JP7120178B2

JP7120178B2 - 燃料電池用のセパレータ

Info

Publication number: JP7120178B2
Application number: JP2019143301A
Authority: JP
Inventors: 貴宏坂本
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2019-08-02
Filing date: 2019-08-02
Publication date: 2022-08-17
Anticipated expiration: 2039-08-02
Also published as: JP2021026872A

Description

本発明は、燃料電池用のセパレータに関する。

燃料電池は、膜電極接合体が一対のガス拡散層により挟持され、これらが一対のセパレータにより挟持されている。このようなセパレータには、反応ガスが供給されるガス供給孔、反応ガスが排出されるガス排出孔、ガス供給孔とガス排出孔とに連通した流路溝が形成されている。反応ガスは、ガス供給孔から流路溝を流れてガス排出孔から排出される。反応ガスは、流路溝を流れている過程で、ガス拡散層を介して膜電極接合体に供給されることにより、発電反応が生じる（例えば特許文献１参照）。

特開２０１４－２６８２２号公報

流路溝のガス供給孔近傍では、反応ガスが流入したばかりであり、反応ガスが流路溝から直ちに膜電極接合体側に拡散させることは困難となる場合がある。また、反応ガスは流路溝内を流れる過程でその多くが膜電極接合体側に拡散して発電反応に消費され、ガス排出孔近傍では、反応ガスが不足して膜電極接合体側に反応ガスを十分に拡散させることは困難となる場合がある。この結果、発電分布が不均一となり発電性能が低下する可能性がある。

そこで本発明は、発電性能が向上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ガスが供給されるガス供給孔と、前記燃料電池の発電に使用された反応ガスが排出されるガス排出孔と、前記ガス供給孔と前記ガス排出孔とを連通した流路溝と、を備え、前記流路溝は、一定の振幅で波状に延在した波状領域を含み、前記波状領域は、上流域、中流域、及び下流域を含み、前記上流域は、前記ガス排出孔よりも前記ガス供給孔に近く、前記下流域は、前記ガス供給孔よりも前記ガス排出孔に近く、前記中流域は、前記上流域と前記下流域との間に位置し、前記上流域及び下流域のそれぞれでの前記流路溝の波長は、前記中流域での前記流路溝の波長よりも短い、燃料電池用のセパレータによって達成できる。

発電性能が向上する燃料電池用のセパレータを提供できる。

図１は、燃料電池スタックの単セルの分解斜視図である。図２Ａは、セパレータを上方側から見た場合の流路溝の図であり、図２Ｂは、単セルの断面図である。

［燃料電池スタックの概略構成］
図１は、燃料電池スタック１の単セル２の分解斜視図である。燃料電池スタック１は、単セル２が複数積層されることで構成される。図１では、一つの単セル２のみを示し、その他の単セルについては省略してある。尚、図１には、互いに直交するＸ方向、Ｙ方向、及びＺ方向を示している。Ｘ方向及びＹ方向は、略矩形状に形成された単セル２の短手方向及び長手方向に相当する。Ｚ方向は、複数の単セル２が積層される方向に相当する。

燃料電池スタック１は、反応ガスとしてアノードガス（例えば水素）とカソードガス（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、枠状のフレーム５０と、アノードセパレータ２０及びカソードセパレータ４０（以下、セパレータと称する）とを含む。セパレータ２０は、ＭＥＧＡ１０及びフレーム５０よりも－Ｚ方向側に配置されてこれらと対向している。セパレータ４０は、ＭＥＧＡ１０及びフレーム５０よりも＋Ｚ方向側に配置されてこれらと対向している。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）を有している。フレーム５０は、絶縁性を有しており、内周部がＭＥＧＡ１０の外周部に接合された枠状である。

セパレータ２０及び４０、及びフレーム５０の２つの短辺の一方側には、カソードガス排出孔ａ１、冷却水排出孔ａ２、アノードガス供給孔ａ３が形成され、他方側には、アノードガス排出孔ａ４、冷却水供給孔ａ５、カソードガス供給孔ａ６が、セパレータ２０及び４０とフレーム５０とを貫通するように形成されている。

ＭＥＧＡ１０に対向するセパレータ２０の面にはアノードガス供給孔ａ３とアノードガス排出孔ａ４とを連通して、アノードガス供給孔ａ３からアノードガス排出孔ａ４に向かってアノードガスが流れる複数のアノード流路溝２０Ａ（以下、流路溝と称する）が形成されている。ＭＥＧＡ１０に対向するセパレータ２０の面とは反対側の面には、冷却水供給孔ａ５と冷却水排出孔ａ２とを連通して、冷却水供給孔ａ５から冷却水排出孔ａ２に向かって冷却水が流れる複数の冷却水流路溝２０Ｂ（以下、流路溝と称する）が形成されている。ＭＥＧＡ１０に対向するセパレータ４０の面には、カソードガス供給孔ａ６とカソードガス排出孔ａ１とを連通して、カソードガス供給孔ａ６からカソードガス排出孔ａ１に向かってカソードガスが流れる複数のカソード流路溝４０Ａ（以下、流路溝と称する）が形成されている。ＭＥＧＡ１０に対向するセパレータ４０の面とは反対側の面には、冷却水供給孔ａ５と冷却水排出孔ａ２とを連通して、冷却水供給孔ａ５から冷却水排出孔ａ２に向かって冷却水が流れる複数の冷却水流路溝４０Ｂ（以下、流路溝と称する）が形成されている。複数の流路溝２０Ａ及び２０Ｂは、セパレータ２０の長手方向であるＹ方向に延びＸ方向に並設されている。流路溝４０Ａ及び４０Ｂも同様である。流路溝２０Ａ、２０Ｂ、４０Ａ、及び４０Ｂは、図１においては簡略化して直線状に記載しているが、実際には波状に形成されている。これら流路溝は、波状領域を含む。くわしくは後述する。図１においては、点線の矢印で示すように、アノードガスは＋Ｙ方向に流れ、カソードガスは－Ｙ方向に流れる。尚、冷却水は－Ｙ方向に流れる。

流路溝２０Ａは、ＭＥＧＡ１０から退避するように凹んでいる。流路溝４０Ａも同様に、ＭＥＧＡ１０から退避するように凹んでいる。流路溝２０Ｂ及び４０Ｂは、それぞれ、流路溝２０Ａ及び４０Ａと表裏一体に形成されている。セパレータ２０及び４０は、ガス遮断性及び導電性を有する材料によって形成され、プレス成形されたステンレス鋼や、チタンやチタン合金といった金属によって形成される薄板状部材である。これらの流路溝２０Ａ、２０Ｂ、４０Ａ、及び４０Ｂの深さは略同じである。

図１に示すように、セパレータ２０の流路溝２０Ａは、上流域Ａ１、中流域Ａ２、及び下流域Ａ３を有している。上流域Ａ１は、アノードガス排出孔ａ４よりもアノードガス供給孔ａ３に近い。下流域Ａ３は、アノードガス供給孔ａ３よりもアノードガス排出孔ａ４に近い。中流域Ａ２は、上流域Ａ１と下流域Ａ３との間に位置している。上流域Ａ１、中流域Ａ２、下流域Ａ３のＹ方向の長さは、それぞれ同じである。同様に、セパレータ４０の流路溝４０Ａも、上流域Ｃ１、中流域Ｃ２、下流域Ｃ３を有している。上流域Ｃ１は、カソードガス排出孔ａ１よりもカソードガス供給孔ａ６に近い。下流域Ｃ３は、カソードガス供給孔ａ６よりもカソードガス排出孔ａ１に近い。中流域Ｃ２は、上流域Ｃ１と下流域Ｃ３との間に位置している。上流域Ｃ１、中流域Ｃ２、下流域Ｃ３のＹ方向の長さは、それぞれ同じである。

［流路溝の形状］
図２Ａは、セパレータ２０を上方側から見た場合の流路溝２０Ａの図である。左側から順に、上流域Ａ１での流路溝２０Ａの形状、中流域Ａ２での流路溝２０Ａの形状、下流域Ａ３での流路溝２０Ａの形状を示している。流路溝２０Ａは、振幅が略一定であるが、波長が異なっている。上流域Ａ１での波長λ１と下流域Ａ３での波長λ３とは、中流域Ａ２での波長λ２よりも短い。

図２Ｂは、単セル２の断面図である。ＭＥＧＡ１０は、拡散層１６ａ及び１６ｃ、及び膜電極接合体（以下、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）と称する）１１を含む。ＭＥＡ１１は、電解質膜、アノード触媒層、及びカソード触媒層を含む。電解質膜は、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。アノード触媒層及びカソード触媒層は、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、それぞれアノード触媒層及びカソード触媒層に接合されている。

上述したように、上流域Ａ１での波長λ１と下流域Ａ３での波長λ３とは、中流域Ａ２での波長λ２よりも短い。このため、Ｙ方向での単位長さ当たりの流路溝２０Ａの長さは、上流域Ａ１及び下流域Ａ３のそれぞれよりも中流域Ａ２が短い。このため、Ｙ方向での単位長さ当たりのアノードガスの滞留時間は、上流域Ａ１及び下流域Ａ３のそれぞれで長く、中流域Ａ２では短い。このため、上流域Ａ１及び下流域Ａ３から拡散層１６ａを介してＭＥＡ１１側へのアノードガスの拡散性が向上している。このため、アノードガスをＹ方向で均一にＭＥＡ１１に供給させることができ、発電性能が向上する。

ここで、本実施例では、流路溝２０Ａの上流域Ａ１は、ＭＥＧＡ１０を介して流路溝４０Ａの下流域Ｃ３と対向している。流路溝４０Ａの下流域Ｃ３では、発電により生成された液水が発生しやすくＭＥＡ１１を介して流路溝２０Ａの上流域Ａ１側に浸透する場合がある。流路溝２０Ａの上流域Ａ１周辺で多くの水が滞留すると、流路溝２０Ａの上流域Ａ１周辺でＭＥＡ１１にアノードガスを十分に供給することができない可能性がある。本実施例では、上述したように上流域Ａ１でのアノードガスの拡散性が向上しているため、アノードガスによりこのような液水を拡散してＭＥＡ１１に十分にアノードガスを供給することができる。また、拡散された液水は上流域Ａ１よりも下流側に流れてＭＥＡ１１のアノード側全体に供給できる。これによりＭＥＡ１１のアノード側を適切な湿潤状態とすることができ、発電性能が向上する。

流路溝４０Ａの上流域Ｃ１、中流域Ｃ２、及び下流域Ｃ３も同様である。即ち、上流域Ｃ１での波長と下流域Ｃ３での波長とは、中流域Ｃ２での波長より短い。このため、上流域Ｃ１及び下流域Ｃ３から拡散層１６ｃを介してＭＥＡ１１側へのカソードガスの拡散性が向上している。このため、カソードガスをＹ方向で均一にＭＥＡ１１に供給させることができる。特に、下流域Ｃ３では発電により生成された液水が滞留しやすいが、下流域Ｃ３でカソードガスの拡散性が向上しているため、カソードガスによりこのような液水を拡散してＭＥＡ１１に供給することができる。これにより、フラッディングの発生を抑制して発電性能が向上する。

［その他］
本実施例では、上流域Ａ１、中流域Ａ２、下流域Ａ３はそれぞれ同じ長さであるが、これに限定されず、上流域Ａ１及び下流域Ａ３の一方が他方よりも長くてもよい。例えば、ＭＥＡ１１のアノード側が乾燥しやすい場合には、上流域Ａ１の長さを下流域Ａ３よりも短くして、上流域Ａ１でのアノードガスの拡散性を抑制し、カソード側からアノード側に浸透した液水を用いてアノード側の乾燥を抑制できる。また、アノード側で液水が滞留しやすく、アノードガスをＭＥＡ１１に十分に供給できにくい場合には、上流域Ａ１の長さを下流域Ａ３よりも長くして、上流域Ａ１でのアノードガスの拡散性を更に向上させてもよい。

本実施例では、波長λ１と波長λ３は同じであるがこれに限定されず、波長λ１及びλ３の一方が他方よりも長くてもよい。例えば、上述したようにＭＥＡ１１のアノード側が乾燥しやすい場合には、波長λ１を波長λ３よりも長くして、上流域Ａ１でのアノードガスの拡散性を抑制してもよい。また、アノード側で液水が滞留しやすく、アノードガスをＭＥＡ１１に十分に供給できにくい場合には、波長λ１を波長λ３よりも短くして、上流域Ａ１でのアノードガスの拡散性を更に向上させてもよい。

尚、流路溝２０Ａの中流域Ａ２の長さは、上流域Ａ１及び下流域Ａ３の少なくとも一方よりも短くてもよい。流路溝４０Ａの上流域Ｃ１、中流域Ｃ２、下流域Ｃ３についても同様である。また、流路溝２０Ａは、上流域Ａ１、中流域Ａ２、及び下流域Ａ３の全体に亘って振幅が一定であるが、製造誤差等によって僅かに振幅が異なっていてもよい。流路溝４０Ａの上流域Ｃ１、中流域Ｃ２、及び下流域Ｃ３についても同様である。

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。

１１膜電極接合体
２０、４０セパレータ
２０Ａ、４０Ａ流路溝
ａ３アノードガス供給孔
ａ４アノードガス排出孔
ａ６カソードガス供給孔
ａ１カソードガス排出孔
Ａ１、Ｃ１上流域
Ａ２、Ｃ２中流域
Ａ３、Ｃ３下流域

Claims

燃料電池の発電に供する反応ガスが供給されるガス供給孔と、
前記燃料電池の発電に使用された反応ガスが排出されるガス排出孔と、
前記ガス供給孔と前記ガス排出孔とを連通した流路溝と、を備え、
前記流路溝は、一定の振幅で波状に延在した波状領域を含み、
前記波状領域は、上流域、中流域、及び下流域を含み、
前記上流域は、前記ガス排出孔よりも前記ガス供給孔に近く、
前記下流域は、前記ガス供給孔よりも前記ガス排出孔に近く、
前記中流域は、前記上流域と前記下流域との間に位置し、
前記上流域及び下流域のそれぞれでの前記流路溝の波長は、前記中流域での前記流路溝の波長よりも短い、燃料電池用のセパレータ。