(57)【要約】【課題】  フラッディングを抑制できるとともに、ガス流路の閉塞を抑制することができる燃料電池用セパレータ、および燃料電池を提供する。【解決手段】  本発明に係る燃料電池用セパレータ（２０）は、導電性ゴムによって構成され、表面の少なくとも一部にガス流路（２１）が形成されたセパレータ基板と、ガス流路に配置された中空糸（２３）と、を備えることを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池用セパレータによれば、フラッディングを抑制できるとともに、ガス流路の閉塞を抑制することができる。【選択図】      図１
2009146718.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性ゴムによって構成され、表面の少なくとも一部にガス流路が形成されたセパレータ基板と、
前記ガス流路に配置された中空糸と、を備えることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
前記導電性ゴムは、導電性材料が混合したゴムであることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項３】
前記導電性ゴムは、シリコーンゴム、クロロプレンゴムまたはフッ素ゴムに導電性材料が混合したものであることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項４】
前記導電性材料は、カーボンまたは金属であることを特徴とする請求項２または３記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項５】
前記中空糸は、導電性を有する高分子からなることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項６】
前記中空糸は、導電性材料が付着した高分子からなることを特徴とする請求項５記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項７】
前記中空糸は、外面よりも内面に高い親水性を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項８】
前記中空糸の外面にフッ素樹脂が設けられていることを特徴とする請求項７記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項９】
前記中空糸の体積弾性率は、５ＭＰａ以上であり、
前記導電性ゴムの体積弾性率は、４０ＭＰａ以下であることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項１０】
固体高分子電解質膜を備える膜−電極接合体と、
前記膜−電極接合体を挟持する一対のセパレータと、を備え、
前記一対のセパレータの少なくとも一方は、請求項１〜９のいずれかに記載の燃料電池用セパレータであることを特徴とする燃料電池。
【請求項１１】
前記燃料電池用セパレータは、前記膜−電極接合体のカソード側に配置されていることを特徴とする請求項１０記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用セパレータ、および燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、一般的には水素および酸素を燃料として電気エネルギを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れており、また高いエネルギ効率を実現できることから、今後のエネルギ供給システムとして広く開発が進められてきている。
【０００３】
燃料電池のうち固体の電解質を用いたものには、固体高分子型燃料電池、固体酸化物型燃料電池等がある。このうち、固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質層を触媒層（カソード触媒層およびアノード触媒層）により挟持した膜−電極接合体がさらに一組のセパレータによって挟持された構造を有している。固体高分子型燃料電池においては、カソード触媒層に酸化剤ガスが供給され、アノード触媒層に燃料ガスが供給される。それにより、水が生成されるとともに、発電が行われる。
【０００４】
近年、ガス流路に中空繊維を備えた固体高分子型燃料電池が開発されている。例えば、特許文献１においては、ガス流路に高分子材料からなる中空繊維を備えた固体高分子型燃料電池に関する技術が開示されている。この燃料電池によれば、中空繊維の中空部が発電時に生成された水（以下、生成水と称する）の流路となり、中空繊維同士の空隙がガス流路（酸化剤ガス流路または燃料ガス流路）となる。それにより、フラッディングが抑制される。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−１０３５９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に係る燃料電池を複数積層して燃料電池スタックにする場合には、締結圧力によって中空繊維同士の空隙が小さくなるおそれがある。中空繊維同士の空隙が小さくなると、圧損が増加して燃料電池の発電性能が低下するおそれがある。
【０００７】
本発明は、フラッディングを抑制できるとともに、ガス流路の閉塞を抑制することができる燃料電池用セパレータ、および燃料電池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】
【０００８】
本発明に係る燃料電池用セパレータは、導電性ゴムによって構成され、表面の少なくとも一部にガス流路が形成されたセパレータ基板と、ガス流路に配置された中空糸と、を備えることを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池用セパレータによれば、発電生成水は毛細管現象によって中空糸内を流動する。この場合、中空糸同士の空隙がガスの流路として確保される。その結果、ガス流路におけるフラッディングを抑制することができる。また、セパレータが導電性ゴムから構成されることから、セパレータは弾性を有する。それにより、中空糸にかかる締結圧力が導電性ゴムに吸収される。その結果、中空糸同士の空隙が確保される。
【０００９】
上記構成において、導電性ゴムは、導電性材料が混合したゴムであってもよい。上記構成において、導電性ゴムは、シリコーンゴム、クロロプレンゴムまたはフッ素ゴムに導電性材料が混合したものであってもよい。この構成によれば、中空糸同士の空隙を十分に確保しかつ中空糸の含水性を維持することができる。上記構成において、導電性材料は、カーボンまたは金属であってもよい。
【００１０】
上記構成において、中空糸は、導電性を有する高分子からなるものであってもよい。上記構成において、中空糸は、導電性材料が付着した高分子からなるものであってもよい。この構成によれば、セパレータが燃料電池に用いられた場合において、セパレータと膜−電極接合体との間の接触抵抗増加を抑制することができる。
【００１１】
上記構成において、中空糸は、外面よりも内面に高い親水性を有するものであってもよい。この構成によれば、発電生成水が中空糸の内部に流入しやすくなる。上記構成において、中空糸の外面にフッ素樹脂が設けられていてもよい。
【００１２】
上記構成において、中空糸の体積弾性率は、５ＭＰａ以上であり、導電性ゴムの体積弾性率は、４０ＭＰａ以下であってもよい。この構成によれば、中空糸同士の空隙を十分に確保しかつ中空糸の含水性を維持することができる。
【００１３】
本発明に係る燃料電池は、固体高分子電解質膜を備える膜−電極接合体と、膜−電極接合体を挟持する一対のセパレータと、を備え、一対のセパレータの少なくとも一方は、請求項１〜９のいずれかに記載の燃料電池用セパレータであることを特徴とするものである。
【００１４】
本発明に係る燃料電池によれば、フラッディングを抑制できるとともに、ガス流路の閉塞を抑制することができる。また、膜−電極接合体とセパレータとの間に、十分な圧着性が確保される。それにより、膜−電極接合体とセパレータとの間の接触抵抗を低減させることができるとともに、ガスシール性が向上する。さらに、発電中において、含水膨張に起因する固体高分子電解質膜の膜厚増加を導電性ゴムによって吸収することができる。それにより、中空糸同士の空隙を確保することができる。また、収縮（膜痩せ）等に起因する固体高分子電解質膜の膜厚低下を導電性ゴムによって吸収することができる。それにより、セパレータと膜−電極接合体との間の接触抵抗増加を抑制することができる。また、本発明に係る燃料電池を複数積層する場合、中空糸同士の空隙が確保されることから、各燃料電池間におけるガス流路の圧損のばらつきが抑制される。それにより、電解質膜の劣化が抑制される。
【００１５】
上記構成において、燃料電池用セパレータは、膜−電極接合体のカソード側に配置されていてもよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、フラッディングを抑制できるとともに、ガス流路の閉塞を抑制することができる燃料電池用セパレータ、および燃料電池を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【実施例１】
【００１８】
本発明の実施例１に係る燃料電池１００について説明する。図１（ａ）は、実施例１に係る燃料電池１００の模式的断面図である。図１（ａ）に示すように、燃料電池１００は、第１セパレータ２０と第２セパレータ３０とによって膜−電極接合体１０が挟持された構造を有する。
【００１９】
膜−電極接合体１０は、固体高分子電解質層１１がカソード触媒層１２およびアノード触媒層１３によって挟持された構造を有する。固体高分子電解質層１１は、プロトン伝導性を有する固体高分子電解質からなる。固体高分子電解質として、例えばパーフルオロスルフォン酸型ポリマ等を用いることができる。固体高分子電解質層１１の層厚は、特に限定されない。
【００２０】
カソード触媒層１２は、固体高分子電解質層１１の第１セパレータ２０側に接合されている。アノード触媒層１３は、固体高分子電解質層１１の第２セパレータ３０側に接合されている。カソード触媒層１２およびアノード触媒層１３はそれぞれ、例えば白金担持カーボンからなる。カソード触媒層１２およびアノード触媒層１３の層厚は、特に限定されない。
【００２１】
第１セパレータ２０は、導電性ゴムによって構成され、表面に酸化剤ガス流路２１が形成されたセパレータ基板からなる。酸化剤ガス流路２１は、第１セパレータ２０の膜−電極接合体１０側の面に形成されている。第１セパレータ２０の膜−電極接合体１０と反対側の面には、燃料電池１００を冷却するための冷媒が流動する冷媒流路２２が形成されている。酸化剤ガス流路２１および冷媒流路２２は、例えば第１セパレータ２０の表面に形成された凹部からなる。後述するように、酸化剤ガス流路２１には、１または複数の中空糸２３が充填されている。
【００２２】
上記導電性ゴムとして、導電性材料が混合したゴムを用いることができる。このゴムとして、例えば、天然ゴム、ブタジエンゴム、アクリルゴム、シリコーンゴム、ウレタンゴム、フッ素ゴム、イソプレンゴム、１−ポリブタジエンゴム、２−ポリブタジエンゴム、クロロプレンゴム、スチレン−ブタジエンゴム、ブチルゴム、ニトリルゴム、水素化ニトリルゴム、エチレン−プロピレンゴム、エチレン−酢酸ビニルゴム、メチルシリコーンゴム、ビニル−メチルシリコーンゴム、フェニル−メチルシリコーンゴム、多硫化ゴム、ポリエーテルウレタンゴム、ポリエステルウレタンゴム等を用いることができる。
【００２３】
また、導電性材料として、アセチレンブラック等のカーボンブラック、黒鉛、金属（銀、銅、ニッケル等）の微粒子粉末、金属（銀、銅、ニッケル等）の繊維等、を用いることができる。また、導電性材料の混合方法としては、例えば、上記のゴムに導電性材料を加えて架橋させる方法を用いることができる。
【００２４】
第２セパレータ３０は、導電性材料によって構成され、表面に燃料ガス流路３１が形成されたセパレータ基板からなる。燃料ガス流路３１は、第２セパレータ３０の膜−電極接合体１０側の面に形成されている。第２セパレータ３０の膜−電極接合体１０と反対側の面には、冷媒流路３２が形成されている。燃料ガス流路３１および冷媒流路３２は、例えば第２セパレータ３０の表面に形成された凹部からなる。なお、燃料電池１００の発電性能上、第１セパレータ２０および第２セパレータ３０の体積抵抗率は、１０２Ωｃｍ以下であることが好ましい。
【００２５】
続いて、酸化剤ガス流路２１の詳細について説明する。図１（ｂ）は、酸化剤ガス流路２１の模式的拡大図である。酸化剤ガス流路２１には、１または複数の中空糸２３が充填されている。中空糸２３として、高分子材料を用いることができる。高分子材料として、例えばポリアクリルニトリル、セルロース、ポリプロピレン等を用いることができる。中空糸２３の内径は、中空糸２３の内部に毛細管現象が生じる程度であれば特に限定されるものではなく、例えば数μｍ〜数百μｍ程度である。
【００２６】
続いて、燃料電池１００の作用について説明する。燃料ガスが、燃料ガス流路３１を通ってアノード触媒層１３に供給される。アノード触媒層１３においては、燃料ガスに含まれる水素が、電子とプロトンとに解離する。電子は、燃料電池１００に接続された外部電極（図示せず）により、外部へ取り出される。外部へ取り出された電子は、外部負荷を経由して、カソード触媒層１２へ供給される。プロトンは、固体高分子電解質層１１を伝導して、カソード触媒層１２へ到達する。
【００２７】
酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路２１を通ってカソード触媒層１２に供給される。カソード触媒層１２においては、酸化剤ガスに含まれる酸素と電子とプロトンとが反応して、水が生成される。この生成水は、酸化剤ガス流路２１を流動して燃料電池１００の外部へ排出される。以上の作用により、燃料電池１００において、発電が行われる。
【００２８】
本実施例においては、発電生成水は、毛細管現象によって中空糸２３内を流動する。この場合、中空糸２３同士の空隙が酸化剤ガスの流路として確保される。その結果、酸化剤ガス流路２１におけるフラッディングを抑制することができる。また、第１セパレータ２０が導電性ゴムから構成されることから、第１セパレータ２０は弾性を有する。それにより、燃料電池１００を複数積層して締結しても、中空糸２３にかかる締結圧力が導電性ゴムに吸収される。その結果、中空糸２３同士の空隙が確保される。
【００２９】
さらに、中空糸２３同士の空隙が確保されることから、各燃料電池１００間における酸化剤ガス流路２１の圧損のばらつきが抑制される。それにより、固体高分子電解質層１１の劣化が抑制される。また、膜−電極接合体１０と第１セパレータ２０との間に、十分な圧着性が確保される。それにより、膜−電極接合体１０と第１セパレータ２０との間の接触抵抗を低減させることができるとともに、ガスシール性が向上する。
【００３０】
さらに、燃料電池１００の発電中においては、含水膨張に起因する固体高分子電解質層１１の層厚増加を導電性ゴムによって吸収することができる。それにより、中空糸２３同士の空隙を確保することができる。また、収縮（膜痩せ）等に起因する固体高分子電解質層１１の層厚低下を導電性ゴムによって吸収することができる。それにより、第１セパレータ２０と膜−電極接合体１０との間の接触抵抗増加を抑制することができる。
【００３１】
なお、中空糸２３の外面は、中空糸２３の内面に比較して親水性を有していることが好ましい。発電生成水が中空糸２３の内部に流入しやすくなるからである。例えば、中空糸２３の外面に撥水加工を施してもよい。例えば、中空糸２３の外面にフッ素樹脂（例えばポリテトラフルオロエチレン等）をスプレーで塗布後、熱処理を施すことによって、中空糸２３の外面に撥水加工を施すことができる。あるいは、中空糸２３の外面にフッ素樹脂を含浸させた後に熱処理を施すことによって、中空糸２３の外面に撥水加工を施すことができる。
【００３２】
また、中空糸２３は、導電性を有することが好ましい。第１セパレータ２０と膜−電極接合体１０との間の接触抵抗増加を抑制することができるからである。例えば、中空糸２３の表面に、カーボン、金属微粒子等の導電性材料を付着させることによって、中空糸２３に導電性を付与することができる。あるいは、中空糸２３にカーボンおよびバインダを塗布して焼成することによって、中空糸２３に導電性を付与することができる。
【００３３】
なお、本発明の効果を得るためには、第１セパレータ２０を構成する導電性ゴムに十分な弾性が付与されていることが好ましい。そこで、導電性ゴムの体積弾性率と中空糸２３の圧縮率との関係をシミュレーションした。
【００３４】
図２は、導電性ゴムの体積弾性率と中空糸２３の圧縮率との関係をシミュレーションした結果である。図２において、横軸は導電性ゴムの体積弾性率（ＭＰａ）を表し、縦軸は中空糸２３の圧縮率（％）を表す。ここで、体積弾性率とは、−Ｐ／（ΔＶ／Ｖ）で表される値である（Ｐ：締結圧力、Ｖ：体積、−ΔＶ：体積変化量）。なお、シミュレーションするに当たって、中空糸２３の体積弾性率を５ＭＰａとし、酸化剤ガス流路２１の深さを０．３ｍｍとし、第１セパレータ２０の全体の厚さを０．７ｍｍとした。したがって、第１セパレータ２０の酸化剤ガス流路２１を除いた部分の厚さは、０．４ｍｍである。また、燃料電池１００を複数積層する場合の締結圧力を１ＭＰａおよび１．５ＭＰａとした。
【００３５】
中空糸２３同士の空隙が十分に確保されかつ中空糸２３の含水性を維持するためには、中空糸２３の圧縮率は１５％以下（８０℃７０時間）であることが好ましい。そこで、図２において、中空糸２３の圧縮率が１５％以下となる場合の導電性ゴムの体積弾性率を読み取る。その結果、締結圧力が１ＭＰａの場合には、導電性ゴムの体積弾性率が４０ＭＰａ以下の場合に、中空糸２３の圧縮率が１５％以下となる。また、締結圧力が１．５ＭＰａの場合には、導電性ゴムの体積弾性率が２５ＭＰａ以下の場合に、中空糸２３の圧縮率が１５％以下となる。
【００３６】
ここで、酸化剤ガス流路２１の閉塞を抑制するという観点から、締結圧力は小さい方が好ましい。よって、締結圧力は１．５ＭＰａよりも１．０ＭＰａの方が好ましい。したがって、セパレータは、４０ＭＰａ以下の体積弾性率を有することが好ましい。
【００３７】
以上の結果から、第１セパレータ２０に求められる機械強度、耐熱性および反発弾性（ガスシール性）を考慮して、４０ＭＰａ以下の体積弾性率を有するゴム材料を選択すると、シリコーンゴム、クロロプレンゴムまたはフッ素ゴムが選択される。つまり、第１セパレータ２０に用いられる導電性ゴムとして、シリコーンゴム、クロロプレンゴムまたはフッ素ゴムのいずれかに導電性材料が混合されたゴムが好ましい。
【００３８】
なお、本実施例において、中空糸２３は酸化剤ガス流路２１に設けられているが、これに限られない。中空糸２３は、酸化剤ガス流路２１および燃料ガス流路３１の少なくとも一方に設けられていればよい。但し、生成水がより多く通過する酸化剤ガス流路２１に中空糸２３が設けられることが好ましい。カソード触媒層１２において水が生成されるからである。
【実施例２】
【００３９】
続いて、本発明の実施例２に係る燃料電池スタック２００について説明する。図３は、実施例２に係る燃料電池スタック２００の積層構造を示す模式図である。燃料電池スタック２００は、燃料電池積層体１００ａと、ターミナル１１０，１１５と、インシュレータ１２０，１２５と、エンドプレート１３０，１３５と、締結棒１４１と、を備える。なお、燃料電池積層体１００ａは、複数の燃料電池１００が積層された構造を有する。
【００４０】
ターミナル１１０，１１５は、燃料電池積層体１００ａの両端面にそれぞれ配置されている。ターミナル１１０，１１５は、燃料電池１００における発生する電力を外部に取り出すための配線等を備えている。
【００４１】
インシュレータ１２０は、ターミナル１１０の燃料電池積層体１００ａと反対側の面に配置されている。インシュレータ１２５は、ターミナル１１５の燃料電池積層体１００ａと反対側の面に配置されている。インシュレータ１２０，１２５は、絶縁体により構成され、燃料電池積層体１００ａからの漏電を防止する。
【００４２】
エンドプレート１３０は、インシュレータ１２０のターミナル１１０と反対側の面に配置されている。エンドプレート１３５は、インシュレータ１２５のターミナル１１５と反対側の面に配置されている。エンドプレート１３０およびエンドプレート１３５は、締結棒１４１によって締結されている。それにより、エンドプレート１３０，１３５から燃料電池積層体１００ａに所定の締結力が与えられる。なお、上記所定の締結力として、実施例１で説明したように、１ＭＰａ程度であることが好ましい。
【００４３】
本実施例における燃料電池スタック２００によれば、フラッディングを抑制できるとともに、ガス流路の閉塞を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】図１（ａ）は、実施例１に係る燃料電池の模式的断面図である。図１（ｂ）は、酸化剤ガス流路の模式的拡大図である。
【図２】図２は、導電性ゴムの体積弾性率と中空糸の圧縮率との関係をシミュレーションした結果である。
【図３】図３は、実施例２に係る燃料電池スタックの積層構造を示す模式図である。
【符号の説明】
【００４５】
１０  膜−電極接合体
１１  固体高分子電解質層
１２  カソード触媒層
１３  アノード触媒層
２０  第１セパレータ
２１  酸化剤ガス流路
２２  冷媒流路
２３  中空糸
３０  第２セパレータ
３１  燃料ガス流路
３２  冷媒流路
１００  燃料電池
１００ａ  燃料電池積層体
１１０，１１５  ターミナル
１２０，１２５  インシュレータ
１３０，１３５  エンドプレート
１４１  締結棒
２００  燃料電池スタック
【図１】
2009146718.tif 000003
【図２】
2009146718.tif 000004
【図３】
2009146718.tif 000005