(57)【要約】【課題】極薄の多孔質体は、高電流密度で使用するのに適しているが、それでも、さらに、高電流密度で使用するには、反応ガスの均一分配性を高め、かつ、電流密度に比例して増大する反応生成水を即時にスピード排除してフラディングを発生させないことが求められている。本発明は、多孔質体の利点を活かしつつ、反応ガスや水排出が容易な燃料電池用セパレータを提供することを目的とする。【解決手段】少なくとも金属多孔質体と前記金属多孔質体を支持する導電板とを備え、前記金属多孔質体の孔をガス流路とする燃料電池用セパレータにおいて、金属多孔質体に直線状貫通孔を設けたことを特徴とする。反応ガスの分配および反応生成水の排除を速やかに行うために直線流路として直線状貫通孔を形成し、かつ、反応ガスと水の流路を物理的に分離したことを特徴とする。【選択図】  図１
2011014242.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも金属多孔質体と前記金属多孔質体を支持する導電板とを備え、前記金属多孔質体の孔をガス流路とする燃料電池用セパレータにおいて、
前記金属多孔質体に直線状貫通孔を設けたことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池用セパレータにおいて、膜電極接合体と対向する面の垂直線に対して３０度以上の傾きを付けて前記直線状貫通孔を設けたことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料電池用セパレータにおいて、膜電極接合体と対向する面と平行に前記直線状貫通孔を設けたことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項４】
請求項１に記載の燃料電池用セパレータにおいて、膜電極接合体と対向する面の垂直線に対して３０度以上の傾きを付けた前記直線状貫通孔と、膜電極接合体と対向する面に平行に設けた前記直線状貫通孔とを連結させたことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項５】
請求項１に記載の燃料電池用セパレータにおいて、前記直線状貫通孔の径が１００〜６００μｍであることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項６】
請求項１に記載の燃料電池用セパレータにおいて、前記直線状貫通孔は径が１０〜５０μｍの貫通孔と、径が１００〜６００μｍの貫通孔を有する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】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、車載用や社会インフラ用として高出力密度化が求められている。このためには、セパレータの面全体にわたり、一様に発電することが必要となる。従来のチャンネル方式では、リブの部分は通電のみを、そしてチャンネル部は発電反応のみを担うというように役割分担しているため、一様化を行うには細分化が必要である。しかし、加工技術の観点からチャンネルの細分化には限界がある。
【０００３】
その対応として、チャンネル流路の代わりに内部の孔が連通している多孔質体をセパレータとして用い、多孔質体の孔を流路として用いることが検討されている（例えば、特許文献１）。このように多孔質体を用いると、通電部分と発電部分とを混合一様化することが可能となるため、２倍とは行かなくても、発電部分を大幅に増加させることが期待できる。すなわち、高出力密度化を図ることが期待できる。しかし、高出力密度化を実現するためには、高電流密度化が必要となる。膜電極接合体（以降、ＭＥＡという）で生成する反応生成水は電流密度に比例して増加する。この生成水を排除しないと反応ガスの通路を塞いで電気化学反応を阻害し性能劣化を招くので、多孔質内に排水性の高い流路を設ける必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−８４７０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
燃料電池では、下記反応によりアノードガス（以降、Ａｎガス）である水素と、カソードガス（以降、Ｃａガス）である空気中の酸素が消費されて、水と熱と電力が発生する。
【０００６】
２Ｈ2＋Ｏ2→２Ｈ2Ｏ＋（熱）＋（電力）
この反応は、従来流路に沿って上流から下流に流れる間に生じているので、流れに従い反応ガス流量が減り、Ｃａガス側であれば反応発生水蒸気が流入し、Ａｎガス側でも濃度拡散及び電気浸透に基づく水が流入し、水蒸気濃度は増大し飽和濃度を超えれば、それ以上は蒸気として存在できないので凝縮水が発生してガス欠または凝縮水によるフラディングを生じて、セル電圧の低下や寿命の低下を招くという課題がある。同時に、凝縮水発生により潜熱が解放され、温度分布に偏りが生じやすくなり、セルの最高温度の上昇を招きやすくなる。そのため、ＭＥＡを保護する観点からは燃料利用率を下げて低出力化しなければならなかった。
【０００７】
ところが、出力密度を極限まで上げて高出力密度化、すなわち、低コスト化を図るには、燃料利用率を１００％近くまで高めざるをえない。同時に、セパレータのマニホールドを含む額縁部分の面積を減らして体積削減による高出力密度化を図らなければならない。
【０００８】
これを成し遂げる一環として、反応ガス流路への連通多孔質体の採用が挙げられる。連通多孔質体を用いると、反応ガスがＭＥＡと接触する空間部、すなわち、発電部が広がり、同時に、多孔質体の枠を構成する金属部分が導電部となって、導電部が一様に分散するため、流路高さ方向の発電部及び導電部の均一化を図ることが可能となる。しかし、特に、ガス拡散，反応生成水除去及び圧力損失低減を図るためには多孔質体の骨組部分体積の小さい高気孔率多孔質体を用いる必要がある。しかし、ガス流路高さが１mm以下であるので、高出力密度化を図るためには、発生した反応生成水を下流に排除する必要がある。それも下流のＭＥＡから発生する反応生成水の排水及び下流での反応ガスのＭＥＡの供給を阻害することなく行うことが必要となる。親疎水性処理や気孔径を変えることで多孔質内に水用及び空気用の流路を確保するように設計したとしても、排水性の改善には限界がある。これは、多孔質内に形成された流路であるため、曲りが無数にあり、また径も変化し、行き止まりとなる流路もあるためである。そのため、さらに高電流密度化を目指すには、排水性の面から気孔径を大きくすべきであるが、ガス流路の高さが１mm以下のため、それ以上は大きくできないという課題があった。
【０００９】
本発明は、上述のような課題を鑑み、多孔質体の利点を活かしつつ、反応ガスや水の流れの制御が容易な燃料電池用セパレータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため、本発明では多孔質構造の特徴である均一電流密度及び均一反応ガス濃度を生かしつつ適用することで解決を図った。すなわち、１０〜１００μｍの間にピークを有する気孔径の多孔質体を用い、その多孔質体に直線状貫通孔を設けて、反応ガスの分配および反応生成水を促進させて高電流密度での性能向上を図る。多孔質の網状連通孔網の部分を枝管とすると、それに反応ガス及び反応生成水を直送する主管を設けるのと類似で、多孔質内に固有の曲折し径も変化している連通孔のみでは、排出や分配しきれない反応生成水や反応ガスを分配・排除する。これにより、全体に均等分配及び均等排出できるマイクロ配管網が形成できる。これにより、毛細管力及び流体力の両方を利用しての水及びガスの流路分離構造の形成を図ることで課題の解決を図った。
【００１１】
本発明は、少なくとも金属多孔質体と前記金属多孔質体を支持する導電板とを備え、前記金属多孔質体の孔をガス流路とする燃料電池用セパレータにおいて、前記金属多孔質体に直線状貫通孔を設けたことを特徴とする燃料電池用セパレータである。
【００１２】
また、膜電極接合体と対向する面の垂直線に対して３０度以上の傾きを付けて前記直線状貫通孔を設けたことを特徴とする燃料電池用セパレータである。
【００１３】
また、膜電極接合体と対向する面と平行に前記直線状貫通孔を設けたことを特徴とする燃料電池用セパレータである。
【００１４】
また、膜電極接合体と対向する面の垂直線に対して３０度以上の傾きを付けた前記直線状貫通孔と、膜電極接合体と対向する面に平行に設けた前記直線状貫通孔とを連結させたことを特徴とする燃料電池用セパレータである。
【００１５】
また、前記直線状貫通孔の径が１００〜６００μｍであることを特徴とする燃料電池用セパレータである。
【００１６】
また、前記直線状貫通孔は径が１０〜５０μｍの貫通孔と、径が１００〜６００μｍの貫通孔を有することを特徴とする燃料電池用セパレータである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の燃料電池用セパレータは、多孔質内に貫通孔網を作成することにより、反応ガスの分配及び反応生成水の排出のための直通管路を設け、反応ガスの分配及び反応生成水の排出を促進できるので、高出力密度運転ができるという利点がある。また、上流と下流を貫通する孔により連結することにより、反応ガスが消費される前に下流にも分配できる、すなわち、ほとんど濃度が低下しない状況でＭＥＡ全面に分配できるのでＭＥＡを有効に活用できるので高出力密度運転ができるという利点がある。また、同じように上流での反応生成水を途中の下流に蓄積することなく排水できるのでフラディングを防止しやすいため、ＭＥＡを全面に渡り均一に活用できるので高出力密度化運転ができるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施例１のセパレータの構成を示した説明図である。
【図２】実施例２のセパレータの構成を示した説明図である。
【図３】実施例３のセパレータの構成を示した説明図である。
【図４】実施例４のセパレータの構成を示した説明図である。
【図５】実施例５のセパレータの構成を示した説明図である。
【図６】実施例６のセパレータの構成を示した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明のセパレータ及びそれを用いて積層形成した燃料電池を実施例により説明する。
【実施例１】
【００２０】
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。図１に本発明の一実施例を示す。図１は、実施例１のセパレータ１のカソード側平面図と断面図を示す。構成を以下に説明する。このカソード側は、２種類の気孔率の多孔質体４と５からなる多孔質体３を支持する導電体で構成されるセンタープレート２，粗多孔質体４に覆われているＣａ入口マニホールド６，粗多孔質体４に覆われているＣａ出口マニホールド７，Ａｎ入口マニホールド８，Ａｎ出口マニホールド９、及びこれらの２種類のガスを仕切るシール１０，蜜多孔質体５には平面図と断面図で見るように２種類の管通孔であるＣａガス貫通孔１１、及び水貫通孔１２が設けられている。なお、断面図に示すように多孔質体の上にＭＥＡ（膜電極接合体）１３が積層される。なお、ＭＥＡ１３と多孔質体３との間にはガス拡散層が置かれることもあるが本実施例では省略する。
【００２１】
本実施例では、水排出貫通孔１２は、ＭＥＡ１３に対して下流に排水しやすいように傾斜を４５度傾けている。同じくＣａガス貫通孔１１は、ＭＥＡ１３に対しＣａガスを供給しやすくするため同じく４５度傾けている。流速ｕ（ｍ／ｓ）で気体が流れており、センタープレート２の下流向きを０度したときの傾きをΘ度とすると、合流部に掛かる圧力は、単純に多孔質の気孔径及び気孔率を無視すると次式で表せる。ここで、この貫通孔にある物質にかかる圧力ΔＰ（Ｐａ）とし、反応ガスの密度をρ（kg／ｍ3）とする。
【００２２】
ΔＰ＝１／２ρｕ2cosΘ
水を引き出すには、このΔＰがマイナスである必要があり、このときΘ＞９０度となるが、多孔質の気孔率によりこれよりは値が小さくなるのでΘ＞１２０度が望ましい。ＭＥＡ１３面に対する垂直線基準の角度では、３０度以上となる。また、同様に反応ガスをＭＥＡに分配するときは逆にこのΔＰがプラスである必要があり、運動エネルギーの半分程度以上が確保できることが必要なので、逆にΘ＜６０度が望ましい。これは、ＭＥＡ１３面に対する垂直線基準では、方向が逆となるが、３０度以上となる。
【００２３】
このとき、水貫通孔１２は、気孔径１００〜６００μｍ、Ｃａガス貫通孔１１は、１０〜５０μｍ、蜜多孔質体５は気孔率８５％以上、気孔径１０〜５０μｍが望ましい。また、粗多孔質体４は、気孔径１００〜６００μｍが望ましい。この多孔質体は、疎水性の性質がさらに望ましい。
【００２４】
次に、動作について説明する。Ｃａ入口マニホールド１から入ったＣａガスは、粗多孔質４を通過して蜜多孔質５に入り多孔質の連通孔を通って拡散し、一部はＣａガス貫通孔１１内を、多孔質内を流れるＣａガスの圧力に導かれてＭＥＡ１３に直行し、ＭＥＡ１３でＭＥＡ１３の反対側から来るＡｎガスと反応して電力，水及び熱を発生させたあと残ったＣａ反応ガスは粗多孔質体４を通過してＣａ出口マニホールド７から外部へ排出される。発生した熱は、多孔質体５の金属枠構造（図示せず）を通じてＣａガス及び水に伝えられることによりＭＥＡ１３が冷却される。また、この金属枠構造によりＭＥＡ１３で発生した電子がセンタープレート２に伝えられセンタープレート２及びＭＥＡ１３全面に渡り均一に集電される。なお、このとき、ＭＥＡ１３の反対側にくるＡｎガス（図示せず）は、Ａｎ入口マニホールド８からＭＥＡ１３の上側に入り、Ａｎガス中の水素は、ＭＥＡ１３でＣａガス中の酸素と反応し、消費された残りのＡｎガスは、Ａｎ出口マニホールド９から排出される。この反応生成水は、Ｃａガスの圧力により、水貫通孔１２に集められてＭＥＡ１３の近くからセンタープレート２側へ排除される。ちなみに、Ｃａ入口マニホールド６、及びＣａ出口マニホールド７を覆うように粗多孔質体４が配置してあるのは、セパレータを１００程度積層するときのマニホールド内の流れの偏りを防止して、各セパレータへの均一分配を図るためである。
【００２５】
これによりＭＥＡ１３へのＣａガス供給路が確保されるので、この材質が疎水性、または疎水性処理してあれば、液体の水は細いところから太いところへ毛細管力で行きやすくなるので、水は孔径の大きい水貫通孔１２に移りやすくなり、なおさら、ガス欠が起こりにくくなるため、高出力密度化がはかれるという効果がある。また、水貫通孔１２によって排除された水は、センタープレート２に集められてセンタープレート２を潜熱冷却して水蒸気となり蜜多孔質体５を通りガスとして下流から排出できるので冷却水を減らせる効果もある。なお、この構成は、Ａｎ側にも適用できるのでＡｎ側の高電流密度化にも貢献できるという効果がある。
【００２６】
このような構成により、本実施例特有の効果として、次のものがある。すなわち、直線状貫通孔を傾けて設けるので、多孔質のメリットである電流密度及びガス濃度の均一化を活かすことにより、排水性を高められるので、高出力密度化，信頼性向上及びコスト低減を図れるという効果がある。また、入口出口マニホールドを粗多孔質体で覆うことによりマニホールド内の流量分布を均一化できるため、マニホールド面積を小さくし、その分電極面積を大きくすることにより高出力密度化できるという効果がある。
【実施例２】
【００２７】
図２に、実施例１の変形例である実施例２のセパレータ１のカソード側平面図及び断面図を示す。実施例２では、実施例１の粗多孔質体４の代わりに、シール受け多孔質体３を置いたもので積層数が１００未満のスタックにおいては、実施例１の粗多孔質体４の整流効果が小さいため、単にシール受け効果のみ持たせ構成としたもので基本的な動作は同じである。このような構成にすることで、マニホールド入口出口部での圧力損失が低減できるので実施例１よりもＣａガス供給ポンプの動力の低減ができて高出力密度化を図れるという効果がある。
【実施例３】
【００２８】
図３に、実施例１の変形例である実施例３のセパレータ１のカソード側断面図、ＭＥＡ側から見た多孔質部分図及びセンタープレート２から見た多孔質部分図を示す。実施例１のＣａガス貫通孔１１を上流から下流に連絡するＣａガス縦断貫通孔１５、並びに、実施例１の水貫通孔１２を上流から下流に連結する水縦断貫通孔１４を設けた点が実施例１と異なる。それぞれの径は、連結する貫通孔に対して、等しいか小さく設定し、水貫通孔１２が満たされてから水縦断貫通孔１４に押し出されるように設定し、縦断貫通孔１４の充満によるフラディングを防いでいる。
【００２９】
その動作は、次のとおりである。Ｃａガスが多孔質内を流れるとき、発電初期はＣａガスが多孔質の連通孔、Ｃａガス縦断貫通孔１５、及び水縦断貫通孔１４を流れつつＭＥＡ１３に分配されて電気化学反応でＣａガス中の酸素が消費され水が発生する。発生した水は、密多孔質体５の連通孔（図示せず）を通り毛細管力とＣａガスの圧力により水を径の大きい水貫通孔１２に集めそれが水貫通孔１２に充満したとき、その圧力を利用して径がほぼ等しいか小さい径の水縦断貫通孔１４に送り込み、Ｃａガスの圧力によってＣａ出口マニホールド７に向けて排出する。このとき、Ｃａガスは、直線状であるため圧力抵抗の小さいＣａガス縦断管通孔１５を流れて、その一部分がＣａガス貫通孔１１を経てＭＥＡ１３に分配される。このとき、水はこれらの径が十分小さいため、毛細管力や圧力抵抗が大きいため進入できない。これらのため、水（液体）とＣａガス（蒸気を含む）は、これらにより、通路が物理的に分離し、フラディングを起こさずに発生水量が多くなる高電流密度への対応するための排水性及びＣａガス分配性が高められる。
【００３０】
このような構成にすることで、実施例１よりも、更に、高出力密度化が図れるという効果がある。
【実施例４】
【００３１】
図４に、実施例３の変形例である実施例４のセパレータ１のカソード側断面図、ＭＥＡ側から見た多孔質部分図及びセンタープレート２から見た多孔質部分図を示す。本実施例は、実施例３の変形例であり、実施例３でのＣａガス縦断貫通孔１５を下流側に突き抜けるのを止めて１種の袋小路状態にしたもので、このため、Ｃａガスは密多孔質体５の一部分を通過するに際し圧力損失を発生するので、Ｃａガス縦断貫通孔１５の内部の圧力がこの圧力差分高まり、Ｃａガス貫通孔１１を通してのＣａガスの分配がより均等化され、かつ、Ｃａガスの密多孔質体５内の滞留時間も多少増えるためＣａガス中の濃度も高まる。これにより、実施例３よりも、更に、均一発電ができ、かつ、高出力密度化が図れるという効果がある。
【実施例５】
【００３２】
図５に、実施例４の変形例である実施例５のセパレータ１のカソード側断面図、ＭＥＡ側から見た多孔質部分図及びセンタープレート２から見た多孔質部分図を示す。本実施例は、実施例４の変形例である。実施例３と異なるのは、Ｃａガス貫通孔及びＣａガス縦断貫通孔１５の代わりに水貫通孔１２及び水縦断貫通孔１４を増加させ、排水性に増強を図ったもの。Ｃａガスは、密多孔質体５の連通孔のみで分配を図り、反応生成水の排出性能増強による電流密度の向上を図った。これにより、製作も簡素化される。なお、この実施例では、水の排水性がさらに向上するため、電流密度向上が図れる。また、水の蒸発する伝熱面積が増加するので冷却性能も向上する。これらのことから、この実施例は、冷却性能向上とともに高出力密度化が図れるという効果がある。
【実施例６】
【００３３】
図６に、実施例５の変形例である実施例６のセパレータ１のカソード側断面図、ＭＥＡ側から見た多孔質部分図及びセンタープレート２から見た多孔質部分図を示す。本実施例は、実施例５に水貫通孔１２及び水縦断貫通孔１４に、さらに、水横断貫通孔１６を設けて排水性に増強を図ったもの。なお、この実施例では、水の排水性がさらに向上するため、電流密度向上が図れる。また、水の蒸発する伝熱面積が増加するので冷却性能も向上する。これらのことから、この実施例は、冷却性能向上とともに高出力密度化が図れるという効果がある。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
燃料電池以外にも電力と熱が電気化学反応により発生する発電要素で高出力化を図らなければならないものにも利用できる。
【符号の説明】
【００３５】
１  セパレータ
２  センタープレート
３  多孔質体
４  粗多孔質体
５  密多孔質体
６  Ｃａ入口マニホールド
７  Ｃａ出口マニホールド
８  Ａｎ入口マニホールド
９  Ａｎ出口マニホールド
１０  シール
１１  Ｃａガス貫通孔
１２  水貫通孔
１３  ＭＥＡ
１４  水縦断貫通孔
１５  Ｃａガス縦断貫通孔
１６  水横断貫通孔
【図１】
2011014242.tif 000003
【図２】
2011014242.tif 000004
【図３】
2011014242.tif 000005
【図４】
2011014242.tif 000006
【図５】
2011014242.tif 000007
【図６】
2011014242.tif 000008