JPH09237633A

JPH09237633A - 燃料電池及びこれに使用するセパレータ

Info

Publication number: JPH09237633A
Application number: JP8041204A
Authority: JP
Inventors: Masanori Matsukawa; 政憲松川
Original assignee: Aisin Takaoka Co Ltd
Current assignee: Aisin Takaoka Co Ltd
Priority date: 1996-02-28
Filing date: 1996-02-28
Publication date: 1997-09-09
Anticipated expiration: 2016-02-28
Also published as: JP3523742B2

Abstract

(57)【要約】【課題】外部への放熱性を抑えるのに有利であり、結露
の抑制に貢献でき、発電むらの低減に有利な燃料電池及
びこれに使用するセパレータを提供すること。【解決手段】燃料電池において厚み方向に複数個積層さ
れた素子１は、正極及び負極を構成する一対の電極板１
０と、一対の電極板に挟持された電解質相１４とからな
る。セパレータ２は、セパレータ本体２０と、セパレー
タ本体２０の外縁部に保持された断熱部２２とで構成さ
れている。セパレータ本体２０は、電極板１０に接触し
電極板１０に対して集電機能をもつと共に、正極活物質
を含む酸化ガスが通る第１ガス通路３１と、負極活物質
を含む燃料ガスが通る第２ガス通路３２とを仕切るガス
分離機能をもつ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は燃料ガスを利用して
発電する燃料電池及びこれに使用するセパレータに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、水素ガス等の燃料ガスを活物質と
して用いて発電する燃料電池の開発が盛んに進められて
いる。燃料電池の基本原理を水素ガスを活物質として用
いた場合を例にとって説明する。図５に示す様に、正極
及び負極を構成する一対の電極板１００により、固定高
分子電解質２００が挟持されている。負極活物質となる
水素ガスが負極に供給され、正極活物質となる酸素を含
む空気が正極に供給される。

【０００３】負極では、Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-の反応が
生じ、水素が電子を放出して水素イオンとなると共に、
負極側の水素イオンは固定高分子電解質２００を移動し
て正極に向かうと共に、放出された電子が外部電気回路
を経て正極に移動する。これにより直流電気を発電する
機能が得られる。ところで燃料電池によれば、正極活物
質を含む酸化ガスが通る第１ガス通路３０１と、負極活
物質を含む燃料ガスとしての水素ガスが通る第２ガス通
路３０２とを仕切る必要がある。そのため上記した燃料
電池によれば、電極板１００に接触して使用され電極板
１００に対して集電機能をもつと共に、ガス分離機能を
もつセパレータ３００が採用されている。

【０００４】上記セパレータ３００は集電性を確保すべ
く、導電率が良好な緻密質カーボンやチタン系合金ある
いはステンレス鋼系の導電材料で形成されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】セパレータ３００を構
成する導電材料は導電率が良好であり、従って熱伝導率
も高いものである。ところで燃料電池の内部はジュール
等の影響で熱を帯びるため、燃料電池の内部は高温状態
となる。そのため上記した様に導電率が良好であるため
熱伝導率が高いセパレータ３００を介して、放熱が起こ
り易いものである。従って、燃料電池の内部と外縁部と
で温度差が大きくなる。故に、燃料ガスや空気に固体高
分子分解質２００の加湿用として含ませている水蒸気な
どの影響で、温度が低下する外縁部付近において結露が
生じる問題がある。結露が生じると、活物質となる燃料
ガスや空気の均一通過性が阻害され、素子の反応領域が
小さくなり、素子の特性が低下する。

【０００６】そのため、素子毎の結露量の多少により、
素子間に特性のバラツキが生じる等の問題が発生するた
め、燃料電池の性能確保の面では好ましくない。本発明
は上記した実情に鑑みなされたものであり、外部への放
熱性を抑えるのに有利であり、セパレータからの放熱に
起因した結露を抑制するのに貢献でき、発電むらの低減
に有利な燃料電池及びこれに使用するセパレータを提供
することを課題とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の燃料電池は、正
極及び負極を構成する一対の電極板と一対の電極板に挟
持された電解質相とからなり厚み方向に積層される複数
個の素子と、隣設する素子間に電極板に接触して配置さ
れ、電極板に対して集電機能をもつと共に、正極活物質
を含む酸化ガスが通る第１ガス通路と負極活物質を含む
燃料ガスが通る第２ガス通路とを仕切るガス分離機能と
をもつセパレータとを具備する燃料電池であって、セパ
レータは、電極板に接触すると共に導電材料で形成され
たセパレータ本体と、セパレータ本体の外縁部に一体に
保持された断熱材料で形成された断熱部とで構成されて
いることを特徴とするものである。

【０００８】本発明の燃料電池に使用するセパレータ
は、電極板に対して集電機能をもつと共に、正極活物質
を含む酸化ガスが通る第１ガス通路と負極活物質を含む
燃料ガスが通る第２ガス通路とを仕切るガス分離機能と
をもつセパレータであって、電極板に接触すると共に導
電材料で形成されたセパレータ本体と、セパレータ本体
の外縁部に一体に保持された断熱材料で形成された断熱
部とで構成されていることを特徴とするものである。

【０００９】請求項３に係るセパレータによれば、請求
項２において、セパレータ本体と断熱部との間には、空
気断熱層として機能する空気層が配置されていることを
特徴とするものである。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明に係る燃料電池によれば、
正極活物質を含む酸化ガスが通る第１ガス通路と、負極
活物質を含む燃料ガスが通る第２ガス通路とがセパレー
タで仕切られる。セパレータは、上記したガス分離機能
をもつと共に、更に電極板に対して電荷を集める集電機
能をもつ。

【００１１】セパレータとしては、電極板に接触される
と共に導電材料で形成されたセパレータ本体と、セパレ
ータ本体の外縁部に一体に保持された断熱材料で形成さ
れた断熱部とで構成されている。セパレータ本体を構成
する導電材料は、導電性が良好なる金属系や炭素系で形
成できる。断熱部を構成する断熱材料は、発泡体でも非
発泡体でも良く、具体的には樹脂等を採用できる。セパ
レータ本体と断熱部とを一体的にする手段としては、接
着剤による接着方式、溶着方式、インサート成形方式等
を採用できる。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の実施例を図１〜図３を参照し
て説明する。図１（Ａ）はセパレータ２を示し、図１
（Ｂ）は素子１を示す。図２は本実施例の燃料電池の要
部断面を示す。更に図３は要部構成の分解斜視図を示
す。図３のＡ−Ａ線矢視図が図２に対応するものであ
る。

【００１３】本実施例の燃料電池によれば、図１（Ｂ）
に示す様に燃料電池を構成する単電池を構成する素子１
は、正極及び負極を構成する一対の電極板１０と、一対
の電極板１０に挟持された電解質相１４とからなる。電
解質相１４はイオン伝導性をもつ固体電解質膜で形成さ
れている。図１（Ａ）に示す様に、本実施例を特徴づけ
るセパレータ２は、セパレータ本体２０と、セパレータ
本体２０の外縁部に一体に保持された断熱材料としての
樹脂で形成された断熱部２２とで構成されている。

【００１４】セパレータ本体２０の一面側は、負極とな
る電極板１０に接触する。またセパレータ本体２０の他
面側は、正極となる電極板１０に接触する。故にセパレ
ータ２のセパレータ本体２０は、電極板１０から電荷を
集める集電機能をもつ。更にセパレータ本体２０は集電
機能の他に、ガス分離機能をもつ。即ち図２から理解で
きる様に、正極活物質を含む酸化ガスつまり酸素を含む
空気が通る第１ガス通路３１と、負極活物質を含む燃料
ガスとしての水素ガスが通る第２ガス通路３２とを、セ
パレータ２の表裏で仕切っている。従ってセパレータ本
体２０はガス非透過性が高い材質で形成する必要があ
る。

【００１５】図１（Ａ）から理解できる様に、セパレー
タ本体２０にはこれの厚み方向に貫通する水素ガス入口
３４及び水素ガス出口３３が形成されている。図２から
理解できる様に、厚み方向に積層されて隣設されたセパ
レータ２同志によれば、隣設する水素ガス入口３４は互
いに対面しており、隣設する水素ガス出口３３も互いに
対面している。

【００１６】図１（Ａ）から理解できる様に、断熱部２
２は、セパレータ本体２０の外縁部を接合状態で挟持す
る第１断熱部２２ａ及び第２断熱部２２ｂとで構成され
ている。具体的には第１断熱部２２ａ及び第２断熱部２
２ｂを構成する樹脂としては、ポリカーボネイト、ポリ
アセタール、シリコーン、発泡ウレタン等を採用でき
る。第１断熱部２２ａ及び第２断熱部２２ｂは、接着剤
による接着方式、超音波振動による振動溶着方式で互い
に接合されている。

【００１７】図１（Ａ）から理解できる様に、セパレー
タ本体２０と断熱部２２との間には空気層２２ｋが形成
されている。空気層２２ｋは断熱部２２の内部に埋設さ
れている。空気層２２ｋは空気断熱層として機能できる
ため、セパレータ本体２０側の熱が外部に放熱されるこ
とを抑制するのに有利である。図２から理解できる様
に、セパレータ２はゴム製の第１シール材６１及び第２
シール６２で気密にシールされており、上記水素ガス等
の耐漏れ性が確保されている。

【００１８】図３に示す様にセパレータ２は角板状をな
し、水素ガス入口３４及び水素ガス出口３３の他に、空
気供給口７０及び空気排出口７１が形成されている。空
気供給口７０から供給された空気は、前記した第１ガス
通路３１を通過して空気排出口７１から排出される。更
にセパレータ２には、燃料電池内に冷却水を通水するた
めの冷却水入口７３及び冷却水出口７４が形成されてい
る。

【００１９】図３に示す様に、第１断熱部２２ａは角枠
状をなし、セパレータ２が対面する開口２２ｎをもつ。
第２断熱部２２ｂは角枠状をなし、セパレータ２が対面
する開口２２ｍをもつ。第１シール材６１は角枠状をな
し、セパレータ２が対面する開口６１ｎをもつ。第２シ
ール材６２は角枠状をなし、セパレータ２が対面する開
口６２ｎをもつ。図３に示す様に、ガス流出口４１は第
１通路形成部材４に形成されている。ガス流入口５１は
第２通路形成部材５に形成されている。

【００２０】図２に示す様に燃料電池の積層方向の外面
側には、樹脂製の電気絶縁板８０を介してプレッシャプ
レート８１（図２では積層方向の片側のみ図示）が装着
されている。プレッシャプレート８１は、燃料電池にお
ける積層方向の端部を構成する。図略のボルト部材が締
結されると、プレッシャプレート８１は燃料電池の内部
の各要素に密着力を与える。従って隣設する各断熱部２
２は、互いに密着する。これにより各セパレータ本体２
０は電極板１０に密着しており、電極板１０に対する密
接性ひいては集電性が確保される。燃料電池において積
層方向の最も外側のセパレータ２のセパレータ本体２０
は、電気を取り出す端子板Ｍａとされる。この端子板Ｍ
ａには、図略の電気取出外部端子が設けられている。な
おプレッシャプレート８１で密接された各断熱部２２
は、燃料電池の外郭を構成するハウジングとしても機能
できる。

【００２１】プレッシャプレート８１の供給口８１ｕか
ら、水素ガスが燃料電池内に供給される。図２から理解
できる様に、隣設する各水素ガス入口３４は互いに対面
しているため、燃料電池内で水素ガスは各素子１に分配
される。更に水素ガスは、ガス流入口５１を通過し、セ
パレータ本体２０で仕切られた第２ガス通路３２に流入
する。さらに水素ガスはガス流出口４１から水素ガス出
口３３側に流出される。図２から理解できる様に、隣設
する水素ガス出口３３は互いに対面しているため、水素
ガス出口３３を介して水素ガスは各素子１から流出され
る。

【００２２】この様な本実施例においても、従来技術と
して説明した様に、水素ガスが負極活物質として機能す
ると共に、酸素を含む空気が正極活物質として機能し、
発電が行われる。発電の際には燃料電池の内部が熱を帯
びる。以上説明した様に本実施例によれば、セパレータ
２は、ステンレス鋼等を基材とする導電材料で形成され
たセパレータ本体２０と、セパレータ本体２０の外縁部
に一体に保持された断熱材料で形成された断熱部２２と
で構成されている。

【００２３】そのため導電率が良好な導電材料でセパレ
ータ本体２０が形成されていても、セパレータ本体２０
の外縁部には断熱部２２が保持されているため、断熱部
２２の断熱作用により、セパレータ２に起因する外部へ
の放熱性が抑えられる。そのため燃料電池における温度
分布のバラツキが低減され、セパレータ２からの放熱に
起因する結露を抑制するのに有利である。従って燃料電
池における各素子間の特性のバラツキ低減に有利であ
る。

【００２４】殊に本実施例によれば、セパレータ本体２
０と断熱部２２との間には、空気断熱層として機能する
空気層２２ｋが配置されているため、外部への放熱性が
一層抑えられる。なお上記した例では、断熱部２２は、
第１断熱部２２ａと第２断熱部２２ｂとでセパレータ本
体２０の外縁部を挟持する様に一体的に接合することに
より構成されているが、これに限らず、図４に示す他の
例の様に、セパレータ本体２０の外縁部を包む様に断熱
部２２を一体成形で成形することもできる。

【００２５】

【発明の効果】本発明に係る燃料電池によれば、セパレ
ータは、導電材料で形成されたセパレータ本体と、セパ
レータ本体の外縁部に一体に保持された断熱材料で形成
された断熱部とで構成されている。そのためセパレータ
本体が導電率が良好な導電材料で形成されており集電性
が良好であっても、セパレータ本体の外縁部には断熱部
が配置されているため、断熱部の断熱作用により外部へ
の放熱性が抑えられる。そのため燃料電池における温度
分布のバラツキが低減される。故に、セパレータからの
放熱に起因する結露を抑制するのに有利ある。従って燃
料電池における発電むらの低減に有利である。

【００２６】本発明に係るセパレータによれば、前述同
様な効果が得られる。即ち、セパレータ本体が導電率が
良好な導電材料で形成されていても、セパレータ本体の
外縁部には断熱部が配置されているため、断熱部の断熱
作用により外部への放熱性が抑えられる。そのため燃料
電池における温度分布のバラツキが低減され、セパレー
タからの放熱に起因する結露を抑制するのに有利ある。
従って燃料電池における発電むらの低減に有利である。

【００２７】請求項３に係るセパレータによれば、セパ
レータ本体と断熱部との間には、空気断熱層として機能
する空気層が配置されているため、外部への放熱性が一
層抑えられ、温度分布の低減に一層有利である。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）はセパレータを示す構成図であり、
（Ｂ）は素子の構成図である。

【図２】燃料電池の要部構成を示す構成図である。

【図３】燃料電池の要部構成を示す分解斜視図である。

【図４】他の例に係るセパレータ本体と断熱部との境界
付近を示す構成図である。

【図５】従来技術に係る要部構成図である。

【符号の説明】

図中、１は素子、１０は電極板、１４は電解質相、２は
セパレータ、２０はセパレータ本体、２２は断熱部、２
２ａは第１断熱部、２２ｂは第２断熱部、２２ｋは空気
層、３１は第１ガス通路、３２は第２ガス通路を示す。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】正極及び負極を構成する一対の電極板と該
一対の電極板に挟持された電解質相とからなり厚み方向
に積層される複数個の素子と、隣設する該素子間に該電極板に接触して配置され、該電
極板に対して集電機能をもつと共に、正極活物質を含む
酸化ガスが通る第１ガス通路と負極活物質を含む燃料ガ
スが通る第２ガス通路とを仕切るガス分離機能とをもつ
セパレータとを具備する燃料電池であって、該セパレータは、該電極板に接触すると共に導電材料で形成されたセパレ
ータ本体と、該セパレータ本体の外縁部に一体に保持さ
れた断熱材料で形成された断熱部とで構成されているこ
とを特徴とする燃料電池。
【請求項２】電極板に対して集電機能をもつと共に、正
極活物質を含む酸化ガスが通る第１ガス通路と負極活物
質を含む燃料ガスが通る第２ガス通路とを仕切るガス分
離機能とをもつセパレータであって、該電極板に接触すると共に導電材料で形成されたセパレ
ータ本体と、該セパレータ本体の外縁部に一体に保持さ
れた断熱材料で形成された断熱部とで構成されているこ
とを特徴とする燃料電池に使用するセパレータ。
【請求項３】請求項２において、該セパレータ本体と該
断熱部との間には、空気断熱層として機能する空気層が
配置されていることを特徴とする燃料電池に使用するセ
パレータ。