JP4514651B2 - 燃料電池セパレータのチャネル構造 - Google Patents

Description

本発明は一種の燃料電池の構造設計に係り、特に燃料電池セパレータのチャネル構造に関する。

燃料電池（Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）は電気化学反応により、水素含有の燃料と空気に電力を発生させる装置である。燃料電池セパレータに電気化学反応を発生させるためには陽極反応ガス或いは液体及び陰極反応ガスをそれぞれ適当なチャネルを通して燃料電池中に通入する必要がある。チャネル構造の設計では、陽極と陰極の流体の単独流通及び相互の間の相互漏洩を防止して、燃料電池の操作効率に影響が出ないようにし、並びに操作の安全性を確保することが必要である。

典型的な燃料電池は複数の燃料電池ユニットを具え、基本の各燃料電池ユニットは、膜電極アセンブル（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｅ；ＭＥＡ）を包含し、それはプロトン交換膜、陽極触媒層、陰極触媒層で構成されている。膜電極アセンブルの陽極側に陽極ガス拡散層及びセパレータが結合され、膜電極アセンブルの陰極側に陰極ガス拡散層、及びセパレータが結合されている。

図１は典型的な燃料電池の構成要件を分解した時の側面図である。燃料電池１は複数のセパレータ２を具えている。各セパレータ２の端縁近隣部分に対応する貫通孔２１、２２が設けられている。貫通孔２１、２２が伝送する流体は燃料電池システムの違いにより、水素ガス、空気、或いはメタノール等の石化燃料の流体とされうる。

セパレータ２の表面の中央エリアに相互に平行な溝２３が設けられ、各溝２３の一端部は連通溝で貫通孔２１に連通し、各溝２３の別の一端部もまた連通溝で貫通孔２２に連通している。流体が貫通孔２１を通り送入される時、流体は各溝の案内により順調に貫通孔２２に導入される。

隣り合う二つのセパレータの間には陽極拡散層４１、膜電極アセンブル４２、及び陰極拡散層４３が挟まれる。膜電極アセンブル４２の両側面はそれぞれ触媒層（図示せず）を具えている。二つのセパレータの間に更にパッキング３１、３２が挟まれる。該セパレータ２、陽極拡散層４１、膜電極アセンブル４２、陰極拡散層４３、パッキング３１、３２が重ね置かれて組み合わされることで基本の燃料電池ユニット１０が構成される。

周知の技術では、流体を順調にセパレータにより案内するため、ほとんどはセパレータの流体溝構造に重きが置かれ、例えば特許文献１には、一種の流体溝の構造設計が記載され、その溝は相互に平行な離間溝とされてセパレータに配設される。また特許文献２にも一種の燃料電池の構造設計が記載され、そのセパレータ表面にも複数の相互に平行な離間溝が設けられている。また、特許文献３には縮小チャネル口径を具えた燃料電池の流体溝構造が記載され、それは流体溝の入口端と出口端の間に圧力差が発生するものとされる。

周知のこれらの関係する従来の技術中、所定の流体輸送案内の機能は達成されるものの、燃料電池セパレータの流体溝と流体輸送貫通孔の間の連通構造については研究が少ない。

伝統的な燃料電池セパレータの連通溝構造中、流体密封効果を達成して流体の外漏れを防止するため、通常はセパレータの表面に複数の連通溝が形成され、さらに二つの隣り合うセパレータの間にパッキングが置かれ、これにより輸送の流体がセパレータの貫通孔及び連通溝を通過する時、パッキングにより流体の外漏れ或いは陽極流体と陰極流体相互の漏洩を防止する目的が達成される。

米国特許第４，６３１，２３９号明細書 米国特許第４，７６１，９９０号明細書 米国特許第６，６２３，８８２号明細書

燃料電池に供給される流体は相当な流体圧力を有するため、流体がセパレータの連通溝を通過する時に、パッキングが相当な流体圧力を受ける。この現象によりパッキングが連通溝凹溝セクションでガス或いは液体の相互漏洩を発生しやすく、そのために隣り合う高価な膜電極アセンブルが破壊されてしまうことがある。

さらに、一般にセパレータ材料の多くは炭素板を採用するか、高分子を含浸させた複合炭素板、或いは金属或いは合金板とされる。多種類の異なった実施可能な材料が選択に供されているものの、異なった応用場面では、異なる流体、異なる圧力等、異なる因子の制限を受ける。例えば全体の燃料電池の体積が縮小される時、流体漏洩問題は更に厳重となる。

このため、良好な密封効果を有し、また十分な流量設計を有するセパレータ連通溝構造を設計して前述の問題を解決すると共に実際の必要に対応できるようにする必要がある。

本発明の主要な目的は、燃料電池セパレータの流体チャネル構造を提供し、燃料電池が電気化学反応を行なう時に必要な流体が流体チャネルを通過する時に漏洩を発生しないようにすることにある。

本発明の別の目的は、燃料電池セパレータの貫通孔と反応エリア溝間の連通溝構造を提供し、そのセパレータの連通溝と貫通孔の間をセパレータを貫通する複数のトンネルで連通させ、トンネルの構造は貫通孔とセパレータを突き合わせて形成することにある。

本発明の更に別の目的は、加工が容易な燃料電池セパレータの流体チャネル構造を提供し、燃料電池セパレータの連通溝を形成する時に一般の溝構造及び部品を突き合わせる方式で形成できるようにし、製品の製造、加工のいずれも非常に簡易とすることにある。

本発明が周知の技術の問題を解決するために採用する技術手段は、燃料電池セパレータの連通溝と貫通孔の間をトンネルで連通させ、流体が貫通孔より送入される時、流体がトンネルを通りセパレータの各溝に送られるようにし、トンネルの構造はセパレータに位置決めエリアを形成し並びに垂直段階セクションを形成し、位置決めエリアに少なくとも一つの水平凹溝セクションを形成し、位置決めエリア上をカバー板で被覆し、カバー板の底面に複数の半溝を形成し、カバー板をセパレータの位置決めエリアに閉じ合わせる時に、各半溝と位置決めエリアの対応する水平凹溝セクションとに共同で複数のトンネルを形成させる、というものである。

請求項１の発明は、燃料電池セパレータのチャネル構造において、該セパレータの少なくとも一つの表面の中央エリアに相互に平行な溝が設けられ、各溝が複数の連通溝で該セパレータに形成された貫通孔に連通する燃料電池セパレータのチャネル構造において、該セパレータの連通溝と貫通孔の間が少なくとも一つのトンネルにより連通し、該トンネルの構造が、
セパレータにあって貫通孔近隣に形成された位置決めエリアであって、該位置決めエリアに少なくとも一つの水平凹溝セクションが形成された、上記位置決めエリアと、
該位置決めエリア上を被覆し、底面に少なくとも一つの半溝が形成された、カバー板と、
を具え、該カバー板がセパレータの位置決めエリア上に閉じ合わされる時、その半溝が位置決めエリアの対応する水平凹溝セクションと共同でトンネルを形成し、
流体が貫通孔より送入される時、流体がトンネル、連通溝を通りセパレータの各溝に送られるよう形成されたことを特徴とする、燃料電池セパレータのチャネル構造としている。
請求項２の発明は、請求項１記載の燃料電池セパレータのチャネル構造において、トンネルの構造が、セパレータに形成されて上端が連通溝に連通し底端が水平凹溝セクションに連通する少なくとも一つの垂直段階セクションを更に具えたことを特徴とする、燃料電池セパレータのチャネル構造としている。
請求項３の発明は、請求項１記載の燃料電池セパレータのチャネル構造において、トンネルが円形断面を呈することを特徴とする、燃料電池セパレータのチャネル構造としている。
請求項４の発明は、請求項１記載の燃料電池セパレータのチャネル構造において、トンネルが矩形断面を呈することを特徴とする、燃料電池セパレータのチャネル構造としている。
請求項５の発明は、請求項１記載の燃料電池セパレータのチャネル構造において、トンネルが単一矩形断面トンネルの構造とされたことを特徴とする、燃料電池セパレータのチャネル構造としている。

本発明が採用する技術手段により、独立製造されたカバー板とセパレータが対応して閉じ合わされる時、セパレータ中にトンネルが形成され、良好な流体搬送機能、良好な流体密封漏止め効果を有するのみならず、本発明はただ一般の溝構造と部品を突き合わせて組み合わせる方式で完成するため、製品の製造、加工のいずれもが非常に簡易である。更に、本発明のカバー板とセパレータに形成されるチャネル構造はセパレータのトンネル上方がカバー板により比較的大きな流体圧力に耐え及び十分な流量を提供するものとされ、セパレータの厚さを厚くする必要がない。

図２は本発明の燃料電池セパレータのチャネル構造の第１実施例の関係部品分離時の立体分解図である。本発明は燃料電池中のセパレータ２の端縁近隣部分に対応する貫通孔２１、２２が設けられている。該貫通孔２１、２２はそれぞれ流体導入貫通孔と導出貫通孔とされ、その伝送する流体は水素ガス、空気或いはメタノール等石化燃料とされる。

セパレータ２の表面に下から上に順にパッキング３１、陽極拡散層４１、膜電極アセンブル４２、及び陰極拡散層４３が配置されている。膜電極アセンブル４２の両側面に触媒層（図示せず）が設けられている。

セパレータ２の表面の中央エリアに相互に平行な溝２３が設けられ、且つ各溝２３の一端部は連通溝２３１とトンネル２４で貫通孔２１に連通し、各溝２３の別の一端部もまた連通溝２３２とトンネル２４を通り貫通孔２２に連通している。流体が貫通孔２１より送入される時、流体は各溝２３の案内により貫通孔２２に導入される。

図３は図２中のＡ部分の局部拡大立体図である。図から分かるように、セパレータ２の連通溝２３１と貫通孔２１の間はセパレータ２を貫通する複数のトンネル２４で連通している。これにより流体が貫通孔２１より送入される時、流体はトンネル２４、連通溝２３１を通り、平均してセパレータ２の各溝２３に送られる。

セパレータ２中にトンネル２４を形成するため、本発明の実施例では、セパレータ２表面の貫通孔２１の近隣のエリアに位置決めエリア２４１が形成され、その幅は全ての連通溝２３１の総合幅より大きい。

セパレータ２の位置決めエリア２４１上はカバー板２５で被覆され、カバー板２５の底面に複数の半溝２５１が形成される。また図４は図３中のカバー板２５とセパレータ２分離時の局部拡大立体分解図であり、図５は図３中のカバー板２５とセパレータ２分離時の別角度から観た局部拡大立体図である。

セパレータ２の位置決めエリア２４１中に複数の水平凹溝セクション２４２が形成され、各水平凹溝セクション２４２の一端は貫通孔２１に連通し、別の一端は垂直段階セクション２４３を通り連通溝２３１に連通している。

カバー板２５がセパレータ２の位置決めエリア２４１上に閉じ合わされる時、カバー板２５の各半溝２５１がちょうどセパレータ２の位置決めエリア２４１中の各水平凹溝セクション２４２に対応し、これにより突き合わせによりセパレータ２中に複数の円形のトンネル２４が形成される。図６は図３中の６−６断面図であり、図７は図３中の７−７断面図である。

図８は図３中の８−８断面図であり、それは流体Ｉが貫通孔２１より送入される時、流体Ｉがカバー板２５の半溝２５１と対応する水平凹溝セクション２４２が形成したトンネル２４を通り、更に垂直段階セクション２４３、及び連通溝２３１を通りセパレータ２の各溝２３に送られる状態を示す。

図９は本発明の第２実施例の断面図であり、それと第１実施例の構造設計とはほぼ同じであり、且つ図７中に示される第１実施例の断面図とほぼ同じである。その違いは、セパレータ２ａの上面に複数の半矩形溝構造が形成され、カバー板２５ａの底面に複数のそれに対応する半矩形溝構造が形成され、ゆえにセパレータ２ａとカバー板２５が突き合わせ接合された後、その間に形成されるトンネルが矩形断面トンネル２４ａの構造とされることにある。

図１０は本発明の第３実施例の断面図であり、それと前述の図９に示される第２実施例の構造設計とはほぼ同じであり、その違いは、セパレータ２ｂの上面が凹平面構造とされ、カバー板２５ｂの底面に単一の半矩形溝構造が形成され、ゆえにセパレータ２ｂとカバー板２５が突き合わせ接合された後、その間に形成されるトンネルが単一矩形断面トンネル２４ｂの構造とされることにある。

図１１は本発明の第４実施例の断面図であり、それと前述の図１０に示される第３実施例の構造設計とはほぼ同じであり、その違いは、セパレータ２ｃの上面が凹平面構造とされ、並びにその両側端にそれぞれ載置構造２６ａ、２６ｂが形成され、カバー板２５ｃの底面は平面構造に形成され、ゆえにカバー板２５ｃの両側端がそれぞれ載置構造２６ａ、２６ｂ上に載置される時、カバー板２５ｃとセパレータ２ｃの間に単一矩形断面トンネル２４ｃの構造が形成されることにある。

図中に示される燃料電池セパレータ中、一つの燃料電池ユニットのセパレータを実施例として説明しているが、実際の応用時には燃料電池中には複数の燃料電池ユニットが包含され得て、それにより燃料電池を構成され、本発明の構造はまた同様に、複数の燃料電池ユニットを具えた燃料電池構造に適用される。

総合すると、本発明はカバー板とセパレータの突き合わせ接合により、セパレータ中にトンネルを形成し、これにより燃料電池セパレータの貫通孔と反応エリアの溝間の連通溝が良好な流体搬送機能、良好な流体密封漏止め効果を有するほか、良好な機構強度の構造を提供している。製造方面では、本発明は一般の溝構造と部品を突き合わせ接合する方式で完成し、製品の製造、加工のいずれも非常に簡易である。更に、本発明のカバー板とセパレータが形成するチャネル構造はセパレータのトンネル上方がカバー板により大きな流体圧力に耐えられると共に十分な流量を提供でき、セパレータの厚さを厚くする必要がない。

以上の実施例は本発明の実施範囲を限定するものではなく、本発明に基づきなしうる細部の修飾或いは改変は、いずれも本発明の請求範囲に属するものとする。

典型的な燃料電池の構成要件を分解した時の側面図である。 本発明の燃料電池セパレータのチャネル構造の第１実施例の関係部品分離時の立体分解図である。 図２中のＡ部分の局部拡大立体図である。 図３中のカバー板２５とセパレータ２分離時の局部拡大立体分解図である。 図３中のカバー板２５とセパレータ２分離時の別角度から観た局部拡大立体図である。 図３中の６−６断面図である。 図３中の７−７断面図である。 図３中の８−８断面図である。 本発明の第２実施例の断面図である。 本発明の第３実施例の断面図である。 本発明の第４実施例の断面図である。

１ 燃料電池
１０ 燃料電池ユニット
２ セパレータ
２１、２２ 貫通孔
２３ 溝
２３１、２３２ 連通溝
２４、２４ａ トンネル
２４ｂ、２４ｃ トンネル
２４１ 位置決めエリア
２４２ 水平凹溝セクション
２４３ 垂直段階セクション
２５、２５ａ カバー板
２５ｂ、２５ｃ カバー板
２５１ 半溝
２６ａ、２６ｂ 載置構造
３１、３２ パッキング
４１ 陽極拡散層
４２ 膜電極アセンブル
４３ 陰極拡散層

Claims (5)

1. 燃料電池セパレータのチャネル構造において、該セパレータの少なくとも一つの表面の中央エリアに相互に平行な溝が設けられ、各溝が複数の連通溝で該セパレータに形成された貫通孔に連通する燃料電池セパレータのチャネル構造において、該セパレータの連通溝と貫通孔の間が少なくとも一つのトンネルにより連通し、該トンネルの構造が、
   セパレータにあって貫通孔近隣に形成された位置決めエリアであって、該位置決めエリアに少なくとも一つの水平凹溝セクションが形成された、上記位置決めエリアと、
   該位置決めエリア上を被覆し、底面に少なくとも一つの半溝が形成された、カバー板と、
   を具え、該カバー板がセパレータの位置決めエリア上に閉じ合わされる時、その半溝が位置決めエリアの対応する水平凹溝セクションと共同でトンネルを形成し、
   流体が貫通孔より送入される時、流体がトンネル、連通溝を通りセパレータの各溝に送られるよう形成されたことを特徴とする、燃料電池セパレータのチャネル構造。
2. 請求項１記載の燃料電池セパレータのチャネル構造において、トンネルの構造が、セパレータに形成されて上端が連通溝に連通し底端が水平凹溝セクションに連通する少なくとも一つの垂直段階セクションを更に具えたことを特徴とする、燃料電池セパレータのチャネル構造。
3. 請求項１記載の燃料電池セパレータのチャネル構造において、トンネルが円形断面を呈することを特徴とする、燃料電池セパレータのチャネル構造。
4. 請求項１記載の燃料電池セパレータのチャネル構造において、トンネルが矩形断面を呈することを特徴とする、燃料電池セパレータのチャネル構造。
5. 請求項１記載の燃料電池セパレータのチャネル構造において、トンネルが単一矩形断面トンネルの構造とされたことを特徴とする、燃料電池セパレータのチャネル構造。

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