JP6098948B2 - 燃料電池用セパレータ、燃料電池セル及び燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池用セパレータ、燃料電池セル及び燃料電池に関する。

従来より、電解質膜の両面に電極用の触媒層を設けて形成した膜・電極接合体（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly）と、このＭＥＡを挟持するセパレータと、を備えた燃料電池が提案され、実用化されている。かかる燃料電池を含む燃料電池システムにおいては、燃料電池のＭＥＡを構成する一方の電極（アノード電極）に燃料ガスを、他方の電極（カソード電極）に酸化ガスを、各々供給して電気化学反応を起こすことにより発電を行っている。現在においては、単一のＭＥＡを有する燃料電池セルを複数積層して積層体（スタック）を構成し、大きな電力を発生させる技術が採用されている。

燃料電池を構成するセパレータは、ＭＥＡに対向する面に設けられたガス流路と、外部からガス流路に反応ガス（燃料ガス又は酸化ガス）を流通させるためのマニホールドと、を有する板状の部材であり、積層された燃料電池セル同士を区切り隣接するセル間でアノード電極とカソード電極とが接触することにより発生する短絡を防止する機能と、隣接するセル同士を導通させる機能と、を有するものである。現在においては、セパレータの中央領域に設けられた発電部と、セパレータの外周寄りの領域に設けられたマニホールドと、の間の領域に複数の凸部を設ける技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２０１２−０１８８８３号公報

ところで、セパレータにおいては、発電部に比べてマニホールド部分（特に、マニホールドを形成するマニホールド梁部）の強度が低いため、セルを積層する際にセパレータのマニホールド部分が積層方向に変形し、シール性が低下するという問題があった。この点、特許文献１に記載されたような技術を採用すると、発電部とマニホールドの間の領域を補強できる可能性はあるものの、マニホールド梁部の変形を抑制することはできず、シール性低下の問題は依然として残されていた。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、燃料電池用セパレータのマニホールド部分の変形を抑制してシール性の低下を防止することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明に係る燃料電池用セパレータは、板状に構成されたセパレータの面の中央領域に設けられた発電部と、発電部よりも外周寄りの領域に設けられた複数のマニホールドと、複数のマニホールド間に形成されたマニホールド梁部から、発電部とマニホールドとの間に形成された隙間領域へと、延在するように設けられた補強部と、を備えるものである。

かかる構成を採用すると、複数のマニホールド間に形成されたマニホールド梁部から、発電部とマニホールドとの間に形成された隙間領域へと、延在するように補強部が設けられているため、マニホールド部分が積層方向に変形することを抑制することができ、シール性の低下を防ぐことができる。

本発明に係る燃料電池用セパレータにおいて、冷却水流路が形成される面に突出するように形成された突出部を補強部として採用することができる。かかる場合において、冷却水入口側マニホールドから冷却水流路へと、及び／又は、冷却水流路から冷却水出口側マニホールドへと、冷却水を誘導するような平面形状を有している突出部を採用することができる。

かかる構成を採用すると、補強部（冷却水流路が形成される面に突出するように形成された突出部）を、冷却水入口側マニホールドから冷却水流路へと、及び／又は、冷却水流路から冷却水出口側マニホールドへと、冷却水を誘導する冷却水誘導部としても機能させることができる。

本発明に係る燃料電池用セパレータを、膜・電極接合体のアノード側に対向するように配置されるプレス型セパレータとし、膜・電極接合体と接触する領域に凹部を設けないようにすることができる。

かかる構成を採用すると、アノード側に配置されるプレス型セパレータのマニホールド梁部が積層方向に変形することを抑制することができる。また、プレス型セパレータにおいて、膜・電極接合体と接触する領域に凹部を設けないようにしているため、セパレータに接触する膜・電極接合体が凹部に食い込んで破損するという事態が発生するのを未然に防止することができる。

本発明に係る燃料電池用セパレータを、膜・電極接合体のカソード側に対向するように配置されたフラット型セパレータとすることができる。

かかる構成を採用すると、カソード側に配置されるフラット型セパレータのマニホールド梁部が積層方向に変形することを抑制することができる。

また、本発明に係る燃料電池セルは、前記した燃料電池用セパレータを備えるものである。

また、本発明に係る燃料電池は、前記した燃料電池セルが複数積層されてなるものである。

本発明によれば、燃料電池用セパレータのマニホールド部分の変形を抑制してシール性の低下を防止することが可能となる。

本発明の実施形態に係る燃料電池の概略構成を示す側面図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池セルを構成するアノード側セパレータの燃料ガス流路側の面を示す図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池セルを構成するアノード側セパレータの冷却水流路側の面を示す図である。 図３のIV部分の拡大図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池セルを構成するカソード側セパレータの平面図である。 （Ａ）は従来のセパレータのマニホールド梁部近傍領域を示す拡大平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ部分の断面図である。

以下、各図を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。なお、図面の上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。また、図面の寸法比率は、図示の比率に限定されるものではない。さらに、以下の実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこの実施形態のみに限定する趣旨ではない。またさらに、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、さまざまな変形が可能である。

最初に、図１を用いて、本発明の実施形態に係る燃料電池１の構成について説明する。

本実施形態に係る燃料電池１は、複数の燃料電池セル２を順次積層して構成したセル積層体３を備えている。セル積層体３の両端は一対のエンドプレート４で挟まれており、これらエンドプレート４同士を繋ぐようにテンションプレート５からなる拘束部材が配置された状態で積層方向への荷重がかけられて締結されている。

このような燃料電池セル２等で構成される燃料電池１は、例えば燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）の車載発電システムとして利用可能なものであるがこれに限られることはなく、各種移動体（例えば船舶や飛行機等）やロボット等といった自走可能なものに搭載される発電システム、さらには定置の燃料電池としても用いることが可能である。

燃料電池セル２は、図示していない膜・電極接合体（ＭＥＡ）、ＭＥＡを挟持する一対のセパレータ（後に詳述するアノード側セパレータ１０及びカソード側セパレータ２０）、一対のセパレータ間に配置されるシール部材、燃料電池セル２間に配置されるガスケット等で構成されている。ＭＥＡ及び一対のセパレータは、およそ矩形の板状に形成されている。ＭＥＡは、その外形が一対のセパレータの外形よりも小さくなるように形成されている。

ＭＥＡは、高分子材料のイオン交換膜からなる高分子電解質膜（以下、「電解質膜」ということがある）と、電解質膜を両面から挟む一対の電極（アノード側拡散電極及びカソード側拡散電極）と、で構成されている。電解質膜は、各電極よりも大きく形成されている。この電解質膜には、各電極が例えばホットプレス法により接合されている。ＭＥＡを構成する各電極は、その表面に付着された白金等の触媒を担持した例えば多孔質のカーボン素材（拡散層）で構成されている。一方の電極（アノード）には水素ガス等の燃料ガス、他方の電極（カソード）には空気等の酸化ガスが供給され、これら２種類の反応ガスによりＭＥＡ内で電気化学反応を生じさせて燃料電池セル２で起電力を発生させるようになっている。

シール部材は、一対のセパレータ間であってＭＥＡの周縁部に形成されており、シール部材を介してＭＥＡや一対のセパレータ等が接着される。シール部材としては、例えば隣接する部材との化学的な結合により接着する接着剤等を用いることができる。ガスケットは、燃料電池セル２間をシールして、酸化ガスや水素ガス等の漏れを抑制するものである。ガスケットの材料としては、隣接する部材との物理的な密着により流体を封止する弾性体や、隣接する部材との化学的な結合により接着する接着剤等を用いることができる。

次に、図２〜図５を用いて、本発明の実施形態に係る燃料電池セル２を構成する一対のセパレータ（アノード側セパレータ１０及びカソード側セパレータ２０）について説明する。

アノード側セパレータ１０（図２〜図４）及びカソード側セパレータ２０（図５）は、ガス不透過性の導電性材料で構成されている。導電性材料としては、例えばカーボンや導電性を有する硬質樹脂のほか、アルミニウムやステンレス等の金属が挙げられる。本実施形態におけるセパレータ１０、２０の基材は板状の金属で形成されているものであり、この基材の各電極側の面には耐食性に優れた膜（例えば金メッキで形成された皮膜）が形成されている。

アノード側セパレータ１０は、ＭＥＡのアノード側に対向するように配置される。アノード側セパレータ１０は、その両面にプレスによって溝状の流路が複数形成された所謂プレス型セパレータである。具体的に説明すると、アノード側セパレータ１０のＭＥＡに対向する面（内側の面）の中央領域１０Ａには、図２に示すような燃料ガス流路１１が形成され、その裏面（外側の面）の中央領域１０Ｂには、図３に示すような冷却水流路１２が形成されている。アノード側セパレータ１０の中央領域１０Ａ、１０Ｂは、発電部として機能する領域である。なお、ＭＥＡは、アノード側セパレータ１０の中央領域１０Ａ（発電部）よりも若干広い面積を有している。本実施形態においては、図２に示すように、アノード側セパレータ１０のＭＥＡと接触する領域（発電部１０Ａよりも若干広い領域）１０Ｃに凹部を設けないようにしている。

アノード側セパレータ１０の中央領域１０Ａ、１０Ｂ（発電部）よりも外周寄りの領域には、図２及び図３に示すように、複数のマニホールド（燃料ガス入口側マニホールド１１Ａ、燃料ガス出口側マニホールド１１Ｂ、冷却水入口側マニホールド１２Ａ、冷却水出口側マニホールド１２Ｂ）が設けられている。本実施形態におけるマニホールド１１Ａ、１１Ｂ、１２Ａ、１２Ｂは平面視略矩形状の孔とされている。外部から供給された燃料ガスは、燃料ガス入口側マニホールド１１Ａを介して燃料ガス流路１１（図２）へと導入され、燃料ガス流路１１を流通した後に燃料ガス出口側マニホールド１１Ｂを介して外部へと排出される。一方、外部から供給された冷却水は、冷却水入口側マニホールド１２Ａを介して冷却水流路１２（図３）へと導入され、冷却水流路１２を流通した後に冷却水出口側マニホールド１２Ｂを介して外部へと排出される。

アノード側セパレータ１０の中央領域１０Ａ、１０Ｂ（発電部）と、複数のマニホールド１１Ａ、１１Ｂ、１２Ａ、１２Ｂと、の間に形成された隙間領域１３には、冷却水流路１２が形成された面（図３）に突出するように形成された突出部１４が複数設けられている。突出部１４のいくつか（特定突出部１４Ａ）は、図４に示すように、隙間領域１３から、複数のマニホールド１１Ａ、１１Ｂ、１２Ａ、１２Ｂ間に形成されたマニホールド梁部１５へと、延在するように形成されており、マニホールド部分の変形を抑制する補強部として機能するようになっている。

従来は、図６（Ａ）に示すように、アノード側セパレータ１０の発電部とマニホールドとの間に形成された隙間領域１３にのみ突出部（補強部）１４０が設けられていたため、ガスケット３０を介して燃料電池セル２を積層すると、図６（Ｂ）に点線で示すようにマニホールド梁部１５が変形してしまうという問題があった。これに対し、本実施形態においては、特定突出部１４Ａ（補強部）が、図４に示すように隙間領域１３からマニホールド梁部１５の中央部へと延在するように形成されているため、セル積層時におけるマニホールド梁部１５の変形を抑制することができる。

また、本実施形態における突出部１４は、図３及び図４に示すように、冷却水を誘導するような構成を有している。具体的には、突出部１４は、図３において紙面左上にある冷却水入口側マニホールド１２Ａから、それよりも若干紙面右下にある冷却水流路１２へと冷却水を誘導するように、また、冷却水流路１２から、それよりも若干紙面右下にある冷却水出口側マニホールド１２Ｂへと冷却水を誘導するように、アノード側セパレータ１０の長手方向に対して所定の角度をなした傾斜状態で配置されている。特定突出部１４Ａは、図４に示すように、上記角度で傾斜した部分と、マニホールド梁部１５の延在方向に沿って延在する部分と、が結合したような平面形状を有している。

図５に示すカソード側セパレータ２０は、ＭＥＡのカソード側に対向するように配置される。カソード側セパレータ２０は、ＭＥＡ側の表面が、溝のない略平坦な平板によって形成された所謂フラット型セパレータである。なお、フラット型セパレータとは、その表面にプレス加工が施されていない場合のみならず、プレス型セパレータよりも軽度にプレス加工が施されている場合をも含む。また、軽度にプレス加工が施されているとは、プレス型セパレータよりも狭い領域にプレス加工が施されている場合、浅くプレス加工が施されている場合、プレス加工されている数が少ない場合等を意味する。

カソード側セパレータ２０の中央領域２１（発電部）よりも外周寄りの領域には、図５に示すように、複数のマニホールド２２が設けられている。また、カソード側セパレータ２０の中央領域２１（発電部）の縁部付近には、平面視円形状の凸部２１Ａが複数設けられている。凸部２１Ａは、カソード側セパレータ２０の変形（たわみやうねり）を抑制する補強部として機能するものである。凸部２１Ａの形状や大きさは、カソード側セパレータ２０の大きさやガスの配流性を考慮して、様々なものが選択され得る。

以上説明した実施形態に係るアノード側セパレータ１０においては、複数のマニホールド間に形成されたマニホールド梁部１５から、発電部とマニホールドとの間に形成された隙間領域１３へと、延在するように特定突出部１４Ａ（補強部）が設けられている。このため、マニホールド梁部１５が積層方向に変形することを抑制することができ、シール性の低下を防ぐことができる。

また、以上説明した実施形態に係るアノード側セパレータ１０においては、特定突出部１４Ａ（補強部）や他の突出部１４を、冷却水入口側マニホールド１２Ａから冷却水流路１２へと、及び、冷却水流路１２から冷却水出口側マニホールド１２Ｂへと、冷却水を誘導する冷却水誘導部としても機能させることができる。

また、以上説明した実施形態に係るアノード側セパレータ１０においては、ＭＥＡと接触する領域１０Ｃ（図２）に凹部を設けないようにしているため、アノード側セパレータ１０に接触するＭＥＡが凹部に食い込んで破損するという事態が発生するのを未然に防止することができる。

なお、本実施形態においては、アノード側セパレータ１０のマニホールド梁部１５から隙間領域１３へと延在する補強部１４Ａ（特定突出部）を設けた例を示したが、図５に点線で示すように、カソード側セパレータ２０のマニホールド梁部２５から隙間領域２３へと延在する補強部２４を設けることもできる。このようにすると、カソード側セパレータ２０のマニホールド梁部２５が積層方向に変形することを抑制することができる。

本発明は、以上の実施形態に限定されるものではなく、この実施形態に当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。すなわち、前記実施形態が備える各要素及びその配置、材料、条件、形状、サイズ等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、前記実施形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。

１…燃料電池
２…燃料電池セル
１０…アノード側セパレータ（プレス型セパレータ）
１０Ａ・１０Ｂ…中央領域（発電部）
１０Ｃ…膜・電極接合体と接触する領域
１１Ａ・１１Ｂ・１２Ａ・１２Ｂ…マニホールド
１２…冷却水流路
１３…隙間領域
１４…特定突出部（補強部）
１５…マニホールド梁部
２０…カソード側セパレータ（フラット型セパレータ）
２１…中央領域（発電部）
２２…マニホールド
２３…隙間領域
２４…補強部
２５…マニホールド梁部

Claims (5)

1. 燃料電池用セパレータであって、
   板状に構成された前記セパレータの面の中央領域に設けられた発電部と、
   前記セパレータの面の長手方向両端部のうち一端部に沿って設けられた複数の冷却水入口側マニホールドと、
   前記セパレータの面の長手方向両端部のうち他端部に沿って設けられた複数の冷却水出口側マニホールドと、
   前記発電部と前記冷却水入口側マニホールドとの間及び前記発電部と前記冷却水出口側マニホールドとの間に形成された隙間領域に、冷却水流路が形成される面に突出して形成される突出部とを備え、
   前記複数の冷却水入口側マニホールド及び前記複数の冷却水出口側マニホールドそれぞれは、前記セパレータを平面視でみたときに、前記セパレータの短手方向に互いにずれた位置に設けられ、
   前記突出部は、前記複数の冷却水入口マニホールドから前記複数の冷却水出口マニホールドに向けて冷却水を誘導するように傾斜して設けられていると共に、前記隙間領域において前記セパレータの短手方向に複数並設され、
   前記複数並設された突出部のうち、前記冷却水入口マニホールド間又は前記冷却水出口マニホールド間に形成されたマニホールド梁部に対応する位置の突出部が、前記隙間領域から前記マニホールド梁部に延在して設けられている、燃料電池用セパレータ。
2. 前記セパレータは、膜・電極接合体のアノード側に対向するように配置されるプレス型セパレータであり、
   膜・電極接合体と接触する領域には凹部が設けられていない、請求項１に記載の燃料電池用セパレータ。
3. 前記セパレータは、膜・電極接合体のカソード側に対向するように配置されたフラット型セパレータである、請求項１に記載の燃料電池用セパレータ。
4. 請求項１から３の何れか一項に記載の燃料電池用セパレータを備える、燃料電池セル。
5. 請求項４に記載の燃料電池セルが複数積層されてなる、燃料電池。

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