JP3775618B2

JP3775618B2 - 燃料電池

Info

Publication number: JP3775618B2
Application number: JP17400797A
Authority: JP
Inventors: 健志栗田; 克宏梶尾
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Aisin Corp
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 1997-06-30
Filing date: 1997-06-30
Publication date: 2006-05-17
Anticipated expiration: 2017-06-30
Also published as: WO2000039871A1; US6103415A; JPH1126007A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、活物質を含むガスが供給されるガス室を仕切るセパレータを積層させる構造の燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、電気エネルギの生成に供せられる活物質を含むガスが供給されるガス室を仕切るセパレータを積層した構造をもつ。このような燃料電池では、複数個のガス室がセパレータ積層方向に沿って並設されている。このような燃料電池では、燃料電池の発電効率を向上させるべく、各ガス室にガスを均等に分配することが要請されている。
【０００３】
そこで従来より、図８に示すようにブリッジ１０２を形成した空気通路１０１をもつセパレータ１００を用い、図９に示すようにガスをブリッジ１０２に直接当て、これによりガスの均等分散性を高めた燃料電池（特開平８−１２４５９２号公報）が知られている。
更に燃料電池のエンドプレートのガス供給通路に、多孔質体で形成した抵抗体を固定した燃料電池（特開平８−２１３０４４号公報）が知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記した燃料電池は、ガス均等分散性はある程度向上するものの、セパレータ積層方向に並設された各ガス室においてガスの濃淡が生じ易く、ガス均等分散性は必ずしも満足できるものではない。セパレータの積層個数が多い場合には、尚更である。そのため各単位電池における発電ムラの低減には限界がある。
【０００５】
本発明は上記した実情に鑑みなされたものであり、セパレータの積層個数が多い場合であっても、各ガス室にガスを均等分散させるのに有利な燃料電池を提供することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者はガス流れの濃淡抑制について鋭意開発を進め、そして、特許請求の範囲の第１項に記載の手段を採用すれば、セパレータの積層個数が多い場合であっても、各ガス室に供給するガス流れの濃淡抑制に有利であることを知見し、本発明に係る燃料電池を完成したものである。
【０００７】
即ち、請求項１に係る燃料電池は、電極に対面すると共に電気エネルギの生成に供せられる活物質を含むガスが供給されるガス室を仕切ると共にガス室にガスを流入させる通路状マニホルドをもつセパレータを複数個積層し、且つ、ガス供給孔をもつエンドプレートを前記セパレータの積層端に配置した構造をなす燃料電池において、
各セパレータの前記通路状マニホルドは、
エンドプレートのガス供給孔に対面すると共にセパレータ積層方向に沿ってガスを流す主通路と、ガス室の一部に部分的に開口して対面する室入口と、室入口と主通路とをセパレータ積層方向と直交する方向に沿ってつなぐ通路部分と、通路部分に形成され主通路から室入口へのガスの直接的な流れ込みを抑制するリブとを具備していることを特徴とする。
【０００８】
請求項２に係る燃料電池は、請求項１において、リブは、室入口と主通路とをセパレータの面方向に沿ってつなぐ通路部分に、前記面方向に沿って少なくとも２個並設されていることを特徴とするものである。
請求項３に係る燃料電池は、請求項１において、エンドプレートには、セパレータの通路状マニホルドの主通路に対面する抵抗体が設けられ、
ガス流量が所定値よりも大きいとき、ガスが抵抗体に当たるように流路を切替える切替手段をもつことを特徴とするものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を説明する。
燃料電池の基本概念の要部を図４に模式的に示す。セパレータ１は、これの厚み方向である矢印Ｙ方向に積層されている。積層されたセパレータ１間に単位電池５が配置されている。単位電池５は、固定電解質膜５０と、固定電解質膜５０を挟持する正極５１及び負極５２とを備えている。
【００１０】
セパレータ１は、正極活物質としての酸素を含む空気が供給されると共に正極５１に対面する第１ガス室２１と、負極活物質としての水素を含む水素含有ガスが供給されると共に負極５２に対面する第２ガス室２２とを仕切る。
図１はセパレータ１の平面図を模式的に示す。図２はセパレータ１の積層構造を模式的に示す。図３は図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面を模式的に示す。なお図２及び図３は単位電池５の図示を省略している。
【００１１】
図２に示すように、セパレータ積層方向の一端部には第１エンドプレート６１が配置されている。セパレータ積層方向の他端部には第２エンドプレート６２が配置されている。第１エンドプレート６１及び第２エンドプレート６２により、複数個のセパレータ１は挟持されている。
第１エンドプレート６１には、空気が供給されるガス供給孔６１ａが形成されている。第１エンドプレート６１のガス供給孔６１ａには、発泡金属等の多孔質体で形成された抵抗体６５が配置されている。第２エンドプレート６２には、空気が排出されるガス排出孔６２ａが形成されている。
【００１２】
抵抗体６５としては、水蒸気を含む空気に対して耐腐食性が良好なものが好ましい。抵抗体６５においては、圧力損失をｙ（ｋＰａ）、抵抗体６５を流れる流量をｘ〔Ｎｌ／ｍｉｎ）としたとき、例えば、ｙ＝（２〜６）×１０^-3・ｘのものを採用できるが、これに限定されるものではない。
図１から理解できるように、セパレータ１の中央領域には、第１ガス室２１を形成する多数の流路溝を備えた流路溝群が形成されている。第１ガス室２１の全体は、図１から理解できるように四角形状（サイズ：Ａ×Ｂ）をなしている。第１ガス室２１の裏面側が第２ガス室２２となる。
【００１３】
セパレータ１の周縁部１ｋには、第１ガス室２１に空気を流入させる入口側の通路状マニホルド３が形成されている。セパレータ１の周縁部１ｋには、第１ガス室２１内の空気を室出口４２を介して流出させる出口側の通路状マニホルド４が形成されている。
図１から理解できるように、通路状マニホルド３は、主通路３１と、第１ガス室２１を構成する一辺２１ｋの端部に部分的に対面する室入口３２と、室入口３２と主通路３１とをセパレータ１の面方向（＝セパレータ積層方向と直交する方向、つまり矢印Ｘ方向）に沿ってつなぐ通路部分３３に形成されたリブ３４とを具備している。
【００１４】
図２から理解できるように、主通路３１は、第１エンドプレート６１のガス供給孔６１ａに対面すると共にセパレータ積層方向つまり矢印Ｙ方向に沿ってガスを流す。リブ３４は、主通路３１から室入口３２へのガスの直接的な流れ込みを抑制できる。
図１から理解できるように、室入口３２については、その幅寸法Ｌａは、マニホルド３の全体の幅寸法Ｌｃに対して小さく設定されている。室出口４２についても同様な寸法関係に設定されている。前記したＬａとＬｃとの関係は、例えば、Ｌａ：Ｌｃ＝１：（２〜５）、殊に１：（３〜４）にできる。従って第１ガス室２１のガス入口の流路面積は小さくされている。
【００１５】
更に、セパレータ１の周縁部１ｋには、第１ガス室２１の裏面に位置する第２ガス室２２に水素含有ガスを流入させる入口側の水素マニホルド７が形成されており、更に、第２ガス室２２からの水素含有ガスを流出させる出口側の水素マニホルド８が形成されている。
図２から理解できるように、リブ３４の肉厚ｔ１はセパレータ１の肉厚ｔ２よりも小さく設定されている（ｔ１＜ｔ２）。従ってリブ３４の表裏には通路３３ｅ、３３ｆが形成されている。図２から理解できるように、リブ３４のうちセパレータ１の面方向に沿う幅Ｄ１は、リブ３４のうちセパレータ積層方向に沿う肉厚ｔ１よりも大きく設定されている（ｔ１＜Ｄ１）。
【００１６】
本実施形態ではセパレータ１は、プレス成形されセパレータ１の芯体として機能するステンレス鋼板等の金属板と、金属板の表面及び裏面に被覆されたゴム層とで構成されている。従ってリブ３４は、プレス成形された金属板の板部分で形成できる。
以上のように形成した実施形態においては、第１エンドプレート６１のガス供給孔６１ａから供給された正極活物質としての酸素を含む空気は、図２及び図３から理解できるように、抵抗体６５の気孔部分を通り、各セパレータ１の主通路３１を矢印Ｙ１方向に流れる。更に、通路部分３３及びリブ３４を経て矢印Ｘ１方向に室入口３２に向かって流れ、更に、矢印Ｚ１方向に流れて第１ガス室２１内に流入する。
【００１７】
第１ガス室２１内に流入した空気は、第１ガス室２１内を巡った後、室出口４２を経て、出口側の通路状マニホルド３に流れ、更に、ガス排出孔６２ａから排出される。
これに対して、燃料ガスとして機能する水素含有ガスは、入口側の水素マニホルド７→第２ガス室２２→出口側の水素マニホルド８の順に流れる。
【００１８】
このように正極５１に対面する第１ガス室２１には、正極活物質としての酸素を含む空気が供給され、負極５２に対面する第２ガス室２２には、負極活物質としての水素を含む水素含有ガスが供給される。負極５２では、従来同様に、Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-の反応が生じ、水素が電子を放出して水素イオン（プロトン）となると共に、水素イオンは固体電解質膜５０を透過して正極５１に向かい、放出された電子が図略の外部電気回路を経て正極５１に移動する。これにより直流電気を発電する機能が得られる。
【００１９】
本実施形態においては、積層されているセパレータ１の数が多いため、第１ガス室２１の数が多い場合であっても、正極活物質としての酸素を含む空気をムラなく、各第１ガス室２１に分配させるのに有利であり、各第１ガス室２１における均一分配性が向上する。よって燃料電池の発電ムラの低減に有利である。主通路３１に流れた空気が室入口３２に直接流れることを、リブ３４によって抑制されるためと考えられる。上記した効果は、シュミレーション及び試験で確認されている。
【００２０】
（他の実施形態）
図５及び図６は他の実施形態を示す。この実施形態は、前記した実施形態と基本的には同様の構成をなす。従って同一機能を奏する部位には、同一の符号を付する。図５及び図６に示す実施形態においても、前記した実施形態と同様の作用効果が得られる。但し本実施形態では、セパレータ１の通路状マニホルド３において、リブ３４がセパレータ１の面方向に沿って２本並設されている。即ちリブ３４は、距離Ｌ４離間された第１リブ３４ａと第２リブ３４ｃとからなる。
【００２１】
図７は他の実施形態を示す。この実施形態は、前記した二つの実施形態と基本的には同様の構成をなす。但し、この実施形態では、抵抗体６５が設けられた第１流路６６と、抵抗体６５が設けられていない第２流路６７とを切り換える切替手段としての切替弁６８が設けられている。第１流路６６及び第２流路６７は、ガス供給孔６１ａ及び主通路３１に連通している。ガス流量が所定値よりも小さなときには、ガスが抵抗体６５に直接当たらないように、切替弁６８により第２流路６７に切替られる。ガス流量が所定値よりも大きなときには、ガスが抵抗体６５に当たって抵抗体６５を通過するように、切替弁６８により第１流路６６に切替られる。切替は、手動または電気制御に基づいて実行できる。
【００２２】
図７に示す切替方式は、図１〜図４に示す実施形態にも、図５及び図６に示す実施形態にも適用できる。
図１に示す実施形態によれば、出口側の通路状マニホルド４には、リブが形成されていないが、場合によっては、製作上の簡便性等のためリブを形成することもできる。
【００２３】
上記した各実施形態では、正極活物質としての酸素を含む空気が通る通路状マニホルド３にリブ３４が形成されているが、これに限らず、負極活物質としての水素を含む水素含有ガスが通る入口側の水素マニホルド７にも、リブを形成し、前記した通路状マニホルド３と同様な構造としても良い。この場合には、水素含有ガスが供給される各第２ガス室２２における均一分配性が向上する。
【００２４】
【発明の効果】
請求項１、２に係る燃料電池によれば、セパレータの積層個数が多く、ガス室の数が多い場合であっても、各ガス室に対するガスの均一分散性を向上させ得、発電ムラの低減に有利である。主通路に流入したガスが室入口に直接流入することが、リブによって抑制されるためと推察される。従って燃料電池の性能向上に有利である。
【００２５】
請求項３に係る燃料電池によれば、ガス流量が所定値よりも大きいときには、ガスが抵抗体に当たるように流路を切り換える切替手段が設けられているため、ガス流量が大きいとき（例えば２５０Ｎｌ／ｍｉｎ以上）であっても、各ガス室に対するガスの均一分散性を一層向上させ得る。従って燃料電池の性能向上に一層有利である。
【図面の簡単な説明】
【図１】セパレータの平面図である。
【図２】セパレータを積層した燃料電池を模式的に示す断面図である。
【図３】セパレータを積層した燃料電池の異なる断面を模式的に示す断面図である。
【図４】燃料電池の主要部の概念図である。
【図５】他の実施形態に係るセパレータの平面図である。
【図６】他の実施形態に係るセパレータを積層した燃料電池を模式的に示す断面図である。
【図７】他の実施形態に係るガス供給孔付近を模式的に示す構成図である。
【図８】従来技術に係るセパレータを模式的に示す斜視図である。
【図９】従来技術に係るセパレータのブリッジ付近の断面図である。
【符号の説明】
図中、１はセパレータ、６５は抵抗体、３は通路状マニホルド、６１及び６２はエンドプレート、３１は主通路、３２は室入口、３４はリブを示す。

Claims

電極に対面すると共に電気エネルギの生成に供せられる活物質を含むガスが供給されるガス室を仕切ると共にガス室にガスを流入させる通路状マニホルドをもつセパレータを複数個積層し、且つ、ガス供給孔をもつエンドプレートを前記セパレータの積層端に配置した構造をなす燃料電池において、
前記各セパレータの前記通路状マニホルドは、
前記エンドプレートのガス供給孔に対面すると共にセパレータ積層方向に沿ってガスを流す主通路と、前記ガス室の一部に部分的に開口して対面する室入口と、前記室入口と前記主通路とを前記セパレータ積層方向と直交する方向に沿ってつなぐ通路部分と、前記通路部分に形成され前記主通路から前記室入口へのガスの直接的な流れ込みを抑制するリブとを具備していることを特徴とする燃料電池。
請求項１において、前記リブは、前記室入口と前記主通路とを前記セパレータ積層方向と直交する方向に沿ってつなぐ前記通路部分に、前記セパレータ積層方向と直交する方向に沿って少なくとも２個並設されていることを特徴とする燃料電池。
請求項１において、前記エンドプレートには、前記セパレータの前記通路状マニホルドを構成する主通路に対面する抵抗体が設けられ、
ガス流量が所定値よりも大きいとき、ガスが前記抵抗体に当たるように流路を切替える切替手段をもつことを特徴とする燃料電池。