JP2005293944A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 セパレータのガス流路に対応する部位における触媒層と拡散層との接触力を増大でき、しかもそれをＭＥＡの損傷を伴わずに達成できる、燃料電池の提供。
【解決手段】（１）メタルセパレータ１８と拡散層１３、１６を備えた燃料電池であって、メタルセパレータ１８と拡散層１３、１６との間に金属多孔体３４を設け、該金属多孔体３４をメタルセパレータ１８と一体化した燃料電池。
（２）金属多孔体３４とメタルセパレータ１８が同種材料からなる。
（３）金属多孔体３４とメタルセパレータ１８とを溶接により一体化した。
（４）金属多孔体３４をメタルセパレータ１８のガス流路２７、２８内には設けないようにした。
（５）金属多孔体３４をメタルセパレータ１８のガス流路２７、２８内にも設けた。
【選択図】 図１

Description

本発明は燃料電池に関する。

燃料電池、たとえば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 ）とセパレータとの積層体（ただし、積層方向は任意でよい）からなる。膜−電極アッセンブリは、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。膜−電極アッセンブリとセパレータとの間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層が設けられる。セパレータには、アノードに燃料ガス（水素）を供給するための燃料ガス流路が形成され、カソードに酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路が形成されている。膜−電極アッセンブリとセパレータを重ねてセルを構成し、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、インシュレータ、エンドプレートを配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート）、ボルト・ナットにて固定して、スタックを構成する。
各セルの、アノード側では、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）から水を生成するつぎの反応が行われ、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

セパレータが拡散層を介してＭＥＡを押す時、セパレータの凸部であるリブの頂面では拡散層およびＭＥＡを強く押すが、セパレータの凹部であるガス流路では拡散層およびＭＥＡを押さない。その結果、拡散層とＭＥＡの触媒層との間にセパレータ押力の強弱が生じ、セパレータのガス流路に対応する部分で拡散層と触媒層との接触が弱くなって接触抵抗が増大し、燃料電池の出力が低下する。
これを抑制するには、特開２０００−２０８１５３号公報に開示されているように、セパレータをメタルセパレータから形成するとともに、拡散層を金属メッシュから形成し、金属メッシュに剛性をもたせ、メタルセパレータが拡散層をリブの頂面で押した時にその押力が拡散層のほぼ全域に伝わるようにすることが有効であると考えられる。

しかし、特開２０００−２０８１５３号公報の構造にもつぎの問題がある。
金属メッシュに剛性をもたせると、拡散層と触媒層との接触部には、セパレータのガス流路対応部にも接触力が出るが、剛性をもたせた金属メッシュはカーボン製拡散層のようなクッション性をもたないので、金属メッシュがＭＥＡのめり込んでＭＥＡを傷つけ、燃料電池の耐久性を低下させる。
逆に金属メッシュの剛性を弱くすると、従来の問題と同じ問題、すなわちセパレータのガス流路に対応する部位での拡散層と触媒層との接触力が小さくなるという問題が生じる。
特開２０００−２０８１５３号公報

本発明が解決しようとする問題点は、セパレータのガス流路に対応する部位で触媒層と拡散層との接触力が弱くなって燃料電池の出力が低下するという問題であり、これを金属メッシュなどを拡散層に用いて抑制しようとするとＭＥＡを傷つけやすいという問題が出ることである。
本発明の目的は、セパレータのガス流路に対応する部位における触媒層と拡散層との接触力を増大でき、しかもそれをＭＥＡの損傷を伴わずに達成できる、燃料電池を提供することにある。

上記課題を解決する、そして上記目的を達成する、本発明はつぎの通りである。
（１） メタルセパレータと拡散層を備えた燃料電池であって、前記メタルセパレータと前記拡散層との間に金属多孔体を設け、該金属多孔体をメタルセパレータと一体化した燃料電池。
（２） 前記金属多孔体と前記メタルセパレータが同種材料からなる（１）記載の燃料電池。
（３） 前記金属多孔体と前記メタルセパレータとを溶接により一体化した（１）記載の燃料電池。
（４） 前記金属多孔体を前記メタルセパレータのガス流路内には設けないようにした（１）記載の燃料電池。
（５） 前記金属多孔体を前記メタルセパレータのガス流路内にも設けた（１）記載の燃料電池。

上記（１）の燃料電池によれば、メタルセパレータと拡散層との間に金属多孔体を設けたので、セパレータのガス流路対応部においても、拡散層と触媒層との間に十分な接触力が出る。また、拡散層を設けたまま金属多孔体を設けたので、拡散層がクッションとなって、金属多孔体がＭＥＡを傷つけることを抑制できる。また、金属多孔体をメタルセパレータと一体化したので、金属多孔体とメタルセパレータ間の接触抵抗は低い。
上記（２）の燃料電池によれば、金属多孔体とメタルセパレータが同種材料からなるので、溶接は容易である。
上記（３）の燃料電池によれば、多孔体とメタルセパレータとを溶接により一体化したので、多孔体とメタルセパレータとの間の導電性は良好である。
上記（４）の燃料電池によれば、金属多孔体をメタルセパレータのガス流路内には設けないようにしたので、ガス流路の流れ抵抗も増大しにくい。
上記（５）の燃料電池によれば、金属多孔体をメタルセパレータのガス流路内にも設けたので、セパレータのガス流路対応部においても、セパレータは拡散層を強く押すことができ、拡散層と触媒層との間に十分な接触力が出る。

以下に、本発明の燃料電池を図１〜図６を参照して説明する。図中、図１は本発明の実施例１を示し、図２は本発明の実施例２を示し、図３〜図５は本発明の実施例１にも実施例２にも適用可能な一般的構成を示し、図６は本発明と比較例の出力特性を示し、図７は比較例（本発明に含まず）を示す。本発明の実施例１、実施例２に共通する部分には、実施例１、実施例２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２に共通する部分を、図１、図３〜図７を参照して説明する。

本発明の燃料電池スタック構成部品用ガスケットが装着される燃料電池は、たとえば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。
図３〜図５に示すように、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。積層方向は任意である。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を有する電極（アノード、燃料極）１４および電解質膜１１の他面に配置された触媒層を有する電極（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、リブ下にもガスを流通させ拡散させるために拡散層１３、１６が設けられる。
膜−電極アッセンブリとセパレータ１８を重ねてセル（単セル）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（電気絶縁体）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にて固定して、スタック２３を構成する。

ガス拡散層１３、１６は、カーボンを主成分とする、ガス透過性をもつ層であり、たとえば、カーボン繊維を樹脂バインダで結合したものからなる。
セパレータ１８は、メタルセパレータである。メタルセパレータは中抜きの樹脂フレームと組み合わされてもよい。
ＭＥＡを挟む一対のセパレータ１８のうち、アノード側のセパレータ１８には、ＭＥＡに対向する側に、アノード１４に燃料ガス（水素）を供給するための燃料ガス流路２７が形成され、カソード側のセパレータ１８には、ＭＥＡに対向する側に、カソード１７に酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路２８が形成されている。また、セパレータ１８のガス流路２７、２８と反対側の面には冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路２６が形成される。燃料電池のうちガス流路２７、２８とＭＥＡの両方が存在する領域が、セル１９の発電領域を構成する。

セル１９には、セル積層方向に延びる燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１、冷媒マニホールド２９が形成される。燃料ガスマニホールド３０は燃料ガス流路２７に接続しており、燃料ガス流路２７に燃料ガスを供給・排出する。酸化ガスマニホールド３１は酸化ガス流路２８に接続しており、酸化ガス流路２８に酸化ガスを供給・排出する。冷媒マニホールド２９は冷媒流路２６に接続しており、冷媒流路２６に冷媒を供給・排出する。

セル１９のＭＥＡを挟んで対向する一対のセパレータ１８同士は、セル外周部およびマニホールド２９、３０、３１まわりで、電気絶縁材である接着剤３３によりシール接着されている。接着剤３３は膜１１とその両側のセパレータ１８との間もシール接着している。セル１９同士は、セル外周部およびマニホールド２９、３０、３１まわりで、ガスケット（ゴムガスケット）３２によりシールされている。各セルのシール接着されたセパレータ１８同士は、分離はできないが、ガスケット３２を挟んで対向する隣接するセルのセパレータ１８同士は互いに分離自在である。

燃料ガス、酸化ガス、冷却水は、供給配管から入側の燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１、冷媒マニホールド２９に入り、各セルを通過して出側の燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１、冷媒マニホールド２９に流れ、出側の燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１、冷媒マニホールド２９から排出配管に流出する。

セパレータ１８はガス流路２７、２８を構成する凹凸がもつため、従来は、図７の比較例に示すように、燃料電池スタック２３に締結力をかけた時に、凸となるリブ部（溝と溝の間の部分）の頂面では、セパレータ１８は強い力で拡散層１３、１６を介して触媒層１２、１５を押すが、凹となるガス流路部２７、２８では、セパレータ１８は拡散層１３、１６を押さず、ガス流路部２７、２８対応部では、拡散層１３、１６と触媒層１２、１５の接触圧力は小さく、接触抵抗は大きい。また、セパレータ１８がメタルセパレータである場合、プレス成形でリブに頂面および角部に丸みがつくので、拡散層１３、１６との当たりに強弱がつき当たりの弱い所の接触抵抗が大きくなる。接触抵抗が大きい所での電圧降下により、スタック全体として燃料電池の出力が落ちる。図６のＢは、比較例の特性を示している。

これに対し、本発明では、図１に示すように、メタルセパレータ１８と拡散層１３、１６との間に金属多孔体３４が設けられ、金属多孔体３４はメタルセパレータ１８と一体化されている。
金属多孔体３４とメタルセパレータ１８とは、一体化される。一体化は、たとえば溶接による。ただし、溶接に限るものではない。
一体化により金属多孔体３４とメタルセパレータ１８との間の導電性がよくなり、金属多孔体３４とメタルセパレータ１８との間の電圧降下とそれによる燃料電池の出力の低下が抑えられる。また、金属多孔体３４分構成要素が１つ増えるが、金属多孔体３４をメタルセパレータ１８と一体化することにより、金属多孔体３４とメタルセパレータ１８とのずれや、スタック組み立て工数の増大を防止することができる。

金属多孔体３４とメタルセパレータ１８は、異種材料であっても同種材料であってもよい。好ましくは同種材料である方がよい。
金属多孔体３４とメタルセパレータ１８を溶接により一体化する場合は、金属多孔体３４とメタルセパレータ１８が同種材料とすることが望ましい。その理由は、溶接による金属多孔体３４とメタルセパレータ１８との一体化が容易になる。
金属多孔体３４とメタルセパレータ１８とを導電性接着剤で一体化する場合は、金属多孔体３４とメタルセパレータ１８は同種材料でなくてもよい。

金属多孔体３４は、通気性を有しかつ導電性をもつ。金属多孔体３４の剛性は、拡散層１３、１６より高い。これによって、金属多孔体３４をメタルセパレータ１８と拡散層１３、１６との間に設けることにより、セパレータ１８のガス流路部位２７、２８に対応する部位での拡散層１３、１６と触媒層１２、１５との間の接触抵抗が増大する。金属多孔体３４は、通気性、導電性、拡散層１３、１６より高い剛性をもつものであれば、如何なる材料、構造のものでもよいが、たとえば、金属メッシュ、金属発泡体、パンチングメタル、エキスパンドメタル、等は金属多孔体３４を構成し得る。

メッシュの場合、線径を５０〜３００μｍ、空孔径を５０〜３００μｍとすることが望ましい。５０μｍ以上とする理由は、５０μｍより小であるとガスがメッシュ内を流れにくくなるからであり、３００μｍ以下とする理由は、３００μｍより大であると目が粗くなり線同志の接触点が少なくなって電気抵抗が大となるからである。金属多孔体３４がメッシュの場合、金属多孔体３４の厚さは、たとえば、５０〜３００μｍ±２割程度である。
メッシュの編み方は色々あり、平網、綾織り、畳織り、など何れでもよい。

パンチングメタルは、金属板に複数の孔を開けて多孔体にしたものである。エキスパンドメタルは金属板等に複数のスリットを互い違いにつけてスリットと直交する方向に引っ張ることで複数の目をつくり多孔体にしたものである。パンチメタルの場合も、エキスパンドメタルの場合も、空孔径が５０〜３００μｍとすることが望ましい。金属多孔体３４がパンチングメタルまたはエキスパンドメタルの場合、孔以外の部分の金属多孔体３４の厚さは２０〜３０μｍ程度に薄くできる。

つぎに、本発明の作用・効果を説明する。
まず、メタルセパレータ１８と拡散層１３、１６との間に金属多孔体３４を設けたので、セパレータ１８のガス流路２７、２８に対応する部分においても、拡散層１３、１６と触媒層１２、１５との間に十分な接触力が得られる。また、拡散層１３、１６を設けたまま金属多孔体３４を設けたので、カーボン製拡散層１３、１６がクッションとなって、金属多孔体３４がＭＥＡを傷つけることを抑制できる。もしも拡散層を金属多孔体にして金属多孔体が直接ＭＥＡに接すると金属多孔体がにめり込んでＭＥＡを傷つけるが、本発明では拡散層１３、１６が金属多孔体３４とＭＥＡの間に存在するので、金属多孔体３４がＭＥＡを傷つけることを抑制できる。また、金属多孔体３４をメタルセパレータ１８と一体化したので、金属多孔体３４とメタルセパレータ１８間の接触抵抗は低い。もしも、金属多孔体３４がメタルセパレータ１８と一体でなく単に接触している場合は、金属多孔体３４とメタルセパレータ１８間の接触抵抗が大で、燃料電池の出力を降下させるであろうが、本発明ではそのような燃料電池の出力降下を抑制することができる。その結果、図６に示すように、燃料電池の出力電圧が向上する。とくに、高電流密度域で、顕著にその効果が現れる、すなわち、有効面積が増加したようになる。

金属多孔体３４とメタルセパレータ１８が同種材料からなる場合、溶接は容易である。たとえば、金属多孔体３４とメタルセパレータ１８が両者ともステンレスからなる場合は、金属多孔体３４とメタルセパレータ１８との溶接は容易である。
金属多孔体３４とメタルセパレータ１８との一体化が溶接による場合は、金属多孔体３４とメタルセパレータ１８との間の導電性は良好である。

つぎに、本発明の各実施例に特有な構成、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に示すように、金属多孔体３４をメタルセパレータ１８のガス流路２７、２８内には設けない。金属多孔体３４は、一定厚みのシート状に形成されて、ＭＥＡとメタルセパレータ１８との間に配置され、メタルセパレータの流路の凸部で押さえられる。したがって、金属多孔体３４は、メタルセパレータ１８のガス流路２７、２８内に突出することもなく、ガス流路２７、２８内を充填しない。

本発明の実施例１の作用・効果については、金属多孔体３４は、ガス流路部位ではメタルセパレータ１８から押されず、リブ部位でメタルセパレータ１８から押される。金属多孔体３４は、拡散層１３、１６より大きい剛性（セル面と直交する方向の曲げ剛性）をもつので、リブ部位でメタルセパレータ１８から押されるだけで、ガス流路部位でも拡散層１３、１６を押し、拡散層１３、１６と触媒層１２、１５との間の接触力を、金属多孔体３４を設けない比較例の場合より、大にすることができ、拡散層１３、１６と触媒層１２、１５との間の接触抵抗を、金属多孔体３４を設けない比較例の場合より、小にすることができる。その結果、金属多孔体３４を設けない比較例の場合に比べて、図６の特性Ａに示すように、燃料電池出力電圧を改善（大きく）することができる。ただし、図６は、線径１００μｍの金属メッシュを金属多孔体３４として用いた時の性能評価を示す。

〔実施例２〕
本発明の実施例２では、図２に示すように、金属多孔体３４をメタルセパレータ１８のガス流路２７、２８内に充填するように設ける。ガス流路２７、２８内で燃料ガス、酸化ガスは金属多孔体３４中を流れる。そのため、燃料ガス、酸化ガスの流れ抵抗は若干増加する。金属多孔体３４は固いので、金属多孔体３４は、スタック締結時のメタルセパレータ１８の押力（セル積層方向の押力）を、メタルセパレータ１８のガス流路２７、２８部位においても、拡散層１３、１６に伝える。

本発明の実施例２の作用・効果については、金属多孔体３４を、メタルセパレータ１８のガス流路２７、２８内にも設けたので、セパレータ１８のガス流路２７、２８に対応する部分においても、メタルセパレータ１８は金属多孔体３４を介して拡散層１３、１６を強く押すことができ、拡散層１３、１６と触媒層１２、１５との間に十分な接触力が得られ、金属多孔体３４を設けない比較例の場合より、接触抵抗を減らすことができる。その結果、金属多孔体３４を設けない比較例の場合に比べて、図６に示すように、燃料電池出力電圧を改善（大きく）することができる。
図２ではセパレータの凸部としてのリブと拡散層間の金属多孔体３４を設ける他に、ガス流路内にも金属多孔体３４を充填する構造としたが、これに限定されない。他の実施例としてリブと拡散層間の金属多孔体３４を省略または部分的に省略してもよい。

本発明の実施例１の燃料電池の一部の拡大断面図である。 本発明の実施例２の燃料電池の一部の拡大断面図である。 本発明の燃料電池の側面図である。 図３の燃料電池の一部の拡大断面図である。 図３の燃料電池のセルの正面図である。 本発明の燃料電池のセル電圧／電流密度のグラフである。 比較例の燃料電池の一部の拡大断面図である。

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、１５ 触媒層
１３、１６ 拡散層
１４ 電極（アノード、燃料極）
１７ 電極（カソード、空気極）
１８ セパレータ
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（冷却水流路）
２７ 燃料ガス流路
２８ 酸化ガス流路
２９ 冷媒マニホールド（冷却水マニホールド）
３０ 燃料ガスマニホールド
３１ 酸化ガスマニホールド
３２ ガスケット
３３ 接着剤（接着剤層）
３４ 金属多孔体

Claims (5)

1. メタルセパレータと拡散層を備えた燃料電池であって、前記メタルセパレータと前記拡散層との間に金属多孔体を設け、該金属多孔体をメタルセパレータと一体化した燃料電池。
2. 前記金属多孔体と前記メタルセパレータが同種材料からなる請求項１記載の燃料電池。
3. 前記金属多孔体と前記メタルセパレータとを溶接により一体化した請求項１記載の燃料電池。
4. 前記金属多孔体を前記メタルセパレータのガス流路内には設けないようにした請求項１記載の燃料電池。
5. 前記金属多孔体を前記メタルセパレータのガス流路内にも設けた請求項１記載の燃料電池。

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