燃料電池用セパレータおよび燃料電池スタック
【課題】従来の燃料電池用セパレータを使用した燃料電池スタックにおける、ガスリークと出力密度の低下という問題点を同時に解決し、気密性および出力密度が高い燃料電池スタックおよびそれに用いる燃料電池用セパレータを提供する。
【解決手段】燃料電池用セパレータにおいて、２つ以上の貫通孔がガス導入路で接続されたユニットを片面に３つ以上備え、それらのユニットの少なくとも一つの貫通孔と、他のユニットの少なくとも一つの貫通孔とが、他面に備えられた前記ガス流路で接続されていることを特徴とする。
【解決手段】燃料電池用セパレータにおいて、２つ以上の貫通孔がガス導入路で接続されたユニットを片面に３つ以上備え、それらのユニットの少なくとも一つの貫通孔と、他のユニットの少なくとも一つの貫通孔とが、他面に備えられた前記ガス流路で接続されてい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、燃料電池用セパレータおよびそれを用いた燃料電池スタックに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、例えばアノードに水素のような燃料ガスと、カソードに空気のような酸化剤ガスとを供給して、電気化学反応を起こさせることによって電力を発生させる装置である。たとえば、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）の単セルは、膜／電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）、ガス拡散層、およびガス流路が形成されたセパレータを含む。このＭＥＡは、固体高分子膜の両面に電極（アノードおよびカソード）を接合したものである。
【０００３】
大きな電力を発生させる場合には、単セルを複数積層した燃料電池スタックを用いる。燃料電池スタックは、一般に、両端からエンドプレート等を用いて、積層した単セルを圧迫することによって構成される。ＰＥＦＣの各電極における電気化学反応の一例をつぎに示す。
【０００４】
アノード：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
カソード：１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ
全反応：Ｈ２＋１／２Ｏ２→Ｈ２Ｏ
このような反応を効率よく進めるためには、燃料電池のアノードおよびカソードに、燃料ガスおよび酸化剤ガスをそれぞれ均一に供給する必要がある。そのため、セパレータには燃料ガスまたは酸化剤ガスを流すためのガス流路が形成されている。ガス流路とは、酸化剤ガス流路または燃料ガス流路の総称である。ガス流路は一般に、セパレータに形成された溝によって構成される。
【０００５】
さらに、燃料電池スタックに用いるセパレータにはマニホールドとして使用される貫通孔がある。マニホールドには、燃料ガスあるいは酸化剤ガスに用いるための反応ガスマニホールドと、冷却水に用いる冷却水用マニホールドなどがある。この反応ガスマニホールドを通って、外部から導入した燃料ガスあるいは酸化剤ガスが各セルのガス流路に分配される。一方、各セルのガス流路から排出されたガスは、別の反応ガスマニホールドを通って燃料電池スタックから排出される。
【０００６】
さらに、燃料電池スタックの温度制御および発生した熱の利用のために、各セル間または数セルごとに、冷却水等の冷媒を流すための冷却水流路がセパレータに形成されている。この冷却水流路は、セパレータのガス流路がある面とは反対側の面に形成されることが多い。
【０００７】
燃料電池の出力電力は負荷変動に応じて増減させる必要があるので、ガスの利用率を一定にするためには燃料ガスおよび酸化剤ガスの流量を大きく変化させなければならない。ところが、上記のような従来の燃料電池では、高出力運転用に設計されたガス流路の場合には、低出力運転においてフラッディング現象にともなうガス分配性の低下が、逆に低出力運転用に設計されたガス流路の場合には、高出力運転において圧力損失が増大するという問題がそれぞれ発生する。
【０００８】
なお、フラッディング現象とは、ガス流路、ガス拡散層またはＭＥＡに、生成した水または加湿によって供給された水が滞留し、ガスの流通や拡散が阻害されることによってセル電圧が低下することを言う。
【０００９】
例えば、特許文献１、特許文献２および特許文献３では、それぞれガス流路の一部をセパレータの裏面に形成することによってガスリークを防ぐ構造の燃料電池スタックが提案されている。また、特許文献４では、長方形のセパレータの長辺方向に形成されたガス流路が重力方向に折り返す構造のサーペンタイン流路を形成することによって、自動車等の車体に搭載する場合に実用的であり、かつ十分な発電性能が得られる燃料電池スタックを提案している。
【００１０】
なお、サーペンタイン流路とは、サーペンタインフロー（セルの面内でガスの流れ方向を何回か反対方向に変えて流す方法）形の燃料電池に用いるガス流路のことを言う。
【００１１】
また、非特許文献１では、これらの問題点を解決するための可変ガス流路機能を備えた燃料電池スタックが提案されている。このスタックでは、出力電力の変化にともなうガス流量の増減にしたがって、反応ガスマニホールドおよびガス流路を選択することができるので、ガス流量の少ない場合のフラッディング現象と、ガス流量の多い場合の圧力損失の増大とを同時に防ぐことが可能となる。
【００１２】
【特許文献１】特開２００１−１４８２５２号公報
【特許文献２】特開２００２−２９８８７５号公報
【特許文献３】特開２００２−８３６１４号公報
【特許文献４】特開２０００−３１１６９６号公報
【非特許文献１】水谷、人見、安田、山地、第４３回電池討論会要旨集、Ｐ５１８−５１９、１Ｄ１７（２００２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
燃料電池に、ガス流路可変機能を備えることによって、ガス流量の少ない場合のフラッディング現象と、ガス流量の多い場合の圧力損失の増大とを同時に防ぐことが可能になったが、この燃料電池に用いる燃料電池用セパレータは、反応ガスマニホールドとして用いる貫通孔とガス流路とがセパレータの同じ面で直結されているので、その貫通孔の周囲にガスシールをするための閉じた平面がない構造であった。この構造のため、従来の燃料電池用セパレータを使用した燃料電池スタックでは気密性が低いことによるガスリークが問題となった。
【００１４】
さらに、ガス流路可変機能を備えた燃料電池スタックに用いる燃料電池用セパレータでは、その機能を備えない燃料電池スタックに用いるものと比べて反応ガスマニホールドとして用いる貫通孔の数が多いので、電極周囲の面積が増大して燃料電池スタックの出力密度を低下させることが問題となった。
【００１５】
本発明は、従来の燃料電池用セパレータを使用した燃料電池スタックにおける、ガスリークと出力密度の低下という問題点を同時に解決し、気密性および出力密度が高い燃料電池スタックおよびそれに用いる燃料電池用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】
【００１６】
請求項１の発明の燃料電池用セパレータは、２つ以上の貫通孔がガス導入路で接続されたユニットを片面に３つ以上備え、それらのユニットの少なくとも一つの貫通孔と、他のユニットの少なくとも一つの貫通孔とが、他面に備えられた前記ガス流路で接続されていることを特徴とする。
【００１７】
請求項２の発明は、請求項１記載の燃料電池用セパレータにおいて、ガス流路によって３つのユニットが接続されることを特徴とする。
【００１８】
請求項３の発明は、請求項１または請求項２の燃料電池用セパレータにおいて、ガス導入路で結ばれた２つ以上の貫通孔で構成されるユニットを３つ以上備えた面に冷却水流路を備えることを特徴とする。
【００１９】
請求項４の発明は、請求項１乃至３の燃料電池用セパレータにおいて、ガス流路が屈曲部を備えることを特徴とする。
【００２０】
請求項５の発明の燃料電池スタックは、本発明の燃料電池用セパレータを備えることを特徴とする。
【００２１】
請求項６の発明の燃料電池スタックは、上記燃料電池スタックにおいて、ユニットに含まれる貫通孔の、ユニットを備えない面側の開口面が、ガス拡散電極面と接していることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
請求項１の発明の燃料電池用セパレータは、反応ガスマニホールドとして用いる貫通孔の周囲に閉じた平面があり、電極周囲の面積が小さいため、この燃料電池用セパレータを用いることにより、ガス流路可変機能を備える場合であっても気密性および出力密度が高い燃料電池スタックを製作することができる。
【００２３】
請求項２の発明の燃料電池用セパレータは、ガス流路によって互いに接続された３つのユニットを備えるために、気密性が高く、貫通孔の数を少なくすることができる。
【００２４】
請求項３または請求項４の燃料電池用セパレータは、ガス流路がサーペンタインフロー形であり、反応ガスマニホールドとして用いる貫通孔の位置を自由に設定できるので、ガス流路可変機能を備えた場合であっても小形な燃料電池スタックを製作することができる。
【００２５】
請求項５の発明の燃料電池スタックは、気密性に優れ、出力密度が高い。
【００２６】
請求項６の発明の燃料電池スタックは、電極周囲の面積の低減と、ガス利用率の向上とをはかることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
図１、図２および図３は、本発明における燃料電池用セパレータの構造の一例を第三角法で示した模式図である。図１は酸化剤ガスに用いるガス流路を備えたカソード側セパレータの構造の一例、図２は酸化剤ガスに用いるガス流路を備えたカソード側セパレータの構造の他の例、図３は燃料ガスに用いるガス流路を備えたアノード側セパレータの構造の一例を示す。
【００２８】
図１〜図３において、１ａ、１ｂ、１ｃ、２１ａ、２１ｂ、２１ｃはいずれもガス導入路、２ａ、２ｂ、２ｃ、３ａ、３ｂ、３ｃ、８ａ、８ｂ、８ｃ、９ａ、９ｂ、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１９ａ、１９ｂ、２３ａ、２３ｂ、２３ｃはいずれも貫通孔、５ａ、５ｂ、５ｃ、１５ａ、１５ｂ、２５ａ、２５ｂはいずれもガス流路、４ａ、４ｂ、４ｃ、２４ａ、２４ｂ、２４ｃはいずれもユニット、６および１６は冷却水流路、７は屈曲部を示す。
【００２９】
まず、本発明の燃料電池用セパレータの構造を、図１に示したカソード側セパレータを例にあげて説明する。図１は酸化剤ガスに用いるガス流路を備えたカソード側セパレータの構造の一例を示したもので、図１（ア）は２つ以上の貫通孔がガス流路で接続されたユニットを３つ以上備える面の構造を、図１（イ）は、図１（ア）のＸ−Ｘ’断面構造を、図１（ウ）はひとつのユニットの貫通孔と別のユニットの貫通孔とを接続するガス流路を２つ以上備える面の構造をそれぞれ示す。
【００３０】
図１（ア）において、点線で囲んだ４ａ、４ｂおよび４ｃはユニットを示し、１ａ、１ｂおよび１ｃはユニットに含まれるガス導入路を示し、２ａ、２ｂ、２ｃ、３ａ、３ｂおよび３ｃはユニットに含まれる貫通孔を示す。ユニット４ａでは、貫通孔２ａと貫通孔３ａとがガス導入路１ａで接続されており、ユニット４ｂでは、貫通孔２ｂと貫通孔３ｂとがガス導入路１ｂで接続されており、ユニット４ｃでは、貫通孔２ｃと貫通孔３ｃとがガス導入路１ｃで接続されている。なお、図１（ア）において、６は、ユニット４ａ、４ｂおよび４ｃを備える面に設けられた冷却水流路を示す。
【００３１】
図１（ウ）において、５ａは、ユニット４ａに含まれる貫通孔３ａとユニット４ｂに含まれる貫通孔３ｂとを接続するガス流路を示し、５ｂは、ユニット４ｃに含まれる貫通孔３ｃとユニット４ｂに含まれる貫通孔３ｂとを接続するガス流路を示す。また、図１（ウ）において、７はガス流路５ａおよび５ｂの屈曲部を示す。
【００３２】
図１（ア）、（イ）、（ウ）において、貫通孔８ａ、８ｂおよび８ｃは燃料ガス用マニホールドに用いる貫通孔であり、貫通孔９ａおよび９ｂは冷却水用マニホールドであり、図１はカソード側セパレータであるため、ガス流路５ａ、５ｂ、ガス導入路１ａ、１ｂ、１ｃ、ユニット４ａ、４ｂ、４ｃ、貫通孔２ａ、２ｂ、２ｃ、３ａ、３ｂ、３ｃには酸化剤ガスが流れる。
【００３３】
図１（イ）に示すように、反応ガスマニホールドとして使用する貫通孔２ａから供給された酸化剤ガスは、ガス導入路１ａを通って、貫通孔３ａからセパレータの反対側の面に達し、ガス流路５ａに流れ、ガス流路５ａに接しているガス拡散電極で反応に使われる。
【００３４】
本発明の燃料電池用セパレータでは、貫通孔２ａ、２ｂおよび２ｃを備えたユニット４ａ、４ｂ、４ｃの周囲に、図１（ア）および（ウ）の点線で示したように、閉じた平面が形成されるので、このセパレータを積層して燃料電池スタックを製作した場合には、それらの貫通孔を反応ガスマニホールドとして使用することによって、気密性を向上させることができる。
【００３５】
また、本発明の燃料電池用セパレータは、備えられた３つのユニット４ａ、４ｂおよび４ｃに含まれる貫通孔２ａ、２ｂおよび２ｃをガス供給マニホールドまたはガス排出マニホールドとして使用することによって、ガス流路可変機能を備えた燃料電池スタックを製作することができる。
【００３６】
例えば、ガス流量の少ない低出力で燃料電池スタックを運転する場合には、貫通孔２ｂを使用せず、貫通孔２ａをガス供給マニホールドとして、また貫通孔２ｃをガス排出マニホールドとして、それぞれ使用することによって、ガス流路５ａと５ｂとを直列に用いてガスを流すことができる。この場合、ガス流速が高いので、フラッディング現象にともなう燃料電池スタックの出力低下がおこりにくい。
【００３７】
また、ガス流量の多い高出力で燃料電池スタックを運転する場合には、貫通孔２ａおよび貫通孔２ｃをガス供給マニホールドとして、また貫通孔２ｂをガス排出マニホールドとして、それぞれ使用することによって、ガス流路５ａと５ｂとを並列に用いてガスを流すことができる。この場合、ガス流路の長さが短くなるので、圧力損失を低くすることができる。
【００３８】
本発明の燃料電池用セパレータを使用した燃料電池スタックでは、ユニット４ａの貫通孔３ａとユニット４ｂの貫通孔３ｂとの間を接続するガス流路５ａ、およびユニット４ｂの貫通孔３ｂとユニット４ｃの貫通孔３ｃとの間を接続するガス流路５ｂが、それぞれガス拡散電極と接する。また、本発明のセパレータは、ユニット４ａと４ｂとがガス流路５ａによって、およびユニット４ｂと４ｃとがガス流路５ｂによってそれぞれ接続されている。したがって、本発明の燃料電池用セパレータにおいては、ガス流路５ａと５ｂとの接点部分に貫通孔３ｂを設け、ガス流路５ａおよび５ｂと貫通孔３ｂとを接続することが好ましい。
【００３９】
本発明における貫通孔とは、燃料電池用セパレータの片面から他面に貫通した孔である。燃料電池スタックを製作した際に反応ガスマニホールドとして用いる貫通孔（例えば図１（ア）の２ａ）は、ガス流路（図１（ウ）の５ａ）に接続していない。ガス導入路（図１（ア）の１ａ）と貫通孔３ａとは、反応ガスマニホールドとして用いる貫通孔（図１（ア）の２ａ）とガス流路（図１（ウ）の５ａ）との間にガスを流すための役目を果たす。
【００４０】
燃料電池用セパレータでは、反応ガスマニホールドとして用いる貫通孔（例えば図１（ア）の２ａ）に接続されているものをガス導入路（図１（ア）の１ａ）、反応ガスマニホールドとして用いる貫通孔（図１（ア）の２ａ）に接続されていないものをガス流路（図１（ウ）の５ａ）として区別することができる。燃料電池スタックにおいて、ガス導入路（図１（ア）の１ａ）は電極と接さない。ガス導入路（図１（ア）の１ａ）およびガス流路（図１（ウ）の５ａ）には、セパレータに形成された溝を用いることができる。
【００４１】
ユニット（例えば図１（ア）の４ａ）は、２つ以上の貫通孔（図１（ア）の２ａと３ａ）と、それらの貫通孔を結ぶガス導入路（図１（ア）の１ａ）とで構成される。そのユニットに含まれる貫通孔は、３つ以上であってもよい。つまり、片面にあるガス流路に接続された貫通孔が、１つのユニットに複数含まれていてもよいし、反応ガスマニホールドとして用いる貫通孔が１つのユニットに複数含まれていてもよい。
【００４２】
また、１つのユニット（例えば図１（ア）の４ａ）には、他面にあるガス流路（図１（ウ）の５ａ）に接続された貫通孔（図１（ア）の３ａ）と反応ガスマニホールドとして用いる貫通孔（図１（ア）の２ａ）との両方が含まれる。さらに、ユニットに含まれるガス導入路（図１（ア）の１ａ）、または他面にあるガス流路（図１（ウ）の５ａ）は、複数本の集合体であってもよい。つまり、他面にあるガス流路が、複数並行して形成されたガス流路であってもよい。
【００４３】
図１（ア）に示すように、本発明の燃料電池用セパレータは、ユニット４ａ、４ｂおよび４ｃを備えた面に、冷却水流路６を備える。本発明の燃料電池用セパレータを積層した燃料電池スタックは、図１（ア）および（ウ）中の貫通孔９ａおよび９ｂを冷却水用マニホールドとして用いる。この冷却水流路に最適な温度の冷却水等を流すことによって、燃料電池スタックの温度を制御することが可能になる。このような冷却水流路は、全てのセパレータに設ける必要はないが、少なくとも数セル毎に設置することが温度分布の最適化の面から好ましい。
【００４４】
本発明の燃料電池用セパレータでは、一定圧力でガスを流した場合にほぼ同じ量のガスが流れるようにするために、図１（ウ）中のガス流路５ａの長さとガス流路５ｂの長さとの最小値がその長さの最大値の９０％以上であることが好ましい。ここで、ガス流路の長さとは、ガスが流れる貫通孔間のガス流路の長さを指す。
【００４５】
また、本発明の燃料電池セパレータには、そのガス流路５ａおよび５ｂに屈曲部７がそれぞれ備えられる。このような屈曲部が備えられたサーペンタインフロー形のガス流路とすることにより、反応ガスマニホールドとして用いる貫通孔の位置を自由に設定できるので、ガス流路可変機能を備えた場合であっても小形の燃料電池スタックを製作することができる。
【００４６】
本発明の燃料電池スタックは、アノード側セパレータ、カソード側セパレータの両方またはいずれか一方に本発明の燃料電池用セパレータを使用したものである。また、本発明の燃料電池スタックは、ユニットに含まれる貫通孔の一方、すなわち、マニホールドとして用いない方の貫通孔の、ユニットを備えない面側の開口面が、ガス拡散電極と接しているので、マニホールドとして用いない貫通孔を電極周囲に設ける必要がなく、電極周囲の余分な面積を低減することができ、かつガス拡散層周囲を短絡するようなガスの流れが抑制され、ガス利用率を向上させることができる。
【００４７】
さらに、図１中のガス流路５ａおよびガス流路５ｂとが直結されているので、ガス流路５ａからガス流路５ｂにスムーズにガスを流すことができる。
【００４８】
ここで、開口面がガス拡散電極と接している貫通孔とは、本発明の燃料電池用セパレータを使用して燃料電池スタックを製作した場合に、ユニットを備えない面に設けられたガス流路と接続された貫通孔の開口面が、スタックの積層方向からみて、電極面内にあることを指す。
【００４９】
図２は、酸化剤ガスに用いるガス流路を備えたカソード側セパレータの構造の他の例を示したもので、図２（ア）は２つ以上の貫通孔がガス流路で接続されたユニットを３つ以上備える面の構造を、図２（イ）は、図２（ア）のＸ−Ｘ’断面構造を、図２（ウ）はひとつのユニットの貫通孔と別のユニットの貫通孔とを接続するガス流路を２つ以上備える面の構造をそれぞれ示す。
【００５０】
図１のセパレータとの違いは、図２においては、ユニット４ａ、４ｂおよび４ｃには、貫通孔３ａ、３ｂおよび３ｃが、それぞれ複数設けられていることである。図２に示したように、１つのユニットに含まれる貫通孔が複数であっても、図１に示した貫通孔が１個である場合と同様の効果を得ることが可能である。
【００５１】
図３は燃料ガスに用いるガス流路を備えたアノード側セパレータの構造の一例を示したもので、図３（ア）は２つ以上の貫通孔がガス流路で接続されたユニットを３つ以上備える面の構造を、図３（イ）は、図３（ア）のＸ−Ｘ’断面構造を、図３（ウ）はひとつのユニットの貫通孔と別のユニットの貫通孔とを接続するガス流路を２つ以上備える面の構造をそれぞれ示す。
【００５２】
図３（ア）において、点線で囲んだ２４ａ、２４ｂおよび２４ｃはユニットを示し、２１ａ、２１ｂおよび２１ｃはユニットに含まれるガス導入路を示し、１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、２３ａ、２３ｂおよび２３ｃはユニットに含まれる貫通孔を示す。ユニット２４ａでは、貫通孔１８ａと貫通孔２３ａとがガス導入路２１ａで接続されており、ユニット２４ｂでは、貫通孔１８ｂと貫通孔２３ｂとがガス導入路２１ｂで接続されており、ユニット２４ｃでは、貫通孔１８ｃと貫通孔２３ｃとがガス導入路２１ｃで接続されている。なお、図３（ア）において、６は、ユニット２４ａ、２４ｂおよび２４ｃを備える面に設けられた冷却水流路を示す。
【００５３】
図３（ウ）において、２５ａは、ユニット２４ａに含まれる貫通孔２３ａとユニット２４ｂに含まれる貫通孔２３ｂとを接続するガス流路を示し、２５ｂは、ユニット２４ｃに含まれる貫通孔２３ｃとユニット２４ｂに含まれる貫通孔２３ｂとを接続するガス流路を示す。また、図３（ハ）において、１７は、ガス流路２５ａおよび２５ｂの屈曲部を示す。
【００５４】
図３（ア）、（イ）、（ウ）において、貫通孔１２ａ、１２ｂおよび１２ｃは酸化剤ガス用マニホールドに用いる貫通孔であり、貫通孔１９ａおよび１９ｂは冷却水用マニホールドである。図３はアノード側セパレータであるため、ガス流路２５ａ、２５ｂ、ガス導入路２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、ユニット２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、貫通孔１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、２３ａ、２３ｂ、２３ｃには燃料ガスが流れる。
【００５５】
図３（イ）に示すように、反応ガスマニホールドとして使用する貫通孔１８ａから供給された燃料ガスは、ガス導入路２１ａを通って、貫通孔２３ａからセパレータの反対側の面に達し、ガス流路２５ａに流れ、ガス流路２５ａに接しているガス拡散電極で反応に使われる。
【００５６】
図３のセパレータは、アノード側に用いたこと以外の機能は、図１のカソード側セパレータと同じである。
【００５７】
図４は、従来の燃料電池用セパレータの片面の構造を示す模式図である。図４において、３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３８ａ、３８ｂ、３８ｃ、３９ａおよび３９ｂは貫通孔、３５ａおよび３５ｂはガス流路である。このセパレータは、図４に示した面とガス拡散電極とが接することで、ガス流路可変機能を備えた燃料電池スタックに用いることができる。
【００５８】
図４に示したように、従来の燃料電池用セパレータは、貫通孔３２ａ、３２ｂおよび３２ｃと、それらの貫通孔を結ぶガス流路３５ａおよび３５ｂとを備える。また、図４において、３８ａ、３８ｂおよび３８ｃは上記のガス流路とは異なる種類のガスに用いる貫通孔、３９ａおよび３９ｂは冷却水に用いる貫通孔をそれぞれ示す。
【００５９】
図４に示したように、従来の燃料電池用セパレータでは、反応ガスマニホールドとして用いる貫通孔３２ａ、３２ｂおよび３２ｃが、ガス流路３５ａおよび３５ｂと、セパレータの同じ面で直接接続されているので、貫通孔３２ａ、３２ｂおよび３２ｃの周囲に閉じた平面が存在しない。このため、この燃料電池用セパレータを使用した燃料電池スタックは、反応ガスマニホールドとして用いる貫通孔３２ａ、３２ｂおよび３２ｃからのガスリークが発生しやすい。
【００６０】
また、ガス流路可変機能を備え、かつガス流路３５ａおよび３５ｂのそれぞれの長さを同じにするためには、貫通孔３２ｂを大きくせざるをえない。そのため、電極周囲の面積が大きくなるので、この燃料電池用セパレータを用いた燃料電池スタックの出力密度を高めることができない。
【００６１】
本発明のセパレータは、アルカリ形燃料電池、りん酸形燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池、固体電解質形燃料電池あるいはＰＥＦＣ等に適用することができるが，作動温度が低くフラッディング現象がおこりやすいいことから、特にＰＥＦＣに適用すると効果が顕著に表れる。
【実施例】
【００６２】
以下、本発明を好適な実施例を用いて説明する。
【００６３】
［実施例１］
まず、固体高分子膜にアノードとカソードとを加熱圧着することによってＭＥＡを製作した。このアノードとカソードとの大きさはいずれも２３０ｃｍ２、また白金量は０．５ｍｇ／ｃｍ２とした。つづいて、本発明の燃料電池用セパレータでＭＥＡのカソード側およびアノード側から挟持して単セルを構成した。その単セルを３組積層して両端からエンドプレートで圧迫することによって、実施例１の燃料電池スタックＡを製作した。
【００６４】
カソード側セパレータには図１に示したもの、アノード側セパレータには図３に示したものをそれぞれ使用した。ＭＥＡとセパレータの間には、ガス拡散層としてのカーボンペーパーを用いた。全てのセパレータにおいて、ガス流路の溝幅を１ｍｍ、溝深さを０．５ｍｍとし、全てのセパレータ間およびセパレータとエンドプレートとの間をＯ−リングを用いてシールした。
【００６５】
［比較例１］
まず、固体高分子膜にアノードとカソードとを加熱圧着することによってＭＥＡを製作した。このアノードとカソードとの大きさはいずれも２３０ｃｍ２、また白金量は０．５ｍｇ／ｃｍ２とした。つづいて従来の燃料電池用セパレータを２枚用い、ＭＥＡのカソード側およびアノード側から挟持して単セルを構成した。その単セルを３組積層して両端からエンドプレートで圧迫することによって、比較例１の燃料電池スタックＢを製作した。
【００６６】
カソード側セパレータおよびアノード側セパレータには図４に示したものを使用した。ＭＥＡとセパレータの間には、ガス拡散層としてのカーボンペーパーを用いた。全てのセパレータにおいて、ガス流路の溝幅を１ｍｍ、溝深さを０．５ｍｍとし、全てのセパレータ間およびセパレータとエンドプレートとの間をＯ−リングを用いてシールした。
【００６７】
［試験結果］
本発明による実施例１の燃料電池スタックＡおよび比較例１の燃料電池スタックＢのガスリーク試験をおこなった。この試験では、燃料ガス側に窒素ガスを導入した状態で、酸化剤ガス側からのガスリーク量を測定した。図５に、窒素ガスの導入圧力に対するガスリーク量を示す。図５において、記号○は実施例１の燃料電池スタックＡの圧力とガスリーク量の関係を示し、記号△は比較例１の燃料電池スタックＢの圧力とガスリーク量の関係を示す。
【００６８】
図５より、従来の燃料電池スタックは、窒素ガスの圧力の増大にともなってガスリーク量が増大しているのに対して、本発明の燃料電池スタックは、窒素ガスの圧力によらず、ガスリークが確認されなかった。これは、本発明の燃料電池スタックに使用した本発明の燃料電池用セパレータでは、反応ガスマニホールドとして用いる貫通孔の周囲に閉じた平面があるので、確実なシール性を保てたためである。このことから、本発明の燃料電池スタックおよび、それに用いた本発明の燃料電池用セパレータが、気密性の向上に有効であることが明らかになった。
【００６９】
つづいて、燃料ガスとして水素、酸化剤ガスとして空気を用いて、実施例１の燃料電池スタックＡおよび比較例１の燃料電池スタックＢの電流―電圧特性を測定した。図６に電流―電圧特性を、図７に電流―出力密度特性を示す。なお、図６および図７において、記号○は本発明による実施例１の燃料電池スタックＡの特性、記号△は比較例１の燃料電池スタックＢの特性を示す。
【００７０】
これらの燃料電池では、８０℃の密閉水槽中でバブリングすることによって加湿した水素と空気とをアノードとカソードとにそれぞれ供給した。この燃料電池の運転温度は８０℃とした。開回路状態を除き、それぞれの電流密度でのガス流量を、水素の利用率が６０%、空気の利用率が４０%となるように変化させた。
【００７１】
図６より、本発明による実施例１の燃料電池スタックＡと比較例１の燃料電池スタックＢとの性能は同レベルであることがわかり、図７より、本発明の実施例１の燃料電池スタックＡは、比較例１の燃料電池スタックＢよりも出力密度が高いことがわかった。
【００７２】
本発明の燃料電池用セパレータを使用した実施例１の燃料電池スタックＡは、比較例１の燃料電池スタックＢよりも１６%の小形化によって出力密度が向上したためである。すなわち、燃料電池スタックＡおよびＢでは、どちらも同じ数の反応ガスマニホールドを備え、かつガス流路可変機能を備えているが、本発明の燃料電池スタックＡの体積は，ガス導入路で結ばれた２つ以上の貫通孔で構成されるユニットを片面に３つ以上備え、それらのユニットに含まれる貫通孔のいずれかが、他のユニットの貫通孔と、他面にあるガス流路により接続された燃料電池用セパレータを使用したので、比較例１の燃料電池用スタックＢの体積と比較して約１６%低減させることができた。
【００７３】
これらの結果から、本発明の燃料電池用セパレータを用いた燃料電池スタックは、ガス流路可変機能を備え、かつ気密性が高く小形なものであることがわかった。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明の燃料電池用カソード側セパレータの構造の一例を示す模式図。
【図２】本発明の燃料電池用カソード側セパレータの構造の他の例を示す模式図。
【図３】本発明の燃料電池用アノード側セパレータの構造の一例を示す模式図。
【図４】従来の燃料電池用セパレータの片面の構造を示す模式図。
【図５】燃料電池スタックにおける、圧力とガスリーク量の関係を示す図。
【図６】燃料電池の電流−平均セル電圧特性を示す図。
【図７】燃料電池の電流−出力密度特性を示す図。
【符号の説明】
【００７５】
１ａ、１ｂ、１ｃ、２１ａ、２１ｂ、２１ｃ ガス導入路
２ａ、２ｂ、２ｃ、３ａ、３ｂ、３ｃ、８ａ、８ｂ、８ｃ、９ａ、９ｂ、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１９ａ、１９ｂ、２３ａ、２３ｂ、２３ｃ 貫通孔
５ａ、５ｂ、５ｃ、１５ａ、１５ｂ、２５ａ、２５ｂ ガス流路
４ａ、４ｂ、４ｃ、２４ａ、２４ｂ、２４ｃ ユニット
６、１６ 冷却水流路
７ 屈曲部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用セパレータおよびそれを用いた燃料電池スタックに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、例えばアノードに水素のような燃料ガスと、カソードに空気のような酸化剤ガスとを供給して、電気化学反応を起こさせることによって電力を発生させる装置である。たとえば、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）の単セルは、膜／電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）、ガス拡散層、およびガス流路が形成されたセパレータを含む。このＭＥＡは、固体高分子膜の両面に電極（アノードおよびカソード）を接合したものである。
【０００３】
大きな電力を発生させる場合には、単セルを複数積層した燃料電池スタックを用いる。燃料電池スタックは、一般に、両端からエンドプレート等を用いて、積層した単セルを圧迫することによって構成される。ＰＥＦＣの各電極における電気化学反応の一例をつぎに示す。
【０００４】
アノード：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
カソード：１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ
全反応：Ｈ２＋１／２Ｏ２→Ｈ２Ｏ
このような反応を効率よく進めるためには、燃料電池のアノードおよびカソードに、燃料ガスおよび酸化剤ガスをそれぞれ均一に供給する必要がある。そのため、セパレータには燃料ガスまたは酸化剤ガスを流すためのガス流路が形成されている。ガス流路とは、酸化剤ガス流路または燃料ガス流路の総称である。ガス流路は一般に、セパレータに形成された溝によって構成される。
【０００５】
さらに、燃料電池スタックに用いるセパレータにはマニホールドとして使用される貫通孔がある。マニホールドには、燃料ガスあるいは酸化剤ガスに用いるための反応ガスマニホールドと、冷却水に用いる冷却水用マニホールドなどがある。この反応ガスマニホールドを通って、外部から導入した燃料ガスあるいは酸化剤ガスが各セルのガス流路に分配される。一方、各セルのガス流路から排出されたガスは、別の反応ガスマニホールドを通って燃料電池スタックから排出される。
【０００６】
さらに、燃料電池スタックの温度制御および発生した熱の利用のために、各セル間または数セルごとに、冷却水等の冷媒を流すための冷却水流路がセパレータに形成されている。この冷却水流路は、セパレータのガス流路がある面とは反対側の面に形成されることが多い。
【０００７】
燃料電池の出力電力は負荷変動に応じて増減させる必要があるので、ガスの利用率を一定にするためには燃料ガスおよび酸化剤ガスの流量を大きく変化させなければならない。ところが、上記のような従来の燃料電池では、高出力運転用に設計されたガス流路の場合には、低出力運転においてフラッディング現象にともなうガス分配性の低下が、逆に低出力運転用に設計されたガス流路の場合には、高出力運転において圧力損失が増大するという問題がそれぞれ発生する。
【０００８】
なお、フラッディング現象とは、ガス流路、ガス拡散層またはＭＥＡに、生成した水または加湿によって供給された水が滞留し、ガスの流通や拡散が阻害されることによってセル電圧が低下することを言う。
【０００９】
例えば、特許文献１、特許文献２および特許文献３では、それぞれガス流路の一部をセパレータの裏面に形成することによってガスリークを防ぐ構造の燃料電池スタックが提案されている。また、特許文献４では、長方形のセパレータの長辺方向に形成されたガス流路が重力方向に折り返す構造のサーペンタイン流路を形成することによって、自動車等の車体に搭載する場合に実用的であり、かつ十分な発電性能が得られる燃料電池スタックを提案している。
【００１０】
なお、サーペンタイン流路とは、サーペンタインフロー（セルの面内でガスの流れ方向を何回か反対方向に変えて流す方法）形の燃料電池に用いるガス流路のことを言う。
【００１１】
また、非特許文献１では、これらの問題点を解決するための可変ガス流路機能を備えた燃料電池スタックが提案されている。このスタックでは、出力電力の変化にともなうガス流量の増減にしたがって、反応ガスマニホールドおよびガス流路を選択することができるので、ガス流量の少ない場合のフラッディング現象と、ガス流量の多い場合の圧力損失の増大とを同時に防ぐことが可能となる。
【００１２】
【特許文献１】特開２００１−１４８２５２号公報
【特許文献２】特開２００２−２９８８７５号公報
【特許文献３】特開２００２−８３６１４号公報
【特許文献４】特開２０００−３１１６９６号公報
【非特許文献１】水谷、人見、安田、山地、第４３回電池討論会要旨集、Ｐ５１８−５１９、１Ｄ１７（２００２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
燃料電池に、ガス流路可変機能を備えることによって、ガス流量の少ない場合のフラッディング現象と、ガス流量の多い場合の圧力損失の増大とを同時に防ぐことが可能になったが、この燃料電池に用いる燃料電池用セパレータは、反応ガスマニホールドとして用いる貫通孔とガス流路とがセパレータの同じ面で直結されているので、その貫通孔の周囲にガスシールをするための閉じた平面がない構造であった。この構造のため、従来の燃料電池用セパレータを使用した燃料電池スタックでは気密性が低いことによるガスリークが問題となった。
【００１４】
さらに、ガス流路可変機能を備えた燃料電池スタックに用いる燃料電池用セパレータでは、その機能を備えない燃料電池スタックに用いるものと比べて反応ガスマニホールドとして用いる貫通孔の数が多いので、電極周囲の面積が増大して燃料電池スタックの出力密度を低下させることが問題となった。
【００１５】
本発明は、従来の燃料電池用セパレータを使用した燃料電池スタックにおける、ガスリークと出力密度の低下という問題点を同時に解決し、気密性および出力密度が高い燃料電池スタックおよびそれに用いる燃料電池用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】
【００１６】
請求項１の発明の燃料電池用セパレータは、２つ以上の貫通孔がガス導入路で接続されたユニットを片面に３つ以上備え、それらのユニットの少なくとも一つの貫通孔と、他のユニットの少なくとも一つの貫通孔とが、他面に備えられた前記ガス流路で接続されていることを特徴とする。
【００１７】
請求項２の発明は、請求項１記載の燃料電池用セパレータにおいて、ガス流路によって３つのユニットが接続されることを特徴とする。
【００１８】
請求項３の発明は、請求項１または請求項２の燃料電池用セパレータにおいて、ガス導入路で結ばれた２つ以上の貫通孔で構成されるユニットを３つ以上備えた面に冷却水流路を備えることを特徴とする。
【００１９】
請求項４の発明は、請求項１乃至３の燃料電池用セパレータにおいて、ガス流路が屈曲部を備えることを特徴とする。
【００２０】
請求項５の発明の燃料電池スタックは、本発明の燃料電池用セパレータを備えることを特徴とする。
【００２１】
請求項６の発明の燃料電池スタックは、上記燃料電池スタックにおいて、ユニットに含まれる貫通孔の、ユニットを備えない面側の開口面が、ガス拡散電極面と接していることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
請求項１の発明の燃料電池用セパレータは、反応ガスマニホールドとして用いる貫通孔の周囲に閉じた平面があり、電極周囲の面積が小さいため、この燃料電池用セパレータを用いることにより、ガス流路可変機能を備える場合であっても気密性および出力密度が高い燃料電池スタックを製作することができる。
【００２３】
請求項２の発明の燃料電池用セパレータは、ガス流路によって互いに接続された３つのユニットを備えるために、気密性が高く、貫通孔の数を少なくすることができる。
【００２４】
請求項３または請求項４の燃料電池用セパレータは、ガス流路がサーペンタインフロー形であり、反応ガスマニホールドとして用いる貫通孔の位置を自由に設定できるので、ガス流路可変機能を備えた場合であっても小形な燃料電池スタックを製作することができる。
【００２５】
請求項５の発明の燃料電池スタックは、気密性に優れ、出力密度が高い。
【００２６】
請求項６の発明の燃料電池スタックは、電極周囲の面積の低減と、ガス利用率の向上とをはかることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
図１、図２および図３は、本発明における燃料電池用セパレータの構造の一例を第三角法で示した模式図である。図１は酸化剤ガスに用いるガス流路を備えたカソード側セパレータの構造の一例、図２は酸化剤ガスに用いるガス流路を備えたカソード側セパレータの構造の他の例、図３は燃料ガスに用いるガス流路を備えたアノード側セパレータの構造の一例を示す。
【００２８】
図１〜図３において、１ａ、１ｂ、１ｃ、２１ａ、２１ｂ、２１ｃはいずれもガス導入路、２ａ、２ｂ、２ｃ、３ａ、３ｂ、３ｃ、８ａ、８ｂ、８ｃ、９ａ、９ｂ、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１９ａ、１９ｂ、２３ａ、２３ｂ、２３ｃはいずれも貫通孔、５ａ、５ｂ、５ｃ、１５ａ、１５ｂ、２５ａ、２５ｂはいずれもガス流路、４ａ、４ｂ、４ｃ、２４ａ、２４ｂ、２４ｃはいずれもユニット、６および１６は冷却水流路、７は屈曲部を示す。
【００２９】
まず、本発明の燃料電池用セパレータの構造を、図１に示したカソード側セパレータを例にあげて説明する。図１は酸化剤ガスに用いるガス流路を備えたカソード側セパレータの構造の一例を示したもので、図１（ア）は２つ以上の貫通孔がガス流路で接続されたユニットを３つ以上備える面の構造を、図１（イ）は、図１（ア）のＸ−Ｘ’断面構造を、図１（ウ）はひとつのユニットの貫通孔と別のユニットの貫通孔とを接続するガス流路を２つ以上備える面の構造をそれぞれ示す。
【００３０】
図１（ア）において、点線で囲んだ４ａ、４ｂおよび４ｃはユニットを示し、１ａ、１ｂおよび１ｃはユニットに含まれるガス導入路を示し、２ａ、２ｂ、２ｃ、３ａ、３ｂおよび３ｃはユニットに含まれる貫通孔を示す。ユニット４ａでは、貫通孔２ａと貫通孔３ａとがガス導入路１ａで接続されており、ユニット４ｂでは、貫通孔２ｂと貫通孔３ｂとがガス導入路１ｂで接続されており、ユニット４ｃでは、貫通孔２ｃと貫通孔３ｃとがガス導入路１ｃで接続されている。なお、図１（ア）において、６は、ユニット４ａ、４ｂおよび４ｃを備える面に設けられた冷却水流路を示す。
【００３１】
図１（ウ）において、５ａは、ユニット４ａに含まれる貫通孔３ａとユニット４ｂに含まれる貫通孔３ｂとを接続するガス流路を示し、５ｂは、ユニット４ｃに含まれる貫通孔３ｃとユニット４ｂに含まれる貫通孔３ｂとを接続するガス流路を示す。また、図１（ウ）において、７はガス流路５ａおよび５ｂの屈曲部を示す。
【００３２】
図１（ア）、（イ）、（ウ）において、貫通孔８ａ、８ｂおよび８ｃは燃料ガス用マニホールドに用いる貫通孔であり、貫通孔９ａおよび９ｂは冷却水用マニホールドであり、図１はカソード側セパレータであるため、ガス流路５ａ、５ｂ、ガス導入路１ａ、１ｂ、１ｃ、ユニット４ａ、４ｂ、４ｃ、貫通孔２ａ、２ｂ、２ｃ、３ａ、３ｂ、３ｃには酸化剤ガスが流れる。
【００３３】
図１（イ）に示すように、反応ガスマニホールドとして使用する貫通孔２ａから供給された酸化剤ガスは、ガス導入路１ａを通って、貫通孔３ａからセパレータの反対側の面に達し、ガス流路５ａに流れ、ガス流路５ａに接しているガス拡散電極で反応に使われる。
【００３４】
本発明の燃料電池用セパレータでは、貫通孔２ａ、２ｂおよび２ｃを備えたユニット４ａ、４ｂ、４ｃの周囲に、図１（ア）および（ウ）の点線で示したように、閉じた平面が形成されるので、このセパレータを積層して燃料電池スタックを製作した場合には、それらの貫通孔を反応ガスマニホールドとして使用することによって、気密性を向上させることができる。
【００３５】
また、本発明の燃料電池用セパレータは、備えられた３つのユニット４ａ、４ｂおよび４ｃに含まれる貫通孔２ａ、２ｂおよび２ｃをガス供給マニホールドまたはガス排出マニホールドとして使用することによって、ガス流路可変機能を備えた燃料電池スタックを製作することができる。
【００３６】
例えば、ガス流量の少ない低出力で燃料電池スタックを運転する場合には、貫通孔２ｂを使用せず、貫通孔２ａをガス供給マニホールドとして、また貫通孔２ｃをガス排出マニホールドとして、それぞれ使用することによって、ガス流路５ａと５ｂとを直列に用いてガスを流すことができる。この場合、ガス流速が高いので、フラッディング現象にともなう燃料電池スタックの出力低下がおこりにくい。
【００３７】
また、ガス流量の多い高出力で燃料電池スタックを運転する場合には、貫通孔２ａおよび貫通孔２ｃをガス供給マニホールドとして、また貫通孔２ｂをガス排出マニホールドとして、それぞれ使用することによって、ガス流路５ａと５ｂとを並列に用いてガスを流すことができる。この場合、ガス流路の長さが短くなるので、圧力損失を低くすることができる。
【００３８】
本発明の燃料電池用セパレータを使用した燃料電池スタックでは、ユニット４ａの貫通孔３ａとユニット４ｂの貫通孔３ｂとの間を接続するガス流路５ａ、およびユニット４ｂの貫通孔３ｂとユニット４ｃの貫通孔３ｃとの間を接続するガス流路５ｂが、それぞれガス拡散電極と接する。また、本発明のセパレータは、ユニット４ａと４ｂとがガス流路５ａによって、およびユニット４ｂと４ｃとがガス流路５ｂによってそれぞれ接続されている。したがって、本発明の燃料電池用セパレータにおいては、ガス流路５ａと５ｂとの接点部分に貫通孔３ｂを設け、ガス流路５ａおよび５ｂと貫通孔３ｂとを接続することが好ましい。
【００３９】
本発明における貫通孔とは、燃料電池用セパレータの片面から他面に貫通した孔である。燃料電池スタックを製作した際に反応ガスマニホールドとして用いる貫通孔（例えば図１（ア）の２ａ）は、ガス流路（図１（ウ）の５ａ）に接続していない。ガス導入路（図１（ア）の１ａ）と貫通孔３ａとは、反応ガスマニホールドとして用いる貫通孔（図１（ア）の２ａ）とガス流路（図１（ウ）の５ａ）との間にガスを流すための役目を果たす。
【００４０】
燃料電池用セパレータでは、反応ガスマニホールドとして用いる貫通孔（例えば図１（ア）の２ａ）に接続されているものをガス導入路（図１（ア）の１ａ）、反応ガスマニホールドとして用いる貫通孔（図１（ア）の２ａ）に接続されていないものをガス流路（図１（ウ）の５ａ）として区別することができる。燃料電池スタックにおいて、ガス導入路（図１（ア）の１ａ）は電極と接さない。ガス導入路（図１（ア）の１ａ）およびガス流路（図１（ウ）の５ａ）には、セパレータに形成された溝を用いることができる。
【００４１】
ユニット（例えば図１（ア）の４ａ）は、２つ以上の貫通孔（図１（ア）の２ａと３ａ）と、それらの貫通孔を結ぶガス導入路（図１（ア）の１ａ）とで構成される。そのユニットに含まれる貫通孔は、３つ以上であってもよい。つまり、片面にあるガス流路に接続された貫通孔が、１つのユニットに複数含まれていてもよいし、反応ガスマニホールドとして用いる貫通孔が１つのユニットに複数含まれていてもよい。
【００４２】
また、１つのユニット（例えば図１（ア）の４ａ）には、他面にあるガス流路（図１（ウ）の５ａ）に接続された貫通孔（図１（ア）の３ａ）と反応ガスマニホールドとして用いる貫通孔（図１（ア）の２ａ）との両方が含まれる。さらに、ユニットに含まれるガス導入路（図１（ア）の１ａ）、または他面にあるガス流路（図１（ウ）の５ａ）は、複数本の集合体であってもよい。つまり、他面にあるガス流路が、複数並行して形成されたガス流路であってもよい。
【００４３】
図１（ア）に示すように、本発明の燃料電池用セパレータは、ユニット４ａ、４ｂおよび４ｃを備えた面に、冷却水流路６を備える。本発明の燃料電池用セパレータを積層した燃料電池スタックは、図１（ア）および（ウ）中の貫通孔９ａおよび９ｂを冷却水用マニホールドとして用いる。この冷却水流路に最適な温度の冷却水等を流すことによって、燃料電池スタックの温度を制御することが可能になる。このような冷却水流路は、全てのセパレータに設ける必要はないが、少なくとも数セル毎に設置することが温度分布の最適化の面から好ましい。
【００４４】
本発明の燃料電池用セパレータでは、一定圧力でガスを流した場合にほぼ同じ量のガスが流れるようにするために、図１（ウ）中のガス流路５ａの長さとガス流路５ｂの長さとの最小値がその長さの最大値の９０％以上であることが好ましい。ここで、ガス流路の長さとは、ガスが流れる貫通孔間のガス流路の長さを指す。
【００４５】
また、本発明の燃料電池セパレータには、そのガス流路５ａおよび５ｂに屈曲部７がそれぞれ備えられる。このような屈曲部が備えられたサーペンタインフロー形のガス流路とすることにより、反応ガスマニホールドとして用いる貫通孔の位置を自由に設定できるので、ガス流路可変機能を備えた場合であっても小形の燃料電池スタックを製作することができる。
【００４６】
本発明の燃料電池スタックは、アノード側セパレータ、カソード側セパレータの両方またはいずれか一方に本発明の燃料電池用セパレータを使用したものである。また、本発明の燃料電池スタックは、ユニットに含まれる貫通孔の一方、すなわち、マニホールドとして用いない方の貫通孔の、ユニットを備えない面側の開口面が、ガス拡散電極と接しているので、マニホールドとして用いない貫通孔を電極周囲に設ける必要がなく、電極周囲の余分な面積を低減することができ、かつガス拡散層周囲を短絡するようなガスの流れが抑制され、ガス利用率を向上させることができる。
【００４７】
さらに、図１中のガス流路５ａおよびガス流路５ｂとが直結されているので、ガス流路５ａからガス流路５ｂにスムーズにガスを流すことができる。
【００４８】
ここで、開口面がガス拡散電極と接している貫通孔とは、本発明の燃料電池用セパレータを使用して燃料電池スタックを製作した場合に、ユニットを備えない面に設けられたガス流路と接続された貫通孔の開口面が、スタックの積層方向からみて、電極面内にあることを指す。
【００４９】
図２は、酸化剤ガスに用いるガス流路を備えたカソード側セパレータの構造の他の例を示したもので、図２（ア）は２つ以上の貫通孔がガス流路で接続されたユニットを３つ以上備える面の構造を、図２（イ）は、図２（ア）のＸ−Ｘ’断面構造を、図２（ウ）はひとつのユニットの貫通孔と別のユニットの貫通孔とを接続するガス流路を２つ以上備える面の構造をそれぞれ示す。
【００５０】
図１のセパレータとの違いは、図２においては、ユニット４ａ、４ｂおよび４ｃには、貫通孔３ａ、３ｂおよび３ｃが、それぞれ複数設けられていることである。図２に示したように、１つのユニットに含まれる貫通孔が複数であっても、図１に示した貫通孔が１個である場合と同様の効果を得ることが可能である。
【００５１】
図３は燃料ガスに用いるガス流路を備えたアノード側セパレータの構造の一例を示したもので、図３（ア）は２つ以上の貫通孔がガス流路で接続されたユニットを３つ以上備える面の構造を、図３（イ）は、図３（ア）のＸ−Ｘ’断面構造を、図３（ウ）はひとつのユニットの貫通孔と別のユニットの貫通孔とを接続するガス流路を２つ以上備える面の構造をそれぞれ示す。
【００５２】
図３（ア）において、点線で囲んだ２４ａ、２４ｂおよび２４ｃはユニットを示し、２１ａ、２１ｂおよび２１ｃはユニットに含まれるガス導入路を示し、１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、２３ａ、２３ｂおよび２３ｃはユニットに含まれる貫通孔を示す。ユニット２４ａでは、貫通孔１８ａと貫通孔２３ａとがガス導入路２１ａで接続されており、ユニット２４ｂでは、貫通孔１８ｂと貫通孔２３ｂとがガス導入路２１ｂで接続されており、ユニット２４ｃでは、貫通孔１８ｃと貫通孔２３ｃとがガス導入路２１ｃで接続されている。なお、図３（ア）において、６は、ユニット２４ａ、２４ｂおよび２４ｃを備える面に設けられた冷却水流路を示す。
【００５３】
図３（ウ）において、２５ａは、ユニット２４ａに含まれる貫通孔２３ａとユニット２４ｂに含まれる貫通孔２３ｂとを接続するガス流路を示し、２５ｂは、ユニット２４ｃに含まれる貫通孔２３ｃとユニット２４ｂに含まれる貫通孔２３ｂとを接続するガス流路を示す。また、図３（ハ）において、１７は、ガス流路２５ａおよび２５ｂの屈曲部を示す。
【００５４】
図３（ア）、（イ）、（ウ）において、貫通孔１２ａ、１２ｂおよび１２ｃは酸化剤ガス用マニホールドに用いる貫通孔であり、貫通孔１９ａおよび１９ｂは冷却水用マニホールドである。図３はアノード側セパレータであるため、ガス流路２５ａ、２５ｂ、ガス導入路２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、ユニット２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、貫通孔１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、２３ａ、２３ｂ、２３ｃには燃料ガスが流れる。
【００５５】
図３（イ）に示すように、反応ガスマニホールドとして使用する貫通孔１８ａから供給された燃料ガスは、ガス導入路２１ａを通って、貫通孔２３ａからセパレータの反対側の面に達し、ガス流路２５ａに流れ、ガス流路２５ａに接しているガス拡散電極で反応に使われる。
【００５６】
図３のセパレータは、アノード側に用いたこと以外の機能は、図１のカソード側セパレータと同じである。
【００５７】
図４は、従来の燃料電池用セパレータの片面の構造を示す模式図である。図４において、３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３８ａ、３８ｂ、３８ｃ、３９ａおよび３９ｂは貫通孔、３５ａおよび３５ｂはガス流路である。このセパレータは、図４に示した面とガス拡散電極とが接することで、ガス流路可変機能を備えた燃料電池スタックに用いることができる。
【００５８】
図４に示したように、従来の燃料電池用セパレータは、貫通孔３２ａ、３２ｂおよび３２ｃと、それらの貫通孔を結ぶガス流路３５ａおよび３５ｂとを備える。また、図４において、３８ａ、３８ｂおよび３８ｃは上記のガス流路とは異なる種類のガスに用いる貫通孔、３９ａおよび３９ｂは冷却水に用いる貫通孔をそれぞれ示す。
【００５９】
図４に示したように、従来の燃料電池用セパレータでは、反応ガスマニホールドとして用いる貫通孔３２ａ、３２ｂおよび３２ｃが、ガス流路３５ａおよび３５ｂと、セパレータの同じ面で直接接続されているので、貫通孔３２ａ、３２ｂおよび３２ｃの周囲に閉じた平面が存在しない。このため、この燃料電池用セパレータを使用した燃料電池スタックは、反応ガスマニホールドとして用いる貫通孔３２ａ、３２ｂおよび３２ｃからのガスリークが発生しやすい。
【００６０】
また、ガス流路可変機能を備え、かつガス流路３５ａおよび３５ｂのそれぞれの長さを同じにするためには、貫通孔３２ｂを大きくせざるをえない。そのため、電極周囲の面積が大きくなるので、この燃料電池用セパレータを用いた燃料電池スタックの出力密度を高めることができない。
【００６１】
本発明のセパレータは、アルカリ形燃料電池、りん酸形燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池、固体電解質形燃料電池あるいはＰＥＦＣ等に適用することができるが，作動温度が低くフラッディング現象がおこりやすいいことから、特にＰＥＦＣに適用すると効果が顕著に表れる。
【実施例】
【００６２】
以下、本発明を好適な実施例を用いて説明する。
【００６３】
［実施例１］
まず、固体高分子膜にアノードとカソードとを加熱圧着することによってＭＥＡを製作した。このアノードとカソードとの大きさはいずれも２３０ｃｍ２、また白金量は０．５ｍｇ／ｃｍ２とした。つづいて、本発明の燃料電池用セパレータでＭＥＡのカソード側およびアノード側から挟持して単セルを構成した。その単セルを３組積層して両端からエンドプレートで圧迫することによって、実施例１の燃料電池スタックＡを製作した。
【００６４】
カソード側セパレータには図１に示したもの、アノード側セパレータには図３に示したものをそれぞれ使用した。ＭＥＡとセパレータの間には、ガス拡散層としてのカーボンペーパーを用いた。全てのセパレータにおいて、ガス流路の溝幅を１ｍｍ、溝深さを０．５ｍｍとし、全てのセパレータ間およびセパレータとエンドプレートとの間をＯ−リングを用いてシールした。
【００６５】
［比較例１］
まず、固体高分子膜にアノードとカソードとを加熱圧着することによってＭＥＡを製作した。このアノードとカソードとの大きさはいずれも２３０ｃｍ２、また白金量は０．５ｍｇ／ｃｍ２とした。つづいて従来の燃料電池用セパレータを２枚用い、ＭＥＡのカソード側およびアノード側から挟持して単セルを構成した。その単セルを３組積層して両端からエンドプレートで圧迫することによって、比較例１の燃料電池スタックＢを製作した。
【００６６】
カソード側セパレータおよびアノード側セパレータには図４に示したものを使用した。ＭＥＡとセパレータの間には、ガス拡散層としてのカーボンペーパーを用いた。全てのセパレータにおいて、ガス流路の溝幅を１ｍｍ、溝深さを０．５ｍｍとし、全てのセパレータ間およびセパレータとエンドプレートとの間をＯ−リングを用いてシールした。
【００６７】
［試験結果］
本発明による実施例１の燃料電池スタックＡおよび比較例１の燃料電池スタックＢのガスリーク試験をおこなった。この試験では、燃料ガス側に窒素ガスを導入した状態で、酸化剤ガス側からのガスリーク量を測定した。図５に、窒素ガスの導入圧力に対するガスリーク量を示す。図５において、記号○は実施例１の燃料電池スタックＡの圧力とガスリーク量の関係を示し、記号△は比較例１の燃料電池スタックＢの圧力とガスリーク量の関係を示す。
【００６８】
図５より、従来の燃料電池スタックは、窒素ガスの圧力の増大にともなってガスリーク量が増大しているのに対して、本発明の燃料電池スタックは、窒素ガスの圧力によらず、ガスリークが確認されなかった。これは、本発明の燃料電池スタックに使用した本発明の燃料電池用セパレータでは、反応ガスマニホールドとして用いる貫通孔の周囲に閉じた平面があるので、確実なシール性を保てたためである。このことから、本発明の燃料電池スタックおよび、それに用いた本発明の燃料電池用セパレータが、気密性の向上に有効であることが明らかになった。
【００６９】
つづいて、燃料ガスとして水素、酸化剤ガスとして空気を用いて、実施例１の燃料電池スタックＡおよび比較例１の燃料電池スタックＢの電流―電圧特性を測定した。図６に電流―電圧特性を、図７に電流―出力密度特性を示す。なお、図６および図７において、記号○は本発明による実施例１の燃料電池スタックＡの特性、記号△は比較例１の燃料電池スタックＢの特性を示す。
【００７０】
これらの燃料電池では、８０℃の密閉水槽中でバブリングすることによって加湿した水素と空気とをアノードとカソードとにそれぞれ供給した。この燃料電池の運転温度は８０℃とした。開回路状態を除き、それぞれの電流密度でのガス流量を、水素の利用率が６０%、空気の利用率が４０%となるように変化させた。
【００７１】
図６より、本発明による実施例１の燃料電池スタックＡと比較例１の燃料電池スタックＢとの性能は同レベルであることがわかり、図７より、本発明の実施例１の燃料電池スタックＡは、比較例１の燃料電池スタックＢよりも出力密度が高いことがわかった。
【００７２】
本発明の燃料電池用セパレータを使用した実施例１の燃料電池スタックＡは、比較例１の燃料電池スタックＢよりも１６%の小形化によって出力密度が向上したためである。すなわち、燃料電池スタックＡおよびＢでは、どちらも同じ数の反応ガスマニホールドを備え、かつガス流路可変機能を備えているが、本発明の燃料電池スタックＡの体積は，ガス導入路で結ばれた２つ以上の貫通孔で構成されるユニットを片面に３つ以上備え、それらのユニットに含まれる貫通孔のいずれかが、他のユニットの貫通孔と、他面にあるガス流路により接続された燃料電池用セパレータを使用したので、比較例１の燃料電池用スタックＢの体積と比較して約１６%低減させることができた。
【００７３】
これらの結果から、本発明の燃料電池用セパレータを用いた燃料電池スタックは、ガス流路可変機能を備え、かつ気密性が高く小形なものであることがわかった。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明の燃料電池用カソード側セパレータの構造の一例を示す模式図。
【図２】本発明の燃料電池用カソード側セパレータの構造の他の例を示す模式図。
【図３】本発明の燃料電池用アノード側セパレータの構造の一例を示す模式図。
【図４】従来の燃料電池用セパレータの片面の構造を示す模式図。
【図５】燃料電池スタックにおける、圧力とガスリーク量の関係を示す図。
【図６】燃料電池の電流−平均セル電圧特性を示す図。
【図７】燃料電池の電流−出力密度特性を示す図。
【符号の説明】
【００７５】
１ａ、１ｂ、１ｃ、２１ａ、２１ｂ、２１ｃ ガス導入路
２ａ、２ｂ、２ｃ、３ａ、３ｂ、３ｃ、８ａ、８ｂ、８ｃ、９ａ、９ｂ、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１９ａ、１９ｂ、２３ａ、２３ｂ、２３ｃ 貫通孔
５ａ、５ｂ、５ｃ、１５ａ、１５ｂ、２５ａ、２５ｂ ガス流路
４ａ、４ｂ、４ｃ、２４ａ、２４ｂ、２４ｃ ユニット
６、１６ 冷却水流路
７ 屈曲部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つ以上の貫通孔がガス導入路で接続されたユニットを片面に３つ以上備え、それらのユニットの少なくとも一つの貫通孔と、他のユニットの少なくとも一つの貫通孔とが、他面に備えられた前記ガス流路で接続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２】
ガス流路によって３つのユニットが接続されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項３】
ユニットを３つ以上備えた面に冷却水流路を備えることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項４】
ガス流路が屈曲部を備えることを特徴とする請求項１乃至３記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項５】
請求項１乃至４記載の燃料電池用セパレータを備えることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項６】
ユニットに含まれる貫通孔の、ユニットを備えない面側の開口面が、ガス拡散電極面と接していることを特徴とする請求項５記載の燃料電池スタック。
【請求項１】
２つ以上の貫通孔がガス導入路で接続されたユニットを片面に３つ以上備え、それらのユニットの少なくとも一つの貫通孔と、他のユニットの少なくとも一つの貫通孔とが、他面に備えられた前記ガス流路で接続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２】
ガス流路によって３つのユニットが接続されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項３】
ユニットを３つ以上備えた面に冷却水流路を備えることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項４】
ガス流路が屈曲部を備えることを特徴とする請求項１乃至３記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項５】
請求項１乃至４記載の燃料電池用セパレータを備えることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項６】
ユニットに含まれる貫通孔の、ユニットを備えない面側の開口面が、ガス拡散電極面と接していることを特徴とする請求項５記載の燃料電池スタック。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００６−２４３８８（Ｐ２００６−２４３８８Ａ）
【公開日】平成１８年１月２６日（２００６．１．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−１９９３７３（Ｐ２００４−１９９３７３）
【出願日】平成１６年７月６日（２００４．７．６）
【出願人】（０００００４２８２）日本電池株式会社 (48)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１月２６日（２００６．１．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年７月６日（２００４．７．６）
【出願人】（０００００４２８２）日本電池株式会社 (48)
【Ｆターム（参考）】
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