JP2015018661A - Separator for fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、膜電極接合体とともに単セルを構成するのに用いられる燃料電池用セパレータに関するものである。 The present invention relates to a fuel cell separator used for constituting a single cell together with a membrane electrode assembly.
従来における燃料電池用セパレータとしては、例えば、特許文献1に記載されているものがある。特許文献1に記載の燃料電池用セパレータは、金属基材層と、金属基材層の少なくとも一方の主表面に位置する導電性炭素層を有している。そして、上記のセパレータは、導電性炭素層のラマン散乱光分析により測定されたDバンドピーク強度とGバンドピーク強度との強度比を1.3以上とすることで、優れた導電性を確保しつつ、耐食性をより一層向上させている。
Conventional fuel cell separators include those described in
この種の燃料電池用セパレータは、膜電極接合体とともに単セルを構成し、さらに、複数の単セルを積層して燃料電池を構成する。このような燃料電池では、電池全体の高性能化を図るために、単セル及びその構成部品、すなわち特許文献1に記載のセパレータのような構成部品の性能を向上させることが非常に重要である。
This type of fuel cell separator forms a single cell together with a membrane electrode assembly, and further stacks a plurality of single cells to form a fuel cell. In such a fuel cell, in order to improve the performance of the entire battery, it is very important to improve the performance of the single cell and its components, that is, the components such as the separator described in
本発明は、上記従来の状況に鑑みてなされたもので、膜電極接合体とともに単セルを構成する燃料電池用セパレータであって、膜電極接合体との間の導電性を向上させることができる燃料電池用セパレータを提供することを目的としている。 The present invention has been made in view of the above-described conventional situation, and is a fuel cell separator that constitutes a single cell together with a membrane electrode assembly, and can improve conductivity between the membrane electrode assembly. It aims at providing the separator for fuel cells.
本発明に係わる燃料電池用セパレータは、膜電極接合体との間にガス流路及び導電経路を形成する。この燃料電池用セパレータは、膜電極接合体に対向する主面の少なくとも一部に、粗面化処理により表面を微細凹凸形状にした粗面領域を有する構成としており、上記構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。 The fuel cell separator according to the present invention forms a gas flow path and a conductive path between the membrane electrode assembly. This separator for a fuel cell has a structure having a rough surface area in which the surface is made fine irregularities by roughening treatment on at least a part of the main surface facing the membrane electrode assembly. As a means to solve.
本発明の燃料電池用セパレータは、膜電極接合体に部分的に接触して、その膜電極接合体との間に導電経路を形成することとなり、この際、粗面化処理により表面を微細凹凸形状にした粗面領域を有するので、その微細凹凸形状によって膜電極接合体との接触面積が増大し、膜電極接合体との間の導電性を向上させることができる。 The fuel cell separator of the present invention partially contacts the membrane electrode assembly and forms a conductive path with the membrane electrode assembly. At this time, the surface is finely uneven by roughening treatment. Since the rough surface region is formed into a shape, the contact area with the membrane electrode assembly is increased by the fine uneven shape, and the conductivity between the membrane electrode assembly can be improved.
〈第1実施形態〉
図1に示す燃料電池スタックFSは、とくに図1(B)に示すように、発電要素である単セルCを複数枚積層して一体化した少なくとも二つ以上のセルモジュールMと、セルモジュールM同士の間に介装するシールプレートPとを備えている。図示例の単セルC及びシールプレートPは、いずれもほぼ同じ縦横寸法を有する矩形板状を成している。なお、図1(B)には、2つのセルモジュールMと、1つのシールプレートPを示しているが、実際には、それ以上の数のセルモジュールM及びシールプレートPを積層する。
<First Embodiment>
As shown in FIG. 1B, the fuel cell stack FS shown in FIG. 1 includes at least two cell modules M in which a plurality of single cells C as power generation elements are stacked and integrated, and the cell module M And a seal plate P interposed therebetween. The unit cell C and the seal plate P in the illustrated example each have a rectangular plate shape having substantially the same vertical and horizontal dimensions. In FIG. 1B, two cell modules M and one seal plate P are shown, but in reality, a larger number of cell modules M and seal plates P are stacked.
また、燃料電池スタックFSは、セルモジュールMの積層方向の両端部に、エンドプレート56A,56Bを夫々配置し、単セルCの長辺側の積層端面(図1中で上下面)に、締結板57A,57Bが設けてあると共に、短辺側の積層端面に、補強板58A,58Bが設けてある。各締結板57A,57B及び補強板58A,58Bは、セルモジュールM及びシールプレートPから成る積層体Aの積層方向全長にわたる大きさを有し、図示しないボルトにより両エンドプレート56A,56Bに連結する。
The fuel cell stack FS has
このようにして、燃料電池スタックFSは、図1(A)に示すようなケース一体型構造となり、各セルモジュールM及びシールプレートPを積層方向に拘束・加圧して個々の単セルCに所定の接触面圧を加え、ガスシール性や導電性等を良好に維持する。 In this way, the fuel cell stack FS has a case-integrated structure as shown in FIG. 1A. Each cell module M and the seal plate P are constrained and pressurized in the stacking direction, and each unit cell C is predetermined. In order to maintain good gas sealing performance and electrical conductivity.
単セルCは、図2に示すように、膜電極接合体2をアノード側及びカソード側のセパレータ3,4で挟持した構造を有している。この実施形態の膜電極接合体2は、その周囲に樹脂製のフレーム1を一体的に有している。このフレーム1及びセパレータ3,4は、いずれもほぼ同じ縦横寸法を有する矩形板状である。
As shown in FIG. 2, the single cell C has a structure in which the
フレーム1は、樹脂成形により膜電極接合体2と一体化してあって、その中央に膜電極接合体2を配置すると共に、短辺側の両端部に、各々三個ずつのマニホールド穴H1〜H6が配列してある。
The
膜電極接合体2は、一般に、MEA(Membrane Electrode Assembly)と呼ばれるものであって、図2(B)に示すように、例えば固体高分子から成る電解質層11を燃料極層(アノード)12と空気極層(カソード)13とで挟持した構造を有している。図示例の燃料極層12及び空気極層13は、電解質層11側から、触媒層12A,13Aと、導電性多孔質体から成るガス拡散層12B,13Bを有している。この膜電極接合体2は、燃料極層12にアノードガス(水素)が供給されると共に、空気極層13にカソードガス(水素)が供給されて、電気化学反応により発電をする。
The
各セパレータ3,4は、表裏反転形状を有する金属製の板部材であって、例えばステンレス製であり、プレス加工により適宜の形状に成形することができる。各セパレータ3,4は、膜電極接合体2に対応する中央部分が、短辺方向の断面において波形状に形成してある。この波形状は図示の如く長辺方向に連続している。
Each of the
これにより、各セパレータ3,4は、波形状における膜電極接合体2に対応する中央部分では、波形凸部が膜電極接合体2に夫々接触していると共に、波形凹部がガス流路となる。より具体的には、セパレータ3,4は、図2(B)に示すように、波形凸部3A,4Aの頂部(断面で現れている)が、燃料極層12及び空気極層13のガス拡散層12B,13Bに夫々接触している。また、波形凹部から成るガス流路は、単セルCの長辺方向に沿って形成されている。さらに、各セパレータ3,4は、短辺側の両端部に、フレーム1の各マニホールド穴H1〜H6と同様のマニホールド穴H1〜H6を有している。
Accordingly, each of the
フレーム1及び各セパレータ3,4において、図2の左側に示す各マニホールド穴H1〜H3は、カソードガス供給用(H1)、冷却用流体供給用(H2)及びアノードガス排出用(H3)であり、積層方向に互いに連通して夫々の流路を形成する。また、図2の右側に示す各マニホールド穴H4〜H6は、アノードガス供給用(H4)、冷却流体排出用(H5)及びカソードガス排出用(H6)であり、積層方向に互いに連通して夫々の流路を形成する。なお、供給用と排出用は、一部または全部が逆の位置関係でも良い。
In the
また、フレーム1及び各セパレータ3,4の周縁部や、マニホールド穴H1〜H6の周囲には、シール部材Sが連続的に配置してある。これらのシール部材は、接着剤としても機能するもので、フレーム1及び膜電極接合体2とセパレータ3,4とを気密的に接合する。また、マニホールド穴H1〜H6の周囲に配置したシール部材Sは、各マニホールドの気密性を維持する一方で、各層間に応じた流体を供給するために該当箇所に開口を有している。
Further, a seal member S is continuously arranged around the peripheral edge of the
上記の単セルCは、所定枚数を積層してセルモジュールMを形成する。このとき、隣接する単セルC同士の間には、冷却液(例えば水)の流路を形成し、隣接するセルモジュールM同士の間にも冷却液の流路を形成する。したがって、シールプレートPは、セルモジュールM同士の間、すなわち冷却液の流路内に配置されている。 The unit cell C is formed by stacking a predetermined number of cell modules M. At this time, a flow path of the cooling liquid (for example, water) is formed between the adjacent single cells C, and a flow path of the cooling liquid is also formed between the adjacent cell modules M. Therefore, the seal plate P is disposed between the cell modules M, that is, in the flow path of the coolant.
シールプレートPは、導電性の一枚の金属板を成形したものであり、平面視において上記した単セルCとほぼ同じ矩形板状で且つ同じ大きさに形成され、両短辺側には、単セルCと同様のマニホールド穴H1〜H6が形成されている。このシールプレートPは、マニホールド穴H1〜H6の各周囲に、図示しないシール部材を備えると共に、その周縁部分に、外周シール部材51及び内周シール部材52が、全周にわたって平行に設けてあり、外周シール部材51により外部からの雨水等の浸入を防止すると共に、内周シール部材52によりセルモジュールM間の流路を流通する冷却液の漏出を防止する。
The seal plate P is formed by molding a single conductive metal plate, is formed in the same rectangular plate shape and in the same size as the above-described single cell C in plan view, and on both short sides, Manifold holes H1 to H6 similar to the single cell C are formed. This seal plate P is provided with a seal member (not shown) around each of the manifold holes H1 to H6, and an outer
上記の単セルCを構成する燃料電池用セパレータ3,4は、膜電極接合体2との間にガス流路及び導電経路を形成している。ガス流路は、セパレータ3,4の膜電極接合体2側の面において、波形凹部により形成されている。導電経路は、セパレータ3,4の波形凸部3A,4Aと、これに接触する膜電極接合体2のガス拡散層12B,13Bとで形成されている。
The
そして、上記のセパレータ3,4は、図3に示すように、膜電極接合体2に対向する主面の少なくとも一部に、粗面化処理により表面を微細凹凸形状にした粗面領域5を有している。この実施形態のセパレータ3,4は、膜電極接合体2に相対向する全域に粗面領域5を有している。
Then, as shown in FIG. 3, the
粗面化処理としては、ボンバードメント処理やエッチング処理などが挙げられ、とくに、セパレータ3,4がステンレス製である場合には、その表面の酸化膜を除去するのに好適なイオンボンバードメント処理が行われる。また、粗面領域5の表面粗さは、中心平均粗さRaで0.05μm以上とするのが望ましい。この表面粗さは、図4に示すように、処理時間を長くするほど大きくなるが、少なくとも5分以上の粗面化処理(ボンバード処理)により、Raで0.05μm以上の充分な値を得ることができる。
Examples of the roughening treatment include bombardment treatment and etching treatment. In particular, when the
さらに、セパレータ3,4は、粗面領域の形成後に硬質炭素被膜処理が施してあるものとすることができる。この硬質炭素被膜としては、例えばDLC(ダイヤモンドライクカーボン)などが挙げられる。
Further, the
上記構成を備えた燃料電池用セパレータ3,4は、膜電極接合体2に部分的に接触して、その膜電極接合体2との間に導電経路を形成する。この際、セパレータ3,4は、粗面化処理により表面を微細凹凸形状にした粗面領域5を有するので、その微細凹凸形状によって膜電極接合体2との接触面積が増大し、とくに、導電性多孔質体から成るガス拡散層12B,13Bとの接触面積が増大する。これにより、セパレータ3,4は、膜電極接合体2との間の導電性を向上させることができる。
The
ここで、図5(A)は、電気抵抗と面圧との関係を示すグラフであって、面粗度(表面粗さ)が異なるセパレータの各データを示している。この電気抵抗は、図5(B)に示す測定装置により測定した。測定装置は、夫々の金板31A,32Aを備えた一対の電極31,32を備えており、両電極31,32の間に、セパレータの試料33と、この試料33を挟持する一対の導電性多孔質体34,34を介装する。
Here, FIG. 5A is a graph showing the relationship between the electrical resistance and the surface pressure, and shows each data of separators having different surface roughness (surface roughness). This electrical resistance was measured with a measuring apparatus shown in FIG. The measuring device includes a pair of
セパレータの試料33には、粗面化処理により表面を微細凹凸形状にした粗面領域(5)が形成してあり、ここでは、表面粗さがRaで0.05μm以上である実施例と、これよりも表面粗さが小さい比較例を用意した。導電性多孔質体は、膜電極接合体2のガス拡散層12B,13Bに相当する。そして、両電極31,32間に、所定の荷重を加えて通電をし、面圧を変化させながら電気抵抗を測定した。
The
その結果、図5(A)に示すように、実施例及び比較例のいずれも荷重(面圧)の増大に伴って、接触抵抗の低下により電気抵抗も低下することとなるが、実施例では、比較例に比べて電気抵抗が小さいものとなり、とくに、低面圧側での電気抵抗が明らかに減少した。これは、試料33の粗面領域(5)により、導電性多孔質体34との接触面積が増大したからである。
As a result, as shown in FIG. 5A, in both the example and the comparative example, as the load (surface pressure) increases, the electrical resistance also decreases due to the decrease in contact resistance. The electric resistance was smaller than that of the comparative example, and in particular, the electric resistance on the low surface pressure side was clearly reduced. This is because the contact area with the conductive
このようにして、セパレータ3,4の粗面領域5によって膜電極接合体2との間の導電性が向上することが確認された。しかも、低面圧側での電気抵抗が明らかに減少することから、大きな面圧を付与しなくても高い導電性が得られることを確認した。
Thus, it was confirmed that the conductivity between the
また、上記のセパレータ3,4は、粗面領域5の表面粗さをRaで0.05μm以上としたので、膜電極接合体2との間に充分な接触面積が確保され、高い導電性を維持することができる。さらに、上記のセパレータ3,4は、粗面領域の形成後に硬質炭素被膜処理を施すことで、耐久性及び導電性のさらなる向上を実現する。
Further, the
これにより、上記セパレータ3,4を用いた単セルC、若しくは単セルCを積層して成る燃料電池FSは、個々のセパレータ3,4において高い導電性が得られるので、発電性能をより一層高めることができる。
Thereby, the single cell C using the
〈第2実施形態〉
図6(B)に示す燃料電池用セパレータ4は、膜電極接合体のカソード側に配置され、カソードガスの流れ方向における入口側及び出口側に粗面領域5,5を有している。すなわち、図示例はカソード側のセパレータ4である。
Second Embodiment
The
このセパレータ4は、カソードガス(空気)の加湿度が低い燃料電池FSに好適である。カソードガスの加湿度が低い燃料電池FSでは、図6(A)に示すように、ガス流れ方向(矢印)において、酸素濃度勾配に応じて電流密度分布が変化する。すなわち、電流密度は、入口側から中間部にかけて上昇してピークとなり、中間部から出口側にかけて低下する。この電流密度の変化は、膜電極接合体2を構成する電解質膜11の膨潤量にほぼ等しく、膨潤量の増減に伴う局所面圧にもほぼ等しい。、
This
そこで、セパレータ4は、カソードガスの流れ方向における入口側及び出口側に粗面領域5,5を設けることにより、入口側及び出口側における膜電極接合体2との接触面積を増大させ、導電性を向上させる。これにより、セパレータ4は、とくに、カソードガス(空気)の加湿度が低い燃料電池FSにおいて、実質的に電流密度分布を均一化することができる。
Accordingly, the
〈第3実施形態〉
図7(B)に示す燃料電池用セパレータ4は、膜電極接合体のカソード側に配置され、カソードガスの流れ方向における出口側に粗面領域5を有している。すなわち、図示例はカソード側のセパレータ4である。
<Third Embodiment>
The
このセパレータ4は、第2実施形態とは逆に、カソードガス(空気)の加湿度が高い燃料電池FSに好適である。カソードガスの加湿度が高い燃料電池FSでは、図7(A)に示すように、ガス流れ方向(矢印)において、酸素濃度勾配に応じて電流密度分布が変化する。すなわち、電流密度は、入口側から出口側にかけて低下する。
In contrast to the second embodiment, the
そこで、セパレータ4は、カソードガスの流れ方向における出口側に粗面領域5を設けることにより、出口側における膜電極接合体2との接触面積を増大させ、導電性を向上させる。これにより、セパレータ4は、とくに、カソードガス(空気)の加湿度が高い燃料電池FSにおいて、実質的に電流密度分布を均一化することができる。
Therefore, the
なお、本発明に係わる燃料電池用セパレータは、その構成が上記各実施形態のみ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で各部材の材料、形状、大きさ及び数などを変更することが可能であり、例えば、粗面領域を二カ所以上に形成したり、部分的に粗さが異ならせたりすることも可能である。 The configuration of the separator for a fuel cell according to the present invention is not limited to each of the above embodiments, and the material, shape, size, number, and the like of each member are within the scope not departing from the gist of the present invention. For example, it is possible to form two or more rough surface areas, or to partially vary the roughness.
C 単セル
2 膜電極接合体
3 アノード側セパレータ
4 カソード側セパレータ
5 粗面領域
C
Claims (5)
膜電極接合体に対向する主面の少なくとも一部に、粗面化処理により表面を微細凹凸形状にした粗面領域を有することを特徴とする燃料電池用セパレータ。 A fuel cell separator that forms a gas flow path and a conductive path with a membrane electrode assembly,
A separator for a fuel cell, characterized by having a rough surface region having a rough surface formed by a roughening treatment on at least a part of a main surface facing the membrane electrode assembly.
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