JP2006331730A

JP2006331730A - 燃料電池セパレータ

Info

Publication number: JP2006331730A
Application number: JP2005151117A
Authority: JP
Inventors: Jun Hoshi; 潤星
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-05-24
Filing date: 2005-05-24
Publication date: 2006-12-07

Abstract

【課題】セパレータから冷媒（冷却水）への漏電を抑制し、かつ、燃料電池スタック内の内部抵抗も低下させることができる燃料電池セパレータの提供。
【解決手段】（１）樹脂材料を含む燃料電池セパレータ１８において、冷媒面とガス面を有し、冷媒面のうち、隣接するセパレータとの当接部であるリブ頂面４２の表面層を除去し、冷媒流路溝４１の表面層４３は残した燃料電池セパレータ。
（２）ガス面のうち、拡散層１３、１６との当接部であるリブ頂面４２の表面層を除去し、ガス流路溝４１の表面層４３は残した燃料電池セパレータ。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池セパレータに関し、とくに冷媒冷却水への漏電を抑制できる燃料電池セパレータにに関する。

固体高分子電解質型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータとを積層したものから構成される。ＭＥＡは、イオン交換膜からなる電解質膜とこの電解質膜の一面に配置された触媒層からなる電極（アノード、燃料極）および電解質膜の他面に配置された触媒層からなる電極（カソード、空気極）とからなる。セパレータは、ＭＥＡ対向面側にアノード、カソードに燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための流体通路を有するとともに、その反対面側に冷媒を流すための冷媒流路を有する。ＭＥＡとセパレータとの間には拡散層が設けられる。
固体高分子電解質型燃料電池では、アノード側では、水素を水素イオンと電子にする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソード側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる、またはセル積層体一端のセルのアノードで生じた電子が外部回路を通ってセル積層体他端のセルのカソードに流れてくる）から水を生成する反応が行われる。
アノード側：Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-
カソード側：２Ｈ⁺＋２ｅ^-＋（１／２）Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ

セパレータがカーボン（粒子、粉等）と樹脂バインダを含有する材料を成形したカーボンセパレータからなる場合、流路間のリブ表面に樹脂リッチ層が成形時に形成され、対向部材との接触部の導電性が低下し、電気抵抗増、燃料電池の発電性低下を招くことがある。
国際公開ＷＯ２００２／０３５６２９号公報は、樹脂バインダを含有するカーボンセパレータのリブ表面に形成される薄膜の樹脂層を除去し、電極との接触面のリブ表面に板状の黒鉛粒子を露出させることによって、電極との接触面の接触抵抗を低下させ燃料電池の性能および効率を向上させた燃料電池用セパレータを開示している。
国際公開ＷＯ２００２／０３５６２９号公報

しかし、国際公開ＷＯ２００２／０３５６２９号公報の樹脂層除去は、セパレータのガス流路側に関してのみで、冷媒通路側に関する開示はなく、冷媒通路側の表面にもガス流路側と同様の処理を行って接触抵抗の低下をはかろうとすると、絶縁樹脂層がないためセパレータから冷媒（冷却水）への漏電の可能性がある。
この漏電のおそれを低減するために、従来は、図６に示すように、燃料電池スタック１とラジエータ２とを接続する冷媒回路３にラジエータ２と並列にイオン交換樹脂４を設けて、時々冷媒をイオン交換樹脂４に流し、スタック、回路から冷媒に溶け出しているイオンを除去して冷媒を純水（純水は絶縁性流体）に近くし漏電を抑制する対策がとられており、その分、コストが上昇している。

本発明の目的は、セパレータから冷媒（冷却水）への漏電を抑制し、かつ、燃料電池スタック内の内部抵抗も低下させることができる燃料電池セパレータを提供することにある。

上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
（１）樹脂材料を含む燃料電池セパレータにおいて、冷媒面とガス面を有し、前記冷媒面のうち、隣接するセパレータとの当接部であるリブ頂面の表面層を除去し、冷媒流路溝の表面層は残した燃料電池セパレータ。
（２）前記ガス面のうち、拡散層との当接部であるリブ頂面の表面層を除去し、ガス流路溝の表面層は残した（１）記載の燃料電池セパレータ。

上記（１）の燃料電池セパレータによれば、冷媒面のうち、隣接するセパレータとの当接部であるリブ頂面の表面層を除去し、冷媒流路溝の表面層は残したので、セパレータから冷媒（冷却水）への漏電を冷媒流路溝の樹脂リッチ表面層によって抑制できる。また、隣接するセパレータとの当接部であるリブ頂面の表面層を除去したので、隣接セパレータとの導電性が向上し、燃料電池スタックの内部抵抗が低減する。
上記（２）の燃料電池セパレータによれば、ガス面のうち、拡散層との当接部であるリブ頂面の表面層を除去し、ガス流路溝の表面層は残したので、セパレータから生成水への漏電をガス流路溝の樹脂リッチ表面層によって抑制できる。また、拡散層との当接部であるリブ頂面の表面層を除去したので、拡散層との導電性が向上し、燃料電池スタック、単セルの内部抵抗が低減する。

以下に、本発明の燃料電池セパレータを、図１〜図５を参照して、説明する。
本発明の燃料電池スタックに適用される燃料電池は、たとえば固体高分子電解質型燃料電池１０である。燃料電池（セル）１０は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。
固体高分子電解質型燃料電池（セル）１０は、図１〜図５に示すように、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータ１８との積層体からなる。ＭＥＡは、イオン交換膜からなる電解質膜１１と電解質膜１１の一面に配置された触媒層からなる電極１４（アノード、燃料極）および電解質膜１１の他面に配置された触媒層からなる電極１７（カソード、空気極）とからなる。ＭＥＡとセパレータ１８との間には、アノード側に拡散層１３が、カソード側に拡散層１６が設けられる。
セパレータ１８には、ＭＥＡ対向面に、電極１４、１７に燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するためのガス流路２７、２８（燃料ガス流路２７、酸化ガス流路２８）が形成されており、ＭＥＡ対向面と反対側の面に、燃料電池冷却用の冷却水が流れる冷却水流路２６が形成されている。ガス流路２７、２８、冷却水流路２６は、リブ４０間の流路溝４１からなる。
ＭＥＡとセパレータ１８を重ねてセルを形成し、該セルを少なくとも１層積層してセルモジュール１９（図示例は１セルで１モジュールが形成される場合を示す）を構成し、セルモジュール１９を積層してセル積層体（モジュール積層体といってもよい）とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置し、両端のエンドプレート２２をセル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材２４（たとえば、テンションプレート、テンションボルトなど）にボルト２５・ナットで締結し、セル積層体にモジュール積層方向に締め付け荷重を付与して（たとえば、一端のエンドプレートとその内側のインシュレータとの間にプレッシャプレートを設け、一端のエンドプレートとプレッシャプレートとの間にばねを配置し、ばね力を調整してセル積層体にモジュール積層方向に締め付け荷重を付与する）、燃料電池スタック２３を構成する。

セル１０において、電解質膜１１は固体高分子膜のイオン交換膜からなり、湿潤状態で水素イオン（プロトン）が膜中を移動する。電解質膜１１は非導電性膜である。
触媒層１２、１５は触媒金属、たとえば白金（Ｐｔ）と、カーボン（Ｃ）と、電解質からなる。拡散層１３、１６はガス透過性を有しカーボン（Ｃ）からなる。
セパレータ１８は、ガス、水不透過性で、導電性を有する。セパレータ１８は、燃料ガスと酸化ガス、燃料ガスと冷却水、酸化ガスと冷却水、の何れかを隔てるとともに、隣り合うセル間では、隣り合うセルのアノードからカソードに電子が流れる電気の通路を形成している。

ＭＥＡの一側のセパレータ１８のＭＥＡ対向面に燃料ガス流路２７が形成されており、ＭＥＡの他側のセパレータ１８のＭＥＡ対向面に酸化ガス流路２８が形成されている。冷却水流路２６はセル毎に、または複数のセル毎に、設けられており、セパレータ１８のガス流路２７、２８と反対側の面に形成されている。冷却水流路２６は、モジュール間に設けられている。また、セル１０のうち、ＭＥＡがありその両側に燃料ガス、酸化ガスが供給される部位は、燃料電池の発電部３４を構成している。

セパレータ１８は、通常、四角形状か、ほぼ四角形状を有する。ただし、セパレータ１８の形状は四角形に限るものではない。
ガス流路２７（燃料ガス流路２７、酸化ガス流路２８）は、複数の流路溝が並行する流路群、または溝状流路の幅内に複数の島状突起をもつ流路からなる。ガス流路は、仕切壁により、セパレータ面内方向に蛇行するように形成された流路、いわゆるサーペンタイン流路に形成されていてもよい。
セパレータ１８には、発電部３４を挟んで対向する端部に、冷却水マニホールド２９、燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１が形成されている。これらのマニホールド２９、３０、３１まわりは異種流体が混じり合わないように、互いにシールされている。ＭＥＡの両側のセパレータ間は、通常、接着剤３３でシールされ、隣り合うセル間は、通常、ガスケット３２でシールされる。

燃料電池スタックには燃料ガス配管、酸化ガス配管、冷媒配管が接続される。配管は、ステンレス配管からなり、途中にバルブ、循環ポンプを有するので、錆（電解質から酸（フッ酸、硫酸）が微量溶けだすのでガス中の水分が酸性を帯びやすくステンレスであっても微量錆びる）や、軸受けやコーティング（樹脂の場合、フッ素を含むことが多い）の磨耗粉などが混入し、ガス中の水分（加湿ガスのため、また、水素系は一部が循環されるため生成水が循環するため、水分がある）や冷却水に混入して、イオン（たとえば、鉄イオンや、フッ素イオン）となっているとともに、異物となっている場合がある。冷媒や生成水にイオンが存在する場合、セル１０で発電された電流が冷媒や生成水に導電すると、漏電したり、発電性能低下を起こす。

セパレータ１８は、通常は、カーボン（黒鉛である場合を含む）と樹脂バインダの成形体からなる。成形後にはセパレータ表面に、カーボン粒子をほとんど含まない樹脂バインダ薄膜が形成されている。樹脂の薄膜はほぼ非導電性である。
表面が非導電性のセパレータを積層してセルやスタックを形成すると、拡散層とセパレータ間の導電がとれなくなるので、カーボンセパレータ成形後、カーボンセパレータのガス側表面をホーニング等により全面削りとっている。このため、ガス流路２８、２７に生成水が生じると、セパレータ１８から生成水に導電し、漏電が起こる。
また、セパレータ表面の樹脂層削り取りをカーボンセパレータの冷却水側表面にも適用すれば、隣接するセル１０間の導電はとることはできるが、セパレータ１８から冷媒（冷却水）に導電し、漏電が起こる。

隣接するセル１０間の導電もとることができ、かつ、セパレータ１８から冷媒（冷却水）への導電を抑制するために、セパレータ１８の冷媒面（冷媒に接触する側の面）のうち、隣接するセパレータ１８（隣接するセル１０のセパレータ１８）との当接部である、冷媒流路２６のリブ４０の頂面４２の樹脂表面層は除去されてカーボン面が露出しており、冷媒流路２６の溝４１の樹脂表面層４３は残されている。リブ４０の頂面４２の表面層の除去は、たとえばホーニングにより行うことができる。ただし、ホーニング以外によって表面層の除去を行ってもよい。リブ４０の頂面４２の表面層の除去の結果、隣接するセルのセパレータ同士は、リブ４０の頂面４２で露出したカーボン面同士が接触しおり、冷媒流路２６は樹脂表面層４３で覆われており、冷媒とセパレータカーボン部とは樹脂表面層４３によって互いに絶縁される。

ガス面（反応ガスに接触する側の面）のガス流路２８、２７のリブ４０の頂面４２の表面層の除去は行ってもよいし、あるいは行わなくてもよい。図示例は、ガス流路２８、２７のリブ４０の頂面４２の表面層の除去を行った場合を示している。
ガス面のガス流路２８、２７のリブ４０の頂面４２の表面層の除去を行う場合は、ガス面のうち、拡散層１６、１３との当接部であるリブ頂面４２の表面層を除去し、ガス流路２８、２７の溝４１の樹脂表面層４３を残すようにする。リブ４０の頂面４２の表面層の除去は、たとえばホーニングにより行うことができる。ただし、ホーニング以外によって表面層の除去を行ってもよい。リブ４０の頂面４２の表面層の除去の結果、ガス流路２８、２７のリブ４０の頂面４２は拡散層１６、１３と当接し、ガス流路２８、２７の溝４１の表面は樹脂表面層４３で覆われており、生成水とセパレータカーボン部とは樹脂表面層４３によって互いに絶縁される。

本発明では、冷媒、生成水とセパレータ１８とが、冷媒流路２６、ガス流路２８、２７の溝４１部位で樹脂表面層４３によって互いに絶縁されるので、冷媒、生成水にイオンが含まれても、セパレータ１８から冷媒、生成水への導電と、漏電が抑制される。そのため、本発明では、図６に示した、従来必要であったイオン交換樹脂４を設ける必要がないか、または設けても容量が小型なもので済む。同様に、熱交換器、冷却水配管、バルブ等の流体との絶縁も従来必要とされた絶縁に比べて低い絶縁で済む。

つぎに、本発明の作用・効果を説明する。
本発明では、セパレータ１８の冷媒面（冷媒が接触する側の面）のうち、隣接するセパレータ１８との当接部であるリブ４０の頂面４２の表面層を除去し、冷媒流路２６の溝４１の表面層４３は残したので、セパレータ１８から冷媒（冷却水）への導電とそれによる漏電を冷媒流路溝４１の樹脂リッチ表面層４３によって抑制できる。また、隣接するセパレータ１８との当接部であるリブ４０の頂面４２の表面層を除去したので、隣接セパレータとの導電性が向上し、燃料電池スタック２３の内部抵抗が低減する。

また、ガス面（反応ガスが接触する側の面）のうち、拡散層１３、１６との当接部であるリブ４０の頂面４２の表面層を除去し、ガス流路２８、２７の溝４１の表面層４３は残すようにした場合は、セパレータ１８から生成水への導電とそれによる漏電をガス流路溝４１の樹脂リッチ表面層４３によって抑制できる。また、拡散層１３、１６との当接部であるリブ４０の頂面４２の表面層を除去したので、拡散層１３、１６との導電性が向上し、燃料電池スタック２３、単セル１０の内部抵抗が低減する。

セパレータ１８から冷媒（冷却水）、生成水への導電とそれによる漏電が抑制された場合は、従来のイオン交換樹脂４を設けなくて済み、あるいは設けても小容量のもので済む。また、熱交換器、冷却水配管の絶縁も必要でなくなるか、あるいは絶縁をとっても簡単なもので済む。同様に、絶縁タイプの中間熱交換器を設定して絶縁をとる必要がなくなるか、あるいは絶縁をとっても簡単なもので済む。また、絶縁性冷媒による燃料電池冷却を行う必要がなくなり、冷却水を用いて燃料電池冷却を行うことができ、コスト的にも有利である。

本発明の燃料電池セパレータを組み込んだ燃料電池スタックの側面図である。図１の燃料電池スタックの一部の拡大断面図である。図１の燃料電池スタックの単セルの燃料ガス流路部位の正面図である。図１の燃料電池スタックの単セルの酸化ガス流路部位の正面図である。図１の燃料電池スタックの単セルの冷媒流路部位の正面図である。従来の燃料電池スタックの概略冷却回路図である。

符号の説明

１０（固体高分子電解質型）燃料電池
１１電解質膜
１３拡散層
１４電極（アノード、燃料極）
１６拡散層
１７電極（カソード、空気極）
１８セパレータ
１９セルモジュール
２０ターミナル
２１インシュレータ
２２エンドプレート
２３燃料電池スタック
２４締結部材（テンションプレート）
２５ボルト・ナット
２６冷却水流路
２７燃料ガス流路
２８酸化ガス流路
２９冷却水マニホールド
３０燃料ガスマニホルド
３１酸化ガスマニホルド
３２ガスケット
３３接着剤
３４発電部
４０リブ
４１溝
４２リブの頂面４３（樹脂リッチ）表面層

Claims

樹脂材料を含む燃料電池セパレータにおいて、冷媒面とガス面を有し、前記冷媒面のうち、隣接するセパレータとの当接部であるリブ頂面の表面層を除去し、冷媒流路溝の表面層は残した燃料電池セパレータ。
前記ガス面のうち、拡散層との当接部であるリブ頂面の表面層を除去し、ガス流路溝の表面層は残した請求項１記載の燃料電池セパレータ。