JP3594345B2

JP3594345B2 - 燃料電池用セパレータ

Info

Publication number: JP3594345B2
Application number: JP32978694A
Authority: JP
Inventors: 毅原; 裕次高松; 慎之高田
Original assignee: Aisin AW Co Ltd; Equos Research Co Ltd
Current assignee: Aisin AW Co Ltd; Equos Research Co Ltd
Priority date: 1994-12-06
Filing date: 1994-12-06
Publication date: 2004-11-24
Anticipated expiration: 2019-11-24
Also published as: JPH08162131A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は燃料電池用セパレータの構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、使用される電解質の種類により、固体高分子電解質型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型等の各種が知られている。このうち固体高分子電解質型燃料電池は、分子中にプロトン交換基を有する高分子樹脂膜を飽和に含水させるとプロトン導電性電解質として機能することを利用した燃料電池であって、比較的低温度域で作動し、発電効率も優れているため、電気自動車搭載用を初めとして各種の用途が見込まれている。
【０００３】
固体高分子電解質型燃料電池スタックは、固体高分子電解質膜の両面にガス拡散電極をホットプレス等の手段により接合してなる燃料電池セル（単セル）と、カーボンや金属製のガスセパレータとを積層した構造を有する（たとえば特開平６−１１９９２８号公報参照）。
【０００４】
ガス拡散電極は、電解質膜に接する側に配される触媒活物質を含む触媒層と、この触媒層を支持すると共に反応ガス（燃料ガス、酸化剤ガス）を供給および排出し、さらに集電体としての機能をも有する多孔質のガス拡散層とからなり、一方のガス拡散電極は燃料ガス（たとえば水素ガスまたは水素を高濃度に含むガス）の供給を受ける燃料電極（アノード極）となり、他方のガス拡散電極は酸化剤ガス（たとえば空気）の供給を受ける酸化剤電極（カソード極）となる。
【０００５】
このような従来技術による２セルの燃料電池スタックの構成例が図１０〜図１２に示される。
【０００６】
単セル１０は、上記のように、電解質膜１１の両面にガス拡散電極１２が接合されてなる。
【０００７】
セパレータは、表裏面にそれぞれ多数の凹溝２、３が互いに直交方向に形成されたガス不透過性材料（たとえばグラファイト）よりなるセパレータ板１が、フェノール樹脂等の樹脂絶縁材料よりなるセパレータ枠４の内部に収納された状態で支持されて構成されている。セパレータ枠４にはガスマニホールドを収容するためのマニホールド装填口５ａ〜５ｄが開口形成される。
【０００８】
このようなセパレータと単セル１０とを積層してなる燃料電池スタックの断面図が図１１および図１２に示される。
【０００９】
この燃料電池スタックにおいて、マニホールド装填口５ａに装填されるガスマニホールド（図示せず）には燃料ガスが導入され、セパレータ枠４の内枠部８ａの内部に形成される流路孔６ａを介して、セパレータ板１とセパレータ枠４との間の上方空間領域７ａに導入され、セパレータ板１の表面側の凹溝２を図１１において左方向に流動する。そして、内枠部８ａに対向する内枠部８ｃの内部に形成される流路孔（図示せず）を介して、マニホールド装填口５ｂに装填されるガスマニホールド（図示せず）に排出される。
【００１０】
酸化剤ガスの流れについても略同様であり、ガスマニホールド部５ｃに導入された酸化剤ガスは、セパレータ枠４の内枠部８ｃの内部に形成される流路孔６ｂを介して、セパレータ板１とセパレータ枠４との間の下方空間領域７ｂに導入され、セパレータ板１の裏面側の凹溝３を図１２において左方向に流動した後、セパレータ枠４の内枠部８ｄの内部に形成される流路孔（図示せず）を介して、マニホールド装填口５ｄに装填されるガスマニホールド（図示せず）に排出される。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、図１０〜図１２に示されるように構成される燃料電池スタックにおいては、ガス拡散電極１２が上方空間領域７ａおよび下方空間領域７ｂにおいて終端しているため、これら空間領域を流れるそれぞれの反応ガスにガス拡散電極１２の端部および電解質膜１１がさらされている。
【００１２】
このため、特に上方空間領域７ａを流れる燃料ガスにさらされる上面側において、ガス拡散電極１２に用いられる触媒Ｐｔと燃料ガス（水素）とが反応して発火する危険が伴う。
【００１３】
また、電解質膜１１は燃料電池稼働時には膨潤状態にあるため、ガス拡散電極１２が電解質膜から剥離し、さらには剥離した電極が流路孔を塞いで反応ガスの流通を妨げるという障害も生じていた。
【００１４】
一方、内枠部８ａ、８ｂは、流路孔を形成した後に、後付け接着される部材であるため、この接着部分からのガスの漏洩の危険が潜在していた。
【００１５】
そこで、上記従来技術では反応ガスにさらされていた部分を被覆し、かつ電極端部をセパレータ枠の両側から支持する構造とすることが要求される。この要求は、電極端部を図１１、図１２において右方向に延長させてこの端部を支持するための凹部をセパレータ枠４の内枠部の部分９に形成するか、逆にセパレータ枠の内枠部を図１１、図１２に示される位置よりも左方向に延長して電極端部支持用の凹部を形成することによって満たすことができる。しかしながら、後者によるときは流路孔の容積が小さくなってしまい、また、いずれにしても電極端部支持用の凹部を加工する手間が余分にかかるので好ましくない。
【００１６】
さらには、上記従来技術によるセパレータにおいては、反応ガスをマニホールド装填口５ａ〜５ｄと上方または下方空間領域７ａ、７ｂとの間に流通させるための流路孔（６ａ，６ｂ）を上方または下方に傾斜させた状態に形成しなければならず、セパレータに余分な厚さ寸法が必要とされていた。
【００１７】
また、図１１、図１２に見られるように、セパレータ板１とセパレータ枠４は部分１３の領域においてのみ接合されているため、接合面積を大きくして所要の接合強度を確保するためには、セパレータ板の厚みを大きくしなければならなかった。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
そこで本発明は上記した従来技術の問題点を解消し、加工手間を要することなく電極端部を確実に支持することのできる新規な燃料電池用セパレータの構造を提供することを目的とする。
【００１９】
また、本発明は、併せて、セパレータを小型化し、もって燃料電池スタックの小型軽量化を達成することを目的とする。
【００２０】これらの目的を達成するため、本発明は、セパレータ板とその枠体とを有する燃料電池用セパレータにおいて、該セパレータ板は導電材料からなり、一側面に燃料ガスを供給する燃料ガス流路溝を有し、他側面に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路溝を備え、前記セパレータ枠は、絶縁材料からなり、その中央に前記セパレータ板を収容するための開口を有するとともに、その枠部にガスマニホールド装填口を備え、該セパレータ枠は厚み方向に２分割された２つのセパレータ枠部材から構成され、前記セパレータ板の周縁部が前記２つのセパレータ枠部材にて挟持接合され、前記ガスマニホールド装填口と前記セパレータ板の燃料ガス流路溝および酸化剤ガス流路溝と連通する経路を形成したことを特徴とする。
【００２１】
本発明による燃料電池用セパレータは、また、一方の側面には隣接する一方の燃料電池セルに燃料ガスを供給するための燃料ガス流路溝を備えると共に、他方の側面には隣接する他方の燃料電池セルに酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路溝を備えた導電材料よりなるセパレータ板と、前記セパレータ板の周縁に接合される絶縁材料よりなるセパレータ枠とから構成され、前記セパレータ枠には、前記一方の燃料電池セルに燃料ガスを供給および排出するための一対の燃料ガスマニホールド装填口と、前記他方の燃料電池セルに酸化剤ガスを供給および排出するための一対の酸化剤ガスマニホールド装填口とが周縁部に形成され、かつ、前記セパレータ枠の厚み内において、前記一対の燃料ガスマニホールド装填口と前記セパレータ板側面の前記燃料ガス流路溝とを連通接続する燃料ガス流路孔列が前記燃料ガス流路溝と平行に形成されると共に、前記一対の酸化剤ガスマニホールド装填口と前記セパレータ板側面の前記酸化剤ガス流路溝とを連通接続する酸化剤ガス流路孔列が前記酸化剤ガス流路溝と平行に形成されることを特徴とする。
【００２２】
本発明の好適な一態様によれば、前記セパレータ枠は、前記燃料ガス流路孔列を対向する一対の側辺部の下面側に備える上方セパレータ枠部材と、前記酸化剤ガス流路孔列を対向する一対の側辺部の上面側に備える下方セパレータ枠部材とが、前記セパレータ板の周縁部を両側より挟持しつつ、前記燃料ガス流路孔列と前記酸化剤ガス流路孔列の方向が互いに直交するように接合されてなる。
【００２３】
さらに、本発明による燃料電池用セパレータは、一方の側面には隣接する一方の燃料電池セルに燃料ガスを供給するための燃料ガス流路溝を備えると共に、他方の側面には隣接する他方の燃料電池セルに酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路溝を備え、かつ、その外周縁には厚みの略中央に突出部が周設されてなる、導電材料よりなるセパレータ板と、前記セパレータ板を収容する中央開口を有し、前記一方の燃料電池セルに燃料ガスを供給および排出するための一対の燃料ガスマニホールド装填口が前記中央開口の外側に対設されると共に、前記他方の燃料電池セルに酸化剤ガスを供給および排出するための一対の酸化剤ガスマニホールド装填口が前記中央開口の外側に前記一対の燃料ガスマニホールドに直交して対設され、前記中央開口に臨む内周縁における厚み内には前記セパレータ板外周縁の前記突出部を嵌合する嵌合凹溝が周設され、前記嵌合凹溝のうちの一方の対向する一対には前記セパレータの一方の側面に向けて開口する空間が形成されると共に、前記嵌合凹溝のうちの他方の対向する一対には前記セパレータの他方の側面に向けて開口する空間が形成され、さらに、前記中央開口と前記マニホールド装填口との間の厚み内には対応する前記マニホールド装填口と前記空間とを連通するガス流路孔が形成されてなる、絶縁材料よりなるセパレータ枠と、を有してなり、前記セパレータ枠のマニホールド装填口と前記ガス流路孔と前記空間と前記ガス流路溝とを通ってガスが供給および排出されるよう構成されてなることを特徴とする。
【００２４】
上記燃料電池用セパレータにおいて、前記セパレータ枠は、一方の側面に前記ガス流路孔となる筒状部材が対向して列設されてなるセパレータ枠部材を２つ用いて、前記一方の側面が互いの接合面となるようにして直交状態に接合してなるものとすることが好適である。
【００２５】
【作用】
セパレータ枠の燃料ガス供給用ガスマニホールド装填口に装填されるガスマニホールドから供給される燃料ガスは、セパレータ枠の厚み内に形成される燃料ガス流路孔列を通って、セパレータ板側面に形成される燃料ガス流路溝を流れ、セパレータ枠の対向する箇所に同様に形成される燃料ガス流路孔列を通って、燃料ガス排出用ガスマニホールド装填口に装填されるガスマニホールド内に排出される。酸化剤ガスは、同様にして、酸化剤供給ガスマニホールドから、セパレータ枠の厚み内に形成される酸化剤ガス流路孔列、セパレータ板の反対側側面に形成される酸化剤ガス流路溝およびセパレータ枠の対向箇所において厚み内に形成される酸化剤ガス流路孔列を通って、酸化剤排出ガスマニホールド内に排出される。
【００２６】
【実施例】
以下図１ないし図９を参照して本発明の一実施例による燃料電池用セパレータの構成を説明する。
【００２７】
このセパレータは、たとえばグラファイト等のガス不透過性材料よりなるセパレータ板２０と、フェノール樹脂等の樹脂絶縁材料よりなる一対のセパレータ枠部材３０ａおよび３０ｂを接合してなるセパレータ枠３０とから構成される。
【００２８】
セパレータ板２０は、概して従来構成において用いられたものと同様であってよく、ダイヤモンドバイト等を用いて切削加工することにより、その一方の面には多数のリブ２１が平行に延長して形成されて該リブ間に凹溝２２を形成しており、反対側の面にはリブ２１と直交する方向に平行に延長する多数のリブ２３が形成されて該リブ間に凹溝２４を形成している。
【００２９】
セパレータ枠３０は、従来構成において用いられたものとは異なり、同一構成のセパレータ枠部材３０ａおよび３０ｂを接合することによって形成される。おのおのの接合部分にはあらかじめシール剤が塗布される。
【００３０】
セパレータ枠部材３０ａ（３０ｂ）の構成が図４ないし図７に示されている。図４はセパレータ枠３０を組んだときに外側に現れる面（上面および下面）を示し、図５はセパレータ枠３０を組んだときに内側になる面であって他方のセパレータ枠部材（３０ｂ）と接合される接合面を示す。また、図６はＶＩ−ＶＩ断面図、図７はＶＩＩ−ＶＩＩ断面図である。
【００３１】
セパレータ枠部材３０ａの中央にはセパレータ板２０を嵌合するための開口３１が貫通形成される。開口３１の外側四周にはそれぞれガスマニホールドを装填するためのマニホールド装填口３２ａ〜３２ｄが貫通形成される。四角に形成されているのはスタック固定用のボルトまたはタイロッドを貫通させるための貫通孔３３である。
【００３２】
セパレータ枠部材３０ａの下面側において、多数のガス流路孔３４、３５が対向して設けられる。これらガス流路孔は、セパレータ枠部材３０ａの周縁部分よりも若干肉薄とされた面４０の下に固着される筒状部材よりなり、その一端はマニホールド装填口３２ａ、３２ｂにそれぞれ開口している。
【００３３】
上記のように構成されたセパレータ枠部材３０ａおよび３０ｂを、９０度向きを変えて直交状態として、それぞれ図５に示される面を向かい合わせにし、これらセパレータ枠部材３０ａおよび３０ｂの間にセパレータ板２０を挟んで互いに接合させることによって、図１のセパレータが構成される。セパレータ板２０の縁部２５は、上下のセパレータ枠部材３０ａ、３０ｂの突出部３６ａ、３６ｂの間に挟み込まれている。図２はこのセパレータのＩＩ−ＩＩ部分断面図、図３はＩＩＩ−ＩＩＩ部分断面図である。図２における符号３４ｂは下側のセパレータ枠部材３０ｂの上面側に設けられたガス流路孔３４であり、図３における符号３４ａは上側のセパレータ枠部材３０ａの下面側に設けられたガス流路孔３４である。
【００３４】
このようなセパレータを用いて、２つの単セル１０、１０をそれぞれセパレータ間に挟持して２セルの燃料電池スタックを構成した場合の、図２および図３に対応する断面図がそれぞれ図８および図９に示される。各燃料電池単セル１０は、固体高分子電解質膜１１の両面にガス拡散電極１２、１２をホットプレス等の手段により接合してなる。各セパレータ間において、燃料電池単セル１０における電解質膜１１の端部は、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂によるシール剤３９により接着固定されている。
【００３５】
図８を参照して、マニホールド装填口３２ａに燃料ガス導入マニホールド（図示せず）が装填される場合、導入された燃料ガスは、マニホールド装填口３２ａから下側のセパレータ枠部材３０ｂの上面側に設けられたガス流路孔３４ｂを通る。セパレータ板２０の縁部２５と上側セパレータ枠部材３０ａの突出部３６ａとの間には空間３７が形成されており、かつ、この空間３７は突出部３６ａが形成されていない部分においてセパレータ板２０の上面に向けて開口しているため、燃料ガスは、ガス流路孔３４ｂから空間３７を通って、セパレータ板２０の上面に形成された凹溝２２内を流れ、反対側のマニホールド装填口３２ｂに装填される燃料ガス排出マニホールド（図示せず）に排出される。
【００３６】
マニホールド装填口３２ｃおよび３２ｄにはそれぞれ酸化剤ガス導入マニホールドおよび酸化剤ガス排出マニホールド（いずれも図示せず）が装填される。図９を参照して、導入された酸化剤ガスは、マニホールド装填口３２ｃから上側のセパレータ枠部材３０ａの下面側に設けられたガス流路孔３４ａを通る。セパレータ枠３０の開口３１はセパレータ板２０よりも僅かに大きく形成されているためそれらの間には隙間３８が形成されており、かつ、この隙間３８は突出部３６ｂが形成されていない部分においてセパレータ板２０の下面に向けて開口しているため、酸化剤ガスは、ガス流路孔３４ａから隙間３８を通って、セパレータ板２０の下面に形成された凹溝２４内を流れ、反対側のマニホールド装填口３２ｄに装填される酸化剤ガス排出マニホールド（図示せず）に排出される。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によれば、セパレータ枠に形成されるガス流路孔の形状を、セパレータ板側面に形成されるガス流路溝と同一方向の水平なものとして、セパレータ枠の厚み内に形成されており、しかも、セパレータ枠は厚み方向に２分割された上下のセパレータ枠部材により上下より均一に挟持されることからセパレータ板の挟持部分である周縁部の厚みも薄くすることができるため、一個当たりのセパレータの厚みが従来品よりも大幅に削減される。たとえば、従来のセパレータの厚み５．３ｍｍを本発明によれば４．０ｍｍ程度に薄くすることが可能である。このため、多数の燃料電池セルとセパレータとが積層されてなる燃料電池スタックにおいては大幅な小型軽量化が実現される。
【００３８】
上記のようにガス流路孔を形成することにより、流路孔の容積を減少させることなく、燃料電池スタックにおけるセパレータ枠と燃料電池セル端部との接触面積を増大させることができる。これにより、燃料電池セル端部を両側のセパレータで均一に挟持して、確実に固定することができるため、端部における反応ガスのリーク、反応ガスと電極触媒との反応による発火、固体高分子電解質膜を電解質膜とした場合の電解質膜膨潤による燃料電池セルの剥離等の種々の問題点が解決され、燃料電池スタックの稼働を安定化させることができる。
【００３９】
また、セパレータ枠を厚み方向に２分割し、同一構成の上下一対のセパレータ枠部材の間にセパレータ板を挟持する構成とすることにより、各セパレータ枠部材の製造が容易となり、セパレータの量産が可能である。
【００４０】
さらに、セパレータ枠に従来用いられていた後付け部が不要となったため、燃料電池セル端部からのガス漏洩の危険性も解決された。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例による燃料電池用セパレータの上面図である。
【図２】図１中ＩＩ−ＩＩ線による部分断面図である。
【図３】図１中ＩＩＩ−ＩＩＩ線による部分断面図である。
【図４】図１のセパレータに用いられるセパレータ枠を構成するセパレータ枠部材の上面図である。
【図５】同セパレータ枠部材の下面図である。
【図６】図４中ＶＩ−ＶＩ線による断面図である。
【図７】図４中ＶＩＩ−ＶＩＩ線による断面図である。
【図８】図１のセパレータを用いて構成される２セル燃料電池スタックを図２と対応して示す断面図である。
【図９】同２セル燃料電池スタックを図３と対応して示す断面図である。
【図１０】従来技術による２セル燃料電池スタックの上面図である。
【図１１】図１０中ＸＩ−ＸＩ線による断面図である。
【図１２】図１０中ＸＩＩ−ＸＩＩ線による断面図である。
【符号の説明】
１０燃料電池単セル
２０セパレータ板
２２凹溝（燃料ガス流路溝）
２４凹溝（酸化剤ガス流路溝）
３０セパレータ枠
３０ａ、３０ｂセパレータ枠部材
３２ａ〜３２ｄガスマニホールド装填口
３４、３５ガス流路孔
３４ａ酸化剤ガス流路孔
３４ｂ燃料ガス流路孔
３７、３８空間

Claims

セパレータ板とその枠体とを有する燃料電池用セパレータにおいて、
該セパレータ板は導電材料からなり、一側面に燃料ガスを供給する燃料ガス流路溝を有し、他側面に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路溝を備え、
前記セパレータ枠は、絶縁材料からなり、その中央に前記セパレータ板を収容するための開口を有するとともに、その枠部にガスマニホールド装填口を備え、該セパレータ枠は厚み方向に２分割された２つのセパレータ枠部材から構成され、前記セパレータ板の周縁部が前記２つのセパレータ枠部材にて挟持接合され、前記ガスマニホールド装填口と前記セパレータ板の燃料ガス流路溝および酸化剤ガス流路溝と連通する経路を形成したことを特徴とする燃料電池用セパレータ。