JP2003178776A

JP2003178776A - 燃料電池用セパレータ

Info

Publication number: JP2003178776A
Application number: JP2002270229A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Inagaki; 敏幸稲垣; Takeshi Takahashi; 剛高橋; Tsutomu Ochi; 勉越智; Katsuhiro Kajio; 克宏梶尾; Koetsu Hibino; 光悦日比野; Yasuyuki Asai; 康之浅井; Itsushin So; 一新曽; Toshiyuki Suzuki; 稔幸鈴木; Yuichi Yatsugami; 裕一八神; Mikio Wada; 三喜男和田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2001-10-01
Filing date: 2002-09-17
Publication date: 2003-06-27
Anticipated expiration: 2022-09-17
Also published as: JP4447204B2

Abstract

(57)【要約】【課題】発電面積として有効利用できる面積を増大で
き、かつ、燃料電池の過剰冷却を防止できる、燃料電池
用セパレータの提供。【解決手段】（１）一面にガス流路が形成され他面
に冷媒流路が形成された部分を有し該部分がプレスで形
成されている燃料電池用セパレータ１８Ａ、１８Ｂであ
って、ガス流路幅ｄ_G、冷媒流路幅ｄ_W、ガス流路断面
積Ｓ_G、冷媒流路断面積Ｓ_Wが、ｄ_G≧ｄ_W、またはＳ_G≧Ｓ_W の関係を満足している燃料電池用セパレータ。（２）前
記セパレータの、一面にガス流路が形成され他面に冷媒
流路が形成された部分がメタルからなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池（たとえ
ば、固体高分子電解質型燃料電池）用のセパレータに関
する。

【０００２】

【従来の技術】

【特許文献１】特開２０００−２２８２０７号公報

【０００３】固体高分子電解質型燃料電池は、膜−電極
アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly
）とセパレータとからなるモジュールを積層したもの
からなる。ＭＥＡ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
た触媒層からなる電極（カソード、空気極）とからな
る。アノード側触媒層とセパレータとの間、およびカソ
ード側触媒層とセパレータとの間には、拡散層が設けら
れる。ＭＥＡのアノード側のセパレータにはアノードに
燃料ガス（水素）を供給する燃料ガス流路が形成されて
おり、ＭＥＡのカソード側のセパレータにはカソードに
酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給する酸化ガス流路
が形成されている。モジュール積層体のモジュール積層
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が構成され、スタックがモジュ
ール積層方向に締め付けられ、モジュール積層体の外側
でモジュー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）とボルトにて固定される。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、またはモジュール積層
体の一端のセルのアノードで生成した電子が外部回路を
通してモジュール積層体の他端のセルのカソードにく
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ジュール熱とカソードでの水生成反応での熱を冷却する
ために、セパレータ間には、冷媒（通常は冷却水）が流
れる冷媒流路が形成されており、燃料電池を冷却してい
る。特開２０００−２２８２０７公報は、セパレータを
メタルからプレス成形にて形成し、おもて面に反応ガス
を、背面に冷却水を流すメタルセパレータを開示してい
る。該公報のセパレータでは、図面より、冷媒流路幅は
ガス流路幅より大になっている。また、該公報以外で
も、メタルセパレータの場合は、実際の製作において、
冷媒流路幅はガス流路幅より大になっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、メタルセパレ
ータのようにプレス成形で流路を形成するセパレータで
は、おもて面にガス流路を形成すると、背面の冷媒流路
は一義的に流路幅、流路断面積が定まる。その場合、従
来のように冷媒流路幅をガス流路幅に比べて大きくとる
と、つぎの問題が生じる。冷媒流路の溝底部のセパレータ部分は拡散層を押し
付けガスの触媒層への拡散を悪くする部分であるから、
冷媒流路幅が増えると、セル面積のうち発電面積として
有効利用できる面積が減少する。冷却水量が多くなり、メタルは熱伝導がよいので、
冷却しすぎとなる。冷却しすぎは、酸化ガス下流部でフ
ラッディングを起こしやすい。また、冷却水量が多くな
り、水の熱容量が大きくなって、冷却制御性が悪くなる
場合がある。本発明の目的は、流路がプレスで形成された燃料電池用
セパレータであって、発電面積として有効利用できる面
積を増大でき、かつ、燃料電池の過剰冷却を防止でき
る、燃料電池用セパレータを提供することにある。

【０００５】

【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）一面にガス流路が形成され他面に冷媒流路が形
成された部分を有し該部分がプレスで形成されている燃
料電池用セパレータであって、ガス流路幅ｄ_G、冷媒流
路幅ｄ_W、ガス流路断面積Ｓ_G、冷媒流路断面積Ｓ
_Wが、ｄ_G≧ｄ_W、またはＳ_G≧Ｓ_W の関係を満足している燃料電池用セパレータ。（２）前記セパレータの、一面にガス流路が形成され
他面に冷媒流路が形成された部分が高熱伝導材からなる
（１）記載の燃料電池用セパレータ。（３）前記高熱伝導材がメタルである（２）記載の燃
料電池用セパレータ。

【０００６】上記（１）の燃料電池用セパレータでは、
ｄ_G≧ｄ_W、または、Ｓ_G≧Ｓ_W（流路が溝状でない場
合は、ｄ_G、ｄ_Wが特定できなくなるが、その場合で
も、断面積＝流路高さ×流路幅であるため、断面積の関
係を特定すると流路幅の関係を特定できるため、断面積
の関係も併せて記載した）としてあるため、冷媒流路幅
が従来より小さくなる。冷媒流路幅が小さくなることに
よって、セパレータ冷媒流路溝底部によって押される拡
散層の面積が減少し、触媒層へのガス拡散の悪い部分の
面積が減少し、その結果、セル面積のうち発電に有効に
活用される部分（ガスが十分に拡散供給される触媒層部
分）の面積が増大する。また、冷媒流路幅が小さくなる
ことによって、冷却水量が低減し、セルの過剰冷却がな
くなるとともに、冷却水の熱容量も小さくなり制御性が
よくなる。過剰冷却を防止することによって、生成水に
よる酸化ガス下流部におけるフラッディングも抑制され
る。上記（２）、（３）の燃料電池セパレータでは、流
路形成部分が熱伝導率が大のため、冷却が過剰になりや
すいが、上記（１）の条件を満足していることが前提と
なっているので、冷却水量が小であり、過剰冷却を防止
できる。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の燃料電池用セパ
レータを図１〜図３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込まれる燃料電池は固体高分
子電解質型燃料電池１０である。本発明の燃料電池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。

【０００８】固体高分子電解質型燃料電池１０は、図１
〜図３に示すように、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：
Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータ１８とか
らなるモジュール１９を積層したものからなる。ＭＥＡ
は、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からなる電極１７（カソード、空気
極）とからなる。アノード側触媒層１２とセパレータ１
８との間には拡散層１３が設けられ、カソード側触媒層
１５とセパレータ１８との間には拡散層１６が設けられ
る。拡散層１３はアノード１４の一部と考えてもよい
し、拡散層１６はカソード１７の一部と考えてもよい。
モジュール積層体のモジュール積層方向両端に、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が構成され、スタック２３は、モ
ジュール積層方向に締め付けられ、モジュール積層体の
外側でモジュー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にて固定され
る。

【０００９】ＭＥＡのアノード１４側のセパレータ１８
にはアノード１４に燃料ガス（水素）を供給する燃料ガ
ス流路２７が形成されており、ＭＥＡのカソード１７側
のセパレータ１８にはカソード１７に酸化ガス（酸素、
通常は空気）を供給する酸化ガス流路２８が形成されて
いる。冷媒流路２６は隣接するモジュールのセパレータ
１８間に設けられ、冷媒流路２６には冷媒（通常、冷却
水）が流されて、ジュール熱および反応熱で温度が上昇
しようとする燃料電池を冷却する。冷媒流路２６は、セ
パレータ１８の、ガス流路（燃料ガス流路２７または酸
化ガス流路２８）が設けられる側の面（おもて側面）と
反対側の面（背面）に設けられている。

【００１０】触媒層１２、１５は、触媒成分、たとえば
白金（Ｐｔ）と、触媒成分を担持するカーボン（Ｃ）
と、電解質とからなる。拡散層１３、１６はカーボン
（Ｃ）が主成分であり、通気性を有する。セパレータ１
８は、一面にガス流路（燃料ガス流路２７または酸化ガ
ス流路２８）が形成され他面に冷媒流路２６が形成され
プレスで形成された部分（１８Ａまたは１８Ｂ）を有す
る。プレスで形成された部分（１８Ａまたは１８Ｂ）
は、たとえばメタルからなる。ただし、プレスで形成さ
れた部分（１８Ａまたは１８Ｂ）はメタルに限るもので
はなく、導電性樹脂をプレスで成形したものなどであっ
てもよい。以下は、プレスで形成された部分（１８Ａま
たは１８Ｂ）がメタルからなる場合を例にとる。

【００１１】プレスで形成された部分（１８Ａまたは１
８Ｂ）がメタルからなる場合、セパレータ１８は、メタ
ルセパレータ１８Ａ、１８Ｂと樹脂フレーム１８Ｃ、１
８Ｄとからなる。図３に示すように、セパレータ１８で
ＭＥＡを挟む際、ＭＥＡに対応する部分が中抜きされた
樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄをメタルセパレータ１８
Ａ、１８ＢのＭＥＡ側にそれぞれ配して、メタルセパレ
ータ１８Ａ、樹脂フレーム１８Ｃ、ＭＥＡ、樹脂フレー
ム１８Ｄ、メタルセパレータ１８Ｂの順に積層する。Ｍ
ＥＡの部分は、樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄが中抜きさ
れているので、メタルセパレータ１８Ａ、ＭＥＡ、メタ
ルセパレータ１８Ｂの順で積層されており、樹脂フレー
ム１８Ｃ、１８Ｄの部分は、ＭＥＡが張り出していない
ので、メタルセパレータ１８Ａ、樹脂フレーム１８Ｃ、
樹脂フレーム１８Ｄ、メタルセパレータ１８Ｂの順で積
層されている。ＭＥＡの部分は、燃料電池の発電部を構
成する。

【００１２】メタルセパレータ１８Ａ、１８Ｂは、不透
過性で、たとえば金属板（たとえば、ステンレス板）に
良導電性金属をメッキ（たとえば、ニッケルメッキ）し
たものからなる。メタルセパレータ１８Ａおよび樹脂フ
レーム１８Ｃは、燃料ガス（たとえば、水素）と冷媒
（たとえば、冷却水）を分離し、メタルセパレータ１８
Ｂおよび樹脂フレーム１８Ｄは、酸化ガス（たとえば、
酸素、通常は空気）と冷媒を分離する。また、メタルセ
パレータ１８Ａ、１８Ｂは、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形成している。

【００１３】メタルセパレータ１８Ａのうち燃料電池発
電部対応部の一面（ＭＥＡに対向する側の面）には、燃
料ガス流路２７が形成され、裏面には冷媒流路（冷却水
流路）２６が形成されている。同様に、メタルセパレー
タ１８Ｂのうち燃料電池発電部対応部の一面（ＭＥＡに
対向する側の面）には、酸化ガス流路２８が形成され、
裏面には冷媒流路（冷却水流路）２６が形成されてい
る。ガス流路の凹凸はプレス成形によって形成される。

【００１４】メタルセパレータ１８Ａ、１８Ｂおよび樹
脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄの、燃料電池発電部（ＭＥＡ
のある部分）を挟んで互いに対向する対向部３０、３１
には、冷媒流路２６に接続する冷媒マニホルド３２、燃
料ガス流路２７に接続する燃料ガスマニホルド３３、酸
化ガス流路２８に接続する酸化ガスマニホルド３４が形
成されている。燃料電池発電部対応部を挟んで互いに対
向する対向部３０、３１の一方３０には、入り側の冷媒
マニホルド３２ａ、出側の燃料ガスマニホルド３３ｂ、
入り側の酸化ガスマニホルド３４ａが設けられ、他方３
１には、出側の冷媒マニホルド３２ｂ、入り側の燃料ガ
スマニホルド３３ａ、出側の酸化ガスマニホルド３４ｂ
が設けられる。それぞれの入り側マニホルドと発電部流
路との間には流れをマニホルド長から燃料電池発電部全
幅に拡げる整流部３５が設けられ、それぞれの出側マニ
ホルドと発電部流路との間には流れを燃料電池発電部全
幅からマニホルド長に縮小する流れ整流部３６が設けら
れる。冷却水流路、燃料ガス流路、空気流路は、互いに
シールされる。図３の３７はモジュール間の冷媒シール
用のシール材である。

【００１５】図３（図２のＡ−Ａ線に沿って見た断面）
に示すように、一面にガス流路２７または２８が形成さ
れ他面に冷媒流路２６が形成され該部分がプレスで形成
されているセパレータ１８Ａ、１８Ｂにおける、ガス流
路幅（燃料ガス流路幅、酸化ガス流路幅）をｄ_G、冷媒
流路幅をｄ_W、ガス流路断面積（燃料ガス流路断面積、
酸化ガス流路断面積）をＳ_G、冷媒流路断面積をＳ
_W（冷媒流路断面は隣接するセルの冷媒流路同士連通し
ているが、Ｓ_Wは、図４に示すように、一方のセルの冷
媒流路断面積である）とした場合、それらのパラメータ
は、ｄ_G≧ｄ_W、またはＳ_G≧Ｓ_W の関係を満足している。そして、ピッチＤ（ガス流路の
ピッチ＝冷媒流路のピッチ）は、Ｄ＝ｄ_G＋ｄ_W である。なお、上記において、ガス流路幅ｄ_G、冷媒流
路幅ｄ_Wは、流路の深さ方向に流路の深さの中間点（深
さをｈとすると１／２ｈの点）での流路幅、または、Ｍ
ＥＡに接する面での、流路幅とする。また、ガス流路断
面形状が、図５に示すような、ガス流路開口幅がガス流
路底部幅より小となっている場合は、ＭＥＡに接する面
での流路幅とする。上記において、Ｓ_G≧Ｓ_Wの関係に
ついては、流路が溝状でない場合、たとえば、平板に多
数の突起をプレス成形したような場合は、溝幅ｄ_G、ｄ
_Wが特定できない場合があるが、その場合でも、断面積
＝流路高さ×流路幅であるため流路高さ（突起高さ）は
わかっているので、断面積の関係を特定すれば流路幅の
関係を特定できることになるため、断面積の関係も併せ
て記載したものである。そして、図示例では、一面にガ
ス流路が形成され他面に冷媒流路が形成されたセパレー
タ１８Ａ、１８Ｂは、高熱伝導材であるメタルからなっ
ている。

【００１６】つぎに、本発明の燃料電池用セパレータの
作用を説明する。従来セパレータでは、ｄ_G＜ｄ_W、ま
たは、Ｓ_G＜Ｓ_Wであったが、本発明の燃料電池用セパ
レータでは、ｄ_G≧ｄ_W、または、Ｓ_G≧Ｓ_Wとしてあ
るため、ガス流路幅ｄ_Gが本発明と従来とで同じ場合に
は、冷媒流路幅ｄ_Wが従来より小さくなる。また、ピッ
チＤが本発明と従来とで同じ場合には、冷媒流路幅ｄ_W
が従来より小さくなり、ガス流路幅ｄ_Gは従来より大き
くなる。

【００１７】冷媒流路幅ｄ_Wが小さくなることによっ
て、セパレータ冷媒流路溝底部によって押される拡散層
１３、１６の面積が減少し（拡散層のうち押されて密度
が高くなった部分はガス拡散性が悪くなるが、拡散層の
うち押されて拡散性が悪くなる部分の面積が減少し）、
触媒層１２、１５へのガス拡散の悪い部分の面積が減少
し、その結果、セル面積のうち発電に有効に活用される
部分（ガスが十分に拡散供給される触媒層部分）の面積
が増大する。また、冷媒流路幅ｄ_Wが小さくなることに
よって、冷却水量が低減し、セルの過剰冷却がなくなる
とともに、冷却水の熱容量も小さくなり制御性がよくな
る。また、過剰冷却を防止することによって、生成水に
よる酸化ガス下流部におけるフラッディングも抑制され
る。過冷却の場合は、飽和蒸気圧がさがって、水が生成
されやすいが、過剰冷却を防止することにより、水の生
成を抑制できる。

【００１８】メタルセパレータ１８Ａ、１８Ｂでは、流
路形成部分がメタルからなっているので、メタルが熱伝
導率が大でかつ熱容量も比較的小さいため、冷却が過剰
になりやすいが、ｄ_G≧ｄ_W、または、Ｓ_G≧Ｓ_Wの条
件を満足している限りは、冷却水量が小であり、過剰冷
却を防止できる。

【００１９】

【発明の効果】請求項１の燃料電池用セパレータによれ
ば、ｄ_G≧ｄ_W、または、Ｓ_G≧Ｓ_Wとしたため、冷媒
流路幅ｄ_Wを従来より小さくできる。冷媒流路幅が小さ
くなることによって、セパレータ冷媒流路溝底部によっ
て押される拡散層の面積が減少し、セル面積のうち発電
に有効に活用される部分（ガスが十分に拡散供給される
触媒層部分）の面積を増大できる。また、冷媒流路幅が
小さくなることによって、冷却水量が低減するので、セ
ルの過剰冷却がなくすことができ、酸化ガス下流部にお
けるフラッディングを抑制できるとともに、冷却制御性
をよくすることができる。請求項２、請求項３の燃料電
池用セパレータによれば、流路形成部分が高熱伝導材で
あるにもかかわらず、請求項１により、ｄ_G≧ｄ_W、ま
たは、Ｓ_G≧Ｓ_Wの条件を満足しているので、冷却水量
が小であり、過剰冷却を防止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のセパレータを備えた燃料電池の全体概
略図である。

【図２】本発明のセパレータを備えた燃料電池の１モジ
ュール分の分解斜視図である。

【図３】本発明のセパレータを備えた燃料電池の一部の
２モジュール分の拡大断面図である。

【図４】流路断面積Ｓ_G、Ｓ_Wの部分を、斜線を施して
示した断面図である。

【図５】ガス流路、冷媒流路の断面積が出口が絞られて
いる場合に、ｄ_G、ｄ_WをＭＥＡに接触する面でとるこ
とを示した断面図である。

【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燃料ガスと冷却水とを区画するメタルセパレー
タ１８Ｂ酸化ガスと冷却水とを区画するメタルセパレー
タ１８Ｃ樹脂フレーム１８Ｄ樹脂フレーム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締結部材（テンションプレート）２５ボルトまたはナット２６冷媒流路（冷却水流路）２７燃料ガス流路２８酸化ガス流路３０、３１対向部３２冷媒（冷却水）マニホルド３２ａ入り側の冷媒マニホルド３２ｂ出側の冷媒マニホルド３３燃料ガスマニホルド３３ａ入り側の燃料ガスマニホルド３３ｂ出側の燃料ガスマニホルド３４酸化ガス（空気）マニホルド３４ａ入り側の酸化ガスマニホルド３４ｂ出側の酸化ガスマニホルド３５整流部３６整流部３７シール部材（冷媒シール用）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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)発明者浅井康之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 BB02 CC03 CC08 EE02 HH02

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一面にガス流路が形成され他面に冷媒流
路が形成された部分を有し該部分がプレスで形成されて
いる燃料電池用セパレータであって、ガス流路幅ｄ_G、
冷媒流路幅ｄ_W、ガス流路断面積Ｓ_G、冷媒流路断面積
Ｓ_Wが、ｄ_G≧ｄ_W、またはＳ_G≧Ｓ_W の関係を満足している燃料電池用セパレータ。
【請求項２】前記セパレータの、一面にガス流路が形
成され他面に冷媒流路が形成された部分が高熱伝導材か
らなる請求項１記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項３】前記高熱伝導材がメタルである請求項２
記載の燃料電池用セパレータ。