JP2018037284A - セパレータ、燃料電池及び再生型燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】反応面内の流路を流れるガスの流速を均一化するのに有利な燃料電池用のセパレータを提供する。【解決手段】セパレータ７３は、主平面上に反応面７３ｂが設定された板状の本体部と、反応面７３ｂに設けられ、それぞれ並伸し、ガスを流通させる流路７３ａを構成する複数の流路溝と、複数の流路溝にガスを導入させる導入口７３ｃと、複数の流路溝を通過したガスを外部に排出する排出口７３ｄと、を有し、複数の流路溝は、流路溝の幅を維持しながら、隣り合う流路溝と連通し、排出口７３ｄの側にある流路溝の本数は、導入口７３ｃの側にある流路溝の本数よりも少なく、流路溝の本数は、反応面７３ｂでのガスの流量分布に基づいて決定される。【選択図】図３

Description

本発明は、セパレータ、燃料電池及び再生型燃料電池システムに関する。

再生型燃料電池システムは、例えば、水素と酸素とを用いて発電する燃料電池と、燃料電池から排出されたガスから水を回収して水素と酸素とを生成し、再度燃料電池での発電に利用させる水電解装置とを備える。このような再生型燃料電池システムは、充電可能であるとともに、副産物が水のみであることから、省エネ化や二酸化炭素の削減が可能であるため、宇宙空間や航空機等への適用が期待されている。

このような再生型燃料電池システムに用いられる燃料電池としては、例えば固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）が採用される。固体高分子形燃料電池は、イオン伝導性を有する固体高分子膜である電解質膜と、電解質膜の一方の側に隣接する燃料極としてのアノードと、電解質膜の他方の側に隣接する酸素極としてのカソードとからなる単位セルを含む。一般に、単位セルは、固体高分子形燃料電池内に複数存在し、複数の単位セルは、セパレータを介して積層されている。

セパレータは、ガス拡散層を介してアノード又はカソードに接する側の表面上に、燃料ガス又は酸化剤ガスを流通させる流路溝を有する。一般に、流路溝は、アノード又はカソードの反応領域に対して可能な限り満遍なくガスを行き渡らせるために複数本存在し、かつ、発電性能を維持するために、複数の流路溝においてガスの流れの均一化が図られている。また、流路溝は、このようにガスを流通させる機能の他に、反応で生じた生成水を燃料電池１の外部に排出する機能も有する。

特許文献１は、複数の流路溝を有するセパレータを含む燃料電池スタックを開示している。特許文献１に示す流路溝では、特に、ガス出口側の流路溝から生成水を効率よく除去するために、ガス出口側の溝本数をガス入口側の溝本数よりも減少させることで、ガス出口側でのガスの流速を増加させている。

特開２００１−５２７２３号公報

ここで、燃料電池の発電性能や運転時の安定性を向上させるためには、セパレータとガス拡散層との間でガス交換作用のムラを減らすこと、換言すれば、反応面に対して均一にガスを行き渡らせることが重要である。そして、このように反応面に均一にガスを行き渡らせるためには、反応面の形状に合わせて配置されている流路溝において、流れるガスの量を均一化させる、すなわち、ガスの流速を均一化させることが望ましい。

一方、流路溝を流れるガスは、徐々にガス拡散層に吸収されてアノード及びカソード側での反応に用いられるので、流路溝を流れるガスの量は次第に減少し、それに伴ってガスの流速も次第に落ちる。しかし、特許文献１では、このような燃料電池の運転中におけるガスの消費について適切に考慮されていない。したがって、特許文献１に示されているようにガス出口側に向かうにつれて溝本数を減少させるだけでは、実際には、流路溝を流れるガスの流速を最適化することは難しい。

また、セパレータの反応面において、複数の流路溝が並行して曲がるような屈曲部がある場合、屈曲部の内側の流路溝は、外側の流路溝と比較して曲率が小さくなるため、ガスの流れの抵抗となりやすい。そこで、特許文献１に示すセパレータでは、屈曲部の直前で複数の流路溝を連結させることで、屈曲部の内側の流路溝を流れるガスを外側の流路溝に分配し、屈曲部における圧損の均一化を図っている。しかし、このような構成では、並行して延設されている複数の流路溝のうちの内側の流路溝を流れるガスの量は、減少していくことになる。すなわち、ガスの流速は、流れる流路溝によって異なっている。

そこで、本発明は、反応面内の流路を流れるガスの流速を均一化するのに有利な燃料電池用のセパレータを提供することを目的とする。

本発明の一態様によれば、燃料電池用のセパレータは、主平面上に反応面が設定された板状の本体部と、反応面に設けられ、それぞれ並伸し、ガスを流通させる流路を構成する複数の流路溝と、複数の流路溝にガスを導入させる導入口と、複数の流路溝を通過したガスを外部に排出する排出口と、を有し、複数の流路溝は、流路溝の幅を維持しながら、隣り合う流路溝と連通し、排出口の側にある流路溝の本数は、導入口の側にある流路溝の本数よりも少なく、流路溝の本数は、反応面でのガスの流量分布に基づいて決定される。

上記セパレータにおいて、排出口に連接される流路溝の本数をｎとし、反応面におけるガスの利用率をｓとし、反応面において、導入口に連接される流路溝の入口と、排出口に連接される流路溝の出口との間の長さをＬとし、流路溝の入口からの距離をｘとすると、距離ｘの位置における流路溝の本数Ｎ（ｘ）は、
Ｎ（ｘ）＝（ｎ／（１−ｓ））・（１−（ｓ／Ｌ）・ｘ）
で表されるものとしてもよい。

本発明によれば、反応面内の流路を流れるガスの流速を均一化するのに有利な燃料電池用のセパレータを提供することができる。

本発明の一実施形態に係る再生型燃料電池システムの構成を示す図である。 本発明の一実施形態に係る燃料電池の構成を示す図である。 本発明の一実施形態に係るセパレータの形状を示す図である。 セパレータにおける流路溝の本数の最適化を説明するための図である。 内部自己加湿の原理について説明するための図である。 従来のセパレータにおける流路の水つまりを説明するための図である。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明に示す寸法、材料、その他、具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。また、明細書及び図面において実質的に同一の機能及び構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。更に、以下の各図では、鉛直方向にＺ軸を取り、Ｚ軸に垂直な平面内において、燃料電池を構成する各構成要素が積層される方向にＹ軸を取り、かつ、Ｙ軸に垂直な方向にＸ軸を取っている。

まず、本発明の一実施形態に係る再生型燃料電池システムの構成について説明する。本実施形態に係る再生型燃料電池システムでは、燃料電池が特に純水素と純酸素とを用いて発電するものを想定している。このような再生型燃料電池システムは、高空を飛行する航空機、海中を航行する潜水艦、宇宙ステーション等、大気から酸素を取り込むことができない環境や閉鎖空間などで、水分解により発生した酸素を貯蔵し燃料電池で発電することができる点で有利である。

図１は、本実施形態に係る再生型燃料電池システム１００の構成を示す概略図である。再生型燃料電池システム１００は、燃料電池ユニット２０と、水分解ユニット３０と、ガス貯蔵ユニット４０とを含む。

燃料電池ユニット２０は、燃料電池１と、気水分離器２と、第１ガス循環ブロワ３と、水タンク４と、第２ガス循環ブロワ５とを含む。

図２は、本実施形態に係る燃料電池１の構成を示す概略断面図である。燃料電池１は、例えば固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）であり、燃料としての純水素と、酸化剤としての純酸素とを用いた反応により発電する。なお、以下の説明では、純水素を単に水素と、純酸素を単に酸素と、それぞれ略記する。固体高分子形燃料電池は、イオン伝導性を有する高分子膜を電解質として用いる燃料電池である。すなわち、燃料電池１は、固体高分子膜である電解質膜７０と、燃料極としてのアノード７１と、酸素極としてのカソード７２とを含む。アノード７１及びカソード７２は、共に、水素と酸素との反応を促進させるための触媒を含む触媒層である。この触媒としては、主に白金などの貴金属が用いられる。なお、不図示であるが、アノード７１及びカソード７２は、後述する第１セパレータ７３又は第２セパレータ７４と接触する面に、カーボンペーパー等からなる多孔質のガス拡散層を連設している。そして、アノード７１とカソード７２とは、電解質膜７０を挟み込むように配置される。以下、アノード７１、電解質膜７０及びカソード７２を貼り合わせて一体化したものを、「膜／電極接合体」と表記する。

また、燃料電池１は、膜／電極接合体を挟み込むように配置される２つのセパレータ、すなわち、アノード７１側に配置される第１セパレータ７３と、カソード７２側に配置される第２セパレータ７４とを含む。第１セパレータ７３は、アノード７１に接する側の表面に、水素を流通させる流路７３ａを有する。水素は、流路７３ａを流通している間に、徐々にアノード７１に浸透する。一方、第２セパレータ７４は、カソード７２に接する側の表面に、酸素を流通させる流路７４ａを有する。酸素は、流路７４ａを流通している間に、徐々にカソード７２に浸透する。また、流路７４ａは、酸素を流通させる機能の他、膜／電極接合体内で生成された水を除去する機能も有する。第１セパレータ７３及び第２セパレータ７４の材質としては、金属、カーボン又は導電性プラスチック等が採用可能である。なお、第１セパレータ７３及び第２セパレータ７４の形状については、以下で詳説する。

燃料電池１では、アノード７１は、流路７３ａから水素が供給され、式（１）の反応によって、プロトン（Ｈ^＋）と電子（ｅ⁻）に分解する。
Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻・・・（１）
プロトンは、電解質膜７０を通って、電子は、不図示であるが、一端がアノード７１に接続され、他端がカソード７２に接続されている導線を通って、それぞれカソード７２に移動する。

カソード７２は、式（２）に示すように、電解質膜７０から来たプロトンと、上記導線から来た電子とが酸素と反応して、水を生成する。
４Ｈ^＋＋Ｏ_２＋４ｅ⁻→２Ｈ_２Ｏ・・・（２）

そして、燃料電池１は、電子を通す上記導線の部分を電力負荷とすることで、発電することができる。なお、１つの膜／電極接合体と、その膜／電極接合体を挟み込む第１セパレータ７３及び第２セパレータ７４とは、図２に示すような単位セルを構成する。燃料電池１は、より高電圧を得るために、このような単位セルを複数個積層した、いわゆるスタック構造を有するのが一般的である。そのため、例えば、隣り合って積層される２つの単位セルにおいて、単位セル同士の間に配置される１つのセパレータを共用するという構成もあり得る。具体的には、単位セル同士の間のセパレータでは、一方の表面に、水素を流通させるための流路が設けられ、反対側の表面に、酸素を流通させるための流路が設けられるという構成もあり得る。これにより、燃料電池スタックとしての燃料電池１の小型化が実現される。

気水分離器２は、燃料電池１における反応後のガスを酸素と水とに分離する。第１ガス循環ブロワ３は、気水分離器２で分離された酸素を燃料電池１の酸素入口側にリサイクルする。水タンク４は、気水分離器２で分離された水を一時的に貯留する。第２ガス循環ブロワ５は、燃料電池１から排出された水素の余剰分を燃料電池１の水素入口側にリサイクルする。

水分解ユニット３０は、給水ポンプ６と、循環ポンプ７と、水電解装置８と、第１配管系３１と、第２配管系３２と、放熱器１１とを含む。

給水ポンプ６は、燃料電池ユニット２０内の水タンク４に貯留されている水を、循環ポンプ７を用いて回収し、水電解装置８に供給する。循環ポンプ７は、給水ポンプ６や、第１配管系３１及び第２配管系３２から供給された水を、水電解装置８を通じて水分解ユニット３０内で循環させる。

水電解装置８は、導入された水を電気分解して、水素と酸素とを生成する。水電解装置８は、不図示であるが、燃料電池１と同様に、固体高分子膜である電解質膜と、アノードと、カソードとを含む。ここで、水電解装置８では、外部電源を用いてアノードとカソードとの間に電圧を印加することで、燃料電池１と逆の反応、すなわち、式（１）及び式（２）と逆の反応が生じて、水素と酸素とが生成される。そして、生成された水素及び酸素は、後述する水素貯蔵用タンク１２ａ又は酸素貯蔵用タンク１２ｂに戻される。

第１配管系３１は、水電解装置８で生成された水素が導入される配管系である。第１配管系３１は、第１気水分離器９ａと、第１水タンク１０ａとを含む。ここで、水電解装置８で生成された水素には、水が混合されている。そこで、第１気水分離器９ａは、水電解装置８で生成された水素と、混合している水とを分離する。第１気水分離器９ａで分離された水素は、ガス貯蔵ユニット４０へ送られる。第１水タンク１０ａは、第１気水分離器９ａで分離された水を一時的に貯留する。

第２配管系３２は、水電解装置８で生成された酸素が導入される配管系である。第２配管系３２は、第２気水分離器９ｂと、第２水タンク１０ｂとを含む。ここで、水電解装置８で生成された酸素には、水が混合されている。そこで、第２気水分離器９ｂは、水電解装置８で生成された酸素と、混合している水とを分離する。第２気水分離器９ｂで分離された酸素も、ガス貯蔵ユニット４０へ送られる。第２水タンク１０ｂは、第２気水分離器９ｂで分離された水を一時的に貯留する。

放熱器１１は、第１水タンク１０ａ又は第２水タンク１０ｂから排出されて水電解装置８に導入される水を冷却水として利用することで、水電解装置８を冷却する。なお、不図示であるが、燃料電池ユニット２０内にも、同様に冷却水を循環させることで燃料電池１を冷却する放熱器を設置するものとしてもよい。

ガス貯蔵ユニット４０は、水素貯蔵用タンク１２ａと、酸素貯蔵用タンク１２ｂと、水素配管系の２つの切替弁１３ａ，１３ｂ及び１つの調圧弁１５ａと、酸素配管系の２つの切替弁１４ａ，１４ｂ及び１つの調圧弁１５ｂとを含む。

水素貯蔵用タンク１２ａは、水素を貯蔵可能な水素貯蔵部である。水素配管系の切替弁１３ａ，１３ｂは、それぞれ、第１気水分離器９ａと水素貯蔵用タンク１２ａとを結ぶ配管に設置され、遠隔操作可能な開閉弁である。水素配管系の調圧弁１５ａは、２つの切替弁１３ａ，１３ｂの間と、燃料電池１とを結ぶ配管に設置される圧力調整弁であり、遠隔操作可能であることが望ましい。

酸素貯蔵用タンク１２ｂは、酸素を貯蔵可能な酸素貯蔵部である。酸素配管系の切替弁１４ａ，１４ｂは、それぞれ、第２気水分離器９ｂと酸素貯蔵用タンク１２ｂとを結ぶ配管に設置され、遠隔操作可能な開閉弁である。酸素配管系の調圧弁１５ｂは、２つの切替弁１４ａ，１４ｂの間と、燃料電池１とを結ぶ配管に設置される圧力調整弁であり、遠隔操作可能であることが望ましい。

ここで、切替弁１３ａを閉とし、切替弁１３ｂを開とし、調圧弁１５ａを適宜調整することで、水素貯蔵用タンク１２ａから燃料電池１へ水素が供給される。一方、調圧弁１５ａを閉とし、切替弁１３ａ及び切替弁１３ｂを共に開とすることで、第１気水分離器９ａから水素貯蔵用タンク１２ａへ水素が注入される。

同様に、切替弁１４ａを閉とし、切替弁１４ｂを開とし、調圧弁１５ｂを適宜調整することで、酸素貯蔵用タンク１２ｂから燃料電池１へ酸素が供給される。一方、調圧弁１５ｂを閉とし、切替弁１４ａ及び切替弁１４ｂを共に開とすることで、第２気水分離器９ｂから酸素貯蔵用タンク１２ｂへ酸素が注入される。

上記のような構成のもと、水電解装置８が、燃料電池１で生成された水を用いて水素と酸素とを生成し、一方、燃料電池１が、水電解装置８で生成された水素と酸素とを用いて発電する再生型燃料電池システム１００が構築される。特に本実施形態では、燃料電池１は、上記の通り、純水素と純酸素とを用いるので、式（１）及び式（２）により、純水素と純酸素とが反応して純水が生成されることになる。したがって、再生型燃料電池システム１００は、純水をリサイクルすることで、省エネ化や二酸化炭素の削減に寄与する。

次に、第１セパレータ７３及び第２セパレータ７４の形状について説明する。なお、第１セパレータ７３と第２セパレータ７４との形状は、共に以下に示す概念で決定されるものである。そこで、以下では、第１セパレータ７３を例に説明する。

図３は、第１セパレータ７３の形状を示す概略平面図である。第１セパレータ７３は、主平面上に反応面７３ｂが設定された板状の本体部からなる。なお、本実施形態では、第１セパレータ７３は、燃料電池１の一構成要素として使用されるときには、図３に示すように、Ｚ方向に沿って立設される、すなわち縦置きになるものとする。また、第１セパレータ７３の主平面上には、燃料電池１の一構成要素として組み合わされたときに、アノード７１の反応領域に対向するように、反応面７３ｂが設定されている。反応面７３ｂは、反応効率を向上させるために、第１セパレータ７３の主平面の面積に対して可能な限り広く設定されることが望ましい。

第１セパレータ７３は、主平面上において反応面７３ｂ以外の領域に形成されている複数の開口部と、ガスを流通させる流路７３ａとを有する。なお、本実施形態では、流路７３ａを流通するガスは、水素ガスである。

第１セパレータ７３に形成されている複数の開口部には、例えば、第１ガス導入口７３ｃと、第１ガス排出口７３ｄと、第２ガス排出口７３ｅと、第２ガス導入口７３ｆと、第１開口７３ｇと、第２開口７３ｈとが含まれる。

第１ガス導入口７３ｃは、流路７３ａのガス入口側の端部に連接される開口である。燃料電池１が単位セルを複数積層した燃料電池スタックである場合、各単位セルに含まれる第１ガス導入口７３ｃは、連続した管路を形成する。そして、燃料電池１の外部から導入されたガスは、当該管路を流通しながら、各単位セル内の流路７３ａに供給されていく。

第２ガス排出口７３ｄは、流路７３ａのガス出口側の端部に連接される開口である。この第２ガス排出口７３ｄに関しても、燃料電池１が燃料電池スタックである場合、各単位セルに含まれる第２ガス排出口７３ｄは、連続した管路を形成する。そして、各単位セル内の流路７３ａから排出されたガスは、当該管路に集められて流通し、燃料電池１の外部へ排出される。

第２ガス排出口７３ｅ及び第２ガス導入口７３ｆは、一例として、第１セパレータ７３において、流路７３ａが設けられている主平面の裏面側に、流路７３ａと同様の流路が形成されている場合に適用される開口である。第２ガス排出口７３ｅ及び第２ガス導入口７３ｆの機能は、第１ガス導入口７３ｃ及び第１ガス排出口７３ｄの機能と同一である。

第１開口７３ｇ及び第２開口７３ｈは、例えば、燃料電池１を冷却するための冷却水が通過する。燃料電池１が燃料電池スタックである場合、各単位セルに含まれる第１開口７３ｇ及び第２開口７３ｈも、それぞれ連続した管路を形成し、冷却水を流通可能とする。

なお、本実施形態では、第１セパレータ７３の主平面上において、Ｚ方向の中央領域を反応面７３ｂとしている。そして、反応面７３ｂに隣接するＺ方向のプラス側の領域に、第１ガス導入口７３ｃ、第１開口７３ｇ及び第２ガス排出口７３ｅが設けられている。一方、反応面７３ｂに隣接するＺ方向のプラス側の領域に、第２ガス導入口７３ｆ、第２開口７３ｈ及び第１ガス排出口７３ｄが設けられている。

流路７３ａは、主平面上に形成された溝であり、特に反応面７３ｂ上では、反応面７３ｂを可能な限り覆うように、複数本の直線状の溝が、それぞれ間隔を密にして規定のパターンで組み合わされたものである。なお、流路７３ａを構成する溝を、以下「流路溝」と表記する。そして、本実施形態における流路溝は、以下の条件に従って形成される。

まず、第１ガス導入口７３ｃには、流路７３ａの一方の端部としての複数の流路溝が連接されている。これに対して、第１ガス排出口７３ｄには、流路７３ａの他方の端部としての単数又は複数の流路溝が連接されている。すなわち、流路７３ａは、全体的には、ガスがＺ方向プラス側からＺ方向マイナス側へ向けて流通するように形成される。

次に、複数の流路溝は、反応面７３ｂ全体に可能な限り均一にガスを行き渡らせるために、ガスの流通方向が所々で変化するように並伸している。例えば、図３に示すように、複数の流路溝は、全体的にはＸ方向に対して平行となるように並伸しているが、反応面７３ｂのＸ方向の両端部の領域で、おおよそ直角となる屈曲を２回繰り返し、Ｘ方向で往復しながらＺ方向マイナス側へ進むような形状を有する。

次に、流路７３ａでは、複数の流路溝の幅が維持されていると想定する。この場合、第１ガス排出口７３ｄに連接するガス出口側の流路溝の本数は、第１ガス導入口７３ｃに連接するガス入口側の流路溝の本数よりも少ない。ここで、一の流路溝は、上記屈曲する屈曲部のいずれかにおいて、隣り合う他の流路溝と連通する。そして、この連通部を適宜設定することで、流路溝の本数を調整することができる。また、屈曲部ではガスの流れが乱れやすいので、屈曲部のいずれかに連通部を設けることは、ガスの混合をより促進することができる点で望ましい。

次に、反応面７３ｂ内の特定の位置における流路溝の本数は、その位置におけるガスの流量分布に基づいて決定される。以下、図３に示す流路７３ａを例に説明する。まず、燃料電池１におけるガスの利用率を決定する。特に本実施形態では、燃料電池１は、純水素と純酸素とを用いて発電し、再生型燃料電池システム１００に適用されることを想定しているため、ガス利用率は高く、ここでの例では８０％とする。次に、第１ガス排出口７３ｄに連接するガス出口側の流路溝の本数を決定する。ここでの例では２本とする。このようにガス利用率とガス出口側の流路溝の本数とが決定されると、流路溝１本あたりに流通させるガスの流量が決定する。そして、流路溝の本数は、決定された流量になるように、反応面７３ｂ内の特定の位置で流れる流量に合わせて設定すればよい。

この場合、ガス利用率が８０％であり、また、ガス出口側の流路溝の本数が２本であるから、第１ガス導入口７３ｃに連接するガス入口側の流路溝の本数は、２本／（１−０．８）＝１０本となる。次に、反応面７３ｂ上の流路７３ａにおいて、第１ガス導入口７３ｃから第１屈曲部Ｒ_１までの流路溝の本数は、その前の屈曲部で１０本から９本に減少する。そして、この間の流路溝の位置における流量分布は、１００％から８０％へと変化する。次に、第１屈曲部Ｒ_１から第２屈曲部Ｒ_２までの流路溝の本数は、第１屈曲部Ｒ_１で９本から８本に減少し、次の屈曲部で８本から７本に減少する。そして、この間の流路溝の位置における流量分布は、８０％から６０％へと変化する。次に、第２屈曲部Ｒ_２から第３屈曲部Ｒ_３までの流路溝の本数は、第２屈曲部Ｒ_２で７本から６本に減少し、その後２つ目の屈曲部で６本から５本に減少する。そして、この間の流路溝の位置における流量分布は、６０％から４０％へと変化する。さらに、第３屈曲部Ｒ_３から第１ガス排出口７３ｄまでの流路溝の本数は、第３屈曲部Ｒ_３で５本から４本に減少し、その後２つ目の屈曲部で４本から３本に減少し、さらにその後２つ目の屈曲部で３本から２本に減少する。そして、この間の流路溝の位置における流量分布は、４０％から２０％へと変化する。

次に、反応面７３ｂ内の特定の位置における流路溝の本数の最適化について、より具体的に説明する。図４は、この反応面７３ｂ内の特定の位置における流路溝の本数の最適化を説明するための概念図である。図４（ａ）は、第１セパレータ７３の主平面上にある反応面７３ｂの設置位置及び寸法を示す図であり、基本的に図３に示す形状と同様である。ここで、下記の式を導く前提として、反応面７３ｂにおけるＺ方向の長さ、すなわち、第１ガス導入口７３ｃに連接される流路溝の入口と、第１ガス排出口７３ｄに連接される流路溝の出口との間の長さをＬとする。

図４（ｂ）は、図４（ａ）に示す反応面７３ｂ内の特定の位置に対して、ガスの供給量及び消費量と、最適となる流路溝の本数とを示す図である。具体的には、図４（ｂ）に記載の正方形は、図４（ａ）に示す反応面７３ｂに対応している。正方形の縦方向は、ガス入口側からガス出口側に向かう距離ｘを示している。一方、正方形の横方向は、反応面７３ｂを流れるガスの流量を示している。ここで、入口において供給されたガス量をＭとする。また、供給されたガスは、流路７３ａの流路溝を流通するにつれて次第に消費されていくので、流路７３ａを通じて消費されたガス量をＭ’とする。このとき、ガス利用率ｓは、ｓ＝Ｍ’／Ｍである。また、ガス出口側の流路溝の本数をｎとする。さらに、出口で排出されるガス量は、Ｍ−Ｍ’＝Ｍ−ｓＭ＝Ｍ（１−ｓ）となる。したがって、ガス出口側での流路溝１本あたりのガス量ｍは、ｍ＝Ｍ（１−ｓ）／ｎとなる。

この場合、入口からの距離ｘで消費されるガス量Ｍ’（ｘ）は、式（３）で表される。
Ｍ’（ｘ）＝（Ｍ’／Ｌ）・ｘ （１）
したがって、入口からの距離ｘで流れているガス量Ｍ−Ｍ（ｘ）’は、式（３）から、式（４）で表される。
Ｍ−Ｍ’（ｘ）＝Ｍ−（Ｍ’／Ｌ）・ｘ
＝Ｍ−（ｓＭ／Ｌ）・ｘ
＝Ｍ（１−（ｓ／Ｌ）・ｘ） （４）

そして、入口からの距離ｘでの流路溝１本あたりを流れるガス量と、ガス出口側での流路溝１本あたりを流れるガス量ｍとが等しくなるように、式（５）に示すように、流路本数Ｎ（ｘ）を設定する。
Ｎ（ｘ）＝（Ｍ−Ｍ’（ｘ））／（Ｍ（１−ｓ）／ｎ）
＝（Ｍ（１−（ｓ／Ｌ）・ｘ））／（Ｍ（１−ｓ）／ｎ）
＝（１−（ｓ／Ｌ）・ｘ）／（（１−ｓ）／ｎ）
＝（ｎ／（１−ｓ））・（１−（ｓ／Ｌ）・ｘ） （５）

このように、式（５）によれば、入口からの距離ｘの位置におけるガスの流量分布に基づいた最適な流路溝の本数を求めることができる。例えば、図４（ｂ）では、流路溝の本数を、数字を丸で囲んで表記し、入口からの距離ｘの位置において最適となる流路溝の本数は、図中斜線で示す分布で表すことができる。なお、図４（ｂ）に示す例では、入口からの距離ｘの位置において最適となる流路溝の本数が８本であることがわかる。

次に、本実施形態に係るセパレータ、燃料電池及び再生型燃料電池システムの作用及び効果について説明する。

第１に、第１セパレータ７３又は第２セパレータ７４において、流路７３ａ等の流路を構成する流路溝を流れるガスは、徐々にガス拡散層に吸収されてアノード７１又はカソード７２側での反応に用いられる。したがって、その流量は、次第に減少し、反応面７３ｂ等におけるガスの流量分布が変化する。ここで、なんら対策を講じない場合には、ガスの流量の減少に伴ってガスの流速も次第に落ちるため、その結果、セパレータと、それに隣接するガス拡散層との間でガス交換作用のムラを生じさせるおそれがある。そこで、本実施形態では、予めガスの流量分布の変化を考慮し、上記のように流量分布に合わせて流路溝の本数を減らすことで、流路７３ａ等の流路溝を流れるガスの体積流量すなわち流速の均一化を図ることが可能となる。

また、本実施形態に係る燃料電池１は、上記のような効果を奏する第１セパレータ７３又は第２セパレータ７４を備えるので、第１セパレータ７３又は第２セパレータ７４とそれに隣接するガス拡散層とのガス交換作用のムラを極力少なくすることができる。そのため、燃料電池１は、アノード７１又はカソード７２において触媒を有効に活用することができ、ひいては、発電性能や運転時の安定性を向上させることができる。さらに、本実施形態に係る再生型燃料電池システム１００は、このような燃料電池１を備えるので、システム全体としても、発電性能や運転時の安定性を向上させることができる。

第２に、本実施形態に係る第１セパレータ７３又は第２セパレータ７４によれば、上記のとおりガスの流速の均一化を図ることができるため、ガス出口側の流路でも、ガスの流速を確保することができる。ここで、本実施形態の利点を説明するに際し、まず、従来のセパレータで生じ得る流路における水つまりについて略説する。

図６は、従来の燃料電池の構成を示す概略断面図である。ここで、従来の燃料電池は、電解質膜８０と、燃料極としてのアノード８１及び酸素極としてのカソード８２と、酸素を流通させる流路８３ａを有する第２セパレータ８３とを含む。ここで、流路８３ａは、Ｚ方向プラス側からマイナス側へ連接されており、不図示であるが、Ｚ方向プラス側の入口から導入されたガスは、Ｚ方向マイナス側の出口から排出される。特に第２セパレータ８３の流路８３ａには、燃料電池１内での反応で生じた水が導入され、導入された水は、流路８３ａ内を伝ってガス出口側へ向かう。したがって、流路８３ａ内の水は、図６に示すように、特にガス出口側に近い流路８３ａに溜まりやすく、好適に排出しなければ、水つまりが生じるおそれがあった。

そのため、従来は、ガス出口側に近い流路８３ａにおいて、ガスの流速を増加させ、流路８３ａ内の水を外部に排出させることで水つまりの発生を抑えている。このとき、ガスの流速を増加させる方法としては、予め反応に必要なガスの流量以上のガスを燃料電池１内に供給させ、反応に用いられなかった余剰ガスの流れで、反応により生成された水を排出していた。しかし、余剰ガスを外部に投棄する非再生型の燃料電池システムでは、余剰ガスが増加すると、燃料利用率が下がり、燃費が悪化するため、望ましくない。一方、余剰ガスを循環させて再利用する再生型燃料電池システムでは、余剰ガスが増加すると、循環ポンプなどの容量を大きくする必要が生じるため、望ましくない。

これに対して、本実施形態では、ガス出口側の流路でもガスの流速を確保することができるので、排水性能を向上させ、水つまりの発生を抑えることができる。そして、本実施形態によれば、従来のように余剰ガスを増加させる必要がない。このことは、非再生型でも、余剰ガスを循環する動力を極力抑え、高い利用率での運転を求められる燃料電池や、本実施形態に係る燃料電池１のように、純水素及び純酸素を用いる再生型としての燃料電池に、特に好適である。

以上のように、本実施形態に係る、燃料電池用のセパレータによれば、反応面内の流路を流れるガスの流速を均一化するのに有利となる。また、本実施形態に係る燃料電池、又はそれを用いた再生型燃料電池システムによれば、このようなセパレータを有することから、発電性能や運転時の安定性を向上させる点で有利となる。

なお、本実施形態に係る第１セパレータ７３又は第２セパレータ７４によれば、燃料電池１が内部自己加湿を行う構成を有する場合でも、流路７３ａ等の流路においてスムーズに水を移動させることができる点で有利となる。

図５は、内部自己加湿の原理について説明するための図である。内部自己加湿を行う燃料電池１では、アノード７１を流れるガスとカソード７２を流れるガスとを対向させて流す。このような対向流を実現するためには、アノード７１又はカソード７２のどちらか一方において、重力に逆らってガスを流すことが必要となる。この場合、例えば、図５（ａ）に示すように、アノード７１を、図３に示す場合とはＺ方向で反対となるように設置すればよい。これにより、図５（ｂ）に示すように、カソード７２で生成された水が電解質膜７０を浸透してアノード７１へ達し、カソード７２の出口付近から供給された、乾いたアノードガスを加湿することで、当該浸透してきた水を、その後の反応に利用させることができる。燃料電池１は、このような内部自己加湿を行うことで、別途、加湿器を設置する必要がなくなる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、この実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

７３ 第１セパレータ
７３ａ 流路
７３ｂ 反応面
７３ｃ 第１ガス導入口
７３ｄ 第１ガス排出口
７４ 第２セパレータ

Claims (4)

1. 主平面上に反応面が設定された板状の本体部と、
   前記反応面に設けられ、それぞれ並伸し、ガスを流通させる流路を構成する複数の流路溝と、
   前記複数の流路溝にガスを導入させる導入口と、
   前記複数の流路溝を通過したガスを外部に排出する排出口と、を有し、
   前記複数の流路溝は、前記流路溝の幅を維持しながら、隣り合う前記流路溝と連通し、
   前記排出口の側にある前記流路溝の本数は、前記導入口の側にある前記流路溝の本数よりも少なく、
   前記流路溝の本数は、前記反応面でのガスの流量分布に基づいて決定される、燃料電池用のセパレータ。
2. 前記排出口に連接される前記流路溝の本数をｎとし、
   前記反応面におけるガスの利用率をｓとし、
   前記反応面において、前記導入口に連接される前記流路溝の入口と、前記排出口に連接される前記流路溝の出口との間の長さをＬとし、
   前記流路溝の入口からの距離をｘとすると、
   前記距離ｘの位置における前記流路溝の本数Ｎ（ｘ）は、
   Ｎ（ｘ）＝（ｎ／（１−ｓ））・（１−（ｓ／Ｌ）・ｘ）
   で表される、請求項１に記載のセパレータ。
3. 電解質膜と、
   前記電解質膜を挟み込むアノード及びカソードと、
   前記電解質膜、前記アノード及び前記カソードを含む接合体を挟み込み、前記アノード又は前記カソードに、反応面からガスを供給する請求項１又は２に記載のセパレータと、
   を有する燃料電池。
4. 水素と酸素とを用いて発電する請求項３に記載の燃料電池と、
   前記燃料電池から排出されたガスから水を回収して水素と酸素とを生成し、前記燃料電池での発電に利用させる水電解装置と、
   を有する再生型燃料電池システム。