[发明专利]燃料电池用隔板、其制造方法以及燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及表面亲水性优良的燃料电池用隔板、其制造方法以及使用该隔板的燃料电池。

背景技术

燃料电池是指利用燃料和氧化剂的电化学反应，来制造出电能和热能的装置，通常，其基本结构是单电池，单电池具有电解质，在电解质两侧设置两个电极，并由设置了用于供给氢气等燃料或者氧气或空气等氧化剂的供给路的2个隔板来夹持电极。需要高输出时，将多个单电池串联城层叠的堆叠结构，以设置在堆叠结构两端的集电板来集电。

燃料电池根据电解质、燃料、氧化剂等种类有不同的类型，其中，利用固体高分子膜作为电解质、利用氢气作为燃料、利用空气作为氧化剂的固体高分子型燃料电池和在燃料电池内部直接从甲醇导出氢来作为燃料的甲醇直接型燃料电池，发电时的工作温度在100℃以下的较低温度下能够有效发电。

构成这些燃料电池的隔板，通常，是由使用石墨等导电性材料和树脂的混合物的成型板来构成的气体不透过性导电性部件来形成的，在其表面上，在与气体扩散电极之间形成了构成气体流路的棱纹结构。作为这样的隔板，通过上述气体流路来确保流入燃料电池单元的反应气体的供给路的同时，还承担将在燃料电池单元发出的电传送到外部的功能，为了充分实现上述功能，不仅要求由在表面方向和厚度方向上具有高导电性的材料构成，而且也希望可以降低与电极部接触的表面的电阻。

对此希望，提出了降低与电极部的接触电阻的隔板及其制造方法(例如，参照专利文献1和专利文献2)。该隔板是在对导电性材料和热塑性树脂或热固性树脂的混合物进行成形后，通过研磨隔板表面来机械加工成特定表面粗糙度，以降低表面的接触电阻。

但是，上述隔板虽可以在一定程度上改善与电极部的接触电阻，但是并不充分，而且关于亲水性，由于表面变粗，而在使用润湿性差的材料时反而会降低亲水性。

组入所述燃料电池用隔板的燃料电池，向阴极供给含氢的燃料气体，向阳极供给含氧的氧化气体，在各电极进行电化学反应的时候，在阴极侧或阳极侧产生生成水。

通常，产生的生成水在被供给于阳极侧的氧化气体中气化，随氧化气体被排出到燃料电池外。但是，产生的生成水的量过多时，只靠在氧化气体中气化不能排净生成水。这样，在氧化气体中未气化而残留的生成水在阳极的周边形成水滴时，会使气体流路闭塞，妨碍在阳极周边的氧化气体的流动，导致电池性能下降。

这样的气体流路的闭塞不光在阳极，也会在阴极上产生。在燃料电池的阴极上不会通过电池反应产生上述那样的生成水，但会引起供给阴极的燃料气体中的水蒸气的冷凝。通常，进行电化学反应时，在阴极侧由阴极反应产生的质子以与一定数的水分子水合的状态从电解质膜中移向阳极侧，因此在电解质膜的阴极侧水分不足会使导电性降低，但为了防止这种情况，要对供给阳极侧的燃料气体加湿，形成对电解质膜形成补充水的结构。

这样，添加到燃料气体中的水蒸气在燃料电池启动时或燃料电池的运转温度降低而使饱和蒸汽压下降时等，其会在气体流路上冷凝，这时，在阳极侧气体的流路闭塞而妨碍燃料气体的流通，也会导致电池性能的下降。

如上所述，由阴极反应产生的质子以水合的状态向阳极侧移动，因此在阳极侧，除了所述的生成水外还有随着质子移动而带有的水分子，进而成为水过剩状态，容易使气体流路闭塞。这样的闭塞现象是在右导电性材料和树脂构成的燃料电池用隔板中显著的现象。

因此，以往，对由导电性材料和树脂构成的燃料电池用隔板的整个表面或气体流路的表面实施亲水处理，以此来提高生成水的排出性。通过对构成由导电性材料和树脂构成的燃料电池用隔板的部件进行亲水处理，使得生成水不以水滴形式存留，可以被导向所规定的流路，能够防止由生成水产生的气体扩散障碍。

所述的固体高分子型燃料电池使用固体高分子膜作为电解质膜，具有夹持该固体高分子膜的一对气体扩散电极，和从更外侧夹持气体扩散电极来分离燃料气体和氧化气体的隔板的单电池，以此为基本单位，具备将该单电池多个层叠的结构。这样的固体高分子型燃料电池中，上述的亲水处理可以对隔板进行，但也可以对其他气体扩散电极进行。

作为将这样的由导电性材料和树脂构成的燃料电池用隔板进行亲水处理的方法，可以例举出以下的方法。

首先，在过去，提出了具备多孔渗水的碳部件的方法(例如，参照专利文献3)，该部件在流路的入口或出口上具有气孔率为30～80％的吸水性。但是，用该方法得到的隔板随着时间的推移具有亲水性能降低的问题，另外，在成型时或成型后必须要经过设置吸水性部件的复杂工序，也有工序上的问题。