JP4120072B2 - 固体高分子電解質型燃料電池用セパレータ及び固体高分子電解質型燃料電池 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は固体高分子電解質型燃料電池用セパレータ及び固体高分子電解質型燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
大気の汚染をできる限り減らすために自動車の排ガス対策が重要になっており、その対策の一つとして電気自動車が使用されているが、充電設備や走行距離などの問題で普及に至っていない。
【０００３】
燃料電池は、水素と酸素を使用して電気分解の逆反応で発電し、水以外の排出物がなくクリーンな発電装置として注目されており、前記燃料電池を使用した自動車が最も将来性のあるクリーンな自動車であると見られている。前記燃料電池の中でも固体高分子電解質型燃料電池が低温で作動するため自動車用として最も有望である。
【０００４】
固体高分子電解質型燃料電池は、固体高分子電解質膜を二つのガス拡散電極で挟んで接合した接合体をセパレータで挟持した単電池セルによって構成される。燃料ガス、酸化剤ガスが、それぞれ燃料極、酸化剤極に供給され、電気化学反応により発電する。前記ガスは、セパレータに設けられたガス流路により供給される。ガスをいかに均一にガス拡散電極の電極面に供給するかで、ガス利用率が決まり、発電効率及び出力特性に影響する。
【０００５】
前記燃料極では燃料ガス中の水素が燃料極触媒に接触することにより下記の反応が生ずる。
【０００６】
２Ｈ２ → ４Ｈ＋ ＋４ｅ−
Ｈ＋は、電解質中を移動し酸化剤極触媒に達し酸化剤ガス中の酸素と反応して水となる。
【０００７】
４Ｈ＋ ＋４ｅ− ＋Ｏ２ → ２Ｈ２Ｏ
燃料極からのＨ＋の移動に伴い水も移動するため燃料極に供給する燃料ガスに水分を含ませて供給している。電解質が、固体高分子電解質膜の場合は、電解質の性能を維持するためにも、燃料ガスには上記の反応に必要な量以上の水分を含ませて供給し、酸化剤ガスにも水分を含ませて供給する必要がある。
【０００８】
電極反応に使用された後の燃料ガス中には水分が残っている。酸化剤ガス中には、供給時に含ませた水分のほかに電極反応で生成する水分が含まれている。これらの水分の一部は凝縮してガス流路を塞ぐおそれがある。ガス流路の一部でも水で塞がれると、ガス流路の流路抵抗が上昇し、且つガスの分布を不均一にするため、燃料電池の発電性能が低下する。
【０００９】
従来技術として、特開平１０−１０６５９４号公報には、ガス流路である通流溝を入口側通流溝部、出口側通流溝部、中間通流溝部で構成し、該中間通流溝部を一端側から他端側に延びる直線部と各端側で折り返す曲線部で構成し、該曲線部及び前記入口側通流溝部、前記出口側通流溝部が格子状溝になっている燃料電池用セパレータが開示されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術は、前記入口側通流溝部が格子状溝になっているので、供給されたガスが自由に移動し時間的に速く電極と接触してガス拡散性を高めることができ、前記出口側通流溝部が格子状溝になっているので、水の停滞を防止することができる。また、従来技術は前記中間通流溝部の直線部によって、ガスがムラなく流れて排水性を高め、かつ、流速が速くなるのでガス利用効率が向上できる。
【００１１】
更に、従来技術は、前記曲線部が格子状溝になっているので、該曲線部でのガス拡散性を維持したまま流路抵抗を低減することができる。即ち、従来技術は、ガス拡散性と出力性能の向上が可能である。
【００１２】
その上、従来技術は、ガス中の水蒸気が凝集して前記中間通流溝部の直線部の一部を塞いでも、前記曲線部でガスが迂回できるので、下流側の中間通流溝部にはガスが流れ、水づまりの影響を少なくすることができる。
【００１３】
しかしながら、従来技術は、前記入口側通流溝部、前記出口側通流溝部の一隅であるコーナ部、及び前記曲線部の通流溝端部の二隅であるコーナ部が死角になって、ガスが滞留する問題点がある。また、万一、ガス中の水蒸気が凝縮して水になり、ガス通流の死角になっている前記コーナ部に滞留したら、滞留したままの状態が続き、流路抵抗が大きくなり、ガスの分布が不均一になる問題点がある。
【００１４】
更に、前記入口側通流溝部、前記出口側通流溝部、及び前記曲線部は格子状溝であるので、電極との接触面積が小さく接触抵抗が大きいので、出力性能が小さくなる問題点がある。
【００１５】
図５は、従来技術の燃料電池用セパレータの曲線部付近の正面説明図である。５２ａ、５２ｂは中間通流溝部の一端側から他端側に延びる直線部である。前記直線部５２ａと５２ｂは、境界凸部５１により分かれている。５０は、ガスが前記直線部５２ａから前記直線部５２ｂに通流するときに折り返す曲線部である。該曲線部は、円形の凸部５０ａを持つ格子状溝である。
【００１６】
ガスが、前記曲線部５０を通流するとき、前記直線部５２ａ、５２ｂに近い部分はガスの通流が良く、該直線部５２ａ、５２ｂから遠い部分はガスの通流が悪い。特にコーナ部５０ｂ、５０ｃでは、ガスが滞留する問題がある。また、前記コーナ部５０ｂ、５０ｃに凝縮水が来ると、滞留し続けて流路抵抗を大きくし、ガスの分布を不均一にする問題がある。
【００１７】
また、前記曲線部５０では、前記凸部５０ａで電極と接触しているが、該凸部５０ａの面積が前記曲線部５０に占める割合が小さいので、電極とセパレータの接触抵抗が大きくなる。この接触抵抗が大きくなる割合はわずかであるが、多数のセパレータが積層されている燃料電池では、できる限り接触抵抗を小さくして出力性能を上げることが求められている。
【００１８】
本発明は上記課題を解決したもので、前記入口側通流溝部、前記出口側通流溝部及び前記曲線部にガス及び凝縮水が滞留する死角がなくガスの分布が均一であり、電極との接触抵抗が小さい燃料電池用セパレータを提供し、出力性能が高い燃料電池を提供する。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記技術的課題を解決するために、本発明の請求項１において講じた技術的手段（以下、第１の技術的手段と称する。）は、固体高分子電解質を挟持する一対のガス拡散電極の該固体高分子電解質と背向する一対の該ガス拡散電極の面に燃料ガスまたは酸化剤ガスからなる供給ガスをそれぞれの入口側から出口側に導く通流溝が形成された一対の燃料電池用セパレータにおいて、少なくとも一方の前記燃料電池用セパレータの前記通流溝は、該入口側に位置する入口側通流溝部と該出口側に位置する出口側通流溝部とそれらの間に位置する中間通流溝部とからなり、該中間通流溝部は、一端側から他端側に直線状の複数の溝で形成される独立通流溝部と各端側で折り返す折り返し溝部とからなり、該折り返し溝部が非連続な溝形状であり、前記折り返し溝部に前記供給ガスが流入される前記独立通流溝部と前記折り返し溝部から前記供給ガスが流出される前記独立通流溝部との間に設けられた境界凸部を備え、前記境界凸部の一端側は前記通流溝の端に当接し他端側は前記折り返し溝部に対面しており、前記境界凸部の前記他端側が対面している前記折り返し溝部において、当該折り返し溝部と前記独立通流溝部の境界から前記独立通流溝部の前記直線状の溝の延長方向の前記通流溝の端までの距離が前記境界凸部の前記他端側から離れるにつれて小さくなっていることを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池用セパレータである。
【００２０】
上記第１の技術的手段による効果は、以下のようである。
【００２１】
即ち、前記折り返し溝部のコーナ部をなくし、かつ直線部の面積を大きくすることができるので、該折り返し溝部でのガス及び凝縮水の滞留をなくし、ガスの分布を均一にすることができる。また、前記折り返し溝部の電極との接触面積を大きくし接触抵抗を小さくすることができる。
【００２２】
上記技術的課題を解決するために、本発明の請求項２において講じた技術的手段（以下、第２の技術的手段と称する。）は、前記入口側通流溝部は前記中間通流溝部の前記独立通流溝部と連結しており、前記入口側通流溝部が非連続な溝形状であり、該入口側通流溝部と前記独立通流溝部の境界から前記独立通流溝部の前記直線状の溝の延長方向の前記通流溝の端までの距離が、入口から離れるにつれて小さくなっていることを特徴とする請求項１記載の固体高分子電解質型燃料電池用セパレータである。
【００２３】
上記第２の技術的手段による効果は、以下のようである。
【００２４】
即ち、請求項１と同様、前記入口側通流溝部のコーナ部をなくし、かつ直線部の面積を大きくすることができるので、該入口側通流溝部でのガス及び凝縮水の滞留をなくし、ガスの分布を均一にすることができる。また、前記入口側通流溝部の電極との接触面積を大きくし接触抵抗を小さくすることができる。
【００２５】
上記技術的課題を解決するために、本発明の請求項３において講じた技術的手段（以下、第３の技術的手段と称する。）は、前記出口側通流溝部は前記中間通流溝部の前記独立通流溝部と連結しており、前記出口側通流溝部が非連続な溝形状であり、該出口側通流溝部と前記独立通流溝部の境界から前記独立通流溝部の前記直線状の溝の延長方向の前記通流溝の端までの距離が、出口から離れるにつれて小さくなっていることを特徴とする請求項１記載の固体高分子電解質型燃料電池用セパレータである。
【００２６】
上記第３の技術的手段による効果は、以下のようである。
【００２７】
即ち、請求項１と同様、前記出口側通流溝部のコーナ部をなくし、かつ直線部の面積を大きくすることができるので、該出口側通流溝部でのガス及び凝縮水の滞留をなくし、ガスの分布を均一にすることができる。また、前記出口側通流溝部の電極との接触面積を大きくし接触抵抗を小さくすることができる。
【００２８】
上記技術的課題を解決するために、本発明の請求項４において講じた技術的手段（以下、第４の技術的手段と称する。）は、前記非連続な溝形状が格子状溝であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の固体高分子電解質型燃料電池用セパレータである。
【００２９】
上記第４の技術的手段による効果は、以下のようである。
【００３０】
即ち、溝形状が単純であるので、流路抵抗を小さくし、ガスの分布を均一にすることができる。
【００３１】
上記技術的課題を解決するために、本発明の請求項５において講じた技術的手段（以下、第５の技術的手段と称する。）は、前記格子状溝により形成される凸部が、四角形であることを特徴とする請求項４記載の固体高分子電解質型燃料電池用セパレータである。
【００３２】
上記第５の技術的手段による効果は、以下のようである。
【００３３】
即ち、前記格子状溝の加工が容易である効果を有する。
【００３４】
上記技術的課題を解決するために、本発明の請求項６において講じた技術的手段（以下、第６の技術的手段と称する。）は、前記格子状溝により形成される凸部が、円形であることを特徴とする請求項４記載の固体高分子電解質型燃料電池用セパレータである。
【００３５】
上記第６の技術的手段による効果は、以下のようである。
【００３６】
即ち、前記凸部に角がないので、ガスの乱流の発生を小さくすることができるので、流路抵抗を小さくし、ガスの分布を均一にすることができる。
【００３７】
上記技術的課題を解決するために、本発明の請求項７において講じた技術的手段（以下、第７の技術的手段と称する。）は、固体高分子電解質を挟持する一対のガス拡散電極の該固体高分子電解質と背向する一対の該ガス拡散電極の面に燃料ガスまたは酸化剤ガスからなる供給ガスをそれぞれの入口側から出口側に導く通流溝が形成された一対の燃料電池用セパレータで挟持した単電池セルを多数積層した燃料電池において、少なくとも一方の前記燃料電池用セパレータの前記通流溝は、該入口側に位置する入口側通流溝部と該出口側に位置する出口側通流溝部とそれらの間に位置する中間通流溝部とからなり、該中間通流溝部は、一端側から他端側に直線状の溝で形成される独立通流溝部と各端側で折り返す折り返し溝部とからなり、前記折り返し溝部に前記供給ガスが流入される前記独立通流溝部と前記折り返し溝部から前記供給ガスが流出される前記独立通流溝部との間に設けられた境界凸部を備え、前記境界凸部の一端側は前記通流溝の端に当接し他端側は前記折り返し溝部に対面しており、前記境界凸部の前記他端側が対面している前記折り返し溝部において、当該折り返し溝部と前記独立通流溝部の境界から前記独立通流溝部の前記直線状の溝の延長方向の前記通流溝の端までの距離が前記境界凸部の前記他端側から離れるにつれて小さくなっていることを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池である。
【００３８】
上記第７の技術的手段による効果は、以下のようである。
【００３９】
即ち、前記折り返し溝部でのガス及び凝縮水の滞留がなくガスの分布が均一であり、該折り返し溝部の電極との接触抵抗を小さいセパレータを使用しているので、出力性能を高い燃料電池ができる。
【００４０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について、図面に基づいて説明する。
【００４１】
図１は、本発明の第１実施例の自動車用固体高分子電解質型燃料電池のセパレータの正面図である。前記燃料電池用セパレータは金属製であるが、カーボンなど導電性の材料なら他の材料でもかまわない。
【００４２】
前記燃料電池用セパレータの上端部にガス入口マニホールド１が、下端部にガス出口マニホールド２が設けられている。前記燃料電池用セパレータの中央部には、ガス拡散電極に供給するガスの流路である通流溝１０が設けられている。前記通流溝１０は、入口３を介して前記ガス入口マニホールド１と連結し、出口４を介して前記ガス出口マニホールド２と連結している。
【００４３】
前記通流溝１０は、入口３側に位置する入口側通流溝部１１と出口４側に位置する出口側通流溝部１２とそれらの間に位置する中間通流溝部１４から構成されている。該中間通流溝部１４は、一端から他端側に直線状の複数の溝で形成される独立通流溝部１４ａ〜１４ｅと各端側で折り返す折り返し溝部１３ａ〜１３ｄで構成されている。
【００４４】
前記入口側通流溝部１１、出口側通流溝部１２及び折り返し溝部１３ａ〜１３ｄは、非連続な溝形状の一つである格子状溝であり、該格子状溝で形成される凸部１１ａ、１２ａ、１５ａ〜１５ｄは円形の凸部である。前記独立通流溝部１４ａ〜１４ｅには、直線状の凸部１６ａ〜１６ｅが設けられている。前記凸部１１ａ、１２ａ、１５ａ〜１５ｄ、１６ａ〜１６ｅがガス拡散電極に接触し、セパレータは該ガス拡散電極で発電された電気を集電する役割も担っている。
【００４５】
前記独立通流溝部１４ａ〜１４ｅを互いに分離するために境界凸部１７ａ〜１７ｄが設けられている。該境界凸部１７ａ〜１７ｄにより、隣接する独立通流溝部では逆方向にガスが通流する。このガスの逆方向への通流の折り返しを担っているのが前記折り返し溝部１３ａ〜１３ｄである。
【００４６】
図２は、本発明の第１実施例の自動車用固体高分子電解質型燃料電池のセパレータの入口側通流溝部１１付近ａの正面説明図である。
【００４７】
該入口側通流溝部１１と独立通流溝部１４ａの境界３１から独立通流溝部１４ａの直線状の溝の延長方向の通流溝１０の端５までの距離は、入口３から離れるにつれて小さくなっている。即ち、前記独立通流溝部１４ａの凸部１６ａは、入口３から離れるにつれて前記通流溝１０の端５に近づくように延びている。前記入口側通流溝部１１は、略直角三角形になっている。
【００４８】
ガス入口マニホールド１から入口３を通って前記入口側通流溝部１１に供給されたガスは、格子状溝を通って前記独立通流溝部１４ａに供給される。前記入口側通流溝部１１の入口から最も遠いところでは前記通流溝１０の端５近くまで前記独立通流溝部１４ａが延びているので、コーナ部が存在せず、ガス及び凝縮水が滞留することがない。そのため、ガスの分布が均一である。また、前記独立通流溝部１４ａの凸部１６ａが延びているので、電極との接触面積が大きく、接触抵抗を小さくすることができる。
【００４９】
出口側通流溝部１２も同様に、コーナ部がないのでガス及び凝縮水が滞留せず、ガスの分布が均一である。また、独立通流溝部１４ｅの凸部１６ｅが延びているので、接触抵抗を小さくすることができる。
【００５０】
図３は、本発明の第１実施例の自動車用固体高分子電解質型燃料電池のセパレータの折り返し溝部１３ｃ付近ｂの正面説明図である。
【００５１】
該折り返し溝部１３ｃと独立通流溝部１４ｃの境界３２から独立通流溝部１４ｃの直線状の溝の延長方向の通流溝１０の端６までの距離は、独立通流溝部１４ｃと独立通流溝部１４ｄの間に設けられた境界凸部１７ｃから離れるにつれて小さくなっている。即ち、独立通流溝部１４ｃ、１４ｄの凸部１６ｃ、１６ｄは、前記境界凸部１７ｃから離れるにつれて前記通流溝１０の端６に近づくように延びている。前記折り返し溝部１３ｃは、略三角形になっている。
【００５２】
前記独立通流溝部１４ｃから前記折り返し溝部１３ｃに供給されたガスは、該折り返し溝部１３ｃ格子状溝を通って前記独立通流溝部１４ｄに供給される。前記折り返し溝部１３ｃの境界凸部１７ｃから最も遠いところでは前記通流溝１０の端５近くまで前記独立通流溝部１４ｃ、１４ｄが延びているので、コーナ部が存在せず、ガス及び凝縮水が滞留することがない。そのため、ガスの分布が均一である。また、前記独立通流溝部１４ｃ、１４ｄの凸部１６ｃ、１６ｄが延びているので、電極との接触面積が大きく、接触抵抗を小さくすることができる。
【００５３】
他の折り返し溝部１３ａ、１３ｂ、１３ｄも同様である。
【００５４】
図４は、本発明の第２実施例の自動車用固体高分子電解質型燃料電池のセパレータの折り返し溝部付近の正面説明図である。通流溝２０の中間通流溝部に、独立通流溝部２３、２４及び折り返し溝部２１が設けられている。
【００５５】
前記独立通流溝部２３、２４と前記折り返し溝部２１の境界３３から独立通流溝部２３、２４の直線状の溝の延長方向の前記通流溝２０の端７までの距離は、前記独立通流溝部２３と前記独立通流溝部２４の間に設けられた境界凸部２５から離れるにつれて小さくなっている。即ち、独立通流溝部２３、２４の凸部２３ａ、２４ａは、前記境界凸部２５から離れるにつれて前記通流溝２０の端７に近づくように延びている。前記折り返し溝部２１は、略半円形になっている。
【００５６】
前記独立通流溝部２３から前記折り返し溝部２１に供給されたガスは、該折り返し溝部２１格子状溝を通って前記独立通流溝部２４に供給される。前記折り返し溝部２１の境界凸部２５から最も遠いところでは前記通流溝２０の端７近くまで前記独立通流溝部２３、２４が延びているので、コーナ部が存在せず、ガスが及び凝縮水滞留することがない。そのため、ガスの分布が均一である。また、前記独立通流溝部２３、２４の凸部２３ａ、２４ａが延びているので、電極との接触面積が大きく、接触抵抗を小さくすることができる。
【００５７】
【発明の効果】
以上のように、本発明は、固体高分子電解質を挟持する一対のガス拡散電極の該固体高分子電解質と背向する一対の該ガス拡散電極の面に燃料ガスまたは酸化剤ガスからなる供給ガスをそれぞれの入口側から出口側に導く通流溝が形成された一対の燃料電池用セパレータにおいて、少なくとも一方の前記燃料電池用セパレータの前記通流溝は、該入口側に位置する入口側通流溝部と該出口側に位置する出口側通流溝部とそれらの間に位置する中間通流溝部とからなり、該中間通流溝部は、一端側から他端側に直線状の複数の溝で形成される独立通流溝部と各端側で折り返す折り返し溝部とからなり、該折り返し溝部が非連続な溝形状であり、前記折り返し溝部に前記供給ガスが流入される前記独立通流溝部と前記折り返し溝部から前記供給ガスが流出される前記独立通流溝部との間に設けられた境界凸部を備え、前記境界凸部の一端側は前記通流溝の端に当接し他端側は前記折り返し溝部に対面しており、前記境界凸部の前記他端側が対面している前記折り返し溝部において、当該折り返し溝部と前記独立通流溝部の境界から前記独立通流溝部の前記直線状の溝の延長方向の前記通流溝の端までの距離が前記境界凸部の前記他端側から離れるにつれて小さくなっていることを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池用セパレータ及び固体高分子電解質を挟持したガス拡散電極を上記の燃料電池用セパレータで挟持した固体高分子電解質型燃料電池であるので、燃料電池用セパレータの前記入口側通流溝部、前記出口側通流溝部及び前記曲線部にガス及び凝縮水が滞留する死角をなくし、ガスの分布を均一にでき、電極との接触抵抗が小さいすることができ、燃料電池の出力性能を高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例の自動車用固体高分子電解質型燃料電池のセパレータの正面図
【図２】本発明の第１実施例の自動車用固体高分子電解質型燃料電池のセパレータの入口側通流溝部付近の正面説明図
【図３】本発明の第１実施例の自動車用固体高分子電解質型燃料電池のセパレータの折り返し溝部付近の正面説明図
【図４】本発明の第２実施例の自動車用固体高分子電解質型燃料電池のセパレータの折り返し溝部付近の正面説明図
【図５】従来技術の燃料電池用セパレータの曲線部付近の正面説明図
【符号の説明】
１…ガス入口マニホールド
２…ガス出口マニホールド
３…入口
４…出口
５、６、７…端
１０、２０…通流溝
１１…入口側通流溝部
１１ａ、、１２ａ、１５ａ〜１５ｄ 、２２ …凸部
１２…出口側通流溝部
１３ａ〜１３ｄ、２１…折り返し溝部
１４…中間通流溝部
１４ａ〜１４ｅ、２３、２４…独立通流溝部
１６ａ〜１６ｅ、２３ａ、２４ａ …凸部
１７ａ〜１７ｄ、２５…境界凸部
３１〜３３…境界
【発明の属する技術分野】
本発明は固体高分子電解質型燃料電池用セパレータ及び固体高分子電解質型燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
大気の汚染をできる限り減らすために自動車の排ガス対策が重要になっており、その対策の一つとして電気自動車が使用されているが、充電設備や走行距離などの問題で普及に至っていない。
【０００３】
燃料電池は、水素と酸素を使用して電気分解の逆反応で発電し、水以外の排出物がなくクリーンな発電装置として注目されており、前記燃料電池を使用した自動車が最も将来性のあるクリーンな自動車であると見られている。前記燃料電池の中でも固体高分子電解質型燃料電池が低温で作動するため自動車用として最も有望である。
【０００４】
固体高分子電解質型燃料電池は、固体高分子電解質膜を二つのガス拡散電極で挟んで接合した接合体をセパレータで挟持した単電池セルによって構成される。燃料ガス、酸化剤ガスが、それぞれ燃料極、酸化剤極に供給され、電気化学反応により発電する。前記ガスは、セパレータに設けられたガス流路により供給される。ガスをいかに均一にガス拡散電極の電極面に供給するかで、ガス利用率が決まり、発電効率及び出力特性に影響する。
【０００５】
前記燃料極では燃料ガス中の水素が燃料極触媒に接触することにより下記の反応が生ずる。
【０００６】
２Ｈ２ → ４Ｈ＋ ＋４ｅ−
Ｈ＋は、電解質中を移動し酸化剤極触媒に達し酸化剤ガス中の酸素と反応して水となる。
【０００７】
４Ｈ＋ ＋４ｅ− ＋Ｏ２ → ２Ｈ２Ｏ
燃料極からのＨ＋の移動に伴い水も移動するため燃料極に供給する燃料ガスに水分を含ませて供給している。電解質が、固体高分子電解質膜の場合は、電解質の性能を維持するためにも、燃料ガスには上記の反応に必要な量以上の水分を含ませて供給し、酸化剤ガスにも水分を含ませて供給する必要がある。
【０００８】
電極反応に使用された後の燃料ガス中には水分が残っている。酸化剤ガス中には、供給時に含ませた水分のほかに電極反応で生成する水分が含まれている。これらの水分の一部は凝縮してガス流路を塞ぐおそれがある。ガス流路の一部でも水で塞がれると、ガス流路の流路抵抗が上昇し、且つガスの分布を不均一にするため、燃料電池の発電性能が低下する。
【０００９】
従来技術として、特開平１０−１０６５９４号公報には、ガス流路である通流溝を入口側通流溝部、出口側通流溝部、中間通流溝部で構成し、該中間通流溝部を一端側から他端側に延びる直線部と各端側で折り返す曲線部で構成し、該曲線部及び前記入口側通流溝部、前記出口側通流溝部が格子状溝になっている燃料電池用セパレータが開示されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術は、前記入口側通流溝部が格子状溝になっているので、供給されたガスが自由に移動し時間的に速く電極と接触してガス拡散性を高めることができ、前記出口側通流溝部が格子状溝になっているので、水の停滞を防止することができる。また、従来技術は前記中間通流溝部の直線部によって、ガスがムラなく流れて排水性を高め、かつ、流速が速くなるのでガス利用効率が向上できる。
【００１１】
更に、従来技術は、前記曲線部が格子状溝になっているので、該曲線部でのガス拡散性を維持したまま流路抵抗を低減することができる。即ち、従来技術は、ガス拡散性と出力性能の向上が可能である。
【００１２】
その上、従来技術は、ガス中の水蒸気が凝集して前記中間通流溝部の直線部の一部を塞いでも、前記曲線部でガスが迂回できるので、下流側の中間通流溝部にはガスが流れ、水づまりの影響を少なくすることができる。
【００１３】
しかしながら、従来技術は、前記入口側通流溝部、前記出口側通流溝部の一隅であるコーナ部、及び前記曲線部の通流溝端部の二隅であるコーナ部が死角になって、ガスが滞留する問題点がある。また、万一、ガス中の水蒸気が凝縮して水になり、ガス通流の死角になっている前記コーナ部に滞留したら、滞留したままの状態が続き、流路抵抗が大きくなり、ガスの分布が不均一になる問題点がある。
【００１４】
更に、前記入口側通流溝部、前記出口側通流溝部、及び前記曲線部は格子状溝であるので、電極との接触面積が小さく接触抵抗が大きいので、出力性能が小さくなる問題点がある。
【００１５】
図５は、従来技術の燃料電池用セパレータの曲線部付近の正面説明図である。５２ａ、５２ｂは中間通流溝部の一端側から他端側に延びる直線部である。前記直線部５２ａと５２ｂは、境界凸部５１により分かれている。５０は、ガスが前記直線部５２ａから前記直線部５２ｂに通流するときに折り返す曲線部である。該曲線部は、円形の凸部５０ａを持つ格子状溝である。
【００１６】
ガスが、前記曲線部５０を通流するとき、前記直線部５２ａ、５２ｂに近い部分はガスの通流が良く、該直線部５２ａ、５２ｂから遠い部分はガスの通流が悪い。特にコーナ部５０ｂ、５０ｃでは、ガスが滞留する問題がある。また、前記コーナ部５０ｂ、５０ｃに凝縮水が来ると、滞留し続けて流路抵抗を大きくし、ガスの分布を不均一にする問題がある。
【００１７】
また、前記曲線部５０では、前記凸部５０ａで電極と接触しているが、該凸部５０ａの面積が前記曲線部５０に占める割合が小さいので、電極とセパレータの接触抵抗が大きくなる。この接触抵抗が大きくなる割合はわずかであるが、多数のセパレータが積層されている燃料電池では、できる限り接触抵抗を小さくして出力性能を上げることが求められている。
【００１８】
本発明は上記課題を解決したもので、前記入口側通流溝部、前記出口側通流溝部及び前記曲線部にガス及び凝縮水が滞留する死角がなくガスの分布が均一であり、電極との接触抵抗が小さい燃料電池用セパレータを提供し、出力性能が高い燃料電池を提供する。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記技術的課題を解決するために、本発明の請求項１において講じた技術的手段（以下、第１の技術的手段と称する。）は、固体高分子電解質を挟持する一対のガス拡散電極の該固体高分子電解質と背向する一対の該ガス拡散電極の面に燃料ガスまたは酸化剤ガスからなる供給ガスをそれぞれの入口側から出口側に導く通流溝が形成された一対の燃料電池用セパレータにおいて、少なくとも一方の前記燃料電池用セパレータの前記通流溝は、該入口側に位置する入口側通流溝部と該出口側に位置する出口側通流溝部とそれらの間に位置する中間通流溝部とからなり、該中間通流溝部は、一端側から他端側に直線状の複数の溝で形成される独立通流溝部と各端側で折り返す折り返し溝部とからなり、該折り返し溝部が非連続な溝形状であり、前記折り返し溝部に前記供給ガスが流入される前記独立通流溝部と前記折り返し溝部から前記供給ガスが流出される前記独立通流溝部との間に設けられた境界凸部を備え、前記境界凸部の一端側は前記通流溝の端に当接し他端側は前記折り返し溝部に対面しており、前記境界凸部の前記他端側が対面している前記折り返し溝部において、当該折り返し溝部と前記独立通流溝部の境界から前記独立通流溝部の前記直線状の溝の延長方向の前記通流溝の端までの距離が前記境界凸部の前記他端側から離れるにつれて小さくなっていることを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池用セパレータである。
【００２０】
上記第１の技術的手段による効果は、以下のようである。
【００２１】
即ち、前記折り返し溝部のコーナ部をなくし、かつ直線部の面積を大きくすることができるので、該折り返し溝部でのガス及び凝縮水の滞留をなくし、ガスの分布を均一にすることができる。また、前記折り返し溝部の電極との接触面積を大きくし接触抵抗を小さくすることができる。
【００２２】
上記技術的課題を解決するために、本発明の請求項２において講じた技術的手段（以下、第２の技術的手段と称する。）は、前記入口側通流溝部は前記中間通流溝部の前記独立通流溝部と連結しており、前記入口側通流溝部が非連続な溝形状であり、該入口側通流溝部と前記独立通流溝部の境界から前記独立通流溝部の前記直線状の溝の延長方向の前記通流溝の端までの距離が、入口から離れるにつれて小さくなっていることを特徴とする請求項１記載の固体高分子電解質型燃料電池用セパレータである。
【００２３】
上記第２の技術的手段による効果は、以下のようである。
【００２４】
即ち、請求項１と同様、前記入口側通流溝部のコーナ部をなくし、かつ直線部の面積を大きくすることができるので、該入口側通流溝部でのガス及び凝縮水の滞留をなくし、ガスの分布を均一にすることができる。また、前記入口側通流溝部の電極との接触面積を大きくし接触抵抗を小さくすることができる。
【００２５】
上記技術的課題を解決するために、本発明の請求項３において講じた技術的手段（以下、第３の技術的手段と称する。）は、前記出口側通流溝部は前記中間通流溝部の前記独立通流溝部と連結しており、前記出口側通流溝部が非連続な溝形状であり、該出口側通流溝部と前記独立通流溝部の境界から前記独立通流溝部の前記直線状の溝の延長方向の前記通流溝の端までの距離が、出口から離れるにつれて小さくなっていることを特徴とする請求項１記載の固体高分子電解質型燃料電池用セパレータである。
【００２６】
上記第３の技術的手段による効果は、以下のようである。
【００２７】
即ち、請求項１と同様、前記出口側通流溝部のコーナ部をなくし、かつ直線部の面積を大きくすることができるので、該出口側通流溝部でのガス及び凝縮水の滞留をなくし、ガスの分布を均一にすることができる。また、前記出口側通流溝部の電極との接触面積を大きくし接触抵抗を小さくすることができる。
【００２８】
上記技術的課題を解決するために、本発明の請求項４において講じた技術的手段（以下、第４の技術的手段と称する。）は、前記非連続な溝形状が格子状溝であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の固体高分子電解質型燃料電池用セパレータである。
【００２９】
上記第４の技術的手段による効果は、以下のようである。
【００３０】
即ち、溝形状が単純であるので、流路抵抗を小さくし、ガスの分布を均一にすることができる。
【００３１】
上記技術的課題を解決するために、本発明の請求項５において講じた技術的手段（以下、第５の技術的手段と称する。）は、前記格子状溝により形成される凸部が、四角形であることを特徴とする請求項４記載の固体高分子電解質型燃料電池用セパレータである。
【００３２】
上記第５の技術的手段による効果は、以下のようである。
【００３３】
即ち、前記格子状溝の加工が容易である効果を有する。
【００３４】
上記技術的課題を解決するために、本発明の請求項６において講じた技術的手段（以下、第６の技術的手段と称する。）は、前記格子状溝により形成される凸部が、円形であることを特徴とする請求項４記載の固体高分子電解質型燃料電池用セパレータである。
【００３５】
上記第６の技術的手段による効果は、以下のようである。
【００３６】
即ち、前記凸部に角がないので、ガスの乱流の発生を小さくすることができるので、流路抵抗を小さくし、ガスの分布を均一にすることができる。
【００３７】
上記技術的課題を解決するために、本発明の請求項７において講じた技術的手段（以下、第７の技術的手段と称する。）は、固体高分子電解質を挟持する一対のガス拡散電極の該固体高分子電解質と背向する一対の該ガス拡散電極の面に燃料ガスまたは酸化剤ガスからなる供給ガスをそれぞれの入口側から出口側に導く通流溝が形成された一対の燃料電池用セパレータで挟持した単電池セルを多数積層した燃料電池において、少なくとも一方の前記燃料電池用セパレータの前記通流溝は、該入口側に位置する入口側通流溝部と該出口側に位置する出口側通流溝部とそれらの間に位置する中間通流溝部とからなり、該中間通流溝部は、一端側から他端側に直線状の溝で形成される独立通流溝部と各端側で折り返す折り返し溝部とからなり、前記折り返し溝部に前記供給ガスが流入される前記独立通流溝部と前記折り返し溝部から前記供給ガスが流出される前記独立通流溝部との間に設けられた境界凸部を備え、前記境界凸部の一端側は前記通流溝の端に当接し他端側は前記折り返し溝部に対面しており、前記境界凸部の前記他端側が対面している前記折り返し溝部において、当該折り返し溝部と前記独立通流溝部の境界から前記独立通流溝部の前記直線状の溝の延長方向の前記通流溝の端までの距離が前記境界凸部の前記他端側から離れるにつれて小さくなっていることを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池である。
【００３８】
上記第７の技術的手段による効果は、以下のようである。
【００３９】
即ち、前記折り返し溝部でのガス及び凝縮水の滞留がなくガスの分布が均一であり、該折り返し溝部の電極との接触抵抗を小さいセパレータを使用しているので、出力性能を高い燃料電池ができる。
【００４０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について、図面に基づいて説明する。
【００４１】
図１は、本発明の第１実施例の自動車用固体高分子電解質型燃料電池のセパレータの正面図である。前記燃料電池用セパレータは金属製であるが、カーボンなど導電性の材料なら他の材料でもかまわない。
【００４２】
前記燃料電池用セパレータの上端部にガス入口マニホールド１が、下端部にガス出口マニホールド２が設けられている。前記燃料電池用セパレータの中央部には、ガス拡散電極に供給するガスの流路である通流溝１０が設けられている。前記通流溝１０は、入口３を介して前記ガス入口マニホールド１と連結し、出口４を介して前記ガス出口マニホールド２と連結している。
【００４３】
前記通流溝１０は、入口３側に位置する入口側通流溝部１１と出口４側に位置する出口側通流溝部１２とそれらの間に位置する中間通流溝部１４から構成されている。該中間通流溝部１４は、一端から他端側に直線状の複数の溝で形成される独立通流溝部１４ａ〜１４ｅと各端側で折り返す折り返し溝部１３ａ〜１３ｄで構成されている。
【００４４】
前記入口側通流溝部１１、出口側通流溝部１２及び折り返し溝部１３ａ〜１３ｄは、非連続な溝形状の一つである格子状溝であり、該格子状溝で形成される凸部１１ａ、１２ａ、１５ａ〜１５ｄは円形の凸部である。前記独立通流溝部１４ａ〜１４ｅには、直線状の凸部１６ａ〜１６ｅが設けられている。前記凸部１１ａ、１２ａ、１５ａ〜１５ｄ、１６ａ〜１６ｅがガス拡散電極に接触し、セパレータは該ガス拡散電極で発電された電気を集電する役割も担っている。
【００４５】
前記独立通流溝部１４ａ〜１４ｅを互いに分離するために境界凸部１７ａ〜１７ｄが設けられている。該境界凸部１７ａ〜１７ｄにより、隣接する独立通流溝部では逆方向にガスが通流する。このガスの逆方向への通流の折り返しを担っているのが前記折り返し溝部１３ａ〜１３ｄである。
【００４６】
図２は、本発明の第１実施例の自動車用固体高分子電解質型燃料電池のセパレータの入口側通流溝部１１付近ａの正面説明図である。
【００４７】
該入口側通流溝部１１と独立通流溝部１４ａの境界３１から独立通流溝部１４ａの直線状の溝の延長方向の通流溝１０の端５までの距離は、入口３から離れるにつれて小さくなっている。即ち、前記独立通流溝部１４ａの凸部１６ａは、入口３から離れるにつれて前記通流溝１０の端５に近づくように延びている。前記入口側通流溝部１１は、略直角三角形になっている。
【００４８】
ガス入口マニホールド１から入口３を通って前記入口側通流溝部１１に供給されたガスは、格子状溝を通って前記独立通流溝部１４ａに供給される。前記入口側通流溝部１１の入口から最も遠いところでは前記通流溝１０の端５近くまで前記独立通流溝部１４ａが延びているので、コーナ部が存在せず、ガス及び凝縮水が滞留することがない。そのため、ガスの分布が均一である。また、前記独立通流溝部１４ａの凸部１６ａが延びているので、電極との接触面積が大きく、接触抵抗を小さくすることができる。
【００４９】
出口側通流溝部１２も同様に、コーナ部がないのでガス及び凝縮水が滞留せず、ガスの分布が均一である。また、独立通流溝部１４ｅの凸部１６ｅが延びているので、接触抵抗を小さくすることができる。
【００５０】
図３は、本発明の第１実施例の自動車用固体高分子電解質型燃料電池のセパレータの折り返し溝部１３ｃ付近ｂの正面説明図である。
【００５１】
該折り返し溝部１３ｃと独立通流溝部１４ｃの境界３２から独立通流溝部１４ｃの直線状の溝の延長方向の通流溝１０の端６までの距離は、独立通流溝部１４ｃと独立通流溝部１４ｄの間に設けられた境界凸部１７ｃから離れるにつれて小さくなっている。即ち、独立通流溝部１４ｃ、１４ｄの凸部１６ｃ、１６ｄは、前記境界凸部１７ｃから離れるにつれて前記通流溝１０の端６に近づくように延びている。前記折り返し溝部１３ｃは、略三角形になっている。
【００５２】
前記独立通流溝部１４ｃから前記折り返し溝部１３ｃに供給されたガスは、該折り返し溝部１３ｃ格子状溝を通って前記独立通流溝部１４ｄに供給される。前記折り返し溝部１３ｃの境界凸部１７ｃから最も遠いところでは前記通流溝１０の端５近くまで前記独立通流溝部１４ｃ、１４ｄが延びているので、コーナ部が存在せず、ガス及び凝縮水が滞留することがない。そのため、ガスの分布が均一である。また、前記独立通流溝部１４ｃ、１４ｄの凸部１６ｃ、１６ｄが延びているので、電極との接触面積が大きく、接触抵抗を小さくすることができる。
【００５３】
他の折り返し溝部１３ａ、１３ｂ、１３ｄも同様である。
【００５４】
図４は、本発明の第２実施例の自動車用固体高分子電解質型燃料電池のセパレータの折り返し溝部付近の正面説明図である。通流溝２０の中間通流溝部に、独立通流溝部２３、２４及び折り返し溝部２１が設けられている。
【００５５】
前記独立通流溝部２３、２４と前記折り返し溝部２１の境界３３から独立通流溝部２３、２４の直線状の溝の延長方向の前記通流溝２０の端７までの距離は、前記独立通流溝部２３と前記独立通流溝部２４の間に設けられた境界凸部２５から離れるにつれて小さくなっている。即ち、独立通流溝部２３、２４の凸部２３ａ、２４ａは、前記境界凸部２５から離れるにつれて前記通流溝２０の端７に近づくように延びている。前記折り返し溝部２１は、略半円形になっている。
【００５６】
前記独立通流溝部２３から前記折り返し溝部２１に供給されたガスは、該折り返し溝部２１格子状溝を通って前記独立通流溝部２４に供給される。前記折り返し溝部２１の境界凸部２５から最も遠いところでは前記通流溝２０の端７近くまで前記独立通流溝部２３、２４が延びているので、コーナ部が存在せず、ガスが及び凝縮水滞留することがない。そのため、ガスの分布が均一である。また、前記独立通流溝部２３、２４の凸部２３ａ、２４ａが延びているので、電極との接触面積が大きく、接触抵抗を小さくすることができる。
【００５７】
【発明の効果】
以上のように、本発明は、固体高分子電解質を挟持する一対のガス拡散電極の該固体高分子電解質と背向する一対の該ガス拡散電極の面に燃料ガスまたは酸化剤ガスからなる供給ガスをそれぞれの入口側から出口側に導く通流溝が形成された一対の燃料電池用セパレータにおいて、少なくとも一方の前記燃料電池用セパレータの前記通流溝は、該入口側に位置する入口側通流溝部と該出口側に位置する出口側通流溝部とそれらの間に位置する中間通流溝部とからなり、該中間通流溝部は、一端側から他端側に直線状の複数の溝で形成される独立通流溝部と各端側で折り返す折り返し溝部とからなり、該折り返し溝部が非連続な溝形状であり、前記折り返し溝部に前記供給ガスが流入される前記独立通流溝部と前記折り返し溝部から前記供給ガスが流出される前記独立通流溝部との間に設けられた境界凸部を備え、前記境界凸部の一端側は前記通流溝の端に当接し他端側は前記折り返し溝部に対面しており、前記境界凸部の前記他端側が対面している前記折り返し溝部において、当該折り返し溝部と前記独立通流溝部の境界から前記独立通流溝部の前記直線状の溝の延長方向の前記通流溝の端までの距離が前記境界凸部の前記他端側から離れるにつれて小さくなっていることを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池用セパレータ及び固体高分子電解質を挟持したガス拡散電極を上記の燃料電池用セパレータで挟持した固体高分子電解質型燃料電池であるので、燃料電池用セパレータの前記入口側通流溝部、前記出口側通流溝部及び前記曲線部にガス及び凝縮水が滞留する死角をなくし、ガスの分布を均一にでき、電極との接触抵抗が小さいすることができ、燃料電池の出力性能を高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例の自動車用固体高分子電解質型燃料電池のセパレータの正面図
【図２】本発明の第１実施例の自動車用固体高分子電解質型燃料電池のセパレータの入口側通流溝部付近の正面説明図
【図３】本発明の第１実施例の自動車用固体高分子電解質型燃料電池のセパレータの折り返し溝部付近の正面説明図
【図４】本発明の第２実施例の自動車用固体高分子電解質型燃料電池のセパレータの折り返し溝部付近の正面説明図
【図５】従来技術の燃料電池用セパレータの曲線部付近の正面説明図
【符号の説明】
１…ガス入口マニホールド
２…ガス出口マニホールド
３…入口
４…出口
５、６、７…端
１０、２０…通流溝
１１…入口側通流溝部
１１ａ、、１２ａ、１５ａ〜１５ｄ 、２２ …凸部
１２…出口側通流溝部
１３ａ〜１３ｄ、２１…折り返し溝部
１４…中間通流溝部
１４ａ〜１４ｅ、２３、２４…独立通流溝部
１６ａ〜１６ｅ、２３ａ、２４ａ …凸部
１７ａ〜１７ｄ、２５…境界凸部
３１〜３３…境界
Claims (7)
- 固体高分子電解質を挟持する一対のガス拡散電極の該固体高分子電解質と背向する一対の該ガス拡散電極の面に燃料ガスまたは酸化剤ガスからなる供給ガスをそれぞれの入口側から出口側に導く通流溝が形成された一対の燃料電池用セパレータにおいて、少なくとも一方の前記燃料電池用セパレータの前記通流溝は、該入口側に位置する入口側通流溝部と該出口側に位置する出口側通流溝部とそれらの間に位置する中間通流溝部とからなり、該中間通流溝部は、一端側から他端側に直線状の複数の溝で形成される独立通流溝部と各端側で折り返す折り返し溝部とからなり、該折り返し溝部が非連続な溝形状であり、
前記折り返し溝部に前記供給ガスが流入される前記独立通流溝部と前記折り返し溝部から前記供給ガスが流出される前記独立通流溝部との間に設けられた境界凸部を備え、
前記境界凸部の一端側は前記通流溝の端に当接し他端側は前記折り返し溝部に対面しており、
前記境界凸部の前記他端側が対面している前記折り返し溝部において、当該折り返し溝部と前記独立通流溝部の境界から前記独立通流溝部の前記直線状の溝の延長方向の前記通流溝の端までの距離が前記境界凸部の前記他端側から離れるにつれて小さくなっていることを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池用セパレータ。 - 前記入口側通流溝部は前記中間通流溝部の前記独立通流溝部と連結しており、前記入口側通流溝部が非連続な溝形状であり、該入口側通流溝部と前記独立通流溝部の境界から前記独立通流溝部の前記直線状の溝の延長方向の前記通流溝の端までの距離が、入口から離れるにつれて小さくなっていることを特徴とする請求項１記載の固体高分子電解質型燃料電池用セパレータ。
- 前記出口側通流溝部は前記中間通流溝部の前記独立通流溝部と連結しており、前記出口側通流溝部が非連続な溝形状であり、該出口側通流溝部と前記独立通流溝部の境界から前記独立通流溝部の前記直線状の溝の延長方向の前記通流溝の端までの距離が、出口から離れるにつれて小さくなっていることを特徴とする請求項１記載の固体高分子電解質型燃料電池用セパレータ。
- 前記非連続な溝形状が格子状溝であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の固体高分子電解質型燃料電池用セパレータ。
- 前記格子状溝により形成される凸部が、四角形であることを特徴とする請求項４記載の固体高分子電解質型燃料電池用セパレータ。
- 前記格子状溝により形成される凸部が、円形であることを特徴とする請求項４記載の固体高分子電解質型燃料電池用セパレータ。
- 固体高分子電解質を挟持する一対のガス拡散電極の該固体高分子電解質と背向する一対の該ガス拡散電極の面に燃料ガスまたは酸化剤ガスからなる供給ガスをそれぞれの入口側から出口側に導く通流溝が形成された一対の燃料電池用セパレータで挟持した単電池セルを多数積層した燃料電池において、少なくとも一方の前記燃料電池用セパレータの前記通流溝は、該入口側に位置する入口側通流溝部と該出口側に位置する出口側通流溝部とそれらの間に位置する中間通流溝部とからなり、該中間通流溝部は、一端側から他端側に直線状の溝で形成される独立通流溝部と各端側で折り返す折り返し溝部とからなり、
前記折り返し溝部に前記供給ガスが流入される前記独立通流溝部と前記折り返し溝部から前記供給ガスが流出される前記独立通流溝部との間に設けられた境界凸部を備え、
前記境界凸部の一端側は前記通流溝の端に当接し他端側は前記折り返し溝部に対面しており、
前記境界凸部の前記他端側が対面している前記折り返し溝部において、当該折り返し溝部と前記独立通流溝部の境界から前記独立通流溝部の前記直線状の溝の延長方向の前記通流溝の端までの距離が前記境界凸部の前記他端側から離れるにつれて小さくなっていることを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池。
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