JPH08255617A - 燃料電池用セパレータ - Google Patents

燃料電池用セパレータ

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JPH08255617A
JPH08255617A JP7060686A JP6068695A JPH08255617A JP H08255617 A JPH08255617 A JP H08255617A JP 7060686 A JP7060686 A JP 7060686A JP 6068695 A JP6068695 A JP 6068695A JP H08255617 A JPH08255617 A JP H08255617A
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plate
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gas
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Nobutoshi Murata
宣寿 村田
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 カソードガスの圧損を少なくして平面内の流
配性能を改善する。 【構成】 カソード電極19部ではセンタープレート1
4と集電板17間でカソード流路23を構成し、カソー
ドマスクプレート21部では集電板17を切り欠いてセ
ンタープレート14とカソードマスクプレート21間で
カソード流路23を構成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は燃料の有する化学エネル
ギーを電気エネルギーに直接変換する燃料電池用のセパ
レータに関し、更に詳しくは、溶融炭酸塩型燃料電池用
の平行流内部マニホールド型セパレータに関するもので
ある。
【0002】
【従来の技術】従来の溶融炭酸塩型燃料電池は図5に示
すように、薄い平板状の電解質板(タイル)1を燃料極
(アノード)2と空気極(カソード)3の平板状の電極
で挟んだ単セル4では電圧が低い(0.8V程度)た
め、実用上は導電性のバイポーラプレート(セパレー
タ)5を介し多数段に積層した電池として用いる。この
各積層電池をスタックと呼ぶ。
【0003】スタック内の各セルの両面への燃料ガス
(アノードガス)6と酸化ガス(カソードガス)7の供
給方式には、図6に示すように、直交流(A)と平行流
(並流(B)と向流(C))があるが、燃料電池のプロ
セスガス(アノードガス、カソードガス)による冷却、
およびセパレータに生じる熱応力の点から平行流、特に
並流(B)が有利であると考えられている。
【0004】更に、スタック内の各セルにプロセスガス
を供給する手段として、図7に示すように、スタックの
側面から直接プロセスガスを供給する外部マニホールド
方式(A)と、セパレータ自体に垂直な貫通マニホール
ド8を備え、このマニホールドを介して各セルにプロセ
スガスを供給する内部マニホールド方式(B)とがある
が、スタックの高さ変化やスタック側面の凹凸の影響を
受けない点で、内部マニホールド方式が優れていると考
えられている。
【0005】本発明はかかる平行流内部マニホールド型
セパレータに関するものである。上述したように燃料電
池用セパレータは、アノードガスとカソードガスを仕切
る仕切板、各セルを接続する集電板、各セルにアノード
ガスとカソードガスをそれぞれ供給するマニホールド、
等の複数の機能をになっている。かかるセパレータは当
初は、機械加工により製作されていたが、燃料電池の大
型化、量産化に伴い、塑性加工を主とした手段により製
作されるようになった。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】平行流内部マニホール
ド型セパレータ(以下、単にセパレータと呼ぶ)は、上
述したように種々の長所を有するが、セパレータの同一
側面にアノード用マニホールドとカソード用マニホール
ドが隣接して配置されるため、一方のマニホールドがあ
る部分には他方のガスの供給が困難になり、結果として
各セルの反応面にプロセスガスを均一に供給することが
難しい問題があった。例えば、カソード側の反応面にお
いて、カソード用マニホールドに近い部分は流量が多く
なり、カソード用マニホールドから遠い部分(アノード
用マニホールドに近い部分)は流量が少なくなると言う
問題があった。かかる流量の不均一は、特に燃料電池の
燃料利用率が高い場合(例えば、80%以上)に反応面
の一部に燃料が枯渇する部分が生じ、この部分からセル
を損傷させることがある。従って、従来から反応面にお
けるガスの流量はできる限り均一にすることが要望され
ていた。
【0007】この要望を満たすために、カソードおよび
アノードマニホールドに近い流路のコルゲート材の長さ
方向(内部を流れるガスの流れ方向と同じ方向)を電池
反応部の流路の横方向に配置しプロセスガスを横方向に
広げ、各部分を流れるガスの流量を均一化するようにし
たセパレータが本願の出願人から提案された(特願平6
−44980号)。しかし、スタックの大型化、高積層
化に伴い、カソードガスによるスタック内温度分布の均
一化が重要となり、それを達成するためカソードガスの
流量が増大している。カソードカス流量の均一化を計る
ために、横方向配置のコルゲート配置を検討したが、カ
ソードガス流量増大による圧力損失過大により、カソー
ドコルゲートの横配置は行えない。
【0008】本発明は、かかる問題を解決するために創
案されたものである。すなわち本発明は、カソードガス
の圧力損失を少なくし平面内の流配性能を改善するセパ
レータを提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、アノー
ドガス用開口とカソードガス用開口とを有する平板状の
センタープレートと、連続してコの字状に折り曲げられ
た細長い流路を有し、かつ該流路が一定長さごとにオフ
セットしているコルゲート材であって、前記センタープ
レートの上下面に密着して取付けられた可撓性のコルゲ
ート材と、前記コルゲート材のセンタープレートと反対
面に設けられた集電板と、前記集電板のコルゲート材と
反対面に密着して取付けられ、周辺部にアノードガス用
開口及びカソードガス用開口をセンタープレートのそれ
ぞれの開口と同一位置に有し、中央部に電極用開口を有
する平板状のアノードマスクプレート及びカソードマス
クプレートと、を備えた燃料電池用セパレータにおい
て、前記センタープレートとカソードマスクプレート間
のカソードガス流路の高さを、前記センタープレートと
前記電極用開口に設けられたカソード電極の集電板との
間のカソードガス流路の高さより高くしたものである。
【0010】上記具体的構成として、前記カソードマス
クプレートとセンタープレート間では前記集電板が切り
欠かかれ、前記コルゲート材が直接カソードマスクプレ
ートに取付けられたものである。
【0011】
【作用】センタープレートとカソードマスクプレート間
のカソードガス流路の高さを、センタープレートとカソ
ードマスクプレートの電極用開口に設けられたカソード
電極の集電板との間に形成されるカソードガス流路の高
さより高くしているので、カソードマスクプレート部の
カソードガスの流速を電極部より遅くすることができ、
圧力損失を少なくし、流配性能が改善され、スタックの
高性能化を実現できる。流路の高さを高くすることはカ
ソードマスクプレート部の集電板を切欠くことにより実
現されるが、カソードマスクプレート部では電池反応は
行われないので、集電機能に支障は生じない。
【0012】
【実施例】以下に本発明の実施例を図面を参照して説明
する。図1は、本発明によるセパレータの平面図の一部
であり、図2は図1のX−X断面で、カソードガス用マ
ニホールド部を示す部分断面図、図3は図1のY−Y断
面で、アノードガス用のマニホールド部を示す部分断面
図である。なお、これらの図においては、上面がアノー
ド側であり、下面がカソード側であるが、本発明はこれ
に限られるものではなく、上面がカソード側で下面がア
ノード側であっても良い。
【0013】図1において、本発明によるセパレータ1
1は、平行流内部マニホールド型セレータであり、セパ
レータの両面中央部分にカソード3(及びアノード2)
を嵌め込む電極用開口12があり、図で上下部分にはセ
パレータを貫通するカソードマニホールド9とアノード
マニホールド10が設けられている。この図において下
側のマニホールドが入口側であり、上側のマニホールド
が出口側である。マニホールドから供給されたプロセス
ガス(アノードガスとカソードガス)は矢印で示すよう
に図で下側から上側に向かって流れるようになってい
る。またaで示す平行線はコルゲート材の長さ方向を示
す。
【0014】電極用開口12は開口中央部12aと開口
周囲部12bよりなり、開口中央部12aは矢印で示す
方向(縦方向と称する)にコルゲート材の長さ方向を配
置し、開口周囲部12bでは、一部を除き、矢印で示す
方向と直交する方向(横方向と称する)にコルゲート材
の長さ方向を配置している。またカソードマニホールド
9とアノードマニホールド10の周囲にも長さ方向を横
方向の向きにしてコルゲート材が設けられている。横方
向に長さ方向を向けたコルゲート材はプロセスガスを広
げて均一な流れとし、縦方向に長さ方向を向けたコルゲ
ート材は流れを整流する。
【0015】図2、図3で示すように、本発明によるセ
パレータ11は、カソードガス用開口9aとアノードガ
ス用開口10aを有する平板状のセンタープレート14
により上下に隔離され、上部はアノードガス流路22、
下部はカソードガス流路23を構成する。センタープレ
ート14の上下面に可撓性のコルゲート材15、16が
密着して取付けられており、アノード流路22側のコル
ゲート材15の上側にはカソードガス用開口9a,アノ
ードガス用開口10aを除いて集電板17が設けられて
いる。集電板17は多数の少穴を有し、発生した電気を
集電するとともにアノード電極18を支持する。カソー
ド流路23側のコルゲート材16のうち電極用開口12
に設けられたものの下側には集電板17が設けられてい
るが、後述するカソードマスクプレート21側には設け
られていない。下側の集電板17はカソード電極19を
支持する。
【0016】セパレータ11外面はアノードマスクプレ
ート20とカソードマスクプレート21よりなり、電極
用開口12とカソードガス用開口9a、アノードガス用
開口10aが設けられ、電極用開口12にはアノード電
極18とカソード電極19が設けられている。アノード
マスクプレート20とカソードマスクプレート21は周
囲でセンタープレート14を挟んで結合されている。
【0017】カソードマスクプレート21とコルゲート
材16の間には集電板17は配置されておらず、センタ
ープレート14とカソードマスクプレート21間の高さ
は、カソード電極19が設けられている範囲のセンター
プレート14と集電板17間の高さよりも、集電板17
の厚みだけ高くなっている。これにより集電板17の厚
みを変えることにより高さ調整が可能であり、平面内流
配性能をコントロールができる。このように、カソード
マスクプレート21部のカソードガス流路22の断面積
を大きくすることにより、この領域のカソードガスの圧
損を少なくすることができる。カソードマスクプレート
21部ではコルゲート材16がその長さ方向を横方向に
して配置されており、圧損が大きい領域なので、この領
域の断面積を大きくすることにより圧損は大幅に減少す
る。なお、アノードマスクプレート20部とカソードマ
スクプレート21部ではコルゲート材15、16をカソ
ードガス用開口9a、アノードガス用開口10aの周囲
にのみ配置することにより、圧損を減少させている。
【0018】図4はコルゲート材15、16の寸法とオ
フセットの一例を示す図である。ピッチPは3〜6m
m、高さHは1〜2mm、板厚Tは0.2〜0.3m
m、長さLは数十mm程度のものが用いられている。長
さ方向には2個または複数個ごとに間隔を設けて配置
し、長さと直交方向に流れるようにしている。
【0019】上述の実施例では、集電板17をカソード
マスクプレート21の位置に設けなで、この領域の断面
積を大きくしたが、センタープレート14の位置をアノ
ードマスクプレート20側へずらしてもよい。なお、本
発明はコルゲートによる流路をセンタープレートをコル
ゲートの形状にプレスして形成するプレスセパレータに
も適用できる。
【0020】
【発明の効果】以上の説明より明らかなように、本発明
は、カソードマスクプレート部のカソードガス流路の高
さをカソード電極部のカソードガス流路の高さより高く
して流路断面積を大きくすることにより、圧損を減少さ
せ、スタック全体のカソードガスの流配性能を向上させ
る。この向上によりスタック内温度分布の均一化が図
れ、スタックの高性能化、運転の安定化を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるセパレータの平面図である。
【図2】図1のX−X断面図でカソードマニホールド部
を示す。
【図3】図1のY−Y断面図でアノードマニホールド部
を示す。
【図4】コルゲート材の形状とオフセットを示す図であ
る。
【図5】溶融炭酸塩型燃料電池の模式的構成図である。
【図6】アノードガスとカソードガスの供給方式を示す
図である。
【図7】各セルにプロセスガスを供給する手段を示す図
である。
【符号の説明】
1 電解質板(タイル) 2 燃料極(アノード) 3 空気極(カソード) 4 単セル 5 バイポーラプレート(セパレータ) 6 燃料ガス(アノードガス) 7 酸化ガス(カソードガス) 8 マニホールド 9 カソードマニホールド 9aカソードガス用開口 10 アノードマニホールド 10aアノードガス用開口 11 セパレータ 12 電極用開口 12a開口中央部 12b開口周囲部 14 センタープレート 15、16 コルゲート材 17 集電板 18 アノード電極 19 カソード電極 20 アノードマスクプレート 21 カソードマスクプレート 22 アノード流路 23 カソード流路

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 アノードガス用開口とカソードガス用開
    口とを有する平板状のセンタープレートと、 連続してコの字状に折り曲げられた細長い流路を有し、
    かつ該流路が一定長さごとにオフセットしているコルゲ
    ート材であって、前記センタープレートの上下面に密着
    して取付けられた可撓性のコルゲート材と、 前記コルゲート材のセンタープレートと反対面に設けら
    れた集電板と、 前記集電板のコルゲート材と反対面に密着して取付けら
    れ、周辺部にアノードガス用開口及びカソードガス用開
    口をセンタープレートのそれぞれの開口と同一位置に有
    し、中央部に電極用開口を有する平板状のアノードマス
    クプレート及びカソードマスクプレートと、を備えた燃
    料電池用セパレータにおいて、 前記センタープレートとカソードマスクプレート間のカ
    ソードガス流路の高さを、前記センタープレートと前記
    電極用開口に設けられたカソード電極の集電板との間の
    カソードガス流路の高さより高くしたことを特徴とする
    燃料電池用セパレータ。
  2. 【請求項2】 前記カソードマスクプレートとセンター
    プレート間では前記集電板が切り欠かかれ、前記コルゲ
    ート材が直接カソードマスクプレートに取付けられてい
    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。
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