JP2006236750A - 燃料電池用セパレータ - Google Patents

Abstract

【課題】流路入口領域や流路中央領域における固体高分子電解質膜の局所的の乾燥を防ぐとともに、流路出口領域のフラッディングが起こりにくい燃料電池用セパレータを提供する。
【解決手段】燃料電池用セパレータは、板状であり、中央部に表面から板厚方向に掘られたような酸化剤または燃料からなるガスが流れる溝状の流路、周縁部に板厚方向に貫通し、上記流路の上記ガスが流れる方向の両端部にそれぞれ接続されている入口マニホールドおよび出口マニホールドが具備されている燃料電池用セパレータにおいて、上記中央部の表面に上記流路に平行し、並行する複数の水リザーバ溝が設けられている。
【選択図】図３

Description

この発明は、電気化学的な反応を利用して発電する固体高分子型燃料電池に用いられる燃料電池用セパレータに関する。

従来、燃料電池用セパレータは、空気や酸素などの酸化剤ガス、または純水素や改質ガスなどの燃料ガスが流れる流路が表面に形成され、燃料極、固体高分子電解質膜、空気極から構成されている電極・膜接合体を両面から挟むことにより燃料電池セルが構成され、この燃料電池セルを複数段に積層して燃料電池スタックが構成されている（例えば、特許文献１参照）。

そして、固体高分子型燃料電池の燃料電池スタックは、例えば８０℃程度の温度で運転され、空気極では水素と酸素とが反応して生成される生成水が水蒸気としてではなく、水滴として排出されるので、空気入口マニホールドを上側に、空気出口マニホールドを下側にし、水滴を排出し易いようにセパレータを地平線に対して垂直に立てて構成されている。

特開２００１−５７２１９号公報

しかし、固体高分子型燃料電池スタックでは、固体高分子電解質膜は水を含んで初めてイオン伝導性を発揮するため、空気および燃料ガスは加湿されて燃料電池スタックに供給されるが、生成水が発生するので、空気用流路出口領域では、水滴が溜まり易くなり、空気用流路出口領域の空気極が過剰に濡れてしまい、ガス拡散性が阻害されたり、空気用流路の一時的な閉塞が引き起こされたりして空気流量が変動し、燃料電池セル電圧が不安定になってしまうという問題がある。
このような問題は、反応によって生成水が生ずるとともに燃料極から空気極へ固体高分子電解質膜を介して１プロトンあたり数個の水分子が搬送される空気流路側において顕著であるが、燃料ガス流路側においても飽和に近く加湿されていてガス流量が空気の数分の１と流速の遅いので同じような問題がある。

特に、空気や燃料ガスの加湿温度を低くして運転する低加湿運転においては、空気流路入口領域や空気流路中央領域での加湿の不足と、空気流路出口領域でのフラッディングが顕著になり、電流が空気流路出口領域に集中し、出力電圧が高温で加湿した場合に比べて１００ｍＶ近く低下し、寿命劣化も数倍激しくなる等の大きな問題がある。
また、固体高分子電解質膜が乾燥すると、過酸化水素の発生が増えたり、濃度が高まって固体高分子電解質膜に穴が明いたりすることが判明しており、膜の乾燥を防止することが、燃料電池の寿命を確保する上で重要な課題である。

このように、従来の固体高分子型燃料電池スタックでは、小さな水滴が徐々に成長して空気流路出口側や燃料流路出口側に溜まってフラッディングする不具合が起き易く、加湿が不十分なために加湿温度を高めて運転する必要があるといった運転への制約が大きいという問題がある。また、固体高分子電解質膜の乾燥によって固体高分子電解質膜にダメージが生じるという問題もある。

この発明の目的は、流路入口領域や流路中央領域における固体高分子電解質膜の局所的の乾燥を防ぐとともに、流路出口領域のフラッディングが起こりにくい燃料電池用セパレータを提供することである。

この発明に係る燃料電池用セパレータは、板状であり、中央部に表面から板厚方向に掘られたような酸化剤または燃料からなるガスが流れる溝状の流路、周縁部に板厚方向に貫通し、上記流路の上記ガスが流れる方向の両端部にそれぞれ接続されている入口マニホールドおよび出口マニホールドが具備されている燃料電池用セパレータにおいて、上記中央部の表面に上記流路に平行し、並行する複数の水リザーバ溝が設けられている。

この発明に係わる燃料電池用セパレータの効果は、水リザーバ溝に溜まった水が出口領域から入口領域へポア吸引力により戻され、入口マニホールド付近の乾燥が緩和されることにより固体高分子電解質膜の局部的な乾燥による固体高分子電解質膜のダメージを防止できるとともに出口マニホールド付近のフラッディングを防ぎ燃料電池セルを安定に運転することができる。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係わる固体高分子型燃料電池の燃料電池セルの断面模擬図である。図２は、実施の形態１に係わる固体高分子型燃料電池の側面図である。図３は、実施の形態１に係わるカソードセパレータの平面図である。図４は、図３のＡ−Ａ断面線における水リザーバ溝の断面図である。図５は、ポア半径と水の移動速度の関係を示す図である。図６は、接触角とポア吸引力の関係を示す図である。
なお、以下の説明において燃料電池用セパレータとしてカソードセパレータを例に挙げて説明するが、アノードセパレータにも同様にこの発明を適用できる。

一般的に、固体高分子型燃料電池の燃料電池セル１は、図１に示すように、アノードセパレータ２、アノードガス拡散電極３、アノード触媒層４、固体高分子電解質膜５、カソード触媒層６、カソードガス拡散電極７、カソードセパレータ８を重ね合わせた７層構造からなる。そして、燃料電池スタック１０は、この複数の燃料電池セル１が直列に積層された構造である。さらに、固体高分子型燃料電池１１は、図２に示すように、燃料電池スタック１０を両端から集電板１２で挟持し、その外側に絶縁板１３を配置している。最後に押さえ板１４で燃料電池スタック１０全体に面圧をかけている。燃料電池セル１の出力電圧は１Ｖ未満であるため、直列に積層することで高い電圧を発生させることができる。

一般的に、アノードセパレータ２およびカソードセパレータ８の材料は、カーボン樹脂モールド、または貴金属メッキを表面に施した金属板など、電気伝導度が高く、ガス透過性の無い材料が用いられている。以下の説明ではカーボン樹脂モールド板を例に挙げて説明する。
また、一般的に、アノードガス拡散電極３とカソードガス拡散電極７は、カーボンペーパーを用いることが多いが、カーボンクロス、カーボンフェルトを用いることもある。
また、一般的に、アノード触媒層４として、白金ルテニウム合金微粒子を担持したカーボン粒子が用いられており、カソード触媒層６として、白金微粒子を担持したカーボン粒子が用いられている。固体高分子電解質膜５は、プロトン伝導性を有するナフィオン（商標登録）などからなり、この固体高分子電解質膜５によって電子とガスを隔絶すると同時に、プロトンを伝達することができる。

次に、実施の形態１に係わるカソードセパレータ８について図３、図４を参照して説明する。
一般的に、燃料電池セル１は、その面内の中央部に燃料がイオン化されてプロトンが生成され、そのプロトンが固体高分子電解質膜５内を伝達し、酸素と結合して水が生成されるとともに発電される発電部が配設され、その中央部を囲繞する周縁部に、燃料、空気、冷却水が分配され、使用後排出されるマニホールドが設けられている。
そして、カソードセパレータ８は、図３に示すように、矩形のカーボン樹脂モールド板である。カーボン樹脂モールド板の４辺の内、相対する２辺のマニホールド辺１７ａ、１７ｂに沿うようにマニホールドが設けられている。マニホールドは、カーボン樹脂モールド板の１つの隅からマニホールド辺１７ａに沿うようにしてカーボン樹脂モールド板を板厚方向に貫通する空気入口マニホールド２１、空気入口マニホールド２１に対してカーボン樹脂モールド板の中心点を中心として点対称の隅から他のマニホールド辺１７ｂに沿うようにしてカーボン樹脂モールド板を板厚方向に貫通する空気出口マニホールド２２からなる。

また、マニホールドは、空気出口マニホールド２２に隣接して他のマニホールド辺１７ｂに沿うようにしてカーボン樹脂モールド板を板厚方向に貫通する冷却水出口マニホールド２３、冷却水出口マニホールド２３に隣接して他のマニホールド辺１７ｂに沿うようにしてカーボン樹脂モールド板を板厚方向に貫通する燃料入口マニホールド２４からなる。 また、マニホールドは、空気入口マニホールド２１に隣接してマニホールド辺１７ａに沿うようにしてカーボン樹脂モールド板を板厚方向に貫通する冷却水入口マニホールド２５、冷却水入口マニホールド２５に隣接してマニホールド辺１７ａに沿うようにしてカーボン樹脂モールド板を板厚方向に貫通する燃料出口マニホールド２６からなる。

そして、カーボン樹脂モールド板の中央部に、空気入口マニホールド２１と空気出口マニホールド２２とを連通するサーペンタイン流路２７が設けられている。サーペンタイン流路２７は、並行し、マニホールド辺１７ａ、１７ｂ方向に蛇行して空気入口マニホールド２１から空気出口マニホールド２２まで延びる２本の流路凹部２８が切削加工またはモールド成型により形成されている。流路凹部２８の幅と深さは１ｍｍ程度である。なお、２本の流路凹部２８が設けられている例を説明するが、流路凹部２８が３本以上設けられていても、この発明を同様に適用することができる。

そして、隣り合う流路凹部２８を区切る流路凸部２９の頂部３０に、図４に示すように、深さ５０μｍ、幅５０μｍの空気入口マニホールド２１の近傍から空気出口マニホールド２２の近傍まで連なった１０本の水リザーバ溝３１が設けられている。水リザーバ溝３１は、レーザー加工によって容易に形成することができ、レーザーの照射時間やレーザー光の幅で溝の深さや幅をコントロールすることができ、短時間で加工できる。
なお、さらに加工を低コストにするには、カーボン樹脂モールドにおいて、金型に予め、水リザーバ溝３１の型を設ければよく、モールド加工されたセパレータの流路凸部２９の頂部３０に、型の形状に合わせて水リザーバ溝３１が形成される。

次に、燃料電池セル１におけるガスと水の移動について、燃料電池セル１の構成要素のポアに関連付けて図１を参照して説明する。
空気や酸素などの酸化剤ガスは、カソードセパレータ８を貫通する空気入口マニホールド２１から２本の流路凹部２８に流れ込み、流路凹部２８を空気入口マニホールド２１から空気出口マニホールド２２へ流れる間にカソードガス拡散電極７とカソード触媒層６に拡散によって供給され、カソード触媒層６で反応により生成された水はカソードガス拡散電極７から流路凹部２８に排出され、流路凹部２８ではカソードガス拡散電極７から排出された水滴が酸化剤ガスが流れる方向に進むに従って徐々に大きくなって酸化剤ガスとともに空気出口マニホールド２２から排出される。流路凹部２８の幅、深さは１ｍｍ程度、カソードガス拡散電極７のポア径は８０μｍ程度、カソード触媒層６のポア径は１μｍ以下である。

そして、カソード触媒層６からカソードガス拡散電極７に排出された水は、カソードガス拡散電極７を溢れ出す前に、ポア吸引力によって、カソードガス拡散電極７に接している水リザーバ溝３１に吸収される。水リザーバ溝３１は、空気出口マニホールド２２の近傍の領域（以下、出口領域と略記する。）３３では水により完全に満たされ、さらに流路凹部２８に溢れ出た水が水滴となり徐々に大きくなって酸化剤ガスとともに排出される。

一方、空気入口マニホールド２１の近傍の領域（以下、入口領域と略記する。）３４の水リザーバ溝３１では、乾燥ぎみのために水によって完全には満たされておらず、水の溜まっていない空間にポア吸引力が生じる。水リザーバ溝３１は、入口領域３４と出口領域３３を直線的につなげているので、ポア吸引力によって出口領域３３の水リザーバ溝３１の水が、入口領域３４の水リザーバ溝３１の空間に引き寄せられる。すなわち、水が水リザーバ溝３１を介して、出口領域３３から入口領域３４に運ばれる。
従って、出口領域３３では、流路凹部２８に溢れ出る水の量が減り、入口領域３４での乾燥が緩和される。すなわち、加湿度合いがセパレータ面内で均一化されるので、反応ガスの加湿を相対湿度１００％近くまで高めなくとも、低加湿で特性を高く保ち、安定に動作させることが可能になる。

次に、水リザーバ溝３１の溝幅と溝深さについて図５を参照して説明する。図５では、溝幅または溝深さの一方を５０μｍとして固定し、他方を２μｍから１００μｍまで変化したときの移動速度を示す。
図５から分かるように、水リザーバ溝３１の溝幅または溝深さが大きいほど、水が水リザーバ溝３１内を移動する移動速度が速くなる。水リザーバ溝３１の溝幅または溝深さが１０μｍを下回ると水リザーバ溝３１を伝わった水の移動速度が極端に遅くなるので、水リザーバ溝３１の溝幅または溝深さの下限値は１０μｍとなる。一方、溝幅または溝深さの上限値については、特に制限はないが、カソードガス拡散電極７のポア半径に比べて小さいことが望ましい。
なお、カソードガス拡散電極７には、通常、撥水処理が施されており、接触角が９０度より大きく、ポア吸引力が低いので、水リザーバ溝３１の溝幅または溝深さが３００μｍ程度であっても機能させることができる。

次に、水リザーバ溝３１の内壁の接触角について図６を参照して説明する。図６では、ポア半径を０．１μｍ、１μｍ、１０μｍとし、接触角を０度から１８０度まで変化したときのポア吸引力ΔＰを示す。
ポア吸引力ΔＰは、水の表面張力をγ（ｍＮ／ｍ）、流路凹部２８の内壁の接触角をθ（度）、ポア半径をｒ_ａ（ｍ）とすると、式（１）で表される。

ΔＰ＝２γｃｏｓθ／ｒ_ａ （１）

ポア吸引力ΔＰは、接触角に大きく依存し、またポア半径が小さいほど大きくなるが、接触角が９０度を上回ると逆に排斥力になるので、接触角が９０度以下になるように水リザーバ溝３１の内壁を撥水・親水処理を施さなければならない。さらに、接触角が８０度以上でのポア吸引力ΔＰの変化が大きいので、水リザーバ溝３１の内壁の接触角は８０度以下が望ましい。内壁の接触角は、内壁の親水処理、例えば酸化チタンなどの親水性粒子の塗膜によって容易に実現できる。

このようなカソードセパレータ８は、水リザーバ溝３１を水の通路として出口領域３３に溜まった水が入口領域３４に戻され、空気入口マニホールド２１付近の固体高分子電解質膜の乾燥が緩和されるとともに空気出口マニホールド２２付近の流路凹部２８でのフタッディングが防止され、固体高分子型燃料電池１１を安定に運転することができる。

また、固体高分子電解質膜が局所的に乾燥することが防げるので、過酸化水素の発生が増えたり、濃度が高まって固体高分子電解質膜に穴が明いたりすることを防止できる。

実施の形態２．
図７は、この発明の実施の形態２に係わるカソードセパレータの平面図である。図８は、図７のＢ−Ｂ断面線における水リザーバ溝の断面図である。
実施の形態２に係わるカソードセパレータ８Ｂは、図７に示すように、実施の形態１に係わるカソードセパレータ８と水リザーバ溝３１Ｂの溝深さのガスが流れる方向の分布が異なっており、その他は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記して説明は省略する。

実施の形態２に係わるカソードセパレータ８Ｂでは、空気入口マニホールド２１から空気出口マニホールド２２に進むに従い水リザーバ溝３１Ｂの溝深さが連続的に深くなるように変化している。入口領域３４における水リザーバ溝３１Ｂは、図４に示すのと同様に、溝幅５０μｍ、溝深さ５０μｍであるが、出口領域３３における水リザーバ溝３１Ｂは、図８に示すように、溝幅５０μｍ、溝深さ１００μｍである。

このようなカソードセパレータ８Ｂは、入口領域３４と出口領域３３における水リザーバ溝３１Ｂのポア吸引力の差が大きくなり、より高速に、出口領域３３から入口領域３４に水が移動する。
また、出口領域３３の水リザーバ溝３１Ｂに溜められる水の量が増えるので、流路凹部２８に溢れ出る水の量をより減らすことができる。

実施の形態３．
図９は、この発明の実施の形態３に係わるカソードセパレータの平面図である。図１０は、図９のＢ−Ｂ断面線における水リザーバ溝の断面図である。
実施の形態３に係わるカソードセパレータ８Ｃは、実施の形態１に係わるカソードセパレータ８と水リザーバ溝３１Ｃの溝幅のガスが流れる方向の分布が異なっており、その他は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記して説明は省略する。

実施の形態３に係わるカソードセパレータ８Ｃでは、空気入口マニホールド２１から空気出口マニホールド２２に進むに従い水リザーバ溝３１Ｃの溝幅が連続的に広くなるように変化している。入口領域３４における水リザーバ溝３１Ｃは、図４に示すのと同様に、溝幅５０μｍ、溝深さ５０μｍであるが、出口領域３３における水リザーバ溝３１Ｃは、図１０に示すように、溝幅１００μｍ、溝深さ５０μｍである。

このようなカソードセパレータ８Ｃは、入口領域３４と出口領域３３における水リザーバ溝３１Ｂのポア吸引力の差が大きくなり、より高速に、出口領域３３から入口領域３４に水が移動する。
また、出口領域３３の水リザーバ溝３１Ｃに溜められる水の量が増えるので、流路凹部２８に溢れ出る水の量をより減らすことができる。

実施の形態４．
図１１は、この発明の実施の形態４に係わるカソードセパレータの平面図である。図１２は、図１１のＣ−Ｃ断面線における水リザーバ溝の断面図である。
実施の形態４に係わるカソードセパレータ８Ｄは、実施の形態１に係わるカソードセパレータ８と水リザーバ溝３１Ｄ、３１Ｅが配設されている位置が異なっており、その他は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記して説明は省略する。

実施の形態４に係わるカソードセパレータ８Ｄでは、ガスが流れる方向に向かって左側に配設された流路凹部２８ｄのガスが流れる方向に向かって左側の土手からなる流路凸部２９ｄとガスが流れる方向に向かって右側に配設された流路凹部２８ｅのガスが流れる方向に向かって右側の土手からなる流路凸部２９ｅのそれぞれの頂部３０ｄ、３０ｅに、流路凹部２８ｄ、２８ｅに平行に、並行する溝幅５０μｍ、溝深さ５０μｍの１０本の水リザーバ溝３１Ｄ、３１Ｅが設けられている。

このようなカソードセパレータ８Ｄは、水リザーバ溝３１Ｄ、３１Ｅが流路凹部２８ｄ、２８ｅを囲繞する位置に配設されているので、より広い領域に対して水リザーバ溝３１Ｄ、３１Ｅを介しての水の移動によって、固体高分子電解質膜５の乾燥を防止することができる。

なお、上述の実施の形態では、サーペンタイン流路２７を用いた場合を示したが、ストレート流路でもよく、同様の効果が得られる。
また、水リザーバ溝の本数を１０本として説明したが、これに限るものではない。

この発明の実施の形態１に係わる固体高分子型燃料電池の燃料電池セルの断面模擬図である。 実施の形態１に係わる固体高分子型燃料電池の側面図である。 実施の形態１に係わるカソードセパレータの平面図である。 図３のＡ−Ａ断面線における水リザーバ溝の断面図である。 ポア半径と水の移動速度の関係を示す図である。 接触角とポア吸引力の関係を示す図である。 この発明の実施の形態２に係わるカソードセパレータの平面図である。 図７のＢ−Ｂ断面線における水リザーバ溝の断面図である。 この発明の実施の形態３に係わるカソードセパレータの平面図である。 図９のＣ−Ｃ断面線における水リザーバ溝の断面図である。 この発明の実施の形態４に係わるカソードセパレータの平面図である。 図１１のＤ−Ｄ断面線における水リザーバ溝の断面図である。

符号の説明

１ 燃料電池セル、２ アノードセパレータ、３ アノードガス拡散電極、４ アノード触媒層、５ 固体高分子電解質膜、６ カソード触媒層、７ カソードガス拡散電極、８、８Ｂ、８Ｃ、８Ｄ カソードセパレータ、１０ 燃料電池スタック、１１ 固体高分子型燃料電池、１２ 集電板、１３ 絶縁板、１４ 押さえ板、１７ａ、１７ｂ マニホールド辺、２１ 空気入口マニホールド、２２ 空気出口マニホールド、２３ 冷却水出口マニホールド、２４ 燃料入口マニホールド、２５ 冷却水入口マニホールド、２６ 燃料出口マニホールド、２７ サーペンタイン流路、２８、２８ｄ、２８ｅ 流路凹部、２９、２９ｄ、２９ｅ 流路凸部、３０、３０ｄ、３０ｅ 頂部、３１、３１Ｂ、３１Ｃ、３１Ｄ、３１Ｅ 水リザーバ溝、３３ 出口領域、３４ 入口領域。

Claims (6)

1. 板状であり、中央部に表面から板厚方向に掘られたような酸化剤または燃料からなるガスが流れる溝状の流路、周縁部に板厚方向に貫通し、上記流路の上記ガスが流れる方向の両端部にそれぞれ接続されている入口マニホールドおよび出口マニホールドが具備されている燃料電池用セパレータにおいて、
   上記中央部の表面に上記流路に平行し、並行する複数の水リザーバ溝が設けられていることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
2. 上記水リザーバ溝の深さは、上記入口マニホールドに近づくに従い浅く、上記出口マニホールドに近づくに従い深くなるように連続的に変化することを特徴とする請求項１に記載する燃料電池用セパレータ。
3. 上記水リザーバ溝の幅は、上記入口マニホールドに近づくに従い狭く、上記出口マニホールドに近づくに従い広くなるように連続的に変化することを特徴とする請求項１に記載する燃料電池用セパレータ。
4. 上記周縁部の表面に上記流路に平行する複数の水リザーバ溝が設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載する燃料電池用セパレータ。
5. 上記水リザーバ溝の幅または深さが１０μｍ以上であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載する燃料電池用セパレータ。
6. 上記水リザーバ溝の接触角が８０度以下であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載する燃料電池用セパレータ。

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