JP4992180B2 - 燃料電池セパレータ - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池セパレータに関し、とくにそのガスマニホールドとそれに接続する連通路の構造に関する。

燃料電池、たとえば固体高分子電解質型燃料電池は、膜−電極アッセンブリ（Membrane-Electrode Assembly 、ＭＥＡ）をセパレータで挟んだものから構成される。少なくとも１つの単位燃料電池からモジュールを構成し、モジュールを複数積層して（積層方向は任意）燃料電池スタックが構成される。
モジュールの一側のセパレータの中央部には燃料ガス流路が形成され、他側のセパレータの中央部には酸化ガス流路が形成される。セパレータの外周部には、入口側および出口側の燃料および酸化ガスマニホールドが形成される。入口側の燃料ガスマニホールドから供給された燃料ガス（水素）は燃料ガス流路に流入して一部が発電に消費され、残りは燃料ガス流路から出口側の燃料ガスマニホールドに流出する。同様に、入口側の酸化ガスマニホールドから供給された酸化ガス（酸素、通常、空気）は酸化ガス流路に流入して一部が発電に消費され、残りは酸化ガス流路から出口側の酸化ガスマニホールドに流出する。セルの中央部は発電領域であり、発電の際に、カソード側に水が生成し、水分の一部は電解質膜を湿潤させ、アノード側に移動する。カソード側で生成した水は、ガス流に乗って酸化ガスマニホールドに排出されるが、排出が不十分であると、セル内でフラッディングを生じ、酸化ガスのカソードへの供給が阻害されて発電出力、電位が低下する。
特開２００１−１１８５９６号公報は、ガスマニホールドに吸水体を設けて、セルからの排水性を高めた燃料電池を開示している。
特開２００１−１１８５９６号公報

しかし、ガスマニホールドに吸水体を設けるものでは、部品点数が増加し、また、流れ損失が増加してしまうという問題がある。

本発明の目的は、（ガスマニホールドに吸水体を設けることなく、）燃料電池の発電領域で生成した水の、出口側ガスマニホールドから発電領域のガス流路への逆流を防止した燃料電池セパレータを提供することにある。

上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
（１） セル面内に、発電領域に形成されたガス流路と、非発電領域に形成された入口側ガスマニホールドおよび出口側ガスマニホールドを含むガスマニホールドと、前記発電領域に形成されたガス流路と前記入口側ガスマニホールドを連通する１つの入口側の連通路、および前記発電領域に形成されたガス流路と前記出口側ガスマニホールドを連通する１つの出口側の連通路を有する燃料電池セパレータであって、セル面が生成水の重力方向に平行かほぼ平行となる姿勢にあり、かつ、前記出口側の連通路は、該出口側の連通路の下面が前記発電領域のガス通路から前記出口側ガスマニホールドに向かって低くなるように形成され、前記出口側の連通路の上面は水平である燃料電池セパレータ。
（２） 前記出口側の連通路の下面が、前記発電領域のガス流路から前記出口側ガスマニホールドに向かって低くなる傾斜面からなる（１）記載の燃料電池セパレータ。
（３） 前記出口側の連通路の下面が、前記発電領域のガス流路から前記出口側ガスマニホールドに向かって低くなる段差を有する（１）記載の燃料電池セパレータ。

上記（１）の燃料電池セパレータによれば、ガスマニホールドのうち少なくとも出口側ガスマニホールドと発電領域のガス流路とを接続する連通路の下面（セル面が生成水の重力方向に平行かほぼ平行となる姿勢にある場合の連通路の下面）を、発電領域のガス流路から出口側ガスマニホールドに向かって低くなるように形成したので、出口側ガスマニホールドから発電領域のガス流路への水の逆流を抑制することができる。また、ガスマニホールドに吸水体を設けていないので、部品点数が増加したり、あるいは、流れ損失が増加してしまうという問題は生じない。
上記（２）、（３）の燃料電池セパレータでは、連通路下面の水の逆流抑制構造は、傾斜面か、または段差である。

以下に、本発明の燃料電池セパレータを、図１〜図４を参照して説明する。
本発明の燃料電池セパレータが組み付けられる燃料電池１０は、低温型燃料電池であり、たとえば、固体高分子電解質型燃料電池１０である。該燃料電池１０は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。
固体高分子電解質型燃料電池１０は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータ１８との積層体からなる。
膜−電極アッセンブリは、イオン交換膜からなる電解質膜１１とこの電解質膜の一面に配置された触媒層からなる電極（アノード、燃料極）１４および電解質膜の他面に配置された触媒層からなる電極（カソード、空気極）１７とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータ１８との間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層１３、１６が設けられる。

セパレータ１８には、中央部に、アノード１４、カソード１７に燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための反応ガス流路２７、２８（燃料ガス流路２７、酸化ガス流路２８）と、その裏面に冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路２６が形成されている。
また、セパレータ１８には、外周部に、燃料ガス流路２７に燃料ガスを供給、排出するための燃料ガスマニホールド３０、酸化ガス流路２８に酸化ガスを供給、排出するための酸化ガスマニホールド３１、冷媒流路２６に冷媒を供給、排出するための冷媒マニホールド２９が形成されている。各マニホールド２９、３０、３１は、入口側マニホールド２９Ａ、３０Ａ、３１Ａと出口側マニホールド２９Ｂ、３０Ｂ、３１Ｂを含む。ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２にもマニホールド２９、３０、３１は形成される。
また、セパレータ１８には、中央部（発電領域）の、冷媒流路２６および反応ガス流路２７、２８と、外周部（非発電領域）のマニホールド２９、３０、３１とを、それぞれ、接続する連通路３４が形成されている。

膜−電極アッセンブリとセパレータ１８を重ねて単位燃料電池（「単セル」ともいう）１９を構成し、少なくとも１つのセルからモジュール（図３、図４では１モジュールが１セルから構成される場合を示しており、セル１９とモジュールが等しいので、モジュールにも符号１９を付す）を構成し、モジュール１９を１つ以上積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート２４）、ボルト・ナット２５により固定して、燃料電池スタック２３を構成する。
本発明では、燃料電池スタック２３は、生成水が重力で下方に流下するように、そのセル面を上下方向に向けた姿勢で、設置される。

各セル１９の、アノード側１４では、水素を水素イオン（プロトン）と電子に電離する電離反応が行われ、水素イオンは電解質膜１１中をカソード側に移動し、カソード１７側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる、またはセル積層方向一端のセルのアノードで生成した電子が外部回路を通して他端のセルのカソードにくる）から水を生成する反応が行われ、かくして発電が行われる。
アノード側：Ｈ₂ →２Ｈ⁺ ＋２ｅ^-
カソード側：２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- ＋（１／２）Ｏ₂ →Ｈ₂ Ｏ

流体流路２６、２７、２８、２９、３０、３１、３４をシールするために、ガス側のシール材３３および冷媒側のシール３２が設けられる。図示例では、ガス側シール材３３が接着剤からなり、冷媒側シール材３２がゴムガスケットからなる場合を示している。ただし、ガス側シール材３３も冷媒側シール材３２も、接着剤とゴムガスケットの何れから構成されてもよい。

入口側燃料ガスマニホールド２９Ａからの燃料ガスは燃料ガス流路２７に供給され、燃料ガス流路２７を通過中に燃料ガスは発電反応により一部が消費され、残りは出口側燃料ガスマニホールド２９Ｂに流出し、一部は、外部流路を通って、入口側燃料ガスマニホールド２９Ａへと再循環され、残りは、時々大気排出される。
また、入口側酸化ガスマニホールド３０Ａからの酸化ガスは酸化ガス流路２８に供給され、酸化ガス流路２８を通過中に酸化ガスは発電反応により一部が消費され、残りは出口側酸化ガスマニホールド３０Ｂに流出し、気液分離器で水分が分離された後、大気に排出される。

上記発電反応が円滑に行われるには、電解質膜１１が適切に湿潤状態にあることが必要である。そのために、酸化ガスは、通常、加湿器に通されて、加湿された後、入口側の酸化ガスマニホールドに供給される。
燃料ガス、酸化ガスがセルの発電領域にある燃料ガス流路２７、酸化ガス流路２８を流れている時、上記反応式にしたがって発電反応が行われ、反応でカソード側に生成した水は、下流にいくにしたがって多くなり、酸化ガスの流れにのって出口側酸化ガスマニホールド３０Ｂに排出される。反応生成水の排出が円滑に行われないと、とくに酸化ガス流路２８の下流側で湿潤過多（フラッディング）が生じ、酸化ガスのカソードへの接触を妨げて、発電を阻害し、燃料電池の出力、電位の低下を生じることになる。したがって、反応生成水は円滑に排水される必要があり、いったん出口側酸化ガスマニホールド３０Ｂに排出された水は出口側酸化ガスマニホールド３０Ｂから酸化ガス流路２８に逆流しないことが望まれる。
生成水の一部は、電解質膜１１を湿潤すると共に、電解質膜１１から燃料ガス流路２７側に移動するので、燃料ガス流路２７側にも、円滑な排水が望まれることがある。

本発明の燃料電池セパレータ１８は、セル面（セル積層方向と直交するセル面）内に、発電領域に形成されたガス流路２７、２８と、非発電領域に形成されたガスマニホールド３０、３１（入口側ガスマニホールド３０Ａ、３１Ａと出口側ガスマニホールド３０Ｂ、３１Ｂ）と、ガス流路２７、２８とガスマニホールド３０、３１を連通する連通路３４を有する燃料電池セパレータであって、円滑な排水を確保するために、セル１９面が鉛直方向と平行かほぼ平行となる姿勢にあり、かつ、ガスマニホールド３０、３１（燃料ガスマニホールド３０、または酸化ガスマニホールド３１、または燃料ガスマニホールド３０と酸化ガスマニホールド３１）の、入口側ガスマニホールド３０Ａ、３１Ａと出口側ガスマニホールド３０Ｂ、３１Ｂのうち少なくとも出口側ガスマニホールド３０Ｂ、３１Ｂの下端部（マニホールド周縁部のうち生成水の重力方向に下部に対応する部分）に、該出口側ガスマニホールド３０Ｂ、３１Ｂに接続する連通路３４の下面（連通路周縁部のうち生成水の重力方向に下部に対応する面）より下方に延ばした延長部３５を設けた燃料電池セパレータからなる。
ガスマニホールド３０、３１のうち入口側ガスマニホールド３０Ａ、３１Ａも、該入口側ガスマニホールド３０Ａ、３１Ａに接続する連通路３４の下面３４ａ（下面３４ａが傾斜したり段差がつけられている場合は、下面３４ａのガスマニホールド３０、３１側の端部）より下方に延ばした延長部３５を有していてもよい。
延長部３５は、セパレータ１８だけでなく、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２のガスマニホールド３０、３１にも、形成される。

延長部３５は、出口側ガスマニホールド３０Ｂ、３１Ｂ内にいったん排出された水を溜める部位（連通路３４の下面３４ａを乗り越えて発電領域のガス流路２７、２８側に流れないようにする水溜め部）として、あるいは、入口側ガスマニホールド３０Ａ、３１Ａ内を流れる加湿ガス中の余剰水分を溜める部位として、働く。したがって、「延長部」３５は、「水溜め部」３５と呼んでもよい。

下端部を連通路３４の下面より下方に延ばしたガスマニホールド３０、３１が、酸化ガスマニホールド３１と燃料ガスマニホールド３０の少なくとも何れか一方のガスマニホールドである。酸化ガスマニホールド３１と燃料ガスマニホールド３０の両方に、延長部３５を形成してもよい。

スタック２３内のガスマニホールド３０、３１では、積層した複数のセル１９から水が流出してくるため、セル積層方向に、ガスマニホールド３０、３１の下流ほど水の量が多くなるので、セル積層方向に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２のガスマニホールド３０、３１も含めて、ガスマニホールド３０、３１の下流ほど、延長部３５の深さ（延長部３５の、連通路３４の下面より下方の長さ）を大にしてもよい。これによって、ガスマニホールド３０、３１の延長部３５に溜まった水は自重で下流に流れる。ただし、延長部３５の深さは、セル積層方向に、一定でもよい。

本発明の燃料電池セパレータ１８は、セル面（セル積層方向と直交するセル面）内に、発電領域に形成されたガス流路２７、２８、非発電領域に形成されたガスマニホールド３０、３１（入口側ガスマニホールド３０Ａ、３１Ａと出口側ガスマニホールド３０Ｂ、３１Ｂ）、ガス流路２７、２８とガスマニホールド３０、３１を連通する連通路３４を有する燃料電池セパレータであって、連通路３４における排水の逆流を防止するために、セル１９面が鉛直方向と平行かほぼ平行となる姿勢にあり、かつ、ガスマニホールド３０、３１（燃料ガスマニホールド３０、または酸化ガスマニホールド３１、または燃料ガスマニホールド３０と酸化ガスマニホールド３１）の、入口側ガスマニホールド３０Ａ、３１Ａと出口側ガスマニホールド３０Ｂ、３１Ｂのうち少なくとも出口側ガスマニホールド３０Ｂ、３１Ｂと発電領域のガス流路２７、２８とを接続する連通路３４の下面３４ａ（連通路３４の周縁部のうち生成水の重力方向に下部に対応する面）に対応する面が、発電領域のガス流路２７、２８から出口側ガスマニホールド３０Ｂ、３１Ｂに向かって低くなるように形成されている燃料電池セパレータからなる。

発電領域のガス流路２７、２８から出口側ガスマニホールド３０Ｂ、３１Ｂに向かって低くなるように形成するために、図１に示すように、連通路３４の下面３４ａを、発電領域のガス流路２７、２８から出口側ガスマニホールド３０Ｂ、３１Ｂに向かって低くなる傾斜面としてもよいし、あるいは、図２に示すように、連通路３４の下面３４ａに、発電領域のガス流路２７、２８から出口側ガスマニホールド３０Ｂ、３１Ｂに向かって低くなるように段差３４ｂを設けてもよい。
この連通路３４の下面３４ａを傾斜面とするかまたは段差を付ける構造と、ガスマニホールド３０、３１に延長部３５を設ける構造とは、両方が採用されてもよいし、あるいは何れか一方のみが採用されてもよい。

本発明の燃料電池セパレータ１８の作用・効果については、セル１９面を鉛直方向と平行かほぼ平行にし、ガスマニホールド３０、３１のうち少なくとも出口側ガスマニホールド３０Ｂ、３１Ｂの下端部に対応する部位を、該出口側ガスマニホールド３０Ｂ、３１Ｂに接続する連通路３４の下面３４ａより下方に延ばして延長部３５を形成したので、延長部３５が水を溜める部位となって働き、燃料電池の発電領域で生成した水の排水性を向上できる。

延長部３５を形成するガスマニホールド３０、３１は、酸化ガスマニホールド３１か、燃料ガスマニホールド３０か、酸化ガスマニホールド３１と燃料ガスマニホールド３０の両方の、何れかである。とくに、酸化ガスマニホールド３１の出口側酸化ガスマニホールド３１Ｂは、他のマニホールドより多量に生成水が流れ込むので、延長部３５が形成されることが望ましい。

また、セル１９面を鉛直方向と平行かほぼ平行にし、かつ、ガスマニホールド３０、３１のうち少なくとも出口側ガスマニホールド３０Ｂ、３１Ｂと発電領域のガス流路２７、２８とを接続する連通路３４の周縁部のうち、下面３４ａとなる面を、発電領域のガス流路２７、２８から出口側ガスマニホールド３０Ｂ、３１Ｂに向かって低くなるように形成したので、連通路３４における、出口側ガスマニホールド３０Ｂ、３１Ｂから発電領域のガス流路２７、２８への水の逆流を抑制することができる。
連通路下面３４ａの水の逆流抑制構造は、傾斜面か、または１以上の段差をもつ面であってもよい。

本発明の燃料電池セパレータの、連通路下面が傾斜面の場合の、正面図である。 本発明の燃料電池セパレータの、連通路下面に段差がある場合の、正面図である。 本発明の燃料電池セパレータが組み付けられた燃料電池の側面図である。 図３の燃料電池の一部の拡大断面図である。

１０ （固体高分子電解質型）燃料電池
１１ 電解質膜
１３ 拡散層
１４ 電極（アノード、燃料極）
１６ 拡散層
１７ 電極（カソード、空気極）
１８ 燃料電池セパレータ
１９ セルまたはモジュール
２０ ターミナル
２１ インシュレータ
２２ エンドプレート
２３ スタック
２４ 外側部材または締結部材（テンションプレート）
２５ ボルト
２６ 冷媒流路
２７ 燃料ガス流路
２８ 酸化ガス流路
２９ 冷媒マニホールド
３０ 燃料ガスマニホールド
３０Ａ 入口側ガスマニホールド
３０Ｂ 出口側ガスマニホールド
３１ 酸化ガスマニホールド
３１Ａ 入口側ガスマニホールド
３１Ｂ 出口側ガスマニホールド
３２ 冷媒側シール材（たとえば、ゴムガスケット）
３３ ガス側シール材（たとえば、接着剤）
３４ 連通路
３４ａ 連通路下面
３４ｂ 段差
３５ 延長部（水溜め部）

Claims (3)

1. セル面内に、発電領域に形成されたガス流路と、非発電領域に形成された入口側ガスマニホールドおよび出口側ガスマニホールドを含むガスマニホールドと、前記発電領域に形成されたガス流路と前記入口側ガスマニホールドを連通する１つの入口側の連通路、および前記発電領域に形成されたガス流路と前記出口側ガスマニホールドを連通する１つの出口側の連通路を有する燃料電池セパレータであって、セル面が生成水の重力方向に平行かほぼ平行となる姿勢にあり、かつ、前記出口側の連通路は、該出口側の連通路の下面が前記発電領域のガス通路から前記出口側ガスマニホールドに向かって低くなるように形成され、前記出口側の連通路の上面は水平である燃料電池セパレータ。
2. 前記出口側の連通路の下面が、前記発電領域のガス流路から前記出口側ガスマニホールドに向かって低くなる傾斜面からなる請求項１記載の燃料電池セパレータ。
3. 前記出口側の連通路の下面が、前記発電領域のガス流路から前記出口側ガスマニホールドに向かって低くなる段差を有する請求項１記載の燃料電池セパレータ。

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