JP5768882B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は燃料電池に関し、特にセパレータの構造に関する。

固体高分子型燃料電池は、固体高分子膜からなる電解質膜を燃料極と空気極との２枚の電極で挟んだ膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を、さらに２枚のセパレータで挟持してなるセルを最小単位とし、このセルを複数積み重ねて燃料電池スタックとして高出力を得ている。

固体高分子型燃料電池の発電の仕組みは周知であるが、簡単に説明すると、燃料極（アノード側電極）に燃料ガスとして例えば水素含有ガスが、空気極（カソード側電極）に酸化剤ガスとして例えば主に酸素を含有するガスあるいは空気が供給される。水素含有ガスは、燃料ガス流路を通ってアノード側電極に供給され、電極の触媒の作用により電子と水素イオンに分解される。電子は外部回路を通ってカソード側電極に移動する。一方、水素イオンは電解質膜を通過してカソード側電極に達し、酸素および外部回路を通ってきた電子と結合し、反応水になる。水素と酸素及び電子の結合反応により発生する熱は、冷却水によって回収される。また、カソード側電極に生成した水（以下「生成水」という）は、カソード側から排出される。

燃料電池のアノード側電極及びカソード側電極は、それぞれ触媒層からなり、この触媒層にはそれぞれ水素含有ガス、酸化剤ガスを拡散するためのガス拡散層が積層されている。上述の反応により生成した生成水の排出がカソード側の流路で滞った場合、カソード側電極に閉塞現象（「フラッディング現象」）が生じる場合がある。すなわち、生成水の排水がカソード側流路で滞ると、カソード側流路を生成水で狭めることになるためカソード側流路の流路抵抗が増大し、ひいては発電出力の低下を招くおそれがある。

下記の特許文献１には、ガスの拡散性の阻害や排水性の悪化を解消することを目的として、供給ガスを流す流路を形成する流路形成部材において、流路を、流通する複数の区間から構成するとともに、各区間の流路幅が、供給ガスの下流側に位置する区間ほど狭くなるように構成することが開示されている。

特開２００１−１４３７２５号公報

ところで、セパレータとして、例えば１枚の金属板をプレス加工することで表面と裏面との間で凹凸形状が反転したプレスセパレータとし、凹部に水素含有ガスを供給する構成が提案されている。プレスセパレータの凸部、つまり裏側の凹部には冷却水が供給されて膜電極接合体を冷却する。すなわち、ガス流路と冷却水流路は表裏一体構造となる。このようなプレスセパレータは、ガス流路と冷却水流路を表裏に形成することができるため構造が簡易化されるが、燃料電池セル内の湿潤状態が不均一となり易い。具体的には、高温時には、ガス下流部において乾燥し易くなる。すなわち、カソード側では生成水が生じるため、この生成水をカソード側からアノード側に循環させることでアノードガス上流側の水分は相対的に高くなるが、アノードガス上流側では圧損が大きいため下流側まで水分が移動せず、アノードガス下流側において乾燥し易くなる（ドライアップ）。このような湿潤状態の不均一性は、プレスセパレータ以外の任意のセパレータでも生じ得る。

本発明の目的は、ガス流路と冷却水等の冷媒流路が表裏一体のセパレータを用いた場合でも、湿潤状態を改善し、これにより出力電圧を向上させることができる燃料電池を提供することにある。

本発明は、燃料電池であって、膜電極接合体と、前記膜電極接合体の一方の側に配設され、その表面及び裏面に表裏一体の凹凸形状が形成され、前記膜電極接合体側の凹部にガス流路、前記膜電極接合体と反対側の凹部に冷媒流路が形成されるセパレータとを備え、前記セパレータのガス流路を形成する凹部の断面積は、ガス下流側がガス上流側に対して相対的に小さく設定され、前記セパレータの冷媒流路を形成する凹部の断面積は、冷媒下流側が冷媒上流側に対して相対的に大きく設定され、前記ガス流路は、サーペンタイン流路であり、前記冷媒流路は、ストレート流路であることを特徴とする。

本発明によれば、湿潤状態を改善して出力電圧を向上させることができる。

実施形態における燃料電池の構成図である。 実施形態におけるガス流路の模式的説明図である。 図２のａ−ａ、ｂ−ｂ、ｃ−ｃの各断面図である。 実施形態と比較例の比率を示す表図である。 実施形態と比較例の比率を示す表図である。 実施形態と比較例のセル電圧変化を示すグラフである。 実施形態のセパレータの平面図である。

以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。但し、以下の実施形態は例示であり、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。

まず、本実施形態の基本構成及び基本原理について説明する。

本実施形態における燃料電池は、膜電極接合体とアノード側ガス拡散層、カソード側ガス拡散層とを備え、アノード側ガス拡散層に凹凸が表裏一体に形成されたセパレータが接合される。セパレータはプレス加工されることから、適宜、プレスセパレータと称する。プレスセパレータのアノード側ガス拡散層の凹部は、ガス流路として機能し、反応ガスとして水素ガスが供給される。また、凹部に隣接する凸部、すなわち裏面の凹部は冷媒流路として冷却水が供給される。

プレスセパレータの凹部には水素ガスが供給されるが、その下流ではガス流速が小さくなるため排水性が低下し、低温時においては生成水が滞留してフラッディングが生じ得る。また、高温時には逆に乾燥してドライアップが生じ得る。

そこで、本実施形態では、凹凸が表裏一体に形成されたプレスセパレータにおいて、ガス流路に沿って凹部の幅と凸部の断面積（流路断面積）を一定ではなく変化させ、凹部に関しては下流側では上流側に比べて相対的に断面積を小さくするとともに、凸部に関しては下流側では上流側に比べて相対的に断面積を大きくする。

凹部の断面積を下流側で上流側に比べて相対的に小さくする、言い換えれば上流では相対的に断面積が大きくなるためそうでない場合に比べてガス流路の圧損が低減し、このため生成水を上流側から下流側に移動させて生成水の滞留を抑制し、湿潤状態を改善できる。なお、生成水はカソード側で生じるが、アノード側のガス流路の流れ方向とカソード側のガス流路の流れ方向が互いに反対方向になっており、アノード側でのガス流路の上流がカソード側におけるガス流路の下流に対応し、アノード側でのガス流路の下流がカソード側におけるガス流路の上流に対応する場合、カソード側のガス流路に沿って生成水はカソード側のガス流路の下流に運ばれ、電解質膜を介してアノード側の上流に運ばれる。このような生成水の循環が生じるためアノード側のガス流路の上流側では生成水が相対的に多くなるところ、本実施形態ではガス流路の上流側の幅が相対的に大きく設定されて圧損が低減されているため、カソード側から循環された生成水は速やかに下流側に運ばれて湿潤状態が改善される。

また、凸部の断面積を下流側で上流側に比べて相対的に大きくすることで、アノード側ガス拡散層と凸部との接触面積あるいはコンタクト率が下流側で相対的に大きくなり、その分だけ下流側の熱伝達効率が増大する。従って、高温時においても下流側において効率的に熱を奪って冷却することが可能となり、高温時における下流側の乾燥、ひいてはドライアップが抑制される。

本実施形態では、セパレータの凹部の断面積と凸部の断面積、すなわちガス流路の断面積と冷却水流路の断面積をともに調整することで、膜の湿潤状態を改善するものといえる。

次に、本実施形態における燃料電池を具体的に説明する。

図１に、本実施形態における燃料電池の断面構成を示す。燃料電池は、セパレータ２０、セパレータ３０、多孔質体層３４、ガス拡散シート１４、ＭＥＡ１０、ガス拡散シート１２、セパレータ２０、セパレータ３０を順次積層して構成される。ガス拡散シート１２、セパレータ２０、セパレータ３０がアノード側、ガス拡散シート１４、多孔質体層３４がカソード側である。ガス拡散シート１４、ＭＥＡ１０、ガス拡散シート１２は互いに接合されてＭＥＧＡを構成する。

セパレータ２０及びセパレータ３０は、矩形状の外形を有しており、外周側には複数の貫通孔が設けられて各種マニホールドが形成される。セパレータ２０は、１枚の金属板をプレス加工することにより形成され、表面と裏面との間で凹凸形状が反転する。セパレータ２０の外周側に設けられた貫通孔により形成されるマニホールドを介して凹部２２ａには高圧の水素ガスが供給される。また、凹部２２ｂは、セパレータ２０の外周側に設けられた他の貫通孔により形成されるマニホールドを介してアノードガス排気系に接続される。この流れの過程で、ガス拡散シート１２からＭＥＡ１０のアノード側電極触媒層に水素が供給される。また、セパレータ２０の凸部２４は、セパレータ３０とともに冷却水等の冷媒を流す冷媒流路として機能する。

凹部２２で構成されるガス流路は、ガス流入口からガス流出口にかけて複数の区間、例えば３つの区間から構成され、各区間がシャープなターンで連続的に接続されるサーペンタイン流路を構成する。

図２に、サーペンタイン流路を模式的に示す。ガス流路は、上流、中流、下流の３つの区間から構成される。上流と中流はＵ字型のターンで接続され、中流と下流もＵ字型のターンで接続される。上流は、図中矢印で示すように右から左に流れ、中流は図中左から右に流れ、下流は上流と同様に図中右から左に流れる。セパレータ２０の外周側に設けられた水素流入口５０から供給された水素ガスは、上流、中流、下流の順に流れ、セパレータ２０の外周側で水素流入口５０とは反対側に設けられた水素流出口５２から排出される。

図３に、図２の上流、中流、下流における模式的断面図を示す。図３（ａ）は、図２のａ−ａ断面図であり、上流における凹部２２と凸部２４の断面図である。また、図３（ｂ）は、図２のｂ−ｂ断面図であり、中流における凹部２２と凸部２４の断面図である。また、図３（ｃ）は、図２のｃ−ｃ断面図であり、下流における凹部２２と凸部２４の断面図である。

凹部２２の幅をＬ１、凸部２４の幅をＬ２とすると、凹部２２の幅Ｌ１は、上流にいくほど大きくなり、下流にいくほど小さくなる。すなわち、上流のＬ１をＬ１（上流）、中流のＬ１をＬ１（中流）、下流のＬ１をＬ１（下流）とすると、
Ｌ１（上流）＞Ｌ１（中流）＞Ｌ１（下流）
となるように形成される。凹部２２の深さは一定であり、ガス流路の断面積は幅×深さで定義されるから、上流の断面積をＳ１（上流）、中流の断面積をＳ１（中流）、下流の断面積をＳ１（下流）とすると、
Ｓ１（上流）＞Ｓ１（中流）＞Ｓ１（下流）
である。また、凸部２４の幅Ｌ２は、Ｌ１とは逆に、上流にいくほど小さくなり、下流にいくほど大きくなる。すなわち、上流のＬ２をＬ２（上流）、中流のＬ２をＬ２（中流）、下流のＬ２をＬ２（下流）とすると、
Ｌ２（上流）＜Ｌ２（中流）＜Ｌ２（下流）
となるように形成される。同様に、凸部２４の高さ、すなわち裏面の凹部の深さは一定であり、冷却水流路の断面積は幅×深さで定義されるから、上流の断面積をＳ２（上流）、中流の断面積をＳ２（中流）、下流の断面積をＳ２（下流）とすると、
Ｓ２（上流）＜Ｓ２（中流）＜Ｓ２（下流）
である。

言い換えれば、中流における凹部２２の幅Ｌ１を基準とすると、上流では凹部２２の幅Ｌ１を中流よりも所定量だけ大きくし、下流では凹部２２の幅Ｌ１を中流よりも所定量だけ小さくする。また、中流における凸部２４の幅Ｌ２を基準とすると、上流では凸部２４の幅Ｌ２を中流よりも所定量だけ小さくし、下流では凸部２４の幅Ｌ２を中流よりも所定量だけ大きくする。

なお、図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）において、凹部２２の幅Ｌ１と凸部２４の幅Ｌ２との和、すなわちピッチＰ＝Ｌ１＋Ｌ２は一定である。つまり、凹部２２と凸部２４のピッチを一定としつつ、凹部２２の幅Ｌ１と凸部２４の幅Ｌ２を上流、中流、下流でともに変化させるのである。

図４に、凹部２２の幅と凸部２４の幅が上流、中流、下流において一定の場合の比較例と、本実施形態とを対比して表として示す。図において、凹部２２の幅と凸部２４の幅の比率をガス流路と冷却水流路に分けて示す。ガス流路では、比率は（凹部２２の幅／凸部２４の幅）で示し、冷却水流路では、比率は（凸部２４の幅／凹部２２の幅）で示す。中流を基準とし、中流における凹部２２の幅をＡ、ピッチをＰとすると、中流では比較例及び実施形態ともにガス流路の比率はＡ／（Ｐ−Ａ）であり、冷却水流路の比率は（Ｐ−Ａ）／Ａとなって同一である。比較例では、上流、下流においてもこの比率は変化せず同一である。一方、実施形態では、上流では凹部２２の幅が所定量αだけ大きくなり、ガス流路の比率は（Ａ＋α）／（Ｐ−Ａ−α）、冷却水流路の比率は（Ａ−α）／（Ｐ−Ａ＋α）となる。また、下流では凹部２２の幅が所定量αだけ小さくなり、ガス流路の比率は（Ａ−α）／（Ｐ−Ａ＋α）、冷却水流路の比率は（Ａ＋α）／（Ｐ−Ａ−α）となる。

あるいは、中流における凸部２４の幅をＢ、所定量をβとして、比較例では上流、中流、下流ともガス流路の比率はＡ／Ｂ、冷却水流路の比率はＢ／Ａであるが、実施形態では上流におけるガス流路の比率は（Ａ＋α）／（Ｂ−β）、中流におけるガス流路の比率はＡ／Ｂ、下流におけるガス流路の比率は（Ａ−α）／（Ｂ＋β）とし、上流における冷却水流路の比率は（Ｂ−β）／（Ａ＋α）、中流における冷却水流路の比率はＢ／Ａ、下流における冷却水流路の比率は（Ｂ＋β）／（Ａ−α）としてもよい。αとβは同一でもよく、異なっていてもよい。αとβが同一の場合はピッチ一定の場合に相当し、αとβが異なる場合はピッチが変化する場合に相当する。

図５に、図４の表の一つの具体例を示す。図４におけるαを０．０８ｍｍとした場合である。比較例は、上流、中流、下流ともガス流路の比率は１．１２（ｍｍ）／０．４２（ｍｍ）と同一であり、冷却水流路の比率も０．４２／１．１２と同一である。一方、実施形態では、ガス流路の比率は上流で１．２０／０．３４、中流で１．１２／０．４２、下流で１．０４／０．５０と変化し、中流を基準とすると上流は中流に比べて比率が増大し、下流は中流に比べて比率が減少する。また、冷却水流路の比率は上流で０．３４／１．２０、中流で０．４２／１．１２、下流で０．５０／１．０４と変化し、中流を基準とすると上流は中流に比べて比率が減少し、下流は中流に比べて比率が増大する。中流の比率は比較例と実施形態とで同一としている。

このように、凹部２２の幅Ｌ１を、
Ｌ１（上流）＞Ｌ１（中流）＞Ｌ１（下流）
となるように形成することで、上流におけるガス圧損が低下し、かつ、下流におけるガス流速が増大する。これにより、上流から下流に向けて水分が移動されるようになり、高温時における乾燥が抑制される。また、低温時においても下流におけるガス流速が増大しているため、排水性が確保され、フラッディングが抑制される。

また、凸部２４の幅Ｌ２を、
Ｌ２（上流）＜Ｌ２（中流）＜Ｌ２（下流）
となるように形成することで、下流におけるセパレータ２０とガス拡散層１２との接触面積あるいはコンタクト率が増大し、熱伝達効率が向上するため、高温時における下流における乾燥、さらにはドライアップが抑制される。そして、フラッディングやドライアップは燃料電池の出力電圧に大きな影響を与えるから、本実施形態ではこれらのフラッディングやドライアップが抑制されることから、燃料電池の出力電圧が向上する。

図６に、比較例と実施形態の燃料電池のセル電圧特性を示す。図において、横軸は電流密度であり、縦軸は平均セル電圧を示す。また、図において符号１００は実施形態のセル電圧を示し、符号２００は比較例のセル電圧を示す。電流密度が低い場合には比較例と実施形態はほぼ同様のセル電圧を示すが、電流密度が増大するに従って実施形態のセル電圧が比較例よりも大きくなる。これは、実施形態ではガス流路にわたって膜湿潤状態が均一化されており、特に高出力時において下流側の乾燥が抑制されていることによるものである。

図７に、本実施形態におけるセパレータ２０の具体的な構成を示す。セパレータ２０は全体形状が矩形状をなし、表裏一体の凹凸形状のうちの凹部からなるガス流路は上流、中流、下流の３つの区間から構成される。図において、上から上流、中流、下流の順に形成される。セパレータ２０の左右外周部には、水素ガス流入／流出入口マニホールド５０，５２、冷却水流入／流出口マニホールド６０，６２が形成される。具体的には、セパレータ２０の右外周部には、上から水素流入口マニホールド５０、３つの冷却水流入口マニホールド６０が形成され、左外周部には合計４つのマニホールドが形成され、上から３つの冷却水流出口マニホールド６２、水素ガス流出口マニホールド５２が形成される。水素ガスは、外部の水素タンクからレギュレータやインジェクタを介してセパレータ２０の右外周部の水素流入口マニホールド５０から供給される。水素ガスの配管は水素タンクから燃料電池スタック側に延在し、燃料電池スタックのエンドプレート内を通って水素ガス流入口マニホールド５０に接続される。水素ガスは、図中右上端のガス入口からガス流路の上流に流入する。

水素ガスは、サーペンタイン流路であるガス流路の上流を図中右から左に流れ、左端のターンで折り返して中流に流入する。そして、水素ガスは、ガス流路の中流を図中左から右に流れ、右端のターンで折り返して下流に流入する。さらに、水素ガスは、ガス流路の下流を図中右から左に流れ、ガス出口からセパレータ２０の左外周部の水素ガス流出口マニホールド５２からオフガスとして排気される。オフガスとして排気された水素ガスは、気液分離機で水分が除去された後、循環ポンプで再びガス流路の上流に供給される。

一方、冷却水は、セパレータ２０の右外周部の冷却水流入口マニホールド６０から供給され、ガス流路を構成する表面の凹部に隣接する凸部、すなわち裏面の凹部から形成される冷却水流路を流れてセパレータ２０の左外周部の冷却水流出口マニホールド６２から排水される。すなわち、ガス流路は水素ガス流入口マニホールド５０から流入して上流から中流、中流から下流と蛇行して流れて水素ガス流出口マニホールド５２から排気されるが、冷却水はこのように蛇行せず、冷却水流入口マニホールド６０から流入してストレートにガス流路における上流、中流、下流の各冷却水流路を流れ、冷却水流出口マニホールド６２から排水される。本実施形態では、ガス流路はサーペンタイン流路である一方、冷却水流路はストレート流路といえる。冷却水流入／流出口マニホールド６０，６２と冷却水流路の間には、上下方向にディンプル列６６が形成され、冷却水の流れがほぼ均一となるように調整される。また、セパレータ２０の上下外周部には、エアー流入／流出口マニホールド７０，７２が形成される。

ガス流路の上流の凹部の幅は、中流の凹部の幅よりも相対的に大きく設定される。また、ガス流路の下流の凹部の幅は、中流の凹部の幅よりも相対的に小さく設定される。一方、ガス流路の上流の凸部の幅は、中流の凸部の幅よりも相対的に小さく設定される。また、下流の凸部の幅は、中流の凸部の幅よりも相対的に大きく設定される。具体的には、上流における凹部の幅（流路幅）は１．２０ｍｍ、中流における凹部の幅は１．１２ｍｍ、下流における凹部の幅は１．０４ｍｍである。また、上流における凸部の幅は０．３４ｍｍ、中流における凸部の幅は０．４２ｍｍ、下流における凸部の幅は０．５０ｍｍである。もちろん、幅の数字は一例であり、上流における凹部２２の幅を１．０２ｍｍ、中流における凹部２２の幅を０．９５ｍｍ、下流における凹部２２の幅を０．８８ｍｍ等としてもよい。

以上のように、本実施形態では、ガス流路と冷却水流路が表裏一体に形成されるセパレータにおいて、ガス流路の下流にいくほどガス流路の断面積を小さくするとともに冷却水流路の断面積を大きく形成することで、上流における圧損を低減して生成水を下流まで移動させ、膜の湿潤状態を改善することができる。すなわち、ガス流路の上流では相対的にガス流路の断面積を大きくすることで圧損を低減してガス流路の上流に存在する生成水を下流側まで流し、生成水が流路に溜って流路を狭めるフラッディングを効果的に抑制できるとともに下流における生成水の不足を抑制できる。かつ、下流におけるガス流路の断面積を小さくする、言い換えれば下流における冷却水流路の断面積を大きくすることで下流における熱伝達効率を増大させることで、特に高温運転時における下流での乾燥を防ぎ、ドライアップを抑制できる。本実施形態では、従来以上に生成水が上流から下流に確実に運ばれてくるため、熱伝達効率の増大と併せてドライアップの抑制効果は顕著である。

なお、本実施形態では、セパレータ２０のガス流路としてサーペンタイン流路を例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、ターンの存在しないストレート流路においても同様に適用できる。ストレート流路では、ガス入口からガス出口に向けて、凹部２２が直線上に形成される。ストレート流路において、流路を上流と下流に２分割し、あるいは上流、中流、下流に３分割し、下流にいくほど凹部２２の幅を小さくするとともに凸部２４の幅を大きく設定する。

また、本実施形態では、上流、中流、下流で凹部２２の幅、すなわち断面積を変化させているが、上流と中流の凹部２２の幅を同一とし、下流のみ凹部２２の幅を相対的に小さくしてもよい。この場合、上流と中流の凸部２４の幅も同一とし、下流のみ凸部２４の幅を相対的に大きくする。また、中流と下流の凹部２２の幅を同一とし、上流のみ凹部２２の幅を相対的に大きくしてもよい。この場合、中流と下流の凸部２４の幅も同一とし、上流のみ凸部２４の幅を相対的に小さくする。

また、本実施形態では、アノード側のセパレータ２０において凹部流路を形成し、カソード側は多孔質体層３４からなる多孔体流路を形成しているが、カソード側を多孔質体層３４の代わりにセパレータ２０と同様のプレスセパレータとした場合に、このカソード側のプレスセパレータについてもアノード側と同様に上流側と下流側で凹部２２の幅、及び凸部２４の幅を変化させてもよい。

さらに、本実施形態では、凹部２２と凸部２４のピッチを一定としながらそれぞれの幅を変化させているが、必ずしもピッチを一定とするのではなく、凹部２２と凸部２４の幅を変化させつつピッチも同時に変化させてもよい。上記の場合において、α＝βがピッチ一定の場合に相当し、αとβが異なるときがピッチが変化する場合に相当する。

１０ ＭＥＡ、１２，１４ ガス拡散シート、２０，３０ セパレータ、３４ 多孔質体層、２２ 凹部、２４ 凸部。

Claims (3)

1. 燃料電池であって、
   膜電極接合体と、
   前記膜電極接合体の一方の側に配設され、その表面及び裏面に表裏一体の凹凸形状が形成され、前記膜電極接合体側の凹部にガス流路、前記膜電極接合体と反対側の凹部に冷媒流路が形成されるセパレータと、
   を備え、
   前記セパレータのガス流路を形成する凹部の断面積は、ガス下流側がガス上流側に対して相対的に小さく設定され、前記セパレータの冷媒流路を形成する凹部の断面積は、冷媒下流側が冷媒上流側に対して相対的に大きく設定され、
   前記ガス流路は、サーペンタイン流路であり、前記冷媒流路は、ストレート流路である
   ことを特徴とする燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池において、
   前記セパレータはアノード側に配設され、カソード側には多孔体流路が形成されることを特徴とする燃料電池。
3. 請求項１記載の燃料電池において、
   前記セパレータはアノード側に配設され、アノード側のガス流路の流れ方向とカソード側のガス流路の流れ方向が互いに反対方向である
   ことを特徴とする燃料電池。

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