JP2005197026A - 燃料電池と燃料電池用セパレータ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 MEA12に当接設置するセパレータ20に、MEA12と接する面(対向面)とその背面のそれぞれに流路を形成した。そして、対向面では、酸化ガスが流れる単セル内酸化ガス流路40とし、背面では、冷却水が流れるセル間冷却水流路41aと、冷却ガスが流れるセル間冷却ガス流路41bとした。セパレータ20は、セル間冷却ガス流路41bの形成箇所に、多孔質部位50を備える。多孔質部位50は、水分に対する耐食性を有するカーボン多孔質体であり、その他のセパレータ部位は、金属板からなる緻密質である。多孔質部位50は、単セル内酸化ガス流路40の水分をセル間冷却ガス流路41bの側に排出する。
【選択図】 図3
Description
燃料電池は、電解質膜・電極を接合させた単電池セルを積層させているので、単電池セルの積層数に応じて起電力がほぼ定まる。よって、所望する起電力を得るためには単電池セルの積層数が決まるが、例えば燃料電池の車両搭載等の場合には、その設置スペース上の寸法的な制約を受ける。なお、こうした制約は、車載に限らず、地上設置式の発電システムでの燃料電池にも存在する。
A.装置の全体構成:
B.セパレータが備える多孔質部:
C.水分授受の動作:
D.効果:
E.変形例:
図1は本発明の好適な一実施例である燃料電池を構成する基本単位である単セル10の構成を表わす分解斜視図、図2は単セル10を構成するセパレータ20の様子を表わす平面図、図3は単セル10の内部構成を図2の3−3線に沿った断面として模式的に表わす断面図、図4は単セル10の内部構成を図2の4−4線に沿った断面として模式的に表わす断面図である。
図2の3−3線断面を表す図3に示すように、セパレータ20は、既述したセル間冷却ガス流路41bの形成箇所に、多孔質部位50を有する。この多孔質部位50は、本実施例では、カーボン粉末の形状やサイズ、あるいはバインダとの混合比率などを適宜選定することにより所望の気孔率にしたカーボン多孔質体である。つまり、多孔質部位50は、セル間冷却ガス流路41bを有するカーボン多孔質体として形成される。このように、多孔質部位50は、カーボン多孔質体であることから、単セル内酸化ガス流路40の側からセル間冷却ガス流路41bの側へと水分が通過することを可能とすると共に、この通過する水分および単セル内酸化ガス流路40を流れる酸化ガスに対して、耐食性を有することになる。この場合、多孔質部位50は、多孔質部位50以外の領域(以下、セパレータ基部という)が後述するように金属製であることから、このセパレータ基部に比して、耐食性に勝ることになる。なお、この多孔質部位50としては、所望の気孔率を有する焼結金属や金属メッシュなどの金属多孔質体とすることもできるが、この点については、後述する。
燃料電池では、電気化学反応の進行に伴ってカソードで水が生じる。電気化学反応で生じた水は、単セル内酸化ガス流路40を通過する酸化ガス中に気化して、酸化ガスと共に下流に流れる。そのため、単セル内酸化ガス流路40においては、下流側ほどガス中の水分量が多くなる。よって、本実施例の燃料電池は、この水分量が多いガスの流れの下流側にて、単セル内酸化ガス流路40から多孔質部位50に水分を取り込み、その水分を多孔質部位50からセル間冷却ガス流路41bを流れる冷却ガス中に排出する。
以上のように構成された本実施例の燃料電池によれば、次の利点がある。
(1)多孔質部位50を経て、単セル内酸化ガス流路40からセル間冷却ガス流路41bへと水分を排出できるため、単セル内酸化ガス流路40内に水分が滞留することに起因する不都合を防止することができる。また、多孔質部位50は、カーボン多孔質体であることから、水分および単セル内酸化ガス流路40を流れる酸化ガスに対して耐食性を呈するので、上記した単セル内酸化ガス流路40からの水分吸収と、セル間冷却ガス流路41bへの水分排出を好適に維持できる。よって、単セル内酸化ガス流路40内に水分が滞留することに起因する不都合を継続して防止できる。
この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
多孔質部位50と、当該部位以外のセパレータ20(セパレータ基部)を共に金属或いは合金を用いて形成し、多孔質部位50と、緻密質部位52を含むセパレータ基部とで、材料の選定を行う。つまり、多孔質部位50を構成する材料を、その金属元素のイオン化傾向がセパレータ基部を構成する材料の金属元素のイオン化傾向により小さいものとする。例えば、セパレータ20や多孔質部位50に採用可能な金属、或いは合金には、元素記号でいうところのNa、Mg、Al、K、Ca、Mn、Zn、Cr、Fe、Ni、Sn、Pb、Cu、Ag、Pt、Au等の種々の金属元素を含むものがある。このうち、多孔質部位50をSn、Pb、Cu、Ag等のイオン化傾向の金属元素を含む金属材料或いは合金材料から形成すれば、セパレータ20(セパレータ基部)については、これよりイオン化傾向の大きいMg、Al、K、Ca、Mn、Zn、Cr、Fe、Niの金属元素を含む金属材料或いは合金材料から形成する。
まず、適宜な金属或いは合金材料から金属多孔質体の多孔質部位50を製造する。そして、この多孔質部位50に、電気メッキ等の表面処理に処する。具体的には、水分に対して耐食性に優れる金属のイオンを含む水溶液に多孔質部位50を浸漬し、この多孔質部位50をカソードとして電流を流し、多孔質部位50に、詳しくは孔表面に耐食性を有する金属の膜を電解析出させる。こうした手法で孔表面に形成した耐食性の表面処理膜で、多孔質部位50に耐食性を付与する。こうすれば、多孔質部位50の材料選択の余地が広がるので、材料選択によって多孔質でありながら強度を確保し、表面処理膜形成により、耐食性を確保できる。
図示するように、この変形例の多孔質部位50は、単セル内酸化ガス流路40の側に段部51を有する。そして、この多孔質部位50が嵌り込む側のセパレータ20に、この段部51に合わせた段を形成する。こうすれば、多孔質部位50を嵌め込んだ場合の接合面が増え、その後の溶接・接着等による一体化をより安定化することができる。
12...MEA
13,14...ガス拡散層
13...ガス拡散層
14...ガス拡散層
15...接続流路
16...空気ポンプ
17...空気分岐路
18...流量調整弁
20,22...セパレータ
22a,22b...孔部
24a,24b...孔部
26a,26b...孔部
28a,28b...孔部
30...酸化ガス流路形成部
32...冷却水流路形成部
33...冷却水流路形成部
34...冷却ガス流路形成部
35...冷却ガス流路形成部
38...シール部材
40...単セル内酸化ガス流路
41a...セル間冷却水流路
41b...セル間冷却ガス流路
42...単セル内燃料ガス流路
44...酸化ガス供給マニホールド
46...酸化ガス排出マニホールド
50...多孔質部位
51...段部
52...緻密質部位
53...水分授受領域
Claims (8)
- 電解質膜・電極の接合体と、該接合体に当接設置されるセパレータとを備えた燃料電池であって、
前記セパレータは、
前記接合体と接する面に形成され、前記電解質膜が関与する電気化学反応に用いる反応ガスが流れる反応ガス流路と、
前記接合体と接する面の背面に形成され、冷却媒体が流れる冷却流路とを備え、
前記セパレータの一部領域には、前記反応ガス流路の側から前記冷却流路の側へと水分が通過するように多孔質とされた多孔質部位を設け、該多孔質部位は、通過する水分に対しての腐食防止機能を有する
燃料電池。 - 請求項1記載の燃料電池であって、
前記多孔質部位は、前記反応ガス流路における前記反応ガスの流れの下流側に配置された
燃料電池。 - 請求項1または請求項2に記載の燃料電池であって、
少なくとも前記多孔質部位の前記接合体と接する面の背面において、前記セパレータの冷却流路に、前記冷却媒体としての冷却ガスを供給する冷却手段を有する
燃料電池。 - 請求項1ないし請求項3いずれかに記載の燃料電池であって、
前記セパレータは、
前記多孔質部位以外の部位を、緻密質な部材から形成した緻密質部位として備え、
前記多孔質部位は、前記緻密質部位に比して、耐食性に勝る材質の材料で形成された
燃料電池。 - 請求項4記載の燃料電池であって、
前記緻密質部位は、金属或いは合金を用いて形成され、
前記多孔質部位は、カーボン多孔質体とされた
燃料電池。 - 請求項4記載の燃料電池であって、
前記緻密質部位は、金属或いは合金を用いて形成され、
前記多孔質部位は、前記緻密質部位を形成する金属元素のイオン化傾向より小さい金属元素を含有する金属或いは合金を用いて形成された
燃料電池。 - 請求項1ないし請求項3いずれかに記載の燃料電池であって、
前記セパレータは、
前記多孔質部位は、多孔質の孔表面に耐食性を有する表面処理膜を形成することで、前記腐食防止機能を発揮する
燃料電池。 - 燃料電池を形成するために、電解質膜・電極の接合体に当接設置される燃料電池用セパレータであって、
前記接合体と接する面に形成され、前記電解質膜が関与する電気化学反応に用いる反応ガスが流れる反応ガス流路と、
前記接合体と接する面の背面に形成され、冷却媒体が流れる冷却流路とを備え、
セパレータの一部領域には、前記反応ガス流路の側から前記冷却流路の側へと水分が通過するように多孔質とされた多孔質部位を設け、該多孔質部位は、通過する水分に対しての腐食防止機能を有する
燃料電池用セパレータ。
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