JPS62223973A - 燃料電池セパレ−タ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は燃料電池に係り、特に、メタノール。

ヒドラジン、ホルマリン、蟻酸などの液体物質を燃料と
する低温型燃料電池用セパレータに関する。

〔従来技術〕

燃料電池セパレータ材料としては安価な高導電性材料と
いう観点から、炭素材料が最も好ましいと考えられる。

このセパレータには、電気抵抗が低いこと、電極との接
触抵抗が小さいこと、液・ガスなどの反応物質、生成物
質に対して不透過性。

不浸透性があること、軽量であることなどの条件が要求
される。これまで知られている燃料電池用セパレータ材
料としては、■炭素粉末を樹脂結着したもの、＠高密度
黒鉛にフェノール樹脂などの熱硬化性樹脂を含浸したも
の、θ樹脂成分と炭素成分を混合し、硬化させた後、加
熱処理によりガラス状炭素にしたもの、Ｏ膨張黒鉛粉末
を加熱圧縮成形したものなどがある。これらの従来技術
による材料を用いたセパレータは、いずれも一長一短で
あり、目的に対して十分なものではない。すなわち、■
の材料は製法が簡単で安価であるという特徴はある・が
、液・ガラス不透過性が不十分であり電気抵抗が大きく
なるという問題点がめる。

＠は■より電気抵抗が低いという長所があり、液・ガス
不透過性も改善されている。しかし、本質的に焼結体構
造であり、長時間の使用に対して十分な液・ガス不透過
性全維持することは不可能である。高密度であるため重
量が大きくなるという欠点もある。また、その製造過程
において多大なエネルギを消費するためコスト高になる
という問題点もある。θは液・ガス不透過性、不浸透性
に対しては優れた性能を示すものの、硬度が高く、強度
的に脆いこと、反りなど変形を生じ易く、寸法精度が悪
いことなどの問題点がある。θは本質的にラミネート構
造であり、液・ガスの不透過性は大であり重量も軽量化
することが可能であり、かつ、可撓性が大きいという特
長がある。しかし、液不浸透性は不十分であり、接触し
ている液体を吸収し、膨潤するという問題がある。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、上記従来技術において実現されていな
い、低抵抗で、電極との接触抵抗が小さく、液・ガス不
透過性、不浸透性の大きな軽量な燃料電池用の高性能セ
パレータを提供することにある。

〔発明の要点〕

本発明は従来技術に示したセパレータ材料と従来の燃料
電池用セパレータ方式に関する考察より考案されたもの
である。燃料電池用セパレータには、第１図に示すリプ
付セパレータ方式と、第２図に示すリプ付電極方式とが
ある。第１図において、１は電解質を含むマトリクス層
、２はアノード、３はカソードであり、１０がリプ付セ
パレータである。このリブ付セパレータには従来技術で
記した諸条件が要求される。しかし、その条件を十分溝
たす材料はない。

一方、第２図で、１５はアノードの拡散層であり、１６
はカソードの拡散層でありいずれも多孔質であり、かつ
、溝状の流路を備えている。２０はリプ付電極方式の平
板セパレータである。この方式のセパレータ２０は、低
抵抗で、液・ガス不透過性と不浸透性があることが必要
条件であシ、第１図のリプ付セパレータ１０よりも必要
条件が少なくなる。それは、リプ付電極方式でハ、リプ
付セパレータ１０の機能２　＋７プ付電極の拡散層１５
．１６と平板セパレータ２０とで分担しているからに他
ならない。しかし、リプ付電極方式ではリプ付電極の拡
散層はリプ形状をして反応物質の流路を形成している。

そのため、この拡散層はｉ定の厚さが必要となる。その
ことは、低温作動の燃料ｆ１池で、反応物質の拡散距離
が長くなり、拡散が不十分になるという問題を生じる。

１＋、液体反応物質を用いる場合にも同様の問題を生じ
る。更に、液体反応物質を用い電極反応によってガスが
生じる場合には拡散層にガスが滞留するという問題も生
じ木。

以上のセパレータ材料、及び、セパレータ方式に関する
考察より、以下のような新規なセパレータ方式を考案し
た。つまり、セパレータの機能に応じて材料を使い分け
ることにより、最高セパレータを得ることである。具体
的な形を第３図に示す。図において、３０はセパレータ
のコネクタ部・分であり、その機能はアノード反応物質
とカソード反応物質の分離とセル間の電気的接続である
。

従って、液・ガス不透過性、不浸透性であり、電気抵抗
の低い材料が適している。３１と３２はセパレータのコ
ネクタ部分であり、その機能は電極と接して集電するこ
と、反応物質と生成物質を供給排出することである。従
って、可撓性があり電気抵抗の低い材料が適している。

また、３３と３４のリプとクエプなどのような流路構成
ｔ−電極側に備えていることも大きな特徴である。これ
によυ、低温型、あるいは液体反応物質を用いる燃料電
池に対しても拡散、あるいは、ガスの滞留の問題がなく
なる。

より具体的には、コネクタ部分３ｏは、コレクタ部分３
１．３２より気孔率の低い高密度で硬質な炭素材料を用
いることになる。例えば、３０には高密度黒鉛、ガラス
状炭素、樹脂結着炭素などを用いればよい。３１．３２
には、炭素繊維を成形したものをはじめとする多孔質炭
素成形体、膨張黒鉛成形体などを用いればよい。この上
うＫすることによって、低抵抗で、電極との接触抵抗が
小さく、液・ガス不透過性で、かつ、不浸透性であって
、しかも、軽量なセパレータが可能となる。

第３図に示したコネクタ部分３０とコレクタ部分３１．
３２とは一体であっても、分割可能であってもよい。ま
た、３０の形状は平板形で図中に示しであるが、コレク
タ部分３１．３２と電気的接触が十分得られるならば他
の形状も可能である。

反応物質等の流路３４け溝状であってもよいし、リプ３
３が島状であるなどの変形も可能である。

本発明の適用可能な燃料電池はリン酸型燃料電池金はじ
めとする、炭素材料の使用可能なすべてのタイプのもの
である。しかし、とりわけ、メタノール、ヒドラジン、
ホルマリン、蟻酸などの液体反応物質を用いる燃料電池
に適している。

〔実施例〕

〈実施例１〉 本発明管メタノール燃料電池において実施した。

用いたセパレータは第３図に示す形状のリプをもつもの
であり、コネクタ部分はガラス状炭素板で厚さ１ｍｍの
平板である。コレクタ部分は炭素繊維成形体から成り、
その気孔率は６５％であり、全体の厚さは２ｍｍである
。コネクタ一枚とコネクタ部分で一枚のセパレータが構
成されるから、セパレータの厚さは５ｍｍである。この
ようなセパレータを用い五セル積層の酸性電解液型メタ
ノール燃料電池を製作した。メタノール燃料電池はメタ
ノール極と空気極からなる。メタノール極。

空気極ともカーボンペーパー（呉羽化学製、クレカヘ−
ハ−、Ｅ　−７１５）上に触媒粉末をポリテトラフルオ
ロエチレン粉末の結着剤で塗布焼成したものである。メ
タノール極と空気極の間には、陽イオン交換膜（Ｊ）ｕ
　ｐｏｎｔ　Ｎａｆｉｏｎ　１２７　）　ｆ介在させて
いる。

比較のために、本実施例と厚さ１ｍｍの同じガラス状炭
素板をセパレータとし、コレクタ部分と同じ構成で厚さ
Ｚ　５　ｍ　ｍの炭素繊維成形体のリプ付電極を用いた
、リプ付電極方式の酸性電解液メタノール燃料電池の五
セル積層電池を作製した。

それぞれの電池の電流密度−電圧特性を第４図に示す。

図において、人が実施例、Ｂが比較例の特性−’ｌる。

なお、電池の運転温度は６０℃、アノライトはＩＭの硫
酸とＩＭのメタノールを含む水溶液である。第４図の結
果より本発明の方式が同一材料を用いたリプ付電極方式
よシ大きな限界電流密度をもち、液体燃料電池に適した
方式であることを示している。

〈実施例２〉 実施例と同じコネクタ部分と、膨張黒鉛のプレス成形体
よりなるコレクタ部分よりなるセパレータを使用した。

成形圧力は２００ｋｇ／ｃｍ”である。

′　このセパレータを用い、実施例と同一条件でメタノ
ール燃料電池を積層した。

比較のため、コレクタ部分と同一条件で製作したリプ付
セパレータを用い、メタノール燃料電池を積層した。そ
れぞれの電池を実施例１と同一条件で定電流連続放電を
し、寿命評価した。放電電流密度は６０ｍＡ／ｃｒｎ”
である。結果を第５図に示す。図において、Ｃは本発明
の実施例、Ｄは比較例である。図より本発明の平均セル
電圧は安定した優れた性能を示すが、比較例は電圧の低
下が大きい。運転停止後の観察により、Ｄの電池ではリ
プ付セパレータの平坦部のふくれ、変形が各所に見られ
・アノライト、及び、空気の流れを阻害していることが
わかった。一方、Ｃの電池では、そのような顕著な変化
が認められなかった。

このことから、本発明によるセパレータは長時間にわた
シ、液不浸透性、不透過性を維持でき、従って、電池性
能を高く、保持できるセパレータであることがわかる。

〈実施例３〉 第５図において、本発明の電池Ｃと従来技術による電池
りとは初期的な同一の性能を示すことがわかった。Ｃと
Ｄとのセパレータの重量はほぼ同一である。本発明の実
施例１の電池の性能はやはりＣ，Ｄ電池と同等の性能で
あり、かつ、それらより、軽量である。そこで、本発明
により電池の軽量化が図られたことを示すため、実施例
１の本発明によるセパレータと第５図のＤの比較例の電
池のセパレータの重量を比較する。両者のセパレータを
用いて１００Ｗの４０セル積層メタノール燃料電池を作
製した時の重量は本発明の方が比較例より２２４軽量化
されることがわかった。

前記実施例ではメタノール燃料電池のみを開示している
。しかし、ヒドラジン、ホルマリンなどのこの他の液体
燃料を用いた燃料電池に対しても本発明は有効である。

また、燐酸型などの水素燃料系の燃料電池に対し℃も本
発明の技術は適用できる。

〔発明の効果〕 本発明によれば、初期のみならず長期にわたり、液°ガ
ス透過性、不浸透性をもたせることにより電池性能を高
く安全に維持することのできる、軽量にして長寿命な、
優れた、燃料電池用セパレータが得られる。また、この
セパレータは、液体物質を反応物質とするタイプの燃料
電池に適することがわかった。

【図面の簡単な説明】

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、アノードとカソードから成るセルを多数積層して形
   成される積層型燃料電池の前記各セル間を電気的に接続
   するセパレータにおいて、 各電極に接してその一面より集電する箇所と反応物質と
   生成物質を供給・排出する流路とを片側に設けた領域と
   、前記領域の他方の側と接して前記セル間の電気的接続
   及びアノード反応物質とカソード反応物質の分離にあず
   かる部分とが気孔率の異なる材料で形成されたことを特
   徴とする燃料電池セパレータ。 ２、前記集電及び前記流路を備えた部分と分離部分とが
   一体化していることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の燃料電池セパレータ。 ３、前記集電及び前記流路を備えた部分と分離部分とが
   分割されて形成される特許請求の範囲第１項記載の燃料
   電池セパレータ。 ４、前記反応物質の分離部分が平板であることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項または第２項または第３項記
   載の燃料電池セパレータ。 ５、前記反応物質と前記生成物質を供給・排出する前記
   流路が溝状であることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項、第２項または第３項記載の燃料電池セパレータ。