(57)【要約】【課題】機械的強度の低下を抑えてセパレータを薄型化することにより、電池スタックの全体形状を小型化且つ軽量化すると共に、反応ガス流通路の角部にＲ形状が発生しないようにしたＰＥＦＣ用セパレータ及びその製造方法を提供する。【解決手段】第１の平板１と第２の平板２とからセパレータ５を構成する。第１の平板１はスリット状の孔１ａを並設し、第２の平板２は片方の面に導電性被覆層４を形成し、この導電性被覆層４を間に挟むようにして第１の平板１と第２の平板２とを接触させる。第２の平板２は、前記スリット状の孔１ａの片方の面側を閉塞して凹溝状の反応ガス流通路３を形成する底壁部材としての機能と、第１の平板１を補強する機能とを有する。第１の平板１は、例えばプレス加工によってスリット状の孔１ａを並設することが可能であり、そのスリット状の孔１ａの角部にＲ形状が発生するのを抑えることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜を挟んでアノード極とカソード極が設けられた膜・電極接合体と、この膜・電極接合体を両側から挟持したセパレータとにより単セルを形成し、この単セルを複数積層して電池スタックを構成する固体高分子形燃料電池において、前記セパレータは第１の平板と第２の平板とから構成され、前記第１の平板にはスリット状の孔が並設され、この第１の平板と前記第２の平板とを接触することで前記スリット状の孔を介して反応ガス流通路が形成されることを特徴とする固体高分子形燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
前記第１の平板は、ステンレス鋼、チタン等の金属材料、又はカーボン材料、又は導電性ポリマー等の樹脂材料から選択されたいずれかの材料からなる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用セパレータ。
【請求項３】
前記第２の平板は、ステンレス鋼、チタン等の金属材料、又はカーボン材料から選択されたいずれかの材料からなることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の固体高分子形燃料電池用セパレータ。
【請求項４】
少なくとも前記第１の平板と第２の平板との接触箇所に、導電性被覆層が形成されている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用セパレータ。
【請求項５】
固体高分子形燃料電池におけるセパレータが第１の平板と第２の平板とから構成され、前記第１の平板にスリット状の孔を並設する工程と、この第１の平板と前記第２の平板とを接触することにより前記スリット状の孔の片面側を塞いで反応ガス流通路を形成する工程とを含むことを特徴とする固体高分子形燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項６】
少なくとも前記第１の平板と第２の平板との接触箇所に、導電性被覆層を形成する工程を含むことを特徴とする請求項５に記載の固体高分子燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項７】
前記導電性被覆層は、メッキ、イオンプレーティング、ディッピング、スプレー、刷毛塗り、静電塗装、電着塗装から選択されたいずれかの表面処理工程により形成されることを特徴とする請求項６に記載の固体高分子形燃料電池用セパレータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子形燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：以下、ＰＥＦＣと称する）に用いられるセパレータ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＰＥＦＣは、従来例えばパーフルオロスルホン酸系の固体高分子電解質膜の一方の面にアノード極を設けると共に、他方の面にカソード極を設けて膜・電極接合体（Membrane Electrode Assembly：以下、ＭＥＡと称する）を形成し、反応ガス（燃料ガス及び酸化剤ガス）を流通させるための反応ガス流通路を並設したセパレータで、ＭＥＡを両側から挟持することにより単セルを形成し、この単セルを所定数積層して締め付け一体化することで電池スタックを構成したものである。
【０００３】
このＰＥＦＣは、前記アノード極に対向する側のセパレータにおける反応ガス流通路に燃料ガス（水素ガス又は水素主体の改質ガス）を流通させると共に、カソード極に対向する側のセパレータにおける反応ガス流通路には酸化剤ガス（酸素ガス又は空気）を流通させ、プロトン伝導性の前記固体高分子電解質膜を介して電気化学反応が生じることにより、電気エネルギーを取り出すものである。
【０００４】
ＰＥＦＣの単セルによる起電力は小さいため、所望とする起電力を得るには前記のように所定数の単セルを積層して直列に接続する。このように所定数の単セルを積層すると、電池スタックの全体形状が大型化し且つ重量も増大することになる。
【０００５】
電池スタックの全体形状を小型化し且つ軽量化するには、例えばセパレータを薄型化すれば良いけれども、従来のセパレータはカーボン粉末を焼結して形成したものであるため、セパレータを薄型化すると機械的強度が低下する問題が発生する。機械的強度の弱いセパレータを使用すると、所定数の単セルを積層して締め付け一体化する際に、セパレータが破壊し又は変形する等の不具合が生じてしまう。
【０００６】
又、電池スタックの全体形状を小型化し且つ軽量化する他の方法として、セパレータを薄い金属板で形成することが試みられている。この場合は、薄い金属板をプレスにより凹凸加工又は絞り加工して凹溝状の反応ガス流通路を並設するのが一般的である。しかしながら、この方法によると、凹溝状の反応ガス流通路の角部にＲ形状が発生し易くなり、当該反応ガス流通路の開口面側を塞ぐようにして接触する前記ＭＥＡのガス拡散層との接触面積が減少して接触抵抗が大きくなる。このため、各単セルから取り出す電気エネルギーが減少し、ＰＥＦＣとしての発電効率を低下させる問題が発生する。
【０００７】
尚、電池スタックの全体形状を小型化し且つ軽量化する従来技術としては、例えば下記特許文献１、特許文献２等に開示されている。
【特許文献１】特開２０００−２３１９２５
【特許文献２】特開平７−１６１３６５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、前記のような従来のＰＥＦＣにおける問題を解決すべくなされたもので、セパレータの機械的強度を低下させることなく電池スタックの全体形状を小型化し且つ軽量化すると共に、セパレータに並設する凹溝状の反応ガス流通路の角部にＲ形状が発生しないようにした、ＰＥＦＣ用セパレータ及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するための手段として、本発明の請求項１は、高分子電解質膜を挟んでアノード極とカソード極が設けられたＭＥＡと、このＭＥＡを両側から挟持したセパレータとにより単セルを形成し、この単セルを複数積層して電池スタックを構成するＰＥＦＣにおいて、前記セパレータは第１の平板と第２の平板とから構成され、前記第１の平板にはスリット状の孔が並設され、この第１の平板と前記第２の平板とを接触することで前記スリット状の孔を介して反応ガス流通路が形成されることを特徴とするＰＥＦＣ用セパレータを要旨とする。
【００１０】
本発明の請求項２は、前記第１の平板は、ステンレス鋼、チタン等の金属材料、又はカーボン材料、又は導電性ポリマー等の樹脂材料から選択されたいずれかの材料からなることを特徴とする。
【００１１】
本発明の請求項３は、前記第２の平板は、ステンレス鋼、チタン等の金属材料、又はカーボン材料から選択されたいずれかの材料からなることを特徴とする。
【００１２】
本発明の請求項４は、少なくとも前記第１の平板と第２の平板との接触箇所に、導電性被覆層が形成されていることを特徴とする。
【００１３】
本発明の請求項５は、ＰＥＦＣにおけるセパレータが第１の平板と第２の平板とから構成され、前記第１の平板にスリット状の孔を並設する工程と、この第１の平板と前記第２の平板とを接触することにより前記スリット状の孔の片面側を塞いで反応ガス流通路を形成する工程とを含むことを特徴とするＰＥＦＣ用セパレータの製造方法を要旨とする。
【００１４】
本発明の請求項６は、少なくとも前記第１の平板と第２の平板との接触箇所に、導電性被覆層を形成する工程を含むことを特徴とする。
【００１５】
本発明の請求項７は、前記導電性被覆層は、メッキ、イオンプレーティング、ディッピング、スプレー、刷毛塗り、静電塗装、電着塗装から選択されたいずれかの表面処理工程により形成されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
上記請求項１の発明によれば、ＰＥＦＣにおけるセパレータを、スリット状の孔が並設された第１の平板と、この第１の平板と接触する第２の平板とから構成し、第１の平板のスリット状の孔の片方の開口面側を第２の平板により閉塞することにより凹溝状の反応ガス流通路が形成されるようにしたので、セパレータの強度低下を抑えて薄型化することが可能となる。これにより、電池スタックの全体形状の小型化且つ軽量化を達成することができる。
【００１７】
上記請求項２の発明によれば、前記第１の平板は、ステンレス鋼、チタン等の金属材料、又はカーボン材料、又は導電性ポリマー等の樹脂材料から選択されたいずれかの材料からなるので、当該第１の平板を薄く形成することができる。これにより、電池スタックの全体形状の小型化且つ軽量化に寄与することができる。
【００１８】
上記請求項３の発明によれば、前記第２の平板は、ステンレス鋼、チタン等の金属材料、又はカーボン材料から選択されたいずれかの材料からなるので、この第２の平板を薄く形成することができる。これにより、第２の平板の薄型化と第１の平板の薄型化とを併用することにより、電池スタックの全体形状の小型化且つ軽量化を一層容易に達成することができる。
【００１９】
上記請求項４の発明によれば、少なくとも前記第１の平板と第２の平板との接触箇所に導電性被覆層が形成されているので、セパレータの接触抵抗を小さく抑えることができる。これにより、単セルからの電気エネルギーの取り出し量を増やすことができ、その結果としてＰＥＦＣの発電効率を高めることができる。
【００２０】
上記請求項５の発明によれば、第１の平板と第２の平板とから構成されたセパレータを製造するに際して、前記第１の平板は反応ガス流通路の側壁部材となるスリット状の孔を並設するので、その角部にＲ形状が発生し難くなる。これにより、反応ガス流通路の開口面側を塞ぐようにして接触するＭＥＡのガス拡散層との接触面積の減少を抑えて接触抵抗を小さくすることができる。このため、各単セルから取り出す電気エネルギーが従来よりも増大し、ＰＥＦＣの発電効率を向上させることができる。
【００２１】
上記請求項６の発明によれば、少なくとも前記第１の平板と第２の平板との接触箇所に導電性被覆層を形成する工程を含むので、セパレータの接触抵抗を小さく抑えることができる。これにより、単セルからの電気エネルギーの取り出し量を増やすことができ、その結果としてＰＥＦＣの発電効率を高めることができる。
【００２２】
上記請求項７の発明によれば、前記導電性被覆層は、メッキ、イオンプレーティング、ディッピング、スプレー、刷毛塗り、静電塗装、電着塗装のいずれかの表面処理で形成できるので、その表面処理工程の選択幅を広げることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
次に、本発明に係るＰＥＦＣ用セパレータ及びその製造方法の実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。図１は、本発明に係るＰＥＦＣ用セパレータの実施形態を示す一部の概略断面図である。図２は、本発明に係るＰＥＦＣ用セパレータを組み込んだ単セルを示す概略断面図である。
【００２４】
図１において、１は第１の平板、２は第２の平板であり、第１の平板１には反応ガス流通路３の側壁部材となるスリット状の孔１ａが所定の大きさで並設され、第２の平板２の表面には導電性被覆層４が形成され、この導電性被覆層４を挟むようにして第１の平板１と第２の平板２とを接触することでセパレータ５が形成される。
【００２５】
前記第１の平板１は、例えばステンレス鋼、チタン等の金属材料、又はカーボン材料、又は導電性ポリマー等の樹脂材料から選択されたいずれかの材料から形成する。この第１の平板１に前記スリット状の孔１ａを形成するには、例えばプレスによる打ち抜き加工により容易に行うことができ、この方法によれば低コストで量産に適している。尚、スリット状の孔１ａの形成はプレス加工に限定されない。第１の平板１が金属材料である場合には、例えばワイヤー放電加工、エッチング加工、切削加工等を適用することができる。
【００２６】
このスリット状の孔１ａは、前記のように第１の平板１と第２の平板２とを接触した際に凹溝状の反応ガス流通路３が形成される。即ち、第１の平板１のスリット状の孔１ａは反応ガス流通路３の側壁部材としての機能を有し、第２の平板２はスリット状の孔１ａの片方の開口面を閉塞して反応ガス流通路３を形成する底壁部材としての機能を有する。これにより、セパレータ５は片方の面側に凹溝状の反応ガス流通路３が並設されることになる。
【００２７】
この凹溝状の反応ガス流通路３の溝幅及び深さは、前記スリット状の孔１ａの大きさによって決定される。即ち、反応ガス流通路３の溝幅はスリット状の孔１ａの横幅に対応し、反応ガス流通路３の深さはスリット状の孔１ａの深さに対応する。このため、第１の平板１に形成するスリット状の孔１ａの横幅及び深さは、反応ガス流通路３の大きさを考慮して予め設定される。この場合、打ち抜き孔１ａの深さは第１の平板１の厚さに相当するので、当該第１の平板１の厚さも予め設定されることになる。
【００２８】
前記第２の平板２は、例えばステンレス鋼、チタン等の金属材料、又はカーボン材料から選択されたいずれかの材料から形成する。この第２の平板２は、前記反応ガス流通路３の底壁部材としての機能を有すると共に、第１の平板１を補強するための機能を有するものである。これにより、第１の平板１及び第２の平板２がいずれも薄板から形成されていても、セパレータ５の機械的強度の低下を抑えることができる。このため、セパレータ５の薄型化を図ることにより、電池スタックの全体形状の小型化及び軽量化を達成することが可能となる。
【００２９】
前記第１の平板１と、第２の平板２との材料が異なる場合があり、このような場合には第２の平板２の表面に導電性被覆層４を形成し、この導電性被覆層４を挟むようにして第１の平板１と第２の平板２とを接触する。尚、第２の平板２の表面に導電性被覆層４を形成するのに代えて、第１の平板１が第２の平板２に接する箇所に導電性被覆層を形成するようにしても良い。又、第２の平板２の両面に導電性被覆層を形成しても良い。少なくとも、第１の平板１と第２の平板２との間に導電性被覆層を形成することによって、セパレータ５の導電性を向上させることができる。この導電性被覆層は、例えばメッキ、イオンプレーティング、ディッピング、スプレー、刷毛塗り、静電塗装、電着塗装から選択されたいずれかの表面処理工程により形成することができる。
【００３０】
図２において、６はＭＥＡであり、薄い固体高分子電解質膜７の一方の面にアノード極８、他方の面にカソード極９をそれぞれ接合することにより一体化されている。
【００３１】
このＭＥＡ６を前記セパレータ５で両側から挟持することで、サンドイッチ構造の単セル１０を形成する。この単セル１０は起電力が小さいため、所望とする起電力を得るには所定数の単セル１０を積層し、締め付け一体化して電池スタックを形成しなければならない。
【００３２】
このような電池スタックの形成時に、前記セパレータ５は第１の平板１と第２の平板２とを必ずしも接着や溶接等により固定しておく必要はない。即ち、第１の平板１と第２の平板２とは非固定状態のまま、ＭＥＡ６の両側に組み付けて単セル１０を形成し、且つ所定数の単セル１０を積層し、図示は省略したが両端部に集電板及び端板を添えて締め付け一体化することで電池スタックを形成する。この時、例えば第１の平板１及び第２の平板２の四隅部近傍に位置合わせ用の貫通孔を設けておけば、これらの貫通孔に締付用のロッドを貫通させることで、複数のセパレータ５の位置ずれを防ぐことができる。これにより、電池スタックの製造コストを削減することができる。尚、第１の平板１と第２の平板２とは、接着や溶接等により予め固定しておいても勿論構わない。
【００３３】
前記第１の平板１のスリット状の孔１ａは、前記のようにプレスの打ち抜き加工、ワイヤー放電加工、エッチング加工、切削加工等により形成できるため、従来の凹凸加工や絞り加工等に比して反応ガス流通路の角部にＲ形状が殆ど生じない。このため、セパレータ５の反応ガス流通路３と、ガス拡散層８ａ又は９ａとの接触面積が増大して接触抵抗を低減させることができる。
【００３４】
前記第１の平板１として導電性ポリマー樹脂材料を選択し、前記第２の平板２として金属材料を選択した場合には、合成樹脂製の第１の平板１によって軽量化が図れると共に、金属製の第２の平板２によってセパレータ５としての強度低下を抑えることができる。又、第１の平板１としてガス透過性の導電性ポリマー樹脂材料を使用した場合には、前記反応ガス流通路３を流れる反応ガスの一部が第１の平板１を介してガス拡散層８ａ側に拡散する。これにより、反応ガスの拡散量が増大して発電性能を向上させることができる。尚、第２の平板２はガス不透過性であるため、ガス透過性の第１の平板１を含んでいてもセパレータ５全体としてはガス不透過性を保有しているといえる。
【００３５】
図示は省略したが、前記電池スタックの積層方向には燃料ガス供給孔が貫通して設けられ、この燃料ガス供給孔に供給される燃料ガスは各単セル１０のアノード極８側のセパレータ５に形成された燃料ガス供給用マニホールド孔に分配され、この燃料ガス供給用マニホールド孔から各反応ガス流通路３に供給されて流通し、当該反応ガス流通路３の終端部に形成された燃料ガス排出用マニホールド孔から電池スタックの積層方向に貫通して設けられている燃料ガス排出孔に排出され、この燃料ガス排出孔を通って電池スタック外に排出される。
【００３６】
一方、大気から取り込んだ空気は、各単セル１０のカソード極９側のセパレータに形成された酸化剤ガス供給用マニホールド孔に供給され、この酸化剤供給用マニホールド孔から各反応ガス流通路に供給されて流通し、当該反応ガス流通路の終端部に形成された酸化剤ガス排出用マニホールド孔から電池スタックの外部に排出される。尚、電池スタック内の要部には冷却水流通路を設けた複数の冷却用セパレータが配設されており、冷却水流通路に冷却水を流通させることにより単セル１０を冷却し、ＰＥＦＣの適正な運転温度に保持するようにしている。
【実施例】
【００３７】
次に、一実施例について説明する。前記第１の平板１として、板厚１．０ｍｍのＳＵＳ３１０Ｓ（ステンレス鋼）を用い、所定の大きさのスリット状の孔１ａをエッチング加工により並設した後に、片方の面に金メッキを施して導電性被覆層を形成した。第２の平板２としては、板厚５．０ｍｍの樹脂含浸黒鉛材（Ｇ３４７Ｂ：東海カーボン（株）製）を用い、前記第１の平板１の金メッキ側の面を第２の平板２に接触させてセパレータを形成した。
【００３８】
上記実施例のセパレータと性能を比較するために、板厚６．０ｍｍのＳＵＳ３１０Ｓ（ステンレス鋼）を用い、その片方の面に深さ１．０ｍｍの凹溝状の反応ガス流通路を切削加工により並設して比較例のセパレータを形成した。この比較例のセパレータにおける凹溝状の反応ガス流通路の溝幅及び深さは、前記実施例のセパレータにおけるスリット状の孔１ａの横幅及び深さと同じ寸法とし、反応ガス流通路としての大きさを同一とした。又、反応ガス流通路としての形状も同一とした。
【００３９】
図３は、上記実施例のセパレータを用い、ＭＥＡとして市販品（ジャパンゴアテックス社製、PRIMEA（登録商標）5510）を使用して形成した実施例の単セルと、上記比較例のセパレータを用い、ＭＥＡとして同じく市販品（ジャパンゴアテックス社製、PRIMEA （登録商標）5510）を使用して形成した比較例の単セルとのセル電圧の経時変化を示すグラフである。このグラフによると、実施例の単セルは、比較例の単セルと同等のセル電圧が得られた。
【００４０】
図４は、前記と同様に形成した実施例の単セルと、比較例の単セルとの電流密度−セル電圧との関係（ｉ−Ｖ特性）を示すグラフである。このグラフによると、実施例の単セルは比較例の単セルとほぼ同等のセル性能が得られた。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明は、ＰＥＦＣ用セパレータに適用することができ、機械的な強度低下を抑えてセパレータを薄型化することにより電池スタックの全体形状を小型化且つ軽量化することができる。又、本発明によれば、反応ガス流通路の角部にＲ形状が生じないようにしたセパレータを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明に係るＰＥＦＣ用セパレータの実施形態を示す一部の概略断面図である。
【図２】本発明に係るＰＥＦＣ用セパレータを組み込んだ単セルを示す概略断面図である。
【図３】本発明による実施例の単セルと、比較例の単セルとのセル電圧の経時変化を示すグラフである。
【図４】本発明による実施例の単セルと、比較例の単セルとの電流密度−セル電圧との関係（ｉ−Ｖ特性）を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４３】
１  第１の平板
１ａ  スリット状の孔
２  第２の平板
３  反応ガス流通路
４  導電性被覆層
５  セパレータ
６  ＭＥＡ（膜・電極接合体）
７  固体高分子電解質膜
８  アノード極
８ａ  ガス拡散層
９  カソード極
９ａ  ガス拡散層
１０  単セル
【図１】
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【図２】
2009224265.tif 000004
【図３】
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【図４】
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