JP5144388B2 - 燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも第１金属セパレータ、第１電解質・電極構造体、第２金属セパレータ、第２電解質・電極構造体及び第３金属セパレータの順に積層される燃料電池スタックに関する。

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固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池では、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒層と多孔質カーボンからなる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（電解質・電極構造体）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持することにより、単位セルが構成されている。通常、この単位セルを所定数だけ積層した燃料電池スタックが使用されている。

上記の燃料電池では、セパレータの面内に、アノード側電極に対向して燃料ガスを流すための燃料ガス流路（反応ガス流路）と、カソード側電極に対向して酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路（反応ガス流路）とが設けられている。

上記の反応ガス流路内には、凝縮水や反応による生成水が滞留し易く、燃料ガスや酸化剤ガスがアノード側電極やカソード側電極に良好に供給されないおそれがある。

そこで、例えば、特許文献１に開示されているセパレータが知られている。図８に示すように、セパレータ１は、略長方形の形状を有しており、表面の中央部には、反応ガス流路２ａ、２ｂが直線的に複数並設されている。反応ガス流路２ａ、２ｂのガス流入端部３ａ、３ｂには、流路の断面積が小さくなった第１細路部４ａ及び第２細路部４ｂが設けられている。第１及び第２細路部４ａ、４ｂには、ガス流入端部３ａ、３ｂとガス流出部５ａ、５ｂとが存在している。さらに、外部から反応ガスを供給するガス供給口６ａと、外部に反応ガスを排出するガス排出口６ｂとが設けられている。

これにより、反応ガス流路２ａ、２ｂの下流の部分でも反応ガスの流速を保つようにすることができ、前記反応ガス流路２ａ、２ｂに溜まった生成水を吹き飛ばして排除し、前記反応ガス流路２ａ、２ｂ全体に亘って発電反応が均一に行われる、としている。

特開２００４−２０７１６０号公報

ところで、燃料電池では、冷却媒体流路を複数組の単位セル毎に設ける（所謂、間引き冷却）ことにより、前記冷却媒体流路の数を減少させて燃料電池スタック全体の積層方向の短尺化を図る工夫がなされている。

このため、電解質・電極構造体間に介装されるセパレータは、一方の電解質・電極構造体に向かう面に燃料ガス流路が形成されるとともに、他方の電解質・電極構造体に向かう面に酸化剤ガス流路が形成されている。

この場合、セパレータとして金属セパレータが使用される際、この金属セパレータの一方の面に燃料ガス流路が形成されると、前記金属セパレータの他方の面には、前記燃料ガス流路の裏面形状として酸化剤ガス流路が形成されることになる。これにより、金属セパレータの両面には、燃料ガス流路と酸化剤ガス流路とを交互に設ける必要があり、燃料電池全体が大型化す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、金属セパレータの両面にそれぞれ反応ガス流路を効率的に設けることができ、排水性を向上させるとともに、コンパクト化を図ることが可能な燃料電池スタックを提供することを目的とする。

本発明は、電解質の両側に一対の電極が配設される少なくとも第１及び第２電解質・電極構造体を有し、第１金属セパレータ、前記第１電解質・電極構造体、第２金属セパレータ、前記第２電解質・電極構造体及び第３金属セパレータの順に積層されるとともに、前記第２金属セパレータは、前記第１電解質・電極構造体に向かう面に第１反応ガス流路を有する一方、前記第２電解質・電極構造体に向かう面に第２反応ガス流路を有する燃料電池スタックに関するものである。

第１反応ガス流路は、第１流路溝部と前記第１流路溝部よりも幅狭な縮幅溝部とを交互に設け、第２反応ガス流路は、第２流路溝部と前記第２流路溝部よりも幅広な拡幅溝部とを交互に設けている。

また、第１流路溝部の幅寸法と第２流路溝部の幅寸法とは、同一寸法に設定されることが好ましい。

さらに、第１反応ガス流路及び第２反応ガス流路は、蛇行する波形状流路に構成されることが好ましい。

さらにまた、第１反応ガス流路は、波形状流路の湾曲乃至屈曲部に縮幅溝部が配置される一方、第２反応ガス流路は、波形状流路の湾曲乃至屈曲部に拡幅溝部が配置されることが好ましい。

本発明では、第１及び第２反応ガス流路が、それぞれ流路幅の変動を繰り返すため、圧力損失が増大して生成水の排出性が良好に向上する。しかも、第１流路溝部と縮幅溝部とが交互に設けられる一方、第２流路溝部と拡幅溝部とが交互に設けられている。これにより、第２金属セパレータの両面には、縮幅溝部と拡幅溝部とを交互に且つ近接して設けることができる。従って、第１及び第２反応ガス流路を容易且つ効率的に形成することが可能になるとともに、セパレータ自体が小型になって燃料電池スタック全体のコンパクト化が確実に図られる。

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池スタック１０の分解斜視説明図である。図２は、燃料電池スタック１０の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面図であり、図３は、前記燃料電池スタック１０の、図１中、ＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。

燃料電池スタック１０は、複数の発電ユニット１２を矢印Ａ方向（水平方向）に積層して構成される（図２及び図３参照）。発電ユニット１２は、第１金属セパレータ１４、第１電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）１６ａ、第２金属セパレータ１８、第２電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）１６ｂ及び第３金属セパレータ２０の順に積層される。

図１に示すように、発電ユニット１２の長辺方向（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２２ａ、及び燃料ガス、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２４ａが設けられる。

発電ユニット１２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２４ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔２２ｂが設けられる。

発電ユニット１２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、前記発電ユニット１２の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。

第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂ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を挟持するカソード側電極３０及びアノード側電極３２とを備える。カソード側電極３０及びアノード側電極３２は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、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。

図１及び図４に示すように、第１金属セパレータ１４の第１電解質膜・電極構造体１６ａに向かう面１４ａ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とを連通する第１酸化剤ガス流路３４が形成される。

第１酸化剤ガス流路３４は、矢印Ｃ方向（長辺方向）に蛇行して延在する複数の波形状流路に構成されるとともに、第１酸化剤ガス流路溝部３４ａと前記第１酸化剤ガス流路溝部３４ａよりも幅広な第１拡幅溝部３４ｂとを交互に設ける。第１拡幅溝部３４ｂは、第１酸化剤ガス流路３４の波形状流路の湾曲乃至屈曲部に配置される一方、第１酸化剤ガス流路溝部３４ａは、前記湾曲乃至屈曲部同士の間に配置される。

第１酸化剤ガス流路３４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、複数のエンボス（凸部）を設ける。

第１金属セパレータ１４の面１４ｂと、隣接する第３金属セパレータ２０の面２０ｂとの間には、第１酸化剤ガス流路３４の裏面形状に対応して冷却媒体供給連通孔２６ａと冷却媒体排出連通孔２６ｂとを連通する第１冷却媒体流路４０ａが形成される。

図５に示すように、第２金属セパレータ１８の第１電解質膜・電極構造体１６ａ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とを連通する第１燃料ガス流路（第１反応ガス流路）４２が形成される。

第１燃料ガス流路４２は、矢印Ｃ方向（長辺方向）に蛇行して延在する複数の波形状流路に構成されるとともに、第１燃料ガス流路溝部４２ａと前記第１燃料ガス流路溝部４２ａよりも幅狭な第１縮幅溝部４２ｂとを交互に設ける。第１縮幅溝部４２ｂは、第１燃料ガス流路４２の波形状流路の湾曲乃至屈曲部に配置される一方、第１燃料ガス流路溝部４２ａは、前記湾曲乃至屈曲部同士の間に配置される。

第１燃料ガス流路４２の矢印Ｃ方向上端及び下端に位置して入口バッファ部４４ａ及び出口バッファ部４４ｂが設けられる。入口バッファ部４４ａ及び出口バッファ部４４ｂは、複数のエンボス（凸部）を設ける。

第２金属セパレータ１８の第２電解質膜・電極構造体１６ｂに向かう面１８ｂには、図６に示すように、酸化剤ガス供給連通孔２２ａと酸化剤ガス排出連通孔２２ｂとを連通する第２酸化剤ガス流路（第２反応ガス流路）４８が形成される。

第２酸化剤ガス流路４８は、矢印Ｃ方向（長辺方向）に蛇行して延在する複数の波形状流路に構成されるとともに、第２酸化剤ガス流路溝部４８ａと前記第２酸化剤ガス流路溝部４８ａよりも幅広な第２拡幅溝部４８ｂとを交互に設ける。第２拡幅溝部４８ｂは、第２酸化剤ガス流路４８の波形状流路の湾曲乃至屈曲部に配置される一方、第２酸化剤ガス流路溝部４８ａは、前記湾曲乃至屈曲部同士の間に配置される。第２酸化剤ガス流路溝部４８ａは、第１酸化剤ガス流路溝部３４ａと同一の幅寸法に設定される。

第２酸化剤ガス流路４８の矢印Ｃ方向上端及び下端に位置して入口バッファ部５０ａ及び出口バッファ部５０ｂが設けられる。入口バッファ部５０ａ及び出口バッファ部５０ｂは、複数のエンボス（凸部）を設ける。

図７に示すように、第３金属セパレータ２０の第２電解質膜・電極構造体１６ｂに向かう面２０ａには、燃料ガス供給連通孔２４ａと燃料ガス排出連通孔２４ｂとを連通する第２燃料ガス流路５４が形成される。

第２燃料ガス流路５４は、矢印Ｃ方向（長辺方向）に蛇行して延在する複数の波形状流路に構成されるとともに、第２燃料ガス流路溝部５４ａと前記第２燃料ガス流路溝部５４ａよりも幅狭な第２縮幅溝部５４ｂとを交互に設ける。第２縮幅溝部５４ｂは、第２燃料ガス流路５４の波形状流路の湾曲乃至屈曲部に配置される一方、第２燃料ガス流路溝部５４ａは、前記湾曲乃至屈曲部同士の間に配置される。第２燃料ガス流路溝部５４ａは、第１燃料ガス流路溝部４２ａと同一の幅寸法に設定される。

第２燃料ガス流路５４の矢印Ｃ方向上端及び下端に位置して入口バッファ部５６ａ及び出口バッファ部５６ｂが設けられる。入口バッファ部５６ａ及び出口バッファ部５６ｂは、複数のエンボス（凸部）を設ける。

第３金属セパレータ２０の面２０ｂと、隣接する第１金属セパレータ１４の面１４ｂ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とを連通する第２冷却媒体流路４０ｂが形成される（図１参照）。

第１金属セパレータ１４、第２金属セパレータ１８及び第３金属セパレータ２０の面には、第１シール部材６０、第２シール部材６２及び第３シール部材６４が一体成形される。

このように構成される燃料電池スタック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、燃料電池スタック１０を構成する各発電ユニット１２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１金属セパレータ１４の第１酸化剤ガス流路３４及び第２金属セパレータ１８の第２酸化剤ガス流路４８に導入される。このため、酸化剤ガスは、第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂの各カソード側電極３０に沿って鉛直下方向に移動する。

一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔２４ａから第２金属セパレータ１８の第１燃料ガス流路４２及び第３金属セパレータ２０の第２燃料ガス流路５４に導入される。従って、燃料ガスは、第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂの各アノード側電極３２に沿って鉛直下方向に移動する。

上記のように、第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂでは、各カソード側電極３０に供給される酸化剤ガスと、各アノード側電極３２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。

次いで、カソード側電極３０に供給されて消費された酸化剤ガスは、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３２に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔２４ｂに排出される。

また、冷却媒体は、各発電ユニット１２間に形成される第１及び第２冷却媒体流路４０ａ、４０ｂに導入される。冷却媒体は、矢印Ｂ方向（図１中、水平方向）に沿って流動し、一方の発電ユニット１２の第２電解質膜・電極構造体１６ｂと他方の発電ユニット１２の第１電解質膜・電極構造体１６ａとを冷却する。すなわち、冷却媒体は、発電ユニット１２内の第１及び第２電解質膜・電極構造体１６ａ、１６ｂ間を冷却しない、所謂、間引き冷却した後、冷却媒体排出連通孔２６ｂに排出される。

この場合、本実施形態では、図５及び図６に示すように、第２金属セパレータ１８は、面１８ａに第１燃料ガス流路４２を設けるとともに、面１８ｂに第２酸化剤ガス流路４８を設けている。さらに、第１燃料ガス流路４２は、第１燃料ガス流路溝部４２ａと前記第１燃料ガス流路溝部４２ａよりも幅狭な第１縮幅溝部４２ｂとを交互に設ける一方、第２酸化剤ガス流路４８は、第２酸化剤ガス流路溝部４８ａと前記第２酸化剤ガス流路溝部４８ａよりも幅広な第２拡幅溝部４８ｂとを交互に設けている。

このように、第１燃料ガス流路４２及び第２酸化剤ガス流路４８は、それぞれ流路幅の変動を繰り返すため、流路内に圧力損失の高い部分が発生し、生成水の排出性が良好に向上するとともに、電極面圧の減少を抑制することができる。

具体的には、例えば、第１燃料ガス流路４２において、第１燃料ガス流路溝部４２ａ及び第１縮幅溝部４２ｂの流量が一定であるとすると、第１燃料ガス流路溝部４２ａの流路断面積Ａ_Nと第１縮幅溝部４２ｂの流路断面積Ａ_Dとは、Ａ_N＞Ａ_Dの関係を有する。

さらに、第１燃料ガス流路溝部４２ａの水力直径Ｄ_Nと第１縮幅溝部４２ｂの水力直径Ｄ_Dとは、Ｄ_N＞Ｄ_Dの関係を有するとともに、前記第１燃料ガス流路溝部４２ａの流速Ｖ_Nと前記第１縮幅溝部４２ｂの流速Ｖ_Dとは、Ｖ_D＞Ｖ_Nの関係を有する。

圧力損失ΔＰ＝λ×（Ｌ／Ｄ）×（ρＶ²／２）の関係から、第１燃料ガス流路溝部４２ａの圧力損失ΔＰ_Nと第１縮幅溝部４２ｂの圧力損失ΔＰ_Dとは、ΔＰ_D＞ΔＰ_Nとなり、高い圧力損失が得られる。

しかも、第１燃料ガス流路４２の幅狭な第１縮幅溝部４２ｂと、第２酸化剤ガス流路４８の幅広な第２拡幅溝部４８ｂとは、矢印Ｂ方向に沿って交互に且つ近接して配置されている。

従って、第２金属セパレータ１８では、第１燃料ガス流路４２と第２酸化剤ガス流路４８とを容易且つ効率的に形成することが可能になるとともに、前記第２金属セパレータ１８自体が小型化される。このため、燃料電池スタック１０全体のコンパクト化が確実に遂行されるという効果が得られる。

なお、本実施形態では、第１燃料ガス流路４２及び第２酸化剤ガス流路４８は、蛇行する複数の波形状流路に構成されているが、これに限定されるものではなく、例えば、複数の直線状流路に構成されていてもよい。

また、第１燃料ガス流路４２の第１縮幅溝部４２ｂは、前記第１燃料ガス流路４２の波形状流路の湾曲乃至屈曲部に配置されているが、これに代えて前記第１縮幅溝部４２ｂを前記湾曲乃至屈曲部間に配置してもよい。同様に、第２酸化剤ガス流路４８の第２拡幅溝部４８ｂは、前記第２酸化剤ガス流路４８の波形状流路の湾曲乃至屈曲部に配置されているが、これに代えて前記第２拡幅溝部４８ｂを前記湾曲乃至屈曲部間に配置してもよい。

本発明の実施形態に係る燃料電池スタックの分解斜視説明図である。 前記燃料電池スタックの、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面図である。 前記燃料電池スタックの、図１中、ＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。 前記燃料電池スタックを構成する第１金属セパレータの正面説明図である。 前記燃料電池スタックを構成する第２金属セパレータの一方の面の説明図である。 前記第２金属セパレータの他方の面の説明図である。 前記燃料電池スタックを構成する第３金属セパレータの正面説明図である。 特許文献１のセパレータの説明図である。

符号の説明

１０…燃料電池スタック １２…発電ユニット
１４、１８、２０…金属セパレータ １６ａ、１６ｂ…電解質膜・電極構造体
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…カソード側電極
３２…アノード側電極 ３４、４８…酸化剤ガス流路
３４ａ、４８ａ…酸化剤ガス流路溝部 ３４ｂ、４８ｂ…拡幅溝部
４０ａ、４０ｂ…冷却媒体流路 ４２、５４…燃料ガス流路
４２ａ、５４ａ…燃料ガス流路溝部 ４２ｂ、５４ｂ…縮幅溝部

Claims (4)

1. 電解質の両側に一対の電極が配設される少なくとも第１及び第２電解質・電極構造体を有し、第１金属セパレータ、前記第１電解質・電極構造体、第２金属セパレータ、前記第２電解質・電極構造体及び第３金属セパレータの順に積層されるとともに、前記第２金属セパレータは、前記第１電解質・電極構造体に向かう面に第１反応ガス流路を有する一方、前記第２電解質・電極構造体に向かう面に第２反応ガス流路を有する燃料電池スタックであって、
   前記第１反応ガス流路は、第１流路溝部と前記第１流路溝部よりも幅狭な縮幅溝部とを交互に設け、
   前記第２反応ガス流路は、第２流路溝部と前記第２流路溝部よりも幅広な拡幅溝部とを交互に設けることを特徴とする燃料電池スタック。
2. 請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記第１流路溝部の幅寸法と前記第２流路溝部の幅寸法とは、同一寸法に設定されることを特徴とする燃料電池スタック。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池スタックにおいて、前記第１反応ガス流路及び前記第２反応ガス流路は、蛇行する波形状流路に構成されることを特徴とする燃料電池スタック。
4. 請求項３記載の燃料電池スタックにおいて、前記第１反応ガス流路は、前記波形状流路の湾曲乃至屈曲部に前記縮幅溝部が配置される一方、
   前記第２反応ガス流路は、前記波形状流路の湾曲乃至屈曲部に前記拡幅溝部が配置されることを特徴とする燃料電池スタック。

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