JP2010061991A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】エキスパンドメタルが、隣接するセル構成部材に食い込むことを防ぐ。
【解決手段】ガス拡散層１４とエキスパンドメタル２０との間に、メッシュプレート２６が配置され、エキスパンドメタル２０のコンタクト面Ｃ_ｓから、ガス拡散層１４への接触面圧Ｕが、メッシュプレート２６を介して伝達される。メッシュプレート２６は、複数の開口が形成された平坦なプレートであり、エキスパンドメタル２０とガス拡散層１４との間での、ガスやセル内で発生する生成水の授受を阻害することなく、エキスパンドメタル２０とガス拡散層１４との接触面圧Ｕを低下させる。従って、エキスパンドメタル２０の接触面Ｃｓがガス拡散層１４に食い込み、ガス拡散層１４にダメージを与えることを防ぐことができる。そして、三角形状の空間２４の断面積の減少を防ぎ、ガス流路１６を流れるガスの流量が減少することによる、発電性能の低下を回避する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池に関するものである。

燃料電池は、複数種類のセル構成部材が積層されることによって、最小単位であるセル（単セル）が構成され、なおかつ、セルが複数枚積層されたスタック構造となることで、必要な電圧が確保されるものである。かかるスタック構造において、各セルの最外層に位置してスタック内の各セルを区分けする部材として、板状の部品であるセパレータが用いられている。又、セパレータは、アノード側に燃料ガスをカソード側に酸化剤を各々供給する機能、セルで発電された電気の導電機能、セル内で発生する生成水の排出を行う機能等、様々な役目を担っている。

さて、図５には、固体高分子型燃料電池のセル構造の一例が示されている。このセル１０は、膜・電極接合体１２（Membrane Electrode Assembly：以下、「ＭＥＡ」という。）がセル１０の厚み方向の中心部に配置され、その両面に、ガス拡散層１４（アノード側/カソード側のガス拡散層１４Ａ、１４Ｃ）、ガス流路１６（アノード側/カソード側のガス流路１６Ａ、１６Ｃ）、セパレータ１８（アノード側/カソード側のセパレータ１８Ａ、１８Ｃ）が夫々配置された構造となっている。なお、ＭＥＡ１２とガス拡散層１４とが一体となった膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ：Membrane Electrode ＆Gas Diffusion
Layer Assembly）が用いられる例もある。
そして、図５のようにガス流路１６がセパレータ１８と別体構造をなすセル１０構造においては、ガス流路１６を形成する構造物として、例えばエキスパンドメタルが用いられることで、上述の如きセパレータの機能を分担、保持している（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−１０８５７３号公報

ところで、セル１０のガス流路１６を形成する構造物として用いられるエキスパンドメタル２０は、例えば、図６に示されるような亀甲形のメッシュ２２が、いわゆる千鳥配置された連続構造をなしている。このエキスパンドメタル２０は、平板材料を送りながら金型によって一段づつ切れ込みを入れることによってメッシュ２２が形成されるという製造手順に起因して、各メッシュ２２が、材料送り方向〔（Materials）Forwarding Direction：以下、本説明において「ＦＤ方向」ともいう。〕に、階段状に連なった構造となっている。
そして、図５に示されたセル１０において、エキスパンドメタル２０は、図７に示されるようにメッシュ２２がガス拡散層１４とセパレータ１８との間に傾斜面を構成するようにして配置されることで、千鳥配置されたメッシュ２２と、ガス拡散層１４表面及びセパレータ１８表面との間に、図７に斜線部で示される三角形状の空間２４が、千鳥状に構成される。従って、ガス流路１６を流れるガスは、千鳥状に配置された三角形状の空間２４を順に伝ってＦＤ方向へと流れ、この際、ガス流ＧＦは図６に示されるように、ＦＤ方向と直交する方向〔Transverse Direction又はTool Direction：以下、本説明において「ツール送り方向」又は「ＴＤ方向」ともいう。〕に揺動し、ターンを繰り返す態様の流れとなる。よって、図７に斜線部で示される三角形状の空間２４の断面積が、ガス流路１６を流れるガスの流量に大きく影響することになる。

ところが、図８に示されるように、エキスパンドメタル２０のメッシュ２２の接触面Ｃｓからの、ガス拡散層１４に対する接触面圧Ｕにより、接触面Ｃ_ｓがガス拡散層１４に食い込み、ガス拡散層１４にダメージを与えることとなる。又、三角形状の空間２４の断面積の減少を来たし、ガス流路１６を流れるガスの流量が減少することにより、発電性能の低下を招くこととなる。
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、セル構成部材間に配置されたエキスパンドメタルによりガス流路が形成されたセル構造を有する燃料電池において、エキスパンドメタルが、隣接するセル構成部材に食い込むことを防ぎ、燃料電池の発電性能を向上させることにある。

上記課題を解決するために、本発明の燃料電池は、セパレータを含むセル構成部材間に配置されたエキスパンドメタルによりガス流路が形成されたセル構造を有する燃料電池であって、前記エキスパンドメタルを挟んで、前記セパレータとは反対側に位置するセル構成部材と、前記エキスパンドメタルとの間に、エキスパンドメタルが隣接するセル構成部材に食い込むことを防ぐための、部品を介在させるものである。
この部品は、エキスパンドメタルと、エキスパンドメタルが隣接するセル構成部材との接触面圧を低下させ、かつ、エキスパンドメタルと、エキスパンドメタルに隣接するセル構成部材との間での、ガスやセル内で発生する生成水の授受を阻害することのない形状を有するものである。
（発明の態様）
以下の発明の態様は、本発明の構成を例示するものであり、本発明の多様な構成の理解を容易にするために、項別けして説明するものである。各項は、本発明の技術的範囲を限定するものではなく、発明を実施するための最良の形態を参酌しつつ、各項の構成要素の一部を置換し、削除し、又は、更に他の構成要素を付加したものについても、本願発明の技術的範囲に含まれ得るものである。

（１）セパレータを含むセル構成部材間に配置された金属プレートによりガス流路が形成されたセル構造を有する燃料電池であって、前記金属プレートは、エキスパンドメタルとメッシュプレートとを、セルの厚み方向に重ねてなる燃料電池。
本項に記載の燃料電池は、ガス流路が、階段状に成形されたエキスパンドメタルと、平坦なプレートであるメッシュプレート（後述する）とを、セルの厚み方向に重ねて構成されたものである。ここで、エキスパンドメタルはガス流路中のガス流を、セパレータ又は該セパレータとは反対側に位置するセル構成部材へと偏向させる機能を有する部品である。一方、メッシュプレートは、セパレータとは反対側に位置するセル構成部材に対する、エキスパンドメタルの接触面圧を低減させる機能を有する部品である。

（２）上記（１）項において、前記エキスパンドメタルを挟んで、前記セパレータとは反対側に位置するセル構成部材と、前記エキスパンドメタルとの間に、前記メッシュプレートが配置されている燃料電池。
本項に記載の燃料電池は、エキスパンドメタルを挟んで、セパレータとは反対側に位置するセル構成部材と、エキスパンドメタルとの間に、メッシュプレートが配置されることで、エキスパンドメタルのコンタクト面から、エキスパンドメタルが隣接するセル構成部材への荷重が、メッシュプレートを介して伝達されるものである。

（３）セパレータを含むセル構成部材間に配置されたエキスパンドメタルによりガス流路が形成されたセル構造を有する燃料電池であって、前記エキスパンドメタルを挟んで、前記セパレータとは反対側に位置するセル構成部材と、前記エキスパンドメタルとの間に、メッシュプレートが配置されている燃料電池（請求項１）。
本項に記載の燃料電池は、エキスパンドメタルを挟んで、セパレータとは反対側に位置
するセル構成部材と、エキスパンドメタルとの間に、メッシュプレートが配置され、エキスパンドメタルのコンタクト面から、エキスパンドメタルが隣接するセル構成部材への荷重の伝達を、メッシュプレートを介して行うものである。メッシュプレートは、複数の開口が形成された平坦なプレートであり、開口部以外の部分が、セパレータとは反対側に位置するセル構成部材に当接するものである。そして、エキスパンドメタルと、エキスパンドメタルに隣接するセル構成部材との間での、ガスやセル内で発生する生成水の授受を阻害することなく、エキスパンドメタルと、エキスパンドメタルが隣接するセル構成部材との接触面圧を低下させる。

（４）上記（１）から（３）項において、前記メッシュプレートの開口径が、前記エキスパンドメタルの開口径よりも小さい燃料電池（請求項２）。
本項に記載の燃料電池は、メッシュプレートの開口径が、エキスパンドメタルの開口径よりも小さいことから、セル内で発生する生成水が、メッシュプレートを介してエキスパンドメタルへ移動する際に、小開口から大開口へと移動することによる毛管力が作用し、生成水の移動が円滑行われることとなる。

（５）上記（１）から（４）項において、前記メッシュプレートのメッシュのボンド部のピッチは、前記エキスパンドメタルのメッシュのボンド部のピッチよりも小さい燃料電池（請求項３）。
本項に記載の燃料電池は、メッシュプレートのメッシュのボンド部のピッチは、エキスパンドメタルのメッシュのボンド部のピッチよりも小さいことから、エキスパンドメタルのメッシュのボンド部が、メッシュプレートのボンド部に当接する確立は自ずと高まることとなる。そして、エキスパンドメタルからの荷重をメッシュプレートで受けて、メッシュプレートから、エキスパンドメタルを挟んで、セパレータとは反対側に位置するセル構成部材に荷重を伝えることで、エキスパンドメタルが隣接するセル構成部材との接触面圧を低下させる。又、エキスパンドメタルがメッシュプレートに当接する確立が高まることにより、セル内で発生する生成水が、メッシュプレートを介してエキスパンドメタルへと円滑に移動することとなる。

（６）上記（１）から（５）項において、前記メッシュプレートのコンタクト率が４０％以上である燃料電池（請求項４）。
本項に記載の燃料電池は、メッシュプレートのコンタクト率（メッシュプレートの全体から、メッシュプレートの空隙率を差し引いた値）が４０％以上であることにより、エキスパンドメタルからの荷重を、メッシュプレートを介して、セパレータとは反対側に位置するセル構成部材へと伝えるために必要なだけ、エキスパンドメタルのメッシュのボンド部が、メッシュプレートのボンド部に当接する確立が高まることとなる。又、メッシュプレートと、セパレータとは反対側に位置するセル構成部材との接触面積も増大することとなる。なお、コンタクト率が大きすぎると、必要な開口径を得ることができなくなり、ガスの流通を阻害することにもなるので、開口径との兼ね合いを考慮して、コンタクト率が決定されるものである。

（７）上記（１）から（６）項において、前記メッシュプレートに比して前記エキスパンドメタルの親水性が高い燃料電池（請求項５）。
本項に記載の燃料電池は、メッシュプレートに比してエキスパンドメタルの親水性が高いことにより、セル内で発生する生成水が、メッシュプレートを介してエキスパンドメタルへ移動する際に、エキスパンドメタルの親水性によって、生成水の移動が円滑に行われることとなる。
（８）上記（１）から（７）項において、前記エキスパンドメタル、前記メッシュプレート、セル構成部材であるガス拡散層の順に、親水性が高い燃料電池（請求項６）。
本項に記載の燃料電池は、エキスパンドメタル、メッシュプレート、セル構成部材であ
るガス拡散層の順に、親水性が高いことによって、セル内で発生する生成水が、メッシュプレートを介してエキスパンドメタルへ移動する際に、上記親水性の差によって、生成水の移動が促されて、生成水の移動が円滑に行われることとなる。

本発明はこのように構成したので、セル構成部材間に配置されたエキスパンドメタルによりガス流路が形成されたセル構造を有する燃料電池において、エキスパンドメタルが、隣接するセル構成部材に食い込むことを防ぎ、燃料電池の発電性能を向上させることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を添付図面に基づいて説明する。なお、従来技術と同一部分若しくは相当する部分については、詳しい説明を省略する。
まず、本発明を実施するための最良の形態を説明するにあたり、予め、図４を参照しながらエキスパンドメタルの各部名称を明らかにする。エキスパンドメタルは、一般的には、既に説明した亀甲形のメッシュ２２（図６、図４（ｃ）参照）や、図４（ａ）に示されるような、菱形のメッシュ２６が、いわゆる千鳥配置された連続構造をなしている。そして、メッシュの交差部をボンド部ＢＯ、メッシュのボンド部ＢＯ間をつなぐ部分をストランド部ＳＴという。又、ボンド部ＢＯのＴＤ方向の長さをボンド長さＢＯｌ、ストランド部ＳＴの厚みを刻み幅（送り幅）Ｗという。図中、符号ｔは素材の板厚、符号Ｄはエキスパンドメタルの全厚であり、この全厚Ｄが、セル構成部材間に配置された状態における、エキスパンドメタルの厚みとなる。なお、図４には、併せてＦＤ方向（材料送り方向）、ＴＤ方向（ツール送り方向）及びＷＤ方向（メッシュの刻み幅方向）を示している。
各部名称から明らかなように、亀甲形のメッシュ２２は、ボンド部ＢＯのボンド長さＢＯｌの長いメッシュ形状であり、菱形のメッシュ２６は、ボンド部ＢＯのボンド長さＢＯｌの短いメッシュ形状である。そして、菱形のメッシュ２６のＦＤ方向断面形状（Ａ−Ａ断面形状）と、亀甲形のメッシュ２２のＦＤ方向断面形状（Ａ’−Ａ’断面図）とは同一であることから、図４（ｂ）に両者のＦＤ方向断面形状を示している。

さて、本発明の実施の形態に係るセル燃料電池は、セパレータを含むセル構成部材間に配置された金属プレートによりガス流路が形成されたセル構造を有する燃料電池であって、図１及び図２に概略的に示されるような構造的特徴を備えている。すなわち、セパレータ１８を含むセル構成部材間に配置された金属プレートは、エキスパンドメタル２０とメッシュプレート２６とを、セル１０の厚み方向に重ねて構成されたものであり、しかも、ガス拡散層１４（１４Ｃ）と、エキスパンドメタル２０との間に、メッシュプレート２６が配置されている。
このメッシュプレート２６は、エキスパンドメタル２０と同様に、平板材料を送りながら金型によって一段づつ切れ込みを入れることによってメッシュが形成されるものであるが、階段状に成形されたエキスパンドメタル２０とは異なり、複数の開口が形成された平坦なプレートである。そして、メッシュプレート２６のメッシュの交差部をボンド部、メッシュのボンド部間をつなぐ部分をストランド部という。本説明では、メッシュプレートのボンド部を符号２６ＢＯで、ストランド部を符号２６ＳＴで示している（図２参照）。また、エキスパンドメタル２０は、燃料電池での使用環境を考慮してチタンが用いられる場合が多く、メッシュプレート２６についても、同様の理由からチタンが用いられることが望ましい。

ここで、メッシュプレート２６の開口径Ｏ_ｍが、エキスパンドメタル２０の開口径Ｏ_ｅよりも小さいことが望ましい。又、メッシュプレート２６のメッシュのボンド部２６ＢＯのピッチは、図２（ａ）に示されるように、エキスパンドメタル２０の製造工程中、メッシュのボンド部ＢＯの角部を潰すようにして圧延ローラ等を用いて成形される、狭小平坦
面であるコンタクト面Ｃ_ｓのピッチよりも小さいものである。
具体例として、亀甲形メッシュ２２のボンド部ＢＯのコンタクト面Ｃ_ｓの、ＦＤ方向のピッチＰ_ＦＤが０．７ｍｍ、ＴＤ方向のピッチＰ_ＴＤが０．５ｍｍである場合に、メッシュプレート２６のボンド部２６ＢＯのピッチ２６Ｐ_ＦＤは０．７ｍｍ未満、ＴＤ方向のピッチ２６Ｐ_ＴＤが０．５ｍｍ未満とされる。

又、メッシュプレート２６のコンタクト率Ｃｏが４０％以上であることが望ましい。なお、このコンタクト率の値が大きすぎると、メッシュプレート２６の必要な開口径Ｏ_ｍを得ることができなくなり、ガスの流通を阻害することにもなるので、開口径との兼ね合いを考慮して、コンタクト率Ｃｏが決定されるものである。
さらには、メッシュプレート２６に比してエキスパンドメタル２０が親水性を有することが望ましい。例えば、メッシュプレート２６の表面は、撥水剤（例えば、フッ素系、シリコン系、炭化水素系）が塗布され、撥水めっきが施され若しくは撥水性素材により構成され、又は、撥水性素材の表面を意図的に荒らすための、ホーニング処理やプラズマ処理が施されるものである。一方、エキスパンドメタル２０の表面に、親水剤（ＯＨ基を含む親水剤）が塗布され、親水性素材により構成され、又は、親水性素材の表面を意図的に荒らすためのホーニング処理や、プラズマ処理（親水基を表面に付着させる）が施されることにより、エキスパンドメタル２０とメッシュプレート２６との親水性に上記の差を与えることとしても良い。

さて、上記構成をなす本発明の実施の形態によれば、次のような作用効果を得ることが可能である。まず、エキスパンドメタル２０は、ガス流路１６（１６Ｃ）中のガス流を、セパレータ１８（１８Ｃ）、又は、セパレータ１８とは反対側に位置するセル構成部材、図示の例ではガス拡散層１４（１４Ｃ）へと偏向させる機能を有している。一方、メッシュプレート２６は、ガス拡散層１４（１４Ｃ）に対する、エキスパンドメタル２０の接触面圧Ｕを低減させる機能を有している。

具体的には、ガス拡散層１４とエキスパンドメタル２０との間に、メッシュプレート２６が配置され、エキスパンドメタル２０のコンタクト面Ｃ_ｓから、ガス拡散層１４への接触面圧Ｕが、メッシュプレート２６を介して伝達されるものである。ここで、メッシュプレート２６は、複数の開口が形成された平坦なプレートであり、開口部以外の部分である、ボンド部２６ＢＯ又はストランド部２６ＳＴが、ガス拡散層１４に、直接当接することにより、エキスパンドメタル２０とガス拡散層１４との間での、ガスやセル内で発生する生成水の授受を阻害することなく、エキスパンドメタル２０とガス拡散層１４との接触面圧Ｕを低下させるものである。従って、エキスパンドメタル２０の接触面Ｃｓがガス拡散層１４に食い込み、ガス拡散層１４にダメージを与えることを防ぐことができる。そして、三角形状の空間２４（図７、図８）の断面積の減少を防ぎ、ガス流路１６を流れるガスの流量が減少することによる、発電性能の低下を回避することとなる。

又、メッシュプレート２６の開口径Ｏ_ｍが、エキスパンドメタル２０の開口径Ｏ_ｅよりも小さく、本発明の実施の形態では、メッシュプレート２６のメッシュのボンド部２６ＢＯのピッチは、エキスパンドメタル２０のメッシュのボンド部ＢＯのピッチよりも小さく構成されていることから、エキスパンドメタル２０のメッシュのボンド部ＢＯが、メッシュプレート２６のボンド部２６ＢＯに当接する確立は自ずと高まることとなり、セル１０内（カソード側電極）で発生する生成水が、メッシュプレート２６を介してエキスパンドメタル２０へと円滑に移動することとなる。
しかも、セル１０内で発生する生成水が、メッシュプレート２６を介してエキスパンドメタル２０へ移動する際に、小開口から大開口（Ｏ_ｍ＜Ｏ_ｅ）へと移動することによる毛管力が作用し、生成水の移動が円滑行われることとなる。

又、メッシュプレート２６のコンタクト率Ｃ_ｏ（メッシュプレートの全体から、メッシュプレートの空隙率を差し引いた値）が４０％以上であることにより、エキスパンドメタル２０からの荷重を、メッシュプレート２６を介してガス拡散層１４へと伝えるために必要なだけ、エキスパンドメタル２０のメッシュのボンド部ＢＯが、メッシュプレート２６のボンド部２６ＢＯに当接する確立が高まることとなる。又、メッシュプレート２６と、ガス拡散層１４との接触面積も増大することとなる。
本発明の実施の形態においては、図３に斜線部で示される、メッシュプレート２６の開口径Ｏ_ｍが０．５ｍｍ未満で、かつ、メッシュプレート２６のコンタクト率Ｃ_ｏが４０％以上とすることで、エキスパンドメタル２０の接触面Ｃｓがガス拡散層１４に食い込むことを効果的に防ぎ、セル内で発生する生成水の、メッシュプレート２６を介してエキスパンドメタル２０への移動を円滑に行うことが可能となる。

しかも、メッシュプレート２６に比してエキスパンドメタル２０が親水性を有することにより、セル１０内で発生する生成水が、メッシュプレート２６を介してエキスパンドメタル２０へ移動する際に、エキスパンドメタル２０の親水性によって、生成水の移動が円滑に行われることとなる。より具体的には、エキスパンドメタル２０、メッシュプレート２６、ガス拡散層１４の順に、親水性が高くなることで、生成水の移動が促され、より円滑に行われることとなる。
なお、本発明の実施の形態では、カソード側ガス流路１６Ｃにメッシュプレート２６を配置した場合を例示して説明したが、アノード側ガス流路１６Ａにメッシュプレート２６を配置してもよく、必要に応じ、双方のガス流路１６Ａ、１６Ｃの双方にメッシュプレート２６を配置することも可能である。又、ガス拡散層１４を具備しないセル構造であっても、メッシュプレート２６を介在させることにより、セパレータ１８とは反対側に位置するセル構成部材に対する、エキスパンドメタル２０からの接触面圧Ｕを低下させることができる。

本発明の実施の形態に係る固体高分子型燃料電池の、セルのガス流路の断面図である。 （ａ）は、本発明の実施の形態に係る固体高分子型燃料電池の、ガス流路を構成するエキスパンドメタルの接触面と、メッシュプレートとの関係を示す平面図であり、（ｂ）は、エキスパンドメタルの斜視図である。 本発明の実施の形態に係る固体高分子型燃料電池の、メッシュプレートのコンタクト率と、メッシュプレートの開口径との適切な範囲を示す説明図である。 エキスパンドメタルの各部名称の説明図であり、（ａ）は菱形のメッシュの平面図、（ｂ）はＡ−ＡおよびＡ’−Ａ’線における断面図、（ｃ）は亀甲形のメッシュの平面図である。 従来の固体高分子型燃料電池のセル構造の一例を示す断面図である。 図５に示されるセルのガス流路を形成する、亀甲形のメッシュを備えるエキスパンドメタルの平面図である。 図６に示されたエキスパンドメタルを用いた、従来のセルのガス流路の断面図である。 図６に示されたエキスパンドメタルを用いた、従来のセルの問題点を示すガス流路の断面図である。

符号の説明

１０：セル、１２：ＭＥＡ、 １４、１４Ａ、１４Ｃ：ガス拡散層、 １６、１６Ａ、１６Ｃ：ガス流路、 １８、１８Ａ、１８Ｃ：セパレータ、 ２０：エキスパンドメタル、２２：亀甲形のメッシュ、２４：空間、２６：メッシュプレート、２６ＢＯ：メッシュプレートのボンド部、２６ＳＴ：メッシュプレートのストランド部、ＢＯ：エキスパンドメタルのボンド部、ＳＴ：エキスパンドメタルのストランド部、Ｃ_ｓ：コンタクト面

Claims (6)

1. セパレータを含むセル構成部材間に配置されたエキスパンドメタルによりガス流路が形成されたセル構造を有する燃料電池であって、
   前記エキスパンドメタルを挟んで、前記セパレータとは反対側に位置するセル構成部材と、前記エキスパンドメタルとの間に、メッシュプレートが配置されていることを特徴とする燃料電池。
2. 前記メッシュプレートの開口径が、前記エキスパンドメタルの開口径よりも小さいことを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
3. 前記メッシュプレートのメッシュのボンド部のピッチは、前記エキスパンドメタルのメッシュのボンド部のピッチよりも小さいことを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池。
4. 前記メッシュプレートのコンタクト率が４０％以上であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の燃料電池。
5. 前記メッシュプレートに比して前記エキスパンドメタルの親水性が高いことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の燃料電池。
6. 前記エキスパンドメタル、前記メッシュプレート、セル構成部材であるガス拡散層の順に、親水性が高いことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項記載の燃料電池。