JP6512538B2 - 燃料電池用金属セパレータ構造体、該セパレータ構造体を用いた燃料電池及び燃料電池スタック - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池に用いられる金属セパレータ構造体に係り、更に詳細には、薄型ガス拡散層を適用したり、浅溝チャンネルのガス流路を採用したりしても、シール設計のロバスト性を確保できる燃料電池用金属セパレータ構造体、該セパレータ構造体を用いた燃料電池及び燃料電池スタックに関する。
燃料電池スタックは、膜電極接合体を一対の波形のセパレータで挟持して成る単セルを複数積層して構成されるものである。そして、２つのエンドプレート間に上記単セルを複数積層し、締め付けボルトやケーシングによって積層方向に締め付け荷重を付与して形成される。
上記膜電極接合体とセパレータとの間には、反応面に沿ってガス流路が形成され、隣り合う２つのセパレータ間には冷却媒体流路が形成される。そして、上記膜電極接合体の外縁にはシール部材が設けられてガス等の漏洩が防止される。
特許文献１の日本国特開２０１１−１４６２４７号公報には、上記単セルの電極面の面圧にバラツキが生じると、接触抵抗が増加して端子電圧が低下することがあるため、金属セパレータの面に歪ゲージを設けることで、性能低下や液洩れが生じる前に燃料電池セルの異常を検出することができる旨が開示されている。
上記特許文献１に記載のものは、燃料電池セルの異常を検出できるものであるが、異常の発生自体を防止することはできない。
車載用の燃料電池においては、上記膜電極接合体表面に形成されるガス拡散層の厚さを薄くして反応ガスの拡散性を向上させ、また、ガス流路を浅溝化して反応ガスの流速を増加させると共にガス流路からの水排出性を向上させることで、燃料電池の高性能化が図られる。
このような燃料電池は、ガス拡散層の薄層化とガス流路の浅溝化に伴って、シールスペースが減少してロバスト性が低下し、燃料電池から反応ガス等が漏れる虞が生じる。すなわち、上記シール部材が配設されるシールスペースの高さが減少すると、上記シール部材の自由長、換言すれば、シール部材のつぶれしろが短くなって、シール部材の圧縮率のバラツキが大きくなり、シール性が低下してしまう。したがって、燃料電池の高性能化と信頼性とを両立させることは困難である。
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、燃料電池の高性能化と信頼性とを両立させることができる燃料電池用金属セパレータ構造体、該セパレータ構造体を用いた燃料電池、及び燃料電池スタックを提供することにある。
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、積層された燃料電池の隣り合う波形金属セパレータ間に、導電性のスペーサを挿入することで、ガス拡散層の薄層化及びガス流路の浅溝化と、シールスペースの確保とを両立させることができ、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
即ち、本発明の燃料電池用金属セパレータ構造体は、一方の膜電極接合体に当接する第１セパレータと、他方の膜電極接合体に当接する第２セパレータと、を備え、
上記第１セパレータと上記一方の膜電極接合体との間、及び、上記第２セパレータと上記他方の膜電極接合体との間に、それぞれガス流路が形成され、上記第１セパレータと上記第２セパレータとの間に冷却媒体流路が形成されるものであり、
上記第１セパレータ及び上記第２セパレータと、上記膜電極接合体との積層方向において、上記膜電極接合体の外縁で、上記第１セパレータと上記第２セパレータとが直接当接してシール溝を形成し、かつ、上記２つの膜電極接合体に挟まれた反応領域では、上記第１セパレータと上記第２セパレータとの間に導電部材が挿入され、上記第１セパレータ及び上記第２セパレータが、それぞれ、上記導電部材と当接していることを特徴とする。
上記第１セパレータと上記一方の膜電極接合体との間、及び、上記第２セパレータと上記他方の膜電極接合体との間に、それぞれガス流路が形成され、上記第１セパレータと上記第２セパレータとの間に冷却媒体流路が形成されるものであり、
上記第１セパレータ及び上記第２セパレータと、上記膜電極接合体との積層方向において、上記膜電極接合体の外縁で、上記第１セパレータと上記第２セパレータとが直接当接してシール溝を形成し、かつ、上記２つの膜電極接合体に挟まれた反応領域では、上記第１セパレータと上記第２セパレータとの間に導電部材が挿入され、上記第１セパレータ及び上記第２セパレータが、それぞれ、上記導電部材と当接していることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池スタックは、上記燃料電池用金属セパレータ構造体と、膜電極接合体とが、交互に積層されたものであることを特徴とする。
さらに、本発明の燃料電池は、膜電極接合体を２つの金属セパレータで挟持して成る燃料電池であり、上記膜電極接合体と上記２つの金属セパレータとの間に、それぞれガス流路が形成され、上記金属セパレータと隣接する燃料電池の金属セパレータとの間に冷却媒体流路が形成され、
上記燃料電池の積層方向において、上記膜電極接合体の外縁で、上記２つの金属セパレータが、それぞれ、隣接する燃料電池金属セパレータと直接当接してシール溝を形成し、かつ、上記膜電極接合体を挟持する反応領域では、上記金属セパレータと隣接する燃料電池の金属セパレータとの間に導電部材が挿入されて上記金属セパレータが、上記導電部材と当接していることを特徴とする。
上記燃料電池の積層方向において、上記膜電極接合体の外縁で、上記２つの金属セパレータが、それぞれ、隣接する燃料電池金属セパレータと直接当接してシール溝を形成し、かつ、上記膜電極接合体を挟持する反応領域では、上記金属セパレータと隣接する燃料電池の金属セパレータとの間に導電部材が挿入されて上記金属セパレータが、上記導電部材と当接していることを特徴とする。
本発明によれば、積層された単セルの隣り合う金属セパレータ間に、反応領域においてはスペーサとなる導電部材を挿入し、シール部においては上記導電性スペーサを挿入せずに、上記隣り合う波形金属プレート同士を当接させることとしたため、ガス拡散層を薄層化し、かつガス流路を浅溝化した場合であっても、シールスペースを確保することができ、燃料電池の高性能化と信頼性とを両立させることができる。
本発明の燃料電池用金属セパレータ構造体について詳細に説明する。
本発明の燃料電池用金属セパレータ構造体は、膜電極接合体を一対のセパレータで挟持して成る単セルを、複数積層して構成される燃料電池スタックに用いられるものであり、隣り合う単セルの２つの膜電極接合体間に設けられる２つのセパレータで構成されるものである。
本発明の燃料電池用金属セパレータ構造体は、膜電極接合体を一対のセパレータで挟持して成る単セルを、複数積層して構成される燃料電池スタックに用いられるものであり、隣り合う単セルの２つの膜電極接合体間に設けられる２つのセパレータで構成されるものである。
まず、燃料電池スタックについて説明する。図１に燃料電池スタックの一例を示す。図１に示す燃料電池ＦＣは、燃料電池用金属セパレータ構造体と膜電極接合体とが、交互に複数組積層され、複数枚の矩形板状の燃料電池用単セル（以下、「単セル」とする。）Ｃで構成される積層体（燃料電池スタック）Ｌを備えている。
この燃料電池ＦＣは、積層体Ｌの積層方向の一端部（図１（Ｂ）中で右側端部）に、集電板５４Ａ及びスペーサ５５を介してエンドプレート５６Ａが設けてあると共に、他端部に、集電板５４Ｂを介してエンドプレート５６Ｂが設けてある。また、燃料電池ＦＣは、積層体Ｌに対し、単セルＣの長辺側となる両面（図１（Ｂ）中で上下面）に、締結板５７Ａ，５７Ｂが設けてあると共に、短辺側となる両面に、補強板５８Ａ，５８Ｂが設けてある。
そして、燃料電池ＦＣは、各締結板５７Ａ，５７Ｂ及び補強板５８Ａ，５８ＢをボルトＢにより両エンドプレート５６Ａ，５６Ｂに連結にして構成される。これにより、燃料電池ＦＣは、図１（Ａ）に示すケース一体型構造となり、積層体Ｌをその積層方向に拘束・加圧して個々の単セルＣに所定の接触面圧を加え、ガスシール性や導電性等を良好に維持する。
上記の燃料電池ＦＣにおいて、単セルＣは、図２に示すように、周囲にフレーム１を有する膜電極接合体２と、フレーム１及び膜電極接合体２を挟持する第１セパレータ３と第２セパレータ４とを備える。
上記第１セパレータ３と第２セパレータ４とは、例えば、プレス加工により形成されたステンレス等の金属板であり、表裏反転形状の波形のプレートである。したがって、セル内面側の凸部及び凹部の部分が、逆に凹部及び凸部になっている。
上記第１セパレータ３と第２セパレータ４とは、反応領域の膜電極接合体２側となるセル内面側では、 凸部により膜電極接合体２に当接すると共に、凹部によりガス流路Ｇを形成している。セル外面側では、第１セパレータ３と第２セパレータ４との間に冷却媒体流路Ｒが形成される。
また、上記膜電極接合体２の外縁には、第１セパレータ３及び第２セパレータ４が、それぞれ、隣接する燃料電池のセパレータと直接当接してシール溝Ｓが形成され、該シール溝Ｓが対向して形成されるシール部にシール部材が配設されてガス漏れ等が防止される。
また、上記膜電極接合体２の外縁には、第１セパレータ３及び第２セパレータ４が、それぞれ、隣接する燃料電池のセパレータと直接当接してシール溝Ｓが形成され、該シール溝Ｓが対向して形成されるシール部にシール部材が配設されてガス漏れ等が防止される。
上記膜電極接合体２は、いわゆるＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）であって、図３に示すように、固体高分子から成る電解質膜２１をアノード側及びカソード側の電極層２２で挟持したものであり、触媒層２３の表面には、例えば厚さが１００μｍ〜２５０μｍの薄型のガス拡散層２４が設けられる。
図４に単セルＣを積層した状態の断面図を示す。図４（ａ）に示すように、上記膜電極接合体２のガス拡散層２４の厚さが厚い場合には、シール溝Ｓの深さが確保される。
しかし、薄いガス拡散層２４を採用する場合には、図４（ｂ）に示すように、シール溝Ｓの深さが浅くなってしまい、該シール溝Ｓに配設される図示しないシール部材の自由長が短くなって、シール部材の潰れしろにバラツキが生じ、ガス漏れ等が発生する虞が生じる。
なお、図４（ａ）、（ｂ）に示す、ガス流路Ｇは、共に浅溝化したものであり、深溝のガス流路とする場合には、シール溝Ｓの深さを確保できるため、シール性が低下する問題は生じない。
しかし、薄いガス拡散層２４を採用する場合には、図４（ｂ）に示すように、シール溝Ｓの深さが浅くなってしまい、該シール溝Ｓに配設される図示しないシール部材の自由長が短くなって、シール部材の潰れしろにバラツキが生じ、ガス漏れ等が発生する虞が生じる。
なお、図４（ａ）、（ｂ）に示す、ガス流路Ｇは、共に浅溝化したものであり、深溝のガス流路とする場合には、シール溝Ｓの深さを確保できるため、シール性が低下する問題は生じない。
本発明の燃料電池用金属セパレータ構造体においては、上記第１セパレータ及び上記第２セパレータと、上記膜電極接合体との積層方向において、図５（ｂ）に示すように、膜電極接合体２と対向する箇所、すなわち、２つの膜電極接合体に挟まれた反応領域の第１セパレータ３の凸部と第２セパレータ４の凹部とが対向して形成されるガス流路Ｇの反対側にスペーサとなる導電部材６が挿入される。
したがって、反応領域においては、第１セパレータ３と第２セパレータ４とが上記導電部材６を介して当接することで、ガス拡散層２４を薄層化し、かつガス流路Ｇを浅溝化した場合であっても、単セルの厚さが確保され、また、上記スペーサが導電性を有することで、第１セパレータ３と第２セパレータ４との導通も確保される。
そして、上記膜電極接合体２の外縁に設けられるシール部においては、上記第１セパレータ３と第２セパレータ４とが直接当接することで、シール溝Ｓの深さが上記ガス流路Ｇよりも深くなり、導電性スペーサを備えていないもの（図５（ａ））との比較からも明らかなように、シール溝Ｓの深さを確保することができ、シール性の低下が防止される。
したがって、反応領域においては、第１セパレータ３と第２セパレータ４とが上記導電部材６を介して当接することで、ガス拡散層２４を薄層化し、かつガス流路Ｇを浅溝化した場合であっても、単セルの厚さが確保され、また、上記スペーサが導電性を有することで、第１セパレータ３と第２セパレータ４との導通も確保される。
そして、上記膜電極接合体２の外縁に設けられるシール部においては、上記第１セパレータ３と第２セパレータ４とが直接当接することで、シール溝Ｓの深さが上記ガス流路Ｇよりも深くなり、導電性スペーサを備えていないもの（図５（ａ））との比較からも明らかなように、シール溝Ｓの深さを確保することができ、シール性の低下が防止される。
上記導電部材６としては、単セルの厚さを確保でき、かつ第１セパレータ３と第２セパレータ４との導通が確保できればよく、バンプ（突起）や線状の導電性スペーサを波形プレートの凸部に設けてもよいが、スペーサとなる導電部材６は、作製容易の観点から導電板であることが好ましい。
上記導電板は、図６に示すように、流路部分に溝６１を形成し、各セパレータに接する部分の厚さよりも流路部分の厚さを薄くしてもよく、また、穴あき加工されたものや多孔体であってもよい。導電板が溝を有するものや、板状の多孔体等であることで、冷却媒体流路Ｒの圧力損失を低下させることができる。
また、上記反応領域の外縁に設けられるシール部のシール溝Ｓは、反応領域側、すなわち、膜電極接合体側に溝深さが浅い部分ＳＳを有することが好ましい。図７に示すように、溝深さが浅い部分ＳＳを形成することで、第１セパレータ３と第２セパレータ４との間に隙間Ｖが形成され、該隙間Ｖにまで上記導電板を延伸させることで、図５（ｂ）に示すように、反応領域の端部に位置する冷却媒体流路Ｒのみが広くなることがない。
したがって、すべての冷却媒体流路Ｒの断面積が等しくなり、各冷却媒体流路Ｒへの均等な分配が可能になる。
したがって、すべての冷却媒体流路Ｒの断面積が等しくなり、各冷却媒体流路Ｒへの均等な分配が可能になる。
上記溝深さが浅い部分ＳＳは、図８に示すように、第１セパレータ３、第２セパレータ４を、導電部材６の厚さと同じ隙間ができるように、屈曲させて形成されることが好ましい。各セパレータ３，４の上記屈曲部３１、４１と上記導電板の端部６２の角とを当接させることで、流路方向と直交する方向の位置決めが容易になる。
したがって、上記シール部のシール溝Ｓに、溝深さが浅い部分ＳＳを形成しても、第１セパレータ３と第２セパレータ４との間に生じる隙間Ｖを小さくする又は埋めることができ、単セルＣを積層して加圧・拘束しても各セパレータのシール部が撓むことがない。
また、寸法精度が向上して、シールスペースのバラツキが防止され、シール性能が向上する。
したがって、上記シール部のシール溝Ｓに、溝深さが浅い部分ＳＳを形成しても、第１セパレータ３と第２セパレータ４との間に生じる隙間Ｖを小さくする又は埋めることができ、単セルＣを積層して加圧・拘束しても各セパレータのシール部が撓むことがない。
また、寸法精度が向上して、シールスペースのバラツキが防止され、シール性能が向上する。
上記導電部材６は、冷却媒体流路方向と略直交方向の端部、すなわち、上記シール溝Ｓの溝深さが浅い部分ＳＳまで延伸させる箇所の一部又は全部に切欠き部６３を有するものであることが好ましい。図９に切欠き部６３を有する導電板及びセパレータ３，４の要部平面図を示す。
上記導電部材６の切欠き部６３の形状に合わせた嵌合部３２、４２を、第１セパレータ３及び第２セパレータ４の流路方向の一部又は全部に形成し、上記切欠き部６３とセパレータの嵌合部３２、４２とを嵌合させることで、流路方向の位置決めが容易になり、シール性能が向上する。
上記導電部材６の切欠き部６３の形状に合わせた嵌合部３２、４２を、第１セパレータ３及び第２セパレータ４の流路方向の一部又は全部に形成し、上記切欠き部６３とセパレータの嵌合部３２、４２とを嵌合させることで、流路方向の位置決めが容易になり、シール性能が向上する。
１ フレーム
２ 膜電極接合体
２１ 電解質膜
２２ 電極層
２３ 触媒層
２４ ガス拡散層
３ 第１セパレータ
３１ 屈曲部
３２ 嵌合部
４ 第２セパレータ
４１ 屈曲部
４２ 嵌合部
Ｇ ガス流路
Ｓ シール溝
ＳＳ 溝深さが浅い部分
Ｒ 冷却媒体流路
Ｖ 隙間
５４Ａ 集電板
５４Ｂ 集電板
５５ スペーサ
５６Ａ エンドプレート
５６Ｂ エンドプレート
５７Ａ 締結板
５７Ｂ 締結板
５８Ａ 補強板
５８Ｂ 補強板
６ 導電部材
６１ 溝
６２ 導電板の端部
６３ 切欠き部
ＦＣ 燃料電池
Ｃ 単セル
Ｌ 積層体
２ 膜電極接合体
２１ 電解質膜
２２ 電極層
２３ 触媒層
２４ ガス拡散層
３ 第１セパレータ
３１ 屈曲部
３２ 嵌合部
４ 第２セパレータ
４１ 屈曲部
４２ 嵌合部
Ｇ ガス流路
Ｓ シール溝
ＳＳ 溝深さが浅い部分
Ｒ 冷却媒体流路
Ｖ 隙間
５４Ａ 集電板
５４Ｂ 集電板
５５ スペーサ
５６Ａ エンドプレート
５６Ｂ エンドプレート
５７Ａ 締結板
５７Ｂ 締結板
５８Ａ 補強板
５８Ｂ 補強板
６ 導電部材
６１ 溝
６２ 導電板の端部
６３ 切欠き部
ＦＣ 燃料電池
Ｃ 単セル
Ｌ 積層体
Claims (8)
- ２つの膜電極接合体間に設けられる燃料電池用金属セパレータ構造体であって、
一方の膜電極接合体に当接する第１セパレータと、
他方の膜電極接合体に当接する第２セパレータと、を備え、
上記第１セパレータと上記一方の膜電極接合体との間、及び、上記第２セパレータと上記他方の膜電極接合体との間に、それぞれガス流路が形成され、
上記第１セパレータと上記第２セパレータとの間に冷却媒体流路が形成されるものであり、
上記第１セパレータ及び上記第２セパレータと、上記膜電極接合体との積層方向において、
上記膜電極接合体の外縁で、上記第１セパレータと上記第２セパレータとが直接当接してシール溝を形成し、
かつ、
上記２つの膜電極接合体に挟まれた反応領域では、上記第１セパレータと上記第２セパレータとの間に導電部材が挿入され、上記第１セパレータ及び上記第２セパレータが、それぞれ、上記導電部材と当接していることを特徴とする燃料電池用金属セパレータ構造体。 - 上記導電部材が、導電板であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用金属セパレータ構造体。
- 上記シール溝が、上記反応領域側に溝深さが浅い部分を有するものであり、
該溝深さが浅い部分の第１セパレータと第２セパレータとの間に、上記導電板を有することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池用金属セパレータ構造体。 - 上記シール溝の溝深さが浅い部分が、上記第１セパレータ及び第２セパレータが屈曲して形成され、
上記第１セパレータ及び第２セパレータの屈曲部が、上記導電板と当接していることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池用金属セパレータ構造体。 - 上記導電板が、上記冷却媒体流路方向と略直交方向の端部に切欠き部を有するものであり、
上記導電板の切欠き部と、上記第１セパレータ及び第２セパレータの屈曲部とが、嵌合したものであることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池用金属セパレータ構造体。 - 上記導電板が、多孔体であることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１つの項に記載の燃料電池用金属セパレータ構造体。
- 上記請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池用金属セパレータ構造体と、膜電極接合体とが、交互に積層されたものであることを特徴とする燃料電池スタック。
- 膜電極接合体を２つの金属セパレータで挟持して成る燃料電池であって、
上記膜電極接合体と上記２つの金属セパレータとの間に、それぞれガス流路が形成され、
上記金属セパレータと隣接する燃料電池の金属セパレータとの間に冷却媒体流路が形成され、
上記燃料電池の積層方向において、
上記膜電極接合体の外縁で、上記２つの金属セパレータが、それぞれ、隣接する燃料電池の金属セパレータと直接当接してシール溝を形成し、
かつ、
上記膜電極接合体を挟持する反応領域では、上記金属セパレータと隣接する燃料電池の金属セパレータとの間に導電部材が挿入され、
上記金属セパレータが、上記導電部材と当接していることを特徴とする燃料電池。
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