JP2016015222A - 燃料電池用セパレータ - Google Patents

Abstract

【課題】小型化が可能な燃料電池用セパレータを提供すること。【解決手段】セパレータ１３，１４に酸化ガス及び燃料ガスのための複数のガス流路３１，３２を並設する。圧力損失の低いガス流路３１，３２の入口側開口３３１の面積を圧力損失の高いガスの入口側開口３３１の面積より狭くした。従って、ガス流路３１，３２内の圧力を均等化するための流路を設ける必要がなく、セパレータ１３、１４の小形化が可能になる。【選択図】図１

Description

本発明は、発電作動ガスのための複数のガス流路を形成した燃料電池用セパレータに関する。

この種のセパレータには複数のガス流路が形成されている。この場合、効率的な発電を可能にするために、ガスは各ガス流路内を均等に流れることが好ましい。
特許文献１においては、複数のガス流路の上流側及び下流側に、流路断面積が拡張された部位と流路断面積が縮小された部位とが設けられ、ガスがこの両部位を通過することによって複数のガス流路に対する分配の均一性が向上されるとしている。

特開２００９−５９６８５号公報

特許文献１のセパレータにおいては、ガス流路の上流側及び下流側において流路断面積の拡張部位や収縮部位を有する連結流路が形成されているため、ガス流路が長くなってセパレータ全体が大形化する問題があった。

本発明の目的は、小型化が可能な燃料電池用セパレータを提供することにある。

上記の目的を達成するために、金属薄板に発電作動ガスのための複数のガス流路を並設するとともに、ガス流に対する圧力損失が低いガス流路の入口側開口の面積をガス流に対する圧力損失が高いガスの入口側開口の面積より狭くしたことを特徴とするものである。

このように構成すれば、ガスを各ガス流路に対して均等分配するための拡張部位や収縮部位等をガス流路に設ける必要がないため、ガス流路が必要以上に長くなることを防止できて、セパレータの小形化が可能になる。

本発明によれば、セパレータを小形化できるという効果がある。

燃料電池の分解斜視図。 燃料電池の一部側面図。 燃料電池の一部断面図。 発電電極部材を示す一部拡大断面図。 セパレータの斜視図。 図５のセパレータを反転させた斜視図。 冷却水の流路を示す燃料電池の断面図。 セパレータの開口の部分を示す斜視図。 セパレータの開口の部分を示す側面図。 変更例を示す斜視図。

以下、実施形態について説明する。
図１及び図２に示すように、燃料電池は四角形をなす複数の発電セル１１を積層して構成されている。発電セル１１は、電極部材１２と、この電極部材１２の両側に積層されたチタン合金やステンレス鋼等の金属薄板よりなるセパレータ１３，１４とを備えている。なお、図面においては、セパレータ１３，１４は実際のものより厚く描かれている。

図１及び図７に示すように、隣接する発電セル１１のセパレータ１３，１４は背中合わせ状態に互いに当接されている。隣接する発電セル１１の外周部間にはゴム性状を有し、電気絶縁材よりなるシール枠１５が介在されている。シール枠１５は、各発電セル１１の外周間におけるシール性，すなわち密閉性を保持するためのものである。

図４に示すように、前記電極部材１２は、固体電解質膜２１と、その固体電解質膜２１の両側に積層されたカソード側電極層２２及びアノード側電極層２３とを備えている。カソード側電極層２２及びアノード側電極層２３は、それぞれ触媒層２４及び拡散層２５を備え、拡散層２５がセパレータ１３，１４側に位置している。

図１及び図３に示すように、カソード側のセパレータ１３のカソード側電極層２２側には酸素あるいは空気よりなる発電作動ガスとしての酸化ガスの流路３１が蛇行状に形成されている。アノード側のセパレータ１４のアノード側電極層２３側には水素よりなる発電作動ガスとしての燃料ガスの流路３２が蛇行状に形成されている。図５及び図６に示すように、両流路３１，３２の両端にはそれぞれ開口３３１，３３２が形成されている。ここで、開口３３１がガスの入口側で、開口３３２が出口側である。

図７に示すように、隣接するセパレータ１３，１４間には冷却水を流すための冷却水流路３４が形成されている。
図５及び図６に示すように、前記セパレータ１３，１４、シール枠１５及び電極部材１２には、すなわち各発電セル１１には酸化ガス供給路３５，燃料ガス供給路３６，燃料ガス排出路３７及び酸化ガス排出路３８が貫設されている。そして、セパレータ１３のガス流路３１が前記酸化ガス供給路３５と酸化ガス排出路３８との間に配置され、セパレータ１４のガス流路３２が燃料ガス供給路３６と燃料ガス排出路３７との間に配置されている。従って、前記各ガス流路３１，３２の開口３３１，３３２が各路３５，３６，３７，３８と連通されている。図１及び図３に示すように、シール枠１５には各路３５，３６，３７，３８の近傍において後述の突条５１を凹凸の嵌合関係で支持する支持部３９が形成されている。

そして、酸化ガスは、酸化ガス供給路３５から開口３３１を介して酸化ガス流路３１に供給される。この酸化ガスは、電極部材１２の拡散層２５を通過することによって同拡散層２５に拡散されて、カソード側電極層２２側の触媒層２４に供給される。一方、燃料ガスは、燃料ガス供給路３６から開口３３１を介して燃料ガス流路３２内に供給される。この燃料ガスは、電極部材１２の拡散層２５上を通過することによって同拡散層２５に拡散されて、アノード側電極層２３側の触媒層２４に供給される。そして、電極部材１２において燃料ガス及び酸化ガスによる電極反応が発現されて、発電が行われる。

発電に用いられなかった残留燃料ガスは、燃料オフガスとして燃料ガス流路３２の出口側の開口３３２から燃料ガス排出路３７に排出される。発電に用いられなかった残留酸化ガスは、酸化オフガスとして酸化ガス供給路３５の出口側の開口３３２を介して酸化ガス排出路３８を介して排出される。

図３及び図７に示すように、前記電極部材１２及びセパレータ１３，１４には冷却水供給路４１及び冷却水排出路４２が貫設されている。両路４１，４２と前記冷却水流路３４との間においてシール枠１５には連通開口４３が形成されている。そして、発電によって発熱された電極部材１２は、冷却水供給路４１，連通開口４３からセパレータ１３，１４間の冷却水流路３４を通る冷却水によって冷却される。冷却に供された冷却水は、連通開口４３，冷却水排出路４２を経て外部流路に排出される。

図５〜図８に示すように、セパレータ１３，１４は同一構成であって、表裏いずれかの向きで使用される。セパレータ１３，１４には突条５１が形成され、この突条５１の裏面側の溝部によって前記ガス流路３１，３２が形成されている。この突条５１はプレス加工よって形成される。そして、隣接するセパレータ１３，１４は、突条５１の頂壁５２どうしを当接させて、前記のように背中合わせ状に配置されている。突条５１は複数（実施形態では３条）並設されており、それらは蛇行するように２箇所に屈曲部５７が形成されて、延長方向が反転されている。そして、並設方向における両側の突条５１１はそれぞれいずれか一方の屈曲部５７の一箇所において１８０度反転されるとともに、他方の屈曲部５７においては９０度ずつ２箇所で反転されている。中央の突条５１２はいずれの屈曲部５７においても、９０度ずつ２箇所で反転されている。従って、並設方向の両側の突条５１１は中央の突条５１２より屈曲度合いが強い。

各突条５１の頂壁５２には、その頂壁５２を凹ませることにより、複数の凹部５３が形成されている。そして、図３及び図７に示すように、隣接するセパレータ１３，１４において、突条５１間の凹条５４によって形成された第１空隙５５と、隣接するセパレータ１３，１４の凹部５３間及び凹部５３と突条５１の頂壁５２との間に形成された第２空隙５６とにより前記冷却水流路３４が形成されている。

図１，図５及び図６に示すように、前記開口３３１，３３２はそれぞれ酸化ガス供給路３５，燃料ガス供給路３６及び燃料ガス排出路３７，酸化ガス排出路３８の一つの辺に臨んでいてその辺上に並設されている。

図８及び図９に示すように、入口側の開口３３１の部分において、３条の突条５１のうち、中央側の突条５１２の頂壁５２が開口３３１に向かって下降するように傾斜されて、中央側の突条５１２の端部の頂壁の高さが他の突条５１１より低く形成されている。このため、中央側の突条５１２の開口３３１の面積が他の突条５１１の開口３３１の面積より狭くなっている。

次に、実施形態の作用をセパレータ１３，１４の機能を中心に説明する。
発電のために、酸化ガスが酸化ガス供給路３５から開口３３１を介して酸化ガス流路３１に流れるとともに、燃料ガスが燃料ガス供給路３６から開口３３１を介して燃料ガス流路３２内を流れる。このため、発電作用が惹起される。そして、酸化ガスが酸化ガス流路３１の開口３３２から酸化ガス排出路３８に流れるとともに、燃料ガスが燃料ガス流路３２の開口３３２から燃料ガス排出路３７に流れる。この場合、図４及び図５から明らかなように、セパレータ１３，１４の並設方向における両側の流路３１，３２は屈曲部５７における屈曲度合いが強いため、中央部の流路３１，３２よりガス流に対する圧力損失が高く、ガスが流れにくく、その結果両側の流路３１，３２内へはガスが進入しにくい。

ここで、本実施形態においては、中央部の流路の開口３３１がその両側の開口３３１より狭いため、中央部の開口３３１からの流路内に進入される酸化ガス及び燃料ガスの流量が少なくなる。このため、各流路内を流れる酸化ガス及び燃料ガスの流量を均等にすることができる。このため、燃料電池の発電をセル１１全体にわたって均等化できて、高効率発電が可能になる。

従って、この実施形態においては、以下の効果がある。
（１）ガス流路３１，３２のうち、圧力損失の低い中央のガス流路３１，３２の入口側開口３３１を圧力損失の高いガス流路３１，３２の入口側開口３３１より面積を狭くしているため、各ガス流路３１，３２内を流れるガスの流量が均等化される。従って、発電セル１１による効率的な発電が可能になる。

（２）ガス流路３１，３２の高さを変えることにより、つまり形状を変更することにより、ガスの流量が均等化されるため、部品点数が増えることはなく、構成は簡易である。
（３）開口３３１の面積を変えることにより、ガス流路３１，３２内のガス流量を均等化したので、特許文献１とは異なり、ガス流路３１，３２の途中にガス流量を均等化させるための通路等を設ける必要はない。このため、ガス流路３１，３２の長さが無闇に長くなることがない反面、セル１１のほぼ全体に発電領域を形成でき、このため、燃料電池の小形が可能になるとともに、セル１１の発電領域を広くすることができて、発電効率を向上できる。

前記実施形態は以下のように変更することも可能である。
・ガス流路３１，３２を２または４以上にすること。この場合も、内部の圧力損失が低い流路の開口面積を圧力損失が高い流路の開口面積より狭くする。

・開口３３１の幅を狭くすることによって開口面積を狭くすること。
・開口３３１の形状を変更することによって開口面積を狭くすること。例えば、開口３３１の形状を半円形または四角形に形成することによって開口面積が広い開口３３１とし、開口３３１の形状を三角形にすることによって開口面積が狭い開口３３１とすること。

・図１０に示すように、開口３３２側の突条５１の端部の頂壁５２を傾斜させて、流路３１，３２の出口側の開口３３２の面積を上流側の流路断面積より狭くすること。このようにすれば、流路３１，３２内の発電にともなう不要な生成水が開口３３２側に移動した場合に、その生成水によって開口３３２が閉鎖状態になって流路３１，３２内の圧力が高くなり、その圧力を利用して開口３３２内の生成水を噴射状に排出させることができる。従って、燃料電池の稼働停止時に周囲が凍結温度以下になっても、燃料電池内の着氷を少なくできる。

前記実施形態及び変更例からは、下記の技術的思想を抽出できる。
（Ａ）屈曲度合いが弱いガス流路の入口側開口を屈曲度合いが強いガス流路の入口側開口より面積を狭くした請求項１〜３のうちのいずれか一項に記載の燃料電池セパレータ。

従って、屈曲度合いを自在に設定できて、ガス流路の配列や形状に対する制約を少なくできる。
（Ｂ）ガス流路を形成する突条の頂壁を開口側に向かって低くすることによって開口面積を狭くした請求項１〜３，前記技術的思想（Ａ）項に記載の燃料電池セパレータ。

従って、突条の成形と同時に開口の面積を調整できて、セパレータの加工が容易になる。
（Ｃ）ガス流路の出口側の開口をガス流路の上流側の流路断面積より狭くした請求項１〜３，前記技術的思想（Ａ）項，（Ｂ）項のうちのいずれか一項に記載の燃料電池セパレータ。

従って、流路内の圧力を高めて生成水を適切に排出できる。
（Ｄ）請求項１〜３，前記技術的思想（Ａ）項，（Ｂ）項，（Ｃ）項のうちのいずれか一項に記載の燃料電池セパレータと、一対の燃料電池セパレータ間に挟持された電極部材とを備えた複数のセルを積層した燃料電池において、前記セルにガス供給路とガス排出路とを設けるとともに、前記ガス流路を前記ガス供給路とガス排出路との間に配置し、ガス流路の入り口側開口をガス供給路に並設状態で臨ませた燃料電池。

１２…電極部材、１３…セパレータ、１４…セパレータ、３１…酸化ガス流路、３２…燃料ガス流路、３３…開口、３４…冷却水流路、５１…突条、５２…頂壁、５３…凹部、６１…トラップ、３３１…入口側開口。

Claims (3)

1. 金属薄板に発電作動ガスのための複数のガス流路を並設するとともに、ガス流に対する圧力損失が低いガス流路の入口側開口の面積をガス流に対する圧力損失が高いガスの入口側開口の面積より狭くした燃料電池用セパレータ。
2. 前記ガス流路を平行に形成した請求項１に記載の燃料電池用セパレータ。
3. ガス流路を屈曲させることによって蛇行させた請求項２に記載の燃料電池用セパレータ。