JP2006004906A - 燃料電池用炭素複合材の分離板 - Google Patents

Abstract

【課題】 炭素複合材から成る分離板の成形時、分離板の肉厚内部に電気伝導度が高くても、ガス透過性のない素材からなる板材を挿入（埋設）し、分離板の素材、若しくは工程の誤った設定や製造された分離板に存在し得る各種欠陥によって引き起こされるガス透過度の増加現象を源泉的に防止できる燃料電池用炭素複合材の分離板を提供する。
【解決手段】 ガス透過度を低減するか、或いはガス透過を完全に遮断するために、電気伝導度が高く、しかもガス透過性のない素材からなる板材１６が埋設挿入されてなる燃料電池用炭素複合材の分離板。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池用炭素複合材の分離板の改良に関するものである。より詳細には、本発明は、炭素複合材から成る分離板の成形時、分離板の肉厚内部に電気伝導度が高くても、ガス透過性のない素材からなる板材を挿入（埋設）し、分離板の素材、若しくは工程の誤った設定や製造された分離板に存在し得る各種欠陥によって引き起こされるガス透過度の増加現象を源泉的に（完全に）防止できる燃料電池用炭素複合材の分離板に関するものである。

燃料電池システムの核心である燃料電池スタック(stack)は、図２に例示した通り、触媒層を備えた電極集合体（MEA, Membrane Electrode Assembly）１１と、この電極集合体１１に一体化され且つ集電体及び反応基体の流路として機能するバイポラプレートと呼ばれる分離板（separator)１２とからなっている。分離板１２は、図３に示したようにメッシュ状、或いは格子状の構成を備え、電極集合体１１から生成される電子を集める集電体の役割を有すると同時に、反応気体である水素と酸素の移動通路１３の役割を有する。即ち、分離板１２の両面から各々水素と酸素が移動通路１３を通して流れ、これら反応ガスは電極集合体１１の触媒層と反応して電気を生産するようになる。
分離板１２が反応ガスの移動通路として優れた性能を示すためには、移動通路１３を除いた分離板構成材料自体のガス透過度が可能な限り低くなければならない。
即ち、炭素複合材を素材にして製造される分離板１２の場合、ガス透過度はおよそ1×10^-5cm³/cm²/sec以下でなければ、分離板としての役割を果たすことができない。しかし、分離板１２の構成材料として、炭素複合材素材や製造工程が夫々誤って選定された場合、上記の限界値よりも高いガス透過度を示して、スタック作動効率を深刻に下げることもある。
特に、分離板構成材料自体の肉厚内部に気孔(pore)、収縮(shrinkage) 、孔(hole)などの欠陥が存在する結果として通気性が発生している場合には、ガス透過度の数値が過度に増大して、燃料電池スタックに火災が発生したり、電極集合体が完全に損傷してしまう致命的な問題が発生する。
また、このようなガス透過度の増大による危険性を懸念して、分離板を過度に厚く設計するとすれば、スタックの重さや体積を不要に増加させる問題が生じる。

従来技術として、例えば特開２００２−０４２８２８公報には、耐食性や電気伝導性といった黒鉛系材料が備える特性と、金属板材料が備える機械的強度といった特性を高いレベルで両立せしめ、しかもガス通路の形成が容易な燃料電池セパレータが開示されている。この燃料電池セパレータは、金属板と、金属板からガス拡散電極板側へ突出してガス拡散電極板と接触し、且つガス通路を形成する黒鉛系材料からなる複数の突条を備えている。金属板における突条の突出面には金属間化合物が析出し、露出する金属板表面と隣り合う突条の一対の側面との間でガス通路を画成している。
しかし、この従来技術にあっては金属板表面がガス通路に露出しているため、金属板が腐食して耐久性が低下する虞が強い。即ち、燃料電池内の運転条件は高温と酸性であるため、分離板の表面から金属板が露出するのを防止しなければならない。その理由は、運転中に溶け出る金属イオンが電極集合体を成す触媒やイオン伝導膜の性能を急速に低下させることがあるからである。また、板材として、表面が腐食、酸化、または汚染する材料を用いると、炭素複合材との界面における電気伝導性や結合力を下げて逆効果をもたらす。
次に、特開２００２−０４２８３２公報には、水素ガスを透過しない構造の第１及び第２電極によってフラーレン誘電体から成るプロトン伝導部を挟持させて配置することにより、第１電極側に導入された水素ガスがプロトン導電部に触れることなく供給口７から第１電極に供給され、この水素が第１電極でプロトン化して第２電極へ移動し、第２電極側へ導入されて空気と反応して発電させる技術が開示されており、これによればプロトン伝導部の薄型化が可能となる。
しかし、この従来例は図３に示した如くメッシュ状であり、且つガスの移動通路を有した分離板を用いている訳ではないため、後述する本発明の分離板の構造とは無関係である。
特開２００２−０４２８２８公報 特開２００２−０４２８３２公報

本発明は上記に鑑みてなされたものであり、炭素複合材の分離板の成形時、分離板の内部（肉厚内部）に、電気伝導度が高くても、ガス透過性のない素材からなる板材を挿入（埋設）し、分離板の素材についての誤った選択、若しくは工程についての誤った設定や、製造された分離板に存在し得る各種欠陥によって引き起こされるガス透過率の増加現象を源泉的（根本的に）に防止できる燃料電池用炭素複合材の分離板を提供することにその目的がある。

請求項１に係る本発明の燃料電池用炭素複合材の分離板は、ガス透過度を下げたり、源泉的に防止するために、電気伝導度が高くても、ガス透過性のない素材からなる板材が挿入されていることを特徴とする。即ち、触媒層を備えた電極集合体と、該電極集合体に組み付けられると共に該電極集合体から生成される電子を集める集電体として機能し、且つ反応気体の移動通路を形成する炭素複合材から成る分離板と、を備えた燃料電池において、前記分離板の肉厚内部に、電気伝導度が高くしかもガス透過性のない素材からなる板材が埋設挿入されていることを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１において、上記電気伝導度が高く、しかもガス透過性のない素材は、アルミニウム、銅、鉄、チタニウム、鉛、亜鉛、又は錫のうちの一種の金属、またはこれらの金属のうちの少なくとも２種類から成る合金材質にて構成されていることを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項１、又は２において、上記電気伝導度が高く、しかもガス透過性のない素材の板材の厚さは、0.001乃至２ｍｍであることを特徴とする。

本発明に係る燃料電池用分離板によれば、炭素複合材から成る分離板の内部（肉厚内部）に、電気伝導度が高くても、ガス透過性のない素材からなる板材を挿入（埋設）し、分離板の素材についての誤った選択、若しくは工程についての誤った設定や、製造された分離板に存在し得る各種欠陥によって引き起こされるガス透過率の増加現象を源泉的（根本的に）に防止できる。

このような本発明を添付の図面に基づいてより詳細に説明すれば、下記の通りである。
図１は本発明の一実施形態に係る分離板の構成説明図である。なお、図２による開示内容、及び背景技術における図２の説明を併せて参照しつつ、本発明の分離板構造との相違点を中心として説明する。
本発明の燃料電池用炭素複合材から成る分離板１５にあっては、図２、図３に示した従来の分離板１２に比べて電気伝導度が高くて、ガス透過を完全に遮断できる素材から成る板材１６が埋設配置されている。即ち、基部１５ａと、基部１５ａの両サイドから夫々一定のピッチにて突出配置された凸部１５ｂから成る。更に、基部１５ａの肉厚内部には、その長手方向全長に亘って板材１６が埋設配置（挿入）されている。
この分離板１５は、図１に示した触媒層を備えた電極集合体(MEA, Membrane Electrode Assembly)１１と組み合わせて使用される。即ち、分離板１５は、集電体及び反応基体の流路として機能するバイポラプレートと呼ばれる分離板(separator)である。分離板１５は、図１に示した電極集合体１１から生成される電子を集める集電体の役割を有すると同時に、反応気体である水素と酸素の移動通路１７の役割を有する。

図１に示した通りに、挿入された板材１６を、電気伝導度が高くて、ガス透過を完全に遮断できる素材にて構成することによって、ガス透過度を下げることができ、これによって発生し得る先に記述した問題点を源泉的に防止できる特徴がある。
一般的に、炭素複合材の分離板は、伝導性添加物である黒鉛粉末とこれらを固定して形態を維持させる役割の高分子物質を混合した後、最終的な分離板模様を有するモルド（分離板の形状に対応した転写面を有したキャビティを有した金型内）に注入して成形する。この際、成形する方式としては、圧縮成形、または射出成形方式を用いるが、適切な熱と圧力を加えて素材中の高分子物質を硬化させることによって、希望する形状の分離板を製造する。
本発明による図１に示した通りに、板材１６が挿入された燃料電池用高密閉性の軽重量分離板を製造するためには、圧縮成形や射出成形モルドに分離板素材を注入する時、分離板素材の中間に電気伝導性の板材１５を予め位置固定させた後に硬化を進めさせ、希望する形状に製造することができる。
上述のように、本発明の燃料電離用分離板は、触媒層を備えた電極集合体１１と、電極集合体１１に組み付けられると共に該電極集合体１１から生成される電子を集める集電体として機能し、且つ反応気体の移動通路を形成する炭素複合材から成る分離板１５と、を備えた燃料電池において、前記分離板１５の肉厚内部に、電気伝導度が高く、しかもガス透過性のない素材からなる板材１６が埋設挿入されている構成が特徴的である。

分離板１５の中間（内部）に位置する電気伝導度が高くても、ガス透過を完全遮断できる板材１６としては、任意の金属、または金属合金を使用できるが、具体的には、アルミニウム、銅、鉄、チタニウム、鉛、亜鉛、錫のうちの一種、またはこれらの金属のうちの少なくとも二種以上を適用した合金などを使用することができる。なお、適用しようとする板材１６の厚さは、0.001乃至２ｍｍの厚さを有するのが望ましい。
使用する板材１６の材質と厚さは、得ようとする効果に応じて異なって選択し使用することができる。即ち、ガス透過防止だけのためならば、薄い薄板の金属を使用できる反面、分離板全体の機械的強度を増大させ、薄くて軽い形状の分離板を製造することを望むのならば、より強くて厚い板材を選択して使用することができる。
燃料電池スタックの運転条件は高温と酸性であるため、製造された分離板１５の表面から金属性の板材１６が露出する構造は回避する必要がある。その理由は、運転中に溶け出る金属イオンが電極集合体を成す触媒やイオン伝導膜の性能を急速に低下させることがあるからである。
一方、板材の材質を選択する時、表面が腐食、酸化、または汚染するものは避けた方が良いが、その理由は、炭素複合材との界面における電気伝導性や結合力を下げて逆効果をもたらすことがあるからである。
このような本発明を実施例に基づいて、より詳細に説明すれば、下記の通りである。

実施例及び比較例
次の表１に示すように、最終厚さが４ｍｍである炭素複合材の分離板として、圧縮成形方式を利用した試製品（比較例）と、厚さが１ｍｍである黄銅板を中間に挿入した構造の試製品（実施例）を各々制作した。それから、電気伝導度と引張強度、及びガス透過度について比較実験を行った。
上記黄銅板としては、一般的なストリップタイプの３３％質量比の亜鉛が銅に添加された素材を使用した。
＜表１＞

上記表からわかるように、本発明の分離板（実施例）においては、ガス透過度の低さが全く測定できない程度の優れた結果を示すことがわかる。これにより、本発明の目的の通りに、ガス透過の防止が根本的に行われたことが確認できるのである。
電気伝導度の場合、本発明の分離板（実施例）は、比較例に比べて誤差範囲内でほぼ類似した値を示すことがわかる。このことより、伝導性板材の挿入が少なくてもin-plane（面内）伝導度には殆ど影響を与えないことがわかる。
上記表には示されていないが、through-plane（平面内）伝導度においては、電気伝導性の側面で絶対的に有利な金属板が挿入されているため、より有利な結果が出たものと予測される。本発明の分離板は、上記のように、ガス透過を源泉的に防止し、透過度増加を未然に防止するための設計上の不要な厚さの増加を避けることができる。

また、上記表のように、挿入された金属板の機械的強度が高く、骨組の役割をするため、分離板全体の強度を増大させ、従来の方式より薄くても同一な強度を有する分離板を制作することもでき、スタック制作の時や使用中に瞬間的な荷重増加によるクラックや破損を防止できる長所がある。
それにまた、極めて軽い分離板１５を製造するために、炭素複合材内に微細な気泡が多量に分布した多孔質複合素材を適用したとしても、中間に位置した金属板１６がガス透過を源泉的に封鎖するため、軽重量の多孔性分離板を製造することができる。
以上説明した通りに、本発明は、電気伝導度が高くても、ガス透過を完全に遮断できる素材の板材を挿入された炭素複合材の分離板として、ガス透過を完全に防止して、分離板素材、若しくは工程の誤った設定や製造された分離板に存在し得る各種欠陥によるガス透過度の増加現象を源泉的に防止することができる。

本発明による燃料電池用炭素複合材分離板の断面図である。 通常の燃料電池スタックの概略的な断面図である。 従来の一般的な燃料電池用炭素複合材の分離板の断面図である。

符号の説明

１１ 電極集合体、１５ 分離板、１５ａ 基部、１５ｂ 凸部、１６ 板材、１７ 移動通路。

Claims (3)

1. 集電体として機能し、且つ反応気体の移動通路を形成する炭素複合材から成る分離板を備えた燃料電池において、前記分離板の肉厚内部に、電気伝導度が高く、しかもガス透過性のない素材からなる板材が埋設挿入されていることを特徴とする燃料電池用分離板。
2. 上記電気伝導度が高く、しかもガス透過性のない素材は、アルミニウム、銅、鉄、チタニウム、鉛、亜鉛、又は錫のうちの一種の金属、またはこれらの金属のうちの少なくとも
   ２種類から成る合金材質にて構成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用分離板。
3. 上記電気伝導度が高く、しかもガス透過性のない素材の板材の厚さは、0.001乃至２ｍｍであることを特徴とする請求項１、又は２の何れか一項に記載の燃料電池用分離板。

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