JP4934243B2 - 小型燃料電池用セパレータ及びセルスタック - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばノートパソコンや携帯電話などに使用される小型燃料電池のセパレータ及びセルスタック等の構造に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、燃料電池はガス拡散性で、電子伝導率を有する電極を固体高分子電解質膜の両面に配した単電池と、一面に酸化剤ガス流路が設けられ、他面に燃料ガス流路が設けられたガスセパレータとを交互に複数積層してなる積層体から構成されている。
燃料電池の動作原理は、燃料極において次式のように水素を水素イオン(H+)と電子(e-)に分け、水素イオン(H+)を電解質の高分子膜を通して空気極(酸化剤ガス極)に導き、電子(e-)を外部回路に流すというものである。
【0003】
H2⇒2H++2e-
【0004】
空気極(酸化剤ガス極)においては酸素と燃料極から導かれた水素イオン(H+)と外部回路から導かれた電子(e-)とが反応して水になり、
2H++1/2O2+2e-⇒H2O
燃料電池全体の反応では、
H2+1/2O2⇒H2O
となる。
【0005】
ガスセパレータに関しては、ガス不透過処理を施したカーボンや金属板等にガス溝等を切削加工やプレス加工、サンドブラスト加工したものが使用され、また一体化したモールド成型法によるセパレータも最近になって使用されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような従来の燃料電池の構造において、燃料電池の小型化を図ろうとすると、セパレータが薄くなり、またそこに形成されるガス溝が狭くなり、ガスの流路抵抗が大きくなって十分なガス流量を得ることが困難となる。また、ガスシール方法ではシートガスケット方式やOリング構造を採用することが一般的であるが、シートガスケット方式でシールを行うべく締め付けを行うと、本来、図6(a)に示すようにシートガスケットが支持されるべきなのに対して、図6(b)に示すように溝部分にガスケットが落ち込んでシール不良となる虞がある。なお、図6において、1、3はセパレータ、2はシートガスケット、4はセパレータに設けられたガス溝、5はシートガスケットの落ち込みにより生じた隙間を示している。また、Oリング構造では、マニホールド各々にOリングをはめ込むので部品点数が増えて組み立て工数が増えてコスト高となる。このような理由から、従来の燃料電池の構造においては、その小型化が困難であったという問題点があった。
【0007】
本発明は、上述した実情に鑑みてなされたものであり、燃料電池の小型化が容易に実現できる小型燃料電池用セパレータ及びセルスタックを提供することを目的としている。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するため、本発明は、電池を挟み燃料ガス及び酸化剤ガスの流路を形成する小型燃料電池用セパレータにおいて、ガス導入用のマニホールドが設けられると共に、前記電池側の面には、短冊状に貫通して設けられるガス流路が電極面積分にわたって設けられ、前記電池側の面と反対面には、ガス導入用のガス溝が前記マニホールドと前記ガス流路を接続するように形成され、前記ガス流路及びガス溝を囲むようにOリング溝が形成されていることを特徴とする。
【0009】
また、本発明は、電池を挟み燃料ガス及び酸化剤ガスの流路を形成する小型燃料電池用セパレータにおいて、セパレータの一方面側から他方面側に燃料ガス及び酸化剤ガスが供給できるように貫通穴が設けられると共に、この貫通穴に接続されるガス流路が電極面積分にわたって設けられ、且つガス流路を囲むようにOリング溝が形成されていることを特徴とする。
【0010】
また、本発明に係る小型燃料電池用セパレータは、請求項2に記載の燃料電池用セパレータの貫通穴に燃料ガス、酸化剤ガスを供給するため、前記燃料電池用セパレータに重ねて用いられる小型燃料電池用セパレータであって、ガスマニホールドが設けられると共に、そのガスマニホールドから前記貫通穴までガスを流すガス流路が形成され、更に、このガス流路を囲むようにOリング溝が形成されていることを特徴とする。
【0011】
また、本発明は、請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の小型燃料電池用セパレータにおいて、前記Oリング溝は一体形成されたOリングがはめ込まれるように連続しており、且つ酸化剤ガスと燃料ガスがクロスリークしないよう適所が二重構造となっていることを特徴とする。
【0012】
また、本発明は、単電池に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給する小型燃料電池セルスタックにおいて、酸化剤ガスと燃料ガスがクロスリークしないよう適所が二重シール構造を有し、且つ一体化されたOリングによりシールされることを特徴とする。
【0013】
また、本発明に係る小型燃料電池セルスタックは、請求項1または請求項2に記載の小型燃料電池用セパレータの間に単電池を挟み込み、更にこれらを請求項3に記載の小型燃料電池用セパレータで挟んでなるセルを複数積層してなることを特徴とする。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
実施の形態1.
図1は本発明に係る燃料電池スタックの分解斜視図、図2は酸化剤ガスセパレータを示す正面図及び裏面図、図3は燃料ガスセパレータの表面及び裏面を示す図、図4はOリングを示す図、図5はガスの流れを示す側面図である。
【0015】
実施の形態1における燃料電池は、単電池60、単電池を挟む酸化剤ガスセパレータ20、及び燃料ガスセパレータ30、更にこれらを上下から挟むガスセパレータ10A,10Bを備え、更にこれらの間に挟まれるガスシール用のOリング50a,50b,50cを備えている。
【0016】
酸化剤ガスセパレータ20は、ガス不透過性のグラッシーカーボン(厚さ1.0mm)にて製作され、この酸化剤ガスセパレータ20には、ボルト穴23a〜23dが4箇所設けられ、酸化剤ガスセパレータ20の適所(図2(a)右上)には取付方向が容易に確認できるようCカットが設けられている。またこのセパレータ20には、酸化剤ガスマニホールド20a,20b、および21a,21bが対向する辺の近傍に(図2上下両端)2箇所ずつ設けられている。
【0017】
また、酸化剤ガスマニホールド20a、20bからは、酸化剤ガス溝20a1、20b1、酸化剤ガス流路25a,25b、酸化剤ガス溝21a1,21b1が連続して設けられ、酸化剤ガス溝21a1,21b1の端部が酸化剤ガスマニホールド21a、21bに接続している。酸化剤ガス流路25a,25bはセパレータ20の裏面(B面)まで短冊状に貫通し、例えば電極面積分0.5cm2〜25cm2の広さにおいて、平行に設けられている。酸化剤ガス溝20a1,20b1,21a1,21b1の深さは、0.1mm〜1.0mmに形成されている。
【0018】
また、酸化剤ガスセパレータ20の酸化剤ガスマニホールド20a,20b,21a,21bが設けられた辺と異なる二つの辺の近傍(図2(a)左右両端)には燃料ガスマニホールド22a、22bがそれぞれ形成されている。そして、ガスシール用として酸化剤ガスが流れる部分とセパレータ周縁(燃料電池外部)との間には、Oリング溝24が一重に形成され、また、酸化剤ガスと燃料ガスがクロスリークする可能性がある箇所についてはOリング溝24が二重に形成されている。
【0019】
燃料ガスセパレータ30には、図3に示されるように、単電池60側の面30Aにおいて、燃料ガスマニホールド32a、32bが左右上下に一箇所ずつ設けられ、セパレータ30の右上には方向が分かるようにCカットが設けられている。また、ガス流路分の貫通穴34a,34bが2〜10個ほど設けられ、貫通穴34a,34bからは、例えば溝幅1.0mm、溝深さ0.1〜1.0mmの燃料ガス流路35がジグザグまたは平行状に電極面積0.5cm2〜25cm2分にわたって形成され、上下両端に酸化剤ガスマニホールド30a,30b、31a,31bが形成されている。またガスシールのため、酸化剤ガス、燃料ガスがクロスリークしないようにOリング溝35が電極、マニホールドの周りに二重に形成されている。なお、面30Bは面30Aの裏面を示している。
【0020】
図1に示されるガスセパレータ10A,10Bには、四隅にボルト穴13a〜13dが設けられ、セパレータ10A,10Bの一隅(右上)には方向が分かるようにCカットが設けられている。また、酸化剤ガスマニホールド10a,10b,11a,11bが上下の辺付近に2箇所ずつ設けられると共に、燃料ガスマニホールド12a,12bが左右の辺近傍上下に一箇所ずつ設けられている。そして、燃料ガスが燃料ガスセパレータ30に導入できるように燃料ガス導入流路12a1、12b1が例えば溝幅1.0mm、溝深さ0.1〜1.0mm、長さ3mm〜20mmに設けられている。また、その周りにOリングの溝14が設けられ、燃料ガスと酸化ガス剤がクロスしないように酸化剤ガスマニホールド10a,10b,11a,11b近傍において2重にOリング溝が設けられている。
【0021】
図4は上述した各セパレータのOリング溝に挿入されるOリングを示しており、図中、1,3は酸化剤ガスマニホールド部、2,4は燃料ガスマニホールド部、5は電極部、1a、2aは酸化剤ガス外部シール部、1b、2bは酸化剤ガス内部シール部、1c、2c、3c、4cは電極部シール部、2a、4aは燃料ガス外部シール部、2b、4bは燃料ガス内部シール部を示している。図4より明らかなように、このOリングは、酸化剤ガスと燃料ガスとがクロスリークしないようにそれらの間が二重シール構造を有し、また、全てのセパレータで共通の形のOリングが使用できる。
【0022】
図5は実施の形態における固体高分子型の小型燃料電池単セルにおけるガスの流れを模式的に示す図である。酸化剤ガス及び燃料ガスはそれぞれ矢印で示したようにセル内を流れる。なお、図中、61,62,63はそれぞれ単電池60のアノード電極、高分子電解質膜、カソード電極を示している。単セルは、単電池を酸化剤ガスセパレータ20と燃料ガスセパレータ30とで挟み、更にそれをガスセパレータ10A、10Bで挟んだ構造をなし、これらを複数積層して燃料電池スタックが構成される。
【0023】
以下に実施の形態の動作について説明する。
酸化剤ガスは外部からガスセパレータ10Aの酸化剤マニホールド10aと10bに供給される。まず酸化剤マニホールド10aに供給された酸化剤ガスは、酸化剤ガスセパレータ20の酸化剤マニホールド20a、酸化剤ガス溝20a1、電極面積分半分の酸化剤ガス流路25a、酸化剤ガス溝21a1を順次流れ酸化剤マニホールド21aに排出され、ガスセパレータ10Bの酸化剤マニホールド11aを流れて外部に排出される。
【0024】
また酸化剤マニホールド10bに供給された酸化剤ガスは、酸化剤ガスセパレータ20の酸化剤マニホールド20b、酸化剤ガス溝20b1、電極面積分半分の酸化剤ガス流路25b、酸化剤ガス溝21b1を順次流れ酸化剤マニホールド21bに排出され、ガスセパレータ10Aの酸化剤マニホールド11bを流れて外部に排出される。
【0025】
なお、この流れは次のような流れでもよい。すなわち、酸化剤ガスは外部から酸化剤マニホールド10aに供給され、酸化剤マニホールド20a、酸化剤ガス溝20a1、電極面積分半分の酸化剤ガス流路25a、酸化剤ガス溝21a1を順次流れて酸化剤マニホールド21aに排出され、他のセパレータ10Bの酸化剤マニホールドを流れて外部に排出される。この場合、排出されたガスを、配管などを接合して、酸化剤ガスマニホールド11bに流れるようにする。さらに、酸化剤ガスは酸化剤マニホールド21bから酸化剤ガス溝21b1に流れ、電極面積分半分の酸化剤ガス流路25b、酸化剤ガス溝20b1に流れ、酸化剤マニホールド20bに排出されて外部に排出される方法でも良い、またその反対でも良い。
【0026】
燃料ガスは外部からガスセパレータ10Bの燃料ガスマニホールド12aに供給される。そして、燃料ガス導入流路12a1、燃料ガスセパレーター30の裏面から貫通した穴34bに流れ、電極面積分の燃料ガス流路35、裏面に貫通した穴34aに流れ、ガスセパレータ10Aの燃料ガス導入流路12b1、燃料ガスマニホールド12bを流れ外部に排出される。
【0027】
またこの燃料ガスの流れは以下のようなものであってもよい。
すなわち、燃料ガスは外部からガスセパレータ10Bの燃料ガスマニホールド12bに供給された後、燃料ガス導入流路12b1、燃料ガスセパレータ30の裏面から貫通した穴34a、電極面積分の燃料ガス流路35、裏面に貫通した穴34b、セパレーター10Aの燃料ガス導入流路12a1を順次流れ、ガスセパレータ10Aの燃料ガスマニホールド12aを流れて外部に排出される。
【0028】
ここで、水素を1L/min、空気を3L/min供給して集電板(図示しない)から8Aの電流を取り出すとともに、セルスタックで7.5Vの60W出力を取り出せた。このときの酸化剤ガス燃料ガスの圧力損失は0.002Mpaであった。
【0029】
また、酸化剤ガス及び燃料ガス剤の差圧力を0.1MpaにしてもOリングからのガス漏れはなかった。同様に樹脂含浸をしてガス不透過処理をした等方性カーボンに溝加工をして評価したところ同様な結果となった。なお、本発明はセパレータの材料に限定されるものではない。
【0030】
【発明の効果】
以上の説明より明らかなように、本発明によれば、燃料電池の小型軽量化が容易に実現できる小型燃料電池セパレータ、小型燃料セルスタック、小型燃料電池スタックを得ることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る燃料電池スタックの分解斜視図である。
【図2】酸化剤ガスセパレータを示す正面図及び裏面図である。
【図3】燃料ガスセパレータの表面及び裏面を示す図である。
【図4】Oリングを示す図である。
【図5】ガスの流れを示す側面図である。
【図6】シートガスケットを用いた場合の問題点を示す図である。
【符号の説明】
10A,10B ガスセパレータの表、裏
10a,10b,11a,11b 酸化剤ガスマニホールド
12a,12b 燃料ガスマニホールド
12a1,12b1 燃料ガス導入流路
20 酸化剤ガスセパレータ
20a,20b,21a,21b 酸化剤ガスマニホールド
20a1,20b1,21a1,21b1 酸化剤ガス溝
25a,25b 酸化剤ガス流路
30 燃料ガスセパレータ
34a,34b 貫通穴
50a,50b,50c Oリング
Claims (4)
- 一方面側から他方面側に燃料ガス及び酸化剤ガスが供給できるように燃料ガス導入用貫通穴及び酸化剤ガス導入用貫通穴が設けられると共に、前記燃料ガス導入用貫通穴に接続される燃料ガス流路が電極面積分にわたって設けられた燃料ガス用セパレータと、前記酸化剤ガス導入用貫通穴に接続される酸化剤ガス流路が電極面積分にわたって設けられた酸化剤ガス用セパレータと、に重ねて用いられる小型燃料電池用セパレータにおいて、
燃料ガス導入用マニホールド及び酸化剤ガス導入用マニホールドが設けられると共に、該燃料ガス導入用マニホールドから前記燃料ガス用導入貫通穴まで燃料ガスを流す燃料ガス導入流路が形成されるか、又は前記酸化剤ガス導入用マニホールドから前記酸化剤ガス用導入貫通穴まで酸化剤ガスを流す酸化剤ガス導入流路が形成され、更に、前記燃料ガス導入用マニホールド及び前記酸化剤ガス導入用マニホールドを囲むようにOリング溝が形成されていることを特徴とする小型燃料電池用セパレータ。 - 請求項1に記載の小型燃料電池用セパレータにおいて、
前記Oリング溝は、一体形成されたOリングがはめ込まれるように連続しており、且つ酸化剤ガスと燃料ガスがクロスリークしないよう前記燃料ガス導入用マニホールドと前記酸化剤ガス導入用マニホールドとの間が二重シール構造となっていることを特徴とする小型燃料電池用セパレータ。 - 単電池に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給する小型燃料電池セルスタックにおいて、
前記小型燃料電池セルスタックは小型燃料電池用セパレータを備え、
前記小型燃料電池用セパレータには燃料ガス導入用マニホールド及び酸化剤ガス導入用マニホールドが設けられるとともに、酸化剤ガスと燃料ガスがクロスリークしないよう前記燃料ガス導入用マニホールドと前記酸化剤ガス導入用マニホールドとの間が二重シール構造を有し、且つ一体化されたOリングによりシールされることを特徴とする小型燃料電池セルスタック。 - 一方面側から他方面側に燃料ガス及び酸化剤ガスが供給できるように燃料ガス導入用貫通穴及び酸化剤ガス導入用貫通穴が設けられると共に、前記燃料ガス導入用貫通穴に接続される燃料ガス流路が電極面積分にわたって設けられた燃料ガス用セパレータと、前記酸化剤ガス導入用貫通穴に接続される酸化剤ガス流路が電極面積分にわたって設けられた酸化剤ガス用セパレータとの間に単電池を挟みこみ、更にこれらを請求項1又は2に記載の小型燃料電池用セパレータで挟んでなるセルを複数積層してなることを特徴とする小型燃料電池セルスタック。
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