JP4862256B2 - 平面型の高分子電解質型燃料電池用のセパレータ - Google Patents
平面型の高分子電解質型燃料電池用のセパレータ Download PDFInfo
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Description
これらの燃料電池は、メタン等から生成された水素ガスを燃料とするものであるが、最近では、燃料としてメタノール水溶液をダイレクトに用いるダイレクトメタノール型燃料電池(以下、DMFCとも言う)も知られている。
なかでも、固体高分子膜を2種類の電極で挟み込み、更に、これらの部材をセパレータで挟んだ構成の固体高分子型燃料電池(以下、PEFCとも言う)が注目されている。
PEFCのセパレータとしては、グラファイト板を削り出して溝加工を施したセパレータ、樹脂にカーボンを練り込んだカーボンコンパウンドのモールド製セパレータ、エッチングなどで溝加工を施した金属製セパレータ、金属材料の表面部を耐食性の樹脂で覆ったセパレータ等が知られている。これらのセパレータは、いずれも必要に応じて、燃料ガス供給用溝、及び/または、酸化剤ガス供給用溝が形成されている。
そこで、この燃料供給の不均一性を改善するために、膜電極複合体(MEA)に接しているセパレータの面に対して、垂直方向に多数の貫通孔を形成し、この貫通孔から燃料および酸素を供給する構造のセパレータが考えられている(特許文献1)。
尚、本発明では、燃料電池の燃料供給側セパレータと酸素供給側のセパレータとの間に位置する電極部を含む複合体、例えば、順に、ガス拡散層、触媒層からなる燃料極、高分子電解質膜、触媒層からなる酸素極、ガス拡散層が積層されてなる膜等のような複合体を、膜電極複合体(MEA)と言う。
本発明は、上記のような実情に鑑みてなされたものであり、接触抵抗が極めて小さく、単位セルの有効面積率が高い薄型の高分子電解質型燃料電池を可能とするセパレータを提供することを目的とする。
図1は本発明の平面型の高分子電解質型燃料電池用のセパレータの一実施形態を示す斜視図であり、図2は図1に示されるセパレータを構成する集電部、外側枠体、膜電極複合体(MEA)側枠体を離間させた状態で示す斜視図であり、図3は図1に示されるセパレータのA−A線矢視断面図である。図1〜図3において、本発明のセパレータ1は、集電部2を挟持するように一体化された外側枠体4と膜電極複合体(MEA)側枠体5とを備えている。
このような集電部2(単位導電性基板2A,2B,2C)に使用する導電性の材料としては、電気導電性が良く、所定の強度が得られ、加工性の良いものが好ましく、ステンレス、冷間圧延鋼板、アルミニウム、チタン、銅等が挙げられる。
また、単位導電性基板の表面に金めっき等のめっき処理を施して、導電性を損なうことなく、耐食性金属層を設けてもよい。さらに、このような耐食性金属層上に、耐酸性かつ電気導電性を有する保護層を配設してもよい。
また、単位導電性基板2A,2B,2Cは、その間に空隙部6を介して配置され、外側枠体4と膜電極複合体(MEA)側枠体5とで一体化して挟持されているが、空隙部6は、例えば、エポキシ樹脂、フッ素樹脂等の絶縁性材料が接着剤として充填され存在するものであってもよい。
セパレータ11を構成する集電部12は、上述の集電部2と同様に、長方形状の単位導電性基板12A,12B,12Cが空隙部16を介して平面的に3個配列されたものである。各単位導電性基板12A,12B,12Cは、ドーム状の突出部13を備えており、突出部3には複数の貫通孔12aを有している。ドーム状の突出部13は、後述する膜電極複合体(MEA)側枠体15の開口部15A,15B,15C内に入り込むような範囲でドーム状に突出したものである。
上述の本発明のセパレータは例示であり、これらに限定されるものではない。例えば、本発明のセパレータは、上述の突出部3,13の機能を阻害しない場合には、膜電極複合体(MEA)側枠体5,15の開口部5A,5B,5C,15A,15B,15C内に、集電部2,12の単位導電性基板2A,2B,2C,12A,12B,12Cを被覆するようにガス拡散層や触媒層を備えるものであってもよい。
また、触媒層は、セパレータが燃料供給側セパレータとして使用される場合には燃料極となり、酸素供給側セパレータとして使用される場合には酸素極となる。このような触媒層の材質としては、白金、金、パラジウム、ルテニウム、銅、白金酸化物、タングステン酸化物、鉄、ニッケル、ロジウム等を挙げることができ、これらを単独で、あるいは、2種以上組み合わせて使用することができる。また、触媒層の厚みは、例えば、10〜300μm程度の範囲で適宜設定することができる。
図5は、上述の本発明のセパレータ1を燃料供給側セパレータおよび酸素供給側セパレータとして組み込んだ平面型の高分子電解質型燃料電池の例を示す構成図である。また、図6は、図5に示される平面型の高分子電解質型燃料電池の各部材を離間させた状態を示す図である。
図5および図6において、高分子電解質型燃料電池41は、膜電極複合体(MEA)54が1組の本発明のセパレータ1Aとセパレータ1Bで挟持された電池本体51と、ケース体52を備えている。
これにより、3個の単位セル51A,51B,51Cが平面的に配列されたものとなっている。尚、3個の単位セル51A,51B,51C間の集電部2(単位導電性基板2A,2B,2C)の電気的接続は特に制限されず、例えば、電池本体51の側面において、ワイヤ等の導電性部材を用いて隣接する単位セルの単位導電性基板を電気的に接続することができる。また、集電部2の各単位導電性基板2A,2B,2Cに接続された接続端子部を、セパレータ1(酸素供給側のセパレータ1Aと燃料供給側のセパレータ1B)の外側に突出させておき、この接続端子部を用いて3個の単位セル51A,51B,51C間を接続してもよい。
上記のセパレータ外周枠部材61Aは、集電部2の単位導電性基板2Aを外側枠体4と膜電極複合体(MEA)側枠体5とで挟持した構造であり、また、セパレータ外周枠部材61Bは、集電部2の単位導電性基板2Cを外側枠体4と膜電極複合体(MEA)側枠体5とで挟持した構造である。そして、セパレータ外周枠部材61A,61Bの一端(図示の左側)から、集電部2に接続した電極端子62A,62Bが突出している。
電極端子62A → *
*→ 単位セル51A[セパレータ1Aの単位導電性基板2A → 膜電極複合体
(MEA)54 → セパレータ1Bの単位導電性基板2A] → *
*→ 単位セル51B[セパレータ1Aの単位導電性基板2B → 膜電極複合体
(MEA)54 → セパレータ1Bの単位導電性基板2B] → *
*→ 単位セル51C[セパレータ1Aの単位導電性基板2C → 膜電極複合体
(MEA)54 → セパレータ1Bの単位導電性基板2C] → *
*→ 電極端子62B
また、図7は、上述の本発明のセパレータ1の代わりに、上述の本発明のセパレータ11を燃料供給側セパレータおよび酸素供給側セパレータとして組み込んだ平面型の高分子電解質型燃料電池の例を示す構成図である。また、図8は、図7に示される平面型の高分子電解質型燃料電池の各部材を離間させた状態を示す図である。尚、図7、図8では、セパレータを除く部材は、図5、図6に示す高分子電解質型燃料電池41と共通であり、図5、図6と同様の部材番号を付した。
2,12…集電部
2A,2B,2C,12A,12B,12C…単位導電性基板
2a,12a…貫通孔
3,13…突出部
4,14…外側枠体
4A,4B,4C,14A,14B,14C…開口部
5,15…膜電極複合体(MEA)側枠体
5A,5B,5C,15A,15B,15C…開口部
6,16…空隙部
Claims (2)
- 単位セルを平面的に配列した平面型の高分子電解質型燃料電池用のセパレータにおいて、
複数の貫通孔を有する単位導電性基板が空隙部を介して平面的に2個以上配列された集電部と、
該集電部を挟持するように一体化された電気絶縁性の外側枠体と膜電極複合体(MEA)側枠体とを備え、
前記外側枠体と前記膜電極複合体(MEA)側枠体は、それぞれ前記単位導電性基板の配列位置に対応した開口部を有し、
前記単位導電性基板は、前記膜電極複合体(MEA)側枠体の前記開口部の面積よりも小さい範囲で前記開口部方向にオフセットして突出した形状であり、該突出形状を除く領域は平坦であることを特徴とする平面型の高分子電解質型燃料電池用のセパレータ。 - 前記膜電極複合体(MEA)側枠体および前記外側枠体は、樹脂、樹脂と無機材料との複合体、絶縁性被膜を備えた金属、および、セラミックのいずれかであることを特徴とする請求項1に記載の平面型の高分子電解質型燃料電池用のセパレータ。
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