(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン導電体である電解質を挟む２つのガス拡散層と、
ガス拡散層の一方に接して燃料ガスを供給するためのガス流路を形成したセパレータと、
ガス拡散層の他方に接して酸化剤を供給するためのガス流路を形成したセパレータと
を備える燃料電池において、
前記セパレータを導電性材料および樹脂を主成分として構成すると共に、このセパレータに起因する不純物であって電池の酸化反応で生成される水蒸気またはその水蒸気が冷却されて生じる凝縮水に溶け出てくる不純物を浄化する不純物浄化手段を燃料電池内部に備え、
前記不純物浄化手段は、少なくとも一方のガス拡散層と接する側であって前記ガス流路を形成しているセパレータ壁面に分散して前記不純物を吸着する吸着媒体である
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記吸着媒体は、多孔質を有するカーボン、セラミック、樹脂またはこれらの複合体の粉末であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記導電性材料は、黒鉛粉、カーボンブラックまたは金属紛の少なくとも一つを用いた材料であり、この導電性材料と樹脂とを主成分として成形によってセパレータを形成することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記導電性材料は、グラファイト板であり、このグラファイト板に機械加工でガス流路を形成した後に樹脂を含浸させてセパレータを形成することを特徴とする請求項１から３までのいずれか一つに記載の燃料電池。
【請求項５】
前記不純物の成分を予め知り得る場合に、その不純物の成分に合わせて前記吸着媒体の成分を調整することを特徴とする請求項１から４までのいずれか一つに記載の燃料電池。
【請求項６】
前記不純物浄化手段をガス流路の一部に備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記不純物浄化手段は、多孔質を有するカーボン、セラミック、樹脂またはこれらの複合体を用いて粉末状、チューブ状またはシート状に形成した吸着媒体であって、この吸着媒体により前記不純物を吸着させることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記不純物がイオンまたは化合物を含む場合に、前記不純物浄化手段はこのイオンまたは化合物を選択的に吸着させる手段であることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池、特に固体高分子型燃料電池の構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池から排出されてくる水を電池の加湿に再利用するため、燃料電池の外部に脱脂装置を設けて燃料電池から排出されてくる水の不純物を取り去るようにしたものがある（特開２０００−３３１７０３号公報参照）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、固体高分子型燃料電池では、電解質膜が酸性を呈しているためにガス拡散層（電極）やガス拡散層へのガス流路が形成（穿設）されるセパレータは耐酸性を有していなければならない。また、後述する（２）式のようにカソード側で水が発生することや、一般的に燃料電池の運転の際にカソード側（カソードに限らず燃料電池に供給されるガス）を外部から加湿することがあることから、ガス拡散層やセパレータは高温の環境で水と反応することがないように耐加水分解性を有し、さらに発電温度に耐えられる耐熱性も保持していなければならない。このような主に３つの要求を満足するために、種々の金属を加工してガス流路を形成した後に表面に金をはじめとした貴金属でメッキするか特殊な塗料でコーティングすることによりセパレータを製作していた。
【０００４】
しかしながら、こうした金属を用いたセパレータの製作方法ではコストが高くなるので、近年は、黒鉛粉と樹脂を主成分とした材料をプレス成形してセパレータを得ることにより、安価で上記耐酸性、耐加水分解性及び耐熱性の各機能性をも有したセパレータが出現してきている。
【０００５】
こうした、黒鉛紛と樹脂とを主成分とした材料を成形して得られるセパレータを用いて実際に発電を行ってみると、徐々に電解質膜の性能が低下したり着色されることが判明している。その原因を調べてみると、燃料電池から排出される水蒸気の一部が冷やされてできる６０〜８０℃の凝縮水に含まれる不純物が原因であることが分かってきている。ここでいう不純物は水溶性のものと不溶性ではあるが融点が低い（８０℃以下）ために溶け出てくるものとに大きく分類され、具体的には後述するように、黒鉛自体に含まれていた炭素以外の化合物や、セパレータの成型時に用いられる離型剤もしくは硬化剤、改質剤に由来する化合物、さらに、未反応の樹脂モノマー（重合が不十分で分子単体で存在する樹脂成分のこと）等のことである。
【０００６】
このような不純物を含んだ水がガス拡散層に接した場合には不純物がガス拡散層の孔をふさいだり表面に付着し、また不純物を含んだ水が電解質膜に接した場合に不純物が電解質膜に付着した後に熱硬化したりすることにより、ガス拡散層や電解質膜を汚染し、これによって発電性能が低下する。
【０００７】
同様に燃料電池に供給するガスに対して外部から加湿する場合にも、ガスがセパレータのガス流路を通過する際に、一部凝縮した水がセパレータからの不純物を溶け出させることがあると、同様な問題が生じる。
【０００８】
しかしながら、従来装置のように、燃料電池の外に脱脂装置を設けただけでは、このような不純物によるガス拡散層や電解質膜の汚染を阻止することができない。
【０００９】
そこで本発明は、セパレータを導電性材料および樹脂を主成分として構成するとともに、このセパレータに起因する不純物であって電池の酸化反応で生成される水蒸気またはその水蒸気が冷却されて生じる凝縮水に溶け出てくる不純物を浄化する不純物浄化手段を燃料電池内部に備えさせることにより、コストの低減と発電性能の低下防止との両立を図ることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、イオン導電体である電解質を挟む２つのガス拡散層と、ガス拡散層の一方に接して燃料ガスを供給するためのガス流路を形成したセパレータと、ガス拡散層の他方に接して酸化剤を供給するためのガス流路を形成したセパレータとを備える燃料電池において、前記セパレータを導電性材料および樹脂を主成分として構成すると共に、このセパレータに起因する不純物であって電池の酸化反応で生成される水蒸気またはその水蒸気が冷却されて生じる凝縮水に前記ガス拡散層と接する側より溶け出てくる不純物を浄化する不純物浄化手段を燃料電池内部に備え、前記不純物浄化手段は、少なくとも一方のガス拡散層と接する側であって前記ガス流路を形成しているセパレータ壁面に分散して前記不純物を吸着する吸着媒体である。
【００１１】
【発明の効果】
導電性材料および樹脂を主成分とするセパレータの場合には、燃料電池内部で生成される水蒸気や凝縮水に、ガス拡散層と接する側より溶け出てくる不純物がガス拡散層や電解質膜を汚染し、発電効率を低下させるのであるが、第１の発明によれば、その不純物を燃料電池内部においてセパレータのガス拡散層側のガス流路を形成している壁面に分散させた吸着媒体に吸着させて浄化するようにしたので、導電性材料および樹脂を主成分とする低コストのセパレータを用いる場合であっても発電効率を低下させることがなく、かつ不純物が燃料電池の外部に排出されることをも抑制することができる。
【００１２】
また、カソードやアノード（ガス拡散層）の少なくとも一方を外部から公知の手段で加湿する場合に特に第１の発明は有効である。
【００１３】
また、外部からの加湿なしにカソード側で発生した水の一部を電解質膜を介してアノード側に逆浸透させて発電する際には、逆浸透させる水が不純物を含んでいないことが必須の要件となるが、第１の発明によればこの要件を満たすことができるため、導電性材料および樹脂を主成分とする低コストのセパレータを用いる場合であっても外部からの加湿なしにカソード側で発生した水の一部を電解質膜を介してアノード側に逆浸透させての発電を行わせることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１５】
図１は固体高分子型燃料電池１の断面図、図２は図１の分解図、図３はセパレータのガス流路面を示す正面図である。
【００１６】
図１、図２において３０μｍ程度の極く薄い高分子電解質膜２を挟んで両側に３００μｍ程度の厚さを有するガス拡散層（電極）３、４が、さらにその外側に１ｍｍ程度の薄板状のセパレータ５、６がそれぞれ配置され、これらが積層されて１セルを構成している。
【００１７】
一方のガス拡散層（カソード）３に酸化剤（通常は空気）を、他方のガス拡散層（アノード）４に燃料ガス（通常は水素もしくは水素含有成分）を供給するため、各セパレータ５、６のガス拡散層側の側面５ａ、６ａにそれぞれガス通路５ｂ、６ｂが形成されている。
【００１８】
これについて説明すると、例えば図３に示すように、ガス拡散層３と接する側のセパレータ５のガス拡散層３側の側面には、中央部１２を残してその周囲に一定幅の平面状周縁部１１が確保され、中央部１２においては周縁部１１と同一平面にある細長い部位１３〜２０を除いた残りの部位が全て穿設され、図で右上から左、左から右、右から左、…、へと折り返す溝２１、２２、２３が形成されている。すなわち、周縁部１１と中央部１２との境界を１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄとすれば、右方の境界１２ａより左方の境界１２ｂまでの長さ、一定幅及び一定深さを有する横溝２１が平面状部位１３〜２０の間隔をおいて９個形成されると共に、上より数えて１番目と２番目、３番目と４番目、５番目と６番目、７番目と８番目の隣り合う２つの横溝２１が左方の境界１２ｂに沿って横溝２１と同じ幅、同じ深さで穿設される４個の短い連絡溝２２により、また上より数えて２番目と３番目、４番目と５番目、６番目と７番目、８番目と９番目の隣り合う２つの横溝２１が右方の境界１２ａに沿って横溝２１と同じ幅、同じ深さで穿設される４個の短い連絡溝２３によりそれぞれ連通されている。
【００１９】
このようにセパレータ５のガス拡散層３側の側面の中央部１２全体にわたって溝２１、２２、２３が形成されると、これらの溝とガス拡散層３との間に図１にも示したように空間が画成されることになり、この空間によりガス通路５ｂが形成される。
【００２０】
また、図３において最も上に位置する横溝２１の最右端に、積層される全てのセルを貫通する空気入口２５が、これに対して最も下に位置する横溝２１の最左端に同じく全てのセルを貫通する空気出口２６が設けてある。
【００２１】
右上に位置する空気入口２５には一定圧の空気が図示しないエアポンプにより供給されるため、空気は空気入口２５より最も上に位置する横溝２１をまず左方に向けて流れ、左端に達すると折り返して今度は上から２番目の横溝２１を右方に向けて流れ、右端に達すると再び上から３番目の横溝２１を左方に向けて流れるというように、図で左右方向に往復しながら左下に位置する空気出口２６に達する。
【００２２】
もう一つのセパレータ６のガス拡散層４側の側面に形成されるガス通路６ｂも、図３に示すセパレータ５のガス通路５ｂと同様に形成されている。
【００２３】
一方のガス通路６ｂを介してガス拡散層４に供給されたＨ2（水素ガス）はガス拡散層４で触媒により活性化され、電子と水素イオン（プロトン）とに分解される。これを化学式で表すと、
アノード側：Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-…（１）
である。
【００２４】
（１）式の水素イオンは、水素イオンのみが透過できる高分子電解質膜２を通って、反対側のガス拡散層３に移動する。一方、（１）式の電子は図示しない外部回路を通って電気的な仕事をしたのち反対側のガス拡散層３に到達する。
【００２５】
ガス拡散層３にはガス通路５ｂを介して空気が供給されるが、この空気中の酸素が、電解質膜２を通過してきた水素イオンおよび電子と反応してＨ2Ｏ（水）に還元される。化学式で表すと
カソード側：（１／２）Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ…（２）
である。
【００２６】
この場合、ガス通路５ｂ、６ｂは２つのセパレータ５、６のガス拡散層側の側面５ａ、６ａの中央部全体に形成されているので、上記（１）、（２）の反応が電解質膜２とガス拡散層３、４のほぼ全体で効率良く起こることになる。ただし、上記の（２）式に利用される酸素は空気中の酸素の一部だけなので、利用しない残りの空気は空気出口２６より外部に排出される。同様にして利用されなかった燃料ガスもセパレータ６に設けた燃料出口（図示しない）より外部に排出されてくる。
【００２７】
各セパレータ５、６のガス拡散層と反対側の側面５ｃ、６ｃにそれぞれ水通路５ｄ、６ｄ（ウォータジャケット）が形成されている。これは作動中の燃料電池内部を冷却する冷却水を循環させるためのものである。
【００２８】
水通路５ｄ、６ｄを流れる冷却水と、ガス通路５ｂ、６ｂを流れる空気、燃料ガスが外部に漏れないようにシールするためのガスケット（シリコーンゴム、フッ素ゴム、エラストマー）７、８、９、１０がセパレータ５、６の周縁部に設けた溝に収納されている。
【００２９】
このように構成される固体高分子型燃料電池１では、電解質膜２が酸性を呈しているためにセパレータ５、６は耐酸性を有していなければならない。また、上記（２）式のようにカソード側で水が発生するため高温の環境で水と反応することがないように耐加水分解性を有し、さらに発電温度に耐えられる耐熱性も保持していなければならない。
【００３０】
これらの要求を満たすと共に安価としたセパレータを得るため本発明では、上記のセパレータ５、６を、熱硬化性もしくは熱可塑性樹脂をバインダーとし、黒鉛粉末を導電材料として成形するのであるが、このような樹脂及び導電材料とを主成分とするセパレータ５、６からの不純物が電解質膜２やガス拡散層３、４を汚染して発電効率が低下しないように、吸着媒体をセパレータ５、６のガス拡散層側の表面（詳細にはガス拡散層側のガス流路５ｂ、６ｂを形成する壁面）に分散させ、この吸着媒体に不純物を吸着させることにより不純物を浄化する。
【００３１】
ここで、本発明におけるセパレータ５、６に起因する不純物とは、大きくは化合物とイオンである。詳細には、黒鉛由来の酸化金属や炭酸塩、硫酸塩といった塩類および硫黄化合物であり、成形後のセパレータからは、樹脂モノマーもしくは重合不足のもの、または樹脂分解生成物なども含まれる。さらに添加剤として離型剤（炭化水素系、脂肪族系、脂肪族アミド系、エステル系、アルコール系、金属石鹸、シリコーンなどの各単体もしくはこれらの複合系）や物性や加工性向上を目的とした各種改質剤も含まれる。
【００３２】
ただし、セパレータ５、６からの化合物やイオンは永久的に溶け出てくるものではなく、主にセパレータ５、６の表面および表面層に存在する化合物やイオンだけが水に溶け出てくることがわかっている。したがって、セパレータ５、６の仕様と成形方法とが決まれば、事前にセパレータ５、６からの化合物やイオンの溶出量（セパレータ５、６に起因する不純物量）を把握することができる。
【００３３】
そこで、本発明で用いる吸着媒体の種類、粒径および量は、ガス拡散層３、４の材質、気孔率および厚み、さらにはセパレータ５、６単体から水もしくは作動温度の水に溶出する化合物やイオンの量によって総合的に決定する。通常用いられるガス拡散層３、４の厚さはアノード側、カソード側ともに２００〜３５０μｍ程度であることから、吸着媒体の粒径は５０μｍ以下、好ましくは１０μｍ以下が望ましい。吸着媒体の素材としては、カーボン、セラミック、樹脂の単一物かこれらが複数組み合わさったものが良い。
【００３４】
吸着媒体をセパレータ５、６のガス拡散層側の表面（詳細にはガス拡散層側のガス流路を形成する壁面）に分散させる方法は特に限定するものでない。
【００３５】
ここで、本実施形態の作用を説明する。
【００３６】
黒鉛粉（導電性材料）および樹脂を主成分とするセパレータ５、６の場合には、燃料電池内部で生成される水蒸気や凝縮水に溶け出てくる不純物がガス拡散層３、４や電解質膜２を汚染し発電効率を低下させるのであるが、本実施形態によれば、その不純物を燃料電池内部においてセパレータ５、６のガス拡散層側の表面（詳細にはガス拡散層側のガス流路を形成する壁面）に分散させた吸着媒体に吸着させて浄化するようにしたので、黒鉛粉および樹脂を主成分とする低コストのセパレータを用いる場合であっても発電効率を低下させることがなく、かつ不純物が燃料電池の外部に排出されることをも抑制することができる。
【００３７】
また、ガス拡散層３、４の少なくとも一方を外部から公知の手段で加湿する場合に特に本実施形態は有効である。
【００３８】
また、外部からの加湿なしにカソード側（ガス拡散層３側）で発生した水の一部を電解質膜２を介してアノード側（ガス拡散層４側）に逆浸透させて発電する際には、逆浸透させる水が不純物を含んでいないことが必須の要件となるが、本実施形態によればこの要件を満たすことができるため、コストの安い導電性材料および樹脂を主成分とする成形セパレータを用いる場合であっても、外部からの加湿なしにカソード側で発生した水の一部を電解質膜２を介してアノード側に逆浸透させての発電を行わせることができる。
【００３９】
また、不純物（化合物やイオン）の成分を予め知り得る場合（ある成分が溶け出やすいまたはある成分は溶け出ることはない、といったこと）には、吸着媒体の成分（カーボン、セラミック、樹脂）を不純物の成分に合わせて調整すればよい。例えば離型剤を用いずに成形されたセパレータであれば、離型剤に由来する化合物が溶け出る可能性はないので、この化合物を吸着する目的で添加される吸着成分を省略して吸着媒体を構成する。これにより、不必要な吸着成分を省略できるだけでなく、他の不純物の吸着に特化した構成とすることができるので、他の不純物の吸着効率を高めてより大きな効果を得ることができる。
【００４０】
また、ガスケット７、８にエラストマーを用いた場合、凝縮水に溶け出た離型剤がガスケット７、８の弾性を劣化させる可能性があるが、本実施形態によればこのようなことも避けることができる。
【００５２】
実施形態では、図３で前述したように１個のガス流路が往復するように形成されている場合で説明したが、ガス流路の形成方法はこれに限られるものでない。例えば、ガス流路の圧損低減のため、図４（ａ）に示したようにガス流路が入口３１（空気入口または水素入口）より横方向に走る一本の流路３３と、この流路３３から分岐する複数の流路３４と、下方において出口３２（空気出口または水素出口）より横方向に走る１本の集約流路３５とから構成されるものについても本発明の適用がある。
【００５３】
この場合には、ガス流路の底面に粉末の吸着媒体を分散させるよりもイオン交換膜や多孔質の樹脂膜やチューブを流路の底面もしくは壁面に設置することが好ましい。また、集約流路３５に不純物を吸着することのできる上記のイオン交換膜のような不純物浄化手段を設けることもできる。
【００５４】
また、図４（ｂ）の示ように複数（図では３本）のガス流路が往復するように形成されている場合にも本発明の適用がある。
【００５５】
実施形態では、セパレータ５、６を、熱硬化性もしくは熱可塑性樹脂をバインダーとし、黒鉛粉末を導電材料として成形している場合で説明したが、これに限られるものでなく、導電材料は黒鉛粉末、カーボンブラックまたは金属粉末の少なくとも一成分であればよい。
【００５６】
本発明におけるセパレータは、樹脂と黒鉛粉もしくは金属粉を主成分とした材料を射出成形、圧縮成形、押出し成形、その他公知のいずれの方法を用いて成形したものでも良い。またグラファイト板に機械加工でガス流路を形成した後に、樹脂含浸させガス透過性を改善させたセパレータも含まれる。
【００５７】
実施例２では、セパレータ５の空気出口２６のある横溝２１にこの横溝２１と同じサイズにカットした電解質膜（イオン交換膜）を接着した場合で説明したが、これに代えて、セパレータ５の空気出口２６のある横溝２１に多孔質を有するカーボン、セラミック、樹脂またはこれらの複合体を用いて粉末状、チューブ状またはシート状に形成した吸着媒体を設置し、この吸着媒体により不純物を吸着することにより不純物を浄化するようにしてもかまわない。
【図面の簡単な説明】
【図１】固体高分子型燃料電池の断面図。
【図２】図１の分解図。
【図３】セパレータの正面図。
【図４】他の実施形態のセパレータに形成されるガス流路の構成図。
【符号の説明】
１  燃料電池
２  電解質膜
３、４  ガス拡散層（電極）
５、６  セパレータ
５ｂ、６ｂ  ガス流路
【図１】
0003693021.tif 000002
【図２】
0003693021.tif 000003
【図３】
0003693021.tif 000004
【図４】
0003693021.tif 000005