(57)【要約】【課題】特別な加湿装置を付加することなく、スタック内に加湿機能を備えた燃料電池の提供。【解決手段】冷却水通路を有し、少なくとも黒鉛粉末を含む無機粉末と樹脂とからなり、表裏貫通の透水性を有する燃料電池用セパレーターを用いたことを特徴とする燃料電池。【選択図】選択図なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却水通路を有し、少なくとも黒鉛粉末を含む無機粉末と樹脂とからなり、表裏貫通の透水性を有する燃料電池用セパレーターを用いたことを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関し、特に設置型、携帯機器、自動車等に用いられる固体高分子燃料電池に関するものであり、更に詳しくは、冷却効率、ガス加湿特性、生産効率が良好で安価な燃料電池用セパレーターを用いた燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池、例えば、固体高分子型燃料電池は、周知のように、イオン交換膜からなる電解質膜とその両面に電極を設置し、それぞれの電極に燃料ガスあるいは酸化剤ガスを供給するための溝（パターン）を設けたセパレーターなどからなる単セルを積層したスタックを形成している。その発電メカニズムは水素を含有する燃料ガスと、空気など酸素を含有する燃料ガスとを、電気化学的に反応させることで、電力と熱とを同時に発生させるものである。
アノードでは水素ガスを水素イオンと電子にする反応が、カソードでは酸素ガスと水素イオンおよび電子から水を生成する反応が行われる。
アノード反応：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
カソード反応：２Ｈ＋＋２ｅ−＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２Ｏ
【０００３】
アノードで発生した水素イオンは、水和状態となって電解質膜中をカソードに移動する。このために、電解質膜のアノード側表面付近では、水が不足する状態となり、上述の反応を連続して行うには、この不足する水を補給する必要がある。固体高分子型燃料電池に用いられる電解質膜は、湿潤状態で良好な電気伝導性を有するが、含水率が低下すると、電解質膜の電気抵抗が大きくなって電解質として充分に機能しなくなり、場合によっては電極反応を停止させてしまう。
この水の補給は、燃料電池を加湿することにより行うのが一般的である。燃料ガスを加湿する装置としては、燃料ガスをバブリングして加湿する装置や、水蒸気を透過するガス拡散膜を介して燃料ガスを加湿する装置等が知られている。ところが、このような、従来の技術では、前記加湿装置が、燃料電池本体を収納するスタックの外部に別体で設けられていることから、装置が大型化するという問題があった。
【０００４】
このような問題を解決する方法としてスタック内に加湿装置を設ける方法が開示されている。例えば、特許文献１、２では透過膜を利用し水を供給ガスに取り込ませる方法が開示されているが、別途透過膜を使用し、加湿部を形成しなければならないのでスペースもとり、高価なものとなっていた。さらに、セパレーター表面に多孔性の導電材を設けて加湿性を確保する方法が開示されている（特許文献６）。しかしながら、ガス内の水分のみの加湿なので、加湿性が充分でなかった。
また、一方、安価なセパレーターの製造方法として、圧縮成形（特許文献３）による方法が開示されているが、加熱、冷却を繰り返すために、成形時間に時間がかかるものとなり、生産性の低いものであった。このような問題点を解決するために押出成形により、ロールにて所望の形状を転写する方法（特許文献４）射出成形による形状を転写する方法（特許文献５）に紹介されている。しかしながら、ロールや金型からの離型性が優れたものでなく、薄膜のセパレーターを成形するのは困難なものであった。
【０００５】
【特許文献１】特開平７−２４５１１６号公報
【特許文献２】特開平８−３１５８３８号公報
【特許文献３】特開２０００−２４３４０９号公報
【特許文献４】特開２００２−１９８０６２号公報
【特許文献５】特開２０００−３３２６９０号公報
【特許文献６】特開平６−２３１７７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、特別な加湿装置を付加することなく、スタック内に加湿機能を備えた燃料電池の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者は、少なくとも、黒鉛粉末を含む無機粉末と樹脂とからなり、表裏貫通の透水性を有する燃料電池用セパレーターを使用することにより、セパレーター部に水の通路を設け、該通路に水を循環させ、セパレーターから必要な水分を供給し、スタック内にて加湿機能を備えさせると共に、冷却水循環による冷却効果および蒸発熱による冷却効果を発揮させうることを見出し、本発明を完成した。
すなわち、本発明は、下記の通りである。
１．冷却水通路を有し、少なくとも黒鉛粉末を含む無機粉末と樹脂とからなり、表裏貫通の透水性を有する燃料電池用セパレーターを用いたことを特徴とする燃料電池。
【発明の効果】
【０００８】
表裏貫通の透水性を有する燃料電池用セパレーターを使用することにより、セパレーター部を循環する冷却水からスタック内に必要な水分が供給され、燃料電池をコンパクトにすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の好ましい態様を中心に、詳細に説明する。
本発明の燃料電池用セパレーターは少なくとも黒鉛粉末を含む無機粉末と樹脂の混合物である。本発明における黒鉛粉末としては、黒鉛質、または炭素質の粒子を意味し、高い導電性を有する限り、黒鉛構造を有する必要はないが、高い結晶性の黒鉛構造を有することが望ましい。このような黒鉛粉末として、例えば、人造黒鉛、天然黒鉛、膨張黒鉛があげられる。この黒鉛粉末は単独で用いても良いし、２種類以上組み合わせて用いても良い。
黒鉛粉末を含む無機粉末としては、黒鉛粉末にシリカ、アルミナ、酸化マグネシウム、炭酸カルシウム、マイカ等を１種または２種以上混合させることができる。これらの中でもシリカ、アルミナを混合させることが好ましい。
【００１０】
樹脂としては射出成形、押出成形をするために熱可塑性樹脂を使用し、ポリオレフィン、ポリアミド、ポリアセタール、非晶性ポリエステル、ポリフェニレンオキシド、ポリカーボネート、ポリフェニレンスルフィド、液晶ポリエステル、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルイミド、ポリアミドイミド、ポリケトン、液晶樹脂、フッ素樹脂から選ばれる１種または２種以上を用いることができる。
高温において熱可塑性樹脂と相溶でかつ室温において分離する可塑剤は、各熱可塑性樹脂に対して個別に選別され、例えば、公知の熱可塑性樹脂と可塑剤のｓｐ値の差を手掛りに選別することができる。例えば、ポリオレフィンを選択した場合は、可塑剤として流動パラフィン、フタル酸エステルやセバシン酸エステル等のエステル類を用いることができる。
【００１１】
本発明においては、上記記載の黒鉛粉末を含む無機粉末と、熱可塑性樹脂と、高温において熱可塑性樹脂と相溶でかつ室温において分離する可塑剤とを溶融混合して、セパレーターのパターンに対応した溝を有する圧延ロールによりパターンをシート状成形物に転写したり、または、金型によりパターンを射出成形物に転写した後に、冷却した後あるいは同時に可塑剤を抽出することにより、表裏貫通の透水性を有するようにすることができる。本発明によれば、可塑剤がシート状成形物、または射出成形物の表面にブリードアウトしてくるので、圧延ロール、または金型との剥離性が良好になり、微細な加工が可能になる。また、セパレーターの薄膜化が可能になり、セパレーターのコストも安価になる。
【００１２】
本発明における表裏貫通の透水性を有するには表裏貫通の連続孔があることが好ましく、孔径としては、０．０１μｍ〜１０μｍの間にあることが好ましく、このような孔径は走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）によるセパレーターの表面観察写真により、表面に開孔している孔径の直径を測定することにより把握することができる。本発明においては表裏貫通の透水性を判断するのに本発明では透気度を目安にしている。本発明における燃料電池セパレーターの透気度は特に限定されるわけではないが、単位厚みあたり、５秒／（１００ｃｃ・枚・μｍ）以上、１０００秒／（１００ｃｃ・枚・μｍ）以下が望ましい。
こうした燃料電池用セパレーターを用いることにより、冷却用の水の通路からセパレーターを介して水が供給ガス側に移ることや、発生した水が可塑剤抽出跡に取り込まれ蒸発することで、供給ガスへの加湿がなされる。
【００１３】
本発明の単セル燃料電池の１例を図１に示す。電解質膜として用いられるイオン交換膜はＨ＋導伝性を有すれば良く、例えば、含フッ素高分子を骨格とし、スルホン酸基および／またはカルボキシル基を有する公知のイオン交換膜を使用することができる。電極は公知のガス拡散電極であればよく、例えば、白金を担持したカーボンと、結着剤、撥水剤としての「テフロン」（登録商標）、さらにプロトン導伝材としての例えば、イオン交換樹脂成分から成る。
本発明の燃料電池の冷却水関係の回路の１例を図２に示す。カソードにて発生した水は、セパレーターに取り込まれたり、オフガスと同時に排出されたものが冷却水バッファータンクの水に取り込まれる。冷却水はバッファータンクとの送り、返り配管を通して循環される。その際、冷却水の送りはアノード側とカソード側にて圧力差をつけるのが望ましい。
【００１４】
次に実施例によって本発明を更に詳細に説明する。
実施例において示される試験方法は次の通りである。
（１）厚み（μｍ）
ダイヤルゲージ（尾崎製作所：「ＰＥＡＣＯＣＫ（登録商標）  Ｎｏ．２５」）にて測定した。
（２）透気度（秒／０．１ｄｍ３）
ＪＩＳ  Ｐ−８１１７準拠のガーレー式透気度計にて測定した。
【実施例】
【００１５】
［実施例１］
黒鉛粉末として鱗片状黒鉛粉末と粘度平均分子量Ｍｖ４００万の超高分子量ポリエチレン樹脂の重量比４：１になるように両者を攪拌機に入れ、攪拌混合を行った。なお、超高分子量ポリエチレンのＭｖは溶剤（デカリン）を用い、測定温度１３５℃における極限粘度［η］を測定し、次式より算出した。
［η］＝６．２×１０（−４）×Ｍｖ０．７（Ｃｈｉａｎｇの式）
この攪拌混合物をＴダイを装着した二軸押出機のホッパーから投入し、二軸押出機の途中から攪拌混合物６０重量％に、流動パラフィンが４０重量％となるようにフィードし、二軸押出機にて約２００℃にてスクリュー回転数２５０ｒｐｍにて混練・押出し、シート状に成形した。シート状にする際に、エンボス加工を施したロールを用い圧延加工を行った。この該成形物から流動パラフィンを抽出除去し燃料電池用セパレーターとした厚みは５００μｍであった。得られたセパレーターの透気度は１００００秒／（１００ｃｃ・枚）であった。溝の深さは２００μｍとし、溝の巾は２ｍｍとなるようにし、溝の間隔は５ｍｍとなるようにした。
【００１６】
面積が０．００１ｍ２のガス拡散電極（米国Ｅ−ＴＥＫ社製）白金担持量３．８ｇ／ｍ２を２枚用意し、一方、パーフルオロカーボンイオン交換樹脂「Ａｃｉｐｌｅｘ（登録商標）  ＳＳ−１０８０」（旭化成社製）を重量で５０対５０のエタノールと水の混合溶液に溶解して５重量％の溶液とした。用意したガス拡散電極にこの「Ａｃｉｐｌｅｘ」溶液０．１５ｍｌを含浸した後、７０℃にて２時間減圧乾燥した。１００μｍの厚みの「Ａｃｉｐｌｅｘ」（登録商標）膜をこの電極で挟んで、ホットプレス器にて１４０℃、９０秒間接合処理を行った。図１に示す単セルを得られたセパレーター（この例では２枚重ね）を用いて組み、図２に示す評価装置を組み、反応ガスとして酸素と、水素を用い、流量は各々５０ｍｌ／分、１００ｍｌ／分で燃料電池としての出力評価を行った。１０時間稼動させた後、「Ａｃｉｐｌｅｘ」膜の乾燥状態を観察した。「Ａｃｉｐｌｅｘ」膜は膨潤しており、出力は良好だった。
【００１７】
［実施例２］
攪拌混合物５０重量％に、流動パラフィンが５０重量％とする以外は実施例１と同様にして燃料電池用セパレーターを作製した。透気度は５０００秒／（１００ｃｃ・枚）であった。実施例１と同様にして燃料電池の評価を行ったところ、「Ａｃｉｐｌｅｘ」膜は膨潤しており、出力は良好だった。
【００１８】
［実施例３］
攪拌混合物７０重量％に、流動パラフィンが３０重量％とする以外は実施例１と同様にして燃料電池用セパレーターを作製した。透気度は４０００００秒／（１００ｃｃ・枚）であった。実施例１と同様にして燃料電池の評価を行ったところ、「Ａｃｉｐｌｅｘ」膜は膨潤しており、出力は良好だった。
【００１９】
［実施例４］
黒鉛粉末の変わりに、鱗片状黒鉛粉末と親水性シリカの３：１のブレンド物を用いて実施例１と同様にして、厚みは３００μｍであった。得られたセパレーターの透気度は１５００秒／（１００ｃｃ・枚）であった。溝の深さは１００μｍとし、溝の巾は２ｍｍとなるようにし、溝の間隔は５ｍｍとなるようにして燃料電池用セパレーターを作製した。実施例１と同様にして燃料電池の評価を行ったところ、「Ａｃｉｐｌｅｘ」膜は膨潤しており、出力は良好だった。
【産業上の利用可能性】
【００２０】
本発明は、燃料電池の分野で好適に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】実施例の単セル燃料電池を示す断面概略図。
【図２】実施例における出力評価のための運転構成概略図。
【符号の説明】
【００２２】
１    イオン交換膜
２    ガス拡散電極
４    反応ガス流路用溝開口部
５    セパレーター内部冷却水通路
６    反応ガス出入口
７    冷却水通路
９    シール
１０    セパレーター
２１    カソードオフガス
２２    冷却水送り
２３    冷却水返り
２５    冷却水バッファータンク
３０    ラジエーター
３１    ラジエーター送り
３２    ラジエーター返り
【図１】
2006260825.tif 000002
【図２】
2006260825.tif 000003