(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜を挟んで燃料極および酸化剤極を配置した電解質接合体と電解質接合体を外側から挟み反応ガスを対抗面に設けた反応ガス流路を通して電解質接合体の各極に夫々供給する導電性セパレータとから単位セルが構成され、単位セルが複数積層されてなる固体高分子型燃料電池において、
前記電解質接合体を挟んで隣り合って積層されるセパレータ同士は、その曲げ強度および曲げ弾性率の少なくともいずれか一方を相違させて積層方向に交互に配列されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記セパレータは、少なくとも黒鉛粉と樹脂粉を主成分とする複合材で形成されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記セパレータは、曲げ強度と曲げ弾性率が下記の組合わせとなっている第１および第２のセパレータから構成したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池。
（曲げ強度）第１のセパレータ＞第２のセパレータ
かつ（曲げ弾性率）第１のセパレータ＜第２のセパレータ
【請求項４】
前記セパレータは、曲げ強度と曲げ弾性率が下記の組合わせとなっている第１および第２のセパレータから構成したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池。
（曲げ強度）第１のセパレータ＞第２のセパレータ
かつ（曲げ弾性率）第１のセパレータ＞第２のセパレータ
【請求項５】
前記セパレータは２種類のセパレータで構成され、かつこの２種類のセパレータは曲げ強度および曲げ弾性率が下記範囲に設定されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一つに記載の燃料電池。
０＜２種類のセパレータの強度差≦１８０（ＭＰａ）
かつ０＜２種類のセパレータの弾性率差≦３５（ＧＰａ）
【請求項６】
前記互いに曲げ強度および曲げ弾性率の少なくともいずれか一方が異なる２種類のセパレータが備えられ、積層方向の熱伝導率が大きい側のセパレータを酸化剤極側に配置することを特徴とする請求項１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、電解質膜の両面に多孔質電極を圧着した電解質接合体を導電性セパレータで挟み複数積層してなる燃料電池および燃料電池に用いられるセパレータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子形燃料電池は、電解質膜を挟んで燃料極と酸化剤極を配置した電解質接合体を外側から一対の導電性セパレータにより挟持して形成する単位セルを複数個積層し、積層端に、電流取り出し板、インシュレータ、および、エンドプレートを配置し、エンドプレート同士をタイロッドにより接近方向に適度な荷重により締め付ける（スタック）ことで形成される。
【０００３】
各セパレータの各電極側の表面には、各電極に水素を含有する燃料ガス若しくは酸素を含有する酸化ガスをそれぞれ供給するよう流路が形成され、これらガスはセパレータ間の適度な圧縮荷重により流路から外部へ洩れ出ることが防止される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来例では、ガス洩れを抑制するためにタイロッドによる締め付け力を増加させる場合に、セパレータの強度が低い、例えば、マニホールド部分やタイロッド周辺に亀裂や割れが発生する不具合があった。
【０００５】
セパレータを高強度化することでこの不具合を解消しようとする試みとして、樹脂モールドカーボン板における樹脂含有量を増加させ、また、グラスファイバやカーボンファイバ等の繊維補強材による繊維強化樹脂（ＦＲＰ）とするものが、特開２００１−６８１２８号公報や特開２００１−１８９１６０号公報に記載されている。
【０００６】
しかしながら、このようなセパレータは、スタックの際の亀裂や割れは解消されるものの、樹脂含有量や強化繊維含有量の増加に伴いセパレータに要求される導電性が低下する不具合があり、導電性を低下させることなく高強度化することが難しいものであった。
【０００７】
そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、導電性を維持しつつスタッキングの際の亀裂や割れを防止するセパレータを用いた燃料電池を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題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挟んで燃料極および酸化剤極を配置した電解質接合体と電解質接合体を外側から挟み反応ガスを対抗面に設けた反応ガス流路を通して電解質接合体の各極に夫々供給する導電性セパレータとから単位セルが構成され、単位セルが複数積層されてなる固体高分子型燃料電池において、前記電解質接合体を挟んで隣り合って積層されるセパレータ同士は、その曲げ強度および曲げ弾性率の少なくともいずれか一方を相違させて積層方向に交互に配列されていることを特徴とする。
【０００９】
第２の発明は、第１の発明において、前記セパレータは、少なくとも黒鉛粉と樹脂粉を主成分とする複合材で形成されることを特徴とする。
【００１０】
第３の発明は、第１または第２の発明において、前記セパレータは、曲げ強度と曲げ弾性率が下記の組合わせとなっている第１および第２のセパレータから構成したことを特徴とする。曲げ強度は、第１のセパレータ＞第２のセパレータとし、かつ、曲げ弾性率は、第１のセパレータ＜第２のセパレータとする。
【００１１】
第４の発明は、第１または第２の発明において、前記セパレータは、曲げ強度と曲げ弾性率が下記の組合わせとなっている第１および第２のセパレータから構成したことを特徴とする。曲げ強度は、第１のセパレータ＞第２のセパレータとし、かつ、曲げ弾性率は、第１のセパレータ＞第２のセパレータとする。
【００１２】
第５の発明は、第１ないし第４の発明において、前記セパレータは２種類のセパレータで構成され、かつこの２種類のセパレータは曲げ強度および曲げ弾性率が下記範囲に設定されていることを特徴とする。即ち、０＜２種類のセパレータの強度差≦１８０（ＭＰａ）、かつ、０＜２種類のセパレータの弾性率差≦３５（ＧＰａ）とする。
【００１３】
第６の発明は、第１の発明において、前記互いに曲げ強度および曲げ弾性率の少なくともいずれか一方が異なる２種類のセパレータが備えられ、積層方向の熱伝導率が大きい側のセパレータを酸化剤極側に配置することを特徴とする。
【００１４】
【発明の効果】
したがって、第１の発明では、前記電解質接合体を挟んで隣り合って積層されるセパレータ同士をその曲げ強度および曲げ弾性率の少なくともいずれか一方を相違させて積層方向に交互に配列されているため、スタッキングの際、曲げ強度および曲げ弾性率の一方が低いセパレータは積層方向両側に配置される前記いずれかが高いセパレータに倣って柔軟に変形し、セパレータの破損やガスリークを防止することができる。
【００１５】
曲げ強度および曲げ弾性率の少なくとも一方が相違する２種類のセパレータによりセパレータの破損やガスリークを防止できるため、破損防止やガスリーク防止のために設ける付加的な対策を必要とせず、燃料電池の構成を簡単化できる。
【００１６】
第２の発明では、第１の発明の効果に加えて、セパレータを少なくとも黒鉛粉と樹脂粉を主成分とする複合材で形成したため、黒鉛および樹脂の種類や黒鉛と樹脂の組成を変更することで様々な機械的な特性を実現できる。
【００１７】
第３の発明では、第１および第２の発明の効果に加えて、曲げ強度を、第１のセパレータ＞第２のセパレータとし、かつ、曲げ弾性率を、第１のセパレータ＜第２のセパレータとしたため、第１のセパレータに第２のセパレータと比べて高い強度と柔軟性を持たせるものである。
【００１８】
第４の発明では、第１および第２の発明の効果に加えて、曲げ強度を、第１のセパレータ＞第２のセパレータとし、かつ、曲げ弾性率を、第１のセパレータ＞第２のセパレータとしたため、第１のセパレータに高い強度を持たせ、第２のセパレータに高い柔軟性を持たせるものである。
【００１９】
第５の発明では、第１ないし第４の発明の効果に加えて、セパレータは２種類のセパレータで構成され、この２種類のセパレータは、０＜２種類のセパレータの強度差≦１８０（ＭＰａ）かつ０＜２種類のセパレータの弾性率差≦３５（ＧＰａ）としているため、２枚のセパレータの少なくとも１枚に十分な曲げ強度や曲げ弾性率を持たせることができ、セパレータの破損を十分に抑制することができる。
【００２０】
第６の発明では、第１の発明の効果に加えて、２種類のセパレータが備えられ、積層方向の熱伝導率が大きい側のセパレータを酸化剤極側に配置するため、酸化剤極で生じる生成水の管理や燃料電池の熱管理が容易になる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００２２】
図１は、燃料電池（単電池セル）１の基本的な構成例を示す分解図である。固体高分子電解質膜２を挟んで板状のアノード電極３とカソード電極４を圧着した電解質接合体５（ＭＥＡとも称される。Ｍｅｍｂｒａｎｅ  ＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙの略）と、電解質接合体５を挟んで一対となるアノード側セパレータ６Ａ、カソード側セパレータ６Ｂが設置され、これらにより単電池セル１が構成される。この単電池セル１は複数個が積層され、その積層端に、図示しない、電流取り出し板、インシュレータ、および、エンドプレートを配置してエンドプレート同士をタイロッドにより接近方向に適度な荷重で締め付けてスタックすることで燃料電池が構成される。
【００２３】
前記一対のセパレータ６Ａ、６Ｂは、電解質接合体５に接触する面に、アノードガス（水素を含有する燃料ガス）及びカソードガス（酸素を含有する酸化ガス）等の反応ガスの流路となる溝６Ｃ、６Ｄが多数形成される。セパレータ６Ａ、６Ｂの他方の面にも、冷却水が流される冷却溝６Ｅ、若しくは、隣接して配置される電解質接合体の反応ガスの流路となる図示されていない溝が多数形成される。なお、反応ガスの流路となる溝６Ｃ、６Ｄは少なくともセパレータ６Ａ、６Ｂの一方の面に備えられていれば良く、燃料電池の動作温度を安定させるため、片側の面に冷却水などの熱媒体を流すことができる溝６Ｅを備えても良い。両セパレータの周縁の対向面には絶縁性のガスケット７が配置され、各セパレータ６Ａ、６Ｂは電気的に分離され、ガスケット７を電解質膜２に接触させることで反応ガスが外部に洩れ出ることを防止している。図示例では、シール用のガスケット７が配置されているが、このガスケット７を挟まずに、セパレータ６Ａ、６Ｂの周縁を電解質膜２に接触させ、電解質膜２の弾性を利用して膜２自身でシールしてもよい。
【００２４】
対向する一対のセパレータ同士６Ａ、６Ｂ、および、これに積層されて隣接する図示されていないセパレータ同士は、互に物理的特性としての曲げ強度と曲げ弾性率の少なくともいずれか一方を異にして構成される。例えば、曲げ強度を相対的に低いセパレータと曲げ強度の相対的に高いセパレータとが積層方向に交互に配置される場合、曲げ弾性率が相対的に低いセパレータと曲げ弾性率が相対的に高いセパレータとが積層方向に交互に配置される場合等が考えられる。また、積層方向に交互に配置されるセパレータの一方の曲げ強度を相対的に高く曲げ弾性率を相対的に低く構成し、他方のセパレータの曲げ強度を相対的に低く曲げ弾性率を相対的に高く構成することもできる。勿論、積層方向に交互に配置されるセパレータの一方の曲げ強度と曲げ弾性率を相対的に高く構成し、他方のセパレータの曲げ強度と曲げ弾性率を相対的に低く構成することもできる。曲げ強度の差は零を超えて１８０ＭＰａ（メガパスカル）の間のいずれかの強度差に設定され、曲げ弾性率の差は零を超えて３５ＧＰａ（ギガパスカル）の間のいずれかの弾性率差に設定される。曲げ強度を、一方の第１のセパレータ＞他方の第２のセパレータとし、かつ、曲げ弾性率を、一方の第１のセパレータ＜他方の第２のセパレータとする場合には、第１のセパレータに高い強度と柔軟性を持たせることができる。また、曲げ強度を、第１のセパレータ＞第２のセパレータとし、かつ、曲げ弾性率を、第１のセパレータ＞第２のセパレータとする場合には、第１のセパレータに高い強度を持たせ、第２セパレータに高い柔軟性を持たせることができる。上記の物理的特性の異なるセパレータは、二種類が交互に積層されるものに限定されるものでなく、例えば、三種類以上が隣接するセパレータ間で物理的特性が高いセパレータと物理的特性が低いセパレータとが積層方向に交互になるように配置することもできる。
【００２５】
上記の物理的特性の異なるセパレータは、以下の方法で得ることができる。即ち、黒鉛複合材料からなるセパレータにおいて、黒鉛粉と樹脂との種類により、多種多様の曲げ強度および曲げ弾性率を得ることが可能で、必要に応じて組み合わせを変えることで曲げ強度および曲げ弾性率を変更可能である。
【００２６】
黒鉛として、例えば、一般的な平均粒径０．５ｍｍ以下の膨張黒鉛材を用いる場合には、他の黒鉛材を用いる場合より曲げ弾性率を低減できて柔軟性を増加でき、樹脂含有量を増加させると曲げ強度を増加できる反面、曲げ弾性率も増加して柔軟性が低下する。なお、曲げ強度の増加には限界がある。
【００２７】
黒鉛として塊状をした人造黒鉛を用いる場合や、黒鉛（グラファイト  Ｇｒａｐｈｉｔｅ）に樹脂を含浸させたものや、ガラス状カーボンを用いた場合には、曲げ弾性率を高く、曲げ強度も比較的高くできる。また、強化繊維を適量混入させることで大幅に曲げ強度を増加させることができる。
【００２８】
２つのセパレータ材の曲げ強度と曲げ弾性率の差を大きくする場合には、好ましくは、一方は膨張黒鉛を用いた弾性率の低いセパレータとし、他方をガラス状カーボンや人造黒鉛を用いた曲げ強度、曲げ弾性率の優れたセパレータとするのがよい。
【００２９】
なお、黒鉛複合材で用いる樹脂は、燃料電池の使用環境下で耐え得る耐酸性、耐熱性、耐加水分解性を備える樹脂が良く、熱可塑性樹脂および熱硬化性樹脂のどちらを用いてもよい。
【００３０】
セパレータの構成材料は、上記黒鉛複合材に限定されるものでなく、金属製セパレータであっても、チタン等の耐酸性金属やステンレス、アルミニウム合金等においても、ガスに接触する部分に耐蝕性被膜で被覆し、電解質接合体と接触する部分に貴金属メッキを施すことにより接触抵抗を低下させて利用できる。この場合、物理的特性を異にした金属製セパレータ同士を組合わせることも、黒鉛複合材製のセパレータと組合わせることも、いずれも可能である。
【００３１】
以上の構成の燃料電池においては、曲げ弾性率が低いセパレータが、積層時に曲げ弾性率若しくは曲げ強度の比較的高いセパレータ間にあって、セパレータ、ガスケット、電解質接合体等の積層ばらつきにより生ずる集中的な圧力を、柔軟に変形することで緩和し、セパレータの割れや亀裂の発生を抑制し、セパレータが破損することを防止する。上記積層ばらつきは、セパレータ自身の厚さムラや反り等の形状精度、積層時にガスケットやＭＥＡ等の一部に積層ミスがある場合に発生する。交互に配置されたセパレータが柔軟に変形することで、電解質接合体と各セパレータとの間に隙間が発生することを防止でき、ガスリークを防止するようにも機能させることができる。
【００３２】
黒鉛粉と樹脂とを主成分とする複合材料においては、その組成の相違によって、得られる熱伝導率に相違が生ずる。熱伝導率の高い側のセパレータは、温度特性の特に敏感なカソード側セパレータとして配置することが、燃料電池の運転温度を低く調整すること、電解質膜の湿潤度を適正に保つために温度を厳密に制御すること、カソード側での電流密度が高く発熱が大きいこと等のために、熱管理を容易にできる。
【００３３】
以上に記載した実施態様にあっては、以下に記載した効果を奏することができる。即ち、隣り合って積層されるセパレータ同士をその曲げ強度および曲げ弾性率の少なくともいずれか一方を相違させて積層方向に交互に配列されているため、スタッキングの際、曲げ強度および曲げ弾性率の一方が低いセパレータは積層方向両側に配置される前記いずれかが高いセパレータに倣って柔軟に変形し、セパレータの破損やガスリークを防止することができる。
【００３４】
曲げ強度および曲げ弾性率の少なくとも一方が相違する２種類のセパレータによりセパレータの破損やガスリークを防止できるため、破損防止やガスリーク防止のために設ける付加的な対策を必要とせず、燃料電池の構成を簡単化できる。
【００３５】
セパレータを黒鉛粉と樹脂粉を主成分とする複合材で形成したため、黒鉛および樹脂の種類や黒鉛と樹脂の組成を変更することで様々な機械的な特性を実現できる。
【００３６】
曲げ強度を、第１のセパレータ＞第２のセパレータとし、かつ、曲げ弾性率を、第１のセパレータ＜第２のセパレータとすることで、第１のセパレータに高い強度と柔軟性を持たせることができる。
【００３７】
曲げ強度を、第１のセパレータ＞第２のセパレータとし、かつ、曲げ弾性率を、第１のセパレータ＞第２のセパレータとすることで、第１のセパレータに高い強度を持たせ、第２のセパレータに高い柔軟性を持たせることができる。
【００３８】
２種類のセパレータは、０＜２種類のセパレータの強度差≦１８０（ＭＰａ）かつ０＜２種類のセパレータの弾性率差≦３５（ＧＰａ）としているため、２枚のセパレータの少なくとも１枚に十分な曲げ強度や曲げ弾性率を持たせることができ、セパレータの破損を十分に抑制することができる。
【００３９】
積層方向の熱伝導率が大きい側のセパレータを酸化剤極側に配置するため、燃料電池の熱管理が容易になる。
【００４０】
【実施例】
次に本発明を実施例および比較例によって具体的に説明するが、本発明はこれら実施例により限定されない。
【００４１】
使用するセパレータは、黒鉛粉１００重量部に対してフェノール樹脂１７．６重量部および内部離型剤０．６重量部を乾式混合し、これを圧縮プレスにてサイズ３００×２５０×１ｍｍｔの流路およびマニホールドを備えるものを得た。
【００４２】
実施したセパレータの詳細な形態を下記に示す。
［セパレータＡ］
黒鉛材に平均粒径６０μｍの人造黒鉛粉を用いて成形後焼成し、
曲げ強度＝９５ＭＰａ
曲げ弾性率＝２８ＧＰａ
のセパレータＡとした。
［セパレータＢ］
黒鉛材に平均粒径１２０μｍの膨張黒鉛粉を用い、樹脂の完全硬化を促す熱処理を行い、
曲げ強度＝３８ＭＰａ
曲げ弾性率＝８ＧＰａ
のセパレータＢとした。
【００４３】
図２は、セパレータＡ、Ｂの曲げ強度（ＭＰａ）、曲げ弾性率（ＧＰａ）、プレート厚さ精度（±μｍ）を夫々示すものである。
【００４４】
また、電流取出し板、インシュレータ、および、エンドプレートは、夫々、
［電流取り出し板およびインシュレータ］は、サイズ３００×２５０×５ｍｍｔとし、
［エンドプレート］は、３００×２５０×２０ｍｍｔとしたのを用いた。
【００４５】
なお、上記した曲げ強度および曲げ弾性率は、規格ＪＩＳ−７２０３「硬質プラスチックの曲げ試験方法」に基づいて測定した。また材料の熱伝導率はレーザーフラッシュ法により測定した。
【００４６】
［実施例］
上記のセパレータＡ、Ｂを、電解質膜（ＭＥＡ）を挟持する２枚のセパレータとして、そのセパレータＡとセパレータＢとを交互に配置して単セルを構成し、これを５０セルとなるまで積層した。積層端には、電流取り出し板、インシュレータ、および、エンドプレートを配置し、エンドプレート同士をタイロッドにより接近方向に、０．５ＭＰａと１ＭＰａの二種類の面圧で締め付けてスタックしたものを得た。
【００４７】
［比較例１］
アノード側セパレータおよびカソード側セパレータの両者共に、セパレータＡを配置して単セルを構成し、これを５０セルとなるまで積層した。積層端には、同じく、電流取り出し板、インシュレータ、および、エンドプレートを配置し、エンドプレート同士をタイロッドにより接近方向に、０．５ＭＰａと１ＭＰａの二種類の面圧で締め付けてスタックしたものを得た。
【００４８】
［比較例２］
アノード側セパレータおよびカソード側セパレータの両者共に、セパレータＢを配置して単セルを構成し、これを５０セルとなるまで積層した。積層端には、同じく、電流取り出し板、インシュレータ、および、エンドプレートを配置し、エンドプレート同士をタイロッドにより接近方向に、０．５ＭＰａと１ＭＰａの二種類の面圧で締め付けてスタックしたものを得た。
【００４９】
これらのスタックに、アノード側セパレータのマニホールドには燃料ガスを、カソード側セパレータのマニホールドには酸化剤ガスを夫々供給し、スタック外周からのガスリークを検知器にて検出した。また、同様に冷却剤を冷却通路に供給し、冷却剤の漏れを確認した。
【００５０】
上記検出および確認後、スタックを解体し、各セパレータの破損を目視で確認した。次いで、各セパレータにより再スタックして、上記検出、確認、解体後の目視確認する。この作業は実施例および比較例ともに５回行い、ガスリーク、セパレータ破損発生頻度を確認した。
【００５１】
図３は、［実施例］、［比較例１］、［比較例２］を、２種類の面圧（０．５ＭＰａと１ＭＰａ）毎に、セパレータのプレート破損の有無とガス洩れの有無を示す結果である。図中の○、△、×は、以下に記載した判断基準に基づき表示している。即ち、「○」は、いずれの場所でも、ガスリーク、冷却水漏れ、セパレータの破損なしである。「△」は、ガスリーク、冷却水漏れ、セパレータの破損が、１スタックにおいて１〜３箇所まで存在した場合である。「×」は、ガスリーク、冷却水漏れ、セパレータの破損が、１スタックにおいて４箇所以上存在した場合である。
【００５２】
図３によれば、物理的特性の異なるセパレータＡ、Ｂを組合わせた［実施例］においては、いずれの面圧を加えた場合においても、セパレータのプレートの破損およびガスリークや冷却水漏れがなかった。
【００５３】
一方、セパレータＡ同士を組合わせた［比較例１］においては、面圧０．５ＭＰａでは、セパレータのプレートの破損はないものの、ガスリークや冷却水漏れが１〜２箇所確認された。面圧を１ＭＰａ加えた場合には、セパレータのプレートの破損が１〜２箇所確認され、ガスリークや冷却水漏れが４箇所以上確認された。
【００５４】
セパレータＢ同士を組合わせた［比較例２］においては、いずれの面圧においてもセパレータのプレートの破損は確認できずに良好な結果であるが、いずれの面圧においてもガスリークや冷却水漏れが１〜２箇所確認された。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す燃料電池（単電池セル）の基本的な構成例の分解図。
【図２】実施例に用いるセパレータを表にして物理的特性を示す図。
【図３】実施例の試験結果を比較例の試験結果とともに表にして示す図。
【符号の説明】
１  燃料電池（単電池セル）
２  固体高分子電解質膜
３  アノード電極（燃料極）
４  カソード極（酸化剤極）
５  電解質接合体
６、６Ａ、６Ｂ  セパレータ
６Ｃ、６Ｄ、６Ｅ  溝
７  ガスケット
【図１】
0003818149.tif 000002
【図２】
0003818149.tif 000003
【図３】
0003818149.tif 000004