JPH03289057A - 燃料電池セパレータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は燃料電池の集電セパレータに係り、特に、メタ
ノール燃料電池に好適な集電セパレータに関する。

〔従来の技術〕

従来の燃料電池のセパレータは特開平１−１４６２６３
号及び同率１−１７３５７６号公報に記載のように導電
材で厚みが４〜６ｍのプレート状のものであって、セパ
レータの表裏面には、それぞれ、溝流路が設けてあり、
その−例を示すと、第１６図は空気極触媒が位置する側
の平面図、第１７図はメタノール極触媒が位置する側の
平面図であり、１は液供給孔、２は液排出孔、３−１は
空気溝、３−２は液溝、４−１は空気溝山、４−２は液
溝山、４−３は液溝、５は空気取入溝、６は空気排出溝
、７はシール溝、８は浮島状の突起、９はプレート、９
−１．９−２はプレート受け、１０はセパレータを意味
する。空気溝３−１及び液溝３−２の巾は３〜６ｍ、深
さ１〜２■、４−１及び４−２の溝山中は２〜６■の溝
流路が多数本設けてあって、これが主縦溝流路となって
おり、溝山は適宜な間隔で切欠きがしであるセパレータ
となっていた。

次に、メタノール燃料電池の構成を説明する。

第１８図は積層電池の構成を示した斜視図であり、１０
はセパレータ、１２はイオン交換膜、１３は空気極、１
４はメタノール極、１５は空気、１６はアノライト（１
，５ＭＨ２ＳＯ４＋１．０〜１．５Ｍ　ＣＨ３０Ｈ＋Ｈ
２０組成）を意味する。電解質を含んだイオン交換膜１
２を空気極１３とメタノール極１４の両電極で挟み、そ
の両件側を空気及びアノライトの通る、かつ、シール材
が嵌合しであるセパレータを位置させ、これを密着させ
ると単位電池を構成する。

第１９図は電池の発電原理を示したものである。

イオン交換膜を挟んだ空気極触媒及びメタノール極触媒
へそれぞれ空気及びアノライトを供給すると、メタノー
ル極側では電気化学変化によりアノライト中のメタノー
ルはＣＯ２とＨ＋とになる。

方の空気極側では移動してきたＨ＋と空気中の０２とが
結合し、Ｈ２０が生成される。この時、電圧が発生し、
外部を導線で継ぐと電気が取り出せる。

アノライト温度は通常６０℃に昇温しで用いるが、空気
極側には、生成水、供給空気中の水分及びメタノール極
側からイオン交換膜を浸透してくる液が集まる。これら
が、空気溝で凝縮し、時間の経過と共に付着増大し、溝
路を閉塞するようになる。

第２０図（ａ）、第２０図（ｂ）はセパレータの空気溝
路に凝縮水が付着し溝路を閉塞している平面図及び断面
図である。

第２１図は空気流路の状態と電池性能の関係をグラフに
示したものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

・上記従来の燃料電池セパレータは凝縮水による空気溝
路の閉塞防止についてはあまり考慮がされてはおらず、
積層中にこのように空気溝路が閉塞すると、電池性能が
極端に低下するか、負側に転極し、転極状態で運転して
いると閉塞が解除されても回復しなくなる。また、この
ような単位電池が積層中に介在すると各単位電池は直列
接続であるから、発電性能の悪い電池となる問題があっ
た。

本発明の目的はセパレータの空気溝路の凝縮水による閉
塞をなくすことにより、触媒電極性能を充分に発揮させ
る燃料電池セパレータを提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、燃料電池セパレータに関する発明であって、
電解質イオン交換膜を、燃料物質を電気化学的に酸化す
る燃料極、及び酸化剤を電気化学的に還元する酸化剤極
の両電極で挟み、その外側・に導電体で両極へ燃料及び
酸化剤を供給する流路を有し、かつ、両極による発生電
気を集電するセパレータを密着積層する燃料電池のセパ
レータにおいて、空気溝流路が凝縮水付着による閉塞し
ない形状寸法としたことを特徴とする。

すなわち、電池の構成部材である触媒電極及びイオン交
換膜は硫酸を含浸して使用する。がっ、アノライトは硫
酸混合液であるのでこれらと接触する凝縮水は硫酸が含
まれるようになる。このため、凝縮水は粘性をもつよう
になり、付着力が強く落下しないでいて、次にくる凝縮
水と合体して大きくなり溝流路を閉塞する。このことか
ら、凝縮水の付着力とその自重による落下の関係の実験
を行ない、凝縮水による閉塞のない空気溝路の最小寸法
形状を検討した。その結果空気溝路の最小寸法は巾１１
〜１２閣、深さ３．５〜４ｍｎである。

この寸法は液が自重により落下する寸法であり、これに
、空気の流れによる風力が働く場合は多少落下しやすく
１寸法は／ｈさくなる。しかし、供給空気量には最適風
量があって多量に流すことは性能を低下させるのででき
ない。この最適空気流量を流したときの溝路の最小寸法
は巾１０〜１１、深さ３〜３　、５　ａｎである。（巾
を３〜３．５、深さを１０〜ｌ１ｍｎとしても可） この寸法形状を基本としてセパレータの空気溝路寸法形
状を構成することがのぞましい。また。

溝路全部がこの寸法形状でなく、閉塞しやすい上部位の
溝路をこの寸法形状とすることができる。

また、溝路を千鳥足配列に構成してもよい。

本発明のセパレータを用いた電池の積層は従来のセパレ
ータを用いたと同様の方法で行える。イオン交換膜を挟
んだ触媒電極の外側にセパレータを位置させ積層する。

イオン交換膜とセパレータによって形成する流路溝室の
気密はセパレータとイオン交換膜のシール部に粘着パテ
若しくはガスケットを用いて締付けることで達成される
のも従来のものと同じであって、シール方法は変らない
。

〔作用〕

本発明の燃料電池セパレータは空気溝路において凝縮水
の自重及び風力による落下刃が表面張力と粘性からの付
着力を、常に、うわまわるようにしであるので、閉塞が
すぐ破れ、閉塞することがない。

〔実施例〕

本発明を実施例により説明する。

〈実施例１〉 第１図に本発明セパレータの一実施例を示す。

すなわち、メタノール燃料電池セパレータの一実施例の
空気極側の平面図、第２図はそのメタノール極側の平面
図、第８図はそのＡ−Ａ断面図、第１１図はそのＤ−Ｄ
断面図、第１２＠はそのＹ−Ｙ断面図、第１３図（ａ）
、第１３図（ｂ）はカバープレートの平面図とその断面
図である。１は液供給孔、２は液排出孔、３−１は空気
溝、３−２は液溝、４−１は空気溝山、４−２は液溝用
、５は空気入口部溝、６は空気排出部溝、７はシール溝
、８は浮島状の突起、９はプレート、９−１゜９−２は
プレート受けを意味する。

セパレータの空気極側は上部に空気入口部溝５、下部に
排出部溝６があり、この溝の溝山が９−１のプレート受
けとなっている。これに第１３図（ａ）、（ｂ）に示す
プレートがのり溝がカバーされる。プレートを受けた面
の厚みはセパレータ厚みと同一になるように形成しであ
る。また、プレートにはシール溝７が切っである。

メタノール極側は、液供給孔１．液排出孔２が各二個設
けてあって、この孔の端から３−３液溝が浮島状の突起
８のある部位へ切られている。千木余りの液溝３−２の
上部及び下部に位置する突起の高さは溝山と同一高さに
なっている。３〜３液溝の溝山は９−２プレート受け（
２）であって、第１３図（ａ）、（ｂ）に示した９プレ
ートでカバーされる。プレートを受けた面の厚みはセパ
レータの厚みと同一になるように形成しである。

〈実施例２〉 第３図は本発明のセパレータの空気極側の平面図、第８
図はそのＡ−Ａ断面図、第１１図はそのＤ−Ｄ断面図、
第１２図はそのＹ−Ｙ断面図であり、１，２．３−１．
４−１．５，６，７．９−１は前述のとおり、４−３は
切欠きを意味する。

メタノール極側は図示していないが実施例１の第２図と
同一形状をしている。

〈実施例３〉 第４図は本発明のセパレータの空気極側の平面図、第８
図はそのＡ−Ａ断面図、第１０図はそのＣ−Ｃ断面図、
第１１図はそのＤ−Ｄ断面図、第１２図はそのＹ−Ｙ断
面図であり、符号は前述のとおり、溝山４−１を千鳥足
状に配置して空気溝３−１を形成しである。

メタノール極側は実施例１の第２図と同一形状をしてい
る。

〈実施例４〉 第５図は本発明のセパレータの空気極側の平面図、第８
図はそのＡ−Ａ断面図、第１０図はそのＣ−Ｃ断面図、
第１１図はそのＤ−Ｄ断面図、第１２図はそのＹ−Ｙ断
面図であり、符号は前述のとおり、千鳥足状の溝山４−
１をセパレータ上半分に配置し、下位部は実施例２の第
３図と同一形状にある。

メタノール極側は第２図と同一形状をしている。

〈実施例５〉 第６図は本発明のセパレータの空気極側の平面図、第８
図はそのＡ−Ａ断面図、第９図はそのＢ−Ｂ断面図、第
１１図はそのＤ−Ｄ断面図、第１２図はそのＹ−Ｙ断面
図であり、符号は前述のとおり、セパレータの上半分を
メタノール極側と同一の溝巾にし下半分は第３図の形状
にしである。

〈実施例６〉 第７図は本発明のセパレータの空気極側の平面図、第８
図はそのＡ−Ａ断面図、第９図はそのＢ−Ｂ断面図、第
１０図はそのＣ−Ｃ断面図、第１１図はそのＤ−Ｄ断面
図、第１２図はそのＹ−Ｙ断面図であり、符号は前述の
とおり、セパレータの上半分をメタノール極側と同一の
溝巾にしてあり、下半分は千鳥足状の溝山配列に形成し
である。

第１４図は本発明セパレータで第１図に示した空気極側
平面図で溝にシール材１１を充てんした一例を示し、第
１５図は第２図に示したメタノール極側平面図で溝にシ
ール材１１を充てんした一例を示し、同一位置にシール
材を充てんしである。

シール材には、粘着性植毛パテ、ゴム紐２発泡ポリエチ
レンのガスケット等を充てんすことでシールができる。

第１図ないし第７図に示した本発明のセパレータを使用
した電池の積層組立は従来のセパレータの電池組立と同
様で、セパレータ、触媒電極、イオン交換膜、触媒電池
、セパレータの繰返し積層組立がとられる。

〔発明の効果〕

本発明のセパレータを用いた電池では、負荷運転におい
て、空気極側の空気供給溝に凝縮水が付着し、付着量が
増し、付着面が大となっても、自重と風力によって落下
し、閉塞が起らない。かつ、閉塞してもすぐに破れる。

従って、触媒電極性能を電池積層において充分に発揮す
ることができ、電池は性能の高い、かつ、安定した運転
が保持できる。また、セパレータは電池重量の半分以上
をしめているので空気溝巾を大とすることは、セパレー
タの重量が低減し電池の軽量化、さらに原料の低減から
原価の低減にもつながる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明メタノール燃料電池セパレータの一実施
例の空気極側の平面図、第２図はそのメタノール極側の
平面図、第３図は本発明メタノール燃料電池セパレータ
の実施例２の空気極側の平面図、第４図は本発明メタノ
ール燃料電池セパレータの実施例３の空気極側の平面図
、第５図は本発明メタノール燃料電池セパレータの実施
例４の空気極側の平面図、第６図は本発明メタノール燃
料電池の実施例５の空気極側の平面図、第７図は本発明
メタノール燃料電池セパレータの実施例６の空気極側の
平面図、第８図は第１図、第３図ないし第７図のＡ−Ａ
断面図、第９図は第６図、第７図のＢ−Ｂ断面図、第１
０図は第４図、第５図。 第７図のＣ−Ｃ断面図、第１１図及び第１２図は第１図
、第３図ないし第７図のＤ−Ｄ及びＹ−Ｙ断面図、第１
３図（ａ）はプレートの平面図、第１３図（ｂ）はその
Ｘ−Ｘ断面図、第１４図及び第１５図は第１図及び第２
図に示したセパレータ・にシール材を充填した平面図、
第１６図は従来のセパレータの一例の空気極側の平面図
、第１７図はそのメタノール極側の平面図、第１８図は
積層電池の構成を示す斜視図、第１９図は発電の原理を
示す説明図、第２０図（ａ）及び第２０図（ｂ）は負荷
運転におけるセパレータの空気極側の状態を示した平面
図及びそのＡ−Ａ断面図、第２１図は状態により出力電
圧を示す線図である。 １・・・液供給孔、２・・・液排出孔、３−１・・・空
気溝。 ３−２・・・液溝、３−３・・・液溝、４−１・・・空
気溝山、４−２・・・液溝山、４−３・・・切欠き、５
・・・空気入口部溝、６・・・空気排出部溝、７・・・
シール溝、８・・・突起、９・・・プレート、９−１・
・・プレート受け、９−２・・・プレート受け、１０・
・・セパレータ、１１・・・シール材、１２・・・イオ
ン交換膜、１３・・・空気電極、１４・・・メタノール
電極、１５・・・空気、１６・・・アノ第 図 第　３ 第４図 ５ ？、′：・パ・図 ２：’＋　　５ 図 １′４ ７１８図 へ；９図 ｉ、＝　ニー；　ｉ％ｊ ）＝−Ｘ ノＩ凶 １′ｉ ４ ε −２ 第 ４、（２） 第 １５ 図 １′１ 閃 第 ６ 図 ／ 第 ８ 国 第２０図 第２０図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、電解質イオン交換膜を、燃料物質を電気化学的に酸
   化する燃料極、及び酸化剤を電気化学的に還元する酸化
   剤極の両電極で挟み、その外側に導電体で両極へ前記燃
   料物質及び前記酸化剤を供給する流路を有し、かつ両極
   による発生電気を集電するセパレータを密着積層する燃
   料電池のセパレータにおいて、 空気の溝路の寸法形状の全部又は一部を巾４〜１２ｍｍ
   、深さ２．５〜４ｍｍ、溝山巾２〜６ｍｍの範囲で形成
   してなることを特徴とする燃料電池セパレータ。 ２、請求項１において、前記空気の導路の溝山に巾２〜
   ６ｍｍ、深さ２．５〜４ｍｍの切欠き溝を縦溝に交叉し
   て設けてなる燃料電池セパレータ。 ３、請求項１において、溝山無し部を設け、かつ、前記
   溝山無し部の上位並びに下位に位置する溝路の溝山で上
   位の溝山は下位の溝路の中間、下位の溝山は上位溝路の
   中間に位置する形状を長手方向に繰返し構成してなる燃
   料電池セパレータ。 ４、請求項３において、前記燃料電池セパレータの下位
   部に位置する前記空気溝路を請求項２の空気溝路と同一
   形状寸法とした燃料電池セパレータ。 ５、請求項１、２または３において、前記空気溝路の上
   位部の溝巾を下位部よりせまくしてなる燃料電池セパレ
   ータ。 ６、請求項１において、前記セパレータをカーボン材の
   射出成形により製造したセパレータ。 ７、請求項１のセパレータをカーボン材の機械加工によ
   り製造したセパレータ。