JP2005327670A

JP2005327670A - 燃料電池用セパレータ

Info

Publication number: JP2005327670A
Application number: JP2004146553A
Authority: JP
Inventors: Kei Morohoshi; 圭諸星
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-05-17
Filing date: 2004-05-17
Publication date: 2005-11-24
Also published as: WO2005112160A1

Abstract

【課題】燃料電池用セパレータに関し、冷却性能を低下させることなく薄型化を実現できるようにする。
【解決手段】一定高さ且つ一定ピッチで波部２２，３２を形成された同一形状の二枚のセパレータ板２０，３０を重ね合わせることで燃料電池用セパレータ６を構成する。二枚のセパレータ板２０，３０は、一方のセパレータ板２０の波部２２の山２２ａが他方のセパレータ板３０の波部３２の谷３２ｂに入り込み、他方のセパレータ板３０の波部３２の山３２ａが一方のセパレータ板２０の波部２２の谷２２ｂに入り込むように重ね合わされる。一方のセパレータ板２０の波部２２の山２２ａと他方のセパレータ板３０の波部３２の谷３２ｂとの空間、及び他方のセパレータ板３０の波部３２の山３２ａと一方のセパレータ板２０の波部２２の谷２２ｂとの空間が冷却媒体流路４０，４２を形成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池用セパレータに関し、詳しくは、二枚の波形のセパレータ板を重ね合わせて構成される燃料電池用セパレータに関する。

一般に、燃料電池は、複数毎の単位燃料電池セルが積層された燃料電池スタックとして使用されている。各セルは、イオン伝導性の電解質膜を一対の電極で挟んで構成された膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）を有し、この膜電極接合体の両側をセパレータによって挟むことで構成されている。セパレータには、アノードに燃料ガスを供給するためのガス流路、カソードに酸化ガスを供給するためのガス流路、そして、冷却媒体を流すための冷却媒体流路が設けられている。

燃料電池に対する要求の一つとしてその小型化があるが、燃料電池を小型化する上では各セルの薄型化、特に、セパレータの薄型化が重要になる。セパレータの薄型化に関しては、従来、金属製の薄板のプレス加工によってセパレータを作製することが提案されている。

例えば、特許文献１に記載された従来技術では、金属板を波形に成形することで作製された二枚のセパレータ板を一体的に組み合わせることでセパレータが構成されている。二枚のセパレータ板は波部の高さは異なるが波部のピッチは同じであり、波部の高さの大きいセパレータ板の凹部に波部の高さの小さいセパレータ板の凸部が重ね合わせられている。この従来技術では、膜電極接合体のアノードと波部の高さの小さいセパレータ板との間の空間が燃料ガス流路となり、カソードと波部の高さの大きいセパレータ板との間の空間が酸化ガス流路となり、前記凹部と前記凸部との間の空間が冷却媒体流路となっている。

また、特許文献２に記載された従来技術では、金属板を波形に成形することにより作製された二枚のセパレータ板が金属製の中間板を介して重ね合わせられている。この従来技術では、膜電極接合体のアノードとそれに隣接するセパレータ板との間の空間が燃料ガス流路となり、カソードとそれに隣接するセパレータ板との間の空間が酸化ガス流路となり、各セパレータ板と中間板との間の空間が冷却媒体流路となっている。
特開２００２−１００３８１号公報特開２００３−１５１５７１号公報特開２００３−１７８７７５号公報

しかしながら、特許文献１に記載された従来技術では、冷却媒体流路が膜電極接合体のカソード側にしか接していない。このため、膜電極接合体をアノード側から冷却することができず、冷却が不十分になる可能性がある。また、形状の異なる二種類のセパレータ板を作製する必要があるため、コストが高くなってしまうという課題もある。

一方、特許文献２に記載された従来技術では、冷却媒体流路は膜電極接合体のカソード側にもアノード側にも供えられているため、燃料電池の冷却性能は確保される。また、セパレータ板の形状は同一であるので、形状の異なるものを複数種作製する場合に比較してコストを抑制することもできる。しかし、この従来技術には、セパレータ板が中間板を挟んで積層された構造により、セパレータ全体の厚さはセパレータ板の二枚分の厚さとなってしまうため、十分な薄型化を図ることができないという課題がある。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、冷却性能を低下させることなく薄型化を実現できるようにした燃料電池用セパレータを提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池用セパレータであって、
一定高さ且つ一定ピッチで波部を形成された同一形状の二枚のセパレータ板からなり、
前記二枚のセパレータ板は、一方のセパレータ板の波部の山が他方のセパレータ板の波部の谷に入り込み、前記他方のセパレータ板の波部の山が前記一方のセパレータ板の波部の谷に入り込むように重ね合わされ、
前記一方のセパレータ板の波部の山と他方のセパレータ板の波部の谷との空間、及び前記他方のセパレータ板の波部の山と前記一方のセパレータ板の波部の谷との空間が冷却媒体流路を形成していることを特徴としている。

また、第２の発明は、第１の発明において、前記二枚のセパレータ板の少なくとも一方の表面に突起が形成され、前記二枚のセパレータ板は前記突起を介して重ね合わされていることを特徴としている。

また、第３の発明は、第２の発明において、前記二枚のセパレータ板の間に導電性のスペーサが配置され、前記二枚のセパレータ板は前記スペーサを介して重ね合わされていることを特徴としている。

第１の発明によれば、一方のセパレータ板の波部の山が他方のセパレータ板の波部の谷に入り込み、他方のセパレータ板の波部の山が一方のセパレータ板の波部の谷に入り込むように重ね合わされることで、セパレータ全体の厚さをセパレータ板の二枚分の厚さよりも薄くすることができる。また、燃料電池用セパレータを膜電極接合体に組み合わせたとき、冷却媒体流路は膜電極接合体のアノード側とカソード側のそれぞれに接することになり、アノード側とカソード側の双方を冷却することができる。したがって、第１の発明によれば、十分な冷却性能を確保しつつ、燃料電池用セパレータの薄型化を実現することができる。

第２の発明によれば、簡単な構成で冷却媒体流路の空間を確実に確保することができる。

第３の発明によれば、簡単な構成で冷却媒体流路の空間を確実に確保することができ、また、冷却媒体流路の流路断面積を任意に調整することができる。

以下、図１乃至図３を参照して、本発明の実施の形態について説明する。本実施形態では、本発明の燃料電池用セパレータを固体高分子電解質型燃料電池に適用する。図１は本発明の燃料電池用セパレータが適用された燃料電池２の断面図である。燃料電池２は、膜電極接合体４とセパレータ６とが交互に積層されて構成されている。

膜電極接合体４は、固体高分子電解質膜１０をアノード電極１２とカソード電極１４とにより挟んで構成されている。固体高分子電解質膜１０は湿潤状態で水素イオンが膜中を移動する非導電性のイオン交換膜である。アノード電極１２及びカソード電極１４はそれぞれ触媒層と拡散層を有している。触媒層は白金、カーボン、及び電解質からなり、拡散層はガス透過性を有し、カーボンからなる。

セパレータ６は二枚のセパレータ板２０，３０を重ね合わせて構成されている。以下では、カソード電極１４に接触する側のセパレータ板を第１セパレータ板２０といい、アノード電極１２に接触する側のセパレータ板を第２セパレータ板３０という。第１セパレータ板２０は一定高さ且つ一定ピッチで波部２２を形成され、第２セパレータ板３０も一定高さ且つ一定ピッチで波部３２を形成されている。二枚のセパレータ板２０，３０は共に一定板厚の金属板をプレス加工等によって波形に成形したものであり、二枚のセパレータ板２０，３０は同一形状を有している。

図２は図１に示す燃料電池２のセルの断面を拡大して示す図である。図２に示すように、各セパレータ板２０，３０の波部２２，３２は、金属板を水平部２４，３４と傾斜部２６，３６とに交互に折り曲げることで形成されている。各セパレータ板２０，３０において、水平部２４，３４とその両側の傾斜部２６，３６とで形成される凸状の屈曲面が波部２２，３２の山２２ａ，３２ａを形成し、水平部２４，３４とその両側の傾斜部２６，３６とで形成される凹状の屈曲面が波部２２，３２の谷２２ｂ，３２ｂを形成している。

第１セパレータ板２０と第２セパレータ板３０とは、第１セパレータ板２０の波部２２の山２２ａが第２セパレータ板３０の波部３２の谷３２ｂに入り込み、第２セパレータ板３０の波部３２の山３２ａが第１セパレータ板２０の波部２２の谷２２ｂに入り込むように重ね合わされ一体化されている。この結果、第１セパレータ板２０と第２セパレータ板３０とは互いの傾斜部２６，３６で当接し、互いの水平部２４，３４の間には空間が形成される。セパレータ６では、この空間が水等の冷却媒体が流れる冷却媒体流路４０，４２となっている。また、第１セパレータ板２０の波部２２の谷２２ｂとカソード電極１４とで囲まれる空間が酸化ガス流路４６となり、第２セパレータ板３０の波部３２の谷３２ｂとアノード電極１２とで囲まれる空間が燃料ガス流路４４となっている。

本実施形態では、各セパレータ板２０，３０の板厚ｔは０．１ｍｍであり、波部２２，３２の波高、すなわち、燃料ガス流路４４及び酸化ガス流路４６の流路高さＨは０．５ｍｍに設定されている。このとき、水平部２４，３４間の距離、すなわち、冷却媒体流路４０，４２の高さｈは、水平部２４，３４に対する傾斜部２６，３６の曲げ角度θによって任意に調整することができる。冷却媒体流路４０，４２の高さｈは小さすぎると流路抵抗が大きくなり、また、必要な流量が得られなくなる。このため、冷却媒体流路４０，４２の高さｈには好適な範囲がある。上記のように燃料ガス流路４４及び酸化ガス流路４６の流路高さＨが０．５ｍｍの場合には、燃料ガス及び酸化ガスの流量を考慮すると、冷却媒体流路４０，４２の高さｈはおよそ０．１〜０．５ｍｍの範囲が好ましい。

図３は冷却媒体流路４０，４２の高さｈと曲げ角度θとの関係を示すグラフである。このグラフにより、冷却媒体流路４０，４２の高さｈを上記範囲内で設定するには、曲げ角度θはおよそ６０度以上８０度以下の範囲に設定すればよいことが分かる。曲げ角度θが６０度のとき冷却媒体流路４０，４２の高さｈは０．１ｍｍとなり、曲げ角度θが８０度のとき冷却媒体流路４０，４２の高さｈは０．４６ｍｍとなる。本実施形態では、各セパレータ板２０，３０の板厚ｔが０．１ｍｍ、波部２２，３２の波高Ｈが０．５ｍｍのとき、およそ６０度以上８０度以下の範囲を曲げ角度θの好適な範囲とする。図２では曲げ角度θを７５度に設定した場合について示している。この場合、冷却媒体流路４０，４２の高さｈは０．２９ｍｍとなる。

以上のような構成によれば、二枚のセパレータ板２０，３０がそれぞれの波部２２，３２が噛み合うように重ね合わされることで、セパレータ６全体の厚さをセパレータ板２０，３０の二枚分の厚さよりも薄くすることができる。これにより、セパレータ６を十分に薄型化して燃料電池２の積層方向の長さを抑えることが可能になる。また、セパレータ板２０，３０は同一形状であるので、形状の異なるものを複数種作製する場合に比較して大量生産時の単価を抑制することができるという利点もある。

また、カソード電極１４には第１セパレータ板２０の波部２２の山２２ａが接触するが、その裏側である第１セパレータ板２０の波部２２の谷２２ｂと第２セパレータ板３０の波部３２の山３２ａとの間には冷却媒体流路４０が形成されている。一方、アノード電極１２には第２セパレータ板３０の波部３２の山３２ａが接触するが、その裏側である第２セパレータ板３０の波部３２の谷３２ｂと第１セパレータ板２０の波部２２の山２２ａとの間にも冷却媒体流路４２が形成されている。したがって、本実施形態にかかる燃料電池２によれば、膜電極接合体４をそのアノード電極１２側、カソード電極１４側の双方から効率良く冷却することができ、高い冷却性能を得ることができるという利点もある。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、次のように変形して実施してもよい。

上記実施形態の構成において、第１セパレータ板２０の傾斜部２６の第２セパレータ板３０に対向する側の面、及び／又は、第２セパレータ板３０の傾斜部３６の第１セパレータ板２０に対向する側の面に突起を形成し、この突起を介して二つのセパレータ板２０，３０を重ね合わせるようにしてもよい。突起は、例えば、カーボンや金属等の導電性材料を傾斜部２６，３６の表面に接着することによって形成する。突起を介してセパレータ板２０，３０が重ね合わされることで、冷却媒体流路４０，４２の空間を確実に確保することができる。

また、上記実施形態の構成において、第１セパレータ板２０の傾斜部２６と第２セパレータ板３０の傾斜部３６との間にスペーサを介装し、このスペーサを介して二つのセパレータ板２０，３０を重ね合わせるようにしてもよい。スペーサは、カーボンや金属等の導電性材料で形成する。スペーサを介してセパレータ板２０，３０が重ね合わされることで、冷却媒体流路４０，４２の空間を確実に確保することができる。また、スペーサの厚さを変更することで、冷却媒体流路４０，４２の流路断面積を任意に調整することも可能になる。

本発明の燃料電池用セパレータが適用された燃料電池の断面図である。図１に示す燃料電池のセルの断面を拡大して示す図である。冷却媒体流路の高さｈと曲げ角度θとの関係を示すグラフである。

符号の説明

２燃料電池
４膜電極接合体
６セパレータ
１０固体高分子電解質膜
１２アノード電極
１４カソード電極
２０，３０セパレータ板
２２，３２波部
２２ａ，３２ａ波部の山
２２ｂ，３２ｂ波部の谷
２４，３４水平部
２６，３６傾斜部
４０，４２冷却媒体流路
４４燃料ガス流路
４６酸化ガス流路
ｔ板厚
Ｈガス流路の高さ
θ 曲げ角度
ｈ冷却媒体流路の高さ

Claims

一定高さ且つ一定ピッチで波部を形成された同一形状の二枚のセパレータ板からなり、
前記二枚のセパレータ板は、一方のセパレータ板の波部の山が他方のセパレータ板の波部の谷に入り込み、前記他方のセパレータ板の波部の山が前記一方のセパレータ板の波部の谷に入り込むように重ね合わされ、
前記一方のセパレータ板の波部の山と他方のセパレータ板の波部の谷との空間、及び前記他方のセパレータ板の波部の山と前記一方のセパレータ板の波部の谷との空間が冷却媒体流路を形成していることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
前記二枚のセパレータ板の少なくとも一方の表面に突起が形成され、前記二枚のセパレータ板は前記突起を介して重ね合わされてい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。
前記二枚のセパレータ板の間に導電性のスペーサが配置され、前記二枚のセパレータ板は前記スペーサを介して重ね合わされてい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。