JP4659366B2 - 燃料電池用セパレータ - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池に用いられるセパレータに関し、特に複数の部材からなるセパレータに関する。

燃料電池の代表的な構成要素であるセパレータは、ユニットセルにおけるガスの気密性を保つ流路を形成するとともにセルで発生した電気を通す導体の役割をも担っている。ユニットセルと交互に積層されるセパレータには、様々な性能が要求される。まず、反応により発生した電子を集電し、隣り合うセル間の電気的コネクターとしての役割をも担うことから、良好な導電性が必要とされる。また、セパレータは、反応ガスのみではなく部分的に電極にも接触しているため、アノード電位、カソード電位、還元雰囲気、酸化雰囲気において化学的に安定であることが求められる。加えて、自動車等移動体の動力源として使用される場合には、耐振動性のほか、機械的強度等が要求される。さらに、反応ガスである水素と酸素とが混合しないように分離したまま電解質膜の反応面全体に供給するため、ガス不透過性が必要とされる場合もある。

燃料電池用セパレータを構成する材料に関しては、種々の検討が行われてきており、さらに、燃料電池に対する要求水準が高められるにつれ、セパレータ各部位に対する上記要求性能及びその水準が異なることに着目して、それぞれの要求性能、水準を満たす複数の部材からなり、これらの部材を接合等して一体化したセパレータが検討されるようになってきている。特許文献１には、ガス流路部材と枠体部材とを一体成形してなる燃料電池用セパレータにおいて、ガス流路部材用の予備成形体と枠体部材用の予備成形体とを金型に挿入し、一体に熱圧成形する技術が開示されている。また、かかる関連分野に関する技術を開示するものとして特許文献２がある。
特開２００２−６３９１３号公報 特開２００１−２８３８８０号公報

しかし、複数の部材により構成し、一体化された燃料電池用セパレータは、作動時や移動時等の振動や高温作動時に生じる熱膨張差によって、部材間にずれが生じるおそれがあるという問題があった。

そこで、本発明は、複数の部材を一体化して構成された燃料電池用セパレータにおいて、振動や熱膨張差等により生じる外部の力による部材間のずれを防止することを可能にする燃料電池用セパレータを提供することを課題とする。

上記課題を解決するために本発明は以下の解決手段をとる。すなわち、
本発明は、板状体の面方向に直交する方向に設けられた貫通孔を有する緻密質部材と、貫通孔に配設される多孔質部材とが接合面を介して一体化された燃料電池用セパレータであって、接合面には、板状体の片面から他面側にゆくに従って多孔質部材の面方向の断面積が段階的に減少するように、段差が設けられており、緻密質部材及び多孔質部材には、冷却用空気の通気溝が刻設され、緻密質部材に刻設された通気溝の側壁の端面と多孔質部材に刻設された通気溝の側壁の端面とを接合した面が、接合面に含まれることを特徴とする燃料電池用セパレータにより前記課題を解決しようとするものである。

本発明によれば、段差を設けることにより接合面積が増えるため、安定した接合面を得ることができる。また、ミクロ的な視点からも、緻密質部材と多孔質部材とが接合されるので接合面積が増加する。したがって安定した接合面を形成して、板状体面方向に直交する方向の部材間のずれを防止することができる。また、多孔質部材の片面側から他面側にゆくに従って断面積が段階的に減少するので、緻密質部材に多孔質部材を組み付ける加工を容易なものとすることができる。

図１は、本発明の一実施形態としての燃料電池用セパレータを示す断面図である。燃料電池用セパレータ１００は、第１部材Ｉと、第２部材IIとを備えている。第１部材Ｉには、第１部材を形成する板状体の面方向と直交する方向に貫通孔５０が形成されている。該貫通孔５０には、前記板状体の面方向と直交する方向にゆくに従い（図１においては右から左への方向）段階的に垂直方向断面が小さくなるように段差３が設けられている。一方、第２部材IIは、その外周壁が前記貫通孔５０の内周壁に当接されるように形成されている。第１部材Ｉは、例えばステンレス鋼等の金属材料にて形成されている。第２部材も、スレンレス鋼等のポーラスな（多孔質）金属材料により形成されている。第１部材Ｉと、第２部材IIとは、接着、溶接、またはロウ付けなどの方法により、接合面７ａ、７ｂ（図１において、楕円形の鎖線により囲まれている部分であって、上記外周壁と内周壁とが当接している部分）を介して一体化されている。

燃料電池用セパレータ１００の第１部材Ｉおよび第２部材IIの表面には、冷却用空気の通気溝６、６、６が刻設されている。第１部材Ｉにはまた、上記冷却用空気のシールをはかるガスケットが配置されるべき溝４、４が刻設されている。

図２は、燃料電池用セパレータ１００をカソード側に配置して構成された燃料電池のユニットセルを示す図である。なお、図１において説明したものと同一の部材等がある場合には、図１と同一の参照符号を付してその説明を省略する。ユニットセル５００は、アノード２１０とカソード１１０とが、膜／電極接合体（ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly））１５０を両側から挟み込むように配置されている。本発明にかかる燃料電池用セパレータ１００は、電気化学反応による熱が発生するカソード１１０側に配置され、これと対をなすアノード２１０側には、全体が金属材料で形成されたアノード側セパレータ２００が配置されている。さらに、ユニットセル５００を図面左右方向に積層して燃料電池スタックを組み上げ、燃料電池が構成されている。

燃料電池の作動状態においては、カソード１１０側では、
２Ｈ^＋＋２ｅ⁻＋（１／２）Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ
なる反応が進行し、カソード１１０の下流側は上記反応により生成された水により水分リッチな雰囲気となる。

一方、カソード１１０側のセパレータ１００では、反応により生じた熱を冷却するため、通気溝６、６、６にはドライな冷却用空気が流通されている。前述のとおり、カソード１１０の下流側では生成水リッチとなっているため、通気溝６、６、６とカソード１１０側との水の分圧差によって、生成水は多孔質体を通過してカソード１１０側から通気溝６、６、６側に移動する。従ってかかる構成をとることにより、カソード１１０下流側でのフラッディングを抑制することが可能になる。

再び図１に戻り説明を続ける。本実施形態にかかる燃料電池用セパレータ１００において、第１部材Ｉには、ユニットセル５００の面方向に直交する方向（図の左右方向）に、あらかじめ第２部材IIの大きさと略同一形状の貫通孔５０が形成されている。この貫通孔５０は、図面右方向から左方向にゆくに従い垂直断面が段階的に減少するように形成されている。そして貫通孔５０に第２部材IIが嵌入され、第１部材Ｉの貫通孔５０の内周壁と第２部材IIの外周壁とが接合されて、接合面を形成している。かかる構成をとることによって、接合面の面積が増えるので強固な接合面を得ることができる。さらに、第２部材IIは多孔質材料で形成されているので、さらに接合面積を増加して安定した接合面を得ることが可能となる。かくして、第１部材Ｉと第２部材IIとの間の、ユニットセル５００の面方向に直交する方向（図１における左右方向）のずれが防止される。また、第２部材IIの一面側から他の面側にゆくに従って、垂直方向断面積が段階的に減少するので、第２部材IIを第１部材Ｉの貫通孔５０内に組み付ける加工が容易となる。

以上に本発明にかかる燃料電池用セパレータの一実施形態について説明したが、以下においては上記実施形態をさらに一般化して本発明を説明する。なお以下の説明において、第１部材一般を表すときは参照符合「Ｉ」を割り当て、第１部材の中で変形例を示す場合には前記参照符号の後に「ａ、ｂ、ｃ…」等を付して例えば「Ｉａ」、「Ｉｂ」などと表す。第２部材IIについても同様である。

本発明は、板状体の面方向に直交する方向に設けられた貫通孔を有する緻密質部材（第１部材Ｉ）と、貫通孔に配設される多孔質部材（第２部材II）とが接合面を介して一体化された燃料電池用セパレータを提供するものである。このように複数の部材を燃料電池用セパレータに使用するのは、セパレータの部位により、セパレータとして要求される性能／水準が異なることに対応して、セパレータ全体として性能の最適化をはかるためである。例えば、上記実施形態において説明したように、セパレータを複数の部材で構成して、そのうちの一部材のみ多孔質材料で構成することにより、その部分にガス及び／または液体の透過性、浸透性を付与し、他の部分はガス不透過性にすることが考えられる。また、一部分のみを、異なる熱伝導性、異なる耐食性を有する材料により構成して、燃料電池用セパレータとして、特有の機能、性能を強化することなどが考えられる。

図３は、この様な複数の部材により構成された燃料電池用セパレータの一実施形態を概略的に示す斜視図である。なお、以下の説明においては、燃料電池用セパレータを構成する複数の部材の（板状の）概略形状のみ示し、表面に形成されている流路等は省略して表す。この実施形態では、図３（ａ）に示すように、ユニットセルの面方向と直交する方向に貫通孔２ａが形成された第１部材Ｉａと、貫通孔２ａと同一形状に、形成された第２部材IIａとが別体に作製される。そして図３（ｂ）に示すように、第１部材Ｉａの貫通孔２ａの内部に第２部材IIａを配置して両部材を接合することにより、二部材からなる燃料電池用セパレータ１０ａが作製される。

図３（ａ）に示されているように、第２部材IIａには、ユニットセル５００の面方向に直交する方向に段差３ａが設けられている。一方、第１部材Ｉａの貫通孔２ａは、第２部材IIの段差３に対応する形状に形成されている。そして、第２部材IIａを第１部材Ｉａの貫通孔２ａ内に配置して両者を接合することにより、一体となった燃料電池用セパレータ１０ａが作製される（図３（ｂ）参照）。この際に第２部材IIａの段差３ａは、第１部材Ｉａ側にゆくに従い次第に垂直方向断面が小さくなってゆくので、第２部材IIａを第１部材Ｉａに組み付ける加工が容易である。なお、本実施形態においては、第１部材Ｉａは緻密な材料、例えば金属で形成されている。一方、第２部材IIａは、多孔質材料で形成されている。

本発明において、第１部材Ｉを構成する材料は、緻密質材料であることが必須である。第２部材IIとの接合を良好な状態にて行うという観点から、このような緻密質材料として、金属や導電性樹脂を使用することが好ましい。一方、本発明において、第２部材IIを構成する材料は、多孔質材料であることが必須であり、このような多孔質材料として、ポーラスに形成された焼結金属、パンチングメタル、カーボンを挙げることができる。このように、本発明において、第２部材IIが多孔質材料により形成されているので、ミクロ的に見た場合の接合面の増大をはかることができる。また、緻密質材料で形成される第１部材Ｉの表面に接着剤等の接合材料を密着させることができることと相俟って、両部材間の十分な接合強度が確保される。

図４は、第１部材Ｉと第２部材IIとが接合されている状況を概念的に示す断面図である。図４（ａ）は、図３に対応する形状のセパレータ１０ａを示している。第２部材IIａの形状に合わせて形成された第１部材Ｉａの貫通孔２ａ（図３（ａ）参照）に第２部材IIａが嵌合するように配置されているので、両部材間に隙間の入る余地がなく、両者の位置関係は一意に決せられている。燃料電池用セパレータ１０ａは、図４（ａ）からも明らかなように、第１部材Ｉａを固定して考えた場合、第２部材IIａの紙面左方向への移動は段差３ａの形状により構造的に規制されている。

一方第２部材IIａの紙面右方向への移動は、両部材を接合することにより規制される。第１部材Ｉａと第２部材IIａとは、接着、溶接、あるいはロウ付け等により接合されて、一体にされている。第２部材IIａには段差３ａが形成されているので、段差がない場合（図４（ｃ）に示されている燃料電池用セパレータ１０ｃ参照を参照。なお、燃料電池用セパレータ１０ｃは本発明の技術的範囲に属さない。）と比較して接合面を広くとることができ、両部材を接合により堅固に一体化することができる。

本発明において、第２部材IIに形成される段差の形状は特に限定されるものではないが、図４（ａ）に示されるような一段の段差のほか、複数の段差であってもよい。例えば図４（ｂ）に示すように、第２部材IIｂに三段の段差３ｂを設け、第１部材Ｉｂの貫通孔の形状をこれに合わせて形成して、燃料電池用セパレータ１０ｂを構成するようにしてもよい。さらに段差の数を多くすることも可能であるが、本発明の効果は一段の段差があれば十分に得ることができるので、効果対費用の観点からは、段差の数は一段で十分である。各段の先端部は、図示のように直角に形成されていてもよいし、丸み付けされていてもよい。

本発明において各段差の高さ（図４における上下方向の高さ）は特に限定されるものではないが、図４（ａ）、（ｂ）における配置において、第２部材IIが第１部材Ｉに対して左方向に移動されることが規制できる程度にその高さが形成されていればよい。

本発明の実施例としての燃料電池用セパレータを示す断面図である。 燃料電池用セパレータをカソード側に配置して構成した燃料電池のユニットセルを示す図である。 本発明の燃料電池用セパレータの一実施形態を概略的に示す斜視図である。 第１部材と第２部材との接合部断面を概念的に示す図である。

符号の説明

Ｉ 第１部材
II 第２部材
Ｘ、Ｙ、Ｚ 接合面
２ 貫通孔
３、３ａ、３ｂ、３ｃ 段差
４ ガスケット用溝
６ 冷却空気用溝
７ａ、７ｂ 接合面
１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ 燃料電池用セパレータ
５０ 貫通孔
１００、２００ 燃料電池用セパレータ
１１０ カソード
１５０ ＭＥＡ
２１０ アノード
５００ ユニットセル

Claims (1)

1. 板状体の面方向に直交する方向に設けられた貫通孔を有する緻密質部材と、前記貫通孔に配設される多孔質部材とが、接合面を介して一体化された燃料電池用セパレータであって、
   前記接合面には、前記板状体の片面から他面側にゆくに従って前記多孔質部材の前記面方向の断面積が段階的に減少するように、段差が設けられており、
   前記緻密質部材及び前記多孔質部材には、冷却用空気の通気溝が刻設され、
   前記緻密質部材に刻設された前記通気溝の側壁の端面と前記多孔質部材に刻設された前記通気溝の側壁の端面とを接合した面が、前記接合面に含まれることを特徴とする、
   燃料電池用セパレータ。

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