JP2007265824A - 燃料電池用セパレータ及び燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池のセパレータの流路板全面において反応ガスをほぼ均一に与えることが、すなわち、他の発電部分での消費残ガスを供給されるのでなく、他とほぼ同等の反応ガス濃度，分圧を持った反応ガスが均等に供給されることは、温度均一化ばかりでなく、本来の発電部分が持っているポテンシャルを１００％近く使うことになるので、単位体積あたりの出力を向上のための課題である。
【解決手段】セパレータ流路板に２層の多孔質層を設け、その中にそれぞれ流路網を設ける。流路網にヘッダの役目と分配網の役目を果たさせることにより、反応ガスを均等に分配を行う。これにより、それぞれの場所の単位セルのポテンシャルを最高位に発揮させて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。

固体高分子膜電解質型燃料電池発電（ＰＥＦＣ：Polymer EleCtrolyte Fuel Cell）システムは一般的に固体高分子電解質膜の両面に多孔質のアノード及びカソードを配した単位セルを燃料ガスと酸化剤ガスとを分離するセパレータを介して積層した燃料電池スタックと、燃料供給装置（ポンプ）と空気又は酸素供給装置（ブロア）から構成される。

ＰＥＦＣの用途としては、業務用や家庭用のコジェネレーションシステム，車載用の電源が挙げられる。そしてこれらに適用するために、更なる小型化と出力の向上が求められている。

燃料電池スタックの高性能化と小型軽量化を目的として、ガス流路に多孔質体を設けた技術が特許文献１に開示されている。

特開２００４−１３９８２７号公報

燃料電池スタックの小型化と出力向上のためには、単位セル間の電気伝導を高めると同時に発生する熱を効果的に除去する必要があり、このためには熱伝導率を高める必要がある。これを達成するためには、導電性の多孔質体の細孔を流路として利用することは好ましい。

しかし、この場合、発電反応に伴い生成する水蒸気が液化することにより、電極近傍の細孔がふさがり、発電反応を阻害するおそれがある。

２種の流体を分離する流路板に平均細孔径の異なる２層以上の多孔質層を積層した燃料電池用セパレータであって、前記２層以上の多孔質層は、前記流路板に最も遠い多孔質層から前記流路板に向かって、平均細孔径が小さくなっていることを特徴とする燃料電池用セパレータである。

本発明によれば、電極近傍で液化した生成水を速やかに電極から遠ざけ、電極近傍での発電反応を促進できる燃料電池用セパレータと、そのセパレータを用いることにより安定した出力が確保された燃料電池とを提供することができる。

流体流路に多孔質の細孔を採用したＰＥＦＣ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）
この反応は、多孔質体の細孔により形成される流路に沿って上流から下流に流れる間に生じるので流れるに従い反応ガス流量が減り、Ｃａガス側であれば反応発生水蒸気が流入し、Ａｎガス側でも浸透してくる水が流入し、水蒸気濃度は増大し飽和濃度を超えれば凝縮水が発生してガス欠また凝縮水によるフラディングを生じて、セル電圧の低下や寿命の低下を招く。同時に、凝縮水発生により潜熱が解放され温度の不均一を招いて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、単位セル）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い場合もある。

ところが、出力密度を極限まで上げて高効率化、すなわち、低コスト化を図るには燃料利用率を１００％近くまで高めざるをえない。

このため、単に多孔質を流路に適用するだけでは、流量分布の一様性や流路部分での電気抵抗が低下し性能は向上するが、多孔質のため圧力損失は増大するし、燃料利用率100％付近の場合において下流でのガス欠及びフラディングが生じる。また、圧力損失を緩和するために多孔質体に流体流路を設けた場合には、流体は圧力損失の少ない流路を主に通過し、その結果、燃料の供給が燃料電池の発電部全体に十分に行き届かず、燃料電池の出力が安定しない。

以下の実施例では、電極近傍の生成水を毛細管現象を利用して、電極から遠ざけ、発電反応を阻害しないセパレータについて説明する。また、２層以上の多孔質体に流体流路を設けることにより反応ガスの流量均一化と圧力損失低減及び水管理を図る。燃料電池スタックとする場合には、流路板と多孔質層とは共に導電性の材料で形成することにより、セパレータと単位電池とを積層するのみで単位電池を直列に接続できる。

本実施形態によれば、ＰＥＦＣとして燃料利用率が高くでき補機動力が小さく、コンパクトで、高出力運転ができる。

図１に本発明にかかる一実施例を示す。

図１の構成について説明する。図１の上，中，下の図は、表裏両面からなるセパレータを形成する流路板１の一面を示す。反応ガスは、Ａｎガス及びＣａガスを意味する。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の場合もほぼ同じ構成となる。

図１の下の図は流路板１の断面図を示す。流路板１の上に２層の多孔質層と主流路及び枝流路よりなる流路網とが印刷技術により形成されている。なお、流路網は、最終的には印刷媒体を蒸発や揮発の手段により取り除いて精密な形状を作製する。また、流路網の代表径は、多孔質層の平均細孔径よりも十分大きい。ここで、代表径とは流路網の断面の最も長い方向の長さをいう。

２層の多孔質は、図示していないが、燃料電池スタックに組み込んだ場合に、単位セルに近い方のＡ−Ａ断面図示の多孔質（以降、Ａ多孔質４）と、遠い方のＢ−Ｂ断面図示の多孔質（以降、Ｂ多孔質５）とからなり、それぞれの多孔質に流路網が形成されている。Ｂ多孔質５はＡ多孔質４よりも平均細孔径が小さく、毛細管力がより発揮できるように親水性処理をした多孔質体である。

本実施例においては、多孔質層は２層としたが、燃料電池スタックとした場合に、電極近傍の生成水を電極から遠ざける方向に毛細管力が働くように細孔径が設定されれば２層以上でも良い。

図１の上の図は、Ａ多孔質４の断面部分を示す。構成は、反応ガスが分配されて入ってくる入口である入口ガスマニホールド２と、反応ガスを入口ガスマニホールド２からＡ多孔質４全体に分配するために、Ａ多孔質４内に設けられたＡ多孔質内流路網８のＡ多孔質内主流路６と、Ａ多孔質内主流路６からの反応ガスを、Ａ多孔質４を介して単位セルに均一に届けるためのＡ多孔質内枝流路７と、ガスを均一に分配しかつ電気伝導と熱伝導の均一化を図るＡ多孔質４である。

図１の中の図は、反応後の反応ガスを出口ガスマニホールド３へ集めるために、Ｂ多孔質５に設けられたＢ多孔質内流路網１１のＢ多孔質内枝流路１０と、Ｂ多孔質内枝流路
１０へ出てきた反応後ガスを、集めるためのＢ多孔質内枝流路１０とを示す。

Ａ多孔質４よりＢ多孔質５の平均細孔径を小さくして、Ａ多孔質４を介して反応ガスを単位セルに供給しやすくするとともに、Ｂ多孔質５が水を吸うための毛細管力を作用しやすくして反応や浸透で生じた水を吸い込む機構としている。

ここで、Ａ多孔質内流路網８とＢ多孔質内流路網１１とは、各多孔質層の表面または境界面に形成されていても良いが、図１に示すように、各多孔質層の内部に形成されていることが好ましい。Ａ多孔質４の内部にＡ多孔質内流路網８が形成されていることにより反応ガスは、Ａ多孔質４を介して単位セルに供給されるため、反応ガスは整流され、均一に単位セルに供給されるからである。また、Ｂ多孔質５の内部にＢ多孔質内流路網１１が形成されることにより、Ａ多孔質４とＢ多孔質５との界面の接触面積が低減され、生成水の授受が阻害されず、さらに電気抵抗の低減にもつながるからである。

Ａ多孔質４に形成されている流路網は、入口ガスマニホールド２に隣接している部分が入口ガスマニホールド２に開放されている以外は多孔質体で囲われている。これは、入口ガスマニホールドから流路板に導入された反応ガスが、Ａ多孔質内主流路６を通過して直接出口ガスマニホールドから排出されないようにするためになされた工夫である。同様に、Ｂ多孔質５に形成されている流路網は、出口ガスマニホールド３に隣接している部分が出口ガスマニホールド３に開放されている以外は多孔質体で囲われている。これは、反応ガスが、直接Ｂ多孔質５の流路網に流れ込まないようにするための工夫である。これらの構成を組み合わせることにより、入口ガスマニホールドから流路板に導入された反応ガスは、まずＡ多孔質内主流路６に導入され、流路網を通じてＡ多孔質４の全体に行き渡った後にＢ多孔質５に浸透し、出口ガスマニホールド３から回収される。

毛細管力の作用は、次のとおり。入口ガスマニホールド２から入った反応ガスは、Ａ多孔質４のＡ多孔質内流路網８のＡ多孔質内主流路６に入り、端が多孔質で囲まれており先に行くに従い細くなるＡ多孔質内主流路６内に拡がり、さらに、Ａ多孔質内主流路６に繋がるＡ多孔質内枝流路７を通じてＡ多孔質４の全体に拡がる。その時点で反応ガスの圧力によりＡ多孔質４を通して単位セルに均一に供給される。このとき、単位セルの電極近傍で生成した水はＡ多孔質４の細孔を浸透し、Ｂ多孔質５に接して毛細管作用で吸い込まれる。その後、Ｂ多孔質５内のＢ多孔質内枝流路１０に現れて反応後ガスと合流し、出口ガスマニホールド３に近づくに従い太くなる主流路９に流れ出て、出口ガスマニホールド３から排出される。

水は、反応によりカソード側に発生するが単位セルを構成する電解質膜を浸透してアノード側にも現れる。ＰＥＦＣの反応温度が７０℃前後と仮定すると、反応ガスの飽和濃度約３８％vol 以内であれば水蒸気として存在することになり反応ガス中でフラディングを発生させることはない。しかし、この飽和濃度を越えると凝縮水が生じる。

凝縮水の発生には飽和濃度と発生場所を提供する核となるものが必要であり、なにもない空間に発生するわけではないので、多孔質を構成する物質の周りに発生する。このため、本実施例で示すように、反応ガスを多孔質体から全面的にかつ均等に分配できれば、発生凝縮水が局所的に集中して発生しないので、排出と発生の平衡状態が保たれてフラディング及びガス欠が発生しにくい。

同時に反応ガスに必要な適度な湿度もこの実施例では、単位セルから出てくる水がほぼ均一に直接に賄えるので、従来のように入口付近では湿度不足で出口付近では湿度過多であるという状態が避けられる。その結果、反応ガスを加湿する必要がなくなり加湿器が省略又は小型化できる。

枝流路流路網の形状については、二分岐あるいは、二分岐以上の繰り返し形状、すなわち、一つの枝流路が二以上のより細い枝流路に分岐し、さらに、その細い枝流路がさらに細い二以上の枝流路に分岐するという具合に繰り返して行く形状としてもよい。分岐の数は多い方がより均一な分布の流路網を形成できる。人の体内を流れる血管のように末端へ近づくにつれ分岐を繰り返し、多孔質体の隅々まで供給されることが好ましい。また、末端に近づくにつれ次第に代表径が小さくなる形状が好ましい。

また、流路網の形状のフラクタル次元を１.８ 次元以上２次元未満とすれば、流路の設計も容易で、多孔質全体に隅々まで流路網を形成させることが可能である。流路網の形成は印刷によるばかりでなく、結晶成長やたんぱく質結晶成長等のバイオ的な技術による方法も適用可能であり、均一な流路網が形成できる。

反応ガスを多孔質体中を流す間に発電部に消費させるという平面的な展開では、燃料利用率を１００％程度まで増加させると、上流から下流に行く途中でガス濃度が小さくなるとともに水蒸気濃度が高まり凝縮水が発生するので燃料利用率を小さい値で制限しなければならない。これでは、高出力化は、頭打ちになってしまう。しかし、本実施例によれば、まず流体入口から導入された燃料ガスは、流体流路を通って、流路板全体に行き渡った後、多孔質体を通って単位セルの発電面全体にまんべんなく行き渡る。

ここで、フラクタル（相似）次元の定義を次に示す。

フラクタル（相似）次元＝log（自己相似部分の数）／log（拡大係数）
たとえば、ある立方体のそれぞれの辺を２倍に（拡大係数＝２）にしたとき、できた立方体は、元の立方体８個（自己相似部分の数＝８）よりなる。

そうすると、フラクタル（相似）次元＝log（８）／log（２）＝log₂８＝log₂２³＝３となる。

セパレータを構成する導電性の薄板の上に、まず、Ｂ多孔質内流路網１１を形成するため、金属粒子と、高温で昇華，ガス化又は蒸発する物質粒子の混合物を溶射または噴霧又は印刷し、その上に、Ｂ多孔質内流路網１１の流路形状をしたマスキング部材（高温で昇華，ガス化又は蒸発）を置くか、または、形状を印刷か或いは噴霧して、更に、金属粒子と、高温で昇華又は蒸発する高温で昇華，ガス化又は蒸発する物質粒子の混合物を溶射または噴霧または印刷する。次には、Ａ多孔質内流路網８を形成するため、同様な処理を行い、最後に、マスキング部材及びプラスチック粒子を昇華，ガス化又は蒸発させて流路網及び多孔質部を形成する。なお、Ａ多孔質及びＢ多孔質では、金属粒子あるいは、高温で昇華，ガス化又は蒸発する物質粒子の粒径を変えて多孔質の平均気孔径を変化させる。

＜セパレータの具体的な製法＞
以上の構成によれば、燃料利用率の向上，コンパクト化，高出力化，無加湿化の可能な燃料電池を提供できるという効果がある。

図２に示すものは、Ａ多孔質４内のＡ多孔質内枝流路７，Ａ多孔質内流路網８とＢ多孔質５内のＢ多孔質内枝流路１０，Ｂ多孔質内流路網１１をセパレータ垂直方向から見たとき、重ならないように枝流路網の位相をずらして配置したことが実施例１と異なる。

このような構成にすることで、実施例１よりもさらに全体における圧力損失及び分配がより均一化され反応ガスの均一化が高められるとともに圧力損失の低減ができるという効果がある。

図３に示すものは、実施例１のＡ多孔質４内主流路６の出口ガスマニホールド２側を開放したものでその点が実施例１と異なる。これにより、水素以外のガスの混合比率の多い反応ガスの場合のように反応ガス中不純物が多い反応ガスの場合に、一部の反応ガスを、多孔質部を通過しないようにすることで圧力損失の低減を図ることができる。

このような構成にすることで、実施例１と異なり、Ｂ多孔質５を通過しない反応ガスを生じさせることで不反応ガスの滞留をなくし、かつ、新鮮な反応ガスを供給することでガス欠やフラッディングを防止できる。

図４に示すものは、実施例１と流路網での主流路がなく全部が枝流路の流路網のみよりなっている点が異なる。

このようにすることにより、流路網を印刷で作成する際に、片側の入口側或いは出口側の一方に流路断面積が一方的に漸近的に大きくなるために、流路網形状模様の印刷物を揮発させて除去して流路網を形成しやすい。

このような構成により、製造しやすく、高利用率，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。

実施例５は、実施例１から実施例４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、実施例１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Ａｕ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。セパレータ１０１には、Ａ多孔質１３１，Ｂ多孔質１３２が印刷されている。

本実施例のように、単位セルとセパレータとの間にガス拡散層を挟む場合には、セパレータの最外表面に形成されている多孔質層の平均細孔径よりもガス拡散層の平均細孔径のほうを大きく設計することが好ましい。毛細管現象を利用した生成水除去の機構を効率的に利用するためである。

なお、冷却水流路部がなく、反応ガスの流路が背中合わせになったもので反応ガス中に水のミストを吹いて冷却する構成のスタックも図示しないが、本実施例の変形例である。

このようにすることにより、本発明のセパレータの効果により、スタック全体の反応ガス流路の流量分布の均一化でなく、さらに高出力化を図れる流量分配の均一化により、発電面積全体での発電貢献度の均一化と出力の強化が図れて高出力でコンパクトなスタックが可能にできる。

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） スタックの構成を示した説明図である。（実施例５）

符号の説明

１…流路板、２…入口ガスマニホールド、３…出口ガスマニホールド、４，１３１…Ａ多孔質、５，１３２…Ｂ多孔質質、６…Ａ多孔質内主流路、７…Ａ多孔質内枝流路、８…Ａ多孔質内流路網、９…Ｂ多孔質内主流路、１０…Ｂ多孔質内枝流路、１１…Ｂ多孔質内流路網、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 (11)

1. ２種の流体を分離する流路板に平均細孔径の異なる２層以上の多孔質層を形成した燃料電池用セパレータであって、前記２層以上の多孔質層は、前記流路板に最も遠い多孔質層から前記流路板に向かって、平均細孔径が小さくなっていることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
2. 前記２層以上の多孔質層の少なくとも一つには、該多孔質層の平均細孔径よりも大きな代表径を持つ流体流路が形成されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用セパレータ。
3. 前記流体流路は、前記２層以上の多孔質層のうち何れかの２層に形成されていることを特徴とする請求項２記載の燃料電池用セパレータ。
4. 前記流体流路が形成された２層の多孔質層の流体流路には、位相差があることを特徴とする請求項３記載の燃料電池用セパレータ。
5. 前記流路板の表面に流体を導入する流体入口と前記流体を前記流体の表面から排出する流体出口とを有することを特徴とする請求項１記載の燃料電池用セパレータ。
6. 前記流体流路は、前記流体入口が形成される多孔質層と前記流体出口が形成される多孔質層とが異なることを特徴とする請求項５記載の燃料電池用セパレータ。
7. 前記流体流路は、前記流体入口から導入された流体が直接流入する主流路と前記主流路から枝分かれする枝流路とを有することを特徴とする請求項５記載の燃料電池用セパレータ。
8. 前記枝流路は、前記主流路よりも代表径が小さいことを特徴とする請求項７記載の燃料電池用セパレータ。
9. 前記流体流路が形成された２層の多孔質層の流体流路を互いに導通させる連通孔を有することを特徴とする請求項３記載の燃料電池用セパレータ。
10. 前記流体流路の形状として、フラクタル１.８ 次元以上を用いることを特徴とする請求項２記載の燃料電池用セパレータ。
11. プロトン導電性の固体高分子電解質膜を介してアノードとカソードとを形成させた単位セルと流体を分離するセパレータとを積層した燃料電池において、前記セパレータは請求項１記載の燃料電池用セパレータであることを特徴とする燃料電池。
    

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