(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子イオン交換薄膜１ａの両側に多孔質電極層１ｂを配置して薄膜電極接合体１を構成し、
該薄膜電極接合体１の両側には多孔質電極層１ｂの外表面に接してガスが通過する複数の溝で構成した流路２を有する導電性のセパレータ３を配置し、
該セパレータ３には前記流路２の端に連通するガス供給口４と、前記流路２の他端に連通するガス排出口５とを設け、
片側のセパレータ３のガス供給口４には燃料ガス、他側のセパレータ３のガス供給口４には酸化剤ガスを供給すると共に、
前記流路２内の燃料ガス及び酸化剤ガスは高分子イオン交換薄膜１ａ及び多孔質電極層１ｂを挾んで位置し、
両側の導電性のセパレータ３間に直流電力を発生する固体高分子電解質型燃料電池において、
前記セパレータ３は前記流路２を構成した流路プレート３ａと、該流路プレート３ａを覆う基板３ｂとによって構成し、
前記流路プレート３ａは基板３ｂより小さく形成し、その流路プレート３ａはプレスの打ち抜き加工によって周囲に平面部を残してその内側にスリット状の長孔２ａを複数あけて前記流路２の溝を形成し、
前記薄膜電極接合体１と前記セパレータ３を構成する基板３ｂとは同じ外形状に構成しており、
前記基板３ｂの薄膜電極接合体１側には流路プレート３ａの外形と同じ形状の凹部８が構成されてその流路プレート３ａがはめ込まれ、
前記流路プレート３ａに接する基板３ｂの前記凹部８内の端には、前記流路２の複数のスリット状の長孔２ａの片側の全部の端に連通する流体供給路６と、他側の全部の端に連通する流体排出路７とが深く彫り込んで設けられており、
前記セパレータ３のガス供給口４は流体供給路６に連通し、かつ、ガス排出口５は流体排出路７に連通して、前記基板３ｂの外周部が前記薄膜電極接合体１と密着していることを特徴とする燃料電池のセパレータ構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は発電効率を向上して、安価で容易に製造できる固体高分子電解質型燃料電池セパレータの構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子電解質型燃料電池は薄膜電極接合体の両面にセパレータを対向配置しており、一方のセパレータには燃料ガスが供給されてアノード電極を形成し、他方のセパレータには酸化剤ガスが供給されてカソード電極を形成し、該セパレータをプラスまたはマイナス出力電極とする一組のセルを構成している。
【０００３】
即ち、燃料ガスや酸化剤ガスはセパレータのガス供給口から流体供給路を経て複数の溝で構成した流路に送られ、該流路を通過したガスは流体排出路を経てセパレータのガス排出口から排出される。ガスが流れる流路は薄膜電極接合体を構成する多孔質電極層と接しており、該多孔質電極層には触媒が付着されて燃料ガスの通過側がアノード電極を形成している。燃料である水素ガスが流路に流れると、流路に接したアノード電極上で水素がイオン化され、発生した水素イオンは高分子イオン交換薄膜を通過して、酸化剤である酸素ガスが流れる他方の流路と接しているカソード電極側に移動する。
【０００４】
水素がイオン化した時の電子はアノード側のセパレータからカソード側のセパレータに外部回路を経由して流れ、カソード電極側に移動した水素イオンは酸化剤である酸素と外部回路から流れて来た電子と反応して水が生成される。このように外部回路を経由してセパレータ間を電子が流れるから、セパレータはプラスまたはマイナス出力電極として機能しており、両電極間を流れる電子を直流電気エネルギーとして利用することができる。
【０００５】
また、アノード電極でイオン化できなかった水素ガスや、カソード電極側で水素イオンと反応できなかった酸素ガスや、反応した水素イオンによって生成された水は、流体排出路を経てガス排出口からセル外へ排出される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
セパレータはガスが通過する複数の溝で構成した流路と、流路にガスを通過させる為のガス供給口・流体供給路・流体排出路・ガス排出口を備えており、従来のセパレータは導電性を持つ人造黒鉛等の炭素質の材料をプレート状に仕上げ、このプレートを切削加工することで上記の各部を一体に構成している。そして、このセパレータの黒鉛質の材料は硬度があるので、切削加工によって溝や各流路を製造する時に非常に時間かかり、工具を破損する恐れがある。また、黒鉛質の材料は脆性があってもろくて欠け易いから、特に細かい流路を形成することは難しく、製造コストがかかってしまうものであった。
【０００７】
また、黒鉛質の材料は通気性がある為に燃料ガスや酸化剤ガスの漏れが生じる恐れがあるから、セパレータはピッチや樹脂等で含浸処理を施して不浸透性黒鉛とする必要がある。この気密性を高める含浸処理は複数回行なわなければ黒鉛の通気性を止めることができず、セパレータを大量生産する為には黒鉛は不向きであり、製造原価が高くなってしまっていた。
【０００８】
一方、黒鉛質の材料に替わって金属板材をプレス加工してセパレータを形成する方法があり、金属板材を用いることによって金属材料の切削加工に比べて加工時間が大幅に短縮できる特徴がある。しかし、複数の溝で構成される流路やこの流路の周囲に形成する流体供給路や流体排出路を一緒に形成する為には非常に複雑な金型が必要になり、加工時に板材が複雑に引っ張られて破断が生じたり、流路を構成する溝のコーナ部がダレやすく、また、プレス加工後の板材の全体にひずみを起こす恐れがあり、正確な形状に仕上がりにくい問題点がある。
【０００９】
このように従来の黒鉛を使ったり、金属を使ったセパレータでは、流路として要求される精度の溝を形成することが難しく歩止まりが悪いために高価格になってしまうものであり、また、精度が劣った為にセパレータの流路の溝以外の表面と薄膜電極接合体との密着が確実に行われない時には、流路を流れるガスの圧力によって薄膜電極接合体にたわみが生じたり、溝幅が広がって発電効率の低下を招く恐れがある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明は上記の課題を解決する為のもので、
高分子イオン交換薄膜１ａの両側に多孔質電極層１ｂを配置して薄膜電極接合体１を構成し、該薄膜電極接合体１の両側には多孔質電極層１ｂの外表面に接してガスが通過する複数の溝で構成した流路２を有する導電性のセパレータ３を配置し、該セパレータ３には前記流路２の端に連通するガス供給口４と、前記流路２の他端に連通するガス排出口５とを設け、片側のセパレータ３のガス供給口４には燃料ガス、他側のセパレータ３のガス供給口４には酸化剤ガスを供給すると共に、前記流路２内の燃料ガス及び酸化剤ガスは高分子イオン交換薄膜１ａ及び多孔質電極層１ｂを挾んで位置し、両側の導電性のセパレータ３間に直流電力を発生する固体高分子電解質型燃料電池において、前記セパレータ３は前記流路２を構成した流路プレート３ａと、該流路プレート３ａを覆う基板３ｂとによって構成し、前記流路プレート３ａは基板３ｂより小さく形成し、その流路プレート３ａはプレスの打ち抜き加工によって周囲に平面部を残してその内側にスリット状の長孔２ａを複数あけて前記流路２の溝を形成し、前記薄膜電極接合体１と前記セパレータ３を構成する基板３ｂとは同じ外形状に構成しており、前記基板３ｂの薄膜電極接合体１側には流路プレート３ａの外形と同じ形状の凹部８が構成されてその流路プレート３ａがはめ込まれ、前記流路プレート３ａに接する基板３ｂの前記凹部８内の端には、前記流路２の複数のスリット状の長孔２ａの片側の全部の端に連通する流体供給路６と、他側の全部の端に連通する流体排出路７とが深く彫り込んで設けられており、前記セパレータ３のガス供給口４は流体供給路６に連通し、かつ、ガス排出口５は流体排出路７に連通して、前記基板３ｂの外周部が前記薄膜電極接合体１と密着している構成としたものである。
【００１３】
【作用】
この発明では複数の溝で形成される流路２を基板３ｂとは別部材の流路プレート３ａに、プレスの打ち抜き加工によってスリット状の長孔２ａを複数あけて流路２の溝を構成しており、流路プレート３ａは高精度が要求されても充分対応でき、セパレータ３に要求される精度の溝を持つ流路２が容易に形成できるものとなり、期待した発電効率を得ることができる。
【００１４】
また、流路プレート３ａの全面にはプレスの打ち抜き加工によって複数のスリット状の長孔２ａをあけて流路２を設け、この流路プレート３ａは基板３ｂの凹部８にはめ込まれる構成としたから、基板３ｂ側には凹部８とガス供給口４とガス排出口５と流体供給路６と流体排出路７といった作り易い部分が配置でき、前記セパレータ３は流路プレート３ａの簡単なはめ込み作業で構成できるようになった。
【００１５】
また、流路プレート３ａの流路２を構成する溝を複数のスリット状の長孔２ａで構成しており、この長孔２ａはプレス加工によって簡単に高精度が出せるから、セパレータ３の作り易さが更に向上した。
【００１６】
【実施例】
実施例を示す図によってこの発明を説明すると、１は燃料電池の主要部を構成する薄膜電極接合体、１ａはスルホン酸基を有するフッソ樹脂系のイオン交換膜による高分子イオン交換薄膜、１ｂは高分子イオン交換薄膜１ａと接する面に白金等の触媒を付着させたカーボンで形成する多孔質電極層であり、薄膜電極接合体１は高分子イオン交換薄膜１ａの両側に多孔質電極層１ｂを挟み合わせることによって構成されている。
【００１７】
３は多孔質電極層１ｂに燃料ガスや酸化剤ガスを供給するセパレータ、２はセパレータの多孔質電極層１ｂに接した面に設けたガスが通過する流路であり、該流路２は多数の細かい溝によって構成され、セパレータ３の流路２と薄膜電極接合体１の多孔質電極層１ｂとが密接するように、２枚のセパレータ３が薄膜電極接合体１の両側から挟み込んでいる。
【００１８】
４は複数の溝で構成した流路２の端に連通して燃料ガスや酸化剤ガスを流路２に供給するガス供給口、５は流路２の他端に連通して流路２を通過した燃料ガスや酸化剤ガスなどをを外部に排出するガス排出口であり、該ガス供給口４やガス排出口５はセパレータ３に形成してある。
【００１９】
薄膜電極接合体１を介して対向する夫々のセパレータ３には燃料ガスと酸化剤ガスが供給されており、燃料ガスが供給される側の触媒が付着された多孔質電極層１ｂがアノード電極となり、酸化剤ガスが供給される側の触媒が付着された多孔質電極層１ｂがカソード電極となっている。そして、セパレータ３も金属材料や人造黒鉛等の炭素材料などで作られて導電性があるから、アノード電極の電位やカソード電極の電位とは同電位となり、薄膜電極接合体１をセパレータ３が挟着した状態で一つの発電セルを構成し、このセルをいくつか重ね合せることで燃料電池として所定の電圧を得ることができる。
【００２０】
燃料ガスや酸化剤ガスはあらかじめ図示しない加湿装置によって加湿され、ガス供給口４から流路２を構成する溝に流れ込む。流路２に送られた燃料ガス中の水素は触媒を付着した多孔質電極層１ｂの上で水素イオン化され、この水素イオンは高分子イオン交換薄膜１ａを通過して反対側の多孔質電極層１ｂ側に移動する。
【００２１】
９は燃料ガスが供給されるアノード側のセパレータ３と、酸化剤ガスが供給されるカソード側のセパレータ３との間に接続した外部回路であり、水素ガスがイオン化した時に発生した電子はアノード側のセパレータ３から酸化剤ガスが供給されるカソード側のセパレータ３に外部回路９を経由して流れてくるから、カソード側の多孔質電極層１ｂによって水素イオンは酸化剤ガス中の酸素と外部回路９を経由して流れてきた電子とが反応して水を生成し、この反応は継続して行なわれるから外部回路９に直流が流れ続け、この時得られた電流を取出すことで直流電気エネルギとして利用することができる。
【００２２】
また、燃料ガス中のイオン化できなかった水素ガスや、水素イオンと反応できなかった酸化剤ガスや、反応の結果生成した水はセパレータ３のガス排出口５から外部に排出される。
【００２３】
上記のセパレータ３を構成する材料は導電性を持つ人造黒鉛の炭素材料の黒鉛質材や金属材料で構成されており、切削加工やプレス加工によって所定の形状に仕上げることが一般的であった。
【００２４】
この中で黒鉛質材を用いる時には切削加工によって作られるが、黒鉛は硬度や脆性などの特性により加工が難しく、加工中に材料の欠けや、工具の破損が起こりやすい為、特に切削加工で流路２の溝を形成することは難しく時間がかかるものであった。また、黒鉛質材は通気性がある為に燃料ガスや酸化剤ガスの漏れが生じる恐れがあるから、ピッチや樹脂等で含浸処理を施して不浸透性黒鉛とする必要があり、含浸処理は複数回行なわなければならず、手間がかかるものであった。
【００２５】
一方、金属材料を用いてセパレータ３を製作する時には切削加工も可能であるが金属板材を使う時にはプレス加工が可能であり、プレス加工は切削加工よりも短時間で安価に製造できる特徴がある。しかし、一枚のセパレータ３をプレス加工によって、反応が行なわれる流路２や、流路２に燃料ガス・酸化剤ガスを供給する構造を作るには複雑な金型が必要で、プレス加工時に基板３ｂの素材が複雑に引っ張られて全体にひずみが生じやすくなる問題点がある。
【００２６】
更に、流路２を構成する溝のコーナ部にはプレス加工時にダレや破断が生じることがあり、この時は要求される精度の溝幅や山部の平面形状に仕上がらないから、流路２を流れるガスの圧力で薄膜電極接合体１にたわみが生じたり、期待した発電効率を得られないものであった。
【００２７】
上記のように一体成形によってセパレータ３を構成する従来のものでは、寸法精度の高い流路２を形成することは難しく、加工時のばらつきが生じやすい為に生産効率が低下し、製造コストの上昇につながっていた。また、精度の高い流路２を形成する為には溝の幅や深さが必要となり、燃料電池を高出力化しようとするとセパレータ３の大きさや厚さが増して大型化してしまうから、燃料電池の高出力化と小型化の両立を実現することは難しかった。
【００２８】
この発明は製造時における変形や破損の起こりにくい簡単な構造による製造が容易で精密な溝を持つセパレータ３を提供するものであり、ガス供給口４などの部分と最も加工精度が要求される流路２の部分とを二つの別部品に分けてセパレータ３を構成するもので、３ａは片面に複数の溝を設けて流路２を形成した金属板材による流路プレート、３ｂは流路プレート３ａの外側に位置して流路プレート３ａの外表面を覆う基板である。
【００２９】
６は流路プレート３ａの複数の溝で構成した流路２の片側の全部の端に連通する流体供給路、７は流路プレート３に構成した流路２の他側の全部の端に連通する流体排出路であり、該流体供給路６は基板３ｂに設けたガス供給口４に連通し、流体排出路７は基板３ｂに設けたガス排出口５に連通している。この為、ガス供給口４から流入する燃料ガスや酸化剤ガスは、基板３ｂとは別に設けた流路プレート３ａの流路２に流体供給路６を介して供給しており、使用されなかった燃料ガスや酸化剤ガスと反応して生成した水は、流路プレート３ａの流路２から流体排出路７を介して基板３ｂに設けたガス排出口５から外部に排出される。
【００３０】
上記のようにセパレータ３を流路プレート３ａと基板３ｂとで構成するこの発明では、基板３ｂに加工精度が要求される流路２を設ける必要がなく、ガス供給口４・ガス排出口５と流体供給路６・流体排出路７を設けるだけで良いから金属板材のプレス加工を行なってもひずみが起こりにくく、容易に形成できるようになり、セパレータ３としての機能を優先することができた。
【００３３】
また、流路プレート３ａの大きさを流路２の部分に一致させて、小さくした流路プレート３ａを補う為に、流路２を構成する流路プレート３ａの外周に流路プレート３ａと同じ厚さの平板状の流路プレート枠体を配置して、流路プレート３ａの流路２の端と流路プレート枠体との間に流体供給路６や流体排出路７を形成し、薄膜電極接合体１と基板３ｂとの間に挾み込む実施例が考えられる。この構成では、精密な溝を持つ流路２が簡単に構成できるものの、新たに流路プレート枠体が必要で部品点数を増加させており、加工精度の点では大きく向上できたが、生産性の面や製造コストの低減といった点ではまだ改善の余地がある。
【００３４】
図４から図６に示す実施例は部品点数を減らすことができたもので、８はセパレータ３の基板３ｂの薄膜電極接合体１側に設けた流路プレート３ａがはめ込まれる凹部であり、該流路プレート３ａの大きさを流路２の部分に一致させることによって、流路プレート３ａの全面に流路２を構成する溝が形成され、前記流路プレート３ａを基板３ｂの凹部８にはめ込んだ時に、その凹部８内には流路プレート３ａの両端の流路２の溝が連通する流体供給路６と流体排出路７とが形成される。
【００３５】
この時、流路プレート３ａは凹部８にはめ込むだけの簡単な手段での取付けが可能であり、セパレータ３と薄膜電極接合体１のシール部分は従来と同じ構造であり、シール加工を要する部分がなく、部品の追加は流路プレート３ａだけであるから従来の組立工程を大きく変更することもないから製造工程が容易になり、製造コストの低減が実現できた。
【００３６】
一方、金属板材のプレス加工として打ち抜き加工があり、周囲に平面部を残す打ち抜き加工の方が周囲のひずみが少なくなる傾向にある。図４の実施例において、２ａは流路プレート３ａに設けた複数のスリット状の長孔であり、該長孔２ａによって流路２を構成する溝を形成している。そして、流路プレート３ａに接する基板３ｂにはスリット状の長孔２ａの両側の端に当たる部分に流体供給路６及び流体排出路７が深く彫り込まれて形成され、セパレータ３のガス供給口４とガス排出口５はこの流体供給路６及び流体排出路７に連通している。
【００３７】
プレスの打ち抜き加工の場合は流路プレート３ａに発生するひずみを抑えることができるから、流路プレート３ａの大きさは基板３ｂと同じ大きさでも、基板３ｂより小さくして流路プレート３ａをはめ込む凹部８を基板３ｂに形成しても良い。凹部８に流路プレート３ａをはめ込む時には前記流体供給路６及び流体排出路７はこの凹部８に彫り込むことによって形成される。
【００３８】
このように流路プレート３ａに打ち抜き加工でスリット状の長孔２ａをあけ、基板３ｂが流路プレート３ａの片側に密着して流路２が完成した時には、長孔２ａの縁部のコーナが打ち抜きによって正確に形成できるから、流路２の寸法が正確に仕上がるものである。この時、流路２の大きさは流路プレート３ａの厚みで決まるから、薄い材料で流路プレート３ａを形成すれば、セパレータ３の厚みも薄くすることができ、燃料電池の小型化が実現できる。
【００３９】
また、セパレータ３の材料に金属を使う時には、材料となり得る金属は燃料ガスである水素ガスよりもイオン化傾向が大きいために、多孔質電極層１ｂ上で水素がイオン化するよりも先に金属製のセパレータ３がイオン化して高出力が得られない問題点や、金属材料の水素脆性による劣化の問題があり、これらを防ぐために貴金属による表面処理が必要になる。
【００４０】
この発明では長孔２ａを設けた流路プレート３ａを凹部８にはめ込む時には、セパレータ３を構成する基板３ｂは導電性材料で構成し、長孔２ａを設けた流路プレート３ａはセラミックなどの否導電材料で構成することができ、水素ガスがイオン化する多孔質電極層１ｂ付近には金属材料が露出していないから、金属製のセパレータ３が直接イオン化しにくくなり、基板３ｂの表面処理を厳重にしなくともよくなるものである。
【００４１】
【発明の効果】
以上のようにこの発明では、流路２を構成する流路プレート３ａと流路プレート３ａの外側を覆う基板３ｂによってセパレータ３を構成し、該セパレータ３は加工する時にひずみや破断が発生しにくい形状としたものである。即ち、流路２を形成する金属板材の流路プレート３ａはプレス加工であっても要求される精度の溝幅を持つ流路２が容易に形成でき、加工時間が短縮できて生産性を向上するものである。また、加工後の流路プレート３ａの寸法のばらつきが少なく、短時間で安価に正確に製造できるものとなった。
【００４２】
また、セパレータ３は基板３ｂと基板３ｂよりも小さい流路プレート３ａとで構成し、基板３ｂの凹部８に流路プレート３ａをはめ込む構成であるから、従来のセパレータ３の取付構造とほとんど同じで製造工程の変更もなく、簡単に製造できるから、生産性が向上して製造コストの低減が実現できた。
【００４３】
また、流路プレート３ａを持つ構成であっても凹部８によって基板３ａの外周が直接薄膜電極接合体１に密着する構造であるから、組立てられたセパレータ３自体の構造は従来のものとほとんど同じであり、シールを行なう所も従来と同じ基板３ｂと薄膜電極接合体１であり、シール加工をする個所を増加する必要がなくなった。
【００４４】
また、凹部８にはめ込まれる流路プレート３ａの全面に溝で構成する流路２を設けたから、流路プレート３ａを金属板材のプレス加工によって形成しても溝にはダレや破断が起こりにくく、ひずみもが起こりにくい構造になり、最も高精度が要求される流路プレート３ａが簡単に安価に製造できるようになった。
【００４５】
また、流路プレート３ａに複数の長孔２ａを設けて流路２を構成すれば、流路プレート３ａを薄くしても高精度で高密度の流路２を提供でき、セパレータ３の薄型化が可能となるから、燃料電池本体の小型化と高出力化を両立させることが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料電池セルの実施例を示すセパレータの分解斜視図である。
【図２】図１に示すセパレータを備える燃料電池セルの断面図である。
【図３】図２に対応した燃料電池セルの分解斜視図である。
【図４】この発明の実施例を示すセパレータの分解斜視図である。
【図５】図４に示すセパレータを備える燃料電池セルの断面図である。
【図６】図５に対応した燃料電池セルの分解斜視図である。
【図７】従来例を示すセパレータの分解斜視図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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