JP6642369B2 - 燃料電池セル - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池セルに関する。

燃料電池は、燃料電池セルが複数積層して構成される。各燃料電池セルは、膜電極接合体を、一対のセパレータで挟持することにより構成される。特許文献１には、純チタン又はチタン合金製の基材を用いたセパレータが記載されている。この先行技術では、基材の表面にカーボンブラックを塗布し低酸素分圧下で熱処理することにより、表面に酸化チタンとカーボンが混合した導電性の混合層を形成する。

特開２０１６−１２２６４２号公報

上述したセパレータの表面には、余剰カーボンが残存する場合がある。余剰カーボンは、セパレータと他の部材との接着性を悪化させる原因になるため、従来は洗浄により全て取り除かれていた。しかし、本願の発明者は、余剰カーボンを完全に除去したセパレータを用いた燃料電池セルは、導電性が低下する場合があることを見出した。そのため、表面に酸化チタンとカーボンの混合層を有するセパレータを用いた燃料電池セルにおいて、導電性が低下することを抑制可能な技術が望まれる。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、燃料電池セルの積層体を構成するための燃料電池セルが提供される。この燃料電池セルは、膜電極接合体と；前記膜電極接合体の両側に沿って配置され、それぞれ凹凸形状に成形された第１セパレータと第２セパレータと；前記燃料電池セルの周縁部に設けられるガスケットと、を備え；前記第１セパレータおよび前記第２セパレータは、純チタン又はチタン合金製の基材と、前記基材の表面に形成された酸化チタンとカーボンの導電性混合層とを有し；前記第１セパレータ又は前記第２セパレータは、前記ガスケットと接着している接着面を有し；前記第１セパレータの凸部の表面において、隣接する他の燃料電池セルの前記第２セパレータの凸部の表面と接する接触面は余剰カーボンが残存しており；前記第１セパレータ又は前記第２セパレータの前記接着面は前記余剰カーボンが除去されている。この形態の燃料電池セルによれば、第１セパレータ又は第２セパレータのガスケットと接着している接着面は、余剰カーボンが除去されているため、接着性を確保することができる。また、第１セパレータの凸部の表面において、隣接する他の燃料電池セルの第２セパレータの凸部の表面と接する接触面は、余剰カーボンが残存している。そのため、表面に酸化チタンとカーボンの混合層を有するセパレータを用いた燃料電池セルにおいて、導電性が低下することを抑制することができる。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池セルを複数積層した燃料電池スタックや燃料電池としての形態の他、燃料電池セルの製造方法としての形態で実現することができる。

燃料電池セルの概略構造を示す断面図である。 図１のＩＩ部分の拡大図である。 セパレータの接触圧力に応じた接触抵抗を例示したグラフである。

Ａ．実施形態：
図１は、本発明の一実施形態における燃料電池セル１００の概略構造を示す断面図である。図１は、燃料電池セル１００が複数積層して積層体を構成している。燃料電池セル１００は、反応ガスとして水素と酸素の供給を受けて発電する固体高分子型の燃料電池セルである。燃料電池セル１００は、膜電極接合体１０と、第１セパレータ２０と、第２セパレータ３０と、ガスケット４０と、を備える。

膜電極接合体１０は、電解質膜（図示せず）と、電解質膜の両面にそれぞれ隣接して形成された触媒層（図示せず）と、ガス拡散層（図示せず）とを備える。電解質膜は湿潤状態において良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜である。電解質膜は、例えば、フッ素系樹脂のイオン交換膜によって構成される。触媒層は水素と酸素の化学反応を促進する触媒と、触媒を担持したカーボン粒子とを備える。

第１セパレータ２０および第２セパレータ３０は、膜電極接合体の両側に沿って配置されている。第１セパレータ２０および第２セパレータ３０は純チタン又はチタン合金製からなるチタン系基材を凹凸形状にプレス成形することによって形成されており、その表面に酸化チタンとカーボンの導電性混合層が形成されている。チタン合金としては、例えば、Ｔｉ−Ａｌ、Ｔｉ−Ｎｂ等を使用可能である。酸化チタンとカーボンの導電性混合層は、チタン系基材の上にカーボンブラックを塗布し、低酸素分圧下で熱処理することによって形成される。第１セパレータ２０は表面に余剰カーボン層２３を有し、第２セパレータ３０は表面に余剰カーボン層３３を有する。余剰カーボン層２３、３３については後述する。

第１セパレータ２０は、燃料電池セル１００を積層させた際に、隣接する他の燃料電池セル１００の第２セパレータ３０に接する凸部２５を有する。第２セパレータ３０は、燃料電池セル１００を積層させた際に、隣接する他の燃料電池セル１００の第１セパレータ２０に接する凸部３５を有する。凸部２５および凸部３５は燃料電池セル１００を積層させた際に、互いに隣接する。凸部３５に接する凸部２５の表面を「接触面２０ａ」と呼び、凸部２５に接する凸部３５の表面を「接触面３０ａ」と呼ぶ。

本実施形態において、第１セパレータ２０の凸部２５の接触面２０ａは、余剰カーボンが残存しており、第２セパレータ３０の凸部３５の接触面３０ａは、余剰カーボンが除去されている。また、第２セパレータ３０は、ガスケット４０と接着している接着面３０ｂを有する。接着面３０ｂは、余剰カーボンが除去されている。余剰カーボンの除去は、例えば、ウォータージェットを用いて行うことができる。

ガスケット４０は、燃料電池セル１００の周縁部に設けられる。本実施形態において、ガスケット４０は、第２セパレータ３０上に接着している。ガスケット４０は、反応ガスの漏洩（いわゆるクロスリーク）や、触媒電極同士の電気的短絡を抑制する。ガスケット４０は、例えばシリコーンゴムにより形成される。第２セパレータ３０の表面のうち、ガスケット４０が接着される接着面３０ｂからは余剰カーボンが除去されているので、第２セパレータ３０とガスケット４０との接着性を十分に確保することができる。なお、ガスケット４０の向きを図１とは上下逆にして、第１セパレータ２０にガスケット４０との接着面を設けるようにしてもよい。

図２は、図１のＩＩ部分の拡大図である。第１セパレータ２０と第２セパレータ３０とは図示の便宜上隙間を空けているが、実際には接している。第１セパレータ２０はチタン系基材２１と導電性混合層２２と余剰カーボン層２３とを有している。第２セパレータ３０はチタン系基材３１と導電性混合層３２とを有している。

導電性混合層２２および導電性混合層３２は、チタン酸化物とカーボンブラックとの混合層である。余剰カーボン層２３は、導電性混合層２２上に残存したカーボンブラックにより形成され、余剰カーボン層３３は、導電性混合層３２上に残存したカーボンブラックにより形成される。

このように、第１セパレータ２０と第２セパレータ３０の凸部２５、３５同士が接触する接触面２０ａ、３０ａのうち、第１セパレータ２０の接触面２０ａには余剰カーボン層２３を残存させ、第２セパレータ３０の接触面３０ａからは余剰カーボンを除去している。この結果、両方の接触面２０ａ、３０ａから余剰カーボンを完全に除去する場合と比べて、燃料電池セル１００の導電性を高めることができる。

図３は、本実施形態における第１セパレータ２０および第２セパレータ３０の接触圧力に応じた接触抵抗を例示したグラフである。このグラフの縦軸は接触抵抗値（ｍΩ・ｃｍ^２）を示し、横軸は接触圧力（ＭＰａ）を示している。「余剰カーボンあり」のグラフは、図２に示した実施形態の構造を採用した場合の特性を示している。「余剰カーボンなし」のグラフは、凸部２５、３５の接触面２０ａ、３０ａから余剰カーボンを除去した場合の特性を示している。余剰カーボンを残存させた場合、換言すると余剰カーボンの除去を行わない場合は、余剰カーボンの除去を行う場合と比較して、接触抵抗値が小さい。余剰カーボンを残存させることで、接触抵抗値が小さくなり、導電性を確保することができる。

以上で説明した本実施形態の燃料電池セル１００によれば、第２セパレータ３０のガスケット４０と接着している接着面３０ｂは、余剰カーボンが除去されているため、接着性を確保することができる。また、第１セパレータ２０の凸部２５の表面において、隣接する他の燃料電池セル１００の第２セパレータ３０の凸部３５の表面と接する接触面２０ａは、余剰カーボンが残存している。そのため、表面に酸化チタンとカーボンの混合層を有するセパレータを用いた燃料電池セルにおいて、導電性が低下することを抑制することができる。

Ｂ．変形例：
＜第１変形例＞
上記実施形態において、導電性混合層２２、３２は、チタン系基材２１およびチタン系基材３１の両表面に形成されている。これに対して、燃料電池セル１００を積層させた際に、それぞれ第１セパレータ２０および第２セパレータ３０に隣接する側のみに導電性混合層が形成されてもよい。

＜第２変形例＞
上記実施形態において、接触面２０ａに対向する第２セパレータ３０の表面の接触面３０ａは、余剰カーボンが除去されている。これに対して、接触面３０ａにも余剰カーボン層２３が形成されていてもよい。

本発明は、上述の実施形態や変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、変形例中の技術的特徴は、上述した課題を解決するために、あるいは上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜削除することが可能である。

１０…膜電極接合体
２０…第１セパレータ
２０ａ、３０ａ…接触面
２１、３１…チタン系基材
２２、３２…導電性混合層
２３、３３…余剰カーボン層
２５、３５…凸部
３０…第２セパレータ
３０ｂ…接着面
４０…ガスケット
１００…燃料電池セル

Claims (1)

1. 燃料電池セルの積層体を構成するための燃料電池セルであって、
   膜電極接合体と、
   前記膜電極接合体の両側に沿って配置され、それぞれ凹凸形状に成形された第１セパレータと第２セパレータと、
   前記燃料電池セルの周縁部に設けられるガスケットと、を備え、
   前記第１セパレータおよび前記第２セパレータは、純チタン又はチタン合金製の基材と、前記基材の表面に形成された酸化チタンとカーボンの導電性混合層とを有し、
   前記第１セパレータ又は前記第２セパレータは、前記ガスケットと接着している接着面を有し、
   前記第１セパレータの凸部の表面において、隣接する他の燃料電池セルの前記第２セパレータの凸部の表面と接する接触面は余剰カーボンが残存しており、
   前記第１セパレータ又は前記第２セパレータの前記接着面は前記余剰カーボンが除去されている、燃料電池セル。

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