JP4183671B2

JP4183671B2 - 燃料電池用セパレータおよび燃料電池

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Publication number: JP4183671B2
Application number: JP2004279851A
Authority: JP
Inventors: 瑩讚殷; 鎬眞權; 亨俊金; ソンヨンチョ
Original assignee: Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2003-09-26
Filing date: 2004-09-27
Publication date: 2008-11-19
Anticipated expiration: 2024-09-27
Also published as: US20050069750A1; KR100542132B1; JP2005108839A; CN1331260C; KR20050030765A; CN1607688A

Description

本発明は燃料電池用セパレータおよび燃料電池に関し，より詳しくは気体接触面積を最適化することによって気体供給効率を高め，これにより電気エネルギー変換率を向上させることができる燃料電池用セパレータおよびこのセパレータを備えた燃料電池に関する。

燃料電池は電気化学電池であって，燃料酸化反応による自由エネルギー変化が電気エネルギーに変換されるものである。燃料電池の名称は，用いられる電解質によって付けられているが，現在商品化されている燃料電池は，例えば，リン酸型燃料電池，溶融炭酸塩型燃料電池がある。近来，高効率の電池として開発が進められている高分子電解質型燃料電池の概略図を，図１に示す。図１のように固体高分子電解質型燃料電池１は，互いに対向して設置されるアノード５およびカソード６電極と，両電極の間に介在している高分子電解質膜４とからなる。このような単位電池は，ガス通路手段を設置したセパレータ（ｂｉｐｏｌａｒｐｌａｔｅ）を利用して積層されている。この燃料電池１は水素または燃料をアノード５に供給し，酸素をカソード６に供給して，アノード５とカソード６の電気化学反応によって電気を生成する。

上記高分子電解質型燃料電池の電解質は，イオン交換の官能基を有する成分としてフッ素−含有高分子を骨格とし，スルホン酸気，カルボン酸基，リン酸基，亜燐酸基などの官能基を有する。このような高分子電解質膜としてＤｕｐｏｎｔ社のペルフルオロカーボンスルホン酸膜（Ｎａｆｉｏｎ^ＴＭ）のようなフッ素系電解質膜は，化学的安定性が優れており，高いイオン伝導度と優れた機械的物性を有するので広く用いられている。

燃料電池のカソード電極とアノード電極との間に形成される電圧は，一般に例えば約０．７Ｖである。その結果，実用的な電圧（例えば１０〜１００Ｖ）を生成するためには，多くの燃料電池を直列に接続する必要がある。また，燃料電池の集合体を燃料電池スタック（ｓｔａｃｋ）と呼ぶ。隣接する燃料電池をスタックで接続する好ましい方法としては，セパレータで分離する手法がある。セパレータは，隣接する燃料電池のカソードとアノードとの間の良好な電気的接続を提供する。燃料電池のカソードにガス通路手段を提供するセパレータは，強い耐食性を有し，ガス透過性があってはならず，気体が円滑に触媒層（アノードとカソード）に拡散されなければならない。

そこで，本発明は，このような問題に鑑みてなされたもので，その目的とするところは，セパレータの上記セパレータの上記流路チャネルを通る気体と，上記アノードまたは上記カソードとの接触面積を適正にして気体供給効率を高め，燃料電池の電気エネルギー変換率を向上させることが可能な，新規かつ改良された燃料電池用セパレータおよび燃料電池を提供することにある。

上記課題を解決するために，本発明のある観点によれば，燃料電池のカソードまたはアノードの少なくともいずれか一つに対向して接触しており，内部に気体
の流路チャネルが形成されているセパレータにおいて，上記セパレータの上記流路チャネルを通る気体と，上記アノードまたは上記カソードとの接触面積は，上
記セパレータの全面積の５０％より大きく６０％以下であり，上記セパレータは，導電性炭素成分が分散されている高分子体で形成されており，上記炭素成分は，Ｘ線
広角回折法による面間隔ｄ００２値が３．４Åより大きく，比表面積が４ｍ^２／ｇ以上であることを特徴とする，燃料電池用セパレータを提供する。
ここでセパレータの全面積は，アノードまたはカソードと対向するセパレータの対向面の全面積である。

また，上記高分子体に分散された導電性炭素の含量は，セパレータ全量に対して５〜４５質量％であってもよい。

また，上記セパレータの形成に用いられる高分子体は，フッ素系樹脂，フェノール樹脂，及びポリベンゾオキサジンからなる群より選択されるものであってもよい。
また、上記課題を解決するために，本発明の別の観点によれば，燃料電池のカソードまたはアノードの少なくともいずれか一つに対向して接触しており，内部に気体の流路チャネルが形成されているセパレータにおいて：上記セパレータの上記流路チャネルを通る気体と，上記アノードまたは上記カソードとの接触面積は，上記セパレータの全面積の４０％以上７０％以下であり，上記セパレータは，導電性炭素成分が分散されている，フッ素系樹脂，フェノール樹脂，及びポリベンゾオキサジンからなる群より選択された高分子体で形成されており，上記炭素成分は，Ｘ線広角回折法による面間隔ｄ００２値が３．４Åより大きく，比表面積が４ｍ ^２／ｇ以上であることを特徴とする，燃料電池用セパレータを提供する。
また、上記高分子体に分散された上記導電性炭素の含量は，上記セパレータ全量に対して５〜４５質量％であってもよい。

上記課題を解決するために，本発明の別の観点によれば，カソードと，アノードと，上記カソードとアノードとの間に存在する電解質を含む複数の電極群と；
上記電極群の間に，上記カソードとアノードとのうちの少なくとも一つに対向して接触しており，内部に気体の流路チャネルが形成されているセパレータと；を
備え，上記セパレータの上記流路チャネルを通る気体と，上記アノードまたは上記カソードとの接触面積は，セパレータの全面積の５０％を超え６０％以下であり，
上記セパレータは導電性炭素成分が分散されている高分子体で形成されたものであり，上記炭素成分はＸ線広角回折法による面間隔ｄ００２値が３．４Åより大きく，比表面積が４ｍ^２／ｇ以上である燃料電池を提供する。

また，上記高分子体に分散された導電性炭素の含量はセパレータ全量に対して５〜４５質量％であってもよい。

また，上記セパレータの形成に用いられる高分子体はフッ素系樹脂，フェノール樹脂，及びポリベンゾオキサジンからなる群より選択されるものであってもよい。また、上記課題を解決するために，本発明の別の観点によれば，カソードと，アノードと，上記カソードと上記アノードとの間に存在する電解質とを含む複数の電極群と；上記電極群の間に配置され，上記カソードまたは上記アノードの少なくともいずれか一つに対向して接触しており，内部に気体の流路チャネルが形成されているセパレータと；を備え，上記セパレータの上記流路チャネルを通る気体と，上記アノードまたは上記カソードとの接触面積は，上記セパレータの全面積の４０％以上７０％以下であ
り，上記セパレータは導電性炭素成分が分散されている，フッ素系樹脂，フェノール樹脂，及びポリベンゾオキサジンからなる群より選択された高分子体で形成されたものであり，上記炭素成分はＸ線広角回折法による面間隔ｄ００２値が３．４Åより大きく，比表面積が４ｍ ^２／ｇ以上であることを特徴とする，燃料電池を提供する。
また、上記高分子体に分散された導電性炭素の含量はセパレータ全量に対して５〜４５質量％であってもよい。

本発明によれば，アノードとカソードに供給される気体供給効率が優れていて，気体拡散性も優れており，結果的に燃料電池の電気エネルギー変換率を向上させることができる燃料電池用セパレータおよびセパレータを備えた燃料電池を提供できる。

以下に添付図面を参照しながら，本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお，本明細書及び図面において，実質的に同一の機能構成を有する構成要素については，同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

本実施形態にかかる燃料電池用セパレータ（以下，「セパレータ」という。）は，燃料電池の電極であるカソードとアノードのうち，少なくとも一つに対向して接触している。具体的には，例えば，セパレータは，カソードおよびアノードの双方と接触する場合には，その一側面でカソードと対向して接触し，その他側面でカソードと対向して接触する。また，セパレータは，カソードまたはアノードの一方と接触する場合には，その一側面のみでカソード／アノードと対向して接触する。本実施形態にかかるセパレータは，内部に気体の流路チャネルが形成され，上記セパレータの流路チャネル（気体流路）を通る気体と，アノードまたはカソード電極との接触面積が，セパレータ全面積の４０〜７０％（４０％以上７０％以下），好ましくは，５０％より大きく６０％以下であることを特徴とする。本実施形態にかかるセパレータの平面図（アノードまたはカソード側から見た平面図）を示した図２を参照すると，上記接触面積は，電極と接触する流路との２次元的面積（膜電極集合体（ｍｅｍｂｒａｎｅｅｌｅｃｔｒｏｄｅａｓｓｅｍｂｌｙ）と接触する面積），つまり，反応面積を意味する。上記接触面積がセパレータ全面積（アノードまたはカソードと対向する面の面積）の４０％未満である場合には気体拡散が難しいという問題があり，７０％を超える場合には電子伝導性に問題があるため好ましくない。

図２を参照すると，セパレータ１１は，溝加工されることにより気体流路１３が形成される。図２において，セパレータ１１の気体流路１３を通る気体と電極（アノード／カソード）との接触面積１２は，気体流路１３の平面的な総面積である。気体流路１３に供給される気体としては，例えば，アノード側であれば水素，メタノールなどの燃料気体，カソード側であれば酸素，空気などがあげられる。通常セパレータ１１は，両面が溝加工され，一面はアノード５に，他面はカソード６に接触して配置される。一面の溝はアノード５側の気体流路を構成し，この気体流路には，水素，メタノールなどの燃料気体が供給され，アノード５と接触する。また，他面の溝はカソード６側の気体流路を構成し，この気体流路には，酸素，空気などの気体が供給され，カソード６と接触する。

気体流路を通る気体と電極との接触面積１２は，セパレータ１１の電極側の側面のうち，セパレータ１１上に形成された気体流路１３を取り囲む部分（例えば矩形部分）の平面面積である。具体的には，本実施形態では，図２に示すように、接触面積１２は，破線で表される矩形部分の内側の面積である。この接触面積１２は，アノードまたはカソード電極と互いに接触する。また，セパレータ全面積は，セパレータ１１の電極側の側面の全面積であり，本実施形態では，符号１１で示された部分の総面積である。よって，セパレータの全面積の４０〜７０％とは，符号１２で表示される破線の内側面積がセパレータの全面積の４０〜７０％を占めるということである。また，４０〜７０％は，４０％以上，７０％以下を意味する。

また，本実施形態にかかるセパレータは，導電性炭素成分が分散されている高分子体で形成されたものであり，上記炭素成分は，Ｘ線広角回折法（ＸＲＤ解析分析法）による面間隔ｄ００２値が３．４Åより大きく，比表面積が４ｍ^２／ｇ以上の範囲であり，好ましくは７０ｍ^２／ｇ以上の範囲である。上記導電性炭素の好ましい例としてはＶｕｌｃａｎＸＣ−７２（比表面積１８０ｍ^２／ｇ），アセチレンブラック（比表面積７０ｍ^２／ｇ）などがある。上記炭素成分はセパレータの電子伝導度を向上させることができる。

高分子体に分散された導電性炭素の含量は，セパレータ全量に対して５〜４５質量％であるのが好ましい。導電性炭素の含量が５質量％未満であれば，電子伝導性が低下し，４５質量％を超えれば，気体の透過性が良くなりすぎてスタック製作時に気体が漏出する可能性がある。

セパレータの形成に用いられる高分子としては，フッ素系樹脂，フェノール樹脂，ポリベンゾキサジンなどがあり，上記フッ素系樹脂の具体的な例としては，ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ），ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）などがある。

本実施形態にかかるセパレータは，導電性炭素と高分子体の混合物を，一定の気体流路を確保するように設計，製作されている金型に投入して圧縮形成や射出形成した後，乾燥して製造できる。また，金型を使用せずに導電性炭素と高分子体の混合物をセパレータの外形通りに加工して乾燥し，切削加工によって気体流路を製作する切削加工法でも製造できる。

本実施形態にかかるセパレータは，アノードとカソードで電気化学反応が効率的に起こるように，各電極の触媒層に気体を円滑に拡散することができる。

以下，本発明の好ましい実施例を記載する。しかし，下記の実施例は本発明の好ましい一実施例にすぎず，本発明が下記の実施例に限られるわけではない。

導電性炭素としてＶｕｌｃａｎＸＣ−７２Ｒ２０ｇと，高分子体としてポリベンゾオキサジン高分子体８０ｇとを混合し，１０時間常温で均一に混合されるように攪拌して炭素と高分子体の混合物を得た。この混合物を，気体流路を確保するように設計，製作されている金型を利用して圧縮成形した後，乾燥させてセパレータを製造した。気体流路の設計時には，円滑な気体供給と電極への気体拡散がよく行われるように，アノード側の流路チャネルを通る気体とアノードとの接触面積，またはカソード側の流路チャネルを通る気体とカソードとの接触面積が，セパレータ全面積の３０，４５，６０，及び７５％になるように，各セパレータを製造した。このように気体流路を設計したセパレータを使用してテストセルを製作し，セパレータの気体との接触面積比率に応じた電池性能を評価した。この評価結果を下記表１に示す。なお，本発明の実施例にかかるセパレータは，面積比率４５％および６０％のものであり，比較例にかかるセパレータは，面積比率３０％および７５％のものである。

表１に記載したように，上記面積比率が４５％及び６０％であるセパレータを含むセルは，面積比率が３０％及び７５％であるセパレータを含むセルに比べて，電流密度が優れている。

以上，添付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したが，本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば，特許請求の範囲に記載された範疇内において，各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり，それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は，燃料電池に適用可能であり，特にセパレータを備えた固体高分子電解質型燃料電池に適用可能である。

高分子電解質型燃料電池の概略図である。本発明の実施形態にかかるセパレータを概略的に示した平面図である。

符号の説明

１燃料電池
２アノード気体拡散層
３カソード気体拡散層
４電解質
５アノード
６カソード
１１セパレータ
１２接触面積
１３気体流路

Claims

燃料電池のカソードまたはアノードの少なくともいずれか一つに対向して接触しており，内部に気体の流路チャネルが形成されているセパレータにおいて：
前記セパレータの前記流路チャネルを通る気体と，前記アノードまたは前記カソードとの接触面積は，前記セパレータの全面積の５０％より大きく６０％以下であり，
前記セパレータは，導電性炭素成分が分散されている高分子体で形成されており，
前記炭素成分は，Ｘ線広角回折法による面間隔ｄ００２値が３．４Åより大きく，比表面積が４ｍ^２／ｇ以上であることを特徴とする，燃料電池用セパレータ。
前記高分子体に分散された前記導電性炭素の含量は，前記セパレータ全量に対して５〜４５質量％であ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。
前記セパレータの形成に用いられる高分子体は，フッ素系樹脂，フェノール樹脂，及びポリベンゾオキサジンからなる群より選択されるものであることを特徴とする，請求項１または２のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータ。
燃料電池のカソードまたはアノードの少なくともいずれか一つに対向して接触しており，内部に気体の流路チャネルが形成されているセパレータにおいて：
前記セパレータの前記流路チャネルを通る気体と，前記アノードまたは前記カソードとの接触面積は，前記セパレータの全面積の４０％以上７０％以下であり，
前記セパレータは，導電性炭素成分が分散されている，フッ素系樹脂，フェノール樹脂，及びポリベンゾオキサジンからなる群より選択された高分子体で形成されており，
前記炭素成分は，Ｘ線広角回折法による面間隔ｄ００２値が３．４Åより大きく，比表面積が４ｍ^２／ｇ以上であることを特徴とする，燃料電池用セパレータ。
前記高分子体に分散された前記導電性炭素の含量は，前記セパレータ全量に対して５〜４５質量％であ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。
カソードと，アノードと，前記カソードと前記アノードとの間に存在する電解質とを含む複数の電極群と；
前記電極群の間に配置され，前記カソードまたは前記アノードの少なくともいずれか一つに対向して接触しており，内部に気体の流路チャネルが形成されているセパレータと；
を備え，
前記セパレータの前記流路チャネルを通る気体と，前記アノードまたは前記カソードとの接触面積は，前記セパレータの全面積の５０％を超え６０％以下であ
り，前記セパレータは導電性炭素成分が分散されている高分子体で形成されたものであり，前記炭素成分はＸ線広角回折法による面間隔ｄ００２値が３．４Åより大きく，比表面積が４ｍ^２／ｇ以上であることを特徴とする，燃料電池。
前記高分子体に分散された導電性炭素の含量はセパレータ全量に対して５〜４５質量％であることを特徴とする，請求項６に記載の燃料電池。
前記セパレータの形成に用いられる高分子体はフッ素系樹脂，フェノール樹脂，及びポリベンゾオキサジンからなる群より選択されるものであることを特徴とする，請求項６または７のいずれか１項に記載の燃料電池。
カソードと，アノードと，前記カソードと前記アノードとの間に存在する電解質とを含む複数の電極群と；
前記電極群の間に配置され，前記カソードまたは前記アノードの少なくともいずれか一つに対向して接触しており，内部に気体の流路チャネルが形成されているセパレータと；
を備え，
前記セパレータの前記流路チャネルを通る気体と，前記アノードまたは前記カソードとの接触面積は，前記セパレータの全面積の４０％以上７０％以下であ
り，前記セパレータは導電性炭素成分が分散されている，フッ素系樹脂，フェノール樹脂，及びポリベンゾオキサジンからなる群より選択された高分子体で形成されたものであり，前記炭素成分はＸ線広角回折法による面間隔ｄ００２値が３．４Åより大きく，比表面積が４ｍ^２／ｇ以上であることを特徴とする，燃料電池。
前記高分子体に分散された導電性炭素の含量はセパレータ全量に対して５〜４５質量％であることを特徴とする，請求項９に記載の燃料電池。