JP2003217615A

JP2003217615A - 燃料電池のセパレータ

Info

Publication number: JP2003217615A
Application number: JP2002008341A
Authority: JP
Inventors: Seiji Sano; 誠治佐野; Harumichi Nakanishi; 治通中西
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-01-17
Filing date: 2002-01-17
Publication date: 2003-07-31

Abstract

(57)【要約】【課題】固体高分子電解質型燃料電池のセパレータ
で、ガス下流側での発電効率の低下を抑制できる燃料電
池のセパレータを提供すること。【解決手段】（１）燃料電池の発電面にガスを供給す
るガス流路２７を仕切る畝２８の幅をガス流れ方向に変
える。（２）構成（１）において、上流は畝２８の幅が
広く、下流は畝２８の幅が狭い。（３）畝の幅Ａとガス
流路２７の幅Ｂの比Ａ／Ｂをガス流れ方向に変える。
（４）構成（３）において、上流は比Ａ／Ｂが大で、下
流は比Ａ／Ｂが小である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池、とくに
固体高分子電解質型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）のセパレー
タ構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】固体高分子電解質型燃料電池は、イオン
交換膜からなる電解質膜とこの電解質膜の一面に配置さ
れた触媒層からなる電極（アノード、燃料極）および電
解質膜の他面に配置された触媒層からなる電極（カソー
ド、空気極）とからなる膜−電極アッセンブリ（ＭＥ
Ａ：Membrane-Electrode Assembly ）と、ＭＥＡの両側
に配された拡散層と、アノード、カソードに燃料ガス
（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給す
るためのガス流路および冷媒流路を形成したセパレータ
とからセルを構成し、１以上のセルを重ねてモジュール
を構成し、モジュールを積層してセル積層体とし、セル
積層体のセル積層方向両端に、ターミナル、インシュレ
ータ、エンドプレートを配置してスタックを構成し、ス
タックをセル積層方向に締め付け、スタックをセル積層
体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、
テンションプレート、テンションボルトなど）にて固定
したものからなる。固体高分子電解質型燃料電池では、
アノード側では、水素を水素イオンと電子にする反応が
行われ、水素イオンは電解質膜中をカソード側に移動
し、カソード側では酸素と水素イオンおよび電子（隣り
のＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通し
てくる、両端セルでは一端のセルのアノードの電子が外
部回路を通って他端のセルのカソードにくる）から水を
生成する反応が行われる。アノード側：Ｈ₂→２Ｈ⁺＋
２ｅ^-カソード側：２Ｈ⁺＋２ｅ^-＋（１／２）Ｏ₂→
Ｈ₂Ｏセパレータはガス流路となる複数の溝と溝間を仕
切る畝（リブ、山）とを有する。セパレータの畝の頂面
と拡散層との接触部を通して電流が流れるので、畝の幅
が大で接触圧が大きいほど電気接触抵抗が低くなり、発
電効率が高くなる。その反面、畝の幅が大で接触圧が大
きくなり過ぎると畝によって押されている拡散層部分へ
の水素、酸素の回り込みが悪くなり、発電効率が低下す
る。特開２００１−７６７４６号公報は、燃料電池のセ
パレータのガス流路を仕切る畝の幅に言及しており、平
行流路群内の畝幅より平行流路群間の畝幅を大きくして
ガスのショートパスを減少させることを開示している。
ただし、特開２００１−７６７４６号公報開示のセパレ
ータの畝など、従来のセパレータの畝は、畝幅がガス流
れ方向に一定であった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、ガス流路を流
れる水素または酸素の濃度は、発電反応で水素、酸素が
消費されるので、それぞれのガス流路の下流側ほど、低
くなる。その結果、畝幅が一定の場合、ガス流路下流で
の濃度過電圧が大きくなる。すなわち、下流側で、畝に
よって押されている拡散層部分への水素、酸素の回り込
みが悪くなり、触媒層へのガスの拡散不足が生じ、発電
効率が低下する。本発明の目的は、固体高分子電解質型
燃料電池のセパレータで、ガス下流側での発電効率の低
下を抑制できる燃料電池のセパレータを提供することに
ある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明はつぎの通りである。（１）燃料電池の発電面にガスを供給するガス流路
と、該ガス流路の側部で盛り上がり頂面で拡散層に接触
する畝とを有する燃料電池のセパレータであって、前記
畝の幅をガス流れ方向に変化させた燃料電池のセパレー
タ。（２）ガス流れ方向上流側から下流側に、畝幅を連続
的または段階的に狭くした（１）記載の燃料電池のセパ
レータ。（３）ガス流れ方向上流側から下流側に、ガス流路幅
を連続的または段階的に狭くした（２）記載の燃料電池
のセパレータ。（４）燃料電池の発電面にガスを供給するガス流路
と、該ガス流路の側部で盛り上がり頂面で拡散層に接触
する畝とを有する燃料電池のセパレータであって、畝の
幅をＡ、該畝に隣接する部位のガス流路の幅をＢとした
ときに、比Ａ／Ｂをガス流れ方向に変化させた燃料電池
のセパレータ。（５）ガス流れ方向上流側から下流側に、比Ａ／Ｂを
連続的または段階的に小さくした（４）記載の燃料電池
のセパレータ。（６）ガス流れ方向上流側から下流側に、ガス流路幅
を連続的または段階的に狭くした（５）記載の燃料電池
のセパレータ。

【０００５】上記（１）の燃料電池のセパレータでは、
畝の幅をガス流れ方向に変化させたので、畝幅を適切に
変化させることにより畝幅一定の場合よりも、ガス流路
下流での濃度過電圧を小さくでき、発電効率の低下を抑
制できる。上記（２）の燃料電池のセパレータでは、ガ
ス流れ方向上流側から下流側に、畝幅を連続的または段
階的に狭くしたので、畝幅一定の場合よりも、ガス流路
下流での濃度過電圧を小さくでき、発電効率の低下を抑
制できる。上記（３）の燃料電池のセパレータでは、ガ
ス流れ方向上流側から下流側に、ガス流路幅を連続的ま
たは段階的に狭くしたので、ガスが消費されても下流側
でのガス濃度低下が抑制され、より一層、ガス流路下流
での濃度過電圧を小さくでき、発電効率の低下を抑制で
きる。上記（４）の燃料電池のセパレータでは、畝幅を
ガス流路幅との比で特定し、畝の幅をＡ、該畝に隣接す
る部位のガス流路の幅をＢとしたときに、比Ａ／Ｂをガ
ス流れ方向に変化させたので、比Ａ／Ｂを適切に変化さ
せることにより比Ａ／Ｂ一定の場合よりも、ガス流路下
流での濃度過電圧を小さくでき、発電効率の低下を抑制
できる。上記（５）の燃料電池のセパレータでは、ガス
流れ方向上流側から下流側に、比Ａ／Ｂを連続的または
段階的に小さくしたので、比Ａ／Ｂ一定の場合よりも、
ガス流路下流での濃度過電圧を小さくでき、発電効率の
低下を抑制できる。上記（６）の燃料電池のセパレータ
では、ガス流れ方向上流側から下流側に、ガス流路幅を
連続的または段階的に狭くしたガスが消費されても下流
側でのガス濃度低下が抑制され、より一層、ガス流路下
流での濃度過電圧を小さくでき、発電効率の低下を抑制
できる。

【０００６】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の燃料電池のセパ
レータを、図１〜図４を参照して、説明する。図中、図
１、図２は本発明の何れの実施例にも適用可能であり、
図３は本発明の実施例１を示し、図４は本発明の実施例
２を示す。本発明の何れの実施例にも共通する部分に
は、本発明の実施例１、２にわたって同じ符号を付して
ある。まず、本発明の何れの実施例にも共通する部分
を、たとえば図１、図２、および図３を参照して、説明
する。

【０００７】本発明のガス流路が適用される燃料電池
は、固体高分子電解質型燃料電池１０である。燃料電池
１０は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただ
し、自動車以外に用いられてもよい。固体高分子電解質
型燃料電池１０は、図１、図２に示すように、イオン交
換膜からなる電解質膜１１とこの電解質膜１１の一面に
配置された触媒層１２からなる電極１４（アノード、燃
料極）および電解質膜１１の他面に配置された触媒層１
５からなる電極１７（カソード、空気極）とからなる膜
−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Ass
embly ）と、電極１４、１７に燃料ガス（水素）および
酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための流体通
路２７および燃料電池冷却用の冷却水が流れる冷却水流
路２６を形成したセパレータ１８とを重ねてセルを形成
し、該セルを少なくとも１層積層してモジュール１９を
構成し（たとえば、２セルから１モジュールを構成
し）、モジュール１９を積層してセル積層体とし、セル
積層体のセル積層方向両端に、ターミナル２０、インシ
ュレータ２１、エンドプレート２２を配置してスタック
２３を構成し、スタック２３をセル積層方向に締め付け
セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材２４
（たとえば、テンションプレート、スルーボルトなど）
とボルト２５またはナットで固定したものからなる。Ｍ
ＥＡとセパレータ１８との間には、アノード側に拡散層
１３、カソード側に拡散層１６が、それぞれ配置され
る。

【０００８】触媒層１２、１５は、触媒たとえば白金
（Ｐｔ）と、カーボン（Ｃ）と、電解質を含む。拡散層
１３、１６はガス透過性を有しカーボン（Ｃ）からな
る。セパレータ１８は、ガス、水不透過性で、導電性を
有する。セパレータ１８は、通常は、カーボン（黒鉛で
ある場合を含む）、または金属（メタル）、または導電
性樹脂、の何れかからなる。

【０００９】セパレータ１８は、燃料ガスと酸化ガス、
燃料ガスと冷却水、酸化ガスと冷却水、の何れかを隔て
るとともに、隣り合うセルのアノードからカソードに電
子が流れる電気の通路を形成している。冷却水流路２６
はセル毎に、または複数のセル毎に、設けられる。たと
えば、図２の例では、２セルで１モジュールを構成して
おり、冷却水流路２６が、モジュール毎（２セル毎）に
設けられている。

【００１０】セパレータ１８は、通常、四角形状（正方
形、矩形、台形などを含む）か、ほぼ四角形状を有して
いる。ただし、セパレータ１８の形状は四角形に限るも
のではない。セパレータ１８は、発電面（電極がある部
位）にガスを供給するガス流路２７を有している。ＭＥ
Ａの一側のセパレータ１８には、発電面に燃料ガスを供
給する燃料ガス流路２７ａが形成されており、ＭＥＡの
他側のセパレータ１８には、発電面に酸化ガスを供給す
る酸化ガス流路２７ｂが形成されている。ガス流路２７
のパターンは、限定はなく、たとえば、サーペンタイン
であってもよいし、ストレートであってもよいし、溝本
数が流れ方向の途中で変化するものであってもよい。ガ
ス流路２７の溝幅は一定であってもよいし、あるいはガ
ス流れ方向に変化していてもよい。セパレータ１８は、
また、ガス入口２９（燃料ガス入口２９ａ、酸化ガス入
口２９ｂ）、ガス出口３０（燃料ガス出口３０ａ、酸化
ガス出口３０ｂ）、冷媒入口３１、冷媒出口３２を有し
ており、これらの入口、出口は、セル積層方向に連続し
て延びている。

【００１１】セパレータ１８は、燃料電池の発電面にガ
スを供給するガス流路２７の側部に盛り上がった畝（リ
ブ、山といってもよい）２８を有しており、畝２８の頂
面（盛り上がりの頂面）で拡散層１３、１６に接触して
いる。畝２８の頂面と拡散層１３、１６との接触面を通
してセパレータ１８と拡散層１３、１６間に電子が通
る。セパレータ１８は拡散層１３、１６に、スタック２
３の締結力で決まる適切な押し付け力で、押し付けられ
ており、接触電気抵抗が小さくなっている。畝２８は、
ガス流れ方向に連続していてもよいし、あるいは図示を
省略するがガス流れ方向に複数個に分割されていてもよ
いし、あるいは図示を省略するがガス流れ方向と畝の幅
方向の両方向に複数個に分割されていてもよい。

【００１２】しかし、この押し付けによって、拡散層１
３、１６のうちセパレータ１８の畝２８で押されている
部分へのガスの回り込みは、畝２８によって押されてい
ないガス流路２７の部分よりも悪くなる。また、ガス濃
度は、発電でのガス消費によって、ガス流れ方向に上流
側から下流側に低くなる。そのため、拡散層１３、１６
のうちセパレータ１８の畝２８で押されている部分への
ガスの回り込みも、ガス濃度の低下につれて低下し、ガ
ス流れ方向に上流側から下流側にいくにしたがって悪く
なる。

【００１３】ガスの回り込み性の悪化を抑制するため
に、畝２８の幅はガス流れ方向に変化されている。燃料
ガス流路２７ａの側部の畝２８の幅は燃料ガス流路２７
ａを流れる燃料ガスの流れ方向に変化しており、酸化ガ
ス流路２７ｂの側部の畝２８の幅は酸化ガス流路２７ｂ
を流れる酸化ガスの流れ方向に変化している。この場
合、畝２８の幅とは、符合Ａで示した隣接するガス流路
２７間距離をいい、畝２８が隣接するガス流路２７間で
畝幅方向に複数個に分割されている場合も隣接するガス
流路２７間距離をいうものとする。畝幅の変化は連続的
でもよいし、あるいは所定の長さ毎に変化させてもよい
（段階状の変化をさせてもよい）。

【００１４】より詳しくは、畝２８の幅は、ガス流れ方
向上流側から下流側に、連続的または段階的に狭くして
ある。燃料ガス流路２７ａの側部の畝２８の幅は、燃料
ガスの流れ方向に上流側から下流側に、連続的または段
階的に狭くしてあり、酸化ガス流路２７ｂの側部の畝２
８の幅は酸化ガス流路２７ｂの流れ方向に上流側から下
流側に、連続的または段階的に狭くしてある。

【００１５】また、畝幅とガス流路幅との両方を変化さ
せてもよい。詳しくは、畝２８の幅をガス流れ方向上流
側から下流側に連続的または段階的に狭くするととも
に、ガス消費によるガス濃度低下を抑制するために、ガ
ス流路幅もガス流れ方向上流側から下流側に連続的また
は段階的に狭くしてもよい。すなわち、燃料ガス流路２
７ａの側部の畝２８の幅を、燃料ガスの流れ方向に上流
側から下流側に、連続的または段階的に狭くするととも
に、燃料ガス流路幅も燃料ガス流れ方向上流側から下流
側に連続的または段階的に狭くしてもよい。また、酸化
ガス流路２７ｂの側部の畝２８の幅を、酸化ガスの流れ
方向に上流側から下流側に、連続的または段階的に狭く
するとともに、酸化ガス流路幅も酸化ガス流れ方向上流
側から下流側に連続的または段階的に狭くしてもよい。

【００１６】また、畝２８の幅Ａをガス流路２７の幅Ｂ
との比Ａ／Ｂで特定することもできる。すなわち、比Ａ
／Ｂをガス流れ方向に変化させてある。ガス流れ方向上
流側から下流側に、比Ａ／Ｂを連続的または段階的に小
さくしてある。また、ガス流れ方向上流側から下流側
に、比Ａ／Ｂを連続的または段階的に小さくするととも
に、ガス流れ方向上流側から下流側に、ガス流路幅を連
続的または段階的に狭くしてもよい。

【００１７】つぎに、実施例１、２の共通構成の作用を
説明する。まず、畝２８の幅をガス流れ方向に変化させ
たので、畝幅を適切に変化させることにより畝幅一定の
場合よりも、畝２８で押されている拡散層部分へのガス
の回り込みをよくすることができ、拡散層１３、１６へ
のガス拡散性が均一化できる。その結果、ガス流路下流
での濃度過電圧を小さくでき、発電効率の低下を抑制で
きる。すなわち、ガス流れ方向上流側から下流側に、畝
幅を連続的または段階的に狭くしたので、畝幅一定の場
合よりも、ガス流路下流での拡散層１３、１６へのガス
拡散性低下を抑制でき、濃度過電圧を小さくでき、発電
効率の低下を抑制できる。また、ガス流れ方向上流側か
ら下流側に、ガス流路２７幅を連続的または段階的に狭
くした場合は、ガスが消費されても下流側でのガス濃度
低下が抑制され、より一層、ガス流路下流での濃度過電
圧を小さくでき、発電効率の低下を抑制できる。

【００１８】畝幅をガス流路幅との比で特定した場合も
上記が成立する。畝２８の幅をＡ、該畝に隣接する部位
のガス流路の幅をＢとしたときに、比Ａ／Ｂを適切に変
化させることにより比Ａ／Ｂ一定の場合よりも、ガス流
路下流での濃度過電圧を小さくでき、発電効率の低下を
抑制できる。すなわち、ガス流れ方向上流側から下流側
に、比Ａ／Ｂを連続的または段階的に小さくしたので、
比Ａ／Ｂ一定の場合よりも、ガス流路下流での濃度過電
圧を小さくでき、発電効率の低下を抑制できる。また、
ガス流れ方向上流側から下流側に、ガス流路２７幅を連
続的または段階的に狭くした場合は、ガスが消費されて
も下流側でのガス濃度低下が抑制され、より一層、ガス
流路下流での濃度過電圧を小さくでき、発電効率の低下
を抑制できる。

【００１９】つぎに、本発明の実施例１、２に特有な構
成、作用を説明する。本発明の実施例１では、図３に示
すように、セパレータ１８を矩形または正方形とし、ガ
ス流路パターンをサーペンタインとし、畝２８の幅をガ
ス流れ方向に段階的に小さくしてある。すなわち、畝２
８は、所定長、一定幅で延び、そこで段階状に幅が縮小
することを、複数回繰り返して、ガス入口からガス出口
に至っている。また、ＭＥＡを挟んで、酸化ガスの流れ
方向と燃料ガスの流れ方向を対向流としてあり、生成水
が膜を介してセル内で循環するようにしてあり、ガス入
口側でのドライアップ、ガス出口側でのフラッディング
の発生を抑制してある。ガス流路幅は一定の場合が図３
に示してあるが、下流ほど段階的に溝幅を小さくしても
よい。作用は、実施例１、２に共通する構成の作用と同
じである。

【００２０】本発明の実施例２では、図４に示すよう
に、セパレータ１８を台形とし、ガス流路パターンをス
トレートとし、畝２８の幅をガス流れ方向に連続的に小
さくしてある。また、ＭＥＡを挟んで、酸化ガスの流れ
方向と燃料ガスの流れ方向は並行流となる。ガス流路幅
は一定の場合が図４に示してあるが、下流ほど段階的に
溝幅を小さくしてもよい。作用は、実施例１、２に共通
する構成の作用と同じである。

【００２１】

【発明の効果】請求項１の燃料電池のセパレータによれ
ば、畝の幅をガス流れ方向に変化させたので、畝幅を適
切に変化させることにより畝幅一定の場合よりも、ガス
流路下流での濃度過電圧を小さくでき、発電効率の低下
を抑制できる。請求項２の燃料電池のセパレータによれ
ば、ガス流れ方向上流側から下流側に、畝幅を連続的ま
たは段階的に狭くしたので、畝幅一定の場合よりも、ガ
ス流路下流での濃度過電圧を小さくでき、発電効率の低
下を抑制できる。請求項３の燃料電池のセパレータによ
れば、ガス流れ方向上流側から下流側に、ガス流路幅を
連続的または段階的に狭くしたので、ガスが消費されて
も下流側でのガス濃度低下が抑制され、より一層、ガス
流路下流での濃度過電圧を小さくでき、発電効率の低下
を抑制できる。請求項４の燃料電池のセパレータによれ
ば、畝幅をガス流路幅との比で特定し、畝の幅をＡ、該
畝に隣接する部位のガス流路の幅をＢとしたときに、比
Ａ／Ｂをガス流れ方向に変化させたので、比Ａ／Ｂを適
切に変化させることにより比Ａ／Ｂ一定の場合よりも、
ガス流路下流での濃度過電圧を小さくでき、発電効率の
低下を抑制できる。請求項５の燃料電池のセパレータに
よれば、ガス流れ方向上流側から下流側に、比Ａ／Ｂを
連続的または段階的に小さくしたので、比Ａ／Ｂ一定の
場合よりも、ガス流路下流での濃度過電圧を小さくで
き、発電効率の低下を抑制できる。請求項６の燃料電池
のセパレータによれば、ガス流れ方向上流側から下流側
に、ガス流路幅を連続的または段階的に狭くしたガスが
消費されても下流側でのガス濃度低下が抑制され、より
一層、ガス流路下流での濃度過電圧を小さくでき、発電
効率の低下を抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の燃料電池用セパレータを備えた燃料電
池の側面図である。

【図２】図１の燃料電池のモジュールの端部とその近傍
の断面図である。

【図３】本発明の実施例１の燃料電池のセパレータの正
面図（酸化ガス流路側）である。

【図４】本発明の実施例２の燃料電池のセパレータの正
面図（酸化ガス流路側）である。

【符号の説明】

１０（固体高分子電解質型）燃料電池１１電解質膜１２触媒層１３拡散層１４電極（アノード）１５触媒層１６拡散層１７電極（カソード）１８セパレータ１９モジュール２０ターミナル２１インシュレータ２２エンドプレート２３スタック２４締結部材（テンションプレート）２５ボルトまたはナット２６冷却水流路２７ガス流路（発電部のガス流路）２７ａ燃料ガス流路２７ｂ酸化ガス流路２８畝（リブ、山）２９ガス入口２９ａ燃料ガス入口２９ｂ酸化ガス入口３０ガス出口３０ａ燃料ガス出口３０ｂ酸化ガス出口３１冷媒入口３２冷媒出口

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃料電池の発電面にガスを供給するガス
流路と、該ガス流路の側部で盛り上がり頂面で拡散層に
接触する畝とを有する燃料電池のセパレータであって、
前記畝の幅をガス流れ方向に変化させた燃料電池のセパ
レータ。
【請求項２】ガス流れ方向上流側から下流側に、畝幅
を連続的または段階的に狭くした請求項１記載の燃料電
池のセパレータ。
【請求項３】ガス流れ方向上流側から下流側に、ガス
流路幅を連続的または段階的に狭くした請求項２記載の
燃料電池のセパレータ。
【請求項４】燃料電池の発電面にガスを供給するガス
流路と、該ガス流路の側部で盛り上がり頂面で拡散層に
接触する畝とを有する燃料電池のセパレータであって、
畝の幅をＡ、該畝に隣接する部位のガス流路の幅をＢと
したときに、比Ａ／Ｂをガス流れ方向に変化させた燃料
電池のセパレータ。
【請求項５】ガス流れ方向上流側から下流側に、比Ａ
／Ｂを連続的または段階的に小さくした請求項４記載の
燃料電池のセパレータ。
【請求項６】ガス流れ方向上流側から下流側に、ガス
流路幅を連続的または段階的に狭くした請求項５記載の
燃料電池のセパレータ。