JP2009009731A

JP2009009731A - 燃料電池構成部材

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Publication number: JP2009009731A
Application number: JP2007167625A
Authority: JP
Inventors: Yosuke Fukuyama; 陽介福山; Atsushi Miyazawa; 篤史宮澤; Motoi Yaginuma; 基柳沼
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2007-06-26
Filing date: 2007-06-26
Publication date: 2009-01-15
Anticipated expiration: 2027-06-26
Also published as: JP5151270B2

Abstract

【課題】金属多孔質部材が燃料電池のガス流路を兼ねている金属セパレータと金属多孔質部材とを備える燃料電池において、当該金属セパレータと当該金属多孔質部材との接触抵抗を低減する。
【解決手段】燃料電池のガス流路を兼ねる金属多孔質部材（１６，１９）と、この金属多孔質部材（１６，１９）の主面（１６ａ，１９ａ）の全面にわたって接する金属セパレータ（１２，１３）とを備える燃料電池構成部材であって、金属多孔質部材（１６，１９）と金属多孔質部材（１６，１９）とは接合されている。
【選択図】図１

Description

この発明は、燃料電池に用いて好適な、燃料電池構成部材に関する。

燃料電池システムは、燃料が有する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換するシステムである。燃料電池システムの燃料電池は、基本構成として電解質を挟んで一対の電極が設けられている。この一対の電極のうち、一方の電極であるアノード極に水素を含有する燃料ガスを供給するとともに、他方の電極であるカソード極に酸素を含有する酸化剤ガスを供給し、これらの一対の電極の電解質側表面で生じる以下の反応式による電気化学反応を利用して、電極から電気エネルギーを取り出す。各電極では、次の（１）式、（２）式の反応が行われる。

陽極（アノード）反応：Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ …（１）
陰極（カソード）反応：２Ｈ^＋＋２ｅ⁻＋（１／２）Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ …（２）
アノード極に供給する燃料ガスは、例えばメタノール、ガソリン、アルコール、天然ガス等の燃料を改質した水素含有ガスである。この燃料ガスを水素貯蔵装置から直接供給する方法が知られている。水素貯蔵装置としては、高圧ガスタンク、液化水素タンク、水素吸蔵合金タンク等がある。カソード極に供給する酸化剤ガスとしては、一般的に空気が利用されている。

燃料電池のなかでも固体高分子形燃料電池は、他の形式の燃料電池に比べて、比較的低温で作動し、かつ発電効率が高い。また、固体高分子形燃料電池は、他の付帯設備と共に小型で軽量であるため、電気自動車搭載用を始めとする各種の用途が見込まれている。この固体高分子形燃料電池の最小単位である単セルには、アノード極及びカソード極のそれぞれに、板状のセパレータが設けられている。従来、両極のセパレータ板は、グラファイトや、樹脂と黒鉛粉末とを主成分とした複合材料を成形したカーボン系セパレータを使用していた。近年では、セパレータの小型化等が求められていることから、カーボン系セパレータに代わる材料の開発が進められている。特に移動体への燃料電池の積載を目的とする場合には、金属材の特性である高強度、高いガス遮蔽性、金属材自体の抵抗の低さを利用し、小型化とそれに伴う出力密度向上のために、金属セパレータの開発が行われている。

また、従来の燃料電池では、矩形又は波形の流路をセパレータに形成し、この流路が形成されたセパレータ上にカーボンペーパーやカーボンクロスからなるガス拡散層を積層することで、膜電極接合体への反応ガスの供給と電子の導通パスの役割を果たしていた。しかしながら、セパレータは、この流路があることにより、厚さを小さくすることに制約があった。そこで、セパレータの流路及びガス拡散層の代わりに、金属セパレータ主面上に配置した金属製の多孔質部材を用いれば、セパレータに流路を形成しない場合でもこの金属製の多孔質部材が、従来の流路とガス拡散層の役割を担うことが可能である。また金属製の多孔質部材を用いれば、流路とガス拡散層の役割を金属多孔質部材のみに担わせることによるセパレータの厚さの低減、ひいてはセルピッチ低減による燃料電池の薄型化が可能になり、また、セパレータのチャネル部およびリブ部によらないでガスを拡散させる構造になることによる反応ガス拡散性向上が可能になり、更に、セパレータに流路成形のための加工が不要となり、コスト削減が可能になるなどの利点がある。

金属セパレータと金属多孔質部材に関しては、各反応セルを区切る平坦面双極シートを備え、この双極シートに電気的に接続し、気体状反応剤を分配する、網状の金属要素により実現された、一対の集電器／分電器を備える発電装置がある（特許文献１）。

また、高分子電解質膜の両面部にガス拡散電極として金属多孔体を配設した固体高分子形燃料電池がある（特許文献２）。

更に、波形形状を有しガス流路が形成されている金属セパレータと、金属ガス拡散層とが溶接された固体高分子形燃料電池がある（特許文献３）。
特表２００５−５３６８６３号公報特開２００３−２８２０６８号公報特開２０００−２０８１５３号公報

しかし、金属セパレータと金属多孔質部材を設けただけでは、金属セパレータと金属多孔質部材間の接触抵抗が高く、燃料電池の発電効率の低下を招く。また金属セパレータと金属多孔質部材とが互いに接する面に、金メッキなどの導電性に優れた被膜を形成すれば、金属セパレータと金属多孔質部材間の接触抵抗はするが、コストが増大する。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、本発明の燃料電池構成部材は、燃料電池のガス流路を兼ねる金属多孔質部材と、この金属多孔質部材の主面の全面にわたって接する主面を有する金属セパレータとを備え、この金属多孔質部材とこの金属セパレータとが接合されていることを要旨とする。

本発明によれば、金属セパレータと金属多孔質部材とが接合され、電子の導電パスが確実に確保されるため、金属セパレータと金属多孔質部材との間と接触低減を低減し、ひいては燃料電池の発電効率を向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態に係る燃料電池構成部材を、固体高分子形燃料電池に適用した例により説明する。

図１は、本発明の実施例１に係る燃料電池構成部材を具備する固体高分子形燃料電池１０の要部を、反応ガスの流れ方向に沿う向きの断面で模式的に示す断面図である。図１では、固体高分子形燃料電池１０として、燃料電池の基本単位である単セルの構成の例を図示している。

本発明の実施例に係る燃料電池構成部材を適用する燃料電池は、図１に示した単セルの固体高分子形燃料電池１０の複数を積層した燃料電池スタックであっても良い。燃料電池スタックの場合には、図１に示した単セルの固体高分子形燃料電池１０の構成が積層されることとなる。また、固体高分子形燃料電池１０がスタックとして用いられる場合には、単セルの積層体の間にスタックを冷却する構造を持たせても構わない。燃料電池スタックを形成するときの固体高分子形燃料電池１０の積層方向は、図１の紙面上下方向とすることができるが、上下方向に限らず任意の方向で良い。固体高分子形燃料電池１０を積層して形成した燃料電池スタックの両端には、集電板（図示なし）が配設される。集電板の更に外側には、当該スタックへ締結力を与えるばね機構やボルトが必要に応じて配置される。集電板は、例えば金メッキ処理を施した銅板とすることができる。集電板は、固体高分子形燃料電池で発電された電力を燃料電池スタックの両端部で集める機能を有し、配線を介して電気により駆動する機器及び電気を貯蔵する機器へ接続される。

図１に示した１セル分の固体高分子形燃料電池１０は、電解質膜の両面に触媒電極を形成して構成される膜電極接合体１１（MEA：Membrane electrode Assembly）と、この膜電極接合体１１の両側に設けたアノード金属セパレータ１２及びカソード金属セパレータ１３とを備えている。

膜電極接合体１１を構成する電解質膜には、フッ素系の陽イオン交換膜を用いることができるが、このフッ素系の陽イオン交換膜に限定されず、例えばハイドロカーボン系の膜を用いても構わない。膜電極接合体１１を構成する触媒電極は、一例として白金担持カーボンを用いることができる。触媒電極には、ルテニウムなど他の金属との合金や活性炭、黒鉛など他の担持物を用いても構わない。この触媒電極を、上記電解質膜に対してホットプレスすることにより、膜電極接合体１１を形成することができる。

アノード金属セパレータ１２及びカソード金属セパレータ１３には、オーステナイト系ステンレス材、フェライト系や２相系のステンレス材、アルミ、チタンなどの金属材料を用いることができる。

アノード金属セパレータ１２は、膜電極接合体１１に対向する側に主面１４を有している。このアノード金属セパレータ１２と膜電極接合体１１との間に、当該アノード金属セパレータ１２の主面１４及び膜電極接合体１１のアノード極の両者に接して、通気性を有するアノード金属多孔質部材１６が配設されている。このアノード金属多孔質部材１６は、アノード金属セパレータ１２に形成された開口１２ａを通してアノード金属セパレータ１２と膜電極接合体１１との間にアノードガス１５（水素含有ガス）を供給する役割と、電子の導通パスの役割を果たす。

同様に、カソード金属セパレータ１３は、膜電極接合体１１に対向する側に主面１７を有している。このカソード金属セパレータ１３と膜電極接合体１１との間に、当該カソード金属セパレータ１３の主面１７及び膜電極接合体１１のカソード極の両者に接して、通気性を有するカソード金属多孔質部材１９が配設されている。このカソード金属多孔質部材１９は、カソード金属セパレータ１３に形成された開口１３ａを通してカソード金属セパレータ１３と膜電極接合体１１との間にカソードガス１８（主に空気）を供給する役割と、電子の導通パスの役割を果たす。

アノード金属多孔質部材１６及びカソード金属多孔質部材１９は、共に燃料電池の燃料電池のガス流路とガス拡散層の役割を兼ねている。したがって、アノード金属セパレータ１２及びカソード金属セパレータ１３には、リブ状によって区切られたガス流路が形成されていない。アノード金属セパレータ１２にガス流路が形成されていないことから、アノード金属多孔質部材１６は、当該アノード金属セパレータ１２に対向するアノード金属多孔質部材１６の主面１６ａの全面にわたって、アノード金属セパレータ１２と接している。同様に、カソード金属セパレータ１３にガス流路が形成されていないことから、カソード金属多孔質部材１９は、当該カソード金属セパレータ１３に対向するカソード金属多孔質部材１９の主面１９ａの全面にわたって、アノード金属セパレータ１２と接している。

アノード側及びカソード側の金属多孔質部材１６、１９には、ステンレス製の細線より多孔質部材を形成したものを使用することができる。ステンレスに限られず、他にはニッケル、アルミニウムなどの他の金属材料を用いることも可能である。また、細線だけでなく、発泡金属や焼結体、クロス状に織り込んだものなども用いることができる。

アノード金属多孔質部材１６及びカソード金属多孔質部材１９を通過するアノードガス及びカソードガスの外部への漏洩を抑制するために、膜電極接合体１１と金属セパレータ１２、１３の間には、膜電極接合体１１側に成形されたシール材２０がそれぞれ配設される。このシール材２０は、例えばシリコンゴムにより成形され、シール材２０が圧力により潰れ、反力を得ることでシール性を維持している。また、シール材２０は、金属セパレータ１２、１３側に成形してもよい。更に、シール材２０は、フッ素ゴム、アクリルゴム、二トリルゴムなどを用いても構わない。

図１に示した実施例１に係る燃料電池構成部材では、金属セパレータ１２、１３にはオーステナイト系ステンレス材を用いた。またアノード側及びカソード側の金属多孔質部材１６、１９には、ステンレス製の細線より多孔質部材を形成したものを使用した。

そして、アノード金属セパレータ１２とアノード金属多孔質部材１６とは接合されており、カソード金属セパレータ１３とカソード金属多孔質部材１９とは接合されている。図示した実施例１に係る燃料電池構成部材では、拡散接合によって接合した。接合部２１は、アノード金属セパレータ１２の主面１４及びカソード金属セパレータ１３の主面１７において、点状又は線状に形成することができる。接合方法としては、拡散接合に限られず、溶接、ろう付け、圧接などの他の接合方法を用いても構わない。

実施例１の燃料電池構成部材によれば、金属セパレータ１２、１３と、金属セパレータ主面１４、１７上に配設された金属多孔質部材１６、１９とが接合されることにより、電子の導通パスが確保されるため、金属セパレータ１２、１３と金属多孔質部材１６、１９間の接触抵抗を低減し、発電効率を向上させることができる。

詳述すると、一般に、金属セパレータと金属多孔質部材とを共に耐食性に優れる点で有利なステンレス材で形成した場合、ステンレス材表面に形成される酸化皮膜により、接触抵抗が増大する。ステンレス材を採用した場合の接触抵抗について図２を用いて説明する。図２は、金属セパレータ及び金属多孔質部材にステンレス材を使用した際の両者の接触抵抗を、接合の有無の場合で示す図である。接触させる２つの部材は1MPaの特定圧力で接触させることとして説明する。接触抵抗は、交流４端子法の原理にて電極間に計測したいサンプルを任意の圧力で挟み込むことで計測が可能である。

図２において、まず、ステンレス製の板材同士を接触させた場合の接触抵抗を横軸の左側に示した。これは、以降に述べる多孔質部材の接合の有無の場合の接触抵抗を比較する基準となる例である。

次に、図２の横軸の左側に示したステンレス製の板材同士の接触抵抗をベースとして、ステンレス製の金属多孔質部材を用いた場合を対比する。この場合においては、金属多孔質部材の空孔部はステンレス製板材とは接することができないため、接触面積が減少し、接触抵抗の増大要因となる。これは金属セパレータと金属多孔質部材とを接合することなく接触させた場合に対応し、図２の横軸の中央に示した。

次に、ステンレス製板材と金属多孔質部材とを接合し、一体化させた場合を対比する。ステンレス製板材と金属多孔質部材とを接合することにより、２部材間の電子の導通パスが酸化皮膜を介したものから、直接的に金属材料内を導通するものに変化するため、接触抵抗は減少する。これは金属セパレータと金属多孔質部材とを接合した、本実施例の場合に対応し、図２の横軸の右側に示した。図２のような原理により、本実施例の燃料電池構成部材は、金属セパレータと金属多孔質部材とが接合されていることにより、接触抵抗が低減し、発電効率が向上する。

次に、実施例２に係る燃料電池構成部材を、図３を用いて説明する。図３は、実施例２に係る燃料電池構成部材を具備する燃料電池１０Ａのガス流れ方向と対峙する面での断面を１セル分のみ示した図である。図３に示した断面は、図１に示した固体高分子形燃料電池１０のＡ−Ａ線視の断面に相当する。図３に示した燃料電池１０Ａにおいて、図１と同一の部材については同一の符号を付して、以下では重複する説明を省略する。

図３に示した本実施例の燃料電池構成部材は、金属セパレータ１２、１３の端部近傍に、金属多孔質部材１６、１９の側面１６ｂ、１９ｂに沿うように、凸部３０が形成されている。該凸部３０により、金属セパレータ１２、１３は、その主面１４、１７だけでなく凸部３０の壁面３１とでも金属多孔質部材１６、１９と接触することができる。これにより金属セパレータ１２、１３と金属多孔質部材１６、１９との接触面積が増大するため、接触抵抗が低下し発電効率が向上する。また、図３に示した本実施例では、金属セパレータ１２、１３と金属多孔質部材１６、１９は、上記金属セパレータの主面１４、１７又は凸部３０の壁面３１において接合され、これにより接合部２２が形成されているので、接合部２２が電子の導通パスとなるため、接触抵抗を低減し発電効率を向上させることができる。これにより、接触面積増大の効果と接合の効果の双方の効果により接触抵抗が一層低減した。

また、金属セパレータ１２、１３と金属多孔質部材１６、１９の表面、特に、金属セパレータ１２、１３と金属多孔質部材１６、１９とが接する領域には、導電性と耐食性を向上させるための表面処理がされてなることが、より好ましい。金属セパレータ１２、１３と金属多孔質部材１６、１９の表面の必要な部分に表面処理が実施されることにより、上述した接合による接触抵抗低減の効果を享受することができることに加えて、金属セパレータ１２、１３と金属多孔質部材１６、１９との導電性が向上し、また、それらの耐食性を向上させることができ、ひいては発電効率をより向上させることができる。

金属セパレータ１２、１３と金属多孔質部材１６、１９とは、それらの両方に表面処理がされていてもよいし、いずれか一方に表面処理がされていてもよい。表面処理としては、金や銀などをはじめとする金属めっきや、ガス窒化やプラズマ窒化による表面改質、選択溶解を用いた特定の金属組成の濃化、スパッタリングやＣＶＤなどによるカーボンや金属化合物の薄膜形成などを用いることができる。これらの表面処理を行う場合、上記接合を行う前に実施することが望ましく、接合前に実施することにより、接合後では表面処理を施すことができない面へも処理することができ、よって表面処理の効果を十分に得ることができると共に、接合による接触抵抗低減の効果も得ることができる。

次に、実施例３に係る燃料電池構成部材を、図４を用いて説明する。図４は、図３同様に、燃料電池１０Ｂのガス流れ方向と対峙する面での断面を１セル分のみ示した図である。この図４に示した燃料電池１０Ｂにおいて、図１又は図３と同一の部材については同一の符号を付している。

図４に示した実施例３に係る燃料電池構成部材は、金属セパレータ１２、１３の端部近傍に、金属多孔質部材１６、１９の側面１６ｂ、１９ｂに沿うように、凸部３０が形成されている。そして、この実施例３では、金属セパレータ１２、１３と金属多孔質部材１６、１９間の接合は、凸部３０の壁面３１においてのみ行い、接合方法にはレーザー溶接を用いた。壁面３１上には接合部２３が形成されている。

本実施例に係る燃料電池構成部材によれば、上述した実施例２の構成を具備することによる効果を有する。例えば、接合により金属セパレータと金属多孔質部材間の電子の導通パスが形成され接触抵抗が低減する。その効果に加えて、この接合処理に起因して生じる可能性のある金属材料の変質、変形の影響の及ぶ箇所が、凸部３０の壁面３１の部分だけとなる。つまり、金属セパレータの主面１４、１７において接合した場合に比べて、接合時に起こりうる金属セパレータ１２、１３又は金属多孔質部材１６、１９の変質などの影響が作用する範囲を凸部３０の壁面３１の部分のみに留めることができる。例えば、仮に、接合処理による変形の影響が、金属多孔質部材１６、１９の膜電極接合体１１と接する面にまで及んだ場合、面粗度の悪化から膜電極接合体１１への金属多孔質部材１６、１９の突き刺さりを起こし、膜電極接合体の耐久性を低下させるおそれがある。これに対して、実施例３のように接合の範囲を該凸部３０のみとすることで、接合が溶接等の場合にその溶接等の方向が、膜電極接合体１１の表面とほぼ平行になるため、接合の影響が膜電極接合体１１に向かうことが回避され、かつ、接合の影響が及ぶ範囲が限定的となり、よって膜電極接合体１１の耐久性を損なうことなく、接触抵抗を低減し、接合による接触抵抗低減の効果を享受し発電効率を向上させることができる。

次に、実施例４に係る燃料電池構成部材を、図５を用いて説明する。図５は、実施例４に係る燃料電池構成部材を具備する燃料電池１０Ｃのガス流れ方向と対峙する面での断面を１セル分のみ示した図である。この図５に示した燃料電池１０Ｃにおいて、図１又は図３と同一の部材については同一の符号を付している。

図５に示した実施例４に係る燃料電池構成部材は、金属セパレータ１２、１３の端部近傍に、金属多孔質部材１６、１９の側面１６ｂ、１９ｂに沿うように、凸部３０が形成されている。また、金属セパレータと金属多孔質部材間の接合は、凸部３０の壁面３１においてのみ行い、接合部２４が形成されている。

そして、本実施例においては、この金属セパレータ１２、１３と金属多孔質部材１６、１９間の接合が、両凸部３０及び上記金属多孔質部材１６、１９を含む断面における当該金属多孔質部材１６、１９の幅方向に垂直な中心軸３２に対して対称の位置となるように実施した。

本実施例によれば、上述した実施例３の構成を具備することによる効果を有するとともに、上記中心軸３２に対して対称になるように接合が施されていることから、燃料電池運転中に発生する膜電極接合体１１の膨潤や収縮に伴う応力を均等に受けることができる。そのため、局所的な応力の増大を抑止することができる。これは、結果として膜電極接合体１１に過度な応力が集中することを回避し、膜電極接合体１１の耐久性を損なうことなく、接合による接触抵抗低減の効果を享受し、発電効率を向上させることができる

次に、実施例５に係る燃料電池構成部材を、図６を用いて説明する。図６は、実施例５に係る燃料電池構成部材を具備する燃料電池１０Ｄのガス流れ方向と対峙する面での断面を１セル分のみ示した図である。この図６に示した燃料電池１０Ｄにおいて、図１又は図３と同一の部材については同一の符号を付している。

図６に示した実施例５に係る燃料電池構成部材は、金属セパレータ１２、１３の端部近傍に、金属多孔質部材１６、１９の側面１６ｂ、１９ｂに沿うように、凸部３０が形成されている。また、金属セパレータと金属多孔質部材間の接合は、凸部３０の壁面３１においてのみ行い、接合部２５が形成されている。

そして、本実施例においては、この金属セパレータ１２、１３と金属多孔質部材１６、１９間の接合が、当該金属多孔質部材１６、１９の厚さ方向の中央部よりも金属セパレータ１２、１３の主面１４、１７側で実施した。図６において金属多孔質部材１６、１９の厚さ方向の中央部を、中心線３３で示す。

本実施例によれば、上述した実施例３ないし実施例４の構成を具備することによる効果を有するとともに、金属多孔質部材１６、１９の厚さ方向の中心軸よりも金属セパレータ１２、１３の主面１４、１７側で接合が実施されているため、接合の影響を受ける範囲を膜電極接合体１１から離れた側に限定的にすることができる。これにより膜電極接合体１１の性能及び耐久性を損なうことなく、接合による接触抵抗低減の効果を享受し発電効率を向上させることができる。

例えば、接合処理を行うことにより金属材料に熱影響による変形及び変質が生じるとことがある。金属材料の変質は、腐食に対する耐食性の低下を起こし、燃料電池内の環境下において金属イオンの溶出を伴う腐食を生じる。金属イオンは、膜電極接合体１１内の触媒の劣化及びスルホン酸基への吸着を引き起こし、酸化還元反応の活性を低下させることやプロトンのパスを閉塞させることにより発電効率を低下させる。また、膜電極接合体１１内に取り込まれた金属イオンは、フェントン反応に代表される原理により膜電極接合体内の電解質の分解を促進し、膜電極接合体の耐久性を低下させる。そこで、実施例５のように膜電極接合体１１から離れた場所に接合部２５を形成することで、膜電極接合体１１の性能及び耐久性を損なうことなく、接合により接触抵抗を低減し、発電効率を向上させることができる。

次に、実施例６に係る燃料電池構成部材を、図７を用いて説明する。図７は、実施例６に係る燃料電池構成部材を具備する燃料電池１０Ｅのガス流れ方向と対峙する面での断面を１セル分のみ示した図である。この図６に示した燃料電池１０Ｅにおいて、図１又は図３と同一の部材については同一の符号を付している。

図７に示した実施例６に係る燃料電池構成部材は、金属セパレータ１２、１３の端部近傍に、金属多孔質部材１６、１９の側面１６ｂ、１９ｂに沿うように、凸部３０が形成されている。また、この実施例６では、金属セパレータ１２、１３と金属多孔質部材１６、１９間の接合は、凸部３０の壁面３１においてのみ行い、接合方法にはレーザー溶接を用いた。壁面３１上にはレーザー溶接による接合部２６が形成されている。実施例６の燃料電池構成部材は、このような構成を具備する実施例２ないし実施例５と同様の効果を有している。

また、本実施例の燃料電池構成部材は、金属セパレータ１２、１３と金属多孔質部材１６、１９とをレーザー溶接で接合する際、金属セパレータ１２、１３側から金属多孔質部材１６、１９に向けてエネルギーを与えて接合すること（溶接時のエネルギーの向きを矢印３４で示す。）で該燃料電池構成部品を形成した。

本実施例によれば、溶接で接合されている場合に、金属セパレータ１２、１３側からエネルギーを与え接合され形成されているため、この溶接による金属の変質、変形、腐食の影響が大きくなる側を、燃料電池１０Ｅの反応面の反対面とすることができる。これにより膜電極接合体１１の性能、耐久性を損なうことなく、接合による接触抵抗低減の効果を享受し発電効率を向上させることができる。

詳述すると、レーザー溶接などの溶接による接合は、エネルギーを与えた側の面が溶接時の熱影響を大きく受け、金属材料が変質、変形する。溶接時の変質、変形は、金属材料の腐食に対する耐食性低下を起こし、燃料電池内の環境下において金属イオンの溶出を伴う腐食を生じ、膜電極接合体１１の性能、耐久性の低下をもたらす。そこで、実施例６のように溶接による影響が大きくなる面が金属セパレータ１２、１３の外側になるようなエネルギーの向きとし、燃料電池１０Ｅ内の反応ガスに晒される側への影響を小さくすることで、膜電極接合体１１の性能、耐久性を損なうことなく、接合により接触抵抗を低減し、発電効率を向上させることができる。

次に、実施例７に係る燃料電池構成部材を、図８を用いて説明する。図８は、実施例７に係る燃料電池構成部材を具備する燃料電池１０Ｆのガス流れ方向と対峙する面での断面を１セル分のみ示した図である。この図７に示した燃料電池１０Ｆにおいて、図１又は図３と同一の部材については同一の符号を付している。

図８に示した実施例７に係る燃料電池構成部材は、金属セパレータ１２、１３の端部近傍に、金属多孔質部材１６、１９の側面１６ｂ、１９ｂに沿うように、凸部３０が形成されている。また、この実施例７では、金属セパレータ１２、１３と金属多孔質部材１６、１９間の接合は、凸部３０の壁面３１においてのみ行い、壁面３１上には接合部２７が形成されている。実施例７の燃料電池構成部材は、このような構成を具備する実施例２ないし実施例６と同様の効果を有している。

また、本実施例の燃料電池構成部材は、金属セパレータ１２、１３と金属多孔質部材１６、１９とが、当該金属多孔質部材１６、１９が圧縮された状態で接合されて該燃料電池構成部品を形成した。つまり、金属セパレータ１２、１３と金属多孔質部材間の接合を、金属多孔質部材１６、１９のそれぞれが、金属セパレータ１２、１３側へ圧縮荷重３５により圧縮された状態で実施した。圧縮荷重は金属多孔質部材の強度、弾性係数、圧力に対する接触抵抗から決定される。本実施例の組合せでは、一例として１MPaとした。本実施例では、金属セパレータに厚さ0.2mmのオーステナイト系ステンレス材を使用し、金属多孔質部材にはオーステナイト系ステンレス材の細線より形成したものを用いた。

本実施例によれば、金属セパレータ１２、１３と金属多孔質部材１６、１９との接合が圧縮された状態で実施されているため、金属セパレータ１２、１３と金属多孔質部材１６、１９間の接点が増す。このことによる接触抵抗低減の効果に加え、接合による接触抵抗低減の効果を、より確実に享受することができるため、発電効率を向上させることができる。

次に、実施例８に係る燃料電池構成部材を、図９を用いて説明する。図９は、実施例８に係る燃料電池構成部材を具備する燃料電池１０Ｇのガス流れ方向と対峙する面での断面を１セル分のみ示した図である。この図９に示した燃料電池１０Ｇにおいて、図１又は図３と同一の部材については同一の符号を付している。

図９に示した実施例８に係る燃料電池構成部材は、金属セパレータ１２、１３の端部近傍に、金属多孔質部材１６Ａ、１９Ａの側面１６ｂ、１９ｂに沿うように、凸部３０が形成されている。また、この実施例８では、金属セパレータ１２、１３と金属多孔質部材１６、１９間の接合は、凸部３０の壁面３１においてのみ行い、壁面３１上には接合部２８が形成されている。実施例８の燃料電池構成部材は、このような構成を具備する実施例２ないし実施例７と同様の効果を有している。

また、本実施例の燃料電池構成部材は、金属多孔質部材１６Ａ、１９Ａにおける、金属セパレータ１２、１３と主面１６ａ、１９ａで接する部分１６１、１９１の空孔率を、その他の部分１６２、１９２と比較して低くしたものである。本実施例では、一例として、空孔率が低い部分１６１、１９１の空孔率は０．２、空孔率が高い部分１６２、１９２の空孔率は０．９とした。金属多孔質部材１６Ａ、１９Ａは、空孔率が低い部分１６１、１９１が、金属セパレータ１２、１３の主面１４、１７及び壁面３１の少なくとも一面、より好ましくは全ての面に接するように形成されていることが好ましい。また、金属多孔質部材１６Ａ、１９Ａにおける空孔率が低い部分１６１、１９１と空孔率が高い部分１６２、１９２とは、一体的に形成されていてもよいし、個別に形成されていてもよい。

本実施例によれば、金属多孔質部材１６Ａ、１９Ａ、金属セパレータ１２、１３と接する主面１６ａ、１９ａ及びその近傍の部分１６１、１９１の空孔率が小さくなっているため、当該部分が空孔率の大きいものである金属多孔質部材を用いた場合に比べて、金属セパレータ１２、１３と金属多孔質部材１６Ａ、１９Ａ間の接点が増すことによる接触抵抗低減の効果に加え、接合による接触抵抗低減の効果を享受することができるため、発電効率を向上させることができる。

次に、実施例９に係る燃料電池構成部材を、図１０を用いて説明する。図１０は、実施例１０に係る燃料電池構成部材を具備する燃料電池１０Ｈのガス流れ方向と対峙する面での断面を１セル分のみ示した図である。この図１０に示した燃料電池１０Ｈにおいて、図１又は図３と同一の部材については同一の符号を付している。

図１０に示した実施例９に係る燃料電池構成部材は、金属セパレータ１２、１３の端部近傍に、金属多孔質部材１６Ｂ、１９Ｂの側面１６ｂ、１９ｂに沿うように、凸部３０が形成されている。また、この実施例９では、金属セパレータ１２、１３と金属多孔質部材１６、１９間の接合は、凸部３０の壁面３１においてのみ行い、壁面３１上には接合部２９が形成されている。実施例９の燃料電池構成部材は、このような構成を具備する実施例２ないし実施例８と同様の効果を有している。

金属セパレータ１２、１３の端部の凸部３０の形成は、例えば金属セパレータ１２、１３の素材であるステンレス板をプレス成形することにより行われる。そして、プレス成形された後の金属セパレータ１２、１３は、その端部の凸部３０の壁面３１が、主面１４、１７に対して所定の角度で傾斜する形状となっている。

そこで、本実施例の燃料電池構成部材は、金属多孔質部材１６Ｂ、１９Ｂの幅方向端部形状が、金属セパレータ１２、１３の凸部３０の壁面３１の、主面１４、１７に対する傾斜角度に合わせて隙間なく接する形状となっている。図１０に示した例では、金属多孔質部材１６Ｂ、１９Ｂは、それぞれ矩形断面を有する部材１６３、１９３と、当該部材１６３、１９３の側面に密着して配設され、壁面３１の主面１４、１７に対する傾斜角度に合わせた斜面を有する部材１６４、１９４との２つの部材からなる。なお、金属多孔質部材は、図１０に示した２つの部材からなる例に限られず、３つ以上の部材からなるものや、一体的に形成された一つの部材からなり、上述した所定の形状を有する部材であっても良い。

このように、金属多孔質部材１６Ｂ、１９Ｂの端部が金属セパレータ１２、１３の凸部３０の壁面３１が主面１４、１７に対して傾斜する傾斜角度に合わせた角度で予め形成されているため、金属セパレータの１２、１３は、凸部３０において金属多孔質部材１６Ｂ、１９Ｂとの接触が改善される。このことにより、接触抵抗低減の効果に加え、接合による接触抵抗低減の効果を享受することができるため、発電効率を向上させることができる。また、金属セパレータ１２、１３と、金属多孔質部材１６Ｂ、１９Ｂとを接合処理する際の接合作業性も向上させることができる。

以上、本発明の燃料電池構成部材を実施例に基づいて説明した。本発明においては、燃料電池のガス流路を兼ねていて、金属セパレータにはガス流路が形成されていない燃料電池構成部材を対象としている。したがって、金属セパレータにガス流路が形成されているような燃料電池構成部材とは、本質的な構成が異なる。図１１に、参考例として固体高分子形燃料電池４０の要部について、金属セパレータにガス流路が形成されている燃料電池構成部材を、ガス流れ方向と対峙するする面での断面を１セル分で示す。

図１１に示した固体高分子形燃料電池４０は、膜電極接合体１１と、この膜電極接合体１１の両側に設けたアノード金属セパレータ４２及びカソード金属セパレータ４３とを備えている。アノード金属セパレータ４２及びカソード金属セパレータ４３のそれぞれは、プレス成形等によって凹凸断面形状に成形されることにより、ガス流路４４及びガス流路４５が形成されている。また、アノード金属セパレータ４２と膜電極接合体１１との間、及びカソード金属セパレータ４３と膜電極接合体１１との間には、それぞれガス拡散層４５が配設されている。燃料電池に用いられる燃料ガス及び空気は、ガス流路４４及びガス流路４５を流れ、ガス拡散層４５を通して膜電極接合体１１に達する。

図１１に示した固体高分子形燃料電池４０は、アノード金属セパレータ４２及びカソード金属セパレータ４３にガス流路４４、４５が形成され、アノード金属セパレータ４２及びカソード金属セパレータ４３がガス拡散層４５の主面の全面にわたって接することはない。したがって、本発明に係る燃料電池用構成部材は、図１１に示した、ガス流路４４、４５が形成された燃料電池用構成部材を対象とはしていない。

本発明の実施例に係る燃料電池構成部材を具備する固体高分子形燃料電池を、反応ガスの流れ方向に沿う向きで示す模式的な断面図である。ステンレス材を使用した金属セパレータ及び金属多孔質部材の接触抵抗を、接合の有無の場合で示す図である。実施例に係る燃料電池構成部材を具備する燃料電池を、ガス流れ方向と対峙する面で示す模式的な断面図である。実施例に係る燃料電池構成部材を具備する燃料電池を、ガス流れ方向と対峙する面で示す模式的な断面図である。実施例に係る燃料電池構成部材を具備する燃料電池を、ガス流れ方向と対峙する面で示す模式的な断面図である。窒化層の拡大写真である。実施例に係る燃料電池構成部材を具備する燃料電池を、ガス流れ方向と対峙する面で示す模式的な断面図である。実施例に係る燃料電池構成部材を具備する燃料電池を、ガス流れ方向と対峙する面で示す模式的な断面図である。実施例に係る燃料電池構成部材を具備する燃料電池を、ガス流れ方向と対峙する面で示す模式的な断面図である。実施例に係る燃料電池構成部材を具備する燃料電池を、ガス流れ方向と対峙する面で示す模式的な断面図である。実施例に係る燃料電池構成部材を具備する燃料電池を、ガス流れ方向と対峙する面で示す模式的な断面図である。比較例のる燃料電池構成部材を具備する燃料電池を、ガス流れ方向と対峙する面で示す模式的な断面図である。

符号の説明

１０固体高分子形燃料電池
１２アノード金属セパレータ
１３カソード金属セパレータ
１６アノード金属多孔質部材
１６ａ主面
１９カソード金属多孔質部材
１９ａ主面

Claims

燃料電池のガス流路を兼ねる金属多孔質部材と、
この金属多孔質部材の主面の全面にわたって接する主面を有する金属セパレータと
を備え、この金属多孔質部材とこの金属セパレータとが接合されていることを特徴とする燃料電池構成部材。
前記金属セパレータは、前記金属多孔質部材の側面に沿う壁面を有する凸部が端部近傍に形成され、
前記金属多孔質部材と当該金属セパレータとは、前記金属セパレータの主面及び前記凸部の壁面の少なくとも一方の面で接合されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池構成部材。
前記金属多孔質部材と前記金属セパレータとは、前記金属セパレータの凸部の壁面のみで接合されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池構成部材。
前記金属セパレータは、前記金属多孔質部材の両側面に接する前記凸部をそれぞれ有し、
前記金属多孔質部材と当該金属セパレータとは、両凸部及び前記金属多孔質部材を含む断面における前記金属多孔質部材の幅方向に垂直な中心軸に対して対称の位置で接合されていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池構成部材。
前記金属多孔質部材と前記金属セパレータとは、前記金属多孔質部材の厚さ方向の中央部よりも金属セパレータ主面側で接合されていることを特徴とする請求項３又は４に記載の燃料電池構成部材。
前記金属多孔質部材と前記金属セパレータとは、前記金属セパレータ側から前記金属多孔質部材に向けてエネルギーを与えた溶接によって接合されてなることを特徴とする請求項２〜５のいずれか１項に記載の燃料電池構成部材。
前記金属多孔質部材と前記金属セパレータとは、前記金属多孔質部材が圧縮された状態で接合されてなることを特徴とする請求項２〜６のいずれか１項に記載の燃料電池構成部材。
前記金属多孔質部材は、前記金属セパレータと接する面及びその近傍の空孔率が他の部分の空孔率に比べ低いものであることを特徴とする請求項２〜７のいずれか１項に記載の燃料電池構成部材。
前記金属多孔質部材は、その幅方向端部形状が、前記金属セパレータ凸部壁面の、主面に対する傾斜角度に合わせて隙間なく接する形状であることを特徴とする請求項２〜８のいずれか１項に記載の燃料電池構成部材。
前記金属セパレータ及び前記金属多孔質部材の少なくとも一方は、両者の接する面に表面処理がされてなることを特徴とする請求項２〜９のいずれか１項に記載の燃料電池構成部材。