JP2000223137A - 燃料電池及びセパレータ - Google Patents
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Abstract
いて、活物質含有流体の活物質が電極の内部に分散して
拡散する分散拡散性の向上に貢献するのに有利な燃料電
池及び燃料電池用セパレータを提供する。 【解決手段】電解質膜を挟む電極をもつ複数個の単位電
池と、単位電池間に配置された複数個のセパレータ3と
を具備している。セパレータ3は、電極に対面して所定
の接触幅で接触する複数個の接触突部65(75)と、
隣設し合う接触突部65(75)の間を通路幅とする複
数個の流体通路6a,7aとをもつ。流体出口に近い側
の接触突部65(75)の接触幅は、流体入口に近い側
の接触突部65(75)の接触幅よりも小さく設定され
ている。
Description
ータに関し、活物質含有流体が通過する流体通路を備え
た燃料電池及びセパレータに関する。
る。この燃料電池は、電解質膜を挟む電極をもつ複数個
の単位電池と、単位電池間に配置され各単位電池を仕切
る複数個のセパレータとを備えている。セパレータに
は、流体入口から供給された活物質含有流体を流体出口
に向けて案内する流体通路が形成されているのが一般的
である。
には、活物質含有流体が通過する流体通路を複数本並走
するとともに、流体入口に近い側の流体通路の通路幅
を、流体出口に近い側よりも大きくした燃料電池が開示
されている。上記公報によれば、重力による水滴の落下
を期待したものであるとされている。また特開平10−
106594号公報には、活物質を含む流体が通過する
溝状の流体通路を複数本並走して構成した流体通路群
を、流体入口と流体出口との間の中間位置に設けたセパ
レータが開示されている。この公報技術によれば、流体
通路のそれぞれの通路幅は、全長にわたり同一とされて
いる。
するように、セパレータ200に形成された接触突部2
10が電極100に対面して所定の接触幅で電極100
に接触している。このセパレータ200においては、隣
設し合う接触突部210の間を通路幅とする流体通路2
30を形成している。従って、流体入口から供給された
活物質含有流体は、流体通路230に沿って流体出口に
向けて案内される。
いては、前述したように、接触突部210が電極100
に対面して所定の接触幅で電極100に接触している。
電極100のうち接触突部210に接触している部分
は、流体通路230に直接に対面していないため、電極
100の内部への活物質の分散が制約される。即ち、電
極100と接触突部210とが接触している部分は、拡
散制約部分PMを構成する。
から下流に向かうにつれて、つまり、流体入口から流体
出口に向かうにつれて、活物質が消費される。そのた
め、流体通路の下流側つまり流体出口に近い側では、活
物質含有流体の活物質濃度が低下する傾向がある。本発
明は上記した実情に鑑みなされたものであり、流体通路
の下流側つまり流体出口に近い側において、活物質含有
流体の活物質が電極の内部に分散して拡散する拡散性の
向上に貢献するのに有利な燃料電池及び燃料電池用セパ
レータを提供することを課題とするにある。
パレータについて鋭意開発を進めている。そして、流通
通路の下流側、つまり流体出口に近い側の接触突部の接
触幅を、流体入口に近い側の接触突部の接触幅よりも小
さく設定する構成を採用すれば、下流側における電極へ
の内部拡散の均一化に有利となり、下流側における発電
性能の向上に有利となることを着想し、本発明を完成し
た。
む電極をもつ複数個の単位電池と、単位電池間にそれぞ
れ配置された複数個のセパレータとを具備し、セパレー
タは、電極に対面して所定の接触幅で接触する複数個の
接触突部と、隣設し合う接触突部の間を通路幅とすると
共に流体入口から供給された活物質含有流体を流体出口
に向けて案内する複数個の流体通路とをもつ燃料電池に
おいて、セパレータは、流体出口に近い側の接触突部の
接触幅が流体入口に近い側の接触突部の接触幅よりも小
さく設定されていることを特徴とするものである。
電解質膜を挟む電極をもつ複数個の単位電池と、単位電
池間に配置され、電極に対面して所定の接触幅で接触す
る複数個の接触突部と、隣設し合う接触突部の間を通路
幅とすると共に流体入口から供給された活物質含有流体
を流体出口に向けて案内する複数個の流体通路とをもつ
燃料電池用セパレータにおいて、流体出口に近い側の接
触突部の接触幅が流体入口に近い側の接触突部の接触幅
よりも小さく設定されていることを特徴とするものであ
る。
体出口に近い側の接触突部の接触幅が流体入口に近い側
の接触突部の接触幅よりも小さく設定されている領域が
形成されている。そのため、流体通路の下流側つまり流
体出口に近い側においては、セパレータの接触突部が電
極に接触する割合が小さくなり、1個当たりの拡散制約
部分の面積が小さくなる。故に流体通路の下流側つまり
流体出口に近い側において、電極の内部への活物質の均
一拡散性の向上に有利となる。
て、電極に接触する接触突部は、上流から下流にかけて
長くのびる形態にできる。この場合には、流体通路は溝
状に長くのびる形態となる。また電極に接触する接触突
部は、図7,図8に例示するように、格子溝を構成する
ように縦横に分散した形態にすることもできる。
口に近い側の流体通路の通路幅を、流体入口に近い側の
流体通路の通路幅よりも小さくすることができる。この
場合には、セパレータの単位面積あたりにおいて、接触
突部の数を増加するのに有利となり、従って各接触突部
が電極に接触する接触面積を小さくできる。よって接触
突部で形成される拡散制約部分の1個当たりの面積も小
さくでき、電極への均一拡散性の向上に有利となる。
図1は燃料電池の要部の分解図を模式的に示す。本実施
例においては、図1に示すように、プロトン透過性をも
つ固体電解質膜10を挟む正極11および負極12をも
つ複数個の単位電池1が並設されている。
設けられている。図1は要部を示すものであるため、単
位電池1、セパレータ3の数が少ないが、実際は多数積
層されるものである。単位電池1の負極12には、負極
活物質である水素を含む水素含有流体である燃料ガスが
供給される。単位電池1の正極11には、正極活物質で
ある酸素を含む酸素含有流体である空気が供給される。
流れる空気通路群7と、負極活物質を含む燃料ガスが流
れる燃料ガス通路群6とを仕切る機能をもつものであ
る。セパレータ3は、発電された電荷を集める集電体を
兼ねている。セパレータ3は、導電材料である金属、例
えばアルミ合金、炭素鋼またはステンレス鋼の平らな板
材を用い、板材をプレス成形型でプレス成形することに
より、一方の表面に接触突部65を形成すると共に、他
方の表面に接触突部75を形成している。要部の分解図
である図1から理解できるように、接触突部65は負極
12に接触する。接触突部75は正極11に接触する。
部には、シール突起51をもつ枠状のシール部50、枠
状のシール部52が設けられている。これによりシール
性が確保されている。シール部50,52はゴムまたは
樹脂などで形成されている。図2はセパレータ3の縦断
面を示す。図2に示すように、セパレータ3の一方の表
面側において接触突部65により形成された溝状部分
は、前記した燃料ガス通路群6とされている。またセパ
レータ3の他方の表面側において接触突部75により形
成された溝状部分は、前記した空気通路群7とされてい
る。
図4はセパレータ3の他方の表面を示す。図3、図4に
示すように、セパレータ3は、上辺部3a、下辺部3
b,2つの側辺部3c,3dをもつ四角板状をなしてい
る。燃料電池を組み付けたとき、上辺部3aは鉛直方向
の上側となり、下辺部3bは鉛直方向の下側となる。セ
パレータ3の上部側には、流体入口として機能できる空
気入口78が形成され、セパレータ3の下部側には、流
体出口として機能できる空気出口79が形成されてい
る。これにより空気はセパレータ3の上部側から下部側
に流れるようにされている。空気入口78及び空気出口
79は、セパレータ3のほぼ対角位置に設けられてい
る。
て機能できる燃料ガス入口68が形成されている。セパ
レータ3の下部側には、流体出口として機能できる燃料
ガス出口69が形成されている。燃料ガス入口68及び
燃料ガス出口69は、セパレータ3のほぼ対角位置に設
けられている。セパレータ3の上部側には、冷却媒体入
口38が燃料ガス入口68と空気入口78との間に位置
して形成されている。セパレータ3の下部側には、冷却
媒体出口39が燃料ガス出口69と空気出口79との間
に位置して形成されている。
も、セパレータ3のほぼ対角位置に設けられている。さ
て本実施例においては、図3から理解できるように、セ
パレータ3に形成されている溝状の燃料ガス通路群6
は、燃料ガス入口68から供給された燃料ガスを燃料ガ
ス出口69へと流すためのものであり、複数本の燃料ガ
ス通路6aを並走することにより構成されている(図3
においては本数は図示の単純化のため、減少してい
る)。即ち燃料ガス通路群6は、燃料ガス入口68と燃
料ガス出口69とを連通しており、流体通路群として機
能できる。
6aのそれぞれは、深さは実質的に全長にわたり一定で
あるものの、図3から理解できるように、燃料ガス入口
68から燃料ガス出口69に向かうにつれて、つまり上
流から下流に向かうにつれて、通路幅が次第に段階的に
小さくされている。従って燃料ガス通路群6を構成する
燃料ガス通路6aのそれぞれは、燃料ガス入口68から
燃料ガス出口69に向かうにつれて、つまりセパレータ
3において上流側から下流側に向かうにつれて、流路断
面積が次第に小さくなる。
通路群6を構成する燃料ガス通路6aのそれぞれは、燃
料ガス入口68から、図3において通路幅W1で左水平
方向(矢印L1方向)に進行し、第1折り返し領域N1
において通路幅W2で下方に向き、その後、上下に重な
るように折り返され、図3において通路幅W3で右水平
方向(矢印R1方向)に進行する。次に、第2折り返し
領域N2において通路幅W4で下向きとなり、その後、
上下に重なるように折り返されて、図3において通路幅
W5で左水平方向(矢印L2方向)に進行し、更に第3
折り返し領域N3において通路幅W6で下方に向き、そ
の後、図3において通路幅W7で右水平方向(矢印R2
方向)に進行する。更に、第4折り返し領域N4におい
て通路幅W8で下方に向き、その後、図3において通路
幅W9で左水平方向(矢印L3方向)に進行し、更に、
第5折り返し領域N5において通路幅W10で下方に向
き、その後、上下に重なるように折り返されて、図3に
おいて通路幅W11で右水平方向(矢印R3方向)に進
行し、第6折り返し領域N6において通路幅W12で下
方に向き、その後、上下に重なるように折り返されて、
図3において通路幅W13で左水平方向(矢印L4方
向)に進行し、燃料ガス出口69に到達する。
いる。 W1=W2>W3、W3=W4>W5、W5=W6>W
7、W7=W8>W9、W9=W10>W11、W11=
W12>W13 換言すれば本実施例においては、折り返し回数が増加す
る毎に、燃料ガス通路6aの通路幅は次第に小さくなる
ように設定されており、これにより燃料ガス通路群6の
流路断面積は次第に小さくなるように設定されている。
されている溝状の空気通路群7を示す。図4から理解で
きるように、溝状の空気通路群7は、空気入口78から
供給された空気を空気出口79へと流すためのものであ
り、複数本の空気通路7aを並走することにより構成さ
れている(図4においては本数は単純化のため、減少し
ている図示されている)。即ち空気通路群7は、空気入
口78と空気出口79とを連通しており、流体通路群と
して機能できる。
れぞれは、深さが全長にわたり実質的に一定であるもの
の、図4から理解できるように、空気入口78から空気
出口79に向かうにつれて、通路幅が次第に小さくされ
ている。従って空気通路群7を構成する空気通路7aの
それぞれは、空気入口78から空気出口79に向かうに
つれて、つまり下流に向かうにつれて、流路断面積が小
さくなる。
群7は、空気入口78から、図4において通路幅X1で
右水平方向に進行し、第1折り返し領域M1において通
路幅X2で下向きとなり、その後、上下に重なるように
折り返されて、図4において通路幅X3で左水平方向に
進行する。次に、第2折り返し領域M2において通路幅
X4で下向きとなり、その後、上下に重なるように折り
返されて、図4において通路幅X5で右水平方向に進行
し、更に第3折り返し領域M3において通路幅X6で下
向きとなり、その後、折り返されて、図4において通路
幅X7で左水平方向に進行する。更に、第4折り返し領
域M4において通路幅X8で下向きとなり、その後、折
り返されて、図4において通路幅X9で右水平方向に進
行し、更に、第5折り返し領域M5において通路幅X1
0で下方に向き、その後、折り返されて、図4において
通路幅X11で左水平方向に進行し、更に、第6折り返
し領域M6において通路幅X12で下向きとなり、その
後、折り返されて、図4において通路幅X13で右水平
方向に進行し、最終的に空気出口79に到達する。
いる。 X1=X2>X3、X3=X4>X5、X5=X6>X
7、X7=X8>X9、X9=X10>X11、X11=
X12>X13 換言すれば本実施例においては、折り返し回数が増加す
る毎に、空気通路群7の空気通路7aのそれぞれの通路
幅は小さくなるように設定されており、これにより流路
断面積は次第に小さくなるように設定されている。
通路7aにおいて下流側に向かうにつれて通路幅が小さ
くなる度合としては、前記したように最上流側の通路幅
をX1とし、最下流側の通路幅をX13としたとき、X
1:X13=3:2に規定されている。ただし、これに
限定されるものではない。また本実施例においては、表
裏の関係にある空気通路群7の空気通路7aの通路幅と
燃料ガス通路群6の燃料ガス通路6aとの通路幅を比較
すると、空気通路7aの通路幅は、燃料ガス通路6aの
通路幅よりも大きくされている。空気に占める酸素の濃
度と燃料ガスに占める水素濃度との差を考慮したもので
ある。
X1と、これと表裏の関係にある燃料ガス通路6aの最
上流側の通路幅W1との寸法関係は、X1:W1=7:
5に規定されている。ただしこれに限定されるものでは
ない。さて図5及び図6は本発明の要部を示す。図5は
セパレータ3の上流側、つまり空気入口78及び燃料ガ
ス入口68側の拡大断面を示す。図5に示すように上流
側においては空気通路7aは大きな通路幅X1をもつ。
また図5に示すように、セパレータ3の接触突部65が
負極12に接触する接触幅はD1と大きい。更にセパレ
ータ3の接触突部75が正極11に接触する接触幅はD
2と大きい。
空気出口79及び燃料ガス出口69側の拡大断面を示
す。下流側においては空気通路7aは小さな通路幅X1
3をもつ(X13<X1)。また図6に示すように、セ
パレータ3の下流側の接触突部65が負極12に接触す
る接触幅は、D1’(D1’<D1)とかなり小さい。
更にセパレータ3の下流側の接触突部75が正極11に
接触する接触幅は、D2’(D2’<D2)とかなり小
さい。
5,75が電極(正極11または負極12)に接触する
接触部分は、拡散制約部分PMを構成するが、本実施例
においては、下流側つまり流体出口に近い側において、
セパレータ3の接触突部65,75が電極(正極11ま
たは負極12)に接触する接触部分の接触幅を小さくで
きる。よって図6に示すように拡散制約部分PMの幅を
小さくできる。そのため本実施例においては、電極(正
極11、負極12)への活物質の拡散透過の均一性の向
上を図るのに有利となる利点が得られる。
質濃度が低下したとしても、その低下を補うのに有利と
なる。更に本実施例によれば、図6に示すように、下流
側では、接触突部65,75を断面平坦状ではなく、断
面円弧状に形成されているため、断面では点接触または
これに近い接触形態で電極に接触する。この意味におい
ても、接触突部65,75が電極(正極11または負極
12)に接触する接触部分の接触幅を小さくでき、電極
への活物質の内部分散の均一性の向上に有利となる。
aの流路断面積が燃料ガス出口69に近づくにつれて次
第に小さくなる構成が採用されている。そのため、燃料
ガス通路6aの下流側における活物質の濃度の希薄化を
抑制するのに貢献できる。しかも本実施例においては燃
料ガス通路6aの1本1本について活物質濃度の希薄化
を抑制できる。空気通路7aの1本1本についても同様
であり、空気通路7aの下流側における酸素濃度の希薄
化を抑制できる。
燃料ガス通路6aの流路断面積が燃料ガス出口69に近
づくにつれて次第に小さくなる構成が採用されている。
故に、燃料ガス通路6aにおける下流側つまり燃料ガス
出口69に近い側の流速低下を抑制したり、流速を確保
したりするのに有利となり、下流側において水が滞留す
ることを抑制するのに有利となる。空気通路7aについ
ても同様であり、下流側つまり空気出口79に近い側の
流速低下を抑制したり、流速を確保したりするのに有利
となる。故に、燃料ガス通路6aにおける燃料ガス流れ
が空気通路7aにおける空気流れ、水滴によって阻害さ
れることを抑制するのに有利となる。
の要部を示す。図7はセパレータ3の上流側つまり燃料
ガス入口68側の要部の平面図を示す。図7に示すよう
に上流側においては、セパレータ3の接触突部65は実
質的に四角形状とされており、縦横に分散されている。
上流側の接触突部65が負極12に接触する接触幅は、
D10と大きい。下流側の隣設する接触突部65によ
り、上流側の格子溝状の燃料ガス通路6aが形成されて
いる。図7に示すように、上流側の燃料ガス通路6aの
通路幅は、W10として図示されている。
燃料ガス出口69側の拡大断面を示す。図8に示すよう
に下流側においても、セパレータ3の接触突部65は実
質的に四角形状とされており、縦横に分散されている。
下流側の接触突部65が負極12に接触する接触幅は、
D10’(D10’<D10)とかなり小さい。下流側
の隣設する接触突部65により、下流側の格子溝状の燃
料ガス通路6aが形成されている。図8に示すように、
下流側の燃料ガス通路6aの通路幅は、W10’(W1
0’<W10)として図示されている。
5が電極に接触する接触部分は、拡散制約部分を構成す
るが、本実施例においては、下流側つまり流体出口に近
い側において、セパレータ3の接触突部65が電極に接
触する接触部分の接触幅をD10’(D10’<D1
0)と小さくできるため、各拡散制約部分の大きさを小
さくできる。そのため本実施例においては、前記した実
施例と同様に、電極(正極11、負極12)への活物質
の拡散透過の均一性を向上させるのに有利となる利点が
得られる。
流体出口に近い側の接触突部の接触幅が流体入口に近い
側の接触突部の接触幅よりも小さく設定されている。そ
のため流体通路の下流側つまり流体出口に近い側におい
て、活物質含有流体の活物質が電極の内部へ拡散する拡
散性の向上に貢献するのに有利となる。
沿った断面図である。
る。
る。
る。
分の断面図である。
分の断面図である。
図である。
極、12は負極、3はセパレータ、6は燃料ガス通路
群、6aは燃料ガス通路、65は接触突部、68は燃料
ガス入口、69は燃料ガス出口、7は空気通路群、7a
は空気通路、75は接触突部、78は空気入口、79は
空気出口を示す。
Claims (4)
- 【請求項1】電解質膜を挟む電極をもつ複数個の単位電
池と、 前記単位電池間にそれぞれ配置された複数個のセパレー
タとを具備し、 前記セパレータは、電極に対面して所定の接触幅で接触
する複数個並設された接触突部と、隣設し合う前記接触
突部の間を通路幅とすると共に流体入口から供給された
活物質含有流体を流体出口に向けて案内する複数個の流
体通路とをもつ燃料電池において、 前記セパレータは、前記流体出口に近い側の前記接触突
部の接触幅が前記流体入口に近い側の前記接触突部の接
触幅よりも小さく設定されている領域を備えていること
を特徴とする燃料電池。 - 【請求項2】請求項1において、前記領域において、前
記流体出口に近い側の前記流体通路の通路幅は、前記流
体入口に近い側の前記流体通路の通路幅よりも小さくさ
れていることを特徴とする燃料電池。 - 【請求項3】電解質膜を挟む電極をもつ複数個の単位電
池と、 前記単位電池間に配置され、該電極に対面して所定の接
触幅で接触する複数個の接触突部と、隣設し合う前記接
触突部の間を通路幅とすると共に流体入口から供給され
た活物質含有流体を流体出口に向けて案内する複数個の
流体通路とをもつ燃料電池用セパレータにおいて、 前記流体出口に近い側の前記接触突部の接触幅が前記流
体入口に近い側の前記接触突部の接触幅よりも小さく設
定されている領域を備えていることを特徴とする燃料電
池用セパレータ。 - 【請求項4】請求項3において、前記領域において、前
記流体出口に近い側の前記流体通路の通路幅は、前記流
体入口に近い側の前記流体通路の通路幅よりも小さくさ
れていることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
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