JP2006278198A - 燃料電池用セパレータおよび燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 隣接するセパレータを損傷することなく位置決めすることが可能な、燃料電池用セパレータを提供する。
【解決手段】 一方の表面を電解質層１０に当接させ、他方の表面を第２セパレータ４０に当接させて使用する第１セパレータ２０であって、その他方の表面には、第２セパレータ４０との位置決め用の凹部３０が設けられ、その凹部３０には、第２セパレータ４０の凸部５０を所定位置に案内する傾斜面３４が設けられている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池用セパレータおよび燃料電池に関するものである。

次世代のエネルギー源として、水素と酸素を反応させて水を得る過程で電気を得ることを特徴とする燃料電池が開発されている。
図８は、従来技術に係る燃料電池の部分断面図である。固体高分子型の燃料電池２では、固体高分子からなる電解質層１０が、第１セパレータ２０および第２セパレータ４０により挟持されて、電池ユニット５が構成されている。そして、１００〜５００個程度の電池ユニット５が積層されて、１個の燃料電池２が構成されている。

この燃料電池２では、第１セパレータ２０の電解質層１０側の溝部に燃料ガスである水素ガスを流通させるとともに、第２セパレータ４０の電解質層１０側の溝部に酸化剤ガスである酸素ガスを流通させる。すると、電解質層１０において燃料ガスの酸化反応が起こり、熱とともに電力が発生する。発生した熱は、第１電池ユニット５ａの第２セパレータ４０と第２電池ユニット５ｂの第１セパレータ２０との間の溝部に流通させた冷却水によって吸収される。そして発生した電力は、各セパレータ２０，４０の内部を通って、燃料電池２の外部に取り出されるようになっている。

上述したセパレータ２０，４０には、高い導電性能と量産性能が同時に要求される。そこで、導電性材料と樹脂との混合材料によってセパレータ２０，４０が構成されている。これにより、金型によるセパレータ２０，４０の量産化が可能になり、また成形されたセパレータ２０，４０は高い導電性を示すものとなる。
特開平１０−２６１４２３号公報

しかしながら、電池ユニット５ａ，５ｂを積層すると、第１電池ユニット５ａの第２セパレータ４０と第２電池ユニット５ｂの第１セパレータ２０との間に位置ずれが発生するおそれがある。この場合、第２セパレータ４０と第１セパレータ２０との接触面積が小さくなるので、接触部における電気抵抗が大きくなって、導電性能が低下するという問題がある。なお導電性能の低下は、燃料電池の発電特性を大幅に減少させることになる。
また、第２セパレータ４０と第１セパレータ２０との間に位置ずれが発生すると、両者の溝部によって構成される冷却水の流路が変形するので、冷却水の流通抵抗が大きくなったり、冷却水が外部に漏れて、冷却性能が低下するという問題がある。なお冷却性能の低下は、燃料電池２の寿命を短縮することにもなる。

なお、隣接するセパレータ間の位置ずれを防止するため、一方のセパレータに形成された断面矩形の凸部を、他方のセパレータに形成された断面矩形の凹部に嵌合させる構造が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
しかしながら、成形後の樹脂の熱収縮により、セパレータ２０，４０には反りが発生するおそれがあるので、断面矩形の凸部を断面矩形の凹部に嵌合させるのは困難である。また、嵌合の際に凸部または凹部が損傷するおそれもある。そもそも、断面矩形の凸部または凹部は金型からの脱型が困難であり、脱型時に損傷するおそれがある。

本発明が解決しようとする課題は、隣接するセパレータを損傷することなく位置決めすることが可能な、燃料電池用セパレータを提供することにある。
また、導通性能に優れた長寿命の燃料電池を提供することにある。

本発明者は、傾斜面を備えた凸部または凹部を燃料電池用セパレータに設けることにより、他のセパレータを所定位置に案内して位置決めしうることを見出した。

すなわち、本発明は、一方の表面を電解質層（１０）に当接させ、他方の表面を他のセパレータ（４０）に当接させて使用する燃料電池用セパレータであって、前記他方の表面には、前記他のセパレータ（４０）との位置決め用の凸部または凹部（３０）が設けられ、前記凸部または前記凹部（３０）には、前記他のセパレータ（４０）を所定位置に案内する傾斜面（３４）が設けられている燃料電池用セパレータ（２０）を提供する。

また、本発明は、上述した燃料電池用セパレータ（２０）と、前記凸部または前記凹部（３０）に嵌合する凹部または凸部（５０）を備えた前記他のセパレータ（４０）と、を有する燃料電池（１）を提供する。

本発明は、傾斜面を備えた凸部または凹部を設けているので、他のセパレータを損傷することなく所定位置に案内して位置決めすることができる。また、他のセパレータが凸部または凹部から抜け出すのを防止することができる。これにより、導通性能および冷却性能に優れた長寿命の燃料電池を提供することができる。

以下、本発明の実施形態につき、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。

（燃料電池）
図１は、実施形態に係る燃料電池の分解図であり、図２のＡ−Ａ線に相当する部分における断面図である。図１に示す燃料電池は、複数の電池ユニット５を積層して構成されている。また電池ユニット５は、電解質層１０を一対のセパレータ２０，４０で挟持して構成されている。

電解質層１０は、金属材料等で構成された外周部１２の内側に、固体高分子層１４を配置して構成されている。固体高分子層１４として、フッ素樹脂材料にスルホン酸を修飾した化合物を採用することが望ましい。この化合物は、水素イオンを透過しやすく、化学的にも熱的にも安定であるからである。

（燃料電池用セパレータ）
電解質層１０は、第１セパレータ２０および第２セパレータ４０によって挟持されている。以下には、主に第１セパレータ２０について説明するが、第２セパレータ４０も同様に構成されている。

第１セパレータ２０は、導電性材料と樹脂とを６０：４０ｗｔ％〜９５：５ｗｔ％の割合で混合した材料によって構成されている。導電性材料と樹脂からなる混合材料を用いることにより、金型内で加熱して第１セパレータ２０を成形することが可能になり、第１セパレータ２０を低コストで量産化することができる。

導電性材料の種類については特に制限はないが、例えば炭素材料、金属、金属化合物などの粉粒体等を挙げることができ、これらの導電材性粉粒体の１種あるいは２種以上を組み合わせて使用できる。
かかる炭素材料としては、例えば人造黒鉛、天然黒鉛、ガラス状カーボン、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラックなどが挙げられる。これらの粒子状、粉末状物を単独で、もしくは併用して用いることができる。これらの粒子、粉末の形状に特に制限はなく粒子状、箔状、鱗片状、板状、針状、球状、無定形等の何れであってもよい。また黒鉛を化学処理して得られる膨張黒鉛も使用できる。導電性を考慮すれば、より少量で高度の導電性を有するセパレータが得られるという点で、人造黒鉛、天然黒鉛、カーボンブラックが好ましい。
また、前記の金属、金属化合物としては、例えばアルミニウム、亜鉛、鉄、銅、金、ステンレス、パラジウム、チタンなど、更には、チタン、ジルコニウム、ハフニウム等のホウ化物などが挙げられる。これらの金属、金属化合物を単独で、もしくは２種以上組み合わせて用いることができる。これらの粒子、粉末の形状に特に制限はなく粒子状、箔状、鱗片状、板状、針状、球状、無定形等の何れであってもよい。更に、これらの金属、金属化合物が非導電性あるいは半導電性材料の導電材表面に被覆されたものも使用可能である。また、本発明の目的を逸脱しない範囲内で、前記導電材料に非導電材あるいは半導電性の材料を混合して使用してもよい。

樹脂としては、熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂のいずれの種類を使用してもよいが、耐久性能等から特に熱硬化性樹脂がよい。熱硬化性樹脂としては特に制限なく使用することができる。例えば、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂、アルキド樹脂、アクリル樹脂、メラミン樹脂、キシレン樹脂、グアナミン樹脂、ジアリルフタレート樹脂、アリルエステル樹脂、フラン樹脂、イミド樹脂、ウレタン樹脂、ユリア樹脂等が挙げられる。これらの中でも、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂及びアリルエステル樹脂であることが好ましい。これらのうち、耐熱性、耐薬品性、耐熱水性などの点で、ビニルエステル樹脂が特に好ましい。さらに、耐熱性、耐薬品性、耐熱水性などが要求される燃料電池用セパレータにおいては、分子骨格に同素環、複素環のような環式の構造を有する樹脂であることが好ましい。

図２は、燃料電池用セパレータの正面図である。第１セパレータ２０は、矩形の平板状に形成されている。第１セパレータ２０の外周部２２の厚さは、０．５ｍｍ〜５ｍｍとすることが望ましく、１ｍｍ〜３ｍｍとすることがより望ましい。第１セパレータ２０の正面中央部には、複数の溝部２６が並列形成されている。なお第１セパレータ２０の背面中央部にも、複数の溝部が並列形成されている。また第１セパレータ２０の外周部２２には、複数のマニホールド２１が設けられている。

図１に示す燃料電池１では、第１セパレータ２０の電解質層１０側の溝部２４に燃料ガスである水素ガスを流通させるとともに、第２セパレータ４０の電解質層１０側の溝部４４に酸化剤ガスである酸素ガスを流通させる。すると、電解質層１０において燃料ガスの酸化反応が起こり、熱とともに電力が発生する。発生した熱は、第２セパレータ４０の外側の溝部４６および第１セパレータ２０の外側の溝部２６に流通させた冷却水によって吸収される。そして発生した電力は、第２セパレータ４０および第１セパレータ２０の内部を通って、燃料電池１の外部に取り出されるようになっている。

（凸部および凹部）
図１に示す本実施形態の燃料電池１では、第１電池ユニット５ａの第２セパレータ４０が、第２電池ユニット５ｂの第１セパレータ２０と当接するように構成されている。その第２セパレータ４０の外周部４２の表面には凸部５０が形成され、第１セパレータ２０の外周部２２の表面には凹部３０が形成されている。そして、その凸部５０と凹部３０とが嵌合して、第２セパレータ４０と第１セパレータ２０とが位置決めされている。

図２に示す第１セパレータ２０には４個の凹部３０が形成されて、外周部２２の四隅に配置されている。なお、第１セパレータ２０に少なくとも２個の凹部３０を形成すれば、第２セパレータとの位置決めを行うことができる。この場合、２個の凹部３０を第１セパレータ２０の対角線上に配置して、凹部間の距離を確保すれば、第２セパレータとの位置決めをより正確に行うことができる。

なお、図１に示す第１セパレータ２０に凸部５０を形成し、第２セパレータ４０に凹部３０を形成してもよい。また第１セパレータ２０に凸部５０および凹部３０を形成し、これに合わせて第２セパレータに凹部３０および凸部５０を形成してもよい。後者の場合には、第１セパレータ２０および第２セパレータ４０を同一形状として共用化することができる。

図３は凹部の正面図であり、図２のＢ部の拡大図である。図３に示すように、凹部３０は鉢状に形成され、底面３２および側面３４，３６を備えている。一例を挙げれば、凹部３０の長軸方向の長さは５ｍｍ程度とされ、短軸方向の長さは３ｍｍ程度とされている。また凹部３０の深さは、第１セパレータの厚さの１／１０〜３／４とすることが望ましく、１／５〜１／２とすることがより望ましい。具体的には、第１セパレータの厚さが２ｍｍの場合に、凹部３０の深さを０．２ｍｍ〜１．５ｍｍとすることが望ましく、０．４〜１．０ｍｍとすることがより望ましい。凹部３０において、少なくとも第１セパレータの中心側の側面３４は傾斜面とされている。なお図３では、第１セパレータの外周側の側面３６も傾斜面とされている。

図４は、図３のＣ−Ｃ線における断面図である。なお図３のＣ−Ｃ線における断面は、第１セパレータの中心軸を含む断面である。図４に示すように、第１セパレータ２０の中心軸を含む凹部３０の断面において、第１セパレータ２０の中心側の側辺３４の、第１セパレータ２０の法線に対する傾斜角θ_１は、第１セパレータ２０の外周側の側辺３６の、第１セパレータ２０の法線に対する傾斜角θ_３より、大きくなっている。すなわち、凹部３０の側面３４は緩斜面とされ、凹部３０の側面３６は急斜面とされている。詳しくは後述するが、凹部３０の側面３４を緩斜面とすることにより、第２セパレータ４０の凸部５０を凹部３０との嵌合位置まで案内することが可能になる。また、凹部３０の側面３６を急斜面とすることにより、嵌合した凸部５０が凹部３０から抜け出すのを防止することができる。

具体的なθ_１は、１０°以上６０°以下であることが望ましく、１０°以上４５°以下であることがより望ましい。これにより、凸部５０を凹部３０との嵌合位置までスムーズに案内することができる。またθ_３は、０°以上１０°以下であることが望ましく、０．５°以上１０°以下であることがより望ましい。これにより、凸部５０が凹部３０から抜け出すのを効果的に防止することができる。

なお第２セパレータ４０の凸部５０は、第１セパレータ２０の凹部３０の逆形状とされている。すなわち凸部５０は円錐台形状とされ、上面５２および側面５４，５６を備えている。また、第２セパレータ４０の中心軸を含む凸部５０の断面において、第２セパレータ４０の中心側の側辺５４の、第２セパレータ４０の法線に対する傾斜角θ_２は、第２セパレータ４０の外周側の側辺５６の、第２セパレータ４０の法線に対する傾斜角θ_４より、大きくなっている。

ここで、第１セパレータ２０の凹部３０の長軸および短軸の長さを第２セパレータ４０の凸部５０の長軸および短軸の長さ以上に形成し、また凹部３０の深さを凸部５０の高さより大きく形成し、さらにθ_１≦θ_２およびθ_３≦θ_４となるように凹部３０および凸部５０を形成することが望ましい。この構成によれば、凹部３０の内側に凸部５０を取り込むことができるので、第１セパレータ２０の表面と第２セパレータ４０の表面とを確実に接触させることが可能になり、両者間の導電性能を確保することができる。

一方、凹部３０における第１セパレータ２０の中心側の側面３４と、第１セパレータ２０の表面との角部３４ｂには、丸面取りを施すことが望ましい。また、凹部３０における第１セパレータ２０の外周側の側面３６と、第１セパレータ２０の表面との角部３６ｂにも、丸面取りを施すことが望ましい。さらに、凹部３０の底面３２と側面３４との角部３４ａにも丸面取りを施すとともに、凹部３０の底面３２と側面３６との角部３６ａにも丸面取りを施すことが望ましい。いずれの丸面取りも、Ｒ０．０５ｍｍ以上とすることが望ましく、Ｒ０．１ｍｍ〜Ｒ０．５ｍｍとすることがより望ましい。この構成によれば、外力による凹部３０の角部への応力集中を緩和することが可能になり、金型からの脱型時およびセパレータ嵌合時に凹部３０の損傷を防止することができる。

同様に、第２セパレータ４０の表面と凸部５０の側面５４との角部５４ｂおよび側面５６との角部５６ｂ、ならびに凸部５０の上面５２と側面５４との角部５４ａおよび側面５６との角部５６ａにも、それぞれ丸面取りを施すことが望ましい。
本実施形態に係る燃料電池用セパレータは、以上のように構成されている。

（燃料電池の製造方法）
次に、図１に示す燃料電池の製造方法について説明する。まず上記のように構成した電解質層１０、第１セパレータ２０および第２セパレータ４０を所定の順番で所定の位置に積層し、さらに全体をケース内に固定する。その後、図示しない燃料ガス供給手段、酸化ガス供給手段および冷却水供給手段を接続して、燃料電池を形成する。

上述したセパレータ２０，４０は、導電性能と量産性能を確保するため、導電性材料と樹脂との混合材料で構成され、金型内で加熱して成形されている。しかしながら、成形後の樹脂の熱収縮により、セパレータ２０，４０には反りが発生するおそれがある。また、セパレータ２０，４０の一方面に形成される溝部の深さと、他方面に形成される溝部の深さとが異なる場合にも、セパレータ２０，４０に反りが発生するおそれがある。一例を挙げれば、２００ｍｍ四方のセパレータ２０，４０の中心部に、１〜２ｍｍ程度の反りが発生する。

図５は、積層すべきセパレータに発生した反りの組み合わせの説明図であり、図２のＡ−Ａ線に相当する部分における断面図である。図５（ａ）では、各セパレータ２０，４０の反りが同方向に発生し、図５（ｂ）および図５（ｃ）では、各セパレータ２０，４０の反りが逆方向に発生している。なお、図５（ｂ）では各セパレータ２０，４０の中心部が離反するように反りが発生し、図５（ｃ）では各セパレータ２０，４０の中心部が接近するように反りが発生している。なお、各セパレータ２０，４０を同じ金型で成型する場合には、図５（ａ）に示すように各セパレータ２０，４０の反りが同方向に発生することになる。そして燃料電池を製造するには、このような反りを矯正しつつ、各セパレータ２０，４０を所定の位置に積層する必要がある。

そこで図５（ａ）に示すように、まず第２セパレータ４０の一方の端部に形成された凸部５０ａを、第１セパレータ２０の一方の端部に形成された凹部３０ａに嵌合させる。次に、第２セパレータ４０の表面を第１セパレータ２０の表面に沿わせつつ、第２セパレータ４０の一方の端部に形成された凸部５０ｂを、第１セパレータ２０の他方の端部に形成された凹部３０ｂに嵌合させる。

図６は、凸部および凹部の嵌合作用の説明図である。図６（ａ）に示すように、第２セパレータ４０の凸部５０が第１セパレータ２０の凹部３０の内側に入ると、凸部５０の角部５４ａが凹部３０の側面３４に沿って、矢印３９の方向に案内される。そして図６（ｂ）に示すように、凸部５０の側面５６が凹部３０の側面３６に当接した時点で、凸部５０が凹部３０に嵌合する。これにより、第２セパレータ４０が第１セパレータ２０の所定位置に積層される。

なお図６（ａ）に示すように、凹部３０の側面３４は緩斜面とされているので、凸部５０を凹部３０との嵌合位置までスムーズに案内することができる。また、凸部５０の角部５４ａおよび凹部３０の角部３４ｂには丸面取りが施されているので、嵌合途中で角部５４ａおよび角部３４ｂが損傷するのを防止することができる。なお、各セパレータ２０，４０は黒鉛を多く含んでいるので、角部が損傷しやすくなっているが、本実施形態の構成によれば角部の損傷を確実に防止することができる。さらに図６（ｂ）に示すように、凹部３０の側面３６および凸部５０の側面５６が急斜面とされているので、側面３６と側面５６との間に摩擦力が作用し、嵌合した凸部５０が凹部３０から抜け出すのを効果的に防止することができる。

そして、図５に示す全ての組み合わせにつき、上記の方法を適用することにより、各セパレータ２０，４０の反りを矯正しつつ、第２セパレータ４０を第１セパレータ２０の所定位置に積層することができる。これにより、燃料電池の製造工程における作業性の低下やコストの上昇を招くことなく、各セパレータ２０，４０を積層して燃料電池を製造することができる。

なお、図５（ａ）に示すように各セパレータ２０，４０の反りが同方向に発生している場合や、反りの大きさが１ｍｍ以下の場合には、凹部または凸部の側面の傾斜角を、凹部または凸部の全周にわたって同一としてもよい。この構成でも、凸部５０を凹部３０との嵌合位置までスムーズに案内することができる。また嵌合した凸部５０が凹部３０から抜け出すのを防止することができる。

また、図５（ｃ）に示すように各セパレータ２０，４０の反りが逆方向に発生している場合には、図４に示す第１セパレータ２０の凹部３０につき、第１セパレータ２０の中心側の側面３４を急斜面とし、外周側の側面３６を緩斜面としてもよい。同様に、第２セパレータ４０の凸部５０につき、第２セパレータ４０の中心側の側面５４を急斜面とし、外周側の側面５６を緩斜面とする。この構成でも、凸部５０を凹部３０との嵌合位置までスムーズに案内することができる。また嵌合した凸部５０が凹部３０から抜け出すのを防止することができる。

図７は、凹部の変形例の正面図である。本実施形態では、図３に示すように円形状の底面３２を有する凹部３０を例にして説明したが、図７に示すように半円形状の底面３２を有する凹部１３０を採用することも可能である。この場合にも原則として、凹部１３０における第２セパレータの中心側の側面３４を緩斜面とし、外周側の側面３６を急斜面とする。また円形状や半円形状以外に、矩形状の底面を有する凹部を採用することも可能である。

なお本発明の技術範囲は、上述した実施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において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、実施形態で挙げた具体的な材料や構成などはほんの一例に過ぎず、適宜変更が可能である。

実施形態に係る燃料電池の分解断面図である。 燃料電池用セパレータの正面図である。 凹部の正面図である。 凸部および凹部の断面図である。 積層すべきセパレータに発生した反りの組み合わせの説明図である。 凸部および凹部の嵌合作用の説明図である。 凹部の変形例の正面図である。 従来技術に係る燃料電池の部分断面図である。

符号の説明

１０‥電解質層 ２０‥第１セパレータ ３０‥凹部 ３４‥傾斜面 ４０‥第２セパレータ ５０‥凸部

Claims (9)

1. 一方の表面を電解質層に当接させ、他方の表面を他のセパレータに当接させて使用する燃料電池用セパレータであって、
   前記他方の表面には、前記他のセパレータとの位置決め用の凸部または凹部が設けられ、
   前記凸部または前記凹部には、前記他のセパレータを所定位置に案内する傾斜面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. 前記凸部または前記凹部は、前記他方の表面の少なくとも２箇所に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用セパレータ。
3. 前記傾斜面は、前記凸部または前記凹部において、少なくとも前記燃料電池用セパレータの中心側の側面に設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池用セパレータ。
4. 前記燃料電池用セパレータの中心軸を含む前記凸部または前記凹部の断面において、前記燃料電池用セパレータの中心側の側辺の、前記燃料電池用セパレータの法線に対する傾斜角は、前記燃料電池用セパレータの外周側の側辺の、前記燃料電池用セパレータの法線に対する傾斜角より、大きくなっていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池用セパレータ。
5. 前記燃料電池用セパレータの中心軸を含む前記凸部または前記凹部の断面において、前記燃料電池用セパレータの中心側の側辺の、前記燃料電池用セパレータの法線に対する傾斜角は、１０°以上６０°以下であることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の燃料電池用セパレータ。
6. 前記燃料電池用セパレータの中心軸を含む前記凸部または前記凹部の断面において、前記燃料電池用セパレータの外周側の側辺の、前記燃料電池用セパレータの法線に対する傾斜角は、０°以上１０°以下であることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池用セパレータ。
7. 前記凸部または前記凹部の角部には、丸面取りが施されていることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の燃料電池用セパレータ。
8. 少なくとも導電性材料および樹脂材料を含む材料を用いて、金型内で成型されたことを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の燃料電池用セパレータ。
9. 請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の燃料電池用セパレータと、
   前記凸部または前記凹部に嵌合する凹部または凸部を備えた前記他のセパレータと、
   を有することを特徴とする燃料電池。

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