燃料電池セパレータ
【課題】
燃料電池では、多孔質体を低圧損で使用するには、高気孔率が必須となり、締め付け力をシールで受けることとなりシールの劣化、すなわち、寿命の劣化を招く。これを避けるには、シールに掛かる力及び多孔質に掛かる力を低減し多孔質流路の通路高さを一定に保持しなければならないという課題が生じる。
【解決手段】
反応ガス流路板または流体遮断層で反応ガス入口出口マニホールドを有し、前記板または遮断層の上に多孔質体で流路部品を構築した燃料電池セパレータにおいて、シール材と類似または同一の物性の物質を用いて、セパレータ上に流路制御片を設けることにより、セパレータ全面へかかる面圧を均一化することを特徴とする燃料電池セパレータ。
燃料電池では、多孔質体を低圧損で使用するには、高気孔率が必須となり、締め付け力をシールで受けることとなりシールの劣化、すなわち、寿命の劣化を招く。これを避けるには、シールに掛かる力及び多孔質に掛かる力を低減し多孔質流路の通路高さを一定に保持しなければならないという課題が生じる。
【解決手段】
反応ガス流路板または流体遮断層で反応ガス入口出口マニホールドを有し、前記板または遮断層の上に多孔質体で流路部品を構築した燃料電池セパレータにおいて、シール材と類似または同一の物性の物質を用いて、セパレータ上に流路制御片を設けることにより、セパレータ全面へかかる面圧を均一化することを特徴とする燃料電池セパレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池セパレータに関するものである。
【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、燃料電池セパレータは面全体にわたり、一様に発電することが必要となる。
【０００３】
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、チャンネルの部分は発電反応のみを担うというように役割分担している。このため、一様化を行うには細分化が必要である。
【０００４】
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。
【０００５】
その対応として、チャンネル流路の代わりに、特許文献１に記載のような内部の孔が連通している多孔体流路を用いる方法が考えられる。
【０００６】
すなわち、連通多孔質体を用いると、通電部分と発電部分とが混合一様化することが可能となる。
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−１４２０１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、本発明者は、多孔質体のみを使用しても、どうしても圧力損失及びセパレータの面内流量分布の偏りが生じるため、非多孔質体部分を設けて、圧力損失の低減を図る必要があり、また、非多孔質体部分においても流路高さは、一定の高さを維持しなければならないという技術課題を見出した。
【０００９】
そこで、本発明は、セパレータの面内において、多孔質化流路及び非多孔質化流路の高さが一定にでき、多孔質体だけでは行い難い面内の均一化流量分配を達成するものであり、高出力密度運転を達成するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の燃料電池セパレータは、反応ガスまたは冷却媒体の流路が形成され、前記反応ガスまたは冷却媒体の入口または出口マニホールドを有し、前記流路が連通多孔質体で形成されるものであって、前記反応ガスまたは冷却媒体を、外部若しくは内部の反応ガスまたは冷却媒体と相互に隔離し、密封するシール材を有し、前記シール材と類似または同一の弾性の物質からなる流路制御片を、前記連通多孔質体の間に形成することを特徴とするものである。
【００１１】
本発明により、セパレータの全面に渡って、ＭＥＡとの間のスペースの均等化、すなわち、多孔質体化流路及び非多孔質化流路の均等化を図ることができる。
【００１２】
また、前記シール材と同一または類似の弾性の物質より構成され、前記反応ガス及び冷却媒体を密封するシール材に密着または隣接するように、複数の凸部を内側に設けることが好ましい。
【００１３】
本発明により、発電に関与しない端部流路に反応ガスまたは冷却媒体が向かわないようにするとともに、反応ガスまたは冷却媒体の流れを制御し、セパレータの発電部全面に渡り、反応ガスまたは冷却媒体を均一流量化することができる。
【００１４】
また、前記複数の凸部のうち、相対する凸部の間に、シール材と同一または類似の弾性の物質よりなる流路制御片を複数設けることが好ましい。
【００１５】
また、前記反応ガスまたは冷却媒体の入口または出口マニホールドの流路への連結口にシール材がある側と、ない側とがあることが好ましい。これにより、シール性向上を図ることができる。
【００１６】
また、前記シール材がない側の反応ガスおよび冷却媒体の入口または出口マニホールドの流路への連結口に、ある側のシール材と立体的には交差しないが、積層方向から平面的に射影したときには、互いに交差し、その交差点に締め付け力がかかるように、複数の流路制御片を兼ねた裏シール受けを設けることが好ましい。
【００１７】
また、前記流路制御片を用いて、前記連通多孔質体の固定または位置決めを行うことが好ましい。これにより、多孔質体の位置保持力を増強することができる。
【００１８】
また、前記反応ガスおよび冷却媒体の入口または出口マニホールドを囲むシール材の内側に密着するように、連続した多孔質材を設けることが好ましい。これにより、シール材の補強をすることができると共に、シール性能を向上することができる。
【００１９】
また、前記反応ガスおよび冷却媒体の入口または出口マニホールドを囲むシール材の一部を、三角形を形成することが好ましい。これにより、シール材の横方向からの耐力を向上させることができる。
【００２０】
また、前記反応ガスおよび冷却媒体の入口または出口マニホールドのシール材の曲がり部を補強したシール補強点を有することが好ましい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明により、セパレータの面内において、多孔質化流路及び非多孔質化流路の高さが一定にでき、多孔質体だけでは行い難い面内の均一化流量分配を達成することができ、高出力密度運転を達成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本形態の燃料電池セパレータは、反応ガスまたは冷却媒体の流路が形成され、前記反応ガスまたは冷却媒体の入口または出口マニホールドを有し、前記流路が連通多孔質体で形成されるものである。
【００２３】
そして、前記反応ガスまたは冷却媒体を、外部若しくは内部の反応ガスまたは冷却媒体と相互に隔離し、密封するシール材を有し、前記シール材と類似または同一の弾性の物質からなる流路制御片を、前記連通多孔質体の間に形成するものである。
【００２４】
本形態の燃料電池では、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）である空気中酸素が消費されて、水と熱と電力が発生する。
【００２５】
２Ｈ2＋Ｏ2→２Ｈ2Ｏ＋（熱）＋（電力）
この反応は、ガスが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、流れる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ガス側であれば濃度拡散及び電気浸透に基づく水蒸気が流入する。
【００２６】
水蒸気濃度が増大し、飽和濃度を超えれば凝縮水が発生して、ガス欠また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こともあるが、本形態の燃料電池では、こうした技術課題も解決されている。
【００２７】
なお、燃料電池においては、凝縮水の発生により潜熱が解放され、温度の不均一を招き、温度分布も偏りが生じて、最高温度が上がり、膜電極接合体（以降、ＭＥＡ）を保護する観点から、燃料利用率を下げ、低出力化してしまうこともあったが、こうした技術課題も本形態は解決することになる。
【００２８】
また、出力密度を極限まで上げて高効率化（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。
【００２９】
これを成し遂げる一環として、反応ガスの流路に連通多孔質体を採用することができる。
【００３０】
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、連通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。
【００３１】
しかし、特に、ガス拡散及び圧力損失低減を図ることを目的に、多孔質体の骨組部分の体積が小さい高気孔率の多孔質体を用いると、骨組部分の割合が少なくなるため、スタックとして積んだ際に弾性が弱くなる。
【００３２】
多孔質体では弾性係数が、シール材に比べて小さいため、弾性変形した際縮み量に比例する反力が小さいためである。
【００３３】
このため、同じ縮み量であると、縮み量に対して反力の大きいシール材に力が掛かかることになる。こうしたことにより、シール材が劣化し、シール材の破損を招くとともに、多孔質体の流路の流路高さが弾性変形し、また、締め付け板の締め付け時のたわみに起因する面圧のため、０.２〜０.６mmという極小の流路高さを一定に保ちにくくなる。
【００３４】
この高さは、圧力損失が増大する極限の流路高さであるため、高さを一定に保つ必要がある。
【００３５】
本形態は、こうした技術課題も解決することができるものである。したがって、多孔質体の流路における流路高さ方向の流量均一化を図ることができる。
【００３６】
なお、この対策として、多孔質体の高さを大きくして、シール材と同一レベルの反力が生じるようにすることも考えられるが、その場合、結果的には、気孔率が小さく、弾性の強い多孔質体を用いることと同じ状態になる。すなわち、縮んだ際に気孔率の非常に小さい多孔質体となり、多孔質体を流路とするメリットが失われ、多孔質体に流体が通れる連通孔が小さくなり、圧力損失の増大と、反応ガスの拡散性の低下を招き、発電性能を劣化させることになるが、本形態を用いる場合には、こうした技術課題は生じることはない。
【００３７】
また、通常、電力密度を高くするため、電流密度を高くすると、水素の消費量が増えるため、凝縮水の発生量も増大するが、流路高さに不均一の部分があると、凝縮水がその部分から蓄積を始め、滞留を開始し、反応ガスがＭＥＡに達することを、こうした凝縮水が阻止し、発電反応を不可にするフラディングの引き金になるが、本形態であれば、こうした技術課題も解消される。
【００３８】
また、本形態のセパレータは、金属，炭素材料等の板状の部材に反応ガスまたは冷却媒体を流すための流路を形成するものであるが、流路を形成するにあたり、シール材や貫通多孔質体を板状の部材に形成することにより、流路を構成するものである。なお、貫通多孔質体の一部を処理することによって、遮断層を形成することにより、流路を形成してもよい。
【００３９】
こうした形態を用いることにより、セパレータ全面に渡って、多孔質体とＭＥＡとの間のスペースの均等化、すなわち、多孔質化流路及び非多孔質化流路の均等化が図れる。
【００４０】
そして、セパレータ上に流路制御片を複数形成することにより、多孔質化流路部分及び非多孔質化流路部分の積層方向高さの均等化を図ることができる。
【００４１】
そして、本形態の燃料電池は、連通多孔質体で構成される流路が全面あるいは一部に設けられたセパレータ面の裏表面にシール材と同じまたは類似の弾性材質で流路制御片あるいは多孔質体位置決め片として作用できるものを複数設けることにより、セパレータ面の多孔質化流路及び非多孔質化流路の高さが一定にでき、多孔質化流路の位置決めも容易になり、また、多孔質体だけでは行い難い面内の均一化流量分配もでき、かつ、反応ガス及び冷却媒体のマニホールドの出入口のシールも効くようにできるため、高出力密度運転ができるという利点がある。
【００４２】
本形態の燃料電池セパレータを用いて、積層形成した燃料電池を形成する実施例を、以下、説明する。
【実施例１】
【００４３】
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。
【００４４】
図１に示すのは、本発明の一実施例を示す。
【００４５】
図１の構成について説明する。
【００４６】
図１は、実施例１のセパレータ１のカソード（以降、Ｃａ）ガス側平面図を上の図に、セパレータ１の裏面にあたる冷却水側平面図を下の図に示す。
【００４７】
このカソード側の平面の上に、図示しないがガス拡散層（以降、ＧＤＬ）を介してＭＥＡが積層される。但し、多孔質体がＧＤＬを兼ねてＧＤＬが省略されることもある。
【００４８】
図１の上の図は、セパレータ１のカソードガス（空気）側で、左側下から順番に、アノードガス（以降、Ａｎ）を発電部に供給するためのＡｎガスの入口マニホールド２，発電で消費された排カソードガスを排出するためのＣａガスの出口マニホールド３，発電部で発生した熱量を除去するための冷却媒体（冷却水）の入口マニホールド４、そして、反対側に、同様に、Ａｎ排ガスを排出するＡｎガスの出口マニホールド５，発電に供給されるＣａガスの入口マニホールド６，冷却水が排出される冷却水の出口マニホールド７が形成される。
【００４９】
そして、Ｃａガスの出入口マニホールド３，６を除いた、これらのマニホールドを取り囲むとともに、Ｃａガスの出入口マニホールド３，６の二つの間に形成される流路部９を取り囲み、反応ガスを外部或いはＡｎガス側や冷却水側に漏らさないように、フッ素系材料あるいはシリコン系材料で形成されたシール８が、シール８の作用上から、外周部及びマニホールドの周辺、すなわち、左右の端部に設けられている。
【００５０】
また、このシール８は、裏の冷却水側のシール１０とともに、そのシール性能上、積層したとき、上下方向にある他のセパレータのシール８及び１０と水平方向で０.５mm程度の位置ズレ以下で収まるように積層しなければシールとして有効に作用しない。
【００５１】
従来であれば、積層して締め付け圧力を０.６ＭＰａ以上にすると、この周辺のシール８に応力が集中して、寿命が低下し、または、シール８または１０上に掛かる応力のアンバランスによりスタックからのセパレータ１の飛び出し、すなわち、シールずれを引き起こしていた。
【００５２】
この対策として検討されたものが、本実施例である。
【００５３】
大きく分けて二つの部分より構成される。
【００５４】
一つは、マニホールド出入口近辺、もう一つは、流路部９に対する対策である。
【００５５】
まず、マニホールド出入口近辺について説明する。多孔質体で構成される流路部９には、Ｃａガス出入口マニホールド３，６のすぐそばに、当該シール材と同じまたは類似の弾性材質、すなわち、圧縮量−面圧特性が同じかまたは類似の材質で構成し、このセパレータ裏面の冷却水シール１０とは、水平面上で射影した場合、交差する位置関係で、冷却水側の裏シール受け１１を設けて、シール８または１０程の位置決め精度で設置しなくとも、冷却水側のシール１０上にシール性能を果たすのに十分な応力が作用する構成としている。
【００５６】
また、二つ目の対策として、複数の多孔質流路部１２の間に複数列の飛石状で、当該シールと同じまたは類似弾性の流量制御片１３を複数個の列、かつ、その流量制御片１３の複数個の列とシール８が交錯する付近に三角形状の端部流れ防止片１４を設けている。
【００５７】
これにより、セパレータ１内流路部９の締め付け面圧による応力をシール８と分担して支えることになるので、シール８にかかる応力は低減し、シール８の寿命劣化や積層時の位置ズレの発生を低減できる。
【００５８】
なお、三角形状の端部流れ防止片１４は、シール８付近の発電に寄与しない端部分に反応ガスや冷却水が流入しないように防止する役目を果たしている。これがないと多孔質流路部１２とシール８の間のギャップが多孔質流路部１２に比べて圧力損失が小さいため、ギャップに向かう流れが生じ、発電に寄与しなくなる。このため、これを設けることにより、その流れを阻止し発電性能を向上できる。
【００５９】
この実施例では、さらに、シール８が閉じているマニホールド２，４内部には、中抜きの三角形状の多孔質補強片２０、さらに、三角形状の頂点には、シール補強点１５を設けて、この部分のシール８に応力が掛かりすぎるときは、多孔質補強片２０とシール補強点１５で応力を分担してシール８の寿命向上と、多孔質補強片２０に反応ガス中の水分を保持させることで加湿器の役割も負っている。
【００６０】
下の図は、上記の反対側の冷却水側で基本的には構成は同じであるが、流路部１６内での多孔質流路部１７の置き方と、流量制御片１８の置き方が異なる。
【００６１】
前者は、水の動粘度を考慮して、流量制御片１８同士の間に空間流路部を設けている。後者は、流量制御片１８を裏側の流量制御片１３とが平面上で射影した場合交差するように配置して、流量制御片１８と流量制御片１３の位置決め精度を緩和して製造しやすくしている。
【００６２】
これにより、多少の位置ズレを吸収して反応ガス側も冷却水側も積層した際に流路高さ一定を確保できるようにしている。
【００６３】
動作は次の通り。
【００６４】
図１の上の図で右のＣａガス入口マニホールド６を出た空気は、Ｃａガス入口マニホールド６を通るこの際、Ｃａガス入口マニホールド６の裏側の冷却水側にある、Ａｎ出口マニホールドのシール１０に掛かる面圧を支えて、Ｃａガス入口マニホールド６と流路部９との通路が押し潰されないように確保するとともに、反対側の冷却水側のシール１０が効果するように支えるながら、かつ、流路部９に向かいＣａガスを分配する。
【００６５】
なお、本実施例では多孔質化流路は、気孔率９０％以上で、気孔径分布が数〜数１０μｍと数１００μｍの二つにピークのあるものを用いるのが望ましい。
【００６６】
分配されたＣａガスは、図示していないがＭＥＡと接触しつつ酸素を消費され蒸気を与えられて、高気孔率の流路部９内を反応しながら進む。
【００６７】
多孔質の比表面積の多さにより蒸発や熱移動が促進され、また、気孔径の違いにより凝縮水の蓄積場所が局在することにより、反応生成水とＣａガスの流れが別の気孔径を通路に選ぶため発電性能が向上する。
【００６８】
この際、流量制御片１３は、Ｃａガスの流量均一化のための固定翼の働きをするとともに、多孔質体を位置決めし、固定するための重要な役目を担う。
【００６９】
この多孔質体を載せるセパレータ板は、０.２mm以下、望ましくは０.０５mm以下となるので、通常の状態では、撓んでいるため、その上に多孔質体を固定するには位置決め材が必要となる。
【００７０】
位置決め材として導電性の接着剤が考えられるが、撓むため、それだけでは固定は困難となる。このため、位置決め材としては、多孔質体に必要以上の応力がかからないように保護する役目，位置決めの役目及びスペーサの役目が要求される。
【００７１】
このスペーサの役目のためには、位置決め材は、セパレータ１の表および裏面に貼られた流量制御片１３と１８が平面上で射影したとき互いに交差する位置関係にあることが必要であり、そのように設置している。
【００７２】
これにより、若干の位置誤差を吸収してセパレータ１上に形成されるの反応ガス及び冷却水の流路高さを一定に保ち、セパレータ１上発電性能均一化に寄与している。
【００７３】
また、裏シール受け１１は、その裏のシール８や１０と平面上で射影した場合、交差する関係に設けられているため、裏のシール８，１０を支え、シール性能が有効となるように支えている。
【００７４】
ちなみに、冷却水が流路部１６のＣａガスの出入口マニホールド３，６に近い部分に三角形状の多孔質流路制御片１９を設けて、多孔質体部と非多孔質部を組み合わせて、冷却水の流量分布の均一化、この三角形状多孔質流路制御片１９によりシール１０に掛かる応力を分担することにより、接触シール部の補強，多孔質体の比表面積の大きいことを利用した冷却促進及び、多孔質体の導電通路の多さを利用した導電性の向上を図っている。
【００７５】
また、多孔質体の保湿性を利用し、滲みこんだ水を利用して伝熱して空間流路部を流れる水に放出することにより温度均一化を図っている。
【００７６】
また、図２に示すのは、図１の裏シール受け１１付近のＡ部拡大図で、シール材と同一材質の裏シール受け１１とシール１０は、セパレータ１を介して平面上で射影した場合、交差するように配置されている。
【００７７】
これにより、この交差部分では、必要な流路スペースを確保するとともに、セパレータ１の反対側のシール１０側のシール性能が維持できるように配慮されている。
【００７８】
また、図３に示すのは、図１のＢ部詳細で、これもＣａガス側の流量制御片１３が、セパレータ１を介して冷却水側の流量制御片１８と平面上に射影したとき交差しており、これにより、この交差点で、面圧を支えて高気孔率の多孔質の流路高さ一定を保持してフラディングを防止し高出力密度を実現する。
【００７９】
なお、この実施例では、位置ズレに強い平面上で射影したとき、直交する配置関係としている。
【００８０】
図４に、この実施例で用いる一面Ａｎガス側で、その裏面が冷却水であるセパレータを示す。
【００８１】
冷却水側は、図１と同一構成で、Ａｎ側も基本的には流路部９中央はＣａガスとほぼ同じであるが、マニホールド゛の付近は冷却水側と類似構成である。マニホールドが、両方とも端にあるために、均一分配を考慮したため類似の構成となっている。
【００８２】
Ａｎガスの多孔質流路制御片１９は、流量分布や温度均一化のほかに、多孔質からの水蒸気の出し入れを通じてＡｎガス中の水蒸気濃度を保つ役目を果たすとともに滞留Ａｎガスを発電に活用する働きをする。
【００８３】
このような構成により、この実施例特有な効果として、次のものがある。
【００８４】
すなわち、特に、マニホールドの三角形状及び、マニホールド周りのシール三角形状により、締め付け圧力の強化が出来るので接触抵抗の低下、すなわち、高出力密度化及び、通常の締め付け圧力の場合、シールの信頼性向上を図れるという効果がある。
【００８５】
図５に示すものは、実施例１における、三角形状マニホールドを通常用いられているものに近い台形にし、Ｃａ側流量制御片１３及び流量制御片１８の配列を直線上から交差直線状にし、多孔質補強片２０に変えてシール補強点１５を増強し、裏シール受け１１をシール材だけでなく多孔質との混合使用に変えている。
【００８６】
これにより、三角形状マニホールドに比べて、マニホールド内の流速を同一とすると三角形状よりもコンパクトにできる。但し、三角形状の強みを補強するため、シール強度を、シール補強点１５を拡大することにより強化している。
【００８７】
また、裏シール受け１１の間に多孔質を混在させることにより、裏シール受け１１が受ける力を緩和するとともにセパレータを介して反対側にあるシール８，１０のシール性を、垂れ込みをさらに小さくすることにより、向上させている。
【００８８】
この部分の多孔質の気孔率は９０％以上程度が望ましい。
【００８９】
なお、図６に、一面Ａｎガス側，裏面冷却水側の場合を示す。図６に示すようにＡｎ側は、中央付近がＣａガス側と類似であり、マニホールド付近が冷却水側と類似の構成となる。この構成は、Ｃａマニホールドをマニホールド群の中央に置いているが、冷却水マニホールドを中央においてもＡｎマニホールドを中央に置いても機能上は問題ないが、流量的に多いＣａマニホールドを中央に置いた方が流量分布の均等化が図りやすいので、この実施例も含めて本出願の実施例ではＣａマニホールドを中央に置いている。
【００９０】
このような構成にすることで、実施例１よりもさらに高出力密度化を図れるという効果がある。
【実施例２】
【００９１】
図７に示すものは、実施例２における、流量制御片１３と、多孔質流路部１２とを用いて２段の袋小路状の流路を構成させたもので、これによりＣａガスは、まず、抵抗を受けて、圧力が増加し、このため、周囲に同一濃度で広がり、ほぼ同じ圧力で周囲から中心に向かい透過し、全体には３段階のほぼ一様な濃度で３段階の袋小路の流路部９を拡散でｊきるので、従来のように上流から下流に行くまでに反応ガスが消費されて低濃度となり、ガス欠を起こしにくくなる。
【００９２】
この方式は、川の幅を太くして、その長さを短くしたのと同じで、さらなる、セパレータ１全面に渡り従来より流量均一が図れる。
【００９３】
なお、冷却水側は、実施例２と同じである。図８には、一面Ａｎ側裏面冷却水側を示した。
【００９４】
Ｃａガス側と同じように流量制御片１３と多孔質流路部１２で２段の袋小路状流路を形成しＣａガスとＭＥＡを挟んで対応するようにした。
【００９５】
但し、マニホールド位置が端にあるため形状は多少Ｃａガス側と異なる。
【００９６】
このような構成にすることで、実施例１と異なり、Ｃａガス及びＡｎガスをさらにセパレータ面上で濃度均一に分配できるので、さらに、小形化高出力密度化できるという効果がある。
【００９７】
このような構成により、多孔質の流路高さが一定に保持されるので、Ｃａガス，Ａｎガスおよび冷却水の流量均一化が多孔質により促進されるとともに、高気孔率の多孔質も使用できるので、さらに、コンパクト化及び高出力化の高い燃料電池を提供できるという効果がある。
【実施例３】
【００９８】
実施例３を図９に示す。本実施例は、実施例１，２，３のいずれかのセパレータを積層させたスタック１００を示す。このスタックの構成は、次のとおり。
【００９９】
Ａｎガスを供給する供給口１１２，Ｃａガスを供給する供給口１１１，冷却水を供給する供給口１１０，両端にある絶縁板１０９，電力を外部に取り出すための集電板１１３、と、本発明の２枚のセパレータ１０１を、冷却水流路部１２１側を背中合わせにしたものと、電解質膜１０２を、電極１０３，ガス拡散層１０６でサンドイッチ状に挟んだ発電部分１０５を交互に積層したスタック１００，Ａｎガスを排出する排出口１０４，Ｃａガスを排出する排出口１０８，冷却水を排出する排出口１０７，発電部分１０５には、Ａｎガス流路部１２０とＣａガス流路部１２２が接して発電部分１０５に水素と酸素を供給する。
【０１００】
同時に、それぞれのガスの流路部１２０，１２２の裏側に形成された冷却水流路部１２１で発電部分１０５での発熱を吸収する。
【０１０１】
このようにすることにより、本発明のセパレータの効果により、スタック全体の反応ガス流路の温度分布の均一化が図れるので、高出力密度でコンパクトなスタックが可能にできるという効果がある。
【産業上の利用可能性】
【０１０２】
本発明は、燃料電池またはそれ以外にも、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。
【図面の簡単な説明】
【０１０３】
【図１】セパレータの構成を示した説明図である。（実施例１）
【図２】セパレータの構成を示した説明図である。（実施例１）
【図３】セパレータの構成を示した説明図である。（実施例１）
【図４】セパレータの構成を示した説明図である。（実施例１）
【図５】セパレータの構成を示した説明図である。（実施例２）
【図６】セパレータの構成を示した説明図である。（実施例２）
【図７】セパレータの構成を示した説明図である。（実施例３）
【図８】セパレータの構成を示した説明図である。（実施例３）
【図９】スタックの構成を示した説明図である。（実施例１，２，３）
【符号の説明】
【０１０４】
１ セパレータ板
２ Ａｎガス入口マニホールド
３ Ｃａガス出口マニホールド
４ 冷却水入口マニホールド
５ Ａｎガス出口マニホールド
６ Ｃａガス入口マニホールド
７ 冷却水出口マニホールド
８，１０ シール
９，１６ 流路部
１１ 裏シール受け
１２，１７ 多孔質流路部
１３，１８ 流量制御片
１４ 端部流れ防止片
１５ シール補強点
１９ 多孔質流路制御片
２０ 多孔質補強片
１００ スタック
１０１ セパレータ
１０２ 電解質膜
１０３ 電極
１０４ Ａｎガス排出口
１０５ 発電部分
１０６ ガス拡散層
１０７ 冷却水排出口
１０８ Ｃａガス排出口
１０９ 絶縁板
１１０ 冷却水供給口
１１１ Ｃａガス供給口
１１２ Ａｎガス供給口
１１３ 集電板
１２０ Ａｎガス流路部
１２１ 冷却水流路部
１２２ Ｃａガス流路部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池セパレータに関するものである。
【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、燃料電池セパレータは面全体にわたり、一様に発電することが必要となる。
【０００３】
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、チャンネルの部分は発電反応のみを担うというように役割分担している。このため、一様化を行うには細分化が必要である。
【０００４】
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。
【０００５】
その対応として、チャンネル流路の代わりに、特許文献１に記載のような内部の孔が連通している多孔体流路を用いる方法が考えられる。
【０００６】
すなわち、連通多孔質体を用いると、通電部分と発電部分とが混合一様化することが可能となる。
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−１４２０１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、本発明者は、多孔質体のみを使用しても、どうしても圧力損失及びセパレータの面内流量分布の偏りが生じるため、非多孔質体部分を設けて、圧力損失の低減を図る必要があり、また、非多孔質体部分においても流路高さは、一定の高さを維持しなければならないという技術課題を見出した。
【０００９】
そこで、本発明は、セパレータの面内において、多孔質化流路及び非多孔質化流路の高さが一定にでき、多孔質体だけでは行い難い面内の均一化流量分配を達成するものであり、高出力密度運転を達成するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の燃料電池セパレータは、反応ガスまたは冷却媒体の流路が形成され、前記反応ガスまたは冷却媒体の入口または出口マニホールドを有し、前記流路が連通多孔質体で形成されるものであって、前記反応ガスまたは冷却媒体を、外部若しくは内部の反応ガスまたは冷却媒体と相互に隔離し、密封するシール材を有し、前記シール材と類似または同一の弾性の物質からなる流路制御片を、前記連通多孔質体の間に形成することを特徴とするものである。
【００１１】
本発明により、セパレータの全面に渡って、ＭＥＡとの間のスペースの均等化、すなわち、多孔質体化流路及び非多孔質化流路の均等化を図ることができる。
【００１２】
また、前記シール材と同一または類似の弾性の物質より構成され、前記反応ガス及び冷却媒体を密封するシール材に密着または隣接するように、複数の凸部を内側に設けることが好ましい。
【００１３】
本発明により、発電に関与しない端部流路に反応ガスまたは冷却媒体が向かわないようにするとともに、反応ガスまたは冷却媒体の流れを制御し、セパレータの発電部全面に渡り、反応ガスまたは冷却媒体を均一流量化することができる。
【００１４】
また、前記複数の凸部のうち、相対する凸部の間に、シール材と同一または類似の弾性の物質よりなる流路制御片を複数設けることが好ましい。
【００１５】
また、前記反応ガスまたは冷却媒体の入口または出口マニホールドの流路への連結口にシール材がある側と、ない側とがあることが好ましい。これにより、シール性向上を図ることができる。
【００１６】
また、前記シール材がない側の反応ガスおよび冷却媒体の入口または出口マニホールドの流路への連結口に、ある側のシール材と立体的には交差しないが、積層方向から平面的に射影したときには、互いに交差し、その交差点に締め付け力がかかるように、複数の流路制御片を兼ねた裏シール受けを設けることが好ましい。
【００１７】
また、前記流路制御片を用いて、前記連通多孔質体の固定または位置決めを行うことが好ましい。これにより、多孔質体の位置保持力を増強することができる。
【００１８】
また、前記反応ガスおよび冷却媒体の入口または出口マニホールドを囲むシール材の内側に密着するように、連続した多孔質材を設けることが好ましい。これにより、シール材の補強をすることができると共に、シール性能を向上することができる。
【００１９】
また、前記反応ガスおよび冷却媒体の入口または出口マニホールドを囲むシール材の一部を、三角形を形成することが好ましい。これにより、シール材の横方向からの耐力を向上させることができる。
【００２０】
また、前記反応ガスおよび冷却媒体の入口または出口マニホールドのシール材の曲がり部を補強したシール補強点を有することが好ましい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明により、セパレータの面内において、多孔質化流路及び非多孔質化流路の高さが一定にでき、多孔質体だけでは行い難い面内の均一化流量分配を達成することができ、高出力密度運転を達成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本形態の燃料電池セパレータは、反応ガスまたは冷却媒体の流路が形成され、前記反応ガスまたは冷却媒体の入口または出口マニホールドを有し、前記流路が連通多孔質体で形成されるものである。
【００２３】
そして、前記反応ガスまたは冷却媒体を、外部若しくは内部の反応ガスまたは冷却媒体と相互に隔離し、密封するシール材を有し、前記シール材と類似または同一の弾性の物質からなる流路制御片を、前記連通多孔質体の間に形成するものである。
【００２４】
本形態の燃料電池では、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）である空気中酸素が消費されて、水と熱と電力が発生する。
【００２５】
２Ｈ2＋Ｏ2→２Ｈ2Ｏ＋（熱）＋（電力）
この反応は、ガスが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、流れる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ガス側であれば濃度拡散及び電気浸透に基づく水蒸気が流入する。
【００２６】
水蒸気濃度が増大し、飽和濃度を超えれば凝縮水が発生して、ガス欠また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こともあるが、本形態の燃料電池では、こうした技術課題も解決されている。
【００２７】
なお、燃料電池においては、凝縮水の発生により潜熱が解放され、温度の不均一を招き、温度分布も偏りが生じて、最高温度が上がり、膜電極接合体（以降、ＭＥＡ）を保護する観点から、燃料利用率を下げ、低出力化してしまうこともあったが、こうした技術課題も本形態は解決することになる。
【００２８】
また、出力密度を極限まで上げて高効率化（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。
【００２９】
これを成し遂げる一環として、反応ガスの流路に連通多孔質体を採用することができる。
【００３０】
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、連通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。
【００３１】
しかし、特に、ガス拡散及び圧力損失低減を図ることを目的に、多孔質体の骨組部分の体積が小さい高気孔率の多孔質体を用いると、骨組部分の割合が少なくなるため、スタックとして積んだ際に弾性が弱くなる。
【００３２】
多孔質体では弾性係数が、シール材に比べて小さいため、弾性変形した際縮み量に比例する反力が小さいためである。
【００３３】
このため、同じ縮み量であると、縮み量に対して反力の大きいシール材に力が掛かかることになる。こうしたことにより、シール材が劣化し、シール材の破損を招くとともに、多孔質体の流路の流路高さが弾性変形し、また、締め付け板の締め付け時のたわみに起因する面圧のため、０.２〜０.６mmという極小の流路高さを一定に保ちにくくなる。
【００３４】
この高さは、圧力損失が増大する極限の流路高さであるため、高さを一定に保つ必要がある。
【００３５】
本形態は、こうした技術課題も解決することができるものである。したがって、多孔質体の流路における流路高さ方向の流量均一化を図ることができる。
【００３６】
なお、この対策として、多孔質体の高さを大きくして、シール材と同一レベルの反力が生じるようにすることも考えられるが、その場合、結果的には、気孔率が小さく、弾性の強い多孔質体を用いることと同じ状態になる。すなわち、縮んだ際に気孔率の非常に小さい多孔質体となり、多孔質体を流路とするメリットが失われ、多孔質体に流体が通れる連通孔が小さくなり、圧力損失の増大と、反応ガスの拡散性の低下を招き、発電性能を劣化させることになるが、本形態を用いる場合には、こうした技術課題は生じることはない。
【００３７】
また、通常、電力密度を高くするため、電流密度を高くすると、水素の消費量が増えるため、凝縮水の発生量も増大するが、流路高さに不均一の部分があると、凝縮水がその部分から蓄積を始め、滞留を開始し、反応ガスがＭＥＡに達することを、こうした凝縮水が阻止し、発電反応を不可にするフラディングの引き金になるが、本形態であれば、こうした技術課題も解消される。
【００３８】
また、本形態のセパレータは、金属，炭素材料等の板状の部材に反応ガスまたは冷却媒体を流すための流路を形成するものであるが、流路を形成するにあたり、シール材や貫通多孔質体を板状の部材に形成することにより、流路を構成するものである。なお、貫通多孔質体の一部を処理することによって、遮断層を形成することにより、流路を形成してもよい。
【００３９】
こうした形態を用いることにより、セパレータ全面に渡って、多孔質体とＭＥＡとの間のスペースの均等化、すなわち、多孔質化流路及び非多孔質化流路の均等化が図れる。
【００４０】
そして、セパレータ上に流路制御片を複数形成することにより、多孔質化流路部分及び非多孔質化流路部分の積層方向高さの均等化を図ることができる。
【００４１】
そして、本形態の燃料電池は、連通多孔質体で構成される流路が全面あるいは一部に設けられたセパレータ面の裏表面にシール材と同じまたは類似の弾性材質で流路制御片あるいは多孔質体位置決め片として作用できるものを複数設けることにより、セパレータ面の多孔質化流路及び非多孔質化流路の高さが一定にでき、多孔質化流路の位置決めも容易になり、また、多孔質体だけでは行い難い面内の均一化流量分配もでき、かつ、反応ガス及び冷却媒体のマニホールドの出入口のシールも効くようにできるため、高出力密度運転ができるという利点がある。
【００４２】
本形態の燃料電池セパレータを用いて、積層形成した燃料電池を形成する実施例を、以下、説明する。
【実施例１】
【００４３】
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。
【００４４】
図１に示すのは、本発明の一実施例を示す。
【００４５】
図１の構成について説明する。
【００４６】
図１は、実施例１のセパレータ１のカソード（以降、Ｃａ）ガス側平面図を上の図に、セパレータ１の裏面にあたる冷却水側平面図を下の図に示す。
【００４７】
このカソード側の平面の上に、図示しないがガス拡散層（以降、ＧＤＬ）を介してＭＥＡが積層される。但し、多孔質体がＧＤＬを兼ねてＧＤＬが省略されることもある。
【００４８】
図１の上の図は、セパレータ１のカソードガス（空気）側で、左側下から順番に、アノードガス（以降、Ａｎ）を発電部に供給するためのＡｎガスの入口マニホールド２，発電で消費された排カソードガスを排出するためのＣａガスの出口マニホールド３，発電部で発生した熱量を除去するための冷却媒体（冷却水）の入口マニホールド４、そして、反対側に、同様に、Ａｎ排ガスを排出するＡｎガスの出口マニホールド５，発電に供給されるＣａガスの入口マニホールド６，冷却水が排出される冷却水の出口マニホールド７が形成される。
【００４９】
そして、Ｃａガスの出入口マニホールド３，６を除いた、これらのマニホールドを取り囲むとともに、Ｃａガスの出入口マニホールド３，６の二つの間に形成される流路部９を取り囲み、反応ガスを外部或いはＡｎガス側や冷却水側に漏らさないように、フッ素系材料あるいはシリコン系材料で形成されたシール８が、シール８の作用上から、外周部及びマニホールドの周辺、すなわち、左右の端部に設けられている。
【００５０】
また、このシール８は、裏の冷却水側のシール１０とともに、そのシール性能上、積層したとき、上下方向にある他のセパレータのシール８及び１０と水平方向で０.５mm程度の位置ズレ以下で収まるように積層しなければシールとして有効に作用しない。
【００５１】
従来であれば、積層して締め付け圧力を０.６ＭＰａ以上にすると、この周辺のシール８に応力が集中して、寿命が低下し、または、シール８または１０上に掛かる応力のアンバランスによりスタックからのセパレータ１の飛び出し、すなわち、シールずれを引き起こしていた。
【００５２】
この対策として検討されたものが、本実施例である。
【００５３】
大きく分けて二つの部分より構成される。
【００５４】
一つは、マニホールド出入口近辺、もう一つは、流路部９に対する対策である。
【００５５】
まず、マニホールド出入口近辺について説明する。多孔質体で構成される流路部９には、Ｃａガス出入口マニホールド３，６のすぐそばに、当該シール材と同じまたは類似の弾性材質、すなわち、圧縮量−面圧特性が同じかまたは類似の材質で構成し、このセパレータ裏面の冷却水シール１０とは、水平面上で射影した場合、交差する位置関係で、冷却水側の裏シール受け１１を設けて、シール８または１０程の位置決め精度で設置しなくとも、冷却水側のシール１０上にシール性能を果たすのに十分な応力が作用する構成としている。
【００５６】
また、二つ目の対策として、複数の多孔質流路部１２の間に複数列の飛石状で、当該シールと同じまたは類似弾性の流量制御片１３を複数個の列、かつ、その流量制御片１３の複数個の列とシール８が交錯する付近に三角形状の端部流れ防止片１４を設けている。
【００５７】
これにより、セパレータ１内流路部９の締め付け面圧による応力をシール８と分担して支えることになるので、シール８にかかる応力は低減し、シール８の寿命劣化や積層時の位置ズレの発生を低減できる。
【００５８】
なお、三角形状の端部流れ防止片１４は、シール８付近の発電に寄与しない端部分に反応ガスや冷却水が流入しないように防止する役目を果たしている。これがないと多孔質流路部１２とシール８の間のギャップが多孔質流路部１２に比べて圧力損失が小さいため、ギャップに向かう流れが生じ、発電に寄与しなくなる。このため、これを設けることにより、その流れを阻止し発電性能を向上できる。
【００５９】
この実施例では、さらに、シール８が閉じているマニホールド２，４内部には、中抜きの三角形状の多孔質補強片２０、さらに、三角形状の頂点には、シール補強点１５を設けて、この部分のシール８に応力が掛かりすぎるときは、多孔質補強片２０とシール補強点１５で応力を分担してシール８の寿命向上と、多孔質補強片２０に反応ガス中の水分を保持させることで加湿器の役割も負っている。
【００６０】
下の図は、上記の反対側の冷却水側で基本的には構成は同じであるが、流路部１６内での多孔質流路部１７の置き方と、流量制御片１８の置き方が異なる。
【００６１】
前者は、水の動粘度を考慮して、流量制御片１８同士の間に空間流路部を設けている。後者は、流量制御片１８を裏側の流量制御片１３とが平面上で射影した場合交差するように配置して、流量制御片１８と流量制御片１３の位置決め精度を緩和して製造しやすくしている。
【００６２】
これにより、多少の位置ズレを吸収して反応ガス側も冷却水側も積層した際に流路高さ一定を確保できるようにしている。
【００６３】
動作は次の通り。
【００６４】
図１の上の図で右のＣａガス入口マニホールド６を出た空気は、Ｃａガス入口マニホールド６を通るこの際、Ｃａガス入口マニホールド６の裏側の冷却水側にある、Ａｎ出口マニホールドのシール１０に掛かる面圧を支えて、Ｃａガス入口マニホールド６と流路部９との通路が押し潰されないように確保するとともに、反対側の冷却水側のシール１０が効果するように支えるながら、かつ、流路部９に向かいＣａガスを分配する。
【００６５】
なお、本実施例では多孔質化流路は、気孔率９０％以上で、気孔径分布が数〜数１０μｍと数１００μｍの二つにピークのあるものを用いるのが望ましい。
【００６６】
分配されたＣａガスは、図示していないがＭＥＡと接触しつつ酸素を消費され蒸気を与えられて、高気孔率の流路部９内を反応しながら進む。
【００６７】
多孔質の比表面積の多さにより蒸発や熱移動が促進され、また、気孔径の違いにより凝縮水の蓄積場所が局在することにより、反応生成水とＣａガスの流れが別の気孔径を通路に選ぶため発電性能が向上する。
【００６８】
この際、流量制御片１３は、Ｃａガスの流量均一化のための固定翼の働きをするとともに、多孔質体を位置決めし、固定するための重要な役目を担う。
【００６９】
この多孔質体を載せるセパレータ板は、０.２mm以下、望ましくは０.０５mm以下となるので、通常の状態では、撓んでいるため、その上に多孔質体を固定するには位置決め材が必要となる。
【００７０】
位置決め材として導電性の接着剤が考えられるが、撓むため、それだけでは固定は困難となる。このため、位置決め材としては、多孔質体に必要以上の応力がかからないように保護する役目，位置決めの役目及びスペーサの役目が要求される。
【００７１】
このスペーサの役目のためには、位置決め材は、セパレータ１の表および裏面に貼られた流量制御片１３と１８が平面上で射影したとき互いに交差する位置関係にあることが必要であり、そのように設置している。
【００７２】
これにより、若干の位置誤差を吸収してセパレータ１上に形成されるの反応ガス及び冷却水の流路高さを一定に保ち、セパレータ１上発電性能均一化に寄与している。
【００７３】
また、裏シール受け１１は、その裏のシール８や１０と平面上で射影した場合、交差する関係に設けられているため、裏のシール８，１０を支え、シール性能が有効となるように支えている。
【００７４】
ちなみに、冷却水が流路部１６のＣａガスの出入口マニホールド３，６に近い部分に三角形状の多孔質流路制御片１９を設けて、多孔質体部と非多孔質部を組み合わせて、冷却水の流量分布の均一化、この三角形状多孔質流路制御片１９によりシール１０に掛かる応力を分担することにより、接触シール部の補強，多孔質体の比表面積の大きいことを利用した冷却促進及び、多孔質体の導電通路の多さを利用した導電性の向上を図っている。
【００７５】
また、多孔質体の保湿性を利用し、滲みこんだ水を利用して伝熱して空間流路部を流れる水に放出することにより温度均一化を図っている。
【００７６】
また、図２に示すのは、図１の裏シール受け１１付近のＡ部拡大図で、シール材と同一材質の裏シール受け１１とシール１０は、セパレータ１を介して平面上で射影した場合、交差するように配置されている。
【００７７】
これにより、この交差部分では、必要な流路スペースを確保するとともに、セパレータ１の反対側のシール１０側のシール性能が維持できるように配慮されている。
【００７８】
また、図３に示すのは、図１のＢ部詳細で、これもＣａガス側の流量制御片１３が、セパレータ１を介して冷却水側の流量制御片１８と平面上に射影したとき交差しており、これにより、この交差点で、面圧を支えて高気孔率の多孔質の流路高さ一定を保持してフラディングを防止し高出力密度を実現する。
【００７９】
なお、この実施例では、位置ズレに強い平面上で射影したとき、直交する配置関係としている。
【００８０】
図４に、この実施例で用いる一面Ａｎガス側で、その裏面が冷却水であるセパレータを示す。
【００８１】
冷却水側は、図１と同一構成で、Ａｎ側も基本的には流路部９中央はＣａガスとほぼ同じであるが、マニホールド゛の付近は冷却水側と類似構成である。マニホールドが、両方とも端にあるために、均一分配を考慮したため類似の構成となっている。
【００８２】
Ａｎガスの多孔質流路制御片１９は、流量分布や温度均一化のほかに、多孔質からの水蒸気の出し入れを通じてＡｎガス中の水蒸気濃度を保つ役目を果たすとともに滞留Ａｎガスを発電に活用する働きをする。
【００８３】
このような構成により、この実施例特有な効果として、次のものがある。
【００８４】
すなわち、特に、マニホールドの三角形状及び、マニホールド周りのシール三角形状により、締め付け圧力の強化が出来るので接触抵抗の低下、すなわち、高出力密度化及び、通常の締め付け圧力の場合、シールの信頼性向上を図れるという効果がある。
【００８５】
図５に示すものは、実施例１における、三角形状マニホールドを通常用いられているものに近い台形にし、Ｃａ側流量制御片１３及び流量制御片１８の配列を直線上から交差直線状にし、多孔質補強片２０に変えてシール補強点１５を増強し、裏シール受け１１をシール材だけでなく多孔質との混合使用に変えている。
【００８６】
これにより、三角形状マニホールドに比べて、マニホールド内の流速を同一とすると三角形状よりもコンパクトにできる。但し、三角形状の強みを補強するため、シール強度を、シール補強点１５を拡大することにより強化している。
【００８７】
また、裏シール受け１１の間に多孔質を混在させることにより、裏シール受け１１が受ける力を緩和するとともにセパレータを介して反対側にあるシール８，１０のシール性を、垂れ込みをさらに小さくすることにより、向上させている。
【００８８】
この部分の多孔質の気孔率は９０％以上程度が望ましい。
【００８９】
なお、図６に、一面Ａｎガス側，裏面冷却水側の場合を示す。図６に示すようにＡｎ側は、中央付近がＣａガス側と類似であり、マニホールド付近が冷却水側と類似の構成となる。この構成は、Ｃａマニホールドをマニホールド群の中央に置いているが、冷却水マニホールドを中央においてもＡｎマニホールドを中央に置いても機能上は問題ないが、流量的に多いＣａマニホールドを中央に置いた方が流量分布の均等化が図りやすいので、この実施例も含めて本出願の実施例ではＣａマニホールドを中央に置いている。
【００９０】
このような構成にすることで、実施例１よりもさらに高出力密度化を図れるという効果がある。
【実施例２】
【００９１】
図７に示すものは、実施例２における、流量制御片１３と、多孔質流路部１２とを用いて２段の袋小路状の流路を構成させたもので、これによりＣａガスは、まず、抵抗を受けて、圧力が増加し、このため、周囲に同一濃度で広がり、ほぼ同じ圧力で周囲から中心に向かい透過し、全体には３段階のほぼ一様な濃度で３段階の袋小路の流路部９を拡散でｊきるので、従来のように上流から下流に行くまでに反応ガスが消費されて低濃度となり、ガス欠を起こしにくくなる。
【００９２】
この方式は、川の幅を太くして、その長さを短くしたのと同じで、さらなる、セパレータ１全面に渡り従来より流量均一が図れる。
【００９３】
なお、冷却水側は、実施例２と同じである。図８には、一面Ａｎ側裏面冷却水側を示した。
【００９４】
Ｃａガス側と同じように流量制御片１３と多孔質流路部１２で２段の袋小路状流路を形成しＣａガスとＭＥＡを挟んで対応するようにした。
【００９５】
但し、マニホールド位置が端にあるため形状は多少Ｃａガス側と異なる。
【００９６】
このような構成にすることで、実施例１と異なり、Ｃａガス及びＡｎガスをさらにセパレータ面上で濃度均一に分配できるので、さらに、小形化高出力密度化できるという効果がある。
【００９７】
このような構成により、多孔質の流路高さが一定に保持されるので、Ｃａガス，Ａｎガスおよび冷却水の流量均一化が多孔質により促進されるとともに、高気孔率の多孔質も使用できるので、さらに、コンパクト化及び高出力化の高い燃料電池を提供できるという効果がある。
【実施例３】
【００９８】
実施例３を図９に示す。本実施例は、実施例１，２，３のいずれかのセパレータを積層させたスタック１００を示す。このスタックの構成は、次のとおり。
【００９９】
Ａｎガスを供給する供給口１１２，Ｃａガスを供給する供給口１１１，冷却水を供給する供給口１１０，両端にある絶縁板１０９，電力を外部に取り出すための集電板１１３、と、本発明の２枚のセパレータ１０１を、冷却水流路部１２１側を背中合わせにしたものと、電解質膜１０２を、電極１０３，ガス拡散層１０６でサンドイッチ状に挟んだ発電部分１０５を交互に積層したスタック１００，Ａｎガスを排出する排出口１０４，Ｃａガスを排出する排出口１０８，冷却水を排出する排出口１０７，発電部分１０５には、Ａｎガス流路部１２０とＣａガス流路部１２２が接して発電部分１０５に水素と酸素を供給する。
【０１００】
同時に、それぞれのガスの流路部１２０，１２２の裏側に形成された冷却水流路部１２１で発電部分１０５での発熱を吸収する。
【０１０１】
このようにすることにより、本発明のセパレータの効果により、スタック全体の反応ガス流路の温度分布の均一化が図れるので、高出力密度でコンパクトなスタックが可能にできるという効果がある。
【産業上の利用可能性】
【０１０２】
本発明は、燃料電池またはそれ以外にも、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。
【図面の簡単な説明】
【０１０３】
【図１】セパレータの構成を示した説明図である。（実施例１）
【図２】セパレータの構成を示した説明図である。（実施例１）
【図３】セパレータの構成を示した説明図である。（実施例１）
【図４】セパレータの構成を示した説明図である。（実施例１）
【図５】セパレータの構成を示した説明図である。（実施例２）
【図６】セパレータの構成を示した説明図である。（実施例２）
【図７】セパレータの構成を示した説明図である。（実施例３）
【図８】セパレータの構成を示した説明図である。（実施例３）
【図９】スタックの構成を示した説明図である。（実施例１，２，３）
【符号の説明】
【０１０４】
１ セパレータ板
２ Ａｎガス入口マニホールド
３ Ｃａガス出口マニホールド
４ 冷却水入口マニホールド
５ Ａｎガス出口マニホールド
６ Ｃａガス入口マニホールド
７ 冷却水出口マニホールド
８，１０ シール
９，１６ 流路部
１１ 裏シール受け
１２，１７ 多孔質流路部
１３，１８ 流量制御片
１４ 端部流れ防止片
１５ シール補強点
１９ 多孔質流路制御片
２０ 多孔質補強片
１００ スタック
１０１ セパレータ
１０２ 電解質膜
１０３ 電極
１０４ Ａｎガス排出口
１０５ 発電部分
１０６ ガス拡散層
１０７ 冷却水排出口
１０８ Ｃａガス排出口
１０９ 絶縁板
１１０ 冷却水供給口
１１１ Ｃａガス供給口
１１２ Ａｎガス供給口
１１３ 集電板
１２０ Ａｎガス流路部
１２１ 冷却水流路部
１２２ Ｃａガス流路部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガスまたは冷却媒体の流路が形成され、前記反応ガスまたは冷却媒体の入口または出口マニホールドを有し、前記流路が連通多孔質体で形成される燃料電池セパレータにおいて、
前記反応ガスまたは冷却媒体を、外部若しくは内部の反応ガスまたは冷却媒体と相互に隔離し、密封するシール材を有し、前記シール材と類似または同一の弾性の物質からなる流路制御片を、前記連通多孔質体の間に形成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において、
前記シール材と同一または類似の弾性の物質より構成され、前記反応ガス及び冷却媒体を密封するシール材に密着または隣接するように、複数の凸部を内側に設けることを特徴とす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において、
前記複数の凸部のうち、相対する凸部の間に、シール材と同一または類似の弾性の物質よりなる流路制御片を複数設けることを特徴とす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において、
前記反応ガスまたは冷却媒体の入口または出口マニホールドの流路への連結口にシール材がある側と、ない側とがあることを特徴とする燃料電池セパレータ。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池セパレータにおいて、
前記シール材がない側の反応ガスおよび冷却媒体の入口または出口マニホールドの流路への連結口に、ある側のシール材と立体的には交差しないが、積層方向から平面的に射影したときには、互いに交差し、その交差点に締め付け力がかかるように、複数の流路制御片を兼ねた裏シール受けを設けることを特徴とする燃料電池セパレータ。
【請求項６】
請求項１に記載の燃料電池セパレータにおいて、
前記流路制御片を用いて、前記連通多孔質体の固定または位置決めを行うことを特徴とする燃料電池セパレータ。
【請求項７】
請求項１に記載の燃料電池セパレータにおいて、
前記反応ガスおよび冷却媒体の入口または出口マニホールドを囲むシール材の内側に密着するように、連続した多孔質材を設けることを特徴とする燃料電池セパレータ。
【請求項８】
請求項１に記載の燃料電池セパレータにおいて、
前記反応ガスおよび冷却媒体の入口または出口マニホールドを囲むシール材の一部を、三角形を形成することを特徴とする燃料電池セパレータ。
【請求項９】
請求項１に記載の燃料電池セパレータにおいて、
前記反応ガスおよび冷却媒体の入口または出口マニホールドのシール材の曲がり部を補強したシール補強点を有することを特徴とする燃料電池セパレータ。
【請求項１】
反応ガスまたは冷却媒体の流路が形成され、前記反応ガスまたは冷却媒体の入口または出口マニホールドを有し、前記流路が連通多孔質体で形成される燃料電池セパレータにおいて、
前記反応ガスまたは冷却媒体を、外部若しくは内部の反応ガスまたは冷却媒体と相互に隔離し、密封するシール材を有し、前記シール材と類似または同一の弾性の物質からなる流路制御片を、前記連通多孔質体の間に形成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において、
前記シール材と同一または類似の弾性の物質より構成され、前記反応ガス及び冷却媒体を密封するシール材に密着または隣接するように、複数の凸部を内側に設けることを特徴とす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において、
前記複数の凸部のうち、相対する凸部の間に、シール材と同一または類似の弾性の物質よりなる流路制御片を複数設けることを特徴とす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において、
前記反応ガスまたは冷却媒体の入口または出口マニホールドの流路への連結口にシール材がある側と、ない側とがあることを特徴とする燃料電池セパレータ。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池セパレータにおいて、
前記シール材がない側の反応ガスおよび冷却媒体の入口または出口マニホールドの流路への連結口に、ある側のシール材と立体的には交差しないが、積層方向から平面的に射影したときには、互いに交差し、その交差点に締め付け力がかかるように、複数の流路制御片を兼ねた裏シール受けを設けることを特徴とする燃料電池セパレータ。
【請求項６】
請求項１に記載の燃料電池セパレータにおいて、
前記流路制御片を用いて、前記連通多孔質体の固定または位置決めを行うことを特徴とする燃料電池セパレータ。
【請求項７】
請求項１に記載の燃料電池セパレータにおいて、
前記反応ガスおよび冷却媒体の入口または出口マニホールドを囲むシール材の内側に密着するように、連続した多孔質材を設けることを特徴とする燃料電池セパレータ。
【請求項８】
請求項１に記載の燃料電池セパレータにおいて、
前記反応ガスおよび冷却媒体の入口または出口マニホールドを囲むシール材の一部を、三角形を形成することを特徴とする燃料電池セパレータ。
【請求項９】
請求項１に記載の燃料電池セパレータにおいて、
前記反応ガスおよび冷却媒体の入口または出口マニホールドのシール材の曲がり部を補強したシール補強点を有することを特徴とする燃料電池セパレータ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００９−２５２４６９（Ｐ２００９−２５２４６９Ａ）
【公開日】平成２１年１０月２９日（２００９．１０．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−９７６８５（Ｐ２００８−９７６８５）
【出願日】平成２０年４月４日（２００８．４．４）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１０月２９日（２００９．１０．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年４月４日（２００８．４．４）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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