燃料電池用セパレータおよび燃料電池
【課題】本発明の目的は、ガス流路の増大とセパレータと電極の接触抵抗の低減を両立する燃料電池用セパレータを提供することである。
【解決手段】本発明は、ガスが注入されるガス注入口と、複数のリブで流路を構成した流路部と、ガスが排出されるガス排出口とを備える燃料電池用セパレータにおいて、前記リブは高さ方向の中央部にくびれ部を有し、前記ガス注入口またはガス排出口に向かって前記リブのくびれ部の断面積または形状が変化していることを特徴とする。また、前記リブが、第一の凸部と第二の凸部の凸部頂点同士が接続された構造であることを特徴とする。
【解決手段】本発明は、ガスが注入されるガス注入口と、複数のリブで流路を構成した流路部と、ガスが排出されるガス排出口とを備える燃料電池用セパレータにおいて、前記リブは高さ方向の中央部にくびれ部を有し、前記ガス注入口またはガス排出口に向かって前記リブのくびれ部の断面積または形状が変化していることを特徴とする。また、前記リブが、第一の凸部と第二の凸部の凸部頂点同士が接続された構造であることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスの化学反応により電気エネルギーを発生する燃料電池に係わり、特に燃料電池用セパレータの流路構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料ガスと酸化剤ガスを電気化学反応により電気を供給するものである。燃料電池の重要な構成要素にセパレータがある。セパレータは、燃料ガスと酸化剤ガスを分離し、ガスが均等に電極に行き渡るように工夫された流路構造を持ち、膜・電極接合体（ＭＥＡ）で発電された電気を誘電する電気誘導性をもつものである。セパレータは黒鉛材料と金属材料のものがあり、切削加工を要する従来の黒鉛材料に比べ、金属材料のセパレータは、金属材料をプレス成形にて流路を形成したものであり、コスト低減化や薄型化・軽量化が可能である反面、腐食への対策が必要になる。燃料電池の高出力密度化を図るために、流路に多孔質部材を用いたセパレータや、黒鉛粉末を樹脂に混ぜペースト化したものを射出成型や印刷などの手段により微細化した流路をもつセパレータが登場している。流路を微細化することにより、電極に供給するガスを細かく均等化することで電気化学反応を活性化させ、小さな容積で大きな電気エネルギーを生成しようとするものである。
【０００３】
セパレータの流路構造に関する先行技術としては以下のようなものがある。
【０００４】
特許文献１には、ダイスを用い伸線加工を経て金属ワイヤをプレート上に多列に固定しリブを形成する手法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−４３４５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ガス流路を微細化し電極に供給するガス容積を増加させることは、同時に流路領域におけるリブの占める体積が小さくなり、リブと電極とが接触する部分が減少することを意味する。このため、リブと電極との間に生じる電気的接触抵抗が大きくなり、発電性能が低下する。導電体の抵抗Ｒは、長さＬに比例し、断面積Ａに反比例する。導電体の抵抗率をρとすると、導電体の抵抗Ｒは次の式で表せる。
【０００７】
Ｒ＝ρＬ／Ａ （１）
この式からも分かるように、抵抗を小さくするには、断面積Ａ、すなわち接触面積を大きくすることが有効である。
【０００８】
また、電気化学反応は次の化学式に示すように、燃料ガスに純水素、酸化剤ガスに空気を用いた場合、燃料極側では燃料ガスが消費され、空気極側では、空気中の一つの酸素分子が電気化学反応により２つの水蒸気分子になる。仮に空気中の酸素濃度が２０％として、電気化学反応により全ての酸素が水蒸気に変化した場合、出口で酸化剤ガスの体積は１.２倍に増加する。また、燃料利用率を６０％で燃料電池を運転した場合、出口で燃料ガスの体積は０.４倍に減少する。つまり、燃料ガスはセパレータ流路を流れるに従い消費されガス流量が減少していく一方、酸化剤ガスはセパレータ流路を流れるに従い水蒸気が生成しガス流量が増加していく。この結果、燃料極側流路では、下流に従い減少し流れが失速し、流れの淀みや斑が生じ性能低下や電解質膜を含む電極部材の劣化の原因となる。一方、空気極側流路では、下流に従い流れが速くなり。また相対的に酸素濃度が小さくなるので、電気化学反応が難しくなる。
【０００９】
［燃料極（酸化）］２Ｈ2→４Ｈ+＋４ｅ-
［空気極（還元）］Ｏ2＋４Ｈ+＋４ｅ-→２Ｈ2Ｏ
このように電気化学反応にともない、流路の下流に向かうに従って、ガス流量や組成が変化するのでガスの流れ領域を調整する必要がある。すなわち、燃料極側流路では、徐々に流路を狭め、局所的なガス圧力の低下を防止し、ガスの淀みや斑を改善する必要がある。また、空気極側流路では、徐々に流路を広め、流速が早くなるのを防いで、ガス流量増に伴う流れ難さの低減や、未反応酸素ガスが電極に接触する機会を増やし効率を高める必要がある。
【００１０】
特許文献１に開示されたダイスに「エ」の形のものを用いれば、流路におけるガス容積を増加しつつ、リブと電極の接触部を拡大させ、電気抵抗を軽減することができる。しかしながら、流れ領域を徐々に増やすためには、流路を構成するリブまたは多孔質体の間隔（空隙率）を増やすことになり、この結果、リブまたは多孔質体と電極の接触面積が小さくなることによる発電領域の縮小や接触抵抗の増加については考慮されていない。さらに、上流部と下流部ではリブまたは多孔質体が電極に接する面積が異なると、電極全域に均等な面圧で当たらなくなり、発電斑を引き起こすばかりでなく、電解質膜を含む電極部材に局所的な疲労をまねき、電極部材の寿命に影響が懸念される。
【００１１】
本発明の目的は、ガス流路の増大とセパレータと電極の接触抵抗の低減を両立する燃料電池用セパレータを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、ガスが注入されるガス注入口と、複数のリブで流路を構成した流路部と、ガスが排出されるガス排出口とを備える燃料電池用セパレータにおいて、前記リブは高さ方向の中央部にくびれ部を有し、前記ガス注入口またはガス排出口に向かって前記リブのくびれ部の断面積または形状が変化していることを特徴とする。
【００１３】
また、前記リブが、第一の凸部と第二の凸部の凸部頂点同士が接続された構造であることを特徴とする。
【００１４】
これにより、リブ中央部をくびらせることができ、接触面を維持したままガス流路領域を拡大させることができる。また、第一の凸部および第二の凸部において、凸部上面の面積ａと、凸部下面の面積ｂとの比ｋ（＝ａ／ｂ）が、ガス流路の出口または入口に向かって、小さくなるように設定する。この結果、凸形状下面の面積ｂを固定した場合を考えると、ガス流路の出口または入口に向かって電極との接触面積が一定のまま、ガスの流れ領域が拡大され、電気化学反応に伴うセパレータ流路を流れるガス流量の変化に応じて上流と下流でガスの流れ領域を調整することができる。さらに、第一の凸部および第二の凸部を楕円状の円錐台で構成し、楕円の長軸の向きを調整することで、ガスの流れ方向を変えることができ、流配を改善する手段を提供することができる。
【００１５】
一方、前記リブは、黒鉛粉末を熱硬化性樹脂で結合させた複合体を金型に押し付けて第一の凸部および第二の凸部を別々に成型し、第一の凸部および前記第二の凸部を接合して形成する。これにより、一つの金型から作成する場合よりも、複雑な形状を作成することができる。またリブ部の形状は、ガス流の方向を誘導するブレード形状のリブであっても良い。こうすることで、ガスの流れを制御可能になり、たとえば羽を傾けて電極面にガスが当たるように流れを向けてやれば、電気化学反応が効率よく行われ性能が向上する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明により、燃料電池用セパレータのガス流路の増大とセパレータと電極の接触抵抗の低減の両立が図れる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に関する第１の実施の形態を示した燃料電池用セパレータ。
【図２】従来のリブ形状を示した図。
【図３】本発明の第１の実施形態を示したリブ形状を説明する図。
【図４】本発明の第２の実施形態を示したリブ形状を説明する図。
【図５】本発明の第１の実施形態を示したリブ形状を用いた場合の効果を説明する図。
【図６】くびれ具合をパラメータ化したリブ形状を説明する図。
【図７】パラメータ化したリブ形状を用いて作成する燃料電池用セパレータを説明する図。
【図８】パラメータ化したリブ形状とセパレータ流路領域上の配置との関係を説明する図。
【図９】パラメータ化したリブ形状を用いてセパレータ流路構造を決めるための処理フローを示した図。
【図１０】本発明の燃料電池用セパレータの作成手法を説明する図。
【図１１】本発明の燃料電池用セパレータの作成手法を説明する図。
【図１２】本発明のセパレータを用いて燃料電池の作成を説明する図。
【図１３】本発明のセパレータを用いて作成した燃料電池の断面を説明する図。
【図１４】本発明のセパレータを用いて作成した燃料電池の効果を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に、本発明の実施例を、図面を参照して説明する。
【００１９】
図１は本発明に関する第１の実施の形態を示した燃料電池用セパレータの概念図である。セパレータ１００は、燃料ガスと酸化剤ガスを分離し、ガスが均等に行き渡るように工夫された流路構造を持ち、後で述べる膜・電極接合体（ＭＥＡ）で発電された電気を誘電する。セパレータ１００は、例えば、幅１００mm，長さ１８０mm，厚さ０.３mmとする黒鉛製の材料を用いて形成したもので、ガスが注入される入口１０２と、流路全域にガスが均等に流れるようにガス流を振り分けるために、複数のリブで流路を構成した流路部１０１、ガスが排出される出口１０３をもつ。セパレータ１００は、流路部１０１上にＭＥＡが設置され、ＭＥＡで発電した電気を誘電する。流路部１０１は複数のリブ部１０４で構成され、流路部１０１でＭＥＡに接するリブ部１０４の接触面１０５の部分である。したがって接触面１０５の面積が大きければ大きいほど接触抵抗が小さくなり、発電した電気を効率よく誘電することができる。
【００２０】
しかしながら、従来技術にあるように、例えばリブ形状を、図２に示す円柱形のリブ形状２０１を用いた場合、円柱は基板の根元２０２から電極に接触する先端の接触面２０３に向かって、垂直に伸びているか、または、金型などの制約から、基板の根元から電極に接触する先端の面に向かってテーパーを付けざるを得ない形状となる。このため、接触抵抗を小さくするためにＭＥＡに接するリブ部２０１の接触面２０３の面積を大きくすれば、リブ自体の体積が多くなり、ガス流路に占めるリブ体積の割合が多くるので、ガスの流れる領域が狭まる。この結果、ガスが流れにくくなり、圧力損失の増加などの不具合が生ずる。本発明におけるリブ形状の一例を図３に示す。
【００２１】
図３に示す本発明のリブ形状３０１は、円柱形のリブ形状２０１に対し、円柱の中央部でくびれた形になっている。このため、円柱形のリブ形状２０１と比べ、ＭＥＡに接するリブ部の接触面の面積が同じであっても、リブの体積を小さくすることができる。例えば、円柱形のリブ形状２０１を直径０.５mm，高さ０.５mmとし、本発明のリブ形状３０１を、図３にあるように、上下の直径を０.５mm、中央部の直径を０.３mm、高さを０.５mmとした場合、円柱形のリブ形状２０１の体積は０.０９８mm3、本発明のリブ形状３０１の体積は０.０６４mm3となり約３５％の体積削減となる。
【００２２】
この結果、従来のような円柱形リブ形状２０１に対し、ＭＥＡに接するリブ部の接触面を大きくしても、ガスの流れ領域を確保することができるので、接触抵抗を削減でき燃料電池の性能を向上させることができる。
【００２３】
図１にある本発明のセパレータ１００では、流路を構成する流路部１０１に、図３にしめした円柱の中央部でくびれたリブ形状３０１を用いており、流路部１０１におけるＭＥＡと接する流路部１０１の接触面積を確保しながら、リブのくびれ部でガスの流れ領域を拡大しているところを特徴としている。
【００２４】
図５は、流路を構成するリブ部に、図２にある従来の円柱形のリブ形状２０１を用いて流路を構成した場合と、図３に示した円柱の中央部でくびれたリブ形状３０１を用いて流路を構成した場合について、流路領域とリブ−電極接触面積を試算し比較した結果をまとめたものである。図５にある形状モデルＮo.０１は、長さ２５mm，高さ２５mm，厚さ０.５mmの流路領域に、図２にある直径０.５mmの円柱形リブ形状２０１を、０.７５mm間隔で格子状に配列したものである。この時の流路領域に占めるガスの流れ領域は６５.８％ととなり、リブ−電極接触面積は６.４８mm2となった。一方、形状モデルＮo.０２は、長さ２５mm，高さ２５mm，厚さ０.５mmの同じ流路領域に、形状モデルＮo.０１と同じ図２にある直径０.５mmの円柱形リブ形状２０１を用いて、０.５７５mmの間隔で格子状に配列して流路を構成した。この場合、流路領域に占めるガスの流れ領域は４１.９％となり、リブ−電極接触面積は８.４４mm2となった。形状モデルＮo.０１における流路領域に占めるガスの流れ領域を１とした場合、形状モデルＮo.０２における流路領域に占めるガスの流れ領域は０.６４となり、約４０％縮小されるが、形状モデルＮo.０１におけるリブ−電極接触面積を１とした場合、形状モデルＮo.０２におけるリブ−電極接触面積は１.３となり、約３０％拡大される。このように、リブとリブの間隔を狭めれば、リブと電極との接触面積が拡大し（１）式から接触抵抗が小さくなり、発電性能は向上するが、ガスの流れ領域が約４０％縮小されるため、ガスが流れにくくなり圧力損失が増加し、発電の効率が悪くなる。
【００２５】
そこで、本発明の図３に示した円柱の中央部でくびれたリブ形状３０１を用いて、形状モデルＮo.０２に対し、流路を構成した。その結果、流路領域に占めるガスの流れ領域が４８％拡大し、形状モデルＮo.０１における流路領域に占めるガスの流れ領域を１とした場合、０.９５となった。一方、中央部がくびれただけなのでリブ−電極接触面積は変らず、形状モデルＮo.０１におけるリブ−電極接触面積を１とした場合、形状モデルＮo.０２におけるリブ−電極接触面積は１.３になる。すなわち、形状モデルＮo.０２におけるリブ−電極接触面積を維持したまま、おおよそ、形状モデルＮo.０１におけるガスの流れ領域を実現できたことになる。
【００２６】
図４は、本発明のリブ形状に関する第２の実施の形態を示した燃料電池用セパレータのリブ形状を示す概念図である。図４にあるリブ形状４０１は、高さの半分の所で、上部形状４０２と下部形状４０３がそれぞれ別の形状を持っている。たとえば、図４に示すように、下部形状４０３は、上面が直径０.３mmの円で下面が直径０.５mmの円で高さが０.２５mmである円錐台に対し、上部形状４０２は、一片が０.５mmで高さが０.２５mmの直方体に、中心から０.１５mmの所で左右に斜めに切り込んだ形状をしている。リブ形状４０１は、見取り図４１０を見ると、円錐台に左右に三角形の翼が付いたような形状をしており、矢印の方向からガスが流れて三角形の翼に当たると、ガスの流れは下方向に向きを変える。本リブ形状４０１の下側にＭＥＡで構成される電極を、上側にセパレータの基板が来るように配置すれば、ガスは電極に向かって流れることになり、電気化学反応に必要なガスの供給が活発に行われ、効率が向上される。
【００２７】
図６に示したリブ形状６０１は、図３に示した本発明の円柱の中央部でくびれたリブ形状３０１について、くびれ具合をパラメータ化したものである。例えば、本発明の円柱の中央部でくびれたリブ形状３０１を、リブ形状６０１のように２つの同じ円錐台を上下対象に接続することで構成した場合、円錐台６０２において、上面の円の直径をａ、下面の円の直径をｂとし、この円錐台のくびれ比ｋをｋ＝ａ／ｂとする。また、円錐台６０３のように、上面の円を、一方向に縮小したときの長さｃとなるような楕円にした場合、楕円比ｄをｄ＝ｃ／ａとする。さらに、円錐台６０４において、楕円の長軸の向きをｄｒとする。
【００２８】
このように、本発明の円柱の中央部でくびれたリブ形状３０１をパラメータ化し、セパレータ流量領域に配置するリブの位置により、くびれ比ｋ，楕円比ｄ，長軸の向きｄｒを設定することで、流れ領域を変化するガス流量に合わせて調整することができる。
【００２９】
図７は、図６で説明した、くびれ比ｋ，楕円比ｄ，長軸の向きｄｒでパラメータ化したリブ形状６０１を用いて流路構成したセパレータに関する実施例を示したものである。図図７（ｂ）はセパレータ７０１を真上から見た図である。図７（ｂ）に示すように、セパレータ７０１は、横が１０mm、縦が８mm、厚さ０.５mmの流路領域をもち、入口７０２，出口７０３をもつ。流路領域には、高さが０.５mmのパラメータ化したリブ形状６０１が格子状に１mmピッチの間隔で、８行×９列で配置されている。図６で説明した下面の円の直径ｂを０.５mmに固定し、真上から見た場合、図７（ｂ）のように、電極と接する面が、直径０.５mmの円の格子配列で、電極と均等に接することが分かる。
【００３０】
リブ形状のくびれ比ｋ，楕円比ｄ，長軸の向きｄｒ操作して、出口７０３側に向かってガスの流れ領域を拡大した場合のくびれ部における流路断面図は図７（ｃ）のようになる。図７（ｃ）は、セパレータ７０１を真横から見た図７（ａ）において、上面から０.２５mmの位置７０５、すなわちリブ形状の中央部に位置する位置の断面を見た図である。図７（ｃ）に示すように、流路の出口に向かって、徐々にリブ形状のくびれ具合が強まって、流路領域におけるリブ体積の占める割合が減少し、変わりにガスの流れる領域が大きくなっているとともに、出口に向かって楕円状にくびれた形状になっているので流れ抵抗が軽減され、流れやすくなっていることが分かる。したがって、図７に示すセパレータ７０１を空気極側に用いれば、電気化学反応に伴い、流路の下流域でガス流量が増え圧力増加に伴う流れ難さを解消でき、さらに、流れ領域が徐々に広まるので、くびれ形状を持たない場合に比べ流れが緩やかになり、未反応酸素が電極に触れる確立が高くなって発電効率が向上される。リブと電極が接する面が全域で均等であるため、加圧斑や発電斑による性能低下、および電解質膜を含む電極部の劣化を低減することができる。
【００３１】
図８は、図７に説明したように、くびれ比ｋ，楕円比ｄ，長軸の向きＤｒでパラメータ化したリブ形状６０１を用いて流路を構成する場合、流路領域におけるリブ位置ごとにパラメータ値を設定する手法を説明するものである。ここでは図７の実施例にあるように、流路領域において、リブ形状６０１は、下面の円の直径ｂを０.５mmに固定し、格子状に１mmピッチの間隔で、８行×９列で配置した場合について考え、リブ毎に、リブ形状のくびれ比ｋ，楕円比ｄ，長軸の向きｄｒの値を設定し、出口側に向かってガスの流れ領域を拡大する例について説明する。まず、リブ形状６０１のパラメータと、セパレータの流路領域を関連付けるために、図８（ａ）に示す基準点Ａを設定する。図８（ａ）は、図７において、セパレータ７０１をリブ形状の中央部で切断した時の断面図、図７（ｃ）と同じものである。基準点Ａは、例えば図８（ａ）のように入口８０２から出口８０３に向かってガスが流れるとすると、流路領域の中央線８０１と流路領域の最上位との交点８０４と、出口８０３と流路領域が接する右上の点８０５とで引ける補助線８０６と、流路領域の最下位の位置する返の延長線８０７との交点であるとする。
【００３２】
そこで、リブ形状６０１の長軸の向きｄｒを、リブが配置された中心位置と基準点Ａとを結ぶ線に沿って、基準点Ａを向くように、リブ形状の長軸の向きｄｒを設定する。たとえば、図８（ａ）において、流路領域における任意のリブ８１０について、その中心位置と基準点Ａとを結ぶ線８１１にそって、基準点Ａを向くようにリブ８１０の長軸の向きｄｒ８１２を設定する。
【００３３】
また、図８（ｂ）において、リブが配置された中心位置と基準点Ａとの距離８１５を、図８（ｂ）に示すように入口８０２の領域の中心位置８１３と基準点Ａとの距離８１４で割った値ｈを元にくびれ比ｋを算出する。くびれ比ｋが決まれば、セパレータ７０１の実施例では、下面の円の直径ｂを０.５mmに固定してあるので、上面の円の直径ａが求められる。同様にしてｈを基にして、楕円比ｄを決めれば、上面の円の直径ａ（楕円の長軸の長さに等しい）からｃが求められる。ｈを元にくびれ比ｋおよび楕円比ｄを算出する方法には、例えば、圧力損失つまりガスの流れ難さは流速の二乗に比例することから、指数的要素を取り入れ、ｋおよびｄ＝Ｍ・ｈN（ＭおよびＮは定数）としても良い。本実施例では、Ｍ＝２，Ｎ＝１.１を用い、但し、ｋおよびｄ＞１の場合はｋおよびｄ＝１とした。
【００３４】
図９は、図６で説明した、くびれ具合をパラメータ化したリブ形状において、セパレータの流路領域中に配置される位置からリブ形状のパラメータ化を決める処理をフローチャートにまとめたものである。まず、ステップ（以下Ｓと記述）１において、図６で説明した、パラメータ化したリブ形状の下面の直径ｂを決める。この値は、電極と接する面積を決める値であり重要である。この値が決まれば、セパレータの限られた流路領域に配置できるリブの上限が決まる。次に、Ｓ２において、リブを配置する方式、すなわち格子状か千鳥状か、あるいは、出口または入口付近で配置ピッチを広げまたは狭めるなどのレイアウトを実施するのかを決め、具体的な配置ピッチを決める。次にＳ３において、セパレータ流路領域の形状に基づき基準点Ａを設定する。基準点Ａは、リブ形状を決めるパラメータと流路領域中のリブの位置との関係をリンクさせる点であり、例えば、流路の出口に向かってリブ形状のくびれ具合を調整する場合は、基準点Ａは流路の出口付近に設定する。次にＳ４において、流路中に配置されたリブに対して、楕円状のくびれをつけた場合、楕円の長軸の向きｄｒを基準点Ａに向かせる処置を行うものである。このことにより、流れがよりスムーズになり燃料電池の性能を向上させる。Ｓ５およびＳ６では、流路中に配置されたリブに対して、図６で説明した、くびれ比ｋおよび楕円比ｄを基準点Ａとの距離の比に基づいて算出し、この値から、リブ形状を決める上面の円の直径および、上面の円を一方向に縮小したときの長さｃを決めるものである。
【００３５】
図１０は、図１で説明した本発明のセパレータ１００の製造方法を示したものである。セパレータ１００に用いるリブ形状３０１およびリブ形状４０１およびリブ形状６０１は、従来の金型による成型や切削加工では作成ができず、２つの要素を別々に作成し接続する手段により作成することにした。ずなわち、図１０にあるように、リブ部１およびリブ部２を別々に作成し図１１のように、リブ部１およびリブ部２をそれぞれのリブ結合面で結合させ、セパレータを作成するものである。
【００３６】
例えば、本発明に関する第１の実施の形態を示したセパレータ１００においては、リブ部１は凸形状をもつ第一のリブ部として、凸形状の先端面に凸また凹のあわせ部分１１０２を持たせ、リブ部２は凸形状をもつ第二のリブ部として、凸形状の先端面にも凹また凸のあわせ部分１１０３を持ち、それぞれのあわせ部分で接合しセパレータのリブを形成する。このように第一のリブ部および第二のリブ部にあわせ部分を持たせることで、接合が容易になり、第一のリブ部と第二のリブ部における接合部分での機械的強度や電気的接続性の不具合を回避できる。ここで、第一のリブ部および第二のリブ部にあわせ部分をそれぞれ凹計上にし、接続用の支柱を用いても良い。
【００３７】
凸形状をもつ第一のリブ部は、黒鉛粉末を熱硬化性樹脂で結合させた複合体を金型に押し付けて成型し、強度や作り易さを考慮して、凸形状のリブ同士はそれぞれ接続され、図１０のリブ部１に示すように一つの部材で構成されていても良い。
【００３８】
凸形状をもつ第二のリブ部は、黒鉛製の基板上に、金型に充填した黒鉛粉末を熱硬化性樹脂で結合させた複合体を押し付けて成型し、作成する。
【００３９】
複合体の組成は、例えば、成形性および強度に大きく関与する熱硬化性樹脂の組成割合を１０〜４０重量％の範囲に設定し、接触抵抗に大きく関与する黒鉛粉末として平均粒径が１５〜１２５μｍの範囲にし、成形材料である複合体の流動性を確保し、成形性を実現するとともに、振動等による損傷を生じない強度を確保しながら、誘電性を持たせた燃料電池用セパレータを製造することが可能である。本発明で用いられる熱硬化性樹脂としては、たとえば黒鉛粉末との濡れ性に優れたフェノール樹脂がよく、そのほか、ポリカルボジイミド樹脂，エポキシ樹脂，フルフリルアルコール樹脂，尿素樹脂，メラミン樹脂，不飽和ポリエステル樹脂，アルキド樹脂などのように、加熱時に熱硬化反応を起こし、燃料電池の運転温度及び供給ガス成分に対して安定なものであればよい。また、本発明で用いられる黒鉛粉末としては、天然黒鉛，人造黒鉛，カーボンブラック、等があり、コストなどの条件により選択することができる。
【００４０】
次に、黒鉛粉末を金型に充填した後、金型を１５０〜２００℃に加熱し昇温するとともに、プレスを用いて１０〜１００ＭＰａの範囲で面圧を加え、所定形状に樹脂成形されたリブ部を作成する。
【００４１】
図１２は、本発明のセパレータを用いて作成した燃料電池セルを説明する図である。セパレータには、図１で説明したセパレータ１００が使われている。燃料電池セルは発電の基本ユニットで、膜・電極接合体（ＭＥＡ）１２０２を、燃料極側セパレータ１２０１と、空気極側セパレータ１２０３とで両側から挟むようにして作成される。膜・電極接合体（ＭＥＡ）１２０２は、セパレータ１２０１の流路領域をカバーする広さを持つ必要がある。例えば、流路の領域を幅１０mm、高さ８mmとすると、膜・電極接合体（ＭＥＡ）１２０２も幅１０mm、高さ８mmとなる。それぞれの極でセパレータとＭＥＡの間にガスケット１２１１および１２１２を挟み、ガスが漏れないようにしてある。組みあがった燃料電池セルを横から見ると１２０５のようになる。
【００４２】
図１３は、燃料電池セルを切断したときの断面図を厚さ方向に拡大して示したものである。図１３において、燃料極側セパレータ１３０１と空気極側セパレータ１３０２がＭＥＡ１３０３を挟み込むように構成されており、燃料極側セパレータ１３０１において、流路の断面１３０５を燃料ガスが通り、リブ部の断面１３０７は、ＭＥＡ１３０３に接触し、ＭＥＡ１３０３で発電した電気を伝導する。同様に、空気極側セパレータ１３０２の流路の断面１３０６は、空気などの酸化剤ガスが通り、リブ部の断面１３０８は、ＭＥＡ１３０３に接触し、ＭＥＡ１３０３で発電された電気を誘電する。中央両側に見える断面１３０９，１３１０は、電気化学反応に関連するガスが外にもれ出ないためのガスシールの断面である。
【００４３】
次に、膜・電極接合体（ＭＥＡ）１３０３について説明する。ＭＥＡは、固体高分子電解質膜の両側にカソード側電極およびアノード側電極が挟み込む形で構成され、固体高分子電解質膜には、プロトン伝導性を有するイオン交換膜、例えば、ナフィオン１１７（Nafion１１７，１７５μｍ、Du pont社製）等を用いたフッ素系イオン交換膜が用いられ、カソード側電極およびアノード側電極は、それぞれ触媒反応層と拡散層とで形成される。カソード側拡散層およびアノード側拡散層は、燃料ガスまたは酸化剤ガスの拡散性を高め、発電により発生した反応生成水の排出機能、および電子伝導性を併せ持つ必要があり、例えば、カーボンペーパ，カーボンクロス等の導電性多孔質材料に撥水処理を施したものを適用することができる。ここでは、導電性多孔質材料に厚さ０.２mmのカーボン不織布（東レ社製ＴＧＰ−Ｈ０６０）を用い、撥水処理を施すためフッ素系撥水剤のエマルジョン液（ダイキン製Ｄ１）に浸し、乾燥後３５０℃で１０分間熱処理し、拡散層を形成した。
【００４４】
触媒反応層は、触媒金属を担持した導電性炭素粒子と高分子電解質を主成分とした厚さ０.００５mm程度の薄膜である。アノード側触媒反応層には、平均一次粒子径３０ｎｍを持つ導電性炭素粒子であるケッチェンブラック（ＡＫＺＯＣｈｅｍｉｅ社製）に、白金とルテニウムを、それぞれ２５重量％担持させたアノード用触媒担持粒子を使用した。また、カソード側触媒反応層には、ケッチェンブラックに、白金を５０重量％担持させたカソード用触媒担持粒子を使用した。カソード側触媒反応層およびアノード側触媒反応層は、それぞれの触媒担持粒子をイソプロパノール水溶液に分散させた溶液と、高分子電解質、例えばナフィオン１１７をエタノールに分散させた溶液とを、触媒担持粒子と高分子電解質との重量比を１：１になるように混合した後、ビーズミルで高分散させることによりカソード用とアノード用のスラリーを作製し、先に作成したカソード側拡散層およびアノード側拡散層にスプレークオーターを用いて塗布し、これを大気中常温で６時間乾燥させることで形成させた。このようにして、それぞれの拡散層上にカソード側触媒反応層およびアノード側触媒反応層を形成させることで、カソード側電極とアノード側電極を作成した。
【００４５】
図１４はセパレータに、本発明のくびれをもつリブ形状６０１で流路構成したセパレータ７０１を用いた燃料電池セルと、くびれを持たないリブ形状２０１を使用したセパレータを用いた場合の２つの燃料電池セルを作成し、性能を比較したものである。ここでは、空気極側に空気を、燃料極側に純水素を、それぞれポンプを用いて注入し、電子負荷装置を用いて性能特性を計測した。酸素利用率が６０％、水素利用率が８０％になるように、注入する空気および水素の流量を調整し、電子負荷装置の電流密度Ｉ［Ａ／cm2］を徐々に増加させ、その時々の燃料電池用セルの電圧Ｅ［Ｖ］を測定し、電流密度Ｉと電圧Ｅの積を電力Ｗ［Ｗ／cm2］とし、算出した。図１４において、上側の曲線１４０１は本発明のくびれをもつリブ形状６０１で流路構成した燃料電池用セルの特性であり、下側の曲線１４０２は比較に用いた、くびれを持たないリブ形状２０１で流路構成した燃料電池用セルの特性である。図１４から、本発明に関する実施の形態を示した燃料電池用セルの方が、くびれを持たないリブ形状２０１で流路構成した燃料電池用セルよりも、高い電力を発生させることができ、くびれをもつリブ形状６０１で流路構成の効果が検証できた。
【符号の説明】
【００４６】
１００ セパレータ
１０１ 流路部
１０２ ガスが注入される入口
１０３ ガスが排出される出口
１０４ リブ部
１０５，２０３，３０３ ＭＥＡに接するリブ部の接触面
２０１，３０１，４０１ リブ形状
２０２，３０２ 根元
４０２ 上部形状
４０３ 下部形状
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスの化学反応により電気エネルギーを発生する燃料電池に係わり、特に燃料電池用セパレータの流路構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料ガスと酸化剤ガスを電気化学反応により電気を供給するものである。燃料電池の重要な構成要素にセパレータがある。セパレータは、燃料ガスと酸化剤ガスを分離し、ガスが均等に電極に行き渡るように工夫された流路構造を持ち、膜・電極接合体（ＭＥＡ）で発電された電気を誘電する電気誘導性をもつものである。セパレータは黒鉛材料と金属材料のものがあり、切削加工を要する従来の黒鉛材料に比べ、金属材料のセパレータは、金属材料をプレス成形にて流路を形成したものであり、コスト低減化や薄型化・軽量化が可能である反面、腐食への対策が必要になる。燃料電池の高出力密度化を図るために、流路に多孔質部材を用いたセパレータや、黒鉛粉末を樹脂に混ぜペースト化したものを射出成型や印刷などの手段により微細化した流路をもつセパレータが登場している。流路を微細化することにより、電極に供給するガスを細かく均等化することで電気化学反応を活性化させ、小さな容積で大きな電気エネルギーを生成しようとするものである。
【０００３】
セパレータの流路構造に関する先行技術としては以下のようなものがある。
【０００４】
特許文献１には、ダイスを用い伸線加工を経て金属ワイヤをプレート上に多列に固定しリブを形成する手法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−４３４５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ガス流路を微細化し電極に供給するガス容積を増加させることは、同時に流路領域におけるリブの占める体積が小さくなり、リブと電極とが接触する部分が減少することを意味する。このため、リブと電極との間に生じる電気的接触抵抗が大きくなり、発電性能が低下する。導電体の抵抗Ｒは、長さＬに比例し、断面積Ａに反比例する。導電体の抵抗率をρとすると、導電体の抵抗Ｒは次の式で表せる。
【０００７】
Ｒ＝ρＬ／Ａ （１）
この式からも分かるように、抵抗を小さくするには、断面積Ａ、すなわち接触面積を大きくすることが有効である。
【０００８】
また、電気化学反応は次の化学式に示すように、燃料ガスに純水素、酸化剤ガスに空気を用いた場合、燃料極側では燃料ガスが消費され、空気極側では、空気中の一つの酸素分子が電気化学反応により２つの水蒸気分子になる。仮に空気中の酸素濃度が２０％として、電気化学反応により全ての酸素が水蒸気に変化した場合、出口で酸化剤ガスの体積は１.２倍に増加する。また、燃料利用率を６０％で燃料電池を運転した場合、出口で燃料ガスの体積は０.４倍に減少する。つまり、燃料ガスはセパレータ流路を流れるに従い消費されガス流量が減少していく一方、酸化剤ガスはセパレータ流路を流れるに従い水蒸気が生成しガス流量が増加していく。この結果、燃料極側流路では、下流に従い減少し流れが失速し、流れの淀みや斑が生じ性能低下や電解質膜を含む電極部材の劣化の原因となる。一方、空気極側流路では、下流に従い流れが速くなり。また相対的に酸素濃度が小さくなるので、電気化学反応が難しくなる。
【０００９】
［燃料極（酸化）］２Ｈ2→４Ｈ+＋４ｅ-
［空気極（還元）］Ｏ2＋４Ｈ+＋４ｅ-→２Ｈ2Ｏ
このように電気化学反応にともない、流路の下流に向かうに従って、ガス流量や組成が変化するのでガスの流れ領域を調整する必要がある。すなわち、燃料極側流路では、徐々に流路を狭め、局所的なガス圧力の低下を防止し、ガスの淀みや斑を改善する必要がある。また、空気極側流路では、徐々に流路を広め、流速が早くなるのを防いで、ガス流量増に伴う流れ難さの低減や、未反応酸素ガスが電極に接触する機会を増やし効率を高める必要がある。
【００１０】
特許文献１に開示されたダイスに「エ」の形のものを用いれば、流路におけるガス容積を増加しつつ、リブと電極の接触部を拡大させ、電気抵抗を軽減することができる。しかしながら、流れ領域を徐々に増やすためには、流路を構成するリブまたは多孔質体の間隔（空隙率）を増やすことになり、この結果、リブまたは多孔質体と電極の接触面積が小さくなることによる発電領域の縮小や接触抵抗の増加については考慮されていない。さらに、上流部と下流部ではリブまたは多孔質体が電極に接する面積が異なると、電極全域に均等な面圧で当たらなくなり、発電斑を引き起こすばかりでなく、電解質膜を含む電極部材に局所的な疲労をまねき、電極部材の寿命に影響が懸念される。
【００１１】
本発明の目的は、ガス流路の増大とセパレータと電極の接触抵抗の低減を両立する燃料電池用セパレータを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、ガスが注入されるガス注入口と、複数のリブで流路を構成した流路部と、ガスが排出されるガス排出口とを備える燃料電池用セパレータにおいて、前記リブは高さ方向の中央部にくびれ部を有し、前記ガス注入口またはガス排出口に向かって前記リブのくびれ部の断面積または形状が変化していることを特徴とする。
【００１３】
また、前記リブが、第一の凸部と第二の凸部の凸部頂点同士が接続された構造であることを特徴とする。
【００１４】
これにより、リブ中央部をくびらせることができ、接触面を維持したままガス流路領域を拡大させることができる。また、第一の凸部および第二の凸部において、凸部上面の面積ａと、凸部下面の面積ｂとの比ｋ（＝ａ／ｂ）が、ガス流路の出口または入口に向かって、小さくなるように設定する。この結果、凸形状下面の面積ｂを固定した場合を考えると、ガス流路の出口または入口に向かって電極との接触面積が一定のまま、ガスの流れ領域が拡大され、電気化学反応に伴うセパレータ流路を流れるガス流量の変化に応じて上流と下流でガスの流れ領域を調整することができる。さらに、第一の凸部および第二の凸部を楕円状の円錐台で構成し、楕円の長軸の向きを調整することで、ガスの流れ方向を変えることができ、流配を改善する手段を提供することができる。
【００１５】
一方、前記リブは、黒鉛粉末を熱硬化性樹脂で結合させた複合体を金型に押し付けて第一の凸部および第二の凸部を別々に成型し、第一の凸部および前記第二の凸部を接合して形成する。これにより、一つの金型から作成する場合よりも、複雑な形状を作成することができる。またリブ部の形状は、ガス流の方向を誘導するブレード形状のリブであっても良い。こうすることで、ガスの流れを制御可能になり、たとえば羽を傾けて電極面にガスが当たるように流れを向けてやれば、電気化学反応が効率よく行われ性能が向上する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明により、燃料電池用セパレータのガス流路の増大とセパレータと電極の接触抵抗の低減の両立が図れる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に関する第１の実施の形態を示した燃料電池用セパレータ。
【図２】従来のリブ形状を示した図。
【図３】本発明の第１の実施形態を示したリブ形状を説明する図。
【図４】本発明の第２の実施形態を示したリブ形状を説明する図。
【図５】本発明の第１の実施形態を示したリブ形状を用いた場合の効果を説明する図。
【図６】くびれ具合をパラメータ化したリブ形状を説明する図。
【図７】パラメータ化したリブ形状を用いて作成する燃料電池用セパレータを説明する図。
【図８】パラメータ化したリブ形状とセパレータ流路領域上の配置との関係を説明する図。
【図９】パラメータ化したリブ形状を用いてセパレータ流路構造を決めるための処理フローを示した図。
【図１０】本発明の燃料電池用セパレータの作成手法を説明する図。
【図１１】本発明の燃料電池用セパレータの作成手法を説明する図。
【図１２】本発明のセパレータを用いて燃料電池の作成を説明する図。
【図１３】本発明のセパレータを用いて作成した燃料電池の断面を説明する図。
【図１４】本発明のセパレータを用いて作成した燃料電池の効果を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に、本発明の実施例を、図面を参照して説明する。
【００１９】
図１は本発明に関する第１の実施の形態を示した燃料電池用セパレータの概念図である。セパレータ１００は、燃料ガスと酸化剤ガスを分離し、ガスが均等に行き渡るように工夫された流路構造を持ち、後で述べる膜・電極接合体（ＭＥＡ）で発電された電気を誘電する。セパレータ１００は、例えば、幅１００mm，長さ１８０mm，厚さ０.３mmとする黒鉛製の材料を用いて形成したもので、ガスが注入される入口１０２と、流路全域にガスが均等に流れるようにガス流を振り分けるために、複数のリブで流路を構成した流路部１０１、ガスが排出される出口１０３をもつ。セパレータ１００は、流路部１０１上にＭＥＡが設置され、ＭＥＡで発電した電気を誘電する。流路部１０１は複数のリブ部１０４で構成され、流路部１０１でＭＥＡに接するリブ部１０４の接触面１０５の部分である。したがって接触面１０５の面積が大きければ大きいほど接触抵抗が小さくなり、発電した電気を効率よく誘電することができる。
【００２０】
しかしながら、従来技術にあるように、例えばリブ形状を、図２に示す円柱形のリブ形状２０１を用いた場合、円柱は基板の根元２０２から電極に接触する先端の接触面２０３に向かって、垂直に伸びているか、または、金型などの制約から、基板の根元から電極に接触する先端の面に向かってテーパーを付けざるを得ない形状となる。このため、接触抵抗を小さくするためにＭＥＡに接するリブ部２０１の接触面２０３の面積を大きくすれば、リブ自体の体積が多くなり、ガス流路に占めるリブ体積の割合が多くるので、ガスの流れる領域が狭まる。この結果、ガスが流れにくくなり、圧力損失の増加などの不具合が生ずる。本発明におけるリブ形状の一例を図３に示す。
【００２１】
図３に示す本発明のリブ形状３０１は、円柱形のリブ形状２０１に対し、円柱の中央部でくびれた形になっている。このため、円柱形のリブ形状２０１と比べ、ＭＥＡに接するリブ部の接触面の面積が同じであっても、リブの体積を小さくすることができる。例えば、円柱形のリブ形状２０１を直径０.５mm，高さ０.５mmとし、本発明のリブ形状３０１を、図３にあるように、上下の直径を０.５mm、中央部の直径を０.３mm、高さを０.５mmとした場合、円柱形のリブ形状２０１の体積は０.０９８mm3、本発明のリブ形状３０１の体積は０.０６４mm3となり約３５％の体積削減となる。
【００２２】
この結果、従来のような円柱形リブ形状２０１に対し、ＭＥＡに接するリブ部の接触面を大きくしても、ガスの流れ領域を確保することができるので、接触抵抗を削減でき燃料電池の性能を向上させることができる。
【００２３】
図１にある本発明のセパレータ１００では、流路を構成する流路部１０１に、図３にしめした円柱の中央部でくびれたリブ形状３０１を用いており、流路部１０１におけるＭＥＡと接する流路部１０１の接触面積を確保しながら、リブのくびれ部でガスの流れ領域を拡大しているところを特徴としている。
【００２４】
図５は、流路を構成するリブ部に、図２にある従来の円柱形のリブ形状２０１を用いて流路を構成した場合と、図３に示した円柱の中央部でくびれたリブ形状３０１を用いて流路を構成した場合について、流路領域とリブ−電極接触面積を試算し比較した結果をまとめたものである。図５にある形状モデルＮo.０１は、長さ２５mm，高さ２５mm，厚さ０.５mmの流路領域に、図２にある直径０.５mmの円柱形リブ形状２０１を、０.７５mm間隔で格子状に配列したものである。この時の流路領域に占めるガスの流れ領域は６５.８％ととなり、リブ−電極接触面積は６.４８mm2となった。一方、形状モデルＮo.０２は、長さ２５mm，高さ２５mm，厚さ０.５mmの同じ流路領域に、形状モデルＮo.０１と同じ図２にある直径０.５mmの円柱形リブ形状２０１を用いて、０.５７５mmの間隔で格子状に配列して流路を構成した。この場合、流路領域に占めるガスの流れ領域は４１.９％となり、リブ−電極接触面積は８.４４mm2となった。形状モデルＮo.０１における流路領域に占めるガスの流れ領域を１とした場合、形状モデルＮo.０２における流路領域に占めるガスの流れ領域は０.６４となり、約４０％縮小されるが、形状モデルＮo.０１におけるリブ−電極接触面積を１とした場合、形状モデルＮo.０２におけるリブ−電極接触面積は１.３となり、約３０％拡大される。このように、リブとリブの間隔を狭めれば、リブと電極との接触面積が拡大し（１）式から接触抵抗が小さくなり、発電性能は向上するが、ガスの流れ領域が約４０％縮小されるため、ガスが流れにくくなり圧力損失が増加し、発電の効率が悪くなる。
【００２５】
そこで、本発明の図３に示した円柱の中央部でくびれたリブ形状３０１を用いて、形状モデルＮo.０２に対し、流路を構成した。その結果、流路領域に占めるガスの流れ領域が４８％拡大し、形状モデルＮo.０１における流路領域に占めるガスの流れ領域を１とした場合、０.９５となった。一方、中央部がくびれただけなのでリブ−電極接触面積は変らず、形状モデルＮo.０１におけるリブ−電極接触面積を１とした場合、形状モデルＮo.０２におけるリブ−電極接触面積は１.３になる。すなわち、形状モデルＮo.０２におけるリブ−電極接触面積を維持したまま、おおよそ、形状モデルＮo.０１におけるガスの流れ領域を実現できたことになる。
【００２６】
図４は、本発明のリブ形状に関する第２の実施の形態を示した燃料電池用セパレータのリブ形状を示す概念図である。図４にあるリブ形状４０１は、高さの半分の所で、上部形状４０２と下部形状４０３がそれぞれ別の形状を持っている。たとえば、図４に示すように、下部形状４０３は、上面が直径０.３mmの円で下面が直径０.５mmの円で高さが０.２５mmである円錐台に対し、上部形状４０２は、一片が０.５mmで高さが０.２５mmの直方体に、中心から０.１５mmの所で左右に斜めに切り込んだ形状をしている。リブ形状４０１は、見取り図４１０を見ると、円錐台に左右に三角形の翼が付いたような形状をしており、矢印の方向からガスが流れて三角形の翼に当たると、ガスの流れは下方向に向きを変える。本リブ形状４０１の下側にＭＥＡで構成される電極を、上側にセパレータの基板が来るように配置すれば、ガスは電極に向かって流れることになり、電気化学反応に必要なガスの供給が活発に行われ、効率が向上される。
【００２７】
図６に示したリブ形状６０１は、図３に示した本発明の円柱の中央部でくびれたリブ形状３０１について、くびれ具合をパラメータ化したものである。例えば、本発明の円柱の中央部でくびれたリブ形状３０１を、リブ形状６０１のように２つの同じ円錐台を上下対象に接続することで構成した場合、円錐台６０２において、上面の円の直径をａ、下面の円の直径をｂとし、この円錐台のくびれ比ｋをｋ＝ａ／ｂとする。また、円錐台６０３のように、上面の円を、一方向に縮小したときの長さｃとなるような楕円にした場合、楕円比ｄをｄ＝ｃ／ａとする。さらに、円錐台６０４において、楕円の長軸の向きをｄｒとする。
【００２８】
このように、本発明の円柱の中央部でくびれたリブ形状３０１をパラメータ化し、セパレータ流量領域に配置するリブの位置により、くびれ比ｋ，楕円比ｄ，長軸の向きｄｒを設定することで、流れ領域を変化するガス流量に合わせて調整することができる。
【００２９】
図７は、図６で説明した、くびれ比ｋ，楕円比ｄ，長軸の向きｄｒでパラメータ化したリブ形状６０１を用いて流路構成したセパレータに関する実施例を示したものである。図図７（ｂ）はセパレータ７０１を真上から見た図である。図７（ｂ）に示すように、セパレータ７０１は、横が１０mm、縦が８mm、厚さ０.５mmの流路領域をもち、入口７０２，出口７０３をもつ。流路領域には、高さが０.５mmのパラメータ化したリブ形状６０１が格子状に１mmピッチの間隔で、８行×９列で配置されている。図６で説明した下面の円の直径ｂを０.５mmに固定し、真上から見た場合、図７（ｂ）のように、電極と接する面が、直径０.５mmの円の格子配列で、電極と均等に接することが分かる。
【００３０】
リブ形状のくびれ比ｋ，楕円比ｄ，長軸の向きｄｒ操作して、出口７０３側に向かってガスの流れ領域を拡大した場合のくびれ部における流路断面図は図７（ｃ）のようになる。図７（ｃ）は、セパレータ７０１を真横から見た図７（ａ）において、上面から０.２５mmの位置７０５、すなわちリブ形状の中央部に位置する位置の断面を見た図である。図７（ｃ）に示すように、流路の出口に向かって、徐々にリブ形状のくびれ具合が強まって、流路領域におけるリブ体積の占める割合が減少し、変わりにガスの流れる領域が大きくなっているとともに、出口に向かって楕円状にくびれた形状になっているので流れ抵抗が軽減され、流れやすくなっていることが分かる。したがって、図７に示すセパレータ７０１を空気極側に用いれば、電気化学反応に伴い、流路の下流域でガス流量が増え圧力増加に伴う流れ難さを解消でき、さらに、流れ領域が徐々に広まるので、くびれ形状を持たない場合に比べ流れが緩やかになり、未反応酸素が電極に触れる確立が高くなって発電効率が向上される。リブと電極が接する面が全域で均等であるため、加圧斑や発電斑による性能低下、および電解質膜を含む電極部の劣化を低減することができる。
【００３１】
図８は、図７に説明したように、くびれ比ｋ，楕円比ｄ，長軸の向きＤｒでパラメータ化したリブ形状６０１を用いて流路を構成する場合、流路領域におけるリブ位置ごとにパラメータ値を設定する手法を説明するものである。ここでは図７の実施例にあるように、流路領域において、リブ形状６０１は、下面の円の直径ｂを０.５mmに固定し、格子状に１mmピッチの間隔で、８行×９列で配置した場合について考え、リブ毎に、リブ形状のくびれ比ｋ，楕円比ｄ，長軸の向きｄｒの値を設定し、出口側に向かってガスの流れ領域を拡大する例について説明する。まず、リブ形状６０１のパラメータと、セパレータの流路領域を関連付けるために、図８（ａ）に示す基準点Ａを設定する。図８（ａ）は、図７において、セパレータ７０１をリブ形状の中央部で切断した時の断面図、図７（ｃ）と同じものである。基準点Ａは、例えば図８（ａ）のように入口８０２から出口８０３に向かってガスが流れるとすると、流路領域の中央線８０１と流路領域の最上位との交点８０４と、出口８０３と流路領域が接する右上の点８０５とで引ける補助線８０６と、流路領域の最下位の位置する返の延長線８０７との交点であるとする。
【００３２】
そこで、リブ形状６０１の長軸の向きｄｒを、リブが配置された中心位置と基準点Ａとを結ぶ線に沿って、基準点Ａを向くように、リブ形状の長軸の向きｄｒを設定する。たとえば、図８（ａ）において、流路領域における任意のリブ８１０について、その中心位置と基準点Ａとを結ぶ線８１１にそって、基準点Ａを向くようにリブ８１０の長軸の向きｄｒ８１２を設定する。
【００３３】
また、図８（ｂ）において、リブが配置された中心位置と基準点Ａとの距離８１５を、図８（ｂ）に示すように入口８０２の領域の中心位置８１３と基準点Ａとの距離８１４で割った値ｈを元にくびれ比ｋを算出する。くびれ比ｋが決まれば、セパレータ７０１の実施例では、下面の円の直径ｂを０.５mmに固定してあるので、上面の円の直径ａが求められる。同様にしてｈを基にして、楕円比ｄを決めれば、上面の円の直径ａ（楕円の長軸の長さに等しい）からｃが求められる。ｈを元にくびれ比ｋおよび楕円比ｄを算出する方法には、例えば、圧力損失つまりガスの流れ難さは流速の二乗に比例することから、指数的要素を取り入れ、ｋおよびｄ＝Ｍ・ｈN（ＭおよびＮは定数）としても良い。本実施例では、Ｍ＝２，Ｎ＝１.１を用い、但し、ｋおよびｄ＞１の場合はｋおよびｄ＝１とした。
【００３４】
図９は、図６で説明した、くびれ具合をパラメータ化したリブ形状において、セパレータの流路領域中に配置される位置からリブ形状のパラメータ化を決める処理をフローチャートにまとめたものである。まず、ステップ（以下Ｓと記述）１において、図６で説明した、パラメータ化したリブ形状の下面の直径ｂを決める。この値は、電極と接する面積を決める値であり重要である。この値が決まれば、セパレータの限られた流路領域に配置できるリブの上限が決まる。次に、Ｓ２において、リブを配置する方式、すなわち格子状か千鳥状か、あるいは、出口または入口付近で配置ピッチを広げまたは狭めるなどのレイアウトを実施するのかを決め、具体的な配置ピッチを決める。次にＳ３において、セパレータ流路領域の形状に基づき基準点Ａを設定する。基準点Ａは、リブ形状を決めるパラメータと流路領域中のリブの位置との関係をリンクさせる点であり、例えば、流路の出口に向かってリブ形状のくびれ具合を調整する場合は、基準点Ａは流路の出口付近に設定する。次にＳ４において、流路中に配置されたリブに対して、楕円状のくびれをつけた場合、楕円の長軸の向きｄｒを基準点Ａに向かせる処置を行うものである。このことにより、流れがよりスムーズになり燃料電池の性能を向上させる。Ｓ５およびＳ６では、流路中に配置されたリブに対して、図６で説明した、くびれ比ｋおよび楕円比ｄを基準点Ａとの距離の比に基づいて算出し、この値から、リブ形状を決める上面の円の直径および、上面の円を一方向に縮小したときの長さｃを決めるものである。
【００３５】
図１０は、図１で説明した本発明のセパレータ１００の製造方法を示したものである。セパレータ１００に用いるリブ形状３０１およびリブ形状４０１およびリブ形状６０１は、従来の金型による成型や切削加工では作成ができず、２つの要素を別々に作成し接続する手段により作成することにした。ずなわち、図１０にあるように、リブ部１およびリブ部２を別々に作成し図１１のように、リブ部１およびリブ部２をそれぞれのリブ結合面で結合させ、セパレータを作成するものである。
【００３６】
例えば、本発明に関する第１の実施の形態を示したセパレータ１００においては、リブ部１は凸形状をもつ第一のリブ部として、凸形状の先端面に凸また凹のあわせ部分１１０２を持たせ、リブ部２は凸形状をもつ第二のリブ部として、凸形状の先端面にも凹また凸のあわせ部分１１０３を持ち、それぞれのあわせ部分で接合しセパレータのリブを形成する。このように第一のリブ部および第二のリブ部にあわせ部分を持たせることで、接合が容易になり、第一のリブ部と第二のリブ部における接合部分での機械的強度や電気的接続性の不具合を回避できる。ここで、第一のリブ部および第二のリブ部にあわせ部分をそれぞれ凹計上にし、接続用の支柱を用いても良い。
【００３７】
凸形状をもつ第一のリブ部は、黒鉛粉末を熱硬化性樹脂で結合させた複合体を金型に押し付けて成型し、強度や作り易さを考慮して、凸形状のリブ同士はそれぞれ接続され、図１０のリブ部１に示すように一つの部材で構成されていても良い。
【００３８】
凸形状をもつ第二のリブ部は、黒鉛製の基板上に、金型に充填した黒鉛粉末を熱硬化性樹脂で結合させた複合体を押し付けて成型し、作成する。
【００３９】
複合体の組成は、例えば、成形性および強度に大きく関与する熱硬化性樹脂の組成割合を１０〜４０重量％の範囲に設定し、接触抵抗に大きく関与する黒鉛粉末として平均粒径が１５〜１２５μｍの範囲にし、成形材料である複合体の流動性を確保し、成形性を実現するとともに、振動等による損傷を生じない強度を確保しながら、誘電性を持たせた燃料電池用セパレータを製造することが可能である。本発明で用いられる熱硬化性樹脂としては、たとえば黒鉛粉末との濡れ性に優れたフェノール樹脂がよく、そのほか、ポリカルボジイミド樹脂，エポキシ樹脂，フルフリルアルコール樹脂，尿素樹脂，メラミン樹脂，不飽和ポリエステル樹脂，アルキド樹脂などのように、加熱時に熱硬化反応を起こし、燃料電池の運転温度及び供給ガス成分に対して安定なものであればよい。また、本発明で用いられる黒鉛粉末としては、天然黒鉛，人造黒鉛，カーボンブラック、等があり、コストなどの条件により選択することができる。
【００４０】
次に、黒鉛粉末を金型に充填した後、金型を１５０〜２００℃に加熱し昇温するとともに、プレスを用いて１０〜１００ＭＰａの範囲で面圧を加え、所定形状に樹脂成形されたリブ部を作成する。
【００４１】
図１２は、本発明のセパレータを用いて作成した燃料電池セルを説明する図である。セパレータには、図１で説明したセパレータ１００が使われている。燃料電池セルは発電の基本ユニットで、膜・電極接合体（ＭＥＡ）１２０２を、燃料極側セパレータ１２０１と、空気極側セパレータ１２０３とで両側から挟むようにして作成される。膜・電極接合体（ＭＥＡ）１２０２は、セパレータ１２０１の流路領域をカバーする広さを持つ必要がある。例えば、流路の領域を幅１０mm、高さ８mmとすると、膜・電極接合体（ＭＥＡ）１２０２も幅１０mm、高さ８mmとなる。それぞれの極でセパレータとＭＥＡの間にガスケット１２１１および１２１２を挟み、ガスが漏れないようにしてある。組みあがった燃料電池セルを横から見ると１２０５のようになる。
【００４２】
図１３は、燃料電池セルを切断したときの断面図を厚さ方向に拡大して示したものである。図１３において、燃料極側セパレータ１３０１と空気極側セパレータ１３０２がＭＥＡ１３０３を挟み込むように構成されており、燃料極側セパレータ１３０１において、流路の断面１３０５を燃料ガスが通り、リブ部の断面１３０７は、ＭＥＡ１３０３に接触し、ＭＥＡ１３０３で発電した電気を伝導する。同様に、空気極側セパレータ１３０２の流路の断面１３０６は、空気などの酸化剤ガスが通り、リブ部の断面１３０８は、ＭＥＡ１３０３に接触し、ＭＥＡ１３０３で発電された電気を誘電する。中央両側に見える断面１３０９，１３１０は、電気化学反応に関連するガスが外にもれ出ないためのガスシールの断面である。
【００４３】
次に、膜・電極接合体（ＭＥＡ）１３０３について説明する。ＭＥＡは、固体高分子電解質膜の両側にカソード側電極およびアノード側電極が挟み込む形で構成され、固体高分子電解質膜には、プロトン伝導性を有するイオン交換膜、例えば、ナフィオン１１７（Nafion１１７，１７５μｍ、Du pont社製）等を用いたフッ素系イオン交換膜が用いられ、カソード側電極およびアノード側電極は、それぞれ触媒反応層と拡散層とで形成される。カソード側拡散層およびアノード側拡散層は、燃料ガスまたは酸化剤ガスの拡散性を高め、発電により発生した反応生成水の排出機能、および電子伝導性を併せ持つ必要があり、例えば、カーボンペーパ，カーボンクロス等の導電性多孔質材料に撥水処理を施したものを適用することができる。ここでは、導電性多孔質材料に厚さ０.２mmのカーボン不織布（東レ社製ＴＧＰ−Ｈ０６０）を用い、撥水処理を施すためフッ素系撥水剤のエマルジョン液（ダイキン製Ｄ１）に浸し、乾燥後３５０℃で１０分間熱処理し、拡散層を形成した。
【００４４】
触媒反応層は、触媒金属を担持した導電性炭素粒子と高分子電解質を主成分とした厚さ０.００５mm程度の薄膜である。アノード側触媒反応層には、平均一次粒子径３０ｎｍを持つ導電性炭素粒子であるケッチェンブラック（ＡＫＺＯＣｈｅｍｉｅ社製）に、白金とルテニウムを、それぞれ２５重量％担持させたアノード用触媒担持粒子を使用した。また、カソード側触媒反応層には、ケッチェンブラックに、白金を５０重量％担持させたカソード用触媒担持粒子を使用した。カソード側触媒反応層およびアノード側触媒反応層は、それぞれの触媒担持粒子をイソプロパノール水溶液に分散させた溶液と、高分子電解質、例えばナフィオン１１７をエタノールに分散させた溶液とを、触媒担持粒子と高分子電解質との重量比を１：１になるように混合した後、ビーズミルで高分散させることによりカソード用とアノード用のスラリーを作製し、先に作成したカソード側拡散層およびアノード側拡散層にスプレークオーターを用いて塗布し、これを大気中常温で６時間乾燥させることで形成させた。このようにして、それぞれの拡散層上にカソード側触媒反応層およびアノード側触媒反応層を形成させることで、カソード側電極とアノード側電極を作成した。
【００４５】
図１４はセパレータに、本発明のくびれをもつリブ形状６０１で流路構成したセパレータ７０１を用いた燃料電池セルと、くびれを持たないリブ形状２０１を使用したセパレータを用いた場合の２つの燃料電池セルを作成し、性能を比較したものである。ここでは、空気極側に空気を、燃料極側に純水素を、それぞれポンプを用いて注入し、電子負荷装置を用いて性能特性を計測した。酸素利用率が６０％、水素利用率が８０％になるように、注入する空気および水素の流量を調整し、電子負荷装置の電流密度Ｉ［Ａ／cm2］を徐々に増加させ、その時々の燃料電池用セルの電圧Ｅ［Ｖ］を測定し、電流密度Ｉと電圧Ｅの積を電力Ｗ［Ｗ／cm2］とし、算出した。図１４において、上側の曲線１４０１は本発明のくびれをもつリブ形状６０１で流路構成した燃料電池用セルの特性であり、下側の曲線１４０２は比較に用いた、くびれを持たないリブ形状２０１で流路構成した燃料電池用セルの特性である。図１４から、本発明に関する実施の形態を示した燃料電池用セルの方が、くびれを持たないリブ形状２０１で流路構成した燃料電池用セルよりも、高い電力を発生させることができ、くびれをもつリブ形状６０１で流路構成の効果が検証できた。
【符号の説明】
【００４６】
１００ セパレータ
１０１ 流路部
１０２ ガスが注入される入口
１０３ ガスが排出される出口
１０４ リブ部
１０５，２０３，３０３ ＭＥＡに接するリブ部の接触面
２０１，３０１，４０１ リブ形状
２０２，３０２ 根元
４０２ 上部形状
４０３ 下部形状
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスが注入されるガス注入口と、複数のリブで流路を構成した流路部と、ガスが排出されるガス排出口とを備える燃料電池用セパレータにおいて、
前記リブは高さ方向の中央部にくびれ部を有し、前記ガス注入口またはガス排出口に向かって前記リブのくびれ部の断面積または形状が変化していることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
請求項１において、前記ガス注入口またはガス排出口に向かって前記リブのくびれ部の断面積が小さくなることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項３】
請求項１において、前記くびれ部の断面が楕円形状であり、楕円の長軸の向きを前記ガス注入口またはガス排出口に向かう方向としたことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項４】
ガスが注入されるガス注入口と、複数のリブで流路を構成した流路部と、ガスが排出されるガス排出口とを備える燃料電池用セパレータにおいて、
前記リブが、第一の凸部と第二の凸部の凸部頂点同士が接続された構造であることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項５】
請求項４において、前記第一の凸部の上面の面積ａと下面の面積ｂとの比ｋが、前記ガス注入口またはガス排出口に向かって小さくなることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項６】
請求項４において、前記第一の凸部または第二の凸部の形状が楕円状の円錐台であり、楕円の長軸の向きを、前記ガス注入口またはガス排出口に向かう方向としたことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項７】
請求項４において、前記第一の凸部または第二の凸部の形状が楕円状の円錐台であり、楕円の長軸の向きを変えることで、流れ方向を制御することを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項８】
請求項４において、前記リブが、黒鉛粉末を熱硬化性樹脂で結合させた複合体を金型に押し付けて前記第一の凸部および前記第二の凸部を別々に成型し、前記第一の凸部および前記第二の凸部を接合して形成されていることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項９】
燃料極側セパレータと空気極側セパレータで膜電極接合体を挟み込んだ構造を有する燃料電池であって、前記燃料極側セパレータ及び空気極側セパレータに請求項１から８のいずれかに記載の燃料電池用セパレータを用いたことを特徴とする燃料電池。
【請求項１】
ガスが注入されるガス注入口と、複数のリブで流路を構成した流路部と、ガスが排出されるガス排出口とを備える燃料電池用セパレータにおいて、
前記リブは高さ方向の中央部にくびれ部を有し、前記ガス注入口またはガス排出口に向かって前記リブのくびれ部の断面積または形状が変化していることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
請求項１において、前記ガス注入口またはガス排出口に向かって前記リブのくびれ部の断面積が小さくなることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項３】
請求項１において、前記くびれ部の断面が楕円形状であり、楕円の長軸の向きを前記ガス注入口またはガス排出口に向かう方向としたことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項４】
ガスが注入されるガス注入口と、複数のリブで流路を構成した流路部と、ガスが排出されるガス排出口とを備える燃料電池用セパレータにおいて、
前記リブが、第一の凸部と第二の凸部の凸部頂点同士が接続された構造であることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項５】
請求項４において、前記第一の凸部の上面の面積ａと下面の面積ｂとの比ｋが、前記ガス注入口またはガス排出口に向かって小さくなることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項６】
請求項４において、前記第一の凸部または第二の凸部の形状が楕円状の円錐台であり、楕円の長軸の向きを、前記ガス注入口またはガス排出口に向かう方向としたことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項７】
請求項４において、前記第一の凸部または第二の凸部の形状が楕円状の円錐台であり、楕円の長軸の向きを変えることで、流れ方向を制御することを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項８】
請求項４において、前記リブが、黒鉛粉末を熱硬化性樹脂で結合させた複合体を金型に押し付けて前記第一の凸部および前記第二の凸部を別々に成型し、前記第一の凸部および前記第二の凸部を接合して形成されていることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項９】
燃料極側セパレータと空気極側セパレータで膜電極接合体を挟み込んだ構造を有する燃料電池であって、前記燃料極側セパレータ及び空気極側セパレータに請求項１から８のいずれかに記載の燃料電池用セパレータを用いたことを特徴とする燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１１−１８１１８７（Ｐ２０１１−１８１１８７Ａ）
【公開日】平成２３年９月１５日（２０１１．９．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−４１２３７（Ｐ２０１０−４１２３７）
【出願日】平成２２年２月２６日（２０１０．２．２６）
【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２３年９月１５日（２０１１．９．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年２月２６日（２０１０．２．２６）
【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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