平面型の高分子電解質型燃料電池用のセパレータ
【課題】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。
【解決手段】平面型の高分子電解質型燃料電池用のセパレータとして、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、この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、外側枠体と膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体を、単位導電性基板の配列位置に対応した開口部を有するものとし、単位導電性基板を、膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体の開口部方向に突出した形状を有するものとする。
【解決手段】平面型の高分子電解質型燃料電池用のセパレータとして、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、この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、外側枠体と膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体を、単位導電性基板の配列位置に対応した開口部を有するものとし、単位導電性基板を、膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体の開口部方向に突出した形状を有するものとする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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およ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。
【特許文献１】特開２００３−２０３６４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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ＤＭＦＣ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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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、前記外側枠体と前記膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体は、それぞれ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、前記単位導電性基板は、前記膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体の前記開口部方向に突出した形状であるような構成とした。
【０００７】
本発明の他の態様として、前記単位導電性基板が前記膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体の開口部の面積よりも小さい範囲でドーム状に突出した形状であるような構成とし、前記ドーム状の突出形状は、懸垂線をなすものであるような構成とした。
本発明の他の態様として、前記単位導電性基板が前記膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体の開口部の面積よりも小さい面積でオフセットして突出した形状であるような構成とした。
本発明の他の態様として、前記膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体および前記外側枠体が樹脂、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。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、セパレータを構成する単位導電性基板が膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体の開口部方向に突出した形状であるため、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）に膨潤が生じても、その膨潤応力に抗する作用を単位導電性基板がなすのでセパレータは高い強度を具備したものであり、これにより単位導電性基板と膜電極複合体（ＭＥＡ）との確実な接触が維持され、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。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
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４と膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体５とを備えている。
【００１０】
セパレータ１を構成する集電部２は、突出部３を備えた長方形状の単位導電性基板２Ａ，２Ｂ，２Ｃが空隙部６を介して平面的に３個配列されたものであり、各単位導電性基板２Ａ，２Ｂ，２Ｃは、突出部３に複数の貫通孔２ａを有するものである。上記の突出部３は、後述する膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体５の開口部５Ａ，５Ｂ，５Ｃ内に入り込むような面積、形状でオフセットしたものであり、突出部３の表面は平坦面である。
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。
【００１１】
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５と当接する側（突出部３を備える面）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。
【００１２】
突出部３を備えた各単位導電性基板２Ａ，２Ｂ，２Ｃは、押出し加工、プレス加工等の機械加工、フォトリソグラフィー技術を用いたエッチング加工等により、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。また、突出部３のオフセット量Ｔ（図３参照）、平面形状は、単位導電性基板２Ａ，２Ｂ，２Ｃの厚み、材質、突出部３の面積、形状、個数等を考慮して適宜設定することができる。
【００１３】
尚、図示例では、各単位導電性基板２Ａ，２Ｂ，２Ｃ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。また、単位導電性基板２Ａ，２Ｂ，２Ｃは、突出部３の外側にも貫通孔２ａを備えるものであってよく、突出部３と後述する膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体５の開口部５Ａ，５Ｂ，５Ｃの大きさ、形状等を考慮して貫通孔２ａの形成部位を適宜設定することができる。また、単位導電性基板２Ａ，２Ｂ，２Ｃに対してオフセットしている突出部３の平面形状は、図示例では長方形であるが、これに限定されるものではなく、円形、楕円形等、適宜設定することができる。
【００１４】
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。外側枠体４を構成する開口部４Ａ，４Ｂ，４Ｃの大きさ、形状は、集電部２の各単位導電性基板２Ａ，２Ｂ，２Ｃの貫通孔２ａの形成領域の面積、形状等に応じて適宜設定することができる。
【００１５】
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５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５Ａ，５Ｂ，５Ｃを備えたものである。そして、各開口部５Ａ，５Ｂ，５Ｃには、集電部２を構成する各単位導電性基板２Ａ，２Ｂ，２Ｃの突出部３が位置するとともに、貫通孔２ａが露出している。膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体５を構成する開口部５Ａ，５Ｂ，５Ｃの大きさ、形状は、集電部２の各単位導電性基板２Ａ，２Ｂ，２Ｃの突出部３の形状、大きさ等に応じて適宜設定することができる。
【００１６】
セパレータ１を構成する外側枠体４と膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体５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。
【００１７】
上述のような所望の形状を有する外側枠体４と膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体５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４と膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体５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は、その間に空隙部６を介して配置され、外側枠体４と膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体５とで一体化して挟持されているが、空隙部６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。
【００１８】
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単位導電性基板２Ａ，２Ｂ，２Ｃが膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体５の開口部５Ａ，５Ｂ，５Ｃ方向に突出した形状であるため、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）に膨潤が生じても、その膨潤応力に抗する作用を単位導電性基板２Ａ，２Ｂ，２Ｃが発現する。これにより、単位導電性基板２Ａ，２Ｂ，２Ｃと膜電極複合体（ＭＥＡ）との確実な接触が維持され、各単位導電性基板全面で均一な接触圧力を得ることができ、接触抵抗を小さく、結果として内部抵抗の小さな電池が得られる。
【００１９】
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３相当の断面図である。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１４と膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体１５とを備えている。
セパレータ１１を構成する集電部１２は、上述の集電部２と同様に、長方形状の単位導電性基板１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃが空隙部１６を介して平面的に３個配列されたものである。各単位導電性基板１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃは、ドーム状の突出部１３を備えており、突出部３には複数の貫通孔１２ａを有している。ドーム状の突出部１３は、後述する膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体１５の開口部１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ内に入り込むような範囲でドーム状に突出したものである。
【００２０】
このような集電部１２（単位導電性基板１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ）に使用する導電性の材料としては、上述の単位導電性基板２Ａ，２Ｂ，２Ｃと同様の材料を使用することができる。また、少なくとも膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体１５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く、上述の単位導電性基板２Ａ，２Ｂ，２Ｃの場合と同様の形成方法にて保護層を形成することができる。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。
【００２１】
ドーム状の突出部１３を備えた各単位導電性基板１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃは、押出し加工、プレス加工等の機械加工、フォトリソグラフィー技術を用いたエッチング加工等により、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１２ａを、これらの方法により形成したものである。貫通孔１２ａ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。また、突出部１３の突出高さＨ（図４参照）は、単位導電性基板１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃの厚み、材質、突出部１３の面積、形状、個数等を考慮して適宜設定することができる。また、突出部１３のドーム形状には特に制限はないが、例えば、突出部１３の断面が懸垂線をなすような形状とすることができる。さらに、突出部１３の形状として、円弧を掃引してできる円柱面の一部のような、曲線を掃引して得られる掃引面を用いることができ、例えば、上記の円柱面や懸垂曲線の掃引面とすることができる。
【００２２】
尚、図示例では、各単位導電性基板１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃに９個の貫通孔１２ａ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。また、単位導電性基板１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃは、突出部１３の外側（平坦部位）にも貫通孔２ａを備えるものであってよく、突出部１３と後述する膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体１５の開口部１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃの大きさ、形状等を考慮して貫通孔１２ａの形成部位を適宜設定することができる。
【００２３】
上述の集電部１２を挟持するように一体化された外側枠体１４、膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体１５は、上述の実施形態の外側枠体４、膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体５と同様であり、それぞれ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、開口部１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃを備えたものである。そして、膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体１５の各開口部１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃには、集電部１２を構成する各単位導電性基板１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃの突出部１３が位置するとともに、貫通孔１２ａが露出している。
【００２４】
このような外側枠体１４と膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体１５の材質は、上述のセパレータ１を構成する外側枠体４と膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体５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１４と膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体１５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１４と膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体１５の厚みは同等であってもよく、異なるものでもよい。また、空隙部１６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。
【００２５】
このような本発明のセパレータ１１は、上述のようなドーム状の突出部１３が、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）に膨潤が生じた場合に、その膨潤応力に抗する作用を発現する。これにより、単位導電性基板１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃと膜電極複合体（ＭＥＡ）との確実な接触が維持され、各単位導電性基板全面で均一な接触圧力を得ることができ、接触抵抗を小さく、結果として内部抵抗の小さな電池が得られる。
上述の本発明のセパレータは例示であり、これらに限定されるものではない。例えば、本発明のセパレータは、上述の突出部３，１３の機能を阻害しない場合には、膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体５，１５の開口部５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ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。
【００２６】
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、アルミナ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。
【００２７】
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５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６は、図５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５および図６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。
【００２８】
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５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。
【００２９】
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、集電部２の単位導電性基板２Ａを外側枠体４と膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体５とで挟持した構造であり、また、セパレータ外周枠部材６１Ｂは、集電部２の単位導電性基板２Ｃを外側枠体４と膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体５とで挟持した構造である。そして、セパレータ外周枠部材６１Ａ，６１Ｂの一端（図示の左側）から、集電部２に接続した電極端子６２Ａ，６２Ｂが突出している。
【００３０】
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
【００３１】
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。
また、図７は、上述の本発明のセパレータ１の代わりに、上述の本発明のセパレータ１１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７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。尚、図７、図８では、セパレータを除く部材は、図５、図６に示す高分子電解質型燃料電池４１と共通であり、図５、図６と同様の部材番号を付した。
【００３２】
図７および図８に示される高分子電解質型燃料電池４１においても、膜電極複合体（ＭＥＡ）５４の膨潤が発生した場合、本発明のセパレータである酸素供給側のセパレータ１１Ａと燃料供給側のセパレータ１１Ｂによって単位導電性基板１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ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。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
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。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】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２】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３】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４】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３相当の断面図である。
【図５】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】図５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】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他の例を示す構成図である。
【図８】図７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】
【００３５】
１，１Ａ，１Ｂ，１１，１１Ａ，１１Ｂ…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…突出部
４，１４…外側枠体
４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ…開口部
５，１５…膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体
５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ…開口部
６，１６…空隙部
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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およ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。
【特許文献１】特開２００３−２０３６４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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ＤＭＦＣ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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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、前記外側枠体と前記膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体は、それぞれ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、前記単位導電性基板は、前記膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体の前記開口部方向に突出した形状であるような構成とした。
【０００７】
本発明の他の態様として、前記単位導電性基板が前記膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体の開口部の面積よりも小さい範囲でドーム状に突出した形状であるような構成とし、前記ドーム状の突出形状は、懸垂線をなすものであるような構成とした。
本発明の他の態様として、前記単位導電性基板が前記膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体の開口部の面積よりも小さい面積でオフセットして突出した形状であるような構成とした。
本発明の他の態様として、前記膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体および前記外側枠体が樹脂、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。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、セパレータを構成する単位導電性基板が膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体の開口部方向に突出した形状であるため、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）に膨潤が生じても、その膨潤応力に抗する作用を単位導電性基板がなすのでセパレータは高い強度を具備したものであり、これにより単位導電性基板と膜電極複合体（ＭＥＡ）との確実な接触が維持され、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。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
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４と膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体５とを備えている。
【００１０】
セパレータ１を構成する集電部２は、突出部３を備えた長方形状の単位導電性基板２Ａ，２Ｂ，２Ｃが空隙部６を介して平面的に３個配列されたものであり、各単位導電性基板２Ａ，２Ｂ，２Ｃは、突出部３に複数の貫通孔２ａを有するものである。上記の突出部３は、後述する膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体５の開口部５Ａ，５Ｂ，５Ｃ内に入り込むような面積、形状でオフセットしたものであり、突出部３の表面は平坦面である。
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。
【００１１】
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５と当接する側（突出部３を備える面）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。
【００１２】
突出部３を備えた各単位導電性基板２Ａ，２Ｂ，２Ｃは、押出し加工、プレス加工等の機械加工、フォトリソグラフィー技術を用いたエッチング加工等により、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。また、突出部３のオフセット量Ｔ（図３参照）、平面形状は、単位導電性基板２Ａ，２Ｂ，２Ｃの厚み、材質、突出部３の面積、形状、個数等を考慮して適宜設定することができる。
【００１３】
尚、図示例では、各単位導電性基板２Ａ，２Ｂ，２Ｃ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。また、単位導電性基板２Ａ，２Ｂ，２Ｃは、突出部３の外側にも貫通孔２ａを備えるものであってよく、突出部３と後述する膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体５の開口部５Ａ，５Ｂ，５Ｃの大きさ、形状等を考慮して貫通孔２ａの形成部位を適宜設定することができる。また、単位導電性基板２Ａ，２Ｂ，２Ｃに対してオフセットしている突出部３の平面形状は、図示例では長方形であるが、これに限定されるものではなく、円形、楕円形等、適宜設定することができる。
【００１４】
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。外側枠体４を構成する開口部４Ａ，４Ｂ，４Ｃの大きさ、形状は、集電部２の各単位導電性基板２Ａ，２Ｂ，２Ｃの貫通孔２ａの形成領域の面積、形状等に応じて適宜設定することができる。
【００１５】
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５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５Ａ，５Ｂ，５Ｃを備えたものである。そして、各開口部５Ａ，５Ｂ，５Ｃには、集電部２を構成する各単位導電性基板２Ａ，２Ｂ，２Ｃの突出部３が位置するとともに、貫通孔２ａが露出している。膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体５を構成する開口部５Ａ，５Ｂ，５Ｃの大きさ、形状は、集電部２の各単位導電性基板２Ａ，２Ｂ，２Ｃの突出部３の形状、大きさ等に応じて適宜設定することができる。
【００１６】
セパレータ１を構成する外側枠体４と膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体５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。
【００１７】
上述のような所望の形状を有する外側枠体４と膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体５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４と膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体５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は、その間に空隙部６を介して配置され、外側枠体４と膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体５とで一体化して挟持されているが、空隙部６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。
【００１８】
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単位導電性基板２Ａ，２Ｂ，２Ｃが膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体５の開口部５Ａ，５Ｂ，５Ｃ方向に突出した形状であるため、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）に膨潤が生じても、その膨潤応力に抗する作用を単位導電性基板２Ａ，２Ｂ，２Ｃが発現する。これにより、単位導電性基板２Ａ，２Ｂ，２Ｃと膜電極複合体（ＭＥＡ）との確実な接触が維持され、各単位導電性基板全面で均一な接触圧力を得ることができ、接触抵抗を小さく、結果として内部抵抗の小さな電池が得られる。
【００１９】
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３相当の断面図である。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１４と膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体１５とを備えている。
セパレータ１１を構成する集電部１２は、上述の集電部２と同様に、長方形状の単位導電性基板１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃが空隙部１６を介して平面的に３個配列されたものである。各単位導電性基板１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃは、ドーム状の突出部１３を備えており、突出部３には複数の貫通孔１２ａを有している。ドーム状の突出部１３は、後述する膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体１５の開口部１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ内に入り込むような範囲でドーム状に突出したものである。
【００２０】
このような集電部１２（単位導電性基板１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ）に使用する導電性の材料としては、上述の単位導電性基板２Ａ，２Ｂ，２Ｃと同様の材料を使用することができる。また、少なくとも膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体１５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く、上述の単位導電性基板２Ａ，２Ｂ，２Ｃの場合と同様の形成方法にて保護層を形成することができる。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。
【００２１】
ドーム状の突出部１３を備えた各単位導電性基板１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃは、押出し加工、プレス加工等の機械加工、フォトリソグラフィー技術を用いたエッチング加工等により、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１２ａを、これらの方法により形成したものである。貫通孔１２ａ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。また、突出部１３の突出高さＨ（図４参照）は、単位導電性基板１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃの厚み、材質、突出部１３の面積、形状、個数等を考慮して適宜設定することができる。また、突出部１３のドーム形状には特に制限はないが、例えば、突出部１３の断面が懸垂線をなすような形状とすることができる。さらに、突出部１３の形状として、円弧を掃引してできる円柱面の一部のような、曲線を掃引して得られる掃引面を用いることができ、例えば、上記の円柱面や懸垂曲線の掃引面とすることができる。
【００２２】
尚、図示例では、各単位導電性基板１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃに９個の貫通孔１２ａ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。また、単位導電性基板１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃは、突出部１３の外側（平坦部位）にも貫通孔２ａを備えるものであってよく、突出部１３と後述する膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体１５の開口部１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃの大きさ、形状等を考慮して貫通孔１２ａの形成部位を適宜設定することができる。
【００２３】
上述の集電部１２を挟持するように一体化された外側枠体１４、膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体１５は、上述の実施形態の外側枠体４、膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体５と同様であり、それぞれ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、開口部１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃを備えたものである。そして、膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体１５の各開口部１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃには、集電部１２を構成する各単位導電性基板１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃの突出部１３が位置するとともに、貫通孔１２ａが露出している。
【００２４】
このような外側枠体１４と膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体１５の材質は、上述のセパレータ１を構成する外側枠体４と膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体５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１４と膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体１５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１４と膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体１５の厚みは同等であってもよく、異なるものでもよい。また、空隙部１６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。
【００２５】
このような本発明のセパレータ１１は、上述のようなドーム状の突出部１３が、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）に膨潤が生じた場合に、その膨潤応力に抗する作用を発現する。これにより、単位導電性基板１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃと膜電極複合体（ＭＥＡ）との確実な接触が維持され、各単位導電性基板全面で均一な接触圧力を得ることができ、接触抵抗を小さく、結果として内部抵抗の小さな電池が得られる。
上述の本発明のセパレータは例示であり、これらに限定されるものではない。例えば、本発明のセパレータは、上述の突出部３，１３の機能を阻害しない場合には、膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体５，１５の開口部５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ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。
【００２６】
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、アルミナ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。
【００２７】
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５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６は、図５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５および図６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。
【００２８】
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５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。
【００２９】
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、集電部２の単位導電性基板２Ａを外側枠体４と膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体５とで挟持した構造であり、また、セパレータ外周枠部材６１Ｂは、集電部２の単位導電性基板２Ｃを外側枠体４と膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体５とで挟持した構造である。そして、セパレータ外周枠部材６１Ａ，６１Ｂの一端（図示の左側）から、集電部２に接続した電極端子６２Ａ，６２Ｂが突出している。
【００３０】
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
【００３１】
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。
また、図７は、上述の本発明のセパレータ１の代わりに、上述の本発明のセパレータ１１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７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。尚、図７、図８では、セパレータを除く部材は、図５、図６に示す高分子電解質型燃料電池４１と共通であり、図５、図６と同様の部材番号を付した。
【００３２】
図７および図８に示される高分子電解質型燃料電池４１においても、膜電極複合体（ＭＥＡ）５４の膨潤が発生した場合、本発明のセパレータである酸素供給側のセパレータ１１Ａと燃料供給側のセパレータ１１Ｂによって単位導電性基板１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ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。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
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。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】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２】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３】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４】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３相当の断面図である。
【図５】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】図５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】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他の例を示す構成図である。
【図８】図７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】
【００３５】
１，１Ａ，１Ｂ，１１，１１Ａ，１１Ｂ…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…突出部
４，１４…外側枠体
４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ…開口部
５，１５…膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体
５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ…開口部
６，１６…空隙部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、
前記外側枠体と前記膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体は、それぞれ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、
前記単位導電性基板は、前記膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体の前記開口部方向に突出した形状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。
【請求項２】
前記単位導電性基板は、前記膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体の開口部の面積よりも小さい範囲でドーム状に突出した形状であることを特徴とする請求項１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。
【請求項３】
前記ドーム状の突出形状は、懸垂線をなすものであることを特徴とする請求項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。
【請求項４】
前記単位導電性基板は、前記膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体の開口部の面積よりも小さい面積でオフセットして突出した形状であることを特徴とする請求項１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。
【請求項５】
前記膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体および前記外側枠体は、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乃至請求項４のいずれか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。
【請求項１】
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、
前記外側枠体と前記膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体は、それぞれ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、
前記単位導電性基板は、前記膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体の前記開口部方向に突出した形状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。
【請求項２】
前記単位導電性基板は、前記膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体の開口部の面積よりも小さい範囲でドーム状に突出した形状であることを特徴とする請求項１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。
【請求項３】
前記ドーム状の突出形状は、懸垂線をなすものであることを特徴とする請求項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。
【請求項４】
前記単位導電性基板は、前記膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体の開口部の面積よりも小さい面積でオフセットして突出した形状であることを特徴とする請求項１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。
【請求項５】
前記膜電極複合体（ＭＥＡ）側枠体および前記外側枠体は、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乃至請求項４のいずれか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。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００６−１０７８９８（Ｐ２００６−１０７８９８Ａ）
【公開日】平成１８年４月２０日（２００６．４．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２９２２６７（Ｐ２００４−２９２２６７）
【出願日】平成１６年１０月５日（２００４．１０．５）
【出願人】（０００００２８９７）大日本印刷株式会社 (14,506)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年４月２０日（２００６．４．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１０月５日（２００４．１０．５）
【出願人】（０００００２８９７）大日本印刷株式会社 (14,506)
【Ｆターム（参考）】
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