JP7417862B2

JP7417862B2 - 燃料電池用セパレータ

Info

Publication number: JP7417862B2
Application number: JP2020081294A
Authority: JP
Inventors: 隼斗小野
Original assignee: Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 2020-05-01
Filing date: 2020-05-01
Publication date: 2024-01-19
Anticipated expiration: 2040-05-01
Also published as: JP2021176128A

Description

本発明は燃料電池用セパレータに関する。

特許文献１に、膜電極接合体と、前記膜電極接合体を支持するフレームと、前記膜電極接合体と前記フレームとを挟持する第１のセパレータプレート及び第２のセパレータプレートとを備える燃料電池が記載されている。前記第１のセパレータプレートは、ガスの供給マニホールドを形成する第１の給気開口部と、前記フレームに相当する領域において隣接する燃料電池側に突出し弾性変形する凸状突起部と、を有する。前記第２のセパレータプレートは、前記ガスの供給マニホールドを形成する第２の給気開口部と、前記膜電極接合体に前記ガスを供給する流路を形成する流路形成部と、前記フレームに相当する領域において前記凸状突起部が接触する、当接部と、を有する。前記凸状突起部が前記当接部に押圧されることでシール部が形成される。前記フレームは、前記ガスの供給マニホールドを形成する第３の給気開口部を有している。前記第２のセパレータプレートの前記当接部と前記フレームとの間において、前記ガスの供給マニホールドと前記膜電極接合体との間を連通する第１のガス連通部と、前記ガスの供給マニホールドと前記膜電極接合体との間において前記フレームと前記第２のセパレータプレートとの間が閉塞されている第１のガス非連通部と、が設けられている。

特許第６１２３７３０号公報

燃料電池の発電性能は、セパレータの発電面積に依存する。本発明は、燃料電池用セパレータの面積に対する発電面積の割合を高めることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る燃料電池用セパレータは、燃料電池スタックのガス供給マニホールドの一部を構成する第１貫通孔及び第２貫通孔と、前記第１貫通孔と前記第２貫通孔との間の第１ブリッジ部に設けられ、前記第１貫通孔及び前記第２貫通孔に通ずる第１連通路と、前記第１貫通孔に通ずる第１凹条部と、前記第２貫通孔に通ずる第２凹条部と、前記第１連通路に通ずる第３凹条部とを含む複数の凹条部とを備える。

本発明によれば、燃料電池用セパレータの面積に対する発電面積の割合を高めることができる。

セパレータの平面図である。セパレータの拡大斜視図である。ガスケットが設けられたセパレータの斜視図である。セルの側断面図である。セパレータの一部を切り欠いて示す斜視図である。一対のセパレータのうち、一方のセパレータの一部を切り欠いて示す、セルの斜視図である。比較例となるセパレータの平面図である。比較例となるセパレータの平面図である。比較例となるセパレータの平面図である。連通路の他の形態を示す説明図である。

以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。ただし、本発明は、以下に説明する実施の形態によって限定されるものではない。

図１～図６に示すように、燃料電池の第１セパレータ１はセルＣＬを構成する板状部材である。第１セパレータ１の長辺方向をＸ軸方向とし、短辺方向をＹ軸方向とし、厚さ方向をＺ軸方向とする。複数のセルＣＬがＺ軸方向に積み重ねられることで燃料電池スタック（不図示）が構成される。

第１セパレータ１には、Ｚ軸方向に貫くように、第１貫通孔１１１と第２貫通孔１１２と第３貫通孔１１３と第４貫通孔１１４とが形成されている。第１貫通孔１１１と第２貫通孔１１２とは、第１セパレータ１のＸ軸方向に向かい合う２つの短辺のうち、一方の短辺付近においてＹ軸方向に並ぶように設けられている。第３貫通孔１１３と第４貫通孔１１４とは、第１セパレータ１の上記２つの短辺のうち、他方の短辺付近においてＹ軸方向に並ぶように設けられている。第１貫通孔１１１と第３貫通孔１１３とは、Ｙ軸方向の位置が略同じであり、第２貫通孔１１２と第４貫通孔１１４とは、Ｙ軸方向の位置が略同じである。

第１貫通孔１１１及び第２貫通孔１１２はそれぞれ、上記燃料電池スタックにおける２本のガス供給マニホールドの一部を構成する。第３貫通孔１１３及び第４貫通孔１１４はそれぞれ、上記燃料電池スタックの２本のガス排出マニホールドにおける一部を構成する。

第１貫通孔１１１と第２貫通孔１１２とに挟まれた領域を第１ブリッジ部１２１と呼ぶ。第１ブリッジ部１２１は、第１上段部１２１ａと、その第１上段部からＺ軸負方向に屈曲した第１接続部１２１ｂと、第１上段部１２１ａから第１接続部１２１ｂを介してＸ軸正方向に向かうにつれて一段下がるように形成された第１下段部１２１ｃとを有している。第１下段部１２１ｃから第１接続部１２１ｂのＺ軸方向の高さにわたって広がる空間を第１連通路１３１と呼ぶ。第１連通路１３１は、第１貫通孔１１１と第２貫通孔１１２とに通じている。

第３貫通孔１１３と第４貫通孔１１４とに挟まれた領域を第２ブリッジ部１２２と呼ぶ。第２ブリッジ部１２２は、第１セパレータ１の中心を通り、Ｙ軸に平行な軸を対称軸として第１ブリッジ部１２１と対称な構造である。すなわち、第２ブリッジ部１２２は、第２上段部（不図示）と、その第２上段部からＺ軸負方向に屈曲した第２接続部（不図示）と、第２上段部から第２接続部を介してＸ軸負方向に向かうにつれて一段下がるように形成された第２下段部（不図示）とを有している。第２下段部から第２接続部のＺ軸方向の高さにわたって広がる空間を第２連通路１３２と呼ぶ。第２連通路１３２は、第３貫通孔１１３と第４貫通孔１１４とに通じている。

第１セパレータ１において、第１貫通孔１１１、第２貫通孔１１２及び第１連通路１３１と、第３貫通孔１１３、第４貫通孔１１４及び第２連通路１３２との間の領域を中央領域と呼ぶ。この中央領域は、セルＣＬにおいて、後述する膜・電極接合体（ＭＥＡ）５と対向する領域である。この中央領域には、Ｘ軸方向に平行な複数の凹条部（ガス流路溝）が形成されている。かかる複数の凹条部は、第１貫通孔１１１と第３貫通孔１１３とに通ずる第１凹条部１４１と、第２貫通孔１１２と第４貫通孔１１４とに通ずる第２凹条部１４２と、第１連通路１３１と第２連通路１３２とに通ずる第３凹条部１４３とを含む。

セルＣＬは、上述の第１セパレータ１に加えて、第１セパレータ１と対をなす第２セパレータ２と、第１ガス拡散層（ＧＤＬ）３と、第２ガス拡散層４と、膜・電極接合体（ＭＥＡ）５とを備えている。膜・電極接合体５は、第１ガス拡散層３及び第２ガス拡散層４により挟持されている。第１ガス拡散層３及び第２ガス拡散層４並びに膜・電極接合体５は、第１セパレータ１の中央領域及び第２セパレータ２の中央領域により挟持されている。

図３及び図４（ａ）に示すように、第１貫通孔１１１及び第２貫通孔１１２の周囲の少なくとも一部には、ガスケット８が設けられている。このガスケット８は、芯材入りの熱可塑性シール材７により、第２セパレータ２に取り付けられている。ガスケット８はさらに、芯材入りの熱可塑性シール材６により第１上段部１２１ａに取り付けられているとともに、第１連通路１３１を覆っている。

熱可塑性シール材７に接着性があるため、ガスケット８の撓みが抑えられ、その結果、第１連通路１４０におけるガスの流れが阻害されてしまう可能性を低減することができる。なお、図４（ｂ）に示すように、熱可塑性シール材６及び７に代えて非接着性のシール材６ａ及び７ａを用いる場合は、ガスケット８に撓みが生じ、その結果、第１連通路１４０におけるガスの流れが阻害される可能性が高い。

以上のような第１セパレータ１によれば、セパレータ全体の面積に対する発電面積の割合を高めることができる。これは、燃料電池の出力密度の向上をもたらす。また、第１セパレータ１によれば、反応後の生成水を滞留させないようにすることができる。以下に詳しく説明する。

燃料電池の出力密度を大きくする手段として発電面積を大きくすることが挙げられる。しかし、燃料電池を車両に搭載するなどのように、燃料電池のサイズに制約がある場合は、決められたサイズの中で出来る限り大きな発電面積を確保することが求められる。

発電面積を大きく確保する方法として、図７に示すようなセパレータ１ａが考えられる。このセパレータ１ａは、ガス供給用の第１貫通孔１１１ａと、ガス排出用の第２貫通孔１１２ａとを備えている。第１貫通孔１１１ａは、セパレータ１ａのＸ軸方向に向かい合う２つの短辺のうち、一方の短辺付近においてＹ軸方向に延びるように設けられ、第２貫通孔１１２ａは他方の短辺付近においてＹ軸方向に延びるように設けられている。そして、第１貫通孔１１１ａと第２貫通孔１１２ａとに通ずる複数の凹条部１４１ａが形成されている。セルにおいて複数の凹条部１４１ａは膜・電極接合体（ＭＥＡ）と対向している。

セパレータ１ａにおいては、複数の凹条部１４１ａが第１貫通孔１１１ａ及び第２貫通孔１１２ａに対して直結しているため、セパレータ１ａにおいて複数の凹条部１４１ａが占める面積すなわち発電面積を比較的大きく確保することができる。しかし、セパレータ１ａの外周部と貫通孔との間の領域における機械的強度が比較的弱いため、燃料電池スタックを組む際の圧力により割れが生じる可能性がある。

図８に示すセパレータ１ｂのように、ガス供給用の第１貫通孔１１１ｂと、ガス排出用の第２貫通孔１１２ｂとを設けることもできる。第１貫通孔１１１ｂ及び第２貫通孔１１２ｂはいずれも、Ｙ軸方向の寸法がセパレータ１ｂの短辺の長さの半分程度である。そして、複数の凹条部１４１ｂは、分配領域１５１ｂを介して第１貫通孔１１１ｂに通じ、収集領域１５２ｂを介して第２貫通孔１１２ｂに通じている。

第１貫通孔１１１ｂから供給されたガスは、分配領域１５１ｂにより複数の凹条部１４１ｂの各々に分配される。また、複数の凹条部１４１ｂの各々を流れたガスは、収集領域１５２ｂにより収集されて第２貫通孔１１２ｂへと流れ込む。このようなセパレータ１ｂによれば、貫通孔の数が合計２個と比較的少ないため、セパレータの機械的強度を一定程度確保することができる。

しかし、分配領域１５１ｂ及び収集領域１５２ｂが設けられているために、分配領域及び収集領域がない場合に比べて発電面積が減少する。

図９にセパレータ１ｃを示す。このセパレータ１ｃには、第１貫通孔１１１ｃと第２貫通孔１１２ｃと第３貫通孔１１３ｃと第４貫通孔１１４ｃとが形成されている。第１貫通孔１１１ｃと第２貫通孔１１２ｃとは、セパレータ１ｃのＸ軸方向に向かい合う２つの短辺のうち、一方の短辺付近においてＹ軸方向に並ぶように設けられている。第３貫通孔１１３ｃと第４貫通孔１１４ｃとは、セパレータ１ｃの上記２つの短辺のうち、他方の短辺付近においてＹ軸方向に並ぶように設けられている。

第１貫通孔１１１ｃと第３貫通孔１１３ｃとは、Ｙ軸方向の位置が略同じであり、第２貫通孔１１２ｃと第４貫通孔１１４ｃとは、Ｙ軸方向の位置が略同じである。

第１貫通孔１１１ｃと第２貫通孔１１２ｃとに挟まれた領域を第１ブリッジ部１２１ｃと呼ぶ。また、第３貫通孔１１３ｃと第４貫通孔１１４ｃとに挟まれた領域を第２ブリッジ部１２２ｃと呼ぶ。

第１貫通孔１１１ｃと第３貫通孔１１３ｃとに通ずる複数の凹条路１４１ｃが形成されている。さらに、第２貫通孔１１２ｃと第４貫通孔１１４ｃとに通ずる複数の凹条路１４２ｃが形成されている。

セパレータ１ｃにおいては、第１ブリッジ部１２１ｃ及び第２ブリッジ部１２２ｃが設けられているため、機械的強度をある程度確保することができる。しかし、第１ブリッジ部１２１ｃと第２ブリッジ部１２２ｃとの間の領域に凹条部が形成されていないため、その分発電面積が減少する。

セパレータ１ａ～１ｃとは異なり、図１～図６に示した第１セパレータ１による効果は以下の通りである。
（１）２つの貫通孔の間にあるブリッジ部により、セパレータの機械的強度を確保できる。
（２）第１ブリッジ部に第１連通路が形成され、第１連通路及び２つの貫通孔からガスが流れ込む複数の凹条部の存在により、発電面積を大きく確保することができる。これは出力密度の増加につながる。
（３）第１連通路の存在により、２つの貫通孔及び連通路に通ずる各凹条部のガス流量のばらつきを抑えることができる。ばらつきがあると、ガス流量が比較的少ない凹条部における生成水の滞留、電流密度当たりの電圧の低下、局所的な劣化が生じうるが、上記実施形態によればそのような問題が発生する可能性を低減することができる。
また、第２連通路が設けられていることで、ガス排出も効率的に行うことができる。
（４）第１連通路及び第２連通路に通ずる凹条部がない場合、第１連通路と第２連通路との間の領域と対向するGDL中に滞留した生成水を排水する為のガスを流すことが出来ない。そのため、セパレータの第1連通路と第2連通路との間の領域付近のGDL中に生成水が滞留する可能性がある。このような生成水の滞留によりGDL中のガスの拡散が阻害され、電流密度当たりの電圧の低下・局所的な劣化が生じうる。
上記実施形態によれば、第１連通路及び第２連通路に通ずる凹条部が形成されているため、第１連通路と第２連通路との間の領域付近のGDL中に滞留した生成水を排水する為のガスを流すことが出来る。そのため、GDL中に生成水が滞留する可能性を低減することができる。すなわち、ガス拡散が阻害される可能性が抑えられる。これは、電流密度当たりの電圧の低下・局所的な劣化の抑制につながる。

［他の実施形態］
第１凹条部１４１を、第１貫通孔１１１及び第３貫通孔１１３に直に通ずるように形成することができる。また、第２凹条部１４２を、第２貫通孔１１２及び第４貫通孔１１４に直に通ずるように形成することができる。加えて、第３凹条部１４３を、第１連通路１３１及び第２連通路１３２に直に通ずるように形成することができる。これにより、各凹条部の上流側及び下流側にそれぞれ、ガス分配領域及びガス収集領域を設ける必要がなくなる。これにより、凹条部の長さが長くなり、発電面積確保につながる。なお、必要に応じて、このようなガス分配領域及びガス収集領域を設けてもよい。

第１連通路１３１の深さ（Ｚ軸方向の寸法）Ｄ１は、第３凹条部１４３の深さ（Ｚ軸方向の寸法）Ｄ２よりも大きくすることができる（図２）。第２連通路１３２の深さについても同様に、第３凹条部１４３の深さＤ２よりも大きくすることができる。これにより、凹条部の両端面がブリッジ部により塞がれることなく完全に開口することとなる。その結果、第３凹条部１４３の全体にガスを流すことができるとともに、第３凹条部１４３の全体からガスを排出させることができる。

図２に示した第１接続部１２１ｂに代えて、図１０（ａ）及び（ｂ）に示す第１接続部１２１ｂ_１を採用することも可能である。第１接続部１２１ｂ_１は、第１上段部１２１ａから第１下段部１２１ｃに向かって傾斜するように形成されている。すなわち、第１連通路１３１_１が第３凹条部１４３に向かって深くなるように形成されている。これにより、第３凹条部１４３に向かってガスを流しやすくすることができる。加えて、第１ブリッジ部１２１の幅（Ｙ軸方向の寸法）が同じであれば、第１接続部１２１ｂを採用する場合に比べてブリッジ部の機械的強度を上げることができる。あるいは、第１接続部１２１ｂを採用する場合と同等の機械的強度を得るに際し、第１接続部１２１ｂを採用する場合に比べてブリッジ部の幅を小さくして、２つの貫通孔の大きさを大きくすることができる。

図２に示した第１下段部１２１ｃに代えて、図１０（ｃ）及び（ｄ）に示すものとすることができる。すなわち、第１下段部１２１ｃ_１のＹ軸方向両端部側に傾斜部１２１ｃ_２及び１２１ｃ_３が形成されている。Ｙ軸正方向側に設けられた傾斜部１２１ｃ_２は、Ｙ軸正方向に向かって、すなわち第１貫通孔１１１に向かってＺ軸負方向に下がるように傾斜している。Ｙ軸負方向側に設けられた傾斜部１２１ｃ_３は、Ｙ軸負方向に向かって、すなわち第２貫通孔１１２に向かってＺ軸負方向に下がるように傾斜している。

つまり、第１連通路１３１_２が、第１貫通孔及び前記第２貫通孔に向かって深くなるように形成されている。これにより、ブリッジ部の機械的強度を確保しつつ、両貫通孔から連通路に向かってガスを流れやすくすることができる。

第１セパレータ１についてこれまでに述べた本発明の実施形態を、第２セパレータ２にも適用することができる。つまり、本発明の実施形態は、アノード側のセパレータ及びカソード側のセパレータのいずれにも適用可能である。

以上、本発明の実施の形態につき述べたが、本発明は既述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変形及び変更が可能である。

１、２セパレータ
１１１～１１４貫通孔
１２１、１２２ブリッジ部
１３１、１３２連通路
１４１～１４３凹条部

１２１ａ上段部
１２１ｂ接続部
１２１ｃ下段部

３、４ガス拡散層
５膜・電極接合体（ＭＥＡ）
６、７熱可塑性シール材
８ガスケット

Claims

燃料電池用セパレータであって、
燃料電池スタックのガス供給マニホールドの一部を構成する第１貫通孔及び第２貫通孔と、
前記第１貫通孔と前記第２貫通孔との間の第１ブリッジ部に設けられ、前記第１貫通孔及び前記第２貫通孔に通ずる第１連通路と、
前記第１貫通孔に通ずる第１凹条部と、前記第２貫通孔に通ずる第２凹条部と、前記第１連通路に通ずる第３凹条部とを含む複数の凹条部と
を備える、燃料電池用セパレータ。
前記燃料電池スタックのガス排出マニホールドの一部を構成する第３貫通孔及び第４貫通孔と、
前記第３貫通孔と前記第４貫通孔との間の第２ブリッジ部に設けられ、前記第３貫通孔及び前記第４貫通孔に通ずる第２連通路と
をさらに備え、
前記第１凹条部が前記第３貫通孔にも通じ、
前記第２凹条部が前記第４貫通孔にも通じ、
前記第３凹条部が前記第２連通路にも通じている、
請求項１に記載の燃料電池用セパレータ。
前記第１凹条部が前記第１貫通孔及び前記第３貫通孔に直に通じ、
前記第２凹条部が前記第２貫通孔及び前記第４貫通孔に直に通じ、
前記第３凹条部が前記第１連通路及び前記第２連通路に直に通じている、
請求項２に記載の燃料電池用セパレータ。
前記第１連通路及び前記第２連通路の深さが、前記第３凹条部の深さよりも大きい、請求項２又は３に記載の燃料電池用セパレータ。
前記第１連通路及び前記第２連通路が、前記第３凹条部に向かって深くなるように形成されている、請求項２～４のいずれか一項に記載の燃料電池用セパレータ。
前記第１連通路が、前記第１貫通孔及び前記第２貫通孔に向かって深くなるように形成され、
前記第２連通路が、前記第３貫通孔及び前記第４貫通孔に向かって深くなるように形成されている、
請求項２～５のいずれか一項に記載の燃料電池用セパレータ。
前記第１連通路又は前記第２連通路と、前記セパレータと対をなす別のセパレータとの間にガスケットが設けられ、
前記ガスケットは、芯材入りの熱可塑性シール材により前記別のセパレータに接着されている、
請求項２～６のいずれか一項に記載の燃料電池用セパレータ。