JP2006294596A - 燃料電池用スタック - Google Patents

Abstract

【課題】セパレータの厚さを減少でき，さらに水素と酸素がセパレータを透過して混合されることを防止可能な燃料電池用スタックを提供すること。
【解決手段】膜−電極アセンブリ１１１と，一面に水素移動チャンネル１１５，他面に酸素移動チャンネル１１７を備えるセパレータ１１３，１１３’を含む。上記両移動チャンネル１１５，１１７は，いずれも膜−電極アセンブリ１１１に隣接する第１部分１１８ａ，１１８ｂと，膜−電極アセンブリ１１１から離隔する第２部分１１９ａ，１１９ｂによって形成され，セパレータ１１３，１１３’の一面に配置される。第１部分１１８ａ，１１８ｂと第２部分１１９ａ，１１９ｂは，セパレータ１１３，１１３’の他の一面に配置される，第２部分１１９ａ，１１９ｂと第１部分１１８ａ，１１８ｂとに各々対向し，セパレータ１１３，１１３’は少なくとも二つの厚さで形成される。
【選択図】図２

Description

本発明は，燃料電池用スタックに関し，より詳しくは水素および酸素の移動チャンネル構造を改善したセパレータに関する。

公知のように，燃料電池はメタノール，エタノール，天然ガスのような炭化水素系の燃料に含まれている水素と，別途に供給される酸素の化学反応エネルギーを直接電気エネルギーに変換させる発電システムである。

このような燃料電池において，近来開発されている高分子電解質型燃料電池（以下，ＰＥＭＦＣと言う）は，他の燃料電池に比べて出力特性が優れていて，作動温度が低く，同時に，速い始動および速い応答特性を有し，自動車のような移動用電源はもちろん，住宅，公共建物のような分散用電源および電子機器用のような小型電源等，その応用範囲が広いという長所を有する。

ＰＥＭＦＣは基本的にシステムを構成するためにスタック，改質装置等を備える。スタックは，水素と酸素の反応によって電気エネルギーを発生させる燃料電池の本体を形成し，改質装置は，燃料を改質して水素を発生させ，この水素を上記スタックに供給する。

一方，ＰＥＭＦＣのように改質装置を使用する方式以外にも，燃料を直接スタックに供給して，この燃料と酸素の電気化学的な反応を通じて電気エネルギーを発生させる直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）のような直接酸化型燃料電池方式がある。

この方式の燃料電池システムは，改質装置を採用した燃料電池方式とは異なり，改質装置を必要としない。

図４は一般的な燃料電池システムにおけるスタックを示した部分断面図である。

図４に示したように，上記スタックは膜−電極アセンブリ（ＭＥＡ）１１の両面にセパレータ（当業界では’二極式プレート’とも言う）１３，１３’を隣接配置して形成される電気発生部１６を備える。一般に，上記スタックはこの電気発生部１６を複数備える。

電気発生部１６において，セパレータ１３，１３’は膜−電極アセンブリ１１の両面に隣接配置されて，膜−電極アセンブリ１１のアノード電極に水素が供給されるように水素の移動通路を構成する水素通路１５と，膜−電極アセンブリ１１のカソード電極に酸素が供給されるように酸素の移動通路を構成する酸素通路１７を形成する。ここで，膜−電極アセンブリ１１は，メンブレインと，このメンブレインの両側に配置されるアノード電極とカソード電極とを含むが，便宜上図面ではこれを具体的に示さず，一つの形態で示した。

水素通路１５と酸素通路１７は，セパレータ１３，１３’の両面に任意の間隔をおいて形成された複数のリーブ１８，１８’の間に配置されるチャンネル１９，１９’によって形成することができる。

このとき，水素通路１５と酸素通路１７は，セパレータ１３，１３’の両面に互いに対向して位置し，所定の厚さで水素通路１５と酸素通路１７の間に位置するセパレータ１３，１３’の部分はバリアａを形成する。

従来のセパレータは，グラファイトまたは炭素複合材からなるが，このような素材は気体を透過させることができる固有な特性を持っている。

従って，上記セパレータ１３，１３’が上記素材で形成される場合，水素通路１５および酸素通路１７を通過する水素と酸素が上記バリアａを透過して混合されるおそれがある。

そこで，当業界では，上記バリアａが水素と酸素を透過させない最小限の厚さｔ２（通常０．４ｍｍ）以上を維持するようにしてセパレータ１３，１３’を形成している。

しかし，上記セパレータ１３，１３’は，上述したようにバリアａを挟んで水素通路１５と酸素通路１７が互いに対向配置しているために，上記問題を防止するためにバリアａが有しなければならない最小限の厚さｔ２マージンによって，セパレータ１３，１３’の全厚さｔ１を減らすのに限界があるため，スタックのスリム化を難しくしている。

そこで，本発明は，上記問題に鑑みてなされたものであり，本発明の目的とするところは，セパレータの厚さを減少させることができ，さらに，上記セパレータを水素と酸素が透過して混合されることを防止可能な，新規かつ改良された燃料電池用スタックを提供することにある。

上記課題を解決するために，本発明のある観点によれば，膜−電極アセンブリと；一面に形成される水素移動チャンネルと他面に形成される酸素移動チャンネルを備えた，上記膜−電極アセンブリの両面に隣接するセパレータと；を含む，燃料電池用スタックが提供される。

上記水素移動チャンネルと上記酸素移動チャンネルはいずれも，上記膜−電極アセンブリに隣接する第１部分と上記膜−電極アセンブリから離隔する第２部分によって形成され，上記セパレータの一面に配置される，第１部分と第２部分は，上記セパレータの他面に配置される，第２部分と第１部分に各々対向し，上記セパレータは少なくとも二つの厚さで形成される。

上記水素移動チャンネルと上記酸素移動チャンネルは，上記セパレータの一面または反対の面に形成された管状の溝によって構成される。したがって，上記各チャンネルの壁面の一部は上記セパレータにより構成され，上記第２部分を形成する。一方，上記セパレータと隣接する上記膜−電極アセンブリは，上記セパレータに形成された溝を覆蓋し，上記第２部分を除いた上記各チャンネルの残りの壁面を形成しうる。

上記第１部分は，上記膜−電極アセンブリと上記セパレータの隣接面を形成し，互いに隣り合う上記第２部分の間に位置する。また，上記セパレータの一面に形成された上記第１部分と反対の面に形成された上記第２部分は互いに対向して配置される。したがって，上記セパレータの厚さは，少なくとも，対向する第１部分間の距離，および，対向する上記第１部分と上記第２部分の間の距離により形成されうる。

上記水素移動チャンネルと上記酸素移動チャンネルはいずれも，一方向に伸びた，横断面が半円形の管状に形成されうる。

上記セパレータは，対向する上記第１部分の間の垂直距離を第１厚さＴ１，対向する上記第１部分と上記第２部分との間の垂直距離を第２厚さＴ２，対向する上記第２部分に形成される接線の間の垂直距離を第３厚さＴ３としたとき，条件Ｔ１＞Ｔ２＞Ｔ３を満足しうる。

上記セパレータの一面に形成される第２部分と上記セパレータの他面に形成される第２部分が同じ周期で交互に配置されてもよい。

上記セパレータの一面に配置される第２部分と上記セパレータの他面に配置される第２部分が同じピッチで形成されてもよい。

上記第２部分は，任意間隔をおいて上記セパレータに形成される溝によって形成され，上記第１部分は，上記第２部分の間に配置される上記セパレータの本体によって形成されうる。

上記セパレータはグラファイトまたは圧縮成形された炭素複合材で形成されうる。

かかる構成により，上記セパレータの厚さが同じ場合には，上記セパレータの両面に上記酸素移動チャンネルと上記水素移動チャンネルが対向配置された場合に比べ，上記セパレータの一面に配置された上記酸素移動チャンネルと他面に配置された水素移動チャンネルの間の距離を長くとることができる。

以上説明したように本発明によれば，セパレータの厚さを減少させることができ，さらに，上記セパレータを水素と酸素が透過して混合することを防止可能な，燃料電池用スタックを提供することができる。

以下に添付図面を参照しながら，本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお，本明細書および図面において，実質的に同一の機能構成を有する構成要素については，同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

図１に示したように，本発明の実施形態による燃料電池システム１００は，燃料を改質して水素を発生させ，この水素を酸素と電気化学的に反応させて電気エネルギーを発生させる高分子電解質型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）方式で構成される。

このような燃料電池システム１００はメタノール，エタノールまたは天然ガスなどのように，水素を含有した，液状または気体状態の燃料を使用することができる。本実施形態ではメタノールのような液状の燃料を適用している。

また，燃料電池システム１００は，水素と反応する酸素として，別途の保存手段に保存された酸素または大気中の空気を使用することができるため，本実施形態では後者を採択している。

このような燃料電池システム１００は水素と酸素の反応によって電気エネルギーを発生させる電気発生部１１６と，熱エネルギーによる化学触媒反応を通じて燃料から水素を発生させ，この水素を電気発生部１１６に供給する改質装置２０と，燃料を改質装置２０に供給する燃料供給源３０と，空気を電気発生部１１６に供給する空気供給源５０とを含んで構成される。

電気発生部１１６は上記電気エネルギーを発生させる最少単位の燃料電池で構成される。

スタック１１０は，複数の電気発生部１１６が積層形成された集合体により形成される。このスタック１１０については図２および図３を参照して以下で詳細に説明する。

改質装置２０は，改質反応，例えば，水蒸気改質，部分酸化または自熱反応などの触媒反応を通じて燃料から水素を発生させる通常の構造により構成されうる。

この改質装置２０に燃料を供給する燃料供給源３０は，燃料を保存する燃料タンク３１と，燃料タンク３１から燃料を排出させ，この燃料を改質装置２０に供給する燃料ポンプ３３とを含む。

空気供給源５０は所定のポンピング力で空気を吸入し，この空気をスタック１１０の電気発生部１１６に供給する空気ポンプ５１を含む。

この空気供給源５０は上記のような空気ポンプ５１ではない他の手段，例えば，ファンであってもよい。

一方，本実施形態に適用される燃料電池システムは，スタックの電気発生部に燃料を直接供給して，この燃料と酸素の電気化学的な反応によって電気エネルギーを発生させる直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）のような直接酸化型燃料電池方式からなってもよい。

このような直接酸化型燃料電池方式のシステムは，本実施形態の高分子電解質型燃料電池方式のシステムとは異なって，図１に示した改質装置２０を必要としない。

本発明の実施形態による燃料電池用スタック１１０の構成について，添付した図面（図２，図３）を参照して詳細に説明する。

図２は，本発明の実施形態による燃料電池用スタック１１０を示した部分断面図である。

図２に示したように，本発明の実施形態による燃料電池用スタック１１０は，水素と酸素の反応によって電気エネルギーを発生させる最少単位である電気発生部１１６を含む。

この電気発生部１１６は，膜−電極アセンブリ（以下，’ＭＥＡ’と言う）１１１と，このＭＥＡ１１１を中心において，その両面に隣接配置されるセパレータ１１３，１１３’を含む。

図２では具体的に示さなかったが，ＭＥＡ１１１は，電解質膜を間に置いて，上記電解質膜の一面にアノード電極が，他面にカソード電極が形成された構造からなる。

ここで，アノード電極は，セパレータ１１３に形成された水素移動チャンネル１１５を通じて改質ガスの供給を受ける部分であって，上記改質ガスを電子と水素イオンに分離する触媒層と，電子と改質ガスの円滑な移動のための気体拡散層（ＧＤＬ）で構成される。

カソード電極は，セパレータ１１３’に形成された酸素移動チャンネル１１７を通じて空気の供給を受ける部分であって，アノード電極側から受けた電子，水素イオンおよび空気中の酸素を反応させて水を生成する触媒層と，酸素の円滑な移動のための気体拡散層で構成される。

本実施形態において，セパレータ１１３，１１３’は各々，ＭＥＡ１１１のアノード電極に隣接する一面に水素移動チャンネル１１５を，ＭＥＡ１１１のカソード電極に隣接する他面に酸素移動チャンネル１１７を形成している。

上記各チャンネルは，セパレータ１１３，１１３’上に形成された溝と，セパレータ１１３，１１３’に隣接するＭＥＡ１１１本体とが壁面を構成する，横断面が半円形の管状の構造を有している。

本実施形態において，水素移動チャンネル１１５は，ＭＥＡ１１１のアノード電極に隣接するセパレータ１１３，１１３’の第１部分１１８ａと，ＭＥＡ１１１のアノード電極から離隔される，セパレータ１１３，１１３’上の第２部分１１９ａとが壁面を構成するように形成することができる。

ここで，第２部分１１９ａは，セパレータ１１３，１１３’の一面に任意の間隔をおいて配置される複数の溝によって形成されうる。また，第１部分１１８ａは，セパレータ１１３，１１３’の一面に形成され，隣り合った第２部分１１９ａを構成する溝の間に配置される。

同様に，酸素移動チャンネル１１７は，ＭＥＡ１１１のカソード電極に隣接するセパレータ１１３，１１３’の第１部分１１８ｂと，ＭＥＡ１１１のカソード電極から離隔される，セパレータ１１３，１１３’上の第２部分１１９ｂとが壁面を構成するように形成されうる。

第２部分１１９ｂは，セパレータ１１３，１１３’の他の一面に任意の間隔をおいて配置される複数の溝によって形成されうる。また，第１部分１１８ｂは，セパレータ１１３，１１３’の一面に形成され，隣り合った第２部分１１９ｂを構成する溝の間に配置されうる。

上記で，第２部分１１９ａ，１１９ｂを形成する溝は，直線的な形状で形成されていてもよく，さらに，一の溝が，他の溝とその端部において連結するように形成されていてもよい。

水素移動チャンネル１１５と酸素移動チャンネル１１７は，セパレータ１１３，１１３’の各々において，第１部分と第２部分がそれぞれ，第１部分１１８ａと第２部分１１９ｂ，第１部分１１８ｂと第２部分１１９ａの組み合わせで対向するように配置されている。

つまり，セパレータ１１３，１１３’の両面には，第１部分１１８ａと第２部分１１９ｂが，他の第１部分１１８ｂと他の第２部分１１９ａが対向するように配置される。

このような水素移動チャンネル１１５と酸素移動チャンネル１１７は，セパレータ１１３，１１３’がグラファイト素材である場合，エッチング工程によって形成することができる。

一方，水素移動チャンネル１１５と酸素移動チャンネル１１７は，セパレータ１１３，１１３’が粉末状態の炭素複合材である場合，圧縮成形される工程を通じても形成できる。

より具体的に，水素移動チャンネル１１５と酸素移動チャンネル１１７の構造を説明すると，上記両チャンネル１１５，１１７を形成する第２部分１１９ａ，１１９ｂは，同じ周期で交互にセパレータ１１３，１１３’の両面に配置される。

このとき，各第２部分１１９ａ，１１９ｂが有するピッチＰ１，Ｐ２は同一となるように形成してもよい。

さらに，本実施形態の一例として，水素移動チャンネル１１５と酸素移動チャンネル１１７を構成する第２部分１１９ａ，１１９ｂは弧状に形成されるようにしている。

このような形状は，水素移動チャンネル１１５と酸素移動チャンネル１１７に沿って流れる水素と空気の流れを円滑にすることができる。つまり，半円形の横断面を有する水素移動チャンネル１１５と酸素移動チャンネル１１７の構造は，水素と空気が上記各チャンネルを流れるとき，このチャンネルのセパレータ１１３，１１３’側の壁面に接する部位に角となる部位を形成しなくて済むため，水素と空気の流れに抵抗として作用する部位を最小限にすることが可能となり，水素と空気の円滑な流れを図ることができる。

一方，本実施形態によるセパレータ１１３，１１３’は，厚さについて次の関係を有する。図３に示したように，セパレータ１１３，１１３’は，対向する第１部分１１８ａ，１１８ｂの垂直距離を第１厚さＴ１，対向する第１部分１１８ｂと第２部分１１９ａの間（または第１部分１１８ａと第２部分１１９ｂの間）の垂直距離を第２厚さＴ２，対向する第２部分１１９ａ，１１９ｂに形成される接線の間の垂直距離を第３厚さＴ３とするとき，条件Ｔ１＞Ｔ２＞Ｔ３を満足する。

図３に示した３つの距離Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３について，より詳細に説明する。Ｔ１を形成する上記垂直距離とは，対向する第１部分１１８ａと第１部分１１８ｂとの延長線を共通する垂線で結んだ線分の長さであり，セパレータ１１３，１１３’の厚さを決定しうる。Ｔ２を形成する上記垂直距離とは，第１部分１１８ｂの垂線が，対向する第２部分１１９ａと該第１部分１１８ｂを結ぶ線分（または第１部分１１８ａの垂線が，対向する第２部分１１９ｂと該第１部分１１８ａを結ぶ線分）の長さにより定義される。Ｔ３を形成する上記垂直距離とは，対向する第２部分１１９ａと第２部分１１９ｂの接線のうち平行となる２つの接線の間を垂線で結んだ線分の長さであり，この長さを基準として酸素移動チャンネル１１７と水素移動チャンネル１１５の間に形成されるバリアの厚さが担保されうる。

ここで，Ｔ３は所定の厚さ（例えば，０．４ｍｍ以上）に維持されるのが好ましい。上記所定の厚さは，セパレータ１１３，１１３’がグラファイトまたは炭素複合材からなる場合に，水素移動チャンネル１１５を通過する水素がセパレータ１１３，１１３’を通じて酸素移動チャンネル１１７へ透過すること，および，酸素移動チャンネル１１７を通過する空気がセパレータ１１３，１１３’を通じて水素移動チャンネル１１５へと透過することを防止することができる最小限の厚さである。

上記所定の厚さは，本実施形態においては，０．４ｍｍ以上としているが，かかる場合に限られず，材質等の進歩により限界値がそれ以下になった場合には，それ以下の数値を適用してもよい。

上記構造によれば，本実施形態によるセパレータ１１３，１１３’は，上記スタック全体の厚みに直接関係する上記第１厚さＴ１を増加させずに，素材の特性による制限条件（つまり，水素移動チャンネル１１５と酸素移動チャンネル１１７の間の厚さを０．４ｍｍ以上に維持しなければならないという制限条件）を満足させることができる。

図３に示したセパレータ１１３，１１３’と図４に示したセパレータ１３，１３’が同じ機種のスタックに適用されるとき，従来のセパレータ１３，１３’は，ａ部分の厚さｔ２を０．４ｍｍ以上にして上記制限条件を満足させながら，その厚さｔ１を設定しなくてはならないが，これに反し，本実施形態のセパレータ１１３，１１３’は，上述のように，厚さＴ３を０．４ｍｍとして上記条件を満足させるように厚さＴ１を設定するので，厚さＴ１を従来のセパレータ１３，１３’の厚さｔ１より薄くすることができる。

その結果，本実施形態のセパレータ１１３，１１３’は，その特性を良好に維持することができ，さらに従来と同じ機種のセパレータに比べてその厚みを薄くすることができる。

以下では，図１〜図３を参照しながら，上記のように構成される本発明の実施形態による燃料電池用スタックを採用した燃料電池システム１００の作用を概略的に説明する。

燃料タンク３１から改質装置２０に供給された燃料は，この改質装置２０で改質されて水素として生成され，この水素はスタック１１０に供給される。これと同時に，空気ポンプ５１によって空気がスタック１１０に供給される。

スタック１１０に供給された水素と空気は各々セパレータ１１３，１１３’の水素移動チャンネル１１５および酸素移動チャンネル１１７に沿って流動されるが，この過程で電気生成部１１６では電気化学的な反応が起こり，各電気生成部１１６では設定された容量の電気エネルギーを発生させる。

以上，添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが，本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば，特許請求の範囲に記載された範疇内において，各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり，それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば，上記実施形態において，上記酸素移動チャンネルと上記水素移動チャンネルが，半円形の横断面をもつ管状の形態をとる場合について示したが，これに限定されることなく，矩形や多角形等の多様な形状が可能である。この場合，上記セパレータの各面に配置された上記酸素移動チャンネルと上記水素移動チャンネルは，図２に示した実施形態と同様に交互に配置され，これら両チャンネルの最近接距離が上記所定の厚さとなるように設定されればよい。

本発明は，燃料電池用スタックに適用可能であり，特にセパレータに形成された水素および酸素の移動チャンネルの構造に適用可能である。

本発明の実施形態による燃料電池システムを概略的に示した構成図である。 本発明の実施形態による燃料電池用スタックを示した部分断面図である。 図２に示したセパレータの断面を拡大して示した部分拡大断面図である。 従来技術による燃料電池用スタックの部分断面図である。

符号の説明

２０ 改質装置
３０ 燃料供給源
３１ 燃料タンク
３３ 燃料ポンプ
５０ 空気供給源
５１ 空気ポンプ
１００ 燃料電池システム
１１，１１１ ＭＥＡ
１３，１３’，１１３，１１３’ セパレータ
１５，１１５ 水素移動チャンネル
１６，１１６ 電気発生部
１７，１１７ 酸素移動チャンネル
１１８ａ，１１８ｂ 第１部分
１１９ａ，１１９ｂ 第２部分
Ｐ１，Ｐ２ ピッチ

Claims (8)

1. 膜−電極アセンブリと；
   一面に形成される水素移動チャンネルと他面に形成される酸素移動チャンネルとを備え，前記膜−電極アセンブリの両面に隣接するセパレータと；を含み，
   前記水素移動チャンネルと前記酸素移動チャンネルはいずれも，前記膜−電極アセンブリに隣接する第１部分と前記膜−電極アセンブリから離隔する第２部分によって形成され，
   前記セパレータの一面に配置される，第１部分と第２部分は，前記セパレータの他面に配置される，第２部分と第１部分に各々対向し，
   前記セパレータは少なくとも二つの厚さで形成されることを特徴とする，燃料電池用スタック。
2. 前記水素移動チャンネルと前記酸素移動チャンネルはいずれも，一方向に伸びた，横断面が半円形の管状に形成されることを特徴とする，請求項１に記載の燃料電池用スタック。
3. 前記セパレータは，対向する前記第１部分の間の垂直距離を第１厚さＴ１，対向する前記第１部分と前記第２部分との間の垂直距離を第２厚さＴ２，対向する前記第２部分に形成される接線の間の垂直距離を第３厚さＴ３としたとき，条件Ｔ１＞Ｔ２＞Ｔ３を満足す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スタック。
4. 前記セパレータの一面に形成される第２部分と前記セパレータの他面に形成される第２部分が同じ周期で交互に配置され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スタック。
5. 前記セパレータの一面に配置される第２部分と前記セパレータの他面に配置される第２部分が同じピッチで形成されることを特徴とする，請求項４に記載の燃料電池用スタック。
6. 前記第２部分は，任意間隔をおいて前記セパレータに形成される溝によって形成され，
   前記第１部分は，前記第２部分の間に配置される前記セパレータの本体によって形成されることを特徴とする，請求項１に記載の燃料電池用スタック。
7. 前記セパレータはグラファイトで形成されることを特徴とする，請求項１に記載の燃料電池用スタック。
8. 前記セパレータは圧縮成形された炭素複合材で形成されることを特徴とする，請求項１に記載の燃料電池用スタック。
   
   
   
   

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