JP2010129263A - セパレータ - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の発電効率に影響を与えることなく熱電対を用いて燃料電池内の温度を測定することを目的とする。
【解決手段】燃料電池用のセパレータであって、熱電対を構成する一方の金属で構成されたセパレータプレート２００と、前記セパレータプレートの冷却水流路５００側において前記セパレータプレート２００と測温接点３１０で接する配線であって、前記熱電対を構成する他方の金属により構成され、前記測温接点３１０以外の部分が絶縁膜３５０を介して前記セパレータ上に形成されている配線３００と、を備えるセパレータ。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池用のセパレータに関する。

燃料電池内部の温度を測定する方法が多数提案されている。例えば、セルのセパレータの流路リブ部に熱電対配置用の溝加工を施し、直径０．１５ｍｍの熱電対を組み込んで実験を行った例が知られている（例えば特許文献１）。

特開２００７−４８５４０号公報

しかし、従来は、反応ガスの流れに対する熱電対の影響については十分に考慮されていなかった。

本発明は上記課題の少なくとも１つを解決し、燃料電池の発電効率に影響を与えることなく熱電対を用いて燃料電池内の温度を測定することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。

［適用例］
燃料電池用のセパレータであって、熱電対を構成する一方の金属で構成されたセパレータプレートと、前記セパレータプレートの冷却水流路側において前記セパレータプレートと測温接点で接する配線であって、前記熱電対を構成する他方の金属により構成され、前記測温接点以外の部分が絶縁膜を介して前記セパレータ上に形成されている配線と、を備えるセパレータ。
この適用例によれば、熱電対は、冷却水流路側において、セパレータプレート上に形成されているので、反応ガスの流れに影響を与えない。そのため、燃料電池の発電効率に影響を与えることなく熱電対を用いて燃料電池内の温度を測定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、熱電対付きセパレータの他、燃料電池、燃料電池の温度測定方法等、様々な形態で実現することができる。

図１は、本発明の一実施例に係る燃料電池の断面の一部を示す説明図である。燃料電池１０は、膜電極・ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ：Membrane Electrode ＆ Gas Diffusion Layer Assembly）１００と、カソードセパレータプレート２００と、アノードセパレータプレート２５０とを備える。カソードセパレータプレート２００およびアノードセパレータプレート２５０は、表面の凹凸が形成されている。カソードセパレータプレート２００の凹部２１５およびアノードセパレータプレート２５０の凹部２６５は、膜電極・ガス拡散層接合体１００と接している。カソードセパレータプレート２００の凸部２１０およびアノードセパレータプレート２５０の凸部２６０は、お互いに接している。これにより、カソードセパレータプレート２００と膜電極・ガス拡散層接合体１００の間に酸化ガス流路４００が形成され、アノードセパレータプレート２５０と膜電極・ガス拡散層接合体１００の間に燃料ガス流路４５０が形成されている。また、カソードセパレータプレート２００と、アノードセパレータプレート２５０と、の間には、冷媒流路５００が形成されている。

カソードセパレータプレート２００は、熱電対を構成する２つの金属の一方で構成されている。カソードセパレータプレート２００を構成する材料としては、例えば白金、鉄、銅、クロメル（ニッケル−クロム合金）などを用いることが可能である。

熱電対を構成するための第２の金属による配線３００は、第１の絶縁層３５０を介して、カソードセパレータプレート２００の凹部２１５の冷媒流路５００側に設けられている。配線３００を構成する材料は、カソードセパレータプレート２００を構成する材料と異なる材料が用いられる。配線３００を構成する材料として、例えば、白金ロジウム合金、イリジウム、コンスタンタン（銅５５%ニッケル４５%の組成からなる合金）、アルメル（ニッケルにアルミニウムを加えた合金）を用いることが可能である。配線３００は、第２の絶縁層３５５に覆われている。なお、配線３００とカソードセパレータプレート２００とは温接点（図１では図示せず）で接触している。

図２は、カソードセパレータプレートの平面図である。カソードセパレータプレート２００は、略長方形形状をしている。カソードセパレータプレート２００は、燃料ガスや酸化ガスや冷媒を供給し、排出するための各種マニホールド２０１〜２０６を備える。また、カソードセパレータプレート２００は、中央部に、凸部２１０が形成されている。なお、本実施例では、凸部２１０以外の部分を凹部２１５と呼ぶ。各種マニホールド２０１〜２０６と、凸部２１０とは、例えば、プレスにより容易に形成することが可能である。またカソードセパレータプレート２００は、長辺側外周部の冷媒供給マニホールド２０５の近傍に耳部２２０を備える。

配線３００と第１の絶縁層３５０は、凹部２１５から耳部２２０にかけてＬ字型に形成されている。ここで、カソードセパレータプレート２００から耳部２２０への引出部は、カソードセパレータプレート２００とアノードセパレータプレートとが接触しないように凹部２０８が設けられている。配線３００は、この凹部２０８を通り、耳部２２０に引き出されている。配線３００は、凹部２１５側の端部に設けられた接点３１０（以下「測温接点３１０」又は「温接点３１０」と呼ぶ）で、カソードセパレータプレート２００と接触している。配線３００は、耳部２２０側の端部において配線８１１に接続されている。配線３００と配線８１１との接点３３０（以下「基準接点３３０」又は「冷接点３３０」と呼ぶ。）は、熱電対の一方の金属の冷接点を形成する。また、耳部２２０には、配線８１０が接続されている。耳部２２０におけるカソードセパレータプレート２００と配線８１０との接点２３０（以下「冷接点２３０」と呼ぶ。）は、熱電対の他方の金属の冷接点を形成する。配線８１０と配線８１１は、同じ材料であることが好ましい。配線８１０、８１１は、測定器８００に接続されている。測定器８００は、熱電対の起電力を測定する。耳部２２０には、冷接点２３０、３３０を一定の温度に冷却するための冷媒流路７００が設けられている。

図３は、カソードセパレータプレートを、図２における３−３切断線で切った断面図である。配線３００は、第１の絶縁層３５０および絶縁層３５５により挟まれており、温接点３１０において、カソードセパレータプレート２００と接触している。絶縁層３５５の上部側は、冷媒流路５００となっている。

図４は、燃料電池の製造工程の一部を示す説明図である。工程（Ａ）では、カソードセパレータプレート２００を形成するための平板を準備する。工程（Ｂ）では、凹部２１５を形成する部分に第１の絶縁層３５０を形成する。第１の絶縁層３５０は、例えば、蒸着により形成することが可能である。例えば、ピロメリット酸二無水物（ＰＭＤＡ）および４，４’−ジアミノジフェニルエーテル（ＤＤＥ）を蒸着重合させることにより、ポリイミド層を形成することが可能である。なお、第１の絶縁層３５０には、上層に形成する配線３００と、カソードセパレータプレート２００とを接触させるための孔（図示せず）が形成されている。

工程（Ｃ）では、熱電対を形成する他方の金属を蒸着させる。例えば、真空蒸着、スパッタリングにより、第１の絶縁層３５０上に金属による配線３００を形成することが可能である。これにより、配線３００は、平面で形成される。こうすると、効率よく熱伝達が行われるので、熱電対の応答性を良くすることが可能となる。工程（Ｄ）では、配線３００の上に絶縁層３５５を形成する。工程（Ｂ）と同様に絶縁層３５５を形成することが可能である。ここで、流路の深さ（図１の凹部２１５と凹部２６５との距離）を、例えば２ｍｍとしたときに、配線３００と絶縁層３５０、３５５を合わせた厚さが３０μｍ以下であれば、配線３００を設けた流路における冷媒流量と、配線３００を設けない流路における冷媒流量をほぼ同じにすることが可能である。工程（Ｅ）では、プレスによりカソードセパレータプレート２００に凹凸を形成する。なお、プレスに用いる金型（図示せず）により、配線３００や絶縁層３５０、３５５が壊されないように、金型の配線３００や絶縁層３５０、３５５と当たる部分には、凹部が形成されていることが好ましい。また、このプレスにより、図２に示す各種マニホールド２０１〜２０６も形成される。

以上、本実施例によれば、熱電対を構成する一方の金属として、カソードセパレータプレート２００を用いている。また、他方の熱電対を構成する金属は、カソードセパレータプレート２００の冷媒流路５００側に形成されている。そのため、熱電対は、燃料電池１０における反応ガスの流れに影響を与えない。したがって、燃料電池１０の発電効率に影響を与えることなく熱電対を用いて燃料電池１０内の温度を測定することが可能となる。

変形例：
図５は、変形例１を示す説明図である。変形例１は、配線３００と絶縁層３５０、３５５が、凸部２１０と凹部２１５の間の側面２１３に形成されている点が異なる。このように構成しても、熱電対は、燃料電池１０における反応ガスの流れに影響を与えない。したがって、燃料電池１０の発電効率に影響を与えることなく熱電対を用いて燃料電池１０内の温度を測定することが可能となる。

図６は、変形例２を示す説明図である。変形例２は、絶縁層３５５が厚く形成されている。このように絶縁層３５５を厚く形成すると、冷媒流路５００のカソードセパレータプレート２００側において冷媒を流れにくくできる。そのため、膜電極・ガス拡散層接合体１００のカソード側の温度が、膜電極・ガス拡散層接合体１００のアノード側の温度よりも高くなる。そうすると、カソードからアノードへの水の移動が促進される。その結果、燃料電池１０の発電効率を向上させることが可能となる。

図７は、変形例３を示す説明図である。変形例３では、配線３００および第１の絶縁層３５０を側面２１３上に形成し、温接点３１０を凹部２１５上に配置している点が異なる。この構成によれば、冷媒流路５００と、カソードセパレータプレート２００の凹部２１５との間に配線３００および第１の絶縁層３５０が凹部２１５上に存在しないので、ＭＥＧＡ１００からの放熱が妨げられない。

図８は、変形例４を示す説明図である。変形例４では、絶縁層３５５に突起３５７が形成されている。こうすると、冷媒の流れを乱流にすることが可能となるので、冷却性能を向上させることが可能となる。なお、突起３５７の形状は、図に示した三角の他、矩形、半円等様々な形状が可能である。

図９は、他の製造方法を示す説明図である。工程（Ａ）では、カソードセパレータプレート２００を形成するための平板を準備する。工程（Ｂ）では、プレスによりカソードセパレータプレート２００に凹凸を形成する。工程（Ｃ）では、凹部２１５に第１の絶縁層３５０を形成する。例えば、予め形成してあった第１の絶縁層３５０を凹部２１５に接着してもよい。工程（Ｄ）では、第１の絶縁層３５０の上に熱電対を形成する他方の金属を接着する。工程（Ｅ）では、配線３００の上に絶縁層３５５を形成する。工程（Ｂ）と同様に絶縁層３５５を形成することが可能である。この製造方法は、凹凸が形成されたセパレータプレート上に熱電対の他方の金属を形成するので、例えば、カーボン製のセパレータプレートを用いる場合にも適用が可能である。

冷媒の圧力損失を増加させたい部位に位置する熱電対について、配線３００、絶縁層３５０、３５５の厚さを他の部位よりも厚く構成してもよい。これにより、冷媒の配流を一定にすることが可能となる。

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。

本発明の一実施例に係る燃料電池の断面の一部を示す説明図である。 カソードセパレータプレートの平面図である。 カソードセパレータプレートを、図２における３−３切断線で切った断面図である。 燃料電池の製造工程の一部を示す説明図である。 変形例１を示す説明図である。 変形例２を示す説明図である。 変形例３を示す説明図である。 変形例４を示す説明図である。 他の製造方法を示す説明図である。

符号の説明

１０…燃料電池
１００…膜電極・ガス拡散層接合体
２００…カソードセパレータプレート
２０１〜２０６…マニホールド
２１０…凸部
２１３…側面
２１５…凹部
２２０…耳部
２３０…冷接点
２５０…アノードセパレータプレート
２６０…凸部
２６５…凹部
３００…配線
３１０…温接点
３３０…冷接点
３５０…第１の絶縁層
３５５…第２の絶縁層
３５７…突起
４００…酸化ガス流路
４５０…燃料ガス流路
５００…冷媒流路
７００…冷媒流路
８００…測定器
８１０…配線
８１１…配線

Claims (1)

1. 燃料電池用のセパレータであって、
   熱電対を構成する一方の金属で構成されたセパレータプレートと、
   前記セパレータプレートの冷却水流路側において前記セパレータプレートと測温接点で接する配線であって、前記熱電対を構成する他方の金属により構成され、前記測温接点以外の部分が絶縁膜を介して前記セパレータ上に形成されている配線と、
   を備えるセパレータ。

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