JP6981392B2

JP6981392B2 - 燃料電池用のセパレータ

Info

Publication number: JP6981392B2
Application number: JP2018201259A
Authority: JP
Inventors: 貴宏坂本
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-10-25
Filing date: 2018-10-25
Publication date: 2021-12-15
Anticipated expiration: 2038-10-25
Also published as: JP2020068151A

Description

本発明は、燃料電池用のセパレータに関する。

燃料電池用のセパレータには、冷却水用の供給マニホールド孔及び排出マニホールドと、供給マニホールド孔から排出マニホールド孔に冷却水を流す流路溝群と、を備えている（特許文献１参照）。

特開２０１５−０９５３１５号公報

流路溝群には、セパレータの中央部に形成された複数の溝と、セパレータの外周縁に沿って延びた溝とを有している。この外周縁に沿って延びた溝を流れる冷却水の流量が多いと、中央溝群を流れる冷却水の流量が低下し、燃料電池の冷却性能が低下する可能性がある。

そこで本発明は、冷却性能が向上した燃料電池用のセパレータを提供することを目的とする。

上記目的は、冷却水用の供給マニホールド孔及び排出マニホールド孔と、前記供給マニホールド孔に隣接した、反応ガス用のガスマニホールド孔と、前記供給マニホールド孔から前記排出マニホールド孔に冷却水を流す流路溝群と、を備えた燃料電池用のセパレータであって、前記流路溝群は、中央溝群と、前記ガスマニホールド孔と当該セパレータの外縁との間に延び前記中央溝群と当該セパレータの外縁との間に延びた外縁溝と、を含み、前記外縁溝と前記中央溝群との間に、前記外縁溝を流れる前記冷却水の流れる方向を基準として前記中央溝群側に０°より大きく９０°未満の角度で、前記外縁溝から前記中央溝群側へ延びた案内溝が設けられている、燃料電池用のセパレータによって達成できる。

冷却性能が向上した燃料電池用のセパレータを提供できる。

図１は、燃料電池スタックの単セルのカソードセパレータを示した図である。図２は、図１の外縁周辺の拡大図である。図３Ａは、図２のＡ−Ａ線に対応する単セルの断面図である。図３Ｂは、図２のＢ−Ｂ線に対応する単セルの断面図である。

図１は、燃料電池スタック（以下、スタックと称する）の単セルのカソードセパレータ（以下、セパレータと称する）３３ｃを示した図である。セパレータ３３ｃは、後述するが一方の面側を冷却水が流れ、他方の面側をカソードガスが流れる。図１では、冷却水が流れる面を示している。また、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。

セパレータ３３ｃは、Ｘ方向及びＹ方向をそれぞれ短手方向及び長手方向とする略矩形状であり、Ｘ方向に互いに対向し長辺に相当する外縁３３ｃ１及び３３ｃ３と、Ｙ方向に互いに対向し短辺に相当する外縁３３ｃ２及び３３ｃ４とを有している。セパレータ３３ｃには、マニホールド孔（以下、孔と称する）ｈ１〜ｈ６が形成されている。孔ｈ１〜ｈ３は、外縁３３ｃ２に沿って−Ｘ方向に並んでいる。孔ｈ４〜ｈ６は、外縁３３ｃ４に沿って−Ｘ方向に並んでいる。孔ｈ１は、アノードガス用の供給マニホールド孔である。孔ｈ６は、アノードガス用の排出マニホールド孔である。孔ｈ５は、冷却水用の供給マニホールド孔である。孔ｈ２は、冷却水用の排出マニホールド孔である。孔ｈ４は、カソードガス用の供給マニホールド孔である。孔ｈ３は、カソードガス用の排出マニホールド孔である。

孔ｈ１〜ｈ３が形成された領域と、孔ｈ４〜ｈ６が形成された領域との間には、詳しくは後述するが凹凸状の冷却水用の複数の冷却水流路溝３５ｃが形成されている。冷却水流路溝３５ｃは、孔ｈ５側から孔ｈ２側に連続的に延びている。詳細には、複数の冷却水流路溝３５ｃは孔ｈ５から孔ｈ２側に放射状に延び、セパレータ３３ｃの中央部での長手方向、即ちＹ方向に平行に延び、孔ｈ５側に集合している。冷却水は孔ｈ５から冷却水流路溝３５ｃ、孔ｈ２の順に流れる。冷却水流路溝３５ｃは、セパレータ３３ｃのほぼ中央部に形成されており、中央溝群の一例である。

また、冷却水が流れる流路溝として、上述した冷却水流路溝３５ｃ等以外に、外縁溝３７ｃが形成されている。外縁溝３７ｃは、セパレータ３３ｃの外縁の一部分を除いて、略全周に沿って形成されている。具体的には、外縁溝３７ｃは、孔ｈ５周辺で複数の冷却水流路溝３５ｃと連通しており、孔ｈ５と孔ｈ６との間を通過して、外縁３３ｃ４に沿って−Ｘ方向に延び、冷却水流路溝３５ｃに沿って＋Ｙ方向に延び、外縁３３ｃ２に沿って＋Ｘ方向に延び、孔ｈ４と孔ｈ２との間を通過して、孔ｈ２周辺で冷却水流路溝３５ｃと連通している。また、外縁溝３７ｃは、冷却水流路溝３５ｃと連通した部位から孔ｈ５と孔ｈ４との間を通過して外縁３３ｃ４に沿って＋Ｘ方向に延び、外縁３３ｃ１に沿って＋Ｙ方向に延び、外縁３３ｃ２に沿って−Ｘ方向に延び、孔ｈ１と孔ｈ２との間を通過して孔ｈ２周辺で冷却水流路溝３５と連通している。このように、外縁溝３７ｃは、冷却水用の孔ｈ５及びｈ２以外の反応ガス用の孔ｈ１、ｈ３、ｈ４、及びｈ６や冷却水流路溝３５ｃを包囲するように形成されている。外縁溝３７ｃを流れる冷却水は、図１において矢印で示すように、孔ｈ５からそれぞれ孔ｈ６側及び孔ｈ３側に分岐するように流れ、それぞれ外縁３３ｃ３及び３３ｃ１に沿って流れ、孔ｈ３側及び孔ｈ１側から孔ｈ２に向けて合流するように流れる。このように、外縁溝３７ｃを流れる冷却水は、セパレータ３３ｃの中央部には流れない。

図２は、図１の外縁３３ｃ３周辺の拡大図である。外縁溝３７ｃと、外縁溝３７ｃに隣接した冷却水流路溝３５ｃとの間には、Ｙ方向に所定の間隔を空けて並んだ複数の案内溝３６ｃが形成されている。案内溝３６ｃは、外縁溝３７ｃを流れる冷却水の一部を、外縁溝３７ｃに隣接した冷却水流路溝３５ｃに案内する。案内溝３６ａについては、詳しくは後述する。

図３Ａは、図２のＡ−Ａ線に対応する単セルの断面図である。図３Ｂは、図２のＢ−Ｂ線に対応する単セルの断面図である。単セルは、反応ガスとしてアノードガス（例えば水素）とカソードガス（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と、絶縁部材１８と、セパレータ３３ｃと、アノードセパレータ（以下、セパレータと称する）３３ａとを含む。スタックは、このような単セルをＺ方向に複数積層されることで構成される。セパレータ３３ｃ及び３３ａ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。

ＭＥＧＡ１０は、アノードガス拡散層１６ａ及びカソードガス拡散層１６ｃ（以下、拡散層と称する）を有している。絶縁部材１８は、樹脂製であって絶縁性を有し、略枠状に形成されている。絶縁部材１８の内周縁側にＭＥＧＡ１０が接合されている。ＭＥＧＡ１０は、上述した拡散層１６ｃ及び１６ａと、膜電極接合体（以下、ＭＥＡと称する）１１とを含む。ＭＥＡ１１は、略矩形状の電解質膜１２と、電解質膜１２の一方の面（図２において、上側の面）及び他方の面（図２において、下側の面）にそれぞれ形成されたカソード側触媒層１４ｃ及びアノード側触媒層１４ａ及び（以下、触媒層と称する）とを含む。電解質膜１２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。拡散層１６ｃ及び１６ａはそれぞれ、触媒層１４ｃ及び１４ａに接合されている。拡散層１６ｃ及び１６ａ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。

絶縁部材１８は、クロスリークや触媒電極同士の電気的短絡を防ぐための部材である。絶縁部材１８は、外周縁が略矩形状である枠状に形成されている。絶縁部材１８の内周縁の大きさは、拡散層１６ａの外周縁の大きさよりも大きく、拡散層１６ｃの外周縁よりも小さい。絶縁部材１８は、一方の面がセパレータ３３ａに接着されていると共に、他方の面の内周縁側が電解質膜１２の周縁領域に接着されている。絶縁部材１８は、例えば合成樹脂製である。絶縁部材１８にも、上述した孔ｈ１〜ｈ６が貫通するように形成されている。

ＭＥＧＡ１０に対向するセパレータ３３ａの面には、アノード流路溝３４ａが複数形成されている。セパレータ３３ａのアノード流路溝３４ａとは反対側の面に、冷却水が流れる冷却水流路溝３５ａが複数形成されている。セパレータ３３ａの複数の冷却水流路溝３５ａは、それぞれセパレータ３３ｃの複数の冷却水流路溝３５ｃと対向している。セパレータ３３ｃの冷却水流路溝３５ｃと反対側にはカソード流路溝３４ｃが形成されている。これらアノード流路溝３４ａ、冷却水流路溝３５ａ、カソード流路溝３４ｃも、冷却水流路溝３５ｃと同様にＹ方向に延びている。尚、セパレータ３３ａにも、上述した孔ｈ１〜ｈ６が貫通するように形成されている。また、図３Ａ及び図３Ｂには示していないが、セパレータ３３ｃは、隣接する他の単セルのカソード側の拡散層と絶縁部材に当接するように積層される。

ここで、図３Ａに示すように、セパレータ３３ａの外縁溝３７ａの底部に相当するリブ部７ａが絶縁部材１８に接合されており、アノード流路溝３４ａを流れるアノードガスの外部への漏れを防いでいる。同様に、セパレータ３３ｃの外縁溝３７ｃの底部に相当するリブ部７ｃが、不図示の隣接する単セルの絶縁部材に接合され、カソード流路溝３４ｃを流れるカソードガスの外部への漏れを防いでいる。

図３Ｂに示すように、セパレータ３３ａにも、外縁溝３７ａと外縁溝３７ａに隣接した冷却水流路溝３５ａとを連通した案内溝３６ａが形成されている。案内溝３６ａは、セパレータ３３ｃの案内溝３６ｃと、Ｚ方向で所定の間隔を空けて対向している。これにより互いに対向した案内溝３６ａ及び３６ｃは一本の連通流路として機能する。このように、外縁溝３７ａ及び３７ｃ内を流れる冷却水の一部が、外縁溝３７ａ及び３７ｃに隣接した冷却水流路溝３５ａ及び３５ｃに流すことができる。ここで、この隣接した冷却水流路溝３５ａ及び３５ｃは、図３Ｂに示すようにＭＥＧＡ１０と対向している。このため、この冷却水流路溝３５ａ及び３５ｃ内を流れる冷却水によりＭＥＧＡ１０を効率的に冷却でき、冷却性能が向上している。

また、図２に示したように、外縁溝３７ｃを流れる冷却水の方向、即ち＋Ｙ方向に対して、案内溝３６ｃは、角度αで冷却水流路溝３５ｃ側に延びている。ここで、角度αは、０°より大きく９０°未満に設定されている。案内溝３６ｃについても同様である。このため、外縁溝３７ａ及び３７ｃを流れる冷却水をスムーズに隣接する冷却水流路溝３５ａ及び３５ｃに案内することができ、冷却水の圧損が抑制されている。また、上述の角度αが９０°未満であることにより、隣接する冷却水流路溝３５ａ及び３５ｃから外縁溝３７ａ及び３７ｃ内に冷却水が流れることを抑制している。

また、図１に示すように、案内溝３６ａは、冷却水流路溝３５ｃの上流側から下流側にかけて複数設けられている。このため、外縁溝３７ｃから上流側に位置する案内溝３６ｃを介して冷却水流路溝３５ｃへ流れる冷却水により、冷却水流路溝３５ｃの上流側の位置に対応するＭＥＧＡ１０の部位を冷却できる。また、外縁溝３７ｃから下流側に位置する案内溝３６ｃを介して冷却水流路溝３５ｃへ流れる冷却水は、外縁溝３７ｃを流れている間にはＭＥＧＡ１０からの熱を受けていないため、比較的低温である。このため、冷却水流路溝３５ｃの下流側の位置に対応するＭＥＧＡ１０の部位を冷却できる。このように、ＭＥＧＡ１０の温度分布のばらつきを抑制するように冷却でき、発電性能も確保されている。

外縁３３ｃ３に沿った案内溝３６ｃについて説明したが、外縁３３ｃ１に沿った案内溝３６ｃも同様に構成されている。

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。

３３ｃカソードセパレータ
３５ｃ冷却水流路溝
３６ｃ案内溝
３７ｃ外縁溝

Claims

冷却水用の供給マニホールド孔及び排出マニホールド孔と、
前記供給マニホールド孔に隣接した、反応ガス用のガスマニホールド孔と、
前記供給マニホールド孔から前記排出マニホールド孔に冷却水を流す流路溝群と、を備えた燃料電池用のセパレータであって、
前記流路溝群は、中央溝群と、前記ガスマニホールド孔と当該セパレータの外縁との間に延び前記中央溝群と当該セパレータの外縁との間に延びた外縁溝と、を含み、
前記外縁溝と前記中央溝群との間に、前記外縁溝を流れる前記冷却水の流れる方向を基準として前記中央溝群側に０°より大きく９０°未満の角度で、前記外縁溝から前記中央溝群側へ延びた案内溝が設けられている、燃料電池用のセパレータ。