JP4451963B2

JP4451963B2 - 固体高分子型燃料電池冷却水流路用荷重伝達波板及びそれを用いた固体高分子型燃料電池

Info

Publication number: JP4451963B2
Application number: JP2000143103A
Authority: JP
Inventors: 寛紀平; 正夫菊池; 徹内海
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2000-05-16
Filing date: 2000-05-16
Publication date: 2010-04-14
Anticipated expiration: 2020-05-16
Also published as: JP2001325968A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
電力を直接的駆動源とする自動車、小規模の発電システムなどに用いられる固体高分子型燃料電池に関し、さらに詳しくは、固体高分子型燃料電池冷却水流路用荷重伝達波板及びそれを用いた固体高分子型燃料電池に関わる。
【０００２】
【従来の技術】
近年電気自動車用燃料電池の開発が固体高分子材料の開発成功を契機に急速に進展し始めている。
固体高分子型燃料電池とは、従来のアルカリ型燃料電池，燐酸型燃料電池，溶融炭酸塩型燃料電池，固体電解質型燃料電池などとは異なり、水素イオン選択透過型の有機物膜を電解質として用いることを特徴とする燃料電池であり、燃料には純水素のほか、アルコール類の改質によって得た水素ガスなどを用い、空気中の酸素との反応を電気化学的に制御することによって電力を取り出すシステムである。
【０００３】
固体高分子膜は薄くても十分に機能し、電解質が膜中に固定されていることから、電池内の露点を制御してやれば電解質として機能するため、水溶液系電解質や溶融塩系電解質など流動性のある媒体を使う必要がなく、電池自体をコンパクトに単純化して設計できることも特徴である。
【０００４】
従来、燃料電池用ステンレス鋼としては、特開平４−２４７８５２号、同４−３５８０４４号、同７−１８８８７０号、同８−１６５５４６号、同８−２２５８９２号、同８−３１１６２０号などの公報に開示されているように、高い耐食性が要求される溶融炭酸塩環境で稼動する燃料電池用ステンレス鋼がある。
また、特開平６−２６４１９３号、同６−２９３９４１号、同９−６７６７２号などの公報に開示されているように、数百度の高温で稼動する固体電解質型燃料電池材料の発明がなされてきた。
【０００５】
一方、冷却用水溶液の沸点以下の領域で稼動する固体高分子型燃料電池の構成材料としては、温度がさほど高くないこと、および、その環境下で耐食性・耐久性が十分発揮させることが可能であることなどにより炭素系の材料が使用されてきているが、より低コスト化や小型化を目指してステンレス鋼やチタンの適用に関する技術開発も進んでいる。
【０００６】
特開平１０−２２８９１４号公報には、単位電池の電極との接触抵抗の小さい燃料電池用セパレータを得ることを目的に、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）をプレス成形することにより内周部に多数個の凹凸からなる膨出成形部を形成し、膨出成形部の膨出先端側端面に０．０１〜０．０２μｍの厚さの金メツキ層を形成したことを特徴とする燃料電池用セパレータを発明し、その使用法として燃料電池を形成する際に燃料電池用セパレータを積層された単位電池の間に介在させ、単位電池の電極と膨出成形部の膨出先端側端面に形成された金メツキ層とが当接するように配設し、燃料電池用セパレータと電極との間に反応ガス通路を画成する技術が開示されている。
【０００７】
しかし、この技術をもとに実際に固体高分子型燃料電池を試作すると以下３点の技術的問題があることがわかった。
ａ）長期耐久性が求められる固体高分子型燃料電池内の環境において、ステンレス製セパレータの合金成分としては一般汎用鋼種であるＳＵＳ３０４では不充分となる場合があり、その対策としてＣｒ、Ｎｉ、Ｍｏなどの含有量を上げる必要がある。
【０００８】
ｂ）Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏなどの合金組成を上げたステンレス鋼の場合、湿式の金メッキ法だけでは金メッキ層とステンレス鋼基板の間に、ステンレス鋼の不働態酸化皮膜がメッキ処理中に完全に還元されずに残留し、ステンレス鋼と金メッキ層の間の層間抵抗が生じ、電力ロスの原因となることがある。その対策として、皮膜を除去しながら貴金属を付着させる必要がある。
【０００９】
ｃ）セパレータはプレス成形により内周部に多数個の凹凸からなる膨出成形部を形成した形を想定しているが、実際に四周に平坦部をもつ当該部材の加工を試みると、凹凸からなる膨出成形部において延性割れを生じ、対策として生産性の低い多段工程を組まなくてはならくなり、必ずしもコストダウンにつながらず、さらに、長期信頼性向上のために合金組成を上げたステンレス鋼はＳＵＳ３０４に比べ加工性が低下することから、この形状にプレス成形することは困難である。
【００１０】
発明者らは既に、前記ａ）やｂ）の問題点に対しては、その解決手段を特願平１１−６２８１３号、特願平１１−１７０１４２号などに開示している。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前記ｃ）の問題点に鑑み、加工工程が簡略化でき、低コスト・高耐久型の固体高分子型燃料電池の生産技術を実現できるステンレス鋼またはチタン製の固体高分子型燃料電池セパレータとその適用を可能とする冷却水流路用荷重伝達波板、集電体用カーボンペーパーならびにこれらを使用してなる固体高分子型燃料電池の提供をその課題としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するため、固体高分子型燃料電池の作用原理に基づきつつ、ステンレス鋼やチタンの成形加工を最小限とした量産可能な低コスト燃料電池構造方式を鋭意検討した結果、本発明を完成させたもので、その要旨とするところは以下の通りである。
（１）片面もしくは両面において、表面の中心線平均粗さＲａが１０μｍ未満であることを特徴とするステンレス鋼製もしくはチタン製の平坦な固体高分子型燃料電池セパレータに積層して用い、歯車ロールにより成形した全幅波板加工部及び、冷却水流路スペーサーからなることを特徴とするステンレス鋼もしくはチタン製固体高分子型燃料電冷却水流路用荷重伝達波板。
（２）片面もしくは両面において、表面の中心線平均粗さＲａが１０μｍ未満であることを特徴とするステンレス鋼製もしくはチタン製の平坦な固体高分子型燃料電池セパレータ、前記（１）に記載の冷却水流路用荷重伝達波板、前記セパレータに積層して用い、セパレータに接する片面にガス流路となる溝を有することを特徴とする集電体用カーボンペーパーを、それぞれ１以上備えることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に図面を用いて詳細を説明する。図１にセパレータと前記（１）に記載の冷却水流路用荷重伝達波板の具体的形状の一例を示す。平坦部からなることを特徴とするステンレス鋼製またはチタン製の固体高分子型燃料電池セパレータ１、これに積層して用いられるステンレス鋼製またはチタン製の全幅波板加工された冷却水流路用荷重伝達波板２である。固体高分子型燃料電池セパレータ１の冷却水流路用荷重伝達波板２や後に説明する集電体用カーボンペーパー５が当接する面の中心線平均粗さＲａは１０μｍ未満とする必要がある。Ｒａが１０μｍ以上ではガスや冷却水のシールが不十分となり、長期の使用に耐えない。シール性能向上の観点からはＲａは小さいほどよいが、Ｒａを０μｍに近づけるためには研磨コストがかかりすぎるので、通常０．１μｍ以上５μｍ未満の範囲とすることが好ましい。
【００１４】
言うまでもなく、冷却水流路用荷重伝達波板２の断面形状や寸法に関してはこの図面に限定されるものではなく、必要に応じて種々選択されるべきものである。図１のような形状は、ステンレス鋼やチタンの薄板あるいは箔を歯車ロールにより簡単かつ効率的に成形でき、しかもその加工モードは折り曲げだけなので、従来考えられてきた四周に平坦部を有するセパレータ成形で生じた伸び破断現象は起こり得ない。
【００１５】
このようなセパレータを用いて固体高分子型燃料電池構造を設計する際に問題となるのは、内部・外部へ供給・排出するガスや冷却水の流路の設定と、供給したガス類や冷却水の外部への漏れ防止シールをどのように実現するかである。
そこで上述のセパレータを用いた燃料電池スタックの構造設計法によって燃料電池を構成する。その具体例を図２に示す。
【００１６】
図中の３は、ガス流路として４個の穴をあけて作成したセパレータである。このセパレータに要求される機能は、水素を含む燃料ガスと酸素を含む空気ガスを電池内部で混合しないよう分離すること、および発生した電流を隣のセルに伝える電気伝導性である。図中４は、このセパレータと両面に電極触媒７が塗布された固体高分子膜６の間に、電極面へガスを行き渡らせつつも外部とのガスシールを行うガス流路スペーサーである。
【００１７】
このガス流路スペーサー４の特徴は、中央部がくりぬかれており、そこに電極触媒層７で発生する電流を補足してセパレータ３に伝えつつ、電極触媒層へのガス供給・排出が一様にできるよう片面に溝が刻まれた集電体用カーボンペーパー５を設置する。この集電体用カーボンペーパー５の形状に関しては、セパレータ３の表面の中心線平均粗さＲａを１０μｍ未満としたことと相俟って、平坦部のみからなるステンレス鋼製またはチタン製セパレータ３を使用可能とした鍵の一つである。
【００１８】
さらに、このガス流路スペーサー４には、セパレーター３に設置されたガス供給・排出用の４個の穴ｈ1 、ｈ2 、ｈ3 、ｈ4 に当接される部分に穴ｈ5 、ｈ6 、ｈ7 、ｈ8 があり、相対する一対の穴ｈ5 とｈ8 は集電体用カーボンペーパー５が設置された中央のくりぬかれた部分と連絡されている。
【００１９】
図２の下から２段目に例示したガス流路スペーサー４と集電体５との合成構造層においては、燃料ガス（空気ガス）はｈ7 日ら集電体用カーボンペーパー５の溝を通って電気触媒層全体に供給され、反応ガスや未反応ガスとしてｈ6 から排出されるよう工夫した。図２の下から４段目には上下逆転したガス流路スペーサー・集電体の合成構造図を示すが、ここでは下から２段目とは前後逆経路で空気ガス（燃料ガス）の供給・排出が行われる。
【００２０】
図中の８は、冷却水を外部からシールする目的で付与された冷却水流路スペーサーであり、９はスタック製造時に上下に荷重がかけられる際、冷却水流路においても荷重が伝達されスタックの変形が防止されるよう設置されるステンレス鋼製またはチタン製冷却水流路用荷重伝達波板である。この方式も成形加工不要のステンレス鋼製またはチタン製セパレータの適用を可能とするもう一つの鍵である。
【００２１】
図２中のＡサイクルを繰り返して積み上げれば冷却装置のない直列の燃料電池スタックが構成され、いくつかの単セルが積みあがったところでＢサイクルを挿入することで冷却水流路も形成される。燃料電池のコスト低減と発電効率の向上を最適化させるためには、ＡサイクルとＢサイクルの上手な組み合わせが肝要となる。尚、この様に積み上げられたスタックには、図２の向きで言うと手前側と奥側にそれぞれ外部へ開放された冷却水流路が形成されるが、冷却水は手前（奥）から奥（手前）側へ向けスタック外部から供給・排出されることとなる。
【００２２】
さらには、セパレータ／カーボンペーパー集電体あるいはセパレータ／冷却水流路用荷重伝達波板の界面においては接触抵抗が生じ電力ロスにつながる懸念もあるが、これは特願平１１−１７０１４２号に記載の酸化皮膜を除去しながら貴金属を付着させる表面処理を行うことで、耐久信頼性のために合金成分を増やした高耐食ステンレス鋼や、チタンなどを用いても電力ロス発生を防止できる。
【００２３】
以上に説明したように、従来成形加工が必須と考えられていた固体高分子型燃料電池用金属製セパレータにおいて、成形加工を不要化した平坦なセパレータが固体高分子型燃料電池の構成材料として使用可能となった。その実現には冷却水流路用荷重伝達波板、および、片面に溝が刻まれた集電体用カーボンペーパーが重要な鍵となっている。
【００２４】
図２では冷却水流路用荷重伝達波板の断面形状が矩形波状のものを例に本発明の説明を行ったが、正弦波状や台形波状などの荷重伝達波板を使用しても同様の構造方式が適用できる。
【００２５】
ガス流路スペーサーや冷却水流路スペーサーの材質は、冷却水の沸点以下で分解・変形が起きない樹脂であればよく、ガスや冷却水のシール性、さらにはコストも考慮すると、シリコン樹脂、ブタジエンゴム系樹脂、フッ素系樹脂などが適用可能である。
【００２６】
また、図２に示した各部材には、燃料電池としての基本機能を損ねないよう配慮さえすれば、スタックを積み上げる上で正確な位置決めを行ったり、スタック全体を締め付けて圧をかけるためのロッド穴やボルト穴などを付与することも可能である。
【００２７】
集電体用カーボンペーパーに刻まれた溝の周期や振幅、さらにそのパターンは、ガス供給の均一性と集電効率の観点からより細かいことが望ましいが、経験的には周期２ｍｍ、振幅０．３ｍｍ程度ならカーボンペーパーの型キャスト法による成形もでき、燃料電池性能も向上する。接触抵抗低減の観点からは、冷却水流路用荷重伝達波板の断面形状は正弦波よりも台形波や矩形波の方が、接触面積が大きく取れるので無駄が少ない。
【００２８】
セパレーターや冷却水流路用荷重伝達波板の板厚は、軽量化と低コスト化の観点から薄いほうがよいが、あまり薄すぎるとスタック全体の強度が弱くなり、スタック締め付け時に変形が生ずる。また、耐食性や安全性の観点からも薄すぎるのは不安がある。経験的には板厚０．１ｍｍ程度であらかじめ冷間加工して弾性限界を高めたハード材を用いればスタックを構成することは十分可能であり、ＳＵＳ３０４よりも高耐食のステンレス鋼箔やチタン箔を用いれば耐久信頼性も向上する。
【００２９】
【実施例】
上述の発明を元に固体高分子型燃料電池を試作し、ガスシール性能や発電性能を確認した。図３の１１は、図２に示した構成により積み上げた燃料電池スタックであり、図２における上下方向が図３の矢印により示されている。各部材の四周に位置決めと全圧をかける目的でボルト穴を配し、高張力ボルトと剛性のある終端板を用いてスタックの締め付けを行ったが、この図中にはその様子を省略してある。スタックサイクルは図２に示すＡサイクルとＢサイクルを交互に繰り返すようにして、単セルを５０段積み上げる構成とした。セパレータ表面は、冷却水流路用荷重伝達波板、集電体用カーボンペーパーおよびスペーサー類に当接する面を、Ｒａが１〜２μｍとなるよう粗さ調整した。
【００３０】
各部材の寸法は図１のものとほぼ同等のものとし、セパレータおよび変形防止プレートには板厚０．１ｍｍの２０Ｃｒ−１５Ｎｉ−３Ｍｏ系オーステナイト系ステンレス鋼および第二種工業用純チタンを用い、固体高分子膜、触媒電極および炭素繊維集電体は市販のものを用いて、２種類の固体高分子燃料電池を試作した。ガス流路および冷却水流路スペーサーは、シリコーン樹脂を押し出し成形して作成した。
【００３１】
図３の１１は、スタック側面から冷却水を供給・排出するための側面キャップで、スタックと接するキャップ端部はシリコーン樹脂により水漏れしないようシールした。
１２および１４はそれぞれ燃料ガスの導入・排出口であり、１３および１５は空気ガスの導入・排出口である。１６および１７は冷却水の導入・排出口である。この様に試作した固体高分子型燃料電池を８０℃で稼動させ、燃料ガスである水素および空気ガスを９０℃で加湿して供給することで電力発生を行わせた。いずれの固体高分子型燃料電池においても、ガス漏れや水漏れは起こらず、さらには開放電圧で約６０Ｖ、短絡電流で約１２０Ａの電力発生を確認した。従来は燃料電池用金属セパレータには波板状の加工が必要と考えられていたが、成形加工を必要としない本発明のセパレータと電体用カーボンペーパーを用いても十分に燃料電池として機能することがわかった。
【００３２】
これに対し、表面粗さ調整を省略し、Ｒａが１２μｍ程度のセパレータを使用した場合は、ガスシールが不十分となったことが原因と考えられる起電力の急激な低下を１０時間未満で起こしたため、使用に耐えなかった。
【００３３】
【発明の効果】
環境保全に対する意識の高まりから、化石燃料を利用した現行の内燃機関から水素を利用した固体高分子型燃料電池による電気駆動型の自動車や、分散型コジェネシステムへの移行が世界的に検討されている。
これらの新技術が広く一般に利用できるようにするためには低コスト化と高信頼化に関わる技術開発を燃料供給システムも含めて推進する必要がある。
本発明は、この分野で抱える多くの課題のうち、固体高分子型燃料電池用セパレータとして高耐食ステンレス鋼やチタンを、成形加工工程を極小化することで低コストで利用できるようにしたものであり、低コスト固体高分子型燃料電池実現する技術として極めて有効なものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のセパレータと冷却水流路用荷重伝達波板の一例を示す模式図である。
【図２】本発明のセパレータ、冷却水流路用荷重伝達波板、集電体用カーボンペーパーを用いて固体高分子型燃料電池スタックを構築する一例を示した模式図である。
【図３】本発明を適用して試作した固体高分子型燃料電池の一例を示す外観模式図である。
【符号の説明】
１．セパレータ
２．冷却水流路用荷重伝達波板
３．セパレータ
４．ガス流路スペーサー
５．片側にガス流路となる溝を有する集電体用カーボンペーパー
６．固体高分子膜
７．触媒電極層
８．冷却水流路スペーサー
９．冷却水流路用荷重伝達波板
１０．固体高分子型燃料電池スタック
１１．冷却水を供給・排出するための側面キャップ
１２．燃料ガス導入口
１３．空気ガス導入口
１４．燃料ガス排出口
１５．空気ガス排出口
１６．冷却水導入口
１７．冷却水排出口

Claims

片面もしくは両面において、表面の中心線平均粗さＲａが１０μｍ未満であることを特徴とするステンレス鋼製もしくはチタン製の平坦な固体高分子型燃料電池セパレータに積層して用い、歯車ロールにより成形した全幅波板加工部及び、冷却水流路スペーサーからなることを特徴とするステンレス鋼製もしくはチタン製固体高分子型燃料電池冷却水流路用荷重伝達波板。
片面もしくは両面において、表面の中心線平均粗さＲａが１０μｍ未満であることを特徴とするステンレス鋼製もしくはチタン製の平坦な固体高分子型燃料電池セパレータ、請求項１に記載の冷却水流路用荷重伝達波板、前記セパレータに積層して用い、セパレータに接する片面にガス流路となる溝を有することを特徴とする集電体用カーボンペーパーを、それぞれ１以上備えることを特徴とする固体高分子型燃料電池。