JP2002352817A

JP2002352817A - 高分子電解質型燃料電池

Info

Publication number: JP2002352817A
Application number: JP2001157208A
Authority: JP
Inventors: Tatsuto Yamazaki; 達人山崎; Yoshiaki Yamamoto; 義明山本; Hiroki Kusakabe; 弘樹日下部; Hideo Obara; 英夫小原; Nobunori Hase; 伸啓長谷; Shinsuke Takeguchi; 伸介竹口
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2001-05-25
Filing date: 2001-05-25
Publication date: 2002-12-06

Abstract

(57)【要約】【課題】ＭＥＡの最大外形寸法が導電性セパレータ板
の最大外形寸法より小さい場合、組み上げられた燃料電
池スタックにおける導電性セパレータ板の周縁部におい
て、ＭＥＡを挟んで微少な隙間が発生し、その隙間部分
で短絡が発生するおそれがある。また、カーボン製セパ
レータ板は強度が弱い。【解決手段】導電性セパレータ板のＭＥＡと接する側
の周縁部に、電気絶縁性材料の層を設けることにより、
セパレータ板端部の絶縁性を確保し、セパレータ板間で
の微少短絡を防止する。電気絶縁性材料の層により、セ
パレータ板の強度を向上させる。カソード側セパレータ
板とアノード側セパレータ板とで冷却部を構成する際、
両者の接合面に、突部と凹部による嵌合部を設け、位置
あわせを容易にする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ポータブル電源、
電気自動車用電源、家庭内コージェネレーションシステ
ム等に使用される固体高分子電解質を用いた燃料電池に
関する。

【０００２】

【従来の技術】固体高分子電解質を用いた燃料電池は、
水素を含有する燃料ガスと、空気など酸素を含有する燃
料ガスとを、電気化学的に反応させることで、電力と熱
とを同時に発生させるものである。この燃料電池は、基
本的には、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質
膜、および高分子電解質膜の両面に形成された一対の電
極、すなわちアノードとカソードから構成される。前記
の電極は、通常、白金族金属触媒を担持したカーボン粉
末を主成分とし、高分子電解質膜の表面に形成される触
媒層と、この触媒層の外面に形成される、通気性と電子
導電性を併せ持つ拡散層からなる。

【０００３】電極に供給される燃料ガスおよび酸化剤ガ
スが外にリークしたり、二種類のガスが互いに混合しな
いように、電極の周囲には高分子電解質膜を挟んでガス
シール材やガスケットが配置される。このシール材やガ
スケットは、電極および高分子電解質膜と一体化してあ
らかじめ組み立てられる。これを、ＭＥＡ（電解質膜−
電極接合体）と呼ぶ。ＭＥＡの外側には、これを機械的
に固定するとともに、隣接したＭＥＡを互いに電気的に
直列に接続するための導電性のセパレータ板が配置され
る。セパレータ板のＭＥＡと接触する部分には、電極面
に反応ガスを供給し、生成ガスや余剰ガスを運び去るた
めのガス流路が形成される。ガス流路はセパレータ板と
別に設けることもできるが、セパレータ板の表面に溝を
設けてガス流路とする方式が一般的である。この溝に反
応ガスを供給するためは、ガスを供給する配管を、使用
するセパレータ板の枚数に分岐し、その分岐先を直接セ
パレータ板の溝につなぎ込む配管治具が必要となる。こ
の治具をマニホルドと呼び、上記のようなガスの供給配
管から直接つなぎ込むタイプを外部マニホルドを呼ぶ。
このマニホルドには、構造をより簡単にした内部マニホ
ルドと呼ぶ形式のものがある。内部マニホルドとは、ガ
ス流路を形成したセパレータ板に、貫通した孔を設け、
ガス流路の出入り口をこの孔まで通し、この孔から直接
反応ガスを供給するものである。

【０００４】燃料電池は運転中に発熱するので、電池を
良好な温度状態に維持するために、冷却水等で冷却する
必要がある。通常、１〜３セル毎に冷却水を流す冷却部
が設けられる。冷却部をセパレータ板とセパレータ板と
の間に挿入する形式と、セパレータ板の背面に冷却水流
路を設けて冷却部とする形式とがあり、後者が多く利用
される。これらのＭＥＡとセパレータ板および冷却部を
交互に重ねていき、１０〜２００セル積層した後、集電
板と絶縁板を介して端板で挟み、締結ボルトで端板同士
を固定するのが一般的な積層電池の構造である。このよ
うな高分子電解質型燃料電池では、セパレータ板は導電
性が高く、かつ反応ガスに対して気密性が高く、更に水
素／酸素を酸化還元する際の反応に対して高い耐食性を
持つ必要がある。このような理由から、セパレータ板
は、通常等方性黒鉛や膨張黒鉛などのカーボン材料で構
成され、ガス流路もその表面での切削や、膨張黒鉛の場
合は型による成型などによって作製される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来の導電性セパレー
タ板と前述したＭＥＡを積層した燃料電池において、導
電性セパレータ板はカーボンを材料にしているため、強
度的に弱く、扱い方によっては導電性セパレータ板の破
損につながる可能性がある。また、ＭＥＡの最大外形寸
法が導電性セパレータ板の最大外形寸法より小さい場
合、組み上げられた燃料電池の導電性セパレータ板とＭ
ＥＡの積層部分の端部において、ＭＥＡを挟む導電性セ
パレータ板間に微少な隙間が発生する。そして、その隙
間を介して、導電性セパレータ板同士が接触したりする
と、ショートが発生し、発火、発熱の恐れもあり、危険
な状況になる。導電性セパレータ板を燃料電池の単電池
とともに積層して組み上げる際、単純に積層するだけで
は導電性セパレータ板の位置合わせが困難であり、大掛
かりな燃料電池組み立て用治具を必要としていた。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、燃料電池を組
み上げる際、導電性セパレータ板のガス流路用溝を設け
た面側に、積層されるＭＥＡのガスケット部分と重なる
周縁部に電気絶縁性材料の層を設けることで、導電性セ
パレータ板の強度を向上させるとともに、ＭＥＡを介し
て隣接する導電性セパレータ板の端部同士が接触しても
微少短絡の生じない構造の燃料電池を提供する。また、
導電性セパレータ板の周縁部に嵌合構造を持たせること
で、燃料電池組み立て時に積層される導電性セパレータ
板とＭＥＡの位置合わせを容易にする。

【０００７】本発明の高分子電解質型燃料電池は、高分
子電解質膜、前記高分子電解質を挟む触媒層を有する一
対の電極、および前記電極の周縁部に配置されたガスケ
ットからなる複数の電解質膜−電極接合体、前記電解質
膜−電極接合体を間に入れて交互に積層された複数の導
電性セパレータ板、前記電解質膜−電極接合体および導
電性セパレータ板に連通して形成された燃料ガスおよび
酸化剤ガスの入り口側および出口側のマニホルド穴、導
電性セパレータ板の一方の電極と接する面に設けられ、
燃料ガスの入り口側および出口側マニホルド穴を連絡す
る燃料ガスの流路、並びに導電性セパレータ板の他方の
電極と接する面に設けられ、酸化剤ガスの入り口側およ
び出口側マニホルド穴を連絡する酸化剤ガスの流路を具
備し、前記導電性セパレータ板の電解質膜−電極接合体
と接する側の周縁部に電気絶縁性材料の層を設けたこと
を特徴とする。

【０００８】前記電解質膜−電極接合体および導電性セ
パレータ板に連通して形成された冷却水の入り口側およ
び出口側のマニホルド穴を具備し、少なくとも一部の導
電性セパレータ板が、一方の面に酸化剤ガスの流路を有
し、他方の面に前記冷却水の入り口側および出口側マニ
ホルド穴を連絡する冷却水の流路を有するカソード側セ
パレータ板と、一方の面に燃料ガスの流路を有し、他方
の面に前記冷却水の入り口側および出口側マニホルド穴
を連絡する冷却水の流路を有するアノード側セパレータ
板とを、前記冷却水の流路を向き合わせて接合して構成
され、カソード側セパレータ板とアノード側セパレータ
板とは、一方に設けた突部と他方に設けた凹部とで相互
に嵌合していることが好ましい。前記導電性セパレータ
板とガスケットとは、一方に設けた突部と他方に設けた
凹部とで相互に嵌合していることが好ましい。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照しながら説明する。

【００１０】実施の形態１図１は高分子電解質膜−電極接合体（ＭＥＡ）のアノー
ド側の正面図であり、図２および図３はカソード側導電
性セパレータ板およびアノード側導電性セパレータ板を
兼ねる単一のセパレータ板、図４および図５はカソード
側導電性セパレータ板、図６および図７はアノード側導
電性セパレータ板をそれぞれ示す。図８は積層された燃
料電池の要部の断面図である。これらの図は、構造を説
明するためのものであって、各要素の相対的な大きさや
位置は必ずしも正確ではない。

【００１１】高分子電解質膜１およびこれを挟むカソー
ド２およびアノード３、これら各電極の周縁部に配置し
たガスケット４からＭＥＡ５が構成されている。このＭ
ＥＡ５を間にしてＭＥＡと交互に積層される導電性セパ
レータ板は、カソード側導電性セパレータ板とアノード
側導電性セパレータ板とを兼ねる単一のセパレータ板１
０、および冷却部を構成するためのカソード側導電性セ
パレータ板２０とアノード側導電性セパレータ板３０と
を組み合わせた複合セパレータ板の２種を用いた。ＭＥ
Ａ５は、図１に示すように、ガスケット４および高分子
電解質膜を貫通して酸化剤ガス、燃料ガス、および冷却
水のそれぞれ各一対のマニホルド穴７、８、および９を
有している。これらのマニホルド穴は、後述の導電性セ
パレータ板に設けられるマニホルド穴と連通する。そし
て、一対のマニホルド穴のうち一方が入り口側、他方が
出口側となる。セパレータ板１０は、図２および図３に
示すように、酸化剤ガスのマニホルド穴１１、燃料ガス
のマニホルド穴１２、および冷却水のマニホルド穴１５
を有し、カソード２と接する面には酸化剤ガスの入り口
側マニホルド穴と出口側マニホルド穴とを連絡するよう
に酸化剤ガスの流路１３を、またアノード３と接する面
には燃料ガスの入り口側マニホルド穴と出口側マニホル
ド穴とを連絡するように燃料ガスの流路１４を有する。
そして、両面の周縁部には、絶縁性材料からなる層１７
を有する。図では、わかりやすくするために、絶縁性材
料の層１７の部分に斜線を付している。以下に述べる絶
縁性材料の層２７および３７も同様に斜線を付してい
る。

【００１２】カソード側導電性セパレータ板２０は、図
４および図５に示すように、酸化剤ガスのマニホルド穴
２１、燃料ガスのマニホルド穴２２、および冷却水のマ
ニホルド穴２５を有し、カソード２と接する面には酸化
剤ガスの入り口側マニホルド穴と出口側マニホルド穴と
を連絡するように酸化剤ガスの流路２３を、また反対側
の面には冷却水の入り口側マニホルド穴と出口側マニホ
ルド穴とを連絡するように冷却水の流路２６を有する。
そして、カソードと接する面の周縁部には、絶縁性材料
からなる層２７を有する。アノード側導電性セパレータ
板３０は、図６および図７に示すように、酸化剤ガスの
マニホルド穴３１、燃料ガスのマニホルド穴３２、およ
び冷却水のマニホルド穴３５を有し、アノード３と接す
る面には燃料ガスの入り口側マニホルド穴と出口側マニ
ホルド穴とを連絡するように燃料ガスの流路３４を、ま
た反対側の面には冷却水の入り口側マニホルド穴と出口
側マニホルド穴とを連絡するように冷却水の流路３６を
有する。そして、アノードと接する面の周縁部には、絶
縁性材料からなる層３７を有する。

【００１３】これらカソード側導電性セパレータ板２０
とアノード側導電性セパレータ板３０とは、冷却水の流
路を有する面を向き合わせて接合されて複合セパレータ
板が構成され、流路２６と３６で冷却水の流路が構成さ
れる。従って、一方のセパレータ板の冷却水の流路を省
いても良い。セパレータ板２０と３０との接合部のガス
シール性は、適宜液状のシール剤で張り合わせることで
確保する。

【００１４】以上のセパレータ板１０と、セパレータ板
２０と３０を組み合わせた複合セパレータ板を交互に配
し、その間にＭＥＡ５を挿入して図８に示すような積層
電池が組み立てられる。これらセパレータ板の配列は、
図示の例に限られるものではない。ＭＥＡの最大外形寸
法が導電性セパレータ板の最大外形寸法より小さい場
合、組み上げられた燃料電池の導電性セパレータ板とＭ
ＥＡの積層部分の端部において、ＭＥＡを挟む導電性セ
パレータ板間に微少な隙間が発生する。しかし、図８か
ら明らかなように、セパレータ板のＭＥＡと接する面の
周縁部には、絶縁性材料の層１７および２７、３７が設
けてあるから、セパレータ板の周縁部同士が接触するこ
とがあっても短絡を生じることはない。

【００１５】セパレータ板は、従来と同様にカーボン材
料で構成し、ガス流路は切削加工または型による成形に
よって形成する。このセパレータ板の周縁部に形成する
絶縁性材料の層は、あらかじめ板状にしてこれを所定サ
イズに切断したものをセパレータ板に張り合わせる方
法、セパレータ板にモールド成形する方法などによって
セパレータ板に一体に接合する。絶縁性材料には、各種
エンジニアリングプラスチックを用いることができる。
特に、カーボン製セパレータ板の強度を補うには、ガラ
ス繊維などのフィラー入りのプラスチックを用いるのが
よい。セパレータ板材料に金属を用いる場合は、絶縁性
材料は、強度を考慮する必要はない。

【００１６】実施の形態２本実施の形態における複合セパレータ板を構成するカソ
ード側セパレータ板２０ａおよびアノード側セパレータ
板３０ａをそれぞれ図９および図１０に示す。カソード
側セパレータ板２０ａは、冷却水の流路２６を有する面
の２カ所に突部２８を有し、これと対応する裏面に凹部
を有する他はカソード側セパレータ板２０と同様の構造
である。また、アノード側セパレータ板３０ａは、冷却
水の流路３６を有する面の２カ所に、前記の突部２８に
嵌合する凹部３９を有し、これと対応する裏面に突部を
有する他はアノード側セパレータ板３０と同様の構造で
ある。これらセパレータ板２０ａと３０ａとを前者の突
部２８が後者の凹部３９に嵌合するように組み合わせて
複合セパレータ板を構成する。セパレータ板２０ａと３
０ａの接合部におけるシール性は、実施の形態１の場合
と同様に、適宜液状のシール剤で張り合わせることで確
保する。

【００１７】この複合セパレータ板のセパレータ板３０
ａには、燃料ガスの流路を有する面に、凹部３９に対応
して突部が形成されている。この突部は、これに接触す
るガスケットに設けた凹部に嵌合させる。また、セパレ
ータ板２０ａの酸化剤ガスの流路を有する面には、突部
２８に対応して凹部を有する。この凹部には、隣接する
ガスケットに設けた突部を嵌合させる。このようにし
て、複合セパレータ板を構成するカソード側セパレータ
板とアノード側セパレータ板とに相互に嵌合する突部と
凹部を設けて嵌合させるのみでなく、セパレータ板とＭ
ＥＡとに相互に嵌合する突部と凹部を設けることができ
る。これによって、積層電池の組み立てに際しての位置
あわせが確実となる。

【００１８】

【実施例】《実施例１》本実施例では、実施の形態１に
示す構造の高分子電解質型燃料電池を作製した。まず、
膨張黒鉛材料により導電性セパレータ板１０、２０、お
よび３０を圧縮成型により形成した。外形寸法は、厚さ
２ｍｍ、高さ１３０ｍｍ、幅２６０ｍｍであり、カソー
ドおよびアノードと対向する面には、セパレータ板の中
央部２０ｃｍ×９ｃｍの領域に、２．９ｍｍピッチ、幅
約２ｍｍのガス流路用溝を成形時に形成した。また、冷
却水の流路用溝は、ピッチ２．９ｍｍ、幅約２ｍｍとし
た。圧縮成形時、酸化剤ガス、燃料ガス、および冷却水
のマニホルド穴を設けた。こうして成形したセパレータ
板の外周部に、ガラス繊維入りのポリフェニレンサルフ
ァイド樹脂の層を張り付けた。この絶縁材料の層は、あ
らかじめ０．５ｍｍ厚のフィルム状にしたものを打ち抜
いて作製した。前記のカーボン製セパレータ板は、この
絶縁性材料の層を張り付ける周縁部は、厚みを１．０ｍ
ｍにした。

【００１９】セパレータ板１０における酸化剤ガスの流
路用溝と燃料ガスの流路用溝の位置は対応するように構
成し、電極に過剰なせん断力がかからないようにした。
冷却部を構成するセパレータ板２０と３０とは、冷却水
の流路が向き合うようにシール剤で貼り合わせた。シー
ル剤は、液状ガスケット（東レ・ダウコーニング・シ
リコーン株式会社：ＳＥ９１８６Ｌ）を用いた。

【００２０】一方、アセチレンブラック系カ−ボン粉末
に、平均粒径約３０Åの白金粒子を重量比７５：２５の
割合で担持したものを電極触媒とした。この触媒粉末を
イソプロパノールに分散させ、これに式（１）に示すパ
ーフルオロカーボンスルホン酸の粉末のエチルアルコー
ル分散液を混合し、ペースト状にした。このペーストを
原料としてスクリーン印刷法をもちいて、厚み２５０μ
ｍのカ−ボン不織布の一方の面に電極触媒層を形成し
た。この触媒層中に含まれる白金量は０．５ｍｇ／ｃｍ
²、パーフルオロカーボンスルホン酸の量は１．２ｍｇ
／ｃｍ²となるようにした。

【００２１】

【化１】

【００２２】式中、５≦ｘ≦１３．５、ｙ≒１０００、
ｍ＝１、ｎ＝２である。こうして作製した電極は、カソ
ード、アノード共に同一構成とし、電極より一回り大き
い面積を有するプロトン伝導性高分子電解質膜の中心部
の両面に、印刷した触媒層が電解質膜側に接するように
ホットプレスによって接合して、ＭＥＡを作製した。高
分子電解質膜には、式（１）（ただし、５≦ｘ≦１３．
５、ｙ≒１０００、ｍ＝２、ｎ＝２）で表されるパーフ
ルオロカーボンスルホン酸を２５μｍの厚みに薄膜化し
たものを用いた。電解質膜の露出した電極周縁部には、
弾性を有する樹脂製ガスケットを貼りつけた。

【００２３】以上に示したＭＥＡをセパレータ板を介し
て５０セット積層し、その積層体を集電板と絶縁板を介
して、２枚のステンレス鋼製の端板で挟み、端板同士を
締結ロッドで、１０ｋｇｆ／ｃｍ²の圧力で締結した。
このとき、ＭＥＡの最大外形寸法は、高さ１２９ｍｍ、
幅２５９ｍｍで設計し、セパレータ板およびＭＥＡを積
層する際、セパレータ板外周端部に治具を押し当て、位
置あわせをした。このように作製した本実施例の高分子
電解質型燃料電池を、８５℃に保持し、カソードに７８
℃の露点となるように加湿・加温した空気を、アノード
に８３℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガスをそ
れぞれ供給した。その結果、電流を外部に出力しない無
負荷時には、５０Ｖの電池開放電圧を得た。このとき、
各セパレータ板間の短絡状況を確認したが、短絡は検出
されなかった。

【００２４】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、セパレー
タ板端部での電気絶縁性を確保することで、ＭＥＡの最
大外形寸法を導電性セパレータ板の最大外形寸法より小
さく設計しても、微少短絡の発生を防ぐことができる。
また、燃料電池スタックの導電性セパレータ板およびＭ
ＥＡの積層部分において、導電性セパレータ板外周端部
での位置固定が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例における燃料電池のＭＥＡの正
面図である。

【図２】セパレータ板のカソード側の正面図である。

【図３】同セパレータ板の背面図である。

【図４】カソード側セパレータ板の正面図である。

【図５】同セパレータ板の背面図である。

【図６】アノード側セパレータ板の背面図である。

【図７】同セパレータ板の正面図である。

【図８】本発明の実施例における燃料電池の要部の断面
図である。

【図９】本発明の他の実施例におけるカソード側セパレ
ータ板の背面図である。

【図１０】同実施例のアノード側セパレータ板の背面図
である。

【符号の説明】

１高分子電解質膜２カソード３アノード４ガスケット５ＭＥＡ７、１１、２１、３１酸化剤ガスのマニホルド穴８、１２、２２、３２燃料ガスのマニホルド穴９、１５、２５、３５冷却水のマニホルド穴１３、２３、３３酸化剤ガスの流路１４、２４、３４燃料ガスの流路１６、２６、３６冷却水の流路１７、２７、３７絶縁性材料の層２８突部３９凹部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者日下部弘樹大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者小原英夫大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者長谷伸啓大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者竹口伸介大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内Ｆターム(参考） 5H026 AA06 CC03 CC08

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】高分子電解質膜、前記高分子電解質を挟
む触媒層を有する一対の電極、および前記電極の周縁部
に配置されたガスケットからなる複数の電解質膜−電極
接合体、前記電解質膜−電極接合体を間に入れて交互に
積層された複数の導電性セパレータ板、前記電解質膜−
電極接合体および導電性セパレータ板に連通して形成さ
れた燃料ガスおよび酸化剤ガスの入り口側および出口側
のマニホルド穴、導電性セパレータ板の一方の電極と接
する面に設けられ、燃料ガスの入り口側および出口側マ
ニホルド穴を連絡する燃料ガスの流路、並びに導電性セ
パレータ板の他方の電極と接する面に設けられ、酸化剤
ガスの入り口側および出口側マニホルド穴を連絡する酸
化剤ガスの流路を具備し、前記導電性セパレータ板の電
解質膜−電極接合体と接する側の周縁部に電気絶縁性材
料の層を設けたことを特徴とする高分子電解質型燃料電
池。
【請求項２】前記電解質膜−電極接合体および導電性
セパレータ板に連通して形成された冷却水の入り口側お
よび出口側のマニホルド穴を具備し、少なくとも一部の
導電性セパレータ板が、一方の面に酸化剤ガスの流路を
有し、他方の面に前記冷却水の入り口側および出口側マ
ニホルド穴を連絡する冷却水の流路を有するカソード側
セパレータ板と、一方の面に燃料ガスの流路を有し、他
方の面に前記冷却水の入り口側および出口側マニホルド
穴を連絡する冷却水の流路を有するアノード側セパレー
タ板とを、前記冷却水の流路を向き合わせて接合して構
成され、カソード側セパレータ板とアノード側セパレー
タ板とは、一方に設けた突部と他方に設けた凹部とで相
互に嵌合している請求項１記載の高分子電解質型燃料電
池。
【請求項３】前記導電性セパレータ板とガスケットと
は、一方に設けた突部と他方に設けた凹部とで相互に嵌
合している請求項１または２記載の高分子電解質型燃料
電池。