JP2007141695A - 燃料電池用流路板及び燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池のセパレータの流路板において、流量均一、すなわち、温度均一化が、単位体積あたりの出力を向上させ、かつ、冷却水を減少させることがコンパクト化を図るための課題である。
【解決手段】セパレータの流路の前後に多孔質の整流メカニズムと、その上流及び下流に空間部を設けて流量ヘッダとして粗い分配を行う分配メカニズムを合わせて流量均一化を図りつつ、多孔質（導電性、かつ、伝熱性促進効果）の整流メカニズムを発電部分化することにより単位体積あたりの高出力化を実現する。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体高分子型燃料電池に関する。

燃料電池は、低コスト材料の採用により、コスト低減が進んでいる。同時に燃料電池の高出力化の開発も並行して進められている。すなわち、低コスト材料を活かすシステム化技術の開発が進められている。すなわち、低コスト材料の特性を活かした構造及び形状の開発が行われている。

低コストセパレータは金属材料を用いることにより、その靭性と延伸性との特性を生かし、従来よりも薄い形状とすることが実現可能となった。このため、この特性を活かすためには、従来の反応ガス流路板の形状について改良を加える必要に迫られつつある。

特許文献１には、セパレータのマニホールド近傍の流路に多孔質材料をもうけたセパレータについて記載がある。

特開２００４−１６５０４３号公報

燃料電池では、下記反応によりアノードガス（以降、Ａｎガス）である水素とカソードガス（以降、Ｃａガス）である空気中の酸素が消費されて、水と熱と電力が発生する。

２Ｈ₂＋Ｏ₂→２Ｈ₂Ｏ＋（熱）＋（電力）
このため、流路部で流量分布が不均一であると流量が少ない流路があると、燃料利用率を高め高出力にしようとしたとき、反応ガスの欠乏が、この流量の少ない流路で発生してセル電圧の低下や寿命の低下を招くという課題がある。同時に、反応ガスの欠乏を招かなくても流量分布に偏りが生じると、上記電気化学反応による熱の発生も偏りが生じ、温度分布も偏りが生じて最高温度が上がり膜電極集合体（以降、ＭＥＡ）を保護する観点から燃料利用率を下げ低出力化しなければならなくなる。

本発明は、高燃料利用率，高空気利用率運転の燃料電池において、高出力，コンパクトな燃料電池を提供することを目的とする。

反応ガスが流れる複数の流路を形成した流路部を有する流路板であって、反応ガス入口マニホールドと反応ガス出口マニホールドとを有し、前記マニホールド入口と流路部との間に、前記反応ガス入口マニホールドから前記流路部へ前記反応ガスを導く流量制御部を設け、その流量制御部の一部または全部に多孔質部を具備したことを特徴とする燃料電池用流路板。

本発明の燃料電池は、多孔質を流量制御部に利用することにより反応ガスの流量均一化が図れるので燃料利用率が高くでき、コンパクトで、高出力運転ができるという利点がある。

以下に本発明の実施例を説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

本発明の一実施例を図１に示す。

図１は、表裏両面からなるセパレータを形成する流路板１のうちの反応ガス側の一面を示す。反応ガスは、Ａｎガス及びＣａガスを意味するが、実施例の説明はＡｎガスの流路板１について行うが、Ｃａガスの流路板１も同様の構成となる。

ここで、本実施例においては、Ａｎガスは水素ガスを、Ｃａガスは酸素ガスを用いている。

外部から供給されるＡｎガスを、各セルに分配するためのＡｎガス入口マニホールド２、同様に冷却媒体を分配する冷却媒体入口マニホールド３、同様にＣａガスを分配する
Ｃａガス入口マニホールド４、Ａｎガス入口マニホールド２から流路板１に入る部分として入口部１０はシール性を考慮して多孔質の入口整流ブロック部１２を延長している。入口部１０を通過したＡｎガスが、複数の流路からなる流路部８へ入る前に流量均一化制御を行う空間部である入口流量制御部９、その入口流量制御部９と入口部１０に渡って設けた流量制御用の導電性多孔質製の入口整流ブロック部１２、その入口流量制御部９の多孔質材を設けた残余の空間で形成した入口流量ヘッダ部１１、流量制御されて均一化分配されたＡｎガスが複数の流路を流れながら、紙面方向上に図示してはいないがガス拡散層、ＭＥＡを通りＡｎガス中の水素を消費されていく流路部８、その流路部８から出たＡｎガスが流れ込み、下流で流量均一化制御の半分の役割を行う空間部である出口流量ヘッダ部１６、この出口流量ヘッダ部１６と出口部１４に渡って設けた流量制御用の多孔質製の出口整流ブロック部１５、出口整流ブロック部１５を出たＡｎガスが出る、出口流量制御部１３の多孔質材を設けた残余の空間で形成した出口流量ヘッダ部１６，Ａｎガスが流路板１からＡｎガス出口マニホールド５へ出る部分で流れがＡｎガス出口マニホールド５へ出る前に流れを整える出口部１４、外部へ排出するＡｎガスを、各セルから集合するためのＡｎガス出口マニホールド５、同様に冷却媒体を集合する冷却媒体出口マニホールド６、同様にＣａガスを分配するＣａガス出口マニホールド７。なお、流量ヘッダ部とは、流体の流速を一時的に減少させて圧力を回復させて流量分配の均等化を行うための蓄圧部の働きを行う。

以上のように構成された流路板１は、すでに述べたようにＣａガスでも同じであるが、Ａｎガスについて説明する。外部から供給されたＡｎガスは、Ａｎガス入口マニホールド２を流れて分配されて各流路板１の多孔質の入口部１０を通り流れの整流作用を受ける。この際、Ａｎガス中に凝縮水があれば、多孔質にある程度阻止されて水分調整もされて、一部分は、連続している多孔質に入り、大部分は、空間部で構成される入口流量ヘッダ部１１に入り、ここに一時的に蓄えられる。Ａｎガス入口マニホールド２から距離のある部分ほど多くの量が蓄える形状にして、流路部８手前の多孔質部で形成される入口流量制御部９に均等に分配されるようにするとともに、流路板１と入口出口多孔質部で形成される入口出口整流ブロック部１２，１５間で構成される流路距離がほぼ等しくなるようにして流量の均一化を図る。この多孔質の入口整流ブロック部１２を通過して、多孔質の整流作用及び伝熱促進作用を受けて、流れ及び温度の均一化作用を受けたのち、流路板１に均一化分配後流れ込み、図示していないガス拡散層、ＭＥＡにより水素を消費されて、下流部で入口と同じ作用して、出口整流ブロック部１５，出口流量ヘッダ部１６及び出口部１４を通過してＡｎガス出口マニホールド５に集合する。このような構成にすることで出入口多孔質の整流ブロック１２，１５までガス拡散層、ＭＥＡで覆うことができるため、発電面積が拡大できる。また、流量及び伝熱の均一化ならびに伝熱促進が図れるため、冷却媒体流量が減少できるので冷却媒体流量の減少、すなわち、出入口冷却媒体マニホールド３，６の断面積が縮小できるのでコンパクト化ができる。また、多孔質によりＡｎガス中の水分のうち、凝縮水分が多孔質にホールドされるのでＡｎガス中の水分濃度が調整される。すなわち、時間的な水分濃度の急変化が抑えられ加湿度が保持するメカニズムが生ずる。また、多孔質にすることにより、従来のエンボス加工よりも製作加工が簡単化する。

このような構成により、コンパクト化，高出力化、およびガス中水分濃度の自立制御性の高い燃料電池を提供できるという効果がある。

また、燃料電池は、環境性に優れているものの、コスト低減が最も重要な課題となっている。そのコスト低減には、製作費の低減と単位体積あたりの高出力化の両者が必要であるが、両者を実現しようとすると、燃料電池セパレータが極めて薄板化し、反応ガス流路での流体の粘性が、従来の慣性力に代わって支配的となり流量の流路部への等分配が、従来の圧力抵抗を利用する整流ブロックの適正配置による流路部に流れ込むガス流の均一化のための流量制御方法が難しくなりつつあるという課題がある。特に、密度の小さい反応ガスの場合は、１流路あたりの流量が少ないため、冷却水に比べて、なおさら慣性力が小さく整流ブロックによる流量制御が困難となっている。

セパレータを構成する流路板において、反応ガスの出入口するマニホールドと、流路部との間の空間部に、従来は流路制御用の整流ブロックを複数設置して、その流体抵抗を利用して流路部に流れ込むガスの流量分布の均一化を図ることで対処してきた。しかし、低コスト材料製セパレータでの薄板化により、流路がさらにミクロ化し、流れ場が体積力である慣性力から、表面力である粘性力および表面張力が支配的になる場に変化した。このため、流量均一の手段は、従来よりもミクロな整流ブロックをより大量に配置する必要がある。しかし、これは、製作が複雑でコストアップになる。これを複雑にならないように実現するには多孔質を採用する必要がある、しかし、空間部全面に均一空隙率の多孔質を置いたのでは、出入口のマニホールド間の最短経路を通って流れるので、多孔質を空間部の一部に設置し、多孔質の置かれなかった流量制御部をヘッダとして利用できるようにした。すなわち、流量分布を均一化する手段として、流量ヘッダ部の一部に多孔質を設置することにより、反応ガスの欠乏及び温度不均衡を低減し燃料利用率を向上させ高出力，コンパクト、かつ大型化可能な燃料電池が提供できる。

すなわち、このような状況下のもとでは、反応ガス入出口マニホールと流路部との間に大きな空間部を設けて、流量制御用のブロックを複数設置しなければならない。この流量制御部は、薄板化に伴い製作が困難となりつつある。

なお、燃料電池の大容量化に伴い、１セル当たりの反応ガス流量が増加するため、流量制御用の整流ブロック数も指数関数的に増加するので空間部の面積が増大し、製作が困難になるとともに発電面積が相対的に減少する。

図２に示すものは、実施例１の入口部１０と入口整流ブロック部１２に跨っていた一体の多孔質材及び出口部１４と出口整流ブロック部１５に跨っていた一体の多孔質材がそれぞれ空隙率のことなる多孔質とした点が実施例１と異なる。このため、整流ブロック部は、ａ，ｂ，ｃの３つの部分に分割される。

このような構成にすることで、実施例１よりもさらに流量制御性が高められるという効果がある。

図３に示すものは、実施例１の入口部１０と入口整流ブロック部１２に跨っていた一体の多孔質材及び出口部１４と出口整流ブロック部１５に跨っていた一体の多孔質材がそれぞれ独立した多孔質とした点が実施例１と異なる。

このような構成にすることで、出入口多孔質の整流ブロック部１２，１５までガス拡散層、ＭＥＡで覆うことができるため、発電面積が拡大できる。また、流量及び伝熱の均一化ならびに伝熱促進が図れるため、冷却媒体流量が減少できるので冷却媒体流量の減少、すなわち、出入口冷却媒体マニホールド３，６の断面積が縮小できるのでコンパクト化ができる。また、多孔質によりＡｎガス中の水分のうち、凝縮水分が多孔質にホールドされるのでＡｎガス中の水分濃度が調整される。すなわち、時間的な水分濃度の急変化が抑えられ加湿度が保持するメカニズムが生ずる。また、多孔質にすることにより、従来のエンボス加工よりも製作加工が簡単化する。

図４に示すものは、実施例２の入口出口部１０，１４の多孔質を、溝或いは突起をエンボス加工で製作したものに代えたもの。

このようにすることにより、入口出口部１０，１４での整流効果は低下するものの、圧力損失が低下可能となる。但し、この部分を流れ出たあとに入口流量ヘッダ部があるため、その部分で圧力回復が図れるため、従来の多孔質を使わないのと比べるとこの部分での均一化は図りやすいという効果もある。

このような構成により、コンパクト化及び高出力化の高い燃料電池を提供できるという効果がある。

実施例５は、実施例１の流路部８に流路間ブリッジ流路１７を設けて、水素消費量にアンバランスが発生した場合に、流量及び水素濃度の均一化を図ろうとしたものである。

このようにすることにより、流量の不均一が発生すると、圧力が不均一になるため、流量の多い流路から少ない流路に流れが生じ自動的に流路部８内の流量分布の均一化が進むことにより、高出力化及び冷却水を減らせるのでコンパクト化ができるという効果がある。

実施例６は、実施例１の入口流量ヘッダ部１１，出口流量ヘッダ部１６に、入口部１０，出口部１４の多孔質よりも空隙率の大きい多孔質を設けたもので、これにより、さらに、発電部分を拡げて、高出力化及びコンパクト化を図ろうとしたもの。

このようにすることにより、入口流量ヘッダ部１１，出口流量ヘッダ部１６の多孔質は、空隙率が大きいため、入口流量制御部９，出口流量制御部１３に比べて発電させても水素消費量は少ないから、流量ヘッダと発電部の両方の役割を果たすことができる。これにより、流路部８内の流量分布の均一化と発電面積の増大が進むことにより、高出力化及び冷却水を減らせるのでコンパクト化ができるという効果がある。

実施例７は、実施例１の入口流量ヘッダ部１１及び入口整流ブロック部１２の疎水性処理をした多孔質を用いて、液体の形で流れ込む加湿水分を排除して流路部８内流路の流れを飽和温度以下の水分濃度に保持し流路途中での流量均一化の最大の妨害因子である凝縮水の蓄積を防止しようとしたもの。

このようにすることにより、流路部８への液体の水の浸入が抑えられてガスが流れるので、多孔質が機能して、さらに、流量の均一化が図れるし、流路部での凝縮水の発生による凝縮熱によるホットスポットも無くせるので発電性能が安定する。これにより、流路部８内の流量分布の均一化と発電面積の増大が進むことにより、高出力化及び冷却水を減らせるのでコンパクト化ができるという効果がある。

実施例８は、実施例１から実施例７のいずれかのセパレータを積層させたスタック100を示す。このスタックの構成は、次のとおり。Ａｎガスを供給する供給口１１２，Ｃａガスを供給する供給口１１１，冷却水を供給する供給口１１０，両端にある絶縁板１０９，電力を外部に取り出すための集電板１１３、と、本発明の２枚のセパレータ１０１を、冷却水流路部１２１側を背中合わせにしたものと、電解質膜１０２を、電極１０３，ガス拡散層１０６でサンドイッチ状に挟んだ発電部分１０５を交互に積層したスタック１００，Ａｎガスを排出する排出口１０４，Ｃａガスを排出する排出口１０８，冷却水を排出する排出口１０７，発電部分１０５には、Ａｎガス流路部１２０とＣａガス流路部１２２が接して発電部分１０５に水素と酸素を供給する。同時に、それぞれのＡｎガス流路部１２０，Ｃａガス流路部１２２の裏側に形成された冷却水流路部１２１で発電部分１０５での発熱を吸収する。

本実施例によれば、スタック全体のＡｎガス流路部１２０，冷却水流路部１２１，Ｃａガス流路部１２２内の流量分布の均一化と発電面積の増大が進み、高出力化及び冷却水を減らせるのでコンパクト化ができるという効果がある。

燃料電池以外にも電力と熱が電気化学反応により発生する発電要素で高出力化を図らなければならないものにも利用できる。

セパレータの構成を示した説明図である。（実施例１） セパレータの構成を示した説明図である。（実施例２） セパレータの構成を示した説明図である。（実施例３） セパレータの構成を示した説明図である。（実施例４） セパレータの構成を示した説明図である。（実施例５） セパレータの構成を示した説明図である。（実施例６） セパレータの構成を示した説明図である。（実施例７） 燃料電池の構成を示した説明図である。（実施例８）

符号の説明

１…流路板、２…Ａｎガス入口マニホールド、３…冷却媒体入口マニホールド、４…
Ｃａガス入口マニホールド、５…Ａｎガス出口マニホールド、６…冷却媒体出口マニホールド、７…Ｃａガス出口マニホールド、８…流路部、９…入口流量制御部、１０…入口部、１１…入口流量ヘッダ部、１２…入口整流ブロック部、１３…出口流量制御部、１４…出口部、１５…出口整流ブロック部、１６…出口流量ヘッダ部、１７…流路間ブリッジ流路、１００…スタック、１０１…セパレータ、１０２…電解質膜、１０３…電極、１０４…Ａｎガス排出口、１０５…発電部分、１０６…ガス拡散層、１０７…冷却水排出口、
１０８…Ｃａガス排出口、１０９…絶縁板、１１０…冷却水供給口、１１１…Ｃａガス供給口、１１２…Ａｎガス供給口、１１３…集電板、１２０…Ａｎガス流路部、１２１…冷却水流路部、１２２…Ｃａガス流路部。

Claims (9)

1. 反応ガスが流れる複数の流路を形成した流路部を有する流路板であって、反応ガス入口マニホールドと反応ガス出口マニホールドとを有し、前記マニホールド入口と流路部との間に、前記反応ガス入口マニホールドから前記流路部へ前記反応ガスを導く流量制御部を設け、その流量制御部の一部または全部に多孔質部を具備したことを特徴とする燃料電池用流路板。
2. 前記反応ガス入口マニホールから隔たっている部分ほど、流量制御部に占める多孔質部の割合が小さくなっていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用流路板。
3. 前記反応ガスマニホールド入口から隔たっている部分ほど、流量制御部に占める多孔質部の空隙率が大きくなっていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用流路板。
4. 前記流路に隣接する複数の流路間を導通させる流路を設けることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用流路板。
5. 前記反応ガス入口マニホールド付近の流量制御部に設けた多孔質部には、親水性処理を施した、あるいは、親水性を有する多孔質を用いることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用流路板。
6. 反応ガスが流れる複数の流路を形成した流路部を有する流路板であって、反応ガス入口マニホールドと反応ガス出口マニホールドとを有し、前記マニホールド出口と流路部との間に、前記反応ガス出口マニホールドから前記流路部へ前記反応ガスを導く流量制御部を設け、その流量制御部の一部または全部に多孔質部を具備したことを特徴とする燃料電池用流路板。
7. 前記反応ガス出口マニホールド付近の流量制御部に設けた多孔質部には、疎水性処理を施した、あるいは、疎水性を有する多孔質を用いることを特徴とする請求項６記載の燃料電池用流路板。
8. 請求項１記載の燃料電池用流路板を用いることを特徴とする燃料電池。
9. 請求項６記載の燃料電池用流路板を用いることを特徴とする燃料電池。
   

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