JP2003059513A - 燃料電池のセパレータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】燃料電池のセパレータの冷却効率を向上させ
る。 【解決手段】燃料極４と空気極３からなる一対の電極間
に高分子電解質膜５を挟持した単位セルにおいて空気極
３に空気を供給する、耐蝕導電処理された金属性板状セ
パレータ６について、酸化剤ガス供給溝８０を多数形成
し、この各酸化剤ガス供給溝８０に沿って冷却水が流通
する冷却流路８２を、セパレータ６内にそれぞれ形成す
るとともに、酸化剤ガス供給溝８０と冷却流路８２とを
連通する貫通孔８３を複数形成した。

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】この発明は、燃料電池のセパ
レータに係り、詳しくは冷却水を流通させる流域を備え
たセパレータに関するものである。 【０００２】 【従来の技術】ＰＥＭ型の燃料電池の単位セルは、燃料
極と空気極（酸化剤極）との間に高分子固体電解質膜が
挟持された構成である。燃料極及び空気極はともに触媒
物質を含む触媒層と、前記触媒層を支持すると共に反応
ガスを供給しさらに集電体としての機能を有する電極基
材からなる。燃料極と空気極の更に外側には、反応ガス
を外部より電極内に均一に供給するとともに、余剰ガス
を外部に排出するためのガス流通溝を設けたセパレータ
（コネクタ板）が積層される。このセパレータはガスの
透過を防止するとともに発生した電流を外部へ取り出す
ための集電を行う。 【０００３】上記燃料電池本体とセパレータとで単電池
が構成される。実際の燃料電池システムでは、かかる単
電池の多数個が直列に積層されてスタックが構成され
る。燃料電池本体では、一般的に発生電力にほぼ相当す
る熱量の熱が発生する。従って、燃料電池本体が過度に
ヒートアップすることを防止するために、冷却手段が講
じられる。冷却手段としては、空気極に空気を送り込む
ための空気マニホールド内に、水を噴射するノズルを設
け、空気極に送り込む空気とともに噴射された水が蒸発
する際の潜熱を利用して冷却する構成や、スタック内に
冷却板を内蔵させるなどの構成が挙げられる。 【０００４】 【発明が解決しようとする課題】しかし、噴射ノズルか
ら水を噴射する構成のものでは、空気極の表面に供給さ
れた水が空気極自体から熱を奪いこれを冷却する構成で
あり、燃料電池本体で蒸発させる水の量を微妙にコント
ロールして冷却能力を変化させることが困難である。ま
た、燃料電池スタックには、横断面積の小さい空気供給
路が多数設けられており、各空気供給路へ均一に噴射さ
れた水を供給することは、極めて難しいものである。 【０００５】また、燃料電池空気極内部におてい、一時
的に水過多の状態が発生し、空気の供給不足に陥り、電
圧の安定性を損なう恐れがある。また、従来の水直噴方
式では、水を間欠供給しているため、水供給開始時に一
時的に燃料電池の状態（温度・空気流量等）が大きく変
化し、電圧の安定性を損なう可能性がある。その為、運
転温度を高く設定することができなかった。さらに、冷
却板を内蔵する構成では、部品点数が増加し、燃料電池
スタック自体の大きさも大型化してしまう。この発明の
目的は、燃料電池の温度制御がより精密に可能となり、
かつ燃料電池スタックの大きさを小型化することが可能
な燃料電池のセパレータを提供することにある。 【０００６】 【課題を解決するための手段】以上のような目的を達成
する本発明は以下の構成を有する。 （１） 燃料電池の単位セル間を区画するとともに該単
位セルを電気的に直列に接続する燃料電池の耐蝕導電処
理を施した金属製板状セパレータであって、前記セパレ
ータの一端面に形成され、前記単位セルの酸化剤極と接
触する凸部により形成された酸化剤ガス供給溝と、前記
セパレータの前記凸部内に、前記酸化剤ガス供給溝と平
行に形成され、前記セパレータの側縁部の一端から他端
へ冷却水を流通する冷却流路と、前記酸化剤ガス供給溝
の側壁面に形成され、前記酸化剤ガス供給溝と前記冷却
流路とを貫通し、前記冷却流路の冷却水を前記酸化剤ガ
ス供給溝に供給する貫通孔とを備えている燃料電池のセ
パレータ。 【０００７】 【発明の実施の形態】次にこの発明の好適実施形態につ
いて説明する。図１は、この発明の燃料電池のセパレー
タ６を用いた燃料電池の単位ユニットの構成を示す側面
断面図、図２は、セパレータ６の断面平面図、図３のセ
パレータ６の全体正面図である。燃料電池の単位ユニッ
トは、固体高分子電解質膜５と、該固体高分子電解質膜
５の両側面にそれぞれ重ねられた酸化剤極である空気極
３と燃料極４とを備えた単位セルと、単位セルの空気極
３に重ねられたセパレータ６と、燃料極４に重ねられた
セパレータ７とを備えている。つまり、固体高分子電解
質膜５を空気極３と燃料極４とで挟持して単位セルを構
成し、さらにセパレータ６、７でその単体を挟持した構
成となっている。 【０００８】セパレータ６、７は、導電性を有し、かつ
耐蝕性を備えた材料で構成され、例えば、導電性と耐食
性を備えた金属、グラファイトなどが用いられる。導電
性と耐食性を備えた金属としては、例えば、ステンレ
ス、ニッケル合金、チタン合金等に耐蝕導電処理を施し
たもの等が挙げられる。 【０００９】セパレータ６には、空気極３と接触する側
の面（一方の端面）に、略等間隔で複数の酸化剤ガス供
給溝が平行に形成され、空気極３に重ねられた状態で空
気供給路８０が形成される構成となっている。空気供給
路８０は、セパレータ６の一方の長辺から他方の長辺へ
向けて形成され、両端は各長辺部で開口している。空気
供給路８０の間には凸部により隔壁８１が形成され、そ
の上端部８１２は、空気極３に接触している。 【００１０】セパレータ６は、空気供給路８０と隔壁８
１が設けられる板状の本体部６０を備え、本体部６０内
には、酸化剤ガス供給溝である空気供給路８０に沿って
形成された冷却流路８２が設けられている。冷却流路８
２には、燃料電池を冷却する冷却媒体として水が流通す
る。冷却流路８２は、セパレータ６に形成された複数の
空気供給路８０に沿って、それぞれ形成されており、図
４に示されているように、冷却流路８２の一端は供給路
８４に、他端は排出路８５にそれぞれ接続されている。
供給路８４は、燃料電池スタック２の外部に設けられて
いる水供給系５０の供給ライン５２に接続され、排出路
８５は、返還ライン５４に接続され、空気供給路８０に
供給されなかった水は、水タンク５３へ返還され、燃料
電池スタック２と水タンク５３の間で冷却水が循環する
構成となっている。このようにして、冷却水は、セパレ
ータ６の側縁部の一端から他端へ流通する。 【００１１】空気供給路８０と冷却流路８２との間に
は、水を空気供給路８０へ供給する供給手段である通路
として貫通孔８３が連通している。貫通孔８３は、等間
隔で複数設けられ、冷却流路８２内を流れる冷却水が、
貫通孔８３を介して空気供給路８０内へ流入する。貫通
孔８３から空気供給路８０へ供給された水は、蒸発する
際の潜熱による冷却効果を発揮するとともに、空気極３
の乾燥を防止し、常に湿潤状態を維持させることができ
る。 【００１２】ここで、冷却流路８２内を流れる冷却水
は、必ずしも冷却流路８２内に隙間無く満たされている
必要はなく、冷却流路８２の内壁を伝って流れる程度の
流量であってもよい。従って、例えば、貫通孔８３が形
成されている側面８２１を伝って流れる場合には、貫通
孔８３から水が空気供給路８０へ流出するが、違う側面
を伝って流れる場合には、水が空気供給路８０へ流出し
ない場合もある。しかし、水が、冷却流路８２の内壁を
伝って流れれば、セパレータ６は冷却され、充分な冷却
効果を得ることができる。 【００１３】燃料極４側のセパレータ７には、燃料ガス
を流通させるガス供給路９が形成されている。ガス供給
路９は、単位ユニットを構成した状態で、空気供給路８
０に対して直交する方向へ形成されている。セパレータ
６に設けられている冷却媒体が流通する冷却流路８２と
同様の流路は、セパレータ７に設けることもできる。 【００１４】この実施形態では、燃料電池単位ユニット
を使用状態にセットした状態で、空気供給路８０が上下
方向に沿って位置するように構成されている。このよう
に構成することで、空気供給路８０に供給された冷却水
を下方に滴下させて、空気供給路８０から容易に排出す
ることができる。 【００１５】図５に示されているように、以上のように
構成された燃料電池単位ユニットを複数積層して、即ち
直列に接続して、燃料電池スタック２を構成する。上記
セパレータ６の構成において、空気供給路８０における
空気の流通方向と逆方向に冷却水が流れる構成としても
よい。以上説明した燃料電池のセパレータ６の構成とし
ては、以下に説明するような他の構成とすることもでき
る。第２の実施形態としては、排出路８５を設けず、冷
却流路８２に供給された冷却水は、貫通孔８３を介して
全て空気供給路８０へ流出させる構成としてもよい。こ
の場合には、例えば、図６に示されているのように、セ
パレータ６の平行な対向する端辺（上辺側と下辺側）に
沿って、それぞれ供給路８４ａ、８４ｂを設け、各供給
路８４ａ、８４ｂから一つおきに交互に冷却流路８２
ａ、８２ｂを接続した構成とすることができる。この構
成では、冷却流路８２ａ内では、上方から下方へ向けて
冷却水が流れ、冷却流路８２ｂ内では、下方から上方へ
向けて冷却水が流れる。つまり、それぞれ逆方向に冷却
水が流通する。 【００１６】冷却水は、熱交換をしながら流路内を流れ
るので、下流側へ向けて冷却水の温度が上昇し冷却効果
が低下する。しかし、この実施形態のように、冷却水の
流通方向を交互に逆向きとすることによって、セパレー
タ６をより均一に冷却することができる。あるいは、排
出路８５を設けず、冷却流路８２の下端は全てセパレー
タ６の下端辺に開口し、セパレータ６の下端辺から外部
に冷却水を排出される構成としてもよい。この場合に
は、燃料電池スタック２の下側に設けられている集水ト
レーに排水は回収され、後述するタンク５３へ返還され
る構成とすることができる。 【００１７】第３の実施形態としては、図７に示されて
いるように、冷却流路８２ｃを、空気供給路８０に対し
て交差する方向に形成してもよい。第４の実施形態とし
ては、図８に示されているように、隔壁８１内に冷却流
路８２を形成することもできる。隔壁８１は、空気極３
に接触するので、隔壁８１内に冷却流路８２を形成する
と、冷媒の位置が空気極３に接近し、冷却効果が向上す
る。また、この場合に、空気供給路８０と連通する貫通
孔８３は、空気供給路８０の側壁面８１１に形成される
こととなる。側壁面８１１に貫通孔８３を設けることに
よって、空気供給路８０に供給された冷却水が空気極３
に接触し易くなり、極を湿潤状態に維持する効果を確実
に発揮させることができる。 【００１８】第５の実施形態としては、図９に示されて
いるように、隔壁８１内に冷却流路８２を形成し、隔壁
８１の空気極３との上端部（接触面）８１２に貫通孔８
３を構成してもよい。この構成では、直接空気極３に貫
通孔８３から冷却水を供給し、空気極３の乾燥が防止で
きる。第６の実施形態としては、図１０に示されている
ように、セパレータ６を、平断面が波形となるように形
成された空気供給路構成部材６２と、その背面側に重ね
られた平板状の背面部材６１とを備えた構成とすること
もできる。背面部材６１と空気供給路構成部材６２との
間の隙間には、平面状の冷却流路８２ｄが構成され、隔
壁８１内には溝状の流路８２ｅが形成される。このよう
な構成とすることで、冷却水が充填される範囲が増大
し、冷却効果が向上する。また、貫通孔８３は、空気供
給路８０内の底面８０１と、空気供給路８０の側壁面８
１１のいずれにも形成することがでる。 【００１９】次に、以上のように構成された燃料電池ス
タック２を用いた燃料電池システムの構成について説明
する。図１１に示されているように、この燃料電池シス
テム１は燃料電池スタック２、水素吸蔵合金１１を含む
燃料供給系１０、空気供給系４０、水供給系５０及び負
荷系７０から大略構成される。燃料供給系１０では、水
素供給路２０を介して水素吸蔵合金１１から放出された
水素を燃料スタック２の各単位ユニットの水素ガス流路
９へ送る。水素供給路２０には、水素調圧弁２１が配設
され、水素吸蔵合金１１から放出された水素ガスを調圧
している。符号２３は水素供給電磁弁２３であって、水
素供給路２０の開閉を制御している。燃料電池スタック
２へ供給される直前の水素ガス圧は水素元圧センサ２５
でモニタされている。 【００２０】燃料供給系１０において、燃料電池スタッ
ク２から排出される水素ガスは水素排気路３０を介して
大気へ放出される。水素排気路３０には逆止弁３１と電
磁弁３３が設けられている。逆止弁３１は水素排気路３
０を介して空気が燃料電池スタック２の燃料極に進入す
ることを防止する。電磁弁３３は間欠的に駆動されて水
素の完全燃焼を図る。 【００２１】空気供給系４０は大気から空気を燃料電池
スタック２の空気流路８に供給し、燃料電池スタック２
から排出された空気を水凝縮器５１を通過させて排気す
る。空気供給路４１にはファン４３が備えられ、大気か
ら空気を空気マニホールド４５へ送る。空気はマニホー
ルド４５から燃料電池スタック２の空気供給路８へ流入
して空気極３へ酸素を供給する。燃料電池スタック２か
ら排出された空気は水凝縮器５１で水分が凝縮・回収さ
れて大気へ放出される。燃料電池スタック２から排出さ
れる温度は排気温度センサ４７によりモニタされてい
る。 【００２２】冷却水の冷却流路８２から空気供給路８０
へ送られた冷却水の大部分は液体の状態を維持したまま
水凝縮器５１に到達し、そのままタンク５３へ送られて
回収される。供給された水の一部は蒸発し、水凝縮器５
１において凝縮されて回収される。なお、排出空気に含
まれる水蒸気には燃料電池スタック２の発電反応に伴う
反応水に起因するものもあると考えられる。 【００２３】水供給系５０はタンク５３の水を、ポンプ
６４により、各燃料電池単位ユニットの冷却水供給路８
４へ配管５２を介して圧送し、供給された冷却水の一部
を、各燃料電池単位ユニットの排出路８５から配管５４
を介してタンク５３に回収する。各燃料電池単位ユニッ
ト内で、貫通孔８３から空気供給路８０へ供給された水
は、水凝縮器５１で回収され、タンク５３に戻される。
勿論、水供給系５０を完全に閉じることは不可能である
ので、タンク５３の水位を水位センサ５６でモニタして
この水位が所定の閾値を超えたら外部より水を補給す
る。冬季にタンク５３中の水が凍結しないようにタンク
５３にはヒータ５７と凍結防止電磁バルブ５８が取り付
けられている。水凝縮器５１とタンク５３を連結する配
管には電磁バルブ６５が取り付けられてタンク５３内の
水が蒸発するのを防止している。 【００２４】排気温度センサ４７で検出された排出空気
の温度に対応してポンプ６４の出力を制御し、循環する
冷却水の量を調整し燃料電池スタック２の温度を所望の
温度に維持することができる。負荷系７０は燃料電池ス
タック２の出力を外部に取り出して、モータ７７等の負
荷を駆動させる。この負荷系７０にはスイッチのための
リレー７１と補助出力源となる２次電池７５が設けら
れ、２次電池７５とリレー７１との間に整流用のダイオ
ード７３が介在されている。なお、燃料電池スタック２
自体の出力は電圧センサ７５で常にモニタされている。
このモニタ結果に基づき、図示しない制御回路で水素排
気電磁弁３３の開閉が制御される。 【００２５】 【発明の効果】請求項１に記載の発明によれば、セパレ
ータ内に冷却水が流通する冷却流路が設けられているの
で、燃料電池の構造を大型化することなく、冷却効率を
上げることができる。また、セパレータの各部をより均
一に冷却することができ、温度制御がより精密にでき
る。ガス供給路に平行に冷却流路を形成することによ
り、反応熱の発生する電極に沿って冷却水を流通させる
こととなり、冷却効率がより向上する。 【００２６】凸部である隔壁内に冷却水の流路を形成す
ることにより、電極により近接した位置に冷却水が流通
することとなり、冷却効率が向上する。貫通孔が酸化剤
ガス供給溝の側壁面に形成されているので、電極に対し
て一層確実に水を接触させることができ、電極の湿潤状
態を維持し易くなる。

【図面の簡単な説明】 【図１】燃料電池を構成する燃料電池単位ユニットの側
面断面図である。 【図２】燃料電池のセパレータの部分断面平面図であ
る。 【図３】燃料電池のセパレータの全体正面図である。 【図４】燃料電池のセパレータの部分拡大正面図であ
る。 【図５】燃料電池スタックの部分拡大斜視図である。 【図６】他の実施形態における燃料電池のセパレータの
全体正面図である。 【図７】他の実施形態における燃料電池のセパレータの
部分断面平面図である。 【図８】他の実施形態における燃料電池のセパレータの
部分断面平面図である。 【図９】他の実施形態における燃料電池のセパレータの
部分断面平面図である。 【図１０】他の実施形態における燃料電池のセパレータ
の部分断面平面図である。 【図１１】燃料電池システムの構成を示す模式図であ
る。 【符号の説明】 １ 燃料電池システム ２ 燃料電池スタック ３ 空気極 ４ 燃料極 ５ 固体高分子電解質膜 ６ セパレータ ７ セパレータ ８０ 空気供給路（酸化剤ガス供給溝） ８１ 隔壁（凸部） ８２ 冷却流路 ８３ 貫通孔 １０ 燃料供給系 ４０ 空気供給系 ５０ 水供給系 ７０ 負荷系

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 上野 正隆 東京都千代田区外神田２丁目19番12号 株 式会社エクォス・リサーチ内 Ｆターム(参考） 5H026 AA06 BB04 CC03 EE02 5H027 AA06 BA14 CC06

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 燃料電池の単位セル間を区画するととも
   に該単位セルを電気的に直列に接続する燃料電池の耐蝕
   導電処理を施した金属製板状セパレータであって、 前記セパレータの一端面に形成され、前記単位セルの酸
   化剤極と接触する凸部により形成された酸化剤ガス供給
   溝と、 前記セパレータの前記凸部内に、前記酸化剤ガス供給溝
   と平行に形成され、前記セパレータの側縁部の一端から
   他端へ冷却水を流通する冷却流路と、 前記酸化剤ガス供給溝の側壁面に形成され、前記酸化剤
   ガス供給溝と前記冷却流路とを貫通し、前記冷却流路の
   冷却水を前記酸化剤ガス供給溝に供給する貫通孔とを備
   えている燃料電池のセパレータ。