JP3836720B2 - 燃料電池 - Google Patents
燃料電池 Download PDFInfo
- Publication number
- JP3836720B2 JP3836720B2 JP2001389197A JP2001389197A JP3836720B2 JP 3836720 B2 JP3836720 B2 JP 3836720B2 JP 2001389197 A JP2001389197 A JP 2001389197A JP 2001389197 A JP2001389197 A JP 2001389197A JP 3836720 B2 JP3836720 B2 JP 3836720B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- separator
- fuel cell
- electrode
- metal plate
- electrolyte membrane
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子電解質膜の両側にそれぞれ電極を設けた電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体を挟持する一対の金属板製セパレータとを備える燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜を採用している。この燃料電池は、電解質膜の両側に、それぞれ触媒電極（電極層）と多孔質カーボン（拡散層）からなるアノード側電極およびカソード側電極を対設して構成される電解質膜・電極構造体を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持することにより構成される単位セルを備えている。通常、この単位セルを所定数だけ積層した燃料電池スタックが使用されている。
【０００３】
この種の燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）は、触媒電極上で水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
上記の燃料電池に使用されるセパレータは、通常、カーボン系材料で構成されている。ところが、最近、この種のカーボン系セパレータよりも耐応力破損性に優れる金属材製のセパレータ（以下、金属系セパレータともいう）を用いることにより、板厚の減少と最適なガス分配レイアウト設計とを図り、燃料電池を小型化かつ軽量化する工夫がなされている。
【０００５】
しかしながら、カーボン系セパレータに代えて金属系セパレータを使用すると、電子の導電原理の相違から接触抵抗が上昇し、抵抗過電圧として燃料電池の発電性能に影響を及ぼすおそれがある。すなわち、燃料電池の性能維持因子の一つとして、発電時の抵抗過電圧を低減することが挙げられており、この抵抗過電圧を構成する要素として、電子の導電性とプロトンの伝導性とがある。
【０００６】
電子の導電性は、燃料電池の構成部材中で電子が導電する部品自体と、部品同士が接触する接触抵抗とで表される一方、プロトンの伝導性は、電解質膜・電極構造体中の電解質膜および電極部を伝導するプロトンの抵抗で表される。そこで、燃料電池が積層された燃料電池スタックにおいて、セパレータから電解質膜・電極構造体は、圧縮積層により面接触状態に維持されている。
【０００７】
その際、電解質膜・電極構造体内部の電極層および拡散層には、カーボン系材料が一般的に適用されており、電子の導電原理としては、カーボンの場合に、縮合芳香族環のπ電子の波動により伝わる一方、金属系セパレータの場合に、自由電子の移動により伝わる。従って、電子導電原理の異なる異材間（カーボン系材料と金属系材料）の接触部では、同材同士間の接触部の抵抗よりも大きくなってしまう。
【０００８】
これにより、カーボン系材料で構成された電解質膜・電極構造体と金属系材料で構成されたセパレータとの接触抵抗は、抵抗過電圧として燃料電池の発電性能に大きな影響を及ぼすため、接触部の抵抗低減を図ることが望まれている。
【０００９】
ところが、図１２に示すように、金属系セパレータ１は、小型軽量化のために薄板を立体加工して構成されており、成形に必要な倒れ範囲ｃが存在している。このため、この金属系セパレータ１では、電解質膜・電極構造体２に接触する接触面ｂ′の面積が小さなものとなってしまう。
【００１０】
これを、図１３に示すカーボン系セパレータ３と比較して説明すると、このカーボン系セパレータ３では、金属系セパレータ１と同様の流路断面積ａを確保した場合、電解質膜・電極構造体２との接触面ｂの面積が、前記金属系セパレータ１の接触面ｂ′の面積よりも大きくなる。すなわち、ｂ＝ｂ′＋ｃとなり、金属系セパレータ１と電解質膜・電極構造体２との接触面積を十分に確保することができず、接触抵抗の低減を図ることが困難なものとなっている。
【００１１】
このため、倒れ範囲ｃの成形角度を９０°に近似させることにより、接触抵抗の低減を図ることが考えられるが、特に薄板状のＳＵＳ材では、加工時の伸び性が他の金属薄板よりも低く、成形限界の観点からも成形角度を９０°に近似させることは難しい。
【００１２】
また、金属系セパレータ１と電解質膜・電極構造体２との接触面積を増大させようとすると、接触面ｂ′の平坦面積を大きくする必要がある。しかしながら、接触面ｂ′の寸法が大きくなると、流路断面積ａが小さくなって反応ガス供給時の圧損が大きくなってしまう。従って、ガス供給装置の大型化と消費電力の増大を招き、燃料電池の小型化および効率の向上を図ることができないという不具合がある。
【００１３】
そこで、例えば、特開平７−２２０４２号公報（以下、従来技術１という）に開示された燃料電池が知られている。この従来技術では、陽極材と、陰極材と、該両極材の間に配置した電解質材からなる発電層を少なくとも２以上積層してなる燃料電池であって、前記発電層間に、通電材であるセパレータを配置し、前記両極材の中、少なくとも一方と前記セパレータとの接触部にカーボン粒子を介在（塗布）している。これにより、極材とセパレータとの通電面積を大きくし、接触部での接触面圧に係わらず接触抵抗を小さくすることができる、としている。
【００１４】
また、特開２０００−４８８３３号公報（以下、従来技術２という）には、電解質層と、該電解質層の表面に設けられ、表面に触媒を担持する触媒粒子が集合してなる触媒層と、該触媒層に隣接して設けられ、ガス透過性を有するガス拡散層と、前記ガス拡散層に隣接して設けられ、ガス不透過であるガスセパレータとを、少なくとも積層してなる燃料電池であって、前記ガスセパレータと前記ガス拡散層は、少なくとも互いに接触する部分が、予め同一の被覆物質で被覆されている燃料電池が開示されている。このため、ガスセパレータとガス拡散層とが接触する際に、接触抵抗が小さくなって燃料電池全体の内部抵抗を削減することができる、としている。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来技術１では、少なくとも一方の極材とガス流路構造体であるセパレータとの接触部に、前記極材と同一のカーボン粒子を塗布しているが、前記カーボン粒子を密に塗布した部分が閉塞され易い。これにより、ガス拡散性および排水性が低下するという問題がある。しかも、金属系セパレータが使用される場合、金属とカーボン粒子の接触面積を大幅に増加させることができず、接触抵抗を有効に低減することが困難となってしまう。
【００１６】
また、上記の従来技術２では、ガス拡散層のメッシュが織物であるため、少なくともセパレータの凸部と接触する面積が小さく、接触抵抗の低減を図ることができないという問題がある。さらに、ガスセパレータとガス拡散層との両方にチタンによる特殊な被膜処理が施されるため、この被膜処理が煩雑なものとなるとともに、コストの高騰が惹起されてしまう。
【００１７】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単かつ経済的な構成で、圧損の削減を図ることができ、セパレータと電解質膜・電極構造体との接触抵抗を有効に低減することが可能な燃料電池を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る燃料電池では、固体高分子電解質膜の両側にそれぞれカーボン不織布からなるガス拡散層を有する電極を設けた電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体を挟持する一対の金属板製セパレータとを備えるとともに、少なくとも一方の電極と、該一方の電極に対向するセパレータとの間には、前記セパレータが離間する部位にのみ多数の貫通孔を形成した金属板体が介装されている。
【００１９】
このため、例えば、凹凸形状のセパレータは、金属板体を介して電極に接触することができ、実質的な接触面積を有効に確保することが可能になる。しかも、金属板製のセパレータと金属板体との接触抵抗が十分に低いため、前記セパレータの流路断面積を大きく設定しても、該セパレータと電極との接触抵抗を低減させることができ、反応ガスの低圧損化を図ることが可能になる。これにより、金属板製のセパレータを使用して、発電時の抵抗過電圧の低減と、反応ガス供給装置の消費電力の低減および小型化を図ることができ、燃料電池の発電性能を有効に向上させることが可能になる。
【００２０】
また、本発明の請求項２に係る燃料電池では、電極と金属板体の接触面積率が、前記金属板体を用いずに前記電極とセパレータを直接接触させた際の接触面積率よりも大きく設定されている。この場合、セパレータと金属板体との接触抵抗が極めて小さいため、前記セパレータと電極との実質的な接触面積が増加する。従って、発電時の抵抗過電圧の低減を確実に図るとともに、反応ガス供給装置の消費電力の低減が遂行可能になる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０の要部分解斜視図であり、図２は、前記燃料電池１０の一部断面説明図である。通常、複数の燃料電池（単位セル）１０が矢印Ａ方向に積層されることにより、燃料電池スタックが構成されている。
【００２３】
燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体１４と、前記電解質膜・電極構造体１４を挟持する第１および第２セパレータ１６、１８とを備える。第１および第２セパレータ１６、１８は、金属製薄板、例えば、鋼材（ＳＵＳ材）製の薄板により構成されている。
【００２４】
図１に示すように、電解質膜・電極構造体１４と第１および第２セパレータ１６、１８の長辺（矢印Ｂ方向）側の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口２０ｂ、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口２２ａ、および燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口２４ｂが設けられる。
【００２５】
電解質膜・電極構造体１４と第１および第２セパレータ１６、１８の長辺側の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口２４ａ、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口２２ｂ、および冷却媒体を供給するための冷却媒体入口２０ａが設けられる。
【００２６】
電解質膜・電極構造体１４は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸されてなる固体高分子電解質膜２６と、該固体高分子電解質膜２６を挟持するアノード側電極２８およびカソード側電極３０とを備える。
【００２７】
アノード側電極２８およびカソード側電極３０は、図２に示すように、カーボン不織布等からなるガス拡散層３２ａ、３２ｂと、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層３２ａ、３２ｂの表面に一様に塗布されてなる電極触媒層３４ａ、３４ｂとをそれぞれ有する。電極触媒層３４ａ、３４ｂは、互いに固体高分子電解質膜２６を介装して対向するように、前記固体高分子電解質膜２６の両面に接合されている。
【００２８】
図１に示すように、第１セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１４側の面１６ａには、燃料ガス流路３６が設けられるとともに、この燃料ガス流路３６は、燃料ガス入口２４ａと燃料ガス出口２４ｂとに連通する。燃料ガス流路３６は、図２に示すように、ガス拡散層３２ａ側に突出する接触平坦面３６ａを介して水平方向に延在する複数本の溝部により構成されている。
【００２９】
図１に示すように、第２セパレータ１８の電解質膜・電極構造体１４側の面１８ａには、酸化剤ガス入口２２ａと酸化剤ガス出口２２ｂとを連通する酸化剤ガス流路３８が形成される。酸化剤ガス流路３８は、図２に示すように、ガス拡散層３２ｂ側に突出する接触平坦面３８ａを介して水平方向に延在する複数本の溝部により構成されている。第２セパレータ１８の面１８ｂには、冷却媒体入口２０ａと冷却媒体出口２０ｂとを連通する冷却媒体流路４０が形成される。冷却媒体流路４０は、酸化剤ガス流路３８と表裏の関係であり、この酸化剤ガス流路３８と同様に構成されている。
【００３０】
図１および図２に示すように、第１セパレータ１６と電解質膜・電極構造体１４のガス拡散層３２ａとの間、および（／または）第２セパレータ１８と前記電解質膜・電極接合体１４のガス拡散層３２ｂとの間には、金属板体４２、４４が介装される。
【００３１】
金属板体４２、４４は、第１および第２セパレータ１６、１８と電解質膜・電極構造体１４との間で、燃料ガスおよび酸化剤ガスの透過と電子導電の両機能を備えている。金属板体４２、４４は、第１および第２セパレータ１６、１８と同様に、鋼材（ＳＵＳ材）製の薄板により構成されており、多数の貫通孔４６ａ、４６ｂが形成される。貫通孔４６ａ、４６ｂは、例えば、塩化第二鉄や塩化第二銅等による化学エッチングあるいはプレス打ち抜き等によって形成される。
【００３２】
金属板体４２の貫通孔４６ａは、第１セパレータ１６の燃料ガス流路３６に対応して設けられており、この第１セパレータ１６の接触平坦面３６ａに対応する部分には、前記貫通孔４６ａが設けられていない平坦面４２ａが形成される。この平坦面４２ａは、実質的に第１セパレータ１６の接触平坦面３６ａの幅寸法と同等の範囲にわたって設けられている。
【００３３】
金属板体４４の貫通孔４６ｂは、第２セパレータ１８の酸化剤ガス流路３８に対応して設けられており、この第２セパレータ１８の接触平坦面３８ａに対応する部分には、前記貫通孔４６ｂが設けられていない平坦面４４ａが形成される。この平坦面４４ａは、接触平坦面３８ａの幅寸法と同等の範囲にわたって設けられている。
【００３４】
金属板体４２、４４とガス拡散層３２ａ、３２ｂの接触面積率は、前記金属板体４２、４４を用いずに前記ガス拡散層３２ａ、３２ｂと第１および第２セパレータ１６、１８の接触平坦面３６ａ、３８ａとを直接接触させた際の接触面積率よりも大きく設定される。さらに、後述するように、ガス拡散層３２ａ、３２ｂと金属板体４２、４４の接触面積Ｓ１および目標接触抵抗Ｒ１と、前記金属板体４２、４４を用いずに前記ガス拡散層３２ａ、３２ｂと第１および第２セパレータ１６、１８の接触平坦面３６ａ、３８ａを直接接触させた際の接触面積Ｓ２および接触抵抗Ｒ２とが、Ｓ１≧Ｓ２・Ｒ２／Ｒ１の関係に設定される。
【００３５】
このように構成される第１の実施形態に係る燃料電池１０の動作について、以下に説明する。
【００３６】
図１に示すように、燃料電池１０内には、水素含有ガス等の燃料ガスと、酸素含有ガスである空気等の酸化剤ガスと、純水やエチレングリコールやオイル等の冷却媒体とが供給される。
【００３７】
このため、矢印Ａ方向に連通している酸化剤ガス入口２２ａに供給された酸化剤ガスは、第２セパレータ１８に設けられている酸化剤ガス流路３８に導入され、金属板体４４の貫通孔４６ｂを通過して電解質膜・電極構造体１４を構成するカソード側電極３０に沿って移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス入口２４ａから第１セパレータ１６の燃料ガス流路３６に導入され、金属板体４２の貫通孔４６ａを通過して電解質膜・電極構造体１４を構成するアノード側電極２８に沿って移動する。
【００３８】
従って、電解質膜・電極構造体１４では、カソード側電極３０に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極２８に供給される燃料ガスとが、電極触媒層３４ｂ、３４ａ内で電気化学反応により消費され、発電が行われる（図２参照）。
【００３９】
次いで、アノード側電極２８に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口２４ｂに排出される（図１参照）。同様に、カソード側電極３０に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口２２ｂに排出される。
【００４０】
また、冷却媒体入口２０ａに供給された冷却媒体は、第２セパレータ１８の冷却媒体流路４０に導入される。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１４を冷却した後、冷却媒体出口２０ｂに排出される。
【００４１】
この場合、第１の実施形態では、第１および第２セパレータ１６、１８と電解質膜・電極構造体１４との間に、この第１および第２セパレータ１６、１８と同一材質の、例えば、鋼材製の金属板体４２、４４が介装されている。この金属板体４２、４４は、燃料ガス流路３６および酸化剤ガス流路３８に対応して複数の貫通孔４６ａ、４６ｂを設けており、前記第１および第２セパレータ１６、１８と電解質膜・電極構造体１４との間で、燃料ガスおよび酸化剤ガスの透過と電子導電の両機能を備えている。
【００４２】
このため、第１および第２セパレータ１６、１８と、ガス拡散層３２ａ、３２ｂとの直接接触では不十分であった接触面積を、金属板体４２、４４を介在させることによって有効に確保することができる。しかも、第１および第２セパレータ１６、１８と金属板体４２、４４とが同一の金属材料で形成されているため、前記第１および第２セパレータ１６、１８と前記金属板体４２、４４との接触抵抗が十分に低くなる。
【００４３】
従って、第１および第２セパレータ１６、１８の燃料ガス流路３６および酸化剤ガス流路３８の流路断面積を大きく設定することにより、接触平坦面３６ａ、３８ａの面積が小さくなっても、前記第１および第２セパレータ１６、１８とガス拡散層３２ａ、３２ｂとの接触抵抗を低減させることができ、燃料ガスおよび酸化剤ガスの低圧損化を図ることが可能になる。
【００４４】
これにより、金属板製の第１および第２セパレータ１６、１８を使用して、発電時の抵抗過電圧の低減と、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給装置における消費電力の低減および小型化が図られ、燃料電池１０の発電性能を有効に向上させるという効果が得られる。
【００４５】
図３は、第１の参考例に係る燃料電池６０の一部断面説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細の説明は省略する。また、以下に説明する第１乃至第３の参考例と第２および第３の実施形態とにおいても同様である。
【００４６】
燃料電池６０では、第１および第２セパレータ１６、１８と電解質膜・電極構造体１４との間に、金属板体６２、６４が介装されている。金属板体６２、６４は、金属製の、例えば、鋼材製の薄板により構成されており、全面にわたって複数の貫通孔６６ａ、６６ｂが所定の間隔ずつ離間して形成されている。
【００４７】
この貫通孔６６ａ、６６ｂは、第１および第２セパレータ１６、１８の接触平坦面３６ａ、３８ａに対応する位置にも設けられている点で、第１の実施形態に係る燃料電池１０と相違する。これにより、接触平坦面３６ａ、３８ａに対応する位置においても、燃料ガスおよび酸化剤ガスが円滑に供給され、発電性能の向上を図ることができる。
【００４８】
ガス拡散層３２ａ、３２ｂと金属板体６２、６４の接触面積率は、この金属板体６２、６４を用いずに前記ガス拡散層３２ａ、３２ｂと前記第１および第２セパレータ１６、１８を直接接触させた際の接触面積率よりも大きく設定されている。
【００４９】
図４は、第２の参考例に係る燃料電池８０の一部断面説明図である。この燃料電池８０を構成する電解質膜・電極構造体８２は、固体高分子電解質膜２６と、この固体高分子電解質膜２６を挟持するアノード側電極２８およびカソード側電極３０とを備えるとともに、前記アノード側電極２８および前記カソード側電極３０は、電極触媒層３４ａ、３４ｂを設けている。電解質膜・電極構造体８２は、ガス拡散層を設けていない。
【００５０】
電極触媒層３４ａ、３４ｂには、金属板体４２、４４が配置されており、前記金属板体４２、４４に第１および第２セパレータ１６、１８が配置されて燃料電池８０が構成されている。
【００５１】
図５は、第３の参考例に係る燃料電池１００の一部断面説明図である。この燃料電池１００は、電解質膜・電極構造体８２と、前記電解質膜・電極構造体８２を挟持する第１および第２セパレータ１６、１８と、前記第１および第２セパレータ１６、１８と前記電解質膜・電極構造体８２の間に介装される金属板体６２、６４とを備えている。
【００５２】
そこで、第１の実施形態および第１乃至第３の参考例に係る燃料電池１０、６０、８０および１００と、図１２に示す従来技術に係る燃料電池とを用いて、接触抵抗値を検出する実験を行った。その結果が図６に示されている。
【００５３】
図６中には、比較例１と第１の実施形態および第１乃至第３の参考例に用いられるそれぞれの構成要素の寸法や組成等が記載されている。例えば、第１の実施形態に使用される金属板体４２、４４は、接触平坦面３６ａ、３８ａの幅寸法が１．０ｍｍで、各貫通孔４６ａ、４６ｂ同士の間隔が０．２ｍｍに設定される一方、第１の参考例に使用される金属板体６２、６４は、各貫通孔６６ａ、６６ｂが０．２ｍｍ間隔ずつ離間して配置されている。
【００５４】
運転条件としては、カソード側電極３０において、電流密度が１．０Ａ／ｃｍ2、電極面積が１００ｃｍ2、酸化剤ガスの温度が７５℃、露点６５℃、さらに、酸化剤ガスの利用率が５０％である。また、金属（鋼材）同士の接触抵抗が、５ｍΩ・ｃｍ2であり、金属（鋼材）とカーボンとの接触抵抗が３０ｍΩ・ｃｍ2である。
【００５５】
この場合、図６に示すように、比較例１では、金属系セパレータ１と電解質膜・電極構造体２との接触面積が小さくて接触抵抗値が増大しているのに対し、第１の実施形態では、金属板体４２、４４とガス拡散層３２ａ、３２ｂとの異種部材間の接触面積を増加させることにより、大幅な接触抵抗値の低下を図ることができた。
【００５６】
ここで、金属板体４２、４４が介在されることにより、この金属板体４２、４４と第１および第２セパレータ１６、１８との接触抵抗が発生するが、同一金属同士間の抵抗が極めて小さく、全体としての接触抵抗値を削減するという効果が得られた。
【００５７】
次いで、第１の参考例では、燃料ガスおよび酸化剤ガスの拡散性をさらに向上させるために、金属板体６２、６４の全面に複数の貫通孔６６ａ、６６ｂが設けられている。このため、金属板体６２、６４とガス拡散層３２ａ、３２ｂとの接触面積および前記金属板体６２、６４と第１および第２セパレータ１６、１８との接触面積が、第１の実施形態に比べて減少した。
【００６０】
図７は、本発明の第２および第３の実施形態に係る燃料電池１２０、１４０の一部断面説明図である。
【００６１】
第２の実施形態に係る燃料電池１２０は、第１および第２セパレータ１６、１８の燃料ガス流路３６および酸化剤ガス流路３８の溝深さｉが０．３０ｍｍに設定されることにより、前記第１および第２セパレータ１６、１８の倒れ角度ｇと金属板体４２、４４の平坦面４２ａ、４４ａの接触長さｈとが決定される。
【００６２】
第３の実施形態に係る燃料電池１４０を構成する第１および第２セパレータ１６、１８は、燃料ガス流路３６および酸化剤ガス流路３８の溝深さｊが０．４５ｍｍに設定されることにより、前記第１および第２セパレータ１６、１８の倒れ角度ｇおよび金属板体４２、４４の平坦面４２ａ、４４ａの接触長さｈが決定される。
【００６３】
そこで、第２の実施形態に係る燃料電池１２０と同一寸法の第１および第２セパレータ１６、１８を備え、かつ金属板体４２、４４を用いない構成を比較例２とする。一方、第３の実施形態に係る燃料電池１４０を構成する第１および第２セパレータ１６、１８と同一寸法の第１および第２セパレータ１６、１８を備え、かつ金属板体４２、４４を用いない構成を比較例３とする。
【００６４】
次に、第２の実施形態と比較例２および第３の実施形態と比較例３を用い、接触抵抗と流路断面積の関係および接触抵抗と圧損の関係を検出する実験を行った。図８は、第２の実施形態および比較例２における接触抵抗と流路断面積の関係説明図であり、図９は、第３の実施形態および比較例２における接触抵抗と圧損の関係説明図である。
【００６５】
これにより、第２の実施形態では、比較例２に比べて流路断面積を大きくすることができるとともに、圧損の低減を図ることが可能になった。さらに、接触抵抗および圧損を、比較例２よりも低くできる範囲を設定することが可能になった。
【００６６】
また、図１０は、第３の実施形態および比較例３における接触抵抗と流路断面積の関係説明図であり、図１１は、第３の実施形態および比較例３における接触抵抗と圧損の関係説明図である。
【００６７】
このため、第３の実施形態では、比較例３に比べて流路断面積を大きくするとともに、圧損を小さくすることができ、さらに接触抵抗も圧損も比較例３よりも低くできる範囲が設定可能になった。従って、第２および第３の実施形態では、従来構成に比べて、抵抗過電圧の低減による発電性能の向上と、圧損の低減による小型化とを有効に図るという効果が得られる。
【００６８】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池では、例えば、凹凸形状のセパレータが、金属板体を介して電極との実質的な接触面積を有効に確保することができ、前記セパレータと前記電極との接触抵抗を低減するとともに、反応ガスの低圧損化を図ることが可能になる。これにより、金属板製セパレータを使用して、発電時の抵抗過電圧の低減と、反応ガス供給装置の消費電力の低減および小型化を図ることができ、燃料電池の発電性能を有効に向上させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視図である。
【図２】 前記燃料電池の一部断面説明図である。
【図３】 第１の参考例に係る燃料電池の一部断面説明図である。
【図４】 第２の参考例に係る燃料電池の一部断面説明図である。
【図５】 第３の参考例に係る燃料電池の一部断面説明図である。
【図６】 第１の実施形態と第１乃至第３の参考例および比較例１において、接触抵抗値を検出する際の説明図である。
【図７】 本発明の第２および第３の実施形態に係る燃料電池の一部断面説明図である。
【図８】 第２の実施形態および比較例２における接触抵抗と流路断面積の関係説明図である。
【図９】 第２の実施形態および比較例２における接触抵抗と圧損の関係説明図である。
【図１０】 第３の実施形態および比較例３における接触抵抗と流路断面積の関係説明図である。
【図１１】 第３の実施形態および比較例３における接触抵抗と圧損の関係説明図である。
【図１２】 従来技術に係る金属系セパレータを組み込む燃料電池の一部断面説明図である。
【図１３】 従来技術に係るカーボン系セパレータを組み込む燃料電池の一部断面説明図である。
【符号の説明】
１０、６０、８０、１００、１２０、１４０…燃料電池
１４、８２…電解質膜・電極構造体 １６、１８…セパレータ
２６…固体高分子電解質膜 ２８…アノード側電極
３０…カソード側電極 ３２ａ、３２ｂ…ガス拡散層
３４ａ、３４ｂ…電極触媒層 ３６…燃料ガス流路
３６ａ、３８ａ…接触平坦面 ３８…酸化剤ガス流路
４０…冷却媒体流路 ４２、４４、６２、６４…金属板体
４２ａ、４４ａ…平坦面
４６ａ、４６ｂ、６６ａ、６６ｂ…貫通孔
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子電解質膜の両側にそれぞれ電極を設けた電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体を挟持する一対の金属板製セパレータとを備える燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜を採用している。この燃料電池は、電解質膜の両側に、それぞれ触媒電極（電極層）と多孔質カーボン（拡散層）からなるアノード側電極およびカソード側電極を対設して構成される電解質膜・電極構造体を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持することにより構成される単位セルを備えている。通常、この単位セルを所定数だけ積層した燃料電池スタックが使用されている。
【０００３】
この種の燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）は、触媒電極上で水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
上記の燃料電池に使用されるセパレータは、通常、カーボン系材料で構成されている。ところが、最近、この種のカーボン系セパレータよりも耐応力破損性に優れる金属材製のセパレータ（以下、金属系セパレータともいう）を用いることにより、板厚の減少と最適なガス分配レイアウト設計とを図り、燃料電池を小型化かつ軽量化する工夫がなされている。
【０００５】
しかしながら、カーボン系セパレータに代えて金属系セパレータを使用すると、電子の導電原理の相違から接触抵抗が上昇し、抵抗過電圧として燃料電池の発電性能に影響を及ぼすおそれがある。すなわち、燃料電池の性能維持因子の一つとして、発電時の抵抗過電圧を低減することが挙げられており、この抵抗過電圧を構成する要素として、電子の導電性とプロトンの伝導性とがある。
【０００６】
電子の導電性は、燃料電池の構成部材中で電子が導電する部品自体と、部品同士が接触する接触抵抗とで表される一方、プロトンの伝導性は、電解質膜・電極構造体中の電解質膜および電極部を伝導するプロトンの抵抗で表される。そこで、燃料電池が積層された燃料電池スタックにおいて、セパレータから電解質膜・電極構造体は、圧縮積層により面接触状態に維持されている。
【０００７】
その際、電解質膜・電極構造体内部の電極層および拡散層には、カーボン系材料が一般的に適用されており、電子の導電原理としては、カーボンの場合に、縮合芳香族環のπ電子の波動により伝わる一方、金属系セパレータの場合に、自由電子の移動により伝わる。従って、電子導電原理の異なる異材間（カーボン系材料と金属系材料）の接触部では、同材同士間の接触部の抵抗よりも大きくなってしまう。
【０００８】
これにより、カーボン系材料で構成された電解質膜・電極構造体と金属系材料で構成されたセパレータとの接触抵抗は、抵抗過電圧として燃料電池の発電性能に大きな影響を及ぼすため、接触部の抵抗低減を図ることが望まれている。
【０００９】
ところが、図１２に示すように、金属系セパレータ１は、小型軽量化のために薄板を立体加工して構成されており、成形に必要な倒れ範囲ｃが存在している。このため、この金属系セパレータ１では、電解質膜・電極構造体２に接触する接触面ｂ′の面積が小さなものとなってしまう。
【００１０】
これを、図１３に示すカーボン系セパレータ３と比較して説明すると、このカーボン系セパレータ３では、金属系セパレータ１と同様の流路断面積ａを確保した場合、電解質膜・電極構造体２との接触面ｂの面積が、前記金属系セパレータ１の接触面ｂ′の面積よりも大きくなる。すなわち、ｂ＝ｂ′＋ｃとなり、金属系セパレータ１と電解質膜・電極構造体２との接触面積を十分に確保することができず、接触抵抗の低減を図ることが困難なものとなっている。
【００１１】
このため、倒れ範囲ｃの成形角度を９０°に近似させることにより、接触抵抗の低減を図ることが考えられるが、特に薄板状のＳＵＳ材では、加工時の伸び性が他の金属薄板よりも低く、成形限界の観点からも成形角度を９０°に近似させることは難しい。
【００１２】
また、金属系セパレータ１と電解質膜・電極構造体２との接触面積を増大させようとすると、接触面ｂ′の平坦面積を大きくする必要がある。しかしながら、接触面ｂ′の寸法が大きくなると、流路断面積ａが小さくなって反応ガス供給時の圧損が大きくなってしまう。従って、ガス供給装置の大型化と消費電力の増大を招き、燃料電池の小型化および効率の向上を図ることができないという不具合がある。
【００１３】
そこで、例えば、特開平７−２２０４２号公報（以下、従来技術１という）に開示された燃料電池が知られている。この従来技術では、陽極材と、陰極材と、該両極材の間に配置した電解質材からなる発電層を少なくとも２以上積層してなる燃料電池であって、前記発電層間に、通電材であるセパレータを配置し、前記両極材の中、少なくとも一方と前記セパレータとの接触部にカーボン粒子を介在（塗布）している。これにより、極材とセパレータとの通電面積を大きくし、接触部での接触面圧に係わらず接触抵抗を小さくすることができる、としている。
【００１４】
また、特開２０００−４８８３３号公報（以下、従来技術２という）には、電解質層と、該電解質層の表面に設けられ、表面に触媒を担持する触媒粒子が集合してなる触媒層と、該触媒層に隣接して設けられ、ガス透過性を有するガス拡散層と、前記ガス拡散層に隣接して設けられ、ガス不透過であるガスセパレータとを、少なくとも積層してなる燃料電池であって、前記ガスセパレータと前記ガス拡散層は、少なくとも互いに接触する部分が、予め同一の被覆物質で被覆されている燃料電池が開示されている。このため、ガスセパレータとガス拡散層とが接触する際に、接触抵抗が小さくなって燃料電池全体の内部抵抗を削減することができる、としている。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来技術１では、少なくとも一方の極材とガス流路構造体であるセパレータとの接触部に、前記極材と同一のカーボン粒子を塗布しているが、前記カーボン粒子を密に塗布した部分が閉塞され易い。これにより、ガス拡散性および排水性が低下するという問題がある。しかも、金属系セパレータが使用される場合、金属とカーボン粒子の接触面積を大幅に増加させることができず、接触抵抗を有効に低減することが困難となってしまう。
【００１６】
また、上記の従来技術２では、ガス拡散層のメッシュが織物であるため、少なくともセパレータの凸部と接触する面積が小さく、接触抵抗の低減を図ることができないという問題がある。さらに、ガスセパレータとガス拡散層との両方にチタンによる特殊な被膜処理が施されるため、この被膜処理が煩雑なものとなるとともに、コストの高騰が惹起されてしまう。
【００１７】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単かつ経済的な構成で、圧損の削減を図ることができ、セパレータと電解質膜・電極構造体との接触抵抗を有効に低減することが可能な燃料電池を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る燃料電池では、固体高分子電解質膜の両側にそれぞれカーボン不織布からなるガス拡散層を有する電極を設けた電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体を挟持する一対の金属板製セパレータとを備えるとともに、少なくとも一方の電極と、該一方の電極に対向するセパレータとの間には、前記セパレータが離間する部位にのみ多数の貫通孔を形成した金属板体が介装されている。
【００１９】
このため、例えば、凹凸形状のセパレータは、金属板体を介して電極に接触することができ、実質的な接触面積を有効に確保することが可能になる。しかも、金属板製のセパレータと金属板体との接触抵抗が十分に低いため、前記セパレータの流路断面積を大きく設定しても、該セパレータと電極との接触抵抗を低減させることができ、反応ガスの低圧損化を図ることが可能になる。これにより、金属板製のセパレータを使用して、発電時の抵抗過電圧の低減と、反応ガス供給装置の消費電力の低減および小型化を図ることができ、燃料電池の発電性能を有効に向上させることが可能になる。
【００２０】
また、本発明の請求項２に係る燃料電池では、電極と金属板体の接触面積率が、前記金属板体を用いずに前記電極とセパレータを直接接触させた際の接触面積率よりも大きく設定されている。この場合、セパレータと金属板体との接触抵抗が極めて小さいため、前記セパレータと電極との実質的な接触面積が増加する。従って、発電時の抵抗過電圧の低減を確実に図るとともに、反応ガス供給装置の消費電力の低減が遂行可能になる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０の要部分解斜視図であり、図２は、前記燃料電池１０の一部断面説明図である。通常、複数の燃料電池（単位セル）１０が矢印Ａ方向に積層されることにより、燃料電池スタックが構成されている。
【００２３】
燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体１４と、前記電解質膜・電極構造体１４を挟持する第１および第２セパレータ１６、１８とを備える。第１および第２セパレータ１６、１８は、金属製薄板、例えば、鋼材（ＳＵＳ材）製の薄板により構成されている。
【００２４】
図１に示すように、電解質膜・電極構造体１４と第１および第２セパレータ１６、１８の長辺（矢印Ｂ方向）側の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口２０ｂ、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口２２ａ、および燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口２４ｂが設けられる。
【００２５】
電解質膜・電極構造体１４と第１および第２セパレータ１６、１８の長辺側の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口２４ａ、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口２２ｂ、および冷却媒体を供給するための冷却媒体入口２０ａが設けられる。
【００２６】
電解質膜・電極構造体１４は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸されてなる固体高分子電解質膜２６と、該固体高分子電解質膜２６を挟持するアノード側電極２８およびカソード側電極３０とを備える。
【００２７】
アノード側電極２８およびカソード側電極３０は、図２に示すように、カーボン不織布等からなるガス拡散層３２ａ、３２ｂと、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層３２ａ、３２ｂの表面に一様に塗布されてなる電極触媒層３４ａ、３４ｂとをそれぞれ有する。電極触媒層３４ａ、３４ｂは、互いに固体高分子電解質膜２６を介装して対向するように、前記固体高分子電解質膜２６の両面に接合されている。
【００２８】
図１に示すように、第１セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１４側の面１６ａには、燃料ガス流路３６が設けられるとともに、この燃料ガス流路３６は、燃料ガス入口２４ａと燃料ガス出口２４ｂとに連通する。燃料ガス流路３６は、図２に示すように、ガス拡散層３２ａ側に突出する接触平坦面３６ａを介して水平方向に延在する複数本の溝部により構成されている。
【００２９】
図１に示すように、第２セパレータ１８の電解質膜・電極構造体１４側の面１８ａには、酸化剤ガス入口２２ａと酸化剤ガス出口２２ｂとを連通する酸化剤ガス流路３８が形成される。酸化剤ガス流路３８は、図２に示すように、ガス拡散層３２ｂ側に突出する接触平坦面３８ａを介して水平方向に延在する複数本の溝部により構成されている。第２セパレータ１８の面１８ｂには、冷却媒体入口２０ａと冷却媒体出口２０ｂとを連通する冷却媒体流路４０が形成される。冷却媒体流路４０は、酸化剤ガス流路３８と表裏の関係であり、この酸化剤ガス流路３８と同様に構成されている。
【００３０】
図１および図２に示すように、第１セパレータ１６と電解質膜・電極構造体１４のガス拡散層３２ａとの間、および（／または）第２セパレータ１８と前記電解質膜・電極接合体１４のガス拡散層３２ｂとの間には、金属板体４２、４４が介装される。
【００３１】
金属板体４２、４４は、第１および第２セパレータ１６、１８と電解質膜・電極構造体１４との間で、燃料ガスおよび酸化剤ガスの透過と電子導電の両機能を備えている。金属板体４２、４４は、第１および第２セパレータ１６、１８と同様に、鋼材（ＳＵＳ材）製の薄板により構成されており、多数の貫通孔４６ａ、４６ｂが形成される。貫通孔４６ａ、４６ｂは、例えば、塩化第二鉄や塩化第二銅等による化学エッチングあるいはプレス打ち抜き等によって形成される。
【００３２】
金属板体４２の貫通孔４６ａは、第１セパレータ１６の燃料ガス流路３６に対応して設けられており、この第１セパレータ１６の接触平坦面３６ａに対応する部分には、前記貫通孔４６ａが設けられていない平坦面４２ａが形成される。この平坦面４２ａは、実質的に第１セパレータ１６の接触平坦面３６ａの幅寸法と同等の範囲にわたって設けられている。
【００３３】
金属板体４４の貫通孔４６ｂは、第２セパレータ１８の酸化剤ガス流路３８に対応して設けられており、この第２セパレータ１８の接触平坦面３８ａに対応する部分には、前記貫通孔４６ｂが設けられていない平坦面４４ａが形成される。この平坦面４４ａは、接触平坦面３８ａの幅寸法と同等の範囲にわたって設けられている。
【００３４】
金属板体４２、４４とガス拡散層３２ａ、３２ｂの接触面積率は、前記金属板体４２、４４を用いずに前記ガス拡散層３２ａ、３２ｂと第１および第２セパレータ１６、１８の接触平坦面３６ａ、３８ａとを直接接触させた際の接触面積率よりも大きく設定される。さらに、後述するように、ガス拡散層３２ａ、３２ｂと金属板体４２、４４の接触面積Ｓ１および目標接触抵抗Ｒ１と、前記金属板体４２、４４を用いずに前記ガス拡散層３２ａ、３２ｂと第１および第２セパレータ１６、１８の接触平坦面３６ａ、３８ａを直接接触させた際の接触面積Ｓ２および接触抵抗Ｒ２とが、Ｓ１≧Ｓ２・Ｒ２／Ｒ１の関係に設定される。
【００３５】
このように構成される第１の実施形態に係る燃料電池１０の動作について、以下に説明する。
【００３６】
図１に示すように、燃料電池１０内には、水素含有ガス等の燃料ガスと、酸素含有ガスである空気等の酸化剤ガスと、純水やエチレングリコールやオイル等の冷却媒体とが供給される。
【００３７】
このため、矢印Ａ方向に連通している酸化剤ガス入口２２ａに供給された酸化剤ガスは、第２セパレータ１８に設けられている酸化剤ガス流路３８に導入され、金属板体４４の貫通孔４６ｂを通過して電解質膜・電極構造体１４を構成するカソード側電極３０に沿って移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス入口２４ａから第１セパレータ１６の燃料ガス流路３６に導入され、金属板体４２の貫通孔４６ａを通過して電解質膜・電極構造体１４を構成するアノード側電極２８に沿って移動する。
【００３８】
従って、電解質膜・電極構造体１４では、カソード側電極３０に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極２８に供給される燃料ガスとが、電極触媒層３４ｂ、３４ａ内で電気化学反応により消費され、発電が行われる（図２参照）。
【００３９】
次いで、アノード側電極２８に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口２４ｂに排出される（図１参照）。同様に、カソード側電極３０に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口２２ｂに排出される。
【００４０】
また、冷却媒体入口２０ａに供給された冷却媒体は、第２セパレータ１８の冷却媒体流路４０に導入される。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１４を冷却した後、冷却媒体出口２０ｂに排出される。
【００４１】
この場合、第１の実施形態では、第１および第２セパレータ１６、１８と電解質膜・電極構造体１４との間に、この第１および第２セパレータ１６、１８と同一材質の、例えば、鋼材製の金属板体４２、４４が介装されている。この金属板体４２、４４は、燃料ガス流路３６および酸化剤ガス流路３８に対応して複数の貫通孔４６ａ、４６ｂを設けており、前記第１および第２セパレータ１６、１８と電解質膜・電極構造体１４との間で、燃料ガスおよび酸化剤ガスの透過と電子導電の両機能を備えている。
【００４２】
このため、第１および第２セパレータ１６、１８と、ガス拡散層３２ａ、３２ｂとの直接接触では不十分であった接触面積を、金属板体４２、４４を介在させることによって有効に確保することができる。しかも、第１および第２セパレータ１６、１８と金属板体４２、４４とが同一の金属材料で形成されているため、前記第１および第２セパレータ１６、１８と前記金属板体４２、４４との接触抵抗が十分に低くなる。
【００４３】
従って、第１および第２セパレータ１６、１８の燃料ガス流路３６および酸化剤ガス流路３８の流路断面積を大きく設定することにより、接触平坦面３６ａ、３８ａの面積が小さくなっても、前記第１および第２セパレータ１６、１８とガス拡散層３２ａ、３２ｂとの接触抵抗を低減させることができ、燃料ガスおよび酸化剤ガスの低圧損化を図ることが可能になる。
【００４４】
これにより、金属板製の第１および第２セパレータ１６、１８を使用して、発電時の抵抗過電圧の低減と、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給装置における消費電力の低減および小型化が図られ、燃料電池１０の発電性能を有効に向上させるという効果が得られる。
【００４５】
図３は、第１の参考例に係る燃料電池６０の一部断面説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細の説明は省略する。また、以下に説明する第１乃至第３の参考例と第２および第３の実施形態とにおいても同様である。
【００４６】
燃料電池６０では、第１および第２セパレータ１６、１８と電解質膜・電極構造体１４との間に、金属板体６２、６４が介装されている。金属板体６２、６４は、金属製の、例えば、鋼材製の薄板により構成されており、全面にわたって複数の貫通孔６６ａ、６６ｂが所定の間隔ずつ離間して形成されている。
【００４７】
この貫通孔６６ａ、６６ｂは、第１および第２セパレータ１６、１８の接触平坦面３６ａ、３８ａに対応する位置にも設けられている点で、第１の実施形態に係る燃料電池１０と相違する。これにより、接触平坦面３６ａ、３８ａに対応する位置においても、燃料ガスおよび酸化剤ガスが円滑に供給され、発電性能の向上を図ることができる。
【００４８】
ガス拡散層３２ａ、３２ｂと金属板体６２、６４の接触面積率は、この金属板体６２、６４を用いずに前記ガス拡散層３２ａ、３２ｂと前記第１および第２セパレータ１６、１８を直接接触させた際の接触面積率よりも大きく設定されている。
【００４９】
図４は、第２の参考例に係る燃料電池８０の一部断面説明図である。この燃料電池８０を構成する電解質膜・電極構造体８２は、固体高分子電解質膜２６と、この固体高分子電解質膜２６を挟持するアノード側電極２８およびカソード側電極３０とを備えるとともに、前記アノード側電極２８および前記カソード側電極３０は、電極触媒層３４ａ、３４ｂを設けている。電解質膜・電極構造体８２は、ガス拡散層を設けていない。
【００５０】
電極触媒層３４ａ、３４ｂには、金属板体４２、４４が配置されており、前記金属板体４２、４４に第１および第２セパレータ１６、１８が配置されて燃料電池８０が構成されている。
【００５１】
図５は、第３の参考例に係る燃料電池１００の一部断面説明図である。この燃料電池１００は、電解質膜・電極構造体８２と、前記電解質膜・電極構造体８２を挟持する第１および第２セパレータ１６、１８と、前記第１および第２セパレータ１６、１８と前記電解質膜・電極構造体８２の間に介装される金属板体６２、６４とを備えている。
【００５２】
そこで、第１の実施形態および第１乃至第３の参考例に係る燃料電池１０、６０、８０および１００と、図１２に示す従来技術に係る燃料電池とを用いて、接触抵抗値を検出する実験を行った。その結果が図６に示されている。
【００５３】
図６中には、比較例１と第１の実施形態および第１乃至第３の参考例に用いられるそれぞれの構成要素の寸法や組成等が記載されている。例えば、第１の実施形態に使用される金属板体４２、４４は、接触平坦面３６ａ、３８ａの幅寸法が１．０ｍｍで、各貫通孔４６ａ、４６ｂ同士の間隔が０．２ｍｍに設定される一方、第１の参考例に使用される金属板体６２、６４は、各貫通孔６６ａ、６６ｂが０．２ｍｍ間隔ずつ離間して配置されている。
【００５４】
運転条件としては、カソード側電極３０において、電流密度が１．０Ａ／ｃｍ2、電極面積が１００ｃｍ2、酸化剤ガスの温度が７５℃、露点６５℃、さらに、酸化剤ガスの利用率が５０％である。また、金属（鋼材）同士の接触抵抗が、５ｍΩ・ｃｍ2であり、金属（鋼材）とカーボンとの接触抵抗が３０ｍΩ・ｃｍ2である。
【００５５】
この場合、図６に示すように、比較例１では、金属系セパレータ１と電解質膜・電極構造体２との接触面積が小さくて接触抵抗値が増大しているのに対し、第１の実施形態では、金属板体４２、４４とガス拡散層３２ａ、３２ｂとの異種部材間の接触面積を増加させることにより、大幅な接触抵抗値の低下を図ることができた。
【００５６】
ここで、金属板体４２、４４が介在されることにより、この金属板体４２、４４と第１および第２セパレータ１６、１８との接触抵抗が発生するが、同一金属同士間の抵抗が極めて小さく、全体としての接触抵抗値を削減するという効果が得られた。
【００５７】
次いで、第１の参考例では、燃料ガスおよび酸化剤ガスの拡散性をさらに向上させるために、金属板体６２、６４の全面に複数の貫通孔６６ａ、６６ｂが設けられている。このため、金属板体６２、６４とガス拡散層３２ａ、３２ｂとの接触面積および前記金属板体６２、６４と第１および第２セパレータ１６、１８との接触面積が、第１の実施形態に比べて減少した。
【００６０】
図７は、本発明の第２および第３の実施形態に係る燃料電池１２０、１４０の一部断面説明図である。
【００６１】
第２の実施形態に係る燃料電池１２０は、第１および第２セパレータ１６、１８の燃料ガス流路３６および酸化剤ガス流路３８の溝深さｉが０．３０ｍｍに設定されることにより、前記第１および第２セパレータ１６、１８の倒れ角度ｇと金属板体４２、４４の平坦面４２ａ、４４ａの接触長さｈとが決定される。
【００６２】
第３の実施形態に係る燃料電池１４０を構成する第１および第２セパレータ１６、１８は、燃料ガス流路３６および酸化剤ガス流路３８の溝深さｊが０．４５ｍｍに設定されることにより、前記第１および第２セパレータ１６、１８の倒れ角度ｇおよび金属板体４２、４４の平坦面４２ａ、４４ａの接触長さｈが決定される。
【００６３】
そこで、第２の実施形態に係る燃料電池１２０と同一寸法の第１および第２セパレータ１６、１８を備え、かつ金属板体４２、４４を用いない構成を比較例２とする。一方、第３の実施形態に係る燃料電池１４０を構成する第１および第２セパレータ１６、１８と同一寸法の第１および第２セパレータ１６、１８を備え、かつ金属板体４２、４４を用いない構成を比較例３とする。
【００６４】
次に、第２の実施形態と比較例２および第３の実施形態と比較例３を用い、接触抵抗と流路断面積の関係および接触抵抗と圧損の関係を検出する実験を行った。図８は、第２の実施形態および比較例２における接触抵抗と流路断面積の関係説明図であり、図９は、第３の実施形態および比較例２における接触抵抗と圧損の関係説明図である。
【００６５】
これにより、第２の実施形態では、比較例２に比べて流路断面積を大きくすることができるとともに、圧損の低減を図ることが可能になった。さらに、接触抵抗および圧損を、比較例２よりも低くできる範囲を設定することが可能になった。
【００６６】
また、図１０は、第３の実施形態および比較例３における接触抵抗と流路断面積の関係説明図であり、図１１は、第３の実施形態および比較例３における接触抵抗と圧損の関係説明図である。
【００６７】
このため、第３の実施形態では、比較例３に比べて流路断面積を大きくするとともに、圧損を小さくすることができ、さらに接触抵抗も圧損も比較例３よりも低くできる範囲が設定可能になった。従って、第２および第３の実施形態では、従来構成に比べて、抵抗過電圧の低減による発電性能の向上と、圧損の低減による小型化とを有効に図るという効果が得られる。
【００６８】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池では、例えば、凹凸形状のセパレータが、金属板体を介して電極との実質的な接触面積を有効に確保することができ、前記セパレータと前記電極との接触抵抗を低減するとともに、反応ガスの低圧損化を図ることが可能になる。これにより、金属板製セパレータを使用して、発電時の抵抗過電圧の低減と、反応ガス供給装置の消費電力の低減および小型化を図ることができ、燃料電池の発電性能を有効に向上させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視図である。
【図２】 前記燃料電池の一部断面説明図である。
【図３】 第１の参考例に係る燃料電池の一部断面説明図である。
【図４】 第２の参考例に係る燃料電池の一部断面説明図である。
【図５】 第３の参考例に係る燃料電池の一部断面説明図である。
【図６】 第１の実施形態と第１乃至第３の参考例および比較例１において、接触抵抗値を検出する際の説明図である。
【図７】 本発明の第２および第３の実施形態に係る燃料電池の一部断面説明図である。
【図８】 第２の実施形態および比較例２における接触抵抗と流路断面積の関係説明図である。
【図９】 第２の実施形態および比較例２における接触抵抗と圧損の関係説明図である。
【図１０】 第３の実施形態および比較例３における接触抵抗と流路断面積の関係説明図である。
【図１１】 第３の実施形態および比較例３における接触抵抗と圧損の関係説明図である。
【図１２】 従来技術に係る金属系セパレータを組み込む燃料電池の一部断面説明図である。
【図１３】 従来技術に係るカーボン系セパレータを組み込む燃料電池の一部断面説明図である。
【符号の説明】
１０、６０、８０、１００、１２０、１４０…燃料電池
１４、８２…電解質膜・電極構造体 １６、１８…セパレータ
２６…固体高分子電解質膜 ２８…アノード側電極
３０…カソード側電極 ３２ａ、３２ｂ…ガス拡散層
３４ａ、３４ｂ…電極触媒層 ３６…燃料ガス流路
３６ａ、３８ａ…接触平坦面 ３８…酸化剤ガス流路
４０…冷却媒体流路 ４２、４４、６２、６４…金属板体
４２ａ、４４ａ…平坦面
４６ａ、４６ｂ、６６ａ、６６ｂ…貫通孔
Claims (2)
- 固体高分子電解質膜の両側にそれぞれカーボン不織布からなるガス拡散層を有する電極を設けた電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体を挟持する一対の金属板製セパレータとを備える燃料電池であって、
少なくとも一方の電極と、該一方の電極に対向するセパレータとの間に介装される金属板体を備えるとともに、
前記金属板体は、前記セパレータに接触する部位に設けられる平坦面と、
前記セパレータが離間する部位にのみ形成される多数の貫通孔と、
を設けることを特徴とする燃料電池。 - 請求項１記載の燃料電池において、前記電極と前記金属板体の接触面積率は、前記金属板体を用いずに前記電極と前記セパレータを直接接触させた際の接触面積率よりも大きく設定されることを特徴とする燃料電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001389197A JP3836720B2 (ja) | 2001-12-21 | 2001-12-21 | 燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001389197A JP3836720B2 (ja) | 2001-12-21 | 2001-12-21 | 燃料電池 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003187821A JP2003187821A (ja) | 2003-07-04 |
| JP3836720B2 true JP3836720B2 (ja) | 2006-10-25 |
Family
ID=27597486
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001389197A Expired - Fee Related JP3836720B2 (ja) | 2001-12-21 | 2001-12-21 | 燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3836720B2 (ja) |
-
2001
- 2001-12-21 JP JP2001389197A patent/JP3836720B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2003187821A (ja) | 2003-07-04 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP4245091B2 (ja) | 燃料電池 | |
| JP4572062B2 (ja) | 燃料電池スタック | |
| JP5240282B2 (ja) | 燃料電池セル | |
| JP4351431B2 (ja) | 燃料電池スタック | |
| JP4585737B2 (ja) | 燃料電池 | |
| JP4956870B2 (ja) | 燃料電池および燃料電池の製造方法 | |
| JP5226431B2 (ja) | 燃料電池スタック | |
| JP5334469B2 (ja) | 燃料電池スタック | |
| JP4268536B2 (ja) | 燃料電池 | |
| JP2003068349A (ja) | 燃料電池スタックおよび反応ガス供給方法 | |
| JP4121340B2 (ja) | 燃料電池 | |
| JP4081433B2 (ja) | 燃料電池 | |
| JP4031952B2 (ja) | 燃料電池 | |
| JP4723196B2 (ja) | 燃料電池 | |
| JP4516403B2 (ja) | 燃料電池 | |
| JP4726186B2 (ja) | 燃料電池スタック | |
| JP2004171824A (ja) | 燃料電池 | |
| JP3836720B2 (ja) | 燃料電池 | |
| JP3875612B2 (ja) | 燃料電池スタック | |
| JP4422505B2 (ja) | 燃料電池 | |
| JP3981578B2 (ja) | 燃料電池 | |
| JP2006210212A (ja) | 高分子電解質型燃料電池 | |
| JP5336221B2 (ja) | 燃料電池スタック | |
| JP5411604B2 (ja) | 燃料電池 | |
| JP2017123249A (ja) | 固体高分子形燃料電池用セパレータ |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20050722 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20050802 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20050916 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20060328 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20060510 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20060613 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20060623 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20060718 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20060727 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100804 Year of fee payment: 4 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100804 Year of fee payment: 4 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110804 Year of fee payment: 5 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110804 Year of fee payment: 5 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120804 Year of fee payment: 6 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120804 Year of fee payment: 6 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130804 Year of fee payment: 7 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140804 Year of fee payment: 8 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |