JP2005190866A - 燃料電池メタルセパレータ - Google Patents

Abstract

【課題】 スタックの締結荷重を一定にするためのばね等を不要とする、電極への面圧を均一化できる、セル面内に生成水が溜まることを抑制できる、の何れか少なくとも１つを達成する燃料電池用メタルセパレータの提供。
【解決手段】（１）燃料電池用メタルセパレータの表面に導電性および耐食性を有するコートを形成し、該コートに０．１〜１０ＭＰａの弾性率をもたせた。（２）セパレータに塗布形成後該コートを形成したメタルセパレータを再プレスしてコートのガス拡散層に接触する面の平面度を高くした。（３）金属板１８ａに複数の孔１８ｄを形成し、コートに水透過性をもたせた。
【選択図】図７

Description

本発明は燃料電池のメタルセパレータに関する。

特開平１１−３５４１４２号公報は、メタルセパレータを用いた燃料電池において、メタルセパレータ表面に耐食性・導電性のコーティングを施したものを開示している。
また、セパレータとＭＥＡを積層してスタックを構成することを開示している。
特開平１１−３５４１４２号公報

しかし、従来のコーティングを施したメタルセパレータを積層した燃料電池にはつぎの問題がある。
１）コーティングが不均一な場合は、燃料電池スタックの締結荷重を一定にするため、ばね等の構造材が必要で、コスト、重量、体格アップ等の要因となっている。
２）コーティングが不均一な場合は、電極への面圧が不均一になり、電池性能の低下、耐久性の低下を引き起こす。
３）セル面内に生成水が溜まると発電有効面積が減少し、性能低下を引き起こす。

本発明の第１の目的は、スタックの締結荷重を一定にするためのばね等を不要とする燃料電池メタルセパレータを提供することにある。
本発明の第２の目的は、電極への面圧を均一化できる燃料電池メタルセパレータを提供することにある。
本発明の第３の目的は、セル面内に生成水が溜まることを抑制できる燃料電池メタルセパレータを提供することにある。

上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
（１） 燃料電池用メタルセパレータの表面に導電性および耐食性を有するコートを形成し、該コートに０．１〜１０ＭＰａの弾性率をもたせ（、締結荷重を一定にするために燃料電池スタック端部に従来設けていたばねを不要とし）た燃料電池メタルセパレータ。
（２） 燃料電池用メタルセパレータの表面に導電性および耐食性を有するコートを形成し、該コートをセパレータに塗布形成後該コートを形成したメタルセパレータを再プレスしてガス拡散層に接触する面の平面度を再プレス前より高くした燃料電池メタルセパレータ。
（３） 燃料電池用メタルセパレータに複数の孔を形成し、燃料電池用メタルセパレータの孔形成領域の表面に導電性および耐食性を有するコートを形成し、該コートに水透過性をもたせた燃料電池メタルセパレータ。

上記（１）の燃料電池用メタルセパレータによれば、コートに弾性をもたせたので、スタック締結荷重を一定にするばねが不要となり、締結荷重を一定にするために燃料電池スタック端部に従来設けていたばねが不要となる。その結果、ばね分、コスト、重量、体格を低減できる。
上記（２）の燃料電池用メタルセパレータによれば、コートをセパレータに塗布形成後該コートを形成したメタルセパレータを再プレスしてガス拡散層に接触する面の平面度を再プレス前より高くしたので、電極への面圧が均一化され、電池性能が向上し、耐久性も向上する。
上記（３）の燃料電池用メタルセパレータによれば、メタルセパレータに複数の孔を形成し、メタルセパレータに形成されるコートに水透過性をもたせたので、酸化剤ガスの流路の下流部分で生成された水がコートとメタルセパレータの孔を通してセパレータの裏側のガス流路（冷却水流路とは分離され冷却水流路からシールされているガス流路）に排出され、酸化剤ガス流路下流部のフラッディングを抑制するとともに、排出されたガス流路から必要に応じて酸化剤ガス流路の上流側に戻されることにより、酸化剤ガス入口の乾きを抑制することができる。

以下に、本発明の燃料電池用メタルセパレータを、図１〜図８を参照して説明する。
図中、図１〜図３は本発明の実施例１を示し、図４〜図６は本発明の実施例２を示し、図７、図８は本発明の実施例３を示す。本発明の実施例１〜実施例３にわたって共通する、または類似する部分には、本発明の実施例１〜実施例３にわたって同じ符号を付してある。
まず、本発明の実施例１〜実施例３にわたって共通する、または類似する部分を、たとえば図１〜図３を参照して、説明する。

本発明のシール構造が適用される燃料電池は、積層型燃料電池であり、たとえば、積層型の固体高分子電解質型燃料電池１０である。該燃料電池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。
固体高分子電解質型燃料電池１０は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータ１８との積層体からなる。積層方向は上下方向に限るものではなく、任意の方向でよい。
膜−電極アッセンブリは、イオン交換膜からなる電解質膜１１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）１４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）１７とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータ１８との間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層が設けられる。

セパレータ１８には、アノード１４、カソード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、酸化ガス流路２８）と、その裏面に冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路２６が形成されている。また、セパレータ１８には、燃料ガス流路２７に燃料ガスを供給、排出するための燃料ガスマニホールド３０、酸化ガス流路２８に酸化ガスを供給、排出するための酸化ガスマニホールド３１、冷媒流路２６に冷媒を供給、排出するための冷媒マニホールド２９が形成されている。

膜−電極アッセンブリとセパレータ１８を重ねて単位燃料電池（「単セル」ともいう）１９を構成し、少なくとも１つのセルからモジュールを構成し、モジュールを積層してセル積層体とし、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、セル積層体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（たとえば、テンションプレート２４）、ボルト・ナット２５により固定して、燃料電池スタック２３を構成する。

各セル１９の、アノード側１４では、水素を水素イオン（プロトン）と電子にする電離反応が行われ、水素イオンは電解質膜１１中をカソード側に移動し、カソード１７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、またはセル積層方向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、かくして発電が行われる。
アノード側：Ｈ₂ →２Ｈ⁺ ＋２ｅ^-
カソード側：２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- ＋（１／２）Ｏ₂ →Ｈ₂ Ｏ

セパレータ１８は、メタルセパレータであってもよいし、メタルセパレータと樹脂フレームの組合せであってもよい。
メタルセパレータ１８は、金属板１８ａ（たとえば、ステンレス板）と、金属板１８ａの少なくとも一面（両面でもよい）の表面に塗布、形成されたコート１８ｂ（コーティング層）とからなる。コート１８ｂは、導電性と耐食性を有する。コート１８ｂは、たとえば、導電性フィラー（たとえば、固体である、Ｃ粉、天然黒鉛粉、金属粉など）を混入した、樹脂、ゴム（たとえば、ＳＢＲ）を液状で塗布し、固化したものである。コート１８ｂは、ＭＥＡまたは拡散層に接触される。コート１８ｂは、反応ガス流路２７、２８の表面を形成しており、燃料ガス、酸化剤ガスはコート１８ｂに接触する。隣り合うセルの金属板１８ａの間には、冷却水流路２６が形成され、金属板１８ａは冷却水に接触する。

上記の構成の作用・効果については、メタルセパレータ１８がコート１８ｂを有し、該コート１８ｂが導電性、耐食性を有するので、電極からの電子を隣り合うセパレータ間に流すことができるとともに、反応ガスに微量含まれるフッ酸や硫酸などの酸成分から金属板１８ａを保護することができる。

つぎに、本発明の各実施例の構成、作用・効果を説明する。
〔実施例１〕
本発明の実施例１では、図１〜図３に示すように、メタルセパレータ１８のコート１８ｂは、弾性を付与され、「弾性コート」１８ｂとなっている。コート１８ｂの弾性率は、０．１ＭＰａ〜１０ＭＰａとされ、従来のコートに比べて柔らかく、また、ステンレスの弾性率２×１０⁵ ＭＰａに比べて柔らかい。この弾性率は、コート１８ｂ中のゴム（たとえば、ＳＢＲ）の割合を選定する（従来に比べて増やす）ことにより、得られる。コート１８ｂは、厚さ方向に均一な弾性をもつ単一層である。
また、コート１８ｂの厚さは１００μｍ以下とされ、たとえば、１０〜１００μｍ、より望ましくは、５０〜１００μｍとされ、従来に比べて厚い。コート１８ｂは、塗布、スプレー、ディッピングなどにより形成される。

実施例１の作用・効果については、コート１８ｂに弾性をもたせることによって、セパレータ１８に弾性を付与する。これによって、スタック２３の端部に従来設けていた、締結荷重を一定にするためのばねが不要となり、ばね除去分、低コスト、軽量なスタックを構成できる。

〔実施例２〕
本発明の実施例２では、図４〜図６に示すように、メタルセパレータ１８の金属板１８ａに導電性、耐食性のコート１８ｂを塗布、形成後、コート１８ｂを形成したメタルセパレータ１８を再プレスして、拡散層に接する側の面１８ｃ（ガス流路２７、２８となる溝をもつ面の場合は、溝と溝との間のリブの頂面１８ｃ）の平面度の高いセパレータ１８を形成する。
すなわち、コート１８ｂを塗布、形成した状態では、コート１８ｂの表面は図４に示すように、凹凸があるが、これを型によりプレスすることにより、図５に示すように、面１８ｃの平面度を図８のコート表面の平面度より高くする。

再プレスの場合、流路溝付き型によりプレスすることにより、コート１８ｂに、面１８ｃの平面度を高くすると同時に、流路溝２７、２８を形成することができる。流路溝２７、２８を形成する場合、図５に示すように、金属板１８ａは平板のままとすると、コート１８ｂの厚さは、流路溝２７、２８の深さ以上でなければならない。
また、流路溝２７、２８を形成する場合、図６に示すように、金属板１８ａも屈曲させるようにすると、コート１８ｂの厚さは、図５に比べて、薄くてよい。

実施例２の作用・効果については、再プレスにより、コート１８ｂの拡散層またはＭＥＡ接触面の平面１８ｃの平面度が均一化、かつ高くされ、拡散層またはＭＥＡとの接触率が向上し、均一当たりが実現される。これによって、接触抵抗が低減し、電池性能が向上し、膜や電極の耐久性が向上する。
また、コート１８ｂにガス流路２７、２８を成形型にて形成する場合は、メタルセパレータは複雑な成形が不要となり、プレスコストが低減する。また、セパレータ金属材種の選択の自由度が上がり、低コスト化をはかることができる。

〔実施例３〕
本発明の実施例３では、図７、図８に示すように、メタルセパレータ１８の金属板１８ａに複数（多数）の孔１８ｄを形成し、燃料電池用メタルセパレータの孔１８ｄ形成領域の表面に導電性および耐食性を有するコート１８ｂを形成し、該コート１８ｂに水透過性をもたせる。コート１８ｂに水透過性をもたせるには、コート１８ｂをポーラス状に形成することなどにより行う。
孔１８ｄ形成領域は、酸化剤ガス流路２８の下流領域、すなわち、フラッディングを起こしやすい領域とし、酸化剤ガス流路２８のセパレータを隔てた背面側には、冷却水流路２６とセル面内方向にシール材２８Ｂにより遮断されたガス流路２８Ａを形成しておく。図７は、メタルセパレータ１８を、コート１８ｂを除去し金属板１８ａだけの状態で示してある。

実施例３の作用・効果については、セパレータ発電面で生成された水が、孔１８ｄ形成領域において、コート１８ｂの透過性部分と金属板１８ａの孔１８ｄを透過して背面側のガス流路２８Ａに抜け、酸化剤ガス流路２８の下流領域でのフラッディングが防止される。フラッディング防止により、生成水によって発電面積が縮小することがなく、安定した運転が可能になる。また、背面側に抜けた水を酸化剤ガスの上流側に戻すことにより、セルの酸化剤ガス入口部での電解質膜の乾燥を抑制でき、安定した燃料電池の運転を可能にする。

本発明の実施例１、実施例２、実施例３は、互いに独立に実施されてもよいし、２以上の実施例が互いに組み合わせて実施されてもよい。

本発明の実施例１の燃料電池メタルセパレータを具備した燃料電池のスタックの側面図である。 図１の燃料電池の一部の断面図である。 図１の燃料電池のメタルセパレータの正面図である。 本発明の実施例２の燃料電池メタルセパレータのコート形成後の斜視図である。 図４のメタルセパレータの再プレス後の斜視図である。 図５のメタルセパレータで金属板の屈曲される場合の断面図である。 本発明の実施例３の燃料電池メタルセパレータの金属板１８ａの一部分の斜視図である。 本発明の実施例３の燃料電池メタルセパレータの正面図である。

符号の説明

１０ （固体高分子電解質型）燃料電池
１１ 電解質膜
１４ 電極（アノード、燃料極）
１７ 電極（カソード、空気極）
１８ メタルセパレータ
１８ａ 金属板
１８ｂ コート
１８ｃ 面
１８ｄ 孔
１９ セル
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
２６ 冷媒流路
２７ 燃料ガス流路
２８ 酸化ガス流路
２８Ａ 背面側のガス流路
２８Ｂ シール材
２９ 冷媒マニホールド
３０ 燃料ガスマニホールド
３１ 酸化ガスマニホールド

Claims (3)

1. 燃料電池用メタルセパレータの表面に導電性および耐食性を有するコートを形成し、該コートに０．１〜１０ＭＰａの弾性率をもたせた燃料電池メタルセパレータ。
2. 燃料電池用メタルセパレータの表面に導電性および耐食性を有するコートを形成し、該コートをセパレータに塗布形成後該コートを形成したメタルセパレータを再プレスしてガス拡散層に接触する面の平面度を再プレス前より高くした燃料電池メタルセパレータ。
3. 燃料電池用メタルセパレータに複数の孔を形成し、燃料電池用メタルセパレータの孔形成領域の表面に導電性および耐食性を有するコートを形成し、該コートに水透過性をもたせた燃料電池メタルセパレータ。

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