JP2001143720A

JP2001143720A - 燃料電池用セパレータ

Info

Publication number: JP2001143720A
Application number: JP32183899A
Authority: JP
Inventors: Eiki Ito; 栄基伊藤; Toshiro Kobayashi; 敏郎小林; Takuya Moriga; 卓也森賀
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1999-11-12
Filing date: 1999-11-12
Publication date: 2001-05-25

Abstract

(57)【要約】【課題】電池反応による発熱を抑制し、セパレータの
軽量化や製造コスト低減をなし得るとともに、面内の温
度分布を均一化することが可能な燃料電池用セパレータ
を提供する。【解決手段】複数枚の積層によって燃料電池スタック
を構成する燃料電池用セパレータであって、積層方向に
沿って冷却水を流すための冷却剤用マニホールドが、該
セパレータ上の反応ガス溝の外周を囲む形状で少なくと
も２以上に分割されて設けられていることを特徴とする
燃料電池用セパレータ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体高分子型燃料
電池用セパレータおよび燃料電池スタックに関し、さら
に詳しくは、固体高分子型燃料電池のセル温度を面内で
均一に保つためのセパレータおよび該セパレータを用い
た燃料電池スタックに関する。

【０００２】

【従来の技術】固体高分子型燃料電池本体では、セル／
セパレーターが数１０〜数１００枚積層されており、各
セルには冷却剤や反応ガスが供給される構造になってい
る。それぞれのセパレーターは通常３層構造になってお
り、水素を含むガス(燃料ガス)や酸素を含むガス(酸化
剤ガス)を各層内に均一に分布させることが必要であ
り、これらガスの量によって発電の能力（性能）が決ま
る。ガス系統としては２系統が存在しており、一方は、
燃料ガスが供給されて排出される系統であり、他方は、
酸化剤ガスが供給されて排出される系統である。その中
央の層を冷却媒体が流れて（冷却水板）、燃料電池の反
応は発熱反応なので、反応の際の熱エネルギーを吸収す
る。このように３層構造では、積層方向の冷却水マニホ
ールドから流れてくる冷却剤が、冷却剤入口から供給溝
を通って出口まで、中心の層である冷却水板では反応ガ
ス溝と並行に流れていた。

【０００３】従来、固体高分子型燃料電池用セパレータ
としては、通常、図２に示すようにステンレス鋼の３枚
のプレートが積層された構造を採用していた。この積層
構造では、表面に燃料ガス供給溝１５を有する燃料ガス
供給板１２と、表面に酸化剤ガス供給溝２１を有する酸
化剤ガス供給板１８との裏面で、両面に冷却水溝２８が
形成されている冷却水板２５を挟み、接合一体化してい
る。つまり、このセパレータでは、上下板の面にて、反
応ガスである燃料ガスおよび酸化剤ガスが反応ガス溝に
沿って供給・整流され、中央板の面にて、冷却剤が冷却
水溝に沿って供給・排出される。通常、反応ガスを供給
・整流する溝の形状は、供給孔から排出孔まで３回折り
返した溝（３倍速溝）になっており、一定のガス流量に
対してガスの流速を速める作用と、凝集した生成水およ
び加湿水を除去し易くする作用とがある。

【０００４】しかしながら、上記の３枚積層構造からな
るセパレータでは、冷却水が中央の冷却水板２５を面方
向に流れるために、１枚のセル内で温度に差が生じた場
合に、面内で温度分布を均一に保つことが困難である。
また、冷却水は面内を通過する間にも徐々に温度が上昇
するので、出口側に近くなる程、冷却効果が鈍くなって
しまい、この点でも面内温度の均一化が困難になる。

【０００５】一方、燃料電池の軽量化のためには、セパ
レータの材料として上記ステンレス鋼よりも密度の小さ
な炭素材料を用いることが望ましい。ところが、炭素材
料を用いて上記３枚のプレートを積層する場合、積層界
面の電気導電性およびシール性が十分に確立されていな
いので、オーム損による効率低下や冷却剤等の漏れの問
題がある。また、炭素材料の他にアルミニウム材料の使
用も考えられるが、３枚のプレートを積層して接合する
方法では、製造に要する費用が増大するとともに、製造
精度を確保して歩留まりを改善することは困難となる。

【０００６】例えば、図２に示すように、従来のセパレ
ータでは３枚のプレートを接合して使用している。その
中央の層に、冷却水が流れる層が設けられており、冷却
水供給溝が形成されている。これら３枚の層を張り合わ
せることによって、製造工程が複雑になるとともに、製
造コストが高くなる。また、張り合わせ工程の後におい
ては、水の漏れを検査すること、ガスの漏れを検査する
こと、等が必要になっていた。特に、接合に際しては、
各層にステンレス鋼を使用しているので、通常の拡散接
合を行うが、より軽量な材料である炭素材料を使用する
場合には、接合自体が困難になってしまうという問題が
生じていた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明者らは、上記問
題点に鑑み、電池反応による発熱を抑制し、セパレータ
の軽量化や製造コスト低減をなし得るとともに、面内の
温度分布を均一化することが可能な燃料電池用セパレー
タを開発すべく、鋭意検討した。その結果、本発明者ら
は、単位セルや燃料電池用セパレータの積層方向に沿っ
て冷却水を流す冷却水用マニホールドを、セパレータ上
の反応ガス溝が囲まれる形状で配置することによって、
かかる問題点が解決されることを見い出した。本発明
は、かかる見地より完成されたものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は、積
層によって燃料電池スタックを構成する燃料電池用セパ
レータであって、積層方向に沿って冷却水を流す冷却剤
用マニホールドが、該セパレータ上の反応ガス溝の外周
を囲む形状で少なくとも２以上に分割されて設けられて
いることを特徴とする燃料電池用セパレータを提供する
ものである。ここで、上記冷却剤用マニホールドがセパ
レータ面上でガス流通方向に沿って、上記反応ガス溝の
両側に配置されていることが好ましい。また、本発明で
は、上記冷却剤用マニホールドが、燃料ガス供給マニホ
ールドから燃料ガス排出マニホールドへ至る反応ガス溝
の長さ方向に対して、該反応ガス溝の長さの少なくとも
１／３以上、好ましくは１／２以上の長さで該反応ガス
溝の側に設けられているのが良い。なお、反応ガス溝が
セパレータ上で曲がっている場合、１つの冷却剤用マニ
ホールドが、その両側に存在する反応ガス溝を冷却する
作用を有する場合もある。また、冷却剤用マニホールド
が２以上に分割して配置されている場合、冷却剤用マニ
ホールドの長さとは、複数のマニホールドにおける長さ
の総計であり、１つのマニホールドの長さが制限される
ものではない。

【０００９】さらに、本発明は、上記燃料電池用セパレ
ータと、固体高分子膜の両側に電極を設けた複数の単位
セルと、を交互に積層した燃料電池スタックであって、
該単位セルおよび燃料電池用セパレータの積層方向に沿
って冷却水を流すための冷却水用マニホールドが設けら
れている燃料電池スタックをも提供するものである。こ
の際、積層スタックでは、特に中央部分の締め付けが悪
くなり易いので、中央付近のマニホールドを利用して、
燃料電池スタック本体をネジ止めする締め付け用ボルト
が備えられていることが好ましい。

【００１０】本発明のセパレータは、反応ガス溝の形状
を維持しつつ、同一のセパレータ層内での均一な冷却を
可能にするものであり、特定形状の反応ガス溝を有する
配置に対しても、スタック積層方向に冷却剤を流す冷却
を可能にするものである。本発明では、少なくとも２以
上の冷却剤用マニホールドが設けられており、それぞれ
のマニホールドは、通常、細長い長方形や楕円形等の形
状を有している。これらの形状の各マニホールドは反応
ガス溝に沿って、通常その両側から冷却できるように近
接して配置されている。但し、セパレータの中心部だけ
にマニホールドを設けることや、円形のマニホールドを
設けることは、反応ガス溝の各部分での冷却効果に差が
生じ易く、セパーレータ層内での温度差が広がる傾向に
なるため好ましくない。本発明の燃料電池用セパレータ
によれば、電池反応による発熱を抑制し、セパレータの
軽量化や製造コスト低減をなし得るとともに、積層され
たそれぞれのセパレータ面内での温度分布を均一化する
ことが可能になる。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明のセパレータは一枚の層で
あるセパレータの中に、スタックとして積層した場合に
冷却水を通す複数の空間（冷却剤用マニホールド）を設
けたものである。このセパレータを重ね合わせること
で、一枚のセパレータ面内で発生した熱エネルギーは、
反応ガス溝の各箇所に近接する冷却剤用マニホールドを
縦方向に流れる冷却剤に伝達される。２以上設けられた
各マニホールドでは、独立した冷却剤が流通するので、
各層内においての冷却剤の温度上昇の問題もなく、各層
内を均一に冷却でき、各面内の温度を均一にすることが
できる。これによって本発明では、３倍速溝等の反応ガ
ス溝の形状を維持しつつ、層内での均一な冷却を可能に
する。

【００１２】また、本発明のセパレータでは、冷却剤用
マニホールドを利用して、図５にあるように、ボルトに
よる締め付けを行うことができる。図３のように積層し
てスタックにすると、特に、中央部分の締め付けが悪く
なってしまうので、中央付近のマニホールドを利用し
て、ボルトによる締め付けを行うことが効果的である。
但し、中心部における締め付けを行う場合にも、本発明
のセパレータの主目的は、冷却剤を効率的に流す点にあ
る。よって、セパレータの如何なる箇所に冷却剤用セパ
レータを設けて、セル上での効率的な冷却を可能にし、
面内の温度分布を均一化させるかが重要である。

【００１３】スタックとした場合に、セパレータの積層
方向に冷却剤を流して冷却する態様においても、例えば
セパレータの中心部に冷却剤を通すのみでは、有効に反
応ガス溝を冷却することは困難であり、中心部から遠ざ
かるにつれて温度上昇が発生し、面内温度が不均一にな
る問題が生じ得る。したがって、本発明では燃料電池の
発電効率等を十分に考慮した、３倍速溝等の特定の形状
を有する反応ガス溝の形状を採用した場合、積層方向の
みを移動する冷却剤によって効率的な冷却が可能なよう
に、各セパレータにおける冷却剤用マニホールドを配置
する。つまり、本発明のセパレータ内においては、反応
ガス溝の外周を取り囲むように冷却剤を通す冷却剤マニ
ホールドが配置される。

【００１４】具体的には例えば、冷却剤用マニホールド
がセパレータ面上でガス流通方向に沿って、上記反応ガ
ス溝の両側に配置されている態様、さらには、冷却剤用
マニホールドが、燃料ガス供給マニホールドから燃料ガ
ス排出マニホールドへ至る反応ガス溝の長さ方向に対し
て、該反応ガス溝の長さの少なくとも１／３以上、好ま
しくは１／２以上の長さで設けられている態様などが挙
げられる。これらの態様によって、各セパレータの面内
のどの箇所においても温度を略均一にすることができ
る。以下、本発明に係るセパレータについて、添付図面
を参照しながら、その具体的な実施形態を詳細に説明す
る。

【００１５】実施の形態図１に、本発明に係る燃料電池用セパレータの一例を示
す。本実施の形態では、図１に示すように反応ガス溝５
の形状は３倍速溝であり、この形状の溝を取り囲むよう
に、その近傍に冷却剤マニホールドを配置する。このセ
パレーターは特定の反応ガス溝の流路に対し、このガス
溝を用いた場合の発熱を、より効率的に冷却できるよう
にする冷却剤用マニホールドの配置を有するものであ
り、伝熱面積を増加させたものである。図１のように冷
却剤マニホールド４を配置することによって、３倍速溝
の形状を有するような反応ガス溝５であったとしても、
確実にセルを目標温度以下に制御することができる。ま
た、図２に示すような冷却水板を設ける必要もないの
で、例えば炭素材料からなるセパレータを用いた場合
に、好適に使用することができる。そして、冷却剤が同
一面内で温度上昇することもないので、面内の各部分で
同様に冷却が行われ、面内温度を均一に保つことができ
る。

【００１６】図１中、４は冷却剤用マニホールドであ
り、２，３はガス用マニホールドである。このセパレー
タを複数枚重ねてスタックとし、燃料電池本体を作成す
ることができる。図３に、その積層体の１例を示す。積
層させる際には、流体を通過させる各マニホールドに
は、積層して重ねた際に電極と同じ程度の厚さになる約
１ｍｍ程度の厚さのガスパッキン、ガスケット等でマニ
ホールド周囲を密閉して積層させる。ここで、セパレー
ターの材料，上限温度及び厚さt[mm]と、冷却水用マニ
ホールドにより冷却できる幅b[mm]には、以下のような
相関がある。炭素材料を用いた場合，上限温度が100
[℃]の場合b≦5.7×ｔ^0.49，好ましくは上限温度が90
[℃]の場合でb≦3.4×ｔ^0.57となる。Al材料を用いた場
合，上限温度が100[℃]の場合b≦11.4×ｔ^0.49，好まし
くは上限温度が90[℃]の場合でb≦7.1×ｔ^0.50となる。

【００１７】図３のスタックでは、冷却剤用マニホール
ド４に冷却剤を供給する冷却剤供給穴５０が設けられて
いる。この供給穴は、スタックの積層構造をボルトによ
る締め付けを行う際の穴として、共用することができ
る。本発明においては、図５に示すように冷却剤マニホ
ールド４を利用して、複数本のボルトを貫通させて積層
構造を締め付けることで、セパレータを積層したスタッ
クに均一な締め付け面圧を付与することができる。ま
た、このような締め付けを行うボルトの内部にヒータを
内蔵させることにより、起動時の燃料電池スタックの加
熱速度を速めることができ、電池の迅速な立ち上げが可
能となると同時に、燃料電池定常時でのセル温度の微妙
な温度調節を行うことができる。

【００１８】本発明のセパレータを用いて燃料電池本体
のスタックを製造する場合には、燃料・酸化剤ガス供給
板および冷却水板の３枚の張り合わせ工程が全く不要に
なるので、製造工程が著しく簡略化され、製造コストも
約１／３程度にまで削減できる。以下、実施例により本
発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例
によって何ら制限されるものではない。

【００１９】

【実施例】実施例１本実施例では図１に示すセパレータを用いて、発電時の
セル温度を評価した。発電試験では、先ず、図３に示す
ような１１枚のセルを積層した燃料電池スタックを組み
立てた。そして、積層方向の中央部に当たるセル（両側
から５番目のセル）において、燃料ガス供給マニホール
ドからの距離（規格化した距離）と、その点におけるセ
ル温度を測定した。ここで、燃料ガスには利用率８０％
の水素ガス、酸化剤ガスには利用率３０％の空気を用い
た。これらの反応ガスの圧力は１気圧である。

【００２０】得られた結果を、図４に示す。この結果か
ら、本発明のセパレータを用いた場合（Ａ）には、セル
面内での温度分布がほぼ均一に保たれることがわかる。
一方、従来の３層構造のセパレータを用いた場合（Ｂ）
には、マニホールドからの距離によってセル温度が変化
していることがわかる。このように本発明のセパレータ
によれば、セル中の温度分布の不均一が改善されて、温
度による発電性能のばらつきも改善された。

【００２１】

【発明の効果】本発明によれば、セルの面方向での温度
分布を略均一にすることができ、温度を均一化させるこ
とによって発電効率を上昇させることができる。また、
セパレータの加工が両面だけで完了できるようになり、
製造コストの低減や歩留まりの向上を図ることができ
る。一方、セパレータ内の冷却剤マニホールドは、締め
付け用ボルトの貫通穴として利用することも可能であ
り、均一な締め付け面圧を与えることができる。また、
締め付け用ボルトの内部にヒータを内蔵することによっ
て、スタックの起動性が向上し、冷却剤の温度調節が容
易になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、実施の形態（その１）に係るセパレー
タの配置図に示すものである。

【図２】図２は、従来の３層構造からなるセパレータの
構成を示す図である。

【図３】図３は、本発明のセパレータを積層させて燃料
電池スタックを作製した際の外観図である。

【図４】図４は、実施例１におけるセル温度分布を示す
チャート図である。

【図５】図５は、本発明のセパレータを積層したスタッ
クについて締め付け用ボルトによるネジ止めを行った場
合のスタック外観を示す図である。

【符号の説明】

１セパレータ２燃料ガス供給マニホールド３酸化剤ガス供給マニホールド４冷却剤用マニホールド５反応ガス溝６燃料ガス排出マニホールド７酸化剤ガス排出マニホールド１１ガスセパレータ１２燃料ガス供給板１３燃料ガス供給孔１４、１６燃料ガスヘッダ１５燃料ガス供給溝１７燃料ガス排出孔１８酸化剤ガス供給板１９酸化剤ガス供給孔２０、２２酸化剤ガスヘッダ２１酸化剤ガス供給溝２３酸化剤ガス排出孔２５冷却水板２６冷却水供給孔２７、４１冷却水ヘッダ２８冷却水供給溝３０酸化剤排出穴３１燃料ガス排出穴３２酸化剤供給穴３３燃料ガス供給穴３４冷却剤排出穴３５冷却剤供給穴３６締付用ボルト３７皿バネ３８フランジ３９セル／セパレータ積層部４０冷却水排出孔５０冷却剤供給穴５１リブ構造フランジ５２固定ボルト５３薄板押さえ治具５４薄板５５押さえ板５６ガス供給穴５７皿バネ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者森賀卓也広島県広島市西区観音新町四丁目６番22号三菱重工業株式会社広島研究所内Ｆターム(参考） 5H026 AA06 CC03 CC08 HH03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数枚の積層によって燃料電池スタック
を構成する燃料電池用セパレータであって、積層方向に
沿って冷却水を流すための冷却剤用マニホールドが、該
セパレータ上の反応ガス溝の外周を囲む形状で少なくと
も２以上に分割されて設けられていることを特徴とする
燃料電池用セパレータ。
【請求項２】上記冷却剤用マニホールドがセパレータ
面上でのガス流通方向に沿って、上記反応ガス溝の両側
に配置されていることを特徴とする請求項１記載の燃料
電池用セパレータ。
【請求項３】上記冷却剤用マニホールドが、燃料ガス
供給マニホールドから燃料ガス排出マニホールドへ至る
反応ガス溝の長さ方向に対して、該反応ガス溝の長さの
少なくとも１／３以上の長さで反応ガス溝の側に設けら
れていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用セ
パレータ。
【請求項４】請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電
池用セパレータと、固体高分子膜の両側に電極を設けた
複数の単位セルと、を交互に積層した燃料電池スタック
であって、該単位セルおよび燃料電池用セパレータの積
層方向に沿って冷却水を流すための冷却水用マニホール
ドが設けられていることを特徴とする燃料電池スタッ
ク。
【請求項５】燃料電池スタック本体をネジ止めする締
め付け用ボルトが備えられていることを特徴とする請求
項４記載の燃料電池スタック。