JP4512323B2

JP4512323B2 - 燃料電池用導電性セパレータおよび燃料電池

Info

Publication number: JP4512323B2
Application number: JP2003142117A
Authority: JP
Inventors: 伸一有坂; 安男武部; 英夫小原; 一仁羽藤; 栄一安本
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-05-20
Filing date: 2003-05-20
Publication date: 2010-07-28
Anticipated expiration: 2023-05-20
Also published as: JP2004349014A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主に、電極にガスを供給するガス流路および前記ガス流路と連通するマニホルド孔を有する導電性セパレータを備えた燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高分子電解質型燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと、空気などの酸素を含有する酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることで、電力と熱とを同時に発生させるものである。高分子電解質型燃料電池は、一般にプロトン伝導性を有する高分子電解質膜、電極および導電性セパレータを具備する。電極は拡散層と触媒反応層とをあわせたものからなる。触媒反応層は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜の両側に形成されており、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分としている。そして、触媒反応層の外面に、燃料ガスおよび酸化剤ガスの通気性と電子伝導性をあわせ持つ拡散層が形成されている。
【０００３】
供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスが外部にリークし、あるいは二種類のガスが互いに混合しないように、電極の周囲には、高分子電解質膜を挟んでガスシール材やガスケットが配置される。このガスシール材やガスケットは、予め電極および高分子電解質膜と一体化して組み立てられ、これを、ＭＥＡ（電解質膜電極接合体）と呼ぶ。
【０００４】
ＭＥＡの両側には、これを機械的に固定するとともに、隣接したＭＥＡを互いに電気的に直列に接続するための導電性セパレータが配置される。導電性セパレータのＭＥＡと接触する面には、電極に燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給し、生成ガスまたは余剰ガスを排出するためのガス流路が形成されている。ガス流路はセパレータに別部品を設けて作成することもできるが、一般的には、板状の材料の表面を切削したり、プレス加工するなどして、セパレータの表面に溝やリブを設けてガス流路が形成される。
【０００５】
そして、溝に燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給するには、燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給配管を、使用するセパレータの枚数に応じて分岐させなければならない。さらに、その分岐先をセパレータの溝と連通させる配管治具が必要となる。この治具を外部マニホルドと呼び、治具内に設けられた燃料ガスまたは酸化剤ガス等が流れる通路をマニホルド孔と呼ぶ。
【０００６】
一方、より簡単な構造を有するものとして、内部マニホルド型と呼ばれるものがある。内部マニホルド型とは、ガス流路を有するセパレータ、およびＭＥＡからなる積層体に、積層方向に形成した貫通孔を設け、これをマニホルド孔として使用するものである。ＭＥＡおよびセパレータに形成された貫通孔の周囲には、リブを設けたり、Ｏ型リングを配置するなどして必要なシールが施される。そして、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給配管をマニホルド孔と連通させ、この孔から直接、燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給する。
【０００７】
また、燃料電池は運転中に発熱するので、電池を良好な温度状態に維持するために、冷却水等で冷却する必要がある。そのため、通常は、１〜３セル毎に冷却水を流す冷却部が、セパレータとセパレータとの間に設けられている。ただし、一般には、セパレータの背面に冷却水流路を設けて冷却部とする場合が多い。
一般的な燃料電池は、ＭＥＡ、導電性セパレータおよび冷却部からなる単セルを交互に設け、これを１００〜２００セル積層したスタックを締結ボルトで両端から固定し、締め付けた構造を有する。
【０００８】
このような燃料電池に用いられる内部マニホルド型スタックでは、高分子電解質膜を挟んで配置されたガスシール材やガスケットが、マニホルド孔に隣接するガス流路の端部に入り込むことがある。その結果、セパレータとＭＥＡとの間に隙間が生じ、ガス漏れが生じる。このようにガスシール材やガスケットがガス流路の端部に入り込むのを抑制するために、マニホルド孔と連なるガス流路の端部を平板からなるカバープレートで覆い、トンネル構造にする技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００９】
【特許文献１】
特開平９−３５７２６号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述したセパレータの構造では、ガス流路の端部をカバープレートで覆っても、カバープレートがそこに固定されていないため、スタックの製作時間にロスが生じる。例えば、スタックの組立時に、セパレータのガス流路面を下に向けて積層させたい場合、組み立てが困難である。
そこで、このような問題を低減するために、セパレータとカバープレートとを接着剤で固定する手法が考えられる。しかし、接着剤を使うことにより寸法精度がずれるという問題が生じる。さらに、接着剤中に含まれている可塑剤や未反応の低分子成分が溶出することによるＭＥＡへのダメージが懸念される。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記問題を鑑みたものであり、ＭＥＡへダメージを与えることなく、燃料電池のスタックの組立を効率よく行うためになされたものである。
【００１２】
すなわち、本発明は、燃料または酸化剤を供給し排出するガス流路と、前記ガス流路の端部に連通するマニホルド孔と、を有する燃料電池用導電性セパレータであって、前記導電性セパレータが、前記ガス流路の端部を含むマニホルド孔隣接部に形成され、前記導電性セパレータの周縁部上面より窪んでいる窪み部と、前記マニホルド孔隣接部を挟み込み、前記窪み部と嵌合して前記ガス流路の端部を覆うカバープレートと、を有し、前記カバープレートが、前記マニホルド孔隣接部の前記ガス流路が形成された面およびその反対側の面にそれぞれ対向する一対の支持部材と、前記一対の支持部材の一端を連結する背面部と、を具備し、前記背面部が、前記ガス流路と前記マニホルド孔とを連通させるガス流通用貫通孔を有する、燃料電池用導電性セパレータに関する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
実施の形態１
図１は、本発明の実施の形態１にかかる導電性セパレータの一例を概念的に示す斜視図であり、表面に燃料ガス流路が形成されている例を示す。
図１より、導電性セパレータ１１は、燃料ガス流路１６ａ、燃料ガス用マニホルド孔１２ａ、酸化剤ガス用マニホルド孔１２ｂおよび冷却水用マニホルド孔１９を有する板材１８と、燃料ガス用マニホルド孔１２ａと連通する燃料ガス流路１６ａの端部を覆うカバープレート１３からなる。
【００１６】
燃料ガスを供給し、生成ガスを排出する燃料ガス流路１６ａは、導電性セパレータ１１のＭＥＡと接触する面に設けられている。燃料ガス流路１６ａの両端部は、板材１８の対角位置にあり、燃料ガス用マニホルド孔１２ａは、燃料ガス流路１６ａの端部に隣接して形成されている。
燃料ガス流路１６ａの端部を有する板材１８のマニホルド孔隣接部１５は、板材１８の周縁部上面より窪んでおり、その窪みにカバープレート１３が嵌合している。
【００１７】
カバープレート１３は、マニホルド孔隣接部１５の上下面とそれぞれ対向する一対の支持部材を具備する凹形状を有しており、前記支持部材でマニホルド孔隣接部１５を挟み込むことにより、マニホルド孔隣接部１５に嵌合した状態で固定されている。すなわち、カバープレート１３は、接着剤などを用いることなく、板材１８に直に固定されている。そして、カバープレート１３の上面と、板材１８周縁部の上面とは、面一になっている。
導電性セパレータ１１の燃料ガス流路１６ａが形成された面と反対側の面には、燃料ガスを供給する燃料ガス流路用溝または冷却水を流す冷却水流路用溝が形成されている。
【００１８】
図２に、図１の導電性セパレータのII−II線断面図を示す。
図２に示されるように、カバープレート１３の断面は、凹型の形状を有しており、マニホルド孔隣接部１５の上下面とそれぞれ対向する一対の支持部材２１と、一対の支持部材２１の一端を連結する背面部２２とからなる。背面部２２には、ガス流路用溝１７と燃料ガス用マニホルド孔１２ａとを連通させるガス流通用貫通孔１４が形成されており、その孔を通して燃料ガスの供給、排出を行うことができる。
【００１９】
ここでは、断面が凹型のカバープレートを例にとって説明したが、マニホルド孔隣接部１５を挟み込むことが可能な形状であれば、カバープレートの形状は特に限定されない。マニホルド孔隣接部１５の形状に合わせて、例えば、断面がＵ字型、Ｖ字型の形状を有するカバープレートであってもよい。また、マニホルド孔隣接部１５に溝を形成し、カバープレート１３に前記溝と係合するリブを形成して、双方をはめ合わせて固定してもよい。
【００２０】
参考形態１
図３は、参考形態１にかかる導電性セパレータの一例をマニホルド孔側から見た断面図である。
図３に示されるように、カバープレート３３はマニホルド孔隣接部１５の上面（リブの上面）に内接されている。カバープレート３３の形状は、少なくともガス流路の端部を覆う板状であればよいが、さらにマニホルド孔隣接部１５の端面を覆うＬ字型でもよい。カバープレート３３をＬ字型にする場合は、ガス流路用溝１７とマニホルド孔１２とを連通させるために、カバープレートのマニホルド孔隣接部１５の端面と接する部位に、ガス流通用貫通孔を形成すればよい。
【００２１】
マニホルド孔隣接部１５のカバープレート３３との接面の下には、微細な貫通孔３８が設けられている。従って、貫通孔３８の一端からカバープレート３３を吸引して、吸引力によってカバープレート３３をマニホルド孔隣接部１５に固定することが可能である。また、カバープレート３３を吸引後、貫通孔３８を塞ぐことによって、吸引工程の後にも、カバープレート３３を板材１８に固定したままで維持することができる。
【００２２】
ここでは、カバープレート３３を吸引し板材１８と固定したが、カバープレート３３に、貫通孔３８と嵌合するピンを立設し、前記ピンを貫通孔３８に差し込むことによって板材１８と固定してもよい。あるいは、貫通孔３８に最適量の接着材を流し込むことによって板材１８と固定してもよい。
【００２３】
参考形態２
図４は、参考形態２にかかる導電性セパレータの一例をマニホルド孔側から見た断面図である。
図４に示すカバープレート４３は、磁性材料からなり、磁力によって、マニホルド孔隣接部１５に固定されている。ここでも、カバープレート４３の形状は、少なくともガス流路の端部を覆う板状であればよいが、さらにマニホルド孔隣接部１５の端面を覆うＬ字型でもよい。また、実施の形態１で示したような断面が凹型のものでもよい。カバープレート４３をＬ字型または凹型に形成する場合は、ガス流路用溝１７とマニホルド孔１２とを連通させるために、ガス流通用貫通孔を形成すればよい。
【００２４】
マニホルド孔隣接部１５が磁性材料からなる場合や板材１８が磁気を帯びる物質を含む場合には、磁性材料からなるカバープレートをマニホルド孔隣接部１５に配するだけで、そこにカバープレートを固定することができる。一方、マニホルド孔隣接部１５が磁性材料ではない場合には、マニホルド孔隣接部１５を挟んだカバープレートの対向位置に磁石を配することにより、カバープレートをマニホルド孔隣接部に固定することができる。すなわち、図４に示すように、カバープレート４３と対面する板材１８の下面に磁石４８を配置することにより、カバープレート４３は板材１８に固定される。また、磁石４８は、セパレータを積層後に取りはずしてスタックを組み立てることで、磁石４８による寸法変化をなくすことができる。
【００２５】
参考形態３
図５は、本発明の参考形態３にかかる導電性セパレータの一例をマニホルド孔側から見た断面図である。
図５において、カバープレート５３は、板材１８と当接する側面に、シール用ゴム５８を具備している。カバープレート５３の形状は、少なくともガス流路端部を覆う板状であればよいが、さらにマニホルド孔隣接部１５の端面を覆うＬ字型でもよい。また、実施の形態１で示したような断面が凹型のものでもよい。カバープレート５３をＬ字型または凹型に形成する場合は、ガス流路用溝１７とマニホルド孔１２とを連通させるために、ガス流通用貫通孔を形成すればよい。
【００２６】
シール用ゴム５８は、板材１８と当接するカバープレート５３の側面全体に設けてもよく、側面の一部に設けてもよい。また、シール用ゴム５８に代えて、摩擦係数の大きな材質のものを接合してもよい。さらに、カバープレート５３の側面を摩擦係数を大きくする加工を施してもよい。
【００２７】
【実施例】
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００２８】
（１）導電性セパレータの製造
平均粒径が約１０μｍの人造黒鉛粉末５０重量％と、繊維状グラファイト（平均直径５０μｍ、平均長０．５ｍｍ）３８重量％とを、空気中で約５００℃の温度で１０分間焼成処理した。次に、この熱処理した人造黒鉛粉末と繊維状グラファイトとを、熱硬化性フェノール樹脂１２重量％と押し出し混練機で混練し、この混練粉末をガス流路用溝と冷却水流路用溝およびマニホルド孔を成形するための加工を施した金型に投入し、ホットプレスした。ホットプレスの条件は、金型温度１５０℃、圧力１００ｋｇ／ｃｍ²で１０分間とした。
得られたセパレータは、図１に示した形状を有し、外寸が１８ｃｍ×２０ｃｍ、厚みが１．３ｍｍ、ガス流路および冷却水流路の深さが０．５ｍｍであった。
【００２９】
《実施例１》
実施の形態１に記載のカバープレート１３を、マニホルド孔隣接部１５に嵌合して、導電性セパレータ１１を形成した。ＭＥＡシートのカソード側には、酸化剤ガスを供給するガス流路を形成した導電性セパレータを重ね合わせ、また、アノード側には、燃料ガスを供給するガス流路を形成した導電性セパレータを重ね合わせ、単セルを構成した。続いて、単セルを１２０セル積層してスタックを作製し、締結ボルトで両端から固定し、締め付けることによって燃料電池スタックを作製した。
このように作製された燃料電池は、カバープレートが板材と嵌合された状態で固定されているため、燃料電池スタックの作製時間を従来に比べて大幅に短縮することができた。従来の導電性セパレータでは、マニホルド孔隣接部の上部にカバープレートを載置しただけなので、カバープレートがそこに固定されておらず、スタックの作製時間にロスを生じていた。しかし、上記構成により、従来の製作時間に対して、約１５％の時間短縮を行うことができた。
【００３０】
《参考例１》
参考形態１に記載のカバープレート３３を、マニホルド孔隣接部１５の上面に内接し、貫通孔３８から吸引し、貫通孔３８を塞ぐことにより、導電性セパレータを形成した。ＭＥＡシートのカソード側には、酸化剤ガスを供給するガス流路を形成した導電性セパレータを重ね合わせ、また、アノード側には、燃料ガスを供給するガス流路を形成した導電性セパレータを重ね合わせ、単セルを構成した。続いて、単セルを１２０セル積層してスタックを作製し、締結ボルトで両端から固定し、締め付けることによって燃料電池スタックを作製した。
このように作製された燃料電池は、カバープレートが吸引力によって板材に固定されているため、燃料電池スタックの作製時間を大幅に短縮することができた。従来の導電性セパレータでは、マニホルド孔隣接部の上部にカバープレートを載置しただけなので、カバープレートがそこに固定されておらず、スタックの作製時間にロスを生じていた。しかし、上記構成により、従来の製作時間に対して、約１２％の時間短縮を行うことができた。
【００３１】
《参考例２》
参考形態２に記載のカバープレート４３を、マニホルド孔隣接部１５の上面に内接し、磁石を用いて固定して、導電性セパレータを形成した。ＭＥＡシートのカソード側には、酸化剤ガスを供給するガス流路を形成した導電性セパレータを重ね合わせ、また、アノード側には、燃料ガスを供給するガス流路を形成した導電性セパレータを重ね合わせた。このようにして、単セルを構成した。続いて、単セルを１２０セル積層してスタックを作製した。単セル積層時に、順次、磁石をはずしてスタックを組み立てた。締結ボルトで両端から固定し、締め付けることによって燃料電池スタックを作製した。
このように作製された燃料電池は、スタック組み立て時に、カバープレートが磁力によって板材に固定されているため、燃料電池スタックの作製時間を大幅に短縮することができた。従来の導電性セパレータでは、マニホルド孔隣接部の上部にカバープレートを載置しただけなので、カバープレートがそこに固定されておらず、スタックの作製時間にロスを生じていた。しかし、上記構成により、従来の製作時間に対して、約１３％の時間短縮を行うことができた。
【００３２】
《参考例３》
参考形態３に記載のゴム部材を具備したカバープレート５３を、マニホルド孔隣接部１５に嵌合して、導電性セパレータ１１を形成した。ＭＥＡシートのカソード側には、酸化剤ガスを供給するガス流路を形成した導電性セパレータを重ね合わせ、また、アノード側には、燃料ガスを供給するガス流路を形成した導電性セパレータを重ね合わせた。このようにして、単セルを構成した。続いて、単セルを１２０セル積層してスタックを作製し、締結ボルトで両端から固定し、締め付けることによって燃料電池スタックを作製した。
このように作製された燃料電池は、カバープレートがゴム部材によって板材に固定されているため、燃料電池スタックの作製時間を大幅に短縮することができた。従来の導電性セパレータでは、マニホルド孔隣接部の上部にカバープレートを載置しただけなので、カバープレートがそこに固定されておらず、スタックの作製時間にロスを生じていた。しかし上記構成により、従来の製作時間に対して、約１２％の時間短縮を行うことができた。
【００３３】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、板材のマニホルド孔隣接部にカバープレートを嵌合させることによって、板材を固定したので、導電性セパレータの取り扱いが容易になり、燃料電池のスタック組み立ての作業時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる導電性セパレータの一例を概念的に示す斜視図である。
【図２】同導電性セパレータのII−II線断面図である。
【図３】参考形態１にかかる導電性セパレータの一例をマニホルド孔側から見た断面図である。
【図４】参考形態２にかかる導電性セパレータの一例をマニホルド孔側から見た断面図である。
【図５】参考形態３にかかる導電性セパレータの一例をマニホルド孔側から見た断面図である。

Claims

燃料または酸化剤を供給し排出するガス流路と、前記ガス流路の端部に連通するマニホルド孔と、を有する燃料電池用導電性セパレータであって、
前記導電性セパレータが、前記ガス流路の端部を含むマニホルド孔隣接部に形成され、前記導電性セパレータの周縁部上面より窪んでいる窪み部と、
前記マニホルド孔隣接部を挟み込み、前記窪み部と嵌合して前記ガス流路の端部を覆うカバープレートと、を有し、
前記カバープレートが、前記マニホルド孔隣接部の前記ガス流路が形成された面およびその反対側の面にそれぞれ対向する一対の支持部材と、前記一対の支持部材の一端を連結する背面部と、を具備し、
前記背面部が、前記ガス流路と前記マニホルド孔とを連通させるガス流通用貫通孔を有する、燃料電池用導電性セパレータ。
アノード、カソード、前記アノードと前記カソードとの間に配置される電解質膜、アノード側導電性セパレータおよびカソード側導電性セパレータを備え、
前記アノード側導電性セパレータおよび前記カソード側導電性セパレータのうちの少なくとも一方が、請求項１記載の燃料電池用導電性セパレータである、燃料電池。