JP2009104882A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池用セパレータの周縁部に形成されるバリを除去することなく、表面処理膜（ヒゲも含む）、バリ等の導電性異物の発生を抑え、燃料電池の短絡不良を抑制することができる燃料電池を提供する。
【解決手段】本発明は、膜−電極アッセンブリと、前記膜−電極アッセンブリを挟持する一対のフレームと、前記フレームで挟持された膜−電極アッセンブリの両外側に配置される一対の燃料電池用セパレータと、を有する燃料電池であって、前記フレームの外周部は、前記燃料電池用セパレータの外周部に対して凹状の段差を有し、前記凹状の段差は、前記燃料電池用セパレータの外周部から前記フレーム側へ延在するバリと前記フレームとが接触しないようにするものであり、前記バリには、前記燃料電池用セパレータに形成される導電性を有する表面処理膜が形成されていないものである。
【選択図】図４

Description

本発明は、燃料電池の技術、特に燃料電池を構成する燃料電池用セパレータ及びフレームの技術に関する。

近年のエネルギ分野では、高効率のエネルギ変換装置として燃料電池が注目されている。図６は、一般的な燃料電池の構成を示す模式断面図である。図６に示すように、一般的な燃料電池４は、膜−電極アッセンブリ４２と、膜−電極アッセンブリ４２を挟持する一対のフレーム５０と、フレーム５０に挟持された膜−電極アッセンブリ４２の両外側に配置される一対の燃料電池用セパレータ４４，４６と、接着部４８とを有するものである。接着部４８は、燃料電池用セパレータ４４，４６とフレーム５０との接着、フレーム５０同士とを接着させるためのものであり、接着剤が用いられる。燃料電池用セパレータ４４，４６の空洞部は、反応ガスが流れる反応ガス流路４４ａ，４６ａである。

図７は、図６の点線枠Ｒにおける燃料電池用セパレータの模式断面図である。燃料電池用セパレータ（４４，４６）は、打ち抜き加工等の加工成形によって得られるため、燃料電池用セパレータの外周部には、図７に示すように、バリ５２が発生する場合がある。また、図７に示すように、燃料電池用セパレータには、耐食性、導電性等を付与するためにカーボン膜等の表面処理膜５４が形成される。

図８は、図６の点線枠Ｒにおける燃料電池の模式断面図である。上記燃料電池用セパレータを用いて燃料電池４を組み立てると、図８に示すように、燃料電池用セパレータの外周部４４ｂに形成されたバリ５２が、外周部４４ｂからフレーム５０側に延在している場合がある。このような場合、燃料電池用セパレータとフレーム５０との接着等の際に加えられる圧力等によって、バリ５２に応力が加わると、バリ５２に形成された表面処理膜５４が燃料電池４外に押し出され、ヒゲ５６が形成される場合がある。燃料電池用セパレータに形成された表面処理膜５４が導電性を有するものであれば、当然上記ヒゲ５６も導電性を有するものである。そして、このようなヒゲ５６は、燃料電池用セパレータの外周部４４ｂに沿って形成されているため、燃料電池４の組み立て、運転等の際の衝撃等により剥がれれば、一定の長さを有する導電性異物となる。このような導電性異物は、一方の燃料電池用セパレータと他方の燃料電池用セパレータとを導通させ、短絡不良を引き起こす場合がある。

また、燃料電池用セパレータとフレーム５０との接着の際等に加えられる圧力等によって、バリ５２に応力が加わると、燃料電池用セパレータの外周部４４ｂに形成されたバリ５２自体が剥離し、導電性異物となって、短絡不良を引き起こす場合がある。

上記ヒゲ、バリ等の導電性異物の発生を抑制するためには、燃料電池用セパレータの外周部４４ｂに形成されるバリ５２を除去することが好ましい。しかし、完全に燃料電池用セパレータの外周部４４ｂに形成されたバリ５２を除去するには、時間もコストも掛かる。

例えば、特許文献１には、フレームの周縁部が燃料電池用セパレータの周縁部に対して凹状の段差となるようにフレームと燃料電池用セパレータとを配置した燃料電池が開示されている（例えば、特許文献１の図６，７参照）。

また、例えば、特許文献２には、カーボンコートされる燃料電池用セパレータにおいて、セル電圧モニタ端子との接触部には、カーボンコートをしない燃料電池用セパレータが提案されている。

特開２００３−７７４９９号公報 特開２００４−７９１９３号公報

しかし、特許文献１の燃料電池では、ヒゲ、バリ等の導電性異物が発生するという認識が無い。そのため、燃料電池用セパレータにバリが形成されている場合、フレームの凹状の段差は、バリに加わる応力を緩和して、導電性異物の発生を抑制するだけの段差ではない場合がある。また、バリに加わる応力を緩和する凹状の段差であっても、バリ上に形成された表面処理膜は密着性が弱いため、燃料電池の組み立て、運転等の際の衝撃等により、表面処理膜が剥離し、導電性異物となる場合がある。そして、これらの導電性異物が燃料電池の短絡不良を引き起こす場合がある。

また、特許文献２の燃料電池用セパレータでは、単にセル電圧モニタ端子の接触部にカーボンコートを施さないものであるため、バリに応力が加われば、上記ヒゲ、バリ等の導電性異物が発生し、燃料電池の短絡不良を引き起こす場合がある。

本発明の目的は、燃料電池用セパレータの周縁部に形成されるバリを除去することなく、表面処理膜（ヒゲも含む）、バリ等の導電性異物の発生を抑え、燃料電池の短絡不良を抑制することができる燃料電池を提供することにある。

本発明は、膜−電極アッセンブリと、前記膜−電極アッセンブリを挟持する一対のフレームと、前記フレームで挟持された膜−電極アッセンブリの両外側に配置される一対の燃料電池用セパレータと、を有する燃料電池であって、前記フレームの外周部は、前記燃料電池用セパレータの外周部に対して凹状の段差を有し、前記凹状の段差は、前記燃料電池用セパレータの外周部から前記フレーム側へ延在するバリと前記フレームとを接触しないようにするものであり、前記バリには、前記燃料電池用セパレータに形成される導電性を有する表面処理膜が形成されていないものである。

本発明によれば、フレームの外周部は、燃料電池用セパレータの外周部のバリにフレームが接触しないような凹状の段差を有し、当該バリには導電性を有する表面処理膜を形成しないことにより、燃料電池用セパレータの周縁部に形成されるバリを除去することなく、表面処理膜（ヒゲも含む）、バリ等の導電性異物の発生を抑え、燃料電池の短絡不良を抑制することができる燃料電池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。

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池の構成の一例を示す模式断面図である。図１に示すように、燃料電池１は、膜−電極アッセンブリ１０と、燃料電池用セパレータとしてのアノード極セパレータ１２及びカソード極セパレータ１４と、接着部１６とフレーム１８とを備えている。アノード極セパレータ１２の空洞部は、アノードガスが流れるアノードガス流路１２ａであり、カソード極セパレータ１４の空洞部は、カソードガスが流れるカソードガス流路１４ａである。

図１に示すように、膜−電極アッセンブリ１０は、一対のフレーム１８により挟持されている。フレーム１８は、アノードガス流路１２ａ又はカソードガス流路１４ａが膜−電極アッセンブリ１０に当接するような中抜き構造となっている。また、フレーム１８で挟持された膜−電極アッセンブリ１０の両外側には、アノード極セパレータ１２及びカソード極セパレータ１４が配置されている。

フレーム１８同士、燃料電池用セパレータとフレームとは、接着部１６により接着されている。接着部１６を構成する材料は、エポキシ系樹脂、シリコン系樹脂、フッ素系樹脂等の熱硬化性樹脂等が挙げられる。

図２は、本実施形態に用いられる燃料電池用セパレータの模式平面図である。図２に示すように、燃料電池用セパレータ２は、アノードガス入口２０、アノードガス出口２２と、カソードガス入口２４、カソードガス出口２６と、ガス流路２８と、冷却水入口３０と、冷却水出口３２と、を有する。ガス流路２８は、不図示のリブにより複数に分割されている。

上記燃料電池用セパレータ２を図１に示すアノード極セパレータ１２に用いる場合、ガス流路２８はアノードガス流路１２ａとなり、アノードガスが、アノードガス入口２０からアノードガス流路１２ａを通りアノードガス出口２２へ排出される。上記燃料電池用セパレータ２を図１に示すカソード極セパレータ１４に用いる場合、ガス流路２８はカソードガス流路１４ａとなり、カソードガスが、カソードガス入口２４からカソードガス流路１４ａを通りカソードガス出口２６へ排出される。各入口、出口の配置等は特に制限されるものではない。

図３は、図２のＡ−Ａ線における燃料電池用セパレータの一部模式断面図である。燃料電池用セパレータ２は、打ち抜き加工、切削加工等の成形加工により所定の大きさ、形状に成形される。そのため、図３に示すように、燃料電池用セパレータ２の外周部には、燃料電池用セパレータ２の厚み方向に延在するバリ３４が形成される。特に金属系セパレータの場合は、成形加工時の応力等によって燃料電池用セパレータ２の外周部には、バリ３４が発生する。これは、金属の延性等の性質によるものである。

燃料電池用セパレータ２の成形加工方法の一例について説明する。例えば、金属系セパレータは、金属板を金型に投入して、打ち抜き加工、切削加工等の成形加工を行うことにより所定の大きさ、形状に成形される。また、例えば、カーボン系セパレータの場合には、カーボンと熱硬化性樹脂等のバインダ樹脂とを混合した混合物をプレス成形、押し出し成形等により板状にして、打ち抜き加工、切削加工等により成形される。また、例えば、上記混合物を金型に投入して、プレス成形を行うことにより所定の大きさ、形状に成形されてもよい。

燃料電池用セパレータが金属系セパレータである場合、金属系セパレータを構成する金属は、例えば、ＳＵＳ３１０，ＳＵＳ３０４，ＳＵＳ３１６等のステンレス、チタン、アルミ等が挙げられるが、必ずしも上記に限定されるものではない。

燃料電池用セパレータがカーボン系セパレータである場合、カーボン系セパレータを構成する炭素材料は、例えば、人造黒鉛、カーボンブラック、ケッチェンブラック、アセチレンブラック等が挙げられる。

また、図３に示すように、本実施形態の燃料電池用セパレータ２は、導電性を有する表面処理膜３６が形成されている。但し、燃料電池用セパレータ２の外周部に形成されたバリ３４には、導電性を有する表面処理膜３６は形成されていない。

導電性を有する表面処理膜３６は、カーボン膜、めっき膜等が挙げられる。燃料電池用セパレータ２に導電性及び耐食性を安価に付与することができる点で、カーボン膜であることが好ましい。導電性を有する表面処理膜３６は、必ずしも上記カーボン膜、めっき膜の単層である必要はなく、例えば、めっき膜上にカーボン膜を形成した複数層の膜であってもよい。

カーボン膜は、炭素材料を含むスラリーをスプレー法、スクリーン印刷法等の公知の塗布方法を用いて、燃料電池用セパレータ２に塗布することにより形成される。カーボン膜形成の際、外周部に形成されたバリ３４上にマスキングをすることによって、バリ３４上にカーボン膜が形成されることを防止することができる。炭素材料としては、人造黒鉛、カーボンブラック、ケッチェンブラック、アセチレンブラック等が挙げられる。

めっき膜は、導電性、耐食性等を付与することができるものであれば特に制限されるものではなく、例えば、ニッケルめっき、金めっき等が挙げられる。めっき方法は、無電解めっき、電気めっき等特に制限されるものではない。上記同様に、めっき膜形成の際、外周部に形成されたバリ３４上にマスキングをすることによって、バリ３４上にめっき膜が形成されることを防止することができる。

マスキングに用いられるマスキング材は、例えば、テープ（マスキングテープ）、プレート（マスキングプレート）、ゴム（マスキングゴム）等が挙げられる。マスキング材とバリ３４との密着性を確保することができる点で、弾力性のあるマスキングゴムを用いることが好ましい。

図４は、図１の点線枠Ｒにおける燃料電池の一部模式断面図である。図４に示すように、フレーム１８の外周部３８ａは、燃料電池用セパレータの外周部３８ｂに対して凹状の段差４０を有する。凹状の段差４０は、燃料電池用セパレータの外周部３８ｂからフレーム１８側へ延在するバリ３４とフレーム１８とを接触しないようにするものである。凹状の段差深さＤ、幅Ｌは、バリ３４に接触しない範囲であれば特に制限されるものではない。

図５は、図１の点線枠Ｒにおける燃料電池の他の構成の一例を示す一部模式断面図である。凹状の段差４０は、図４に示すようにフレーム１８の外周部の一部であってもよいし、図５に示すように、フレーム１８の外周部３８ａ全体であってもよい。フレーム１８の外周部３８ａ全体が凹状の段差４０である場合の段差幅Ｌの大きさも、バリ３４に接触しない範囲であれば特に制限されるものではない。

上記凹状の段差４０を有することにより、フレーム１８とバリ３４との接触を避けることができるため、燃料電池４の組み立て、運転等の際の圧力、衝撃等により、バリ３４に加わる応力を緩和することができる。そのため、バリ３４、ヒゲ等の導電性異物の発生を抑え、燃料電池の短絡を抑制することができる。

フレーム１８を構成する材料は、強度、耐食性を有するものであれば特に制限されるものではないが、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン等の樹脂等が用いられる。

本実施形態に係る燃料電池のその他の構成について以下に説明する。

膜−電極アッセンブリ１０は、不図示であるが、電解質膜の一方の面にアノード極が、もう一方の面にカソード極が配置されているものである。

電解質膜は、電子伝達性を有さずプロトン伝導性を有するものであれば特に制限されるものではない。例えば、パーフルオロスルホン酸系の樹脂膜、トリフルオロスチレン誘導体の共重合膜、リン酸を含浸させたポリベンズイミダゾール膜、芳香族ポリエーテルケトンスルホン酸膜等が挙げられる。

アノード極は、電解質膜の一方の面から触媒層、拡散層の順に配置され、カソード極は、電解質膜の他方の面から触媒層、拡散層の順に配置されたものである。

アノード極及びカソード極を構成する触媒層は、例えば、白金、ルテニウム等の金属触媒を担持したカーボンとパーフルオロスルホン酸系の電解質等とを混合して拡散層又は電解質膜上に成膜されたものである。上記カーボンとしては、例えば、アセチレンブラック、ファーネスブラック、チャンネルブラック、サーマルブラック等のカーボンブラック等が用いられる。

アノード極及びカソード極を構成する拡散層は、導電性が高く、反応ガスの拡散性が高い材料であれば特に制限されるものではないが、多孔質導電体材料であることが好ましい。例えば、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等が挙げられる。

フレーム１８は、膜−電極アッセンブリ１０を挟持して、主に膜−電極アッセンブリを固定するものである。

以上のように、本実施形態に係る燃料電池では、フレームの外周部が燃料電池用セパレータの外周部に対して、燃料電池用セパレータの外周部からフレーム側へ延在するバリとフレームとが接触しないようにする凹状の段差を有し、バリには、燃料電池用セパレータに形成される導電性を有する表面処理膜を形成しないことにより、燃料電池用セパレータの周縁部に形成されるバリを除去することなく、表面処理膜（ヒゲも含む）、バリ等の導電性異物の発生を抑え、燃料電池の短絡不良を抑制することができる。また、本実施形態の燃料電池では、セパレータとフレームとの接着の際に加えられる圧力等によって、燃料電池用セパレータに形成された表面処理膜が燃料電池外に押し出されることを抑制することができるため、プレス時の精度管理が容易となる。

上記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使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構成の一例を示す模式断面図である。 本実施形態に用いられる燃料電池用セパレータの模式平面図である。 図２のＡ−Ａ線における燃料電池用セパレータの一部模式断面図である。 図１の点線枠Ｒにおける燃料電池の一部模式断面図である。 図１の点線枠Ｒにおける燃料電池の他の構成の一例を示す一部模式断面図である。 一般的な燃料電池の構成を示す模式断面図である。 図６の点線枠Ｒにおける燃料電池用セパレータの模式断面図である。 図６の点線枠Ｒにおける燃料電池の模式断面図である。

符号の説明

１，３，４ 燃料電池、２ 燃料電池用セパレータ、１０ 膜−電極アッセンブリ、１２ アノード極セパレータ、１２ａ アノードガス流路、１４ カソード極セパレータ、１４ａ カソードガス流路、１６ 接着部、１８ フレーム、２０ アノードガス入口、２２ アノードガス出口、２４ カソードガス入口、２６ カソードガス出口、２８ ガス流路、３０ 冷却水入口、３２ 冷却水出口、３４ バリ、３６ 表面処理膜、３８ａ，３８ｂ 外周部、４０ 段差、４２ 膜−電極アッセンブリ、４４，４６ 燃料電池用セパレータ、４４ａ，４６ａ 反応ガス流路、４４ｂ 外周部、４８ 接着部、５０ フレーム、５２ バリ、５４ 表面処理膜、５６ ヒゲ。

Claims (1)

1. 膜−電極アッセンブリと、前記膜−電極アッセンブリを挟持する一対のフレームと、前記フレームで挟持された膜−電極アッセンブリの両外側に配置される一対の燃料電池用セパレータと、を有する燃料電池であって、
   前記フレームの外周部は、前記燃料電池用セパレータの外周部に対して凹状の段差を有し、
   前記凹状の段差は、前記燃料電池用セパレータの外周部から前記フレーム側へ延在するバリと前記フレームとを接触しないようにするものであり、
   前記バリには、前記燃料電池用セパレータに形成される導電性を有する表面処理膜が形成されていないことを特徴とする燃料電池。