(57)【要約】【課題】      燃料電池内の接触抵抗を低減させることにより、従来よりも多くの起電力を取り出し得る燃料電池を提供する。【解決手段】  電解質１１、電解質１１の両側に配置されるカソード１２及びアノード１３、並びに、カソード１２及びアノード１３の外側に配設されるセパレータ１７、１８、を備える燃料電池１００であって、さらに、セパレータ１７、１８よりも高い延展性と、導電性を有する延展性材料層５０を備え、当該延展性材料層５０は、両面に、燃料電池１００の運転温度において液体である金属層７０、７０を備えるとともに、セパレータ１７、１８に接して配置されていることを特徴とする、燃料電池１００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、前記電解質の両側に配置されるカソード及びアノード、並びに、前記カソード及び前記アノードの外側に配設されるセパレータ、を備える燃料電池であって、
さらに、前記セパレータよりも高い延展性と、導電性を有する延展性材料層を備え、
前記延展性材料層は、両面に、燃料電池の運転温度において液体である金属層を備えるとともに、前記セパレータに接して配置されていることを特徴とする、燃料電池。
【請求項２】
前記延展性材料層が、金属を含有することを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記燃料電池が固体高分子型燃料電池であり、
前記金属層が、インジウム及び／又はガリウムを含有する合金により構成されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関し、特に、燃料電池の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電解質と、当該電解質の両側に配置される電極（カソード及びアノード）とを備える膜電極接合体（以下において、「ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）」と記述する。）における電気化学反応により発生した電気エネルギーを、このＭＥＡの両側に配設されるセパレータを介して外部に取り出している。燃料電池の中でも、家庭用コージェネレーション・システムや自動車等に使用される固体高分子型燃料電池（以下において、「ＰＥＦＣ（Polymer Electrolyte Fuel Cell）」と記述する。）では、ＭＥＡやセパレータ等により構成される単セルの理論電圧が１．２３Ｖである。そのため、通常は、複数の単セルを積層させてスタック形態とすることにより目的とする起電力を取り出し得るＰＥＦＣが使用されている。かかる形態の燃料電池では、単セルの積層体の両端に集電板を配置し、さらにその外側に電気絶縁性を有する絶縁板が配置される。そして、両端に配置された絶縁版の両側から加圧される状態にて使用される。
【０００３】
このように、スタック状の燃料電池は、多部材により構成されることから、セパレータ間や、セパレータと集電板との間等に接触抵抗が生じ、この接触抵抗が、燃料電池スタックの出力低下を招く。そのため、燃料電池内の接触抵抗を低減させることで、燃料電池の高出力化を図ることが可能になる。
【０００４】
接触抵抗の低減を目的とした技術開発は、これまでに検討されてきており、例えば、導体接触面における接触抵抗を低減させるため当該接触面に金属めっき加工を行う技術等が実際に利用されている。この技術は、導体接触面を表面加工し得る部材に対しては有効な手段であると言えるが、表面加工が困難な部材の接触抵抗は低減させ難いという点が問題視されている。また、上記技術では、加工対象部材における接触面の平面度や表面粗さが十分に確保できていない場合には、導体接触面に金属めっき加工を行ったとしても、めっき加工面積の減少に伴って接触抵抗が増加してしまう点も問題である。
【０００５】
一方で、特許文献１には、セパレータと集電板との間に、可撓性又は流動性を有する導電材を介在させてセパレータと集電板との間の凹凸を埋めることにより、接触抵抗の低減を図る技術が開示されている。また、特許文献２には、集電体とインターコネクタとの間に、ＮｉＯとインターコネクタ材料とを混合させた複合材料を介在させるとともに、当該複合材料の両側にインターコネクタ材料からなるスラリを介在させることで、接触抵抗の低減を図る技術が開示されている。
【特許文献１】特開平７−２６３０１３号公報
【特許文献２】特開平８−１３００２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１の技術のように、流動性を有する導電体をセパレータ間に介在させると、この導電体の周囲を頑丈に密閉することが必要になるほか、この導電体が密閉領域から漏れ出すと導電性が低下し、燃料電池の起電力を取り出すことが困難になるという問題があった。
また、特許文献２の技術によっても、接触抵抗の十分な低減を図ることは困難であるという問題があった。
【０００７】
そこで本発明は、燃料電池内の接触抵抗を低減させることにより、従来よりも多くの起電力を取り出し得る燃料電池を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
請求項１に記載の発明は、電解質、電解質の両側に配置されるカソード及びアノード、並びに、カソード及びアノードの外側に配設されるセパレータ、を備える燃料電池であって、さらに、セパレータよりも高い延展性と、導電性を有する延展性材料層を備え、当該延展性材料層は、両面に、燃料電池の運転温度において液体である金属層を備えるとともに、セパレータに接して配置されていることを特徴とする、燃料電池である。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池であって、延展性材料層が金属を含有することを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の燃料電池であって、当該燃料電池が固体高分子型燃料電池であり、金属層が、インジウム及び／又はガリウムを含有する合金により構成されることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１に記載の発明によれば、例えば延展性材料層と金属層がセパレータ間に備えられる際には、セパレータ表面の細かい凹凸を金属層により埋めることが可能になるとともに、セパレータ間の比較的粗い凹凸は、金属層の上に設けられる延展性材料層によって埋めること可能になる。したがって、セパレータ間の空間をこれら延展性材料層及び金属層により効果的に埋めることが可能になるため、セパレータ間の接触抵抗を低減させることが可能になる。また、金属層は、セパレータと延展性材料層とに挟まれていることから、金属層を強固に密閉する必要が無くなる。そして、仮に金属層がセパレータと延展性材料層との間から漏れ出したとしても、セパレータ間には延展性材料層が配置されているため、燃料電池の導電性を確保することが可能になる。すなわち、請求項１に記載の発明によれば、内部の接触抵抗を低減させることにより、従来よりも多くの起電力を取り出し得る燃料電池を提供できる。
【００１０】
請求項２に記載の発明によれば、延展性材料層が良好な導電性を有する金属を含有することにより、燃料電池内の接触抵抗をより一層低減させることが可能になる。
【００１１】
請求項３に記載の発明によれば、内部の接触抵抗を低減させることにより、従来よりも多くの起電力を取り出し得る固体高分子型燃料電池を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１に、本発明の燃料電池における実施形態例を概略的に示す。
本発明の固体高分子型燃料電池１００において、第１セル１０は、電解質膜１１とその両側に配置されるカソード１２及びアノード１３を有するＭＥＡ１５、並びに、カソード１２及びアノード１３と対向するように配置されるセパレータ１７及びセパレータ１８、を備える。また、上記第１セル１０と同様の形態をとる第２セル２０は、電解質膜２１とその両側に配置されるカソード２２及びアノード２３を有するＭＥＡ２５、並びに、カソード２２及びアノード２３と対向するように配置されているセパレータ２７及びセパレータ２８、を備えている。そして、本実施形態にかかる燃料電池１００では、第１セル１０のセパレータ１７と、第２セル２０のセパレータ２８との間に、延展性材料層５０及び金属層７０、７０が備えられている。なお、本実施形態にかかるセパレータ１７、１８、２７、及び、２８は、カーボン製である。
【００１３】
本発明の燃料電池１００は、セパレータ１７及びセパレータ２８の間に延展性材料層５０及び金属層７０、７０を設けることにより、燃料電池１００内の接触抵抗を低減している。本発明の燃料電池１００では、延展性材料層５０を、少なくともセパレータ同士が接触すべき部位に挟み込むことで、燃料電池スタックの両側から加圧されるとセパレータ１７及び２８よりも先に当該材料層５０が適宜変形し、セパレータ間の隙間を埋めることが可能になる。また、かかる部位に材料層５０を挟み込むことにより、セパレータの接触面表面が粗く、セパレータ同士に隙間が生じて十分な接触面積を確保できていない場合等であっても、この材料層５０はその隙間を効果的に埋めることができるため、セパレータ間の接触不良を解消することが可能になる。
【００１４】
また、本発明の燃料電池１００において、金属層７０、７０を、延展性材料層５０と、セパレータ１７及びセパレータ２８との間に設けることにより、上記材料層５０では完全に埋めることが困難なセパレータ間の隙間が存在する場合であっても、その隙間を効果的に埋めることが可能になる。加えて、金属層７０、７０を設けることで、セパレータの接触面同士を接触させることが容易になる。したがって、本発明の燃料電池１００におけるセパレータ１７、２８の表面に、金属層７０、７０を設けることで、従来よりも接触抵抗を低減させることが可能になる。
【００１５】
図１に示す燃料電池１００では、延展性金属層５０をカーボン素材のセパレータ１７及び２８間に挟み込むことにより、燃料電池１００内の接触抵抗を従来の１／５程度にまで低減させることが可能になる。さらに、上述のような形態で、延展性金属層５０と金属層７０、７０とを併用することにより、接触抵抗を従来の１／５０程度にまで低減させることが可能になる。したがって、本発明によれば、スタック形態の燃料電池における内部抵抗（接触抵抗）を低減させた燃料電池を提供できる。
本発明により低減させることが可能な内部抵抗は、燃料電池の内部構造に依存する。一方で、一般的には、セパレータ同士の接触抵抗が全体の内部抵抗に占める割合は２０％であると言われている。したがって、本発明によれば、セパレータ同士の接触抵抗を従来の１／５０程度に低減させることで、当該抵抗に起因する燃料電池の電力損失も２０％程度改善するため、従来よりも多くの起電力を取り出し得る燃料電池を提供することが可能になる。
【００１６】
本発明の燃料電池１００に使用される延展性材料層５０は、セパレータよりも高い延展性を有するものであれば特に限定されないが、効果的に部材間の隙間を埋めるとともに燃料電池の接触抵抗を低減させるという観点から、優れた導電性を有する金属を含むことが好ましい。本発明において、材料層５０に含まれる金属としては、インジウムを挙げることができる。例えば、材料層５０を板状のインジウム（インジウム板）とすることにより、当該材料層５０を容易に形成させることができるほか、材料層５０をセパレータ間に容易に配置させることができる。
【００１７】
カーボン製のセパレータが備えられている燃料電池１００において、セパレータ１７とセパレータ２８との間には５０μｍ程度の凹凸が存在している。そのため、例えば０．５ｍｍ程度の厚さのインジウム板を当該セパレータ間に配置させることにより、上記セパレータ間の隙間を効果的に埋めることが可能になる。なお、セパレータ間に配置させるインジウム板の厚さは、燃料電池スタックの両端から加えられる圧力に応じて、適宜変更させることが好ましい。また、延展性材料層５０は、セパレータ１７及び２８における接触面の全面に渡って設けられていても良く、当該接触面の一部にのみ設けられていても良い。
【００１８】
本発明の燃料電池１００に使用される金属層７０は、燃料電池１００の運転時の温度（燃料電池１００がＰＥＦＣである本実施形態では、常温〜９０℃程度）において液体である金属であれば好適に使用することができ、当該金属が室温において液体であるか否かは問わない。上記温度において液体状態である金属としては、例えば、インジウム及び／又はガリウムを含有する金属を挙げることができる。かかる金属により金属層７０を構成すれば、表面張力等の作用により、当該金属がカーボン製のセパレータ表面の隙間へと入り込むことができる。そのため、セパレータ表面に金属層７０を均一に塗布することが可能になる。
【００１９】
燃料電池１００における、セパレータ１７及び２８、金属層７０、７０、並びに、延展性材料層５０の積層形態は、以下の順番で形成されることが好ましい。すなわち、金属層７０、７０を、セパレータ１７及び２８の表面にそれぞれ設けた後、金属層７０、７０の間に延展性材料層を設けるという順番である。かかる順番で設けることにより、金属層７０、７０を構成する金属が、セパレータ１７及び２８表面の隙間に入り込むことが可能になるため、セパレータ１７及び２８と延展性材料層５０との接触面積を増加させることが可能になる。その結果、燃料電池内の接触抵抗を効果的に低減させることが可能になる。
【００２０】
金属層７０を構成する金属は、インジウム又はガリウムの一方のみを含有する金属により構成させても良いが、常温で液体かつ無害であるとともに優れた導電性を有する金属にするという観点から、インジウム及びガリウムの双方を含有する金属とすることが好ましい。これら双方を含有する金属とする場合、その混合比率を、インジウム：ガリウム＝２４．５：７５．５とすることで、燃料電池１００内の接触抵抗を効果的に低減し得る金属層７０とすることが可能になる。
【００２１】
本発明の燃料電池１００では、上述の延展性材料層５０及び金属層７０を用いることで、セパレータ表面等を金属めっき加工するよりも容易に、かつ、安価に、内部の接触抵抗を低減させた燃料電池を提供することが可能になる。
【００２２】
なお、上記説明では、延展性材料層及び金属層がセパレータ間に備えられる形態例を示したが、延展性材料層及び金属層が設けられる箇所は、セパレータ間に限定されるものではなく、燃料電池内において接触抵抗が発生する箇所であれば好適に設けることが可能である。セパレータ間以外の箇所としては、セパレータと集電板との間等を挙げることができる。また、上記説明では、カーボン製のセパレータが備えられる形態例を示したが、本発明の燃料電池において使用可能なセパレータは、カーボン製に限定されるものではない。加えて、上記説明では、固体高分子型燃料電池に本発明を適用した例について説明したが、本発明が適用され得る燃料電池は、固体高分子型燃料電池に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の燃料電池を概略的に示す断面図である。
【符号の説明】
【００２４】
１１、２１  電解質
１２、２２  カソード
１３、２３  アノード
１７、１８、２７、２８  セパレータ
５０  延展性材料層
７０  金属層
１００  燃料電池
【図１】
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