JP5235581B2 - 燃料電池セパレータ - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池及びセパレータに関する。より具体的には、アノード，電解質膜，カソード，拡散層から構成される膜／電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）のアノードで燃料が酸化され、カソードで酸素が還元される燃料電池およびセパレータ関する構造の改良に関する。

最近の電子技術の進歩によって、電話器，ノート型パソコン，オーデオ・ビジュアル機器，カムコーダ、あるいは個人情報端末機器などの携帯電子機器が急速に普及している。
従来、こうした携帯用電子機器は二次電池によって駆動するシステムであり、シール鉛蓄電池からＮｉ／Ｃｄ電池，Ｎｉ／水素電池、更にはＬｉイオン二次電池へと新型の高エネルギー密二次電池の出現により、携帯機器はより小型・軽量化が進んだ。一方では携帯機器の高機能化が図られてきた。種々の二次電池、中でもＬｉイオン二次電池のエネルギー密度をより一層高めるために、電池活物質の開発や高容量電池構造の開発が進められ、より一充電での使用時間の長い電源を実現する努力が払われている。

然しながら、二次電池は一定の電力を使用したあとに、必ず充電操作を必要とし、充電設備と比較的長い充電時間が必要となるため、携帯機器を何時でも、何処でも、長時間にわたって連続的に駆動するには多くの問題が残されている。今後、携帯機器は増加する情報量とその高速化，高機能化に対応して、より高出力密度で高エネルギー密度の電源、すなわち、連続駆動時間の長い電源を必要とする方向に向かっている。そのために、充電を必要としない小型発電機、即ち、容易に燃料補給ができる小型発電機の必要性が高まっている。

こうした背景から、上記した要請に応え得るものとして燃料電池電源が考えられる。燃料電池は少なくとも固体又は液体の電解質及び所望の電気化学反応を誘起する二個の電極，アノード及びカソードから構成され、その燃料が持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに高効率で変換する発電機である。燃料には純水素をはじめ、化石燃料或いは水などから化学変換された水素、通常の環境で液体或いは溶液であるメタノール，アルカリハイドライドやヒドラジン又は加圧液化ガスであるジメチルエーテルなどが用いられる。また、酸化剤ガスには空気又は酸素ガスが用いられる。燃料はアノードにおいて電気化学的に酸化され、カソードでは酸素が還元されて、両電極間には電気的なポテンシャルの差が生じる。このときに外部回路として負荷が両極間にかけられると電解質中にイオンの移動が生起し外部負荷には電気エネルギーが取り出される。このために各種の燃料電池は、火力機器代替の大型発電システム、小型分散型コージェネレーションシステムやエンジン発電機代替の電気自動車電源としての期待は高く、実用化開発が活発に展開されている。

こうした燃料電池の中でも、固体高分子形燃料電池や直接メタノール形燃料電池は、高分子からなる膜状の固体電解質膜が白金等の触媒を担持したカーボン電極で構成されている膜／電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）を用いている点が主な特徴である。燃料および酸化剤ガスをこのＭＥＡへ供給するための流路をもち、かつ集電作用を有する一対のセパレータを、燃料や酸化剤ガスの漏洩を防止するシール材を介してＭＥＡを挟持したものを単セルといい、燃料電池スタックは、この単セルを複数個積層したものである。

これらの部材の中で、セパレータは電極として効率よく燃料および酸化剤ガスを供給するための部材であって、炭素系あるいは金属系の導電性材料で構成されている。

セパレータとしては、多数の種類がある。燃料および酸化剤ガスがセパレータ内に設けられた貫通孔を通して隣り合うセパレータに供給される内部マニホールド型と、セパレータ内にガス通気用の貫通孔がなく、燃料および酸化剤ガスをセパレータの側部から各々供給する外部マニホールド型に分けられる。その他、セパレータが電極あるいは拡散層に接する面の構造の違いによっても幾つかに分類される。例えば、電極（拡散層）接触面が凹凸形状を持つセパレータ、あるいは平板と凹凸様や溝様の形状を有するインターコレクタを組み合わせたセパレータ等がある。セパレータ材料としては、炭素系と金属系に大別される。炭素系は、黒鉛のような炭素材にフェノール系樹脂等の樹脂材を結合材として配合し、成形して板材を形成することができ、切削等による板材への流路形成が容易で、流路形状の自由度が高い。

しかし、黒鉛セパレータ材は脆性があることから、強度の観点から一定以上の厚みが必要となる。一方、金属は、黒鉛系よりも高い強度を有し、金属薄板を使用するため、コンパクトで軽量化できるといったメリットがある。しかし、金属材料は、腐食や不動態皮膜の成長による電池劣化や内部抵抗の増大、金属の塑性加工に起因する流路成形性の制限などがある。腐食発生や不動態皮膜成長による問題の解決方法は先に提案されており、流路の成形性の欠点を補うために、インターコレクタや複数の流路溝付金属板を組み合わせて対処している。これに対し、特許文献１には１枚の金属板でセパレータを構成する技術が公開されている。これらの従来技術によるセパレータは、流路溝を形成した１枚の金属板と、この金属板の周囲を包むような枠構造を設けた構造を有する。これらは１枚の金属板を用いるため、部品点数を少なくすることが可能であり、コストの面で有利である。

金属セパレータは、薄板状の金属プレートにプレス加工を施すことで凹凸形状を付与する方法で流路を形成している。したがって、金属セパレータの一方の面に、折返し部を有するようなサーペンタイン形状の流路を設けようとすると、他方の面は、流路が連通しない箇所が生じ、流路を形成することができないおそれがある。そこで、この課題を解決するために、折返し部に複数の突起部を設置する構造が開示されている（特許文献２から４）。

特開平０８−２２２２３７号公報 特開２００５−１０８５０５号公報 特開２００７−１６５２５７号公報 特開２００７−７３１９２号公報

上記の従来技術は、断面が波板形状となる直線状凹凸部と、複数の突起部を有するディンプル部から構成されているが、折返し部を構成するために、仕切り部を設ける必要がある。特許文献２によれば、プレス成型等により仕切り部を一体的に設けた場合、折返し部を設けた面と反対側の面は、仕切り部が凹形状となるため、仕切り部を形成することができず、流路全体が直線形状となることが示されている。また、特許文献３のように、両面を折返し部として構成する場合には、プレス成型等による方法では、上記した理由により成立し難いため、別部材を設ける必要があり、部品点数が増えてしまう。

本発明は、これらの課題を解決するものであり、部品点数を少なくでき、かつ薄型化が可能な燃料電池を提供することを目的とする。

本発明によれば、燃料を酸化するアノードと酸化剤ガスを還元するカソードがプロトン導電性固体高分子膜を介して形成される燃料電池単セルと、前記燃料および前記酸化剤ガスを前記燃料電池単セルにそれぞれ供給するセパレータと、前記燃料および前記酸化剤ガスをシールするシール材とが、それぞれ１つ以上積層されてなる燃料電池において、前記セパレータの面に形成された流路は、凹部と凸部とその間の高さである平坦部の三段階で構成されてなり、前記高さ三段階の組合せにより、流体流路を形成することを特徴とする燃料電池が提供される。

また、本発明によれば、セパレータの一方の面を流動させる燃料と他方の面を流動させる酸化剤ガスが、それぞれ独立に流動する流路を備えることを特徴とする燃料電池が提供される。

また、本発明によれば、セパレータの一部の断面は、波板形状であることを特徴とする、燃料電池が提供される。

また、本発明によれば、燃料電池を積層して構成する時に、セパレータを裏返しながら積み上げることを特徴とする燃料電池が提供される。

本発明によれば、セパレータの流路となる、断面が波板状である凹凸部と、凹部と凸部の間の高さとなる平坦部の３種を組み合わせることで、折返し部を有した各々の面の流路が独立に形成される。従って、セパレータの一方の面に、蛇行形状の流路が設けられても、他方の面は、その蛇行形状の流路の背面に直線流路を設けることが可能である。これらの流路は、プレス成型等により一体的に構成することができるため、部品点数が増えることがなく、成型は従来と同様な製造方法を適用できる。また、セパレータは波板形状とすることで薄肉化が可能であり、１種類のセパレータで構成できるため、部品点数が少なく、コンパクトな燃料電池を製造することができ、携帯機器用電源として適している。

以下に本発明に係る実施の形態について説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではない。

本実施形態の燃料電池において、プロトン導電性固体高分子膜を介して、燃料を酸化するアノードと酸化剤ガスを還元するカソードが配置される。アノードとカソードはそれぞれ、前記燃料および前記酸化剤ガスを前記燃料電池セルにそれぞれ供給するセパレータと、前記燃料および前記酸化剤ガスをシールするシール材に接して配置される。前記セパレータには、アノード及びカソードにそれぞれ燃料及び酸化剤ガスを供給する流路、例えば溝及び、マニホールド及び流路とマニホールドの間に形成される導入部が形成されている。

セパレータの材質について、特に限定はなく、炭素系や金属系を用いることができるが、本発明は、セパレータの薄肉化ができることから、比較的強度の高い金属系を用いることにより、肉厚が０.１〜０.２mm程度の厚みが可能である。

（実施例１）
本発明の第１の態様について、図１から図５を用いて説明する。図１は、本発明の態様による燃料電池単セルの斜視図である。ＭＥＡ１は、２枚のセパレータ３ａ，３ｂによって挟持されている。セパレータは、１種類のみで構成されており、セパレータ３ｂは、セパレータ３ａを裏返したものであり、同種類のセパレータである。セパレータ３は、肉厚が０.２mmのＳＵＳ３１６Ｌステンレス製金属板を、プレス成型にて酸化剤入口マニホールド１０ａ，酸化剤出口マニホールド１０ｂ，燃料入口マニホールド１１ａ，燃料出口マニホールド１１ｂがそれぞれ１箇所ずつ４隅に設けられている。

金属板中央部の表裏には、流路溝１２が張り出しており、各々の流路溝１２の裏側は、流路突起部１３となっている。また、マニホールド１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂと流路溝１２の間には、導入部９が形成されている。シール材２は、セパレータ３と同等の外径を有し、セパレータ３のマニホールド１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂと流路溝１２に接する面が抜かれた平面構造である。

燃料および酸化剤は、それぞれセパレータ上の流路３１，３２のように流動する。すなわち、燃料は、燃料入口マニホールド１１ａから導入部９を介して流路溝１２を通り、２箇所の折返し部を経て導入部９を介して燃料出口マニホールド１１ｂへ到達する。酸化剤も同様に、酸化剤入口マニホールド１０ａから導入部９を介して流路溝１２を通り、２箇所の折返し部を経て導入部９を介して酸化剤出口マニホールド１０ｂへ到達する。

図２に示すように、セパレータ３は、波板形状に成型することで設けられる複数の流路溝１２および流路突起部１３を備えている。図４は、図１に示した単セルを複数積層し、図２に示すＡ−Ａ位置における断面を示したものであるが、セパレータ３がＭＥＡ１を挟持し、流路溝部１２が流路となり、燃料流路３１および酸化剤流路３２を形成している。
セパレータ３は、裏返しながら積層することで、積層順が奇数のセルと偶数のセルとで、流路の位相をずらすことができ、燃料流路３１と酸化剤流路３２の流路位置が同じ層となるため、燃料電池の積層方向の厚さを薄く構成することができる。また、ＭＥＡ１を挟持するセパレータ３の流路突起部１３同士がＭＥＡ１を同じ場所を支えることとなり、ＭＥＡにせん断応力がかかりにくくなっている。

一方、折返しの燃料流路３１ａにおいては、流路突起部１３の一部を成型せずに設けられる平坦部１６を備えている。折返し部においては、図５に示すように、この平坦部１６を介して、隣り合う流路溝１２を接続し、折返し部の燃料流路３１ａは、連通した流路を構成している。

波板形状に成型された流路溝部および流路突起部は、セパレータの反対の面では、それぞれ流路突起部および流路溝部となる。図３は、図２の反対面を示している。図２において、折り返し部を設けた場所は、図３ではマニホールド出入口付近の直線流路となる。背面が折返し部である流路突起部１２および平坦部１６の組合せにより構成されている部分は、図３において流路溝部１３および平坦部１６の組合せにより、酸化剤流路３２を構成している。また、図２における流路溝１２は、図３において流路突起部１３となるため、直線流路を形成している。図５に示すように、酸化剤流路３２は、折返し部の燃料流路３１ａと直行して流路を形成しており、セパレータの各々の面で異なる流路を形成することができる。

（実施例２）
実施例１で用いたセパレータ３は、金属薄板をプレス成型してマニホールド１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂや流路溝１２，流路突起部１３，平坦部１６を形成したものであるが、炭素系などの導電性材料であれば特に材料の制限はない。本発明の他の態様について、図６及び図７を用いて説明する。炭素系セパレータは天然黒鉛に結合材としてフェノール系樹脂を配合し、１mmの板状に加工したものを、切削加工によりマニホールドおよび深さ０.５mmの流路溝１２，０.２５mmの平坦部１６を形成し、１.５往復で折り返すサーペンタイン流路を形成した。

図６は、炭素系セパレータの正面図、図７は、図６の背面図を示したものである。加工の自由度が高いため、図２および図３のセパレータでは、マニホールド近傍の直線流路部において、流路溝１２と平坦部１６の複合で構成されていた部分が、図６および図７では、平坦部１６のみで構成されている。この形態においても、流路溝１２，流路突起部１３，平坦部１６を組み合わせることで、折り返し部となる部分の背面は、直線流路を形成することができる。
（実施例３）
図８に、上記実施例１の構成を用いた燃料電池スタック２１の展開斜視図を示す。本電池は、複数のセパレータ・シール構成体２０ａ，裏返したセパレータ・シール構成体２０ｂ、ＭＥＡ１やその他部材により構成されている。すなわち、セパレータ・シール構成体２０ａ，拡散層／ＭＥＡ１／拡散層，セパレータ・シール構成体２０ｂの順に積層している。このように積み上げられたセパレータ３，ＭＥＡ１，拡散層，シール材２，シール材４の積層物が燃料電池スタック２１の発電部２２となる。燃料電池スタック２１は、発電部２２から電流，電圧を取り出すための集電板１７，発電部２２を固定するための端板１９で挟持した構成である。本実施例による燃料電池スタック２１は、発電する際、端板１９に設けられた燃料導入口および酸化剤導入口へそれぞれ燃料および酸化剤を供給し、反対側の端板１９から未反応の燃料及び酸化剤ガスが排出される。

本燃料電池スタック２１に用いられている部材は、以下のとおりである。
（１）膜厚５０μｍの固体高分子膜の両側に電極触媒を塗布したＭＥＡ１
（２）ＭＥＡ１の外側両面にＭＥＡ１の電極面積と等しい炭素紙で構成される図には示されていない拡散層
（３）板厚０.２mmのステンレス鋼製で、プレス成型によって中央部の両面に凹凸の溝を有するセパレータ３
（４）ＥＰＤＭシートを打ち抜き加工により成型したシール材２
（５）板厚１mmの銅板に導電性メッキを施している端子付集電板１７
（６）集電板１７と端板１９の間に設置される板厚５mmのＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）を切削加工によりマニホールドを形成している図には示されていない、絶縁板
（７）これらの部材を挟持する板厚１０mmのステンレス鋼板に燃料および酸化剤ガスおよび冷却水の導入口と排水口となる継手を設けた端板１９

本実施例では、この端板にステンレス製のボルト／ナットを用いて締結固定している。

この燃料電池スタック２１のシール性を確認するため、ヘリウムガスを用いたリーク試験を行った。試験は、端板１９に設けられている燃料排出口を閉止した状態で、もう一方の端板１９に設けられている燃料導入口から、ヘリウムガスを１気圧で封入しておき、酸化剤ガス導入口から大気圧の窒素ガスを供給し、酸化剤ガス排出口にヘリウムガス検出器を接続して行った。本実施例による燃料電池スタック２１では、ヘリウムはヘリウム検出器より検出されず、リークが発生していないことを確認した。

この燃料電池スタック２１を用いて発電試験を行った。燃料は、１mol／Ｌのメタノール水溶液を使用し、酸化剤ガスとして空気を空気利用率２５％で燃料電池スタック２１へ供給した。本実施例では、空気のみを露点温度が３０℃となるように調整した。発電時における燃料電池スタック２１の温度は、雰囲気温度を制御することで、６０℃とした。電流密度０.２Ａ／cm²で発電したところ、電圧は２.１Ｖ（単セル当たり０.４２Ｖ）であり、良好に発電がなされていることを確認した。

以上に示した実施例は代表的な例であり、本実施例では、両方の面で１.５ターンの折返し部を有するサーペンタイン形状を代表として示したが、セパレータ流路本数，流路部を構成する凹凸部，平坦部の構成，形状に依存せずに選択することができ、これに限定されるものではなく、凹凸部，平坦部を所望の形状で組み合わせることで、均一な流配ができるような流路形状とすればよい。

本発明によれば、積層方向の薄型化に寄与し、別部材により仕切り部を設けることなく、各々の面に折返し部を形成することができ、かつ各々の面の流路は独立に形成することができる。また、本発明によれば、セパレータの種類を１種類で、一方の面に燃料、他方の面に酸化剤を供給できるセパレータを提供することができる。

本発明の実施例による燃料電池単セルの展開斜視図。 図１のセパレータ・シール構成体の平面図。 図２に示したセパレータ・シール構成体の背面側の平面図。 燃料電池単セルを複数積層し、図２のＡ−Ａ線に沿った断面図。 燃料電池単セルを複数積層し、図２のＢ−Ｂ線に沿った断面図。 本発明の他形態の実施例によるセパレータ平面図。 図７に示したセパレータの背面側の平面図。 本発明によるセパレータを用いて構成した燃料電池スタックの展開斜視図。

符号の説明

１ ＭＥＡ（膜／電極接合体）
２ シール材
３，３ａ，３ｂ セパレータ
８ 炭素系セパレータ
９ 導入部
１０Ａ 酸化剤入口マニホールド
１０Ｂ 酸化剤出口マニホールド
１１Ａ 燃料入口マニホールド
１１Ｂ 燃料出口マニホールド
１２ 流路溝
１３ 流路突起部
１６ 平坦部
１７ 集電板
１９ 端板
２０ａ，２０ｂ セパレータ・シール構成体
２１ 燃料電池スタック
２２ 発電部
３１ 燃料流路
３１ａ 折返し部の燃料流路
３２ 酸化剤流路
３２ａ 折返し部の酸化剤流路

Claims (4)

1. 燃料を酸化するアノードと酸化剤ガスを還元するカソードがプロトン導電性固体高分子膜を介して形成される燃料電池単セルと、前記燃料および前記酸化剤ガスを前記燃料電池単セルにそれぞれ供給するセパレータと、前記燃料および前記酸化剤ガスをシールするシール材とが、それぞれ１つ以上積層されてなる燃料電池において、
   ２つの燃料電池単セルの間に１枚の前記セパレータが配置され、
   前記セパレータの面に形成された流路は、凹部と凸部とその間の高さである平坦部の三段階で構成されてなり、前記三段階の高さの組合せにより、前記セパレータの一方の面を流動させる前記燃料と他方の面を流動させる酸化剤ガスが、それぞれ独立に流動する折返し部を備える流路が形成されており、
   前記セパレータの一部の断面が波板形状であることを特徴とする燃料電池。
2. 前記セパレータの面に形成された流路は、前記凹部で構成される複数の流路溝を備え、前記平坦部を介して隣り合う流路溝が接続されることで前記折返し部が構成されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
3. 前記折返し部となる部分の背面に直線流路が形成されていることを特徴とする請求項２記載の燃料電池。
4. 燃料電池を積層して構成する時に、前記セパレータを裏返しながら積み上げることを特徴とする請求項１乃至請求項３記載の燃料電池。

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