JP2008117789A - 燃料電池用メタルセパレータ - Google Patents

Abstract

【課題】 発電面積として有効利用できる面積を増大でき、かつ、燃料電池の過剰冷却を防止できる、燃料電池用セパレータの提供。
【解決手段】 （１） 一面にガス流路が形成され他面に冷媒流路が形成された部分を有し該部分がプレスで形成されている燃料電池用セパレータ１８Ａ、１８Ｂであって、ガス流路幅ｄ_G 、冷媒流路幅ｄ_W 、ガス流路断面積Ｓ_G 、冷媒流路断面積Ｓ_W が、
ｄ_G ≧ｄ_W 、またはＳ_G ≧Ｓ_W の関係を満足している燃料電池用セパレータ。
（２）前記セパレータの、一面にガス流路が形成され他面に冷媒流路が形成された部分がメタルからなる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、燃料電池（たとえば、固体高分子電解質型燃料電池）用のセパレータに関する。

特開２０００−２２８２０７号公報

固体高分子電解質型燃料電池は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータとからなるモジュールを積層したものからなる。ＭＥＡは、イオン交換膜からなる電解質膜とこの電解質膜の一面に配置された触媒層からなる電極（アノード、燃料極）および電解質膜の他面に配置された触媒層からなる電極（カソード、空気極）とからなる。アノード側触媒層とセパレータとの間、およびカソード側触媒層とセパレータとの間には、拡散層が設けられる。ＭＥＡのアノード側のセパレータにはアノードに燃料ガス（水素）を供給する燃料ガス流路が形成されており、ＭＥＡのカソード側のセパレータにはカソードに酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給する酸化ガス流路が形成されている。モジュール積層体のモジュール積層方向両端に、ターミナル、インシュレータ、エンドプレートを配置してスタックが構成され、スタックがモジュール積層方向に締め付けられ、モジュール積層体の外側でモジュール積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート）とボルトにて固定される。

固体高分子電解質型燃料電池では、アノード側では、水素を水素イオンと電子にする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソード側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる、またはモジュール積層体の一端のセルのアノードで生成した電子が外部回路を通してモジュール積層体の他端のセルのカソードにくる）から水を生成する反応が行われる。
アノード側：Ｈ₂ →２Ｈ⁺ ＋２ｅ^-
カソード側：２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- ＋（１／２）Ｏ₂ →Ｈ₂ Ｏ
ジュール熱とカソードでの水生成反応での熱を冷却するために、セパレータ間には、冷媒（通常は冷却水）が流れる冷媒流路が形成されており、燃料電池を冷却している。

特開２０００−２２８２０７公報は、セパレータをメタルからプレス成形にて形成し、おもて面に反応ガスを、背面に冷却水を流すメタルセパレータを開示している。該公報のセパレータでは、図面より、冷媒流路幅はガス流路幅より大になっている。また、該公報以外でも、メタルセパレータの場合は、実際の製作において、冷媒流路幅はガス流路幅より大になっている。

しかし、メタルセパレータのようにプレス成形で流路を形成するセパレータでは、おもて面にガス流路を形成すると、背面の冷媒流路は一義的に流路幅、流路断面積が定まる。その場合、従来のように冷媒流路幅をガス流路幅に比べて大きくとると、つぎの問題が生じる。
(i) 冷媒流路の溝底部のセパレータ部分は拡散層を押し付けガスの触媒層への拡散を悪くする部分であるから、冷媒流路幅が増えると、セル面積のうち発電面積として有効利用できる面積が減少する。
(ii)冷却水量が多くなり、メタルは熱伝導がよいので、冷却しすぎとなる。冷却しすぎは、酸化ガス下流部でフラッディングを起こしやすい。また、冷却水量が多くなり、水の熱容量が大きくなって、冷却制御性が悪くなる場合がある。

本発明の目的は、流路がプレスで形成された燃料電池用セパレータであって、発電面積として有効利用できる面積を増大でき、かつ、燃料電池の過剰冷却を防止できる、燃料電池用セパレータを提供することにある。

上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
（１） 一面にガス流路が形成され他面に冷媒流路が形成された部分を有し該部分がプレスで形成されている燃料電池用セパレータであって、ガス流路幅ｄ_G 、冷媒流路幅ｄ_W 、ガス流路断面積Ｓ_G 、冷媒流路断面積Ｓ_W が、
ｄ_G ≧ｄ_W 、または
Ｓ_G ≧Ｓ_W
の関係を満足している燃料電池用セパレータ。
（２） 前記セパレータの、一面にガス流路が形成され他面に冷媒流路が形成された部分が高熱伝導材からなる（１）記載の燃料電池用セパレータ。
（３） 前記高熱伝導材がメタルである（２）記載の燃料電池用セパレータ。

上記（１）の燃料電池用セパレータによれば、ｄ_G ≧ｄ_W 、または、Ｓ_G ≧Ｓ_W としたため、冷媒流路幅ｄ_W を従来より小さくできる。
冷媒流路幅が小さくなることによって、セパレータ冷媒流路溝底部によって押される拡散層の面積が減少し、セル面積のうち発電に有効に活用される部分（ガスが十分に拡散供給される触媒層部分）の面積を増大できる。
また、冷媒流路幅が小さくなることによって、冷却水量が低減するので、セルの過剰冷却がなくすことができ、酸化ガス下流部におけるフラッディングを抑制できるとともに、冷却制御性をよくすることができる。
上記（２）、（３）の燃料電池用セパレータによれば、流路形成部分が高熱伝導材であるにもかかわらず、（１）により、ｄ_G ≧ｄ_W 、または、Ｓ_G ≧Ｓ_W の条件を満足しているので、冷却水量が小であり、過剰冷却を防止できる。

以下に、本発明の燃料電池用セパレータを図１〜図３を参照して、説明する。
本発明の燃料電池用セパレータが組み込まれる燃料電池は固体高分子電解質型燃料電池１０である。本発明の燃料電池１０は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。

固体高分子電解質型燃料電池１０は、図１〜図３に示すように、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータ１８とからなるモジュール１９を積層したものからなる。ＭＥＡは、イオン交換膜からなる電解質膜１１と、この電解質膜１１の一面に配置された触媒層１２からなる電極１４（アノード、燃料極）および電解質膜１１の他面に配置された触媒層１５からなる電極１７（カソード、空気極）とからなる。アノード側触媒層１２とセパレータ１８との間には拡散層１３が設けられ、カソード側触媒層１５とセパレータ１８との間には拡散層１６が設けられる。拡散層１３はアノード１４の一部と考えてもよいし、拡散層１６はカソード１７の一部と考えてもよい。モジュール積層体のモジュール積層方向両端に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置してスタック２３が構成され、スタック２３は、モジュール積層方向に締め付けられ、モジュール積層体の外側でモジュール積層方向に延びる締結部材２４（たとえば、テンションプレート）とボルト２５にて固定される。

ＭＥＡのアノード１４側のセパレータ１８にはアノード１４に燃料ガス（水素）を供給する燃料ガス流路２７が形成されており、ＭＥＡのカソード１７側のセパレータ１８にはカソード１７に酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給する酸化ガス流路２８が形成されている。

冷媒流路２６は隣接するモジュールのセパレータ１８間に設けられ、冷媒流路２６には冷媒（通常、冷却水）が流されて、ジュール熱および反応熱で温度が上昇しようとする燃料電池を冷却する。冷媒流路２６は、セパレータ１８の、ガス流路（燃料ガス流路２７または酸化ガス流路２８）が設けられる側の面（おもて側面）と反対側の面（背面）に設けられている。

触媒層１２、１５は、触媒成分、たとえば白金（Ｐｔ）と、触媒成分を担持するカーボン（Ｃ）と、電解質とからなる。
拡散層１３、１６はカーボン（Ｃ）が主成分であり、通気性を有する。

セパレータ１８は、一面にガス流路（燃料ガス流路２７または酸化ガス流路２８）が形成され他面に冷媒流路２６が形成されプレスで形成された部分（１８Ａまたは１８Ｂ）を有する。プレスで形成された部分（１８Ａまたは１８Ｂ）は、たとえばメタルからなる。ただし、プレスで形成された部分（１８Ａまたは１８Ｂ）はメタルに限るものではなく、導電性樹脂をプレスで成形したものなどであってもよい。以下は、プレスで形成された部分（１８Ａまたは１８Ｂ）がメタルからなる場合を例にとる。

プレスで形成された部分（１８Ａまたは１８Ｂ）がメタルからなる場合、セパレータ１８は、メタルセパレータ１８Ａ、１８Ｂと樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄとからなる。

図３に示すように、セパレータ１８でＭＥＡを挟む際、ＭＥＡに対応する部分が中抜きされた樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄをメタルセパレータ１８Ａ、１８ＢのＭＥＡ側にそれぞれ配して、メタルセパレータ１８Ａ、樹脂フレーム１８Ｃ、ＭＥＡ、樹脂フレーム１８Ｄ、メタルセパレータ１８Ｂの順に積層する。ＭＥＡの部分は、樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄが中抜きされているので、メタルセパレータ１８Ａ、ＭＥＡ、メタルセパレータ１８Ｂの順で積層されており、樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄの部分は、ＭＥＡが張り出していないので、メタルセパレータ１８Ａ、樹脂フレーム１８Ｃ、樹脂フレーム１８Ｄ、メタルセパレータ１８Ｂの順で積層されている。ＭＥＡの部分は、燃料電池の発電部を構成する。

メタルセパレータ１８Ａ、１８Ｂは、不透過性で、たとえば金属板（たとえば、ステンレス板）に良導電性金属をメッキ（たとえば、ニッケルメッキ）したものからなる。

メタルセパレータ１８Ａおよび樹脂フレーム１８Ｃは、燃料ガス（たとえば、水素）と冷媒（たとえば、冷却水）を分離し、メタルセパレータ１８Ｂおよび樹脂フレーム１８Ｄは、酸化ガス（たとえば、酸素、通常は空気）と冷媒を分離する。また、メタルセパレータ１８Ａ、１８Ｂは、隣り合うセルのアノードからカソードに電子が流れる電気の通路を形成している。

メタルセパレータ１８Ａのうち燃料電池発電部対応部の一面（ＭＥＡに対向する側の面）には、燃料ガス流路２７が形成され、裏面には冷媒流路（冷却水流路）２６が形成されている。同様に、メタルセパレータ１８Ｂのうち燃料電池発電部対応部の一面（ＭＥＡに対向する側の面）には、酸化ガス流路２８が形成され、裏面には冷媒流路（冷却水流路）２６が形成されている。ガス流路の凹凸はプレス成形によって形成される。

メタルセパレータ１８Ａ、１８Ｂおよび樹脂フレーム１８Ｃ、１８Ｄの、燃料電池発電部（ＭＥＡのある部分）を挟んで互いに対向する対向部３０、３１には、冷媒流路２６に接続する冷媒マニホルド３２、燃料ガス流路２７に接続する燃料ガスマニホルド３３、酸化ガス流路２８に接続する酸化ガスマニホルド３４が形成されている。燃料電池発電部対応部を挟んで互いに対向する対向部３０、３１の一方３０には、入り側の冷媒マニホルド３２ａ、出側の燃料ガスマニホルド３３ｂ、入り側の酸化ガスマニホルド３４ａが設けられ、他方３１には、出側の冷媒マニホルド３２ｂ、入り側の燃料ガスマニホルド３３ａ、出側の酸化ガスマニホルド３４ｂが設けられる。

それぞれの入り側マニホルドと発電部流路との間には流れをマニホルド長から燃料電池発電部全幅に拡げる整流部３５が設けられ、それぞれの出側マニホルドと発電部流路との間には流れを燃料電池発電部全幅からマニホルド長に縮小する流れ整流部３６が設けられる。冷却水流路、燃料ガス流路、空気流路は、互いにシールされる。図３の３７はモジュール間の冷媒シール用のシール材である。

図３（図２のＡ−Ａ線に沿って見た断面）に示すように、一面にガス流路２７または２８が形成され他面に冷媒流路２６が形成され該部分がプレスで形成されているセパレータ１８Ａ、１８Ｂにおける、ガス流路幅（燃料ガス流路幅、酸化ガス流路幅）をｄ_G 、冷媒流路幅をｄ_W 、ガス流路断面積（燃料ガス流路断面積、酸化ガス流路断面積）をＳ_G 、冷媒流路断面積をＳ_W （冷媒流路断面は隣接するセルの冷媒流路同士連通しているが、Ｓ_W は、図４に示すように、一方のセルの冷媒流路断面積である）とした場合、それらのパラメータは、
ｄ_G ≧ｄ_W 、または
Ｓ_G ≧Ｓ_W
の関係を満足している。
そして、ピッチＤ（ガス流路のピッチ＝冷媒流路のピッチ）は、
Ｄ＝ｄ_G ＋ｄ_W
である。

なお、上記において、ガス流路幅ｄ_G 、冷媒流路幅ｄ_W は、流路の深さ方向に流路の深さの中間点（深さをｈとすると１／２ｈの点）での流路幅、または、ＭＥＡに接する面での、流路幅とする。また、ガス流路断面形状が、図５に示すような、ガス流路開口幅がガス流路底部幅より小となっている場合は、ＭＥＡに接する面での流路幅とする。

上記において、Ｓ_G ≧Ｓ_W の関係については、流路が溝状でない場合、たとえば、平板に多数の突起をプレス成形したような場合は、溝幅ｄ_G 、ｄ_W が特定できない場合があるが、その場合でも、断面積＝流路高さ×流路幅であるため流路高さ（突起高さ）はわかっているので、断面積の関係を特定すれば流路幅の関係を特定できることになるため、断面積の関係も併せて記載したものである。
そして、図示例では、一面にガス流路が形成され他面に冷媒流路が形成されたセパレータ１８Ａ、１８Ｂは、高熱伝導材であるメタルからなっている。

つぎに、本発明の燃料電池用セパレータの作用を説明する。
従来セパレータでは、ｄ_G ＜ｄ_W 、または、Ｓ_G ＜Ｓ_W であったが、本発明の燃料電池用セパレータでは、ｄ_G ≧ｄ_W 、または、Ｓ_G ≧Ｓ_W としてあるため、ガス流路幅ｄ_G が本発明と従来とで同じ場合には、冷媒流路幅ｄ_W が従来より小さくなる。また、ピッチＤが本発明と従来とで同じ場合には、冷媒流路幅ｄ_W が従来より小さくなり、ガス流路幅ｄ_G は従来より大きくなる。

冷媒流路幅ｄ_W が小さくなることによって、セパレータ冷媒流路溝底部によって押される拡散層１３、１６の面積が減少し（拡散層のうち押されて密度が高くなった部分はガス拡散性が悪くなるが、拡散層のうち押されて拡散性が悪くなる部分の面積が減少し）、触媒層１２、１５へのガス拡散の悪い部分の面積が減少し、その結果、セル面積のうち発電に有効に活用される部分（ガスが十分に拡散供給される触媒層部分）の面積が増大する。

また、冷媒流路幅ｄ_W が小さくなることによって、冷却水量が低減し、セルの過剰冷却がなくなるとともに、冷却水の熱容量も小さくなり制御性がよくなる。また、過剰冷却を防止することによって、生成水による酸化ガス下流部におけるフラッディングも抑制される。過冷却の場合は、飽和蒸気圧がさがって、水が生成されやすいが、過剰冷却を防止することにより、水の生成を抑制できる。

メタルセパレータ１８Ａ、１８Ｂでは、流路形成部分がメタルからなっているので、メタルが熱伝導率が大でかつ熱容量も比較的小さいため、冷却が過剰になりやすいが、ｄ_G ≧ｄ_W 、または、Ｓ_G ≧Ｓ_W の条件を満足している限りは、冷却水量が小であり、過剰冷却を防止できる。

本発明のセパレータを備えた燃料電池の全体概略図である。 本発明のセパレータを備えた燃料電池の１モジュール分の分解斜視図である。 本発明のセパレータを備えた燃料電池の一部の２モジュール分の拡大断面図である。 流路断面積Ｓ_G 、Ｓ_W の部分を、斜線を施して示した断面図である。 ガス流路、冷媒流路の断面積が出口が絞られている場合に、ｄ_G 、ｄ_W をＭＥＡに接触する面でとることを示した断面図である。

符号の説明

１０ （固体高分子電解質型）燃料電池
１１ 電解質膜
１２ 触媒層
１３ 拡散層
１４ 電極（アノード、燃料極）
１５ 触媒層
１６ 拡散層
１７ 電極（カソード、空気極）
１８ セパレータ
１８Ａ 燃料ガスと冷却水とを区画するメタルセパレータ
１８Ｂ 酸化ガスと冷却水とを区画するメタルセパレータ
１８Ｃ 樹脂フレーム
１８Ｄ 樹脂フレーム
１９ モジュール
２０ ターミナル
２１ インシュレータ
２２ エンドプレート
２３ スタック
２４ 締結部材（テンションプレート）
２５ ボルトまたはナット
２６ 冷媒流路（冷却水流路）
２７ 燃料ガス流路
２８ 酸化ガス流路
３０、３１ 対向部
３２ 冷媒（冷却水）マニホルド
３２ａ 入り側の冷媒マニホルド
３２ｂ 出側の冷媒マニホルド
３３ 燃料ガスマニホルド
３３ａ 入り側の燃料ガスマニホルド
３３ｂ 出側の燃料ガスマニホルド
３４ 酸化ガス（空気）マニホルド
３４ａ 入り側の酸化ガスマニホルド
３４ｂ 出側の酸化ガスマニホルド
３５ 整流部
３６ 整流部
３７ シール部材（冷媒シール用）

Claims (3)

1. 一面にガス流路が形成され他面に冷媒流路が形成された部分を有し該部分がプレスで形成されている燃料電池用セパレータであって、ガス流路幅ｄ_G 、冷媒流路幅ｄ_W 、ガス流路断面積Ｓ_G 、冷媒流路断面積Ｓ_W が、
   ｄ_G ≧ｄ_W 、または
   Ｓ_G ≧Ｓ_W
   の関係を満足している燃料電池用セパレータ。
2. 前記セパレータの、一面にガス流路が形成され他面に冷媒流路が形成された部分が高熱伝導材からなる請求項１記載の燃料電池用セパレータ。
3. 前記高熱伝導材がメタルである請求項２記載の燃料電池用セパレータ。

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