JP5056637B2

JP5056637B2 - 燃料電池のセパレータ

Info

Publication number: JP5056637B2
Application number: JP2008184442A
Authority: JP
Inventors: 勝蔵粉川; 一仁羽藤; 弘樹日下部; 伸介竹口
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2008-07-16
Filing date: 2008-07-16
Publication date: 2012-10-24
Anticipated expiration: 2022-07-17
Also published as: JP2008282821A

Description

本発明は、固体高分子電解質型燃料電池のセパレータに関する。

従来、この種の燃料電池は、イオン導電性が付与された固体高分子電解質膜の両面に触媒を担持したガス拡散電極を両面に重ね合わせて発電セルを構成している。そして、この発電セルは複数個を接続して所定の電圧を得る。このため、発電セル間にセパレータを介在させ発電セルを積層してスタック化する。そして、セパレータの両側にそれぞれ燃料ガス及び酸化ガスを供給してそれぞれのガス拡散電極に燃料ガス及び酸化ガスを供給すると、固体高分子膜でのイオン導電と各ガス拡散電極の電気化学反応が進行して一対のガス拡散電極間に電圧が発生し、集電電極の機能を持つ両端側の一対のセパレータを介して外部回路に給電する。この様な発電においては、供給ガスを出来るだけ均等にガス拡散電極の電極面に供給することがガス利用率を高め、発電効率と出力性能を良くする。

しかし、ガス拡散電極の全面に供給ガスが供給されるようにすると、セパレータとガス拡散電極との接触面積が無くなり、発生した電流の効率的な集電やガス拡散電極で発生する熱の除去が難しくなる。このため、セパレータとガス拡散電極の境界部分に、供給ガスの通流方向を規制する流路溝が設けられ、セパレータとガス拡散電極とをある割合に接触面積を保っている。セパレータ側に形成したこの流路溝部は、蛇行したサーペンタイン構成、あるいは複数本構成が特許文献１と特許文献２等に記載されている。

そして、固体高分子電解質型燃料電池は、固体高分子電解質のイオン導電性を十分に発揮させて発電効率を高く維持するためには、供給するガスを加湿して供給ガス中の水蒸気濃度を高める必要があり、さらに、水素と酸素から水を生成する電気化学反応のエネルギーを電気量に変換するものであるため、カソード側において水が生成する。

このため、供給ガスの流路溝には、反応上生成される水が下流側、特に出口側に多量に含有し、気液二相状態となってガス流路溝を塞いでしまい（この現象をフラッディングという）終には、ガス流れが停止して発電を停止する。このフラッディングを防止する技術の従来例としては、特許文献３に記載されたものが知られている。

図６は従来の固体高分子電解質型燃料電池の酸化ガスセパレータを示す。セパレータ１の溝部材２は、ガス拡散電極に対応した方形状でガス不透過性と導電性をして構成される。入口マニホールド３から酸化ガスが流入され、流路溝材２の溝を経た酸化ガスを出口マニホールド４より導出する。燃料ガスのセパレータ１も酸化ガスの入口マニホールド３および出口マニホールド４と互違いの位置に形成された入口マニホールド５及び出力マニホールド６より燃料ガスの流入と導出が行われる。流路溝材２の溝は、入口マニホールド３に直接に連通した入口側流路溝７Ａと、上記出口マニホールド４に直接に連通した出口側流路溝８Ｂと、上記入口側流路溝７Ａ及び出口側流路溝８Ｂとを連通した中間流路溝９とから構成されている。入口側流路溝７Ａと出口側流路溝８Ｂとは格子状に形成され、中間流路溝９は、複数回折返した曲折形態に形成され、複数本の直線状に延びる独立流路群９Ａ〜９Ｅと、折返し部に形成された格子状溝１０Ａ〜１０Ｄとから構成されている。すなわち、入口側流路溝７Ａと出口側流路溝８Ｂは、縦横に整列して形成された孤立突起ａ以外の領域がガス流路溝であり、独立流路群９Ａ〜９Ｅは長延突起ｂ以外の領域がガス流路溝である。また、折返し部の格子状溝１０Ａ〜１０Ｄは、孤立突起ｃ以外の領域がガス流路溝である。

反応生成水によるフラッディングにより供給ガスの停滞を防止するため、過去より種々のガス流路溝が工夫され、ガス流路が格子状となるタイプと、入口から出口まで１本の流路とするタイプがあるが、格子状タイプは、フラッディングに達するような水溜まりは生じないが、全体に均一となるガス拡散性能、一部が閉塞するなど排水性能に劣る。また、１本流路タイプは、拡散性が良いが、流れ抵抗が増えてガス供給装置側の元圧を高くする必要を生じ補機動力が増加してシステム効率が低下する。

そして、特許文献３に記載されたものは、供給ガスの入口側流路溝部及び出口側流路溝部が縦横に整列して形成された孤立突起ａ以外の領域がガス流路溝であり格子状をなすため、電極へのガスの接触面積が広くなると共に、ガスが自由に移動でき、時間的に速く電極と接触する。従って、入口側流路溝部では供給ガスと電極との接触効率（面積的に広く及び時間的に速く接触）が高く入口側におけるガス拡散性の損失を回避し得る。また、出口側流路溝部では、入口側と同様のガス拡散性の損失を回避し、かつ流路断面積が広くなるため排水性を確保してフラッディングを防止することができると記述してある。
特公昭５０−８７７７号公報特開平７−２６３００３号公報特開平１０−１０６５９４号公報

しかしながらこの従来構成においては、入口側流路溝部ではガス拡散性を高め、この部分の反応を促進して全体の電気変換エネルギー効率を高めたため、入口側流路溝部での反応が集中し固体高分子電解質の膜やガス拡散電極の触媒層の劣化が進み耐久性に課題が残った。また、出口側流路溝部では、流路断面積が広くして排水性を確保してフラッディングを防止してあるが、流路断面積が広いためガスの流れが偏在し一様でなく、流速の遅い部分では生成水が流路溝の一部を閉塞した状態を発生し、この部分にはガスが供給できなく完全にフラッディングを防止できなかった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、入り口から出口に至る反応量を均一化させて耐久信頼性の向上と全体の電気変換エネルギー効率を高め、かつフラッディングを防止して信頼性を高めた燃料電池のセパレータを提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池のセパレータは、固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜を挟持する一対のガス拡散電極と、前記一対のガス拡散電極のおのおのの反固体高分子電解質膜側の面に配置される燃料電池のセパレータであって、前記一対のガス拡散電極に燃料ガスと酸化ガスとをそれぞれ独立に供給するための一対のガスの入口と出口を連ねるガス流路溝を有し、前記燃料ガスの前記ガス流路溝と前記酸化ガスの前記ガス流路溝のうちの少なくとも一方は、前記入口側に位置する入口側流路溝部と、前記出口側に位置する出口側流路溝部と、前記入口側流路溝部と前記出口側流路溝部との間に配された合流部と、前記入口側流路溝部の入口側から前記出口側流路溝部の入口側に前記合流部を介して連通するバイパス流路溝部とを有すると共に、前記入口から供給されたガスの流れが、前記入口側流路溝部、前記合流部、前記出口側流路溝部と流れる流れ、及び、前記バイパス流路溝部、前記合流部、前記出口側流路溝部と流れる流れであるように構成したものである。

これによって、各々の入口側から入った燃料ガスおよび酸化ガスは、途中で水となり順次質量を減じながら出口側にいたる、そのため、入口側における燃料ガスおよび酸化ガスのガス量は、出口側に比較して大変多くなる。

前記入口側から前記出口側に連通するバイパス流路溝部を構成したことにより、入口側流路に入るガス量の一部は入口側流路部を通らずに直接出口側流路に流れる。そのため、流量の多い入口部でのガスの流速を小さく設計できるため拡散電極へのガス拡散を小さくでき、入口側部での過大な反応促進を低減できると共に、供給ガス流量が最も多く流れ抵抗が大きい入口側流路部の流速が小さいため全体の損失抵抗を小さくすることが可能となる。

また、入口側と出口側の流速が近似でき電流密度の均一化と流れの損失抵抗の低減できる流路を構成できるものである。特に、負荷に合わせて、供給するガス流量を変化した場合も、この均一性が維持でき、耐久信頼性の向上と全体の電気変換エネルギー効率を高めることができる。

そして、出口側流路溝部では、ガスの流速を大きく設計できるため、内部で発生した生成水をガスの動圧により外部に排出できる。このため、流路が水により閉塞するフラッディングを防止することが可能となる。

本発明によれば、流量の多い入口側部での過大な反応促進を低減できると共に、全体の損失抵抗を小さくすることが可能となる。また、流量の少ない出口部でのガスの流速を大きく設計できるため反応促進を増大でき、反応量を均一化させて電流密度を一定とし耐久信頼性の向上と全体の電気変換エネルギー効率を高めることができる。そして、負荷に合わせてこの均一性が維持でき、耐久信頼性の向上と全体の電気変換エネルギー効率を高めることができる。また、出口側流路溝部では、ガスの流速を大きく設計できるため、内部で発生した生成水をガスの動圧により外部に排出できる。このため、流路が水により閉塞するフラッディングを防止することが可能となる。

請求項１記載の発明は、固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜を挟持する一対のガス拡散電極と、前記一対のガス拡散電極のおのおのの反固体高分子電解質膜側の面に配置される燃料電池のセパレータであって、前記一対のガス拡散電極に燃料ガスと酸化ガスとをそれぞれ独立に供給するための一対のガスの入口と出口を連ねるガス流路溝を有し、前記燃料ガスの前記ガス流路溝と前記酸化ガスの前記ガス流路溝のうちの少なくとも一方は、前記入口側に位置する入口側流路溝部と、前記出口側に位置する出口側流路溝部と、前記入口側流路溝部と前記出口側流路溝部との間に配された合流部と、前記入口側流路溝部の入口側から前記出口側流路溝部の入口側に前記合流部を介して連通するバイパス流路溝部とを有すると共に、前記入口から供給されたガスの流れが、前記入口側流路溝部、前記合流部、前記出口側流路溝部と流れる流れ、及び、前記バイパス流路溝部、前記合流部、前記出口側流路溝部と流れる流れであるように構成したものである。

これによって、前記入口側から前記出口側に連通するバイパス流路溝部を構成したことにより、入口側流路に入るガス量の一部は入口側流路部を通らずに直接出口側流路に流れる。そのため、流量の多い入口部でのガスの流速を小さく設計できるため拡散電極へのガス拡散を小さくでき、入口側部での過大な反応促進を低減できると共に、供給ガス流量が最も多く流れ抵抗が大きい入口側流路部の流速が小さいため全体の損失抵抗を小さくすることが可能となる。

そして、出口側流路溝部では、ガスの流速を大きく設計できるため、内部で発生した生成水をガスの動圧により外部に排出できる。このため、流路が水により閉塞するフラッディングを防止することが可能となる。そして、供給ガス流量が最も多く流れ抵抗が大きい入口側流路部の流速が小さいため全体の損失抵抗を小さくすることが可能となるため、送風機の動力も小さくて済み、補機の動力が低減できシステム全体の効率が向上できる。

さらに、入口側流路溝部の入口側から出口側流路溝部の入口側にバイパス流路溝部を連通して構成したことにより、流量の最も多い入口側流路溝部の入口側でのガスの流速を小さく設計しガス拡散電極へのガス拡散を小さくしながら、発電のためには必ず流す必要のある出口側流路溝部の入口側から全部のガスを流すことにより設計どおりの電気化学反応が可能となる。このため、電流密度を小さく均一となり耐久信頼性の向上と全体の電気変換エネルギー効率を高めることができる。

請求項２記載の発明は、特に請求項１の燃料電池のセパレータにおける前記合流部の流路断面積を前記パイパス流路構造部の流路断面積よりも大きく構成したものである。

請求項３記載の発明は、特に請求項１〜２の燃料電池のセパレータに関し、供給ガスの出口側流路溝部の流路断面積は、入口側流路溝部とバイパス流路溝部の和の流路断面積より小さく構成してあるため、流量の少ない出口側部でのガスの流速を大きく設計できるためガス拡散電極へのガス拡散を大きくでき、出口側部での反応促進を増大できる。このため、供給ガスの入口から出口に至る反応量を均一化させて各部分の電流密度を一定となり耐久信頼性の向上と全体の電気変換エネルギー効率を高めることができる。

請求項４記載の発明は、特に請求項１〜３の燃料電池のセパレータを入口側流路溝部は少なくとも複数の流路で構成し、前記入口側流路溝部の少なくとも一部を合流後出口側流路溝部に連通したことにより、入口側流路溝部の流路パターンが同じでも、入口側流路溝部は出口側流路溝部に対して単位流路当りのガス拡散電極の面積を大幅に増加できるため、電流密度が小さく均一となり耐久信頼性の向上と全体の電気変換エネルギー効率を高めることができ、流路の設計自由度が向上し、加工も容易で安価となる。

請求項５記載の発明は、特に請求項１〜４の燃料電池のセパレータを少なくとも一部のバイパス流路溝部をガス拡散電極と隔離して構成したことにより、このバイパス流路溝部では、反応を生じることがなく、入口流路部と出口流路部で全ての反応を行う。このため、バイパス流路溝部の冷却や電流密度を考慮する必要がなく、電流密度を小さく均一となり耐久信頼性の向上と全体の電気変換エネルギー効率を高めることができ、流路の設計自由度が向上し、加工も容易で安価となる。

請求項６記載の発明は、特に請求項１〜５の燃料電池のセパレータを入口側流路溝部の流路断面積を出口側流路溝部の流路断面積よりも大きく構成してある。

これによって、供給ガスの流量の多い入口側流路溝部でのガスの流速をより小さく設計できるため拡散電極へのガス拡散をさらに小さくでき、過大な反応促進を低減できると共に、供給ガス流量が最も多く流れ抵抗が大きい入口側流路部の流速が小さいため全体の損失抵抗を小さくすることが可能となる。また、供給ガスの出口側流路溝部の流路断面積入口側流路溝部の流路断面積よりも小さく構成してあるため、流量の少ない出口部でのガスの流速をさらに大きく設計できるため拡散電極へのガス拡散を大きくでき、出口側部での反応促進を増大できる。このため、供給ガスの入口から出口に至る反応量をさらに均一化させて各部分の電流密度が一定となり耐久信頼性の向上と全体の電気変換エネルギー効率を高めることができる。

さらに、出口側流路溝部では、ガスの流速をさらに大きく設計できるため、内部で発生した生成水をガスの動圧により外部に排出できる。このため、流路が水により閉塞するフラッディングを防止することが可能となる。そして、供給ガス流量全体の損失抵抗を小さくすることが可能となるため、送風機の動力も小さくて済み、補機の動力が低減できシステム全体の効率が向上できる。

請求項７記載の発明は、特に請求項６の燃料電池のセパレータを入口側流路溝部の溝幅を出口側流路溝部の溝幅より大きく構成して、前記入口側流路溝部の流路断面積は前記出口側流路溝部の流路断面積よりも大きくしたことにより、流量の多い入口部でのガスの流速を小さく設計し拡散電極へのガス拡散を小さくしながら、かつ、流路幅を拡大して広い拡散電極で反応することが可能となる。このため、電流密度を小さく均一となり耐久信頼性の向上と全体の電気変換エネルギー効率を高めることができる。また、セパレータはカーボン、または金属の薄板をプレス、射出成型等によりセパレータの一部の流路溝幅を大きく加工することは容易である。

請求項８記載の発明は、特に請求項６の燃料電池のセパレータを入口側流路溝部の溝深さを出口側流路溝部の溝深さより大きく構成して、前記入口側流路溝部の流路断面積は前記出口側流路溝部の流路断面積よりも大きくし、流路を大幅に大きくすることが可能であり、流量の多い入口部でのガスの流速を小さく設計し拡散電極へのガス拡散を小さくしながら、かつ、流路に対抗して主に反応する拡散電極面積を供給ガスの入口から出口に至るまで均一な面積とでき、各部分の電流密度を一定とし耐久信頼性の向上と全体の電気変換エネルギー効率を高めることができる。また、セパレータはカーボン、または金属の薄板をプレス、射出成型等によりセパレータの一部の流路溝深さを大きく加工することは容易である。

請求項９記載の発明は、特に請求項６〜８の燃料電池のセパレータを入口側流路溝部または出口側流路溝部の少なくとも一方の流路断面積を順次小さく構成したことにより、反応により減少するガス流量に応じて流路断面積を順次小さくして、流量の多い入口部から流量の最も少ない出口部まで、ガスの流速を一定に設計できる。このため、供給ガスの入口から出口に至る反応量を均一化させて各部分の電流密度を一定とし耐久信頼性の向上と全体の電気変換エネルギー効率を高めることができる。

また、流路内を流れるガスは２Ｈ_２＋Ｏ_２→２Ｈ_２Ｏの反応によりガス流量は、順次減少する。流路断面積を順次小さく構成したことにより、供給ガス流量が最も多く流れ抵抗が大きい入口側流路部の流速が小さいため全体の損失抵抗を小さくすることが可能となる。そして、出口側流路溝部では、ガスの流速を大きく設計できるため、内部で発生した生成水をガスの動圧により外部に排出できるため、流路が水により閉塞するフラッディングを防止することができ、供給ガス流量が最も多く流れ抵抗が大きい入口側流路部の流速が小さいため全体の損失抵抗を小さくすることが可能となるため、送風機の動力も小さくて済み、補機の動力が低減できシステム全体の効率が向上できる。

以下、本発明の燃料電池のセパレータの実施の形態について図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における燃料電池のセパレータの全体構成図、図２は燃料電池全体の断面図を示す。図２において、固体高分子型の燃料電池は、イオン伝導性が付与された固体高分子電解質の膜１１の両面に触媒を担持したガス拡散電極１２を両面に重ね合わせて発電セルを構成している。そして、この発電セルは複数個を接続して所定の電圧を得る。このため、発電セル間にセパレータ１を介在させ発電セルを積層してスタック化する。そして、セパレータの両側にそれぞれ燃料ガス及び酸化ガスを供給してそれぞれのガス拡散電極１２に燃料ガス及び酸化ガスを供給すると、固体高分子膜１１でのイオン導電と各ガス拡散電極の電気化学反応が進行して一対のガス拡散電極１２間に電圧が発生し、集電電極の機能を持つ両端側の一対のセパレータ１を介して外部回路（図示せず）に給電する。この様な発電においては、供給ガスを出来るだけ均等にガス拡散電極１２の電極面に供給することがガス利用率を高め、発電効率と出力性能を良くする。

図１に示すセパレータ１は、セパレータ１の流路溝２は、ガス拡散電極１２に対応した形状としガス不透過性と導電性有するカーボン、表面処理をした金属を用いて構成する。入口マニホールド３から燃料または酸化ガスが流入され、流路溝２の溝を経た前記ガスを出口マニホールド４より流出する。他方酸化ガスまたは燃料ガスのセパレータ１はこのセパレータ１の背面側に同様の流れる構成を設け入口マニホールド５及び出力マニホールド６よりガスの流入と導出が行われる。これにより、固体高分子電解質の膜１１を挟持する一対のガス拡散電極１２のおのおのの面に燃料ガスと酸化ガスをそれぞれの入口側から出口側に導く流路溝２を形成したセパレータ１を構成している。

そして、流路溝材２の溝は、入口側の入口マニホールド３に直接に連通した入口側流路溝部１３と出口マニホールド４に直接に連通した出口側流路溝部１４と、入口側流路溝部１３から出口側流路溝部１４に連通するバイパス流路溝部１５を構成してある。入口側流路溝部１３は、複数の溝で構成し入口マニホールド３に直接に連通し蛇行しなからバイパス流路溝部１５との合流部１６に至る。出口側流路溝部１４も、複数の溝で構成し合流部１６に連通し蛇行しなから出口マニホールド４に至る。バイパス流路溝部１５は、複数の溝で構成し入口マニホールド３に直接に連通し出口側流路溝部１４との合流部１６に至る。

以上のように構成された燃料電池のセパレータについて、以下その動作、作用を説明する。

まず、入口マニホールド３から入口側流路溝部１３に入った燃料ガスおよび酸化ガスは、途中の入口側流路溝部１３と出口側流路溝部１４を流れる時、ガス拡散電極に拡散して電気化学反応を行い、燃料ガスは消費され、酸化ガスは水となり順次質量を減じながら出口側流路溝部１４に至り排出される。そのため、入口側における燃料ガスおよび酸化ガスのガス量は、出口側に比較して大変多くなる。

入口マニホールド３から入るガス量の一部は入口側流路部１３を流れ、残りのガスは入口側流路部１３を通らずにバイパス流路溝部１５を通って合流部１６に流れ、この合流部１６で入口側流路部１３を流れたガスとバイパス流路溝部１５を流れたガスが合流し、出口側流路溝部１４から出口マニホールド４に至り排出する。このため、流量の多い入口部の入口側流路部１３でのガスの流速を小さく設計できる。ガスのガス拡散電極１２へのガス拡散はガスの流速が早くなると増加する。このため、ガス拡散電極１２へのガス拡散を小さくでき、入口側の入口側流路部１３での過大な反応促進を低減できると共に、供給ガス流量が最も多く流れ抵抗が大きい入口側流路溝部１３の流速が小さいため全体の損失抵抗を小さくすることが可能となる。また、供給ガスの出口側流路溝部１４の流路断面積は、入口側流路溝部１３とバイパス流路溝部１５の和の流路断面積よりも小さく構成できるため、（最適値は０．５〜０．７）流量の少ない出口部の出口側流路溝部１４でのガスの流速を入口側と同じほど大きく設計できるためガス拡散電極１２へのガス拡散を大きくでき、出口側の出口側流路溝部１４での電気化学反応促進を増大できる。このため、供給ガスの入口から出口に至る電気化学反応量を均一化させて各部分の電流密度を一定となり耐久信頼性の向上と全体の電気変換エネルギー効率を高めることができる。

また、発電する電気量は、実使用実態に合わせて増減コントロールする必要がある。そのため、負荷に応じて燃料ガスおよび酸化ガスのガス量を増減して調整する必要がある。入口側の入口側流路溝部１３と出口側の出口側流路溝部１４の流速が近似でき電流密度の均一化と流れの損失抵抗の低減できる流路を構成できるものであり、特に、負荷に合わせて供給するガス流量を変化した場合も、この均一性は維持できるため、耐久信頼性の向上と全体の電気変換エネルギー効率を高めることができる。

そして、出口側流路溝部１４では、ガスの流速を大きく設計できるため、内部で発生した生成水をガスの動圧により外部に排出できる。このため、流路が水により閉塞するフラッディングを防止することが可能となり、良好な運転範囲が拡大し安定性が向上する。

そして、供給ガス流量が最も多く流れ抵抗が大きい入口側流路部の流速が小さいため全体の損失抵抗を小さくすることが可能となるため、送風機の動力も小さくて済み、補機の動力が低減できシステム全体の効率が向上できる。

また、セパレータ１を入口側流路溝部１３の入口側である入口マニホールド３から出口側流路溝部１４の入口側である合流部１６にバイパス流路溝部１５をそれぞれ連通して構成したことにより、流量の最も多い入口側流路溝部１３の入口側でのガスの流速を最も小さく設計しガス拡散電極１２へのガス拡散を小さくしながら、発電のためには必ず流す必要のある出口側流路溝部１４の入口側から全部のガスが流すことができ設計どおりの電気化学反応が可能となる。このため、電流密度を小さく均一となり耐久信頼性の向上と全体の電気変換エネルギー効率を高めることができる。

（参考例）
図３は、本発明の参考例における燃料電池のセパレータの全体構成を示す。実施の形態１と異なるところは、セパレータ１を入口側流路溝部１３は６流路１３ａ〜ｆの複数で構成し、入口側流路溝部１３の流路１３ａ〜ｆを合流部１６ａ１６ｂ１６ｃでおのおの合流して後、出口側流路溝部１４の流路１４ａ〜ｃに連通してある。このことにより、入口側流路溝部１３の流路パターンが同じでも、入口側流路溝部１３は出口側流路溝部１４に対して単位流路当りのガス拡散電極の面積を大幅に増加できる。このため、電流密度を小さく均一となり耐久信頼性の向上と全体の電気変換エネルギー効率を高めることができ、流路の設計自由度が向上し、加工も容易で安価となる。また、電気変換エネルギー効率が高いことは、セパレータを小さくできコンパクト化が可能となる。

（参考例）
図４は、参考例における燃料電池のセパレータの全体構成を示す。実施の形態２と異なるところは、燃料電池のセパレータ１を入口側流路溝部１３の合流箇所を１６ｄ、１６ｅの２箇所と複数に構成してある。入口側流路溝部１３、出口側流路溝部１４のそれぞれの出口側のガス量は電気化学反応により入口側減少する。そのため、合流箇所１６ｄ、１６ｅを複数として、順次流速を調整したことにより、電流密度と電気化学反応により減少するガス流れの損失抵抗の分布に応じで最適な流路を構成できるものである。合流箇所は数を増やすほど性能は向上する。

（実施の形態３）
図５は、本発明の第３の実施の形態における燃料電池のセパレータの全体構成を示す。実施の形態１と異なるところは、燃料電池のセパレータ１のバイパス流路部１５を流れる燃料ガスまたは酸化ガスを拡散させるガス拡散電極１２と離し隔離して構成してある。具体的には、ガス拡散電極１２は、入口側流路溝部１３、出口側流路溝部１４と、合流箇所１５である流路部２に対向して構成し、バイパス流路部１５はパッキン部材１７で片面を閉塞してある。このため、バイパス流路部１５では、ガス拡散せず電気化学反応を生じることがない。そのため、バイパス流路部１５の冷却や電流密度分布の均一化を考慮する必要がなく、電流密度を小さく均一となり耐久信頼性の向上と全体の電気変換エネルギー効率を高めることができ、流路の設計自由度が向上し、加工も容易で安価となる。

また、セパレータ１のガスが流れる溝形状の断面積を順次小さくしてフラッディングを防止する方法は、特許第３２７２９８０号公報や特開平６−２６７５６４号公報に記載があるが、本発明の構成を加えることにより、電流密度の均一化とフラッディング抑制に対して効果がある。実施の形態１〜３において、セパレータ１を入口側流路溝部１３の流路断面積を出口側流路溝部１４の流路断面積よりも大きく構成することによって、供給ガスの流量の多い入口側流路溝部１３でのガスの流速をより小さく設計できるためガス拡散電極１２へのガス拡散をさらに小さくでき、過大な反応促進を低減できると共に、供給ガス流量が最も多く流れ抵抗が大きい入口側流路部１３の流速が小さいため全体の損失抵抗を小さくすることが可能となる。また、供給ガスの出口側流路溝部１４の流路断面積を入口側流路溝部の流路断面積よりも小さく構成してあるため、流量の少ない出口部でのガスの流速をさらに大きく設計できるためガス拡散電極１２へのガス拡散を大きくでき、出口側部での反応促進を増大できる。このため、供給ガスの入口から出口に至る反応量をさらに均一化させて各部分の電流密度を一定となり耐久信頼性の向上と全体の電気変換エネルギー効率を高めることができる。そして、出口側流路溝部１４では、ガスの流速をさらに大きく設計できるため、内部で発生した生成水をガスの動圧により外部に排出できる。このため、流路が水により閉塞するフラッディングを防止することが可能となる。そして、供給ガス流量全体の損失抵抗を小さくすることが可能となるため、送風機の動力も小さくて済み、補機の動力が低減できシステム全体の効率が向上できる。

さらに、セパレータ１を入口側流路溝部１３は出口側流路溝部１４より溝幅を大きく構成して、入口側流路溝部１３の流路断面積は出口側流路溝部１４の流路断面積よりも大きくしたことにより、流量の多い入口部でのガスの流速を小さく設計しガス拡散電極１２へのガス拡散を小さくしながら、かつ、流路幅を拡大して広い拡散電極で反応することが可能となる。このため、電流密度を小さく均一となり耐久信頼性の向上と全体の電気変換エネルギー効率を高めることができる。また、セパレータ１はカーボン、または金属の薄板をプレス、射出成型等によりセパレータの一部の流路溝幅を大きく加工することは容易である。

また、セパレータ１を入口側流路溝部１３は出口側流路溝部１４の溝深さを大きく構成して、入口側流路溝部１３の流路断面積は出口側流路溝部１４の流路断面積よりも大きくし、流路を大幅に大きくすることが可能であり、流量の多い入口部でのガスの流速を小さく設計しガス拡散電極１２へのガス拡散を小さくしながら、かつ、流路に対抗して主に反応する拡散電極面積を供給ガスの入口から出口に至るまで均一な面積とでき、各部分の電流密度を一定とし耐久信頼性の向上と全体の電気変換エネルギー効率を高めることができる。また、セパレータはカーボン、または金属の薄板をプレス、射出成型等によりセパレータの一部の流路溝深さを大きく加工することは容易である。

そして、セパレータ１を入口側流路溝部１３または出口側流路溝部１４の少なくとも一方の流路断面積を順次小さく構成したことにより、反応により減少するガス流量に応じて流路断面積を順次小さくして、流量の多い入口部から流量の最も少ない出口部まで、ガスの流速を一定に設計できる。このため、供給ガスの入口から出口に至る反応量を均一化させて各部分の電流密度を一定となり耐久信頼性の向上と全体の電気変換エネルギー効率を高めることができる。そして、流路内を流れるガスは２Ｈ_２＋Ｏ_２→２Ｈ_２Ｏの反応によりガス流量は、順次減少する。流路断面積を順次小さく構成したことにより、供給ガス流量が最も多く流れ抵抗が大きい入口側流路部１３の流速が小さいことにより全体の損失抵抗を小さくすることが可能となる。そして、出口側流路溝部１４では、ガスの流速を大きく設計できるため、内部で発生した生成水をガスの動圧により外部に排出できるため、流路が水により閉塞するフラッディングを防止することができ、供給ガス流量が最も多く流れ抵抗が大きい入口側流路部１３の流速が小さいため全体の損失抵抗を小さくすることが可能となるため、送風機の動力も小さくて済み、補機の動力が低減できシステム全体の効率が向上できる。

本発明の燃料電池のセパレータは、流量の多い入口側部での過大な反応促進を低減できると共に、全体の損失抵抗を小さくすることが可能となる。また、流量の少ない出口部でのガスの流速を大きく設計できるため反応促進を増大でき、反応量を均一化させて電流密度を一定とし耐久信頼性の向上と全体の電気変換エネルギー効率を高めることができる。そして、負荷に合わせてこの均一性が維持でき、耐久信頼性の向上と全体の電気変換エネルギー効率を高めることができる。また、出口側流路溝部では、ガスの流速を大きく設計できるため、内部で発生した生成水をガスの動圧により外部に排出できる。このため、流路が水により閉塞するフラッディングを防止することが可能となる。そのため、高効率で信頼性の高い燃料電池に適用できる。

本発明の第１の実施の形態における燃料電池のセパレータを示す全体構成図本発明の第１の実施の形態における燃料電池全体の断面図参考例における燃料電池のセパレータを示す全体構成図参考例における燃料電池のセパレータを示す全体構成図本発明の第３の実施の形態における燃料電池のセパレータを示す全体構成図従来の燃料電池のセパレータを示す全体構成図

符号の説明

１セパレータ
２流路溝
３入口マニホールド
４出口マニホールド
１３入口側流路溝部
１４出口側流路溝部
１５バスパス流路溝部
１６合流部

Claims

固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜を挟持する一対のガス拡散電極と、前記一対のガス拡散電極のおのおのの反固体高分子電解質膜側の面に配置される燃料電池のセパレータであって、
前記一対のガス拡散電極に燃料ガスと酸化ガスとをそれぞれ独立に供給するための一対のガスの入口と出口を連ねるガス流路溝を有しており、
前記燃料ガスの前記ガス流路溝と前記酸化ガスの前記ガス流路溝のうちの少なくとも一方は、前記セパレータ面に形成された溝であり、蛇行した形状を有する、前記入口側に位置する入口側流路溝部と、前記セパレータ面に形成された溝である、前記出口側に位置する出口側流路溝部と、前記入口側流路溝部と前記出口側流路溝部との間に配された合流部と、前記入口側流路溝部の入口側から前記出口側流路溝部の入口側に前記合流部を介して連通する前記セパレータ面に形成された溝である、バイパス流路溝部とを有し、少なくとも一部の前記バイパス流路溝部を前記ガス拡散電極と隔離して構成すると共に、
前記入口から供給されたガスの流れが、前記入口側流路溝部、前記合流部、前記出口側流路溝部と流れる流れ、及び、前記バイパス流路溝部、前記合流部、前記出口側流路溝部と流れる流れであることを特徴とする燃料電池のセパレータ。
前記合流部の流路断面積は前記パイパス流路構部の流路断面積よりも大きく構成したことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池のセパレータ。
出口側流路溝部の流路断面積を入口側流路溝部とバイパス流路溝部の和の流路断面積より小さくしたことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池のセパレータ。
入口側流路溝部は少なくとも複数の流路で構成し、前記入口側流路溝部の少なくとも一部を合流後出口側流路溝部に連通したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池のセパレータ。
入口側流路溝部の流路断面積は出口側流路溝部の流路断面積よりも大きく構成したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池のセパレータ。
入口側流路溝部は溝幅を出口側流路溝部の溝幅より大きく構成して、前記入口側流路溝部の流路断面積は前記出口側流路溝部の流路断面積よりも大きくしたことを特徴とする請求項５記載の燃料電池のセパレータ。
入口側流路溝部は溝深さを出口側流路溝部の溝深さより大きく構成して、前記入口側流路溝部の流路断面積は前記出口側流路溝部の流路断面積よりも大きくしたことを特徴とする請求項５記載の燃料電池のセパレータ。
入口側流路溝部または出口側流路溝部の少なくとも一方の流路断面積を順次小さく構成したことを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項に記載の燃料電池のセパレータ。