JP6406170B2 - 燃料電池用ガス流路形成板及び燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、膜電極接合体と平板状のフラットセパレータとの間に介設されて燃料電池の単セルのセパレータを構成するガス流路形成板、及び同単セルが複数積層して形成された燃料電池スタックに関する。

例えば固体高分子型の燃料電池は、膜電極接合体と、膜電極接合体を挟む一対のセパレータとを備えた単セルを複数積層することによって形成された燃料電池スタックを備えている。

こうしたセパレータとしては、平板状のフラットセパレータと、膜電極接合体とフラットセパレータとの間に介設されたガス流路形成板とを備えたものがある（例えば特許文献１参照）。

ガス流路形成板における膜電極接合体に対向する面には、互いに平行に延びる複数の凹溝が形成されており、同凹溝が燃料ガスまたは酸化剤ガスを流通させるためのガス流路とされる。また、ガス流路形成板におけるフラットセパレータに対向する面には、互いに平行に延びる複数の凹溝が形成されており、同凹溝が発電に伴って生成された水を排出するための水流路とされる。水流路を形成する凹溝は、ガス流路を形成する２つの凹溝の間に位置している。また、ガス流路形成板には、ガス流路と水流路とを連通する連通路が形成されている。こうした燃料電池スタックにおいては、膜電極接合体での発電に伴って生成された水がガス流路形成板のガス流路に流入し、連通路を通じて水流路に流入する。そして、水流路を流れる燃料ガスあるいは酸化剤ガスの流動圧力によって水流路の外部へ排出される。

ところで、発電量を増やすべく燃料ガスや酸化剤ガスの流量を増大すると、膜電極接合体において多くの水が生成されることとなる。この場合、水流路を通じた水の排出が間に合わなくなり、水流路内の水が連通路を通じて再びガス流路に流入し、ガス流路に水が溢れるおそれがある。その結果、ガス流路を流れるガスの圧力損失が増大したり、膜電極接合体側へのガスの拡散が妨げられたりして、発電性能を低下させることとなる。

これに対して、特許文献１に記載のガス流路形成板においては、水流路の出口開口を含む部分を同部分よりも上流側の部分よりも拡げることによって、出口開口の流路断面積を上流側の部分の流路断面積よりも大きくしている。これにより、出口開口における水滴の径が大きくなることから、水滴の表面張力、すなわち、当該水滴と水流路の出口開口の縁部との間に働く凝着力が低減される。その結果、水流路の出口開口を通じて水滴を押し出すために必要な圧力が小さくなり、より低い流量、より流動圧力の低いガスであっても水流路を通じて水を外部に排出することができる。

特開２０１５―１５２１８号公報

ところで、特許文献１に記載のガス流路形成板の場合、水流路の出口開口を含む部分が拡げられることによって、ガス流路が狭められる。その結果、ガス流路を流れるガスの圧力損失を増大させることとなり、システム性能を低下させるおそれがある。

本発明の目的は、水流路の排水性を高めることができるとともに、ガス流路におけるガスの圧力損失の増大を抑制することのできる燃料電池用ガス流路形成板及び燃料電池スタックを提供することにある。

上記目的を達成するための燃料電池用ガス流路形成板は、膜電極接合体と平板状のフラットセパレータとの間に介設されて燃料電池の単セルのセパレータを構成するものであって、前記膜電極接合体に対向する面に形成され、互いに平行に延びる凹溝状の複数のガス流路と、隣り合う２つの前記ガス流路の間にそれぞれ位置する突条の裏面に形成された複数の凹溝状の水流路と、を備え、前記突条には、前記ガス流路と前記水流路とを連通する複数の連通路が形成され、前記水流路の出口端面が同水流路の延伸方向に対して傾斜されている。

また、上記目的を達成するための燃料電池スタックは、複数の単セルが積層されることにより形成されたものであって、前記単セルは、膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟む一対のセパレータとを備え、一方の前記セパレータは、前記フラットセパレータと、前記膜電極接合体と前記フラットセパレータとの間に介設された前記燃料電池用ガス流路形成板と、を備えている。

同構成によれば、水流路の出口端面が同水流路の延伸方向に対して傾斜されているため、同出口端面が同水流路の延伸方向に対して直交する構成に比べて、水流路の出口開口の面積が大きくなる。また、水流路の出口開口の面積が大きくなるほど同出口開口に形成される水滴の径は大きくなる。これらのことから、上記構成によれば、水流路の出口開口に形成される水滴の径が大きくなる。このため、水滴の表面張力、すなわち、当該水滴と水流路の出口開口の縁部との間に働く凝着力が低減される。したがって、水流路の出口開口を通じて水滴を押し出すために必要な圧力が小さくなり、より低い流量のガス、より流動圧力の低いガスであっても水流路を通じて水を排出することができる。

また上記構成においては、水流路における水の排水性を高める上で、水流路の出口端面を同水流路の延伸方向に対して傾斜させただけであり、このことによってガス流路のガスの流れが影響を受けることはない。

本発明によれば、水流路の排水性を高めることができるとともに、ガス流路におけるガスの圧力損失の増大を抑制することができる。

燃料電池用ガス流路形成板及び燃料電池スタックの一実施形態について、燃料電池スタックの断面図。 同実施形態における第１セパレータの斜視図。 図２の部分拡大図。 （ａ）は図３のａ−ａ線に沿った部分断面図、（ｂ）は図３のｂ−ｂ線に沿った部分断面図。 同実施形態の水流路の出口部分を拡大して示す拡大断面図。 （ａ），（ｂ）はガス流路及び連通路の模式図。 （ａ）〜（ｄ）は、連通路を中心とした断面図であって、同実施形態の作用を説明する説明図。 変形例の第１セパレータを構成するガス流路形成板の斜視図。 同変形例の水流路の出口部分を拡大して示す拡大断面図。 他の変形例の第１セパレータを構成するガス流路形成板の斜視図。 同変形例の水流路の出口部分を拡大して示す拡大平面図。

以下、図１〜図７を参照して、一実施形態について説明する。
図１に示すように、固体高分子型の燃料電池スタックは、複数の単セル１０が積層されることにより形成されている。なお、同図において、上側の単セル１０については後述する水流路２６，３６が示される位置で切断した断面形状が示される一方、下側の単セル１０については後述するガス流路２５，３５が示される位置で切断した断面形状が示されている。

各単セル１０は、いずれも四角枠状をなす第１フレーム１１及び第２フレーム１２を備えており、これらフレーム１１，１２によって四角シート状をなす周知の膜電極接合体１３の外縁部が挟持されている。

膜電極接合体１３は、固体高分子電解質膜１４を有しており、同固体高分子電解質膜１４はそれぞれ周知の電極触媒層１５，１６によって挟持されている。また、電極触媒層１５，１６の表面には、周知のガス拡散層１７，１８がそれぞれ設けられている。

膜電極接合体１３は、第１セパレータ２０及び第２セパレータ３０によってそれぞれカソード側（同図の下側）及びアノード側（同図の上側）から挟まれている。
第１セパレータ２０は、平板状のフラットセパレータ２１と、フラットセパレータ２１と膜電極接合体１３との間に介設されるガス流路形成板２２とを備えている。

第２セパレータ３０は、平板状のフラットセパレータ３１と、フラットセパレータ３１と膜電極接合体１３との間に介設されるガス流路形成板３２とを備えている。
フラットセパレータ２１，３１及びガス流路形成板２２，３２は例えばステンレス鋼板によって形成されている。

第１フレーム１１及びフラットセパレータ２１によって、図示しない酸化剤ガス供給源からの酸化剤ガスをガス流路２５へ供給するための供給通路４１と、発電に供されなかった酸化剤ガスをガス流路２５の外部へ排出するための排出通路４２とが形成されている。

また、第２フレーム１２及びフラットセパレータ３１によって、図示しない燃料ガス供給源からの燃料ガスをガス流路３５へ供給するための供給通路５１と、発電に供されなかった燃料ガスをガス流路３５の外部へ排出するための排出通路５２とが形成されている。

なお、図１に示す部分において、第２セパレータ３０のガス流路形成板３２は第１セパレータ２０のガス流路形成板２２を上下反転し、且つ左右反転した形状を有している。このため、以降においては、第１セパレータ２０のガス流路形成板２２について説明し、第２セパレータ３０のガス流路形成板３２については第１セパレータ２０のガス流路形成板２２の各部の符号「２＊」にそれぞれ「１０」を加算した符号「３＊」を付すことによって重複する説明を省略する。また、符号「２７＊」にそれぞれ「１００」を加算した符号「３７＊」を付す場合もある。

次に、ガス流路形成板２２の構造について説明する。
図２に示すように、ガス流路形成板２２は断面略波形状をなしており、例えばステンレス鋼板などの一枚の金属板材をロール成形することによって形成されている。ガス流路形成板２２の上面には、互いに平行に延びる複数の内側突条２３が形成されており、内側突条２３の頂面が膜電極接合体１３に当接される。また、互いに隣り合う２つの内側突条２３の間には、それぞれ凹溝状をなし、酸化剤ガスを流通させるための複数のガス流路２５が形成されている。

ガス流路形成板２２の下面には、互いに平行に延びる複数の外側突条２４が形成されており、外側突条２４の頂面がフラットセパレータ２１に当接される。また、内側突条２３の裏面には、それぞれ凹溝状をなし、膜電極接合体１３での発電に伴って生成された水を排出する複数の水流路２６が形成されている。したがって、外側突条２４は隣り合う２つの水流路２６の間に位置し、２つの水流路２６を区画している。

図２〜図４に示すように、ガス流路形成板２２には、各突条２３，２４の延伸方向、すなわちガス流路２５の延伸方向（以下、単に延伸方向Ｌと略称する。）に対して直交する方向（以下、幅方向Ｗ）に沿って延びる複数のリブ２７１が形成されている。

図２に示すように、各ガス流路２５には、延伸方向Ｌに互いに近接して形成された一対のリブ２７１からなる組が複数形成されている。一対のリブ２７１からなる組は、延伸方向Ｌにおいて等間隔にて設けられている。なお、複数のリブ２７１は、幅方向Ｗに沿って金属板材をロール成形してガス流路形成板２２を形成する際に、各突条２３，２４が部分的に剪断曲げ加工されることによって形成される。

図２〜図４に示すように、ガス流路形成板２２の内側突条２３には、上記複数のリブ２７１を形成することによって、ガス流路２５と水流路２６とを連通する複数の連通路２７が形成されている。図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、リブ２７１は、ガス流路２５の内部及び水流路２６の内部にそれぞれ突出している。また、図２〜図４に示すように、外側突条２４には、互いに隣接する水流路２６を連通する連通溝２７２が形成されている。

リブ２７１は、ガス流路形成板２２の厚さ方向（図４（ａ）及び図４（ｂ）の上下方向）において内側突条２３の頂面よりも外側突条２４の頂面に近接して設けられている。このため、リブ２７１のうち水流路２６を遮る部分の断面積はガス流路２５を遮る部分の断面積よりも大きい。したがって、延伸方向Ｌにおけるリブ２７１が存在しない位置でのガス流路２５の流路断面積と水流路２６の流路断面積とが同一に設定されていても、水流路２６全体における圧力損失は、ガス流路２５全体における圧力損失よりも大きくなる。また、連通路２７の形状及び大きさは、連通路２７における圧力損失がガス流路２５における圧力損失よりも大きくなるように設定されている。これらのことから、酸化剤ガスは主に圧力損失の小さいガス流路２５を流れることとなる。

図１、図２、及び図５に示すように、水流路２６の出口端面２８が同水流路２６の延伸方向Ｌに対して傾斜されている。すなわち、ガス流路形成板２２の厚さ方向（図５の上下方向）において外側突条２４の頂面に近づくほど延伸方向Ｌの外側に位置するように出口端面２８が傾斜している。

複数のガス流路２５の流路断面積は連通路２７の部位及び出口開口を除いてガス流路２５の延伸方向Ｌ全体にわたって同一とされている。また、複数の水流路２６の流路断面積は連通路２７の部位及び出口開口２９を除いて水流路２６の延伸方向Ｌ全体にわたって同一とされている。

次に、本実施形態の作用について説明する。
図１の下側の単セル１０にて示すように、燃料ガスが供給通路５１を通じてガス流路３５内に供給されると、同燃料ガスはガス流路３５を通じてガス拡散層１８に流入する。そして、燃料ガスはガス拡散層１８を通過するとともに拡散されて電極触媒層１６に供給される。

また、酸化剤ガスが供給通路４１を通じてガス流路２５内に供給されると、同酸化剤ガスはガス流路２５を通じてガス拡散層１７に流入する。そして、酸化剤ガスはガス拡散層１７を通過するとともに拡散されて電極触媒層１５に供給される。

このようにして膜電極接合体１３に対して燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されると、膜電極接合体１３での電気化学反応によって発電が行なわれる。このとき、発電に伴って生成した水は主にカソード側のガス流路形成板２２のガス流路２５に流入する。

図６（ａ）及び図６（ｂ）に白抜きの太い矢印にて示すように、この水の一部は、ガス流路２５を流れる酸化剤ガスの流動圧力によってガス流路２５内を流れる。そして、水は排出通路４２（図１参照）を通じて外部に排出される。前述したように、連通路２７における圧力損失はガス流路２５における圧力損失よりも大きくされている。このため、図６（ｂ）に示すように、酸化剤ガスは主にガス流路２５を流れることとなる。これにより、ガス流路２５に存在する水Ｓの多くは酸化剤ガスによって押されながら排出通路４２に向けてガス流路２５内を移動する。また、図６（ｂ）に細い矢印にて示すように、一部の水は連通路２７を通じて水流路２６に導入される。

このとき、水流路２６に導入された水は、水流路２６の出口開口２９の開口面積に応じて作用する表面張力によって水滴となる。水流路２６が湿潤状態のときには、この水滴Ｓがリブ２７１に係留すると、水流路２６内の水が呼び水となって、連通路２７内の水が毛管作用により水流路２６内に導かれるとともに上記出口開口２９を通じて排出される。

また、水流路２６内に呼び水となる水がない乾燥状態のときには、図７（ａ）に示すように、ガス拡散層１７に当接している内側突条２３の頂面において、水が各連通路２７内に毛管作用により導かれて、水滴Ｓ１，Ｓ２を形成する。

そして、更に水が導かれることで水滴Ｓ１，Ｓ２が成長すると、図７（ｂ）に示すように、両水滴Ｓ１，Ｓ２が結合して１つの水滴Ｓ３となる。この結合した直後、または水滴Ｓ３が更に成長すると、水滴Ｓ３はリブ２７１に触れることとなる。そして、図７（ｃ）に示すように、水滴Ｓ３が一対のリブ２７１の間の隙間に至ると、図７（ｄ）に示すように、水滴Ｓ３が毛管作用により同隙間に引き込まれることにより水流路２６内に導入される。

図５に示すように、水流路２６の出口端面２８が水流路２６の延伸方向Ｌに対して傾斜されているため、出口端面が水流路の延伸方向Ｌに対して直交する従来の構成に比べて、水流路２６の出口開口２９の面積が大きくなる。また、水流路２６の出口開口２９の面積が大きくなるほど出口開口２９に形成される水滴Ｓの径は大きくなる。

これらのことから、図５に二点鎖線にて示すように、水流路２６の出口開口２９に形成される水滴Ｓの径が大きくなる。このため、水滴Ｓの表面張力、すなわち、当該水滴Ｓと水流路２６の出口開口２９の縁部との間に働く凝着力が低減される。したがって、水流路２６の出口開口２９を通じて水滴Ｓを押し出すために必要な圧力が小さくなり、より低い流量の酸化剤ガス、あるいはより流動圧力の低い酸化剤ガスであっても水流路２６を通じて水を排出することができる。

また、水流路２６における水の排水性を高める上で、水流路２６の出口端面２８を水流路２６の延伸方向Ｌに対して傾斜させただけであり、このことによってガス流路２５の酸化剤ガスの流れが影響を受けることはない。

なお、発電に伴って生成された水の一部はアノード側（図１の上側）の電極触媒層１６、ガス拡散層１８を通じてガス流路形成板３２のガス流路３５に流入する。本実施形態では、アノード側のガス流路形成板３２がカソード側のガス流路形成板２２と基本的に同一な構成とされているため、アノード側のガス流路３５及び水流路３６においてもカソード側のガス流路２５及び水流路２６と同様な作用が奏される。

以上説明した本実施形態に係る燃料電池用ガス流路形成板及び燃料電池スタックによれば、以下に示す効果が得られるようになる。
（１）水流路２６，３６の出口端面２８，３８を同水流路２６，３６の延伸方向Ｌに対して傾斜させるようにした。このため、上述した作用が奏されることとなり、水流路２６，３６における排水性を高めることができるとともに、ガス流路２５，３５におけるガスの圧力損失の増大を抑制することができる。

（２）複数のガス流路２５，３５の流路断面積を連通路２７，３７の部位及び出口開口を除いてガス流路２５，３５の延伸方向Ｌ全体にわたって同一とし、複数の水流路２６，３６の流路断面積を連通路２７，３７の部位及び出口開口２９を除いて水流路２６，３６の延伸方向Ｌ全体にわたって同一とした。このため、ガス流路２５，３５を通じたガスの供給及び排出を円滑に行なうとともに、水流路２６，３６を通じた水の排出を円滑に行なうことができる。

＜変形例＞
なお、上記実施形態は、例えば以下のように変更することもできる。
・ガス流路形成板２２，３２をチタン板などのステンレス鋼板以外の金属板材によって形成してもよい。

・図８及び図９に示すように、ガス流路形成板１２２の厚さ方向（同図の上下方向）において内側突条１２３の頂面に近づくほど水流路１２６の出口端面１２８が延伸方向Ｌの外側に位置するように、水流路１２６の出口端面１２８を延伸方向Ｌに対して傾斜させてもよい。なお、ガス流路形成板１２２の構成のうち上記実施形態のガス流路形成板２２に対応する構成については、ガス流路形成板２２の符号「２＊」にそれぞれ「１００」を加算した符号「１２＊」を付すことによって重複する説明を省略する。また、連通溝２７２については同一の符号を付している。

この場合であっても、水流路１２６の出口端面１２８が延伸方向Ｌに対して傾斜されているため、出口端面が水流路の延伸方向Ｌに対して直交する従来の構成に比べて、水流路１２６の出口開口１２９の面積が大きくなる。したがって、上記実施形態と同様な作用が奏されることとなり、上記実施形態の効果（１），（２）に準じた効果を奏することができる。

・図１０及び図１１に示すように、ガス流路形成板２２２の幅方向Ｗにおける水流路２２６の一端に近づくほど水流路２２６の出口端面２２８が延伸方向Ｌの外側に位置するように、水流路２２６の出口端面２２８を延伸方向Ｌに対して傾斜させても良い。なお、ガス流路形成板２２２の構成のうち上記実施形態のガス流路形成板２２に対応する構成については、ガス流路形成板２２の符号「２＊」にそれぞれ「２００」を加算した符号「２２＊」を付すことによって重複する説明を省略する。また、連通溝２７２については同一の符号を付している。

この場合であっても、水流路２２６の出口端面２２８が延伸方向Ｌに対して傾斜されているため、出口端面が水流路の延伸方向Ｌに対して直交する従来の構成に比べて、水流路２２６の出口開口の面積が大きくなる。したがって、上記実施形態と同様な作用が奏されることとなり、上記実施形態の効果（１），（２）に準じた効果を奏することができる。

・上記実施形態において水流路２６，３６の出口端面２８，３８が平面状をなすようにしたが、出口端面は水流路の延伸方向Ｌに対して傾斜しているものであればよく、出口端面が階段状をなすようにすることもできる。

・上記実施形態では、膜電極接合体１３のカソード側及びアノード側の双方にガス流路形成板２２，３２を設けるようにしたが、これに代えて、膜電極接合体１３のカソード側のみにガス流路形成板２２を設け、アノード側には連通孔を有してないセパレータを配置することもできる。

１０…単セル、１１…第１フレーム、１２…第２フレーム、１３…膜電極接合体、１４…固体高分子電解質膜、１５，１６…電極触媒層、１７，１８…ガス拡散層、２０…第１セパレータ、２１…フラットセパレータ、２２…ガス流路形成板、２３…内側突条、２４…外側突条、２５…ガス流路、２６…水流路、２７…連通路、２７１…リブ、２７２…連通溝、２８…出口端面、２９…出口開口、３０…第２セパレータ、３１…フラットセパレータ、３２…ガス流路形成板、３３…内側突条、３４…外側突条、３５…ガス流路、３６…水流路、３７…連通路、３７１…リブ、３７２…連通溝、３８…出口端面、３９…出口開口、４１…供給通路、４２…排出通路、５１…供給通路、５２…供給通路。

Claims (3)

1. 膜電極接合体と平板状のフラットセパレータとの間に介設されて燃料電池の単セルのセパレータを構成するガス流路形成板であって、
   前記膜電極接合体に対向する面に形成され、互いに平行に延びる凹溝状の複数のガス流路と、
   隣り合う２つの前記ガス流路の間にそれぞれ位置する突条の裏面に形成された複数の凹溝状の水流路と、を備え、
   前記突条には、前記ガス流路と前記水流路とを連通する複数の連通路が形成され、
   前記水流路の出口端面が同水流路の延伸方向に対して傾斜されている、
   燃料電池用ガス流路形成板。
2. 複数の前記ガス流路の流路断面積は前記連通路の部位及び同ガス流路の出口開口を除いて同ガス流路の延伸方向全体にわたって同一とされ、
   複数の前記水流路の流路断面積は前記連通路の部位及び同水流路の出口開口を除いて同水流路の延伸方向全体にわたって同一とされている、
   請求項１に記載の燃料電池用ガス流路形成板。
3. 複数の単セルが積層されることにより形成された燃料電池スタックであって、
   前記単セルは、膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟む一対のセパレータとを備え、
   一方の前記セパレータは、前記フラットセパレータと、前記膜電極接合体と前記フラットセパレータとの間に介設された請求項１または請求項２に記載の燃料電池用ガス流路形成板と、を備えている、
   燃料電池スタック。