(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード極用流路としての凹部と流路壁としての凸部とを有する第１の面と、カソード極用流路としての凹部と流路壁としての凸部とを有する第２の面とを有する直接型メタノール燃料電池用セパレータにおいて、
前記第１の面における流路壁の上端面と前記第２の面における流路壁の上端面のうち、位置が重なっている上端面間に形成されたカーボン同素体製の導電性領域と、
前記第１の面及び前記第２の面のうちの前記導電性領域以外の箇所に形成され、無機フィラーを含有する絶縁性樹脂領域と
を含むことを特徴とする直接型メタノール燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
アノード極用流路としての凹部と流路壁としての凸部とを有する第Ｉの面と、前記第Ｉの面の反対側に位置する第IIの面とを有する直接型メタノール燃料電池用セパレータにおいて、
前記第Ｉの面における流路壁の上端面と前記第IIの面のうち前記上端面と位置が重なる部分との間に形成されたカーボン同素体製の導電性領域と、
前記第Ｉの面及び前記第IIの面のうちの前記導電性領域以外の箇所に形成され、無機フィラーを含有する絶縁性樹脂領域と
を含むことを特徴とする直接型メタノール燃料電池用セパレータ。
【請求項３】
前記無機フィラーには、シリカ、チタニヤ、ジルコニア及びアルミナよりなる群から選択される１種類以上が含まれることを特徴とする請求項１または２記載の直接型メタノール燃料電池用セパレータ。
【請求項４】
アノード極及びカソード極を含む起電部と、前記起電部間に配置され、アノード極用流路としての凹部と流路壁としての凸部とを有する第１の面及びカソード極用流路としての凹部と流路壁としての凸部とを有する第２の面を有するセパレータとを具備する直接型メタノール燃料電池において、
前記セパレータは、前記第１の面における流路壁の上端面と前記第２の面における流路壁の上端面のうち、位置が重なっている上端面間に形成されたカーボン同素体製の導電性領域と、前記第１の面及び前記第２の面のうちの前記導電性領域以外の箇所に形成され、無機フィラーを含有する絶縁性樹脂領域とを含むことを特徴とする直接型メタノール燃料電池。
【請求項５】
アノード極と、カソード極と、アノード極用流路としての凹部と流路壁としての凸部とを有する第Ｉの面及び前記第Ｉの面の反対側に位置する第IIの面を有するアノード用セパレータとを具備する直接型メタノール燃料電池において、
前記アノード用セパレータは、前記第Ｉの面における流路壁の上端面と前記第IIの面のうち前記上端面と位置が重なる部分との間に形成されたカーボン同素体製の導電性領域と、前記第Ｉの面及び前記第IIの面のうちの前記導電性領域以外の箇所に形成され、無機フィラーを含有する絶縁性樹脂領域とを含むことを特徴とする直接型メタノール燃料電池。
【請求項６】
カソード極用流路としての凹部と流路壁としての凸部とを有する第Ｉの面及び前記第Ｉの面の反対側に位置する第IIの面を有するカソード用セパレータを更に備え、前記カソード用セパレータは、前記第Ｉの面における流路壁の上端面と前記第IIの面のうち前記上端面と位置が重なる部分との間に形成されたカーボン同素体製の導電性領域と、前記第Ｉの面及び前記第IIの面のうちの前記導電性領域以外の箇所に形成され、無機フィラーを含有する絶縁性樹脂領域とを含むことを特徴とする請求項５記載の直接型メタノール燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子型燃料電池のような燃料電池と、かかる燃料電池に用いられるセパレータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、電池内で水素やメタノール等の燃料を電気化学的に酸化することにより、燃料の化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換して取り出すものである。かかる燃料電池は、火力発電のように燃料の燃焼によるＮＯｘやＳＯｘなどが発生しないため，クリーンな電気エネルギー供給源として注目されている。特に、固体高分子型燃料電池は、他の燃料電池に比べ、小型軽量化が可能なため、宇宙船用電源として開発され、最近では自動車などの電源として盛んに研究されている。
【０００３】
この燃料電池の単位電池の概略構成の一例を図８に示す。図８に示すように、単位電池４１は、アノード極４２と、カソード極４３と、アノード極４２及びカソード極４３の間に配置される電解質膜４４と、燃料供給路であるアノード極用流路４５が形成されているアノード側セパレータ４６と、酸化剤供給路であるカソード極用流路４７が形成されているカソード側セパレータ４８とを備える。アノード極４２と、カソード極４３及び電解質膜４４からなる積層物は、起電部もしくは膜電極複合体（ＭＥＡ）と呼ばれる。単位電池の起電力は、小さい。そこで、実用的な電圧を得るために、単位電池を多数個直列に接続して積層構造にすることが行われている。単位電池間に配置されるセパレータの一例を図９及び図１０に示す。スタック用セパレータ４９の一方の面には、カソード極用流路５０と、カソード極用流路５０に酸化剤を供給するための酸化剤導入口５１と、積層方向に酸化剤を流通させるための内部マニホールド５２と、酸化剤排出口５３とが形成されている。また、他方の面には、アノード極用流路５４と、アノード極用流路５４に燃料を供給するための燃料導入口５５と、積層方向に燃料を流通させるための内部マニホールド５６と、燃料排出口５７とが形成されている。
【０００４】
燃料電池では、電流取り出し口がセパレータに設けられ、また、積層型において単位電池間を電気的に接続する必要があるため、セパレータは導電性を持たなければならない。また、燃料（例えば、メタノールなどの液体）及び酸化剤（例えば、空気などの気体）に対する非通気性、非液性及び耐酸性が求められる。さらに、これらセパレータには、燃料や酸化剤取り入れのための流路やマニホールド（孔）を作製しなければならず、加工性に優れる材料から形成されることが望まれる。
【０００５】
このような観点から、セパレータの材料として、従来、カーボンや金属が用いられていた。
【０００６】
しかしながら、カーボン材料は、硬いが脆い材料であるため、流路等を形成するための切削加工が非常に難しく、製造コストが高くなる。また、カーボン材料の硬くて脆い性質のためにセパレータの厚さをあまり薄くすることができない。これらを解決するため、流路付き金型に熱硬化性樹脂を射出成形して作製された成形体を不活性雰囲気下で焼成し、カーボン化することによって、セパレータを作製することが提案されているが、焼成により収縮してセパレータの寸法が不揃いになり易く、そのうえコストなどでまだ問題がある。
【０００７】
一方、金属材料としては、耐酸性及び耐酸化性の観点から、貴金属やチタンを使用するか、もしくは貴金属がメッキされた材料を使用する必要があり、非常にコストが高くなり、そのうえセパレータの比重が大きくなって電池が非常に重くなるという欠点がある。
【０００８】
さらに、カーボンまたは金属から形成されたセパレータは硬いため、膜電極複合体上に積層した際、片当りしやすく、セパレータと膜電極複合体との接触点が面内において不均一になるという問題点を生じる。その結果、最も接続している部分に電流が集中するため、高電流密度での出力特性が不十分となるばかりか、電流集中の箇所が著しく劣化して電池寿命が短くなる。
【０００９】
また、セパレータのコストを削減する観点から、導電材料が添加されている樹脂からセパレータを作製することが提案されている。しかしながら、このようなセパレータは、抵抗が高くなるため、電流密度の大きさに拘わらず、高い出力密度を得られなくなるという問題点がある。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、セパレータと電極との接触点の面内均一性が高く、高電流密度で出力した際にも高電圧が得られる直接型メタノール燃料電池用セパレータ及び直接型メタノール燃料電池を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る第１の直接型メタノール燃料電池用セパレータは、アノード極用流路としての凹部と流路壁としての凸部とを有する第１の面と、カソード極用流路としての凹部と流路壁としての凸部とを有する第２の面とを有する直接型メタノール燃料電池用セパレータにおいて、
前記第１の面における流路壁の上端面と前記第２の面における流路壁の上端面のうち、位置が重なっている上端面間に形成されたカーボン同素体製の導電性領域と、
前記第１の面及び前記第２の面のうちの前記導電性領域以外の箇所に形成され、無機フィラーを含有する絶縁性樹脂領域と
を含むことを特徴とするものである。
【００１２】
本発明に係る第２の直接型メタノール燃料電池用セパレータは、アノード極用流路としての凹部と流路壁としての凸部とを有する第Ｉの面と、前記第Ｉの面の反対側に位置する第IIの面とを有する直接型メタノール燃料電池用セパレータにおいて、
前記第Ｉの面における流路壁の上端面と前記第IIの面のうち前記上端面と位置が重なる部分との間に形成されたカーボン同素体製の導電性領域と、
前記第Ｉの面及び前記第IIの面のうちの前記導電性領域以外の箇所に形成され、無機フィラーを含有する絶縁性樹脂領域と
を含むことを特徴とするものである。
【００１３】
本発明に係る第１の直接型メタノール燃料電池は、アノード極及びカソード極を含む起電部と、前記起電部間に配置され、アノード極用流路としての凹部と流路壁としての凸部とを有する第１の面及びカソード極用流路としての凹部と流路壁としての凸部とを有する第２の面を有するセパレータとを具備する直接型メタノール燃料電池において、
前記セパレータは、前記第１の面における流路壁の上端面と前記第２の面における流路壁の上端面のうち、位置が重なっている上端面間に形成されたカーボン同素体製の導電性領域と、前記第１の面及び前記第２の面のうちの前記導電性領域以外の箇所に形成され、無機フィラーを含有する絶縁性樹脂領域とを含むことを特徴とするものである。
【００１４】
本発明に係る第２の直接型メタノール燃料電池は、アノード極と、カソード極と、アノード極用流路としての凹部と流路壁としての凸部とを有する第Ｉの面及び前記第Ｉの面の反対側に位置する第IIの面を有するアノード用セパレータとを具備する直接型メタノール燃料電池において、
前記アノード用セパレータは、前記第Ｉの面における流路壁の上端面と前記第IIの面のうち前記上端面と位置が重なる部分との間に形成されたカーボン同素体製の導電性領域と、前記第Ｉの面及び前記第IIの面のうちの前記導電性領域以外の箇所に形成され、無機フィラーを含有する絶縁性樹脂領域とを含むことを特徴とするものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明に係る第１、第２の燃料電池用セパレータについて説明する。
【００１６】
第１の燃料電池用セパレータは、アノード極用流路としての凹部と流路壁としての凸部とを有する第１の面と、カソード極用流路としての凹部と流路壁としての凸部とを有する第２の面とを有する。第１の燃料電池用セパレータは、前記第１の面における流路壁の上端面と前記第２の面における流路壁の上端面のうち、位置が重なっている上端面間の１箇所以上を電流経路にするための導電性領域と、前記第１の面及び前記第２の面のうちの前記導電性領域以外の箇所に形成される絶縁性樹脂領域とを含む。
【００１７】
第１の面における流路壁の上端面の総面積は、アノード電極反応面積の５％〜６０％の範囲内にすることが好ましい。流路壁上端面の総面積を５％未満にすると、集電効率が低下して電気抵抗が増加する恐れがある。一方、流路壁上端面の総面積が６０％を超えると、相対的に流路の幅が狭くなるため、アノード極へ十分な量の燃料を供給することが困難になる可能性がある。また、第２の面における流路壁の上端面の総面積は、集電効率と酸化剤供給効率の観点から、カソード電極反応面積の５％〜６０％の範囲内にすることが好ましい。
【００１８】
第１のセパレータにおいては、位置が重なっている上端面間の一部または全てを導電性領域にすることができる。位置が重なっている上端面間の一部を導電性領域にする場合、第１の面及び第２の面それぞれにおいて、流路壁上端面の総面積を１００％とした際の導電性領域の占有面積比率を１０％以上にすることが好ましい。
【００１９】
第１のセパレータでは、第１の面及び第２の面それぞれにおいて、流路壁の上端面全てを導電性領域とせず、一部を絶縁性樹脂領域にすることが好ましい。このような構成にすることによって、セパレータと電極との接触点の分布をより均一にすることができ、高電流密度での出力特性あるいは電池寿命をさらに向上させることができる。
【００２０】
第２の燃料電池用セパレータは、アノード極用流路またはカソード極用流路としての凹部と流路壁としての凸部とを有する第Ｉの面と、前記第Ｉの面の反対側に位置する第IIの面とを有する。第２の燃料電池用セパレータは、前記第Ｉの面における流路壁の上端面と前記第IIの面のうち前記上端面と位置が重なる箇所との間の１箇所以上を電流経路にするための導電性領域と、前記第Ｉの面及び前記第IIの面のうちの前記導電性領域以外の箇所に形成される絶縁性樹脂領域とを含む。
【００２１】
第Ｉの面における流路壁の上端面の総面積は、燃料・酸化剤の供給効率と集電効率の観点から、電極反応面積の５％〜６０％の範囲内にすることが好ましい。ここで、電極反応面積とは、第Ｉの面にアノード流路が形成されている場合にはアノード極反応面積を意味し、カソード流路が形成されている場合にはカソード極反応面積を意味する。
【００２２】
第２のセパレータにおいては、前記第Ｉの面における流路壁の上端面と前記第IIの面のうち前記上端面と位置が重なる箇所との間の一部または全てを導電性領域にすることができる。位置が重なっている領域間の一部を導電性領域にする場合、流路壁上端面の総面積を１００％とした際の導電性領域の占有面積比率を１０％以上にすることが好ましい。
【００２３】
第２のセパレータでは、第Ｉの面において、流路壁の上端面全てを導電性領域とせず、一部を絶縁性樹脂領域にすることが好ましい。このような構成にすることによって、セパレータと電極との接触点の分布をより均一にすることができ、高電流密度での出力特性あるいは電池寿命をさらに向上させることができる。
【００２４】
第１の燃料電池用セパレータ及び第２の燃料電池用セパレータにおける導電性領域及び絶縁性樹脂領域について説明する。
【００２５】
導電性領域を形成する導電性材料としては、例えば、導電性のカーボン同素体、貴金属及びそのメッキ体、チタンなどの耐酸性金属などを用いる事ができる。具体的には、ガラス状カーボン、グラファイト、黒鉛、金、銀、白金、チタン、ステンレス、樹脂やシリカ、チタニヤなどの金属酸化物の表面に金メッキしたもの、などが挙げられるが、これらに限定されるわけではない。導電性領域を形成する導電性材料の種類は、１種類または２種類以上にすることができる。中でも、導電性のカーボン同素体が好ましい。
【００２６】
絶縁性樹脂領域に用いられる絶縁性樹脂には、熱可塑性樹脂および熱硬化性樹脂のうち少なくとも一方を使用することが好ましい。これらの樹脂について具体例を以下に示す。まず、熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリプロピレン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）樹脂、ＡＳＢ樹脂、ＰＰＯ樹脂、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）樹脂、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）樹脂、ＰＥＳ樹脂、スチレン系共重合体樹脂、ポリフッ化ビニリデン等のフッ素樹脂、ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）樹脂、ポリアリレート（ＰＡＲ）樹脂、ポリスルフォン（ＰＳＦ）樹脂、液晶ポリマー等が挙げられるが、これらに限定されるわけではない。中でも、ポリプロピレン樹脂が好ましい。一方、熱硬化性樹脂としては、例えば、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ジアリルフタレート樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フラン樹脂等が挙げられるが、これらに限定されるわけではない。中でも、エポキシ樹脂が好ましい。絶縁性樹脂領域を形成する絶縁性樹脂の種類は、１種類または２種類以上にすることができる。また、絶縁性樹脂領域を形成する絶縁性樹脂には、必要に応じて、安定剤、離形剤、難燃剤を含有させることができる。
【００２７】
絶縁性領域は、絶縁性樹脂と、無機のフィラー、顔料及びゴム状物質よりなる群から選択される少なくとも１種類の添加剤とが含有されている樹脂組成物から形成されることが好ましい。
【００２８】
無機フィラーは、セパレータの強度並びに寸法安定性を向上させることが可能である。無機フィラーとしては、例えば、シリカ、チタニヤ、ジルコニヤ、アルミナなどが挙げられるが、これらに限定されるわけではない。中でも、シリカ、チタニアが好ましい。シリカおよびチタニアは親水性を有するため、流路の壁面における親水性と疎水性のバランスを調節することができ、水や炭酸ガスのような発電生成物が流路内に滞留するのを回避することができ、出力特性を安定化させることができる。
【００２９】
無機フィラーの平均粒子径は、０．０１μｍ〜１００μｍの範囲内にすることが好ましい。平均粒子径を０．０１μｍ未満にすると、溶融状態にある樹脂の流動性が大きく低下してセパレータ成形上不都合を生じる恐れがある。一方、平均粒子径が１００μｍを超えると、フィラーで流路が塞がれる可能性があると共に、セパレータ中のフィラーの分布に偏りを生じる恐れがある。
【００３０】
無機フィラーの添加量は、絶縁性樹脂１００重量部に対して９００重量部以下にすることが好ましい。無機フィラーの添加量が９００重量部を超えると、溶融状態にある樹脂の流動性が大きく低下してセパレータ成形上不都合を生じる恐れがある。
【００３１】
ゴム状物質は、セパレータの応力を低減することができる。ゴム状物質の具体例としては、シリコンゴム、フッ素ゴム、クロロプレンゴム、ブタジエンゴム、ニトリルゴム、スチレン−ブタジエンゴム、イソプレンゴムなどが挙げられるが、これらに限定されるわけではない。
【００３２】
ゴム状物質の添加量は、絶縁性樹脂１００重量部に対して２０重量部以下にすることが好ましい。ゴム状物質の添加量が２０重量部を超えると、絶縁性樹脂の強度が低下してセパレータが脆くなる恐れがある。
【００３３】
顔料は、セパレータを着色し、燃料電池にデザイン性を賦与できる。顔料には、有機顔料、無機顔料、蛍光顔料などを使用することができる。有機顔料としては、例えば、フタロシアニン、キナクリドン等が挙げられるが、これらに限定されるわけではない。一方、無機顔料としては、例えば、ＴｉＯ２（白色顔料）、べんがら、カーボン、酸化クロム、酸化コバルトなどが挙げられるが、これらに限定されるわけではない。
【００３４】
絶縁性樹脂及び上記の各種添加剤が含有されている樹脂組成物は、各成分を加熱ロール、ニダーまたは押出機で熔融混練するか、各成分を微粉砕可能な特殊混合機によって混合するか、これらの方法を適時組み合わせて容易に調製することができる。
【００３５】
第１のセパレータ及び第２のセパレータは、例えば、以下の（１）、（２）に説明する方法でそれぞれ作製される。
【００３６】
（１）流路形成用の凹凸付き金型を用意し、凸形成部分（流路壁形成部分）のうち目的とする箇所に導電性材料をインサートした後、熱可塑性樹脂または熱可塑性樹脂を含む組成物を金型内に射出充填し、冷却硬化することにより、第１のセパレータ及び第２のセパレータを得る。金型等には、離型剤を付けておくことが望ましい。
【００３７】
（２）流路形成用の凹凸付き金型を用意し、凸形成部分（流路壁形成部分）のうち目的とする箇所に導電性材料をインサートした後、熱硬化性樹脂または熱硬化性樹脂を含む組成物を金型内に充填し、圧縮加熱成形によって導電性材料部分と一体化することによって、第１のセパレータ及び第２のセパレータを得る。この際、樹脂は脱泡しておく事が望ましい。また、金型等には、離型剤を付けておくことが望ましい。
【００３８】
圧縮加熱成形の際、圧縮荷重は２０〜２０００ｋｇｆ／ｃｍ２の範囲内にすることが好ましく、また、加熱温度は、使用する樹脂の硬化特性により異なるが、できるだけ高温での硬化がサイクル時間を短くできて生産性があがるため望ましい。さらに、内部にボイドを発生させないためには、真空プレス機を使用することが望ましい。熱硬化樹脂の硬化後、脱型して、バリ処理などの仕上げを行い、導電性材料と樹脂が一体化した流路を有するセパレータが得られる。
【００３９】
以上説明した第１の燃料電池用セパレータ及び第２の燃料電池用セパレータを備える燃料電池の一例を図１〜図５を参照して説明する。
【００４０】
図１は、本発明に係る燃料電池の一例の概略構成を示す断面図で、図２は、図１の燃料電池に含まれる第１のセパレータの概略構成を示す平面図で、図３は、図２のセパレータを示す断面図で、図４は、図１の燃料電池に含まれる第２のセパレータの概略構成を示す平面図で、図５は、図４のセパレータを示す断面図である。
【００４１】
積層型燃料電池（スタックセル）は、起電部として膜電極複合体（ＭＥＡ）１１〜１３を備える。各膜電極複合体（ＭＥＡ）１１〜１３は、アノード極（燃料極）２と、カソード極（酸化剤極）３と、アノード極２及びカソード極３の間に配置される電解質膜４とを含む。アノード極２及びカソード極３は、燃料及び酸化剤ガスの流通が可能で、かつ電子伝導性を有する必要がある。このため、アノード極２及びカソード極３は、例えば、導電性の多孔質体からそれぞれ形成することができる。スタックセル用セパレータである第１のセパレータ５は、膜電極複合体（ＭＥＡ）１１〜１３の間に配置されている。第１のセパレータ５の第１の面には、図２に示すように、蛇行形状をしたカソード極用流路６が形成されている。カソード極用流路６に酸化剤を供給するための酸化剤導入口７は、セパレータ５の側部に形成されている。積層方向に酸化剤を流通させるための内部マニホールド８は、カソード極用流路６と連通している。酸化剤の出口９は、カソード極用流路６と連通している。第１のセパレータ５の第２の面には、カソード極用流路６と重なる位置にアノード極用流路１０が形成されている。アノード極用流路１０に燃料を供給するための燃料導入口１１は、セパレータ５の側部に形成されている。積層方向に燃料を流通させるための内部マニホールド１２は、アノード極用流路１０と連通している。燃料の出口１３は、アノード極用流路１０と連通している。積層したセルを固定するためのネジ穴１４は、第１のセパレータ５の四隅に開口されている。このネジ穴１４は、セパレータの位置合わせにも利用される。
【００４２】
第１のセパレータ５においては、カソード極用流路６の流路壁上端面の位置とアノード極用流路１０の流路壁上端面の位置が重なっている。位置が重なっている上端面間のうち３箇所１５1〜１５3は、導電性領域で、電流経路として機能する。第１のセパレータ５のうち、３箇所の導電性領域１５1〜１５3以外の部分は、絶縁性樹脂領域１６である。つまり、この第１のセパレータ５では、カソード極用流路６の流路壁上端面及びアノード極用流路１０の流路壁上端面それぞれにおいて、一部が導電性領域で、残りが絶縁性樹脂領域になっている。
【００４３】
エンドセル用セパレータである第２のセパレータ１７１〜１７２は、膜電極複合体（ＭＥＡ）１１のアノード極側並びに膜電極複合体（ＭＥＡ）１３のカソード極側に配置されている。第２のセパレータ１７１の第Ｉの面には、図４に示すように、蛇行形状をなすアノード極用流路１０が形成されている。アノード極用流路１０に燃料を供給するための燃料導入口１１は、セパレータ１７１の側部に形成されている。積層方向に燃料を流通させるための内部マニホールド１２は、アノード極用流路１０と連通している。燃料の出口１３は、アノード極用流路１０と連通している。積層したセルを固定するためのネジ穴１４は、第２のセパレータ１７１の四隅に開口されている。第Ｉの面と反対側に位置する第ＩＩの面には、電流取り出し口（図示しない）が設けられている。
【００４４】
図４及び図５に示すように、アノード極用流路１０の流路壁の上端面と第IIの面のうちの前記上端面と位置が重なる箇所において、その間のうち３箇所１８1〜１８3は、導電性領域で電流経路として機能する。第２のセパレータ１７1のうち、３箇所の導電性領域１８1〜１８3以外の部分は、絶縁性樹脂領域１９である。つまり、この第２のセパレータ１７1では、アノード極用流路１０の流路壁上端面において、一部が導電性領域で、残りが絶縁性樹脂領域になっている。
【００４５】
一方、図１に示すように、第２のセパレータ１７２の一方の面には、蛇行形状をしたカソード極用流路６が形成されている。カソード極用流路６に酸化剤を供給するための酸化剤導入口は、セパレータ１７２の側部に形成されている。積層方向に酸化剤を流通させるための内部マニホールドは、カソード極用流路６と連通している。酸化剤の出口は、カソード極用流路６と連通している。積層したセルを固定するためのネジ穴は、第２のセパレータ１７２の四隅に開口されている。第Ｉの面と反対側に位置する第ＩＩの面には、電流取り出し口（図示しない）が設けられている。
【００４６】
カソード極用流路６の流路壁の上端面と第IIの面のうちの前記上端面と位置が重なる箇所において、その間のうち３箇所２０1〜２０3は、導電性領域で電流経路として機能する。第２のセパレータ１７2のうち、３箇所の導電性領域２０1〜２０3以外の部分は、絶縁性樹脂領域２１である。つまり、この第２のセパレータ１７2では、カソード極用流路６の流路壁上端面において、一部が導電性領域で、残りが絶縁性樹脂領域になっている。
【００４７】
４本のボルト２２は、第１のセパレータ５の４つのネジ穴と第２のセパレータ１７１〜１７２の４つのネジ穴を貫通している。各ボルト２２は、ナット２３で固定されている。なお、第１のセパレータ５及び第２のセパレータ１７１〜１７２には、シールのための溝を設けることができる。
【００４８】
なお、前述した図１においては、ボルトを用いてセル同士を固定する例を説明したが、セル同士を固定する方法は特に限定されず、例えば、スタックの両側に絶縁が施された締め付け用の板を配置する方法を採用しても良い。
【００４９】
また、前述した図１〜図５においては、セパレータの流路を蛇行形状にしたが、流路の形状は燃料・酸化剤の供給を行うことが可能であれば良く、例えば、ストレートタイプの流路を使用することができる。
【００５０】
以上説明したような積層型燃料電池は、起電部の間に配置される第１のセパレータと、最外層を構成する第２のセパレータとを備える。第1のセパレータでは、位置が重なっている流路壁上端面間のうち１箇所以上が導電性領域であるため、セパレータ中の電流経路の長さを最短にすることができる。一方、第２のセパレータでは、第Ｉの面における流路壁上端面と第IIの面のうち前記上端面と位置が重なる部分との間において、そのうちの１箇所以上が導電性領域であるため、セパレータ中の電流経路の長さを最短にすることができる。このような２種類のセパレータが用いられているため、電池抵抗を低くすることができる。
【００５１】
また、第１のセパレータにおける第１の面及び第２の面では、導電性領域以外の箇所が絶縁性樹脂領域であるため、セパレータに柔軟性を付与することができ、第１の面とアノード極との接触点ならびに第２の面とカソード極との接触点の分布を均一にすることができる。一方、第２のセパレータにおける第Ｉの面では、導電性領域以外の箇所が絶縁性樹脂領域であるため、セパレータに柔軟性を付与することができ、アノード極またはカソード極と第Ｉの面との接触点の分布を均一にすることができる。このような２種類のセパレータが用いられているため、電流分布の偏りを低減することができる。
【００５２】
従って、電池抵抗が低く、かつ電流分布の偏りが少ないため、高電流密度で出力した際の電圧降下を抑制することができると共に、長期間に亘る使用による劣化を抑制して電池寿命を向上することができる。
【００５３】
さらに、前述した第１のセパレータ及び第２のセパレータでは、最短の電流経路を構成している部分以外を絶縁性樹脂領域にすることができるため、起電部を直列に積層する際のショートを回避することができる。例えば、ボルトを用いて起電部及びセパレータを一体化する際には、絶縁処理を施したボルトを使用しなくても、ショートを回避することができる。また、絶縁が施された締め付け用の板を用いて起電部及びセパレータを一体化する際には、積層ための位置あわせのずれによるショートを回避することが可能になる。したがって、製造歩留まりを高くすることができ、かつ製造コストを低くすることができる。
【００５４】
ところで、流路内の表面的な性質は、流路内に液体と気体の２相が共存するような液体燃料を用いる燃料電池及びカソード極において、非常に重要に成ると考えている。かかる燃料電池の一例として、直接型メタノール燃料電池が挙げられる。直接型メタノール燃料電池では、燃料としてメタノール水溶液を使用するため、アノード極用流路にメタノール水溶液と発電生成物である炭酸ガスとが共存する。また、酸化剤として空気を使用するため、カソード極用流路に空気と発電生成物である水が共存する。従来から使用されているカーボン製セパレータは、疎水性で、また、表面状態の制御を行うことが困難である。カーボン製セパレータのように疎水性であると、液体との表面エネルギーの差が大きく不安定な状態にある。アノード極用流路に炭酸ガスが混入すると、表面エネルギーが小さいセパレータ表面に炭酸ガスが付着しやすく、炭酸ガスが流路の一部を塞いでしまい、炭酸ガスが抜けるまで燃料の供給が滞り、その間は出力が低下するために電池性能が不安定になる。
【００５５】
本発明に係る第１及び第２のセパレータは、使用する絶縁性樹脂の種類や、無機フィラー等の添加剤によって、表面の親水性及び疎水性の制御を簡単に行うことができるため、流路内に液体と気体の２相が共存するような燃料電池においても流路内に燃料及び酸化剤を円滑に流すことができ、電池性能を安定化させることができる。例えば、シリカやチタニアのような無機フィラーを絶縁性樹脂領域に含有させることによって、アノード流路表面に親水性を付与することができるため、液体とセパレータ表面との表面エネルギーの差を小さくすることができ、炭酸ガスのような気体がアノード流路内に混入しても、気体が流路表面に着き難くなり、電池性能を安定化させることができる。
【００５６】
本発明に係る第１のセパレータ及び第２のセパレータにおいて、絶縁性樹脂領域にゴム状物質及び無機フィラーのうち少なくともいずれか一方を含有させることによって、高電流密度での出力特性並びに電池寿命をさらに向上することができる。すなわち、ゴム状物質及び無機フィラーは、セパレータの絶縁性樹脂領域の柔軟性及び硬さを調節することができる。例えば、柔軟性が高過ぎて保形性に劣る絶縁性樹脂にシリカのような無機フィラーを添加することによって、セパレータを適度に硬くすることができ、また、硬くて脆い絶縁性樹脂にゴム状物質を添加することによって、セパレータに柔軟性を付与することができる。このようにしてセパレータの絶縁性樹脂領域の柔軟性及び硬さを最適なものにすることによって、電極とセパレータの密着性をより高めることができるため、高電流密度での出力特性並びに電池寿命をさらに向上することができる。
【００５７】
なお、前述した図１においては、積層型燃料電池を例にして説明したが、本発明に係る第１及び第２のセパレータを単セルにおいて使用することができる。例えば、起電部のアノード極側に、第Ｉの面にアノード用流路が形成されている第２のセパレータを配置し、かつ起電部のカソード極側に、第Ｉの面にカソード用流路が形成されている第２のセパレータを配置することができる。
【００５８】
【実施例】
以下、本発明の実施例を前述した図１〜図５及び図６、図７を参照して詳細に説明する。
【００５９】
図６は、参照例１の燃料電池に用いられる第１のセパレータの作製する際に使用する金型に導電性材料を配置した状態を示す断面図で、図７は、参照例４の燃料電池に用いられる第１のセパレータの作製する際に使用する金型に導電性材料を配置した状態を示す断面図である。
【００６０】
（参照例１）
アノード用触媒（Ｐｔ：Ｒｕ＝１：１）担持カーボンブラックにパーフルオロカーボンスルホン酸溶液とイオン交換水及び2-エトキシエタノールを添加し、前記触媒担持カーボンブラックを分散させてペーストを調製した。アノード集電体としての撥水処理済カーボンペーパーの上にペーストを塗布し、乾燥させ、アノード触媒層を形成することによりアノード電極を得た。
【００６１】
カソード用触媒（Ｐｔ）担持カーボンブラックにパーフルオロカーボンスルホン酸溶液とイオン交換水及び２−エトキシエタノールを加え、前記触媒担持カーボンブラックを分散させてペーストを調製した。カソード集電体としての撥水処理済カーボンペーパーの上にペーストを塗布した後、乾燥させ、カソード触媒層を形成することにより、カソード電極を得た。
【００６２】
アノード電極のアノード触媒層とカソード電極のカソード触媒層の間に、電解質膜としての市販のパーフルオロカーボンスルホン酸膜（ｎａｆｉｏｎ膜、デュポン社製）を配置し、これらにホットプレスを施すことにより、アノード電極、電解質膜及びカソード電極を接合し、起電部である膜電極複合体（ＭＥＡ）を得た。
【００６３】
＜第１のセパレータの作製＞
図６に示すように、流路形成用の凹凸が設けられている雄型３１と雌型３２を用意し、これら金型の内面に離型剤を塗布した。雄型３１の３箇所の凹部に導電性領域となる板状の導電性カーボン同素体１５１〜１５３をセットし、雌型３２を合わせて型締めした後、溶融したポリプロピレン樹脂（絶縁性樹脂）を射出成形機で金型内に充填し、射出成形した。射出成形条件は、シリンダー温度が２００℃で、金型温度が１２０℃で、射出圧が７００ｋｇ／ｃｍ２で、冷却時間が４０秒である。金型を冷却することにより樹脂を硬化させた後、型開きを行って脱型し、バリ処理などの仕上げを行うことにより、前述した図３、図４に示す構造を有する第１のセパレータを得た。
【００６４】
第１のセパレータでは、第１の面における流路壁の上端面の総面積は、アノード電極反応面積の５０％に相当するものであり、また、第２の面における流路壁の上端面の総面積は、カソード電極反応面積の５０％に相当するものであった。第１の面及び第２の面それぞれにおいて、流路壁の上端面の総面積を１００％とした際の導電性領域の占有面積比率は６０％である。
【００６５】
＜第２のセパレータの作製＞
セパレータ形状に合わせて金型の形状を変更すること以外は、前述した第１のセパレータの場合と同様にして、前述した図４，５に示す構造のアノード側用第２のセパレータ及びカソード側用第２のセパレータを得た。
【００６６】
アノード側用第２のセパレータでは、第Ｉの面における流路壁の上端面の総面積は、アノード電極反応面積の５０％に相当するものであった。さらに、カソード側第２のセパレータでは、第Ｉの面における流路壁の上端面の総面積は、カソード電極反応面積の５０％に相当するものであった。アノード側用及びカソード側用それぞれにおいて、流路壁の上端面の総面積を１００％とした際の導電性領域の占有面積比率は６０％である。
【００６７】
＜直接型メタノール燃料電池の作製＞
起電部を２対用意し、起電部と起電部の間に第１のセパレータを配置し、この積層物のアノード極上にアノード側用第２のセパレータを配置すると共に、カソード極上にカソード側用第２のセパレータを配置した。各セパレータのネジ穴にボルトを通してナットで固定することにより、２セルスタック型の燃料電池を得た。
【００６８】
（実施例２）
＜第１のセパレータの作製＞
ポリプロピレン樹脂１００重量部と粒状シリカ（平均粒子径５０μｍ）１０重量部と繊維状シリカ（平均繊維径２００μｍ、平均内径４０μｍ）２０重量部とをヘンシェルミキサーで粉砕混合した後、２軸の押し出し機により、シリンダー温度２００℃として溶融混練して樹脂組成物を得た。次いで、前述した図６に示す構造の金型（雄型３１と雌型３２）の内面に離型剤を散布した後、雄型３１の３箇所の凹部に導電性領域となる板状の導電性カーボン同素体１５１〜１５３をセットし、雌型３２を合わせて型締めした。溶融混練りした樹脂組成物を溶融させた後、射出成形機で金型内に充填し、射出成形した。射出成形条件は、シリンダー温度が２００℃で、金型温度が１２０℃で、射出圧が１０００ｋｇ／ｃｍ２で、冷却時間が４０秒である。金型を冷却後、型開きを行って脱型し、バリ処理などの仕上げを行うことにより、前述した図３、図４に示す構造を有する第１のセパレータを得た。
【００６９】
＜第２のセパレータの作製＞
セパレータ形状に合わせて金型の形状を変更すること以外は、前述した第１のセパレータの場合と同様にして、前述した図４，５に示す構造のアノード側用第２のセパレータ及びカソード側用第２のセパレータを得た。
【００７０】
得られた第１のセパレータ及び第２のセパレータを用いること以外は、前述した参照例１で説明したのと同様な構成の燃料電池を得た。
【００７１】
（実施例３）
＜第１のセパレータの作製＞
ポリプロピレン樹脂１００重量部と粒状シリカ（平均粒子径１０μｍ）３０重量部とシリカ（平均粒子径０．５μｍ）３重量部とフタロシアニン（ＰＢ１５）３重量部とをヘンシェルミキサーで粉砕混合した後、２軸の押し出し機により、シリンダー温度２００℃として溶融混練して樹脂組成物を得た。次いで、前述した図６に示す構造の金型（雄型３１と雌型３２）に離型剤を散布した後、雄型３１の３箇所の凹部に導電性領域となる板状の導電性カーボン同素体１５１〜１５３をセットし、雌型３２を合わせて型締めした。溶融混練りした樹脂組成物を溶融させた後、射出成形機で金型内に充填し、射出成形した。射出成形条件は、シリンダー温度が２００℃で、金型温度が１２０℃で、射出圧が９００ｋｇ／ｃｍ２で、冷却時間が４０秒である。金型を冷却後、型開きを行って脱型し、バリ処理などの仕上げを行うことにより、前述した図３、図４に示す構造を有する第１のセパレータを得た。得られたセパレータは、絶縁性樹脂領域が青色を呈していた。
【００７２】
＜第２のセパレータの作製＞
セパレータ形状に合わせて金型の形状を変更すること以外は、前述した第１のセパレータの場合と同様にして、前述した図４，５に示す構造のアノード側用第２のセパレータ及びカソード側用第２のセパレータを得た。得られたセパレータは、絶縁性樹脂領域が青色を呈していた。
【００７３】
得られた第１のセパレータ及び第２のセパレータを用いること以外は、前述した参照例１で説明したのと同様な構成の燃料電池を得た。
【００７４】
（参照例４）
絶縁性樹脂として、熱硬化性のエポキシ樹脂を用いた。エポキシ樹脂は、エピコート８０７（油化シェル社製）に１当量に対して、硬化剤のフェノールノボラックを１当量を用いた。上記の樹脂前駆体１００重量部に対して、触媒として２メチルイミザソール２重量部を添加し、１００℃で万能混合機を用いて配合混練することにより、樹脂組成物を得た。
【００７５】
図７に示すように、金型として、流路形成用の凹凸が設けられている上型３３と下型３４を用意した。金型に離型剤を散布し、下型３４の３箇所の凹部に導電性領域となる板状の導電性カーボン同素体１５１〜１５３をセットした。下型３４に上型３３を合わせて、型締めした後、脱泡処理が施された樹脂組成物を所定量な流し込んだ。次いで、金型を真空プレス機内にセットし、金型温度１５０度、プレス圧１００Ｋｇ／ｃｍ２、硬化時間１５分の条件で成形した。冷却後、型開きを行って脱型し、成形物を１７０℃で４時間、ポストキュワーすることにより、前述した図３、図４に示す構造を有する第１のセパレータを得た。
【００７６】
＜第２のセパレータの作製＞
セパレータ形状に合わせて金型の形状を変更すること以外は、前述した第１のセパレータの場合と同様にして、前述した図４，５に示す構造のアノード側用第２のセパレータ及びカソード側用第２のセパレータを得た。
【００７７】
得られた第１のセパレータ及び第２のセパレータを用いること以外は、前述した参照例１で説明したのと同様な構成の燃料電池を得た。
【００７８】
（実施例５）
エポキシ樹脂は、エピコート８０７が１当量に対して、硬化剤のフェノールノボラックを１当量を用いた。上記の樹脂前駆体１００重量部に対して、触媒として２メチルイミザソール２重量部と繊維状シリカ（平均繊維径２００μｍ）３０重量部とを１００℃で万能混合機を用いて配合混練することにより、樹脂組成物を得た。
【００７９】
前述した図７に示す構造の上型３３と下型３４に離型剤を散布し、下型３４の３箇所の凹部に導電性領域となる板状の導電性カーボン同素体１５１〜１５３をセットした。下型３４に上型３３を合わせて、型締めした後、脱泡処理が施された樹脂組成物を所定量な流し込んだ。次いで、金型を真空プレス機内にセットし、金型温度１５０度、プレス圧１００Ｋｇ／ｃｍ２、硬化時間１５分の条件で成形した。冷却後、型開きを行って脱型し、成形物を１７０℃で４時間、ポストキュワーすることにより、前述した図３、図４に示す構造を有する第１のセパレータを得た。
【００８０】
＜第２のセパレータの作製＞
セパレータ形状に合わせて金型の形状を変更すること以外は、前述した第１のセパレータの場合と同様にして、前述した図４，５に示す構造のアノード側用第２のセパレータ及びカソード側用第２のセパレータを得た。
【００８１】
得られた第１のセパレータ及び第２のセパレータを用いること以外は、前述した参照例１で説明したのと同様な構成の燃料電池を得た。
【００８２】
（比較例１）
第１のセパレータ及び第２のセパレータをカーボンで形成すること以外は、前述した参照例１で説明したのと同様な構成の燃料電池を得た。
【００８３】
（比較例２）
以下に説明する方法で第１のセパレータ及び第２のセパレータを作製した。
【００８４】
エポキシ樹脂は、エピコート８０７が１当量に対して、硬化剤のフェノールノボラックを１当量を用いた。上記の樹脂前駆体１００重量部に対して、触媒として２メチルイミザソール２重量部とグラファイト（平均粒子径４μｍ）６００重量部を添加し、１００℃で万能混合機を用いて配合混練することにより、混合物を得た。
【００８５】
次いで、上型と下型に離型剤を散布した後、型締めし、混合物を流し込み、脱泡した。ついで、金型を真空プレス機内にセットし、金型温度１５０度、硬化時間１５分の条件で成形した。冷却後、型開きを行って脱型し、成形物を１７０℃で４時間のアフタキュアーすることにより、第１のセパレータ及び第２のセパレータを得た。
【００８６】
得られた参照例１，４と実施例２，３，５と比較例１〜２の燃料電池について、電流密度を５０ｍＡ／ｃｍ2、１００ｍＡ／ｃｍ2、１５０ｍＡ／ｃｍ2にした際の電圧と、セル抵抗と、最高出力を測定し、その結果を下記表１に示す。なお、燃料電池の評価条件は、７０℃、空気流量が５００ｍｌ／ｍｉｎ、燃料として２Ｍのメタノール水溶液を用い、燃料流量が１．３ｍｌ／ｍｉｎであった。また、流路の数及び凹凸のピッチ間隔は、すべて同じである。さらに、セル抵抗は、ミリオムメーター（アジレントテクノロジー社製、４２３８Ａ）を用いて、１Ｋｚでの交流法による測定より得た結果を表１に示した。
【００８７】
【表１】
0003561241.tif 000002
【００８８】
表１から明らかなように、参照例１，４及び実施例２，３，５の燃料電池は、セル抵抗、最高出力及び高電流密度で出力において比較例１（カーボン製セパレータ）と同等以上であることがわかる。特に、実施例２，３，５のように、セパレータの絶縁性樹脂領域にシリカが含まれていると、電流密度を高くした際の電圧をより大きくできることがわかる。
【００８９】
また、カーボンと絶縁性樹脂の混合物から形成されたセパレータを備える比較例２の燃料電池は、電圧特性、セル抵抗及び最高出力いずれも参照例１，４及び実施例２，３，５に比べて劣ることがわかる。
【００９０】
上記の電池性能評価試験後、燃料電池を分解して、ＭＡＥ（膜電極複合体）を観察すると、参照例１，４及び実施例２，３，５では、アノード集電体及びカソード集電体であるカーボンペーパー上に流路の跡が均一に残っているのに対し、比較例1では、カーボンペーパー上の流路の跡にむらがあった。このことから、比較例1のようにカーボン製セパレータを使用すると、電極に対してセパレータが片当りすることを確認することができた。この結果は、本セパレーターを用いた燃料電池は、長期寿命の改善に大きく影響するといえる。
【００９１】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明に係る直接型メタノール燃料電池用セパレータ及び直接型メタノール燃料電池によれば、電極とセパレータの接触点の面内均一性を高くすることができ、高電流密度においても高電圧を得ることができる顕著な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池の一例の概略構成を示す断面図。
【図２】図１の燃料電池に含まれる第１のセパレータの概略構成を示す平面図。
【図３】図２のセパレータを示す断面図。
【図４】図１の燃料電池に含まれる第２のセパレータの概略構成を示す平面図。
【図５】図４のセパレータを示す断面図。
【図６】参照例１の燃料電池に用いられる第１のセパレータを作製する際に使用する金型に導電性材料を配置した状態を示す断面図。
【図７】参照例４の燃料電池に用いられる第１のセパレータを作製する際に使用する金型に導電性材料を配置した状態を示す断面図。
【図８】従来の燃料電池（単セルタイプ）を示す断面図。
【図９】図８の燃料電池に含まれるセパレータを示す平面図。
【図１０】図９のセパレータを示す断面図。
【符号の説明】
１１〜１３…起電部、
２…アノード極、
３…カソード極、
４…電解質膜、
５…第１のセパレータ、
６…カソード極用流路、
１０…アノード極用流路、
１５１〜１５３…導電性領域、
１６…絶縁性樹脂領域、
１７１〜１７２…第２のセパレータ、
１８１〜１８３…導電性領域、
１９…絶縁性樹脂領域、
２０１〜２０３…導電性領域、
２１…絶縁性樹脂領域。
【図１】
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【図２】
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【図３】
0003561241.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0003561241.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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