(57)【要約】      （修正有）【課題】単セル内のガス流量の不均一化を防止する。【解決手段】ガス流動方向が反転する２以上の並行流路群と、流路反転部（長さＬ，幅Ｈ）とを備えた燃料電池用セパレータのガス合流点上流側（下流側）の並行溝数をＮ（Ｍ）本、溝部幅をＷ１〜ＷN（Ｗ’１〜Ｗ’M）、山部幅をｗ１〜ｗN（ｗ’１〜ｗ’M−１）とし、Ｌ，Ｈが次式を満たす。2006216442.tif 000009【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部にガスが流れる溝部と電極に接する山部とから構成された、燃料または酸化剤のガスを流すための複数のガス流路を有する燃料電池用セパレータであって、該ガス流路は、ガス流動方向が交互に反転する２以上の並行流路群と、隣接する二つの並行流路群の各流路に接続している流路反転部とを備え、該流路反転部においてガス流が合流する上流側の並行流路群の溝数をＮ本、その溝部の幅をＷ１〜ＷN、その山部の幅をｗ１〜ｗNとし、該流路反転部からガス流が分岐する下流側の並行流路群の溝数をＭ本、その溝部の幅をＷ'１〜Ｗ'M、その山部の幅をｗ'１〜ｗ'M−１として、該流路反転部の長さＬおよび幅Ｈが次式を満たすことを特徴とする、燃料電池用セパレータ。
【数１】
2006216442.tif 000006
【請求項２】
流路反転部の幅Ｈが次式を満たす、請求項１に記載の燃料電池用セパレータ。
【数２】
2006216442.tif 000007
式中、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄはそれぞれ定数である。
【請求項３】
Ａ＝1.7、Ｂ＝0.0194、Ｃ＝7.621×10−4、Ｄ＝−5.321×10−7 である、請求項２に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項４】
上流側の並行流路群に接続する部分の流路反転部である上流側流路反転部の幅ＨＡと下流側の並行流路群に接続する部分の流路反転部である下流側流路反転部の幅ＨＢとが次式を満たす、請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池用セパレータ。
【数３】
2006216442.tif 000008
【請求項５】
下流側流路反転部に１または２以上の突起を有する、請求項４記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項６】
突起が千鳥配置された複数列をなしている、請求項５に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項７】
突起が、円柱、円錐、円錐台、多角柱、多角錐、多角錐台、球の一部、よりなる群から選ばれた形状を有する、請求項５または６に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項８】
流路反転部の少なくとも１つのコーナー部分が曲面および／または平面により面取りされている請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータ。 
【請求項９】
材質が金属またはカーボンである請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用(ガス)セパレータに関する。より詳しくは、本発明は、固体高分子型燃料電池などの燃料電池のセパレータにおいて、燃料ガスや酸化剤ガスが流れる流路構成に改良を加えたものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池とは、水素を供給するアノード極側で発生するＨ２→２Ｈ＋＋２ｅ−と、酸素を供給するカソード極側で発生する (1/2)Ｏ2＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ という電気化学反応を利用して電力を取り出す装置である。燃料電池の電解質として固体高分子を用いた固体高分子型燃料電池は、低温で作動し、簡単なシステムで高出力密度が実現できるため、注目されている。
【０００３】
燃料電池の基本構造である単セルに関して、図１を参照しながら説明する。単セルは、パーフルオロカーボンスルホン酸膜等の陽イオン伝導性のある高分子電解質膜１の両面を白金等の触媒を担持したカーボン繊維膜２で挟むことにより構成されるＭＥＡ(Membrane Electrode Assembly) を中心とする。このＭＥＡを両側から挟み込むように多孔質体の電極３ (カソード極とアノード極) が配置されている。これらの電極は、電気化学反応により発生した電子を集める役割だけではなく、触媒層まで燃料ガス又は酸化剤ガスを拡散させる役割も持つ。従って、電極は拡散層とも呼ばれ、カーボンペーパーやカーボンクロスが用いられている。この電極の外側には、隣接するセルとのガスの流通を防ぐために、セパレータ４がそれぞれ両側に配される。
【０００４】
一般に、セパレータは金属又はカーボン材から構成され、セパレータの電極と接する側の表面には、燃料又は酸化剤ガスを流通させるための流路５が溝状に形成されている。このセパレータ４上に形成された流路５には、図２(A)に示すような、独立した多数の直線流路からなり、全ての流路でガスが同じ方向に流れるストレート流路方式と、図２(B)に示すような、一本の流路を蛇行させ、ガス流れが交互に180°反転するのを繰り返す、サーペンタイン流路方式とがある。
【０００５】
ストレート流路方式は、ガス流量が多くなる高電流密度での運転時でも流路内での圧力損失はサーペンタイン流路方式に比べて小さいので、アノード側流路とカソード側流路との圧力差を小さく抑えることが可能であり、単セルの保護、電池効率の面で有利である。しかし、低電流密度での運転では、流路毎の流量が低下するため、電気化学反応に伴って発生する水を確実に除去することが困難となる。
【０００６】
一方、サーペンタイン流路方式では、ガス流量が少なくなる低電流密度での運転時でも、流路毎の流量が維持できるため、生成水を確実に除去することが可能であり、また、内部流速が速くなるため、内部の拡散が促進され、優れた電池特性が実現できる。しかし、高電流密度の運転時には、流量が増大するため圧力損失が大きくなり、アノード側流路とカソード側流路の圧力差を大きくなって、ＭＥＡの保護の面、ガス供給の面から問題を抱えることとなる。
【０００７】
このように、ストレート方式とサーペンタイン方式のいずれか単一の流路方式では、広い電池運転範囲において優れた電池特性を実現するのは困難である。そのため、上記両方式の長所を取り込むべく、図２(C)に示すような、複数の直線流路が分岐・合流を繰り返す、ストレート方式とサーペンタイン方式をミックスした流路方式（以下、ミックス流路方式とも呼ぶ）が提案されてきた。このミックス流路方式では、セパレータの一端に導入されたガスは、複数の流路に分岐してセパレータの他端に流れ (この点ではストレート方式と同じ)、そこで合流した後、サーペンタイン方式と同様に180°反転し、また複数の流れに分岐して流れるのを繰り返す。１つの流れから分岐して同じ方向にセパレータを横断して流れ、セパレータの他端で合流する複数の流路からなる群を、本発明では並行流路群と呼ぶ。従って、ミックス流路方式は、並行流路群の単位で流れが反転して蛇行を繰り返す方式であると言える。
【０００８】
しかし、このミックス流路方式では、流路が分岐および／または合流する位置 (図２(C)にａで示す部分) において流量のバラツキが発生する可能性が高く、電池性能に影響を及ぼすおそれがある。その対策として、例えば、特開2003−77497号公報には流路が合流・分岐する部分に稠密な突起を設けた形状が、特開2000−100458号公報には直線流路を繋ぐ端部の空間をスタック方向全体に貫通させて大きな溜まり部分を設けた形式が、それぞれ提案されている。しかし、前者においては多数の突起を必要とし、この部分での圧力損失が大きくなる上、生成水の排水性の低下を招く。後者においては、マニホールド (溜り部分) に挟まれた直線流路 (並行流路群を構成する流路) の一カ所が生成水により閉塞した場合、ガスが容易に他の流路へバイパスされてしまい、閉塞した直線流路での圧力上昇が小さく、閉塞した流路の再生が極めて困難となるという欠点があった。
【０００９】
【特許文献１】特開2003−77497号公報
【特許文献２】特開2000−100458号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、燃料電池用セパレータの上述した問題点を解決し、単セル内を通過するガスの流量が不均一となって電池性能が低下するのを防止できるセパレータを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明によれば、ミックス流路方式の燃料電池用セパレータにおいて、並行流路群からの複数の流路が合流し、流れが反転し、複数の流路に分岐する部分の流路 (本発明では流路反転部と称する) の長さおよび幅を、並行流路群を構成する流路の溝部と山部の幅、下流側並行流路群の本数、および流路を流れるガスのレイノルズ数を変数とする関数によって決めることにより、上記課題を解決することができる。
【００１２】
本発明は、内部にガスが流れる溝部と電極に接する山部とから構成された、燃料または酸化剤のガスを流すための複数のガス流路を有する燃料電池用セパレータに関し、該ガス流路は、ガス流動方向が交互に反転する２以上の並行流路群と、隣接する二つの並行流路群の各流路に接続している流路反転部とを備えている。本発明の燃料電池用セパレータは、該流路反転部においてガス流が合流する上流側の並行流路群の溝数をＮ本、その溝部の幅をＷ１〜ＷN、その山部の幅をｗ１〜ｗNとし、該流路反転部からガス流が分岐する下流側の並行流路群の溝数をＭ本、その溝部の幅をＷ'１〜Ｗ'M、その山部の幅をｗ'１〜ｗ'M−１として、該流路反転部の長さＬおよび幅Ｈが次式を満たすことを特徴とする。
【００１３】
【数４】
2006216442.tif 000002
【００１４】
ここで、Ｈ＞ max(Ｗmean, f(Ｍ,Re)×Ｗmean)とは、Ｈが、Ｗmeanと(Ｍ,Re)×Ｗmeanのいずれか大きい方より大であることを意味する。つまり、
ｆ(Ｍ,Re)＞1.0の場合にはＨ＞ｆ(Ｍ,Re)×Ｗmeanであり、
ｆ(Ｍ,Re)＜1.0の場合にはＨ＞Ｗmeanである。
【００１５】
流路反転部の幅Ｈが長さＬ方向において変動する(例えば、上流側と下流側とで異なる)場合には、Ｈの最大値が上の式を満たしていればよい。
流路反転部の幅Ｈは、好ましくは次式を満たす。
【００１６】
【数５】
2006216442.tif 000003
【００１７】
式中、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄはそれぞれ定数であり、好ましくはＡ＝1.7、Ｂ＝0.0194、Ｃ＝7.621×10−4、Ｄ＝−5.321×10−7 である。つまり、ｆ(Ｍ,Re)の値は、Ｍ(下流側の並行流路群の本数)に依存する。従って、Ｍが大きくなって、ｆ(Ｍ,Re)＞1.0になると、Ｈの下限はｆ(Ｍ,Re)×Ｗmeanとなり、Ｍが小さく、ｆ(Ｍ,Re)＜1.0となる場合には、Ｈの下限はＷmean (つまり、流路幅の平均値) となる。このように、Ｍの値に応じて、流路反転部の幅Ｈを設定するが、最低でも流路幅の平均値より大きくなるようにする。
【００１８】
上流側の並行流路群に接続する部分の流路反転部である上流側流路反転部の幅ＨＡと下流側の並行流路群に接続する部分の流路反転部である下流側流路反転部の幅ＨＢとが次式を満たすことが好ましい。
【００１９】
【数６】
2006216442.tif 000004
【００２０】
流量のバラツキをより均一にするために、流路反転部の下流側 (即ち、下流側の並行流路群に分岐する前の流れの部分、本発明では下流側流路反転部という) に１または２以上の突起を設けてもよい。また、流路反転部の少なくとも１つのコーナー部分を、曲面および／または平面により面取りしてもよい。
【００２１】
本発明のセパレータの材質は、従来と同様、金属またはカーボンとすることができる。
本発明において、各並行流路群は、ガス流動方向が同一で、分岐および合流地点が共通する２以上の直線流路から構成されるが、一部の並行流路群については、１つの直線流路から構成することも可能である。
【００２２】
また、流路反転部が２以上ある場合、少なくとも１つの流路反転部が本発明に従っていればよい。もちろん、全ての流路反転部が本発明に従う方が好ましい。
本発明のセパレータは、特に固体高分子型燃料電池のセパレータに適している。但し、他の種類の燃料電池用のセパレータに適用することも本発明の範囲内である。
【発明の効果】
【００２３】
ミックス流路方式の燃料電池用セパレータにおいて、複数の流路が合流して分岐する部分である流路反転部の幅Ｈを、本発明に従って広くすることにより、流路反転部における流量のバラツキを最小限に抑え、かつ並行流路群を構成するいずれかの直線流路の流量が不均一になり、それに伴って生成水が滞留しても、この部分の圧力上昇により水が押し出されて、流路閉塞が避けられる。従って、本発明の燃料電池用セパレータは、発電量の大きい条件下でも効率的にガスを触媒層へ供給でき、かつ時間経過による電池性能の劣化を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
次に、添付図面を参照しながら、本発明をより具体的に説明する。
本発明の燃料電池用セパレータは、ミックス流路方式である。従って、図２(C)に示すように、並行流路群を単位として反転を繰り返す流動方式であり、各流路反転部では、上流側の並行流路群から流れてきたガスが合流した後、流れの向きが反転して、下流側の並行流路群に分岐して流れていく。
【００２５】
図３は１つの流路反転部近傍の説明図である。溝部Ｗ1、Ｗ2・・・ＷNと拡散層 (電極) に接する山部ｗ1、ｗ2・・・ｗNとから構成される上流側の並行流路群６の各流路 (即ち、溝部)内を矢印のように流れてきたガス (気体) は、流路合流部７で合流して、セパレータ端部の流路反転部10を混ざり合いながら流れ、次いでやはり矢印で示すように、流路分岐部９を経て、溝部Ｗ'1、Ｗ'2・・・ＷMと拡散層に接する山部ｗ'1、ｗ'2・・・ｗM-1とから構成される下流側の並行流路群８の各流路に分岐して流れていく。
【００２６】
本発明においては、上流側の並行流路群６に接続する部分と下流側の並行流路群８に接続する部分とを含む流路反転部10全体の幅Ｈを、上記(数４)に示すように、流路を通るガスのレイノルズ数 (Re) と下流側並行流路群８の流路 (溝部) の本数 (Ｍ) および流路幅 (溝部の幅) の平均値 (Ｗmean) の関数として導出されるある最小値以上に拡大する。また、流路反転部の長さＬを、上記(数４)に示すように、溝部と山部の幅の総和以上の大きさにする。
【００２７】
それにより、この領域での過度の流速上昇を抑制し、流路合流部７における圧力降下を適性値に維持することが可能となる。その結果、上流側の並行流路群６から流路合流部７を経て流路反転部10に至った気体は、合流することによって発生した著しい偏流を伴ったまま流路分岐部９に到達するのではなく、複数の上流側並行流路群６からの気体が一度混合された状況となり、その後で複数の下流側の並行流路群８に分配されることになる。このため、複数の下流側並行流路群８に分配された気体は、その成分及び流量のいずれについても偏差の発生が抑制されることとなる。こうして、流路反転部での気体成分の混合が促進され、電池性能の向上をもたらす共に、分岐後の下流側並行流路群８での流速を均一に保ち、低流速流路の発生を防ぎ、低流量流路内での生成水の滞留及び流路の閉塞を防ぐことが可能となる。
【００２８】
ただし、流路反転部10の幅Ｈの拡大は、流動特性改善につながるものの、過度に拡大すると、セパレータの山部と拡散層 (電極) の接触面積の減少、生成水の滞留を招く過度の低流速領域の発生の原因となる。本発明では、流路内のレイノルズ数、下流側並行流路群８の流路本数及び平均流路幅の関数として、分岐後の流量均一化に要求される流路反転部10の幅Ｈの最小値を導出するが、流路反転部10の幅Ｈは、こうして導出される最小値の３倍以内とすることが好ましく、より好ましくは1.5倍以内である。
【００２９】
なお、流路反転部の幅Ｈは、その全長Ｌにわたって同一である必要性はない。流路反転部の幅Ｈが長さ方向に変動する場合、Ｈの値は最小値、即ち、幅が最小となる部分のＨの値である。但し、流路反転部のコーナーを面取りした場合の面取り部分の幅は、この最小値から除外する。
【００３０】
また、各並行流路群において直線流路を構成する溝部と山部は、図１に示すように、両者を区切る壁面が電極に対して垂直であってもよく、あるいはこの壁面が傾斜していてもよい。壁面が傾斜あるいは湾曲している場合、溝部や山部の幅Ｗ、Ｗ'、ｗ、ｗ'は、いずれも、幅の最小値と最大値の中間値(通常は、溝または山の半分の深さまたは高さで測定した幅の値に等しい)とする。
【００３１】
より具体的には、分岐後の流量均一化に要求される流路反転部10の最小幅Ｈを導出する流路内の気体のレイノルズ数、下流側の並行流路群８の流路本数Ｍ及び平均流路幅Ｗ’の関数を上記(数５)の通りとする。
【００３２】
この関数形を用いることにより、セパレータ内の流路反転部の位置と分岐後の流路本数および流路幅とによらず、分岐後の各流路の流動状況を適正化できる流路反転部10の最小幅Ｈを決めることが可能となる。
【００３３】
分岐後の流量均一化に要求される流路反転部10の最小幅Ｈを導出する、上記(数５)で規定する流路内のレイノルズ数、下流側の並行流路群の本数及び平均流路幅の関数中の定数を、Ａ＝1.7、Ｂ＝0.0194、Ｃ＝7.621×10−4、Ｄ＝−5.321×10−7とすることにより、下流側の並行流路群８の流量偏差を±20％以下に抑制することが可能となる。
【００３４】
図４に示すように、上流側の並行流路群６に接続する部分の流路反転部である上流側流路反転部10Ａの幅ＨＡと、下流側の並行流路群８に接続する部分の流路反転部である下流側流路反転部10Ｂの幅ＨＢを、ＨＡ＜ＨＢとすることが好ましい。それにより、流路反転部10の幅が上流側と下流側との境でステップ状に変化し、上流側の断面積の小さい流路合流部７で一度ガスの流れをまとめ、流路分岐部９へ至る前に断面積を拡大させることにより、合流部で発生した偏流の影響が、流路分岐部９に影響することが避けられる。また、流路反転部10の全幅にわたり長さを拡大する場合に比べて、流量均一化効果を維持したまま、セパレータ／拡散層 (電極) 間の接触面積の減少を抑制することが可能である。
【００３５】
このように、流路合流部７に続く上流側流路反転部10Ａの幅ＨＡより流路分岐部９に続く下流側流路反転部10Ｂの幅ＨＢが大きくなるように、流路反転部の幅を長さ方向に変化させた場合、下流側流路反転部10Ｂには、１または２以上の整流作用のある突起を設置してもよい。突起の設置場所は、図５(a)に矢印で示すガス流の主流11が通過する部分とすることが好ましい。突起は図５(b)に示すように１個の突起12でもよく、あるいは図５(c)に示すように、適当な間隔で２個以上並べた突起列13でもよい。
【００３６】
この突起の設置によって、偏流の影響が拡大するレイノルズ数の高い領域においても、分岐後の流路間の流量偏差の発生を抑制することが可能となる。更に、設置した突起の頂部を拡散層に接触させると、セパレータ／拡散層間の接触面積の増大が実現できると共に、流路に面した拡散層及びＭＥＡの保持に貢献することとなる。
【００３７】
突起の個数をさらに増やして、２列以上に設置する場合には、図５(d)に示すように、下流側流路反転部10Ｂ内に設けた突起列13を千鳥配置にすることが好ましい。このように突起列13を千鳥配置とすると、高レイノルズ数条件下での突起による整流効果を更に高めることが可能となる。
【００３８】
突起12または突起列13の各突起の形状は、円柱、円錐、円錐台、多角柱、多角錐、多角錐台、球の一部 (例、半球) から選んだ形状とすることができる。突起を成形する際、そのセパレータの材質及び加工方法から突起形状に種々の制約が加わるが、前記した形状の何れにおいても、同様の流量均一化の効果を得ることが可能である。突起は、セパレータの材質と同じであることが好ましいが、別材質であってもよい。
【００３９】
図６に示すように、流路反転部10の角になるコーナー部分の少なくとも一方、好ましくは両方を、セパレータの平面 (溝部の底面または山部の頂面の面)において、直線および／または曲線により面取りしてもよい。図６(a)は曲線 (円弧) により、図６(b)は直線により、それぞれ面取りした例を示す。面取りは、セパレータの厚み方向 (溝部の深さ方向または山部の高さ方向) においては垂直面でよい。但し、厚み方向の上端と下端は多少の丸みをつけることもできる。セパレータ端部 (即ち、流路反転部の端部) の厚み方向の上端と下端も同様に、多少の丸みをつけてもよい。
【００４０】
このように、流路反転部10のコーナー部分を面取りして、図６(c)に示す低流速領域14が発生すると予想される部分を流路から排除すると、流路のコーナー部分に発生する低流速領域は小さくなり、流路内で発生した水の滞留を抑制でき電池性能の低下を防ぐことができる。
【００４１】
本発明の燃料電池用セパレータの材質は、金属またはカーボン素材のいずれかであることが好ましい。適当な金属の例としては、ステンレス鋼、チタン、アルミニウムなどがある。カーボン素材は、導電性の面からグラファイト（黒鉛）が好ましい。材質が異なると、流路を形成するための加工方法は違ってくるが、適当な加工方法は、当業者であれば容易に決めることができる。例えば、カーボン素材の場合には、一般に切削により加工が行われる。金属の場合は、切削以外に、プレス成形も利用可能となる。加工方法がいずれであっても、本発明に係るセパレータによる電池性能改善効果を得ることができる。
【実施例】
【００４２】
固体高分子膜には、パーフルオロカーボンスルホン酸製の50μm厚さの膜 (Dupont社製、Nafion) を用い、拡散層には、300μm厚さのカーボンペーパーを用いて、固体高分子型燃料電池の単セルを作製した。本例で用いた単セルの電極面積は70 mm×100 mmとし、表１及び図７Ａおよび７Ｂに示す多様な流路構成を持つセパレータについて比較した。
【００４３】
評価に供したセパレータ中、例Ａ〜Ｅが本発明に基づく流路、例Ｆ〜Ｈは比較例の流路である。例ＦおよびＧは、流路反転部の幅Ｈが本発明で規定する要件を満たさない比較例であり、例Ｈは、流路反転部の幅Ｈは本発明で規定する要件を満たしているが、その長さＬが本発明で規定する要件を満たさない比較例である。流路構成を単純化するために、各並行流路群の流路 (溝部) の本数は全例において３本に統一したが、並行流路群ごとに流路の本数を変動させてもよいことは当然である。
【００４４】
セパレータの材質は、例Ａ〜Ｄ及びＦ、Ｈでは、グラファイト板に切削加工により流路を設けたものであり、例Ｅ、Ｇでは、ステンレス鋼板をプレス成形した後、接触抵抗低減のために金メッキを施したものであった。
【００４５】
例Ｅではセパレータの下流側流路反転部に突起を形成した。突起は、セパレータの溝を形成する際のプレス成形において、溝と同時に形成した半球形状のもので、サイズおよび配置は直径0.8 mmで2.5 mm間隔であった。いずれのセパレータにおいても、流路反転部のコーナー部の面取りは行わなかった。
【００４６】
以上の各セパレータの流路に、アノード極側燃料用ガスとしては99.9999％の水素ガスを用い、カソード側酸化剤ガスとしては空気を用い、流量は水素ガスは3.5×10-4 mol/s、空気は10.0×10-3 mol/sの一定値とした。アノード側とカソード側で、同じ流路構成のセパレータを用いた。
【００４７】
表１には、溝部と山部の幅の総和、直線流路で測定されたガスのレイノルズ数(Re)(空気で測定)、およびｆ(Ｍ,Re)×Ｗmean (表１にはｆ×Ｗmeanと表示)の値も示す。
評価中は電池本体の温度を78±2℃に保持すると共に、湿度制御はセル入口で行い、アノード側を飽和状態にまで加湿し、電池内部の圧力は１気圧とした。図８に電流密度を変化させた場合のセル電圧の変化を示す。この図からわかるように、本発明の流路を持つセパレータでは、流路分岐部での流量偏差が発生し難いため、燃料及び酸化剤の消費量が増大し、流量偏差の影響が大きく現れる高電流領域において性能の劣化が見られず、高い電池電圧を保っている。一方、比較例として示した流路では、電流密度の増大に伴う燃料及び酸化剤の消費量が増大により、流路分岐部での発生した流量偏差が局所的な電流密度偏差発生へとつながると予想され、これによる著しい性能劣化が現れている。
【００４８】
別の性能試験として、表１に示した各形状の流路を持つセパレータについて、電池性能の経時劣化の評価を実施した。評価に用いた単セルの構成は上記と同じであり、単セル状態において燃料及び酸化剤の消費率を調整することにより、初期の電池の発電状態を0.5 A/cm2、0.62 Vとし、電流を一定に維持したまま50時間経過後の電圧降下率、
電圧降下率＝１−50時間後のセル電圧／初期電圧
により評価した。
【００４９】
この評価の間も、電池本体の温度を78±２℃に保持すると共に、湿度制御はセル入口で行い、アノード側を飽和状態にまで加湿し、電池内部の圧力は１気圧とした。また、アノード極側燃料用ガスとしては99.9999％の水素ガスを用い、カソード側酸化剤ガスとしては空気を用いた。この結果も表１に併記する。
【００５０】
表１に示すように、発明例である例Ａ〜Ｅでは、電圧降下率は0.03以下で、時間経過による電池性能劣化は観察されなかった。一方、流路反転部の幅Ｈまたは長さＬの値が本発明の範囲外であるために比較例となった例Ｆ〜Ｈでは、生成水の滞留が原因であると思われる著しい性能の劣化が見られ、電圧降下率は0.1以上となった。
【００５１】
【表１】
2006216442.tif 000005
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】高分子電解質膜型燃料電池の単セルの構成を示す概略説明図である。
【図２】図２(A)〜(C)は、燃料電池 (セパレータ) 内の典型的なガス流路の構造を説明する図である。
【図３】本発明の燃料電池用セパレータの１態様の流路反転部付近の流路構成を示す流路説明図である。
【図４】本発明の燃料電池用セパレータの別の態様の上と同様の流路説明図である。
【図５】図５(a)〜(d)は、下流側の流路反転部に突起がない場合とある場合の上と同様の流路説明図である。
【図６】図６(a)〜(c)は流路反転部のコーナー部を面取りした態様を示す、上と同様の流路説明図である。
【図７】実施例で採用したセパレータの流路の構成を示す説明図である。
【図８】実施例における電池性能の比較を示す図である。
【符号の説明】
【００５３】
１．高分子電解質膜、２．触媒担持カーボン繊維膜、３．多孔質電極 (拡散層)、４．セパレータ、５．流路、６．上流側の並行流路群、７．流路合流部、８．下流側の並行流路群、９．流路分岐部、10．流路反転部、10Ａ．上流側の流路反転部、10Ｂ．下流側の流路反転部、11．流路反転部内での気体流れの主流部、12．突起、13．突起列、14．低流速部
【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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【図８】
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