JP7081307B2

JP7081307B2 - 燃料電池用セパレータ

Info

Publication number: JP7081307B2
Application number: JP2018101259A
Authority: JP
Inventors: 聡河邉
Original assignee: Toyota Boshoku Corp
Current assignee: Toyota Boshoku Corp
Priority date: 2018-05-28
Filing date: 2018-05-28
Publication date: 2022-06-07
Anticipated expiration: 2038-05-28
Also published as: DE102019113903A1; CN110544780B; US20190363371A1; CN110544780A; JP2019207748A; US10923741B2

Description

本発明は、燃料電池用セパレータに関する。

特許文献１に示される燃料電池では、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）がセパレータによって厚さ方向に挟まれた状態となっている。上記記膜電導接合体は、電解質膜、アノード電極層、及びカソード電極層を備えており、電解質膜における厚さ方向両側のうちの一方側にカソード電極層を接合するとともに他方側にアノード電極層を接合したものである。なお、燃料電池においては、複数層の膜電極接合体を上記セパレータで隔てることにより、膜電極接合体がそれぞれ上述したようにセパレータで厚さ方向に挟まれた状態となっている。

図５に概略的に示すように、上記セパレータ５１は、複数層の膜電極接合体５２（電解質膜６１、アノード電極層５７、カソード電極層５８）の間に設けられる導電性を有するセパレータ本体５３と、平行且つ互い違いとなるようセパレータ本体５３に形成されている複数の凹状部５４及び複数の凸状部５５とを備えている。そして、セパレータ本体５３における凸状部５５は、その表面に配置されていてセパレータ本体５３よりも高い導電性を有する薄膜５６を介して膜電極接合体５２のアノード電極層５７もしくはカソード電極層５８に接する。

セパレータ本体５３において、膜電極接合体５２のアノード電極層５７と対向する凸状部５５間に位置する凹状部５４の内側には、上記アノード電極層５７に対し水素等の燃料ガスを供給する流路５９が形成されている。また、セパレータ本体５３において、膜電極接合体５２のカソード電極層５８と対向する凸状部５５間に位置する凹状部５４の内側には、上記カソード電極層５８に対し空気等の酸化ガスを供給する流路６０が形成されている。

そして、燃料電池においては、膜電極接合体５２のアノード電極層５７に燃料ガスが供給されるとともに膜電極接合体５２のカソード電極層５８に酸化ガスが供給されると、それら燃料ガス及び酸化ガスの膜電極接合体５２での反応に基づき発電が行われる一方、その反応に伴ってカソード電極層５８では水が生成される。ちなみに、こうして生成された水については、流路６０内の酸化ガスの流れを利用して燃料電池外に排出するようにしている。

なお、燃料ガス及び酸化ガスの膜電極接合体５２での反応は膜電極接合体５２とセパレータ本体５３との間の電気抵抗によって影響を受ける関係から、そうした電気抵抗の増大を抑制することを意図してセパレータ本体５３における凸状部５５の表面に上記薄膜５６が形成されている。

特許第６１９９２６６号公報

上記セパレータ５１においては、セパレータ本体５３の厚さ方向一方側（図５の下側）の凸状部５５が、薄膜５６を介して膜電極接合体５２のカソード電極層５８に接する。このため、発電に伴ってカソード電極層５８で水が生成されると、その水がカソード電極層５８と上記薄膜５６との間の部分に保持されやすくなり、それが原因となってカソード電極層５８側で生成されたに水を流路６０内の酸化ガスの流れによって燃料電池外に排出しきれず、上記水がカソード電極層５８側に溜まるおそれがある。そして、このようにカソード電極層５８側に水が溜まると、酸化ガスがカソード電極層５８に接触しにくくなって膜電極接合体５２において酸化ガスの拡散が十分に行えないことから燃料ガス及び酸化ガスの反応が悪化する。

また、上記セパレータ５１においては、セパレータ本体５３の厚さ方向他方側（図５の上側）の凸状部５５が、薄膜５６を介して膜電極接合体５２のアノード電極層５７に接する。ちなみに、セパレータ５１の薄膜５６は、ある程度の水分を含ませることにより電気抵抗の増大を抑制するという機能を発揮しやすくなる。このため、膜電極接合体５２を薄くすることにより、カソード電極層５８側で生成された水を電解質膜６１を伝わってアノード電極層５７側に移動できるようにすることが考えられる。この場合、セパレータ５１における膜電極接合体５２のアノード電極層５７と接する薄膜５６に水を含ませ、その薄膜５６における電気抵抗の増大を抑制するという機能を発揮させやすくなる。ただし、上記薄膜５６とアノード電極層５７との間に必要以上の水が保持されることによって同アノード電極層５７側に余剰の水が溜まると、燃料ガスがアノード電極層５７に接触しにくくなって膜電極接合体５２での燃料ガス及び酸化ガスの反応が悪化するおそれがある。

本発明の目的は、膜電極接合体の電極層とセパレータ本体の凸状部の表面に形成されている薄膜との間の部分に水が溜まることを抑制できる燃料電池用セパレータを提供することにある。

以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
上記課題を解決する燃料電池用セパレータは、燃料電池における複数層の膜電極接合体の間に設けられるプレート状の導電性を有するセパレータ本体と、平行且つ互い違いとなるよう上記セパレータ本体に形成されている複数の凹状部及び複数の凸状部と、を備える。セパレータ本体における上記凸状部は、その表面に配置されていてセパレータ本体よりも高い導電性を有する薄膜を介して膜電極接合体の電極層に接するものである。また、セパレータ本体における上記凹状部の内側には膜電極接合体の電極層に対し酸化ガスもしくは燃料ガスを供給する流路が形成されている。そして、上記薄膜の膜電極接合体の電極層と接する部分には、凹状部及び凸状部と交差する方向に延びて上記流路と繋がる溝部が形成されている。

上記構成によれば、膜電極接合体の電極層とセパレータ本体の凸状部の表面に形成されている薄膜との間の部分に存在する水が、その薄膜に形成されている溝部を利用して酸化ガスもしくは燃料ガスが流れる流路に排出され、更に同流路内の酸化ガスもしくは燃料ガスの流れによって燃料電池外に排出される。

本発明によれば、膜電極接合体の電極層とセパレータ本体の凸状部の表面に形成されている薄膜との間の部分に水が溜まることを抑制できる。

燃料電池用のセパレータを示す断面図。同セパレータをカソード電極層に接する部分側から見た状態を示す斜視図。同セパレータをアノード電極層に接する部分側から見た状態を示す斜視図。溝部の他の例を示す斜視図。セパレータの従来例を示す略図。

以下、燃料電池用セパレータの一実施形態について図１～図３を参照して説明する。
図１に示す燃料電池では、複数層の膜電極接合体１がそれぞれセパレータ２によって厚さ方向（図１の上下方向）に挟まれた状態となっている。言い換えれば、燃料電池における複数層の膜電極接合体１は、上記セパレータ２によって互いに隔てられた状態となっている。燃料電池の膜電極接合体１は、電解質膜３、アノード電極層４、及びカソード電極層５を備えており、電解質膜３における厚さ方向両側のうちの図１の上側にカソード電極層５を接合するとともに図１の下側にアノード電極層４を接合したものである。なお、燃料電池は、膜電極接合体１と同膜電極接合体１を厚さ方向に挟む一対のセパレータ２とを一つのセルとして同セルを厚さ方向に複数重ねたセルスタックを備えている。

上記セパレータ２は、複数層の膜電極接合体１の間に設けられるプレート状のセパレータ本体６と、平行且つ互い違いとなるようセパレータ本体６に形成されている複数の凹状部７及び複数の凸状部８と、を備えている。なお、セパレータ本体６は、チタンやステンレスなどの導電性を有する材料によって形成されている。また、上記凹状部７及び複数の上記凸状部８は、セパレータ本体６の厚さ方向の一方側（図１の下側）と他方側（図１の上側）との両方に形成されている。

図１の膜電極接合体１の上側に位置するセパレータ本体６においては、同セパレータ本体６の厚さ方向の一方側（図１の下側）に位置する凸状部８が、その表面に配置されている薄膜９を介して膜電極接合体１のカソード電極層５に接している。上記薄膜９は、セパレータ本体６よりも導電性の高い材料、例えばカーボン、金、または白金により、インクジェット印刷を用いて厚さが例えば１０ｎｍ～９００μｍとなるように形成されている。そして、薄膜９とセパレータ本体６とでは、薄膜９の方がセパレータ本体６よりも親水性が高くされている。また、セパレータ本体６における厚さ方向の一方側（図１の下側）に位置する凹状部７の内側には、膜電極接合体１のカソード電極層５に酸化ガス（例えば空気）を供給するための流路１０が形成されている。

上記セパレータ本体６の上側には上記膜電極接合体１の上側に位置しているセルのセパレータ本体６が位置しており、それらセパレータ本体６の対向する凸状部８同士が薄膜１５を介して互いに接している。このように対向する凸状部８同士は、図１の左右方向において並列となるように位置している。そして、対向する凸状部８同士の左右方向両側には、開口を合わせた凹状部７同士によって冷却液（例えば冷却水）を流すための流路１６が形成されている。

図１の膜電極接合体１の下側に位置するセパレータ本体６においては、同セパレータ本体６の厚さ方向の他方側（図１の上側）に位置する凸状部８が、その表面に配置されている薄膜１１を介して上記膜電極接合体１のアノード電極層４に接している。上記薄膜１１も、セパレータ本体６よりも導電性の高い材料、例えばカーボン、金、または白金により、インクジェット印刷を用いて厚さが例えば１０ｎｍ～９００μｍとなるように形成されている。そして、薄膜１１とセパレータ本体６とでは、薄膜１１の方がセパレータ本体６よりも親水性が高くされている。また、セパレータ本体６における厚さ方向の他方側（図１の上側）に位置する凹状部７の内側には、上記膜電極接合体１のアノード電極層４に燃料ガス（例えば水素）を供給するための流路１２が形成されている。

上記セパレータ本体６の下側には上記膜電極接合体１の下側に位置しているセルのセパレータ本体６が位置しており、それらセパレータ本体６の対向する凸状部８同士が薄膜１５を介して互いに接している。このように対向する凸状部８同士も、図１の左右方向において並列となるように位置している。そして、対向する凸状部８同士の左右方向両側には、開口を合わせた凹状部７同士によって冷却水（冷却液）を流すための流路１６が形成されている。

燃料電池においては、流路１２を介して水素（燃料ガス）が膜電極接合体１のアノード電極層４に供給されるとともに、流路１０を介して空気（酸化ガス）が膜電極接合体１のカソード電極層５に供給される。そして、それら水素及び空気の膜電極接合体１での反応に基づき発電が行われる一方、その反応に伴ってカソード電極層５では水が生成されるようになる。

詳しくは、水素が膜電極接合体１のアノード電極層４に供給されると、そこで水素原子から電子がとられてアノード電極層４に送り出され、その電子がアノード電極層４から外部回路（図示せず）の導線を通ってカソード電極層５に流れる。そして、アノード電極層４で電子がとられることによってプラスの電荷を帯びた水素イオン（プロトン）は、膜電極接合体１の電解質膜３を伝ってカソード電極層５に移動する。一方、空気が供給されている膜電極接合体１のカソード電極層５では、上述したように流された電子を酸素分子が受け取って酸素イオンとなる。更に、アノード電極層４から電解質膜３を伝ってカソード電極層５に移動した水素イオンが上記酸素イオンと結合し、それによってカソード電極層５では水が生成される。こうして生成された水については、流路１０内の空気の流れを利用して燃料電池外に排出するようにしている。

なお、セパレータ本体６における凸状部８の表面に薄膜９，１１を形成しているのは、膜電極接合体１とセパレータ本体６との間の電気抵抗の増大を薄膜９，１１によって抑制し、その電気抵抗の増大が水素及び空気の膜電極接合体１での反応の妨げとならないようにするためである。

次に、薄膜９，１１について詳しく説明する。
図２に示すように、上記薄膜９における膜電極接合体１のカソード電極層５と接する部分（図２の下面）には、凹状部７及び凸状部８と交差する方向に延びて流路１０と繋がる溝部１３が形成されている。この溝部１３は、凸状部８の延びる方向に間隔をおいて複数形成されている。そして、溝部１３においては、その長手方向の一方の端部が流路１０に繋がっている。詳しくは、凸状部８の延びる方向において隣合う溝部１３は、凸状部８を挟む両側の流路１０のうち、異なる流路１０に繋がっている。

図３に示すように、上記薄膜１１における膜電極接合体１のアノード電極層４と接する部分（図３の上面）には、凹状部７及び凸状部８と交差する方向に延びて流路１２と繋がる溝部１４が形成されている。この溝部１４も、凸状部８の延びる方向に間隔をおいて複数形成されている。そして、溝部１４においては、その長手方向の一方の端部が流路１２に繋がっている。詳しくは、凸状部８の延びる方向において隣合う溝部１４は、凸状部８を挟む両側の流路１２のうち、異なる流路１２に繋がっている。

次に、本実施形態におけるセパレータ２の作用について説明する。
燃料電池での発電に伴って膜電極接合体１のカソード電極層５側で水が生成されるとき、その水がカソード電極層５と薄膜９との間の部分に保持されると、それが原因となってカソード電極層５側で生成された水を流路１０内の空気の流れによって燃料電池外に排出しきれず、上記水がカソード電極層５側に溜まるおそれがある。そして、このようにカソード電極層５側に水が溜まると、空気がカソード電極層５に接触しにくくなって膜電極接合体１において酸化ガスの拡散が十分に行えないことから燃料ガス及び酸化ガスの反応が悪化する。

しかし、本実施形態のセパレータ２では、燃料電池での発電に伴って膜電極接合体１のカソード電極層５側で生成された水がカソード電極層５と薄膜９との間の部分に保持されることは、その薄膜９に形成されている溝部１３によって抑制される。すなわち、カソード電極層５と薄膜９との間の水が、その薄膜９に形成されている溝部１３を利用して空気が流れる流路１０に排出され、更に同流路１０内の空気の流れによって燃料電池外に排出される。

セパレータ２の薄膜９，１１は、ある程度の水分を含ませることにより電気抵抗の増大を抑制するという機能を発揮しやすくなる。このため、膜電極接合体１を薄くすることにより、カソード電極層５側で生成された水が電解質膜３を伝わってアノード電極層４側に移動できるようにすることが考えられる。この場合、セパレータ２における膜電極接合体１のアノード電極層４と接する薄膜１１に水を含ませ、その薄膜１１における電気抵抗の増大を抑制するという機能を発揮させやすくなる。ただし、上記薄膜１１と上記アノード電極層４との間に必要以上の水が保持されることによってアノード電極層４側に余剰の水が溜まると、燃料ガス（水素）がアノード電極層４に接触しにくくなって膜電極接合体１での燃料ガス及び酸化ガスの反応が悪化するおそれがある。

しかし、本実施形態のセパレータ２では、アノード電極層４と接する薄膜１１にも溝部１４が形成されているため、アノード電極層４と薄膜１１との間の部分に必要以上の水が保持されることは、その薄膜１１に形成されている溝部１４によって抑制される。すなわち、アノード電極層４と薄膜１１との間の余剰な水が、その薄膜１１に形成されている溝部１４を利用して燃料ガス（空気）が流れる流路１２に排出され、更に同流路１２内の燃料ガスの流れによって燃料電池外に排出される。

以上詳述した本実施形態によれば、以下に示す効果が得られるようになる。
（１）発電に伴って膜電極接合体１のカソード電極層５で生成される水が、そのカソード電極層５とセパレータ本体６の凸状部８の表面に形成されている薄膜９との間に水が溜まることを抑制できる。

（２）上記溝部１３は、その長手方向の一方の端部が流路１０に繋がるため、薄膜９と膜電極接合体１のカソード電極層５との間の水が溝部１３を利用して流路１０に排出されやすくなる。これは、上記溝部１３における長手方向両端部のうちの一方の端部が上記流路１０に繋がるとともに他方の端部が流路１０と繋がらないことによって溝部１３内の圧力が高まりやすくなり、そのことが薄膜９とカソード電極層５との間の水の排出の促進に繋がるためと推測される。

（３）薄膜９の親水性が低くなると、溝部１３内の水が同溝部１３の内側面に対し弾かれやすくなり、その場合には上記水が溝部１３内で移動しにくくなるため、その水における流路１０に排出される方向への移動も生じにくくなる。しかし、薄膜９の方がセパレータ本体６よりも親水性が高いため、薄膜９に形成された溝部１３内の水が同溝部１３の内側面に対し広がりやすくなり、それに伴い上記水が溝部１３内から流路１０に排出される方向に移動しやすくなる。

（４）膜電極接合体１のカソード電極層５側で生成された水をアノード電極層４側に移動させる場合であっても、アノード電極層４とセパレータ本体６の凸状部８の表面に形成されている薄膜１１との間の部分で必要以上に水が保持されることを、その薄膜１１に形成されている溝部１４によって抑制することができる。従って、膜電極接合体１のアノード電極層４とセパレータ本体６の凸状部８の表面に形成されている薄膜１１との間の部分に、余剰の水が溜まることを抑制できる。

（５）上記溝部１４は、その長手方向の一方の端部が流路１２に繋がるため、薄膜１１と膜電極接合体１のアノード電極層４との間の水が、上記（２）と同様の理由によって溝部１４を利用して流路１２に排出されやすくなる。

（６）薄膜１１の方がセパレータ本体６よりも親水性が高いため、上記（３）と同様の理由によって溝部１４内の水が流路１２に排出される方向に移動しやすくなる。
なお、上記実施形態は、例えば以下のように変更することもできる。

・セパレータ本体６を形成する材料としてチタンやステンレス等の金属を例示したが、その他の導電性を有する材料、例えばカーボンを用いることも可能である。
・凸状部８の延びる方向において隣合う溝部１３が凸状部８を挟む両側の流路１０のうちの同じ側の流路１０に繋がっていたり、凸状部８の延びる方向において隣合う溝部１４が凸状部８を挟む両側の流路１２のうちの同じ側の流路１２に繋がっていたりしてもよい。

・図４に示すように、溝部１３は、その長手方向の両端部のうち、一方の端部が凸状部８を挟む両側の流路１０のうちの一方の流路１０に繋がるとともに、他方の端部が凸状部８を挟む両側の流路１０のうちの他方の流路１０に繋がるようにしてもよい。また、溝部１４についても同様に、溝部１４の長手方向の両端部のうち、一方の端部が凸状部８を挟む両側の流路１２のうちの一方の流路１２に繋がるとともに、他方の端部が凸状部８を挟む両側の流路１２のうちの他方の流路１２に繋がるようにしてもよい。

なお、溝部１３，１４を有する薄膜９，１１はインクジェット印刷を用いて形成されているため、そのインクジェット印刷のパターン調整を通じて簡単に薄膜９，１１における溝部１３，１４の形状を変更することができる。

・薄膜９の溝部１３と薄膜１１の溝部１４とのいずれか一方を省略してもよい。
・薄膜９，１１の親水性をセパレータ本体６の親水性よりも高くしたが、こうしたことは必須ではない。

１…膜電極接合体、２…セパレータ、３…電解質膜、４…アノード電極層、５…カソード電極層、６…セパレータ本体、７…凹状部、８…凸状部、９…薄膜、１０…流路、１１…薄膜、１２…流路、１３…溝部、１４…溝部、１５…薄膜、１６…流路。

Claims

燃料電池における複数層の膜電極接合体の間に設けられるプレート状の導電性を有するセパレータ本体と、平行且つ互い違いとなるよう前記セパレータ本体に形成されている複数の凹状部及び複数の凸状部とを備えており、前記セパレータ本体における前記凸状部は、その表面に配置されていて前記セパレータ本体よりも高い導電性を有する薄膜を介して前記膜電極接合体の電極層に接するものであり、前記セパレータ本体における前記凹状部の内側には前記膜電極接合体の電極層に対し酸化ガスもしくは燃料ガスを供給する流路が形成されている燃料電池用セパレータにおいて、
前記薄膜の前記膜電極接合体の電極層と接する部分には、前記凹状部及び前記凸状部と交差する方向に延びて前記流路と繋がる溝部が形成されており、
前記溝部は、その長手方向の一方の端部が前記流路に繋がっていることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
前記溝部は、前記凸状部の延びる方向に間隔をおいて複数形成されており、
前記凸状部の延びる方向において隣合う前記溝部は、前記凸状部を挟む両側の流路のうちの異なる流路に繋がる請求項１に記載の燃料電池用セパレータ。
燃料電池における複数層の膜電極接合体の間に設けられるプレート状の導電性を有するセパレータ本体と、平行且つ互い違いとなるよう前記セパレータ本体に形成されている複数の凹状部及び複数の凸状部とを備えており、前記セパレータ本体における前記凸状部は、その表面に配置されていて前記セパレータ本体よりも高い導電性を有する薄膜を介して前記膜電極接合体の電極層に接するものであり、前記セパレータ本体における前記凹状部の内側には前記膜電極接合体の電極層に対し酸化ガスもしくは燃料ガスを供給する流路が形成されている燃料電池用セパレータにおいて、
前記薄膜の前記膜電極接合体の電極層と接する部分には、前記凹状部及び前記凸状部と交差する方向に延びて前記流路と繋がる溝部が形成されており、
前記溝部は、その長手方向の両端部のうち、一方の端部が前記凸状部を挟む両側の流路のうちの一方の流路に繋がるとともに、他方の端部が前記凸状部を挟む両側の流路のうちの他方の流路に繋がっていることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
前記薄膜の方が前記セパレータ本体よりも親水性が高い請求項１～３のいずれか一項に記載の燃料電池用セパレータ。
燃料電池における複数層の膜電極接合体の間に設けられるプレート状の導電性を有するセパレータ本体と、平行且つ互い違いとなるよう前記セパレータ本体に形成されている複数の凹状部及び複数の凸状部とを備えており、前記セパレータ本体における前記凸状部は、その表面に配置されていて前記セパレータ本体よりも高い導電性を有する薄膜を介して前記膜電極接合体の電極層に接するものであり、前記セパレータ本体における前記凹状部の内側には前記膜電極接合体の電極層に対し酸化ガスもしくは燃料ガスを供給する流路が形成されている燃料電池用セパレータにおいて、
前記薄膜の前記膜電極接合体の電極層と接する部分には、前記凹状部及び前記凸状部と交差する方向に延びて前記流路と繋がる溝部が形成されており、
前記薄膜の方が前記セパレータ本体よりも親水性が高いことを特徴とする燃料電池用セパレータ。