JP2007207731A

JP2007207731A - 燃料電池用セパレータ

Info

Publication number: JP2007207731A
Application number: JP2006028991A
Authority: JP
Inventors: Yasunori Yoshimoto; 保則吉本; Akira Hamada; 陽濱田
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2006-02-06
Filing date: 2006-02-06
Publication date: 2007-08-16
Anticipated expiration: 2026-02-06
Also published as: JP5224646B2

Abstract

【課題】反応ガス流路における反応ガスの流れが均一化した燃料電池セパレータを提供する。
【解決手段】燃料電池用セパレータ１０に設けられたガス供給用マニホールド２０から導入された反応ガスが、反応ガス導入路３０、導入路拡張部３２、反応部流路３４および反応ガス排出路３６を順に経由した後、ガス排出用マニホールド２２に排出される。導入路拡張部３２には、反応部流路３４の手前の部分に、反応ガスが通過する流路を絞り込む絞り構造５０が設けられている。絞り構造５０は、複数の開口５４が設けられたプレート５２からなる。反応ガスが絞り構造５０に設けられた開口５４を通過することにより、流速が増加し、開口５４を通過した反応ガスが勢いを増した状態でシャワー状となって反応部流路３４に向けて噴出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池用セパレータに関する。

近年、エネルギー変換効率が高く、かつ、発電反応により有害物質を発生しない燃料電池が注目を浴びている。こうした燃料電池の一つとして、１００℃以下の低温で作動する固体高分子形燃料電池が知られている。

固体高分子形燃料電池は、電解質膜である固体高分子膜を燃料極と空気極との間に配した基本構造を有し、燃料極に水素を含む燃料ガス、空気極に酸素を含む酸化剤ガスを供給し、以下の電気化学反応により発電する装置である。
燃料極：Ｈ₂→２Ｈ+＋２ｅ^-（１）
空気極：１／２Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ（２）
燃料極においては、供給された燃料中に含まれる水素が上記式（１）に示されるように水素イオンと電子に分解される。このうち水素イオンは固体高分子電解質膜の内部を空気極に向かって移動し、電子は外部回路を通って空気極に移動する。一方、空気極においては、空気極に供給された酸化剤ガスに含まれる酸素が燃料極から移動してきた水素イオンおよび電子と反応し、上記式（２）に示されるように水が生成する。このように、外部回路では燃料極から空気極に向かって電子が移動するため、電力が取り出される。

また、燃料極および空気極の外側にはセパレータが設けられる。燃料極側のセパレータには燃料ガス流路が設けられており、燃料極に燃料ガスが供給される。同様に、空気極側のセパレータにも酸化剤ガス流路が設けられ、空気極に酸化剤ガスが供給される。なお、本明細書において、燃料ガスおよび酸化剤ガスを合わせて「反応ガス」と呼ぶ。また、これらのセパレータ間には、電極を冷却するための冷却水の流路が設けられる。

ここで、反応ガスは、通常加湿器により加湿されて導入されるが、反応ガス供給用のマニホールド内において冷却されると、大量の凝縮水が発生する。しかし、従来の燃料電池用セパレータにおいては、反応ガス供給孔から反応ガス流路への導入部において、冷却を防止する手段は講じられておらず、反応ガス由来の凝縮水がセパレータの反応ガス供給孔上に堆積したり、反応ガス供給孔から反応ガス流路に浸入したりするといった問題点があった。このため、従来の燃料電池用セパレータでは、反応ガスの流路が凝縮水によって閉塞され、電極表面への均一な反応ガスの供給が阻害され、燃料電池の出力が低下することがあった。

図６は、従来の燃料電池用セパレータ１００の構造を示す断面図である。図７は、図６のＹ−Ｙ’線上の断面図である。図８は、図６のＹ−Ｙ’線上の反応ガス流路の断面積を示すグラフである。従来の燃料電池用セパレータ１００では、反応ガス供給用のマニホールド１０２から導入された反応ガスは、接続路１０３を経由して、互いに平行に形成された複数の反応部流路１０４に分配され、電気化学反応に用いられた後、接続路１０５を経由して、反応ガス排出用のマニホールド１０６に排出される。従来の燃料電池用セパレータ１００では、反応部流路１０４を隔てる隔壁の分だけ、反応部流路１０４の入り口部分で反応ガスが流通する流路の断面積が減少している（図８参照）。
特開２００４−３２７４２５号公報

固体高分子形燃料電池において電解質として用いられる固体高分子膜は、湿潤状態でイオン導電性を発現するため、反応ガスを相対湿度１００％近い湿度、または１００％以上となるように加湿して供給することが望ましい。

しかし、相対湿度１００％に近い湿度となるように反応ガスを加湿して供給しようとすると、反応ガスがセパレータに設けられた流路の上流側で結露する可能性が高くなる。具体的には、図６のように、従来の燃料電池セパレータでは、反応部流路１０４の入り口部分で反応ガスが流通する流路の断面積が急減するため、反応ガスが圧縮された結果、反応部流路１０４の入り口部分に結露水が生じやすかった。この状態で結露水が上述した電気化学反応が起きる部分の流路に供給されると反応ガスの流れが阻害され、燃料電池の動作が不安定化することがあった。

そのため、従来技術では、内部マニホールド内で結露水を落とす工夫がなされていたが、結露水の排出口が必要になるため複雑になる問題があった。

本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、反応ガス流路内における結露水の発生を抑制することにより、燃料電池の動作の安定化に寄与する燃料電池用セパレータの提供にある。

本発明のある態様は、燃料電池用セパレータである。この燃料電池用セパレータは、反応ガスが供給されるマニホールドと、マニホールドと連通する反応ガス導入路と、反応ガス導入路の出口と接続し、反応ガス導入路との接続部分を基点として断面積が徐々に増加する導入路拡張部と、導入路拡張部と接続し、導入路拡張部を通過した反応ガスが分配される複数の反応部流路と、を備え、反応部流路の手前の導入路拡張部に、反応ガスが通過する流路を絞り込む絞り構造が設けられていることを特徴とする。

これにより、反応ガスが絞り構造を通過することにより、流速が増加し、絞り構造を通過した反応ガスが勢いを増した状態でシャワー状となって反応部流路に向けて噴出する。この結果、反応部流路の入口部分での結露が抑制される。また、たとえ、導入路拡張部と複数の反応部流路との接続部分に結露による凝縮水が発生したとしても、反応ガスによって凝縮水が反応部流路に押し流され、反応ガス排出路に排出される。これにより、結露の影響が軽減され、燃料電池の動作が安定化する。

上記態様の燃料電池用セパレータにおいて、絞り構造の開口が反応部流路と対向する位置に設けられていてもよい。

これにより、絞り構造の開口を通過した反応ガスが反応路流路に直接に噴出するため、反応部流路の入り口や反応部流路内の凝縮水をより速やかに反応部流路から排出することができる。

上記態様の燃料電池用セパレータにおいて、反応部流路の入口の断面積が絞り構造の出口部分の開口断面積以上であってもよい。

これにより、絞り構造の開口から噴出される反応ガスが絞り構造の開口に対向する反応部流路に確実に供給されるため、凝縮水による反応部流路の目詰まりがより確実に抑制される。

上記態様の燃料電池用セパレータにおいて、絞り構造の開口と対向する位置にある反応部流路の入口の断面積が、絞り構造の開口と対向しない位置にある反応部流路の入口の断面積より大きくてもよい。

これにより、絞り構造の開口位置にある反応部流路に凝縮水を選択的に流しながら反応ガスもスムースに流すことができるため、反応ガスの流れが全体的にスムースになる。

本発明の燃料電池用セパレータによれば、反応ガス流路における反応ガスの流れが均一化する。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。

（実施形態１）
図１は、実施形態に係る燃料電池用セパレータ１０の平面図である。図２は、図１のＸ−Ｘ’線上の断面図である。図３は、図１のＸ−Ｘ’線上の反応ガス流路の断面積を示すグラフである。

燃料電池用セパレータ１０には、ガス供給用マニホールド２０、反応ガス導入路３０、導入路拡張部３２、反応部流路３４、反応ガス排出路３６、ガス排出用マニホールド２２が設けられている。ガス供給用マニホールド２０に供給された反応ガスは、反応ガス導入路３０、導入路拡張部３２、反応部流路３４、反応ガス排出路３６の順に通過した後、ガス排出用マニホールド２２に排出される。

また、燃料電池用セパレータ１０には、燃料電池用セパレータ１０の流路に流れる反応ガスと対になる反応ガス供給用のマニホールドとして使用される貫通穴２４、および上記対になる反応ガス排出用のマニホールドとして使用される貫通穴２５が形成されている。ここで、燃料電池用セパレータ１０の流路に流れる反応ガスと対になる反応ガスは、燃料電池用セパレータ１０の流路に流れる反応ガスが水素を含む燃料ガスの場合には酸素を含む空気などの酸化剤ガスであり、逆に、燃料電池用セパレータ１０の流路に流れる反応ガスが酸素を含む空気などの酸化剤ガスの場合には水素を含む燃料ガスである。さらに、燃料電池用セパレータ１０には、冷却水供給用のマニホールドとして使用される貫通穴２６、および冷却水排出用のマニホールドとして使用される貫通穴２７が形成されている。

反応ガス導入路３０の入口は、ガス供給用マニホールド２０と連通している。反応ガス導入路３０にガス供給用マニホールド２０に供給された反応ガスが導入される。

導入路拡張部３２は、反応ガス導入路の出口と接続している。導入路拡張部３２は、反応ガス導入路３０との接続部分３３を基点として断面積が徐々に増加している（図３参照）。具体的には、上流側から下流側へ向かって導入路拡張部３２の高さが一定であるのに対して、上流側から下流側へ向かって導入路拡張部３２の幅が徐々に広げられている。導入路拡張部３２により、反応ガス導入路３０を通過した反応ガスが拡散する。

本実施形態の導入路拡張部３２には、後述する反応部流路３４の手前の部分に、反応ガスが通過する流路を絞り込む絞り構造５０が設けられている（図４参照）。絞り構造５０は、複数の開口５４が設けられたプレート５２からなる。開口５４の形状および径は特に限定されないが、たとえば、２００μｍ〜１ｍｍφの円形状とすることができる。

これによれば、反応ガスが絞り構造５０に設けられた開口５４を通過することにより、流速が増加し、開口５４を通過した反応ガスが勢いを増した状態でシャワー状となって反応部流路３４に向けて噴出する。この結果、反応部流路３４の入口部分での結露が抑制される。また、たとえ、導入路拡張部２３と複数の反応部流路３４との接続部分に結露による凝縮水が発生したとしても、反応ガスによって凝縮水が反応部流路３４に押し流され、反応ガス排出路３６に排出される。これにより、結露の影響が軽減され、燃料電池の動作が安定化する。

また、本実施形態では、絞り構造５０に設けられた開口５４は、反応部流路３４と対向する位置に設けられている。

これにより、開口５４を通過した反応ガスが反応部流路３４に直接に噴出するため、反応部流路３４の入り口や反応部流路３４内の凝縮水をより速やかに反応部流路３４から排出することができる。

さらに、本実施形態では、絞り構造５０の開口５４に対向する反応部流路３４の入口の断面積が絞り構造５０の出口部分の開口断面積以上になっている。これにより、開口５４から噴出される反応ガスが絞り構造５０の開口５４に対向する反応部流路３４に確実に供給されるため、凝縮水による反応部流路３４の目詰まりがより確実に抑制される。

複数の反応部流路３４は、導入路拡張部３２に接続され、燃料電池用セパレータ１０の一方の面に互いに平行な溝状に形成されている。導入路拡張部３２を通過した反応ガスは、複数の反応部流路３４に分配される。本実施形態では、より好ましい形態として、導入路拡張部３２と反応部流路３４との接続部分において、個々の反応部流路３４の断面積が合計が導入路拡張部３２の断面積と同等になっている。具体的には、導入路拡張部３２と複数の反応部流路３４との接続部分を基点として、各反応部流路３４の幅が徐々に狭くなるにつれて、各反応部流路３４を形成する溝３５の深さが深くなることにより、各反応部流路３４の高さが幅の減少量に応じて増加している（図２参照）。このように、反応部流路３４の幅の減少量を反応部流路３４の高さで補うことにより、導入路拡張部３２と複数の反応部流路３４との接続部分において、複数の反応部流路３４の総断面積を導入路拡張部３２の断面積と同等としている。なお、反応部流路３４の高さをより大きくすることにより、導入路拡張部３２と反応部流路３４との接続部分において、個々の反応部流路３４の断面積が合計が導入路拡張部３２の断面積以上にしてもよい。

これによれば、導入路拡張部３２と複数の反応部流路３４との接続部分において、各反応流路に分配される反応ガスが凝縮し、反応ガスに含まれる水分が液体化することが抑制される。この結果、各反応部流路への反応ガスの分配が阻害されることなく、速やかに進行するため、各反応流路に適度な反応ガスが流通し、燃料電池の動作が安定化する。

（実施形態２）
実施形態２に係る燃料電池用セパレータ１０の基本的な構成は実施形態１と同様である。実施形態２については、実施形態１と同様な構成については同一の符号を付して説明を省略し、実施形態１と異なる構成について説明する。

図５は、実施形態２に係る燃料電池用セパレータ１０の平面図である。実施形態２に係る燃料電池用セパレータ１０では、絞り構造５０の開口５４と対向する位置にある反応部流路３４の入口の断面積Ｓ１が、絞り構造５０の開口５４と対向しない位置にある反応部流路３４の入口の断面積Ｓ２より大きくなっている。これにより、絞り構造５０の開口５４の位置にある反応部流路３４に凝縮水を選択的に流しながら反応ガスもスムースに流すことができるため、反応ガスの流れが全体的にスムースになる。

本発明は、上述の各実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。

たとえば、実施形態１では、絞り構造５０の開口５４の数は反応部流路３４の数より少ないが、これに限定されず、絞り構造５０の開口５４の数は反応部流路３４の数と同じか、より多くてもよい。これにより、絞り構造５０の開口５４からの反応ガスを反応部流路３４ごとに噴出させることにより、反応部流路３４入り口部分の凝縮水低減作用を均等化し、各反応部流路３４内の反応ガスの流れを均一化することができる。

実施形態１に係る燃料電池用セパレータの平面図である。図１のＸ−Ｘ’線上の断面図である。図１のＸ−Ｘ’線上の反応ガス流路の断面積である。実施形態１で用いられる絞り構造の形状を示す斜視図である。実施形態２に係る燃料電池用セパレータの平面図である。従来の燃料電池用セパレータの構造を示す平面図である。図６のＹ−Ｙ’線上の断面図である。図６のＹ−Ｙ’線上の反応ガス流路の断面積を示すグラフである。

符号の説明

１０燃料電池用セパレータ、２０ガス供給用マニホールド、２２ガス排出用マニホールド、３０反応ガス導入路、３２導入路拡張部、３４反応部流路、３６反応ガス排出路、５０絞り構造、５２プレート、５４開口。

Claims

反応ガスが供給されるマニホールドと、
前記マニホールドと連通する反応ガス導入路と、
前記反応ガス導入路の出口と接続し、前記反応ガス導入路との接続部分を基点として断面積が徐々に増加する導入路拡張部と、
前記導入路拡張部と接続し、前記導入路拡張部を通過した反応ガスが分配される複数の反応部流路と、
を備え、
前記反応部流路の手前の前記導入路拡張部に、前記反応ガスが通過する流路を絞り込む絞り構造が設けられていることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
前記絞り構造の開口が前記反応部流路と対向する位置に設けられていることを特徴する請求項１に記載の燃料電池用セパレータ。
前記反応部流路の入口の断面積が前記絞り構造の出口部分の開口断面積以上であることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池用セパレータ。
前記絞り構造の開口と対向する位置にある反応部流路の入口の断面積が、前記絞り構造の開口と対向しない位置にある反応部流路の入口の断面積より大きいことを特徴とする請求項２または３に記載の燃料電池用セパレータ。