(57)【要約】【課題】波型に蛇行した形状の反応ガス流路を備えた燃料電池用セパレータによって膜電極ガス拡散層接合体を挟持した形態の燃料電池セルにおいて、発電面における両側端部側に生成水が滞留しないようにして、発電性能を向上させる。【解決手段】膜電極ガス拡散層接合体を挟持する燃料電池用セパレータ４１は、挟持すべき膜電極ガス拡散層接合体の発電面側を開放側とする複数本の反応ガス流路４３ａ〜４３ｇを有している。各反応ガス流路は所要の振幅（Ｗａ〜Ｗｇ）で屈曲する屈曲路となっている。発電面上を流れる反応ガスの流れ方向をＸ方向とし、それに直交する方向をＹ方向としたときに、発電面のＹ方向の両側端部側に位置することとなる反応ガス流路（４３ａ、４３ｇ）の振幅（Ｗａ、Ｗｇ）は発電面の中央部に位置することとなる反応ガス流路の振幅よりも小さい。【選択図】図１
2020009546.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜電極ガス拡散層接合体を挟持する燃料電池用セパレータであって、
前記燃料電池用セパレータは、挟持すべき前記膜電極ガス拡散層接合体の発電面側を開放側とする複数本の反応ガス流路を有しており、前記反応ガス流路は所要の振幅で屈曲する屈曲路となっており、前記発電面上を流れる反応ガスの流れ方向をＸ方向とし、それに直交する方向をＹ方向としたときに、前記発電面の前記Ｙ方向の両側端部側に位置することとなる反応ガス流路の振幅は前記発電面の中央部に位置することとなる反応ガス流路の振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。
【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に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、環境保全の観点からも有効であり、広く使用されている。燃料電池は、燃料電池セルを多層に積層して構成される燃料電池スタックを備える。各燃料電池セルは、通常、膜電極ガス拡散層接合体と、膜電極ガス拡散層接合体を両側から挟持する一対の燃料電池用セパレータとで構成される。それぞれの燃料電池用セパレータは反応ガス流路を備え、一方の燃料電池用セパレータの反応ガス流路には燃料ガスとしての水素が、他方の燃料電池用セパレータの反応ガス流路には酸化剤ガスとしての空気が供給される。供給された各反応ガスは、膜電極ガス拡散層接合体の発電面を通過する過程で、電気化学的な反応を行い発電が行われるとともに、反応の結果とし水が生成される。
【０００３】
各燃料電池用セパレータに形成される反応ガス流路は、流路抵抗を少なくするために直線状であることが多い。しかし、膜電極ガス拡散層接合体の発電面に対する各反応ガスの接触面積を大きくして発電性能を向上させることを目的に、反応ガス流路を、直線状ではなく波型に蛇行した形状とすることも行われており、その一例が特許文献１に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１４７４６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明者らは、波型に蛇行した形状の反応ガス流路を備えた燃料電池用セパレータによって膜電極ガス拡散層接合体を挟持した形態の燃料電池セルを用いて、多くの検証を行ってきているが、その過程で、膜電極ガス拡散層接合体の発電面の一部に水が溜りやすいことを経験した。さらに継続して実証実験を行うことにより、次のような現象を確認した。
【０００６】
すなわち、膜電極ガス拡散層接合体の発電面上を流れる反応ガスの方向をＸ方向とし、それに直交する方向をＹ方向としたときに、発電面におけるＹ方向での両側端部側に生成水の滞留がより多く発生すること。膜電極ガス拡散層接合体の発電面に部分的な生成水の滞留域が生じると、ガス拡散性が阻害され、また連続的に発生する生成水の排水性にも悪影響を及ぼすために、当該領域の発電性能が低下すること。
【０００７】
このことから、波型に蛇行した形状の反応ガス流路を備えた燃料電池用セパレータによって膜電極ガス拡散層接合体を挟持した形態の燃料電池セルにおいて、発電面における前記Ｙ方向での両側端部側に生成水が滞留しないようにすることは、発電性能を向上させるために解決すべき課題であることを知った。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、上記の課題を解決すべくさらに多くの実験と検証とを行うことにより、次のことを知見した。
【０００９】
（１）図６に示すように、Ｘ方向に伸びる波型に蛇行した同形状の反応ガス流路１０１の複数本がＹ方向に距離ｋで等間隔に配置されている燃料電池用セパレータ１００の場合、Ｙ方向の両側端部に位置する反応ガス流路１０１ａ、１０１ａを除く、中央部で隣接する反応ガス流路１０１、１０１の間には、前記距離ｋに依存する面積のリブ下領域Ｓが形成されるが、前記したＹ方向の両側端部に位置する反応ガス流路１０１ａ、１０１ａの場合には、その外側に隣接する反応ガス流路１０１が存在しないために、そのリブ下領域Ｓａの面積は、反応ガス流路１０１の振幅Ｗに依存したものとなり、結果、リブ下領域Ｓａは、中央部でのリブ下領域Ｓよりも拡大したものとならざるを得ない。
【００１０】
（２）この拡大したリブ下領域Ｓａが存在することで、膜電極ガス拡散層接合体の発電面（具体的には拡散層表面）におけるＹ方向の両側端部では、中央部と比較して、前記した生成水の滞留域が形成され易い。この拡大したリブ下領域Ｓａは、前記のように反応ガス流路１０１での発電面上の面方向での振幅Ｗの大きさに関連しており、振幅Ｗが大きくなるほど、拡大したリブ下領域Ｓａは大きくなる。
【００１１】
本発明は、上記の知見に基づきなされたものであり、本発明による燃料電池用セパレータは、膜電極ガス拡散層接合体を挟持する燃料電池用セパレータであって、前記燃料電池用セパレータは、挟持すべき前記膜電極ガス拡散層接合体の発電面側を開放側とする複数本の反応ガス流路を有しており、前記反応ガス流路は所要の振幅で屈曲する屈曲路となっており、前記発電面上を流れる反応ガスの流れ方向をＸ方向とし、それに直交する方向をＹ方向としたときに、前記発電面の前記Ｙ方向の両側端部側に位置することとなる反応ガス流路の振幅は前記発電面の中央部に位置することとなる反応ガス流路の振幅よりも小さいことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明による燃料電池用セパレータによって膜電極ガス拡散層接合体を挟持した燃料電池セルでは、反応ガス流路が屈曲路であることで、反応ガスが発電面と接触する面積が広くなり発電性能が向上することに加え、発電面の両側端部側において生成水が滞留するのを回避することが可能となり、発電性能の向上を期待することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明による燃料電池用セパレータを備えた燃料電池セルを燃料極側から見て示す上面図。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う拡大した断面図。
【図３】図１に示す燃料電池セルの図１のＩＩ−ＩＩ線近傍における一部を拡大して示す斜視図。
【図４】反応ガス流路の他の形態を示す図。
【図５】反応ガス流路のさらに他の形態を示す図。
【図６】リブ下領域Ｓおよび拡大したリブ下領域Ｓａを説明するための模式的図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態を説明する。
【００１５】
図１は、本実施の形態の燃料電池用セパレータ４１、４２を備えた燃料電池セル６０を燃料極側から見て示す上面図である。
【００１６】
燃料電池セル６０は、図２および図３に示すように、膜電極ガス拡散層接合体３０と、膜電極ガス拡散層接合体３０の両面に積層されて膜電極ガス拡散層接合体３０を挟持する一対の燃料電池用セパレータ４１、４２とを備える。膜電極ガス拡散層接合体３０は、図２に示すように、膜電極接合体２０の両面に燃料極側ガス拡散層２１と空気極側ガス拡散層２２とを積層して形成される。膜電極接合体２０は、電解質膜１０と、電解質膜１０の一方の面に積層された燃料極電極１１と、電解質膜１０の他方の面に積層された空気極電極１２とで構成される。燃料極電極１１と空気極電極１２の面が発電面を構成する。
【００１７】
燃料極側セパレータ４１は、膜電極ガス拡散層接合体３０を挟持したときに、燃料極電極１１側が開放面となる燃料ガス流路４３を有し、空気極側セパレータ４２は、膜電極ガス拡散層接合体３０を挟持したときに、空気極電極１２側が開放面となる酸化剤ガス流路４４を有している。燃料ガス流路４３および酸化剤ガス流路４４は、各セパレータ４１、４２が膜電極ガス拡散層接合体３０を挟持したときに、各セパレータ４１、４２が前記発電面に対向することとなる部位に形成されている。燃料ガス流路４３および酸化剤ガス流路４４の詳細については、後述する。
【００１８】
燃料極側セパレータ４１および空気極側セパレータ４２は、前記発電面から外れた一方側の側部に、燃料（水素）入口マニホールド４５用の開口が形成されており、他方側の側部には、燃料（水素）出口マニホールド４６用の開口が形成されている。燃料極側セパレータ４１および空気極側セパレータ４２の前記一方側の側部には、さらに、酸化剤（空気）出口マニホールド４７用の開口と冷却水入口マニホールド４９用の開口が、また、前記他方側の側部には、酸化剤（空気）入口マニホールド４８用の開口と冷却水出口マニホールド５０用の開口が形成されている。それら開口と燃料ガス流路４３の始端部および終端部との間の領域は、ガス分配部５１、５２とされている。
【００１９】
上記構成の燃料極側セパレータ４１および空気極側セパレータ４２とで膜電極ガス拡散層接合体３０を挟持して構成される燃料電池セル６０では、図１にその燃料極側から見た上面図を示すように、前記発電面から外れた一方側の側部に、燃料（水素）入口マニホールド４５が形成され、他方側の側部には、燃料（水素）出口マニホールド４６が形成される。燃料電池スタック（不図示）の燃料入口から送給される燃料ガス（水素ガス）は、燃料（水素）入口マニホールド４５から前記した燃料極側セパレータ４１に形成した燃料ガス流路４３に流入し、燃料極電極１１の面で発電反応に寄与した後、燃料（水素）出口マニホールド４６から流出する。
【００２０】
前記発電面から外れた一方側の側部には、さらに、酸化剤（空気）出口マニホールド４７と冷却水入口マニホールド４９が、また、前記他方側の側部には、酸化剤（空気）入口マニホールド４８と冷却水出口マニホールド５０が形成される。燃料電池スタックの酸化剤ガス入口から送給される酸化剤ガス（空気）は、酸化剤（空気）入口マニホールド４８から前記した空気極側セパレータ４２に形成した酸化剤ガス流路４４に流入し、空気極電極１２の面で発電反応に寄与した後、酸化剤（空気）出口マニホールド４７から流出する。また、冷却水入口マニホールド４９からは冷却水が流入し、燃料極側セパレータ４１および空気極側セパレータ４２の裏面側、すなわち発電面に面している面とは反対側の面を通過して冷却し、冷却水出口マニホールド５０から流出する。
【００２１】
なお、この構成は、後記する燃料ガス流路４３および酸化剤ガス流路４４の構成を除き、従来知られた燃料電池セル６０と同じである。また、電解質膜１０としては、プロトン伝導性を有する固体高分子膜が、また、燃料極側ガス拡散層２１と空気極側ガス拡散層２２としては、カーボンクロス、カーボンペーパー等の導電性およびガス透過性を有する部材が用いられる。
【００２２】
次に、燃料電池用セパレータに形成された反応ガス流路、すなわち、燃料ガス流路４３および酸化剤ガス流路４４について、詳細に説明する。なお、以下では、燃料極側セパレータ４１に形成された燃料ガス流路４３を例として説明するが、空気極側セパレータ４２に形成される酸化剤ガス流路４４も同様であるため、酸化剤ガス流路４４の詳細な説明は省略する。
【００２３】
前記しかつ図１に示すように、燃料極側セパレータ４１における膜電極ガス拡散層接合体３０の発電面に対向する部位には、Ｘ方向に延びる適数本（図示の例では、７本）の燃料ガス流路４３ａ〜４３ｇが形成されている。説明の都合上、図１において、前記発電面におけるＸ方向に直交するＹ方向での最下端に位置する燃料ガス流路を燃料ガス流路４３ａとし、以下順次、図でＹ方向上方に位置する燃料ガス流路を燃料ガス流路４３ｂ〜４３ｇということとする。
【００２４】
各燃料ガス流路４３ａ〜４３ｇは、波型曲線の連続体であり、そのＸ方向でのピッチＰは等しい。各燃料ガス流路４３ａ〜４３ｇは、発電面をＸ方向に３回のピッチを反復している。波型曲線である各燃料ガス流路４３ａ〜４３ｇのＸ方向に延びる振幅中心線ｋａ〜ｋｇにおいて、各隣接する振幅中心線同士の距離ｋは等しい。また、波型曲線である各燃料ガス流路４３ａ〜４３ｇの振幅Ｗａ〜Ｗｇ、すなわち発電面の面方向に沿う、Ｙ方向での振幅Ｗａ〜Ｗｇは、Ｙ方向での中央に位置する燃料ガス流路４３ｄの振幅Ｗｄが最も大きく、そこから、Ｙ方向に離れるにつれて、順次小さくなっている。すなわち、Ｗａ＜Ｗｂ＜Ｗｃ＜Ｗｄ＞Ｗｅ＞Ｗｆ＞Ｗｇ、となっている。
【００２５】
先に、図６を参照して説明したようにガス流路が波型曲線の場合、Ｙ方向の両側端部に位置する反応ガス流路４３ａ、４３ｇを除く、中央部で隣接する反応ガス流路４３ｂ〜４３ｆの間には、前記距離ｋに依存する面積のリブ下領域Ｓ（図２および図３も参照）が形成される。また、前記Ｙ方向の両側端部に位置する反応ガス流路４３ａ、４３ｇの場合には、その外側に隣接する反応ガス流路が存在しないために、前記リブ下領域Ｓａの面積は、反応ガス流路４３ａ、４３ｇの振幅Ｗａ、Ｗｇに依存したものとなる。
【００２６】
燃料極側セパレータ４１では、波型曲線である各燃料ガス流路４３ａ〜４３ｇのＸ方向に直交するＹ方向の膨らみ（振幅Ｗａ〜Ｗｇ）は、上記のように、Ｗａ＜Ｗｂ＜Ｗｃ＜Ｗｄ＞Ｗｅ＞Ｗｆ＞Ｗｇであり、反応ガス流路４３ａ、４３ｇにおける側端部側のリブ下領域Ｓａは、極めて小さい面積となる。
【００２７】
そのために、燃料電池セル６０においては、前記した拡大したリブ下領域Ｓａに起因して発生する生成水の滞留を、発電面の両側端部側（反応ガスの流れ方向であるＸ方向に直交するＹ方向での両側端部側）において減少させることが可能となる。それにより、波型曲線の反応ガス流路を有するセパレータを用いることで、膜電極ガス拡散層接合体の発電面に対する各反応ガスの接触面積を大きくし、発電性能を向上させるようにした燃料電池セル６０において、生成水の滞留によって発電性能が低下する現象が生じるのを回避することが可能となり、高い発電性能を維持することができる。
【００２８】
なお、上記の実施の形態では、各燃料ガス流路４３ａ〜４３ｇは、Ｙ方向に等間隔で配置されているとしたが、隣接する流路間の間隔は異なっていてもよい。また、Ｘ軸方向でのピッチＰもすべて等しいピッチとしたが、異なるピッチの流路が混在していてもよい。さらに、振幅の大きさをＷａ＜Ｗｂ＜Ｗｃ＜Ｗｄ＞Ｗｅ＞Ｗｆ＞Ｗｇとしたが、少なくともＹ方向の両側端部側に位置することとなる反応ガス流路（すなわち、流路４３ａと流路４３ｇ）の振幅ＷａとＷｇが、他の流路と比べて小さければ、所期の目的は達成可能であり、中央部の流路からＹ方向に次第に振幅が次第に小さくなる形状でなくてもよい。
【００２９】
また、反応ガス流路として、上面視で波型をなす流路を示したが、反応ガス流路の上面視での形状は、波型に限らず、所要の振幅で反復して屈曲する形状であればよい。例えば、図４に示すような上面視で三角波状の流路４３であってもよく、図５に示すように上面視で矩形波状の流路４３であってもよい。
【符号の説明】
【００３０】
１０…電解質膜、
１１…燃料極電極、
１２…空気極電極、
２０…膜電極接合体、
２１…燃料極側ガス拡散層、
２２…空気極側ガス拡散層、
３０…膜電極ガス拡散層接合体、
４１…燃料電池用セパレータ（燃料極側セパレータ）、
４２…燃料電池用セパレータ（空気極側セパレータ）、
４３（４３ａ〜４３ｇ）…燃料ガス流路（反応ガス流路）、
４４…酸化剤ガス流路（反応ガス流路）、
４５…燃料（水素）入口マニホールド、
４６…燃料（水素）出口マニホールド、
４７…酸化剤（空気）出口マニホールド、
４８…酸化剤（空気）入口マニホールド、
４９…冷却水入口マニホールド、
５０…冷却水出口マニホールド、
５１、５２…ガス分配部、
６０…燃料電池セル、
ｋａ〜ｋｇ…各燃料ガス流路のＸ方向に延びる振幅中心線、
Ｗａ〜Ｗｇ…各燃料ガス流路の発電面の面方向に沿う振幅、
Ｓ…リブ下領域、
Ｓａ…側端部側のリブ下領域。
【図１】
2020009546.tif 000003
【図２】
2020009546.tif 000004
【図３】
2020009546.tif 000005
【図４】
2020009546.tif 000006
【図５】
2020009546.tif 000007
【図６】
2020009546.tif 000008