(57)【要約】【課題】携帯機器用燃料電池に求められる携帯性及び安全性を実現することができるセパレータ及びそれを用いた燃料電池を提供する。【解決手段】ＭＥＡ１１の両面にそれぞれ拡散層１７が形成され、更にその外側に、セパレータ１８が形成された構造となっている。セパレータ１８は、金属製で複数の溝が形成されるように加工された金属部１６と、該金属部１６よりもＭＥＡ１１側に形成された第１樹脂部１４及び第２樹脂部１２とから構成されている。【選択図】      図１
2005285345.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属部材と樹脂部材とを組み合わせた構造によって燃料及び酸化剤を供給する流路を形成した燃料電池用セパレータであって、前記金属部材では凹凸状に変形させることにより互いに平行する流路を複数本設け、前記樹脂部材で前記金属部材の前記流路をいくつかのブロックに分けることで、同一面内で蛇行する流路を形成したことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
前記樹脂部材は、前記金属部材側に設けられる第１樹脂部と、電解質側に設けられる第２樹脂部との２層構造からなり、前記第１樹脂部と前記第２樹脂部とはそれぞれその中央部に開口を有していることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項３】
前記第２樹脂部の開口の方が前記第１樹脂部の開口よりも大きく形成されていることを特徴とする請求項２記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項４】
前記金属部材には、前記流路を設けた領域以外の領域であって、固体高分子電解質に接して設けられる燃料・ガス拡散層側に突起を設けたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項５】
固体高分子電解質膜の両側に燃料極、空気極を配し、その両側に燃料及びガスを拡散させる燃料・ガス拡散層、さらにその両側に燃料及び酸化剤を供給するセパレータを配した燃料電池であって、
前記セパレータは、金属部材と樹脂部材とを組み合わせた構造によって燃料及び酸化剤を供給する流路を形成したものであって、前記金属部材では凹凸状に変形させることにより互いに平行する流路を複数本設け、前記樹脂部材で前記金属部材の前記流路をいくつかのブロックに分けることで、同一面内で蛇行する流路を形成したことを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
前記樹脂部材は、前記金属部材側に設けられる第１樹脂部と、前記固体高分子電解質膜側に設けられる第２樹脂部との２層構造からなり、前記第１樹脂部と前記第２樹脂部とはそれぞれその中央部に開口を有していることを特徴とする請求項５記載の燃料電池。
【請求項７】
前記樹脂部材の前記第２樹脂部の開口の方が前記樹脂部材の前記第１樹脂部の開口よりも大きく形成されていることを特徴とする請求項６記載の燃料電池。
【請求項８】
前記金属部材は、前記流路を設けた領域以外の領域であって、燃料・ガス拡散層側に突起を設けたことを特徴とする請求項５記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用セパレータ及びそれを用いた燃料電池に関し、特に、携帯機器用の燃料電池として使用できるコンパクトな構造のセパレータとそれを用いた燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、通常、アノード側に水素を含むアノードガス、カソード側に酸素を含むカソードガス（酸化剤ガス）をそれぞれ供給し、水素と酸素を電気化学的に反応させて発電を行うものである。
【０００３】
燃料電池には、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）、直接メタノール形燃料電池（ＤＭＦＣ）、アルカリ形燃料電池（ＡＦＣ）、リン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）等があるが、この中でも、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）は、最近燃料電池車への適用が急速に進んでいる。しかし、燃料として例えばメタノールや天然ガスを用いた場合は改質器によって水素含有ガスを発生させる必要があるため電池システムが大型化してしまい、携帯機器に使用するには適さない。
【０００４】
これに対し、直接メタノール形燃料電池（ＤＭＦＣ）は、直接メタノールから水素イオンを取り出せるために、大幅に電池システムを小型化できる可能性を持っている（例えば、特許文献１参照）。しかし、反面では出力密度がＰＥＦＣ等に比べて低いため、適用は携帯機器等の消費電力の小さな機器に限られる。
【０００５】
図８に、ＤＭＦＣの発電原理図を示す。
まず、燃料であるメタノール（ＣＨ3ＯＨ）は水と混合した状態で燃料極１に供給され、触媒（図示せず）によって水素イオンになり、同時に二酸化炭素(ＣＯ2)ガスを発生する。生成した水素イオンは、電解質膜３中を対極の空気極５側に移動する一方、電子は外部回路を通って空気極５に移動する。空気極５では酸素と水素イオンと電子が反応し、水を生成する。この一連の反応で発電が行われ、電気エネルギーを取り出すことができる。
【０００６】
図９に、従来のＤＭＦＣ単セル２０の構造を示す。この単セル２０では、ＭＥＡ１１（Membrane Electrode Assembly、図８に示した燃料極１と空気極５との間に電解質膜３を挟んだもの）１１の両面にそれぞれ拡散層１７が形成され、更にその外側に、複数の溝が形成された黒鉛製のセパレータ１５がそれぞれ設けられた構造となっている。また、ＭＥＡ１１の端部にはガスケット１３が設けられ、流通する燃料やガスをシールすると共に、セパレータ１５を支持するようになっている。このような単セル２０は、複数積層集合化されて燃料電池スタックとされる。
【０００７】
セパレータ１５に形成された溝は反応ガスの供給通路としての役割を果たしており、液体燃料及び酸化剤ガスは、これらの溝によりそれぞれの極に供給される。これらの溝は、また、発電に際して発生する水やガスの排出も担うものである。
【特許文献１】特開２００２−１７５８１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記のような燃料電池においては、セパレータ１５にモールド黒鉛樹脂製のものが用いられていたため、出力を高くするために多積層構造を形成すると積層高さが大きくなってしまう。ちなみに、モールド黒鉛製セパレータの厚みは２〜３ｍｍ程度であるために、携帯機器用途を想定した積層電池を設計した場合、ＭＥＡの出力特性が１０ｍＷ／ｃｍ2程度であると、積層高さは２００ｍｍを超えるような大きさになってしまい、目的とする携帯性を満足できなくなってしまう。
また、モールド黒鉛製セパレータを用いた場合、使用時に外的衝撃を受けるとクラックなどの破損の恐れがあり、万一破損した場合は燃料と酸化剤が触媒の存在下で燃焼することも予想され、安全面での課題が残っている。
【０００９】
従って、本発明の目的は、携帯機器用燃料電池に求められる携帯性及び安全性を実現することができるセパレータ及びそれを用いた燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、本発明の燃料電池用セパレータは、金属部材と樹脂部材とを組み合わせた構造によって燃料及び酸化剤を供給する流路を形成した燃料電池用セパレータであって、前記金属部材では凹凸状に変形させることにより互いに平行する流路を複数本設け、前記樹脂部材で前記金属部材の前記流路をいくつかのブロックに分けることで、同一面内で蛇行する流路を形成したことを特徴とする。
【００１１】
前記樹脂部材は、前記金属部材側に設けられる第１樹脂部と、電解質側に設けられる第２樹脂部との２層構造からなり、前記第１樹脂部と前記第２樹脂部とはそれぞれその中央部に開口を有しているものとすることができる。
【００１２】
前記第２樹脂部の開口の方が前記第１樹脂部の開口よりも大きく形成されていることが好ましい。
【００１３】
前記金属部材には、前記流路を設けた領域以外の領域であって、固体高分子電解質に接して設けられる燃料・ガス拡散層側に突起を設けることもできる。
【００１４】
また、本発明の燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に燃料極、空気極を配し、その両側に燃料及びガスを拡散させる燃料・ガス拡散層、さらにその両側に燃料及び酸化剤を供給するセパレータを配した燃料電池であって、前記セパレータは、金属部材と樹脂部材とを組み合わせた構造によって燃料及び酸化剤を供給する流路を形成したものであって、前記金属部材では凹凸状に変形させることにより互いに平行する流路を複数本設け、前記樹脂部材で前記金属部材の前記流路をいくつかのブロックに分けることで、同一面内で蛇行する流路を形成したことを特徴とする。
【００１５】
前記樹脂部材は、前記金属部材側に設けられる第１樹脂部と、前記固体高分子電解質膜側に設けられる第２樹脂部との２層構造からなり、前記第１樹脂部と前記第２樹脂部とはそれぞれその中央部に開口を有しているものとすることができる。
【００１６】
前記第２樹脂部の開口の方が前記第１樹脂部の開口よりも大きく形成されていることが好ましい。
【００１７】
前記金属部材には、前記流路を設けた領域以外の領域であって、固体高分子電解質に接して設けられる燃料・ガス拡散層側に突起を設けることもできる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、燃料電池用セパレータにおいて、金属部と第１樹脂部及び第２樹脂部とを組み合わせて新規な流路構造を実現しているので、携帯機器用途のコンパクトな積層電池が実現可能となり、高出力密度で安定した出力を得られ、安全性にも優れたＤＭＦＣが実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下に、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
【００２０】
（本実施形態に係る燃料電池の単セル１０の構造）
図１に、本実施形態に係る燃料電池の単セル１０の構造を示す。
この単セル１０は、ＭＥＡ１１の両面にそれぞれ拡散層１７が形成され、更にその外側に、セパレータ１８が形成された構造となっている。セパレータ１８は、金属製で複数の溝が形成されるように加工された金属部１６と、該金属部１６よりもＭＥＡ１１側に形成された第１樹脂部１４及び第２樹脂部１２とから構成されている。このような単セル１０は、複数積層集合化されて燃料電池スタックとされる。
【００２１】
本実施形態に係る燃料電池の単セル１０において、液体燃料及びガスの流路は、金属部１６と第１樹脂部１４及び第２樹脂部１２とを組み合わせた構造によって実現している。即ち、まず、金属部１６において、複数の溝を設けることにより、直線形状の流路を複数本形成する。これに第１樹脂部１４及び第２樹脂部１２によりこの直線形状の流路部を囲み、さらに直線流路をいくつかのブロックに分けるようにして、液体燃料またはガスを流す流路が蛇行状になるように形成する。第１樹脂部１４及び第２樹脂部１２は、燃料やガスのシール材及び金属部１６を支持する役割も果たしている。このように、金属部１６と第１樹脂部１４及び第２樹脂部１２を重ねて複合化することで、初めて燃料電池用セパレータとして機能するものとしている。樹脂部は切削加工によれば複雑な形状も製作可能であるが、本実施形態では第１樹脂部１４と第２樹脂部１２との２層構造を採用し、それぞれの樹脂部の加工を容易なものとすると共に、組み立て時の精度を上げられるようにしている。
【００２２】
図２に、セパレータ１８に用いられる金属部１６の平面図を示す。金属部１６の中央部には流路２４が設けられ、複数の溝の形成による直線形状の流路が複数形成されている。また、流路２４の外側にはディンプル状の突起２３が設けられ、金属部１６の端部には開口２１が形成されている。流路２４における溝の形状は、図３に示すように、ピッチ（Ｐ）、溝底幅（Ｗ）、溝深さ（Ｄ）、基材残肉厚（Ｔ）により規定することができる。ここで、溝のピッチ（Ｐ）は２ｍｍ〜５ｍｍ、溝の底幅（Ｗ）は０．５ｍｍ〜２ｍｍ、溝の深さ（Ｄ）は０．３ｍｍ〜２ｍｍの範囲に形成することが好ましい。また、基材残肉厚（Ｔ）は０．１ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲にすることが望ましい。
【００２３】
金属部１６は、ステンレス鋼によって形成することができるが、ステンレス鋼をベース材とし、その表面にＴａ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔｉ等の耐酸性被膜を形成し、その被膜の耐酸性表面にＡｕ等の貴金属を０．０１〜０．０６μｍめっきした複合材を用いても良い。
【００２４】
図４（ａ）、（ｂ）に、それぞれ、第１樹脂部及び第２樹脂部の形状の一例を示す。第１樹脂部１４では、液体燃料またはガスを流す流路が蛇行状になるように開口２５の形状が規定されている。ここで、第２樹脂部１２の開口２６の開口面積は、第１樹脂部１４の開口２５の開口面積よりも大きくなるように形成されている。具体的には、開口２６の寸法を開口２５より１ｍｍ〜５ｍｍ程度広げればよい。
また、第１樹脂部及び第２樹脂部の他の例を図５（ａ）、（ｂ）、図６（ａ）、（ｂ）に示す。図５（ａ）、（ｂ）においては、第２樹脂部３２の開口３５の開口面積が、第１樹脂部３４の開口３１の開口面積よりも大きくなるように形成され、図６（ａ）、（ｂ）においては、第２樹脂部４２の開口４５の開口面積が、第１樹脂部４４の開口４１の開口面積よりも大きくなるように形成されている。
【００２５】
（本実施形態に係る燃料電池の単セル１０の製造方法）
本実施形態に係る燃料電池の単セル１０は、以下のようにして形成することができる。
まず、ステンレス鋼等の金属板にプレス成形により、所定のピッチ（Ｐ）、溝の底幅（Ｗ）、溝の深さ（Ｄ）を有する溝を複数設け、流路２４を形成する。同様に、プレス成形により突起２３、及び開口２１を形成する（図２参照）。次に、金属部１６に、図４（ａ）、図５（ａ）、図６（ａ）に示すような第１樹脂部を重ね、更に、図４（ｂ）、図５（ｂ）、図６（ｂ）に示すような第２樹脂部を重ねる。ここで、第２樹脂部の開口は第１樹脂部の開口よりも大きく形成されているので、この広がった開口部分と第１樹脂部とに生じる段差の部分に拡散層１７を組み合わせ、図４（ｂ）、図５（ｂ）、図６（ｂ）の開口に拡散層１７をはめ込むようにセットする（図１参照）。拡散層１７は、導電性の黒鉛紙や黒鉛布により形成する。ＭＥＡ１１については、パーフルオロアルキルスルホン酸系樹脂等からなる電解質膜の両面に、白金−ルテニウム合金（Ｐｔ−Ｒｕ）等の触媒が塗布された燃料極と、白金（Ｐｔ）等の触媒が塗布された空気極とを形成したものを用い、拡散層１７をはめ込んだセパレータ１８、１８の間にＭＥＡ１１を挟み込むことにより形成することができる。
【００２６】
（本実施形態の燃料電池の単セル１０と従来の燃料電池の単セル２０の寸法の比較）
図１０は、従来の燃料電池用途に広く使用されている黒鉛製セパレータの平面図である。本セパレータ１５では、表面に溝が蛇行状に形成され、流路５０を構成している。
図１１に、このセパレータ１５の模式図を示す。このセパレータ１５では、セパレータ厚みは（溝深さ表分Ｄ1）＋（溝深さ裏分Ｄ2）＋（基材残肉厚分Ｔ）となる。即ち、従来の黒鉛製セパレータの場合、積層電池での積層高さが大きくなる理由は、流路構造が図１１に示すように、流路の形成が表裏面で独立し、その結果セパレータ厚みが（溝深さ表分Ｄ1）＋（溝深さ裏分Ｄ2）＋（基材残肉厚分Ｔ）になるためである。
例えば、燃料電池セルの積層高さを２セル分で計算してみると、
２セル分積層高さ＝（溝深さ表分Ｄ1）＋（基材残肉厚分Ｔ）＋（溝深さ裏分Ｄ2）＋（拡散層分）＋（ＭＥＡ分）＋（拡散層分）＋（溝深さ表分Ｄ1）＋（基材残肉厚分Ｔ）＋（溝深さ裏分Ｄ2）＋（拡散層分）＋（ＭＥＡ分）＋（拡散層分）＋（溝深さ表分Ｄ1）＋（基材残肉厚分Ｔ）＋（溝深さ裏分Ｄ2）＝３×｛（溝深さ表分Ｄ1）＋（基材残肉厚分Ｔ）＋（溝深さ裏分Ｄ2）｝＋４×（拡散層分）＋２×（ＭＥＡ分）となる。
【００２７】
一方、本発明による金属セパレータの場合、セパレータは図３に示すように、溝深さが表裏で同じになるため、（溝深さＤ）＝（溝深さ表分Ｄ1）＝（溝深さ表分Ｄ2）となる。従って、セパレータ厚みは（溝深さ表分Ｄ1）＋（基材残肉厚分Ｔ）となり、上記と同様にして２セル分で計算してみると、
２セル分積層高さ＝（溝深さ表分Ｄ1）＋（基材残肉厚分Ｔ）＋（拡散層分）＋（ＭＥＡ分）＋（拡散層分）＋（溝深さ表分Ｄ1）＋（基材残肉厚分Ｔ）＋（拡散層分）＋（ＭＥＡ分）＋（拡散層分）＋（溝深さ表分）＋（基材残肉厚分Ｔ）＝３×｛（溝深さ表分Ｄ1）＋（基材残肉厚分Ｔ）｝＋４×（拡散層分）＋２×（ＭＥＡ分）となる。
【００２８】
従って、従来の黒鉛セパレータセルと本実施形態のセパレータセルの積層厚みの差は、
３×〔（溝深さ裏分Ｄ2）＋｛（黒鉛基材残肉厚分）−（金属基材残肉厚分）｝〕となり、片面分の溝深さと材料基材厚みの差の合計が積層高さの違いとして利いてくる。例えば、溝深さを表裏とも１ｍｍ、基材厚みを黒鉛、金属とも０．５ｍｍ、拡散層厚みを０．３ｍｍ、ＭＥＡ厚みを０．３ｍｍとすると、黒鉛２セルの積層高さは、９．３ｍｍで、金属２セルの積層高さは、６．３ｍｍで、両者の積層高さの差は３ｍｍとなり、金属セパレータを用いることで約２／３に高さを低減できる。なお、実際に適用する場合、基材厚みは黒鉛セパレータに比べて金属セパレータの場合、外的衝撃を受けても、破壊する恐れが低いために薄くできる可能性が高いことから、両者の差はさらに大きくなると考えられ、積層高さの比較では上記した２／３から１／２程度までコンパクト化できる可能性が高い。
【００２９】
（本実施形態に係る燃料電池の効果）
以下、本実施形態に係る燃料電池の効果を実施例により実証する。
【実施例１】
【００３０】
（金属セパレータ単セル、板厚０．２ｍｍ）
耐食金属複合材を用い、図２の平面図、図３の断面図に示すように流路２４の形状を断面方向で溝のピッチ（Ｐ）＝４ｍｍ、溝の底幅（Ｗ）＝１ｍｍ、溝の深さ（Ｄ）＝１ｍｍにプレス成形したセパレータを製作した。セパレータ板厚（Ｔ）＝０．２ｍｍで製作した。これに図４（ａ）に示すような樹脂ガスケットを一層目に重ね、さらに図４（ｂ）に示すような樹脂ガスケットをその上に二層目として重ねる。図４（ｂ）の開口２６は、図４（ａ）の中央の開口２５よりも大きな形状になっている。図４（ｂ）の開口２６には導電性の黒鉛紙や黒鉛布からなる拡散層１７をはめ込むようにセットする。これより、図２の金属部１６に設けられたディンプル状突起２３が拡散層１７を支持している。
本セパレータを用いて、ＤＭＦＣ単セルを製作した。ＭＥＡには膜厚みが０．２ｍｍ品を用いた。発電部のセパレータ積層高さは３．１ｍｍになった。
触媒には燃料極は白金−ルテニウム合金（Ｐｔ−Ｒｕ）を用い、空気極には白金（Ｐｔ）を使用し、触媒量は燃料極、空気極ともに２ｍｇ／ｃｍ2塗布し、燃料に５ｗｔ％メタノール水溶液を用い、酸化剤に空気を用いて発電した。燃料流量は１ｍＬ／ｍｉｎ、空気流量は５０ｍＬ／ｍｉｎで発電した。発電の結果、最大出力密度で２０ｍＷ／ｃｍ2を得た。
また、セル出力をセル積層部体積で割ったセル出力体積密度は２５ｍＷ／ｃｍ3だった。
【実施例２】
【００３１】
(金属セパレータ単セル、板厚０．１ｍｍ)
図２の平面図、図３の断面図に示すように流路２４の形状を断面方向で溝のピッチ（Ｐ）＝２．５ｍｍ、溝の底幅（Ｗ）＝１ｍｍ、溝の深さ（Ｄ）＝０．５ｍｍにプレス成形したセパレータを製作した。セパレータ板厚（Ｔ）＝０．１ｍｍで製作した。これに図５（ａ）に示すような樹脂ガスケットを一層目に重ね、さらに図５（ｂ）に示すような樹脂ガスケットをその上に二層目として重ねる。図５（ｂ）の開口３５は、図５（ａ）の中央の開口３１よりも大きな形状になっている。図５（ｂ）の開口３５には導電性の黒鉛紙や黒鉛布からなる拡散層１７をはめ込むようにセットする。これより、図２の金属部１６に設けられたディンプル状突起２３が拡散層１７を支持している。
本セパレータを用いて、ＤＭＦＣ単セルを製作した。ＭＥＡには膜厚みが０．２ｍｍ品を用いた。発電部のセパレータ積層高さは１．９ｍｍになった。
触媒には燃料極は白金−ルテニウム合金（Ｐｔ−Ｒｕ）を用い、空気極には白金（Ｐｔ）を使用し、触媒量は燃料極、空気極ともに２ｍｇ／ｃｍ2塗布し、燃料に５ｗｔ％メタノール水溶液を用い、酸化剤に空気を用いて発電した。燃料流量は１ｍＬ／ｍｉｎ、空気流量は１００ｍＬ／ｍｉｎで発電した。発電の結果、最大出力密度で３０ｍＷ／ｃｍ2を得た。
また、セル出力をセル積層部体積で割った、セル出力体積密度は６２Ｗ／ｃｍ3だった。
【実施例３】
【００３２】
（金属セパレータ１０セルスタック、板厚０．１ｍｍ）
図２の平面図、図３の断面図に示すように流路１の形状を断面方向で溝のピッチ（Ｐ）＝２．５ｍｍ、溝の底幅（Ｗ）＝１ｍｍ、溝の深さ（Ｄ）＝０．５ｍｍにプレス成形したセパレータを製作した。セパレータ板厚（Ｔ）＝０．１ｍｍで製作した。これに図５（ａ）に示すような樹脂ガスケットを一層目に重ね、さらに図５（ｂ）に示すような樹脂ガスケットをその上に二層目として重ねる。図５（ｂ）の開口３５は、図５（ａ）の中央の開口３１よりも大きな形状になっている。図５（ｂ）の開口３５には導電性の黒鉛紙や黒鉛布からなる拡散層１７をはめ込むようにセットする。これより、図２の金属部１６に設けられたディンプル状突起２３が拡散層１７を支持している。
本セパレータを用いて、ＤＭＦＣセルスタックを製作した。ＭＥＡには膜厚みが０．２ｍｍ品を用いた。積層数を１０セルにした結果、発電部のセパレータ積層高さは１３．６ｍｍになった。
触媒には燃料極は白金−ルテニウム合金（Ｐｔ−Ｒｕ）を用い、空気極には白金（Ｐｔ）を使用し、触媒量は燃料極、空気極ともに２ｍｇ／ｃｍ2塗布し、燃料に５ｗｔ％メタノール水溶液を用い、酸化剤に空気を用いて発電した。燃料流量は１０ｍＬ／ｍｉｎ、空気流量は１０００ｍＬ／ｍｉｎで発電した。発電の結果、最大出力密度で２８ｍＷ／ｃｍ2を得た。
また、セル出力をセル積層部体積で割ったセル出力体積密度は８１ｍＷ／ｃｍ3だった。
【実施例４】
【００３３】
(金属セパレータ単セル、板厚０．１ｍｍ、ガスケット形状違い)
図２の平面図、図３の断面図に示すように流路１の形状を断面方向で溝のピッチ（Ｐ）＝２．５ｍｍ、溝の底幅（Ｗ）＝１ｍｍ、溝の深さ（Ｄ）＝０．５ｍｍにプレス成形したセパレータを製作した。セパレータ板厚（Ｔ）＝０．１ｍｍで製作した。これに図６（ａ）に示すような樹脂ガスケットを一層目に重ね、さらに図６（ｂ）に示すような樹脂ガスケットをその上に二層目として重ねる。図６（ｂ）の開口４５には導電性の黒鉛紙や黒鉛布からなる拡散層１７をはめ込むようにセットする。ここで、図６（ｂ）の開口４５は図６（ａ）の中央の開口４１と同じ大きさの形状になっている。
本セパレータを用いて、ＤＭＦＣ単セルを製作した。ＭＥＡには膜厚みが０．２ｍｍ品を用いた。発電部のセパレータ積層高さは１．９ｍｍになった。
触媒には燃料極は白金−ルテニウム合金（Ｐｔ−Ｒｕ）を用い、空気極には白金（Ｐｔ）を使用し、触媒量は燃料極、空気極ともに２ｍｇ／ｃｍ2塗布し、燃料に５ｗｔ％メタノール水溶液を用い、酸化剤に空気を用いて発電した。燃料流量は１ｍＬ／ｍｉｎ、空気流量は１００ｍＬ／ｍｉｎで発電した。発電の結果、最大出力密度で１８ｍＷ／ｃｍ2を得た。
またセル出力をセル積層部体積で割った、セル出力体積密度は３７ｍＷ／ｃｍ3だった。
【実施例５】
【００３４】
（金属セパレータ単セル、板厚０．１ｍｍ、流路結合部にディンプル無し）
図７に、セパレータ１８として用いられる他の金属部３６の平面図を示す。この金属部３６は、図２の金属部１６と比較して、ディンプル状突起を有していないものである。
図７の平面図、図３の断面図に示すように流路４０の形状を断面方向で溝のピッチ（Ｐ）＝２．５ｍｍ、溝の底幅（Ｗ）＝１ｍｍ、溝の深さ（Ｄ）＝０．５ｍｍにプレス成形したセパレータを製作した。セパレータ板厚（Ｔ）＝０．１ｍｍで製作した。これに図５（ａ）に示すような樹脂ガスケットを一層目に重ね、さらに図５（ｂ）に示すような樹脂ガスケットをその上に二層目として重ねる。図５（ｂ）の開口３５は、図５（ａ）の中央の開口３１より大きな形状になっている。図５（ｂ）の開口３５には導電性の黒鉛紙や黒鉛布からなる拡散層１７をはめ込むようにセットする。尚、図５（ａ）及び図５（ｂ）のガスケットと組み合わせた場合の平行流路が連結した部分には、実施例１〜４の場合と異なり、ディンプル状突起部は無い。
本セパレータを用いて、ＤＭＦＣ単セルを製作した。ＭＥＡには膜厚みが０．２ｍｍ品を用いた。発電部のセパレータ積層高さは１．９ｍｍになった。
触媒には燃料極は白金−ルテニウム合金（Ｐｔ−Ｒｕ）を用い、空気極には白金（Ｐｔ）を使用し、触媒量は燃料極、空気極ともに２ｍｇ／ｃｍ2塗布し、燃料に５ｗｔ％メタノール水溶液を用い、酸化剤に空気を用いて発電した。燃料流量は１ｍＬ／ｍｉｎ、空気流量は１００ｍＬ／ｍｉｎで発電した。発電の結果、最大出力密度で２１ｍＷ／ｃｍ2を得た。
またセル出力をセル積層部体積で割った、セル出力体積密度は４３ｍＷ／ｃｍ3だった。
【比較例１】
【００３５】
（黒鉛セパレータ単セル、板厚１．１ｍｍ）
図１０の平面図、図１１の断面図に示すセパレータを黒鉛材で、流路５０の形状を断面方向で溝のピッチ（Ｐ）＝２ｍｍ、溝の幅（Ｗ）＝１ｍｍ、深さ（Ｄ）＝０．５ｍｍに製作した。燃料及び酸化剤ガス供給口（マニホールド）となる開口５２を配置し、セパレータ基材厚み（Ｔ）を実施例２の金属セパレータと同じ０．１ｍｍにすると、セパレータの厚みは１．１ｍｍとなった。
これに図４（ｂ）に示すような樹脂ガスケットを重ねる。図４（ｂ）の開口部には導電性の黒鉛紙や黒鉛布からなる拡散層１７をはめ込むようにセットする。
本セパレータを用いて、ＤＭＦＣ単セルを製作した。ＭＥＡには膜厚みが０．２ｍｍ品を用いた。発電部のセパレータ積層高さは２．９ｍｍになった。
触媒には燃料極は白金−ルテニウム合金（Ｐｔ−Ｒｕ）を用い、空気極には白金（Ｐｔ）を使用し、触媒量は燃料極、空気極ともに２ｍｇ／ｃｍ2塗布し、燃料に５ｗｔ％メタノール水溶液を用い、酸化剤に空気を用いて発電した。燃料流量は１ｍＬ／ｍｉｎ、空気流量は１００ｍＬ／ｍｉｎで発電した。発電の結果、最大出力密度で２８ｍＷ／ｃｍ2を得た。
また、セル出力をセル積層部体積で割った、セル出力体積密度は３８ｍＷ／ｃｍ3だった。この結果は、ほぼ同等の出力密度である金属セパレータセルに比べて、約１／２の低い値だった。
【比較例２】
【００３６】
（黒鉛セパレータ１０セルスタック、板厚１．１ｍｍ）
図１０の平面図、図１１の断面図に示すセパレータを黒鉛材で、流路５０の形状を断面方向で溝のピッチ（Ｐ）＝２ｍｍ、溝の幅（Ｗ）＝１ｍｍ、深さ（Ｄ）＝０．５ｍｍに製作した。燃料及び酸化剤ガス供給口（マニホールド）となる開口５２を配置し、セパレータ基材厚み（Ｔ）を実施例２の金属セパレータと同じ０．１ｍｍにすると、セパレータの厚みは１．１ｍｍとなった。
これに図４（ｂ）に示すような樹脂ガスケットを重ねる。図４（ｂ）の開口２６には導電性の黒鉛紙や黒鉛布からなる拡散層１７をはめ込むようにセットする。
本セパレータを用いて、ＤＭＦＣセルスタックを製作した。ＭＥＡには膜厚みが０．２ｍｍ品を用いた。積層数を１０セルにした結果、発電部のセパレータ積層高さは１９．１ｍｍになった。
触媒には燃料極は白金−ルテニウム合金（Ｐｔ−Ｒｕ）を用い、空気極には白金（Ｐｔ）を使用し、触媒量は燃料極、空気極ともに２ｍｇ／ｃｍ2塗布し、燃料に５ｗｔ％メタノール水溶液を用い、酸化剤に空気を用いて発電した。燃料流量は１０ｍＬ／ｍｉｎ、空気流量は１０００ｍＬ／ｍｉｎで発電した。発電の結果、最大出力密度で２７ｍＷ／ｃｍ2を得た。
また、セル出力をセル積層部体積で割った、セル出力体積密度は５５ｍＷ／ｃｍ3だった。この結果は、ほぼ同等の出力密度である金属セパレータセルに比べて、約１／２の低い値だった。
【００３７】
以上、実施例１〜５、比較例１〜２に関する実験データを表１にまとめて示す。
【００３８】
【表１】
2005285345.tif 000003
【００３９】
本実施形態に係る燃料電池では、以下のような効果を奏することができる。
（１）金属部に樹脂部を組み合わせる構成によって発電セルを積層すれば、実施例２や実施例３の積層高さが、比較例１や比較例２に比べて約１／２にできる。それと同時に、出力体積密度も約２倍にすることが可能となり、携帯機器用途の電源として優れたものとなる。これは、従来の黒鉛セパレータの場合、セパレータ厚みが、表裏面の溝深さと溝同士が対向した箇所の肉厚を加えた値になるのに対し、本実施形態のセパレータでは、素材板厚と溝深さを加えた値であり、溝深さ分だけ薄くできるためである。
（２）二層構造の第１樹脂部１４及び第２樹脂部１２で流路形成と流体のシール機能を担うことは、低コスト化も併せて実現できる。例えば図４（ａ）や図４（ｂ）のような形状の樹脂材の場合、製作についてはプレス打抜きの適用が可能で、工業的に生産性の高い方法が採用できる。これは、樹脂材の形状が二次元形状で実現できているからであり、仮に二層ではなく一つの部品で製作する場合は三次元的な形状を採用する必要が生じ、切削加工などを取り入れるために結果として高コストな材料になってしまうからである。
（３）二層構造の樹脂部の第２樹脂部１２の開口のほうが、第１樹脂部１４の開口よりも大きな形状で形成されているので、発電効率を向上させることができる。これは、金属部１６との組み合わせで流路を形成するのが第１樹脂部１４であり、そのＭＥＡ１１側には、流体を拡散する拡散層１７で覆う必要があるが、第２樹脂部１２の開口が第１樹脂部１４の開口に比べて同じか小さい場合は、拡散層１７から流体が洩れ、所定の流路以外に流体が流れてしまうために発電効率が低下してしまうからである。このことは、実施例４と実施例２とを比較することにより明らかである。
即ち、拡散層１７と第１樹脂部１４との隙間の発生を防止でき、その結果、液体燃料またはガスの流路内での漏れを防止でき、燃料やガスの利用率を低下させずに発電することが可能になる。また、連結した開口内にディンプル状の突起２３を位置させることにより、拡散層１７のたわみによる開口部の閉塞を防ぐことができる。
（４）ディンプル状突起２３を形成することにより、拡散層１７を支持するだけでなく、発電効率を向上させることができる。これは、突起２３が無いと、拡散層１７がセルの締め付け等により変形してしまい、その結果流体の流れを阻害したり、水の排出を阻害したりするためである。この点は実施例５と実施例２との比較により明らかである。
（５）従来の黒鉛セパレータの場合、基材の残肉厚は０．１ｍｍでは外的衝撃を受けた場合を想定すると、破壊する恐れがあり０．５ｍｍ以上程度の厚みが必要と考えられるが、本実施形態では、基材の厚みを薄くしても破壊する恐れがなく安全である。なお、０．５ｍｍ以上程度の厚みで比較すると、本実施形態の金属を用いたセパレータと従来の黒鉛セパレータの出力体積密度差はさらに大きくなる。
（６）本実施形態では、燃料電池としてＤＭＦＣを例として説明したが、ＰＥＦＣの場合にも同様に適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の燃料電池の一実施形態を示す断面図である。
【図２】本実施形態に係る燃料電池に用いられるセパレータの金属部の形状を示す平面図である。
【図３】本実施形態に係る燃料電池に用いられるセパレータの金属部の形状を示す模式図である。
【図４】本実施形態に係る燃料電池に用いられるセパレータの樹脂部の形状を示す平面図であり、（ａ）は第１樹脂部、（ｂ）は第２樹脂部である。
【図５】本実施形態に係る燃料電池に用いられるセパレータの樹脂部の他の形状を示す平面図であり、（ａ）は第１樹脂部、（ｂ）は第２樹脂部である。
【図６】本実施形態に係る燃料電池に用いられるセパレータの樹脂部の他の形状を示す平面図であり、（ａ）は第１樹脂部、（ｂ）は第２樹脂部である。
【図７】本実施形態に係る燃料電池に用いられるセパレータの金属部の他の形状を示す平面図である。
【図８】従来のＤＭＦＣの発電原理を示す模式図である。
【図９】従来の燃料電池の単セルを示す断面図である。
【図１０】従来の燃料電池のセパレータを示す平面図である。
【図１１】従来の燃料電池のセパレータを示す模式図である。
【符号の説明】
【００４１】
１０  単セル
１１  ＭＥＡ
１２、３２、４２  第２樹脂部
１３  ガスケット
１４、３４、４４  第１樹脂部
１５  セパレータ
１６、３６  金属部
１７  拡散層
１８  セパレータ
２０  単セル
２１、２５、２６、２７、２８  開口
３１、３３、３５、３７  開口
４１、４３、４５、４７、４８、５２  開口
２３  突起
２４、４０、５０  流路
【図１】
2005285345.tif 000004
【図２】
2005285345.tif 000005
【図３】
2005285345.tif 000006
【図４】
2005285345.tif 000007
【図５】
2005285345.tif 000008
【図６】
2005285345.tif 000009
【図７】
2005285345.tif 000010
【図８】
2005285345.tif 000011
【図９】
2005285345.tif 000012
【図１０】
2005285345.tif 000013
【図１１】
2005285345.tif 000014