JP2005071763A - 燃料電池セパレータ - Google Patents

Abstract

【課題】 薄型化が可能な金属製プレートを使用しながら、炭素材料のような水の吸水・加湿を実現することのできる燃料電池用セパレータを提供する。
【解決手段】 金属プレート１０は、左右両端部の平坦なスペース１１を除いて、プレス加工等により複数のガス流路溝１４が波板状に形成される。図の紙面側に形成したガス流路溝１４により、紙面上方に配置された電極膜接合体５０に反応ガスを供給する。金属セパレータ１０の紙面裏側の流路溝（紙面表側からみれば畝）は冷却水通路となり、その両端部は、水分保持機能を有する封止部材１５により封止され、反応ガス流路と冷却水流路とが分離されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池の隣接するセル間のガス流路を分離するとともに、各セルに反応ガスを供給する燃料電池セパレータに関する。

燃料電池システムは、燃料が有する化学エネルギを直接電気エネルギに変換する装置であり、電解質膜を挟んで設けられた一対の電極のうち一方のアノード（燃料極、負極）に水素を含有する燃料ガスを供給するとともに、他方のカソード（酸化剤極、正極）に酸素を含有する酸化剤ガスを供給し、これら一対の電極の電解質膜側の表面で生じる下記の電気化学反応を利用して電極から電気エネルギを取り出すものである。

（化１）
アノード反応：Ｈ₂ → ２Ｈ⁺ ＋ ２ｅ^- …（１）
カソード反応：２Ｈ⁺ ＋ ２ｅ^- ＋（１／２）Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ …（２）
アノードに供給する燃料ガスは、水素貯蔵装置から直接供給する方法、水素を含有する燃料を改質して得た水素含有ガスを供給する方法が知られている。水素貯蔵装置としては、高圧ガスタンク、液化水素タンク、水素吸蔵合金タンク等がある。水素を含有する燃料としては、天然ガス、メタノール、ガソリン等が考えられる。カソードに供給する酸化剤ガスとしては、一般的に空気が利用されている。

上記燃料電池において、各極に反応ガスを流し、またガス及び冷却水等の分離を行うセパレータが使用されることは公知であり、またセパレータの面上には凹凸構造の複雑なガス流路（冷却水の場合は冷却水流路）が施されていることも既に公知である。

このような従来技術の例としては、耐食性を向上させるために金属板の表面に貴金属層をクラッド化した後にプレス成形した金属製セパレータ（例えば、特許文献１）や、セパレータの親水性を高めるために、膨張黒鉛、成形用樹脂、高吸水性樹脂又は親水性樹脂を含む成形体のセパレータ（例えば、特許文献２）があった。
特開２００２−２６０６８１号公報（第３頁） 特開２０００−３１１６９５号公報（第４頁）

しかしながら、上記の従来のセパレータは、炭素を主成分とした複合材料からできており、金属を使用したセパレータに関しては、親水性を持たせたカーボン材料のような水分保持機能を備えることができず、セル内の水管理が難しいという問題点があった。

上記問題点を解決するため、本発明は、断面形状が波型となるように流路を形成したプレート部と該プレート部を保持する外枠部とを備えた燃料電池セパレータにおいて、前記プレート部の断面が波型となる端部をガスマニホルドに面させ、前記流路と前記ガスマニホルドとの少なくとも一部を水分保持機能を有する部材にて封止したことを要旨とする。

本発明によれば、水分保持機能を有する部材によりガス流路とマニホルドとの少なくとも一部を封止したことにより、この封止部材から供給ガスへの加湿を促進させることができる。この加湿により液滴の注入や高加湿のガスを入れる負担が低減できるため、燃料電池スタック外部の加湿器や加湿用の水タンク容量を減少し、燃料電池システムを小型軽量化することができるという効果がある。

図１は、本発明で使用した燃料電池セパレータ（以下、単にセパレータと呼ぶ）の基本構成を示す図面であり、（ａ）セパレータの組立説明図、（ｂ）セパレータ平面図、（ｃ）セパレータの断面図を含むスタック構成の説明図である。説明の便宜上、セパレータの縦横寸法に対して、ガス流路及び冷却水流路の幅及び深さを誇張して図示している。

図１（ａ）に示す金属プレート１０は、左右両端部の平坦なスペース１１を除いて、プレス加工等により複数のガス流路溝１４が波板状に形成される。図１（ａ）の紙面側に形成したガス流路溝１４により、紙面上方に配置された電極膜接合体（図１（ｃ）の５０）に反応ガスを供給するものとする。金属セパレータ１０の紙面裏側の流路溝（紙面表側からみれば畝）は冷却水通路となり、その両端部は、封止部材１５により封止され、反応ガス流路と冷却水流路とが分離されている。また封止部材１５は、水分保持機能を有する部材である。

樹脂外枠部２０は、金属プレート１０の上下両端部との間に空隙を設けて、一対のガスマニホルド１０１，１０２を形成するとともに、樹脂外枠部２０の左右両側には、もう一対のガスマニホルド１０３，１０４が開けられている。これらガスマニホルドの対は、一方が燃料電池セルの反応面へのガス入口、他方が反応面からのガス出口となり、それぞれのガスマニホルド対を燃料ガス用と、酸化剤ガス用に使用する。

例えば、セパレータＡ−３０が燃料ガス供給用のセパレータとすれば、ガスマニホルド１０１から燃料ガスが供給され、この燃料ガスは、金属プレート上面のガス流路溝１４を伝って反応面へ供給され、余剰の燃料ガスは、ガスマニホルド１０２から排出される。セパレータＡ−３０におけるガスマニホルド１０３，１０４は、酸化剤ガス用のマニホルドとなり、単に酸化剤ガス用の通過孔である。

また、樹脂外枠部２０には、その四隅の近傍に、それぞれ冷却水を通すための水マニホルド１０５，１０６，１０７，１０８が設けられている。

そして、金属プレート１０の左右両端部に設けられたスペース１１を、樹脂外枠部２０に破線部の位置に埋め込むことにより、金属プレート１０と樹脂外枠部２０とが一体となって、図１（ｂ）に示すようなセパレータＡ−３０を構成する。尚、各水マニホルド１０５〜１０８からは、水通路１１０が金属プレート１０の裏面に接続し、金属プレート１０の紙面裏側で冷却水が流れるようになっている。

図１（ｃ）は、セパレータＡ−３０を含む燃料電池スタックの模式断面図であり、各積層要素の間隔を開いて表示しているが、実際には密着して積層されるものである。燃料電池スタックは、固体電解質膜の両面にそれぞれ電極及びガス拡散層が形成された電極膜接合体５０と、その下面に配置されたセパレータＡ−３０と、電極膜接合体５０の上面に配置されたセパレータＢ−４０とを一単位のセルとして、このセルを多数積層して構成される。

ここで、セパレータＢ−４０は、セパレータＡ−３０のガスマニホルド１０１，１０２，１０３，１０４と同様の位置にそれぞれガスマニホルドを有し、セパレータＡ−３０とは直角の方向にガス流路溝が形成されている。そして、セパレータＡ−３０のガスマニホルド１０３，１０４に相当する位置のセパレータＢ−４０のガスマニホルドから反応ガスの供給及び排出が可能となっている。

また、図１（ｃ）において、電極膜接合体５０は、その上面に配置されたセパレータＢ−４０との間のガス流路６２から一方の反応ガスの供給を受けると共に、その下面に配置されたセパレータＡ−３０のガス流路溝１４から他方の反応ガスの供給を受ける。そして、セパレータＡ−３０の下面とセパレータＢ−４０の上面との間には、冷却水通路６１が形成されている。

本発明では、封止部材１５に水分保持機能を持たせて、セル内部の水の供給・吸収などの制御を行う手段を提供する。また、本発明によれば、封止部材に吸水性樹脂材料を使用することで保持機能が向上する。更に、吸水性樹脂のみではなく非吸水性樹脂を混合させて使用することで形状維持・強度補強を図ることが可能になる。

なお、本発明のセパレータを構成する金属プレート１０は、板厚０．１〔ｍｍ〕のステンレススチールＳＵＳ３１６製であり、これをプレスにて凹凸の並んだ溝付き板に加工し、その後のプレート表面に金メッキ処理を施した。

樹脂外枠部２０は、燃料電池の作動温度に耐え得る耐熱性を有し、更には耐酸性・耐加水分解性を有した樹脂であれば公知のいずれのものを用いても良い。

本発明では加工性がよく、上記性能を満足し得るガラスファイバー３０〔ｗｔ％〕を含有するポエチレンテレフタレート（以下ＧＲＰＥＴと略）を使用した。

また、本発明の各実施例において、セル内の水の供給と吸収を効果的に行うには、次の条件でセルを作動させることが望ましい。すなわち、ガス流路内と冷却水通路内の圧力関係を、常にガス流路内圧力が冷却水通路内圧力以上となるように制御し、反応面より上流部（入口側ガスマニホルド）では乾燥ガスが封止部材から水の蒸発によりガスの加湿を促進する。蒸発で取り除かれた封止部材１５の最表面の水は、毛細管現象により順次内部から供給される。

一方、反応面より下流部（出口側ガスマニホルド）では流路内と冷却面内との差圧により余分な水分が吸収される。
次に、個別の実施例について説明する。

図２は、本発明の実施例１を示す図面であり、セパレータを構成する金属プレート１０のガスマニホルドに面する端部を示す斜視図である。図２において、金属プレート１０は、電極膜接合体の反応面に面する反応面凸部１３と裏面凸部１２とが交互に形成された波板状に形成されている。図２は説明の都合上、図１の金属プレート１０とは、表裏を逆にして、ガス流路溝１４を設けた面が下になるように示している。

図２において、隣り合う反応面凸部１３との間には、ガス流路溝１４が形成されている。言い換えれば、裏面凸部１２の反対面（反応面）にガス流路溝１４が形成されている。そして、反応面凸部１３の端部は、多孔質封止部材１６により封止されている。この多孔質封止部材１６は、図１の封止部材１５に多孔質材料を用いたものである。

多孔質封止部材１６には、樹脂、金属、セラミック、黒鉛、いずれの公知の材料を使用することが可能である。しかしながら、多孔質封止部材１６も隣接するセルのセパレータと接することから導電性を有することが望ましい。
多孔質封止部材１６を使用する場合、ガスを遮断させるためには多孔質内があらかじめ水で満たされていることが必要である。本実施例においては、使用する多孔質封止部材１６の平均気孔径および水に対する接触角をあらかじめ制御した材料を選定し、前述したガス流路とその裏面（実際は冷却水面）との差圧を制御することにより、多孔質封止部材１６による加湿と吸水を適宜実施することが可能になる。

本実施例では多孔質封止部材１６の材料に発泡樹脂を使用した。これは、実際の燃料電池における流路幅が一般的に２〔ｍｍ〕以下の小さなものであるため、樹脂を使用することで射出成形等の既存の成形手段にて容易に成形が可能になるためである。

図３は、本発明の実施例２を示す図面であり、セパレータを構成する金属プレート１０のガスマニホルドに面する端部を示す要部斜視図である。図３において、金属プレート１０は、電極膜接合体の反応面に面する反応面凸部１３と裏面凸部１２とが交互に形成された波板状に形成されている。図３は説明の都合上、図１の金属プレート１０とは、表裏を逆にして、ガス流路溝１４を設けた面が下になるように示している。

本実施例は、図１の封止部材１５を非吸水性樹脂３１と吸水性樹脂３３とで構成した。まず、冷却水溝へのガス流入を防ぐために非吸水性樹脂３１を溝に配置した。この樹脂の配置する長さ（Ｌ）は適宜調整することができる。長さ（Ｌ）を長くするとガス遮蔽性が向上するが、冷却水と金属プレートとの接触面積が減少し熱伝導性が低下する。

非吸水性樹脂３１は熱可塑性・熱硬化性問わず公知のいずれの樹脂を使用しても構わないが生産性等を考慮すると樹脂外枠部２０と同様の樹脂（本実施例ではＧＲＰＥＴ）を使用するのが適当である。

吸水性樹脂３３の多くは吸水によりその体積が大きく変化するため、体積の変化に合わせたスペースの確保が必要になる。

本実施例では、図３に示すように、吸水性樹脂３３が非吸水性樹脂３１の両側部へ突出する固定部３２を設け、この固定部３２により非吸水性樹脂３１を挟み込んで固定している。また、固定部３２以外の部分で吸水性樹脂３３が体積膨張ができるスペース３４を設けた。
従って、非吸水性樹脂３１の溝底部からの高さ（ｈ）は、吸水性樹脂３３の厚さ分だけ、流路リブ高さより低くしておくことが望ましい。
吸水性樹脂３３は含水量が極めて低い状態で固定部３２に固定されることが望ましく、吸水性樹脂３３の非膨張時は固定部３２で冷却水とガスとの遮蔽が行われる。

燃料電池の作動時は、通常凝縮水もしくは水蒸気により吸水性樹脂３３が吸水して膨張するため、ガスの遮蔽性はより効果的に働く。

また、金属プレート１０の反応面と反対の面は、隣り合った次のセパレータの金属プレートが接するために、吸水性樹脂３３はあらかじめ設定された体積調整用のスペース３４の中だけで膨張・収縮が繰り返される。

本実施例によれば、セパレータ組立時に、無水状態の吸水性樹脂を取り付けておき、その後の含水状態による膨張を考慮したスペースを設けておくことで、吸水性樹脂が吸水して膨張してもガス流路の閉塞や膨張力によるセパレータ面への局所的な応力発生を抑えることができる。

実施例３は、図３に示した実施例２において、非吸水性樹脂３１にあらかじめ吸水性樹脂の一部を混ぜ込んで金属プレートの溝端部に取り付けた実施例である。その他の構成は、実施例２と同様である。本実施例によれば、封止部材がガスマニホルドに面する端面全体からガスマニホルドとセル内部との水分交換ができるようになる。

即ち、反応面の裏側の流路溝の端部を封止する封止部材（図１の符号１５）として、吸水性樹脂を混入した非吸水性樹脂を用いている。ここで、封止部材に吸水された水がガスマニホルドと接している面からプレート中央部へ（その逆方向も含めて）と向かって移動できることが重要である。したがって、非吸水性樹脂と吸水性樹脂との配合比率は、この点を踏まえて決定することができる。また、非吸水性樹脂中における吸水性樹脂の配置も、全体に均一に分散させることもまた、吸水性樹脂が溝方向に向かって連通して配置させることもできる。

図４は、実施例４のセパレータを説明する図であり、（ａ）平面図、（ｂ）Ａ−Ａ’線に沿う断面図である。同図において、金属プレート１０の紙面上が電極膜接合体に面する面である。本実施例では金属プレート１０上に配置されたガス流路溝１５のうち、隣り合うガス流路溝１４の上流と下流とで交互に、上流閉塞部３５、下流閉塞部３６を配置して、交互にガス流路溝の端部を閉塞している。このように交互にガス流路がふさがれている流路構造は、櫛型流路構造と呼ばれている。図４では上流閉塞部３５、下流閉塞部３６が１流路毎に配置されている。その他の構成は、図１に示した基本構成と同様であるので、同じ構成要素には同じ符号を付与して、重複する説明を省略する。

本実施例では、上流閉塞部３５、下流閉塞部３６の各部材に水分保持機能を有する材料を用いた。実際にはこれらの部位に吸水性を有する樹脂部材もしくは多孔質材料を使用した。ガスの出入り口部に相当する流路部にはプレート外周部を形成している樹脂部材（本発明ではＰＥＴ樹脂）が配置されているため、この樹脂部材と流路との間にできた隙間をふさぐ形で上記水分保持機能部材が配置されることになる。

上流閉塞部３５および下流閉塞部３６は、常に同じ水分保持性能を有する材料を使用する必要はなく、上流と下流とで差異をつけることができる。

この差異は、次の実施例５と異なる構造の場合には、上流閉塞部３５が下流閉塞部３６より大きい水分保持機能（吸湿性）を保持させることが好ましい。これは、運転中に上流閉塞部３５に保持した水分をスタック起動時の加湿不足時に使用することができる利点があるからである。ただし、櫛型流路は排水性が優れているため水分の再利用の点においては、次に説明する第５実施例が好ましい。

本実施例によれば、入口と出口が直線状に繋がった複数のガス流路溝において、そのガス流路溝のうち入口もしくは出口が一定の長さ封鎖されている流路が交互に並んでいる櫛型流路において、封鎖している部材に水分保持機能を施すことで発電面における反応ガスの加湿をより効果的に行うことが可能になる。また、下流閉塞部においては余剰の水分を吸収させることでフラッディングを抑えることができる。

また本実施例によれば、ガス流路上流側および下流側に配置する水分保持部材の水分保持能力を変えることによって、上流側および下流側におけるガス拡散層内の水分分布を適度に調節することが可能である。例えば、アノード側セパレータにおいては、上流側に配置する水分保持機能部材の水分保持能力を下流のそれより大きくすることで、上流側のガス加湿不足を水分保持機能部材に予め保持している水分にて補うことができる。これは燃料電池の始動時において最も効果的になる。

一方、カソード側セパレータにおいては、ガス流路の下流側において水分保持機能を向上させることで、電極膜接合体の電解質膜を介したアノードへの水の逆拡散を促進することができる。

図５は、実施例５のセパレータを説明する図であり、（ａ）平面図、（ｂ）Ｂ−Ｂ’線に沿う断面図である。実施例５は実施例４において、ガス流路溝１４の入口側端部および出口側端部の一定長さを交互に閉塞させる上流閉塞部３８および下流閉塞部３７が、それぞれ裏面の溝端部に配置された封止部材１５と接続されていることを特徴としている。その他の構成は、図１及び図４で説明した実施例４と同様である。

本実施例においては、上流閉塞部３８および下流閉塞部３７の水分保持能力の差異を実施例４とは逆に、下流閉塞部３７の水分保持能力量の方を多くするのが好ましい。これは櫛型流路の性質として排水性が良いため、電極膜接合体を介してカソード側からアノード側に水が移動する逆拡散機能を十分に機能させるのが難しいためである。

下流閉塞部３７でガス流路溝１４内のガス及びまたは液水から吸収保持された水分は、その裏側へ回り込み、封止部材１５から冷却面の水へ吸収される。これにより回収した水を再び加湿に使用できる効果がある。この場合、カソードガスの流れは、図中ｇで示す重力方向と正反対の下から上への流れが好ましい。これは、図５で示すように、ガス流れによる動圧がガス流路溝１４に埋め込まれた部分から裏側の封止部材１５へと水が移動しやすいように作用するからである。

上流閉塞部３８および下流閉塞部３７のガス流路溝１４内部の部分と反応裏面の封止部材１５とはそれぞれ同じ材料で作成することもできる。これは、上述のように水の吸収作用を促進させることは難しいものの、同一材料であることから一体化で作成可能である。この場合、黒鉛、金属、セラミック製であるよりも樹脂製であることがより好ましい。

本発明に係る燃料電池セパレータの基本構成図である。 実施例１の燃料電池セパレータの要部を示す斜視図である。 実施例２の燃料電池セパレータの要部を示す斜視図である。 （ａ）実施例４の燃料電池セパレータを示す平面図、（ｂ）実施例４の燃料電池セパレータを示すＡ−Ａ’線断面図である。 （ａ）実施例５の燃料電池セパレータを示す平面図、（ｂ）実施例５の燃料電池セパレータを示すＢ−Ｂ’線断面図である。

符号の説明

１０…金属プレート
１１…スペース
１２…裏面凸部
１３…反応面凸部
１４…ガス流路溝
１５…封止部材
２０…樹脂外枠部
３０…セパレータＡ
４０…セパレータＢ
５０…電極膜接合体
６１…冷却水通路
６２…ガス流路
１０１，１０２，１０３，１０４…ガスマニホルド
１０５，１０６，１０７，１０８…水マニホルド

Claims (7)

1. 断面形状が波型となるように流路を形成したプレート部と該プレート部を保持する外枠部とを備えた燃料電池セパレータにおいて、
   前記プレート部の断面が波型となる端部をガスマニホルドに面させ、前記流路と前記ガスマニホルドとの少なくとも一部を水分保持機能を有する部材にて封止したことを特徴とする燃料電池セパレータ。
2. 一方の面をガス流路、他方の面を水が存在する面とし、水が存在する面の端部を水分保持機能を有する部材にて封止したことを特徴とする請求項１記載の燃料電池セパレータ。
3. 前記水分保持機能を有する部材が多孔質材であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池セパレータ。
4. 前記水分保持機能を有する部材が吸水材と非吸水材の混合材であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池セパレータ。
5. 前記水分保持機能を有する部材の体積膨張を吸収する空間を設けたことを特徴とする請求項４記載の燃料電池セパレータ。
6. ガス流路の端部を交互に水分保持機能を有する部材にて封止して櫛形流路としたことを特徴とする請求項２記載の燃料電池セパレータ。
7. 前記プレート部は、金属板で構成されたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池セパレータ。

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