燃料電池用セパレータ

【課題】閉塞流路によってガスを供給する燃料電池において、閉塞流路から拡散層にガスが流れ込む領域を均一化し、燃料電池の発電性能を向上させる。
【解決手段】燃料電池に空気を供給する空気供給路24c1〜24c3と、燃料電池に供給された空気を排出する空気排出路25c1,25c2と、を備えるカソード側セパレータ20cであって、空気供給路24c2の下側に配置される空気排出路25c2との間を隔てるリブ263cの幅W2を、空気供給路24c2の上側に配置される空気排出路25c1との間を隔てるリブ262cの上下方向の幅W1よりも小さくする。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、燃料電池用セパレータの構造に関する。
【背景技術】
【0002】
水素と酸素との電気化学的反応によって電気出力を取り出す燃料電池は、排出分が無害な水であることから、クリーンエネルギーとして注目されており、燃料電池を駆動源とする燃料電池車両の開発が進められている。燃料電池では、電解質膜の両面に触媒層を配し、触媒層の外面にガス拡散層を配置し、ガス拡散層の外側に燃料ガスである水素又は酸化剤ガスである空気が流れる溝型の流路がそれぞれ形成されたセパレータを配置したものが多く用いられている。各流路は、各ガスの供給口に連通して櫛状に分岐するガス供給流路と、ガス排出口に連通して櫛状に分岐するガス排出流路とを含み、ガス供給流路とガス排出路とは互いに各流路の間に挟まれ、各流路の間に設けられたリブにより互いに連通しないように配置されている。つまり、ガス供給路とガス排出路はそれぞれ閉塞流路構造となっており、互いに連通しないよう構成されている。そして、ガス供給口から流入したガスは、櫛状のガス供給路に流入した後、ガス供給路からリブの下にある拡散層を通って隣接する櫛状のガス排出流路に入り、ガス排出口から流出する。拡散層を通る際に、水素と酸素とが電気化学的に反応し、電気を発生するとともに、水を生成する。発電された電気は外部の負荷に供給され、生成された水は、空気と共に燃料電池の外部に流出する。
【0003】
このような構造の燃料電池では、生成した水が拡散層内やガス流路内に滞留して燃料電池の性能が低下してしまう場合があるという問題があった。このため、櫛状の水素の流路と空気の流路との配置を互い違いにし、水素の流路の電解質膜の反対側には流路を形成するリブを配置し、逆に水素の流路のリブが配置されている位置の反対側には空気の流路を配置するようにして、電解質膜、拡散層を介しての生成水の移動を促進し、生成水が拡散層やガス流路内に滞留することを抑制することが提案さている(例えば、特開2005−79063号公報参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開2005−79063号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
特許文献1に記載されたように櫛状の各ガス流路の幅が一定で、各ガス流路を規定する各リブの幅も一定で、各ガス流路が水平方向に配置された構成の燃料電池のガスの流れと水の生成について説明する。図4示すように、カソード側セパレータ10cの櫛状の空気供給路14c1〜14c3に流入した空気は、電解質膜11のカソード側の拡散層13cの中に入り、隣接するリブ161c〜164cと電解質膜11との間の領域の拡散層13cを通って、それぞれ隣接する櫛状の空気流出路15c1,15c2に流入する。同様に、水素ガスはアノード側セパレータ10aの櫛状の水素供給路14a1〜14a3に流入し、電解質膜11のアノード側の拡散層13aの中に入り、隣接するリブ161a〜164aと電解質膜11との間の領域の拡散層13aを通って、それぞれ隣接する櫛状の水素排出路15a1,15a2に流入する。空気中の酸素と水素ガスとは各拡散層13c,13aと、電解質膜11との間に配置された各触媒層12c,12aと、電解質膜11を介して電気化学的に反応し、発電すると共に水が生成され、カソード側の空気排出路15c1,15c2内や、拡散層13cの中に生成水81が滞留する。そして、空気排出路15c1,15c2の下側には重力によって生成水の液水80ができ、生成水は空気排出路15c1,15c2を流れる空気と共に流れて燃料電池の外部に排出される。
【0006】
空気供給路14c2に流入した空気は、上側のリブ162cと電解質膜11との間の拡散層13cの間を通って上側の空気排出路15c1に流れる。この際、拡散層13cの中には水素との電気化学反応によって生成された生成水81が滞留する。生成水81は拡散層13cの中の空気の流れによって上側の空気排出路15c1の下側に向かって流れていく。上側の空気排出路15c1の下側には生成水の液水80があるので、上側の空気排出路15c1の下側近傍にある生成水81は上側の空気排出路15c1の下側にある生成水の液水80に引き寄せられ、上側の空気排出路15c1の中に入り込み、液水80と一体となって流れていく。
【0007】
一方、空気供給路14c2に流入した空気は、下側のリブ163cと電解質膜11との間の拡散層13cを通って下側の空気排出路15c2にも流れていく。この際、上側の空気排出路15c1に空気が流れる際と同様、拡散層13cの中に水素との電気化学反応による生成水81が滞留する。生成水81は空気と共に下側の空気排出路15c2に流れていこうとするが、下側の空気排出路15c2の上側は、下側のように生成水の液水80が形成されていないので、拡散層13c内の生成水81は、下側の空気排出路15c2の中に引き込まれない。このため、空気供給路14c2の下側のリブ163cと電解質膜11との間の拡散層13cの中の生成水81は空気供給路14c2の上側のリブ162cと電解質膜11との間の拡散層13cの中の生成水81よりも排水されにくく、空気供給路14c2から下側の空気排出路15c2に空気が流れる領域が、空気供給路14c2から上側の空気排出路15c1に空気が流れる領域よりも少なくなってしまう。このため、各空気供給路14c1〜14c3から各空気排出路15c1,15c2に空気が流れる領域が不均一になってしまい燃料電池の発電性能が低下してしまうという問題があった。
【0008】
本発明は、閉塞流路によってガスを供給する燃料電池において、閉塞流路から拡散層にガスが流れ込む領域を均一化し、燃料電池の発電性能を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明の燃料電池用セパレータは、燃料電池にガスを供給するガス供給路と、前記ガス供給路と互いに連通しないように前記ガス供給路と独立して設けられ、前記燃料電池に供給されたガスを排出するガス排出路と、を備える燃料電池用セパレータであって、前記ガス供給路と前記ガス排出路はそれぞれ櫛歯状に延びる閉塞流路で、各ガス供給流路と各ガス排出流路は相互に他方の流路を挟みこむように重力方向に沿って交互に配置され、前記各ガス供給路と前記各ガス排出路との間をそれぞれ隔てるリブを備え、一のガス供給路の重力方向下側に配置される下側ガス排出路との間を隔てる下側リブの上下方向の幅は、前記一のガス供給路の重力方向上側に配置される上側ガス排出路との間を隔てる上側リブの上下方向の幅よりも小さいこと、を特徴とする。
【0010】
本発明の燃料電池用セパレータにおいて、前記各ガス供給路と各ガス排出路と各上方、下方の各リブとは水平方向に配置されていること、としても好適である。
【発明の効果】
【0011】
本発明は、閉塞流路によってガスを供給する燃料電池において、閉塞流路から拡散層にガスが流れ込む領域を均一化し、燃料電池の発電性能を向上させることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1】本発明の実施形態における燃料電池用セパレータを用いた燃料電池のセルを示す断面図である。
【図2】本発明の実施形態における燃料電池用セパレータの流路とリブとの構成を示す説明図である。
【図3】本発明の実施形態における燃料電池用セパレータを用いた燃料電池の電流密度に対するセル電圧の変化を示すグラフである。
【図4】従来技術の燃料電池用セパレータによって構成された燃料電池のセルを示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。まず、図1を参照しながら本発明の実施形態の燃料電池用セパレータを用いた燃料電池のセル100の構成について説明する。なお図1、図2において図中の上、下はそれぞれ重力方向上方向、重力方向下方向を示す。
【0014】
図1に示すように、燃料電池のセル100は、プロトン導電性を有する電解質膜21と、電解質膜21の両面に積層されたアノード側触媒層22a、カソード側触媒層22c、と各触媒層22a,22cに積層されたアノード側拡散層23a、カソード側拡散層23cと、各拡散層23a,23cの両側から電解質膜21、各触媒層22a,22c、各拡散層23a,23cとを挟みこむアノード側セパレータ20aとカソード側セパレータ20cによって構成されている。燃料電池はこのセル100を数百枚程度積層して所定の電圧を出力することができるように構成されている。
【0015】
図1に示すように、カソード側セパレータ20cのカソード側拡散層23cと接する面には、燃料電池の酸化剤ガスである空気をカソード側拡散層23cに供給するための空気供給路24c1〜24c3と、供給した空気を排出するための空気排出路25c1、25c2とが設けられている。空気供給路24c1〜24c3と空気排出路25c1、25c2とは、相互に他方の流路を挟みこむように上下方向に交互に配置され、空気供給路24c1〜24c3と空気排出路25c1、25c2との間はそれぞれの流路を隔てるリブ261c〜264cによって隔てられている。また、カソード側セパレータ20cのカソード側拡散層23cと反対側の面には冷却水が流れる冷媒流路70が設けられている。また、同様に、アノード側セパレータ20aのアノード側拡散層23aと接する面には、燃料電池の燃料ガスである水素をアノード側拡散層23aに供給するための水素供給路24a1〜24a3と、余剰の水素を燃料電池から排出するための水素排出路25a1、25a2とが設けられている。水素供給路24a1〜24a3と水素排出路25a1、25a2とは、相互に他方の流路を挟みこむように上下方向に交互に配置され、水素供給路24a1〜24a3と水素排出路25a1、25a2との間はそれぞれの流路を隔てるリブ261a〜264aによって隔てられている。また、アノード側セパレータ20aのアノード側拡散層23aと反対側の面には冷却水が流れる冷媒流路70が設けられている。
【0016】
図2は、カソード側拡散層23cの面からみたカソード側セパレータ20cの平面を示す図であり、図1に示すAAの面を示す図である。図2に示すように、各空気供給路24c1〜24c3は、空気供給ヘッダ24c0から水平方向に櫛歯状に延びる流路で、その先端が閉じられている閉塞流路となっている。また、図2に示すように、各空気排出路25c1,25c2は、空気排出ヘッダ25c0から空気供給路24c1〜24c3と反対方向に向かって水平方向に櫛歯状に延びる流路で、その先端が閉じられている閉塞流路となっている。そして、空気供給路24c1〜24c3と空気排出路25c1、25c2とは、相互に他方の流路を上下から挟みこむように上下方向に交互に配置され、空気供給路24c1〜24c3と空気排出路25c1、25c2との間はそれぞれの流路を隔てるリブ261c〜264cによって隔てられている。また、空気供給路24c1、24c2,24c3の先端と空気排出ヘッダ25c0との間にはそれぞれリブ265c、266c、267cが設けられ、各空気供給路24c1〜24c3と空気排出ヘッダ25c0との間を隔てている。同様に、空気排出路25c1、25c2の先端と空気供給ヘッダ24c0との間にはそれぞれリブ268c、269cが設けられ、各空気排出路25c1、25c2と空気供給ヘッダ24c0との間を隔てている。このように、空気供給路24c1〜24c3と空気排出路25c1、25c2とは、互いに連通しないよう独立して設けられている。
【0017】
図1、図2に示すように、空気供給路24c2は重力方向上側に配置されている空気排出路25c1とリブ262cによって隔てられている。また、空気供給路24c2は重力方向下側に配置されている空気排出路25c2とリブ263cによって隔てられている。ここで空気供給路24c2の上側のリブ262cの幅W1は、空気供給路24c2の下側のリブ263cの幅W2よりも広くなっている。逆に言えば、空気供給路24c2の下側のリブ263cの幅W2は、空気供給路24c2の上側のリブ262cの幅W1よりも狭くなっている。また、空気供給路24c1の下側のリブ261cの幅は空気供給路24c2の下側のリブ263cの幅W2と同じ幅となっており、空気供給路24c3の上側のリブ264cの幅は、空気供給路24c2の上側のリブ262cの幅W1と同じ幅となっている。つまり、各空気供給路24c1〜24c3の下側に配置されているリブ262c、264cの幅W1は、各空気供給路24c1〜24c3の上側に配置されているリブ261c、263cの幅W2よりも狭くなっている。
【0018】
また、アノード側セパレータ20cの各水素供給路24a1〜24a3、水素排出路25a1,25a2及びその間を隔てるリブ261a〜264aの配置、各リブの幅はカソード側セパレータ20cと同様の構成となっている。
【0019】
このように構成されたカソード側セパレータ20c、アノード側セパレータ20aが用いられたセル100に空気と水素とが導入された際のガスの流れについて説明する。
【0020】
図2に示すように、空気供給ヘッダ24c0に流入した空気は、空気供給ヘッダ24c0から水平方向に櫛歯状に伸びる空気供給流路24c1〜24c3に流入していく。各空気供給路24c1〜24c3に流入した空気は図1、図2の矢印で示すように、各空気供給路24c1〜24c3からカソード側セパレータ20cと電解質膜21との間に配置されているカソード側拡散層23cの中を通って隣接する空気排出路25c1,25c2に流れこんでいく。また、同様に、各水素供給路24a1〜24a3に流入した水素ガスは図1の矢印で示すように、各水素供給路24a1〜24a3からアノード側セパレータ20aと電解質膜21との間に配置されているアノード側拡散層23aの中を通って隣接する水素排出路25a1,25a2に流れこんでいく。
【0021】
空気中の酸素と水素ガスとは各拡散層23c,23aと各触媒層22c,22aと、電解質膜11を介して電気化学的に反応して発電すると共に水が生成され、カソード側の空気排出路25c1,25c2内や、カソード側拡散層23cの中に生成水81が滞留する。そして、空気排出路25c1、25c2の下側には重力によって生成水の液水80ができ、生成水は空気排出路25c1,25c2を流れる空気と共に空気排出ヘッダ25c0に向かって流れ、空気排出ヘッダ25c0から空気と共に燃料電池の外部に排出される。
【0022】
ここで、その上下に空気排出流路25c1,25c2が配置されている空気供給路24c2に流入した空気の流れについて詳しく説明する。空気供給路24c2に流入した空気は、上側のリブ262cと電解質膜21との間のカソード側拡散層23cの間を通って上側の空気排出路25c1に流れる。この際、カソード側拡散層23cの中には水素との電気化学反応によって生成された生成水81が滞留する。滞留した生成水81はカソード側拡散層23cの中の空気の流れによって上側の空気排出路25c1の下側に向かって流れていく。上側の空気排出路25c1の下側には生成水の液水80があるので、上側の空気排出路25c1の下側近傍にある生成水81は上側の空気排出路15c1の下側にある生成水の液水80に引き寄せられ、上側の空気排出路25c1の中に入り込み、液水80と一体となって流れていく。
【0023】
また、空気供給路24c2に流入した空気は、下側のリブ263cと電解質膜11との間のカソード側拡散層23cを通って下側の空気排出路25c2にも流れていく。この際、上側の空気排出路25c1に空気が流れる際と同様、カソード側拡散層23cの中に水素との電気化学反応による生成水81が滞留する。下側の空気排出路25c2の上側は、下側のように生成水の液水80が形成されていないので、カソード側拡散層23c内の生成水81は、液水80によって下側の空気排出路25c2の中に引き込まれないが、空気供給路24c2の下側のリブ263cは上側のリブ262cよりも幅が狭くなっており、空気供給路24c2から下側の空気排出路25c2までの距離が空気供給路24c2から上側の空気排出路25c1までの距離よりも短く、滞留した生成水が排出されやすくなっている。このため、空気供給路24c2から下側の空気排出路25c2向かって空気が流れる領域は、空気供給路24c2から上側の空気排出路25c1に向かって空気が流れる領域と略同様となっている。このように、カソード側拡散層23cの中の生成水81の排水能力を向上させることによって、空気供給路24c2からカソード側拡散層23cの中に空気が流れ込む領域を空気供給路24c2の上側と下側とで略均一にすることがき、これにより、図3の線aに示すように、電流密度が高くなった際のセル電圧の低下を従来技術の場合の一点鎖線bよりも高くすることができ、燃料電池の発電性能を向上させることができるという効果を奏する。
【0024】
なお、空気供給路24c2の下側のリブ263cの幅W2は、空気供給路24c2の上側のリブ262cの幅W1よりも狭くなっていればよく、例えば、幅W1は幅W2の1/2〜1/3の幅であってよい。また、燃料電池のセル100の積層方向によって幅W2に対する幅W1の比率を変化させるようにし、例えば、生成水が多く含まれる燃料電池からの空気出口近傍では、幅W1の幅W2に対する比率は小さいものとし、生成水があまり多く含まれていない燃料電池の空気入口近傍では幅W1は幅W2に対する比率は比較的大きく、若干小さい程度にするようにしてもよい。
【符号の説明】
【0025】
10a,20a アノード側セパレータ、10c,20c カソード側セパレータ、11,21 電解質膜、12c,12a 触媒層、13a,13c 拡散層、14a1〜14a3,24a1〜24a3 水素供給路、14c1〜14c3,24c1〜24c3空気供給路、15c1,15c2,25c1,25c2,空気排出路、15a1,15a2,25a1,25a2 水素排出路、22a アノード側触媒層、22c カソード側触媒層、23a アノード側拡散層、23c カソード側拡散層、24c0 空気供給ヘッダ、25c0 空気排出ヘッダ、80 液水、81 生成水、100 セル、162c,163c,261c〜269c リブ。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
燃料電池にガスを供給するガス供給路と、
前記ガス供給路と互いに連通しないように前記ガス供給路と独立して設けられ、前記燃料電池に供給されたガスを排出するガス排出路と、を備える燃料電池用セパレータであって、
前記ガス供給路と前記ガス排出路はそれぞれ櫛歯状に延びる閉塞流路で、各ガス供給流路と各ガス排出流路は相互に他方の流路を挟みこむように重力方向に沿って交互に配置され、
前記各ガス供給路と前記各ガス排出路との間をそれぞれ隔てるリブを備え、
一のガス供給路の重力方向下側に配置される下側ガス排出路との間を隔てる下側リブの上下方向の幅は、前記一のガス供給路の重力方向上側に配置される上側ガス排出路との間を隔てる上側リブの上下方向の幅よりも小さいこと、
を特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項2】
請求項1に記載の燃料電池用セパレータであって、
前記各ガス供給路と各ガス排出路と各上方、下方の各リブとは水平方向に配置されていること、
を特徴とする燃料電池用セパレータ。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【公開番号】特開2012−54139(P2012−54139A)
【公開日】平成24年3月15日(2012.3.15)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−196578(P2010−196578)
【出願日】平成22年9月2日(2010.9.2)
【出願人】(000004695)株式会社日本自動車部品総合研究所 (1,981)
【出願人】(000003207)トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Fターム(参考)】