JP2013168342A - 燃料電池用セパレータ、燃料電池及び燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】従来の燃料電池用セパレータでは、ガスの流れ方向が限定されたり、燃料電池との充分な接触面積の確保が困難になるなどの問題点があった。
【解決手段】燃料電池ＦＣの発電要素である単セルＣとの間にガス流路を形成し且つインターコネクタを兼用する燃料電池用セパレータＳ１であって、裏面側で凹凸形状が反転する凸部１１及び凹部１２を備え、凸部１１が、頂部に向けて幅が減少する断面形状を一定長さにわたって有すると共に、凹部１２が、底部に向けて幅が減少する断面形状を一定長さにわたって有しており、凸部１１及び凹部１２を互いに隣接させて同一平面内に複数配置したことにより、ガスの流れ方向を自在に設定することを可能にすると共に、燃料電池との接触面積を充分に確保した。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池の発電要素である単セルとの間にガス流路を形成し且つインターコネクタを兼用する燃料電池用セパレータ、このセパレータを用いた燃料電池及び燃料電池スタックに関するものである。

従来において、燃料電池、特に固体酸化物燃料電池は、高温で動作させるためにセラミックスを主体として構成されていた。近年、固体酸化物燃料電池は、大型定置システムの他に、移動体用の発電機等への適用が提案され始めており、所望の発電出力の実現や移動体への搭載性を高めるために、セラミックスを多用する構成から金属を多用する構成へと変化しつつある。特に燃料電池用セパレータにおいて、セラミックスセパレータは少数派になりつつある。

従来の燃料電池用セパレータとしては、特許文献１に集電体として記載されているものや、特許文献２に記載されているものがあった。特許文献１に記載の集電体は、波形状を成して燃料電池との間にガス流路を形成するものである。また、特許文献２に記載のセパレータは、多数のディンプルを突出形成して燃料電池との間にガス流路を形成するものである。

これらのセパレータは、いずれも金属製であって、隣接する燃料電池同士の間に介装されて、一方の燃料電池との間にアノードガスのガス流路を形成すると共に、他方の燃料電池との間にカソードガスのガス流路を形成する。また、これらのセパレータは、インターコネクタ（集電体）としても機能する。

特許第２８３０９２７号公報 特開２０１０−５５７７０号公報

ところが、上記したような従来の燃料電池用セパレータにおいて、波形状を成すものでは、ガスを供給排気する方向が、波形状の連続方向のみに限定され、アノードガスの流れとカソードガスの流れは、平行流か対向流に制限される。また、多数のディンプルを突出形成したものでは、基本的に燃料電池とディンプルとが点接触するので、インターコネクタとして用いる場合に、燃料電池に対するガスの拡散性を阻害せずに充分な接触面積を確保するのが難しいという問題点があった。

本発明は、上記従来の状況に鑑みて成されたもので、燃料電池の発電要素である単セルとの間にガス流路を形成し且つインターコネクタを兼用する燃料電池用セパレータであって、ガスの流れ方向を自在に設定することが可能であると共に、燃料電池との接触面積を充分に確保することができる燃料電池用セパレータを提供することを目的としている。

本発明の燃料電池用セパレータは、燃料電池の発電要素である単セルとの間にガス流路を形成し且つインターコネクタを兼用する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、裏面側で凹凸形状が反転する凸部及び凹部を備え、凸部が、頂部に向けて幅が減少する断面形状を一定長さにわたって有すると共に、凹部が、底部に向けて幅が減少する断面形状を一定長さにわたって有している。そして、燃料電池用セパレータは、前記凸部及び凹部を互いに隣接させて同一平面内に複数配置した構成としており、上記構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。

本発明の燃料電池用セパレータによれば、ガスの流れ方向を自在に設定することが可能であると共に、燃料電池に対するガスの拡散性を大きく阻害することなく、燃料電池との接触面積を充分に確保することができる。

本発明の燃料電池用セパレータの一実施形態を説明する燃料電池スタックの断面図である。 図１に示す燃料電池用セパレータを説明する平面図（Ａ）、及び各位置Ａ〜Ｄでの夫々断面図（Ｂ）である。 図１に示す燃料電池用セパレータの凸部を説明する斜視図（Ａ）、及び凸部及び凹部の配置を説明する斜視図（Ｂ）である。 図１に示す燃料電池用セパレータにおけるカソードガス及びアノードガスの流れを説明する平面図である。 燃料電池用セパレータの他の実施形態を説明する平面図（Ａ）、及び各位置Ａ〜Ｄでの夫々断面図（Ｂ）である。 燃料電池用セパレータのさらに他の実施形態を説明する平面図（Ａ）、及び各位置Ａ〜Ｄでの夫々断面図（Ｂ）である。 燃料電池用セパレータのさらに他の実施形態を説明する平面図（Ａ）、及び位置Ａでの断面図（Ｂ）である。 燃料電池用セパレータのさらに他の実施形態を説明する平面図（Ａ）、及び位置Ａでの断面図（Ｂ）である。 燃料電池用セパレータのさらに他の実施形態を説明する平面図である。 燃料電池用セパレータのさらに他の実施形態を説明する各々平面図（Ａ）（Ｂ）である。 燃料電池用セパレータのさらに他の実施形態を説明する平面図である。

図１に示す燃料電池ＦＣは、発電要素である単セルＣと、燃料電池用セパレータ（以下、単に「セパレータ」とする）Ｓ１を備えている。そして、燃料電池ＦＣは、複数積層して燃料電池スタックＡを構成する。図示の燃料電池ＦＣは、固体酸化物型燃料電池において、薄型化及び金属材料を用いた高密度構造に適したものである。

単セルＣは、固体酸化物型の電解質層１を、図中上側の燃料極層（アノード）２と図中下側の空気極層（カソード）３とで挟持した構造になっている。また、図示例の単セルＣは、燃料極層２及び空気極層３の夫々外側に、金属多孔薄板から成る集電層４，５を備えると共に、枠状を成す金属薄板６によって外周部が保持されている。

単セルＣにおいて、電極層（燃料極層２，空気極層３）とセパレータＳ１とを直接接続する場合には、導電性ペーストを用いて接着する。また、図示の如く電極層（２，３）の外側に集電層４，５を備えている場合には、単セルＣと集電層４，５とを導電性ペーストで接着し、集電層４，５とセパレータＳ１とを溶接で接合することができる。なお、電極層（２，３）を保護する観点からは、この実施形態のように集電層４，５を設けてセパレータＳ１と接続する構成が好ましい。

電解質層１は、一例として、８モル％イットリア安定化ジルコニアである。燃料極層２は、一例として、ニッケル＋イットリア安定化ジルコニアのサーメットである。空気極層３は、一例として、ランタンストロンチュウムマンガナイトである。なお、燃料極層２と空気極層３の位置は、図示例と逆でも構わない。

セパレータＳ１は、単セルＣとの間にガス流路を形成し且つインターコネクタを兼用するものである。このセパレータＳ１は、平面矩形状であって、図１に示すように、外周に、基準面となる平坦な周縁部１０Ａを有すると共に、周縁部１０Ａの内側となる中央領域１０Ｂに、裏面側で凹凸形状が反転する凸部１１及び凹部１２を備えている。中央領域１０Ｂは、単セルＣの燃料極層２（又は空気極層３）に相対向する領域である。上記セパレータＳ１は、一例としてステンレス製であり、プレス加工により成形することができる。

凸部１１は、図２及び図３に示すように、頂部に向けて幅が減少する断面形状を一定長さにわたって有し、例えば、横倒しにした半円柱状や三角柱状であって、これにより頂部が線状を成している。なお、凸部１１は、頂部に向けて幅が減少する断面形状であれば良く、頂部が所定の幅を有する形状にすることも可能である。

他方、凹部１２は、同じく図２及び図３に示すように、底部に向けて幅が減少する断面形状を一定長さにわたって有し、前記凸部１１の反転形状である。このようにして、凸部１１は、頂部の長さ方向に一定の高さを有し、凹部１２は、底部の長さ方向に一定の深さを有している。

図示例の凸部１１は、寄棟屋根に類似した形状であって、図３（Ａ）に示すように、頂部の長さＮが、基準面における基部の長辺の長さＭよりも小さい（Ｎ＜Ｍ）と共に、頂部の長さＮが、基部の短辺の長さＬ以上（Ｎ≧Ｌ）である。他方、凹部１２は、上記凸部１１の反転形状であるから、頂部の長さＮが、底部の長さに相当し、基部の長辺の長さＭ及び短辺の長さＬが、基準面における開口部の長辺の長さ及び短辺の長さに相当する。

そして、セパレータＳ１は、凸部１１及び凹部１２を互いに隣接させて同一平面内に複数配置したものとなっている。この実施形態では、凸部１１の頂部の長さ方向と、凹部１２の底部の長さ方向とを同一方向（図２中でＹ方向）にした状態で、凸部１１及び凹部１２を同一平面上の縦横方向（Ｘ，Ｙ方向）に夫々交互に配置してある。

上記構成を備えたセパレータＳ１は、単位セルＣの空気極層３側（若しくは燃料極層２側）に配置して燃料電池ＦＣを構成する。そして、燃料電池ＦＣを複数積層して燃料電池スタックＡを構成する。

この際、上記セパレータＳ１は、燃料電池スタックＡにおいて、単位セルＣ同士の間に介装された状態となり、上側の単セルＣの空気極層３との間に、カソードガス（空気）のガス流路を形成すると共に、下側の単セルＣの燃料極層２との間にアノードガス（水素）のガス流路を形成する。このとき、セパレータＳ１は、単位セルＣ同士の間において、双方を電気的に接続するインターコネクタを兼用している。

ここで、図１において、上層及び下層のセパレータＳ１は、凹凸の配列を同じ方向に向けて介装してある。中間層のセパレータＳ１は、上層及び下層のセパレータＳ１に対して積層方向の竪軸回りに９０度回転させた状態で介装してある。各セパレータＳ１に示す点線は、実線の凹凸の奥行方向に隣接する凹凸を示している。

上記セパレータＳ１は、上面側（カソード側）では、図４中に実線で示すように、凹部１２を順に通過するようにカソードガスが流れる。また、下面側（アノード側）では、図４中に点線で示すように、凹部１２（上面側では凸部１１）を順に通過するようにアノードガスが流れる。図４では、カソードガスが図中でＸ方向に流れ、アノードガスが図中でＹ方向に流れる場合を示しているが、各ガスの流れを平行流や対向流、若しくは斜め方向にすることも可能である。

このように、上記セパレータＳ１は、ガスの流れ方向を自在に設定することが可能である。また、上記セパレータＳ１では、凸部１１及び凹部１２により、ガスが分離合流を繰り返しながら流れるので、同ガスを攪拌しながら燃料極層２や空気極層３に供給することができる。

しかも、上記セパレータＳ１は、凸部１１が、頂部に向けて幅が減少する断面形状を一定長さにわたって有し、頂部が線状を成しているので、基本的には単位セルＣに線接触することになる。これにより、セパレータＳ１は、単位セル（燃料電池）Ｃに対するガスの拡散性を大きく阻害することなく、単位セル（燃料電池）Ｃとの接触面積を充分に確保することができる。

また、上記セパレータＳ１は、凸部１１（及び凹部１２）が、頂部（及び底部）に向けて幅が減少する断面形状を一定長さにわたって有しているので、複数の凸部１１及び凹部１２を隙間無く配置しても、ガス流路が確実に形成される。

さらに、上記セパレータＳ１は、凸部１１における頂部の長さＮを、基部の長辺の長さＭよりも小さく（Ｎ＜Ｍ）しているので、凸部１１の短辺側が傾斜面となり、凸部１１と凹部１２との切り替え部分を通るガスの流れを容易にすることができる。また、凸部１１及び凹部１２をプレス等で成形する場合に、その加工作業を容易にすることができる。

さらに、上記セパレータＳ１は、凸部１１における頂部の長さＮを、基部の短辺の長さＬ以上（Ｎ≧Ｌ）にしていることから、凸部１１が、その頂部として一定高さの平坦領域を確保し、単位セルＣと直線状に接する形状となる。これにより、セパレータＳ１は、凸部１１及び凹部１２による波形状が有する電気的な接触密度を高く維持することができる。このような点が、ディンプルを有する従来セパレータに対して、インターコネクタとしての性能の決定的差異である。

さらに、上記セパレータＳ１は、より好ましい実施形態として、両面の各凸部１１の高さが、アノードガス及びカソードガスの供給流量比率に応じて設定してあるものとすることができる。これにより、単位セルＣとセパレータＳ１とを積層するだけで、夫々のガス流路に必要な流路断面積並びに流路容積を容易に得ることができる。

さらに、上記セパレータＳ１を備えた燃料電池ＦＣでは、集電層４，５とセパレータＳ１とを溶接で接合することにより、集電層４，５とセパレータＳ１の間でトラス構造に類似した強度向上を実現でき、単セルＣの破壊に繋がる屈曲変形を抑制することが可能になる。なお、溶接よりも強度は低下するものの、接着によっても同様の効果を得ることができる。

上記の強度向上の効果は、ディンプル構造では得られないものであり、また、単純な波形構造では一次元の強度向上であるが、当該セパレータＳ１のように凸部１１と凹部１２を縦横に組み合わせた構成では、２次元方向の強度向上が可能となる。

図５〜図１０は、本発明に係るセパレータの他の実施形態を説明する図である。なお、以下の各実施形態において、先の実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

図５に示すセパレータＳ２は、凸部１１及び凹部１２を互いに隣接させて同一平面内に複数配置したものとなっている。より詳しくは、凹凸を配置する中央領域１０Ｂを図の上下方向であるＸ方向に四段に区分している。第１段及び第３段では、凸部１１の頂部の長さ方向と凹部１２の底部の長さ方向をいずれも横のＹ方向にして、凸部１１及び凹部１２をＸ方向及びＹ方向に交互に配置している。他方、第２段及び第４段では、凸部１１の頂部の長さ方向と凹部１２の底部の長さ方向をいずれも縦のＸ方向にして、凸部１１及び凹部１２をＹ方向のみに交互に配置している。

上記セパレータＳ２は、先の実施形態と同様の作用及び効果を得ることができるうえに、設計の容易性を残しつつ、ガスの縦横方向の依存性（ガスの流れ方向の制限）を低減することができる。

図６に示すセパレータＳ３は、凸部１１及び凹部１２を互いに隣接させて同一平面内に複数配置したものとなっている。より詳しくは、凹凸を配置する中央領域１０Ｂを図の上下方向であるＸ方向に四段に区分している。第１段及び第３段では、一つの凸部１１を二つの凹部１２で挟んだ構成を一組として、この組をＹ方向に配列し、この際、Ｙ方向に隣接する組同士で頂部及び底部の長さ方向が９０度異なるように配置している。他方、第２段及び第４段では、一つの凹部１２を二つの凸部１１で挟んだ構成を一組として、この組をＹ方向に配列し、この際、Ｘ方向及びＹ方向に隣接する組同士で頂部及び底部の長さ方向が９０度異なるように配置している。

上記セパレータＳ３は、先の実施形態と同様の作用及び効果を得ることができるうえに、設計の容易性を残しつつ、ガスの縦横方向の依存性（ガスの流れ方向の制限）を解消することができる。

図７に示すセパレータＳ４は、図２〜図４に示すセパレータＳ１と同様に、凸部１１の頂部の長さ方向と、凹部１２の底部の長さ方向とを同一方向（図７中でＹ方向）にした状態で、凸部１１及び凹部１２を同一平面上の縦横方向（Ｘ，Ｙ方向）に夫々交互に配置してある。

また、セパレータＳ４は、凸部１１と凹部１２との間、若しくは選択された凸部１１及び凹部１２から成る凹凸群同士の間に、平坦部１０Ｃを有するものとなっている。この実施形態では、図中でＸ方向に配列した凸部１１及び凹部１２から成る凹凸群同士の間に、平坦部１０Ｃが設けてある。したがって、この実施形態の平坦部１０Ｃは、図中でＸ方向のみに連続している。

図８に示すセパレータＳ５は、図６に示すセパレータＳ１と同様に、凹凸の組み合わせが異なる組同士をＸ方向及びＹ方向に配置したもので、各組同士の間に平坦部１０Ｃが設けてある。したがって、この実施形態の平坦部１０Ｃは、図中でＸ方向及びＹ方向に連続した格子状になっている。

上記の平坦部１０Ｃを有するセパレータＳ４，Ｓ５は、先の各実施形態と同様の作用及び効果を得ることができるうえに、ガスの流通抵抗を低減することができ、さらには、凹凸の間隔が得られるので成形性がより良好なものとなる。

図９〜図１１に示すセパレータＳ６は、円盤状の燃料電池に対応して円形を成している。この場合、燃料電池は、ドーナツ状の単セルＣを同心状に配置し、燃料極層に対しては、中央部から半径方向にアノードガスを流通させると共に、空気極層に対しては、適宜の方向からカソードガスを流通させる。なお、図１０及び図１１においては、判り易くするために、凸部１１を着色して示し、凹部１２を白色で示した。

図１０（Ａ）に示すセパレータＳ６は、凸部１１及び凹部１２を互いに隣接させて同一平面内に複数配置したものとなっている。より詳しくは、凸部１１の頂部の長さ方向と、凹部１２の底部の長さ方向を半径方向にして、凸部１１及び凹部１２を半径方向及び円周方向に交互に配置したものである。

図１０（Ｂ）に示すセパレータＳ６は、凸部１１の頂部の長さ方向と、凹部１２の底部の長さ方向を円周方向にして、凸部１１及び凹部１２を半径方向及び円周方向に配置したものである。また、上記セパレータＳ６は、図１０（Ａ）に示す凹凸配置と、図１０（Ｂ）に示す凹凸配置とを円周方向に交互に配列しても良い。

また、図１１に示すセパレータＳ６は、凹凸を配置する中央領域１０Ｂを中心側から半径方向に四段に区分している。そして、中心側の第１段及び第３段では、凸部１１の頂部の長さ方向と、凹部１２の底部の長さ方向を半径方向にして、凸部１１及び凹部１２を円周方向に交互に配置している。また、第２段及び第４段では、凸部１１の頂部の長さ方向と、凹部１２の底部の長さ方向を円周方向にして、凸部１１及び凹部１２を半径方向及び円周方向に交互に配置している。

上記の各セパレータＳ６にあっても、先の各実施形態と同様の作用及び効果を得ることができる。例えば、図１１に示すように、上面側では、図中に実線で示すように、凹部１２を順に通過するようにカソードガスが流れる。また、下面側では、図中に点線で示すように、凹部１２（上面側では凸部１１）を順に通過するようにアノードガスが流れる。図１１では、カソードガスが図中で上方向となる一方向に流れ、アノードガスが半径方向に流れる場合を示しているが、各ガスの流れは自在に設定することが可能である。

本発明の燃料電池は、その構成が上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において構成の細部を適宜変更することが可能である。例えば、上記各実施形態では、長辺及び短辺の長さがほぼ等しい凸部１１及び凹部１２を例示したが、凸部１１及び凹部１２の大きさや形状、凹凸の間隔、頂部や底部の長さ方向などの組合せは無限であり、ガス流れ等の要求に応じて凹凸の配置を自在に設定することができる。

Ａ 燃料電池スタック
Ｓ１〜Ｓ６ セパレータ
ＦＣ 燃料電池
Ｃ 単セル
１０Ｃ 平坦部
１１ 凸部
１２ 凹部

Claims (8)

1. 燃料電池の発電要素である単セルとの間にガス流路を形成し且つインターコネクタを兼用する燃料電池用セパレータであって、
   裏面側で凹凸形状が反転する凸部及び凹部を備え、
   凸部が、頂部に向けて幅が減少する断面形状を一定長さにわたって有すると共に、
   凹部が、底部に向けて幅が減少する断面形状を一定長さにわたって有しており、
   凸部及び凹部を互いに隣接させて同一平面内に複数配置したことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
2. 凸部の頂部が線状を成していることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用セパレータ。
3. 凸部における頂部の長さＮが、基部の長辺の長さＭよりも小さい（Ｎ＜Ｍ）と共に、凹部が、前記凸部の反転形状であることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池用セパレータ。
4. 凸部における頂部の長さＮが、基部の短辺の長さＬ以上（Ｎ≧Ｌ）であると共に、凹部が、前記凸部の反転形状であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータ。
5. 凸部と凹部との間、若しくは選択された凸部及び凹部から成る凹凸群同士の間に、平坦部を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータ。
6. 両面の各凸部の高さが、アノードガス及びカソードガスの供給流量比率に応じて設定してあることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータ。
7. 燃料電池の発電要素である単セルのいずれか一方の電極側に、請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータを備えたことを特徴とする燃料電池。
8. 請求項７に記載の燃料電池を複数積層して成ることを特徴とする燃料電池スタック。

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