JP4051076B2

JP4051076B2 - 高分子電解質型燃料電池

Info

Publication number: JP4051076B2
Application number: JP2005517559A
Authority: JP
Inventors: 弘樹日下部; 一仁羽藤; 敏宏松本; 徳彦川畑; 善輝長尾; 伸介竹口
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-02-02
Filing date: 2005-02-01
Publication date: 2008-02-20
Anticipated expiration: 2025-02-01
Also published as: DE602005025455D1; EP1724865B1; EP1724865A4; WO2005074062A1; ATE492917T1; US20060115710A1; JPWO2005074062A1; CN100442583C; EP1724865A1; US7407723B2; CN1910773A

Description

本発明は、ポータブル電源、電気自動車用電源、家庭内コージェネレーションシステム等に使用される高分子電解質型燃料電池に関する。

高分子電解質型燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと、空気など酸素を含有する酸化剤ガスとを、電気化学的に反応させることで、電力と熱とを同時に発生させるものである。図１１は、従来の高分子電解質型燃料電池の基本構成を示す概略断面図である。

従来の高分子電解質型燃料電池３００における基本構成である単電池１０１は、主として、陽イオン（水素イオン）を選択的に輸送する高分子電解質膜１１１、およびその両面に配置された一対の電極（アノードおよびカソード）１１２、１１３からなる。アノード１１２およびカソード１１３は、電極触媒（例えば白金金属）を担持したカーボン粉末に水素イオン伝導性を有する高分子電解質を混合した触媒層、この触媒層の外面に形成された、通気性と電子伝導性を併せ持つ、例えば撥水処理を施したカーボンペーパーからなるガス拡散層から構成される。

そして、燃料ガスや酸化剤ガスが外部に漏れたり、燃料ガスと酸化剤ガスとが互いに混合したりしないように、アノード１１２およびカソード１１３の周囲には高分子電解質膜１１１を挟んでガスケットなどのガスシール材１１４が配置される。このシール材１１４は、アノード１１２、カソード１１３および高分子電解質膜１１１と一体化され、膜電極接合体（ＭＥＡ）を構成する。ＭＥＡの外側には、ＭＥＡを機械的に固定するとともに、隣接するＭＥＡを互いに電気的に直列に接続するための導電性を有するアノード側セパレータ板１１６およびカソード側セパレータ板１１７が配置されている。

アノード側セパレータ板１１６およびカソード側セパレータ板１１７のＭＥＡと接触する部分には、それぞれアノード１１２およびカソード１１３に反応ガス（燃料ガスおよび酸化剤ガス）を供給し、生成ガスや余剰ガスを運び去るためのガス流路１１８、１２０が形成されるように構成されている。ガス流路１１８、１２０は、アノード側セパレータ板１１６およびカソード側セパレータ板１１７と別に設けることもできるが、図１１に示すようにアノード側セパレータ板１１６およびカソード側セパレータ板１１７の表面に溝を設けてガス流路１１８、１２０を構成する方式が一般的である。

これらのＭＥＡとアノード側セパレータ板１１６およびカソード側セパレータ板１１７とが単電池１０１を構成する。単電池１０１が単独で使用されることもあるが、十分な電池出力を得るため、冷却部（図示せず）を介し、ＭＥＡとアノード側セパレータ板１１６およびカソード側セパレータ板１１７とを交互に積層して（即ち、単電池１０１を１０〜２００個積層して）、積層体が構成される。そして、積層体を集電板および絶縁板を介してエンドプレートで挟み、これらを締結用のボルトおよびナットで両端から固定して高分子電解質型燃料電池３００とするのが一般的である。

このような従来の高分子電解質型燃料電池３００では、アノード側セパレータ板１１６およびカソード側セパレータ板１１７はカーボン製の平板で構成され、アノード１１２およびカソード１１３に接する面には、それぞれアノード１１２およびカソード１１３に燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給するガス流路１１８、１２０が形成され、反対側の面には冷却水を流通する冷却水用流路１１９、１２１が形成されている。そして、アノード側セパレータ板１１６およびカソード側セパレータ板１１７の中央部において、前記ガス流路１１８、１２０が形成される主面と、前記中央部の周りにおいて高分子電解質膜１１１を挟むガスケット１１４の片面に接する周縁部とは、段差を持たず、同じ平面を形成しているのが一般的であった。

ここで、上記のような高分子電解質型燃料電池３００では、ＭＥＡをアノード側セパレータ板１１６およびカソード側セパレータ板１１７で挟み、高分子電解質膜１１１、アノード１１２およびカソード１１３の三者間の圧力が適度に保たれる。なぜなら、アノード１１２のガス拡散層とアノード側セパレータ板１１６とを接触させ、カソード１１３のガス拡散層とカソード側セパレータ板１１７とを接触させることが望まれるからである。

また、高分子電解質膜１１１の周縁部を挟む一対のガスケット１１４を、アノード側セパレータ板１１６およびカソード側セパレータ板１１７で圧縮し、ＭＥＡの周縁部がシールすることが求められるからである。このとき、ガスケット１１４の圧縮度合い｛即ち、圧縮により減少するガスケットの厚さ（ガスケットの圧縮前と圧縮後の厚さの差）｝により、アノード１１２のガス拡散層とアノード側セパレータ板１１６との接触力、およびカソード１１３のガス拡散層とカソード側セパレータ板１１７との接触力が規定される。

しかしながら、アノード側セパレータ板１１６およびカソード側セパレータ板１１７が、上記のように、アノード１１２およびカソード１１３に接触する部分（主面）とガスケット１１４に接触する部分（周縁部）とが同じ平面上にある場合、主面が製造公差によって周縁部より薄くなったとき、ガス拡散層とアノード側セパレータ板１１６またはカソード側セパレータ板１１７との十分な接触を確保できず、両者間の電気抵抗が増大してしまうという問題がある。これは、ガス拡散層をカーボンペーパーなどの柔らかい材料で構成した場合に、顕著である。したがって、このような電気抵抗の増大を抑制するためには、さらにガスケット１１４の圧縮度合いを大きくし、主面とガス拡散層との接触力を強くする必要があった。

一方、アノード側セパレータ板１１６およびカソード側セパレータ板１１７の主面の平均厚さが、周縁部の平均厚さより極端に厚い場合、適切なシール性能が得られるまでガスケット１１４を圧縮すると、アノード側セパレータ板１１６およびカソード側セパレータ板１１７の主面がガス拡散層を圧縮し過ぎてしまう。この場合、ガス拡散性が阻害され、単電池１０１の圧力損失が増大してしまったり、ガス拡散層が座屈してＭＥＡを破損してしまったりするという問題がある。さらに、主面に形成されたガス流路１１８、１２０内にガス拡散層が入り込んで当該ガス流路を塞ぐために、ガス流路１１８、１２０の圧力損失が高くなり、ガス流路１１８、１２０への反応ガスの分配が不均一となってしまう可能性があった。

また、高分子電解質型燃料電池３００においてＭＥＡとアノード側セパレータ板１１６およびカソード側セパレータ板１１７とは締結されているため、アノード側セパレータ板１１６およびカソード側セパレータ板１１７の周縁部は締結力によって撓んでＭＥＡと接触している。上記のようにアノード側セパレータ板１１６およびカソード側セパレータ板１１７が平面状の場合、この撓みによってガス拡散層の周縁部に局部的に荷重が加わり、ガス拡散層が高分子電解質膜１１１を傷つけ、高分子電解質膜１１１にピンホールが発生してしまうという問題もあった。

本発明は以上の問題を鑑みてなされたものであり、ガスケットを十分に圧縮してガスリークのないシール効果を発揮させるとともに、アノードおよびカソードのガス拡散層とアノード側セパレータ板およびカソード側セパレータ板との間の電気抵抗（接触抵抗）の増大を抑制することができ、かつガス拡散層がガス流路を塞いで圧力損失を増大させることや高分子電解質膜を傷付けることのない高分子電解質型燃料電池を提供することを目的とする。また、本発明は、上記のような高分子電解質型燃料電池を容易かつ確実に実現するためのセパレータ板を提供することを目的とする。

上記課題を解決すべく、本発明は、
水素イオン伝導性を有する高分子電解質膜ならびに高分子電解質膜を挟むアノードおよびカソードを有する膜電極接合体と、膜電極接合体を挟持して配置されたアノード側セパレータ板およびカソード側セパレータ板とを含み、アノードおよびカソードがそれぞれガス拡散層と高分子電解質膜に接する触媒層とを含む高分子電解質型燃料電池であって、
アノード側セパレータ板およびカソード側セパレータ板のうちの少なくとも一方が、ガス拡散層と接する主面と、主面の周りを囲む周縁部とを含み、かつ略平面状に構成されており、
主面が、ガス拡散層側に凸状に突出する形状を有し、かつアノードまたは前記カソードに反応ガスを供給するためのガス流路を有し、
主面の部分の平均厚さが周縁部の部分の平均厚さよりも厚く、かつ主面の部分の最も厚い部分の厚さと、周縁部の部分の平均厚さとの差Δｔが、５〜３０μｍであること、を特徴とする高分子電解質型燃料電池を提供する。

ここで、本発明におけるセパレータ板の「主面」とは、セパレータ板のうちアノードまたはカソードに接する部分をいう。より具体的には、セパレータ板の「主面」とは、セパレータ板の面の法線方向から、膜電極接合体を投影してみた場合（等倍に投影してみた場合）に、アノードまたはカソードを示す図形（投影された結果、「アノードまたはカソード側隙間」を示すものとしてみえる図形）と同一の大きさ及び形状となる領域に少なくとも対応する部分を含む、当該セパレータ板の中央における一部をいう。したがって、上記「主面」は、上述の領域と同一の面積を有するか、または、上述の領域よりも大きな面積を有する。

上記セパレータ板の「主面」の周りを囲む「周縁部」は、主面の周縁の領域であって凸状に突出した形状を有している領域以外の領域であり、上記「主面」と一体的に成形されている。上記「主面」はガス拡散層側に凸状に突出する形状を有するが、「主面」と「周縁部」とで構成された本発明のセパレータ板は、全体として略平面状に構成されている。したがって、上記「周縁部」は平面状であってもよいが、曲面状であってもよい。
また、主面の「平均厚さ」とは、主面のうちの凸状に突出した形状を有している領域において、５箇所以上の異なる測定点で測定した厚さの相加平均値である。ただし、５箇所以上の異なる測定点のうちの１点は、凸状に突出した形状を有している領域の幾何学的中心（重心）となる点とする。なお、この幾何学的中心（重心）となる点は、主面の最も厚い部分となる点に一致していてもよい。
さらに、周縁部の「平均厚さ」とは、上記に定義される周縁部において、８箇所以上の異なる測定点で測定した厚さの相加平均値である。

本発明の高分子電解質型燃料電池においては、アノード側セパレータ板およびカソード側セパレータ板のうちの少なくとも一方（好ましくは両方）が上記のような構成をとることにより、ガスケットを十分に圧縮してガスリークのないシール効果を発揮させても、アノードおよびカソードのガス拡散層とアノード側セパレータ板およびカソード側セパレータ板との間の電気抵抗（接触抵抗）の増大を抑制することができ、かつガス拡散層がガス流路を塞いで圧力損失を増大させることや高分子電解質膜を傷付けることのない高分子電解質型燃料電池を容易かつ確実に実現することができる。

さらに、本発明は、
水素イオン伝導性を有する高分子電解質膜ならびに高分子電解質膜を挟むアノードおよびカソードを有する２以上の膜電極接合体と、膜電極接合体と交互に積層された２以上のセパレータ板とを含み、アノードおよびカソードが、それぞれガス拡散層および高分子電解質膜に接する触媒層を含む高分子電解質型燃料電池であって、
セパレータ板のうちの少なくとも１つが、アノード側セパレータ板とカソード側セパレータ板との組合せからなる複合セパレータ板であり、
アノード側セパレータ板およびカソード側セパレータ板が、それぞれアノードおよびカソードと接する主面と、主面の周りを囲む周縁部とを含み、かつ略平面状に構成されており、
主面が、それぞれアノード側およびカソード側に凸状に突出する形状を有し、かつアノードおよびカソードにそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するためのガス流路を有し、
主面の部分の平均厚さが周縁部の部分の平均厚さよりも厚く、かつ主面の部分の最も厚い部分の厚さと、周縁部の部分の平均厚さとの差Δｔが、５〜３０μｍであること、を特徴とする高分子電解質型燃料電池を提供する。

ここで、上記の本発明の高分子電解質型燃料電池における「複合セパレータ板」とは、アノード側セパレータ板とカソード側セパレータ板との組合せからなる複合セパレータ板であって、アノード側セパレータ板とカソード側セパレータ板とが一体的に成形されて構成されているセパレータ板のことをいう。

上記の本発明の高分子電解質型燃料電池においては、積層されたセパレータ板の少なくとも１つが上記のような構成をとることにより、ガスケットを十分に圧縮してガスリークのないシール効果を発揮させつつ、アノードおよびカソードのガス拡散層とアノード側セパレータ板およびカソード側セパレータ板との間の電気抵抗（接触抵抗）の増大を抑制することができ、かつガス拡散層がガス流路を塞いで圧力損失を増大させることや高分子電解質膜を傷付けることのない高分子電解質型燃料電池を容易かつ確実に実現できる。

本発明によれば、ガスケットを十分に圧縮してガスリークのないシール効果を発揮させても、アノードおよびカソードのガス拡散層とアノード側セパレータ板およびカソード側セパレータ板との間の電気抵抗（接触抵抗）の増大を抑制することができ、かつガス拡散層がガス流路を塞いで圧力損失を増大させることや高分子電解質膜を傷付けることのない高分子電解質型燃料電池を得ることができる。

以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明する。なお、以下の説明では、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略することもある。
［第一実施形態］
図１は、本発明の高分子電解質型燃料電池の第一実施形態の基本構成を示す概略断面図である。図１に示すように、本実施形態の高分子電解質型燃料電池１００における基本構成である単電池１は、主として、陽イオン（水素イオン）を選択的に輸送する高分子電解質膜２１、およびその両面に配置された一対の電極（カソードおよびアノード）２２、２３からなる。カソード２２およびアノード２３は、電極触媒（例えば白金金属）を担持したカーボン粉末に水素イオン伝導性を有する高分子電解質を混合した触媒層、この触媒層の外面に形成された、通気性と電子伝導性を併せ持つ、例えば撥水処理を施したカーボンペーパーからなるガス拡散層から構成される。

そして、燃料ガスや酸化剤ガスが外部に漏れたり、燃料ガスと酸化剤ガスとが互いに混合したりしないように、カソード２２およびアノード２３の周囲には高分子電解質膜２１を挟んでガスケット２５ａおよび２５ｃなどのガスシール材が配置される。これらのガスケット２５ａ、２５ｃは、カソード２２、アノード２３および高分子電解質膜２１と一体化され、膜電極接合体（ＭＥＡ）を構成する。ＭＥＡの外側には、ＭＥＡを機械的に固定するとともに、隣接するＭＥＡを互いに電気的に直列に接続するための導電性を有するカソード側セパレータ板３０およびアノード側セパレータ板４０が配置されている。

これらのＭＥＡとカソード側セパレータ板３０およびアノード側セパレータ板４０とが単電池１を構成し、この単電池１が、カソード側セパレータ板３０が有する冷却水用流路３５とアノード側セパレータ板４０が有する冷却水用流路４５で構成される冷却部を介して、カソード側セパレータ板３０およびアノード側セパレータ板４０とともに積層されて、積層体からなる本実施形態の高分子電解質型燃料電池１００を構成している。ここでは図示しないが、上記積層体は集電板および絶縁板を介してエンドプレートで挟まれ、これらを締結用のボルトおよびナットで両端から固定、締結して高分子電解質型燃料電池１００が構成されている。

ここで、上述のように、従来の高分子電解質型燃料電池では、カソード側セパレータ板およびアノード側セパレータ板が平板状であったことから、種々の問題を有していたところ、本実施形態の高分子電解質型燃料電池１００においては、かかる問題を解消すべく、特徴ある構造を有するカソード側セパレータ板およびアノード側セパレータ板を採用している。以下においては、これらセパレータ板について詳細に説明する。

図２は、図１に示される本実施形態の高分子電解質型燃料電池１００におけるカソード側セパレータ板３０の要部を拡大した正面図（ガス流路３８側から見た正面図）であり、図３は、図２に示されるカソード側セパレータ板３０の概略断面図（主面３６に垂直な方向における断面）である（したがって、ガス流路３８および冷却水用流路３５は省略されている。）。また、図４は、図２に示されるカソード側セパレータ板３０の要部を拡大した背面図（冷却水用流路３５側から見た正面図）である。

さらに、図５は、図１に示される本実施形態の高分子電解質型燃料電池１００におけるアノード側セパレータ板４０の要部を拡大した正面図（冷却水用流路４５側から見た正面図）であり、図６は、図５に示されるアノード側セパレータ板４０の要部を拡大した背面図（ガス流路４８側から見た正面図）である。

カソード側セパレータ板３０は、図２に示すように、カソード２２に接する主面（破線で囲まれた領域に相当する部分）３６と、主面３６を囲んで当該主面３６と一体的に成形された周縁部３７と、で構成されている。周縁部３７には、酸化剤ガス用マニホールド孔３２、燃料ガス用マニホールド孔３３および冷却水用マニホールド孔３４が設けられている。主面３６は、カソード２２に酸化剤ガスを供給するためのガス流路３８を有し、ガス流路３８は酸化剤ガス用マニホールド孔３２に連絡するように構成されている。

主面３６は、図３に示すように、外側（即ちカソード２２側）に凸状に膨らんでおり、したがって、主面３６の部分の平均厚さは周縁部３７の部分の平均厚さより厚くなっている。また、カソード側セパレータ板３０の主面３６と周縁部３７との接続部には段差が設けられているが、背面は、冷却水用流路３５を有するとともに、段差のない単一平面になるように構成されている。

一方、アノード側セパレータ板４０は、図６に示すように、アノード２３に接する主面（破線で囲まれた領域に相当する部分）４６と、主面４６を囲んで当該主面４６と一体的に成形された周縁部４７と、で構成されている。周縁部４７には、酸化剤ガス用マニホールド孔４２、燃料ガス用マニホールド孔４３および冷却水用マニホールド孔４４が設けられている。主面４６は、アノード２３に燃料ガスを供給するためのガス流路４８を有し、ガス流路４８は燃料ガス用マニホールド孔４３に連絡するように構成されている。

また、図示しないが、主面４６も、図３に示すカソード側セパレータ板３０の主面３６と同様に、外側（即ちアノード２３側）に凸状に膨らんでおり、アノード側セパレータ板４０の主面４６と周縁部４７との接続部には段差が設けられているが、背面は、冷却水用流路４５を有するとともに、段差のない単一平面になるように構成されている。

ここで、主面３６、４６の部分の平均厚さが周縁部３７、４７の部分の平均厚さよりも厚く、かつ主面３６、４６の最も厚い部分の厚さと、周縁部３７、４７の部分の平均厚さとの差Δｔ（図３参照）が、５〜３０μｍであることが好ましい。５μｍ未満であると、主面３６、４６の部分とガス拡散層との接触抵抗が増大するためであり、３０μｍ超であると、ガス拡散層が潰れ過ぎて圧損が増大するからである。なかでも、本発明の効果をより確実に得るという観点から、差Δｔは５〜１０μｍであるのが好ましい。

また、上記のようなΔｔを満たす本実施形態のカソード側セパレータ板３０およびアノード側セパレータ板４０を用いる場合、ガス拡散層の厚さが１５０〜２００μｍであるのが好ましい。１５０μｍ以上であると圧損を低く抑えることができ好ましく、２００μｍ以下であると、副流｛ガス流路を流れずガス拡散層中のみを流れる反応ガスの流れ（副流が多くなると触媒層において利用されない部分が現れ、電極の利用率が減る）｝を抑制し、カソード２２およびアノード２３全体に反応ガスを供給することが可能であり、好ましい。

上記のようなΔｔおよびガス拡散層の厚さの条件を満たすと、ＭＥＡとカソード側セパレータ板３０およびアノード側セパレータ板４０とを締結した際に、ガス流路３８、４８の断面積が、主面３６、４６全体において略均一とすることができ好ましい。
ここで、「ガス流路の断面積が、主面全体において略均一となる状態」について、図１および図７を用いて説明する。図７は、本実施形態の高分子電解質型燃料電池１００の締結時における図１のＰ部分を拡大した図である。図７に示すように、締結時にはアノード２３のガス拡散層の部分がガス流路４８への食い込むが、本実施形態においては、この食い込み度合いをあらかじめ予測（把握）してアノード側セパレータ板４０が設計されている。そのため、締結時に、図面に垂直な面で、主面の中心側においてガス流路４８を構成する溝の断面積と、周縁部側においてガス流路４８を構成する溝の断面積とが、略均一になる。したがって、実際に反応ガスが流れる溝の断面積が、アノード側セパレータ板４０の全体において略均一になっている状態をいう。カソード側においても同様である。
特に、締結圧を５〜３０ｋｇｆ／ｃｍ²とした場合には、確実に上記の効果を得ることができる。

また、図３に示すように、主面３６、４６に垂直な方向における断面が主面３６、４６の中心部から周縁部３７、４７に向かって滑らかな曲線で構成され、かつ上記曲線が変極点Ｘを有すること、が好ましい。これにより、ガス拡散層全体で締結圧を均一にすることが可能となるというメリットがある。

本実施形態におけるカソード側セパレータ板３０およびアノード側セパレータ板４０は、導電性カーボン粉末とバインダーとを含む成形体で構成されているのが好ましい。好ましくは、例えば膨張黒鉛粉末などの導電性カーボン粉末７０〜８０質量部と、例えばフェノール樹脂などのバインダー２０〜３０質量部を含む混練物から、押し出し成形によってグリーンシートを作製し、このグリーンシートを圧縮成形することによって得られるセパレータ板を用いるのが好ましい。バインダーとしてフェノール樹脂を用いた場合、適当な圧縮成形温度は１６０℃、成形面圧は３５０〜５００ｋｇｆ／ｃｍ²である。

上記のグリーンシートを圧縮成形する場合、成形前の体積の６０〜７５％に圧縮するのが好ましい。上述のような形状のセパレータ板を成形する際、セパレータ板における主面と周縁部との平均厚さの差Δｔが５〜３０μｍのとき、上記のような圧縮率を用いることにより、得られるセパレータ板の密度が全面においてほぼ等しくなり、成形性も良好となるからである。成形後のセパレータ板の密度は１．５〜２．０ｇ／ｃｍ³とするのが好ましい。

本実施形態におけるカソード側セパレータ３０およびアノード側セパレータ板４０の最も厚い部分（即ち、主面３６、４６の最も厚い部分）の厚さは、３ｍｍ程度が適当である。なお、ガスケット２５ｃ、２５ａの厚さは０．３〜１．０ｍｍが適当である。

なお、カソード側セパレータ板３０に設けられた一対の酸化剤ガス用マニホールド孔３２は、アノード側セパレータ板４０に設けられた一対の酸化剤のマニホールド孔４２と連通しており、カソード側セパレータ板３０に設けられた一対の燃料ガス用マニホールド孔３３は、アノード側セパレータ板４０に設けられた一対の燃料ガスのマニホールド孔４３と連通している。また、カソード側セパレータ板３０に設けられた一対の冷却水用マニホールド孔３４は、アノード側セパレータ板４０に設けられた一対の冷却水用マニホールド孔４４と連通している。

したがって、一対の酸化剤ガス用マニホールド孔３２の一方が入口であり、他方が出口である。また、一対の酸化剤ガス用マニホールド孔４２、一対の燃料ガス用マニホールド孔３３、一対の燃料ガス用マニホールド孔４３、一対の冷却水用マニホールド孔３４、および一対の冷却水用マニホールド孔４４の場合も、同様に、一方が入口で他方が出口である。

本実施の形態においては、カソード側セパレータ板３０の背面（冷却水用流路３５側の面）に、さらに酸化剤ガス用マニホールド孔３２および燃料ガス用マニホールド孔３３をそれぞれ囲む溝３１ｃおよび溝３１ａ、ならびに冷却水用マニホールド孔３４および冷却水用流路３５全体を囲む溝３１ｗが形成されている。また、アノード側セパレータ板４０の背面（冷却水用流路４５側の面）に、さらに酸化剤ガス用マニホールド孔４２および燃料ガス用マニホールド孔４３をそれぞれ囲む溝４１ｃおよび溝４１ａ、ならびに冷却水用マニホールド孔４４および冷却水用流路４５全体を囲む溝４１ｗが形成されている。

また、本実施形態の高分子電解質型燃料電池１００においては、図１に示すように、カソード側セパレータ板３０の背面（冷却水用流路３５側の面）とアノード側セパレータ板４０の背面（冷却水用流路４５側の面）とが向き合わせて接合されて、ＭＥＡとＭＥＡとの間に挿入されている。これによって、溝３１ｃと溝４１ｃとの間、溝３１ａと溝４１ａとの間、および溝３１ｗと溝４１ｗとの間に、Ｏリングが挿入され（図示せず）、カソード側セパレータ板３０とアノード側セパレータ板４０との間から反応ガスや冷却水が外部へ漏れるのを防止する構成となっている。

以上のように、本実施形態の高分子電解質型燃料電池１００においては、カソード側セパレータ板３０およびアノード側セパレータ板４０が、それぞれカソード２２およびアノード２３側に凸状に突出した形状を有する主面を有することにより、ガスケットを十分に圧縮してガスリークのないシール効果を発揮するとともに、カソード２２およびアノード２３のガス拡散層とカソード側セパレータ板３０およびアノード側セパレータ板４０との間の電気抵抗（接触抵抗）の増大を抑制することができ、かつガス拡散層がガス流路を塞いで圧力損失を増大させることや高分子電解質膜を傷付けることのない高分子電解質型燃料電池を容易かつ確実に実現することができる。

なお、本実施形態においては、カソード側セパレータ板３０とアノード側セパレータ板４０の双方に、凸状に突出した形状を有する主面を設ける場合を説明したが、カソード側セパレータ板３０とアノード側セパレータ板４０のいずれか一方に凸状に突出した形状を有する主面を設けてもよい。また、本実施形態においては、カソード側セパレータ板３０とアノード側セパレータ板４０の双方に、冷却部を形成するための冷却水用流路３５、４５を設けたが、カソード側セパレータ板３０とアノード側セパレータ板４０のいずれか一方に冷却水用流路を設けてもよい。

また、本実施形態においては、カソード側セパレータ板３０と隣接するアノード側セパレータ板４０との間に、冷却水用流路を形成したが、各単電池１間に冷却水用流路を設けず、例えば単電池２個毎に冷却水用流路を設けてもよい。そのような場合、一方の面に燃料ガスの流路を有し、他方の面に酸化剤ガスの流路を有するアノード側セパレータ板と、カソード側セパレータ板とを兼ねる単一のセパレータ板（例えば、後述する第二実施形態の複合セパレータ板）を併用することも可能である。

［第二実施形態］
つぎに、本発明の高分子電解質型燃料電池の第二実施形態について説明する。この第二実施形態の高分子電解質型燃料電池２００は、図１に示した第一実施形態の高分子電解質型燃料電池１００におけるアノード側セパレータ板４０およびカソード側セパレータ板３０の組合せを、図８に示すように、単一の複合セパレータ板５０に代えたものであり、当該複合セパレータ板５０以外の構成は第一実施形態の高分子電解質型燃料電池１００と同様である。図８は、本発明の高分子電解質型燃料電池の第二実施形態の基本構成を示す概略断面図である。

以下、第二実施形態の高分子電解質型燃料電池２００に備えられる複合セパレータ板５０（本発明のセパレータ板の第二実施形態）について説明する。図９は、図８に示される本実施形態の高分子電解質型燃料電池２００における複合セパレータ板５０の要部を拡大した正面図（ガス流路３８側から見た正面図）であり、図１１は、図９に示される複合セパレータ板５０の要部を拡大した背面図（ガス流路４８側から見た正面図）である。また、図１０は、図９および図１１に示される複合セパレータ板５０の概略断面図（主面３６ｃ、３６ａに垂直な方向における断面）である（ガス流路３８、４８は省略されている。）。

本実施形態の複合セパレータ板５０は、カソード側セパレータ板とアノード側セパレータ板との組合せからなる単一のセパレータ板である。したがって、この複合セパレータ板５０は、上記第一実施形態におけるカソード側セパレータ板３０の機能およびアノード側セパレータ板４０の機能を、単一の部材で発揮し得るものである。この複合セパレータ板５０は、成形法により作製することが好ましいが、上記第一実施形態におけるカソード側セパレータ板とアノード側セパレータ板を一体化（接続）して作製することも可能である。

複合セパレータ板５０は、一方の面にカソード２２に接する主面３６ｃを有し、他方の面にアノード２３に接する主面３６ａを有する。主面３６ｃにはカソード２２に酸化剤ガスを供給するガス流路３８が形成されており、主面３６ａにはアノードに燃料ガスを供給するガス流路４８が形成されている。

そして、それぞれの主面３６ｃおよび３６ａは、それらの周りを囲む周縁部３７ｃおよび３７ａとは連続して一体化されており、複合セパレータ板５０は全体として概ね平面状に構成されているが、それぞれの主面３６ｃおよび３６ａは、外側（即ちカソード２２およびアノード２３側）に凸状に膨らんでいる。したがって、主面３６ｃおよび３６ａの部分の平均厚さは周縁部３７ｃおよび３７ａの部分の平均厚さより厚くなっている。

複合セパレータ板５０に接するＭＥＡにおいては、高分子電解質膜２１を挟むカソード２２およびアノード２３の部分が、複合セパレータ板５０の主面３６ｃと、隣接する他の複合セパレータ板５０の主面３６ａにより圧縮される。また、高分子電解質膜２１の周縁部を挟むガスケット２５ｃおよび２５ａの部分が、一方の複合セパレータ板５０の周縁部３７ｃと他方の複合セパレータ板５０の周縁部３７ａにより圧縮される。したがって、複合セパレータ板５０における主面３６ｃおよび３６ａの部分の平均厚さと周縁部３７ｃおよび３７ａの部分の平均厚さの差を適当に選択することにより、カソード２２およびアノード２３のガス拡散層と、複合セパレータ板５０の主面３６ｃ、３６ａとの接触度合い、ならびにガスケット２５ｃ、２５ａの圧縮度合いを適切なものとすることができる。

なお、図１０におけるΔｔ₁およびΔｔ₂の値は、同一でも異なっていてもよいが、好ましくは同一であるのがよく、また、上記第一実施形態におけるΔｔと同じ範囲であればよい。また、複合セパレータ５０の厚さは、上記第一実施形態におけるカソード側セパレータ板３０の厚さとアノード側セパレータ板４０の厚さとの合計と同じであればよい。

以上のように、本実施形態の高分子電解質型燃料電池２００においては、複合セパレータ５０を構成するカソード側セパレータ板部分およびアノード側セパレータ板部分が、それぞれカソード２２およびアノード２３側に凸状に突出した形状を有する主面３６ｃ、３６ａを有することにより、ガスケット２５ｃ、２５ａを十分に圧縮してガスリークのないシール効果を発揮するとともに、カソード２２およびアノード２３のガス拡散層と複合セパレータ板５０との間の電気抵抗（接触抵抗）の増大を抑制することができ、かつガス拡散層がガス流路３８、４８を塞いで圧力損失を増大させることや高分子電解質膜２１を傷付けることのない高分子電解質型燃料電池２００を容易かつ確実に実現することができる。

なお、本実施形態においては、複合セパレータ板５０の内部に冷却部を設けていないが、ＭＥＡ２〜３個毎に、複合セパレータ板５０内部に冷却水用流路を設けるのが好ましい。例えば、複数の複合セパレータ板５０のうちいくつかの複合セパレータ板５０の代わりに、上記第一実施形態のカソード側セパレータ３０およびアノード側セパレータ板４０の組合せを用いることも可能である。

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。
例えば、本発明の高分子電解質型燃料電池においては、上記第一実施形態におけるカソード側セパレータ３０およびアノード側セパレータ板４０と、上記第二実施形態における複合セパレータ５０とを併用することができる。

上記実施形態においては、酸化剤ガス用のガス流路３８は、５本の並行する溝で構成し、燃料ガス用のガス流路４８は３本の並行する溝で構成したが、それぞれのガス流路を構成する溝の数は、上記の例に限定されるものではない。上記のガス流路を形成する溝は、直線部とターン部を組み合わせたサーペンタイン型であり、不可避な部分を除いて、溝の中心線は表裏で一致するようにした。したがって、このようなセパレータ板の一対でＭＥＡを挟むと、不可避な部分を除いて、図１および８に示すように、高分子電解質膜２１の両面にあるガス流路３８および４８は、高分子電解質膜２１を介して対向する位置にある。

また、本発明におけるセパレータ板において、上記主面のうち最も厚い部分の厚さは、３．０ｍｍ程度であるのが好ましく、高分子電解質型燃料電池の締結時において、ガス流路を形成する溝の幅および深さ、ならびに溝と溝との間のリブとなる部分の幅は、いずれも１．０ｍｍ程度が適当である。

以下に、実施例を用いて本発明をより詳細に説明するが、本発明は、これらのみに限定されるものではない。
《実施例１》
本実施例においては、上記第一実施形態におけるカソード側セパレータ板３０およびアノード側セパレータ板４０を用いて、単電池１からなる本発明の高分子電解質型燃料電池を作製した。

まず３０ｎｍの平均一次粒子径を持つ導電性カーボン粒子（オランダ国、ＡＫＺＯＣｈｅｍｉｅ社：ケッチェンブラックＥＣ（商品名））に、平均粒径約３ｎｍの白金粒子を担持させ、カソード用の触媒担持カーボン粉末（Ｐｔ：５０質量％）を得た。また、前記と同じ導電性カーボン粒子に、平均粒径約３０Åの白金粒子とルテニウム粒子とを担持させ、アノード用の触媒担持カーボン粉末（Ｐｔ：２５質量％、Ｒｕ：２５質量％）を得た。

上記カソード用の触媒担持カーボン粉末を、イソプロパノールに分散させ、さらにパーフルオロカーボンスルホン酸粉末のエチルアルコール分散液を混合し、カソード用の触媒層形成用ペーストを調製した。また、同様にして、上記アノード用の触媒担持カーボン粉末を、イソプロパノールに分散させ、さらにパーフルオロカーボンスルホン酸粉末のエチルアルコール分散液を混合し、アノード用の触媒層形成用ペーストを調製した。

つぎに、スクリーン印刷法を用いて、厚さ２５０μｍのカーボン不織布からなるガス拡散層の一方の面に上記カソード用の触媒層形成用ペーストを塗工し、カソードを作製した。このとき、カソード中に含まれる電極触媒（Ｐｔ）量が０．５ｍｇ／ｃｍ²、パーフルオロカーボンスルホン酸の量が１．２ｍｇ／ｃｍ²となるように調整した。また、同様にして、スクリーン印刷法を用いて、厚さ２５０μｍのカーボン不織布からなるガス拡散層の一方の面に上記アノード用の触媒層形成用ペーストを塗工し、アノードを作製した。このとき、アノード中に含まれる電極触媒（Ｐｔ）量が０．５ｍｇ／ｃｍ²、パーフルオロカーボンスルホン酸の量が１．２ｍｇ／ｃｍ²となるように調整した。

ここで、カソードおよびアノードの面積よりも一回り大きい面積を有する高分子電解質膜（米国デュポン社製のNafion112（商品名）、厚さ３０μｍ）を用意し、当該高分子電解質膜の中心部を、アノード側の触媒層およびカソード側の触媒層が高分子電解質膜に接するように、上記アノードおよびカソードで挟み、上記高分子電解質膜、上記カソードおよび上記アノードをホットプレスによって接合した。さらに、カソードおよびアノードの外周には、高分子電解質膜を挟むように、後述するセパレータ板の周縁部とほぼ同じ形状に打ち抜かれたガスケット（デュポンダウエラストマジャパン社製のVITON ＧＢＬ、フッ素ゴム製、自由厚さ：０．８ｍｍ）をホットプレスによって接合し、ＭＥＡを作製した。

上記のＭＥＡを、第一実施形態で説明した構造のカソード側セパレータ板３０およびアノード側セパレータ板４０で挟み、上記ガスケットの厚さが０．５ｍｍになるように締結し、図１に示される構造を有する単電池１（本発明の高分子電解質型燃料電池）を作製した。このとき、カソード側セパレータ板３０およびアノード側セパレータ板４０において、それぞれ主面３６および４６の最も厚い部分の厚さと、周縁部３７および４７の平均厚さとの差Δｔを１０μｍに設定した。

［特性評価］
以上のようにして作製した本発明の高分子電解質型燃料電池を用い、セパレータ板とガス拡散層との接触抵抗（ｍΩ・ｃｍ²）、および一定流量の反応ガス（燃料ガスおよび酸化剤ガス）を流した場合に生じる圧力損失（ｋＰａ）を測定した。

高分子電解質型燃料電池において、接触抵抗が２０ｍΩ・ｃｍ²超であると、ＩＲ損の影響による電圧降下が顕著となり、実用性に乏しくなる。したがって、２０ｍΩ・ｃｍ²以下の場合を「１」とし、２０ｍΩ・ｃｍ²超であると「２」とした。また、圧力損失が１０ｋＰａ超であると、エネルギー変換効率が低下してしまい、反応ガスの供給のための動力が増大して実用性に乏しくなる。したがって、１０ｋＰａ以下の場合を「１」とし、１０ｋＰａ超の場合を「２」とした。そして、総合評価として、接触抵抗および圧力損失の結果がいずれも「１」の場合を「１」（合格）とし、いずれか一方でも「２」の場合を「２」（不合格）とした。結果を表１に示した。

《実施例２》
Δｔの値を２０μｍにしたこと以外は、実施例１と同様にして本発明の高分子電解質型燃料電池（単電池）を作製し、同様に特性評価を行った。結果を表１に示した。

《実施例３》
Δｔの値を３０μｍにしたこと以外は、実施例１と同様にして本発明の高分子電解質型燃料電池（単電池）を作製し、同様に特性評価を行った。結果を表１に示した。

《実施例４》
Δｔの値を５μｍにしたこと以外は、実施例１と同様にして本発明の高分子電解質型燃料電池（単電池）を作製し、同様に特性評価を行った。結果を表１に示した。

《比較例１》
カソード側セパレータ板３０およびアノード側セパレータ板４０において、主面３６、４６をそれぞれ内側（即ち、冷却水用流路３５、４５側）に凸状に形成し、周縁部３７、４７よりも薄くし、Δｔの値を−５μｍにしたこと以外は、実施例１と同様にして本発明の高分子電解質型燃料電池（単電池）を作製し、同様に特性評価を行った。結果を表１に示した。

《比較例２》
Δｔの値を５０μｍにしたこと以外は、実施例１と同様にして本発明の高分子電解質型燃料電池（単電池）を作製し、同様に特性評価を行った。結果を表１に示した。

《比較例３》
Δｔの値を１００μｍにしたこと以外は、実施例１と同様にして本発明の高分子電解質型燃料電池（単電池）を作製し、同様に特性評価を行った。結果を表１に示した。

表１の結果から、セパレータ板の主面の最も厚い部分の厚さと周縁部の厚さとの差△ｔが５μｍ〜３０μｍの場合に、接触抵抗が小さく、かつ圧力損失の少ない、優れた高分子電解質型燃料電池が得られることがわかる。

以上のように、本発明による高分子電解質型燃料電池においては、電極（カソードおよびアノード）とセパレータ板との間の接触抵抗が低減され、圧力損失が安定化する。したがって、本発明の高分子電解質型燃料電池は、ポータブル電源、電気自動車用電源、家庭内コージェネレーションシステムなどに好適に使用することができる。

本発明の高分子電解質型燃料電池の第一実施形態の基本構成を示す概略断面図である。図１に示される本実施形態の高分子電解質型燃料電池１００におけるカソード側セパレータ板３０の要部を拡大した正面図（ガス流路３８側から見た正面図）である。図２に示されるカソード側セパレータ板３０の概略断面図（主面３６に垂直な方向における断面）である。図２に示されるカソード側セパレータ板３０の要部を拡大した背面図（冷却水用流路３５側から見た正面図）である。図１に示される本実施形態の高分子電解質型燃料電池１００におけるアノード側セパレータ板４０の要部を拡大した正面図（冷却水用流路４５側から見た正面図）である。図５に示されるアノード側セパレータ板４０の要部を拡大した背面図（ガス流路４８側から見た正面図）である。図１におけるＰ部分を拡大した図である。本発明の高分子電解質型燃料電池の第二実施形態の基本構成を示す概略断面図である。図８に示される本実施形態の高分子電解質型燃料電池２００における複合セパレータ板５０の要部を拡大した正面図（ガス流路３８側から見た正面図）である。図９および図１１に示される複合セパレータ板５０の概略断面図（主面３６ｃ、３６ａに垂直な方向における断面）である。図９に示される複合セパレータ板５０の要部を拡大した背面図（ガス流路４８側から見た正面図）である。従来の高分子電解質型燃料電池の第一実施形態の基本構成を示す概略断面図である。

Claims

水素イオン伝導性を有する高分子電解質膜ならびに前記高分子電解質膜を挟むアノードおよびカソードを有する膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟持して配置されたアノード側セパレータ板およびカソード側セパレータ板とを含み、前記アノードおよび前記カソードがそれぞれガス拡散層と前記高分子電解質膜に接する触媒層とを含む高分子電解質型燃料電池であって、
前記アノード側セパレータ板および前記カソード側セパレータ板のうちの少なくとも一方が、前記ガス拡散層と接する主面と、前記主面の周りを囲む周縁部とを含み、かつ略平面状に構成されており、
前記主面が、前記ガス拡散層側に凸状に突出する形状を有し、かつ前記アノードまたは前記カソードに反応ガスを供給するためのガス流路を有し、
前記主面の部分の平均厚さが前記周縁部の部分の平均厚さよりも厚く、かつ前記主面の部分の最も厚い部分の厚さと前記周縁部の部分の平均厚さとの差Δｔが、５〜３０μｍであること、を特徴とする高分子電解質型燃料電池。
前記差Δｔが、５〜１０μｍであること、を特徴とする請求項１に記載の高分子電解質型燃料電池。
前記ガス拡散層の厚さが１５０〜２００μｍであること、を特徴とする請求項１に記載の高分子電解質型燃料電池。
前記膜電極接合体と、前記アノード側セパレータ板および前記カソード側セパレータ板との締結時に、前記ガス流路の断面積が、前記主面全体において略均一であること、を特徴とする請求項１に記載の高分子電解質型燃料電池。
前記主面に垂直な方向における断面が、前記主面の中心部から前記周縁部に向かって滑らかな曲線で構成され、かつ前記曲線が変極点を有すること、を特徴とする請求項１に記載の高分子電解質型燃料電池。
前記周縁部が、反応ガス用マニホールド孔および冷却水用マニホールド孔を有すること、を特徴とする請求項１に記載の高分子電解質型燃料電池。
前記アノード側セパレータ板および前記カソード側セパレータ板の少なくとも一方が、前記高分子電解質膜側の面と反対の面に、冷却水用流路を有すること、を特徴とする請求項１に記載の高分子電解質型燃料電池。
前記主面と前記周縁部との間に段差を有すること、を特徴とする請求項１に記載の高分子電解質型燃料電池。
前記周縁部の部分が前記主面の部分より薄くなるように構成されていること、を特徴とする請求項１に記載の高分子電解質型燃料電池。
前記主面における前記ガス流路が、前記主面の中心部に向かうにしたがって深くなるように構成されていること、を特徴とする請求項１に記載の高分子電解質型燃料電池。
水素イオン伝導性を有する高分子電解質膜ならびに前記高分子電解質膜を挟むアノードおよびカソードを有する２以上の膜電極接合体と、前記膜電極接合体と交互に積層された２以上のセパレータ板とを含み、前記アノードおよび前記カソードが、それぞれガス拡散層および前記高分子電解質膜に接する触媒層を含む高分子電解質型燃料電池であって、
前記セパレータ板のうちの少なくとも１つが、アノード側セパレータ板とカソード側セパレータ板との組合せからなる複合セパレータ板であり、
前記アノード側セパレータ板および前記カソード側セパレータ板が、それぞれ前記アノードおよび前記カソードと接する主面と、前記主面の周りを囲む周縁部とを含み、かつ略平面状に構成されており、
前記主面が、それぞれ前記アノード側および前記カソード側に凸状に突出する形状を有し、かつ前記アノードおよび前記カソードにそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するためのガス流路を有し、
前記主面の部分の平均厚さが前記周縁部の部分の平均厚さよりも厚く、かつ前記主面の部分の最も厚い部分の厚さと、前記周縁部の部分の平均厚さとの差Δｔが、５〜３０μｍであること、を特徴とする高分子電解質型燃料電池。
前記差Δｔが、５〜１０μｍであること、を特徴とする請求項１１に記載の高分子電解質型燃料電池。
前記ガス拡散層の厚さが１５０〜２００μｍであること、を特徴とする請求項１１に記載の高分子電解質型燃料電池。
前記２以上の膜電極接合体と、前記２以上のセパレータ板との締結時に、前記複合セパレータ板における前記ガス流路の断面積が、前記主面全体において略均一であること、を特徴とする請求項１１に記載の高分子電解質型燃料電池。
前記主面に垂直な方向における断面が、前記主面の中心部から前記周縁部に向かって滑らかな曲線で構成され、かつ前記曲線が変極点を有すること、を特徴とする請求項１１に記載の高分子電解質型燃料電池。
前記周縁部が、反応ガス用マニホールド孔および冷却水用マニホールド孔を有すること、を特徴とする請求項１１に記載の高分子電解質型燃料電池。
前記アノード側セパレータ板と前記カソード側セパレータ板との間に、冷却水用流路を有すること、を特徴とする請求項１１に記載の高分子電解質型燃料電池。
前記主面と前記周縁部との間に段差を有すること、を特徴とする請求項１１に記載の高分子電解質型燃料電池。
前記周縁部の部分が前記主面の部分より薄くなるように構成されていること、を特徴とする請求項１１に記載の高分子電解質型燃料電池。
前記主面における前記ガス流路が、前記主面の中心部に向かうにしたがって深くなるように構成されていること、を特徴とする請求項１１に記載の高分子電解質型燃料電池。