JP2005108777A - 燃料電池用セパレータおよびこれを用いた燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 導電性セパレータから電極および高分子電解質膜の厚み方向にかかる剪断応力を緩和し、これらの機械的劣化を抑制することによって、耐久性に優れる燃料電池の製造を可能にする。
【解決手段】 燃料電池にガスを供給排出するためのガス流路を有する導電性セパレータにおいて、前記ガス流路を構成するリブに、その断面において略円弧状部分を設ける。
【選択図】なし

Description

本発明は、燃料電池に用いる導電性セパレータ、およびこのセパレータを用いた燃料電池に関する。また、本発明は、前記セパレータの製造方法にも関する。

高分子電解質型燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと空気などの酸素を含有する酸化剤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。高分子電解質型燃料電池は、一般に水素イオン伝導性の高分子電解質、電極および導電性セパレータから構成されている。前記電極は拡散層と触媒反応層とをあわせたものからなり、触媒反応層は、水素イオンを選択的に輸送する前記高分子電解質膜の両面に形成されている。また、触媒反応層は、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分としている。そして、この触媒反応層の外面に、燃料ガスおよび酸化剤ガスの通気性と電子伝導性を併せ持つ拡散層が形成されている。

高分子電解質膜を挟んだ一対の電極の周囲には、電池組立後に供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスが外部にリークしたり、２種類のガスが互いに混合したりしないように、ガスケットなどが配され、高分子電解質膜とそれを挟んだ一対の電極とを予め一体化させたものは、電解質膜電極接合体（ＭＥＡ）と呼ばれる。そして、ＭＥＡの両面には、これを機械的に固定するとともに、隣接したＭＥＡ同士を互いに電気的に直列接続するための導電性セパレータが配される。前記セパレータのＭＥＡと接触する部分には、電極面に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給し、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ている。ガス流路はセパレータと別部品として設けることもできるが、セパレータの材料に応じて表面を切削したり、プレス加工するなどしてセパレータの表面に溝やリブを設けてガス流路とする方法が一般的である。

前記溝に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するためには、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給配管を、使用するセパレータの枚数に応じて分岐させ、その分岐先をセパレータの溝と連通させる配管治具が必要となる。この治具を外部マニホルドと呼び、治具を構成する燃料ガスおよび酸化剤ガスが流れる孔をマニホルド孔と呼ぶ。一方、より簡単な構造の内部マニホルド型と呼ばれるものもある。内部マニホルド型とは、ガス流路を有するセパレータおよびＭＥＡからなる積層体に積層方向の貫通孔を形成し、これをマニホルド孔として使用するものである。各板状部品に形成された孔の周囲には、リブを設けたり、Ｏ型リングを配するなどして必要なシールが施される。そして、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給配管を前記マニホルド孔と連通させ、この孔から直接燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給する。

なお、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。そのため、通常は、単電池１〜３個毎に冷却水を流す冷却部が、セパレータとセパレータとの間に設けられる。ただし、一般には、セパレータの背面に冷却水流路を設けて冷却部とする場合が多い。ＭＥＡ、セパレータおよび必要であれば冷却部を交互に設け、単電池１０〜２００個を積層した後、締結ボルトで両端から固定し、積層体を締め付けたものが一般的な燃料電池の構造である。

このような燃料電池に用いられるセパレータは、拡散層との接触抵抗をできるだけ小さく抑えるため、前記リブの角になるべくＲをつけず、平面として拡散層と接していた。しかし、前記リブのＲを小さくしたセパレータによってＭＥＡを締結した場合、電極および高分子電解質膜の厚み方向に大きな剪断応力がかかってしまうという問題がある。ＭＥＡがこのような状況下に長時間置かれた場合、破損してしまうという機械的劣化を引き起こすという問題がある。

以上のような従来技術における問題点に鑑み、本発明は、導電性セパレータにおけるリブの断面に略円弧状部分を持たせることによって、電極および高分子電解質膜の厚み方向にかかる剪断応力を緩和し、これらの機械的劣化を抑制することによって、耐久性に優れる燃料電池の製造を可能にすることを目的とする。

本発明は、燃料電池にガスを供給排出するためのガス流路を有する導電性セパレータであって、前記ガス流路を構成するリブが、その断面において略円弧状部分を有することを特徴とする燃料電池用セパレータに関する。
この場合、前記円弧状部分が前記リブの断面におけるコーナーに位置し、前記円弧状部分の曲率Ｒが、０．１から前記リブの幅の半分までの範囲であることが有効である。

また、前記略円弧状部分が、曲線状であってもよい。
さらに、前記略円弧状部分が、放物線状であってもよい。
さらにまた、前記略円弧状部分が、楕円状であってもよい。
また、前記略円弧状部分が、近似曲線４次数で表現されるものであってもよい。

前記リブが、プレス加工または射出成形加工によって形成されたものであるのが好ましい。
また、前記リブが、切削加工によって形成されたものであるのが好ましい。
前記リブが、炭素材料で構成されていることが好ましい。
また、前記リブが、金属で構成されていることが好ましい。

前記燃料電池が固体高分子電解質型であることが好ましい。
また、本発明は、前記燃料電池用セパレータを有することを特徴とする燃料電池にも関する。

本発明によれば、導電性セパレータにおけるリブの断面に略円弧状部分を持たせることによって、電極および高分子電解質膜の厚み方向にかかる剪断応力を緩和し、これらの機械的劣化を抑制することによって、耐久性に優れる燃料電池を得ることができる。

特に、本発明に係る燃料電池においては、導電性のセパレータのリブの上面を曲面とし、さらに単電池の積層体を締結する圧力を従来より約３０〜４０％程度に抑えることによって、ＭＥＡの厚み方向にかかる剪断応力を低減し、座屈などの破壊要素を緩和し、その結果、ＭＥＡおよびそれを構成する材料の耐久性を向上させることができる。

本発明は、燃料電池にガスを供給排出するためのガス流路を有する導電性のセパレータに関し、前記ガス流路を構成するリブの断面が、前記セパレータの平面側のいずれかの部分において、略円弧状部分を有することを特徴とする。このようなセパレータをＭＥＡと重ね合わせた場合には、前記略円弧状部分が存在することによって、前記ＭＥＡを構成する電極に接するリブの面積が減少し、前記セパレータから電極に働く剪断応力を低減させることができる。そして、前記電極や高分子電解質膜の機械的劣化を防止し、当該導電性セパレータを用いて得られる燃料電池の耐久性を向上させることができるのである。

燃料電池のスタックを作製する際、導電性セパレータを介して複数のＭＥＡを積層して締結する締結力（圧力）は、高くし過ぎるとＭＥＡの厚み方向に剪断応力がかかり、電極における電子およびイオン導電性経路を断絶したり、高分子電解質膜の破壊につながってしまったりする。また、締結力を低くし過ぎると導電性セパレータの拡散層との接触が不十分となり、接触抵抗が増大してしまう。接触抵抗を小さく保つためには、ある程度高い締結力が必要である。従来では締結力圧を緩めることで剪断応力を緩和してきたものを、本発明に係る燃料電池用セパレータによれば、締結力を低くし過ぎることなくＭＥＡにかかる剪断応力を緩和させることができる。
以下に、実施例を用いて本発明を説明するが、本発明はこれらのみに限定されるものではない。

（１）ＭＥＡの製造
まず、ＭＥＡの拡散層を撥水処理した。カソード側の拡散層には、外寸１６ｃｍ×２０ｃｍ、厚み１８０μｍのカーボンペーパー（東レ（株）製のＴＧＰ−Ｈ−０６０）を、アノード側の拡散層には、外寸１６ｃｍ×２０ｃｍ、厚み３６０μｍのカーボン不織布（日本カーボン（株）製のＧＦ−２０−３１Ｅ）を用いた。これらの拡散層をフッ素樹脂含有の水性ディスパージョン（ダイキン工業（株）製のネフロンＮＤ−１）に含浸した後、乾燥し、３８０℃で３０分間加熱することで撥水性を与えた。さらに、この拡散層の一方の面に、導電性カーボン粉末とＰＴＦＥ微粉末を分散させた水溶液とを混合して得られたインクを、スクリーン印刷法を用いて塗布し、撥水層を形成した。このとき、撥水層の一部を、拡散層の中に埋め込んだ。

次に、触媒層用インクを調製した。まず、３０ｎｍの平均一次粒径を持つ導電性カーボン粒子であるケッチェンブラックＥＣ（オランダ国、ＡＫＺＯ Ｃｈｅｍｉｅ社製）に、平均粒径３０Åの白金粒子を担持させ、カソード側の触媒担持粉末（白金５０重量％）を得た。また、ケッチェンブラックＥＣに平均粒径約３０Åの白金粒子とルテニウム粒子を担持させ、アノード側の触媒担持粉末（白金３０重量％、ルテニウム３０重量％）を得た。９重量％ＦＳＳ溶液（旭硝子（株）製）と上記各触媒担持粉末とを混合し、ペースト状にすることでカソード側触媒層用インク、およびアノード側触媒層用インクを調製した。このとき、いずれの触媒層用インクにおいても、パーフルオロスルホン酸ポリマーと触媒担持粉末との混合重量比を、２：１とした。

次に、外寸が２０ｃｍ×３２ｃｍの水素イオン伝導性高分子電解質膜（デュポン社製のナフィオン１１２）の一方の面に、カソード側触媒層用インクをスクリーン印刷法により塗布し、窒素雰囲気中で乾燥し、カソード側触媒層を形成した。その後、あらかじめアノード側触媒層インクをポリプロピレンシート上に塗布して形成したアノード側触媒層を、水素イオン伝導性高分子電解質膜の他方の面に、ホットプレス（１３５℃、１０分間）により接合した。接合後のカソード側触媒層中に含まれる白金量が０．５ｍｇ／ｃｍ²となるよう調整し、カソード側触媒層の平均厚みが２０μｍになるように調整した。また、アノード側触媒層中に含まれる白金量が０．３ｍｇ／ｃｍ²となるよう調整し、アノード側触媒層の平均厚みが１５μｍになるように調整した。

次に、触媒層を形成した水素イオン伝導性高分子電解質膜に、前記カーボンペーパーの撥水層が触媒層に接するように、前記カーボンペーパーをホットプレスで接合し、電解質膜電極接合体（ＭＥＡ）を得た。得られたＭＥＡの断面構造を図１に示した。図１に示すように、水素イオン伝導性高分子電解質膜１０の両側にアノード側触媒層１１およびカソード側触媒層１２が配され、その外側には拡散層１３が配されている。このとき、作製したＭＥＡの水素イオン伝導性高分子電解質膜の外周部には、ゴム製のガスケット板を接合し、ガスケット板には、常法により冷却水、燃料ガス及び酸化剤ガスを流通させるためのマニホールド孔を形成した。

（２）導電性セパレータの製造
平均粒径が約１０μｍの人造黒鉛粉末５０重量部と、繊維状グラファイト（平均直径５０μｍ、平均長０．５ｍｍ）３８重量部とを、空気中で約５００℃の温度で１０分間混合して焼成処理した。次に、この熱処理した人造黒鉛粉末と繊維状グラファイトとの混合物と、熱硬化性フェノール樹脂１２重量部とを押し出し混練機で混練し、得られた混練物を、ガス流路用溝、冷却水流路用溝およびマニホールドを成形するための加工を施した金型に投入し、ホットプレスした。ホットプレスの条件は、金型温度１５０℃、圧力１００ｋｇ／ｃｍ²で１０分間とした。得られたセパレータは、外寸が２０ｃｍ×３２ｃｍ、厚みが２．３ｍｍ、ガス流路および冷却水流路の深さ（すなわちリブの高さ）が１ｍｍであった。したがって、セパレータの最も薄い部分の厚みは０．３ｍｍであった。

ここで、前記ガス流路を構成するリブが、その断面において略円弧状部分１ａを有するような形状を有する金型を用いて成形加工を行った。加工後の酸化剤ガス用流路の溝を構成するリブの断面を図２に示した。リブ１の幅Ｘは１ｍｍとし、高さＹは１ｍｍとした。また、リブ１の前記断面におけるコーナー部には、略円弧状部分として曲率Ｒが０．３ｍｍの円状部を設けた。なお、燃料ガス流路も同様の形状とした。また、裏面には、燃料ガス流路用溝または冷却水流路用溝を形成した。

（３）高分子電解質型燃料電池の製造
上述のようにして作製したセパレータ２枚を用い、ＭＥＡの一方の面に酸化剤ガス流路が形成されたセパレータを配置し、裏面に燃料ガス流路が形成されたセパレータを配置し、単電池を得た。この単電池を２セル積層して２セル積層電池を得た後、冷却水路溝を形成したセパレータ２枚でこの２セル積層電池を挟み込み、このパターンを繰り返して１００セルを積層した積層電池（スタック）を作製した。このとき、スタックの両端部には、ステンレス製の集電板、電気絶縁材料製の絶縁板、および端板を配し、締結ロッドで固定した。このときの締結圧はセパレータの面積当たり１５ｋｇｆ／ｃｍ²とした。

（４）高分子電解質型燃料電池の評価
このように作製した本実施例に係る燃料電池を７０℃に保持し、露点６５℃を有するように加湿・加温した水素ガスをアノード側に供給し、露点７０℃を有するように加湿・加温した空気をカソード側に供給した。その結果、電流を外部に出力しない無負荷時には、９８Ｖの電池開放電圧が得られた。また、このときの燃料電池全体の内部抵抗を測定したところ、約４５ｍΩであった。この電池を燃料利用率８０％および酸素利用率４０％で、電流密度３００ｍＡ／ｃｍ²の電流を流しながら放電試験を行ったところ、長時間運転しても電圧はほとんど低下しなかった。図５に単電池の電圧の経時変化を示した。

比較例１

比較のために、図４に示すように、セパレータのリブ３の断面において上側が平面で角部３ａが直角となるような金型を用い、成形加工により比較用セパレータを作製した他は、実施例１と同様にして１００セル積層した比較用燃料電池を作製した。図４は、本比較例に係るセパレータの酸化剤ガス流通用溝を構成するリブ３の断面形状を示したものである。なお、燃料ガス流路も同様の形状とした。また、裏面には、燃料ガス流路用溝または冷却水流路用溝を形成した。ただし、積層電池全体の内部抵抗がほぼ同じ数値になるように締結圧を約４０％高く締め付けた。
このように作製した比較用燃料電池を用いて、実施例１と同様に放電試験を行ったところ、運転時間の経過と共に単電池の電圧が低下した。図５に単電池の電圧の経時変化を示した。

まず、ＭＥＡは、実施例１と同様にして作製した。
次に、外寸が２０ｃｍ×３２ｃｍ、厚みが２．６ｍｍの樹脂含浸黒鉛板を用意し、これに切削による機械加工を施し、実施例１における図２に示した形状と同じ形状を有する導電性のセパレータを作製した。したがって、ガス流路および冷却水流路の深さＹが１ｍｍであるため、セパレータの最も薄い部分の厚みは０．６ｍｍであった。
このようにして作製したセパレータ２枚を用い、実施例１と同様にして単電池１００セルからなる積層電池を得た。締結圧も、同様に、セパレータの面積当たり１５ｋｇｆ／ｃｍ²とした。

得られた積層電池を、実施例１と同様の条件で運転したところ、電流を外部に出力しない無負荷時には、９８Ｖの電池開放電圧を得、また、このときの積層電池全体の内部抵抗を測定したところ、約４０ｍΩであった。さらに、この積層電池を実施例１と同様の条件で放電試験を行ったところ、長時間運転してもセルの電圧はほとんど低下しなかった。図５に単電池の電圧の経時変化を示した。

比較例２

比較のために、図４と同様に、セパレータのリブ３の断面において上側が平面で角部３ａが直角となるように切削による機械加工により比較用セパレータを作製した他は、実施例１と同様にして１００セル積層した比較用燃料電池を作製した。図４は、比較例１に係るセパレータの酸化剤ガス流通用溝を構成するリブ３の断面形状を示したものであるが、本比較例でも図４に示される断面形状を採用した。なお、燃料ガス流路も同様の形状とした。また、裏面には、燃料ガス流路用溝または冷却水流路用溝を形成した。ただし、積層電池全体の内部抵抗がほぼ同じ数値になるように締結圧を約３５％高く締め付けた。
このように作製した比較用燃料電池を用いて、実施例１と同様に放電試験を行ったところ、運転時間の経過と共に単電池の電圧が低下した。図５に単電池の電圧の経時変化を示した。

本実施例においても、ＭＥＡは、実施例１と同様にして作製した。
次に、外寸が２０ｃｍ×３２ｃｍ、厚みが１．６ｍｍのステンレス鋼（ＳＵＳ３１６）板を用意し、これにプレス加工による機械加工を施し、実施例１における図２に示した形状と同じ形状を有する導電性のセパレータを作製した。したがって、ガス流路および冷却水流路の深さＹが０．５ｍｍであり、セパレータの最も薄い部分の厚みは０．６ｍｍであった。
このようにして作製したセパレータ２枚を用い、実施例１と同様にして単電池１００セルからなる積層電池を得た。締結圧も、同様に、セパレータの面積当たり１５ｋｇｆ／ｃｍ²とした。

得られた積層電池を、実施例１と同様の条件で運転したところ、電流を外部に出力しない無負荷時には、９８Ｖの電池開放電圧を得、また、このときの積層電池全体の内部抵抗を測定したところ、約３８ｍΩであった。さらに、この積層電池を実施例１と同様の条件で放電試験を行ったところ、長時間運転しても単電池の電圧はほとんど低下しなかった。図５に単電池の電圧の経時変化を示した。

比較例３

比較のために、図４と同様に、セパレータのリブ３の断面において上側が平面で角部３ａが直角となるようにプレス加工により比較用セパレータを作製した他は、実施例１と同様にして１００セル積層した比較用燃料電池を作製した。図４は、比較例１に係るセパレータの酸化剤ガス流通用溝を構成するリブ３の断面形状を示したものであるが、本比較例でも図４に示される断面形状を採用した。なお、燃料ガス流路も同様の形状とした。また、裏面には、燃料ガス流路用溝または冷却水流路用溝を形成した。ただし、積層電池全体の内部抵抗がほぼ同じ数値になるように締結圧を約４２％高く締め付けた。
このように作製した比較用燃料電池を用いて、実施例１と同様に放電試験を行ったところ、運転時間の経過と共に単電池の電圧が低下した。図５に単電池の電圧の経時変化を示した。

ＭＥＡは、実施例１と同様にして作製した。
次に、セパレータのリブの断面形状が図３に示す形状となるような金型を用い、リブが上面において曲面を有し、その断面形状が曲線状である導電性のセパレータとした他は、実施例１と同様にしてセパレータを得、単電池１００セルからなる積層電池を得た。なお、図３は、本実施例に係るセパレータの酸化剤ガス流通用溝の断面形状を示したものであるが、燃料ガス流路も同様の形状とし、裏面には、燃料ガス流路用溝または冷却水流路用溝を形成した。
得られた積層電池を、実施例１と同様の条件で運転したところ、実施例１とほぼ同等の良好な特性が得られた。

ＭＥＡは、実施例１と同様にして作製した。
次に、セパレータのリブの断面形状が図３に示す形状となるように、切削加工により、リブが上面において曲面を有し、その断面形状が曲線状である導電性のセパレータを作製した以外は、実施例２と同様にしてセパレータを得、単電池１００セルからなる積層電池を得た。なお、図３は、本実施例に係るセパレータの酸化剤ガス流通用溝の断面形状を示したものであるが、燃料ガス流路も同様の形状とし、裏面には、燃料ガス流路用溝または冷却水流路用溝を形成した。
得られた積層電池を、実施例２と同様の条件で運転したところ、実施例２とほぼ同等の良好な特性が得られた。

ＭＥＡは、実施例１と同様にして作製した。
次に、セパレータのリブの断面形状が図３に示す形状となるように、切削加工により、リブが上面において曲面を有し、その断面形状が曲線状である導電性のセパレータを作製した以外は、実施例３と同様にしてセパレータを得、単電池１００セルからなる積層電池を得た。なお、図３は、本実施例に係るセパレータの酸化剤ガス流通用溝の断面形状を示したものであるが、燃料ガス流路も同様の形状とし、裏面には、燃料ガス流路用溝または冷却水流路用溝を形成した。
得られた積層電池を、実施例３と同様の条件で運転したところ、実施例２とほぼ同等の良好な特性が得られた。

本発明に係るセパレータは燃料電池に好適に用いることができる。

本発明の実施例１の構成要素であるＭＥＡの構造を示した図 本発明の実施例１による導電性のセパレータの表面に形成した酸化剤ガス流通用溝の断面形状を示した図 本発明の実施例２による導電性のセパレータの表面に形成した酸化剤ガス流通用溝の断面形状を示した図 本発明の実施例３による導電性のセパレータの表面に形成した酸化剤ガス流通用溝の断面形状を示した図 本発明の実施例１〜３および比較例１〜３の単電池の特性を示した図

符号の説明

１ リブ
１ａ 略円弧状部分
２ リブ
３ リブ
３ａ 角部
１０ 高分子電解質膜
１１ アノード側触媒層
１２ カソード側触媒層
１３ 拡散層

Claims (8)

1. 燃料電池にガスを供給排出するためのガス流路を有する導電性セパレータであって、 前記ガス流路を構成するリブが、その断面において略円弧状部分を有することを特徴とする燃料電池用セパレータ。
2. 前記円弧状部分が前記断面におけるコーナーに位置し、前記円弧状部分の曲率Ｒが、０．１から前記リブの幅の半分までの範囲であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用セパレータ。
3. 前記略円弧状部分が、曲線状であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用セパレータ。
4. 前記略円弧状部分が、放物線状であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用セパレータ。
5. 前記略円弧状部分が、楕円状であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用セパレータ。
6. 前記略円弧状部分が、近似曲線４次数で表現されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用セパレータ。
7. 前記燃料電池が固体高分子電解質型であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用セパレータ。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載の燃料電池用セパレータを有することを特徴とする燃料電池。

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