JP5137308B2

JP5137308B2 - 燃料電池用セパレータ

Info

Publication number: JP5137308B2
Application number: JP2006028989A
Authority: JP
Inventors: 保則吉本; 陽濱田
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2006-02-06
Filing date: 2006-02-06
Publication date: 2013-02-06
Anticipated expiration: 2026-02-06
Also published as: JP2007207730A

Description

本発明は、燃料電池用セパレータに関する。

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形燃料電池が知られている。

固体高分子形燃料電池は、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：Ｈ₂→２Ｈ+＋２ｅ^-（１）
空気極：１／２Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ（２）
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。なお、本明細書において、燃料ガスおよび酸化剤ガスを合わせて「反応ガス」と呼ぶ。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。

図４は、従来の燃料電池用セパレータ１００の構造を示す断面図である。図５は、図４のＹ−Ｙ’線上の断面図である。図６は、図４のＹ−Ｙ’線上の反応ガス流路の断面積を示すグラフである。従来の燃料電池用セパレータ１００では、反応ガス供給用のマニホールド１０２から導入された反応ガスは、接続路１０３を経由して、互いに平行に形成された複数の反応部流路１０４に分配され、電気化学反応に用いられた後、接続路１０５を経由して、反応ガス排出用のマニホールド１０６に排出される。従来の燃料電池用セパレータ１００では、反応部流路１０４を隔てる隔壁の分だけ、反応部流路１０４の入り口部分で反応ガスが流通する流路の断面積が減少している（図６参照）。
特開２００４−３２７４２５号公報

固体高分子形燃料電池において電解質として用いられる固体高分子膜は、湿潤状態でイオン導電性を発現するため、反応ガスを相対湿度１００％近い湿度、または１００％以上となるように加湿して供給することが望ましい。

しかし、相対湿度１００％に近い湿度となるように反応ガスを加湿して供給しようとすると、反応ガスがセパレータに設けられた流路の上流側で結露する可能性が高くなる。具体的には、図４のような従来の燃料電池セパレータでは、反応部流路１０４の入り口部分で反応ガスが流通する流路の断面積が急減するため、反応ガスが圧縮された結果、反応部流路１０４の入り口部分に結露水が生じやすかった。この状態で結露水が上述した電気化学反応が起きる部分の流路に供給されると反応ガスの流れが阻害され、燃料電池の動作が不安定化することがあった。

そのため、従来技術では、内部マニホールド内で結露水を落とす工夫がなされていたが、結露水の排出口が必要になるため複雑になる問題があった。

本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、反応ガス流路内における結露水の発生を抑制することにより、燃料電池の動作の安定化に寄与する燃料電池用セパレータの提供にある。

本発明のある態様は、燃料電池用セパレータである。この燃料電池用セパレータは、反応ガスが供給されるマニホールドと、前記マニホールドと連通する反応ガス導入路と、一方の開口において前記反応ガス導入路の出口と接続し、前記反応ガス導入路との接続部分を前記反応ガス導入路との境界面に沿って切断したときの切断面を基点として前記切断面と平行な断面の断面積が他方の開口に近づくにつれて徐々に増加する導入路拡張部と、前記導入路拡張部の他方の開口と接続し、前記導入路拡張部を通過した反応ガスが分配される複数の反応部流路と、を備え、前記導入路拡張部と前記複数の反応部流路との接続部分を切断面とした際に、前記複数の反応部流路の総断面積が前記導入路拡張部の断面積以上であり、且つ前記導入路拡張部と前記複数の反応部流路との接続部分を基点として、各反応部流路の幅が徐々に狭くなり、各反応部流路の深さが各反応部流路の幅の減少量に応じて増加していることを特徴とする。

これによれば、導入路拡張部と複数の反応部流路との接続部分において、各反応流路に分配される反応ガスが凝縮し、反応ガスに含まれる水分が液体化することが抑制される。この結果、各反応部流路への反応ガスの分配が阻害されることなく、速やかに進行するため、各反応流路に適度な反応ガスが流通し、燃料電池の動作が安定化する。

また、反応部流路の幅の減少量を反応部流路の深さで補うことにより、導入路拡張部と複数の反応部流路との接続部分において、複数の反応部流路の総断面積を導入路拡張部の断面積以上とすることができる。

これによれば、導入路拡張部内で広がった反応ガスの流量が、当該反応ガスが流れ込む反応部流路の許容範囲となるため、導入路拡張部と複数の反応部流路との接続部分において凝縮水が発生することが抑制される。

本発明の燃料電池用セパレータによれば、反応ガス流路における結露が抑制される。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。

図１は、実施形態に係る燃料電池用セパレータ１０の構造を示す平面図である。図２は、図１のＸ−Ｘ’線上の断面図である。図３は、図１のＸ−Ｘ’線上の反応ガス流路の断面積を示すグラフである。

燃料電池用セパレータ１０には、ガス供給用マニホールド２０、反応ガス導入路３０、導入路拡張部３２、反応部流路３４、反応ガス排出路３６、ガス排出用マニホールド２２が設けられている。ガス供給用マニホールド２０に供給された反応ガスは、反応ガス導入路３０、導入路拡張部３２、反応部流路３４、反応ガス排出路３６の順に通過した後、ガス排出用マニホールド２２に排出される。

また、燃料電池用セパレータ１０には、燃料電池用セパレータ１０の流路に流れる反応ガスと対になる反応ガス供給用のマニホールドとして使用される貫通穴２４、および上記対になる反応ガス排出用のマニホールドとして使用される貫通穴２５が形成されている。ここで、燃料電池用セパレータ１０の流路に流れる反応ガスと対になる反応ガスは、燃料電池用セパレータ１０の流路に流れる反応ガスが水素を含む燃料ガスの場合には酸素を含む空気などの酸化剤ガスであり、逆に、燃料電池用セパレータ１０の流路に流れる反応ガスが酸素を含む空気などの酸化剤ガスの場合には水素を含む燃料ガスである。さらに、燃料電池用セパレータ１０には、冷却水供給用のマニホールドとして使用される貫通穴２６、および冷却水排出用のマニホールドとして使用される貫通穴２７が形成されている。

反応ガス導入路３０の入口は、ガス供給用マニホールド２０と連通している。反応ガス導入路３０にはガス供給用マニホールド２０に供給された反応ガスが導入される。

導入路拡張部３２は、反応ガス導入路の出口と接続している。導入路拡張部３２は、反応ガス導入路３０との接続部分３３を基点として断面積が徐々に増加している（図３参照）。具体的には、上流側から下流側へ向かって導入路拡張部３２の深さが一定であるのに対して、上流側から下流側へ向かって導入路拡張部３２の幅が徐々に広げられている。導入路拡張部３２により、反応ガス導入路３０を通過した反応ガスが拡散する。

複数の反応部流路３４は、導入路拡張部３２に接続され、燃料電池用セパレータ１０の
一方の面に互いに平行な溝状に形成されている。導入路拡張部３２を通過した反応ガスは、複数の反応部流路３４に分配される。本実施形態では、導入路拡張部３２と反応部流路３４との接続部分において、個々の反応部流路３４の断面積が合計が導入路拡張部３２の断面積と同等になっている。具体的には、導入路拡張部３２と複数の反応部流路３４との接続部分を基点として、各反応部流路３４の幅が徐々に狭くなるにつれて、各反応部流路３４を形成する溝３５の深さが深くなることにより、各反応部流路３４の深さが幅の減少量に応じて増加している（図２参照）。このように、反応部流路３４の幅の減少量を反応部流路３４の深さで補うことにより、導入路拡張部３２と複数の反応部流路３４との接続部分において、複数の反応部流路３４の総断面積を導入路拡張部３２の断面積と同等としている。なお、反応部流路３４の深さをより大きくすることにより、導入路拡張部３２と反応部流路３４との接続部分において、個々の反応部流路３４の断面積が合計が導入路拡張部３２の断面積以上にしてもよい。

これによれば、導入路拡張部３２と複数の反応部流路３４との接続部分において、各反応流路に分配される反応ガスが凝縮し、反応ガスに含まれる水分が結露することが抑制される。この結果、各反応部流路への反応ガスの分配が阻害されることなく、速やかに進行するため、各反応流路に適度な反応ガスが流通し、燃料電池の動作が安定化する。

さらに、本実施形態の燃料電池用セパレータ１０は、複数の反応部流路が互いに平行に配されて反応部流路群を構成しており、反応部流路３４における反応ガスの流れ方向に沿って、隣り合う反応部流路３４間の何れかの位置で導入路拡張部３２を切断した際の断面積が、反応部流路３４の反応ガスの流れ方向に沿った反応部流路群の中心線Ｘ−Ｘ’を中心として当該切断位置より反応部流路群内で外側に位置する反応部流路３４の総断面積以下になっている。具体的には、図１のＡ−Ａ’線上の導入路拡張部３２断面積がＡ−Ａ’線より外側の４本の反応部流路３４の断面積の合計以下になっている。同様に、図１のＢ−Ｂ’線上の断面積がＢ−Ｂ’線より外側の１本の反応部流路３４の断面積の合計以下になっている。

図１に示すように、反応ガス導入路３０から導入路拡張部３２に流れ込んだ反応ガスの一部は、外側に向かって矢印Ｓの方向に広がる。このため、導入路拡張部３２内の反応ガスの流れに直交する方向は、実質的に、たとえば図１のＡ−Ａ’方向になる。図１のＡ−Ａ’線より外側に広がった反応ガスは、図１のＡ−Ａ’線より外側の反応部流路３４に分配される。これにより、導入路拡張部３２内で広がった反応ガスの流量が、当該反応ガスが流れ込む反応部流路３４の許容範囲となるため、導入路拡張部３２と複数の反応部流路と３４の接続部分において凝縮水が発生することが抑制される。

本発明は、上述の各実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。

実施形態に係る燃料電池用セパレータの構造を示す平面図である。図１のＸ−Ｘ’線上の断面図である。図１のＸ−Ｘ’線上の反応ガス流路の断面積を示すグラフである。従来の燃料電池用セパレータの構造を示す平面図である。図４のＹ−Ｙ’線上の断面図である。図４のＹ−Ｙ’線上の反応ガス流路の断面積を示すグラフである。

符号の説明

１０燃料電池用セパレータ、２０ガス供給用マニホールド、２２ガス排出用マニホールド、３０反応ガス導入路、３２導入路拡張部、３４反応部流路、３６反応ガス排出路。

Claims

反応ガスが供給されるマニホールドと、
前記マニホールドと連通する反応ガス導入路と、
一方の開口において前記反応ガス導入路の出口と接続し、前記反応ガス導入路との接続部分を前記反応ガス導入路との境界面に沿って切断したときの切断面を基点として前記切断面と平行な断面の断面積が他方の開口に近づくにつれて徐々に増加する導入路拡張部と、
前記導入路拡張部の他方の開口と接続し、前記導入路拡張部を通過した反応ガスが分配される複数の反応部流路と、
を備え、
前記導入路拡張部と前記複数の反応部流路との接続部分を切断面とした際に、前記複数の反応部流路の総断面積が前記導入路拡張部の断面積以上であり、且つ
前記導入路拡張部と前記複数の反応部流路との接続部分を基点として、各反応部流路の幅が徐々に狭くなり、各反応部流路の深さが各反応部流路の幅の減少量に応じて増加していることを特徴とする燃料電池用セパレータ。