(57)【要約】【課題】破損等の発生を抑制することができる燃料電池スタックを提供する。【解決手段】電解質膜２１の両側にそれぞれ設けられるアノード側電極２２及びカソード側電極２３とを備える複数のセル２０を備え、各セル２０のアノード側電極２２の外側に設けられるアノード側セパレータ３０が金属材料で形成された金属セパレータからなり、カソード側電極２３の外側に設けられるカソード側セパレータ４０が樹脂材料で形成された樹脂セパレータからなる構成とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、該電解質膜の両側にそれぞれ設けられるアノード側電極及びカソード側電極とを有するセルが、セパレータを介して複数積層された燃料電池スタックであって、
前記セパレータは、前記アノード側電極の外側に設けられるアノード側セパレータと、前記カソード側電極の外側に設けられるカソード側セパレータと、を含み、
前記アノード側セパレータが、金属材料で形成された金属セパレータからなり、前記カソード側セパレータが、樹脂材料で形成された樹脂セパレータからなる
ことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記カソード側セパレータが、平板状に形成されている
ことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記アノード側電極が、前記電解質膜に接触して設けられるアノード側触媒層と、該アノード側触媒層の外側に設けられるアノード側ガス拡散層と、を有すると共に、
前記カソード側電極が、前記電解質膜に接触して設けられるカソード側触媒層と、該カソード側触媒層の外側に設けられるカソード側ガス拡散層と、を有し、
前記カソード側ガス拡散層は、少なくとも一部の空隙率が前記アノード側ガス拡散層の空隙率よりも高い
ことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記カソード側ガス拡散層は、前記カソード側触媒層に接触する第１の拡散層と、該第１の拡散層の前記カソード側触媒層とは反対側に接触する第２の拡散層とを有し、
前記第２の拡散層の空隙率が、前記第１の拡散層の空隙率よりも高い
ことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記樹脂セパレータは導電性の樹脂材料で形成されている
ことを特徴とする燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素と酸素とを反応させて電力を発生させるセルユニットが複数積層された燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池として、水素を含む燃料ガスをアノード（燃料極）側に供給し、酸素を含む酸化ガス（例えば、空気）をカソード（酸化剤極）側に供給して、両極で起こる電気化学反応によって起電力を得る固体高分子形燃料電池がある。かかる燃料電池は、電解質膜である固体高分子膜をアノード側電極とカソード側電極との間に配されたセルが、セパレータを介して複数積層された燃料電池スタックを備えている。またカソード側電極及びアノード側電極は、触媒層及びガス拡散層で構成されている。そして燃料電池スタックは、一般的には、セパレータ、ガス拡散層、触媒層、電解質膜、触媒層、ガス拡散層、セパレータを順に積層して構成されている。
【０００３】
なお各セルでは、アノード側に水素を含む燃料ガスを供給することで水素が水素イオンと電子に分解され、一方、カソード側に酸素を含む酸化剤ガスを供給することで酸素が電子を受領して酸素イオンが生成され、これら水素イオンと酸素イオンとから水を生成するという電気化学反応により発電する。
【０００４】
ここで、各セル間に配されるセパレータには、ガスを分離する機能、隣り合うセル間を電気的に接続する集電体としての役割、セル構造部材としての役割、系外から導入したガスをガス拡散層へ供給し、また余剰ガスおよび生成水を系外へ排出する通路としての機能を有している。すなわち、セパレータには、ガス不透性、熱伝導性、低溶出不純物、強度、導電性及び耐久性が求められる。そしてセパレータとしては、例えば、ステンレスやチタン等の金属の板材をプレス成形すること等により作成された金属セパレータが多く採用されていた。
【０００５】
しかしながら、このような金属の板材等からなる金属セパレータは、燃料電池の電圧条件によっては耐食性が不足する虞がある。例えば、金属セパレータは、燃料電池の電圧が比較的高いと、それにより腐食が生じ易いという問題がある。
【０００６】
近年は、このような問題を解消するために、カーボン等の導電材料を含む導電性樹脂により形成された樹脂セパレータが開発され、実用化が進んでいる。例えば、セルの両面に設けられる各セパレータとして、グラファイト等の炭素系導電材料と樹脂材料とからなる樹脂セパレータを採用したものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−１２８８１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
樹脂セパレータは、金属セパレータに比べて耐食性等に優れるというメリットがある一方で、金属セパレータに比べて強度（靭性）が低いというデメリットがある。また、樹脂セパレータは、例えば、カーボン等の導電材料の含有比率を高めると脆くなってしまう虞もある。したがって、セルの両面に設けられる各セパレータとして樹脂セパレータを採用した場合、セルが複数積層された燃料電池スタックにおいても破損等が生じ易くなる虞がある。
【０００９】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、破損等の発生を抑制することができる燃料電池スタックを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決する本発明は、電解質膜と、該電解質膜の両側にそれぞれ設けられるアノード側電極及びカソード側電極とを有するセルが、セパレータを介して複数積層された燃料電池スタックであって、前記セパレータは、前記アノード側電極の外側に設けられるアノード側セパレータと、前記カソード側電極の外側に設けられるカソード側セパレータと、を含み、前記アノード側セパレータが、金属材料で形成された金属セパレータからなり、前記カソード側セパレータが、樹脂材料で形成された樹脂セパレータからなることを特徴とする燃料電池スタックにある。
【００１１】
かかる本発明では、電圧が高くなるカソード側セパレータとして樹脂セパレータを採用したため、カソード側セパレータの腐食を抑制（耐食性を向上）することができる。一方で、電圧が高くならないアノード側セパレータとして金属セパレータを採用したので、耐食性を低下させることなく、強度の向上を図ることができる。
【００１２】
ここで、前記カソード側セパレータが、平板状に形成されていることが好ましい。カソード側セパレータは、樹脂セパレータであるため、平板状に形成されていることで、製造コストが抑制される。したがって、比較的安価に、燃料電池スタックの強度を高めることができる。
【００１３】
また前記カソード側セパレータが、平板状に形成されている場合、さらに前記アノード側電極が、前記電解質膜に接触して設けられるアノード側触媒層と、該アノード側触媒層の外側に設けられるアノード側ガス拡散層と、を有すると共に、前記カソード側電極が、前記電解質膜に接触して設けられるカソード側触媒層と、該カソード側触媒層の外側に設けられるカソード側ガス拡散層と、を有し、前記カソード側ガス拡散層は、少なくとも一部の空隙率が前記アノード側ガス拡散層の空隙率よりも高いことが好ましい。
【００１４】
例えば、前記カソード側ガス拡散層は、前記カソード側触媒層に接触する第１の拡散層と、該第１の拡散層の前記カソード側触媒層とは反対側に接触する第２の拡散層とを有し、前記第２の拡散層の空隙率が、前記第１の拡散層の空隙率よりも高いことが好ましい。
【００１５】
このような構成とした場合でも、燃料電池スタックの強度を高めることができ、さらに燃料電池スタックの小型化及び軽量化を図ることができる。
【００１６】
また前記樹脂セパレータは導電性の樹脂材料で形成されていることが好ましい。これにより、集電構造を、別途、設ける必要がなくなるため、燃料スタックの構成を簡略化できる。
【発明の効果】
【００１７】
以上のように本発明では、各セルの両面に設けられるセパレータとして、金属セパレータ及び樹脂セパレータの両方を採用するようにしたので、燃料電池スタックにおける破損等の発生を効果的に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施形態１に係る燃料電池スタックの概略構成を示す断面図である。
【図２】本発明の実施形態２に係る燃料電池スタックの概略構成を示す断面図である。
【図３】本発明の実施形態３に係る燃料電池スタックの概略構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
（実施形態１）
図１に示すように、本実施形態に係る燃料電池スタック１０は、例えば、固体高分子形の燃料電池を構成するものであり、複数のセル２０が積層されて形成されている。燃料電池スタック１０を構成するセル２０の数は、特に限定されず適宜決定されればよい。なお図１では、燃料電池スタック１０の一部として２つのセル２０を示している。
【００２０】
各セル２０は、電解質膜（例えば、固体高分子電解質膜）２１と、電解質膜２１の一方側に燃料極であるアノード側電極２２と、電解質膜２１の他方面側に酸化剤極であるカソード側電極２３と、を備えている。すなわち、これらアノード側電極２２及びカソード側電極２３は、電解質膜２１を挟んで設けられている。
【００２１】
アノード側電極２２は、電解質膜２１に接触する電極触媒層（アノード側触媒層）２４と、電極触媒層２４の電解質膜２１とは反対側に設けられるガス拡散層（アノード側ガス拡散層）２５とからなる。同様に、カソード側電極２３も、電極触媒層（カソード側触媒層）２６とガス拡散層（カソード側ガス拡散層）２７とからなる。
【００２２】
ここで、電解質膜２１としては、例えば、ナフィオン（商品名）に代表されるパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂膜等のフッ素系電解質膜の他、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルホン等の炭化水素系樹脂にスルホン酸基、リン酸基、カルボキシル基等のイオン交換基を導入した炭化水素系電解質膜等、一般的に用いられているものを用いることができる。
【００２３】
電極触媒層２４，２６は、通常、アノード側電極２２及びカソード側電極２３における電極反応に対して触媒活性を有する電極触媒と電解質材料とを含有する。電極触媒としては、通常、触媒成分を導電性粒子に担持させたものが用いられる。触媒成分としては、アノード側電極（燃料極）２２の燃料の酸化反応又はカソード側電極（酸化剤極）２３の酸化剤の還元反応に対して触媒活性を有しているものであれば、特に限定されず、高分子形燃料電池に一般的に用いられているものを使用することができる。例えば、白金、又はルテニウム、鉄、ニッケル、マンガン、コバルト、銅等の金属と白金との合金等が挙げられる。触媒担体である導電性粒子としては、カーボンブラック等の炭素粒子や炭素繊維のような導電性炭素材料、金属粒子や金属繊維等の金属材料も用いることができる。
【００２４】
また、ガス拡散層２５，２７には、従来から公知の炭素繊維などからなるガス拡散電極基材が用いられる。かかるガス拡散層２５，２７は、アノード側電極２２に供給される水素を含む燃料ガス又はカソード側電極２３に供給される酸素を含む酸化ガスを、電極触媒層２４，２６へ拡散するための高いガス拡散性、電気化学反応に伴って生成する液水を系外へ排出するための高い排水性、発生した電流を取り出すための高い導電性が必要であるが、これらの機能を有するものであれば、通常用いられているガス拡散電極基材を用いることができる。
【００２５】
このような各セル２０の両外側には、燃料ガスや酸化ガスを遮断すると共に各セル２０を電気的に接続する役割を果たすセパレータとして、アノード側セパレータ３０及びカソード側セパレータ４０が設けられている。
【００２６】
アノード側セパレータ３０は、アノード側電極２２の外側に配設されている。このアノード側セパレータ３０とアノード側電極２２との間には、水素を含む燃料ガスが供給される燃料ガス供給路３１が形成されている。詳しくは、アノード側セパレータ３０は、ガス拡散層２５側の表面に接触する凸部３２と、ガス拡散層２５の表面から離間して該表面との間に燃料ガス供給路３１となる空間を形成する凹部３３とを有し、これら凸部３２と凹部３３とが交互に繰り返して設けられている。
【００２７】
このようなアノード側セパレータ３０は、例えば、ステンレスやチタン等の金属板を波板状に加工することによって形成された、いわゆる金属セパレータである。この金属セパレータであるアノード側セパレータ３０とアノード側電極２２との間に、燃料ガス供給路３１が所定間隔で複数本形成されている。各燃料ガス供給路３１に供給された酸化ガス（水素）は、上述のようにガス拡散層２５によって拡散されて電極触媒層２４に送り込まれる。
【００２８】
一方、カソード側セパレータ４０は、カソード側電極２３の外側に配設されている。このカソード側セパレータ４０とカソード側電極２３との間には、酸素を含む酸化ガス（例えば、空気）が供給される酸化ガス供給路４１が形成されている。詳しくは、カソード側セパレータ４０は、ガス拡散層２７側の表面に接触する凸部４２と、ガス拡散層２７の表面から離間して該表面との間に酸化ガス供給路４１となる空間を形成する凹部４３とを有し、これら凸部４２と凹部４３とが交互に繰り返して設けられている。
【００２９】
このようにカソード側セパレータ４０は、アノード側セパレータ３０と同様に波板状に形成されており、カソード側セパレータ４０とカソード側電極２３との間には、酸化ガス供給路４１が所定間隔で複数本形成されている。ただし、カソード側セパレータ４０は、金属セパレータであるアノード側セパレータ３０とは異なり、例えば、カーボン等の導電材料と樹脂材料とで形成された、いわゆる樹脂セパレータである。このようにセパレータを導電性とすることで、集電構造を別途設ける必要がないため、燃料電池スタックの構成を簡略化することができる。なお樹脂セパレータ自体は、既存ものであるため、ここでの詳細な説明は省略する。
【００３０】
そして、燃料電池スタック１０は、各セル２０の両側にアノード側セパレータ３０及びカソード側セパレータ４０を接合した接合体を複数積層することで形成されている。
【００３１】
また各セル２０を積層する際、各セル２０に接合されたアノード側セパレータ３０の凸部３２と、カソード側セパレータ４０の凸部４２とを接合することで、各アノード側セパレータ３０とカソード側セパレータ４０との間に、各セル２０を冷却するための冷却水が供給される冷却水供給路５０が形成されている。すなわちアノード側セパレータ３０の凹部３３とカソード側セパレータ４０の凹部４３とを接合することで、アノード側セパレータ３０の各凸部３２とカソード側セパレータ４０の各凸部４２との間に、冷却水供給路５０となる空間が形成されている。
【００３２】
以上説明したように、本実施形態では、電圧が高くなるカソード側セパレータ４０が樹脂セパレータで構成されるようにしたので、カソード側セパレータ４０の腐食を抑制（耐食性を向上）することができる。一方で、電圧が高くならないアノード側セパレータ３０は、金属セパレータで構成されるようにしたので、耐食性を低下させることなく、強度の向上を図ることができる。したがって、燃料電池スタック１０としての強度も向上し、燃料電池スタック１０の破損等の発生を効果的に抑制することができる。
【００３３】
（実施形態２）
図２は、実施形態２に係る燃料電池スタックの概略構成を示す断面図である。なお、実施形態１と同一部材には同一符号を付して重複する説明は省略する。
【００３４】
本実施形態は、カソード側電極２３Ａを構成するガス拡散層２７Ａが、酸化ガス供給路４１を兼ねるようにした例である。詳しくは、図２に示すように、本実施形態の燃料電池スタック１０では、各セル２０が備えるカソード側電極２３Ａが、二層で構成されるガス拡散層２７Ａを備えている。すなわちガス拡散層２７Ａは、電極触媒層２６に接触して設けられる第１の拡散層２７ａと、第１の拡散層２７ａの電極触媒層２６とは反対側に接触して設けられる第２の拡散層２７ｂと、で構成されている。
【００３５】
この第２の拡散層２７ｂの表面にはカソード側セパレータ４０Ａが接合されている。実施形態１では、カソード側セパレータ４０は波板状に形成されていたのに対し、本実施形態に係るカソード側セパレータ４０Ａは平板状に形成されている。
【００３６】
ここで、第２の拡散層２７ｂは、第１の拡散層２７ａよりも空隙率が高くなっており、さらに言えば、アノード側電極２２を構成するガス拡散層２５よりも空隙率が高くなっている。なお本実施形態では、アノード側電極２２を構成するガス拡散層２５の空隙率は、第１の拡散層２７ａの空隙率と略同一となっている。
【００３７】
そして、この第２の拡散層２７ｂが、酸化ガス供給路４１を兼ねている。換言すれば、第２の拡散層２７ｂは、酸化ガスを供給可能な程度の空隙率で形成されており、その結果、第２の拡散層２７ｂの空隙率は、第１の拡散層２７ａの空隙率よりも高くなっている。
【００３８】
このため、本実施形態の構成ではカソード側セパレータ４０Ａが平板状で形成されていても、第２の拡散層２７ｂからカソード側電極２３に酸化ガスを良好に供給することができる。
【００３９】
本実施形態の構成においても、アノード側セパレータ３０は金属セパレータで構成され、カソード側セパレータ４０Ａは樹脂セパレータで構成されている。このため、実施形態１と同様に、燃料電池スタック１０としての強度が向上し、燃料電池スタック１０の破損等の発生を効果的に抑制することができる。さらに本実施形態では、カソード側セパレータ４０Ａが平板状に形成されているため、製造コストの削減を図ることができる。実施形態１で例示したような波板状のカソード側セパレータ４０は、プレス加工により形成されるが、樹脂セパレータからなるため加工に要する時間が長く、高コストになり易い。しかしながら、カソード側セパレータ４０Ａを平板状とした本実施形態の構成によれば、加工コストを大幅に削減して、比較的安価に燃料電池スタック１０を製造することができる。
【００４０】
なお本実施形態では、カソード側電極２３Ａが、二層で構成されるガス拡散層２７Ａを備える構成を例示したが、ガス拡散層２７Ａは、必ずしも二層である必要なく、一層で構成されていてもよい。このようにガス拡散層２７Ａが一層で構成されている場合には、第１の拡散層２７ａの空隙率が、アノード側電極２２を構成するガス拡散層２５より高く、つまり酸化ガスを供給可能な程度の空隙率で形成されていればよい。勿論、ガス拡散層２７Ａは、三層以上で構成されていてもよい。
【００４１】
（実施形態３）
図３は、実施形態３に係る燃料電池スタックの概略構成を示す断面図である。なお、実施形態１と同一部材には同一符号を付して重複する説明は省略する。
【００４２】
本実施形態は、各セル２０の間に形成される冷却水供給路５０の一部を省略することで、燃料電池スタック１０の小型化を図った例である。詳しくは、図３に示すように、各セル２０の一方側においては、実施形態１と同様に、アノード側セパレータ３０の凸部３２と、カソード側セパレータ４０の凸部４２とが接合され、これらアノード側セパレータ３０とカソード側セパレータ４０との間には複数本の冷却水供給路５０が形成されている。
【００４３】
これに対し、各セル２０の他方側（上記冷却水供給路５０とは反対側）おいては、アノード側セパレータ３０の凸部３２と、カソード側セパレータ４０の凹部４３とが接合されている。すなわち各セル２０の他方側においては、アノード側セパレータ３０とカソード側セパレータ４０とが実質的に一体化されている。これにより、アノード側セパレータ３０とカソード側セパレータ４０との間には冷却水供給路５０が形成されることなく、燃料ガス供給路３１と酸化ガス供給路４１とが隣接して交互に形成されている。
【００４４】
このような本実施形態の構成においても、アノード側セパレータ３０が金属セパレータで構成され、カソード側セパレータ４０が樹脂セパレータで構成されている。したがって、実施形態１と同様に、燃料電池スタック１０としての強度が向上し、燃料電池スタック１０の破損等の発生を効果的に抑制することができる。また本実施形態では、各セル２０の一方側において冷却水供給路５０を省略し、アノード側セパレータ３０とカソード側セパレータ４０とを一体化するようにしたので、燃料電池スタック１０の厚みを薄くすることができ、ひいては燃料電池の小型化を図ることができる。
【００４５】
なお冷却水供給路５０の一部を省略した場合でも、冷却水の供給量を増加すること等により、冷却水供給路５０を省略していない構成（図１参照）と同程度の冷却性能は確保することができる。
【００４６】
また本実施形態では、各セル２０の他方側（冷却水供給路５０とは反対側）では、アノード側セパレータ３０とカソード側セパレータ４０とを重ねて一体化するようにしたが、この一体化したセパレータの代わりに、樹脂セパレータからなるカソード側セパレータ４０のみを設けるようにしてもよい。
【００４７】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、勿論、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能なものである。
【００４８】
例えば、上述の実施形態では、セパレータが導電性の樹脂材料で形成された構成を例示したが、別途、集電構造を設ければ、セパレータを形成する樹脂材料は導電性でなくてもよい。
【符号の説明】
【００４９】
１０  燃料電池スタック
２０  セル
２１  電解質膜
２２  アノード側電極
２３，２３Ａ  カソード側電極
２４  電極触媒層（アノード側触媒層）
２５  ガス拡散層（アノード側ガス拡散層）
２６  電極触媒層（カソード側触媒層）
２７，２７Ａ  ガス拡散層（カソード側ガス拡散層）
２７ａ  第１の拡散層
２７ｂ  第２の拡散層
３０  アノード側セパレータ
３１  燃料ガス供給路
４０，４０Ａ  カソード側セパレータ
４１  酸化ガス供給路
５０  冷却水供給路
【図１】
2018055945.tif 000003
【図２】
2018055945.tif 000004
【図３】
2018055945.tif 000005