JP2008300072A - 燃料電池および燃料電池用セパレータ - Google Patents

Abstract

【課題】膜電極接合体が膨張等しても膜電極接合体への過剰負荷を抑制することができる燃料電池を提供する。
【解決手段】膜電極接合体及びセパレータを有する単セルを備える燃料電池において、単セルの膜電極接合体が設けられた発電領域の乾燥状態での厚みに比べて、セパレータの非発電領域に設けられ、単セルの厚みを決める定寸部の厚みを大きくすることにより、膜電極接合体が膨張等しても膜電極接合体への過剰負荷を抑制することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、膜電極接合体及びセパレータを有する単セルを備える燃料電池、および燃料電池用のセパレータに関する。

環境問題や資源問題への対策の一つとして、酸素や空気等の酸化ガスと、水素やメタン等の還元性ガス（燃料ガス）あるいはメタノール等の液体燃料等とを原料として電気化学反応により化学エネルギーを電気エネルギーに変換して発電する燃料電池が注目されている。この燃料電池は、発電に使用される原料のガスや液体燃料が豊富に存在すること、また、その発電原理より排出される物質が水であること等より、クリーンなエネルギー源として様々な検討がされている。

単位燃料電池（単セル）は、電解質膜の一方の面に燃料極（アノード触媒層）と、もう一方の面に空気極（カソード触媒層）とが電解質膜を挟んで対向するように設けられた膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）をセパレータで挟んだものから形成される。単セルは通常、複数積層されて燃料電池スタックとされる。セパレータには、流体流路が形成され、発電領域に、ＭＥＡ対向面に燃料ガス流路、酸化ガス流路、ＭＥＡ対向面と反対側面に冷媒流路が形成され、非発電領域に、燃料ガスマニホールド、酸化ガスマニホールド、冷媒マニホールドが形成されている。燃料ガスが燃料ガスマニホールド、燃料ガス流路に流され、酸化ガスが酸化ガスマニホールド、酸化ガス流路に流され、冷媒が冷媒マニホールド、冷媒流路に流される。流体流路はまわりから接着剤またはガスケット等のシール材によって外部からシールされる。また、隣接する単セルは、セパレータ間を接着剤またはガスケット等のシール材によってシールされる。

例えば特許文献１には、セパレータと膜電極接合体（ＭＥＡ）とを積層してなる固体高分子型燃料電池において、ＭＥＡの周縁部に凸部を設け、セパレータの周縁部に凹部を設け、セパレータとＭＥＡを積層したときに凸部は凹部内に係合するように設けられ、セパレータ凹部にガスケットを充填し、凸部がガスケットを圧縮する固体高分子型燃料電池のシール構造が記載されている。

また、特許文献２には、固体高分子電解質膜の両面を一対の電極で挟んだ膜電極接合体を挟持しながら積層される燃料電池用セパレータにおいて、少なくとも一方の端部の表裏にシールを有するシール付き燃料電池用セパレータが記載されている。

また、特許文献３には、ガスケットからなるシール部を有する燃料電池のシール構造において、セルのうちガスケットのセル積層方向領域にある部分を定寸構造とした燃料電池のシール構造が記載されている。

特開２００５−１９０５７号公報 特開２００４−１７８９７８号公報 特開２００４−１６５１２５号公報

特許文献１のような構造では、膜電極接合体が存在する発電領域の乾燥状態での厚みと非発電領域のセパレータ外周部の厚みとが略同一である。また、特許文献２，３のような構造では、ＭＥＡが荷重を受け持った際の厚さで単セルの厚みを決める構造となっている。発電時には、拡散層の熱膨張、電解質膜の膨潤等によりＭＥＡが厚み方向に膨らむため、特許文献１〜３の構造ではＭＥＡに過剰な荷重が発生し、電解質膜に対する力学的なストレスが増大してダメージを与える場合がある。また、拡散層は通常、カーボンペーパ、カーボンクロス等の気孔率の高い材料で形成されるため、わずかなセルの締結荷重のばらつきや製品精度のばらつきにより、単セルの厚みが大きくばらつくため、燃料電池スタックの寸法管理、締結荷重管理が困難となる場合がある。

本発明は、膜電極接合体が膨張等しても膜電極接合体への過剰負荷を抑制することができる構造を有する燃料電池及び燃料電池用セパレータである。

本発明は、膜電極接合体及びセパレータを有する単セルを備える燃料電池であって、前記単セルにおいて、前記膜電極接合体が設けられた発電領域の乾燥状態での厚みに比べて、前記セパレータの非発電領域に設けられ、前記単セルの厚みを決める定寸部の厚みが大きい燃料電池である。

前記燃料電池において、前記定寸部の少なくとも一部に表面処理層を有し、前記表面処理層によって前記定寸部の厚みが前記発電領域の乾燥状態での厚みに比べて大きくなっていること好ましい。

前記燃料電池において、前記膜電極接合体は拡散層を有し、前記発電領域の乾燥状態での厚みと前記定寸部の厚みとの差が前記拡散層の乾燥状態での厚みの１％〜１０％の範囲内であることが好ましい。

また、本発明は、膜電極接合体及びセパレータを有する単セルを備える燃料電池用のセパレータであって、前記膜電極接合体が設けられる発電領域の乾燥状態での厚みに比べて、前記セパレータの非発電領域に設けられ、前記単セルの厚みを決める定寸部の厚みが大きい燃料電池用セパレータである。

また、前記燃料電池用セパレータにおいて、前記定寸部の少なくとも一部に表面処理層を有し、前記表面処理層によって前記定寸部の厚みが前記発電領域の乾燥状態での厚みに比べて大きくなっていることが好ましい。

本発明によれば、膜電極接合体が設けられた発電領域の乾燥状態での厚みに比べて、セパレータの非発電領域に設けられ、単セルの厚みを決める定寸部の厚みを大きくすることにより、膜電極接合体が膨張等しても膜電極接合体への過剰負荷を抑制することができる燃料電池及び燃料電池用セパレータを提供することができる。

本発明の実施の形態について以下説明する。本実施形態は本発明を実施する一例であって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。

＜燃料電池＞
図１に、本実施形態に係る固体高分子電解質型の燃料電池１の一例の概略側面図を示す。また、図２に、本実施形態に係る燃料電池１における単セル２６の構成の一例の概略断面図を示す。図１における各単セル２６は、図２に示すように、電解質膜１０と、触媒層１１及び拡散層１６を含む燃料極（アノード）１２と、触媒層１３及び拡散層１６を含む空気極（カソード）１４と、セパレータ１８とにより構成される。

図２に示すように、燃料電池１は、電解質膜１０の一方の表面に燃料極１２が、もう一方の表面に空気極１４が電解質膜１０を挟んでそれぞれ対向するように形成された膜電極接合体２０（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と、膜電極接合体２０の両外側を挟持するセパレータ１８とを備える。触媒層１１及び１３とセパレータ１８との間には、通気性を有する拡散層１６がアノード側、カソード側にそれぞれ設けられている。セパレータ１８には、燃料極１２及び空気極１４にそれぞれ水素ガス、空気等の原料を供給するための原料供給路２２，２４が設けられている。

ＭＥＡ２０とＭＥＡ２０の両外側を挟持するセパレータ１８とを重ねて単セル２６を構成し、図１のように、単セル２６を積層してセル積層体２８とし、セル積層体２８のセル積層方向両端に、ターミナル３０、インシュレータ３２、エンドプレート３４を配置し、セル積層体２８をセル積層方向に締め付け、セル積層体２８の外側でセル積層方向に延びる締結部材（例えば、テンションプレート）３６、ボルト・ナット３８等にて固定して、燃料電池スタック４０を構成する。なお、セル積層体２８における単セル２６の積層数は１層以上であれば良く特に制限はない。隣接する単セル２６のセパレータ１８間はガスケット等によりシールされる。シール材としてガスケットを使用することにより、容易に単セル２６の取り外し分解が可能となる。

図３に単セル２６の端部の一例の概略断面図を示す。単セル２６は、中央部が原料供給路（図３において図示せず）と冷媒流路（図３において図示せず）とＭＥＡ２０が存在し発電を行う発電領域４２となっており、セパレータ１８の外周部（ＭＥＡ周辺部）が発電を行わない非発電領域４４となっており、単セル２６の厚みを決める定寸部４６となっている。単セル２６において、ＭＥＡ２０が乾燥した状態での発電領域４２の厚みに比べて、セパレータ１８の非発電領域４４である外周部に設けられ、単セル２６の厚みを決める定寸部４６の厚みが大きくなっている。すなわち、単セル２６の製造時（例えば、セル接着時）等のＭＥＡ２０が完全に乾燥した状態において、発電領域４２と定寸部４６とに段差があり、発電領域４２に対して定寸部４６が厚くなるように設定されている。

図４に本実施形態に係る単セル２６を積層してスタック構造とした燃料電池スタック４０の乾燥状態での端部の一例の概略断面図を示す。燃料電池スタック４０の製造時等のＭＥＡ２０が乾燥した状態において単セル２６の発電領域４２に対して定寸部４６が厚くなるように設定されているため、隣接する単セル２６の発電面は接触していない。また、単セル２６の厚みはＭＥＡ２０が存在する発電領域４２の乾燥状態での厚みではなく、定寸部４６の厚みにより決まるため、単セルの厚みのばらつきを小さくすることができ、結果的に図４のように単セル２６を積層した燃料電池スタック４０の厚みも、定寸部４６の厚みにより決まることになる。よって、燃料電池スタック４０の寸法管理、締結荷重管理が容易になる。

図５に燃料電池スタック４０の発電時の端部の一例の概略断面図を示す。単セル２６において発電時には生成水等による膨張、温度の影響等によりＭＥＡ２０が厚み方向に膨らんで、隣接する単セル２６の発電面が接触している。本実施形態においてはＭＥＡ２０が乾燥した状態で単セル２６の発電領域４２に対して定寸部４６が厚くなるように設定されているため、発電時に拡散層１６の熱膨張、電解質膜１０の膨潤等によりＭＥＡ２０が厚み方向に膨らんでも、ＭＥＡ２０に過剰な荷重が作用せず、電解質膜１０に対する力学的なストレスが増大して電解質膜１０へのダメージを与えることを抑制することができる。ＭＥＡ２０面内のセパレータ１８方向の導電性は、発電時におけるＭＥＡ２０の弾性に伴う膨らみによるセパレータ１８間の接触によって確保することができる。したがって、燃料電池スタック４０の寸法維持とＭＥＡ２０面内の導電性確保を両立することができる。なお、非発電時にも通常、前回の発電時の生成水の残存、温度の影響等でＭＥＡ２０は厚み方向に膨らんで、隣接する単セル２６の発電面が接触するが、発電時に比べて接触面圧は通常低い。

発電領域４２の乾燥状態での厚みと定寸部４６の厚みとの差、すなわち図３における段差ｄは、ＭＥＡ２０に過剰な荷重が作用せず、ＭＥＡ２０面内のセパレータ１８方向の接触による導電性を確保することができればよく特に制限はないが、拡散層１６が乾燥した状態での厚みの１％〜１０％の範囲内であることが好ましく、１％〜５％の範囲内であることがより好ましい。段差ｄが拡散層１６の乾燥状態での厚みの１％未満であると、ＭＥＡ２０への過剰荷重作用抑制効果が低減する場合があり、１０％を超えるとＭＥＡ２０面内の接触による導電性を確保することができない場合がある。

図６に単セル２６の端部の他の例の概略断面図を示す。単セル２６は、中央部がＭＥＡ２０が存在し発電を行う発電領域４２となっており、セパレータ１８の外周部（ＭＥＡ周辺部）が発電を行わない非発電領域４４となっており、単セル２６の厚みを決める定寸部４６となっている。定寸部４６の少なくとも一部に表面処理層４８を有し、表面処理層４８によって定寸部４６の厚みが、ＭＥＡ２０が乾燥した状態での発電領域４２の厚みに比べて大きくなっている。すなわち、単セル２６の製造時（例えば、セル接着時）等のＭＥＡ２０が完全に乾燥した状態において、発電領域４２と表面処理層４８を有する定寸部４６とに段差があり、発電領域４２に対して定寸部４６が厚くなるように設定されている。

拡散層１６の乾燥状態での厚みが５００μｍ程度以下の場合には、好ましい段差ｄが５μｍ〜５０μｍ程度と小さく、セパレータ用基材の機械加工、エッチング等により製造することが困難であるが、段差を表面処理層４８を形成することによって確保することにより、精度良く小さい段差を確保することができる。

表面処理層４８は、例えば、ＶＭＱ等のシリコーン系ゴム、ＦＫＭ等のフッ素系ゴム、ＥＰＤＭ（エチレンプロピレンジエンゴム）等のゴム等の弾性体等の樹脂により形成された樹脂層、金メッキ等の貴金属メッキ層、カーボンコート等の耐食コート層、テトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂等の撥水層、シリコーン、オレフィン、エポキシ、アクリルなどの樹脂等の接着層等のうち少なくとも１つにより形成することができる。通常、セパレータ１８にはこれら樹脂層、貴金属メッキ層、耐食コート層、撥水層、接着層等を形成するため、これらの層形成とともに表面処理層４８を形成することができる。

電解質膜１０としては、プロトン（Ｈ^＋）等のイオン伝導性の高い材料であれば特に制限はなく、例えば、パーフルオロスルホン酸系等の固体高分子電解質が用いられる。具体的には、ジャパンゴアテックス（株）のゴアセレクト（Ｇｏｒｅｓｅｌｅｃｔ、登録商標）、デュポン社（Ｄｕ Ｐｏｎｔ社）のナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ、登録商標）、旭化成（株）のアシプレックス（Ａｃｉｐｌｅｘ、登録商標）、旭硝子（株）のフレミオン（Ｆｌｅｍｉｏｎ、登録商標）等のパーフルオロスルホン酸系固体高分子電解質を使用することができる。電解質膜１０の膜厚は例えば、１０μｍ〜２００μｍ、好ましくは２０μｍ〜５０μｍの範囲である。

また、電解質膜１０には、必要に応じて補強膜として、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、超高分子量ポリエチレン、ポリイミド等の、好ましくはポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）の延伸多孔質膜を設けてもよい。この場合、溶液キャスト法等の方法により補強膜の表裏面に電解質膜１０を形成する。補強膜の表裏面に電解質膜１０が形成された３層構造であってもよいが、５層構造、あるいはそれ以上の層構造であってもよい。補強膜の膜厚は通常、５μｍ〜１００μｍである。

触媒層１１，１３は、例えば、白金（Ｐｔ）等を担持したカーボン、白金（Ｐｔ）等をルテニウム（Ｒｕ）等の他の金属と共に担持したカーボン等の触媒をナフィオン（登録商標）等の固体高分子電解質等の樹脂に分散させて成膜されたものである。

拡散層１６としては、導電性が高く、燃料及び空気等の原料の拡散性が高い材料であれば特に制限はないが、多孔質導電体材料であることが好ましい。導電性の高い材料としては、例えば、金属板、金属フィルム、導電性高分子、カーボン材料等が挙げられ、カーボンクロス、カーボンペーパ、ガラス状カーボン等のカーボン材料が好ましく、カーボンクロス、カーボンペーパ等の多孔質カーボン材料であることがより好ましい。拡散層１６の膜厚は例えば、５０μｍ〜１０００μｍ、好ましくは１５０μｍ〜６００μｍの範囲である。

また、拡散層１６は、拡散層１６の撥水性の向上のために、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の撥水性樹脂と、電子伝導性を有する、例えばカーボンブラック等との混合溶液である撥水ペーストにより撥水処理がされてもよい。

セパレータ１８は、金属系材料で構成されるメタルセパレータ、または焼成カーボン等のカーボン系材料等で構成されるセパレータである。いずれのセパレータにおいても上記過剰荷重作用抑制効果を発揮することができる。メタルセパレータは、例えば、隣接する単セル間の電気接触抵抗を低減するためにメタルセパレータ基材のＭＥＡとの対向面（ＭＥＡ対向面）の反対側面に金コート等の貴金属コートが形成され、メタルセパレータとＭＥＡとの電気接触抵抗を低減するとともに原料ガス（燃料ガス、酸化ガス）及び生成水中の酸性成分等によるメタルセパレータの腐食を抑制するためにメタルセパレータ基材のＭＥＡ対向面に金コート、カーボンコート等の耐食コートが形成されたものである。メタルセパレータ基材を構成する材料は、例えば、ステンレス鋼、アルミニウムまたはその合金、チタンまたはその合金、マグネシウムまたはその合金、銅またはその合金、ニッケルまたはその合金、鋼等である。なお、メタルセパレータ基材の表面部が不働態膜を形成している場合は、その不働態膜も基材の一部を構成する。

隣接する単セルをシールするガスケットを構成する材料は、例えば、ＶＭＱ等のシリコーン系ゴム、ＦＫＭ等のフッ素系ゴム、ＥＰＤＭ（エチレンプロピレンジエンゴム）等である。

ＭＥＡ２０とセパレータ１８とを接着する接着層は、例えば、シリコーン、オレフィン、エポキシ、アクリルなどの樹脂等の接着剤等を含んで構成され、塗布時には液状で、接着剤の両側の部材で押されて拡げられ、塗布後に乾燥または熱により固化される。

燃料電池１の各単セル２６において、例えば、燃料極１２に供給する燃料ガスを水素ガス、空気極１４に供給する酸化ガスを空気として運転した場合、燃料極１２の触媒層１１において、
２Ｈ_２ → ４Ｈ^＋＋４ｅ⁻
で示される反応式（水素酸化反応）を経て、水素ガス（Ｈ_２）から水素イオン（Ｈ^＋）と電子（ｅ⁻）とが発生する。電子（ｅ⁻）は燃料極１２側の拡散層１６から外部回路を通り、空気極１４側の拡散層１６から触媒層１３に到達する。触媒層１３において、供給される空気中の酸素（Ｏ_２）と、電解質膜１０を通過した水素イオン（Ｈ^＋）と、外部回路を通じて触媒層１３に到達した電子（ｅ⁻）により、
４Ｈ^＋＋Ｏ_２＋４ｅ⁻ → ２Ｈ_２Ｏ
で示される反応式（酸素還元反応）を経て、水が生成する。このように燃料極１２及び空気極１４において化学反応が起こり、電荷が発生して電池として機能することになる。そして、一連の反応において排出される成分は水であるので、クリーンな電池が構成されることになる。

燃料極１２側に供給する原料としては、水素やメタン等の還元性ガス（燃料ガス）あるいはメタノール等の液体燃料等が挙げられる。空気極１４側に供給する原料としては、酸素や空気等の酸化性ガス等が挙げられる。

＜燃料電池用セパレータの製造方法＞
上記燃料電池用セパレータは、メタルセパレータの場合には、メタルセパレータ基材の金属加工、プレス、エッチング等の方法により発電領域と定寸部との段差を形成することができる。また、カーボン系セパレータの場合は、カーボン系材料の成形、切削等の方法により発電領域と定寸部との段差を形成することができる。

表面処理層により段差を確保する場合には、通常、セパレータには樹脂層、貴金属メッキ層、耐食コート層、撥水層、接着層等を形成するため、これらの層形成工程において、これら各層とともに表面処理層を形成することができる。

なお、これらは上記燃料電池セパレータの製造方法の一例を示したものであり、これらの方法に限定されるわけではない。

以降、公知の方法に従い、上記燃料電池用セパレータ、ＭＥＡ等を用いて、単セルを構成し、単セルを所定数積層し、燃料電池とすることができる。

本実施形態に係る燃料電池は、例えば、携帯電話、携帯用パソコン等のモバイル機器用小型電源、自動車用電源、家庭用電源等として用いることができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池の一例を示す概略側面図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池における単セルの構成の一例を示す概略断面図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池における単セルの端部の構成の一例を示す概略断面図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池の乾燥状態における燃料電池スタックの端部の構成の一例を示す概略断面図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池の発電時における燃料電池スタックの端部の構成の一例を示す概略断面図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池における単セルの端部の構成の他の例を示す概略断面図である。

符号の説明

１ 燃料電池、１０ 電解質膜、１１，１３ 触媒層、１２ 燃料極、１４ 空気極、１６ 拡散層、１８ セパレータ、２０ 膜電極接合体（ＭＥＡ）、２２，２４ 原料供給路、２６ 単セル、２８ セル積層体、３０ ターミナル、３２ インシュレータ、３４ エンドプレート、３６ 締結部材、３８ ボルト・ナット、４０ 燃料電池スタック、４２ 発電領域、４４ 非発電領域、４６ 定寸部、４８ 表面処理層。

Claims (5)

1. 膜電極接合体及びセパレータを有する単セルを備える燃料電池であって、
   前記単セルにおいて、前記膜電極接合体が設けられた発電領域の乾燥状態での厚みに比べて、前記セパレータの非発電領域に設けられ、前記単セルの厚みを決める定寸部の厚みが大きいことを特徴とする燃料電池。
2. 請求項１に記載の燃料電池であって、
   前記定寸部の少なくとも一部に表面処理層を有し、前記表面処理層によって前記定寸部の厚みが前記発電領域の乾燥状態での厚みに比べて大きくなっていることを特徴とする燃料電池。
3. 請求項１または２に記載の燃料電池であって、
   前記膜電極接合体は拡散層を有し、
   前記発電領域の乾燥状態での厚みと前記定寸部の厚みとの差が前記拡散層の乾燥状態での厚みの１％〜１０％の範囲内であることを特徴とする燃料電池。
4. 膜電極接合体及びセパレータを有する単セルを備える燃料電池用のセパレータであって、
   前記膜電極接合体が設けられる発電領域の乾燥状態での厚みに比べて、前記セパレータの非発電領域に設けられ、前記単セルの厚みを決める定寸部の厚みが大きいことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
5. 請求項４に記載の燃料電池用セパレータであって、
   前記定寸部の少なくとも一部に表面処理層を有し、前記表面処理層によって前記定寸部の厚みが前記発電領域の乾燥状態での厚みに比べて大きくなっていることを特徴とする燃料電池用セパレータ。

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