燃料電池セパレータ
【課題】
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、かつ、極薄のセパレータ流路に適用するには気孔径及び気孔率が一様に製作されている多孔質を一方向に圧縮して方向性が生じてしまい設計概念からずれてくるという課題が生じる。本発明は、多孔質体の利点を活かしつつ、反応ガスや水の流れの制御が容易な燃料電池セパレータを提供することを目的とする。
【解決手段】
金属板または金属多孔質板からなる燃料電池セパレータにおいて、前記金属板あるいは金属多孔質板の上に形成された直径または外形寸法の異なる複数の導電体を有し、前記導電体間が反応ガスの流路として構成され、前記導電体を所定の間隔で配置し、ガスを選択的に流通させる流路と、水を選択的に流通させる流路に分離したことを特徴とする。
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、かつ、極薄のセパレータ流路に適用するには気孔径及び気孔率が一様に製作されている多孔質を一方向に圧縮して方向性が生じてしまい設計概念からずれてくるという課題が生じる。本発明は、多孔質体の利点を活かしつつ、反応ガスや水の流れの制御が容易な燃料電池セパレータを提供することを目的とする。
【解決手段】
金属板または金属多孔質板からなる燃料電池セパレータにおいて、前記金属板あるいは金属多孔質板の上に形成された直径または外形寸法の異なる複数の導電体を有し、前記導電体間が反応ガスの流路として構成され、前記導電体を所定の間隔で配置し、ガスを選択的に流通させる流路と、水を選択的に流通させる流路に分離したことを特徴とする。
【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に関する。
【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、セパレータ面全体にわたり、一様に発電することが必要となる。従来のチャンネル方式では、リブの部分は通電のみを、そしてチャンネル部は発電反応のみを担うというように役割分担しているため、一様化を行うには細分化が必要である。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。
【０００３】
その対応として、チャンネル流路の代わりに内部の孔が連通している多孔質化流路を用いる方法が考えられる。すなわち、多孔質体を用いると、通電部分と発電部分とを混合一様化することが可能となる。２倍とは行かなくても、発電部分を大幅に増加させることが期待できる。すなわち、高出力密度化を図ることが期待できる。
【０００４】
セパレータに金属多孔質を用いた例としては、例えば特許文献１等が挙げられ、セパレータの燃料ガスおよび酸化剤ガス流路に異なる細孔分布を有する２つ以上の複数層からなる多孔質体を適用することが開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−８４７０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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）である空気中の酸素が消費されて、水と熱と電力が発生する。
【０００７】
２Ｈ2＋Ｏ2 → ２Ｈ2Ｏ＋（熱）＋（電力）
この反応は、従来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ガス側でも濃度拡散及び電気浸透に基づく水が流入し、水蒸気濃度は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という課題がある。同時に、凝縮水発生により潜熱が解放され温度の不均一を招いて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なければならなかった。
【０００８】
ところが、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。
【０００９】
これを成し遂げる一環として、反応ガス流路への連通多孔質体の採用が挙げられる。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、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。しかし、特に、ガス拡散及び圧力損失低減を図るためには多孔質体の骨組部分体積の小さい高気孔率多孔質体を用いる必要があるが、ガス流路高さが１mm以下であるため、現状、市販の金属多孔質をスタック積層方向に圧縮して使用せざるをえない。このため、圧縮方向をｘ方向、圧縮方向と垂直な方向をｒ方向とすると、圧縮後の透過率ｋおよび気孔径ｄは、次のようになる。また、気孔率εは、圧縮の前後で次のようになる。
【００１０】
ｋr＜ｋx
ｄr＜ｄx
ε圧縮前＞ε圧縮後
この圧縮後の構造は、ｘ方向としては、反応ガスの拡散及び生成水の排出性は向上するものの、出口マニホールドに向かう方向に係わるｒ方向の反応ガスの拡散、及び、生成水の排出性が阻害される。材料の親水性および疎水性で、その傾向は逆であるが、疎水性材料の場合、比較的大きな気孔径の部分を生成水のうち、凝縮した液水が通過し、比較的小さい気孔径の部分を気体が通過することにより、多孔質内でのある飽和度レベルまでは互いに互いの通路を遮断することなく性能が発揮することが知られている。
【００１１】
しかし、ｘ方向を圧縮すると、ｒ方向への流路高さが減少するため圧力損失が増大し、かつ、そのため補機動力が増えるという課題があった。
【００１２】
また、ｘ方向とｒ方向で物性が異なるため、設計のための解析に時間がかかるという課題があった。
【００１３】
このように、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、かつ、極薄のセパレータ流路に適用するには気孔径及び気孔率が一様に製作されている多孔質を一方向に圧縮して方向性が生じてしまい設計概念からずれてくるという課題が生じる。
【００１４】
本発明は、上述のような課題を鑑み、多孔質体の利点を活かしつつ、反応ガスや水の流れの制御が容易な燃料電池セパレータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するため、本発明では多孔質類似構造を適用することで解決を図った。すなわち、複数以上の寸法の、導電性の柱を１mm以下の寸法で形成することにより、毛細管力を利用しての水及びガスの流路分離構造の形成することで解決を図った。
【００１６】
本発明は、金属板または金属多孔質板からなる燃料電池セパレータにおいて、前記金属板あるいは金属多孔質板の上に形成された直径または外形寸法の異なる複数の導電体を有し、前記導電体間が反応ガスの流路として構成され、前記導電体を所定の間隔で配置し、ガスを選択的に流通させる流路と、水を選択的に流通させる流路に分離したことを特徴とする燃料電池セパレータである。
【００１７】
また、前記金属板または金属多孔質板の上に形成する導電体の形成密度分布を変化させたことを特徴とする。
【００１８】
また、前記金属板または金属多孔質板の上に形成された導電体の上に、さらに、直径または外形寸法の異なる導電体を形成し、導電体間の流路を複数層化したことを特徴とする。
【００１９】
また、前記金属板または金属多孔質板を貫通する孔を有し、冷却媒体を反応ガスに注入して冷却及び加湿を行うことを特徴とする。
【００２０】
また、前記金属板または金属多孔質板を貫通する孔の上に設けた導電体内の中央部に貫通孔及び貫通孔に連通したスリットを有することを特徴とする。
【００２１】
また、前記導電体間の所定の間隔が、１０〜５０μｍ、及び、１００〜６００μｍの２種類の間隔であることを特徴とする。
【００２２】
また、前記導電体は第１の直径と第２の直径を有しており、第１の直径を有する導電体間で構成される第１の流路と、第１の直径を有する導電体と第２の直径を有する導電体との間で構成される第２の流路とを有し、前記第１の流路と第２の流路は異なる間隔で設けられ、前記第１の流路と第２の流路によりガスを選択的に流通させる流路、及び、水を選択的に流通させる流路を分離したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の燃料電池セパレータは、２種類以上の寸法の異なる導電体を金属板あるいは金属多孔質板上に形成することにより、部分的に多孔質模擬構造を形成し、流路幅を調整して相互に干渉しないガス流路および水流路を形成し、多孔質体材と同等の効果を発揮させることができ、高出力密度運転ができるという利点がある。また、多孔質体と異なり２次元的に流路を構成できるので設計しやすく反応ガスや水の流れを制御し易いという利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明のセパレータ及びそれを用いて積層形成した燃料電池を実施例により説明する。
【実施例１】
【００２５】
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。図１に本発明の一実施例を示す。図１は、実施例１のセパレータ１のカソード側平面図を示す。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、ＧＤＬが省略されることもある。以降では、酸化ガスは空気，燃料ガスは水素として説明を進めるが、もちろん、酸化ガスは、酸素であれば最も良く、また、燃料ガスは水素リッチなガスであれば適用可能である。
【００２６】
まず、セパレータ１の構成について説明する。セパレータ１は、酸化剤である空気をカソード（以降、Ｃａ）ガス入口マニホールド２、Ｃａガス入口マニホールド２からの酸化剤ガスを流すための流路網１６、この流路網１６を流れて行く際に酸素がＭＥＡ（図示しないが、この流路面上にある）のＣａ極で消費され水が生成され、このＣａ排ガスと水が排出されるためのＣａガス出口マニホールド３，ＭＥＡのＡｎ極に水素を送り込むためのＡｎガス入口マニホールド４，消費されたＡｎ排ガス（排水素）をセパレータから排出するためのＡｎガス出口マニホールド５，これらの流路部を形成するための金属板９、及びＡｎガス（水素ガス）とＣａガス（空気）を混合させないためのシール８より主として構成される。また、図の下部に拡大図を示す。拡大図の上の図が平面図を示し、下の図が断面図を示す。流路網１６は拡大すると、次のものより構成される。金属板９の上に密着して、導電性の小円柱６，導電性の大円柱７が格子状に配置している。この大円柱７は、流れ方向にＬ１の間隔、流れ方向と直交する方向にＬ２の間隔で配置する。その間に小円柱６を１列置きに配置する。
【００２７】
このとき、この配置により、大円柱７間で最も狭隘部で１００〜６００μｍの寸法、大円柱７と小円柱６の間の流路を最も狭隘部で１０〜５０μｍとする。なお、高さは、０.２mmから１mm以下が望ましい。この構成により動作は次のようになる。なお、これら円柱の材質は、疎水性であることを前提に説明する。親水性の場合、ガス流路と水流路が逆転するが、水の場合、粘度が大きいので圧力損失的に有利と考える。Ｃａガス入口マニホールド２から流路網１６に入ったＣａガス（空気）の中の酸素は、図示していないが流路網１６の上（図では紙面上）にあるＭＥＡを介して水素と反応し電力と熱と反応生成水を発生させながら下流へと流れて行く。その際、酸素が消費され、その結果、反応生成水（水蒸気の形）および熱の一部がＣａ排ガスに加えられる。なお、この流れは、セパレータ１に垂直な方向の流れであるが、この垂直流路もガス及び凝縮水の流路もこの配置により分離される。このようにして下流に向かって流れているＣａ排ガスは、反応生成水の一部を加えながら、その水蒸気濃度が増加していく。その後、運転温度により異なるが通常の約７０℃前後の場合、Ｃａ排ガス温度が７０℃の時の飽和水蒸気濃度を越えると凝縮して、液水になりＣａ排ガスと凝縮水の２相流となってＣａガス出口マニホールド３に排出される。このとき、この凝縮水は、毛細管力の作用により、大円柱７間流路を流れ、Ｃａ排ガスは小円柱６と大円柱７の間の流路を流れることにより、分離されるので凝縮水によるＣａ排ガスの流れがＭＥＡの方向及び下流の方向に流れるのが阻害されずフラディングを起こし難くなり性能が向上する。このセパレータ１の裏面（図示していない）でも同様にＡｎガス（水素ガス）が流れ同様の作用を受けて性能向上に寄与する。
【００２８】
また、多孔質の代わりに円柱を採用することにより、面圧及び面圧分布によらず一定の流路高さを保持するスペーサとしても機能させることもできる。なお、図では円柱状であるが、上が細い、断面が台形状の円柱であってもその間隙寸法が上記で示した寸法であれば、機能上は差し支えない。また、上から見た形が四角形でも楕円でも三角形であっても適用上上記間隙寸法を満たせば最低限の機能・作用は確保することができる。
【００２９】
このような構成により、本実施例特有の効果として、次のものがある。すなわち、導電体を金属板の上に形成するので、金属板との間の電気的及び熱的接触抵抗の低減，流路高さの一定保持，面圧に対する反発力の一定化，高出力密度化，２次元的流路化による流路設計の簡素化，信頼性向上及びコスト低減を図れるという効果がある。
【実施例２】
【００３０】
図２に、実施例１の変形例である実施例２のセパレータ１のカソード側平面図を示す。図２では、大円柱７の間隔Ｌ２を変化させてＬ２′とし、間隔Ｌ１はそのまま保持したもので、これにより流路網１６の水流路を拡大して反応生成蒸気量が蓄積して、凝縮水の発生量が増える下流に対応させるとともに、蒸気をそのときの反応ガス温度での飽和濃度まで含んで粘度が増加した飽和濃度のＣａ排ガスと、凝縮水が増えて圧力抵抗が増えた水をスムーズに排出するようにしたものである。これにより、凝縮水がほとんど発生しない上流では、逆に水を保持してＭＥＡが乾かないようにする加湿作用と蒸発を促進することができ、凝縮水の発生の多い下流では、水とＣａ排ガスの流れを促進してフラディングを阻止して凝縮水発生の多い高出力密度での運転を可能にできる。このような構成にすることで、実施例１よりもさらに加湿と潜熱冷却を促進できるので高出力密度化を図れるとともに供給冷却水を低減できるという効果がある。
【実施例３】
【００３１】
図３に、実施例１の変形例である実施例３のセパレータ１のカソード側平面図を示す。実施例１では、図示はしていなかったが、円柱を形成した金属板９の裏面はＡｎガス（水素ガス）を流す面として使用している。その流路構成の説明はしていないが、上述したＣａガスを流す実施例１の表面と同様の構成である。しかし、本実施例３では、表面にＡｎガスあるいはＣａガスを流し、この裏面を冷却媒体、そのなかでも特に水を流す構成としている。このため、実施例１と異なり冷却水入口マニホールド１０及び冷却水出口マニホールド１１が新たに追加されている。ＡｎガスとＣａガスでは構成が類似なためＣａガスで代表させて説明する。図３の左の図が反応ガス側であり、この図の場合はＣａガス側を示す。図３の右側は冷却水側を示す。この左右の図で金属板９を挟んだときのセパレータの裏表を表す。反応ガス側は、実施例１と同じように大円柱７と小円柱６を設けているが、実施例１と異なるのは、金属板９を貫通する液水孔１２を設けて、反応ガス側の液水流路にあたる部分に蒸気または水の形で噴出させて凝縮水が少ない部分での冷却及び加湿を行う構成としたことである。液水孔の大きさとしては、０.１mm〜０.７mmで液水流路幅と同レベルとして注入抵抗を小さくしている。裏側の冷却水側は、大円柱７のみの構成とした。この理由は、反応ガス側と異なり、気体と液体の流路を、毛細管力を利用して分離する必要がないためである。
【００３２】
反応ガス側の動作は、水が液水孔１２を通って冷却水側から滲み出て来て蒸発あるいは水の状態で流れて冷却、あるいは、ＭＥＡの加湿に利用される以外は実施例１とほぼ同じである。裏の冷却水側は、冷却水入口マニホールド１０から流路網１６を通過しながら金属板９（もちろん、熱源は、図示しないがＭＥＡ由来）から熱を奪いながら液水孔１２を通じて反応ガス側に水を供給したあと、冷却水出口マニホールド１１に入り、最終的には熱を比熱の形で保持したままスタックから流出することにより燃料電池温度が運転最適温度に維持される。なお、反応ガス側に供給された水は、反応ガスの温度で決まる飽和濃度と、そのときの水蒸気濃度に駆動されて一部が蒸発し潜熱冷却の形で金属板９の熱を奪い、水蒸気の形でＣａ排ガスに蓄えられてＣａガス出口マニホールド３から運び出される。これにより、潜熱冷却を利用して少ない水量で冷却能力を向上させることができる。
【００３３】
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潜熱冷却及び加湿ができるので、さらに、小形化高出力密度化できるという効果がある。
【実施例４】
【００３４】
図４に、実施例４のセパレータ１のカソード側平面図を示す。本実施例は、実施例３の変形例であり、実施例３での液水孔１２を大円柱７の中心に設けたもので、このため、反応ガス側も冷却水側も大円柱７が裏表面の同じ位置に金属板９を貫通する液水孔１３を共有する形で配置される。但し、液水孔１３のみでは水を入れてセパレータの冷却水側から反応ガス側へ供給できないので大円柱７に冷却水側も反応ガス側もスリット１４を設ける。これにより、実施例３と異なり、液水孔１２付近の強度や変形が抑えられ、Ｃａガス及びＡｎガスをセパレータ面上で潜熱冷却及び加湿ができるので、さらに、信頼性の高い小形化高出力密度化できるという効果がある。
【実施例５】
【００３５】
図５に、実施例５のセパレータ１のカソード側平面図を示す。本実施例は、実施例３，４の変形例である。実施例３と異なり、反応ガス側では、金属板９の上に直接大円柱７及び小円柱６形成するのではなく、金属板９の上に付着させた金属多孔質板１５の上に大円柱７を形成したもので、小円柱６の働きであるガス流路の確保は、金属多孔質に働かせて、毛細管力の差を利用して大円柱７には水流路の確保を受け持たせたものである。こうすることにより金属多孔質の設計も簡素化される。もう一つ異なる点は、冷却水側の大円柱７を角丸の四角柱にしたことで、これにより、面圧を受ける力を増強するとともに、冷却水の水力抵抗の低減を図っている。これにより、実施例４と異なり、液水孔１２付近の強度や変形が抑えられ、Ｃａガス及びＡｎガスをセパレータ面上で潜熱冷却及び加湿ができるので、さらに、補機動力が低減でき、かつ、信頼性の高い小形化高出力密度化できるという効果がある。なお、この実施例では、金属多孔質板１５の上に大円柱７を形成したが２種の円柱群から構成される流路網１６の上に形成する方が設計の簡素化上望ましい。
【実施例６】
【００３６】
図６に、実施例６の燃料電池スタックの模式図を示す。図６は、実施例２から５のセパレータを積層させたスタック１００を示したものである。このスタックの構成は、次の通りである。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で構成される。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。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。なお、実施例１を積層させたスタックは、ここには図示しないが冷却水部が省略されたもので、予めＣａガスあるいはＡｎガスにスタックの外で含水させたガスを供給させて冷却を行う。
【００３７】
本実施例の構成により、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。これにより、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】
【００３８】
燃料電池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】
【００３９】
【図１】実施例１のセパレータの構成を示した説明図である。
【図２】実施例２のセパレータの構成を示した説明図である。
【図３】実施例３のセパレータの構成を示した説明図である。
【図４】実施例４のセパレータの構成を示した説明図である。
【図５】実施例５のセパレータの構成を示した説明図である。
【図６】本発明のセパレータを用いたスタックの構成を示した説明図である。
【符号の説明】
【００４０】
１ セパレータ
２ Ｃａガス入口マニホールド
３ Ｃａガス出口マニホールド
４ Ａｎガス入口マニホールド
５ Ａｎガス出口マニホールド
６ 小円柱
７ 大円柱
８ シール
９ 金属板
１０ 冷却水入口マニホールド
１１ 冷却水出口マニホールド
１２，１３ 液水孔
１４ スリット
１５ 金属多孔質板
１６ 流路網
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、固体高分子型燃料電池に関する。
【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、セパレータ面全体にわたり、一様に発電することが必要となる。従来のチャンネル方式では、リブの部分は通電のみを、そしてチャンネル部は発電反応のみを担うというように役割分担しているため、一様化を行うには細分化が必要である。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。
【０００３】
その対応として、チャンネル流路の代わりに内部の孔が連通している多孔質化流路を用いる方法が考えられる。すなわち、多孔質体を用いると、通電部分と発電部分とを混合一様化することが可能となる。２倍とは行かなくても、発電部分を大幅に増加させることが期待できる。すなわち、高出力密度化を図ることが期待できる。
【０００４】
セパレータに金属多孔質を用いた例としては、例えば特許文献１等が挙げられ、セパレータの燃料ガスおよび酸化剤ガス流路に異なる細孔分布を有する２つ以上の複数層からなる多孔質体を適用することが開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−８４７０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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）である空気中の酸素が消費されて、水と熱と電力が発生する。
【０００７】
２Ｈ2＋Ｏ2 → ２Ｈ2Ｏ＋（熱）＋（電力）
この反応は、従来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ガス側でも濃度拡散及び電気浸透に基づく水が流入し、水蒸気濃度は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という課題がある。同時に、凝縮水発生により潜熱が解放され温度の不均一を招いて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なければならなかった。
【０００８】
ところが、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。
【０００９】
これを成し遂げる一環として、反応ガス流路への連通多孔質体の採用が挙げられる。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、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。しかし、特に、ガス拡散及び圧力損失低減を図るためには多孔質体の骨組部分体積の小さい高気孔率多孔質体を用いる必要があるが、ガス流路高さが１mm以下であるため、現状、市販の金属多孔質をスタック積層方向に圧縮して使用せざるをえない。このため、圧縮方向をｘ方向、圧縮方向と垂直な方向をｒ方向とすると、圧縮後の透過率ｋおよび気孔径ｄは、次のようになる。また、気孔率εは、圧縮の前後で次のようになる。
【００１０】
ｋr＜ｋx
ｄr＜ｄx
ε圧縮前＞ε圧縮後
この圧縮後の構造は、ｘ方向としては、反応ガスの拡散及び生成水の排出性は向上するものの、出口マニホールドに向かう方向に係わるｒ方向の反応ガスの拡散、及び、生成水の排出性が阻害される。材料の親水性および疎水性で、その傾向は逆であるが、疎水性材料の場合、比較的大きな気孔径の部分を生成水のうち、凝縮した液水が通過し、比較的小さい気孔径の部分を気体が通過することにより、多孔質内でのある飽和度レベルまでは互いに互いの通路を遮断することなく性能が発揮することが知られている。
【００１１】
しかし、ｘ方向を圧縮すると、ｒ方向への流路高さが減少するため圧力損失が増大し、かつ、そのため補機動力が増えるという課題があった。
【００１２】
また、ｘ方向とｒ方向で物性が異なるため、設計のための解析に時間がかかるという課題があった。
【００１３】
このように、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、かつ、極薄のセパレータ流路に適用するには気孔径及び気孔率が一様に製作されている多孔質を一方向に圧縮して方向性が生じてしまい設計概念からずれてくるという課題が生じる。
【００１４】
本発明は、上述のような課題を鑑み、多孔質体の利点を活かしつつ、反応ガスや水の流れの制御が容易な燃料電池セパレータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するため、本発明では多孔質類似構造を適用することで解決を図った。すなわち、複数以上の寸法の、導電性の柱を１mm以下の寸法で形成することにより、毛細管力を利用しての水及びガスの流路分離構造の形成することで解決を図った。
【００１６】
本発明は、金属板または金属多孔質板からなる燃料電池セパレータにおいて、前記金属板あるいは金属多孔質板の上に形成された直径または外形寸法の異なる複数の導電体を有し、前記導電体間が反応ガスの流路として構成され、前記導電体を所定の間隔で配置し、ガスを選択的に流通させる流路と、水を選択的に流通させる流路に分離したことを特徴とする燃料電池セパレータである。
【００１７】
また、前記金属板または金属多孔質板の上に形成する導電体の形成密度分布を変化させたことを特徴とする。
【００１８】
また、前記金属板または金属多孔質板の上に形成された導電体の上に、さらに、直径または外形寸法の異なる導電体を形成し、導電体間の流路を複数層化したことを特徴とする。
【００１９】
また、前記金属板または金属多孔質板を貫通する孔を有し、冷却媒体を反応ガスに注入して冷却及び加湿を行うことを特徴とする。
【００２０】
また、前記金属板または金属多孔質板を貫通する孔の上に設けた導電体内の中央部に貫通孔及び貫通孔に連通したスリットを有することを特徴とする。
【００２１】
また、前記導電体間の所定の間隔が、１０〜５０μｍ、及び、１００〜６００μｍの２種類の間隔であることを特徴とする。
【００２２】
また、前記導電体は第１の直径と第２の直径を有しており、第１の直径を有する導電体間で構成される第１の流路と、第１の直径を有する導電体と第２の直径を有する導電体との間で構成される第２の流路とを有し、前記第１の流路と第２の流路は異なる間隔で設けられ、前記第１の流路と第２の流路によりガスを選択的に流通させる流路、及び、水を選択的に流通させる流路を分離したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の燃料電池セパレータは、２種類以上の寸法の異なる導電体を金属板あるいは金属多孔質板上に形成することにより、部分的に多孔質模擬構造を形成し、流路幅を調整して相互に干渉しないガス流路および水流路を形成し、多孔質体材と同等の効果を発揮させることができ、高出力密度運転ができるという利点がある。また、多孔質体と異なり２次元的に流路を構成できるので設計しやすく反応ガスや水の流れを制御し易いという利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明のセパレータ及びそれを用いて積層形成した燃料電池を実施例により説明する。
【実施例１】
【００２５】
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。図１に本発明の一実施例を示す。図１は、実施例１のセパレータ１のカソード側平面図を示す。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、ＧＤＬが省略されることもある。以降では、酸化ガスは空気，燃料ガスは水素として説明を進めるが、もちろん、酸化ガスは、酸素であれば最も良く、また、燃料ガスは水素リッチなガスであれば適用可能である。
【００２６】
まず、セパレータ１の構成について説明する。セパレータ１は、酸化剤である空気をカソード（以降、Ｃａ）ガス入口マニホールド２、Ｃａガス入口マニホールド２からの酸化剤ガスを流すための流路網１６、この流路網１６を流れて行く際に酸素がＭＥＡ（図示しないが、この流路面上にある）のＣａ極で消費され水が生成され、このＣａ排ガスと水が排出されるためのＣａガス出口マニホールド３，ＭＥＡのＡｎ極に水素を送り込むためのＡｎガス入口マニホールド４，消費されたＡｎ排ガス（排水素）をセパレータから排出するためのＡｎガス出口マニホールド５，これらの流路部を形成するための金属板９、及びＡｎガス（水素ガス）とＣａガス（空気）を混合させないためのシール８より主として構成される。また、図の下部に拡大図を示す。拡大図の上の図が平面図を示し、下の図が断面図を示す。流路網１６は拡大すると、次のものより構成される。金属板９の上に密着して、導電性の小円柱６，導電性の大円柱７が格子状に配置している。この大円柱７は、流れ方向にＬ１の間隔、流れ方向と直交する方向にＬ２の間隔で配置する。その間に小円柱６を１列置きに配置する。
【００２７】
このとき、この配置により、大円柱７間で最も狭隘部で１００〜６００μｍの寸法、大円柱７と小円柱６の間の流路を最も狭隘部で１０〜５０μｍとする。なお、高さは、０.２mmから１mm以下が望ましい。この構成により動作は次のようになる。なお、これら円柱の材質は、疎水性であることを前提に説明する。親水性の場合、ガス流路と水流路が逆転するが、水の場合、粘度が大きいので圧力損失的に有利と考える。Ｃａガス入口マニホールド２から流路網１６に入ったＣａガス（空気）の中の酸素は、図示していないが流路網１６の上（図では紙面上）にあるＭＥＡを介して水素と反応し電力と熱と反応生成水を発生させながら下流へと流れて行く。その際、酸素が消費され、その結果、反応生成水（水蒸気の形）および熱の一部がＣａ排ガスに加えられる。なお、この流れは、セパレータ１に垂直な方向の流れであるが、この垂直流路もガス及び凝縮水の流路もこの配置により分離される。このようにして下流に向かって流れているＣａ排ガスは、反応生成水の一部を加えながら、その水蒸気濃度が増加していく。その後、運転温度により異なるが通常の約７０℃前後の場合、Ｃａ排ガス温度が７０℃の時の飽和水蒸気濃度を越えると凝縮して、液水になりＣａ排ガスと凝縮水の２相流となってＣａガス出口マニホールド３に排出される。このとき、この凝縮水は、毛細管力の作用により、大円柱７間流路を流れ、Ｃａ排ガスは小円柱６と大円柱７の間の流路を流れることにより、分離されるので凝縮水によるＣａ排ガスの流れがＭＥＡの方向及び下流の方向に流れるのが阻害されずフラディングを起こし難くなり性能が向上する。このセパレータ１の裏面（図示していない）でも同様にＡｎガス（水素ガス）が流れ同様の作用を受けて性能向上に寄与する。
【００２８】
また、多孔質の代わりに円柱を採用することにより、面圧及び面圧分布によらず一定の流路高さを保持するスペーサとしても機能させることもできる。なお、図では円柱状であるが、上が細い、断面が台形状の円柱であってもその間隙寸法が上記で示した寸法であれば、機能上は差し支えない。また、上から見た形が四角形でも楕円でも三角形であっても適用上上記間隙寸法を満たせば最低限の機能・作用は確保することができる。
【００２９】
このような構成により、本実施例特有の効果として、次のものがある。すなわち、導電体を金属板の上に形成するので、金属板との間の電気的及び熱的接触抵抗の低減，流路高さの一定保持，面圧に対する反発力の一定化，高出力密度化，２次元的流路化による流路設計の簡素化，信頼性向上及びコスト低減を図れるという効果がある。
【実施例２】
【００３０】
図２に、実施例１の変形例である実施例２のセパレータ１のカソード側平面図を示す。図２では、大円柱７の間隔Ｌ２を変化させてＬ２′とし、間隔Ｌ１はそのまま保持したもので、これにより流路網１６の水流路を拡大して反応生成蒸気量が蓄積して、凝縮水の発生量が増える下流に対応させるとともに、蒸気をそのときの反応ガス温度での飽和濃度まで含んで粘度が増加した飽和濃度のＣａ排ガスと、凝縮水が増えて圧力抵抗が増えた水をスムーズに排出するようにしたものである。これにより、凝縮水がほとんど発生しない上流では、逆に水を保持してＭＥＡが乾かないようにする加湿作用と蒸発を促進することができ、凝縮水の発生の多い下流では、水とＣａ排ガスの流れを促進してフラディングを阻止して凝縮水発生の多い高出力密度での運転を可能にできる。このような構成にすることで、実施例１よりもさらに加湿と潜熱冷却を促進できるので高出力密度化を図れるとともに供給冷却水を低減できるという効果がある。
【実施例３】
【００３１】
図３に、実施例１の変形例である実施例３のセパレータ１のカソード側平面図を示す。実施例１では、図示はしていなかったが、円柱を形成した金属板９の裏面はＡｎガス（水素ガス）を流す面として使用している。その流路構成の説明はしていないが、上述したＣａガスを流す実施例１の表面と同様の構成である。しかし、本実施例３では、表面にＡｎガスあるいはＣａガスを流し、この裏面を冷却媒体、そのなかでも特に水を流す構成としている。このため、実施例１と異なり冷却水入口マニホールド１０及び冷却水出口マニホールド１１が新たに追加されている。ＡｎガスとＣａガスでは構成が類似なためＣａガスで代表させて説明する。図３の左の図が反応ガス側であり、この図の場合はＣａガス側を示す。図３の右側は冷却水側を示す。この左右の図で金属板９を挟んだときのセパレータの裏表を表す。反応ガス側は、実施例１と同じように大円柱７と小円柱６を設けているが、実施例１と異なるのは、金属板９を貫通する液水孔１２を設けて、反応ガス側の液水流路にあたる部分に蒸気または水の形で噴出させて凝縮水が少ない部分での冷却及び加湿を行う構成としたことである。液水孔の大きさとしては、０.１mm〜０.７mmで液水流路幅と同レベルとして注入抵抗を小さくしている。裏側の冷却水側は、大円柱７のみの構成とした。この理由は、反応ガス側と異なり、気体と液体の流路を、毛細管力を利用して分離する必要がないためである。
【００３２】
反応ガス側の動作は、水が液水孔１２を通って冷却水側から滲み出て来て蒸発あるいは水の状態で流れて冷却、あるいは、ＭＥＡの加湿に利用される以外は実施例１とほぼ同じである。裏の冷却水側は、冷却水入口マニホールド１０から流路網１６を通過しながら金属板９（もちろん、熱源は、図示しないがＭＥＡ由来）から熱を奪いながら液水孔１２を通じて反応ガス側に水を供給したあと、冷却水出口マニホールド１１に入り、最終的には熱を比熱の形で保持したままスタックから流出することにより燃料電池温度が運転最適温度に維持される。なお、反応ガス側に供給された水は、反応ガスの温度で決まる飽和濃度と、そのときの水蒸気濃度に駆動されて一部が蒸発し潜熱冷却の形で金属板９の熱を奪い、水蒸気の形でＣａ排ガスに蓄えられてＣａガス出口マニホールド３から運び出される。これにより、潜熱冷却を利用して少ない水量で冷却能力を向上させることができる。
【００３３】
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潜熱冷却及び加湿ができるので、さらに、小形化高出力密度化できるという効果がある。
【実施例４】
【００３４】
図４に、実施例４のセパレータ１のカソード側平面図を示す。本実施例は、実施例３の変形例であり、実施例３での液水孔１２を大円柱７の中心に設けたもので、このため、反応ガス側も冷却水側も大円柱７が裏表面の同じ位置に金属板９を貫通する液水孔１３を共有する形で配置される。但し、液水孔１３のみでは水を入れてセパレータの冷却水側から反応ガス側へ供給できないので大円柱７に冷却水側も反応ガス側もスリット１４を設ける。これにより、実施例３と異なり、液水孔１２付近の強度や変形が抑えられ、Ｃａガス及びＡｎガスをセパレータ面上で潜熱冷却及び加湿ができるので、さらに、信頼性の高い小形化高出力密度化できるという効果がある。
【実施例５】
【００３５】
図５に、実施例５のセパレータ１のカソード側平面図を示す。本実施例は、実施例３，４の変形例である。実施例３と異なり、反応ガス側では、金属板９の上に直接大円柱７及び小円柱６形成するのではなく、金属板９の上に付着させた金属多孔質板１５の上に大円柱７を形成したもので、小円柱６の働きであるガス流路の確保は、金属多孔質に働かせて、毛細管力の差を利用して大円柱７には水流路の確保を受け持たせたものである。こうすることにより金属多孔質の設計も簡素化される。もう一つ異なる点は、冷却水側の大円柱７を角丸の四角柱にしたことで、これにより、面圧を受ける力を増強するとともに、冷却水の水力抵抗の低減を図っている。これにより、実施例４と異なり、液水孔１２付近の強度や変形が抑えられ、Ｃａガス及びＡｎガスをセパレータ面上で潜熱冷却及び加湿ができるので、さらに、補機動力が低減でき、かつ、信頼性の高い小形化高出力密度化できるという効果がある。なお、この実施例では、金属多孔質板１５の上に大円柱７を形成したが２種の円柱群から構成される流路網１６の上に形成する方が設計の簡素化上望ましい。
【実施例６】
【００３６】
図６に、実施例６の燃料電池スタックの模式図を示す。図６は、実施例２から５のセパレータを積層させたスタック１００を示したものである。このスタックの構成は、次の通りである。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で構成される。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。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。なお、実施例１を積層させたスタックは、ここには図示しないが冷却水部が省略されたもので、予めＣａガスあるいはＡｎガスにスタックの外で含水させたガスを供給させて冷却を行う。
【００３７】
本実施例の構成により、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。これにより、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】
【００３８】
燃料電池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】
【００３９】
【図１】実施例１のセパレータの構成を示した説明図である。
【図２】実施例２のセパレータの構成を示した説明図である。
【図３】実施例３のセパレータの構成を示した説明図である。
【図４】実施例４のセパレータの構成を示した説明図である。
【図５】実施例５のセパレータの構成を示した説明図である。
【図６】本発明のセパレータを用いたスタックの構成を示した説明図である。
【符号の説明】
【００４０】
１ セパレータ
２ Ｃａガス入口マニホールド
３ Ｃａガス出口マニホールド
４ Ａｎガス入口マニホールド
５ Ａｎガス出口マニホールド
６ 小円柱
７ 大円柱
８ シール
９ 金属板
１０ 冷却水入口マニホールド
１１ 冷却水出口マニホールド
１２，１３ 液水孔
１４ スリット
１５ 金属多孔質板
１６ 流路網
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】
金属板または金属多孔質板からなる燃料電池セパレータにおいて、
前記金属板あるいは金属多孔質板の上に形成された直径または外形寸法の異なる複数の導電体を有し、前記導電体間が反応ガスの流路として構成され、前記導電体を所定の間隔で配置し、ガスを選択的に流通させる流路と、水を選択的に流通させる流路に分離した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、前記金属板または金属多孔質板の上に形成する導電体の形成密度分布を変化させたことを特徴とする燃料電池セパレータ。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料電池セパレータにおいて、前記金属板または金属多孔質板の上に形成された導電体の上に、さらに、直径または外形寸法の異なる導電体を形成し、導電体間の流路を複数層化した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、前記金属板または金属多孔質板を貫通する孔を有し、冷却媒体を反応ガスに注入して冷却及び加湿を行う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、前記金属板または金属多孔質板を貫通する孔の上に設けた導電体内の中央部に貫通孔及び貫通孔に連通したスリットを有す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、前記導電体間の所定の間隔が、１０〜５０μｍ、及び、１００〜６００μｍの２種類の間隔である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、
前記導電体は第１の直径と第２の直径を有し、
第１の直径を有する導電体間で構成される第１の流路と、第１の直径を有する導電体と第２の直径を有する導電体との間で構成される第２の流路とを有し、
前記第１の流路と第２の流路は異なる間隔で設けられ、前記第１の流路と第２の流路によりガスを選択的に流通させる流路、及び、水を選択的に流通させる流路を分離したことを特徴とする燃料電池セパレータ。
【請求項１】
金属板または金属多孔質板からなる燃料電池セパレータにおいて、
前記金属板あるいは金属多孔質板の上に形成された直径または外形寸法の異なる複数の導電体を有し、前記導電体間が反応ガスの流路として構成され、前記導電体を所定の間隔で配置し、ガスを選択的に流通させる流路と、水を選択的に流通させる流路に分離した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、前記金属板または金属多孔質板の上に形成する導電体の形成密度分布を変化させたことを特徴とする燃料電池セパレータ。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料電池セパレータにおいて、前記金属板または金属多孔質板の上に形成された導電体の上に、さらに、直径または外形寸法の異なる導電体を形成し、導電体間の流路を複数層化した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、前記金属板または金属多孔質板を貫通する孔を有し、冷却媒体を反応ガスに注入して冷却及び加湿を行う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、前記金属板または金属多孔質板を貫通する孔の上に設けた導電体内の中央部に貫通孔及び貫通孔に連通したスリットを有す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、前記導電体間の所定の間隔が、１０〜５０μｍ、及び、１００〜６００μｍの２種類の間隔である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、
前記導電体は第１の直径と第２の直径を有し、
第１の直径を有する導電体間で構成される第１の流路と、第１の直径を有する導電体と第２の直径を有する導電体との間で構成される第２の流路とを有し、
前記第１の流路と第２の流路は異なる間隔で設けられ、前記第１の流路と第２の流路によりガスを選択的に流通させる流路、及び、水を選択的に流通させる流路を分離した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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１０−１５３１５７（Ｐ２０１０−１５３１５７Ａ）
【公開日】平成２２年７月８日（２０１０．７．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３２８９９６（Ｐ２００８−３２８９９６）
【出願日】平成２０年１２月２５日（２００８．１２．２５）
【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２２年７月８日（２０１０．７．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１２月２５日（２００８．１２．２５）
【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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