(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜をアノード側電極とカソード側電極で挟んで構成される燃料電池構造体を狭持する燃料電池のセパレータにおいて、
前記セパレータは、
前記セパレータの表面に前記カソード側電極へ酸化剤ガスを供給する第１のガス流路溝を有する第１のセパレータと、
前記セパレータの表面に前記アノード側電極へ燃料ガスを供給する第２のガス流路溝を有する第２のセパレータと、から構成し、
少なくとも前記第１セパレータの表面のガス流路溝を形成する凸部を構成するセパレータ部材に、前記ガス流路溝の深さ方向に対する熱伝導率が少なくとも前記深さ方向に垂直な方向に対する熱伝導率よりも小さく、かつ前記セパレータの他の部分を構成する部材に比べて熱伝導率が小さい部材を用いたことを特徴とする燃料電池のセパレータ。
【請求項２】
前記凸部を構成するセパレータ部材に、前記深さ方向に対する熱伝導率が前記深さ方向に垂直な方向に対する熱伝導率の１／４５〜１／２倍である部材を用いた請求項１に記載の燃料電池のセパレータ。
【請求項３】
前記凸部を構成するセパレータ部材に、他の部分を構成するセパレータ部材と比較して気孔率が高い部材を用いる請求項１に記載の燃料電池のセパレータ。
【請求項４】
前記凸部を構成するセパレータ部材に、気孔率が１０〜８０％の部材を用いた請求項３に記載の燃料電池のセパレータ。
【請求項５】
前記ガス流路溝の両壁面および底面にのみ親水性を有した被膜を形成する請求項１から４のいずれか一つに記載の燃料電池のセパレータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、燃料電池に用いるセパレータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の固体高分子型燃料電池では、電解質を狭持する２つの電極に水素を含有する燃料ガスと酸素を含有する酸化剤ガスとをそれぞれ供給することによって、各電極で（１）、（２）式のような反応が起り、化学エネルギーに変換される。
【０００３】
【式１】
0003941444.tif 000002
【０００４】
【式２】
0003941444.tif 000003
【０００５】
固体高分子型燃料電池では、（２）式のようにカソード側で水を生じる。また、上記反応をスムーズに行うために水素ガスを加湿するために、アノード側にも水を供給するため、両極とそれぞれのセパレータ間に設置されているガス拡散層には常に水が存在する。燃料電池が定常運転温度に至っていないときには、ガス拡散層中のこのような水が電解質へのガス供給を妨げる場合があるために速やかに排出されることが望まれる。また燃料電池雰囲気温度が低温のとき、ガス拡散層の水は凍結してしまうので、上記のような理由から速やかな解凍および排出が望まれる。
【０００６】
ガス拡散層及びガス流路溝における水の排出性を改善するために、流路の形成面に撥水性を有するフッ素樹脂の被膜を形成するものが提案されている（例えば、特開平１１−３３９８２７号）。この燃料電池ではガス流路溝の形成面が撥水性を有することによりガス流路溝に生じる排水性を高めている。
【０００７】
しかしながら、この方法では、前述したようにガス流路溝に撥水性が施されている場合、拡散層から流路への優先的な水の移行はあまり期待できないという問題があった。
【０００８】
このような問題に対して、逆にガス流路溝の形成面に親水性を施すという提案もなされている（例えば、特開平８−１３８６９２号、特開２０００−２２３１３１）。この燃料電池では流路に親水性を保持させ発生した水の排水性を高めている。
【０００９】
【発明が解決しようとしている問題点】
しかしながら、前述した燃料電池を用いても、燃料電池の停止時にガス拡散層内の全ての水を排出させるのは困難であり、凝固点以下の温度でガス拡散層内で水が凍結するのは避け難い。
【００１０】
そこで本発明は、電解質膜付近で発生した熱を拡散させることなく、電解質膜とセパレータの間に存在する凍結した水の解凍に有効的に利用し、解凍された水を優先的にガス拡散層からガス流路溝へ排水する機能を有する燃料電池のセパレータを提供することを目的とする。
【００１１】
【問題点を解決するための手段】
第１の発明は、固体高分子電解質膜をアノード側電極とカソード側電極で挟んで構成される燃料電池構造体を狭持する燃料電池のセパレータにおいて、前記セパレータは、前記セパレータの表面に前記カソード側電極へ酸化剤ガスを供給する第１のガス流路溝を有する第１のセパレータと、前記セパレータの表面に前記アノード側電極へ燃料ガスを供給する第２のガス流路溝を有する第２のセパレータと、から構成する。そして、少なくとも前記第１セパレータの表面のガス流路溝を形成する凸部を構成するセパレータ部材に、前記ガス流路溝の深さ方向に対する熱伝導率が少なくとも前記深さ方向に垂直な方向に対する熱伝導率よりも小さく、かつ前記セパレータの他の部分を構成する部材に比べて熱伝導率が小さい部材を用いた。
【００１２】
第２の発明は、第１の発明において、前記凸部を構成するセパレータ部材に、前記深さ方向に対する熱伝導率が前記深さ方向に垂直な方向に対する熱伝導率の１／４５〜１／２倍である部材を用いた。
【００１３】
第３の発明は、第１の発明において、前記凸部を構成するセパレータ部材に、他の部分を構成するセパレータ部材に比較して気孔率が高い部材を用いる。
【００１４】
第４の発明は、第３の発明において、前記凸部を構成するセパレータ部材に、気孔率が１０〜８０％の部材を用いた。
【００１５】
第５の発明は、第１から４のいずれか一つの発明において、前記ガス流路溝の両壁面および底面にのみ親水性を有した被膜を形成する。
【００１６】
第１の発明によれば、前記凸部を構成するセパレータ部材に、前記ガス流路溝の深さ方向に対する熱伝導率が少なくとも深さ方向に垂直な方向に対する熱伝導率よりも小さく、セパレータの他の部分を構成する部材に比べて小さい部材を用いることでガス流路溝の深さ方向の熱伝達が抑制されるので、凸部の先端の熱の拡散を抑制でき、凍結した水を素早く解凍することができる。
【００１７】
第２の発明によれば、前記凸部を構成するセパレータ部材に、前記深さ方向に対する熱伝導率が深さ方向に垂直な方向に対する熱伝導率の１/４５〜１/２倍である部材を用いることで、燃料電池作動時の冷却効果に大きな影響を与えずに、十分な断熱効果を得ることができるので、凸部先端の熱の拡散を抑制できる。
【００１８】
第３の発明によれば、前記凸部を構成するセパレータ部材に、他の部分を構成するセパレータ部材と比較して気孔率が高い部材を用いることで、部材内の気孔が断熱の作用を有するので、凸部先端からの熱の拡散を抑制することができ、凍結した水を素早く解凍することができる。
【００１９】
第４の発明によれば、前記凸部を構成するセパレータ部材に、気孔率が１０〜８０％の部材を用いるので、凸部の先端からの熱の拡散を十分に抑制し、かつ機械的な強度を維持することができる。
【００２０】
第５の発明によれば、前記ガス流路溝の両壁面および底面にのみ親水性を有した皮膜を形成することで、凍結していた水が解凍された際に素早くガス流路溝側に水を除去することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図１に本実施形態に用いる燃料電池１の構成図を示す。
【００２２】
燃料電池構造体として膜状固体高分子電解質体２を挟んで、板状のアノード電極３ａとカソード電極３ｂを設置し、その燃料電池構造体を挟んで略板形状の二つのセパレータ、アノード側セパレータ４ａ、カソード側セパレータ４ｂを設置する。電解質体２、電極３ａ、３ｂ、セパレータ４ａ、４ｂはそれぞれ互いに平行になる様に設置されている。これら電解質体２、電極３ａ、３ｂ、およびセパレータ４ａ、４ｂでもって単位セル１ａを構成し、このようなセルを複数個平行に並べて燃料電池１を形成する。
【００２３】
板状のアノード側セパレータ４ａ（４ａａ）のアノード電極３ａに対峙する面６ａ（６ａａ）に、図において水平方向に互いに平行に延びる複数のガス流路溝７ａ（７ａａ）を形成する。このガス流路溝７ａ、（７ａａ）を区画形成する凸部をリブ１１ａ（１１ａａ）とすると、リブ１１ａは面全体に均等に配置されている。このようなガス流路溝７ａ（７ａａ）に発電に必要な燃料ガスを流すことによりアノード電極３ａに燃料を供給する。
【００２４】
一方、カソード側セパレータ４ｂのカソード電極３ｂに対峙する面６ｂには、酸化剤ガスを供給するための垂直方向に互いに平行に延びる複数のガス流路溝７ｂを形成する。このガス流路溝７ｂを区画形成する凸部をリブ１１ｂとすると、リブ１１ａと同様にリブ１１ｂも面全体に均等に形成される。
【００２５】
ここで、本実施形態においては、燃料ガスを供給するためのガス流路溝７ａ（７ａａ）と酸化剤ガスを供給するためのガス流路溝７ｂは互いに直交して形成したが、この限りではなく、互いに平行に形成してもよい。電極３ａ、３ｂは、供給された燃料ガス及び酸化剤ガスを電解質体２に拡散するためのガス拡散機能を有する（以後、電極３をガス拡散層と称することもある）。これにより供給された燃料ガス及び酸化剤ガスが電極３ａ、３ｂの面全体に拡散されるので燃料電池１内での反応が均一化される。
【００２６】
供給された燃料ガスを用いてアノード電極３ａでは、
【００２７】
【式１】
0003941444.tif 000004
【００２８】
の反応が起こり、電子は図示しない導線を通り、電気エネルギーとして利用されカソード電極３ｂに到達する。一方、プロトンは電解質体２を通過し、カソード電極３ｂに到達する。カソード電極３ｂでは、供給された電子とプロトン、そして酸化剤に含まれる酸素により、
【００２９】
【式２】
0003941444.tif 000005
【００３０】
の反応が起こり発電に必要な電気的化学反応が終結する。
【００３１】
アノード電極３ａとカソード電極３ｂとの間では、このような反応（１）、（２）が行われ、セル１ａ全体の温度が上昇する。
【００３２】
そのため、セパレータ４ａ、４ｂ（４ａａ）のそれぞれの電極３ａ、３ｂと対向しない背面に、複数の冷却溝８ａ、８ｂ（８ａａ）を形成し、相隣り合うセルの互いに対向するこれらの冷却溝８ａ、８ｂ（８ａａ）を組み合わせることで冷却流路９を形成する。つまり図１においては、セル１ａ内のカソード側セパレータ４ｂと、隣接するセル１ａにおけるアノード側セパレータ４ａａの表面の冷却溝８ｂ、８ａａにより一つの冷却流路９を形成する。冷却流路９はセパレータ４ａ、４ｂ（４ａａ）の面全体に互いに平行に、且つ、均等に形成し、この冷却流路９には冷却媒体を導き、燃料電池１の冷却を行う。
【００３３】
このような燃料電池１に用いるセパレータ４を図２のように形成する。
【００３４】
セパレータ４は平板１０に直方体のリブ１１を平行に、かつ平板１０の面に均等に配置する。このように配置されたリブ１１間に形成されたガス流路溝７の両壁面１２および底面１３には親水性を有した皮膜１４を形成する。
【００３５】
ここでリブ１１に平板１０よりも熱伝導率が低い部材を用いることにより、低温下で燃料電池を運転する場合に、ガス拡散層３内で凍結する水を解凍することができるようになる。前記した様に水は酸化剤側で生成されるので少なくとも酸化剤側セパレータを本発明の構成とし、さらに燃料側セパレータも同様の構成とすることが望ましい。一方、燃料ガスは加湿して供給されることが多く加湿水の凝縮により発生する水の凍結を防止することを重視して燃料側セパレータのみに本発明を適用することも可能である。
【００３６】
リブ１１を構成する部材として、平板１０と比較して気孔率の高い部材を用いる。一般に、燃料電池１のセパレータ４が求められる特性として、電気伝導性、耐熱・耐酸性といった項目があることから、金属基材の表面に酸化防止皮膜を形成したものやカーボン複合材料を用いることが一般的になっている。
【００３７】
本実施形態におけるセパレータ４のリブ１１を形成する部材は電気伝導性を大きく損なうことなく、気孔率を比較的制御しやすいカーボン複合材料かもしくはグラファイトを用いることが望ましい。そこで、例えばリブ１１の材質をグラファイトとし、リブ１１の所定のサイズに切断加工した後に平板１０に設置することもできるが、より安価な方法として、カーボン粉末と種々の樹脂との複合材料を成形するか、不織布等に樹脂等を含浸し成形後に焼成することで黒鉛化させる方法が良好である。
【００３８】
ここで、リブ１１を形成する部材の有効気孔率を１０〜８０%に設定し、好ましくは１０〜６０%、より好ましくは１０〜４０%に設定する。気孔率が１０%以下では断熱効果を十分に得ることができない。また、８０%では、部材の機械的な強度が極度に弱いためにセパレータ４の積層時に破損する恐れがある。気孔の大きさはガス流路溝７の幅・深さ等によって便宜変更することができる。平板１０をリブ１１と同様の材質とすると、セパレータ自身の機械的強度が低下するため、また、セパレータ４全体の熱伝導率が小さくなって冷却時の冷却性能が低下することも考えられるため、セパレータ４全体をリブ１１と同じ材質にはしないほうがよい。
【００３９】
またリブ１１の形成するガス流路溝７の両壁面１２および底面１３にのみ、親水性塗料を塗布することにより親水性皮膜１４を形成する。ここで、低温雰囲気下に存在する固体高分子型燃料電池１においては、電解質膜２付近で発生した熱はガス拡散層３内に存在する凍結した水の解凍に消費される。低温時の初期発電効率を向上させるために、ガス拡散層３内に残る凍結水は速やかにガス拡散層３から流路へと排水されることが好ましい。そこで、このようにガス流路溝７の両壁面１２及び底面１３のみに親水性皮膜１４を形成することで、解凍された水がガス流路溝７の方に移動し、ガス拡散層３の排水性が向上する。特にガス拡散層３が撥水性を有している場合、排水性の効果は有効である。また、リブ１１の電解質膜２側の面、すなわちセパレータ４とガス拡散層３とが接する部分には親水性皮膜１４を施さないので、気孔率を低下するのを回避できる。
【００４０】
このようなセパレータ４を形成する方法を図３のフローチャートに示す。
【００４１】
まず、ステップＳ１にてセパレータ４の成形を行う。これは、公知の様々な方法によって形成してよく、例えば平板１０に機械加工でガス流路溝７を切削する方法や、圧縮形成、射出成形もしくは押し出し形成等の手段を用いて形成することができる。
【００４２】
次にステップＳ２において、セパレータ４の表面に親水性を有する伝導性の塗料を塗布する。セパレータ４の表面への塗料の塗布はスプレー法、キャスティング法、ディップコーティング法などの公知のいかなる方法を用いてもよく、また塗料をセパレータ４に十分になじませるためにあらかじめセパレータ４の表面を微細に荒らすこともできる。
【００４３】
次にステップＳ３に進み、塗料の乾燥を行う。塗料の乾燥は、自然乾燥、熱風乾燥および種々の電磁波などの公知の手段を用いて行うことができる。これによりセパレータ４の表面全体に親水性皮膜１４が形成される。
【００４４】
セパレータ４の表面全体に親水性皮膜１４が形成されたら、次にガス流路溝７の両壁面１２と底面１３のみに親水性皮膜１４を残しその他の部分を除去するためにステップＳ４、Ｓ５の工程を行う。
【００４５】
ステップＳ４において、セパレータ４のガス流路溝７に液状またはゲル状媒体を満たす。これによりガス流路溝７の両壁面１２および底面１３がマスキングされる。セパレータ４のガス流路溝７に液状またはゲル状の媒体を充填させる場合、あらかじめセパレータ４のガス出入口を封鎖し、ガス流路溝７に媒体を充填しても漏れないようにしなければならない。この場合あらかじめセパレータ４の形状とガス出入口等を型とった治具を用いることが好ましい。充填する液体は水がもっとも安価で好ましいが、あとの処理の条件や親水性塗料との相互作用により他の液状媒体や粘性の高い媒体を選ぶこともできる。
【００４６】
次に、ステップＳ５に進み、ガス流路溝７の両壁面１３および底面１４以外の面の親水性皮膜１４を除去する。これは例えば、ブラストで親水性皮膜１４を除去する方法である。ブラスト処理は公知のエアブラストもしくはショットブラストのどちらでも適用することができ、砥粒も金属系、酸化金属系、樹脂系もしくは硝子系のいずれを用いても良く、それぞれの粒径や硬度は便宜選択することができる。
【００４７】
液状の媒体をガス流路溝７に充填させた後、ブラスト処理を行うことで液状媒体が満たされない部分の親水性皮膜１４は除去される。
【００４８】
最後にステップＳ６に進み、ガス流路溝７に満たしていた液状もしくはゲル状媒体を除去し、セパレータ４が完成する。
【００４９】
ここで、セパレータ４の表面全体に親水性皮膜１４が形成された後にガス流路溝７の両壁面１２と底面１３のみに親水性皮膜１４を残し、その他の部分を除去する方法（ステップＳ４〜Ｓ５に対応）としては、セパレータ４の表面と接する形で研磨する方法が考えられる。研磨する方法は公知の様々な方法があるが、例えば、親水性皮膜１４が形成されたセパレータ４にロール状の研磨材が往復することでガス流路溝７の両壁面１２および底面１３の親水性皮膜１４をはがすことなく表面処理することは可能である。
【００５０】
第２の実施形態におけるセパレータ４を図４に示す。第１の実施形態において、図２のリブ１１の材質に異方性を持つ材質を用いる。
【００５１】
電解質膜２で発生した熱が不用意に拡散しないようにするために、リブ１１を構成する部材として、ガス流路溝７の深さ方向Ａに対する熱伝導率が、平板を構成する部材およびリブ１１に関する深さ方向Ａに垂直な方向Ｂの熱伝導率に比べて相対的に小さい一方で、セパレータ部材として求められる諸特性を備えた部材を用いる。本実施形態ではリブ１１の部材に膨張黒鉛を主成分とした樹脂との複合材料品を用いるが、この他に天然の燐片状黒鉛を用いてもよい。
【００５２】
リブ部１１を構成する部材として、溝深さ方向Ａに対する熱伝導度が、これとは垂直な方向Ｂの熱伝導度の１／４５〜１／２である部材を用いる。１／２以上では断熱効果が弱く熱が拡散してしまい、１／４５以下では溝深さ方向Ａに対する熱の拡散が極度に弱くなり、燃料電池１の作動時の冷却効果に影響がでる場合がある。
【００５３】
このような材質でセパレータ４を形成した後に、第１の実施形態と同様にガス流路溝７の両壁面１２および底面１３に親水性皮膜１４を形成する。
【００５４】
このようにリブ１１を形成する部材に異方性をもたせることで、電気伝導性を損なうことなく、電解質膜２で発生した熱がセパレータ４の溝深さ方向Ａに拡散するのを防ぐことができ、低温時に凍結した水を素早く解凍することができる。
【００５５】
このような凍結後の起動時の燃料電池の出力電圧特性を図５に示す。燃料電池１として、以下のようなものを想定する。
【００５６】
第１の実施形態においては、リブ１１の材質として気孔率が１５%である人造黒鉛紛と樹脂の混合材料Ａを用いる。熱伝導率は溝深さ方向Ａに垂直な方向Ｂに関しては４．６Ｗ／ｍＫであり、溝深さ方向Ａに関しては５．２Ｗ／ｍＫのものを用いた。また、電気伝導度に関しては、溝深さ方向Ａに垂直な方向Ｂについて１５．８ｍΩ・ｃｍである。
【００５７】
第２の実施形態においては、リブ１１の材質として気孔率が３．２%である膨張黒鉛紛と樹脂の混合材料Ｂを用いた。熱伝導率は溝深さ方向Ａに垂直な方向Ｂに関しては１２５Ｗ／ｍＫであり、溝深さ方向Ａに関しては３．５Ｗ／ｍＫのものを用いた。また、電気伝導度に関しては、溝深さ方向Ａに垂直な方向Ｂについて１５．８ｍΩ・ｃｍである。
【００５８】
また、比較例としてリブ１１に気孔率４．２%の人造黒鉛と樹脂の混合材料Ｃを用いたセパレータに関して発電を行った。これは、熱伝導率が溝深さ方向Ａに対し垂直および平行方向Ａ、Ｂに関して５．８Ｗ／ｍＫであり溝深さ方向Ａに垂直な方向Ｂの体積固有抵抗が１６ｍΩ・ｃｍのものを用いた。
【００５９】
また、いずれのセパレータ４に関しても、平板１０の材料に複合材料Ｃを用いた。
【００６０】
セパレータ４のサイズは１００×１００×３ｍｍで、幅２ｍｍ、深さ１．５ｍｍ、間隔２ｍｍのガス流路溝７を有したセパレータ４を形成した。
【００６１】
親水性皮膜１４には、カーボンブラックおよび液状フェノールおよびポリビニルアルコールを主成分とした材料をメタノールに溶解分散させ、これをエアスプレーにより塗布した。塗料の乾燥は５０℃の熱風乾燥を１時間行い、引き続いて７０℃で１２時間乾燥させた。
【００６２】
皮膜乾燥後、ガス流路溝７の出入口を封鎖した後、ガス流路溝７に水を満たし、平均粒径３５０μｍのアルミナ砥粒を用い、エア圧力２．５ｋｇ／ｃｍ２でセパレータ４の表面をブラスト処理した。
【００６３】
ガス拡散層３は、カーボンクロス、カーボンペーパ等が用いられるが本実施形態では撥水処理を施した厚さ３００μｍのカーボンクロスを用いる。
【００６４】
燃料にはドライな水素および酸素を用いて、さらに燃料電池１には定電流型の電子負荷装置を設け、発生電流を一定に制御できる構成とする。
【００６５】
燃料電池１の起動は、まず室温下で電流密度０．５Ａ／ｃｍ２で５秒間発電を行うことでガス拡散層３に水分を吸収させ、その後、燃料電池周囲環境温度を−５℃とした。同一の構成の単位セル１ａを用意し、セル１ａの中心に熱電対を取り付け、単位セル１ａの内部温度が−２℃一定になるまで放置し、ガス拡散層３内に吸収された水を凍結させる。このような状態で再び燃料電池１を起動させた時の起動特性であり、電流密度０．５Ａ／ｃｍ２で一定のもとで時間に対するセル電圧を示している。
【００６６】
従来の技術のようにセパレータ４を均一の部材で形成した比較例に比べて第１または２の実施形態のセパレータ４を用いた燃料電池１の方がが、高いセル電圧を長い間維持することができる。
【００６７】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載した技術的思想の範囲以内で様々な変更が成し得ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本実施形態で用いる燃料電池の概略図である。
【図２】  第１の実施形態に用いるセパレータの構成図である。
【図３】  第１の実施形態に用いるセパレータの製造方法を示すフローチャートである。
【図４】  第２の実施形態に用いるセパレータの構成図である。
【図５】  第１および２の実施形態の燃料電池の低温雰囲気下における起動特性である。
【符号の説明】
１    燃料電池
２    電解質膜
３ａ  アノード側電極（ガス拡散層）
３ｂ  カソード側電極（ガス拡散層）
４ａ  アノード側セパレータ（第２セパレータ）
４ｂ  カソード側セパレータ（第１セパレータ）
７ａ  ガス流路溝（燃料ガス流路溝）
７ｂ  ガス流路溝（酸化剤ガス流路溝）
１２  壁面
１３  底面
１４  親水性皮膜
【図１】
0003941444.tif 000006
【図２】
0003941444.tif 000007
【図３】
0003941444.tif 000008
【図４】
0003941444.tif 000009
【図５】
0003941444.tif 000010