(57)【要約】【課題】  小さな張出し高さＨで素材・金属板をプレス加工して金属セパレータ２０を作製しても、必要な流路断面積が確保される固体高分子型燃料電池を提供する。【解決手段】  ガス拡散電極１４，１５と金属セパレータ２０との間に、燃料，酸化剤ガス等の反応ガスや冷却水が通る流路２３を形成した固体高分子型燃料電池であり、流路２３の形成部分ではガス拡散電極１４，１５を薄くし、金属セパレータ２０が接する部分ではガス拡散電極１４，１５を厚くしている。ガス拡散電極１４，１５と金属セパレータ２０との間に多孔質カーボン２６を差し込んでも良い。【効果】  ガス拡散電極１４，１５の膜厚に変化をつけているので、張出し高さＨを小さくでき、金属セパレータ２０用素材に関し耐食性を重視した材料選択が可能になる。【選択図】      図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子イオン交換膜の燃料極側，酸化極側それぞれに触媒電極層，ガス拡散電極を積層し、張出し加工で作製した金属セパレータで区分した膜−電極接合体を単位セルとし、ガス拡散電極と金属セパレータとの間に設けられる反応ガス及び冷却水の流路部分でガス拡散電極が薄く、ガス拡散電極に金属セパレータが接している部分でガス拡散電極が厚くなっていることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項２】
ガス拡散電極に金属セパレータが接する個所に、ガス拡散電極の一部となる多孔質カーボンを挿し込んでいる請求項１記載の固体高分子型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属板の張出し加工で作製された金属セパレータを使用しながらも、十分なガス流路が確保される固体高分子型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜１１の両面に触媒電極層１２，１３を形成し、多孔質カーボン製のガス拡散電極１４，１５で挟んだ膜−電極接合体１０（図１）で構成される複数の燃料電池セルをスタックしている。触媒電極層１２（燃料極）側にＨ2含有燃料を送り込むと、燃料極１２上でＨ2がプロトンＨ+となる。プロトンＨ+は、水の存在下で高分子イオン交換膜１１を透過して触媒電極層１３（酸化極）に移動し、酸化極１３側に送り込まれてきた酸化剤中のＯ2及び外部回路１６から流れてきた電子ｅ-と反応し、水（反応生成物）として系外に排出される。外部回路１６に沿った電子ｅ-の流れが電気エネルギーとして取り出される。
ガス拡散電極１４，１５には、高分子イオン交換膜１１両側の触媒電極層１２，１３に燃料，酸化剤ガス等の反応ガスを搬送するため、通気性の良好なカーボンペーパ，カーボンクロス等の多孔質カーボンが使用されている。ガス拡散電極１４，１５は、電池反応で生じた水をセル外に排出することにも利用される。
【０００３】
燃料，酸化剤ガス等の反応ガスは、セパレータで区画された流路を経てガス拡散電極１４，１５に送り込まれる。セパレータは、燃料，酸化剤ガスの混じり合いを防止する隔壁としても働き、発電時の発熱によるセルの昇温を防止するため冷却水通路も区画する。
固体高分子型燃料電池の実用化に際しては低コスト化が重要であるが、カーボン質のセパレータを用いた固体高分子型燃料電池では、燃料電池の要求特性を満足させるためにカーボン質材料を高温焼結する必要があり、フェノール等の樹脂含浸処理でガス不透過性を付与している。しかも、フライス盤等を用いた機械加工で目標形状に仕上げているが、高温焼結されたカーボン材料が硬く緻密になっているので、機械加工しがたく、破損なく所定形状に成形するため細心の注意が必要である。その結果、カーボン質セパレータは、作製に多大の工数を要し、高価な材料を使用することと相俟って高コストの部品となる。高コスト化を回避するため、機械加工に依ることなくカーボン粉末，樹脂の混合物を目標形状に射出成形，プレス成形する方法も検討されているが、樹脂の耐食性が必ずしも十分でない。
【０００４】
更に、車載用等を想定して省スペース化を図る上で、小型化，軽量化の要求が強い。靭性に劣るカーボン質セパレータでは、過度な応力や衝撃が加えられると割れやすく、特に過酷な振動に曝される車載用途では破損に至る亀裂が生じる危険が高い。
以上のことから、セルの安全を重視してセパレータに金属系材料の使用が望ましい。金属セパレータは、素材に延性があるのでフライス盤等を用いた機械加工によっても破損が生じない。
金属セパレータを用いた燃料電池として、平板状金属板にカーボンペーパ又は膨張性黒鉛を積層してガス流路を形成した構成が知られている（特許文献１）。実際の燃料電池スタックでは、多数のセルを重ねるため各セルからの発熱が大きく、各セルを冷却する冷却水の通水が必要である。カーボンペーパ又は膨張性黒鉛で形成された冷却水通路に冷却水を供給すると、水圧によってガス流路が破損する恐れがある。しかも、平板状の金属板をセパレータに用いているので、金属板が薄いとセルが型崩れしやすくなる。
【特許文献１】特開2000−123850号公報
【０００５】
素材の延性に着目し、拡散層との接触部分を張出し成形するプレス加工で金属板を所定形状に成形し、ガス流路，冷却水通路を区画することも検討されている。セパレータの製造にプレス加工が適用可能になると、薄板素材から金属セパレータを作製でき、燃料電池の小型化が可能で量産化も図られ、セパレータの加工費が大幅に低減する。
プレス加工では、金属板を所定形状に成形できない場合が多々ある。金属板は材料の種類によって機械特性が異なり、延性に乏しい金属材料で必要な張出し高さを得ようとすると破損するので張出し高さが制限される。特に、燃料電池の腐食性雰囲気に耐えるステンレス鋼を素材に使用する場合、Ｃｒ，Ｎｉ等の合金成分を多量に含み延性が低いので張出し可能な成形高さが小さく、必要な流路断面積が得られがたい。
【０００６】
必要な成形高さが得られても、張出しコーナー部のアールを小さくできず、セパレータ／拡散層の接触面積を大きく取れない。その結果、セパレータ／拡散層の接触抵抗が増加し、発電効率が低下する。張出し成形できても、流路部の周縁が平坦な形状のため歪みが生じやすい。歪みのあるセパレータは、スタックされたセルのシール性を低下させる原因となる。
すなわち、Ｃｒ，Ｎｉ等の添加によって耐食性を向上させた金属材料では、プレス加工によって所定形状のセパレータが得られず、切削加工を必要とするため加工コストが高くなる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、金属材料の機械的特性を考慮してセパレータ形状を設計することにより、張出し高さを比較的低く設定しても十分な流路断面積を確保でき、金属材料の加工性，耐食性を活用し、小型化・軽量化に適した固体高分子型燃料電池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】
【０００８】
固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜の燃料極側，酸化極側それぞれに触媒電極層，ガス拡散電極を積層し、張出し加工で作製した金属セパレータで区分した膜−電極接合体を単位セルとする。本発明では、ガス拡散電極と金属セパレータとの間に設けられる反応ガス及び冷却水の流路部分でガス拡散電極を薄く、ガス拡散電極に金属セパレータが接している部分でガス拡散電極を厚くしている。
ガス拡散電極の厚み変化は、ガス拡散電極を部分的に切削除去又は押圧する以外にも、ガス拡散電極に金属セパレータが接する個所に、ガス拡散電極の一部となる多孔質カーボンを挿し込むことによって付与できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
反応ガス，冷却水の流路２３を金属セパレータ２０とガス拡散電極１４，１５との間に形成した構造として、張出し部頂面２１と張出し部底面２２との間に流路２３形成用空間もつセパレータ形状（図２）に素材・金属板をプレス加工することが考えられる。張出し部頂面２１はガス拡散電極１４，１５に接し、張出し部底面２２は個々のセルを仕切る隔壁として働く。
【００１０】
ガス拡散電極１４，１５と張出し部底面２２との間にできる流路２３は張出し部底面２２と張出し部頂面２１との間の段差（張出し高さＨ）に応じて断面積が増加するが、張出し高さＨを大きく設定するほどプレス加工時に亀裂，破断等の加工欠陥が生じやすくなる。特に、Ｃｒ，Ｎｉ，Ｍｏ等の添加で耐食性を向上させた素材・金属板を使用する場合、普通鋼や低合金鋼に比較して延性が乏しいため加工欠陥が助長される。
【００１１】
張出し部底面２２から張出し部頂面２１までの立上り部側面２４を緩傾斜にすることにより加工欠陥を抑制できるが、立上り部側面２４が緩傾斜になるほど張出し部頂面２１の面積が減少し、拡散電極１４，１５／張出し部頂面２１の接触抵抗，ひいては発電時のジュール損失が増加する。
【００１２】
本発明は、加工欠陥や接触抵抗の増加なく必要な流路断面積を得るため、ガス拡散電極１４，１５側の窪み２５を張出し高さＨに加算し、流路２３の形成に必要な空間を確保している。窪み２５は、ガス拡散電極１４，１５の一部を切削除去又は押圧することによりガス拡散電極１４，１５自体に付与できる（図３）。或いは、フラットなガス拡散電極１４，１５と張出し部頂面２１との間に多孔質カーボン２６を挟み込むことによっても、金属セパレータ２０に対向する面に窪み２５を形成できる（図４）。多孔質カーボン２６にはガス拡散電極１４，１５と同材質の材料が使用され、たとえばガス拡散電極１４，１５を必要形状に裁断する際に生じた切片がガス拡散電極１４，１５／張出し部頂面２１間に挟み込まれる。
【００１３】
ガス拡散電極１４，１５側に窪み２５を付けているので、窪み２５の分だけ張出し高さＨを小さくしても目標流路断面積をもつ流路２３の形成に空間が確保される。張出し高さＨが低減可能なことは、プレス加工によって素材・金属板をセパレータ形状に成形する際の加工度が緩和され、立上り部側面２４の立上げ角度を急峻にしても加工欠陥の発生が抑えられることを意味する。したがって、耐食性向上のためＣｒ，Ｎｉ，Ｍｏ等の合金成分を添加することにより延性が低下した耐食鋼であっても、加工欠陥なく目標形状にプレス加工できる。耐食鋼に比較して加工性の良好な普通鋼，炭素鋼，低合金鋼等が素材・金属板に使用可能なことは勿論である。
【実施例】
【００１４】
板厚０.２ｍｍのフェライト系ステンレス鋼板（２２質量％Ｃｒ−１.２質量％Ｍｏ）を素材・金属板に用い、プレス加工による張出し高さＨと加工欠陥発生との関係を調査した。該フェライト系ステンレス鋼板は、伸びが約３０％であり、オーステナイト系ステンレス鋼板に比較すると張出し高さＨが制限される。
実際、目標流路断面積をもつ流路２３の形成に必要な張出し高さＨ：０.５ｍｍでプレス加工した場合、張出し部頂面２１／立上り部側面２４，張出し部底面２２／立上り部側面２４のコーナー部に割れが発生した。そこで、張出し高さＨを０.３ｍｍと低く設定してプレス加工したところ、何れのコーナー部にも割れがない目標形状に成形できた。
【００１５】
ガス拡散電極１４，１５には、厚み０.２７ｍｍのカーボンペーパを使用した。加工欠陥を発生しない素材・金属板の張出し高さＨが０.３ｍｍであったので、流路高さ０.５ｍｍを確保するため金属セパレータ２０とガス拡散電極１４，１５に挿入される厚さ０.２７ｍｍのカーボンペーパを用意した。金属セパレータ２０の張出し部頂面２１に対応するサイズに裁断したカーボンペーパを多孔質カーボン２６として、張出し部頂面２１に対向するガス拡散電極１４，１５の表面部分に重ね合わせた。
張出し部頂面２１とガス拡散電極１４，１５の間に多孔質カーボン２６が挿し込まれ、締結による圧縮荷重でガス拡散電極１４，１５の厚みが減少した結果、張出し部底面２２からガス拡散電極１４，１５までの距離が０.５ｍｍ(＝張出し高さＨ：０.３ｍｍ＋重合せ部０.２ｍｍ)となり、目標流路断面積をもつ流路２３の形成に必要な空間が確保された。
【００１６】
高分子イオン交換膜１１に対向するガス拡散電極１４，１５の表面に触媒を塗布して触媒電極層１２，１３を設けた後、高分子イオン交換膜１１を挟んで触媒電極層１２，１３及びガス拡散電極１４，１５をホットプレスし、膜−電極接合体１０を作製した。
膜−電極接合体１０を金属セパレータ２０と組み合わせて単位セルとし、発電試験した。発電性能は、加工性の良好なオーステナイトステンレス鋼（１８Ｃｒ−８Ｎｉ）を０.５ｍｍの張出し高さＨでプレス加工した金属セパレータ２０を組み込んだ単位セルと同等であった。また、高耐食性の素材・金属板を金属セパレータ２０に使用したので、長期間の運転後にも腐食に起因した発電性能の低下が見られなかった。
【産業上の利用可能性】
【００１７】
以上に説明したように、流路部分のガス拡散電極を薄くすることにより、小さな張出し高さであっても反応ガスや冷却水の供給に必要な流路断面積を確保できる。そのため、金属セパレータ用素材に対する加工性の要求が緩和され、高耐食性を重視した材料選択が可能となり、長時間にわたって高い発電効率を呈する固体高分子型燃料電池が得られ、低コスト化も図られる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】固体高分子型燃料電池の膜−電極接合体
【図２】同じ厚みのガス拡散電極に金属セパレータを重ねた固体高分子型燃料電池
【図３】流路部分を薄くしたガス拡散電極に金属セパレータを重ねた固体高分子型燃料電池
【図４】ガス拡散電極と金属セパレータとの間に多孔質カーボンを差し込んだ固体高分子型燃料電池
【符号の説明】
【００１９】
１０：膜−電極接合体    １１：高分子イオン交換膜    １２，１３：触媒電極層    １４，１５：ガス拡散電極    １６：外部回路
２０：金属セパレータ    ２１：張出し部頂面    ２２：張出し部底面    ２３：流路    ２４：立上り部側面    ２５：窪み    ２６：多孔質カーボン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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