JP5069654B2 - 燃料電池用セパレータ及びこれを用いた燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、セルの性能偏差を減少させ、デッドスペースを減少させることで、スタック性能を向上させることができる燃料電池用セパレータ及びこれを用いた燃料電池スタックに関する。

一般に、燃料電池用セパレータは、複数のセルが積層された構造を有する燃料電池スタックに用いられることができる。この場合、セパレータは、セルとセルとの間に配置され、隣接するセルに燃料又は酸化剤を供給し、また、隣接する２つのセルを電気的に連結する役割を果たす。そのため、セパレータは通常、セルのアノード側に燃料を供給するためのチャネル及び／又はセルのカソード側に酸化剤を供給するためのチャネルを備える。

燃料電池スタックは、応用に応じて多様な模様（パターンまたは構成）や形態に製作されることができる。例えば、燃料電池スタックは、セルのアクティブ領域内に締結孔が穿孔された構造を有することができる。あるいは、燃料電池スタックは、セパレータに形成されるチャネル領域が十字型チャネル領域を有する構造に製作されることができる。ここで、セルのアクティブ領域内に締結孔が開いたスタック構造は、セルとセパレータが積層されるとき、これらの境界面が広がるのを防止するための構造である。そして、セパレータが十字型チャネル領域を有するスタック構造は、同じスタック体積で最大のアクティブ領域を得るための構造である。

セパレータのチャネルは通常、積層型燃料電池スタックに配設されるインレットマニホールドとアウトレットマニホールドとの間に連結される。１つのセパレータの一面に複数のチャネルが設けられる場合、複数のチャネルは、インレットマニホールドからアウトレットマニホールドまで互いに平行に延びるように配置されるか、あるいは、インレットマニホールドからアウトレットマニホールドまで互いに異なる領域で独立して延びるように配置されることができる（例えば、特許文献１〜３参照。）

大韓民国特許公開第１０−０７２２４１１号 大韓民国特許公開第１０−０６４７６６６号 大韓民国特許公開第１０−０４８８７２３号

しかしながら、セルのアクティブ領域内に締結孔が設けられた構造を有する燃料電池スタックにおいては、締結孔が位置するため、上記締結孔をよけて複数のチャネルをセパレータに配置しなければならず、複数のチャネルを互いに平行に延びるように配置することが困難であるという問題があった。

そのため、セルのアクティブ領域内に締結孔が位置する構造を有する燃料電池スタックにおいては、複数のチャネルを、セパレータの面上の互いに異なる領域でそれぞれ独立して延びるように配置する構造が知られている。しかしこの場合、インレットマニホールド及びアウトレットマニホールドがセパレータのチャネル領域の上下又は左右の中間部分に位置するため、デッドスペースが大きくなるという問題があった。具体的には、インレットマニホールド及びアウトレットマニホールドは、チャネル領域の外側のセパレータの上下左右の４つの縁領域のうち、上下の縁領域のそれぞれの中間部分（中央）に配置されるか、あるいは、左右の縁領域のそれぞれの中間部分（中央）に配置されることができる。そしてこのとき、上記中間部分の両側の領域はチャネルが形成されないデッドスペースとなっていた。そして、デッドスペースによりセルのアクティブ領域が小さくなり、セル体積当たりの出力密度が低くなるという短所があった。

一方、複数のチャネルが互いに異なる領域でそれぞれ独立して延びるように配置されたセパレータを用いた燃料電池スタックにおいて、インレットマニホールド及びアウトレットマニホールドを、チャネル領域の外のセパレータの同一対角線上に位置する角領域に配置することもできる。しかしこの場合、インレットマニホールドとアウトレットマニホールドとの間で独立してパターンを形成するチャネルグループの一方のグループに燃料流量が集中する現象が生じ、チャネルグループの間の燃料流量が不均一になり、スタックの性能が低下してしまうという問題が発生し得る。

また、インレットマニホールドとアウトレットマニホールドとの間で独立してパターンを形成するチャネルグループが設けられる場合、各チャネルグループの流路が異なるため、例えばアノード側においては、燃料の酸化反応の結果として生成される二酸化炭素の発生位置の分布は、各チャネルグループごとに異なることになる。このように、各チャネルグループにおいて、インレットマニホールドからの距離を基準とした二酸化炭素の発生位置が異なると、特に二酸化炭素のように体積が大きい気相の場合、各チャネルグループ内で異なる圧力が形成される。このような圧力差により、一方のチャネルに燃料が集中するという問題が発生していた。また、上記圧力差が大きくなると、ガス拡散層を介して燃料の迂回流路が形成されてしまい、燃料電池スタックの性能の安定性や安全性が損なわれる恐れがあるという問題もあった。

また、スタックに供給される燃料の流量及び／又は酸化剤の流量は、例えば、燃料電池スタックに電気的に連結された負荷の容量が減少した場合や、燃料電池システムの動作モードが変化した場合（例えば、正常モードから待機モードへの変化などのような運転条件の変化）に大幅に低くなる。このように燃料及び／又は酸化剤の流量が少ない場合、上述したチャネルグループ間の燃料流量の不均一による燃料電池スタック内のセル間の性能偏差は、顕著になる。上記セル間の性能偏差は、例えばセル間の電圧偏差であって、このような電圧偏差が生じることにより、スタックの動作安全性や、燃料電池システムの安定性が損なわれるという問題もあった。

そこで、本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、セパレータに形成される燃料または酸化剤の複数の流路間における圧力の差を少なくし、かつ、上記流路領域を大きくとることにより、性能の安定化及び出力密度の向上を図ることのできる燃料電池用セパレータ及びこれを用いた燃料電池スタックを提供することにある。

また、本発明の目的は、セルのアクティブ領域内に締結孔（ホール）を有するスタック構造や、セパレータが十字型のチャネル領域を有するスタック構造において、リアクタント流量が少ないときに燃料電池スタック内のセルの間に所望しない性能偏差が発生するのを防止することにより、スタック性能の安定性及び安全性を向上させることができる燃料電池用セパレータ及びこれを用いた燃料電池スタックを提供することにある。

本発明の他の目的は、セルのアクティブ領域の内側に締結孔（ホール）を有するスタック構造や、セパレータが十字型のチャネル領域を有するスタック構造において、デッドスペースを最小化することにより、スタックの出力密度を高めることができる燃料電池用セパレータ及びこれを用いた燃料電池スタックを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、ベース部材と、上記ベース部材の少なくとも一面に配設されて、少なくとも１つのチャネルを有する第１チャネルグループ及び少なくとも１つのチャネルを有する第２チャネルグループと、を備え、上記第１チャネルグループのチャネル及び上記第２チャネルグループのチャネルは、互いに平行に延び、チャネルが形成される領域の中間部分でのみ互いに異なる領域で独立して延びること、を特徴とする燃料電池用セパレータが提供される。

このような本発明にかかる燃料電池用セパレータによれば、上記中間部分以外では、第１グループと第２グループのチャネルは互いに平行に延びて同じ経路を形成するので、第１グループのチャネルと第２グループのチャネルとの間の圧力の差が発生しにくくなる。これにより、燃料または酸化剤が第１グループのチャネル及び第２グループのチャネル内を均一に流れ、電気化学反応がアクティブ領域の全領域で安定的に行われる。

ここで、上記第１チャネルグループのチャネルと上記第２チャネルグループのチャネルが互いに異なる領域で独立して延びる上記中間部分は、上記チャネルが形成される領域全体の半分以下であるのがよい。

上記チャネルが形成される領域は十字の形状を有することができる。また、上記セパレータは、上記チャネルが形成される領域の中央部に締結孔（締結ホール）を備えることができる。

また、上記第１チャネルグループの一端と上記第２チャネルグループの一端が連結される第１マニホールドと、上記第１チャネルグループの他端と上記第２チャネルグループの他端が連結される第２マニホールドとを更に備え、上記第１マニホールド及び上記第２マニホールドは、四角形状を有する上記ベース部材の同一対角線上に位置する２つの角領域（向き合う２つの隅部分）にそれぞれ配置されるのがよい。このように第１マニホールド及び第２マニホールドを配置することにより、セパレータのチャネル領域の面積を大きくすることができ、電気化学反応が行われるアクティブ領域も大きくなる。

またこのとき、上記第１チャネルグループの上記一端及び上記第２チャネルグループの上記一端は、上記第１マニホールドに互いに独立して連結されるのがよい。更に、上記第１チャネルグループの上記他端及び上記第２チャネルグループの上記他端は、上記第２マニホールドに互いに独立して連結されるのがよい。

上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、アノード、カソード及び上記アノードと上記カソードを分離する電解質を備えた少なくとも１つのセルと、上記セルの一面に接するように設置され、上記アノード及び上記カソードのうちの少なくとも１つに反応剤（リアクタント）を供給するセパレータとを備え、上記セパレータは、ベース部材と、上記ベース部材の少なくとも一面に配設されて、少なくとも１つのチャネルを有する第１チャネルグループ及び少なくとも１つのチャネルを有する第２チャネルグループとを備え、上記第１チャネルグループのチャネルと上記第２チャネルグループのチャネルは互いに平行に延び、上記チャネルが形成される領域の中間部分でのみ互いに異なる領域で独立して延びること、を特徴とする燃料電池スタックが提供される。ここで、上記反応剤は、燃料電池の電気化学反応に用いられる燃料及び／又は酸化剤を意味する。

このような本発明にかかる燃料電池スタックによれば、上記セパレータの中間部分以外では、第１グループと第２グループのチャネルは互いに平行に延びて同じ経路を形成するので、第１グループのチャネルと第２グループのチャネルとの間の圧力の差が発生しにくくなる。これにより、燃料または酸化剤が第１グループのチャネル及び第２グループのチャネル内を均一に流れ、電気化学反応がアクティブ領域の全領域で安定的に行われる。その結果、本発明にかかる燃料電池スタックの性能が安定し、また、出力密度も向上される。また、特に反応剤の流量が少ないときに、燃料電池スタック内のセルの間に大きな性能偏差が発生するのを防止することができ、燃料電池スタックの安定性及び動作安全性を維持することができる。

ここで、上記第１チャネルグループのチャネルと上記第２チャネルグループのチャネルが互いに異なる領域で独立して延びる上記中間部分は、上記チャネルが形成される領域全体の半分以下であるのがよい。

上記チャネルが形成される領域は十字の形状を有することができる。また、上記セパレータは、上記チャネルが形成される領域の中央部に締結孔（締結ホール）を備えることができる。

また、上記第１チャネルグループの一端と上記第２チャネルグループの一端が連結される第１マニホールドと、上記第１チャネルグループの他端と上記第２チャネルグループの他端が連結される第２マニホールドとを更に備え、上記第１マニホールド及び上記第２マニホールドは、四角形状を有する上記ベース部材の同一対角線上に位置する２つの角領域（向き合う２つの隅部分）にそれぞれ配置されるのがよい。このように第１マニホールド及び第２マニホールドを配置することにより、セパレータのチャネル領域の面積を大きくすることができ、電気化学反応が行われるアクティブ領域も大きくなる。

またこのとき、上記第１チャネルグループの上記一端及び上記第２チャネルグループの上記一端は、上記第１マニホールドに互いに独立して連結されるのがよい。更に、上記第１チャネルグループの上記他端及び上記第２チャネルグループの上記他端は、上記第２マニホールドに互いに独立して連結されるのがよい。

また、上記少なくとも１つのセルは、直接メタノール型燃料電池であることができる。

本発明によれば、セパレータに形成される燃料及び／または酸化剤の複数の流路を、各流路内に形成される圧力の差を小さくしてセル間の性能の差が抑制されるように配置し、かつ、上記流路領域を大きくとることにより、性能の安定化及び出力密度の向上を図ることのできる燃料電池用セパレータ及びこれを用いた燃料電池スタックを提供することができる。

本発明によれば、締結孔（ホール）がセルのアクティブ領域（チャネル領域）内に設けられる構造、あるいは、十字型のチャネル領域を有する構造のセパレータにおいて、リアクタントの流量が少ないときに、燃料電池スタック内のセルの間に大きな性能偏差が発生するのを防止することができる。即ち、燃料電池スタックに電気的に連結された負荷の容量減少や、燃料電池システムの動作モードの変化（例えば、正常モードから待機モードへの変化などのような運転条件の変化）により、スタックに供給される燃料の流量及び／又は酸化剤の流量が大幅に低くなる場合にも、スタックの動作安全性を維持することができる。また、その結果、燃料電池システムの長時間の安定した運転に寄与することができる。

また、本発明によれば、チャネル領域内に締結孔（ホール）を有するセパレータ構造や、十字型のチャネル領域を有するセパレータ構造において、デッドスペースを最小化することができる。従って、同じ体積あたりのスタックの性能を向上させることができ、また、燃料電池システムの小型化にも寄与することができる。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。以下の説明においては、高い吸水性及び高い吸湿性は、事実上、エネルギーの吸収を含まないものとし、物質の相互作用によりシステムの動作が定義されるものとする。特に、本説明は液体の活動に限定されず、気体及び固体の活動も含まれる。また、本発明の詳細な説明によれば、図示する各層の厚さや大きさは、説明の明確性と便宜性のために誇張されて示される場合がある。また、周知の機能や構成についての詳細な技術は、本発明の内容を不明確にしないために省略される場合がある。

図１は、本発明の第１の実施の形態にかかる燃料電池用セパレータの平面図である。図２は、図１のセパレータのＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。

図１及び図２に示すように、第１の実施の形態のセパレータ１０は、ベース部材１２と、ベース部材１２の少なくとも一面に形成される十字の形状を有するチャネル領域１４と、チャネル領域１４の外側に形成される複数のマニホールド１６ａ、１６ｂ、１７ａ、１７ｂと、各マニホールドと所定の距離だけ離隔されてチャネル領域（アクティブ領域）１４の外に形成される複数の締結孔（締結用ホール）１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄと、一対のマニホールド１６ａ、１６ｂと連結されてこれらの間に形成される第１チャネル２１及び第２チャネル２３とを備える。ここで、チャネル領域１４とは、チャネルが形成される領域であって、セル内でセパレータによりリアクタントが供給される領域に対応する。すなわち、チャネル領域１４は、リアクタントが供給されて電気化学反応が行われるセルのアクティブ領域である。また、リアクタント（反応剤）とは、燃料電池の電気化学反応に用いられる燃料及び／又は酸化剤を意味する。

セパレータ１０は、その両面にチャネルをそれぞれ備えるバイポーラプレート構造、あるいは、その一面にのみチャネルを備えるモノポーラプレート構造で実現されることができる。

ベース部材１２は、高密度のグラファイトで製造されたカーボンセパレータ、炭素と高分子で製造された複合セパレータ、又はステンレス鋼を中心とした金属セパレータで実現されることができる。

複数のマニホールド１６ａ、１６ｂ、１７ａ、１７ｂは、燃料を流動させるために設けられる一対の第１マニホールド１６a、１６ｂと、酸化剤を流動させるために設けられる一対の第２マニホールド１７a、１７ｂとを備える。一対の第１マニホールド１６a、１６ｂは、略四角形状を有するベース部材１２の向き合う（互いに対角をなす）２つの隅部分（角領域）にそれぞれ配置される。ここで、一対の第１マニホールド１６a、１６ｂのうち、燃料が第１チャネル２１及び第２チャネル２３に流入される入口となる方の第１マニホールドを第１インレットマニホールド１６ａとし、燃料が流出される出口となる方の第１マニホールドを第１アウトレットマニホールド１６ｂとする。一方、一対の第２マニホールド１７a、１７ｂは、略四角形状を有するベース部材１２の、第１マニホールド１６a、１６ｂが設けられた上記２つの角領域とは異なる２つの角領域にそれぞれ配置される。ここで、一対の第２マニホールド１７a、１７ｂのうち、酸化剤が第１チャネル２１及び第２チャネル２３に流入される入口となる方の第２マニホールドを第２インレットマニホールド１７ａとし、酸化剤が流出される出口となる方の第２マニホールドを第２アウトレットマニホールド１７ｂとする。

第１マニホールド１６a、１６ｂは、各セルのアノードに燃料を供給するために燃料電池スタックに配設されるものであって、図１では、ベース部材１２の厚さ方向にベース部材１２を貫通する燃料流動用孔として示されている。第２マニホールド１７a、１７ｂは、各セルのカソードに酸化剤を供給するために燃料電池スタックに配設されるものであって、図１では、ベース部材１２の厚さ方向にベース部材１２を貫通する酸化剤流動用孔として示されている。

締結孔１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄは、セパレータ１０を介在して積層される複数のセルを締結する、例えばボルトなどの締結手段が通過する孔として、図２に示されている。第１の実施の形態において、４つの締結孔１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄは、十字架の形状に外部に延びるチャネル領域の各延長部の間の領域において、各マニホールドと所定の距離だけ離隔されてそれぞれ配置される。前述した締結孔１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄは、複数のセルが締結される締結構造に応じて、その一部又は全体が省略されることもできる。

第１チャネル２１及び第２チャネル２３は、第１インレットマニホールド１６ａから燃料が流入して流れる流路である。燃料は、第１インレットマニホールド１６ａから流入されて、第１チャネル２１及び第２チャネル２３を通過しながら、燃料電池スタックの各セルのアノードに広がり、その後第１アウトレットマニホールド１６ｂから流出される。

セパレータ１０は、図２に示すように、２つのマニホールド１６ｂ、１７ｂ内に形成される段差部２５ａと、２つの締結孔１８ｃ、１８ｄ内に形成される段差部２５ｂと、ベース部材１２の一面の縁部に形成される段差部２５ｃとを備えることができる。これらの段差部には、セパレータ１０を取り付けて燃料電池スタックを組み立てる際に、セルとセパレータ１０との間を封止するガスケット（図示せず）が部分的に挿入されることができる。参考までに、図２では、図示の便宜上、一面にチャネルを備えるモノポーラプレート構造のセパレータ１０を示した。

ここで、第１の実施の形態にかかるセパレータ１０は、複数のチャネルを備え、同じ大きさを有する（セルと対向する面の面積が同じである）セパレータにおいては、デッドスペースを従来よりも小さくすることができる構造を有する。上記構造は、非対称チャネル構造を有するセパレータに適用されることができ、同じ体積のセパレータでセルのアクティブ面積を広げてスタックの性能を向上させることができる。以下、これと関連する第１の実施の形態のセパレータの構造及び作用について、更に詳細に説明する。

第１の実施の形態において、第１チャネル２１及び第２チャネル２３は、それぞれの一端が、燃料を流入させるために設けられる第１インレットマニホールド１６ａに連結される。そして、第１チャネル２１及び第２チャネル２３は、先ず、第１インレットマニホールド１６ａから、酸化剤を流動させるために設けられる第２アウトレットマニホールド１７ｂが位置する方向に向かう第１方向に互いに平行に延びる。次に、第１チャネル２１及び第２チャネル２３は、第２アウトレットマニホールド１７ｂに隣接する領域で、共に１８０度折り曲がった（折り返した）後、上記第１方向とは逆の方向に再び互いに平行に延びる。そして、第１チャネル２１及び第２チャネル２３は、第１インレットマニホールド１６ａに隣接する領域で、再び共に１８０度折り返した後、再び上記第１方向に互いに平行に延びる。即ち、第１チャネル２１及び第２チャネル２３は、第１インレットマニホールド１６ａに隣接したチャネル領域内で、複数回折り返しながらくねくねとした形状に互いに平行に延びる。

次に、第１チャネル２１は、その中間部分、即ち、第１中間チャネル領域１４ａで、第２チャネル２３と互いに平行に延びず、独立したチャネルパターンで折り返しながら（くねくねに）延びる。同様に、第２チャネル２３はその中間部分、即ち、第２中間チャネル領域１４ｂで、第１チャネル２１と互いに平行に延びず、独立したチャネルパターンで折り返しながら（くねくねに）延びる。

そして、第１チャネル２１及び第２チャネル２３は、燃料を流出させるために設けられる第１アウトレットマニホールド１６ｂに隣接したチャネル領域で、酸化剤を流動させるために設けられる第２インレットマニホールド１７ａと、燃料を流動させるために設けられる第１アウトレットマニホールド１６ｂを連結する直線と略平行な方向、即ち、上記第１方向で互いに平行に、かつくねくねに延びる。すなわち、第１チャネル２１及び第２チャネル２３は、第１アウトレットマニホールド１６ｂに隣接したチャネル領域で、互いに平行に、上記第１方向と平行する方向に複数回折り返しながら、第１アウトレットマニホールド１６ｂまで延びる。そして、第１チャネル２１及び第２チャネル２３のそれぞれの他端は、燃料を流出させるために設けられる第１アウトレットマニホールド１６ｂに連結される。

以上のように、第１の実施の形態においては、リアクタントがチャネルを流動する方向に沿ってチャネル領域１４を、第１インレットマニホールド１６ａに隣接したチャネル領域と、中間チャネル領域１４ａ、１４ｂと、第１アウトレットマニホールド１６ｂに隣接したチャネル領域との３つの領域に分けている。このとき、中間チャネル領域１４ａ、１４ｂは、チャネルが形成される領域全体、すなわちチャネル領域１４の半分以下であるのがよい。そして、第１インレットマニホールド１６ａに隣接したチャネル領域及び第１アウトレットマニホールド１６ｂに隣接したチャネル領域では、第１チャネル２１及び第２チャネル２３は、互いに平行に折り返しながら延長される。このとき、第１チャネル２１及び第２チャネル２３が折り返し延長される方向は、セパレータの一辺と略平行な方向であることができる。そして、第１チャネル２１及び第２チャネル２３は、中間チャネル領域１４ａ、１４ｂにおいては、それぞれ別の領域で独立して折り返しながら延長される。例えば、図１では、第１チャネル２１が中間チャネル領域１４ａ内で折り返し延長されていて、第２チャネル２３が中間チャネル領域１４ｂ内で折り返し延長されている。このように、第１チャネル２１及び第２チャネル２３は、第１インレットマニホールド１６ａから、先ず互いに並んで折り返し延長され、中間チャネル領域で分岐してそれぞれ独立した領域内で折り返し延長され、その後合流して、第１アウトレットマニホールド１６ｂまで再び並んで折り返し延長される。

ここで、第１チャネル２１及び第２チャネル２３の両端部は、燃料を流動させるために設けられる第１インレットマニホールド１６ａ及び第１アウトレットマニホールド１６ｂに、それぞれ独立して連結される。すなわち、第１チャネル２１及び第２チャネル２３のそれぞれの一端は、第１インレットマニホールド１６ａにそれぞれ独立して連結されて、第１チャネル２１及び第２チャネル２３のそれぞれの他端は、第１アウトレットマニホールド１６ｂにそれぞれ独立して連結される。このような各チャネルが独立してマニホールドに連結される構造は、本発明の実施の形態の主な技術的特徴の１つである。

そして、上記のような第１チャネル２１及び第２チャネル２３の結合構造によれば、第１インレットマニホールド１６ａに隣接したチャネル領域で、第１チャネル２１と第２チャネル２３の長さが異なる場合などに、第１チャネル２１と第２チャネル２３との間に所望しない圧力差が発生するのを防止することができる。

図３は、比較例による燃料電池用セパレータの平面図である。図３に示す比較例のセパレータ１０ａは、第１の実施の形態のセパレータ１０のチャネル構造と対比をするためのものである。比較例のセパレータ１０ａの説明において、図１の第１の実施の形態のセパレータ１０と同一または類似する要素については、説明の便宜性を図り、重複説明の省略のために同じ参照符号で示した。

図３を参照すれば、比較例のセパレータ１０ａにおいて、第１チャネル２１ａ及び第２チャネル２３ａは、アノードインレットチャネル領域１４ｃで互いに平行に延びず、それぞれ独立したチャネルパターンで互いに異なる領域で折り返しながら（くねくねに）延びる。

また、第１チャネル２１ａは、その中間部分、即ち第１中間チャネル領域１４ａで、第２チャネル２３ａと平行に延びず、実質的に独立したチャネルパターンで第２チャネル２３ａとは互いに異なる領域で折り返しながら（くねくねに）延びる。そして、第２チャネル２３ａは、その中間部分、即ち第２中間チャネル領域１４ｂで、第１チャネル２１ａと平行に延びず、独立したチャネルパターンで第１チャネル２１ａとは互いに異なる領域で折り返しながら（くねくねに）延びる。

そして、第１チャネル２１ａ及び第２チャネル２３ａは、燃料を流出させる第１アウトレットマニホールド１６ｂに隣接したチャネル領域１４ｄで、互いに平行に延びず、それぞれ独立したチャネルパターンで互いに異なる領域で折り返しながら（くねくねに）延びる。

比較例のセパレータ１０ａの構造によれば、第１チャネル２１ａを通過する燃料の酸化反応の結果として生成される二酸化炭素と、第２チャネル２３ａを通過する燃料の酸化反応の結果として生成される二酸化炭素とは、第１インレットマニホールド１６ａからの距離を基準とした場合の発生位置に、大きな差が生じる。ここで、体積が大きい気相の二酸化炭素が第１チャネル２１ａと第２チャネル２３ａの互いに異なる位置で発生すれば、アノードインレット側（第１インレットマニホールド１６ａ側）のチャネル領域１４ｃにおいて、第１チャネル２１ａと第２チャネル２３ａにそれぞれ異なる圧力が形成される。このような圧力差により、一方のチャネルに燃料が集中するという問題が発生する恐れがある。また、ガス拡散層を介して迂回流路が形成されるという問題が発生する恐れもある。このように、比較例のセパレータ１０ａでは、燃料電池スタックの性能の安全性を確保し難いという問題がある。

これに対し、第１の実施の形態にかかるセパレータ１０の構造では、第１チャネル２１及び第２チャネル２３が、第１インレットマニホールド１６ａから、先ず、互いに平行に同じ経路を形成するように配置されているので、第１チャネル２１と第２チャネル２３には、ほぼ同じ圧力が形成される。従って、リアクタントの流量がチャネル間で均一になり、電気化学反応が効率良く行われるようになる。

ここで、第１の実施の形態では、第１インレットマニホールド１６ａと第１アウトレットマニホールド１６ｂとの間に、第１チャネル２１と第２チャネル２３の２本のチャネルが連結された。しかし、連結されるチャネルは２本に限定されるものではなく、２本より多くのチャネルが連結されることもできる。この場合、複数のチャネルは第１グループと第２グループからなることができ、中間チャネル領域では、第１グループのチャネルが中間チャネル領域１４ａ内で折り返して、第２グループのチャネルが中間チャネル領域１４ｂ内で折り返すように構成されることができる。また、第１の実施の形態では、チャネル領域内には締結孔は形成されていないが、例えば中間チャネル領域１４ａと中間チャネル領域１４ｂとの境界部に締結孔が形成されてもよい。このとき、締結孔は、中間チャネル領域１４ａと中間チャネル領域１４ｂとの境界部に複数個形成されてもよい。

次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図４は、本発明の第２の実施の形態にかかる燃料電池用セパレータの平面図である。

図４を参照すれば、セパレータ３０は、積層型燃料電池スタックの締結時に締結部材が挿入される締結孔（締結用ホール）３８ａ、３８ｂ、３８ｃ、３８ｄ、３８ｅを備える。４つのホール３８ａ、３８ｂ、３８ｃ、３８ｄは、チャネルが形成される領域の外側、即ちセパレータ３０のチャネル領域の外に設けられて、１つのホール３８ｅはチャネル領域内に設けられる。

また、セパレータ３０は複数のチャネル３１を備える。複数のチャネル３１は、第１中間チャネル領域３４ａを通過する第１チャネルを備えた第１チャネルグループと、第２中間チャネル領域３４ｂを通過する第２チャネルを備えた第２チャネルグループとに区分できる。

更に、セパレータ３０は、燃料流動用の第１マニホールド３６ａ、３６ｂと、酸化剤流動用の第２マニホールド３７ａ、３７ｂとを備える。図４では、第１マニホールド３６ａ、３６ｂのうち、燃料が流入する第１マニホールドを第１インレットマニホールド３６ａとし、燃料が流出する第１マニホールドを第１アウトレットマニホールド３６ｂとする。また、第２マニホールド３７ａ、３７ｂのうち、酸化剤が流入する第２マニホールドを第２インレットマニホールド３７ａとし、酸化剤が流出する第２マニホールドを第２アウトレットマニホールド３７ｂとする。第１インレットマニホールド３６ａには、第１チャネルグループの各チャネルの一端と、第２チャネルグループの各チャネルの一端が連結される。また、第１アウトレットマニホールド３６ｂには、第１チャネルグループの各チャネルの他端と、第２チャネルグループの各チャネルの他端が連結される。

第１チャネルグループの各チャネル３１及び第２チャネルグループの各チャネル３１は、アノードインレットチャネル領域３４ｃで互いに平行に延びる。また、第１チャネルグループの各チャネル３１及び第２チャネルグループの各チャネル３１は、アノードアウトレットチャネル領域３４ｄで互いに平行に延びる。一方、第１チャネルグループのチャネル及び第２チャネルグループのチャネルは、中間部分において、互いに異なる領域で独立して延びる。即ち、第１チャネルグループのチャネルは、第１中間チャネル領域３４ａで互いに平行に延び、第２チャネルグループのチャネルは第２中間チャネル領域３４ｂで互いに平行に延びる。

以上のように、第２の実施の形態においては、リアクタントがチャネルを流動する方向に沿ってチャネル領域を、第１インレットマニホールド３６ａに隣接したアノードインレットチャネル領域３４ｃと、第１中間チャネル領域３４ａ及び第２中間チャネル領域３４ｂと、第１アウトレットマニホールド３６ｂに隣接したアノードアウトレットチャネル領域３４ｄとに分けている。このとき、第１中間チャネル領域３４ａ及び第２中間チャネル領域３４ｂは、チャネルが形成される領域全体の半分以下であるのがよい。そして、アノードインレットチャネル領域３４ｃ及びアノードアウトレットチャネル領域３４ｄでは、第１チャネルグループのチャネル及び第２チャネルグループのチャネルは、互いに平行に折り返しながら延長される。このとき、第１チャネルグループのチャネル及び第２チャネルグループのチャネルが折り返し延長される方向は、セパレータの一辺と略平行な方向であることができる。そして、第１チャネルグループのチャネル及び第２チャネルグループのチャネルは、中間チャネル領域においては、それぞれ別の領域で独立して折り返しながら延長される。例えば、図４では、第１チャネルグループの複数のチャネルが第１中間チャネル領域３４ａ内で折り返し延長され、第２チャネルグループの複数のチャネルが第２中間チャネル領域３４ｂ内で折り返し延長されている。このように、第１チャネルグループの複数のチャネル及び第２チャネルグループの複数のチャネルは、第１インレットマニホールド１６ａから、先ず互いに並んで折り返し延長され、中間チャネル領域で第１チャネルグループと第２チャネルグループとに分岐してそれぞれ独立した領域内で折り返し延長され、その後合流して、第１アウトレットマニホールド１６ｂまで再び並んで折り返し延長される。

図５は、比較例による燃料電池用セパレータの平面図である。

図５を参照すれば、比較例のセパレータ３０ａは、燃料流動用の第１インレットマニホールド３６ａと、燃料流動用の第１アウトレットマニホールド３６ｂとを備える。また、セパレータ３０ａは、互いに異なる領域で独立して延びる第１チャネルグループのチャネル３２ａと、第２チャネルグループのチャネル３２ｂとを備える。

セパレータ３０ａのチャネル領域を第１上部チャネル領域と第２下部チャネル領域とに二分するとき、第１チャネルグループのチャネル３２ａは、第１インレットマニホールド３６ａから第１上部チャネル領域を経由して第１アウトレットマニホールド３６ｂまで延びる。そして、第２チャネルグループのチャネル３２ｂは、第１インレットマニホールド３６ａから第２下部チャネル領域を経由して第１アウトレットマニホールド３６ｂまで延びる。

比較例のセパレータ３０ａは、前述した第２の実施の形態のセパレータ３０に比べてデッドスペースが大きい。即ち、比較例のセパレータ３０ａの構造は、具体的には、第１インレットマニホールド３６ａと第１アウトレットマニホールド３６ｂをセパレータ３０ａの幅方向の中間部に備えるため、これらのマニホールドによりデッドスペースが大きくなる。しかしながら、第２の実施の形態のセパレータ３０は、第１インレットマニホールド３６ａと第１アウトレットマニホールド３６ｂが略四角形状を有するセパレータ３０の互いに向き合う隅部分（同一対角線上に位置する角領域）に配設されるため、比較例のセパレータ３０ａに比べてデッドスペースを減少させることができる。すなわち、比較例では、第１インレットマニホールド３６ａ及び第１アウトレットマニホールド３６ｂからチャネルの分岐点までの、全チャネルが平行に延びている部分の両側のスペースがデッドスペースとなっている。

これに対し、第２の実施の形態では、第１インレットマニホールド３６ａ及び第１アウトレットマニホールド３６ｂから延びるチャネルは、そのまま曲がらずにアクティブ領域内で平行に延長されてから折り返すので、従来のようなデッドスペースが生じない。また、チャネル領域の外に締結孔が設けられる場合、第２の実施の形態では、締結孔が配設されているのと同じ辺に沿った縁部に第１インレットマニホールド３６ａ及び第１アウトレットマニホールド３６ｂを設けることができ、デッドスペースを減少させることができる。

もちろん、前述した第２実施の形態のセパレータ３０は、第１の実施の形態のセパレータで説明した技術的特徴を含む。

次に、本発明の実施の形態にかかる燃料電池スタックについて説明する。図６は、本発明の実施の形態にかかる燃料電池スタックが採用された燃料電池システムの構成を概略的に示した側面図である。

図６を参照すれば、燃料電池スタック１００は、アノード触媒層１０３ａと第１気体拡散層１０５ａを備えたアノード、カソード触媒層１０３ｂと第２気体拡散層１０５ｂを備えたカソード及び、アノードとカソードを分離する電解質１０１を備える。アノード、電解質１０１及びカソードの積層体は、セルを構成し、いわゆる膜電極集合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）と呼ばれる。このとき、上記セルは、直接メタノール型燃料電池であることができる。

また、燃料電池スタック１００は、セパレータ１０７、ガスケット１０９、一対のエンドプレート１１１、締結部材１１３、燃料流動用インレットマニホールド１２１、及び燃料流動用アウトレットマニホールド１２３を備える。

セパレータ１０７は、いわゆる分離板と呼ばれ、セルとセルとの間に設置されてセルと共に積層体を形成し、隣接するセルに燃料及び／又は酸化剤を供給し、隣接する２つのセルを電気的に連結する。そして、セパレータ１０７は、各セルのアノードに混合燃料を供給するための複数の燃料流動用チャネル１０８ａ及び／又は各セルのカソードに酸化剤を供給するための酸化剤流動用チャネル１０８ｂを備える。

ガスケット１０９は、各セルに供給される混合燃料及び酸化剤が漏れたり、外部の空気や不純物が侵入しないように、各セルを気密に封止する。

一対のエンドプレート１１１は、セルとセパレータ１０７が積層された積層体の両端に、積層方向に積層体を支持するように配置され、上記積層体と一対のエンドプレート１１１は締結部材１１３により互いに結合される。

本発明の実施の形態にかかる燃料電池スタックのセパレータ１０７は、前述した第１または第２の実施の形態にかかるセパレータ１０、３０のうちのいずれか１つを用いて実現されることができる。このとき、セパレータ１０７は、インレットマニホールド１２１に隣接したチャネル領域で各セルのチャネル１０８ａの長さを最大限同一にし、チャネルが独立して互いに平行にインレットマニホールド１２１に連結されるように構成される。

本発明の実施の形態にかかる燃料電池スタックによれば、インレットマニホールド１２１に隣接するアクティブ領域でチャネルの長さが異なることにより生じるチャネル間の圧力差などの既存の問題を防止することにより、燃料電池スタックの性能の向上及び安定化を図ることができる。また、気体拡散層１０５ａに迂回流路が形成されるのを防止することにより、スタック性能の安全性を確保することができる。特に、燃料の供給量及び／又は酸化剤の供給量が少ない場合に不安定になり得るスタックの性能を、安定的に維持することができる。ここで、迂回流路とは、くねくねとしたチャネルを横切る流路の短絡パスや隣接したチャネルの間に形成される流路の短絡パスを意味する。例えば、チャネルに圧力が高くて流動が困難な部分が存在する場合、燃料または酸化剤はこのような部分を迂回して、チャネルを横切るような近道となる経路を流動し、迂回経路が形成されることになる。このような迂回流路が発生した場合、一部のチャネルに燃料又は酸化剤が供給されなくなるため、実質的にセルで電気を発生させることができるアクティブ面積が減少し、これによりセルの性能が低下することになる。

図７は、本発明の実施の形態にかかる燃料電池スタックの出力性能と比較例の燃料電池スタックの出力性能を説明するためのグラフである。

本実験において、本発明の実施の形態にかかる燃料電池スタックは、図１に示したセパレータを採用し、比較例の燃料電池スタックは、図３に示したセパレータを採用したことを除いては同じ仕様を備える。本実験に用いられた燃料電池スタックは２０個のセルを備え、スタックの正常運転時のセルの平均電圧は約４.５Ｖを示した。

図７から分かるように、比較例の燃料電池スタックは、アノード側インレットマニホールドに供給される燃料の量論比（ａｎｏｄｅ ｓｔｏｉｃｈｉｏｍｅｔｒｙ）と、カソード側インレットマニホールドに供給される空気の量論比（ｃａｔｈｏｄｅ ｓｔｏｉｃｈｉｏｍｅｔｒｙ）がそれぞれ２、２.５及び３であるとき、セル電圧に大きな標準偏差が生じた。例えば、空気の量論比が２であるとき、セル電圧の偏差は燃料の量論比によって約４０ｍＶ、約３９ｍＶ、約４３ｍＶを示した。そして、空気の量論比が２.５であるとき、セル電圧の偏差は燃料の量論比によって約１９ｍＶ、約１０ｍＶ、約１５ｍＶを示した。また、空気の量論比が３であるとき、セル電圧の偏差は燃料の量論比によって約２５ｍＶ、約９ｍＶ、約８ｍＶを示した。このように、比較例の燃料電池スタックにおいて、空気の量論比が３又は２.５より小さな２である場合に、セル電圧の偏差が大きくなる傾向があることが分かる。

また、比較例の燃料電池スタックにおいて、セル電圧の偏差は燃料の量論比が２.５又は３である場合より燃料の量論比が２である場合に、大部分が大きく観測された。例えば、燃料の量論比が２であり、空気の量論比が２.５である場合のセル電圧の偏差は約１９ｍＶである。この値は空気の量論比が２.５であり、燃料の量論比が２.５又は３である場合のセル電圧の偏差の約１０ｍＶ又は約１５ｍＶより大きい。また、燃料の量論比が２であり、空気の量論比が３である場合のセル電圧の偏差は約２５ｍＶである。この値は空気の量論比が３であり、燃料の量論比が２.５又は３である場合のセル電圧偏差の約９ｍＶ又は約８ｍＶよりほぼ３倍大きい。このように、比較例の燃料電池スタックにおいて、燃料の量論比が３又は２.５より小さな２である場合に、一般的にセル電圧の偏差が大きくなる傾向があることが分かる。

前述した比較例の燃料電池スタックにおいて、燃料の量論比及び／又は空気の量論比が低いときにセル電圧偏差が大きくなる理由は、燃料の流動のためのインレットマニホールドとアウトレットマニホールドとの間に独立して連結されるチャネルの間で、燃料流量によってセル間の流量偏差が大きくなるためである。同様に、酸化剤の流動のためのインレットマニホールドとアウトレットマニホールドとの間に独立して連結されるチャネルの間でも、酸化剤の流量によってセル間の流量偏差が大きくなるためである。例えば、それは２つのチャネルの一方のチャネルに燃料が流入し、他方のチャネルでは停滞する現象が起こるためである。このような現象は、特に液相物質と気相物質が流動するとき、２つのチャネルの間に発生する圧力差により更に発生し易くなる。

一方、図７を参照すれば、本発明の実施の形態にかかる燃料電池スタックは、スタックに供給される燃料の量論比と空気の量論比がそれぞれ２、２.５及び３であるとき、ほぼ一定に低いセル電圧の偏差を示した。例えば、空気の量論比が２であるとき、セル電圧の偏差は燃料の量論比によって約９ｍＶ、約１１ｍＶ、約１０ｍＶを示した。そして、空気の量論比が２.５であるとき、セル電圧の偏差は燃料の量論比によって約７ｍＶ、約７ｍＶ、約６ｍＶを示した。また、空気の量論比が３であるとき、セル電圧の偏差は燃料の量論比によって約６ｍＶ、約６ｍＶ、約６ｍＶを示した。このように、本発明の実施の形態にかかる燃料電池スタックは、燃料の量論比が２、２.５及び３である場合と空気の量論比が２、２.５及び３である場合のいずれにおいても、約１１ｍＶ〜約６ｍＶのほぼ均一なセル電圧の偏差を示した。

本発明の実施の形態にかかるセパレータを用いれば、燃料電池スタックに供給される燃料及び／又は酸化剤の供給量が変動する場合にもスタックの性能が低下することなく、スタックの性能が安定的に維持されることが分かる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明の第１の実施の形態にかかる燃料電池用セパレータの平面図である。 図１のセパレータのＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。 比較例による燃料電池用セパレータの平面図である。 本発明の第２の実施の形態にかかる燃料電池用セパレータの平面図である。 比較例による燃料電池用セパレータの平面図である。 本発明の実施の形態にかかる燃料電池スタックが採用された燃料電池システムの構成を概略的に示した側面図である。 本発明の燃料電池スタックの出力性能と比較例の燃料電池スタックの出力性能を説明するためのグラフである。

符号の説明

１０、３０ セパレータ
１２ ベース部材
１４ チャネル領域（アクティブ領域）
１６ａ、３６ａ 第１インレットマニホールド
１６ｂ、３６ｂ 第１アウトレットマニホールド
１７ａ、３７ａ 第２インレットマニホールド
１７ｂ、３７ｂ 第２アウトレットマニホールド
１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ 締結孔（締結用ホール）
３８ａ、３８ｂ、３８ｃ、３８ｄ、３８ｅ 締結孔（締結用ホール）
２１ 第１チャネル
２３ 第２チャネル
３１ チャネル
３２ａ 第１チャネルグループのチャネル
３２ｂ 第２チャネルグループのチャネル
１４ａ、３４ａ 第１中間チャネル領域
１４ｂ、３４ｂ 第２中間チャネル領域
１４ｃ、３４ｃ アノードインレットチャネル領域
１４ｄ、３４ｄ アノードアウトレットチャネル領域
１００ 燃料電池スタック
１０３ａ アノード触媒層
１０５ａ 第１気体拡散層
１０３ｂ カソード触媒層
１０５ｂ 第２気体拡散層
１０１ 電解質
１０７ セパレータ
１０８ａ 燃料流動用チャネル
１０８ｂ 酸化剤流動用チャネル
１０９ ガスケット
１１１ エンドプレート
１１３ 締結部材
１２１ 燃料流動用インレットマニホールド
１２３ 燃料流動用アウトレットマニホールド

Claims (7)

1. ベース部材と、
   前記ベース部材の少なくとも一面に配設されて、少なくとも１つのチャネルを有する第１チャネルグループ及び少なくとも１つのチャネルを有する第２チャネルグループと、
   前記第１チャネルグループの一端と前記第２チャネルグループの一端が連結される第１マニホールドと、
   前記第１チャネルグループの他端と前記第２チャネルグループの他端が連結される第２マニホールドと、
   前記ベース部材に配設される少なくとも４つの締結孔と、
   を備え、
   前記第１チャネルグループのチャネル及び前記第２チャネルグループのチャネルは、互いに平行に延び、チャネルが形成される領域の中間部分でのみ互いに異なる領域で独立して延びること、
   前記第１チャネルグループのチャネルと前記第２チャネルグループのチャネルが互いに異なる領域で独立して延びる前記中間部分は、前記チャネルが形成される領域全体の半分以下であること、
   前記チャネルが形成される領域は十字の形状を有すること、
   前記第１マニホールド及び前記第２マニホールドは、四角形状を有する前記ベース部材の同一対角線上に位置する２つの角領域にそれぞれ配置されること、並びに、
   前記締結孔は、前記チャネルが形成される十字の領域の外部であって前記第１マニホールド又は前記第２マニホールドと前記チャネルが形成される領域とに挟まれる位置にそれぞれ配置されること、
   を特徴とする燃料電池用セパレータ。
2. 前記第１チャネルグループの前記一端及び前記第２チャネルグループの前記一端は、前記第１マニホールドに互いに独立して連結されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用セパレータ。
3. 前記第１チャネルグループの前記他端及び前記第２チャネルグループの前記他端は、前記第２マニホールドに互いに独立して連結されることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池用セパレータ。
4. アノード、カソード及び前記アノードと前記カソードを分離する電解質を備えた少なくとも１つのセルと、
   前記セルの一面に接するように設置され、前記アノード及び前記カソードのうちの少なくとも１つに反応剤を供給するセパレータとを備え、
   前記セパレータは、
   ベース部材と、前記ベース部材の少なくとも一面に配設されて、少なくとも１つのチャネルを有する第１チャネルグループ及び少なくとも１つのチャネルを有する第２チャネルグループと、
   前記第１チャネルグループの一端と前記第２チャネルグループの一端が連結される第１マニホールドと、
   前記第１チャネルグループの他端と前記第２チャネルグループの他端が連結される第２マニホールドと、
   前記ベース部材に配設される少なくとも４つの締結孔と、
   を備え、
   前記第１チャネルグループのチャネルと前記第２チャネルグループのチャネルは互いに平行に延び、前記チャネルが形成される領域の中間部分でのみ互いに異なる領域で独立して延びること、
   前記第１チャネルグループのチャネルと前記第２チャネルグループのチャネルが互いに異なる領域で独立して延びる前記中間部分は、前記チャネルが形成される領域全体の半分以下であること、
   前記チャネルが形成される領域は十字の形状を有すること、
   前記第１マニホールド及び前記第２マニホールドは、四角形状を有する前記ベース部材の同一対角線上に位置する２つの角領域にそれぞれ配置されること、並びに、
   前記締結孔は、前記チャネルが形成される十字の領域の外部であって前記第１マニホールド又は前記第２マニホールドと前記チャネルが形成される領域とに挟まれる位置にそれぞれ配置されること、
   を特徴とする燃料電池スタック。
5. 前記第１チャネルグループの前記一端及び前記第２チャネルグループの前記一端は、前記第１マニホールドに互いに独立して連結されることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池スタック。
6. 前記第１チャネルグループの前記他端及び前記第２チャネルグループの前記他端は、前記第２マニホールドに互いに独立して連結されることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池スタック。
7. 前記少なくとも１つのセルは、直接メタノール型燃料電池であることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池スタック。
   

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