JP2009245682A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】セパレータの腐食を抑制することを目的とする。
【解決手段】１つの電池ユニット２００又は積層された複数の電池ユニット２００を含む燃料電池１００であって、前記電池ユニット１００は、膜電極接合体と前記膜電極接合体の両面に配置されたガス拡散層とを含む膜電極アッセンブリ２０と、前記膜電極アッセンブリの両面に配置されたセパレータ３０と、前記セパレータ表面にコーティングされたコーティング剤６００とを備え、前記セパレータ３０の外縁部における前記コーティング剤６００が、前記セパレータの中央部における前記コーティング剤よりも厚くコートされている。
【選択図】図２

Description

本発明は燃料電池に関する。

燃料電池のセパレータには、その腐食を防止するためのコーティング剤が塗布されているのが普通である。しかし、燃料電池の始動を、氷点下で何回も行うと、セパレータとガス拡散層の膨張率の違いにより摩擦が生じる。これにより、セパレータ表面に塗布されたコーティング材が剥離し、セパレータを腐食させることが起こりうる。

一方、従来技術として、セパレータにセラミック粒子を分散させることにより、セパレータの線膨張率を、空気極あるいは燃料極の線膨張率と近似させる技術が知られている（特許文献１）。

特開平９−２４５８０８号公報

しかし、従来技術は、セパレータとガス拡散層との間の膨張率の違いに起因して、セパレータに腐食が生じるという問題は、十分に認識されていない問題であった。

本発明は上記課題の少なくとも１つを解決し、セパレータの腐食を抑制することを目的とする。

上記課題の少なくとも一部を解決するために、本発明は以下の態様をとる。

本発明の第１の態様は、１つの電池ユニット又は積層された複数の電池ユニットを含む燃料電池であって、前記電池ユニットは、膜電極接合体と前記膜電極接合体の両面に配置されたガス拡散層とを含む膜電極アッセンブリと、前記膜電極アッセンブリの両面に配置されたセパレータと、前記セパレータ表面にコーティングされたコーティング剤とを備え、前記セパレータの外縁部における前記コーティング剤が、前記セパレータの中央部における前記コーティング剤よりも厚くコートされている。この態様によれば、線膨張係数の違いによりセパレータとガス拡散層の間で摩擦が生じてコーティング剤が削られても、コーティング剤は厚くコートされているので、コーティング剤の一部は残存する。そのため、コーティング剤が剥離し難く、セパレータの腐食を抑制することが可能となる。

本発明の第１の態様の燃料電池において、前記燃料電池が複数の電池ユニットを含む場合には、前記電池ユニットの積層方向の端部の電池ユニットにおいて、前記コーティング剤が、前記セパレータの中央部における前記コーティング剤よりも厚くコートされていてもよい。経験上、積層方向の端部の電池ユニットにおけるセパレータのコーティングは、中央部における電池ユニットのセパレータにおけるコーティングよりも剥がれ易い。したがってこの態様によれば、積層方向の端部の電池ユニットにおけるセパレータのコーティング剤の剥離を抑制することが可能となる。

本発明の第１の態様において、前記ガス拡散層と前記セパレータは、線膨張係数が同じになるように形成されていてもよい。ガス拡散層とセパレータの線膨張係数を同じにすることにより、ガス拡散層とセパレータの間の摩擦を抑制し、コーティング剤の剥離を抑制することが可能となる。

本発明の第２の態様は、１つの電池ユニット又は積層された複数の電池ユニットを含む燃料電池であって、前記電池ユニットは、膜電極接合体と前記膜電極接合体の両面に配置されたガス拡散層とを含む膜電極アッセンブリと、前記膜電極アッセンブリの両面に配置されたセパレータと、前記セパレータ表面にコーティングされたコーティング剤とを備え、前記ガス拡散層と前記セパレータは、線膨張係数が同じになるように形成されている。この態様によれば、ガス拡散層とセパレータの間の摩擦を抑制し、コーティング剤の剥離を抑制することが可能となる。その結果、コーティングの剤の剥離によるセパレータの腐食を抑制することが可能となる。

本発明の第１、第２の態様において、前記ガス拡散層の外縁部と前記セパレータとが接着されていてもよい。一般的に、前記セパレータの線膨張係数の方がガス拡散層の線膨張係数よりも大きい。この態様によれば、セパレータが膨張、収縮したときにガス拡散層を追従させて、実質的にガス拡散層の膨張量をセパレータの膨張量と同じにすることが可能となり、セパレータとガス拡散層の摩擦を抑制することが可能となる。

本発明の第１、第２の態様において、前記ガス拡散層は、前記セパレータを構成する材料と、前記セパレータを構成する材料よりも線膨張係数が小さな材料とで形成されていてもよい。これによれば、ガス拡散層の線膨張係数とセパレータの線膨張係数とを同じにすることが可能となる。

本発明の第１、第２の態様において、前記膨張係数が大きな材料は、ポリテトラフルオロエチレンである。ポリテトラフルオロエチレンは、セパレータを構成する材料より線膨張係数が大きいので、ガス拡散層の線膨張係数を大きくすることが可能となる。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池の他、燃料電池用セパレータ、燃料電池用セパレータの保護方法等、様々な形態で実現することができる。

第１の実施例：
図１は、本発明の第１の実施例に係る燃料電池の外観を示す斜視図である。燃料電池１００は、電池ユニット２００とエンドプレート２０２、２０４を備える。本実施例では、電池ユニット２００は複数積層されているが、電池ユニット２００は１個であってもよい。エンドプレート２０２、２０４は、電池ユニット２００の積層方向の両端にそれぞれ配置されている。燃料電池１００には、電池ユニット２００に燃料ガス、酸化ガス、冷媒を供給し、あるいは排出するための燃料ガス供給マニホールド１１０と、燃料ガス排出マニホールド１２０と、酸化ガス供給マニホールド１３０と、酸化ガス排出マニホールド１４０と、冷媒供給マニホールド１５０と、冷媒排出マニホールド１６０とが積層方向に貫通している。

図２は、図１に示す２−２切断線で燃料電池１００を切ったときの断面図である。電池ユニット２００は、膜電極アッセンブリ２０とセパレータ３０とを備える。膜電極アッセンブリ２０とセパレータ３０は、交互に配置されている。

膜電極アッセンブリ２０は、電解質膜２１０と、アノード側触媒層２２０と、カソード側触媒層２３０と、アノード側ガス拡散層２４０と、カソード側ガス拡散層２５０と、シールガスケット２６０とを備える。本実施例では、電解質膜２１０として、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマなどのフッ素系樹脂や炭化水素系樹脂からなるプロトン伝導性のイオン交換膜を用いている。アノード側触媒層２２０と、カソード側触媒層２３０は、それぞれ電解質膜２１０の両面に配置されている。本実施例では、アノード側触媒層２２０、カソード側触媒層２３０として、例えば、白金触媒、あるいは白金と他の金属とからなる白金合金触媒を、例えばカーボン粒子上に担持した触媒層を用いている。アノード側ガス拡散層２４０、カソード側ガス拡散層２５０は、それぞれ、アノード側触媒層２２０、カソード側触媒層２３０の外側に配置されている。本実施例では、アノード側ガス拡散層２４０、カソード側ガス拡散層２５０として、カーボン繊維を用いて形成されたカーボン不織布を用いている。なお、以下では、アノード側ガス拡散層２４０、カソード側ガス拡散層２５０を「ガス拡散層」とも呼ぶ。シールガスケット２６０は、電解質膜２１０の外縁を囲うように形成されている。シールガスケット２６０は、たとえば、射出成形により、電解質膜２１０と一体に成形される。

セパレータ３０は、カソードプレート３００と、アノードプレート４００と、中間フィルム５００とを備える。カソードプレート３００は、カソード側ガス拡散層２５０の外側に配置され、中間フィルム５００はカソードプレート３００の外側に配置され、アノードプレート４００は中間フィルム５００の外側に配置されている。ここで、本実施例では、膜電極アッセンブリ２０とセパレータ３０とが交互に配置されている構成を採用しているので、アノードプレート４００は、膜電極アッセンブリ２０のアノード側ガス拡散層２４０の外側に配置される構成となっている。なお、以下では、カソードプレート３００とアノードプレート４００を「セパレータプレート」とも呼ぶ。

図３は、カソードプレート３００の平面図である。カソードプレート３００は、例えば、金属製の略四角形状の板状部材である。カソードプレート３００の短辺側外縁部には、種々の開口部３１０〜３６０が形成されている。これらの開口部３１０〜３６０は、図１に示す燃料ガス供給マニホールド１１０と、燃料ガス排出マニホールド１２０と、酸化ガス供給マニホールド１３０と、酸化ガス排出マニホールド１４０と、冷媒供給マニホールド１５０と、冷媒排出マニホールド１６０とを形成するための開口部である。また、カソードプレート３００の長辺側外縁部には細長い開口部３３２、３４２が形成されている。これらの開口部３３２、３４２は、酸化ガスをカソード側ガス拡散層２５０に供給し、酸化ガスをカソード側ガス拡散層２５０から排出するために用いられる。開口部３１０〜３６０、３３２、３４２は、例えば、打ち抜き加工により形成される。カソードプレート３００の表面には、カソードプレートの腐植を抑制するため、例えば、カーボンと樹脂とを含むコート剤６００が塗布されている。ここで、コート剤６００は、カソードプレート３００の外縁部において、中央部よりも厚く塗布されている。

図４は、コート剤６００の塗布方法を模式的に示す説明図である。カソードプレート３００を水平に置いて、ノズル６５０からコート剤６００を噴霧して塗布する。また、カソードプレート３００の外縁部におけるコート剤６００の厚さが中央部におけるコート剤６００の厚さよりも大きくなるように塗布を行う。

図５は、アノードプレート４００の平面図である。アノードプレート４００は、例えば、金属製の略四角形状の板状部材である。アノードプレート４００の短辺側外縁部には、各種マニホールドを形成するための開口部４１０〜４６０が形成されている。開口部４１０〜４６０の位置、大きさは、それぞれ、カソードプレートの開口部３１０〜３６０の位置、大きさと対応している。アノードプレート４００の長辺側外縁部には細長い開口部４１２、４２２が形成されている。これらの開口部４１２、４２２は、燃料ガスをアノード側ガス拡散層２４０に供給し、燃料ガスをアノード側ガス拡散層２４０から排出するために用いられる。開口部４１０〜４６０、４１２、４２２は、例えば、打ち抜き加工により形成される。また、アノードプレート４００の中央部には、複数の凸部４７０が形成されている。凸部４７０は、冷却媒体の流路を形成するために用いられる。さらに、凸部４７０の高さは、中間フィルム５００の厚さとほぼ同じに設定されている。そのため、図２に示すように、アノードプレート４００と中間フィルム５００とカソードプレート３００とを重ねたとき、アノードプレートの凸部４７０は、カソードプレート３００と接触する。これにより、カソードプレート３００とアノードプレート４００とが電気的に導通する。凸部４７０は、例えば、プレス加工により形成される。また、アノードプレート４００の表面には、カソードプレート３００の表面と同様に、外縁部において、中央部よりも厚くなるようにコート剤６００が塗布されている。

図６は、中間フィルム５００の平面図である。中間フィルム５００は、例えば熱可塑性樹脂性の略四角形状の板状部材である。図２に示すように、中間フィルム５００は、カソードプレート３００とアノードプレート４００とを接着する役割を有する。中間フィルム５００の短辺側外縁部には、各種マニホールドを形成するための開口部５１０〜５６０が形成され、中央部には、冷媒が流れる空間となる開口部５５５が形成されている。開口部５１０〜５６０及び開口部５５５は、打ち抜き加工により形成される。

ガス用マニホールドを形成する開口部５１０〜５４０の位置、大きさは、それぞれ、カソードプレート３００の開口部３１０〜３４０の位置、大きさと対応している。なお、開口部５１０、５２０から長辺方向に沿って、連通路５１２、５２２が伸び、開口部５３０、５４０から長辺方向に沿って連通路５３２、５４２が伸びている。セパレータ３０形成後には、連通路５１２、５２２は、アノードプレート４００の開口部４１２、４２２に連通し、連通路５３２、５４２は、カソードプレート３００の開口部３３２、３４２に連通する。

開口部５５０と開口部５５５の間、及び開口部５５５と開口部５６０の間には、複数の流路形成部５７０が互いに離間した状態で配置されている。流路形成部５７０は、セパレータ３０の組み立て前には付け根部５７５を介して中間フィルム５００の外縁部と接続されている。付け根部５７５は、セパレータの組み立て時にカソードプレート３００の開口部３５０（図３）及びアノードプレート４００の開口部４５０（図４）から見える位置に設けられている。これらの付け根部５７５は、セパレータの接合後に削除され、図５に示すように、複数の流路形成部５７０が互いに離間した状態となる。

本実施例においては、セパレータプレート３００、４００として、例えば線膨張係数が、１６．４×１０^-6／℃である金属材料（ステンレス鋼）を用いている。一方、ガス拡散層２４０、２５０として、例えば線膨張係数が、４．０×１０^-6／℃である材料（カーボン繊維）を用いている。燃料電池１００が移動体に用いられる場合には、燃料電池１００の状態として、運転状態と停止状態とがある。運転状態では、燃料電池１００は電気化学反応により発熱するため、燃料電池１００の温度は、外気温より高い。一方、停止状態では燃料電池１００の温度は外気温と同じである。運転状態と停止状態とが交互に行われると、セパレータプレート３００、４００とガス拡散層２４０、２５０との線膨張係数の違いにより、セパレータプレート３００、４００とガス拡散層２４０、２５０との間で摩擦が生じる。特に外気温が氷点下の場合には、運転状態の温度と停止状態の温度との差が大きいため、生じる摩擦も大きい。摩擦が生じるとコート剤６００が剥離し、セパレータプレート３００、４００を腐食する恐れがある。ここで、膨張は中心部から外縁に向かうので、外縁部の方が中心部より摩擦が大きい。本実施例では、セパレータプレート３００、４００の外縁部におけるコート剤６００の厚さを、中央部におけるコート剤６００の厚さよりも厚くしている。そのため、摩擦が大きい外縁部において、コート剤６００の剥離を抑制して、セパレータプレート３００、４００の腐食を抑制することが可能となる。

なお、セパレータプレート３００、４００の外縁部においてコート剤６００をより厚くする構成は、燃料電池１００に含まれるすべての電池ユニット２００に適用可能である。あるいは、このようなコート剤６００に関する構成を、積層方向の端部に配置される電池ユニット２０６にのみ適用してもよい。電池ユニット２００の積層方向との関係では、経験上、積層方向の端部に配置される電池ユニット２０６（図１）のセパレータ３０の方が、積層方向の中央部に配置される電池ユニット２００のセパレータ３０よりも、コート剤６００が剥離し易い。したがって、少なくとも両端の電池ユニット２０６においてセパレータプレート３００、４００の外縁部のコート剤６００を中央部よりも厚くすれば、これらの電池ユニット２０６のセパレータプレート３００、４００の腐食を抑制することが可能となる。

第２の実施例：
図７は、本発明の第２の実施例に係る燃料電池に用いられるカソードプレート３００の平面図である。カソードプレート３００は、カソード側ガス拡散層２５０に面する側に額縁状（枠状）の接着層７００が塗布されている点が異なる。接着層７００は、カソード側ガス拡散層２５０の外縁と重なる部分に塗布さされている。

図８は、第２の実施例に係る燃料電池１００を図１に示す２−２切断線で切ったときの断面図である。接着層７００は、カソード側ガス拡散層２５０の外縁と、カソードプレート３００とを接着する。本実施例では、接着層７００に用いる接着剤として、セラミックスなどの無機系接着剤を用いている。

図９は、本発明の第２の実施例に係る燃料電池に用いられるアノードプレート４００の平面図である。アノードプレート４００にも、カソードプレート３００と同様に接着層７００が塗布されており、接着層７００は、アノード側ガス拡散層２４０の外縁と、アノードプレート４００とを接着する。

第２の実施例によれば、カソードプレート３００とカソード側ガス拡散層２５０とが接着され、アノードプレート４００とアノード側ガス拡散層２４０とが接着されている。そのため、カソードプレート３００、あるいはアノードプレート４００が膨張したときに、カソード側ガス拡散層２５０あるいはアノード側ガス拡散層２４０がこれに応じてを引っ張られて伸びる。すなわち、カソード側ガス拡散層２５０あるいはアノード側ガス拡散層２４０全体の膨張量を、カソードプレート３００とアノードプレート４００の膨張量と実質的に同じにすることが可能となる。これにより、カソードプレート３００とカソード側ガス拡散層２５０の間の摩擦、あるいは、アノードプレート４００とアノード側ガス拡散層２４０との間の摩擦を発生し難くすることが可能となる。したがって、これらのセパレータプレート３００、４００のコート剤６００の剥離が起こり難く、セパレータプレート３００、４００の腐食を抑制することが可能となる。

変形例：
上述した第１の実施例では、セパレータプレートのコート剤の厚みを局所的に変える構成を採用し、また、第２の実施例ではセパレータプレートとガス拡散層との間を接着剤で接着する構成を採用することによって、セパレータプレートの腐食を抑制していたが、これ以外の構成を用いて同様の目的を達成してもよい。例えば、ガス拡散層２４０、２５０に、セパレータプレート３００、４００の線膨張係数よりも大きな線膨張係数を有する材料を含ませてることによって、両者の線膨張係数の差を小さくしてもよい。セパレータプレート３００、４００の線膨張係数よりも大きな線膨張係数を有する材料としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）がある。ＰＴＦＥの線膨張係数は２１．８×１０^-5／℃であり、セパレータプレート３００、４００の線膨張係数１６．４×１０^-6／℃よりも大きい。したがって、ガス拡散層２４０、２５０に、ＰＴＦＥを塗布することにより、ガス拡散層２４０、２５０全体の線膨張係数をセパレータプレート３００、４００の線膨張係数と同じにすることが可能となる。なお、ＰＴＦＥは、撥水性があるため、ガス拡散層２４０、２５０の撥水性を高める効果もある。

また、ガス拡散層２４０、２５０中のカーボン繊維の比率を相対的に少なく設定することによって、ガス拡散層２４０、２５０の線膨張係数をセパレータプレート３００、４００の線膨張係数と同じにしてもよい。カーボン繊維の線膨張係数は４×１０^-6／℃で、セパレータプレート３００、４００の線膨張係数よりも小さい。したがって、カーボン繊維を相対的に少なくすることにより、ガス拡散層２４０、２５０全体の線膨張係数をセパレータプレート３００、４００の線膨張係数と同じにすることが可能となる。

なお、第２の実施例においても、第１の実施例と同様に、セパレータプレート３００、４００の外縁部におけるコート剤６００の厚さを中央部における厚さよりも厚くしてもよい。

第１、第２の実施例では、３層セパレータ構成を用いているが、第１、第２の実施例で説明したセパレータプレートとガス拡散層の構成は、３層セパレータ以外の任意の構成のセパレータに適用可能である。

以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。

本発明の第１の実施例に係る燃料電池の外観を示す斜視図である。 図１に示す２−２切断線で燃料電池１００を切ったときの断面図である。 カソードプレート３００の平面図である。 コート剤６００の塗布方法を模式的に示す説明図である。 アノードプレート４００の平面図である。 中間フィルム５００の平面図である。 本発明の第２の実施例に係る燃料電池に用いられるカソードプレート３００の平面図である。 第２の実施例に係る燃料電池１００を図１に示す２−２切断線で切ったときの断面図である。 本発明の第２の実施例に係る燃料電池に用いられるアノードプレート４００の平面図である。

符号の説明

２０…膜電極アッセンブリ
３０…セパレータ
１００…燃料電池
１１０…燃料ガス供給マニホールド
１２０…燃料ガス排出マニホールド
１３０…酸化ガス供給マニホールド
１４０…酸化ガス排出マニホールド
１５０…冷媒供給マニホールド
１６０…冷媒排出マニホールド
２００、２０６…電池ユニット
２０２、２０４…エンドプレート
２１０…電解質膜
２２０…アノード側触媒層
２３０…カソード側触媒層
２４０…アノード側ガス拡散層（ガス拡散層）
２５０…カソード側ガス拡散層（ガス拡散層）
２６０…シールガスケット
３００…カソードプレート（セパレータプレート）
３１０、３２０、３３０、３４０、３５０、３６０、３３２、３４２…開口部
４００…アノードプレート（セパレータプレート）
４１０、４２０、４３０、４４０、４５０、４６０、４１２、４２２…開口部
４７０…凸部
５００…中間フィルム
５１０、５２０，５３０、５４０、５５０、５６０、５５５…開口部
５１２、５２２、５３２，５４２…連通路
５７０…流路形成部
５７５…付け根部
６００…コート剤
６５０…ノズル
７００…接着層

Claims (7)

1. １つの電池ユニット又は積層された複数の電池ユニットを含む燃料電池であって、
   前記電池ユニットは、
   膜電極接合体と前記膜電極接合体の両面に配置されたガス拡散層とを含む膜電極アッセンブリと、
   前記膜電極アッセンブリの両面に配置されたセパレータと、
   前記セパレータ表面にコーティングされたコーティング剤とを備え、
   前記セパレータの外縁部における前記コーティング剤が、前記セパレータの中央部における前記コーティング剤よりも厚くコートされている、燃料電池。
2. 請求項１に記載の燃料電池において、
   前記燃料電池は複数の電池ユニットを含み、
   少なくとも前記電池ユニットの積層方向の端部の電池ユニットにおいて、前記コーティング剤が、前記セパレータの中央部における前記コーティング剤よりも厚くコートされている、燃料電池。
3. 請求項１または請求項２に記載の燃料電池において、
   前記ガス拡散層と前記セパレータは、線膨張係数が同じになるように形成されている、燃料電池。
4. １つの電池ユニット又は積層された複数の電池ユニットを含む燃料電池であって、
   前記電池ユニットは、
   膜電極接合体と前記膜電極接合体の両面に配置されたガス拡散層とを含む膜電極アッセンブリと、
   前記膜電極アッセンブリの両面に配置されたセパレータと、
   前記セパレータ表面にコーティングされたコーティング剤とを備え、
   前記ガス拡散層と前記セパレータは、線膨張係数が同じになるように形成されている、燃料電池。
5. 請求項３または請求項４に記載の燃料電池において、
   前記ガス拡散層の外縁部と前記セパレータとが接着されている、燃料電池。
6. 請求項３から請求項５のいずれかに記載の燃料電池において、
   前記ガス拡散層は、前記セパレータを構成する材料よりも線膨張係数が大きな材料と、
   前記セパレータを構成する材料よりも線膨張係数が小さな材料と、
   で形成されている、燃料電池。
7. 請求項６に記載の燃料電池において、
   前記膨張係数が大きな材料は、ポリテトラフルオロエチレンである、燃料電池。

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