JP4867221B2

JP4867221B2 - セパレータ、燃料電池セル、及び燃料電池装置

Info

Publication number: JP4867221B2
Application number: JP2005208569A
Authority: JP
Inventors: 章央栗田
Original assignee: Casio Computer Co Ltd
Current assignee: Casio Computer Co Ltd
Priority date: 2005-07-19
Filing date: 2005-07-19
Publication date: 2012-02-01
Anticipated expiration: 2025-07-19
Also published as: JP2007026944A

Description

本発明は、セパレータ、燃料電池セル、及び燃料電池装置に関する。

近年では、高いエネルギー利用効率を実現できる燃料電池についての研究・開発が盛んにおこなわれている。燃料電池は、アノードガス中の水素ガスと空気中の酸素ガスとを電気化学的に反応させて化学エネルギーから電気エネルギーを直接取り出すものであり、将来性に富む有望な電池であると位置付けられている。

従来の燃料電池は膜電極接合体とセパレータとを交互に重ねられることでスタック化されており、二つのセパレータとその間に挟持された膜電極接合体とにより構成される燃料電池セルが直列に接続されている。膜電極接合体は固体高分子電解質膜の両面にガス拡散層が設けられているとともに、ガス拡散層を囲繞するように枠状のガスケットが設けられたものである。セパレータには、それぞれアノードガス流路及びカソードガス流路が形成され、アノードガス流路はアノードガスを膜電極接合体の一方のガス拡散層に供給し、カソードガス流路はカソードガスを他方のガス拡散層に供給する。

化学エネルギーから電気エネルギーを取り出す際の副産物として熱が発生するが、燃料電池を放熱するために、例えば燃料電池にヒートパイプ等の伝熱部材やファンを設ける方法がある（例えば特許文献１参照）。
特開２００４−３１０９６号公報

しかし、従来のガスケットは熱伝導率が低く、隣接する燃料電池セルに熱が伝わりにくいため、より中央側の燃料電池セルでは十分放熱できずに、より外側の燃料電池セルとの間に大きな温度差が生じる。すると、中央側の燃料電池セルが異常高温になり燃料電池が運転できなくなり、燃料電池の性能低下や運転停止を引き起こすおそれがある。また、燃料電池セルの発電効率は、温度に依存しているために、中央側の燃料電池セルと外側の燃料電池セルとに温度差があると、全燃料電池セルを良好に動作させる加湿条件が作れず、燃料電池全体の性能が低下する恐れがある。

また、携帯機器用の燃料電池にヒートパイプ等の伝熱部材やファン等を設けると、装置の全体容積が大きくなるという問題があった。一方、携帯機器用の燃料電池では発熱量が小さいため、隣接する燃料電池セル間の熱伝導性を向上させれば、燃料電池の両端または片端を携帯機器の筐体等に接触させることで充分に放熱できる。

本発明の課題は、燃料電池セルの熱伝導性を向上させることができるセパレータ、燃料電池セル、及び燃料電池装置を提供することである。

以上の課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、電解質膜の両面に電極が設けられた膜電極接合体を挟持する燃料電池セルのセパレータであって、前記膜電極接合体の電極と当接する導電板と、前記導電板と前記電解質膜との隙間を封止する封止材と、前記封止材よりも熱伝導率が高く、前記導電板及び電解質膜に当接する伝熱材と、を備えることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、セパレータが導電板と電解質膜との隙間を封止する封止材を有するので、電極に供給されるガスの漏れを封止材により確実に防ぐことができる。また、封止材の外周に、封止材よりも熱伝導率が高い伝熱材を備えるので、電解質膜で発生する熱が伝熱材を介して導電板に伝導するため、燃料電池セルの熱伝導性を向上させることができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のセパレータにおいて、前記伝熱材の前記電解質膜と当接する面は絶縁性を有することを特徴とする。

請求項２に記載の発明によれば、伝熱材が絶縁性を有するので、セパレータと膜電極接合体とを積層した状態で、仮に電解質膜が破損したとしても、電解質膜を挟んで隣接するセパレータの導電板同士が接触してショートすることがない。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載のセパレータを２つ対向配置し、その間に膜電極接合体を挟んでなることを特徴とする燃料電池セルである。

請求項４に記載の発明は、請求項１又は２に記載のセパレータを２つ以上対向配置し、各セパレータ間に膜電極接合体を挟んでなることを特徴とする燃料電池装置である。

本発明によれば、燃料電池セルの熱伝導性を向上させることができる。

以下に、本発明を実施するための最良の形態について図面を用いて説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、発明の範囲を以下の実施形態及び図示例に限定するものではない。

＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る発電装置２００のブロック図である。この発電装置２００は、ノート型パーソナルコンピュータ、携帯電話機、ＰＤＡ（Personal Digital Assistant）、電子手帳、腕時計、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、ゲーム機器、遊技機、その他の電子機器に備え付けられたものであり、電子機器本体を動作させるための電源として用いられる。

発電装置２００は、メタノール等の燃料と水を別々に又は混合した状態で貯留した燃料容器２０１と、燃料容器２０１から供給された燃料と水を気化させる気化器２０３と、燃料容器２０１から燃料と水を吸引するとともに吸引した燃料と水を気化器２０３に供給する燃料ポンプ２０２と、気化器２０３から供給された燃料と水の混合気を水素ガスと二酸化炭素ガス等を化学反応式（１）、（２）のように生成する改質器２０４と、改質器２０４から供給された混合気中の一酸化炭素を化学反応式（３）のように酸化させることで混合気から一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去器２０５と、一酸化炭素除去器２０５から供給された混合気のうち水素ガスと外気の酸素ガスとの電気化学反応により電気エネルギーを生成する燃料電池装置１と、外気の空気を吸引するとともに吸引した空気を一酸化炭素除去器２０５及び燃料電池装置１に供給する空気ポンプ２０６と、を備える。

ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→３Ｈ₂＋ＣＯ₂ …（１）
２ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→５Ｈ₂＋ＣＯ＋ＣＯ₂ …（２）
２ＣＯ＋Ｏ₂→２ＣＯ₂ …（３）

なお、燃料容器２０１に貯留された燃料は、メタノールの代わりに、エタノール等のアルコール類やガソリンといった水素原子を含む化合物が適用可能である。

図２は、燃料電池装置１に用いられる１つの燃料電池セルを示す断面図である。図２に示すように、燃料電池セルは、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）１０と、膜電極接合体１０の水素極（ガス拡散層１２）側に配置された片面セパレータ２０と、膜電極接合体１０の酸素極（ガス拡散層１３）側に配置された片面セパレータ３０と、を備え、片面セパレータ２０，３０の間に膜電極接合体１０を挟持した状態で図示しないボルトナット結合により厚さ方向に締め付けたものである。なお、ボルトナット結合をはずすと、この単位セルを片面セパレータ２０，３０及び膜電極接合体１０に分離することができる。

膜電極接合体１０は、固体高分子電解質膜１１と、固体高分子電解質膜１１の両面の中央に設けられたガス拡散層１２，１３と、ガス拡散層１２，１３の固体高分子電解質膜１１との境界部分に設けられた触媒層（図示せず）とからなる。

固体高分子電解質膜１１は、片面セパレータ２０と略同一寸法の矩形状又は正方形状に形成された膜であって、水素イオン（Ｈ⁺）を選択的に透過させるものである。

固体高分子電解質膜１１の両面であってそれぞれの中央部には、触媒層（図示せず）及びガス拡散層１２，１３が矩形状又は正方形状に形成されている。ガス拡散層１２が燃料電池セルのアノード（水素極）として機能し、ガス拡散層１３が燃料電池セルのカソード（酸素極）として機能する。
ガス拡散層１２は後述する片面セパレータ２０の封止材２２により外周部を囲まれ、ガス拡散層１３は後述する片面セパレータ３０の封止材３２により外周部を囲まれる。

片面セパレータ２０，３０は、それぞれ導電板２１，３１と、封止材２２，３２と、伝熱材２３，３３と、を備えている。

図３（ａ）は導電板２１（３１）をガス拡散層１２（１３）と接触する面から見た平面図である。導電板２１のガス拡散層１２と接触する面の中央部は外周部よりも突出した突出部２４が設けられており、外周部はフランジ状に設けられている。突出部２４には溝状のアノードガス流路２５が設けられている。同様に、片面セパレータ３０のガス拡散層１３と接触する面の中央部は外周部よりも突出した突出部３４が設けられており、外周部はフランジ状に設けられている。突出部３４には溝状のカソードガス流路３５が設けられている。

突出部２４，３４の外周部には、アノードガス流路２５、カソードガス流路３５を囲むようにＯリング状の封止材２２，３２が配置されている。封止材２２，３２は、図２に示すように、固体高分子電解質膜１１と突出部２４，３４との隙間を封止し、アノードガス流路２５からガス拡散層１２に供給されるアノードガス、カソードガス流路３５からガス拡散層１３に供給されるカソードガスが漏れ出すことを防ぐガスシールとして機能する。
このような封止材２２，３２は、ゴム弾性を有する材料により形成することができ、例えばイソブチレン系の封止材を用いて形成することができる。また、シリコンゴムやテフロン（登録商標）等を用いて形成してもよい。

図３（ｂ）は伝熱材２３（３３）を固体高分子電解質膜１１と接触する面から見た平面図である。伝熱材２３（３３）は枠形状であり、中央に突出部２４（３４）と同じ形状の穴２６（３６）があいており、図３（ｃ）に示すように、穴２６（３６）に突出部２４（３４）を嵌め込んで片面セパレータ２０（３０）が形成される。そして、封止材２２（３２）は、突出部２４（３４）に当接しかつ穴２６（３６）の内周に沿った状態で穴２６（３６）に挿入される。
なお、図２に示すように、伝熱材２３（３３）の厚さは、突出部２４（３４）の突出長とガス拡散層１２（１３）の厚さの和にほぼ等しい。

伝熱材２３，３３は図２に示すように、膜電極接合体１０の外周部で固体高分子電解質膜１１を挟持する。また、伝熱材２３，３３は、導電板２１，３１の間にガス拡散層１２，１３及び触媒層を配置するためのスペーサーとしても機能する。

膜電極接合体１０における水素の酸化反応により発生する熱を効率よく導電板２１，３１に伝導させるために、伝熱材２３，３３は封止材２２，３２よりも熱伝導率が高い素材により形成されていることが好ましい。また、膜電極接合体１０から導電板２１，３１への熱伝導効率を高めるために、伝熱材２３，３３は封止材２２，３２よりも固体高分子電解質膜１１との接触面積が広いことが好ましい。

また、伝熱材２３，３３は絶縁性を有することが好ましい。固体高分子電解質膜１１は破損しやすいが、絶縁性を有する伝熱材２３，３３により固体高分子電解質膜１１を挟持することにより、仮に固体高分子電解質膜１１が破損しても、導電板２１，３１同士のショートを防止することができるからである。

このような熱伝導率が高い絶縁体としては、例えば窒化アルミニウムや窒化珪素等の金属窒化物や金属酸化物を用いることができる。なお、窒化アルミニウムの熱伝導率は１００〜１８０Ｗ・ｍ^-1・Ｋ^-1であり、窒化珪素の熱伝導率は約４０Ｗ・ｍ^-1・Ｋ^-1程度であるので、従来ガスケットに用いられていたシリコンゴムやテフロン（登録商標）等の５０〜１００倍程度である。また、伝熱材２３，３３は少なくとも固体高分子電解質膜１１と当接する面が絶縁性を有する構成であればよいので、アルミニウム等の熱伝導率の高い金属の表面に絶縁処理を施したものを用いてもよい。あるいは、熱伝導性がよくかつ絶縁性の樹脂素材等を用いてもよい。

導電板２１（３１）及び伝熱材２３（３３）の外周部には、互いに対応する位置に４つの孔２７ａ（３７ａ），２７ｂ（３７ｂ）が設けられている（図３参照）。また、固体高分子電解質膜１１にも対応する位置に４つの孔が同様に設けられている（図示せず）。これらの孔は、膜電極接合体１０及び片面セパレータ２０，３０を積層したときに連続し、４つのガス流路、すなわちアノードガス供給流路４１、アノードガス排出流路４２、カソードガス供給流路４３及びカソードガス排出流路４４となる（図２参照）。

アノードガス供給流路４１、アノードガス排出流路４２はそれぞれアノードガス流路２５の両端に接続されており、アノードガス流路２５に供給される水素ガスの流路となる。また、カソードガス供給流路４３、カソードガス排出流路４４はそれぞれカソードガス流路３５の両端に接続されており、カソードガス流路３５に供給される酸素ガス（空気）の流路となる。

さらに、導電板２１，３１及び伝熱材２３，３３の四隅には、厚さ方向に貫通するボルト孔２８ａ（３８ａ），２８ｂ（３８ｂ）が形成されている（図３参照）。また、固体高分子電解質膜１１の対応する位置にもボルト孔（図示せず）が同様に形成されている。これらのボルト孔は膜電極接合体１０及び片面セパレータ２０，３０を積層したときに連続する。この内部に図示しないボルトを挿通し、ボルトを締め付けると、伝熱材２３（３３）及び封止材２２（３２）が導電板２１（３１）及び固体電解質膜１１に当接し、燃料電池セルが形成される。

本実施の形態の燃料電池セルでは、固体高分子電解質膜１１が伝熱材２３，３３により挟持され、伝熱材２３，３３が導電板２１，３１に嵌め込まれているので、固体高分子電解質膜１１で発生した熱は伝熱材２３，３３を介して導電板２１，３１に伝導する。このように導電板２１，３１と固体高分子電解質膜１１との間に伝熱材２３，３３を設けることで、燃料電池セル内の積層方向への熱伝導率を高めることができる。

なお、第１実施形態においては、導電板２１，３１と封止材２２，３２とが当接する部分におけるアノードガス流路２５及びカソードガス流路３５を導電板２１，３１の内部に形成したが、変形例として、ガス流路を導電板の内部に形成しないようにすることもできる。すなわち、図４及び図５に示すように、アノードガス流路１２５及びカソードガス流路１３５の全体を導電板１２１，１３１に形成された凹部として設けた場合も、伝熱材１２３，１３３は導電板１２１，１３１と電解質膜１１１とに当接しているから、膜電極接合体１１０と導電板１２１，１３１との間の熱伝導効率を高くすることができる。なお、この導電板は、例えばプレス成形などによって製造することができる。

また、第１実施形態においては、導電板２１，３１における膜電極接合体１０の電極１２，１３及び封止材２２，３２に当接する部分を突出させて形成し、この突出部２４，３４と伝熱材２３，３３とを嵌合したが、この部分は突出させずに、図４及び図５に示した変形例のように、導電板１２１，１３１における伝熱材１２３，１３３と当接する外周部分と面一にしてもよい。この場合、導電板１２１，１３１と伝熱材１２３，１３３とは互いに嵌合する構造ではなく、当接させるだけでよいので、伝熱材１２３，１３３を形成する際、特に穴１２６，１３６の寸法精度に対するマージンが大きくなり、製造が容易となる。なお、この場合、伝熱材１２３，１３３の高さを封止材１２２，１３２及び膜電極接合体１１０の電極１１２，１１３とほぼ同じにすることにより、電極１１２，１１３に供給されるガスの漏れを確実に防ぐことができる。

さらに、第１実施形態においては、片面セパレータ２０，３０は伝熱材２３，３３と封止材２２，３２とを有する構成としたが、図６及び図７に示す第２の変形例のように、伝熱材２２３，２３３を導電板２２１，２３１及び電解質膜２１１に当接させて、これにより導電板２２１，２３１と電解質膜２１１との隙間を封止し、封止材を省略する構成にしてもよい。

ここで、伝熱材２２３，２３３には、熱伝導率が高く、かつガスシール性を有する絶縁体を用いることができる。このような絶縁体としては、例えばイソブチレンゴムやシリコンゴム、テフロン（登録商標）等のゴム弾性を有する材料に、銅、アルミニウム等の熱伝導率が高い粒子を混入、分散させたものを用いて形成することができる。

伝熱材２２３，２３３でガスを封止することにより封止材が不要となるので、膜電極接合体２１０と導電板２２１，２３１との間の熱伝導効率を高くするとともに、片面セパレータ２２０，２３０の構成部材が増えないようにすることができる。

＜第２実施形態＞
図８は燃料電池装置１に用いられる、複数の燃料電池セルが電気的に直列に接続されたセルスタックを示す断面図である。ここで、セルスタックを構成する各燃料電池セルは、膜電極接合体１０が片面セパレータ２０及び両面セパレータ５０によって挟まれた構造、膜電極接合体１０が２枚の両面セパレータ５０，５０によって挟まれた構造、または、膜電極接合体１０が片面セパレータ３０及び両面セパレータ５０によって挟まれた構造である。両面セパレータ５０は隣接する燃料電池セルの双方の構造を兼ね、隣接する燃料電池セルは両面セパレータ５０により直列に接続される。燃料電池セルの数は、１つの膜電極接合体１０当たりの起電力と、燃料電池装置１に要求される出力電圧によって定まる。なお、各膜電極接合体１０及び片面セパレータ２０，３０は第１実施形態と同様である。

両面セパレータ５０は、導電板５１と、封止材５２ａ，５２ｂと、伝熱材５３ａ，５３ｂと、を備えている。
導電板５１のガス拡散層１２と接触する面の中央部には、導電板２１と同様に、外周部よりも突出した突出部５４ａが設けられており、突出部５４ａには溝状のアノードガス流路５５ａが設けられている。また、導電板５１のガス拡散層１３と接触する面の中央部には、導電板３１と同様に、外周部よりも突出した突出部５４ｂが設けられており、突出部５４ｂには溝状のカソードガス流路５５ｂが設けられている。

また、導電板５１の外周部には、導電板２１，３１と同様に、それぞれアノードガス供給流路４１、アノードガス排出流路４２、カソードガス供給流路４３、カソードガス排出流路４４となる４つの孔が設けられている。なお、図示しないが、導電板５１の四隅には、片面セパレータ２０，３０と同様に、厚さ方向に貫通するボルト孔が形成されている。

アノードガス流路５５ａの両端はアノードガス供給流路４１、アノードガス排出流路４２にそれぞれ接続されており、カソードガス流路５５ｂの両端はカソードガス供給流路４３、カソードガス排出流路４４にそれぞれ接続されている。

突出部５４ａ，５４ｂの外周部には、アノードガス流路５５ａ、カソードガス流路５５ｂを囲むようにＯリング状の封止材５２ａ，５２ｂが配置されている。なお、封止材５２ａ，５２ｂは封止材２２，３２と同様のものである。
突出部５４ａ，５４ｂには、伝熱材５３ａ，５３ｂが嵌め込まれている。なお、伝熱材５３ａ，５３ｂは伝熱材２３，３３と同様のものである。

本実施の形態においても、固体高分子電解質膜１１で発生した熱は、伝熱材２３，３３，５３ａ，５３ｂを介して導電板２１，３１，５１に伝導する。このため各燃料電池セル内の積層方向への熱伝導率を高めることができ、燃料電池セル間の温度差を低下させることができる。したがって、全燃料電池セルを良好に動作させる加湿条件を作ることができ、燃料電池全体の性能を向上させることができる。

なお、以上の実施の形態においては、片面セパレータ２０，３０は第１実施形態と同様であるとしたが、これらを図４〜図７に示した変形例に係る片面セパレータ１２０，１３０，２２０，２３０に代えても全く差し支えない。また、以上の実施の形態においては、燃料を改質した水素を燃料電池装置１に供給したが、これに限らず、気化器２０３、改質器２０４、一酸化炭素除去器２０５を設けることなしにメタノール等の燃料を気化した状態で燃料電池装置１に供給して発電する直接型の燃料電池に利用してもよい。その場合、固体高分子電解質膜１１を直接型用の電解質膜に変更する。

本発明に係る発電装置２００を示すブロック図である。本発明に係る燃料電池セルを示す断面図である。本発明に係る燃料電池セルの（ａ）導電板、（ｂ）伝熱材、（ｃ）導電板と伝熱材とを嵌合させたセパレータのそれぞれを膜電極接合体と接する面から見た平面図である。本発明の変形例に係る燃料電池セルを示す断面図である。本発明の変形例に係る燃料電池セルの（ａ）導電板、（ｂ）伝熱材、（ｃ）導電板と伝熱材とを嵌合させたセパレータのそれぞれを膜電極接合体と接する面から見た平面図である。本発明の第２の変形例に係る燃料電池セルを示す断面図である。本発明の第２の変形例に係る燃料電池セルの（ａ）導電板、（ｂ）伝熱材、（ｃ）導電板と伝熱材とを嵌合させたセパレータのそれぞれを膜電極接合体と接する面から見た平面図である。本発明に係る燃料電池セルスタックを示す断面図である。

符号の説明

１燃料電池装置
１０膜電極接合体
１１固体高分子電解質膜（電解質膜）
１２，１３ガス拡散層（電極）
２０，３０，１２０，１３０，２２０，２３０片面セパレータ（セパレータ）
２１，３１，５１，１２１，１３１，２２１，２３１導電板
２２，３２，５２ａ，５２ｂ，１２２，１３２，２２２，２３２封止材
２３，３３，５３ａ，５３ｂ，１２３，１３３，２２３，２３３伝熱材
５０両面セパレータ（セパレータ）

Claims

電解質膜の両面に電極が設けられた膜電極接合体を挟持する燃料電池セルのセパレータであって、
前記膜電極接合体の電極と当接する導電板と、
前記導電板と前記電解質膜との隙間を封止する封止材と、
前記封止材よりも熱伝導率が高く、前記導電板及び前記電解質膜に当接する伝熱材と、
を備えることを特徴とするセパレータ。
前記伝熱材の前記電解質膜と当接する面は絶縁性を有することを特徴とする請求項１に記載のセパレータ。
請求項１又は２に記載のセパレータを２つ対向配置し、その間に膜電極接合体を挟んでなることを特徴とする燃料電池セル。
請求項１又は２に記載のセパレータを２つ以上対向配置し、各セパレータ間に膜電極接合体を挟んでなることを特徴とする燃料電池装置。