JP2006012518A - 燃料電池用セパレータ及び燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 熱交換性能及び撥水性に優れた燃料電池用セパレータ及びそれを用いた燃料電池の提供。
【解決手段】 アノード電極又はカソード電極などの電極と接触する接触面２に燃料または酸化ガスの流路となる溝３が形成されたセパレータ１における溝３の表面にカーボン繊維層４を設けた燃料電池用セパレータ及びそれを用いた燃料電池。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池用セパレータ及びそれを用いた燃料電池に関する。

近年、水素等の燃料と酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギー供給源として注目されている。燃料電池の一種である固体高分子型燃料電池は、イオン交換膜等の電解質膜と、その両側に設けた２つの電極と、それぞれの電極に水素等の燃料あるいは空気等の酸化ガスを供給する流路を設けたセパレータとを少なくとも備える。

燃料電池に使用されるセパレータには、例えば燃料と酸化ガスとを完全に分離した状態で電極に供給するために高度のガス不透過性が要求される。また、発電効率を高くするために電池の内部抵抗を小さくすることが必要である。さらに、電池反応に伴う発熱を効率よく放散させ、電池内温度分布を均一化するための高い熱伝導性や、長期耐久性の確保のために耐食性に優れる等の材質特性が必要とされている。

また、一般に燃料電池では、良好な発電を行うための最適運転温度範囲を有しているが、これに対し電気化学反応に付随する発熱が大きいので、運転条件を安定化するためにセパレータにはガスとの高い熱交換性能が求められる。特に、固体高分子型燃料電池では電解質膜が水を含有しているために１００℃以下で運転する必要があった。

さらに、電気化学反応によってカソード電極側に生ずる生成水は、主に液滴となってセパレータを通して外部に排出されることとなるため、セパレータには高い撥水性が求められる。

これまでに、金属基板上にカーボンナノチューブ及び／又はカーボンナノファイバーを混合した樹脂層を被覆することにより、高い電気伝導性及び優れた耐食性を実現可能な燃料電池用セパレータが報告されている（例えば、特許文献１参照。）
特開２００３−１０９６１８号公報

しかし、従来の燃料電池用セパレータでは、未だ熱交換性能及び撥水性が十分なものとはいえない。

本発明は、上記従来の問題を解決したものであり、熱交換性能及び撥水性に優れた燃料電池用セパレータ及びそれを用いた燃料電池を提供することを目的とする。

上記問題点を解決するための本発明の燃料電池用セパレータは、電極と接触する接触面に流路となる溝が形成された燃料電池用セパレータであって、前記流路となる溝の表面にカーボン繊維層を設けたものである。

流路となる溝の表面にカーボン繊維層を設けることにより、燃料電池用セパレータと流路を流れるガスとの接触面積を増やすことができる。その結果として、ガスと燃料電池用セパレータとの間の熱交換性能が向上する。また、カーボン繊維は撥水性を有するため、流路は優れた撥水性を有する。

本発明の燃料電池用セパレータは、電極と接触する接触面にさらにカーボン繊維層を設けることが好ましい。前記接触面にカーボン繊維層を設けることにより、本発明の燃料電池用セパレータと電極との接触抵抗を低減することが可能となる。

本発明の燃料電池用セパレータにおけるカーボン繊維層は、カーボンナノチューブ配向膜であることが好ましい。カーボン繊維層としてカーボンナノチューブ配向膜を用いることにより、燃料電池用セパレータとガスとの接触面積をさらに増加させることができる。

本発明の燃料電池は、アノード電極と、カソード電極と、前記アノード電極と前記カソード電極とで挟持された電解質膜と、を備えた膜電極接合体と、前記アノード電極と接触して前記アノード電極との間に燃料が通過する燃料流路を形成する第一のセパレータと、前記カソード電極と接触して前記カソード電極との間に酸化ガスが通過する酸化ガス流路を形成する第二のセパレータと、を備えた燃料電池であって、前記第一のセパレータ及び前記第二のセパレータの少なくとも一方は、本発明の燃料電池用セパレータを用いたものである。

前記第一のセパレータとして本発明の燃料電池用セパレータを用いると、燃料流路の表面がカーボン繊維層で覆われる。これにより、前記第一のセパレータ側におけるガスとの熱交換性能を向上させることができる。一方、前記第二のセパレータとして本発明の燃料電池用セパレータを用いると、酸化ガス流路の表面がカーボン繊維層で覆われる。これにより、前記第二のセパレータ側におけるガスとの熱交換性能を向上させることができる。さらに、電気化学反応によって生ずる生成水は、主に液滴となって外部に排出されることとなるため、撥水性に優れたカーボン繊維層で覆われた酸化ガス流路に生成水が滞留することはない。そのため、酸化ガス流路の閉塞が起こらず、酸化ガスをカソード電極に均一に供給することができ、燃料電池の安定した発電運転を実現できる。

また、前記第一のセパレータ及び前記第二のセパレータの少なくとも一方として、電極と接触する接触面にカーボン繊維層を設けた態様の本発明の燃料電池用セパレータを用いることにより、セパレータとアノード電極及び／又はカソード電極との接触面積が増加し、接触抵抗を低減させることができるようになる。

本発明の燃料電池においては、前記アノード電極の前記第一のセパレータと接触する接触面及び前記カソード電極の前記第二のセパレータと接触する接触面の少なくとも一方にカーボン繊維層を設けることが好ましい。前記接触面にカーボン繊維層を設けることにより、電極に撥水性を付与することができ、電気化学反応によって生ずる生成水の電極への付着を防ぐことができる。そのため、生成水による流路の閉塞を防止することができる。さらに、セパレータと電極との接触面積が増加し、接触抵抗を低減させることができるようになる。前記接触面に設けられたカーボン繊維層は、カーボンナノチューブ配向膜であることが好ましい。

本発明の燃料電池は、前記第一のセパレータ及び前記第二のセパレータの少なくとも一方を冷却する冷却手段をさらに備えることが好ましい。本発明の燃料電池が冷却手段を備えることにより、ガスとの熱交換により加熱されたセパレータを効果的に冷却することができる。そのため、燃料電池の最適運転温度を実現できる。

なお、本発明における燃料電池には、例えば、固体高分子型燃料電池や直接メタノール型燃料電池などが含まれる。固体高分子型燃料電池においては水素ガスが、直接メタノール型燃料電池においてはメタノールが燃料として用いられる。

本発明の燃料電池用セパレータは、熱交換性能及び撥水性に優れる。また、本発明の燃料電池によれば、安定した発電運転を実現できる。

以下、本発明の燃料電池用セパレータ及びそれを用いた燃料電池について図面を参照して説明する。なお、同様の機能を有する部材には、全図面を通して同じ符合を付与し、その説明を省略することがある。

＜燃料電池用セパレータ＞
図１は、本発明の第一実施形態に係る燃料電池用セパレータ（燃料電池用セパレータを単にセパレータと称することがある。）の断面図を示す。セパレータ１は、電極と接触する接触面２に流路となる溝３が形成されており、溝３の表面にカーボン繊維層４を設けたものである。

セパレータ１の材質は特に限定されるものではないが、各種金属又はカーボン材料などを用いることができる。セパレータに用いられる金属としては、ステンレス鋼、チタン、アルミニウム、銅、ニッケル、鋼などが挙げられる。また、カーボン材料としては、緻密カーボングラファイトなどが挙げられる。

カーボン繊維層４は、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブ等で構成することができるが、本発明においては、カーボンナノチューブ配向膜であることが好ましい。カーボンナノチューブ配向膜からなるカーボン繊維層を形成する方法は特に限定されるものではないが、公知のＣＶＤ法、特開２００３−１７１１０７号公報に記載のＳｉＣの熱分解によるカーボンナノチューブの製造法などを用いることができる。特開２００３−１７１１０７号公報に記載の方法によれば、ジグザグ構造のカーボンナノチューブを形成可能である。

ＣＶＤ法によりカーボンナノチューブ配向膜を形成する方法は、具体的には、セパレータ表面のカーボンナノチューブ配向膜を形成したい部分にＦｅ触媒等のカーボンナノチューブ生成触媒をスパッタ法等にて付着させ、高温中で原料ガスを流し熱分解反応などによる生成物を基板上に蒸着させてカーボンナノチューブを形成する方法である。

原料ガスには、炭化水素系ガスやアルコール系ガス（ＣＨ系ガス）、水素系ガス（Ｈ系ガス）が含まれる。具体的には、炭化水素系ガス及びアルコール系ガスから選択される少なくとも一種、あるいは炭化水素系ガス及びアルコール系ガスから選択される少なくとも一種と水素系ガスから選択される少なくとも一種との両方を（場合によりガス化して）用いることができる。前記炭化水素系ガスの炭化水素成分としては、炭素数１〜６の炭化水素（例えばメタン、エタン、アセチレン、ベンゼン等）が好適に挙げられ、前記アルコール系ガスとしては、例えばメタノール、エタノール等が好適に挙げられる。また、前記水素系ガスとしては、例えば水素ガス、アンモニアガス等が好適に挙げられる。ＣＨ系あるいはＨ系の原料が液相もしくは固相状態である場合には、予め気相にして供給することができる。

カーボンナノチューブ生成触媒としては、Ｆｅ触媒以外にＰｄ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｍｎ又はこれらの合金などを用いた触媒が使用できる。

ＣＶＤ法によりカーボンナノチューブを形成すると、触媒がカーボンナノチューブの先端に現れるため、表面のみを削るか又は触媒を酸性溶液で溶解させることにより触媒を取り除くことが好ましい。ＣＶＤ法又は特開２００３−１７１１０７号公報に記載の方法により、溝３の表面と略垂直にカーボンナノチューブが配向する。

また、Ｆｅ触媒付き基板上にＣＶＤ法によりカーボンナノチューブを形成し、これをセパレータ表面に移すことによりカーボンナノチューブ配向膜を形成してもよい。

カーボン繊維層４の厚さは、１０ｎｍ〜２０μｍが好ましく、１０ｎｍ〜１０μｍがさらに好ましい。カーボン繊維層４の厚さを１０ｎｍ〜２０μｍとすることにより、熱交換性及び撥水性の向上並びにセパレータと電極との間の接触抵抗が減少する。

カーボン繊維層４は、溝３の全表面に設けられていてもよいし、溝３の表面の一部に設けられたものであってもよい。

セパレータ１は、溝３の表面にカーボン繊維層４を有するため、溝３を流れるガスとの接触面積が大きい。その結果として、本発明のセパレータはガスとの熱交換特性に優れる。

図２は、本発明の第二実施形態に係るセパレータの断面図を示す。第二実施形態に係るセパレータ５は、溝３の表面及び接触面２の表面にカーボン繊維層４を設けたものである。カーボン繊維層４は、接触面２及び溝３の全面に設けられていてもよいし、接触面２及び溝３の一部に設けられたものであってもよい。カーボン繊維層の具体例及びその形成方法などは、本発明の第一実施形態に係るセパレータの場合と同様である。

本発明の燃料電池用セパレータは、図１又は図２に示すように片側の面にのみ流路となる溝が形成されていてもよいし、両側の面に流路となる溝が形成された態様であってもよい。両側の面に流路となる溝が形成された燃料電池用セパレータは、複数の燃料電池を積層してスタック構造とするときに隣り合う燃料電池の間で共有して用いられる。

＜燃料電池＞
（第一実施形態）
図３は、本発明の第一実施形態に係る燃料電池の断面図を示す。第一実施形態に係る燃料電池は、燃料として水素ガスを用い、酸化ガスとして空気（酸素）を用いたものである。

第一実施形態に係る燃料電池１０は、アノード電極１６と、カソード電極１７と、アノード電極１６とカソード電極１７とで挟持された電解質膜であるフッ素系イオン交換樹脂膜１１と、を備えた膜電極接合体２０と、アノード電極１６と接触してアノード電極１６との間に水素ガスが通過する燃料流路２１を形成するセパレータ２２と、カソード電極１７と接触してカソード電極１７との間に空気（酸素）が通過する酸化ガス流路２３を形成するセパレータ２４と、を備えたものである。燃料電池１０は、セパレータ２２及びセパレータ２４として本発明の第一実施形態に係る燃料電池用セパレータを用いている。セパレータ２２及びセパレータ２４の、膜電極接合体２０と接触する面とは反対の面には、セパレータ２２及びセパレータ２４を冷却する冷却手段である冷却板２７及び冷却板２８が備えられている。冷却板２７及び冷却板２８には冷却水が通過する冷却水通過孔２９が設けられており、不図示の冷却水供給手段から冷却水通過孔２９に冷却水が供給される。これにより、セパレータ２２及びセパレータ２４が冷却可能なようになっている。

フッ素系イオン交換樹脂膜１１は、イオン導電性を有する電解質で構成することができ、一般にパーフルオロスルホン酸膜などが用いられる。本実施形態では、ナフィオン膜（デュポン社製）で構成してある。この膜は、通常イオン導電性を高める点から湿潤状態とされ、水素ガスが供給されて得たアノード側の水素イオンは該膜を良好にイオン伝導してカソード側に移動することができる。この湿潤状態は、酸化ガスである空気などに加水（加湿）することによって形成できる。

アノード電極１６およびカソード電極１７は、電気化学反応を担う触媒層と集電体として機能する拡散層とで構成される。アノード電極１６は、フッ素系イオン交換樹脂膜１１側から順にアノード触媒層１２と拡散層１４とが積層されて構成されており、カソード電極１７は、フッ素系イオン交換樹脂膜１１側から順にカソード触媒層１３と拡散層１５とが積層されて構成されている。

アノード触媒層１２およびカソード触媒層１３は、フッ素系イオン交換樹脂膜１１の表面に、触媒としての白金または白金と他の金属とからなる合金を塗布してなるものである。塗布は、白金または白金と他の金属とからなる合金を担持したカーボン粉を作製し、このカーボン粉を適当な有機溶剤に分散させ、これに電解質溶液（例えば、Ａｌｄｒｉｃｈ Ｃｈｅｍｉｃａｌ社、Ｎａｆｉｏｎ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ）を適量添加してペースト化し、フッ素系イオン交換樹脂膜１１上にスクリーン印刷する方法などによって行なえる。また、前記カーボン粉を含有するペーストを膜成形してシートとし、このシートをフッ素系イオン交換樹脂膜１１上にプレスする構成によることもできる。あるいは、白金または白金と他の金属とからなる合金を、フッ素系イオン交換樹脂膜１１ではなく、フッ素系イオン交換樹脂膜１１と対向する側の拡散層の表面に塗布するようにしてもよい。

拡散層１４及び拡散層１５は、ともに炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスにより形成されている。なお、拡散層は、カーボンクロスのほか、炭素繊維からなるカーボンペーパーやカーボンフェルトなどで構成した形態も好適である。

本発明の燃料電池に用いられる冷却手段としては、冷却水通過孔の設けられた冷却板の他に、空冷ファン、クーリングフィンなどを用いてもよい。

燃料電池１０は、燃料流路２１に水素ガスが供給され、酸化ガス流路２３に空気（酸素）が供給されることにより、下記式(１)〜(３)で表される電気化学反応によって外部に電力を供給することができる。

Ｈ₂ → ２Ｈ⁺＋２ｅ^- （１）
（１／２）Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^- → Ｈ₂Ｏ （２）
Ｈ₂＋（１／２）Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ （３）

なお、式（１）はアノード電極側における反応を示し、式（２）はカソード電極側における反応を示し、式（３）は燃料電池における全反応を示す。

式(１)〜(３)で表される電気化学反応の進行に伴い、発熱及び水の生成が起こる。燃料電池１０は、熱交換特性に優れる本発明のセパレータを備えるため、電気化学反応の進行に伴って発生する熱は本発明のセパレータに速やかに移動し、冷却水通過孔２９を流れる冷却水によって放熱される。すなわち、燃料電池内部で生じた熱を速やかに外界へ放出することができる。また、カーボン繊維層４は撥水性に優れるため、電気化学反応により生じた生成水による酸化ガス流路２３の閉塞が生じにくい。

酸化ガス流路２３の閉塞を防止する観点から、本発明の燃料電池における第二のセパレータとして本発明の燃料電池用セパレータを用いることが好ましい。また、燃料電池の放熱性の観点から、本発明の燃料電池における第一のセパレータ及び第二のセパレータの両方に本発明の燃料電池用セパレータを用いることが好ましい。

（第二実施形態）
図４は、本発明の第二実施形態に係る燃料電池の断面図を示す。第二実施形態に係る燃料電池は、燃料として水素ガスを用い、酸化ガスとして空気を用いたものである。

第二実施形態に係る燃料電池３０は、セパレータ２２及びセパレータ２４に本発明の第一実施形態に係るセパレータを用い、且つアノード電極１６のセパレータ２２と接触する接触面に、カーボンナノチューブ配向膜からなるカーボン繊維層２５が設けられ、カソード電極１７のセパレータ２４と接触する接触面には、カーボンナノチューブ配向膜からなるカーボン繊維層２６が設けられたものである。

アノード電極１６（拡散層１４）又はカソード電極１７（拡散層１５）にカーボン繊維層２５又はカーボン繊維層２６を形成する方法としては、前述した、セパレータ１にカーボン繊維層４を設ける場合と同様の方法を用いることができる。電極に設けられたカーボン繊維層の厚さは、１０ｎｍ〜２０μｍが好ましく、１０ｎｍ〜１０μｍがさらに好ましい。

燃料電池３０においては、セパレータと電極（拡散層）とがカーボン繊維層を介して接触することとなる。そのため、セパレータと電極との間の接触抵抗を低減することができる。また、酸化ガス流路２３の全面がカーボン繊維層で覆われるため、第一実施形態に係る燃料電池よりもさらに酸化ガス流路２３の閉塞が生じにくい。

なお、第二実施形態に係るセパレータを用いることにより、電極にカーボン繊維層を設けなくとも、セパレータと電極との間にカーボン繊維層を設けることができる。この場合、カソード電極の酸化ガス流路となる部分にカーボン繊維層を設けることにより、酸化ガス流路の閉塞が生じにくくなるため好ましい。

本発明の第一実施形態に係る燃料電池用セパレータの断面図である。 本発明の第二実施形態に係る燃料電池用セパレータの断面図である。 本発明の第一実施形態に係る燃料電池の断面図である。 本発明の第二実施形態に係る燃料電池の断面図である。

符号の説明

１、５ セパレータ
２ 接触面
３ 溝
４ カーボン繊維層
１０、３０ 燃料電池
１１ フッ素系イオン交換樹脂膜
１６ アノード電極
１７ カソード電極
２０ 膜電極接合体
２１ 燃料流路
２２、２４ セパレータ
２３ 酸化ガス流路
２５、２６ カーボン繊維層
２７、２８ 冷却板
２９ 冷却水通過孔

Claims (7)

1. 電極と接触する接触面に流路となる溝が形成された燃料電池用セパレータであって、
   前記流路となる溝の表面にカーボン繊維層を設けた燃料電池用セパレータ。
2. 前記接触面にさらにカーボン繊維層を設けた請求項１に記載の燃料電池用セパレータ。
3. 前記カーボン繊維層は、カーボンナノチューブ配向膜である請求項１又は２に記載の燃料電池用セパレータ。
4. アノード電極と、カソード電極と、前記アノード電極と前記カソード電極とで挟持された電解質膜と、を備えた膜電極接合体と、
   前記アノード電極と接触して前記アノード電極との間に燃料が通過する燃料流路を形成する第一のセパレータと、
   前記カソード電極と接触して前記カソード電極との間に酸化ガスが通過する酸化ガス流路を形成する第二のセパレータと、
   を備えた燃料電池であって、
   前記第一のセパレータ及び前記第二のセパレータの少なくとも一方は、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータである燃料電池。
5. 前記アノード電極の前記第一のセパレータと接触する接触面及び前記カソード電極の前記第二のセパレータと接触する接触面の少なくとも一方にカーボン繊維層を設けた請求項４に記載の燃料電池。
6. 前記カーボン繊維層は、カーボンナノチューブ配向膜である請求項５に記載の燃料電池。
7. 前記第一のセパレータ及び前記第二のセパレータの少なくとも一方を冷却する冷却手段をさらに備えた請求項４乃至６のいずれか１項に記載の燃料電池。

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