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JP2000100457A - 燃料電池 - Google Patents

燃料電池

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Publication number
JP2000100457A
JP2000100457A JP10270861A JP27086198A JP2000100457A JP 2000100457 A JP2000100457 A JP 2000100457A JP 10270861 A JP10270861 A JP 10270861A JP 27086198 A JP27086198 A JP 27086198A JP 2000100457 A JP2000100457 A JP 2000100457A
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JP
Japan
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gas
fuel cell
conductive plate
conductive
groove
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP10270861A
Other languages
English (en)
Inventor
Toshihiro Matsumoto
敏宏 松本
Kazuhito Hado
一仁 羽藤
Hisaaki Gyoten
久朗 行天
Hideo Obara
英夫 小原
Kazufumi Nishida
和史 西田
Teruhisa Kanbara
輝壽 神原
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Matsushita Electric Industrial Co Ltd filed Critical Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Priority to JP10270861A priority Critical patent/JP2000100457A/ja
Priority to KR10-2001-7003807A priority patent/KR100413891B1/ko
Priority to PCT/JP1999/005151 priority patent/WO2000019555A1/en
Priority to EP99943448A priority patent/EP1116295A1/en
Priority to US09/786,728 priority patent/US6689504B1/en
Priority to CNB998111074A priority patent/CN1159789C/zh
Publication of JP2000100457A publication Critical patent/JP2000100457A/ja
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来の燃料電池はセパレータにカーボン材を
使用しているためにコストと薄型化が課題となってい
る。 【解決手段】 隣り合う単位電池を仕切る一式の前記導
電性のセパレ−タ−が、ガス気密性の導電性プレ−ト
と、流体流動用の単数または複数の連続した溝を有する
導電性プレ−トとを積層して構成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ポータブル電源、
電気自動車用電源、家庭内コージェネシステム等に使用
する燃料電池、特に高分子電解質型燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】燃料電池、特に高分子電解質型燃料電池
は、水素などの燃料ガスと、空気など酸素を含有する酸
化剤ガスとを、ガス拡散電極において電気化学的に反応
させることで、電力と熱とを同時に発生させるものであ
る。
【０００３】このような高分子電解質型燃料電池の一構
成例を以下に示す。図１は、高分子電解質型燃料電池の
構成要素である電極電解質接合体（以下、ＭＥＡとす
る）の構成断面を示した図である。図１において、水素
イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜１１の両面
に、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分
とする触媒反応層１２を接合する。さらに触媒反応層１
２の外面には、ガス通気性と導電性を兼ね備えた一対の
拡散層１３を密着して配置する。以上の構成でＭＥＡ１
４を作成する。
【０００４】ＭＥＡ１４の外側には、複数のＭＥＡを電
気的に直列接続するための導電性のセパレータ１５を配
置する。セパレータ１５とＭＥＡ１４とが接触する部分
には、電極に反応ガスを供給しかつ反応により発生した
ガスや余剰のガスを運び去るためのガス流路を形成す
る。ガス流路は、セパレータ板と別に設けることもでき
るが、セパレータ板の表面に溝を設けてガス流路とする
方式が一般的である。ここで用いるセパレータ板は、グ
ラッシーカーボンを高圧高温で焼結した板を用い、これ
を切削加工したものを通常使用する。
【０００５】セパレータ１５の他方の面には、電池の温
度を一定に保つための冷却水を循環させる冷却流路を設
ける。このように冷却水を循環させることにより、反応
により発生した熱エネルギーは、温水などの形で利用す
ることが出来る。
【０００６】水素や空気が電池外へリークしたり互いに
混合したりしないように、さらには冷却水が電池外へリ
ークしないように、ＭＥＡの周囲には高分子電解質膜を
挟んでシール材やＯリングを配置する。また、別のシー
ル方法としては、ＭＥＡと同程度の厚さを有し、樹脂や
金属板からなるガスケットをＭＥＡの周りに配して、ガ
スケットとセパレータとの隙間をグリースや接着剤でシ
ールすることもできる。
【０００７】多くの燃料電池は、出力電圧を高くするた
め、単電池を数多く重ねた積層構造を採る。燃料電池の
運転時には、電力とともに発生する熱を電池外に排出す
るために、単電池１〜２セル毎に冷却板を配置する。冷
却板は薄い金属板の内部に、冷却水などの熱媒体を貫流
する構造が一般的である。また、単電池を構成するセパ
レータの背面、すなわち冷却水を流す面に流路を形成
し、セパレータ自体を冷却板として機能させる方法もあ
る。その際、冷却水などの熱媒体をシールするためにＯ
リングやガスケットも必要となるが、このシールではＯ
リングを完全につぶすなどして冷却板の上下間で十分な
導電性を確保する必要がある。
【０００８】このような積層電池では、各単電池へのガ
ス供給孔やガス排出孔、さらには冷却水の供給排出孔
を、積層電池内部に確保したいわいる内部マニホールド
型が一般的である。しかしながら、内部マニホールド型
では、改質ガスを用いて電池運転する場合、各電池の燃
料ガス流路の下流域でＣＯ濃度が上昇する結果、電極被
毒によって温度が低下し、その温度の低下が電極被毒を
一層促進させることになる。このような電池性能の低下
現象を緩和するため、マニホールドから各単電池へのガ
スの供給排出部の間口をできるだけ広く取れる構造とし
て外部マニホールド型も見直されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、内部マ
ニホールド型、外部マニホールド型のいずれにしても、
セパレータ板の材料に関しては、ガスタイトで緻密なカ
−ボン板やグラッシ−カ−ボンを用いた場合、ガス流路
などの加工には切削加工を施さなければならない。この
ような材料と加工方法は、量産化・低コスト化の観点か
らは、大きい課題である。
【００１０】さらに、通常カーボン板は多孔性を有する
ため、これだけではガスシール性に劣る。そこで、燃料
電池のセパレータとして用いるときは、樹脂を含浸した
カ−ボン板を用いる。ところが、樹脂がほとんど弾性を
持たないため、ガス流路などの加工を施した後に樹脂を
含浸すると、カ−ボン板に反りが発生するなどの課題が
ある。そのため、予め樹脂を含浸した後に、ガス流路な
どの加工を行う必要があった。また、フェノ−ル樹脂や
シリコン樹脂などを含浸材として用いた場合、耐酸性に
課題があった。
【００１１】また、カ−ボン粉末や金属粉末と樹脂とを
混合し、プレスまたは射出整形により整形する場合も、
樹脂自身に耐酸性が必要であるし、ポリ４フッ化エチレ
ンなどの硬い材料を用いると成型時の流動性に問題があ
った。また、流動性が悪い樹脂を使用すると、樹脂の含
有率を低減させる必要があるため、成型後に、ガスタイ
ト性が必要な部位に再度樹脂などを含浸するなどの後処
理が必要であった。
【００１２】
【課題を解決するための手段】以上の課題を解決するた
め本発明の燃料電池は、電解質と、前記電解質を挟んで
配された触媒反応層を有する一対の電極と、前記電極の
一方に水素を含有する燃料ガスを供給分配しかつ他方に
酸素を含む酸化剤ガスを供給分配する手段とを具備した
単電池を、導電性のセパレータを介して複数個積層した
燃料電池であって、隣り合う前記単位電池を仕切る一式
の前記セパレ−タ−は、ガス気密性の導電性プレ−ト
と、流体流動用の単数もしくは複数の連続した溝を有す
る導電性プレ−トとの積層体であることを特徴とする。
【００１３】このとき、隣り合う単位電池を仕切る一式
のセパレ−タ−は、少なくとも３枚の導電性プレ−トを
積層し、最外面部以外の少なくとも１枚の前記導電性プ
レ−トがガス気密性の平板状であり、両最外面部の導電
性プレ−トが、流体流動用の単数もしくは複数の連続し
た蛇行横断路状溝を有することが有効である。
【００１４】また、単数もしくは複数の連続した溝、ま
たは単数もしくは複数の連続した蛇行横断路状溝を、導
電性プレ−トの厚み方向に貫通したことが有効である。
【００１５】また、単数もしくは複数の連続した溝、ま
たは単数もしくは複数の連続した蛇行横断路状溝は、導
電性プレ−トの何れの端部とも接続していないことが有
効である。
【００１６】また、溝もしくは蛇行横断路状溝を有する
導電性プレ−トの、溝もしくは蛇行横断路状溝の終点部
を、溝もしくは蛇行横断路状溝の終点部の延長線上周辺
部以外の導電性プレ−ト端部より、実質的に外側に配置
したことが有効である。
【００１７】また、導電性プレ−トを積層した一式のセ
パレ−タ−の側面を、ガス気密性材料でガスシールした
ことが有効である。
【００１８】また、導電性プレ−トを積層した一式のセ
パレ−タ−の積層面を、ガス気密性材料でガスシールし
たことが有効である。
【００１９】このとき、単位電池へのガスの供給と排出
は、積層した燃料電池の側面に配した外部マニホールド
を通じて行なうことが有効である。
【００２０】また、溝もしくは蛇行横断路状溝の終点部
の延長線上周辺部に配置した導電性プレ−トの端部は、
実質的に外部マニホ−ルド内部に位置することが有効で
ある。
【００２１】以上では、電解質はプロトン伝導性の高分
子固体電解質であることが望ましい。
【００２２】このとき、溝もしくは蛇行横断路状溝を有
する導電性プレ−トは、打ち抜き加工によって構成した
金属板であることが有用である。
【００２３】
【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施例
を、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２４】
【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。
【００２５】（実施例１）粒径が数ミクロン以下のカー
ボン粉末を塩化白金酸水溶液に浸漬し、還元処理によっ
てカーボン粉末表面に白金触媒を担持させた。このとき
のカーボンと担持した白金の重量比は１：１とした。つ
いで、この白金を担持したカーボン粉末を高分子電解質
のアルコール溶液中に分散させ、スラリーを調製した。
【００２６】一方、厚さ４００μｍのカーボンペーパー
をフッ素樹脂の水性ディスパージョン（ダイキン工業
（株）製の「ネオフロンＮＤ−１」）に含浸して乾燥
後、４００℃で３０分間、熱処理してこのカーボン粉末
に撥水性を付与した。
【００２７】つぎに、図２に示したように、上記の撥水
処理を施したカーボンペーパー２１の片面に、得られた
上記のスラリーを均一に塗布して、厚さ２０μｍの触媒
反応層２２を形成し、電極２３とした。触媒反応層を備
えた一対のカーボンペーパーを、触媒反応層を備えた面
を内側に向けて向かい合わせ、厚さ２５μｍの高分子電
解質膜２４を挟んで重ね合わせた後、これを乾燥して電
極電解質接合体（以下、ＭＥＡとする）２５を得た。こ
こで用いた高分子電解質は、パーフルオロカーボンスル
ホン酸の重合体よりなるプロトン伝導性高分子電解質を
用いた。このＭＥＡ２５を、その両面から第１の金属製
のセパレータ板２６で挟み込み、さらにその外側を第２
の金属製セパレータ２７で挟み込んで、単電池を組み立
てた。
【００２８】セパレータ板２６は図３に示したように、
厚さが１ｍｍのＳＵＳ３１６製で、その表面にレーザ加
工により幅２ｍｍのガス流路３１を形成した。また、そ
の周辺部にはガスのマニホルド孔３２と冷却水のマニホ
ルド孔３３を配置した。また、ＭＥＡ２５をセパレータ
２６で挟み込む際、電極２３の周りにはセパレータと同
じ外寸のポリエチレンテレフタラート製シートの両面に
エチレン−プロピレン−ジエン三元共重合体配合物のシ
ートを張り付けたガスケットを配した。
【００２９】このような単電池を２セル積層した後、図
４に示したような冷却水を流す冷却流路４１を有するセ
パレータ板を積層し、電池構成単位を得た。
【００３０】以上のように作成した単電池を５０セル積
層し、両端部に金属製の集電板と電気絶縁材料でできた
絶縁板、さらに端板を順に重ね合わせ、そして、これら
を貫通させたボルトとナットにより、両端板を締結して
積層電池を作製した。
【００３１】この積層電池に、水素と空気を通じ、冷却
水を循環させて電池試験を行った。水素利用率７０％、
酸素利用率２０％、水素加湿バブラー温度８５℃、酸素
加湿バブラー温度７５℃、電池温度７５℃の条件での電
池出力は、１０２０Ｗ（３０Ａ−３５Ｖ）であった。
【００３２】以上のように本実施例では、隣り合う前記
単位電池を仕切る一式のセパレ−タ−を、ガス気密性の
導電性プレ−トと、流体流動用の溝を有する導電性プレ
−トとの積層により構成した。このようなセパレータを
採用することで従来のカーボン製セパレータと比較し
て、セパレータの薄型化とコスト削減を図ることが出来
た。
【００３３】（実施例２）本実施例では、実施例１で作
成したものと同じ電池構成単位を用い、これを５０セル
積層した後、その積層電池の側面をガス気密性材料でガ
スシールした。シール方法は、フェノール樹脂をガスシ
ール材として用い、この溶液を積層電池の側面に塗布乾
燥させることによって積層電池の側面を被覆した。
【００３４】実施例１と同一条件で、モジュールの電池
試験を行った結果、１０８０Ｗ（３０Ａ−３６Ｖ）を得
た。
【００３５】つぎに、この電池のリーク試験を行った。
冷却水出口を塞ぎ冷却水入口から水圧を負荷したとこ
ろ、１kgf/cm2の水圧でも水漏れはみられず、シ−ル性
を維持できることがわかった。本実施例で示したよう
に、積層した電池を外部からシールすることが、電池の
シール性にきわめて有効であった。
【００３６】また、上述の実施例１を通じて実施した積
層電池の製造法、すなわち電池構成部材を所定の順に積
層し、端板等で固定した後、側面にシール材を配すると
いう方法は、電池構成部材を積み重ねながら、逐次側面
にシール材を配する方法に比べて飛躍的に工数を削減す
ることができた。
【００３７】（実施例３）本実施例では、実施例１で作
成したものと同様の電池構成単位を用い、図５に示した
外部マニホールド型の燃料電池を組み立てた。
【００３８】まず実施例１で作成した電池構成単位は、
内部マニホールドの構成をとっていたため、この電池の
マニホールドの部分を切削加工により切り落とし、ガス
及び水の給排出口が電池側面から見えるようにした。
【００３９】次に、フェノール樹脂をガスシール材とし
て用い、この溶液を積層電池の側面に塗布乾燥させるこ
とによって積層電池の側面を被覆し、シール部を形成し
た。この時、ガスの供給排出口、冷却水の供給排出口
が、シール材により閉塞されないようにした。また、外
部マニホ−ルドのシ−ル面と接する部分は、できるだけ
平滑な面が得られるよう注意してフェノ−ル樹脂を塗布
した。
【００４０】つぎに、図５に示したように、ステンレス
鋼製の外部マニホールド５１を積層電池側面に露出する
空気の供給口の列を覆うように設けた。同様にして、空
気の排出口、水素の供給口とその排出口、冷却水の供給
口とその排出口の列をそれぞれ覆うようにマニホールド
を設けた。これらの外部マニホールドの固定は端板部ビ
スで行った。
【００４１】また、外部マニホールドと電池の側表面を
覆うシール材との間のシールは、独立気泡を有するのエ
チレン−プロピレン−ジエン三元共重合体配合物製のシ
−トを所定の外部マニホ−ルドシ−ル面の形にカットし
てガスケットとした。
【００４２】この電池を実施例１と同一条件で、モジュ
ールの電池試験を行った結果、１０８０Ｗ（３０Ａ−３
６Ｖ）を得た。
【００４３】外部マニホ−ルドのシ−ル部からのガスリ
−クも測定したが、リ−クは検出できず、良好なシ−ル
性が得られることが分かった。
【００４４】以上のように、本実施例で示した高分子電
解質型燃料電池の側面全域にシール材を配する方法を採
ることで、従来、溶融炭酸塩型などの燃料電池で用いら
れた外部マニホールド方式が、容易に実現できる。
【００４５】また、本実施例で示した構成をとると、マ
ニホールド部と電池積層部とを別々に製造することがで
きる。これにより、例えば燃料電池の用途、出力規模に
よらず同一形状のセパレータ、電極・電解質体からなる
電池積層部を大量に規格生産し、マニホールド部は用
途、出力規模に応じて製造することを可能とし、コスト
の削減を図ることが出来る。
【００４６】（実施例４）本実施例では、ガス流路及び
冷却水流路を有するセパレータとして図６に示したセパ
レータを用い、これを実施例３で作成した電池構成単位
に適応し、外部マニホールド型の高分子型燃料電池を組
み立てた。
【００４７】この電池を実施例１と同一条件で、モジュ
ールの電池試験を行った結果、１０８０Ｗ（３０Ａ−３
６Ｖ）を得た。
【００４８】本実施例では、セパレータに形成した蛇行
横断路状溝を、導電性プレ−トの厚み方向に貫通したこ
とにより、コスト削減が図れた。
【００４９】（実施例５）実施例４で用いたものと同様
の電池構成単位を用いて、ガス流路及び冷却水流路を有
するセパレータを図７に示すセパレータに置き換えて、
外部マニホールド型の高分子型燃料電池を組み立てた。
【００５０】この電池を実施例１と同一条件で、モジュ
ールの電池試験を行った結果、１０８０Ｗ（３０Ａ−３
６Ｖ）を得た。
【００５１】実施例４で用いたセパレータは１枚のセパ
レータが２分割されていたため、組立性が悪かったのだ
が、本実施例によるセパレータでは分割されていないた
め、組立性が向上した。
【００５２】また、このセパレータは溝がセパレータ端
部より、外側まで伸びているが問題なく外部マニホール
ドを取り付けることが可能であった。
【００５３】またこのセパレータを、エッチング加工、
プレス加工で作成して同様の試験を試みたが同じ結果を
得た。
【００５４】
【発明の効果】本発明によると、組立工程の簡略化が図
れる。また、外部マニホ−ルドと積層電池の側面とのガ
スシ−ル性が向上した燃料電池を提供できる。この技術
は特に固体高分子型電解質を用いた燃料電池の構成に有
用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の高分子電解質型燃料電池の構成要素であ
るＭＥＡの断面を示した図
【図２】本発明の第１の実施例の燃料電池の構成を示し
た断面図
【図３】本発明の第１の実施例の燃料電池の構成要素で
ある燃料供給用セパレータの外観を示した図
【図４】本発明の第１の実施例の燃料電池の構成要素で
ある冷却水供給用セパレータの外観を示した図
【図５】本発明の第３の実施例の燃料電池の外観を示し
面図
【図６】本発明の第４の実施例の燃料電池の構成要素で
ある燃料供給用セパレータの外観を示した図
【図７】本発明の第５の実施例の燃料電池の構成要素で
ある燃料供給用セパレータの外観を示した図
【符号の説明】
１１ 高分子電解質膜 １２ 触媒反応層 １３ 拡散層 １４ ＭＥＡ １５ セパレータ ２１ カーボンペーパー ２２ 触媒反応層 ２３ 電極 ２４ 高分子電解質膜 ２５ ＭＥＡ ２６ 第１の金属セパレーター ２７ 第２の金属セパレーター ３１ ガス流露 ３２ ガスのマニホールド孔 ３３ 冷却水のマニホールド孔 ４１ 冷却水のマニホールド孔 ５１ マニホールド
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 行天 久朗 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 小原 英夫 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 西田 和史 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 神原 輝壽 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Ｆターム(参考） 5H026 AA06 CC03 CC08

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 電解質と、前記電解質を挟んで配した触
    媒反応層を有する一対の電極と、前記電極の一方に水素
    を含有する燃料ガスを供給分配しかつ他方に酸素を含む
    酸化剤ガスを供給分配する手段とを具備した単電池を、
    導電性のセパレータを介して積層した燃料電池であっ
    て、隣り合う前記単位電池を仕切る一式の前記セパレ−
    タ−は、ガス気密性の導電性プレ−トと、流体流動用の
    単数もしくは複数の連続した溝を有する導電性プレ−ト
    との積層体であることを特徴とする燃料電池。
  2. 【請求項２】 隣り合う単位電池を仕切る一式のセパレ
    −タ−は、少なくとも３枚の導電性プレ−トを積層し、
    最外面部以外の少なくとも１枚の前記導電性プレ−トが
    ガス気密性の平板状であり、両最外面部の導電性プレ−
    トが、流体流動用の単数もしくは複数の連続した蛇行横
    断路状溝を有することを特徴とする請求項１記載の燃料
    電池。
  3. 【請求項３】 単数もしくは複数の連続した溝、または
    単数もしくは複数の連続した蛇行横断路状溝を、導電性
    プレ−トの厚み方向に貫通したことを特徴とする請求項
    １または２記載の燃料電池。
  4. 【請求項４】 単数もしくは複数の連続した溝、または
    単数もしくは複数の連続した蛇行横断路状溝は、導電性
    プレ−トの何れの端部とも接続していないことを特徴と
    する請求項１、２または３記載の燃料電池。
  5. 【請求項５】 溝もしくは蛇行横断路状溝を有する導電
    性プレ−トの、溝もしくは蛇行横断路状溝の終点部を、
    溝もしくは蛇行横断路状溝の終点部の延長線上周辺部以
    外の導電性プレ−ト端部より、実質的に外側に配置した
    ことを特徴とする請求項１、２、３または４記載の燃料
    電池。
  6. 【請求項６】 導電性プレ−トを積層した一式のセパレ
    −タ−の側面を、ガス気密性材料でガスシールしたこと
    を特徴とする請求項１、２、３、４または５記載の燃料
    電池。
  7. 【請求項７】 導電性プレ−トを積層した一式のセパレ
    −タ−の積層面を、ガス気密性材料でガスシールしたこ
    とを特徴とする請求項１、２、３、４、５、または６記
    載の燃料電池。
  8. 【請求項８】 単位電池へのガスの供給と排出は、積層
    した燃料電池の側面に配した外部マニホールドを通じて
    行なうことを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６
    または７記載の燃料電池。
  9. 【請求項９】 溝もしくは蛇行横断路状溝の終点部の延
    長線上周辺部に配置した導電性プレ−トの端部は、実質
    的に外部マニホ−ルド内部に位置することを特徴とする
    請求項８記載の燃料電池。
  10. 【請求項１０】 電解質はプロトン伝導性の高分子固体
    電解質であることを特徴とする請求項１、２、３、４、
    ５、６、７、８または９記載の燃料電池。
  11. 【請求項１１】 溝もしくは蛇行横断路状溝を有する導
    電性プレ−トは、打ち抜き加工によって構成した金属板
    であることを特徴とする請求項１、２、３、４、５、
    ６、７、８、９または１０記載の燃料電池。
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