JP2003123801A

JP2003123801A - 高分子電解質型積層燃料電池

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Publication number: JP2003123801A
Application number: JP2001318667A
Authority: JP
Inventors: Susumu Kobayashi; 晋小林; Kazuhito Hado; 一仁羽藤; Hiroki Kusakabe; 弘樹日下部; Hideo Obara; 英夫小原; Nobunori Hase; 伸啓長谷; Tatsuto Yamazaki; 達人山崎; Shinsuke Takeguchi; 伸介竹口
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2001-10-16
Filing date: 2001-10-16
Publication date: 2003-04-25

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】高分子電解質膜型積層燃料電池における、セ
パレータ板間の冷却水面での接触抵抗に由来する電圧降
下を防止する。【解決手段】冷却部を構成するための、冷却水の流路
１６，２６を有するセパレータ板１０Ａ，２０Ａ同士の
接触面に、導電性のシートガスケット３０、好ましくは
導電性炭素を含むシートガスケットを介在させた高分子
電解質膜型積層燃料電池。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、民生用コジェネレ
ーションシステムや移動体用の発電器として有用な燃料
電池、特に高分子電解質を用いた高分子電解質型積層燃
料電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】高分子電解質膜を用いた燃料電池は、水
素を含有する燃料ガスと空気など酸素を含有する酸化剤
ガスとを電気化学的に反応させることにより、電力と熱
とを同時に発生させる。この燃料電池は、基本的には、
水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜、および
高分子電解質膜の両面に形成された一対の電極、すなわ
ちアノードとカソードから構成される。前記の電極は、
通常、白金族金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分
とし、高分子電解質膜の表面に形成される触媒層、およ
びこの触媒層の外面に形成される、通気性と電子伝導性
を併せ持つ、主に炭素繊維からなる拡散層からなる。電
極に供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスが外にリーク
したり、二種類のガスが互いに混合したりしないよう
に、電極の周囲には高分子電解質膜を挟んでガスケット
が配置される。このガスケットは、拡散層、電極及び高
分子電解質膜と熱接合により一体化してあらかじめ組み
立てられることが多く、これをＭＥＡ（電解質膜−電極
接合体）と呼ぶ。

【０００３】ＭＥＡの外側には、これを機械的に固定す
るとともに、隣接したＭＥＡを互いに電気的に直列に接
続し、電極面に反応ガスを供給し、生成ガスや余剰ガス
を運び去るために、ガス流路を有する導電性のセパレー
タ板が配置される。セパレータ板の材質としては、導電
性と化学的安定性の観点から、カーボン板が用いられる
ことが多い。その加工法は、一般にスライスされたカー
ボン板をフライス加工、ブラスト加工など機械的に加工
することによる。近年はコストの観点から、若干量の樹
脂を混合したカーボン粉を材料とし、プレス成形ないし
は射出成形等の成形技術によって、セパレータ板を製作
する検討が行われている。

【０００４】燃料電池は、運転中に発熱するので、電池
を良好な温度状態に維持するために、冷却水等で冷却す
る必要がある。そこで通常、１〜３セル毎に、冷却水流
路を設ける。これらのＭＥＡとセパレータ板および冷却
部を交互に重ねて１０〜２００セル積層し、その積層体
を集電板と絶縁板を介して端板で挟み、締結ボルトで両
端から固定するのが一般的な積層電池の構造である。従
って、この積層電池の一般的な形態は、図４のように、
それぞれ背面に冷却水の流路を有するアノード側セパレ
ータ板１０およびカソード側セパレータ板２０によりＭ
ＥＡ５を挟んだ単位セルが積層された構成である。ここ
では、各セル毎に冷却部を設けたが、複数セル毎に冷却
部を持つ構造の積層電池では、一方の面がアノード側セ
パレータ板、他方の面がカソード側セパレータ板となる
１枚のセパレータ板をＭＥＡの間に挿入することにな
る。

【０００５】セパレータ板の冷却水の流路を有する面に
おいては、冷却水のセル外およびガスのマニホールド孔
への漏洩、およびガスのセル外への漏洩を防ぐために、
シール機構が必要である。一般的には、図２に示すよう
に、セパレータ板にシール溝を設け、このシール溝にＯ
リングを嵌めて積層するか、またはシール溝にシーラン
トあるいは液体ガスケットを充填して積層する等の方法
によって、シールを行う。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】加工法に応じて、程度
の問題はあるが、セパレータ板の表面は必ず表面粗さを
持っている。これが積層電池におけるセル間の接触抵抗
に影響し、これは積層電池の電圧損失に反映する。ＭＥ
Ａの拡散層には、一般的に炭素繊維を織布ないし抄紙し
たカーボンクロスないしカーボンペーパが用いられる。
これらはセパレータ板の表面粗さを吸収するのに充分な
柔軟性を持っているため、セパレータ板／ＭＥＡ間の接
触抵抗は非常に低く、通常数ｍΩ／ｃｍ²以下である。
しかしながら、図４に示した積層構造においては、冷却
水の流路を有する面において、殆ど柔軟性のないセパレ
ータ板同士が直接に接触することから、微視的に見る
と、図６のような接触状態となっており、接触抵抗が例
えば数十ｍΩ／ｃｍ²と大きいという問題があった。こ
の問題は、表面粗さのほかに、厚みの不均一や反りなど
を有する成形セパレータ板の場合に、より大きく顕在化
する。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、冷却水の流路
を有するセパレータ板同士の間に、導電性シートガスケ
ットを挟んで積層することにより、上記の課題を解決す
る。すなわち、本発明は、水素イオン伝導性高分子電解
質膜、前記水素イオン伝導性高分子電解質膜を挟む一対
の電極、前記電極の一方に燃料ガスを供給する流路を有
するアノード側セパレータ板、前記電極の他方に酸化剤
ガスを供給する流路を有するカソード側セパレータ板、
および隣接するアノード側セパレータ板とカソード側セ
パレータ板の接触面に形成される冷却水の流路を含む冷
却部を具備する高分子電解質型積層燃料電池において、
前記冷却部を構成するセパレータ板同士の間に導電性の
シートガスケットを介在させたことを特徴とする。導電
性シートガスケットは、導電性炭素を含むシート、殊に
黒鉛シートであることが好ましい。なかでも導電性およ
び弾性に優れた膨張黒鉛シートが適する。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明の高分子電解質型積層燃料
電池を従来例と対比しながら説明する。アノード側セパ
レータ板１０は、図７〜９に示すように、一対の燃料ガ
ス用マニホールド孔１１、酸化剤用マニホールド孔１
２、および冷却水用マニホールド孔１３を有し、アノー
ドと対向する面には一対のマニホールド孔１１を連絡す
る燃料ガスの流路１５を有し、背面には一対の冷却水用
マニホールド孔１３を連絡する冷却水の流路１６を有す
る。１４はセルを締結するボルトをとおすための孔であ
る。一方、カソード側セパレータ板２０は、図１１〜１
２に示すように、一対の燃料ガス用マニホールド孔２
１、酸化剤用マニホールド孔２２、および冷却水用マニ
ホールド孔２３を有し、カソードと対向する面には一対
のマニホールド孔２２を連絡する酸化剤ガスの流路２５
を有し、背面には一対の冷却水用マニホールド孔２３を
連絡する冷却水の流路２６を有する。１４はセルを締結
するボルトをとおすための孔である。

【０００９】ＭＥＡ５は、図２に示すように、高分子電
解質膜３、この膜を挟むアノード１およびカソード２、
ならびに電解質膜の周縁部を被覆するガスケット４から
構成される。このガスケットの部分には、上記のセパレ
ータ板１０および２０と共通の燃料ガス用、酸化剤ガス
用、および冷却水用の各マニホールド孔が設けられる。
図では、酸化剤ガス用マニホールド孔６が示されてい
る。このＭＥＡ５を上記のセパレータ板１０および２０
で挟んで単位セルが構成される。このような単位セルを
積層すると、両セパレータ板の冷却水の流路を有する面
（以下水冷面という）同士の接合部は、図６に示すよう
になり、接触抵抗が大きくなる。

【００１０】そこで、従来は、冷却水のセル外およびガ
スのマニホールド孔への漏洩、およびガスのセル外への
漏洩を防ぐために、次のようなシール機構が設けられて
いた。セパレータ板１０の水冷面には、図９に示すよう
に、燃料ガス用マニホールド孔１１および酸化剤ガス用
マニホールド孔１２をそれぞれ囲むシール溝１７および
１８、ならびに冷却水用マニホールド孔１３および冷却
水の流路１６を囲むシール溝１９が設けられる。同様
に、セパレータ板２０の水冷面には、図１２に示すよう
に、燃料ガス用マニホールド孔２１および酸化剤ガス用
マニホールド孔２２をそれぞれ囲むシール溝２７および
２８、ならびに冷却水用マニホールド孔２３および冷却
水の流路２６を囲むシール溝２９が設けられる。そし
て、セパレータ板１０と２０との水冷面が接触する部分
には、燃料ガス用マニホールド孔および酸化剤ガス用マ
ニホールド孔をそれぞれ囲むシール溝、ならびに冷却水
用マニホールド孔および冷却水の流路を囲むシール溝に
は各々Ｏリングをはめる。図４および５では、酸化剤用
マニホールド孔にはめるＯリング３８および冷却水の流
れる部分を囲むシール溝にはめるＯリング３９が示され
ている。ここでは、両セパレータ板１０および２０にシ
ール溝を設けたが、一方のセパレータ板にのみシール溝
を設けることもある。

【００１１】本発明は、上のようなシール溝およびＯリ
ングによるシール機構に代わり、より簡便に組み立ての
できる燃料電池を提供するものである。すなわち、隣接
するアノード側セパレータ板とカソード側セパレータ板
の接触面に形成される冷却水の流路を含む冷却部を具備
する積層燃料電池において、冷却部を構成するセパレー
タ板同士の間に導電性のシートガスケットを介在させ
る。ここに示す実施の形態においては、上で説明したシ
ール溝１７、１８、１９をなくしたほかはセパレータ板
１０と全く同じアノード側セパレータ板１０Ａ、および
シール溝２７、２８、２９をなくしたほかはセパレータ
板２０と全く同じカソード側セパレータ板２０Ａを用い
る。そして、セパレータ板１０と２０の水冷面には、導
電性のシートガスケット３０を介在させる。このガスケ
ット３０には、セパレータ板１０Ａおよび２０Ａと共通
の一対の燃料ガス用マニホールド孔、酸化剤用マニホー
ルド孔、および冷却水用マニホールド孔を設ける。図１
および２においては、酸化剤用マニホールド孔３２が示
されている。

【００１２】上記のセパレータ板１０Ａおよび２０Ａに
よりＭＥＡ５を挟んで単位セルが構成される。単位セル
間にはセパレータ板１０Ａと２０Ａの水冷面の間に挟ま
れるシートガスケットが挿入される。このようにして組
み立てられた積層電池が図１に示されている。ＭＥＡ５
には、セパレータ板１０Ａおよび２０Ａと共通の一対の
燃料ガス用マニホールド孔、酸化剤用マニホールド孔、
および冷却水用マニホールド孔を有する。図１および２
においては、酸化剤用マニホールド孔６が示されてい
る。ここでは、各セル毎に冷却部を設けたが、複数セル
毎に冷却部を持つ構造の積層電池では、一方の面がアノ
ード側セパレータ板、他方の面がカソード側セパレータ
板となる１枚のセパレータ板をＭＥＡの間に挿入するこ
とになる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。《実施例１》セパレータ板Ｘ：大きさ１２０×１２０ｍｍ、厚み４ｍ
ｍの両面研摩グラッシ−カーボン板（東海カーボン
（株）製）を用いて、フライス加工により、実施の形態
で説明した構造のアノード側セパレータ板１０およびカ
ソード側セパレータ板２０を製作した。セパレータ板１
０のガス流路１５は、幅２ｍｍ、深さ０．４の溝を、ピ
ッチ４ｍｍで３本並行させて設けた。セパレータ板２０
のガス流路２５は、幅２ｍｍ、深さ０．６の溝を、ピッ
チ４ｍｍで５本並行させて設けた。冷却水の流路１６お
よび２６は、幅２ｍｍ、深さ０．４ｍｍの溝をピッチ４
ｍｍで３本並行させて設けた。また、シール溝１７〜１
９、および２７〜２９は、幅２ｍｍ、深さ０．２ｍｍと
した。セパレータ板の平均表面粗さは５．２μｍであっ
た。

【００１４】セパレータ板Ｙ：セパレータ板Ｘの水冷面
全面に、サンドブラスト処理を行って、平均表面粗さを
１９．３μｍまで上げた。上記セパレータ板の水冷面に
おける接触面積（マニホールド孔、ボルト孔、流路部を
除いた面積）はおよそ１００ｃｍ²である。

【００１５】上記２種類のセパレータ板について、以下
の２種類の実験区で、抵抗測定実験を行った。（実験区Ａ）セパレータ板の水冷面のシール溝にシリコ
ーン系シーラント（信越化学（株）製）を充填してアノ
ード側セパレータ板とカソード側セパレータ板の水冷面
同士を貼り合わせ、１Ｍｐａの応力下で全抵抗を測定す
る。（実験区Ｂ）セパレータ板の水冷面に黒鉛シートガスケ
ット（日本カーボン（株）製ニカフイルム０．２ｍ
ｍ厚）を挟み、１Ｍｐａの応力下で全抵抗を測定する。

【００１６】上記セパレータ板の接触面積（マニフォー
ルド、ボルト孔、流路部を除いた面積）を勘案して、１
ｃｍ²あたりの抵抗値に換算し、以下の結果を得た。

【００１７】

【表１】

【００１８】セパレータ板Ｘとセパレータ板Ｙは、同一
の材料からできており、同一のバルク抵抗を持っている
ことから、上記各々の実験区におけるセパレータ板Ｘと
セパレータ板Ｙとの差異は、水冷面における接触抵抗の
差異である。上記の実験結果から明らかなように、本発
明の構成においては、充分に表面が平滑な場合において
も効果があるが、特に表面粗さの大きい場合の接触抵抗
の低減に有効である。これは安価な成形セパレータ板を
用いる場合、非常に有利である。

【００１９】《実施例２》次に、以下の手順により実際
に電池を組み、後述する運転条件で運転を行い、その電
池電圧を測定する試験を行った。

【００２０】ＭＥＡ作成法；比表面積８００ｍ²／ｇ、
ＤＢＰ吸油量３６０ｍｌ／１００ｇのケッチェンブラッ
クＥＣ（ケッチェンブラック・インターナショナル社製
ファーネスブラック）に、白金を重量比１：１の割合で
担持させた。この触媒粉末１０ｇに、水３５ｇおよび水
素イオン伝導性高分子電解質のアルコール分散液（旭硝
子（株）製、９％ＦＳＳ）５９ｇを混合し、超音波攪拌
機を用いて分散させて、触媒層インクを作製した。この
触媒インクを、ポリプロピレンフィルム（東レ（株）の
トレファン５０−２５００）に塗工し、乾燥して触媒層
を形成した。得られた触媒層を大きさ５８×５８ｍｍに
切断し、高分子電解質膜（Ｄｕｐｏｎｔ社のＮａｐｈｉ
ｏｎ１１７、５０μ厚）の両面に、温度１３５℃、圧力
３２ｋｇｆ／ｃｍ²の条件で転写して、両面に厚み１０
μｍの触媒層を形成した。

【００２１】続いて、炭素繊維からなるガス拡散層基材
（東レ（株）のＴＧＰＨ１２０）の一方の面に、ポリテ
トラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）微粉末（ダイキン工
業（株）製）とアセチレンブラック（電気化学工業
（株）製）が重量比１：４の比率となるような水分散液
を塗布し、３５０℃で２０分間焼成して、厚み４０μｍ
の撥水層を形成し、これを大きさ５９×５９ｍｍに型抜
きした。次いで、エチレンープロピレンージエン三元共
重合体配合物（ＥＰＤＭ）／ポリエチレンテレフタレー
ト（ＰＥＴ）／シリコーンの三層構造を持つ厚み３２０
μｍの面状ガスケット材を打ちぬいて、マニホールド
孔、ボルト孔、電極露出面（６０×６０ｍｍ）を有する
２枚のＭＥＡガスケットを作成した。上記の触媒層露出
面に、前記の撥水層を形成した撥水性電極を、その撥水
層が触媒層に接するように位置決めし、さらにその周囲
にＭＥＡガスケットを、ＥＰＤＭ面が高分子電解質膜に
接するように位置決めした。次いで、これらを一括して
ホットプレス接合（１３０℃、１．５ＭＰａ）をしてＭ
ＥＡを形成した。

【００２２】上記ＭＥＡおよび上記セパレータ板を用い
て、前記実験区Ａおよび実験区Ｂの二種類の締結様式
で、締結荷重６００ｋｇｆで締結し、４０セル積層電池
を組み縦、電池電圧を測定した。運転条件は次のとおり
である。セル温度は７５℃、燃料ガスは露点７０℃に加
湿された純水素、酸化剤ガスは露点７０℃に加湿された
空気、燃料利用率８０％、空気利用率４０％、電流密度
０．７Ａ／ｃｍ²であった。

【００２３】

【表２】

【００２４】上記の結果から明らかなように、本発明に
よれば、セパレータ板の表面粗さが粗い場合にも、水冷
面における電圧降下が見られず、安定した電気的接続を
保つことが可能であった。

【００２５】

【発明の効果】本発明によれば、セパレータ板の水冷面
における接触抵抗による電圧降下を抑制し、高性能の高
分子電解質型積層燃料電池を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例における高分子電解質型積層燃
料電池の要部の縦断面図である。

【図２】その組立過程の要部断面図である。

【図３】セパレータ板の水冷面同士の接合部の拡大断面
図である。

【図４】従来の積層電池の要部の縦断面図である。

【図５】その組立過程の要部断面図である。

【図６】セパレータ板の水冷面同士の接合部の拡大断面
図である。

【図７】アノード側セパレータ板の正面図である。

【図８】図７のVIII-VIII’線断面図である。

【図９】同セパレータ板の背面図である。

【図１０】カソード側セパレータ板の正面図である。

【図１１】図１０のXI-VII’線断面図である。

【図１２】同セパレータ板の背面図である。

【符号の説明】

１アノード２カソード３高分子電解質膜４ガスケット５ＭＥＡ１０アノード側セパレータ板１５燃料ガスの流路１６、２６冷却水の流路２０カソード側セパレータ板２５酸化剤ガスの流路３０シートガスケット

フロントページの続き (72)発明者日下部弘樹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)発明者長谷伸啓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)発明者山崎達人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)発明者竹口伸介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 CX05 EE05

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】水素イオン伝導性高分子電解質膜、前記
水素イオン伝導性高分子電解質膜を挟む一対の電極、前
記電極の一方に燃料ガスを供給する流路を有するアノー
ド側セパレータ板、前記電極の他方に酸化剤ガスを供給
する流路を有するカソード側セパレータ板、および隣接
するアノード側セパレータ板とカソード側セパレータ板
の接触面に形成される冷却水の流路を含む冷却部を具備
し、前記冷却部を構成するセパレータ板同士の間に導電
性のシートガスケットを介在させたことを特徴とする高
分子電解質型積層燃料電池。
【請求項２】導電性シートガスケットが、導電性炭素
を含むシートである請求項１記載の高分子電解質型積層
燃料電池。