(57)【要約】【課題】ガス流路におけるガス分配性を改善し、燃料電池の高効率での運転や低加湿運転を可能とする。【解決手段】セパレータ５上のガス流路を、複数（例えば３つ）の独立した流路ユニット１１，１２，１３を並べた構成とする。各流路ユニット１１，１２，１３は、それぞれセパレータ５の長手方向に沿って両側に形成される分配管１４及び集合管１５、さらには平行に配列され支管として機能する複数の平行流路部１６とからなる。各流路ユニット１１，１２，１３の平行流路部１６が同一の構成を持つことにより、各流路ユニット１１，１２，１３の圧損係数が等しくなり、また各流路ユニット１１，１２，１３両端の差圧も等しくなるので、各流路ユニット１１，１２，１３間のガスの分配が均一化される。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層される発電セル間の隔壁となる燃料電池用セパレータであって、
高分子電解質膜を有する発電セルにガスを供給するガス流路と、前記ガス流路にガスを導入する供給マニホールドと、前記ガス流路から排出されるガスを集合排出する排出マニホールドとを有し、
前記ガス流路は、それぞれ独立に前記供給マニホールド及び排出マニホールドと接続される複数の流路ユニットから構成されることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
前記各流路ユニットは、前記供給マニホールドと接続される分配管と、前記排出マニホールドと接続される集合管と、これら分配管と集合管の間を繋ぐ複数の平行流路部とから構成され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。
【請求項３】
前記複数の平行流路部は、セパレータの長手方向に対して直交する方向に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項４】
前記分配管は下流に行くほどその流路断面積が次第に減少しており、前記集合管は下流に行くほどその流路断面積が次第に増加していることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項５】
前記複数の平行流路部は、前記分配管の下流側に連結されるものほど流路断面積が次第に小さくされていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項６】
高分子電解質膜を有する発電セルと、積層される発電セル間の隔壁となるセパレータとを有し、
前記セパレータは、高分子電解質膜を有する発電セルにガスを供給するガス流路と、前記ガス流路にガスを導入する供給マニホールドと、前記ガス流路から排出されるガスを集合排出する排出マニホールドとを有し、前記ガス流路が、それぞれ独立に前記供給マニホールド及び排出マニホールドと接続される複数の流路ユニットから構成されている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、固体高分子膜を電解質とする燃料電池の発電セル間に配される燃料電池用セパレータ及びこれを用いた燃料電池に関するものであり、特に、ガス分配の偏りを抑えることが可能な新規なセパレータ構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、反応ガスである水素等の燃料ガスと空気等の酸化剤ガスを電気化学的に反応させることにより、燃料の持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換するものである。燃料電池は、排気がクリーンであること、高エネルギー効率であること等から、大気汚染や二酸化炭素による地球温暖化の問題等に対処し得る技術として注目されている。
【０００３】
燃料電池のアノードでは、水素ガスが供給されると下記（１）で示す電極反応が進行して水素イオンが生成される。この生成された水素イオンは、水飽和状態で電解質膜を透過（拡散）してカソードに至る。このときカソードに酸素含有ガス、例えば空気が供給されていると、カソードでは下記（２）で示す電極反応が進行する。この（１）式、（２）式に示す電極反応が各極で進行することで、燃料電池は起電力を生じることになる。
【０００４】
２Ｈ２→４Ｈ＋＋４ｅ−  ・・・（１）
４Ｈ＋＋４ｅ−＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏ  ・・・（２）
したがって、燃料電池では、アノードあるいはカソードに水素ガスあるいは空気を供給する必要があり、各発電セル間に配されるセパレータには、これらガスを流すためのガス流路が形成されている。ここで、燃料電池を運転する時には、これらの反応ガスをガス流路に送り込むための圧縮機あるいは扇風機等の補助動力が必要である。このとき、燃料電池を構成する各セルのガス流路の圧損が大きいほど、補助動力が消費するエネルギーが多くなる。したがって、燃料電池システム全体の効率を上げるためには、セパレータに形成されるガス流路は、圧損が低い流路パターンとされていることが望ましい。また、燃料電池を低加湿運転する時には、ガス流路の各チャンネル内の流速が低くなっている方が、電解質膜から水の蒸発量を抑えることができ、燃料電池の性能は良くなる。
【０００５】
そこで、セパレータに形成されるガス流路を、分配管や集合管、さらにはこれらの間に平行に配列される平行流路部からなる平行流路パターンとすることが提案されている。この平行流路パターンでは、各チャンネルの流路幅を一定とし、且つリブ幅／流路幅比を同一とした場合、流路チャンネル数が多く取れ、流路チャンネル内の流速が低く設定でき、流路の排水性を抑えることができるとともに、流路チャンネルの長さも短いことから、圧損も一番小さく、燃料電池システムの高効率化と低加湿運転に相応しい。
【０００６】
しかしながら、従来の平行流路パターンは、ガス分配性が悪いという大きな問題を抱えている。本来、管内流れと分岐、合流によって、分配管と集合管の双方において同等な圧損が発生するが、分配管内は、ガス流量が徐々に減少していくことによって静圧はある程度回復することができる。一方、集合管内はガス流量が徐々に増えていくことによって、静圧が更に下がる。したがって、分配管内の圧力勾配が集合管より小さくなり、例えば分配管上流側の平行流路部両端の差圧は分配管下流側の平行流路部の差圧より小さいので、前者における流量は後者における流量より少なくなる。平行流路部の数が多いほどこの傾向は著しく、平行流路部間の流量のバラツキが大きくなる。
【０００７】
そこでさらに、平行流路パターンにおけるガスの分配性を良好なものとするために、分配管と集合管の流路断面積をを大きくしてその中の圧損を小さくするという方法や、各平行流路部の両端の圧力差が均一になるように分配管と集合管とのサイズを流れに沿って変化させるという方法（例えば、特許文献１参照。）等が提案されている。
【０００８】
【特許文献１】
特開平１０−１９９５５２号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、平行流路パターンにおける分配管と集合管の流路断面積をを大きくしてその中の圧損を小さくする方法では、分配管と集合管の流路断面積を十分に大きくすればガスの分配性を効果的に高めることができるが、流路断面積をあまり大きくすると膜変形等が生じやすくなり、この膜変形等によって分配管と集合管とを閉塞する虞れがあるため、分配性の改善に多くは期待できない。
【００１０】
また、平行流路パターンにおける各平行流路部の両端の圧力差が均一になるように分配管と集合管とのサイズを流れに沿って変化させるという方法では、ガス分配性をある程度改善することができるが、分配管と集合管の最適な形状を決めるのは難しく、しかも、ガス流量が変わると最適な形状も変わるため、必ずしも有効な対策とは言い難い。
【００１１】
本発明は、以上のような従来の実情に鑑みて創案されたものであって、平行流路パターンにおけるガス分配性を効果的に改善することができ、さらに設計が容易で、ガス流量が変わってもガス分配性を改善することが可能な燃料電池用セパレータを提供し、また、これを用いた燃料電池を提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る燃料電池用セパレータは、高分子電解質膜を有する発電セルにガスを供給するガス流路と、前記ガス流路にガスを導入する供給マニホールドと、前記ガス流路から排出されるガスを集合排出する排出マニホールドとを有し、積層される発電セル間の隔壁となる燃料電池用セパレータである。そして、前記ガス流路は、それぞれ独立に前記供給マニホールド及び排出マニホールドと接続される複数の流路ユニットから構成されることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明に係る燃料電池は、高分子電解質膜を有する発電セルと、積層される発電セル間の隔壁となるセパレータとを有してなるものである。前記セパレータは、高分子電解質膜を有する発電セルにガスを供給するガス流路と、前記ガス流路にガスを導入する供給マニホールドと、前記ガス流路から排出されるガスを集合排出する排出マニホールドとを有し、前記ガス流路が、それぞれ独立に前記供給マニホールド及び排出マニホールドと接続される複数の流路ユニットから構成されていることを特徴とする。
【００１４】
以上の構成を有する燃料電池用セパレータ及び燃料電池において、各流路ユニットの平行流路部が同一の構成を持つことにより、各流路ユニットの圧損係数が等しくなり、また各流路ユニット両端の差圧も等しくなるので、各流路ユニット間のガスの分配が均一化される。さらに、各流路ユニットにおける平行流路部の数が減るので、各流路ユニット内の上流側と下流側との流路差も抑制される。
【００１５】
【発明の効果】
本発明の燃料電池用セパレータによれば、平行流路パターンにおけるガス分配性を改善することが可能である。また、本発明の燃料電池用セパレータは、設計が容易で、たとえガス流量が変わってもガス分配性を改善することが可能である。このような燃料電池用セパレータを用いた本発明の燃料電池は、高効率での運転や低加湿運転が可能である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した燃料電池用セパレータ及び燃料電池について、図面を参照して説明する。
【００１７】
（第１の実施形態）
図１は、固体高分子電解質型燃料電池の一単位である発電セルの構造を示す斜視図である。燃料電池は、この図１に示すような発電セルが多数積層されてなるものである。各発電セルは、固体高分子膜からなる電解質膜１と、この電解質膜１を挟持するように電解質膜１の両面に配設される二つの電極２，３（アノードとカソード）と、これら電極２，３を覆うように配設されるガス拡散層４と、隣接セル間の隔壁をなすセパレータ５とにより構成される。
【００１８】
ここで、電解質膜１には、高エネルギー密度化、低コスト化、軽量化等を考慮して、例えば固体高分子電解質膜が用いられる。固体高分子電解質膜は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等、イオン（プロトン）伝導性の高分子膜からなるものであり、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能する
この電解質膜１の両面に配設される二つの電極２，３は、白金または、白金とその他の金属からなる触媒を含有するカーボンクロス、またはカーボンペーパーからなり、触媒の存在する面が電解質膜１と接触するように形成されている。
【００１９】
これら電極２，３のうち、アノードでは、水素が供給されることで水素イオンと電子に解離し、水素イオンは電解質膜１を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させ、カソードにそれぞれ移動する。カソードでは、供給された空気中の酸素と電解質膜１を移動した水素イオン及び電子が反応して水が生成する。
【００２０】
ガス拡散層４は、ガス拡散効果によってアノードに水素ガス、カソードに空気をそれぞれ供給するものである。
【００２１】
セパレータ５は、セル間の隔壁をなすばかりでなく、集電体としての機能やガスの流路としての機能も有し、例えばガス不透過である緻密性カーボン材で構成されている。そして、その片面または両面には、水素ガスや空気、あるいは冷却媒体の流路を確保するため、多数のリブが形成されている。水素ガスや空気は、セパレータ５にそれぞれ設けられたガス入口から供給され、前記リブによって形成されるガス流路を通ってガス出口から排出される。
【００２２】
前述の通り、セパレータ５には、ガス流路が形成されているが、本実施形態では、セパレータ５のガス流路を複数の独立した流路パターンとして分離形成している。
【００２３】
図２は、セパレータ５上に形成されたガス流路の平面図である。このガス流路は、アノード側のガス流路であってもよいし、カソード側のガス流路であってもよい。あるいは、これら両者が図２に示すような流路パターンで形成されていてもよい。
【００２４】
本実施形態においては、セパレータ５上のガス流路は、複数（本実施形態では３つ）の流路ユニット１１，１２，１３を並べることで構成されていることが大きな特徴である。各流路ユニット１１，１２，１３は、それぞれセパレータ５の長手方向に沿って両側に形成される分配管１４及び集合管１５、さらには平行に配列され支管として機能する複数の平行流路部１６とからなる。これら分配管１４、集合管１５、及び平行流路部１６は、いずれもガス流路溝としてセパレータ５の前記電極２、３との対向面に刻設されている。
【００２５】
セパレータ５には、前記ガス流路の他、ガス供給孔１７及びガス排出孔１８が形成されている。そして、セパレータ５を積層したときに、各セパレータ５のガス供給孔１７が連通されて供給マニホールドが構成される。同様に、各セパレータ５のガス排出孔１８が連通されて排出マニホールドが構成される。
【００２６】
前記各流路ユニット１１，１２，１３の分配管１４や集合管１５は、それぞれ各セパレータ５のガス供給孔１７（供給マニホールド）、あるいはガス排出孔１８（排出マニホールド）に接続されており、これによって水素ガスや空気が流通する一連のガス流路が構成される。
【００２７】
すなわち、前記各流路ユニット１１，１２，１３の分配管１４の上流側は、それぞれ独立にガス供給孔１７（供給マニホールド）に接続されている。また、前記各流路ユニット１１，１２，１３の集合管１５の下流側は、それぞれ独立にガス排出孔１８（排出マニホールド）に接続されている。
【００２８】
各分配管１４の導入部１４ａと、集合管１５の排出部１５ａには、それぞれ複数本（本実施形態では６本）の平行流路部１６の両端が連結されており、かかる連結構造により、いわばＺ字型の流路形状を呈している。これら複数本の平行流路部１６は、略等間隔で互いに平行に形成されており、各分配管１４や集合管１５に対して直交する方向、すなわちセパレータ５の長手方向に対して直交するように形成されている。
【００２９】
ここで、前記各流路ユニット１１，１２，１３の分配管１４の導入部１４ａや、集合管１５の排出部１５ａ、さらには平行流路部１６は、断面形状や寸法が同じに設定されており、なおかつ前記導入部１４ａと排出部１５ａの長さの和が同じであることから、前記各流路ユニット１１，１２，１３の平行流路部１６は、略同等の構成を持つことになる。したがって、前記各流路ユニット１１，１２，１３の圧損係数がほぼ等しくなり、前記各流路ユニット１１，１２，１３両端の差圧もほぼ等しくなるので、各流路ユニット１１，１２，１３間の均一分配を保証することができる。
【００３０】
さらに、各流路ユニット１１，１２，１３における平行流路部１６の数も減るので、図３に示すように、各流路ユニット１１，１２，１３の上流側の分配管１４と下流側の集合管１５間の圧力差（流量差）を抑えることができる。なお、図３において、図３（Ａ）は図２の最も左側の流路ユニット（左側流路ユニットと称する。）の分配管１４と集合管１５間の圧力差を示し、図３（Ｂ）は図２の中央の流路ユニット（中部流路ユニットと称する。）の分配管１４と集合管１５間の圧力差を示し、図３（Ｃ）は図２の最も右側の流路ユニット（右側流路ユニットと称する。）の分配管１４と集合管１５間の圧力差を示している。
【００３１】
以上の構成を有する本実施形態の燃料電池用セパレータ５では、各流路ユニット１１，１２，１３の平行流路部１６が同一の構成を持つことにより、各流路ユニット１１，１２，１３での圧損係数が等しくなり、また各流路ユニット１１，１２，１３両端の差圧も等しくなるので、各流路ユニット１１，１２，１３間のガスの分配を均一化することができる。さらに、各流路ユニット１１，１２，１３における平行流路部１６の数が減るので、各流路ユニット１１，１２，１３内の上流側と下流側との流路差も抑制することができる。
【００３２】
また、本実施形態の燃料電池用セパレータ５では、各平行流路部１６をセパレータ５の長手方向に対して垂直に配列形成しているので、流路本数を最も多くすることができ、流速が一番低くなり、流路の長さが一番短くなるので、低加湿運転と補助動力の低減には最も高い効果を得ることができる。
【００３３】
（第２の実施形態）
本実施形態は、前記各流路ユニット１１，１２，１３の分配管１４及び集合管１５の流路断面積を漸減あるいは漸増するように設計した例である。基本的なガス流路の構成は図２に示したものと同様であるが、本実施形態では、図４に模式的に示すように、各流路ユニット１１，１２，１３の分配管１４、具体的には各分配管１４の導入部１４ａが、その流路断面積が下流に行くにしたがって次第に減少するように形成されている。逆に、各流路ユニット１１，１２，１３の集合管１５、具体的には各集合管１５の排出部１５ａは、その流路断面積が下流に行くにしたがって次第に増加するように形成されている。
【００３４】
このように、前記分配管１４の導入部１４ａが下流に行くほどその断面積が減り、前記集合管１５の排出部１５ａが下流に行くほどその断面積が増えるように形成することによって、分配管１４と集合管１５の上流と下流の差圧をより均一に近く調節することができ、流路ユニット１１，１２，１３内の各平行流路部１６間の流量差をさらに抑えることができる。なお、各流路ユニット１１，１２，１３が担うガス流量はユニット数に応じて調整が図られ、各流路ユニット１１，１２，１３内の平行流路部１６の数が少なくなるので、運転条件によって流量変動範囲を狭めることができ、均一分配に及ぼす分配管１４と集合管１５の形状制限を緩和することもできる。
【００３５】
（第３の実施形態）
本実施形態は、前記各流路ユニット１１，１２，１３の平行流路部１６の流路断面積が次第に小さくなるように設計した例である。基本的なガス流路の構成は図２に示したものと同様であるが、本実施形態では、図５に模式的に示すように、各流路ユニット１１，１２，１３の平行流路部１６が、分配管１４や集合管１５の上流側に連結されるものほど流路断面積が大きく、下流側に連結されるものほど流路断面積が小さくされている。
【００３６】
例えば、６本の平行流路部１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ，１６ｅ，１６ｆの流路断面積は、最も上流側の平行流路部１６ａにおいて最も大きく、最も下流側の平行流路部１６ｆにおいて最も小さい。これらの流路断面積の関係は、１６ａ＞１６ｂ＞１６ｃ＞１６ｄ＞１６ｅ＞１６ｆである。
【００３７】
本実施形態においては、各平行流路部１６において、前記分配管１４の上流側につながる平行流路部１６ａから前記分配管１４の下流側につながる平行流路部１６ｆまで、その流路断面積を徐々に小さくしているので、分配管１４と集合管の上流と下流の差圧分布が発生しても、各平行流路部１６の圧損係数がそれに合わせて調節され、各流路ユニット１１，１２，１３内の各平行流路部１６間の流量差をさらに抑えることができる。具体的には、分配管１４と集合管１５との間で、上流から下流まで差圧が拡大しても、各平行流路部１６がそれに対応して圧損係数も増えるので、各流路ユニット１１，１２，１３内の各平行流路部１６間（例えば上流側の平行流路部１６ａと下流側の平行流路部１６ｆ）の流量差をさらに抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料電池の一単位である発電セルの構成を示す斜視図である。
【図２】第１の実施形態のセパレータを示す平面図である。
【図３】分配管と集合管間の圧力差を示すものであり、（Ａ）は左側流路ユニットの特性図、（Ｂ）は中部流路ユニットの特性図、（Ｃ）は右側流路ユニットの特性図である。
【図４】第２の実施形態のセパレータを示す平面図である。
【図５】第３の実施形態のセパレータを示す平面図である。
【符号の説明】
１  電解質膜
２，３  電極
５  セパレータ
１１，１２，１３  流路ユニット
１４  分配管
１５  集合管
１６  平行流路部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2004234882.tif 000006
【図５】
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