(57)【要約】【課題】ガス拡散層からの排水を促進できる燃料電池用のセパレータを提供することを課題とする。【解決手段】ガス拡散層に当接するように配置される燃料電池用のセパレータにおいて、前記ガス拡散層から離れるように突出して、反応ガスが流れるガス流路溝と、前記ガス流路溝内に部分的に設けられた分流部と、を備え、前記ガス流路溝は、互いに対向した第１及び第２側壁と、前記第１及び第２側壁に連続した底壁と、を含み、前記分流部は、前記底壁から離れて前記第１及び第２側壁に接続されており、前記分流部は、前記底壁よりも前記ガス拡散層に近い位置に設けられている、燃料電池用のセパレータによって達成できる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス拡散層に当接するように配置される燃料電池用のセパレータにおいて、
前記ガス拡散層から離れるように突出して、反応ガスが流れるガス流路溝と、
前記ガス流路溝内に部分的に設けられた分流部と、を備え、
前記ガス流路溝は、互いに対向した第１及び第２側壁と、前記第１及び第２側壁に連続した底壁と、を含み、
前記分流部は、前記底壁から離れて前記第１及び第２側壁に接続されており、
前記分流部は、前記底壁よりも前記ガス拡散層に近い位置に設けられている、燃料電池用のセパレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用のセパレータに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、ガス拡散層の排水性を向上させるために、ガス拡散層に排水溝を設ける技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２９９６５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記の技術のように、ガス拡散層を加工することにより排水溝を設けると、この加工に伴ってガス拡散層の一部に潰れが発生したりバリが発生して、それに接合される電解質膜も変形したり損傷を受ける可能性がある。この場合には、クロスリークが発生する可能性がある。
【０００５】
そこで本発明は、ガス拡散層からの排水を促進できる燃料電池用のセパレータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的は、ガス拡散層に当接するように配置される燃料電池用のセパレータにおいて、前記ガス拡散層から離れるように突出して、反応ガスが流れるガス流路溝と、前記ガス流路溝内に部分的に設けられた分流部と、を備え、前記ガス流路溝は、互いに対向した第１及び第２側壁と、前記第１及び第２側壁に連続した底壁と、を含み、前記分流部は、前記底壁から離れて前記第１及び第２側壁に接続されており、前記分流部は、前記底壁よりも前記ガス拡散層に近い位置に設けられている、燃料電池用のセパレータによって達成できる。
【発明の効果】
【０００７】
ガス拡散層からの排水を促進できる燃料電池用のセパレータを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、燃料電池スタックを構成する単セルの部分断面図である。
【図２】図２は、セパレータを＋Ｚ方向側から見た図である。
【図３】図３は、単セルを＋Ｘ方向側から見た断面図である。
【図４】図４は、変形例である単セルの説明図である。
【図５】図５は、変形例である単セルの説明図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
［燃料電池スタックの概略構成］
図１は、燃料電池スタックを構成する単セルＡの部分断面図である。燃料電池スタックは、単セルＡが複数積層されて構成される。尚、図１には、互いに直交するＸ方向、Ｙ方向、及びＺ方向を示している。＋Ｙ方向は、図１では紙面に垂直であって紙面の奥から手前の方向である。単セルＡは、反応ガスとして燃料ガス（例えば水素）と酸化剤ガス（例えば酸素）の供給を受けて発電する固体高分子型燃料電池である。単セルＡは、膜電極ガス拡散層接合体（以下、ＭＥＧＡ（Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly）と称する）１０、カソードセパレータ（以下、セパレータと称する）２０、アノードセパレータ（以下、セパレータと称する）３０を含む。
【００１０】
ＭＥＧＡ１０は、カソードガス拡散層（以下、拡散層と称する）６、アノードガス拡散層（以下、拡散層と称する）７と、ガス拡散層６及び７により挟持された膜電極接合体（以下、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）と称する）５とを有している。ＭＥＡ５は、電解質膜１と、電解質膜１の一方の面及び他方の面のそれぞれに形成されたカソード触媒層（以下、触媒層と称する）２、及びアノード触媒層（以下、触媒層と称する）３とを含む。電解質膜１は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜であり、例えばフッ素系のイオン交換膜である。触媒層２及び３は、例えば白金（Ｐｔ）などを担持したカーボン担体とプロトン伝導性を有するアイオノマとを含む触媒インクを、電解質膜１に塗布することにより形成される。ガス拡散層６及び７は、ガス透過性及び導電性を有する材料、例えば炭素繊維や黒鉛繊維などの多孔質の繊維基材で形成されている。ガス拡散層６及び７は、それぞれ触媒層２及び３に接合されている。
【００１１】
セパレータ２０及び３０は、ガス遮断性及び導電性を有する材料によって形成され、プレス成形されたステンレス鋼や、チタンやチタン合金といった金属によって形成される薄板状部材である。セパレータ２０及び３０は、ＭＥＧＡ１０を挟持するように積層されている。セパレータ２０及び３０は、それぞれガス拡散層６及び７に当接している。
【００１２】
セパレータ２０には、Ｘ方向に交互に並んでおりＹ方向に互いに平行に延びたガス流路溝２１及び冷媒流路溝２５が複数形成されている。ガス流路溝２１は、ガス拡散層６から離れるように−Ｚ方向側に突出している。ガス流路溝２１は、互いにＸ方向で対向した側壁２２及び２３、側壁２２及び２３に連続した底壁２４、を含む。冷媒流路溝２５は、隣接した２つのガス流路溝２１の一方の側壁２２と他方の側壁２３と、この側壁２２及び２３に連続したリブ２６とを含む。即ち、側壁２２及び２３は、ガス流路溝２１の側壁でもあり、冷媒流路溝２５の側壁でもある。リブ２６は、ガス拡散層６に当接している。底壁２４及びリブ２６は、ＸＹ平面に対して略平行である。側壁２２及び２３は、図１においては、ＹＺ平面に略平行に記載してあるが、これに限定されず、＋Ｚ方向に向かって側壁２２及び２３のＸ方向の間隔が拡大するように傾斜していてもよい。ガス拡散層６内、及びガス流路溝２１内には、カソードガスが流れる。
【００１３】
ガス流路溝２１内には、分流部２８が設けられている。分流部２８は、各ガス流路溝２１内に設けられており、具体的にはガス流路溝２１の側壁２２及び２３を接続するように設けられている。また、分流部２８は、底壁２４から離れており、ガス拡散層６に当接する位置に設けられている。分流部２８については、詳しくは後述する。
【００１４】
同様に、セパレータ３０には、Ｘ方向に交互に並んでおりＹ方向に互いに平行に延びたガス流路溝３１及び冷媒流路溝３５が形成されている。ガス流路溝３１内にはアノードガスが流れる。セパレータ３０は、上述したセパレータ２０と、分流部２８が設けられていない点以外は略同じ構成であるため、詳細な説明は省略する。尚、図１に示していないが、セパレータ３０に対して＋Ｚ方向側で隣接する単セルのカソードセパレータの冷媒流路溝と、このガス流路溝に対してＺ方向で対向するセパレータ３０の冷媒流路溝３５との間には、冷媒である冷却水が流れる。
【００１５】
［分流部２８の構成］
図２は、セパレータ２０を＋Ｚ方向側から見た図である。図２には、カソードガスが流れる方向を点線の矢印で示している。分流部２８は、隣接する２つのガス流路溝２１のそれぞれに設けられた分流部２８が、Ｘ方向で隣接しないように、格子状に設けられている。また、各ガス流路溝２１には、複数の分流部２８がＹ方向に所定の間隔を空けて設けられている。このように、ＸＹ平面方向で、複数の分流部２８が略均等に分散されるように設けられている。分流部２８は、ガス流路溝２１に溶接により接合してもよいし、接着剤により接合してもよい。分流部２８は、セパレータ２０本体と同じ材料である金属製であるが、これに限定されない。尚、複数の分流部２８が設けられている位置は、図２に示した例に限定されない。
【００１６】
図３は、単セルＡを＋Ｘ方向側から見た断面図である。図３においては、セパレータ３０の図示を省略してある。図３には、ガス流路溝２１内を流れるカソードガスの流れの向きを矢印で示している。底壁２４近傍を流れるカソードガスは、＋Ｙ方向に直線状に流れるが、ガス流路溝２１内でガス拡散層６近傍を流れるカソードガスは、分流部２８を避けるように、一部がガス拡散層６側へ流れ、残りの一部は底壁２４側へと流れるように分流する。具体的には、ガス流路溝２１内を流れるカソードガスの一部は、分流部２８近傍の上流側の領域Ｒ１からガス拡散層６側に流れる。ここで、領域Ｒ１では、分流部２８にカソードガスの一部が衝突するため圧力が上昇する。これに対して、分流部２８近傍の下流側の領域Ｒ２では、ベンチュリー効果により圧力が低下する。このように領域Ｒ２の圧力が低下することにより、領域Ｒ１からガス拡散層６内に侵入したカソードガスが、領域Ｒ２に流れることが促進される。
【００１７】
即ち、図３に示すように、分流部２８近傍でガス流路溝２１内からガス拡散層６を介して再びガス流路溝２１内にカソードガスが流れることが促進される。このようなカソードガスの流れにより、ガス拡散層６内に保持されていた液水がカソードガスの圧力を受けてガス拡散層６からガス流路溝２１内に排出されることが促進される。尚、ガス拡散層６内に保持されていた液水は、発電反応によって生じる液水と、当初からカソードガス中に含まれていた水蒸気が凝縮して生じた液水との双方を含む。
【００１８】
以上のようにガス拡散層６からの排水が促進されるため、フラッディングの発生を抑制でき、カソードガスの圧損を低減できる。このようにカソードガスの圧損が低減されるため、燃料電池スタックに供給されるカソードガスの流量を削減することができ、これにより燃料電池スタックにカソードガスを供給するためのエアコンプレッサの消費電力を低減できる。
【００１９】
尚、分流部２８のＺ方向での位置は、上述したようにガス拡散層６に当接する位置に限定されないが、底壁２４よりもガス拡散層６に近い位置に設けられていることが好ましい。分流部２８がガス拡散層６から大きく離れていると、分流部２８に衝突したカソードガスがガス拡散層６内に侵入せずにガス流路溝２１内を下流側に流れて、ガス拡散層６からの排水を促進することができない可能性があるからである。従って、少なくとも分流部２８の位置は、底壁２４よりもガス拡散層６に近い位置に設けられていることが好ましい。また、分流部２８の大きさは、ガス流路溝２１の流路断面積の少なくとも２分の１以下であることが好ましく、更に好ましくは３分の１以下、更に好ましくは４分の１以下である。ガス流路溝２１の流路断面積に占める分流部２８の大きさの割合が小さい方が、カソードガスの圧損の増大を抑制できるからである。
【００２０】
また、図２に示したように、ガス拡散層６の排水を促進する分流部２８がセパレータ２０のＸＹ平面方向で均一に設けられていることにより、ガス拡散層６の一部分で液水が滞留することを抑制できる。尚、上述したように分流部２８の位置は図２に示した場合に限定されず、例えば、予めガス拡散層６内で液水が滞留しやすい部位が分かっている場合には、その部位の近傍に多くの分流部２８を設けてもよい。例えば、カソードガスの上流側よりも下流側の方がガス拡散層６内で液水が滞留しやすい場合には、ガス流路溝２１の上流側よりも下流側に多くの分流部２８を設けてもよい。
【００２１】
また、図１に示すように、分流部２８は、互いに対向する側壁２２及び２３を繋ぐように設けられているため、ガス流路溝２１の剛性が向上する。このため、例えば複数の単セルＡが積層されてＺ方向で大きな圧縮荷重がセパレータ２０に作用した場合であっても、ガス流路溝２１が潰れることが抑制される。これにより、セパレータ２０のリブ２６からガス拡散層６に作用する反力を確保することができ、ＭＥＧＡ１０をセパレータ２０及び３０により所望の力で挟持することができる。
【００２２】
また、分流部２８、図３に示すように、Ｘ方向に延びた四角柱状であるが、円柱状や楕円柱状、三角柱状であってもよいし、又は断面形状が５角以上の多角形状である柱状であってもよい。
【００２３】
［変形例］
次に、変形例について説明する。変形例では、同一の構成については同一の符号を付することにより、重複する説明を省略する。図４及び図５は、変形例である単セルＢの説明図である。図４及び図５は、それぞれ図１及び図３に対応している。単セルＢのセパレータ２０ａに設けられた分流部２８ａは、図５に示すように薄い板状であり、底壁２４側に凸となりガス拡散層６側が窪むように、湾曲している。また、分流部２８ａは、ガス拡散層６には当接せずに離れている。分流部２８ａ近傍の上流側の領域Ｒ１では、上述した実施例と同様に、圧力が上昇して、カソードガスの一部はガス拡散層６内に侵入する。また、分流部２８ａとガス拡散層６との間の領域Ｒ３では、分流部２８ａがガス拡散層６から離れるように窪んでいるため、圧力が低下し、ガス拡散層６内に侵入したカソードガスが領域Ｒ３に向かってガス拡散層６から排出されることが促進される。このように流れるカソードガスによっても、ガス拡散層６からの排水が促進される。尚、領域Ｒ３に排出された液水は、一旦分流部２８ａの凹面側に滞留するが、カソードガスの圧力により分流部２８ａから下流側に押し流される。
【００２４】
また、分流部２８ａについても底壁２４よりもガス拡散層６に近い位置に設けられているため、ガス拡散層６からの排水を促進できる。更に、図４に示すように、ガス流路溝２１の流路断面積に占める分流部２８ａの大きさの割合が２分の１以下であるため、ガス流路溝２１内を流れるカソードガスの圧損の増大を抑制できる。
【００２５】
分流部２８ａは、図５に示すように厚みが均一であり湾曲した板状であるが、これに限定されず、ガス拡散層６側の面が分流部２８ａと同様に窪んだ湾曲面を有し、底壁２４側の面が底壁２４と略平行な面である板状の分流部を備えてもよい。
【００２６】
［その他］
本実施例及び変形例では、アノードガス流れるセパレータ３０のガス流路溝３１には分流部２８、２８ａは設けられていないが、これに限定されず、ガス流路溝３１にも分流部を設けてもよい。カソード側で発生した液水が、電解質膜１を介してアノード側に浸透し、アノード側でフラッディングが発生することも考えられるからである。
【００２７】
本実施例及び変形例では、セパレータ２０は金属製の薄板部材をプレス加工されて成形されているが、これに限定されず、例えばカーボン粉末含有ペーストとカーボン短繊維とを練りこんだ混合物を型に入れ、ホットプレス法で固めることにより成形してもよい。この場合、例えば分流部２８は、予めこの型に分流部２８を成形するための部位が設けられていてもよい。また、分流部２８を除いたセパレータ２０本体については、上記の型で成形し、分流部２８については別体で成形されてものを、セパレータ２０本体に接合してもよい。何れにしても、セパレータ２０の製造方法については特に限定されない。
【００２８】
以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。
【符号の説明】
【００２９】
６  ガス拡散層
２０、２０ａ  セパレータ
２１  ガス流路溝
２２、２３  側壁
２４  底壁
２８、２８ａ  分流部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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