JPH1074527A - 固体高分子電解質型燃料電池 - Google Patents
固体高分子電解質型燃料電池Info
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- JPH1074527A JPH1074527A JP9169004A JP16900497A JPH1074527A JP H1074527 A JPH1074527 A JP H1074527A JP 9169004 A JP9169004 A JP 9169004A JP 16900497 A JP16900497 A JP 16900497A JP H1074527 A JPH1074527 A JP H1074527A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 固体高分子電解質型燃料電池のバイポーラプ
レートを樹脂成形して、ガス流通手段と集電体からなる
構造を簡略化し、製造を容易にしながら、且つ腐食性電
解質に対しての抵抗性、良好な集電機能をも維持する。 【解決手段】 固体高分子電解質膜とこれを挟持するガ
ス拡散電極、並びに、両面に燃料及ぴ酸化剤の供給及ぴ
排出用通路が設けられたガス分離板と集電体とを兼ねた
バイポーラプレートからなる固体高分子電解質型燃料電
池において、前記バイポーラプレートの主要構成要素を
耐酸性、耐加水分解性に優れ、良好な流動性をもつポリ
マーを用いて成形する。
レートを樹脂成形して、ガス流通手段と集電体からなる
構造を簡略化し、製造を容易にしながら、且つ腐食性電
解質に対しての抵抗性、良好な集電機能をも維持する。 【解決手段】 固体高分子電解質膜とこれを挟持するガ
ス拡散電極、並びに、両面に燃料及ぴ酸化剤の供給及ぴ
排出用通路が設けられたガス分離板と集電体とを兼ねた
バイポーラプレートからなる固体高分子電解質型燃料電
池において、前記バイポーラプレートの主要構成要素を
耐酸性、耐加水分解性に優れ、良好な流動性をもつポリ
マーを用いて成形する。
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料及び酸化剤か
ら電気エネルギーを直接に発生するためのガス拡散電極
及び固体高分子電解質膜よりなる燃料電池に関するもの
であり、特に腐食性電解質に対して高い抵抗性を示すと
ともに、成形加工性に優れた構造を有する燃料電池のバ
イポーラプレートの構造体に関する。 【０００２】 【従来の技術】近年、発電効率が高い等の有利な特徴か
ら開発が進められている固体高分子電解質型燃料電池
は、互いに対向して配設されたガス拡散電極であるカソ
ードおよびアノード、両電極間に介在し、両電極に接触
するように保持されている固体高分子からなる電解質か
ら構成される単位電池を、ガス流通手段を設けたバイポ
ーラプレートを介して交互に複数個積層して構成されて
いる。この燃料電池は、燃料及び酸化剤をそれぞれアノ
ード側の燃料室及びカソード側の酸化剤室に供給するこ
とにより、アノードとカソード間の電気化学反応により
発電を行わせるものである。 【０００３】燃料電池において、異なる電極に燃料と酸
化剤を同時に独立して供給すると、これらの電極を横切
って電気化学ポテンシャルが発生する。この電極を横切
って電気的負荷を与えると、それらの間を電気が流れ、
その結果、一つの電極で燃料が電気触媒的に酸化される
と同時にもう一方の電極で酸化剤が電気触媒的に還元さ
れることによって、前述のように化学反応エネルギーを
直接電気エネルギーに変換させる効率のよい発電装置と
なる。 【０００４】本発明と同様の固体高分子電解質型燃料電
池の電解質となるイオン交換膜の官能基を有する成分と
しては、含フッ素高分子を骨格とし、官能基として、ス
ルホン酸基、カルボン酸基、リン酸基およびホスホン酸
基のいずれか一つまたは複数を有するものが挙げられ
る。 【０００５】電解質のイオン交換膜のポリマーとして
は、テトラフルオロエチレンとＣＦ2＝ＣＦ−（ＯＣＦ2
ＣＦＸ）m−Ｏq−（ＣＦ2）n−Ａ（式中m＝０〜３、ｎ
＝０〜１２、ｑ＝０又はｌ、Ｘ＝Ｆ又はＣＦ3、Ａ＝ス
ルホン酸型官能基、カルボン酸型官能基、リン酸型官能
基）で表されるフルオロビニル化合物との共重合体が好
適に採用され得る。 【０００６】上記フルオロビニル化合物の好ましい例と
しては、 ＣＦ2＝ＣＦＯ（ＣＦ2）1-8Ａ ＣＦ2＝ＣＦＯＣＦ2ＣＦ（ＣＦ3）Ｏ（ＣＦ2）1-8Ａ ＣＦ2＝ＣＦ（ＣＦ2）0-8Ａ ＣＦ2＝ＣＦ（ＯＣＦ2ＣＦ（ＣＦ3））1-5Ｏ（ＣＦ2）2
Ａ などが挙げられる。 【０００７】なお、上記官能基を有するフルオロカーボ
ン重合体を構成するモノマーである上記テトラフルオロ
エチレンの代わりに、ヘキサフルオロプロピレン、クロ
ロトリフルオロエチレン、パーフルオロアルコキシビニ
ルエーテルの如きパーフルオロオレフィンを用いること
も可能である。 【０００８】共重合後、必要であれぱ例えば加水分解等
の後処理にてプロトン移動性の官能基へと変換させる。
官能基を有する成分の交換容量は、ｌｇ当たりの官能基
のモル数で定義され、通常、滴定法により測定される。
一般的に、官能墓を有する成分の交換容量は、０．８〜
２ミリ当量／ｇであり、好ましくは０．９〜２ミリ当量
／ｇである。０．８ミリ当量／ｇより小さいと、抵抗が
大きくなり性能が低下する。また、２ミリ当量／ｇより
大きいと、膜の構造物としての強度低下が大きくなる。 【０００９】このような固体高分子電解質膜として、米
国デュポン社から商業的に入手可能なスルホン化パーフ
ルオロカーボン膜（デュポン社商品名：ナフィオン）が
膜の強度、寸法安定性および電気的特性で優れているこ
とから利用されている。 【００１０】同時に強い耐食性を有し、ガス透過性がな
く、良好な導電性を有するカーボンブロックを切削加工
して形成されるバイポーラプレートの利用を必要とす
る。このバイポーラプレートの製造が非常に難しい。ま
た、電解質の一面にカソードを、他の面にアノードをそ
れぞれ形成した膜電極複合体からなる電池単位構成を積
層して、各電池単位間に一般に広く使用されている炭素
からなるバイポーラプレートを介在させて電気回路を構
成する時、電解質と電極を横切ってバイポーラプレート
に漏洩電流が流れる場合もあり、それによるバイポーラ
プレートに腐食が生じる問題もあった。すなわち、隣接
電池単位の電極間の接続を行い、しかも腐食性電解質体
に対して高い抵抗性を示し、良好な集電体機能をも具備
するとともに高度の構造的一体性を有するバイポーラプ
レートを単一の材料を用いて加工、製造することは困難
であった。 【００１１】 【発明が解決しようとする課題】上述した技術における
具体的間題点は次の通りである。つまり、その両面に燃
料及び酸化剤の供給及び排出用通路（ガス流通手段とい
う）を設け、更にそれらの通路を形成するバイポーラプ
レートの凹凸形状及び配置が、ガス流の均一配分、均一
な密度での電極面への供給を決定することから、非常に
複雑な構造となるために、このバイポーラプレートを単
一のカーボンフロックから切削加工によって製造するこ
とは多大な困難を伴う上に、良好な再現可能性を期待す
ることができず、製造効率に限界があった。 【００１２】本発明は、上述の問題を解決するためのも
のであり、耐酸特性と耐加水分解特性に優れ、良好な流
動性をもつポリマーを用いてバイポーラプレートを形成
し、バイポーラプレートに設けられるガス流通手段の形
状並びにガス流通手段と集電体との構造及びガス流通手
段のバイポーラプレート内での配置を改良することによ
って、腐食性電解質に対しての耐性を有しながら、集電
体機能をも保持し、且つ簡単な構造であり、簡単な製造
方法によって製造することができ、小型軽量化を可能に
するばかりでなく、製造コストを低くすることができる
固体高分子電解質型燃料電池を提供することを目的とす
る。 【００１３】 【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、固体
高分子電解質膜とこれを挟持するガス拡散電極、並び
に、両面に燃料及び酸化剤の供給及び排出用通路が設け
られたガス分離板と集電体とを兼ねたバイポーラプレー
トを具備する固体高分子電解質型燃料電池において、前
記バイポーラプレートを、耐酸特性、耐加水分解特性及
び流動性に優れたポリマーの周辺枠体と、その内部に前
記枠体と一体に成形される両面に凹凸を有する炭素板ま
たは耐食性導電性基板とから構成し、前記ガス拡散電極
がバイポーラプレートの炭素板または耐食性導電性基板
の凸部に密接して積層されたことを特徴とする。 【００１４】請求項２の発明は、請求項ｌに記載の発明
において、バイポーラプレートを成形するポリマーを液
晶ポリマーまたはポリオレフィンとしたことを特徴とす
る。 【００１５】さらに請求項３の発明は、請求項１に記載
の発明における耐食性導電性基板を、耐食性金属板、ま
たは金属炭化物あるいは金属窒化物で表面処理された金
属板としたことを特徴とする。さらに請求項４の発明
は、バイポーラプレートの周辺枠体とその内部に一体成
形される炭素板又は耐食性導電性基板の成形方法を、イ
ンサート成形としたことを特徴とする。 【００１６】 【発明の実施の形態】本発明の固体高分子電解質型燃料
電池においては、両面に凸部と凹部を備えた炭素板また
は耐食性金属板を取り囲むバイポーラプレートの枠体を
耐酸性と耐加水分解性に優れ、良好な流動性をもつポリ
マーを用いて成形するものである。その成形方法として
は、インサート成形法、アウトサート成形法、圧入法あ
るいはかしめ法などがある。これら成形法の中で本発明
に最も好ましい方法はインサート成形法であり、ポリマ
ーを用いて射出成形を行う。射出成形の際に前記炭素板
または金属板をコア型とキャビティ型とを具えた射出成
形用金型のキャビティ型にセットした後、金型を閉じ、
耐酸性と耐加水分解性に優れ、良好な流動性をもつポリ
マーをキャビティ内に射出注入することによって、バイ
ポーラプレートは、耐酸性と耐加水分解性に優れ、良好
な流動性をもつポリマーからなる枠体と、炭素板または
耐食性導電性基板とが一体となって成形される。このよ
うに一体成形されたバイポーラプレートは、高強度、高
弾性率、寸法安定性の良い耐熱性、耐食性、高度の構造
的一体性、良好な芯特性を有し、更にこのバイポーラプ
レートを介在してカソード、アノード及び電解質からな
る膜電極複合体によって構成される電池単位構成を積層
してなる燃料電池の構造の小型軽量化並びに製造コスト
の低減をも達成できる。 【００１７】上記枠体の成形、製造のための耐酸性およ
び耐加水分解性に優れ、良好な流動性を持つポリマーの
一例としては、液晶ポリマー、変性ポリフェニリオキシ
ド、ポリフェニレンスルフィド、熱可塑性フッ素樹脂、
ポリオレフィンが挙げられる。しかしながら、本燃料電
池の通常の作動条件である、５０℃〜８０℃、飽和水蒸
気中において、長期間物性を保つことが可能で流れ性が
良好であれぱこれらのポリマーに限定されるものではな
い。特に、液晶ポリマーは、加水分解に強く、成形時の
流れ性が良好で、本発明のような微細な構造物に最適で
ある。また、液晶ポリマ一は、含有金属イオンが他のポ
リマーに比べて極めて少量であるので、高分子電解質膜
のイオン導電性を阻害することがない。好適な液晶ポリ
マーの構成成分としては、 ｉ）芳香族ジカルボン酸、脂環族ジカルボン酸のｌつま
たはそれ以上からなるもの、ｉｉ）芳香族ジオール、脂
環族ジオール、脂肪族ジオールのｌつまたはそれ以上か
らなるもの、ｉｉｉ）芳香族ヒドロキシカルボン酸のｌ
つまたはそれ以上からなるもの、ｉｖ）芳香族チオール
カルボン酸の１つまたはそれ以上からなるもの、Ｖ）芳
香族ジチオール、芳香族チオールフェノールのｌつまた
はそれ以上からなるもの、Ｖｉ）芳香族ヒドロキシアミ
ン、芳香族ジアミンの１つまたはそれ以上からなるも
の、等から選ばれ、異方性溶融相を形成するポリマー
は、 ａ）ｉ）とｉｉ）からなるポリエステル、ｂ）ｉｉｉ）
だけからなるポリエステル、ｃ）ｉ）とｉｉ）とｉｉ
ｉ）からなるポリエステル、ｄ）ｉｖ）だけからなるポ
リチオールエステル、ｅ）ｉ）とｖ）からなるポリチオ
ールエステル、ｆ）ｉ）及びｉｖ）、ｖ）からなるポリ
チオールエステル、ｇ）ｉ）及びｉｉｉ）、ｖｉ）から
なるポリエステルアミド、ｈ）ｉ）及びｉｉ）、ｉｉ
ｉ）、ｖｉ）からなるポリエステルアミド、等の組み合
わせから構成される異方性溶融相を形成するポリエステ
ルである。 【００１８】液晶ポリマーを用いてバイポーラプレート
の枠体を形成するための成形条件としては、例えば金型
温度が６０℃、樹脂温度が３５０〜３６０℃（デュポン
社商品名 ゼナイト ＨＸ６１３０を使用した場合）、
保圧０．５〜１秒で成形サイクルが１０秒程度であるの
が典型的な例としてあげられる。 【００１９】また、ポリオレフィンとしては、ポリエチ
レン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリメチルペン
テン、あるいはこれらの共重合物が、その優れた耐酸特
性、耐加水分解特性と良好な流動性により使用可能であ
る。 【００２０】ポリエチレンは、エチレンの重合によって
得られ、ポリエチレンの基本的分子構造は−（ＣＨ2）
−が数千から数十万個も連鎖状につらなったものの混合
物で、分子量分布のある長い鎖の炭化水素と考えられて
いる。平均分子量が大になると、軟化点もやや上昇す
る。ポリエチレンは製法によって次のような種類があ
る。ポリエチレンは、その原料であるエチレンガスを直
接重合してつくるのであるが、重合する方法には高圧
法、中圧法及び低圧法があって、それぞれ性質の少しず
つ異なるポリエチレンが得られる。 【００２１】高圧法でつくられたポリエチレンは、密度
が０．９１〜０．９４で、低密度ポリエチレン、中・低
圧法でつくられたものは、密度が０．９１〜０．９７と
幅が広く、０．９４以上のものは高密度ポリエチレン、
０．９４未満のものは直鎖状低密度ポリエチレン（line
ar low density polyethylene）と分類される。ポリエ
チレンの成形条件としては、樹脂温度１５０〜２１０
℃、金型温度４０〜５０℃、成形サイクル２０〜４０秒
程度で行うのが一般的である。 【００２２】ポリプロピレンは、プロピレン分子−（Ｃ
Ｈ2−ＣＨ（ＣＨ3））−が立体的に規則正しく配列した
結晶性の高分子であり、比重が０．９０でポリメチルペ
ンテンに次いで軽い。融点は１６５℃で、圧縮強さ、衝
撃強度も良好で、表面硬度は高い。成形性に関しては、
非常に流動性がよく、厚さの薄いものや複雑な形の型物
が容易に成形できる。成形の際の収縮はポリエチレンよ
り少なく、また縦・横の収縮差が少なくバランスが良い
ポリマーである。ポリプロピレンの一般的な成形条件と
しては、樹脂温度１９０〜２３０℃、金型温度４０〜８
０℃、成形サイクル２０〜４０秒程度である。 【００２３】ポリスチレンは、スチレンモノマー−（Ｃ
Ｈ2−ＣＨ（Ｃ6Ｈ5））−を重合して得られるポリマー
で、成形性が良く、透明性が優れており、寸法安定性も
良好で耐水性も高い。また酸・アルカリ類の薬品に対し
ては優れた耐薬品性を示す。ポリスチレンの成形条件
は、樹脂温度２００〜２３０℃、金型温度３０〜５０
℃、成形サイクル３０〜６０秒程度である。 【００２４】ポリメチルペンテンは、４−メチルペンテ
ン−１をチーグラー・ナッタ触媒で重合したもので、次
式のような構造をもっている。融点は２３０℃〜２４０
℃で、比重は０．８３で熱可塑性樹脂の中で量も軽い。
耐薬品性も良好なポリマーである。 【００２５】 【化ｌ】 【００２６】バイポーラプレートの両面に凸部と凹部を
備えた耐食性と導電性を有する基板として、炭素板また
は耐食性導電性基板がある。炭素板の炭素材料として
は、カーボン、黒鉛質炭素、ガラス状炭素、高密度等方
性炭素、炭素繊維あるいは膨張黒鉛などを用いることが
可能である。また、耐食性導電性基板としては、耐食性
金属板、または金属炭化物あるいは金属窒化物で表面表
面処理した金属板、耐食性や導電性を表面処理、例えば
メッキ、ケミカルベーパーデポジッション（ＣＶＤ）ま
たはスパッタなどにより向上させた金属、炭素材料、ま
たは金、白金あるいはその他の耐食性金属でメッキをし
たものなどがあるが、製造コストや形成の容易さなどか
ら耐食性金属板、または金属炭化物あるいは金属窒化物
で表面処理した金属板または炭素板が好ましい。 【００２７】《実施の形態１》以下、本発明にかかる一
実施形態の固体高分子電解質型燃料電池を図面を参照し
て詳細に説明する。図ｌに示すバイポーラプレート１
は、両面に凸部と凹部を備えた炭素板または導電性基板
２とその周辺を取り囲む樹脂枠３とからなる。この炭素
板または導電性基板２の凸部の先端は、積層されて電池
のユニットを形成した場合、高分子電解質膜４とこれを
サンドイッチするカソード５およびアノード６によって
一体形成された膜電極複合体７の外側の電極、例えばア
ノード６に当接される高さに形成されて集電するように
なっているとともに、前記炭素板または導電性基板２の
凹部と各電極との間に燃料室が、カソード５の当接する
側では酸化剤室が形成される。すなわちバイポーラプレ
ート１が電池の端板として用いられ、膜電極複合体７を
積層することによって、炭素板または導電性基板２の凹
部の開放部がそれぞれカソード５、アノード６の電極表
面にそれぞれのガスを供給する通路を確保するようにな
っている。更に、図１に示すように、樹脂枠３は燃料
室、酸化剤室に燃料または酸化剤を送り込み、各ガス流
通手段と連通する貫通孔８、９（樹脂枠３の対向する端
面の対応する位置にも同様の貫通孔が設けられている）
を有する。 【００２８】バイポーラプレート１の製造方法を説明す
ると、両面に凸部と凹部を備えた炭素板または導電性基
板２を射出成形用金型のキャビティ型にセットした後、
金型を閉じ、耐加水分解性に優れ、良好な流動性をもつ
ポリマー、例えば液晶ポリマ一をキャビティ内に射出注
入して、炭素板または導電性基板２の周囲を取り囲むよ
うな枠体３を液晶ポリマーによって成形する。こうして
バイポーラプレート１がその炭素板または導電性基板２
をその中心部に配置したインサート成形品の一体成形物
として形成されることになる。 【００２９】 【発明の効果】本発明に係る固体高分子電解質型燃料電
池は、以上説明したように、両面に凸部と凹部を備えた
炭素板または金属板を取り囲むバイポーラプレートの枠
を耐酸性および耐加水分解性に優れ、良好な流動性をも
つポリマーを用いて、その炭素板または耐食性導電性基
板を射出成形機の金型に挿入して射出成形することによ
って、バイポーラプレートを一体的に成形したものであ
って、高強度、高弾性率、寸法安定性の良い耐熱性、耐
食性、高度の構造的一体性、良好な芯特性を有し、更に
このバイポーラプレートを介在してカソード、アノード
及び電解質からなる膜電極複合体からなる電池単位構成
を積層してなる燃料電池の構造を小型軽量化並びに製造
コストの低減を達成できる。
ら電気エネルギーを直接に発生するためのガス拡散電極
及び固体高分子電解質膜よりなる燃料電池に関するもの
であり、特に腐食性電解質に対して高い抵抗性を示すと
ともに、成形加工性に優れた構造を有する燃料電池のバ
イポーラプレートの構造体に関する。 【０００２】 【従来の技術】近年、発電効率が高い等の有利な特徴か
ら開発が進められている固体高分子電解質型燃料電池
は、互いに対向して配設されたガス拡散電極であるカソ
ードおよびアノード、両電極間に介在し、両電極に接触
するように保持されている固体高分子からなる電解質か
ら構成される単位電池を、ガス流通手段を設けたバイポ
ーラプレートを介して交互に複数個積層して構成されて
いる。この燃料電池は、燃料及び酸化剤をそれぞれアノ
ード側の燃料室及びカソード側の酸化剤室に供給するこ
とにより、アノードとカソード間の電気化学反応により
発電を行わせるものである。 【０００３】燃料電池において、異なる電極に燃料と酸
化剤を同時に独立して供給すると、これらの電極を横切
って電気化学ポテンシャルが発生する。この電極を横切
って電気的負荷を与えると、それらの間を電気が流れ、
その結果、一つの電極で燃料が電気触媒的に酸化される
と同時にもう一方の電極で酸化剤が電気触媒的に還元さ
れることによって、前述のように化学反応エネルギーを
直接電気エネルギーに変換させる効率のよい発電装置と
なる。 【０００４】本発明と同様の固体高分子電解質型燃料電
池の電解質となるイオン交換膜の官能基を有する成分と
しては、含フッ素高分子を骨格とし、官能基として、ス
ルホン酸基、カルボン酸基、リン酸基およびホスホン酸
基のいずれか一つまたは複数を有するものが挙げられ
る。 【０００５】電解質のイオン交換膜のポリマーとして
は、テトラフルオロエチレンとＣＦ2＝ＣＦ−（ＯＣＦ2
ＣＦＸ）m−Ｏq−（ＣＦ2）n−Ａ（式中m＝０〜３、ｎ
＝０〜１２、ｑ＝０又はｌ、Ｘ＝Ｆ又はＣＦ3、Ａ＝ス
ルホン酸型官能基、カルボン酸型官能基、リン酸型官能
基）で表されるフルオロビニル化合物との共重合体が好
適に採用され得る。 【０００６】上記フルオロビニル化合物の好ましい例と
しては、 ＣＦ2＝ＣＦＯ（ＣＦ2）1-8Ａ ＣＦ2＝ＣＦＯＣＦ2ＣＦ（ＣＦ3）Ｏ（ＣＦ2）1-8Ａ ＣＦ2＝ＣＦ（ＣＦ2）0-8Ａ ＣＦ2＝ＣＦ（ＯＣＦ2ＣＦ（ＣＦ3））1-5Ｏ（ＣＦ2）2
Ａ などが挙げられる。 【０００７】なお、上記官能基を有するフルオロカーボ
ン重合体を構成するモノマーである上記テトラフルオロ
エチレンの代わりに、ヘキサフルオロプロピレン、クロ
ロトリフルオロエチレン、パーフルオロアルコキシビニ
ルエーテルの如きパーフルオロオレフィンを用いること
も可能である。 【０００８】共重合後、必要であれぱ例えば加水分解等
の後処理にてプロトン移動性の官能基へと変換させる。
官能基を有する成分の交換容量は、ｌｇ当たりの官能基
のモル数で定義され、通常、滴定法により測定される。
一般的に、官能墓を有する成分の交換容量は、０．８〜
２ミリ当量／ｇであり、好ましくは０．９〜２ミリ当量
／ｇである。０．８ミリ当量／ｇより小さいと、抵抗が
大きくなり性能が低下する。また、２ミリ当量／ｇより
大きいと、膜の構造物としての強度低下が大きくなる。 【０００９】このような固体高分子電解質膜として、米
国デュポン社から商業的に入手可能なスルホン化パーフ
ルオロカーボン膜（デュポン社商品名：ナフィオン）が
膜の強度、寸法安定性および電気的特性で優れているこ
とから利用されている。 【００１０】同時に強い耐食性を有し、ガス透過性がな
く、良好な導電性を有するカーボンブロックを切削加工
して形成されるバイポーラプレートの利用を必要とす
る。このバイポーラプレートの製造が非常に難しい。ま
た、電解質の一面にカソードを、他の面にアノードをそ
れぞれ形成した膜電極複合体からなる電池単位構成を積
層して、各電池単位間に一般に広く使用されている炭素
からなるバイポーラプレートを介在させて電気回路を構
成する時、電解質と電極を横切ってバイポーラプレート
に漏洩電流が流れる場合もあり、それによるバイポーラ
プレートに腐食が生じる問題もあった。すなわち、隣接
電池単位の電極間の接続を行い、しかも腐食性電解質体
に対して高い抵抗性を示し、良好な集電体機能をも具備
するとともに高度の構造的一体性を有するバイポーラプ
レートを単一の材料を用いて加工、製造することは困難
であった。 【００１１】 【発明が解決しようとする課題】上述した技術における
具体的間題点は次の通りである。つまり、その両面に燃
料及び酸化剤の供給及び排出用通路（ガス流通手段とい
う）を設け、更にそれらの通路を形成するバイポーラプ
レートの凹凸形状及び配置が、ガス流の均一配分、均一
な密度での電極面への供給を決定することから、非常に
複雑な構造となるために、このバイポーラプレートを単
一のカーボンフロックから切削加工によって製造するこ
とは多大な困難を伴う上に、良好な再現可能性を期待す
ることができず、製造効率に限界があった。 【００１２】本発明は、上述の問題を解決するためのも
のであり、耐酸特性と耐加水分解特性に優れ、良好な流
動性をもつポリマーを用いてバイポーラプレートを形成
し、バイポーラプレートに設けられるガス流通手段の形
状並びにガス流通手段と集電体との構造及びガス流通手
段のバイポーラプレート内での配置を改良することによ
って、腐食性電解質に対しての耐性を有しながら、集電
体機能をも保持し、且つ簡単な構造であり、簡単な製造
方法によって製造することができ、小型軽量化を可能に
するばかりでなく、製造コストを低くすることができる
固体高分子電解質型燃料電池を提供することを目的とす
る。 【００１３】 【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、固体
高分子電解質膜とこれを挟持するガス拡散電極、並び
に、両面に燃料及び酸化剤の供給及び排出用通路が設け
られたガス分離板と集電体とを兼ねたバイポーラプレー
トを具備する固体高分子電解質型燃料電池において、前
記バイポーラプレートを、耐酸特性、耐加水分解特性及
び流動性に優れたポリマーの周辺枠体と、その内部に前
記枠体と一体に成形される両面に凹凸を有する炭素板ま
たは耐食性導電性基板とから構成し、前記ガス拡散電極
がバイポーラプレートの炭素板または耐食性導電性基板
の凸部に密接して積層されたことを特徴とする。 【００１４】請求項２の発明は、請求項ｌに記載の発明
において、バイポーラプレートを成形するポリマーを液
晶ポリマーまたはポリオレフィンとしたことを特徴とす
る。 【００１５】さらに請求項３の発明は、請求項１に記載
の発明における耐食性導電性基板を、耐食性金属板、ま
たは金属炭化物あるいは金属窒化物で表面処理された金
属板としたことを特徴とする。さらに請求項４の発明
は、バイポーラプレートの周辺枠体とその内部に一体成
形される炭素板又は耐食性導電性基板の成形方法を、イ
ンサート成形としたことを特徴とする。 【００１６】 【発明の実施の形態】本発明の固体高分子電解質型燃料
電池においては、両面に凸部と凹部を備えた炭素板また
は耐食性金属板を取り囲むバイポーラプレートの枠体を
耐酸性と耐加水分解性に優れ、良好な流動性をもつポリ
マーを用いて成形するものである。その成形方法として
は、インサート成形法、アウトサート成形法、圧入法あ
るいはかしめ法などがある。これら成形法の中で本発明
に最も好ましい方法はインサート成形法であり、ポリマ
ーを用いて射出成形を行う。射出成形の際に前記炭素板
または金属板をコア型とキャビティ型とを具えた射出成
形用金型のキャビティ型にセットした後、金型を閉じ、
耐酸性と耐加水分解性に優れ、良好な流動性をもつポリ
マーをキャビティ内に射出注入することによって、バイ
ポーラプレートは、耐酸性と耐加水分解性に優れ、良好
な流動性をもつポリマーからなる枠体と、炭素板または
耐食性導電性基板とが一体となって成形される。このよ
うに一体成形されたバイポーラプレートは、高強度、高
弾性率、寸法安定性の良い耐熱性、耐食性、高度の構造
的一体性、良好な芯特性を有し、更にこのバイポーラプ
レートを介在してカソード、アノード及び電解質からな
る膜電極複合体によって構成される電池単位構成を積層
してなる燃料電池の構造の小型軽量化並びに製造コスト
の低減をも達成できる。 【００１７】上記枠体の成形、製造のための耐酸性およ
び耐加水分解性に優れ、良好な流動性を持つポリマーの
一例としては、液晶ポリマー、変性ポリフェニリオキシ
ド、ポリフェニレンスルフィド、熱可塑性フッ素樹脂、
ポリオレフィンが挙げられる。しかしながら、本燃料電
池の通常の作動条件である、５０℃〜８０℃、飽和水蒸
気中において、長期間物性を保つことが可能で流れ性が
良好であれぱこれらのポリマーに限定されるものではな
い。特に、液晶ポリマーは、加水分解に強く、成形時の
流れ性が良好で、本発明のような微細な構造物に最適で
ある。また、液晶ポリマ一は、含有金属イオンが他のポ
リマーに比べて極めて少量であるので、高分子電解質膜
のイオン導電性を阻害することがない。好適な液晶ポリ
マーの構成成分としては、 ｉ）芳香族ジカルボン酸、脂環族ジカルボン酸のｌつま
たはそれ以上からなるもの、ｉｉ）芳香族ジオール、脂
環族ジオール、脂肪族ジオールのｌつまたはそれ以上か
らなるもの、ｉｉｉ）芳香族ヒドロキシカルボン酸のｌ
つまたはそれ以上からなるもの、ｉｖ）芳香族チオール
カルボン酸の１つまたはそれ以上からなるもの、Ｖ）芳
香族ジチオール、芳香族チオールフェノールのｌつまた
はそれ以上からなるもの、Ｖｉ）芳香族ヒドロキシアミ
ン、芳香族ジアミンの１つまたはそれ以上からなるも
の、等から選ばれ、異方性溶融相を形成するポリマー
は、 ａ）ｉ）とｉｉ）からなるポリエステル、ｂ）ｉｉｉ）
だけからなるポリエステル、ｃ）ｉ）とｉｉ）とｉｉ
ｉ）からなるポリエステル、ｄ）ｉｖ）だけからなるポ
リチオールエステル、ｅ）ｉ）とｖ）からなるポリチオ
ールエステル、ｆ）ｉ）及びｉｖ）、ｖ）からなるポリ
チオールエステル、ｇ）ｉ）及びｉｉｉ）、ｖｉ）から
なるポリエステルアミド、ｈ）ｉ）及びｉｉ）、ｉｉ
ｉ）、ｖｉ）からなるポリエステルアミド、等の組み合
わせから構成される異方性溶融相を形成するポリエステ
ルである。 【００１８】液晶ポリマーを用いてバイポーラプレート
の枠体を形成するための成形条件としては、例えば金型
温度が６０℃、樹脂温度が３５０〜３６０℃（デュポン
社商品名 ゼナイト ＨＸ６１３０を使用した場合）、
保圧０．５〜１秒で成形サイクルが１０秒程度であるの
が典型的な例としてあげられる。 【００１９】また、ポリオレフィンとしては、ポリエチ
レン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリメチルペン
テン、あるいはこれらの共重合物が、その優れた耐酸特
性、耐加水分解特性と良好な流動性により使用可能であ
る。 【００２０】ポリエチレンは、エチレンの重合によって
得られ、ポリエチレンの基本的分子構造は−（ＣＨ2）
−が数千から数十万個も連鎖状につらなったものの混合
物で、分子量分布のある長い鎖の炭化水素と考えられて
いる。平均分子量が大になると、軟化点もやや上昇す
る。ポリエチレンは製法によって次のような種類があ
る。ポリエチレンは、その原料であるエチレンガスを直
接重合してつくるのであるが、重合する方法には高圧
法、中圧法及び低圧法があって、それぞれ性質の少しず
つ異なるポリエチレンが得られる。 【００２１】高圧法でつくられたポリエチレンは、密度
が０．９１〜０．９４で、低密度ポリエチレン、中・低
圧法でつくられたものは、密度が０．９１〜０．９７と
幅が広く、０．９４以上のものは高密度ポリエチレン、
０．９４未満のものは直鎖状低密度ポリエチレン（line
ar low density polyethylene）と分類される。ポリエ
チレンの成形条件としては、樹脂温度１５０〜２１０
℃、金型温度４０〜５０℃、成形サイクル２０〜４０秒
程度で行うのが一般的である。 【００２２】ポリプロピレンは、プロピレン分子−（Ｃ
Ｈ2−ＣＨ（ＣＨ3））−が立体的に規則正しく配列した
結晶性の高分子であり、比重が０．９０でポリメチルペ
ンテンに次いで軽い。融点は１６５℃で、圧縮強さ、衝
撃強度も良好で、表面硬度は高い。成形性に関しては、
非常に流動性がよく、厚さの薄いものや複雑な形の型物
が容易に成形できる。成形の際の収縮はポリエチレンよ
り少なく、また縦・横の収縮差が少なくバランスが良い
ポリマーである。ポリプロピレンの一般的な成形条件と
しては、樹脂温度１９０〜２３０℃、金型温度４０〜８
０℃、成形サイクル２０〜４０秒程度である。 【００２３】ポリスチレンは、スチレンモノマー−（Ｃ
Ｈ2−ＣＨ（Ｃ6Ｈ5））−を重合して得られるポリマー
で、成形性が良く、透明性が優れており、寸法安定性も
良好で耐水性も高い。また酸・アルカリ類の薬品に対し
ては優れた耐薬品性を示す。ポリスチレンの成形条件
は、樹脂温度２００〜２３０℃、金型温度３０〜５０
℃、成形サイクル３０〜６０秒程度である。 【００２４】ポリメチルペンテンは、４−メチルペンテ
ン−１をチーグラー・ナッタ触媒で重合したもので、次
式のような構造をもっている。融点は２３０℃〜２４０
℃で、比重は０．８３で熱可塑性樹脂の中で量も軽い。
耐薬品性も良好なポリマーである。 【００２５】 【化ｌ】 【００２６】バイポーラプレートの両面に凸部と凹部を
備えた耐食性と導電性を有する基板として、炭素板また
は耐食性導電性基板がある。炭素板の炭素材料として
は、カーボン、黒鉛質炭素、ガラス状炭素、高密度等方
性炭素、炭素繊維あるいは膨張黒鉛などを用いることが
可能である。また、耐食性導電性基板としては、耐食性
金属板、または金属炭化物あるいは金属窒化物で表面表
面処理した金属板、耐食性や導電性を表面処理、例えば
メッキ、ケミカルベーパーデポジッション（ＣＶＤ）ま
たはスパッタなどにより向上させた金属、炭素材料、ま
たは金、白金あるいはその他の耐食性金属でメッキをし
たものなどがあるが、製造コストや形成の容易さなどか
ら耐食性金属板、または金属炭化物あるいは金属窒化物
で表面処理した金属板または炭素板が好ましい。 【００２７】《実施の形態１》以下、本発明にかかる一
実施形態の固体高分子電解質型燃料電池を図面を参照し
て詳細に説明する。図ｌに示すバイポーラプレート１
は、両面に凸部と凹部を備えた炭素板または導電性基板
２とその周辺を取り囲む樹脂枠３とからなる。この炭素
板または導電性基板２の凸部の先端は、積層されて電池
のユニットを形成した場合、高分子電解質膜４とこれを
サンドイッチするカソード５およびアノード６によって
一体形成された膜電極複合体７の外側の電極、例えばア
ノード６に当接される高さに形成されて集電するように
なっているとともに、前記炭素板または導電性基板２の
凹部と各電極との間に燃料室が、カソード５の当接する
側では酸化剤室が形成される。すなわちバイポーラプレ
ート１が電池の端板として用いられ、膜電極複合体７を
積層することによって、炭素板または導電性基板２の凹
部の開放部がそれぞれカソード５、アノード６の電極表
面にそれぞれのガスを供給する通路を確保するようにな
っている。更に、図１に示すように、樹脂枠３は燃料
室、酸化剤室に燃料または酸化剤を送り込み、各ガス流
通手段と連通する貫通孔８、９（樹脂枠３の対向する端
面の対応する位置にも同様の貫通孔が設けられている）
を有する。 【００２８】バイポーラプレート１の製造方法を説明す
ると、両面に凸部と凹部を備えた炭素板または導電性基
板２を射出成形用金型のキャビティ型にセットした後、
金型を閉じ、耐加水分解性に優れ、良好な流動性をもつ
ポリマー、例えば液晶ポリマ一をキャビティ内に射出注
入して、炭素板または導電性基板２の周囲を取り囲むよ
うな枠体３を液晶ポリマーによって成形する。こうして
バイポーラプレート１がその炭素板または導電性基板２
をその中心部に配置したインサート成形品の一体成形物
として形成されることになる。 【００２９】 【発明の効果】本発明に係る固体高分子電解質型燃料電
池は、以上説明したように、両面に凸部と凹部を備えた
炭素板または金属板を取り囲むバイポーラプレートの枠
を耐酸性および耐加水分解性に優れ、良好な流動性をも
つポリマーを用いて、その炭素板または耐食性導電性基
板を射出成形機の金型に挿入して射出成形することによ
って、バイポーラプレートを一体的に成形したものであ
って、高強度、高弾性率、寸法安定性の良い耐熱性、耐
食性、高度の構造的一体性、良好な芯特性を有し、更に
このバイポーラプレートを介在してカソード、アノード
及び電解質からなる膜電極複合体からなる電池単位構成
を積層してなる燃料電池の構造を小型軽量化並びに製造
コストの低減を達成できる。
【図面の簡単な説明】
【図ｌ】本発明に係る固体高分子電解質型燃料電池用の
バイポーラの一実施の形態を示す斜視図 【符号の説明】 １ バイポーラプレート ２ 炭素板または耐食性導電性基板 ３ 樹脂枠体 ４ 高分子電解質膜 ５ カソード ６ アノード ７ 膜電極複合体 ８、９ 燃料または酸化剤入口（出口）貫通孔
バイポーラの一実施の形態を示す斜視図 【符号の説明】 １ バイポーラプレート ２ 炭素板または耐食性導電性基板 ３ 樹脂枠体 ４ 高分子電解質膜 ５ カソード ６ アノード ７ 膜電極複合体 ８、９ 燃料または酸化剤入口（出口）貫通孔
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フロントページの続き
(72)発明者 内田 誠
大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器
産業株式会社内
(72)発明者 福岡 裕子
大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器
産業株式会社内
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 【請求項ｌ】 固体高分子電解質膜とこれを挟持するガ
ス拡散電極、並びに、両面に燃料及び酸化剤の供給及び
排出用通路が設けられたガス分離板と集電体とを兼ねた
バイポーラプレートを具備し、前記バイポーラプレート
を、耐酸特性、耐加水分解特性及び流動性に優れたポリ
マーの周辺枠体と、その内部に前記枠体と一体に成形さ
れ両面に凹凸を有する炭素板または耐食性導電性基板と
から構成し、前記ガス拡散電極がバイポーラプレートの
炭素板または耐食性導電性基板の凸部に密接して積層さ
れたことを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池。 【請求項２】 前記バイポーラプレートを形成するポリ
マーを液晶ポリマーまたはポリオレフィンとした請求項
１記載の固体高分子電解質型燃料電池。 【請求項３】 前記耐食性導電性基板が、耐食性金属
板、または金属炭化物あるいは金属窒化物で表面処理さ
れた金属板である請求項１記載の固体高分子電解質型燃
料電池。 【請求項４】 前記バイポーラプレートがインサート成
形でつくられたものである請求項１記載の固体高分子電
解質型燃料電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9169004A JPH1074527A (ja) | 1996-06-25 | 1997-06-25 | 固体高分子電解質型燃料電池 |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP18270096 | 1996-06-25 | ||
| JP8-182700 | 1996-06-25 | ||
| JP9169004A JPH1074527A (ja) | 1996-06-25 | 1997-06-25 | 固体高分子電解質型燃料電池 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1074527A true JPH1074527A (ja) | 1998-03-17 |
Family
ID=26492497
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9169004A Pending JPH1074527A (ja) | 1996-06-25 | 1997-06-25 | 固体高分子電解質型燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH1074527A (ja) |
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