(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024104006
(43)【公開日】2024-08-02
(54)【発明の名称】燃料電池用セパレータ及び燃料電池スタック
(51)【国際特許分類】
H01M 8/0258 20160101AFI20240726BHJP
H01M 8/0267 20160101ALI20240726BHJP
H01M 8/2465 20160101ALI20240726BHJP
H01M 8/10 20160101ALN20240726BHJP
【FI】
H01M8/0258
H01M8/0267
H01M8/2465
H01M8/10 101
【審査請求】未請求
【請求項の数】6
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2023007994
(22)【出願日】2023-01-23
(71)【出願人】
【識別番号】000241500
【氏名又は名称】トヨタ紡織株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100105957
【弁理士】
【氏名又は名称】恩田 誠
(74)【代理人】
【識別番号】100068755
【弁理士】
【氏名又は名称】恩田 博宣
(72)【発明者】
【氏名】青野 晴之
【テーマコード(参考)】
5H126
【Fターム(参考)】
5H126AA08
5H126AA11
5H126AA23
5H126BB06
5H126DD05
5H126DD14
5H126EE03
5H126EE11
(57)【要約】
【課題】セパレータに反りが生じることを抑制できる燃料電池用セパレータ及び燃料電池スタックを提供する。
【解決手段】カソード側セパレータ30は、発電部10に対向し、酸化剤ガスが流れる複数の主流路51を有している。また、カソード側セパレータ30は、複数の主流路51に向けて酸化剤ガスを供給する供給側マニホールド孔36と、主流路51からの酸化剤ガスを排出する排出側マニホールド孔39とを有している。また、カソード側セパレータ30は、供給側マニホールド孔36と複数の主流路51とを接続する複数の供給側接続流路52と、排出側マニホールド孔39と複数の主流路51とを接続する複数の排出側接続流路53とを有している。供給側接続流路52及び排出側接続流路53の接続流路の延在方向の一部には、発電部10に向かって突出する突出部54が設けられている。
【選択図】
図2
【特許請求の範囲】
【請求項1】
燃料電池の発電部に対向して配置される燃料電池用セパレータであって、
前記発電部に対向し、反応ガスが流れる複数の主流路と、
複数の前記主流路に向けて前記反応ガスを供給する供給側マニホールド孔と、
前記主流路からの前記反応ガスを排出する排出側マニホールド孔と、
前記供給側マニホールド孔と複数の前記主流路とを接続する複数の供給側接続流路と、
前記排出側マニホールド孔と複数の前記主流路とを接続する複数の排出側接続流路と、を有し、
前記供給側接続流路及び前記排出側接続流路のうち少なくとも一方の接続流路の延在方向の一部には、前記発電部に向かって突出する突出部が設けられている、
燃料電池用セパレータ。
【請求項2】
前記突出部は、前記少なくとも一方の接続流路の幅方向の全体にわたって設けられている、
請求項1に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項3】
前記突出部は、前記供給側接続流路及び前記排出側接続流路のうち少なくとも一方を構成する全ての接続流路に設けられている、
請求項1に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項4】
前記突出部は、前記供給側接続流路及び前記排出側接続流路の両方に設けられている、
請求項1に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項5】
前記突出部は、前記供給側接続流路及び前記排出側接続流路の両方を構成する全ての接続流路に設けられており、
前記供給側接続流路と前記排出側接続流路とは、燃料電池用セパレータの面方向における中心に対して点対称に配置されている、
請求項4に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項6】
発電部と、前記発電部を挟む第1セパレータ及び第2セパレータと、を有する単セルを複数積層して形成された燃料電池スタックであって、
前記第1セパレータには、前記第1セパレータを有する前記単セルとは別の前記単セルの前記第2セパレータが隣り合っており、
前記第1セパレータ及び前記別の単セルの前記第2セパレータのうち少なくとも一方のセパレータは請求項1~請求項5のいずれか一項に記載の燃料電池用セパレータであって、
前記少なくとも一方のセパレータは、前記主流路が設けられている面とは反対側の面に、冷媒が流れる冷却流路を有し、
前記冷却流路は、互いに隣り合う前記少なくとも一方の接続流路同士の間に位置しており、
前記突出部は、前記少なくとも一方の接続流路の幅方向の全体にわたって設けられており、
前記反対側の面には、前記突出部により形成され、互いに隣り合う前記冷却流路同士を連通する凹溝が設けられている、
燃料電池スタック。
【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及び燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【0002】
特許文献1には、複数の単セルが積層されて構成される燃料電池スタックが開示されている。単セルは、発電部と、発電部を挟む2つのセパレータとを有している。各セパレータには、単セルの積層方向に貫通するとともに、反応ガスが流れる供給孔及び排出孔が設けられている。各セパレータのうち発電部との対向面を有する一方の面には、反応ガスが流れる複数の流路溝と、隣り合う流路溝同士の間に設けられるリブとが設けられている。流路溝は、対向面に設けられる主流路と、供給孔と主流路とを接続する供給側接続流路と、主流路と排出孔とを接続する排出側接続流路とを有している。各セパレータは、金属製の基材を有している。基材は、プレス成形により形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
ところで、こうした燃料電池スタックでは、セパレータの基材がプレス成形される際に、供給孔の周辺の部分、排出孔の周辺の部分、及び流路溝が特に大きな変形を伴う。このため、セパレータの基材に残留応力が生じやすい。その結果、セパレータに反りが生じるおそれがある。
【課題を解決するための手段】
【0005】
上記課題を解決するための燃料電池用セパレータは、燃料電池の発電部に対向して配置される燃料電池用セパレータであって、前記発電部に対向し、反応ガスが流れる複数の主流路と、複数の前記主流路に向けて前記反応ガスを供給する供給側マニホールド孔と、前記主流路からの前記反応ガスを排出する排出側マニホールド孔と、前記供給側マニホールド孔と複数の前記主流路とを接続する複数の供給側接続流路と、前記排出側マニホールド孔と複数の前記主流路とを接続する複数の排出側接続流路と、を有し、前記供給側接続流路及び前記排出側接続流路のうち少なくとも一方の接続流路の延在方向の一部には、前記発電部に向かって突出する突出部が設けられている。
【0006】
同構成によれば、供給側接続流路及び排出側接続流路のうち少なくとも一方の接続流路における剛性が突出部により高められる。したがって、セパレータに反りが生じることを抑制できる。
【0007】
また、上記課題を解決するための燃料電池スタックは、発電部と、前記発電部を挟む第1セパレータ及び第2セパレータと、を有する単セルを複数積層して形成された燃料電池スタックであって、前記第1セパレータには、前記第1セパレータを有する前記単セルとは別の前記単セルの前記第2セパレータが隣り合っており、前記第1セパレータ及び前記別の単セルの前記第2セパレータのうち少なくとも一方のセパレータは上記燃料電池用セパレータであって、前記少なくとも一方のセパレータは、前記主流路が設けられている面とは反対側の面に、冷媒が流れる冷却流路を有し、前記冷却流路は、互いに隣り合う前記少なくとも一方の接続流路同士の間に位置しており、前記突出部は、前記少なくとも一方の接続流路の幅方向の全体にわたって設けられており、前記反対側の面には、前記突出部により形成され、互いに隣り合う前記冷却流路同士を連通する凹溝が設けられている。
【0008】
同構成によれば、上記一方の接続流路に設けられる突出部により、互いに隣り合う冷却流路同士を連通する凹溝が形成される。凹溝には、冷却流路を流れる冷媒が流通する。このため、凹溝が設けられる分だけ冷却流路の表面積が大きくなる。これにより、燃料電池スタックの冷却効率を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【
図1】
図1は、一実施形態に係る燃料電池スタックの単セルを示す分解斜視図である。
【
図2】
図2は、
図1のカソード側セパレータを示す平面図である。
【
図3】
図3は、
図2の3-3線に沿った断面図であり、カソード側セパレータと、同カソード側セパレータの単セルと隣り合う他の単セルのアノード側セパレータとを中心とした断面図である。
【
図5】
図5は、突出部の変更例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、
図1~
図4を参照して、燃料電池用セパレータ及び燃料電池スタックの一実施形態について説明する。なお、各図面では、説明の便宜上、構成の一部を誇張または簡略化して示しているため、各構成の寸法比率が実際とは異なる場合がある。
【0011】
図1に示すように、燃料電池スタックは、単セル90が複数積層されて形成されている。
<単セル90>
単セル90は、膜電極ガス拡散層接合体(以下、発電部10)と、発電部10を囲む電気絶縁性の枠部材20と、発電部10及び枠部材20を挟むカソード側セパレータ30及びアノード側セパレータ40とを有している。単セル90は、全体として長方形板状である。
【0012】
なお、以降では、複数の単セル90の積層方向を第1方向Xとして説明する。
また、単セル90の長辺方向及び短辺方向を、それぞれ第2方向Y及び第3方向Zとして説明する。
【0013】
単セル90は、燃料ガス、冷媒、及び酸化剤ガスを単セル90内にそれぞれ導入するための供給側マニホールド孔94,95,96を有している。また、単セル90は、単セル90内の燃料ガス、冷媒、及び酸化剤ガスをそれぞれ外部へ排出するための排出側マニホールド孔97,98,99を有している。
【0014】
供給側マニホールド孔94,95,96及び排出側マニホールド孔97,98,99は、単セル90を第1方向Xに貫通している。供給側マニホールド孔94及び排出側マニホールド孔98,99は、第2方向Yにおける単セル90の一側(
図1の左側)に設けられている。排出側マニホールド孔97及び供給側マニホールド孔95,96は、第2方向Yにおける単セル90の他側(
図1の右側)に設けられている。供給側マニホールド孔94及び排出側マニホールド孔98,99は、第3方向Zにおいて互いに間隔をあけて順に並んでいる。排出側マニホールド孔97及び供給側マニホールド孔95,96は、第3方向Zにおいて互いに間隔をあけて順に並んでいる。
【0015】
<発電部10>
図1に示すように、発電部10は、図示しない固体高分子電解質膜(以下、電解質膜)と、電解質膜の両面に設けられた電極11,12とを有している。なお、本実施形態では、第1方向Xにおける電解質膜(図示略)の一側(
図1の上側)の面に接合された電極が、カソード電極11である。また、第1方向Xにおける電解質膜の他側(
図1の下側)の面に接合された電極が、アノード電極12である。電極11,12は、電解質膜に接合された触媒層(図示略)と、触媒層に接合されたガス拡散層(図示略)とを有している。
【0016】
<枠部材20>
枠部材20は、カソード側セパレータ30とアノード側セパレータ40との間に設けられている。枠部材20は、第2方向Yに長い平面視略長方形板状である。枠部材20は、例えば合成樹脂材料により形成されている。
【0017】
枠部材20は、供給側マニホールド孔94,95,96,及び排出側マニホールド孔97,98,99をそれぞれ構成する供給側マニホールド孔24,25,26,及び排出側マニホールド孔27,28,29を有している。
【0018】
枠部材20は、中央に開口部21を有している。開口部21の内周縁部には、第1方向Xの一側(
図1の上側)から発電部10の周縁部が接合されている。
<カソード側セパレータ30>
図1に示すように、カソード側セパレータ30は、発電部10のカソード電極11に対向して配置されている。カソード側セパレータ30は、ステンレス鋼などの金属製の基材と、基材の表面を覆う導電層とを有している。カソード側セパレータ30の基材は、プレス成形によって形成されている。
【0019】
カソード側セパレータ30は、供給側マニホールド孔94,95,96,及び排出側マニホールド孔97,98,99をそれぞれ構成する供給側マニホールド孔34,35,36,及び排出側マニホールド孔37,38,39を有している。
【0020】
カソード側セパレータ30は、枠部材20及び発電部10と重なる第1面30aと、第1面30aとは反対側の面である第2面30bとを有している。
カソード側セパレータ30は、酸化剤ガスが流通する複数の溝流路50と、冷媒が流通する複数の冷却流路58とを有している。溝流路50は、第1面30aに設けられている。冷却流路58は、第2面30bに設けられている。
【0021】
なお、
図1には、複数の溝流路50が形成された部分の外縁と、複数の冷却流路58が形成された部分の外縁をそれぞれ簡略化して示している。
<アノード側セパレータ40>
図1に示すように、アノード側セパレータ40は、発電部10のアノード電極12に対向して配置されている。アノード側セパレータ40は、ステンレス鋼などの金属製の基材と、基材の表面を覆う導電層とを有している。アノード側セパレータ40の基材は、プレス成形によって形成されている。
【0022】
アノード側セパレータ40は、供給側マニホールド孔94,95,96,及び排出側マニホールド孔97,98,99をそれぞれ構成する供給側マニホールド孔44,45,46,及び排出側マニホールド孔47,48,49を有している。
【0023】
アノード側セパレータ40は、枠部材20及び発電部10と重なる第1面40aと、第1面40aとは反対側の面である第2面40bとを有している。
アノード側セパレータ40は、燃料ガスが流通する複数の溝流路60と、冷媒が流通する複数の冷却流路68とを有している。溝流路60は、第1面40aに設けられている。冷却流路68は、第2面40bに設けられている。
【0024】
なお、
図1には、アノード側セパレータ40において、複数の溝流路60が形成された部分の外縁と、複数の冷却流路68が形成された部分の外縁をそれぞれ簡略化して示している。
【0025】
次に、カソード側セパレータ30の構成について、詳細に説明する。なお、
図2は、
図1のカソード側セパレータ30を上下に反転させた状態を示している。
図2に示すように、複数の溝流路50は、供給側マニホールド孔36と排出側マニホールド孔39とを接続する。溝流路50同士の間には、リブ56が設けられている(
図3参照)。溝流路50は、複数の主流路51、複数の供給側接続流路52、及び複数の排出側接続流路53を有している。主流路51は、発電部10と対向する。複数の供給側接続流路52は、供給側マニホールド孔36と複数の主流路51とをそれぞれ接続する。複数の排出側接続流路53は、複数の主流路51と排出側マニホールド孔39とをそれぞれ接続する。したがって、酸化剤ガスは、供給側マニホールド孔36から供給側接続流路52を通じて主流路51に供給される。主流路51を流れる酸化剤ガスは、排出側接続流路53を通じて排出側マニホールド孔39に排出される。
【0026】
ここで、供給側接続流路52と排出側接続流路53とは、カソード側セパレータ30の面方向における中心Cに対して点対称に配置されている。このため、以降では、排出側接続流路53の構成について説明し、供給側接続流路52の構成については説明を省略することがある。
【0027】
図2に示すように、排出側接続流路53の延在方向の一部には、発電部10に向かって突出する突出部54が設けられている。突出部54は、供給側接続流路52及び排出側接続流路53の両方に設けられている。突出部54は、排出側接続流路53の幅方向の全体にわたって設けられている。突出部54は、全ての排出側接続流路53に設けられている。本実施形態では、突出部54は、第3方向Zに沿って延びる仮想線V上に位置している。
【0028】
図3に、カソード側セパレータ30と、同カソード側セパレータ30を有する単セル90(以下、単セル90A)と隣り合う他の単セル90(以下、単セル90B)のアノード側セパレータ40とにより形成される冷却流路78を示す。
【0029】
カソード側セパレータ30の冷却流路58は、互いに隣り合う溝流路50同士の間に位置している。アノード側セパレータ40の冷却流路68は、互いに隣り合う溝流路60同士の間に位置している。
【0030】
カソード側セパレータ30の冷却流路58と、アノード側セパレータ40の冷却流路68とにより、冷却流路78が形成されている。
図3及び
図4に示すように、カソード側セパレータ30の第2面30bには、突出部54により形成された凹溝55が設けられている。凹溝55は、互いに隣り合う冷却流路58同士を連通する。
【0031】
図4に示すように、排出側接続流路53の底面53aからの突出部54の突出高さは、排出側接続流路53の延在方向において一定である。
次に、本実施形態の作用について説明する。
【0032】
供給側接続流路52及び排出側接続流路53の各々における剛性が突出部54により高められる。
また、
図3に矢印にて示すように、隣り合う冷却流路58のうち一方の冷却流路58から他方の冷却流路58へと凹溝55を介して冷媒が流れる。このため、冷却流路58及び凹溝55が冷媒によって冷却される。
【0033】
次に、本実施形態の効果について説明する。
(1)供給側接続流路52及び排出側接続流路53の接続流路の延在方向の一部には、発電部10に向かって突出する突出部54が設けられている。
【0034】
こうした構成によれば、上記作用を奏することから、カソード側セパレータ30に反りが生じることを抑制できる。
(2)突出部54は、供給側接続流路52及び排出側接続流路53の幅方向の全体にわたって設けられている。
【0035】
こうした構成によれば、供給側接続流路52及び排出側接続流路53における剛性が突出部54により一層高められる。したがって、カソード側セパレータ30に反りが生じることを一層抑制できる。
【0036】
(3)突出部54は、供給側接続流路52及び排出側接続流路53を構成する全ての接続流路に設けられている。
こうした構成によれば、供給側接続流路52及び排出側接続流路53の各々における剛性が各突出部54により高められる。したがって、カソード側セパレータ30に反りが生じることを一層抑制できる。
【0037】
(4)突出部54は、供給側接続流路52及び排出側接続流路53の両方に設けられている。
こうした構成によれば、供給側接続流路52及び排出側接続流路53の両方の剛性が突出部54により高められる。したがって、カソード側セパレータ30に反りが生じることを一層抑制できる。
【0038】
(5)供給側接続流路52と排出側接続流路53とは、カソード側セパレータ30の面方向における中心Cに対して点対称に配置されている。
こうした構成によれば、カソード側セパレータ30の剛性をカソード側セパレータ30の面方向の中心Cを中心にしてバランスよく高めることができる。したがって、カソード側セパレータ30に反りが生じることを、より一層抑制できる。
【0039】
(6)カソード側セパレータ30の冷却流路58は、互いに隣り合う接続流路52,53同士の間に位置している。突出部54は、接続流路52,53の幅方向の全体にわたって設けられている。第2面30bには、突出部54により形成され、互いに隣り合う冷却流路58同士を連通する凹溝55が設けられている。
【0040】
こうした構成によれば、接続流路52,53に設けられる突出部54により、互いに隣り合う冷却流路58同士を連通する凹溝55が形成される。凹溝55には、冷却流路58を流れる冷媒が流通する。このため、凹溝55が設けられる分だけ冷却流路58の表面積が大きくなる。これにより、燃料電池スタックの冷却効率を向上できる。
【0041】
<変更例>
本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
【0042】
・
図5に示すように、突出部540の突出高さを、酸化剤ガスの流れ方向の下流側ほど大きくしてもよい。この場合、突出部540を設けることに起因する酸化剤ガスの圧力損失の増大を抑制できる。
【0043】
・本実施形態では、カソード側セパレータ30の凹溝55と、カソード側セパレータ30を有する単セル90Aとは別の単セル90Bのアノード側セパレータ40との間に隙間を設けるようにしたが、これに限らない。別の単セル90Bのアノード側セパレータ40のうち凹溝55と対向する部分を凹溝55の底面全体に当接させることで上記隙間を設けないようにしてもよい。
【0044】
・本実施形態では、供給側接続流路52と排出側接続流路53がカソード側セパレータ30の面方向における中心Cに対して点対称に配置されるようにしたが、これに限らない。供給側接続流路52と排出側接続流路53とは、カソード側セパレータ30の面方向における中心Cに対して非対称に配置されていてもよい。
【0045】
・供給側接続流路52及び排出側接続流路53のいずれか一方の突出部54を省略することもできる。この場合であっても、供給側接続流路52及び排出側接続流路53のうち突出部54が設けられている接続流路の剛性を高めることができる。
【0046】
・本実施形態では、複数の供給側接続流路52の全てに突出部54を設けるようにしたが、これに限らない。突出部54は、複数の供給側接続流路52の少なくとも1つに設けられていればよい。この場合であっても突出部54が設けられている供給側接続流路52の剛性を高めることができる。また、排出側接続流路53についても同様である。
【0047】
・本実施形態では、突出部54が供給側接続流路52の幅方向の全体にわたって設けられるようにしたが、これに限らない。突出部54は、供給側接続流路52の幅方向の一部に設けられるようにしてもよい。また、排出側接続流路53についても同様である。
【0048】
・カソード側セパレータ30に加えて、あるいは代えて、アノード側セパレータ40に突出部54を設けるようにしてもよい。
<付記>
上記実施形態は、以下の付記に記載する構成を含む。
【0049】
[付記1]燃料電池の発電部に対向して配置される燃料電池用セパレータであって、前記発電部に対向し、反応ガスが流れる複数の主流路と、複数の前記主流路に向けて前記反応ガスを供給する供給側マニホールド孔と、前記主流路からの前記反応ガスを排出する排出側マニホールド孔と、前記供給側マニホールド孔と複数の前記主流路とを接続する複数の供給側接続流路と、前記排出側マニホールド孔と複数の前記主流路とを接続する複数の排出側接続流路と、を有し、前記供給側接続流路及び前記排出側接続流路のうち少なくとも一方の接続流路の延在方向の一部には、前記発電部に向かって突出する突出部が設けられている、燃料電池用セパレータ。
【0050】
[付記2]前記突出部は、前記少なくとも一方の接続流路の幅方向の全体にわたって設けられている、[付記1]に記載の燃料電池用セパレータ。
[付記3]前記突出部は、前記供給側接続流路及び前記排出側接続流路のうち少なくとも一方を構成する全ての接続流路に設けられている、[付記1]または[付記2]に記載の燃料電池用セパレータ。
【0051】
[付記4]前記突出部は、前記供給側接続流路及び前記排出側接続流路の両方に設けられている、[付記1]~[付記3]のいずれか一つに記載の燃料電池用セパレータ。
[付記5]前記突出部は、前記供給側接続流路及び前記排出側接続流路の両方を構成する全ての接続流路に設けられており、前記供給側接続流路と前記排出側接続流路とは、燃料電池用セパレータの面方向における中心に対して点対称に配置されている、[付記4]に記載の燃料電池用セパレータ。
【0052】
[付記6]発電部と、前記発電部を挟む第1セパレータ及び第2セパレータと、を有する単セルを複数積層して形成された燃料電池スタックであって、前記第1セパレータには、前記第1セパレータを有する前記単セルとは別の前記単セルの前記第2セパレータが隣り合っており、前記第1セパレータ及び前記別の単セルの前記第2セパレータのうち少なくとも一方のセパレータは[付記1]~[付記5]のいずれか一つに記載の燃料電池用セパレータであって、前記少なくとも一方のセパレータは、前記主流路が設けられている面とは反対側の面に、冷媒が流れる冷却流路を有し、前記冷却流路は、互いに隣り合う前記少なくとも一方の接続流路同士の間に位置しており、前記突出部は、前記少なくとも一方の接続流路の幅方向の全体にわたって設けられており、前記反対側の面には、前記突出部により形成され、互いに隣り合う前記冷却流路同士を連通する凹溝が設けられている、燃料電池スタック。
【符号の説明】
【0053】
10…膜電極ガス拡散層接合体(発電部)
11…カソード電極
12…アノード電極
20…枠部材
21…開口部
24~26…供給側マニホールド孔
27~29…排出側マニホールド孔
30…カソード側セパレータ
30a…第1面
30b…第2面
34~36…供給側マニホールド孔
37~39…排出側マニホールド孔
40…アノード側セパレータ
40a…第1面
40b…第2面
44~46…供給側マニホールド孔
47~49…排出側マニホールド孔
50…溝流路
51…主流路
52…供給側接続流路
53…排出側接続流路
53a…底面
54,540…突出部
55…凹溝
56…リブ
58…冷却流路
60…溝流路
68…冷却流路
78…冷却流路
90,90A,90B…単セル
94~96…供給側マニホールド孔
97~99…排出側マニホールド孔