JP2008235060A - 燃料電池セパレータ - Google Patents

Abstract

【課題】発電セルの面内で電気化学反応を一様に発生させることができるとともに、燃料電池のシステム全体の効率を向上させることができる燃料電池セパレータを提供する。
【解決手段】燃料電池内部で発電セルと交互に積層されるセパレータは、ガス拡散板１１２，１１３を備えている。ガス拡散板１１２，１１３における積層方向で隣接する各孔１１２Ａ，１１３Ａは、その中心位置が積層面の面内方向において所定距離（たとえば孔どうしの間隔の半分）だけずれるように配置されて、互いに連通している。セパレータでは、そこに供給されたガスが、積層方向で互いに隣接する孔１１２Ａ，１１３Ａを巡ることにより、ランダムな曲線を描くようにして積層面の面内方向に拡散しながら積層方向に流れ、発電セルの面内に到達する。これにより、燃料電池の発電セルの面内へのガス供給を均一な濃度で行うことができる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、固体酸化物型燃料電池内部で平板型発電セルと交互に積層される金属製の燃料電池セパレータに係り、特にセパレータにおける発電セルに対向する面に形成されるガス流路の改良技術に関する。

固体酸化物型燃料電池（SOFC:Solid Oxide Fuel Cell、以下、燃料電池）は、固体電解質層の両側に燃料極層と空気極層が設けられた平板型発電セル（以下、発電セル）を備え、発電セルの両面は、金属製セパレータ（以下、セパレータ）により挟持されている。燃料極層側セパレータにおける発電セルに対向する面には、燃料ガス流路が形成され、空気極層側セパレータにおける発電セルに対向する面には、酸化剤ガス流路が形成されている。

このような発電セルとセパレータからなる積層構造では、燃料ガス流路を通じて、発電セルの燃料極層に水素やメタンなどの燃料ガスを供給し、酸化剤ガス流路を通じて、発電セルの空気極層に酸素や空気などの酸化剤ガスを供給すると、電気化学反応が起こり、その結果、電気エネルギーが得られる。この場合、得られる出力は数〜数十Ｗと小さいことから、発電セルとセパレータとを交互に積層するようにして上記積層構造を複数積層することにより燃料電池スタックを構成し、所定の出力を得ている（たとえば特許文献１，２）。

ところで、燃料電池では、発電セルの面内において電気化学反応が局所的に起こると、その面内の温度分布が不均一となるため、熱応力に起因した割れが発電セルに生じる。その結果、燃料電池の発電効率が低下し、寿命が短くなる虞があった。そこで、発電セルの面内に燃料ガスおよび酸化剤ガスを均一な濃度で供給することにより、電気化学反応を発電セルの面内で一様に発生させるための技術が提案されている。

たとえば、セパレータにおける発電セルに対向する面に燃料ガス用あるいは酸化剤用のガス流路として流路溝を設ける技術がある（たとえば特許文献３〜８）。この技術では、ガス流路溝のパターンを、発電セルの形状や、面積、ガスの供給方法などに対応させて最適化している。

図６は、円形状の発電セルとその一面に設けたセパレータとから構成される燃料電池の単位ユニットの概略構成を表す分解斜視図である。燃料電池１では、発電セル２の一面に密着して電気的に接続するセパレータ３が設けられている。セパレータ３は、セパレータ本体１１とガス案内板１２とを有する。セパレータ本体１１には、その外周縁部から中心部まで延在するガス供給溝１１Ａが形成されている。ガス案内板１２には、ガス供給溝１１Ａの中心部に連通する中心孔１２Ａが形成され、ガス案内板１２の発電セル２への対向面には、中心孔１２Ａから外周縁部に向かって放射状に延在するガス流路溝１２Ｂが複数形成されている。

このような燃料電池１では、ガス送出手段（図示略）を用いて、セパレータ本体１１のガス供給溝１１Ａを通じてガス案内板１２にガスを供給し、ガス案内板１２のガス流路溝１２Ｂに沿ってガスを発電セル２に案内している。図６の矢印は、ガスの供給・案内方向を示している。

しかしながら、この場合、ガス流路溝１２Ｂに沿ってガスが案内され、ガス流路溝１２Ｂ以外の部分にはガスが供給され難いため、発電セル２の面内におけるガス濃度は不均一となる。また、ガス流路溝１２Ｂの形成は、切削、放電、あるいは、鍛造加工により行う必要があるため、セパレータが高価なものとなってしまう。

そこで、流路溝１２Ｂを有するガス案内板１２を用いる代わりに、発泡金属体を用いる技術がある。しかしながら、この場合、発泡金属体の空孔径が５０〜６００μｍと非常に小さいため、その孔に流入するときの圧力損失が大きい。このため、ガス送出手段の大出力化を図る必要があるから、燃料電池のシステム全体の効率が低下する。

特開２００５−２０３２５７（要約） 特開２００５−１９２６８（要約） 特開２００５−１６６４２３（要約） 特開平１１−１６５８１（要約） 特開２００３−８６２０４（要約） 特開２００６−２１６４４１（要約） 特開２００６−２１６４４２（要約） 国際公開ＷＯ２００３／０４３１１０（要約） 特開２００２−２３７３１２（要約）

したがって、本発明は、燃料電池の発電セルの面内へのガス供給を均一な濃度で行うことにより発電セルの面内で電気化学反応を一様に発生させることができるのはもちろんのこと、低価格化を実現することができ、かつ燃料電池のシステム全体の効率を向上させることができる燃料電池セパレータを提供することを目的としている。

本発明の燃料電池セパレータは、燃料電池内部で発電セルと交互に積層される金属製のセパレータであって、セパレータ本体と、セパレータ本体と発電セルとの間に積層される複数のガス拡散板とを備え、ガス拡散板の積層面には、積層方向に貫通する多数の孔が格子状に形成され、ガス拡散板における積層方向で隣接する各孔は、その中心位置が積層面の面内方向において一致しないように配置されて互いに連通していることを特徴としている。

本発明の燃料電池セパレータでは、ガス拡散板における積層方向で隣接する各孔は、その中心位置が積層面の面内方向において一致しないように配置されて互いに連通しているので、燃料電池内部のガス拡散板にガスを供給すると、ガスは、上記のような積層方向で互いに隣接する孔を巡る。これにより、ガスは、ランダムな曲線を描くようにして積層面の面内方向に拡散しながら積層方向に流れ、発電セルの面内に到達する。したがって、ガス拡散板にガスがその流れの方向に偏りを持って供給された場合でも、上記のような作用を有するガス拡散板を通じて、ガスが発電セルの面内に均一な濃度で供給することができるので、電気化学反応は発電セル面の面内に一様に起こり、その面内の温度分布が均一となる。よって、発電セルにおける熱応力の発生を防止することができるので、発電セルに割れが生じない。その結果、燃料電池の発電効率を向上させることができるとともに、長寿命化を図ることができる。

また、ガス拡散板の孔の大きさや位置を適宜設計することにより、ガス拡散板へのガス流入における圧力損失を低減することができる。したがって、発電セルにガスを送出するためのガス送出手段の大出力化が不要であるから、燃料電池のシステム全体の効率を向上させることができる。

本発明の燃料電池セパレータは種々の構成を用いることができる。ガス拡散板へのガス供給を、セパレータ本体の中心部あるいは一端部に形成されたガス供給孔から行うことができる。この態様では、ガス供給孔がセパレータ本体の中心部に形成されている場合、ガスの排出はセパレータ本体の端部から行い、ガス供給孔がセパレータ本体の一端部に形成されている場合、ガスの排出はセパレータ本体の他端部から行う。また、ガス拡散板の孔を、プレス加工あるいはエッチング加工により形成することができる。この態様では、セパレータの低価格化を実現することができる。さらに、孔の一辺を２．５ｍｍ以上とすることが好適である。この態様では、空孔径が５０〜６００μｍである発泡金属体と比較して、ガス拡散板の孔に流入するときの圧力損失をより低減することができる。

本発明の燃料電池セパレータによれば、ガス拡散板にガスがその流れの方向に偏りを持って供給された場合でも、ガス拡散板を通じて、ガスが発電セルの面内に均一な濃度で供給することができるので、電気化学反応は発電セル面の面内に一様に起こり、その面内の温度分布が均一となる。したがって、発電セルにおける熱応力の発生を防止することができるので、発電セルに割れが生じない。その結果、燃料電池の発電効率を向上させることができるとともに、長寿命化を図ることができる等の効果が得られる。

（１）第１実施形態
（１−１）燃料電池の構成
以下、本発明の第１実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池セパレータが適用された燃料電池の単位ユニットの概略構成を表す分解斜視図である。図３は、図１の燃料電池セパレータのガス拡散板の各孔の構成を表す拡大斜視図である。図５は、図１，３における積層方向で隣接するガス拡散板の各孔の面内方向における位置ずれ量（オフセット量）を説明するための概略上面図である。なお、図中の矢印は、ガスの供給・拡散・排出方向を示している。また、積層面は各部材における相手部材が積層される面、積層方向は積層面に垂直な方向のことであるのは言うまでもない。

燃料電池１００は、固体酸化物型燃料電池である。燃料電池１００は、円形状をなす平板型発電セル１０１（以下、発電セル１０１）と金属製セパレータ１０２（燃料電池セパレータ、以下、セパレータ１０２）とからなる単位ユニットが複数積層された構成を有している。発電セル１０１とセパレータ１０２とは、互いの中心位置が一致するようにして密着して電気的に接続されている。発電セル１０１は、固体電解質層と、その両面に密着している燃料極層および空気極層とを備えている。

（１−２）セパレータの構成
セパレータ１０２は、発電セル１０１に密着して積層されるセパレータ本体１１１と、互いに密着して積層されるガス拡散板１１２，１１３とを備えている。ガス拡散板１１２，１１３は、セパレータ本体１１１，発電セル１０１に密着している。セパレータ本体１１１の中心部には、ガス拡散板１１２，１１３にガスを供給するためのガス供給口１１１Ａが形成されている。セパレータ１０２が発電セル１０１の燃料極層側に配置される場合、ガスとして水素やメタンなどの燃料ガスが用いられる。一方、セパレータ１０２が発電セル１０１の空気極層側に配置される場合、ガスとして酸素や空気などの酸化剤ガスが用いられる。ガス供給口１１１Ａから供給されたガスは、ガス拡散板１１２，１１３を通じて、セパレータ本体１１１の周縁部から排出される。ガスのガス供給口１１１Ａへの供給には、ガス送出手段（図示略）が用いられる。

ガス拡散板１１２，１１３は、ガス供給口１１１Ａから供給されたガスを積層面の面内方向に拡散させながら発電セル１０１に案内するための金属薄板である。ガス拡散板１１２，１１３は、たとえば高耐食性を有する金属（たとえばフェライト系ステンレス）からなる。この場合、セパレータ本体１１１との電気的接続を確実に行うため、ガス拡散板１１２，１１３にニッケルめっきを施し、それらに拡散接合を行ってもよい。ガス拡散板１１２，１１３の各板厚は、たとえば０．２〜２．０ｍｍである。ガス拡散板１１２，１１３は、十分な剛性を有している。これにより、ガス拡散板１１２，１１３では、セパレータ本体１１１，発電セル１０１との密着において接触不良や局所的歪みなどの不具合の発生の防止が図られている。

ガス拡散板１１２，１１３の積層面には、たとえば積層方向に貫通する多数の孔１１２Ａ，１１３Ａが正方格子状に形成されている。孔１１２Ａ，１１３Ａは、プレス加工あるいはエッチング加工により形成されている。孔１１２Ａ，１１３Ａは、たとえば正方形状をなし、その１辺の長さは、たとえば２．５ｍｍ以上、ガス拡散板１１２，１１３の開孔率は、たとえば４５％以上である。孔１１２Ａ，１１３Ａは、そこを流れるガスに圧力損失が生じない程度に適度の大きさと薄い板厚とを有するように適宜設計されている。これにより、孔１１２Ａ，１１３Ａにおけるガスの流れでは、粘性力が支配的となる。

ガス拡散板１１２，１１３では、互いの中心位置が一致している。ガス拡散板１１２，１１３における積層方向で隣接する孔１１２Ａ，１１３Ａは、図３，５に示すように、その中心位置が所定距離ｄだけずれる（オフセットさせる）ように配置されて、互いに連通している。たとえば、ガス供給口１１１Ａから供給されガスの流れの方向に偏りがない場合、所定距離ｄを孔どうしの間隔の半分の大きさに設定する。この場合、所定距離ｄを上記値から変化させることにより、ガスの拡散方向を制御することができる。

第１実施形態では、ガス拡散板の枚数を２枚としているが、これに限定されるものではなく、ガス拡散板の枚数は、発電セルの面積やガス濃度分布の制御精度などに応じて適宜設定される。たとえば、発電セルの面積が比較的小さく、発電セルの端部まで電気化学反応に必要な濃度のガスの供給を行うことができる場合、ガス拡散板の積層枚数を２枚とする。この場合、ガス供給口から高濃度のガスを供給する。

一方、発電セルの面積が大きく、ガス拡散板の積層枚数が２枚の場合には発電セルの端部まで電気化学反応に必要な濃度のガスの供給を行うことができないとき、ガス拡散板の積層枚数を３枚以上とする。この場合、ガス供給口近傍のガスの濃度を低くし、ガス流路の下流側のガス濃度を高くする．積層枚数を増加させると、上記傾向が強くなるから、発電セルの面内におけるガスの濃度分布を精度良く制御することができる。

第１実施形態では、正方形状の孔を正方格子状に配列しているが、これに限定されるものではなく、種々の変形が可能である。たとえば、孔の形状を六角形状、孔の配列を６０度の千鳥格子状、孔径を２．５ｍｍ以上、ガス拡散板の開孔率を５０％以上としてもよい。

（１−３）実施形態の動作
次に、燃料電池１００の動作について、おもに図１，３を参照して説明する。発電セル１０１の燃料極層側では、ガス送出手段を用いて、セパレータ本体１１１の中心のガス供給口１１１Ａを通じて、ガス拡散板１１２，１１３に燃料ガス（たとえば水素）を供給する。一方、発電セル１０１の空気極層側では、ガス送出手段を用いて、セパレータ本体１１１の中心のガス供給口１１１Ａを通じて、ガス拡散板１１２，１１３に酸化剤ガス（たとえば酸素）を供給する。

ここで、燃料極層側と空気極層側の両側では、ガス拡散板１１２，１１３における積層方向で隣接する各孔１１２Ａ，１１３Ａは、図５に示すように、その中心位置が積層面の面内方向において所定距離ｄ（たとえば孔どうしの間隔の半分）だけずれるようにして配置されて、互いに連通している。これにより、ガス拡散板１１２，１１３に供給された燃料ガスおよび酸化剤ガスのそれぞれは、図３に示すように、上記のような積層方向で互いに隣接する孔を巡ることにより、ランダムな曲線を描くようにして積層面の面内方向の周縁部に拡散しながら積層方向に流れ、発電セルの面内に到達する。

このようにしてガス拡散板１１２，１１３を通じて拡散しながら発電セル１０１の燃料極層および空気極層に到達した酸素および水素の濃度は、燃料極層および空気極層のそれぞれの面内において均一となっている。

特に、この場合、孔１１２Ａ，１１３Ａにおけるガスの流れでは、粘性力が支配的となっているから、ガスの流れの剥離の発生を抑制することができる。これにより、孔１１２Ａ，１１３Ａを通じたガスの流れには淀みが生じず、電気化学反応に必要な濃度のガスを発電セル１０１に常に均一に供給することができる。この場合、ガス供給口１１１Ａからのガスの流れの方向に偏りがあったときでも、そのガスの流れの方向が上記粘性力により補正されるから、ガス拡散板１１２，１１３によるガスの均一な拡散性を保持することができる。

続いて、発電セル１０１では、空気極層に供給された酸素が、空気極層の気孔を通って固体電解質層との界面近傍に到達し、そこで空気極層から電子を受け取って酸化物イオン（Ｏ^2-）にイオン化される。そして、酸化物イオンは、固体電解質層内を拡散移動し、燃料極層との界面近傍に到達し、そこで、水素と反応することにより、水が生成される。このとき、燃料極層に電子が放出されるので、その電子を外部回路を通じて取り出すことにより、電気エネルギーを得ることができる。

以上のように第１実施形態では、ガス拡散板１１２，１１３における積層方向で隣接する各孔は、その中心位置が積層面の面内方向において一致しないように配置されて互いに連通しているので、ガス拡散板１１２，１１３に供給されたガス（燃料ガスあるいは酸化剤ガス）は、上記のような積層方向で互いに隣接する孔１１２Ａ，１１３Ａを巡る。これにより、ガスは、ランダムな曲線を描くようにして積層面の面内方向に拡散しながら積層方向に流れ、発電セル１０１の面内に到達する。したがって、ガス拡散板１１２，１１３にガスがその流れの方向に偏りを持って供給された場合でも、上記のような作用を有するガス拡散板１１２，１１３を通じて、発電セル１０１の面内にガスを均一な濃度で供給することができるので、電気化学反応は発電セル１０１の面内に一様に起こり、その面内の温度分布が均一となる。よって、発電セル１０１における熱応力の発生を防止することができるので、発電セル１０１に割れが生じない。その結果、燃料電池１００の発電効率を向上させることができるとともに、長寿命化を図ることができる。

また、ガス拡散板１１２，１１３の孔１１２Ａ，１１３Ａの大きさや位置を適宜設計することにより、ガス拡散板１１２，１１３へのガス流入における圧力損失を低減することができる。したがって、発電セル１０１にガスを送出するためのガス送出手段の大出力化が不要であるから、燃料電池１００のシステム全体の効率を向上させることができる。

特に、ガス拡散板１１２，１１３の孔１１２Ａ，１１３Ａを、プレス加工あるいはエッチング加工により形成することができるので、セパレータ１０２の低価格化を実現することができる。

（２）第２実施形態
次に、本発明の第２実施形態について図２，４を参照して説明する。図２は、本発明の第２実施形態に係る燃料電池セパレータが適用された燃料電池の単位ユニットの概略構成を表す分解斜視図である。図４は、図２の燃料電池セパレータのガス拡散板の孔の構成を表す拡大斜視図である。

第２実施形態は、発電セルの形状、セパレータの形状、および、ガスの供給位置・排出位置以外は、第１実施形態と同様な構成を有している。第２実施形態では、図２に示すように、第１実施形態の円形状の発電セル１０１およびセパレータ１０２の代わりに、矩形状の発電セル２０１およびセパレータ２０２を用いている。

セパレータ２０２は、セパレータ本体２１１と、ガス拡散板２１２，２１３とを備えている。セパレータ本体２１１の両端部には、ガス拡散板２１２，２１３にガスを供給するためのガス供給口２１１Ａ、ガス拡散板２１２，２１３からのガスを排出するためのガス排出口２１１Ｂが形成されている。ガス拡散板２１２，２１３は、各辺が発電セル２０１と平行になるように配置されている。

第２実施形態では、発電セル２０１の燃料極層側では、ガス送出手段を用いて、セパレータ本体２１１の左端部に形成されたガス供給口２１１Ａを通じて、ガス拡散板２１２，２１３に燃料ガス（たとえば水素）を供給し、発電セル２０１の空気極層側では、セパレータ本体２１１の中心に形成されたガス供給口２１１Ａを通じて、ガス拡散板２１２，２１３に酸化剤ガス（たとえば酸素）を供給する。

すると、図４に示すように、ガス拡散板２１２，２１３に供給された燃料ガスおよび酸化剤ガスのそれぞれは、上記のような積層方向で互いに隣接する孔を巡ることにより、ランダムな曲線を描くようにして積層面の面内方向の右側に拡散しながら積層方向に流れ、発電セル２０１の面内に到達する。これにより、第２実施形態では、第１実施形態と同様な作用・効果を得ることができる。

上記実施形態を用いて本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。たとえばセパレータの大きさ、形状、および枚数や、孔の大きさ、形状、および配列、ガスの供給位置・排出位置などは種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

本発明の第１実施形態に係る燃料電池セパレータが適用された燃料電池の単位ユニットの概略構成を表す分解斜視図である。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池セパレータが適用された燃料電池の単位ユニットの概略構成を表す分解斜視図である。 図１の燃料電池セパレータのガス拡散板の孔の構成を表す拡大斜視図である。 図２の燃料電池セパレータのガス拡散板の孔の構成を表す拡大斜視図である。 図１，３における積層方向で隣接するガス拡散板の各孔の面内方向における位置ずれ量を説明するための概略上面図である。 従来の燃料電池セパレータが適用された燃料電池の単位ユニットの概略構成を表す分解斜視図である。

符号の説明

１００，２００…燃料電池、１０１，２０１…発電セル、１０２，２０２…セパレータ（燃料電池セパレータ）、１１１，２１１…セパレータ本体、１１２，１１３，２１２，２１３…ガス拡散板、１１２Ａ，１１３Ａ，２１２Ａ，２１３Ａ…孔、１１１Ａ，２１１Ａ…ガス供給口

Claims (3)

1. 燃料電池内部で発電セルと交互に積層される金属製の燃料電池セパレータにおいて、
   セパレータ本体と、
   前記セパレータ本体と前記発電セルとの間に積層される複数のガス拡散板とを備え、
   前記ガス拡散板の積層面には、積層方向に貫通する多数の孔が格子状に形成され、
   前記ガス拡散板における積層方向で隣接する各孔は、その中心位置が積層面の面内方向において一致しないように配置されて互いに連通していることを特徴とする燃料電池セパレータ。
2. 前記ガス拡散板へのガス供給は、前記セパレータ本体の中心部あるいは一端部に形成されたガス供給口から行われることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セパレータ。
3. 前記ガス拡散板の前記孔は、プレス加工あるいはエッチング加工により形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池セパレータ。

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