JP4857750B2

JP4857750B2 - 固体高分子形燃料電池

Info

Publication number: JP4857750B2
Application number: JP2005355537A
Authority: JP
Inventors: 寛文佐々木; 賢史山賀; 博史山内; 宏高橋
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2005-12-09
Filing date: 2005-12-09
Publication date: 2012-01-18
Anticipated expiration: 2025-12-09
Also published as: JP2007157667A

Description

本発明は燃料電池及び燃料電池用セパレータに関する。

従来、固体高分子形燃料電池は、高分子からなる膜状の固体電解質に白金などの触媒を担持したカーボン電極で構成されている点が主な特徴である。このカーボン電極を燃料の水素ガス及び酸化剤ガス（酸素あるいは空気など）の流路を形成し、かつ集電作用を有する一対のセパレータで挟持した構造である。これを単セルといい、燃料電池スタックはこの単セルを複数個積層したものである。

これらの部材の中でセパレータは電極に効率良く反応ガスを供給するための部材であって、炭素系あるいは金属系の導電性材料で構成されている。ここで反応ガスは燃料ガスと酸化剤ガスの総称である。

その他、セパレータが電極あるいは拡散層に接する面の構造の違いによっても幾つかに分類される。例えば、電極（拡散層）の接触面が凹凸形状を有するセパレータ、あるいは、平板と凹凸や溝の形状を有するインターコレクタを組み合わせたセパレータなどがある。セパレータ材料としては炭素系と金属系に大別されるが、金属は原料費が廉価で、かつ量産性に優れているため、広く検討されている。また、金属薄板を使用するため、コンパクトで軽量化できるといったメリットも有る。

主に炭素系セパレータなどはマニホールドや流路溝の成型性が比較的に優れ、１〜２mm程度以上の肉厚を有する材料へ適用が可能であった。しかし、金属薄板からプレス成型で製作したものは上記の従来技術を適用することが困難である。原料に用いる金属は肉厚
０.２mm 前後の薄板であるため、マニホールド部，連絡部にはトンネル構造やサブマリン構造を適用するだけの十分な肉厚がとれないことに理由がある。

セパレータに求められる更なる機能は、反応ガスを効率良く電極に供給することである。セパレータ材料が炭素系の場合は任意の流路形状が可能であるため、効果的なセパレータを得やすいが、金属の場合は塑性加工の限界があり、炭素系と比べると成形性の自由度が低い。炭素系材料のセパレータでは、一枚のセパレータの両面にサーペンタイン構造
（蛇行流路）を形成することが可能であるが、金属プレス加工ではこれが困難である。

通常、金属を用いた燃料電池用のセパレータとして、内部マニホールド型を金属薄板で形成しようとした場合、金属薄板の中央部及びその周辺部に流路溝や突起などの加工を施して、擬似的なサーペンタイン流路を形成し、反応ガスの流れる方向を変える流路を形作る（特許文献１）。

特開２００５−１０８５０５号公報

反応ガス折り返し流路部の複数個の突起部が形成されているのみでは反応ガスの流れを制限する手段が無いため、直線流路部を通過してきた反応ガスが外回り側を通り易く、折り返し流路部内回り側は反応ガスの流速が小さくなる傾向がある。そのため、内回り側に凝縮水が溜まり易い傾向となり、それに伴い凝縮水などによりガス流路が閉塞してしまい、膜／電極接合体（Membrane Electrode Assembly；高分子電解質膜に触媒を担持した電極を塗布，接着もしくは印刷したもの、以下ＭＥＡと称す）の電極面に供給するガス供給分布に偏りが生じる。その結果、電気化学反応が不均一になりやすく、電極の寿命の点からも好ましくない。

本発明の固体高分子形燃料電池は反応ガスのクロスリークを防止し且つ安定して発電することを目的とする。

高分子電解質膜に触媒を担持した電極を形成させた膜／電極接合体と固体高分子形燃料電池セパレータとを積層した固体高分子形燃料電池において、前記固体高分子形燃料電池セパレータは、直線状の複数の流路溝を有する反応ガス流路部が複数形成された金属製のセパレータ基板と、格子状の複数の突起部と、反応ガスの流路を内周側と外周側に仕切る矩形状の流路壁とを有する複数の折り返し流路部が片面に形成された樹脂製のフレームとを備え、前記セパレータ基板の両面に、前記フレームを前記突起部が形成された面側が対向するように配置され、反応ガス供給マニホールドから導入された反応ガスが、前記反応ガス流路部と前記折り返し流路部とを交互に通って反応ガス排出マニホールドから排出され、前記反応ガス流路部は第１の流路溝群と第２の流路溝群から成り、前記第１の流路溝群と前記第２の流路溝群の各々を通る反応ガスは独立して前記折り返し流路部の内周側と外周側に流入すると共に、前記折り返し流路部の内周側を通ってきた反応ガスは次の前記折り返し流路部の外周側を通ることを特徴とする。

本発明の固体高分子形燃料電池によれば、反応ガスのクロスリークを防止し且つ安定して発電することができる。

以下、本発明の実施の形態を説明する。

（実施例１）
図１は本発明の一実例である固体高分子形燃料電池用セパレータ１０の構成概略図である。このセパレータは図３で示すように金属板に反応ガス流路部をプレス成型したセパレータ基板７２にガスマニホールド連絡部及び反応ガス折り返し流路を加工したフレーム
７１Ａ及びフレーム７１Ｂにより形成されている。

図示するようにセパレータ１０には燃料ガスをセパレータ１０表面に供給する燃料ガス供給マニホールド１４と燃料ガスをセパレータから排出する燃料ガス排出マニホールド
１３とを形成している。また、酸化剤ガス（例えば空気など）をセパレータ１０に供給する酸化剤ガス供給マニホールド１６と、酸化剤ガスをセパレータから排出する酸化剤ガス排出マニホールド１１と冷却水水路を形成する冷却水供給マニホールド１２，冷却水排出マニホールド１５とを形成している。

これらのセパレータ表面におけるガス及び冷却水の流れは図示していないが、積層して、燃料電池スタックを形成する際には、燃料電池スタックの積層方向に燃料ガスや酸化剤ガスあるいは冷却水を供給または排出するための流路が形成され、燃料電池スタック内の各セルに燃料ガスや酸化剤ガスを供給し、燃料電池スタックを冷却するために規則的に積層された各冷却部に冷却水が供給されるようになっている。

図示するようにセパレータ１０には反応ガス流路部３２において、隣接する流路へのショートカットを防止する目的でガスショートカット防止用突起物部２３を形成している。ガスショートカット防止用突起物部２３の長さは特に限定するものでは無く、例えば反応ガス流路部３２一本分全てを覆うほどの長さでも可能であるが、反応ガス直線流路リブ部延長上に配置し、反応ガスのショートカットを防ぐ構造が好ましい。

セパレータ１０表面には燃料ガス供給マニホールド１４から供給された燃料ガスがセパレータ表面の反応ガス流路部３２を通り、反応ガスの流れる方向を変える反応ガス折り返し流路部に流れる。このときセパレータ表面の反応ガス流路リブ３１とは図２のようにガス拡散層５１を面接させることでセパレータ全体に燃料ガスを供給することができる。

ここで、反応ガス流路部３２は、反応ガス流路リブ３１にはさまれた複数の流路溝を有し、これら流路溝は複数を束として流路溝ブロックを形成する。

一つの流路溝ブロックでは、反応ガスは同一方向に流れ、反応ガス折り返し流路部で流れ方向が折り返される。

反応ガス折り返し流路部には格子状の反応ガス折り返し流路部突起部２２と反応ガス折り返し流路部流路壁２１が形成している。

反応ガス折り返し流路部流路壁２１によって、燃料ガスを外側と内側の燃料ガスの流速を均一にして、折り返すことができ、また格子状の反応ガス折り返し流路部突起部２２を形成することで燃料ガスを効率良く拡散することができる。

図２は図３を貼り合せた後に実際に燃料電池を作製した場合の断面図であり、セパレータ１０表面にＭＥＡ５３を配置した場合、燃料ガス通路５６からＭＥＡ５３を挟んだ対面には酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス通路５５が配置され、酸化剤ガスは図１のように酸化剤ガス供給マニホールド１６から導入され、セパレータ１０同様に形成された反応ガス流路を通り、酸化剤ガス排出マニホールド１１によって排出される。

図１より反応ガスが反応ガス折り返し流路部流路壁２１と反応ガス折り返し流路部突起部２２から形成される折り返し流路部に進入する前の反応ガス直線流路部（反応ガス流路リブ部３１と反応ガス流路部３２により形成）における流路断面積より、折り返し流路部の流路断面積を狭くすることで、反応ガス折り返し流路部における反応ガス流速を高めることが可能である。それに伴い、反応ガス折り返し流路部における反応生成水，凝縮水などをより効率的に排出することができる。

図１より反応ガスが反応ガス折り返し流路部流路壁２１と反応ガス折り返し流路部突起部２２から構成される折り返し流路部出口側の反応ガス直線流路部の反応ガス流路断面積を反応ガス折り返し流路部入口側の反応ガス直線流路分の反応ガス流路断面積よりも狭くすることで、反応ガスが電気化学反応で消耗して、反応ガス流速が減少しても、反応ガス流路断面積を減少させることで、反応ガス流速の減少を低減することができ、それに伴い電極面内の圧力分布をより均一に保つことができる。

図３より金属板をプレス成型したセパレータ基板７２の両側に、ガスマニホールド連絡部及び反応ガス折り返し流路部を加工したフレーム７１Ａ及びフレーム７１Ｂを張り合わせることによって、ガスマニホールド連絡部及び反応ガス折り返し流路部にトンネル構造を形成することが可能となる。それに伴い電解質膜またはＭＥＡを補強することできるので、マニホールドからの反応ガスのクロスリークを防止することが可能である。

トンネル構造とは、図７に示すように、フレーム５４において反応ガス折り返し流路部突起部２２とＭＥＡとの間に補強板（反応ガス折り返し流路部突起部２２及び反応ガスマニホールド連絡部と一体型）が存在している構造であり、ＭＥＡは補強なしでは非常にフレキシブルであり、よく変形するがそれを本構造で防ぐことができ、それにより反応ガスのクロスリーク（前記燃料ガスと前記酸化剤ガスが直接反応してしまう）を防止することができる。

図２のフレーム５４は図３のフレーム７１Ａ及びフレーム７２Ｂのどちらかを示す。また燃料ガス通路５６とはガス拡散層５１を介してＭＥＡ５３に燃料ガスを供給する通路を示す。したがってＭＥＡ５３を挟んで反対側の反応ガス通路は酸化剤ガス通路５５となる。また、燃料電池を適度な温度に保つ目的で供給する冷却水が流れる通路は冷却水通路
５７であり、燃料ガス通路５６及び酸化剤ガス通路５５のセパレータ基板５２を挟んで対面に流れるように配置することで、燃料電池内の温度を一定に保つことが可能となる。

ガス流路断面積とは、例えば図１より燃料ガス供給マニホールド１４より供給された燃料ガスが複数の流路溝を有する１つの流路溝ブロックを通過し、前記反応ガス折り返し流路部に流れる直前の各流路溝の断面積を合計したものである。

図１より金属板に反応ガス流路部（反応ガス流路リブ３１と反応ガス流路部３２）をプレス成型し、また燃料ガス，酸化剤ガス及び冷却水が通るマニホールドを打ち抜き加工したセパレータ基板７２の両面に反応ガスマニホールド，反応ガスマニホールド連絡部及び反応ガス折り返し流路部（反応ガス折り返し流路部流路壁２１と反応ガス折り返し流路部突起部２２により形成）を加工したフレーム７１Ａ及びフレーム７２Ｂを実際に液状ガスケットなどを使用して張り合わせる際に反応ガス折り返し流路部に形成する反応ガス折り返し流路部流路壁２１を反応ガス流路リブ３１の延長上に配置する際に、その隙間を0.5
mm以下とすることで、反応ガス流路間が混同することを低減することができ、それに２つに分けられた反応ガスをそれぞれ均一に折り返すことが可能である。また反応ガス直線流路部をプレス成形した金属板にフレームを取り付ける際のハンドリング性も損なわない。

図１のように反応ガス折り返し流路部流路壁２１によって、反応ガス折り返し流路部に反応ガス折り返し流路部外回り側（流路距離が長い部分）と反応ガス折り返し流路部内回り側（流路距離が短い部分）とに分けることができ、２つ分割された反応ガス折り返し流路部は互い独立させる。この構造により反応ガス折り返し流路部内回り側を通った反応ガスは反応ガス折り返し流路部を経て次に折り返し流路を通過する際に外回り側を通り、反応ガス折り返し流路部の外回り側を通った反応ガスは次に折り返し流路を通る際には内回り側を通るので内回り、外回りともに反応ガスが通る流路長は同じにすることができる。反応ガス分布を電極面に均一にすることで、燃料電池の安定な発電が可能となる。

反応ガス折り返し流路部とは反応ガスの流れる方向が変更される部位で、図１においては反応ガス折り返し流路部流路壁２１と反応ガス折り返し流路部突起部２２によって構成される。

独立した反応ガス流路部３２とは金属板にプレス成型した直線流路部で、図１においては反応ガス直線流路部リブ部と反応ガス直線流路溝部によって構成される。

反応ガス折り返し流路部突起部２２のセパレータ面に対して垂直方向の高さは反応ガス折り返し流路部流路壁２１と同じ高さである。

以上の実施例によれば、図１のように電極と面接して独立した反応ガスの流れを形成する反応ガス流路を複数有するセパレータであって、反応ガス折り返し流路部に一本または複数本の流路壁を形成することで、反応ガスが折り返す際に反応ガスの流れを制限できるため、反応ガス流速を均一にすることができ、それにより反応ガスをＭＥＡ電極面内に均等に供給することができる。

本実施例によれば、固体高分子形燃料電池用セパレータ１０の反応ガス折り返し流路部の中心付近に流路壁を一本または複数本設け、流路壁によって単一であった反応ガス折り返し流路を複数本形成することで、反応ガス折り返し流路部において、外側を流れ易い反応ガスの流れを制限することで反応ガス流速が均一になり、それに伴いセパレータ全体にも反応ガスを均一に供給することが可能である。

また、固体高分子形燃料電池用セパレータ１０の反応ガス折り返し流路部に反応ガス折り返し流路部流路壁２１と、反応ガス折り返し流路部突起部２２とを形成することで、折り返し流路部を流れる反応ガスを拡散して反応ガスの流れる向きを変更することにより、反応ガス流速を均一にすることが可能である。またＭＥＡ(Membrane Electrode Assembly；高分子電解質膜に触媒を担持した電極を塗布，接着もしくは印刷したもの）を補強することを目的としたトンネル構造とする際、複数の反応ガス折り返し流路部突起部２２を反応ガス折り返し流路部に形成することでＭＥＡを補強することが容易となる。

（実施例２）
本セパレータを用いて発電試験をするためにＭＥＡ５３にはジャパンゴアテックス社のＧＯＲＥＳＥＬＥＣＴ III ＰＲＩＭＥＡ５５６１、ガス拡散層５１には同社製
ＣＡＲＢＥＬ−ＣＬを用いた。セパレータ１０のセパレータ基板７２はステンレス鋼製で中央部にプレス加工により両面に凹凸を有する構造となっている。プレス寸法は１１６×１１７mmでＭＥＡ５３の電極サイズもこれに合わせて造られている。

図３に示すように前記セパレータ基板７２の両面には打ち抜き加工により製作された
ＰＰＳ製のフレーム７１Ａ及びフレーム７２Ｂが液状ガスケット等の接着剤で面接され、一組のセパレータ１０を形成している。

また、ここで図２に示すフレーム５４は図３のフレーム７１Ａ及びフレーム７１Ｂのどちらかを示す。

図６に示すのは実施例２の燃料電池の構成部材とその配置図である。まず、中心には
ＭＥＡ５３を配置し、ＭＥＡの電極部分を覆うようにガス拡散層５１で挟持する。ここでガス拡散層５１とはＭＥＡ電極部分に均一に反応ガスを供給する多孔質層を有している。更にそのＭＥＡ５３とガス拡散層５１を覆うような状態でセパレータ１０を配置する。この状態を単セルと呼ぶ。

単セルを挟持する形で集電板８３を両側に配置する。集電板とは燃料電池が発電する際に実際に発電した電気エネルギーを取り出す端子を意味する。材質は銅板を金メッキしたものを使用する。また、この集電板には反応ガス及び冷却水が流れる貫通穴が存在する。

端板８１には燃料ガス供給口８０とボルトが通る貫通穴が存在する。ボルトを端板８１同士の間に通した後、片側の端板にコイルバネなどのバネ材を用いて全体的に均一に面圧をかけるように締める。このときＭＥＡには１ＭＰａの面圧がかかるように設定する。

端板８１及びボルトには機械強度などが必要なため金属を使用する。そのため、このままでは燃料電池のアノード電極とカソード電極が短絡してしまうため、絶縁をする必要がある。そこで集電板８３と端板８１に間に絶縁板８２を配置する。ここで絶縁板８２は絶縁性のある材料をもちいなければならず、例えばＰＴＦＥなどを用いることでアノード電極とカソード電極の絶縁を確保することができる。

以上に述べた構成のなかでセパレータ１０には腐食防止及び酸化皮膜成長抑制のための炭素粉と樹脂バインダから構成されている導電性塗料を塗布している。塗布方法はスクリーン印刷，転写コート，スプレーコートなど、各所の方法で塗布が可能であるが、ここでは塗布膜厚の制御が容易なスクリーン印刷によりセパレータ基板７２の凹凸面の頂点に塗布している。

このように構成されている燃料電池の反応ガス供給口に燃料ガスと酸化剤ガスを供給して、電池特性を調べるために、市販の電子負荷器に接続して、電流と電圧の関係を測定した。

燃料ガスとして１００％の水素，酸化剤ガスとして空気を選び、それぞれの利用率を水素利用率７０％および酸素利用率４０％とし、燃料電池温度を７０℃，供給反応ガスの露点を７０℃に制御して発電を実施した。その結果を図４の示す。

ここで従来構造とは図１に示すセパレータ１０から反応ガス折り返し流路部流路壁２１を取り除いた構造である。

図４に本構造と従来構造を比較したＩ−Ｖ特性曲線を示す。図４より、従来構造に比べて、本構造のセル電圧は１Ａ／cm² の場合で約４０ｍＶ程度高く、この結果より本構造のように反応ガス折り返し流路部流路壁を設けることで燃料電池の出力性能が向上するため、本構造の優位性が確認できる。

（実施例３）
図５は本発明の第３実施例を示す。図５のように反応ガス折り返し流路部の流路壁の形状を反応ガス折り返し流路部流路壁（Ｕ字型）２５のようにＵ字型のように角が丸い構造でも用いることが可能であり、本発明において反応ガス折り返し流路部の流路壁の形状を限定することなく本質的に合致すれば如何なる形状でも用いることができる。

図５のように流路壁角部を丸い構造とすることで、反応ガス折り返し流路部において、コの字構造を形成した場合よりも反応ガス流速が減速するのを低減することができる。

実施例のセパレータ１０では、反応ガス折り返し流路部に複数の正方形型の反応ガス折り返し流路部突起部２２を形成しているが、この構造は断面が正方形型以外にも長方形型や円形型，楕円形型，その他の形状を有する突起部を形成するものでも構わない。

実施例のセパレータ１０の材料は金属プレス板と樹脂フレームを貼り合せた構造であり、反応ガス折り返し流路部はトンネル構造となっているが、本発明はこの構造に限定したものではなく、例えばセパレータ１０を炭素材料を用いて、切削加工などで作製しても効果は変わらない。

実施例のセパレータ基板７２に金属プレス板を用いているが、材料に関しては金属，炭素、いずれの材料であっても本発明に適用できるが、特にセパレータ基板７２を金属とした場合の効果は大きい。

以上、本発明について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨に逸脱しない範囲において様々な形態で実施可能である。

本発明の一実施例である固体高分子形燃料電池用セパレータ１０の概略図である。本発明の一実施例である燃料電池積層断面図の構成図である。本発明の一実施例である固体高分子形燃料電池用セパレータ１０の構成図である。本発明の一実施例であるＩ−Ｖ曲線を示すＩ−Ｖ特性概略図である。本発明の一実施例である燃料電池用セパレータのバリエーションである。本発明の一実施例である燃料電池の構成部材と配置図である。トンネル構造の説明図である。

符号の説明

１０…固体高分子形燃料電池用セパレータ、１１…酸化剤ガス排出マニホールド、１２…冷却水供給マニホールド、１３…燃料ガス排出マニホールド、１４…燃料ガス供給マニホールド、１５…冷却水排出マニホールド、１６…酸化剤ガス供給マニホールド、２１…反応ガス折り返し流路部流路壁、２２…反応ガス折り返し流路部突起部、２３…ガスショートカット防止用突起物部、２５…反応ガス折り返し流路部流路壁（Ｕ字型）、３１…反応ガス流路リブ、３２…反応ガス流路部、５１…ガス拡散層、５２，７２…セパレータ基板、５３…ＭＥＡ(Membrane Electrode Assembly) 、５４，７１Ａ，７２Ｂ…フレーム、５５…酸化剤ガス通路、５６…燃料ガス通路、５７…冷却水流通路、８０…燃料ガス供給口、８１…端板、８２…絶縁板、８３…集電板。

Claims

高分子電解質膜に触媒を担持した電極を形成させた膜／電極接合体と固体高分子形燃料電池セパレータとを積層した固体高分子形燃料電池において、
前記固体高分子形燃料電池セパレータは、
直線状の複数の流路溝を有する反応ガス流路部が複数形成された金属製のセパレータ基板と、
格子状の複数の突起部と、反応ガスの流路を内周側と外周側に仕切る矩形状の流路壁とを有する複数の折り返し流路部が片面に形成された樹脂製のフレームとを備え、
前記セパレータ基板の両面に、前記フレームを前記突起部が形成された面側が対向するように配置され、
反応ガス供給マニホールドから導入された反応ガスが、前記反応ガス流路部と前記折り返し流路部とを交互に通って反応ガス排出マニホールドから排出され、
前記反応ガス流路部は第１の流路溝群と第２の流路溝群から成り、前記第１の流路溝群と前記第２の流路溝群の各々を通る反応ガスは独立して前記折り返し流路部の内周側と外周側に流入すると共に、前記折り返し流路部の内周側を通ってきた反応ガスは次の前記折り返し流路部の外周側を通る
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池。
請求項１において、
前記第１の流路溝群と前記第２の流路溝群との間に設けられた流路リブと、前記流路リブの流路延長上に設けられた前記流路壁との隙間の最短距離が０.５mm以下であることを特徴とする固体高分子形燃料電池。
請求項１において、
前記反応ガス供給マニホールドから前記反応ガス排出マニホールドにかけて、前記折り返し流路部を通る毎に反応ガスの流路断面積を減少させることを特徴とする固体高分子形燃料電池。