(57)【要約】 【課題】  平面スタック構造を有するダイレクトメタノール型燃料電池において、セパレータの電気抵抗の低下、耐腐食性の向上、機械強度の向上、併せてシール性の向上を図り、燃料電池の出力を向上し、劣化を抑制すること。【解決手段】  低抵抗材料４の板材の両面を耐腐食性材料５ａ，５ｂで挟んだ構成を有するクラッド材の表面に、高分子材料からなる絶縁被覆層６を設け、これに所要の加工を施すことで、セパレータ１を得る。セパレータ１をこのように構成することで、従来よりも優れた伝導性、耐腐食性、機械的強度を付与することが可能となり、燃料電池の性能や耐久性を向上することができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
低抵抗材料と、前記低抵抗材料を被覆する耐腐食性材料と前記耐腐食性材料表面の電気接続部を除く部分に設けられ、高分子材料からなる絶縁被覆層を有するクラッド材からなることを特徴とする平面スタック構造を有するダイレクトメタノール型燃料電池用のセパレータ。
【請求項２】
前記低抵抗材料は、銅及びアルミニウムの少なくともいずれかからなることを特徴とする、請求項１に記載のダイレクトメタノール型燃料電池用のセパレータ。
【請求項３】
前記耐腐食性材料は、ステンレスからなることを特徴とする、請求項１また請求項２に記載のダイレクトメタノール型燃料電池用のセパレータ。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のセパレータを有することを特徴とする、平面スタック構造を有するダイレクトメタノール型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の構成要素であるセパレータ、特にダイレクトメタノール型燃料電池に好適なセパレータと、それを用いた燃料電池に関わるものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、実質的には発電機であり、水の電気分解の、逆の反応を利用して電気を取り出すものである。そして、従来の発電方法に比較して高い効率で電気エネルギーを取り出すことが可能なので、省資源などの観点から、様々な技術開発がなされ、実用化されつつある。
【０００３】
燃料電池の基本的な構造は、水素イオンを通す電解質膜と、電解質膜の両側に配置された燃料極と酸素極からなる電極を接合した膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly：以下、ＭＥＡと記す）、電極から電気を取り出す集電体、電極への燃料や空気の供給路を仕切り、前記の要素をセルユニットとして構成するとともに、セルユニット間を電気的に接続するセパレータからなる。
【０００４】
そして、電解質膜を構成する材料の種類により溶融炭酸塩型、固体酸化物型、リン酸型、固体高分子型に分類される。これらの用途を決定する特性として作動温度があり、固体高分子型は、約８０℃という作動温度の低さのために特に注目され、モバイル機器用などにも使用できる可能性が高い。
【０００５】
さらに、水素よりも携帯性が優れたメタノールを、燃料として用いる燃料電池も開発が進められ、特にダイレクトメタノール型燃料電池は、高エネルギー密度を有し、改質機が不要なことから、小型化に対応可能な燃料電池として注目されている。
【０００６】
携帯に適したダイレクトメタノール型燃料電池の構成として、平面スタック構造が特許文献１及び非特許文献１に開示されている。平面スタック構造において、燃料電池の反応に必要な酸素を、空気中からの自然吸気により供給する場合は、流路及びポンプまたはファンなどの補機を、省略または簡略化することができることから、特に小型化が必要な携帯型燃料電池には、このような構成が適している。
【０００７】
また従来の積層構造に対して、平面スタック構造はセパレータ部分の流路形成を簡略化でき、セパレータの加工が簡単なためコストを低減できる特長がある。なお、一般的に、積層構造の燃料電池においては、各セル間を電気的に接続し、水素または水素源と、酸素または空気の流路が形成されている部品を、バイポーラプレートまたはセパレータと称する。平面スタックにおいて、前記のバイポーラプレートまたはセパレータに相当する部品は、各セル間を電気的に接続するが、流路形成を必要としない場合もある。しかし、ここではセパレータという名称で取り扱うこととする。
【０００８】
ここで、セパレータ材料に必要な特性を挙げると、低電気抵抗、耐腐食性、機械強度、シール性などがある。
【０００９】
特に平面スタック構造の燃料電池に用いるセパレータ材料は、単セル間の電気接続距離が、従来の積層構造に対して長いために、電極材料の電気抵抗値の影響が大きいことから、これを構成する材料の電気抵抗は、なるべく低いことが望ましい。このような低抵抗材料としては銅やアルミニウム、及びこれらの合金材料があるが、耐腐食性および機械強度に劣るという問題があった。
【００１０】
耐腐食性に劣る材料の場合は、溶出した金属イオンが高分子電解質膜中に取り込まれてイオン伝導度を低下させ、燃料電池の出力を劣化させるという問題が発生する。周知のように、金、白金などの貴金属類は耐腐食性を持ち、低抵抗材料であるが、高価格材料であるため、特殊な用途以外は適用が困難である。
【００１１】
固体高分子型燃料電池の化学反応は燃料極で、水素イオンが発生し、水素イオンが固体高分子からなる電解質膜を通過して、空気極で酸素と反応して水を生成する。この水素イオンは燃料電池内部の酸性を高める原因となり、腐食性が高いため、燃料電池を形成する材料にも耐腐食性を要求される。
【００１２】
燃料電池用セパレータ材料に適用可能で、耐腐食性を有するものとしては、グラファイトやカーボン、ステンレスなどが挙げられるが、放電電流値が大きい場合には、電気抵抗が比較的高いと、電圧降下を起こして、出力が下がるという問題があった。またグラファイトやカーボンは機械強度が低く、大きな面圧力が負荷される平面スタック構造では、強度確保のためにセパレータの厚みを厚くする必要があり、小型化し難いという問題がある。
【００１３】
ここで、セパレータの機械的強度を確保する必要性について、シール性が必要になる理由と併せて説明すると、一般に平面スタック構造で、燃料にメタノールのような液体を用いる場合は、燃料の漏れを防止するために、シール性を高める必要がある。さら液体の燃料を用いる場合は、電解質膜が、燃料極側では液相、空気極側では気相に接するため、熱による膨張量の差違により変形が生じ、シール性が低下するとともに、接触抵抗の上昇に繋がる。
【００１４】
従って、平面スタック構造を有するダイレクトメタノール型燃料電池においては、セパレータを十分な機械的強度を有する材料で構成し、大きな面圧力でＭＥＡと接合する必要がある。しかしながら、前記の低抵抗材料である、グラファイトやカーボンは構造材には不向きな脆弱な材料であり、銅やアルミニウム、及びそれらの合金材料でも、機械的な強度が不十分なことから、面圧力の負荷により変形が生じ、圧力を均等に負荷できないために、接触抵抗の低減が困難であるという問題があった。
【００１５】
つまりセパレータに十分な機械的強度を付与することで、セパレータとＭＥＡを、それらの接合面に大きな面圧力を負荷しながら接合することが可能となり、接触抵抗を低減することや、シール性を向上することができる。
【００１６】
セパレータに要求される特性のうち、低抵抗と耐腐食性の両方を実現するために、低抵抗材料と耐腐食性材料をクラッド法で積層した材料（以下、クラッド材と記す）をセパレータに用いることが検討されている。例えば、特許文献２には、低抵抗材料である、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム、マグネシウム合金などの表面に、耐腐食性の高い、チタン、チタン合金、ニッケル、ニッケル合金、ステンレス鋼などからなる層を設けたクラッド材を用いることが開示されている。
【００１７】
しかしながら、特許文献２に開示されているセパレータは、積層型スタック構造の燃料電池に用いられるものであり、燃料や空気を供給するために、複雑な流路構成を必要とする積層スタック構造の燃料電池では、セパレータにクラッド材を用いることは、製造コストの大幅な増加に繋がるものである。また、クラッド材を用いても、切削加工や研磨加工を施すことで、耐腐食性に劣る材料が露出することが避けられず、何らかの方法による対処が必要である。
【００１８】
さらに、平面スタック構造においては、各セルが隣接するため電気的に接続していない導電性部材の間に、空気中の水分の結露による水滴や、燃料電池における反応の生成物である水が侵入すると、セル間の電圧差によって水の電気分解を起こして、出力を低下させる。よって表面露出部分には、絶縁性及び撥水性を付与することが望ましい。しかし、これに対処するための技術は、未だ十分に開示されていないのが実状である。
【００１９】
【特許文献１】特開昭６２−２００６６６号公報
【特許文献２】特開２００２−３５８９７５号公報
【非特許文献１】株式会社技術情報協会  ２００２年１０月３０日発行  携帯機器用燃料電池の実用化
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
従って、本発明の課題は、平面スタック構造を有するダイレクトメタノール型燃料電池において、セパレータの電気抵抗の低下、耐腐食性の向上、機械強度の向上、併せてシール性の向上を図り、燃料電池の出力を向上し、劣化を抑制することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明は、前記の課題解決のため、低抵抗で耐腐食性を有しながら、優れた機械的強度を発現するクラッド材に、高分子材料からなる層を形成して、さらに耐腐食性を向上することを検討した結果なされたものである。
【００２２】
即ち、本発明は、高分子材料からなる絶縁被覆層を有し、低抵抗材料を耐腐食性材料で被覆した構成を有するクラッド材からなることを特徴とする、ダイレクトメタノール型燃料電池用のセパレータである。
【００２３】
また、本発明は、前記低抵抗材料が、銅及びアルミニウムの少なくともいずれかからなることを特徴とする、前記のダイレクトメタノール型燃料電池用のセパレータである。
【００２４】
また、本発明は、前記耐腐食性材料が、ステンレスからなることを特徴とする、前記のダイレクトメタノール型燃料電池用のセパレータである。
【００２５】
また、本発明は、前記のセパレータを有することを特徴とする、平面スタック構造を有するダイレクトメタノール型燃料電池である。
【発明の効果】
【００２６】
本発明による、セパレータは、電気抵抗が低い材料を、耐腐食性が高い材料で被覆したクラッド材を用い、さらに表面に、絶縁性と耐腐食性を有する高分子材料の被覆層を設けるので、従来技術によるセパレータよりも、極めて高い低抵抗性と耐腐食性を有するものである。そして、絶縁層に用いる高分子材料は、一般に撥水性を具備しているので、水分による機能低下にも対処可能である。
【００２７】
また、一般に銅やアルミニウムなどの低抵抗材料は、機械的な強度が低く、耐腐食性材料には、機械的強度を補強する機能をも付与する必要がある。本発明のセパレータにおいては、高分子材料の被覆層が設けられていることから、耐腐食性材料の選択肢が拡がるので、機械的な強度が高い材料を用いることが可能となる。このため、前記のように、ＭＥＡとセパレータを大きな面圧力での圧接が可能となり、結果的にシール性が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
本発明は、基本的に、セパレータに、低抵抗材料と耐腐食性材料からなるクラッド材を用い、さらに高分子材料で被覆するという構成である。従って、クラッド材の低抵抗材料には、銅、アルミニウムなどを、耐腐食性材料には、ステンレスなどを用いることができる。平面スタック構造の燃料電池における他の構成は、従来のものが使用可能である。
【００２９】
また、高分子材料からなる絶縁被覆層には、前記の理由から、耐酸性、電気絶縁性、耐アルコール性が要求され、加えて高い機械的強度を有することが望ましい。従って、ポリエチレン、ポリプロピレンなどを代表とするポリオレフィン系高分子、ポリテトラフルオロエチレンを代表とするフッ素樹脂、ポリエチレンテレフタレートを代表とするポリエステル樹脂、フェノール樹脂などを用いることができる。
【００３０】
なお、セパレータにおけるＭＥＡと接触する面は、導電性が必要なので、絶縁被覆層を形成する際に、この部分を除いて形成したり、セパレータ全面に絶縁被覆層を形成してから、ＭＥＡとの接触面に研削や研磨を施したりする必要があるが、絶縁被覆層に用いる材料などによって適宜選択する。
【実施例１】
【００３１】
次に、図を参照しながら具体的な実施例を挙げ、本発明についてさらに詳しく説明する。
【００３２】
図１は、本実施例のセパレータの概略を示す図で、図１（ａ）は斜視図、図１（ｂ）はセパレータを構成するクラッド材の一部を示す断面図である。図１において、１はセパレータ、２は開口部、３はネジ取り付け穴、４は低抵抗材料、５ａ、５ｂは耐腐食性材料、６は絶縁被覆層である。なお、図１（ｂ）は、図１（ａ）における左側の部分を示し、図における下側には絶縁被覆層が存在しない。
【００３３】
ここでは、低抵抗材料として銅板を用い、耐腐食性材料としてステンレス板を用いた。銅板の両面に、ステンレス板を配置したクラッド材を、金型によるプレス加工により、図１の形状とした。ここでは、開口部２の形成には打ち抜き法を用いたが、エッチングで形成してもよい。
【００３４】
また、絶縁被覆層は、ポリテトラフルオロエチレンを電着、焼き付けすることで形成した。ポリテトラフルオロエチレンは特に撥水性が高いので、このような用途に好適である。なお、ポリエチレンなどのように、高温で可塑性に富む材料を用いる場合は、押出成形などを用いてもよいし、予めシート状に成形した材料を張り合わせ、加熱して圧着してもよい。
【００３５】
本実施例のセパレータには、ネジ取り付け穴３を外縁部に設ける。ネジ取り付け穴３は、セパレータ１をＭＥＡに接合する際に使用するので、内径、数が特に限定されることはなく、ＭＥＡに均一に圧力を負荷できればよい。また、開口部２は、空気や燃料の流路となるが、本実施例のように、格子状に設けてもよいし、セパレータ１の外縁部のみを残した全面的な開口部とすることも可能である。なお、セパレータ１を図示したように折り曲げた形状としたのは、ＭＥＡを交互に挟み込むことによって、ＭＥＡを平面的に直列接続するためである。
【００３６】
次に、ダイレクトメタノール型燃料電池用ＭＥＡの調製について説明する。空気極用に白金触媒、燃料極用に白金−ルテニウム合金触媒をカーボン上に担持させるため、カーボンペーパー上に塗布し、空気極触媒電極層と、燃料極触媒電極層をそれぞれ形成した後、高分子電解質膜を挟んで１３０℃にて加圧成形を行ない、ＭＥＡを作製した。
【００３７】
このＭＥＡを、前記のセパレータで挟み込み、６スタック直列の燃料電池スタックを作製した。なお、ここでは高分子電解質膜として、Dupont社のパーフルオロスルホン酸ポリマーである、Nafion（登録商標）を用いた。
【００３８】
図２は、本実施例の燃料電池スタックの一部を模式的に示した図である。図２において、７は空気極触媒電極層、８は電解質膜、９は燃料極触媒電極層、１０はＭＥＡ、１１はスタック基材である。スタック基材１１には燃料タンクが内蔵されている。この燃料電池においては、燃料は図における下から供給され、酸素（空気）は図における上から、自然吸気により供給される構造である。
【実施例２】
【００３９】
実施例１のクラッド材における、低抵抗材料である銅の代替として、アルミニウムを用いた他は、実施例１と同様にして燃料電池を調製した。
【００４０】
また、比較に供するために、ステンレスを用い、形状が図１と同様で、絶縁被覆層のないセパレータを作製し、実施例１と同様の構造の燃料電池を調製した。
【００４１】
これらの実施例、比較例の燃料電池について、１Ａで放電を継続した際の、時間と電圧との関係を表１にまとめた。また、図３は、表１に示した実施例と比較例における、時間と電圧の関係をプロットした図である。なお、放電を行った温度は３０℃であり、用いた燃料は１０重量％のメタノール水溶液である。
【００４２】
【表１】
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【００４３】
表１及び図３によると、比較例は、実施例１及び実施例２よりも、電圧の初期値が小さく、１０００時間放電後の電圧の減少率が大きくなっているのが明らかである。これは、実施例１及び実施例２に用いたセパレータの導電性が、比較例よりも優れ、耐腐食性を有するステンレスに、さらに高分子材料からなる絶縁被覆層を設けていることにより、長時間での稼動でも劣化が生じないためである。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】実施例のセパレータの概略を示す図。図１（ａ）は斜視図。図１（ｂ）はセパレータを構成するクラッド材の一部を示す断面図。
【図２】実施例の燃料電池スタックの一部を模式的に示した図。
【図３】実施例と比較例における時間と電圧の関係をプロットした図。
【符号の説明】
【００４５】
１    セパレータ
２    開口部
３    ネジ取り付け穴
４    低抵抗材料
５ａ，５ｂ    耐腐食性材料
６    絶縁被覆層
７    空気極触媒電極層
８    電解質膜
９    燃料極触媒電極層
１０    ＭＥＡ
１１    スタック基材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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