(57)【特許請求の範囲】
【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、
マスクプレート部分の前記コルゲート材は、その流路が反応部の流れ方向に直行する方向に配列され、
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おり、
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。
【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】
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、マスクプレート部分の前記コルゲート材は、その流路が反応部の流れ方向に直行する方向に配列され、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おり、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。
【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１１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３〜６ｍｍ、高さＨは１〜２ｍｍ、板厚Ｔは０．２〜０．３ｍｍ、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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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