JP2004241141A

JP2004241141A - 燃料電池用セパレータ

Info

Publication number: JP2004241141A
Application number: JP2003026024A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Miyazawa; 篤史宮澤
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-02-03
Filing date: 2003-02-03
Publication date: 2004-08-26

Abstract

【課題】薄くて信頼性の高い燃料電池用セパレータを提供する。
【解決手段】燃料電池用セパレータには、等間隔のリブ３２により、両面にガス流路用の溝３３と冷却媒体流路用の溝３４が形成されている。溝３４の底面には、隣り合うリブ３２間を接続する非連続な突起３１が設けられている。アノード側ガス流路の場合、溝底面からの突起高さ３５は、反応ガス分圧が低下するに従って高さが高くなるように設定する。カソード側ガス流路の場合、溝底面からの突起高さ３５は、反応ガス分圧が低下するに従って高さが低下するように設定する。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池用セパレータに係り、特に厚さを増加させることなく強度を向上することができる燃料電池用セパレータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。特に固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池は、動作温度が低く、取り扱いが容易なことから電動車両用の電源として注目されている。すなわち、燃料電池車両は、高圧水素タンク、液体水素タンク、水素吸蔵合金タンクなどの水素貯蔵装置を車両に搭載し、そこから供給される水素と、酸素を含む空気とを燃料電池に送り込んで反応させ、燃料電池から取り出した電気エネルギで駆動輪につながるモータを駆動するものであり、排出物質は水だけであるという究極のクリーン車両である。
【０００３】
図１は固体高分子型燃料電池の単電池１の基本構成を示す概略図である。図１に示すように、固体高分子膜２の両側にガス拡散層３ａ及び３ｂが配置され、更にこれを挟持するようにガス流路を備えたセパレータ４及び５が配置される。セパレータ４上に配置されたガス流路には燃料ガス（水素）が供給され、セパレータ５上に配置されたガス流路には酸化剤ガス（酸素もしくは空気）が供給される。
【０００４】
一般的にセパレータ４及び５の少なくとも一方（図１ではセパレータ４及び５）のガス流路面とは反対の面上には、冷却媒体を供給する冷却媒体流路が配置される。図１には示していないが、実際上は各構成部材間にはシール材が配置され、単電池１から外部へのガス漏れや電池の中でのガス及び冷却媒体の混合を防ぐ構造になっている。こうした基本構成は公知である。
【０００５】
セパレータの強度補強を図る従来例としては、特許文献１記載の技術がある。これは、樹脂／黒鉛粉の圧縮成形セパレータの冷却面側に金属製薄板状の補強板を積層したものである。この技術の場合、セパレータの部品点数が増えることと、金属薄板のハンドリング性の悪さ等が問題点として挙げられる。
【０００６】
また特許文献２記載の技術では、セパレータ補強として、発電領域を囲む平坦部に補強層を設けている。この場合、発電領域外周の平坦部の幅が十分でない場合、セパレータの強度補強としての効果が減少する。またセパレータの面積が有効利用されず、燃料電池スタック体積当たりの発電出力が低下するという問題点があった。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００２−１９８０６５号公報（第４頁、図１）
【０００８】
【特許文献２】
特開２００２−２０３５７４号公報（第４頁）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
発電面に対向する位置に凹凸が波型に交互に繰り返され、ガス流路溝を形成した燃料電池用セパレータにおいて、セパレータの製造方法がプレスによる場合、凹凸には必ずテーパーが設けられ、溝の側面がセパレータ主面に対して垂直ではなく、ある程度の傾き（例えば、垂直方向に対して±２５〔°〕）を有している。
【００１０】
このため、燃料電池スタックを組み立てる際に、セパレータ積層方向に荷重をかけた場合、荷重がテーパーを施した分、水平方向に作用する。このためセパレータ自身を薄く作った場合、断面折れ曲がり部のところで過大な応力が発生し、信頼性が低下するという問題点があった。
【００１１】
また、上記形状のセパレータでは流路のデザインによってプレート自身に大きな反りが発生する。プレート自身の厚みを抑え、薄くして用いると積層して反りを矯正する際に発生する応力で上記と同様に断面折れ曲がり部のところで信頼性が低下するという問題点があった。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記問題点を解決するため、一面または両面に、ガス流路溝もしくは冷却媒体流路溝が形成された燃料電池用セパレータにおいて、前記流路溝の底面または側面に突出する複数の突起が離散的に配置されていることを要旨とする。
【００１３】
【発明の効果】
本発明によれば、流路溝の底面または側面に突起を設けたので、その部分の燃料電池用セパレータの板厚みが増すために、流路抵抗をほとんど増加させることなくセパレータの強度を補強することができ、セパレータの信頼性を向上させることができるという効果がある。
【００１４】
また、流路内に非連続的に突起を設けることで反応ガスに乱流が発生し、反応ガスが拡散され燃料電池の発電効率が向上するという効果がある。
【００１５】
【発明の実施の形態】
次に図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図２（ａ）は、以下の各実施形態に共通のセパレータ２０の概略平面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）におけるＡ−Ａ’断面図である。セパレータ２０の中央部には発電領域２１を覆うようにガス流路２４、２５が配置されている。供給ガスは入り口マニホールド２３よりガス流路２４を流れ、セパレータ（紙面上）上に配置されるガス拡散層（例えばカーボンペーパーやカーボンクロス）内を拡散した後、隣接するガス流路２５を流れて出口マニホールド２６を経て排出される。
【００１６】
本発明ではセパレータの厚さを極力抑えるため、図２（ｂ）のように流路部の断面が波型のセパレータを使用し、セパレータの表面にガス流路、裏面に冷却媒体流路をそれぞれ形成した。
【００１７】
また、本発明では樹脂及び黒鉛粉を主成分とした複合材料を成形したものを用いたため、セパレータの発電領域２１の外周部である非発電領域２２の板厚さを増し、セパレータ全体の強度を上げたものを使用した。
【００１８】
本セパレータは、縦横各１５０〔ｍｍ〕（発電面積１００〔ｃｍ^２〕）、板厚０．３５〔ｍｍ〕とし、リブ及び溝幅は共に１〔ｍｍ〕、溝深さは０．５５〔ｍｍ〕とし、凹部のテーパー角は２５〔°〕とした。
【００１９】
以下の実施形態では、図２のようなセパレータを主な例として用いたが、これは本発明を限定するものではないことは言うまでもない。
【００２０】
〔第１実施形態〕
図３は、本発明に係る燃料電池用セパレータの第１実施形態を示す部分断面斜視図である。便宜上、図２の発電領域２１の任意の箇所の断面を示した。セパレータ自身は交互に凹凸をなし、リブ３２のセパレータ裏側は溝３３を形成し、リブ３２の隣には溝３４が形成される。
【００２１】
第１実施形態では、溝３４の底面にガス流れ方向に平行な断面の形状が二等辺三角形となるような複数の突起３１を非連続的に配置した。なお、突起３１の両端はガス流路溝の両側面と繋がっており、溝底面からの突起の高さは０．２〔ｍｍ〕、上記二等辺三角形の斜辺長さが２〔ｍｍ〕となるようにした。
【００２２】
突起高さ３５は、ガス流路溝の幅、深さ、及びガス流路に流す反応ガスの流量等によって適宜決めることが可能である。
【００２３】
ガス流路溝の底面に突起を設ける場合、金属プレートのプレス加工によるセパレータでは、突起部の板厚みも金属プレートの板厚さが保持されるため、突起部の裏側はへこむ構造になる。これに対して樹脂／黒鉛粉の複合材成形物によるセパレータでは、その部分の板厚みを局所的に大きくすることができるため、全体としてセパレータ自身の強度を高めることが可能になる。
【００２４】
〔第２実施形態〕
図４は、本発明に係る燃料電池用セパレータの第２実施形態を示す部分断面斜視図である。便宜上、図２の発電領域２１の任意の箇所の断面を示した。セパレータ自身は交互に凹凸をなし、リブ３２のセパレータ裏側は溝３３を形成し、リブ３２の隣には溝３４が形成される。
【００２５】
第２実施形態では、第１実施形態の断面が三角形の突起に代えて角部をなくした複数の円弧状の突起４１を非連続的に配置した。この円弧状の突起４１もガス流路溝の両側面と繋がっており、溝底からの突起高さ４５や突起の底面積も第１実施形態と同様にした。本実施形態のセパレータも第１実施形態のセパレータと同様の強度向上が確認された。
【００２６】
〔第３実施形態〕
図５は、本発明に係る燃料電池用セパレータの第３実施形態を示す部分断面斜視図である。便宜上、図２の発電領域２１の任意の箇所の断面を示した。セパレータ自身は交互に凹凸をなし、リブ３２のセパレータ裏側は溝３３を形成し、リブ３２の隣には溝３４が形成される。
【００２７】
第３実施形態では、図５に示すように突起５１が溝側面の一方と溝底部とに繋がった配置になるようにした。セパレータの破断しやすい箇所は凹凸の折れ曲がりのラインであり、本実施形態によると、破断しやすい折れ曲がり部を含んで側面と溝底面を繋ぐ補強構造になるため、流路に突起５１を複数配置することにより、セパレータ全体の強度向上を図ることができる。
【００２８】
側面の一方と底面とが繋がった突起に関しても第１実施形態及び第２実施形態と同様に断面形状を様々に変えることが可能である。
【００２９】
また、突起の溝側面からの突出量である突起幅５５は、流路形状・断面積及び電池の運転条件から適宜変えることが可能であるが、本実施形態では０．２５〔ｍｍ〕とした。更に、突起の底面からの高さも適宜変えることができるが、好ましくは突起上底部がリブ３２と同一面になるようにすることが望ましい。これにより、セパレータと隣り合う部材（例えばガス拡散層やセパレータ）との接触面積が増え、これにより抵抗値を下げることができるからである。
【００３０】
〔第４実施形態〕
図６は、発電領域内に突起を不均一に配置する実施形態を示すセパレータの平面図である。セパレータの発電領域全体に一様に突起を配置してもよいが、図６（ａ）に示すように、スタックを構成する場合最も応力が集中する発電領域の最端部の流路溝２４、２５にだけ突起３１を配置してもセパレータ補強の効果がある。
【００３１】
さらに、図６（ｂ）に示すように、発電領域の最端部から複数の流路溝、例えば流路溝２４ａ、２５ａ、２４ｂ、及び２５ｚ、２４ｚ、２５ｙに突起を配置してもよい。このように発電領域の最端部から複数の溝に突起を配置する場合、最端部の流路溝２４ａ、２５ｚに最も数多く突起を配置し、最端部の流路溝における突起の密度を最大にすると、流路抵抗の増加を最小限に抑制しながらセパレータを補強することができる。
【００３２】
〔第５実施形態〕
次に、図７、図８を参照して、流路溝に配置する突起を、セパレータの発電領域の対角線上に１列、または対角線に沿って複数列、配置した第５実施形態を説明する。
【００３３】
図７では、第１〜第３実施形態に示したような突起３１（第２実施形態の突起４１、第３実施形態の突起５１も含む）を発電領域２１の対角線２８上に配置した。突起は片面でも両面でも配置することも可能であるが、好ましくはセパレータ両面に於ける溝に配置することが好ましい。
【００３４】
本実施形態では、実際に図７の突起３１で示す位置に第２実施形態の突起をセパレータ両面に配置した。
【００３５】
また、本実施形態の突起を有するセパレータに対する比較例として、突起部を全く持たないセパレータを同じ成形条件にて成形して自然状態でのセパレータの反りを比較した結果を図９に示す。
【００３６】
反り量の測定は、本実施形態のセパレータと比較例のセパレータとをそれぞれ１００枚用意し、これらを定盤上に置いた場合の底面から最も高い位置（反りが大きい位置）の高さを反り量として測定したものである。
【００３７】
この結果から、図７に示した発電領域の対角線上に突起を配置した本実施形態では、セパレータの歪みを約１／３に抑制する効果が認められた。
【００３８】
更に図２に示すようなセパレータの発電領域２１から試験片２７を切り出し、プレート主面を両側から押さえつけて荷重を掛け、プレートが破損する時の荷重を測定する実験を行った。その結果、試験片のガス流路溝に配置する突起の数にも依存するが、本実施形態では突起のない場合と比べておよそ１．１〜１．５倍の強度向上が確認された。
【００３９】
図８は、流路溝に配置する突起３１を、セパレータ２０の発電領域２１の対角線２８に沿って複数列（図８では３列）配置した例を示すセパレータ平面図である。対角線に沿って複数列の突起を配置すると、対角線上に１列突起を配置した場合より、セパレータの反りをより小さくする効果があるとともに、更にセパレータの強度が向上する。発電領域の流路溝に配置するセパレータの列数は、３に限らず図７に示した１列から任意の列数とすることができる。
【００４０】
〔第６実施形態〕
図１０は、突起高さ（幅）を突起の位置における反応ガス分圧に応じて変える第６実施形態を示すセパレータの部分平面図である。本実施形態では図１０（ａ）に示したガス流路が平行するセパレータ２０（図２）の他に、図１０（ｂ）に示すようなガス流路を屈曲形状としたセパレータ７０も使用した。図１０（ａ）のセパレータ２０と、図１０（ｂ）のセパレータ７０とは、ガス流路の形状が異なるが、プレートサイズ、発電面積、流路総断面積は等しく形成されている。
【００４１】
図１０（ａ）のセパレータ２０では、入口マニホールド２３に接続するガス流路溝２４から反応ガスがガス拡散層に浸透し、ガス拡散層からガス流路溝２５へ湧出した反応ガスが出口マニホールド２６より外部へ流れ出る。
【００４２】
図１０（ｂ）のセパレータ７０では、入口マニホールド７１から入った反応ガスが複数の折り返し形状のガス流路溝７２を通って図示しない出口マニホールドを通過して排出される。
【００４３】
本実施形態では、アノード側セパレータの場合、入口マニホールドに近い流路溝内の位置より出口マニホールドに近い流路溝内位置の方が燃料ガス分圧が低いので、入口マニホールド（７１もしくは２３）に近い流路に配置された突起（８１もしくは７３、高さ０．２０〔ｍｍ〕）よりも、それより下流に配置された同一流路溝中の突起（８２もしくは７４、７５）の溝底面からの高さを高く（高さ０．２５〔ｍｍ〕）した。これにより、セパレータ流路からガス拡散層への拡散性を向上させることができる。尚、図５に示したような第３実施形態の突起を用いる場合、上記突起高さに代えて突起幅を同様に変化させればよい。
【００４４】
逆に、カソード側セパレータの場合、入口マニホールドに近い流路溝内の位置より出口マニホールドに近い流路溝内位置の方が反応ガス（酸素または空気）分圧が低いが、下流へ行くほど生成水が多くなり、水蒸気から液体の水へ凝縮する量も増加すると考えられる。
【００４５】
このため、カソード側セパレータの場合、入口マニホールド（７１もしくは２３）に近い流路に配置された突起（８１もしくは７３、高さ０．２５〔ｍｍ〕）よりも、それより下流に配置された同一流路溝中の突起（８２もしくは７４、７５）の溝底面からの高さを低く（高さ０．２０〔ｍｍ〕）した。これにより、突起部における反応生成水の滞留を低減でき、ガス流路における水の閉塞（フラッディング現象）を防止できる。尚、図５に示したような第３実施形態の突起を用いる場合、上記突起高さに代えて突起幅を同様に変化させればよい。
【００４６】
図１１（ａ）は、アノード側ガス流路溝の突起高さ（幅）、図１１（ｂ）は、カソード側ガス流路溝の突起高さ（幅）の例を示す図である。図１１（ａ）に示すように、アノード側ガス流路溝の突起高さ（幅）は、反応ガス分圧が低くなる下流へ行くに従って高く（広く）することが好ましい。
【００４７】
逆に、図１１（ｂ）に示すように、カソード側ガス流路溝の突起高さ（幅）は、反応ガス分圧が低くなる下流へ行くに従って低く（狭く）することが突起部における反応生成水の滞留を低減でき、ガス流路における水の閉塞（フラッディング現象）を防止する点から好ましい。
【００４８】
〔第７実施形態〕
図１２（ａ）はガス流路面の突起配置、図１２（ｂ）はＡ−Ａ’断面図、図１２（ｃ）は冷却媒体流路側の突起配置、図１２（ｄ）はＢ−Ｂ’断面図をそれぞれ示す。
【００４９】
冷却媒体流路溝９４に配置する突起の形状は、図１２（ａ）、（ｂ）に示したように、ガス流路面の流路溝３４に配置した単純な上凸形状の突起３１でもよいが、図１２（ｃ）、（ｄ）に示すように、流路方向の断面形状が複数の凹凸形状を組み合わせたような突起９４とすることにより、冷却媒体と突起とが接触する面積が増加し、熱交換効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用される固体高分子型燃料電池スタックの基本構成を示す概略図である。
【図２】（ａ）セパレータの概略平面図、（ｂ）Ａ−Ａ’線に沿う断面図である。
【図３】第１実施形態のセパレータを示す部分断面斜視図である。
【図４】第２実施形態のセパレータを示す部分断面斜視図である。
【図５】第３実施形態のセパレータを示す部分断面斜視図である。
【図６】（ａ）発電領域の最端部の流路溝に突起を配置した第４実施形態のセパレータを示す平面図である。（ｂ）発電領域の最端部から複数の流路溝に突起を配置した第４実施形態のセパレータを示す概略平面図である。
【図７】発電領域の対角線上に１列に突起を配置した第５実施形態のセパレータを示す概略平面図である。
【図８】発電領域の対角線に沿って複数列の突起を配置した第５実施形態のセパレータを示す概略平面図である。
【図９】第５実施形態のセパレータ反り量と比較例との測定結果を示す図である。
【図１０】（ａ）入口マニホールドに接続するガス流路と出口マニホールドに接続するガス流路とが平行するセパレータ、（ｂ）入口マニホールドから出口マニホールドまでガス流路が屈曲するセパレータにおける突起高さ（幅）を突起の位置における反応ガス分圧に応じて変える第６実施形態を示す部分平面図である。
【図１１】（ａ）アノード側ガス流路溝の突起高さ（幅）、（ｂ）カソード側ガス流路溝の突起高さ（幅）の例を示す図である。
【図１２】第７実施形態における（ａ）ガス流路面の突起配置、（ｂ）Ａ−Ａ’断面、（ｃ）冷却媒体流路側の突起配置、（ｄ）Ｂ−Ｂ’断面をそれぞれ示す図である。
【符号の説明】
１…単電池
２…固体高分子膜
３ａ、３ｂ…ガス拡散層
４、５…セパレータ
６…燃料ガス流路
７…酸化剤ガス流路
８…冷却媒体流路
３１…突起
３２…リブ
３３、３４…溝
３５…突起高さ

Claims

一面または両面に、ガス流路溝もしくは冷却媒体流路溝が形成された燃料電池用セパレータにおいて、
前記流路溝の底面または側面に突出する複数の突起が離散的に配置されていることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
前記流路溝の底面において、流路方向に対して垂直な方向に互いに隣り合うリブをつなぐ突起を有することを特徴とする請求項１記載の燃料電池用セパレータ。
前記流路溝の少なくとも一方の側面と底面とに密着した突起を有することを特徴とする請求項１記載の燃料電池用セパレータ。
前記突起が前記燃料電池用セパレータの同一平面上に配置された流路内および表裏に配置された流路内において混合して配置されていることを特徴とする請求項２又は請求項３記載の燃料電池用セパレータ。
発電面に対向する位置に配置された前記複数の流路溝のうち、最端部に位置する流路溝に配置された前記突起の数が、それ以外の流路溝に配置された突起の数より多いことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の燃料電池用セパレータ。
ガス流路溝に配置された突起の高さを突起の位置における反応ガスの分圧分布に応じて変えたことを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の燃料電池用セパレータ。
前記流路溝が一度も折れ曲がることなく入口マニホールドから出口マニホールドへ接続されているか、又は入口マニホールドに接続された流路溝と、出口マニホールドに接続された流路溝とが交互に配置され、
前記流路溝に配置される前記突起部が発電領域の対角線上またはその近傍に少なくとも１列配置されたことを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の燃料電池用セパレータ。