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WO2000039872A1 - Fuel cell, fuel cell separator, and method of manufacture of separator - Google Patents

Fuel cell, fuel cell separator, and method of manufacture of separator Download PDF

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WO2000039872A1
WO2000039872A1 PCT/JP1999/007104 JP9907104W WO0039872A1 WO 2000039872 A1 WO2000039872 A1 WO 2000039872A1 JP 9907104 W JP9907104 W JP 9907104W WO 0039872 A1 WO0039872 A1 WO 0039872A1
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WO
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fuel cell
separator
flat plate
manufacturing
electrodes
Prior art date
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PCT/JP1999/007104
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English (en)
French (fr)
Inventor
Keiji Hashimoto
Masanao Shiomi
Hirotaka Fukatsu
Kousuke Kawajiri
Seiken Hashimoto
Hiroyuki Morita
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Araco Co Ltd
Original Assignee
Araco Co Ltd
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Publication date
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Priority to EP99959881A priority patent/EP1061598A4/en
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Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell using a fuel gas and an oxidizing gas as a reaction gas
  • the present invention relates to a separator constituting a fuel cell and a method for producing the separator.
  • BACKGROUND ART A fuel cell using a fuel gas and an oxidizing gas as a reaction gas is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. H08-50742 and Japanese Patent Application Laid-Open No. H11-112662.
  • an electrolyte membrane As described above, an electrolyte membrane, a pair of electrodes located in contact with each side of the electrolyte membrane, and a second chamber located in contact with the side of one electrode and forming a reaction chamber to which fuel gas is supplied. And a second separator which is located in contact with the side surface of the other electrode and forms a reaction chamber to which the oxidizing gas is supplied.
  • One or a plurality of the battery functional units are arranged in parallel, and a current collector is arranged in contact with one outermost first separator and the other outermost second separator. It is constituted by doing.
  • FIG. 1 shows a typical conventional fuel cell of this type.
  • the fuel cell 10 includes a plurality of battery function units 10a arranged in parallel. All the battery function units 10a are electrically conductive current collector plates 1 arranged on both left and right sides. 1, and are clamped by a plurality of mounting bolts (not shown) while being held between the insulating support plates 12.
  • the battery function section 10a is composed of, for example, two solid sheets with electrodes 13a and 13b attached to both sides. It consists of an electrolyte membrane 14 and three separators 15, and each separator 15 is arranged with each solid electrolyte membrane 14 sandwiched between them alternately. The separators 15 are joined to each other via an epoxy adhesive, and the separators 15 are in an insulated state.
  • the separator 15 is formed of a conductive material such as metal or carbon. However, the separator 15 is made of carbon so as to sufficiently withstand the redox atmosphere generated by the chemical reaction of the reaction gas. In general, one unit is adopted. Further, the separator 15 forms reaction chambers R 1 and R 2 for the reaction gas to chemically react in the battery function section 10 a, and is generated at the electrodes 13 a and 13 b. It functions to derive electric power, and abuts on the flat plate portion 15a forming the reaction chambers Rl, R2 and the electrodes 13a, 13b, and reacts in the reaction chambers Rl, R2. It has a configuration that does not impede the flow of gas, for example, a large number of projections 15b having a columnar or polygonal columnar shape.
  • a carbon block having a predetermined thickness and a predetermined size is used as a material, and a large number of the blocks are cut by cutting one or both sides of the block.
  • Means to cut out the projections 15b are used, but the carbon block is expensive and the cutting work to cut out many projections 15b is troublesome and time-consuming. Is an extremely expensive component with a cost of several tens of thousands of yen per sheet. For this reason, the fuel cell 10 including the separator 15 as a constituent member becomes expensive, and this price is a factor that hinders the sufficient spread of the fuel cell 10.
  • the battery functional unit 10 a is electrically connected to the fuel cell 10.
  • This electrical connection state is the same in a fuel cell in which a plurality of battery function units 10a are arranged in parallel.
  • the first object of the present invention is to significantly reduce the cost of the separator constituting this type of fuel cell and to reduce the cost as compared with the conventional fuel cell of this type. It is to provide a fuel cell which is relatively inexpensive.
  • a second object of the present invention is to make it possible to obtain power of different voltages from a low voltage to a high voltage in a fuel cell of this type.
  • TECHNICAL FIELD The present invention relates to a fuel cell using a fuel gas and an oxidizing gas as reaction gases, a separator constituting the fuel cell, and a method for manufacturing the separator.
  • the separator according to the present invention includes a flat plate portion forming a reaction chamber of the fuel cell, and a plurality of protrusions projecting from the flat plate portion and contacting the electrodes of the fuel cell.
  • the flat plate portion is made of a different material different from the flat plate portion.
  • the protruding portion is formed of carbon; the flat plate portion is insulative; the flat plate portion is formed of synthetic resin; and the flat plate portion is conductive. And the flat plate portion is formed of a synthetic resin containing carbon.
  • the separator having such a configuration is formed by a projection formed of carbon powder or the like and a flat plate formed of synthetic resin or the like. Therefore, there is no need to use expensive carbon blocks, and it is not necessary to employ a complicated and time-consuming cutting process as a forming means. Therefore, the cost of the separator can be significantly reduced as compared with the conventional separator formed by cutting a carbon block. Further, in the fuel cell, by employing the separator, the cost can be significantly reduced as compared with the conventional fuel cell.
  • a fuel cell according to the present invention is a fuel cell comprising the fuel cell separator according to the present invention as a constituent member, wherein the fuel cell contacts an electrolyte membrane and each side surface of the electrolyte membrane.
  • a pair of electrodes, a first separator that is in contact with a side surface of one of the electrodes and forms a reaction chamber to which a fuel gas is supplied, and a side surface of the other of the electrodes One or a plurality of battery components having a second separator which is located in contact with the substrate and forms a reaction chamber to which the oxidizing gas is supplied are arranged in parallel, and one of the outermost first separators and And a collector plate disposed in contact with the other outermost second separator, wherein the separator for a fuel cell according to the present invention is used as each separator. It is characterized by adoption.
  • the fuel cell according to the present invention includes the inexpensive separator according to the present invention as a constituent member, the cost is significantly reduced as compared with the conventional fuel cell.
  • the electrode and the current collecting plate may be formed into a single flat plate, and may be divided into a plurality in the longitudinal direction and the Z or width direction. Configuration.
  • the current collector plates may be divided into a plurality of portions to be in a non-contact state with each other, Furthermore, it is possible to adopt a configuration in which each of the electrodes is divided into a plurality of pieces in the longitudinal direction and the Z direction or the width direction of the electrolyte membrane so as to be in a non-contact state with each other corresponding to each current collector plate.
  • each of the battery function units is electrically connected inside and outside the fuel cell as appropriate. Once connected, a single fuel cell can obtain power at different voltages from low to high.
  • the method for producing a fuel cell separator according to the present invention is a method for producing a separator whose projections are made of carbon and whose flat plate portion is made of synthetic resin.
  • the first production method is that a carbon powder is press-molded to form the projections.
  • the second manufacturing method according to the present invention uses carbon powder containing a binder as a material for forming the protrusion, and the carbon powder containing the binder is hot-pressed to form the protrusion.
  • a first step a second step of applying a sealing adhesive to a flat plate made of synthetic resin, and a third step of fitting the projection into a fitting hole of the flat plate and fixing the same. It is characterized by having.
  • a means may be employed in which the protrusion is heated by energization to melt a binder contained in the protrusion, and then cooled to cure the protrusion. .
  • a third manufacturing method uses a carbon powder containing a binder as a material for forming the projection, and press-molds the carbon powder containing the binder to form the projection.
  • Step 1 a second step of fitting the projection into the fitting hole of the synthetic resin flat plate, and heating the projection by energizing to melt the binder mixed in the projection, And a third step of hardening the projections and fixing the projections to the flat plate by post-cooling.
  • a fourth manufacturing method includes a first step of press-molding carbon powder to form the projections, and corresponds to each projection of the injection type cavity having a separator-shaped cavity.
  • a carbon powder containing a binder is employed as a material for forming the protrusion, and the carbon powder is subjected to hot press molding to form the protrusion. Means can also be adopted.
  • the fifth manufacturing method uses a carbon powder containing a binder as a material for forming the protrusion, and includes a lower mold having a plurality of recesses in the shape of protrusions opening upward. Carbon containing binder in each recess A first step of filling the powder, setting a synthetic resin flat plate having a plurality of through holes facing each of the concave portions of the lower die on the upper surface side of the lower die, and facing each of the concave portions of the lower die; A second step of setting an upper die having a plurality of concave portions opening downward on the upper surface side of the flat plate, and pressing the respective concave portions by pressing means provided at the bottom of each concave portion of the lower die.
  • the carbon powder filled into the flat plate is pressed toward the upper mold to form a projection passing through each through hole of the flat plate, and the projection is heated by energization to form the projection.
  • the method is characterized in that the method further comprises a third step of melting the binder to be contained and then cooling the same to harden the projection and fix the projection to the flat plate.
  • FIG. 1 is a partially omitted cross-sectional view of a conventional fuel cell.
  • FIG. 2 is a perspective view of a fuel cell according to an example of the present invention.
  • FIG. 3 is a partially omitted cross-sectional view of the same fuel cell, taken along the line XX of FIG.
  • FIG. 4 is a perspective view of a separator according to an example of the present invention that constitutes the fuel cell and left and right support frames that support the separator.
  • FIG. 5 is a perspective view of a fuel cell according to another example of the present invention.
  • FIG. 6 is a partially omitted cross-sectional view of the same fuel cell taken along the line YY in FIG.
  • FIG. 7 is a perspective view showing a separator, an electrolyte membrane, an electrode, and a support frame according to an example of the present invention, which constitute the fuel cell.
  • FIG. 8 is an explanatory diagram showing a manufacturing process of a method for manufacturing a separator according to an example of the present invention.
  • FIG. 9 is a schematic explanatory view showing one forming means for forming the projection constituting the separator according to the present invention.
  • FIG. 10 is a schematic explanatory view showing one fitting means for fitting the projection constituting the separator according to the present invention to the flat plate portion.
  • FIG. 11 is a schematic explanatory view showing one forming means for integrally forming a flat plate portion constituting the separator according to the present invention with a projection.
  • FIG. 12 is a schematic explanatory view showing one forming means for integrally forming a projection on a flat plate portion constituting the separator according to the present invention. The best real embodiment of the invention
  • the fuel cell is a fuel cell using hydrogen as a fuel gas and air as an oxidant gas, and includes the separator according to the present invention as a constituent member.
  • the fuel cell 2 0 A is a shall such arranged in parallel a plurality of battery function unit 2 0 a, a plurality of battery function unit 2 0 a a plurality parallel state, is a conductor such as stainless steel It is assembled by tightening with a plurality of mounting bolts 23 via a pair of left and right current collectors 21a and 21b and a pair of left and right support plates 22 which are insulators of synthetic resin such as polypropylene. I have.
  • the battery function part 20a is composed of a solid electrolyte membrane 24, a pair of electrodes 25a and 25b adhered to the left and right sides of the solid electrolyte membrane 24, a separator 26, a solid electrolyte membrane 24 and It is equipped with a support frame 27 that sandwiches separators 26 alternately.
  • the solid electrolyte membrane 24 is a thin film made of ion exchange resin such as Nafion (trade name of DuPont) or the like, and the electrodes 25a and 25b carry a platinum-based catalyst.
  • the support frame 27 is an insulator made of a synthetic resin such as polypropylene.
  • the separator 26 includes a flat plate portion 26a and a number of protrusions 26b.
  • the flat plate portion 26a is an insulating plate made of a synthetic resin such as polypropylene.
  • b is a conductive columnar body obtained by press-molding carbon powder. Each protruding portion 26 b is fitted in a number of fitting holes provided in the flat plate portion 26 a, and protrudes from the front and back surfaces of the flat plate portion 26 a by the same length. Sticked to a.
  • the separator 26 has a fuel gas inlet hole 26 c1 forming a fuel gas supply flow path P 1 at an upper and lower portion in FIG. 4 on the outer edge side of the flat plate portion 26 a, and a fuel gas A fuel gas discharge hole 26c2 forming a discharge flow path P2 is provided, and oxidizing gas inflow holes 26dl, which form an oxidizing gas supply flow path P3, are provided at left and right portions in the drawing of FIG. Also, an oxidizing gas discharge hole 26 d2 is formed to form an oxidizing gas discharge flow path P4, and a cooling water supply flow path P5 is formed at the upper, lower, left and right corners in the drawing. A cooling water inflow hole 26 e 1 and a cooling water discharge hole 26 e 2 forming a cooling water discharge passage P 6 are provided.
  • the support frame 27 is a flat plate having a large square opening 27a at the center, and has a fuel gas inflow hole 26c1 and a fuel gas Oxidation facing the fuel gas inlet 2 7 b 1 and the fuel gas outlet 2 7 b 2, the oxidizing gas inlet 26 d 1 and the oxidizing gas outlet 26 d 2 facing the outlet 26 c 2 Coolant inlet 2 7 c 1 and oxidizer gas outlet 27 c 2, cooling water inlet 26 e 1 and cooling water inlet 27 e 2 facing cooling water outlet 26 e 2 It has a water drain hole 27 d2.
  • the fuel gas inlet hole 27 b 1 and the fuel gas outlet hole 27 b 2 are integrated with the fuel gas inlet hole 26 c 1 and the fuel gas outlet hole 26 c 2 to form the fuel gas supply channels P 1 and The discharge channel P2 is formed.
  • the oxidizing gas inlet 27c1 and the oxidizing gas outlet 27c2 are connected to the oxidizing gas inlet 26d1 and the oxidizing gas outlet 26d2 to supply the oxidizing gas.
  • a flow path P3 and a discharge flow path P4 are formed.
  • the cooling water inlet 2 7 d 1 and the cooling water outlet 2 7 d 2 are combined with the cooling water inlet 26 e 1 and cooling water outlet 26 e 2 5 and the discharge channel P 6 are formed.
  • the battery function part 20a is composed of two solid electrolyte membranes 24 to which the electrodes 25a and 25b are attached and three separators 26, and six support frames 27.
  • the fuel cell 20 A is provided with a battery function part 20 a having such a configuration, and both left and right support plates provided with current collector plates 21 a and 21 b, respectively. A plurality is provided between 2 and 2 in parallel.
  • the flat plate portion 26 a separates the two solid electrolyte membranes 24 in the middle separator 26, and the electrode portion 25 a side
  • a reaction chamber R 1 for supplying hydrogen as a fuel gas to the electrode is formed, and a reaction chamber R 2 for supplying air as an oxidizing gas to the electrode 25 b is formed.
  • a reaction chamber R1 is formed, which partitions between the solid electrolyte membrane 24 and the support plate 22 and supplies hydrogen as a fuel gas to the electrode 25a side.
  • a reaction chamber R2 is formed on the electrode 25b side to which air as an oxidizing gas is supplied, and between the two separators 26 located on the sides of the adjacent battery functional parts 20a.
  • a cooling chamber R3 to which cooling water is supplied is formed.
  • the projections 26b of the separator 26 are attached to the adjacent solid electrolyte membranes 24 through the openings 27a of the support frames 27.
  • the separators 26 at the left and right ends, one of the electrodes 25a, 25b and the current collectors 21a, 21b. Is in contact with one of the
  • the cooling water supply flow path P5 and the discharge channel P6 are sealed with a sealing plug 28, as shown in FIG.
  • the inlet of flow path P3 is connected to the air supply source side, and the inlet of cooling water supply flow path P5 is connected to the cooling water supply source side.
  • Each of the protrusions 26 b of the separator 26 in contact with 5 b is led out to the current collectors 21 a and 21 b, and taken out of the current collectors 21 a and 21 b.
  • the cooling water flows from the supply flow path P 3 to the discharge flow path P 4 through the respective cooling chambers R 3, and during this time, cools the respective battery functional units 20 a. I do.
  • each separator 26 constituting the fuel cell 20A has a flat plate portion 26a and a large number of protrusions 2 fitted to the flat plate portion 26a and penetrating from front to back.
  • the flat plate portion 26a is formed of a synthetic resin plate, and the protruding portion 26b is formed by press-molding carbon powder. For this reason, the separator 26 does not need to use expensive carbon blocks as a raw material in manufacturing, and as a means of manufacturing, it is a laborious and time-consuming cutting process for shaving a large number of projections. Does not require
  • the separator 26 requires an expensive carbon procurement as a raw material, and is extremely inexpensive as compared with a conventional separator of this type which requires laborious and time-consuming cutting. It is. Further, the fuel cell 20 is constituted by employing a large number of such inexpensive separators 26. In the case of A, the fuel cell can be provided at a very low price as compared with the conventional fuel cell 10 of this type.
  • the separator is a separator made of an insulating flat plate portion 26 a made of synthetic resin and a number of conductive protrusions 26 b made of carbon. 26, but it is also possible to use a separator made of synthetic resin containing carbon powder and made of conductive flat plate part 26a and carbon made of many conductive protrusions 26b. it can.
  • the separator is also inexpensive as compared with the conventional carbon separator, and a fuel cell including the separator as a constituent member can be provided at a low cost.
  • the fuel cell 20B is a fuel cell in which hydrogen is used as a fuel gas and air is used as an oxidant gas, similar to the fuel cell 20A of the first embodiment. It is a component.
  • the fuel cell 20B has a plurality of battery functional units 20b arranged in parallel, and is a conductor such as stainless steel in a state in which a plurality of battery functional units 20b are arranged in parallel.
  • the battery function part 2 Ob is composed of a solid electrolyte membrane 24 and four electrodes 25 a1 to 25 a 4 attached to the left side of the solid electrolyte membrane 24.
  • the current collectors 21 a 1 to 21 a 4 and 21 bl to 2 1 b 4 is made of the same material as the current collectors 21 a and 21 b constituting the fuel cell 20 A, and each current collector 21 a and 21 b is divided into four parts. is there. Further, the solid electrolyte membrane 24, the separator 26, and the support frame 27 constituting the battery function part 20b are the solid electrolyte constituting the battery function part 20a according to the first embodiment.
  • each electrode 25a and 25b is divided into four parts.
  • Each of the electrodes 25a1 to 25a4, 25b1 to 25b4 is a current collector 21a1 to 21a4, 21 when the fuel cell 20B is configured. It is in a positional relationship opposing b 1 to 2 1 b 4.
  • the configuration is the same as that of the fuel cell 20A.
  • the same components as those of the configuration of the fuel cell 2OA are denoted by the same reference numerals as those of the fuel cell 20A, and are detailed. Detailed description is omitted.
  • each electrode 26 a of the separator 26 forming the battery function part 2 O b is attached to the front and back of the solid electrolyte membrane 24 so that each protrusion 26 b 5 25 a4, 25 bl ⁇ 25 b4, and lay in the fuel cell 20 B, 4 sets of current collectors (21 a 1 and 21 b 1, 21 a 2 and 21b2, 21a3 and 21b3, 21a4 and 21b4) constitute four independent cells corresponding to each other. Therefore, in the fuel cell 20 B, electricity can be taken out for each of the four sets of current collectors, and by appropriately making electrical connections between the current collectors of each set, electric power having different voltages can be obtained. Can be taken out arbitrarily-(1st production method of separator)
  • the separator 26 according to the present invention can be provided at a very low cost as compared with a conventional separator 15 of this type, but the separator 26 can be manufactured by the following manufacturing methods. it can.
  • the first manufacturing method for manufacturing the separator 26 is as shown in FIG.
  • a carbon powder having a particle diameter of 100 nm or less is used as a molding material for the projections 26 b, and the carbon powder is produced at a temperature of 500 kgf / cm 2 to 500 000 at room temperature. and pressed at high pressure in the range of kgf Z cm 2 for molding the butt raised portion 2 6 b.
  • the protrusion 26 b is formed, for example, to have a diameter of 2 mm and a length of 3 mm.
  • the flat plate portion 26a is formed in advance by injection molding, so that each inflow hole 26 is formed. 1-2 6 6 1, each outflow hole 26. It is provided with a large number of fitting holes for fitting 2 to 2662 and the projections 26b, and is made of synthetic resin such as polypropylene.
  • the flat plate portion 26a is insulative and is formed, for example, in a square shape having a thickness of 1 mm and a length and width of 150 mm.
  • a number of fitting holes for fitting the projections 26 b may be formed at the same time as the flat plate 26 a is formed, or may be formed by drilling or the like in the flat plate 26 a after forming. May be.
  • the flat plate portion 26a can be formed using a synthetic resin containing carbon powder as a material. In this case, the flat plate portion 26a becomes conductive.
  • the sealing adhesive has a function of airtightly fixing each protrusion 26b to the fitting hole of the flat plate 26a, and is applied to both front and back surfaces of the flat plate 26a, preferably, It is also applied to the inner peripheral surface of each fitting hole.
  • the sealing adhesive for example, a vinyl acetate-based or polyester-based synthetic resin adhesive is used.
  • the projections 26b are fitted into a large number of the fitting holes of the flat plate portion 26a to which the sealing adhesive is applied, and the sealing adhesive is hardened in this fitted state, and each projection portion is hardened. 26b is airtightly fitted into the fitting hole of the flat plate portion 26a.
  • a second manufacturing method for manufacturing the separator 26 is a method in which carbon powder containing a binder is used as a molding material for the projections 26 b.
  • the first manufacturing method is similar to the first manufacturing method. Although it is fundamental, in the first step, the step of press-forming the projections 26b, the protrusions 26b are formed by press-forming at room temperature and medium pressure, and the binder in the carbon powder in the pressing process is formed. Is heated and melted. As shown in Fig. 9, the heating and melting means includes a die 31 filled with a binder-containing carbon powder and a punch 32 pressed with the binder-containing carbon powder filled in the die 31. A means for applying a current is adopted.
  • a phenol-based hot-melt binder is adopted as the binder, and carbon powder obtained by uniformly mixing the binder with 10 wt% to 20 wt% is mixed with 50 wt% at room temperature.
  • kgf Z cm 2 ⁇ 5 0 0 kgf Z cm is formed by press-forming at a pressure within the second range.
  • a current of 20 A to 50 A is applied between the die 31 and the bonder 32 at a voltage of, for example, 12 V for about 1 second to melt the binder in the carbon powder instantaneously. Is stopped, and is cooled and cured.
  • the projections 26b having the same strength and hardness can be molded with a molding pressure lower than the molding pressure of the projections 26b in the first production method.
  • a third manufacturing method for manufacturing the separator 26 is a method in which carbon powder containing a binder is used as a molding material for the projections 26 b.
  • the projections 26 b are used.
  • the method includes a third step of heating each of the protrusions 26 b fitted into the protrusions and heating and melting the binder in the protrusions 26 b.
  • a binder for example, employs a hot-melt binder of Fuyunoru system, in a first step, in the 5 0 kgf Z cm 2 ⁇ 5 0 0 kgf Zc m 2 range at room temperature It is formed by press molding with pressure.
  • the flat plate portion 26 a with the protruding portion 26 b fitted is arranged between the pair of electrodes 33 a and 33 b, For example, a current of 5 A to 20 A is applied at a voltage of 12 V per protrusion 26 b for about 1 second, and the binder in the protrusion 26 b is instantaneously melted. The application of electric current is stopped, and cooling and curing are performed.
  • the projections 26 b having the same strength and hardness as the projections 26 b in the first manufacturing method can be formed without using a sealing adhesive.
  • a separator 26 having a high fitting strength between the projection 26 b and the flat plate 26 a can be manufactured.
  • a fourth manufacturing method for manufacturing the separator 26 is a method in which a binder-free carbon powder is used as a molding material for the projections 26 b.
  • a third step of injecting the molten synthetic resin into the cavity is a method in which a binder-free carbon powder is used as a molding material for the projections 26 b.
  • the projection 26b is formed by press-molding in a first step at room temperature under a high pressure in the range of 500 kgf Zcm 2 to 500 kgf / cm 2 .
  • the formed projections 26 b are fitted into the respective recesses 3 4 a 1 of the lower mold 34 a of the injection mold 34, as shown in FIG. 11.
  • the upper mold 34b is set on 4a, and each projection 26b is fitted into the recess 34b1 of the upper mold 34b.
  • the suction mold 34 is clamped in this state.
  • the injection molding machine 35 A thermoplastic synthetic resin is injected in a molten state into the cavity 34 c of the injection mold 34.
  • the flat plate portion 26a when the flat plate portion 26a is molded, it can be integrated with the respective protrusion portions 26b penetrating therethrough. There is no need to employ it, and there is no need to form a large number of fitting holes in the flat plate portion 26a in the manufacturing process, and further, it is not necessary to use a sealing adhesive.
  • a binder-free carbon powder is used as the molding material for the projections 26b.
  • the molding material for the projections 26b is used.
  • a carbon powder containing a binder can be used.
  • hot press molding in which the carbon powder containing the binder is performed by the second production method is employed.
  • a fifth manufacturing method for manufacturing the separator 26 is a method in which a carbon powder containing a binder is used as a molding material for the projection 26 b.
  • a first step of filling each recess of the lower mold having a plurality of concave portions with a carbon powder containing a panda, a flat plate portion made of a synthetic resin flat plate having a plurality of through holes opposed to the respective recesses of the lower mold 2 6a is set on the upper surface side of the lower die, and the upper die having a plurality of concave portions opening downward facing each concave portion of the lower die is set on the upper surface side of the flat plate portion 26a.
  • FIG. 12 shows a third step in the manufacturing method.
  • the protrusion 26 b is formed integrally with the flat plate 26 a using the mold 35.
  • the molding die 35 includes a lower die 35a, an upper die 35b, and a pressing bistone 35c disposed at the bottom of each recess 35a1 of the lower die 35a.
  • a potter powder containing a panda is filled into each concave portion 35a1 of the lower die 35a
  • a flat plate is placed on the upper surface side of the lower die 35a.
  • a flat plate portion 26a made of a synthetic resin having a plurality of through holes 26a1 facing the concave portions 35a1 of the lower die 35a is adopted.
  • the pressing piston 35c is actuated to move the carbon powder containing the panda filled in each recess 35a1 of the lower mold 35a upward.
  • the carbon powder is press-molded in the recesses 35a1, 35b to form projections 26b passing through the through holes 26a1 of the flat plate 26a.
  • the press molding is performed, for example, at room temperature under a medium pressure in a range of 50 kgf Zcm 2 to 500 kgf Zcm 2 .
  • a current of 20 A to 50 A is applied between the lower mold 35 a and the upper mold 35 b at a voltage of, for example, 12 V per one protrusion 26 b for about 1 second. Then, the binder in the protruding portion 26 b is instantaneously melted, and then, the application of the electric current is stopped, and the resin is cooled and hardened.
  • the manufacturing method there is no need to perform an operation of fitting a large number of the formed projections 26 b into the fitting holes 26 a 1 of the flat plate 26 a, and the projections in the first manufacturing method are not required.
  • the projection 26b having the same strength and hardness as the projection 26b in the first manufacturing method can be formed with a molding pressure lower than the molding pressure of the portion 26b.

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Description

明 細 書 燃料電池、 同燃料電池を構成する燃料電池用 セパレ一タ、 および同セパレ一タの製造方法 技 術 分 野 本発明は、 燃料ガスおよび酸化剤ガスを反応ガスとする燃料電池、 同 燃料電池を構成するセパレ一タ、 および、 同セパレータを製造する方法 に関する。 背 景 技 術 燃料ガスおよび酸化剤ガスを反応ガスとする燃料電池は、 例えば、 特 表平 8 — 5 0 7 4 0 2号公報および特開平 1 1 一 1 2 6 6 2 1号公報に 示されているよ うに、 電解質膜と、 電解質膜の各側面に接触して位置す る一対の電極と、 一方の電極の側面に接触して位置し燃料ガスが供給さ れる反応室を形成する第 1 のセパレ一タと、 他方の電極の側面に接触し て位置し酸化剤ガスが供給される反応室を形成する第 2のセバレータと を最少の構成部材とする電池機能部を備えていて、 当該電池機能部を 1 または複数並列して配置し、 かつ、 一方の最外側の第 1 のセパレ一タぉ よび他方の最外側の第 2のセパレ一タに接触して集電板をそれぞれ配置 することにより構成されている。
図 1 は、 この種形式の従来の典型的な燃料電池を示している。 当該燃 料電池 1 0は、 電池機能部 1 0 a を複数並列して配置してなるもので、 全ての電池機能部 1 0 a を、 その左右の両側に配置した導電性の集電板 1 1 、 および絶縁性の支持板 1 2にて挟持した状態で、 図示しない複数 の取付ボルトによ り締め付けられて組立てられている。 電池機能部 1 0 aは、 例えば、 表裏両面に電極 1 3 a 、 1 3 bを貼着された 2枚の固体 電解質膜 1 4 と、 3枚のセパレータ 1 5 とからなるもので、 各セパレー タ 1 5は各固体電解質膜 1 4を交互に挟持した状態で配置されている。 なお、 各セパレータ 1 5はエポキシ系の接着剤を介して互いに接合され ていて、 各セパレータ 1 5間は絶縁状態になっている。
当該燃料電池 1 0において、 セパレータ 1 5は金属やカーボン等の導 電性の材料で形成されるが、 反応ガスの化学反応により生成する酸化還 元雰囲気に十分に耐えるように、 カーボン製のセパレ一タが採用される の一般である。 また、 セパレータ 1 5は、 電池機能部 1 0 a内において、 反応ガスが化学反応するための反応室 R l， R 2を形成し、 かつ、 各電極 1 3 a , 1 3 bにて発生する電力を導出すべく機能するもので、 反応室 R l , R 2を形成する平板部 1 5 a と、 各電極 1 3 a ， 1 3 bに当接する とともに反応室 R l， R 2での反応ガスの流通の妨げとはならない形状、 例えば円柱状、 多角柱状の多数の突起部 1 5 bを備えた構成になってい る。
ところで、 このようなセパレータ 1 5を形成するには、 材料と して所 定の厚みの所定の大きさのカーボン製ブロックを採用して、 このブロッ クのー側または両側を切削して多数の突起部 1 5 bを削り出す手段が採 られるが、 カーボン製ブロックが高価であること、 および、 多数の突起 部 1 5 bを削り出す切削加工が面倒で時間を要することから、 セパレー タ 1 5はコス トが 1枚当たり数万円という極めて高価な部品となる。 こ のため、 セパレータ 1 5を構成部材とする燃料電池 1 0は高価になり、 この価格が燃料電池 1 0の十分な普及を妨げる要因になっている。
また、 当該燃料電池 1 0においては、 セパレータ 1 5はその全体が導 電性であることから、 電池機能部 1 0 aは電気的には一体の接続状態に あって、 燃料電池 1 0 と しては単一の電圧の電力しか得られないという 不都合がある。 この電気的接続状態は、 電池機能部 1 0 a を複数並列し て配置してなる燃料電池においても同様である。
従って、 本発明の目的の第 1 は、 この種形式の燃料電池を構成するセ パレータのコス トを大幅に低減して、 従来のこの種形式の燃料電池に比 較して廉価な燃料電池を提供することにある。 また、 本発明の目的の第 2は、 当該形式の燃料電池において、 低電圧から高電圧まで異なる電圧 の電力を得ることができょうにすることにある。 発 明 の 開 示 本発明は、 燃料ガスと酸化剤ガスを反応ガスとする形式の燃料電池、 同燃料電池を構成するセパレータ、 および、 同セパレータの製造方法に 関する。
しかして、 本発明に係るセパレータは、 燃料電池の反応室を形成する 平板部と、 同平板部から突出して当該燃料電池の電極に接触する複数の 突起部とからなり、 同突起部は導電性であって前記平板部とは別体の異 種材料で形成されていることを特徴とするものである。
本発明に係るセパレ一タにおいては、 前記突起部をカーボンにて形成 すること、 前記平板部を絶縁性とすること、 同記平板部を合成樹脂にて 形成すること、 前記平板部を導電性とすること、 前記平板部をカーボン を含有する合成樹脂にて形成すること、 等の構成を採用することができ る。
このような構成のセパレ一タは、 カーボン粉末等で成形される突起部 と、 合成樹脂等で成形される平板部とにより形成されるものであり、 当 該セパレータの形成には、 形成材料と して高価なカーボン製プロ ックを 採用する必要がなく、 かつ、 形成する手段と して面倒で時間を要する切 削加工を採用する必要がない。 このため、 当該セパレータにおいては、 カーボン製ブロックを切削加工して形成される従来のセパレータに比較 して、 コス トを大幅に低減することができる。 また、 燃料電池において は、 当該セパレータを採用することにより、 従来の燃料電池に比較して、 コス トを大幅に低減することができる。
本発明に係る燃料電池は、 本発明に係る燃料電池用セパレータを構成 部材とする燃料電池であって、 電解質膜と、 同電解質膜の各側面に接触 して位置する一対の電極と、 これら各電極の一方の電極の側面に接触し て位置し燃料ガスが供給される反応室を形成する第 1 のセパレータと、 これら各電極の他方の電極の側面に接触して位置し酸化剤ガスが供給さ れる反応室を形成する第 2のセパレータを有する電池構成部を 1または 複数並列して配置し、 かつ、 一方の最外側の前記第 1 のセパレータおよ び他方の最外側の前記第 2のセパレータに接触して集電板をそれぞれ配 置してなる燃料電池であり、 前記各セパレ一タと して、 本発明に係る燃 料電池用セパレータを採用していることを特徴とするものである。
このよ う に、 本発明に係る燃料電池は、 本発明に係る廉価なセパレー タを構成部材と していることから、 従来の燃料電池に比較してコス トが 大幅に低減される。
本発明に係る燃料電池においては、 前記電極および集電板を 1枚の平 板状に形成する構成とすることができるとともに、 長手方向および Zま たは幅方向に複数に分割した状態に形成する構成とすることができる。 本発明に係る燃料電池において、 セパレータと して平板部が絶縁性の セパレータを採用する場合には、 前記各集電板を複数に分割して互いに 非接触状態にする構成とすることができ、 さらには、 各集電板に対応し て、 前記各電極を前記電解質膜の長手方向および Zまたは幅方向に複数 に分割して互いに非接触状態にする構成とすることができる。
かかる構成の燃料電池においては、 その内部に、 電気的に非接続状態 の電池機能部 （単電池） が複数形成されているため、 各電池機能部を当 該燃料電池の内外において電気的に適宜接続すれば、 1台の燃料電池で 低電圧から高電圧まで異なる電圧の電力を得ることができる。
本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法は、 突起部がカーボン で平板部が合成樹脂のセパレータを製造するもので、 その第 1の製造方 法は、 カーボン粉末をプレス成形して前記突起部を形成する第 1 の工程、 合成樹脂製の平板にシール性接着剤を塗布する第 2の工程、 および、 同 平板に設けた複数の嵌合孔に前記突起部を嵌合して固着する第 3の工程 を備えていることを特徴とするものである。 本発明に係る第 2の製造方法は、 突起部の形成材料と してバインダー を含有するカーボン粉末を使用するもので、 バインダーを含有するカー ボン粉末を熱プレス成形して前記突起部を形成する第 1の工程、 合成樹 脂製の平板にシール性接着剤を塗布する第 2の工程、 および、 同平板の 嵌合孔に前記突起部を嵌合して固着する第 3の工程を備えていることを 特徴とするものである。 当該製造方法では、 前記第 1の工程において、 前記突起部を通電により加熱して同突起部が含有するバインダーを溶融 し、 その後、 同突起部を冷却することにより硬化させる手段を採ること ができる。
本発明に係る第 3の製造方法は、 突起部の形成材料と してバインダー を含有するカーボン粉末を使用するもので、 バインダーを含有するカー ボン粉末をプレス成形して前記突起部を形成する第 1 の工程、 合成樹脂 製の平板の嵌合孔に前記突起部を嵌合する第 2の工程、 および、 前記突 起部を通電により加熱して同突起部に混入するバインダーを溶融し、 そ の後冷却することにより、 前記突起部を硬化させるとともに前記平板に 固着させる第 3の工程を備えていることを特徴とするものである。
本発明に係る第 4の製造方法は、 カーボン粉末をプレス成形して前記 突起部を形成する第 1の工程、 セパレ一タ形状のキヤビティを有するィ ンジェクシヨ ン型の同キヤビティの各突起部に対応する凹部に同突起部 を嵌合して型締めする第 2の工程、 および、 前記キヤビティ内に溶融状 態の合成樹脂をィンジヱクシヨ ンする第 3の工程を備えていることを特 徴とするものである。
当該製造方法においては、 前記第 1の工程において、 突起部の形成材 料と してバインダ一を含有するカーボン粉末を採用して、 同カーボン粉 末を熱プレス成形して前記突起部を形成する手段を採用することもでき る。
本発明に係る第 5の製造方法は、 突起部の形成材料と してバインダー を含有する力一ボン粉末を使用するもので、 上方に開口する突起部形状 の複数の凹部を有する下型の同各凹部にバインダ一を含有するカーボン 粉末を充填する第 1の工程、 前記下型の各凹部に対向する複数の貫通孔 を有する合成樹脂製の平板を前記下型の上面側にセッ トするとともに、 前記下型の各凹部に対向して下方に開口する複数の凹部を有する上型を 前記平板の上面側にセッ トする第 2の工程、 および、 前記下型の各凹部 の底部に配設された押圧手段にて同各凹部に充填されている前記カーボ ン粉末を前記上型側へ押圧して前記平板の各貫通孔を揷通する突起部を 成形するとともに、 同突起部を通電によ り加熱して同突起部が含有する バインダーを溶融し、 その後冷却することにより、 前記突起部を硬化さ せると とも前記平板に固着させる第 3 の工程を備えていることを特徴と するものである。
これらの各製造方法によれば、 突起部がカーボン製で、 平板部が合成 樹脂製の互いに異種材料からなるセパレ一タを廉価に製造することがで さる。 図 面 の 簡 単 な 説 明 図 1 は、 従来の燃料電池の一部省略断面図である。
図 2は、 本発明の一例に係る燃料電池の斜視図である。
図 3は、 同燃料電池における図 2の X— X線で切断した一部省略断面 図である。
図 4は、 同燃料電池を構成する本発明の一例に係るセパレータぉよび 同セパレータを支持する左右の支持枠の斜視図である。
図 5は、 本発明の他の一例に係る燃料電池の斜視図である。
図 6は、 同燃料電池における図 5の Y— Y線で切断した一部省略断面 図である。
図 7は、 同燃料電池を構成する本発明の一例に係るセパレータ、 電解 質膜、 電極、 および支持枠を示す斜視図である。
図 8は、 本発明の一例に係るセパレータのー製造方法の製造工程を示 す説明図である。 図 9は、 本発明に係るセパレータを構成する突起部を成形するための 一成形手段を示す概略説明図である。
図 1 0は、 本発明に係るセパレータを構成する突起部を平板部に嵌着 するための一嵌着手段を示す概略説明図である。
図 1 1は、 本発明に係るセパレータを構成する平板部を突起部と一体 に成形するための一成形手段を示す概略説明図である。
図 1 2は、 本発明に係るセパレータを構成する平板部に突起部を一体 に成形するための一成形手段を示す概略説明図である。 発 明 の 最 良 の 実 施 形 態
(燃料電池の第 1の実施形態）
図 2および図 3は、 本発明に係る燃料電池の第 1の実施形態を示して いる。 当該燃料電池は、 水素を燃料ガスと しかつ空気を酸化剤ガスとす る燃料電池であって、 本発明に係るセパレータを構成部材と している。 当該燃料電池は 2 0 Aは、 電池機能部 2 0 aを複数並列して配置してな るもので、 複数の電池機能部 2 0 aを複数並列した状態で、 ステンレス 等の導電体である左右一対の集電板 2 1 a， 2 1 b、 および、 ポリプロ ピレン等合成樹脂の絶縁体である左右一対の支持板 2 2を介して、 複数 本の取付ボルト 2 3により締め付けて組立てられている。
電池機能部 2 0 aは、 固体電解質膜 2 4、 固体電解質膜 2 4の左右両 面に貼着された一対の電極 2 5 a， 2 5 b、 セパレータ 2 6、 固体電解 質膜 2 4およびセパレ一タ 2 6を交互に挟持する支持枠 2 7を備えてい るもので、 表裏両面に電極 2 5 a， 2 5 bを貼着されている 2枚の固体 電解質膜 2 4、 3枚のセパレータ 2 6、 および 6枚の支持枠 2 7にて構 成されている。
当該電池機能部 2 0 aにおいて、 固体電解質膜 2 4はイオン交換樹脂 製の薄膜であるナフイオン （デュポン社製商品名） 等であり、 電極 2 5 a， 2 5 bは白金系触媒を坦持したカーボンクロスからなる多孔性の導 電体であり、 支持枠 2 7はポリプロピレン等の合成樹脂の絶縁体である。 また、 セパレ一タ 2 6は、 平板部 2 6 aおよび多数の突起部 2 6 b力 らなり、 平板部 2 6 aはポリプロピレン等合成樹脂の絶縁性の板であり、 かつ、 突起部 2 6 bはカーボン粉末をプレス成形した導電性の柱状体で ある。 各突起部 2 6 bは、 平板部 2 6 aに設けた多数の嵌合孔に嵌合さ れて、 平板部 2 6 a の表裏両面から同じ長さだけ突出した状態で、 平板 部 2 6 aに固着されている。
セパレータ 2 6は、 その平板部 2 6 aの外縁側における図 4の図示上 下の部位に、 燃料ガスの供給流路 P 1を形成する燃料ガス流入孔 2 6 c 1、 および、 燃料ガスの排出流路 P 2を形成する燃料ガス排出孔 2 6 c 2を備 え、 同図の図示左右の部位に、 酸化剤ガスの供給流路 P 3を形成する酸化 剤ガス流入孔 2 6 d l、 および、 酸化剤ガスの排出流路 P4を形成する酸 化剤ガス排出孔 2 6 d 2を備え、 かつ、 同図の図示上下の左右の隅部に、 冷却水の供給流路 P5を形成する冷却水流入孔 2 6 e 1、 および、 冷却水 の排出流路 P 6を形成する冷却水排出孔 26 e 2を備えている。
支持枠 2 7は、 中央部に正方形状の大きい開口部 2 7 aを有する平板 状のもので、 その外縁側には、 セパレ一タ 2 6が有する燃料ガス流入孔 2 6 c 1および燃料ガス排出孔 2 6 c 2に対向する燃料ガス流入孔 2 7 b 1および燃料ガス排出孔 2 7 b 2、 酸化剤ガス流入孔 2 6 d 1および酸化剤 ガス排出孔 2 6 d 2に対向する酸化剤ガス流入孔 2 7 c 1および酸化剤ガ ス排出孔 2 7 c 2、 冷却水流入孔 2 6 e 1および冷却水排出孔 26 e 2に対 向する冷却水流入孔 2 7 d 1および冷却水排出孔 2 7 d 2を備えている。 燃料ガス流入孔 2 7 b 1および燃料ガス排出孔 2 7 b 2は、 燃料ガス流 入孔 2 6 c 1および燃料ガス排出孔 2 6 c 2と一体に、 燃料ガスの供給流 路 P 1および排出流路 P 2を形成する。 酸化剤ガス流入孔 2 7 c 1および酸 化剤ガス排出孔 2 7 c 2は、 酸化剤ガス流入孔 2 6 d 1および酸化剤ガス 排出孔 2 6 d 2と一体に、 酸化剤ガスの供給流路 P3および排出流路 P4を 形成する。 冷却水流入孔 2 7 d 1および冷却水排出孔 2 7 d 2は、 冷却水 流入孔 2 6 e 1および冷却水排出孔 26e 2と一体に、 冷却水の供給流路 P 5および排出流路 P 6を形成する。
当該電池機能部 2 0 aは、 両電極 2 5 a , 2 5 bを貼着された 2枚の固 体電解質膜 2 4 と 3枚のセパレ一タ 2 6を、 6枚の支持枠 2 7にて交互 に挟持して構成されていて、 当該燃料電池 2 0 Aはかかる構成の電池機 能部 2 0 aを、 集電板 2 1 a， 2 1 bをそれぞれ備えた左右の両支持板 2 2間に複数並列的に備えている。
セパレ一タ 2 6のこの挟持状態において、 平板部 2 6 aは、 中間のセ パレータ 2 6にあっては、 2枚の固体電解質膜 2 4の間を区画して、 電 極 2 5 a側に燃料ガスである水素が供給される反応室 R 1を形成し、 かつ. 電極 2 5 b側に酸化剤ガスである空気が供給される反応室 R 2を形成して おり、 左右の各端部側のセパレータ 2 6にあっては、 固体電解質膜 2 4 と支持板 2 2の間を区画して、 電極 2 5 a側に燃料ガスである水素が供 給される反応室 R 1を形成し、 電極 2 5 b側に酸化剤ガスである空気が供 給される反応室 R 2を形成し、 かつ、 隣り合う両電池機能部 2 0 aの側部 に位置する両セパレータ 2 6の間に冷却水が供給される冷却室 R 3を形成 している。 また、 セパレータ 2 6の各突起部 2 6 bは、 中間のセパレー タ 2 6にあっては、 各支持枠 2 7の開口部 2 7 aを通して隣り合う両固 体電解質膜 2 4に貼着されている各電極 2 5 a， 2 5 bに当接し、 左右 の各端部のセパレータ 2 6にあっては、 電極 2 5 a， 2 5 bの一方と集 電板 2 1 a， 2 1 bの一方に当接している。
当該燃料電池 2 0 Aにおいては、 非使用時には、 燃料ガスの供給流路 P 1および排出流路 P 2、 酸化剤ガスの供給流路 P 3および排出流路 P 4、 冷却水の供給流路 P 5および排出流路 P 6は、 図 2に示すように、 密閉用 栓 2 8にて密閉されている。 使用に当たっては、 各密閉用栓 2 8を取外 して各流路 P 1〜 P 6を開放し、 燃料ガスの供給流路 P 1の流入口を水素供 給源側に、 酸化剤ガスの供給流路 P 3の流入口を空気供給源側に、 かつ、 冷却水の供給流路 P 5の流入口を冷却水供給源側にそれぞれ接続する。 こ の状態で、 燃料ガスである水素および酸化剤ガスである空気を各電池機 能部 2 0 aに供給することにより、 当該燃料電池 2 0 Aの使用を開始す る。
当該燃料電池 2 O Aでは、 水素、 空気および冷却水の供給により、 水 素は燃料ガスの供給流路 P 1を通って各電池機能部 2 0 aの各反応 R 1に 供給されるとともに燃料ガスの排出流路 P 2を通って排出され、 空気は酸 化剤ガスの供給流路 P 3を通って各電池機能部 2 0 a の各反応室 R 2に供 給されるとともに酸化剤ガスの排出流路 P 4を通って排出され、 冷却水は 冷却水の供給流路 P 5を通って各電池機能部 2 0 aの各冷却室 R 3に供給 されるとともに冷却水の排出流路 P 6を通って排出される。 この間、 反応 室 R 1に供給された水素と反応室 R 2に供給された空気は、 固体電解質膜 2 4を挟んで酸化還元反応を起こして電気を発生させる。 この酸化還元 反応は、 両電極 2 5 a ， 2 5 bに含まれている白金系触媒の作用で大き く助成される。 当該酸化還元反応で発生した電気は、 各電極 2 5 a， 2
5 bに当接しているセパレータ 2 6の各突起部 2 6 bから集電板 2 1 a， 2 1 bに導出され、 両集電板 2 1 a， 2 1 bから外部に取り出される。 なお、 当該燃料電池 2 0 Aの使用中には、 冷却水は供給流路 P 3から各 冷却室 R 3を経て排出流路 P 4へ流れ、 この間に、 各電池機能部 2 0 aを 冷却する。
ところで、 当該燃料電池 2 0 Aを構成する各セパレータ 2 6は、 平板 部 2 6 a と、 平板部 2 6 aに嵌着されて表裏に貫通する多数の突起部 2
6 b とからなるもので、 平板部 2 6 aは合成樹脂板にて形成され、 かつ、 突起部 2 6 bはカーボン粉末をプレス成形することにより形成されてい る。 このため、 当該セパレータ 2 6においては、 製造するに当たって、 高価なカーボン製ブロックを原材料とする必要がなく、 また、 製造する 手段と して、 多数の突起部を削り出す面倒で時間を要する切削加工を必 要と しない。
従って、 当該セパレータ 2 6は、 原材料と して高価なカーボン製プロ ックを必要と し、 かつ、 面倒で時間を要する切削加工を必要とする従来 のこの種のセパレータに比較して、 極めて廉価である。 また、 このよう な廉価なセパレータ 2 6を多数枚採用して構成される当該燃料電池 2 0 Aにあっては、 従来のこの種形式の燃料電池 1 0に比較して、 極めて廉 価に提供することができる。
なお、 当該燃料電池 2 0 Aにおいては、 セパレ一タと して、 合成樹脂 製で絶縁性の平板部 2 6 a と、 カーボン製で導電性の多数の突起部 2 6 bからなるセパレ一タ 2 6を採用しているが、 カーボン粉末を含有する 合成樹脂製で導電性の平板部 2 6 a と、 カーボン製で導電性の多数の突 起部 2 6 bからなるセパレータを採用することもできる。 当該セパレ一 タにおいても、 従来のカーボン製のセパレータに比較して廉価であって、 当該セパレ一タを構成部材とする燃料電池を廉価に提供することができ る。
(燃料電池の第 2の実施形態）
図 5および図 6には、 本発明に係る燃料電池の第 2の実施形態が示さ れている。 当該燃料電池 2 0 Bは、 第 1の実施形態の燃料電池 2 0 Aと 同様、 水素を燃料ガスと しかつ空気を酸化剤ガスとする燃料電池であつ て、 本発明に係るセパレータ 2 6を構成部材と している。
当該燃料電池は 2 0 Bは、 電池機能部 2 0 bを複数並列して配置して なるもので、 複数の電池機能部 2 0 bを複数並列した状態で、 ステンレ ス等の導電体である左側の 4枚の集電板 2 1 a l〜 2 1 a 4、 右側の 4枚 の集電板 2 1 b 1〜 2 1 b 4、 および、 ポリプロピレン等合成樹脂の絶縁 体である左右一対の支持板 2 2を介して、 複数本の取付ボルト 2 3によ り締め付けて組立てられている。
電池機能部 2 O bは、 図 6および図 7に示すように、 固体電解質膜 2 4、 固体電解質膜 2 4の左側面に貼着された 4枚の電極 2 5 a 1〜 2 5 a 4、 固体電解質膜 2 4の右側面に貼着された 4枚の電極 2 5 b 1〜 2 5 b 4、 セパレ一タ 2 6、 固体電解質膜 2 4およびセパレータ 2 6を交互に挟 持する支持枠 2 7を備えているもので、 表裏両面に電極 2 5 a 1〜 2 5 a 4， 2 5 b 1〜 2 5 b 4を貼着されている 2枚の固体電解質膜 2 4、 3枚の セパレータ 2 6、 および 6枚の支持枠 2 7にて構成されている。
当該燃料電池 2 0 Bにおいて、 集電板 2 1 a 1〜 2 1 a 4， 2 1 b l〜 2 1 b 4は、 燃料電池 2 0 Aを構成する集電板 2 1 a， 2 1 b とは同じ材質 であって、 各集電板 2 1 a , 2 1 bを 4分割した状態のものである。 ま た、 当該電池機能部 2 0 bを構成する固体電解質膜 2 4、 セパ レータ 2 6、 および支持枠 2 7は、 第 1 の実施形態に係る電池機能部 2 0 aを構 成する固体電解質膜 2 4、 セパ レータ 2 6、 および支持枠 2 7 と同じも のであり、 電極 2 5 a l〜 2 5 a 4， 2 5 b l〜 2 5 b 4につレヽては、 電池 機能部 2 0 aを構成する電極 2 5 a， 2 5 b とは同じ材質であって、 各 電極 2 5 a， 2 5 bを 4分割した状態のものである。 各電極 2 5 a 1〜 2 5 a 4, 2 5 b 1〜 2 5 b 4は、 燃料電池 2 0 Bを構成した状態では、 各集 電板 2 1 a 1〜 2 1 a 4， 2 1 b 1〜 2 1 b 4に対向する位置関係にある。 従って、 当該燃料電池 2 0 Bにおいて、 集電板 2 1 a 1〜 2 1 a 4， 2 1 b 1〜 2 1 b 4および電極 2 5 a 1〜 2 5 a 4， 2 5 b 1〜 2 5 b 4の構成 を除き、 燃料電池 2 0 Aと同じ構成であり、 燃料電池 2 O Aの構成と同 じ構成部位については、 燃料電池 2 0 Aの構成部位と同じ符号を付して その詳細な説明を省略する。
しかして、 当該燃料電池 2 0 Bにおいては、 電池機能部 2 O bを構成 するセパレータ 2 6の各突起部 2 6 bが固体電解質膜 2 4の表裏に貼着 されている各電極 2 5 a l〜 2 5 a 4, 2 5 b l〜 2 5 b 4に当接してレヽて、 当該燃料電池 2 0 B内に、 4組の集電板 （ 2 1 a 1および 2 1 b 1、 2 1 a 2および 2 1 b 2、 2 1 a 3および 2 1 b 3、 2 1 a 4および 2 1 b 4) に 対応する互いに独立した 4個の単電池を構成している。 従って、 当該燃 料電池 2 0 Bでは、 4組の集電板毎に電気を取り出すことができるとと もに、 各組の集電板の電気的接続を適宜行うことにより、 電圧の異なる 電気を任意に取り出すことができる- (セパレ一タの第 1の製造方法）
本発明に係るセパレ一タ 2 6は、 従来のこの種のセパレータ 1 5に比 較して極めて廉価に提供することができるが、 当該セパレータ 2 6は以 下の各製造方法により製造することができる。
セパ レータ 2 6を製造する第 1の製造方法は、 図 8に示すよ うに、 突 起部 2 6 bをプレス成形する第 1の工程、 合成樹脂製平板を平板部の形 状に形成されている平板部 2 6 aの表裏両面にシール性接着剤を塗布す る第 2の工程、 および、 シール性接着剤を塗布された平板部 2 6 aに設 けられている多数の嵌合孔に各突起部 2 6 bを嵌合して固着する第 3の 工程からなる。
当該製造方法においては、 突起部 2 6 bの成形材料と して粒径 1 0 0 n m以下のカーボン粉末を採用して、 同カーボン粉末を室温で 5 0 0 k g f / c m2〜 5 0 0 0 k g f Z c m 2の範囲の高圧でプレス成形して突 起部 2 6 bを成形する。 突起部 2 6 bは、 例えば、 直径 2 mmで長さ 3 mmの大きさに形成される。
平板部 2 6 aは、 予めィンジェクショ ン成形によ り形成されているも ので、 各流入孔 2 6 。 1〜 2 6 6 1、 各流出孔 2 6 。 2〜 2 6 62、 および、 突起部 2 6 bを嵌合させる多数の嵌合孔を備え、 ポリプロ ピレン等の合 成樹脂を材料と している。 平板部 2 6 aは絶縁性で、 例えば、 厚み 1 m mで縦横 1 5 0 mmの正方形状に形成されている。 なお、 突起部 2 6 b を嵌合させる多数の嵌合孔は、 平板部 2 6 aの成形時に同時に形成して もよく 、 成形後の平板部 2 6 a にドリル等による孔開け加工により形成 してもよい。 また、 平板部 2 6 aはカーボン粉末を含有する合成樹脂を 材料と して成形することもでき、 この場合には、 平板部 2 6 aは導電性 となる。
シール性接着剤は、 各突起部 2 6 bを平板部 2 6 aの嵌合孔に気密的 に固着させるベく機能するもので、 平板部 2 6 a の表裏両面に塗布し、 好ましくは、 各嵌合孔の内周面にも塗布する。 シール性接着剤と しては、 例えば、 酢酸ビニール系、 ポリエステル系の合成樹脂製の接着剤を採用 する。 シール性接着剤を塗布した平板部 2 6 aには、 その多数に嵌合孔 にそれぞれ突起部 2 6 bを嵌合し、 この嵌合状態でシール性接着剤を硬 化して、 各突起部 2 6 bを平板部 2 6 a の嵌合孔に気密的に嵌着する。 なお、 当該製造方法において、 平板部 2 6 a に換えて、 各流入孔 2 6 c 1〜 2 6 e 1および各流出孔 2 6 c 2〜 2 6 e 2を備えていない平板を採 用する場合には、 突起部 2 6 bを嵌合固着した後に、 平板の所定の部位 に、 各流入孔 2 6 c 1〜 2 6 e 1および各流出孔 2 6 c 2〜 2 6 e 2を形成 するようにする。 これにより、 平板部 2 6 aが形成されてセパレータ 2 6 となる。
(セパレータの第 2の製造方法）
セパレータ 2 6を製造する第 2の製造方法は、 突起部 2 6 bの成形材 料と して、 バインダーを含有するカーボン粉末を採用する方法であり、 当該製造方法は、 第 1 の製造方法を基本とするものではあるが、 第 1 の 工程である突起部 2 6 bをプレス成形する工程では、 室温で中圧でプレ ス成形して形成するとともに、 プレス過程にあるカーボン粉末中のバイ ンダーを加熱して溶融する。 加熱溶融手段と しては、 図 9に示すように、 バインダーを含有する力一ボン粉末を充填したダイ 3 1 と、 ダイ 3 1 に 充填したバインダー含有のカーボン粉末を加圧するポンチ 3 2間に電流 を印加する手段を採用する。
当該製造方法においては、 バインダ一と して例えばフエノール系の熱 溶融型のバインダーを採用して、 このバインダ一を 1 0 w t %〜 2 0 w t %均一に混合したカーボン粉末を、 室温で 5 0 k g f Z c m 2〜 5 0 0 k g f Z c m 2の範囲の中圧でプレス成形して形成する。 この間に、 ダイ 3 1 とボンチ 3 2間に例えば 1 2 Vの電圧で 2 0 A〜 5 0 Aの電流を約 1秒間印加して、 カーボン粉末中のバインダーを瞬時に溶融し、 その後、 電流の印加を停止して冷却させて硬化させる。 当該製造方法によれば、 第 1 の製造方法における突起部 2 6 bの成形圧より低い成形圧で、 同等 の強度および硬度を有する突起部 2 6 bを成形することができる。
(セパレータの第 3の製造方法）
セパレータ 2 6を製造する第 3の製造方法は、 突起部 2 6 bの成形材 料と して、 バインダーを含有するカーボン粉末を採用する方法であり、 当該製造方法は、 突起部 2 6 bをプレス成形する第 1 の工程、 合成樹脂 製の平板で構成された平板部部 2 6 aに設けられている多数の嵌合孔に 各突起部 2 6 bを嵌合して固着する第 2の工程、 および、 平板部 2 6 a に嵌合した各突起部 2 6 bを加熱して突起部 2 6 b中のバインダーを加 熱して溶融する第 3の工程を備えている。
当該製造方法においては、 バインダーと して例えばフユノール系の熱 溶融型のバインダーを採用して、 第 1の工程では、 室温で 5 0 k g f Z c m2〜 5 0 0 k g f Zc m 2の範囲の中圧でプレス成形して形成する。 また、 第 3の工程では、 図 1 0に示すように、 突起部 2 6 bを嵌合され た状態の平板部 2 6 aを一対の電極 3 3 a , 3 3 b間に配置して、 例え ば、 1本の突起部 2 6 b当たり 1 2 Vの電圧で 5 A〜 2 0 Aの電流を約 1秒間印加して、 突起部 2 6 b中のバインダーを瞬時に溶融し、 その後、 電流の印加を停止して冷却させて硬化させる。
当該製造方法によれば、 シール性接着剤を使用することなく、 第 1の 製造方法における突起部 2 6 b と同等の強度および硬度を有する突起部 2 6 bを形成することができると ともに、 同突起部 2 6 b と平板部 2 6 a との嵌着強度が高いセパレータ 2 6を製造することができる。
(セパレータの第 4の製造方法）
セパレ一タ 2 6を製造する第 4の製造方法は、 突起部 2 6 bの成形材 料と してバインダーを含有しないカーボン粉末を採用する方法であり、 当該製造方法は、 突起部 2 6 bをプレス成形する第 1 の工程、 セパレー タ形状のキヤビティを有するィンジェクシヨ ン型の同キヤビティの各突 起部に対応する凹部に突起部 2 6 bを嵌合して型締めする第 2の工程、 および、 キヤビティ内に溶融状態の合成樹脂をィンジュクショ ンする第 3の工程を備えている。
当該製造方法では、 突起部 2 6 bを第 1 の工程で、 室温で 5 0 0 k g f Zc m2〜 5 0 0 0 k g f /c m 2の範囲の高圧でプレス成形して形成 する。 形成された突起部 2 6 bは、 第 2の工程において、 図 1 1 に示す ように、 インジェクション型 3 4の下型 3 4 aの各凹部 3 4 a 1に嵌合し. この下型 3 4 a上に上型 3 4 bをセッ ト して、 各突起部 2 6 bを上型 3 4 bの凹部 3 4 b 1にも嵌合する。 イ ンジ: クシヨ ン型 3 4はこの状態で 型締めされ、 第 3の工程では、 射出成型機 3 5からポリプロピレン等の 熱可塑性の合成樹脂を、 インジェクション型 3 4のキヤビティ 3 4 c内 に溶融状態で注入する。 これにより、 キヤビティ 3 4 c内では、 合成樹 脂製の平板部 2 6 aが成形され、 同時に、 各突起部 2 6 bが平板部 2 6 aを貫通した状態で気密的に一体化される。
当該製造方法によれば、 平板部 2 6 a を成形する際、 各突起部 2 6 b を貫通させた状態で一体的化することができるため、 予め多数の嵌合孔 を形成した平板部を採用する必要がなく 、 製造工程で平板部 2 6 aに多 数の嵌合孔を形成する必要がなく、 さらには、 シール用接着剤を使用す る必要がない。
なお、 当該製造方法においては、 突起部 2 6 bの成形材料と して、 バ ィンダーを含有しないカーボン粉末を採用しているが、 当該製造方法に おいては、 突起部 2 6 bの成形材料と してバインダー含有のカーボン粉 末を採用することもできる。 この場合には、 第 1の工程では、 バインダ 一含有の力一ボン粉末を第 2の製造方法で行っている熱プレス成形を採 用する。
(セパレータの第 5の製造方法）
セパレータ 2 6を製造する第 5の製造方法は、 突起部 2 6 b の成形材 料と して、 バインダーを含有するカーボン粉末を採用する方法であり、 当該製造方法は、 上方に開口する突起部形状の複数の凹部を有する下型 の各凹部にパンダー含有のカーボン粉末を充填する第 1の工程、 下型の 各凹部に対向する複数の貫通孔を有する合成樹脂製の平板からなる平板 部 2 6 aを下型の上面側にセッ 卜すると ともに、 下型の各凹部に対向し て下方に開口する複数の凹部を有する上型を平板部 2 6 aの上面側にセ ッ トする第 2の工程、 および、 下型の各凹部の底部に配設されている押 圧手段にて各凹部に充填されているカーボン粉末を上型側へ押圧して平 板部 2 6 aの各貫通孔を揷通する突起部 2 6 bを成形するとともに、 突 起部 2 6 bを通電により加熱して突起部が含有するバインダーを溶融す る第 3 の工程を備えている。
図 1 2は、 当該製造方法における第 3の工程を示しており、 当該製造 方法では、 突起部 2 6 bを成形型 3 5を使用して平板部 2 6 aに一体的 に成形するものである。 成形型 3 5は、 下型 3 5 a と、 上型 3 5 b と、 下型 3 5 a の各凹部 3 5 a 1の底部に配設した押圧ビス トン 3 5 cを備え ている。
当該製造方法では、 第 1の工程でパンダー含有の力一ボン粉末を下型 3 5 a の各凹部 3 5 a 1に充填し、 第 2の工程で下型 3 5 a の上面側に平 板部 2 6 a載置するとともに、 平板部 2 6 a の上面側に、 下型 3 5 aの 各凹部 3 5 a 1に対向して下方に開口する複数の凹部 3 5 b 1を有する上 型 3 5 bをセッ トする。 平板部 2 6 a と しては、 下型 3 5 aの各凹部 3 5 a 1に対向する複数の貫通孔 2 6 a 1を有する合成樹脂製の平板部 2 6 aを採用している。
第 3 の工程では、 図 1 2に示すように、 押圧ピス トン 3 5 c を作動し て、 下型 3 5 aの各凹部 3 5 a 1に充填されているパンダー含有のカーボ ン粉末を上方へ押圧して、 カーボン粉末の一部を平板部 2 6 aの貫通孔 2 6 a 1を通して上型 3 5 b の凹部 3 5 b 1に移送し、 両型 3 5 a , 3 5 bの両凹部 3 5 a 1, 3 5 b l内でカーボン粉末をプレス成形して、 平板 2 6 a の貫通孔 2 6 a 1を貫通する突起部 2 6 bを形成する。 プレス成形 は、 例えば、 室温で 5 0 k g f Z c m2〜 5 0 0 k g f Z c m2の範囲の 中圧で行う。 その後、 下型 3 5 a と上型 3 5 b間に、 例えば、 1本の突 起部 2 6 b当たり 1 2 Vの電圧で 2 0 A〜 5 0 Aの電流を約 1秒間印加 して、 突起部 2 6 b中のバインダーを瞬時に溶融し、 その後、 電流の印 加を停止して冷却させて硬化させる。
当該製造方法によれば、 成形された多数の突起部 2 6 bを平板 2 6 a の嵌合孔 2 6 a 1に嵌合する作業を必要とせず、 また、 第 1 の製造方法に おける突起部 2 6 bの成形圧より低い成形圧で、 第 1 の製造方法におけ る突起部 2 6 b と同等の強度および硬度を有する突起部 2 6 bを成形す ることができる。

Claims

求 の 範 囲
1 . 燃料ガスと酸化剤ガスを反応ガスとする燃料電池を構成するセパレ ータであって、 当該燃料電池の反応室を形成する平板部と、 同平板部か ら突出して当該燃料電池の電極に接触する複数の突起部とからなり、 同 突起部は導電性であって、 前記平板部とは別体の異種材料で形成されて いることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
2 . 請求の範囲第 1項に記載の燃料電池用セパレータにおいて、 前記突 起部はカーボンにて形成されていることを特徴とする燃料電池用セパレ ータ。
3 . 請求の範囲第 1項に記載の燃料電池用セパレータにおいて、 前記平 板部は絶縁性であることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
4 . 請求の範囲第 3項に記載の燃料電池用セパレータにおいて、 前記平 板部は合成樹脂にて形成されていることを特徴とする燃料電池用セパレ ータ。
5 . 請求の範囲第 1項に記載の燃料電池用セパレ一タにおいて、 前記平 板部は導電性であることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
6 . 請求の範囲第 5項に記載の燃料電池用セパレータにおいて、 前記平 板部はカーボンを含有する合成樹脂にて形成されていることを特徴とす る燃料電池用セパレータ。
7 . 請求の範囲第 3項または第 4項に記載の燃料電池用セパレータを構 成部材とする燃料電池であり、 電解質膜と、 同電解質膜の各側面に接触 して位置する一対の電極と、 これら各電極の一方の電極の側面に接触し て位置し燃料ガスが供給される反応室を形成する第 1 のセパレータと、 これら各電極の他方の電極の側面に接触して位置し酸化剤ガスが供給さ れる反応室を形成する第 2のセパレータを有する電池機能部を 1 または 複数並列して配置し、 かつ、 一方の最外側の前記第 1 のセパレータおよ び他方の最外側の前記第 2のセパレータに接触して集電板をそれぞれ配 置してなり、 前記各セパレ一タと して前記燃料電池用セパレータが採用 されていることを特徴とする燃料電池。
8 . 請求の範囲第 7項に記載の燃料電池において、 前記各集電板は複数 に分割されて互いに非接触状態にあることを特徴とする燃料電池。
9 . 請求の範囲第 7項に記載の燃料電池において、 前記各電極は複数に 分割されて互いに非接触状態にあり、 かつ、 前記各集電板は前記各電極 に対応して複数に分割されて互いに非接触状態にあることを特徴とする 燃料電池。
1 0 . 請求の範囲第 5項または第 6項に記載の燃料電池用セパレータを 構成部材とする燃料電池であり、 電解質膜と、 同電解質膜の各側面に接 触して位置する一対の電極と、 これら各電極の一方の電極の側面に接触 して位置し燃料ガスが供給される反応室を形成する第 1 のセパレータと、 これら各電極の他方の電極の側面に接触して位置し酸化剤ガスが供給さ れる反応室を形成する第 2のセパレータを有する電池機能部を 1または 複数並列して配置し、 かつ、 一方の最外側の前記第 1 のセパレータおよ び他方の最外側の前記第 2のセパレータに接触してそれぞれ集電板を配 置してなり、 前記各セパレータと して前記燃料電池用セパレータが採用 されていることを特徴とする燃料電池。
1 1 . 請求の範囲第 4項または第 6項に記載の燃料電池用セパレータの 製造方法であり、 カーボン粉末をプレス成形して前記突起部を形成する 第 1の工程、 合成樹脂製の平板にシール性接着剤を塗布する第 2の工程、 および、 同平板に設けた複数の嵌合孔に前記突起部を嵌合して固着する 第 3の工程を備えていることを特徴とする燃料電池用セパレ一タの製造 方法。
1 2 . 請求の範囲第 4項または第 6項に記載の燃料電池用セパレータの 製造方法であり、 バインダ一を含有するカーボン粉末を熱プレス成形し て前記突起部を形成する第 1の工程、 合成樹脂製の平板にシール性接着 剤を塗布する第 2の工程、 および、 同平板の嵌合孔に前記突起部を嵌合 して固着する第 3の工程を備えていることを特徴とする燃料電池用セパ レータの製造方法。
1 3 . 請求の範囲第 1 2項に記載の燃料電池用セパレータの製造方法で あり、 前記第 1の工程において、 前記突起部を通電により加熱して同突 起部が含有するバインダーを溶融し、 その後、 同突起部を冷却すること により硬化させることを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。
1 . 請求の範囲第 4項または第 6項に記載の燃料電池用セパレータの 製造方法であり、 バインダ一を含有するカーボン粉末をプレス成形して 前記突起部を形成する第 1の工程、 合成樹脂製の平板の嵌合孔に前記突 起部を嵌合する第 2の工程、 および、 前記突起部を通電により加熱して 同突起部が含有するバインダーを溶融し、 その後冷却することにより、 前記突起部を硬化させるととも前記平板に固着させる第 3の工程を備え ていることを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。
1 5 . 請求の範囲第 4項または第 6項に記載の燃料電池用セパレータの 製造方法であり、 カーボン粉末をプレス成形して前記突起部を形成する 第 1の工程、 セパレータ形状のキヤビティを有するィンジェクシヨン型 の同キヤビティの各突起部に対応する凹部に同突起部を嵌合して型締め する第 2の工程、 および、 前記キヤビティ内に溶融状態の合成樹脂をィ ンジュクシヨンする第 3の工程を備えていることを特徴とする燃料電池 用セパレ一タの製造方法。
1 6 . 請求の範囲第 1 5項に記載の燃料電池用セパレータの製造方法で あり、 前記第 1 の工程において、 バインダーを含有するカーボン粉末を 熱プレス成形して前記突起部を形成することを特徴とする燃料電池用セ パレータの製造方法。
1 7 . 請求の範囲第 4項または第 6項に記載の燃料電池用セパレータの 製造方法であり、 上方に開口する突起部形状の複数の凹部を有する下型 の同各凹部にバインダーを含有する力一ボン粉末を充填する第 1 の工程、 前記下型の各凹部に対向する複数の貫通孔を有する合成樹脂製の平板を 前記下型の上端面にセッ トするとともに、 前記下型の各凹部に対向して 下方に開口する複数の凹部を有する上型を前記平板の上面側にセッ トす る第 2の工程、 および、 前記下型の各凹部の底部に配設された押圧手段 にて同各凹部に充填されている前記カーボン粉末を前記上型側へ押圧し て前記平板の各貫通孔を挿通する突起部を成形するとともに、 同突起部 を通電により加熱して同突起部が含有するバインダ一を溶融し、 その後 冷却することによ り、 前記突起部を硬化させるとともに前記平板に固着 させる第 3の工程を備えていることを特徴とする燃料電池用セパレータ の製造方法。
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