(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セルを多数積層して構成される固体高分子形燃料電池において、前記セルは、平板状の膜・電極接合体と、平板状の一対の導電性のセパレータと、この一対のセパレータの各両面にそれぞれ設けられた通気性を有する導電性シートとを備え、前記膜・電極接合体を前記一対のセパレータで挟み込むことにより、一方のセパレータと膜・電極接合体との間を水素ガスを供給する水素極とし、他方のセパレータと膜・電極接合体との間を空気を供給する酸素極とする固体高分子形燃料電池であって、
前記導電性シートを布または不織布または網または繊維束で構成し、
前記膜・電極接合体および一対のセパレータのそれぞれの一端側に、水素ガスを供給する水素供給用開口部と、空気を供給する空気供給用開口部とを設け、
前記膜・電極接合体および一対のセパレータのそれぞれの他端側に、水素ガスを排出する水素排気用開口部と、空気を排気する空気排気用開口部とを設け、
前記膜・電極接合体と一対のセパレータとの重ねによって、前記水素供給用開口部により水素供給経路と、前記空気供給用開口部により空気供給経路と、前記水素排気用開口部により水素排気経路と、前記空気排気用開口部により空気排気経路とを形成し、
前記導電性シートは、前記一端と他端とを結ぶ方向と直交する方向へ延びた複数の導電性シートであり、この導電性シートと導電性シートとの間に所定の幅のスリットを設け、
前記水素供給用開口部と水素排気用開口部とを結ぶ線と、前記空気供給用開口部と空気排気用開口部とを結ぶ線とが対角線となるように且つその対角線が前記複数の導電性シートを斜めに横切るように、前記水素供給用開口部と水素排気用開口部と空気供給用開口部と空気排気用開口部とを配置し、
前記水素供給用開口部に供給される水素ガスを前記水素供給経路から前記水素極を介して前記水素排気経路へ流し、
前記空気供給用開口部に供給される空気を前記空気供給経路から酸素極を介して前記空気排気経路へ流すようにすることを特徴とする固体高分子形燃料電池。
【請求項２】
各セパレータの一方の面の酸素供給用開口部および空気排気用開口部に外側へ突出するフランジを形成し、その他方の面の水素供給用開口部および水素排気用開口部に内側へ突出するフランジを形成し、
これらフランジにより、前記水素供給用開口部に供給される水素ガスを前記水素極のみに流し、空気供給用開口部に供給される空気を前記酸素極のみに流すことを特徴とする請求項１に記載の固体高分子形燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、膜・電極接合体の表裏面に水素ガス又は水素ガスを含んだ燃料ガス及び酸素又は酸素を含む空気を送って発電する燃料電池及び燃料電池用セパレータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、固体高分子形燃料電池は、燃料電池自動車や家庭用燃料電池コジェネレーションシステムの中心技術として研究がなされている。
【０００３】
図１２、図１３は従来の固体高分子形燃料電池のセルモジュールを示したものであり、固体電解質膜・電極の接合体１をセパレータ２、３で挟んだ構造となっている。セパレータ２、３は燃料の水素や酸素を電極へ供給する役割を果たすと共に、発電した電流を流す役割があるために、重要な要素である。このセパレータ２、３は黒鉛板が使用されており、その黒鉛板に酸素及び水素を流すための細かな溝４、５を形成していた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のセパレータ２、３は、黒鉛板に形成する細かな溝４、５の加工に手間がかかるために、１枚当たりの加工費がかかってコスト低減が大きな課題になっていた。また、黒煙板の溝４、５の空隙部分は電流が流れないため、電流流路が長くなり、抵抗が大きくなる要因となっていた。
【０００５】
本発明は、このような課題に着目してなされたものであり、低コストであり、発電時に抵抗の少ない固体高分子形燃料電池を提供することを目的とする。
【０００６】
請求項１の発明は、セルを多数積層して構成される固体高分子形燃料電池において、前記セルは、平板状の膜・電極接合体と、平板状の一対の導電性のセパレータと、この一対のセパレータの各両面にそれぞれ設けられた通気性を有する導電性シートとを備え、前記膜・電極接合体を前記一対のセパレータで挟み込むことにより、一方のセパレータと膜・電極接合体との間を水素ガスを供給する水素極とし、他方のセパレータと膜・電極接合体との間を空気を供給する酸素極とする固体高分子形燃料電池であって、
前記導電性シートを布または不織布または網または繊維束で構成し、
前記膜・電極接合体および一対のセパレータのそれぞれの一端側に、水素ガスを供給する水素供給用開口部と、空気を供給する空気供給用開口部とを設け、
前記膜・電極接合体および一対のセパレータのそれぞれの他端側に、水素ガスを排出する水素排気用開口部と、空気を排気する空気排気用開口部とを設け、
前記膜・電極接合体と一対のセパレータとの重ねによって、前記水素供給用開口部により水素供給経路と、前記空気供給用開口部により空気供給経路と、前記水素排気用開口部により水素排気経路と、前記空気排気用開口部により空気排気経路とを形成し、
前記導電性シートは、前記一端と他端とを結ぶ方向と直交する方向へ延びた複数の導電性シートであり、この導電性シートと導電性シートとの間に所定の幅のスリットを設け、
前記水素供給用開口部と水素排気用開口部とを結ぶ線と、前記空気供給用開口部と空気排気用開口部とを結ぶ線とが対角線となるように且つその対角線が前記複数の導電性シートを斜めに横切るように、前記水素供給用開口部と水素排気用開口部と空気供給用開口部と空気排気用開口部とを配置し、
前記水素供給用開口部に供給される水素ガスを前記水素供給経路から前記水素極を介して前記水素排気経路へ流し、
前記空気供給用開口部に供給される空気を前記空気供給経路から酸素極を介して前記空気排気経路へ流すようにすることを特徴とする。
【０００７】
請求項２の発明は、各セパレータの一方の面の酸素供給用開口部および空気排気用開口部に外側へ突出するフランジを形成し、その他方の面の水素供給用開口部および水素排気用開口部に内側へ突出するフランジを形成し、
これらフランジにより、前記水素供給用開口部に供給される水素ガスを前記水素極のみに流し、空気供給用開口部に供給される空気を前記酸素極のみに流すことを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態にかかる固体高分子形燃料電池を図面に基づいて説明する。
【００１４】
図１は、この実施の形態にかかる固体高分子形燃料電池の主要部の断面構成を図示したものである。図１において固体高分子形燃料電池１０は、図示しないケースに格納されるセル１１を多数積層して構成される。
【００１５】
固体高分子形燃料電池１０の構成単位モジュールとなるセル１１は、上下のセパレータ１２、１３と、膜・電極接合体１４とで構成され、セパレータ１２、１３は、それぞれ導電性ガスシール１５、１６と、通気性のある導電性繊維からなる導電性シート１７、１８からなる。
【００１６】
セパレータ１２と膜・電極接合体１４との間は酸素の供給される酸素極とされ、セパレータ１３と膜・電極接合体１４との間は水素ガスを供給するための水素極とされる。
【００１７】
セパレータ１２、１３の各導電性ガスシール１５、１６の上面部は、水素極とされ、導電性ガスシール１５、１６の下面部は酸素極とされるように、共用可能な構成とされている。
【００１８】
導電性ガスシール１５、１６の間には膜・電極接合体１４が配置され、導電性ガスシール１５と膜・電極接合体１４の間に導電性シート１７が配置され、膜・電極接合体１４と導電性ガスシール１６との間に導電性シート１８が配置されている。
【００１９】
導電性シート１７は酸素極となる酸素若しくは酸素を含んだ空気が導入されるように通気性を有している。導電性シート１８は水素極となる水素ガス若しくは水素ガスを含んだ燃料ガスが導入されるように通気性を有している。
【００２０】
膜・電極接合体１４と、導電性ガスシール１５、１６には、図２、図３に示すように、空気供給用開口部１９と空気排気用開口部２０と水素供給用開口部２１と水素排気用開口部２２とが形成されている。
【００２１】
導電性ガスシール１６の空気供給用開口部１９の周縁部及び空気排気用開口部２０の周縁部には、それぞれ上部の膜・電極接合体１４に接触する高さのフランジ２３、２４が突設され、フランジ２３、２４はそれぞれ膜・電極接合体１４と積層された状態で空気供給経路及び空気排気経路を形成する。
【００２２】
導電性ガスシール１５の水素供給用開口部２１の周縁部及び水素排気用開口部２２の周縁部には、それぞれ下部の膜・電極接合体１４に接触する高さのフランジ２５、２６が突設され、フランジ２５、２６はそれぞれ膜・電極接合体１４と積層された状態で水素供給経路及び水素排気経路を形成する。
【００２３】
セパレータ１２、１３の周囲は、酸素極の流通空間若しくは水素極の流通空間を形成するために、シール材３２によりシールされる。
【００２４】
導電性シート１７、１８は、導電性ガスシール１５、１６と膜・電極接合体１４との間に配置される。導電性シート１７、１８は、この実施の形態では図４に示すように、それぞれ３枚の導電性繊維１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃ及び１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃからなる。また、導電性シート１７、１８はそれぞれ一枚の布のシートからなるが、それぞれに開口部１９、２０、２１、２２をくり抜いても良い。
【００２５】
勿論、布の代わりに、不織布や網（メッシュ）、繊維束でも良い。なお、導電性繊維は、この実施の形態では、カーボンファイバーが用いられているが、導電性プラスチックを繊維状に形成したものでも良い。
【００２６】
水素極の導電性シート１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃ及び１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃは、酸素極内若しくは水素極内にそれぞれ流れる酸素若しくは水素の流路に対して交差する方向に延びるスリット２７を介して配置されている。
【００２７】
尚、このようなスリット２７を設けて導電性シート１７、１８を分離することなく、導電性シート１７、１８にスリット２７に相当する拡散用の開口部を設けても良い。スリット２７は通気性の粗密差による燃料又は空気の流量の不均一性を防止している。
【００２８】
なお、スリット２７は、通気性の粗密差による燃料若しくは空気の不均一性がなければ無くても良い。
【００２９】
膜・電極接合体１４は、周知の素材からなるものであるが、空気供給経路、空気排気経路、水素供給経路、水素排気経路を構成するための開口部２８、２９、３０、３１が形成されている。
【００３０】
膜・電極接合体１４と上部の導電性ガスシール１５とに挟まれた導電性シート１７の層には、酸素又は酸素を含む空気が供給される。膜・電極接合体１４と下部の導電性ガスシール１６とに挟まれた布導電性シート１８の層には、水素又は水素を含む燃料ガスが供給される。
【００３１】
この実施の形態にかかる固体高分子形燃料電池は、膜・電極接合体１４の一面側に水素極を形成し、膜・電極接合体１４の他面側に酸素極を形成する固体高分子形燃料電池において、水素極の形成される層と酸素極の形成される層に、導電性繊維からなり通気性のある導電性シート１７、１８を配置し、膜・電極接合体１４と導電性ガスシール１５、１６が導電性シート１７、１８を介して接触するので、導電性シート１７、１８の繊維の目を小さくすれば、電気的な接触間隔が小さくなる。このため、水素ガス及び酸素をそれぞれの極に供給すると、図５に示すように発生する電流流路が短くなり、発生する電力の抵抗損が少なくなる。
【００３２】
図６乃至図９は、本発明のセパレータの別の実施の形態を示す。このセパレータ４０は、水素極と酸素極とが膜・電極接合体により分離される固体高分子形燃料電池を構成するために用いられるものであり、膜・電極接合体を間に挟んで、膜・電極接合体の片側の面に水素極を構成し、他方の面に酸素極を構成するものである。
【００３３】
図７は図６のセパレータ４０のＡ−Ａ断面図であり、図８は図６のＢ−Ｂ断面図、図９は図６のＣ−Ｃ断面図を示す。導電性ガスシール４１の片面は、図７〜図９の断面図に示すように、膜・電極接合体と接する通気性のある導電性シート４２を形成したものである。この実施の形態では、導電性シート４２の上に導電性プラスチック層を形成して導電性ガスシール４１としている。導電性シート４２の露出面Ｓには、図１１に示す膜・電極接合体５０が接触する。
【００３４】
このセパレータ４０は、図６に示すように、開口部４４〜４７を備えており、開口部４４、４５の縁部４４Ａ，４５Ａには導電性プラスチック層が形成されている。この縁部４４Ａ，４５Ａのプラスチック層は導電性を有していなくても良い。開口部４６、４７の縁部には導電性シート４２が露出している。
【００３５】
このセパレータ４０は、図１０に示すような、予め大きな形状のセパレータ用シート材４８に開口部４４〜４７を形成し、導電性プラスチック層を形成した後に、小さく裁断して形成する。また、断裁後の小さなセパレータ４０の外周部分に密閉用のプラスチック層５０を形成する。
【００３６】
このセパレータ４０は、一つの部品によって酸素極・水素極の両者を構成することが可能な使用されるものであって、図１１に示すように、一対のセパレータ４０、４０の導電性シート４２、４２を向かい合わせ、導電性シート４２、４２の間に膜・電極接合体４９を配置すると、燃料電池を構成するための一つのセルモジュール５１が構成される。このセルモジュール５０を多数積層すると、燃料電池５２が形成される。
【００３７】
導電性シート４２は、導電性繊維からなる布・不織布・網・繊維束の少なくともいずれかである。この導電性シート４２は、水素若しくは酸素を各々の導電性シート４２内に拡散させるために、上述のスリット２７と同様な方向に延びる長穴形状のスリットを備えていても良い。
【００３８】
図６乃至図９に示すセパレータ４０によれば、膜・電極接合体と接する通気性のある導電性シート４２の片面に導電性ガスシール４１を形成したので、セパレータ４０のシート材４８を大きく形成した後に断裁して容易に多量に製造でき、しかも、図１１に示すように積層することで燃料電池５２を形成できる。そして、セパレータ４０は、導電性シート４２は、導電性繊維からなる布・不織布・網・繊維束の少なくともいずれかであるので、同様に製造が容易であり、低コストである。更に、セパレータ４０は、酸素極及び水素極の各導電性シート４２に、水素若しくは酸素を各々の導電性シート内に拡散させるスリットを形成すると、水素或いは酸素の拡散が良好となり、均一な電流密度を得るのに有利である。
【００３９】
【発明の効果】
本願の請求項１にかかる固体高分子形燃料電池によれば、前記セパレータを、導電性ガスシールと通気性を有する導電性シートとで構成し、前記導電性ガスシールの酸素極側の面と前記膜・電極接合体との間、及び、前記導電性ガスシールの水素極側の面と前記膜・電極接合体との間に、前記導電性シートをそれぞれ配置したので、電流流路が短くなって抵抗が少なくなり、出力電圧が増大する。また、黒鉛板を用いず、通気性のある導電性シートにより構成されるので、製造が容易で低コストであり、燃料電池の低コスト化を図ることができる。更に、酸素極側での生成水についても、導電性シートに親水性を高める処理を施すことで、電極表面から生成水を効率的に取り除くことができ、電池の反応阻害を極力防止できる。
【００４０】
本願の請求項２の発明によれば、前記導電性シートは、導電性繊維からなる布・不織布・網・繊維束の少なくともいずれかとしたので、酸素や水素ガスが導電性シートの繊維内に入り込んで導電性繊維全体に行き渡ることとなり、電流の密度にムラが少なく、且つ電気抵抗も小さくできる。
【００４１】
本願の請求項３の発明は、請求項１、請求項２のいずれかの固体高分子形燃料電池において、前記酸素極及び水素極の各導電性シートに、前記水素若しくは空気を前記各導電性シート内に拡散させるスリットを形成したので、通気性の粗密差があっても、水素ガスや酸素の不均一性を緩和でき、起電力低下が防止される。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の実施の形態にかかる燃料電池の主要構造を示す模式的な断面図。
【図２】図２は図１の積層セルにおいて空気供給口及び水素ガス供給口側の断面構成の模式図。
【図３】図３は図１の積層セルにおいて空気排気口及び水素ガス排気口側の断面構成の模式図。
【図４】図４は図１に示すセパレータの平面図。
【図５】図５は膜・電極接合体から空気極側に流れる電流の模式図。
【図６】本発明の第２の実施の形態にかかる燃料電池用セパレータの平面図。
【図７】図７は図６のセパレータ４０のＡ−Ａ断面図。
【図８】図８は図６のＢ−Ｂ断面図。
【図９】図９は図６のＣ−Ｃ断面図。
【図１０】図６の燃料電池用セパレータの素材となるシート材の平面図。
【図１１】図６のセパレータを積層した燃料電池の説明図。
【図１２】図１２は従来の黒鉛板セパレータを用いた固体高分子形燃料電池のセルの構成を示す分解図。
【図１３】図１３は従来の黒鉛板セパレータに流れる電流流路を示す説明図。
【符号の説明】
１０  固体高分子形燃料電池
１１  セル
１２、１３  セパレータ
１４  膜・電極接合体
１５、１６  導電性ガスシール
１７、１８  導電性シート
１９  空気供給用開口部
２０  空気排気用開口部
２１  水素供給用開口部
２２  水素排気用開口部
２７  スリット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
0005101767.tif 000012
【図１２】
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【図１３】
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