(57)【要約】      （修正有）【課題】固体高分子形燃料電池のフラッディングの発生を未然に防止するとともに、加工工数を削減可能な燃料電池用セパレータを提供する。【解決手段】イオン交換膜６の両面に、白金触媒層５と、ガス拡散層４とともにセパレータ本体２を設けた燃料電池用セパレータであって、前記セパレータ本体２は、前記ガス拡散層４に対向する面に反応空間となる単一の凹部を形成し、当該凹部内に前記ガス拡散層４と電気的に接続する導電性部材３を配置した。【選択図】図１
2010212061.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン交換膜の両面に、触媒層と、ガス拡散層とともにセパレータ本体を設けた燃料電池用セパレータであって、
前記セパレータ本体は、前記ガス拡散層に対向する面に反応空間となる単一の凹部を形成し、当該凹部内に前記ガス拡散層と電気的に接続する導電性部材を配置したことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池用セパレータにおいて、
前記セパレータ本体は、一体に成形されていることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項３】
請求項１記載の燃料電池用セパレータにおいて、
前記セパレータ本体は、前記凹部に対応する開口を有する枠体と、当該枠体と同一外形の平板とを積層して構成したことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一項記載の燃料電池用セパレータにおいて、
前記セパレータ本体は、前記凹部に空気供給手段からの空気を供給するための供給口を備えることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項５】
請求項１記載の燃料電池用セパレータにおいて、
前記導電性部材は、ステンレス鋼製のばねであることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項６】
請求項１乃至５記載の燃料電池用セパレータにおいて、
前記セパレータ本体は、金属製であることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか一項記載の燃料電池用セパレータを備えることを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば固体高分子形燃料電池に使用される燃料電池用セパレータ及び燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、固体高分子形燃料電池では、その電池内部の反応により生成された水（以下、生成水という。）は、セパレータ内におけるガス流路部の閉塞や、氷点下状態での生成水の氷結による発電反応への弊害等の問題を引き起こす要因になっている。この問題に対して、生成水の発電反応への影響を低減するための手段について様々な発明が案出されているものの、いずれもセパレータ内にガス流路部が形成された構造のものである。
【０００３】
このようにセパレータ内にガス流路部が形成された発明としては、例えば特許文献１〜特許文献３に開示されたものがある。
【０００４】
すなわち、特許文献１に開示された発明は、セパレータのガス流路表面における水に対する接触角とガス接触表面における水に対する接触角を規定したものである。また、特許文献２に開示された発明は、電極に反応ガスを供給する複数のガス流路溝と、これらのガス流路溝間に設けられ電極に当接する凸部と、この凸部の電極との当接面に凸部の高さより小さい深さを有する浅溝と、をセパレータに設けたものである。さらに、特許文献３に開示された発明は、セパレータに溝からなるガス流路を設け、その溝の断面の形状を溝幅と溝深さにより規定したものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−３５１３３４号公報
【特許文献２】特開２００７−１１５５２５号公報
【特許文献３】特開２００７−１８８６４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述した特許文献１〜３に開示された従来の固体高分子形燃料電池に使用されるセパレータは、いずれもセパレータ内に溝形のガス流路部を形成したものである。したがって、このような構造では、生成水によりガス流路部の閉塞が始まり、さらに排水が適切に行われなくなると、カソード電極部において水溜まり現象（以下、フラッディングという。）が発生し、発電効率が低下するという問題が依然として残されている。
【０００７】
また、従来のセパレータは、多数の溝形のガス流路部を形成する必要があるため、加工工数が多くかかり、製造効率が著しく低いという問題があった。
【０００８】
本発明は、上記事情を考慮してなされたものであり、フラッディングの発生を未然に防止するとともに、加工工数を削減可能な燃料電池用セパレータ及び燃料電池を提供することを主たる課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、イオン交換膜の両面に、触媒層と、ガス拡散層とともにセパレータ本体を設けた燃料電池用セパレータであって、前記セパレータ本体は、前記ガス拡散層に対向する面に反応空間となる単一の凹部を形成し、当該凹部内に前記ガス拡散層と電気的に接続する導電性部材を配置したことを特徴とする。
【００１０】
請求項１に係る発明によれば、セパレータ本体のガス拡散層に対向する面に単一の凹部を形成し、この凹部内にガス拡散層と電気的に接続する導電性部材を配置したことにより、単一の凹部内において生成水が重力により落下して容易に排出されるため、フラッディングの発生を未然に防止し、生成水による発電低下の影響を受けることなく、発電を継続することができる。
【００１１】
また、請求項１に係る発明によれば、セパレータ本体に単一の凹部を形成しただけであるので、複数の溝形のガス流路部を形成することがなくなり、加工工数を削減し、製造効率を著しく高めることができる。
【００１２】
さらに、請求項１に係る発明によれば、反応空間となる凹部内には、導電性部材だけが配置されていることから、触媒層への接触面積が狭くなり、触媒層に対する水素や酸素の反応有効面積が増加するため、発電効率を高めることができる。
【００１３】
請求項２に係る発明は、請求項１記載の燃料電池用セパレータにおいて、前記セパレータ本体は、一体に成形されていることを特徴とする。
【００１４】
請求項２に係る発明によれば、セパレータ本体が一体に成形されているので、加工が容易になり、加工工数を削減することができる。
【００１５】
請求項３に係る発明は、請求項１記載の燃料電池用セパレータにおいて、前記セパレータ本体は、前記凹部に対応する開口を有する枠体と、当該枠体と同一外形の平板とを積層して構成したことを特徴とする。
【００１６】
請求項３に係る発明によれば、セパレータ本体は、凹部に対応する開口を有する枠体と、この枠体と同一外形の平板とを積層して構成したので、加工が一段と容易になり、加工工数を削減することができる。
【００１７】
請求項４に係る発明は、請求項１乃至３のいずれか一項記載の燃料電池用セパレータにおいて、前記セパレータ本体は、前記凹部に空気供給手段からの空気を供給するための供給口を備えることを特徴とする。
【００１８】
請求項４に係る発明によれば、凹部に供給口を通して空気供給手段からの空気を供給することにより、凹部内において生成水を重力と空気供給手段からの風力により強制的に落下させて即座に排出させるので、フラッディングの発生を一段と未然に防止することができる。
【００１９】
請求項５に係る発明は、請求項１記載の燃料電池用セパレータにおいて、前記導電性部材は、ステンレス鋼製のばねであることを特徴とする。
【００２０】
請求項５に係る発明によれば、導電性部材をステンレス鋼のばねで作製したので、水素脆性及び腐食による耐久性の低下を低減することができ、ばねの付勢力を用いてイオン交換膜の両面に触媒層およびガス拡散層を押し付けるので、スペーサとしての機能も発揮することができる。
【００２１】
請求項６に係る発明は、請求項１乃至５の燃料電池用セパレータにおいて、前記セパレータ本体は、金属製であることを特徴とする。
【００２２】
請求項６に係る発明によれば、セパレータ本体が金属製であるため、カーボン製のものと比べて電気伝導度が高く、機械的強度が高いことにより薄型化でき、また製造コストを低減できる。
【００２３】
請求項７に係る発明は、請求項１乃至６のいずれか一項記載の燃料電池用セパレータを備えることを特徴とする。
【００２４】
請求項７に係る発明によれば、請求項１乃至６のいずれか一項記載の燃料電池用セパレータを備えることで、フラッディングの発生を未然に防止するとともに、加工工数を削減することが可能となる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、セパレータ本体のガス拡散層に対向する面に単一の凹部を形成し、この凹部内にガス拡散層と電気的に接続する導電性部材を配置したことにより、フラッディングの発生を未然に防止するとともに、加工工数を削減して製造効率を著しく高めることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明に係る燃料電池の一実施形態を示す構成図である。
【図２】図１の燃料電池用セパレータにおけるカソード極側を示す正面図である。
【図３】図１の燃料電池用セパレータを示す概略斜視図である。
【図４】図１の燃料電池用セパレータの別の構成例を示す概略斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の最良の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００２８】
図１は本発明に係る燃料電池の一実施形態を示す構成図、図２は図１の燃料電池用セパレータにおけるカソード極側を示す正面図、図３は図１の燃料電池用セパレータを示す概略斜視図である。なお、以下に説明する実施形態は、燃料電池として例えば固体高分子形燃料電池に対して本発明を適用した場合の実施形態である。
【００２９】
本実施形態の燃料電池は、図１に示す単セル（単電池）１が複数集積されて構成されている。なお、以下の説明では、この単セル１を燃料電池とも呼ぶこともある。
【００３０】
単セル１は、セパレータ２と、導電性部材としてのコイルばね３と、ガス拡散層４と、カーボンを担持した白金触媒層５と、イオン交換膜としての高分子膜６と、水素反応空間７ａと、水素排出通路７ｂと、酸素反応空間８ａと、酸素排出通路８ｂと、を備える。図１において、紙面右側はアノード極側を示し、紙面左側はカソード極側を示している。単セル１には、空気供給手段としてのエアーコンプレッサ９からの圧力空気が供給される。
【００３１】
単セル１は、高分子膜６を挟んで、アノード電極とカソード電極が形成されている。アノード電極側及びカソード電極側の双方において、高分子膜６上には白金触媒層５が形成されており、この白金触媒層５上にガス拡散層４が形成されている。アノード極側のガス拡散層４上には水素反応空間７ａ及び水素排出通路７ｂが設けられており、カソード極側のガス拡散層４上には酸素反応空間８ａ及び酸素排出通路８ｂが設けられている。
【００３２】
アノード極側の水素反応空間７ａには、単セル１の外部から供給されるアノードガス（水素）が流通し、カソード極側の酸素反応空間８ａには、単セル１の外部から供給されるカソードガス（酸素）が流通する。また、アノード極側の水素排出通路７ｂにはアノード極から排出されるガスが流通し、カソード極側の酸素排出通路８ｂにはカソード極から排出されるガスが流通する。
【００３３】
セパレータ２は、図２及び図３に示すように矩形の箱状に金属により一体に形成されている。セパレータ２は、周縁部に沿って矩形の周壁部２１が形成されることにより、その内側が単一の凹部２２となる。この凹部２２の内面は平坦に形成され、この凹部２２内が水素と酸素との反応空間となる。また、セパレータ２は、弱酸性を示す高分子膜６に対しての耐食性も備えている。そして、セパレータ２は、外部の負荷１０に電気的に接続されている。
【００３４】
さらに、セパレータ２は、単セル１を積層する場合にセル同士を隔離し、且つ酸素と水素を隔離する機能を備えているとともに、隣り合うセル間の電気的コネクタとして良好な導電性を有している。セパレータ２は、例えば水素や酸素の空気を供給するための供給口２３が上部に、反応により生成した生成水及び酸素等の空気を排出する排出口２４が下部にそれぞれ形成されている。また、セパレータ２の周壁部２１の開口面は、ガスケット１１を用いて密着していることで、水素反応空間７ａ及び酸素反応空間８ａをそれぞれ密閉空間としている。このガスケット１１は、セパレータ２の供給口２３及び排出口２４とそれぞれ連通する連通孔１１ａ，１１ｂが形成されている。
【００３５】
コイルばね３は、セパレータ２の凹部２２に一定間隔をおいて複数（本実施形態では９個）並設されている。コイルばね３は、ステンレス鋼製であり、水素と酸素の反応により発生された電子を導通するために導電性を有するとともに、付勢力により高分子膜６に白金触媒層５及びガス拡散層４を押し付けるためのスペーサとしての機能を兼ね備えている。
【００３６】
ガス拡散層４は、白金触媒層５上に形成されており、高分子膜６上にガスを均一に拡散させるための層であり、多孔質性材料により構成される。また、ガス拡散層３は、導電性と共に撥水性も有している。
【００３７】
白金触媒層５は、高分子膜６の表面上に形成されている層であり、供給されたガス（水素ガス等）をイオン化させる役割を担う。高分子膜６は、水素イオンのみを透過させる固体高分子膜等にて構成される。
【００３８】
次に、単セル１内の水素及び酸素の流れについて説明する。
【００３９】
まず、一般の固体高分子形燃料電池と同様に、高分子膜６を挟んでアノード極側から水素を、カソード極側から空気を、それぞれ外部からセパレータ２の供給口２３を通して供給する。
【００４０】
アノード極側の水素反応空間７ａを流通する水素（Ｈ２）は、ガス拡散層４にて拡散されながら白金触媒層５に到達する。そして、白金触媒層５の触媒作用により励起され、水素イオン（２Ｈ＋）と電子（２ｅ−）の状態になる。このうち水素イオン（２Ｈ＋）だけが高分子膜６を通り、電子（２ｅ−）は複数のコイルばね３を通って外部の負荷１０を経てカソード極側へと移動する。このとき、取り込まれなかった水素ガスは、水素排出通路７ｂを経て水素供給元へ戻され、再利用される。
【００４１】
一方、カソード極側の酸素反応空間８ａを流通する酸素は、ガス拡散層４にて拡散されながら白金触媒層５に到達する。そして、カソード極側の白金触媒層５では、上記のようにして移動してきた電子（２ｅ−）と、アノード極側より高分子膜６中を透過してきた水素イオン（２Ｈ＋）と、外部から供給された空気中の酸素（Ｏ２）と、が化学的に結合することで、水（Ｈ２Ｏ）が生成（生成水）される。この一連の反応により発電が行われる。なお、生成水は、図１及び図２にＷとして示している。
【００４２】
次に、本実施形態の作用及び効果について説明する。
【００４３】
一般の固体高分子形燃料電池に使用されているセパレータは、そのセパレータに多数の溝形のガス流路部が形成されているため、燃料電池内部で反応が進行すると、この流路部内に生成水が溜まり始め、その結果ガスの通過を阻害するため、発電低下の要因になっている。
【００４４】
これに対し、本実施形態では、セパレータに多数の溝形のガス流路部を形成することなく、セパレータ２にガス拡散層４に対向する面に反応空間となる単一の凹部２２を形成したことにより、凹部２２内において生成水が重力により落下して容易に排出されるため、フラッディングの発生を未然に防止し、生成水による発電低下の影響を受けることなく、発電を継続することができる。また、本実施形態によれば、セパレータ２に単一の凹部２２を形成しただけであるので、複数の溝形のガス流路部を形成することがなくなり、加工工数を削減し、製造効率を著しく高めることができる。さらに、セパレータ２は、凹部２２にエアーコンプレッサ９からの空気を供給するための供給口２３を備え、凹部２２にエアーコンプレッサ９からの空気を供給することにより、凹部２２内において生成水を風力により強制的に落下させて排出させるので、フラッディングの発生を一段と未然に防止することができる。
【００４５】
本実施形態によれば、反応空間となる凹部２２内には、導電性のコイルばね３だけが配置されているので、白金触媒層５への接触面積が小さくなり、白金触媒層５に対する水素や酸素の反応有効面積が増加するため、発電効率を高めることができる。また、コイルばね３は、ステンレス鋼製であるので、水素脆性及び腐食による耐久性の低下を低減することができ、ばねの付勢力を用いて高分子膜６の両面に白金触媒層５及びガス拡散層４を押し付けるので、スペーサとしての機能も発揮することができる。
【００４６】
さらに、本実施形態によれば、セパレータ２が一体に成形されているので、加工が容易になり、加工工数を削減することができる。そして、セパレータ２が金属製であるので、カーボン製のものと比べて電気伝導度が高く、機械的強度が高いことにより薄型化でき、また製造コストを低減できる。
【００４７】
（セパレータの別の構成例）
図４は図１の燃料電池用セパレータの別の構成例を示す概略斜視図である。なお、前記実施形態と同一又は対応する部分には、同一の符号を用いて異なる構成のみを説明する。
【００４８】
図４に示すように、本変形例のセパレータ１２は、前記実施形態の凹部２２に対応する開口を１３ａが形成された矩形状の枠体１３と、この枠体１３と同一外形の金属により成形された矩形状の平板１４を積層して構成している。
【００４９】
このように本変形例では、枠体１３と平板１４を積層して構成したことにより、枠体１３と平板１４だけを成形するだけで済むので、加工が一段と容易になり、加工工数を削減することができる。
【００５０】
なお、本変形例においては、枠体１３をガスケットにより形成することにより、加工がさらに一段と容易になり、加工工数を削減することができる。
【００５１】
また、本発明は、上記実施形態及び変形例に限定することなく、種々の変更が可能である。例えば、上記実施形態及び変形例では、セパレータ２、１２を金属により成形するようにしたが、これに限らず従来のカーボン等により成形するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００５２】
１…単セル
２…セパレータ
３…コイルばね
４…ガス拡散層
５…白金触媒層
６…高分子膜
７ａ…水素反応空間
７ｂ…水素排出通路
８ａ…酸素反応空間
８ｂ…酸素排出通路
９…エアーコンプレッサ
１０…負荷
１１…ガスケット
１２…セパレータ
１３…矩形枠
１４…矩形平板
２１…周壁部
２２…凹部
２３…供給口
２４…排出口
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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