JPH1079260A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 積層型の燃料電池において、セパレータに必
要な導電機能やガス分離機能等を確保しながら、セパレ
ータの材料として従来から用いられている材料以外のも
のを広く用いることができるものを提供することを目的
とする。 【解決手段】 燃料電池１は、電解質マトリックス２に
アノード３とカソード４とを配してなる単電池５と、セ
パレータ板６とが、交互に積層されて構成されている。
セパレータ板６は、セパレータ本体１０と、セパレータ
本体１０に貫設された導電部材２０とから構成され、軸
部２１はセパレータ本体１０のカソード端挟持部１３と
アノード端挟持部１７との間を貫通しており、平板部２
２の表面は、カソード端挟持部１３の表面から僅かに突
出してカソード４の端部に圧接されており、軸部２１の
先端部２３はアノード端挟持部１７の表面から僅かに突
出してアノード３の端部に圧接されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、単電池とセパレー
タが交互に積層されてなる積層型の燃料電池に関し、特
にリン酸型や固体高分子型の燃料電池におけるセパレー
タの改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】積層型の燃料電池は、電解質層を介して
アノードとカソードとを配した単電池とセパレータとが
交互に積層された電池スタックが両端から締め付けられ
て構成されている。そして、各単電池のアノード側にア
ノードガス（水素リッチな燃料ガス）、カソード側にカ
ソードガス（空気）を供給するために、セパレータとア
ノード及びカソードとの間には、ガスチャネルが形成さ
れている。

【０００３】ガスチャネルの形態としては、セパレータ
の表面にガスチャネルが形成される他、セパレータ上に
ガスチャネルを形成したプレートが積層されたり、アノ
ード，カソードにガスチャネルが形成される場合がある
が、いずれの場合も、セパレータの材質としては、電池
スタックを締め付ける圧力に耐える強度を有すること
や、アノードガスとカソードガスとを分離する役割を果
たすためにガス不透過性であることが要求される。

【０００４】また、セパレータは、積層方向に隣接する
単電池を電気的に接続する役割も果たすため、導電性の
材料が用いられている。このような点から、従来、セパ
レータの材料として、固体電解質型や溶融炭酸塩型のよ
うな高温で運転される燃料電池においては、耐熱性を有
する金属や導電性セラミック等が用いられ、リン酸型や
固体高分子型のような比較的低温で運転される燃料電池
においては、ガス不透過性の緻密なカーボン材料が多く
用いられている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、金属や
導電性セラミックを材料とするセパレータは、製作に手
間がかかり高価である。また、カーボン材料のセパレー
タは、金属や導電性セラミックと比べれば安価ではある
が、ペーパー等を焼成してカーボンプレートを作製し、
これを所定の形状に切削するといった工程を通して作製
されるため、量産が容易とは言えず、製作コストの問題
も残っている。

【０００６】そのため、これらに代わる材料を用いてセ
パレータを作製することによって、量産性を向上したり
コストダウンを図ることが望まれているが、上記の材料
にとって代わる材料を見つけるのは困難な状況である。
例えば、導電性を持つ耐熱性プラスチックで且つ安価な
材料が開発されれば、リン酸型や固体高分子型の燃料電
池のセパレータにおいてカーボン材料の代わりにそれを
用いて射出成形で量産して低コスト化を図ることができ
ると考えられるが、カーボン材料に代わり得るだけの材
料は実際にはなかなか出現しない。

【０００７】本発明は、このような課題に鑑み、積層型
の燃料電池において、セパレータに必要な導電機能やガ
ス分離機能等を確保しながら、セパレータの材料として
従来から用いられている以外の材料を広く用いることが
できるものを提供することを目的としている。

【０００８】

【発明を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、電解質層を介してアノードとカソードが
配された単電池とセパレータとが交互に積層された電池
スタックからなる燃料電池において、セパレータの少な
くとも一つを、平板状のセパレータ本体と、セパレータ
本体に貫設され、セパレータ本体の一方の表面に露出す
る第一の集電面及びセパレータ本体の他方の表面に露出
する第二の集電面を有し、第一の集電面側に存する単電
池のアノード及び第二の集電面側に存する単電池のカソ
ードを電気的に接続する導電部材とで構成した。

【０００９】これにより、セパレータ本体に導電性の材
料を用いなくても、セパレータに隣接する単電池を導通
する機能は導電部材によって確保される。よって、セパ
レータ本体の材料としてプラスチック，セラミックをは
じめとする様々な材料を用いることができる。ここで、
導電部材を、セパレータ本体におけるガスチャネルが形
成された領域より外側の領域に貫設すれば、ガスチャネ
ルを通過するガスの流れが導電部材によって妨げられる
ことなく、且つ導電部材を貫設したところでガスの漏れ
が生じる可能性も少ない。

【００１０】また、セパレータ本体の表面に、アノード
の端部を挟持するアノード端挟持部及びカソードの端部
を挟持するカソード端挟持部を形成し、導電部材の第一
の集電面をアノード端挟持部に露出させ、第二の集電面
をカソード端挟持部に露出させれば、第一の集電面とア
ノードの端部並びに第二の集電面とカソードの端部が圧
接されて電気的な接続がなされる。

【００１１】また、導電部材を、セパレータ本体を貫通
する軸芯部と、アノード端挟持部の表面に配された平面
状の第一の集電部と、カソード端挟持部の表面に配され
た平面状の第二の集電部とで構成すれば、アノード及び
カソードと導電部材との電気的な接続を良好に行うこと
ができる。また、セパレータ本体を、燃料電池の運転温
度における耐熱性を有する樹脂で構成すれば、射出成形
等の方法を用いてセパレータ本体を容易に量産すること
が可能となる。また、セパレータが樹脂の弾力性を持つ
ので、ガスシール性を高めることができる。

【００１２】また、導電部材の材料として黒鉛化炭素や
銅を用いると、電極との良好な接触を得ることができ且
つ耐熱性，耐触性に優れるので好ましい。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て説明する。 （実施の形態１） 〔燃料電池の全体構成についての説明〕図１は、本発明
の一実施形態にかかるリン酸型燃料電池の主要部分の構
成を示す組立図である。

【００１４】この燃料電池１は、電解質マトリックス２
にアノード３とカソード４とを配してなる単電池５と、
セパレータ板６とが、交互に積層されてなる積層体が、
端板（不図示）によって積層方向に締め付けられて構成
されている。なお、図１には単電池５が１つだけ示され
ているが、燃料電池１における単電池５の個数は、出力
させようとする電池電圧に応じて設定される。

【００１５】電解質マトリックス２は、シリコンカーバ
イドをフッ素樹脂で結着してなる長方形状のシートにリ
ン酸が含浸されたものである。アノード３及びカソード
４は共に、電解質マトリックス２とほぼ同等の大きさで
あって、溌水処理が施されたカーボンペーパに、白金触
媒或は白金合金触媒が担持されたカーボン粒子をフッ素
樹脂で結着して作製したシートを圧着したものである。

【００１６】セパレータ板６は、セパレータ本体１０
と、セパレータ本体１０に貫設された４つの導電部材２
０とから構成されている。セパレータ本体１０は、電解
質マトリックス２と同等の大きさを有する平板状の成形
体であって、カソード４と対向する側の表面には、多数
のガスチャネル１１が刻まれると共にリブ１２が形成さ
れ、その両外側にはリブ１２と同等の高さでカソード端
挟持部１３が帯状に形成され、更にその両外側にはエッ
ジシール部１４が帯状に形成されている。一方、セパレ
ータ本体１０のアノード３と対向する側の表面には、ガ
スチャネル１１と直交する方向に、多数のガスチャネル
１５が刻まれると共にリブ１６が形成され、その両外側
にはリブ１６と同等の高さでアノード端挟持部１７が帯
状に形成され、更にその両外側にはエッジシール部１８
が帯状に形成されている。

【００１７】カソード端挟持部１３及びアノード端挟持
部１７の上には、カソード４及びアノード３の端部が存
在するが、エッジシール部１４及びエッジシール部１８
の上には電極は存在しないので、エッジシール部１４は
カソード端挟持部１３よりもカソード４の厚み分だけ高
く、エッジシール部１８はアノード端挟持部１７よりも
アノード３の厚み分だけ高く形成されている。

【００１８】このような構成の燃料電池１において、図
示しない外部マニホールドを通して、各ガスチャネル１
５にはアノードガスとしての水素ガス、各ガスチャネル
１１にはカソードガスとしての空気が供給され、１００
〜２００℃程度の所定の運転温度に保つことによって発
電がなされる。 〔セパレータ板についての詳細な説明〕セパレータ本体
１０は絶縁性の材料で形成されている。この材料として
は、燃料電池１の運転温度における耐熱性及び端板を締
め付ける圧力に耐える強度を有することが必要で、リン
酸蒸気に触れるため耐酸性を有することが望ましく、こ
のような条件を満たす樹脂やセラミックスを用いること
ができる。

【００１９】樹脂の場合は、射出成形等の方法を用いて
セパレータ本体１０を容易に量産することができる点で
望ましく、また、樹脂は弾力性を有するので、エッジシ
ール部１４におけるシール性を高くすることができる点
でも好ましい。物性及びコスト面から好ましい樹脂の具
体例としては、ポリフェニレンスルファイド，ポリサル
フォン，ポリエーテルサルフォンを挙げることができ
る。また、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素樹脂
も物性面では優れている。

【００２０】図２は、導電部材２０の外観を示す斜視図
である。図に示すように、導電部材２０は、円柱形の軸
部２１及び長方形状の平板部２２を有するＴ字形状の部
材であって全体が導電性の材料で形成されている。ま
た、軸部２１の根元の周囲にはＯリング２４が装着され
る。図１に示すように、４つの導電部材２０は、セパレ
ータ本体１０の４隅の近傍で、カソード端挟持部１３及
びアノード端挟持部１７が交差するところに設けられて
いる。

【００２１】図３は、図１に示す燃料電池１のＸ−Ｘ線
断面図であって、カソード端挟持部１３に沿って切断し
た図面である。図に示すように、セパレータ本体１０に
は、導電部材２０とほぼ同一の形状の貫通孔が穿設され
ており、導電部材２０は、軸部２１の根元の周囲にＯリ
ング２４が填められた状態で（図２参照）、当該貫通孔
に填め込まれている。

【００２２】この状態で、軸部２１はセパレータ本体１
０のカソード端挟持部１３とアノード端挟持部１７との
間を貫通しており、平板部２２はカソード端挟持部１３
の表面から僅かに突出してカソード４の端部に圧接され
ており、軸部２１の先端部２３はアノード端挟持部１７
の表面から僅かに突出してアノード３の端部に圧接され
ている。

【００２３】従って、平板部２２はこれと接触するカソ
ード４から集電し、先端部２３はこれと接触するアノー
ド３から集電することができる。また、セパレータ本体
１０を挟んで隣合う２つの単電池５が導電部材２０によ
って直列に接続されることになる。また、平板部２２が
Ｏリング２４を介して貫通孔の内面２５に圧接されるこ
とによってシールされるので、貫通孔をアノードガスや
カソードガスが通過することがない。

【００２４】導電部材２０の材料としては、導電性及び
耐熱性を有することが必要で、耐酸性を有することが望
ましく、電極と圧接される平板部２２及び先端部２３に
おいて良好な集電効果を確保するために、若干の弾力性
を有することが好ましい。具体的な例としては、膨張性
黒鉛（例えば、日立化成製のＣＡＲＢＯＦＩＴ）の他
に、金属の中でも比較的柔軟な銅を挙げることができ、
銅の場合は、表面に金メッキを施すことによって耐触性
がより優れたものとなる。

【００２５】また、Ｏリング２４は、耐酸性，耐熱性，
弾性を有するフッ素樹脂等からなるものを用いる。な
お、ここではＯリング２４を、軸部２１の根元の周囲に
填め込むようにしたが、Ｏリング２４を填め込む位置は
軸部２１の中間でもよい。また、貫通孔をシールする方
法として、Ｏリング２４を用いる以外に、導電部材２０
と貫通孔との間隙にフッ素樹樹脂系の接着剤等を充填し
てもよいし、導電部材２０やセパレータ本体１０が十分
な弾力性を有する材質ならば、特にシール材を用いなく
てもよい。

【００２６】また、本実施の形態では、導電部材２０の
形状を軸部２１と平板部２２とからなるＴ字形状とした
が、導電部材の形状はこれに限らず、以下のような様々
な形状とすることができる。軸部の両側に平板部が形成
されたＨ字形状のもの。平板部を有しない軸部だけから
なるもの。

【００２７】円柱状の軸部の代わりに角柱状の軸部が形
成されたもの。また、上記のように、導電部材２０をカ
ソード端挟持部１３及びアノード端挟持部１７が交差す
るところに設けたのは、この位置に設けると、ガスチャ
ネル１１，１５におけるガスの流通が導電部材２０によ
って妨げられることがなく、且つガスが貫通孔に流れ込
む可能性も少ないためである。

【００２８】導電部材をガスチャネル１１，１５が形成
されているところに貫設することも可能ではあるが、こ
の場合、貫通孔をガスが流通しないようにシールするこ
とが本実施の形態のように容易ではない。また、本実施
の形態では、１つのセパレータ本体１０の４隅に導電部
材２０を設けたが、セパレータ本体に設ける導電部材の
数や接触面積については、導電部材のカソード及びアノ
ードに対する集電効果を考慮して定めればよい。通常、
アノード及びカソードの面積が大きいほど集電が難しく
なるので、導電部材の数を増やしたり接触面積を大きく
する必要がある。一方、セパレータの面積が小さい場合
は集電が容易であるため、導電部材の数は少なくてもよ
く、例えば１つの導電部材で十分な集電効果を得ること
ができるならば１つだけ設けてもよい。

【００２９】（実施の形態２）本実施形態の燃料電池
は、実施の形態１の燃料電池１と同様の構成であるが、
セパレータ本体１０の代わりにセパレータ本体３０が、
また導電部材２０の代わりに導電部材４０が用いられて
いる点が異なっている。図４は、本実施形態に用いる導
電部材４０の外観斜視図であり、図５はその要部の分解
斜視図である。

【００３０】図４に示すように、導電部材４０はＬ字状
であって導電部材２０と同様の材料からなり、円柱状の
軸部４２及び帯状の平板部４３からなる第１部材４１
と、円柱状の軸部４５及び平板部４６からなる第２部材
４４とが、軸部４２及び軸部４５の先端で係合して組み
合わされて構成されている。軸部４２と軸部４５とは、
図５に示すように、軸部４２の先端部に形成された凹部
４２ａに、軸部４５の先端部に形成された凸部４５ａが
挿入されて係合している。

【００３１】図６は、セパレータ本体３０に２つの導電
部材４０が填め込まれている状態を示す平面図である。
セパレータ本体３０は、セパレータ本体１０と同様の構
成であって、図６に示すように、セパレータ本体１０の
カソード端挟持部１３，アノード端挟持部１７，エッジ
シール部１４，１８と同様のカソード端挟持部３３，ア
ノード端挟持部３７，エッジシール部３４，３８が設け
られているが、セパレータ本体１０には導電部材２０と
ほぼ同一形状の４つの貫通孔が穿設されていたのに対し
て、セパレータ本体３０には導電部材４０とほぼ同一形
状の２つの貫通孔が穿設されている。

【００３２】導電部材４０の軸部４２，４５は、カソー
ド端挟持部３３及びアノード端挟持部３７が交差すると
ころを貫通し、Ｏリング（不図示）でシールされてい
る。また、平板部４３はカソード端挟持部３３の表面に
配され、平板部４６はアノード端挟持部３７の表面に配
されている。このようなセパレータ本体３０及び導電部
材４０の構成により、本燃料電池においては、１対の平
板部４３がカソード４の両端部に圧接され、１対の平板
部４６がアノード３の両端部に圧接されることになり、
カソード４及びアノード３と導電部材４０との間の良好
な電気的な接続を行うことができる。

【００３３】また、導電部材４０は、第１部材４１と第
２部材４４とが組み合わせられたものなので、導電部材
４０をセパレータ本体３０の貫通孔に容易に填め込むこ
とができる。 〔変形例など〕以上、本発明を実施の形態１，２に基づ
いて説明したが、本発明の内容が、上述の実施の形態に
限定されないのは勿論であり、以下のような変形例が考
えられる。

【００３４】（Ａ）上記実施の形態では、セパレータ本
体において、エッジシール部がアノード端挟持部及びカ
ソード端挟持部よりもアノード及びカソードの厚み相当
分だけ高く形成されている例を示したが、エッジシール
部をアノード端挟持部及びカソード端挟持部と同等の高
さに形成して、その代わり、エッジシール部と電解質マ
トリックスとの間にアノード及びカソードの厚みに相当
するシム材を介在させてもよい。このシム材の材料とし
ては、電池運転温度での耐熱性，弾力性及び耐酸性を備
えたものが好ましく、その具体例としては、導電性部材
の材料として挙げた膨張性黒鉛を挙げることができる。

【００３５】（Ｂ）上記実施の形態においては、導電部
材がアノード及びカソードに圧接されて電気的に接続さ
れている例を示したが、導電部材とアノード及びカソー
ドとの間に集電板を介在させても同様に実施することが
できる。 （Ｃ）上記実施の形態においては、セパレータ本体の表
面にガスチャネルが刻まれている例を示したが、セパレ
ータ本体にはガスチャネルを形成しないで、ガスチャネ
ルが形成された基板をセパレータ本体の両面に配し、こ
れを単電池と交互に積層させることによって燃料電池を
構成することもできる。

【００３６】ここで、セパレータ本体の両面に配する両
基板が導電性である場合（例えば多孔質カーボンにリン
酸が含浸された素材からなる基板の場合）には、セパレ
ータ本体に貫設する導電部材をこの両基板の間に介在さ
せて当該両基板を電気的に接続すれば、隣接する単電池
の電気的な接続もなされることになる。 （Ｄ）上記実施の形態においては、リン酸型の燃料電池
の例を示したが、固体高分子型，アルカリ型燃料電池等
の燃料電池においても同様に実施することができる。

【００３７】（Ｅ）上記実施の形態においては、外部マ
ニホールドが設けられた燃料電池の例を示したが、セパ
レータ本体の外周部に内部マニホールドを設けた燃料電
池の場合においても同様に実施することができる。ま
た、セパレータ本体にセラミックのような耐熱性の優れ
た材料を用いれば、固体電解質型燃料電池や溶融炭酸型
のように高温で運転するタイプの燃料電池にも適用する
ことができる。

【００３８】

【発明の効果】以上述べてきたように、本発明によれ
ば、燃料電池におけるセパレータを、平板状のセパレー
タ本体と、セパレータ本体に貫設され、セパレータ本体
の一方の表面に露出する第一の集電面及びセパレータ本
体の他方の表面に露出する第二の集電面を有し、第一の
集電面側に存する単電池のアノード及び第二の集電面側
に存する単電池のカソードを電気的に接続する導電部材
とで構成することにより、セパレータ本体に導電性の材
料を用いなくても、セパレータに隣接する単電池を導通
する機能は確保され、セパレータ本体の材料としてプラ
スチック，セラミックをはじめとする様々な材料を用い
ることができる。

【００３９】特に、セパレータ本体を、燃料電池の運転
温度における耐熱性を有する樹脂で構成すれば、射出成
形等の方法を用いてセパレータ本体を容易に量産するこ
とが可能となりコストの低下もできる。また、本発明は
小面積の単電池を用いた小型の燃料電池に対して適用が
容易で利用価値が高い。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施の形態１にかかるリン酸型燃料電池の主要
部分の構成を示す組立図である。

【図２】図１の導電部材２０の外観を示す斜視図であ
る。

【図３】図１に示す燃料電池１のＸ−Ｘ線断面図であ
る。

【図４】実施の形態２に用いる導電部材４０の外観斜視
図である。

【図５】図４の要部の分解斜視図である。

【図６】実施の形態２のセパレータ本体に２つの導電部
材が填め込まれている状態を示す平面図である。

【符号の説明】

１ 燃料電池 ２ 電解質マトリックス ３ アノード ４ カソード ５ 単電池 ６ セパレータ板 １０ セパレータ本体 １１，１５ ガスチャネル １２，１６ リブ １３ カソード端挟持部 １４，１８ エッジシール部 １７ アノード端挟持部 ２０ 導電部材 ２１ 軸部 ２２ 平板部 ２３ 先端部 ２４ Ｏリング ４０ 導電部材 ４３，４６ 平板部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中藤 邦弘 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三 洋電機株式会社内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電解質層を介してアノードとカソードが
   配された単電池とセパレータとが交互に積層された電池
   スタックからなる燃料電池において、 前記セパレータの少なくとも一つは、 平板状のセパレータ本体と、 前記セパレータ本体に貫設され、当該セパレータ本体の
   一方の表面に露出する第一の集電面及び当該セパレータ
   本体の他方の表面に露出する第二の集電面を有し、第一
   の集電面側に存する単電池のアノード及び第二の集電面
   側に存する単電池のカソードを電気的に接続する導電部
   材とから構成されていることを特徴とする燃料電池。
2. 【請求項２】 前記導電部材は、 前記セパレータ本体におけるガスチャネルが形成された
   領域より外側の領域に貫設されていることを特徴とする
   請求項１記載の燃料電池。
3. 【請求項３】 前記セパレータ本体の表面には、 アノードの端部を挟持するアノード端挟持部及びカソー
   ドの端部を挟持するカソード端挟持部が形成されてお
   り、 前記導電部材の第一の集電面はアノード端挟持部に露出
   し、第二の集電面はカソード端挟持部に露出しているこ
   とを特徴とする請求項２記載の燃料電池。
4. 【請求項４】 前記導電部材は、 セパレータ本体を貫通する軸芯部と、前記アノード端挟
   持部の表面に配された平面状の第一の集電部と、前記カ
   ソード端挟持部の表面に配された平面状の第二の集電部
   とからなることを特徴とする請求項３記載の燃料電池。
5. 【請求項５】 前記セパレータ本体は、 燃料電池の運転温度における耐熱性を有する樹脂からな
   ることを特徴とする請求項１〜４記載の燃料電池。
6. 【請求項６】 前記導電部材は、 黒鉛化炭素及び銅から選択されるものからなることを特
   徴とする請求項１〜４記載の燃料電池。