JP2011040213A - 燃料電池用双極板 - Google Patents

Abstract

【課題】合成樹脂材料によって形成された燃料電池用双極板を提供すること。
【解決手段】膜・電極接合体８に挟まれて配置され、一方の面に燃料供給路５が形成され、かつ他方の面に空気供給路３が形成された燃料電池用双極板１において、合成樹脂材料によって板状に形成され、かつ板状に形成された合成樹脂材料の各面の表面に導電性材料に形成された集電部６が配置されていることを特徴とする燃料電池用双極板１である。燃料供給路５は燃料電池用双極板１の一方の面に蛇行した細溝形状に複数形成され、かつ他方の面に、空気供給路３が互いに平行な直線状かつ細溝形状に複数形成されている。そして蛇行した細溝形状の燃料供給路５における折り返し箇所の間の部分は、互いに平行な直線状かつ細溝形状の空気供給路３に対し直交する方向に燃料を流通させるように形成されている。
【選択図】図６

Description

この発明は、メタノールを燃料としたダイレクトアルコール型燃料電池に関し、特にそのスタックを構成する双極板に関するものである。

燃料電池は、化学反応のエネルギを電気に変換する装置であって、電気を発生させる発電部の外部に燃料および酸化剤を保管できるという点で従来のバッテリとは異なっている。また燃料電池は、燃料と酸化剤とが発電部に供給される限り電気を発生させることができる。そして、メタノール水溶液を燃料とし、空気（酸素）を酸化剤とするダイレクトメタノール型燃料電池（ＤＭＦＣと記すことがある。）は、アノード（陰極、燃料極）において燃料のメタノールが酸化されてプロトンを発生させる。その発生したプロトンは電解質膜を透過してカソード（陽極、空気極）に到達する。また、メタノールの酸化反応にともなってアノード（燃料極）で発生した電子は、アノード（燃料極）とカソード（空気極）との間の電位差によって外部回路に流れてカソード（空気極）に到達する。

ＤＭＦＣは、液体メタノールを燃料に用いることができるから、発電装置として高いエネルギ密度を有し、またその動作温度は相対的に低い、という利点を有する。また、燃料であるメタノール水溶液を補充すれば発電を継続させることができる、という利点を有する。さらにまた、メタノールの酸化反応によって発電をおこなうから、水と二酸化炭素とを排出するのみであり、いわゆる環境に優しい発電装置としての利点を有している。

燃料である液体メタノールは、水素ガスあるいは液状の水素を貯蔵タンクに貯蔵することに比較して、燃料の貯蔵および輸送を容易におこなうことができる。これは、メタノールが水素と異なり、室温で液体であって、簡易なポリマー容器に容易に貯蔵することができるためである。また理論的には、液体メタノールは、現在の水素貯蔵技術によって貯蔵される水素よりも高いエネルギを蓄えることができる。言い換えれば、現在の水素貯蔵技術によって同容量のタンクに水素あるいは液体メタノールを貯蔵した場合に、液体メタノールを貯蔵したタンクは、水素を貯蔵したタンクに比較して高いエネルギを蓄えることができる。そのため、ＤＭＦＣは、水素燃料電池よりも軽量かつ高いエネルギ密度を有しており、要求される電力が絶えず増大する傾向にある携帯型電子機器（装置）に対する小型携帯型の機器用電源として有望視されている。

一般的に、単一のＤＭＦＣ（単位セル）は電解質膜と電極とを一体化した膜・電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ；ＭＥＡと記すことがある。）およびガス拡散層（Ｇａｓ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｌａｙｅｒ；ＧＤＬと記すことがある。）ならびにガスケットさらには燃料を流通させるフローフィールドプレート（単に燃料供給路と記す場合がある。）などを備えており、これらの部材が積層されて単位セルを構成している。そして、ＤＭＦＣの総出力を増大させるために、前述した単位セルが複数直列に連結（積層）されてＤＭＦＣスタックが構成されている。また通常、ＤＭＦＣスタックは、反応物質の給排をおこなうための給排出ポートを有する内部マニホールドと単位セルとともに直列に配置された複数のバイポーラプレート（燃料電池用双極板）とを備えている。

前述したＤＭＦＣスタックへの燃料および空気を供給する方法の違いにより、ＤＭＦＣスタックをパッシブ型とアクティブ型とに分類することができる。パッシブ型のＤＭＦＣスタックは、燃料および空気をポンプなどの動力を必要とせずに、いわゆる自己拡散（自己呼吸）などによってＭＥＡに供給する。また、通常、パッシブ型のＤＭＦＣスタックは空間効率を向上させるために平板状の形状である。一般的な平板状のＤＭＦＣスタックのカソード（空気極）側は、直接外気に解放されており、いわゆる自己呼吸によって空気から酸素を取り入れるように構成されている。そのため、パッシブ型のＤＭＦＣスタックはポンプなどの補器を必要としないので、コンパクトかつ軽量な装置とすることができる、という特徴を有している。

しかしながら、パッシブ型のＤＭＦＣスタックの出力密度は、アクティブ型に比較して、相対的に低い。また、その出力が低い上に積層に制限がある。そのため、発電電力の向上および発電の安定性が新たな問題になっている。パッシブ型ＤＭＦＣスタックは、その周辺状態を変化させることによって、出力（発電力）や安定性にいくらかの効果を得ることはできるが、パッシブ型のＤＭＦＣスタックの発電性能は、スタックの配置に依存しており、そのため、従来ではパッシブ型のＤＭＦＣスタックの出力は１０Ｗ以下になることが多い。

これとは反対に、アクティブ型のＤＭＦＣスタックでは、ＭＥＡに燃料であるメタノールおよび空気を供給するためのポンプなどの補器が採用されている。また、このようなＤＭＦＣスタックでは、アノード（燃料極）とカソード（空気極）とに燃料あるいは酸化剤としての空気（酸素）を流通させるためのフローフィールドプレート（燃料供給路あるいは酸化剤供給路）が設けられている。そのため、アクティブ型のＤＭＦＣスタックの発電密度は、速やかに燃料および空気を輸送できることから、パッシブ型のＤＭＦＣスタックと比較して相対的に大きい。また、その発電の安定性や信頼性は、補器とのバランスによって増大（変化）させることができる。さらにまた、アクティブ型のＤＭＦＣスタックの発電性能は、パッシブ型とは異なりスタックの配置に依存していないので、言い換えればポンプなどによって強制的に燃料および空気をＭＥＡに供給し、また排出する。したがって、例えば１０Ｗ以上の発電性能が要求される場合にはアクティブ型のＤＭＦＣスタックが好ましい。

しかしながら、アクティブ型のＤＭＦＣスタックでは、発電した電力の大部分もしくは一部が補器によって消費されるため、例えば１５Ｗ出力可能なＤＭＦＣにおける例えば空気（酸素）を送風するエアポンプの消費電力は、総出力の約２０％に達する。また、このような補器の駆動を制御する制御装置は騒音を発する虞がある。そのため、出力電力が５〜２０Ｗの中型のアクティブ型ＤＭＦＣでは、ポンプなどの補器によって消費される電力が相対的に増大する傾向にある。

ところで、ＤＭＦＣの発電力およびその体格は、単位セルの大きさおよびその単位セルが複数連結（積層）されたＤＭＦＣスタックに依存する。アクティブ型のＤＭＦＣを小型化するために、またポンプによる電力消費量を抑制するように構成された発明が特許文献１に記載されている。特許文献１に記載された発明は、金属素材から構成されるセパレータの両面に燃料あるいは酸化剤としての空気（酸素）を流通させる第一および第二のチャンネルを形成し（いわゆるバイポーラプレート（燃料電池用双極板）を形成させ）、スタック全体の体積を減らすように構成されている。また、セパレータに第一チャンネルあるいは第二チャンネルに連通する孔形態の第一マニホールドおよび第二マニホールドを各々形成することによって、第一および第二のマニホールドを流通して燃料および酸化剤が各セパレータの第一および第二のチャンネルに供給され、また他側のマニホールドに排出されるように構成されている。そのため、ポンプのポンピング圧が減少して電力消費量が低減できるように構成されている。

特許文献２には、ＤＭＦＣを小型化するためにスタックの体積を低減できるように構成された発明が記載されている。特許文献２に記載された発明は、燃料および空気を供給するチャンネルを非導電性の高分子によって形成されたセパレータ（燃料電池用双極板）に形成することによって、スタックの体積を低減させた発明が記載されている。

また、特許文献３には、ＤＭＦＣの燃料による耐腐食性あるいは発電にともなう電気化学的な安定性を向上させるために、バイポーラプレート（燃料電池用双極板）にグラファイトを適用した発明が記載されている。

さらにまた、ＤＭＦＣが単位セルが複数連結（積層）されて構成されるから、例えばＤＭＦＣスタックを構成する単位セルに異常あるいは不具合が生じた場合に、ＤＭＦＣ全体の出力低下をまねく虞がある。そのため、ＤＭＦＣスタックの周辺技術として、単位セルごとの異常あるいは不具合に対応できるように構成された発明が特許文献４に記載されている。特許文献４に記載された発明は、単位セルそれぞれが締結具によって固定されるように構成されており、不具合を生じたあるいは劣化した単位セルは、その不具合を生じたあるいは劣化した単位セルのみを取り出して交換できるようになっている。

また特許文献５には、燃料に金属水素錯化合物のアルカリ水溶液を用いた場合に、アルカリ水溶液の腐食性によって燃料が酸化剤（空気極）側に漏出して出力低下をまねくことを、シリコーンゴムから構成されるガスケットによって抑制するように構成された発明が記載されている。

特許文献６には、ＭＥＡを構成する電解質膜が燃料中の水分を吸収することによって膨張して、燃料の流通するチャンネル（供給路）の入口を塞ぐことを、ガスケットの形状を改善することによって防止あるいは抑制するように構成された発明が記載されている。

また、単位セルが積層されたＤＭＦＣスタックでは、燃料および空気（酸素）の供給流量あるいは装置からの放熱などによって単位セル毎の発電量にいわゆるバラツキが生じる場合がある。そのため、単位セル毎の発電量のバラツキを低減させるように構成された発明が特許文献７に記載されている。特許文献７に記載された発明は、各単位セルの温度分布、空気供給量などに応じて酸化剤流路の入口断面積、カソード（空気極）の触媒層の面積、電解質膜の厚さ、撥水剤の量を調整することによって各単位セル毎の発電性能のいわゆるバラツキを抑制し、ＤＭＦＣスタック全体としての出力低下を抑えて、安定した発電ができるように構成されている。

さらにまた、特許文献８には、プリント基板を用いることによってＤＭＦＣの厚さが薄く、単位面積当たりの発電量を向上できるように構成された発明が記載されている。

特開２００８−２７７２７３号公報 米国特許出願公開第２００８／０１１８８１４号明細書 米国特許第６，８６４，００４号明細書 特開２００５−１００８０７号公報 特開２００４−２５９４７６号公報 特開２００８−２９３９４７号公報 特開２００５−３４０１７３号公報 米国特許第７，２２０，５０７号明細書

上述した特許文献１および特許文献２に記載された構成では、セパレータの各面に燃料あるいは酸化剤を流通させるチャンネル（流路）が形成されてバイポーラプレート（燃料電池用双極板）を構成しているから、ＤＭＦＣスタックの体積（体格）を低減させることができるとしている。しかしながら、そのセパレータは金属材料から構成されているから、ＤＭＦＣスタックの体積（体格）を低減できたとしても総重量が増大してしまう虞がある。そこで、特許文献２あるいは３に記載されているように、非導電性の高分子あるいはグラファイトをバイポーラプレート（燃料電池用双極板）に適用することが考えられる。しかしながら、非導電性の高分子をバイポーラプレート（燃料電池用双極板）に適用した場合、その重量を軽減でき、比較的安価に製造できるものの、体積（体格）を低減させることは困難であり、またその材料の選択によっては燃料に対する耐腐食性、強度、発電にともなって発生する熱に対する耐熱性などに問題が生じる虞がある。また、グラファイトをバイポーラプレート（燃料電池用双極板）に適用した場合、グラファイトは耐腐食性、導電性などを有しているが、その硬度が低く脆いために、薄型化が困難であり、そのためＤＭＦＣスタックの体積（体格）を低減させることが困難である。さらにまたグラファイト製のバイポーラプレート（燃料電池用双極板）の製造にはコストがかかるという問題がある。

この発明は上記の技術的課題に着目してなされたものであり、ＤＭＦＣスタックの体積（体格）を低減させることができ、しかも安価かつ強度を向上させたバイポーラプレート（燃料電池用双極板）を提供することを目的とするものである。

上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、膜・電極接合体に挟まれて配置され、一方の面に燃料供給路が形成され、かつ他方の面に空気供給路が形成された燃料電池用双極板において、合成樹脂材料によって板状に形成され、かつ前記合成樹脂材料によって板状に形成された各面の表面に導電性材料が配置されていることを特徴とするものである。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記燃料供給路は、前記板状に形成された合成樹脂材料の一方の面に、蛇行した細溝形状に複数形成され、かつ前記空気供給路は、前記燃料供給路が複数形成された前記板状に形成された合成樹脂材料の前記一方の面とは反対側の他方の面に、互いに平行な直線状かつ細溝形状に複数形成されていることを特徴とする燃料電池用双極板である。

請求項３の発明は、請求項２の発明において、前記蛇行した細溝形状の燃料供給路における折り返し箇所の間の部分は、前記互いに平行な直線状かつ細溝形状の空気供給路に対し、直交する方向に燃料を流通させるように形成されていることを特徴とする燃料電池用双極板である。

請求項４の発明は、請求項１の発明において、前記導電性材料は、前記板状に形成された合成樹脂材料の端部で折り曲げられて該端部を覆うとともに、各面の前記導電性材料が通電可能につながっていることを特徴とする燃料電池用双極板である。

請求項５の発明は、請求項１の発明において、前記合成樹脂材料は、補強材が混入された補強合成樹脂材料を含むことを特徴とする燃料電池用双極板である。

請求項６の発明は、請求項１の発明において、前記導電性材料は、金属製メッシュ材あるいは金属製多孔質材のいずれかを含むことを特徴とする燃料電池用双極板である。

請求項７の発明は、請求項５の発明において、前記補強材は、繊維強化プラスチックを含むことを特徴とする燃料電池用双極板である。

請求項８の発明は、請求項２の発明において、前記板状に形成された合成樹脂材料のいずれか一方の面に前記蛇行した細溝形状の燃料供給路が形成され、前記膜・電極接合体の一方の面に配置されるアノード側エンドプレートと、前記板状に形成された合成樹脂材料のいずれか他方の面に前記互いに平行な直線状かつ細溝形状の空気供給路が形成され、前記膜・電極接合体の他方の面に配置されるカソード側エンドプレートとを含むことを特徴とする燃料電池用双極板である。

請求項９の発明は、請求項８の発明において、前記アノード側エンドプレートに形成された前記蛇行した細溝形状の燃料供給路における折り返し箇所の間の部分は、前記カソード側エンドプレートに形成された前記互いに平行な直線状かつ細溝形状の空気供給路に対し、直交する方向に燃料を流通させるように形成されていることを特徴とする燃料電池用双極板である。

請求項１の発明によれば、双極板は合成樹脂材料によって形成されるから、軽量かつ薄型化した双極板を得ることができる。その結果、ＤＭＦＣスタック全体の軽量化、薄型化を図ることができる。また、合成樹脂材料の各面の表面に導電性材料が配置されているので、膜・電極接合体の発電した電力をその導電性材料によって取り出すことができる。

請求項２の発明によれば、請求項１の発明による効果と同様の効果に加えて、双極板の一方の面に複数の蛇行した細溝形状の燃料供給路が形成されているから、膜・電極接合体の全体に対して、燃料供給のいわゆるバラツキを抑えて安定して燃料を供給することができる。また複数の蛇行した細溝形状の燃料供給路が形成さているから、例えば燃料に異物が混入して燃料供給路の一部が塞がれたとしても、他の流路によって燃料の供給を継続することができる。そのため、燃料を滞らせずに供給することができるから、ひいてはＤＭＦＣの発電性能を向上させることができる。さらにまた、複数の燃料供給路および複数の空気供給路が形成されている。そのため、これらの供給路に燃料あるいは空気を供給する場合に生じる圧力の上昇を抑制もしくは低減させることができる。したがって、燃料あるいは空気の流れが良くなり、ひいてはＤＭＦＣの発電性能を向上させることができる。

請求項３の発明によれば、請求項２の発明による効果と同様の効果に加えて、燃料供給路における折り返し箇所の間の部分は空気供給路に対して直交する方向に燃料が流通するように形成されている。そのため、単位セルを複数連結（積層）させてＤＭＦＣスタックを形成する場合に、双極板に係る圧力をスタックの平面に均一に分散させることができる。

請求項４の発明によれば、請求項１の発明による効果と同様の効果に加えて、合成樹脂材料によって形成された双極板の表面に配置された導電性材料が、双極板の端部で折り曲げられて、各面の導電性材料が通電可能につながっているので、双極板を挟んでＤＭＦＣスタックを直列して積層することができる。

請求項５の発明によれば、請求項１の発明による効果と同様の効果に加えて、合成樹脂材料は補強材によって補強されるので、合成樹脂材料の軽量、低コスト性、低伝導性、易加工性を保持しつつ、機械的強度を向上させることができる。

請求項６の発明によれば、請求項１の発明による効果と同様の効果に加えて、導電性材料には金属製メッシュあるいは金属製多孔質材のいずれかを含むので、燃料あるいは空気の流通（流動）を妨げずに膜・電極接合体で発電された電力を取り出すことができる。

請求項７の発明によれば、請求項５の発明による効果と同様の効果に加えて、補強材には繊維強化プラスチックを含むので、軽量、薄型、低コスト性、低伝導性、易加工性を保持した高強度の双極板を得ることができる。

請求項８の発明によれば、請求項２の発明による効果と同様の効果に加えて、アノード側エンドプレートに複数の蛇行した細溝形状の燃料供給路が形成され、また、カソード側エンドプレートに複数の互いに平行な細溝形状の空気供給路が形成される。したがって、燃料に異物が混入してアノード側エンドプレートの燃料供給路の一部が塞がれた場合に、他の流路によって燃料の供給を継続することができる。また、これらの供給路に燃料あるいは空気を供給する場合に生じる圧力の上昇を抑制もしくは低減させることができる。その結果、燃料あるいは空気の流れを良くすることができ、ひいてはＤＭＦＣの発電性能を向上させることができる。

請求項９の発明によれば、請求項８の発明よる効果と同様の効果に加えて、アノード側エンドプレートに形成された燃料供給路における折り返し箇所の間の部分はカソード側エンドプレートに形成された空気供給路に対して直交する方向に燃料が流通するように形成されている。そのため、単位セルを複数連結（積層）させてＤＭＦＣスタックを形成する場合に、双極板に係る圧力をスタックの平面に均一に分散させることができる。

この発明に係る燃料電池用双極板の断面を模式的に示す図である。 燃料である液体メタノール水溶液を流通させる燃料供給路の形状を模式的に示す図である。 酸化剤である空気を流通させる空気供給路の形状を模式的に示す図である。 エンドプレートを模式的に示す図である。 膜・電極接合体モジュールの構成を模式的に示す図である。 この発明に係る燃料電池用双極板を用いたＤＭＦＣの構成を模式的に示す図である。 ＭＥＡモジュールを六個積層させたこの発明に係るＤＭＦＣの発電特性を模式的に示す図である。 ＭＥＡモジュールを十六個積層させたこの発明に係るＤＭＦＣの発電特性を模式的に示す図である。

つぎにこの発明をより具体的に説明する。図１は、この発明に係る燃料電池用双極板の断面を模式的に示している。その燃料電池用双極板１は、例えば繊維あるいは樹脂とプラスチック（合成樹脂）との複合材料によって構成されるいわゆる繊維強化プラスチック（Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃ；ＦＲＰと記すことがある。）であって、例えば繊維が敷き詰められた型にプラスチック樹脂を注入して成形するインジェクション成形などによって形成されている。なお、燃料電池用双極板１に用いられるプラスチック樹脂および補強材としての繊維あるいは樹脂には任意のものを使用することができる。その具体例をあげれば、母体となるプラスチック樹脂（合成樹脂材料）には、ポリエチレンテレフタレート樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリアミド樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂などを用いることができる。また、補強材に用いることができる繊維素材として、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維、ポリエチレン繊維などを用いることができる。

前述したように構成された燃料電池用双極板１のカソード（空気極）２側には、外部から取り入れた空気を流通させるための空気供給路３が互いに平行な直線形状に形成されている。一方、燃料電池用双極板１のアノード（燃料極）４側には、燃料タンク（図示しない）に貯留された液体メタノールを流通させるための燃料供給路５が蛇状に蛇行して形成されている。なお、これらの空気供給路３と燃料供給路５とは、空気供給路３の直線部分と燃料供給路５の直線部分とが互いに直交するように燃料電池用双極板１に形成されている。

また、アノード（燃料極）４において発生した電子がカソード（空気極）２に電位差によって流れるように、燃料供給路５側から空気供給路３側にかけて導電性材料が連続的に配設され、集電部６が構成されている。集電部６を構成する導電性材料は、導電性（伝導性）を有する金属メッシュあるいは金属製多孔質材によって形成されている。そしてその導電性材料には、例えばチタン（Ｔｉ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）などの任意の金属素材を用いることができる。また、前述した金属素材によって形成された導電性材料は、燃料であるメタノール水溶液による腐食を防止あるいは抑制するとともに、電気抵抗を低減させて電気の導電性（伝導性）を向上させるために、白金（Ｐｔ）あるいは金（Ａｕ）などによってその表面を被覆することが好ましい。この集電部６は後述するガス拡散層（ＧＤＬ）７と前述した燃料あるいは空気の流路との間に介装されている。すなわち、集電部６を金属メッシュあるいは金属製多孔質材によって構成することにより、例えばアノード（燃料極）４に供給される燃料は、その燃料供給路５と金属メッシュあるいは金属製多孔質材の小孔とガス拡散層（ＧＤＬ）７とを通過（透過）して膜・電極接合体（ＭＥＡ）８に連続的に供給される。同様に、カソード（空気極）２に供給される空気（酸素）は、その空気供給路３と金属メッシュあるいは金属製多孔質材の小孔とガス拡散層（ＧＤＬ）７とを通過（透過）してＭＥＡ８に連続的に供給される。また、集電部６を金属メッシュあるいは金属製多孔構造にすることによって、金属の使用量を低減することができ、かつ加工を容易におこなうことができる。そのため、集電部６に用いる金属メッシュあるいは金属製多孔質材の隙間面積（開口面積）は、概ね５０％以上であることが好ましい。

この集電部６は燃料供給路５側から空気供給路３側にかけて連続的に配設（形成）されているから、隣り合うＤＭＦＣスタックの陰極（アノード）４と陽極（カソード）２とを接続する接続部６として機能させることができる。また、製造工程を簡素化するために、金属メッシュあるいは金属製多孔質材は電極２，４と同サイズの領域のみを覆うように構成されている。さらにまた、金属メッシュあるいは金属製多孔質材の表面は、導電性や耐食性を改善あるいは向上させるために、前述したように白金（Ｐｔ）あるいは金（Ａｕ）によって表面処理を施してもよい。以下に示す実施例では、集電部６は、その基材にチタン（Ｔｉ）を用い、その表面を白金（Ｐｔ）によって表面処理を施したものを用いた。また、その厚さは０．１〜４ｍｍ、隙間面積（開口面積）は３０〜９０％のものを用いた。

さらにまた、燃料電池用双極板１の両側面には、ガスケット９がそれぞれ配置されている。ガスケット９は、例えば弾力性および強度を有する圧縮性の高分子素材から構成されている。ガスケット９は燃料供給路５を流通する液体メタノールあるいは空気供給路３を流通する空気の漏れを塞ぐいわゆるシール材であって、ガスケット９を形成する素材の選択は、要求された（ＤＭＦＣスタックの）組み合わせに効果的なシーリングや適切な圧縮電極を得るための一つの要素であり、また、酸やメタノールに対する耐性を有することも要求される。例えばシリコン、パーフルオロアルコキシエチレン（ＰＦＡ）、ポリウレタンなど任意の材料により形成されている。以下に記す実施例では、シリコン素材によって形成されたガスケット９を使用し、その厚さは１５ミル（１ｍｉｌ＝１／１０００ｉｎｃｈ）のものを用いた。

図２は、燃料である液体メタノールを流通させる燃料供給路５の形状を模式的に示す図である。燃料タンク（図示せず）に貯留された液体メタノールは、燃料タンクとこの発明に係る燃料電池用双極板１とを連通する供給路（図示せず）を介して燃料電池用双極板１に形成された燃料供給路５に供給される。燃料電池用双極板１の一方の面、すなわちアノード（燃料極）４側に形成された燃料供給路５は、その一方の端部に液体メタノールを流入させる入口部１０が形成されており、この入口部１０から燃料供給路５に液体メタノールが供給されるように構成されている。この燃料供給路５はＭＥＡ８に燃料である液体メタノールを供給するためのものであり、アノード（燃料極）４側に開口するようになっている。

燃料供給路５はその流路の中央にリブ１１ａが形成されており、燃料供給路５は少なくとも二つの流路に分けられて構成されている。リブ１１ａによって二つに分割させられた燃料供給路５ａ，５ｂは、その直線部分が互いに並行に構成され、かつ燃料供給路５ａ，５ｂが滑らかに折り返すように、燃料供給路５の折り返し部５ｃは、円弧状に形成されている。すなわち、燃料供給路５ａ，５ｂは、直線形状の燃料供給路５が円弧状の折り返し部５ｃで折り返されて連続的に形成されており、いわゆる蛇状に蛇行して構成されている。

これとは反対に、燃料供給路５の他方の端部には、燃料供給路５ａあるいは５ｂを流通し、発電反応に使用されなかった未反応燃料（いわゆるオフメタノール）を含む反応残渣を排出するための出口部１２が構成されている。また、入口部１０と出口部１２との間および入口部１０と出口部１２とは反対側の両端部に、燃料電池用双極板１と前述した単位セルとを連結（積層）するための留め部１３が形成されている。

燃料供給路５ａ，５ｂの溝形状は、例えばＵ字形状あるいは半円形状に形成されている。すなわち、燃料供給路５をＵ字形状あるいは半円形状にすることによって、いわゆる角部をなくすように構成されている。そのため、角部におけるいわゆる淀みを低減させて、燃料の円滑な流れを確保できるようになっている。また、入口部１０から供給された液体メタノールと燃料供給路５を分割するリブ１１ａとの接触部分の角部も同様に滑らかな形状になるように構成されている。

一般的には、燃料供給路５の溝幅が０．０５〜３ｍｍである場合に、リブ１１ａの幅は０．０５〜３ｍｍであることが好ましい。また、このリブ１１ａの幅を狭くして燃料を流通させる燃料供給路５の溝幅を広げることによって、ＭＥＡ８に供給する液体メタノールの量を多くすることができる。そのため、リブ１１ａの幅を狭くして燃料供給路５の溝幅を広げることによって、いわゆる反応アクセス領域を増大させることができ、発電力（起電力）を向上させることができる。

リブ１１ａによって燃料供給路５が分割されていない場合は、燃料供給路５がリブ１１ａによって分割されて二条になっている場合と比較して、燃料供給路５に液体メタノールを流通させるためのポンプの吐出圧を高く設定する必要がある。すなわち、燃料供給路５が一条である場合は、二条になっている場合と比較して、燃料が流通する流路が相対的に長くなる。その結果、燃料が流路を流動する場合における圧力損失が相対的に大きくなるためである。また、燃料が流通する流路が相対的に長いことにより、入口部１０と出口部１２における液体メタノールの濃度差が大きくなる。さらにまた、単一の燃料供給路５であるから、いずれかの箇所で溝が詰まると燃料の供給が不十分になり、ＤＭＦＣ１４の発電力が低下する虞がある。したがって、前述したように、リブ１１ａによって燃料供給路５を分割して構成することにより、液体メタノールを流通させる場合の圧力を低下させることができる。すなわち、ポンプの吐出圧および燃料が流路を流動する場合における圧力損失を相対的に低くすることができる。また、燃料供給路５が二条になっているので、いずれかの箇所で溝が詰まった場合にも、全体として燃料の供給を継続することができる。したがって、ＤＭＦＣ１４の発電の安定性を向上させることができ、また、燃料供給路５が詰まることによる発電力の低下を抑制することができる。

以下に記す実施例では、縦８０．９ｍｍ、横５５ｍｍの燃料電池用双極板１に、リブ幅１．０ｍｍのリブ１１ａによって分割された燃料供給路５の各溝幅が各１．０ｍｍ（リブ１１ａ幅に対する燃料供給路５の溝幅の比率が１：１）、溝深さ０．８５ｍｍ、燃料供給路５における折り返し箇所の間の長さが５９．５ｍｍになるように燃料供給路５を構成したものを用いた。また、液体メタノールの入口部１０といわゆるオフメタノールの出口部１２との直径はそれぞれ４．０ｍｍになるように構成した。留め部１３の直径は４．７ｍｍになるように構成した。

図３は、酸化剤である空気を流通させる空気供給路３の形状を模式的に示す図であって、図３（ａ）は燃料電池用双極板１に形成された空気供給路３の正面図であり、図３（ｂ）は側面図である。空気供給路３は、ＭＥＡ８に供給する酸化剤（空気）をガス拡散層（ＧＤＬ）７に沿って分配するためのものであり、燃料電池用双極板１の他方の面、すなわちカソード（空気極）２側に形成されている。図３に示す空気供給路３は、互いに平行な溝３ａとリブ１１ｂとによって構成されているが、これに限定されない。

この発明における空気供給路３は、その両端部がＤＭＦＣ１４の外部に対して、すなわちＤＭＦＣ１４の周囲の大気に対して直接開口するようになっている。そのため、空気供給路３の一方の端部から他方の端部に向けて空気流が生じるようになっている。また、空気供給路３は前述したように互いに平行な溝３ａとリブ１１ｂとによって構成されている。この空気供給路３はＭＥＡ８のカソード（空気極）２側に開口するようになっており、酸化剤（空気）が、より具体的には空気中に含まれる酸素がガス拡散層（ＧＤＬ）７を介してＭＥＡ８に供給されるようになっている。リブ１１ｂは、その端部の角が丸められた直線形状あるいは、適宜の流線型状に形成してもよい。

空気供給路３における溝３ａは、前述した燃料供給路５の場合と同様に、例えばＵ字形状あるいは半円形状に形成することが好ましい。すなわち、空気供給路３の角部をなくすことによって、酸化剤（空気）の流れを円滑（スムーズ）にすることができる。また、空気供給路３におけるリブ１１ｂあるいは溝３ａの端部の角についても、前述した燃料供給路５と同様に、いわゆる淀みを低減させるために滑らかにすることが好ましい。

空気供給路３におけるリブ１１ｂの幅は、その幅を狭くするほど、言い換えれば酸化剤（空気）を流通させる溝幅を大きくすることができるから、いわゆる反応アクセス領域を大きくすることができる。また、それによってガス拡散層（ＧＤＬ）７に対する酸化剤（空気）の流れをよくすることができるので、その結果としてＤＭＦＣ１４の発電性能を向上させることができる。一般的には、前述した燃料供給路５の場合と同様に、空気供給路３におけるリブ１１ｂの幅と酸化剤（空気）を流通させる溝幅との比率は１：１あるいは１：１．５から１：３である。

ところで、この発明に係る燃料電池用双極板１は繊維強化プラスチックによって構成されている。そのため、空気供給路３が形成される燃料電池用双極板１の強度が高いことによりリブ１１ｂ幅を１ｍｍ以下の極めて小さい幅とすることができる。従来では、溝幅は０．５〜５ｍｍであり、リブ１１ｂ幅は０．２〜３ｍｍになるように構成されている。

また、酸化剤（空気）を流通させる溝３ａの深さは、空気流およびＤＭＦＣスタックの冷却に影響をおよぼす重要な要因である。すなわち、溝深さが深い場合には、空気流の流れをよくすることができ、ＤＭＦＣ１４の発電に伴って発生した熱を放熱しやすくすることができる。しかしながら、溝深さが深すぎるとＤＭＦＣスタックのサイズが大きくなる虞がある。そのため、従来では、溝深さは０．５〜２ｍｍになるように構成されている。

さらにまた、前述した燃料供給路５における入口部１０と出口部１２との間および入口部１０と出口部１２とは反対側の両端部に相当する位置に、燃料電池用双極板１と前述した単位セルとを連結（積層）するための留め部１３が形成されている。

以下に記す実施例では、縦８０．９ｍｍ、横５５ｍｍの燃料電池用双極板１に、リブ１１ｂ幅１．２ｍｍ、酸化剤（空気）を流通させる溝幅２．０ｍｍ、溝深さ０．２５ｍｍ、空気供給路３の長さが５５．０ｍｍ（ＭＥＡ８に対応する長さ４２．０ｍｍ）になるように空気供給路３を構成したものを用いた。留め部１３の直径は４．７ｍｍになるように構成した。

図４は、ＤＭＦＣスタックを積層させる場合におけるエンドプレートを模式的に示す図であって、そのエンドプレート１５は積層されるＤＭＦＣスタックを挟み込むためのものである。図４（ａ）はカソード（空気極）２側のエンドプレート１５ａを模式的に示す側面図であり、図４（ｂ）はアノード（燃料極）４側のエンドプレート１５ｂを模式的に示す側面図である。図４（ａ）において、カソード（空気極）２側のエンドプレート１５ａは、例えば前述した繊維強化プラスチックなどの任意の素材によって構成されており、その一方の面に酸化剤（空気）を流通させる空気供給路３が形成されている。

また、その空気供給路３の表面にはアノード（燃料極）４において発生した電子がカソード（空気極）２に電位差によって流れるように、前述した金属メッシュあるいは金属製多孔質材から構成される導電性材料が被覆され、集電部６が構成されている。

さらにまた、エンドプレート１５ａには、ガスケット９が配置されている。ガスケット９は、例えば前述したように弾力性および強度を有する圧縮性の高分子素材から構成されている。また、エンドプレート１５ａには積層された燃料電池用双極板１と単位セルとを挟み込んで、あるいは連結（積層）して固定するための連結固定部１６ａが形成されている。

ＤＭＦＣ１４は、その発電にともなって水および二酸化炭素が発生する。また、ＭＥＡ８に供給される液体メタノールの全てが発電反応に使用されることはほとんどないため、不可避的に未反応の液体メタノール（いわゆるオフメタノール）が生じる。そのため、カソード（空気極）２側のエンドプレート１５ａには、エンドプレート１５ａを連通して外部に対して、すなわちＤＭＦＣ１４の周囲の大気に対して開口する排出口１７が設けられており、その排出口から前述した水および二酸化炭素ならびにオフメタノールが排出されるようになっている。なお、図４（ａ）に示す構成例では、水および二酸化炭素ならびにオフメタノールがＤＭＦＣ１４から直接大気中に排出されるように構成された例を示してあるが、これに限定されず、例えば燃料タンクあるいは予備タンクに戻すあるいは貯留するように構成してもよい。

図４（ｂ）において、アノード（燃料極）４側のエンドプレート１５ｂは、例えば前述した繊維強化プラスチックなどの任意の素材によって構成されており、その一方の面に燃料（液体メタノール）を流通させる燃料供給路５が形成されている。

また、その燃料供給路５の表面にはアノード（燃料極）４において発生した電子がカソード（空気極）２に電位差によって流れるように、前述した金属メッシュあるいは金属製多孔質材から構成される導電性材料が被覆され、集電部６が構成されている。

アノード（燃料極）４側のエンドプレート１５ｂに形成された燃料供給路５を囲うように、ガスケット９が配置されている。ガスケット９は、例えば前述したように弾力性および強度を有する圧縮性の高分子素材から構成されている。また、カソード（空気極）２側のエンドプレート１５ａに形成された連結固定部１６ａに対応する位置に、積層された燃料電池用双極板１と単位セルとを挟み込んで、あるいは連結（積層）して固定するためのアノード（燃料極）４側の連結固定部１６ｂが形成されている。

また、アノード（燃料極）４側のエンドプレート１５ｂには、図示しない燃料タンクに貯留された液体メタノールを積層されたＤＭＦＣスタック（各単位セル）に供給するための供給口１８が設けられている。この供給口１８は、この発明に係る燃料電池用双極板１の入口部１０に連通されている。

図５は、膜・電極接合体（ＭＥＡ）モジュール（単位セル）の構成を模式的に示す図である。ＭＥＡ８は電解質膜１９およびアノード電極（陰極）４ならびにカソード電極（陽極）２を含み、ＤＭＦＣスタックのもっとも重要な部材の一つであって、電気化学的反応（ＤＭＦＣ１４における発電反応）が生じる部分である。ＭＥＡ８の電解質膜１９には、パーフルオロスルホン酸系高分子膜であるＮａｆｉｏｎ（登録商標）が最も多く用いられている。なお、ＭＥＡ８の電解質膜１９には、ガラス転移点が相対的に高いポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）を用いてもよい。

この電解質膜１９を挟み込むようにアノードおよびカソードのそれぞれに触媒層が形成されている（図示せず）。アノードにおける触媒層には、白金（Ｐｔ）／ルテニウム（Ｒｕ）の混合物が用いられており、カソードにおける触媒層には、白金（Ｐｔ）が用いられている。

また、電解質膜１９を挟み込む触媒層を更に挟み込むようにガス拡散層（ＧＤＬ）７が形成されている。このガス拡散層（ＧＤＬ）７は、カーボンシートあるいは紙によって構成されており、このガス拡散層（ＧＤＬ）７上に前述した触媒を被覆させることができる。また、電解質膜１９に直接触媒をコーティングしてもよい。アノード４およびカソード２の各ガス拡散層（ＧＤＬ）７は、電解質膜１９にホットプレス成形によって連結されている。

さらにまた、ＭＥＡ８と一体化されたガス拡散層（ＧＤＬ）７を囲うようにガスケット９が配置されている。ガスケット９は、例えば前述したように弾力性および強度を有する圧縮性の高分子素材から構成されている。

図６は、この発明に係る燃料電池用双極板１を用いたＤＭＦＣの構成を模式的に示す図である。図６において、ＭＥＡモジュール２０とこの発明に係る燃料電池用双極板１とがアノード（燃料極）４側エンドプレート１５ｂおよびカソード（空気極）２側エンドプレート１５ａに挟み込まれて交互に積層されるように構成されている。ここで、各エンドプレート１５ａ，１５ｂには連結固定部１６ａ，１６ｂが形成されているから、この連結固定部１６ａ，１６ｂに例えばボルト１６ｃなどの締結部材が通されて、ナットなどによって締め付けられて積層されたＤＭＦＣスタックが連結固定されるように構成されている。なお、締結部材には、ボルトやナットなどの他、リベットなどを用いてもよい。要は積層されたＤＭＦＣスタックを固定できる部材であればよい。

図６に示す構成例では、積層されるＤＭＦＣスタックは、アノード（燃料極）４側エンドプレート１５ｂから、すなわち図６において下側から、ＭＥＡモジュール２０、燃料電池用双極板１、ＭＥＡモジュール２０、カソード（空気極）２側エンドプレート１５ａの順に積層されている。

ＭＥＡモジュール２０は、アノード（燃料極）４側エンドプレート１５ｂに対向する面にアノード４が配置され、ＭＥＡ８を挟んで反対側にカソード２が配置されるようになっている。また、燃料電池用双極板１は、アノード（燃料極）４側のエンドプレート１５ｂ側、すなわちＭＥＡモジュール２０のカソード２に対向する面に空気供給路３が配置され、これとは反対側に燃料供給路５が配置されるようになっている。

積層されたＤＭＦＣスタックの一方の側面には、ＭＥＡモジュール２０に酸化剤である空気（酸素）を供給するためのファン２１が設けられている。このファン２１はＭＥＡモジュール２０において燃料である液体メタノールを酸化させる場合に要求される酸素（酸化剤）を供給するためのものであり、ＤＭＦＣ１４の発電特性に応じて任意の大きさ、形状のものを用いることができる。ファン２１によって送風された空気（酸素）は、外部に対して開口して形成された空気供給路３の端部から導入されて、ＭＥＡモジュール２０のカソードに供給される。

図７は、前述したように構成されたＤＭＦＣ１４の発電特性を模式的に示す図であって、ＤＭＦＣ１４はＭＥＡモジュール２０（単位セル）を六個積層させて構成した。燃料には、純水で希釈した５％メタノール水溶液を用い、燃料の供給量は２５ｍＬ／ｍｉｎとした。横軸はＤＭＦＣ１４の単位面積あたりの電流密度（Ａ／ｃｍ^２）を示しており、縦軸は発電電圧（Ｖ）を示している。また、右肩上がりの実線Ｌａは、前述のように構成されたＤＭＦＣ１４の発電電力（Ｗ）を示しており、右肩下がりの実線Ｌｂは、ＤＭＦＣ１４の発電電圧（Ｖ）を示している。なお、発電にともなうＤＭＦＣ１４の発電は５６〜６３℃であった。図７によれば、実用に耐え得る発電特性を得ることができた。

図８は、前述したようにＭＥＡモジュール２０（単位セル）が十六個積層させて構成されたＤＭＦＣ１４の発電特性を模式的に示す図であって、燃料には、純水で希釈した５％メタノール水溶液を用い、燃料の供給量は２５ｍＬ／ｍｉｎとした。横軸はＤＭＦＣ１４の発電電流（Ａ）を示しており、縦軸は発電電圧（Ｖ）を示している。また、右肩上がりの実線Ｌｃは、前述のように構成されたＤＭＦＣ１４の発電電力（Ｗ）を示しており、右肩下がり実線Ｌｄは、ＤＭＦＣ１４の発電電圧（Ｖ）を示している。なお、発電にともなうＤＭＦＣ１４の発電は４０〜４５℃であった。図８によれば、実用に耐え得る発電特性を得ることができた。

したがって、この発明によれば、繊維強化プラスチックを用いることによって、薄くて軽量かつ高強度な燃料電池用双極板１を得ることができる。そのため、従来のバイポーラプレート（燃料電池用双極板）を用いたＤＭＦＣと比較して、小型化を図ることができる。

１…燃料電池用双極板、 ２…カソード、 ３…空気供給路、 ４…アノード、 ５…燃料供給路、 ６…集電部、 ８…膜・電極接合体（ＭＥＡ）。

Claims (9)

1. 膜・電極接合体に挟まれて配置され、一方の面に燃料供給路が形成され、かつ他方の面に空気供給路が形成された燃料電池用双極板において、
   合成樹脂材料によって板状に形成され、かつ前記合成樹脂材料によって板状に形成された各面の表面に導電性材料が配置されている
   ことを特徴とする燃料電池用双極板。
2. 前記燃料供給路は、前記板状に形成された合成樹脂材料の一方の面に、蛇行した細溝形状に複数形成され、かつ前記空気供給路は、前記燃料供給路が複数形成された前記板状に形成された合成樹脂材料の前記一方の面とは反対側の他方の面に、互いに平行な直線状かつ細溝形状に複数形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双極板。
3. 前記蛇行した細溝形状の燃料供給路における折り返し箇所の間の部分は、前記互いに平行な直線状かつ細溝形状の空気供給路に対し、直交する方向に燃料を流通させるように形成されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池用双極板。
4. 前記導電性材料は、前記板状に形成された合成樹脂材料の端部で折り曲げられて該端部を覆うとともに、各面の前記導電性材料が通電可能につながっていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用双極板。
5. 前記合成樹脂材料は、補強材が混入された補強合成樹脂材料を含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用双極板。
6. 前記導電性材料は、金属製メッシュ材あるいは金属製多孔質材のいずれかを含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用双極板。
7. 前記補強材は、繊維強化プラスチックを含むことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池用双極板。
8. 前記板状に形成された合成樹脂材料のいずれか一方の面に前記蛇行した細溝形状の燃料供給路が形成され、前記膜・電極接合体の一方の面に配置されるアノード側エンドプレートと、前記板状に形成された合成樹脂材料のいずれか他方の面に前記互いに平行な直線状かつ細溝形状の空気供給路が形成され、前記膜・電極接合体の他方の面に配置されるカソード側エンドプレートとを含むことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池用双極板。
9. 前記アノード側エンドプレートに形成された前記蛇行した細溝形状の燃料供給路における折り返し箇所の間の部分は、前記カソード側エンドプレートに形成された前記互いに平行な直線状かつ細溝形状の空気供給路に対し、直交する方向に燃料を流通させるように形成されていることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池用双極板。

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