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(In Japanese)燃料電池のためのセパレータおよびセル・スタック

Patent code P170014004
File No. (S2014-0164-N0)
Posted date Apr 7, 2017
Application number P2015-547823
Patent number P6534015
Date of filing Nov 18, 2014
Date of registration Jun 7, 2019
International application number JP2014080995
International publication number WO2015072584
Date of international filing Nov 18, 2014
Date of international publication May 21, 2015
Priority data
  • P2013-238026 (Nov 18, 2013) JP
Inventor
  • (In Japanese)渡辺 政廣
Applicant
  • (In Japanese)国立大学法人山梨大学
Title (In Japanese)燃料電池のためのセパレータおよびセル・スタック
Abstract (In Japanese)アノード・ガス,カソード・ガス,冷却水等の流体を均一に供給,拡散させることができる多種類のセパレータを用意し,これらを組合せて燃料電池セル・スタックを構成する。燃料電池のためのセル・スタック(20)は,カソード・ガスおよびアノード・ガス用の少なくとも2種類のセパレータ(タイプCA,C,A,CW,AW等)を含む。各セパレータは,金属板(30)の少なくとも一面に耐食層が形成され,前記耐食層上に,対応するガスのための流体供給拡散層が導電性多孔質層により形成されているものであり,前記少なくとも2つのセパレータはそれらの流体供給拡散層の間に,少なくとも電解質膜およびその両面の触媒層(新しい膜電極接合体N-MEA)を挟んで対向するように積層されている。
Outline of related art and contending technology (In Japanese)

第35図に従来の高分子形燃料電池(PEFC)の単セル基本構成を示す。
単セル90は,膜電極接合体(MEA)91の両側にリブ付セパレータ(RS)98を押着して構成される。膜電極接合体(MEA)91は電解質膜92(PEM)の両面にアノード93,カソード94それぞれを,圧着またはホットプレスで整形一体化したものである。アノード93およびカソード94はそれぞれ触媒層(CL)95,多孔質層(MPL)96およびガス拡散層(GDL)97からなる。単セルの出力電圧が理論的に最大でも1.2Vであるので,単セルを積層して高出力電圧を得る。
セパレータ98は,隣接する単セルの+極(カソード),-極(アノード)の電気的接合の機能と,セパレータ表面に設けられたガス流路から両極にそれぞれカソード・ガス(空気,酸素),アノード・ガス(燃料,水素)を供給する役割を担う。
ガス拡散層(GDL)97は,通常,フッ素樹脂(PTFE)等で部分撥水化処理を施したカーボンペーパやカーボン繊維不織布,織布などで構成される。多孔質層(MPL)96は,通常,適度に撥水化(または浸水化)と細孔径制御された炭素微粒子からなる多孔質層で,均一厚触媒層形成と触媒反応層への反応ガス供給または触媒反応生成物(生成水)の円滑な物質移動を行わせる機能を果たす。また,触媒層(CL)95は白金ナノ粒子を炭素微粒子担体上に高分散担持した触媒(Pt/CB)を導電性イオノマー(Nafion等)をバインダーとして電解質(PEM)表面にコート,または多孔質膜(MPL)表面にコートされているものである。触媒自身の反応活性,特に酸素還元反応(ORR)活性と,これへの酸素,プロトン供給速度が電池性能決定の主要因子である。セパレータ98の流路からの反応ガス(水素,酸素)は,ガス拡散層(GDL)97,多孔質層(MPL)96を通って触媒層(CL)95に供給される。生成水はこの逆経路を通って排出される。
セパレータの一例としては,ガス不浸透化処理を施した黒鉛化炭素プレートに機械加工で流路を形成したものがある。しかし,この種のセパレータは性能的には導電性,耐食性,信頼性において優れるものの,コンパクト化が困難であり,燃料電池自動車(FCV)等の量販時に求められるコストの2桁程度高額となり,安価な代替品の開発が必須であった。
これまでに炭素材/樹脂複合材の熱/加圧成形品や表面耐食処理加工した金属成型品が提案されてきている。しかし,前者は薄膜化と機械的強度の両立が困難である。後者においてはステンレス材表面の酸化膜中への導電性突起物形成,貴金属メッキ,耐食金属クラッド化などの試みにも拘わらず,コンパクト性は満足できるものの,腐食耐性,コストなどの面から大きな課題が残されている。
いずれにしても,セパレータの表面には,第35図に示すように,溝状のガス流路が形成される。セパレータそれ自体が単なる金属平板であっても,その金属平板に,溝状のガス流路をもつガス流路形成体が接合されている(たとえば,特許文献1)。

Field of industrial application (In Japanese)

この発明は燃料電池の構成部材としてのセパレータおよび該セパレータを含む構成部材を組合せたセル・スタックに関する。

Scope of claims (In Japanese)
【請求項1】
 
金属板の少なくとも一面において,流体供給拡散層が多孔質層により形成され,
前記流体供給拡散層には,その一部として,流体の供給側から排出側に向う方向に交叉する方向にのび,その流体抵抗がそれ以外の流体供給拡散層の流体抵抗と異なる均等化層が,少なくとも流体の供給側に形成されている,
燃料電池のためのセパレータ。

【請求項2】
 
前記金属板の少なくとも一面の周囲が緻密枠で囲まれ,前記緻密枠の内部の流体供給口,排出口の部分を除く全面に前記流体供給拡散層が形成され,前記均等化層は緻密枠の全幅にわたってのびている,請求項1に記載の燃料電池のためのセパレータ。

【請求項3】
 
前記金属板の少なくとも一面に耐食層が形成され,前記耐食層の上に前記流体供給拡散層が形成されている,請求項1または2に記載の燃料電池のためのセパレータ。

【請求項4】
 
前記金属板の両面に耐食層が形成されている,請求項1から3のいずれか一項に記載の燃料電池のためのセパレータ。

【請求項5】
 
前記均等化層は,流体の供給口に連続する領域,流体の排出口に連続する領域,およびこれらの領域の間の領域に,互いに離れて形成されている,請求項1から4のいずれか一項に記載の燃料電池のためのセパレータ。

【請求項6】
 
前記均等化層は,流体の供給側において供給口から離れた領域,および流体の排出側において排出口から離れた領域に形成されている,請求項1から4のいずれか一項に記載の燃料電池のためのセパレータ。

【請求項7】
 
前記均等化層が多孔質層であり,その流体抵抗がそれ以外の流体供給拡散層の流体抵抗よりも小さい,請求項1から6のいずれか一項に記載の燃料電池のためのセパレータ。

【請求項8】
 
前記均等化層が多孔質層であり,その流体抵抗がそれ以外の流体供給拡散層の流体抵抗よりも大きい,請求項1から6のいずれか一項に記載の燃料電池のためのセパレータ。

【請求項9】
 
前記流体供給拡散層が導電性多孔質層により形成されている,請求項1から8のいずれか一項に記載の燃料電池のためのセパレータ。

【請求項10】
 
前記均等化層が導電性多孔質層により形成されている,請求項1から8のいずれか一項に記載の燃料電池のためのセパレータ。

【請求項11】
 
前記均等化層が流体供給拡散層内に形成された層状空間または溝である,請求項1から6のいずれか一項に記載の燃料電池のためのセパレータ。

【請求項12】
 
前記層状空間または溝がトンネルまたは下向き溝である,請求項11に記載の燃料電池のためのセパレータ。

【請求項13】
 
前記均等化層にガス供給溝またはガス排出溝が連続して形成されている,請求項11に記載の燃料電池のためのセパレータ。

【請求項14】
 
2種類の反応ガスの一方のための流体供給拡散層が前記金属板の一方の面に,前記反応ガスの他方のための流体供給拡散層が前記金属板の他方の面に,それぞれ形成されている,請求項1から13のいずれか一項に記載の燃料電池のためのセパレータ。

【請求項15】
 
前記金属板の一面にのみ,反応ガスのための流体供給拡散層が形成されている,請求項1から13のいずれか一項に記載の燃料電池のためのセパレータ。

【請求項16】
 
前記金属板の一面に反応ガスのための流体供給拡散層が,他面に冷却水のための流体供給拡散層がそれぞれ形成されている,請求項1から13のいずれか一項に記載の燃料電池のためのセパレータ。

【請求項17】
 
前記金属板の少なくとも一面に冷却水のための流体供給拡散層が形成されている,請求項1から13のいずれか一項に記載の燃料電池のためのセパレータ。

【請求項18】
 
前記流体供給拡散層の前記均等化層以外の領域に,多孔質材からなる複数のリブが,流体供給側から流体排出側に向う流体流路を規定するように形成されている,請求項1から17のいずれか一項に記載の燃料電池のためのセパレータ。

【請求項19】
 
上記リブの流体抵抗が前記均等化層の多孔質層の流体抵抗よりも大きい,請求項18に記載の燃料電池のためのセパレータ。

【請求項20】
 
前記リブが波形に形成されている,請求項18または19に記載の燃料電池のためのセパレータ。

【請求項21】
 
隣接する前記リブの間隔または幅が流体供給側から流体排出側に向って変化している,請求項18または19に記載の燃料電池のためのセパレータ。

【請求項22】
 
前記金属板の一面に反応ガスのための流体供給拡散層が,他面に冷却水の流路を規定するリブ構造体が形成されている,請求項1から13のいずれか一項に記載の燃料電池のためのセパレータ。

【請求項23】
 
請求項1から22のいずれか一項に記載のセパレータの流体供給拡散層表面に,さらに他の多孔質シートが接合されている燃料電池のためのセパレータ。

【請求項24】
 
金属板の少なくとも一面に耐食層が形成され,前記耐食層の周辺に緻密枠が形成され,前記緻密枠の内部の冷却水供給口および排出口の近傍においてそれぞれ多孔質層により形成され均等化層の役割を果たす液体供給拡散層が前記緻密枠の全幅にわたって形成され,前記液体供給拡散層の間の流体供給拡散領域に,冷却水供給口側から冷却水排出口側に向う冷却水流路が,多孔質材のリブまたは層により形成されており,前記液体供給拡散層の流体抵抗が前記液体供給拡散領域の流体抵抗と異なる,燃料電池における冷却水のためのセパレータ。

【請求項25】
 
前記多孔質材が導電性を有する,請求項24に記載の燃料電池における冷却水のためのセパレータ。

【請求項26】
 
請求項1から25のいずれか一項に記載のセパレータを含む燃料電池のためのセル・スタック。

【請求項27】
 
カソード・ガスおよびアノード・ガス用の少なくとも2種類のセパレータを含み,
各セパレータは,金属板の少なくとも一面において,対応するガスのための流体供給拡散層が多孔質層により形成され,前記流体供給拡散層には,その一部として,流体の供給側から排出側に向う方向に交叉する方向にのび,その流体抵抗がそれ以外の流体供給拡散層の流体抵抗と異なる均等化層が,少なくとも流体の供給側に形成されているものであり,
前記少なくとも2つのセパレータはそれらの流体供給拡散層の間に,少なくとも電解質膜およびその両面の触媒層を挟んで対向するように積層されている,
燃料電池のためのセル・スタック。

【請求項28】
 
カソード・ガスおよびアノード・ガス用の少なくとも2種類のセパレータを含み,
各セパレータは,金属板の少なくとも一面に耐食層が形成され,前記耐食層上に,対応するガスのための流体供給拡散層が多孔質層により形成されているものであり,
前記少なくとも2つのセパレータはそれらの流体供給拡散層の間に,少なくとも電解質膜およびその両面の触媒層を挟んで対向するように積層されており
前記流体供給拡散層には,その一部として,ガスの供給側から排出側に向う方向に交叉する方向にのび,その流体抵抗がそれ以外の流体供給拡散層の流体抵抗と異なる均等化層が,少なくともガスの供給側に形成されている,
燃料電池のためのセル・スタック。

【請求項29】
 
前記セパレータの流体供給拡散層表面に,さらに他の多孔質シートが接合されている,請求項27または28に記載の燃料電池のためのセル・スタック。

【請求項30】
 
前記流体供給拡散層が緻密枠により囲まれている,請求項27から29のいずれか一項に記載の燃料電池のためのセル・スタック。

【請求項31】
 
前記流体供給拡散層および緻密枠が導電性を有する,請求項30に記載の燃料電池のためのセル・スタック。

【請求項32】
 
金属板の少なくとも一面に耐食層が形成され,この耐食層上に多孔質材により冷却水の流路が形成されている冷却水用セパレータがさらに積層されている,請求項27から31のいずれか一項に記載の燃料電池のためのセル・スタック。
IPC(International Patent Classification)
F-term
Drawing

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JP2015547823thum.jpg
State of application right Registered
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