JP2004165043A

JP2004165043A - 固体高分子形燃料電池及びセパレータ

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Publication number: JP2004165043A
Application number: JP2002330857A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Yamauchi; 博史山内; Hiroshi Takahashi; 高橋　　宏
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2002-11-14
Filing date: 2002-11-14
Publication date: 2004-06-10
Anticipated expiration: 2022-11-14
Also published as: US20050136315A1; JP3793141B2; DE10340215A1; US20040142226A1

Abstract

【課題】固体高分子形燃料電池において、セパレータ基板のガスクロスを防止すること。
【解決手段】固体高分子形燃料電池のセパレータを流路およびマニホールドを形成したセパレータ基板と２枚のフレームにより構成する。前記基板のマニホールドから流路面までの連絡部を櫛歯状あるいは格子状などの支持構造とし、前記セパレータ基板に形成されたガス導入マニホールド及びガス排出マニホールドの空間内に前記フレームのマニホールドを挟持する。反応ガスは基板に設けられた連絡部における櫛歯部あるいは格子部と２枚のフレームにより挟持されて形成される空間を通り出入りする。また前記フレームの内側に、反応ガスの折り返し部を設けることでサーペンタイン流路構造とすることができる。
【選択図】図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は固体高分子型燃料電池およびセパレータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
種々ある燃料電池の中で、固体高分子型燃料電池は、高分子からなる膜状の固体電解質が白金等の触媒を担持したカーボン電極で構成されている点が主な特徴である。このカーボン電極を燃料の水素ガスおよび酸化剤ガス（酸素あるいは空気）の流路を形成し、かつ集電作用を有する一対のセパレータで挟持した構造である。これを単セルといい、燃料電池スタックはこの単セルを複数個積層したものである。
【０００３】
これら部材の中で、セパレータは電極に効率よく反応ガスを供給するための部材であって、炭素系あるいは金属系の導電性材料で構成されている。ここで反応ガスは燃料ガスと酸化材ガスの総称である。
【０００４】
セパレータには多数の種類がある。反応ガスがセパレータ内に設けられた孔を通して隣り合うセパレータに供給される内部マニホールド型と、セパレータ内にガス通気用の貫通孔が無く、反応ガスをセパレータの側部から各々供給する外部マニホールド型に分けられる。
【０００５】
その他、セパレータが電極あるいは拡散層に接する面の構造の違いによっても幾つかに分類される。例えば、電極（拡散層）接触面が凹凸形状を有するセパレータ、あるいは平板と凹凸様や溝様の形状を有するインターコレクタを組み合わせたセパレータなどがある。セパレータ材料としては炭素系と金属系に大別されるが、金属は原料費が廉価で、かつ、量産性に優れるため、広く検討されている。また、金属薄板を使用するため、コンパクトで軽量化できるといったメリットも有る。
【０００６】
しかし、金属材料は腐食や不働態皮膜の成長による電池劣化や内部抵抗の増大、金属の塑性加工に起因する流路成形性の制限などがある。腐食発生や不働態皮膜成長による問題の解決方法が提案されている。流路の成形性の欠点を補うために、インターコレクタや複数の流路溝付金属板を組み合わせて対処している。これに対し、特開平８−２２２２３７号公報や特開平１０−０７５３０号公報には１枚の金属板でセパレータを構成する技術が公開されている。これらの従来技術によるセパレータは、流路溝を形成した１枚の金属板と、この金属板の周囲を包むような枠構造を設けた構造を有する。これらは１枚の金属板を用いるため、部品点数を少なくすることが可能であるため、コストの面で有利である。
【０００７】
セパレータのもう一つの課題は、マニホールドから電極面へ反応ガスを供給あるいは排出するためのマニホールドと電極面流路溝との間に凹凸構造を有する連結部において反応ガスが反対極へリークするガスクロスの発生である。これを解決する手段としてマニホールドから流路溝までの間に凹状の溝を形成したタイプと、この部位がトンネル状となったタイプが公開されている。前者のタイプではシール材や電解質膜が締め付け圧により、変形して連絡部の凹溝を塞いだり、間隙が生じることがある。
【０００８】
この間隙を介して反応ガスが反対側の極にリークするガスクロスが発生することもある。後者はこれらの欠点を克服するために工夫した方式である。例えば特開平９−３５７２６号公報で開示されているように、連結部の上面に板材を被覆したものがある。さらにはガス流路溝以外を樹脂で被覆し、平板の剥離防止やガスシール性の向上を図った特開２０００−１３３２８９号公報、さらにはガス流体抵抗を改善した特開２０００−１６４２２７号公報がある。第８回燃料電池シンポジウム講演予稿集（講演番号Ａ１−１２）（平成１３年５月１５日〜１６日、燃料電池開発情報センター主催）ではサブマリン構造と称する流路を連絡部に設け、板材を必要としない構造もある。
【０００９】
【特許文献１】特開平８−２２２２３７号公報（要約）
【特許文献２】特開平１０−７５３０号公報（要約）
【特許文献３】特開平９−３５７２６号公報（要約）
【特許文献４】特開２０００−１３３２８９号公報（要約）
【特許文献５】特開２０００−１６４２２７号公報（要約）
【非特許文献１】第８回燃料電池シンポジウム講演予稿集（講演番号Ａ１−１２）、平成１３年５月１５日〜１６日、燃料電池開発情報センター主催）（緒言、Ｆｉｇ．５）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術は主に炭素系セパレータなど、マニホールドや流路溝の成形性が比較的優れ、１〜２ｍｍ程度以上の肉厚を有する材料へ適用が可能であった。しかし、金属薄板からプレス成型で製作したものは上記の従来技術を適用することが困難である。原料に用いる金属は肉厚０．２ｍｍ前後の薄板であるため、マニホールド部、連絡部にはトンネル構造やサブマリン構造を適用するだけの充分な肉厚がとれないことに理由がある。
【００１１】
セパレータに求められる更なる機能は、反応ガスを効率良く電極に供給することである。セパレータ材料が炭素系の場合は任意の流路形状が可能であるため、効果的なセパレータを得やすいが、金属の場合は塑性加工の限界が有り、炭素系に比べると成形性の自由度が低い。黒鉛材料のセパレータでは一枚のセパレータの両面にサーペンタイン型流路構造（蛇行流路）を形成することが可能であったが、金属プレス加工ではこれが困難である。
【００１２】
サーペンタイン型流路にすると、適度な任意の流路長が得られるため、ガスの流配を均一化しやすいという利点がある。そのため、複数の金属板を組み合わせて所望の流配を得る工夫がなされている。単純な直線流路はプレス成型が可能であるものの、反応ガスの均一流配が難しく、特に高出力密度での発電には不向きである。また、ガスが均一に配流されないため、電気化学反応が不均一になりやすく、電極の寿命の点からも好ましくない。
【００１３】
通常、燃料電池用のセパレータとして内部マニホールド型を金属薄板で形成しようとした場合、金属薄板の中央部に流路溝や突起などの加工を施して反応ガスが流れる通り道を形作る。このようにして成型されたセパレータは流路溝を押し出した分、厚さが大きくなるが、流路溝の周辺部は板のままである。したがって、流路溝を押し出した分に相当する肉厚を有するフレームを周辺部に被せ、厚みを調整することが必要となる。このとき、マニホールドから流路溝までガスを通すための通路を設けることが必須となり、板材を単純に打ち抜いたフレームを使用することはできない。その結果、フレーム自身にマニホールドから流路溝までのガス導入路を設けなければならず、フレームに流路溝を形成するための工程が増えることになる。
【００１４】
本発明の目的は、セパレータ基板と２枚のフレームにより構成されるセパレータと電解質膜との接する部位のガスクロスの発生を防止することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、セパレータ基板に設けた反応ガスの出入り口のマニホールドを櫛歯状あるいは格子状などの形態とすることにより、フレーム自体に流路溝を形成させる必要が無くなる。したがって単純な打ち抜きで造られたフレームの使用が可能となる。同時に、本発明によればフレームに流路溝が設けられていないため、マニホールドに隣接する連絡部におけるフレームやＭＥＡの変形に起因した反応ガスのガスクロスを防止する手段を提供する。また、前記フレームに折り返しのための流路を形成することによりセパレータ基板が単純な直線流路構造であってもサーペンタイン（ｓｅｒｐｅｎｔｉｎｅ、蛇行）流路とすることができる。
【００１６】
本発明のセパレータを用いて複数のセルを積層することにより、ガスクロスが少なく、適切な流路構造とすることが可能となるため、低コスト化だけでなく、発電出力、効率、寿命を向上させることができる。
【００１７】
本発明は電解質膜やシール材の押し潰しによる連絡部の凹溝の閉塞や、発生した隙間を介して反応ガスが反対側の極にリークするガスクロスを防止する手段を採用する。また、セパレータ基板が単純な直線流路構造であってもサーペンタイン流路とするための手段を用いた。
【００１８】
従来のセパレータにおいて、１枚の金属板からセパレータを形成する場合、外周部に枠材が必要となる。同時に、この枠材にはマニホールドからの反応ガスを流路溝まで導入あるいは排出（連絡部に相当）するためのガス流路溝を設ける必要があり、製造方法が複雑化する。本発明によれば、マニホールド部の枠材への流路加工が不要となり、製造方法の単純化を図ることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の１つの態様は、イオン導電性を有する高分子電解質と、該電解質を挟持する一対の電極部及び燃料及び酸化剤ガスを該電極部のそれぞれに供給するためのセパレータを具備した燃料電池を対象とする。前記セパレータは反応ガスを電極に供給するための流路たとえば溝及びマニホールド及び該マニホールドから該流路までの間に連絡部が形成されているセパレータ基板を用いる。前記セパレータ基板の表裏面に面接し反応ガスをシールする機能を有するフレームを有し、該連絡部は前記セパレータ基板の表から裏にかけて貫通した空隙部と、前記セパレータの両面に一対のフレームを接面して形成される空間部を有する。該フレームと該流路がセパレータと電極部の積層方向に重ならないようにする。これによって、積層方向に圧力がかかってもフレームが変形してセパレータとフレームの間にガスクロスの原因となる空間が生じることが無い。
【００２０】
また本発明は燃料や酸化剤となる反応ガスを電極に供給するための溝及びマニホールドが形成されているセパレータ基板と、反応ガスをシールする機能を有するフレームを前記セパレータの表裏面に面接した一組のセパレータを提供する。前記セパレータは表裏両面に流路溝及び反応ガスの出入口用のマニホールドを有する。前記マニホールドから前記流路溝までの間に連絡部を具備する。前記連絡部は前記セパレータの表から裏にかけて貫通した空隙部を有し、前記セパレータの両面に２枚のフレームを接面して形成される空間部を反応ガスが通過するようにした。
【００２１】
他の態様においては、上記の態様のセパレータにおける連絡部が櫛歯状あるいは格子状である。前記連絡部を挟んで一対のフレームが接面されるように構成し、前記フレーム基板と櫛歯状の前記連絡部により形成される空間を反応ガスが通過するようにした。また、上記フレームの厚さを全て等しくした。また、上記フレームにガス流れ方向を変えるための流路溝部が形成されているか、あるいは前記フレームの内側に反応ガスが隣り合う流路溝への移動を妨げる１個又は複数の突起物を設ける。
【００２２】
他の態様においては、前記セパレータおよびフレームはそれぞれ金属材料および高分子材料である。そして、前記セパレータの表面の一部または全部に導電性耐食性層が形成され、前記フレームは少なくとも１種類以上の多層構造である。また、他の態様においては、少なくともイオン導電性を有する電解質部と、前記電解質部を挟持するように設けられた電極部，反応ガスを前記電極部に供給するためのセパレータを具備する。
【００２３】
（実施例）
（実施例１）
本発明の各態様について固体高分子形燃料電池を例にとり、図１，図２及び図３を用いて説明する。
【００２４】
図１は本発明の第一の態様による燃料電池用セパレータを示す。セパレータ基板１は燃料となる水素ガスや酸化剤ガスの出入り口用のマニホールド７２がそれぞれ１箇所づつ４隅に、中央両端には冷却水が貫通するためのマニホールドが２箇所、合計６個設けられている。中央部には１．５往復型の流路溝８が形成されている。フレーム６Ａおよびフレーム６Ｂがセパレータ基板１の両面に接面され、一組のセパレータが形成される構造となっている。フレーム６はセパレータ基板１と同等の外径を有し、セパレータ基板１の流路溝部８とマニホールド７１に接する面が抜かれた、平板構造である。フレーム６をセパレータ基板１と面接させることにより、マニホールド７１から流路溝８にかけて空間部９が形成される。したがって反応ガスはマニホールド７１から流路溝８に至る過程で一旦、空間部９を経ることになる。
【００２５】
図２は図１に示したセパレータ基板１のマニホールド７１における断面図を示した図である。図において、燃料電池として機能させるために必要なＭＥＡ４（ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ；高分子電解質膜に触媒を担持した電極を塗布、接着、印刷したもの）およびガス拡散層（電極）５も併せて図示した。このＭＥＡ４はスルホン化したフッ素系樹脂などの高分子電解質２に白金等の触媒を担持したカーボン電極を塗布、接着、印刷した物である。
マニホールド７１、７６からの反応ガスが空間部９を経て前記流路溝８に流れる。セパレータ基板１は黒鉛等の炭素材料あるいは樹脂と炭素材料との混合物を機械切削加工によって造ることができる。樹脂と炭素材料との混合物を予めマニホールドや流路溝を形取った金型に流し込み、加熱圧縮成型や射出成形といった手段を用いることも可能である。同様に、金属材料でセパレータ基板１を成型してもよく、機械加工、型鍛造、射出成形、鋳造、プレス成型などの方法がとられる。フレーム６は特に材料を限定するものではないが、ガスシール性、耐熱性に優れ、かつ、耐薬品性を有するＥＰＤＭ（エチレンプロピレンゴム）、フッ素系ゴム、シリコーン系ゴムなどの高分子材料が好ましい。
【００２６】
ここで、従来のセパレータにおける連絡部の構造を説明する。通常、フレームに用いられている材料はシール性を保つために、ゴムなどの変形しやすい素材であることが多い。フレーム単体では強度が弱く、セパレータ１０１を積層したときにその締め付け圧力により変形し、変形により生じるＵ字状のダレにより、ガスクロスが発生しやすくなる。その例を図３に示した。２枚のセパレータ基板１Ａ、１Ｂの間にＭＥＡ４およびフレーム６が挟持され、ある一定の圧力で締め付けられている。その際、フレーム６にゴムのような材料を選ぶと締め付けによりフレーム６が圧縮され、反応ガスをマニホールド７から流路溝８まで導入する部位である連絡部１０１においてＭＥＡ４およびフレーム６が連絡部１０１の溝に食い込むように変形することがある。
【００２７】
このように変形すると、本来、セパレータ基板１Ｂ、ＭＥＡ４及びフレーム６が密着しガスシールが保たれるべきものが、セパレータ基板１ＢとＭＥＡ４の端面がマニホールド７と同一面に有る。そのため、変形により生じた隙間を通って反対側の電極にガスがリークすることになる。本実施例ではマニホールド７１から流路溝８へ向かう過程で、連絡部１０を空間部９とし、かつフレーム６やＭＥＡ４の端面がないため、ガスクロスの発生が抑制される。
【００２８】
（実施例２）
実施例２では、連絡部１０を櫛歯状とすることで金属セパレータのフレームを単純化する例を示す。
【００２９】
図４はマニホールド７１から流路溝８にかけての連絡部１０を櫛歯状あるいは格子状とした例である。図５は図４に示したセパレータ基板１及びフレーム６Ａ及び６Ｂを互いに接面してアッセンブリー化したときの平面図及び断面図を示す。図５（Ｂ）はセパレータの断面図で図５（Ｃ）のＢ−Ｂ‘に沿った断面図である。図５（Ａ）はセパレータ基板１の表面に面接されたフレーム６Ａの平面図であり、図５（Ｃ）はセパレータ基板１の裏面に面接されたフレーム６Ｂ側から見た平面図である。この図から明らかなように、マニホールドを形成する空間部９（連通部１０）はフレームによって圧接されない構造となっている。
【００３０】
セパレータ基板１は金属薄板をプレス加工により中央部に流路溝８、および周辺部にマニホールド７１を形成した構造を有する。セパレータ基板１を挟み、表裏面にフレーム６Ａ、６Ｂが接面されている。セパレータ基板１のマニホールドから流路溝８にかけて（連絡部１０に相当）は櫛歯状の構造を有し、この櫛歯部を２枚のフレーム６Ａと６Ｂにより挟持するため、空間部９（連絡部１０に相当）が形成される。
【００３１】
反応ガスはこのように形成された空間部９を通過し、ヘッダー部１２で分配され、流路溝８に供給される。ただし、フレーム６Ａと６Ｂは櫛歯状の部位を挟んで互いに面接する箇所はいずれか一方が櫛歯部を完全に被覆し、もう一方は櫛歯部の一部が露出するように被覆する構造となっている。そのため、櫛歯部に流れ込んだ反応ガスは櫛歯部の一部が露出している面にのみ流れ込み、反応ガスが任意の面に到達しないような構造となっている。この様子を図６に示した複数のセパレータ基板１を積層した断面で表す。ただし、同図は簡略化するため、ガス拡散層５や電池を冷却するための冷却セルを除いて記載している。
【００３２】
このような構成とすることにより、フレーム６はマニホールド７から流路溝８へ反応ガスを供給、分配するための流路を必要とせず、単純な打ち抜き加工で成型することができる。このようにできたフレーム６はいずれの場所でも同一の肉厚を有する。
【００３３】
（実施例３）
実施例２ではマニホールド７から流路溝８にかけての連絡部１０における形状を、櫛歯状にすることによりフレーム６に流路溝を形成することを不要とした。同様の機能が、連絡部１０の形状を格子状あるいは半格子状にしても可能である。その例を図７に示した。
【００３４】
図７は連絡部１０とマニホールド７の構造が実施例１と異なる他は同じ形状なので一つのマニホールド近傍のみを拡大して示した。図４に示した櫛歯状と格子状の違いは櫛歯の歯先が対向するマニホールドまで達しているか否かである。前者はプレス打ち抜き加工時に押え片が４辺のうち、１辺だけあるので、微細な櫛歯を形成しようとした際に櫛歯部がねじれたりあるいはプレス金型の押さえから滑る等して精度よく加工できないことがある。後者は４辺のうち、２辺が金型に押さえられるため、より微細加工が容易となる。同じ効果が図８に示した構造であっても得られる。図８はマニホールド７に格子状部の一部が位置する構造である。
【００３５】
実施例２および実施例３で用いたセパレータ基板１は金属薄板であるが、同様の構造は炭素系セパレータであっても可能である。
【００３６】
（実施例４）
実施例２および実施例３においてフレーム６の材質を規定してないが、特に材料を限定していない。金属、樹脂などの打ち抜きや機械加工あるいは射出成形などの各種手段により成型できるものであれば、機能および効果は同じである。セパレータ基板１にフレーム６を面接させる手段も特に問わない。燃料電池の動作温度で熱的安定性が有りかつ、水、蒸気などにより変性しない物質であればよい。フレーム６にガスシールのためのガスケット機能を付与する場合、選択する材料は硬度の小さい材料が好ましい。
【００３７】
例えばＥＰＤＭ（エチレンプロピレンゴム）、シリコンゴム、フッ素ゴムなどが耐熱性、耐薬品性の点で優れている。ただし、硬度が小さくなる（弾性が大きくなる）と、図３に示したように、連絡部１０に相当する櫛歯部や格子状部でフレーム６がセパレータ基板１側に押しつぶされ、ガス通路の閉塞や、反応ガスのガスクロスが発生する可能性がある。これを防止するため、フレーム６を多層構造とし、前記多層体のうち、少なくとも一層に弾性の小さな材料を含むようにすればフレーム６の剛性が保たれるので閉塞やガスクロスを防止できる。以下、その一例を示す。
【００３８】
図９は図５（Ｃ）で示したＢ−Ｂ‘に沿った右側マニホールド近傍の断面を表す一例である。フレーム６Ａ，６Ｂは３層構造を有し、例えば外層部６１はゴムで、中央部は樹脂６２である。外層部の硬度（ＩＲＨＤ，ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＲｕｂｂｅｒＨａｒｄｎｅｓｓ）５０〜６０前後の軟らかい材料を選択すれば外表面が軟らかく、ガスシール性のあるフレーム６Ａ、６Ｂを得ることができる。前記フレーム６Ａ、６Ｂの外層はＥＰＤＭ、中央層はＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）フィルムで構成され、ＰＥＴ層の肉厚は０．４ｍｍ、ＥＰＤＭの肉厚は０．１ｍｍで、全肉厚は０．６ｍｍである。
【００３９】
前記フレーム６Ａ、６ＢはＰＥＴシートを２組のＥＰＤＭで被覆し、熱圧着ロールで造られる。セパレータ基板１は肉厚０．４ｍｍのＳＵＳ３１６Ｌステンレス製金属板をプレス成型し、金属板中央部の表裏に流路溝８を張り出した構造である。前記セパレータ基板１がフレーム６Ａ、６Ｂと接する位置１１から流路溝８における流路溝頂点８１までの高低差は０．４ｍｍである。セパレータ基板１とフレーム６Ａ、６Ｂを面接させたときのフレーム６Ａ、６Ｂの表面位置６３から流路溝頂点８１まで０．２ｍｍの高低差がある。この０．２ｍｍの差分にガス拡散層５Ａ，５Ｂを設置し、更にその外側にＭＥＡ４Ａ，４Ｂを面接させる構造となっている。
【００４０】
フレーム６Ａ、６Ｂは図９に示したように外層６１がＥＰＤＭのゴムであるため、セパレータ基板１およびＭＥＡ４Ａ，４Ｂと接することでガスシールを良好に維持することができる。また、中央層６２に、厚く硬いＰＥＴを用いているため、セルの締め付けによる変形が少なく、連絡部１０におけるガス閉塞やガスクロスを防止することが可能である。
【００４１】
フレーム６Ａ、６Ｂの肉厚公差がＭＥＡ４Ａ，４Ｂの膜厚に比べ、充分小さいときは、ＭＥＡ４Ａ、４Ｂ自身をガスケット代わりとして使用することが可能である。通常、ＭＥＡ４Ａ、４Ｂの膜厚は薄いもので２０μｍ程度、厚いもので１００あるいは２００μｍである。フレーム６Ａ，６Ｂに使用する材料の肉厚公差がこれより小さければ、膜自身がフレーム６の凹凸を吸収するため、ガスシール機能が得られる。これによりＭＥＡ４Ａ，４Ｂと接するフレーム６Ａ，６Ｂの面は弾性を有する層６１を設ける必要がなくなるので、例えばＰＥＴ／ＥＰＤＭのような２層構造とすることも可能である。
【００４２】
さらにはフレーム６Ａ，６Ｂとセパレータ基板１とを接着剤を介して固定する場合はフレーム６Ａ，６Ｂは硬い材料を単層で用いることができる。フレーム６Ａ，６Ｂの材料と同様に接着剤も耐熱性、耐薬品性、耐水性があれば特に限定しない。代表的な接着剤として市販の液状ガスケット、シリコンシーラント等が使用できる。これらは接着作用とシール作用を有しており好適である。
【００４３】
（実施例５）
上述した実施例においてフレーム６に反応ガス折り返し用の流路溝を具備した実施例を以下に示す。
【００４４】
セパレータの機能は反応ガスを効率良く電極へ供給し、発電により発生した電力をロスすることなく隣り合うセパレータに電圧、電流を伝えることである。特に流路溝８の構造は寿命や発電性能に影響をおよぼす反応ガスの圧損、生成水の排水性、反応による熱分布、電気抵抗等を考慮して溝幅、溝深さ、流れ方向等が決められる。セパレータ基板１を炭素板や金属板などの板材から機械加工してセパレータを形成する場合は任意の形状を有するセパレータを得ることができる。金属薄板をプレス成型して流路溝を形成する方法では、金属材料を塑性加工することになり、その結果金属材料が有する硬さ、強度、伸びなど材料特性に依存した加工限界が存在する。この限界を超えてセパレータを加工成型すると、反りや割れが発生する。そのため所望の流路溝形状を形成することが難しい。
【００４５】
普通、電池性能や寿命が向上するように、流路溝を流れる反応ガスの流速を早くして、電極への反応ガスの供給速度を増すとともに、生成した水をスムーズに排出するように工夫されている。そのため、セパレータの流路溝構造は多かれ少なかれサーペンタイン型（蛇行型）である。金属薄板をプレス成型すると、材料の加工限界により適度な流路溝幅、深さを有するサーペンタイン構造を形成することが困難である。また、１枚の金属板の表裏に反応ガスを流すタイプでサーペンタインを形成しようとすると、酸化剤ガスと燃料ガスとのマニホールドの位置が一致するため、１枚の金属板プレスセパレータによるサーペンタイン流路化は困難である。
【００４６】
以下の実施例ではフレームに反応ガスの折り返し用の流路溝等を形成させることにより、比較的プレス成型が容易な直線流路構造のセパレータをサーペンタイン化する一例を示す。
【００４７】
図１０はフレーム６Ａ，６Ｂに流路溝を形成したセパレータの鳥瞰図を示す。同図には反応ガスの流れの経路も示した。この図から明らかなように、マニホールドを形成する空間部９（連通セパレータ基板１はＳＵＳ３１６Ｌステンレス鋼をプレス成型してできており、図４に示したものと同形である。前記セパレータ基板１の両面には射出成型により成型したＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）製フレーム６Ａ，６Ｂをシリコンシーラントで接着している。
【００４８】
フレーム６Ａ，６Ｂはマニホールド７の他に、折り返し流路溝１１（図示せず）が内側に形成されている。反応ガスはマニホールド７、フレーム６Ａ，６Ｂにより挟持されて形成される連絡部１０を通過し、流路溝８に達する。反応ガスは流路溝８に沿って流れた後、折り返し流路溝１１に至る。折り返し流路溝１１の端部は流路溝８と密接しているため、反応ガスは隣り合う流路溝８を超えることなく、折り返し流路溝１１を通過する。ここで、反応ガスの進路が１８０度反転し、折り返し流路溝１１を出た後、次の折り返し流路溝１１に進む。これを繰り返して、出口側のマニホールド７から排出される。
【００４９】
本実施例では折り返し流路溝１１をセパレータ基板１に対し反対側に設けたが、折り返し流路溝１１の面がセパレータ基板１と面しても同じ効果が得られる。この場合、連絡部１０と折り返し流路溝１１が重ならないようにする必要がある。このように、フレーム６に折り返し流路溝１１を設けることにより直線流路構造を有するプレスセパレータをサーペンタイン流路とすることができ、反応ガスの流速を早めることが可能となる。
【００５０】
同様の効果が次に示すフレーム構造によっても得られる。図１１はフレーム６Ａ，６Ｂの内側に突起１３を設け、反応ガスが突起１３を越えて隣り合う流路溝８に達しないようにすることで、サーペンタイン流路溝を形成した例である。直線流路溝を進行してきた反応ガスはヘッダー部に到達する際、突起１３を超えることができないので、進路方向を１８０度反転する。このような方法によってもサーペンタイン化が可能である。
【００５１】
以上に示した実施例は代表的な例であり、本発明はマニホールドの数、位置に依存せず、種種の燃料電池用セパレータに適用できる。連絡部１０の形状も、セパレータ基板１と２枚のフレーム６により形成される空間を反応ガスが通過するものであれば特に形状を限定するものではない。例えば、セパレータ基板１において板厚が薄いものを選ぶと、必然的に反応ガスが連絡部１０を通過する断面積が減少する。断面積の減少は圧損の増加につながり、エネルギーのロスとなる。
【００５２】
以上で述べた実施例では４角形のマニホールドの１辺が櫛歯状の連絡部１０と隣り合っているが、これに限らず、マニホールドの他の辺を用いて連絡部と連結していてもよく、これにより連絡部１０の断面積を大きくすることができる。セパレータ基板１やフレーム６等の材料に関しては金属、炭素、いずれの材料であっても本発明を適用できるが、特にセパレータ基板１がプレス金属セパレータにおける効果は大きい。このため、本実施例では代表的なステンレス鋼を用いたときの例を示した。
【００５３】
以上の実施例によれば、反応ガスを折り返すための流路をフレームに設けることにより、基板が単純な直線流路であっても容易にサーペンタイン流路構造とすることができる。そのため、ガス流れの均一性が保たれ、出力電圧の向上や寿命等の発電性能の向上が図られる。金属薄板から形成されるセパレータにおいて中心部が流路溝、外周部がマニホールドを有する平板のセパレータではフレーム自身にガス導入部を設ける必要が無く、単純な打ち抜き型フレームの使用が可能となる。
【００５４】
（実施例６）
以上述べた実施例、例えば図５に示したように連絡部１０の内側においては、ＭＥＡ４を押えるための充分な支えが無いため、燃料ガスと酸化剤ガスとの差圧が大きくなった場合、ＭＥＡ４が圧の低い側へ差圧により押し込められる。その結果、ガス流れを阻害することがある。本実施例では連絡部１０におけるＭＥＡ４の変形を抑えるために、連絡部１０の内側におけるフレーム６を櫛歯状とすることで上記の問題を解決できる。
【００５５】
図１２（Ａ），（Ｂ）及び（Ｃ）はセパレータ基板１の連絡部１０の位置に面するフレーム６を櫛歯状とした一組のセパレータを示す。図１２（Ｂ）はセパレータの断面図で図１２（Ｃ）のＢ−Ｂ‘に沿った断面図である。図１２（Ａ）はセパレータ基板１の表面に面接されたフレーム６Ａの平面図であり、図１２（Ｃ）はセパレータ基板１の裏面に面接されたフレーム６Ｂ側から見た平面図である。図５における連絡部１０には支えとなるものが無いため、ＭＥＡ４の変形が起こり易いが、図１２の様にフレーム６の連絡部１０の内側を櫛歯状とすることでＭＥＡ４の支えを形成することができ、ＭＥＡ４の変形を抑えることができる。図において、（Ａ）はセパレータの表面を、（Ｂ）は（Ｃ）のＢ−Ｂ断面図である。（Ｃ）はセパレータの裏面を示す。
（実施例７）
上記実施例のセパレータ１０１を用いた電池スタックの例を示す。図１３は一例として実施例２で述べたセパレータを用いた燃料電池の構成を示す。本電池は複数のセパレータとその他の部材により構成されている。すなわち、セパレータ１０１Ａ（又はセパレータ基板１Ｂの反応ガスが流通する面）／ガス拡散層５／ＭＥＡ４／ガス拡散層５／セパレータ１０１Ａ（又はセパレータ基板１Ｂの反応ガスが流通する面）の順に積上げられている。冷却水を流通する部位に関してはセパレータ１０１Ｂ／セパレータ１０１Ｂの組合せで構成され、セパレータ１０１Ｂとセパレータ１０１Ｂを対面させて形成される凹と凹の空間部を冷却水が流通する。
【００５６】
セパレータ１０１Ａとセパレータ１０１Ｂの違いは、セパレータの両面に反応ガスを流通させるタイプが１０１Ａ、両面のうち、いずれか一方の面に冷却水を流通させるのがセパレータ基板１０１Ｂである。このように積上げられたセパレータ、ガス拡散層５、ＭＥＡ４の積層物から電流、電圧を取り出すための集電板１４、発電部１７を電気的に隔離するための絶縁板１５および積層物を固定するための端板１６で挟持されている。本実施例による電池はＭＥＡ４が４枚で構成され（４セル構成）、冷却は両方の端板１６に接する側のセパレータ基板１Ｂおよび発電部１７中央に位置する２枚のセパレータ基板１Ｂで行われる。発電時は、端板１６に設けられた反応ガス導入口から反応ガスが吹入され、反対側の端板１６から未反応の反応ガスが排出される。
【００５７】
本電池を用いて発電するために、ＭＥＡ４にジャパンゴアテックス社のＧＯＲＥＳＥＬＥＣＴＰＲＩＭＥＡ５５１０、ガス拡散層５に同社ＣＡＲＢＥＬ−ＣＬを用いた。セパレータ１０１Ａおよび冷却用セパレータ１０１Ｂ、いずれもセパレータ基板１はステンレス鋼製で中央部にプレス加工により両面に凹凸の溝を有する構造となっている。プレス部の寸法は９０×１００ｍｍで、ＭＥＡ４の電極サイズもこれに合わせて造られている。
【００５８】
前記セパレータ基板１の両面には打ち抜き加工により製作されたＰＰＳ製のフレーム６が液状ガスケット等の接着剤で接面され、一組のセパレータ１０１Ａを形成している。冷却用のセパレータ１０１Ｂも前記セパレータ基板１と同形であり、フレーム６における冷却出入り口のマニホールド部が櫛歯構造となっている。これにより、同じセパレータ基板１種類で発電用のセパレータと冷却用のセパレータ１０１Ｂを形成することが可能となり、低コストの点で優れている。
【００５９】
以上で述べたセパレータは腐食防止および酸化皮膜成長抑制のための炭素粉と樹脂バインダから構成される導電性塗料を塗布している。塗布方法はスクリーン印刷、ディップコート、転写コート、スプレーコートなど、各種の方法で塗布可能であるが、ここでは塗膜厚さの制御が容易であるスクリーン印刷によりセパレータ基板１の凹凸面の頂点に塗布した。
【００６０】
このように構成されている燃料電池に燃料ガスと酸化剤ガスを供給すると、二つの集電板１４間に電圧が発生する（起電力）。燃料ガスとして１００％の水素、酸化剤ガスとして空気を供給すると、約４Ｖの起電力が発生する。さらに集電板１４に適当な負荷を接続すると、電流が流れ、電力の供給が可能となる。ここでは本燃料電池の電池特性を調べるために、市販の電子負荷器を接続し、電流と電圧の関係を測定した。
【００６１】
燃料ガスとして１００％の水素、酸化剤ガスとして空気を選び（電池出口は大気開放）、それぞれの利用率を８０％および４０％とし、電池温度７０℃、供給ガスの露点を７０℃に制御して発電した。その結果、１００ｈ以上に亘り電流密度０．２５Ａ／ｃｍ^２で、出力電圧３．０Ｖ（１セル当たり０．７５Ｖ）を得た。本実施例と同様の構成を有する切削加工で成型されたカーボン製セパレータの場合も同等の値であり、プレス金属セパレータでも充分な性能が得られる。
【００６２】
以上で示した実施例は代表的な例であり、マニホールドの数、位置に依存せず、適用できる。連絡部１０の形状も、セパレータ基板１と２枚のフレーム６により形成される空間を反応ガスが通過するものであれば特に形状を限定するものではない。
【００６３】
以上で述べた実施例では４角形のマニホールドの１辺が櫛歯状の連絡部１０と隣り合っているが、これに限らず、マニホールドの他の辺を用いて連絡部と連結されていてもよく、これにより連絡部１０の断面積を大きくすることができる。セパレータ基板１やフレーム６等の材料に関しては金属、炭素、いずれの材料であっても本発明を適用できるが、特にセパレータ基板１をプレス金属セパレータとした場合の効果は大きい。このため、本実施例では代表的なステンレス鋼を用いたときの例を示したのみである。
【００６４】
セパレータ基板１とフレーム６との接面時に位置合わせが容易になるように、セパレータ基板１あるいはフレーム６の任意の場所や形状で突起物や窪み等を設けることも可能である。これにより精度よくかつ、効率的に接面が可能となる。
【００６５】
【発明の効果】
本発明によればセパレータ基板と２枚のフレームにより構成されるセパレータと電解質膜とが接する部位におけるガスクロスの発生を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第一の態様による燃料電池セパレータを示す図。
【図２】図１に示したＡ−Ａ‘断面図を表す図。
【図３】マニホールド近傍におけるＭＥＡとフレームの変形を説明する図。
【図４】マニホールドから流路溝にかけての連絡部を櫛歯状あるいは格子状とした例を示す図。
【図５】図４に示したセパレータの平面図及び断面図。
【図６】図４に示したセパレータを複数枚積層し、反応ガスの流れを示した図。
【図７】連絡部における形状が格子状のセパレータを示す図。
【図８】マニホールドに格子状部の一部が位置するセパレータを示す図。
【図９】図５で示したＢ−Ｂ‘における右側マニホールド近傍の断面を表す図。
【図１０】フレーム６に流路溝を形成したセパレータの鳥瞰図。
【図１１】フレーム６の内側に突起１３を設けサーペンタイン流路溝を形成した例を示す図。
【図１２】セパレータ基板１の連絡部６の位置に面するフレーム６を櫛歯状とした一組のセパレータを示す平面図及び断面図。
【図１３】実施例２で述べたセパレータ基板１を用いた燃料電池の構成を示す展開図。
【符号の説明】
１…セパレータ、２…高分子電解質膜、３…電極、４…ＭＥＡ、５…ガス拡散層、６…フレーム、７…マニホールド、８…流路溝、９…空間部、１０…連絡部、６４…折り返し流路溝、１２…ヘッダー部、１３…突起、１４…集電板、１５…絶縁板、１６…端板、１７…発電部、１８…反応ガス導入口、１０１…セパレータ。

Claims

イオン導電性を有する高分子電解質と、該電解質を挟持する一対の電極部と、燃料ガス及び酸化剤ガスを該一対の電極部のそれぞれに供給するセパレータとを有する燃料電池であって、前記セパレータはセパレータ基板と該セパレータ基板の表裏面に面接し燃料ガス及び酸化剤ガス又は冷却水をシールする一対のフレームを含み、該セパレータ基板に形成されたガス導入マニホールド及びガス排出マニホールドの空間内に該一対のフレームのマニホールドを支持する部材を設けたことを特徴とする固体高分子形燃料電池。
イオン導電性を有する高分子電解質と、該電解質を挟持する一対の電極部と、燃料ガス及び酸化剤ガスを一対の該電極部のそれぞれに供給するセパレータとを有し、前記セパレータは前記ガスを前記電極に供給する流路と、マニホールドと、該マニホールドと該流路の間に形成された連絡部を有するセパレータ基板と、前記セパレータ基板の表裏面に面接し燃料ガス及び酸化剤ガス又は冷却水をシールする一対のフレームとを備え、前記連絡部は前記セパレータの一方面から他方面に貫通した空隙部と、前記セパレータに該一対のフレームが接面して形成される空間部とを有することを特徴とする固体高分子形燃料電池。
請求項１記載の燃料電池において、上記セパレータにおける連絡部が櫛歯状あるいは格子状であり、前記連絡部を挟んで上記一対のフレームのおのおのが接面される構成であり、前記一対のフレームと櫛歯状の前記連絡部により形成される空間を反応ガスが通過することを特徴とする固体高分子形燃料電池。
請求項１の燃料電池において、上記一対のフレームにガスの流れ方向を変えるための流路溝部が形成されていることを特徴とする固体高分子形燃料電池。
請求項１の燃料電池において、前記フレームの内側に反応ガスが隣り合う流路溝への移動を妨げる１個又は複数の突起物を具備したことを特徴とすることを特徴とする固体高分子形燃料電池。
セパレータ基板と該セパレータ基板の表裏面に面接し燃料ガス及び酸化剤ガス又は冷却水をシールする一対のフレームを含み、該セパレータ基板に形成されたガス導入マニホールド及びガス排出マニホールドの空間内にフレームのマニホールドを支持する部材を設けたことを特徴とする固体高分子形燃料電池用セパレータ。
反応ガスを電極に供給するための溝及びマニホールド及び該マニホールドから流路溝までの間に連絡部が形成されているセパレータ基板と、前記セパレータの表裏面に面接し燃料ガス及び酸化剤ガス又は冷却水をシールする機能を有するフレームとを有し、該連絡部は前記セパレータの表から裏にかけて貫通した空隙部と、前記セパレータの両面に一対のフレームを接面して形成される空間部を有することを特徴とする固体高分子形燃料電池用セパレータ。
請求項６のセパレータにおいて、上記フレームにガス流れ方向を変えるための流路溝部が形成されていることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
請求項７のセパレータにおいて、前記フレームの内側に反応ガスが隣り合う流路溝への移動を妨げる１個又は複数の突起物を具備したことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
前記セパレータ基板およびフレームはそれぞれ金属材料および高分子材料であって、前記セパレータ基板の表面の一部または全部に導電性耐食性層が形成され、前記フレームは単層又は多層構造であることを特徴とする請求項７記載の燃料電池用セパレータ。