(57)【要約】【課題】製造が容易で低コストの固体高分子型燃料電池とその構成部材である集電板とガス遮蔽板を提供する。【解決手段】水素の酸化に伴い発生する電子を集電する集電板と、酸素の還元反応に供給する電子を導通する集電板と、水素または水素含有ガスを大気から分離するガス遮蔽板と、酸素または酸素含有ガスを大気から分離するガス遮蔽板とを含む固体高分子型燃料電池であって、集電板とガス遮蔽板とを別部材で構成することを特徴とする固体高分子型燃料電池。好ましくは、前記集電板が、多孔質金属、金属製の網、パンチングメタル又は金属粉末の焼結材から構成され、前記ガス遮蔽板が、絶縁性樹脂から構成される。【選択図】図２
2004311043.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素の酸化反応に伴い発生する電子を集電する集電板と、酸素の還元反応に供給する電子を導通する集電板と、水素または水素含有ガスを大気から分離するガス遮蔽板と、酸素または酸素含有ガスを大気から分離するガス遮蔽板とを含む固体高分子型燃料電池であって、集電板とガス遮蔽板とを別部材で構成することを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項２】
前記集電板が、多孔質金属よりなる板、金属製の網、パンチングメタル、又は金属粉末の焼結材よりなる板である、請求項１に記載した固体高分子型燃料電池。
【請求項３】
多孔質金属よりなる板、金属製の網、パンチングメタル、又は金属粉末の焼結材よりなる板である、固体高分子型燃料電池用集電板。
【請求項４】
前記ガス遮蔽板が、絶縁性樹脂よりなる、請求項１または２記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項５】
絶縁性樹脂からなる、固体高分子型燃料電池用ガス遮蔽板。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、製造が容易でその結果低コストで製造可能な固体高分子型燃料電池とその部材である集電板およびガス遮蔽板に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、水素の酸化反応のエネルギーを電気エネルギーとして取り出す電池であり、生成物が原則として水だけであることから、環境に悪影響を及ぼさない電気エネルギー源として強い期待をかけられている。燃料電池には、固体電解質型、溶融炭酸塩型、リン酸塩型、固体高分子型があり、すでに溶融炭酸塩型、リン酸塩型は実用化の段階にある。
【０００３】
これらの燃料電池のうち、固体高分子型燃料電池は他の燃料電池に比べ稼働温度が低くかつ運転の起動停止が容易であるとの特長がある。このため、家庭用や自動車、携帯機器などのモバイル用等比較的小規模の分散型電源としての利用が検討されている。
【０００４】
水素の酸化反応による起電力は１Ｖ以下であることから、通常一組のアノードとカソードからなるユニットセルを直列に積層連接して（これをスタックと呼ぶ）所望の電圧を得ている。固体高分子型燃料電池の基本的なユニットセルは、一般的に図１に模式的に示した断面構造をなしている。１３はイオン透過可能な固体高分子電解質膜で、固体高分子電解質膜１３の一方の面には、水素ガスを放電させる触媒からなるアノード電極１２を、反対面には水素イオンと酸素ガスを反応させる触媒からなるカソード電極１４を配している。さらにアノード電極１２の外側には、アノード側のセパレーター１１を、カソード電極の外側にはカソード側のセパレーター１５を配している。この他、気体の漏洩防止のためのシール材やガスケット、冷却のための冷却水ないし冷却用ガスの経路などが必要に応じて組み込まれる。尚、図１は、模式的な図であって、アノード電極１２と固体高分子電解質膜１３とカソード電極１４とは、実際には密接している。
【０００５】
アノード側のセパレーター１１とアノード電極１２との間には水素ガスを、カソード側のセパレーター１５とカソード電極１４との間には酸素または酸素含有ガスを通気する。アノード側のセパレーター１１とアノード電極１２との間の水素ガスは、アノード電極１２に接して自らはイオン化し電子を放出する。放出された電子はセパレーター１１に取り込まれ、放電したイオン（プロトン、Ｈ３Ｏ＋）は固体高分子電解質膜１３中を拡散して反対側のカソード電極１４に至る。このプロトンは、カソード電極１４上で、カソード側セパレーター１５から供給された電子と、カソード側のセパレーター１５とカソード電極１４との間に通気されている酸素と反応し、水となる。この一連の反応により起電力が生ずることとなる。
【０００６】
セパレーター１１，１５の外側は通常過熱防止のために水冷あるいは空冷がなされる。
セパレーター１１，１５は、水素や酸素を漏洩することなく通気し生成した水蒸気を排気する必要があること、導電性が必要なこと、さらには使用環境の固体高分子膜のｐＨが低いことから、これまでは炭素の板状ブロックに溝を付けたものが用いられてきた。
【０００７】
ところが、炭素製のセパレーターは衝撃に弱く亀裂を生じやすいことや、加工が困難なため厚い構造とならざるを得ない上に量産化しにくい欠点があった。さらに、径の大きい断面通路に気体を流す方式であるために、水素の利用効率が低く、結果として電池容量が、ユニットセルの大きさに対して小さくならざるを得ない欠点があった。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００３−２６９００号公報
【特許文献２】
特開２００３−３４７４６号公報
【特許文献３】
特開２００１−６８１２８号公報
【特許文献４】
特開２００２−２３１２６１号公報
【０００９】
これに対して、例えば特許文献１（特開２００３−２６９００号公報）や特許文献２（特開２００３−３４７４６号公報）に見られるように、樹脂を成型してそれを炭化することにより成型加工を簡略化する方法が提案されている。また、特許文献３（特開２００１−６８１２８号公報）や特許文献４（特開２００２−２３１２６１号公報）に見られるように、グラファイトではなくアモルファスカーボンを用いることで高強度化することが提案されている。
【００１０】
しかし、それでも炭素製のセパレーターの問題は解消せず、特に気体を流すための大きな流通経路を必要とする点は改善されなかった。このため、炭素からステンレス鋼などの金属材料への転換が試みられてきた。
【００１１】
【特許文献５】
特開２０００−２３９８０６号公報
【特許文献６】
特開２０００−２６５２４８号公報
【特許文献７】
特開平８−２１３０３５号公報
【特許文献８】
特開２０００−６７８８２号公報
【００１２】
この炭素からステンレス鋼などの金属材料への方向に従って、特許文献５（特開２０００−２３９８０６号公報）や特許文献６（特開２０００−２６５２４８号公報）には、セパレーター用のステンレス鋼が提案されている。この他チタンやめっき鋼板あるいは炭素粉末を含有する塗料による塗装鋼板などが試みられている。また、特許文献７（特開平８−２１３０３５号公報）や特許文献８（特開２０００−６７８８２号公報）には、多孔質金属にグラファイト粉を主成分とするスラリや導電性樹脂を注入したものに溝をつけた構造体が提案されている。
【００１３】
これらの材料は、概ね通気性、導電性、低ｐＨ環境での耐食性の点では問題がなく、しかも炭素製のセパレーターの欠点である強度靭性は高いことから、相応の効果が得られてきた。しかし、炭素製や金属製のセパレーターは特に水素ガスのセル外への漏洩を防止するシール機能や、ユニットセルを積層する場合水素ガスと酸素ガスが接することになるがその際の分離機能に加えて、放出した電子を集めたり、プロトンに電子を供給する際の通電を行う機能、すなわち集電機能が要求されるため、構造が複雑となり、製造が困難とならざるを得なかった。この結果、セパレーターの製造コストが高く、固体高分子型燃料電池の高コスト構造の一因となっていた。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
これまでセパレーターの形状については、多くの溝のデザインが提案されているとおり水素をはじめとする気体の通路としての検討が主体になされてきた。
従来のセパレーターは、炭素製であろうが金属製であろうが、基本的に気体を通気しかつ集電するという機能上の点から、通気する溝を有しかつアノードやカソード電極と接する平坦部を有するという基本的な構造には手を加えられなかった。もちろん、溝の形状や面の中での溝の配置は検討されたものと推量されるが、その場合も電池としての機能ではなく通気上の課題として検討されたに過ぎなかったのである。
本発明は、電池としての基本的な電気化学反応の場はセパレーターと電極および気体とが共存接する境界部分であるとの認識の元に、セパレーターの構造を製造製の面から根本的に見直し、従来機能を維持しつつ製造の容易な固体高分子型燃料電池とその部材を提案することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
固体高分子型燃料電池の製造を困難にしているのは、セパレーターの構造が複雑であるためである。このように複雑にせざるを得なかったのは、セパレーターに低ｐＨ環境での耐食性を維持しつつガスのシール機能、分離機能、集電機能に加えて、それらの機能の向上のために優れたガスの通気機能が要求されたためである。
【００１６】
本発明者らは、セパレーターが複雑な構造にならざるを得なかったのは、多様で過重な機能をセパレーターに要求したためであると判断した。そこで、部材としては増加することにはなるが、機能を分けて、それぞれの機能に最適な構造の部材を組み合わせることを想起した。
すなわち、従来の固体高分子型燃料電池のセパレーターの機能の内、集電機能とそのほかのガス分離機能などを分けることとし、集電機能を担う部材として集電板を導入した。この機能分離により、集電機能は導電性のある材料を使用する必要があるが、ガスの分離にはその必要がなく絶縁性材料の使用も可能となる。
【００１７】
請求項１の発明によれば、水素の酸化反応に伴い発生する電子を集電する集電板と、酸素の還元反応に供給する電子を導通する集電板と、水素または水素含有ガスを大気から分離するガス遮蔽板と、酸素または酸素含有ガスを大気から分離するガス遮蔽板とを含む固体高分子型燃料電池であって、集電板とガス遮蔽板とを別部材で構成することを特徴とする固体高分子型燃料電池が提供される。
好ましくは、前記集電板が、多孔質金属より製造された板、金属粉末の焼結材より製造された板、金属製の網、又はパンチングメタルである。また、好ましくは、前記ガス遮蔽板が、絶縁性樹脂より製造される。
【００１８】
請求項１の発明によれば、集電板とガス遮蔽板とを別部材で構成することとしたので、集電板は集電機能を、ガス遮蔽板は集電機能以外の機能を有すれば良いこととなり、即ち、集電板及びガス遮蔽板の材料の選択の幅が広がり、更に、機能に適した材料を選択できるので、電池の性能向上等がはかれることとなる。また、高価な材料を用いることなく製造コストを大幅に減少させることとなる。
請求項２、３の発明によれば、集電板を、多孔質金属よりなる板、金属製の網、パンチングメタル、又は金属粉末の焼結材よりなる板から構成することとしたので、集電板と（カソード及びアノード）電極と気体（水素ガス、酸素ガス又は酸素含有ガス）との３つが多く接することとなり、高い集電機能を有する固体高分子型燃料電池が提供されることとなる。
請求項４、５の発明によれば、ガス遮蔽板を絶縁性樹脂で製造することとしたので、押し出し成型等の方法を用いて安価、容易に製造することができることとなる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図２に本発明による固体高分子型燃料電池のユニットセルの基本的な構造を模式的に示す。
３はイオン透過可能な固体高分子電解質膜で、弗素系イオン交換樹脂等公知のものを使用することが可能である。固体高分子電解質膜３の一方の面には、水素ガスを放電させる触媒からなるアノード電極２を、反対の面には、水素陰イオンと酸素ガスを反応させる触媒からなるカソード電極４を配している。アノード電極２の材料としては、白金とルテニウムとの合金等公知のものを使用することができ、カソード電極４の材料としては、白金等公知のものを使用することができ、好ましくは、これら金属を固体高分子電解質膜３に蒸着する。
さらにアノード電極２の外側にアノード側の集電板６を、カソード電極４の外側にはカソード側の集電板７を密接させる。さらにアノード側の集電板６及びカソード側の集電板７の外側には、それぞれ、アノード側のガス遮蔽板８およびカソード側のガス遮蔽板９を配している。この他、気体の漏洩防止のためのシール材やガスケット、冷却のための冷却水ないし冷却用ガスの経路などが必要に応じて組み込まれる。これらにより、１つのユニットセルが形成される。尚、図２は、模式図であって、実際には、アノード側の集電板６とアノード電極２と固体高分子電解質膜３とカソード電極４とカソード側の集電板７とは、密接しているものである。
【００２０】
アノード側のガス遮蔽板８とアノード電極２との間には水素ガス又は水素含有ガスを、カソード電極４とカソード側のガス遮蔽板９の間には酸素または酸素含有ガスを通気する。アノード側のガス遮蔽板８とアノード電極２との間の水素ガスは、アノード電極２に接して自らはイオン化し電子を放出する。電子はアノード側の集電板６に取り込まれ、放電したイオン（プロトン、Ｈ３Ｏ＋）は固体高分子電解質膜３中を拡散して反対側のカソード電極４に至る。このプロトンは、カソード電極４上で、外部回路を経由してカソード側集電板７から供給された電子と、カソード電極４とカソード側ガス遮蔽板９との間に通気されている酸素と反応し、水となる。この一連の反応により起電力が生ずることとなる。
【００２１】
アノード側の集電板６は、電池の−極の端子となり、カソード側の集電板７は、電池の＋極の端子となる。
ガス遮蔽板８，９の外側は、通常、過熱防止のために水冷あるいは空冷がなされる。水冷又は空冷方法は、公知の技術を用いることができ、図２では図示を省略している。
【００２２】
ガス遮蔽板８，９は、従来のセパレーターと同様に水素や酸素を漏洩することなく通気し、また、生成した水蒸気を排気する必要があるが、従来の固体高分子型燃料電池のセパレーターとは異なり、本発明では、ガス遮蔽板を、導電性を有する材料で製造する必要はない。従って、本発明のガス遮蔽板８，９は、スチロール樹脂等の高分子樹脂で製造することが可能であるが、本発明はこれら材料に限定されるものではない。もちろん、金属などの導電性を有する材料で製造してもよく、この場合、ユニットセル間の導通を別途はかる必要がない利点が生ずる。
【００２３】
集電板６，７は本発明を特徴づける部材である。水素燃料による発電を最大限維持しつつかつ高い集電機能を発揮させるには、集電板６，７とカソード及びアノード電極４，２と気体（水素ガス、酸素ガス又は酸素含有ガス）とが多く（あるいは広い範囲で）接することが必要である。そのためには集電板の形状は、厚い必要はないが、穴が多数空いていることが好ましい。
【００２４】
この場合、集電板を多孔質金属や金属粉末の焼結材で製造することが好ましい。金属の種類は特に限定されないが、耐蝕性の点等から、ステンレス鋼、ニッケル合金等が好ましい。
【００２５】
また、集電板を金属製の網やパンチングメタルとすることが好ましい。網の大きさやパンチングの程度は特に限定されるものではない。
特に、金属製の網やパンチングメタルは製造も容易であり、薄い形状で達成できることから、固体高分子型燃料電池そのもののサイズを小さく仕上げることが可能となる。
【００２６】
集電板６，７は、電池の内部抵抗を低下させるために、電極４，５と密接させる必要がある。そのために例えば、軽い凹状に集電板の形状を適正化することなどが考えられるが、いわゆるガス相の分離機能が不要となったことから、その形状設計も容易になった。
【００２７】
また、本発明によれば、集電板６，７によって集電が行われることとなり、ガス遮蔽板８，９によって集電を行う必要がない。従って、集電機能が不要となったガス遮蔽板は、加工が困難なグラファイトや金属を材料とする必要がない。また、固体高分子膜部分で生成する低ｐＨ環境で腐食しないような高耐食性の金属とする必要もない。すなわち、導電性を考えることなくガス遮蔽板の材料を選択することが可能である。更に、ガス遮蔽板の材料に絶縁性の樹脂を使用すれば、電極端子との絶縁を考慮する必要がなくなる。ここで、「絶縁性の樹脂」とは、導電性を有しない樹脂を意味し、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、スチロール、エポキシ樹脂等の合成樹脂や、天然ゴム等が挙げられるが、本発明はこれらに限定されない。
このようにガス遮蔽板を絶縁性の樹脂で製造すれば、押し出し成型等、従来から広く活用され、複雑な形状の量産が容易でしかも加工費用の安価な方法により、ガス遮蔽板を製造加工することができることとなる。
【００２８】
【実施例】
次に実施例を用いてさらに具体的に説明する。
実施例１
固体高分子電解質膜３には、６０ｍｍ角の市販の弗素系イオン交換樹脂（デュポン社製ナフィオン（商品名））を使用した。固体高分子電解質被膜３の片面にカソード電極４としてＰｔを蒸着し、他面にアノード電極２としてＰｔ−Ｒｕを複合蒸着した。アノード電極２及びカソード電極４のそれぞれの面に、集電板６，７として、０．１ｍｍ厚で１ｍｍφの穴を２５０，０００個／ｍ２の密度で開けたＳＵＳ３１６Ｌ鋼板製パンチングメタルを、次いで１ｍｍ深さに凹状にプレス成形した０．５ｍｍ厚さのスチロール樹脂板のガス遮蔽板８，９を重ねて、ユニットセルを形成した。このユニットセルを５層直列に重ねた。Ｐｔ−Ｒｕを蒸着した固体電解質膜側に５０℃の水中をバブリングさせた水素ガスを、Ｐｔ蒸着側に空気を導入した。ＳＵＳ３１６Ｌ製のパンチングメタルを集電板とし、ユニットセル間を結合した。この結果、３．３〜３．５Ｖで概ね５００ｍＷの出力が安定して得られた。
比較として、集電板及びガス遮蔽板をはずしグラファイト製のセパレーターに変更して測定したところ、ほぼ同程度の出力であった。即ち、本発明の集電機（集電板及びガス遮蔽板）が、燃料電池として従来と変わらない性能を有するものであることがわかった。
【００２９】
実施例２
固体高分子電解質膜３には、６０ｍｍ角の市販の弗素系イオン交換樹脂（デュポン社製ナフィオン（商品名））を使用した。固体高分子電解質被膜３の片面にカソード電極４としてＰｔを蒸着し、他面にアノード電極２としてＰｔ−Ｒｕを複合蒸着した。アノード電極２及びカソード電極４のそれぞれの面に、集電板６，７として、０．１ｍｍワイヤで平織りで編み上げたＳＵＳ３１６Ｌ鋼板製網を、次いでコーナーの曲率半径を１０ｍｍで正方形状に曲げ両端を接合した１ｍｍφのシールドワイヤリングを介してガス経路を設け、０．５ｍｍ厚さのＳＵＳ３１６Ｌ鋼板製のガス遮蔽板を重ねた。このユニットセルを５層直列に重ねた。ただし、ユニットセル間のガス遮蔽板は、２枚重ねることなく１枚で兼用した。Ｐｔ−Ｒｕを蒸着した固体電解質膜側に５０℃の水中をバブリングさせた水素ガスを、Ｐｔ蒸着側に空気を導入した。この結果、やはり３．３〜３．５Ｖで概ね５００ｍＷの出力が安定して得られた。
比較に、集電機をはずしグラファイト製のセパレーターに変更して測定したところ、ほぼ同程度の出力であった。即ち、本発明の集電機（集電板及びガス遮蔽板）が、燃料電池として従来と変わらない性能を有するものであることがわかった。
【００３０】
【発明の効果】
本発明により、固体高分子型燃料電池の電池の製造コストを大幅に切り下げることができる。さらに、従来のセパレーターでは集電機能とガス相の分離機能をともに満足する必要があることから、それぞれの機能については必ずしも最適とは言えない場合があったのに対して、本発明により集電板とセパレターそれぞれの機能を最大限活かす設計が可能となるため、電池の性能向上が、さらには燃費の向上が期待でき、工業的経済的な利益は大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の固体高分子型燃料電池の断面模式図である。
【図２】本発明にかかる固体高分子型燃料電池の断面模式図である。
【符号の説明】
２  アノード電極、
３  固体高分子電解質膜、
４  カソード電極、
６  アノード側の集電板、
７  カソード側の集電板、
８  アノード側のガス遮蔽板、
９  カソード側のガス遮蔽板
【図１】
2004311043.tif 000003
【図２】
2004311043.tif 000004