JP2008078098A - セパレータ及び燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】外気・反応ガスの流通や冷媒の流量低減に起因する熱勾配の影響を低減して、面内温度の均一化を達成することが可能な燃料電池用のセパレータを提供する。
【解決手段】燃料電池の発電体に近接配置される第１の面１４ａ・２４ａと、発電体の反対側に配置される第２の面１４ｂ・２４ｂと、を備え、第１の面１４ａ・２４ａに沿って反応ガスが第２の面１４ｂ・２４ｂに沿って冷媒が各々流通するように構成され、外部から第１及び第２の面１４ａ・２４ａ、１４ｂ・２４ｂに反応ガス及び冷媒を導くためのマニホールドが周縁部に設けられてなる燃料電池用のセパレータ１４・２４である。セパレータ１４・２４の周縁部及び第１の面１４ａ・２４ａを、第１の熱伝導率を有する第１の材料で構成し、第２の面１４ｂ・２４ｂの周縁部を除く部分を、第１の熱伝導率よりも高い第２の熱伝導率を有する第２の材料で構成する。
【選択図】図３

Description

本発明は、セパレータ及び固体高分子電解質型の燃料電池に関する。

従来より、水素イオン導電性の電解質膜の両面に電極用の触媒層を設けて形成した膜・電極接合体（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly）と、このＭＥＡを挟持するセパレータと、を備えた固体高分子電解質型の燃料電池が提案され、実用化されている。かかる燃料電池を含む燃料電池システムにおいては、燃料電池のＭＥＡを構成する一方の電極（アノード電極）に水素ガスやメタノール等の還元性物質を、他方の電極（カソード電極）に空気等の酸化剤を含むガスを、各々供給して電気化学反応を起こすことにより発電を行っている。現在においては、単一のＭＥＡを有する燃料電池（単電池）を複数積層して積層体（スタック）を構成し、大きな電力を発生させる技術が採用されている。

固体高分子電解質型の燃料電池を構成するセパレータは、ＭＥＡに対向する面に設けられたガス流路と、外部からガス流路に反応ガス（水素ガスやメタノール等の還元性物質又は空気等の酸化剤を含むガス）を流通させるためのマニホールドと、を有する板状の部材である。かかるセパレータは、積層された単電池同士を区切り、隣接する単電池間においてアノード反応ガスとカソード反応ガスとが混合することを防止する機能と、隣接する単電池間に設けられる冷媒流路と反応ガス流路とを分離する機能と、隣接する単電池同士を導通させる機能と、を有するものである。近年においては、熱伝導率の高い伝熱板をセパレータの内部に配置し、この伝熱板を単電池の外部に延長させることにより、ＭＥＡで発生した熱を外部に良好に放散する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００４−１９３０１２号公報

しかし、前記した特許文献１に記載されたような技術を採用しても、発電時にＭＥＡで発生する熱や外気・反応ガスの流通により単電池の面内で熱勾配が生じ、この熱勾配に起因して、発電効率の低下やＭＥＡの部分的劣化等の種々の問題が発生するおそれがある。また、セパレータの反応ガス流路と反対側の面に冷媒流路を設け、マニホールドを経由させて外部から冷媒流路に冷媒を流通させることにより、単電池を冷却する技術も提案されているが、このような技術を採用しても、冷媒の流通が一時的に低減（ないし停止）すると、依然として単電池の面内で熱勾配が生じるという問題があった。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、外気・反応ガスの流通や冷媒の流量低減に起因する熱勾配の影響を低減して、面内温度の均一化を達成することが可能な燃料電池用のセパレータを提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明に係るセパレータは、燃料電池の発電体に近接配置される第１の面と、発電体の反対側に配置される第２の面と、を備え、第１の面に沿って反応ガスが流通する一方、第２の面に沿って冷媒が流通するように構成され、外部から第１及び第２の面に反応ガス及び冷媒を導くためのマニホールドが第１の面から第２の面へと貫通するように周縁部に設けられてなる燃料電池用のセパレータであって、周縁部及び第１の面は、第１の熱伝導率を有する第１の材料で構成され、第２の面及び／又は第２の面の近傍部分であって周縁部を除く部分は、第１の熱伝導率よりも高い第２の熱伝導率を有する第２の材料で構成されてなるものである。

かかる構成を採用すると、外気・反応ガスの流通や冷媒の流量低減に起因するセパレータ面内の熱勾配の影響を低減しながら、熱勾配を速やかに低減することができ、熱勾配に起因する種々の問題（発電効率の低下やＭＥＡの部分的劣化等）を解決することが可能となる。

前記セパレータにおいて、マニホールドの輪郭を、前記第１の材料で構成することが好ましい。

かかる構成を採用すると、マニホールド内を流れる流体（反応ガスや冷媒）が、熱伝導率が高い第２の材料で構成される部分（周縁部を除く部分）に直接的に接することを阻止することができる。従って、マニホールド内を流れる流体によってセパレータの周縁部を除く部分（中央部）の温度が不均一になることを効果的に抑制することが可能となる。

前記セパレータにおいて、第１の材料としてステンレスを採用するとともに、第２の材料として銅を採用することができる。かかる場合において、前記セパレータを、ステンレス（第１の材料）と銅（第２の材料）とからなるクラッド鋼板とすることができる。また、前記セパレータを、ステンレス（第１の材料）とクラッド（第２の材料）とからなるクラッド鋼板とすることができ、第２の材料としてのクラッドを、銅と第１の材料よりも薄いステンレスとから構成することができる。

また、本発明に係る燃料電池は、電解質膜と、この電解質膜の両面に形成された電極と、から構成される発電体としての膜・電極接合体と、前記セパレータと、を備えるものである。

かかる構成を採用すると、外気・反応ガスの流通や冷却水の流量低減に起因する熱勾配の影響を低減して、面内温度の均一化を達成することが可能なセパレータを備えるため、燃料電池の面内温度の均一化を実現させることができる。この結果、発電効率の向上や耐用期間の長期化を実現させることが可能となる。

本発明によれば、外気・反応ガスの流通や冷媒の流量低減に起因する熱勾配の影響を低減して、面内温度の均一化を達成することが可能な燃料電池用のセパレータを提供することができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池について説明する。以下の各実施形態に係る燃料電池は、車載に好適な固体高分子電解質型の燃料電池である。

まず、図１を用いて、本実施形態に係る燃料電池１の構成について説明する。燃料電池１は、複数の単電池１０を積層したスタック本体２を備えており、スタック本体２の両端に位置する単電池１０の外側に、出力端子付の集電板３、絶縁板４及び端板５がこの順に配置されて構成されている。両端板５の間には図示していない締結板が架け渡され、これら締結板が各々端板５にボルト固定されることにより、単電池１０の積層方向に所定の圧縮力が加えられるようになっている。

次に、図２〜図４を用いて、単電池１０の構成について説明する。単電池１０は、図２に示すように、電解質膜１１、電解質膜１１の両面に設けられた電極用の触媒層１２、触媒層１２の外側に配設される拡散層１３、反応ガス流路が設けられたセパレータ１４（２４）、拡散層１３とセパレータ１４（２４）との間をシールするとともに電気的に単電池のアノード・カソード間の短絡を防止する図示していないシール部材や絶縁部等から構成されている。電解質膜１１、触媒層１２及び拡散層１３により、膜・電極接合体（ＭＥＡ）が構成される。

電解質膜１１は、固体高分子材料のイオン交換膜から構成され、主として、水素ガス等の燃料ガスから供給された水素イオンをアノード電極からカソード電極へと移動させる機能を有する。

触媒層１２は、電解質膜１１に隣接配置され、例えば、固体電解質と炭素粒子とその炭素粒子に担持された触媒とから構成される。触媒層１２と、後述する拡散層１３と、によってアノード電極及びカソード電極が構成される。触媒としては、例えば、白金又は白金合金等が好適に用いられる。燃料ガスから供給された水素（Ｈ₂）は、触媒層１２に到達すると触媒の表面で活性な２個の水素原子（水素活性種：Ｈ^*）に解離する。さらに、触媒表面では酸化反応が進行して水素活性種から水素イオン（Ｈ⁺）と電子（ｅ^-）とが生じ、これらのうち水素イオンは電解質膜１１中に移入する。触媒層１２では、触媒と固体電解質との配合割合を適宜設定することにより、触媒利用効率の低下を抑えて電池性能を向上させることができる。電解質膜１１及び触媒層１２は何れも平面視で矩形形状を呈している。なお、電解質膜１１の外形をセパレータ１４（２４）の外形と同一に（又は若干大きく）し、アノード電極とカソード電極との電気的短絡を防止するとともにシールする機能をもたせることもできる。

拡散層１３は、カーボン布やカーボンペーパ等の多孔質の素材から構成され、流体（生成水及び反応ガス）を通過させる機能と、触媒層１２及びセパレータ１４（２４）を導通させる機能と、を有する導電体であり、燃料電池１の外部からセパレータ１４（２４）を介して触媒層１２側に供給された反応ガスを拡散させて触媒層１２側へ移動させるものである。拡散層１３は、電解質膜１１及び触媒層１２と同様に、平面視で矩形形状を呈している。

セパレータ１４、２４は、積層された各々の単電池１０同士を区切る境界であり、隣接する単電池１０間でアノード電極に供給される燃料ガスと、カソード電極に供給される酸化ガスと、単電池１０間に流れる冷媒と、が接触することを防止する機能と、隣接する単電池１０同士を導通させる機能と、を有する。セパレータ１４、２４は、図示されていないシール部材を介して拡散層１３に隣接配置され、その拡散層１３側の面（以下「第１の面」という）１４ａ、２４ａには、空気等の酸化ガス又は水素等の燃料ガスを流通させるガス流路１５、２５が形成されている。また、セパレータ１４、２４の拡散層１３と反対側の面（以下「第２の面」という）１４ｂ、２４ｂには、冷媒としての冷却水を流通させる冷却水流路１６、２６が形成されている。

セパレータ１４、２４の周縁部には、図２〜図４に示すように、反応ガス及び冷却水の入口及び出口となる複数のマニホールドが第１の面１４ａ、２４ａから第２の面１４ｂ、２４ｂに貫通するように設けられている。本実施形態においては、図２に示すように、ガス入口側マニホールド１５ａ、１５ｂ、ガス出口側マニホールド１５ｃ、１５ｄ、冷却水入口側マニホールド１６ａ及び冷却水出口側マニホールド１６ｂが設けられている。ガス入口側マニホールド１５ａ及びガス出口側マニホールド１５ｃは、燃料ガス用のガス流路２５に連通し、ガス入口側マニホールド１５ｂ及びガス出口側マニホールド１５ｄは、酸化ガス用のガス流路１５に連通する。また、冷却水入口側マニホールド１６ａ及び冷却水出口側マニホールド１６ｂは、冷却水流路１６、２６に連通する。

ガス入口側マニホールド１５ａ、１５ｂは、外部から燃料ガス及び酸化ガスを導入するためのものであり、ガス出口側マニホールド１５ｃ、１５ｄは、燃料ガス及び酸化ガスを外部に排出するためのものである。単電池１０の外部からガス入口側マニホールド１５ａを経由して導入された燃料ガスは、燃料ガス用のガス流路２５内を流れてアノード電極（拡散層１３及び触媒層１２）に供給され、発電に使用された後、ガス出口側マニホールド１５ｃを経由して単電池１０の外部に排出される。一方、単電池１０の外部からガス入口側マニホールド１５ｂを経由して導入された酸化ガスは、酸化ガス用のガス流路１５内を流れてカソード電極（拡散層１３及び触媒層１２）に供給され、発電に使用された後、ガス出口側マニホールド１５ｄを経由して単電池１０の外部に排出されることとなる。

冷却水入口側マニホールド１６ａは、外部から冷却水を導入するためのものであり、冷却水出口側マニホールド１６ｂは、冷却水を外部に排出するためのものである。単電池１０の外部から冷却水入口側マニホールド１６ａを経由して導入された冷却水は、冷却水流路１６内を流れてＭＥＡ（発電体）の冷却に使用された後、冷却水出口側マニホールド１６ｂを経由して単電池１０の外部に排出されることとなる。

また、セパレータ１４、２４は、電子伝導性が高く、耐食性に優れており、しかもガス雰囲気において金属イオンを放出しないという特性を有するように構成される。本実施形態に係るセパレータ１４、２４は、図３及び図４に示すように、第１の材料としてのステンレスで構成したステンレス層（右下り斜線部分）１４ｃ、２４ｃと、第２の材料としての銅で構成した銅層（右上り斜線部分）１４ｄ、２４ｄと、からなるクラッド鋼板である。銅層１４ｄ、２４ｄは、ステンレス層１４ｃ、２４ｃよりも高い熱伝導率を有している。

セパレータ１４、２４の周縁部（各マニホールドの輪郭を含む）は、図３及び図４に示すように、ステンレス層１４ｃ、２４ｃで構成されている。また、セパレータ１４、２４の第１の面１４ａ、２４ａを含む第１の面１４ａ近傍部分（セパレータ全体の略１／２の厚さを有する部分）は、ステンレス層１４ｃ、２４ｃで構成されている。一方、セパレータ１４、２４の周縁部を除く部分であって第２の面１４ｂ、２４ｂの近傍部分（セパレータ全体の略１／２の厚さを有する部分）は、銅層１４ｄ、２４ｄで構成されている。なお、銅層１４ｄ、２４ｄの表面（すなわち第２の面１４ｂ、２４ｂ）には、耐食を目的として、図示していない薄手の（ステンレス層１４ｃ、２４ｃよりも薄い）ステンレス層が形成されており、これら銅層１４ｄ、２４ｄ及び薄手のステンレス層からクラッドが構成されている。本実施形態においては、銅層１４ｄ、２４ｄの面積が、発電体であるＭＥＡの面積と略同一になるように設定している。

以上説明した実施形態に係る燃料電池１のセパレータ１４、２４においては、外気・反応ガスの流通や冷却水の流量低減に起因する面内の熱勾配の影響を低減しながら、熱勾配を速やかに低減することができ、熱勾配に起因する種々の問題（発電効率の低下や膜・電極接合体の部分的劣化等）を解決することが可能となる。すなわち、セパレータ１４、２４の第１の面１４ａ、２４ａが、熱伝導率が低いステンレス（第１の材料）で構成されているため、反応ガスとセパレータ１４、２４との熱交換を低減することができるので、第１の面１４ａ、２４ａにおける面内温度の均一化が可能となる。また、セパレータ１４、２４の第２の面１４ｂ、２４ｂの近傍部分が、熱伝導率が高い銅（第２の材料）を含むクラッド鋼板で構成されているため、冷却水の流量が低減した場合においても、第２の面１４ｂ、２４ｂの周縁部を除く部分（中央部）における熱勾配を速やかに低減することができる。さらに、セパレータ１４、２４の第２の面１４ｂ、２４ｂの周縁部が、熱伝導率が低いステンレス（第１の材料）で構成されているため、第２の面１４ｂ、２４ｂの中央部の熱が外部に放散することを抑制することができる（保温機能）。

また、以上説明した実施形態に係る燃料電池１のセパレータ１４、２４においては、各マニホールド（１５ａ〜１６ｂ）の輪郭が、熱伝導率が低いステンレス（第１の材料）で構成されているので、マニホールド内を流れる流体（反応ガスや冷却水）が、熱伝導率が高い銅層１４ｄ、２４ｄに直接的に接することを阻止することができる。従って、マニホールド内を流れる流体によってセパレータ１４、２４の中央部の温度が不均一になることを効果的に抑制することが可能となる。

また、以上説明した実施形態に係る燃料電池１においては、外気・反応ガスの流通や冷却水の流量低減に起因する熱勾配の影響を低減して、面内温度の均一化を達成することが可能なセパレータ１４、２４を備えるため、面内温度の均一化を実現させることができる。この結果、発電効率の向上や耐用期間の長期化を実現させることが可能となる。

なお、以上の実施形態においては、熱伝導率が低い第１の材料として「ステンレス」を採用するとともに、第１の材料よりも熱伝導率が高い第２の材料として「銅」を採用した例を示したが、第１の材料及び第２の材料はこれらの材料に限られるものではない。例えば、第１の材料としてチタン、モリブデン、タンタル鋼等を採用するとともに、第２の材料としてアルミニウムを採用することもできる。

また、以上の実施形態においては、第２の面１４ｂ、２４ｂの近傍部分を銅層１４ｄ、２４ｄで構成し、第２の面１４ｂ、２４ｂの表面には耐食を目的として薄いステンレス層を形成した例を示したが、第２の面１４ｂ、２４ｂにおける熱伝導率を高めるために、第２の面１４ｂ、２４ｂ自体を銅で構成することもできる。

また、以上の実施形態においては、セパレータ１４、２４の周縁部を除く部分（中央部）において、ステンレス層１４ｃ、２４ｃの厚さと銅層１４ｄ、２４ｄの厚さとを略同一に設定した例を示したが、これらステンレス層１４ｃ、２４ｃ及び銅層１４ｄ、２４ｄの厚さの比は、熱伝導率の比、第１の面１４ａ、２４ａに沿って流通するガス流量と第２の面１４ｂ、２４ｂに沿って流れる冷却水流量との比、等に応じて適宜設定することができる。

また、以上の実施形態においては、ＭＥＡに近接配置される面（第１の面１４ａ、２４ａ）にガス流路１５が形成され、ＭＥＡの反対側に配置される面（第２の面１４ｂ、２４ｂ）に冷却水流路１６が形成されたセパレータ１４、２４に本発明を適用した例を示したが、これらガス流路や冷却水流路が形成されていないフラットなセパレータにも本発明を適用することができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池の斜視図である。 図１に示した燃料電池を構成する単電池の分解斜視図である。 図２に示した単電池を構成するセパレータのIII-III部分における断面図である。 図２に示した単電池を構成するセパレータのIV-IV部分における断面図である。

符号の説明

１… 燃料電池、１０…単電池、１１…電解質膜（膜・電極接合体の一部、発電体の一部）、１２…触媒層（電極の一部）、１３…拡散層（電極の一部）、１４・２４…セパレータ、１４ａ・２４ａ…第１の面、１４ｂ・２４ｂ…第２の面、１４ｃ・２４ｃ…ステンレス層、１４ｄ・２４ｄ…銅層、１５ａ・１５ｂ・１５ｃ・１５ｄ・１６ａ・１６ｂ…マニホールド。

Claims (5)

1. 燃料電池の発電体に近接配置される第１の面と、前記発電体の反対側に配置される第２の面と、を備え、前記第１の面に沿って反応ガスが流通する一方、前記第２の面に沿って冷媒が流通するように構成され、外部から前記第１及び第２の面に反応ガス及び冷媒を導くためのマニホールドが前記第１の面から前記第２の面へと貫通するように周縁部に設けられてなる燃料電池用のセパレータであって、
   前記周縁部及び前記第１の面は、第１の熱伝導率を有する第１の材料で構成され、
   前記第２の面及び／又は前記第２の面の近傍部分であって前記周縁部を除く部分は、第１の熱伝導率よりも高い第２の熱伝導率を有する第２の材料で構成されてなる、
   セパレータ。
2. 前記マニホールドの輪郭は、前記第１の材料で構成されてなるものである、
   請求項１に記載のセパレータ。
3. 前記セパレータは、前記第１の材料としてのステンレスと、前記第２の材料としての銅と、からなるクラッド鋼板である、
   請求項１又は２に記載のセパレータ。
4. 前記セパレータは、前記第１の材料としてのステンレスと、前記第２の材料としてのクラッドと、からなるクラッド鋼板であり、
   前記クラッドは、銅と、前記第１の材料よりも薄いステンレスと、から構成されるものである、
   請求項１又は２に記載のセパレータ。
5. 電解質膜と、この電解質膜の両面に形成された電極と、から構成される発電体としての膜・電極接合体と、
   請求項１から４の何れか一項に記載のセパレータと、
   を備える燃料電池。

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