JP4862257B2

JP4862257B2 - 平面型の高分子電解質型燃料電池用のセパレータ

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Publication number: JP4862257B2
Application number: JP2004292268A
Authority: JP
Inventors: 徹芹澤; 泰弘内田; 高徳前田; 裕八木
Original assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Current assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Priority date: 2004-10-05
Filing date: 2004-10-05
Publication date: 2012-01-25
Anticipated expiration: 2024-10-05
Also published as: JP2006107899A

Description

本発明は、燃料電池用のセパレータに関し、特に平面型の高分子電解質型燃料電池用のセパレータに関する。

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、用途などで分類される。また、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、溶融炭酸塩型燃料電池、りん酸型燃料電池、高分子電解質型燃料電池、アルカリ水溶液型燃料電池の５種類に分類させるのがー般的である。

これらの燃料電池は、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（以下、ＤＭＦＣとも言う）も知られている。
なかでも、固体高分子膜を２種類の電極で挟み込み、更に、これらの部材をセパレータで挟んだ構成の固体高分子型燃料電池（以下、ＰＥＦＣとも言う）が注目されている。
このＰＥＦＣにおいては、固体高分子膜の両側に、それぞれ、電極を配置した単位セルを複数個積層し、その起電力を目的に応じて大きくした、スタック構造のものが一般的である。単位セル間に配設されるセパレータは、一般に、そのー方の側面に、隣接するー方の単位セルに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給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。

ＰＥＦＣのセパレータとしては、グラファイト板を削り出して溝加工を施したセパレータ、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製セパレータ、エッチングなどで溝加工を施した金属製セパレータ、金属材料の表面部を耐食性の樹脂で覆ったセパレータ等が知られている。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。
このスタック構造の燃料電池の他に、例えば、携帯端末用の燃料電池等のように、起電力をそれほど必要としないで、平面型で、できるだけ薄い事が要求される場合もある。しかし、平面状に単位セルを複数配列させ、これらを電気的に直列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）。
尚、本発明では、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、ガス拡散層、触媒層からなる燃料極、高分子電解質膜、触媒層からなる酸素極、ガス拡散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。
特開２００３−２０３６４７号公報

しかしながら、上述のようなＭＥＡを燃料供給側セパレータと酸素供給側セパレータで挟持した従来の平面型のＰＥＦＣでは、発電時のＭＥＡの膨潤に伴って、ＭＥＡと燃料供給側セパレータや酸素供給側セパレータとの間の接触が不充分となり、接触抵抗が大きくなってしまうという問題があった。これを防止するために、ＭＥＡの両側に位置する燃料供給側セパレータと酸素供給側セパレータをボルトで締め付けることにより、各層の接触を確実にすることが考えられる。しかし、平面状に複数配列された単位セル間に、上記の締め付け作用に必要な幅を設けると、単位セルの有効面積が減少するという問題があった。
本発明は、上記のような実情に鑑みてなされたものであり、接触抵抗が極めて小さく、単位セルの有効面積率が高い薄型の高分子電解質型燃料電池を可能とするセパレータを提供することを目的とする。

このような目的を達成するために、本発明は、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用のセパレータにおいて、複数の貫通孔を有する単位導電性基板が空隙部を介して平面的に２個以上配列された集電部と、該集電部を挟持するように一体化された電気絶縁性の外側枠体と膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体とを備え、前記外側枠体は、前記単位導電性基板の配列位置に対応した各領域に複数の微細開口を備えたものであり、前記膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体は、前記単位導電性基板の配列位置に対応した開口部を有し、前記外側枠体の各微細開口の大きさは、前記単位導電性基板が備える前記貫通孔の大きさ以上であるような構成とした。

また、本発明は、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用のセパレータにおいて、複数の貫通孔を有する単位導電性基板が空隙部を介して平面的に２個以上配列された集電部と、該集電部を挟持するように一体化された電気絶縁性の外側枠体と膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体とを備え、前記外側枠体は、前記単位導電性基板の配列位置に対応した開口部と、該開口部に架設された補強材とを有し、前記膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体は、前記単位導電性基板の配列位置に対応した開口部を有し、前記外側枠体の前記補強材は、複数の帯状材であり、該帯状材で区画された個々の開口の大きさは、前記単位導電性基板が備える前記貫通孔の大きさ以上であるような構成とした。
本発明の他の態様として、前記外側枠体と前記膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体は、樹脂、樹脂と無機材料との複合体、絶縁性被膜を備えた金属、および、セラミックのいずれかであるような構成とした。

本発明のセパレータは高い強度を有し、平面型の高分子電解質型燃料電池において膜電極複合体（ＭＥＡ）の膨潤が生じても、セパレータを構成する単位導電性基板と膜電極複合体（ＭＥＡ）との接触が確実になされ、均一な接触圧力を得ることができるため、平面型の高分子電解質型燃料電池は、接触抵抗が極めて少なく発電特性の高いものとなる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
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の一実施形態を示す斜視図であり、図２は図１に示されるセパレータを構成する集電部、外側枠体、膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体を離間させた状態で示す斜視図であり、図３は図１に示されるセパレータのＡ−Ａ線矢視断面図である。図１〜図３において、本発明のセパレータ１は、集電部２を挟持するように一体化された外側枠体３と膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体４とを備えている。
セパレータ１を構成する集電部２は、複数の貫通孔２ａを有する長方形状の単位導電性基板２Ａ，２Ｂ，２Ｃが空隙部５を介して平面的に３個配列されたものである。

このような集電部２（単位導電性基板２Ａ，２Ｂ，２Ｃ）に使用する導電性の材料としては、電気導電性が良く、所定の強度が得られ、加工性の良いものが好ましく、ステンレス、冷間圧延鋼板、アルミニウム、チタン、銅等が挙げられる。
また、単位導電性基板２Ａ，２Ｂ，２Ｃは、少なくとも膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体４と当接する側の表面に耐食性（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２Ａ，２Ｂ，２Ｃ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、燃料供給用ないし酸素供給用の貫通孔２ａを、これらの方法により形成したものである。貫通孔２ａの大きさ（開口径）は特に制限がなく、例えば、０．０５〜１０ｍｍの範囲で適宜設定することができる。
尚、図示例では、各単位導電性基板に９個の貫通孔２ａが形成されているが、形成個数、形成位置等には特に制限はない。

上述のような集電部２を挟持するように一体化された外側枠体３は、上記の各単位導電性基板２Ａ，２Ｂ，２Ｃの配列位置に対応した領域３Ａ，３Ｂ，３Ｃ（図２において鎖線で囲まれた領域）に複数の微細開口３ａを備えたものである。これらの微細開口３ａは、集電部２を構成する各単位導電性基板２Ａ，２Ｂ，２Ｃの各貫通孔２ａに対応した位置に存在するものであり、貫通孔２ａを閉塞しないよう構成されている。したがって、微細開口３ａの大きさは、貫通孔２ａの大きさ以上であることが好ましい。また、例えば、微細開口３ａが個々の貫通孔２ａに対応した位置に存在するのではなく、複数の貫通孔２ａに跨るような開口を有する微細開口３ａを設けてもよい。

外側枠体３を構成する微細開口３ａの大きさ、個数等は、平面型の高分子電解質型燃料電池に使用された際の膜電極複合体（ＭＥＡ）の膨潤に対抗して、セパレータ１を構成する単位導電性基板２Ａ，２Ｂ，２Ｃと膜電極複合体（ＭＥＡ）との接触を維持できるような強度が得られるように、外側枠体３の材質、厚み等を考慮して設定することができる。
また、集電部２を挟持するように一体化された膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体４は、上記の各単位導電性基板２Ａ，２Ｂ，２Ｃの配列位置に対応した３個の開口部４Ａ，４Ｂ，４Ｃを備えたものである。そして、各開口部４Ａ，４Ｂ，４Ｃには、集電部２を構成する各単位導電性基板２Ａ，２Ｂ，２Ｃの貫通孔２ａが露出している。

セパレータ１を構成する外側枠体３と膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体４の材質は、絶縁性で、加工性が良く、軽く、機械的強度が大きいものが好ましい。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、ポリイミド等の樹脂、ガラスエポキシ等の樹脂と無機材料との複合体、絶縁性被膜を備えた金属、セラミック等が挙げられる。上記の絶縁性被膜を備えた金属としては、例えば、熱処理により表面に絶縁性被膜を形成したＡｌ含有ＳＵＳ材、陽極酸化により表面に絶縁性被膜を形成したＡｌ材等を使用することができる。
上述のような所望の形状を有する外側枠体３と膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体４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。外側枠体３と膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体４の厚みは同等であってもよく、異なるものでもよい。
また、単位導電性基板２Ａ，２Ｂ，２Ｃの間に存在する空隙部５は、例えば、エポキシ樹脂、フッ素樹脂等の絶縁性材料が接着剤として充填され存在するものであってもよい。

このような本発明のセパレータ１は、上述のような構造の外側枠体３によって高い強度が付与され、平面型の高分子電解質型燃料電池に使用された際に膜電極複合体（ＭＥＡ）の膨潤が生じても、セパレータ１を構成する単位導電性基板２Ａ，２Ｂ，２Ｃと膜電極複合体（ＭＥＡ）との接触が確実になされ、均一な接触圧力を得ることができる。

図４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の他の実施形態を示す図２相当の斜視図である。図４において、本発明のセパレータ１１は、集電部１２を挟持するように一体化された外側枠体１３と膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体１４とを備えている。
セパレータ１１を構成する集電部１２は、上述の実施形態の集電部２と同様であり、複数の貫通孔１２ａを有する長方形状の単位導電性基板１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃが空隙部１５を介して平面的に３個配列されたものである。

また、この集電部１２を挟持するように一体化された外側枠体１３は、上記の各単位導電性基板１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃの配列位置に対応した３個の開口部１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃと、各開口部に架設された補強材１６を備えたものである。補強材１６は、各開口部１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃのほぼ中央で交差するような２本の帯状材からなっている。
外側枠体１３の補強材１６は、図示の態様に限定されるものではない。例えば、図５に示されるように、複数の帯状材が平行に架設されラダー形状となったもの、図６に示されるように、２本の帯状材が開口部１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃの端部に平行で、かつ、ほぼ中央で交差するように架設されたもの等であってもよい。

上述の補強材１６の厚み、幅等は、平面型の高分子電解質型燃料電池に使用された際の膜電極複合体（ＭＥＡ）の膨潤に対抗して、セパレータ１１を構成する単位導電性基板１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃと膜電極複合体（ＭＥＡ）との接触を維持できるような強度が得られるように、外側枠体１３の材質、開口部１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃの大きさ等を考慮して設定することができる。
また、膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体１４は、上述の実施形態の膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体４と同様であり、上記の各単位導電性基板１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃの配列位置に対応した３個の開口部１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃを備えたものである。

セパレータ１１を構成する集電部１２（単位導電性基板１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ）の材質は、上述のセパレータ１を構成する集電部２（単位導電性基板２Ａ，２Ｂ，２Ｃ）と同様である。また、単位導電性基板１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃも、上述の実施形態と同様に、必要に応じて、保護層を備えるものであってもよい。
セパレータ１１を構成する外側枠体１３と膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体１４の材質は、上述のセパレータ１を構成する外側枠体３と膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体４と同様である。また、上述のような所望の形状を有する外側枠体１３と膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体１４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。外側枠体１３と膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体１４の厚みは同等であってもよく、異なるものでもよい。

このような本発明のセパレータ１１は、上述のような補強材１６を備えた構造の外側枠体１３によって高い強度が付与され、平面型の高分子電解質型燃料電池に使用された際に膜電極複合体（ＭＥＡ）の膨潤が生じても、セパレータ１１を構成する単位導電性基板１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃと膜電極複合体（ＭＥＡ）との接触が確実になされ、均一な接触圧力を得ることができる。
上述の本発明のセパレータは例示であり、これらの限定されるものではない。例えば、本発明のセパレータは、膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体４，１４の開口部４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ内に、集電部２，１２の単位導電性基板２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃを被覆するようにガス拡散層や触媒層を備えるものであってもよい。

上記のガス拡散層は、多孔質の集電材からなるものであり、例えば、カーボン繊維等を使用することができる。ガス拡散層の厚みは、例えば、２０〜５００μｍ程度の範囲で適宜設定することができる。
また、触媒層は、セパレータが燃料供給側セパレータとして使用される場合には燃料極となり、酸素供給側セパレータとして使用される場合には酸素極となる。このような触媒層の材質としては、白金、金、パラジウム、ルテニウム、銅、白金酸化物、タングステン酸化物、鉄、ニッケル、ロジウム等を挙げることができ、これらを単独で、あるいは、２種以上組み合わせて使用することができる。また、触媒層の厚みは、例えば、１０〜３００μｍ程度の範囲で適宜設定することができる。

次に、本発明のセパレータを用いた平面型の高分子電解質型燃料電池の一例を説明する。
図７は、上述の本発明のセパレータ１を燃料供給側セパレータおよび酸素供給側セパレータとして組み込んだ平面型の高分子電解質型燃料電池の例を示す構成図である。また、図８は、図６に示される平面型の高分子電解質型燃料電池の各部材を離間させた状態を示す図である。
図７および図８において、高分子電解質型燃料電池４１は、膜電極複合体（ＭＥＡ）５４が１組の本発明のセパレータ１Ａとセパレータ１Ｂで挟持された電池本体５１と、ケース体５２を備えている。

電池本体５１では、酸素供給側のセパレータ１Ａと燃料供給側のセパレータ１Ｂの各膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体４が膜電極複合体（ＭＥＡ）５４に対向するように配置され、各セパレータ１Ａ，１Ｂの集電部２が、カーボンペーパー５３を介して膜電極複合体（ＭＥＡ）５４に当接している。また、膜電極複合体（ＭＥＡ）５４は、酸素供給側のセパレータ１Ａ側に酸素極側触媒層５５を備え、燃料供給側のセパレータ１Ｂ側に燃料極側触媒層５６を備えている。

これにより、３個の単位セル５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃが平面的に配列されたものとなっている。尚、３個の単位セル５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃ間の集電部２（単位導電性基板２Ａ，２Ｂ，２Ｃ）の電気的接続は特に制限されず、例えば、電池本体５１の側面において、ワイヤ等の導電性部材を用いて隣接する単位セルの単位導電性基板を電気的に接続することができる。また、集電部２の各単位導電性基板２Ａ，２Ｂ，２Ｃに接続された接続端子部を、セパレータ１（酸素供給側のセパレータ１Ａと燃料供給側のセパレータ１Ｂ）の外側に突出させておき、この接続端子部を用いて３個の単位セル５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃ間を接続してもよい。

また、上述の電池本体５１は、膜電極複合体（ＭＥＡ）５４の両端部が１組のセパレータ外周枠部材６１Ａ，６１Ｂにシール部材６５を介して挟持されている。そして、電池本体５１を挟持した１組のセパレータ外周枠部材６１Ａ，６１Ｂは、固定用ボルト６７を用いてケース体５２にシール部材６５を介して固定されている。
上記のセパレータ外周枠部材６１Ａは、導電部材６２Ａを絶縁部材６３で挟持した構造であり、また、セパレータ外周枠部材６１Ｂは、導電部材６２Ｂを絶縁部材６３で挟持した構造である。そして、固定部材６１Ａ，６１Ｂの一端（図示の左側）から導電部材６２Ａ，６２Ｂが電極端子として突出している。

これにより、以下のように３個の単位セル５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃが電気的に直列に接続されたものとなる。
電極端子６２Ａ → ＊
＊→ 単位セル５１Ａ［セパレータ１Ａの単位導電性基板２Ａ → 膜電極複合体
（ＭＥＡ）５４ → セパレータ１Ｂの単位導電性基板２Ａ］ → ＊
＊→ 単位セル５１Ｂ［セパレータ１Ａの単位導電性基板２Ｂ → 膜電極複合体
（ＭＥＡ）５４ → セパレータ１Ｂの単位導電性基板２Ｂ］ → ＊
＊→ 単位セル５１Ｃ［セパレータ１Ａの単位導電性基板２Ｃ → 膜電極複合体
（ＭＥＡ）５４ → セパレータ１Ｂの単位導電性基板２Ｃ］ → ＊
＊→ 電極端子６２Ｂ

このような高分子電解質型燃料電池４１は、膜電極複合体（ＭＥＡ）５４の膨潤が発生しても、本発明のセパレータである酸素供給側のセパレータ１Ａと燃料供給側のセパレータ１Ｂによって単位導電性基板２Ａ，２Ｂ，２Ｃと膜電極複合体（ＭＥＡ）５４との接触不良が防止されるので、接触抵抗が極めて少なく発電特性の高いものとなる。

本発明は平面型の高分子電解質型燃料電池の製造に適用することができる。

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の一実施形態を示す斜視図である。図１に示されるセパレータを構成する集電部、外側枠体、膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体を離間させた状態で示す斜視図である。図１に示されるセパレータのＡ−Ａ線矢視断面図である。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の他の実施形態を示す図２相当の断面図である。図４に示されるセパレータを構成する外側枠体の他の態様を示す斜視図である。図４に示されるセパレータを構成する外側枠体の他の態様を示す斜視図である。本発明のセパレータを用いた平面型の高分子電解質型燃料電池の一例を示す構成図である。図６に示される平面型の高分子電解質型燃料電池の各部材を離間させた状態を示す図である。

符号の説明

１，１Ａ，１Ｂ，１１…セパレータ
２，１２…集電部
２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ…単位導電性基板
２ａ，１２ａ…貫通孔
３，１３…外側枠体
３ａ…微細開口
１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ…開口部
４，１４…膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体
４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ…開口部
５，１５…空隙部
１６…補強材

Claims

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用のセパレータにおいて、
複数の貫通孔を有する単位導電性基板が空隙部を介して平面的に２個以上配列された集電部と、該集電部を挟持するように一体化された電気絶縁性の外側枠体と膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体とを備え、前記外側枠体は、前記単位導電性基板の配列位置に対応した各領域に複数の微細開口を備えたものであり、前記膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体は、前記単位導電性基板の配列位置に対応した開口部を有し、前記外側枠体の各微細開口の大きさは、前記単位導電性基板が備える前記貫通孔の大きさ以上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。
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用のセパレータにおいて、
複数の貫通孔を有する単位導電性基板が空隙部を介して平面的に２個以上配列された集電部と、該集電部を挟持するように一体化された電気絶縁性の外側枠体と膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体とを備え、前記外側枠体は、前記単位導電性基板の配列位置に対応した開口部と、該開口部に架設された補強材とを有し、前記膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体は、前記単位導電性基板の配列位置に対応した開口部を有し、前記外側枠体の前記補強材は、複数の帯状材であり、該帯状材で区画された個々の開口の大きさは、前記単位導電性基板が備える前記貫通孔の大きさ以上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。
前記外側枠体と前記膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体は、樹脂、樹脂と無機材料との複合体、絶縁性被膜を備えた金属、および、セラミックのいずれかであることを特徴とする請求項１または請求項２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。