JP2011216405A - 固体高分子形燃料電池および固体高分子形燃料電池用のセパレータ - Google Patents

Abstract

【課題】導電性と、腐食の防止とを両立し、かつシール信頼性の高い固体高分子形燃料電池用のセパレータを提供すること。
【解決手段】反応ガス流路を形成し、かつ導電性の熱硬化性樹脂組成物の硬化物からなる中央部と、前記中央部を囲み、冷媒供給マニホールド孔および冷媒排出マニホールド孔を有し、かつ熱硬化性樹脂組成物の硬化物からなる外周部と、を有する固体高分子形燃料電池用のセパレータであって、前記外周部を構成する硬化物のうち、前記冷媒供給マニホールド孔および前記冷媒排出マニホールド孔の周囲の硬化物は絶縁性である、固体高分子形燃料電池用のセパレータ。
【選択図】図２

Description

本発明は固体高分子形燃料電池および固体高分子形燃料電池用のセパレータに関する。

固体高分子形燃料電池は、基本的に、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜、ならびに高分子電解質膜を挟持する一対の触媒電極（燃料極および空気極）から構成される膜電極接合体（以下「ＭＥＡ」とも称する）を有する。上記構成を有する燃料電池の燃料極に水素を含む燃料ガスを供給し、空気極に酸素を含む酸化ガスを供給することで、電気エネルギを継続的に取り出すことができる。

高分子電解質膜は、スルホン酸基を有するフッ素樹脂系イオン交換膜や、炭化水素樹脂系イオン交換膜のような高分子イオン交換膜などを有する電解質から構成される。

ＭＥＡは、積層されることで電気的に直列に接続されうる。このとき、燃料ガスと酸化ガスとが混ざらないようにするため、セパレータが各ＭＥＡの間に配置される。ＭＥＡを一対のセパレータで挟持したものは「燃料電池単セル」または単に「セル」と呼ばれ、複数の燃料電池セルの積層体は「燃料電池スタック」または単に「スタック」と呼ばれる。

セパレータは、ＭＥＡに燃料ガス、酸化ガスまたは冷媒などの流体を供給するための流路が形成された中央部と、流体を供給または排出するためのマニホールド孔が形成された外周部とを有する。

セパレータは、燃料ガスと酸化ガスとの混合を防止する以外に、ＭＥＡ同士を電気的に直列に接続する機能を有する。このため、ＭＥＡに接触するセパレータの中央部には、導電性が求められる。

セパレータの中央部のみを導電性とし、セパレータの外周部を絶縁性の樹脂で構成する技術が知られている（例えば特許文献１および特許文献２参照）。例えば特許文献１には、導電性の熱可塑性樹脂組成物からなる中央部を射出成形で形成した後、中央部を囲み絶縁性の熱可塑性樹脂組成物からなる外周部を射出成形で形成する方法が記載されている。

特開２００４−１３９７８８号公報 特開２００４−２９６１３８号公報

セパレータ全体が導電性であった場合、セパレータを構成する部材のうち冷媒供給マニホールド孔および冷媒排出マニホールド孔の周辺を構成する部材が冷媒に溶出し、セパレータが腐食する。この現象は「電解腐食」とも称される。このため、セパレータ全体が導電性であると、セパレータが腐食しやすく、燃料電池の寿命が短くなるという問題があった。

一方、特許文献１に記載されたような、射出成形で形成され、かつ導電性の熱可塑性樹脂組成物から構成された中央部と、中央部を囲み絶縁性の熱可塑性樹脂組成物から構成された外周部とを有するセパレータによれば、セパレータの導電性を確保しつつ、セパレータの腐食を防止できるとも考えられる。

しかしながら、特許文献１では、中央部を形成した後に、外周部を形成しているので、中央部と外周部との結合力が弱く、中央部と外周部との間の接合部からガスが漏れる恐れがあった。また、特許文献１のように射出成形でセパレータを形成する場合、反応ガス流路などを精密に加工することが困難である。また、射出成形で形成されたセパレータは反りやすいといった問題もあった。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、導電性と、腐食の防止とを両立し、かつシール信頼性の高い固体高分子形燃料電池用のセパレータを提供することを目的とする。

本発明の第１は、以下に示す固体高分子形燃料電池および固体高分子形燃料電池用のセパレータに関する。
［１］反応ガス流路を形成し、かつ導電性の熱硬化性樹脂組成物の硬化物からなる中央部と、前記中央部を囲み、冷媒供給マニホールド孔および冷媒排出マニホールド孔を有し、かつ熱硬化性樹脂組成物の硬化物からなる外周部と、を有する固体高分子形燃料電池用のセパレータであって、前記外周部を構成する硬化物のうち、前記冷媒供給マニホールド孔および前記冷媒排出マニホールド孔の周囲の硬化物は絶縁性である、固体高分子形燃料電池用のセパレータ。
［２］前記導電性の熱硬化性樹脂組成物の硬化物は、導電性フィラーを含む、［１］に記載の固体高分子形燃料電池用のセパレータ。
［３］前記導電性の熱硬化性樹脂組成物の硬化物に含まれる熱硬化性樹脂の種類と、前記絶縁性の硬化物に含まれる熱硬化性樹脂の種類とは、同じである、［１］または［２］に記載の固体高分子形燃料電池用のセパレータ。
［４］前記導電性の熱硬化性樹脂組成物の硬化物に含まれる熱硬化性樹脂の組成と、前記絶縁性の硬化物に含まれる熱硬化性樹脂の組成とは、同じである、［１］〜［３］のいずれかに記載の固体高分子形燃料電池用のセパレータ。
［５］前記外周部は、前記絶縁性の硬化物からなる、［１］〜［４］のいずれかに記載の固体高分子形燃料電池用のセパレータ。
［６］前記外周部を構成する硬化物の熱伝導率は、前記中央部を構成する硬化物の熱伝導率よりも低い、［１］〜［５］のいずれかに記載の固体高分子形燃料電池用のセパレータ。
［７］前記外周部を構成する硬化物の熱伝導率は、５Ｗ／（ｍ・ｋ）以下である、［６］に記載の固体高分子形燃料電池用のセパレータ。
［８］高分子電解質膜および前記高分子電解質膜を挟む一対の触媒電極を有する膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟む、一対の［１］〜［７］のいずれかに記載のセパレータと、を有する、固体高分子形燃料電池。

本発明の第２は、以下に示す固体高分子形燃料電池用のセパレータの製造方法に関する。
［９］反応ガス流路を形成し、かつ導電性の熱硬化性樹脂組成物の硬化物からなる中央部と；前記中央部を囲み、冷媒供給マニホールド孔および冷媒排出マニホールド孔を有し、かつ熱硬化性樹脂組成物の硬化物からなる外周部と；を有し、前記外周部を構成する硬化物のうち、少なくとも前記冷媒供給マニホールド孔および前記冷媒排出マニホールド孔の周囲は絶縁性である、固体高分子形燃料電池用のセパレータの製造方法であって、導電性の熱硬化性樹脂組成物および絶縁性の熱硬化性樹脂組成物を準備するステップと、前記導電性の熱硬化性樹脂組成物および絶縁性の熱硬化性樹脂組成物を、キャビティを有する金型に挿入するステップと、前記金型に挿入された前記導電性の熱硬化性樹脂組成物および絶縁性の熱硬化性樹脂組成物を加熱し、圧縮するステップと、を有する固体高分子形燃料電池用のセパレータの製造方法。

本発明では、セパレータを構成する硬化物のうち冷媒供給マニホールド孔および冷媒排出マニホールド孔の周囲が絶縁性であるので、セパレータが腐食する恐れが低い。

また、本発明では圧縮成形でセパレータを製造するので、成形材料として熱硬化性樹脂を用いることができる。このため本発明では、導電性領域を構成する熱硬化性樹脂と、絶縁性領域を構成する熱硬化性樹脂とが相溶した状態で架橋反応させることで、導電性領域の硬化物と絶縁性領域の硬化物とが強固に接合する。また、圧縮成形でセパレータを製造することで、反応ガス流路を正確にパターニングすることができ、かつ反りにくいセパレータを得ることができる。このため、本発明のセパレータは、シールの信頼性が高い。

実施の形態１の燃料電池の分解斜視図 実施の形態１の燃料電池に含まれるセパレータの平面図 実施の形態１のセパレータの製造方法を示す図 実施の形態１のセパレータの製造方法を示す図 実施の形態２のセパレータの平面図 実施の形態３のセパレータの平面図 実施の形態４のセパレータの平面図 実施の形態５のセパレータの製造方法を示す図 実施の形態５のセパレータの製造方法を示す図 実施の形態５のセパレータの断面図

１．本発明の固体高分子形燃料電池について
本発明の固体高分子形燃料電池（以下単に「燃料電池」とも称する）は、（１）膜電極接合体（以下「ＭＥＡ」とも称する）と、（２）ＭＥＡを挟む一対のセパレータ（燃料極セパレータおよび空気極セパレータ）とを有する。以下それぞれの構成部材について説明する。

（１）膜電極接合体（ＭＥＡ）について
膜電極接合体は、高分子電解質膜と、高分子電解質膜を挟む一対の触媒電極（燃料極および空気極）とからなる。高分子電解質膜は、湿潤状態において、プロトンを選択的に輸送する機能を有する高分子膜である。高分子電解質膜の材料は、プロトンを選択的に移動させるものであれば特に限定されない。このような材料の例にはフッ素系の高分子電解質膜や炭化水素系の高分子電解質膜などが含まれる。フッ素系の高分子電解質膜の具体的な例には、デュポン社のＮａｆｉｏｎ（登録商標）膜や旭硝子株式会社のＦｌｅｍｉｏｎ（登録商標）膜、旭化成株式会社のＡｃｉｐｌｅｘ（登録商標）膜、ジャパンゴアテックス社のＧＯＲＥ−ＳＥＬＥＣＴ（登録商標）膜などが含まれる。

高分子電解質膜の外周部は、触媒層からはみ出すことが好ましい。高分子電解質膜の外周部が触媒層からはみ出すことで一対の触媒電極間のショートが生じにくくなる。

一対の触媒電極は、高分子電解質膜を挟む燃料極および空気極からなる。それぞれの触媒電極は、高分子電解質膜に積層された触媒層と、触媒層に積層されたガス拡散層とを有する。

触媒層は、水素または酸素の酸化還元反応を促進する触媒を含む層である。触媒層は、導電性を有し、かつ水素または酸素の酸化還元反応を促進する触媒能を有するものであれば特に限定されない。触媒層は、例えば触媒として白金や白金とコバルトとの合金、白金とコバルトとニッケルとの合金など含む。

触媒層は、例えば、これらの触媒金属を担持させたアセチレンブラックやケッチェンブラック、バルカンなどのカーボン微粒子と、撥水性を有するポリテトラフルオロエチレン（Polytetrafluoroethylene, ＰＴＦＥ）などの樹脂とを含む。

ガス拡散層は、触媒層上に配置され、燃料ガスまたは酸化ガスの通気性と、電子伝導性との両方を併せ持つ。ガス拡散層は炭素繊維の織布または不織布であってもよいし、炭素粉末とバインダからなる多孔質シートであってもよい。ガス拡散層には、触媒層に供給する反応ガスが流れる反応ガス流路を構成する溝が形成されていてもよい。

（２）セパレータについて
セパレータは、反応ガスの混合を防止し、ＭＥＡと電気的に接続する、導電性の板である。本発明では、セパレータは、熱硬化性樹脂組成物の硬化物からなる。熱硬化性樹脂組成物は、熱硬化性樹脂を含みさらにフィラーを含んでもよい。熱硬化性樹脂は、熱硬化された状態で硬化物に含まれる。セパレータは、中央部と、中央部を囲む外周部とを有する。

ａ）中央部について
中央部とは、セパレータのうち上述したＭＥＡのガス拡散層と接触する面を有する領域を意味する。中央部は、リブによって規定された反応ガス流路を形成する。反応ガス流路の幅は、０．５〜１．５ｍｍであり、深さは、０．３〜１．０ｍｍであることが好ましい。通常、反応ガス流路を構成する溝は、セパレータの中央部に形成されるが、上述のように、ＭＥＡのガス拡散層に形成されてもよい。また、反応ガス流路が形成された面の裏面には、冷媒流路が形成されていてもよい。

中央部はＭＥＡと電気的に接続する。このため、中央部は導電性が求められる。このような中央部は、導電性の熱硬化性樹脂組成物の硬化物からなる。このような、導電性の熱硬化性樹脂組成物の硬化物は、導電性フィラーを含む。導電性フィラーの例には、炭素系フィラー、導電性セラミックフィラー、貴金属フィラーなどが含まれる。炭素系フィラーの例には、グラファイトやカーボンブラック、黒鉛などが含まれる。

ｂ）外周部について
外周部は、中央部の周囲を囲み、冷媒供給マニホールド孔および冷媒排出マニホールド孔を有する。外周部はさらに燃料ガス供給マニホールド孔、燃料ガス排出マニホールド孔、酸化ガス供給マニホールド孔および酸化ガス排出マニホールド孔を有していてもよい。また、外周部は、燃料電池単セルが積層された燃料電池スタックを締結するためのボルトを通すための穴を有していてもよい（図６参照）。

本発明では、外周部を構成する硬化物のうち、少なくとも一部の硬化物が絶縁性であることを特徴とする。より具体的には、本発明では、外周部を構成する硬化物のうち、冷媒供給マニホールド孔および冷媒排出マニホールド孔の周囲の硬化物が絶縁性であることを特徴とする。外周部を構成する硬化物は、少なくとも冷媒供給マニホールド孔および冷媒排出マニホールド孔の周辺が絶縁性であればよいが、外周部全体が絶縁性の硬化物から構成されてもよい（実施の形態３参照）。

このように本発明のセパレータは部位選択的に、導電性の硬化物からなる領域（以下「導電性領域」とも称する）と、絶縁性の硬化物からなる領域（以下「絶縁性領域」とも称する）を有する。

絶縁性の硬化物は導電性フィラーを含まないが、水（冷媒）に不溶の絶縁フィラー（体質顔料など）を含んでいてもよい。絶縁性の硬化物に含まれる絶縁フィラーの例には、ガラス繊維や炭酸カルシウム、タルク、マイカ（雲母）、ガラスビーズなどが含まれる。

このように、本発明によれば、冷媒供給マニホールド孔および冷媒排出マニホールド孔の周辺が冷媒に溶解しうる導電性フィラーを含まないので、冷媒によってセパレータが腐食することを防止することができ、寿命の長い燃料電池を提供することができる。

また、外周部を構成する硬化物の熱伝導率は、中央部を構成する硬化物の熱伝導率よりも低いことが好ましい。より具体的には、外周部を構成する硬化物の熱伝導率は、５Ｗ／（ｍ・ｋ）以下であることが好ましい。このように外周部の熱伝導率を下げるには、外周部を構成する硬化物に熱伝導率が低いフィラーを含有させればよい。熱伝導率が低いフィラーの例には、タルク、炭酸カルシウムなどが含まれる。

このように、外周部の熱伝導率を下げることで、燃料電池の発電中に発生した熱が外部に放出されることを防止し、発電によって生じた熱を効率的に利用することができる。

ｃ）セパレータを構成する硬化物に含まれる熱硬化性樹脂について
上述のように本発明のセパレータは部位選択的に、導電性の硬化物からなる領域と、絶縁性の硬化物からなる領域とを有する。本発明では導電性の硬化物に含まれる熱硬化性樹脂の種類と、絶縁性の硬化物に含まれる熱硬化性樹脂の種類とは、同じであることが好ましい。さらに、導電性の硬化物に含まれる熱硬化性樹脂の組成と、絶縁性の硬化物に含まれる熱硬化性樹脂の組成とは、同じであることがより好ましい。

このように、絶縁性の硬化物に含まれる熱硬化性樹脂と、導電性の硬化物に含まれる熱硬化性樹脂と同一種類または同一組成とすれば、圧縮成形するときに両方の熱硬化性樹脂が界面にて相溶しやすくなる。両方の熱硬化性樹脂同士が界面にて相溶した状態で架橋反応をさせれば、成形後の絶縁性領域と導電性領域との接合力が高まる。

また、本発明では外周部を構成する硬化物に含まれる熱硬化性樹脂の種類と、中央部を構成する硬化物に含まれる熱硬化性樹脂の種類とは、同じであることが好ましい。さらに、外周部を構成する硬化物に含まれる熱硬化性樹脂の組成と、中央部を構成する硬化物に含まれる熱硬化性樹脂の組成とは、同じであることがより好ましい。

セパレータを構成する硬化物に含まれる熱硬化性樹脂の具体的な例には、不飽和ポリエステル樹脂や、フェノール樹脂、メラミン樹脂、エポキシ樹脂、ジアリルテレフタレート樹脂、ユリア樹脂、ポリウレタン樹脂などが含まれ、不飽和ポリエステル樹脂、または、フェノール樹脂が好ましい。

このような構成を有する本発明の燃料電池を積層し、燃料電池スタックを製造してもよい。

２．セパレータの製造方法
次に本発明のセパレータの製造方法について説明する。本発明のセパレータは、熱硬化性樹脂組成物を圧縮成形することで製造されることを特徴とする。より具体的には、本発明のセパレータの製造方法は、１）セパレータの材料となる熱硬化性樹脂組成物（以下単に「セパレータ材料」とも称する）を準備する第１ステップと、２）セパレータ材料を、キャビティを有する金型に挿入する第２ステップと、３）セパレータ材料を加熱し、圧縮する第３ステップとを有する。以下それぞれのステップについて詳細に説明する。

１）第１ステップでは、セパレータの材料となる熱硬化性樹脂組成物を準備する。

上述のように、完成品であるセパレータは、導電性の熱硬化性樹脂組成物の硬化物からなる領域と、絶縁性の熱硬化性樹脂組成物の硬化物からなる領域とを有する。したがって、セパレータ材料には、導電性の熱硬化性樹脂組成物（以下「導電性材料」とも称する）と、絶縁性の熱硬化性樹脂組成物（以下「絶縁性材料」とも称する）との少なくとも２種類が含まれる。

導電性材料は、熱硬化性樹脂と導電性フィラーとを含む。導電性材料は、さらに熱硬化性樹脂を硬化させるための硬化剤を含んでもよい。硬化剤の例には、ポリアミンや酸無水物などが含まれる。

絶縁性材料は、少なくとも熱硬化性樹脂を含み、導電性フィラーを含まない。また、絶縁性材料はさらに、絶縁性フィラー（体質顔料など）を含んでいてもよい。絶縁性材料も導電性材料と同様、硬化剤を含んでもよい。また、絶縁性材料に含まれる熱硬化性樹脂は、導電性材料に含まれる熱硬化性樹脂と同じ種類であることが好ましく、同じ組成であることがより好ましい。

セパレータ材料は、固体であっても液体であってもよいが、固体であることが好ましい。セパレータ材料が固体であると、絶縁性材料および導電性材料をそれぞれ所望の位置に配置しやすいからである。固体のセパレータ材料は、粉末状であっても、ペレット状であっても、シート状であってもよい。

セパレータ材料は、正確に秤量されることが求められる。準備される材料の量が少ないと、セパレータの表面が汚くなったり、セパレータがもろくなったりする。一方、セパレータ材料の量が多いと、バリが多くなりすぎる恐れがある。

２）第２ステップでは、セパレータ材料をキャビティを有する金型に挿入する。より具体的には、導電性材料をキャビティの中央部に配置し、絶縁性材料を冷媒供給マニホールド孔および冷媒排出マニホールド孔の周囲に位置するように配置する。キャビティには、反応ガスの流路パターンが形成されていてもよい。また、金型には予め離型フィルムが配置されていてもよい。

３）第３ステップでは、金型に挿入されたセパレータ材料を加熱しながら、圧縮する。セパレータ材料を加熱するには、金型を加熱すればよい。また、セパレータ材料を圧縮するには、第２金型をセパレータ材料が挿入された金型に押し当てればよい（図４Ａ、図４Ｂ参照）。セパレータ材料が加熱されることでセパレータ材料が流動状態となる。また、流動状態になったセパレータ材料を圧縮することで、材料がキャビティの隅々まで充満する。

このように、本発明では、導電性材料を成形した後に、絶縁性材料を成形する従来のセパレータの製造方法とは異なり（特許文献１参照）、導電性材料と絶縁性材料とを同時に加熱するので、溶融状態となったときに互いが界面にて相溶しやすい。導電性材料と絶縁性材料とが界面にて相溶した状態で架橋反応させることで、成形後の導電性領域と絶縁性領域との結合力が高まる。また、上述のように導電性材料に含まれる熱硬化性樹脂と絶縁性材料に含まれる熱硬化性樹脂とを同一種類または同一組成とすれば、導電性材料と絶縁性材料との相溶性がさらに高まる。

さらに、導電性材料および絶縁性材料を導電性材料および絶縁性材料に含まれる熱硬化性樹脂の熱硬化温度以上に加熱すると、熱硬化性樹脂が架橋反応によって硬化する。

このように、本発明では導電性材料および絶縁性材料の架橋反応が同時に進行することから、成形後の導電性領域と絶縁性領域とが架橋によって橋渡しされ、強固に接合する。

このように、本発明では、圧縮成形により導電性材料と絶縁性材料とが界面にて相溶して架橋反応する。それにより、成形後の導電性領域と絶縁性領域とが架橋により橋渡しされる。これにより、得られたセパレータにおける導電性領域と絶縁性領域との接合がより強固になる。

その後、得られた成形体を金型から外すことで、本発明のセパレータが得られる。上述のように、離型フィルムを予め金型に配置しておけば、より簡便に成形体を金型から外すことができる。

このように、熱硬化性樹脂を含む導電性材料および絶縁性材料を同時に溶融させて界面にて相溶させ、架橋反応させることで、硬化物同士が架橋により橋渡しされて強固に結合する。また、本発明では圧縮成形でセパレータを製造するので、反応ガス流路を正確にパターニングすることができ、かつ反りにくいセパレータを得ることができる。このため、本発明のセパレータは、シールの信頼性が高い。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。本発明は、以下の実施の形態に限定されない。

［実施の形態１］
図１は、実施の形態１の燃料電池１００の分解斜視図である。図１に示されるように、実施の形態１の燃料電池１００は、膜電極接合体１１０（ＭＥＡ）と、ＭＥＡ１１０を挟む一対のセパレータ１２０とを有する。

膜電極接合体１１０は、高分子電解質膜と、高分子電解質膜を挟む一対の触媒電極からなる。

図２Ａは、セパレータ１２０のＭＥＡ１１０に接触する面からの平面図である。図２Ａに示されるようにセパレータ１２０は、中央部１２１と外周部１２３とを有する。また、セパレータ１２０は、熱硬化性樹脂組成物の硬化物からなる。

中央部１２１は、反応ガス流路１２２を形成する。外周部１２３は、冷媒供給マニホールド孔１０１、冷媒排出マニホールド孔１０２、酸化ガス供給マニホールド孔１０３、酸化ガス排出マニホールド孔１０４、燃料ガス供給マニホールド孔１０５および燃料ガス排出マニホールド孔１０６を有する。

図２Ｂは、導電性領域１３０と絶縁性領域１４０とを明示したセパレータ１２０の平面図を示す。図２Ｂに示されるように、セパレータ１２０は、導電性領域１３０と、絶縁性領域１４０を有する。導電性領域１３０は、中央部１２１を含み、絶縁性領域１４０は外周部１２３に含まれる。
本実施の形態では、外周部１２３の四辺のうち、マニホールド孔を有する２辺のみが絶縁性領域１４０であり、外周部１２３の四辺のうち、マニホールド孔を有さない２辺は導電性領域１３０である。

このように、本実施の形態では、外周部１２３の四辺のうち、マニホールド孔を有する２辺が絶縁性領域１４０であるので、冷媒供給マニホールド孔１０１および冷媒排出マニホールド孔１０２の周囲は絶縁性領域である。

このように、本実施によれば、冷媒供給マニホールド孔および冷媒排出マニホールド孔の周囲が絶縁性であるので、セパレータが腐食することはない。このため、本実施の形態の燃料電池は、寿命が長い。

次に、図３Ａ〜図４Ｃを参照しながら本実施の形態のセパレータの製造方法について説明する。図３Ａ〜図４Ｃに示されるように本実施の形態のセパレータ１２０の形成方法は、１）導電性材料および絶縁性材料を準備する第１ステップと、２）導電性材料１３１および絶縁性材料１４１を、キャビティ１５１を有する金型１５０に挿入する第２ステップ（図３Ａ、図３Ｂ）と、３）金型１５０に挿入された導電性材料１３１および絶縁性材料１４１を加熱し、圧縮する第３ステップ（図４Ａ、図４Ｂ）と、を有する。以下それぞれのステップについて説明する。

１）第１ステップでは、導電性材料および絶縁性材料を準備する。本実施の形態では、粉末状またはペレット状の導電性材料および絶縁性材料を準備する。

導電性材料は、熱硬化性樹脂のプレポリマーおよび導電性フィラーを含む。絶縁性領域の材料は、少なくとも熱硬化性樹脂のプレポリマーを含み、導電性フィラーを含まない。絶縁性材料はさらに、絶縁性フィラー（体質顔料など）を含んでいてもよい。

２）図３Ａおよび図３Ｂは、第２ステップを示す。図３Ａは導電性材料１３１および絶縁性材料１４１が挿入された金型１５０の断面図を示し、図３Ｂは、導電性材料１３１および絶縁性材料１４１が挿入された金型１５０の平面図を示す。図３Ａおよび図３Ｂに示されるように、第２ステップでは、導電性材料１３１および絶縁性材料１４１を、キャビティ１５１を有する金型１５０に挿入する。より具体的には、第２ステップでは導電性材料１３１をキャビティ１５１の中央部に配置し、絶縁性材料１４１をマニホールド孔用の突起１５３が形成された領域に配置する。

３）図４Ａおよび図４Ｂは、第３ステップを示す。第３ステップでは、金型１５０に挿入された導電性材料１３１および絶縁性材料１４１を加熱し、圧縮する。セパレータ材料を圧縮するには、第２金型１６０を金型１５０に押し当てればよい（図４Ａおよび図４Ｂ）。導電性材料１３１および絶縁性材料１４１を加熱することでキャビティ１５１内の導電性材料１３１および絶縁性材料１４１が流動状態となる。また、流動状態になった材料を圧縮することで材料がキャビティ１５１の隅々まで充満する。

そして、さらに導電性材料１３１および絶縁性材料１４１を熱硬化性樹脂の熱硬化温度以上に加熱すると、導電性材料１３１および絶縁性材料１４１に含まれる硬化性樹脂が架橋反応によって硬化する。この際、溶融状態の導電性材料１３１と絶縁性材料１４１とが界面にて相溶していれば、架橋反応によって導電性領域と絶縁性領域とが橋渡しされる。

その後得られた成形体を金型１５０から外すことで、本実施の形態のセパレータ１２０が得られる（図４Ｃ）。

このように、熱硬化性樹脂を含む導電性材料および絶縁性材料を同時に溶融して界面にて相溶させて、相溶した状態で架橋反応をさせることができるので、硬化物同士が架橋により橋渡しされて強固に結合する。また、本実施の形態では圧縮成形でセパレータを製造するので、反応ガス流路を正確にパターニングすることができ、かつ反りにくいセパレータを得ることができる。このため、本発明のセパレータは、シールの信頼性が高い。

［実施の形態２］
実施の形態１では、外周部の四辺のうち、マニホールド孔を有する二辺が絶縁性領域である形態について説明した。実施の形態２では、外周部のうち冷媒供給マニホールド孔および冷媒排出マニホールド孔の周囲のみが絶縁性領域である形態について説明する。

図５は、実施の形態２のセパレータ２２０の平面図である。実施の形態２のセパレータ２２０は、絶縁性領域１４０の位置および大きさが異なる以外は、実施の形態１のセパレータ１２０と同じである。実施の形態１のセパレータ１２０と同一の構成要素については同一の符号を付し、説明を省略する。

図５に示されるように、実施の形態２のセパレータ２２０は、冷媒供給マニホールド孔１０１および冷媒排出マニホールド孔１０２の周囲のみに絶縁性領域１４０を有する。

［実施の形態３］
実施の形態１および実施の形態２では、外周部の一部が絶縁性領域である形態について説明した。実施の形態３では、外周部全てが絶縁性領域である形態について説明する。

図６は、実施の形態３のセパレータ３２０の平面図である。実施の形態３のセパレータ３２０は、外周部全てが絶縁性領域である以外は、実施の形態１のセパレータ１２０と同じである。実施の形態１のセパレータ１２０と同一の構成要素については同一の符号を付し、説明を省略する。

図６に示されるように、実施の形態３のセパレータ３２０の外周部１２３は全て、絶縁性領域１４０から構成される。また、セパレータ３２０は外周部１２３に、燃料電池スタックを締結するためのボルトを通す穴１２５を有する。このように、外周部１２３の絶縁性領域１４０にボルト用の穴１２５を設けることで、発電時にボルトに電気が伝達し、電気がロスすることを防止できる。

［実施の形態４］
実施の形態４では、外周部の縁が強度が高い硬化物によって囲まれている形態について説明する。

図７は、実施の形態４のセパレータ４２０の平面図である。実施の形態４のセパレータ４２０は、外周部の縁が剛性の高い樹脂組成物からなる硬化物で構成されている以外は、実施の形態３のセパレータ３２０と同じである。実施の形態３のセパレータ３２０と同一の構成要素については同一の符号を付し、説明を省略する。

図７に示されるように、実施の形態３のセパレータ３２０の外周部１２３の縁は、高強度の硬化物（以下「高強度硬化物」とも称する）４２３によって囲まれている。高強度硬化物４２３は、高強度添加剤と熱硬化性樹脂組成物の硬化物とを含む。高強度添加剤の例には、ガラス繊維や、カーボン繊維、アラミド繊維などの高い弾性および強度を有する繊維が含まれる。

このように、本実施の形態では外周部の縁を高強度硬化物で囲むので、セパレータの機械的強度が高い。

［実施の形態５］
実施の形態１では、セパレータ材料が粉末状であるセパレータの製造方法について説明した。実施の形態５では、セパレータ材料がシート状であるセパレータの製造方法について説明する。

図８Ａ〜図８Ｃは、実施の形態５のセパレータの製造方法を示す。本実施の形態のセパレータの製造方法は、セパレータ材料がシート状である以外は、実施の形態１で説明したセパレータの製造方法と同じである。

図８Ａ〜図８Ｃに示されるように本実施の形態のセパレータの製造方法は、１）シート状の導電性材料５３１およびシート状の絶縁性材料５４１を準備する第１ステップ（図８Ａ）と、２）導電性材料５３１および絶縁性材料５４１を、キャビティ１５１を有する金型１５０に挿入する第２ステップ（図８Ａ）と、３）金型１５０に挿入された導電性材料５３１および絶縁性材料５４１を加熱し、圧縮する第３ステップ（図８Ｂ、図８Ｃ）と、を有する。以下それぞれのステップについて説明する。

１）第１ステップでは、シート状の導電性材料５３１およびシート状の絶縁性材料５４１を準備する（図８Ａ）。シート状の導電性材料５３１を準備するには、粉末状の導電性材料を完全に硬化しない程度に加熱し、シート化すればよい。同様にシート状の絶縁性材料５４１を準備するには、粉末状の絶縁性材料を完全に硬化しない程度に加熱し、シート化すればよい。

また、シート状の導電性材料５３１とシート状の絶縁性材料５４１との接触面積が増加するように、導電性材料５３１と絶縁性材料５４１の側面を加工してもよい。

具体的には、導電性材料５３１と絶縁性材料５４１との接触面に段差が形成されたり（図９Ａ参照）、導電性材料５３１と絶縁性材料５４１との接触面が傾いたり（図９Ｂ参照）、導電性材料５３１と絶縁性材料５４１との接触面が櫛歯状になるように、シート状の導電性材料５３１およびシート状の絶縁性材料５４１の側面を加工すればよい。

２）図８Ａは、第２ステップを示す。図８Ａに示されるように、第２ステップでは、シート状の導電性材料５３１およびシート状の絶縁性材料５４１を、キャビティ１５１を有する金型１５０に挿入する。

３）図８Ｂおよび図８Ｃは、第３ステップを示す。図８Ｂおよび図８Ｃに示されるように、第３ステップでは、金型１５０に挿入された導電性材料５３１および絶縁性材料５４１を加熱し、圧縮する。これによりキャビティ１５１内の導電性材料５３１および絶縁性材料５４１が流動状態となり、キャビティ１５１の隅々まで充満する。

また、図９Ａおよび図９Ｂに示されるように、導電性材料５３１と絶縁性材料５４１の側面が加工されていると、導電性材料５３１と絶縁性材料５４１との接触面積が増加し、導電性材料５３１と絶縁性材料５４１との密着性が上昇する。

そして、さらに導電性材料５３１および絶縁性材料５４１を熱硬化性樹脂の熱硬化温度以上に加熱し、導電性材料５３１および絶縁性材料５４１に含まれる熱硬化性樹脂を架橋反応によって硬化する。架橋反応する際に、導電性材料５３１と絶縁性材料５４１とが界面にて相溶しているので、導電性領域と絶縁性領域とが架橋により橋渡しされて強固に接合する。

その後、得られた成形体を金型１５０から外すことで、本実施の形態のセパレータ５２０が得られる。

このように、本実施の形態では、セパレータ材料を、予めシート状にしておくので、粉末状の材料と比較して、ハンドリングが容易になる。

また、図９Ａに示されるように導電性材料５３１と絶縁性材料５４１との接触面が段差を有する場合や、図９Ｂ導電性材料５３１と絶縁性材料５４１との接触面が傾いている場合、得られたセパレータ５２０においては、一方の面Ｘで、導電性領域５３０の面積比が小さく、絶縁性領域５４０の面積比が大きくなり、他方の面Ｙで、導電性領域５３０の面積比が大きく、絶縁性領域５４０の面積比が小さくなる（図１０Ａおよび図１０Ｂ参照）。

このように、セパレータの一方の面と、他方の面とで、導電性領域５３０の面積と絶縁性領域５４０の面積との比率が異なる場合、導電性材料５３１の収縮率および絶縁性材料５４１の収縮率を調節することで、セパレータの反りを調節することができる。収縮率を調節するには、例えばフィラーとして材料に含まれるガラス繊維の量や長さを調節すればよい。

例えば、図１０に示されるように、絶縁性材料５４１の収縮率を導電性材料５３１の収縮率よりも大きくすれば、絶縁性領域５４０の面積比が大きい面Ｘが、他方の面Ｙよりも収縮し、その結果、面Ｙ方向（矢印Ｚ方向）にセパレータ５２０を反らすことができる。このとき、面Ｙ側にＭＥＡを配置すれば、セパレータとＭＥＡとの接触性をより向上させることができる。

本発明の燃料電池は、例えばポータブル電源、電気自動車用電源、家庭内コージェネレーションシステム用の高分子電解質型燃料電池の部材として好適に用いられる。

１００ 燃料電池
１０１ 冷媒供給マニホールド孔
１０２ 冷媒排出マニホールド孔
１０３ 酸化ガス供給マニホールド孔
１０４ 酸化ガス排出マニホールド孔
１０５ 燃料ガス供給マニホールド孔
１０６ 燃料ガス排出マニホールド孔
１１０ ＭＥＡ
１２０、２２０、３２０、４２０、５２０ セパレータ
１２１ 中央部
１２２ 反応ガス流路
１２３ 外周部
１２５ ボルト用の穴
１３０、５３０ 導電性領域
１３１、５３１ 導電性材料
１４０ ５４０ 絶縁性領域
１４１、５４１ 絶縁性材料
１５０ 金型
１５１ キャビティ
１５３ マニホールド孔用突起
１６０ 第２金型
４２３ 高強度硬化物

Claims (9)

1. 反応ガス流路を形成し、かつ導電性の熱硬化性樹脂組成物の硬化物からなる中央部と、
   前記中央部を囲み、冷媒供給マニホールド孔および冷媒排出マニホールド孔を有し、かつ熱硬化性樹脂組成物の硬化物からなる外周部と、を有する固体高分子形燃料電池用のセパレータであって、
   前記外周部を構成する硬化物のうち、前記冷媒供給マニホールド孔および前記冷媒排出マニホールド孔の周囲の硬化物は絶縁性である、固体高分子形燃料電池用のセパレータ。
2. 前記導電性の熱硬化性樹脂組成物の硬化物は、導電性フィラーを含む、請求項１に記載の固体高分子形燃料電池用のセパレータ。
3. 前記導電性の熱硬化性樹脂組成物の硬化物に含まれる熱硬化性樹脂の種類と、前記絶縁性の硬化物に含まれる熱硬化性樹脂の種類とは、同じである、請求項１に記載の固体高分子形燃料電池用のセパレータ。
4. 前記導電性の熱硬化性樹脂組成物の硬化物に含まれる熱硬化性樹脂の組成と、前記絶縁性の硬化物に含まれる熱硬化性樹脂の組成とは、同じである、請求項１に記載の固体高分子形燃料電池用のセパレータ。
5. 前記外周部は、前記絶縁性の硬化物からなる、請求項１に記載の固体高分子形燃料電池用のセパレータ。
6. 前記外周部を構成する硬化物の熱伝導率は、前記中央部を構成する硬化物の熱伝導率よりも低い、請求項１に記載の固体高分子形燃料電池用のセパレータ。
7. 前記外周部を構成する硬化物の熱伝導率は、５Ｗ／（ｍ・ｋ）以下である、請求項６に記載の固体高分子形燃料電池用のセパレータ。
8. 高分子電解質膜および前記高分子電解質膜を挟む一対の触媒電極を有する膜電極接合体と、
   前記膜電極接合体を挟む、一対の請求項１に記載のセパレータと、を有する、固体高分子形燃料電池。
9. 反応ガス流路を形成し、かつ導電性の熱硬化性樹脂組成物の硬化物からなる中央部と；前記中央部を囲み、冷媒供給マニホールド孔および冷媒排出マニホールド孔を有し、かつ熱硬化性樹脂組成物の硬化物からなる外周部と；を有し、前記外周部を構成する硬化物のうち、前記冷媒供給マニホールド孔および前記冷媒排出マニホールド孔の周囲の硬化物は絶縁性である、固体高分子形燃料電池用のセパレータの製造方法であって、
   導電性の熱硬化性樹脂組成物および絶縁性の熱硬化性樹脂組成物を準備するステップと、
   前記導電性の熱硬化性樹脂組成物および絶縁性の熱硬化性樹脂組成物を、キャビティを有する金型に挿入するステップと、
   前記金型に挿入された前記導電性の熱硬化性樹脂組成物および絶縁性の熱硬化性樹脂組成物を加熱し、圧縮するステップと、を有する固体高分子形燃料電池用のセパレータの製造方法。

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