JP4648007B2 - 燃料電池用セパレータおよび燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は燃料電池の部材であるセパレータおよびこれを用いた燃料電池に関する。

燃料電池には電解質の種類などによって幾つかの種類がある。リン酸形燃料電池はリン酸を保持体に染み込ませて用いるタイプで、１５０〜２２０℃で運転される。溶融炭酸塩形燃料電池は炭酸リチウムと炭酸カリウムを混合体にして電解質保持体に成型したものを用い、６００〜７００℃で動作する。固体酸化物形燃料電池は酸素イオン導電性を有する安定化ジルコニアを電解質とし、７００〜１０００℃で動作する。いずれも燃料には水素、改質ガス、炭化水素などが用いられ、酸化剤ガスには空気が用いられる。

種々ある燃料電池の中で、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）や直接メタノール形燃料電池（ＤＭＦＣ）は、高分子からなる膜状の固体電解質の両面に白金等の触媒を担持したカーボン電極を接合して構成されている点が主な特徴である。これをＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ；電解質膜電極一体化構造）と呼ぶ。固体高分子形燃料電池はセパレータと呼ばれる燃料ガス（水素を含むガス）および酸化剤ガス（酸素あるいは空気）の流路が形成された一対の板で、ＭＥＡを挟持した構造をとっている。

ここでは燃料や酸化剤となる活物質を総括して反応流体と呼ぶことにする。燃料や酸化剤が気体である場合は特に反応ガスと呼ぶことにする。以下では燃料や酸化剤となる流体が気体の場合を例に説明する。

通常、ＭＥＡとセパレータは多孔質のカーボン製シートを介して挟持されている。この多孔質のカーボン製シートはガス拡散層と呼ばれ、反応ガスを効率良く、また、均一に電極へ供給する機能を有する。ＭＥＡとセパレータおよびガス拡散層を一組にしたものを単セルといい、燃料電池スタックは単セルを複数個積層したものである。セパレータは反応ガスを電極に効率良く供給する役割を負っており、反応ガスを燃料電池に供給して適当な負荷をかけることにより電力を取り出せる。これに伴い、反応熱やジュール熱などの熱が発生する。この熱を除去するために、通常、燃料電池には前記セパレータの一部に冷却水を通すためのセパレータが備わっている。

セパレータは隣り合うセルにエネルギーの損失を抑えつつ、電力を伝える役割も負っているため、通常、炭素系の導電性材料で構成され、反応ガスや冷却媒体を通気、通水するための貫通溝部が形成されている。セパレータ材料としては、炭素系の他、金属薄板を用いることも検討されている。金属のセパレータは原料費が廉価で、かつ、プレス加工が容易であること、薄板を使用できるためコンパクトで軽量化できる等のメリットがある。

しかし、金属薄板をプレス加工して流路溝部を形成したセパレータの場合、加工性は金属材料の加工限界に制限されるため、所望の溝深さ、溝幅を有する流路溝を加工するのは難しい。そのため、反応ガス流れの均一性が得られない、電極との接触面積を充分にとることができないなどの弊害が生じ、結果、所望の発電性能が得られにくいことがあった。たとえ所望の溝加工が可能であっても、加工後のセパレータに反りや歪が生じたり、必要な仕上り精度が得られなかったりする場合があり、反応ガスのリークや接触抵抗の増大などを招くことがあった。

プレス成型金属セパレータのもう一つの欠点として、溝加工後の頂頭部が曲率を有しており、ガス拡散層、ガス拡散層がＭＥＡと一体になっている一体化ＭＥＡの場合には一体化ＭＥＡとの接触面積が小さくなり、その結果、抵抗が増大し、良好な発電性能を得ることができないという課題があった。これを解決するために、頂点の曲率を有する部分を除去して平坦化することが行われている（たとえば、特許文献１参照）。

また、金属薄板と、流路状に裁断したカーボンペーパとによりセパレータを構成して、プレス成型することなく、一枚のセパレータにすることも行われている(たとえば、特許文献２，３参照)。この構造のセパレータは、低コスト化が可能であり、また、流路部はカーボンペーパを裁断して造られるため、仕上り精度が高く、ガス拡散層との接触面が平らであるため、プレス金属セパレータの場合のような問題が生じない。

この他、一般的な事項として燃料電池は発電にともない発熱する。通常、燃料電池は、冷却水を電池内に設けられた冷却セルに通水して熱を取り除き、この冷却水を熱交換する必要がある。溶融炭酸塩形燃料電池の一部では酸化剤ガスそのものを冷却媒体として用いることも考案されているが、固体高分子形燃料電池では電池温度が低いこと、発電効率を向上させる観点からできるだけ少ない補機動力が求められること等のために、ガス媒体による冷却は多数派とはいえない。燃料電池の冷却効率が良くなれば、冷却セル、冷却水ポンプ、熱交換器などを用いる必要が無くなり、システムの簡素化が実現する。

特開２００３−１７３７９１号公報 特開２０００−１２３８５０号公報 特開２０００−２９４２５７号公報

金属薄板と、ガス流路部材としての流路状に裁断したカーボンペーパからなるセパレータは多くの利点を有するが、流路部を形成するカーボンペーパが多数の部材に分割されているため、流路本数が増えるに従って細分化された複数の流路部材が必要となる。その結果、電池を構成するための部品点数が増す、導電性材料で結着するため、製造工程が増えるという課題がある。この他、特許文献２，３に記載の発明では、金属セパレータと流路部との接触面で発生する金属側の防食に対し、考慮されていないことも解決すべき課題である。金属側は電池環境下で腐食あるいは非導電性の不働態皮膜が成長する。その結果、接触抵抗の増大や、腐食生成物による電極、電解質膜の汚染等を原因とする燃料電池の劣化を引き起こすことがあった。その他、いずれの特許文献においても、燃料電池本体の冷却について特に注意が払われていない。

本発明の目的は、流路状に裁断したカーボンペーパを用いる従来技術に較べて部品点数を少なくでき、しかも冷却効果の高いセパレータ、及び、このセパレータを備えた燃料電池を提供することにある。

本発明は、導電性平板と、該導電性平板を挟んで重ね合わせた２枚の導電性流路板とを有し、前記導電性平板には反応流体を隣接するセルに通気するための複数のマニホールドが形成され、前記２枚の導電性流路板には前記マニホールドからの反応流体を流通させるための貫通溝部が形成され、前記２枚の導電性流路板のうち、いずれか一方は貫通溝部の一部分が前記導電性平板のマニホールドと重なるように構成され、もう一方は貫通溝部が前記導電性平板の外側まで延びていることを特徴とする燃料電池用セパレータにある。

また、本発明は、前記のセパレータを備えた燃料電池にある。

更に、本発明は、電解質膜と電極を一体化した電解質膜電極一体化構造物と、その両面に配置された一対のガス拡散層と、その外側に配置された一対のセパレータとを具備する発電ユニットを積層した燃料電池スタックと、その外側に配置された集電板およびその外側に配置された端板を備えた燃料電池において、前記発電ユニットのセパレータとして前記のセパレータを備えたことを特徴とする。

本発明のセパレータは、金属平板などで形成される導電性平板の外側に、一対の導電性流路板を積層して構成されるので、積層型セパレータとも言うべきものである。

本発明のセパレータは、１つの導電性平板と、２つの導電性流路板とにより構成されており、従来技術の流路状に裁断したカーボンペーパを用いるものに比べて部品点数が少なく、加工、組み立てが容易である。また、一方の導電性流路板の貫通溝部を導電性平板の外形よりも大きくしているので冷却効果が高い。

本発明では、1つの導電性平板と、２つの平板状の導電性流路板によりセパレータが構成される。平板状のままであるから接触面積を大きくとることができ、また、他の部材たとえばガス拡散層あるいは一体化ＭＥＡとの接触面積も大きくとることができる。このため、エネルギー損失の一因となる抵抗を低くすることができるという効果もある。また、セパレータ構成部材は単純に穴あけ加工により準備でき、加工、組み立てが容易であるという効果もある。

本発明のセパレータにおいては、中心に配置される導電性平板を金属として、その表面の全部あるいは少なくとも前記貫通溝部と接する部位に、導電性平板を防食し、あるいは不働態皮膜の成長を抑える被覆層を設けることができる。これにより、金属セパレータに特有の課題である腐食の問題を解決することができる。

また、導電性平板を挟んで両側に配置される導電性流路板を多孔質体で形成することができる。流路板を多孔質体にすることにより、流路板を介して電極へのガス供給量が増大するため、発電電圧および拡散限界電流を向上させることが可能となる。

また、導電性平板にはスリットを設けることができる。この場合、スリットを設ける部位は、導電性平板の両面に接する２枚の流路板を投射したときに、２枚の前記流路板の貫通溝部が互いに重なり合う部位とする。ここにスリットを設けることにより、導電性平板の両面にある流路板を直接電気的に接触させて電流の通過路に金属が介在しない構造とし、金属セパレータの課題である不導体皮膜の成長或いは腐食による接触抵抗の増大を抑制することが可能になる。

防食被覆層を有する導電性平板と流路板とは一体化してもよく、これによりセパレータの取り扱い性を良くすることができる。

本発明のセパレータにおいて、導電性平板には、ステンレス鋼、ニッケル、ニッケル基合金、チタン、チタン基合金、ニオブ、ニオブ基合金、タンタル、タンタル基合金、タングステン、タングステン基合金、ジルコニウム、ジルコニウム基合金、アルミニウム、及びアルミニウム合金から選ばれる最外層を形成し、耐食性を向上することができる。

また、導電性平板の表面を覆う被覆層は、フッ素系、フェノール系、エポキシ系、スチレン系、ブタジエン系、ポリカーボネイト系、ポリフェニレンスルフィド系、あるいはこれらの混合体、あるいは共重合体から選ばれる樹脂バインダと、１種類以上の炭素を含む導電材とから構成することができる。

本発明の１つの態様においては、防食のための被覆層が設けられた平板状の金属板と、導電性流路板とを組み合わせることにより、低コストで長寿命のセパレータが提供される。導電性を有し、反応ガスを流通させるための複数本の打抜かれた蛇行状あるいは直線状の溝を有する流路板２枚で、平板状の被覆金属板を挟むことで一組のセパレータを構成する。２枚の流路板のうち一方は貫通溝部の一部分が被覆金属板のマニホールドと重なるように構成し、もう一方は被覆金属板と重ね合わせたときに貫通溝部が被覆金属板の外側まで存在するようにする。この構造のセパレータは、セパレータを全て打抜き工程により形成することができるので、コストの低減と、充分な接触面積の確保が可能となる。セパレータの寿命に関して各種の腐食試験を行った結果、金属が腐食する部位は電流が通過する部分で顕著に観察されることが明らかになり、そのため、本実施態様では基板金属である導電性平板の表面に腐食等を抑える被覆層を設けた。この手段によりセパレータの寿命を大幅に延ばすことが可能になった。

また、２枚の流路板のうち、一方の流路板の貫通溝部を被覆金属板よりも部分的に大きくしたことにより、セパレータを電解質膜等の他部材に積層して電池とした際には、フィンとなる凹凸状の部位が形成される。凹と凸の隣接面には反応流体の出入口が形成されているため、反応流体が凹凸のフィンを通過する。伝熱面積が増大したことと、反応流体自身が冷却媒体となることにより、冷却効果と電池構造の簡素化が実現する。

本発明のセパレータにおいて、貫通溝部に反応流体として燃料が供給される流路板は、貫通溝部を蛇行状に形成して一部分が導電性平板のマニホールドと重なるようにすることが望ましい。また、貫通溝部に酸化剤となる流体が供給される流路板は、貫通溝部を直線状に形成するとともに、この流路板を導電性平板に重ねたときに、直線状の貫通溝部の一部分が導電性平板の外側まで延びるように長い貫通溝部を形成することが望ましい。

図１は本発明の基本的なセパレータの構成を示す。本実施例のセパレータ１は、被覆金属板３と導電性の流路板２Ａ，２Ｂから構成される。被覆金属板３は平板状の金属基板の表面に防食のための被覆層を形成したもので構成されている。被覆金属板３には、反応流体を隣接するセルに通気するための複数のマニホールド３０１が形成されている。流路板２Ｂには貫通した蛇行状の溝２０２Ｂが複数本設けられ、かつ、マニホールド２０１Ｂが必要に応じて複数個、形成されている。もう一方の流路板２Ａには貫通した直線状の貫通溝部２０２Ａが複数個設けられ、マニホールド２０１Ａが必要に応じて複数個、形成されている。被覆金属板３と流路板２Ｂの大きさは同じか或いはほぼ同じであるが、流路板２Ａの大きさは、それらよりも大きい。図１中の破線４０は被覆金属板３と流路板２Ｂの外形を流路板２Ａに投影した投影線を示しているが、この投影線の外側にはみ出た分だけ流路板２Ａは大きい。このはみ出た部分に貫通溝部２０２Ａの端部が来るように、貫通溝部２０２Ａは細く長い溝にする。

図２は被覆金属板３を挟み込むように流路板２Ａ，２Ｂを上下に重ね合わせたもので、流路板２Ａの上面から見た場合を（ａ）に示し、I−I断面図を（ｂ）に示し、II−II断面図を（ｃ）に示した。被覆金属板３と流路板２Ａおよび流路板２Ｂは、それぞれのマニホールドが互いに連通するように配置される。このとき、流路板２Ｂの貫通溝部２０２Ｂの一部あるいは全部をマニホールド３０１と重なるようにする。

反応ガスＡおよび反応ガスＢは例えば図１で例示したように流れる。反応ガスＢはマニホールド２０１Ｂ、マニホールド３０１を経てマニホールド２０１Ａに到達する。マニホールド２０１Ｂでは、流路板２Ｂに貫通した貫通溝部２０２Ｂが形成されているので、一部の反応ガスＢはセパレータ１の面内方向に分岐して進み、残りはそのまま直進する。面内方向に進んだ反応ガスは貫通溝部２０２Ｂの経路に沿って進行し、反対側のマニホールドに到達して、直進してきた流れと合流する。

これに対し反応ガスＡは図１および図２（ｃ）で示したように、貫通溝部２０２Ａが被覆金属板３および流路板２Ｂより大きいため、すき間が生じており、このすき間を介して流入、排出する。したがって、反応ガスＡは電池の外部から出入することになる。この際、反応ガスＡは外側にはみ出た流路板２Ａを接するように流れるため、このはみ出た部位が放熱板として作用し、電池の冷却効果も向上する。

この他、マニホールド３０１の大きさを、マニホールド３０１と重なる部位における流路板２Ｂの貫通溝部２０２Ｂよりも大きくしてあり、これにより反応ガスが抵抗少なくマニホールドを通過できるような構造となり、反応ガス流れの圧力損失を低減させ、電池の効率が向上させることが可能である。

以上により、流路板２Ａ，２Ｂはいずれも一枚の板で流路部を形成することが可能となる。また、被覆金属板３および流路板２Ａ，２Ｂはいずれも打抜き加工により製作が可能であるため、加工コストを抑えることが可能となる。また、放熱特性も向上させることが可能となる。

図３は被覆金属板３の断面を示す。図３（ａ）は金属基板３０４の表面全面に被覆層３０３を設けた場合を示す。被覆層３０３を設けることにより、金属基板３０４の腐食や不働態皮膜の成長を抑制する効果が得られる。以上の手段により低コストで長寿命のセパレータが得られる。別途行った幾つかの基本的な発電試験により、金属セパレータが腐食される部位は主に電流が流れる領域であることが分かった。つまり、金属セパレータは図３（ａ）に示す貫通溝部２０２Ａ，２０２Ｂと接触する界面が主として腐食される。その他の部位の腐食は殆ど見られなかったことから、図３（ｂ）に示すように被覆層３０３は貫通溝部２０２Ａ，２０２Ｂと接触する部位だけに設けてもよい。

次に、前記のセパレータを用いて２セルの燃料電池とした例を図４に示す。図４に示したセパレータ１Ａは図１に示したセパレータと同じである。セパレータ１Ｂおよびセパレータ１Ｃはエンドプレート１０の側にあるため、一方の反応ガスを流通させる流路板２Ａあるいは２Ｂが不要となる。そのため、セパレータ１Ｂおよび１Ｃはそれぞれ、金属被覆板３と流路板２Ｂ、あるいは金属被覆板３と流路板２Ａとで構成されている。

一体化ＭＥＡ５はＭＥＡとガス拡散層、およびガス拡散層の外周側のシール材（ガスケット）とを接合して一体化したものである。セパレータ１Ａとセパレータ１Ｂ、および、セパレータ１Ａとセパレータ１Ｃとの組合せで一体化ＭＥＡ５を挟持し、一つの発電セルすなわち発電ユニットとしている。これら二つの発電用セルの両側には集電板８と絶縁板９およびエンドプレート１０が、集電板８、絶縁板９、エンドプレート１０の順で積層され、締め付けボルト等で締め付けられている。以上により２セルの燃料電池が完成する。

本実施例および以下で述べる実施例で用いた一体化ＭＥＡ５の断面を図１３に示す。電解質膜と電極を一体化した構造のＭＥＡ５０２の両面にガス拡散層７が配置され、ガス拡散層７の外周部にマニホールド５０１を覆うようにガスケット５０３が接合されている。これにより、従来はＭＥＡ５０２、ガスケット５０３、ガス拡散層７が別の部品であったものを一体化して、燃料電池の組み立て作業性を向上できるようになった。なお、本発明の実施例では一体化ＭＥＡ５を例として用いているが、従来と同じようにそれぞれの部材が分かれていても、問題なく使用できる。

本実施例のセパレータにおいては、貫通溝部が矩形であるため、セパレータ内部の構成物間の接触抵抗のみならず、セパレータとガス拡散層との接触抵抗を増加することが無い。従来の金属薄板をプレスで成型したセパレータの場合には、図１２に示したように、電流を通すための頂点部が曲率を有することが多く、その結果、ガス拡散層７との接触面積が小さくなったが、本発明ではガス拡散層７と貫通溝部２０２Ａ、２０２Ｂの接触面積を大きくできるため、接触抵抗を小さくできる利点がある。

流路板２Ａ，２Ｂを多孔質体にした場合について図５を用いて説明する。流路板２Ａ，２Ｂが多孔質体であると、流路板を介して電極へのガス供給量が増大するため、発電電圧や拡散限界電流を向上させる効果がある。図５は多孔質体の流路板２Ａ，２Ｂを用いたセパレータ１を示す図である。流路板２Ａ，２Ｂは多孔質体であるため、反応ガスは多孔質体を自由に移動できる。そのため、実施例１で述べたような一枚の流路板２を用いることができない。

本実施例では流路板２Ｂの周囲にガスケット４Ｂを配置し、また、流路板２Ａのマニホールド２０１Ａの周囲にシール部２０５Ａを設けている。これにより、アノードからカソード、カソードからアノードへの反応ガスのクロスリークおよび冷却セルと発電セル間のリーク、および燃料電池本体の外部へのリークを抑えることが可能になる。流路板２Ａは多孔質体であるので、シール部２０５Ａの形成に当たっては、液状の樹脂や弾性体を含む流体をディスペンスやスクリーン印刷などの手段を用いて圧入した後、所定の方法で固化することが望ましい。

図５に示した被覆金属板３の両面に流路板２Ａ，２Ｂを配置する。被覆金属板３は金属基板の表面に導電性と防食性を有する被覆層が設けられており、反応ガスを連通させるためのマニホールド３０１が形成されている。実施例１で述べた流路板と同じように、流路板２Ａ，２Ｂには反応ガスを流通させるための複数個の貫通溝部が形成されている。流路板２Ｂは貫通溝部の一部が被覆金属板３のマニホールド３０１と重なるように形成される。さらに、流路板２Ｂと重ならないように切り抜かれたガスケット４Ｂを流路板２Ｂの周囲に配置して、１組のセパレータ１ができる。

図６は被覆金属板３を挟み込むように流路板２Ａ，２Ｂを上下に重ね合わせ、さらにマニホールド４０１Ｂを有するガスケット４Ｂを設けたものであり、上面から見た場合を図６（ａ）に示し、I−I断面図を図６（ｂ）に示す。本図は理解しやすいように図５で示した流路板２Ａ，２Ｂの上下の位置関係を反転して示してある。被覆金属板３は図３で示した構成と同じである。このセパレータ１を用いて、図４で示した燃料電池を組み立てることができる。

被覆金属板３にスリットを設けた場合について図７〜９を用いて説明する。図７はスリット３１０を設けた被覆金属板３を具備したセパレータ１を示す。セパレータの基本構成は、被覆金属板に違いがある点を除いて実施例１で説明したものと同じである。被覆金属板３に設けるスリット３１０の位置は、流路板２Ａと流路板２Ｂを重ね合わせたときに、電極相当面の貫通溝部２０２Ａ，２０２Ｂが互いに重なる部位とする。その様子を図８に示した。

２枚の流路板２Ａと流路板２Ｂを互いに重ね合わせた図を右上に、スリット３１０を設けた被覆金属板３の図を左下に示す。図８は説明の便宜上の図であって、実際の位置関係は図７に準拠する。図の右上に示した２つの流路板は、実線で示したのが流路板２Ａ、ハッチングで示したのが流路板２Ｂであり、流路板２Ａと２Ｂが、貫通溝部が形成されていない部位で重なっている部位を濃いハッチングで示した。被覆金属板３のスリット３１０を設ける部位は、この濃いハッチングに対応する場所である。その対応する部位を数例、破線で示した。ただし、被覆金属板３に設けるスリット３１０の大きさは、これらの部材を積み上げたときに、流路板２Ａ，２Ｂの貫通溝部がスリット３１０に落ち込まないように、濃いハッチングより小さくしている。

図９はその様子の断面を示す。単純に、この状態では電流の流れる面積が非常に小さく、電池電圧の低下に繋がるが、流路板２Ａ，２Ｂの材料として、カーボンシートやカーボンペーパ等の弾性の大きな材料を選ぶと、電池とした際にスリットは押し潰され、貫通溝部２０２Ａ，２０２Ｂとの電気的導通が得られるようになる。図９（ｂ）に、スリット３１０が押しつぶされた様子を拡大して示す。

この効果として、電流が流れる方向に被覆金属板３が存在しないため、必ずしも被覆金属板３に腐食防止のための被覆層３０１を設ける必要が無くなる。被覆金属板３の材料としてアルミニウムなどの耐食性に乏しい金属を選び、また、流路板の材料としてカーボンを選んだ場合には、実施例１あるいは実施例２のようなセパレータではアルミニウムに被覆層を設けても長時間の発電で、アルミニウムの酸化物あるいは水酸化物皮膜が成長し、電池抵抗が大きくなり発電性能が劣化する可能性がある。しかし、本実施例では、電流の通り道に被覆金属板３が無いため、アルミニウムが酸化しても電池性能への影響は小さい。

流路板２Ａ，２Ｂが金属などの硬い材料であった場合には、流路板が変形せずに電気的導通が得られないことがある。この場合は、図９（ｃ）に示すようにスリット３１０の部分に導電性塗料等の導電性充填材１１を充填することで導通を得ることができる。

実施例１および実施例２で述べたセパレータ１の被覆金属板３を、本実施例で述べたスリット３１０を有する被覆金属板３に替えることで、同じような燃料電池を構成することが可能である。この他、必ずしも被覆金属板３が金属である必要はない。強度、耐熱性、耐水性等の必要な性質を有するものであれば、樹脂やセラミックスであってもよい。これは、被覆金属板３を挟んで互いに向き合う流路板が直接電気的に接続されるためである。

本発明のセパレータを備えた積層型燃料電池について説明する。図１０は実施例１のセパレータを用いた燃料電池１３の構成図を示す。本実施例の燃料電池１３は固体高分子形燃料電池で、一体化ＭＥＡ５を５枚用いた５セルスタックである。燃料電池１３の両端はエンドプレート１０、絶縁板９、集電板８によって構成されており、それらの間に複数組のセパレータおよび一体型ＭＥＡ５が挟持されている。図中には示していないが、２つのエンドプレート１０を例えばボルトナット等で締結することで、上記の部材を挟持、固定することができる。セパレータは流路板と被覆金属板３との組み合わせにより１Ａ、１Ｂおよび１Ｃの３種類に分かれる。エンドプレート１０に隣接するセパレータ１Ａおよび１Ｃはアノードあるいはカソード反応ガスの一方のみを受け持つため、一方の流路板が存在しない構造となっている。一方、中間に位置するセパレータ１Ｂはアノードとカソードの両方の反応ガスを受け持つため、被覆金属板３を中心として両側に流路板２Ａ，２Ｂを配置した構成となっている。図中ではこれらセパレータは便宜上、分割して示してある。本実施例の燃料電池１３では、流路板２Ａにはカソード反応ガス、流路板２Ｂにはアノードガスが流通される。

燃料電池を発電するための電極の面積は１００ｃｍ^２とし、これに適合するように流路板の外形寸法および貫通溝部寸法を調整した。アノード極およびカソード極側に用いる流路板の貫通溝幅とリブ幅は２ｍｍピッチ、溝深さは０．４ｍｍとした。流路板の板厚はアノード側の流路板２Ｂが０．５ｍｍ、カソード側の流路板２Ａが１．０ｍｍとした。なお、流路板の材質は膨張黒鉛シートとし、マニホールドおよび貫通溝部はトムソン型打抜き機を用いて形成した。セパレータの金属部分の厚さおよび材質はそれぞれ０．１ｍｍ、ステンレス鋼（ＪＩＳ規格ＳＵＳ３０４）とした。ステンレス鋼基板の加工により生じるバリ等は研磨して除去した。ステンレス鋼基板の表面には被覆層を全面に設けた。被覆層は黒鉛とカーボンブラックを混合した導電材にＰＶＤＦ（Ｐｏｌｙ Ｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅ Ｄｉ―Ｆｌｕｏｒｉｄｅ）をバインダ、ＮＭＰ（Ｎ−Ｍｅｔｈｙｌ−２−Ｐｙｒｒｏｌｉｄｏｎｅ）を溶剤とする導電性塗料をディッピングにより塗布し、約１５０℃の温度で３０分、真空乾燥した。導電性塗料の仕上り後の膜厚が２０μｍになるよう溶剤濃度を調整した。ＭＥＡ５は全ての燃料電池で同じ種類を用い、図１３に示すように市販のガス拡散層とガスケットが一体化したタイプを用いた。

発電試験は次の条件で行った。電池温度が７０℃になるように冷却水の温度を制御した。燃料ガス（アノードガス）には純水素を、酸化剤ガス（カソードガス）には空気を用いた。アノードガスは、燃料電池の入口における露点が７０℃になるよう加湿し、エンドプレート１０に設けたアノードガス出入口用のコネクタ１３を介して送気した。また水素利用率は８０％となるようガス流量を制御した。カソードガスの空気は消費電力５Ｗの空気ブロア１２により、燃料電池の外部から本体のカソードガス入口に向けて供給した。このとき、カソードガスが効率良く、燃料電池１３の内部に導入されるように、空気ブロア１２と燃料電池１３のカソードガス入口との間を導入板と接続した。エンドプレート１０側から見たときに、カソードガスが燃料電池に導入される様子を、模式図として図１４に示す。流路板２Ａの貫通溝部２０２Ａは被覆金属板３や流路板２Ｂの外形より大きくなっているため、隣接する被覆金属板３との間に開口部が形成される。カソードガスは、この開口部を介して燃料電池本体に供給される。

燃料電池の性能は各電流密度における平均セル電圧を５０ｈ発電後に測定して評価した。その際、集電板８に設けた熱電対により燃料電池１３の温度も測定した。測定時の雰囲気温度は約３０℃である。その結果、電流密度０．２５Ａ／ｃｍ^２において、平均セル電圧７３０ｍＶ、温度４０℃を示し、電流密度が０．７５Ａ／ｃｍ^２では平均セル電圧６１０ｍＶ、温度６０℃を示した。このように、通常の燃料電池に必要な冷却セルを用いずとも、発電が可能で、かつ、全てのセパレータ部材が打抜き構造のみにより成型可能であることから、低コスト化の効果も大きい。

これに対し、セパレータに図１２に示したようなプレス金属セパレータを用いて、本実施例の燃料電池１３と同様の構成を有する燃料電池を組み立て、電池性能を測定したところ、電流密度０．２５Ａ／ｃｍ^２における平均セル電圧は７１０ｍＶであった。これはプレス金属セパレータの頭頂部が図１２のように曲率を有しており、その結果、一体化ＭＥＡ５との接触面積が減少し、抵抗が増大したことに起因する。本発明によるセパレータは打抜き加工により造られるため、一体化ＭＥＡ５と接する面が平坦となり、結果、接触抵抗が小さく、セル電圧が高くなる。

本実施例で用いた被覆金属板３の被覆層は導電性塗料としたが、どのような手段であっても同じ効果が得られるわけではない。金属基板３０４の材質に応じて様々なＰＶＤ法、めっき、あるいは化成処理などの被覆層３０３を付与できる手段があるが、高い導電性と効果的な防食性を有する手段は限られる。防食性能を評価するために３０℃、０．０５Ｍの硫酸水溶液中で分極曲線を測定した結果、最も効果が高い被覆層３０３は導電性塗料を塗布して形成した被覆層であった。

その他の手段による被覆層３０３ではピンホールやクラックが発生する可能性があり、ピンホールの無い健全な被覆層を形成しないと、十分な防食効果が得られないおそれがある。導電性塗料の中でも、バインダとしてフッ素系、フェノール系、エポキシ系、スチレン系、ブタジエン系、ポリカーボネイト系、ポリフェニレンスルフィド系、これらの混合体あるいは共重合体から選んだものが優れた防食効果を発揮し、中でもフッ素系のＰＶＤＦが最も顕著な防食効果を示した。

導電材も適切な材料を選ぶ必要がある。タングステンカーバイドなどのセラミックスを導電材とした塗料は発電中に被覆層３０３が酸化され、タングステン酸に変化するなど、電池への悪影響が懸念される。これに対し、黒鉛などのカーボン材料を導電材とした塗料では電気化学的に安定で、燃料電池環境中でも充分な耐性を有していた。さらにカーボンブラックを黒鉛と混合したものは電気伝導性をより高める効果があった。

この他、非常用電源など、長期にわたる寿命が必要なく、一時的な使用に限られる場合は、被覆層３０３を形成せずとも直接、流路板２Ａ，２Ｂと金属基板３０４とを接する方式でもよい。

本実施例では被覆金属板３の金属基板３０４としてステンレス鋼を用いたが、ステンレス鋼に限られるわけではなく、ある程度の耐食性を有する材料であれば良い。各種金属材料について３０℃、０．０５Ｍの硫酸あるいは０．０５Ｍの硫酸ナトリウム水溶液中での分極曲線および浸漬試験による腐食量を測定した結果、ステンレス鋼の他にニッケル、ニッケル基合金、チタン、チタン基合金、ニオブ、ニオブ基合金、タンタル、タンタル基合金、タングステン、タングステン基合金、ジルコニウム、ジルコニウム基合金が特に優れた耐食性を示した。これらの金属の多くは腐食しても腐食生成物の放出が少なく、電解質や電極へ及ぼす影響の度合いが非常に小さい。よって、金属基板３０４はこれらの金属で構成されることが好ましい。ただし、必ずしも金属基板３０４が単体である必要は無く、少なくとも表面が上記金属であればよい。例えばクラッドなどの手段で、ごく表面層にこれら金属を形成した基板を用いることもできる。

一方、アルミニウムやアルミニウム合金は硫酸中で腐食するものの、中性溶液中では耐食的であった。このため、スリット３１０を設けた被覆金属板３を用いた燃料電池では、被覆金属板３にアルミニウムを用いてもアルミニウムを通過する電流が小さいため、腐食量が少なかった。これは、電流の流れるパスにアルミニウムが存在しないためで、アルミニウムが腐食しても電池の抵抗が上昇しないことによる。また、アルミニウムは燃料電池環境で、アルマイトに似た皮膜が成長し、腐食を抑えることも一因と考えられる。たとえアルミニウムの腐食生成物が金属基板から放出されても、電極や電解質膜へ及ぼす影響は小さく、この点からアルミニウムも有効な金属である。鉄や低合金鋼、銅では燃料電池環境下で安定な不働態皮膜を形成できず不適であった。

以上述べた実施例１から実施例４では、特に被覆金属板３と流路板は接着などの手段を用いずに燃料電池を構成することが可能である。しかし、各部材の加工精度や組み立て精度が不充分な場合、反応ガスが互いに逆の極にクロスオーバすることがある。特に、被覆金属板３にスリット３１０を設けたセパレータでは、流路板の位置がスリットからずれると、すき間が生じ、反応ガスのクロスリークが生じることがある。

これを防ぐ手段として、予め被覆金属板３と流路板とを互いに接着することが好ましい。この結果として、組み立て時の部品点数も少なくなり、燃料電池を組み立てる際の工程が簡素化できる効果も併せて有する。被覆金属板３と流路板との接着では導電性接着剤や導電性塗料を用いることができる。被覆金属板３に接着する流路板の片面にスプレー、スクリーン印刷、ロールコータ等の汎用的な塗布手段で導電性接着剤や導電性塗料を塗布する。流路板の塗布した面を被覆金属板３に貼り付け、所定の押付圧力、乾燥条件で乾燥すると、セパレータが完成する。

スリット３１０を有する被覆金属板３と流路板２Ａ，２Ｂを、導電性接着剤１２０を用いて接着したときの断面構造は図１１（ａ）に示すとおりである。ただし、この図では導電性接着剤は省略されている。図１１（ｂ）はスリット３１０が押しつぶされている状態での拡大図を示す。導電性接着剤１２０は被覆金属板３と流路板を接合して一体化させる他、被覆金属板３と流路板の界面に存在する隙間を充填するため、シール性が増し、反応ガスのクロスリークが抑えられる。また、スリット３１０のない被覆金属板３を用いたセパレータの場合には、導電性接着剤は流路板２を固定する効果がある。このとき、先に述べた樹脂バインダと炭素導電材からなる導電性接着剤を用いると防食性も得られるので、より効果的である。この際、被覆金属板３に被覆層３０３を形成せず、直接、金属基板３０４に流路板２を接着することもできる。

本実施例で例示した燃料電池１３は最も単純な構造の例である。変形例として、カソードガスを燃料電池１３本体内に効率良く供給するために、空気ブロア１２と燃料電池１３本体との間に仕切り板を設けてもよい。また、カソードガスが抜け出る側に、反応により生成する水を回収する水受けを設け、この水をアノードガスの加湿に用いてもよい。流路板２Ａは被覆金属板３および流路板２Ｂの外形よりも大きく、この大きくなっている部分が冷却フィンとしての役割をもつが、カソードガス自体が冷却媒体として充分に作用する、あるいはカソードにおける生成水の蒸発潜熱により冷却できる場合には、燃料電池の組み立て後に流路板２Ａのフィンの部分を除去して、被覆金属板３や流路板２Ｂと同形の外形にしてもよい。

また、以上の実施例では固体高分子形燃料電池について示したが、この他にアノード側の反応流体としてメタノールやジメチルエーテルなどを用いる液体燃料電池にも適用可能である。

本発明は、セパレータの構成を簡素化し、組み立てを容易にするものであり、燃料電池の普及に貢献する。

本発明の基本的なセパレータの構成を示す展開斜視図である。 （ａ）は図１における被覆金属板とその両面に流路板を重ね合わせたときのセパレータの平面図であり、（ｂ）および（ｃ）はその断面図である。 （ａ）はセパレータの一例としての被覆金属板の断面図であり、（ｂ）は被覆金属板の他の例を示す断面図である。 本発明によるセパレータを用いた燃料電池の構成を示す展開斜視図。 多孔質体の流路板を用いたセパレータの展開斜視図。 （ａ）は被覆金属板の両面に流路板を重ね合わせたセパレータの平面図であり、（ｂ）はその断面図である。 スリットを設けた被覆金属板を有するセパレータの展開斜視図。 被覆金属板のスリットと流路板との位置関係を示す斜視図。 （ａ）はスリットを有するセパレータの断面図、（ｂ）はスリットが押しつぶされた状態での拡大断面図、（ｃ）はスリットに充填材を充填した場合の拡大断面図である。 積層型燃料電池の積層順序を示す展開図。 （ａ）は被覆金属板に流路板を導電性塗料で接着したときのセパレータの断面図であり、（ｂ）は一部を拡大して示した拡大断面図である。 従来のプレス金属セパレータの断面を模式的に示した斜視図である。 一体化ＭＥＡの断面図である。 カソードガスが燃料電池本体内に供給される様子を模式的に示した図である。

符号の説明

１…セパレータ、２Ａ…流路板、２Ｂ…流路板、３…被覆金属板、４Ｂ…ガスケット、５…一体化ＭＥＡ、７…ガス拡散層、８…集電板、９…絶縁板、１０…エンドプレート、１１…充填材、１２…空気ブロア、１３…燃料電池、１２０…導電性接着剤、２０１Ａ…マニホールド、２０１Ｂ…マニホールド、２０２Ａ…貫通溝部、２０２Ｂ…貫通溝部、２０５Ａ…シール部、３０１…マニホールド、３０３…被覆層、３０４…金属基板、３１０…スリット。

Claims (15)

1. 導電性平板と、該導電性平板を挟んで重ね合わせた２枚の導電性流路板とを有し、前記導電性平板と２枚の導電性流路板とを挟んで重ね合わせたときに、導電性平板と２枚の導電性流路板の対応する複数位置に反応流体を隣接するセルに通気するための複数のマニホールドが形成され、前記２枚の導電性流路板には前記反応流体を流通させるための貫通溝部が形成され、前記２枚の導電性流路板のうち、いずれか一方は貫通溝部の一部分が前記導電性平板の複数のマニホールドと重なるように配置され、もう一方は前記導電性平板の外周よりも外側にはみ出した部位を有し、前記導電性平板と接する領域から前記はみ出した部位にかけて貫通溝部が形成されていることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
2. 前記導電性平板が金属製であって、前記導電性平板の表面の全部あるいは少なくとも前記貫通溝部と接する部位に前記導電性平板を防食し、あるいは不働態皮膜の成長を抑える被覆層を有す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。
3. 前記２枚の導電性流路板のうち、前記反応流体としてカソードガスを通す貫通溝部が形成された流路板は、前記貫通溝部が前記導電性平板の外形よりも長く形成されてい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。
4. 前記２枚の導電性流路板のうち、前記反応流体として燃料が流通する貫通溝部が形成された流路板は、前記貫通溝部の一部分が前記導電性平板のマニホールドと重なってい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。
5. 前記２枚の導電性流路板が、いずれも多孔質体により構成されるとともに、前記一方の導電性流路板の周囲にガスケットを配し、前記他方の導電性流路板のマニホールド部分をシールす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。
6. 前記反応流体として燃料が流通する貫通溝部が形成された流路板を囲うようにガスケットが設けられてい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。
7. 前記反応流体としてカソードガスが流通する貫通溝部を有する流路板のマニホールドにシール部が設けられていることを特徴とする請求項６記載の燃料電池用セパレータ。
8. 前記ガスケットが設けられている側の前記導電性流路板は前記導電性平板の外形よりも小さく、前記ガスケットと組み合わせたときの大きさが前記導電性平板の外形と同じか或いはほぼ同じであることを特徴とする請求項６記載の燃料電池用セパレータ。
9. 前記導電性平板の一部にスリットを有し、そのスリットの位置が、前記導電性平板の両側に前記２枚の導電性流路板を重ね合わせたときに、一方の導電性流路板の貫通溝部が形成されていない部位と他方の導電性流路板の貫通溝部が形成されていない部位とが重なり合う部位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。
10. 前記導電性平板の表面の全部あるいは少なくとも前記貫通溝部と接する部位の表面がステンレス鋼、ニッケル、ニッケル基合金、チタン、チタン基合金、ニオブ、ニオブ基合金、タンタル、タンタル基合金、タングステン、タングステン基合金、ジルコニウム、ジルコニウム基合金、アルミニウム、及びアルミニウム合金から選ばれた金属で構成されてい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。
11. 前記導電性平板の表面の全部あるいは少なくとも前記貫通溝部と接する部位の表面にフッ素系、フェノール系、エポキシ系、スチレン系、ブタジエン系、ポリカーボネイト系、ポリフェニレンスルフィド系、これらの混合体あるいは共重合体から選ばれる樹脂バインダと、１種類以上の炭素を含む導電材とからなる被覆層を有することを特徴とする請求項２記載の燃料電池用セパレータ。
12. 前記被覆層を有する導電性平板と前記２枚の導電性流路板のうち少なくとも一方とが一体化されていることを特徴とする請求項２記載の燃料電池用セパレータ。
13. 請求項１に記載のセパレータを備えたことを特徴とする燃料電池。
14. 電解質膜と電極を一体化した電解質膜電極一体化構造物と、その両面に配置された一対のガス拡散層と、その外側に配置された一対のセパレータとを具備する発電ユニットを積層した燃料電池スタックと、その外側に配置された集電板およびその外側に配置された端板を備えた燃料電池において、複数の前記発電ユニットの間に配置されるセパレータが、導電性平板と、該導電性平板を挟んで重ね合わせた２枚の導電性流路板とから構成され、前記導電性平板と２枚の導電性流路板とを挟んで重ね合わせたときに、導電性平板と２枚の導電性流路板の対応する複数位置に反応流体を隣接するセルに通気するための複数のマニホールドが形成され、前記２枚の導電性流路板には前記反応流体を流通させるための貫通溝部が形成され、前記２枚の導電性流路板のうち、いずれか一方は貫通溝部が前記導電性平板の複数のマニホールドと一部分で重なるように配置され、もう一方は前記導電性平板の外周よりも外側にはみ出した部位を有し、前記導電性平板と接する領域から前記はみ出した部位にかけて貫通溝部が形成されていることを特徴とする燃料電池。
15. 前記電解質膜電極一体化構造物と前記ガス拡散層とが一体化されていることを特徴とする請求項１４記載の燃料電池。

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