JP2004220828A - 固体高分子形燃料電池用のセパレータ構造 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、電気化学反応に寄与する反応ガスのガス流路への凝縮水の進入を阻止し、また、進入した水滞留を即座に排除することにより、単位セル全面に亘って均一な発電が、長時間安定して確保できる固体高分子形燃料電池用のセパレータを提供することにある。
【解決手段】反応ガス供給用マニホールド３１と反応ガス流路３３のガス流入端部４０との間にノズルプレート２０を取り付けたセパレータ３０であって、ノズルプレート２０は、略長方形の板状をしており、板状の片側の面に、長手方向の端部からもう一方の長手方向の端部を突出するように反応ガス流路と同一方向、且つ、同一間隔で複数の凸状のノズル２３が設けられており、さらに、そのノズル２３の略中心部には、ノズル２３の全長に亘って貫通するようにノズル穴２４が設けられている。
【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、詳しくは固体高分子形燃料電池用のセパレータ構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子形燃料電池が発電する最小単位の単位セルの構成は、高分子電解質膜（イオン交換膜）が中央に位置し、両側から白金触媒を担持した炭素等からなる燃料極触媒層と集電材としてカーボンペーパ等からなる多孔質支持層との構成による燃料極（アノード）と、白金触媒を担持した炭素等からなる空気極触媒層と集電材としてカーボンペーパ等からなる多孔質支持層との構成による空気極（カソード）とで挟んで膜・電極接合体を形成し、さらに、その外側から単位セルを積層して燃料電池を構成したときに、外部から供給された水素や酸素といった反応ガスを膜・電極接合体に供給するための反応ガス供給路と、単位セル間の電気的接続を兼ねるセパレータで挟持されている。
【０００３】
この単位セルの発電のしくみは、外部から供給された水素ガスは燃料極側に設けられたセパレータの反応ガス供給路に分配され、反応ガス供給路に対向した多孔質支持層で拡散されて燃料極触媒層に吸収され、白金触媒上でイオン化して水素イオンと電子に別れる。一方、外部から供給された酸素ガスは空気極側に設けられたセパレータの反応ガス流路に分配され、反応ガス流路に対向した多孔質支持層で拡散されて空気極触媒層に吸収され、白金触媒層上で高分子電解質膜を移動してきた水素イオンと外部に接続された回路を通って移動してきた電子とが反応して水が生成される。このとき、外部に接続された回路を流れる電子の流れとは逆の方向に電流が流れ、電気エネルギーを得ることができる。
【０００４】
上述した電気化学反応において、水素イオンは２ないし３個の水分子を伴って高分子電解質膜を移動する。従って、高分子電解質膜が十分な水素イオンの導伝性を確保するためには、膜を常に湿潤状態にしておくことが不可欠あり、そのために、反応ガスを加湿して供給することが行なわれている。しかしながら、この加湿された反応ガスが、ガス供給配管系で結露し、その凝縮水が単位セルを積層した燃料電池に反応ガスを供給するガス供給用マニホールドを介して単位セルに入り込み、セパレータに並設せれた反応ガス流路を閉塞さて電気化学反応を阻害させることがある。また、加湿された反応ガスがセパレータ内で結露し、上述したと同様にセパレータに並設せれた反応ガス流路を閉塞させて電気化学反応を阻害させることもある。一方、空気極での反応で生成された水がセパレータに並設せれた反応ガス流路を閉塞させて電気化学反応を阻害させることもある。そこで、これを防止するために、燃料電池を構成する単位セルに反応ガスを供給するガス供給用マニホールド１０に吸水体１１ａを設けて配管系やガス供給用マニホールド１０で結露した結露水を捕捉し、結露水がセパレータ板７に並設されたガス供給溝６に流れ込むのを防止するものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−１５５７５９号公報（第２−５頁、第２図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、各単位セルを積層した燃料電池を貫くガス供給用マニホールドの内部に吸水体を配設することは、困難な作業といわざるを得ない。また、時間経過と共に、吸水体がよごれ、積層された単位セル間の電気絶縁性が低下することが考えられる。さらに吸水体が吸水を続けることによって次第に吸水効果力が低下し、その結果、一旦吸水体に水分が充満するとセパレータに流れ込んで反応ガス流路の水閉塞の状態を引き起こしやすくなる。それを防ぐために、吸水体の吸水効果が低下した時点で新しい吸水体に交換することも考えられるが、上述したように、単位セルを積層した燃料電池から古い吸水体を取り出し、新しい吸水体を再配設することは困難な作業で、しかも、交換中は電源として使用できないため、燃料電池を電源とする機器類に与える影響も無視できない問題である。
【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、電解質膜の両面に空気極と燃料極とを接合して構成された膜・電極接合体を挟むように配置され、中央部に独立した複数の反応ガス流路が並設されて、周辺部に外部から反応ガスを供給する反応ガス供給用マニホールドと外部に反応ガスを排出する反応ガス排出用マニホールドが設けられ、前記反応ガス供給用マニホールドと前記反応ガス流路のガス流入端部との間にノズルプレートが取り付けられている燃料電池用セパレータであって、前記ノズルプレートは略四角形の板状で、前記反応ガス供給用マニホールド方向に前記反応ガス流路と同一の間隔で複数の凸状のノズルが一体に形成され、前記ノズルの夫々の略中心部に前記ノズルの先端部と前記ノズルプレートの前記ガス流入端部方向の端部とを前記反応ガス流路と同一方向で貫通するようにノズル穴が設けて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において、前記ノズルプレートは、前記反応ガス供給用マニホールド側の端部から該端部と平行を保って前記反応ガス流路の方向で、前期セパレータに対向する面から厚み方向に切欠部を設けたことを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１または２の何れか１項において、前記セパレータにおいて、前記反応ガス流路の外周部に、水抜き流路を設け、該水抜き流路の開口部の底面の位置は前記ノズルの最下部より低い位置にある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１から３の何れか１項において、前記ノズルプレートのノズルの形状は、前記ノズル方向に直交する面で切断した断面形状が、略○形、略△形、略□形、略◇形、略▽形のいずれか、または、これらの組み合わせで構成されていることを特徴とするものである。
【００１１】
また、本発明の請求項５に記載された発明は、請求項１から４の何れか１項において、前記ノズルの形状は、前記ノズル方向に直交する面で切断した断面形状を保持しながら前記ノズル先端部に向かって断面積が小さくなっていることを特徴とするものである。
【００１２】
また、本発明の請求項６に記載された発明は、請求項１から５の何れか１項において、前記ノズルと前記セパレータとの隙間の前記ノズル近傍に吸水材を設けたことを特徴とするものである。
【００１３】
また、本発明の請求項７に記載された発明は、請求項３から６の何れか１項において、前記ノズルと一体となった端部は、前記水抜き流路側に向かって反応ガス流路方向に傾斜していることを特徴とするものである。
【００１４】
また、本発明の請求項８に記載された発明は、請求項３から７の何れか１項において、前記水抜き流路は、流路全面に吸水材を設けたことを特徴とするものである。
【００１５】
【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から図１１参照しながら、詳細に説明する（同一部分については同じ符号を付す）。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。
【００１６】
図２及び図３は本発明に係る固体高分子形燃料電池用のセパレータ構造の第１実施例を示すもので、図２はセパレータ３０に取り付けるノズルプレート２０の斜視図、図３はノズルプレート２０を取り付けた状態のセパレータ３０の部分平面図である。図２に示すように、ノズルプレート２０の形状は、略長方形の板状をしており、板状の片側の面に、長手方向の端部からもう一方の長手方向の端部を突出するように短手方向に平行に複数の凸状のノズル２３が設けられており、さらに、そのノズル２３の略中心部には、前記凸状のノズル２３の全長に亘って貫通するようにノズル穴２４が設けられている。
【００１７】
図３は、上述したノズルプレート２０をセパレータ３０の反応ガス供給用マニホールド３１とセパレータ３０に設けられた反応ガス流路３３のガス流入端部４０との間に取り付けた状態を示したものである。セパレータ３０は高分子電解質膜が中央に位置し、両側を触媒層と多孔質支持層との構成による燃料極および空気極とで挟んで膜・電極接合体が形成されたものの両側からさらにこれを挟むように設けら、膜・電極接合体に反応ガスを供給して電気化学反応を起こさせるためのもので、導電性のある炭素系あるいは金属系の材料で平板状に形成されたものである。ここで、反応ガスの流れを説明すると、反応ガス供給用マニホールド３１を介して外部から供給された反応ガスは、上述のノズルプレート２０のノズル２３に設けられたノズル２４に入り、ノズルプレート２０を通り抜けてセパレータ３０の表面に複数並設され、連続する凸状のリブ３２と凹状の底面とで形成された反応ガス流路３３に供給され、反応ガス流路３３を流れている間に膜・電極接合体に拡散されて電気化学反応が行なわれる。従って、ノズルプレート２０のノズル２３に設けられたノズル穴２４は、セパレータ３０に設けられた反応ガス流路３３と同一の間隔で形成されている。反応ガスをノズル穴２４に通す目的は、ノズル穴２４で発生する圧力損失が反応ガス流路３３全体の圧力損失を支配することで、反応ガス流路３３に均一な反応ガス分配を行ない、さらに、セパレータ３０の反応ガス流路３３に高速の反応ガスを送り込むことにより、反応ガス流路３３に水滞留が生じることを抑制する。もし、反応ガス流路に水滞留が生じた場合、水滞留部の上流と下流間に圧力差を生じさせ、その圧力差で水を排除することなどである。
【００１８】
一方、固体高分子形燃料電池では、高分子電解質膜は、水素イオンに対して高い伝導性を確保するために常に湿潤状態にしておく必要がある。そのために、反応ガスを加湿して膜・電極接合体に供給している。そこで、この加湿された反応ガスの凝縮水５０が反応ガス供給用マニホールド３１からノズルプレーと２０の部分に進入した場合、ノズルプレート２０のノズル穴２４に入って反応ガス流路３３を閉塞させルことになる。そこで、ノズル穴２４に凝縮水５０が進入しないようにノズルプレート２０に設けられたノズル２３のノズル穴２４の先端が尖らせてあり、凝縮水５０が容易に進入しないようにしてある。
【００１９】
図４及び図５は本発明に係る固体高分子形燃料電池用のセパレータ構造の第２実施例を示すもので、図４はセパレータに取り付けるノズルプレートの斜視図、図５はノズルプレートを取り付けた状態のセパレータの部分平面図である。図４に示すように、ノズルプレート２０の形状は、略長方形の板状をしており、長辺に対応する端部から端部に平行を保って反応ガス流路３３に向けて、板状の片面から厚み方向に切欠部２１が設けてある。そして、切欠部２１以外の端部２２からはその端部２２の厚み以内で板状の短手方向と平行に複数の凸状のノズル２３が略長方形の板状と一体となって形成されており、さらに、そのノズル２３の略中心部には、反対側の長辺に対応する端部と貫通するように貫通穴のノズル穴２４が設けられている。
【００２０】
図５は、第２実施例のノズルプレート２０をセパレータ３０の反応ガス供給用マニホールド３１とセパレータ３０に設けられた反応ガス流路３３のガス流入端部４０との間に取り付けた状態を示したものである。第２実施例のノズルプレート２０の反応ガスに対する機能は第１実施例のノズルプレート２０と基本的には同じであるが、第２実施例のノズルプレート２０は、加湿された反応ガスの凝縮水５０が反応ガス供給用マニホールド３１からノズルプレーと２０の部分に進入した場合、ノズルプレート２０のノズル穴２４に入って反応ガス流路３３を閉塞させルことになる。そこで、ノズル穴２４に凝縮水５０が進入しないようにノズルプレート２０に設けられたノズル２３のノズル穴２４の先端が尖らせてあり、凝縮水５０が進入しないようにしてある。また、ノズルプレート２０には切欠部２１が設けられており、凝縮水５０は反応ガス供給用マニホールド３１から供給された反応ガスの流れに押されてこの切欠部２１を通って反応ガス流路３３の周辺部に設けられた水抜き流路３４を通ってセパレータ３０から排出される。また、ノズルプレート２０のノズル２３に設けられたノズル穴２４は凝縮水５０が通る切欠部２１よりもセパレータ３０の表面に対して高い位置に設けられているので、凝縮水５０が浸入することはない。
【００２１】
図６は、本発明に係る固体高分子形燃料電池用のセパレータ構造の第３実施例を示すものであって、図５のＡ−Ａ断面図である。ノズルプレート２０のノズル２３の最下部３５に対して水抜き流路３４の開口部の底面３６を低い位置に設けてある。これにより、セパレータ３０に進入した凝縮水５０は、凸状のノズル２３の高さに到達する前に水抜き流路３４に流れ込んでしまう。したがって、ノズル穴２４には凝縮水５０が進入することはない。
【００２２】
図７は本発明に係る固体高分子形燃料電池用のセパレータ構造の第４実施例を示すもので、セパレータ３０に取り付けられるノズルプレート２０の凸状のノズル２３の形状を示す部分斜視図である。夫々凸方向に直交する断面の形状が、円形４ａ、△形４ｂ、□形４ｃ、◇形４ｄであって、ノズル２３の最下部３５を通過する凝縮水５０の流れやすさ、反応ガス供給用マニホールド３１から供給された反応ガスのノズル穴２４に入りやすさ等を考慮して選択される。
【００２３】
図８は、本発明に係る固体高分子形燃料電池用のセパレータ構造の第５実施例を示すものであって、セパレータ３０に取り付けられるノズルプレート２０の凸状のノズル２３の形状を示す部分斜視図である。ここでは、断面が図６で示す形状で、さらに、根元部の断面積を大きく、先端部に行くに従って断面積を小さくしている。これにより、凝縮水５０がノズル穴２４により入りにくくすることができる。
【００２４】
図９は、本発明に係る固体高分子形燃料電池用のセパレータ構造の第６実施例を示すものであり、セパレータ３０に取り付けられたノズルプレート２０の断面図である。これは、ノズルプレート２０の凸状のノズル２３の最下部３５とセパレータ表面３８との隙間及び周辺に吸水材３９を設けたものであり、凝縮水５０を直接吸水材３９に吸い取らせてノズル穴に進入するのを阻止するようにしたものである。
【００２５】
図１０は、本発明に係る固体高分子形燃料電池用のセパレータ構造の第７実施例を示す平面図である。これは、ノズルプレート２０の凸状のノズル２３を設けたノズルプレート２０のノズル２３根元部の端部３７をセパレータ３０の水抜き流路３４の方に行くに従って反応ガス流路３３側に向けて傾けた構造である。この場合、凝縮水５０の通路が水抜き流路３４の方向に行くに従って広くなっており、水抜き流路３４に向かって凝縮水５０が流れやすくしたものである。
【００２６】
図１１は、本発明に係る固体高分子形燃料電池用のセパレータ構造の第８実施例を示すものであり、水抜き流路３４の全長に対して吸水材３９を設けたものであり、これにより、水抜き流路３４に流れ込んだ凝縮水５０を確実に捕捉すると同時に、反応ガスが水抜き流路３４から漏洩することを阻止するものである。
【００２７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の固体高分子形燃料電池用のセパレータ構造においては、セパレータにノズルプレートを取り付けることによって、反応ガス供給用マニホールドから供給された反応ガスを反応ガス流路に均一に分配でき、反応ガス流路に水滞留が生じた場合は、高速化された反応ガスによって水滞留部の上流と下流の間に圧力差を生じ、即座に水を排除できる。また、セパレータに水抜き流路を設けたことにより、凝縮水が流れ込んだとしても、ノズルプレートに設けられたノズルとセパレータの隙間を通して水抜き流路で排出でき、さらに吸水材を設けることによって完全に捕捉できるため、長時間の運転であっても安定して効率よく発電を行なうことができる、などの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１（特開２００１−１５５７５９号公報）に第２図として記載されたものである。
【図２】本発明に係わる第１実施例を示す固体高分子形燃料電池用のセパレータ構造のセパレータに取り付けるノズルプレートの斜視図である。
【図３】本発明に係わる第１実施例を示す固体高分子形燃料電池用のセパレータ構造のノズルプレートを取り付けた状態のセパレータの部分平面図である。
【図４】本発明に係わる第２実施例を示す固体高分子形燃料電池用のセパレータ構造のセパレータに取り付けるノズルプレートの斜視図である。
【図５】本発明に係わる第２実施例を示す固体高分子形燃料電池用のセパレータ構造のノズルプレートを取り付けた状態のセパレータの部分平面図である。
【図６】本発明に係る固体高分子形燃料電池用のセパレータ構造の第３実施例のノズルプレートと水抜き流路の関係を示す、図５のＡ−Ａ断面図である。
【図７】本発明に係る固体高分子形燃料電池用のセパレータ構造の第４実施例のセパレータに取り付けるノズルプレートのノズルの形状を示す部分斜視図である。
【図８】本発明に係る固体高分子形燃料電池用のセパレータ構造の第５実施例のセパレータに取り付けるノズルプレートのノズルの形状を示す部分斜視図である。
【図９】本発明に係る固体高分子形燃料電池用のセパレータ構造の第６実施例のセパレータに取り付けられたノズルプレートの断面図である。
【図１０】本発明に係る固体高分子形燃料電池用のセパレータ構造の第７実施例を示す平面図である。
【図１１】本発明に係る固体高分子形燃料電池用のセパレータ構造の第８実施例を示す平面図である。
【符号の説明】
２０ ノズルプレート
２１ 切欠部
２２ 切欠部以外の端部
２３ ノズル
２４ ノズル穴
３０ セパレータ
３１ 反応ガス供給用マニホールド
３２ リブ
３３ 反応ガス流路
３４ 水抜き流路
３５ ノズルの最下部
３６ 水抜き流路の低面
３７ ノズル根元部の端部
３８ セパレータ表面
３９ 吸水材
４０ ガス流入端部
５０ 凝縮水

Claims (8)

1. 電解質膜の両面に空気極と燃料極とを接合して構成された膜・電極接合体を挟むように配置され、中央部に独立した複数の反応ガス流路が並設されて、周辺部に外部から反応ガスを供給する反応ガス供給用マニホールドと外部に反応ガスを排出する反応ガス排出用マニホールドが設けられ、前記反応ガス供給用マニホールドと前記反応ガス流路のガス流入端部との間にノズルプレートが取り付けられている燃料電池用セパレータであって、前記ノズルプレートは略四角形の板状で、前記反応ガス供給用マニホールド方向に前記反応ガス流路と同一の間隔で複数の凸状のノズルが一体に形成され、前記ノズルの夫々の略中心部に前記ノズルの先端部と前記ノズルプレートの前記ガス流入端部方向の端部とを前記反応ガス流路と同一方向で貫通するようにノズル穴が設けてあることを特徴とする固体高分子形燃料電池用のセパレータ構造。
2. 前記ノズルプレートは、前記反応ガス供給用マニホールド側の端部から該端部と平行を保って前記反応ガス流路の方向で、前期セパレータに対向する面から厚み方向に切欠部を設けたことを特徴とする請求項１に記載の固体高分子形燃料電池用のセパレータ構造。
3. 前記セパレータにおいて、前記反応ガス流路の外周部に、水抜き流路を設け、該水抜き流路の開口部の底面の位置は前記ノズルの最下部より低い位置にあることを特徴とする請求項１または２の何れか１項に記載の固体高分子形燃料電池用のセパレータ構造。
4. 前記ノズルプレートのノズルの形状は、前記ノズル方向に直交する面で切断した断面形状が、略○形、略△形、略□形、略◇形、略▽形のいずれか、または、これらの組み合わせで構成されていることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の固体高分子形燃料電池用のセパレータ構造。
5. 前記ノズルの形状は、前記ノズル方向に直交する面で切断した断面形状を保持しながら前記ノズル先端部に向かって断面積が小さくなっていることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の固体高分子形燃料電池用のセパレータ構造。
6. 前記ノズルと前記セパレータとの隙間の前記ノズル近傍に吸水材を設けたことを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の固体高分子形燃料電池用のセパレータ構造。
7. 前記ノズルと一体となった端部は、前記水抜き流路側に向かって反応ガス流路方向に傾斜していることを特徴とする請求項３から６の何れか１項に記載の固体高分子形燃料電池用のセパレータ構造。
8. 前記水抜き流路は、流路全面に吸水材を設けたことを特徴とする請求項３から７の何れか１項に記載の固体高分子形燃料電池用のセパレータ構造。

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