(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜電極複合体と、この膜電極複合体の両外側にガス流路を形成するための複数の凸片を基板上に形成したセパレータとを備え、
膜電極複合体とセパレータとを交互に積層して構成する燃料電池において、
導電性材料で形成された基板上に規則的に配置される複数の凸片を有するセパレータと、
前記セパレータの各凸片間の凹部に膜電極複合体と接するように形成される粘弾性材料を充填し壁を形成することで画成されたガス流路と、を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
膜電極複合体と、この膜電極複合体の両外側にガス流路を形成するための複数の凸片を基板上に形成したセパレータとを備え、
膜電極複合体とセパレータとを交互に積層して構成する燃料電池において、
導電性材料で形成された基板上に規則的に配置される複数の凸片を有するセパレータと、
前記セパレータの各凸片間の凹部に膜電極複合体と接しないように形成される粘弾性材料を充填し壁を形成することで画成されたガス流路と、を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
前記セパレータの凸片は基板の表裏で対称に設けられることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池、特に燃料電池を構成するセパレータの改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料ガスと酸化性ガスを電気的に反応させて起電力を得る固体高分子型燃料電池において、固体高分子型電解質膜と白金等の触媒と触媒を担持したカーボン等で形成されるガス拡散層からなる膜電極複合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ、以下ＭＥＡと示す）を両側から狭持するガス拡散層に面して、燃料ガスまたは酸化性ガスを流通させるように流路を形成したセパレータが配置される。
【０００３】
セパレータは、その流路を介して発電に必要な各ガスを流通するとともに、相互のガスの混合を防止し、さらに電気化学反応で生じた電流を伝達する作用を有する。
【０００４】
セパレータを作製する方法として、特開平７−２２０４２号公報にはカーボン材を機械加工して形成する方法が、特開平８−２１３０３５号公報には黒鉛をプレス成形して形成する方法と黒鉛粉体またはカーボンペーストをモールド成形して形成する方法が、さらに特開２０００−１３３２８２号公報には金属板の上にカーボンを塗布または吹付けてガス経路を形成する方法が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来技術においては、機械加工によって流路を形成するには加工時間がかかり、量産性が悪く、また平板から凹凸形状の板に加工するため応力分布が不均一となって歪みが生じてガス漏れや接触不良が起きやすく、信頼性を損なうという問題が生じる。
【０００６】
またプレス成形やモールド成形によって形成する場合には、セパレータの流路に応じて金型を用意する必要があり、製造コストが高くなるという問題がある。金属板上にカーボンを塗布または吹付けてガス経路を形成する場合にはガス流路となる位置に型板を設置した上でカーボンを吹付けるために流路形状に対応した型板を用意する必要があり、この場合にも製造コストが高くなるという問題がある。
【０００７】
そのほかにもカーボン板の表面をショットブラストによって凹部を形成し、この凹部を流路とする方法も知られているが、流路のパターンに応じたマスク（ピーニング材がカーボン材表面に衝突しないようにカーボン表面を覆う膜材）を用意する費用が必要となり、コストが高くなる。
【０００８】
そこで本発明の目的は、上記問題点を解決する燃料電池を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、膜電極複合体と、この膜電極複合体の両外側にガス流路を形成するための複数の凸片を基板上に形成したセパレータとを備え、膜電極複合体とセパレータとを交互に積層して構成する燃料電池において、導電性材料で形成された基板上に規則的に配置される複数の凸片を有するセパレータと、セパレータの各凸片間の凹部に膜電極複合体と接するように粘弾性材料を充填し壁を形成することで画成されたガス流路と、を備える。
【００１０】
第２の発明は、膜電極複合体と、この膜電極複合体の両外側にガス流路を形成するための複数の凸片を基板上に形成したセパレータとを備え、膜電極複合体とセパレータとを交互に積層して構成する燃料電池において、導電性材料で形成された基板上に規則的に配置される複数の凸片を有するセパレータと、セパレータの各凸片間の凹部に膜電極複合体と接しないように粘弾性材料を充填し壁を形成することで画成されたガス流路と、を備える。
【００１１】
第３の発明は、第１または２の発明において、前記セパレータの凸片は基板の表裏で対称に設けられる。
【００１５】
【発明の効果】
第１と第２の発明により、セパレータの基板上に凸片と充填材によって流路を形成するので、セパレータは流路形状にかかわらず１パターンで対応可能であり、量産効果から価格の低下が期待できる。また充填材の充填は、充填材を特定の凹部に充填すれば所望の流路を形成することができ、流路の変更に容易に対応でき、流路毎にマスクや金型を設ける必要がなく、コストダウンとなる。
【００１６】
さらに１パターンのセパレ−タから複数の流路を形成することができ、流路の設計自由度を著しく向上できる。したがって各ＭＥＡでのガス分配性を考慮した流路設計を行うことができ、燃料電池の発電性能を向上する。
【００１７】
第１と第２の発明により、セパレータの凸片の製作は簡単な機械加工等で行うことができ、加工精度を向上することができる。
【００１８】
第３の発明により、セパレータの残留応力による変形を抑制し、セパレータ製作時のセパレータの変形による不良品の発生率を低下することができる。
【００１９】
第１の発明により、流路中の凝縮水等を電解質膜が吸収し、膨潤することによる膜電極複合体の変形を抑制することができる。また導電性材料からなる充填材の場合には、膜電極複合体とセパレータとの接触面積を拡大し、接触抵抗を低減し、電気化学反応で生じた電流を効率的に流すことができる。
【００２０】
第２の発明により、膜電極複合体とセパレータとの間の流路間隔を自由に設計でき、各ＭＥＡでのガス分配性を考慮した流路設計を行うことができ、燃料電池の発電性能を向上する。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の燃料供給装置を添付図面に基づいて説明する。
【００２２】
図１は本発明の燃料電池を構成するＭＥＡ１と、ＭＥＡ１を狭持するセパレータ２を説明する正面から見た断面図であり、ここで燃料電池はこのＭＥＡ１をセパレータ２を介して複数個、積層状に重ね合わせて構成されるものである。図２は、ＭＥＡ接して流れるガスのセパレータの流路の構成を説明する図である。
【００２３】
ＭＥＡ１は、前述のようにフッ素系樹脂等の固体高分子型電解質膜３と、固体高分子型電解質膜３を挟んで白金等の触媒と触媒を担持したカーボン等で形成されるガス拡散層４ａ、４ｂとからなり、触媒が担持されたガス拡散層４ａ、４ｂのカーボンがそれぞれ電極（燃料極と空気極）としての機能を有する。ガス拡散層４ａ、４ｂのカーボンはカーボンクロスやカーボンペーパーを採用することができる。
【００２４】
このガス拡散層４ａ、４ｂに面して燃料ガス（例えば、水素）または酸化性ガス（例えば、空気）が流通するように形成された流路５ａ、５ｂを備えたセパレータ（バイポーラプレート）２がＭＥＡ１を狭持して固定し、固体高分子型電解質膜３とセパレータ２との間にシール材６が介在して、各ガスの流路５ａ、５ｂからガスが外部に漏洩することを防止する。
【００２５】
セパレータ２は基板２ａと、流路５ａ、５ｂを形成するための多数の凸片２ｂから構成されており、ここで基板２ａと凸片２ｂは同一材料で一体に成形されており、その材料はガス不透過性で、かつ導電性の材料、たとえば緻密性カーボン材が用いられる。なお基板２ａと凸片２ｂは別体で形成されてもよく、必要要件を満たせば異なる材料、例えば基板に金属板を用いてもよい。
【００２６】
凸片２ｂは基板２ａ上に規則的に隙間を持って配列されており、後述する充填材の塗布等によって凸片２ｂと充填材が壁状となって流路を形成する。この時凸片２ｂの配置は、形状の設計自由度が高くなるように配置（例えば、図２に示すようなドットパターン配置）がなされている。
【００２７】
図１ではＭＥＡ１と２つのセパレータ２を１組として説明したが、燃料電池は多数のＭＥＡ１と２つのセパレータ２の組を多数積層に重ね合わせて構成される。実際には構成を簡略化するためにセパレータ２の両面に凸片２ｂを設けて流路を形成することが適当である。ここで、各流路の形状を同一とするためにセパレータ２の表裏の両面で凸片２ｂは対称形状を有してなる。このようにセパレータ２の両面で対称に凸片２ｂを配置することで、基板２ａ内の残留応力によって発生する歪みを抑制し、面の歪みを最小限に抑えることができる。したがって量産時のセパレータの変形による不良品の発生率を低減できる。また１つの燃料電池に用いられるセパレータ２の形状を統一することで、セパレータ２の量産時の精度を確保することができるとともに、量産効果も期待でき、コスト低減を図ることができる。さらに凸片２ｂの配置をドットパターンのような規則性のある配置とすることで、その加工性を容易とすることができ、加工精度の向上や不良率の低減に寄与する。なお凸片２ｂの製作は機械加工に限らず、プレス加工等によって製作することも可能である。
【００２８】
また同一面上にある凸片２ｂの個々の形状は必ずしも同一である必要はなく、流路５ａ、５ｂに対する設計上或いは製造上の要件等によって定めればよい。
【００２９】
次にセパレータ２上に形成された凸片２ｂを用いて流路５ａ、５ｂを形成することについて図２を用いて説明する。
【００３０】
図２はセパレータ２の凸片２ｂの配置を示す平面図であり、セパレータ２はドットパターンに配置されており、また前述のように多数の凸片２ｂの周囲には流路（便宜上５ａとする）からのガスの漏洩を防止するシール部材６が設けられる。
【００３１】
凸片２ｂ間の隙間（凹部）に充填材７を充填し、隙間を埋めて壁状に形成することで流路５ａを形成し、ガスの流れ抵抗等を考慮した最適な流路５ａを構成することができる。凹部に充填材７を充填する時には充填材７をセパレータ２上の所定の凹部に充填していく。凸片２ｂと充填材７とが一体的に形成されて壁状となり、流路５ａが形成される。したがって、その充填箇所を変更するのみで流路形状を変更でき、所定の流路を多数形成することができ、流路に応じた金型等を用意する必要がなく、コストを大幅に低減することができる。
【００３２】
なお流路形状に応じて充填する凹部に対応する位置が開口した型板を用意して、流路形成時には所定の開口穴から充填材７をセパレータ２上の所定の凹部に充填してもよい。
【００３３】
したがって、凸片２ｂ間の隙間の充填のし方によって、流路のパターンを容易に変更することができ、つまり流路パターンの設計自由度を著しく広げることができる。
【００３４】
充填材７を凸片２ｂ間に充填する方法はどのような方法でも可能であるが、ディスペンサーのような装置を用いることで効率よく、正確に充填することができる。
【００３５】
なお充填材７の高さは、凸片２ｂと略同一（すなわち、ガス拡散層に接触する程度）としてもよいが、凸片２ｂより低く設定することも可能であり、この場合には、流路の設計自由度を高め、ＭＥＡ１と基板２ａ表面に形成された凹凸片間に形成される流路の間隔を最適化することができる。
【００３６】
凸片２ｂ間の隙間を埋める充填材７としては、粘弾性材が適当である。粘弾性剤を用いた場合には、粘弾性材の高さを凸片２より高く設定することで、ガス拡散層を介して、固体高分子型電解質膜３を狭持し、固体高分子型電解質膜３の変形を抑制することができる。
【００３７】
粘弾性材の材料としては、ゴム（例えば、ＥＰＤＭ材）のような絶縁性の材料でもよいが、カーボンを含んだ樹脂や銀ペーストを練り込んだ接着剤等の導電性材料を用いることで、導電性の基板２ａに電気化学反応で生じた電流を効率よく伝達することができ、かつＭＥＡ１とセパレータ２との接触面積を拡大し、ＭＥＡ１と基板２ａ間の接触抵抗を著しく低減することが可能となる。
【００３８】
さらに充填材７として、シリコーン樹脂やフッ素原子、フルオロアルキル基を内包する樹脂のような撥水性の材料を用いた場合には電気化学反応で副生した水やガス流路内で凝縮した水が接触する流路壁面の表面張力を低減でき、つまり水と壁面との接触角を大きくすることができ、水は壁面に塗れず、粒状を維持しようとすることで水の流路内からの排水性が向上する。
【００３９】
また充填材７として、酢酸ビニル系樹脂、アクリル系樹脂、ポリビニルアルコール系樹脂などの親水性の材料を使用することも可能であり、この場合には、電気化学反応に用いられるガス中の水蒸気、電気化学反応で副生した水やガス流路内で凝縮した水を親水性の充填材７が吸水し、ガスの流路中に滞留して電気化学反応の効率を低下させることを防止できる、また充填材７に吸水された水は親水性の充填材７の吸水特性と充填材７の周辺温度に応じて充填材７に含有された水分の放出と吸収とを制御し、ガス中の湿度を飽和水蒸気圧近傍に調整することができる。したがって固体高分子型電解質膜を用いる燃料電池においては電解質膜に必要な水分を供給することができ、電解質膜の乾燥を防止することができるのみならず、膜内での高いイオン導電性を維持し、燃料電池の発電性能の低下を防止することができる。
【００４０】
なおセパレータ２は基板２ａと凸片２ｂとから一体に構成されるが、その製造法は特定されるものではなく、機械加工によって平板から形成しても、またモールド成形やプレス加工によって形成してもよい。この場合でも金型が１種類で足りるので、価格を抑制することができる。
【００４１】
またその材料についても導電性材料として緻密性カーボン材を例として説明したが、金属板であってもよく、どのような製造法または使用材料とするかは製作者の有する製造設備やコストに応じて製造工法や材料を定めればよい。
【００４２】
次にセパレータ２の製造方法について説明すると、まず凸片２ｂが形成されたセパレータ２の基本形状部材を用意し、治具にセットする。セット後、ディスペンサー等を用いて基本形状部材上に充填材７を直接塗布し、付着させる。塗布後、充填材を乾燥機等に入れ硬化させて完成させる。
【００４３】
図３に示す第２の実施形態は、１つのセパレータ２を基に充填材の充填位置を変更することで複数の流路を形成できることを説明するものである。
【００４４】
（ａ）は流入したガスが上流から下流に向けて１つの充填材７と凸片２ｂからなる隔壁８の両壁面でガスの流れが反転するように流路を構成したもので、（ｂ）はガスの流れをランダムに流れるように形成したものである。
【００４５】
本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内でさまざまな変更がなしうることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池の構成を示す断面図である。
【図２】本発明のセパレータの構成を示す構成図である。
【図３】第２実施形態のセパレータの構成を示す構成図である。
【符号の説明】
１  ＭＥＡ
２  セパレータ
２ａ  基板
２ｂ  凸片
３  固体高分子型電解質膜
４ａ、４ｂ  ガス拡散層
５ａ、５ｂ  流路
６  シール材
７  充填材
【図１】
0003985468.tif 000002
【図２】
0003985468.tif 000003
【図３】
0003985468.tif 000004