JP2007299726A - 燃料電池用セパレータ - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池のカソード電極から発生する水の排出を容易にするセパレータを提供する。
【解決手段】反応物である水素含有燃料の水素成分と酸化剤の酸素成分との電気化学反応を通じて電気を生成する燃料電池に設けられ、流体連通可能なチャネルが加工されているプレートからなるセパレータにおいて、前記チャネルを区分するリブを含み、前記リブの排出端は、前記プレートの表面に向かって第１傾斜角を有する傾斜端部から構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池で用いるセパレータに関し、より詳しくは、燃料電池のカソード電極から発生する水の排出を容易にするセパレータに関する。

燃料電池は、１００℃以下で作動する高分子電解質型及び直接メタノール型燃料電池、１５０〜２００℃付近で作動するリン酸型燃料電池、６００〜７００℃の高温で作動する溶融炭酸塩型燃料電池、１０００℃以上の高温で作動する固体酸化物型燃料電池などに分類される。このそれぞれの燃料電池は、基本的に電気を発生する作動原理は同一であるが、使用される燃料の種類、触媒、電解質膜などが互いに異なることができる。

一般に、燃料電池は、燃料として使用される水素と酸化剤として使用される酸素との電気化学反応により化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換させる発電システムである。前記水素は、純水素を直接使用することもでき、メタノール、エタノール、天然ガスなどのような物質を改質して生成された水素を使用することもできる。前記酸素は、純酸素を直接使用することもでき、空気ポンプなどを用いて通常の空気に含まれた酸素を使用することもできる。一方、直接メタノール型燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＤＭＦＣ）は、燃料として水素を使用せず液状の高濃度メタノールと水とを混合した混合燃料を使用することができる。

図４は、通常の燃料電池を構成する単位燃料電池を示す概略図である。

図４を参照すると、燃料電池は、電気エネルギーを発生する少なくとも一つの単位燃料電池であって、電極電解質膜接合体３７０と、カソード側セパレータ３００及びアノード側セパレータ３９０を含むことができる。電極電解質膜接合体３７０は、両側面を成すアノード電極３８１とカソード電極３８２との間に電解質膜３８０が介在された通常の電極電解質膜接合体の構造を有することができる。

カソード側セパレータ３００は、カソード電極３８２に接して設けられ、カソード側セパレータ３００の表面に形成されたチャネル３６０に沿って空気が流動しながら、空気中に含まれた酸素をカソード電極３８２に供給する。さらに、カソード電極３８２で酸素の還元反応後に生成される水は、カソード側セパレータ３００のチャネル３６０に沿って移動して外部に排出される。

アノード側セパレータ３９０は、アノード電極３８１に接して設けられ、アノード側セパレータ３９０の表面に形成されたチャネル３９１に沿って燃料が流動しながら、アノード電極３８１に燃料を供給する。さらに、アノード電極３８１で反応後に生成される二酸化炭素などは、アノード側セパレータ３９０のチャネル３９１に沿って移動して外部に排出される。

図５は、通常の燃料電池に使用されるカソード側セパレータ３００を示す平面図である。

図５を参照すると、流入口３２０を介して流入した空気は、上部角３４１がプレート３１０の角に平行に形成された流入ヘッダ３４０を経てリブ３６１に形成されたチャネル３６０に沿って下へ流動する。チャネル３６０を経た空気は、下部角３５１がプレート３１０の角に平行に形成された排出ヘッダ３５０を経て排出口３３０に排出される。また、上述のように、カソード電極３８２（図４参照）で生成された水は、重力作用を通じてチャネル３６０に沿って排出ヘッダ３５０に滴下して排出口３３０に排出される。

しかしながら、排出ヘッダ３５０の下部角３５１は、プレート３１０の角に水平に形成されているため、滴下した水が排出口３３０に完全に排出されることが難しくなる。これにより、排出ヘッダ３５０に水が滞留するため、チャネル３６０を流れる空気の流れを妨げてしまい、カソード電極３８２（図４参照）に十分な空気を供給することができなくなる。これにより、燃料電池システムの発電効率が低下することがあるという問題がある。

さらに、排出ヘッダ３５０に位置するリブ３６１の下端部がプレート３１０の底面から直角に突出して形成されており、これは、カソード電極で生成される水が表面張力などによりリブ３６１の下端部から容易に排出されることができずに残留することになる。その結果、リブ間のチャネル３６０が残留する水により詰まってしまうので、チャネルを介した空気供給が円滑でなくなり、燃料電池システムの発電効率を低下させるという問題が発生する。

特開２００４−１４６３０３号公報 特開２００４−３２７３５８号公報 特開平８−２８７９２８号公報

本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、カソード電極で生成された水を円滑に排出することができる構造を有する燃料電池のカソード側セパレータを提供することにある。

本発明の他の目的は、チャネルを形成するリブの水排出端を傾斜状に形成し、カソード電極で生成された後にチャネルに沿って流れる水がリブの水排出端から円滑に排出できるようにする燃料電池のカソード側セパレータを提供することにある。

本発明のさらなる目的は、カソード電極で生成された後にリブの水排出端から排出された水が排出口側に円滑に流動できるように排出ヘッダの下部角が水平面に対して所定の傾きを有する燃料電池のカソード側セパレータを提供することにある。

上述の目的を達成するために、本発明によると、反応物である水素と酸素との電気化学反応を通じて電気を生成する燃料電池のアノード電極とカソード電極とに対面して設けられ、流体連通可能なチャネルが加工されているプレートからなるセパレータは、前記チャネルを区分するリブを含み、前記リブの排出端は、前記プレートの表面に向かって第１傾斜角を有する傾斜端部から構成されていることを特徴とする。

前記傾斜端部の第１傾斜角は、４０°ないし５０°に保持される。

前記プレートには、前記反応物が流入する流入口と、前記流入口を前記チャネルに流体連通可能に連結する流入ヘッダとが形成されている。さらに、前記プレートには、前記反応物の反応結果生成される生成物が排出される排出口と、前記排出口を前記チャネルに流体連通可能に連結する排出ヘッダとが形成されている。

前記傾斜端部は、前記排出ヘッダに向かって形成されている。

前記排出ヘッダの下部角は、前記排出口から前記チャネルに向かって第２傾斜角を有し、前記第２傾斜角は、３０°ないし４５°である。

前記チャネルには、親水性物質がコーティングされており、前記排出ヘッダには、親水性物質がコーティングされている。

前記プレートは、前記酸化剤が流入するカソード電極に対面して設けられ、前記生成物は、水である。

前記排出ヘッダは、前記排出口の周囲から前記チャネルまで前記プレートの表面を所定の深さに切削して形成され、前記リブの高さは、前記排出ヘッダの深さと同一である。

前記流入ヘッダは、前記流入口の周囲から前記チャネルまで前記プレートの表面を所定の深さに切削して形成される。

本発明のセパレータによると、カソード電極で生成された水が容易に排出されることができるため、カソード電極に空気を円滑に供給することができる。したがって、より高効率の燃料電池の発電が可能である。

以下、本発明を明確にするための好ましい実施例を、添付図面に基づいて詳述する。図中の同一符号は、同一または類似の構成要素を表す。また、図に示す各構成要素の形状及び各構成要素間の大きさの比は、説明の便宜上任意のものとすることができる。

図１は、本発明の実施例によるカソード側セパレータ１００を示す平面図であり、図２は、本発明の実施例によるカソード側セパレータ１００を示す斜視図である。

図１及び図２を参照すると、本発明の実施例によるカソード側セパレータ１００は、流入口１２０、流入ヘッダ１４０、チャネル１６０、リブ１６１、排出ヘッダ１５０及び排出口１３０が形成されたプレート１１０から構成される。

流入口１２０は、プレート１１０を貫通して形成される。流入ヘッダ１４０は、流入口１２０の周囲でプレート１１０の表面を所定の深さに切削して形成される底面から構成される。流入ヘッダ１４０の上部角１４１は、プレート１１０の角に水平に形成される。上部角１４１の反対側である流入ヘッダ１４０の下部には、プレート１１０の底面から突出する多数のリブ１６１が形成される。

それぞれのリブ１６１は、類似の間隔を有して平行に形成され、その結果、隣接するリブ１６１間の間隙は、空気と水とが流動することができるチャネル１６０を形成する。

リブ１６１の高さは、流入ヘッダ１４０の前記深さに類似する。リブ１６１の下部には、プレート１１０の表面に向かって所定の傾きを有する傾斜面を含む傾斜端部１６１ａが形成される。リブ１６１の上部面と傾斜端部１６１ａの上部面は、互いに平行に保持されることができる。リブ１６１の傾斜端部１６１ａは、水の表面張力を最小化するために提供される。傾斜端部１６１ａは、リブ１６１の上部面からプレート１１０の底面に向かって所定の傾斜角、例えば、３５゜〜５５゜、好ましくは４０゜〜５０゜の傾斜角を有する。

排出口１３０は、プレート１１０を貫通して形成される。排出ヘッダ１５０は、流入ヘッダ１４０と同様に、排出口１３０の周囲でプレート１１０の表面を所定の深さに切削して形成され、チャネル１６０と連通している。すなわち、排出ヘッダ１５０は、チャネル１６０から排出される水を排出口１３０に収斂させる部分である。このとき、排出ヘッダ１５０の収斂作用を向上させるために、排出ヘッダ１５０の下部角１５１は、排出口１３０を中心としてプレート１１０の下部角に対して所定の角度１７０を有するように形成される。すなわち、排出ヘッダ１５０は、チャネル１６０側の上部幅が排出口１３０の下部幅より大きく保持されている形状に形成される。このとき、角度１７０は、チャネル１６０から排出される水が排出口１３０に向かって排出ヘッダ１５０の下部角１５１に沿って容易に流れることができる任意の大きさであり、好ましくは３０゜以上４５゜以下である。角度１７０が前記の値より小さいときは水が容易に排出されることができず、角度１７０が前記の値より大きいときは排出ヘッダ１５０の面積が不要に大きくなり得る。

一方、排出ヘッダ１５０の表面は、二酸化チタンやシーラントカップリング剤などの親水性を有する物質でコーティングされることができる。また、このような親水性物質は、チャネル１６０にもコーティングされることができる。

前記構成を通じて本発明の実施例によるカソード側セパレータ１００の作用を説明すると、次の通りである。

流入口１２０を介して流入した空気は、流入ヘッダ１４０を介して各チャネル１６０に分散して供給される。各チャネル１６０に供給された空気は、カソード側セパレータ１００に接して設けられたカソード電極３８２（図４参照）に供給される。空気が供給されたカソード電極３８２の表面では、空気中の酸素が還元反応した後に水が生成される。このように生成された水は、重力の作用によりチャネル１６０に沿って移動して排出ヘッダ１５０に落下する。このとき、リブ１６１の下端には、傾斜面を有する傾斜端部１６１ａが形成されているため、リブ１６１の下端に水が滞留せず、排出ヘッダ１５０に容易に落下することができる。

また、排出ヘッダ１５０の下部角１５１は、プレート１１０の下部角に対して所定の角度１７０を有して形成されるため、排出ヘッダ１５０に落下する水は、排出ヘッダ１５０の下部角１５１に沿って容易に下へ流動し、排出口１３０を介して外部に排出される。

一方、排出ヘッダ１５０の表面は、親水性物質でコーティングされているため、水がさらに容易に流れて排出されることができる。

図３は、本発明の他の実施例によるカソード側セパレータ２００の変形例を示す平面図である。

図３を参照すると、本発明の他の実施例によるカソード側セパレータ２００は、流入口２２０、流入ヘッダ２４０、チャネル２６０、リブ２６１、排出ヘッダ２５０及び排出口２３０が形成されたプレート２１０から構成される。図３の本発明の他の実施例によるカソード側セパレータ２００は、図１の本発明の実施例によるカソード側セパレータ１００に比べると、流入ヘッダ２４０の形状が異なるだけで、その他の構成は類似する。

流入ヘッダ２４０は、流入口２２０の周囲でプレート２１０の表面に所定の深さに切削して形成され、流入ヘッダ２４０の上部角２４１は、流入口２２０を中心としてプレート２１０の上部角に対して所定の傾斜角を有する。前記傾斜角は、流入口２２０を介して流入した空気が流入ヘッダ２４０を介して各チャネル２６０に均等に分配されることができる任意の大きさであり、好ましくは３０°以上４５°以下である。前記傾斜角が前記の値より小さいときは空気が各チャネル２６０に均等に分配されることができず、前記傾斜角が前記の値より大きいときは流入ヘッダ２４０の面積が不要に大きくなり得る。

このような流入ヘッダ２４０の形状は、流入口２２０から遠くなっても空気の流動抵抗を最小化することができ、各チャネル２６０に均一に空気を供給することができるという長所がある。カソード側セパレータ２００のその他の構成は、上述した図１のカソード側セパレータ１００に類似するため、説明の便宜上省略する。

以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれに限定するものではなく、特許請求の範囲と発明の詳細な説明及び添付図面の範囲内で種々に変形して実施することが可能であり、これまた本発明の範囲に属することはいうまでもない。例えば、本発明によるカソード側セパレータは、流入ヘッダとチャネルと排出ヘッダとをプレートの一側にのみ形成するものとして図示しているが、プレートの他側にも形成することができる。このように、両面に形成されたセパレータは、多数の単位燃料電池を積層するときに有用である。

すなわち、上述のような排出ヘッダ、リブ及び流入ヘッダの構造は、アノード側セパレータにも適用されることができる。この場合、アノード側セパレータに形成されているチャネルを介してアノード電極に供給される液状の水素含有燃料中、アノード電極での化学反応に参加できなかった未反応の水素含有燃料がチャネルから円滑に排出されることができる。

上記の内容は、本発明の好ましい実施例を単に例示したものであり、本発明の属する技術分野における当業者は、添付した請求の範囲に記載された本発明の思想及び要旨から逸脱することなく、本発明に対する修正及び変更を加えることができるということを認識しなければならない。

本発明の実施例によるカソード側セパレータを示す平面図である。 本発明の実施例によるカソード側セパレータを示す斜視図である。 本発明の他の実施例によるカソード側セパレータの変形例を示す平面図である。 通常の燃料電池を構成する単位燃料電池を示す概略図である。 通常の燃料電池に使用されるカソード側セパレータを示す平面図である。

符号の説明

１００、２００ カソード側プレート
１１０、２１０ プレート
１２０、２２０ 流入口
１３０、２３０ 排出口
１４０、２４０ 流入ヘッダ
１５０、２５０ 排出ヘッダ
１６０、２６０ チャネル
１６１、２６１ リブ

Claims (15)

1. 反応物である水素含有燃料の水素成分と酸化剤の酸素成分との電気化学反応を通じて電気を生成する燃料電池に設けられ、流体連通可能なチャネルが加工されているプレートからなるセパレータにおいて、
   前記チャネルを区分するリブを含み、
   前記リブの排出端は、前記プレートの表面に向かって第１傾斜角を有する傾斜端部から構成されていることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
2. 前記傾斜端部の第１傾斜角は、４０°ないし５０°に保持されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用セパレータ。
3. 前記プレートには、前記反応物が流入する流入口と、前記流入口を前記チャネルに流体連通可能に連結する流入ヘッダとが形成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用セパレータ。
4. 前記プレートには、前記反応物の反応結果生成される生成物が排出される排出口と、前記排出口を前記チャネルに流体連通可能に連結する排出ヘッダとが形成されていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池用セパレータ。
5. 前記傾斜端部は、前記排出ヘッダに向かって形成されていることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池用セパレータ。
6. 前記排出ヘッダの下部角は、前記排出口から前記チャネルに向かって第２傾斜角を有することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池用セパレータ。
7. 前記第２傾斜角は、３０°ないし４５°であることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池用セパレータ。
8. 前記チャネルには、親水性物質がコーティングされていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用セパレータ。
9. 前記排出ヘッダには、親水性物質がコーティングされていることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池用セパレータ。
10. 前記プレートは、前記酸化剤が流入するカソード電極に対面して設けられることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池用セパレータ。
11. 前記生成物は、水であることを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池用セパレータ。
12. 前記プレートは、前記水素含有燃料が流入するアノード電極に対面して設けられることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池用セパレータ。
13. 前記排出ヘッダは、前記排出口の周囲から前記チャネルまで前記プレートの表面を所定の深さに切削して形成されることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池用セパレータ。
14. 前記リブの高さは、前記排出ヘッダの深さと同一であることを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池用セパレータ。
15. 前記流入ヘッダは、前記流入口の周囲から前記チャネルまで前記プレートの表面を所定の深さに切削して形成されることを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池用セパレータ。

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