JP2007220627A - 燃料電池用セパレータ - Google Patents

Abstract

【課題】シール性が良好であり、かつ、剛性低下を伴うことなく、薄板化及び軽量化が図られる燃料電池用セパレータを提供する。
【解決手段】電解質の両側に一対の電極を設ける電解質・電極構造体を、一対の金属セパレータで狭持する単位セルを備える燃料電池におけるセパレータにおいて、外周縁部に、内側領域よりも厚さが大きい額縁状領域を設け、さらに、金属セパレータの外周縁部を被覆するとともに、額縁状領域から内側領域に、金属セパレータの表面形状に沿って端部が延在する、弾性体からなるシール部材を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体高分子電解質膜の両側にそれぞれアノード及びカソードを設けた電解質・電極構造体を、一対のセパレータで狭持した燃料電池における燃料電池用セパレータに関するものである。

固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる固体高分子電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を対設した電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）を、一対のセパレータによって挟持した単位セルを備えている。

この単位セルでは、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガスにおける水素が電極触媒上でイオン化され、電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギーとして利用される。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成される。

このような単位セルは、燃料電池において、通常、数十〜数百個が積層されてスタックを構成しており、各単位セル同士を正確に位置決めする必要がある。このような要求を満たす手段としては、一対のセパレータの外周を複数箇所で保持する複数の金属クリップ部材を備えた燃料電池が報告されている（例えば、特許文献１参照。）。この燃料電池によれば、複数の金属クリップ部材を用いることにより、セパレータの外周を強固かつ確実に保持することができ、さらに、単位セルを効率的に組み付けることができるとともに、取扱い作業性も改善されている。

また、上記のセパレータの外周端部には、シール部材が設けられ、単位セル内における燃料ガス、酸化剤ガス、及び冷却媒体の流路のシール性を向上させている。このようなシール部材は、例えば、金属セパレータの両面にシリコーン樹脂を射出成型して形成されている（例えば、特許文献２参照。）。さらに、上記燃料電池においては、セパレータ外周端部におけるシール部材に、リブを設けることにより、シール性をより向上させている（例えば、特許文献１図１参照。）。

特開２００４−２４１２０８号公報 特開平１１−３０９７４６号公報

しかしながら、上記従来の燃料電池においては、小型化の要請に伴い、金属セパレータの薄板化及び軽量化が図られ、これにより、金属セパレータの剛性が低下して変形や折れ曲がり発生し、取扱い性及び組み立て性が著しく低下するといった問題を有している。

また、上記従来技術におけるシール部材は、単位セル内における内圧が上昇すると、シール部材が金属セパレータ表面から剥がされ、シール部材と金属セパレータとの間隙からガス等がリークしたり、シール部材が単位セルから押し出されてシール性が保たれなくなったり、また、例え、リブを設けてシール性を向上させた構成であっても、リブ自体が倒されてシール性が保たれなくなってしまうといった問題を有している。

そこで、本発明は、シール性が良好であり、かつ、剛性低下を伴うことなく、薄板化及び軽量化が図られる燃料電池用セパレータを提供することを目的としている。

本発明の燃料電池用セパレータは、電解質の両側に一対の電極を設ける電解質・電極構造体を、一対の金属セパレータで狭持する単位セルを備える燃料電池におけるセパレータであって、外周縁部に、内側領域よりも厚さが大きい額縁状領域を設け、上記外周縁部を被覆するとともに、上記額縁状領域から内側領域に、金属セパレータの表面形状に沿って端部が延在する、弾性体からなるシール部材を設けたことを特徴としている。

本発明の燃料電池用セパレータによれば、外周縁部に、内側領域よりも厚さが大きい額縁状領域を設けることにより、薄板化及び軽量化の要請を満たしつつ、セパレータの剛性低下を防ぐことができる。さらに、本発明によれば、金属セパレータの外周縁部を被覆するとともに、額縁状領域から内側領域に、金属セパレータの表面形状に沿って端部が延在するシール部材を設けることにより、単セル内における内圧が上昇し、シール部材が内側領域から外側に押圧された場合においても、押圧されたシール部材が額縁状領域に保持され、シール性が良好に保たれる。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。
図１は、単位セルにおける本発明の燃料電池用セパレータの一実施形態の外周端部を示す図である。詳細に説明すると、本発明の燃料電池用セパレータ１は、外周端部に、額縁状領域２が設けられている。この額縁状領域２は、内側領域３よりも厚さが大きく形成されている。このような構成は、金属セパレータ１をプレス等により作製した後、金属セパレータ１の額縁状領域２が形成される領域にマスキングを行い、ブラスト等の物理的手法やエッチング等の化学的手法により、内側領域３のセパレータ１の厚さを減少させることにより形成する。

なお、本発明の金属セパレータには、従来技術における一般公知の酸化剤ガス供給連通孔、酸化剤ガス排出連通孔、冷却媒体供給連通孔、冷却媒体排出連通孔、燃料ガス供給連通孔、燃料ガス排出連通孔、酸化剤ガス流路、燃料ガス流路等が設けられている。また、本発明における金属セパレータとしては、従来技術における一般公知の素材からなるものを用いることができるが、組み立て及び分解回数の耐久性の観点から、ステンレス製のものが好ましい。

そして、本発明の燃料電池用セパレータ１には、外周縁部にシール部材４が設けられている。このシール部材４は、金属セパレータ１の外周縁部を被覆するとともに、金属セパレータ１の表面形状に沿って、額縁状領域２から内側領域３に端部が延在している。これを金属セパレータ１の断面から見ると、図１に示すように、シール部材４は、一方のセパレータ１表面の内側領域３から額縁状領域２を回り込んで他方のセパレータ１表面の内側領域３に至るまで、金属セパレータ１を被覆している。このように構成されることにより、単位セル内から、すなわち、図面右側から圧力がかかる場合においても、シール部材４が額縁状領域２と内側領域３との境界の段差によって、図面左側にずれることなく、シール性を保つことが可能となる。

また、本発明のシール部材４においては、図１に示すように、隣接する単位セルにおける額縁状領域２と内側領域３との境界よりも内側に、シール用リブ５を設けることが好ましい態様である。この態様では、単位セルが組み立てられた状態において、シール用リブ５の頂部が、隣接する単位セルの額縁状領域２と内側領域３との境界よりも内側のシール部４表面に押圧される。このような構成によれば、単位セル内から、すなわち、図面右側から圧力がかかる場合においても、シール用リブ５が額縁状領域２と内側領域３との境界の段差によって、図面左側に倒れ込むことなく、シール性を保つことが可能となる。

さらに、本発明においては、よりシール性を向上させるために、額縁状領域と内側領域との境界、及び、シール部材の端部の先端の形状を規定している。図２は、本発明の燃料電池用セパレータの一実施形態におけるシール部材の端部を示した図であり、（ａ）はシール用リブを設けた端部について、また、（ｂ）はシール用リブを設けていない端部についての図である。詳細には、図２に示すように、額縁状領域と内側領域との境界において形成されるシール部材側の角度をα１とし、シール部材の端部の先端の角度をα２とすると、α１＜１８０−α２を満たすことが好ましい。このα１がより小さければ、額縁状領域２と内側領域３との境界において、シール部材４がより強固に保持される。一方、上記α２がより小さければ、単位セル内から、すなわち、図面右側から圧力がかかる場合には、シール部材４の端部の先端が金属セパレータ１表面に押圧されることとなり、シール性がさらに向上する。これらのことから、α１＜１８０−α２を満たす状態においては、優れたシール性が発揮される。

また、本発明におけるシール部材は、良好なシール性を発揮するため、弾性体からなるものであることが必須である、素材の特性から、シリコーンゴムからなるものがより好ましい。

さらに、本発明における電解質・電極構造体は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜を、アノード側電極及びカソード側電極とにより挟持された構成である。このアノード側電極及びカソード側電極は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子をガス拡散層の表面に一様に塗布した電極触媒層とを有する。電極触媒層は、互いに固体高分子電解質膜を介装して対向するように、固体高分子電解質膜の両面に接合されている。

単位セルにおける本発明の燃料電池用セパレータの一実施形態の外周端部を示す図である。 本発明の燃料電池用セパレータの一実施形態におけるシール部材の端部を示した図である。

符号の説明

１…金属セパレータ、２…額縁状領域、３…内側領域、４…シール部材、
５…シール用リブ。

Claims (4)

1. 電解質の両側に一対の電極を設ける電解質・電極構造体を、一対の金属セパレータで狭持する単位セルを備える燃料電池におけるセパレータであって、
   外周縁部に、内側領域よりも厚さの大きい額縁状領域を設け、
   さらに、上記外周縁部を被覆するとともに、上記額縁状領域から内側領域に、金属セパレータの表面形状に沿って端部が延在する、弾性体からなるシール部材を設けたことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
2. 前記額縁状領域と内側領域との境界において形成される前記シール部材側の角度をα１とし、前記シール部材の端部の先端の角度をα２としたときに、下記式を満たす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。
   α１＜１８０−α２
3. 前記シール部材は、隣接する単位セルにおける額縁状領域と内側領域との境界よりも内側に、シール用リブを設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池用セパレータ。
4. 前記弾性体は、シリコーンゴムであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池用セパレータ。

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