JP5282437B2 - 燃料電池用のセパレータ - Google Patents
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Description
これらの燃料電池は、メタン等から生成された水素ガスを燃料とするものであるが、最近では、燃料としてメタノール水溶液をダイレクトに用いるダイレクトメタノール型燃料電池(以下、DMFCとも言う)も知られている。
このような燃料電池のなかで、固体高分子膜を2種類の触媒で挟み込み、更に、これらの部材をガス拡散層(GDL:Gas Diffusion Layer)とセパレータで挟んだ構成の固体高分子型燃料電池(以下、PEFCとも言う)が注目されている。
このような燃料電池では、排熱を高効率で行うことが重要であり、従来、燃料電池の冷却は1個あるいは複数個のセル毎に水(あるいは冷媒)を流す水冷方式が採用されていた。しかし、水冷方式では、水を循環させるためのポンプが必要となり、燃料電池の小型化、薄型化、および低コスト化に限界があった。これに対応するものとして、セパレータに空気通過用貫通穴を形成した空冷方式の燃料電池が提案されている(特許文献1)。
本発明は、上記のような実情に鑑みてなされたものであり、燃料電池の小型化、薄型化、および低コスト化を可能とする燃料電池用のセパレータを提供することを目的とする。
本発明の他の態様として、前記ヒートシンク部材は、セパレータの外側方向に突出する複数のフィンを備えているような構成とした。
本発明の他の態様として、前記ヒートシンク部材は、表面に凹凸部を有しているような構成とした。
本発明の他の態様として、前記金属基体は、ステンレス、鉄、鉄ニッケル合金、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、チタン、チタン合金、マグネシウム、マグネシウム合金のいずれか1種からなり、前記ヒートシンク部材は、ステンレス、鉄、ニッケル、鉄ニッケル合金、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、チタン、チタン合金のいずれか1種からなるような構成とした。
図1は本発明の燃料電池用のセパレータの一実施形態を示す平面図であり、図2は図1に示されるセパレータのI−I線における拡大断面図である。図1および図2において、本発明のセパレータ1は、セパレータ本体2と、このセパレータ本体2の周囲に配設されたヒートシンク部材3とを備えている。セパレータ本体2は、金属基体4と、この金属基体4の両面に形成された溝部5と、金属基体4の両面を被覆する導電性保護層6を有している。また、ヒートシンク部材3は、基部3bから複数のフィン3aが突出した形状であり、基部3bがセパレータ本体2の金属基体4に固着され、フィン3aがセパレータ1の外側方向に突出している。
上記のセパレータ1では、ヒートシンク部材3が導電性保護層6で被覆されていないが、本発明では、ヒートシンク部材3も導電性保護層6で被覆されたものであってもよい。また、ヒートシンク部材3はセパレータ本体2の金属基体4と一体的に形成されたものであってもよい。図3は、このような本発明のセパレータ1′を示す図2相当の断面図であり、金属基体4と一体的に形成されたヒートシンク部材3が導電性保護層6によって被覆されている。
図5は本発明の燃料電池用のセパレータの他の実施形態を示す平面図であり、図6は図5に示されるセパレータのII−II線における拡大断面図である。図5および図6において、本発明のセパレータ11は、セパレータ本体12と、このセパレータ本体12の周囲に配設されたヒートシンク部材13とを備えている。セパレータ本体12は、金属基体14と、この金属基体14の両面に形成された溝部15と、金属基体14の両面を被覆する導電性保護層16を有している。また、ヒートシンク部材13は、平板形状であり、表面に凹凸部13aを有している。
このセパレータ11では、ヒートシンク部材13が導電性保護層16で被覆されていないが、上述のセパレータ1′と同様に、ヒートシンク部材13も導電性保護層16で被覆されたものであってもよく、また、ヒートシンク部材13はセパレータ本体12の金属基体14と一体的に形成されたものであってもよい。さらに、ヒートシンク部材13は、上述のセパレータ1″のヒートシンク部材3と同様に、セパレータ本体12の金属基体14の着脱可能に装着されたものであってもよい。
金属基体4,14が有する溝部5,15は、セパレータが高分子電解質型燃料電池に組み込まれたときに、一方が、隣接する単位セルに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給用溝部となり、他方が、隣接する別の単位セルに酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給用溝部となるものである。尚、本発明のセパレータは、金属基体の一方の面のみに溝部を備えるものであってもよい。
このような溝部5,15の形状は、特に制限はなく、蛇行した連続形状、櫛形状等であってよく、また、深さ、幅、断面形状も特に制限はない。また、金属基体の表裏で、溝部の形状が異なるものであってもよい。
導電性保護層6,16を構成する耐食性金属としては、例えば、金、銀、白金、パラジウム、スズ、スズ合金等を挙げることができ、この場合の導電性保護層6,16の厚みは、0.1〜10μm、好ましくは0.3〜4μmの範囲とすることができる。厚みが0.1μm未満であると、ピンホール等の発生により、良好な耐食性が確保できないことがあり、10μmを超えると、ヒビ割れ等の発生や、生産性の低下、コスト高といった問題が発生し好ましくない。
本発明のセパレータを構成するヒートシンク部材3,13の材質は、熱伝導性が良く、所望の強度が得られ、加工性の良いものが好ましく、例えば、ステンレス、鉄、ニッケル、鉄ニッケル合金、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、チタン、チタン合金等が挙げられ、特にアルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金が好ましい。また、ヒートシンク部材3,13が金属基体4,14と別体で作製され、上述のように固着、あるいは着脱可能に装着される場合、その材質は金属基体4,14と同じであってもよく、また、異なる材質であってもよい。
上述の実施形態は例示であり、本発明のセパレータはこれらの実施形態に限定されるものではない。例えば、図1に示されるようなフィンを備えた形状のヒートシンク部材の表面に、さらに凹凸部を設けてもよい。
図7は、図1、図2に示される本発明のセパレータ1の製造例を説明するための図である。図7において、金属板材の両面に溝部5を備えた金属基体4を得る(図7(A))。この金属基体2の作製は、例えば、金属板材の両面にフォトリソグラフィーにより所望のパターンでレジストを形成し、このレジストをマスクとして両面から金属板材をエッチングして溝部5を形成するフォトエッチング方法、プレス加工方法、切削加工方法等であってよく、特に制限はない。
次に、この金属基体2の両面に導電性保護層6を形成する(図7(B))。この導電性保護層6の形成は、真空成膜法で耐食性金属からなる薄膜を形成する方法、電気めっき法で耐食性金属からなる薄膜を形成する方法、スプレーコート法でカーボン薄膜を形成する方法、電着性を有する各種アニオン性、またはカチオン性の合成高分子樹脂中に導電材料を分散させた電着液を用いて電着により成膜し、その後、硬化させて成膜する方法等により行うことができる。このように形成された導電性保護層6は、良好な導電性と高い耐食性を具備したものとなる。これにより、セパレータ本体2が得られる。
また、図3に示したように、ヒートシンク部材3をセパレータ本体2の金属基体4と一体的に形成する場合には、ヒートシンク部材3を考慮した面積の金属板材を使用し、上述の溝部5を形成する工程において、フィン3aを形成することができる。
また、図5、図6に示したようなセパレータ11の製造では、凹凸部13aの形成をフォトエッチング法、サンドブラスト法等により行うことができる。
上述の製造例は例示であり、本発明のセパレータの製造はこれらの例に限定されるものではない。
ここで、本発明のセパレータを用いた高分子電解質型燃料電池の一例を、図8および図9を参照して説明する。図8は高分子電解質型燃料電池の構造を説明するための部分構成図であり、図9は高分子電解質型燃料電池を構成する膜電極複合体を説明するための図である。
図8および図9において、高分子電解質型燃料電池31は、膜電極複合体(MEA:Membrane-Electrode Assembly)51とセパレータ41が交互に積層されることにより、複数の単位セルが積層されたスタック構造を有している。
MEA51は、図9に示されるように、高分子電解質膜52の一方の面に配設された触媒層53とガス拡散層(GDL:Gas Diffusion Layer)54とからなる燃料極(水素極)55と、高分子電解質膜52の他方の面に配設された触媒層56とガス拡散層(GDL:Gas Diffusion Layer)57とからなる空気極(酸素極)58を備えている。また、上記の高分子電解質膜52の所定位置には、図示しない2個の燃料ガス供給孔と、2個の酸化剤ガス供給孔とが貫通孔として形成されている。
このように積層された状態で、上述の2個の燃料ガス供給孔はそれぞれ積層方向に貫通する燃料ガスの供給路を形成し、2個の酸化剤ガス供給孔はそれぞれ積層方法に貫通する酸化剤ガスの供給路を形成している。また、セパレータ41に配設された封止材49により、MEA51が気密状態で挟持されている。そして、各セパレータ41とMEA51が積層された繰り返し毎にヒートシンク部材43が外側に突出しており、このヒートシンク部材43によって効率的な排熱がなされる。
上述の燃料電池の例は例示であり、本発明のセパレータを使用した燃料電池はこれに限定されるものではない。
[実施例]
金属板材として、厚み0.8mmのSUS304(100mm×100mm)を準備し、表面の脱脂処理を行った。このSUS304基板の中央部の50mm×50mmをセパレータ本体とし、周辺部をヒートシンク部材の形成領域とした。
このSUS304基板の両面に感光性レジスト材料(東京応化工業(株)製OFPR)をディップ法により塗布(膜厚7μm(乾燥時))し、フォトマスクを介してレジスト塗布膜を露光し、炭酸水素ナトリウム溶液を使用して現像した。次に、上記のレジストパターンをマスクとして、チタン製のエッチングチャンバー内で下記の条件でSUS304基板をエッチングした。尚、このエッチングでは、エッチング開始から5分経過後にSUS304基板を一旦をエッチングチャンバーから取り出し、セパレータ本体に相当する部位に上記の感光性レジスト材料を塗布し露光してレジスト層を形成し、その後、下記の条件で再度エッチングを行った。
(エッチング条件)
・温度 : 70℃
・スプレー圧 : 4kgf/cm2
・エッチング液(塩化第二鉄溶液) 比重濃度: 45ボーメ(純正化学(株)製)
次に、上記のセパレータ本体とヒートシンク部材に、電気金めっき法により厚み1μmの導電性保護層を形成して本発明のセパレータを作製した。
金属板材として、実施例よりも小さい厚み0.8mmのSUS304(80mm×80mm)を準備し、エッチング工程では、最初の5分間のエッチングを行った段階で終了した他は、実施例と同様にして、ヒートシンク部材を備えていないセパレータを作製した。
[評 価]
実施例および比較例の各セパレータを使用して、2個のセルを積層したスタック構造の燃料電池をそれぞれ作製した。そして、セル温度80℃において、これらの燃料電池の電流電圧測定を行った。
その結果、実施例のセパレータを使用した燃料電池では、電流電圧測定における最大出力密度が0.44W/cm2であり、一方、比較例のセパレータを使用した燃料電池では、電流電圧測定における最大出力密度が0.36W/cm2であった。このことから、本発明のセパレータが備えるヒートシンク部材の効果が確認された。
2,12…セパレータ本体
3,13…ヒートシンク部材
3a…フィン
13a…凹凸部
4,14…金属基体
5,15…溝部
6,16…導電性保護層
31…高分子電解質型燃料電池
41…セパレータ
51…膜電極複合体(MEA)
Claims (6)
- セパレータ本体と、該セパレータ本体の周囲に配設されたヒートシンク部材と、を備え、前記セパレータ本体は、金属基体と、該金属基体の少なくとも一方の面に設けられた溝部とを有するとともに、前記金属基体を被覆する導電性保護層を有し、前記ヒートシンク部材は金属材料からなるとともに、前記セパレータ本体の前記金属基体に対して着脱可能であることを特徴とする燃料電池用のセパレータ。
- 前記ヒートシンク部材は、セパレータの外側方向に突出する複数のフィンを備えていることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池用のセパレータ。
- 前記ヒートシンク部材は、表面に凹凸部を有していることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の燃料電池用のセパレータ。
- 前記ヒートシンク部材は、前記導電性保護層で被覆されていることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の燃料電池用のセパレータ。
- 前記導電性保護層は、耐食性金属薄膜、カーボン薄膜のいずれかであることを特徴とする請求項4に記載の燃料電池用のセパレータ。
- 前記金属基体は、ステンレス、鉄、鉄ニッケル合金、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、チタン、チタン合金、マグネシウム、マグネシウム合金のいずれか1種からなり、前記ヒートシンク部材は、ステンレス、鉄、ニッケル、鉄ニッケル合金、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、チタン、チタン合金のいずれか1種からなることを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれかに記載の燃料電池用のセパレータ。
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