JP2003036865A

JP2003036865A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2003036865A
Application number: JP2001219811A
Authority: JP
Inventors: Yasuyuki Asai; 康之浅井; Takeshi Takahashi; 剛高橋; Toshiyuki Suzuki; 稔幸鈴木; Itsushin So; 一新曽; Koetsu Hibino; 光悦日比野; Toshiyuki Inagaki; 敏幸稲垣; Katsuhiro Kajio; 克宏梶尾; Tsutomu Ochi; 勉越智; Mikio Wada; 三喜男和田; Yuichi Yatsugami; 裕一八神
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2001-07-19
Filing date: 2001-07-19
Publication date: 2003-02-07
Anticipated expiration: 2021-07-19
Also published as: JP4432291B2

Abstract

(57)【要約】【課題】セパレータの割れを防止でき、かつ反応ガス
の流れ抵抗の増加も抑制できる、燃料電池の提供。【解決手段】（１）流体流路２６、２７、２８が形成
されたセパレータ１８を有し、流体流れ方向における前
記流体流路の少なくとも一部で、流体流路の溝底面３０
と該溝底面の両側の溝側面３１、３２のうち少なくとも
一方の溝側面とが湾曲面３３Ａまたは斜面３３Ｂからな
る連結面３３で連結されている燃料電池であって、セパ
レータ面圧に応じて前記流体流路の連結面３３のサイズ
を変えた燃料電池。（２）セパレータ１８はカーボンを
主成分とする。（３）セパレータ面内で最も外側に位置
する流体流路部分３４で他の流体流路部分より前記連結
面のサイズを大きくした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池に関し、
とくに固体高分子電解質型燃料電池のセパレータの割れ
防止構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】固体高分子電解質型燃料電池は、イオン
交換膜からなる電解質膜とこの電解質膜の一面に配置さ
れた触媒層および拡散層からなる電極（アノード、燃料
極）および電解質膜の他面に配置された触媒層および拡
散層からなる電極（カソード、空気極）とからなる膜−
電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assem
bly ）と、アノード、カソードに燃料ガス（水素）およ
び酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための反応
ガス流路を形成するセパレータとからセルを構成し、複
数のセルを積層してモジュールとし、モジュールを積層
してモジュール群を構成し、モジュール群のセル積層方
向両端に、ターミナル、インシュレータ、エンドプレー
トを配置してスタックを構成し、スタックをセル積層方
向に締め付けてセル積層体の外側でセル積層方向に延び
る締結部材（たとえば、テンションプレート）にて固定
したものからなる。固体高分子電解質型燃料電池では、
アノード側では、水素を水素イオンと電子にする反応が
行われ、水素イオンは電解質膜中をカソード側に移動
し、カソード側では酸素と水素イオンおよび電子（隣り
のＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通し
てくる）から水を生成する反応が行われる。アノード側：Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^- カソード側：２Ｈ⁺＋２ｅ^-＋（１／２）Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ燃料電池で発生するジュール熱およびカソードでの水生
成反応で出る熱を冷却するために、セパレータ間には、
各セル毎にあるいは複数個のセル毎に、冷媒（通常は冷
却水）が流れる冷媒流路が形成されており、そこに冷媒
が流されて燃料電池を冷却している。通常は、反応ガス
流路の横断面形状は矩形状であるが、スタック締結時ま
たはスタック締結後の燃料電池運転時に、反応ガス流路
の溝の横断面のコーナ部からカーボンセパレータに亀裂
が入ってセパレータが割れ、反応ガスのもれが生じるこ
とがある。それを防止するために、特開平６−９６７８
１号公報は、セパレータの反応ガス流路の横断面形状
を、溝底面で一律に同じ曲率の円弧状に形成して溝断面
のコーナ部の応力集中を緩和し、セパレータの割れを抑
制した燃料電池を開示している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、セパレータに
は、接触する相手（隣接セパレータ、ＭＥＡ、等）の固
さ、スタック締結荷重、運転時の熱膨張、等によって面
圧が大きい領域と低い領域とがあり、反応ガス流路の断
面形状を、ガス流れ方向に一律に同じ曲率の円弧状底壁
をもつ形状に形成すると、円弧形状によりセパレータの
割れが抑制できても、円弧形状により流路断面積が減少
して反応ガス流れ抵抗が増加してしまい、割れ防止とガ
ス流れの両方にとって最適化になっているとはいえな
い。本発明の目的は、セパレータの割れを防止でき、か
つ反応ガスの流れ抵抗の増加も抑制できる、燃料電池を
提供することにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明はつぎの通りである。（１）流体流路が形成されたセパレータを有し、流体
流れ方向における前記流体流路の少なくとも一部で、流
体流路の溝底面と該溝底面の両側の溝側面のうち少なく
とも一方の溝側面とが湾曲面または斜面からなる連結面
で連結されている燃料電池であって、セパレータ面圧に
応じて前記流体流路の前記連結面のサイズを変えた燃料
電池。（２）前記セパレータはカーボンを主成分とする材料
から構成されている（１）記載の燃料電池。（３）セパレータ面内で最も外側に位置する流体流路
部分で他の流体流路部分より前記連結面のサイズを大き
くした（１）記載の燃料電池。

【０００５】上記（１）の燃料電池では、セパレータ面
圧に応じて、湾曲面または斜面からなる連結面のサイズ
を変えたので、セパレータ面圧が大の領域だけ他の領域
より連結面のサイズを大とすることにより、セパレータ
面圧が大の領域で流体流路の溝からセパレータに亀裂が
発生することを抑制できるとともに、他の領域では流体
流路断面形状を従来通り（連結面のサイズを大としない
か連結面を設けない形状）とすることにより、連結面の
サイズを大とすることによる流体流路の断面積の減少と
それにより反応ガスの流れ抵抗が増加することを防止す
ることができる。上記（２）の燃料電池では、セパレー
タがカーボンセパレータからなる場合に、特に、流体流
路の溝のコーナ部からのセパレータの亀裂発生が問題に
なるが、セパレータを上記（１）のように構成すること
によって、効果的にセパレータの割れを抑制できる。上
記（３）の燃料電池では、セパレータ面内で最も外側に
位置する流体流路部分で他の流体流路部分より連結面の
サイズを大きくしたので、従来、セパレータの割れが発
生していた、最も外側に位置する流体流路部分からの割
れを防止することができる。

【０００６】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の燃料電池を図１
〜図５を参照して、説明する。本発明の燃料電池用セパ
レータが組み付けられる燃料電池は固体高分子電解質型
燃料電池１０である。固体高分子電解質型燃料電池１０
は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自
動車以外に用いられてもよい。

【０００７】固体高分子電解質型燃料電池１０は、図
４、図５に示すように、イオン交換膜からなる電解質膜
１１とこの電解質膜１１の一面に配置された触媒層１２
および拡散層１３からなる電極１４（アノード、燃料
極）および電解質膜１１の他面に配置された触媒層１５
および拡散層１６からなる電極１７（カソード、空気
極）とからなる膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membra
ne-Electrode Assembly ）と、電極１４、１７に燃料ガ
ス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給
するための反応ガス流路２７、２８（燃料ガス流路２７
および酸化ガス流路２８）および燃料電池冷却用の冷媒
（通常は冷却水）が流れる冷媒流路２６の少なくとも一
つが形成されたセパレータ１８とを重ねてセル（単電池
２９）を形成し、該セルを少なくとも１層積層してモジ
ュール１９とし、モジュール１９を積層してセル積層体
を構成し、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナ
ル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配
置してスタック２３を構成し、スタック２３をセル積層
方向に締め付けセル積層体の外側でセル積層方向に延び
る締結部材２４（たとえば、テンションプレート）とボ
ルト２５で固定したものからなる。

【０００８】冷媒流路２６は、セル毎に、または複数の
セル毎（たとえば、モジュール毎）に、設けられる。た
とえば、図５では、２つのセルが１モジュールを形成
し、モジュール毎に１つの冷媒流路２６が設けられてい
る。セパレータ１８は、冷媒流路２６を有するセパレー
タ１８Ａと、冷媒流路２６を有さないセパレータ１８Ｂ
を含む。ただし、全セパレータ１８に冷媒流路２６を設
ける場合はセパレータ１８Ｂはない。セパレータ１８Ｂ
は、燃料ガスと酸化ガスを区画する。セパレータ１８Ａ
は、燃料ガスと酸化ガスを区画するとともに、冷却水
と、燃料ガスおよび酸化ガスを区画する。セパレータ１
８は、また、隣り合うセルのアノードからカソードに電
子が流れる電気の通路をも形成している。

【０００９】セパレータ１８は、カーボン板（カーボン
粒子（粉末でもよい）を樹脂バインダで固めて成形した
もの）に、または導電性粒子（たとえば、カーボン粒
子）を混入して導電性をもたせた樹脂板に、冷媒流路２
６および／または反応ガス流路２７、２８を形成したも
のからなり、一体成形により形成されている。反応ガス
流路２７、２８（燃料ガス流路２７および酸化ガス流路
２８）および冷媒流路２６は、流体流路を構成する。流
体流路、たとえば反応ガス流路２７、２８および冷媒流
路２６の、少なくとも一部は、通常、セパレータ１８に
形成された溝からなっていてもよい。流体流路、たとえ
ば反応ガス流路２７、２８および冷媒流路２６の、溝か
らなる部分は、セパレータ面と平行に延びる少なくとも
一つの溝、たとえば、互いに並列な複数の溝、からなっ
ていてもよい。流体流路が並列な複数の溝からなる溝群
である場合、流体流路群は、セパレータ面内で屈曲して
（たとえば、蛇行して）延びてもよい。その場合、屈曲
部は、溝に代えて、セパレータに形成した多数の突起に
よって該セパレータと突起の先端面が接触する相手部材
との間に形成された隙間からなっていてもよい。そうす
ることによって、流体流路群の並列な溝の本数を屈曲部
の前後で容易に変えることができる。

【００１０】図２、図３に示すように、流体流路２７、
２８、２６の少なくとも１種の流路の、流体（燃料ガ
ス、酸化ガス、冷媒）流れ方向に沿って見た、少なくと
も一部は、流体流路の溝底面３０と溝底面３０の両側の
溝側面３１、３２のうち少なくとも一方の溝側面３１と
が、湾曲面３３Ａ（図２）または斜面３３Ｂ（図３）か
らなる連結面３３で連結された横断面（溝横断面）を有
している。湾曲面３３Ａは、たとえば、円弧面または楕
円面からなる。連結面３３はセパレータ成形時に型にて
成形される流体流路２７、２８、２６の溝の連結面３３
のサイズは、零（連結面無しで溝底面と溝側面とが角を
介して連結している場合）からフルサイズ（湾曲面３３
Ａが円弧である場合に円弧の半径が溝深さに等しい場
合、斜面３３Ｂの溝深さ方向の高さが溝の深さに等しい
場合）までの範囲で変えてよい。そして、流体流路２
７、２８、２６の溝の連結面３３のサイズ（連結面が円
弧である場合は円弧の半径、連結面が斜面である場合は
斜面の溝深さ方向の高さ）は、セパレータ面圧に応じて
変えられている。セパレータ面圧が大の部分では連結面
３３のサイズは大（ほぼフルサイズ）とされ、セパレー
タ面圧が小の部分では連結面３３のサイズは小かまたは
零（連結面無し）とされている。

【００１１】セパレータ面圧は、セパレータ面にかかる
圧力であり、スタック締結力、燃料電池運転時の熱膨張
・収縮、流体圧力などによって変化し、かつ、セパレー
タ面が接触する相手物の面によって変わる。たとえば、
セパレータ面の最外周に位置する流体流路部分３４（流
体流路群が蛇行している場合、１本の流体流路であって
も、ある部分ではセパレータ面の最外周に位置し、それ
以外の部分ではセパレータ面の最外周に位置しない場合
が生じるが、１本の流体流路であっても、そのうちのセ
パレータ面の最外周に位置する部分）およびその直近部
位では、セパレータは隣接するセパレータに圧接される
ので、セパレータ面圧は大であり、それより内側の流体
流路部分ではセパレータはセパレータに比べて柔らかく
緩衝性のあるＭＥＡに圧接されるので、セパレータ面圧
は外周部に比べて小である。したがって、流体流路２
７、２８、２６の溝の連結面３３のサイズは、セパレー
タ面の最外周に位置する流体流路部分３４において、大
とされ、それより内側の流体流路部分において、小（最
外周に位置する流体流路の連結面３３に比べて小）かま
たは零（連結面無し）とされている。

【００１２】セパレータ面の最外周に位置する流体流路
部分３４において、流体流路２７、２８、２６の溝に連
結面３３が設けられる場合は、連結面３３は、底壁面３
０と外側の側壁面３１との間に設けられる。ただし、連
結面３３が、底壁面３０と外側の側壁面３１との間に設
けられる他、底壁面３０と内側の側壁面３２との間にも
設けられてもよい。流体流路２７、２８、２６の流路断
面積が連結面３３を設けることによって減少する場合
は、減少したままにしてもよいし、あるいは流路幅を拡
げて流路断面積が縮小しないようにしてもよい。連結面
３３が設けられるのは、とくに反応ガス流路２７、２８
に対してであり、冷媒流路２６に対しては連結面３３は
設けられなくてもよい（ただし、設けてもよい）。冷媒
流路２６に連結面３３が無くてもよい理由は、冷媒流路
２６が設けられるセパレータ面には柔らかいＭＥＡがな
い（外周部に荷重が集中しない）ためである。ただし、
シールや接着材などの存在によっては、冷媒流路２６に
連結面３３を設ける方が有利な場合もある。

【００１３】つぎに、本発明の燃料電池の作用を説明す
る。まず、本発明の燃料電池では、セパレータ面圧に応
じて、湾曲面３３Ａまたは斜面３３Ｂからなる連結面３
３のサイズを変えたので、セパレータ面圧が大の領域だ
け他の領域より連結面３３のサイズを大とすることによ
り、セパレータ面圧が大の領域で流体流路２７、２８、
２６の溝からセパレータ１８に亀裂が発生することを抑
制できる。また、他の領域では流体流路断面形状を従来
通り（連結面３３のサイズを大としないか連結面３３を
設けない形状）とすることにより、連結面のサイズを大
とすることによる流体流路１８の流路断面積の減少とそ
れにより反応ガスの流れ抵抗が増加することを防止する
ことができる。これによって、セパレータ１８の割れ防
止からも、流体流路の流れ抵抗減少からも、流体流路２
７、２８、２６を最適化することができる。連結面３３
のサイズを大とすると、流体流路の溝断面のコーナ部が
無くなって、コーナ部に応力が集中することがなくな
り、かつコーナ部の厚さが厚くなって強度が上がるた
め、割れが発生しなくなる。

【００１４】セパレータ１８がカーボンセパレータから
なる場合、従来は、流体流路の溝の外側コーナ部からセ
パレータに亀裂が発生することがあったが、流体流路２
７、２８、２６を上記のように構成することによって、
カーボンセパレータであっても流体流路２７、２８、２
６からの割れを無くすことができる。また、セパレータ
面内で最も外側に位置する流体流路部分で他の流体流路
部分より連結面３３のサイズを大きくしたので、従来、
セパレータの割れが発生していた、最も外側に位置する
流体流路部分からの割れを防止することができる。

【００１５】

【発明の効果】請求項１の燃料電池によれば、セパレー
タ面圧に応じて、連結面のサイズを変えたので、セパレ
ータ面圧が大の領域だけ他の領域より連結面のサイズを
大とすることにより、流体流路の溝からセパレータに亀
裂が発生することを抑制できるとともに、他の領域で流
体流路断面形状を従来通りとすることにより、反応ガス
の流れ抵抗が増加することを防止することができる。請
求項２の燃料電池によれば、セパレータがカーボンセパ
レータからなる場合に、効果的にセパレータの割れを抑
制できる。請求項３の燃料電池によれば、セパレータ面
内で最も外側に位置する流体流路部分で連結面のサイズ
を大きくしたので、従来、セパレータの割れが発生して
いた、最も外側に位置する流体流路部分からの割れを防
止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明実施例の燃料電池のセパレータの正面図
である。

【図２】図１のＡ−Ａ線に沿う、連結面が円弧の場合
の、断面図である。

【図３】図１のＡ−Ａ線に沿う、連結面が斜面の場合
の、断面図である。

【図４】本発明実施例の燃料電池の正面図である。

【図５】本発明実施例の燃料電池の一部の断面図であ
る。

【符号の説明】

１０（固体高分子電解質型）燃料電池１１電解質膜１２触媒層１３拡散層１４電極（アノード、燃料極）１５触媒層１６拡散層１７電極（カソード、空気極）１８セパレータ１８Ａ冷媒流路を有するセパレータ１８Ｂ冷媒流路を有さないセパレータ１９モジュール２０ターミナル２１インシュレータ２２エンドプレート２３スタック２４テンションプレート２５ボルト２６冷媒流路２７燃料ガス流路（反応ガス流路）２８酸化ガス流路（反応ガス流路）２９単電池３０溝底面３１溝側面（外側）３２溝側面（内側）３３連結面３３Ａ湾曲面３３Ｂ斜面３４最外周の流体流路部分

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者鈴木稔幸愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者曽一新愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者日比野光悦愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者稲垣敏幸愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者梶尾克宏愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者越智勉愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者和田三喜男愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者八神裕一愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者新美治久愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内Ｆターム(参考） 5H026 AA06 CC01 CC03 CC10 EE05 HH03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】流体流路が形成されたセパレータを有
し、流体流れ方向における前記流体流路の少なくとも一
部で、流体流路の溝底面と該溝底面の両側の溝側面のう
ち少なくとも一方の溝側面とが湾曲面または斜面からな
る連結面で連結されている燃料電池であって、セパレー
タ面圧に応じて前記流体流路の前記連結面のサイズを変
えた燃料電池。
【請求項２】前記セパレータはカーボンを主成分とす
る材料から構成されている請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】セパレータ面内で最も外側に位置する流
体流路部分で他の流体流路部分より前記連結面のサイズ
を大きくした請求項１記載の燃料電池。