JP2006012816A - 燃料電池用セパレータ、その製造方法及びこれを含む燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池の作動時に発生し得る水の排出が容易である燃料電池用セパレータ、及び該セパレータを含む燃料電池を提供する。
【解決手段】 本発明は燃料電池用セパレータ、その製造方法及びこれを含む燃料電池に関し、前記セパレータは流路チャンネルが形成された基材;及び前記流路チャンネルに形成された疏水性コーティング層を含む。本発明の燃料電池用セパレータは流路チャンネルにだけ疏水性コーティング層が形成されていてカソードで発生する水を容易に排出することができるので、燃料電池の電池反応が円滑に起こることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は燃料電池用セパレータ、その製造方法及びこれを含む燃料電池に係り、より詳しくは、水の排出が容易である燃料電池用セパレータ、その製造方法及びこれを含む燃料電池に関する。

燃料電池は、メタノール、エタノール、天然ガスのような炭化水素系の物質内に含まれている水素と酸素の化学反応エネルギーを直接電気エネルギーに変換させる発電システムである。

燃料電池（Fuel Cell）は、用いられる電解質の種類によって、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体酸化物型燃料電池、高分子電解質型またはアルカリ型燃料電池などに分類される。これら燃料電池それぞれは、根本的に同じ原理によって作動するが、用いられる燃料の種類、運転温度、触媒、電解質などが互いに異なる。

この中で近年開発されている高分子電解質型燃料電池（ＰＥＭＦＣ：Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell）は、他の燃料電池に比べて出力特性が優れていて、作動温度が低く、速い始動特性及び応答特性を有するので、自動車のような移動用電源としてはもちろん、住宅、公共建物のような分散用電源及び電子機器用小型電源などに適用可能であり、その応用形態、応用対象の範囲が広いという長所を有する。

このようなＰＥＭＦＣは、基本的システムを構成するために、スタック、改質装置、燃料タンク及び燃料ポンプなどを備える。スタックは燃料電池の本体を形成し、燃料ポンプは燃料タンク内の燃料を改質装置に供給する。改質装置は燃料を改質して水素ガスを発生させ、その水素ガスをスタックに供給する。従って、前記ＰＥＭＦＣは燃料ポンプの作動によって燃料タンク内の燃料を改質装置に供給し、この改質装置で燃料を改質して水素ガスを発生させ、スタックでこの水素ガスと酸素を電気化学的に反応させて電気エネルギーを発生させる。

このような燃料電池システムにおいて、電気を実質的に発生させるスタックは、膜／電極アセンブリー（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly）とその両面に密着させられるセパレータ（２極型と単極型がある）とからなる単位セルが数個〜数十個積層された構造を有する。前記膜／電極アセンブリーは高分子電解質膜を介在してアノード電極とカソード電極が付着された構造を有する。このようなセパレータは、単位セルの膜／電極アセンブリー同士が直接に接触しないように分離し、燃料電池の反応に必要な水素ガス及び酸素を膜／電極アセンブリーのアノード電極とカソード電極に各々区分して供給する通路の役割や、各膜／電極アセンブリーのアノード電極と隣接する膜／電極アセンブリーのカソード電極を接続する導電体の役割を果たしている。

従って、セパレータを通じてアノード電極には水素ガスが供給される反面、カソード電極には酸素が供給される。この過程でアノード電極では水素ガスの酸化反応が起こり、カソード電極では酸素の還元反応が起こるようになって、このとき分離生成された電子の移動力によって電気エネルギーを発生させ、熱と水分を付随的に発生させる。

本発明の目的は、燃料電池の作動時に発生する水の排出が容易である燃料電池用セパレータを提供することにある。

また、本発明の他の目的は、前記セパレータを含む燃料電池を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明は流路チャンネルが形成された基材;及び前記流路チャンネルに形成された疏水性コーティング層を含む燃料電池用セパレータを提供する。

本発明はまた、互いに対向して位置したアノード及びカソード電極、及び前記アノードとカソード電極との間に位置した高分子電解質膜を含む少なくとも一つ以上の膜／電極アセンブリー;前記膜／電極アセンブリーのアノードとカソード電極のうちのいずれか一つに接触して燃料またはガスを供給する流路チャンネルが形成されたセパレータを含み、前記セパレータは基材;及び前記流路チャンネルに形成された疏水性コーティング層を含む燃料電池を提供する。

本発明の燃料電池用セパレータによれば、流路チャンネル部分にだけ疏水性コーティング層が形成されていて、カソードで発生する水を容易に排出することができるので、燃料電池の電池反応を円滑に起こすことができる。

本発明は、燃料電池における複数の膜／電極アセンブリー（ＭＥＡ）が相互に直接接触しないようにＭＥＡを分離配置し、燃料電池の反応に必要な水素ガスと酸素を膜／電極アセンブリーのアノード電極とカソード電極に各々供給する通路の役割、及び各ＭＥＡのアノード電極と隣接するＭＥＡのカソード電極を直列に連結する導電体の役割を果たすセパレータに関する。

このようなセパレータは強い耐食性を要し、ガス透過性が有ってはならない。また、燃料電池の作動中にカソードで形成される水を滞りなく排出しなければならない。本発明では水の排出が容易に行われるように、セパレータの流路チャンネルにだけ疏水性コーティング層１０を形成する。図に示す単位電池模式図のように、本発明のセパレータは、流路チャンネル１４の内部にだけ疏水性コーティング処理をして、リブ１２には疏水性コーティング処理をしない。特に電極接触面には、絶縁性不純物が付着しないように注意する。つまり、本発明のセパレータは、流路チャンネルが形成された基材１６と前記流路チャンネルに形成された疏水性コーティング層１０を含む。

なお、単位電池の例を、各層について順次説明すると、アノード・セパレータの天板層、水素流路・リブ層、アノード・リブとＭＥＡ電極表面の接触界面、ＭＥＡ電極層、アノードＭＥＡ触媒層、絶縁性電解質層、カソードＭＥＡ触媒層、ＭＥＡ電極層、ＭＥＡ電極表面とカソード・リブの接触界面、酸素流路・リブ層、カソード・セパレータの天板層、という構造が最も簡単なものである。主要部の動作を見ると、セパレータのリブは流路の壁を構成すると共に電極引出し線としても作用し、天板は流路の天井であってリブの取り付け基板を構成する。また、セパレータの材質は、通常は炭素繊維または炭素粉とバインダの混合成型品であるが、金属材たとえばステンレス鋼や軟銅を板金加工し、電気的接触部にはニッケルメッキや金メッキを施した物を用いることも可能である。絶縁性電解質層は水素イオンを吸収拡散できて、電子は通さないという性質を有するものが好適である。また、ＭＥＡ電極層は通気性と電気的接続性を備えていることが必要であって、炭素紙が好適である。

セパレータの前記基材１６としては、金属、グラファイトまたは炭素−樹脂複合体を用いることができる。前記金属基材としては、ステンレス鋼、アルミニウム、チタニウムまたは銅などを用いることができるが、これに限られるわけではない。前記炭素−樹脂複合体としては、エポキシ系樹脂、エステル系樹脂、ビニルエステル系樹脂及びヨウ素樹脂を含んでなる群から選択される樹脂に黒鉛その他の炭素系物質を混合させた複合体を用いることができる。

前記疏水性コーティング層１０は、フッ素系樹脂組成物を流路チャンネルが形成された基材の流路チャンネル部分にだけコーティングして形成する。前記フッ素系樹脂としては、フッ化ポリビニリデン、ＦＥＰ（ポリ−テトラフルオロエチレン−コ−ヘキサフルオロプロピレン）を用いることができ、ポリテトラフルオロエチレンも使用可能である。前記フッ素系樹脂組成物の溶媒としては、Ｎ−メチルピロリドン、ジメチルアセトアミド、または疏水性基と親水性基を同時に有する界面活性剤を用いて水に分散させてエマルジョン状態で用いることができる。前記コーティング工程は、流路チャンネル部分だけ選択的にフッ素系樹脂組成物でコーティングすることができれば、どのような方法を用いてもよい。

前記疏水性コーティング層１０の最適厚さは１乃至１００μｍ程度が適当であり、コーティング層が１μｍ未満となると、燃料電池の作動及び停止によって発生する温度変化のために、熱膨張及び収縮に伴う疲労を受けてコーティング層が剥離するおそれがある一方、１００μｍを超えるとセパレータの厚さが厚くなりすぎて好ましくないからである。

前記構成を有する本発明のセパレータは、流路チャンネル部分にだけ疏水性コーティング層が形成されており、膜／電極アセンブリーと接触するセパレータのリブ部分には疏水性コーティング層が形成されていないので、燃料電池の作動時に発生する水を効果的に排出させることができると共に、燃料電池の物性を損なうことがない。

本発明のセパレータは、燃料電池に有用に用いることができ、図２にアノード３、カソード５、高分子電解質膜７及びセパレータ９を含む燃料電池の作動状態を概略的に示す。

前記アノード３及びカソード５は、電気化学反応に寄与する金属触媒が炭素に担持されている触媒層を含む。本発明の疏水性コーティング層を有するセパレータは、アノードに接するセパレータとして使用されるのが好ましい。

前記触媒層は還元反応（水素の酸化及び酸素の還元）を促進する、いわゆる金属触媒を含むものであって、白金、ルテニウム、オスミウム、白金−ルテニウム合金、白金−オスミウム合金、白金−パラジウム合金または白金−Ｍ合金（ＭはＧａ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ及びＺｎを含んでなる群から選択される１種以上の遷移金属）の中から選択される１種以上の触媒を含むことが好ましく、白金、ルテニウム、オスミウム、白金−ルテニウム合金、白金−オスミウム合金、白金−パラジウム合金、白金−コバルト合金または白金−ニッケルの中から選択される１種以上の触媒を含むのがさらに好ましい。

前記燃料電池において、水素などの燃料はアノード３に供給され、酸素などの酸化剤はカソード５に供給され、アノード３及びカソード５における電気化学反応によって電気を生成する。つまり、アノード３で有機燃料の酸化反応が起こり、カソード５で酸化剤の還元反応が起こって二つの電極間の電圧差を発生させる。

前記高分子電解質膜は、プロトン伝導性重合体物質、つまり、イオノマ（ionomer）で構成され、一般に水素イオン伝導性を有する高分子であれば、いずれも使用できる。好ましくは、ペルフルオロ系高分子、ベンズイミダゾール系高分子、ポリイミド系高分子、ポリエーテルイミド系高分子、ポリフェニレンスルフィド系高分子、ポリスルホン系高分子、ポリエーテルスルホン系高分子、ポリエーテルケトン系高分子ポリエーテル−エーテルケトン系高分子、ポリフェニルキノキサリン系高分子などが用いることができ、これらの具体的な例としては、ポリ（ペルフルオロスルホン酸）、ポリ（ペルフルオロカルボン酸）、スルホン酸基を含むテトラフルオロエチレンとフルオロビニルエーテル共重合体、脱フッ素化された硫化ポリエーテルケトン、アリールケトンまたはポリ（２、２’−（ｍ−フェニレン）−５、５’−ビベンズイミダゾール））、ポリ（２、５−ベンズイミダゾール）などのポリベンズイミダゾールなどを用いることができるが、これに限られるわけではない。一般にこれらの高分子電解質膜は１０〜２００μｍの厚さを有する。

前記アノード３とカソード５との間に高分子電解質膜を設けて膜／電極アセンブリーを製造し、この膜／電極アセンブリーとセパレータとを必要個数堆積してスタックを製造した後、このスタックを二つのエンドプレートの間に挿入して燃料電池を製造することができる。燃料電池は、この分野における通常の技術を有する者によって容易に製造できる。

本発明のセパレータは、直接メタノール型燃料電池のような直接酸化燃料電池（direct oxidation fuel cell）に好適である。

以下、本発明の実施形態及び比較例を記載する。しかし、下記の実施形態は本発明の好ましい一つの実施形態にすぎず、本発明が下記の実施形態に限られるわけではない。

［実施形態１］
ポリテトラフルオロエチレンフッ素系樹脂組成物を、流路チャンネルが形成されたステンレス鋼基材の前記流路チャンネル部分にだけコーティングしてセパレータを作製した。この結果を下記の比較例１と比較して図２に示した。

［実施形態２］
フッ素系樹脂としてフッ化ポリビニリデン樹脂を使用したこと以外には、前記実施形態１と同一のセパレータを作製した。

［比較例１］
流路チャンネルが形成されたステンレス鋼をセパレータとして用いた。

前記実施形態１及び比較例１のセパレータを利用した燃料電池の電流及び電圧を測定した結果を図３に示した。図３に示すように、流路チャンネル部分にだけ疏水性コーティング層が形成されているセパレータを利用した燃料電池（実施形態１）の電流及び電圧は、流路チャンネルが形成されたステンレス鋼をセパレータとして用いた燃料電池（比較例１）の電流及び電圧よりも向上していることが分かる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者によって本発明の技術思想及び特許請求の範囲内で多様な修正と変形が可能であるのはもちろんのことである。

本発明のセパレータの断面図である。 本発明のセパレータを含む燃料電池の作動状態を概略的に示した図面である。 本発明の実施形態１及び比較例１のセパレータを含む燃料電池の電池特性を示したグラフである。

符号の説明

１ 単位電池
３ アノード
５ カソード
７ 高分子電解質膜
９ セパレータ
１０ 疏水性コーティング層
１２ リブ
１４ 流路チャンネル
１６ 基材

Claims (12)

1. 流路チャンネルが形成された基材;及び
   前記流路チャンネルに形成された疏水性コーティング層
   を含むことを特徴とする、燃料電池用セパレータ。
2. 前記疏水性コーティング層は、フッ素系樹脂を含むことを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池用セパレータ。
3. 前記フッ素系樹脂は、ポリテトラフルオロエチレン、フッ化ポリビニリデン及びＦＥＰを含んでなる群から選択されることを特徴とする、請求項２に記載の燃料電池用セパレータ。
4. 前記基材は、金属、グラファイト及び炭素−樹脂複合体を含んでなる群から選択されることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池用セパレータ。
5. 前記金属は、ステンレス鋼、アルミニウム、チタニウム及び銅を含んでなる群から選択されることを特徴とする、請求項４に記載の燃料電池用セパレータ。
6. 互いに対向して位置したアノード及びカソード電極、及び前記アノードとカソード電極との間に位置した高分子電解質膜を含む少なくとも一つ以上の膜／電極アセンブリー;
   前記膜／電極アセンブリーのアノードとカソード電極のうちのいずれか一つに接触して燃料またはガスを供給する流路チャンネルが形成されたセパレータを含み、
   前記セパレータは基材;及び前記流路チャンネルに形成された疏水性コーティング層を含むことを特徴とする、燃料電池。
7. 前記疏水性コーティング層は、フッ素系樹脂を含むことを特徴とする、請求項６に記載の燃料電池。
8. 前記フッ素系樹脂は、ポリテトラフルオロエチレン、フッ化ポリビニリデン及びＦＥＰを含んでなる群から選択されることを特徴とする、請求項７に記載の燃料電池。
9. 前記基材は、金属、グラファイト及び炭素−樹脂複合体を含んでなる群から選択されることを特徴とする、請求項６に記載の燃料電池。
10. 前記金属は、ステンレス鋼、アルミニウム、チタニウム及び銅を含んでなる群から選択されることを特徴とする、請求項９に記載の燃料電池。
11. 前記燃料電池は、直接酸化燃料電池であることを特徴とする、請求項６に記載の燃料電池。
12. 前記燃料電池において、疏水性コーティング層が形成されたセパレータがアノードと接触することを特徴とする、請求項１１に記載の燃料電池。
    

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