JP2000182637A - 燃料電池スタック - Google Patents
燃料電池スタックInfo
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- JP2000182637A JP2000182637A JP10355626A JP35562698A JP2000182637A JP 2000182637 A JP2000182637 A JP 2000182637A JP 10355626 A JP10355626 A JP 10355626A JP 35562698 A JP35562698 A JP 35562698A JP 2000182637 A JP2000182637 A JP 2000182637A
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 燃料電池スタックの体積当り出力値の増加
【解決手段】 内部マニホールド式の燃料電池スタック
を採用し、正極セパレータ、負極セパレータ及び冷却水
セパレータにおける気体及び冷却水の流路溝を連続する
直線状の往復蛇行パターンで各セパレータの表面にでき
る限り万遍なく分布させるようにし、それにより電極の
有効面積の増力、出力容量の向上を達成する。
を採用し、正極セパレータ、負極セパレータ及び冷却水
セパレータにおける気体及び冷却水の流路溝を連続する
直線状の往復蛇行パターンで各セパレータの表面にでき
る限り万遍なく分布させるようにし、それにより電極の
有効面積の増力、出力容量の向上を達成する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は燃料電池スタックに関
し、さらに詳しくは、内部マニホールド式の燃料電池ス
タックにおける正極（酸素極、酸化剤極または空気極と
も称される。）セパレータ、負極（水素極または燃料
極）セパレータ及び冷却水セパレータの流路溝パターン
の改良ならびにそれによる出力密度の向上に関する。
し、さらに詳しくは、内部マニホールド式の燃料電池ス
タックにおける正極（酸素極、酸化剤極または空気極と
も称される。）セパレータ、負極（水素極または燃料
極）セパレータ及び冷却水セパレータの流路溝パターン
の改良ならびにそれによる出力密度の向上に関する。
【０００２】
【従来の技術】燃料電池の実用化における重要課題の一
つは、他種の実用電池と同様に単位容積あるいは重量当
りの出力（すなわちｋＷ／ｍ3あるいはｋＷ／ｋｇで表
わしうる出力密度）の向上である。
つは、他種の実用電池と同様に単位容積あるいは重量当
りの出力（すなわちｋＷ／ｍ3あるいはｋＷ／ｋｇで表
わしうる出力密度）の向上である。
【０００３】内部マニホールド式の燃料電池スタックに
は、酸化剤としての酸素を含む気体、典型的には空気を
通すためのマニホールド対（入口及び出口）、燃料とし
ての水素または水素混合ガスを通すためのマニホールド
対（入口及び出口）、及び温度制御用の冷却水を通すた
めのマニホールド対（入口及び出口）が設けられてい
る。これらのマニホールドによって占められる面積のた
めに、スタック内の電極の表面積が相対的に減少するこ
とになる。従ってそのような電極表面積の相対的減少
は、出力に関しては負の要因となるから、それを補償し
かつ克服する手段を採用して、スタックの単位体積（あ
るいは単位重量）当りの出力の維持ないし向上を計る必
要がある。
は、酸化剤としての酸素を含む気体、典型的には空気を
通すためのマニホールド対（入口及び出口）、燃料とし
ての水素または水素混合ガスを通すためのマニホールド
対（入口及び出口）、及び温度制御用の冷却水を通すた
めのマニホールド対（入口及び出口）が設けられてい
る。これらのマニホールドによって占められる面積のた
めに、スタック内の電極の表面積が相対的に減少するこ
とになる。従ってそのような電極表面積の相対的減少
は、出力に関しては負の要因となるから、それを補償し
かつ克服する手段を採用して、スタックの単位体積（あ
るいは単位重量）当りの出力の維持ないし向上を計る必
要がある。
【０００４】一般的には水素燃料電池の基本構造は、空
気（酸素ガス）導入正極セパレータ；正極；片面に正極
用触媒層（例：Ｐｔ）、他面に負極用触媒層（例：Ｐｔ
−Ｒｈ）を設けた電解質層（例：フッ素樹脂系）；負
極；燃料（水素ガス）導入負極セパレータ；からなるセ
ルを単位としており、数セル（例えば２〜６セル）おき
に冷却水セパレータを配置組入れてスタックを構成して
いる。
気（酸素ガス）導入正極セパレータ；正極；片面に正極
用触媒層（例：Ｐｔ）、他面に負極用触媒層（例：Ｐｔ
−Ｒｈ）を設けた電解質層（例：フッ素樹脂系）；負
極；燃料（水素ガス）導入負極セパレータ；からなるセ
ルを単位としており、数セル（例えば２〜６セル）おき
に冷却水セパレータを配置組入れてスタックを構成して
いる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明者等は、内部マ
ニホールド式の場合の電極（正及び負極）の表面積の減
少及びそれによる出力低域を補償し、あるいは出力を向
上させ、そして電池反応を効率的に進行させるための技
術を鋭意探究、研究、検討した。
ニホールド式の場合の電極（正及び負極）の表面積の減
少及びそれによる出力低域を補償し、あるいは出力を向
上させ、そして電池反応を効率的に進行させるための技
術を鋭意探究、研究、検討した。
【０００６】その結果として、酸素と正極との接触の緊
密化、その接触面積の増大、及びガス流中の水分の凝縮
によるガス流路の閉塞（あるいはガス流動抵抗の増大）
防止を可能とする正極セパレータ酸素流路溝のパターン
が重要であり、それにより正極の実効面積の向上が得ら
れ、かつ正極反応２Ｈ+＋1/2Ｏ2＋２ｅ-→Ｈ2Ｏで消費
される供給酸素の割合の増加により電池機能の総合効率
改善の大きな要因になるとの所見を得た。
密化、その接触面積の増大、及びガス流中の水分の凝縮
によるガス流路の閉塞（あるいはガス流動抵抗の増大）
防止を可能とする正極セパレータ酸素流路溝のパターン
が重要であり、それにより正極の実効面積の向上が得ら
れ、かつ正極反応２Ｈ+＋1/2Ｏ2＋２ｅ-→Ｈ2Ｏで消費
される供給酸素の割合の増加により電池機能の総合効率
改善の大きな要因になるとの所見を得た。
【０００７】また、同様に水素と負極との接触の緊密
化、その接触面積の増大を可能とする負極セパレータ水
素流路溝のパターンが重要であり、それにより負極の実
効面積の向上が得られ、かつ負極反応Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ
-で消費される供給酸素の割合の増加により電池機能の
総合効率改善の大きな要因になるとの所見を得た。な
お、上記のように負極反応によっては水が生成しないの
で、水素と共に水蒸気が混合され供給される場合が多い
とはいえ、酸素セパレータの場合のように水凝縮による
流路閉塞の問題は一般には比較的生じ難いので、水素流
路溝は左右水平方向の線分が長くても良いことが判明し
た。
化、その接触面積の増大を可能とする負極セパレータ水
素流路溝のパターンが重要であり、それにより負極の実
効面積の向上が得られ、かつ負極反応Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ
-で消費される供給酸素の割合の増加により電池機能の
総合効率改善の大きな要因になるとの所見を得た。な
お、上記のように負極反応によっては水が生成しないの
で、水素と共に水蒸気が混合され供給される場合が多い
とはいえ、酸素セパレータの場合のように水凝縮による
流路閉塞の問題は一般には比較的生じ難いので、水素流
路溝は左右水平方向の線分が長くても良いことが判明し
た。
【０００８】さらに電池の反応性の均一化を計ると同時
に構成部材の保護のため、電池温度を最適値に安定に維
持するための冷却水セパレータの水流路溝のパターンが
重要であるとの所見を得た。殊に加熱された水中に生じ
る気泡を抜くために下から上へ移る流路を与えることが
重要である。
に構成部材の保護のため、電池温度を最適値に安定に維
持するための冷却水セパレータの水流路溝のパターンが
重要であるとの所見を得た。殊に加熱された水中に生じ
る気泡を抜くために下から上へ移る流路を与えることが
重要である。
【０００９】さらに加うるに、正極セパレータの酸素流
路溝の内部表面や負極セパレータの水素流路溝の内側表
面に撥水性のある材料（テフロン、シリコーン等）をコ
ーティングを施すことにより、流路壁での水滴の滑りが
促進され、流路壁への凝縮水の付着やそれによるガス流
路の閉塞が有効に防止されることを見出した。正極セパ
レータが金属製である場合にはさらに酸化が防止され、
それにより電導性が維持され、寿命が延長する。セパレ
ータがカーボン製である場合にはセパレータ内へのガス
拡散が良好に防止されることも判明した。本発明は上記
のような燃料電池用セパレータ類、ならびにそれらを組
込んだ燃料電池スタックの提供を目的としている。
路溝の内部表面や負極セパレータの水素流路溝の内側表
面に撥水性のある材料（テフロン、シリコーン等）をコ
ーティングを施すことにより、流路壁での水滴の滑りが
促進され、流路壁への凝縮水の付着やそれによるガス流
路の閉塞が有効に防止されることを見出した。正極セパ
レータが金属製である場合にはさらに酸化が防止され、
それにより電導性が維持され、寿命が延長する。セパレ
ータがカーボン製である場合にはセパレータ内へのガス
拡散が良好に防止されることも判明した。本発明は上記
のような燃料電池用セパレータ類、ならびにそれらを組
込んだ燃料電池スタックの提供を目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明者等は上記の課題
及び諸所見に基き、燃料電池の出力密度を向上させると
共に電池機能及び作動の安定性の向上のため本発明を完
成した。
及び諸所見に基き、燃料電池の出力密度を向上させると
共に電池機能及び作動の安定性の向上のため本発明を完
成した。
【００１１】かくして、本発明は、その第１の態様によ
れば、（i） 内部マニホールド式の空気流路溝を一方
の面に有する正極セパレータ、（ii） 上記正極セパレ
ータの空気流路溝付き面に一方の面を向けた正極、（ii
i） 上記正極の他方の面に正極用触媒層を介して対面
し、反対側の面に負極用触媒層を有する電解質層、（i
v） 上記負極用触媒層に対面する負極、（v） 上記負
極の裏側面に対面する内部マニホールド式の燃料流路溝
付き負極セパレータ、から構成されるセルの複数組を、
それらの部材面を垂直に配向して重ね、かつ適宜な数の
セル群の間に温度調節の目的で内部マニホールド式の冷
却水流路溝付き冷却水セパレータ（vi）を挿入組込んで
なる燃料電池スタックにおいて：正極セパレータ、正
極、両触媒層、電解質層、負極、負極セパレータ及び冷
却水セパレータのすべての構成部材の上縁の一方の角内
部域に空気入口マニホールド及び他方の角内部域に冷却
水出口マニホールドを、左右の縦縁に沿った中間位置の
内部域にそれぞれ燃料入口マニホールド及び燃料出口マ
ニホールドを、そして下縁の一方の角内部域に冷却水入
口マニホールド及び他方の角内部域に空気出口マニホー
ルドを、合計６個同一パターンで穿孔してあること、そ
して、正極セパレータの空気流路溝は上記上縁の一方の
角内部域空気入口マニホールドから対角位置にある下縁
の角内部域の空気出口マニホールドへ空気を概ね下向き
に流動させる少なくとも１本の細溝からなり、正極セパ
レータ表面を左右水平方向に直線状に往復蛇行しながら
下降する連続線パターンで該正極セパレータの表面ほぼ
全体にわたり分布していること、及び／または負極セパ
レータの燃料流路溝は片方の上記縦縁の中間位置内部域
の燃料入口マニホールドから他方の縦縁の中間位置内部
域の燃料出口マニホールドへ燃料を流動させる少なくと
も１本の細溝からなり、負極セパレータ表面を上下垂直
方向に直線状に往復蛇行する連続線パターンで該負極セ
パレータの表面ほぼ全体にわたり分布していること、及
び／または冷却水セパレータの冷却水流路溝は上記の下
縁の一方の角内部域の冷却水入口マニホールドから対角
位置にある上縁の角内部域の冷却水出口マニホールドへ
冷却水を概ね上向きに流動させる少なくとも１本の細溝
からなり、冷却水セパレータ表面を左右水平方向に直線
状に往復蛇行しながら上昇する連続線パターンで該冷却
水セパレータの表面ほぼ全体にわたり分布しているこ
と、を特徴とする上記燃料電池スタックを提供する。
れば、（i） 内部マニホールド式の空気流路溝を一方
の面に有する正極セパレータ、（ii） 上記正極セパレ
ータの空気流路溝付き面に一方の面を向けた正極、（ii
i） 上記正極の他方の面に正極用触媒層を介して対面
し、反対側の面に負極用触媒層を有する電解質層、（i
v） 上記負極用触媒層に対面する負極、（v） 上記負
極の裏側面に対面する内部マニホールド式の燃料流路溝
付き負極セパレータ、から構成されるセルの複数組を、
それらの部材面を垂直に配向して重ね、かつ適宜な数の
セル群の間に温度調節の目的で内部マニホールド式の冷
却水流路溝付き冷却水セパレータ（vi）を挿入組込んで
なる燃料電池スタックにおいて：正極セパレータ、正
極、両触媒層、電解質層、負極、負極セパレータ及び冷
却水セパレータのすべての構成部材の上縁の一方の角内
部域に空気入口マニホールド及び他方の角内部域に冷却
水出口マニホールドを、左右の縦縁に沿った中間位置の
内部域にそれぞれ燃料入口マニホールド及び燃料出口マ
ニホールドを、そして下縁の一方の角内部域に冷却水入
口マニホールド及び他方の角内部域に空気出口マニホー
ルドを、合計６個同一パターンで穿孔してあること、そ
して、正極セパレータの空気流路溝は上記上縁の一方の
角内部域空気入口マニホールドから対角位置にある下縁
の角内部域の空気出口マニホールドへ空気を概ね下向き
に流動させる少なくとも１本の細溝からなり、正極セパ
レータ表面を左右水平方向に直線状に往復蛇行しながら
下降する連続線パターンで該正極セパレータの表面ほぼ
全体にわたり分布していること、及び／または負極セパ
レータの燃料流路溝は片方の上記縦縁の中間位置内部域
の燃料入口マニホールドから他方の縦縁の中間位置内部
域の燃料出口マニホールドへ燃料を流動させる少なくと
も１本の細溝からなり、負極セパレータ表面を上下垂直
方向に直線状に往復蛇行する連続線パターンで該負極セ
パレータの表面ほぼ全体にわたり分布していること、及
び／または冷却水セパレータの冷却水流路溝は上記の下
縁の一方の角内部域の冷却水入口マニホールドから対角
位置にある上縁の角内部域の冷却水出口マニホールドへ
冷却水を概ね上向きに流動させる少なくとも１本の細溝
からなり、冷却水セパレータ表面を左右水平方向に直線
状に往復蛇行しながら上昇する連続線パターンで該冷却
水セパレータの表面ほぼ全体にわたり分布しているこ
と、を特徴とする上記燃料電池スタックを提供する。
【００１２】この明細書において、本発明のセパレータ
に関する記載をなす際に、「空気」とは、燃料電池の酸
化剤として有用な酸素含有ガスを広く包含するものであ
り、単に空気のみでなく、酸素濃度を調節した空気（例
えば酸素強化空気）その他の酸化剤として有用な酸素含
有ガスを指称するものであり、このことは当業者の容易
に了解するところである。また、本発明のセパレータに
関する記載をなす際に、「燃料」とは、代表的には水素
ガスまたは水素含有ガスであるが、最近の燃料電池に燃
料として供給することが知られているメタノール、ガソ
リン、軽油等の水素ガス前駆物質を包含する意味で使用
するものであり、この点も当業者の容易に了解するとこ
ろである。
に関する記載をなす際に、「空気」とは、燃料電池の酸
化剤として有用な酸素含有ガスを広く包含するものであ
り、単に空気のみでなく、酸素濃度を調節した空気（例
えば酸素強化空気）その他の酸化剤として有用な酸素含
有ガスを指称するものであり、このことは当業者の容易
に了解するところである。また、本発明のセパレータに
関する記載をなす際に、「燃料」とは、代表的には水素
ガスまたは水素含有ガスであるが、最近の燃料電池に燃
料として供給することが知られているメタノール、ガソ
リン、軽油等の水素ガス前駆物質を包含する意味で使用
するものであり、この点も当業者の容易に了解するとこ
ろである。
【００１３】添付図により本発明をさらに説明する。
【００１４】図１、２及び３は本発明の第１の態様によ
る正極（酸素極）セパレータ、負極（水素極）セパレー
タ及び冷却水セパレータの正面概略図であり、流路パタ
ーンの基本的例をそれぞれ示している。各セパレータに
は左上角に空気入口２、右上角に冷却水出口３、左側中
間部に燃料入口４、右側中間部に燃料出口５、左下角部
に冷却水入口６そして右下角部に空気出口７の内部式マ
ニホールドが同一のパターンで穿孔されている。正極及
び負極についても上記の６個のマニホールドが同一のパ
ターンで設けられている。
る正極（酸素極）セパレータ、負極（水素極）セパレー
タ及び冷却水セパレータの正面概略図であり、流路パタ
ーンの基本的例をそれぞれ示している。各セパレータに
は左上角に空気入口２、右上角に冷却水出口３、左側中
間部に燃料入口４、右側中間部に燃料出口５、左下角部
に冷却水入口６そして右下角部に空気出口７の内部式マ
ニホールドが同一のパターンで穿孔されている。正極及
び負極についても上記の６個のマニホールドが同一のパ
ターンで設けられている。
【００１５】図１は、正極（酸素極）セパレータ１にお
ける空気流路パターンの基本的な一例を表わしており、
運転中に発生するおそれがある水滴による流路の目詰ま
り（あるいは水滴による気体流動抵抗の上昇）を予防す
るため、空気流を左上の入口マニホールド２から右下の
出口マニホールド７に向けて順次流下させるようになっ
ている。従ってたとえ水滴が溜ったとしても重力の作用
により滞りなく排出される。正極セパレータの材質は、
例えばカーボン、金属（ステンレス鋼等）であり、流路
溝は例えばエンボス加工、プレス加工等によって形成さ
れる。空気流路溝の寸法は、巾が例えば約２〜３ｍｍ、
深さが例えば約０．５〜１ｍｍである。正極セパレータ
の空気流路溝は、上記の入口マニホールドから出口マニ
ホールドへ導かれる際に正極セパレータ表面を左右水平
方向に直線状に蛇行しながら下降する一筆描きの如き連
続線パターンで該セパレータ表面ほぼ全体にわたり分布
するように配置されている。空気流路溝は１本だけでは
なく複数本であってもよく、例えば図４に示されるよう
に正極セパレータ１の左側の空気入口マニホールド２、
燃料入口マニホールド４及び冷却水入口マニホールド６
が設けられている縦方向帯域ｘを空気入口マニホールド
から水平方向に直線状に往復蛇行しつつ降下し最後に空
気出口マニホールド７へ到達する流路溝ａ；右側の冷却
水出口マニホールド３、燃料出口マニホールド５及び空
気出口マニホールド７が設けられている縦方向帯域ｙを
同様に空気入口マニホールド２から空気出口マニホール
ド７へ到達する流路溝ｃ；そして上記帯域ｘ及びｙの間
に挟まれた中央の無穿孔縦方向帯域ｚを同様に空気入口
マニホールド２から空気出口マニホールド７へ到達する
流路溝ｂ；を配置するパターンも可能である。このよう
な複数の空気流路溝を配置することにより、空気供給が
万遍なく行なわれ、たとえ１本の流路溝に閉塞等の支障
が生じたとしても、他の残りの流路溝の機能のバックア
ップにより、当該セルの出力が甚大に低減しあるいは全
滅するには至らない。図４は正極セパレータにおける空
気流路パターンの一具体例を示し、この正極セパレータ
の空気流路溝は空気入口マニホールドから空気出口マニ
ホールドへ向かう３本の別々の細溝からなり、その第１
の細溝は主として空気入口マニホールド、燃料入口マニ
ホールド及び冷却水入口マニホールドが設けられている
側の縦方向帯域を、第２の細溝は主として冷却水出口マ
ニホールド燃料出口マニホールド及び空気出口マニホー
ルドが設けられている側の縦方向帯域を、そして第３の
細溝は主として上記両縦方向帯域に挟まれた中央の無穿
孔縦方向帯域を、水平方向に直線状に往復蛇行している
ことを特徴とする。
ける空気流路パターンの基本的な一例を表わしており、
運転中に発生するおそれがある水滴による流路の目詰ま
り（あるいは水滴による気体流動抵抗の上昇）を予防す
るため、空気流を左上の入口マニホールド２から右下の
出口マニホールド７に向けて順次流下させるようになっ
ている。従ってたとえ水滴が溜ったとしても重力の作用
により滞りなく排出される。正極セパレータの材質は、
例えばカーボン、金属（ステンレス鋼等）であり、流路
溝は例えばエンボス加工、プレス加工等によって形成さ
れる。空気流路溝の寸法は、巾が例えば約２〜３ｍｍ、
深さが例えば約０．５〜１ｍｍである。正極セパレータ
の空気流路溝は、上記の入口マニホールドから出口マニ
ホールドへ導かれる際に正極セパレータ表面を左右水平
方向に直線状に蛇行しながら下降する一筆描きの如き連
続線パターンで該セパレータ表面ほぼ全体にわたり分布
するように配置されている。空気流路溝は１本だけでは
なく複数本であってもよく、例えば図４に示されるよう
に正極セパレータ１の左側の空気入口マニホールド２、
燃料入口マニホールド４及び冷却水入口マニホールド６
が設けられている縦方向帯域ｘを空気入口マニホールド
から水平方向に直線状に往復蛇行しつつ降下し最後に空
気出口マニホールド７へ到達する流路溝ａ；右側の冷却
水出口マニホールド３、燃料出口マニホールド５及び空
気出口マニホールド７が設けられている縦方向帯域ｙを
同様に空気入口マニホールド２から空気出口マニホール
ド７へ到達する流路溝ｃ；そして上記帯域ｘ及びｙの間
に挟まれた中央の無穿孔縦方向帯域ｚを同様に空気入口
マニホールド２から空気出口マニホールド７へ到達する
流路溝ｂ；を配置するパターンも可能である。このよう
な複数の空気流路溝を配置することにより、空気供給が
万遍なく行なわれ、たとえ１本の流路溝に閉塞等の支障
が生じたとしても、他の残りの流路溝の機能のバックア
ップにより、当該セルの出力が甚大に低減しあるいは全
滅するには至らない。図４は正極セパレータにおける空
気流路パターンの一具体例を示し、この正極セパレータ
の空気流路溝は空気入口マニホールドから空気出口マニ
ホールドへ向かう３本の別々の細溝からなり、その第１
の細溝は主として空気入口マニホールド、燃料入口マニ
ホールド及び冷却水入口マニホールドが設けられている
側の縦方向帯域を、第２の細溝は主として冷却水出口マ
ニホールド燃料出口マニホールド及び空気出口マニホー
ルドが設けられている側の縦方向帯域を、そして第３の
細溝は主として上記両縦方向帯域に挟まれた中央の無穿
孔縦方向帯域を、水平方向に直線状に往復蛇行している
ことを特徴とする。
【００１６】図２は負極（水素極）セパレータ８におけ
る燃料（例えば水素を含む混合ガス）流路パターンの基
本的な一例を表わしており、図１の空気流路溝と直交す
る上下垂直方向に直線状に往復蛇行する一筆描きの如き
連続線パターンで、左側中間部の燃料入口マニホールド
４から右側中間部の燃料出口マニホールド５へ、負極セ
パレータの表面をほぼ全体にわたり覆うように配置され
ているものである。負極セパレータ８の材質は正極セパ
レータ１と同様であってよく、燃料流路溝の寸法（巾、
深さ）やその形成加工方法も正極セパレータの場合と同
様である。
る燃料（例えば水素を含む混合ガス）流路パターンの基
本的な一例を表わしており、図１の空気流路溝と直交す
る上下垂直方向に直線状に往復蛇行する一筆描きの如き
連続線パターンで、左側中間部の燃料入口マニホールド
４から右側中間部の燃料出口マニホールド５へ、負極セ
パレータの表面をほぼ全体にわたり覆うように配置され
ているものである。負極セパレータ８の材質は正極セパ
レータ１と同様であってよく、燃料流路溝の寸法（巾、
深さ）やその形成加工方法も正極セパレータの場合と同
様である。
【００１７】負極セパレータ８の燃料流路溝も複数本で
あってよく、図５には４本の例が示されており、表面が
ほぼ完全に流路溝で覆れている。なお燃料流路溝の出口
と入口の位置は逆であってもよい。
あってよく、図５には４本の例が示されており、表面が
ほぼ完全に流路溝で覆れている。なお燃料流路溝の出口
と入口の位置は逆であってもよい。
【００１８】図３は冷却水セパレータ９における冷却水
流路パターンの基本的な一例を表わしている。冷却水の
温度上昇に伴なう対流（上向き）運動及び発生気泡の上
方向移動の観点から、冷却水が下方（図の場合は左下の
冷却水入口マニホールド６）から上方（右上の冷却水出
口マニホールド３）へ通るようになっており、流路溝は
左右水平方向に往復蛇行する連続線パターンで冷却水セ
パレータの全面にわたり分布されている。冷却水流路溝
は、電池の運転温度の制御を目的としており、正極セパ
レータの空気流路溝や負極セパレータの燃料流路溝のよ
うに電池反応の均一促進のための物質供給を目的とする
ものではなく、電池を効率的に冷却するには冷却水流路
溝の寸法（巾、深さ）は空気流路溝や燃料流路溝の寸法
よりも一般に大きくてよい。図６には３本の冷却水流路
溝を有する冷却水セパレータ９の例を示す。
流路パターンの基本的な一例を表わしている。冷却水の
温度上昇に伴なう対流（上向き）運動及び発生気泡の上
方向移動の観点から、冷却水が下方（図の場合は左下の
冷却水入口マニホールド６）から上方（右上の冷却水出
口マニホールド３）へ通るようになっており、流路溝は
左右水平方向に往復蛇行する連続線パターンで冷却水セ
パレータの全面にわたり分布されている。冷却水流路溝
は、電池の運転温度の制御を目的としており、正極セパ
レータの空気流路溝や負極セパレータの燃料流路溝のよ
うに電池反応の均一促進のための物質供給を目的とする
ものではなく、電池を効率的に冷却するには冷却水流路
溝の寸法（巾、深さ）は空気流路溝や燃料流路溝の寸法
よりも一般に大きくてよい。図６には３本の冷却水流路
溝を有する冷却水セパレータ９の例を示す。
【００１９】本発明の第２の態様によれば、（i） 内
部マニホールド式の空気流路溝を一方の面に有する正極
セパレータ、（ii） 上記正極セパレータの空気流路溝
付き面に一方の面を向けた正極、（iii） 上記正極の
他方の面に正極用触媒層を介して対面し、反対側の面に
負極用触媒層を有する電解質層、（iv） 上記負極用触
媒層に対面する負極、（v） 上記負極の裏側面に対面
する内部マニホールド式の燃料流路溝付き負極セパレー
タ、から構成されるセルの複数組を、それらの部材面を
垂直に配向して重ね、かつ適宜な数のセル群の間に温度
調節の目的で内部マニホールド式の冷却水流路溝付き冷
却水セパレータ（vi）を挿入組込んでなる燃料電池スタ
ックにおいて：正極セパレータ、正極、両触媒層、電解
質層、負極、負極セパレータ及び冷却水セパレータのす
べての構成部材の上縁の一方の角内部域に空気入口マニ
ホールド及び他方の角内部域に冷却水出口マニホールド
を、上下の縁に沿った中間位置の内部域にそれぞれ燃料
出口マニホールド及び空気出口マニホールドを、そして
下縁の一方の角内部域に燃料入口マニホールド及び他方
の角内部域に冷却水入口マニホールドを、合計６個同一
パターンで穿孔してあること、そして、正極セパレータ
の空気流路溝は上記上縁の一方の角内部域空気入口マニ
ホールドから下縁に沿った中間位置の内部域の空気出口
マニホールドへ空気を概ね下向きに流動させる少なくと
も１本の細溝からなり、正極セパレータ表面を左右水平
方向に直線状に往復蛇行しながら下降する連続線パター
ンで該正極セパレータの表面ほぼ全体にわたり分布して
いること、及び／または負極セパレータの燃料流路溝は
上記下縁の一方の角内部域の燃料入口マニホールドから
上記上縁に沿った中間位置内部域の燃料出口マニホール
ドへ燃料を概ね上向きに流動させる少なくとも１本の細
溝からなり、負極セパレータ表面を左右水平方向に直線
状に往復蛇行しながら上昇する連続線パターンで該負極
セパレータの表面ほぼ全体にわたり分布していること、
及び／または冷却水セパレータの冷却水流路溝は上記の
下縁の他方の角内部域の冷却水入口マニホールドから上
記上縁の他方の角内部域の冷却水出口マニホールドへ冷
却水を概ね上向きに流動させる少なくとも１本の細溝か
らなり、冷却水セパレータ表面を左右水平方向に直線状
に往復蛇行しながら上昇する連続線パターンで該冷却水
セパレータの表面ほぼ全体にわたり分布していること、
を特徴とする上記燃料電池スタックが提供される。この
明細書において、セパレータの流路溝における流体の流
動に関して「概ね上向き」あるいは「概ね下向き」と
は、流路溝をなす細溝の連続線パターンのうちの僅少部
分が「下向き」あるいは「上向き」となりうるものの全
体として実質的には「上向き」あるいは「下向き」に流
体を流動させることを意味する。
部マニホールド式の空気流路溝を一方の面に有する正極
セパレータ、（ii） 上記正極セパレータの空気流路溝
付き面に一方の面を向けた正極、（iii） 上記正極の
他方の面に正極用触媒層を介して対面し、反対側の面に
負極用触媒層を有する電解質層、（iv） 上記負極用触
媒層に対面する負極、（v） 上記負極の裏側面に対面
する内部マニホールド式の燃料流路溝付き負極セパレー
タ、から構成されるセルの複数組を、それらの部材面を
垂直に配向して重ね、かつ適宜な数のセル群の間に温度
調節の目的で内部マニホールド式の冷却水流路溝付き冷
却水セパレータ（vi）を挿入組込んでなる燃料電池スタ
ックにおいて：正極セパレータ、正極、両触媒層、電解
質層、負極、負極セパレータ及び冷却水セパレータのす
べての構成部材の上縁の一方の角内部域に空気入口マニ
ホールド及び他方の角内部域に冷却水出口マニホールド
を、上下の縁に沿った中間位置の内部域にそれぞれ燃料
出口マニホールド及び空気出口マニホールドを、そして
下縁の一方の角内部域に燃料入口マニホールド及び他方
の角内部域に冷却水入口マニホールドを、合計６個同一
パターンで穿孔してあること、そして、正極セパレータ
の空気流路溝は上記上縁の一方の角内部域空気入口マニ
ホールドから下縁に沿った中間位置の内部域の空気出口
マニホールドへ空気を概ね下向きに流動させる少なくと
も１本の細溝からなり、正極セパレータ表面を左右水平
方向に直線状に往復蛇行しながら下降する連続線パター
ンで該正極セパレータの表面ほぼ全体にわたり分布して
いること、及び／または負極セパレータの燃料流路溝は
上記下縁の一方の角内部域の燃料入口マニホールドから
上記上縁に沿った中間位置内部域の燃料出口マニホール
ドへ燃料を概ね上向きに流動させる少なくとも１本の細
溝からなり、負極セパレータ表面を左右水平方向に直線
状に往復蛇行しながら上昇する連続線パターンで該負極
セパレータの表面ほぼ全体にわたり分布していること、
及び／または冷却水セパレータの冷却水流路溝は上記の
下縁の他方の角内部域の冷却水入口マニホールドから上
記上縁の他方の角内部域の冷却水出口マニホールドへ冷
却水を概ね上向きに流動させる少なくとも１本の細溝か
らなり、冷却水セパレータ表面を左右水平方向に直線状
に往復蛇行しながら上昇する連続線パターンで該冷却水
セパレータの表面ほぼ全体にわたり分布していること、
を特徴とする上記燃料電池スタックが提供される。この
明細書において、セパレータの流路溝における流体の流
動に関して「概ね上向き」あるいは「概ね下向き」と
は、流路溝をなす細溝の連続線パターンのうちの僅少部
分が「下向き」あるいは「上向き」となりうるものの全
体として実質的には「上向き」あるいは「下向き」に流
体を流動させることを意味する。
【００２０】図７〜９は、図１〜６の第１態様のものと
は異なる本発明第２態様によるマニホールド配列方式を
有する正極セパレータ、負極セパレータ及び冷却水セパ
レータにおける各流路溝のパターンの別の列を示す。図
７の正極セパレータ１は左上方の空気入口マニホールド
２から下端部中央付近の空気出口マニホールド７へ向か
う４本の空気流路溝を有し、図８の負極セパレータ８
は、左下方の燃料入口マニホールド４から上端部中央付
近の燃料出口マニホールド５へ向かう３本の燃料流路溝
を有し、そして図９の冷却水セパレータ９は右下方の冷
却水入口マニホールド６から右上方の冷却水出口マニホ
ールド３へ向かう３本の冷却水流路溝を有している。
は異なる本発明第２態様によるマニホールド配列方式を
有する正極セパレータ、負極セパレータ及び冷却水セパ
レータにおける各流路溝のパターンの別の列を示す。図
７の正極セパレータ１は左上方の空気入口マニホールド
２から下端部中央付近の空気出口マニホールド７へ向か
う４本の空気流路溝を有し、図８の負極セパレータ８
は、左下方の燃料入口マニホールド４から上端部中央付
近の燃料出口マニホールド５へ向かう３本の燃料流路溝
を有し、そして図９の冷却水セパレータ９は右下方の冷
却水入口マニホールド６から右上方の冷却水出口マニホ
ールド３へ向かう３本の冷却水流路溝を有している。
【００２１】燃料電池の電極（正極及び負極）付近にお
いて水蒸気が凝縮して水滴となりセパレータ流路溝内壁
に付着して空気（酸化剤）流路溝及び燃料流路溝の目詰
りを生じ、電池反応の進行を阻害することがある。この
ような問題の発生を防止するために、それらの流路溝の
内部表面に撥水性のある材料のコーティングを施すと有
効である。撥水性材料としては、例えばテフロン、シリ
コーン等が良い。そのようなコーティングは、たとえ流
路溝壁面に水滴が付着したとしても、水滴の滑りを促進
し、水滴をスムーズに除去しうる。カーボン製セパレー
タの場合には、そのようなコーティングによってガスの
浸透や拡散を防止する効果も得られる。金属製セパレー
タの場合にはそのようなコーティングによって腐食防止
効果があり、必要な導電性が確保され、従って耐用寿命
延長効果も得られる。そのようなコーティングは絶縁性
を示すので電極とセパレータとが直接に接する面には施
さないように注意すべきである。
いて水蒸気が凝縮して水滴となりセパレータ流路溝内壁
に付着して空気（酸化剤）流路溝及び燃料流路溝の目詰
りを生じ、電池反応の進行を阻害することがある。この
ような問題の発生を防止するために、それらの流路溝の
内部表面に撥水性のある材料のコーティングを施すと有
効である。撥水性材料としては、例えばテフロン、シリ
コーン等が良い。そのようなコーティングは、たとえ流
路溝壁面に水滴が付着したとしても、水滴の滑りを促進
し、水滴をスムーズに除去しうる。カーボン製セパレー
タの場合には、そのようなコーティングによってガスの
浸透や拡散を防止する効果も得られる。金属製セパレー
タの場合にはそのようなコーティングによって腐食防止
効果があり、必要な導電性が確保され、従って耐用寿命
延長効果も得られる。そのようなコーティングは絶縁性
を示すので電極とセパレータとが直接に接する面には施
さないように注意すべきである。
【００２２】図１０は、従来の外部マニホールド式のセ
パレータ（正極、負極または冷却水）の正面図であり、
このセパレータにおける電極対応領域は中央のＡの部分
のみである。しかるに本発明による内部マニホールド式
のセパレータでは電極対応領域は四辺縁付近にまで拡張
され、その面積の増加分は、同じ外郭寸法の場合に内部
マニホールドの合計開口面積を差引いても、上記従来の
外部マニホールド式のものと比較して約４０％のオーダ
であり、それに相当する出力容量の増加が達成されると
いう利点がある。
パレータ（正極、負極または冷却水）の正面図であり、
このセパレータにおける電極対応領域は中央のＡの部分
のみである。しかるに本発明による内部マニホールド式
のセパレータでは電極対応領域は四辺縁付近にまで拡張
され、その面積の増加分は、同じ外郭寸法の場合に内部
マニホールドの合計開口面積を差引いても、上記従来の
外部マニホールド式のものと比較して約４０％のオーダ
であり、それに相当する出力容量の増加が達成されると
いう利点がある。
【図１】本発明による正極セパレータにおける空気流路
溝の基本的パターンの一例を示す正面図。
溝の基本的パターンの一例を示す正面図。
【図２】本発明による負極セパレータにおける燃料流路
溝の基本的パターンの一例を示す正面図。
溝の基本的パターンの一例を示す正面図。
【図３】本発明による冷却水セパレータにおける冷却水
流路溝の基本的パターンの一例を示す正面図。
流路溝の基本的パターンの一例を示す正面図。
【図４】３本の空気流路溝を有する正極セパレータの正
面図。
面図。
【図５】４本の燃料流路溝を有する負極セパレータの正
面図。
面図。
【図６】３本の冷却水流路溝を有する冷却水セパレータ
の正面図。
の正面図。
【図７】４本の空気流路溝を有する正極セパレータの正
面図。
面図。
【図８】３本の燃料流路溝を有する負極セパレータの正
面図。
面図。
【図９】３本の冷却水流路溝を有する冷却水セパレータ
の正面図。
の正面図。
【図１０】従来の外部マニホールド式のセパレータの正
面図。
面図。
１ 正極セパレータ ２ 空気入口マニホールド ３ 冷却水出口マニホールド ４ 燃料入口マニホールド ５ 燃料出口マニホールド ６ 冷却水入口マニホールド ７ 空気出口マニホールド ８ 負極セパレータ ９ 冷却水セパレータ
Claims (7)
- 【請求項１】 （i） 内部マニホールド式の空気流路
溝を一方の面に有する正極セパレータ、 （ii） 上記正極セパレータの空気流路溝付き面に一方
の面を向けた正極、 （iii） 上記正極の他方の面に正極用触媒層を介して
対面し、反対側の面に負極用触媒層を有する電解質層、 （iv） 上記負極用触媒層に対面する負極、 （v） 上記負極の裏側面に対面する内部マニホールド
式の燃料流路溝付き負極セパレータ、から構成されるセ
ルの複数組を、それらの部材面を垂直に配向して重ね、
かつ適宜な数のセル群の間に温度調節の目的で内部マニ
ホールド式の冷却水流路溝付き冷却水セパレータ（vi）
を挿入組込んでなる燃料電池スタックにおいて：正極セ
パレータ、正極、両触媒層、電解質層、負極、負極セパ
レータ及び冷却水セパレータのすべての構成部材の上縁
の一方の角内部域に空気入口マニホールド及び他方の角
内部域に冷却水出口マニホールドを、左右の縦縁に沿っ
た中間位置の内部域にそれぞれ燃料入口マニホールド及
び燃料出口マニホールドを、そして下縁の一方の角内部
域に冷却水入口マニホールド及び他方の角内部域に空気
出口マニホールドを、合計６個同一パターンで穿孔して
あること、そして、 正極セパレータの空気流路溝は上記上縁の一方の角内部
域空気入口マニホールドから対角位置にある下縁の角内
部域の空気出口マニホールドへ空気を概ね下向きに流動
させる少なくとも１本の細溝からなり、正極セパレータ
表面を左右水平方向に直線状に往復蛇行しながら下降す
る連続線パターンで該正極セパレータの表面ほぼ全体に
わたり分布していること、及び／または負極セパレータ
の燃料流路溝は片方の上記縦縁の中間位置内部域の燃料
入口マニホールドから他方の縦縁の中間位置内部域の燃
料出口マニホールドへ燃料を流動させる少なくとも１本
の細溝からなり、負極セパレータ表面を上下垂直方向に
直線状に往復蛇行する連続線パターンで該負極セパレー
タの表面ほぼ全体にわたり分布していること、及び／ま
たは冷却水セパレータの冷却水流路溝は上記の下縁の一
方の角内部域の冷却水入口マニホールドから対角位置に
ある上縁の角内部域の冷却水出口マニホールドへ冷却水
を概ね上向きに流動させる少なくとも１本の細溝からな
り、冷却水セパレータ表面を左右水平方向に直線状に往
復蛇行しながら上昇する連続線パターンで該冷却水セパ
レータの表面ほぼ全体にわたり分布していること、 を特徴とする上記燃料電池スタック。 - 【請求項２】 （i） 内部マニホールド式の空気流路
溝を一方の面に有する正極セパレータ、 （ii） 上記正極セパレータの空気流路溝付き面に一方
の面を向けた正極、 （iii） 上記正極の他方の面に正極用触媒層を介して
対面し、反対側の面に負極用触媒層を有する電解質層、 （iv） 上記負極用触媒層に対面する負極、 （v） 上記負極の裏側面に対面する内部マニホールド
式の燃料流路溝付き負極セパレータ、から構成されるセ
ルの複数組を、それらの部材面を垂直に配向して重ね、
かつ適宜な数のセル群の間に温度調節の目的で内部マニ
ホールド式の冷却水流路溝付き冷却水セパレータ（vi）
を挿入組込んでなる燃料電池スタックにおいて：正極セ
パレータ、正極、両触媒層、電解質層、負極、負極セパ
レータ及び冷却水セパレータのすべての構成部材の上縁
の一方の角内部域に空気入口マニホールド及び他方の角
内部域に冷却水出口マニホールドを、上下の縁に沿った
中間位置の内部域にそれぞれ燃料出口マニホールド及び
空気出口マニホールドを、そして下縁の一方の角内部域
に燃料入口マニホールド及び他方の角内部域に冷却水入
口マニホールドを、合計６個同一パターンで穿孔してあ
ること、そして、 正極セパレータの空気流路溝は上記上縁の一方の角内部
域空気入口マニホールドから下縁に沿った中間位置の内
部域の空気出口マニホールドへ空気を概ね下向きに流動
させる少なくとも１本の細溝からなり、正極セパレータ
表面を左右水平方向に直線状に往復蛇行しながら下降す
る連続線パターンで該正極セパレータの表面ほぼ全体に
わたり分布していること、及び／または負極セパレータ
の燃料流路溝は上記下縁の一方の角内部域の燃料入口マ
ニホールドから上記上縁に沿った中間位置内部域の燃料
出口マニホールドへ燃料を概ね上向きに流動させる少な
くとも１本の細溝からなり、負極セパレータ表面を左右
水平方向に直線状に往復蛇行しながら上昇する連続線パ
ターンで該負極セパレータの表面ほぼ全体にわたり分布
していること、及び／または冷却水セパレータの冷却水
流路溝は上記の下縁の他方の角内部域の冷却水入口マニ
ホールドから上記上縁の他方の角内部域の冷却水出口マ
ニホールドへ冷却水を概ね上向きに流動させる少なくと
も１本の細溝からなり、冷却水セパレータ表面を左右水
平方向に直線状に往復蛇行しながら上昇する連続線パタ
ーンで該冷却水セパレータの表面ほぼ全体にわたり分布
していること、を特徴とする上記燃料電池スタック。 - 【請求項３】 請求項１または２に記載の空気流路溝パ
ターンを有する正極セパレータ。 - 【請求項４】 空気流路溝の内部表面に撥水材のコーテ
ィングを施してある請求項３の正極セパレータ。 - 【請求項５】 請求項１または２に記載の燃料流路溝パ
ターンを有する負極セパレータ。 - 【請求項６】 燃料流路溝の内部表面に撥水材のコーテ
ィングを施してある請求項５の負極セパレータ。 - 【請求項７】 請求項１または２に記載の冷却水流路溝
パターンを有する冷却水セパレータ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP35562698A JP3549420B2 (ja) | 1998-12-15 | 1998-12-15 | 燃料電池スタック |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP35562698A JP3549420B2 (ja) | 1998-12-15 | 1998-12-15 | 燃料電池スタック |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000182637A true JP2000182637A (ja) | 2000-06-30 |
| JP3549420B2 JP3549420B2 (ja) | 2004-08-04 |
Family
ID=18444947
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP35562698A Expired - Fee Related JP3549420B2 (ja) | 1998-12-15 | 1998-12-15 | 燃料電池スタック |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3549420B2 (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006049224A (ja) * | 2004-08-06 | 2006-02-16 | Ebara Ballard Corp | 燃料電池ユニット |
| KR100683419B1 (ko) | 2005-03-08 | 2007-02-20 | 자동차부품연구원 | 연료전지용 분리판 |
| KR100783659B1 (ko) | 2006-12-14 | 2007-12-07 | 한국타이어 주식회사 | 연료전지용 일체형 분리판의 제조방법 |
| US8790843B2 (en) | 2007-04-25 | 2014-07-29 | Samsung Sdi Co., Ltd | Fuel cell stack |
| CN104885274A (zh) * | 2012-12-24 | 2015-09-02 | Posco公司 | 燃料电池用隔板及包括其的燃料电池 |
-
1998
- 1998-12-15 JP JP35562698A patent/JP3549420B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006049224A (ja) * | 2004-08-06 | 2006-02-16 | Ebara Ballard Corp | 燃料電池ユニット |
| KR100683419B1 (ko) | 2005-03-08 | 2007-02-20 | 자동차부품연구원 | 연료전지용 분리판 |
| KR100783659B1 (ko) | 2006-12-14 | 2007-12-07 | 한국타이어 주식회사 | 연료전지용 일체형 분리판의 제조방법 |
| US8790843B2 (en) | 2007-04-25 | 2014-07-29 | Samsung Sdi Co., Ltd | Fuel cell stack |
| CN104885274A (zh) * | 2012-12-24 | 2015-09-02 | Posco公司 | 燃料电池用隔板及包括其的燃料电池 |
| EP2937922A4 (en) * | 2012-12-24 | 2016-01-13 | Posco | SEPARATOR FOR FUEL CELL, AND FUEL CELL COMPRISING THE SAME |
| JP2016506048A (ja) * | 2012-12-24 | 2016-02-25 | ポスコ | 燃料電池用分離板及びこれを含む燃料電池 |
| CN104885274B (zh) * | 2012-12-24 | 2017-10-17 | Posco公司 | 燃料电池用隔板及包括其的燃料电池 |
| US9847546B2 (en) | 2012-12-24 | 2017-12-19 | Posco | Separator for fuel cell and fuel cell including the same |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3549420B2 (ja) | 2004-08-04 |
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