JP3925126B2

JP3925126B2 - 燃料電池

Info

Publication number: JP3925126B2
Application number: JP2001257153A
Authority: JP
Inventors: 篤史宮澤
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2001-08-28
Filing date: 2001-08-28
Publication date: 2007-06-06
Anticipated expiration: 2021-08-28
Also published as: JP2003068317A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は燃料電池に用いるセパレータの構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、水素と酸素の電気化学反応による起電力を利用した発電装置である固体高分子型燃料電池には、水素などの燃料ガスを供給するための流体通路を保持したセパレータと、酸素等の酸化ガスを供給するための流体通路を保持したセパレータとを設けたセルにより構成されている。このような燃料電池において発電を行う際には、まず、セル内のアノード電極に水素が供給され、反応
【０００３】
【式１】

が起こる。この反応により発生したプロトンは、電解質膜を通過しカソード電極に至り、反応
【０００４】
【式２】

が起こる。これらの反応による発熱のために、セル内が高温になり、反応を促進するための触媒の表面積低下速度が増大する等の問題が生じるのため、また、この熱を有効利用するため、セルを冷却する必要が生じる。
【０００５】
そこで、セルの冷却手段として、特開2001-43869号のように、セパレータの表面に冷却水を流す冷却通路を形成したものがある。さらに、冷却面には、発電時に発生した熱を冷却面内で効率よく冷却するために、流路が面上を隙間なく蛇行して形成されているものがあり、そこを水などの冷却媒体が通過することでセルの冷却が行われる。
【０００６】
【発明が解決しようとしている問題点】
しかしながら、前述のような従来技術では、反応熱の過度の上昇を抑え、効率的な反応が行われる反面、セパレータ面における発電の増加により要求される冷却量が増え、セパレータ面全体に冷却通路を設ける必要があった。さらに、電池のコンパクト化を目的にセパレータの厚さも抑えられ、十分な幅・深さの冷却通路の確保が難しくなった。これらは、セパレータにおける反応熱の冷却を効率的に行えないという問題を生じさせ、結果として発電効率を低下させることになった。
【０００７】
また、これとは別に、例えば燃料電池の動作を停止した際に冷却媒体の循環を停止し、さらに媒体を通路から抜く動作を備える燃料電池システムにおいて、冷却媒体の一部が通路の蛇行部分等に残って、これが氷点下の状態で凍結し流路が閉塞する問題もあった。この流路の閉塞は流路の増加や、幅や深さが小さくなる傾向と共に発生し易い傾向にあった。これが原因で、低温化での発電開始の際に通路に加温媒体を通した際、通路全体に加温媒体をめぐらせるまでに時間がかかり、結果として発電開始に時間がかかるという問題があった。
【０００８】
そこで、本発明は複雑な形状や余分な幅・深さの冷却通路を設けなくても冷却効果を高めることができ、更に低温下で凍結して冷却通路を閉塞させている媒体を効果的に解凍させる燃料電池用セパレータを提供することを目的とする。
【０００９】
【問題点を解決するための手段】
第１の発明は、固体高分子電解質をその外側からアノード電極とカソード電極で挟んで構成される燃料電池構造体と、前記燃料電池構造体を狭持するアノード側セパレータとカソード側セパレータとを備え、前記燃料電池構造体と、前記アノード側セパレータと、前記カソード側セパレータとで単位セルを構成し、複数の前記セルが積層された燃料電池において、前記アノード側セパレータと前記カソード側セパレータは、隣り合うセルの互いに対向する対向面において前記アノード側セパレータと前記カソード側セパレータの少なくとも片方に冷却溝を設けて冷却媒体を流す冷却流路を形成し、前記冷却流路内の対向する表面の内、どちらか一方には熱伝導性を高めるための表面処理を施し、もう一方には親水処理を施した表面処理部を有するセパレータであることを特徴とする。
【００１０】
第２の発明は、第１の発明において、前記熱伝導性を高めるための表面処理として、セパレータに用いた材質より熱伝導性の高い塗料を塗布した塗装面を形成する。
【００１１】
第３の発明は、第１の発明において、前記熱伝導性を高めるための表面処理として、表面粗度を大にした粗面を形成する。
【００１５】
第４の発明は、第１から３のいずれか一つの発明において、前記セパレータの対向する表面は前記アノード側セパレータの表面と前記カソード側セパレータの表面の組み合わせとする。
【００１６】
第５の発明は、第３の発明において、前記粗面の表面粗度は、算術平均粗さRa≦３．５μｍ、最大高さRy≦２０μｍとする。
【００１７】
【作用及び効果】
第１の発明によれば、前記冷却流路内の対向する表面の内、どちらか一方には熱伝導性を高めるための表面処理を施し、もう一方には親水処理を施した表面処理部を有することで、熱伝導性を高めるための表面処理を施した表面の相対的な疎水性を高めることができる。これにより、凍結した際に比較的疎水性の高いセパレータを優先的に加熱することで、解凍時間を短縮することができる。
【００１８】
第２の発明によれば、前記熱伝導性を高めるための表面処理として、セパレータに用いた材質より熱伝導性の高い塗料を塗布した塗装面を形成したので、熱伝導性が高まり、冷却効果が向上する。
【００１９】
第３の発明によれば、前記熱伝導性を高めるための表面処理として、表面粗度を大にした粗面を形成することにより、伝熱面積が増加するので熱伝導性が高まる。また、運転停止中に残留冷媒が凍結した場合にセパレータ表面との間に微細気泡が発生するので、加温さえた冷媒の通路を確保して凍結した際の解凍時間が短縮できる。
【００２３】
第４の発明によれば、前記セパレータの対向する表面を、アノード側セパレータの表面とカソード側の表面とすることにより、凍結した際に表面粗度を大きくした表面の解凍を速やかに行い、全体に冷却媒体を巡らせるまでの時間を短縮できるのに加えて、セパレータを容易に製作することができる。
【００２４】
第５の発明によれば、粗面の表面粗度を、算術平均粗さRa≦３．５μｍ、最大高さRy≦２０μｍとしたので、冷却媒体の流動性の低下を抑制し、また、セパレータ基材表面に薄膜コーティングを施す場合、塗料の性能の低下を抑制できる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
図１に本実施形態における燃料電池１の構成図を示す。
【００２６】
燃料電池構造体として膜状固体高分子電解質体２を挟んで、板状のアノード電極３ａとカソード電極３ｂを設置し、その燃料電池構造体を挟んで略板形状の二つのセパレータ、アノード側セパレータ４ａ、カソード側セパレータ４ｂを設置する。電解質体２、電極３ａ、３ｂ、セパレータ４ａ、４ｂはそれぞれ互いに平行になる様に設置されている。これら電解質体２、電極３ａ、３ｂ、およびセパレータ４ａ、４ｂでもって単位セル１ａを構成し、このようなセルを複数個平行に並べて燃料電池１を形成する。
【００２７】
アノード側セパレータ４ａ（４ａａ）のアノード電極３ａに対向する面６ａ（６ａａ）に、図において水平方向に延びる複数の互いに平行した燃料ガスを供給するための溝７ａ（７ａａ）を面全体に均等に形成する。一方、カソード側セパレータ４ｂのカソード電極３ｂに対向する面６ｂには、酸化剤ガスを供給するための垂直方向に延びる複数の互いに平行な溝７ｂを面全体に均等に形成する。ここで、本実施形態においては、燃料ガスを供給するための溝７ａ（７ａａ）と酸化剤ガスを供給するための溝７ｂは互いに直交して形成したが、この限りではなく、互いに平行に形成してもよい。そして、アノード電極３ａでは、反応
【００２８】
【式１】

が起こり、電子は図示しない導線を通り、電気エネルギーとして利用されカソード電極３ｂに到達する。一方、プロトンは電解質体２を通過し、カソード電極３ｂに到達する。カソード電極３ｂでは、供給された電子とプロトン、そして酸化剤に含まれる酸素により反応、
【００２９】
【式２】

がおこり発電に必要な電気的化学反応が終結する。
【００３０】
アノード電極３ａとカソード電極３ｂとの間では、このような反応（１）、（２）が行われ、セル全体の温度が上昇する。
【００３１】
そのため、セパレータ４ａ、４ｂ（４ａａ）のそれぞれの電極３ａ、３ｂと対向しない背面に、複数の溝８ａ、８ｂ（８ａａ）を形成し、相隣り合うセルの互いに対向するこれらの溝８ａ、８ｂ（８ａａ）を組み合わせることで冷却流路９を設ける。つまり図１においては、１ａ内のカソード側セパレータ４ｂと、隣接するセルにおけるアノード側セパレータ４ａａの表面の溝８ｂ、８ａａにより一つの冷却流路９を形成する。冷却流路９はセパレータ４ａ、４ｂ（４ａａ）の面全体に互いに平行に、且つ、均等に形成し、この冷却流路９には冷却媒体を導く。
【００３２】
本実施形態では、セパレータ４ａ、４ｂ（４ａａ）のそれぞれに溝を設けているが、隣接するセルの対向面においてどちらか一方のセパレータにのみ溝を設けたものでもよい。また、酸化剤ガスを供給する溝７ｂと冷却流路９を平行に形成したが、この限りではない。そして、本発明では冷却流路内において対向する表面として冷却流路９を形成する各溝８ａ、８ｂ、８ａａの底面に熱伝導率を高めるための表面処理を施す、具体的にはセパレータ４ａ、４ｂ（４ａａ）に用いた材質より熱伝導性の高い塗料を塗布した塗装面を形成する、もしくは表面粗度を大にした粗面を形成することにより冷却効率を向上させることができる。
【００３３】
本発明における参考例及び実施形態について、冷却流路９の断面拡大図を図２〜図４に示す。図２〜図４は図１におけるカソード側セパレータ４ｂとアノード側セパレータ４ａにより形成された冷却流路９の拡大図である。
【００３４】
図２に示した参考例１においては、セパレータ４ｂ、４ａａに形成した溝８ｂ、８ａａの底面５ｂ、５ａａには冷却性能を確保するための表面処理部として、互いに同程度の粗さ、例えば表面粗さを２.９μｍに設定した粗面を形成する。参考例１において冷却流路内で対向する表面として溝の底面に表面処理を行っているが、溝の側面部分１１ａａ、１１ｂ、１２ａａ、１２ｂに表面処理を施すこともできる。ここで、熱伝導性および伝熱伝導性の許容範囲から算術平均粗さＲａは最大で３.５μｍ、好ましくは３.０μｍ以下であり、且つ、最大高さＲｙは２０μｍ以下、好ましくは１０μｍ以下であるように設定する（Ｒａ、Ｒｙともに評価長さが４ｍｍである。ここで評価長さとは、表面粗さによってその信頼性を得るために必要な測定長さ）。
【００３５】
ここで、セパレータ４ｂ、４ａａ（４ａ）は、金属もしくはカーボンと樹脂の複合材料により、既知の諸方法により形成され、従って、セパレータ４ｂ、４ａａ（４ａ）の粗面を形成するための表面処理を施す以前の表面粗さは、基本的には金属版表面もしくはモールドの場合には金型の表面とほぼ同等の粗さ（Ｒａが約１.０μｍ以下）を保持している。なお本発明で用いるセパレータ基材は金属、グラファイト及びカーボンと樹脂の複合材料、その他これらの組み合わせのいずれにも用いることができる。
【００３６】
溝の底面５ｂ、５ａａの粗面は、ブラッシング、サンディング、エッチングもしくはブラスト等の表面処理方法で形成され、ブラシの硬さやサンディング材の目の粗さ、ショットブラストの際に用いる砥粒径や硬さ等は、セパレータ基材の硬さや必要とする表面粗さの程度に合わせて適宜変えることができる。また、セパレータ４ｂ、４ａａの外周にシール材を施す場合には、ガス密封性を保証するために冷却材流路９を形成する溝８ｂ、８ａａの底面５ｂ、５ａａのみに表面処理を行っているが、冷却面全体に表面処理を施してもよい。
【００３７】
表面処理を形成する方法としてはエアブラストが利用できる。ブラスト用砥粒は既知のものがいずれも使用可能であるが、セパレータ表面に残った場合の安定性からガラスビーズを砥粒に用いるのが最も好ましい。
【００３８】
次に図３に示した参考例２においては、冷却流路９を形成する溝８ｂ、８ａａのうち、一方の溝８ａａの底面５ａａに表面を、例えば算術平均粗さＲａが２.９μｍに設定した粗面を形成し、他方の溝８ｂを未処理（算術平均粗さＲａが約１.０μｍ）とする。粗面の形成方法は参考例１と同様とする。
【００３９】
図４に示した本実施形態においては、冷却流路９を形成する溝８ｂ、８ａａのうち、一方の溝８ａａの底面５ａａに算術平均粗さＲａが２.９μｍの粗面を形成し、他方にセパレータの表面を形成する部材より親水性の高い塗料を塗布し、塗膜面を形成する。
【００４０】
ここで、親水性の高い塗料として、例えば、カーボンと親水性の高い樹脂を主成分としたもので、さらに熱硬化性の樹脂を少量添加することで、セパレータ４ｂの表面への接着を向上することができる。カーボンは均一な表面を得るために、その平均粒径が30μｍのものが好ましい。
【００４１】
また、この組成に含まれる樹脂（親水樹脂＋熱硬化性樹脂）量は、形成膜自体の電気伝導性が低下することによる発電性能の低下を防ぐため、カーボン100重量部に対して２５重量部以下が好ましい。ここでは、平均粒径１μｍの黒鉛紛100重量部に対してフェノール樹脂5.6重量部、ポリビニルアルコール11.7重量部を主成分とする親水性を呈する塗料を厚さ20μｍで形成する。
【００４２】
上記組成を有機溶剤、例えばメタノール等に溶解・分解させ、公知の塗布方法により溝の底面４ｂに親水性膜を形成する。
【００４３】
このように熱伝導性を高める表面処理を施したセパレータを有する燃料電池１による電圧値の時間的変化を図５に、温度の時間的変化を図６に示す。比較のために、上記にような表面処理を施していない従来のセパレータを有する燃料電池１の電圧値と温度を「比較例」としてプロットする。
【００４４】
参考例１においては、表面処理を施さないものに対して、燃料電池１の発生電圧を高めることができる。また、温度についても、低下させることができる。これは、冷却流路９を形成する溝８ａ、８ｂ、８ａａの底面５ａ、５ｂ、５ａａを粗面とすることで冷却面積を増加することができ、冷却効率を高めることができる、また、Ｒａを３．５μｍ以下とし、対向する溝８ｂ、８ａａ（８ａ）の両底面５ｂ、５ａａ（５ａ）を粗面とするので、冷却媒体の流動性が低下することによる冷却効率の低下を防ぐことができるためである。その結果、燃料電池１の温度について過度の上昇を抑え、効率的な発電を行うことができる。
【００４５】
また、特に燃料電池１の発電停止時に冷却媒体の一部もしくは全部を回収するようなシステムにおいては、冷却流路９の一部に冷却剤が残り、外気温が氷点下で凍結した場合であっても、次の起動時に粗面に微細な気泡が生じるので解凍時間を短縮することができる。
【００４６】
参考例２においては、燃料電池１の温度は、参考例１よりは高いが、表面処理を施さないものよりは低くなる。
【００４７】
ここで、セパレータの表面が疎水性の高い材質で形成されている時は、表面を粗面とすることでさらに疎水性を向上でき、反対に親水性の高い材質で形成されている時は表面を粗面とすることでさらに親水性を向上することができる。本実施形態においてはセパレータ４ｂ、４ａａ（４ａ）を、疎水性を有するカーボン等で形成するため、表面に粗面を形成した底面５ａａの疎水性がさらに向上する。
【００４８】
冷却流路９を形成する二つの溝８ｂ、８ａａのうち溝８ａａの底面５ａａのみにしか表面処理を施さないため、冷却効率は参考例１には劣る。しかし、上記の理由から底面５ｂに対し底面５ａａの疎水性が相対的に向上するので、冷却剤の解凍のために冷却流路９に加温媒体を通す際に、底面５ａａ側が短時間で解凍され、通路全体に加温媒体を巡らせるまでの時間を短縮することができる。
【００４９】
本実施形態においては、冷却流路９を形成する溝８ａａの底面５ａａを粗面とし、溝８ｂの底面５ｂを親水性の高い塗膜面としたので、冷却効率の向上を確保しつつ、底面５ａａの底面５ｂに対する相対的な疎水性がさらに向上するので、冷却剤は底面５ｂ側で凍結する傾向が強くなり、解凍時に加温媒体を通路全体に巡らせるまでの時間をさらに短縮することができる。
【００５０】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるわけではなく、特許請求項の範囲に記載した技術思想の範囲以内で様々な変更が成し得ることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態に用いる燃料電池の構造図である。
【図２】参考例１における冷却剤流路断面拡大図である。
【図３】参考例２における冷却剤流路断面拡大図である。
【図４】本実施形態における冷却剤流路断面拡大図である。
【図５】燃料電池の電圧の変化を表す図である。
【図６】燃料電池の温度の変化を表す図である。

Claims

固体高分子電解質をその外側からアノード電極とカソード電極で挟んで構成される燃料電池構造体と、
前記燃料電池構造体を狭持するアノード側セパレータとカソード側セパレータとを備え、
前記燃料電池構造体と、前記アノード側セパレータと、前記カソード側セパレータとで単位セルを構成し、複数の前記セルが積層された燃料電池において、
前記アノード側セパレータと前記カソード側セパレータは、
隣り合うセルの互いに対向する対向面において前記アノード側セパレータと前記カソード側セパレータの少なくとも片方に冷却溝を設けて冷却媒体を流す冷却流路を形成し、
前記冷却流路内の対向する表面の内、どちらか一方には熱伝導性を高めるための表面処理を施し、もう一方には親水処理を施した表面処理部を有するセパレータであることを特徴とする燃料電池。
前記熱伝導性を高めるための表面処理として、セパレータに用いた材質より熱伝導性の高い塗料を塗布した塗装面を形成した請求項１に記載の燃料電池。
前記熱伝導性を高めるための表面処理として、表面粗度を大にした粗面を形成した請求項１に記載の燃料電池。
前記セパレータの対向する表面は前記アノード側セパレータの表面と前記カソード側セパレータの表面の組み合わせとする請求項１から３のいずれか一つに記載の燃料電池。
前記粗面の表面粗度は、算術平均粗さRa≦３．５μｍ、最大高さRy≦２０μｍとする請求項３に記載の燃料電池。