JP2009176490A - 燃料電池および燃料電池用セパレータ - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池に多孔質セパレータを採用した場合に、冷却水流路から導入ガスへの加湿能力を高める。
【解決手段】単位電池のそれぞれが、燃料極に隣接して配置されてその燃料極に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路５を形成する溝を有して多孔質材料で形成された第１のセパレータプレート１３と、酸化剤極に隣接して配置されてその酸化剤極に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路６を形成する溝を有して多孔質材料で形成された第２のセパレータプレート１４と、を備える。燃料電池積層体で、互いに隣接する単位電池の第１のセパレータプレート１３と第２のセパレータプレート１４とが互いに隣接する面の互いに対向する位置の両方に冷却水流路の一部を形成する溝を有し、これらの溝が合わさって冷却水流路１２が構成される。
【選択図】図５

Description

この発明は、単位電池を積層した積層体を有する燃料電池および、かかる燃料電池に組み込まれるセパレータに関する。

電解質としてプロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜を用いた燃料電池システムでは、水素を含む燃料ガス（アノード反応ガス）を燃料極（アノード極）に供給し、酸素を含む酸化剤ガス（カソード反応ガス）を酸化剤極（カソード極）に供給して発電を行なう。その際に、層状の燃料極、固体高分子電解質膜、酸化剤極に対し、燃料ガスと酸化剤ガスはセパレータに設けられたガス流路に沿って供給される。ガス流路は、ガス供給／排出マニホールドおよびガスリターンマニホールドと連通しており、燃料ガスおよび酸化剤ガスはガス供給／排出マニホールドのガス供給部からガスリターンマニホールドを介して、ガス流路の上流から下流へと流れ、ガス供給／排出マニホールドのガス排出部から外部へ排出される。電池反応によって燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素が消費され、反応生成物の水が水蒸気として排出される。

一方、固体高分子電解質膜は平衡する水蒸気圧により膜の含水率が変化し、電解質膜の抵抗が変化する特性があり、電解質膜の抵抗を小さくし、十分な発電性能を得るためには固体高分子電解質膜に水分を加える、つまり加湿が必要になる。加湿は燃料ガスや酸化剤ガスに予め水蒸気を添加する外部加湿方式と、セパレータを介して水を直接添加する内部加湿方式がある。

この固体高分子型燃料電池スタックは、一般的には一単位電池毎にセパレータが挿入されて構成される。このセパレータは、単位電池発電に伴う発熱を除去するための冷却除熱機能、単位電池を電気的に直列に接続するための導電機能、およびセパレータを介して配置された一方の単位電池のセパレータ側に流通する燃料ガスまたは酸化剤ガスと当該セパレータを介して配置された他の一方の単位電池のセパレータ側に流通する酸化剤ガスまたは燃料ガスのセパレータを貫通して混合を防止する反応ガス遮断機能を有している。また、所定の積層締付下で形状を保持できる機械的強度も有している。

これらのセパレータは、一方の面に燃料ガス（または酸化剤ガス）を単位電池反応面に供給するための反応ガス流路を形成し、他の面には冷却水を流通させるための流路を形成したプレートと、一方の面のみ酸化剤ガス（または燃料ガス）を単位電池反応面に供給するための反応ガス流路を形成したプレートを、冷却水流路形成面と平面を接着面として一体化して形成されるのが一般的である。

また、セパレータの材質としては特許文献１に代表される金属系が提案されているが、一般的には耐久性の点から炭素質あるいは黒鉛質炭素材料を主成分とするセパレータが使用されている。

炭素質あるいは黒鉛質を主体とするセパレータは、それらの粉体粒子を接着・結着する機能を有する樹脂で固着し、プレート化して用いられている。接着・結着機能を有する樹脂としては、一般的にはフェノール樹脂、エポキシ樹脂に代表される熱硬化性樹脂、またはポリフェニレン樹脂（ＰＰＳ）に代表される熱可塑性樹脂が用いられている。さらには、耐久性向上、電気導電性向上目的に上記プレートを高温処理（炭化処理あるいは黒鉛化処理）したセパレータが用いられている。

この炭素質あるいは黒鉛質を主体とするセパレータは、一般にはそのコストおよび物性の信頼性レベルの面から、熱硬化性樹脂を接着・結着剤とし、上記炭素質あるいは黒鉛質粉体の混合・混練した材料を熱間加圧成形したプレートから形成されている。またこの混合・混練物は、上記セパレータ機能を満たすため、９０重量％以上の炭素質あるいは黒鉛質粉と、１０重量％以下の熱硬化性樹脂（および硬化剤）と内部離型剤等成形補助剤との組成を有しているものが用いられている。

また、特許文献２に記載される燃料電池においては、上記セパレータの機能に加え反応ガスの加湿機能と単位電池内凝縮生成水除去機能を持つ多孔質セパレータが提案されている。

多孔質セパレータに関して、特許文献３に記載される燃料電池においては、燃料極、酸化剤極の少なくとも一方側に接する側のセパレータの気孔率を大きくし、他方の側の気孔率を小さくするものが提案されている。

通常の固体高分子形燃料電池では燃料電池に導入される反応ガスを加湿するための加湿器が必要であるが、多孔質セパレータを用いる場合、多孔質セパレータが加湿する機能を有するため、加湿器が不要となる。
特開２００３−１９３２０６号公報 特公平７−９５４４７号公報 特開２００５−１４２０１５号公報

通常のセパレータの場合は、燃料極と冷却水、もしくは酸化剤極と冷却水のどちらかがセパレータの両面に配される。そして片面にガス流路が配されたセパレータの平滑面に冷却水セパレータを接着する構成をとっている。しかしながらこの構成では片面のセパレータに供給されるガス導入部の裏にあたる箇所に接着剤などがあることになる。接着剤や接着シートは通常撥水性を示すことから、多孔質セパレータも撥水性を示し、水の移動・透過性や加湿性能が低下する。その結果、導入ガスの加湿が不十分となり、高分子膜の損傷や電池の性能低下をもたらす。

本発明の目的は、燃料電池に多孔質セパレータを採用した場合に、冷却水流路から導入ガスへの加湿能力を高めることにある。

上記目的を達成するために、本発明に係る燃料電池の一つの態様では、複数の単位電池を積層した積層体を有する燃料電池において、前記単位電池のそれぞれが、電解質膜と、前記電解質膜の両面をはさんでその電解質膜に隣接して配置された燃料極および酸化剤極と、前記燃料極に隣接して配置されてその燃料極に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路を形成する溝を有して多孔質材料で形成された第１のセパレータプレートと、前記酸化剤極に隣接して配置されてその酸化剤極に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路を形成する溝を有して多孔質材料で形成された第２のセパレータプレートと、を備え、互いに隣接する単位電池の前記第１のセパレータプレートと第２のセパレータプレートとが互いに隣接する面の互いに対向する位置の両方に冷却水流路の一部を形成する溝を有し、これらの溝が合わさって冷却水流路が構成されること、を特徴とする。

また、本発明に係る燃料電池の他の一つの態様では、複数の単位電池を積層した積層体を有する燃料電池において、前記単位電池のそれぞれが、電解質膜と、前記電解質膜の両面をはさんでその電解質膜に隣接して配置された燃料極および酸化剤極と、前記燃料極に隣接して配置されてその燃料極に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路を形成する溝を有して多孔質材料で形成された第１のセパレータプレートと、前記酸化剤極に隣接して配置されてその酸化剤極に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路を形成する溝を有して多孔質材料で形成された第２のセパレータプレートと、を備え、互いに隣接する単位電池の前記第１のセパレータプレートと第２のセパレータプレートとが互いに隣接する面の少なくとも一方に冷却水流路を形成する溝を有し、前記互いに隣接する単位電池の前記第１のセパレータプレートと第２のセパレータプレートの側面に接着剤が塗布されてこの接着剤によって前記第１のセパレータプレートと第２のセパレータプレートとが互いに接合されていること、を特徴とする。

また、本発明に係る燃料電池用セパレータは、複数の単位電池を積層した積層体を有する燃料電池における各単位電池の一部を構成する燃料電池用セパレータであって、電解質膜の第１の面に隣接して配置された燃料極の前記電解質膜の第１の面と反対側の面に隣接して配置されて前記燃料極に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路を形成する溝を有して多孔質材料で形成された第１のセパレータプレートと、電解質膜の第１の面と反対側の第１の面に隣接して配置された酸化剤極の前記電解質膜の第２の面と反対側の面に隣接して配置されて前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路を形成する溝を有して多孔質材料で形成された第２のセパレータプレートと、を備え、互いに隣接する単位電池の前記第１のセパレータプレートと第２のセパレータプレートとが互いに隣接する面の互いに対向する位置の両方に冷却水流路の一部を形成する溝を有し、これらの溝が合わさって冷却水流路が形成されるように構成されていること、を特徴とする。

本発明によれば、燃料電池に多孔質セパレータを採用した場合に、冷却水流路から導入ガスへの加湿能力を高めることができる。

以下、本発明に係る燃料電池および燃料電池用セパレータの実施形態について図面を参照して説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には共通の符号を付して、重複説明は省略する。

［第１の実施形態］
図１は本発明の第１の実施形態に係る燃料電池積層体の部分立断面図であって、図２のＩ−Ｉ線矢視断面図である。また、図２は本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の平断面図である。図３は図１の燃料電池積層体で互いに隣接する二つのセパレータプレートの部分拡大立断面図であって、図２のIII−III線矢視断面図である。

図１に示すように、この実施形態に係る燃料電池では、プロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜３をはさんで、燃料極１および酸化剤極２を配置する。燃料極１および酸化剤極２の外側をさらにセパレータ４ではさんでいる。セパレータ４は、燃料極１に隣接する第１のセパレータプレート１３と、酸化剤極２に隣接する第２のセパレータプレート１４とからなる。固体高分子電解質膜３と、これをはさむ燃料極１および酸化剤極２と、さらにそれらをはさむ第１のセパレータプレート１３および第２のセパレータプレート１４とで一つの単位電池４０が構成されていて、複数の単位電池４０が積層されて燃料電池積層体１１を構成している。

第１のセパレータプレート１３の燃料極１に隣接する位置に燃料ガス流路５を形成する溝が形成され、第２のセパレータプレート１４の酸化剤極２に隣接する位置に酸化剤ガス流路６を形成する溝が形成されている。さらに、第２のセパレータプレート１４の第１のセパレータプレート１３に隣接する位置に冷却水流路１２を形成する溝が形成されている。また、第２のセパレータプレート１４の酸化剤ガス流路６と同じ面上に、端部シールシート固定用段差１５が形成されている。

図２に示すように、燃料電池積層体１１の側面に、積層方向に延びる６個のマニホールドが形成されていて、それぞれが各単位電池の特定のガス流路または冷却水流路に連絡している。

すなわち、燃料ガス供給マニホールド８ａは燃料ガス流路５に連絡し、ここから水素を含む燃料ガスが供給される。燃料ガス排出マニホールド８ｂは燃料ガス供給マニホールド８ａの反対側に配置されて、燃料ガス流路５に連絡し、ここから燃料ガスが排出される。酸化剤ガス供給マニホールド９ａは酸化剤ガス流路６に連絡し、ここから酸素を含む酸化剤ガスが供給される。酸化剤ガス排出マニホールド９ｂは酸化剤ガス供給マニホールド９ａの反対側に配置されて、酸化剤ガス流路６に連絡し、ここから酸化剤ガスが排出される。冷却水供給マニホールド１０ａは冷却水流路１２に連絡し、ここから冷却媒体である冷却水が供給される。冷却水排出マニホールド１０ｂは冷却水供給マニホールド１０ａの反対側に配置されて、冷却水流路１２に連絡し、ここから冷却水が排出される。

電池反応によって燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素が消費され、反応生成物の水が水蒸気として排出される。

セパレータ４は、単位電池発電に伴う発熱を除去するための冷却除熱機能、単位電池を電気的に直列に接続するための導電機能、および、セパレータを介して互いに隣接する単位電池の燃料ガスと酸化剤ガスの混合を防止する反応ガス遮断機能を有している。また、所定の積層締付下で形状を保持できる機械的強度も有している。

セパレータ４の材質は、たとえば、炭素質あるいは黒鉛質炭素材料を主成分とする。炭素質あるいは黒鉛質を主体とするセパレータ４は、それらの粉体粒子を接着・結着する機能を有する樹脂で固着し、プレート化して用いてもよい。接着・結着機能を有する樹脂としては、フェノール樹脂、エポキシ樹脂に代表される熱硬化性樹脂、またはポリフェニレン樹脂に代表される熱可塑性樹脂を用いることができる。耐久性向上、電気導電性向上を目的として上記プレートを高温処理（炭化処理あるいは黒鉛化処理）してもよい。この炭素質あるいは黒鉛質を主体とするセパレータ４は、そのコストおよび物性の信頼性レベルの面から、熱硬化性樹脂を接着・結着剤とし、炭素質あるいは黒鉛質粉体の混合・混練した材料を熱間加圧成形したプレートから形成してもよい。

図１および図３に示すように、互いに隣接する二つの単位電池４０の第１のセパレータプレート１３と第２のセパレータプレート１４が貼り合わされることによりそれらの間に冷却水流路１２が形成されている。これらの貼り合わせに当たり、この実施形態では、側面に接着剤または接着シート２３を貼り付けており、貼り合わせ面には接着剤を塗布していない。

このような構成により、本実施形態では、冷却水流路１２の水が燃料ガス流路５および酸化剤ガス流路６に移動する際に撥水性の接着剤がその移動を妨げるのを回避できる。これにより、多孔質セパレータを通じて反応ガスに十分な加湿をすることができ、高分子膜の損傷や電池の性能低下を抑制できる。

［第２の実施形態］
図４は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池積層体で互いに隣接する二つのセパレータプレートの部分拡大立断面図である。この実施形態では、冷却水流路１２を形成する溝が第１のセパレータプレート１３側に形成されている。すなわち、第１のセパレータプレート１３の一方の面には燃料ガス流路５の溝が形成され、反対側の面には冷却水流路１２の溝が形成されている。酸化剤ガス流路６の溝が形成される第２のセパレータプレート１４側には、燃料ガス流路５の溝が形成されていない。

この場合でも第１の実施形態と同様に、第１のセパレータプレート１３と第２のセパレータプレート１４を貼り合わせることによってそれらの間に冷却水流路１２ができる。この場合に、第１の実施形態と同様に、貼り合わせ面に接着剤がないことから、冷却水流路１２の水が燃料ガス流路５および酸化剤ガス流路６に移動する際に撥水性の接着剤がその移動を妨げるのを回避できる。

［第３の実施形態］
図５は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池積層体で互いに隣接する二つのセパレータプレートの部分拡大立断面図である。この実施形態では、冷却水流路１２を形成する溝が第１のセパレータプレート１３と第２のセパレータプレート１４の両方に形成され、第１のセパレータプレート１３と第２のセパレータプレート１４を貼り合わせることによってそれらの間に冷却水流路１２ができる。この場合、冷却水流路１２を形成するために、第１のセパレータプレート１３に形成される溝と第２のセパレータプレート１４に形成される溝の位置を合わせ、それぞれの溝の深さは冷却水流路１２の深さの半分ずつとする。

第１のセパレータプレート１３と第２のセパレータプレート１４とを貼り合わせるために、第１および第２の実施形態と同様に、側面に接着剤または接着シート２３を貼り付けており、貼り合わせ面には接着剤を塗布していない。

この実施形態では、第１および第２の実施形態と同様に、冷却水流路１２の水が燃料ガス流路５および酸化剤ガス流路６に移動する際に撥水性の接着剤がその移動を妨げるのを回避できる。さらにこの実施形態では、第１のセパレータプレート１３と第２のセパレータプレート１４の両方に冷却水流路１２のための溝が形成されていることから、燃料ガス流路５および酸化剤ガス流路６と冷却水流路１２との間の距離が比較的短くなり、燃料ガスおよび酸化剤ガスへの加湿を十分に行なうことができる。

［第４の実施形態］
図６は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池積層体で互いに隣接する二つのセパレータプレートの部分拡大立断面図である。この実施形態は第３の実施形態の変形例であって、第１のセパレータプレート１３と第２のセパレータプレート１４とを貼り合わせるために、貼り合わせ面の一部に接着剤２３を塗布している。前述のように通常の接着剤２３は撥水性があるが、第３の実施形態と同様に冷却水流路１２のための溝が第１のセパレータプレート１３と第２のセパレータプレート１４の両方に形成されているので、冷却水流路１２から燃料ガス流路５および酸化剤ガス流路６への距離が比較的短くなり、燃料ガスおよび酸化剤ガスへの加湿を十分に行なうことができる。

［他の実施形態］
以上説明した各実施形態は単なる例示であって、本発明はこれらに限定されるものではない。たとえば、第１の実施形態（図３）における第２のセパレータプレート１４に形成された冷却水流路１２の溝と、第２の実施形態（図４）における第１のセパレータプレート１３に形成された冷却水流路１２の溝とを組み合わせ、しかもこれらの溝の位置を合わせない構成とすることも可能である。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池積層体の部分立断面図であって、図２のＩ−Ｉ線矢視断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の平断面図である。 図１の燃料電池積層体で互いに隣接する二つのセパレータプレートの部分拡大立断面図であって、図２のIII−III線矢視断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池積層体で互いに隣接する二つのセパレータプレートの部分拡大立断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池積層体で互いに隣接する二つのセパレータプレートの部分拡大立断面図である。 本発明の第４の実施形態に係る燃料電池積層体で互いに隣接する二つのセパレータプレートの部分拡大立断面図である。

符号の説明

１：燃料極（アノード極）
２：酸化剤極（カソード極）
３：固体高分子電解質膜
４：セパレータ
５：燃料ガス流路
６：酸化剤ガス流路
８ａ：燃料ガス供給マニホールド
８ｂ：燃料ガス排出マニホールド
９ａ：酸化剤ガス供給マニホールド
９ｂ：酸化剤ガス排出マニホールド
１０ａ：冷却水供給マニホールド
１０ｂ：冷却水排出マニホールド
１１：燃料電池積層体
２３：接着剤（接着シート）

Claims (5)

1. 複数の単位電池を積層した積層体を有する燃料電池において、
   前記単位電池のそれぞれが、
   電解質膜と、
   前記電解質膜の両面をはさんでその電解質膜に隣接して配置された燃料極および酸化剤極と、
   前記燃料極に隣接して配置されてその燃料極に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路を形成する溝を有して多孔質材料で形成された第１のセパレータプレートと、
   前記酸化剤極に隣接して配置されてその酸化剤極に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路を形成する溝を有して多孔質材料で形成された第２のセパレータプレートと、
   を備え、
   互いに隣接する単位電池の前記第１のセパレータプレートと第２のセパレータプレートとが互いに隣接する面の互いに対向する位置の両方に冷却水流路の一部を形成する溝を有し、これらの溝が合わさって冷却水流路が構成されること、
   を特徴とする燃料電池。
2. 前記互いに隣接する単位電池の前記第１のセパレータプレートと第２のセパレータプレートの互いに対向する面に接着剤が塗布されてこれらの第１のセパレータプレートと第２のセパレータプレートとが互いに接合されていること、を特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記互いに隣接する単位電池の前記第１のセパレータプレートと第２のセパレータプレートの側面に接着剤が塗布されてこの接着剤によって前記第１のセパレータプレートと第２のセパレータプレートとが互いに接合されていること、を特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
4. 複数の単位電池を積層した積層体を有する燃料電池において、
   前記単位電池のそれぞれが、
   電解質膜と、
   前記電解質膜の両面をはさんでその電解質膜に隣接して配置された燃料極および酸化剤極と、
   前記燃料極に隣接して配置されてその燃料極に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路を形成する溝を有して多孔質材料で形成された第１のセパレータプレートと、
   前記酸化剤極に隣接して配置されてその酸化剤極に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路を形成する溝を有して多孔質材料で形成された第２のセパレータプレートと、
   を備え、
   互いに隣接する単位電池の前記第１のセパレータプレートと第２のセパレータプレートとが互いに隣接する面の少なくとも一方に冷却水流路を形成する溝を有し、
   前記互いに隣接する単位電池の前記第１のセパレータプレートと第２のセパレータプレートの側面に接着剤が塗布されてこの接着剤によって前記第１のセパレータプレートと第２のセパレータプレートとが互いに接合されていること、
   を特徴とする燃料電池。
5. 複数の単位電池を積層した積層体を有する燃料電池における各単位電池の一部を構成する燃料電池用セパレータであって、
   電解質膜の第１の面に隣接して配置された燃料極の前記電解質膜の第１の面と反対側の面に隣接して配置されて前記燃料極に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路を形成する溝を有して多孔質材料で形成された第１のセパレータプレートと、
   電解質膜の第１の面と反対側の第１の面に隣接して配置された酸化剤極の前記電解質膜の第２の面と反対側の面に隣接して配置されて前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路を形成する溝を有して多孔質材料で形成された第２のセパレータプレートと、
   を備え、
   互いに隣接する単位電池の前記第１のセパレータプレートと第２のセパレータプレートとが互いに隣接する面の互いに対向する位置の両方に冷却水流路の一部を形成する溝を有し、これらの溝が合わさって冷却水流路が形成されるように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。

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