JP2005276531A - Separator, manufacturing method of separator, and fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電解質膜の一側面に電極を配置した膜電極構造体に電極の一側面に密着するように配置されるセパレータ、このようなセパレータの製造方法、及び、このようなセパレータを有する燃料電池に関する。 The present invention relates to a separator disposed so as to be in close contact with one side surface of an electrode on a membrane electrode structure in which an electrode is disposed on one side surface of an electrolyte membrane, a method for producing such a separator, and a fuel having such a separator. It relates to batteries.
従来、化学反応を利用して発電を行う燃料電池が使用されている。このような燃料電池の一例として、特許文献1の燃料電池がある。この燃料電池では、図7に示されるように、電解質膜114の一側面に燃料側電極116a、他側面に酸化剤側電極116bを配置した膜電極構造体117が用いられている。この膜電極構造体117を燃料側セパレータ118aと酸化剤側セパレータ118bとによって挟持することによりセル体112が形成されている。セパレータ118a,118bは電極116a,116bに密着されている密着面120a,120bを有する。この密着面120a,120bには溝部122a,122bが形成されている。これら電極116a,116bと溝部122a,122bとによって、発電のための活物質を電極116a,116bに供給するための流路124a,124bが形成されている。
Conventionally, a fuel cell that generates power using a chemical reaction has been used. As an example of such a fuel cell, there is a fuel cell of Patent Document 1. In this fuel cell, as shown in FIG. 7, a
燃料側の流路124aを介して燃料側電極116aに水素ガス等の燃料が供給され、酸化剤側の流路124bを介して酸化剤側電極116bに酸素ガス等の酸化剤が供給される。この結果、電解質膜114を介して化学反応が進行して発電が行われ、酸化剤側電極116bでは水等の液体が発生する。なお、燃料として燃料ガスを使用する場合には、電解質膜114を加湿し発電を適切に行うために、燃料ガスを加湿することが行われている。酸化剤も同様の理由で加湿することが行われている。
A fuel such as hydrogen gas is supplied to the
この燃料電池の流路124a,124bを規定するセパレータ118a,118bの内面には、流路124a,124bの長手方向に沿って微少な排水用溝部123が複数形成されている。これら排水用溝部123は、酸化剤側電極116bで発生した液体、及び、燃料ガスから結露した液体等を毛管現象を利用して除去するためのものである。
しかしながら、毛管現象によって効率良く液体を排出することは場合によっては難しく、特に酸化剤側電極116bに高粘度の液体(例えば苛性アルカリ水溶液)が発生する場合等にあっては困難である。このため、酸化剤側電極116bで発生した液体や結露した液体は酸化剤側電極116b近傍に滞留し流路124b内に溜まってしまう。また、燃料ガスから結露した液体が流路124a内に溜まってしまう。この結果、電極116a,116bの一部分が液体によって遮蔽されてしまい、電極116a,116bの実効的な反応面積が減少して発電効率が低下してしまう。
However, it is difficult in some cases to efficiently discharge the liquid by capillary action, particularly when high-viscosity liquid (for example, caustic aqueous solution) is generated in the
ここで、流路124a,124bの流路面積を増大することにより、電極116a,116bの実効的な反応面積を増大させることが可能である。しかしながらこの場合には、電極116a,116bとセパレータ118a,118bとの密着面120a,120bの面積が減少して密着性が低下し、流路124a,124bから燃料、酸化剤が漏れたり、電極116a,116bとセパレータ118a,118bとの間の電気伝導性が低下して集電効率が低下したりする。結局、発電効率は充分に改善されないことになる。
Here, it is possible to increase the effective reaction area of the
本発明は、上記課題に着目してなされたもので、その目的とするところは、燃料電池の発電効率を向上することが可能な燃料電池用セパレータ、このような燃料電池用セパレータの製造方法、及び、このようなセパレータを有する燃料電池を提供することである。 The present invention has been made paying attention to the above-mentioned problems, and the object thereof is a separator for a fuel cell capable of improving the power generation efficiency of the fuel cell, a method for producing such a separator for a fuel cell, And it is providing the fuel cell which has such a separator.
本発明の好ましい一態様は、電解質膜と、電極と、当該電極の一側面に密着する密着面に形成され活物質の流れる溝部を有するセパレータと、からなる燃料電池であって、前記溝部の前記活物質が流れる方向に垂直な断面は、当該断面において、前記密着面に相当する境界辺が、前記溝部の底に相当する底辺より短いことを特徴とする燃料電池である。 A preferred embodiment of the present invention is a fuel cell comprising an electrolyte membrane, an electrode, and a separator having a groove portion formed on a close contact surface that is in close contact with one side surface of the electrode and through which an active material flows. In the cross section perpendicular to the direction in which the active material flows, the fuel cell is characterized in that, in the cross section, the boundary side corresponding to the contact surface is shorter than the bottom side corresponding to the bottom of the groove.
好ましくは、前記境界辺の重力方向における下端から前記底辺の重力方向における下端とまでを結ぶ側辺が、前記境界辺側から前記底辺側に向かって重力方向に下る傾斜部を有することを特徴とする。 Preferably, the side connecting the lower end in the gravitational direction of the boundary side to the lower end in the gravitational direction of the bottom side has an inclined portion that falls in the gravitational direction from the boundary side toward the base side. To do.
好ましくは、前記傾斜部は、前記境界辺の一端から延出していることを特徴とする。 Preferably, the inclined portion extends from one end of the boundary side.
好ましくは、前記傾斜部は、前記側辺の全長に渡って設けられていることを特徴とする。 Preferably, the inclined portion is provided over the entire length of the side.
好ましくは、前記境界辺の重力方向における下端が、前記底辺の重力方向における下端に比べて重力方向に見て上にあることを特徴とする。 Preferably, the lower end of the boundary side in the gravitational direction is higher than the lower end of the bottom side in the gravitational direction as viewed in the gravitational direction.
好ましくは、前記境界辺の重力方向における上端と前記底辺の重力方向における上端とを結ぶ側辺、及び前記境界辺の重力方向における下端と前記底辺の重力方向における下端とを結ぶ側辺と境界辺との張る角がいずれも鈍角であることを特徴とする。 Preferably, the side edge connecting the upper end in the gravity direction of the boundary edge and the upper edge in the gravity direction of the bottom edge, and the side edge connecting the lower edge in the gravity direction of the boundary edge and the lower edge in the gravity direction of the boundary edge and the boundary edge The angle between the two is an obtuse angle.
好ましくは、前記断面は、前記境界辺の中点と前記底辺の中点とを結ぶ直線に対し、対称であることを特徴とする。 Preferably, the cross section is symmetric with respect to a straight line connecting a midpoint of the boundary side and a midpoint of the bottom side.
好ましくは、結晶異方性エッチングで加工した部材を用いて構成することを特徴とする。 Preferably, it is configured using a member processed by crystal anisotropic etching.
好ましくは、等方性エッチングで加工した部材を用いて構成することを特徴とする。 Preferably, it comprises using the member processed by isotropic etching.
本発明の好ましい別の態様は、電解質膜と電極とからなる膜電極構造体に、前記電極と接するように積層され、燃料電池が発電するための活物質が当該膜電極構造体に接触しながら流動する活物質流動溝を備えるセパレータの製造方法であって、前記セパレータの一部を構成する第1の部材に、当該第1の部材上に設けられた複数の開口を連結するように当該第1の部材を貫通するとともに、前記部材を貫通する方向に垂直な断面の断面積が、前記複数の開口のうち一方の開口から他方の開口に向かって単調に変化する貫通孔を開ける工程と、前記セパレータの一部を構成する第2の部材を、前記複数の開口のうち大きいほうの開口を塞ぐように前記第1の部材に接合する工程と、を有することを特徴とするセパレータの製造方法である。 Another preferable aspect of the present invention is that a membrane electrode structure comprising an electrolyte membrane and an electrode is laminated so as to be in contact with the electrode, while an active material for generating power by the fuel cell is in contact with the membrane electrode structure. A method of manufacturing a separator having a flowing active material flow groove, wherein the first member constituting a part of the separator is connected to a plurality of openings provided on the first member. A step of opening a through-hole that passes through one member and whose cross-sectional area perpendicular to the direction passing through the member monotonously changes from one of the plurality of openings toward the other opening; Joining a second member constituting a part of the separator to the first member so as to close a larger one of the plurality of openings. It is.
好ましくは、前記複数の開口は、互いに前記第1の部材の異なる面に設けられていることを特徴とする。 Preferably, the plurality of openings are provided on different surfaces of the first member.
好ましくは、前記複数の開口は互いに大きさが異なることを特徴とする。 Preferably, the plurality of openings have different sizes from each other.
好ましくは、前記膜電極構造体に接触する前記開口に相当する面と前記貫通孔の内壁とのなす角が、鈍角であることを特徴とする。 Preferably, an angle formed by a surface corresponding to the opening that contacts the membrane electrode structure and an inner wall of the through hole is an obtuse angle.
好ましくは、前記活物質流動溝の溝幅が、前記複数の開口のうち一方の開口から他方の開口に向かって常に増加または減少していることを特徴とする。 Preferably, the groove width of the active material flow groove is always increased or decreased from one of the plurality of openings toward the other opening.
好ましくは、前記貫通孔は、前記複数の開口のうち、大きな方の開口側から形成されることを特徴とする。 Preferably, the through hole is formed from a larger one of the plurality of openings.
好ましくは、前記活物質流動溝を流動する活物質の流動方向に垂直な方向における当該活物質流動溝の断面が、当該活物質流動溝の幅方向に対称であることを特徴とする。 Preferably, a cross section of the active material flow groove in a direction perpendicular to the flow direction of the active material flowing in the active material flow groove is symmetric with respect to the width direction of the active material flow groove.
好ましくは、前記貫通孔を開ける工程は、結晶異方性エッチングを行う工程を含むことを特徴とする。 Preferably, the step of opening the through hole includes a step of performing crystal anisotropic etching.
好ましくは、前記貫通孔を開ける工程は、等方性エッチングを行う工程を含むことを特徴とする。 Preferably, the step of opening the through hole includes a step of performing isotropic etching.
本発明の好ましいさらに別の態様は、電解質膜と電極とからなる膜電極構造体に当該電極と接するように積層され、燃料電池が発電するための活物質が当該膜電極構造体に接触しながら流動する活物質流動溝を備えるセパレータであって、前記セパレータは、第1の部材と第2の部材とから構成され、前記第1の部材は、当該第1の部材上に設けられた複数の開口を連結するように当該第1の部材を貫通するとともに、当該第1の部材を貫通する方向に垂直な断面の断面積が、前記複数の開口のうち一方の開口から他方の開口に向かって単調に変化する貫通孔を有しており、前記第2の部材は、前記複数の開口のうち大きいほうの開口を塞ぐように前記第1の部材に接合されていることを特徴とするセパレータである。 Still another preferred embodiment of the present invention is such that a membrane electrode structure comprising an electrolyte membrane and an electrode is laminated so as to be in contact with the electrode, while an active material for generating power by the fuel cell is in contact with the membrane electrode structure. A separator having a flowing active material flow groove, wherein the separator includes a first member and a second member, and the first member includes a plurality of members provided on the first member. The cross-sectional area of the cross section perpendicular to the direction penetrating the first member so as to connect the openings is perpendicular to the direction penetrating the first member, from one of the plurality of openings toward the other opening. A separator having a monotonously changing through-hole, wherein the second member is joined to the first member so as to close a larger one of the plurality of openings. is there.
本発明の好ましいさらに別の態様は、請求項19に記載のセパレータを組み込んだ燃料電池である。 Still another preferred embodiment of the present invention is a fuel cell incorporating the separator according to claim 19.
本発明によれば、燃料電池の発電効率が向上されている。 According to the present invention, the power generation efficiency of the fuel cell is improved.
以下、本発明の第1実施形態を図1及び図2を参照して説明する。図1(A)に示されるように、本実施形態の燃料電池のセル体12は電解質膜14を有する。この電解質膜14として、例えば、Dupon社から商標名Nafionで市販されているものを用いることが可能である。
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2. As shown in FIG. 1A, the
電解質膜14の一側面には燃料側電極16aが積層され、他側面には酸化剤側電極16bが積層されている。これら電解質膜14、燃料側電極16a及び酸化剤側電極16bによって膜電極構造体17が形成されている。燃料側電極16a、酸化剤側電極16bとして、例えばカーボンペーパー、カーボンクロスのウェブに触媒を担持したものを用いることが可能である。燃料側電極16aの触媒としては、例えば白金、白金・ルテニウムを用いることが可能であり、酸化剤側電極16bの触媒としては、例えば白金を用いることが可能である。また、燃料が水素化ホウ素ナトリウム水溶液等のアルカリ水溶液の場合は、燃料側電極16aを水素吸蔵合金で形成することが好ましい。
A
燃料側電極16aの一側面には燃料側セパレータ18aが密着して積層され、酸化剤側電極16bの一側面には、酸化剤側セパレータ18bが密着して積層されている。燃料側セパレータ18a、酸化剤側セパレータ18bは、例えばステンレス、好ましくはチタン、炭素といった導電体で形成されている。
A fuel-
燃料側セパレータ18aの燃料側電極16aに密着する密着面20aには、図1(B)に示されるように、活物質流動溝としての燃料側溝部22aが形成されている。この燃料側溝部22aと燃料側電極16aとによって、燃料側電極16aに活物質としての燃料を供給するための燃料側流路24aが形成されている。燃料側溝部22aは、燃料側セパレータ18aの密着面20aにおいてジグザグに延設されている。燃料側溝部22aの両端部には、夫々燃料供給孔26a及び燃料排出孔28aが燃料側セパレータ18aを貫通して形成されている。燃料供給孔26a及び燃料排出孔28aは、図1(A)に示されるように、燃料側セパレータ18aの燃料側電極16aとは反対側に接続されている燃料供給管30a及び燃料排出管32aに夫々連通されている。
As shown in FIG. 1B, a fuel
同様に、酸化剤側セパレータ18bには、図1(A)及び図1(B)に示されるように、活物質としての酸化剤が流動する活物質流動溝としての酸化剤側溝部22b、酸化剤供給孔26b及び酸化剤排出孔28bが形成されており、また、酸化剤供給管30b及び酸化剤排出管32bが接続されている。そして、酸化剤側溝部22bと酸化剤側電極16bとによって、酸化剤側電極16bに酸化剤を供給するための酸化剤側流路24bが形成されている。
Similarly, in the
図2に、酸化剤側流路24bの長手方向に垂直な断面(図1中のII−II線に沿う断面図)を示す。この断面は、酸化剤側電極16bによって規定される密着面20bに相当する境界辺34と、境界辺34に対向し酸化剤側溝部22bの底に相当する底辺36とを有する。境界辺34は底辺36よりも短くなっている。本実施形態では、境界辺34の重力方向における下端部34aが、底辺36の重力方向における下端部36aに比べて重力方向にみて上にある。
FIG. 2 shows a cross section perpendicular to the longitudinal direction of the oxidant
境界辺34の重力方向の下端部34aと底辺36の重力方向の下端部36aとの間には第1の側辺38が延びており、境界辺34の上端部34bと底辺36の上端部36bとの間には第2の側辺40が延びている。ここでは、第1の側辺38は直線であるが、本発明における側辺は、直線、曲線を問わない。
A
第1の側辺38は、重力方向の成分を持って延びる傾斜部42を有する。本実施形態では、第1の側辺38は、境界辺34の下端部34aから延出され第1の側辺38の全長に渡る直線状の傾斜部42を有する。この傾斜部42の、境界辺34の下端部34aから底辺36の下端部36aへと延びる方向(図2、矢印A参照)と、境界辺34の下端部34aから上端部34bへと延びる方向(図2、矢印B参照)との張る角θは、鈍角になっている。なお、上記二方向のなす2つの角の内、小さいほうを張る角θと定義している。また、第2の側辺40は、境界辺34にほぼ垂直に延びている。
The
次に、上記構成の本実施形態の燃料電池の作用について説明する。燃料電池によって発電を行う際には、燃料供給管30aから燃料側流路24aに燃料を供給し、酸化剤供給管30bから酸化剤側流路24bに酸化剤を供給する。燃料としては例えば水素ガス、アルコール水溶液、又はアルカリ水溶液(例えば水素化ホウ素ナトリウム水溶液)を用い、酸化剤としては例えば空気、酸素ガスを用いる。燃料は燃料側流路24aを流れて燃料側電極16aに接し、酸化剤は酸化剤側流路24bを流れて酸化剤側電極16bに接する。この結果、電解質膜14を介して化学反応が進行し、発電が行われる。
Next, the operation of the fuel cell of the present embodiment having the above configuration will be described. When power generation is performed by the fuel cell, fuel is supplied from the
化学反応の結果、酸化剤側電極16bでは水、アルカリ水溶液等の液体が発生する。酸化剤側電極16bで発生した液体は、重力の作用により境界辺34に沿って下端部34aへと移動する。そして、第1の側辺38には境界辺34の下端部34aから底辺36の下端部36aへと全体に渡って傾斜部42が形成されているため、第1の側辺38の境界辺34側端部へと移動した液体は重力の作用により酸化剤側電極16bから離間する方向に移動を開始する。さらに、液体は、境界辺34側から底辺36側へと傾斜部42上を移動し、第1の側辺38の底辺36側端部に溜まる。溜まった液体は、酸化剤流の圧力等により酸化剤側流路24bを酸化剤排出孔28bへと流される。
As a result of the chemical reaction, a liquid such as water or an alkaline aqueous solution is generated at the
このような液体と同様に、化学反応の結果燃料側電極16aで生じた物質、反応しなかった燃料及び酸化剤は、燃料側流路24a、酸化剤側流路24bを移動し、燃料排出管32a、酸化剤排出管32bを通じて排出される。
Similar to such a liquid, the substance generated in the
従って、上記構成のものにあっては次の効果を奏す。第1に、境界辺34は底辺36よりも短くなっている。このため、液体を酸化剤側流路24bの底辺36側において効率的に移動することが可能となり、酸化剤側流路24b内の不要な液体を効率よく排出することが可能となっている。従って、酸化剤側電極16bが液体によって遮蔽されることが少なくなっており、充分な化学反応の実効面積が確保されている。加えて、境界辺34は底辺36よりも小さく設定されているため、密着面20aの面積が充分に取られ、酸化剤側電極16bと酸化剤側セパレータ18bとの間に充分な密着性が確保されている。従って、酸化剤側流路24bから燃料、酸化剤が漏れたり、酸化剤側電極16bと酸化剤側セパレータ18bとの間の電気伝導性が低下して集電効率が低下したりすることが防止されている。以上の二点より、燃料電池の発電効率が向上されている。
Accordingly, the configuration described above has the following effects. First, the
第2に、第1の側辺38は、境界辺34側から底辺36側に向かって重力方向に下る傾斜部42を有する。このため、傾斜部42上の液体を重力の作用により境界辺34側から底辺36側へと移動することが可能となる。即ち、液体は酸化剤側電極16b近傍に滞留したり接近したりすることが少なく、また、底辺36側に溜まるため溜まった液体が酸化剤側電極16bまで達することが少なくなっている。従って、酸化剤側電極16bが液体によって遮蔽されることがさらに少なくなっており、充分な化学反応の実効面積が確保されている。従って、燃料電池の発電効率がさらに向上されている。
Second, the
第3に、境界辺34の重力方向における下端部34aが、底辺36の重力方向における下端部36aに比べて重力方向に見て上にある。このため、液体を重力の作用により境界辺34の下端部34aから底辺36の下端部34aまで移動することが可能となる。従って、第2の効果が増大されている。
Thirdly, the
第4に、傾斜部42は境界辺34の下端部34aから延出されている。このため、酸化剤側電極16bで発生して第1の側辺38の境界辺34側端部へと移動した液体は、その位置に滞留することなく傾斜部42によって酸化剤側電極16b近傍から離間する方向に効率よく移動するようになっている。
Fourth, the
第5に、傾斜部42は第1の側辺38の全長に渡っている。このため、液体が傾斜部42を境界辺34側から底辺36側へと移動する際には、途中で滞留することなく底辺36側まで効率よく移動するようになっている。
Fifth, the
図3(A)及び図3(B)に本実施形態の第1及び第2変形例を示す。これら変形例は、第1実施形態と酸化剤側流路24bの断面形状が異なっている。図3(A)に示されるように、第1変形例の酸化剤側流路24bの第1の側辺38は、境界辺34の上端部34bから下端部34aへと向かう方向に凹み、先端部に平坦部が形成されている。また、図3(B)に示されるように、第2変形例の第1の側辺38は、第1の変形例の第1の側辺38と同様に凹み、先端部が尖った形状となっている。これら第1及び第2変形例では、傾斜部42は、境界辺34の下端部34aから第1の側辺38の中央部まで延びている。そして、この中央部に液体が溜まるようになっている。このとき、境界辺34を底辺36より短くすることで、中央部から境界辺34に向かう傾斜部42の傾きが、中央部から底辺36に向かう傾きよりも大きくなるので、溜まった液体が電極面に近づきにくいという効果を奏する。
3A and 3B show first and second modifications of the present embodiment. In these modifications, the cross-sectional shape of the oxidant
図4は、本発明の第2実施形態を示す。第1実施形態と同様な機能を有する構成には、同一の参照符号を付して説明を省略する。本実施形態の酸化剤側流路24bでは、図4に示されるように、第1の側辺38の形状が第1実施形態と異なっている。第1の側辺38は、境界辺34側端部に境界辺34にほぼ垂直な面取り部46を有する。この面取り部46は、酸化剤側電極16bで生じた液体が酸化剤側電極16bから離間するのを妨げない程度に小さな寸法を有する。即ち、実質的に境界辺34と、第1の側辺38との張る角θが鈍角となっている。
FIG. 4 shows a second embodiment of the present invention. Components having the same functions as those of the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted. In the oxidant
本実施形態の燃料電池は第1実施形態と同様な作用効果を奏する。加えて、第1の側辺38の境界辺34側端部には面取り部46が形成されているため、この部分の強度が増大されており、変形が生じにくくなっている。
The fuel cell of this embodiment has the same operational effects as those of the first embodiment. In addition, since the chamfered
図5(A)は、本発明の第3実施形態を示す。第1実施形態と同様な機能を有する構成には、同一の参照符号を付して説明を省略する。本実施形態の酸化剤側流路24bでは、図5(A)に示されるように、第2の側辺40の形状が第1実施形態と異なっている。ここで、第1の側辺38の傾斜部42を第1の傾斜部42と称する。第2の側辺40は、第1の側辺38の第1の傾斜部42と同様な第2の傾斜部44を有する。即ち、第2の傾斜部44は、境界辺34の上端部34bから延出され第2の側辺40の全長に渡って直線状に延びている。そして、第2の傾斜部44の、境界辺34の上端部34bから底辺36の上端部36bへと延びる方向(図5(A)、矢印A’参照)と、境界辺34の、上端部34bから下端部34aへと延びる方向(図5(A)、矢印B’参照)との張る角θ’は、鈍角となっている。
FIG. 5A shows a third embodiment of the present invention. Components having the same functions as those of the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted. In the oxidizing
なお、本実施形態では、境界辺34と底辺36とはほぼ平行に配置されており、上記断面は、境界辺34の中点と底辺36の中点とを結ぶ直線に対し対称である。即ち、θ’とθとは等しくなっており、境界辺34から底辺36に向かって溝幅が増大している。
In the present embodiment, the
次に、上記構成の本実施形態の燃料電池の作用について説明する。境界辺34の上端部34bから下端部34aへと向かう方向が重力方向とほぼ一致するように燃料電池を配置した場合には第1の側辺38の第1の傾斜部42上を液体が移動し、境界辺34の下端部34aから上端部34bへと向かう方向が重力方向とほぼ一致するように燃料電池を配置した場合には第2の側辺40の第2の傾斜部44上を液体が移動する。
Next, the operation of the fuel cell of the present embodiment having the above configuration will be described. When the fuel cell is arranged so that the direction from the
従って、上記構成のものにあっては次の効果を奏する。燃料電池が搭載される機器、例えば、デジタルカメラ、携帯電話等の携帯機器を使用する際には、上下が反転されて使用される場合が想定される。このような機器においては、本実施形態の燃料電池をその境界辺34の方向が機器の上下方向に一致するように搭載することにより、機器を上下を反転させて使用する場合であっても第1実施形態と同様な効果を得ることが可能である。また、燃料電池自体の組立の際に、上下逆に取付けても構わないので、燃料電池の組立が容易になる。さらに、携帯機器に限らず、様々な機器に組み付ける際に、上下を気にしなくても良いので、機器への組み付けが容易になる。
Therefore, the configuration described above has the following effects. When using a device on which a fuel cell is mounted, for example, a portable device such as a digital camera or a mobile phone, it is assumed that the device is used upside down. In such a device, the fuel cell of this embodiment is mounted so that the direction of the
図5(B)は、本発明の第3実施形態の変形例を示す。この変形例は、第3実施形態において、第1実施形態のタイプの側辺38,40を第2実施形態のタイプの側辺38,40に変更したものである。その他、第3実施形態において、第1実施形態のタイプの側辺38,40の少なくとも1つを、第1実施形態又は第1実施形態の第1若しくは第2変形例のタイプの側辺38,40に変更する等の変形が可能である。
FIG. 5B shows a modification of the third embodiment of the present invention. This modification is obtained by changing the side edges 38 and 40 of the first embodiment type to the side edges 38 and 40 of the second embodiment type in the third embodiment. In addition, in the third embodiment, at least one of the side edges 38 and 40 of the first embodiment type is used as the
以下、図6を参照して、本発明の第4実施形態の燃料電池の製造方法について説明する。本実施形態の製造方法は、半導体製造技術を利用したマイクロマシン技術を用いるものである。まず、酸化剤側セパレータ18b(図6(G)参照)の製造方法を説明する。
Hereinafter, with reference to FIG. 6, the manufacturing method of the fuel cell of 4th Embodiment of this invention is demonstrated. The manufacturing method of the present embodiment uses a micromachine technique using a semiconductor manufacturing technique. First, a manufacturing method of the
(工程1)図6(A)に示されるように、第1の部材として面方位(100)の単結晶シリコン基板48を準備する。ここで便宜上、図中下側の面を第1の面50a、上側の面を第2の面50bと称する。
(Step 1) As shown in FIG. 6A, a single
(工程2)図6(B)に示されるように、シリコン基板48の両面50a,50bにCVD(Chemical Vapor Deposition)法等によってシリコン窒化膜52等を成膜する(以下、シリコン窒化膜52が成膜されたとして説明する)。
(Step 2) As shown in FIG. 6B, a
(工程3)図6(C)に示されるように、シリコン基板48の第2の面50bに成膜されたシリコン窒化膜52の内、酸化剤側流路24b(図6(G)参照)を形成したい位置にあるシリコン窒化膜52をフォトリソグラフィ等によって除去する。
(Step 3) As shown in FIG. 6C, in the
(工程4)図6(D)に示されるように、シリコン基板48を水酸化カリウム水溶液等で結晶異方性エッチングする。
(Step 4) As shown in FIG. 6D, the
(工程5)図6(E)に示されるように、全てのシリコン窒化膜52を燐酸等で除去する。この結果、シリコン基板48に貫通孔が形成される。この貫通孔は、工程4で説明したように結晶異方性エッチングで形成されているため、第2の面50bの開口は第1の面50aの開口よりも大きい。また、その貫通する方向に垂直な断面の断面積は第2の面50bの開口から第1の面50aの開口へと単調に変化、ここでは単調減少している。
(Step 5) As shown in FIG. 6E, all of the
本実施形態では、貫通孔として貫通溝部54が形成される。この貫通溝部54の長手方向に垂直な断面の形状は、第3実施形態の酸化剤側流路24b(図5(A)参照)の長手方向に垂直な断面の形状と同様なものである。
In the present embodiment, the through
即ち、貫通溝部54の断面は、第1の面50aに形成された第1の開口56aによって規定される第1の境界辺34と、第2の面50bに形成された第2の開口56bによって規定される第2の境界辺36とを有する。さらに、貫通溝部54の断面は、第1の境界辺34の一端から第2の境界辺36の一端に延びる第1の側辺38と、第1の境界辺34の他端から第2の境界辺36の他端に延びる第2の側辺40とを有する。貫通溝部54の第1の境界辺34、第2の境界辺36、第1の側辺38及び第2の側辺40は、第3実施形態(図5(A)参照)の酸化剤側流路24bの境界辺34、底辺36、第1の側辺38及び第2の側辺40に対応するものである。
(工程6)図6(F)に示されるように、貫通溝部54の第2の開口56bを塞ぐように、第2の部材としてのガラス基板58等を陽極接合によりシリコン基板48の第2の面50bに接合する(以下、ガラス基板58が接合されたとして説明する)。なお、ガラス基板58に代わって、シリコン基板、ガラス・エポキシ基板、プラスチック基板等を用いることが可能である。この場合には、接着剤等により接合が行われる。
That is, the cross-section of the through
(Step 6) As shown in FIG. 6F, the
(工程7)図6(G)に示されるように、互いに接合されたシリコン基板48とガラス基板58との全体に導電膜60を成膜する。例えば、金(Au)やニッケル(Ni)等の金属膜をめっき、蒸着法等で形成する。代わって、金属膜以外の炭素膜等を形成してもよい。
(Step 7) As shown in FIG. 6G, a
以上により、酸化剤側セパレータ18bが製造される。この酸化剤側セパレータ18bを用いて以下のように燃料電池を製造する。即ち、酸化剤側電極16bの一側面に電解質膜14を積層する。そして、酸化剤側電極16bの他側面に酸化剤側セパレータ18bを積層する。この際、酸化剤側セパレータ18bの第1の面50aが酸化剤側電極16bの他側面に密着し、かつ、第1の開口56aが酸化剤側電極16bの他側面によって塞がれるように酸化剤側セパレータ18bを積層する。このようにして、燃料電池を製造する。
Thus, the
従って、上記方法にあっては次の効果を奏する。半導体製造技術を利用したマイクロマシン技術によって酸化剤側セパレータ18bを製造している。このため、形状精度のよい酸化剤側セパレータ18bを安価に提供することが可能となっている。さらに、かかる製造方法によれば形状精度のよい微少なセパレータを安価に製造することができ、燃料電池の小型化に対応することが可能となっている。また、断面積の大きな開口から断面積の小さな開口に向かって貫通孔を開けるので、中刳り加工の必要がなく、加工が容易であるという効果も期待できる。特に、小型の燃料電池においては、この効果は特に重要である。
Therefore, the above method has the following effects. The oxidant-
以下、本発明の第5実施形態の燃料電池の製造方法を説明する。本実施形態では、丸みを帯びた第1及び第2の側辺40を有する貫通溝部54を形成する。本実施形態では、シリコン基板48に代わって、ガラス基板、ガラス・エポキシ基板等を用いることが可能である。エッチング工程においては、水酸化カリウム水溶液等による異方性エッチングに代わって、フッ化水素水溶液と硝酸との混合液やプラズマエッチング装置等による等方性エッチングを行う。このように、本実施形態では基板の材料選択の幅が広がっている。
Hereinafter, a method for manufacturing a fuel cell according to a fifth embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, the through
以下、本発明の第6実施形態の燃料電池の製造方法を説明する。本実施形態では、第5実施形態のガラス基板、ガラス・エポキシ基板等に代わって、ニッケル(Ni)、チタン(Ti)等の金属基板を用いる。エッチング工程においては、酸系のエッチング液やプラズマエッチング装置等で等方性エッチングを行う。本実施形態では、金属基板を用いることにより酸化剤側セパレータ18bの導電性が向上されているため、発電効率が向上されている。当該金属基板から電流を取り出す場合は前記工程7は省略可能で、この場合製造工程がより簡単になる。
Hereinafter, a method for manufacturing a fuel cell according to a sixth embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, a metal substrate such as nickel (Ni) or titanium (Ti) is used in place of the glass substrate, glass / epoxy substrate, or the like of the fifth embodiment. In the etching process, isotropic etching is performed using an acid-based etching solution, a plasma etching apparatus, or the like. In the present embodiment, since the conductivity of the
以上説明したような酸化剤側流路24bの断面形状を、燃料側流路24aの断面形状に適用することが可能である。例えば、燃料として水素ガス等の燃料ガスを用い、電解質膜14としてNafionを用いる場合には、燃料ガスを加湿して供給する場合がある。この場合、燃料ガス中の水分のいくらかは電解質膜14の加湿に用いられずに燃料側流路24aにおいて結露し、液体が生成されることがある。このような場合には、酸化剤側流路24bの断面形状を燃料側流路24aの断面形状に適用することにより、生成された液体による燃料側電極16aの遮蔽を防止することが可能となる。
The cross-sectional shape of the oxidant
上記全ての実施形態及び変形例ではセル体12が1つである場合について説明したが、本発明は、複数のセル体12を積層して電気的に直列に接続することにより所望の起電力を得るスタック型の燃料電池に適用することが可能である。この場合には、燃料側電極16aと酸化剤側電極16bとの間に配置されているセパレータについては、燃料側電極16aに密着される一側面には燃料側溝部22aを形成し、酸化剤側電極16bに密着される他側面には酸化剤側溝部22bを形成することが好ましい。
In all the embodiments and modifications described above, the case where there is one
本発明は、燃料電池の発電効率を向上することが可能な、電解質膜の一側面に電極を配置した膜電極構造体に電極の一側面に密着するように配置されるセパレータ、このようなセパレータの製造方法、及び、このようなセパレータを有する燃料電池を提供する。 The present invention relates to a separator that can improve power generation efficiency of a fuel cell, and is disposed so as to be in close contact with one side surface of an electrode on a membrane electrode structure in which the electrode is disposed on one side surface of an electrolyte membrane. And a fuel cell having such a separator.
14…電解質膜、16a,16b…電極、17…膜電極構造体、18a,18b…セパレータ、20a,20b…密着面、22a,22b…溝部、34…境界辺、36…底辺、38,40…側辺、42,44…傾斜部。
DESCRIPTION OF
Claims (20)
前記溝部の前記活物質の流れる方向に垂直な断面は、当該断面において、前記密着面に相当する境界辺が、前記溝部の底に相当する底辺より短いことを特徴とする燃料電池。 A fuel cell comprising an electrolyte membrane, an electrode, and a separator having a groove formed on a close contact surface that is in close contact with one side surface of the electrode, and through which an active material flows.
In the cross section perpendicular to the flow direction of the active material in the groove portion, the boundary side corresponding to the contact surface is shorter in the cross section than the bottom side corresponding to the bottom of the groove portion.
前記セパレータの一部を構成する第1の部材に、当該第1の部材上に設けられた複数の開口を連結するように当該第1の部材を貫通するとともに、前記部材を貫通する方向に垂直な断面の断面積が、前記複数の開口のうち一方の開口から他方の開口に向かって単調に変化する貫通孔を開ける工程と、
前記セパレータの一部を構成する第2の部材を、前記複数の開口のうち大きいほうの開口を塞ぐように前記第1の部材に接合する工程と、
を有することを特徴とするセパレータの製造方法。 A separator provided with a membrane electrode structure comprising an electrolyte membrane and an electrode so as to be in contact with the electrode, and an active material flow groove in which an active material for power generation by a fuel cell flows while in contact with the membrane electrode structure A manufacturing method of
The first member constituting a part of the separator penetrates the first member so as to connect a plurality of openings provided on the first member, and is perpendicular to the direction penetrating the member. A step of opening a through-hole in which a cross-sectional area of a simple cross section monotonously changes from one of the plurality of openings toward the other opening;
Joining a second member constituting a part of the separator to the first member so as to close a larger one of the plurality of openings;
A method for producing a separator, comprising:
前記セパレータは、第1の部材と第2の部材とから構成され、
前記第1の部材は、当該第1の部材上に設けられた複数の開口を連結するように当該第1の部材を貫通するとともに、当該第1の部材を貫通する方向に垂直な断面の断面積が、前記複数の開口のうち一方の開口から他方の開口に向かって単調に変化する貫通孔を有しており、
前記第2の部材は、前記複数の開口のうち大きいほうの開口を塞ぐように前記第1の部材に接合されていることを特徴とするセパレータ。 A separator having an active material flow groove laminated on a membrane electrode structure composed of an electrolyte membrane and an electrode so that the active material for generating power by the fuel cell flows while in contact with the membrane electrode structure. There,
The separator is composed of a first member and a second member,
The first member penetrates the first member so as to connect a plurality of openings provided on the first member, and has a cross section perpendicular to the direction penetrating the first member. The area has a through hole that monotonously changes from one of the plurality of openings toward the other opening,
The separator, wherein the second member is joined to the first member so as to close a larger one of the plurality of openings.
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