部位以外は全て親水性領域５７に形成する。

以下に、第４の実施形態による作用効果を説明する。

（１）本実施形態によれば、第１セパレータ３、第２セパレータ５および膜電極接合体１が横方向に並列して燃料電池スタックが形成された場合でも、効率的に残留水を排出させることができる。

ところで、本発明の燃料電池スタックは前述の実施形態に例をとって説明したが、この実施形態に限ることなく本発明の要旨を逸脱しない範囲で他の実施形態を各種採用することができる。

例えば、前述した実施形態では、撥水性領域連続通路を燃料ガス流出通路５３，１５３，２５３としたが、別のガス通路を撥水性領域連続通路に設定してもよい。

１膜電極接合体
３第１セパレータ
５第２セパレータ
５３燃料ガス流出通路（ガス通路、撥水性領域連続通路）
９，１７，３１燃料ガス用マニホールド（マニホールド）

Claims

膜電極接合体、前記膜電極接合体の表面側に配設される第１セパレータ、および、前記膜電極接合体の裏面側に配設される第２セパレータからなるセルユニットが複数積層されて構成される燃料電池スタックであって、
これらの前記膜電極接合体、第１セパレータおよび第２セパレータ同士の間に形成されてガスが流通可能なガス通路の少なくともいずれかは、
ガス通路の内面に撥水性領域および親水性領域の双方が形成されると共に、この撥水性領域がガス通路の全長に亘って連続して繋がっている撥水性領域連続通路であり、
前記撥水性領域連続通路において、前記撥水性領域は下側に配置され、親水性領域は上側に配置されていることを特徴とする燃料電池スタック。
請求項１に記載の燃料電池スタックであって、
前記撥水性領域連続通路は、前記セルユニットにおけるマニホールドに連通していることを特徴とする燃料電池スタック。
請求項１または２に記載の燃料電池スタックであって、
前記撥水性領域連続通路は、複数の閉断面構造に形成されていることを特徴とする燃料電池スタック。