JP4989185B2

JP4989185B2 - 燃料電池用セパレータセット

Info

Publication number: JP4989185B2
Application number: JP2006290704A
Authority: JP
Inventors: 保則吉本
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2006-10-26
Filing date: 2006-10-26
Publication date: 2012-08-01
Anticipated expiration: 2022-12-27
Also published as: JP2007053111A

Description

本発明は、燃料電池用セパレータセットに関する。

近年、エネルギー変換効率が高く、かつ、発電反応により有害物質を発生しない燃料電池が注目を浴びている。こうした燃料電池の一つとして、１００℃以下の低温で作動する固体高分子型燃料電池が知られている。

固体高分子型燃料電池は、電解質膜である固体高分子膜を燃料極と空気極との間に配した基本構造を有し、燃料極に水素を含む燃料ガス、空気極に酸素を含む酸化剤ガスを供給し、以下の電気化学反応により発電する装置である。
燃料極：Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻（１）
空気極：１／２Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ（２）
固体高分子型燃料電池では、固体高分子電解質膜を湿潤状態にすることにより水素イオンの伝導性が発揮されるため、燃料ガスおよび酸化剤ガス（以下、「反応ガス」とも呼ぶ。）は通常加湿されて供給される。

燃料極においては、供給された燃料中に含まれる水素が上記式（１）に示されるように水素イオンと電子に分解される。このうち水素イオンは固体高分子電解質膜の内部を空気極に向かって移動し、電子は外部回路を通って空気極に移動する。一方、空気極においては、空気極に供給された酸化剤ガスに含まれる酸素が燃料極から移動してきた水素イオンおよび電子と反応し、上記式（２）に示されるように水が生成する。このように、外部回路では燃料極から空気極に向かって電子が移動するため、電力が取り出される。

また、燃料極および空気極の外側にはセパレータが設けられる。燃料極側のセパレータには燃料ガス流路が設けられており、燃料極に燃料ガスが供給される。同様に、空気極側のセパレータにも酸化剤ガス流路が設けられ、空気極に酸化剤ガスが供給される。また、これらのセパレータ間には、電極を冷却するための冷却水の流路が設けられる。

ここで、燃料電池を家庭に普及させるためには、小型、軽量でかつ出力特性および安全性が高いことが求められる。そこで、燃料電池用セパレータについても、燃料電池の小型軽量化し、優れた特性を発揮させるための検討がなされている（特許文献１）。

しかしながら、特許文献１に記載のセパレータは、燃料電池内において上記（２）式の反応や、加湿された反応ガスの凝縮により生じる水の燃料電池外部への排出に適した設計となっていなかった。反応ガスの流路内に水が堆積すると、反応ガスの流通が阻害される。このため、電極への反応ガス供給量が不足し、燃料電池の運転が不安定化してしまうことがあった。

また、動作している燃料電池内部の環境は、非常に強い酸性状態となる。燃料電池の内部環境を酸性化する要因としては、主として２つ考えられる。燃料電池（例えば固体高分子型燃料電池）では、電解質膜の表面に、白金や白金合金などを備える触媒層が設けられており、通常この触媒層には、上記触媒層を形成するための材料として用いた白金の硫酸塩などが残留している。従って、燃料電池の動作を開始すると、残留していた白金塩が、燃料電池内のガス流路に生じた生成水中に溶出して、燃料電池の内部環境を酸性化する。また、固体高分子型燃料電池が備える固体高分子電解質膜は、プロトン伝導性を実現する官能基としてスルホン酸基を備えているが、この固体高分子電解質膜は、燃料電池が発電を行うのに伴ってスルホン酸基の部分でごく微量ずつ徐々に分解して硫酸を生じ、燃料電池の内部環境を酸性化する。

このように白金塩の溶出やスルホン酸基の分解が起こると、燃料電池の内部環境はｐＨ２程度になるといわれており、このような強い酸性条件下では、長時間燃料電池の運転を行う間には、イオン化傾向の小さな銀を用いてガスセパレータの被覆を行う場合であっても、耐食性が不十分となるおそれがあった。ガスセパレータの表面が腐食すると、ガスセパレータを構成する金属のイオンが溶出する。このように、ガスセパレータから金属イオン（銀、あるいは銀で被覆したガスセパレータの基板部を構成する金属のイオン）が溶出して、ごく微量であってもこの金属イオンが固体高分子電解質膜中に混入すると、電解質膜が備えるイオン交換基（スルホン酸基）に上記金属イオンが引き寄せられて、固体高分子電解質膜のプロトン伝導性を損なうことになり、燃料電池の性能を維持していく上で望ましくない。したがって、より耐食性に優れた燃料電池用ガスセパレータが望まれていた。
特開２００１−４３８６８号公報実願平２−４６７６７（実開平４−８２６０号）のマイクロフィルム特開２００１−２６６９１０号公報国際公開０１／０１３４４１号パンフレット特開２００１−３０７７５３号公報

このように、従来の燃料電池用セパレータは、小型軽量でかつ出力特性の高い燃料電池を実現するものとして充分とはいえなかった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料、空気、または冷却水が均等に効率よく供給される燃料電池用セパレータセットを提供することにある。また、本発明の別の目的は、燃料または空気中の凝縮水を燃料電池の単位セル中から効率よく排除する燃料電池用セパレータセットを提供することにある。また、本発明のさらに別の目的は、耐食性に優れた燃料電池用セパレータセットを提供することにある。

本発明によれば、燃料電池スタックを構成するセル間の隔壁をなす燃料電池用セパレータであって、矩形の領域に複数の流路が略平行に延在形成され第１反応流体が流通する第１反応流体流路が設けられた第１主面と、矩形の領域に複数の流路が略平行に延在形成され水が流通する水流路が設けられた第２主面と、を備える第１燃料電池用セパレータと、燃料電池スタックを構成するセル間の隔壁をなす燃料電池用セパレータであって、矩形の領域に複数の流路が略平行に延在形成され第２反応流体が流通する第２反応流体流路が設けられた第１主面と、流路が設けられていない第２主面と、を備える第２燃料電池用セパレータと、を備える燃料電池用セパレータセットにおいて、前記第１燃料電池用セパレータは、前記燃料電池スタックの積層方向に反応流体を供給する反応流体供給用第１マニホールドを形成する反応流体供給用第１開口部と、前記燃料電池スタックの積層方向に水を供給する水供給用第１マニホールドを形成する水供給用第１開口部と、前記燃料電池スタックの積層方向に未反応の反応流体を排出する反応流体排出用第１マニホールドを形成する反応流体排出用第１開口部と、前記燃料電池スタックの積層方向に水を排出する水排出用第１マニホールドを形成する水排出用第１開口部と、前記燃料電池用セパレータの第１主面に設けられ前記反応流体供給用第１マニホールドと前記反応流体排出用第１マニホールドとに連通し矩形の領域に複数の流路が略平行に延在形成された反応流体流路と、前記燃料電池用セパレータの第２主面に設けられ前記水供給用第１マニホールドと前記水排出用第１マニホールドとに連通し矩形の領域に複数の流路が略平行に延在形成された水流路と、を備え、前記反応流体流路と前記水流路とは、並行して設けられると共に、一流路の断面積または流路の数が異なるように形成される。

ここで、反応流体流路または水流路は、矩形の領域に並行するように設けられている。反応流体流路または水流路が形成された矩形の辺の比は、短手方向対長手方向がたとえば１対１．５〜１対６程度、好ましくはたとえば１対２〜１対４程度とすることができる。流路の形成された矩形の辺について、流路の長さ方向の辺が流路の幅方向の辺に対して長すぎると、面内に温度分布が生じやすく、電極における反応効率が低下する。したがって、これらを考慮し、適度な流速で、適度な面積の流路を確保する必要がある。

さらに、限られたセパレータの大きさの中で、セパレータに供給される反応流体を効率よく反応に寄与させるためには、流路数を少なくし、流路を流れる反応流体の流速を大きくすることが好ましい。また、流路内に滞留する凝縮水を吹き飛ばし、排出する効果という観点でも、流速が大きいことが好ましい。また、水流路においては、断面積が小さい方が気泡の排出効率が高く、大きいほど流れる水の受ける抵抗が小さいため、これらのかねあいから反応流体流路との構成を設計することができる。

本発明に係る燃料電池用セパレータセットは、燃料、空気、または冷却水が均等に効率よく供給することができ、また、燃料または空気中の凝縮水を燃料電池の単位セル中から効率よく排除することができるので、燃料、空気、または冷却水の供給を限られたスペースの中で効率よく行うことができる。

本発明によれば、燃料電池スタックを構成するセル間の隔壁をなす燃料電池用セパレータであって、矩形の領域に複数の流路が略平行に延在形成され第１反応流体が流通する第１反応流体流路が設けられた第１主面と、流路が設けられていない第２主面と、を備える第３燃料電池用セパレータと、を備えることを特徴とする燃料電池が提供される。

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置などの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

以上説明したように本発明によれば、燃料、空気、または冷却水が均等に効率よく供給される燃料電池用セパレータセットが実現される。また、本発明によれば、燃料または空気中の凝縮水を燃料電池の単位セル中から効率よく排除する燃料電池用セパレータセットが実現される。また、本発明によれば、耐食性に優れた燃料電池用セパレータセットが実現される。

以下、燃料流路の形成された燃料電池用セパレータ、空気流路の形成された燃料電池用セパレータ、および燃料電池について、互いに略平行な複数の流路が一直線状に形成されている場合を例に、好ましい実施の形態について説明する。このとき、燃料流路の裏面に冷却水流路が形成されている構成を例に説明する。
（第１の実施の形態）
本実施の形態は、一方の面に燃料の流路、他方の面に冷却水の流路が設けられた燃料電池用セパレータに関する。図１は、本実施形態に係る燃料電池用セパレータの基板１０３の構成を示す図である。基板１０３は、矩形の長手方向の両端が短手方向に突出した形状、すなわち短手方向を縦に見てＨ型の形状である。基板１０３の一方の面には図１（ａ）に示されるように燃料の流路が設けられ、他方の面には図１（ｂ）に示されるように冷却水の流路が設けられている。以下、それぞれの面について詳細に説明する。

図１（ａ）は、燃料の流路が設けられた側の基板１０３表面を示す図である。燃料は、燃料供給用第１マニホールド１０７から燃料導入流路１２５を経由して燃料供給用第２マニホールド１１５に至り、燃料供給用第２マニホールド１１５からノズル１４１を通って燃料流路１０５に供給される。そして、燃料流路１０５を通過した燃料は、燃料排出用第２マニホールド１１７から燃料排出流路１２７を通って燃料排出用第１マニホールド１０９に至り、基板１０３外部に排出される。

また図１（ｂ）は、基板１０３表面のうち、冷却水の流路が設けられた側の表面を示す図である。冷却水は、冷却水供給用第１マニホールド１１１から冷却水導入流路１２９を経由して冷却水供給用第２マニホールド１１９に至り、冷却水供給用第２マニホールド１１９から冷却水流路１０６に供給される。そして、冷却水流路１０６を通過した燃料は、冷却水排出用第２マニホールド１２１から冷却水排出流路１３１を通って冷却水排出用第１マニホールド１１３に至り、基板１０３外部に排出される。

図１に示されるように、燃料供給用第２マニホールド１１５および冷却水供給用第２マニホールド１１９は、略矩形の形状となっており、基板１０３において燃料供給用第２マニホールド１１５および冷却水供給用第２マニホールド１１９の短辺の外側に燃料および水を供給または排出するための第１マニホールドが形成されている。また、長辺の外側には、第３の実施の形態で後述するように、空気の供給または排出用の第１マニホールドが形成される。燃料供給用第２マニホールド１１５、冷却水供給用第２マニホールド１１９、冷却水排出用第２マニホールド１２１には、突起１２３が設けられている。

また、第１マニホールド中の燃料ガスまたは冷却水の流れの方向と、第２マニホールド中の燃料ガスまたは冷却水の流れの方向が直交する構成となっている。さらに、第２マニホールド中の燃料ガスまたは冷却水の流れの方向と、燃料流路１０５または冷却水流路１０６中の流れの方向も直交するようになっている。第１のマニホールドと流路との間に第２のマニホールドを設け、燃料ガスまたは冷却水の流れの方向をこのようにすることにより、限られたスペースの中で効率よく燃料および冷却水を供給することが可能となる。

ここで、燃料流路１０５または冷却水流路１０６は、矩形の領域に並行するように設けられている。燃料流路１０５または冷却水流路１０６が形成された矩形の辺の比は、短手方向対長手方向がたとえば１対１．５〜１対６程度、好ましくはたとえば１対２〜１対４程度とすることができる。この理由は以下の通りである。

すなわち、限られたセパレータの大きさの中で、セパレータに供給される燃料ガスを効率よく反応に寄与させるためには、流路数を少なくし、流路を流れる燃料ガスの流速を大きくすることが好ましい。また、流路内に滞留する凝縮水を吹き飛ばし、排出する効果という観点でも、流速が大きいことが好ましい。

一方、流路の形成された矩形の辺について、流路の長さ方向の辺が流路の幅方向の辺に対して長すぎると、面内に温度分布が生じやすく、電極における反応効率が低下する。したがって、これらを考慮し、適度な流速で、適度な面積の流路を確保する必要がある。さらに、冷却水については、燃料流路１０５の上流がより高温となるため、燃料流路１０５の上流から下流に向かって流すことが好ましい。

以上をふまえて本発明者が検討した結果、上述の辺の比とすることにより、発電効率の高い燃料電池が実現できることが明らかになった。なお、冷却水流路においては、断面積が小さい方が気泡の排出効率が高く、大きいほど流れる水の受ける抵抗が小さいため、これらのかねあいから燃料流路１０５の構成を設計することができる。

さらに、燃料供給用第２マニホールド１１５と燃料流路１０５との間には、ノズル１４１が設けられている。ノズル１４１を設けることにより、燃料流路１０５の入り口領域に抵抗が発生する。図１０は、ノズル１４１の構成を示す図である。図１０（ａ）は平面図、図１０（ｂ）は正面図を示している。ノズル１４１は、薄板状の基部３０１と、基部３０１の一端には、所定の間隔で突出片３０３がほぼ櫛歯状に並設されている。そして基部３０１の他端には各突出片３０３を貫通するノズル孔３０５が設けられている。

ノズル１４１は燃料供給用第２マニホールド１１５に連通する大きさに設定される。また燃料供給用第２マニホールド１１５に設置した際のノズル１４１上面が、基板１０３表面と略等しくなるように厚さが設定される。ノズル孔３０５が燃料流路１０５の各流路内にそれぞれ挿入され、その際にノズル孔３０５を通じて燃料供給用第２マニホールド１１５と燃料流路１０５とが連通するようにする。このとき、ノズル孔３０５の直径は、入口側すなわち燃料供給用第２マニホールド１１５側をたとえば０．２５ｍｍとすることができる。こうすると、燃料流路１０５の上流に圧力損失を発生させて、凝縮水を除去することができる。

このとき、各流路における圧力損失が均一になるように、形状が選定され設定されているので、１本当りの流路を流れる燃料ガス量が均一化される。また、燃料流路１０５における水分コントロールが良好に行われ、固体高分子電解質膜のドライアップや凝縮生成された水滴による流路の閉塞などが防止される。このため、電極における電気化学反応が安定し均一化され、全域において良好な電気化学反応が行われ、燃料電池の出力が向上する。

ノズル１４１の材料としては、たとえば樹脂を用いることとができる。このとき、成形時の流動性が良好で仕上がり寸法精度が高く、やや可撓性があり、熱伝導性に優れる材料を用いることが好ましく、たと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、液晶ポリマー等を用いて一体成形することができる。

次に、図２は、基板１０３に金クラッド板１４３およびＳＵＳ板１４５を配設した燃料極側セパレータ１０１を示す図である。図２（ａ）および図２（ｂ）は、それぞれ図１（ａ）および図１（ｂ）の面にそれぞれ対応している。図２（ａ）に示されるように、燃料供給用第２マニホールド１１５および燃料導入流路１２５には金クラッド板１４３が設けられる。また、燃料排出用第２マニホールド１１７および燃料排出流路１２７にはＳＵＳ板１４５が設けられる。

このように、燃料極側セパレータ１０１においては、燃料の供給側、すなわち燃料流路１０５より上流側には金クラッド板１４３を用い、燃料流路１０５より下流側にはＳＵＳ板１４５を用いている。金クラッド板１４３およびＳＵＳ板１４５を設けることにより、後述するスタックを形成する際に、固体高分子電解質膜をシールする表面を平滑面とすることができる。すなわち、スタックを形成する際には、セルを構成する固体高分子電解質膜の端辺をシールし、セパレータと接合する。

固体高分子電解質膜を第２のマニホールド上に直接シールした場合、段差を有する基板１０３表面と接合することになるが、金クラッド板１４３またはＳＵＳ板１４５を設け、この表面に接合することにより、シールの確実性、信頼性が向上する。そして、高価な金クラッド板１４３を燃料流路１０５の上流側に用いることにより、固体高分子電解質膜内に金属イオンが混入することが抑制される。また、下流側では安価なＳＵＳ板１４５を用いてコストを削減することができる。このため、出力特性に優れた燃料電池を低コストで製造することが可能となる。

また、燃料流路１０５と燃料供給用燃料供給用第１マニホールド１０７とを連通させる燃料導入流路１２５および燃料供給用第２マニホールド１１５、または燃料流路１０５と燃料排出用第１マニホールド１０９とを連通させる燃料排出用第２マニホールド１１７および燃料排出流路１２７については、基板１０３に段差を設け、燃料流路１０５よりも深くすることが好ましい。

この様子を、燃料排出側を例に、図９を用いて説明する。図９は、図１の燃料電池用セパレータの構成を説明するための図である。図９においては、燃料流路１０５から燃料排出用第２マニホールド１１７に向かう方向の基板１０３の断面が示されている。図９に示されるように、燃料排出用第２マニホールド１１７には金クラッド板１４３が設置されるため、金クラッド板１４３の底部の位置から燃料排出用第２マニホールド１１７の底部までの深さが燃料流路１０５の深さａに等しくなるよう、流路が段差を有する構成とする。こうすることにより、燃料排出用第２マニホールド１１７における燃料流路の深さを燃料流路１０５の深さと同程度とすることができる。こうすることにより、燃料ガスの供給量を増加させることが可能となる。なお、燃料の供給側についても同様に設計することができる。

また、図１（ａ）および図２（ａ）において、燃料供給用第１マニホールド１０７と燃料供給用第２マニホールド１１５とを連通させる燃料導入流路１２５は、燃料流路１０５の形成方向に対して垂直ではなく、斜めに連結されている。このような構成とすることにより、燃料供給用第１マニホールド１０７から加湿された燃料ガスが供給された場合に、燃料導入流路１２５における凝縮水の滞留が抑制される。また燃料排出流路１２７においては、逆に燃料流路１０５から燃料排出流路１２７へと導入された燃料ガスに含まれる凝縮水をより速やかに効率よく燃料排出用第１マニホールド１０９へと導き、電池外部へと排出させることができる構成となっている。

次に、図１（ｂ）および図２（ｂ）に示されるように、冷却水流路１０６の周囲は、基板１０３表面にはシール材１３３が貼り付けられている。またシール材１３３は、二本線状のビード１３５を有する。ビード１３５を形成することにより、隣接する基板１０３間の密着性が良好なものとなる。このため、本実施の形態に係るセパレータは積層してスタックを形成した際に、他のセパレータとの密着性が良好であり、ガスや水の漏出を好適に抑制することができる。シール材としては、たとえばＥＰＤＭ（エチレン・プロピレン・ジエン・ゴム）やシリコンゴムを用いることができる。

なお、ビード１３５の方向が変化する角部においては、角を除去するＲ加工がされているが、突出部直交部１３９においては第２の実施の形態で後述するビード１６５と形状を合わせてシールを補強することを目的とするため、Ｒ加工がされずにビード１３５同士が直交する形態となっている。このような構成とすることにより、冷却水流路１０６外周のビード１３５が補強され、セパレータ同士の密着性をより確実なものとすることができる。

また、基板１０３上部には、上面シール部１３７が設けられている。上面シール部１３７を設けることにより、本実施の形態に係るセパレータは、突出部１６３が上部となるように直立させ、積層した際に、燃料極側セパレータ１０１間の空隙から空気や凝縮水が電池外部へと漏洩することが抑制されている。

次に、基板１０３の製造方法について説明する。図１１は、燃料電池用セパレータの製造方法を説明するための図である。

基板１０３は、カーボン粉末と熱硬化性樹脂粉末との混合物から成形することができる。このとき、樹脂粉末が結着剤となるため、成形が容易であり、安価なプレートが得られる。カーボン粉末と熱硬化性樹脂粉末との配合比は、たとえば重量比で６：４〜１９：１程度とすることができる。

図１１（ａ）は基板１０３の製造工程を、（ｂ）はその製造の様子を説明する説明図である。図１１における「セパレータ」が基板１０３に対応している。図１１（ａ）に示されるように、まず、黒鉛粉末と熱硬化性樹脂とを均一に混合し調整して所定のコンパウンドを作成する（Ｓ１００）。ついで、このコンパウンドに２〜１０ＭＰａの範囲の面圧を加えて、予め最終成形形状に近似する形状に冷間成形する（Ｓ１０１）。続いて、その予備成形体を図１１（ｂ）に示すように、所定の最終形状を持つ金型２６１内に充填する（Ｓ１０２）。この状態で、金型２６１を１５０〜１７０℃に加熱昇温するとともに、プレス（不図示）を動作させる。このとき、図１１（ｂ）に示されるように、矢印ｆ方向から１０〜１００ＭＰａ、好ましくは、２０〜５０ＭＰａの範囲の面圧を加えることにより（Ｓ１０３）、金型２６１の形状に応じた最終形状のセパレータ２６３が製造される（Ｓ１０４）。

このようにして製造されるセパレータ２６３においては、コンパウンドを最終形状に近似する形状に予備成形した上、その予備成形体を金型２６１に充填し１５０〜１７０℃に加熱昇温しながら、１０〜１００ＭＰａ（好ましくは、２０〜５０ＭＰａ）の高い成形面圧を加えることで、熱硬化性樹脂が溶解するとともに熱硬化反応が起こり、成形体密度が大きい所定形状のセパレータ２６３を均質に成形することができる。
（第２の実施の形態）
本実施の形態は、一方の面に空気流路が設けられた燃料電池用セパレータに関する。図３は、本実施形態に係る燃料電池用セパレータの基板１４９の構成を示す図である。基板１４９は、第１の実施の形態に記載の基板１０３と同一の形状である。そこで、以下の説明は、基板１０３と異なる構成の部分を中心に行う。基板１４９の一方の面には図３（ｂ）に示されるように空気の流路が設けられ、他方の面は図３（ａ）に示されるように平滑面となっている。

基板１４９についても第１の実施の形態と同様に、燃料供給用第１マニホールド１０７、燃料排出用第１マニホールド１０９、冷却水供給用第１マニホールド１１１、冷却水排出用第１マニホールド１１３が形成されており、燃料または冷却水の通過経路が確保されている。

図３（ｂ）に示されるように、空気の流路が形成された面においては、空気供給用第１マニホールド１６７に供給された空気は空気導入流路１５９から空気供給用第２マニホールド１５５を経由して空気流路１５３に至る。そして、空気流路１５３を通過した空気は、空気排出用第２マニホールド１５７から空気排出用第１マニホールド１６９に至り、基板１４９外部に排出される。空気流路１５３は、基板１４９のほぼ中央に矩形の領域として形成されている。

また、図４は、基板１４９に金クラッド板１４３およびＳＵＳ板１４５を配設した空気極側セパレータ１４７を示す図である。図４（ａ）および図４（ｂ）は、それぞれ図３（ａ）および図３（ｂ）の面にそれぞれ対応している。なお、図４（ｂ）においては、シール材１５１は図示していない。空気極側セパレータ１４７においても、燃料極側セパレータ１０１と同様に、空気流路１５３の上流には金クラッド板１４３を用い、下流にはＳＵＳ板１４５を用いているため、空気流路１５３への不純物の混入が抑制されるとともに、コストを低下させることができる。

また、空気供給用第２マニホールド１５５と空気流路１５３との間には、ノズル１４１が設けられており、空気流路１５３内の凝縮水を排出するための圧力が確保されるため、空気流路１５３内に均一に空気が供給される。また、第１の実施の形態と同様に、空気供給用第２マニホールド１５５とノズル１４１または空気導入流路１５９における流路の深さが等しくなるように段差を形成することにより、空気の供給をさらに効率よく行うことができる。なお、空気極側セパレータ１４７においても、基板１４９の空気流路１５３形成領域周辺にシール材１５１が被覆されているため、ビード１６５により空気極側セパレータ１４７を積層した際の密着性が確保されている。

さらに、空気極側セパレータ１４７には電圧測定端子挿入部１６１が形成されている。このため、電圧測定端子挿入部１６１に電圧測定端子を挿入することによって、所定のセル間の出力をチェックすることが可能となる。なお、本実施の形態の空気極側セパレータ１４７は、第１の実施の形態と同様にして作製することができる。
（第３の実施の形態）
本実施の形態は、第１および第２の実施の形態に記載の燃料電池用セパレータを用いた燃料電池に関する。図７は、本実施の形態に係る燃料電池の構成を示す斜視図である。また図６は、図７に示される燃料電池のセル積層体２１５の構成を説明するための図である。

図７に示されるように、燃料電池２２５には、セル積層体２１５を中心に、外側に向かって順次それぞれ一対の集電板２０７、インシュレータ２０１、エンドプレート２１３が設けられ、最も外側にはタイプレート２１７が配置される。ここで、集電板２０７を設けることにより、セル積層体２１５で発電した電気を外部に取り出すことができる。また、エンドプレート２１３を設けることにより、セル積層体２１５を構成する各プレートの面内に均一な圧縮加重を加えることができる。

セル積層体２１５をはさむタイプレート２１７は、片側に２枚ずつ配置されている。タイプレート２１７には、両端にネジ部２２３が設けられたタイロッド２２１が貫通し、ナット２１９によって締め付けられる。こうすることにより、セル積層体２１５、集電板２０７、インシュレータ２０１、およびエンドプレート２１３が圧縮加重を印加された状態で一体化される。なお、インシュレータ２０１は絶縁性および燃料電池の運転温度に対する耐熱性を有する物質から選択することができ、たとえばＰＰＳ（ポリフェニレンスルファイド）などを用いることができる。

なお、セル積層体２１５の上下には、二つの外部マニホールド、すなわち空気供給用第１マニホールド１６７および空気排出用第１マニホールド１６９が設けられ、空気の供給および排出が行われる。また、燃料電池２２５の周囲には断熱材（不図示）が設けられる。空気供給用第１マニホールド１６７は、セル積層体２１５の上面に流動性を有するシーラントを塗布することにより接合される。シーラントの材料は、燃料電池の運転温度に対する耐熱性を充分有する物質であれば特に制限はないが、たとえばシリコン系のシーラントを用いることができる。

次に、図６を用いてセル積層体２１５の構成について説明する。図６（ａ）は、図７のセル積層体２１５の構成を示す斜視図である。また図６（ｂ）は、図６（ａ）に示される各プレートの裏面を示す図である。図６では、積層例として２セル構造の場合を示している。セル５０の燃料極側に燃料極側セパレータ１０１、空気極側に空気極側セパレータ１４７を配設し、これを１セットとし、所定の数だけ積層する。得られたセル積層体２１５の両端にはインシュレータ２０１およびエンドプレート２１３（図６では不図示）が外側に向かってこの順に設けられる。また、インシュレータ２０１に隣接する燃料極側セパレータには、燃料極側セパレータ１０１にかわり、冷却水流路の設けられていない燃料極側セパレータ１７１を用いてもよい。

図５は、インシュレータ２０１およびエンドプレート２１３の構成を示す図である。図５（ａ）に示されるように、インシュレータ２０１においては、基板２０３に燃料供給用第１マニホールド１０７、燃料排出用第１マニホールド１０９、冷却水供給用第１マニホールド１１１、冷却水排出用第１マニホールド１１３、突出部１６３が形成されており、片面にシール材（不図示）が設けられ、ビード２０５が形成されている。また、基板２０３の長手方向の辺から突出する集電板２０７が設けられており、電力を取り出すことができるようになっている。

また、図５（ｂ）に示すように、エンドプレート２０９についても同様に、基板２１１上に燃料供給用第１マニホールド１０７、燃料排出用第１マニホールド１０９、冷却水供給用第１マニホールド１１１、冷却水排出用第１マニホールド１１３、突出部１６３、ビード２０５が形成されている。

次に、セル５０の構成について説明する。図８は、セパレータに挟持されたセル５０の断面構造を模式的に示す図である。セル５０の両側には燃料極側セパレータ１０１および空気極側セパレータ１４７が設けられる。セル５０は、固体高分子電解質膜２０、燃料極２２および空気極２４とを有する。燃料極２２は、積層した触媒層２６およびガス拡散層２８を有し、同様に空気極２４も、積層した触媒層３０およびガス拡散層３２を有する。燃料極２２の触媒層２６と空気極２４の触媒層３０は、固体高分子電解質膜２０を挟んで対向するように設けられる。

燃料極側セパレータ１０１にはガス流路３８が設けられており、このガス流路３８を通じてセル５０に燃料ガスが供給される。同様に、空気極側セパレータ１４７にもガス流路４０が設けられ、このガス流路４０を通じてセル５０に酸化剤ガスが供給される。具体的には、燃料電池２２５の運転時、ガス流路３８から燃料極２２に燃料ガス、例えば水素ガスが供給され、ガス流路４０から空気極２４に酸化剤ガス、例えば空気が供給される。

固体高分子電解質膜２０は、燃料極２２および空気極２４の間でプロトンを移動させるイオン交換膜として機能するため、湿潤状態において良好なイオン伝導性を示すことが好ましい。固体高分子電解質膜２０は、含フッ素重合体や非フッ素重合体等の固体高分子材料によって形成され、例えば、スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体、ポリサルホン樹脂、ホスホン酸基又はカルボン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体等を用いることができる。スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体の例として、ナフィオン（デュポン社製：登録商標）１１２などがあげられる。また、非フッ素重合体の例として、スルホン化された、芳香族ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルホンなどがあげられる。

燃料極２２における触媒層２６および空気極２４における触媒層３０は、多孔膜であり、イオン交換樹脂と、触媒を担持した炭素粒子とから構成されるのが好ましい。担持される触媒には、例えば白金、ルテニウム、ロジウムなどの１種または２種以上を混合したものを用いる。また触媒を担持する炭素粒子には、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブなどがある。イオン交換樹脂は、触媒を担持した炭素粒子と固体高分子電解質膜２０を接続し、両者間においてプロトンを伝導する役割を持つ。イオン交換樹脂は、固体高分子電解質膜２０と同様の高分子材料から形成されてよい。

燃料極２２におけるガス拡散層２８および空気極２４におけるガス拡散層３２は、供給される水素ガス又は空気を触媒層２６および触媒層３０に供給する機能をもつ。また発電反応により生じる電荷を外部回路に移動させる機能や、水や未反応ガスなどを外部に放出する機能ももつ。ガス拡散層２８およびガス拡散層３２は、電子伝導性を有する多孔体で構成されることが好ましく、例えばカーボンペーパーやカーボンクロスなどで構成される。

本実施の形態の燃料電池２２５は以上の構成となっており、小型軽量化がはかられている。燃料は、供給側と排出側が流路に対し同じ側に形成されており、流路をまたぐことがないため、燃料電池２２５を、燃料供給用第１マニホールド１０７および燃料排出用第１マニホールド１０９を下方とし、冷却水供給用第１マニホールド１１１および冷却水排出用第１マニホールド１１３を上方として横に倒して置いた場合にも、燃料の通過経路内に凝縮水が堆積することが抑制され、燃料が効率よく循環する。これは、燃料極側セパレータ１０１が、凝縮水の排出効率の高い設計となっているためである。このように、燃料電池２２５は設置方向の自由度が高い構成となっている。

一方、空気の供給量は燃料ガスに比べて多く、大きなマニホールドおよび供給口が必要とされる。そこで本実施の形態では、空気の供給を矩形の第２マニホールドの長辺から行うことにより、空気の供給量が確保される。また、この場合、燃料電池２２５全体におけるレイアウトを考えると、空気の供給を第２マニホールドの長辺側から行うためには、色々な方向からのガスの供給が可能な外部マニホールドを用いることが好ましい。また、また本実施の形態で用いられる各セパレータには上面シール部１３７が形成されているため、外部マニホールドを用いた際に、空気のセパレータ間の隙間からの漏出を抑制することができる。

また空気は、突出部１６３から供給されるため、加湿空気を用いた際にも凝縮水は突出部１６３の側方に流れ、流路への混入を抑制することができる。さらに、各セパレータにおいて、燃料、空気はノズル１４１を通じて供給されるため、流路内の凝縮水は速やかに効率よく流路外へと排出される。これらのことから、燃料電池２２５は高い出力を安定して発揮させることができる。また、凝縮水等の燃料電池２２５外への漏出も抑制され、安全性が高い。

本実施の形態の燃料電池において、セル５０の積層数に特に制限はないが、たとえば１００セルの積層体とすることができる。

以上、本発明を実施の形態に基づき説明した。これらの実施形態は例示であり、それらの各構成要素や各製造工程の組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

たとえば、上述の実施の形態においては、一のセル５０あたり、一の冷却水流路１０６が設けられた構成としたが、燃料電池をさらに薄型化する必要がある場合、冷却効率の確保できる範囲内で、たとえば二のセル５０あたり一の冷却水流路１０６を設ける等、積層形式の変更が可能である。また、燃料極側セパレータ１０１または空気極側セパレータ１４７において、シール材１３３またはシール材１５１を流路の周囲に設ける面は、前述の面とは異なる面、すなわち燃料流路１０５の形成された面や、平滑面とすることもできる。

また、冷却水流路１０６は、燃料流路１０５の裏面に形成したが、空気流路１５３の裏面に形成してもよい。さらに、電圧測定端子挿入部１６１は空気極側セパレータ１４７に形成したが、燃料極側セパレータ１０１に形成してもよい。

実施の形態に係る燃料電池用セパレータの基板の構成を示す図である。実施の形態に係る燃料極側セパレータの構成を示す図である。実施の形態に係る燃料電池用セパレータの基板の構成を示す図である。実施の形態に係る燃料電池用セパレータの構成を示す図である。実施の形態に係るインシュレータおよびエンドプレートの構成を示す図である。図７のセル積層体の構成を示す斜視図である。実施の形態に係る燃料電池の構成を示す斜視図である。セパレータに挟持されたセルの構成を示す図である。図１の燃料電池用セパレータの構成を説明するための図である。図１の燃料電池用セパレータに用いるノズルの構成を示す図である。実施の形態に係る燃料電池用セパレータの製造方法を説明するための図である。

符号の説明

１０１燃料極側セパレータ、１０３基板、１０５燃料流路、１０６冷却水流路、１０７燃料供給用第１マニホールド、１０９燃料排出用第１マニホールド、１１１冷却水供給用第１マニホールド、１１３冷却水排出用第１マニホールド、１１５燃料供給用第２マニホールド、１１７燃料排出用第２マニホールド、１１９冷却水供給用第２マニホールド、１２１冷却水排出用第２マニホールド、１２３突起、１２５燃料導入流路、１２７燃料排出流路、１２９冷却水導入流路、１３１冷却水排出流路、１３３シール材、１３５ビード、１３７上面シール部、１３９突出部直交部、１４１ノズル、１４３金クラッド板、１４５ＳＵＳ板、１４７空気極側セパレータ、１４９基板、１５１シール材、１５３空気流路、１５５空気供給用第２マニホールド、１５７空気排出用第２マニホールド、１５９空気導入流路、１６１電圧測定端子挿入部、１６３突出部、１６５ビード、１６７空気供給用第１マニホールド、１６９空気排出用第１マニホールド、１７１燃料極側セパレータ、２０１インシュレータ、２０３基板、２０５ビード、２０７集電板、２１１基板、２１３エンドプレート、２１５セル積層体、２１７タイプレート、２１９ナット、２２１タイロッド、２２３ネジ部、２２５燃料電池、２６１金型、２６３セパレータ３０１基部、３０３突出片、３０５ノズル孔。

Claims

燃料電池スタックを構成するセル間の隔壁をなす燃料電池用セパレータであって、矩形の領域に複数の流路が略平行に延在形成され第１反応流体が流通する第１反応流体流路が設けられた第１主面と、矩形の領域に複数の流路が略平行に延在形成され水が流通する水流路が設けられた第２主面と、を備える第１燃料電池用セパレータと、
燃料電池スタックを構成するセル間の隔壁をなす燃料電池用セパレータであって、矩形の領域に複数の流路が略平行に延在形成され第２反応流体が流通する第２反応流体流路が設けられた第１主面と、流路が設けられていない第２主面と、を備える第２燃料電池用セパレータと、を備える燃料電池用セパレータセットにおいて、
前記第１燃料電池用セパレータは、前記燃料電池スタックの積層方向に反応流体を供給する反応流体供給用第１マニホールドを形成する反応流体供給用第１開口部と、前記燃料電池スタックの積層方向に水を供給する水供給用第１マニホールドを形成する水供給用第１開口部と、前記燃料電池スタックの積層方向に未反応の反応流体を排出する反応流体排出用第１マニホールドを形成する反応流体排出用第１開口部と、前記燃料電池スタックの積層方向に水を排出する水排出用第１マニホールドを形成する水排出用第１開口部と、前記燃料電池用セパレータの第１主面に設けられ前記反応流体供給用第１マニホールドと前記反応流体排出用第１マニホールドとに連通し矩形の領域に複数の流路が略平行に延在形成された反応流体流路と、前記燃料電池用セパレータの第２主面に設けられ前記水供給用第１マニホールドと前記水排出用第１マニホールドとに連通し矩形の領域に複数の流路が略平行に延在形成された水流路と、を備え、
前記反応流体流路と前記水流路とは、並行して設けられると共に、一流路の断面積または流路の数が異なるように形成され、
前記第１燃料電池用セパレータにおける反応流体流路または水流路が形成された矩形の辺の比は流路の幅方向対長さ方向が１対１．５〜１対６であることを特徴とする燃料電池用セパレータセット。
請求項１記載の燃料電池用セパレータセットにおいて、前記第１燃料電池用セパレータにおける反応流体流路または水流路が形成された矩形の辺の比は流路の幅方向対長さ方向が１対２〜１対４であることを特徴とする燃料電池用セパレータセット。
請求項２記載の燃料電池用セパレータセットにおいて、
前記第１反応流体流路と前記第２反応流体流路とは、前記燃料電池スタックを構成するときに並行するように設けられることを特徴とする燃料電池用セパレータセット。
請求項３記載の燃料電池用セパレータセットにおいて、
燃料電池スタックを構成するセル間の隔壁をなす燃料電池用セパレータであって、矩形の領域に複数の流路が略平行に延在形成され第１反応流体が流通する第１反応流体流路が設けられた第１主面と、流路が設けられていない第２主面と、を備える第３燃料電池用セパレータをさらに備える燃料電池用セパレータセット。