JP5384953B2

JP5384953B2 - 燃料電池セパレータ

Info

Publication number: JP5384953B2
Application number: JP2009010142A
Authority: JP
Inventors: 哲朗仮屋; 勝柳本; 登志夫首藤
Original assignee: Hokkaido University NUC; Sanyo Special Steel Co Ltd
Current assignee: Hokkaido University NUC; Sanyo Special Steel Co Ltd
Priority date: 2009-01-20
Filing date: 2009-01-20
Publication date: 2014-01-08
Anticipated expiration: 2029-01-20
Also published as: JP2010170725A

Description

本発明は、燃料極側、および空気極側の両側の燃料電池セパレータの流路形成に粉末粒子を用いる燃料電池セパレータに関するものである。

近年、水素と酸素から水を生成する化学反応を基本に用いる燃料電池は、地球環境に優しいクリーンエネルギー源として大きく注目されている。その燃料電池の構造は、電解質膜と電極からなる膜・電極接合体（以下、ＭＥＡという）と、これを挟み込む形で配置されるセパレータからなる。そのセパレータの役割は、水素源、酸素源となる反応物質の隔離という他に、発電出力に直接関連する重要な機能として、（１）水素又は水素源となる燃料、及び酸素または酸素源となる空気等の供給、（２）反応生成物の排出、（３）導電性の確保がある。

上記の（２）の排出が必要とされる代表的な反応生成物は、空気極側の水成分であり、十分な排出特性が得られない場合、その生成水が反応場を覆い、発電出力の低下を招くフラッティング現象が起こる。この改善手法の一つに毛細管現象を利用した生成水の排出を狙った、例えば特開２００５−３１０５８６号公報（特許文献１）が提案されている。
特開２００５−３１０５８６号公報

上述した特許文献１では、生成水の排出特性を向上させるために、従来の溝型形状のセパレータにおいて、多孔質部材や繊維集成部材等を用いた毛細管現象を有する多数の接続部材を、リブ部とガス拡散層の間に設置するという手法を用いている。しかし、接続部材の設置そのものが複雑なプロセスを必要とし、さらに、その効果を高めるために接続部材の数を増やす場合、加工のさらなる複雑化とコストの増大を招くという問題がある。

上述のような問題を解消するために、発明者らは鋭意開発を進めた結果、毛細管現象の利用による排水を目的とし、燃料極側、および空気極側の両側の燃料電池セパレータの多孔体流路形成に粉末粒子を用いる燃料電池において、空気極側の多孔体流路形成に用いられる粉末粒子の平均径が、燃料極側の多孔体流路形成に用いられる粉末粒子の平均径よりも小さいことを特徴とする燃料電池セパレータを提供するものである。

その発明の要旨とするところは、
（１）燃料極側、および空気極側の両側の燃料電池セパレータの多孔体流路形成に、粉末粒子を用いる燃料電池において、空気極側の多孔体流路形成に用いられる粉末粒子の平均径を１μｍ〜２００μｍとし、かつ燃料極側の多孔体流路形成に用いられる粉末粒子の平均径よりも小さいことを特徴とする燃料電池セパレータ。

（２）前記（１）において、粉末粒子が導電性を有するものからなることを特徴とする燃料電池セパレータ。
（３）前記（２）において、粉末粒子の材質が、炭素、金属、金属合金の内の１種、または２種以上からなる複合体であることを特徴とする燃料電池セパレータにある。

以上述べたように、本発明により燃料電池の優れた排水性による発電出力の向上を図ることが出来る極めて優れた効果を奏するものである。

以下、本発明について図面に従って詳細に説明する。
図１は、本発明に係る粉末粒子を用いた多孔体流路セパレータを示す図である。この図に示すように、電解質膜１間に燃料極、空気極の各電極２を有する燃料極側４、空気極側５の各セパレータ３を配設する。このようなセパレータの流路形成に粉末粒子を用いる燃料電池セパレータにおいて、空気極側の流路形成に用いられる粉末粒子の平均径が、燃料極側の流路形成に用いられる粉末粒子の平均径よりも小さい。

図２は、加工性と発電出力との関係を示す図である。この図に示すように、本発明例は、従来例（溝型セパレータ＋細管の設置）に比べて、高い発電出力を示す。これは、前述のように、微細粒子によって囲まれた微小空間によって得られる優れた毛細管現象を用いた排出特性の向上によるものである。また、細管の設置が不要となるため加工性にも優れる。

空気極側の生成水の排出に必要な毛細管現象機能を得るために、微細粉末からなる多孔体セパレータ流路を用い、微細粉末の曲面で囲まれた微小空間が連続的に繋がる構造が、全面に均一に得られることが必要である。これによって、十分な毛細管現象が得られ、生成水の排出特性を向上する。また、特許文献１にあるような、複雑な細い接続管の作製が不要となる。

上記した特許文献１においては、接続管が存在する、限られた箇所にしか、毛細管現象が期待できないため、十分な排出特性が得られにくいと考えられるが、本発明では、セパレータ流路を構成する微細粒子間の空間の全てが毛細管現象を有するため、全面に均一な毛細管現象が得られるため、排出機能が大幅に改善される。また、上記のことから、フラッティング現象の大きな低減が可能となり、発電出力の向上が可能となる。

さらに、粒子径分布を広く持つ粉末粒子をセパレータ流路の形成に用いる場合に、燃料極側のセパレータ粒路の形成に使用しないような粒径の小さい微細粒子を空気極側に使用できるため、粉末粒子全体の利用効率を大きく高めることが出来る。さらに、これらの粉末粒子が導電性を有するため、集電体としての優れた機能も示すため、発電出力を向上させる。

本発明において空気極側の粉末粒子の平均径が、望ましくは１μｍ〜２００μｍとした理由に関して、下限を１μｍとした理由は、平均径が極めて微細になると酸素源の供給特性が極端に劣化し、かつ、生成水の排出特性も劣化する場合があるためであり、また、上限を２００μｍとした理由は、２００μｍ以下になると粉末同士の各曲面で構成される空間が微小となるため、十分な毛細管現象が得られるためであり、さらに、同じ体積内に存在する微小空間の数も増えるため、全体に均一且つ高密度に、毛細管現象が得られる。

本発明に係る粉末粒子としては、導電性であること。例えば、その材質が炭素、金属、合金の内の１種、または２種以上からなる複合体等を含むものである。

以下、本発明について実施例によって具体的に説明する。
燃料極側および空気極側の各セパレータの流路形成に用いる粉末粒子の主な材質と粉末粒子の平均粒径を表１に示す。これら燃料電池セルの、排水性、排水用細管設置の必要性の評価を示す。水の排出性については、○：排出性が良好、△：排出性が劣る、×：排出性が悪い。また、排水用細管設置の必要性については、○：必要ない、×：必要。

表１に示すように、Ｎｏ．１〜８は本発明例であり、Ｎｏ．９〜１２は比較例である。

表１に示す、比較例Ｎｏ．９は、空気極側での粒度が大きいために、排水性が劣る。比較例Ｎｏ．１０はＮｏ９と同様に、空気極側での粒度が大きく、排水性が劣る。比較例Ｎｏ．１１は、空気極側での粒度が小さいために、排水性が劣る。比較例Ｎｏ．１２は、従来の溝型粒路セパレータが排水用の細管を設置したもので、排水性、および加工性が劣る。これに対し、本発明例であるＮｏ．１〜８はいずれも本発明の条件を満たしており、排水性（発電出力の向上を可能とする）、加工性について、いずれも優れた特性を有することが分かる。

本発明に係る粉末粒子を用いた多孔体流路セパレータを示す図である。加工性と発電出力との関係を示す図である。

１電解質膜
２燃料極、空気極の各電極
３燃料極側、空気極側の各セパレータ
４燃料極側
５空気極側

特許出願人山陽特殊製鋼株式会社他１名
代理人弁理士椎名彊

Claims

燃料極側、および空気極側の両側の燃料電池セパレータの多孔体流路形成に、粉末粒子を用いる燃料電池において、空気極側の多孔体流路形成に用いられる粉末粒子の平均径を１μｍ〜２００μｍとし、かつ燃料極側の多孔体流路形成に用いられる粉末粒子の平均径よりも小さいことを特徴とする燃料電池セパレータ。
請求項１において、粉末粒子が導電性を有するものからなることを特徴とする燃料電池セパレータ。
請求項２において、粉末粒子の材質が、炭素、金属、合金の内の１種、または２種以上からなる複合体であることを特徴とする燃料電池セパレータ。