JP6944123B2 - ガス流路形成部材 - Google Patents

Description

本発明は、ガス流路形成部材に関する。

燃料電池を構成するセルとして、膜電極拡散層接合体（ＭＥＧＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ＆ Ｇａｓ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｌａｙｅｒ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と、セパレータと、膜電極拡散層接合体とセパレータとの間に配置されるガス流路形成部材とを備えたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１１−４４３９９号公報

ガス流路形成部材を備えるセルでは、膜電極拡散層接合体で発生した生成水を良好に排出させることができるが、燃料電池の高温運転時においては、生成水が過度に排出されて膜電極拡散層接合体がドライアップし易いという問題があった。

このため、上記構造のセルでは、ドライアップし易い空気流の上流側において、ガス流路形成部材に形成した平板部を膜電極拡散層接合体に密着させているが、このように平板部を膜電極拡散層接合体に密着させることで、その部分における発電効率が下がり、セルとしての発電量が低下してしまう。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、発電効率を低下させることなく、ドライアップを抑制し、しかも、良好な排水性を確保することが可能なガス流路形成部材を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明のガス流路形成部材は、
燃料電池のセルを構成する膜電極拡散層接合体とセパレータとの間に配置されてガス流路を形成するガス流路形成部材であって、
表裏に凹部及び凸部を有した凹凸形状とされ、前記凹部がガス流路となり、
前記ガスの流れの上流領域を除く中流領域以降に、前記凸部のうち前記膜電極拡散層接合体に当接する頂部とその両端にそれぞれ連なる側部を表裏に連通するスリット状の連通孔が形成され、前記上流領域は、前記連通孔のない非連通領域とされている。

この構成のガス流路形成部材によれば、ガスの流れの中流領域以降に連通孔を設けて上流領域を非連通領域としたことで、発電時に膜電極拡散層接合体で生成される生成水の流れを、上流領域と中流領域以降とで制御することができる。これにより、連通孔のない非連通領域である上流領域側ではガスの流れを阻害することなくドライアップを抑制でき、中流領域以降では、生成水の良好な排水性を確保することができる。したがって、膜電極拡散層接合体の全領域での良好な発電効率を確保でき、発電量を向上させることができる。

本発明の一態様にかかるガス流路形成部材は、中流領域につづく下流領域に形成される連通孔の同士の間隔は、中流領域における連通孔同士の間隔より狭い。

この態様によれば、下流領域における排水性が中流領域よりも高められるので、全領域での水分量のばらつきを抑制し、発電性能を向上させることが可能になる。

本発明の一態様にかかるガス流路形成部材は、膜電極拡散層接合体からの高さが異なる複数の連通路を備える。

この態様によれば、中流領域や下流領域において、毛管力を調整して排水性を制御することが可能になる。

本発明の一態様にかかるガス流路形成部材は、幅が異なる複数の連通路を備える。

この態様によれば、中流領域や下流領域において、毛管力を調整して排水性を制御することが可能になる。

また、本発明の一態様に係るガス流路形成部材を搭載した燃料電池のセルは、セパレータと、膜電極拡散層接合体と、セパレータと膜電極拡散層接合体の間に設けられるガス流路形成部材であって、膜電極拡散層接合体に向かって突出し膜電極拡散層接合体に当接する凸部と、この凸部に連続して設けられる凹部により、この凹部と膜電極拡散層接合体との間隙となる第１の流路と、凸部とセパレータとの間隙となる第２の流路を形成するガス流路形成部材と、を備え、流入口から供給されたガスを、第１の流路を通過させて、流出口から排気することにより電力を発生させる燃料電池のセルであって、ガス流路形成部材には、第１の流路の上流の領域において、凸部とこの凸部に連続して設けられる凹部により下流に向かうにつれて増加する水分量を減少させるために、上流の領域につづく中流の領域において、第１の流路と第２の流路を連通する複数の孔が設けられている燃料電池のセル、である。

この態様によれば、複数の孔を用いて第１の流路の水分を第２の流路側に移動させることが可能になるから、膜電極拡散層接合体で発生した生成水を良好に排出しつつ、発電効率の低下を抑制することが可能になる。

この態様において、複数の孔は、上流の領域において下流に向かうにつれて減少するガスの分圧を増加させるように設けてもよい。

この態様によれば、上流の領域において減少するガスの分圧を中流の領域で増加させるので、発電効率の低下を抑制することが可能になる。

この態様において、上流の領域の下流側端部のガスの分圧は、流出口におけるガスの分圧を下回らないように、複数の孔を設けてもよい。

この態様によれば、上流の領域において減少したガスの分圧は、上流の領域の下流側端部においても、流出口におけるガスの分圧を下回らないから、発電効率の低下を抑制することが可能になる。

この態様において、中流の領域につづく下流の領域において、第１の流路と第２の流路を連通する複数の孔をさらに設け、その間隔を中流域の複数の孔の間隔より狭めてもよい。

この態様によれば、排水効率が向上するから、下流の領域において飽和水蒸気圧に達して液水が発生しても、発電効率の低下を抑制することが可能になる。

本発明のガス流路形成部材によれば、発電効率を低下させることなく、ドライアップを抑制し、しかも、良好な排水性を確保することができる。

燃料電池スタックを構成するセルの概略断面図である。 本実施形態に係るガス流路形成部材を説明するガス流路形成部材の概略正面図、各領域における酸素分圧（空気分圧）及び水分量を表すグラフである。 ガス流路形成部材の各領域における形状を説明する図であって、（ａ）は上流領域における斜視図、（ｂ）は中流領域における斜視図、（ｃ）は下流領域における斜視図である。 ガス流路形成部材の連通孔を有する領域における斜視図である。 ガス流路形成部材の連通孔を有する領域におけるセルの幅方向に沿う概略断面図である。 連通孔における毛管力の調整の仕方について説明する図であって、（ａ）〜（ｃ）は、それぞれガスの流れに沿う方向の概略断面図である。

以下、本発明に係るガス流路形成部材の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、燃料電池スタックを構成するセルの概略断面図である。

図１に示すように、本実施形態に係るガス流路形成部材１０は、燃料電池のスタックを構成するセル１１に設けられている。セル１１は、膜電極拡散層接合体（以下、ＭＥＧＡという）１２と、このＭＥＧＡ１２の両面に設けられたセパレータ１３とを備えている。ＭＥＧＡ１２は、固体高分子電解質膜（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）の表裏に触媒層と拡散層を備えている。ガス流路形成部材１０は、３次元的な微細格子流路（３Ｄファインメッシュ流路とも呼ばれる。）を形成するための部材であり、ＭＥＧＡ１２とセパレータ１３との間に配置されている。ガス流路形成部材１０は、例えば、フェライト系ＳＵＳ（ステンレス鋼）、チタン合金、カーボン、金鍍金を施したチタン合金、或いは金合金から形成されている。なお、ガス流路形成部材１０としては、多孔体から形成されたものでも良い。

そして、セル１１は、ガス流路形成部材１０によって、ＭＥＧＡ１２の一方の面に空気極Ａが設けられ、他方の面に燃料極Ｂが設けられ、これらの空気極Ａおよび燃料極Ｂを両側から挟み込むように一対のセパレータ１３が設けられた構造となっている。セル１１には、空気極Ａに酸化ガスとしての空気が供給され、燃料極Ｂに燃料ガスとしての水素ガスが供給される。これにより、セル１１では、ＭＥＧＡ１２において、空気と水素とが電気化学反応することで電力が発生する。

図２は、本実施形態に係るガス流路形成部材を説明するガス流路形成部材の概略正面図、各領域における酸素分圧（空気分圧）及び水分量を表すグラフである。

図２に示すように、セル１１には、その両端に、マニホールド２１Ａ，２１Ｂを有しており、セル１１の空気極Ａには、一方のマニホールド２１Ａの空気流入口２２Ａから空気が供給され、他方のマニホールド２１Ｂの空気流出口２２Ｂから排気される。これにより、空気極Ａでは、一方のマニホールド２１Ａ側から他方のマニホールド２１Ｂ側（図２中矢印Ｘ方向）へ向かって空気が流される。空気極Ａに設けられたガス流路形成部材１０は、空気の流れに沿って領域が複数に分割されている。具体的には、空気の流れの上流部分が上流領域３０Ａ、空気の流れの中流部分が中流領域３０Ｂ、空気の流れの下流部分が下流領域３０Ｃとされている。

図３は、ガス流路形成部材の各領域における形状を説明する図であって、（ａ）は上流領域における斜視図、（ｂ）は中流領域における斜視図、（ｃ）は下流領域における斜視図である。

図３（ａ）〜図３（ｃ）に示すように、ガス流路形成部材１０は、ＭＥＧＡ１２との対向面に、空気の流れに沿って互いに並列に配置された複数の溝部（凹部）３１を有しており、これらの溝部３１の間がＭＥＧＡ１２側へ突出する突条部（凸部）３２とされている。また、ガス流路形成部材１０は、突条部３２の裏側が溝部（凹部）３３とされ、溝部３１の裏側がセパレータ１３側へ突出する突条部（凸部）３４とされている。そして、このガス流路形成部材１０は、ＭＥＧＡ１２に対して突条部３２が当接され、セパレータ１３に対して突条部３４が当接される。これにより、セル１１には、ガス流路形成部材１０のＭＥＧＡ１２側の溝部３１によってＭＥＧＡ１２の表面に空気が流れるガス流路Ａｒが形成され、ガス流路形成部材１０のセパレータ１３側の溝部３３によって、セパレータ１３の表面に排水路Ｗｒが形成される。

また、図３（ｂ）及び図３（ｃ）に示すように、ガス流路形成部材１０には、上流領域３０Ａを除く中流領域３０Ｂ以降、つまり、中流領域３０Ｂ及び下流領域３０Ｃに、表裏に連通する連通孔４１が形成されている。また、各連通孔４１は、一対一組で形成されており、各組の連通孔４１同士は、中流領域３０Ｂにおける間隔Ｇｂよりも下流領域３０Ｃにおける間隔Ｇｃが狭くされている。これにより、中流領域３０Ｂよりも下流領域３０Ｃの方が連通孔４１の面積当たりの数量が多くされている。

図４は、ガス流路形成部材の連通孔を有する領域における斜視図である。図５は、ガス流路形成部材の連通孔を有する領域におけるセルの幅方向に沿う概略断面図である。

図４及び図５に示すように、ガス流路形成部材１０の中流領域３０Ｂ及び下流領域３０Ｃでは、溝部３１の間でＭＥＧＡ１２側に突出する突条部３２に凹み４２を形成することで、これらの凹み４２の底部と、セパレータ１３側の溝部３３の底部との間に、スリット状の連通孔４１が形成されている。

このような連通孔４１を有するガス流路形成部材１０では、発電時にＭＥＧＡ１２で発生した生成水ＳＷが、スリット状の連通孔４１における毛管力によって吸い上げられ、セパレータ１３側の溝部３３によって形成された排水路Ｗｒへ導かれて排水される。

上記構成のガス流路形成部材１０では、上流領域３０Ａが、連通孔４１のない非連通領域とされている。これにより、セル１１の空気極Ａでは、連通孔４１のない上流領域３０Ａにおいては、ＭＥＧＡ１２側とセパレータ１３側とがガス流路形成部材１０によって分離される。したがって、この上流領域３０Ａでは、空気量が疑似的にＭＥＧＡ１２側のみとされ、ＭＥＧＡ１２で生じる生成水の蒸気の持ち去り量が抑制されることとなり、上流領域３０Ａの下流側端部へ向かって水分量が増加し、飽和水蒸気圧に達する（図２における水分量のグラフ参照）。なお、上流領域３０Ａの範囲は、上流領域３０Ａの下流側端部での酸素分圧（空気分圧）が、ガス流路形成部材１０の下流出口での酸素分圧（空気分圧）Ｐを下回らない範囲とする（図２における酸素分圧（空気分圧）のグラフ参照）。

また、連通孔４１を有する中流領域３０Ｂ以降では、連通孔４１による排水機能により、酸素分圧（空気分圧）が一旦増加して徐々に減少するとともに（図２における酸素分圧（空気分圧）のグラフ参照）、空気中の水分量が一旦減少して徐々に増加する（図２における水分量のグラフ参照）。

そして、下流領域３０Ｃでは、中流領域３０Ｂよりも連通孔４１を多く設けたことで、ＭＥＧＡ１２側で発生した生成水が積極的にセパレータ１３側へ移動される。なお、下流領域３０Ｃの範囲は、中流領域３０Ｂ以降で生成水の蒸気中に液水が生じる位置よりも下流側とする（図２における水分量のグラフ参照）。

ここで、ガス流路形成部材１０として、上流領域３０Ａから下流領域３０Ｃまでの全領域にわたって均一に連通孔４１が設けられたものを用いると、ＭＥＧＡ１２の上流から下流までの間の面内水分状態が大きく変わり、性能低下原因の一つとなってしまう。つまり、ＭＥＧＡ１２の上流側では、生成水が少ないために、ガス流路形成部材１０の排水能力によって渇き過ぎてしまい、ドライアップし易くなり、また、ＭＥＧＡ１２の下流側では、生成水の排水が間に合わず、表面に付着した生成水によって発電効率が低下してしまう。

これに対して、本実施形態によれば、空気の流れの中流領域３０Ｂ以降に連通孔４１を設け上流領域３０Ａを非連通領域としたことで、発電時にＭＥＧＡ１２で生成される生成水の流れを、上流領域３０Ａと中流領域３０Ｂ以降とで制御することができる。これにより、上流領域３０Ａ側では空気の流れを阻害することなくドライアップを抑制でき、中流領域３０Ｂ以降では、生成水の良好な排水性を確保することができる。したがって、ＭＥＧＡ１２の全領域での良好な発電効率を確保でき、発電量を向上させることができる。

特に、連通孔４１は、空気の流れの中流領域３０Ｂ及び下流領域３０Ｃに複数設けられ、下流領域３０Ｃにおける連通孔４１同士の間隔Ｇｃが、中流領域３０Ｂにおける連通孔４１同士の間隔Ｇｂよりも狭くされている。したがって、フラッディングしやすい中流領域３０Ｂ及び下流領域３０Ｃでは、連通孔４１により生成水の良好な排水性が確保され、かつ下流領域３０Ｃにおける排水性が中流領域３０Ｂよりも高められる。これにより、ＭＥＧＡ１２の全領域での水分量のばらつきをさらに抑制し、発電性能を向上させることができる。

このように、本実施形態に係るガス流路形成部材１０を用いれば、ＭＥＧＡ１２に面する水状態をコントロールして最適な保水状態及び酸素分圧（空気分圧）を保持することができる。これにより、例えば、高温運転時での渇きなどを抑制しつつ、セル１１の出力及び温度を好適に維持することができる。

なお、ガス流路形成部材１０における連通孔４１での排水性の制御の仕方としては、連通孔４１の形成数を増減させるものに限らない。

例えば、図６（ａ）に示すように、連通孔４１を形成するための凹み４２の高さ寸法Ｈを増減させたり、図６（ｂ）に示すように、連通孔４１を形成するための凹み４２の幅寸法Ｗを増減させることで、連通孔４１における毛管力を調整して排水性を制御しても良い。また、図６（ｃ）に示すように、例えば、中流領域３０Ｂや下流領域３０Ｃにおいて、渇き易い範囲では、連通孔４１同士の間隔Ｇを広げて毛管力を抑えたり、渇き辛い範囲では、連通孔４１同士の間隔Ｇを狭めて毛管力を高めることが好ましい。

また、上記実施形態では、空気が流される空気極Ａについて説明したが、本発明は、水素が流される燃料極Ｂにおいても適用可能であるのは勿論である。

１０ ガス流路形成部材
１１ セル
１２ ＭＥＧＡ（膜電極拡散層接合体）
１３ セパレータ
３０Ａ 上流領域
３０Ｂ 中流領域
３１，３３ 溝部（凹部）
３２，３４ 突条部（凸部）
４１ 連通孔
Ａｒ ガス流路

Claims (1)

1. 燃料電池のセルを構成する膜電極拡散層接合体とセパレータとの間に配置されてガス流路を形成するガス流路形成部材であって、
   表裏に凹部及び凸部を有した凹凸形状とされ、前記凹部がガス流路となり、
   前記ガスの流れの上流領域を除く中流領域以降に、前記凸部のうち前記膜電極拡散層接合体に当接する頂部とその両端にそれぞれ連なる側部を表裏に連通するスリット状の連通孔が形成され、前記上流領域は、前記連通孔のない非連通領域とされているガス流路形成部材。

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