JP2007080745A - 平面型の高分子電解質型燃料電池用のセパレータ組みおよび平面型の高分子電解質型燃料電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 燃料供給用、酸素供給用の各セパレータ用部材に、燃料電池を作製する際に、互いに引っ掛かる状態に組み合わさる切り欠き部位を有する接続用突出部を設けている。
【選択図】 図1
Description
これまでは、宇宙開発や海洋開発に利用されてきたが、最近では、自動車のエンジンの代わりに、また、家庭用発電装置へと展開され、広く使われる可能性が大きくなった。
燃料電池は、簡単には、外部より燃料(還元剤)と酸素または空気(酸化剤)を連続的に供給し、電気化学的に反応させて電気エネルギーを取り出す装置で、その作動温度、使用燃料の種類、用途等で分類することもあるが、最近では、主に使用される電解質の種類によって、大きく、固体酸化物型燃料電池(SOFC)、溶融炭酸塩型燃料電池(MCFC)、リン酸型燃料電池(PAFC)、高分子電解質型燃料電池(PEFC)、アルカリ水溶液型燃料電池(AFC)の5種類に分類されるのが一般的である。
これらは、メタン等から生成された水素ガスを燃料とするものであるが、最近では、燃料としてメタノール水溶液をダイレクトに用いるダイレクトメタノール型燃料電池(DMFC)も知られている。
このPEFCは、固体高分子膜の両側に空気極(酸素極)、燃料極(水素極)等の電極を配置して単位セルを構成し、この単位セルの両側を燃料電池用セパレータで挟んだ構成となっている。
厚さ20μm〜70μmの高分子電解質の両側に厚さ10μm〜20μmの触媒層からなる燃料極と空気極を形成し一体化し、触媒層外側に集電材として多孔質の支持層(カーボンペーパー、気孔率約80%)を付し、さらに水素や酸素といった反応ガスの供給路をかねているセパレータ(仕切り板)によって挟持されている。
燃料(水素)と酸化剤(空気)が直接反応しないように、これらを隔離し、かつ燃料極で生成する水素イオン(プロトン)を空気極側まで運ぶ必要がある。
常温(100℃以下)で作動し、固体の高分子膜中をプロトンが動く燃料電池で、固体高分子膜には、イオン交換基としてスルフォン酸基を持つパーフルオロカーボンスルフォン酸構造を持つ薄膜(厚さ50μm程度)が使用でき、コンパクトな電池をつくることができる。
出力性能は、1〜3A/cm2 、0. 6〜2. 1V/単セルで、2. 1W/cm2 の高出力密度が得られる。
PEFCのセパレータとしては、現在、グラファイト板を削り出して溝加工を行なっているが、コスト的に高価なものとなっている。
そのため、樹脂にカーボンを練り込んだカーボンコンパウンドのモールド性セパレータの開発が進められているが、これは強度の点で問題がある。
また、金属製セパレータは、これらのコストの問題、強度の問題を解決するものとして期待されているが、耐食性に問題がある。
これらのセパレータは、いずれも必要に応じて、燃料ガス供給用溝、及び/または、酸化剤ガス供給用溝が形成されている。
耐食性の面からは、金メッキ等を施す形態も採られている。
この構造の場合、一般に燃料電池用セパレータの一方の側面には隣接する一方の単位セルに燃料ガスを供給する為の燃料ガス用溝が形成され、他方の側面には隣接する他方の単位セルに酸化剤ガスを供給する為の酸化剤ガス用溝が形成されている。
このようなセパレータでは、セパレータ面に沿って、燃料ガス、酸化剤ガスが供給される。
しかし、平面状に単位セルを複数配列させ、これらを電気的に接続する平面型の場合には、燃料及び酸素の供給が場所により不均一となるという問題もあった。
そこで、この燃料供給の不均一性を改善するために、膜電極複合体(MEA)に接しているセパレータの面に対して、垂直方向に多数の貫通孔を形成し、この貫通孔から燃料及び酸素を供給する構造のセパレータが考えられている。(特許文献1参照)
尚、ここでは、燃料電池の燃料供給側セパレータと酸素供給側のセパレータとの間に位置する電極部を含む複合体、例えば、順に、集電体層、燃料電極、高分子電解質、酸素極、集電体層が積層されてなる膜等のような複合体を、膜電極複合体(MEA)と言う。
図5は、1対の燃料供給側セパレータ20および酸素供給側セパレータ30を組み込んだ平面型のPEFC(高分子電解質型燃料電池)10の例を示す構成図で、図6は、図5に示される平面型のPEFCの各部材を離間させた状態を示した図である。
図5において、PEFC(高分子電解質型燃料電池)10は、膜電極複合体(MEA)40が1対の燃料供給側セパレータ20および酸素供給側セパレータ30で挟持された電池本体10Aと、ケース体60を備えている。
また、燃料供給側セパレータ20および酸素供給側セパレータ30の集電部21A、31Aが、カーボンペーパー51、52を介して膜電極複合体(MEA)40に当接している。
また、膜電極複合体(MEA)40は、燃料供給側セパレータ20側に燃料極側触媒層43を備え、酸素供給側セパレータ30に酸素極側触媒層44を備えている。
尚、ここでは、図6に示すように、燃料供給側セパレータ20および酸素供給側セパレータ30は、それぞれ、一対の枠体22、23、および枠体32、33により挟持されているが、膜電極複合体(MEA)40側の枠体23、33はセル領域全体を開口しているが、その外側の枠体22、32、は 集電部21A、31Aの密着性を良くするために、集電部21A、31Aを押さえることができるように貫通部22a、32aを設けている。
図5、図6に示す燃料供給側のセパレータ20の導電性基板21(31)は、図7に示す斜視図のように、その両側の枠体22、23と積層される。
この場合、セル領域全体を開口しているの枠体23が膜電極複合体(MEA)40側である。
図7の各部を離間して示した斜視図は、図8のようになる。
酸素供給側のセパレータ30についても、基本的に同様で、導電性基板31は、図7に示す斜視図のように、その両側の枠体32、33と積層される。
そして、セル領域全体を開口しているの枠体33を膜電極複合体(MEA)40側として積層している。
そして、3個の単位セル81、82、83間の集電部31A(単位導電性基板31a、31b、31c)と集電部21A(単位導電性基板21a、21b、21c)は、接続用ヒンジ部(図示していない)等を介して電気的に接続されている。
尚、ここで、接続用ヒンジ部は、絶縁性の樹脂で覆って絶縁性の被覆を施してもよい。 また、上述の電池本体10Aは、膜電極複合体(MEA)40の周辺端部は、各セパレータ20、30の外周の枠部にシール部材70を介して挟持されている。
そして、電池本体10Aは、固定用ボルト90を用いてケース体60にシール部材70を介して固定されている。
また、単位セル83を構成する燃料供給側セパレータ20の単位導電性基板23aに接続している電極端子27を備えている。
これにより、以下のように3個の単位セル81、82、83が、接続用ヒンジ部による接続を含めて、電気的に直列に接続されたものとなる。
PEFCを作製する際に、手間をかけずにヒンジを配設するため、従来、このような接続用ヒンジ部の形成は、各セパレータ20、30の単位導電性基板21a〜21c、31a〜31cを、エッチング加工等により作製する際に、これらとともに、接続用ヒンジ部形成部を一体的に接続して形成していた。
しかし、このようにして作製された、接続用のヒンジは、PEFCを作製する際の繰り返しの曲げに耐えることができないという問題があった。
このため、該接続用ヒンジ部形成部の所定部を更に金型プレスにて薄化して、曲がり易く形成することも行われたが、この場合は、接続用ヒンジ自体の作製に、エッチング加工等の外形加工の他に金型プレスによる薄化工程を行う必要があり、手間がかかり、問題となっていた。
このような中、平面型のPEFCにおいては、燃料供給側セパレータと酸素供給側セパレータを電気的に接続する接続用のヒンジが用いられているが、従来のエッチング加工等による各セパレータ部材の作製の際に接続用のヒンジ部形成部を形成した場合には、ヒンジ部形成部が繰り返しの曲げに耐性が少ないという問題があり、また、更にヒンジ部形成部の所定部を金型プレスにより薄化する方法では、エッチング加工等の外形加工の他に薄化工程を行うことが必要で、手間がかかという問題があり、これらの対応が求められていた。
本発明はこれに対応するもので、具体的には、単位セルを平面的に一方向に配列した平面型の高分子電解質型燃料電池に用いられる、燃料供給用セパレータと、酸素供給用セパレータとを、一対とするセパレータ組みであって、燃料供給用セパレータと酸素供給用セパレータとに、従来の接続用のヒンジ部に代わり、接続を容易に行える接続部で、且つ、簡単に手間をかけずに、形成することができ、更にPEFCを作製する際の繰り返しの曲げに耐性がある接続部を備えた、セパレータ組みを提供しようとするものである。
更に、各セパレータ用部材に互換性を持たせたセパレータ組みを提供しようとするものである。
また、燃料供給用セパレータと酸素供給用セパレータとに互換性を持たせたセパレータ組みを提供しようとするものである。
更には、そのような、セパレータ組みを用いた平面型の高分子電解質型燃料電池を提供しようとするものである。
そして、上記の平面型の高分子電解質型燃料電池用のセパレータ組みであって、前記燃料供給用セパレータと酸素供給用セパレータの一方のセパレータ用部材は、n個の単位導電性基板のうち、配列した方向の前記一方の端の1番目から(n−1)番目までの単位導電性基板は、nの昇順方向の隣接する単位導電性基板方向に張り出している張出部を隅部に有し、2番目からn番目までの単位導電性基板は、隣接する単位導電性基板の前記張出部に対応し、かつ、前記張出部との間に空隙部が形成される形状の切り欠き部位を隅部に有し、前記張出部に前記接続用突出部を有しており、他方のセパレータ用部材は、n個の単位導電性基板のうち、配列した方向の前記一方の端の2番目からn番目までの単位導電性基板は、nの降順方向の隣接する単位導電性基板方向に張り出している張出部を隅部に有し、1番目から(n−1)番目までの単位導電性基板は、隣接する単位導電性基板の前記張出部に対応し、かつ、前記張出部との間に空隙部が形成される形状の切り欠き部位を隅部に有し、前記張出部に前記接続用突出部を前記配列方向と直交する方向に突出して有していることを特徴とするものである。
そしてまた、上記いずれかの平面型の高分子電解質型燃料電池用のセパレータ組みであって、平面型の高分子電解質型燃料電池に供せられる場合に、互いに引っ掛かる状態に合わさる、前記燃料供給用セパレータの接続用突出部と酸素供給用セパレータの接続用突出部とは、前記配列方向における位置を隣接する単位導電性基板の境界延長線上にあり、且つ、該境界延長線に対して対称となる形状であることを特徴とするものである。
また、上記いずれかの平面型の高分子電解質型燃料電池用のセパレータ組みであって、前記燃料供給用セパレータと酸素供給用セパレータとを、同じくして、互換性をもたせていることを特徴とするものである。
これにより、更には、そのような、セパレータ組みを用いた平面型の高分子電解質型燃料電池の提供を可能とするものである。
具体的には、燃料供給用セパレータと酸素供給用セパレータとは、各々、燃料供給用あるいは酸素供給用の複数の貫通孔を有する単位導電性基板を空隙部を介して平面的に一方向にn個(nは2以上の整数)配列したセパレータ用部材と、該セパレータ用部材を挟持するように一体化された一対の絶縁性枠体とを備え、該一対の絶縁性枠体は、それぞれ、各セパレータ部材の単位導電性基板の配列位置に対応した所定の開口を有しているものであり、前記燃料供給用セパレータ、酸素供給用セパレータの一方のセパレータ用部材は、そのn個の単位導電性基板のうち、配列した方向の一方側の端の1番目から(n−1)番目の単位導電性基板には、その配列方向と直交する方向側に突出した接続用突出部を有し、且つ、該接続用突出部には、引っ掛け接続のための切り欠き部位部位を有しており、また、他方のセパレータ用部材は、そのn個の単位導電性基板のうち、配列した方向の前記一方側に対応する側の端の2番目からn番目の単位導電性基板には、その配列方向と直交する方向側に突出した接続用突出部を有し、且つ、該接続用突出部には、引っ掛け接続のための切り欠き部位を有しており、更に、前記一方のセパレータ用部材を形成するk番目(k=1〜(n−1))の単位導電性基板の接続用突出部の切り欠き部位と、前記他方のセパレータ用部材を形成するk+1番目の単位導電性基板の接続用突出部の切り欠き部位とは、前記平面型の高分子電解質型燃料電池に供せられる場合に、互いに引っ掛かる状態に合わさる形状、位置に設けられていることにより、これを達成している。
詳しくは、前記一方のセパレータ部材を形成するk番目(k=1〜(n−1))の単位導電性基板の接続用突出部の切り欠き部位と、前記他方のセパレータ部材を形成するk+1番目の単位導電性基板の接続用突出部の切り欠き部位とは、セパレータが平面型の高分子電解質型燃料電池に供せられる場合には、互いに引っ掛かる状態に合わさる形状、位置に設けられていることにより、平面型の高分子電解質型燃料電池に供せられる場合に、隣接するセルを順に直列に接続することを可能としている。
このような、切り欠き部位を有する接続用突出部は、燃料供給用あるいは酸素供給用の複数の貫通孔を有する単位導電性基板を作製する際に、一緒に精度良く加工することができ、生産効率の面、加工精度の面で有利であり、また、従来の接続用のヒンジ部に代わり、接続を容易に行える接続部とすることができる。
更に具体的には、前記燃料供給用セパレータと酸素供給用セパレータの一方のセパレータ用部材は、n個の単位導電性基板のうち、配列した方向の前記一方の端の1番目から(n−1)番目までの単位導電性基板は、nの昇順方向の隣接する単位導電性基板方向に張り出している張出部を隅部に有し、2番目からn番目までの単位導電性基板は、隣接する単位導電性基板の前記張出部に対応し、かつ、前記張出部との間に空隙部が形成される形状の切り欠き部位を隅部に有し、前記張出部に前記接続用突出部を有しており、他方のセパレータ用部材は、n個の単位導電性基板のうち、配列した方向の前記一方の端の2番目からn番目までの単位導電性基板は、nの降順方向の隣接する単位導電性基板方向に張り出している張出部を隅部に有し、1番目から(n−1)番目までの単位導電性基板は、隣接する単位導電性基板の前記張出部に対応し、かつ、前記張出部との間に空隙部が形成される形状の切り欠き部位を隅部に有し、前記張出部に前記接続用突出部を前記配列方向と直交する方向に突出して有している、請求項2の発明の形態を挙げることができる。
平面型の高分子電解質型燃料電池に供せられる場合に、互いに引っ掛かる状態に合わさる、前記燃料供給用セパレータの接続用突出部と酸素供給用セパレータの接続用突出部とは、前記配列方向における位置を隣接する単位導電性基板の境界延長線上にあり、且つ、該境界延長線に対して対称となる形状である請求項3の発明の形態にすることにより、燃料供給用セパレータのセパレータ用部材と酸素供給用セパレータのセパレータ用部材と、を互いに同じデザインで加工して、向きを変えて使用することができるものとしており、更に、燃料供給用セパレータと酸素供給用セパレータの枠体に互換性を持たせることにより、結局、燃料供給用セパレータと酸素供給用セパレータとを、同じくして、互換性をもたせた、請求項4の発明の形態にすることにより、セパレータ組みの、各セパレータの作製を1つのデザインに統一でき、生産面で有利となる。
尚、場合によっては、この接続部により接続した部分に接触抵抗下げるために、更に、半田等の導電性材料を付けた形態としても良い。
特に、各セパレータ用部材に互換性を持たせたセパレータ組みの提供を可能とした。
更に、燃料供給用セパレータと酸素供給用セパレータとに互換性を持たせたセパレータ組みの提供を可能とした。
同時に、そのような、セパレータ組みを用いた平面型の高分子電解質型燃料電池の提供を可能とした。
図1は本発明の平面型の高分子電解質型燃料電池用のセパレータ組みの実施の形態の第1の例を示したもので、
図2(a)は図1に示す第1の例における酸素供給用セパレータのセパレート用部材の平面図で、図2(b)は図1に示す第1の例における燃料供給用セパレータのセパレート用部材の平面図で、
図3(a)は本発明の平面型の高分子電解質型燃料電池用のセパレータ組みの実施の形態の第2の例における酸素供給用セパレータのセパレータ用部材の平面図で、図3(b)は第2の例における燃料供給用セパレータのセパレータ用部材の平面図で、図4(a)〜図4(b)は本発明の平面型の高分子電解質型燃料電池の作製工程を示した図で、図4(c)は、図4(b)におけるF0部の状態を示した図である。
尚、図1〜図3における点線矢印は配列の方向を示しており、1番目〜3番目は配列方向の順番を示している。
また、図2(a)、図2(b)における点線四角は、対応する接続用突出部128、138の接続領域を示す。
図1〜図4中、110はセパレータ組み、120は燃料供給用セパレータ、121は(燃料供給用セパレータの)セパレータ用部材、121Aは集電部、121Bは貫通孔、121a〜121fは単位導電性基板、122、123は枠体(絶縁性枠体とも言う)、123aは開口、124は空隙部、125は張出部、126は切り欠き部位、127は端子電極、128、128aは接続用突出部、129、129aは切り欠き部位、130は酸素供給用セパレータ、131は(酸素供給用セパレータの)セパレータ用部材、131Aは集電部、131Bは貫通孔、131a〜131fは単位導電性基板、132、133は枠体(絶縁性枠体とも言う)、132aは開口、134は空隙部、135は張出部、136は切り欠き部位、137は端子電極、138、138aは接続用突出部、139、139aは切り欠き部位、140は膜電極複合体(MEA)である。
第1の例の平面型の高分子電解質型燃料電池用のセパレータ組み110は、単位セルを平面的に一方向に配列した平面型の高分子電解質型燃料電池に用いられる、燃料供給用セパレータ120と、酸素供給用セパレータ130とを、一対とするセパレータ組みである。
燃料供給用セパレータ120は、燃料供給用の複数の貫通孔を有する単位導電性基板を空隙部を介して平面的に一方向に3個配列したセパレータ用部材121(図2参照)と、該セパレータ用部材121を挟持するように一体化された一対の絶縁性枠体122、124とを備え、該一対の絶縁性枠体は、それぞれ、セパレータ用部材121の単位導電性基板の配列位置に対応した所定の開口を有しているものである。
酸素供給用セパレータ130は、酸素供給用の複数の貫通孔を有する単位導電性基板を空隙部を介して平面的に一方向に3個配列したセパレータ用部材131(図2参照)と、該セパレータ用部材131を挟持するように一体化された一対の絶縁性枠体132、134とを備え、該一対の絶縁性枠体は、それぞれ、セパレータ用部材131の単位導電性基板の配列位置に対応した所定の開口を有しているものである。
一方、酸素供給用セパレータ130のセパレータ用部材131は、図2(a)に示すように、酸素供給用の複数の貫通孔131Bを有する導電性基板を単位導電性基板131a〜131cとして、該単位導電性基板131a〜131cとを、空隙部134を介して平面的に一方向に3個配列したもので、3個の単位導電性基板131a〜131cのうち、配列した方向の前記一方側に対応する側の端の2番目と3番目の単位導電性基板131b、131cには、その配列方向と直交する方向側に突出した接続用突出部138を有し、且つ、各接続用突出部138には、引っ掛け接続のための切り欠き部位139を有している。
尚、本例では、図2に示すように、互いに接続する接続用突出部128、138の各切り欠き部位129、139を含む接合領域(図2(a)、図2(b)の点線四角領域)が、配列方向における位置を隣接する単位導電性基板との境界延長線上にあり、且つ、該境界延長線に対して対称となる形状で、そして、燃料供給用セパレータ120のセパレータ用部材121と酸素供給用セパレータ130のセパレータ用部材131とを互いに同じデザインで加工してあるため、セパレータ用部材121とセパレータ用部材131とは、互いに向きを変えて使用することにより互換性がある。
本例では、枠体122と枠体132とを、および、枠体123と枠体133とを、それぞれ、向きを変えた場合に同じデザインとなるように形成してあるので、燃料供給用セパレータ120と酸素供給用セパレータ130とも互いに向きを変えて使用することにより互換性がある。
また、酸素供給用セパレータ130も、基本的には、燃料供給用セパレータ120と同様で、高分子電解質型燃料電池に供される場合に膜電極複合体(MEA)側となる絶縁性枠体133は、単位セル領域全体が開口されているのに対し、高分子電解質型燃料電池に供される場合に膜電極複合体(MEA)側とは反対側となる絶縁性枠体132は、その単位セル領域には単位導電性基板の酸素を通過させるための貫通孔(図2の131B)を開口するように複数の貫通孔部132aを設けている。
そして、燃料供給用セパレータ120のセパレータ用部材121と酸素供給用セパレータ130のセパレータ用部材131の他方は、単位導電性基板のうち、配列した方向の前記一方の端の2番目、3番目の単位導電性基板131b、131cは、それぞれ、その降順方向の隣接する単位導電性基板131a、131b方向に張り出している張出部135を隅部に有し、また、1番目、2番目の単位導電性基板131a、131bは、ぞれぞれ、隣接する単位導電性基板の張出部138に対応し、かつ、張出部135との間に空隙部134が形成される形状の切欠き部位139を隅部に有しており、ここでの張出部135に接続用突出部138を有している。
このようにして、燃料供給用セパレータ120のセパレータ用部材121を形成する1番目、2番目の単位導電性基板121a、121bの接続用突出部128の切り欠き部位129と、酸素供給用セパレータ130のセパレータ用部材131を形成する2番目、3番目の単位導電性基板131b、131cの接続用突出部138の切り欠き部位139とが、平面型の高分子電解質型燃料電池に供せられる際には、互いに引っ掛かる状態に合わさる形状、位置に設けている。
本例のセパレータ組みは、平面型の高分子電解質型燃料電池に供せられる場合には、接続用突出部128の切り欠き部位129と、接続用突出部138の切り欠き部位139とが互いに引っ掛かる状態に合わせて用いられる。
単位導電性基板121a〜121c、131a〜131cは、少なくとも燃料電池の電解質側となる表面部に耐食性(耐酸性)、電気導電性の樹脂層からなる保護層を備えていてもよい。
このような保護層の形成方法としては、樹脂にカーボン粒子、耐食性の金属等の導電材を混ぜた材料を用いて電着により膜を形成し、加熱硬化する方法、あるいは、導電性高分子からなる樹脂に導電性を高めるドーパントを含んだ状態の膜を電解重合により形成する方法等が挙げられる。
また、単位導電性基板121a〜121c、131a〜131cの表面に金めっき等のめっき処理を施して、導電性を損なうことなく、耐食性金属層を設けてもよい。
さらに、このような耐食性金属層上に、耐酸性かつ電気導電性を有する保護層を配設してもよい。
各単位導電性基板121a〜121c、131a〜131cは、機械加工、フォトリソグラフィー技術を用いたエッチング加工により、所定の形状に加工したものであり、
張出部125、135、切り欠き部位126、136、接続用突出部128、138切り欠き部位129、139、燃料供給用の貫通孔121B、酸素供給用の貫通孔131Bを、これらの方法により形成したものである。
このような材料としては、プリント配線基板用の基板材料等が用いられ、例えば、ガラスエポキシ、ポリイミド等が挙げられる。
所望の形状を有する絶縁性枠体の形成は、機械加工、レーザ加工等により行なうことができる。
燃料供給側セパレータ120および酸素供給側セパレータ130は、個別に作製された、各セパレータ部材120a、130aと、対応する各絶縁性枠体とを、位置合せしながら固着して作製する方法が挙げられる。
各部材の固着は、例えば、エポキシ樹脂などの接着剤を塗布し、各部材を重ね合わせた状態で、接着剤を硬化させ固定する方法等がある。
この場合に用いられる接着剤は、その製造のプロセスにおいて他の部材に影響を及ぼさず、かつ、燃料電池に使用された際、その動作条件に対する耐性が優れたものであれば、特に限定はされない。
また、絶縁性枠体の一部あるいは全部を半硬化状態であるプリプレグにて形成し、各セパレータ部材121、131に圧着して、固定する方法もある。
第2の例は、第1の例において、図2(a)に示すセパレータ用部材131、図2(b)に示すセパレータ用部材121を、それぞれ、図3(a)に示すセパレータ用部材、図3(b)に示すセパレータ用部材に置き代えたもので、それ以外は、第1の例と同じである。
第2の例の場合も、燃料供給用セパレータのセパレータ用部材121は、燃料供給用の複数の貫通孔121Bを有する導電性基板を単位導電性基板121d〜121fとして、該単位導電性基板121d〜121fを、空隙部124を介して平面的に一方向に3個配列したもので、3個の単位導電性基板121d〜121fのうち、配列した方向の一方側の端の1番目と2番目の単位導電性基板121d、121eには、その配列方向と直交する方向側に突出した接続用突出部128aを有し、且つ、各接続用突出部128aには、引っ掛け接続のための切り欠き部位129aを有しており、また、酸素供給用セパレータのセパレータ部材131は、酸素供給用の複数の貫通孔131Aを有する導電性基板を単位導電性基板131d〜131fとして、該単位導電性基板131d〜131fとを、空隙部134を介して平面的に一方向に3個配列したもので、3個の単位導電性基板131d〜131fのうち、配列した方向の前記一方側に対応する側の端の2番目と3番目の単位導電性基板131e、131fには、その配列方向と直交する方向側に突出した接続用突出部138aを有し、且つ、各接続用突出部138aには、引っ掛け接続のための切りかけ部位139aを有している。
第2の例におけるセパレータ用部材121、131の各単位導電性基板121d〜121f、131d〜131fの形状、接続用突出部128b、138bの形状が、第1の例の場合と異なる。
また、第2の例における単位導電性基板121d〜121f、131d〜131fには、第1の例における張出部125、135や切り欠き部位126、136を持たない形状である。
接続用突出部128a、138aの形状に工夫をして図2に示すような形状として、燃料供給用セパレータ用部材121を形成する1番目、2番目の単位導電性基板121d、121eの接続用突出部の切り欠き部位129aと、酸素供給用セパレータ用部材131を形成する2番目、3番目の単位導電性基板131e、131fの接続用突出部の切り欠き部位139aとが、平面型の高分子電解質型燃料電池に供せられる際には、互いに引っ掛かる状態に合わさる形状、位置に設けている。
このため、平面型の高分子電解質型燃料電池に供せられる場合には、接続用突出部128aの切り欠き部位129aと、接続用突出部138aの切り欠き部位139aとが互いに引っ掛かる状態に合わさる形状、位置に設けられていることにより、隣接するセルを順に直列に接続することを可能としている。
第2の例の場合も、図3に示すように、互いに接続する接続用突出部128a、138aの各切り欠き部位129a、139aを含む接合領域(図示していない)が、配列方向における位置を隣接する単位導電性基板との境界延長線上にあり、且つ、該境界延長線に対して対称となる形状であり、第1の例と同様、燃料供給用セパレータのセパレータ用部材と酸素供給用のセパレータ用部材とは、互いに向きを変えて使用することにより互換性があり、燃料供給用セパレータと酸素供給用セパレータとも互いに向きを変えて使用することにより互換性がある。
尚、各部の材質や、作製方法も第1の例と同じでここでは説明を省略する。
燃料供給側セパレータ120および酸素供給側セパレータ130を、これらの間に、膜電極複合体(MEA)140を配して、各対応する接続用突出部の切り欠き部位を、互いに引っ掛かる状態に合わさせて、間隔を狭めて積層形成する。
接続用突出部128、138は、図4(c)に示すように、互いに、切り欠き部位(図2の129、139)おいて重なり電気的に接続する。
尚、先に述べたが、場合によっては、この接続部により接続した部分に接触抵抗下げるために、更に、半田等の導電性材料を付けた形態としても良い。
また、先に述べたが、膜電極複合体(MEA)140は、集電体層、燃料電極、高分子電解質、酸素極、集電体層が積層されてなる膜等のような複合体で、例えば、図5に示すように、高分子電解質41の膜に燃料極側触媒層43、酸素極側触媒層44を配している。
燃料供給用セパレータ120のセパレータ用部材121と酸素供給用セパレータ130のセパレータ用部材131の、一方の単位導電性基板から出ている接続用突出部の切り欠き部位と、他方の単位導電性基板から出ている接続用突出部の切り欠き部位とを、互いに引っ掛かる状態に合わせて、3個の単位セルを電気的に直列に接続している。
例えば、接続用突出部125、136の厚さを、他の部分よりも薄くして、曲げ易いものとしても良い。
エッチング加工では、接続用突出部125、136のみを他と比べ薄化することは容易である。
また、接続用突出部125、136の形状も、図1に示す形状に限定はされない。
勿論、単位セルの配列を4個以上とする場合の形態も挙げられる。
また、第1の例、第2の例の平面型の高分子電解質型燃料電池用のセパレータ組みでは、燃料供給用セパレータのセパレータ用部材と酸素供給用セパレータのセパレータ用部材とは、互いに向きを変えて使用することにより互換性があり、燃料供給用セパレータと酸素供給用セパレータとも互いに向きを変えて使用することにより互換性があるが、これらの互換性のない構造の形態も挙げられる。
120 燃料供給用セパレータ
121 (燃料供給用セパレータの)セパレータ用部材
121A 集電部
121B 貫通孔
121a〜121f 単位導電性基板
122、123 枠体(絶縁性枠体とも言う)
124 空隙部
125 張出部
126 切り欠き部位
127 端子電極
128、128a 接続用突出部
129、129a 切り欠き部位
130 酸素供給用セパレータ
131 (酸素供給用セパレータの)セパレータ用部材
131A 集電部
131B 貫通孔
131a〜131f 単位導電性基板
132、133 枠体(絶縁性枠体とも言う)
132a 開口
134 空隙部
135 張出部
136 切り欠き部位
137 端子電極
138、138a 接続用突出部
139、139a 切り欠き部位
140 膜電極複合体(MEA)
10 PEFC(高分子電解質型燃料電池)
10A 電池本体10A
20 燃料供給側セパレータ
21 導電性基板
21a〜21c 単位導電性基板
21A 集電部
22、23 枠体(絶縁性枠体とも言う)
22a 貫通孔
23a 開口
24 空隙部
27 電極端子
30 酸素供給側セパレータ
31 導電性基板
31a〜31c 単位導電性基板
31A 集電部
32、33 枠体(絶縁性枠体とも言う)
32a 貫通孔
33a 開口
34 空隙部
37 電極端子
40 膜電極複合体(MEA)
41 固体高分子膜(高分子電解質とも言う)
43 燃料極側触媒層
44 酸素極側触媒層
51、52 カーボンペーパー
60 ケース体
61 燃料タンク
62 燃料供給口
70 シール部材
81、82、83 単位セル
90 固定用ボルト
Claims (5)
- 単位セルを平面的に一方向に配列した平面型の高分子電解質型燃料電池に用いられる、燃料供給用セパレータと、酸素供給用セパレータとを、一対とする平面型の高分子電解質型燃料電池用のセパレータ組みであって、前記燃料供給用セパレータと酸素供給用セパレータとは、各々、燃料供給用あるいは酸素供給用の複数の貫通孔を有する単位導電性基板を空隙部を介して平面的に一方向にn個(nは2以上の整数)配列したセパレータ用部材と、該セパレータ用部材を挟持するように一体化された一対の絶縁性枠体とを備え、該一対の絶縁性枠体は、それぞれ、各セパレータ部材の単位導電性基板の配列位置に対応した所定の開口を有しているものであり、前記燃料供給用セパレータ、酸素供給用セパレータの一方のセパレータ用部材は、そのn個の単位導電性基板のうち、配列した方向の一方側の端の1番目から(n−1)番目の単位導電性基板には、その配列方向と直交する方向側に突出した接続用突出部を有し、且つ、該接続用突出部には、引っ掛け接続のための切り欠き部位部位を有しており、また、他方のセパレータ用部材は、そのn個の単位導電性基板のうち、配列した方向の前記一方側に対応する側の端の2番目からn番目の単位導電性基板には、その配列方向と直交する方向側に突出した接続用突出部を有し、且つ、該接続用突出部には、引っ掛け接続のための切り欠き部位を有しており、更に、前記一方のセパレータ用部材を形成するk番目(k=1〜(n−1))の単位導電性基板の接続用突出部の切り欠き部位と、前記他方のセパレータ用部材を形成するk+1番目の単位導電性基板の接続用突出部の切り欠き部位とは、前記平面型の高分子電解質型燃料電池に供せられる場合に、互いに引っ掛かる状態に合わさる形状、位置に設けられていることを特徴とする平面型の高分子電解質型燃料電池用のセパレータ組み。
- 請求項1に記載の平面型の高分子電解質型燃料電池用のセパレータ組みであって、前記燃料供給用セパレータと酸素供給用セパレータの一方のセパレータ用部材は、n個の単位導電性基板のうち、配列した方向の前記一方の端の1番目から(n−1)番目までの単位導電性基板は、nの昇順方向の隣接する単位導電性基板方向に張り出している張出部を隅部に有し、2番目からn番目までの単位導電性基板は、隣接する単位導電性基板の前記張出部に対応し、かつ、前記張出部との間に空隙部が形成される形状の切り欠き部位を隅部に有し、前記張出部に前記接続用突出部を有しており、他方のセパレータ用部材は、n個の単位導電性基板のうち、配列した方向の前記一方の端の2番目からn番目までの単位導電性基板は、nの降順方向の隣接する単位導電性基板方向に張り出している張出部を隅部に有し、1番目から(n−1)番目までの単位導電性基板は、隣接する単位導電性基板の前記張出部に対応し、かつ、前記張出部との間に空隙部が形成される形状の切り欠き部位を隅部に有し、前記張出部に前記接続用突出部を前記配列方向と直交する方向に突出して有していることを特徴とする平面型の高分子電解質型燃料電池用のセパレータ組み。
- 請求項1ないし2のいずれか1項に記載の平面型の高分子電解質型燃料電池用のセパレータ組みであって、平面型の高分子電解質型燃料電池に供せられる場合に、互いに引っ掛かる状態に合わさる、前記燃料供給用セパレータの接続用突出部と酸素供給用セパレータの接続用突出部とは、前記配列方向における位置を隣接する単位導電性基板の境界延長線上にあり、且つ、該境界延長線に対して対称となる形状であることを特徴とする平面型の高分子電解質型燃料電池用のセパレータ組み。
- 請求項1ないし3のいずれか1項に記載の平面型の高分子電解質型燃料電池用のセパレータ組みであって、前記燃料供給用セパレータと酸素供給用セパレータとを、同じくして、互換性をもたせていることを特徴とする平面型の高分子電解質型燃料電池用のセパレータ組み。
- 単位セルを平面的に配列した平面型の高分子電解質型燃料電池であって、請求項1ないし4に記載の、平面型の高分子電解質型燃料電池用のセパレータ組みを用いたもので、前記燃料供給用セパレータと酸素供給用セパレータの一方のセパレータ用部材の単位導電性基板から出ている接続用突出部の切り欠き部位と、他方のセパレータ用部材の単位導電性基板から出ている接続用突出部の切り欠き部位とを、互いに引っ掛かる状態に合わせて、n個の単位セルを電気的に直列に接続していることを特徴とする平面型の高分子電解質型燃料電池。
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