(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電に消費される気体の通過する流路を有し、
前記流路は、前記気体の上流の部分と下流の部分とが少なくとも一部において互いに隣り合う隣接部を有し、
少なくとも前記隣接部における前記流路の壁を多孔質とし、かつ、前記隣接部の壁の端面に前記流路の上流と下流とを結ぶ毛細管を有することを特徴とする燃料電池セパレータ。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池セパレータであって、
前記流路は、前記気体が該流路に供給される供給孔との接続部と、該気体が該流路から排出される排出孔との接続部とを除いて前記隣接部で構成され、
前記流路のうち前記発電に付随して発生する液体の発生量が比較的多いところが重力の向きに従うように該流路の向きが設定される燃料電池セパレータ。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池セパレータであって、
前記流路は、
上流よりも下流の方が位置が高い部分を有し、
蛇行することによって、層状に上下に重なる第１の部分と、該第１の部分に対して屈曲して延設されたこれよりも短い第２の部分とを備え、
使用の際には前記第２の部分が重力の向きに従うように設置される燃料電池セパレータ。
【請求項４】
請求項１に記載の燃料電池セパレータであって、
前記気体の供給孔と排出孔とが互いに近接して設けられており、
前記流路は、始点付近と終点付近とが隣接する燃料電池セパレータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発電に消費される気体が通過する流路が形成されており燃料電池に用いられるセパレータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術のセパレータによく見られる流路には、複数の平行な支流を有する平行流、折り畳まれた布状のサーペンターン流、碁盤状に流路が形成されたドット流などのパターンがある。これらのパターンは、流路が上流側から順に配置されており、流路の入口と出口とが遠く離れている点が共通している。また、セパレータ上の流路において、上流から下流へと進むにつれて次第にガスがガス拡散層へと拡散して濃度が下がってしまい、濃度勾配が生ずる。従って、燃料電池の反応領域においては、セパレータの上流側と下流側とで電流密度、温度、および水の生成量などの物理量に差が生じ、空間的な分布に偏りが生じてしまう。これによって、燃料電池の効率および信頼性が低下する。
【０００３】
このような問題を解決するための技術は、特開平１０−２８４０９４号公報および特開２００１−２３６５１号公報に開示されている。これらの技術においては、流路の上流側部分と下流側部分とが隣接しながら電極面の反応領域のほぼ全域にわたって形成されている。すなわち、互いにガスの濃度差が異なる上流側部分と下流側部分とを隣接させることによって、ガス拡散層が実際に受け取るガスの供給密度が任意の地点において平均化されることをもくろんだものであり、引いてはガス拡散層におけるガスの濃度が均一化されることを期待している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ガス拡散層の厚みには限度がある。従って、流路の上流側部分と下流側部分とを隣接させても、濃度の低いガスと高いガスとがガス拡散層において十分に混合されるには至らない。従って、濃度差が解消されることは十分では無かった。一方、濃度差の大きい上流側の部分と下流側の部分とが隣接することによって、この部分におけるガスの局所的な濃度勾配は逆に従来よりも大きくなるおそれがある。ここで、温度分布は伝熱特性の向上によって改善できるが、反応ガスの濃度、電流密度、および生成水の分布は大きな改善を期待できない、などの問題点がある。
【０００５】
また、特開平１０−２８４０９４号公報で提案された渦巻きパターン状の流路は、鉛直方向の流路の長さと水平方向の流路の長さがほぼ同じである。従って、渦巻きパターンの外周付近の部分であり、重力の向きとは逆向きにガスが移動する部分においては、重力に逆らって生成水を移動させなければならない距離が長くなってしまう。従って、生成水の移動がもくろんだ通りには行われなくなるかもしれない。一方、特開２００１−２３６５１号公報に開示の従来技術では、セパレータの中心に近づくほど流路の曲率半径が小さくなり、流れ方向の変化が激しくなる。そのため、圧力損失が増える他、液体水の排出が困難になる。以上のような理由によって液体水の排出がうまく行かない場合には、燃料電池にフラッディングが発生しやすくなるおそれがある。
【０００６】
また、特開平１０−２８４０９４号公報と特開２００１−２３６５１号公報において提案された流路は、入口と出口とがセパレータの対角線の両端に配置されている。これでは、反応ガスの濃度差が最も大きくなる入口付近と出口付近との間での濃度差の縮小が不可能である。すると、入口付近および出口付近の発電性能に極端に差が生じ、燃料電池セル全体としての出力は、電流密度の分布の偏りが大きくなることによって低下してしまうという問題点がある。
【０００７】
本発明は以上の問題点に鑑み、気体の濃度が均一になる燃料電池セパレータを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、発電に消費される気体の通過する流路を有し、前記流路は、前記気体の上流の部分と下流の部分とが少なくとも一部において互いに隣り合う隣接部を有し、少なくとも前記隣接部における前記流路の壁を多孔質とし、かつ、前記隣接部の壁の端面に前記流路の上流と下流とを結ぶ毛細管を有する。
【０００９】
第２の発明は、第１の発明の前記流路が、前記気体が該流路に供給される供給孔との接続部と、該気体が該流路から排出される排出孔との接続部とを除いて前記隣接部で構成され、前記流路のうち前記発電に付随して発生する液体の発生量が比較的多いところが重力の向きに従うように該流路の向きが設定される。
【００１０】
第３の発明は、第２の発明の前記流路が、上流よりも下流の方が位置が高い部分を有し、蛇行することによって、層状に上下に重なる第１の部分と、該第１の部分に対して屈曲して延設されたこれよりも短い第２の部分とを備え、使用の際には前記第２の部分が重力の向きに従うように設置される。
【００１１】
第４の発明は、第１の発明の前記気体の供給孔と排出孔とが互いに近接して設けられており、前記流路は、始点付近と終点付近とが隣接する。
【００１２】
【発明の作用および効果】
第１の発明によると、壁を多孔質にすることによって流路の壁を気体の透過性を有するものとし、気体の濃度が高い上流側流路から、濃度が低い下流側流路へ気体が拡散できる。この様にガス拡散層における気体の濃度の均一性を向上させることによって、燃料電池の電解質膜に供給される気体の分布が均一化される。さらに、壁から電解質膜に向かって気体が供給されることにもなり、電解質膜の利用面積を増加させることが可能となる。これらによって、電解質膜を効率的に利用して発電を行わせることが可能となる。
【００１３】
また、多孔度を適宜設定することによって、壁の保水力および排水力を所望に調節することが可能である。また、ガス拡散層に接する部分が多孔質であることによって、セパレータとガス拡散層との接触面積を増やして接触抵抗を減少させることができる。
【００１４】
さらに、上流および下流間で、毛細管によって水が移動することが可能となる。多い方から少ない方へと水分が移動することによって、セパレータが用いられる燃料電池の電解質膜を均一に湿らせることが可能となり、電解質膜の部分的な渇きが効果的に予防される。
【００１５】
第２の発明によると、発電に付随する液体の移動は、発生量が多い場所では重力の助けを借りて容易になる。例えば、低加湿運転または無加湿運転によって流路の下流側に液体（例えば生成水）が溜まり易い場合には、下流側の向きが重力の向きに従うように燃料電池セパレータが配置されることによって、液体の排出が容易になる。
【００１６】
第３の発明によると、流路のうち液体の発生量が比較的少ないところにおいては、上流側から下流側への向きの液体の移動を阻害する重力の影響が、第２の部分の長さが比較的短いことによって緩和される。液体の移動を、発生量が比較的多い部分では第４の発明に従って重力を利用しつつ、比較的少ない部分では第５の発明に従って重力による不利益を緩和しつつ行うことが可能となる。
【００１７】
第４の発明によると、気体の供給孔および排出孔が互いに近接して設けられていることによって、流路の始点付近と終点付近とを隣接させることが実現されている。これによって、気体の濃度差が最も大きくなり得る始点付近と終点付近とにおいてその濃度差を縮小させることが可能となる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１および図２はそれぞれ、セパレータ２０の構造を例示する平面図および断面図である。特に図２においては、燃料電池にセパレータ２０が使用されている際のガス拡散層２３および電解質膜２４に対する位置関係が例示されている。
【００１９】
図１に例示されるように、セパレータ２０には、空気用、水素用および冷却水用のマニホルド１〜３が、セパレータ２０の厚み方向に貫通するようにそれぞれ設けられている。空気、水素および冷却水は、セパレータの基体によって、互いに接触しないように隔離されている。空気用のマニホルド１は、発電に使用される前の空気が通過するマニホルド１ａと、使用後の空気が通過するマニホルド１ｂとを含んでいる。マニホルド１ａおよびマニホルド１ｂは、セパレータの下隅に、互いに近接するように設けられている。
【００２０】
セパレータ２０は図２に例示されるように基盤２０ａとリブ２０ｂおよびリブ２０ｃとによって構成されており、このリブ２０ｂの畝の間の空間がマニホルド１ａおよびマニホルド１ｂをつなぐ空気（気体）の流路２５になっている。すなわち、畝の部分が壁となって、流路２５を形作っている。同様に、リブ２０ｃの間の空間が、水素（気体）の流路となっている。図１においては、説明の便宜のために、流路２５の上流側は実線で、下流側は点線で示されている。
【００２１】
空気の通過する流路２５は蛇行しており、折り畳まれた布状の形態に形成されている。詳細には、入口側のマニホルド１ａと接続する供給孔を始点として、複数個のＳ字が積み重なった形状の流路２５は上流側において、蛇行しつつ徐々に重力の向きＧとは反対向きに上昇していく。このようにして流路２５の上流側がセパレータ２０の上部に達すると流路２５は流れの向きを変え、下流側では重力の向きＧに従って蛇行しつつ徐々に下降していく。流路２５の下流側は、湾曲した上流側の窪みの部分に入り込むように曲がりくねっている。流路２５の終端は、出口側のマニホルド１ｂに排出孔を通じて連なっている。
【００２２】
以上のような流路２５の形状によって、流路２５の上流側の部分と下流側の部分とは互いに隣接しつつ蛇行する。特に、流路２５の上流側のうち上流であればあるほど、下流側の部分のより下流の部分と隣接する。すなわち、上流側の酸素の濃度の高い部分ほど、下流側の酸素の濃度の低い部分と隣接する。
【００２３】
ここで、図２に例示されるリブ２０ｂは多孔質であり、透過性を有する。従って、リブ２０ｂの両側の空気は互いに行き来することが可能である。酸素濃度は上流側の方が高いことから、結果的には、酸素が上流側から下流側へと拡散していき、酸素濃度の分布が平坦化される。既述のように酸素濃度が高い部分ほど酸素濃度が低い部分と隣接するため、このような緩和効果は酸素濃度の落差が激しい部分ほど顕著である。以上のようにして、流路２５全体にわたって、酸素濃度の差が縮小される。
【００２４】
さらに、リブ２０ｂが多孔質であることによって、リブ２０ｂを通過する酸素は、リブ２０ｂと拡散層２３との接触面を経由して拡散層２３に供給される。従って、拡散層２３の表面全体に対して酸素を供給することが可能となり、有効反応面積が増加すると共に、酸素の供給密度がますます均一化される。
【００２５】
ここで、図１に例示されるように入口側のマニホルド１ａおよび出口側のマニホルド１ｂは互いの近くに配置されている。これは、セパレータ２０の対角線上の両端付近にこれらのマニホルド１ａおよび１ｂが配置されていた従来の構成とは異なっている。マニホルド１ａおよび１ｂが近くに配置されることによって、これらにそれぞれ通ずる流路２５の始点付近と終点付近とを隣接させることが可能となる。従って、図１に例示されるように、流路２５のほぼ全体にわたって上流側と下流側とを隣接させることが可能となっている。これによって、流路２５におけるガスの拡散を最大限に引き起こすことができ、酸素の供給の均一化が向上する。
【００２６】
以上のようにして、図２の拡散層２３に与えられる酸素の供給密度のばらつきが無くなり、拡散層２３を介して酸素が供給される反応（発電）領域の全体を用いて均一に発電を行うことが可能となる。これによって、発電によってそれぞれ発生する電流、生成水および熱の密度が反応領域に関して均一化される。
【００２７】
また、酸素の拡散のために本来多孔質であるガス拡散層２３と、酸素の濃度の均一化のために多孔質化されたリブ２０ｂとが接触することによって、セパレータ２０とガス拡散層２３との接触抵抗が低下する。これは、リブ２０ｂが多孔質ではなかった従来の構成に比べて、接触面積が増加するからである。接触抵抗の低下によって、発電された電力を取り出す際のロスが減少し、電力を効率的に利用することが可能となる。
【００２８】
リブ２０ｂの多孔質化の程度を調節することによって、流路２５の保水能力および排水能力を所望に設定することが可能である。拡散層２３に多孔質のリブ２０ｂが接触していることによって、孔の部分を経由してリブ２０ｂからも拡散層２３に水分が与えられる。例えば流路２５に保水能力を十分持たせた場合には、無加湿運転または低加湿運転の際にも良好に発電を行わせることが可能となる。
【００２９】
一方、燃料電池を停止させる際に拡散層２３および電解質膜２４を乾燥させなければならない場合には、流路２５に空気を流し、流路２５とリブ２０ｂ内の孔とを通過する空気によって拡散層２３および電解質２４を乾燥させることが可能となる。流路２５のみによって乾燥させた従来の構成よりもリブ２０ｂ内の孔を用いる分だけ乾燥の効率がアップする。従って、乾燥のために例えば空気を加熱するような必要性が低下する。また、低温での運転が可能となる。
【００３０】
次に、水分の分布の傾向について説明を行う。運転を行う際の加湿状況によって、流路の上流側または下流側の何れの部分で水分が余剰または不足するかが定まる。例えば、低加湿運転または無加湿運転を行う際には、上流側が乾き易く、下流側は水分が滞留しやすい。このため、フラッディングが局所的に発生するおそれがある。
【００３１】
そこで、図２に例示されるようにリブ２０ｂの端面には、これを貫通する毛細管２６が形成されている。毛細管２６を経由して、流路２５の上流側および下流側間を液体の水分が移動できるようにしている。多い方から少ない方へと水分が移動して湿度が均一化され、局所的なフラッディングおよび電解質膜２４の局所的な乾燥を未然に防止することが可能になる。これと共に、湿度が均一化されることによって反応領域に生成水を均等に分配することが可能となり、セパレータ２０の用いられる燃料電池の効率が高くなる。既述のように、上流側の部分であるほど下流側の部分と隣接するように流路２５は配置されており、水分が過剰な部分ほど水分が不足する部分に水分が移動する。このような構成によって、水分の分配に関する以上の効果が顕著となる。なお、水分の移動という効果を得るためには、毛細管２６の位置がリブ２０ｂの端面に限定される必要はない。例えばリブ２０ｂの途中に毛細管２６が形成されていても、水分の移動は可能である。
【００３２】
次に、流路２５の形状によって得られる効果について説明を行う。既述のように、流路２５は上流側と下流側とが隣接しつつＳ字状に蛇行する形状を有している。流路２５の上流側は重力の向きＧに逆らって蛇行しつつ上昇していき、一方下流側は向きＧに従って下降しつつ蛇行する。このような構成によって、下流側では重力の助けによって液体の水の排出が容易になる。
【００３３】
既述のように、例えば無加湿または低加湿運転時には液体の水は下流側において滞留しやすい。従って、無加湿運転又は低加湿運転の場合には、図１に例示されるように下流側が重力に対して順方向に設置されていることは水の排出の観点から好ましい。一方、上流側で水が滞留しやすい高加湿運転が行われる燃料電池に使用するセパレータは、図１のセパレータとは逆に、上流側を重力に対して順方向に、下流側を逆方向に設定して配置すると良い。
【００３４】
一方、上流側又は下流側のうち重力に対して逆方向となる方は、液体の水の排出は困難になってしまう。しかし、図１に例示されるように流路２５は、重力Ｇの向きに従って伸びる鉛直部分２５ａ（第２の部分）と、この向きに直行する方向に伸びる水平部分２５ｂ（第１の部分）とが交互に組み合わされた形状を有している。このような形状によって、水平部分２５ｂは層状に重なっている。ここで、鉛直部分２５ａは水平部分２５ｂよりも短くなっており、流路２５はＳ字が鉛直方向に繰り返される形状を有している。従って、流路２５のうち重力とは逆向きに液体の水を排出しなければならない部分においても、その部分の距離が従来の場合（特開平１０−２８４０９４号公報）よりも短く設定されていることによって、排出はずっと容易になっている。このような設定によって、セパレータ２０が取り付けられた燃料電池は、局所的なフラッディングが発生しにくい。
【００３５】
図２に例示されるように、図１では裏面に相当するセパレータ２０のもう１つの面に形成された多孔質のリブ２０ｃも多孔質である。そして、このリブ２０ｃを壁とする、表面と同様の構成を有する溝が存在する。この溝が水素ガスの流路として機能し、図１の入口側の水素マニホルド２ａおよび出口側の水素マニホルド２ｂを互いに導通させる。この裏面の溝も、上流側と下流側とが隣接しており、水素濃度が高い上流側から低い下流側へと水素がリブを介して拡散する。これによって、図２における上方からセパレータ２０上に載置される図示を省略されたガス拡散層に与えられる水素の濃度の分布を均一化させることが可能となる。これによって、反応領域における発電の密度が均一化される。
【００３６】
また、高加湿運転の際には、発電による生成水が発生しない水素ガスの流路においても水分の滞留が問題となる。しかし、リブ２０ｃに毛細管２６と同様の毛細管を設けておくことによって、局所的なフラッディングおよび電解質膜の局所的な乾燥を未然に防止することが可能となる。この場合には、水素ガスの流路の上流側が重力の向きＧに従うように、下流側が反するように流路の向きを設定しておくと良い。
【００３７】
実際の使用の際には、セパレータ２０は図２に例示されるように、同様の構成を有するもう一つのセパレータ２１と対になって、電解質膜２４およびガス拡散層２３を挟みこむ。図示は省略されているが、セパレータ２０およびセパレータ２１の別の側にも電解質膜およびガス拡散層が配置されている。すなわち、セパレータ、（酸素用の）ガス拡散層、電解質膜、（水素用の）ガス拡散層およびセパレータという１つの単位が繰り返されて積層され、燃料電池セルが構成される。積層された構成物は、図１の締付けボルト４によって互いに固定される。
【００３８】
複数のセパレータに設けられた入口マニホルド１ａ同士は互いに連通して、空気の供給を受け付ける。そして、各々のセパレータ毎に入口マニホルド１ａから空気用の溝２５に空気が流入し、出口マニホルド１ｂへと抜け出る。空気中の酸素は溝２５の途中で拡散層２３に拡散し、発電に用いられる。溝２５を通過した空気は、複数のセパレータに設けられた互いに連通する複数の出口マニホルド１ｂを通過して排出空気となる。
【００３９】
同様の構成が水素用の入口マニホルド２ａおよび出口マニホルド２ｂに対しても実現されている。水素ガスは、互いに連通するマニホルド２ａから各セパレータに供給され、水素ガス用の溝を通過しつつ拡散層２３に拡散され、互いに連通するマニホルド２ｂから排出される。また、冷却水の通過は、複数のセパレータにそれぞれ設けられており互いに連通する冷却水マニホルド３によって実現可能となっている。
【００４０】
以上のように、セパレータ２０は燃料電池の均一な発電を実現すると共に、生成水によるフラッディングを未然に防止して、燃料電池の運転の安定性および信頼性を確保する。
【００４１】
本発明は、上述の実施の形態に限定されること無く、様々な変更または改良をなしうることが明らかである。そして、変更または改良後の発明も、特許請求の範囲に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  実施の形態のセパレータ２０の構成を例示する平面図である。
【図２】  実施の形態のセパレータ２０の構成を例示する断面図である。
【符号の説明】
１  空気マニホルド
１ａ  入口マニホルド
１ｂ  出口マニホルド
２  水素マニホルド
２ａ  入口マニホルド
２ｂ  出口マニホルド
２０，２１  セパレータ
２０ａ  基盤
２０ｂ，２０ｃ  リブ
２５  流路
２５ａ  鉛直部分
２５ｂ  水平部分
Ｇ  重力の向き
【図１】
0003804503.tif 000002
【図２】
0003804503.tif 000003