JP4710676B2 - 燃料電池用セパレータ及び燃料電池の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池用セパレータ及び燃料電池の製造方法に関するものである。

通常の固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）の両側にそれぞれアノードおよびカソードを高分子イオン交換膜を挟持するように構成された電解質膜・電極構造体（以下、ＭＥＡという）を、さらにセパレータによって挟持することにより構成している。アノードに供給された燃料ガス（水素含有ガス）は、触媒電極上で水素イオン化され、適度に加湿された電解質膜を介してカソードへと移動する。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。カソードには、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスあるいは空気が供給されているために、このカソードにおいて、前記水素イオン、前記電子および酸素ガスが反応して水が生成される。以上の反応を示す化学式は以下のようになる（特許文献１参照）。
陽極反応： Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ- （１）
陰極反応： ２Ｈ⁺＋２ｅ-＋（１／２）Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ （２）
前記固体高分子型燃料電池の１組を単位セルと呼ぶ。この単位セルを所定数だけ積層することにより、燃料電池スタックを構成している。

供給されるガスや冷却水の外部への漏洩、およびガスの混入を防止するために、ＭＥＡとセパレータ間、または各セパレータ間に液状シール材を塗布して各ガス流路からのガスの外部、または他のガス流路への漏えいを防止し、シール性を確保する技術がある（特許文献２）。
特開平８−１０６９１４号公報 特開２００２−２３１２７２号公報

しかしながら、特許文献２に記載の構成では、液状シールを塗布する空間が密閉されており、この領域に液状シールを塗布し、その後液状シールを硬化させるため、ホットプレス工程で液状シールが加熱されると、密閉空間に残留する空気が膨張し、液状シールの接着不良を引き起こすという課題がある。

したがって、本発明の目的は、液状シールを用いた燃料電池セパレータのシール構造において、確実にシール性を維持する燃料電池用セパレータを提供することである。

本発明は、単セルを形成する電解質膜・電極構造体の各電極に燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給するガス流路を画成する第１リブと、外縁に沿って形成される第２リブとを備えたセパレータであって、前記セパレータは、前記ガス流路間のガスの混入および外部へのガスの漏洩を防止するするとともに、セパレータ間またはセパレータと前記電解質膜・電極構造体の少なくとも一方を接着する液状シールが前記第１リブと前記第２リブを用いて区画された空間内に塗布され、前記単セルが積層されることにより、前記空間は、内部の空気が外部に漏洩しない閉空間となる燃料電池用セパレータにおいて、前記セパレータは、前記第１リブと前記第２リブに前記閉空間を開口する空気透過部を備え、この空気透過部から前記閉空間に残留する空気を排出する。

本発明では、閉空間に残留した空気が空気透過部から外部に排出されるため、ホットプレス時に膨張した空気により液状シールが剥離したり、破断することがなく、シール性を確実に担保することができる。

図１は、本発明に用いる単セルの構成の一例を示す断面図である。単セル３０は、固体高分子電解質膜１０と、電解質膜１０を挟持するアノード１１およびカソード１２とからなるＭＥＡ２０と、一面にアノード１１に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路１５を形成したアノードセパレータ１３、一面にカソード１２に酸素を供給するための酸素流路１６を形成したカソードセパレータ１４とから構成され、これらは略四角形に形成される。また、各セパレータの他面には、単セルの熱を放熱するための冷媒流路１７が形成される。そして、単セルを積層することで燃料電池スタック４が形成される。
ま た、アノード１１とアノードセパレータ１３との間、カソード１２とカソードセパレータ１４との間およびアノードセパレータ１３とカソードセパレータ１４との間には、液状シール１９が、各流路からの流体の外部への漏洩および各流路間での流体の混入を防止するために設置される。

図２から図６は、液状シール（例えば、熱硬化性の接着剤）１９を塗布したセパレータの一例を示すものである。以下、説明のため、セパレータはカソードセパレータ１４とするが、アノードセパレータ１３でも同様の構成となる。

カソードセパレータ１４の一面には、その中央部にカソード１２に酸化剤ガス（例えば、酸素や空気）を供給する酸素流路１６を構成する領域１４ａを備え、領域１４ａを挟んで供給用および排出用酸素マニホールド１４ｂ、１４ｃが配置される。さらに前述のマニホールド１４ｂ、１４ｃと領域１４ａとを連通する連通流路１４ｄが配置される。

また、供給用酸素マニホールド１４ｂを挟むように燃料ガス流路１５に燃料ガス（例えば、水素）を供給するための供給用燃料ガスマニホールド１３ｂと、冷媒流路１７に冷媒（例えば、水）を供給するための供給用冷媒マニホールド１５ｂとが配置される。一方、排出用酸素マニホールド１４ｃを挟むように燃料ガス流路１５から燃料ガス（例えば、水素）を排出するための排出用燃料ガスマニホールド１３ｃと、冷媒流路１７から冷媒を排出するための排出用冷媒マニホールド１５ｃとが配置される。そして、酸化剤ガスが流通する領域１４ａ、連通流路１４ｄ、および各マニホールドを区画するように各区画を取り囲む第１リブ１４ｅ、およびカソードセパレータ１４の外縁に沿って第２リブ１４ｆが形成される。第１、第２リブ１４ｅ、１４ｆは、各流体間の混入および外部への漏洩を防止するとともに、第１、第２リブ１４ｅ、１４ｆの高さにより、形成される流路の断面積が設定される。ここで、第１リブ１４ｅと第２リブ１４ｆの高さは同一とする。

第１、第２リブ１４ｅ、１４ｆを用いて区画される空間Ｓは、相手部材と重ね合わされ、スタック４に積層方向の荷重が負荷されることで、空間Ｓ内の空気が外部に漏洩しない密閉された閉空間として形成されることが通例である（図８参照）。そして、空間Ｓを画成する壁面に液状シール１９が塗布され、各流路間のシール性を担保するとともに、液状シール１９は、接着剤としての機能を有しており、相手部材とカソードセパレータ１４とを接着する。カソードセパレータ１４の酸素流路１６が形成された面の反対側の面には、図３に示すように、供給用冷媒マニホールド１５ｂと排出用冷媒マニホールド１５ｃとを連接する冷媒流路１７が形成される。

なお、カソードセパレータ１４には、冷媒流路１７のシール性を担保する液状シールを塗布するための第１、第２リブが備えられていないが、相手部材であるアノードセパレータ１３の冷媒流路が形成される面には、第１、第２リブが形成される。カソードセパレータ１４の冷媒流路１７の形成面にも第１、第２リブを形成するようにしてもよく、この場合にはアノードセパレータ１３とカソードセパレータ１４の冷媒流路の形成面を合わせて、第１、第２リブで区画される空間Ｓを一体的に形成するようにし、空間Ｓを画成する壁面に液状シールを塗布するようにする。

図５、図６に示すように、本発明の特徴である空気透過部としての切り欠き部１４ｇが、マニホールドを区画する縁部およびにガス流路１６を区画する第１リブ１４ｅおよびカソードセパレータ１４の縁部に形成された第２リブ１４ｆの各々一部に形成される。この切り欠き部１４ｇの作用を図４から図６を用いて説明する。

カソードセパレータ１４の各リブ間に塗布された液状シール１９は、相手部材（例えば、アノードセパレータ１３）と重ね合わされると、図６に示すように押し広げられる。しかしながら、押し広げられた状態であっても、液状シール１９および第１リブ１４ｅと第２リブ１４ｆとの間には空間が残存し、この空間には空気が残留している。

この状態から、図４に示すように液状シール１９を硬化させるために高温加圧状態とするホットプレス工程に移行すると、加熱により残留した空気が膨張する。第１、第２リブ１４ｅ、１４ｆに切り欠き部１４ｇが形成されていない場合には、前述のように空間は密閉空間であるため、この膨張した空気は逃げ場がなく、膨張した空気の圧力は液状シ−ル１９に作用する。この圧力が液状シール１９とセパレータとの界面に作用することにより、液状シール１９がセパレータから剥離する。また液状シール１９が破断する等の不具合が生じる。結果として液状シール１９のシール性が損なわれることになる。

しかし、本発明では切り欠き部１４ｇを第１リブ１４ｅと第２リブ１４ｆの少なくともいずれか一方に所定間隔で形成することにより、ホットプレス時に、残留した空気が切り欠き部１４ｇを通じて外部に放出され、液状シール１９に膨張した空気の圧力が掛かることがない。このため、液状シール１９に剥離や破断を生じることがなく、シール性を確実に担保することができる。また、燃料電池運転時には、各マニホールドおよびガス流路１５、１６に燃料ガス等が流通し、切り欠き部１４ｇから空間Ｓ内に入り込むが、流路間のガスの混入は液状シール１９により防止される。

また、切り欠き１４ｇは液状シール１９を塗布する際の塗布開始点と塗布終了点（これらは、通常同じ点となる）の近傍に設置されることが望ましい。これは開始点と終了点では、液状シール１９が重なり、他の部位より多くの液状シール１９が塗布されることになり、余分な液状シール１９を切り欠き１４ｇに逃すようにするためである。

図７に示す液状シールの構成は、液状シール１９をセパレータから意図的にはみ出させ、はみ出した液状シールを単セルの積層時に、位置決めとして用いるようにしたことを特徴とする。図７は、接着させる一組のセパレータをホットプレスの型内に設置した状態を示す断面図である。一組のセパレータ１３、１４は、上下に位置するホットプレスの型３０、３１内の所定位置に設置され、このときに各セパレータ１３、１４の外縁が、積層方向と直角方向に型と所定の間隙Ｘを持って設置される。この間隙Ｘにセパレータ１３、１４の間からはみ出た液状シール１９が注入される。はみ出た液状シール１９の外形形状は、単セル積層時の位置決めとして用いることができるように、例えば直線状に形成される。

ここで、液状シール１９を絶縁性を有する材料で構成することで、接着後のセパレータが位置決めとして用いられるとともに、外部との絶縁を確実なものとすることができる。

図９は、セパレータ重ね合わせ後のセパレータ角部の液状シールの状態を示す図である。２つの第２リブ１４ｆが交差して形成されるセパレータ角部１４ｈの内側は、空気が逃げにくいため液状シール１９と第２リブ１４ｆとの間で空気溜りＴとなりやすく、この空気溜りＴによりこの近傍の液状シール１９に剥離等が生じる恐れがある。

図１０は、この空気溜りＴの空気を外部に放出するため、セパレータ角部１４ｈに切り欠き１４ｇを設けた構成を示す。このように袋状となって空気溜りが生じやすいセパレータ角部に切り欠き１４ｇを設けることで、空気の残留を防止し、残留した空気による液状シールの剥離等を抑制することができる。

また、残留した空気を排除するための切り欠き１４ｇの配置は、所定間隔で設ければよいが、前述の通り、少なくとも液状シール１９の塗布開始点（通常は、終了点ともなる）近傍に設けることが好ましい。

これまでの実施形態では、リブに切り欠きを設けることで空気を放出するようにしたが、これに限らず、例えば切り欠きに代えて空気透過性の多孔質材料をリブの一部に設けるようにしてもよい。

また、本実施形態においては、セパレータ間に液状シールに塗布して接着およびシール性を確保するようにしたが、これに限らず、セパレータとＭＥＡ間に液状シ−ルを塗布しても良い。

燃料電池セルの断面図である。 セパレータの平面図である。 セパレータの他の平面図である。 切り欠きを説明する断面図である。 液状シールの構成図（重ね合わせ前）である。 液状シールの構成図（重ね合わせ後）である。 第２の実施形態の断面図である。 従来のセパレータの重ね合わせ状態を示す図である。 セパレータ角部の液状シールの状態を示す図である。 セパレータ角部の切り欠きの構成図である。

符号の説明

１０：電解質膜
１１：アノード
１２：カソード
１３：アノードセパレータ
１３ｂ：供給用燃料ガスマニホールド
１３ｃ：排出用燃料ガスマニホールド
１４：カソードセパレータ
１４ａ：領域
１４ｂ：供給用酸素マニホールド
１４ｃ：排出用酸素マニホールド
１４ｄ：連通流路
１４ｅ：第１リブ
１４ｆ：第２リブ
１４ｇ：切り欠き
１４ｈ：角部
１５：燃料ガス流路
１５ｂ：供給用冷媒マニホールド
１５ｃ：排出用冷媒マニホールド
１６：酸素流路
１７：冷媒流路
１９：液状シール
２０：ＭＥＡ

Claims (7)

1. 単セルを形成する電解質膜・電極構造体の各電極に燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給するガス流路を画成する第１リブと、外縁に沿って形成される第２リブとを備えたセパレータであって、
   前記セパレータは、前記ガス流路間のガスの混入および外部へのガスの漏洩を防止するするとともに、セパレータ間またはセパレータと前記電解質膜・電極構造体の少なくとも一方を接着する液状シールが前記第１リブと前記第２リブを用いて区画された空間内に塗布され、前記単セルが積層されることにより、前記空間は、内部の空気が外部に漏洩しない閉空間となる燃料電池用セパレータにおいて、
   前記セパレータは、前記第１リブと前記第２リブに前記閉空間を開口する空気透過部を備え、この空気透過部から前記閉空間に残留する空気を排出することを特徴とする燃料電池用セパレータ。
2. 前記空気透過部は、前記リブに形成した切り欠きであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用セパレータ。
3. 前記空気透過部は、前記リブの一部に空気透過性の多孔質材を用いた部位であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用セパレータ。
4. 前記空気透過部は、前記液状シールの塗布開始位置と塗布終了位置とが一致する場合に、その近傍の前記リブに設置されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の燃料電池用セパレータ。
5. 前記空気透過部は、前記第２リブの角部に設けられることを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の燃料電池用セパレータ。
6. 前記空気透過部は、前記第１、第２リブに所定間隔で設けられることを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の燃料電池用セパレータ。
7. 単セルを形成する電解質膜・電極構造体の各電極に燃料ガスまたは酸化剤ガスをそれぞれ供給する流路を画成する第１リブと、外縁に沿って形成される第２リブと、前記第１リブと前記第２リブに、単セル積層時に前記第１、第２リブを用いて区画される閉空間の空気を外部に排出する空気透過部を備えた燃料電池用セパレータであって、
   前記セパレータの前記閉空間内に、前記流路間のガスの混入および外部へのガスの漏洩を防止するとともに、セパレータ間またはセパレータと前記電解質膜・電極構造体の少なくとも一方を接着する熱硬化性の液状シールを塗布し、
   前記液状シールを塗布したセパレータ間に前記電解質膜・電極構造体を挟持し、
   前記セパレータ間に前記電解質膜・電極構造体を挟持した状態で高温加圧状態とし、
   前記液状シールを硬化させるとともに、セパレータ間またはセパレータと前記電解質膜・電極構造体の少なくとも一方を接着することを特徴とする燃料電池の製造方法。