JP2004185940A

JP2004185940A - 燃料電池用セパレータ及び燃料電池

Info

Publication number: JP2004185940A
Application number: JP2002350548A
Authority: JP
Inventors: Yasunori Yoshimoto; 保則吉本
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2002-12-02
Filing date: 2002-12-02
Publication date: 2004-07-02

Abstract

【課題】本発明は、単位セルの効率的な発電を促進し、スペースを有効利用できる形状のセパレータを使用して、小型、軽量で発電効率の高い燃料電池を実現する。
【解決手段】セパレータの内部に反応ガスの流路となる凸部と凹部からなる連続的な溝を直線的に設け、溝に沿った方向の両端部の長さと、溝に直交する方向の溝が設けられている部分との長さの比率を２対１乃至は４対１程度とし、溝の長手方向を一にした長方形であって、長手方向の中央部に短手方向の内側に向けて切欠部を設けており、これを組込んだ単位セルを積層したスタック部３０の切欠部にタイロッド３７、燃料電池で発電された電気を取出すための集電板３１、単位セルの電圧を測定するための電圧測定端子３９を設けた。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池に関するものであり、詳しくは単位セルを構成する燃料電池用セパレータ及び燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料電池は、単位セルを構成するセパレータについては、周辺部が平坦で、中央部に表裏面が異なる反応ガスの流路となる凸部と凹部からなる複数の連続的な溝を設け、溝端部の形状が傾斜していること、周辺の平坦部の両面をシールするシール部材を備えていること、セパレータがステンレス鋼もしくはチタン製であることを特徴としており、ガス流路が設けられているのはセパレータ内の略正方形の範囲内である（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、図１（参考文献２の第２図を引用）に示すように、平板部の中央に柱状体の突起部を設け、その周辺に燃料ガス流入孔及び排出孔、酸化剤ガス流入孔及び排出孔、冷却水流入孔及び排出孔を備えた外形が略正方形のセパレータを構成要素とする電池機能部２０ａを複数並列した状態でステンレス等の導電体である左右１対の集電板２１ａ、２１ｂ、及びポリプロピレン等合成樹脂の絶縁体である左右１対の支持板２２を介して、複数本の取付ボルトにより締め付けて組み立てられたものもある（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−２５５８６号公報（第１頁、第１図）
【特許文献２】
特再ＷＯ００／３９８７２号公報（第９−１３頁、第２図）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記、従来の特許文献１（特開２００２−２５５８６号公報）に記載の燃料電池用セルを構成するセパレータにおいては、略正方形内にガス流路が設けられているので、ガス流路の本数が多くなり、供給されたガスが多くの流路に分岐されることにより一本当たりの流路に加わる流速が緩和され、ガスによる一定時間当たりの反応効率が低下し、さらに空気極で生成された水が流路に溜まり、ガスの流れを阻害して発電効率を低下させることにもなる。
【０００６】
また、上記、従来の特許文献１（特再ＷＯ００／３９８７２号公報）に記載の燃料電池は、外形が略正方形のセパレータを構成要素として電池機能部を形成しているので、電池機能部も直方体になり、締め付けのために取り付けられれる複数本の取り付けボルトや、電池機能部から発電された電気を取り出す集電板は電池機能部の外側に取り付けられることになる。したがって、燃料電池において発電に必要な部分は電池機能部でありながら、締め付けボルトや集電板によって、燃料電池の大きさが電池機能部より大きくなるという問題点が上げられる。
本発明は、上記問題に鑑みて創案なされたものであり、小型、軽量で、発電効率を向上させた燃料電池用セパレータ及び燃料電池を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載された発明は、複数の反応ガス流路が並設された燃料電池用セパレータであって、前記流路が該流路の両端を結ぶ方向を長手方向とする矩形の範囲に設けられ、前記長手方向を一にする矩形であって、前記長手方向の中央部に短手方向の内側に向けて切欠部が設けられた形状であることを特徴とするものである。
【０００８】
また、本発明の請求項２に記載された発明は、請求項１に記載の燃料電池用セパレータを構成要素とする単位セルを積層したスタックの前記積層方向に圧縮荷重を加え、固定するために前記スタックの両最外側に配設されたタイプレートに連結し、締め付けるためのタイロッドが前記切欠部に設けられたこと特徴とするものである。
【０００９】
また、本発明の請求項３に記載された発明は、請求項２において、前記スタックで発電した電気を外部に取出すための集電板が前記スタックの切欠部に設けられたことを特徴とするものである。
【００１０】
また、本発明の請求項４に記載された発明は、請求項２乃至３において、前記スタックを構成する単位セルの電圧測定用端子が前記切欠部に設けられたことを特徴とするものである。
【００１１】
さらに、本発明の請求項５に記載された発明は、請求項２乃至４において、前記スタックの切欠部及び全周部に断熱材が矩形に設けられたことを特徴とするものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の好適な実施形態を図２乃至図４を参照しながら、詳細に説明する。尚、以下に述べる実施形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。
【００１３】
図２は、本発明に係る燃料電池用セパレータの実施例を示す平面図である。セパレータの内部には反応ガスの流路となる凸部と凹部からなる連続的な溝１が直線的に設けられており、溝１に沿った方向の両端部を結ぶ長さと、溝１に直交する方向の溝１が設けられている部分の長さの比率は、２対１乃至は４対１程度となっている。そして外形は、溝１の長手方向を一にした長方形であって、長手方向の中央部に短手方向の内側に向けて切欠部２が設けられおり、各角部にはそれぞれ、燃料ガス入口３、燃料ガス出口４、冷却水入口５、冷却水出口６の穴が備えられている。
【００１４】
図３は、本発明に係る燃料電池の第１実施例を示す組立斜視図である。第１実施例の燃料電池は、上記燃料電池用セパレータを単位セルの構成要素として燃料電池に組上げたものであり、最初に（図示していないが）中心となる高分子電解質膜を両側から触媒電極となる燃料極と空気極とで挟み、その外側に集電材として多孔質の支持層を、さらにその外側に燃料ガスと酸化剤ガスの供給通路を備えて、長手方向の中央部に短手方向の内側に向かって切込部を設けた上記燃料電池用セパレータを配置し、一体化して単位セルが構成されている。そして、前記構成の単位セルを積層したスタック部３０を中心に、外側に向かって順次それぞれ１対の、スタック部３０で発電した電気を外部に取出すための集電板３１、電気的な絶縁を確保するためのインシュレータ３３、スタック部３０に面内均一な圧縮荷重を加えるためのエンドプレート３４が配置され、最も外側にはエンドプレート３４に荷重を加えるための片側に２枚のタイプレート３５が配置されている。そして、２枚のタイプレート３５のそれぞれスタック部３０を挟んで対称な位置に対称に配置された１対のタイプレート３５の両端部に貫通孔が設けられ、両端部にネジ部３６が設けられたタイロッド３７の両端部を１対のタイプレート間を結んで貫通させて外側からナット３８で締め付けることのより、スタック部３０、集電板３１、インシュレータ３３、エンドプレート３４、タイプレート３５に圧縮荷重を加えた状態で一体化したものである。
【００１５】
そして、タイロッド３７、燃料電池で発電された電気を取出すための集電板３１、単位セルの電圧を測定するために設けられた電圧測定端子３９は、組み立てられた燃料電池としても形成された切欠部の部分に設けられている。
【００１６】
さらに、図４は、本発明に係る燃料電池の第２実施例を側面から見た参考図であり、上記燃料電池５０を断熱材４１で矩形に囲んだ構造になっている。なお、集電板３１、電圧測定用端子３９の周辺は断熱材に切取部４２が設けられていて外部から接触できるようになっている。
【００１７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の燃料電池用セパレータ及び燃料電池において、燃料電池用セパレータの内部には反応ガスの流路となる凸部と凹部からなる連続的な溝が直線的に設けられており、溝に沿った方向の両端部の長さと、溝に直交する方向の溝が設けられている範囲の長さの比率は、２対１乃至４対１程度となっている。限られたセパレータの大きさの中で、セパレータに供給されるガスを効率よく反応に寄与させるためには、流路の数を少なくして、流路を流れるガスの流速を上げることが効果的である。また流速を上げることによって、空気極で生成されて流路に溜まった水を吹き飛ばしてガスの流れを妨げるのを防ぐ効果もある。ただし、電池の発電容量を大きくするためにはガスによる反応面積を大きくとる必要があり、流路の本数を減らすことは反応面積が少なくなって発電容量を減少させる方向になる。したがって適度な流速で、適度な面積の流路を確保するためには、流路の両端部を結ぶ長さと、それに直交する方向の流路が設けられている部分の長さの比率を２対１乃至４対１程度とすることにより発電効率の良い燃料電池が実現できる。
【００１８】
また、タイロッド、燃料電池で発電された電気を取出すための集電板、単位セルの電圧を測定するために設けられた電圧測定端子を、燃料電池の切欠部に設けることによりセパレータの四つの角を結ぶ方形を底辺とする直方体の大きさにできるため、燃料電池の小型化、軽量化が可能となる。
【００１９】
さらに、燃料電池を断熱材で周囲を囲むことによる保温効果により、反応を促進し、発電効率の効率向上が図られる。特に燃料電池の切欠部が反応に最も寄与する部分であるが、その部分に特に厚く断熱材が設けられるので、燃料電池の形状が発電効果の向上に寄与することになるという優れた効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】参考文献２（特再ＷＯ００／３９８７２号公報）に第２図として記載されたものである。
【図２】本発明に係わる燃料電池用セパレータの実施例を示す平面図である。
【図３】本発明に係わる燃料電池の第１実施例を示す組立斜視図である。
【図４】本発明に係わる燃料電池の第２実施例を側面から見た参考図である。
【符号の説明】
１溝
２切欠部
３燃料ガス入口
４燃料ガス出口
５冷却水入口
６冷却水出口
３０スタック部
３１集電板
３３インシュレータ
３４エンドプレート
３５タイプレート
３６ネジ部
３７タイロッド
３８ナット
３９電圧測定用端子
７０ガイド穴

Claims

複数の反応ガス流路が並設された燃料電池用セパレータであって、前記流路が該流路の両端を結ぶ方向を長手方向とする矩形の範囲に設けられ、前記長手方向を一にする矩形であって、前記長手方向の中央部に短手方向の内側に向けて切欠部が設けられた形状であることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
請求項１に記載の燃料電池用セパレータを構成要素とする単位セルを積層したスタックの前記積層方向に圧縮荷重を加え、固定するために前記スタックの両最外側に配設されたタイプレートに連結し、締め付けるためのタイロッドが前記切欠部に設けられたこと特徴とする燃料電池。
前記スタックで発電した電気を外部に取出すための集電板が前記スタックの切欠部に設けられたことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
前記スタックを構成する単位セルの電圧測定用端子が前記切欠部に設けられたことを特徴とする請求項２又は３に記載の燃料電池。
前記スタックの切欠部及び全周部に断熱材が矩形に設けられたことを特徴とする請求項２乃至４に記載の燃料電池。