JP6033198B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、電解質・電極構造体とセパレータとが積層される複数の発電セルを備え、前記発電セルの１の角部には、燃料ガス流路に連通する燃料ガス供給連通孔が設けら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の一方の面側にアノード電極が、他方の面側にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備えている。電解質膜・電極構造体は、セパレータによって挟持されて発電セルを構成している。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、例えば、車載用燃料電池スタックとして燃料電池電気車両に組み込まれている。

燃料電池では、セパレータの面内に、アノード電極に燃料ガスを流すための燃料ガス流路と、カソード電極に酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路とが設けられている。一方、互いに隣接するセパレータ間には、冷却媒体を流すための冷却媒体流路が前記セパレータの面方向に沿って設けられている。

燃料電池では、積層方向に貫通して燃料ガスを流通させる燃料ガス連通孔と、酸化剤ガスを流通させる酸化剤ガス連通孔と、冷却媒体を流通させる冷却媒体連通孔とが設けられた、所謂、内部マニホールド型燃料電池が採用されている。燃料ガス連通孔は、燃料ガス供給連通孔及び燃料ガス排出連通孔を有し、酸化剤ガス連通孔は、酸化剤ガス供給連通孔及び酸化剤ガス排出連通孔を有し、冷却媒体連通孔は、冷却媒体供給連通孔及び冷却媒体排出連通孔を有している。

内部マニホールド型燃料電池では、通常、燃料ガス連通孔及び酸化剤ガス連通孔は、セパレータの角部に設けられている。このため、燃料ガス供給連通孔から燃料ガス流路全体に燃料ガスを均一に供給することが困難であるという問題がある。同様に、酸化剤ガス供給連通孔から酸化剤ガス流路全体に酸化剤ガスを均一に供給することが困難であるという問題がある。

そこで、簡単な構成で、反応ガス流路（燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路）全域に反応ガス（燃料ガス及び酸化剤ガス）を均一且つ良好に供給することが可能な燃料電池が、特許文献１に開示されている。この燃料電池では、反応ガス流路の上流側に入口バッファ部が設けられるとともに、反応ガス供給連通孔と前記入口バッファ部の幅方向一部とは、複数の入口連結通路により接続されている。

そして、入口連結通路は、反応ガス供給連通孔を形成し且つ入口バッファ部に隣接する側の壁面に対して、セパレータ面内で前記壁面に直交する方向から前記反応ガス流路の中心方向に傾斜して設けられている。

従って、壁面に直交する方向に沿って入口連結通路が設けられる構成に比べ、前記入口連結通路の通路長が長尺化するため、前記入口連結通路を流れる反応ガスの圧損が大きくなっている。これにより、反応ガス流路全域にわたって反応ガスを均一且つ良好に供給することが可能になり、所望の発電を確実に行うことができる、としている。

特許第４９６０４１５号公報

本発明は、この種の技術に関連してなされたものであり、特に軽量ガスである燃料ガスが燃料ガス流路の上側に多量に流れることを抑制し、前記燃料ガス流路全域に前記燃料ガスを均一且つ良好に供給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。

本発明に係る燃料電池は、電解質の両側に一対の電極が設けられた電解質・電極構造体と矩形状のセパレータとが立位姿勢で水平方向に積層される複数の発電セルを備えている。セパレータの電極対向面には、電極に沿って燃料ガスを供給する燃料ガス流路が設けられている。そして、発電セルの少なくとも１の角部には、積層方向に貫通して燃料ガスを流通させ、燃料ガス流路に前記燃料ガスを流入させる燃料ガス供給連通孔が設けられている。

この燃料電池では、燃料ガス供給連通孔と燃料ガス流路の流れ方向上流側とを連通させる複数の入口連結通路が設けられている。そして、最上方に位置する入口連結通路は、燃料ガス流路に向かって他の入口連結通路の延在方向より下方に傾斜して延在している。最上方に位置する入口連結通路の途上には、燃料ガス流路に向かって上方に傾斜する入口連結分岐通路が設けられている。

また、この燃料電池では、分岐入口連結通路の開口断面積は、最上方に位置する入口連結通路の開口断面積よりも小さく設定されることが好ましい。

さらに、この燃料電池では、複数の入口連結通路と燃料ガス流路の流れ方向上流側との間には、前記燃料ガス流路の幅方向全体に亘って入口バッファ部が設けられることが好ましい。

本発明によれば、最上方に位置する入口連結通路は、他の入口連結通路に比べて下方に傾斜するとともに、最上方に位置する前記入口連結通路の途上には、上方に傾斜する分岐入口連結通路が設けられている。このため、特に軽量ガスである燃料ガス（例えば、水素ガス）が、燃料ガス流路の上側に多量に流れることを抑制することができる。これにより、燃料ガス流路全域に燃料ガスを均一且つ良好に供給することが可能になり、所望の発電を確実に行うことができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池を構成する発電ユニットの要部分解斜視説明図である。 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カソード側セパレータの正面説明図である。 前記燃料電池を構成するアノード側セパレータの正面説明図である。 前記アノード側セパレータの要部拡大説明図である。

図１及び図２に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池１０は、複数の発電セル１１が立位姿勢で水平方向（矢印Ａ方向）に積層されて構成される。燃料電池１０は、例えば、図示しない燃料電池電気自動車に搭載される車載用燃料電池スタックを構成する。

発電セル１１は、電解質膜・電極構造体１２と、前記電解質膜・電極構造体１２を挟持するカソード側セパレータ１４及びアノード側セパレータ１６とを備える。

カソード側セパレータ１４及びアノード側セパレータ１６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薄板状金属セパレータにより構成される。金属セパレータは、平面が矩形状を有するとともに、波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状に成形される。なお、カソード側セパレータ１４及びアノード側セパレータ１６は、金属セパレータに代えて、例えば、カーボンセパレータにより構成してもよい。

カソード側セパレータ１４及びアノード側セパレータ１６は、横長形状を有するとともに、短辺が重力方向（矢印Ｃ方向）に向かい且つ長辺が水平方向（矢印Ｂ方向）に向かうように配置される。なお、短辺が水平方向に向かい且つ長辺が重力方向に向かう配置でもよい。

発電セル１１の長辺方向（矢印Ｂ方向）の一端縁部（一方の短辺側）には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス供給連通孔１８ａ及び燃料ガス排出連通孔２０ｂが設けられる。酸化剤ガス供給連通孔１８ａは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する。燃料ガス排出連通孔２０ｂは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。酸化剤ガス供給連通孔１８ａ及び燃料ガス排出連通孔２０ｂは、略長方形状（又は略三角形状でもよい）を有するとともに、重力方向に対して傾斜する。

発電セル１１の長辺方向の他端縁部（他方の短辺側）には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給する燃料ガス供給連通孔２０ａと、酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出連通孔１８ｂとが設けられる。酸化剤ガス排出連通孔１８ｂ及び燃料ガス供給連通孔２０ａは、略長方形状（又は略三角形状でもよい）を有するとともに、重力方向に対して傾斜する。酸化剤ガス供給連通孔１８ａ、酸化剤ガス排出連通孔１８ｂ、燃料ガス供給連通孔２０ａ及び燃料ガス排出連通孔２０ｂは、発電セル１１の四隅の各角部に対応して配置される。

発電セル１１の短辺方向（矢印Ｃ方向）の両端縁部一方（酸化剤ガス供給連通孔１８ａに近接する一方）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２つの冷却媒体供給連通孔２２ａが設けられる。発電セル１１の短辺方向の両端縁部他方（燃料ガス供給連通孔２０ａに近接する他方）には、冷却媒体を排出するための２つの冷却媒体排出連通孔２２ｂが設けられる。

冷却媒体供給連通孔２２ａは、開口形状が後述する冷却媒体流路４０の流れ方向（矢印Ｂ方向）に沿って長尺な略長方形状に設定される。冷却媒体排出連通孔２２ｂは、開口形状が冷却媒体流路４０の流れ方向（矢印Ｂ方向）に沿って長尺な略長方形状に設定される。

電解質膜・電極構造体１２は、例えば、フッ素系又は炭化水素系の固体高分子電解質膜（陽イオン交換膜）２４と、前記固体高分子電解質膜２４を挟持するカソード電極２６及びアノード電極２８とを備える。カソード電極２６及びアノード電極２８は、同一の平面寸法を有し、且つ、固体高分子電解質膜２４よりも小さな平面寸法に設定される。なお、カソード電極２６とアノード電極２８とは、互いに異なる平面寸法を有する、所謂、段差型ＭＥＡを構成してもよい。その際、固体高分子電解質膜２４は、平面寸法の大きな電極面と同等の平面寸法に設定してもよい。

カソード電極２６及びアノード電極２８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され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２４の両面に形成される。

図３に示すように、カソード側セパレータ１４の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１４ａには、酸化剤ガス供給連通孔１８ａと酸化剤ガス排出連通孔１８ｂとを連通する酸化剤ガス流路３０が形成される。酸化剤ガス流路３０は、水平方向（矢印Ｂ方向）に延在し、酸化剤ガスをセパレータ面に沿って長辺方向に流通させる複数本の直線状（又は波状）の流路溝３０ａを有する。

酸化剤ガス流路３０の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ複数の突起状エンボス３２ａｅ及び３２ｂｅを有する入口バッファ部３２ａ及び出口バッファ部３２ｂが設けられる。入口バッファ部３２ａ及び出口バッファ部３２ｂは、酸化剤ガス流路３０の幅方向全体に亘って設けられる。

入口バッファ部３２ａは、酸化剤ガス流路３０の幅を底辺として酸化剤ガス供給連通孔１８ａ及び燃料ガス排出連通孔２０ｂの形状に沿って略三角形状を有する。出口バッファ部３２ｂは、酸化剤ガス流路３０の幅を底辺として酸化剤ガス排出連通孔１８ｂ及び燃料ガス供給連通孔２０ａの形状に沿って略三角形状を有する。

入口バッファ部３２ａと酸化剤ガス供給連通孔１８ａとは、複数本の入口連結流路３３ａにより連通する。出口バッファ部３２ｂと酸化剤ガス排出連通孔１８ｂとは、複数本の出口連結流路３３ｂにより連通する。入口連結流路３３ａ及び出口連結流路３３ｂは、それぞれの流路のピッチが同一であり、且つ、複数本の流路のガス流通方向に交差する方向に切断した断面積が同一である。

図４に示すように、アノード側セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１６ａには、燃料ガス供給連通孔２０ａと燃料ガス排出連通孔２０ｂとを連通する燃料ガス流路３４が形成される。燃料ガス流路３４は、水平方向（矢印Ｂ方向）に延在し、燃料ガスをセパレータ面に沿って長辺方向に流通させる複数本の直線状（又は波状）の流路溝３４ａを有する。

燃料ガス流路３４の入口近傍及び出口近傍には、それぞれ複数の突起状エンボス３６ａｅ及び３６ｂｅを有する入口バッファ部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、燃料ガス流路３４の幅方向全体に亘って設けられる。

入口バッファ部３６ａは、燃料ガス流路３４の幅を底辺として燃料ガス供給連通孔２０ａ及び酸化剤ガス排出連通孔１８ｂの形状に沿った略三角形状を有する。出口バッファ部３６ｂは、燃料ガス流路３４の幅を底辺として燃料ガス排出連通孔２０ｂ及び酸化剤ガス供給連通孔１８ａの形状に沿った略三角形状を有する。

入口バッファ部３６ａと燃料ガス供給連通孔２０ａとは、複数本の入口連結通路３８ａにより連通する。最上方に位置する入口連結通路３８ａ（以下、最上位入口連結通路３８ａｅという）は、燃料ガス流路３４に向かって他の入口連結通路３８ａの延在方向より下方に傾斜して延在する。図５に示すように、他の入口連結通路３８ａの延在方向ｈに対して、最上位入口連結通路３８ａｅの延在方向ｈｅは、角度α゜だけ下方に傾斜する。

最上位入口連結通路３８ａｅの途上には、燃料ガス流路３４に向かって上方に傾斜する１本以上の入口連結分岐通路３９が設けられる。入口連結分岐通路３９は、入口バッファ部３６ａに接続される。入口連結分岐通路３９の開口断面積は、最上位入口連結通路３８ａｅの開口断面積よりも小さく設定される。具体的には、最上位入口連結通路３８ａｅの幅寸法ｔ１に対して入口連結分岐通路３９の幅寸法ｔ２が小さく設定されるとともに（ｔ１＞ｔ２）、それぞれ同一の深さに設定される。最上位入口連結通路３８ａｅの幅寸法ｔ１は、入口連結通路３８ａの幅寸法ｔ３よりも小さな（又は同等な）寸法に設定される。

図４に示すように、出口バッファ部３６ｂと燃料ガス排出連通孔２０ｂとは、複数本の出口連結流路３８ｂにより連通する。入口連結通路３８ａ（最上位入口連結通路３８ａｅは除く）及び出口連結流路３８ｂは、それぞれの流路のピッチが同一であり、且つ、複数本の流路のガス流通方向に交差する方向に切断した断面積が同一である。

図１に示すように、互いに隣接するアノード側セパレータ１６の面１６ｂとカソード側セパレータ１４の面１４ｂとの間には、冷却媒体供給連通孔２２ａ、２２ａと冷却媒体排出連通孔２２ｂ、２２ｂとに連通する冷却媒体流路４０が形成される。冷却媒体流路４０は、電解質膜・電極構造体１２の電極範囲に亘って冷却媒体を流通させる。

アノード側セパレータ１６では、冷却媒体流路４０は、アノード側セパレータ１６の燃料ガス流路３４の裏面形状と、カソード側セパレータ１４の酸化剤ガス流路３０の裏面形状とが重なり合って形成される。冷却媒体供給連通孔２２ａの近傍には、複数本の入口連結流路４１ａが設けられるとともに、冷却媒体排出連通孔２２ｂの近傍には、複数本の出口連結流路４１ｂが設けられる。

カソード側セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、このカソード側セパレータ１４の外周端縁部を周回して第１シール部材４２が一体成形される。アノード側セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂには、このアノード側セパレータ１６の外周端縁部を周回して第２シール部材４４が一体成形される。第１シール部材４２及び第２シール部材４４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等の弾性を有するシール部材が用いられる。

図３に示すように、第１シール部材４２は、面１４ａ、１４ｂに沿って均一な厚さを有して延在する平坦部（ベースシール）４２ａを有する。平坦部４２ａから厚さ方向に突出して凸状シール部４２ｂが膨出形成される。凸状シール部４２ｂは、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体を気密及び液密にシールする機能を有する。凸状シール部４２ｂを切り欠いて、入口連結流路３３ａ及び出口連結流路３３ｂが形成される。

図４に示すように、第２シール部材４４は、面１６ａ、１６ｂに沿って均一な厚さを有して延在する平坦部（ベースシール）４４ａを有する。平坦部４４ａから厚さ方向に突出して凸状シール部４４ｂが膨出形成される。凸状シール部４４ｂは、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体を気密及び液密にシールする機能を有する。凸状シール部４４ｂを切り欠いて、入口連結通路３８ａ及び出口連結流路３８ｂが形成される。

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、酸化剤ガス供給連通孔１８ａには、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２０ａには、水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、一対の冷却媒体供給連通孔２２ａには、純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。

このため、酸化剤ガスは、図１及び図３に示すように、酸化剤ガス供給連通孔１８ａから入口連結流路３３ａ及び入口バッファ部３２ａを通ってカソード側セパレータ１４の酸化剤ガス流路３０に導入される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路３０に沿って矢印Ｂ方向（水平方向）に移動し、電解質膜・電極構造体１２のカソード電極２６に供給される。

一方、燃料ガスは、図４に示すように、燃料ガス供給連通孔２０ａから入口連結通路３８ａ及び入口バッファ部３６ａを通ってアノード側セパレータ１６の燃料ガス流路３４に供給される。燃料ガスは、燃料ガス流路３４に沿って水平方向（矢印Ｂ方向）に移動し、電解質膜・電極構造体１２のアノード電極２８に供給される（図１参照）。

従って、電解質膜・電極構造体１２では、カソード電極２６に供給される酸化剤ガスと、アノード電極２８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て発電が行われる。

次いで、電解質膜・電極構造体１２のカソード電極２６に供給されて消費された酸化剤ガスは、図１及び図３に示すように、出口バッファ部３２ｂ及び出口連結流路３３ｂから酸化剤ガス排出連通孔１８ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。一方、電解質膜・電極構造体１２のアノード電極２８に供給されて消費された燃料ガスは、図４に示すように、出口バッファ部３６ｂ及び出口連結流路３８ｂから燃料ガス排出連通孔２０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

また、一対の冷却媒体供給連通孔２２ａに供給された冷却媒体は、カソード側セパレータ１４及びアノード側セパレータ１６間の冷却媒体流路４０に導入される。冷却媒体は、図１に示すように、一旦矢印Ｃ方向（重力方向）内方に沿って流動した後、矢印Ｂ方向（水平方向）に移動して電解質膜・電極構造体１２を冷却する。この冷却媒体は、矢印Ｃ方向外方に移動した後、一対の冷却媒体排出連通孔２２ｂに排出される。

この場合、本実施形態では、図５に示すように、最上位入口連結通路３８ａｅは、燃料ガス流路３４に向かって他の入口連結通路３８ａより下方に傾斜して延在している。しかも、最上位入口連結通路３８ａｅの途上には、燃料ガス流路３４に向かって上方に傾斜する入口連結分岐通路３９が設けられている。

このため、特に軽量ガスである燃料ガス（例えば、水素ガス）が、燃料ガス流路３４の上側に多量に流れることを抑制することができる。これにより、燃料ガス流路３４全域に燃料ガスを均一且つ良好に供給することが可能になり、所望の発電を確実に行うことができるという効果が得られる。

さらに、入口連結分岐通路３９の幅寸法ｔ２は、最上位入口連結通路３８ａｅの幅寸法ｔ１よりも小さく設定されている。従って、入口連結分岐通路３９の開口断面積は、最上位入口連結通路３８ａｅの開口断面積よりも小さく設定されている。このため、入口連結分岐通路３９から入口バッファ部３６ａの上方に必要以上に多量の燃料ガスが供給されることがなく、前記燃料ガスを燃料ガス流路３４全体に均一に供給することが可能になる。

さらにまた、最上位入口連結通路３８ａｅの幅寸法ｔ１は、入口連結通路３８ａの幅寸法ｔ３よりも小さな寸法に設定されている。従って、入口バッファ部３６ａの上方には、過剰な量の燃料ガスが供給されることがなく、経済的であるという利点がある。

なお、本実施形態では、単一の電解質膜・電極構造体１２、すなわち、単一のＭＥＡと、カソード側セパレータ１４及びアノード側セパレータ１６、すなわち、２枚のセパレータとにより構成される発電セル１１を用いている。しかしながら、これに限定されるものではない。例えば、２つのＭＥＡと３枚のセパレータとで構成される（セパレータ間にＭＥＡを介装する）ユニットセルを備え、前記ユニットセル間に冷却媒体流路が形成される、所謂、間引き冷却型燃料電池に適用してもよい。

１０…燃料電池 １１…発電セル
１２…電解質膜・電極構造体 １４…カソード側セパレータ
１６…アノード側セパレータ １８ａ…酸化剤ガス供給連通孔
１８ｂ…酸化剤ガス排出連通孔 ２０ａ…燃料ガス供給連通孔
２０ｂ…燃料ガス排出連通孔 ２２ａ…冷却媒体供給連通孔
２２ｂ…冷却媒体排出連通孔 ２４…固体高分子電解質膜
２６…カソード電極 ２８…アノード電極
３０…酸化剤ガス流路 ３２ａ、３６ａ…入口バッファ部
３２ｂ、３６ｂ…出口バッファ部 ３３ａ、３８ａ、４１ａ…入口連結流路
３３ｂ、３８ｂ、４１ｂ…出口連結流路
３４…燃料ガス流路 ３８ａｅ…最上位入口連結流路
３９…入口連結分岐流路 ４０…冷却媒体流路
４２、４４…シール部材

Claims (3)

1. 電解質の両側に一対の電極が設けられた電解質・電極構造体と矩形状のセパレータとが立位姿勢で水平方向に積層される複数の発電セルを備え、前記セパレータの電極対向面には、前記電極に沿って燃料ガスを供給する燃料ガス流路が設けられるとともに、前記発電セルの少なくとも１の角部には、積層方向に貫通して前記燃料ガスを流通させ、前記燃料ガス流路に前記燃料ガスを流入させる燃料ガス供給連通孔が設けられる燃料電池であって、
   前記燃料ガス供給連通孔と前記燃料ガス流路の流れ方向上流側とを連通させる複数の入口連結通路が設けられるとともに、
   最上方に位置する前記入口連結通路は、前記燃料ガス流路に向かって他の前記入口連結通路の延在方向より下方に傾斜して延在し、且つ、最上方に位置する前記入口連結通路の途上には、前記燃料ガス流路に向かって上方に傾斜する入口連結分岐通路が設けられ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、前記入口連結分岐通路の開口断面積は、最上方に位置する前記入口連結通路の開口断面積よりも小さく設定されることを特徴とする燃料電池。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池において、複数の入口連結通路と前記燃料ガス流路の流れ方向上流側との間には、前記燃料ガス流路の幅方向全体に亘って入口バッファ部が設けられることを特徴とする燃料電池。

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