WO2001059864A1

WO2001059864A1 - Pile a combustible electrolytique polymerique

Info

Publication number: WO2001059864A1
Application number: PCT/JP2001/000904
Authority: WO
Inventors: Hideo Ohara; Toshihiro Matsumoto; Yasushi Sugawara; Tatsuto Yamazaki; Junji Niikura; Kazuhito Hatoh; Teruhisa Kanbara
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
Priority date: 2000-02-08
Filing date: 2001-02-08
Publication date: 2001-08-16
Also published as: JP3690667B2; KR100417051B1; US20040170882A1; CN1388999A; EP1255315A4; CN1210828C; US7205061B2; EP1255315A1; KR20020062730A

Description

明細書高分子電解質型燃料電池技術分野

本発明は、ポータブル電源、電気自動車用電源、家庭内コージエネレーションシステム等に使用される高分子電解質型燃料電池、特にその導電性セパレ一夕板の改良に関する。背景技術

高分子電解質膜を用いた燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと空気など酸素を含有する酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることにより. 電力と熱とを同時に発生させる。この燃料電池は、基本的には、水素ィオンを選択的に輸送する高分子電解質膜、および高分子電解質膜の両面に形成された一対の電極、すなわちアノードとカソ一ドから構成される, 前記の電極は、通常、白金族金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とし、高分子電解質膜の表面に形成される触媒層、およびこの触媒層の外面に形成される、通気性と電子伝導性を併せ持つ拡散層からなる。電極に供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスが外にリークしたり、二種類のガスが互いに混合したりしないように、電極の周囲には高分子電解質膜を挟んでガスケットが配置される。ガスケットは、通常 E P D M ゴム、シリコーンエラストマ一、フッ素エラストマ一等の耐薬品性の高いゴムまたはエラストマ一が用いられる。このガスケットは、電極及び高分子電解質膜と一体化してあらかじめ組み立てられる。これを M E A (電解質膜—電極接合体）と呼ぶ。 M E Aの外側には、これを機械的に固定するとともに、隣接した M E Aを互いに電気的に直列に、場合によつては並列に、接続するための導電性のセパレー夕板が配置される。セパレー夕板の M E Aと接触する部分には、電極面に反応ガスを供給し、生成ガスや余剰ガスを運び去るためのガス流路が形成される。ガス流路は、セパレータ板と別に設けることもできるが、セパレー夕板の表面に溝を設けてガス流路とする方式が一般的である。

これらの溝に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するためには、燃料ガスおよび酸化剤ガスをそれぞれ供給する配管を、使用するセパレ一タ板の枚数に分岐し、その分岐先を直接セパレー夕板の溝につなぐ配管治具が必要となる。この治具をマニホルドと呼び、上記のような燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給配管から直接つなぎ込むタイプを外部マ二ホルドを呼ぶ。このマニホルドには、構造をより簡単にした内部マニホルドと呼ぶ形式のものがある。内部マニホルドとは、ガス流路を形成したセパレー夕板に、貫通した穴を設け、ガス流路の出入り口をこの穴まで通し- この穴から直接燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するものである。

燃料電池は、運転中に発熱するので、電池を良好な温度状態に維持するために、冷却水等で冷却する必要がある。通常、 1〜3セル毎に、冷却水を流す冷却部が設けられる。冷却部をセパレー夕板とセパレー夕板との間に挿入する形式と、セパレータ板の背面に冷却水流路を設けて冷却部とする形式とがあり、後者が多く利用される。これらの M E Aとセパレー夕板および冷却部を交互に重ねて 1 0〜 2 0 0セル積層し、その積層体を集電板と絶縁板を介して端板で挟み、締結ボルトで両端から固定するのが一般的な積層電池の構造である

このような高分子電解質型燃料電池は、セパレ一タ板は導電性が高く - かつ燃料ガスに対して気密性が高く、更に水素/酸素を酸化還元する際の反応に対して高い耐食性を持つ必要がある。このような理由で、従来のセパレー夕板は、通常グラッシ一カーボンゃ膨張黒鉛などの力一ボン材料で構成し、ガス流路もその表面での切削や、膨張黒鉛の場合は型による成型で作製されていた。しかしながら近年、従来より使用された力一ボン材料に代えて、ステンレス鋼などの金属板を用いる試みが行われている。

従来のカーボン板の切削による方法では、カーボン板の材料コストと共に、これを切削するためのコストを引き下げることが困難であり、また膨張黒鉛を用いた方法も材料コストが高く、これが実用化のための障害と考えられている。

上述の金属板を用いる方法では、コスト低減のためプレス加工によるセパレ一夕板が提案されている。しかし、セパレー夕板に加工されるガス流路パターンに制約が生じたり、プレス後の歪みを取り除くための後処理や伸展性に富む特殊材料を使用せざるを得なくなったりして結果的にコストメリツトが低下するという問題があった。発明の開示

本発明は、基本的には、波形金属板を導電性セパレー夕板として用い、ガスケットとの組み合わせによりその表裏に形成されている溝をガスの流路に利用した、量産に適したガス供給 ·排出手段を提供することを目的とする。

本発明は、突条と溝とが交互に平行して設けられ、一方の面の突条ぉよび溝に対応する裏面にそれぞれ溝および突条を有する波形金属板からなる複数の導電性セパレ一夕板、前記セパレー夕板の間に挿入された電解質膜一電極接合体であって、周縁部がガスケットで被覆された水素ィオン伝導性高分子電解質膜、前記電解質膜の一方の面に接合されたァノ一ド、および前記電解質膜の他方の面に接合されたカソードからなる電解質膜一電極接合体、並びに前記ァノ一ドおよびカソ一ドにそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給 ·排出するガス供給 · 排出手段を具備し. 前記ガス供給 ·排出手段が、前記波形金属板の一方の面の溝をとおしてァノードに燃料ガスを供給 ·排出し、前記波形金属板の他方の面の溝をとおしてカソ一ドに酸化剤ガスを供給 ·排出する高分子電解質型燃料電池を提供する。

本発明の好ましい形態において、前記ガス供給 ·排出手段が、ガスのマニホルド、および前記電解質膜一電極接合体（以下 M E Aという）のガスケットに、前記マ二ホルドと前記波形金属板の溝とを連絡するように設けられたガス誘導溝を含んでいる。

本発明の他の好ましい形態において、前記ガス供給 ·排出手段が、前記波形金属板および前記 M E Aのガスケットに共通に設けられたマニホルド穴、および前記波形金属板に設置されたパッキンを含み、前記マ二ホルド穴および波形金属板の溝をとおしてァノ一ドおよび力ソードにそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給 ·排出されるように構成されている。

本発明のさらに他の好ましい形態において、前記導電性セパレー夕板が前記波形金属板およびその周縁部を被覆する第 2のガスケットからなり、前記ガス供給 · 排出手段が、前記 M E Aのガスケットおよび第 2のガスケットに共通に設けられたマ二ホルド穴、および前記第 2のガスケッ卜に設けられ、前記マニホルド穴と前記波形金属板の溝とを連絡するガス誘導溝を含んでいる。

前記の第 2のガスケットを含む導電性セパレー夕板が、前記波形金属板の溝の底を埋めるシール材を有し、これにより前記波形金属板の溝の深さが、前記マ二ホルド穴と波形金属板の溝とを連絡するガス誘導溝の深さとほぼ同じとされている。

本発明のさらに好ましい形態において、隣接する M E A間に 2枚の波形金属板がそれらの溝および突条が相互に向き合うようにして挿入され. それら波形金属板の溝の間に形成される流路に一方の開口から他方の開口に向けて冷却水が流通されるように構成されている。

本発明の他の形態において、前記冷却水の流路となる前記波形金属板の溝の両端部側に、他の波形金属板と共通に冷却水のマ二ホルド穴が形成されている。図面の簡単な説明

図 1は本発明の導電性セパレー夕板を構成する波形金属板の例を示す斜視図である。

図 2は本発明の実施例における M E Aの要部の斜視図である。

図 3は図 2の 3— 3線断面図である。

図 4はセルの積層体を示す斜視図である。

図 5は同積層体を図 2の 5 _ 5線で切った断面図である。

図 6は同積層体を含む電池装置の正面図である。

図 7は波形金属板の他の実施例を示す斜視図である。

図 8は M E Aの他の例を示す要部の斜視図である。

図 9は M E Aのさらに他の例を示す正面図である。

図 1 0は波形金属板のさらに他の例を示す斜視図である。

図 1 1は波形金属板のさらに他の例を示す一部を断面にした正面図である。

図 1 2は図 1 1の 1 2— 1 2線断面図である。

図 1 3は同波形金属板に組み合わせたパッキンの斜視図である。

図 1 4はガスおよび冷却水の流れを説明する略図である。

図 1 5は M E Aのさらに他の例を示す正面図である。

図 1 6は他の例の導電性セパレ一夕板のァノ一ド側の正面図である。図 1 7は同セパレ一タ板の力ソード側の正面図である。

図 1 8は図 1 7の 1 8— 1 8線断面図である。

図 1 9はさらに他の例の導電性セパレー夕板のァノード側の正面図である。

図 2 0は同セパレー夕板の背面図である。

図 2 1は他の例の導電性セパレ一夕板のカソード側の正面図である。図 2 2は同セパレ一夕板の背面図である。

図 2 3はセルの積層体の他の例を示す断面図である。

図 2 4は導電性セパレー夕板のさらに他の例を示す要部の断面図である。発明を実施するための最良の形態

本発明は、前記のように、波形金属板を導電性セパレータ板として用い、 M E Aが備えるガスケットおよび/またはセパレ一夕板自体が備えるガスケットとの組み合わせにより、その表裏に形成されている溝をガスの流路に利用して、ガスの供給 ·排出手段を構成する。

本発明の代表的な導電性セパレ一タ板の第 1の形態では、波形金属板が M E Aとほぼ同じ大きさであり、波形金属板が M E Aと交互に積層されてセルスタックを構成する。第 2の形態では、波形金属板にその周縁部を被覆するガスケットを結合して、 M E Aとほぼ同じ大きさの導電性セパレー夕板を構成し、この導電性セパレータ板が M E Aと交互に積層されてセルスタックを構成する。

第 1およぴ第 2の形態において、適宜冷却部が M E A間に挿入される < この冷却部は、第 1の形態においては、 2枚の波形金属板をそれらの溝が相互に向き合うように組み合わされて M E A間に挿入される。冷却水の流路は、前記波形金属板の向き合う溝同士によって形成される。第 2 の形態においては、ァノ一ド側導電性セパレータ板と力ソード側導電性セパレ一夕板が M E A間に挿入され、両導電性セパレ一タ板の間に、それらの波形金属板の溝によって冷却水の流路が形成される。

上記の第 1の形態の好ましい燃料電池は、波形金属板からなる複数の導電性セパレー夕板、および前記セパレー夕板の間に挿入された M E A を具備する。そして、 M E Aのガスケットは、その両面に、それぞれ対向する前記波形金属板の溝の長手方向の両端部を閉鎖するリブを有する _c ガスケットは、さらに、それらリブより内側において、一方の面に前記波形金属板の溝に燃料ガスを導く誘導溝をガスケットの側面に開放するように設け、他方の面に前記波形金属板の溝に酸化剤ガスを導く誘導溝をガスケットの側面に開放するように設けている。この構造によれば、前記誘導溝にそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスのマ二ホルドを組み合わせることにより、前記波形金属板と対向する位置にあるァノードおよび力ソードへの燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給 ·排出手段を構成できる。

前記燃料電池において、波形金属板の溝の端部を閉鎖するリブは、 M E Aのガスケッ卜に設ける代わりに、波形金属板に射出成形などにより一体に結合しても良い。 M E Aの間に冷却部を設ける場合は、 2枚の波形金属板をそれらの溝同士を向き合わせて組み合わせ、前記の溝で構成される流路に冷却水を流すようにする。

さらに他の変形例においては、 M E Aのガスケットに設けたガスの誘導溝の代わりに、波形金属板に燃料ガスおよび酸化剤ガスのマ二ホルド穴を設ける。これらのマニホルド穴は、 M E Aに対面する溝の部分に 1 つおきに設けられる。そして、マ二ホルド穴を有する溝に流入するガスは、マ二ホルド穴を有しない溝に、両者間にある反対側に向いた溝の部分を貫通して移動するように構成する。前記の貫通部分には、反対側に向いた溝に当該ガスが流入しないように、切り欠き部を有するパッキンを設置したり、波形金属板にガスをとおす穴を設けたりする。このようなパッキンを含むガス流制御手段により、酸化剤ガスおよび燃料ガスは、それぞれマ二ホルド穴を有する溝からマ二ホルド穴を有しない溝に分配される。

上記の第 2の形態においては、波形金属板およびその周縁部に結合されたガスケットにより導電性セパレー夕板が構成される。このセパレ一夕板は、代表的な例では、カーボン板の切削加工などによるセパレ一夕板と同様に、マニホルド穴が設けられる。さらに、ガスケット部分に、マ二ホルド穴と波形金属板の溝とを連絡する誘導溝が設けられる。

いずれの形態においても、単純な形の波形金属板が用いられるから、量産に適し、大幅なコスト低減を図ることができる。また、セパレータ板の厚みを薄くできるから、積層電池のコンパクト化が可能となる。本発明の波形金属板の素材には、ステンレス鋼、チタンなどの導電性に優れ、かつプレス加工などにより容易に波形に形成できる厚み

0 . 0 5〜0 . 3 mm程度の薄板が好適に用いられる。これらの金属薄板は、その表面に耐食性の導電性被膜を形成するのが好ましい。導電性被膜は、金、白金、導電性カーボン塗料、 R u 0₂、インジウムをドープした酸化スズ S n ( I n ) 〇₂、 T i N、 T i A l N、 S i Cなどの導電性の無機酸化物、窒化物、炭化物などから作るのが好ましい。これらの導電性被膜は、素材の金属板をプレス加工により波形にした後に形成するのが好ましい。導電性被膜を形成するには、真空蒸着法、電子ビーム法、スパッタ法、高周波グロ一放電分解法などが用いられる。

本発明の M E Aおよび導電性セパレー夕板のガスケットの素材は、熱可塑性樹脂または熱可塑性エラストマ一が用いられる。好適な材料は、エチレン一プロピレン一ジェン三元共重合体配合物（以下 E P D Mで表す）、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリプチレン、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリビニルアルコール、ポリアクリルアミド、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリアセタール、ポリウレタン、シリコーン、ポリブチレンテレフタレ一ト、ポリエチレンテレフ夕レート、ポリエチレンナフタレート、シンジオタクチック · ボリスチレン、ポリフエ二レンサルフアイド、ポリエーテルエーテルケトン. ポリエーテルケトン、液晶ポリマー、フッ素樹脂、ポリエーテル二トリル、変性ポリフエ二レンエーテル、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリアリレート、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、および熱可塑性ポリイミドからなる群より選ばれる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳しく説明する。ここに用いられた図は理解を容易にするためのものであって、各要素の相対的な大きさや位置は必ずしも正確ではない。実施の形態 1

図 1はステンレス鋼などの金属板をプレス加工した波形金属板 1 0を表す。本実施の形態では、この波形金属板をそのまま導電性セパレー夕板に用いる。波形金属板 1 0は、一方の面に溝 1 1と突条とを交互に有し、他方の面には、前記溝 1 1および突条に対応して突条および溝 1 2 を有する。

図 2および図 3は、上記の波形金属板からなる導電性セパレータ板と交互に積層されたセルスタックを構成する M E A 2 0を表す。 M E A

2 0は、図 3に示すように、高分子電解質膜 2、膜 2の周縁部を一体に被覆する熱可塑性樹脂または熱可塑性エラストマ一からなるガスケット

3 0、および膜 2の露出面に接合されたカソード 3およびァノ一ド 4からなる。力ソードおよびアノードは、電解質膜側の触媒層とガス拡散層からなる。電解質膜 2は、ガスケット 3 0により自己支持性となり、取扱いが容易となっている。

ここに示す M E A 2 0は、金属板 1 0と同じ大きさの長方形であり、長手方向の両端部に、金属板 1 0と協働してガスの供給 ·排出手段を構成するための要素が設けてある。すなわち、ガスケット 3 0は、カソ一ド側の面に、側面に開放した酸化剤ガスの誘導溝 3 3を有し、ァード側の面に、燃料ガスの誘導溝 3 4を有する。ガスケット 3 0は、さらに、力ソード側の面に溝 3 3より端部側に、金属板 1 0の溝に嵌合するリブ 3 2を有し、ァード側の面に溝 3 4より端部側に、金属板の溝に嵌合する同様のリブを有する。

図 2は、 M E A 2 0の長手方向の一方の端部側を示しているが、他方の端部側にも同様のガス誘導溝やリブを有する。これについては、図 9 を参照されたい。

図 4にセルスタックを示す。この例では、 2セル毎に冷却部が設けてある。この冷却部は、 2枚の波形金属板をそれらの溝同士が向き合うように組み合わせてある。前記の溝により形成される空隙部 3 5が冷却水の流路となる。そして、冷却水は、図 4においてセルスタックの上方から流路 3 5に導入され、下方から排出される。

金属板 1 0 とM E A 2 0とを、 1^ £八のリブ3 2が金属板 1 0の溝 1 1または 1 2に嵌合するように、交互に積層して、セルスタックが構成されている。従って、 M E A 2 0とその力ソード側に積層された金属板 1 0との間には、金属板 1 0の溝 1 1によって酸化剤ガスの流路が形成される。この流路は、図 4において上方ではリブ 3 2によって閉塞され、下方では同様のリブによって閉塞される。そして、 M E A 2 0の側面に開放するように設けられた溝 3 3が酸化剤ガスの流路となる溝 1 1 に連通する。従って、セルスタックの側面に、酸化剤ガスのマニホルドを組み合わせることにより、酸化剤ガスは、図 4の矢印 Aに示すように，ガスケット 3 0の誘導溝 3 3から金属板の溝 1 1に入り、ガスケット

3 0の他方の誘導溝からマ二ホルドに排出される。

一方、燃料ガスは、図 4の矢印 Bのように、セルスタックの側面に組み合わせたマ二ホルドからガスケット 3 0の誘導溝 3 4を経由して金属板 1 0の溝 1 2に入り、ガスケット 3 0の誘導溝からマ二ホルド排出される。

こうして酸化剤ガスおよび燃料ガスは、それぞれ波形金属板の溝 1 1 および 1 2の部分において電極に拡散し反応にあずかる。そして、余剰のガスおよび生成物は、同じ溝の部分から出口側のマ二ホルドへ排出される。

図 5に示すように、 M E Aを挟む波形金属板は、それらの溝 1 1 と 1 2が互いに向き合うようにするのがよい。これによつて、電極部に過剰な剪断力がかからなくなる。

図 6は上記のセルスタツクを用いた燃料電池を示す。 4 0はセルス夕ックを表し、図 4におけるガスの入口側および出口側は、図 6では上下に位置する。セルスタック 4 0は、その積層方向の両端側に集電板 4 1 , 絶縁板 4 2および端板 4 3を重ね合わせ、さらに上下にはマ二ホルド

4 6を例えばシリコーン樹脂からなるシ一ル材 4 7を介して結合している。そして、端板同士をロッド 4 4で締結することにより燃料電池が組み立てられている。 4 5はばねを表す。

図 2に示した M E A 2 0のガスケット 3 0に設けた誘導溝 3 3および 3 4には、カーボンペーパーなどのガス透過性の多孔体を設置してもよい。図 2では、溝 3 3および 3 4内に平行な 2本のリブ 3 3 ' および 3 4 ' を設け、これによつてガスケットが金属板 1 0の溝 1 1または 1 2内へ変形してガスの流通を阻害しないようにしている。これら誘導溝 3 3および 3 4内へ多孔体を設置するときには、前記のリブは省略することができる。前記の多孔体の代わりに波形金属板をスぺ一サとして設置することもできる。これら多孔体、および波形金属板のスぺーサは, それらの表面を親水性処理するのが好ましい。この親水性処理は、電極に供給されるガス中の加湿水あるいは電極から排出される生成水などが前記の多孔体またはスぺーザに結露して流路が閉塞されるのを防止するためである。実施の形態 2

実施の形態 1においては、金属板 1 0の端部と M E Aとの間にガスの漏洩を生じるのを防止するため、 M E Aのガスケット 3 0にリブ 3 1 、

3 2などを設けた。実施の形態 2では、それらのリブの部分をガスケッ卜 3 0から金属板 1 0側に移した側を示す。

本実施の形態では、図 7のように、ガスケット 3 0のリブ 3 1 、 3 2 の代わりに、ガスケットと同じ素材からなるパッキン 3 1 a、 3 2 aを波形金属板 1 0に射出成形などにより一体に結合している。このような金属板からなる導電性セパレ一夕板と組み合わせる M E A 2 0 aは、図

8に示すように、平板状である。そして、ガスを誘導するための溝

3 3 aおよび 3 4 aを有する。実施の形態 3

M E A 2 0 bを図 9に示す。この M E Aは、マニホルドを設けた点が図 2に示す M E Aと異なり、他は同様の構造を有する。すなわち、ガスケット 3 0 bは、電極部 1のカソ一ドを挟んで酸化剤ガスを導くための一対の溝 3 3 b、金属板 1 0の溝 1 1の端部を閉塞するためのリブ 3 2 bを有する。同様にアノードを有する面には、燃料ガスを導く一対の溝（図 2の溝 3 4に相当する）および金属板 1 0の溝 1 2の端部を閉塞するためのリブを有する。

ガスケット 3 0 bは、酸化剤ガスを導く溝 3 3 bおよび燃料ガスを導く溝の側面の部分に、酸化剤ガスのマ二ホルド 3 7および燃料ガスのマ二ホルド 3 8を有し、さらに両端部には冷却水のマ二ホルド 3 9を有する。ガスケット 3 0 bは、さらに周縁部にはリブ 3 1 bを有する。

このような M E Aを用いたセルスタックにおいては、一対のマ二ホルド 3 7、および溝 3 3 bの一方から供給される酸化剤ガスは、金属板 1 0の溝 1 1の部分に形成されるガス流路から力ソードに拡散し、余剰ガスおよび反応生成物は溝 3 3 bおよびマ二ホルド 3 7の他方から排出される。

同様に燃料ガスは、一対のマ二ホルド 3 8の一方側からァノ一ドに供給され、他方側から排出される。また、冷却水は、マニホルド 3 9の一方から一対の金属板の間に形成される水流路 3 5に入り、他方のマニホルドから排出される。実施の形態 4

本実施の形態では、図 1 0に示すように、波形金属板 1 0に冷却水のマニホルド穴 3 9 aを設けている。図示しないが、マ二ホルド穴は金属板の他方の端部側にも設けてある。そして、これらマニホルド穴 3 9より外側には、一対の金属板によって形成される水の流路の端部を閉塞するためのパッキンが設けられる。

上記のマニホルド穴は、 M E Aのガスケットの部分、図 2の M E A 2 0で説明するなら、ガス流路の端部を閉塞するリブ 3 2の部分を貫通するように設けられる。

実施の形態 1では、両端に開口する流路に、その一方の端部から水を供給し、他方の端部から排出するように構成している。本実施の形態では、一対のマニホルド穴 3 9の一方側から各流路 3 5へ水を供給し、マ二ホルド穴の他方側から排出する。マ二ホルド穴を流通する冷却水は、リブ 3 2によって、酸化剤ガスおよび燃料ガスの流路内へ浸入することはない。実施の形態 5

本実施の形態では、ガスおよび冷却水の流路を波形金属板およびこれに組み合わせたパッキンにより調整する。

図 1 1は波形金属板 1 0をアノード側からみた正面図である。波形金属板 1 0には、図 1 1において表側、すなわちアノードに接する突条の部分に、 M E Aの電極部 1に近い側に、電極部を挟んで一対の冷却水のマニホルド穴 1 5が設けられている。図 1 1において表側に開放している溝 1 2の底には、燃料ガスのマ二ホルド穴 1 4と酸化剤ガスのマニホルド穴 1 3とが交互に設けられている。マ二ホルド穴 1 4は波形金属板 1 0の端部側に位置し、マ二ホルド穴 1 3はマ二ホルド穴 1 4と 1 5の中間に位置する。溝 1 2内において、マニホルド穴 1 3の両側にはパッキン 2 7と 2 9が設置されているから、マ二ホルド穴 1 3を流れる酸化剤ガスは溝 1 2内へは流入しない。

一方、燃料ガスのマニホルド穴 1 4を有する溝 1 2内においては、マ二ホルド穴 1 4の外側部分にのみパッキン 2 8が設置されているから、供給側のマ二ホルド穴 1 4を流れる燃料ガスは溝 1 2内を流れ、他方のマニホルド穴 1 4から排出される。さらに、溝 1 2内へ流入したガスは- 隣接する溝 1 1内に設置されたパッキン 2 6の中央にある切り欠き部 2 6 aおよびこれと連絡するように金属板に設けられた穴 1 8を通して溝 1 1を越えて次の溝 1 2内へ流入する。このガスの流れは同様のパッキン 2 6を有する部分から溝 1 1を越えて元の溝 1 2内へ入り、他方のマニホルド穴 1 4から排出される。このガスの流れは図 1 1に矢印にて示されている。

このように、波形金属板 1 0のアノードに面する溝 1 2の底には、 1つおきに燃料ガスのマ二ホルド穴 1 4が形成されているが、溝 1 2と溝 1 2の間にある、反対側へ開放する溝 1 1の穴 1 8とパッキン 2 6を利用して、マ二ホルド穴を有しない溝 1 2内へ燃料ガスを分配して反応に供することができる。

一対のマニホルド穴 1 5は、冷却水を流通させるもので、図示の波形金属板 1 0に、溝 1 1が向き合うに組み合わされる金属板との間に、溝 1 1によって形成される流路に水を供給し、排出する。図示しないが、溝 1 1の穴 1 5より外側には水が漏れるのを防止するためにパッキンが設置される。

図 1 1の波形金属板 1 0の表面に M E Aを介して接合される波形金属板には、 M E Aに酸化剤ガスを供給するガス流路を形成する溝 1 1を有している。そして、前記燃料ガスに述べたパッキン 2 6と穴 1 8に相当するものを溝 1 2側に設けることにより、 1つの溝 1 1に供給される酸化剤ガスを、これに溝 1 2を介して隣接する溝 1 1に、溝 1 2の部分を貫通させて分配することができる。

図 1 4は上記の酸化剤ガス、燃料ガスおよび冷却水の流れをそれぞれ矢印 A、 Bおよび Cで表している。実施の形態 6

本実施の形態では、波形金属板 5 0およびその周縁部に結合したガスケットからなる導電性セパレータ板を用いる。ここに用いる波形金属板 5 0は、実施の形態 1で用いた波形金属板 1 0と同様の構造を有するが. M E Aの電極部とほぼ同じ大きさである点が異なる。

図 1 5はアノード側からみた M E Aを表す。この M E A 6 0は、実施の形態 1と同様に、高分子電解質膜、その周縁部を支持するガスケット 7 0、および電解質膜の露出面に接合されたァノ一ドおよび力ソ一ドからなる。ガスケット 7 0は、 M E Aの長手方向の両端部にそれぞれ酸化剤ガスのマニホルド穴 7 3を有し、一方が入口側、他方が出口側であるガスケット 7 0は、さらに両端部にそれぞれ 3個ずつの燃料ガスのマ二ホルド穴 7 4および冷却水のマ二ホルド穴 7 5を有する。

図 1 6および図 1 7は、一方の面がアノードに接し、他方の面がカソ ―ドに接する導電性セパレー夕板 8 0を示す。このセパレ一タ板 8 0は，波形金属板 5 0とその周縁部に結合したガスケット 8 1からなり、ガスケット 8 1は、 M E A 6 0と共通の酸化剤ガスのマ二ホルド穴 8 3、燃料ガスのマ二ホルド穴 8 4および冷却水のマ二ホルド穴 8 5を有する。セパレ一タ板 8 0は、そのアノード側の面には、金属板 5 0の溝 5 4 により形成される燃料ガスの流路、この流路の端部とマニホルド穴 8 4 とを連絡する誘導溝 8 8を有する。同様にセパレー夕板 8 0のカソ一ド側の面には、金属板 5 0の溝 5 3により形成される酸化剤ガスの流路、この流路の端部とマニホルド穴 8 3とを連絡する誘導溝 8 7を有する。図 1 8には、セパレータ板 8 0を図 1 7の 1 8— 1 8線で切った断面図が示されている。マニホルド穴 8 3から供給される酸化剤ガスが誘導溝 8 7により波形金属板 5 0の溝 5 3内へ導かれることがよくわかるであろう。ここで、金属板 5 0のガス流路となる溝 5 3はその約 2 / 3の深さがガスケット 8 1 と一体のシール材 5 7で埋められ、これにより金属板のガス流路 5 3とガスケット 8 1のガス誘導溝 8 7とが同じ深さとなり、段差なく連らなっている。このため、ガスの供給、排出が円滑となり、加湿蒸気の水や反応生成物が溜まることがなく、フラッデイングを生じて電池性能が低下することがない。

図 2 3に示すように、燃料ガスの流路を形成する波形金属板 5 0の溝 5 4は、同様にシール材 5 8でその深さの約 2 / 3が埋められ、ガス流路 5 4はガスケット 8 1のガス誘導溝 8 8と段差なく連らなるようになつている。

図 2 4は、別の実施の形態の導電性セパレ一タ板を図 1 7の 1 8— 1 8線に相当するところで切った断面図である。この例では、波形金属板の溝は、シール材で埋められていない。従って、ガスケットの誘導溝と波形金属板の溝との間には段差が生じる。

次に、冷却部を構成するセパレ一夕板について説明する。

図 1 9はァノ一ド側セパレー夕板の正面図、図 2 0はその背面図である。このセパレー夕板 8 0 aは、そのガスケット 8 l aが、酸化剤ガス. 燃料ガスおよび冷却水の各マ二ホルド穴を有し、ァノード側の面にマ二ホルド穴 8 4と金属板 5 0のガス流路溝とを連絡する誘導溝 8 8を有する点はセパレー夕板 8 0と全く同じである。異なるのは、背面に、マ二ホルド穴 8 5と金属板 5 0の冷却水の流路とを連絡する誘導溝 8 9を有することである。

上記のセパレータ板 8 0 aと組み合わせて冷却部を構成するカソード側セパレ一夕板 8 0 bを図 2 1および図 2 2に示す。酸化剤ガス、燃料ガスおよび冷却水のマ二ホルド穴を有し、カソード側にマ二ホルド穴 8 3と金属板のガス流路を連絡する誘導溝 8 7を有する点はセパレー夕板 8 1 と同じであり、その背面はセパレ一夕板 8 0 aと同じくマ二ホルド穴 8 5と金属板の水流路とを連絡する誘導溝 8 9を有する。アノード側セパレ一タ板 8 0 aおよび力ソード側セパレ一夕板 8 0 bにおいても. それらの向き合う面に形成されている水の誘導溝 8 9の深さと、波形金属板の水流路の深さとは同じにしてある。このことは図 2 3からも明らかであろう。

上記に示した誘導溝 8 7、 8 8、および 8 9には、実施の形態 1において説明したような多孔体または波形金属板のスぺ一サを設置し、ガスケットが電池の締結圧によりこれらの溝内へ変形してガスまたは冷却水の流通を阻害しないようにすることができる。実施例 1

アセチレンブラックに、平均粒径約 3 0 Aの白金粒子を重量比 3 ： 1 の割合で担持した触媒粉末を調製した。この触媒粉末のィソプロパノ一ル分散液と、以下の式（式中 m = l、 n = 2、 5≤x≤ 1 3 . 5、 y = 1 0 0 0である。）に示すパ一フルォロカーボンスルホン酸粉末の

エチルアルコール分散液とを混合し、ぺ一スト状にした。厚み 2 5 0 mのカーボン不織布の一方の面に、このペーストをスクリ—ン印刷法で塗布して触媒層を形成した。前記ペーストの塗布量は、電極中に含まれる白金量が 0. 5mgZ c m²、パーフルォロカ一ボンスルホン酸の量が 1. 2 mgZ c m²となるように調整した。

こうして得た同一構成のカソードとアノードをこれらより一回り大きい面積を有する水素イオン伝導性高分子電解質膜の中心部の両面に、触媒層が電解質膜側に接するようにホットプレスによって接合して、電解質膜-電極接合体（MEA) を組み立てた。水素イオン伝導性高分子電解質膜として、前記の式（ただし式中 m= 2、 n= 2、

5≤ x≤ 1 3. 5、 y= 1 0 0 0である。）で表されるパーフルォロカ一ポンスルホン酸を 2 5 w mの厚みに薄膜化したものを用いた。

導電性セパレー夕板は、厚さ 0. 1 mmのステンレス鋼 S U S 3 0 4 板をプレス加工して、深さ約 1. 5mm、幅約 1. 5 mmの溝をピッチ 3 mmで有するように波形に形成した。波形金属板の表面に金を真空電子ビーム蒸着法により 0. 0 1 mの厚さに形成した。蒸着時の真空度は 5 X 1 0— ^ST o r rの A rガス雰囲気で金属板温度 2 0 0 °Cで行つた。

MEAは、高分子電解質膜の周縁部に、 E PDMからなるガスケットを有する。このガスケットは、電極を接合する前に、電解質膜に成形温度 1 7 0 °Cで結合した。このようにしてガスケットを一体にした、図 2 に示すような構造の ME Aを作製した。

上記の導電性セパレ一夕板と ME Aを交互に積層し、 2セル毎に 2枚の波形金属板をそれらの溝が向き合うように組み合わせて ME A間に挿入した。こうして図 4〜 6に示すような構造の 5 0セルが積層された積層電池を組み立てた。積層電池の締結圧は 2 0 k g f / c m²とした。

この燃料電池を、 8 5 °Cに保持し、アノード側に 8 3 °Cの露点となるよう加湿 ·加温した水素ガスを、カソード側に 7 8 °Cの露点となるように加湿 ·加温した空気をそれぞれ供給した。その結果、電流を外部に出力しない無負荷時には、 5 0 Vの電池開放電圧を得た。この電池を燃料利用率 8 0 %、酸素利用率 40 %、電流密度 0. 5 A/c m²の条件で発電試験を行ったところ、 9 9 0W ( 2 2 V_ 4 5 A) の電池出力を維持することが確認された。

この例では、誘導溝 3 3、 3 4が複数の平行する溝で構成されている。これらの溝部に親水性処理したカーボンペーパーを設置しても同様の効果が得られた。力一ボンペーパーの親水性処理は、波長 3 6 5 nmの超高圧水銀ランプを用いて 1 0 0 mWZ c m²の強度で 5分間紫外線照射を行うことで実施した。実施例 2

実施例 1 と同様の電極、電解質膜、およびガスケット材を用いて図 1 5に示すような ME Aを作製した。一方、導電性セパレ一夕板は、実施例 1 と同様の波形金属板の周縁部にシリコーンゴムからなるガスケッ卜を成形した。導電性セパレ一夕板は、実施の形態 6で説明した 3種を作製し、前記の ME Aと組み合わせて 5 0セル積層した燃料電池を組み立てた。冷却部は 2セル毎に挿入した。導電性セパレ一タ板は、そのガスケット部分において、その外周部およびマ二ホルド穴外周部には高さ 0. 1 mmの突部を設け、積層電池としたとき、導電性セパレ一夕板と ME Aとの間のシール性を確保するようにした。セパレー夕板に形成されたガス流路となる溝およびガスケット部に形成した誘導溝の深さは 0. 5 mmとした。

この燃料電池を実施例 1 と同様の条件で作動させたところ、実施例 1 とほぼ同様の特性を示した。産業上の利用の可能性

本発明によれば、従来のカーボン板の切削工法に替わり、鋼などの金属材料を切削加工しないでセパレー夕板を構成できるので、量産性に優れ、大幅なコスト低減が図れる。また、セパレ一夕板を一層薄くできるので、積層電池のコンパクト化を図ることができる。

Claims

請求の範囲

1 . 突条と溝とが交互に平行して設けられ、一方の面の突条および溝に対応する裏面にそれぞれ溝および突条を有する波形金属板からなる複数の導電性セパレータ板、前記セパレー夕板の間に挿入された電解質膜一電極接合体であって、周縁部がガスケットで被覆された水素イオン伝導性高分子電解質膜、前記電解質膜の一方の面に接合されたアノード、および前記電解質膜の他方の面に接合された力ソードからなる電解質膜一電極接合体、並びに前記ァノードおよびカソ一ドにそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給，排出するガス供給 ·排出手段を具備し、前記ガス供給 ·排出手段が、前記波形金属板の一方の面の溝をとおしてァノードに燃料ガスを供給，排出し、前記波形金属板の他方の面の溝をとおして力ソードに酸化剤ガスを供給 ·排出するように構成された高分子電解質型燃料電池。

2 . 前記ガス供給 ·排出手段が、燃料ガスおよび酸化剤ガス各々のマ二ホルド、および前記電解質膜—電極接合体のガスケットに、前記各マ二ホルドと前記波形金属板の溝とを連絡するように設けられたガス誘導溝を含む請求の範囲第 1項記載の高分子電解質型燃料電池。

3 . 前記ガス供給 ·排出手段が、前記波形金属板および前記電解質膜一電極接合体のガスケットに共通に設けられた燃料ガスおよび酸化剤ガス各々のマ二ホルド穴、および前記波形金属板に設置されたパッキンを含み、前記各マニホルド穴および波形金属板の各溝をとおしてァノードぉよび力ソードにそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給 ·排出されるように構成された請求の範囲第 1項記載の高分子電解質型燃料電池。

4 . 前記導電性セパレータ板が前記波形金属板およびその周縁部を被覆する第 2のガスケットからなり、前記ガス供給 ·排出手段が、前記電解質膜一電極接合体のガスケットおよび第 2のガスケットに共通に設けられた燃料ガスおよび酸化剤ガス各々のマ二ホルド穴、および前記第 2のガスケットに設けられ、前記各マニホルド穴と前記波形金属板の各溝とを連絡するガス誘導溝を含み、前記各マニホルド穴、各ガス誘導溝および波形金属板の各溝をとおしてァノードおよびカソードにそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給 ·排出されるように構成された請求の範囲第 1項記載の高分子電解貲型燃料電池。

5 . 前記の第 2のガスケットを含む導電性セパレー夕板が、前記波形金属板の溝の底を埋めるシール材を有し、これにより前記波形金属板の溝の深さが、前記マ二ホルド穴と波形金属板の溝とを連絡するガス誘導溝の深さとほぼ同じとされている請求の範囲第 4項記載の高分子電解質型燃料電池。

6 . 隣接する電解質膜一電極接合体間に 2枚の波形金属板がそれらの溝および突条が相互に向き合うようにして挿入され、それら波形金属板の溝の間に形成される流路に一方の開口から他方の開口に向けて冷却水が流通されるように構成された請求の範囲第 2項記載の高分子電解質型燃料電池。

7 . 前記冷却水の流路となる前記波形金属板の溝の両端部側に、他の波形金属板と共通に冷却水のマ二ホルド穴が形成され、前記マ二ホルド穴から前記冷却水の流路に冷却水が供給 ·排出されるように構成された請求の範囲第 6項記載の高分子電解質型燃料電池。

8 . 前記ガス誘導溝に、多孔体または波形状スぺーサが設置されている請求の範囲第 2項または第 4項記載の高分子電解質型燃料電池。

9 . 突条と溝とが交互に平行して設けられ、一方の面の突条および溝に対応する裏面にそれぞれ溝および突条を有する波形金属板からなる複数の導電性セパレー夕板、前記セパレー夕板の間に挿入された電解質膜一電極接合体であって、周縁部がガスケッ卜で被覆された水素イオン伝導性高分子電解質膜、前記電解質膜の一方の面に接合されたアノード、および前記電解質膜の他方の面に接合された力ソ一ドからなる電解質膜一電極接合体、並びに前記アノードおよびカソ一ドにそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給 ·排出するガス供給 ·排出手段を具備し、前記ガスケットは、その両面に、それぞれ対向する前記波形金属板の溝の長手方向の両端部を閉鎖するリブを有し、前記ガスの供給 ·排出手段が、前記ガスケットの前記リブょり内側において、ガスケットの一方の面にガスケットの側面に開放するように設けられて前記金属板の溝と連通する燃料ガスの誘導溝、およびガスケットの他方の面にガスケットの側面に開放するように設けられて前記金属板の溝と連通する酸化剤ガスの誘導溝を含む高分子電解質型燃料電池。

1 0 . 突条と溝とが交互に平行して設けられ、一方の面の突条および溝に対応する裏面にそれぞれ溝および突条を有する波形金属板からなる複数の導電性セパレ一夕板、前記セパレータ板の間に挿入された電解質膜一電極接合体であって、周縁部がガスケットで被覆された水素イオン伝導性高分子電解質膜、前記電解質膜の一方の面に接合されたアノード、および前記電解質膜の他方の面に接合されたカソードからなる電解質膜一電極接合体、並びに前記アノードおよび力ソードにそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給 ·排出するガス供給 ·排出手段を具備し、前記ガス供給 ·排出手段が、前記波形金属板の電解質膜一電極接合体に対面する溝の部分に 1つおきに設けられたマニホルド穴、および当該マニホルド穴を有する溝に流入するガスを、マ二ホルド穴を有しない溝に、両者間にある反対側に向いた溝の部分を貫通して移動するように構成するパッキンを含むガス流制御手段を含む高分子電解質型燃料電池。

1 1 . 複数の導電性セパレー夕板、前記セパレー夕板の間に挿入された電解質膜一電極接合体であって、周縁部が第 1のガスケットで被覆された水素イオン伝導性高分子電解質膜、前記電解質膜の一方の面に接合されたアノード、および前記電解質膜の他方の面に接合されたカソードからなる電解質膜一電極接合体、並びに前記ァノ一ドおよびカソードにそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給 ·排出するガス供給 ·排出手段を具備し、前記導電性セパレー夕板が、突条と溝とが交互に平行して設けられ、一方の面の突条および溝に対応する裏面にそれぞれ溝および突条を有する波形金属板とその周縁部に結合された第 2のガスケットからなり、第 1および第 2のガスケットが、それぞれ共通の燃料ガスおよび酸化剤ガス各々のマ二ホルド穴を有し、第 2のガスケットが、アノードと対向する面に、前記燃料ガスのマ二ホルド穴と前記波形金属板の溝とを連絡する誘導溝を有レ、力ソードと対向する面に、前記酸化剤ガスのマ二ホルド穴と前記波形金属板の溝とを連絡する誘導溝を有する高分子電解質型燃料電池。