JP4739504B2 - 燃料電池用基板の製造方法及び燃料電池 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、カソードに酸化剤ガス、アノードに燃料を供給して発電を行う燃料電池とその燃料電池に用いる基板の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は使用される電解質の種類によって固体高分子型（ＰＥＦＣ）、リン酸型（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩型（ＭＣＦＣ）、アルカリ型（ＡＦＣ）などに分類される。このうち、固体高分子型（ＰＥＦＣ）やリン酸型（ＰＡＦＣ）、アルカリ型（ＡＦＣ）といった燃料電池は、１００℃以下でも作動させることができる点で利用しやすい。特に電解質に固体高分子膜を用いる固体高分子型燃料電池は、水溶液型の電解質を用いた燃料電池のように厳密にガス圧バランスを制御する必要がないために扱いが容易である。
【０００３】
固体高分子型燃料電池は、一般的に固体高分子膜の主表面の一方の面にカソードが配され他方の面にアノードが配されたセルが複数積層され、且つ、前記各セル間には、複数のリブ及びチャンネルが形成されたセパレータが介在する構造をもつ。
そして、固体高分子型燃料電池においては、カソードに酸化剤ガスとして空気が、アノードに水素を含む燃料ガスが供給されて、電気化学的に反応して発電を行うが、電解質である固体高分子膜のイオン導電性を確保するために、従来から加湿した空気や燃料ガスが供給されることにより固体高分子膜の湿潤状態を維持する方法が多くとられている。
【０００４】
固体高分子型燃料電池のセパレータとしては、従来より多孔性カーボンからなるチャンネル基板とガス不透過性導電性プレートを組み合わせたものが多く用いられている。このチャンネル基板は、親水性の多孔体であるために内部に水分が浸透保持され、固体高分子膜を湿潤状態に維持することが容易である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来のチャンネル基板は、樹脂等の有機物シートを無酸素下で熱処理して炭化して多孔性カーボンの板材を作製した後に、この板材を切削加工することによって複数のチャンネルを形成する方法で作製されるため、切削加工にかかるコストがかさむ。
【０００６】
また、前記多孔性カーボンの板材は、脆いので、切削加工時に破損しやすく、基板の作製における歩留まりが悪く、さらにコスト高となるという問題もある。
さらに、前記従来のチャンネル基板は、切削加工時の機械強度を確保する上で、板厚をあまり薄くすることが出来ない。そして、このようなチャンネル基板を用いた燃料電池は、大型化するという問題がある。
【０００７】
そこで、低コストで高い量産性を実現するために、前記従来の多孔性カーボンを切削加工したチャンネル基板の代わりに、カーボンと樹脂を混合し、金型を用いてホットプレス成型することによりチャンネル基板を作製する方法も検討されている。
ところが、前記のようにホットプレス成型によって作製されたチャンネル基板においては、その強度が確保できるようにホットプレス成型を行うと樹脂が溶けて緻密になるため、セパレータ内部に水分を浸透保持することが出来ず、固体高分子膜を湿潤状態に維持することが困難となるという問題がある。
【０００８】
また、前記ホットプレス成型によるチャンネル基板は、基板表面に樹脂層が形成されるため、表面の撥水性が高くなる。
従って、前記ホットプレス成型によるチャンネル基板を用いた燃料電池においては、電池反応によって生成した水や固体高分子膜を加湿するのに電池に供給された水等が結露し液滴になり易く、水詰まりを生じ、それによって、電池反応に必要な反応ガスが電極に供給されなくなり電池特性が低下するという問題もある。
【０００９】
本発明は、以上のような問題に鑑み、十分な保水能力を維持しながら基板厚みが薄い燃料電池用基板を用いることにより、水詰まりを防ぐとともに電解質膜を湿潤状態に維持することによって高い電池特性を維持することが出来、且つ、コンパクトな燃料電池を提供することを目的とし、また、低コストで高い量産性を持つ燃料電池用基板の製造方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、
（１） 電解質膜にカソード及びアノードが配されてなるセルを、カソード側基板とアノード側基板で挟持してなるセルユニットから構成される燃料電池であって、前記カソード側基板及び前記アノード側の基板の少なくとも一方は、多孔性シートの前記セルに対向する面に第１の導電性材料からなるリブが突設された構成であり、且つ、前記多孔性シートの前記リブが突設された面とは反対側の面にガス不透過性導電性プレートが配された構成であることを特徴とする。
【００１１】
（２） 電解質膜にカソード及びアノードが配されてなるセルを複数積層し、且つ、前記各セル間には、セパレータが介在する構成の燃料電池であって、前記セパレータは、カソード側基板及びガス不透過性導電性プレート及びアノード側基板より構成され、前記カソード側基板及び前記アノード側基板の少なくとも一方は、前記ガス不透過性導電性プレートの一方の面に配された多孔性シートに第１の導電性材料からなるリブが突設された構成であることを特徴とする。
【００１２】
上記の（１）または（２）の特徴をもつ燃料電池においては、基板とセルの間に酸化剤ガス及び燃料ガス及び水を流通させた際、水は、基板のチャンネル底部分の保水性に優れた多孔性シートの内部及びその表面を流れ、反応ガスは、電極反応面を流れる。このようにチャンネル内で燃料ガスと水を分離して供給できるため、チャンネル内の水詰まりを低減することができ、高い電池性能を維持することが可能である。
【００１３】
（３） （１）または（２）の燃料電池において、前記多孔性シートとしては、ポリアミド樹脂、綿、ポリエステル、レーヨン、アクリルの中から選ばれた少なくとも１つの材料からなる不織布又は、織布又は、フェルトを用いることが好ましい。この場合、前記多孔体シート内部に前記第１の導電性材料もしくは第２の導電性材料を浸透させることによって、基板の導電性を確保することが出来る。
【００１４】
（４） あるいは、（１）から（３）のいずれかの燃料電池において、前記第１の導電性材料及び第２の導電性材料としては、金属、黒鉛、膨張黒鉛、カーボンの中から選ばれた少なくとも１つの材料に熱硬化性樹脂又は、熱可塑性樹脂を混合した材料を用いることが好ましい。
（５） そして、（１）から（４）のいずれかの燃料電池において、前記ガス不透過性導電性プレートとしては、金属板、黒鉛成型板、膨張黒鉛成型板、グラッシーカーボン板のいずれか１つを用いることが好ましい。
【００１５】
また、上記燃料電池用基板の製造方法としては、以下の方法が好ましい。
（６） 電解質膜にカソード及びアノードが配されてなるセルを、カソード側基板とアノード側基板で挟持してなるセルユニットから構成される燃料電池に用いる基板の製造方法であって、ガス不透過性導電性プレートの少なくとも一方の面に多孔性シートを配する第１ステップと、前記第１ステップの後、前記多孔性シートの前記ガス不透過性導電性プレートが配された面とは反対側の面に第１の導電性材料からなるリブを突設するとともに前記多孔性シート内に前記第１の導電性材料もしくは第２の導電性材料を浸透させる第２ステップとを備える燃料電池用基板の製造方法が好ましい。
【００１６】
すなわち、上記の（６）の燃料電池用基板の製造方法によって、低コストで高い量産性を確保しながら、水詰まりを防ぐとともに電解質膜を湿潤状態に維持することが可能なセパレータを作製することが出来る。
（７） また、（６）の燃料電池用基板の製造方法において、前記第２ステップでは、前記第１の導電性材料として金属、黒鉛、膨張黒鉛、カーボンの中から選ばれた少なくとも１つの材料に熱硬化性樹脂又は、熱可塑性樹脂を混合した材料を用い、ホットプレス成型によって前記多孔性シートにリブを突設するとともに前記多孔性シートの内部に前記第１の導電性材料を浸透させることが好ましい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
（燃料電池の構成）
本実施の形態にかかる燃料電池は、電解質に固体高分子膜を用いる固体高分子型燃料電池であり、図１に示すセルユニット１を所定数積層し、その両端を一対の端板で挟持することによって構成される燃料電池スタック（積層体）である。
【００１８】
図１に示すように、前記セルユニット１は、固体高分子膜１１の主表面の一方の面にカソード１２が配され、他方の面にアノード１３が配されたセル１０を、カソード側チャンネル基板２０とアノード側チャンネル基板３０とで挟持してなる構成である。
前記固体高分子膜１１は、パーフルオロカーボンスルホン酸からなる薄膜であり、一般的には、ナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ^R：Ｄｕ Ｐｏｎｔ社の登録商標）が用いられる。
【００１９】
前記カソード１２及び前記アノード１３は、白金担持カーボンを材料とする薄膜であり、前記固体高分子膜１１の両主表面の中央部に密着して配置されている。
なお、図１において、アノード１３は固体高分子膜１１の下側面にあるので破線で表示している。
【００２０】
前記カソード側チャンネル基板２０には、複数本のリブ２０１…が突設されており、前記カソード１２に対向するように配置されている。
また、前記アノード側チャンネル基板３０は、複数本のリブ３０１…が突設されており、前記アノード１３に対向するように配置されている。ここで、前記アノード側チャンネル基板３０は、前記リブ３０１…が前記リブ２０１…と直交するように配置されている。
【００２１】
仕切板４０は、前記アノード側チャンネル基板３０と同等のサイズの気密性ガラス状カーボン板であって、セルユニット１を積層した際に前記アノード側チャンネル基板３０と前記カソード側チャンネル基板２０を電気的に導通しながら前記カソード側チャンネル２０２…を流れる空気と前記アノード側チャンネル３０２…を流れる燃料と水の混合ガスとが混流するのを防止する働きをなしている。
【００２２】
（基板の構造）
次に、本実施の形態にかかるチャンネル基板の構造について、図２及び図３を用いてさらに詳しく説明する。
図２は、本実施の形態にかかるアノード側チャンネル基板３０の斜視図を示し、また、図３は、図２のＡ−Ａ矢視断面図を示す。
【００２３】
図２において、アノード側チャンネル基板３０は、仕切板４０の主表面の一方上に密着配置されたポリアミド樹脂よりなる厚み０．１ｍｍの不織布シート３５０に導電性材料（黒鉛とフェノール樹脂の混合材料）よりなる高さ１．５ｍｍの複数本のアノード側リブ３０１…が互いに平行に突設された構成であり、それにより前記アノード側リブ３０１…間に動作時に燃料ガス及び水が流れる複数のアノード側チャンネル３０２…が形成された構成となっている。
【００２４】
前記ポリアミド樹脂製不織布シート３５０の内部には、導電性材料が浸透されている。本実施の形態において、この導電性材料は、上記のアノード側リブ３０２…を構成する導電性材料と同じものであって、前記ポリアミド樹脂製不織布シート３５０の全体にわたって浸透されている。
カソード側チャンネル基板２０についての詳細な説明は、省略するが、上記アノード側チャンネル基板３０と同様の構成とされている。なお、上記アノード側チャンネル基板３０は、仕切板４０と密着接合されているが、カソード側チャンネル基板２０は、仕切板４０と接合されていない。
【００２５】
（基板の製造方法）
次に、本実施の形態にかかるチャンネル基板の製造方法について、図４を用いて説明をする。
図４は、上記アノード側チャンネル基板３０作製のためのホットプレス成型工程を示すものである。
【００２６】
図４に示すように、アノード側チャンネル基板３０の作製は、金型内に配置した仕切板４０の上にポリアミド樹脂からなる厚み０．１ｍｍの不織布シート３５０を配置して、さらに、その上に黒鉛７５ｗｔ％とフェノール樹脂２５ｗｔ％を混合した導電性材料３６０を加え、セルユニット組み立て時にアノード１３と対向する面にアノード側リブ３０１…が突設されるような形状を持った金型を用いたホットプレス成型によって行う。このホットプレス成型を行う際の設定温度は、前記アノード側チャンネル基板３０に用いられる前記ポリアミド樹脂製不織布シート３５０が多孔性を損なうことがなく、且つ、前記リブ３０１…を構成する材料であるフェノール樹脂が溶融する温度とする。ホットプレス成型の設定温度は、１５０℃とした。
【００２７】
カソード側チャンネル基板２０についても、上記アノード側チャンネル基板３０と同様の成型方法を用いて作製する。ただし、カソード側チャンネル基板２０は、仕切板を一体とせず、チャンネル基板のみをホットプレス成型して作製する。
なお、カソード側チャンネル基板２０は、アノード側チャンネル基板３０の作製とは別個にホットプレス成型で作製しても良いが、上記のアノード側チャンネル基板３０のホットプレス成型工程にて同時に行い、セパレータを一体で作製することも出来る。
【００２８】
（基板の作用）
以上のように作製されたチャンネル基板２０及び３０は、ポリアミド樹脂製不織布シート３５０の多孔性が損なわれること無く、且つ、その内部にも導電性材料が流れ込み浸透しているため、従来の多孔性カーボンからなるチャンネル基板と同等の導電性を有する。
【００２９】
さらに、上記アノード側チャンネル基板３０は、ホットプレス成型時、仕切板４０を一体にホットプレス成型して作製しているため、前記仕切板４０との間においても良好な導電性を有する。
また、上記のチャンネル基板２０及び３０は、その平面部分を構成する材料がポリアミド樹脂製不織布シートであって、従来の基板に用いられている多孔性カーボンの板材のように脆いものではない。その上、上記のチャンネル基板２０及び３０は、その製造方法がホットプレス成型であるため、従来の製造で用いられている切削加工のように材料の機械強度を確保する必要もない。
【００３０】
従って、本実施の形態における基板の製造方法は、厚み１．６ｍｍの基板を製造することが可能であり、従来の多孔性カーボンを切削加工して作製した基板の厚みが２．０ｍｍであったのに比べ、基板１枚あたり０．４ｍｍ薄くすることを可能とする。
そして、上記のチャンネル基板を用いたセルユニット１は、従来の多孔性カーボンからなるチャンネル基板を用いたセルユニットに比べて、厚みで０．８ｍｍ／ユニット薄く、１０ｇ／１００ｃｍ²軽いという特徴をもつ。
【００３１】
次に、本実施の形態にかかる燃料電池の運転において、供給された反応ガスは、電極反応面を流れ、供給された水及び生成した水は、チャンネルの底部分の保水性に優れたポリアミド樹脂製不織布シート３５０の内部及びその表面を流れる。このような燃料電池では、供給された水や生成水による水詰まりの発生がない。
【００３２】
なお、本実施の形態においては、リブを構成する導電性材料を前記ポリアミド樹脂製不織布シート３５０の内部に浸透させたが、前もって別の導電性材料を浸透させておいても、本実施の形態のチャンネル基板と同様の効果を有する。ここで、前記リブを構成する導電性材料、及び、ポリアミド樹脂製不織布シート３５０の内部に浸透させる導電性材料には、金属、黒鉛、膨張黒鉛、カーボンの中から選ばれた少なくとも１つの材料に、熱硬化性樹脂又は、熱可塑性樹脂を混合した導電性材料のいずれを用いることも出来る。
【００３３】
また、本実施の形態においては、前記ポリアミド樹脂製不織布シート３５０の内部全体にわたって導電性材料を浸透させたが、導電性材料は、必ずしもポリアミド樹脂製不織布シート３５０の内部全体に浸透させなくても良い。例えば、リブが形成されている部分の前記ポリアミド樹脂製不織布シートの内部にだけ浸透させれば基板の導電性は、十分確保できる。
【００３４】
さらに、チャンネル基板には、前記ポリアミド樹脂製不織布シートのかわりに金属製の発泡体または、網体、ラス体、パンチング板を用いることも出来る。このような多孔性シートを用いた基板は、前記多孔性シート自体が導電性をもつているために、導電性材料を前記多孔性シートの内部に必ずしも浸透させなくても導電性を十分確保することが出来る。
【００３５】
（電池特性の評価）
以上のような本実施の形態の燃料電池について、従来の多孔性カーボンからなるチャンネル基板を用いた燃料電池を比較例として、以下のような仕様で連続運転しながらセル電圧を測定して特性評価を行なった。
セルの反応面積；１００ｃｍ²
反応ガス；水素ガス／空気
負荷電流；０．４Ａ／ｃｍ²
水の供給量；１ｃｃ／ｍｉｎ．
上記条件により運転した本実施の形態の燃料電池及び比較例の燃料電池のセル特性（運転時間経過によるセル電圧の変化）を図５に示す。
【００３６】
図５において、破線で示す比較例の燃料電池のセル電圧は、運転時間の経過とともに低下している事がわかる。これは、比較例の燃料電池において、運転時間の経過に伴って基板の水詰まりが発生して電池反応に必要な反応ガスが電極に供給されなくなることによるものと考えられる。これに対して、図５の実線で示す本実施の形態にかかる燃料電池のセル電圧は、運転時間の経過に左右されることなく安定した値を維持している。これは、本実施の形態の燃料電池において、運転時間の経過によっても基板の水詰まりが発生しないためであると考えられる。
【００３７】
さらに、本実施の形態の燃料電池及び比較例の燃料電池を、５００ｍＡ／ｃｍ²負荷で運転しながらセル電圧を測定したところ、本実施の形態にかかる燃料電池のセル電圧は、比較例の燃料電池のセル電圧に比べて５ｍＶ／ｃｅｌｌ向上する事がわかった。
また、上記の燃料電池の連続運転に際して、比較例の燃料電池では、水供給のための循環ポンプを連続運転させる必要があるのに対して、本実施の形態の燃料電池では、セル内の水をチャンネル基板の不織布シートの内部に保持することが出来るので、間欠運転（１０分間で１分作動）で十分となり、水循環ポンプの消費電力が従来の１／１０に軽減することが出来る事もわかった。
【００３８】
（その他の事項）
なお、本実施の形態のセルユニット１においては、アノード側基板とカソード側基板共に本発明のチャンネル基板を用いたが、どちらか一方にのみ用いた場合でも従来の多孔性カーボンからなる基板をアノード側基板及びカソード側基板共に用いたセルユニットに比べてサイズ、製造コスト、水詰まりの面で優れる。
【００３９】
そして、本実施の形態では、燃料として水素ガスを用いる固体高分子型燃料電池としたが、燃料としてメタノールをアノード側に直接供給する直接メタノール燃料電池であっても適用可能である。これは、直接メタノール燃料電池が、低温で運転され、その動作において水と二酸化炭素を生成するため、上記本実施の形態の燃料に水素ガスを用いる場合と同様に水詰まりを低減することが出来る本発明の基板が有効であるからである。また、本発明は、固体高分子型及び直接メタノール型に限らず、低温で運転されるリン酸型やアルカリ型の燃料電池においても適用でき、同様の効果を奏する。
【００４０】
【発明の効果】
以上のように、本発明の燃料電池用基板の製造方法は、多孔性シートを用いてホットプレス成型を行う方法であるので、従来の多孔性カーボンの板材を切削加工する方法に比べて、量産性に優れ、歩留まりが良好であり、低コストな方法である。
【００４１】
また、本発明の燃料電池用基板の製造方法は、基板の平面部分を構成する材料が多孔性シートであって、従来の基板に用いられている多孔性カーボンの板材のように脆いものではなく、また、ホットプレス成型によるので切削加工のように機械強度を確保する必要もないため、厚みの薄い燃料電池用基板を製造することを可能にする。
【００４２】
そして、上記製造方法によって製造された基板を用いた本発明の燃料電池は、従来の基板を用いた燃料電池に比べてコンパクトなものとすることが出来る。
また、本発明の燃料電池は、その運転時に、基板のチャンネル内において、反応ガスと水が分離して流通させることが出来るために基板内部における水詰まりがなく、運転時間の経過に左右されることなく電池性能を高く維持することが出来る。
【００４３】
さらに、従来の多孔性カーボンの基板を用いた燃料電池では、水供給のための循環ポンプを連続運転させる必要があるのに対して、本発明の燃料電池では、セル内の水をチャンネル基板の多孔性シート内部に保持することが出来るので、間欠運転で十分となり、水循環ポンプの消費電力を軽減することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態にかかる固体高分子型燃料電池のセルユニットの構成を示す図である。
【図２】本実施の形態にかかるチャンネル基板を示す斜視図である。
【図３】図２のＡ−Ａ矢視断面図である。
【図４】本実施の形態にかかるチャンネル基板製造工程を示す図である。
【図５】燃料電池のセル特性を示す図である。
【符号の説明】
１ セルユニット
１０ セル
１１ 固体高分子膜
１２ カソード
１３ アノード
２０ カソード側チャンネル基板
３０ アノード側チャンネル基板
４０ ガス不透過性導電性プレート（仕切板）
２０１ カソード側リブ
２０２ カソード側チャンネル
３０１ アノード側リブ
３０２ アノード側チャンネル
３５０ ポリアミド樹脂製不織布シート
３６０ 黒鉛とフェノール樹脂からなる導電性材料

Claims (6)

1. 電解質膜にカソード及びアノードが配されてなるセルを、カソード側基板及びアノード側基板で挟持してなるセルユニットから構成される燃料電池であって、
   前記カソード側基板及び前記アノード側基板の少なくとも一方は、多孔性シートの前記セルに対向する面に第１の導電性材料からなるリブが突設された構成であり、且つ、前記多孔性シートの前記リブが突設された面とは反対側の面にガス不透過性導電性プレートが配された構成であり、
   前記多孔性シートは、ポリアミド樹脂、綿、ポリエステル、レーヨン、アクリルの中から選ばれた少なくとも１つの材料からなり、
   前記多孔性シートは、不織布又は、織布又は、フェルトであり、且つ、前記多孔性シート内に前記第１の導電性材料もしくは第２の導電性材料が浸透している
   ことを特徴とする燃料電池。
2. 電解質膜にカソード及びアノードが配されてなるセルを複数積層し、且つ、前記各セル間には、セパレータが介在する構成の燃料電池であって、
   前記セパレータは、カソード側基板及びガス不透過性導電性プレート及びアノード側基板より構成され、
   前記カソード側基板及びアノード側基板の少なくとも一方は、前記ガス不透過性導電性プレートの一方の面に配された多孔性シートに第１の導電性材料からなるリブが突設された構成であり、
   前記多孔性シートは、ポリアミド樹脂、綿、ポリエステル、レーヨン、アクリルの中から選ばれた少なくとも１つの材料からなり、
   前記多孔性シートは、不織布又は、織布又は、フェルトであり、且つ、前記多孔性シート内に前記第１の導電性材料もしくは第２の導電性材料が浸透している
   ことを特徴とする燃料電池。
3. 前記第１の導電性材料及び前記第２の導電性材料の少なくとも一方は、金属、黒鉛、膨張黒鉛、カーボンの中から選ばれた少なくとも１つの材料に熱硬化性樹脂又は、熱可塑性樹脂を混合した材料である
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
4. 前記ガス不透過性導電性プレートは、金属板、黒鉛成型板、膨張黒鉛成型板、グラッシーカーボン板のいずれか１つからなる
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池。
5. 電解質膜にカソード及びアノードが配されてなるセルを、カソード側基板及びアノード側基板で挟持してなるセルユニットから構成される燃料電池に用いる基板の製造方法であって、
   ガス不透過性導電性プレートの少なくとも一方の面に多孔性シートを配する第１ステップと
   前記第１ステップの後、前記多孔性シートの前記ガス不透過性導電性プレートが配された面とは反対側の面に第１の導電性材料からなるリブを突設するとともに前記多孔性シート内に前記第１の導電性材料もしくは第２の導電性材料を浸透させる第２ステップと
   を備えることを特徴とする燃料電池用基板の製造方法。
6. 前記第２ステップにおいては、前記第１の導電性材料として金属、黒鉛、膨張黒鉛、カーボンの中から選ばれた少なくとも１つの材料に熱硬化性樹脂又は、熱可塑性樹脂を混合した材料を用い、
   ホットプレス成型によって前記多孔性シートにリブを突設するとともに前記多孔性シート内に前記第１の導電性材料を浸透させる
   ことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池用基板の製造方法。

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