(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子膜をガス拡散電極で狭持した電池セルをその両面に配したセパレータを介して順次積層することにより構成した燃料電池において、
前記固体高分子膜を挟んで対峙するガス拡散電極とセパレータの少なくとも一つの積層面に互いに吸着力が生じるように磁化された磁化領域を形成し、
前記磁化領域内で積層時にかかる吸着力による面圧力が小さい前記磁化領域部分は、他の部分に比べて磁束密度を高くする、
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記ガス拡散電極に前記磁化領域を形成した請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
固体高分子膜をガス拡散電極で狭持した電池セルをその両面に配したセパレータを介して順次積層することにより構成した燃料電池において、
前記固体高分子膜を挟んで対峙するガス拡散電極とセパレータの積層面に互いに吸着力が生じるように、前記ガス拡散電極と前記セパレータとに磁化された磁化領域を形成した、
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
前記磁化領域は、磁性体層を形成あるいは磁性体粒子を分散させることにより形成する請求項１から３のいずれか一つに記載の燃料電池。
【請求項５】
前記セパレータに前記磁化領域を形成した請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記ガス拡散電極の外側面にガス漏れを防ぐためのガスシール層を形成し、前記ガスシール層に前記磁化領域を形成した請求項１から５のいずれか一つに記載の燃料電池。
【請求項７】
前記ガスシール層に形成した前記磁化領域の周囲を磁化されていない領域で囲むことで電気的な絶縁を確保した請求項６に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記セパレータの前記ガス拡散電極に対峙する面に、水素含有ガスまたは酸素含有ガスをそれぞれの極に供給するガス流路を設け、
前記ガス流路の底面と、前記ガス拡散電極の前記ガス流路に対峙する部分に前記磁化領域を形成した請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項９】
前記セパレータおよび前記ガス拡散電極の対峙する領域全体に前記磁化領域を形成した請求項１または２に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、燃料電池、特に複数のセルを積層してなる固体高分子形燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池の最小単位である単セルは、図１に示すように固体高分子膜５を燃料極と空気極が挟み込む形となっている。それぞれの極は、セパレータ１、ガス拡散層３であるクロスまたはペーパーと、ガス拡散層３または固体高分子膜５に塗布された電極触媒層４、外部へのガス漏れを防ぐためのガスシール層２から構成されている。
【０００３】
燃料電池は、上記のような単セルを数十から数百層に積層して電池スタックを組み立てて使用される。スタック組立時には、ボルトにより単セルあたり１００〜１０００ｋＰａ（１〜１０ｋｇｆ／ｃｍ2）程度の締め付け力で周囲を締め付ける。このとき、セル面に対してかかる圧力の分布が不均一であるとたわみや変形が生じ、特に、セル面中央部で密着性が悪くなる。密着性が不十分であると、接触電気抵抗（以下、接触抵抗）が増大してスタックの内部抵抗が大きくなるので、結果として端子電圧が低下してしまう。また、密着の悪い場所ではセル間の伝熱が効率よく行われなくなり、結果として温度分布が不均一になり電池性能が低下する。このため、接触抵抗を低減させるべく構成部材間にかかる面圧が均一になるようにするための種々の提案がなされている。
【０００４】
特開２００１−９３５６４号公報のものでは、万力等を用いてセル面の周辺部から中心部にいくに従って強くなるようにセル積層方向に沿った押し圧力をかけて、接触抵抗の均一的低減をめざしている。
【０００５】
特開平６−３６７８４号公報のものでは、ガス拡散層の表面は多孔質であるので、セパレータとの接触面積が小さいことから、セパレータとガス拡散層の接触抵抗を低減させるため、電子導電性物質層を形成させ、接触面積を増して接触抵抗を低減することを試みている。
【０００６】
特開２００１−２１６９７７号公報のものでは、セパレータ材としてゴムを主成分として黒鉛を混ぜたものを使用している。このセパレータ材は弾力性があるので、セル積層時にボルト締めをしたときに、面圧をボルト締めした箇所の周辺に分散させることができ、各セル間相互にかかる面圧を改善しようとするものである。
【０００７】
特開２０００−２７７１３３号公報のものでは、カーボン粒子をフェライト系ステンレス鋼セパレータ表面に島状に分布させることにより、耐酸性を確保しながら接触抵抗を低減しようとしている。
【０００８】
【発明が解決しようとしている問題点】
上記のような様々な対策を施すとともに、スタックの組立には、周囲をボルト締めするなどして圧力をかける必要がある。このとき接触抵抗を低減するために強く圧力をかけてしまうと、セパレータの材質・厚さによっては材料が破損したり、変形したりしてしまうことがある。変形によりセパレータ１とガス拡散層３の間に隙間ができ、結果として接触抵抗が増大してしまう。
【０００９】
本発明では、以上の問題に鑑みてなされたものであって、周囲をそれほど強い力で締め付けることなく、セパレータ、ガス拡散層、ガスシール層といったセル構成部材間を互いに密着させることにより接触抵抗を低減する燃料電池を提供することを目的とする。
【００１０】
【問題を解決するための手段】
第１の発明は、固体高分子膜をガス拡散電極で狭持した電池セルをその両面に配したセパレータを介して順次積層することにより構成した燃料電池において、前記固体高分子膜を挟んで対峙するガス拡散電極とセパレータの少なくとも一つの積層面に互いに吸着力が生じるように磁化された磁化領域を形成した。さらに、前記磁化領域内で積層時にかかる吸着力による面圧力が小さい前記磁化領域部分は、他の部分に比べて磁束密度を高くした。
第２の発明は、第１の発明において、前記ガス拡散電極に前記磁化領域を形成した。
第３の発明は、固体高分子膜をガス拡散電極で狭持した電池セルをその両面に配したセパレータを介して順次積層することにより構成した燃料電池において、前記固体高分子膜を挟んで対峙するガス拡散電極とセパレータの積層面に互いに吸着力が生じるように、前記ガス拡散電極と前記セパレータとに磁化された磁化領域を形成した。
【００１１】
第４の発明は、第１から３のいずれか一つの発明において、前記磁化領域は、磁性体層を形成あるいは磁性体粒子を分散させることにより形成する。
【００１２】
第５の発明は、第１または２の発明において、前記セパレータに前記磁化領域を形成した。
【００１４】
第６の発明は、第１から５のいずれか一つの発明において、前記ガス拡散電極の外側面にガス漏れを防ぐためのガスシール層を形成し、前記ガスシール層に前記磁化領域を形成した。
【００１５】
第７の発明は、第６の発明において、前記ガスシール層に形成した前記磁化領域の周囲を磁化されていない領域で囲むことで電気的な絶縁を確保した。
【００１６】
第８の発明は、第１または２の発明において、前記セパレータの前記ガス拡散電極に対峙する面に、水素含有ガスまたは酸素含有ガスをそれぞれの極に供給するガス流路を設け、前記ガス流路の底面と、前記ガス拡散電極の前記ガス流路に対峙する部分に前記磁化領域を形成した。
【００１７】
第９の発明は、第１または２の発明において、前記セパレータおよび前記ガス拡散電極の対峙する領域全体に前記磁化領域を形成した。
【００１９】
【作用及び効果】
第１の発明によれば、ガス拡散電極とセパレータの少なくとも一つの積層面に互いに吸着力が生じるように磁化された磁化領域を形成することで、積層面の密着性が向上することができるので、燃料電池の接触抵抗を低減することができる。さらに磁化領域内で積層時にかかる吸着力による面圧力が小さい磁化領域部分は、他の部分に比べて磁束密度を高くすることで、面圧力の小さい部分の引力を増大することができ、密着性を均等化することができる。
第２の発明によれば、ガス拡散電極に磁化領域を形成することで、磁化領域間に引力を生じさせて密着性を向上することができる。
第３の発明によれば、ガス拡散電極とセパレータの積層面に互いに吸着力が生じるようにガス拡散電極とセパレータとに磁化された磁化領域を形成することで、磁化領域間に引力を生じさせ、積層面の密着性が向上することによって燃料電池の接触抵抗を低減することができる。
【００２０】
第４の発明によれば、磁性体層を形成あるいは磁性体粒子を分散させることにより形成することで、磁化領域を形成することができる。
【００２１】
第５の発明によれば、セパレータに磁化領域を形成することで、セパレータ間に引力を生じさせることができ、セパレータに狭持されている固体高分子膜及びガス拡散電極の密着性を向上することができるので、燃料電池の接触抵抗を低減することができる。
【００２２】
第６の発明によれば、ガスシール層に磁化領域を形成することで、磁化領域間に引力を生じさせて密着性を向上することができる。
【００２３】
第７の発明によれば、ガスシール層に形成した前記磁化領域の周囲を磁化されていない領域で囲むことで電気的な絶縁を確保することで、電位差を生じた電極間がシール層を通して短絡することにより発生するリーク電流を防ぐことができる
【００２４】
第８の発明によれば、ガス流路の底面と、ガス拡散電極のガス流路に対峙する部分に磁化領域を形成することで、磁化領域以外を電子が通ることができ、一般に電気抵抗の高い磁性体材料の部分を電子が伝導することによる抵抗損失を抑えることができる。
【００２５】
第９の発明によれば、セパレータとガス拡散電極の対峙する領域全体に磁化領域を形成することで、セパレータとガス拡散電極を近接した磁化領域間の磁力により導電性を維持したまま密着させることができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
第１の実施形態の燃料電池に用いるセルの構造を図２に示す。図２においては、セパレータ１１とガス拡散層１３との境界がわかり易いように隙間を設けているが、実際にはセパレータ１１とガス拡散層１３は接触している。
【００２８】
固体高分子膜１５を水素極２１および空気極２２により狭持して単位セルを形成する。それぞれの極は、固体高分子膜１５側から電極触媒層１４、ガス拡散層１３、セパレータ１１を積層することにより構成される。セパレータ１１のガス拡散層１３に対峙する面には、水素含有ガスである燃料ガスまたは酸素含有ガスである空気を供給するためのガス流路１６を形成する。また、ガス拡散層１３および電極触媒層１４の外周をガスシール層１２によりシールして、ガス流路１６に供給されたガスが外部に漏れるのを防ぐ。
【００２９】
このような構成の単セルを複数積層して積層体を形成し、周囲をボルト２０により締め付けることによりそれぞれの積層面を密着させて接触抵抗を低減する。密着性を向上させるためにこの締め付け力を大きくすると、積層体の耐久性や積層面の変形による密着度の低下等の問題が生じる。そこで本実施形態では、セパレータ１１ａ、１１ｂに、互いの間に引力が働くように磁極を設定した磁性体を配置する。図２においては、セパレータ１１ａの下面がＮ極に、セパレータ１１ｂの上面がＳ極になるように磁性体を配置することにより引力を生じさせて、セパレータ１１ａ、１１ｂ、およびその間のガス拡散層１３、電極触媒層１４、固体高分子膜１５の積層面の密着性を向上する。同様に、ガス拡散層１３にも磁性体を配置する。また、セパレータ１１とガス拡散層１３との間にも引力が働くように、対峙する面の極性がＳ極とＮ極となるようにすることで、セパレータ１１とガス拡散層１３との密着性を向上することができる。
【００３０】
上記のような吸着力を生じさせるために以下のような構成にし、ボルト２０の締め付け力が小さくても密着性の高い積層体を提供する。
【００３１】
セパレータ１１の材料としては、耐酸性の優れたカーボン材を用いる。セパレータ１１に磁化領域としての磁性体層１７を形成する。ここでは、ガス拡散層１３に対峙する面に形成した複数のガス流路１６の底面に永久磁石から成る磁性体層１７ａを、また、セパレータ１１の積層面の外側面に沿って磁性体層１７ｂを形成する。
【００３２】
磁性体層１７を構成する永久磁石材料としては、残留磁束密度・保持力・最大エネルギー積（ＢＨ積）といった磁気特性に優れ、またキュリー温度の十分に高い、フェライト・アルニコ・希土類・ネオジム鉄を用いることが有効である。ここでは、フェライトを用いることでコストを抑える。
【００３３】
磁性体層１７の磁化の方向をセル積層方向と同じ方向にする。ここでは、セパレータ１１の積層方向の両側に電磁石を置くことにより、磁性体層１７の磁化の方向をセルの積層方向と同じ方向に向くようにする。また単セルを構成するセパレータ１１ａ、１１ｂ間に引力が生じるように、それぞれのセパレータ１１の対向する面の極性が異なるようにする。磁化の方向は、この積層方向二極以外にも左右二極や角型多極のものなどが考えられるが、セパレータ１１ａ、１１ｂに形成した磁性体層１７ａの相互に吸着力が働くものとする。このようにすることで、セパレータ１１ａ、１１ｂ間に狭持された単セルに内側に向かう面圧力が生じる。
【００３４】
セパレータ１１ａ、１１ｂ間の面圧力は、次の式で与えられる。
【００３５】
【数１】
0003719419.tif 000002
【００３６】
ここで、Ｐはセル間の面圧力、Ｂは磁石の残留磁束密度、μ0は真空透磁率である。これより、磁性体層１７を残留磁化０．４Ｔのフェライト磁石により形成すると、セパレータ１１ａ、１１ｂ間には、磁性体１７の単位面積あたり６４ｋＰａ（０．６５ｋｇｆ／ｃｍ2）の引力が働く。
【００３７】
さらに、後述するようにガス拡散層１３およびガスシール層１２にも磁化領域（磁石層１８、磁性体層１９）を形成するが、これらと磁性体層１７との間に引力が働くようにするために、それぞれの磁化領域の対峙する面の極性が異なるようにする。これにより、ガス拡散層１３とセパレータ１１との間にも引力が働く。よって、積層体の周りをボルト２０で締め付けたときには、積層面中央部分に加わる圧力が周囲部に比べて小さくなるが、磁性体層１７ａを埋め込むことで磁力により中央部に面圧力を加えることができる。
【００３８】
ここではフェライト磁石を用いたが、残留磁化が１Ｔのアルニコ磁石を用いると、単位面積あたり４００ｋＰａ（４ｋｇｆ／ｃｍ2）の引力が働くことになる。これにより、ボルト２０の締め付け時にはたわみが大きくなり、面圧分布の不均一が大きくなりがちの積層面積の大きな積層体に対しても、積層面の密着性を確保することができる。また、さらに残留磁化が大きな磁石を用いることで、ボルト２０による締め付け力が不要になる。
【００３９】
次に、ガスシール層１２について説明する。ガスシール層１２の材質としては、シール性に優れ、電解質に対する耐酸性を有し、燃料電池の作動温度に対して耐熱・耐寒性を有するものとする。ここでは例えば、シリコーンゴムやフッ素ゴムを用いる。
【００４０】
ガスシール層１２に磁化領域として磁石層１８を形成する。ここでは、積層面の外側面に沿って磁石層１８を形成し、積層体層１７ｂと磁石層１８の対向する面の磁極が異なるように磁化することで、積層体層１７ｂとの間に引力を生じさせる。積層体層１７ｂと磁石層１８間で引力が働くことにより、セパレータ１１とガスシール層１２の密着性を向上することができる。磁石層１８の積層方向の幅は、ガスシール層１２の幅より小さくして、固体高分子膜１５側に配置する。これにより磁性体層１７ｂと磁石層１８が直接接触するのを防ぐことができるので、電気的な絶縁を確保することができる。
【００４１】
磁石層１８は、押圧に耐えられるような材料、例えばガスシール層１２を形成するゴムに磁石の微紛末を混合成形したものが望ましい。これは、ガスシール層１２を形成する液状のシールを固めるときに、電気抵抗が保てる程度に磁石を混ぜ込み、そのあと例えば積層方向両側に電磁石等を置いて磁化させる。
【００４２】
このように形成することで、ガスシール層１２とセパレータ１１間に引力が働くので、密着性を向上することができ、接触抵抗を低減することができる。また、ガスシール層１２にある磁性体層１８の周囲を磁化されていない部材で囲むことにより、磁性体層１８とセパレータ１１を電気的に絶縁できる。これにより、電位差が発生している電極２１、２２間がガスシール層１２を通して短絡されることにより発生するリーク電流を防ぐことができる。
【００４３】
次に、ガス拡散層１３について説明する。
【００４４】
ガス拡散層１３の材質としては、後述するように磁性体を分散させるので空隙率の高いカーボンクロスが好適だが、カーボンペーパや、カーボンフェルトを用いることもできる。
【００４５】
ガス拡散層１３のセパレータ１１に形成した複数のガス流路１６にそれぞれ対峙する部分に磁性体層１９ａを形成する。ガス拡散層１３内はpH２〜pH３の強酸性雰囲気になり得るので、ここでは磁性体としては耐酸性が良好であるフェライト系ステンレス鋼を用いる。このステンレス材料は表面に形成した強固な不動態皮膜によって耐酸性を呈する。
【００４６】
ガス拡散層１３に磁性体を分散させるには、磁性体をコロイド状に分散させた磁性流体やステンレス粉を、ポリフッ化ビニリデンやポリテトラフルオロエチレンといった結合剤と混合することにより生成した塗料をカーボンクロスにスプレーあるいは塗布することが好ましい。このように磁性体を担持したら、同様に電磁石等を用いて磁化させる。その時の極性は、磁性体層１７ａのガス拡散層１３側の極性と、磁性体層１９ａのセパレータ１１側の極性、つまり互いに向き合う面の極性が反対になるように磁化させる。また、電極触媒層１４および固体高分子膜１５を挟んで対向するガス拡散層１３の対向面の極性が異なるようにする。
【００４７】
このように形成することで、ガス拡散層１３とセパレータ１１間に引力が働くので密着性を向上することができ、接触抵抗を低減することができる。また、対向するガス拡散層１３が互いに吸引するので、その間にある電極触媒層１４および固体高分子膜１５との密着性も向上することができる。
【００４８】
図４にボルト２０による締め付けのみで単セルの組立を行ったときの面圧力分布と、本実施形態の方法を用いて図２のように磁性体を配置してボルト２０の締め付けに加えて磁力を用いて単セルの組立を行ったときの面圧分布を示す。図４に示すように、ネジの締め付け力のみの場合は積層面の中央部および端部に掛かる面圧力は他の部分より小さいが、ネジの締め付け力に加えて磁性体による磁力を加えることでその不均一性を改善することができる。これにより、積層面の接触抵抗による燃料電池の発電効率の低下を低減することができる。
【００４９】
このようにセパレータ１１、ガスシール層１２、ガス拡散層１３に磁性体を担持させることで、積層面の吸着力を向上することができる。特に積層面中央部および端部等の面圧力の小さな領域の磁性体粒子の分布量を調整することにより面圧力を上昇させて積層面にかかる面圧力を均一化することができる。これにより、一部に過剰の圧力をかけることなく接触抵抗を低減することができるので、ボルト２０等による締め付け力を低減することができ、積層体の耐久性を向上することができる。また、磁性体を混ぜることで電気抵抗が大きくなる等の課題を改善して必要な効果を得つつ、磁性体の使用量を適正化して、その使用量も減少させることができる。
【００５０】
特に、セパレータ１１間に吸着力が生じるようにセパレータ１１に磁性体層１７ａを形成することで、セパレータ１１およびセパレータ１１に狭持されている固体高分子膜１５、ガス拡散層１３の積層面の密着性を向上することができ、燃料電池の接触抵抗を低減することができる。
【００５１】
また、例えば磁性体層１９ａにステンレスを用いると、その部位はクロムの酸化物の不導体を形成するため抵抗が強くなる。また、ガス拡散層１３に磁性体を結着させる際に、高分子材料を用いることが多いがこの材料の抵抗は一般的に高い。このように、一般に磁性体材料は電気抵抗が大きいが、磁性体層１７ａおよび１９ａをガス流路１６に対応する部分にのみ形成することで、磁性体材料の以外の部分を電子が伝導することができ、抵抗損失を抑えることができる。
【００５２】
次に、第２の実施形態における単セルの構造を図３に示す。図２と同様に図３においても、セパレータ１１とガス拡散層１３との境界がわかり易いように隙間を設けているが、実際にはセパレータ１１とガス拡散層１３は接触している。
【００５３】
ここでは、セパレータ１１の磁性体層１７ｃを、ガス流路１６底面だけではなくガス拡散層１３に対峙する領域全体に形成する。この様なセパレータは磁性体を電気抵抗が過大とならない程度にカーボンを混ぜて電磁石等を利用して磁化させながら形成する。また、ガス拡散層１３の磁性体層１９ｂを前述のような方法によりセパレータ１１に対峙する面全体に形成する。このように形成することで、セパレータ１１とガス拡散層１３とを近接した磁性体間の磁力により伝導性を維持したまま密着させることができる、また磁性体の表面積を増加することができるので引力を高めることができ、セパレータ１１とガス拡散層１３の密着性をさらに向上することができる。また、セパレータ１１ａ、１１ｂ間の引力も高くなるので、セパレータ１１ａ、１１ｂに挟まれる燃料電池の構成部材の密着性を向上することができる。
【００５４】
ここで、ガス拡散層１３に担持するフェライト系ステンレス鋼は電気抵抗が大きいので、面全体に分布することにより電子の流れを妨げる要因となる。このような場合には、磁性体を分散させたあと、さらにカーボン粒子を分散させて加熱処理する。これにより、カーボン粒子とステンレス鋼との界面の酸化皮膜を部分的に破壊して電気抵抗を抑えることができる。
【００５５】
また、積層時に面圧力の小さい部位の磁性体量を、他の部位に比べて多くなるように磁性体の配置に分布をもたせる。この分布は磁性体粒子の分布量を調整することによりできる。このように、磁性体を混ぜることで電気抵抗が大きくなる等の課題を改善し、必要な効果を得つつ磁性体の使用量を適正化して、その使用量も低減することができる。図４のようにネジの締め付けによって分布が生じる場合、中央及び両端部を多くすると密着性が均一化され、効率のよい発電を行うことができる。ここでは、磁性体粒子の分布量を調整することにより引力の分布を調整するが、残留磁化に差のある磁性体を用いて引力の分布を調整することもできる。
【００５６】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載した技術的思想の範囲以内で様々な変更が成し得ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料電池の単位セルの構成図である。
【図２】第１の実施形態における単位セルの構成図である。
【図３】第２の実施形態における単位セルの構成図である。
【図４】第１の実施形態と従来技術との面圧分布を示した説明図である。
【符号の説明】
１、１１    セパレータ
２、１２    ガスシール層
３、１３    ガス拡散層（ガス拡散電極）
５、１５    固体高分子膜
６、１６    ガス流路
１７        磁性体層（磁化領域）
１８        磁石層（磁化領域）
１９        磁性体層（磁化領域）
【図１】
0003719419.tif 000003
【図２】
0003719419.tif 000004
【図３】
0003719419.tif 000005
【図４】
0003719419.tif 000006