JP4197926B2 - ノズルプレート及びそれを備えた固体高分子形燃料電池 - Google Patents
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- Y02E60/30—Hydrogen technology
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池スタックのセパレータにおけるマニホールドとガス流路とを接続するためのノズルプレート、及びそのノズルプレートを備えた固体高分子形燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子形燃料電池は、固体高分子電解質膜の一方の面にアノード（燃料極）、他方の面にカソード（空気極）を接合してセルを形成し、このセルを複数本の反応ガス流路が設けられたセパレータで両側から挟み付けて複数積層し、両端にエンドプレートを添えて通しボルトで締め付け一体化することでスタックが構成されている。そして、セルのアノード及びカソードの各外側面には拡散層が位置しており、アノードに対向するセパレータのガス流路には燃料ガス（水素ガス又は改質ガス）を流通させると共に、カソードに対向するセパレータのガス流路には酸化剤ガス（酸素ガス又は空気）を流通させ、セルの高分子電解質膜を介して電気化学的反応を起こさせることにより直流電気を発電する。
【０００３】
上記セパレータのガス流路は、通常セパレータの両面に凹溝状に並設されている。又、セパレータにはスタックの積層方向に連通する供給孔及び排出孔が貫通して設けられ、この供給孔に接続する凹部状のガス供給用マニホールド及び排出孔に接続するガス排出用マニホールドがそれぞれ設けられ、更にこれらのマニホールドは各ガス流路に連通する構造になっている。従って、スタックに導入される反応ガスは、上記供給孔から各セパレータのガス供給用マニホールドに分配され、このガス供給用マニホールドから各ガス流路に流れ込んで流通するのである。セルの反応部で未反応に終わったガスは各ガス流路の出口からガス排出用マニホールドに排出され、このガス排出用マニホールドに接続する排出孔に流れ込んでスタックの積層方向に流れ、外部に排出される。
【０００４】
セパレータのガス流路は、反応ガス特に燃料ガスが所定量均一に流通することが望まれる。複数本のガス流路において、燃料ガスの流量が不均一になるとガス供給不足の流路で電気化学的反応が充分に行われず、そのため発電効率が低下して燃料電池の性能低下を招くことになる。このような事態を防止するために、従来例えばガス流路の入口又は出口に断面積一定の孔あき板を取り付け、或は各ガス流路の入口又は出口に断面積一定の管体を挿設することにより、ガス流路の流動抵抗を均一化させるようにした技術が開示されている（特許文献１参照）。
【０００５】
又、セパレータのガス流路は、反応ガス特に燃料ガスが所定量円滑に流通することが望まれる。上記セルの固体高分子電解質膜は飽和湿潤状態において適正に機能する特性を有するため、通常は加湿した燃料ガスを供給して固体高分子電解質膜の湿潤状態を保持するようにしているが、燃料ガス中に含まれる水蒸気の一部がセパレータのガス流路内で凝縮して水滴となり、この水滴がガス流路に付着して流路を塞ぐことがある。ガス流路が水滴付着により塞がれると、燃料ガスの流通が阻害され、燃料ガスの供給不足が生じて電気化学的反応が充分に行われず、発電効率が低下して燃料電池の性能低下を招くことになる。このような事態を防止するために、従来例えばガス流路の幅や深さ寸法を最適化して凝縮水に起因するガス流通の阻害を防ぐようにした技術が開示されている（特許文献２参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開昭５８−１１２２６６号公報
【特許文献２】
特開平６−９６７７７号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のガス流路の流動抵抗均一化機構によると、孔あき板の場合は、板厚が薄いため流路の流動抵抗を均一化させるには孔の径をなるべく小さくしなければならない。孔の径を小さくすると、目詰まりが生じ易くなってガス流を阻害する問題が生じる。又、管体の場合は、各流路への取付作業が面倒であり、スタックの組み立て作業能率を低下させることになる。一方、凹溝状ガス流路の寸法最適化によると、セパレータの流路を形成するための切削作業が厄介なものとなり、且つガス流路の寸法を最適に設定しても供給されるガスの圧力や流速等が変化するため、常時理想的なガス流通を保持できるとは限らない。
【０００８】
又、従来では図６に示すように、セパレータＡに並設された凹溝状のガス流路Ｂの長さに対して、これより短い寸法のセルＣが使用されているのが一般的である。このため、セルＣの上端部とガス供給用マニホールドＤの下端部との間に露出するガス流路の入口近傍に、プレートＥを上から被せるようにして取り付けてガス流路のトンネルを形成し、これによりガスリークを防止するようにしている。ガス流路の出口近傍においても同様である。従って、トンネルを形成するためのプレートＥを必要とした。
【０００９】
本発明者は、上記従来技術における諸問題を解消するために鋭意研究し、その結果、略くし型のノズルプレートをセパレータのガス流路の端部（入口及び／又は出口）に取り付けることで、従来技術の諸問題を全て解消できることを見出して本発明を完成するに至った。
【００１０】
即ち、本発明は、固体高分子形燃料電池において、セパレータのガス流路に対して反応ガスを均一に流通できると共に、流路内で生じる凝縮水を排除して反応ガスを円滑に流通させることができ、且つ従来のトンネル形成用プレートを不要としたノズルプレート及びそれを備えた固体高分子形燃料電池を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための手段として、本発明の請求項１は、固体高分子電解質膜の一方の面にアノード、他方の面にカソードを接合してなるセルを、両側から挟み付けて燃料電池スタック内に組み込まれる燃料電池用セパレータにおいて、このセパレータに複数本並設された凹溝状反応ガス流路の入口及び／又は出口に取り付けられるノズルプレートであって、このノズルプレートは、板状の基部と、この基部の一端側に突出片が並設された接続部とを有し、前記基部の他端側から前記接続部の突出片を貫通するノズル孔がそれぞれ設けられ、前記セパレータに取り付けた際に、前記複数の反応ガス流路の端部とマニホールドの端部との間に設けられた凹部に嵌り込む大きさに設定され、且つ前記反応ガス流路間に位置するリブの上面と同一平面となるように厚さが設定され、前記突出片は各反応ガス流路の凹部内に挿入できるように当該反応ガス流路の間隔に対応させて櫛歯状に設けられ、更に前記ノズル孔は出口側に向けてガスを噴出できるようにそれぞれ同一径の先細り孔とし、これらのノズル孔によって流量を規制することにより反応ガスの供給を均一にすることを特徴とする。
【００１２】
本発明の請求項２は、請求項１のノズルプレートにおいて、前記ノズルプレートは樹脂により一体成形したことを特徴とする。
【００１３】
本発明の請求項３は、請求項２のノズルプレートにおいて、前記樹脂は、ポリアセタール、ポリメチルペンテン、ポリフェニレンエーテル、ポリフェニレンスルファイド、液晶ポリマーから選択されることを特徴とする。
【００１４】
本発明の請求項４は、固体高分子電解質膜の一方の面にアノード、他方の面にカソードを接合してなるセルを、前記アノードに対向する面に複数本の凹溝状燃料ガス流路が設けられたセパレータと、前記カソードに対向する面に複数本の凹溝状酸化剤ガス流路が設けられたセパレータとで挟んで複数積層された固体高分子形燃料電池において、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のノズルプレートが、前記一方のセパレータ又は両方のセパレータに取り付けられていることを特徴とする。
【００１５】
本発明の請求項５は、請求項４の固体高分子形燃料電池において、前記ノズルプレートにおける各ノズル孔のガス流量のバラツキは、前記セパレータにおける各流路のガス流量のバラツキよりも小さく設定されていることを特徴とする。
【００１６】
本発明の請求項６は、請求項４又は請求項５の固体高分子形燃料電池において、前記ノズルプレートを接着剤により前記セパレータに取り付ける場合において、ノズルプレート或いはセパレータのいずれか一方又は両方の接着面の近傍に余剰の接着剤が逃げ込む溜まり部を設けたことを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るノズルプレート及びそのノズルプレートを備えた固体高分子形燃料電池の実施形態に付いて、添付図面を参照しながら説明する。図１は、本発明に係るノズルプレートの一実施形態であって、（ａ）はその平面図、（ｂ）は正面図を示している。このノズルプレート１は、薄板状の基部１Ａと、この基部１Ａの一端側に所定の間隔をもって突出片２が櫛歯状に並設された接続部１Ｂとを有し、基部１Ａの他端側から前記各突出片２を貫通するノズル孔３がそれぞれ設けられている。
【００１８】
上記ノズルプレート１は、合成樹脂例えばポリアセタール、ポリメチルペンテン、ポリフェニレンエーテル、ポリフェニレンスルファイド、液晶ポリマー等から選択されるいずれかの材料で一体成形することが可能である。材料となる樹脂は、成形時の流動性が良好で且つ仕上がり寸法精度が高く、やや可撓性があり、耐熱性、耐水性に優れていれば上記以外のものであっても良い。
【００１９】
ノズルプレート１の大きさ及び厚さは、図２のようにセパレータ４に取り付けた際に、複数の凹溝状流路４ａの入口とガス供給用マニホールド５の下端との間の領域に設けられた凹部４ｃ（図３）に嵌まり込むような大きさに設定され、且つ流路４ａ間に位置するリブ４ｂ（流路を仕切るための流路凸部）の高さを考慮して、そのリブ４ｂの上面とノズルプレート１の上面とが同一平面となるように厚さが設定される。又、前記突出片２は、セパレータ４の各流路４ａの凹部内に挿入できるように流路４ａの間隔に対応させて櫛歯状に設けられている。更に、前記ノズル孔３の直径は、入口側（基部１Ａの他端側）が約０．２５ｍｍ、出口側（突出片２の先端側）が約０．２２ｍｍに設定され、ガスを噴出できるようにやや先細り孔にしてある。
【００２０】
これにより、各ノズル孔３の入口側は供給用マニホールド５内に連通し、ノズル孔３の出口側は各流路４ａの入口に連通し、即ちノズルプレート１を介してガス供給用マニホールド５と各流路４ａとが接続される。
【００２１】
上記ノズルプレート１は、下面側を前記凹部４ｃの底面に対し例えば接着剤により取り付けるが、他の実施形態として図４（ａ）、（ｂ）に示すような接着手段を採用することもできる。即ち、図４（ａ）のようにノズルプレート１の基部１Ａの先端に各突出片２の基部を繋ぐようにして薄板部１Ｃ（この上面は基部１Ａの上面と同一平面）を設け、この薄板部１Ｃの厚さに相当する段部面４ｄを各リブ４ｂの上端部に設け、これらの段部面４ｄに薄板部１Ｃを載せてそれぞれ接着するのである。これにより、流路４ａのリブ４ｂにも接着することでノズルプレート１の接着力を補強することができる。
【００２２】
又、図４（ｂ）のように段部面４ｄと薄板部１Ｃとの接着面に連通させてその近傍に余剰の接着剤が逃げ込む溜まり部６を、ノズルプレート１或はセパレータ４のいずれか一方又は両方に設けておくと、接着面が密着して出っ張りが生じないので好ましい。更に、各突出片２の先端部をとがり形状に加工しておくと、各流路４ａに対する挿入作業がし易くなる。
【００２３】
図２において、７はセルであり前記流路４ａ全体を被覆するように、且つノズルプレート１と各流路４ａ入口近傍との接続部を十分被覆する状態で配設され、このセル７の周囲には図示を省略したガスケットが配置され、セパレータ４に対向する他のセパレータが配置されて前記スタックの構成要素となる。
【００２４】
この場合、セパレータ４には燃料ガスの供給孔８が前記ガス供給用マニホールド５に接続して設けられ、流路４ａの出口にはガス排出用マニホールド９が設けられると共に、このガス排出用マニホールド９に接続する排出孔１０が設けられている。又、セパレータ４には酸化剤ガスの供給孔１１と排出孔１２が設けられ、図示は省略したがセパレータ４の他面側に設けられたガス供給用マニホールド、ガス排出用マニホールドにそれぞれ接続し、且つ複数本の酸化剤ガスの流路が設けられている。
【００２５】
図２においては、流路４ａの入口側のみに前記ノズルプレート１を取り付けた例を示したが、流路４ａの出口側にも同様のノズルプレートを取り付けることができる。又、セパレータ４の他面側の酸化剤ガス流路に関しても同様である。
【００２６】
上記ノズルプレート１を備えた固体高分子形燃料電池において、スタックに燃料ガス（例えば改質ガス）が供給されると、スタックの積層方向に連通する前記供給孔８から各セパレータ４のガス供給用マニホールド５内に分配され、このガス供給用マニホールド５からノズルプレート１のノズル孔３内に流入し、これらノズル孔３を通過して各流路４ａ内に供給される。
【００２７】
セパレータ４は切削加工によって成形された場合、各セパレータ４それぞれの間での寸法精度に差が出るために各セパレータ４間でのガス流量にバラツキが生じ、プレス加工によって成形された場合には、セパレータ４の各流路４ａそれぞれの間での寸法精度が低下するため各流路４ａ間でのガス流量にバラツキが生じやすい傾向がある。
そこで、ノズルプレート１の同一径のノズル孔３によって流量を規制することにより、各セパレータ４及び各流路４ａに対する燃料ガスの供給は均一にする。これにより、各セパレータ４及び各流路４ａそれぞれの間での電気化学的反応の差が無くなるか或は極小となり、従来に比して発電効率が向上し燃料電池の性能を高めることができる。各セパレータ４及び各流路４ａでのガス流量を均一にするため、ノズルプレート１における各ノズル孔３の寸法精度を厳密に規定するなどして、ノズルプレート１における各ノズル孔３のガス流量のバラツキを小さく設定する。従って、ノズルプレート１は精密に成形することが肝要である。
【００２８】
上記実施形態の場合には、ノズルプレート１のノズル孔３を介して各流路４ａ内に燃料ガスを確実に導入できるため、ガス分配の不均一が生じることがなく、ガスリークが生じることもない。又、ノズルプレート１の下面側はセパレータ４の凹部４ｃに接着され、上面側はセパレータ４の上面（リブ４ｂの上面）と同一平面となっているため、上面側に接合する部材（セル７及びガスケット）が密着することとなり、その結果ノズルプレート１の上下面は密にガスシールされている。従って、ガス供給用マニホールド５から燃料ガスがノズルプレート１の上下面を通ってガスリークすることもない。
【００２９】
更に、ノズルプレート１の櫛歯状突出片２は各流路４ａ内に挿入されているため、流路４ａ間でガスリークが発生することは無い。このノズルプレート１の突出片２と流路４ａ入口との接続部は、前記セル７により被覆されてセル７のアノード外側面に位置する拡散層が乗っているため、ガスシールが完全であると共に燃料ガスを最大限に有効利用することができる。
【００３０】
ところで、燃料ガスはセル７の固体高分子電解質膜を飽和湿潤させるために予め加湿されたものが供給される。燃料ガスが改質ガスの場合は、通常セパレータ４の流路４ａ内の温度よりも高いため、供給された燃料ガスが流路４ａ内で冷やされて水蒸気の一部が凝縮し、流路４ａに付着して燃料ガスの流通を阻害する事態が生じることがある。本実施形態の場合には、図５に模式的に示すように流路４ａ内で凝縮水Ｗが付着した時、その凝縮水Ｗを挟む上流側と下流側とではガス圧力差が大きいため、閉塞した部分の凝縮水Ｗをノズル孔３から噴出する燃料ガスによって吹き飛ばすことができる。従って、各流路４ａは常時凝縮水の付着がない状態に保持することができ、これにより燃料ガスが円滑に流通して発電性能を高く維持することができる。前記のように燃料ガスはノズルプレート１のノズル孔３を通ってガスリークが生じないため、凝縮水Ｗを挟む上流側と下流側との圧力差を確保することができる。
【００３１】
セル７の反応部で未反応に終わった残余燃料ガスは、流路４ａの出口から前記ガス排出用マニホールド９内に排出されると共に、それに接続する排出孔１０に流入してスタックの積層方向に沿って流れ、スタックの端部から外部に排出される。この排出された残余燃料ガスは、図示を省略した改質装置のバーナに誘導されて燃焼されるのが一般的である。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る請求項１の発明によれば、固体高分子電解質膜の一方の面にアノード、他方の面にカソードを接合してなるセルを、両側から挟み付けて燃料電池スタック内に組み込まれる燃料電池用セパレータにおいて、このセパレータに複数本並設された凹溝状反応ガス流路の入口及び／又は出口に取り付けられるノズルプレートであって、このノズルプレートは、板状の基部と、この基部の一端側に突出片が並設された接続部とを有し、前記基部の他端側から前記接続部の突出片を貫通するノズル孔がそれぞれ設けられ、前記セパレータに取り付けた際に、前記複数の反応ガス流路の端部とマニホールドの端部との間に設けられた凹部に嵌り込む大きさに設定され、且つ前記反応ガス流路間に位置するリブの上面と同一平面となるように厚さが設定され、前記突出片は各反応ガス流路の凹部内に挿入できるように当該反応ガス流路の間隔に対応させて櫛歯状に設けられ、更に前記ノズル孔は出口側に向けてガスを噴出できるようにそれぞれ同一径の先細り孔とした構成である。このノズルプレートをセパレータにおけるマニホールドと反応ガス流路との間に取り付けることより、各反応ガス流路へ反応ガスを均一に流通させると共に、反応ガス流路内で生じる凝縮水を排除して反応ガスを円滑に流通させることができる。
【００３３】
本発明に係る請求項２の発明によれば、請求項１のノズルプレートを樹脂により一体成形するので、大量生産に適し且つセパレータへの取付作業が従来の管体に比して著しく容易になる。
【００３４】
本発明に係る請求項３の発明によれば、請求項２における前記樹脂は、ポリアセタール、ポリメチルペンテン、ポリフェニレンエーテル、ポリフェニレンスルファイド、液晶ポリマーから選択されるため、金型による一体成形がし易くなり且つ仕上がり寸法精度の高い、品質の優れたノズルプレートを作製できる。
【００３５】
本発明に係る請求項４の発明によれば、固体高分子電解質膜の一方の面にアノード、他方の面にカソードを接合してなるセルを、前記アノードに対向する面に複数本の凹溝状燃料ガス流路が設けられたセパレータと、前記カソードに対向する面に複数本の凹溝状酸化剤ガス流路が設けられたセパレータとで挟んで複数積層された固体高分子形燃料電池において、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のノズルプレートが取り付けられているので、セパレータのガス流路に対して反応ガスを均一に流通できると共に、ガス流路内で生じる凝縮水を排除して反応ガスを円滑に流通させることができる。これにより、従来のトンネル流路を形成するためのプレートが不要になり、又ガス流量の均一化のための孔あき板や管体が不要となる。
【００３６】
本発明に係る請求項５の発明によれば、請求項４の固体高分子形燃料電池において、前記ノズルプレートにおける各ノズル孔のガス流量のバラツキは、前記セパレータにおける各流路のガス流量のバラツキよりも小さく設定されているので、各流路へのガス流量の均一化を確実に行うことができる。
【００３７】
本発明に係る請求項６の発明によれば、請求項４又は請求項５の固体高分子形燃料電池において、前記ノズルプレートを接着剤により前記セパレータに取り付ける場合において、ノズルプレート或いはセパレータのいずれか一方又は両方の接着面の近傍に余剰の接着剤が逃げ込む溜まり部を設けたので、ノズルプレートをセパレータに密着させて取り付けることができ、ノズルプレートに出っ張りが生じないことからガスリークを未然に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るノズルプレートの一実施形態を示すもので、（ａ）はその平面図であり、（ｂ）は正面図である。
【図２】本発明に係るノズルプレートをセパレータに取り付けた状態を示す平面図である。
【図３】図２におけるＸ−Ｘ線概略断面図である。
【図４】本発明に係るノズルプレートの他の実施形態を示すもので、（ａ）はセパレータへの接着要領を示す部分説明図、（ｂ）は更に他の実施形態におけるノズルプレートの接着要領を示す部分概略平面図である。
【図５】本発明に係る固体高分子形燃料電池において、セパレータのガス流路に付着した凝縮水を吹き飛ばす時の模式的説明図である。
【図６】従来の固体高分子形燃料電池において、プレートによりトンネル流路を形成する状態を示す平面図である。
【符号の説明】
１…ノズルプレート
１Ａ…基部
１Ｂ…接続部
２…突出片
３…ノズル孔
４…セパレータ
４ａ…流路
４ｂ…リブ
４ｃ…凹部
５…ガス供給用マニホールド
６…溜まり部
７…セル
８…供給孔
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池スタックのセパレータにおけるマニホールドとガス流路とを接続するためのノズルプレート、及びそのノズルプレートを備えた固体高分子形燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子形燃料電池は、固体高分子電解質膜の一方の面にアノード（燃料極）、他方の面にカソード（空気極）を接合してセルを形成し、このセルを複数本の反応ガス流路が設けられたセパレータで両側から挟み付けて複数積層し、両端にエンドプレートを添えて通しボルトで締め付け一体化することでスタックが構成されている。そして、セルのアノード及びカソードの各外側面には拡散層が位置しており、アノードに対向するセパレータのガス流路には燃料ガス（水素ガス又は改質ガス）を流通させると共に、カソードに対向するセパレータのガス流路には酸化剤ガス（酸素ガス又は空気）を流通させ、セルの高分子電解質膜を介して電気化学的反応を起こさせることにより直流電気を発電する。
【０００３】
上記セパレータのガス流路は、通常セパレータの両面に凹溝状に並設されている。又、セパレータにはスタックの積層方向に連通する供給孔及び排出孔が貫通して設けられ、この供給孔に接続する凹部状のガス供給用マニホールド及び排出孔に接続するガス排出用マニホールドがそれぞれ設けられ、更にこれらのマニホールドは各ガス流路に連通する構造になっている。従って、スタックに導入される反応ガスは、上記供給孔から各セパレータのガス供給用マニホールドに分配され、このガス供給用マニホールドから各ガス流路に流れ込んで流通するのである。セルの反応部で未反応に終わったガスは各ガス流路の出口からガス排出用マニホールドに排出され、このガス排出用マニホールドに接続する排出孔に流れ込んでスタックの積層方向に流れ、外部に排出される。
【０００４】
セパレータのガス流路は、反応ガス特に燃料ガスが所定量均一に流通することが望まれる。複数本のガス流路において、燃料ガスの流量が不均一になるとガス供給不足の流路で電気化学的反応が充分に行われず、そのため発電効率が低下して燃料電池の性能低下を招くことになる。このような事態を防止するために、従来例えばガス流路の入口又は出口に断面積一定の孔あき板を取り付け、或は各ガス流路の入口又は出口に断面積一定の管体を挿設することにより、ガス流路の流動抵抗を均一化させるようにした技術が開示されている（特許文献１参照）。
【０００５】
又、セパレータのガス流路は、反応ガス特に燃料ガスが所定量円滑に流通することが望まれる。上記セルの固体高分子電解質膜は飽和湿潤状態において適正に機能する特性を有するため、通常は加湿した燃料ガスを供給して固体高分子電解質膜の湿潤状態を保持するようにしているが、燃料ガス中に含まれる水蒸気の一部がセパレータのガス流路内で凝縮して水滴となり、この水滴がガス流路に付着して流路を塞ぐことがある。ガス流路が水滴付着により塞がれると、燃料ガスの流通が阻害され、燃料ガスの供給不足が生じて電気化学的反応が充分に行われず、発電効率が低下して燃料電池の性能低下を招くことになる。このような事態を防止するために、従来例えばガス流路の幅や深さ寸法を最適化して凝縮水に起因するガス流通の阻害を防ぐようにした技術が開示されている（特許文献２参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開昭５８−１１２２６６号公報
【特許文献２】
特開平６−９６７７７号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のガス流路の流動抵抗均一化機構によると、孔あき板の場合は、板厚が薄いため流路の流動抵抗を均一化させるには孔の径をなるべく小さくしなければならない。孔の径を小さくすると、目詰まりが生じ易くなってガス流を阻害する問題が生じる。又、管体の場合は、各流路への取付作業が面倒であり、スタックの組み立て作業能率を低下させることになる。一方、凹溝状ガス流路の寸法最適化によると、セパレータの流路を形成するための切削作業が厄介なものとなり、且つガス流路の寸法を最適に設定しても供給されるガスの圧力や流速等が変化するため、常時理想的なガス流通を保持できるとは限らない。
【０００８】
又、従来では図６に示すように、セパレータＡに並設された凹溝状のガス流路Ｂの長さに対して、これより短い寸法のセルＣが使用されているのが一般的である。このため、セルＣの上端部とガス供給用マニホールドＤの下端部との間に露出するガス流路の入口近傍に、プレートＥを上から被せるようにして取り付けてガス流路のトンネルを形成し、これによりガスリークを防止するようにしている。ガス流路の出口近傍においても同様である。従って、トンネルを形成するためのプレートＥを必要とした。
【０００９】
本発明者は、上記従来技術における諸問題を解消するために鋭意研究し、その結果、略くし型のノズルプレートをセパレータのガス流路の端部（入口及び／又は出口）に取り付けることで、従来技術の諸問題を全て解消できることを見出して本発明を完成するに至った。
【００１０】
即ち、本発明は、固体高分子形燃料電池において、セパレータのガス流路に対して反応ガスを均一に流通できると共に、流路内で生じる凝縮水を排除して反応ガスを円滑に流通させることができ、且つ従来のトンネル形成用プレートを不要としたノズルプレート及びそれを備えた固体高分子形燃料電池を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための手段として、本発明の請求項１は、固体高分子電解質膜の一方の面にアノード、他方の面にカソードを接合してなるセルを、両側から挟み付けて燃料電池スタック内に組み込まれる燃料電池用セパレータにおいて、このセパレータに複数本並設された凹溝状反応ガス流路の入口及び／又は出口に取り付けられるノズルプレートであって、このノズルプレートは、板状の基部と、この基部の一端側に突出片が並設された接続部とを有し、前記基部の他端側から前記接続部の突出片を貫通するノズル孔がそれぞれ設けられ、前記セパレータに取り付けた際に、前記複数の反応ガス流路の端部とマニホールドの端部との間に設けられた凹部に嵌り込む大きさに設定され、且つ前記反応ガス流路間に位置するリブの上面と同一平面となるように厚さが設定され、前記突出片は各反応ガス流路の凹部内に挿入できるように当該反応ガス流路の間隔に対応させて櫛歯状に設けられ、更に前記ノズル孔は出口側に向けてガスを噴出できるようにそれぞれ同一径の先細り孔とし、これらのノズル孔によって流量を規制することにより反応ガスの供給を均一にすることを特徴とする。
【００１２】
本発明の請求項２は、請求項１のノズルプレートにおいて、前記ノズルプレートは樹脂により一体成形したことを特徴とする。
【００１３】
本発明の請求項３は、請求項２のノズルプレートにおいて、前記樹脂は、ポリアセタール、ポリメチルペンテン、ポリフェニレンエーテル、ポリフェニレンスルファイド、液晶ポリマーから選択されることを特徴とする。
【００１４】
本発明の請求項４は、固体高分子電解質膜の一方の面にアノード、他方の面にカソードを接合してなるセルを、前記アノードに対向する面に複数本の凹溝状燃料ガス流路が設けられたセパレータと、前記カソードに対向する面に複数本の凹溝状酸化剤ガス流路が設けられたセパレータとで挟んで複数積層された固体高分子形燃料電池において、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のノズルプレートが、前記一方のセパレータ又は両方のセパレータに取り付けられていることを特徴とする。
【００１５】
本発明の請求項５は、請求項４の固体高分子形燃料電池において、前記ノズルプレートにおける各ノズル孔のガス流量のバラツキは、前記セパレータにおける各流路のガス流量のバラツキよりも小さく設定されていることを特徴とする。
【００１６】
本発明の請求項６は、請求項４又は請求項５の固体高分子形燃料電池において、前記ノズルプレートを接着剤により前記セパレータに取り付ける場合において、ノズルプレート或いはセパレータのいずれか一方又は両方の接着面の近傍に余剰の接着剤が逃げ込む溜まり部を設けたことを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るノズルプレート及びそのノズルプレートを備えた固体高分子形燃料電池の実施形態に付いて、添付図面を参照しながら説明する。図１は、本発明に係るノズルプレートの一実施形態であって、（ａ）はその平面図、（ｂ）は正面図を示している。このノズルプレート１は、薄板状の基部１Ａと、この基部１Ａの一端側に所定の間隔をもって突出片２が櫛歯状に並設された接続部１Ｂとを有し、基部１Ａの他端側から前記各突出片２を貫通するノズル孔３がそれぞれ設けられている。
【００１８】
上記ノズルプレート１は、合成樹脂例えばポリアセタール、ポリメチルペンテン、ポリフェニレンエーテル、ポリフェニレンスルファイド、液晶ポリマー等から選択されるいずれかの材料で一体成形することが可能である。材料となる樹脂は、成形時の流動性が良好で且つ仕上がり寸法精度が高く、やや可撓性があり、耐熱性、耐水性に優れていれば上記以外のものであっても良い。
【００１９】
ノズルプレート１の大きさ及び厚さは、図２のようにセパレータ４に取り付けた際に、複数の凹溝状流路４ａの入口とガス供給用マニホールド５の下端との間の領域に設けられた凹部４ｃ（図３）に嵌まり込むような大きさに設定され、且つ流路４ａ間に位置するリブ４ｂ（流路を仕切るための流路凸部）の高さを考慮して、そのリブ４ｂの上面とノズルプレート１の上面とが同一平面となるように厚さが設定される。又、前記突出片２は、セパレータ４の各流路４ａの凹部内に挿入できるように流路４ａの間隔に対応させて櫛歯状に設けられている。更に、前記ノズル孔３の直径は、入口側（基部１Ａの他端側）が約０．２５ｍｍ、出口側（突出片２の先端側）が約０．２２ｍｍに設定され、ガスを噴出できるようにやや先細り孔にしてある。
【００２０】
これにより、各ノズル孔３の入口側は供給用マニホールド５内に連通し、ノズル孔３の出口側は各流路４ａの入口に連通し、即ちノズルプレート１を介してガス供給用マニホールド５と各流路４ａとが接続される。
【００２１】
上記ノズルプレート１は、下面側を前記凹部４ｃの底面に対し例えば接着剤により取り付けるが、他の実施形態として図４（ａ）、（ｂ）に示すような接着手段を採用することもできる。即ち、図４（ａ）のようにノズルプレート１の基部１Ａの先端に各突出片２の基部を繋ぐようにして薄板部１Ｃ（この上面は基部１Ａの上面と同一平面）を設け、この薄板部１Ｃの厚さに相当する段部面４ｄを各リブ４ｂの上端部に設け、これらの段部面４ｄに薄板部１Ｃを載せてそれぞれ接着するのである。これにより、流路４ａのリブ４ｂにも接着することでノズルプレート１の接着力を補強することができる。
【００２２】
又、図４（ｂ）のように段部面４ｄと薄板部１Ｃとの接着面に連通させてその近傍に余剰の接着剤が逃げ込む溜まり部６を、ノズルプレート１或はセパレータ４のいずれか一方又は両方に設けておくと、接着面が密着して出っ張りが生じないので好ましい。更に、各突出片２の先端部をとがり形状に加工しておくと、各流路４ａに対する挿入作業がし易くなる。
【００２３】
図２において、７はセルであり前記流路４ａ全体を被覆するように、且つノズルプレート１と各流路４ａ入口近傍との接続部を十分被覆する状態で配設され、このセル７の周囲には図示を省略したガスケットが配置され、セパレータ４に対向する他のセパレータが配置されて前記スタックの構成要素となる。
【００２４】
この場合、セパレータ４には燃料ガスの供給孔８が前記ガス供給用マニホールド５に接続して設けられ、流路４ａの出口にはガス排出用マニホールド９が設けられると共に、このガス排出用マニホールド９に接続する排出孔１０が設けられている。又、セパレータ４には酸化剤ガスの供給孔１１と排出孔１２が設けられ、図示は省略したがセパレータ４の他面側に設けられたガス供給用マニホールド、ガス排出用マニホールドにそれぞれ接続し、且つ複数本の酸化剤ガスの流路が設けられている。
【００２５】
図２においては、流路４ａの入口側のみに前記ノズルプレート１を取り付けた例を示したが、流路４ａの出口側にも同様のノズルプレートを取り付けることができる。又、セパレータ４の他面側の酸化剤ガス流路に関しても同様である。
【００２６】
上記ノズルプレート１を備えた固体高分子形燃料電池において、スタックに燃料ガス（例えば改質ガス）が供給されると、スタックの積層方向に連通する前記供給孔８から各セパレータ４のガス供給用マニホールド５内に分配され、このガス供給用マニホールド５からノズルプレート１のノズル孔３内に流入し、これらノズル孔３を通過して各流路４ａ内に供給される。
【００２７】
セパレータ４は切削加工によって成形された場合、各セパレータ４それぞれの間での寸法精度に差が出るために各セパレータ４間でのガス流量にバラツキが生じ、プレス加工によって成形された場合には、セパレータ４の各流路４ａそれぞれの間での寸法精度が低下するため各流路４ａ間でのガス流量にバラツキが生じやすい傾向がある。
そこで、ノズルプレート１の同一径のノズル孔３によって流量を規制することにより、各セパレータ４及び各流路４ａに対する燃料ガスの供給は均一にする。これにより、各セパレータ４及び各流路４ａそれぞれの間での電気化学的反応の差が無くなるか或は極小となり、従来に比して発電効率が向上し燃料電池の性能を高めることができる。各セパレータ４及び各流路４ａでのガス流量を均一にするため、ノズルプレート１における各ノズル孔３の寸法精度を厳密に規定するなどして、ノズルプレート１における各ノズル孔３のガス流量のバラツキを小さく設定する。従って、ノズルプレート１は精密に成形することが肝要である。
【００２８】
上記実施形態の場合には、ノズルプレート１のノズル孔３を介して各流路４ａ内に燃料ガスを確実に導入できるため、ガス分配の不均一が生じることがなく、ガスリークが生じることもない。又、ノズルプレート１の下面側はセパレータ４の凹部４ｃに接着され、上面側はセパレータ４の上面（リブ４ｂの上面）と同一平面となっているため、上面側に接合する部材（セル７及びガスケット）が密着することとなり、その結果ノズルプレート１の上下面は密にガスシールされている。従って、ガス供給用マニホールド５から燃料ガスがノズルプレート１の上下面を通ってガスリークすることもない。
【００２９】
更に、ノズルプレート１の櫛歯状突出片２は各流路４ａ内に挿入されているため、流路４ａ間でガスリークが発生することは無い。このノズルプレート１の突出片２と流路４ａ入口との接続部は、前記セル７により被覆されてセル７のアノード外側面に位置する拡散層が乗っているため、ガスシールが完全であると共に燃料ガスを最大限に有効利用することができる。
【００３０】
ところで、燃料ガスはセル７の固体高分子電解質膜を飽和湿潤させるために予め加湿されたものが供給される。燃料ガスが改質ガスの場合は、通常セパレータ４の流路４ａ内の温度よりも高いため、供給された燃料ガスが流路４ａ内で冷やされて水蒸気の一部が凝縮し、流路４ａに付着して燃料ガスの流通を阻害する事態が生じることがある。本実施形態の場合には、図５に模式的に示すように流路４ａ内で凝縮水Ｗが付着した時、その凝縮水Ｗを挟む上流側と下流側とではガス圧力差が大きいため、閉塞した部分の凝縮水Ｗをノズル孔３から噴出する燃料ガスによって吹き飛ばすことができる。従って、各流路４ａは常時凝縮水の付着がない状態に保持することができ、これにより燃料ガスが円滑に流通して発電性能を高く維持することができる。前記のように燃料ガスはノズルプレート１のノズル孔３を通ってガスリークが生じないため、凝縮水Ｗを挟む上流側と下流側との圧力差を確保することができる。
【００３１】
セル７の反応部で未反応に終わった残余燃料ガスは、流路４ａの出口から前記ガス排出用マニホールド９内に排出されると共に、それに接続する排出孔１０に流入してスタックの積層方向に沿って流れ、スタックの端部から外部に排出される。この排出された残余燃料ガスは、図示を省略した改質装置のバーナに誘導されて燃焼されるのが一般的である。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る請求項１の発明によれば、固体高分子電解質膜の一方の面にアノード、他方の面にカソードを接合してなるセルを、両側から挟み付けて燃料電池スタック内に組み込まれる燃料電池用セパレータにおいて、このセパレータに複数本並設された凹溝状反応ガス流路の入口及び／又は出口に取り付けられるノズルプレートであって、このノズルプレートは、板状の基部と、この基部の一端側に突出片が並設された接続部とを有し、前記基部の他端側から前記接続部の突出片を貫通するノズル孔がそれぞれ設けられ、前記セパレータに取り付けた際に、前記複数の反応ガス流路の端部とマニホールドの端部との間に設けられた凹部に嵌り込む大きさに設定され、且つ前記反応ガス流路間に位置するリブの上面と同一平面となるように厚さが設定され、前記突出片は各反応ガス流路の凹部内に挿入できるように当該反応ガス流路の間隔に対応させて櫛歯状に設けられ、更に前記ノズル孔は出口側に向けてガスを噴出できるようにそれぞれ同一径の先細り孔とした構成である。このノズルプレートをセパレータにおけるマニホールドと反応ガス流路との間に取り付けることより、各反応ガス流路へ反応ガスを均一に流通させると共に、反応ガス流路内で生じる凝縮水を排除して反応ガスを円滑に流通させることができる。
【００３３】
本発明に係る請求項２の発明によれば、請求項１のノズルプレートを樹脂により一体成形するので、大量生産に適し且つセパレータへの取付作業が従来の管体に比して著しく容易になる。
【００３４】
本発明に係る請求項３の発明によれば、請求項２における前記樹脂は、ポリアセタール、ポリメチルペンテン、ポリフェニレンエーテル、ポリフェニレンスルファイド、液晶ポリマーから選択されるため、金型による一体成形がし易くなり且つ仕上がり寸法精度の高い、品質の優れたノズルプレートを作製できる。
【００３５】
本発明に係る請求項４の発明によれば、固体高分子電解質膜の一方の面にアノード、他方の面にカソードを接合してなるセルを、前記アノードに対向する面に複数本の凹溝状燃料ガス流路が設けられたセパレータと、前記カソードに対向する面に複数本の凹溝状酸化剤ガス流路が設けられたセパレータとで挟んで複数積層された固体高分子形燃料電池において、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のノズルプレートが取り付けられているので、セパレータのガス流路に対して反応ガスを均一に流通できると共に、ガス流路内で生じる凝縮水を排除して反応ガスを円滑に流通させることができる。これにより、従来のトンネル流路を形成するためのプレートが不要になり、又ガス流量の均一化のための孔あき板や管体が不要となる。
【００３６】
本発明に係る請求項５の発明によれば、請求項４の固体高分子形燃料電池において、前記ノズルプレートにおける各ノズル孔のガス流量のバラツキは、前記セパレータにおける各流路のガス流量のバラツキよりも小さく設定されているので、各流路へのガス流量の均一化を確実に行うことができる。
【００３７】
本発明に係る請求項６の発明によれば、請求項４又は請求項５の固体高分子形燃料電池において、前記ノズルプレートを接着剤により前記セパレータに取り付ける場合において、ノズルプレート或いはセパレータのいずれか一方又は両方の接着面の近傍に余剰の接着剤が逃げ込む溜まり部を設けたので、ノズルプレートをセパレータに密着させて取り付けることができ、ノズルプレートに出っ張りが生じないことからガスリークを未然に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るノズルプレートの一実施形態を示すもので、（ａ）はその平面図であり、（ｂ）は正面図である。
【図２】本発明に係るノズルプレートをセパレータに取り付けた状態を示す平面図である。
【図３】図２におけるＸ−Ｘ線概略断面図である。
【図４】本発明に係るノズルプレートの他の実施形態を示すもので、（ａ）はセパレータへの接着要領を示す部分説明図、（ｂ）は更に他の実施形態におけるノズルプレートの接着要領を示す部分概略平面図である。
【図５】本発明に係る固体高分子形燃料電池において、セパレータのガス流路に付着した凝縮水を吹き飛ばす時の模式的説明図である。
【図６】従来の固体高分子形燃料電池において、プレートによりトンネル流路を形成する状態を示す平面図である。
【符号の説明】
１…ノズルプレート
１Ａ…基部
１Ｂ…接続部
２…突出片
３…ノズル孔
４…セパレータ
４ａ…流路
４ｂ…リブ
４ｃ…凹部
５…ガス供給用マニホールド
６…溜まり部
７…セル
８…供給孔
Claims (6)
- 固体高分子電解質膜の一方の面にアノード、他方の面にカソードを接合してなるセルを、両側から挟み付けて燃料電池スタック内に組み込まれる燃料電池用セパレータにおいて、このセパレータに複数本並設された凹溝状反応ガス流路の入口及び／又は出口に取り付けられるノズルプレートであって、このノズルプレートは、板状の基部と、この基部の一端側に突出片が並設された接続部とを有し、前記基部の他端側から前記接続部の突出片を貫通するノズル孔がそれぞれ設けられ、前記セパレータに取り付けた際に、前記複数の反応ガス流路の端部とマニホールドの端部との間に設けられた凹部に嵌り込む大きさに設定され、且つ前記反応ガス流路間に位置するリブの上面と同一平面となるように厚さが設定され、前記突出片は各反応ガス流路の凹部内に挿入できるように当該反応ガス流路の間隔に対応させて櫛歯状に設けられ、更に前記ノズル孔は出口側に向けてガスを噴出できるようにそれぞれ同一径の先細り孔とし、これらのノズル孔によって流量を規制することにより反応ガスの供給を均一にすることを特徴とするノズルプレート。
- 前記ノズルプレートは樹脂により一体成形したことを特徴とする請求項１記載のノズルプレート。
- 前記樹脂は、ポリアセタール、ポリメチルペンタン、ポリフェニレンエーテル、ポリフェニレンスルファイド、液晶ポリマーから選択されることを特徴とする請求項２記載のノズルプレート。
- 固体高分子電解質膜の一方の面にアノード、他方の面にカソードを接合してなるセルを、前記アノードに対向する面に複数本の凹溝状燃料ガス流路が設けられたセパレータと、前記カソードに対向する面に複数本の凹溝状酸化剤ガス流路が設けられたセパレータとで挟んで複数積層された固体高分子形燃料電池において、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のノズルプレートが、前記一方のセパレータ又は両方のセパレータに取り付けられていることを特徴とする固体高分子形燃料電池。
- 前記ノズルプレートにおける各ノズル孔のガス流量のバラツキは、前記セパレータにおける各流路のガス流量のバラツキよりも小さく設定されていることを特徴とする請求項４記載の固体高分子形燃料電池。
- 前記ノズルプレートを接着剤により前記セパレータに取り付ける場合において、ノズルプレート或いはセパレータのいずれか一方又は両方の接着面の近傍に余剰の接着剤が逃げ込む溜まり部を設けたことを特徴とする請求項４又は請求項５記載の固体高分子形燃料電池。
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