JP6780612B2 - 燃料電池用セパレータ - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池用セパレータに関する。

発電用に供給される酸化剤ガスを冷却にも用いる空冷式の燃料電池が知られている。空冷式の燃料電池に用いられるセパレータとして、一方の面に発電に用いられる酸化剤ガスが流通する流路を有し、反対側の他方の面に冷却に用いられる酸化剤ガスが流通する流路を有するセパレータが知られている（例えば、特許文献１）。

国際公開第２００９／１４２９９４号

空冷式の燃料電池では、酸化剤ガスが流通する流路が液水によって閉塞されてしまうことがある。この場合、酸化剤ガスの流通が阻害されるため、発電性能の低下が生じてしまう。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、酸化剤ガス流路の閉塞を抑制することを目的とする。

本発明は、燃料電池に用いられる燃料電池用セパレータであって、一方の面に設けられ、酸化剤ガスが流通する第１酸化剤ガス流路と、前記一方の面とは反対側の他方の面に設けられ、前記酸化剤ガスが流通し、前記第１酸化剤ガス流路よりも幅が狭い第２酸化剤ガス流路と、を備え、前記第１酸化剤ガス流路と前記第２酸化剤ガス流路とは、表面が親水性を有する側壁を間に挟んで配置され、前記側壁には前記第１酸化剤ガス流路と前記第２酸化剤ガス流路とを連通する貫通孔が設けられていて、前記第２酸化剤ガス流路の前記貫通孔が設けられた領域における幅は前記第２酸化剤ガス流路の高さよりも小さく、前記貫通孔の最大幅は前記第１酸化剤ガス流路の前記貫通孔が設けられた領域における幅よりも小さく且つ前記第２酸化剤ガス流路の前記貫通孔が設けられた領域における幅よりも大きい、燃料電池用セパレータである。

本発明によれば、酸化剤ガス流路の閉塞を抑制することができる。

図１は、実施例１に係る空冷式燃料電池を構成する単セルの分解斜視図である。 図２は、カソード側セパレータの斜視図である。 図３は、図２に示すカソード側セパレータを用いることの効果を説明する図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。

実施例１の空冷式燃料電池は、反応ガスとして燃料ガス（例えば水素）と酸化剤ガス（例えば空気）の供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池であり、多数の単セルを積層したスタック構造を有する。図１は、実施例１に係る空冷式燃料電池を構成する単セル１００の分解斜視図である。図１のように、実施例１の単セル１００は、アノード側セパレータ１８ａ、膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ：Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly）２０、及びカソード側セパレータ１８ｃを備える。ＭＥＧＡ２０はフレーム部材４０の内側に配置されている。フレーム部材４０は、例えば樹脂（例えばエポキシ樹脂又はフェノール樹脂など）の絶縁部材を含んで形成されている。ＭＥＧＡ２０及びフレーム部材４０は、アノード側セパレータ１８ａとカソード側セパレータ１８ｃによって挟持されている。

カソード側セパレータ１８ｃの少なくともＭＥＧＡ２０に対向する部位は、ガス遮断性及び電子伝導性を有する部材によって形成されている。カソード側セパレータ１８ｃは、例えばプレス成型による曲げ加工によって凹凸形状が形成されたステンレス鋼などの金属板からなる。カソード側セパレータ１８ｃの詳細については後述する。

アノード側セパレータ１８ａは、ガス遮断性及び電子伝導性を有する部材によって形成され、例えばカーボンを圧縮してガス不透過とした緻密性カーボンなどのカーボン部材やステンレス鋼などの金属部材によって形成されている。アノード側セパレータ１８ａには孔ａ１及び孔ａ２が設けられ、フレーム部材４０には孔ｓ１及び孔ｓ２が設けられ、カソード側セパレータ１８ｃの両側に配置された周縁部材７０には孔ｃ１及び孔ｃ２が設けられている。周縁部材７０は、例えば熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂などの絶縁部材である。孔ａ１と孔ｓ１と孔ｃ１は連通し、水素を供給する供給マニホールドを画定する。孔ａ２と孔ｓ２と孔ｃ２は連通し、水素を排出する排出マニホールドを画定する。アノード側セパレータ１８ａのＭＥＧＡ２０側の面には、供給マニホールドから排出マニホールドに向かって延在し、ＭＥＧＡ２０に供給される水素が流れる燃料ガス流路２６が設けられている。なお、周縁部材７０はカソード側セパレータ１８ｃと同じ材料によって形成されていてもよい。すなわち、カソード側セパレータ１８ｃによって周縁部材７０に相当する部分が形成されていてもよい。

ＭＥＧＡ２０は、電解質膜１２、アノード触媒層１４ａ、カソード触媒層１４ｃ、アノードガス拡散層１６ａ、及びカソードガス拡散層１６ｃを備える。アノード触媒層１４ａは電解質膜１２の一方の面に設けられ、カソード触媒層１４ｃは電解質膜１２の他方の面に設けられている。これにより、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）１０が形成されている。電解質膜１２は、例えばスルホン酸基を有するフッ素系樹脂材料又は炭化水素系樹脂材料で形成された固体高分子膜であり、湿潤状態において良好なプロトン伝導性を有する。アノード触媒層１４ａ及びカソード触媒層１４ｃは、例えば電気化学反応を進行する触媒（白金又は白金−コバルト合金など）を担持したカーボン粒子（カーボンブラックなど）と、スルホン酸基を有する固体高分子であって湿潤状態で良好なプロトン伝導性を有するアイオノマーと、を含む。

アノードガス拡散層１６ａとカソードガス拡散層１６ｃは、ＭＥＡ１０の両側に設けられ、ＭＥＡ１０を挟持している。アノードガス拡散層１６ａ及びカソードガス拡散層１６ｃは、ガス透過性及び電子伝導性を有する部材によって形成されていて、例えばカーボンクロス又はカーボンペーパなどの多孔質カーボン製部材によって形成されている。なお、ＭＥＡ１０とアノードガス拡散層１６ａ及びカソードガス拡散層１６ｃとの間に、ＭＥＡ１０内に含まれる水分量の調整を目的とした撥水層を備えていてもよい。

ここで、図１に加えて、図２を用いて、カソード側セパレータ１８ｃについて説明する。図２は、カソード側セパレータ１８ｃの斜視図である。図１及び図２のように、カソード側セパレータ１８ｃには、厚み方向の凹凸形状によって、それぞれ空気が流れる酸化剤ガス流路２２と酸化剤ガス流路２４が形成されている。酸化剤ガス流路２２と酸化剤ガス流路２４は、カソード側セパレータ１８ｃの一端から他端に向かって直線状に延在している。したがって、酸化剤ガス流路２２及び酸化剤ガス流路２４を流れる空気は、カソード側セパレータ１８ｃの一端側である空気供給口から他端側である空気排出口に向かって流れる。また、酸化剤ガス流路２２と酸化剤ガス流路２４は、空気の流通方向に交差する方向で側壁２８を間に挟んで隣り合って配置されている。

酸化剤ガス流路２２は、カソード側セパレータ１８ｃのＭＥＧＡ２０側の面に設けられてＭＥＧＡ２０側に開口した凹部３０によって形成されている。したがって、酸化剤ガス流路２２を流れる空気は、ＭＥＧＡ２０に供給されて主に発電に用いられる。酸化剤ガス流路２４は、カソード側セパレータ１８ｃのＭＥＧＡ２０とは反対側の面に設けられてＭＥＧＡ２０とは反対側に開口した凹部３２によって形成されている。凹部３２の底面（酸化剤ガス流路２４のＭＥＧＡ２０側の面）には複数の貫通孔３４が設けられている。したがって、酸化剤ガス流路２４を流れる空気は、ＭＥＧＡ２０の冷却に主に用いられるが、一部は貫通孔３４を介してＭＥＧＡ２０に供給されて発電に用いられる。

凹部３０及び凹部３２の内面は、親水性を有する。つまり、酸化剤ガス流路２２と酸化剤ガス流路２４を隔てる側壁２８の表面は親水性を有する。また、側壁２８には、酸化剤ガス流路２２と酸化剤ガス流路２４を連通する１又は複数の貫通孔３６が設けられている。貫通孔３６の側壁２８の表面における形状は、例えば円形状をしている。

酸化剤ガス流路２２の貫通孔３６が設けられている領域における幅Ｗ１は、酸化剤ガス流路２４の貫通孔３６が設けられている領域における幅Ｗ２よりも小さくなっている。酸化剤ガス流路２２の幅Ｗ１は、例えば０ｍｍより大きく且つ０．６ｍｍ以下であり、一例として０．４ｍｍである。なお、０ｍｍより大きいとは、酸化剤ガス流路２２において一部で接触していてもよいことを意味し、酸化剤ガス流路２２の全域にわたって０ｍｍでなければよい。酸化剤ガス流路２４の幅Ｗ２は、例えば１．６ｍｍ以上且つ４．０ｍｍ以下であり、一例として２．５ｍｍである。貫通孔３６の直径（最大幅）は、酸化剤ガス流路２２の幅Ｗ１よりも大きく且つ酸化剤ガス流路２４の幅Ｗ２よりも小さくなっている。貫通孔３６の直径は、例えば０．７ｍｍ以上且つ１．５ｍｍ以下であり、一例として１．０ｍｍである。また、酸化剤ガス流路２２の幅Ｗ１は、酸化剤ガス流路２２及び酸化剤ガス流路２４の高さＨよりも小さくなっている。酸化剤ガス流路２２及び酸化剤ガス流路２４の高さＨは、例えば０．７ｍｍ以上且つ４．０ｍｍ以下であり、一例として２．６ｍｍである。

図３は、図２に示すカソード側セパレータ１８ｃを用いることの効果を説明する図である。図３のように、結露水、外部から混入する雨水又は霧、若しくは酸化剤ガス流路２４の側壁２８に設けられた貫通孔３６を介して浸入する生成水などによって、酸化剤ガス流路２４に液水５０が溜まることがある。特に、酸化剤ガス流路２４の底面に貫通孔３４が設けられている場合には、酸化剤ガス流路２４に貫通孔３４を介して生成水が浸入し易い。この液水５０によって酸化剤ガス流路２４が閉塞されると酸化剤ガスの流通が阻害されるようになるが、実施例１のカソード側セパレータ１８ｃでは以下のメカニズムによって酸化剤ガス流路２４が液水５０で閉塞されることが抑制される。

すなわち、酸化剤ガス流路２２と酸化剤ガス流路２４を隔てる側壁２８は表面が親水性を有すると共に、側壁２８には酸化剤ガス流路２４の幅Ｗ２よりも直径の小さい貫通孔３６が設けられている。このため、酸化剤ガス流路２４に溜まった液水５０は、毛細管現象によって貫通孔３６に吸い上げられるようになる。酸化剤ガス流路２４の液水５０を吸い上げることで貫通孔３６には液水５０が溜まるが、貫通孔３６に溜まった液水５０は、貫通孔３６の直径よりも小さい幅Ｗ１を有する酸化剤ガス流路２２に毛細管現象によって吸い上げられるようになる。このように、酸化剤ガス流路２４に溜まった液水５０は、貫通孔３６を介して、酸化剤ガス流路２２に吸い上げられるようになる。

酸化剤ガス流路２２の幅Ｗ１は高さＨよりも小さいことから、酸化剤ガス流路２２に吸い上げられた液水５０は、親水性を有する側壁２８間に挟まれることで酸化剤ガス流路２２内を液膜として拡散するようになる（図３中の点線矢印参照）。酸化剤ガス流路２２の下流側は、酸化剤ガス流路２４を流れる空気による冷却効果が小さいため高温になり易い。このため、酸化剤ガス流路２２内に拡散した液水５０は、酸化剤ガス流路２２の下流側の高温部で気化し、水蒸気となって酸化剤ガス流路２２及び酸化剤ガス流路２４から排出される（図３中の実線矢印参照）。この一連の動作が繰り返し行われることで、酸化剤ガス流路２４に溜まった液水５０を排出することができ、酸化剤ガス流路２４が液水５０で閉塞することを抑制できる。なお、酸化剤ガス流路２２では、上述のように、液水５０は親水性を有する側壁２８間に挟まれて酸化剤ガス流路２２内を液膜として拡散するため、酸化剤ガス流路２２が液水５０で閉塞することは起こり難い。

以上のように、実施例１によれば、酸化剤ガス流路２２と酸化剤ガス流路２４とを隔てる側壁２８は表面が親水性を有すると共に、側壁２８には酸化剤ガス流路２２と酸化剤ガス流路２４を連通する貫通孔３６が設けられている。そして、酸化剤ガス流路２２の幅Ｗ１は高さＨよりも小さく、且つ、貫通孔３６の直径（最大幅）は、酸化剤ガス流路２４の幅Ｗ２よりも小さく且つ酸化剤ガス流路２２の幅Ｗ１よりも大きくなっている。これにより、図３で説明したメカニズムによって、酸化剤ガス流路２４に溜まった液水５０は酸化剤ガス流路２２に吸い上げられ、酸化剤ガス流路２２内を拡散して、外部に排出されるようになる。このため、酸化剤ガス流路２２及び酸化剤ガス流路２４が液水５０によって閉塞することを抑制できる。

また、酸化剤ガス流路２４から酸化剤ガス流路２２に吸い上げられた液水５０は、酸化剤ガス流路２２内を拡散し、酸化剤ガス流路２２の下流側の高温部において気化して水蒸気となる。このときに、液水５０が気化する際の気化熱に相当する吸熱によって、酸化剤ガス流路２２及び酸化剤ガス流路２４の下流側に位置するＭＥＡ１０を冷却することができる。よって、発電性能を改善する効果も得られる。

図２のように、酸化剤ガス流路２２において、ＭＥＧＡ２０とは反対側である底面側の幅は貫通孔３６が設けられた領域における幅Ｗ１よりも大きくてもよい。これにより、隣接するセルのアノード側セパレータ１８ａとの接触面積を大きくすることができ、接触抵抗を低減することができる。

なお、実施例１では、ＭＥＧＡ２０側に開口した酸化剤ガス流路２２の幅Ｗ１がＭＥＧＡ２０とは反対側に開口した酸化剤ガス流路２４の幅Ｗ２よりも狭い場合を例に示したが、反対の場合でもよい。すなわち、酸化剤ガス流路２４の幅Ｗ２が酸化剤ガス流路２２の幅Ｗ１よりも狭い場合でもよい。しかしながら、ＭＥＧＡ２０の乾燥を抑制する点から、酸化剤ガス流路２２の幅Ｗ１が酸化剤ガス流路２４の幅Ｗ２よりも狭い場合が好ましい。この場合、ＭＥＧＡ２０に適切な量の空気が供給されるよう、酸化剤ガス流路２４の底面に貫通孔３４が設けられている場合が好ましい。

側壁２８に設けられる貫通孔３６は、酸化剤ガス流路２２及び酸化剤ガス流路２４の上流域において中流域よりも多く設けられていてもよい。酸化剤ガス流路２２及び酸化剤ガス流路２４の上流域では、酸化剤ガス流路２４を流れる空気による冷却効果が大きいことから水分が液化され易く、酸化剤ガス流路２４に液水５０が溜まり易いためである。

また、側壁２８に設けられた貫通孔３６は、酸化剤ガス流路２２及び酸化剤ガス流路２４の下流域において中流域よりも多く設けられていてもよい。上述したように、酸化剤ガス流路２４から貫通孔３６を介して酸化剤ガス流路２２に吸い上げられた液水５０は、下流域の高温部において気化して水蒸気となる。下流域での貫通孔３６の個数を多くすることで、気化して比較的温度が低くなった水蒸気が酸化剤ガス流路２２から酸化剤ガス流路２４に広がるため、ＭＥＡ１０を効果的に冷却できるためである。

複数の貫通孔３６のうちの隣り合う貫通孔３６の間隔は貫通孔３６の直径（最大幅）よりも大きくてもよい。これにより、毛細管現象による貫通孔３６への液水５０の吸い上げを効率的に行わせることができる。

なお、実施例１では、貫通孔３６は、側壁２８の表面における形状が円形状である場合を例に示したが、楕円形状又は矩形状など、その他の場合でもよい。なお、貫通孔３６が楕円形状である場合の最大幅は長径となり、貫通孔３６が矩形状である場合の最大幅は対角線の長さとなる。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例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。

１０ 膜電極接合体
１２ 電解質膜
１４ａ アノード触媒層
１４ｃ カソード触媒層
１６ａ アノードガス拡散層
１６ｃ カソードガス拡散層
１８ａ アノード側セパレータ
１８ｃ カソード側セパレータ
２０ 膜電極ガス拡散層接合体
２２ 酸化剤ガス流路
２４ 酸化剤ガス流路
２６ 燃料ガス流路
２８ 側壁
３０ 凹部
３２ 凹部
３４ 貫通孔
３６ 貫通孔
５０ 液水
４０ フレーム部材
７０ 周縁部材

Claims (1)

1. 燃料電池に用いられる燃料電池用セパレータであって、
   一方の面に設けられ、酸化剤ガスが流通する第１酸化剤ガス流路と、
   前記一方の面とは反対側の他方の面に設けられ、前記酸化剤ガスが流通し、前記第１酸化剤ガス流路よりも幅が狭い第２酸化剤ガス流路と、を備え、
   前記第１酸化剤ガス流路と前記第２酸化剤ガス流路とは、表面が親水性を有する側壁を間に挟んで配置され、
   前記側壁には前記第１酸化剤ガス流路と前記第２酸化剤ガス流路とを連通する貫通孔が設けられていて、
   前記第２酸化剤ガス流路の前記貫通孔が設けられた領域における幅は前記第２酸化剤ガス流路の高さよりも小さく、
   前記貫通孔の最大幅は前記第１酸化剤ガス流路の前記貫通孔が設けられた領域における幅よりも小さく且つ前記第２酸化剤ガス流路の前記貫通孔が設けられた領域における幅よりも大きい、燃料電池用セパレータ。

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