JP4289535B2

JP4289535B2 - Separator for direct methanol type planar polymer electrolyte fuel cell and polymer electrolyte fuel cell using the separator

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Publication number: JP4289535B2
Application number: JP2001399963A
Authority: JP
Inventors: 高徳前田; 裕八木
Original assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Current assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Priority date: 2001-12-28
Filing date: 2001-12-28
Publication date: 2009-07-01
Anticipated expiration: 2021-12-28
Also published as: JP2003203647A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池に関し、特に、燃料としてメタノール水溶液をダイレクトに用いるダイレクトメタノール型、且つ、平面型の高分子電解質型燃料電池用のセパレータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近、地球環境保護の観点や、水素を直接燃料として用いると有利であり、エネルギー変換効率が高いという点等から、燃料電池に対する期待が急激に高まってきている。
これまでは、宇宙開発や海洋開発に利用されてきたが、最近では、自動車のエンジンの代わりに、また、家庭用発電装置へと展開され、広く使われる可能性が大きくなった。
燃料電池は、簡単には、外部より燃料（還元剤）と酸素または空気（酸化剤）を連続的に供給し、電気化学的に反応させて電気エネルギーを取り出す装置で、その作動温度、使用燃料の種類、用途等で分類することもあるが、最近では、主に使用される電解質の種類によって、大きく、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）、溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）、リン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）、高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）、アルカリ水溶液型燃料電池（ＡＦＣ）の５種類に分類されるのが一般的である。
これらは、メタン等から生成された水素ガスを燃料とするものであるが、最近では、燃料としてメタノール水溶液をダイレクトに用いるダイレクトメタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）も知られている。
【０００３】
このような中、燃料電池の中でも固体高分子膜を２種類の電極で挟み込み、更にこれらの部材をセパレータで挟んだ構成の固体高分子型燃料電池（以下、高分子電解質型燃料電池、あるいはＰＥＦＣ：ＰｏｌｙｍｅｒＥｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅＦｕｅｌＣｅｌｌともも言う）が注目されている。
このＰＥＦＣは、固体高分子膜の両側に空気極（酸素極）、燃料極（水素極）等の電極を配置して単位セルを構成し、この単位セルの両側を燃料電池用セパレータで挟んだ構成となっている。
厚さ２０μｍ〜７０μｍの高分子電解質の両側に厚さ１０μｍ〜２０μｍの触媒層からなる燃料極と空気極を形成し一体化し、触媒層外側に集電材として多孔質の支持層（カーボンペーパー、気孔率約８０％）を付し、さらに水素や酸素といった反応ガスの供給路をかねているセパレータ（仕切り板）によって挟持されている。
燃料（水素）と酸化剤（空気）が直接反応しないように、これらを隔離し、かつ燃料極で生成する水素イオン（プロトン）を空気極側まで運ぶ必要がある。
常温（１００℃以下）で作動し、固体の高分子膜中をプロトンが動く燃料電池で、固体高分子膜には、イオン交換基としてスルフォン酸基を持つパーフルオロカーボンスルフォン酸構造を持つ薄膜（厚さ５０μｍ程度）が使用でき、コンパクトな電池をつくることができる。
出力性能は、１〜３Ａ／ｃｍ²、０. ６〜２. １Ｖ／単セルで、２. １Ｗ／ｃｍ²の高出力密度が得られる。
【０００４】
このＰＥＦＣにおいては、固体高分子膜の両側に、それぞれ、電極を配置した単位セルを複数個積層し、その起電力を目的に合せて大きくした、スタック構造もの（ＰＥＦＣスタックとも言う）が一般的で、そのセパレータには、一般に、その一方の側面には隣接する一方の単位セルに燃料ガスを供給する為の燃料ガス供給用溝が形成され、その他方の側面には隣接する他方の単位セルに酸化剤ガスを供給する為の酸化剤ガス供給用溝が形成されており、セパレータ面に沿って、燃料ガス、酸化剤ガスが供給される。
ＰＥＦＣのセパレータとしては、グラファイト板を削り出して溝加工を施したもの、樹脂にカーボンを練り込んだカーボンコンパウンドのモールド性セーパレータ、エッチング等で溝加工を施した金属製セパレータ、金属材料の表面部を耐食性の樹脂で覆ったもの等が知られているが、いずれにしても必要に応じて、燃料ガス供給用溝および／または酸化剤ガス供給用溝が形成されている。
【０００５】
しかし、例えば、携帯端末用など、起電力をそれほど必要としないで、平面型で、できるだけ薄いことが要求される場合もある。
しかし、燃料としてメタノール水溶液をダイレクトに用いるダイレクトメタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）においては、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給用溝と同様の供給溝では、燃料の供給が場所により不均一となり、問題となっていた。
特に、ダイレクトメタノール型で、平面状に単位セルを複数配列させ、これらを電気的に直列に接続する平面型の場合に、問題となっていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、近年、燃料電池が広く使われる可能性が大きくなり、ＰＥＦＣにおいては、一般的なスタック構造の他に、起電力をそれほど必要としないで、平面型のものも開発されるようになってきたが、特に、ダイレクトメタノール型の平面型のＰＥＦＣでは、燃料供給の場所による不均一性の問題を十分に解消できず、その対応が求められていた。
本発明は、これに対応するもので、特に、ダイレクトメタノール型の、平面型のＰＥＦＣで、燃料供給の場所による不均一性の問題を解消できるものを提供しようとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明のダイレクトメタノール型の平面型の高分子電解質型燃料電池用のセパレータは、燃料としてメタノール水溶液をダイレクトに用いるダイレクトメタノール型、且つ、平面型の高分子電解質型燃料電池用の、燃料供給側のセパレータであって、燃料を燃料電池の電解質側に供給するための貫通孔を、その面に略直交するようにして複数、均一に配列して設け、且つ、燃料供給用溝、貫通孔間を結ぶ溝を、燃料を供給する面側に配設している板状の部材と、前記板状の部材の燃料供給用溝、貫通孔間を結ぶ溝配設側を覆う蓋部からなり、前記板状の部材の、貫通孔部、燃料供給用溝、貫通孔間を結ぶ溝を、それぞれ、板状の部材と蓋部とで、燃料供給用流路として形成しており、且つ、前記貫通孔間を結ぶ溝は、各貫通孔とそれに近く隣接する他の全ての貫通孔とを、それぞれ結ぶように配されており、前記板状の部材は、金属を基体とし、少なくとも、基体の燃料電池の電解質側となる表面部には、耐弱酸性、電気導電性の樹脂層からなる保護層を配設しており、前記耐弱酸性、電気導電性の樹脂層が、電着により、樹脂にカーボン粒子、耐食性の金属等の導電材を混ぜた状態にして膜形成されたもの、あるいは、電解重合により、導電性高分子からなる樹脂に導電性を高めるドーパントを含んだ状態にして膜形成されたものであることを特徴とするものである。
あるいは、本発明のダイレクトメタノール型の平面型の高分子電解質型燃料電池用のセパレータは、燃料としてメタノール水溶液をダイレクトに用いるダイレクトメタノール型、且つ、平面型の高分子電解質型燃料電子用の、燃料供給側のセパレータであって、燃料を燃料電池の電解質側に供給するための貫通孔を、その面に略直交するようにして複数、均一に配列して設けた板状の部材と、これを覆う蓋部とからなり、蓋部の板状の部材側には燃料供給用溝、貫通孔間を結ぶ溝が設けられており、前記板状の部材の貫通孔部、蓋部の燃料供給用溝、貫通孔間を結ぶ溝を、それぞれ、板状の部材と蓋部とで、燃料供給用流路として形成しており、且つ、前記貫通孔間を結ぶ溝は、各貫通孔とそれに近く隣接する他の全ての貫通孔とを、それぞれ結ぶように配されており、前記板状の部材は、金属を基体とし、少なくとも、基体の燃料電池の電解質側となる表面部には、耐弱酸性、電気導電性の樹脂層からなる保護層を配設しており、前記耐弱酸性、電気導電性の樹脂層が、電着により、樹脂にカーボン粒子、耐食性の金属等の導電材を混ぜた状態にして膜形成されたもの、あるいは、電解重合により、導電性高分子からなる樹脂に導電性を高めるドーパントを含んだ状態にして膜形成されたものであることを特徴とするものである。
【０００８】
尚、平面型のＰＥＦＣにおいては、全体が筐体に包まれるようになるのが一般的で、燃料を電解質側に供給するための貫通孔を、その面に略直交するようにして複数配列して設け、且つ、燃料供給用溝、貫通孔間を結ぶ溝を、燃料を供給する面側に配設している板状の部材からなる場合、板状の部材の、貫通孔部、燃料供給用溝、貫通孔間を結ぶ溝を、それぞれ、板状の部材と筐体とで、燃料供給用流路として形成することとなる。
また、金属からなる基体の表面部に耐酸性かつ電気導電性を有する樹脂膜の配設方法としては、電着により、樹脂にカーボン粒子、耐食性の金属等の導電材を混ぜた状態にして膜形成し、加熱硬化する方法、あるいは、電解重合により、導電性高分子からなる樹脂に導電性を高めるドーパントを含んだ状態にして膜形成する方法が挙げられる。
【０００９】
本発明の高分子電解質型燃料電池は、燃料としてメタノール水溶液をダイレクトに用いるダイレクトメタノール型、且つ、平面型の高分子電解質型燃料電池であって、上記各本発明のセパレータを用いて、該セパレータの貫通孔を介して、燃料を供給するものであることを特徴とするものである。
【００１０】
【作用】
本発明のダイレクトメタノール型の平面型の高分子電解質型燃料電池用のセパレータは、このような構成にすることにより、特に、ダイレクトメタノール型の、平面型のＰＥＦＣで、燃料供給の場所による不均一性の問題を解消できるものの提供を可能としている。
具体的には、燃料を燃料電池の電解質側に供給するための貫通孔を、その面に略直交するようにして複数配列して設け、且つ、燃料供給用溝、貫通孔間を結ぶ溝を、燃料を供給する面側に配設している板状の部材からなることにより、さらに、この板状の部材の燃料供給用溝、貫通孔間を結ぶ溝配設側を覆う蓋部を設け、前記板状の部材の、貫通孔部、燃料供給用溝、貫通孔間を結ぶ溝を、それぞれ、板状の部材と蓋部とで、燃料供給用流路として形成していることにより、あるいは、燃料を燃料電池の電解質側に供給するための貫通孔を、その面に略直交するようにして複数配列して設けた板状の部材と、これを覆う蓋部とからなり、蓋部の板状の部材側には燃料供給用溝、貫通孔間を結ぶ溝が設けられており、前記板状の部材の貫通孔部、蓋部の燃料供給用溝、貫通孔間を結ぶ溝を、それぞれ、板状の部材と蓋部とで、燃料供給用流路として形成していることにより、これを達成している。
即ち、貫通孔間を結ぶ溝を設けていることにより、燃料供給の場所による不均一性の問題を解消できるものとしている。
特に、各貫通孔には、溝部が複数（２個以上）つながっていることにより、より燃料供給の場所による不均一性の問題を解消できるものとしている。
また、板状の部材が、金属を基体とし、少なくとも、基体の燃料電池の電解質側となる表面部には、耐弱酸性、電気導電性の樹脂層等からなる保護層を配設していることにより、実用に耐える構造としている。
【００１１】
本発明の高分子電解質型燃料電池は、このような構成にすることにより、特に、ダイレクトメタノール型の、平面型のＰＥＦＣにおいて、燃料供給の場所による不均一性の問題を解消できるものとしている。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明のダイレクトメタノール型の平面型の高分子電解質型燃料電池の実施の形態例を、図に基づいて説明する。
図１（ａ）は本発明のダイレクトメタノール型の平面型の高分子電解質型燃料電池用のセパレータの実施の形態の第１の例の断面図で、図１（ｂ）はその貫通孔部を示した図で、図１（ｃ）は本発明のダイレクトメタノール型の平面型の高分子電解質型燃料電池用のセパレータの実施の形態の第２の例の断面図で、図２（ａ）は本発明のダイレクトメタノール型の平面型の高分子電解質型燃料電池用のセパレータの実施の形態の第３の例の断面図で、図２（ｂ）はその貫通孔を配した板状の部材を示した図で、図２（ｃ）は蓋部を示した図で、図３（ａ）は本発明の高分子電解質型燃料電池の実施の形態の第１の例の断面図で、図３（ｂ）はその平面図で、図４は図３に示す高分子電解質型燃料電池の接続部の製造工程断面図で、図５（ａ）、図５（ｂ）はそれぞれ、本発明の高分子電解質型燃料電池の実施の形態の第２の例、第３の例を示した断面図である。
図１（ｂ）は図１（ａ）の一点鎖線からＡ１、Ａ２側に見た図で、図３（ａ）は図３（ｂ）のＢ１−Ｂ２における断面図である。
図３（ｂ）中、Ｂ３、Ｂ４は出力端子部である。
尚、図４は図３（ａ）の接続部２３０付近の図である。
図１〜図５において、１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃはセパレータ、１１０、１１０ａは板状の部材、１１１は貫通孔部、１１２は溝、１１２ａは燃料供給用溝、１２０、１２０ａは蓋部、１２２は溝、２１０は単位セル、２１２は空気極側セパレータ、２１５は高分子膜電解質、２２０は絶縁部、２３０は接続部、２３１は接続配線、２３２は表裏接続部、２４１、２４２は配線、２６０は銅箔、２７０は貫通孔、３１０は単位セル、３１２は空気極側セパレータ、３１５は高分子膜電解質、３２０は絶縁部、３３０は接続部、３３１は接続配線、３３２は表裏接続部、３４１、３４２は配線、４１０は単位セル、４１２は空気極側セパレータ、４１５は高分子膜電解質、４１５Ａは板状の高分子膜電解質、４２０は絶縁部、４３０は接続部、４３１は接続配線、４３２は表裏接続部、４４１、４４２は配線である。
【００１３】
はじめに、本発明のダイレクトメタノール型の平面型の高分子電解質型燃料電池用のセパレータの実施の形態の第１の例を図１（ａ）に基づいて説明する。
第１の例は、燃料としてメタノール水溶液をダイレクトに用いるダイレクトメタノール型、且つ、平面型の高分子電解質型燃料電池用の、燃料供給側のセパレータで、図１（ａ）に示すように、燃料を燃料電池の電解質側に供給するための貫通孔１１１を、その面に略直交するようにして複数配列して設け、且つ、燃料供給用溝１１２ａ、貫通孔間を結ぶ溝１１２を、燃料を供給する面側に配設している板状の部材１１０からなる。
本例の場合、電池となった状態で、全体をつつむ筐体（図示していない）と、板状の部材１１０の燃料供給用溝、貫通孔間を結ぶ溝配設側とで、板状の部材１１０の、貫通孔部１１１、燃料供給用溝１１２ａ、貫通孔間を結ぶ溝１１２を、それぞれ、板状の部材１１０と筐体とで、燃料供給用流路として形成してするものである。
板状の部材１１０は、金属を基体とし、少なくとも、基体の燃料電池の電解質側となる表面部には、耐弱酸性、電気導電性の樹脂層からなる保護層（図示していない）を配設している。
燃料使用に耐えるもので、耐弱酸性、電気導電性で、所定の強度がえられれば、板状の部材１１０の材質はこれに限定されない。
板状の部材１１０の金属基体は、機械加工、フォトリソグラフィー技術を用いたエッチング加工により、所定の形状に加工することができる。
また、金属からなる基体の表面部に耐酸性かつ電気導電性を有する樹脂膜の配設方法としては、電着により、樹脂にカーボン粒子、耐食性の金属等の導電材を混ぜた状態にして膜形成し、加熱硬化する方法、あるいは、電解重合により、導電性高分子からなる樹脂に導電性を高めるドーパントを含んだ状態にして膜形成する方法等が挙げられる。
【００１４】
電着は、電着性を有する各種アニオン性、またはカチオン性合成高分子樹脂を、樹脂膜を電着形成するための電着液として用い、且つ、電着液中に、導電材を分散させた状態で、電着を行なう。
尚、電着により形成された樹脂膜の樹脂自体には導電性がないが、樹脂に導電材が混ざった状態で膜形成されるため、樹脂膜としては導電性を示す。
用いられるアニオン性高分子樹脂としては、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂、マレイン化油樹脂、ボリブタジエン樹脂、エポキシ樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂等を単独で、あるいは、これらの樹脂の任意の組合せによる混合物として使用できる。
さらに、上記のアニオン性合成樹脂とメラミン樹脂、フエノール樹脂、ウレタン樹脂等の架橋性樹脂とを併用しても良い。
また、用いられるカチオン性合成高分子樹脂としては、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、ポリブタジエン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂等を単独で、あるいは、これらの任意の組合せによる混合物として使用できる。さらに、上記のカチオン性合成高分子樹脂とポリエステル樹脂、ウレタン樹脂等の架橋性樹脂を併用しても良い。
また、上記の高分子樹脂に粘着性を付与するために、ロジン系、テルペン系、石油樹脂等の粘着性付与樹脂を必要に応じて添加することも可能である。
上記高分子樹脂は、アルカリ性または酸性物質により中和して水に可溶化された状態、または水分散状態で電着法に供される。
すなわち、アニオン性合成高分子樹脂は、トリメチルアミン、ジエチルアミン、ジメチルエタノールアミン、ジイソプロパノールアミン等のアミン類、アンモニア、苛性カリ等の無機アルカリで中和する。カチオン性合成高分子樹脂は、酢酸、ぎ酸、プロピオン酸、乳酸等の酸で中和する。そして、中和された水に可溶化された高分子樹脂は、水分散型または溶解型として水に希釈された状態で使用される。
電着を用いた樹脂膜形成の場合、樹脂に混ぜる導電材としてカーボン粒子、耐食性の金属等が挙げられるが、耐酸性かつ電気導電性が所望のものが得られれば、これらに限らない。
【００１５】
電解重合は、基本的には、芳香族化合物をモノマーとして含む電解液に電極を浸漬して通電して行い、電気化学的に酸化又は還元して重合する方法で、広く知られる方法で、ここではその詳細は省略する。
電解重合により、導電性高分子を直接フィルム状に合成することができるが、本例においては、電解重合された樹脂中に導電性を高めるドーパントを含んだ状態としてある。
ここでは、このような電解重合された樹脂中に、更に、導電性を高めるドーパントを含んだ状態としたもので、電解重合の際にドーパントを含ませる電気化学的ドーピング、あるいは、電解重合後、電解重合により形成された導電性樹脂（高分子）をドーパントの液体そのものにつける、あるいはドーパント分子を含む溶液に浸す液相ドーピングにより、このような状態にする。
尚、このドーパントは、重合後に陰極と陽極を短絡したり、逆電圧を印加して脱離又は中和することができ、更に電圧を制御して可逆的にドープ、脱ドープしてドーパント濃度を制御することも可能である。
電解重合を用いた樹脂膜形成の場合、通常用いられる、電子を与えるドナー型のドーパントとしては、アルカリ金属、アルキルアンモニウウムイオン、電子を奪うアクセプタ型のドーパントとしては、ハロゲン類、ルイス酸、プロトン酸、遷移金属ハライド、有機酸が挙げられる。
【００１６】
次いで、本発明のダイレクトメタノール型の平面型の高分子電解質型燃料電池用のセパレータの実施の形態の第２の例を図１（ｃ）に基づいて説明する。
第２の例も、第１の例と同様、燃料としてメタノール水溶液をダイレクトに用いるダイレクトメタノール型、且つ、平面型の高分子電解質型燃料電池用の、燃料供給側のセパレータであり、第１の例と同様の板状の部材１１０を用いているが、第２の例の場合は、第１の例の板状の部材１１０の燃料供給用溝１１２ａ、貫通孔間を結ぶ溝１１２配設側を覆う蓋部１２０とからなり、板状の部材１１０の、貫通孔部１１１、燃料供給用溝１１２ａ、貫通孔間を結ぶ溝１１２を、それぞれ、板状の部材１１０と蓋部１２０とで、燃料供給用流路として形成しているものである。
本例の場合、蓋部１２０はベタのステンレス薄板であるが、蓋部１２０の材質としては、燃料使用に耐えるもので、所定の強度がえられれば特に限定されないが、電気的接続に利用する場合には、ステンレス、冷間圧延鋼板、アルミニウム等の金属薄板が用いられる。
【００１７】
次いで、本発明のダイレクトメタノール型の平面型の高分子電解質型燃料電池用のセパレータの実施の形態の第３の例を図２に基づいて説明する。
第３の例は、第２の例と同様、その面に略直交する貫通孔部１１１を複数配列して配設した板状の部材１１０ａと蓋部１２０ａからなるものであるが、本例の場合は、蓋部１２０ａの板状の部材１１０ａ側には、燃料供給用溝１２２ａ、貫通孔間を結ぶ溝が１２２設けられており、板状の部材１１０の貫通孔部１１１、蓋部１２０の燃料供給用溝１２２ａ、貫通孔間を結ぶ溝１２２を、それぞれ、板状の部材１１０１ａと蓋部１２０ａとで、燃料供給用流路として形成している。板状の部材１１０１ａ、蓋部１２０ａは、第２の例と同様のものが使用される。
尚、蓋部１２０ａの加工は、基体が金属であれば、通常、機械加工、エッチング加工により行われ、樹脂であれば、射出成形、押し出し成形、トランスファー成形、カレンダー成形、圧縮成形、注型などの一般的成形法や、切削などの機械加工によって行われる。
【００１８】
次に、先ず、本発明の高分子電解質型燃料電池の実施の形態の第１の例を図３に基づいて説明する。
本例は、図１（ｃ）に示す第２の例のセパレータ１００Ｂを使用した、ダイレクトメタノール型の平面型の高分子電解質型燃料電池である。
この高分子電解質型燃料電池は、平面状に単位セル２１０を複数個配列し、これらを電気的に直列に接続し、単位セルの個数分（図３では４個分）の電圧を取り出す高分子電解質型燃料電池で、各単位セル２１０のまわりに、これと略同じ厚さの絶縁部２２０を設け、全体を平面状にしているもので、簡単には、平板状の絶縁部のくり抜き部に、単位セルを嵌め込んだ状態で、単位セル２１０と絶縁部２２０とを平面状に設けているものであって、
所定の隣接する単位セル間に設けられた、各単位セルと電気的に絶縁された絶縁部２２０に、絶縁２２０を貫通してその表裏の接続をおこなうための、表裏接続部２３２を設け、これと、隣接する一方の単位セルの燃料極側のセパレータ１００Ｂおよび他方の単位セルの空気極側のセパレータ２１２と配線接続２３１とで接続して、隣接する単位セル間を電気的に直列に接続しているものである。
尚、ここでは、説明を分かり易くする為、図３で単位セルの個数を４個としているが、５個以上でも良い。
絶縁部２２０としては、隣接する単位セル間を接続する配線である接続部２３０（接続配線２３１および表裏接続部２３２）以外で、互いに絶縁されるもので、処理性、耐久性の面で優れたものであれば特に限定はされない。
絶縁部２２０は、絶縁物のみからなるものでも、導電性のものを一部含むような構造でも良い。
絶縁部２２０用の材料としては、通常、基板材料が用いられ、例えば、ガラスエポキシ、ポリイミド等が使用される。
接続部２３０として、スルホール接続部、あるいは、充填ビア接続部、バンプ接続部のいずれかが、絶縁部１２０中に設けられるが、これらは、従来の配線基板技術の応用として、形成できる。
単位セル２１０の空気極側のセパレータ２１２の材質としては、導電性、強度、耐食性の面で使用に耐え、且つ、接続配線２３１との接続性が良いものが好ましいが、通常、金属材が用いられ、例えば、ステンレス、冷間圧延鋼板、アルミニウム等が適用される。
【００１９】
以下、接続部２３０の表裏接続部２３２を、充填タイプのスルホール接続部とした場合について、本例の高分子電解質型燃料電池の製造方法の１例を、図４に基づいて、その処理の流れを簡単に説明しておく。
予め、両面銅貼りガラスエポキシ基板を用いて、単位セルをはめ込む孔部を形成しておき（図示していない）、その孔部に単位セルを、同じ向きに嵌め込む。（図４（ａ））
次いで、ドリルあるいはレーザにより、充填タイプのスルホール接続部を形成するための、貫通孔２７０を開ける。（図４（ｂ））
次いで、デスミア処理および触媒付与処理を行った後、貫通孔部の表面部を含む全面に無電解めっきを行ない、更に無電解めっき層上に電解めっきを行ない、貫通孔（図４（ｂ）の２７０）を充填し、表裏を導通させる。（図４（ｃ））
無電解めっきとしては、無電解ニッケルめっき、無電解銅めっきを適宜おこなう。
無電解めっきは、触媒にて活性化処理を行った後、所定のめっき液にて行う。
また、電解めっきとしては、通常、銅めっきが行われる。
次いで、表裏面全体にレジスト製版を行ない、レジストから露出しためっき層２８０部分をエッチングして接続配線１３１を形成し（図示していない）、レジストの除去、必要に応じ洗浄処理を行ない、本例の高分子電解質型燃料電池を得る。（図４（ｄ））
エッチング液としてはめっき層２８０を、燃料極側のセパレータ１００Ｂ、空気極側のセパレータ２１２とは、別に選択的にエッチングできるものを使用する。
例えば、エッチング液としては、塩化第２鉄液等を用い、セパレータの材質と銅配線のエッチングレートを考慮し、エッチング条件を決定する。
尚、ここでは、貫通孔２７０を、めっき層で充填したが、ここで、貫通孔２７０を大ききしておき、めっき後、貫通孔がまだ表裏で貫通している状態とする、普通のスルホール接続部としても良い。
図４に示す接続部２３０の形成方法は、１例でこれに限定はされない。
尚、このように、所定の隣接する単位セル間に、各単位セルと電気的に絶縁された略単位セルの厚さの絶縁部２２０が設けられていることにより、接続部２３０として、従来広く用いられている、スルホール接続の他、充填ビア接続、バンプ接続等を採ることができ、且つ、接続部２３０の形成を各単位セルに影響のない電気的に安定なものとしている。
【００２０】
次いで、本発明の高分子電解質型燃料電池の実施の形態の第２の例を図５（ａ）に基づいて説明する。
図５（ａ）に示す第２の例の高分子電解質型燃料電池も、図１（ｃ）に示す第２の例のセパレータを用いたものであるが、これは、第１の例の高分子電解質型燃料電池と同様、平面状に単位セル３１０を複数個配列し、これらを電気的に直列に接続し、単位セルの個数分（図５では４個分）の電圧を取り出す高分子電解質型燃料電池で、接続部３３０を設ける単位セル３１０間の一部に、これと略同じ厚さの絶縁部３２０を設け、全体を平面状にしてあるものであり、言わば、表裏接続部３３２を設ける隣接する単位セル間の、高分子膜電解質３２０の一部を絶縁部３２０に置き代えてある構造のものである。
この場合、１つの平面板状の高分子膜電解質３２０の両側の、それぞれ、複数個（図５では４個）の燃料極側のセパレータ１００Ｂ、空気極側のセパレータ３１２は、それぞれ離れた状態で配置されており、各単位セルの燃料極側のセパレータ１００Ｂ、空気極側セパレータ３１２は同じ大きさで、同じ位置で相対しており、各単位セルは分離されている。
この例の場合も、所定の隣接する単位セル間に設けられた、各単位セルと電気的に絶縁された絶縁部３２０に、第１の例の高分子電解質型燃料電池の場合と同様、絶縁部３２０を貫通してその表裏の接続をおこなうための、表裏接続部３３２を設け、これと、隣接する一方の単位セルの燃料極側のセパレータ１００Ｂおよび他方の単位セルの空気極側のセパレータ３１３と配線接続３３１とで接続して、隣接する単位セル間を電気的に接続しているものである。
尚、ここでも、説明を分かり易くする為、図５で単位セルの個数を４個としているが、５個以上でも良い。
この例の場合も、各部（材質や構造等）は、第１の例の高分子電解質型燃料電池の場合と同じものが適用できる。
【００２１】
次いで、本発明の高分子電解質型燃料電池の実施の形態の第３の例を図５（ｂ）に基づいて説明する。
図５（ｂ）に示す第３の例の高分子電解質型燃料電池も、図１（ｃ）に示す第２の例のセパレータを用いたものであるが、これは、１つの単位セルサイズより大サイズの、１つの板状の高分子膜電解質４１５Ａの一部を、各単位セルの電解質膜として、各単位セルを同じ向きにして平面状に複数個配設し、所定の隣接する単位セル間を電気的に直列に接続して、複数の単位セルすべてを直列に接続し、単位セルの個数分（図６では４個分）の電圧を取り出す高分子電解質型燃料電池で、所定の隣接する単位セル間の電気的な接続をおこなうために、前記所定の隣接する単位セル間の高分子膜電解質に、表裏接続部４３２を設けている。
この場合も、表裏接続部４３２と、隣接する一方の単位セルの燃料極側のセパレータ１００Ｂおよび他方の単位セルの空気極側のセパレータ４１２と配線接続４３１とで接続して、隣接する単位セル間を電気的に接続している。
尚、ここでも、説明を分かり易くする為、図６で単位セルの個数を４個としているが、５個以上でも良い。
この例の場合も、接続部４３０として、スルホール接続部、あるいは、充填ビア接続部、バンプ接続部等を、接続する所定の隣接する単位セル間の高分子膜電解質に設ける。
【００２２】
上記は、図１（ｃ）に示し第２の例のセパレータを用いたものを挙げたが、図１（ａ）に示す第１の例のセパレータ、図２に示す第３の例のセパレータも、同様に、適宜、使用して、ダイレクトメタノール型で平面型の高分子電解質型燃料電池を得ることができる。
【００２３】
【発明の効果】
本発明は、上記のように、ダイレクトメタノール型の、平面型のＰＥＦＣで、燃料供給の場所による不均一性の問題を解消できるものの提供を可能とした。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）は本発明のダイレクトメタノール型の平面型の高分子電解質型燃料電池用のセパレータの実施の形態の第１の例の断面図で、図１（ｂ）はその貫通孔部を示した図で、図１（ｃ）は本発明のダイレクトメタノール型の平面型の高分子電解質型燃料電池用のセパレータの実施の形態の第２の例の断面図である。
【図２】図２（ａ）は本発明のダイレクトメタノール型の平面型の高分子電解質型燃料電池用のセパレータの実施の形態の第３の例の断面図で、図２（ｂ）はその貫通孔を配した板状の部材を示した図で、図２（ｃ）は蓋部を示した図である。
【図３】図３（ａ）は本発明の高分子電解質型燃料電池の実施の形態の第１の例断面図で、図３（ｂ）はその平面図である。
【図４】図４は図３に示す高分子電解質型燃料電池の接続部の製造工程断面図である。
【図５】図５（ａ）、図５（ｂ）は、それぞれ、本発明の高分子電解質型燃料電池の実施の形態の第２の例、第３の例を示した断面図である。
【符号の説明】
１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃセパレータ（燃料極側セパレータ）
１１０、１１０ａ板状の部材
１１１貫通孔部
１１２溝
１１２ａ燃料供給用溝
１２０、１２０ａ蓋部
１２２溝
２１０単位セル
２１２空気極側のセパレータ
２１５高分子膜電解質
２２０絶縁部
２３０接続部
２３１接続配線
２３２表裏接続部
２４１、２４２配線
２６０銅箔
２７０貫通孔
３１０単位セル
３１２空気極側セパレータ
３１５高分子膜電解質
３２０絶縁部
３３０接続部
３３１接続配線
３３２表裏接続部
３４１、３４２配線
４１０単位セル
４１２空気極側セパレータ
４１５高分子膜電解質
４１５Ａ板状の高分子膜電解質
４２０絶縁部
４３０接続部
４３１接続配線
４３２表裏接続部
４４１、４４２配線[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell, and more particularly, to a direct methanol type and planar type polymer electrolyte fuel cell separator that directly uses an aqueous methanol solution as a fuel.
[0002]
[Prior art]
Recently, expectations for fuel cells have increased rapidly from the standpoint of protecting the global environment, using hydrogen as a direct fuel, and having high energy conversion efficiency.
Until now, it has been used for space development and marine development, but recently, it has been expanded to be used as a power generator for home use instead of an automobile engine, and it has become more likely to be widely used.
A fuel cell is simply a device that continuously supplies fuel (reducing agent) and oxygen or air (oxidant) from the outside, and reacts electrochemically to extract electrical energy. Recently, depending on the type of electrolyte used, it is largely divided into solid oxide fuel cell (SOFC), molten carbonate fuel cell (MCFC), phosphoric acid. Generally, the fuel cell is classified into five types: a fuel cell (PAFC), a polymer electrolyte fuel cell (PEFC), and an alkaline aqueous fuel cell (AFC).
These use hydrogen gas generated from methane or the like as a fuel. Recently, a direct methanol fuel cell (DMFC) that directly uses an aqueous methanol solution as a fuel is also known.
[0003]
Under such circumstances, a solid polymer membrane is composed of two types of electrodes sandwiched between fuel cells, and these members are sandwiched between separators (hereinafter referred to as a polymer electrolyte fuel cell or PEFC). : Polymer Electrolyte Fuel Cell).
In this PEFC, a unit cell is configured by arranging electrodes such as an air electrode (oxygen electrode) and a fuel electrode (hydrogen electrode) on both sides of a solid polymer membrane, and both sides of the unit cell are sandwiched between fuel cell separators. It has a configuration.
A fuel electrode and an air electrode comprising a catalyst layer having a thickness of 10 μm to 20 μm are formed and integrated on both sides of a polymer electrolyte having a thickness of 20 μm to 70 μm, and a porous support layer (carbon paper, pores) as a current collector on the outside of the catalyst layer. And a separator (partition plate) that also serves as a supply path for a reactive gas such as hydrogen or oxygen.
In order to prevent direct reaction between the fuel (hydrogen) and the oxidant (air), it is necessary to isolate them and to carry hydrogen ions (protons) generated at the fuel electrode to the air electrode side.
A fuel cell that operates at room temperature (100 ° C or less) and moves protons in a solid polymer membrane. The solid polymer membrane has a thin film (thickness) with a perfluorocarbon sulfonic acid structure that has sulfonic acid groups as ion exchange groups. Can be used, and a compact battery can be manufactured.
Output performance is 1-3A / cm ² 0.6-2.1 V / single cell, 2.1 W / cm ² High power density can be obtained.
[0004]
In this PEFC, a stack structure (also referred to as a PEFC stack) in which a plurality of unit cells each having an electrode are stacked on both sides of a solid polymer film and its electromotive force is increased in accordance with the purpose is generally used. The separator is generally formed with a fuel gas supply groove for supplying fuel gas to one adjacent unit cell on one side surface, and the other adjacent unit cell on the other side surface. An oxidant gas supply groove for supplying an oxidant gas is formed, and fuel gas and oxidant gas are supplied along the separator surface.
PEFC separators include a graphite plate cut and grooved, a carbon compound mold separator made by kneading carbon into a resin, a metal separator grooved by etching, etc. In this case, a fuel gas supply groove and / or an oxidant gas supply groove is formed as necessary.
[0005]
However, for example, for portable terminals, there is a case where it is required to be as thin as possible with a flat type without requiring an electromotive force so much.
However, in a direct methanol fuel cell (DMFC) that directly uses an aqueous methanol solution as the fuel, the supply of fuel is uneven depending on the location in the supply groove similar to the fuel gas supply groove for supplying fuel gas, It was a problem.
In particular, there has been a problem in the case of a direct methanol type and a planar type in which a plurality of unit cells are arranged in a plane and are electrically connected in series.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, in recent years, there is a large possibility that fuel cells will be widely used, and in addition to the general stack structure, PEFC will be developed in a flat type without requiring much electromotive force. However, in particular, the direct methanol type planar type PEFC cannot sufficiently solve the problem of non-uniformity depending on the location of fuel supply, and a countermeasure has been demanded.
The present invention is to cope with this, and in particular, it is intended to provide a direct methanol type planar PEFC that can solve the problem of non-uniformity depending on the location of fuel supply.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The separator for a direct methanol type planar polymer electrolyte fuel cell of the present invention is a direct methanol type using a methanol aqueous solution directly as a fuel, and a fuel supply side for a planar type polymer electrolyte fuel cell. A plurality of through holes for supplying fuel to the electrolyte side of the fuel cell so as to be substantially orthogonal to the surface thereof Evenly A plate-like member that is provided in an array and has a fuel supply groove and a groove connecting between the through-holes disposed on the fuel supply surface side, and the fuel supply groove and the through-hole of the plate-like member The plate-shaped member includes a lid portion that covers the groove arrangement side that connects the holes, and the plate-shaped member includes a through-hole portion, a fuel supply groove, and a groove that connects the through-holes, respectively. , Formed as a fuel supply flow path, And the groove | channel which connects between the said through-holes is distribute | arranged so that each through-hole and all the other through-holes adjacent to it may each be connected, The plate-like member has a metal as a base, and at least a surface portion of the base on the electrolyte side of the fuel cell is provided with a protective layer made of a weak acid-resistant, electrically conductive resin layer, Weakly acid-resistant, electrically conductive resin layer is formed by film formation by electrodeposition and carbon resin, corrosion-resistant metal or other conductive material is mixed with resin, or by electropolymerization, conductive polymer It is characterized in that the resin is formed into a film containing a dopant that enhances conductivity.
Alternatively, the separator for the direct methanol type planar polymer electrolyte fuel cell of the present invention is a direct methanol type fuel cell that directly uses an aqueous methanol solution as a fuel, and a fuel for a planar type polymer electrolyte type fuel electron. A separator on the supply side, wherein a plurality of through holes for supplying fuel to the electrolyte side of the fuel cell are arranged so as to be substantially orthogonal to the surface. Evenly The plate-like member provided in an array and a lid portion covering the plate-like member, and a groove for connecting between the fuel supply groove and the through hole are provided on the plate-like member side of the lid portion. A through-hole portion of the member, a fuel supply groove in the lid portion, and a groove connecting between the through-holes are formed as a fuel supply flow path with a plate-like member and a lid portion, respectively. And the groove | channel which connects between the said through-holes is distribute | arranged so that each through-hole and all the other through-holes adjacent to it may each be connected, The plate-like member has a metal as a base, and at least a surface portion of the base on the electrolyte side of the fuel cell is provided with a protective layer made of a weak acid-resistant, electrically conductive resin layer, Weakly acid-resistant, electrically conductive resin layer is formed by film formation by electrodeposition and carbon resin, corrosion-resistant metal or other conductive material is mixed with resin, or by electropolymerization, conductive polymer It is characterized in that the resin is formed into a film containing a dopant that enhances conductivity.
[0008]
In a flat type PEFC, the whole is generally wrapped in a casing, and a plurality of through holes for supplying fuel to the electrolyte side are arranged so as to be substantially orthogonal to the surface. And a fuel supply groove and a groove connecting between the through holes are made of a plate-like member disposed on the surface to which the fuel is supplied, the through-hole portion of the plate-like member, the fuel supply The groove for connecting between the use groove and the through-hole is formed as a fuel supply flow path by the plate-like member and the housing, respectively.
Further, as a method of disposing the acid resistant and electrically conductive resin film on the surface portion of the base made of metal, the film is made by mixing the resin with a conductive material such as carbon particles and corrosion resistant metal by electrodeposition. Examples thereof include a method of forming and heat-curing, or a method of forming a film by electrolytically polymerizing a resin made of a conductive polymer and containing a dopant that enhances conductivity.
[0009]
The polymer electrolyte fuel cell of the present invention is a direct methanol type and planar type polymer electrolyte fuel cell that directly uses a methanol aqueous solution as a fuel. The fuel is supplied through the through hole.
[0010]
[Action]
The separator for the direct methanol type planar polymer electrolyte fuel cell of the present invention has a non-uniformity depending on the location of fuel supply, particularly in the direct methanol type and planar type PEFC. It is possible to provide what can solve the problem of sex.
Specifically, a plurality of through holes for supplying fuel to the electrolyte side of the fuel cell are arranged so as to be substantially orthogonal to the surface, and a groove for connecting the fuel supply groove and the through hole is provided. In addition, by comprising a plate-like member disposed on the fuel supply surface side, a cover for covering the groove-providing side connecting the fuel supply groove and the through-hole of the plate-like member is provided. The plate-like member has a through-hole portion, a fuel supply groove, and a groove connecting the through-holes, each formed by a plate-like member and a lid portion as a fuel supply flow path. Alternatively, it is composed of a plate-like member provided with a plurality of through-holes for supplying fuel to the electrolyte side of the fuel cell so as to be substantially orthogonal to the surface, and a lid portion covering this, and the lid portion The plate-like member side is provided with a fuel supply groove and a groove connecting the through-holes, and the through-hole portion of the plate-like member Fuel supply groove of the lid, the grooves connecting the through holes, respectively, a plate-shaped member and the lid, by forming a fuel supply passage, have achieved this.
That is, by providing the groove connecting the through holes, the problem of non-uniformity due to the location of fuel supply can be solved.
In particular, a plurality (two or more) of groove portions are connected to each through hole, so that the problem of non-uniformity due to the location of fuel supply can be solved.
Further, the plate-like member has a metal as a base, and a protective layer made of a weak acid-resistant, electrically conductive resin layer or the like is disposed at least on the surface of the base on the fuel cell electrolyte side. Therefore, the structure can withstand practical use.
[0011]
By adopting such a configuration, the polymer electrolyte fuel cell of the present invention can solve the problem of non-uniformity due to the location of fuel supply, particularly in the direct methanol type planar PEFC.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
An embodiment of a direct methanol type polymer electrolyte fuel cell of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1A is a sectional view of a first example of an embodiment of a separator for a direct methanol type planar polymer electrolyte fuel cell of the present invention, and FIG. FIG. 1C is a cross-sectional view of a second example of a separator for a direct methanol type planar polymer electrolyte fuel cell according to the present invention, and FIG. FIG. 2B is a cross-sectional view of a third example of the embodiment of the separator for a direct methanol type polymer electrolyte fuel cell of the present invention, and FIG. 2B shows a plate-like member provided with the through hole. 2 (c) is a view showing a lid, FIG. 3 (a) is a cross-sectional view of a first example of a polymer electrolyte fuel cell embodiment of the present invention, and FIG. (B) is a plan view thereof, and FIG. 4 is a sectional view of the manufacturing process of the connecting portion of the polymer electrolyte fuel cell shown in FIG. FIG. 5 (b) respectively, a second example of an embodiment of a polymer electrolyte fuel cell of the present invention, is a cross-sectional view showing a third example.
1B is a view as viewed from the one-dot chain line of FIG. 1A toward the A1 and A2 sides, and FIG. 3A is a cross-sectional view taken along B1-B2 of FIG. 3B.
In FIG. 3B, B3 and B4 are output terminal portions.
FIG. 4 is a view of the vicinity of the connection portion 230 in FIG.
1 to 5, 100A, 100B, and 100C are separators, 110 and 110a are plate-like members, 111 is a through-hole portion, 112 is a groove, 112a is a fuel supply groove, 120 and 120a are lid portions, and 122 is Groove, 210 is a unit cell, 212 is an air electrode side separator, 215 is a polymer membrane electrolyte, 220 is an insulating part, 230 is a connecting part, 231 is a connecting wiring, 232 is a front / back connecting part, 241 and 242 are wirings, 260 is a wiring Copper foil, 270 is a through hole, 310 is a unit cell, 312 is an air electrode side separator, 315 is a polymer membrane electrolyte, 320 is an insulating part, 330 is a connection part, 331 is a connection wiring, 332 is a front / back connection part, 341, 342 is a wiring, 410 is a unit cell, 412 is an air electrode side separator, 415 is a polymer membrane electrolyte, 415A is a plate-shaped polymer membrane electrolyte, 420 is an insulating portion, and 430 is a connection , 431 connection wiring, 432 front and back connecting portion, 441 and 442 denotes a wiring.
[0013]
First, a first example of an embodiment of a separator for a direct methanol type planar polymer electrolyte fuel cell according to the present invention will be described with reference to FIG.
The first example is a fuel supply side separator for a direct methanol type and planar type polymer electrolyte fuel cell that directly uses an aqueous methanol solution as a fuel. As shown in FIG. A plurality of through-holes 111 for supplying fuel to the electrolyte side of the fuel cell, and a fuel supply groove 112a and a groove 112 connecting between the through-holes. It consists of the plate-shaped member 110 arrange | positioned at the surface to supply.
In the case of this example, in a state where a battery is formed, a casing (not shown) that envelops the whole and a groove-providing side that connects between the fuel supply groove and the through-hole of the plate-like member 110 are formed in a plate shape. In this member 110, a through hole 111, a fuel supply groove 112a, and a groove 112 connecting the through holes are formed by a plate-like member 110 and a housing, respectively, as a fuel supply flow path. is there.
The plate-like member 110 has a metal as a base, and a protective layer (not shown) made of a weakly acid-resistant, electrically conductive resin layer is disposed at least on the surface of the base on the fuel cell electrolyte side. Has been established.
The material of the plate-like member 110 is not limited to this as long as it can withstand the use of fuel and has a weak acid resistance, electrical conductivity, and a predetermined strength.
The metal base of the plate-like member 110 can be processed into a predetermined shape by machining or etching using photolithography technology.
Further, as a method of disposing a resin film having acid resistance and electric conductivity on the surface portion of a base made of metal, the film is prepared by mixing a conductive material such as carbon particles and corrosion resistant metal with resin by electrodeposition. Examples thereof include a method of forming and heat-curing, or a method of forming a film by electrolytically polymerizing a resin made of a conductive polymer and containing a dopant that enhances conductivity.
[0014]
Electrodeposition uses various anionic or cationic synthetic polymer resins having electrodeposition properties as an electrodeposition solution for electrodepositing a resin film, and a conductive material is dispersed in the electrodeposition solution. In this state, electrodeposition is performed.
Although the resin itself of the resin film formed by electrodeposition is not conductive, the resin film exhibits conductivity because the film is formed with a conductive material mixed in the resin.
As an anionic polymer resin to be used, acrylic resin, polyester resin, maleated oil resin, polybutadiene resin, epoxy resin, polyamide resin, polyimide resin, etc. alone or as a mixture of any combination of these resins Can be used.
Furthermore, you may use together said crosslinking | crosslinking resin, such as said anionic synthetic resin and a melamine resin, a phenol resin, and a urethane resin.
Moreover, as a cationic synthetic polymer resin used, an acrylic resin, an epoxy resin, a urethane resin, a polybutadiene resin, a polyamide resin, a polyimide resin, or the like can be used alone or as a mixture of any combination thereof. Further, the above cationic synthetic polymer resin may be used in combination with a crosslinkable resin such as a polyester resin and a urethane resin.
In addition, in order to impart tackiness to the above polymer resin, it is possible to add tackifying resins such as rosin, terpene, and petroleum resins as necessary.
The polymer resin is subjected to an electrodeposition method in a state where it is neutralized with an alkaline or acidic substance and solubilized in water, or in a water-dispersed state.
That is, the anionic synthetic polymer resin is neutralized with amines such as trimethylamine, diethylamine, dimethylethanolamine and diisopropanolamine, and inorganic alkalis such as ammonia and caustic potash. The cationic synthetic polymer resin is neutralized with an acid such as acetic acid, formic acid, propionic acid, or lactic acid. The polymer resin solubilized in the neutralized water is used in a state of being diluted in water as a water dispersion type or a dissolution type.
In the case of forming a resin film using electrodeposition, examples of the conductive material mixed with the resin include carbon particles, corrosion-resistant metals, and the like. However, the material is not limited thereto as long as the desired acid resistance and electrical conductivity can be obtained.
[0015]
Electropolymerization is basically a method in which an electrode is immersed in an electrolytic solution containing an aromatic compound as a monomer and energized, and is electrochemically oxidized or reduced for polymerization. The details will be omitted.
Although the conductive polymer can be directly synthesized into a film by electropolymerization, in this example, the electropolymerized resin contains a dopant that enhances conductivity.
Here, in such an electropolymerized resin, in a state that further includes a dopant that enhances conductivity, electrochemical doping to include a dopant during the electropolymerization, or after the electropolymerization, A conductive resin (polymer) formed by electrolytic polymerization is put on the dopant liquid itself, or is brought into such a state by liquid phase doping immersed in a solution containing the dopant molecules.
This dopant can be desorbed or neutralized by short-circuiting the cathode and anode after polymerization, or by applying a reverse voltage, and the dopant concentration can be controlled by reversibly doping and dedoping by controlling the voltage. It is also possible to control.
In the case of resin film formation using electrolytic polymerization, commonly used donor-type dopants that give electrons include alkali metals, alkylammonium ions, and acceptor-type dopants that deprive electrons include halogens, Lewis acids, and protonic acids. , Transition metal halides, and organic acids.
[0016]
Next, a second example of the embodiment of the separator for the direct methanol type planar polymer electrolyte fuel cell of the present invention will be described with reference to FIG.
Similarly to the first example, the second example is a fuel supply side separator for a direct methanol type and planar type polymer electrolyte fuel cell that directly uses an aqueous methanol solution as a fuel. The plate-like member 110 similar to the example is used, but in the case of the second example, the fuel supply groove 112a of the plate-like member 110 of the first example and the groove 112 side connecting the through holes are provided. The plate-like member 110 has a through-hole portion 111, a fuel supply groove 112a, and a groove 112 connecting the through-holes, respectively, with the plate-like member 110 and the lid portion 120, respectively. It is formed as a fuel supply channel.
In this example, the lid 120 is a solid stainless steel plate, but the material of the lid 120 is not particularly limited as long as it can withstand the use of fuel and has a predetermined strength, but is used for electrical connection. In such a case, a thin metal plate such as stainless steel, cold rolled steel plate or aluminum is used.
[0017]
Next, a third example of the embodiment of the separator for a direct methanol type planar polymer electrolyte fuel cell of the present invention will be described with reference to FIG.
As in the second example, the third example is composed of a plate-like member 110a and a lid portion 120a in which a plurality of through-hole portions 111 that are substantially orthogonal to the surface are arranged. In this case, on the plate-like member 110a side of the lid portion 120a, a fuel supply groove 122a and a groove connecting the through-holes 122 are provided, and the through-hole portion 111 of the plate-like member 110 and the lid portion 120 The fuel supply groove 122a and the groove 122 connecting the through holes are formed by a plate-like member 1101a and a lid portion 120a, respectively, as a fuel supply flow path. The plate-like member 1101a and the lid 120a are the same as those in the second example.
The lid 120a is usually processed by machining or etching if the substrate is a metal, and injection molding, extrusion molding, transfer molding, calendar molding, compression molding, casting, etc. if the substrate is a resin. This is done by general molding methods and machining such as cutting.
[0018]
Next, a first example of an embodiment of the polymer electrolyte fuel cell of the present invention will be described with reference to FIG.
This example is a direct methanol type planar polymer electrolyte fuel cell using the separator 100B of the second example shown in FIG.
In this polymer electrolyte fuel cell, a plurality of unit cells 210 are arranged in a plane and electrically connected in series to extract a voltage corresponding to the number of unit cells (four in FIG. 3). In the electrolyte type fuel cell, an insulating portion 220 having a thickness substantially the same as that of each unit cell 210 is provided to make the entire surface flat. In a state where the unit cell is fitted, the unit cell 210 and the insulating portion 220 are provided in a planar shape,
A front / back connection part 232 is provided in an insulating part 220 provided between predetermined adjacent unit cells, which is electrically insulated from each unit cell, for connecting the front and back through the insulation 220. And the separator 100B on the fuel electrode side of one of the adjacent unit cells and the separator 212 on the air electrode side of the other unit cell and the wiring connection 231, and the adjacent unit cells are electrically connected in series. It is what.
Here, in order to make the explanation easy to understand, the number of unit cells is four in FIG. 3, but it may be five or more.
The insulating part 220 is insulated from each other except the connecting part 230 (connection wiring 231 and front / back connecting part 232) that is a wiring connecting adjacent unit cells, and is excellent in terms of processability and durability. If it is a thing, it will not specifically limit.
The insulating part 220 may be made of only an insulator or may have a structure including a part of the conductive part.
As a material for the insulating part 220, a substrate material is usually used, and for example, glass epoxy, polyimide, or the like is used.
As the connection portion 230, either a through-hole connection portion, a filling via connection portion, or a bump connection portion is provided in the insulating portion 120, and these can be formed as an application of the conventional wiring board technology.
As the material of the separator 212 on the air electrode side of the unit cell 210, a material that can withstand use in terms of conductivity, strength, and corrosion resistance and has good connectivity with the connection wiring 231 is preferable, but a metal material is usually used. For example, stainless steel, cold-rolled steel plate, aluminum or the like is applied.
[0019]
Hereinafter, with respect to the case where the front and back connection part 232 of the connection part 230 is a filled-type through-hole connection part, an example of the manufacturing method of the polymer electrolyte fuel cell of this example will be described with reference to FIG. A brief explanation.
A hole for fitting a unit cell is formed in advance using a double-sided copper-clad glass epoxy substrate (not shown), and the unit cell is fitted into the hole in the same direction. (Fig. 4 (a))
Next, a through hole 270 for forming a filling type through hole connecting portion is opened by a drill or a laser. (Fig. 4 (b))
Next, after performing desmear treatment and catalyst application treatment, electroless plating is performed on the entire surface including the surface portion of the through-hole portion, and electrolytic plating is further performed on the electroless-plated layer, so that the through-hole (FIG. 4B) 270) and make the front and back conductive. (Fig. 4 (c))
As electroless plating, electroless nickel plating and electroless copper plating are appropriately performed.
Electroless plating is performed with a predetermined plating solution after an activation treatment with a catalyst.
Moreover, copper plating is normally performed as electrolytic plating.
Next, resist plate-making is performed on the entire front and back surfaces, the plating layer 280 exposed from the resist is etched to form connection wiring 131 (not shown), the resist is removed, and a cleaning process is performed as necessary. A polymer electrolyte fuel cell is obtained. (Fig. 4 (d))
As the etchant, a plating layer 280 that can be selectively etched separately from the separator 100B on the fuel electrode side and the separator 212 on the air electrode side is used.
For example, ferric chloride solution or the like is used as the etching solution, and the etching conditions are determined in consideration of the material of the separator and the etching rate of the copper wiring.
In addition, although the through-hole 270 was filled with the plating layer here, the through-hole 270 is enlarged here, and after the plating, the through-hole is in a state where the through-hole is still penetrating the front and back. It is good also as a connection part.
The formation method of the connection part 230 shown in FIG. 4 is an example, and is not limited to this.
As described above, since the insulating portion 220 having a thickness of a unit cell that is electrically insulated from each unit cell is provided between predetermined adjacent unit cells, the connecting portion 230 has conventionally been widely used. In addition to the through-hole connection used, filling via connection, bump connection, and the like can be taken, and the formation of the connection portion 230 is electrically stable without affecting each unit cell.
[0020]
Next, a second example of the embodiment of the polymer electrolyte fuel cell of the present invention will be described with reference to FIG.
The polymer electrolyte fuel cell of the second example shown in FIG. 5 (a) also uses the separator of the second example shown in FIG. 1 (c). As in the case of the molecular electrolyte fuel cell, a plurality of unit cells 310 are arranged in a planar shape, and these are electrically connected in series to extract a voltage corresponding to the number of unit cells (four in FIG. 5). In the type fuel cell, an insulating part 320 having a thickness substantially the same as that of the unit cell 310 provided with the connection part 330 is provided, and the entire surface is flat. A structure in which a part of the polymer membrane electrolyte 320 between adjacent unit cells to be provided is replaced with an insulating part 320 is used.
In this case, a plurality (four in FIG. 5) of fuel electrode side separators 100B and air electrode side separators 312 on both sides of one flat plate-like polymer membrane electrolyte 320 are separated from each other. The separator 100B on the fuel electrode side and the air electrode side separator 312 of each unit cell have the same size and are opposed at the same position, and each unit cell is separated.
In the case of this example as well, as in the case of the polymer electrolyte fuel cell of the first example, the insulating portion 320 provided between predetermined adjacent unit cells and electrically insulated from each unit cell is insulated. A front / back connection part 332 is provided to pass through the part 320 and connect the front and back sides thereof, and the separator 100B on the fuel electrode side of one adjacent unit cell and the separator 313 on the air electrode side of the other unit cell. And a wiring connection 331 to electrically connect adjacent unit cells.
Here, in order to make the explanation easy to understand, the number of unit cells is four in FIG. 5, but may be five or more.
Also in this example, the same parts (material, structure, etc.) as those in the polymer electrolyte fuel cell of the first example can be applied.
[0021]
Next, a third example of the embodiment of the polymer electrolyte fuel cell of the present invention will be described with reference to FIG.
The polymer electrolyte fuel cell of the third example shown in FIG. 5 (b) also uses the separator of the second example shown in FIG. 1 (c), but this is smaller than one unit cell size. A part of one large plate-like polymer membrane electrolyte 415A is used as an electrolyte membrane of each unit cell, and a plurality of unit cells are arranged in the same direction to be arranged in a plane, and predetermined adjacent unit cells. A polymer electrolyte fuel cell in which a plurality of unit cells are connected in series by connecting them electrically in series, and a voltage corresponding to the number of unit cells (four in FIG. 6) is taken out. In order to make electrical connection between the unit cells, a front / back connection part 432 is provided in the polymer membrane electrolyte between the predetermined adjacent unit cells.
Also in this case, the front and back connection portion 432 is connected to the fuel electrode side separator 100B of one adjacent unit cell and the air electrode side separator 412 of the other unit cell to the wiring connection 431, and between adjacent unit cells. Are electrically connected.
Here, in order to make the explanation easy to understand, the number of unit cells is four in FIG. 6, but it may be five or more.
Also in this example, as the connection part 430, a through-hole connection part, a filling via connection part, a bump connection part, or the like is provided in the polymer membrane electrolyte between predetermined adjacent unit cells to be connected.
[0022]
The above example uses the separator of the second example shown in FIG. 1 (c), but the separator of the first example shown in FIG. 1 (a) and the separator of the third example shown in FIG. Similarly, a direct methanol type planar polymer electrolyte fuel cell can be obtained by using as appropriate.
[0023]
【The invention's effect】
As described above, the present invention makes it possible to provide a direct methanol type planar PEFC that can solve the problem of non-uniformity depending on the location of fuel supply.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 (a) is a sectional view of a first example of an embodiment of a separator for a direct methanol type planar polymer electrolyte fuel cell of the present invention, and FIG. FIG. 1C is a cross-sectional view of a second example of an embodiment of a separator for a direct methanol type planar polymer electrolyte fuel cell according to the present invention.
FIG. 2 (a) is a cross-sectional view of a third example of the embodiment of the separator for the direct methanol type planar polymer electrolyte fuel cell of the present invention, and FIG. FIG. 2C is a view showing a plate-like member provided with a through hole, and FIG. 2C is a view showing a lid portion.
FIG. 3 (a) is a cross-sectional view of a first example of an embodiment of a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention, and FIG. 3 (b) is a plan view thereof.
4 is a manufacturing process cross-sectional view of a connecting portion of the polymer electrolyte fuel cell shown in FIG. 3. FIG.
5 (a) and 5 (b) are cross-sectional views showing a second example and a third example, respectively, of the embodiment of the polymer electrolyte fuel cell of the present invention.
[Explanation of symbols]
100A, 100B, 100C separator (fuel electrode side separator)
110, 110a Plate-shaped member
111 Through hole
112 groove
112a Groove for fuel supply
120, 120a Lid
122 groove
210 unit cells
212 Air electrode side separator
215 Polymer membrane electrolyte
220 Insulation part
230 Connection
231 Connection wiring
232 Front / back connection
241 and 242 wiring
260 copper foil
270 Through hole
310 unit cells
312 Air electrode side separator
315 Polymer membrane electrolyte
320 Insulation part
330 connections
331 Connection wiring
332 Front / back connection
341, 342 Wiring
410 unit cells
412 Air electrode side separator
415 Polymer membrane electrolyte
415A Plate-shaped polymer membrane electrolyte
420 Insulation part
430 connection
431 Connection wiring
432 Front / back connection
441, 442 wiring

Claims

A fuel supply side separator for a direct methanol type and planar type polymer electrolyte fuel cell that directly uses an aqueous methanol solution as a fuel, and has a through hole for supplying the fuel to the electrolyte side of the fuel cell A plate-like member that is provided in a plurality and uniformly arranged so as to be substantially orthogonal to the surface, and in which the fuel supply groove and the groove connecting the through holes are disposed on the surface side of the fuel supply And a cover portion that covers a groove arrangement side that connects between the fuel supply groove and the through hole of the plate-like member, and connects the through-hole portion, the fuel supply groove, and the through hole of the plate-like member. A groove is formed by a plate-shaped member and a lid part as a fuel supply flow path, and the groove connecting the through holes is each through hole and all other adjacent through holes. a hole has been arranged so as to connect each of the plate-shaped member, gold And a protective layer made of a weak acid-resistant and electrically conductive resin layer is disposed at least on the surface of the substrate on the fuel cell electrolyte side. The resin layer is formed into a film in which a conductive material such as carbon particles or corrosion-resistant metal is mixed with the resin by electrodeposition, or the resin is made of a conductive polymer by electropolymerization to increase the conductivity. A separator for a direct methanol type planar polymer electrolyte fuel cell, characterized in that it is formed into a film containing a dopant.

A direct methanol-type and planar-type polymer electrolyte fuel-electron separator that directly uses an aqueous methanol solution as a fuel, a fuel supply-side separator having a through hole for supplying fuel to the electrolyte side of the fuel cell A plate-like member arranged in a uniform manner so as to be substantially orthogonal to the surface, and a lid portion covering the plate-like member, and a fuel supply groove and a through hole on the plate-like member side of the lid portion Grooves that connect the holes are provided, and the plate-shaped member and the cover portion are provided with fuel through the plate-like member, the through-hole portion of the plate-like member, the fuel supply groove of the lid portion, and the groove between the through-holes. Grooves that are formed as supply flow paths and that connect the through holes are arranged to connect each through hole and all other through holes adjacent to the through holes, and the plate-like These members have a metal base and at least the fuel cell battery of the base. A protective layer made of a weakly acid-resistant and electrically conductive resin layer is disposed on the surface portion on the material side, and the weakly acid-resistant and electrically conductive resin layer is carbonized on the resin by electrodeposition. A film formed by mixing particles, a conductive material such as a corrosion-resistant metal, or a film formed by electropolymerization containing a dopant that enhances conductivity in a resin made of a conductive polymer A direct methanol type planar polymer electrolyte fuel cell separator, characterized by being a thing.

A direct methanol type and planar type polymer electrolyte fuel cell that directly uses an aqueous methanol solution as a fuel, wherein the separator according to any one of claims 1 to 2 is used, and the through hole of the separator is used. A polymer electrolyte fuel cell, characterized in that the fuel is supplied via a fuel cell.