(57)【要約】【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。【選択図】図１
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【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。
【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。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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