JP2009266729A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】ガス拡散性、膜電極接合体の冷却性に優れ、しかもセルの厚みを薄くできる燃料電池を提供する。
【解決手段】膜電極接合体１０Ａをセパレータ３０，３０が挟持してなる燃料電池の単セル１００であり、このセパレータ３０は、導電性の金属粒子が相互に接合されてなる多孔体から形成されており、かつ、その内部に流体の流路が形成され、その側面が凹凸状を呈しており、セパレータ３０のうち、少なくとも膜電極接合体１０Ａに対向する凹凸状の側面には導電性の金属からなり、凹凸状を呈したシールド膜２０が形成されており、凹凸状のシールド膜２０と膜電極接合体１０Ａとの間に形成された隙間がガス流路となり、セパレータの内部が冷却水の流路となっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池に係り、特に、ガス拡散性、膜電極接合体の冷却性に優れ、しかもセルの厚みを薄くできる燃料電池に関するものである。

固体高分子型燃料電池の単セルは、イオン透過性の電解質膜と、該電解質膜を挟持するアノード側電極層およびカソード側電極層とからなる膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）、もしくは、該電極層をガス拡散層（ＧＤＬ）で挟持してなる膜電極接合体（ＭＥＧＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ＆ Ｇａｓ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｌａｙｅｒ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と、該膜電極接合体に燃料ガスもしくは酸化剤ガスを提供するとともに電気化学反応によって生じた電気を集電するためのガス流路層およびセパレータを少なくとも備えている。なお、セパレータがガス流路層の作用をも兼ね備えたセル構造も従来一般に知られるところである。燃料電池スタックは、所要電力に応じてこの単セルを所定数だけ積層することによって形成されている。

上記する燃料電池では、アノード電極に燃料ガスとして水素ガス等が提供され、カソード電極には酸化剤ガスとして酸素や空気が提供され、各電極では固有のガス流路層にて面内方向にガスが流れ、次いでガス拡散層にて拡散されたガスが電極触媒に導かれて電気化学反応がおこなわれるものである。

上記するセパレータには現在多様な構造のものが存在しており、その一例を挙げれば、面材の両面にたとえば蛇行流路を成す溝条が形成され、一方の溝条はガス流路を形成し、他方の溝条は冷却水流路を形成する形態のものや、いわゆるフラットタイプのセパレータと称されるものであって、２枚の面材の間に多数のディンプルや線状流路が形成され、このディンプルを介して冷却水を乱流状に流したり、流路に沿って線状に流すといった３層構造の形態などがある。この３層構造セパレータにおいては、面材に冷却水用開口やガス用開口が形成されており、これらの流体をシールするための樹脂シール層が面材外周や各開口周りに形成されている。なお、この３層構造のセパレータを有する燃料電池が特許文献１に開示されている。

セパレータに蛇行流路等の溝条を加工する方法では、その加工精度を確保することが困難であり、加工手間を要するという大きな課題がある。さらに、構造的観点からの課題を挙げると、スタック形成時に付与され、セパレータからガス拡散層へ作用する圧縮力に関し、セパレータの溝条部分からは圧縮力の伝達が成されず、該溝条を画成するリブのみからガス拡散層へ伝達される結果、ガス拡散層およびＭＥＡに作用する圧縮力が面内均一にならない、という課題がある。

一方、３層構造のセパレータでは、蛇行流路等を形成するセパレータに比して加工効率性が良好である反面、たとえば２枚の金属板とその間に介在するシール用樹脂材（スペーサ）とからなる３層構造であるがゆえに、セパレータの厚みが往々にして厚くなってしまい、これに起因して燃料電池の体格が大きくなってしまうという課題がある。

特開２００６−２８６５５７号公報

本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、ガス拡散性、膜電極接合体の冷却性に優れ、しかもセルの厚みを薄くできる燃料電池を提供することを目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明による燃料電池は、膜電極接合体をセパレータが挟持してなる燃料電池において、前記セパレータは、導電性の金属粒子が相互に接合されてなる多孔体から形成されており、かつ、その内部に流体の流路が形成され、その側面が凹凸状を呈しており、前記セパレータのうち、少なくとも膜電極接合体に対向する凹凸状の前記側面には導電性の金属からなり、凹凸状を呈したシールド膜が形成されており、前記凹凸状のシールド膜と膜電極接合体との間に形成された隙間がガス流路となり、前記セパレータの内部が冷却水の流路となっているものである。

本発明の燃料電池を構成する単セルは、導電性の金属粒子が相互に接合されてなる多孔体から形成されたセパレータをカソード側、アノード側の双方に具備することを特徴としており、このセパレータの少なくとも膜電極接合体側の側面は、金属粒子による凹凸状を呈しており、この側面にシールド膜が形成されて膜電極接合体と接続されたものである。

セパレータを構成する導電性の金属粒子は特に限定されるものではないが、その一例として、アルミニウムやその合金、銅やその合金、チタンやその合金、カーボンやその合金などを挙げることができ、たとえば、成形型内にこれらの金属粒子を収容して加圧成形し、焼結することでセパレータを製造することができる。

金属粒子の焼結体からセパレータが形成される場合は、金属粒子同士が相互に固着されており、しかも、隣接する複数の金属粒子間には多数の隙間が形成され、この隙間が連通してできる多数の連通孔が、膜電極接合体を冷却するための冷却水用流路に利用される。

さらに、金属粒子が焼結等されてできるセパレータは、多数の金属粒子によってその側面（表面）が凹凸状を呈している。

この凹凸状の側面にやはり導電性の金属からなるシールド膜を該凹凸状に沿う表面凹凸を備えた姿勢で形成する。

このシールド膜を形成する導電性の金属素材は特に限定されるものではないが、その一例として、金やその合金、銀やその合金、銅やその合金、カーボンやその合金などを挙げることができ、これらの金属をメッキ処理もしくは溶射処理にてメッキ層もしくは溶射層からなるシールド膜を形成するものである。

セパレータのシールド膜と膜電極接合体のたとえばガス拡散層とを接合することにより、該シールド膜が凹凸状を呈していることでガス拡散層の表面とシールド膜との間には多数の隙間が形成され、この隙間が連通してできる多数の連通孔がガス流路に利用される。すなわち、アノード側のセパレータにおいては、燃料ガスのガス流路となり、カソード側のセパレータにおいては、酸化剤ガスのガス流路となる。

上記構成によれば、セパレータの内部の冷却水流路と、その外側（膜電極接合体側）のガス流路がシールド膜にて画成され、一方の流体が他方側へ流れ出すことはない。さらに、このシールド膜、セパレータともに導電性金属から形成されていることで、セパレータに要求される集電性能は十分に担保される。

上記する本発明の燃料電池を構成するセル構造とすることにより、以下の効果を奏することができる。

その一つは、一層のセパレータにて、冷却水流路とガス流路の双方を形成することができ、たとえばガス流路層が分離された３層構造のフラットタイプモジュールのセパレータに比してその厚みを格段に薄くすることができるという効果である。これにより、単セルの体格低減、ひいては燃料電池スタック全体の体格低減を図ることができる。

また、他の一つは、セパレータの内部は金属粒子が接合してできる多孔構造であるがゆえに、冷却水の拡散流動が招来され、膜電極接合体（ＭＥＧＡ）の冷却性能に優れているという効果である。これにより、燃料電池の発電性能を向上させることができる。

さらに他の一つは、セパレータ表面（シールド膜表面）が凹凸状を呈していることで、酸化剤ガス、燃料ガスの拡散流動を促進できるという効果である。これによっても、燃料電池の発電性能を向上させることができる。

さらに他の一つは、多数の凹凸状のシールド膜表面が膜電極接合体に当接することにより、スタック形成時に付与される圧縮力を膜電極接合体に面内均一に作用させることができるという効果である。これによっても、燃料電池の発電性能を向上させることができる。

上記する本発明の燃料電池によれば、その体格を小型化でき、膜電極接合体の冷却性能を向上でき、ガスの拡散流動性を良好にでき、膜電極接合体に面内均一な圧縮力を作用させることができる。しかも、発明の特徴構成である上記セパレータの製造は、金属粒子を加圧成形等したり、メッキや溶射をおこなうといった従来一般の比較的簡易な製法にておこなうことができるため、比較的安価にセパレータを製造することができ、燃料電池の製造コストの削減にも繋がる。このような燃料電池は、近時その生産が拡大しており、車載される燃料電池の高性能化、小型化が叫ばれている電気自動車やハイブリッド車等に好適である。

以上の説明から理解できるように、本発明の燃料電池によれば、その体格を小型化でき、膜電極接合体の冷却性能を向上でき、ガスの拡散流動性を良好にでき、膜電極接合体に面内均一な圧縮力を作用させることができ、その発電性能を従来のものに比して大幅に向上させることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

図１は、本発明の燃料電池の単セルの縦断面図であり、図２は、セパレータとガス拡散層の一部を拡大した縦断面図であって、冷却水の流れおよび酸化剤ガスの流れをともに示した図である。

この単セル１００の構造は、イオン交換膜である電解質膜１１と、これを挟持するカソード側、アノード側の電極層１２，１３と、からＭＥＡ１０が形成され、ＭＥＡ１０をカソード側、アノード側のガス拡散層１４，１５が挟持してＭＥＧＡ１０Ａ（膜電極接合体）を成し、このＭＥＧＡ１０Ａを金属粒子３１，…の焼結体からなるセパレータ３０，３０が挟持し、ＭＥＧＡ１０Ａの周縁にたとえばゴム等の樹脂製のガスケット４０が一体に形成されたものである。

ＭＥＡ１０を構成する電解質膜１１は、スルホン酸基やカルボニル基を持つフッ素系イオン交換膜、置換フェニレンオキサイドやスルホン化ポリアリールエーテルケトン、スルホン化ポリアリールエーテルスルホン、スルホン化フェニレンスルファイドなどの非フッ素系のポリマーなどからなり、電極層１２，１３は、白金やその合金からなる触媒をカーボン等に担持させた多孔質素材からなる。また、ガス拡散層１４，１５は、カーボンペーパーやカーボンクロスなどのガス透過性の素材から形成される。

セパレータ３０は、たとえば、アルミニウムやその合金、銅やその合金、チタンやその合金、カーボンやその合金などの金属粒子を不図示の成形型内に収容して加圧成形し、焼結することにより、金属粒子同士が強固に接続（もしくは当接）した姿勢で一体に成形される。

金属粒子の焼結体ゆえに、図示のごとくセパレータ３０の両側（表面）は凹凸状を呈している。表面に凹凸状を呈したセパレータを製造後、その凹凸状の表面に導電性の金属をメッキ処理もしくは溶射処理することにより、シールド膜２０を形成する。

この導電性の金属としては、金やその合金、銀やその合金、銅やその合金、カーボンやその合金などを使用できるが、導電性、展延性、耐食性に優れた金もしくは金合金をメッキ処理等するのが好ましい。

図１には、このセパレータ３０に冷却水を提供する給水マニホールド３０ａと、セパレータ３０内を流れて昇温された冷却水を排水するための排水マニホールド３０ｂが示されている。なお、図示を省略するが、セパレータ３０とガス拡散層１４、１５の間に酸化剤ガスや燃料ガスを提供するためのガス供給マニホールド、ガス排気マニホールドもセパレータ３０に形成されるものである。

この単セル１００において、ＭＥＧＡ１０Ａを冷却する冷却水や酸化剤ガスを提供する機構を図２に基づき説明する。

給水マニホールド３０ａを介してセパレータ３０の内部に提供された冷却水は、当接する金属粒子３１，…間に形成される隙間を介して、図２で示すように蛇行しながらセパレータ３０内を流れていく（図中のＸ方向）。

一方、ガス供給マニホールドを介してセパレータ３０とガス拡散層１４の間に提供された酸化剤ガスは、シールド膜２０の凹凸表面とガス拡散層１４の間に形成される隙間を介して、図２で示すＹ方向を流れていく。なお、アノード側でも同様の態様で燃料ガスが流れることは言うまでもない。

シールド膜２０の凹凸表面とガス拡散層１４の間の隙間を流れる酸化剤ガスは、多数の隙間が連続してできる多数の流路を蛇行しながら流れ、したがって、酸化剤ガスは拡散しながら上記隙間内を面的に流れていき、各所でその下方のガス拡散層１４に提供され、該ガス流路層１４内でその厚み方向に拡散されながら（図中のＺ方向）ＭＥＡ１０に提供される。

ここで、メッキ処理等にてセパレータ３０の表面に形成されたシールド膜２０により、その一方を流れる冷却水と他方を流れる酸化剤ガスのシール性は十分に確保される。

なお、図示を省略するが、セパレータ３０のＭＥＧＡ１４，１５側の両側面に従来一般のガス流路、冷却水流路となる蛇行流路を形成しておいてもよい。

図示するセパレータ３０をシールド膜２０を介してガス拡散層１４，１５に接続してなる単セル１００を有する燃料電池とすることにより、たとえばガス流路層が分離された３層構造のフラットタイプモジュールのセパレータに比してその厚みを格段に薄くすることができ、燃料電池の小型化を図ることができる。

また、多数の金属粒子でできた多孔流路内を冷却水が流れることにより、たとえば、蛇行流路を冷却水が流れる場合に比して、冷却水を拡散させながら、しかも比較的短い流路長で流すことができる。したがって、昇温される前の冷却水を連続的に流すことが可能となり、膜電極接合体の冷却効果を高めることができる。

また、多数の金属粒子からなる凹凸状の面を介して膜電極接合体がスタック形成時の圧縮力を受けるため、作用する圧縮力は膜電極接合体の全面に面内均一に作用することができ、発電性能の向上に繋がる。

また、凹凸状のシールド膜とガス拡散層の間で多数の隙間が形成され、これが酸化剤ガスや燃料ガスのガス流路を形成することで、この多数の隙間がガスの面的な拡散性の良好な多孔構造のガス流路層を模擬することとなり、このことからも発電性能の向上を図ることができる。

さらに、このセパレータ３０は、金属粒子を加圧成形することで製造でき、これに金メッキ処理等を施してシールド膜２０を形成するだけの極めて簡易な方法によって製造することができるため、単セルの製造コスト、ひいては燃料電池スタックの製造コストの削減にも繋がる。

なお、図１で示された単セル１００が所望の発電量に応じた基数だけ積層され、最外縁にエンドプレート、テンションプレートが配され、所望の圧縮力が各単セル１００に付与されて、不図示の燃料電池スタックが形成される。

また、電気自動車等に車載される燃料電池システムは、この燃料電池と、燃料ガスや酸化剤ガスを収容する各種タンク、これらのガスを燃料電池に提供するためのブロア、燃料電池を冷却するためのラジエータ、燃料電池で生成された電力を蓄電するバッテリ、この電力で駆動する駆動モータ等から大略構成されるものである。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

本発明の燃料電池の単セルの縦断面図である。 セパレータとガス拡散層の一部を拡大した縦断面図であって、冷却水の流れおよび酸化剤ガスの流れをともに示した図である。

符号の説明

１０…ＭＥＡ、１０Ａ…ＭＥＧＡ、１１…電解質膜、１２，１３…電極層、１４，１５…ガス拡散層、２０…シールド膜、３０…セパレータ（焼結体）、３１…金属粒子、３０ａ…給水マニホールド、３０ｂ…排水マニホールド、４０…ガスケット、１００…単セル

Claims (3)

1. 膜電極接合体をセパレータが挟持してなる燃料電池において、
   前記セパレータは、導電性の金属粒子が相互に接合されてなる多孔体から形成されており、かつ、その内部に流体の流路が形成され、その側面が凹凸状を呈しており、
   前記セパレータのうち、少なくとも膜電極接合体に対向する凹凸状の前記側面には、導電性の金属からなり、かつ凹凸状を呈したシールド膜が形成されており、
   前記凹凸状のシールド膜と膜電極接合体との間に形成された隙間がガス流路となり、前記セパレータの内部が冷却水の流路となっている、燃料電池。
2. 前記セパレータを形成する導電性の金属粒子が、少なくとも、アルミニウムもしくはアルミニウム合金、銅もしくは銅合金、チタンもしくはチタン合金、カーボンもしくはカーボン合金のうちのいずれか一種からなる、請求項１に記載の燃料電池。
3. シールド膜を形成する前記導電性の金属が、少なくとも、金もしくは金合金、銀もしくは銀合金、銅もしくは銅合金、カーボンもしくはカーボン合金のうちのいずれか一種からなり、該導電性の金属によるメッキ層もしくは溶射層からなる、請求項１または２に記載の燃料電池。

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