燃料電池用セパレータ及びこれを用いた燃料電池
【課題】セパレータと膜電極接合体との間の接触圧を略均一にし、高分子電解質膜が損傷しにくくかつ効率的な発電性能を維持することのできる燃料電池を実現し得るセパレータを提供する。
【解決手段】ガス拡散層を含むアノード４ａ、ガス拡散層を含むカソード４ｂ及び高分子電解質膜１を有する膜電極接合体５と；膜電極接合体を挟持して配置されかつ膜電極接合体に反応ガスを供給、排出するための一対のセパレータ６ａ、６ｂと；を少なくとも具備する単電池を少なくとも１つ含む燃料電池に用いられるセパレータにおいて、溝部７ａ１、７ｂ１と、隣接する溝部間を隔てるリブ部７ａ２，７ｂ２とで構成されたガス流路を設け、リブ部のうちのガス拡散層と接する部分の少なくとも一部に多孔質層２０ａ、２０ｂを設ける。
【解決手段】ガス拡散層を含むアノード４ａ、ガス拡散層を含むカソード４ｂ及び高分子電解質膜１を有する膜電極接合体５と；膜電極接合体を挟持して配置されかつ膜電極接合体に反応ガスを供給、排出するための一対のセパレータ６ａ、６ｂと；を少なくとも具備する単電池を少なくとも１つ含む燃料電池に用いられるセパレータにおいて、溝部７ａ１、７ｂ１と、隣接する溝部間を隔てるリブ部７ａ２，７ｂ２とで構成されたガス流路を設け、リブ部のうちのガス拡散層と接する部分の少なくとも一部に多孔質層２０ａ、２０ｂを設ける。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、民生用コジェネレーションや移動体用、モバイル用のエネルギー源として有用な燃料電池、特に高分子電解質形燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
高分子電解質形燃料電池は、水素等の燃料ガスと空気等の酸化剤ガスとをガス拡散電極であるアノード及びカソードにおいてそれぞれ電気化学的に反応させ、電気と熱とを同時に発生させる電池である。図９に、このような燃料電池の一般的な基本構成である単電池を示す。単電池（以下、「燃料電池」ともいう）１００は、図９に示すように、主として膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）１０５と、膜電極接合体１０５を挟持する一対の板状のセパレータ、即ちアノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂを含む構成の単電池を少なくとも１つ具備する。
【０００３】
膜電極接合体１０５は、アノード１０４ａ及びカソード１０４ｂの間に陽イオン（水素イオン）を選択的に輸送する高分子電解質膜１０１が配置された構成を有している。アノード１０４ａは、高分子電解質膜１０１側に密着した状態で配置される触媒層１０２ａと、当該触媒層１０２ａとアノード側セパレータ１０６ａとの間に配置されるガス拡散層１０３ａとを少なくとも含み、カソード１０４ｂは、高分子電解質膜１０１側に密着した状態で配置される触媒層１０２ｂと、当該触媒層１０２ｂとカソード側セパレータ１０６ｂとの間に配置されるガス拡散層１０３ｂとを少なくとも含む。
触媒層１０２ａ、１０２ｂは、電極触媒（例えば白金系金属）を担持した導電性炭素粒子を主成分とする層である。また、ガス拡散層１０３ａ、１０３ｂは、ガス通気性と導電性を兼ね備えた層であり、例えばカーボンからなる導電性多孔質基材の上に、少なくとも導電性炭素粒子とフッ素樹脂等の撥水性樹脂とを含む導電性撥水層（図示せず）を形成して得られる。
【０００４】
アノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂは、導電性を有しており、膜電極接合体１０４を機械的に固定するとともに、膜電極接合体１０４を複数積層する場合に隣接する膜電極接合体１０４同士を互いに電気的に直列に接続するものである。
アノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂには、アノード１０４ａ及びカソード１０４ｂに反応ガスを供給し、電極反応により生成した生成物や未反応の反応物を含むガスを膜電極接合体１０４の外部に運び去るためのガス流路１０７ａ、１０７ｂが一方の面（即ちアノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂの、それぞれアノード１０４ａ及びカソード１０４ｂに接する側の主面）に形成されている。また、アノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂの他方の面には、電池温度をほぼ一定に調節するための冷却流体（冷却水等）を導入するための冷却流体流路１０８ａ、１０８ｂが形成されている。冷却流体を燃料電池と外部に配置した熱交換器との間で循環させる構成とすることにより、反応により発生した熱エネルギーを、温水等の形で利用することができる。
【０００５】
ガス流路１０７ａ、１０７ｂは、製造工程を簡素化できる等の利点から、アノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂの、それぞれアノード１０４ａ及びカソード１０４ｂに接する側の主面に、溝を設けて形成する方式が一般的である。また、冷却流体流路１０８ａ、１０８ｂは、アノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂの外側の主面に溝を設けて形成する方式が一般的である。
【０００６】
多くの燃料電池は、複数の膜電極接合体１０５間にアノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂを介在させ、複数の膜電極接合体１０５を電気的に直列に積層して得られる、いわゆる積層型の燃料電池（燃料電池スタック）として用いられる。そして、このような燃料電池スタックにおいては、燃料電池に供給される反応ガスを分岐させて各膜電極接合体１０５に供給するためのマニホールド（アノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂに設けられた反応ガス供給用マニホールド孔及び反応ガス排出用マニホールド孔が連続的に積層された状態で組み合わされて形成されるマニホールド（図示せず））が設けられる。
【０００７】
また、燃料電池１００においては、反応ガスのガス漏れ（燃料ガスのカソード１０４ｂ側への漏れ、酸化剤ガスのアノード１０４ａ側への漏れ、膜電極接合体１０５外部への反応ガスの漏れ等）を防止するために、互いに対向するアノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂの間において、膜電極接合体１０５の外縁部（アノード１０４ａ及びカソード１０４ｂの外部であって高分子電解質膜１０１の外縁部）に、ガスシール機能を有する一対の対向するガスケット、即ちアノード側ガスケット１０９ａ及びカソード側ガスケット１０９ｂが配置されている。これらアノード側ガスケット１０９ａ及びカソード側ガスケット１０９ｂとしては、例えばＯリング、ゴム状シート、弾性樹脂と剛性樹脂との複合シート等が用いられている。ＭＥＡ１０５の取り扱い性の観点からは、ある程度の剛性を有する複合材系のガスケットをＭＥＡ１０５と一体化させて用いることが多い。
【０００８】
ここで、上記のような燃料電池（単電池）１００及び燃料電池スタック（図示せず）においては、アノード側セパレータ１０６ａ、アノード１０４ａ、高分子電解質膜１０１、カソード１０４ｂ、及びカソード側セパレータ１０６ｂ等の、積層される構成部材間の接触抵抗を低減するため、更にはガスシール性を維持するため、全体を積層方向に恒常的に締め付けられている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、アノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂの全面において均一に圧力がかかるように締め付けることは困難であり、アノード側セパレータ１０６ａと膜電極接合体１０５（特にアノード１０４ａ）との間の接触圧、及びカソード側セパレータ１０６ｂと膜電極接合体１０５（特にカソード１０４ｂ）との間の接触圧が不均一になってしまう傾向にある。そして、このように接触圧が不均一となると、例えばアノード１０４ａやカソード１０４の端部（図ＸにおいてＰで示される部分）に圧力が集中し、高分子電解質膜１０１に損傷を与えてしまい、反応ガス（燃料ガスや酸化剤ガス）が漏れてクロスオーバーしてしまい、効率的な発電性能を維持することが極めて困難になるという問題がある。
【００１０】
本発明は、以上の問題を鑑みてなされたものであり、アノード側セパレータと膜電極接合体（特にアノード）との間の接触圧、及びカソード側セパレータと膜電極接合体（特にカソード）との間の接触圧が略均一であり、高分子電解質膜が損傷しにくくかつ効率的な発電性能を維持することのできる燃料電池を実現し得るセパレータを提供することを目的とする。
【００１１】
更に本発明は、アノード側セパレータと膜電極接合体（特にアノード）との間の接触圧、及びカソード側セパレータと膜電極接合体（特にカソード）との間の接触圧が略均一であり、高分子電解質膜が損傷しにくくかつ効率的な発電性能を維持することのできる燃料電池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】
【００１２】
本発明は、上記の目的を達成するために、
ガス拡散層を含むアノード、ガス拡散層を含むカソード、及びアノードとカソードとの間に配置される高分子電解質膜を有する膜電極接合体と；膜電極接合体を挟持するようにして配置されかつ膜電極接合体に反応ガスを供給、排出するための一対のセパレータと；を少なくとも具備する燃料電池に用いられるセパレータであって、
溝部と、隣接する溝部間を隔てるリブ部と、で構成されたガス流路を具備し、
リブ部のうちのガス拡散層と接する部分の少なくとも一部に、多孔質層を具備すること、
を特徴とする燃料電池用セパレータを提供する。
【００１３】
このような構成によれば、上記多孔質層が緩衝材としての役割を果たし、アノード側セパレータと膜電極接合体（特にアノード）との間の接触圧、及びカソード側セパレータと膜電極接合体（特にカソード）との間の接触圧が面内において偏ることを効果的に抑制して略均一とすることができ、高分子電解質膜の損傷を効果的に抑制しかつ効率的な発電性能を維持することのできる燃料電池を実現し得るセパレータを提供することができる。
【００１４】
また、本発明は、上記の本発明のセパレータを含む燃料電池を提供する。
このような構成を有する本発明の燃料電池は、上記のような本発明のセパレータを具備しているため、上記多孔質層が緩衝材としての役割を果たし、アノード側セパレータと膜電極接合体（特にアノード）との間の接触圧、及びカソード側セパレータと膜電極接合体（特にカソード）との間の接触圧を面内において略均一とすることができ、高分子電解質膜の損傷を効果的に抑制しかつ効率的な発電性能を維持することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、アノード側セパレータと膜電極接合体（特にアノード）との間の接触圧、及びカソード側セパレータと膜電極接合体（特にカソード）との間の面内における接触圧が略均一であり、高分子電解質膜が損傷しにくくかつ効率的な発電性能を維持することのできる燃料電池を実現し得るセパレータを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明する。なお、以下の説明では、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略することもある。
図１は、本発明の高分子電解質形燃料電池の第一実施形態の基本構成である単電池の要部を示す概略断面図である。また、図２は、図１におけるアノード側セパレータ６ａをガス流路側からみた正面図であり、図３は、図１におけるアノード側セパレータ６ａを冷却流体流路側からみた正面図である。更に、図４は、図１におけるカソード側セパレータ６ｂをガス流路側から見た正面図であり、図５は、図１におけるカソード側セパレータ６ｂを冷却流体流路側から見た正面図である。
【００１７】
本実施形態の高分子電解質形燃料電池は、図１に示すように、主として膜電極接合体（ＭＥＡ）５と、膜電極接合体５を挟持する一対の導電性を有する板状のセパレータ（即ちアノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂ）を含む構成の単電池１０を少なくとも１つ具備する。したがって、本発明の高分子電解質形燃料電池は、単電池１０を１個備えるものであっても、複数個備えるものであってもよい。
以下に、まず本実施形態の高分子電解質形燃料電池の構成要素について説明する。
【００１８】
膜電極接合体５は、アノード４ａ及びカソード４ｂの間に陽イオン（水素イオン）を選択的に輸送する高分子電解質膜１（例えば、米国Du Pont社製のパーフルオロカーボンスルホン酸からなるNafion112膜（商品名））が配置された構成を有している。
アノード４ａは、高分子電解質膜１側に密着した状態で配置される触媒層２ａと、当該触媒層２ａとアノード側セパレータ６ａとの間に配置されるガス拡散層３ａとを少なくとも含み、カソード４ｂは、高分子電解質膜１側に密着した状態で配置される触媒層２ｂと、当該触媒層２ｂとカソード側セパレータ６ｂとの間に配置されるガス拡散層３ｂとを少なくとも含む構成を有している。
【００１９】
触媒層２ａ、２ｂは、電極触媒（例えば白金系金属）を担持した導電性炭素粒子（例えばカーボンブラック）を主成分とする層である。
また、ガス拡散層３ａ、３ｂは、ガス通気性と導電性を兼ね備えた層である。このガス拡散層３ａ、３ｂとしては、例えばカーボンペーパー、カーボンフェルト等のカーボンからなる導電性多孔質基材で構成されている。当該導電性多孔質基材はそのままガス拡散層３ａ、３ｂに用いることもできるが、少なくともフッ素樹脂等の撥水性樹脂を含む撥水処理液を含浸させて撥水処理を施された構成を有しているのが好ましい。上記撥水処理の有無を問わず、上記導電性多孔質基材の上に、少なくとも導電性炭素粒子（例えばカーボンブラック）とフッ素樹脂等の撥水性樹脂とを含む導電性撥水層（図示せず）を形成して、ガス拡散層３ａ、３ｂを構成してもよい。
【００２０】
膜電極接合体５は、ガス漏れを防止するために後述するアノード側ガスケット９ａ及びカソード側ガスケット９ｂを配置する観点から、高分子電解質膜１の主面の大きさが、アノード４ａ及びカソード４ｂの主面の大きさよりも大きく、かつ、高分子電解質膜１の全外縁部がアノード４ａ及びカソード４ｂの外縁端部よりも外側に突出するような構成を有している。また、アノード４ａ及びカソード４ｂにおいては、ガス拡散層３ａ、３ｂの主面の大きさが触媒層２ａ、２ｂの主面の大きさと略一致している。
【００２１】
以上のような膜電極接合体５の両側に配置されるアノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂは、導電性を有しており、膜電極接合体５を機械的に固定するとともに、複数の単電池を積層して用いる場合、隣接する膜電極接合体５同士を互いに電気的に直列に接続するものである。かかるアノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂには、例えばステンレス鋼などの金属又は炭素材料などの従来公知の材料で構成されている。
【００２２】
また、アノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂには、アノード４ａ及びカソード４ｂに反応ガス（燃料ガス及び酸化剤ガス）を供給し、電極反応により生成した生成物や未反応の反応物を含むガスを膜電極接合体５の外部に運び去るためのガス流路７ａ、７ｂが一方の面（即ちアノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂのそれぞれアノード４ａ及びカソード４ｂに接する側の主面）に形成されている。より具体的には、アノード側セパレータ６ａの膜電極接合体５側の面においては、溝部７ａ1と、隣接する溝部７ａ1を隔てるリブ部７ａ2と、によってガス流路７ａが構成されており、カソード側セパレータ６ｂの膜電極接合体５側の面においては、溝部７ｂ1と、隣接する溝部７ｂ1を隔てるリブ部７ｂ2と、によってガス流路７ｂが構成されている。
【００２３】
一方、アノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂの他方の面には、電池温度をほぼ一定に調節するための冷却流体（冷却水等）を導入するための冷却流体流路８ａ、８ｂが形成されている。冷却流体を燃料電池と外部に配置した熱交換器との間で循環させる構成とすることにより、反応により発生した熱エネルギーを、温水等の形で利用することができる。なお、ガス流路７ａ、７ｂ及び冷却流体流路８ａ、８ｂを構成する溝の幅や、溝の間隔（リブの幅）などは、本発明の効果を損なわない範囲で適宜選択することができる。
【００２４】
本実施形態の単電池１０においては、図１に示すように、反応ガスのガス漏れ（燃料ガスのカソード４ｂ側への漏れ、酸化剤ガスのアノード４ａ側への漏れ、膜電極接合体５外部への反応ガスの漏れ等）を防止するために、互いに対向するアノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂの間において、膜電極接合体５の外周部（アノード４ａ及びカソード４ｂの外周部であって高分子電解質膜１の外縁部）に、ガスシール機能を有する一対の対向するガスケット、即ちアノード側ガスケット９ａ及びカソード側ガスケット９ｂが配置されている。これらのアノード側ガスケット９ａ及びカソード側ガスケット９ｂは、例えば断面形状が略矩形の連続環状体構造を有し、例えばＯリング、ゴム状シート、弾性樹脂と剛性樹脂との複合シート等を用いて従来公知の方法によって作製することができ、先に述べた高分子電解質膜１の全ての外縁部を挟み込んでいる。
【００２５】
次に、図２〜図５に示すように、アノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂには、燃料ガス供給用マニホールド孔１４、燃料ガス排出用マニホールド孔１５、冷却流体用マニホールド孔１６、冷却流体排出用マニホールド孔１７、酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８、及び酸化剤ガス排出用マニホールド孔１９が設けられている。従って、本実施形態の単電池１０は「内部マニホールド型」である。
【００２６】
上述のように、本発明の高分子電解質形燃料電池は、単電池１０を複数個積層して、即ち複数の膜電極接合体５間にアノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂを介在させ、複数の膜電極接合体５を電気的に直列に積層して得られる、いわゆる積層型の燃料電池（燃料電池スタック）としても用いることができる。この場合、単電池１０を２以上積層して得られる燃料電池スタックにおいては、複数の燃料ガス供給用マニホールド孔１４が連続的に積層された状態で組み合わされて燃料ガス供給用マニホールド（図示せず）が形成され、複数の燃料ガス排出用マニホールド孔１５が連続的に積層された状態で組み合わされて燃料ガス排出用マニホールド（図示せず）が形成される。また、冷却流体用マニホールド孔１６、冷却流体排出用マニホールド孔１７、酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８、及び酸化剤ガス排出用マニホールド孔１９についても、同様に、複数のマニホールド孔が連続的に積層された状態で組み合わされてマニホールド（図示せず）が形成される。
【００２７】
以下において、本実施形態のアノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂについてより詳細に説明する。
図２に示すアノード側セパレータ６ａにおけるガス流路７ａは、燃料ガス供給用マニホールド孔１４から最短距離でアノード４ａに対応する部分（二点鎖線で示される電極部）まで延びている。図２において、ガス流路７ａはサーペンタイン形状を有し、水平方向（図２のアノード側セパレータ６ａにおいて燃料ガス供給用マニホールド孔１４及び酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８が設けられている部分側の辺に略平行な方向）に延びる９本の直線部と、隣接する直線部の端を上流側から下流側へ連結する８個のターン部とを有する。
【００２８】
図３に示すアノード側セパレータ６ａにおける冷却流体流路８ａは、冷却流体供給用マニホールド孔１６から最短距離でアノード４ａに対応する部分（二点鎖線で示される電極部）まで延びている。図３において、冷却流体流路８ａはサーペンタイン形状を有し、水平方向（図３のアノード側セパレータ６ａにおいて燃料ガス供給用マニホールド孔１４及び酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８が設けられている部分側の辺に略平行な方向）に延びる９本の直線部と、隣接する直線部の端を上流側から下流側へ連結する８個のターン部とを有する。
また、冷却流体流路１０ａにおける両端部（図３のアノード側セパレータ６ａにおいて、燃料ガス供給用マニホールド孔１４及び酸化剤ガス排出用マニホールド孔１９が設けられている部分側、並びに酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８及び燃料ガス排出用マニホールド孔１５が設けられている部分側）において、上記ターン部は上記電極部の端部付近に設けられている。
【００２９】
一方、図４に示すカソード側セパレータ６ｂにおけるガス流路７ｂは、酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８から最短距離でカソード４ｂに対応する部分（二点鎖線で示される電極部）まで延びている。また、図４において、ガス流路７ｂはサーペンタイン形状を有し、水平方向（図４のカソード側セパレータ６ｂにおいて燃料ガス供給用マニホールド孔１４及び酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８が設けられている部分側の辺に略平行な方向）に延びる９本の直線部と、隣接する直線部の端を上流側から下流側へ連結する８個のターン部とを有する。
【００３０】
図５に示すカソード側セパレータ６ｂにおける冷却流体流路８ｂは、冷却流体供給用マニホールド孔１６から最短距離でカソード４ｂに対応する部分（二点鎖線で示される電極部）まで延びている。図５において、冷却流体流路８ｂはサーペンタイン形状を有し、水平方向（図５のカソード側セパレータ６ｂにおいて燃料ガス供給用マニホールド孔１４及び酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８が設けられている部分側の辺に略平行な方向）に延びる９本の直線部と、隣接する直線部の端を上流側から下流側へ連結する８個のターン部とを有する。
また、冷却流体流路１０ｂにおける両端部（図５のカソード側セパレータ６ｂにおいて、燃料ガス供給用マニホールド孔１４及び酸化剤ガス排出用マニホールド孔１９が設けられている部分側、並びに酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８及び燃料ガス排出用マニホールド孔１５が設けられている部分側）において、上記電極部の端部付近に設けられている。
【００３１】
ここで、本実施形態の最大の特徴は、図１に示すように、アノード側セパレータ６ａのリブ部７ａ2及びカソード側セパレータ６ｂのリブ部７ｂ2に、それぞれ多孔質層２０ａ、２０ｂが設けられている点にある。
多孔質層２０ａ、２０ｂは、燃料電池１０を締結する際に、アノード側セパレータ６ａのリブ部７ａ2及びカソード側セパレータ６ｂのリブ部７ｂ2と、膜電極接合体５と、の間において緩衝材としての役割を果たすものであれば、種々の材料によって構成することができる。例えば、ガス拡散層３ａ、３ｂを構成するカーボンペーパー、カーボンフェルト等のカーボンからなる導電性多孔質基材を用いることができる。アノード側セパレータ６ａのリブ部７ａ2において、多孔質層２０ａは図２に示すハッチング部分に設けられており、カソード側セパレータ６ｂのリブ部７ｂ2において、多孔質層２０ｂは図４に示すハッチング部分に設けられている。なお、多孔質層２０ａ、２０ｂの厚みについては、適宜変更することができる。
【００３２】
上記のような構成を有する多孔質層２０ａ、２０ｂがリブ部７ａ2及びリブ部７ｂ2に設けられていることにより、上記多孔質層２０ａ、２０ｂが緩衝材としての役割を果たし、アノード側セパレータ６ａと膜電極接合体５（特にアノード４ａ）との間の接触圧、及びカソード側セパレータ６ｂと膜電極接合体５（特にカソード４ｂ）との間の接触圧が面内において偏ることを効果的に抑制して略均一とすることができ、高分子電解質膜１の損傷を効果的に抑制しかつ効率的な発電性能を維持することのできる燃料電池を実現し得る。
【００３３】
より具体的には、例えばロッド及びナット等の締結部材により複数箇所において、図１における矢印Ｑの方向に圧力がかけられて燃料電池１０が締結される際、アノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂからの接触圧が、それぞれアノード４ａ及びカソード４ｂを介して高分子電解質膜１に伝わる。このとき、上記複数箇所における上記締結部材の締結の程度を完全に一致させることは困難であり、高分子電解質膜１の面方向に略垂直な方向からみたときに、高分子電解質膜１の面内において加えられる接触圧に偏りやバラツキが生じる。これに対し、緩衝材としての役割を果たす多孔質層２０ａ、２０ｂが存在すれば、かかる接触圧の偏りやバラツキを吸収して緩和することができ、特にリブ部７ａ2、７ｂ2のエッジ部分やアノード４ａやカソード４ｂのエッジ部分に応力が集中して高分子電解質膜１に損傷を与えることをより確実に抑制することができる。
【００３４】
上記のような構成を有する本実施形態の燃料電池１０は、多孔質層２０ａ、２０ｂを設ける以外は従来公知の方法により作製することができる。例えば、触媒層２ａ、２ｂは、電極触媒を担持した導電性炭素粒子と、陽イオン（水素イオン）伝導性を有する高分子電解質と、分散媒と、を含む触媒層形成用インクを用いて、当該分野で公知の方法により形成することができる。
ガス拡散層３ａ、３ｂに導電性撥水層を設ける場合には、上記導電性多孔質基材の上に、少なくとも導電性炭素粒子（例えばカーボンブラック）とフッ素樹脂等の撥水性樹脂とを含む導電性撥水層（図示せず）を形成して、ガス拡散層３ａ、３ｂを構成すればよい。また、アノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂは、例えば、厚み３ｍｍのステンレス鋼製板や樹脂含浸黒鉛製板に切削加工によりガス流路７ａ、７ｂ及び冷却流体流路８ａ、８ｂを設けて作製することができる。
【００３５】
［シミュレーション］
ここで、本発明者らは、図１〜５に示す構造を有する上述の実施形態のセパレータを用いれば、燃料電池の面内の接触圧を略均一にすることができることを以下のようなシミュレーションにより実験を行った。より具体的には、アノード側セパレータ６ａのリブ部７ａ2にのみ多孔質層２０ａを設けた場合（試験試料１）と、設けない場合（試験試料２）と、について、試験試料を作製して面内の接触圧の均一性を調べた。図６は、ここで行ったシミュレーション試験の内容を説明するための図である。
【００３６】
まず、図６に示すように、冷却流体流路８ｂが基台（プレス板）３０に面するようにカーボン製のカソード側セパレータ６ｂを基台３０の上に配置し、その上に日本カーボン（株）製のカーボンクロス３２を配置し、カーボンクロス３２の上に感圧紙(冨士フィルム（株）製のプレスケール（商品名）)３４を配置した。そして、感圧紙３４の上に、多孔質層２０ａを構成するカーボンペーパ３６を配置し、最後に、ガス流路７ａがカーボンペーパ３６に面するようにカーボン製のアノード側セパレータ６ａを配置した。なお、カソード側セパレータ６ｂ、カーボンクロス３２、カーボンペーパ３６、及びアノード側セパレータ６ａの寸法は６０ｍｍ×６０ｍｍとした。以上のようにして試験試料１を作製した。
また、カーボンペーパ３６を配置しない以外は、上記試験１と同様にして試験試料２を行った。
【００３７】
以上のようにして作製した試験試料１及び試験試料２について、（株）島津製作所製のＥＺ Ｇｒａｐｈを用いて、図６に示す矢印の方向に７ｋｇｆ／ｃｍ2の圧力を加えた。その後、試験試料１及び試験試料２から感圧紙３４を取り出し、感圧紙３４に写ったインクの濃さにより面内の接触圧の均一性を測定、評価した。
なお、図７及び図９における矢印Ｘ及び矢印Ｙの方向は、図２における矢印Ｘ及び矢印Ｙの方向に一致しており、Ｘ1及びＹ1で示される部分はアノード側セパレータ６ａの面に対応している。
【００３８】
図７及び図９に、それぞれ試験試料１及び試験試料２において用いた感圧紙３２のインクの濃さから測定した接触圧の均一性（分布）の結果を三次元的に表した図を示す。図７及び図９において、矢印Ｚ方向におけるピークが高い部分ほど高い圧力（接触圧）がかかっていることを示している。図７の場合は、図９の場合に比べて、面内において接触圧が略均一であることがわかる。
【００３９】
また、以下の表１に、参考のために測定データを示す。
【表１】
【００４０】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はこれらのみに限定されるものではない。
例えば、多孔質層は、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータの双方に設けなくても、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータのいずれか一方に設けても、本発明の効果を得ることができる。これは、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータのうちのいずれか一方においても、多孔質層が緩衝材としての役割を果たすことからである。このように、本発明によれば、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータのうちのいずれか一方に多孔質層を設ければ、燃料電池の各構成部材間の面内における接触圧を面内において確実に略均一にすることができる。したがって、多孔質層の位置、数及び厚さ等は、接触圧を略均一にするという本発明の効果が得られるのであれば特に制限されない。
【００４１】
また、本発明においては、アノード側セパレータにおける多孔質層の位置、数及び寸法等と、カソード側セパレータにおける多孔質層の位置、数及び寸法等とを、必ずしも一致させなくてもよい。更に、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータのガス流路も上記実施形態、即ち上記の直線部の数及びターン部の数も特に限定されるものではなく、本発明の効果を損なわない範囲で適宜設定することが可能である。また、本発明の効果を損なわない範囲で、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータのガス流路の構成を同じ構成としても異なる構成としても構わない。
【００４２】
加えて、アノード側セパレータにおける冷却流体流路及びカソード側セパレータにおける冷却流体流路の形状も、特に上記実施形態には限定されず、冷却流体供給用マニホールド孔と冷却流体排出用マニホールド孔とを連通する従来と同様の構成を採用することができる。例えば、冷却流体流路は、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータのうちの少なくとも一方に設ければよく、必ずしも両方に設ける必要はない。
【００４３】
更に、単電池を複数積層する場合には、特に上記多孔質層による接触圧の略均一化の効果をより効果的に得ることができる。
また、単電池を複数積層する場合、単電池２個毎に１つの冷却流体流路を形成してもよい。この場合、例えばアノード側セパレータの一方の面に燃料ガス用のガス流路を形成するとともに、他方の面に冷却流体流路を形成し、カソード側セパレータの一方の面に酸化剤ガス用のガス流路を形成するとともに、他方の面は平面状としておいてもよい。更に、上記実施形態においては内部マニホールド型について説明したが、本発明の燃料電池は外部マニホールド型とすることも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明の燃料電池用セパレータ及びこれを用いた燃料電池は、民生用コージェネレーションや移動体、モバイル用のエネルギー源として有用な高分子電解質形燃料電池に好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の高分子電解質形燃料電池の第一実施形態の基本構成である単電池の要部を示す概略断面図である。
【図２】図１におけるアノード側セパレータ６ａをガス流路側からみた正面図である。
【図３】図１におけるアノード側セパレータ６ａを冷却流体流路側からみた正面図である。
【図４】図１におけるカソード側セパレータ６ｂをガス流路側から見た正面図である。
【図５】図１におけるカソード側セパレータ６ｂを冷却流体流路側から見た正面図である。
【図６】本発明のシミュレーションにおいて行った加圧試験の様子を説明するための図である。
【図７】試験試料１における感圧紙から得られた接触圧の分布を示す図である。
【図８】従来の燃料電池の一般的な基本構成である単電池の要部を示す概略断面図である。
【図９】試験試料２における感圧紙から得られた接触圧の分布を示す図である。
【符号の説明】
【００４６】
１、１０１・・・高分子電解質膜、２ａ、１０２ａ・・・アノード側触媒層、２ｂ、１０２ｂ・・・カソード側触媒層、３ａ、３ｂ、１０３ａ、１０３ｂ・・・ガス拡散層、４ａ、１０４ａ・・・アノード、４ｂ、１０４ｂ・・・カソード、５、１０５・・・膜電極接合体、６ａ、１０６ａ・・・アノード側セパレータ、６ｂ、１０６ｂ・・・カソード側セパレータ、７ａ、７ｂ、１０７ａ、１０７ｂ・・・ガス流路、７ａ1、７ｂ1・・・溝部、７ａ2、７ｂ2・・・リブ部、８ａ、８ｂ、１０８ａ、１０８ｂ・・・冷却流体流路、９ａ、１０９ａ・・・アノード側ガスケット、９ｂ、１０９ｂ・・・カソード側ガスケット、１４・・・燃料ガス供給用マニホールド孔、１５・・・燃料ガス排出用マニホールド孔、１６・・・冷却流体供給用マニホールド孔、１７・・・冷却流体排出用マニホールド孔、１８・・・酸化剤ガス供給用マニホールド孔、１９・・・酸化剤ガス排出用マニホールド孔、２０ａ、２０ｂ・・・多孔質層、３０・・・プレス台、３２・・・カーボンクロス、３４・・感圧紙、３６・・・カーボンペーパ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、民生用コジェネレーションや移動体用、モバイル用のエネルギー源として有用な燃料電池、特に高分子電解質形燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
高分子電解質形燃料電池は、水素等の燃料ガスと空気等の酸化剤ガスとをガス拡散電極であるアノード及びカソードにおいてそれぞれ電気化学的に反応させ、電気と熱とを同時に発生させる電池である。図９に、このような燃料電池の一般的な基本構成である単電池を示す。単電池（以下、「燃料電池」ともいう）１００は、図９に示すように、主として膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）１０５と、膜電極接合体１０５を挟持する一対の板状のセパレータ、即ちアノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂを含む構成の単電池を少なくとも１つ具備する。
【０００３】
膜電極接合体１０５は、アノード１０４ａ及びカソード１０４ｂの間に陽イオン（水素イオン）を選択的に輸送する高分子電解質膜１０１が配置された構成を有している。アノード１０４ａは、高分子電解質膜１０１側に密着した状態で配置される触媒層１０２ａと、当該触媒層１０２ａとアノード側セパレータ１０６ａとの間に配置されるガス拡散層１０３ａとを少なくとも含み、カソード１０４ｂは、高分子電解質膜１０１側に密着した状態で配置される触媒層１０２ｂと、当該触媒層１０２ｂとカソード側セパレータ１０６ｂとの間に配置されるガス拡散層１０３ｂとを少なくとも含む。
触媒層１０２ａ、１０２ｂは、電極触媒（例えば白金系金属）を担持した導電性炭素粒子を主成分とする層である。また、ガス拡散層１０３ａ、１０３ｂは、ガス通気性と導電性を兼ね備えた層であり、例えばカーボンからなる導電性多孔質基材の上に、少なくとも導電性炭素粒子とフッ素樹脂等の撥水性樹脂とを含む導電性撥水層（図示せず）を形成して得られる。
【０００４】
アノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂは、導電性を有しており、膜電極接合体１０４を機械的に固定するとともに、膜電極接合体１０４を複数積層する場合に隣接する膜電極接合体１０４同士を互いに電気的に直列に接続するものである。
アノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂには、アノード１０４ａ及びカソード１０４ｂに反応ガスを供給し、電極反応により生成した生成物や未反応の反応物を含むガスを膜電極接合体１０４の外部に運び去るためのガス流路１０７ａ、１０７ｂが一方の面（即ちアノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂの、それぞれアノード１０４ａ及びカソード１０４ｂに接する側の主面）に形成されている。また、アノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂの他方の面には、電池温度をほぼ一定に調節するための冷却流体（冷却水等）を導入するための冷却流体流路１０８ａ、１０８ｂが形成されている。冷却流体を燃料電池と外部に配置した熱交換器との間で循環させる構成とすることにより、反応により発生した熱エネルギーを、温水等の形で利用することができる。
【０００５】
ガス流路１０７ａ、１０７ｂは、製造工程を簡素化できる等の利点から、アノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂの、それぞれアノード１０４ａ及びカソード１０４ｂに接する側の主面に、溝を設けて形成する方式が一般的である。また、冷却流体流路１０８ａ、１０８ｂは、アノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂの外側の主面に溝を設けて形成する方式が一般的である。
【０００６】
多くの燃料電池は、複数の膜電極接合体１０５間にアノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂを介在させ、複数の膜電極接合体１０５を電気的に直列に積層して得られる、いわゆる積層型の燃料電池（燃料電池スタック）として用いられる。そして、このような燃料電池スタックにおいては、燃料電池に供給される反応ガスを分岐させて各膜電極接合体１０５に供給するためのマニホールド（アノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂに設けられた反応ガス供給用マニホールド孔及び反応ガス排出用マニホールド孔が連続的に積層された状態で組み合わされて形成されるマニホールド（図示せず））が設けられる。
【０００７】
また、燃料電池１００においては、反応ガスのガス漏れ（燃料ガスのカソード１０４ｂ側への漏れ、酸化剤ガスのアノード１０４ａ側への漏れ、膜電極接合体１０５外部への反応ガスの漏れ等）を防止するために、互いに対向するアノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂの間において、膜電極接合体１０５の外縁部（アノード１０４ａ及びカソード１０４ｂの外部であって高分子電解質膜１０１の外縁部）に、ガスシール機能を有する一対の対向するガスケット、即ちアノード側ガスケット１０９ａ及びカソード側ガスケット１０９ｂが配置されている。これらアノード側ガスケット１０９ａ及びカソード側ガスケット１０９ｂとしては、例えばＯリング、ゴム状シート、弾性樹脂と剛性樹脂との複合シート等が用いられている。ＭＥＡ１０５の取り扱い性の観点からは、ある程度の剛性を有する複合材系のガスケットをＭＥＡ１０５と一体化させて用いることが多い。
【０００８】
ここで、上記のような燃料電池（単電池）１００及び燃料電池スタック（図示せず）においては、アノード側セパレータ１０６ａ、アノード１０４ａ、高分子電解質膜１０１、カソード１０４ｂ、及びカソード側セパレータ１０６ｂ等の、積層される構成部材間の接触抵抗を低減するため、更にはガスシール性を維持するため、全体を積層方向に恒常的に締め付けられている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、アノード側セパレータ１０６ａ及びカソード側セパレータ１０６ｂの全面において均一に圧力がかかるように締め付けることは困難であり、アノード側セパレータ１０６ａと膜電極接合体１０５（特にアノード１０４ａ）との間の接触圧、及びカソード側セパレータ１０６ｂと膜電極接合体１０５（特にカソード１０４ｂ）との間の接触圧が不均一になってしまう傾向にある。そして、このように接触圧が不均一となると、例えばアノード１０４ａやカソード１０４の端部（図ＸにおいてＰで示される部分）に圧力が集中し、高分子電解質膜１０１に損傷を与えてしまい、反応ガス（燃料ガスや酸化剤ガス）が漏れてクロスオーバーしてしまい、効率的な発電性能を維持することが極めて困難になるという問題がある。
【００１０】
本発明は、以上の問題を鑑みてなされたものであり、アノード側セパレータと膜電極接合体（特にアノード）との間の接触圧、及びカソード側セパレータと膜電極接合体（特にカソード）との間の接触圧が略均一であり、高分子電解質膜が損傷しにくくかつ効率的な発電性能を維持することのできる燃料電池を実現し得るセパレータを提供することを目的とする。
【００１１】
更に本発明は、アノード側セパレータと膜電極接合体（特にアノード）との間の接触圧、及びカソード側セパレータと膜電極接合体（特にカソード）との間の接触圧が略均一であり、高分子電解質膜が損傷しにくくかつ効率的な発電性能を維持することのできる燃料電池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】
【００１２】
本発明は、上記の目的を達成するために、
ガス拡散層を含むアノード、ガス拡散層を含むカソード、及びアノードとカソードとの間に配置される高分子電解質膜を有する膜電極接合体と；膜電極接合体を挟持するようにして配置されかつ膜電極接合体に反応ガスを供給、排出するための一対のセパレータと；を少なくとも具備する燃料電池に用いられるセパレータであって、
溝部と、隣接する溝部間を隔てるリブ部と、で構成されたガス流路を具備し、
リブ部のうちのガス拡散層と接する部分の少なくとも一部に、多孔質層を具備すること、
を特徴とする燃料電池用セパレータを提供する。
【００１３】
このような構成によれば、上記多孔質層が緩衝材としての役割を果たし、アノード側セパレータと膜電極接合体（特にアノード）との間の接触圧、及びカソード側セパレータと膜電極接合体（特にカソード）との間の接触圧が面内において偏ることを効果的に抑制して略均一とすることができ、高分子電解質膜の損傷を効果的に抑制しかつ効率的な発電性能を維持することのできる燃料電池を実現し得るセパレータを提供することができる。
【００１４】
また、本発明は、上記の本発明のセパレータを含む燃料電池を提供する。
このような構成を有する本発明の燃料電池は、上記のような本発明のセパレータを具備しているため、上記多孔質層が緩衝材としての役割を果たし、アノード側セパレータと膜電極接合体（特にアノード）との間の接触圧、及びカソード側セパレータと膜電極接合体（特にカソード）との間の接触圧を面内において略均一とすることができ、高分子電解質膜の損傷を効果的に抑制しかつ効率的な発電性能を維持することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、アノード側セパレータと膜電極接合体（特にアノード）との間の接触圧、及びカソード側セパレータと膜電極接合体（特にカソード）との間の面内における接触圧が略均一であり、高分子電解質膜が損傷しにくくかつ効率的な発電性能を維持することのできる燃料電池を実現し得るセパレータを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明する。なお、以下の説明では、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略することもある。
図１は、本発明の高分子電解質形燃料電池の第一実施形態の基本構成である単電池の要部を示す概略断面図である。また、図２は、図１におけるアノード側セパレータ６ａをガス流路側からみた正面図であり、図３は、図１におけるアノード側セパレータ６ａを冷却流体流路側からみた正面図である。更に、図４は、図１におけるカソード側セパレータ６ｂをガス流路側から見た正面図であり、図５は、図１におけるカソード側セパレータ６ｂを冷却流体流路側から見た正面図である。
【００１７】
本実施形態の高分子電解質形燃料電池は、図１に示すように、主として膜電極接合体（ＭＥＡ）５と、膜電極接合体５を挟持する一対の導電性を有する板状のセパレータ（即ちアノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂ）を含む構成の単電池１０を少なくとも１つ具備する。したがって、本発明の高分子電解質形燃料電池は、単電池１０を１個備えるものであっても、複数個備えるものであってもよい。
以下に、まず本実施形態の高分子電解質形燃料電池の構成要素について説明する。
【００１８】
膜電極接合体５は、アノード４ａ及びカソード４ｂの間に陽イオン（水素イオン）を選択的に輸送する高分子電解質膜１（例えば、米国Du Pont社製のパーフルオロカーボンスルホン酸からなるNafion112膜（商品名））が配置された構成を有している。
アノード４ａは、高分子電解質膜１側に密着した状態で配置される触媒層２ａと、当該触媒層２ａとアノード側セパレータ６ａとの間に配置されるガス拡散層３ａとを少なくとも含み、カソード４ｂは、高分子電解質膜１側に密着した状態で配置される触媒層２ｂと、当該触媒層２ｂとカソード側セパレータ６ｂとの間に配置されるガス拡散層３ｂとを少なくとも含む構成を有している。
【００１９】
触媒層２ａ、２ｂは、電極触媒（例えば白金系金属）を担持した導電性炭素粒子（例えばカーボンブラック）を主成分とする層である。
また、ガス拡散層３ａ、３ｂは、ガス通気性と導電性を兼ね備えた層である。このガス拡散層３ａ、３ｂとしては、例えばカーボンペーパー、カーボンフェルト等のカーボンからなる導電性多孔質基材で構成されている。当該導電性多孔質基材はそのままガス拡散層３ａ、３ｂに用いることもできるが、少なくともフッ素樹脂等の撥水性樹脂を含む撥水処理液を含浸させて撥水処理を施された構成を有しているのが好ましい。上記撥水処理の有無を問わず、上記導電性多孔質基材の上に、少なくとも導電性炭素粒子（例えばカーボンブラック）とフッ素樹脂等の撥水性樹脂とを含む導電性撥水層（図示せず）を形成して、ガス拡散層３ａ、３ｂを構成してもよい。
【００２０】
膜電極接合体５は、ガス漏れを防止するために後述するアノード側ガスケット９ａ及びカソード側ガスケット９ｂを配置する観点から、高分子電解質膜１の主面の大きさが、アノード４ａ及びカソード４ｂの主面の大きさよりも大きく、かつ、高分子電解質膜１の全外縁部がアノード４ａ及びカソード４ｂの外縁端部よりも外側に突出するような構成を有している。また、アノード４ａ及びカソード４ｂにおいては、ガス拡散層３ａ、３ｂの主面の大きさが触媒層２ａ、２ｂの主面の大きさと略一致している。
【００２１】
以上のような膜電極接合体５の両側に配置されるアノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂは、導電性を有しており、膜電極接合体５を機械的に固定するとともに、複数の単電池を積層して用いる場合、隣接する膜電極接合体５同士を互いに電気的に直列に接続するものである。かかるアノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂには、例えばステンレス鋼などの金属又は炭素材料などの従来公知の材料で構成されている。
【００２２】
また、アノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂには、アノード４ａ及びカソード４ｂに反応ガス（燃料ガス及び酸化剤ガス）を供給し、電極反応により生成した生成物や未反応の反応物を含むガスを膜電極接合体５の外部に運び去るためのガス流路７ａ、７ｂが一方の面（即ちアノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂのそれぞれアノード４ａ及びカソード４ｂに接する側の主面）に形成されている。より具体的には、アノード側セパレータ６ａの膜電極接合体５側の面においては、溝部７ａ1と、隣接する溝部７ａ1を隔てるリブ部７ａ2と、によってガス流路７ａが構成されており、カソード側セパレータ６ｂの膜電極接合体５側の面においては、溝部７ｂ1と、隣接する溝部７ｂ1を隔てるリブ部７ｂ2と、によってガス流路７ｂが構成されている。
【００２３】
一方、アノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂの他方の面には、電池温度をほぼ一定に調節するための冷却流体（冷却水等）を導入するための冷却流体流路８ａ、８ｂが形成されている。冷却流体を燃料電池と外部に配置した熱交換器との間で循環させる構成とすることにより、反応により発生した熱エネルギーを、温水等の形で利用することができる。なお、ガス流路７ａ、７ｂ及び冷却流体流路８ａ、８ｂを構成する溝の幅や、溝の間隔（リブの幅）などは、本発明の効果を損なわない範囲で適宜選択することができる。
【００２４】
本実施形態の単電池１０においては、図１に示すように、反応ガスのガス漏れ（燃料ガスのカソード４ｂ側への漏れ、酸化剤ガスのアノード４ａ側への漏れ、膜電極接合体５外部への反応ガスの漏れ等）を防止するために、互いに対向するアノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂの間において、膜電極接合体５の外周部（アノード４ａ及びカソード４ｂの外周部であって高分子電解質膜１の外縁部）に、ガスシール機能を有する一対の対向するガスケット、即ちアノード側ガスケット９ａ及びカソード側ガスケット９ｂが配置されている。これらのアノード側ガスケット９ａ及びカソード側ガスケット９ｂは、例えば断面形状が略矩形の連続環状体構造を有し、例えばＯリング、ゴム状シート、弾性樹脂と剛性樹脂との複合シート等を用いて従来公知の方法によって作製することができ、先に述べた高分子電解質膜１の全ての外縁部を挟み込んでいる。
【００２５】
次に、図２〜図５に示すように、アノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂには、燃料ガス供給用マニホールド孔１４、燃料ガス排出用マニホールド孔１５、冷却流体用マニホールド孔１６、冷却流体排出用マニホールド孔１７、酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８、及び酸化剤ガス排出用マニホールド孔１９が設けられている。従って、本実施形態の単電池１０は「内部マニホールド型」である。
【００２６】
上述のように、本発明の高分子電解質形燃料電池は、単電池１０を複数個積層して、即ち複数の膜電極接合体５間にアノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂを介在させ、複数の膜電極接合体５を電気的に直列に積層して得られる、いわゆる積層型の燃料電池（燃料電池スタック）としても用いることができる。この場合、単電池１０を２以上積層して得られる燃料電池スタックにおいては、複数の燃料ガス供給用マニホールド孔１４が連続的に積層された状態で組み合わされて燃料ガス供給用マニホールド（図示せず）が形成され、複数の燃料ガス排出用マニホールド孔１５が連続的に積層された状態で組み合わされて燃料ガス排出用マニホールド（図示せず）が形成される。また、冷却流体用マニホールド孔１６、冷却流体排出用マニホールド孔１７、酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８、及び酸化剤ガス排出用マニホールド孔１９についても、同様に、複数のマニホールド孔が連続的に積層された状態で組み合わされてマニホールド（図示せず）が形成される。
【００２７】
以下において、本実施形態のアノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂについてより詳細に説明する。
図２に示すアノード側セパレータ６ａにおけるガス流路７ａは、燃料ガス供給用マニホールド孔１４から最短距離でアノード４ａに対応する部分（二点鎖線で示される電極部）まで延びている。図２において、ガス流路７ａはサーペンタイン形状を有し、水平方向（図２のアノード側セパレータ６ａにおいて燃料ガス供給用マニホールド孔１４及び酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８が設けられている部分側の辺に略平行な方向）に延びる９本の直線部と、隣接する直線部の端を上流側から下流側へ連結する８個のターン部とを有する。
【００２８】
図３に示すアノード側セパレータ６ａにおける冷却流体流路８ａは、冷却流体供給用マニホールド孔１６から最短距離でアノード４ａに対応する部分（二点鎖線で示される電極部）まで延びている。図３において、冷却流体流路８ａはサーペンタイン形状を有し、水平方向（図３のアノード側セパレータ６ａにおいて燃料ガス供給用マニホールド孔１４及び酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８が設けられている部分側の辺に略平行な方向）に延びる９本の直線部と、隣接する直線部の端を上流側から下流側へ連結する８個のターン部とを有する。
また、冷却流体流路１０ａにおける両端部（図３のアノード側セパレータ６ａにおいて、燃料ガス供給用マニホールド孔１４及び酸化剤ガス排出用マニホールド孔１９が設けられている部分側、並びに酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８及び燃料ガス排出用マニホールド孔１５が設けられている部分側）において、上記ターン部は上記電極部の端部付近に設けられている。
【００２９】
一方、図４に示すカソード側セパレータ６ｂにおけるガス流路７ｂは、酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８から最短距離でカソード４ｂに対応する部分（二点鎖線で示される電極部）まで延びている。また、図４において、ガス流路７ｂはサーペンタイン形状を有し、水平方向（図４のカソード側セパレータ６ｂにおいて燃料ガス供給用マニホールド孔１４及び酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８が設けられている部分側の辺に略平行な方向）に延びる９本の直線部と、隣接する直線部の端を上流側から下流側へ連結する８個のターン部とを有する。
【００３０】
図５に示すカソード側セパレータ６ｂにおける冷却流体流路８ｂは、冷却流体供給用マニホールド孔１６から最短距離でカソード４ｂに対応する部分（二点鎖線で示される電極部）まで延びている。図５において、冷却流体流路８ｂはサーペンタイン形状を有し、水平方向（図５のカソード側セパレータ６ｂにおいて燃料ガス供給用マニホールド孔１４及び酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８が設けられている部分側の辺に略平行な方向）に延びる９本の直線部と、隣接する直線部の端を上流側から下流側へ連結する８個のターン部とを有する。
また、冷却流体流路１０ｂにおける両端部（図５のカソード側セパレータ６ｂにおいて、燃料ガス供給用マニホールド孔１４及び酸化剤ガス排出用マニホールド孔１９が設けられている部分側、並びに酸化剤ガス供給用マニホールド孔１８及び燃料ガス排出用マニホールド孔１５が設けられている部分側）において、上記電極部の端部付近に設けられている。
【００３１】
ここで、本実施形態の最大の特徴は、図１に示すように、アノード側セパレータ６ａのリブ部７ａ2及びカソード側セパレータ６ｂのリブ部７ｂ2に、それぞれ多孔質層２０ａ、２０ｂが設けられている点にある。
多孔質層２０ａ、２０ｂは、燃料電池１０を締結する際に、アノード側セパレータ６ａのリブ部７ａ2及びカソード側セパレータ６ｂのリブ部７ｂ2と、膜電極接合体５と、の間において緩衝材としての役割を果たすものであれば、種々の材料によって構成することができる。例えば、ガス拡散層３ａ、３ｂを構成するカーボンペーパー、カーボンフェルト等のカーボンからなる導電性多孔質基材を用いることができる。アノード側セパレータ６ａのリブ部７ａ2において、多孔質層２０ａは図２に示すハッチング部分に設けられており、カソード側セパレータ６ｂのリブ部７ｂ2において、多孔質層２０ｂは図４に示すハッチング部分に設けられている。なお、多孔質層２０ａ、２０ｂの厚みについては、適宜変更することができる。
【００３２】
上記のような構成を有する多孔質層２０ａ、２０ｂがリブ部７ａ2及びリブ部７ｂ2に設けられていることにより、上記多孔質層２０ａ、２０ｂが緩衝材としての役割を果たし、アノード側セパレータ６ａと膜電極接合体５（特にアノード４ａ）との間の接触圧、及びカソード側セパレータ６ｂと膜電極接合体５（特にカソード４ｂ）との間の接触圧が面内において偏ることを効果的に抑制して略均一とすることができ、高分子電解質膜１の損傷を効果的に抑制しかつ効率的な発電性能を維持することのできる燃料電池を実現し得る。
【００３３】
より具体的には、例えばロッド及びナット等の締結部材により複数箇所において、図１における矢印Ｑの方向に圧力がかけられて燃料電池１０が締結される際、アノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂからの接触圧が、それぞれアノード４ａ及びカソード４ｂを介して高分子電解質膜１に伝わる。このとき、上記複数箇所における上記締結部材の締結の程度を完全に一致させることは困難であり、高分子電解質膜１の面方向に略垂直な方向からみたときに、高分子電解質膜１の面内において加えられる接触圧に偏りやバラツキが生じる。これに対し、緩衝材としての役割を果たす多孔質層２０ａ、２０ｂが存在すれば、かかる接触圧の偏りやバラツキを吸収して緩和することができ、特にリブ部７ａ2、７ｂ2のエッジ部分やアノード４ａやカソード４ｂのエッジ部分に応力が集中して高分子電解質膜１に損傷を与えることをより確実に抑制することができる。
【００３４】
上記のような構成を有する本実施形態の燃料電池１０は、多孔質層２０ａ、２０ｂを設ける以外は従来公知の方法により作製することができる。例えば、触媒層２ａ、２ｂは、電極触媒を担持した導電性炭素粒子と、陽イオン（水素イオン）伝導性を有する高分子電解質と、分散媒と、を含む触媒層形成用インクを用いて、当該分野で公知の方法により形成することができる。
ガス拡散層３ａ、３ｂに導電性撥水層を設ける場合には、上記導電性多孔質基材の上に、少なくとも導電性炭素粒子（例えばカーボンブラック）とフッ素樹脂等の撥水性樹脂とを含む導電性撥水層（図示せず）を形成して、ガス拡散層３ａ、３ｂを構成すればよい。また、アノード側セパレータ６ａ及びカソード側セパレータ６ｂは、例えば、厚み３ｍｍのステンレス鋼製板や樹脂含浸黒鉛製板に切削加工によりガス流路７ａ、７ｂ及び冷却流体流路８ａ、８ｂを設けて作製することができる。
【００３５】
［シミュレーション］
ここで、本発明者らは、図１〜５に示す構造を有する上述の実施形態のセパレータを用いれば、燃料電池の面内の接触圧を略均一にすることができることを以下のようなシミュレーションにより実験を行った。より具体的には、アノード側セパレータ６ａのリブ部７ａ2にのみ多孔質層２０ａを設けた場合（試験試料１）と、設けない場合（試験試料２）と、について、試験試料を作製して面内の接触圧の均一性を調べた。図６は、ここで行ったシミュレーション試験の内容を説明するための図である。
【００３６】
まず、図６に示すように、冷却流体流路８ｂが基台（プレス板）３０に面するようにカーボン製のカソード側セパレータ６ｂを基台３０の上に配置し、その上に日本カーボン（株）製のカーボンクロス３２を配置し、カーボンクロス３２の上に感圧紙(冨士フィルム（株）製のプレスケール（商品名）)３４を配置した。そして、感圧紙３４の上に、多孔質層２０ａを構成するカーボンペーパ３６を配置し、最後に、ガス流路７ａがカーボンペーパ３６に面するようにカーボン製のアノード側セパレータ６ａを配置した。なお、カソード側セパレータ６ｂ、カーボンクロス３２、カーボンペーパ３６、及びアノード側セパレータ６ａの寸法は６０ｍｍ×６０ｍｍとした。以上のようにして試験試料１を作製した。
また、カーボンペーパ３６を配置しない以外は、上記試験１と同様にして試験試料２を行った。
【００３７】
以上のようにして作製した試験試料１及び試験試料２について、（株）島津製作所製のＥＺ Ｇｒａｐｈを用いて、図６に示す矢印の方向に７ｋｇｆ／ｃｍ2の圧力を加えた。その後、試験試料１及び試験試料２から感圧紙３４を取り出し、感圧紙３４に写ったインクの濃さにより面内の接触圧の均一性を測定、評価した。
なお、図７及び図９における矢印Ｘ及び矢印Ｙの方向は、図２における矢印Ｘ及び矢印Ｙの方向に一致しており、Ｘ1及びＹ1で示される部分はアノード側セパレータ６ａの面に対応している。
【００３８】
図７及び図９に、それぞれ試験試料１及び試験試料２において用いた感圧紙３２のインクの濃さから測定した接触圧の均一性（分布）の結果を三次元的に表した図を示す。図７及び図９において、矢印Ｚ方向におけるピークが高い部分ほど高い圧力（接触圧）がかかっていることを示している。図７の場合は、図９の場合に比べて、面内において接触圧が略均一であることがわかる。
【００３９】
また、以下の表１に、参考のために測定データを示す。
【表１】
【００４０】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はこれらのみに限定されるものではない。
例えば、多孔質層は、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータの双方に設けなくても、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータのいずれか一方に設けても、本発明の効果を得ることができる。これは、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータのうちのいずれか一方においても、多孔質層が緩衝材としての役割を果たすことからである。このように、本発明によれば、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータのうちのいずれか一方に多孔質層を設ければ、燃料電池の各構成部材間の面内における接触圧を面内において確実に略均一にすることができる。したがって、多孔質層の位置、数及び厚さ等は、接触圧を略均一にするという本発明の効果が得られるのであれば特に制限されない。
【００４１】
また、本発明においては、アノード側セパレータにおける多孔質層の位置、数及び寸法等と、カソード側セパレータにおける多孔質層の位置、数及び寸法等とを、必ずしも一致させなくてもよい。更に、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータのガス流路も上記実施形態、即ち上記の直線部の数及びターン部の数も特に限定されるものではなく、本発明の効果を損なわない範囲で適宜設定することが可能である。また、本発明の効果を損なわない範囲で、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータのガス流路の構成を同じ構成としても異なる構成としても構わない。
【００４２】
加えて、アノード側セパレータにおける冷却流体流路及びカソード側セパレータにおける冷却流体流路の形状も、特に上記実施形態には限定されず、冷却流体供給用マニホールド孔と冷却流体排出用マニホールド孔とを連通する従来と同様の構成を採用することができる。例えば、冷却流体流路は、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータのうちの少なくとも一方に設ければよく、必ずしも両方に設ける必要はない。
【００４３】
更に、単電池を複数積層する場合には、特に上記多孔質層による接触圧の略均一化の効果をより効果的に得ることができる。
また、単電池を複数積層する場合、単電池２個毎に１つの冷却流体流路を形成してもよい。この場合、例えばアノード側セパレータの一方の面に燃料ガス用のガス流路を形成するとともに、他方の面に冷却流体流路を形成し、カソード側セパレータの一方の面に酸化剤ガス用のガス流路を形成するとともに、他方の面は平面状としておいてもよい。更に、上記実施形態においては内部マニホールド型について説明したが、本発明の燃料電池は外部マニホールド型とすることも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明の燃料電池用セパレータ及びこれを用いた燃料電池は、民生用コージェネレーションや移動体、モバイル用のエネルギー源として有用な高分子電解質形燃料電池に好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の高分子電解質形燃料電池の第一実施形態の基本構成である単電池の要部を示す概略断面図である。
【図２】図１におけるアノード側セパレータ６ａをガス流路側からみた正面図である。
【図３】図１におけるアノード側セパレータ６ａを冷却流体流路側からみた正面図である。
【図４】図１におけるカソード側セパレータ６ｂをガス流路側から見た正面図である。
【図５】図１におけるカソード側セパレータ６ｂを冷却流体流路側から見た正面図である。
【図６】本発明のシミュレーションにおいて行った加圧試験の様子を説明するための図である。
【図７】試験試料１における感圧紙から得られた接触圧の分布を示す図である。
【図８】従来の燃料電池の一般的な基本構成である単電池の要部を示す概略断面図である。
【図９】試験試料２における感圧紙から得られた接触圧の分布を示す図である。
【符号の説明】
【００４６】
１、１０１・・・高分子電解質膜、２ａ、１０２ａ・・・アノード側触媒層、２ｂ、１０２ｂ・・・カソード側触媒層、３ａ、３ｂ、１０３ａ、１０３ｂ・・・ガス拡散層、４ａ、１０４ａ・・・アノード、４ｂ、１０４ｂ・・・カソード、５、１０５・・・膜電極接合体、６ａ、１０６ａ・・・アノード側セパレータ、６ｂ、１０６ｂ・・・カソード側セパレータ、７ａ、７ｂ、１０７ａ、１０７ｂ・・・ガス流路、７ａ1、７ｂ1・・・溝部、７ａ2、７ｂ2・・・リブ部、８ａ、８ｂ、１０８ａ、１０８ｂ・・・冷却流体流路、９ａ、１０９ａ・・・アノード側ガスケット、９ｂ、１０９ｂ・・・カソード側ガスケット、１４・・・燃料ガス供給用マニホールド孔、１５・・・燃料ガス排出用マニホールド孔、１６・・・冷却流体供給用マニホールド孔、１７・・・冷却流体排出用マニホールド孔、１８・・・酸化剤ガス供給用マニホールド孔、１９・・・酸化剤ガス排出用マニホールド孔、２０ａ、２０ｂ・・・多孔質層、３０・・・プレス台、３２・・・カーボンクロス、３４・・感圧紙、３６・・・カーボンペーパ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス拡散層を含むアノード、ガス拡散層を含むカソード、及び前記アノードと前記カソードとの間に配置される高分子電解質膜を有する膜電極接合体と；前記膜電極接合体を挟持するようにして配置されかつ前記膜電極接合体に反応ガスを供給、排出するための一対のセパレータと；を少なくとも具備する単電池を少なくとも１つ含む燃料電池に用いられるセパレータであって、
溝部と、隣接する前記溝部間を隔てるリブ部と、で構成されたガス流路を具備し、
前記リブ部のうちの前記ガス拡散層と接する部分の少なくとも一部に、多孔質層を具備すること、
を特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
ガス拡散層を含むアノード、ガス拡散層を含むカソード、及び前記アノードと前記カソードとの間に配置される高分子電解質膜を有する膜電極接合体と；前記膜電極接合体を挟持するようにして配置されかつ前記膜電極接合体に反応ガスを供給、排出するための一対のセパレータと；を少なくとも具備する単電池を少なくとも１つ含む燃料電池であって、
前記一対のセパレータのうちの少なくとも一方が請求項１に記載のセパレータであること、を特徴とする燃料電池。
【請求項３】
前記単電池を複数個含むこと、を特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
【請求項１】
ガス拡散層を含むアノード、ガス拡散層を含むカソード、及び前記アノードと前記カソードとの間に配置される高分子電解質膜を有する膜電極接合体と；前記膜電極接合体を挟持するようにして配置されかつ前記膜電極接合体に反応ガスを供給、排出するための一対のセパレータと；を少なくとも具備する単電池を少なくとも１つ含む燃料電池に用いられるセパレータであって、
溝部と、隣接する前記溝部間を隔てるリブ部と、で構成されたガス流路を具備し、
前記リブ部のうちの前記ガス拡散層と接する部分の少なくとも一部に、多孔質層を具備すること、
を特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
ガス拡散層を含むアノード、ガス拡散層を含むカソード、及び前記アノードと前記カソードとの間に配置される高分子電解質膜を有する膜電極接合体と；前記膜電極接合体を挟持するようにして配置されかつ前記膜電極接合体に反応ガスを供給、排出するための一対のセパレータと；を少なくとも具備する単電池を少なくとも１つ含む燃料電池であって、
前記一対のセパレータのうちの少なくとも一方が請求項１に記載のセパレータであること、を特徴とする燃料電池。
【請求項３】
前記単電池を複数個含むこと、を特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００８−４１３０４（Ｐ２００８−４１３０４Ａ）
【公開日】平成２０年２月２１日（２００８．２．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２１０７６０（Ｐ２００６−２１０７６０）
【出願日】平成１８年８月２日（２００６．８．２）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年２月２１日（２００８．２．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年８月２日（２００６．８．２）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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