JP2002110189A - 燃料電池用セパレータ及びその製造方法並びに該セパレータを用いた固体高分子型燃料電池 - Google Patents

燃料電池用セパレータ及びその製造方法並びに該セパレータを用いた固体高分子型燃料電池

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敦史 大間
Masanori Kobayashi
正則 小林
Taiji Kogami
泰司 小上
Akira Otani
陽 大谷
Michio Hori
美知郎 堀
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Kureha Corp
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Toshiba Corp
Kureha Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】急激な負荷変動等の環境変化に対して安定に追
従でき、かつ高性能で長時間安全で安定した運転が可能
な軽量の燃料電池用セパレータ及びその製造方法並びに
該セパレータを用いた固体高分子型燃料電池を提供する
ことにある。 【解決手段】固体高分子膜３の両面に夫々ガス拡散電極
２ａ，２ｂを配置した膜電極複合体４と、前記２ａ，２
ｂに少なくとも燃料ガス又は酸化剤ガスの一方を供給す
るためのガス流路を設けたセパレータ７，１０を、互い
に接触させた繰り返し積層構造であって、前記７，１０
は、カーボン樹脂複合材１２と膨張黒鉛層１３からな
り、前記１２の少なくとも片面には前記ガス流路６ａ，
６ｂ、６ｃ，６ｄを構成するための凹部及び凸部が形成
してあり、前記１３は前記凹部及び凸部が形成されてい
る部分を含む板面に配設したものである固体高分子型燃
料電池。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池に用いら
れる燃料電池用セパレータ及びその製造方法並びに該燃
料電池用セパレータを用いたイオン伝導性を有する固体
高分子を電解質とする固体高分子型燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、高効率のエネルギー変換装置とし
て、燃料電池が注目を集めている。電解質としてプロト
ン伝導性を有する固体高分子電解質膜を用いた固体高分
子型燃料電池は、コンパクトな構造で高出力密度が得ら
れ、かつ簡略なシステムで運転が可能なことから、定置
用分散電源だけでなく家庭用や車両用などの電源として
注目されている。
【０００３】以下、固体高分子型燃料電池に関する従来
の技術について、図１２及び図１３を参照して説明す
る。図１２は従来の固体高分子型燃料電池の単位電池を
示す断面図であり、図１３は従来の固体高分子型燃料電
池スタックを示す断面図である。
【０００４】図に固体高分子膜２１としては、パーフル
オロカーボンスルホン酸膜などが用いられる。このよう
な固体高分子膜２１を、白金などの触媒を有する一対の
ガス拡散電極２２（具体的には燃料極２２ａと酸化剤極
２２ｂからなるもの）とで固体高分子膜２１を狭持し、
膜電極複合体２３を構成している。
【０００５】そして、固体高分子膜２１及び電極２２
（燃料極２２ａ、酸化剤極２２ｂ）はいずれもシート状
又は薄板状に形成され、膜電極複合体２３を構成してい
る。
【０００６】固体高分子膜２１及び電極２２の形状は通
常長方形である。固体高分子膜２１は燃料極２２ａと酸
化剤極２２ｂに供給される反応ガスの混合を防ぐ役割も
あるため、その面積は通常電極の面積より大きい。
【０００７】膜電極複合体２３から電流を取り出すため
には、反応ガスである燃料ガス及び酸化剤ガスを各電極
２２ａ、２２ｂにそれぞれ供給する必要がある。また、
同時に集電体としての機能を持った部品が各電極２２
ａ、２２ｂに接した状態で存在しなければならない。こ
れらの反応ガスを各電極２２ａ、２２ｂに混合しないよ
うにそれぞれ供給し、かつ集電体としての機能を持った
部品をセパレータ２４と呼ぶ。
【０００８】セパレータ２４は２種類の反応ガスを混合
させないため、ガスが透過しにくい材料であることが好
ましく、導電性も必要であるため、例えば金属やカーボ
ンといった材料が用いられる。燃料極２２ａ側と酸化剤
極２２ｂ側のセパレータ２４は通常表裏で一体化されて
いる。このセパレータ２４と反応ガスシール用のパッキ
ン２５が設置され、単位電池２６を形成する。パッキン
２５もまた、２種類の反応ガスの混合や外部への漏洩を
防止するために設けられる。２種類の反応ガスが混合し
たり外部へ漏洩したりといった現象が生じた場合は、高
性能で安定した発電を行えない。
【０００９】単位電池２６は、膜電極複合体２３と、燃
料極２２ａ及び酸化剤極２２ｂの両外側に存在する２つ
のセパレータ２４及びパッキン２５から構成される。セ
パレータ２４には、反応ガスを各単位電池に供給するた
めマニホールド２７と呼ばれる複数の貫通孔、及びそれ
らを結ぶ多数の燃料ガス流路２８ａ及び酸化剤ガス流路
２８ｂが形成され、燃料極２２ａ及び酸化剤極２２ｂに
電池反応に必要な燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するガ
ス流路２８を形成する。１つの膜電極複合体２３が生じ
る起電力は１Ｖ以下と小さいため、複数の単位電池２６
を積層し電気的直列に接続して固体高分子型燃料電池ス
タック２９を構成し、起電力を高くする。スタック２９
には通常１つ又はそれ以上の単位電池２６毎に電池を冷
却するための冷却板を設ける。
【００１０】スタック２９は必要数の単位電池２６を積
層した後、図示しない締付け板や締付けロッド、スプリ
ング、ナット等の締付機構を用いて積層方向に締付けら
れる。これは、各単位電池２６間の電気的かつ熱的接触
及びシール性を確保するためである。
【００１１】一方、固体高分子型燃料電池を発電するに
は、反応ガスを各電極２２ａ、２２ｂにそれぞれ供給す
るだけでなく、固体高分子膜２１に水分を与えなければ
ならない。固体高分子膜２１は水分を吸収することによ
りイオン伝導性が著しく向上するためである。逆に、水
分を与えないと安定した発電を行えない。
【００１２】一般的には、加湿した反応ガスを各電極２
２ａ、２２ｂに供給することにより、膜電極複合体２３
の固体高分子膜２１を加湿する。反応ガスを加湿する手
段としては、例えば特開平１１−３５４１４２号公報の
ように燃料電池を通過した多湿の既反応ガスと未反応ガ
スを温湿度交換するといった方法が考えられる。
【００１３】なお、固体高分子膜２１のイオン伝導性
は、反応ガスの流量や流速、温度、湿度などの要素に極
めて敏感である。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】従来の固体高分子型燃
料電池では、上記のように反応ガスの流量や流速、温
度、湿度の変化に対して固体高分子膜のイオン伝導性つ
まりは電池性能が非常に敏感であったために、例えば急
激な負荷変動により、反応ガスがその負荷に適した温度
や湿度に落ち着くまでに時間差が生じ、その間、燃料電
池性能が変化しやすく不安定であった。そのため、燃料
電池内もしくは燃料電池を発電するためのシステム内に
そのような環境変化に適応するための機能を設け、燃料
電池性能を常に安定させる必要性があった。
【００１５】とりわけそのような機能を固体高分子型燃
料電池本体の中に設ける方法として、例えばセパレータ
の材料を吸水性の高い材料とする発明が、ＵＳＰ５３０
０３７０に開示されている。これはセパレータを膨張黒
鉛で構成したものである。
【００１６】しかしながら、前述のように固体高分子型
燃料電池を締付機構により積層方向に締付て保持するた
め、膨張黒鉛という比較的柔らかいセパレータ材料は吸
水性がありガス透過性も低いが、圧縮クリープを起こし
てしまい、経時的な反応ガス圧力損失の上昇をもたらし
てしまうといった問題があった。あるいは、圧縮クリー
プを起こしにくい吸水性の高いセパレータ材料において
は、セパレータのガス透過性が大きくなり、クロスオー
バーを起こすので安全で安定した発電を行うことが困難
であった。加えて、セパレータのガス透過性を抑えるた
めに、例えばセパレータのカーボン材料の密度を高くす
ることも考えられるが、その分スタックの重量が増して
しまうといった問題があった。
【００１７】また、前述のように固体高分子型燃料電池
は膜電極複合体とセパレータの繰り返し積層構造である
ために、これら２つの部品間の接触抵抗が大きく、電池
電圧がその分低くなって発電効率が低くなるといった問
題があった。そこで前述の接触抵抗を低減する工夫が必
要となるわけであるが、とりわけそのような機能を設け
る構造の発明が、特開平９−２７４９２６号に開示され
ている。これは、セパレータの表面に設けた凹凸部のう
ち凸部に導電性弾性部材を配設したものである。
【００１８】しかしながら、先述のように固体高分子型
燃料電池は、反応ガスの流量や流速、温度、湿度の変化
に対して固体高分子膜のイオン伝導性つまりは電池性能
が非常に敏感であるために、急激な負荷変動等の環境変
化に対して安定に追従できなかった。
【００１９】本発明は、このような問題点を解決するた
めになされたもので、その目的は急激な負荷変動等の環
境変化に対して安定に追従でき、かつ高性能で長時間安
全で安定した運転が可能な軽量の燃料電池用セパレータ
及びその製造方法並びに該セパレータを用いた固体高分
子型燃料電池を提供することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、請求項１に対応する発明は、ガス拡散電極に少なく
とも燃料ガス又は酸化剤ガスの一方を供給するためのガ
ス流路を設けた燃料電池用セパレータにおいて、前記セ
パレータは、板状のカーボン樹脂複合材と膨張黒鉛層と
を組み合わせて構成したものであり、前記カーボン樹脂
複合材の少なくとも片面には、前記ガス流路を構成する
ための凹部及び凸部が形成され、前記膨張黒鉛層は、前
記カーボン樹脂複合材の前記凹部及び凸部が形成される
部分を含む板面に配設したことを特徴とする燃料電池用
セパレータである。
【００２１】請求項１に対応する発明によれば、以下の
ような作用効果が得られる。すなわち、本発明の燃料電
池用セパレータにおいては、吸水性の高い膨張黒鉛層が
存在するので湿分のバッファとなる。また、膨張黒鉛の
みでセパレータを成型した場合とは異なり、セパレータ
のベース材にカーボン樹脂複合材を用いて表面のみに膨
張黒鉛層を設けることにより、圧縮クリープを極めて低
減することができる。更に、カーボン樹脂複合材のみを
使用する場合と異なり、隣接する部品に対して表面が馴
染みやすくなる。加えて、膨張黒鉛層は吸水することに
よりウェットシール効果でガス透過性が小さくなるため
に、基盤となるカーボン樹脂複合材の密度を下げてセパ
レータを軽量化することができる。
【００２２】前記目的を達成するため、請求項２に対応
する発明は、以下のように構成したものである。すなわ
ち、前記カーボン樹脂複合材は、炭素質材料０〜８５質
量％と熱硬化性樹脂１５〜１００％を混合した原材料を
用いることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用セ
パレータである。
【００２３】請求項２に対応する発明によれば、カーボ
ン樹脂複合材の組成を上記の比率とすることにより、表
面に設けた膨張黒鉛層と熱硬化性樹脂とに十分な結着効
果を得る事ができ、しかもセパレータの重量やガス透過
性の低減が図れる。
【００２４】前記目的を達成するため、請求項３に対応
する発明は、以下のように構成したものである。すなわ
ち、前記膨張黒鉛層は、膨張黒鉛の坪量が５０ｇ／ｍ２
以上３００ｇ／ｍ２以下であることを特徴とする請求項
１又は２に記載の燃料電池用セパレータである。
【００２５】請求項３に対応する発明によれば、次のよ
うな作用効果が得られる。膨張黒鉛層は保水性に富むた
めに、その表面を流通するガス中の水分の変動を緩和す
る作用がある。また、比較的柔らかい材料であるため、
隣接する部品に対して表面が馴染みやすくなるといった
作用がある。一方、圧縮クリープが大きい材料であるた
め、セパレータ材料として使用する場合は、反応ガス流
路深さが経時的に浅くなる傾向がある。請求項３に対応
する発明によれば、膨張黒鉛層の坪量を上記の範囲とす
ることにより、保水性の効果を確保し、隣接する部品に
対しての表面の馴染みやすさを確保しつつも、圧縮クリ
ープを抑えたセパレータを得ることができる。なお、膨
張黒鉛層の坪量は単位面積あたりの質量で定義され、密
度と厚さの積で表される。
【００２６】前記目的を達成するため、請求項４に対応
する発明は、以下のように構成したものである。すなわ
ち、前記セパレータは、予め電位測定端子または温度測
定用プローブを組込んだことを特徴とする請求項１〜３
のいずれか一つに記載の燃料電池用セパレータである。
【００２７】請求項４に対応する発明によれば、例えば
固体高分子型燃料電池は全ての単位電池で安定した電圧
を得ることが必要とされるが、中には不安定な単位電池
も存在することがある。そのような単位電池の電圧また
は温度を常時モニターするために、セパレータに予め電
位測定端子または温度測定用プローブを組込んで一体化
プレス成型することにより、容易にモニターが可能とな
る。また、必要に応じてモニターした単位電池の電圧ま
たは温度を制御にフィードバックすることも可能とな
る。また、プローブはセパレータに一体成型しているた
め、発電中に外れて短絡事故を起こす危険がなくなる。
【００２８】前記目的を達成するため、請求項５に対応
する発明は、炭素質材料０〜８５質量％と熱硬化性樹脂
１５〜１００％を混合した原材料粉末を得る第１の工程
と、前記第１の工程で得られた原材料粉末をプレス成型
用金型の成型空間内面に平面状に敷き詰め、その片面又
は両面の一部又は全面に膨張黒鉛シートを配置する第２
の工程と、前記第２の工程で得られた原材料粉末と膨張
黒鉛シートを、前記プレス成型用金型を用いて同時にプ
レス成型及び成型温度制御をする第３の工程を含んだこ
とを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法であ
る。
【００２９】請求項５に対応する発明によれば、カーボ
ン樹脂複合材の片面又は両面の一部又は全面に膨張黒鉛
層を設けて一体化プレス成型することができ、しかも固
体高分子型燃料電池とした場合の締付け力及び温度を遥
かに上回る高圧力高温条件下でのプレス成型により、カ
ーボン樹脂複合材と膨張黒鉛層の密着構造を得ることが
できる。また、請求項５に対応する発明によれば、カー
ボン樹脂複合材中の熱硬化樹脂は、成型後の熱硬化によ
り膨張黒鉛層との結着作用を発揮する。また、熱硬化樹
脂は炭素質材料が作る隙間を埋めるため、ガスの透過を
低減する効果がある。更に、炭素質材料と比較して熱硬
化樹脂の比重は小さいことから、比較的多くの比率とし
てもカーボン樹脂複合材の重量を増加させることはな
い。
【００３０】前記目的を達成するため、請求項６に対応
する発明は、以下のように構成したものである。すなわ
ち、前記第２の工程で使用する膨張黒鉛シートは、該膨
張黒鉛の坪量が５０ｇ／ｍ２以上３００ｇ／ｍ２以下の
ものとしたことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池
用セパレータの製造方法である。
【００３１】前記目的を達成するため、請求項７に対応
する発明は、以下のように構成したものである。すなわ
ち、前記第３の工程でプレス成型する際に、前記セパレ
ータ成型体に、電位測定端子又は温度測定用プローブを
組込んだことを特徴とする請求項５又は６に記載の燃料
電池用セパレータの製造方法である。
【００３２】また、前記目的を達成するため、請求項８
に対応する発明は、固体高分子膜の両面に夫々ガス拡散
電極を配置した膜電極複合体と、前記ガス拡散電極に少
なくとも燃料ガス又は酸化剤ガスの一方を供給するため
のガス流路を設けたセパレータを、互いに接触させた繰
り返し積層構造を形成してなる固体高分子型燃料電池に
おいて、前記セパレータは、板状のカーボン樹脂複合材
と膨張黒鉛層とを組み合わせて構成したものであり、前
記カーボン樹脂複合材の少なくとも片面には、前記ガス
流路を構成するための凹部及び凸部が形成され、前記膨
張黒鉛層は、前記カーボン樹脂複合材の前記凹部及び凸
部が形成される部分を含む板面に配設したことを特徴と
する固体高分子型燃料電池である。
【００３３】前記目的を達成するため、請求項９に対応
する発明は、以下のように構成したものである。すなわ
ち、前記カーボン樹脂複合材は、炭素質材料０〜８５質
量％と熱硬化性樹脂１５〜１００％を混合した原材料を
用いることを特徴とする請求項８に記載の固体高分子型
燃料電池である。
【００３４】前記目的を達成するため、請求項１０に対
応する発明は、以下のように構成したものである。すな
わち、前記膨張黒鉛層は、膨張黒鉛の坪量が５０ｇ／ｍ
２以上３００ｇ／ｍ２以下であることを特徴とする請求
項８又は９に記載の固体高分子型燃料電池である。
【００３５】前記目的を達成するため、請求項１１に対
応する発明は、以下のように構成したものである。すな
わち、前記セパレータは、予め電位測定端子又は温度測
定用プローブを組込んだものであることを特徴とする請
求項８〜１０のいずれか一つに記載の固体高分子型燃料
電池である。
【００３６】請求項８〜請求項１１のいずれか一つに対
応する発明によれば、次のような作用効果が得られる。
すなわち、急激な負荷変動が生じた場合、とりわけ急激
に高負荷になった場合、従来の固体高分子型燃料電池で
は固体高分子膜が乾燥して電圧が低下するといった問題
があった。これに対し、本発明による固体高分子型燃料
電池では吸水性の高い膨張黒鉛層が反応ガス中の湿分を
吸収しているので湿分のバッファとなり、そのような急
激な負荷変動に対しても安定した電池電圧が得られる。
また、膨張黒鉛のみでセパレータを成型した場合とは異
なり、セパレータのベース材にカーボン樹脂複合材を用
いて表面のみに膨張黒鉛層を設けることにより、セパレ
ータと隣り合う膜電極複合体等の部品との接触抵抗を維
持したまま燃料電池全体の圧縮クリープを極めて低減す
ることができる。加えて、膨張黒鉛層は吸水することに
よりウェットシール効果でガス透過性が小さくなるため
に、基盤となるカーボン樹脂複合材の密度を下げて燃料
電池全体を軽量化することができる。
【００３７】
【発明の実施の形態】以下、本発明の燃料電池用セパレ
ータ及びその製造方法並びに該セパレータを用いた固体
高分子型燃料電池に関する実施の形態について、図面を
参照して説明する。
【００３８】（第１の実施の形態） （構成）本発明による第１の実施の形態の燃料電池用セ
パレータ及び固体高分子型燃料電池の構成について、図
１乃至図６を参照して説明する。本実施の形態における
固体高分子型燃料電池の基本構造は、図１及び図２に示
すように前述した従来の技術と同様で、後述する固体高
分子型燃料電池スタック１と、燃料電池スタック１の両
端部に配設する電流取出し用締付け板１４（電流取出し
用締付け上板１４ａ，電流取出し用締付け下板１４ｂ）
と、両電流取出し用締付け板１４及び燃料電池スタック
１を締め付けるためのロッド１５、皿バネ１６、絶縁ブ
ッシュ１７並びにナット１８から構成されている。
【００３９】燃料電池スタック１は、図２に示すように
膜電極複合体４と、膜電極複合体４を挟むように以下に
述べるセパレータ７及びセパレータ１０と、燃料セパレ
ータ１１からなる単位電池８を、互いに接触させ繰り返
し積層構造としたものである。
【００４０】膜電極複合体４は、平板状の固体高分子膜
３の対向する板面に夫々ガス拡散電極２（２ａ，２ｂ）
を配置したものである。
【００４１】本実施の形態の特徴は、以下のように構成
したセパレータ７，１０を使用した点にある。すなわ
ち、セパレータ（酸化剤ガスセパレータ及び燃料ガスセ
パレータを一体化したもの）７は、カーボン樹脂複合材
１２と膨張黒鉛層１３からなり、カーボン樹脂複合材１
２は板状であって該板面に前記ガス流路を構成するため
の凹部１２ａ及び凸部１２ｂを形成したものであり、膨
張黒鉛層１３はカーボン樹脂複合材１２の凹部１２ａ及
び凸部１２ｂが形成されている部分を含む板面に配設し
たものである。以上の構成は、セパレータ７についてで
あるが、他のセパレータ１０（酸化剤ガスセパレータ及
び冷却板を一体化したもの）、並びに燃料ガスセパレー
タ１１も同様に構成したものを使用している。
【００４２】以下、本実施の形態における固体高分子型
燃料電池について、詳細に説明する。燃料極２ａと酸化
剤極２ｂの２つの電極２で固体高分子膜３を挟持した膜
電極複合体４の両側に、マニホールド５と呼ばれる複数
の貫通孔と、燃料ガスマニホールド同士をつなぐ燃料ガ
ス流路６ａ及び酸化剤ガスマニホールド同士をつなぐ酸
化剤ガス流路６ｂをそれぞれ片面ずつに設けた一体化セ
パレータ７を配置したものを単位電池８とし、その繰り
返し構造となっている。実際の単位電池積層数は例えば
２０である。
【００４３】また、セパレータ７と膜電極複合体４の間
にはガスシール用のパッキン９がそれぞれ設けられてお
り、外部への漏洩及び反応ガス同士の混合を防いでい
る。また、２つの単位電池毎に合計１０枚の冷却板が設
けられており、冷却水流路６ｃには冷却水が流れる。冷
却板と酸化剤ガスセパレータは一体化セパレータ１０と
なっており、燃料ガスセパレータ１１は片面の単体品で
ある。
【００４４】セパレータ７の断面を走査型顕微鏡（ＳＥ
Ｍ）により観察した。その断面拡大図を図３に示す。す
なわち、セパレータ７は以下に述べる中央の基盤となっ
ている層であるカーボン樹脂複合材１２と、カーボン樹
脂複合材１２の凹部１２ａ及び凸部１２ｂが形成されて
いる部分を含む板面に、以下に述べる膨張黒鉛層１３，
１３とからなる３層構造をしたコンポジット品となって
いる。
【００４５】この場合、膨張黒鉛層１３としては坪量１
２０ ｇ／ｍ２ 即ち厚さ７０μｍ、密度約１．７ ｇ
／ｃｍ３のものを使用する。カーボン樹脂複合材１２及
び膨張黒鉛層１３共にガス流路形状に合わせて凹部及び
凸部に成型されている。
【００４６】次に、コンポジット品のセパレータ７の製
造方法について説明する。このセパレータ７の製造方法
は、概略次に述べる第１〜第３の工程を含んでいる。第
１の工程は、炭素質材料０〜８５質量％と熱硬化性樹脂
１５〜１００％を混合した原材料粉末を得る工程であ
る。第２の工程は、前記第１の工程で得られた原材料粉
末をプレス成型用金型の成型空間内面に平面状に敷き詰
め、その片面又は両面の一部又は全面に膨張黒鉛シート
を配置する工程である。
【００４７】第３の工程は、前記第２の工程で得られた
原材料粉末と膨張黒鉛シートを、該プレス成型用金型を
用いて同時にプレス成型及び成型温度制御をする工程で
ある。
【００４８】次に、その詳細な製造方法について説明す
る。炭素質材料として、ＳＥＣ社製ＳＧＯ−４５（アス
ペクト比４〜５）を篩分により粒度を９０μｍ以下にし
た後、１２０℃で２時間加熱乾燥した。また、炭素繊維
としてピッチ系炭素繊維を原料とした呉羽化学工業株式
会社製Ｍ−２０７Ｓ（平均繊維長０．４ｍｍ）を同条件
で乾燥した。熱硬化性樹脂として群栄化学工業株式会社
製フェノール樹脂ＰＧ−２４１１を篩分により粒度を９
０μｍ以下とした後、真空乾燥を施した。その後、黒鉛
粉末を７５質量％、炭素繊維を５質量％、熱硬化性樹脂
を２０質量％として常温・常圧でＶブレンダーにより混
合した。予め彫刻を施した金型には、金型内部に流路を
設けてあり、温水を流して金型を７０℃に予備加熱した
後、膨張黒鉛シートを下金型に敷き、原材料を充填した
後、原材料表面にも膨張黒鉛シートとして呉羽化学工業
株式会社製クレグラフを敷いて上金型を乗せた。原材料
を充填した金型をプレス機に搬送し、投影断面積で１０
ＭＰａの加圧操作を加えた後、金型内の流路に１６０℃
以上のスチームを流すことで金型内部を昇温した。この
間、熱硬化性樹脂の可塑化により、黒鉛粉末と炭素繊維
は結合され、熱硬化性樹脂の硬化により金型の彫刻通り
に硬化される。この場合の硬化時間は、金型内温度１５
０℃以上で１０分間とした。その後、加圧状態のままで
金型内流路に冷却水を流し、金型内部温度が１００℃以
下に到達した時点で圧力を開放した後、成型体を取り出
し、この成型体の余分な箇所を切断してセパレータを得
た。
【００４９】このようなコンポジット品のセパレータ及
び標準の膜電極複合体を用いた固体高分子型燃料電池Ａ
を図１のように電流取出し用締付け板１４ａ、１４ｂ、
ロッド１５、皿バネ１６、絶縁ブッシュ１７、ナット１
８等により積層方向に締付け、加湿した反応ガス及び冷
却水を供給して発電試験を行った。
【００５０】比較例として、セパレータ材料のみを変更
し、膜電極複合体等の他の部品は全く同じ仕様の固体高
分子型燃料電池（単位電池数：２０）を更に３つ製作し
た。１つ目はセパレータ材料を膨張黒鉛層１３のみとし
た仕様の固体高分子型燃料電池Ｂ、２つ目はコンポジッ
トセパレータの基盤となっているカーボン樹脂複合材１
２のみとした仕様の固体高分子型燃料電池Ｃ、３つ目は
Ｃのセパレータと同じ構成で、その材料を膨張黒鉛１３
と同程度のガス透過性を有するカーボン樹脂複合材とし
た固体高分子型燃料電池Ｄである。ＤのセパレータはＡ
やＣのそれと比べて比重が大きく、Ｃのセパレータより
もガス透過性が小さい。
【００５１】これら４つの固体高分子型燃料電池の発電
試験を行い、比較評価した。４つの固体高分子型燃料電
池の発電試験として、電流密度−電圧特性試験（ｉ−Ｖ
特性試験）、交流抵抗測定試験、負荷変動試験、５００
時間連続発電試験及び酸化剤ガス圧力損失のモニターを
行った。
【００５２】（実験結果及び作用）ｉ−Ｖ特性試験及び
交流抵抗測定試験の結果を図４に示す。固体高分子型燃
料電池Ａ、Ｂに関しては、ほぼ同様のｉ−Ｖ特性が得ら
れたが、固体高分子型燃料電池Ｃ、Ｄに関しては、Ａや
Ｂと比べてｉ−Ｖ曲線の傾きが大きくなった。また固体
高分子型燃料電池Ｃに関しては開路電圧（ＯＣＶ、無負
荷状態）及び近傍における電圧の値が低くなった。更
に、交流抵抗測定に関してもＣ、Ｄの方がＡ、Ｂと比べ
て高い結果となった。
【００５３】これは、Ｃ、Ｄに関しては接触抵抗とりわ
け電気的接触抵抗が大きいためである。逆にＡは膨張黒
鉛１３のみのセパレータを採用したＢと同じ交流抵抗値
であり、カーボン樹脂複合材１２の表面に７０μｍの膨
張黒鉛層１３を設けた構造にすることにより、Ｂと同じ
接触抵抗まで低減できた。またＣの電圧が低負荷時に低
下するのは、コンポジット品のセパレータの基盤として
用いたカーボン樹脂複合材１２のガス透過性が大きく、
それを介して燃料ガスと酸化剤ガスが混合するといっ
た、いわゆるクロスオーバーを起こしているためであ
る。
【００５４】次に、負荷変動試験結果を図５に示す。負
荷（電流密度）変動のシーケンスは「０．０５ Ａ／ｃ
ｍ２ → ０．５ Ａ／ｃｍ２ → ０．０５ Ａ／ｃ
ｍ２→ ０．５Ａ／ｃｍ２」とし、各負荷での保持時間
は５分、負荷変動操作は１秒間以内とした。またその
間、ガス利用率及び冷却水温度は一定とした。各負荷に
おける電圧及び交流抵抗のトレンドを測定したところ、
Ａ、Ｂ、はほぼ同様のトレンドを示し、Ｃは上記の要因
により電圧が若干低いがＡ、Ｂと近いトレンドを示し
た。Ｄに関しては負荷上昇直後に他と比べて電圧が低く
なり、交流抵抗値が高くなった。
【００５５】これは、負荷上昇に伴い反応ガス流量（と
りわけ酸化剤ガス流量）も急増し蒸発容量が増える状態
にシフトするが、Ｄに関しては蒸発すべき水が欠乏して
おり、固体高分子膜３中の水分が蒸発してしまう。従っ
て、交流抵抗値も高くなる。逆に、Ａ、Ｂ、Ｃに関して
は、ガス流路６ａ、６ｂを形成しているセパレータ材料
の中に、負荷変動に十分追従するだけの蒸発可能な水分
が含まれているために、電圧は安定し、交流抵抗値は殆
ど変化ない。
【００５６】次に、５００時間連続発電試験結果と酸化
剤ガス圧力損失トレンドを図６に示す。電流密度は０．
２ Ａ／ｃｍ２に固定し、ガス利用率及び冷却水温度も
一定とした。電圧変化に関しては、いずれの電池電圧も
安定したトレンドを示した。酸化剤ガス圧力損失変化に
関しては、Ａ、Ｃ、Ｄは５００時間を通して圧力損失の
上昇は殆ど確認できなかったが、Ｂは初期の１００時間
程度まで緩やかな圧力損失の上昇が見られ、その後はほ
ぼ一定であった。
【００５７】Ｂに関しては、セパレータ７を膨張黒鉛１
３のみで成型しているためにセパレータ１枚あたりの圧
縮クリープ量が大きく、結果として初期１００時間程度
まで圧力損失の増加が見られたが、その後は圧縮クリー
プが飽和に達したために一定値に収まった。
【００５８】以上述べた製造方法は、セパレータ７につ
いてであるが、これ以外のセパレータ１０，１１につい
ても同様である。
【００５９】（効果）以上述べた第１の実施の形態によ
れば、次のような作用効果が得られる。
【００６０】（１）セパレータ７，１０，１１は、カー
ボン樹脂複合材１２と膨張黒鉛層１３からなり、カーボ
ン樹脂複合材１２は板状であって該板面にガス流路を構
成するための凹部１２ａ及び凸部１２ｂを形成したもの
であり、膨張黒鉛層１３はカーボン樹脂複合材１２の凹
部１２ａ及び凸部１２ｂが形成されている部分を含む板
面に配設したので、反応ガス圧力損失の上昇を抑えら
れ、軽量かつ高性能で長時間安全で安定した運転が可能
な固体高分子型燃料電池を得ることができる。
【００６１】（２）吸水性の高い膨張黒鉛層１３が反応
ガス中の湿分を吸収しているので、湿分のバッファとな
り、負荷変動時でも安定した特性を維持する固体高分子
型燃料電池が得られる。
【００６２】（３）カーボン樹脂複合材１２の少なくと
も片面の一部又は全面に膨張黒鉛層１３を設けて一体化
プレス成型することにより、省力化が可能で、長時間安
定した運転が可能な固体高分子型燃料電池を得ることが
できる。
【００６３】セパレータの接触抵抗とガス透過性を低減
でき、軽量かつ高性能で安定した固体高分子型燃料電池
が得られる。
【００６４】（第２の実施の形態） （構成）図３と同じ構成及び外形で、セパレータ７の中
央の基盤となっているカーボン樹脂複合材１２の組成が
異なるセパレータａ、ｂ、ｃ、ｄを製作した。
【００６５】ａ、ｂ、ｃ、ｄ共に基本的なセパレータの
製造方法は第１の実施の形態に記した通りであるが、製
品における炭素質材料と熱硬化性樹脂の混合割合は、
ａ、ｂ、ｃ、ｄの順にそれぞれ０質量％−１００質量
％、５０質量％−５０質量％、８５質量％−１５質量
％、９０質量％−１０質量％それそれの炭素質材料での
黒鉛粉末と炭素質繊維の混合割合は、７５質量％及び、
２５質量％とした。まず、ａ、ｂ、ｃ、ｄのセパレータ
の重量を比較した。次に、これらのセパレータを超純水
の満たされたガラス製の加熱可能な容器を用いて、８０
℃で１０００時間の連続加熱試験を行い、膨張黒鉛層１
３とカーボン樹脂複合材１２の剥離テストを実施した。
更に、連続加熱試験を実施した後、それぞれのセパレー
タを１２０℃で２時間乾燥後、ガス透過量測定装置を用
いてヘリウムで５０ｋＰａの圧力を加えてヘリウム透過
量の比較を行った。
【００６６】（実験結果及び作用）まず、ａ、ｂ、ｃ、
ｄのセパレータの重量を比較したところ、ａ、ｂ、ｃ、
ｄの順に重量が増加した。
【００６７】次に、８０℃で実施した１０００時間の連
続加熱試験において、ａ、ｂ、ｃに関しては膨張黒鉛層
１３の剥離は生じなかったが、ｄに関しては部分的に剥
離が見られた。また、その後の１２０℃の乾燥におい
て、ｄに関しては膨張黒鉛層内部の水分の蒸発による膨
れや、さらには破裂が発生した。
【００６８】また、ガス透過量測定装置でヘリウム透過
量を測定した結果、ａ、ｂ、ｃが１０−３ｍｌ／ｓｅｃ
／ｃｍ２であったのに対してｄは１０ｍｌ／ｓｅｃ／ｃ
ｍ２であり、ヘリウム透過量が増大した。
【００６９】（効果）セパレータのカーボン樹脂複合材
として、炭素質材料０〜８５％と熱硬化性樹脂１５〜１
００％を混合した原材料を使用することで、固体高分子
型燃料電池の軽量化を図ることができる。また、カーボ
ン樹脂複合材と膨張黒鉛層の結着効果が賦与され、固体
高分子型燃料電池の長時間発電の際に、セパレータにお
ける膨張黒鉛層の剥離を生じることがなく、安定した発
電が可能となる。更に、セパレータのガス透過性が低減
されることにより、高性能な固体高分子型燃料電池が得
られる。
【００７０】（第３の実施の形態） （構成）図２、図３と同じ構成及び外形で、セパレータ
７の表面に設ける膨張黒鉛層１３の坪量のみが異なる４
つの固体高分子型燃料電池Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈを製作した。
【００７１】Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ共に基本的なセパレータの
製造方法は第１の実施の形態に記した通りであるが、製
品における膨張黒鉛層の坪量はＥ、Ｆ、Ｇ、Ｈの順にそ
れぞれ３０ ｇ／ｍ２、５０ ｇ／ｍ２、３００ ｇ／
ｍ２、５００ ｇ／ｍ２である。このとき、同様にＳＥ
Ｍによりセパレータ７の断面を観察したところ、膨張黒
鉛層１３の厚さはそれぞれ１８μｍ、３０μｍ、１８０
μｍ、４００μｍ、密度はＥ、Ｆ、Ｇが約１．７ｇ／ｃ
ｍ３、Ｈが約１．３ｇ／ｃｍ３であった。また、各セパ
レータのうち電池の積層方向両端部（Ｎｏ．１及びＮ
ｏ．２１）に位置するセパレータと、中央に位置するセ
パレータ（Ｎｏ．１１）に関しては、図７のようにセパ
レータ７の隅において対角線状に電位測定用の銅線１９
を、及びセパレータ中央部の温度測定を行うために中央
部から４隅を結ぶ辺の中点の１つに向けて、シース径φ
０．５ｍｍのＫ型熱電対２０をそれぞれセパレータ内部
に埋蔵した。各銅線１９における電位差を測定して上部
（Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１０）及び下部（Ｎｏ．１１〜Ｎ
ｏ．２０）の半電池電圧とした。上部と下部の半電池
（スタックの半分）電圧差及び温度は、それぞれ基準値
を上回ったときに発電を停止するといった保護が働くシ
ステムとなっている。
【００７２】これら４つのセパレータを用いた固体高分
子型燃料電池Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈの発電試験を行い、４つの
固体高分子型燃料電池の発電試験として、電流密度−電
圧特性試験（ｉ−Ｖ特性試験）、交流抵抗測定試験、セ
パレータ中央部温度測定、負荷変動試験、５００時間連
続発電試験及び酸化剤ガス圧力損失のモニターを行っ
た。また、合わせて膨張黒鉛層の圧縮クリープとガス流
路深さの検討も行った。
【００７３】（実験結果及び作用）図８にｉ−Ｖ特性試
験及び交流抵抗測定試験の結果を示す。Ｆ、Ｇ、Ｈはほ
ぼ同様のｉ−Ｖ特性試験及び交流抵抗値となったが、Ｅ
に関しては高電流密度になるに連れて電圧低下が顕著に
なった。また、交流抵抗測定に関しても他と比べてＥは
大きい結果となった。更に、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈにおいて上
記３本の熱電対温度を測定したところ、電流密度０．５
Ａ／ｃｍ２においてＮｏ．１１のセパレータ７に挿入し
た熱電対２０の温度は、Ｅに関しては８５℃であり、
Ｆ、Ｇ、Ｈに関しては８０℃であった。また、半電池電
圧差はいずれも基準値を超えることはなかった。
【００７４】次に、負荷変動試験結果を図９に示す。負
荷（電流密度）変動のシーケンスは「０．０５ Ａ／ｃ
ｍ２ → ０．５ Ａ／ｃｍ２ → ０．０５ Ａ／ｃ
ｍ２→ ０．５Ａ／ｃｍ２」とし、各負荷での保持時間
は５分、負荷変動操作は１秒間以内とした。またその
間、ガス利用率及び冷却水温度は一定とした。各負荷に
おける電圧及び交流抵抗のトレンドを測定したところ、
Ｅに関しては電圧そのものが低い以外に負荷追従性が遅
れる結果となったが、Ｆ、Ｇ、Ｈはほぼ同様のトレンド
を示した。
【００７５】これらの試験結果より、電気的及び熱的接
触抵抗の低減、更に負荷追従性を確保するための膨張黒
鉛層の十分な吸水性という点から、膨張黒鉛層１３の坪
量が３０ ｇ／ｍ２では不十分であり、５０ ｇ／ｍ２
以上とすれば、その効果が得られるということを確認し
た。
【００７６】次に、５００時間連続発電試験結果と酸化
剤ガス圧力損失トレンドを図１０に示す。電流密度は
０．２ Ａ／ｃｍ２に固定し、ガス利用率及び冷却水温
度も一定とした。電圧変化に関しては、いずれの電池電
圧も安定したトレンドを示した。酸化剤ガス圧力損失変
化に関しては、Ｅ、Ｆ、Ｇは５００時間を通して圧力損
失の上昇は殆ど確認できなかったが、Ｈは初期の１００
時間程度まで緩やかな圧力損失の上昇が見られ、その後
はほぼ一定であった。
【００７７】Ｈに用いたセパレータ７の断面拡大図を図
１１に示す。図２に示すセパレータ断面拡大図の場合と
異なり、坪量５００ｇ／ｍ２の場合は成型性が悪くなる
ためセパレータ７の成型時の凹凸部における膨張黒鉛層
１３の厚さが異なり、凹部の厚さに比べて凸部の方が厚
くなる。つまり、凸部の膨張黒鉛層１３の密度が低くな
る。そのため、圧縮クリープ量が大きくなるために酸化
剤ガスの圧力損失が経時的に上昇した。初期６０時間程
度まで圧力損失の上昇が見られたが、その後は圧縮クリ
ープが飽和に達したために一定値に収まった。
【００７８】この試験結果より、膨張黒鉛層１３の坪量
が３００ｇ／ｍ２以下であれば反応ガス圧力損失の経時
的上昇を抑えることができることを確認した。
【００７９】以上から、膨張黒鉛層１３の坪量は５０ｇ
／ｍ２以上３００ｇ／ｍ２以下の範囲であることが望ま
しい。
【００８０】（効果）膨張黒鉛層の坪量を５０ ｇ／ｍ
２以上３００ｇ／ｍ２以下とすることにより、セパレー
タと膜電極複合体との間の接触抵抗を十分に低減でき、
負荷追従性も良好で、かつ締付け荷重によるセパレータ
の圧縮クリープに起因する反応ガス圧力損失の上昇を招
くことなく、高性能で安定した固体高分子型燃料電池が
得られる。
【００８１】加えて、予め電位測定端子または温度測定
用プローブを組込んで一体化プレス成型したカーボン樹
脂複合材セパレータであることを特徴とする固体高分子
型燃料電池を提供することにより、プローブの抜けによ
る短絡事故の危険性を防止することができ、電池の診断
が容易となり、安全性が向上する。
【００８２】本発明は、前述の実施形態では、燃料電池
用セパレータとして固体高分子型燃料電池に適用した例
について説明したが、固体高分子型燃料電池以外の燃料
電池にも適用できる。
【００８３】
【発明の効果】本発明によれば、急激な負荷変動等の環
境変化に対して安定に追従でき、かつ高性能で長時間安
全で安定した運転が可能な軽量の燃料電池用セパレータ
及びその製造方法並びに該セパレータを用いた固体高分
子型燃料電池を提供することがてきる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の固体高分子型燃料電池に係る第１の実
施の形態を説明するための概略構成図。
【図２】図１の固体高分子型燃料電池スタックの断面拡
大図。
【図３】図２のセパレータのみを拡大して示す断面図。
【図４】第１の実施の形態におけるｉ−Ｖ特性試験及び
交流抵抗測定試験結果を表す図。
【図５】第１の実施の形態における負荷変動試験結果を
表す図。
【図６】第１の実施の形態における５００時間連続発電
試験結果を表す図。
【図７】本発明の固体高分子型燃料電池に係る第３の実
施の形態を説明するためのセパレータの平面図。
【図８】第３の実施の形態におけるｉ−Ｖ特性試験及び
交流抵抗測定試験結果を表す図。
【図９】第３の実施の形態における負荷変動試験結果を
表す図。
【図１０】第３の実施の形態における５００時間連続発
電試験結果を表す図。
【図１１】第３の実施の形態の固体高分子型燃料電池Ｈ
のセパレータ断面拡大図。
【図１２】従来の固体高分子型燃料電池の単位電池を示
す断面図。
【図１３】従来の固体高分子型燃料電池スタックを示す
断面図。
【符号の説明】
１…固体高分子型燃料電池スタック ２…電極 ２ａ…燃料極 ２ｂ…酸化剤極 ３…固体高分子膜 ４…膜電極複合体 ５…マニホールド ６…ガス流路 ６ａ…燃料ガス流路 ６ｂ…酸化剤ガス流路 ７…セパレータ ８…単位電池 ９…パッキン １０…一体型セパレータ（酸化剤／冷却板） １１…燃料ガスセパレータ １２…カーボン樹脂複合材 １３…膨張黒鉛層 １４…電流取出し用締付け板 １４ａ…電流取出し用締付け板（上板） １４ｂ…電流取出し用締付け板（下板） １５…ロッド １６…皿バネ １７…絶縁ブッシュ １８…ナット １９…銅線（電位測定用） ２０…熱電対 ２１…固体高分子膜 ２２…電極 ２２ａ…燃料極 ２２ｂ…酸化剤極 ２３…膜電極複合体 ２４…セパレータ ２５…パッキン ２６…単位電池 ２７…マニホールド ２８…ガス流路 ２８ａ…燃料ガス流路 ２８ｂ…酸化剤ガス流路 ２９…固体高分子型燃料電池スタック
フロントページの続き (72)発明者 小林 正則 福島県いわき市錦町落合16 呉羽化学工業 株式会社錦工場内 (72)発明者 小上 泰司 神奈川県川崎市川崎区浮島町２番１号 株 式会社東芝浜川崎工場内 (72)発明者 大谷 陽 東京都中央区日本橋堀留町１丁目９番11号 呉羽化学工業株式会社内 (72)発明者 堀 美知郎 神奈川県川崎市川崎区浮島町２番１号 株 式会社東芝浜川崎工場内 Ｆターム(参考） 5H026 AA06 BB01 BB02 BB08 CC10 CX04 CX05 CX09 CX10 EE05 EE06 EE19 HH00 HH03 HH05

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ガス拡散電極に少なくとも燃料ガス又は
    酸化剤ガスの一方を供給するためのガス流路を設けた燃
    料電池用セパレータにおいて、 前記セパレータは、板状のカーボン樹脂複合材と膨張黒
    鉛層とを組み合わせて構成したものであり、 前記カーボン樹脂複合材の少なくとも片面には、前記ガ
    ス流路を構成するための凹部及び凸部が形成され、 前記膨張黒鉛層は、前記カーボン樹脂複合材の前記凹部
    及び凸部が形成される部分を含む板面に配設したことを
    特徴とする燃料電池用セパレータ。
  2. 【請求項２】 前記カーボン樹脂複合材は、炭素質材料
    ０〜８５質量％と熱硬化性樹脂１５〜１００％を混合し
    た原材料を用いることを特徴とする請求項１に記載の燃
    料電池用セパレータ。
  3. 【請求項３】 前記膨張黒鉛層は、膨張黒鉛の坪量が５
    ０ｇ／ｍ２以上３００ｇ／ｍ２以下であることを特徴と
    する請求項１又は２に記載の燃料電池用セパレータ。
  4. 【請求項４】 前記セパレータは、予め電位測定端子又
    は温度測定用プローブを組込んだものであることを特徴
    とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の燃料電池用
    セパレータ。
  5. 【請求項５】 炭素質材料０〜８５質量％と熱硬化性樹
    脂１５〜１００％を混合した原材料粉末を得る第１の工
    程と、 前記第１の工程で得られた原材料粉末をプレス成型用金
    型の成型空間内面に平面状に敷き詰め、その片面又は両
    面の一部又は全面に膨張黒鉛シートを配置する第２の工
    程と、 前記第２の工程で得られた原材料粉末と膨張黒鉛シート
    を、前記プレス成型用金型を用いて同時にプレス成型及
    び成型温度制御をする第３の工程を含んだことを特徴と
    する燃料電池用セパレータの製造方法。
  6. 【請求項６】 前記第２の工程で使用する膨張黒鉛シー
    トは、該膨張黒鉛の坪量が５０ｇ／ｍ２以上３００ｇ／
    ｍ２以下のものとしたことを特徴とする請求項５に記載
    の燃料電池用セパレータの製造方法。
  7. 【請求項７】 前記第３の工程でプレス成型する際に、
    前記セパレータ成型体に、電位測定端子又は温度測定用
    プローブを組込んだことを特徴とする請求項５又は６に
    記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
  8. 【請求項８】 固体高分子膜の両面に夫々ガス拡散電極
    を配置した膜電極複合体と、前記ガス拡散電極に少なく
    とも燃料ガス又は酸化剤ガスの一方を供給するためのガ
    ス流路を設けたセパレータを、互いに接触させた繰り返
    し積層構造を形成してなる固体高分子型燃料電池におい
    て、 前記セパレータは、板状のカーボン樹脂複合材と膨張黒
    鉛層とを組み合わせて構成したものであり、 前記カーボン樹脂複合材の少なくとも片面には、前記ガ
    ス流路を構成するための凹部及び凸部が形成され、 前記膨張黒鉛層は、前記カーボン樹脂複合材の前記凹部
    及び凸部が形成される部分を含む板面に配設したことを
    特徴とする固体高分子型燃料電池。
  9. 【請求項９】 前記カーボン樹脂複合材は、炭素質材料
    ０〜８５質量％と熱硬化性樹脂１５〜１００％を混合し
    た原材料を用いることを特徴とする請求項８に記載の固
    体高分子型燃料電池。
  10. 【請求項１０】 前記膨張黒鉛層は、膨張黒鉛の坪量が
    ５０ｇ／ｍ２以上３００ｇ／ｍ２以下であることを特徴
    とする請求項８又は９に記載の固体高分子型燃料電池。
  11. 【請求項１１】 前記セパレータは、予め電位測定端子
    又は温度測定用プローブを組込んだものであることを特
    徴とする請求項８〜１０のいずれか一つに記載の固体高
    分子型燃料電池。
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