(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の電極の間に電解質膜を挟んでなる電極構造体と、この電極構造体の両側に積層され、前記電極との間にガス流路を形成するセパレータとを備えた燃料電池であって、
前記セパレータは、前記電極に接触する一面側および他面側の各凸部と、これら凸部間に介在して実質的に前記ガス流路を形成するスペーサ部とが面方向に連続する波板状に成形されたものであり、
前記スペーサ部における前記各凸部間の少なくとも２箇所に、該スペーサ部の厚さが薄肉に変位する絞り部が形成されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記絞り部の厚さをｂ、前記スペーサ部におけるもっとも肉厚部分の厚さをａとしたときの比ｂ／ａが、０．５〜０．９５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】
前記セパレータが金属製であ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】
燃料電池の電極構造体の両側に積層され、電極構造体を構成する電極との間にガス流路を形成するセパレータであって、
前記電極に接触する一面側および他面側の各凸部と、これら凸部間に介在して実質的に前記ガス流路を形成するスペーサ部とが面方向に連続する波板状に成形され、
前記スペーサ部における前記各凸部間の少なくとも２箇所に、該スペーサ部の厚さが薄肉に変位する絞り部が形成されていることを特徴とするセパレータ。
【請求項５】
前記絞り部の厚さをｂ、前記スペーサ部におけるもっとも肉厚部分の厚さをａとしたときの比ｂ／ａが、０．５〜０．９５であることを特徴とする請求項４に記載のセパレータ。
【請求項６】
金属製であることを特徴とする請求項４または５に記載のセパレータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子型燃料電池および該電池のガス流路を形成するセパレータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子型燃料電池は、平板状の電極構造体の両側にセパレータが積層された積層体が１ユニットとされ、複数のユニットが積層されて燃料電池スタックとして構成される。電極構造体は、一対のガス拡散電極板（正極板と負極板）の間にイオン交換樹脂等からなる電解質膜が挟まれた三層構造であり、セパレータには、ガス拡散電極板との間にガスを流通させるガス流路が形成されている。このような燃料電池によると、例えば、負極側のガス拡散電極板に面するガス流路に燃料として水素ガスを流し、正極側のガス拡散電極板に面するガス流路に酸素や空気等の酸化性ガスを流すと電気化学反応が起こり、電気が発生する。
【０００３】
ところで、上記セパレータは、負極側ガス（水素ガス）の触媒反応により発生した電子を外部回路へ供給する一方、外部回路からの電子を正極側に送給する機能を有している。このため、セパレータには、黒鉛系材料または金属系材料からなる導電性材料が用いられており、特に金属系材料のものは、機械的強度に優れている点で有利であるとされている。金属系のセパレータは、アルミニウム合金、炭素鋼あるいはステンレス鋼等の薄板材をプレス加工により波板状に成形したものが一般的であり、例えば、特開２０００−２２３１３７号公報や特開２０００−１３８０６５号公報によってその構造は公知である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
燃料電池は、上記のように電極構造体とセパレータとを積層させて燃料電池スタックとして構成されるものであり、その積層状態では、セパレータの一面側および他面側に突出する多数の凸部が電極構造体の電極に圧接する。ここで、凸部が電極に圧接する面圧はなるべく均一であることが、電池内部抵抗を極力低減させて発電性能を向上させる上で要求される。しかしながら、薄板のプレス成形品である金属製のセパレータにあっては、その要求を十分に満足させる寸法精度を出すには困難であった。このため、電極に対する面圧が、ある凸部は高く、ある凸部は低かったり、もしくは一つの凸部でも場所によっては異なってしまったりといったように、ばらつきが生じやすかった。この面圧のばらつきは発電性能の低減を招くので、改善すべき課題であった。
【０００５】
したがって本発明は、電極に圧接する凸部の面圧を極力均一化させることができ、これによって、電池内部抵抗を低減させて発電性能の向上を図ることができる燃料電池およびそのセパレータを提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池は、一対の電極の間に電解質膜を挟んでなる電極構造体と、この電極構造体の両側に積層され、電極との間にガス流路を形成するセパレータとを備えた燃料電池であって、前記セパレータは、電極構造体の電極に接触する一面側および他面側の各凸部と、これら凸部間に介在して実質的にガス流路を形成するスペーサ部とが面方向に連続する波板状に成形されたものであり、そのスペーサ部における各凸部間の少なくとも２箇所に、スペーサ部の厚さが薄肉に変位する絞り部が形成されていることを特徴としている。
【０００７】
この構成によれば、当該燃料電池を積層して燃料電池スタックを組み付けると、セパレータの凸部が電極構造体の電極に圧接するが、その際、組み付け圧に追従してスペーサ部が２箇所の絞り部を屈曲点として屈曲し、これによってスペーサ部が板ばねによる緩衝作用を発揮し、電極に対する凸部の面圧が一定となるように分散する。すなわち、面圧が高くなる箇所はスペーサ部の屈曲角度が大きく、小さい箇所は緩やかに屈曲し、電極に圧接する凸部の面圧が最終的に均一化する。その結果、電極に対するセパレータの接触抵抗が低減するに伴い電池内部抵抗が低減し、発電性能の向上が図られる。
【０００８】
上記絞り部は、組み付け圧に追従して電極に対する凸部の面圧が均一になるように屈曲することが望ましく、そのためには、その厚さがｂ、スペーサ部におけるもっとも肉厚部分の厚さがａである場合の比ｂ／ａ（絞り率）が、０．５〜０．９５であればよい。絞り率が０．５を下回ると薄肉すぎて強度が不十分となり、折れや切断等の損傷を招く。逆に絞り率が０．９５を超えると、弾性が強すぎ緩衝効果を得にくい。本発明の燃料電池におけるセパレータは、絞り部の適度な緩衝効果が得られる観点から、金属製であることが望ましい。
【０００９】
次に、本発明のセパレータは、燃料電池の電極構造体の両側に積層され、電極構造体を構成する電極との間にガス流路を形成するセパレータであって、電極に接触する一面側および他面側の各凸部と、これら凸部間に介在して実質的にガス流路を形成するスペーサ部とが面方向に連続する波板状に成形され、前記スペーサ部における各凸部間の少なくとも２箇所に、該スペーサ部の厚さが薄肉に変位する絞り部が形成されていることを特徴としている。
【００１０】
本発明のセパレータの作用効果は、上記燃料電池のセパレータと同様である。また、絞り部の厚さをｂ、スペーサ部におけるもっとも肉厚部分の厚さをａとしたときの比ｂ／ａ（絞り率）が０．５〜０．９５であること、さらに、金属製であることを好ましい形態とする点も、上記燃料電池のセパレータと同様である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。
図１は、一実施形態に係る燃料電池スタック１Ａの層構成を概念的に示した図である。この燃料電池スタック１Ａは、平板状の単位セル（電極構造体）２と、この単位セル２の両側に配されたセパレータ３とからなる１ユニットの燃料電池１が幾層にも積層された多層構造をなすもので、その積層状態が、図示せぬエンドプレートによって所定の組み付け圧で挟まれることにより保持されている。
【００１２】
単位セル２は、一対のガス拡散電極板（正極板４と負極板５）の間に電解質膜６が挟まれた三層構造であって、作動温度は例えば８０℃以上である。電解質膜６は、例えばスルホン酸基を側鎖に有するフッ素系膜（例えば旭硝子社製：フレミオンやデュポン社製ナフィオン等）が用いられる。単位セル２における中央の電解質膜６は、互いに同一寸法である正極板４および負極板５よりも面積が大きく、均一幅の周縁部が露出しており、その周縁部とセパレータ３との間に、正極板４および負極板５を囲むようにしてゴムまたは樹脂等からなる枠状のシール７が装着されている。
【００１３】
セパレータ３は、金属製の薄板材をプレス加工することにより断面の輪郭が台形の凹凸が面方向に連続した波形状に成形されたものであり、詳しく言うと、図２に示すように、一面側には正極板４に接触する正極接触凸部１１が形成され、他面側には負極板５に接触する負極接触凸部１２が形成され、これら凸部１１，１２の間に、実質的にガス流路を形成する斜面状のスペーサ部１３が形成されている。ガス流路は、正極板４に面する空気流路１４と負極板５に面する燃料ガス流路１５であり、空気流路１４には正極活物質を含む空気が流され、燃料ガス流路１５には負極活物質を含む燃料ガスが流される。なお、セパレータ３は、アルミニウム合金、炭素鋼あるいはステンレス鋼等の適度な弾性を有する薄板材をプレス加工することにより製造することができる。
【００１４】
図２に示すように、セパレータ３における正極板４および負極板５に接触しないスペーサ部１３は、その中間部分の厚さが他の部分の厚さ（実質的なセパレータ３の厚さ）よりも薄肉とされており、この薄肉部１３ａが両側の肉厚部に移行する部分はＲ状に形成され、薄肉部１３ａの両端が絞り部１３ｂとされている。薄肉部１３ａを形成するには、例えば、セパレータ３をプレス成形する際に、プレス圧やプレス速度を調整して薄肉部１３ａを延伸させて形成することができる。この他には、薄肉部１３ａを形成する凸部を有するプレス型を用い、セパレータ３をプレス成形すると同時に薄肉部１３ａを凸部によって形成したり、プレス成形後に薄肉部１３ａを切削加工して形成したり、セパレータ３をプレス成形後、部分的に再プレスして薄肉部１３ａを形成したりすることによっても可能である。これらの手段の中では、１つ目あるいは２つ目の手段が生産性の面でもっとも好適である。
【００１５】
薄肉部１３ａおよび絞り部１３ｂの厚さ（両者の厚さは同等である）は、その厚さをｂ、絞り部１３ｂ以外の肉厚部の厚さをａとした場合の比ｂ／ａ（絞り率）が、０．５〜０．９５に設定される。例えば、セパレータ３の厚さａが０．２ｍｍであれば、薄肉部１３ａおよび絞り部１３ｂの厚さは０．１〜０．１９ｍｍの範囲内に設定される。
【００１６】
上記一実施形態によれば、１ユニットの燃料電池１を複数積層して燃料電池スタック１Ａを組み付けると、セパレータ３の正極接触凸部１１が正極板４に圧接し、負極接触凸部１２が負極板５に圧接する。その際、組み付け圧に追従してスペーサ部１３が２箇所の絞り部１３ｂを屈曲点として屈曲し、これによってスペーサ部１３が板ばねによる緩衝作用を発揮し、正極板４および負極板５に対する各凸部１１，１２の面圧が一定となるように分散する。すなわち、面圧が高くなる箇所はスペーサ部１３の屈曲角度が大きく、小さい箇所は緩やかに屈曲し、正極板４および負極板５に圧接する各凸部１１，１２の面圧が最終的に均一化する。その結果、正極板４および負極板５に対するセパレータ３の接触抵抗が低減し、これに伴い電池内部抵抗が低減し、発電性能の向上が図られる。
【００１７】
また、上記のように絞り部１３ｂの絞り率ｂ／ａが０．５〜０．９５であることから、絞り部１３ｂが薄すぎて強度が不十分となり折れや切断等の損傷を招くおそれがなく、逆に強度が強すぎて緩衝効果を得にくいといった不具合は生じない。すなわち、適度な厚さであることから、面圧を均一化させる緩衝効果を十分に得ることができる。
【００１８】
図３は、絞り部１３ｂの形態が異なるセパレータ３の変形例を示している。この場合の絞り部１３ｂは、スペーサ部１３の両端を部分的に薄肉とすることにより形成されている。この絞り部１３ｂによれば、燃料電池を複数積層し、所定の組み付け圧が与えられると、スペーサ部１３が２箇所の絞り部１３ｂを屈曲点として屈曲し、組み付け圧が緩衝される。これによって正極板４に圧接する正極接触凸部１１と負極板５に圧接する負極接触凸部１２の面圧が均一化する。
【００１９】
【実施例】
次に、実施例を示して本発明の効果を実証する。
厚さ０．１ｍｍ、０．１５ｍｍ、０．２ｍｍ、０．３ｍｍのＳＵＳ４３０ステンレス鋼をプレス加工し、表１に示すように絞り部の絞り率を種々変更した図３に示す形態のセパレータ（試料Ｎｏ．１〜３０）を作製した。表１には、凸部の最大厚さ：ａ、絞り部の厚さ：ｂ、ガス流路の深さ、ガス流路のピッチを併記している。
【００２０】
【表１】
0003541172.tif 000002
【００２１】
本発明品であるＮｏ．１５のセパレータと、絞り率が本発明から逸脱する厚さが均一（絞り率１００％、図４に示す）なＮｏ．１のセパレータの一面側の凸部を、５ｋｇ／ｃｍ２の面圧で感圧紙に押し付け、感圧紙に対する凸部の圧接状態を調べた。図５はＮｏ．１５のセパレータの凸部の圧接状態を示しており、図６はＮｏ．１のセパレータの凸部の圧接状態を示している。これら図で明らかなように、Ｎｏ．１５のセパレータの凸部は全長にわたって、かつ、面圧がほぼ均一な状態で感圧紙に圧接している。一方、Ｎｏ．１のセパレータは、圧力が弱くて凸部が十分に圧接していない部分が点在し、均一な面圧が得られていない。
【００２２】
次に、Ｎｏ．１〜３０を用いて図１に示した形態の燃料電池を３０種類組み立て、これら燃料電池の電流密度が０．５Ａ／ｃｍ２の時の単位セル当たりの発電電圧を測定した。その結果を表１に併記する。また、セパレータの厚さ別に発電電圧と絞り率との関係を調べた結果が、図７である。これらの結果から明らかなように、絞り部の絞り率が５０〜９５％のセパレータを用いた場合には、この範囲を逸脱するセパレータよりも発電電圧が高い。この理由としては、電極に圧接する凸部の面圧が均一であり、これによって接触抵抗が低減するに伴い電池内部抵抗が低減したからと推測される。また、絞り率が低いセパレータ（Ｎｏ．９，１０，１８）を用いた場合の発電電圧が低い理由としては、肉厚が薄すぎて積層状態での荷重に耐えられず、折れや切断等の損傷が生じたためと推測される。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、電極構造体の電極に圧接するセパレータの凸部の面圧を極力均一化させることができ、これによって、電池内部抵抗を低減させて発電性能の向上を図ることができるといった効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池スタックの層構成を概念的に示す縦断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るセパレータの一部拡大断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係るセパレータの変形例を示す一部拡大断面図である。
【図４】本発明の実施例に対する比較例のセパレータの一部拡大断面図である。
【図５】本発明の実施例のセパレータの面圧状態を示す図である。
【図６】本発明の比較例のセパレータの面圧状態を示す図である。
【図７】セパレータの厚さ別に発電電圧と絞り率との関係を調べた結果を示す線図である。
【符号の説明】
１…燃料電池、１Ａ…燃料電池スタック、２…単位セル（電極構造体）、
３…セパレータ、４…正極板（電極）、５…負極板（電極）、
６…電解質膜、１１…正極接触凸部、１２…負極接触凸部、
１３…スペーサ部、１３ｂ…絞り部、１４…空気流路（ガス流路）、
１５…燃料ガス流路（ガス流路）。
【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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