(57)【要約】【課題】            燃料電池用セパレータは、燃料・酸化剤両ガスを外部の供給経路より発電領域に導入し拡散させているが、平行溝で構成した発電領域にあるガス流路に均一に両ガスを供給するには、供給口からの距離が大となって小型の燃料電池にすることが困難であった。  平行流のガス流路でも小型の燃料電池を可能にするセパレータ構造で、燃料電池の発電領域及び燃料ガス、酸化剤ガスを供給、排出するガスの流通路を含めた占有面積を可能な限り小さくし、さらに積層する燃料電池各要素部品の締結部を含めた総面積を小型にする固体高分子型燃料電池を可能にする。【解決手段】        給気孔から発電領域にあるガス流路の間に、複数の分散溝と、分散溝でのガスの拡散を介助する連通溝を介して流路を形成する。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子型の電解質膜を利用した燃料電池にガスを供給排出するための発電領域のガス流路を形成し、かつ燃料電池が発電した電気エネルギーを外部に導く導電性のセパレータであり、
外部からの燃料ガス、酸化剤ガスを燃料電池に導く給気孔から発電領域のガス流路の間に、複数の分散溝と、分散溝でのガスの拡散を介助する連通溝を介して流路を形成し、発電領域のガス流路終端に連絡する捕集溝と、発電領域を通過した燃料ガス、酸化剤ガスを外部に排出する排気孔を形成したセパレータ。
【請求項２】
前記の各要素を発電反応域の中心軸に線対称に形成していることを特徴とする請求項１記載のセパレータ。
【請求項３】
前記の複数に分散した連通溝が複数の流路経路を形成したことを特徴とする請求項１から請求項２まで記載のセパレータ。
【請求項４】
前記の複数の分散溝へのガスの流通路を形成する連通溝の間、及び発電領域のガス流路との間を、互いに流路の軸芯をずらせて配置したことを特徴とする請求項１から請求項３記載のセパレータ。
【請求項５】
前記の複数の分散溝と複数の連通溝を、ガスの給気孔から排気孔までの流路長を、複数の平行流で構成した発電領域のガス流路それぞれでの総経路長の相対差を極小にする位置に配していることを特徴とする請求項１から請求項４まで記載のセパレータ。
【請求項６】
前記の複数の分散溝と複数の連通溝とを分割して給気孔から発電領域のガス流路入り口への給気経路、そして発電領域のガス流路出口から排気孔への排気経路それぞれに形成し、それぞれの発電領域のガス流路入り口に流入するガスの圧力と、それぞれの発電領域のガス流路に流れるガス流量を略同一値とするように形成したことを特徴とする請求項１から請求項４に記載のセパレータ。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載のセパレータを有することを特徴とする燃料電池。
【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の発電部への燃料ガス、酸化剤ガスの供給及び排出を行う各連通孔と発電反応域に形成される各ガス流路とを形成し、両面にガス拡散層、触媒層を持つ電極を貼りあわせたイオン伝導膜よりなる膜電極複合体（以後「ＭＥＡ」と記す）の両面に密着して燃料電池の単セルと呼ばれる単位ユニット（以後「セル」と記す）を構成し、燃料ガス・酸化剤ガスの供給によりＭＥＡで発電された電子を運ぶ、固体高分子型燃料電池のセパレータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜の一面に燃料極（以後「アノード」と記す）、他の面に酸化剤極（以後「カソード」と記す）を接合してＭＥＡを形成し、このＭＥＡを複数本の溝（以後「ガス流路」と記す）が設けられた導電性のセパレータで両側から挟み付けセルとし、さらに両端に電気を取り出すための金属板（以後「エンドプレート」と記す）をおいて締結部品によって固着されて構成される。
【０００３】
このセル一つの起電力は使用時に１Ｖ以下であり実用的には、このセルを複数積層し、両端にエンドプレートを添えて通しボルトで締め付け一体化することで積層電池（以後「スタック」と記す）が構成されている。そして、セルのアノード及びカソードのガス拡散層に対し、アノードに対向するセパレータの発電領域のガス流路には燃料ガス（水素ガス又は改質ガス）を流通させると共に、カソードに対向するセパレータの発電領域のガス流路には酸化剤ガス（酸素ガス又は空気）を流通させ、両極の触媒層における電気化学反応により発電する。
【０００４】
上記セパレータには、発電反応域に対応してガス流路、外部から発電領域のガス流路にガスを供給する給気の連通孔（以後「給気孔」と記す）及び、電気化学反応を終えたガスを排出する排気の連通孔（以後「排気孔」と記す）、そしてそれぞれの連通孔と発電領域のガス流路を結ぶ連絡溝が形成されている。外部より供給される両ガスは、給気孔より連絡溝から発電領域のガス流路に導かれ、発電の電気化学反応を終えて、連絡溝から排気孔へと流れ外部へと排出される。そしてこの発電領域のガス流路は直線的な平行流路や‘サーペンタイン’と呼ばれる蛇行した形状の流路など様々な形状のものが提案されている。いずれにしてもセパレータの発電領域のガス流路は、反応ガス特に燃料ガスが所定量均一に流通することが望まれる。
【０００５】
複数本の発電領域のガス流路において、燃料ガスの流量が不均一になるとガス供給不足の流路で電気化学反応が充分に行われず、そのため発電効率が低下して燃料電池の性能低下を招くことになる。このような事態を防止するために、従来例えば、平行流路を形成したセパレータに複数本並設された発電領域のガス流路の入口及び／又は出口に、それぞれの流路に対応する間隔をもってノズル孔を貫通させた突出片を設けるなどにより、各発電領域のガス流路へ反応ガスを均一に流通させるようにした技術が開示されている（特許文献１参照）。
【０００６】
また、ここで提案されているようにガスを均一に流通させるために複数流路の入り側、出側にこの例のようにガス給気孔、排気孔を反応域の対角位置に配置し、連絡溝による発電領域のガス流路に燃料ガス、酸化剤ガス供給、排出するものが一般的であった。
【０００７】
しかしながら、こうした平行流路を持つセパレータの発電領域のガス流路においては、給気孔から排気孔へのガスの流れに、発電領域のガス流路へ引用例文でマニホールドと名づけられた連絡溝でのガス流通による圧力損失の差が生じてしまい、それぞれの発電領域のガス流路にガスが導かれる前にガスの性状に差が生じ、反応域への均一な燃料ガス、酸化剤ガスの分散が思うようにならず、発電領域における単位面積当たりの発電量にばらつきが発生する。これを解消するには、連絡溝の断面積を大きくしなければならず、単位セルの発電域に比べ、ガス流通のための占有空間が大きくなり、燃料電池の総体積が大きく、かつ発電寄与空間の比率が下がってしまうという課題をもっている。
【０００８】
また、この配置ではスタックを一体に組み上げる締結部材を周囲に配置することになり、燃料電池全体がさらに大型にならざるを得なかった。
【０００９】
さらに、セパレータの使用環境は、高温多湿の環境であることが多く、燃料電池に使用するガス、特に水素ガスなどの漏れを防ぐ意味でアノード、カソード両極のセパレータを緊密に組み上げる必要があるが、こうした複合部品では、それぞれの部品に高温多湿環境での挙動に差がでて、機密性が阻害される。また別体の部品を固着するのに接着剤などを利用した場合、発電の電気化学反応で発生する極めて活性の高い物質により接着剤が変性させられて電気化学反応に有害な物質を生じさせたり、接着能力を低下させることなどが予想される。
【００１０】
【特許文献１】特開２００４−１７１８８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
以上のような従来技術の問題点に対し、本発明は、導電性のセパレータにおいて、給気孔と発電領域のガス流路の間に複数の分散溝を配し、それを複数の連通溝で繋ぎ、発電領域のガス流路を通過した両ガスを捕集溝で集めて排気孔に導くことにより、燃料ガス、酸化剤ガスを均一に発電領域に分散できる固体高分子型の燃料電池を可能にすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
請求項１に記載の発明は、固体高分子型の電解質膜を利用した燃料電池にガスを供給排出ための発電領域のガス流路を形成し、かつ燃料電池が発電した電気エネルギーを外部に導く導電性のセパレータであり、外部からの燃料ガス、酸化剤ガスを燃料電池に導く給気孔から発電領域のガス流路の間に、複数の分散溝と、分散溝でのガスの拡散を介助する連通溝を介して流路を形成し、発電領域のガス流路終端に連絡する捕集溝と、発電領域を通過した燃料ガス、酸化剤ガスを外部に排出する排気孔を形成したセパレータである。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のセパレータにおいて、前記の各要素を発電反応域の中心軸に線対称に形成している。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、請求項１〜２に記載のいずれかのセパレータにおいて、前記の複数に分散した連通溝が複数の流路経路をもっている。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３に記載のいずれかのセパレータにおいて、前記の複数の分散溝へのガスの流通路を形成する連通溝の間、及び発電領域のガス流路との間を、互いに流路の軸芯をずらせて配置している。
【００１６】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４に記載のいずれかのセパレータにおいて、前記の複数の分散溝と複数の連通溝を、ガスの給気孔から排気孔までの流路長を、複数の平行流で構成した発電領域のガス流路それぞれでの総経路長の相対差を極小にする位置に配している。
【００１７】
請求項６に記載の発明は、請求項１〜４に記載のいずれかのセパレータにおいて、複数の分散溝と複数の連通溝とを分割して給気孔から発電領域のガス流路入り口への給気経路、そして発電領域のガス流路出口から排気孔への排気経路それぞれに形成している。
【００１８】
請求項７に記載の発明は、請求項１〜６に記載のいずれかのセパレータを有することを特徴とする燃料電池である。
【発明の効果】
【００１９】
請求項１のセパレータによれば、燃料ガス、酸化剤ガスそれぞれの給気孔から発電領域のガス流路の間に、複数の分散溝と、分散溝でのガスの拡散を介助する連通溝を介して流路を形成しているため、給気孔から発電領域のガス流路の間に形成された複数の分散溝及び、連通溝により、給気孔から供給される燃料ガス、酸化剤ガスを反応域の幅全域に分散させ、この分散溝に繋がり反応域に配列された平行の発電領域のガス流路に燃料ガス、酸化剤ガスを略均一にそれぞれのガスを供給することに優れる。
【００２０】
請求項２のセパレータによれば、前記の各要素を発電反応域の中心軸に線対称に形成しているため、給気孔、排気孔の配置や、スタック組み立て用の締結ボルトの配置設計の自由度に優れている。
【００２１】
請求項３のセパレータによれば、前記の連通溝を複数として分散配置して、燃料ガス、酸化剤ガスを必要とする流量、流速に応じて配置形成することにより、発電領域に平行に形成されたガス流路に、燃料ガス、酸化剤ガスを最適に供給することに優れる。
【００２２】
請求項４のセパレータによれば、前記の複数の分散溝へのガスの流通路を形成する連通溝の間、及び発電領域のガス流路との間を、互いに流路の軸芯をずらせて配置することにより、流通するガスの拡散を促し、発電領域のガス流路へのガスのより均一な流入に優れる。
【００２３】
請求項５のセパレータによれば、燃料ガス、酸化剤ガスの供給口から排出口の流路長を、複数の平行流路それぞれの給気孔から排気孔までの総経路長を略均一化することにより、経路中の圧力損失を均一化して燃料電池の発電反応域に燃料ガス、酸化剤ガスを最適に供給することに優れる。
【００２４】
請求項６のセパレータによれば、複数の分散溝と複数の連通溝群とを分割して給気孔から発電領域のガス流路入り口への給気経路、そして発電領域のガス流路出口から排気孔への排気経路それぞれに形成することにより、発電領域のガス流路入り口に流入するガスの圧力と、それぞれの発電領域のガス流路に流れるガス流量を略同一値とし燃料電池の発電効率を向上することに優れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
本発明は、燃料電池にガスを供給排出するためのガス流路を有する導電性のセパレータに関し、外部からの燃料ガス、酸化剤ガスを燃料電池に導く給気孔から発電領域のガス流路の間に、複数の分散溝と、分散溝でのガスの拡散を介助する連通溝を介して流路を形成し、発電領域のガス流路終端に連絡する捕集溝と、発電領域を通過した燃料ガス、酸化剤ガスを外部に排出する排気孔を形成したことを特徴とする。このセパレータを固体高分子型燃料電池に応用することにより、燃料電池の発電領域に配列されたガス流路に燃料ガス、酸化剤ガスを発電域全体に均一に供給させて、単位面積当たりの発電効率を向上させることができるのである。
【００２６】
以下に、実施例を用いて本発明を説明する。
【００２７】
本発明はこれらのみに限定されるものではない。
【実施例１】
【００２８】
以下、請求項１によるセパレータを備えた固体高分子型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、本発明に係るアノード用セパレータの一実施形態である。
このアノード用のセパレータ１には、給気孔２、排気孔３が、二点鎖線Ａで示す発電反応域に平行に形成されたガス流路４を挟んで上下に形成され、給気孔２から発電反応域に向けて放射状に燃料ガスを導く第一の連通溝５が、第一の分散溝６に繋がり形成されている。そして発電領域のガス流路４との間にさらに第二の連通溝７、第二の分散溝８が形成されている。排気孔３と発電領域のガス流路４の間には捕集溝９を介して排出溝１０が形成されている。
【００２９】
それぞれの溝は通常  幅が０．５〜３ｍｍ、深さが、０．３〜１．５ｍｍ程度である。
【００３０】
上記のセパレータを備えた固体高分子型燃料電池において、単セルあるいはスタックに燃料ガスが供給されると、給気孔２から導入される燃料ガスが第一の連通溝５から第一の分散溝６で分散され、さらに第二の連通溝７から第二の分散溝８で分散されることにより、発電反応域にあるガス流路４に略均一に燃料ガスを供給することが可能となる。
【００３１】
発電反応域で発電反応を終えた燃料ガスは発電領域のガス流路４から、捕集溝９に流れ出て排出溝１０を通して排気孔３を通じて燃料電池の外部へと導かれる。
【００３２】
又、バイポーラ型のセパレータにおいては他面側、或いは正負極独立型のセパレータにおける酸化剤を流通させる発電領域のガス流路に関しても、給気孔、排気孔および発電領域のガス流路の数をガスの必要流量に応じて増やすこともあるが、同様の考え方が適用可能である。
【実施例２】
【００３３】
第２の実施例では、給気孔２、複数の第一の連通溝５および第二の連通溝７、複数の第一の分散溝６および第二の分散溝８、捕集溝９、排気孔３を、二点鎖線で示された発電領域Ａの中心軸に対し線対称に形成し、さらに前期の発電領域のガス流路４と給気孔２及び排気孔３を結ぶガスの流路経路を囲むように、単セルあるいはスタックの組み上げの締結用ボルトの貫通孔群１１を形成している。これにより、セパレータ１の外形に最小の余裕を持たせることだけで燃料電池の組み上げに必要な部材を構成することが可能になり、小型の燃料電池がスッキリとした外形で構成することが可能になる。
【実施例３】
【００３４】
第３の実施例では、第一の連通溝５、第二の連通溝７、特に第二の連通溝７をガスの流量、流速に応じてその数、溝幅を調節し、１群の連通溝の総断面積を調節して形成することによりガスの流れを最適化することが可能になる。
【実施例４】
【００３５】
第４の実施例では、第一の連通溝５および第二の連通溝７の流路である溝を相互に、或いは第二の連通溝７と発電領域のガス流路４の溝を相互に、その流路の軸芯をずらせて配置することにより、分散溝６および８でのガスの均一分散を助け、発電領域のガス流路４にさらに均一にガスを導くことが可能になる。
【実施例５】
【００３６】
第５の実施例では、第一の連通溝５および第二の連通溝７の配置を最適化することにより給気孔２から排気孔３までの各発電領域のガス流路経路それぞれでの総経路長の相対差を極小にする。これにより、吸気孔２から、第一の連通溝５，第一の分散溝６、第二の連通溝７、第二の分散溝８，ガス流路４、捕集溝９、排出溝１０、排気孔１０に至る燃料ガス、酸化剤ガスの総流通経路長、そして経路内での損失が略均一化され、反応領域に両ガスを供給して発電効率を向上させることが可能になる。
【実施例６】
【００３７】
第６の実施例では、第一の連通溝５、第一の分散溝６および第二の分散溝８を分割し、発電領域のガス流路４入り口でのガス圧力を略均一化し、さらに各発電領域のガス流路４に流れるガスの流量をも略均一化して発電反応域に流通するガスの性状を同様の条件にして発電反応域全体で効率よく発電することが可能になる。
【００３８】
このことは、
直径Ｄ、長さＬの円管中を、粘度μ、流量Ｑのニュートン流体が移動するときの圧力降下量ｐは
ｐ＝１２８・μ・Ｌ・Ｑ／（πＤ４）
と一般に表され、第一の連通溝５の溝の長さＬと断面積Ｓ（≒Ｄ）を適当に設定することで分割された各分散溝の発電領域のガス流路４入り口の圧力が略均一化される。
【００３９】
また、断面積Ｓ（≒Ｄ）よって導かれる第一の連通溝５の総流量Ｑｎに応じて、発電領域のガス流路の本数をそれぞれの分散溝８に振り分けることによってそれぞれの発電領域のガス流路４に流れるガスの流量を略均一化でき、燃料電池の発電領域全域にわたり両ガスの供給を同じ様な条件にすることが可能となり発電効率を向上することが可能となることによる。
【００４０】
好ましくは、給気孔２から発電領域のガス流路４入り口までの流路経路及び、発電領域のガス流路４の出口から排気孔３までの両流路経路にこの圧力と流量の均一化を可能にするように複数の連通溝群、および分割された分散溝を形成するべきであるが、排気側を簡略化することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明によるセパレータは、固体高分子型燃料電池に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】請求項１に係るセパレータの一実施形態を示す平面図である。
【図２】請求項２に係るセパレータに締結用のボルト貫通孔を形成した実施形態を示す平面図である。
【図３】請求項３に係るセパレータの第二の連通溝の数、溝幅を流量や流速の要求に応じて変えた他の実施形態を示す平面図である。
【図４】請求項４に係るセパレータのガスの流通路を形成する連通溝を互いに流路の軸芯をずらせて配置した他の実施形態を示す平面図である。
【図５】請求項５に係るセパレータのそれぞれの連通溝群を各発電領域のガス流路の経路長の相対差を略均一化にする配置とした他の実施形態を示す平面図である。
【図６】請求項６に係るセパレータの連通溝群、分散溝を分割した他の実施形態を示す平面図である。
【図７】本発明のセパレータを用いた固体高分子型燃料電池のスタックの正面及び側面図である。
【符号の説明】
【００４３】
１    セパレータ
２    給気孔
３    排気孔
４    ガス流路
５    第一の連通溝
６    第一の分散溝
７    第二の連通溝
８    第二の分散溝
９    捕集溝
１０    排出溝
１１    貫通孔群
【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】
2007220356.tif 000008
【図７】
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