JP2007157578A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の生産性を向上する。
【解決手段】電解質膜２を挟持するアノードガス拡散層４、カソードガス拡散層５に設けたガス拡散層水素流路１０ａ、ガス拡散層空気流路１１ａと、アノードセパレータ６、カソードセパレータ７に設けたセパレータ水素流路１０ｂ、セパレータ空気流路１１ｂと、によって、水素流路１０、空気流路１１を構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池に関するものである。

従来、燃料電池スタックの単位セル積層方向の厚さを薄くし、燃料電池スタックの小型化を図るために、セパレータとして金属セパレータを用いたものが、特許文献１に開示されている。
特開２００２−１００３８１号公報

しかし、上記の発明では、例えば水素、空気の反応ガスの流路断面積を広く取るために、金属セパレータの成形量、つまり押し出し量を大きくする必要があり、それによりセパレータ平面度の悪化やクラックの発生等、金属セパレータの生産性が悪いといった問題点がある。

また、コルゲート形状のセパレータが向かい合わさることで形成される冷却水流路断面積が大きすぎ、低温起動性が悪化するという問題点もある。

本発明ではこのような問題点を解決するために発明されたもので、十分な大きさの反応ガスの流路断面積を確保しつつ、セパレータの生産性を向上し、かつ最適な冷却水流路断面を得ることを目的とする。

本発明では、燃料電池において、高分子電解質膜と、高分子電解質膜を挟持し、第１の反応ガス流路を有するガス拡散層と、ガス拡散層の外側に配設し、第１の反応ガス流路と向かい合う第２のガス流路を有し、ガス拡散層と当接するセパレータと、第１の反応ガス流路と第２の反応ガス流路とによって構成する反応ガス流路と、を備える。

本発明によると、例えば、水素または空気が流れる反応ガス流路を、ガス拡散層に設けた第１の反応ガス流路とセパレータに設けた第２の反応ガス流路とによって構成するので、セパレータの成形量を少なくしつつ、十分な大きさの反応ガス流路断面積を確保することができ、セパレータの生産性を向上することができる。また、セパレータの成形量を調整することで、冷却水流路断面積を最適化することができる。

本発明の第１実施形態の単位セル１を図１の概略構成図を用いて説明する。燃料電池スタックは、単位セル１を積層して構成する。なお、図１では説明のためアノードガス拡散層４とアノードセパレータ６との間、カソードガス拡散層５とカソードセパレータ７との間に隙間を設け、隣接する単位セル１のアノードセパレータ６を図示する。

単位セル１は、電解質膜２と、電解質膜２の外周に設けた樹脂プレート３と、電解質膜２を挟持するアノードガス拡散層（ガス拡散層）４とカソードガス拡散層５（ガス拡散層）と、アノードガス拡散層４の外側に設けたアノードセパレータ（セパレータ）６と、カソードガス拡散層５の外側に設けたカソードセパレータ（セパレータ）７と、水素または空気のリークを防止するガスシール８と、冷却水のリークを防止する冷却水シール９と、を備える。

電解質膜２は、例えばナフィオン（登録商標）など高分子電解質膜であり、プロトン導電性を有する。

樹脂プレート３は、比較的剛性の高い樹脂で構成され、単位セル１の発電反応が生じる範囲よりも外側、つまりアノードガス拡散層４、カソードガス拡散層５と向かい合う電解質膜２の外周部に設けられる。

アノードガス拡散層４は、例えばカーボンペーパなどで構成され、電解質膜２と当接する側に例えば白金などの触媒層（図示せず）を備える。また、外部より供給された水素が流れるガス拡散層水素流路（第１の反応ガス流路）１０ａを備える。

アノードセパレータ６は、金属セパレータであり、例えばステンレスなどで構成される。アノードセパレータ６はプレス成形によってその一部の断面形状がコルゲート形状に成形され、成形したコルゲート形状の一方の面であり、アノードガス拡散層４と向かい合う面にセパレータ水素流路１０ｂを形成し、セパレータ水素流路（第２の反応ガス流路）１０ｂを設けた背面にアノード冷却水流路１２ａを形成する。

アノードガス拡散層４とアノードセパレータ６とは、アノードガス拡散層４のガス拡散層水素流路１０ａを形成するリブ（第１の反応ガス流路リブ）１３の頂部１３ａとアノードセパレータ６のセパレータ水素流路１０ｂを形成する突部１４の頂部１４ａとによって当接し、電気的に接続する。また、ガス拡散層水素流路１０ａとセパレータ水素流路１０ｂとが向かい合い、ガス拡散層水素流路１０ａとセパレータ水素流路１０ｂとによって水素流路（反応ガス流路）１０を構成する。

カソードガス拡散層５は、例えばカーボンペーパなどで構成され、電解質膜２と当接する側に例えば白金などの触媒層（図示せず）を備える。また、外部より供給された空気が流れるガス拡散層空気流路（第１の反応ガス流路）１１ａを備える。

カソードセパレータ７は、金属セパレータであり、例えばステンレスなどで構成される。カソードセパレータ７はプレス成形によってその一部の断面形状がコルゲート形状に成形され、成形したコルゲート形状の一方の面であり、カソードガス拡散層５と向かい合う面にセパレータ空気流路１１ｂを形成し、セパレータ空気流路（第２の反応ガス流路）１１ｂを設けた背面にカソード冷却水流路１２ｂを形成する。

カソードガス拡散層５とカソードセパレータ７とは、カソードガス拡散層５のガス拡散層空気流路１１ａを形成するリブ（第１の反応ガス流路リブ）１５の頂部１５ａとカソードセパレータ７のセパレータ空気流路１１ｂを形成する突部１６の頂部１６ａとによって当接し、電気的に接続する。また、ガス拡散層空気流路１１ａとセパレータ空気流路１１ｂとが向かい合い、ガス拡散層空気流路１１ａとセパレータ空気流路１１ｂとによって空気流路（反応ガス流路）１１を構成する。

また、単位セル１を積層した場合に、隣接する単位セル１間では、アノードセパレータ６のセパレータ水素流路１０ｂの溝底１７の背面と、カソードセパレータ７のセパレータ空気流路１１ｂの溝底１８の背面と、が当接し、隣接する単位セル１間を電気的に接続する。また、単位セル１のアノードセパレータ６のアノード冷却水流路１２ａと、隣接する単位セル１のカソードセパレータ７のカソード冷却水流路１２ｂと、によって冷却水流路１２を構成する。

ガスシール８は、樹脂プレート３と、アノードセパレータ６またはカソードセパレータ７と、の間に設けられ、水素または空気の外部へのリークを防止する。

冷却水シール９は、隣接するアノードセパレータ６とカソードセパレータ７と間に設けられ、冷却水の外部へのリークを防止する。

以上の構成によって、アノードガス拡散層４にガス拡散層水素流路１０ａを設け、水素流路１０をガス拡散層水素流路１０ａとセパレータ水素流路１０ｂとによって構成し、またカソードガス拡散層５にガス拡散層空気流路１１ａを設け、空気流路１１をガス拡散層空気流路１１ａとセパレータ空気流路１１ｂとによって構成する。

単位セル１では、外部から供給された水素は水素流路１０を通りアノードガス拡散層４の触媒層（図示せず）の触媒に接触し、水素がプロトンと電子に分離される。プロトンは電解質膜２内部を拡散してカソードガス拡散層５の触媒層（図示せず）に到達し、電子が外部回路を流れて、出力として取り出される。電解質膜２内部を拡散してきたプロトン、外部回路を介して移動してきた電子、および空気中の酸素によって、カソードガス拡散層５の触媒層（図示せず）で水が生成される。

なお、冷却水流路を設けない単位セルを積層して燃料電池スタックを構成しても良い。これによって、燃料電池スタックの温度を調整、すなわち冷却性能を調整し、燃料電池スタックを小型にすることができる。

本発明の第１実施形態の効果について説明する。

この実施形態では、アノードガス拡散層４にガス拡散層水素流路１０ａを設け、アノードセパレータ６にセパレータ水素流路１０ｂを設ける。そして、ガス拡散層水素流路１０ａとセパレータ水素流路１０ｂとによって水素流路１０を形成する。また、カソードガス拡散層５にガス拡散空気流路１１ａを設け、カソードセパレータ７にセパレータ空気流路１１ｂを設ける。そして、ガス拡散層空気流路１１ａとセパレータ空気流路１１ｂとによって空気流路１１を形成する。これにより、水素流路１０と空気流路１１の流路断面積を維持、または広くし、アノードセパレータ６とカソードセパレータ７との成形量を少なくすることができ、アノードセパレータ６とカソードセパレータ７との平面度を保持することができるので、アノードセパレータ６とカソードセパレータ７の生産性を良くすることができる。さらに、アノードセパレータ６とカソードセパレータ７の単位セル１積層方向の厚さを薄くすることができ、燃料電池スタックを小型にすることができる。

次に本発明の第２実施形態の単位セル２０について図２の概略構成図を用いて説明する。

この実施形態の単位セル２０は、アノードガス拡散層２１とカソードガス拡散層２２とが第１実施形態と異なっており、その他の構成については第１実施形態と同じ構成なので、ここでの説明は省略する。なお、図２では説明のためアノードガス拡散層２１とアノードセパレータ６との間、カソードガス拡散層２２とカソードセパレータ７との間に隙間を設ける。

アノードガス拡散層２１は、水素の流れ方向に対して交差する方向のリブ２３の断面形状が、略台形形状であり、アノードセパレータ６と当接するリブ２３の頂部２３ａの幅Ｗ１は、ガス拡散層水素流路２４ａの溝底２５を形成するリブ２３の麓部２３ｂの幅、すなわちリブ２３の根本部分となる箇所の幅Ｗ２よりも狭い。

さらに、頂部２３ａの幅Ｗ１は、アノードガスセパレータ６の突部１４の幅Ｗ３よりも狭い。

また、アノードガス拡散層２１のリブ２３の高さｈ１をリブ２３の幅Ｗ２の１／２以上とする。この実施形態では、リブ２３の幅Ｗ２を０．６０ｍｍとし、リブ２３の高さｈ１を０．３０ｍｍとする。これにより、アノードセパレータ６の突部１４の直下のアノードガス拡散層２１においても、水素の拡散性を良くすることができる。

また、アノードガス拡散層２１のガス拡散層水素流路２４ａの流路深さｈ２とアノードセパレータ６のセパレータ水素流路１０ｂの流路深さｈ３との深さの比率を４：１〜１：３の間に設定する。なお、この実施形態ではガス拡散層水素流路２４ａとセパレータ水素流路１０ｂとによって水素流路２４を形成する。これにより、水素流路２４の流路断面積を一定に保ち、さらに冷却水流路１２の流路断面積を適切に設定することができる。

カソードガス拡散層２２は、水素の流れ方向に対して交差する方向のリブ２６の断面形状が、略台形形状であり、カソードセパレータ７と当接するリブ２６の頂部２６ａの幅Ｗ１は、溝底２８を形成するリブ２６の麓部２６ｂの幅、すなわちリブ２６で最も幅が広い箇所の幅Ｗ２よりも小さい。

また、カソードガス拡散層２２のリブ２６の高さｈ１をリブ２６の幅Ｗ２の１／２以上とする。この実施形態では、リブ２５の高さｈ１を０．３０ｍｍとし、リブ２６の幅Ｗ２を０．６０ｍｍとする。これにより、カソードセパレータ７のリブ２６の直下のカソードガス拡散層２２においても、空気の拡散性を良くすることができる。

また、カソードガス拡散層２２のガス拡散層空気流路２７ａの流路深さｈ２とカソードセパレータ７のセパレータ空気流路１１ｂの流路深さｈ３との寸法比率を４：１〜１：３の間に設定する。なお、この実施形態ではガス拡散層空気流路２７ａとセパレータ空気流路１１ｂとによって空気流路２７を形成する。これにより、空気流路２７との流路断面積を一定に保ち、さらに冷却水流路１２の流路断面積を適切に設定することができる。

本発明の第２実施形態の効果について説明する。

この実施形態では、アノードガス拡散層２１のリブ２３とカソードガス拡散層２２のリブ２５との断面形状を略台形形状とし、アノードセパレータ６と当接するリブ２３の頂部２３ａとカソードセパレータ７と当接するリブ２６の頂部２６ａとの幅Ｗ１をリブ２３の麓部２３ｂとリブ２６の麓部２６ｂとの幅Ｗ２よりも狭くすることで、単位セル２０に荷重が付与され、リブ２３、２６が潰れた場合に潰れたリブ２３、２６が水素流路２４、空気流路２７内に突出し、水素、または空気の流れを妨げることを防止することができる。

また、リブ２３、２６の高さｈ１をリブ２３、２６の幅Ｗ２の１／２以上とすることで、アノードセパレータ６の突部１４またはカソードセパレータ７の突部１６の直下のアノードガス拡散層２１の水素またはカソードガス拡散層２２の空気の拡散性を良くすることができ、単位セル２０の発電効率を向上することができる。

また、アノードガス拡散層２１のガス拡散層水素流路２４ａ、カソードガス拡散層２２のガス拡散層空気流路２６ａの流路深さｈ２とアノードセパレータ６のセパレータ水素流路１０ｂ、カソードセパレータ７のセパレータ空気流路１１ｂの流路深さｈ３との寸法比率を４：１〜１：３の間に設定することで、水素流路２４と空気流路２６との流路断面積を一定に保ち、さらに冷却水流路１２の流路断面積を適切に設定することができる。これにより、燃料電池の冷却性能を維持し、低温起動時の起動性を向上させることができる。

次に本発明の第３実施形態の単位セル３０について図３の概略構成図を用いて説明する。図３はアノードセパレータ６とカソードセパレータ７とによってアノードガス拡散層３１などに荷重を付与する前の単位セル３０の概略図である。

この実施形態の単位セル３０は、単位セル３０に荷重が付与された場合にアノードガス拡散層３１のリブ３３とカソード拡散層３２のリブ３４との潰れ量を制限する高さ調整リブ３５、３６を備える。その他の構成については第１実施形態と同じ構成なので、ここでの説明は省略する。

高さ調整リブ３５は、リブ３３よりも弾性率が高く構成され、荷重を付与する前の高さ調整リブ３５の高さｈ４は、リブ３３の高さｈ５よりも低い。単位セル３０を積層し、積層荷重が付与されると、アノードガス拡散層３１のリブ３３は圧縮されるが、弾性率が高い高さ調整リブ３５を設けることで、アノードセパレータ６と高さ調整リブ３５とが当接し、リブ３３の潰れすぎを防ぐことができる。これにより、アノードガス拡散層３１、特にリブ３３のガス拡散性を良くすることができる。

高さ調整リブ３５は、アノードガス拡散層３１と一体に成型した後に、高さ調整リブ３５となる箇所に例えばカーボンペーパの弾性率を高くするために含浸処理を施す。また、高さ調整リブ３５は、含浸処理を施すことで、リブ３３よりもガス拡散性が低くなる。なお、高さ調整リブ３５をアノードガス拡散層３１と異なる材料で構成しても良い。

この実施形態では単位セル３０を構成する前の高さ調整リブ３５の高さｈ４は０．２０ｍｍとし、リブ３３の高さｈ５を０．２５ｍｍとする。

水素流路１０、すなわちガス拡散層水素流路１０ａの形状は、図４に示すように直線流路である。図４はアノードガス拡散層３１におけるガス拡散層水素流路１０ａを設けた箇所の概略図である。高さ調整リブ３５は、アノードガス拡散層３１のガス拡散層水素流路１０ａを構成するリブの中で端部に位置する箇所に設ける。つまり、ガス拡散層水素流路１０ａの中で最も外側となるガス拡散層水素流路１０ａを形成するリブを高さ調整リブ３５とする。含浸処理をした高さ調整リブ３５はリブ３３と比較してガス拡散性が低くなるが、高さ調整リブ３５をガス拡散層水素流路１０ａの最も外側となる箇所に設けることで、水素の拡散性の低下を抑制することができる。そのため、単位セル３０の発電効率の低下を抑制することができる。

高さ調整リブ３６は、リブ３４よりも弾性率が高く構成され、荷重を付与する前の高さ調整リブ３６の高さｈ３は、リブ３４の高さｈ４よりも低い。単位セル３０を積層し、積層荷重が付与されると、カソードガス拡散層３２のリブ３４は圧縮されるが、弾性率が高い高さ調整リブ３６を設けることで、カソードセパレータ７と高さ調整リブ３６とが当接し、リブ３４の潰れすぎを防ぐことができる。これにより、カソードガス拡散層３２、特にリブ３４のガス拡散性を良くすることができる。

高さ調整リブ３６は、カソードガス拡散層３２と一体に成型した後に、高さ調整リブ３６となる箇所に例えばカーボンペーパの弾性率を高くするために含浸処理を施す。また、高さ調整リブ３６は、含浸処理を施すことで、リブ３４よりもガス拡散性が低くなる。なお、高さ調整リブ３６をカソードガス拡散層３２と異なる材料で構成しても良い。

この実施形態では単位セル３０を構成する前の高さ調整リブ３６の高さｈ３は０．２０ｍｍとし、リブ３４の高さｈ４を０．２５ｍｍとする。

空気流路１１は水素流路１０と同様に直線流路である。高さ調整リブ３６は高さ調整リブ３５と同じように、ガス拡散層空気流路１１ａの中で最も外側となるガス拡散層空気流路１１ａを形成する箇所に設けることで、空気の拡散性の低下を抑制することができる。そのため、単位セル３０の発電効率の低下を抑制することができる。

本発明の第３実施形態の効果について説明する。

この実施形態では、単位セル３０に荷重が付与された場合に、リブ３３、３４の潰れ量を制限する高さ調整リブ３５、３６を備える。これにより、単位セル３０に荷重が付与された場合にリブ３３、３４の潰れすぎを抑制し、リブ３３、３４における水素または空気の拡散性低下を抑制することができる。これにより、単位セル３０の発電効率を良くすることができる。

また、高さ調整リブ３５、３６を水素流路１０または空気流路１１を形成するリブの中で、最も外側に設けることで、ガス拡散性の低下を抑制し、単位セル３０の発電効率の低下を抑制することができる。

次に本発明の第４実施形態について図５の概略構成図を用いて説明する。この実施形態は水素流路の形状が、第３実施形態の水素流路１０の形状と異なっており、その他の構成については第２実施形態と同じであるので、ここでの説明は省略する。図５は、アノードガス拡散層におけるガス拡散層水素流路４０ａを設けた箇所の概略図である。

ガス拡散層水素流路４０ａは直線部４１と、直線部４１と連結し、水素の流れ方向を１８０度変更する折返し部４２とによって構成するサーペンタイン形状の流路である。図５ではガス拡散層水素流路４０ａについて図示するが、セパレータ水素流路も同様のセーペンタイン形状の流路である、つまり水素流路はサーペンタイン形状の流路である。この実施形態では、ガス拡散層水素流路４０ａの中で最も外側となるガス拡散層水素流路４０ａを形成するリブに高さ調整リブ４４ａを設け、さらに折返し部４２によって水素の流れが折り返される直線部４１を隔てるリブ、つまり隣り合う流路において、水素の流れが対向するリブに高さ調整リブ４４ｂを設ける。高さ調整リブ４４ａ、４４ｂは、含浸処理が施され、ガス拡散性は比較的低い。

サーペンタイン形状の流路では、折返し部４２によって圧力損失が大きくなるので、水素が折返し部４２を通らずに隣接する直線部４１へ水素が流れる水素のショートカットが生じ易くなるが、この実施形態ではガス拡散性が比較的低い高さ調整リブ４４ｂを設けることで、水素のショートカットを防ぐことができ、単位セルにおいて、均一な発電反応を行うことができる。

なお、空気流路においても水素流路と同様に高さ調整部を設けたサーペンタイン形状としても良い。

本発明の第４実施形態の効果について説明する。

水素流路（ガス拡散層水素流路４０ａ）がサーペンタイン形状である場合に、隣り合う流路において、水素の流れ方向が対向するリブに高さ調整リブ４４ｂを設ける。ガス拡散性が比較的低い高さ調整リブ４４ｂを設けることで、水素のショートカットを抑制することができ、単位セルにおいて均一な発電反応を行うことができる。なお、空気流路をサーペンタイン形状とした場合にも同様の効果を得ることができる。

本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。

車両に搭載する燃料電池スタックに利用することができる。

本発明の第１実施形態の単位セルを示す概略構成図である。 本発明の第２実施形態の単位セルを示す概略構成図である。 本発明の第３実施形態の単位セルを示す概略構成図である。 本発明の第３実施形態の水素流路の形状を示す概略図である。 本発明の第４実施形態の水素流路の形状を示す概略図である。

符号の説明

１、２０、３０ 単位セル
２ 電解質膜
４、２１、３１ アノードガス拡散層（ガス拡散層）
５、２２、３２ カソードガス拡散層（ガス拡散層）
６ アノードセパレータ（セパレータ）
７ カソードセパレータ（セパレータ）
１０、２４ 水素流路（反応ガス流路）
１０ａ、２４ａ、４０ａ ガス拡散層水素流路（第１の反応ガス流路）
１０ｂ セパレータ水素流路（第２の反応ガス流路）
１１、２７ 空気流路（反応ガス流路）
１１ａ、２７ａ ガス拡散層空気流路（第１の反応ガス流路）
１１ｂ セパレータ空気流路（第２の反応ガス流路）
１３、１５、２３、２６、３３、３４ リブ（第１の反応ガス流路リブ）
１３ａ、１５ａ、２３ａ，２６ａ 頂部
１７、１８、２３、２８ 溝底
２３ｂ、２６ｂ 麓部
３５、３６、４４ａ、４４ｂ 高さ調整リブ

Claims (7)

1. 電解質膜と、
   前記電解質膜を挟持し、第１の反応ガス流路を有するガス拡散層と、
   前記ガス拡散層の外側に配設し、前記第１の反応ガス流路と向かい合う第２のガス流路を有し、前記ガス拡散層と当接するセパレータと、
   前記第１の反応ガス流路と前記第２の反応ガス流路とによって構成する反応ガス流路と、を備えた燃料電池。
2. 前記セパレータは、金属セパレータであり、前記反応ガスの流れ方向と交差する方向の前記第２のガス流路の形状はコルゲート形状であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記第１の反応ガス流路を形成する第１の反応ガス流路リブは、前記反応ガスの流れ方向と交差する方向の断面形状が略台形形状であり、前記セパレータと当接する前記第１の反応ガス流路リブの幅が、前記第１の反応ガス流路の溝底を形成するリブの幅よりも狭いことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
4. 前記セパレータと当接する前記第１の反応ガス流路リブの幅は、前記第１の反応ガス流路リブが当接する前記セパレータの当接部の幅よりも狭いことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
5. 前記第１の反応ガス流路リブの高さは、前記第１の反応ガス流路の溝底を形成するリブの幅の略１／２以上であることを特徴とする請求項３または４のいずれか一つに記載の燃料電池。
6. 前記第１の反応ガス流路の溝深さと前記第２の反応ガス流路の溝深さとの深さの寸法比が４：１〜１：３の間であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の燃料電池。
7. 前記第１の反応ガス流路リブは、弾性率が異なる複数のリブによって構成することを特徴とする請求項１から６のいずれか一つに記載の燃料電池。