JP5729682B2 - 燃料電池用セパレータ - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池用セパレータに関する。

近年、燃料ガス（アノードガス）と酸化ガス（カソードガス）との電気化学反応によって発電する燃料電池をエネルギー源とした燃料電池システムが注目されている。かかる燃料電池システムに用いられる燃料電池は、一般に、電解質膜及びこれを挟持する一対の電極を含む膜−電極接合体（以下「ＭＥＡ」という：Membrane Electrode Assembly）と、そのＭＥＡを挟持する一対のセパレータとから構成された単セルが複数積層された燃料電池スタックを有している。そのスタック構造においては、通常、単セルの積層方向に所定の圧縮荷重が付与され、各単セルのセパレータ間がＭＥＡの外周に接合されたシール材によって封止されており、また、一の単セルとこれに隣接する他の単セルとの間にも別のシール材が設けられている。

かかるシール構造を有する燃料電池として、本出願人は、シール部の位置ズレによるセパレータの変形を抑制することを企図したものを、例えば特許文献１に提案している。この燃料電池においては、特許文献１の図２に記載されているとおり、単セル間をシールするガスケット（第１シール材５１）の高さが、冷却水流路の高さ（燃料ガス流路４０の高さ＋酸化ガス流路４２の高さ）と同等に構成されている（なお、特許文献１に記載されている部材の符号は、特許文献１におけるものである。以下同様。）。

特開２００９−１２９６４１号公報

ところで、燃料電池のシール性の信頼性向上のためには、セパレータのシール高さが高い方が好ましい。一方、燃料電池の発電性能を向上させるためには、セパレータにおけるガス流路幅が狭い方が好ましい。

すなわち、シール部に用いる部品の公差や耐久運転による寸法や形状変化（いわゆるへたり）に対応するべく、ガスケット等のシール部材の圧縮量は極力大きい方が望ましいところ、シール部材の圧縮荷重（圧縮率）を過度に増大させると、シール部の不都合な変形や破壊を招くおそれがある。そこで、圧縮荷重を上げる代わりにシール部材の圧縮量を大きくするには、セパレータのシール高さ（例えば特許文献１の図２におけるセパレータ２２Ａ，２２Ｂの凹凸の高さ）を極力高くすることにより、シール部材の圧縮前後の高さの変化を大きくすることが有効である。

これに対し、燃料電池の各単セルの発電性能を高めるには、セパレータとＭＥＡによって画成されたガス流路間におけるセパレータのＭＥＡに対する面圧を十分に確保し、且つ、ガス流路におけるガス濃度を極力高めることが望ましい。そのためには、セパレータの凹凸における溝幅及び山幅（例えば特許文献１の図２におけるセパレータ２２Ａ，２２Ｂによって画成される燃料ガス流路４０及び酸化ガス流路４２の幅）を極力細くすることが有利である。

しかし、セパレータを、そのようにガス流路の幅を狭くしつつ、その高さを高くするような形状にしようとすると、例えばメタルセパレータの場合、プレス成型する際に、材料伸び限界に起因して加工成型が極めて困難となり、場合によっては破損してしまうおそれがある。また、カーボンセパレータの場合、成型するときの脱型性（型抜き性）が悪化してしまう。よって、そのような成型性の悪化を抑止するには、ガス流路を画成するためのセパレータの溝高さ（例えば特許文献１の図２におけるセパレータ２２Ａ，２２Ｂの凹凸の高さ；つまり、特許文献１においては上記シール高さと同じ）を極力低くすることが有効である。

したがって、セパレータのシール高さを高くしてシール性を向上させようとすると、発電性能を十分に向上させることができず、逆に、発電性能を優先してセパレータの溝高さを低くすると、シール性を十分に高めることが困難となってしまう。

そこで、本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、燃料電池におけるシール性の信頼性向上と発電性能の向上を両立させることができる燃料電池用セパレータを提供すること目的とする。

上記課題を解決するために本発明による燃料電池用セパレータは、燃料電池における電解質膜及びそれを挟持する電極対を含むＭＥＡに対向配置されるものであって、ＭＥＡとの間にガス流路（燃料ガス流路、酸化ガス流路）を画成するガス流路用溝部と、当該燃料電池用セパレータの周部にシール部材が設けられるシール用溝部とを有しており、シール用溝部は、シール部材が当接するシール面としての溝底内面が、ガス流路の基準面よりもＭＥＡの内部方向（電解質膜側）に存置するように構成されており、且つ、シール用溝部のアスペクト比が、ガス流路用溝部のアスペクト比よりも小さく形成されていることを特徴とする。

このように構成された燃料電池用セパレータは、ＭＥＡを挟持して燃料電池の単セルを構成するための一対のセパレータの少なくとも一方に用いられ、ＭＥＡに対向して配置されることにより、そのガス流路用溝部とＭＥＡとの間にガス流路（燃料ガス流路、酸化ガス流路）が画成される。また、そのようにＭＥＡを挟持した燃料電池用セパレータの周部に形成されたシール用溝部にガスケット等の適宜のシール部材が設けられ、そのシール部材に所定の圧縮荷重が印加されることにより、単セル、及び、単セル間が封止される。

このとき、シール部材が当接してシール面として機能するシール用溝部の溝底内面が、ガス流路の基準面よりもＭＥＡの内部方向に存置するように構成されている、換言すれば、単セルの状態において、シール部材が配されるシール用溝部が、ガス流路が画成されるガス流路用溝部よりもＭＥＡ側に凹んで形成されているので、実質的なシール高さ（具体的には圧縮されたシール部材の高さと同等）を従来に比して有意に高くすることができる。これにより、シール部材に印加する圧縮荷重を過度に増大させることなく、シール部材の圧縮量を大きくすることが可能となる。

また、シール用溝部のアスペクト比がガス流路用溝部のアスペクト比よりも小さく形成されている、すなわち、ガス流路用溝部の溝厚さ（深さ）が、シール用溝部の溝厚さ（深さ）よりも薄く（浅く）されているので、ガス流路の高さに比してガス流路の幅を相対的に狭小化することが可能となる。その結果、ガス流路間における燃料電池用セパレータのＭＥＡに対する面圧を十分に確保し、且つ、ガス流路におけるガス濃度を高めることができる。

以上のことから、本発明によれば、燃料電池の単セル、及び、単セル同士の封止に使用されるシール部材の圧縮荷重（圧縮率）を過度に増大させることなく、そのシール性を向上させることができ、且つ、シール部の不都合な変形や破壊を防止することができる。また、燃料電池用セパレータの材質や構成材料に関係なく（すなわち、例えばメタルセパレータであっても、或いは、カーボンセパレータであっても）、成型性の悪化を抑止することができるとともに、燃料電池の各単セルの発電性能を高めることが可能となる。これらにより、燃料電池におけるシール性の信頼性向上と発電性能の向上を両立させることが可能となる。

本発明の第１実施形態に係る燃料電池用セパレータを備える固体高分子型燃料電池の単セルの一例を示す概略断面図である。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池用セパレータを備える固体高分子型燃料電池の単セルの一例を示す概略断面図である。 本発明の第３実施形態に係る燃料電池用セパレータを備える固体高分子型燃料電池の単セルの一例を示す概略断面図である。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、以下の実施の形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をその実施の形態のみに限定する趣旨ではない。また、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、さまざまな変形が可能である。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池用セパレータを備える固体高分子型燃料電池の単セルの一例を示す概略断面図である。なお、かかる燃料電池の用途は特に制限されず、燃料電池自動車等の車両における車載発電システムや、船舶、航空機、電車、或いは歩行ロボット等のあらゆる移動体用の発電システム、さらには、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システム等に適用可能なものである。

単セル１は、燃料電池の基本単位であり、この単セル１が複数積層されて燃料電池のセル積層体が形成される。通常、そのセル積層体の両端には、順次、集電板、絶縁板、及びエンドプレートが配設される。また、エンドプレート同士はテンションプレートによって繋がれ、これにより、セル積層体には、単セル１の積層方向（セル積層方向）に所定の圧縮荷重（締結力）が印加される。

図１に示す如く、単セル１は、ＭＥＡ１０を備える。ＭＥＡ１０は、イオン交換膜で形成された電解質膜が、例えば多孔質カーボン素材からなる拡散層に白金等からなる触媒層が結着された一対の電極で挟持された構造を有している。このＭＥＡ１０は、一対のガス拡散層（以下「ＧＤＬ」という）３１，３２で更に挟持されており、ＭＥＡ１０の端部１０ａは、適宜の第２シール部材４１内に保持されている。なお、ＭＥＡ１０及びＧＤＬ３１，３２からなる構造単位を膜−電極接合体と呼ぶこともある。

ＧＤＬ３１，３２及び第２シール部材４１の外側には、それらを挟むように一対のセパレータ２１，２２（燃料電池用セパレータ）が当接配置されている。セパレータ２１，２２は、例えば、カーボンや、導電性を有する硬質樹脂の他、アルミニウムやステンレス等の金属材料からなるガス不透過の導電性材料から形成されており、平面視矩形状を有する。

また、セパレータ２１におけるＧＤＬ３１に対面する部位、すなわち、ＭＥＡ１０に対向する部位には、例えば断面略六角形状をなす突起部２１ｐが所定間隔で連設されており、各突起部２１ｐ，２１ｐ間に、燃料ガス及び酸化ガスの一方（ここでは燃料ガスとする）のガス流路を画成するガス流路用溝部２１ｇが所定間隔で形成されている。同様に、セパレータ２２におけるＧＤＬ３２に対面する部位、すなわち、ＭＥＡ１０に対向する部位には、例えば断面略六角形状をなす突起部２２ｐが所定間隔で連設されており、各突起部２２ｐ，２２ｐ間に、燃料ガス及び酸化ガスの他方（ここでは酸化ガスとする）のガス流路を画成するガス流路用溝部２２ｇが所定間隔で形成されている。

燃料ガス流路としてのガス流路用溝部２１ｇに面するＧＤＬ３１、及びＭＥＡのアノード電極の拡散層は、燃料ガスを流通させる機能と、触媒層及びセパレータ２１を電気的に導通させる機能を有する。一方、酸化ガス流路としてのガス流路用溝部２２ｇに面するＧＤＬ３２、及びＭＥＡのカソード電極の拡散層は、酸化ガスを流通させる機能と、触媒層及びセパレータ２２を電気的に導通させる機能を有する。

さらに、セパレータ２１，２２の外周縁部２０ａ（周部）は、単セル１の発電に寄与しない非発電領域であり、そこには、それぞれ、シール用溝部２１ｓ，２２ｓが形成されている。また、それらのシール用溝部２１ｓ，２２ｓには、セパレータ２１，２２を挟持するように、例えばガスケット等の第１シール部材５１，５２（シール部材）が配設されている。これらの第１シール部材５１，５２には、それぞれ図示上下方向から圧縮荷重が印加され、単セル１、及び、単セル１間が封止される。なお、単セル１の内部シール（セパレータ２１，２２内面と第２シール部材４１との間のシール、及び、セパレータ２１，２２内面とＧＤＬ３１，３２との間のシール）には、例えば適宜のシール用接着剤を用いることができる。

また、セパレータ２１においては、第１シール部材５１が当接してシール面として機能するシール用溝部２１ｓの溝底内面が、ガス流路用溝部２１ｇ及びＧＤＬ３１によって画成される燃料ガス流路の基準面よりもＭＥＡ１０の内部方向（電解質膜側）に存置するように構成されている。すなわち、単セル１の積層方向において、図１に一点鎖線Ｓｓで示すシール用溝部２１ｓの溝底内面のレベルが、図１に一点鎖線Ｓｐで示すＧＤＬ３１の外面（ガス流路用溝部２１ｇの開口面：ガス流路の基準面）のレベルよりも、ＭＥＡ１０側に設定されている。これは、セパレータ２２においても同様である。

さらに、セパレータ２１においては、第１シール部材５１が設けられるシール用溝部２１ｓのアスペクト比が、ガス流路用溝部２１ｇのアスペクト比よりも小さくされている。換言すれば、セパレータ２１のシール用溝部２１ｓ及びガス流路用溝部２１ｇは、下記式（１）〜式（３）；
ＡＲ（ｓ）＜ＡＲ（ｇ） …（１）
ＡＲ（ｓ）＝Ｈｓ１／Ｗｓ１ …（２）
ＡＲ（ｇ）＝Ｈｇ１／Ｗｇ１ …（３）
で表される関係を満たすように構成されている。

ここで、式中、ＡＲ（ｓ）は、シール用溝部２１ｓのアスペクト比を示し、Ｈｓ１は、シール用溝部２１ｓの溝深さを示し、Ｗｓ１は、シール用溝部２１ｓの開口幅（開口端面の内幅）を示す。また、ＡＲ（ｇ）は、ガス流路用溝部２１ｇのアスペクト比を示し、Ｈｇ１は、シール用溝部２１ｇの溝深さを示し、Ｗｇ１は、シール用溝部２１ｇの開口幅（開口端面の内幅）を示す。なお、この点についても、セパレータ２２において同様である。

またさらに、セパレータ２１，２２の外周縁部２０ａには、燃料ガス、酸化ガス、及び冷媒のそれぞれの供給用及び排出用のマニホールド（何れも図示せず）が設けられている。なお、単セル１が複数積層されたセル積層体においては、セパレータ２１，２２のガス流路用溝部２１ｇ，２２ｇの反対面（裏面）に形成された溝が、単セル１ひいては燃料電池の運転温度を所定の範囲に保つための冷媒用の流路として機能する。また、本実施形態においては、セパレータ２１，２２として同じものを使用することができる。

このように構成されたセパレータ２１，２２、及び、それらを備える単セル１、並びに、その単セル１が複数積層された積層スタックを有する燃料電池によれば、セパレータ２１においてシール面として機能するシール用溝部２１ｓの溝底内面（レベルＳｓ）が、燃料ガス流路の基準面（レベルＳｐ）よりもＭＥＡ１０の内部方向に存置するように構成されているので、そのシール用溝部２１ｓの溝底内面が相対的に凹んでいる分、実質的なシール高さである圧縮された第１シール部材５１の高さを従来に比して有意に高くすることができる。これにより、第１シール部材５１に印加する圧縮荷重を過度に増大させることなく、第１シール部材５１の圧縮量を大きくすることが可能となる。

また、セパレータ２１におけるシール用溝部２１ｓのアスペクト比ＡＲ（ｓ）が、ガス流路用溝部２１ｇのアスペクト比ＡＲ（ｇ）よりも小さく形成されているので、ガス流路用溝部２１ｇ及びＧＤＬ３１によって画成される燃料ガス流路の高さに比して、その燃料ガス流路の幅を相対的に狭小化することができる。その結果、燃料ガス流路間におけるセパレータ２１のＧＤＬ３１及びＭＥＡ１０に対する面圧を十分に確保しつつ、燃料ガス流路における燃料ガス濃度を確実に高めることが可能となる。

したがって、単セル１、及び、単セル１間の封止に使用される第１シール部材５１の圧縮荷重（圧縮率）を過度に増大させることなく、そのシール性を向上させることができ、しかも、シール部の不都合な変形や破壊を防止することができる。また、セパレータ２１の材質や構成材料を問わず、それを製造する際の成型性の悪化を抑止することができるとともに、単セル１ひいては燃料電池の発電性能を高めることが可能となる。これらにより、燃料電池におけるシール性の信頼性向上と発電性能の向上を両立させることが可能となる。なお、以上述べた有利な作用効果は、セパレータ２２及び第１シール部材５２側の構造、並びに、セパレータ２２及びＧＤＬ３２によって画成される酸化ガス流路においても同様に奏されるので、ここでの重複した説明は省略する。

（第２実施形態）
図２は、本発明の第２実施形態に係る燃料電池用セパレータを備える固体高分子型燃料電池の単セルの一例を示す概略断面図である。同図に示す単セル２は、セパレータ２１，２２に代えてそれぞれセパレータ２３，２４を備え、第２シール部材４１に代えて第２シール部材４４を有し、且つ、ＧＤＬ３２とセパレータ２４との間に多孔体流路６１を備えること以外は、図１に示す単セル１と同様に構成されたものである。

セパレータ２３は、ＧＤＬ３１に対面する部位、すなわち、ＭＥＡ１０に対向する部位が凹凸状に形成され、突起部２３ｐが所定間隔で連設されており、各突起部２３ｐの内部空間が、燃料ガス流路を画成するガス流路用溝部２３ｇとして設けられている。一方、セパレータ２４は、略平板状をなしており、セパレータ２３の如く凹凸によって形成されたガス流路用溝部の代わりに、多孔体流路６１が酸化ガス流路として設置されている。

また、セパレータ２３の外周縁部２０ａ（周部）には、先述した第１シール部材５１が設けられるシール用溝部２３ｓが形成されている。さらに、このセパレータ２３においても、図１に示す単セル１のセパレータ２１，２２と同様に、第１シール部材５１が当接してシール面として機能するシール用溝部２３ｓの溝底内面が、ガス流路用溝部２３ｇ及びＧＤＬ３１によって画成される燃料ガス流路の基準面よりもＭＥＡ１０の内部方向（電解質膜側）に存置するように構成されている。すなわち、単セル２の積層方向において、図２に一点鎖線Ｓｓで示すシール用溝部２３ｓの溝底内面のレベルが、図２に一点鎖線Ｓｐで示すＧＤＬ３１の外面（ガス流路用溝部２３ｇの開口面：ガス流路の基準面）のレベルよりも、ＭＥＡ１０側に設定されている。

またさらに、セパレータ２３においても、第１シール部材５１が設けられるシール用溝部２３ｓのアスペクト比が、ガス流路用溝部２３ｇのアスペクト比よりも小さくされている。すなわち、セパレータ２３においても、セパレータ２１，２２と同様に、上述した式（１）〜式（３）で表される関係が満たされている。

それらに加えて、セパレータ２３は、アルミニウムやステンレス等の金属材料からなるメタルセパレータであり、特に下記式（４）；
（ｔ１ａ＋ｔ１ｂ）／２＞（ｔ２ａ＋ｔ２ｂ）／２ …（４）
で表される関係を満たすように形成されている。ここで、式中、ｔ１ａはシール用溝部２３ｓの側壁の厚さを示し、ｔ１ｂはシール用溝部２３ｓの底壁の厚さを示し、ｔ２ａはガス流路用溝部２３ｇの側壁の厚さを示し、ｔ２ｂはガス流路用溝部２３ｇの底壁（図示天壁）の厚さを示す。つまり、セパレータ２３がメタルセパレータの場合、シール用溝部２３ｓの平均厚さを、ガス流路用溝部２３ｇの平均厚さよりも大きく（厚く）することができるので、第１シール部材５１に印加される圧縮応力に対するセパレータ２３の耐性を高めることができる。

（第３実施形態）
図３は、本発明の第３実施形態に係る燃料電池用セパレータを備える固体高分子型燃料電池の単セルの一例を示す概略断面図である。同図に示す単セル３は、セパレータ２２に代えてセパレータ２６を備え、第２シール部材４１に代えて第２シール部材４６を有し、且つ、ＧＤＬ３２とセパレータ２６との間に多孔体流路６２を備えること以外は、図１に示す単セル１と同様の構成を有している。

セパレータ２６は、ＧＤＬ３２に対面する部位から外周縁部２０ａにかけて、階段状（ステップ状）に形成されており、外周縁部２０ａには、第１シール部材５２が設けられるシール用溝部２６ｓが形成されている。また、セパレータ２６においては、下記式（５）；
ｔ３＞ｔ４ …（５）
で表される関係が満たされている。式中、ｔ３は、シール用溝部２６ｓの溝深さを示し、ｔ４は、多孔体流路６２が設けられるセパレータ２６とＧＤＬ３２との間隔を示す。こうすることにより、単セル３の構造においても、第１シール部材５２によるシール高さ（圧縮時の第１シール部材５２の高さ）を大きく確保することができる。これにより、第１シール部材５２に印加する圧縮荷重を過度に増大させることなく、第１シール部材５２の圧縮量を大きくすることができ、その結果、シール性を向上させることができる。

なお、上述したとおり、本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない限度において様々な変形が可能である。

以上説明したとおり、本発明は、燃料電池におけるシール性の信頼性向上と発電性能の向上を両立させることができるので、燃料電池全般、燃料電池を備える車両、機器、システム、設備等、及び、それらの製造に広く且つ有効に利用することができる。

１，２，３：単セル
１０：ＭＥＡ
１０ａ：ＭＥＡの端部
２０ａ：セパレータの外周縁部（周部）
２１，２２，２３：セパレータ（燃料電池用セパレータ）
２４，２６：セパレータ
２１ｇ，２２ｇ，２３ｇ：ガス流路用溝部
２１ｐ，２２ｐ，２３ｐ：突起部
２１ｓ，２２ｓ，２３ｓ：シール用溝部
３１：ＧＤＬ
４１，４４，４６：第２シール部材
５１，５２：第１シール部材（シール部材）
６１，６２：多孔体流路
Ｈｓ１：シール用溝部２１ｓの溝深さ
Ｗｓ１：シール用溝部２１ｓの開口幅
Ｈｇ１：シール用溝部２１ｇの溝深さ
Ｗｇ１：シール用溝部２１ｇの開口幅
Ｓｓ：シール用溝部の溝底内面のレベル
Ｓｐ：ガス流路の基準面のレベル
ｔ１ａ：シール用溝部２３ｓの側壁の厚さ
ｔ１ｂ：シール用溝部２３ｓの底壁の厚さ
ｔ２ａ：ガス流路用溝部２３ｇの側壁の厚さ
ｔ２ｂ：ガス流路用溝部２３ｇの底壁の厚さ
ｔ３：シール用溝部の溝深さ
ｔ４：セパレータとＧＤＬとの間隔

Claims (1)

1. 燃料電池における電解質膜及び該電解質膜を挟持する電極対を含む膜−電極接合体に対向配置される燃料電池用セパレータであって、
   前記膜−電極接合体との間にガス流路を画成するガス流路用溝部と、
   当該燃料電池用セパレータの周部にシール部材が設けられるシール用溝部と、
   を有しており、
   前記シール用溝部は、前記シール部材が当接するシール面としての溝底内面が、前記ガス流路用溝部の開口面よりも前記膜−電極接合体の内部方向に存置するように構成されており、
   前記シール用溝部のアスペクト比が、前記ガス流路用溝部のアスペクト比よりも小さい、
   燃料電池用セパレータ。
   

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