(57)【要約】【課題】流路入口のエロージョン（磨耗腐食）を抑制できるようにした燃料電池用プレート及びそれを備えた燃料電池を提供する。【解決手段】流路９が並設されると共に各流路に連通するマニホールド８が形成されたプレート３であって、マニホールド８を流れる冷却水Ｗがそのマニホールド８から各流路９に流れ込む方向Ａに対して、直交方向の流路入口端部９ａ（底面端部）にＲ加工を施すことによりエロージョン抑制手段１０を設ける。又、前記冷却水の流れ方向Ａに対して、平行方向の流路入口両側面端部にもＲ加工を施すことによりエロージョン抑制手段を設けることが好ましい。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却水を流通させる流路が並設されると共に、これらの流路に連通するマニホールドが設けられた燃料電池用プレートであって、前記マニホールドから水が流入する各流路の入口にエロージョン抑制手段をそれぞれ設けたことを特徴とする燃料電池用プレート。
【請求項２】
前記エロージョン抑制手段は、流路入口にＲ加工を施すことにより構成されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用プレート。
【請求項３】
前記Ｒ加工は、マニホールドから流路入口に流入する水の流れ方向に対して直交方向の流路入口端部に施されることを特徴とする請求項２記載の燃料電池用プレート。
【請求項４】
前記Ｒ加工は、マニホールドから流路入口に流入する水の流れ方向に対して平行方向の流路入口端部に施されることを特徴とする請求項２記載の燃料電池用プレート。
【請求項５】
前記Ｒ加工は、マニホールドから流路入口に流入する水の流れ方向に対して直交方向の流路入口端部、及び水の流れ方向に対して平行方向の流路入口端部に施されることを特徴とする請求項２記載の燃料電池用プレート。
【請求項６】
前記エロージョン抑制手段は、流路入口に隅切り角を施すことにより構成されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用プレート。
【請求項７】
前記隅切り角は、マニホールドから流路入口に流入する水の流れ方向に対して直交方向の流路入口端部に施されることを特徴とする請求項６記載の燃料電池用プレート。
【請求項８】
前記隅切り角は、マニホールドから流路入口に流入する水の流れ方向に対して平行方向の流路入口端部に施されることを特徴とする請求項６記載の燃料電池用プレート。
【請求項９】
前記隅切り角は、マニホールドから流路入口に流入する水の流れ方向に対して直交方向の流路入口端部、及び水の流れ方向に対して平行方向の流路入口端部に施されることを特徴とする請求項６記載の燃料電池用プレート。
【請求項１０】
前記隅切り角は、多角形であることを特徴とする請求項６乃至請求項９いずれか１項記載の燃料電池用プレート。
【請求項１１】
冷却水を流通させる流路が並設されると共に、これらの流路に連通するヘッダが設けられ、更にこのヘッダに連結するマニホールドが設けられた燃料電池用プレートであって、前記マニホールドから水が流入するヘッダ入口にエロージョン抑制手段を設けたことを特徴とする燃料電池用プレート。
【請求項１２】
請求項１乃至請求項１１いずれか１項記載の燃料電池用プレートが、燃料電池スタック内に組み込まれたことを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池用プレート及びそれを備えた燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池特に固体高分子形燃料電池は、固体高分子電解質膜の一方の面にアノード電極、他方の面にカソード電極を接合した膜電極接合体の両側をガスプレートで挟み、これを複数積層し且つ複数のプレートを組み込んでロッド等で締め付け一体化して電池スタックが構成される。そして、ガスプレートに設けられたガス流路のうち、アノード電極側に対向するガス流路には改質ガス等の燃料ガスを流通させると共に、カソード電極側に対向するガス流路には空気等の酸化剤ガスを流通させ、前記固体高分子電解質膜を介して電気化学反応を生じさせることにより直流電力を発電する。この電気化学反応は発熱反応であるため、前記プレートの水流路に冷却水を流通させ、これにより冷却することで電池スタックを適正な運転温度（約８０℃）に維持するようにしている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−１８５１８０号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の燃料電池スタック中のプレートに対して、水タンク及び水ポンプ等を含む冷却水供給回路が構成され、その水タンクから水ポンプを介して冷却水がプレートに供給され、冷却後の水は水タンクに戻される循環経路となっているのが一般的である。この水循環経路において水ポンプや管路等に腐食が生じると、錆等の腐食生成物が冷却水中に混入してプレート内に流入することがある。
【０００５】
プレート内に腐食生成物が流入すると、プレートのマニホールドから各流路に分配される部分、即ち流路の入口部分にエロージョン（磨耗腐食）が生じ、その磨耗腐食物が冷却水と共に水流路に流れ込む。エロージョンが進行して水流路内にプレートの磨耗腐食物が堆積すると、各流路に対する冷却水の流配が崩れ、温度分布に大きな差が生じて電圧にバラツキが生じるのみならず、正常な発電が維持できなくなる。
【０００６】
本発明は、上記のような従来の問題を解決するために成され、プレートのエロージョンを抑制できるようにした燃料電池用プレート及びそれを備えた燃料電池を提供することを目的とする。
【０００７】
本発明者らは、上記の目的のために鋭意研究した結果、プレートの流路入口部分に掛かる水圧を低減することで、エロージョンの発生を抑制できることを見出して本発明を完成するに至った。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
その具体的な手段として、本発明の請求項１は、冷却水を流通させる流路が並設されると共に、これらの流路に連通するマニホールドが設けられた燃料電池用プレートであって、前記マニホールドから水が流入する各流路の入口にエロージョン抑制手段をそれぞれ設けたことを特徴とする。
【０００９】
又、本発明の請求項２は、請求項１の燃料電池用プレートにおいて、前記エロージョン抑制手段は、流路入口にＲ加工を施すことにより構成されることを特徴とする。
【００１０】
更に、本発明の請求項３は、請求項２の燃料電池用プレートにおいて、前記Ｒ加工は、マニホールドから流路入口に流入する水の流れ方向に対して直交方向の流路入口端部に施されることを特徴とする。
【００１１】
本発明の請求項４は、請求項２の燃料電池用プレートにおいて、前記Ｒ加工は、マニホールドから流路入口に流入する水の流れ方向に対して平行方向の流路入口端部に施されることを特徴とする。
【００１２】
本発明の請求項５は、請求項２の燃料電池用プレートにおいて、前記Ｒ加工は、マニホールドから流路入口に流入する水の流れ方向に対して直交方向の流路入口端部、及び水の流れ方向に対して平行方向の流路入口端部に施されることを特徴とする。
【００１３】
本発明の請求項６は、請求項１の燃料電池用プレートにおいて、前記エロージョン抑制手段は、流路入口に隅切り角を施すことにより構成されることを特徴とする。
【００１４】
本発明の請求項７は、請求項６の燃料電池用プレートにおいて、前記隅切り角は、マニホールドから流路入口に流入する水の流れ方向に対して直交方向の流路入口端部に施されることを特徴とする。
【００１５】
本発明の請求項８は、請求項６の燃料電池用プレートにおいて、前記隅切り角は、マニホールドから流路入口に流入する水の流れ方向に対して平行方向の流路入口端部に施されることを特徴とする。
【００１６】
本発明の請求項９は、請求項６の燃料電池用プレートにおいて、前記隅切り角は、マニホールドから流路入口に流入する水の流れ方向に対して直交方向の流路入口端部、及び水の流れ方向に対して平行方向の流路入口端部に施されることを特徴とする。
【００１７】
本発明の請求項１０は、請求項６乃至請求項９いずれか１項の燃料電池用プレートにおいて、前記隅切り角は、多角形であることを特徴とする。
【００１８】
本発明の請求項１１は、冷却水を流通させる流路が並設されると共に、これらの流路に連通するヘッダが設けられ、更にこのヘッダに連結するマニホールドが設けられた燃料電池用プレートであって、前記マニホールドから水が流入するヘッダ入口にエロージョン抑制手段を設けたことを特徴とする。
【００１９】
本発明の請求項１２は、請求項１乃至請求項１１いずれか１項の燃料電池用プレートが、燃料電池スタック内に組み込まれたことを特徴とする燃料電池である。
【００２０】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に係る燃料電池用プレート及びそれを備えた燃料電池の実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係るプレートを組み込んだ燃料電池の冷却水系を示す概略模式図である。図１において、１は電池スタックであり、膜電極接合体の両側をガスプレートで挟んでこれを複数積層した電池部２が構成され、この電池部２の両側にプレート３を組み込み、更にインシュレータ４を介して最外端にエンドプレート５を当てがいロッドで締め付け一体化することにより構成されている。尚、図示は省略したが電池部２内にも所定の間隔をあけて複数のプレートが組み込まれるのが一般的である。
【００２１】
上記エンドプレート５、インシュレータ４、ガスプレート及びプレート３にはマニホールドがそれぞれ形成されて電池スタック１の積層方向に連通する冷却水供給路６と、冷却水排出路７とが設けられている。
【００２２】
これにより、冷却水供給路６の冷却水入口６ａから冷却水を供給すると、冷却水供給路６に沿って流れると共にこの冷却水供給路に連通する各プレート３に分配され、プレート３の各流路に沿ってそれぞれ流通し、流路の出口から上記冷却水排水路７に排出され、この冷却水排水路７に沿って流れて冷却水出口７ａから電池スタック１外に排出される。ガスプレートのマニホールドは冷却水が通過するだけでガスプレートのガス流路には冷却水が流れ込まない。
【００２３】
図２は、上記プレート３の一部を示す概略斜視図である。冷却水供給路６を流れてきた冷却水Ｗは、マニホールド８から分配されて各流路９に流れ込む。マニホールド８の断面積、流路９の断面積、流路９の合計断面積、電池スタック１内のプレート数等によって異なるが、冷却水がマニホールド８を流れる流速を１とすると、各プレート流路９での流速はおよそ１．１７程度となる。具体的には、マニホールド８での流速は、冷却水循環量が４〜５Ｌ／ｍｉｎの場合、約２５〜３１ｃｍ／ｓ、プレート流路９での流速は約３１〜３６ｃｍ／ｓである。よって、流速が大きく相違していなくても、冷却水の流れ方向が変わる場所でエロージョンが発生しやすい。又、冷却水中に、何らかの原因で不純物が混入した場合は、エロージョンが加速的に進行する。特に、マニホールド８の突き当りの付近にて発生し易い。
【００２４】
上記プレート３の材料は通常、カーボン粉末と結着剤としての樹脂粉末の混合粉末が用いられ、これを成形して作製すると安価なプレートが得られる。ところが、結着剤としての樹脂部分がエロージョンによって削られ、カーボン粉末が崩れていく。冷却水中に微粉末不純物が混入すると、エロージョンは加速される。樹脂含有量の少ないカーボンプレートを切削加工することによって、プレートを作製する場合、エロージョンに対して耐久性はあるが非常に高価であり、実用には適さない。
【００２５】
本発明の第１実施形態では、各流路９の入口端部にエロージョン抑制手段１０が設けられている。この場合、エロージョン抑制手段１０は、マニホールド８から流路９入口に流入する水の流れ方向Ａに対して直交方向の流路入口端部、即ち流路９の底面端部９ａに、流れ方向Ａに沿ってＲ加工を施すことにより構成してある。
【００２６】
このように流路９入口の底面端部９ａにＲ加工を施しておくと、マニホールド８からほぼ直角方向に流れを変えて流路９に流れ込む冷却水がＲ加工に沿って円滑に流れる。これにより、冷却水が流路９の入口に対して強い水圧をもって衝突するのを防ぐことができ、その結果として従来生じていた流路９入口でのエロージョンを抑制することができる。
【００２７】
図３は、本発明に係る第２実施形態におけるプレート３の一部を示す概略平面図である。この場合は、マニホールド８から流路９入口に流入する水の流れ方向Ａに対して平行方向の流路入口端部、即ち流路９の両側面端部９ｂに、流れ方向Ａに沿ってＲ加工を施すことによりエロージョン抑制手段１０ａを構成してある。
【００２８】
このように流路９入口の両側面端部９ｂにＲ加工を施しておくと、マニホールド８からほぼ直角方向に流れを変えて流路９に流れ込む冷却水がＲ加工に沿って円滑に流れる。これにより、冷却水が流路９の入口に対して強い水圧をもって衝突するのを防ぐことができ、その結果として従来生じていた流路９入口でのエロージョンを抑制することができる。このエロージョン抑制手段１０ａと上記エロージョン抑制手段１０とを併用すれば、流路９入口でのエロージョン抑制効果をより一層高めることができる。
【００２９】
図４（ａ）は、本発明に係る第３実施形態を示す概略断面図である。前記電池スタック１の電池部２においては、一面にガス流路１１ａが設けられると共に、他面に水流路１１ｂが設けられたプレート１１と前記プレート３とが隣接して積層される場合がある。この場合、プレート３の流路９とプレート１１の水流路１１ｂとが対向位置に合わさった合体状の流路内を冷却水が流通するので、プレート１１のマニホールド８ａから水流路１１ｂ入口に流入する水の流れ方向Ａに対して直交方向の水流路入口の上端部、即ち水流路１１ｂの上面端部１１ｃに、流れ方向Ａに沿ってＲ加工を施すことによりエロージョン抑制手段１０ｂを構成する。
【００３０】
このようにプレート１１における水流路１１ｂの上面端部１１ｃにＲ加工を施しておくと、マニホールド８ａからほぼ直角方向に流れを変えて水流路１１ｂに流れ込む冷却水がＲ加工に沿って円滑に流れる。これにより、冷却水が水流路１１ｂの入口に対して強い水圧をもって衝突するのを防ぐことができ、その結果として従来生じていた水流路１１ｂ入口でのエロージョンを抑制することができる。このエロージョン抑制手段１０ｂと上記プレート３のエロージョン抑制手段１０とを併用することにより、エロージョン抑制効果をより一層高めることができる。図４（ｂ）はその併用状態での流路概念図である。流路内部の断面積Ｓ２より流路入口の断面積Ｓ１が大きくなるため、冷却水の流れ込みが良好となる。
【００３１】
更に、前記プレート３の流路９入口の両側面端部９ｂにＲ加工を施したと同様に、プレート１１の水流路１１ｂ入口の両側面端部にもＲ加工を施せば、エロージョン抑制効果を更に高めることが可能となる。図４（ｃ）はその状態での流路概念図を示している。
【００３２】
図５は、本発明の第４実施形態を示すもので、流路１９とマニホールド１８との間に凹部状のヘッダ１２が設けられたプレート１３が用いられることがある。このようなプレート１３においては、冷却水はマニホールド１８からヘッダ１２に流入し、このヘッダ１２から各流路１９に分配されて流れ込む。この時、ヘッダ１２の入口部分でエロージョンが発生することが考えられる。
【００３３】
このため、ヘッダ１２の入口にエロージョン抑制手段１０ｃを構成する。このエロージョン抑制手段１０ｃは、上記プレート３の実施形態と同様に、マニホールド１８からヘッダ１２入口に流入する水の流れ方向に対して直交方向の入口端部、即ち入口の底面端部を流れ方向に沿ってＲ加工することにより構成し、或は水の流れ方向に対してほぼ平行方向の入口両側面端部にＲ加工を施すことにより構成し、又はこれらのＲ加工を併用することにより構成する。
【００３４】
このようにして、プレート１３において特に水圧が強く加わるヘッダ１２の入口にエロージョン抑制手段を設けることで、プレート１３のエロージョンを効率良く抑えることができる。
【００３５】
上記実施形態におけるエロージョン制御手段はＲ加工により構成したものであるが、これに限定されずに例えば隅切り角により構成することもできる。即ち、図６（ａ）は本発明の第５実施形態を示すもので、プレート２３のマニホールド２８から流路２９入口に流入する水の流れ方向Ａに対して直交方向の流路入口端部（流路２９の底面端部２９ａ）に、流れ方向Ａに沿って隅切り角を形成することにより、エロージョン制御手段を構成した例である。
【００３６】
図６（ｂ）は隅切り角の他の構成例を示すプレート２３の概略平面図である。この場合は、マニホールド２８から流路２９入口に流入する水の流れ方向Ａに対して平行方向の流路入口端部（流路２９の両側面端部２９ｂ）を流れ方向Ａに沿って隅切り角を形成することによりエロージョン抑制手段を構成してある。このエロージョン抑制手段と図６（ａ）のエロージョン抑制手段とを併用すれば、流路２９入口でのエロージョン抑制効果をより一層高めることができる。
【００３７】
更に、図示は省略したが前記図４（ａ）、（ｂ）（ｃ）の実施形態に対応して、Ｒ加工に替えて隅切り角を形成することにより実施することも可能である。そして、隅切り角は、多角形に形成して傾斜面の数を増やすことでエロージョン抑制効果を高めることができる。
【００３８】
上記のようにエロージョン抑制手段を設けたプレートを電池スタック１に組み込んだ燃料電池は、プレートの流路が磨耗腐食物によって閉塞されたり、狭められたりするようなことが殆どなく、冷却水の流配がほぼ均一に確保され、各セルの電圧にバラツキが生じないことから正常な発電を維持することができる。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る請求項１の発明によれば、冷却水を流通させる流路が並設されると共に、これらの流路に連通するマニホールドが設けられた燃料電池用プレートであって、前記マニホールドから水が流入する各流路の入口にエロージョン抑制手段をそれぞれ設けたので、流路入口でのエロージョンを抑制することができる。
【００４０】
本発明に係る請求項２の発明によれば、請求項１の燃料電池用プレートにおいて、前記エロージョン抑制手段は、流路入口にＲ加工を施すことにより構成されることを特徴とし、このＲ加工に沿って冷却水を誘導することにより流路入口に対する水圧を低減させることができる。
【００４１】
本発明に係る請求項３の発明によれば、請求項２の燃料電池用プレートにおいて、前記Ｒ加工は、マニホールドから流路入口に流入する水の流れ方向に対して直交方向の流路入口端部に施されるので、特に水圧が強く加わる部分をエロージョンから保護することができる。
【００４２】
本発明に係る請求項４の発明によれば、請求項２の燃料電池用プレートにおいて、前記Ｒ加工は、マニホールドから流路入口に流入する水の流れ方向に対して平行方向の流路入口端部に施されるので、水圧が強く加わる部分をエロージョンから保護することができる。
【００４３】
本発明に係る請求項５の発明によれば、請求項２の燃料電池用プレートにおいて、前記Ｒ加工は、マニホールドから流路入口に流入する水の流れ方向に対して直交方向の流路入口端部、及び水の流れ方向に対して平行方向の流路入口端部に施されるので、エロージョン抑制効果をより一層高めることができる。
【００４４】
本発明に係る請求項６の発明によれば、請求項１の燃料電池用プレートにおいて、前記エロージョン抑制手段は、流路入口に隅切り角を施すことにより構成されることを特徴とし、この構成によっても流路入口でのエロージョンを抑制することができる。
【００４５】
本発明に係る請求項７の発明によれば、請求項６の燃料電池用プレートにおいて、前記隅切り角は、マニホールドから流路入口に流入する水の流れ方向に対して直交方向の流路入口端部に施されるので、特に水圧が強く加わる部分をエロージョンから保護することができる。
【００４６】
本発明に係る請求項８の発明によれば、請求項６の燃料電池用プレートにおいて、前記隅切り角は、マニホールドから流路入口に流入する水の流れ方向に対して平行方向の流路入口端部に施されるので、水圧が強く加わる部分をエロージョンから保護することができる。
【００４７】
本発明に係る請求項９の発明によれば、請求項６の燃料電池用プレートにおいて、前記隅切り角は、マニホールドから流路入口に流入する水の流れ方向に対して直交方向の流路入口端部、及び水の流れ方向に対して平行方向の流路入口端部に施されるので、エロージョン抑制効果をより一層高めることができる。
【００４８】
本発明に係る請求項１０の発明によれば、請求項６乃至請求項９いずれか１項の燃料電池用プレートにおいて、前記隅切り角は、多角形であることを特徴とし、これにより傾斜面の数を増やしてエロージョン抑制効果を高めることができる。
【００４９】
本発明に係る請求項１１の発明によれば、冷却水を流通させる流路が並設されると共に、これらの流路に連通するヘッダが設けられ、更にこのヘッダに連結するマニホールドが設けられた燃料電池用プレートであって、前記マニホールドから水が流入するヘッダ入口にエロージョン抑制手段を設けたので、ヘッダ入口でのエロージョンを防ぐことができる。
【００５０】
本発明に係る請求項１２の発明によれば、請求項１乃至請求項１１いずれか１項の燃料電池用プレートが、燃料電池スタック内に組み込まれているので、プレートの流路が磨耗腐食物によって閉塞されたり、狭められたりするようなことが殆どなく、冷却水の流配がほぼ均一に確保され、各セルの電圧にバラツキが生じないことから発電性能の良い燃料電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るプレートを組み込んだ燃料電池の冷却水系を示す概略模式図である。
【図２】本発明に係る第１実施形態におけるプレートの一部を示す概略斜視図である。
【図３】本発明に係る第２実施形態におけるプレートの一部を示す概略平面図である。
【図４】（ａ）は本発明に係る第３実施形態を示す概略断面図、（ｂ）及び（ｃ）はそれぞれ流路概念図である。
【図５】本発明に係る第４実施形態を示すもので、流路とマニホールドとの間に凹部状のヘッダが設けられたプレートの概略平面図である。
【図６】（ａ）は本発明に係る第５実施形態を示すもので、隅切り角を形成することによりエロージョン制御手段を構成した例を示すプレートの概略断面図、（ｂ）は隅切り角の他の構成例を示すプレートの概略平面図である。
【符号の説明】
１…電池スタック
２…電池部
３…プレート
６…冷却水供給路
７…冷却水排水路
８…マニホールド
９…流路
９ａ…底面端部
９ｂ…両側面端部
１０…エロージョン抑制手段
１１…プレート
１２…ヘッダ
【図１】
2004185939.tif 000003
【図２】
2004185939.tif 000004
【図３】
2004185939.tif 000005
【図４】
2004185939.tif 000006
【図５】
2004185939.tif 000007
【図６】
2004185939.tif 000008