JP2010205669A - セパレータおよびそれを備えた燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 反応ガス流路抵抗を低減することができ、極間差圧が生じた場合であっても発電体との間に反応ガス流路を確保することができるセパレータおよび燃料電池を提供する。
【解決手段】 セパレータ（３０，４０）は、燃料電池（１００）用のセパレータであって、発電体（１０）に対して突出して接触する接触部を有することによって、発電体へ反応ガスを供給するための反応ガス流路（５０，６０）を画定する流路画定部材（３１，４１）と、反応ガス流路の一部において、流路画定部材から発電体側に突出する凸部（３２，４２）と、を備え、凸部の突出距離は接触部の突出距離に比較して短いことを特徴とするものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、セパレータおよびそれを備えた燃料電池に関する。

燃料電池は、一般的には水素および酸素を燃料として電気エネルギを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れており、また高いエネルギ効率を実現できることから、今後のエネルギ供給システムとして広く開発が進められてきている。

燃料電池は、電解質膜を含む発電体と、発電体に供給される反応ガスが流動する反応ガス流路を区画するセパレータと、を備える。このような燃料電池において、反応ガス圧の変動に起因して発電体のカソードとアノードとの間に圧力差（以下、極間差圧と称する）が生じる場合がある。極間差圧が生じると発電体が変形して、反応ガス流路が閉塞するおそれがある。

特許文献１には、発電体側に複数のリブを有するセパレータが開示されている。この技術では、各リブ間が反応ガス流路として機能する。

特開２００８−１７１７８３号公報

特許文献１に係る技術では、極間差圧が生じても、発電体の変形が抑制される。しかしながら、リブに起因して発電体へのガス拡散性が低下する。

本発明は、反応ガス流路抵抗を低減することができ、極間差圧が生じた場合であっても発電体との間に反応ガス流路を確保することができるセパレータおよび燃料電池を提供することを目的とする。

本発明に係る第１のセパレータは、燃料電池用のセパレータであって、発電体に対して突出して接触する接触部を有することによって、発電体へ反応ガスを供給するための反応ガス流路を画定する流路画定部材と、反応ガス流路の一部において、流路画定部材から発電体側に突出する凸部と、を備え、凸部の突出距離は接触部の突出距離に比較して短いことを特徴とするものである。

本発明に係る第１のセパレータによれば、凸部の突出距離が流路画定部材の接触部の突出距離に比較して短いことから、極間差圧が生じていない場合には、発電体と凸部との間に反応ガスが流動する空間を確保することができる。よって、反応ガス流路抵抗を低減することができる。また、凸部は、反応ガス流路の一部において発電体側に突出していることから、極間差圧が生じて発電体が変形した場合においても、流路画定部材と発電体との間に反応ガス流路を確保することができる。

上記構成において、凸部は、ガス透過性を有していてもよい。この構成によれば、凸部内を反応ガスが流動することができる。それにより、凸部がガス透過性を有しない場合に比較して、反応ガス流路抵抗を低減させることができる。

本発明に係る第２のセパレータは、燃料電池用のセパレータであって、発電体に対して突出して接触する接触部を有することによって、発電体へ反応ガスを供給するための反応ガス流路を画定する流路画定部材と、ガス透過性を有し、反応ガス流路に配置されたガス透過部材と、を備え、ガス透過部材の厚みは接触部の突出距離に比較して小さいことを特徴とするものである。

本発明に係る第２のセパレータによれば、ガス透過部材の厚みが接触部の突出距離より小さいことから、極間差圧が生じていない場合には、発電体とガス流路部材との間に反応ガスが流動する空間を確保することができる。よって、ガス流路抵抗を低減することができる。また、ガス透過部材がガス透過性を有することから、極間差圧が生じて発電体が変形した場合においても、流路画定部材と発電体との間に反応ガス流路を確保することができる。

本発明に係る燃料電池は、発電体と、発電体を挟持する、請求項１〜３のいずれかに記載のセパレータと、を備えることを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池によれば、請求項１〜３のいずれかに記載のセパレータを備えることから、反応ガス流路抵抗を低減することができ、極間差圧が生じた場合であっても発電体との間に反応ガス流路を確保することができる。

上記構成において、発電体は、固体高分子電解質膜を含む膜−電極接合体であってもよい。上記構成は、発電体のセパレータ側に配置されガス透過性を有する集電体をさらに備えていてもよい。この構成によれば、燃料電池の集電効率を向上させることができる。

本発明によれば、反応ガス流路抵抗を低減することができ、極間差圧が生じた場合であっても発電体との間に反応ガス流路を確保することができるセパレータおよび燃料電池を提供することができる。

図１（ａ）は、極間差圧が生じていない場合における燃料電池の模式的断面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）の膜−電極接合体の拡大断面図である。図１（ｃ）は図１（ａ）のアノードセパレータを膜−電極接合体側から見た図である。 図２は、極間差圧が生じた場合の燃料電池の模式的断面図である。 図３（ａ）は、極間差圧が生じていない場合における実施例２に係る燃料電池の模式的断面図である。図３（ｂ）は極間差圧が生じた場合における実施例２に係る燃料電池の模式的断面図である。

以下、本発明を実施するための形態を説明する。

本発明の実施例１に係る燃料電池１００について説明する。図１（ａ）は、燃料電池１００の模式的断面図である。燃料電池１００は、膜−電極接合体１０と、集電体（アノード集電体２０およびカソード集電体２１）と、セパレータ（アノードセパレータ３０およびカソードセパレータ４０）と、を備える。図１（ｂ）は、図１（ａ）の膜−電極接合体１０の拡大断面図である。膜−電極接合体１０は、電解質膜１１と、アノード触媒層１２と、カソード触媒層１３と、アノードガス拡散層１４と、カソードガス拡散層１５と、を備える。

電解質膜１１としては、例えばプロトン伝導性を有する固体高分子電解質を用いることができる。プロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜として、例えばパーフルオロスルホン酸膜を用いることができる。

アノード触媒層１２およびカソード触媒層１３は、電解質膜１１に隣接して配置されている。アノード触媒層１２の触媒は、水素（Ｈ_２）のプロトン化を促進させる。カソード触媒層１３の触媒は、プロトンと酸素（Ｏ_２）との反応を促進させる。例えば、アノード触媒層１２およびカソード触媒層１３は、白金担持カーボン等を含んでいる。

アノードガス拡散層１４は、アノード触媒層１２の電解質膜１１と反対側に配置されている。カソードガス拡散層１５は、カソード触媒層１３の電解質膜１１側と反対側に配置されている。アノードガス拡散層１４は、水素を含むアノードガスを拡散させて、アノード触媒層１２に供給する機能を有する。カソードガス拡散層１５は、酸素を含むカソードガスを拡散させて、カソード触媒層１３に供給する機能を有する。アノードガス拡散層１４およびカソードガス拡散層１５としては、例えばカーボンペーパ、カーボンクロス等を用いることができる。

燃料電池１００においては、膜−電極接合体１０にアノードガスおよびカソードガスが供給されることによって、発電が行われる。膜−電極接合体１０は燃料電池１００の発電体としての機能を有する。

図１（ａ）を参照して、アノード集電体２０は、アノードガス拡散層１４の電解質膜１１とは反対側の面に沿って配置されている。カソード集電体２１は、カソードガス拡散層１５の電解質膜１１とは反対側の面に沿って配置されている。アノード集電体２０およびカソード集電体２１は、モータ、補機等の負荷と電気的に接続されている。

アノード集電体２０およびカソード集電体２１は、導電性および反応ガス透過性を有している。アノード集電体２０およびカソード集電体２１として、例えば、カーボン繊維等の導電性繊維がクロス、フェルト、ペーパー等のシート状に形成されたシート体を用いることができる。また、アノード集電体２０およびカソード集電体２１として、金属の発泡焼結体、エキスパンドメタル、メタルメッシュ等を用いることができる。

図１（ａ）を参照して、アノードセパレータ３０は、膜−電極接合体１０のアノード側に配置されたセパレータである。カソードセパレータ４０は、膜−電極接合体１０のカソード側に配置されたセパレータである。アノードセパレータ３０およびカソードセパレータ４０は、膜−電極接合体１０を挟持している。図１（ｃ）は図１（ａ）のアノードセパレータ３０を膜−電極接合体１０側から見た図である。なお、本実施例において、カソードセパレータ４０は図１（ｃ）と同様の構成を有しているため、図示を省略した。図１（ａ）および図１（ｃ）を参照して、アノードセパレータ３０は、流路画定部材３１と、凸部３２と、を有する。カソードセパレータ４０は、流路画定部材４１と、凸部４２と、を有する。

流路画定部材３１および流路画定部材４１（以下、総称して流路画定部材と称する）は、膜−電極接合体１０に対して突出して接触する接触部を有することによって、膜−電極接合体１０へ反応ガスを供給するための反応ガス流路を画定する部材である。本実施例において、流路画定部材の外周部が膜−電極接合体１０に対して突出して接触する接触部として機能する。アノードセパレータ３０の流路画定部材３１と膜−電極接合体１０との間の空間は、アノードガス流路５０として機能する。カソードセパレータ４０の流路画定部材４１と膜−電極接合体１０との間の空間は、カソードガス流路６０として機能する。

流路画定部材の材質は、特に限定されず、例えば樹脂、金属等が用いられる。また、流路画定部材には、反応ガスが流入するための流入口および反応ガスが流出するための流出口が形成されている。

凸部３２および凸部４２（以下、総称して凸部と称する）は、反応ガス流路の一部において、流路画定部材から膜−電極接合体１０側に突出している。流路画定部材の外周部と凸部との間には、間隙が設けられている。また、各凸部間に、間隙が設けられている。凸部の突出距離（ｂ）は、流路画定部材の外周部の突出距離（ａ）に比較して短い。例えば、凸部の突出距離（ｂ）および流路画定部材の外周部の突出距離（ａ）は、１０（μｍ）＜ａ−ｂ＜１０（ｍｍ）を満たす。なお、本実施例において、凸部は、流路画定部材と一体として形成されたものであってもよく、別体として形成されたものであってもよい。また、凸部の形状、個数および隣接する凸部間の間隔は限定されない。

燃料電池１００は、以下のように動作する。アノードガス流路５０を流動するアノードガスは、アノード集電体２０を透過し、アノードガス拡散層１４を拡散してアノード触媒層１２に到達する。アノード触媒層１２において、アノードガス中の水素はプロトンと電子とに分離する。プロトンは、電解質膜１１を伝導して、カソード触媒層１３に到達する。電子は、アノード集電体２０によって集電されて燃料電池１００の外部に取り出される。燃料電池１００の外部に取り出された電子は、負荷の仕事に供された後に、カソード集電体２１に到達する。

カソードガス流路６０を流動するカソードガスは、カソード集電体２１を透過し、カソードガス拡散層１５を拡散してカソード触媒層１３に到達する。カソード触媒層１３においては、カソードガス中の酸素と電解質膜１１を伝導したプロトンとアノード集電体２０から伝導した電子とによって水が生成される。反応後のアノードガスおよびカソードガスはそれぞれ、アノードガス流路５０およびカソードガス流路６０を流動して、燃料電池１００の外部に排出される。生成された水（生成水）は、主としてカソードガス流路６０を流動して燃料電池１００の外部に排出される。以上のように、燃料電池１００は動作する。

ここで、図１（ａ）を参照して、凸部の突出距離（ｂ）が流路画定部材の外周部の突出距離（ａ）と同じである場合、凸部は膜−電極接合体１０または集電体に常時接触していることになる。この場合、凸部に起因して反応ガス流路における反応ガス流路抵抗が大きくなる。また、集電体および膜−電極接合体１０における凸部の直下の領域においては、ガス拡散性が悪化する。

これに対して、本実施例に係る燃料電池１００によれば、前述したように凸部の突出距離（ｂ）は流路画定部材の外周部の突出距離（ａ）に比較して短い。この場合、極間差圧が生じていない場合には、膜−電極接合体１０および集電体と凸部とは接触しない。それにより、膜−電極接合体１０と凸部との間に反応ガスが流動する空間を確保することができる。その結果、反応ガス流路抵抗を低減することができる。また、集電体および膜−電極接合体１０において常時接触することがないので、膜−電極接合体１０の全面において、ガス拡散性が悪化することがなく、発電を阻害しない。

図２は、極間差圧が生じた場合の燃料電池１００の模式的断面図である。例えば、カソードガスの圧力がアノードガスの圧力より高くなった場合、膜−電極接合体１０および集電体が、アノードセパレータ３０の凸部３２側へ撓むことがある。この場合、アノードガス流路５０が狭小化する。しかしながら、互いに間隙を有する凸部３２によって膜−電極接合体１０および集電体の変形が抑制される。その結果、アノードガス流路５０の狭小化が抑制されるとともに、流路画定部材３１と膜−電極接合体１０との間にアノードガス流路５０を確保することができる。

以上のように、本実施例に係る燃料電池１００によれば、凸部が膜−電極接合体１０または集電体に常時接触している場合に比較して、反応ガス流路抵抗を低減することができる。また、極間差圧が生じた場合であっても膜−電極接合体１０と流路画定部材との間に反応ガス流路を確保することができる。集電体および膜−電極接合体１０の全面において、ガス拡散性が悪化することがなく、発電を阻害しない。

なお、凸部は、ガス透過性を有することが好ましい。この構成によれば、凸部内を反応ガスが流動することができることから、反応ガス流路抵抗を低減させることができる。例えば、多孔質の材料で凸部を構成することによって、凸部はガス透過性を有することができる。それにより、ガス流路抵抗を低減させることができ、また、極間差圧により集電体および膜−電極接合体１０と凸部とが接触した場合においても、凸部直下の領域において、ガス拡散性を悪化させることがない。多孔質の材料としては、例えば多孔質の金属材料、焼結フィルタ、多孔質の樹脂等を用いることができる。

続いて、本発明の実施例２に係る燃料電池１００ａについて説明する。図３（ａ）は、極間差圧が生じていない場合における燃料電池１００ａの模式的断面図である。図３（ｂ）は極間差圧が生じた場合における燃料電池１００ａの模式的断面図である。燃料電池１００ａは、アノードセパレータ３０およびカソードセパレータ４０の代わりに、それぞれアノードセパレータ３０ａおよびカソードセパレータ４０ａを備える点において、実施例１に係る燃料電池１００と異なる。アノードセパレータ３０ａは、凸部３２の代わりにガス透過部材３５を備える。カソードセパレータ４０ａは、凸部４２の代わりにガス透過部材４５を備える。その他の構成は、燃料電池１００と同様のため、説明を省略する。

ガス透過部材３５およびガス透過部材４５（以下、総称してガス透過部材と称する）は、ガス透過性を有している。ガス透過部材の材料としては、例えば、多孔質の材料が用いられる。多孔質の材料としては、例えば多孔質の金属材料、焼結フィルタ、多孔質の樹脂等を用いることができる。ガス透過部材がガス透過性を有することによって、ガス透過部材は、反応ガス流路としての機能を有することができる。

また、ガス透過部材は、流路画定部材の外周部の内側に平板状に設けられている。したがって、ガス透過部材は、突起形状を有していない。ガス透過部材が突起形状を有しないことによって、セパレータの構造を簡素化することができる。

ガス透過部材の厚みは、流路画定部材の外周部の突出距離に比較して小さい。それにより、極間差圧が生じていない場合に、膜−電極接合体１０とガス透過部材との間に反応ガスが流動する空間を形成することができる。この場合、反応ガス流路抵抗を低減することができる。また、ガス透過部材がガス透過性を有することによって反応ガス流路として機能することから、図３（ｂ）に示すように極間差圧が生じた場合においても、反応ガス流路を確保することができる。また、ガス透過部材がガス透過性を有することから、接触部直下の領域においてガス拡散性を悪化させることがない。

なお、燃料電池１００ａのアノードセパレータ３０ａおよびカソードセパレータ４０ａのいずれか一方は、実施例１の燃料電池１００のセパレータであってもよい。また、燃料電池１００および燃料電池１００ａは、例えばセパレータが集電体としての機能を有する構成（例えば、セパレータが導電性材料からなる場合）であれば、集電体を備えていなくてもよい。しかしながら、燃料電池１００および燃料電池１００ａが集電体を備えることによって、膜−電極接合体１０から電力を効率的に取り出すことができる。また、この場合、セパレータの導電性が不要となることから、セパレータの材質選択の幅が広がる。

１０ 膜−電極接合体
１１ 電解質膜
１２ アノード触媒層
１３ カソード触媒層
１４ アノードガス拡散層
１５ カソードガス拡散層
２０ アノード集電体
２１ カソード集電体
３０ アノードセパレータ
３１ 流路画定部材
３２ 凸部
３５ ガス透過部材
４０ カソードセパレータ
４１ 流路画定部材
４２ 凸部
４５ ガス透過部材
５０ アノードガス流路
６０ カソードガス流路
１００ 燃料電池

Claims (6)

1. 燃料電池用のセパレータであって、
   発電体に対して突出して接触する接触部を有することによって、前記発電体へ反応ガスを供給するための反応ガス流路を画定する流路画定部材と、
   前記反応ガス流路の一部において、前記流路画定部材から前記発電体側に突出する凸部と、を備え、
   前記凸部の突出距離は前記接触部の突出距離に比較して短いことを特徴とするセパレータ。
2. 前記凸部は、ガス透過性を有していることを特徴とする請求項１記載のセパレータ。
3. 燃料電池用のセパレータであって、
   発電体に対して突出して接触する接触部を有することによって、前記発電体へ反応ガスを供給するための反応ガス流路を画定する流路画定部材と、
   ガス透過性を有し、前記反応ガス流路に配置されたガス透過部材と、を備え、
   前記ガス透過部材の厚みは前記接触部の突出距離に比較して小さいことを特徴とするセパレータ。
4. 発電体と、
   前記発電体を挟持する、請求項１〜３のいずれかに記載のセパレータと、を備えることを特徴とする燃料電池。
5. 前記発電体は、固体高分子電解質膜を含む膜−電極接合体であることを特徴とする請求項４記載の燃料電池。
6. 前記発電体の前記セパレータ側に配置されガス透過性を有する集電体をさらに備えることを特徴とする請求項４または５記載の燃料電池。

Images