JP5128861B2

JP5128861B2 - 燃料電池

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Publication number: JP5128861B2
Application number: JP2007163970A
Authority: JP
Inventors: 康博渡邊; 優小田; 昌弘毛里; 広明太田; 谷本　　智; 信広斉藤
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2007-06-21
Filing date: 2007-06-21
Publication date: 2013-01-23
Anticipated expiration: 2027-06-21
Also published as: JP2009004230A

Description

本発明は、電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層され、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成されるとともに、前記反応ガスを積層方向に流通させる反応ガス連通孔が形成される燃料電池に関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜（電解質）の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の発電セルを積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。

上記の燃料電池では、セパレータの面内に、アノード側電極に燃料ガスを流すための燃料ガス流路（以下、反応ガス流路ともいう）と、カソード側電極に酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路（以下、反応ガス流路ともいう）とが設けられている。さらに、各発電セル毎又は複数の発電セル毎に、冷却媒体を流すための冷却媒体流路がセパレータの面方向に沿って設けられている。

この種の燃料電池は、セパレータの積層方向に貫通する反応ガス連通孔及び冷却媒体連通孔が前記燃料電池の内部に設けられる、所謂、内部マニホールドを構成する場合がある。その際、一般的に、反応ガス連通孔と反応ガス流路との間には、前記反応ガス流路に反応ガスを均一に分散させて供給するために、バッファ部が設けられている。

例えば、特許文献１では、図６に示すように、シートメタルエレメント１を備えており、このシートメタルエレメント１の長手方向一端縁部には、酸化剤ガス入口マニホールド２ａ、冷媒入口マニホールド３ａ及び燃料ガス入口マニホールド４ａが貫通形成されている。シートメタルエレメント１の長手方向他端縁部には、酸化剤ガス出口マニホールド２ｂ、冷媒出口マニホールド３ｂ及び燃料ガス出口マニホールド４ｂが貫通形成されている。

シートメタルエレメント１の燃料ガス供給面側には、波形流路５が形成されるとともに、前記波形流路５の両端には、それぞれディンプルからなる入口バッファ部６ａ及び出口バッファ部６ｂが設けられている。波形流路５は、直線状の複数の流路溝５ａを有している。

特表２００２−５３０８３６号公報

上記の特許文献１では、シートメタルエレメント１自体の寸法のばらつきや、発電中の生成水が入口バッファ部６ａ及び／又は出口バッファ部６ｂに滞留することにより、燃料ガスの流れが変化する場合がある。このため、各流路溝５ａを流れる燃料ガスの流量に差が生じてしまい、前記燃料ガスを波形流路５の全面にわたって均一に分配することができないおそれがある。これにより、発電性能が低下するとともに、例えば、固体高分子電解質膜の劣化が惹起されるという問題がある。

そこで、入口バッファ部６ａ及び出口バッファ部６ｂの寸法を必要以上に大きく設定することが考えられる。しかしながら、入口バッファ部６ａ及び出口バッファ部６ｂは、発電に寄与しない部位であり、所望の発電領域を確保するために、シートメタルエレメント１全体が相当に大型且つ重量物となるという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、バッファ部の寸法を可及的に小型化するとともに、軽量且つコンパクトな構成で、所望の発電性能を確保することが可能な燃料電池を提供することを目的とする。

本発明は、電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層され、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成されるとともに、前記反応ガスを積層方向に流通させる反応ガス連通孔が形成される燃料電池に関するものである。

そして、セパレータは、反応ガス流路の入口側に位置する略三角形状の入口バッファ部と、前記反応ガス流路の出口側に位置し、略三角形状の出口バッファ部とを備えるとともに、前記入口バッファ部及び前記出口バッファ部の平均圧損は、前記反応ガス流路の平均圧損以下に設定されている。

また、出口バッファ部は、入口バッファ部と点対称をなすことが好ましい。

さらに、反応ガス流路は、直線状又は波状を有して一方向に延在する複数の流路溝を備えることが好ましい。

さらにまた、入口バッファ部及び出口バッファ部は、反応ガス流路側を底辺とし前記底辺から離間する頂点の位置と、前記底辺及び前記頂点を結ぶ長辺側の稜線と前記底辺とのなす角度とに基づいて、形状が設定されることが好ましい。

本発明によれば、入口バッファ部及び出口バッファ部の平均圧損が、反応ガス流路の平均圧損以下に設定されるため、前記反応ガス流路を流れる反応ガスの流量を均等化することができる。これにより、簡単な構成で、反応ガスを反応ガス連通孔から反応ガス流路全面に均一に供給することができ、所望の発電性能を確保することが可能になる。

しかも、入口バッファ部及び出口バッファ部の寸法を可及的に小型化することができる。従って、燃料電池全体を軽量且つコンパクトに構成するとともに、所望の発電性能を確保することが可能になる。

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池１０の分解斜視図であり、図２は、前記燃料電池１０の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。燃料電池１０は、好ましくは、車両用燃料電池として使用される。

図１に示すように、燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体１６が、アノード側の第１金属セパレータ１８とカソード側の第２金属セパレータ２０とに挟持されている。第１及び第２金属セパレータ１８、２０は、金属製薄板を波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状を有している。

なお、第１及び第２金属セパレータ１８、２０は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板により構成される。また、第１及び第２金属セパレータ１８、２０に代えて、例えば、カーボンセパレータを採用してもよい。

燃料電池１０の長辺方向（図１中、矢印Ｃ方向）の上端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔（反応ガス連通孔）２２ａと、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔（反応ガス連通孔）２４ａとが設けられる。

燃料電池１０の長辺方向の下端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔（反応ガス連通孔）２４ｂと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔（反応ガス連通孔）２２ｂとが設けられる。酸化剤ガス供給連通孔２２ａと酸化剤ガス排出連通孔２２ｂとは、点対称の位置に対応して設けられるとともに、燃料ガス供給連通孔２４ａと燃料ガス排出連通孔２４ｂとは、同様に点対称の位置に対応して設けられる。

燃料電池１０の短辺方向（矢印Ｂ方向）の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔２６ａが設けられるとともに、短辺方向の他端縁部には、前記冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔２６ｂが設けられる。

電解質膜・電極構造体１６は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜２８と、前記固体高分子電解質膜２８を挟持するアノード側電極３０及びカソード側電極３２とを備える。アノード側電極３０は、カソード側電極３２よりも小さな表面積を有している。

アノード側電極３０及びカソード側電極３２は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布して形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜２８の両面に形成される。

第１金属セパレータ１８の電解質膜・電極構造体１６に向かう面１８ａには、燃料ガス供給連通孔２４ａと燃料ガス排出連通孔２４ｂとを連通する燃料ガス流路３４が形成される。この燃料ガス流路３４は、図３に示すように、矢印Ｃ方向に延在する複数の波状流路溝３４ａを有し、前記波状流路溝３４ａの矢印Ｃ方向上端及び下端に位置して入口バッファ部３６ａ及び出口バッファ部３６ｂが設けられる。

入口バッファ部３６ａ及び出口バッファ部３６ｂは、互いに点対称の略三角形状を有するとともに、複数のエンボス３８ａ、３８ｂを設ける。入口バッファ部３６ａ及び出口バッファ部３６ｂの三角形の頂点は、燃料ガス流路３４の幅範囲内に配設される。後述するように、入口バッファ部３６ａ及び出口バッファ部３６ｂの平均圧損は、燃料ガス流路３４の平均圧損以下に設定される。

より具体的には、入口バッファ部３６ａの平均圧損及び出口バッファ部３６ｂの平均圧損は、それぞれ燃料ガス流路３４の平均圧損の１／２以上に、換言すれば、前記燃料ガス流路３４の平均圧損は、入口バッファ部３６ａの平均圧損又は出口バッファ部３６ｂの平均圧損の２倍以下に設定される。燃料ガス流路３４の平均圧損が、入口バッファ部３６ａの平均圧損の２倍を越えると、流量分配の効果が変化しない一方、前記入口バッファ部３６ａの占める面積が大きくなってしまうからである。

第１金属セパレータ１８の面１８ａには、燃料ガス供給連通孔２４ａと入口バッファ部３６ａとを連通する連通路形成用の複数の受け部４１ａと、燃料ガス排出連通孔２４ｂと出口バッファ部３６ｂとを連通する連通路形成用の複数の受け部４１ｂとが形成される。受け部４１ａ、４１ｂの近傍には、それぞれ複数の供給孔部４２ａ及び排出孔部４２ｂが形成される。供給孔部４２ａは、面１８ｂ側で燃料ガス供給連通孔２４ａに連通する一方、排出孔部４２ｂは、同様に前記面１８ｂ側で燃料ガス排出連通孔２４ｂに連通する。

図４に示すように、第２金属セパレータ２０の電解質膜・電極構造体１６に向かう面２０ａには、酸化剤ガス供給連通孔２２ａと酸化剤ガス排出連通孔２２ｂとを連通して酸化剤ガス流路４４が形成される。この酸化剤ガス流路４４は、矢印Ｃ方向に延在する複数の波状流路溝４４ａを有し、前記波状流路溝４４ａの矢印Ｃ方向上端及び下端に位置して入口バッファ部４６ａ及び出口バッファ部４６ｂが設けられる。

入口バッファ部４６ａ及び出口バッファ部４６ｂは、互いに点対称の略三角形状を有するとともに、エンボス４８ａ、４８ｂを設ける。後述するように、入口バッファ部４６ａ及び出口バッファ部４６ｂの平均圧損は、酸化剤ガス流路４４の平均圧損以下に設定される。

より具体的には、入口バッファ部４６ａの平均圧損及び出口バッファ部４６ｂの平均圧損は、それぞれ酸化剤ガス流路４４の平均圧損の１／２以上に、換言すれば、前記酸化剤ガス流路４４の平均圧損は、入口バッファ部４６ａの平均圧損又は出口バッファ部４６ｂの平均圧損の２倍以下に設定される。

面２０ａには、酸化剤ガス供給連通孔２２ａと入口バッファ部４６ａとを連通する連通路形成用の複数の受け部５１ａと、酸化剤ガス排出連通孔２２ｂと出口バッファ部４６ｂとを連通する連通路形成用の複数の受け部５１ｂとが設けられる。

図１に示すように、第２金属セパレータ２０の面２０ｂと、第１金属セパレータ１８の面１８ｂとの間には、冷却媒体供給連通孔２６ａと冷却媒体排出連通孔２６ｂとに連通する冷却媒体流路５４が形成される。この冷却媒体流路５４は、燃料ガス流路３４の裏面形状と酸化剤ガス流路４４の裏面形状とが重なり合うことによって、矢印Ｂ方向に延在して形成される。

第１金属セパレータ１８の面１８ａ、１８ｂには、この第１金属セパレータ１８の外周端縁部を周回して第１シール部材５６が一体成形される。第２金属セパレータ２０の面２０ａ、２０ｂには、この第２金属セパレータ２０の外周端縁部を周回して第２シール部材５８が一体成形される。第１及び第２シール部材５６、５８としては、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材が用いられる。

図１及び図３に示すように、第１シール部材５６は、面１８ａ側に燃料ガス流路３４を囲繞して設けられるシール部５６ａと、このシール部５６ａの外方に設けられるシール部５６ｂとを有する。シール部５６ａは、燃料ガス流路３４、入口バッファ部３６ａ、出口バッファ部３６ｂ、供給孔部４２ａ及び排出孔部４２ｂを周回する凸状シールを構成する。

図４に示すように、第２シール部材５８は、第２金属セパレータ２０の面２０ａ側に酸化剤ガス流路４４、入口バッファ部４６ａ、出口バッファ部４６ｂ、酸化剤ガス供給連通孔２２ａ及び酸化剤ガス排出連通孔２２ｂを囲繞して形成されるシール部５８ａを有する。

このように構成される燃料電池１０の動作について、以下に説明する。

先ず、図１に示すように、燃料電池１０では、酸化剤ガス供給連通孔２２ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス供給連通孔２４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給連通孔２６ａに純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。

酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔２２ａから第２金属セパレータ２０の酸化剤ガス流路４４に導入され、電解質膜・電極構造体１６のカソード側電極３２に沿って移動する。

その際、図４に示すように、第２金属セパレータ２０の面２０ａでは、酸化剤ガス供給連通孔２２ａを流れる酸化剤ガスは、複数の受け部５１ａ間を通って入口バッファ部４６ａに供給される。この入口バッファ部４６ａに供給された酸化剤ガスは、矢印Ｂ方向に分散されるとともに、酸化剤ガス流路４４を構成する複数の波状流路溝４４ａに沿って鉛直下方向に流動し、電解質膜・電極構造体１６のカソード側電極３２に供給される。

一方、燃料ガスは、図１及び図３に示すように、第１金属セパレータ１８の面１８ｂにおいて、燃料ガス供給連通孔２４ａから複数の供給孔部４２ａを通って面１８ａ側に供給される。この燃料ガスは、受け部４１ａ間を通って入口バッファ部３６ａに導入される。入口バッファ部３６ａで矢印Ｂ方向に分散された燃料ガスは、燃料ガス流路３４を構成する複数の波状流路溝３４ａに沿って鉛直下方向に移動し、電解質膜・電極構造体１６のアノード側電極３０に供給される。

従って、各電解質膜・電極構造体１６では、カソード側電極３２に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３０に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる（図２参照）。

次いで、カソード側電極３２に供給されて消費された酸化剤ガスは、図４に示すように、酸化剤ガス流路４４の下部に連通する出口バッファ部４６ｂに送られる。さらに、酸化剤ガスは、出口バッファ部４６ｂから複数の受け部５１ｂ間に沿って酸化剤ガス排出連通孔２２ｂに排出される。

同様に、アノード側電極３０に供給されて消費された燃料ガスは、図１及び図３に示すように、燃料ガス流路３４の下部に連通する出口バッファ部３６ｂに送られた後、複数の受け部４１ｂ間を流れる。燃料ガスは、複数の排出孔部４２ｂを通って面１８ｂ側に移動し、燃料ガス排出連通孔２４ｂに排出される。

また、冷却媒体は、冷却媒体供給連通孔２６ａから第１及び第２金属セパレータ１８、２０間の冷却媒体流路５４に導入された後、矢印Ｂ方向（水平方向）に沿って流動する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１６を冷却した後、冷却媒体排出連通孔２６ｂから排出される。

この場合、本実施形態では、例えば、入口バッファ部３６ａ及び出口バッファ部３６ｂの平均圧損は、燃料ガス流路３４の平均圧損以下に設定されている。具体的には、入口バッファ部３６ａ及び出口バッファ部３６ｂは、互いに点対称の略三角形状を有しており、燃料ガス流路３４を流れる燃料ガスの流量が均等であるとすると、前記入口バッファ部３６ａ及び前記出口バッファ部３６ｂの燃料ガス流れは、図５に示す燃料ガス流れ場６０と略同等とみなすことができる。

燃料ガス流れ場６０は、実質的に入口バッファ部３６ａ及び出口バッファ部３６ｂの燃料ガス流路３４側の各辺（稜線）を、共通の底辺６２として接合した平行四辺形状を有する。燃料ガス流れ場６０は、入口バッファ部３６ａ及び出口バッファ部３６ｂの底辺６２から離間する各頂点６４ａ、６４ｂが、一方の対角位置に設定されるとともに、前記底辺６２と前記頂点６４ａ、６４ｂを結ぶ長辺側の稜線６６ａ、６６ｂ及び短辺側の稜線６８ａ、６８ｂを有する。

ここで、図５において、燃料ガス流れ場６０の底辺６２に沿った対角線長さＷ、バッファ部深さｄ、前記底辺６２から各頂点６４ａ、６４ｂまでの高さｈ、稜線６６ａ、６６ｂと底辺６２とのなす角度θ、前記対角線長さＷの分割定数ｔ（０＜ｔ＜１）、燃料ガスの流量Ｑ及び粘性係数μとする。実際上、対角線長さＷは５０ｍｍ〜３００ｍｍ、バッファ部深さｄは０．１ｍｍ〜１．０ｍｍ、高さｈは５ｍｍ〜４０ｍｍ及び角度θは５°〜３０°に設定されることが好ましい。

そこで、燃料ガス流れ場６０の平均流速ｕは、ｕ＝Ｑ／Ｗｄｓｉｎθから得られる。さらに、ｄ＜＜Ｗ、ｈであるため、二次元ポアズイユ流とみなすことにより、燃料ガス流れ場６０の片側での平均圧力損失ΔＰは、
ΔＰ＝１／２×１２μ／ｄ²×ｈ／ｓｉｎθ×ｕ＝６μｈＱ／Ｗｄ³ｓｉｎ²θが得られる。

次いで、平均圧力損失ΔＰは、燃料ガス流路３４の平均圧力損失ΔＰ₀よりも小さいとすると、ｓｉｎ²θ≧６μｈＱ／Ｗｄ³ΔＰ₀となる。さらに、ｈ＝ｔＷｔａｎθを代入して、ｓｉｎ２θ≧１２ｔμＱ／ΔＰ₀ｄ³が得られる。

従って、上記の式を満たすｔ、θに基づいて、入口バッファ部３６ａ及び出口バッファ部３６ｂの形状が設定される。

これにより、本実施形態では、入口バッファ部３６ａ及び出口バッファ部３６ｂの形状を設定することによって、燃料ガス流路３４を流れる燃料ガスの流量を均等化することができる。このため、簡単な構成で、燃料ガスを燃料ガス供給連通孔２４ａから燃料ガス流路３４全面に均一に供給することが可能になり、所望の発電性能を確保することができるという効果が得られる。

しかも、入口バッファ部３６ａ及び出口バッファ部３６ｂの寸法を可及的に小型化することが可能になる。従って、燃料電池１０全体を軽量且つコンパクトに構成するとともに、所望の発電性能を確保することができる。

なお、本実施形態では、燃料ガス流路３４及び酸化剤ガス流路４４が複数の波状流路溝３４ａ、４４ａにより構成されているが、これに限定されるものではなく、複数の直線状流路溝により構成されても、同様の効果が得られる。

本発明の実施形態に係る燃料電池の分解斜視図である。前記燃料電池の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。前記燃料電池を構成する第１金属セパレータの正面図である。前記燃料電池を構成する第２金属セパレータの正面図である。燃料ガス流れ場の説明図である。特許文献１のシートメタルエレメントの説明図である。

符号の説明

１０…燃料電池１６…電解質膜・電極構造体
１８、２０…金属セパレータ２２ａ…酸化剤ガス供給連通孔
２２ｂ…酸化剤ガス排出連通孔２４ａ…燃料ガス供給連通孔
２４ｂ…燃料ガス排出連通孔２６ａ…冷却媒体供給連通孔
２６ｂ…冷却媒体排出連通孔２８…固体高分子電解質膜
３０…アノード側電極３２…カソード側電極
３４…燃料ガス流路３４ａ、４４ａ…波状流路溝
３６ａ、４６ａ…入口バッファ部３６ｂ、４６ｂ…出口バッファ部
４２ａ…供給孔部４２ｂ…排出孔部
４４…酸化剤ガス流路５４…冷却媒体流路
６０…燃料ガス流れ場６２…底辺
６４ａ、６４ｂ…頂点６６ａ、６６ｂ、６８ａ、６８ｂ…稜線

Claims

電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層され、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成されるとともに、前記反応ガスを積層方向に流通させる反応ガス連通孔が形成される燃料電池であって、
前記セパレータは、前記反応ガス流路の入口側に位置する略三角形状の入口バッファ部と、
前記反応ガス流路の出口側に位置し、略三角形状の出口バッファ部と、
を備えるとともに、
前記入口バッファ部及び前記出口バッファ部の平均圧損は、前記反応ガス流路の平均圧損以下に設定されることを特徴とする燃料電池。
請求項１記載の燃料電池において、前記出口バッファ部は、前記入口バッファ部と点対称をなすことを特徴とする燃料電池。
請求項１又は２記載の燃料電池において、前記反応ガス流路は、直線状又は波状を有して一方向に延在する複数の流路溝を備えることを特徴とする燃料電池。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記入口バッファ部及び前記出口バッファ部は、前記反応ガス流路側を底辺とし前記底辺から離間する頂点の位置と、前記底辺及び前記頂点を結ぶ長辺側の稜線と前記底辺とのなす角度とに基づいて、形状が設定されることを特徴とする燃料電池。
請求項１記載の燃料電池において、
前記入口バッファ部及び前記出口バッファ部の平均圧損は、前記反応ガス流路の平均圧損の１／２以上、且つ、前記反応ガス流路の平均圧損以下に設定されることを特徴とする燃料電池。