JP2000208154A - 燃料電池用セパレ―タ及びその作製方法 - Google Patents

燃料電池用セパレ―タ及びその作製方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 生産コストが安く、高導電性であり、また高
い気密性や寸法安定性、機械的強度等を兼ね備える燃料
電池用セパレータを提供する。 【解決手段】 導電性を有し、反応ガス流通用チャネル
１０４が形成された集電部１０２と、前記集電部１０２
とは異なる組成を有し、かつ前記チャネル１０４に接続
する反応ガス導入孔１０１ａ，１０１ｂを備え、前記集
電部１０２の周端部を包囲するマニホールド部１０３と
を一体化してなり、前記集電部１０２には樹脂バインダ
ーが含まれていることを特徴とする燃料電池用セパレー
タ１０１。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、各種燃料電池に利
用されるセパレータに関する。
【０００２】
【従来の技術】水素や化石燃料等を燃料とし、その燃料
の酸化反応時における化学反応エネルギーを直接電気エ
ネルギーに変換する装置が知られている。この装置は一
般に燃料電池と称されている。
【０００３】燃料電池にはいくつかの種類があるが、そ
の一つに固体高分子型と呼ばれるものが知られている。
固体高分子型の燃料電池１００は、図５に示されるよう
に、正電極１０／固体高分子からなる電解質１１／負電
極１２／セパレータ１０１が順次積層された構造を１セ
ルとし、このセルを多数個直列及び並列に接続した構成
を有している。また、通常、各電極１０，１２とセパレ
ータ１０１，１０１との間には支持集電体１３が介在す
る。
【０００４】セパレータ１０１は、その両面にチャネル
（溝）１０４が形成されており、燃料ガス導入孔１０１
ａ及び酸化剤ガス導入孔１０１ｂを通じてそれぞれのチ
ャネル１０４に燃料ガスまたは酸化剤ガスが供給され
る。また、セパレータ１０１は冷却水導入孔１０１ｃを
備え、冷却水を流通させる構造となっている。
【０００５】基本的な燃料電池１００の動作は、以下の
ようなものである。尚、話しを簡略化するために一つの
セルに着目して説明を行う。
【０００６】動作においては、負電極１２側に水素等の
酸化される燃料ガスが供給され、正電極１０側に酸素や
空気等の酸化剤ガスが供給される。この燃料ガス及び酸
化剤ガスは、セパレータ１０１の燃料ガス導入孔１０１
ａ及び酸化剤ガス導入孔１０１ｂから導入され、セパレ
ータ１０１の両面に形成されたチャネル１０４を流通す
る。
【０００７】負電極１２においては、触媒材料の作用に
より、燃料ガスは電子と陽イオン（水素を燃料とした場
合はプロトン）とに分解される。
【０００８】この負電極１２側で発生した陽イオンは、
電解質１１を透過して正電極１０側に移動し、正電極１
０側を流れる酸素等の酸化剤ガスと接触する。
【０００９】正電極１０は、負荷（図示せず）を介して
負電極１２と接続されており、負電極１２で発生した電
子は、負荷を介して正電極１０へと移動する。
【００１０】正電極１０側では、電解質１１を透過して
きた燃料の陽イオンが酸化剤によって酸化される。例え
ば、燃料ガスとして水素を利用し、酸化剤ガスとして酸
素を利用した場合には、正電極１０側で酸素と水素との
酸化反応が起こる。
【００１１】この際、負電極１２において燃料から分離
された電子が負荷を介して負電極１２側から正電極１０
側へと移動し、正電極１０側での酸化反応に寄与する。
この負電極１２側から正電極１０側への電子の移動によ
って起電力が発生する。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】一般に燃料電池１００
は、多数のセルを直列に積層して接続し、所定の電圧が
得られる構造となっている。セルの積層数は、数十〜数
百以上となるのが普通である。
【００１３】そして、この多数のセルを積層した構造に
おいて、隣り合うセル同士はセパレータ１０１によって
分離される。
【００１４】積層構造の端部分を除くと、セパレータ１
０１の一方の面には、水素等の燃料ガスが流れ、他方の
面には酸素等の酸化剤ガスが流れる。
【００１５】当然のことながら、燃料ガスと酸化剤ガス
とが混じり合ってはならないので、セパレータ１０１に
は両者を分離する機能が要求される。即ち、セパレータ
１０１自体はガスが透過しない気密性が必要とされる。
【００１６】また、セパレータ１０１は、積層されたセ
ル同士を電気的に直接接続する部材でもあるから、その
材質には高い電気導電性（低抵抗性）が要求される。
【００１７】また、セパレータ１０１には、酸化の結果
生成される水分に対する耐性（耐水性）、電解質中に含
まれる電解質に対する耐腐食性、酸化剤に対する耐腐食
性が要求される。
【００１８】また、セパレータ１０１には、セルを積層
した状態において強い圧縮力が加わるので、それに耐え
る高い強度が要求される。
【００１９】上述したような要求事項を満足する構成と
して、以下に挙げるような技術がある。
【００２０】その一つは、グラシイカーボン（焼成カー
ボン）とも称されるガラス質のカーボン材料を焼成する
ことによって得たブロックから切削加工によってセパレ
ータ１０１を得る技術である。
【００２１】セパレータ１０１には、燃料ガスと酸化剤
ガスとを流すためのチャネル１０４が形成されるが、グ
ラシイカーボンは、焼成時における変形が大きいので、
未焼成状態で成形し、その後に焼成する作製方法は利用
できず、焼成によってブロック状のものを得た後に切削
加工により必要とする形状を得る必要がある。
【００２２】しかし、焼成されたグラシイカーボンは固
く、切削加工には高いコストが必要となる。また切削ロ
スがあり、この点でも材料が無駄となり高コストとな
る。
【００２３】セパレータ１０１を得る他の技術として
は、グラファイト粉末や膨張黒鉛粉末の炭素系の導電フ
ィラーと樹脂とを混合あるいは混練し、この混合体ある
いは混練体からセパレータ１０１を得る方法がある。
【００２４】この方法では、モールド成形や熱プレスに
よって、低コストで所定の形状を得ることができる。即
ち、所定のチャネル構造（ガスを均一に流すようなガス
路の構造）を比較的簡単に得ることができる。
【００２５】しかし、発電効率の点からはセパレータ１
０１の導電性が高い方が好ましいが、そのためには導電
性フィラーの配合量を多くしなければならず、その結果
強度や成形性が低下するという問題が発生する。また、
出発材料が粉体であるので、成形に際しての寸法安定性
が悪いという問題がある。
【００２６】また、セパレータ１０１には、燃料ガスや
酸化剤ガスを所定のチャネル１０４内に閉じこめ、セル
の外部に漏れ出ないようにする機能（シール機能）も必
要とされるが、寸法安定性が低下するとこのシール機能
が損なわれてしまう。
【００２７】また、積層された状態において、セルには
大きな圧縮力が加わるので、この圧縮力に耐える強度が
セパレータ１０１には要求される。この圧縮力によって
セパレータ１０１が変形したり、クラックが発生した
り、一部が破損したりすると、前述したガスの気密性や
シール性が損なわれ好ましくない。この点においても、
炭素系の導電性フィラーの配合量を多くしたものは不利
なことが分かっている。即ち、炭素系の導電性フィラー
の配合量を多くすると、セパレータ１０１の強度が低下
することが分かっている。
【００２８】さらに導電フィラーの配合量を多くする
と、ガスの非透過性が低下するという問題もある。
【００２９】このように、燃料電池用のセパレータ１０
１を得る技術において、 （１）グラシイカーボンを用いた方法は、生産コストの
点で問題がある。 （２）グラファイト粉末や膨張黒鉛粉末等の導電性フィ
ラーと樹脂材料とを用いた方法では、導電性と他の要求
事項との両立が困難となる。といった問題がある。
【００３０】従って、本発明は、燃料電池用のセパレー
タにおいて、 ・生産コストが安い。 ・高導電性である。 ・高い気密性を有する。 ・高い寸法安定性を有する（生産品の寸法バラツキが小
さい）。 ・高い機械的強度を有する。 等の要求事項を同時に満足することができる技術を提供
することを解決すべき課題とする。
【００３１】
【課題を解決するための手段】本発明は、導電フィラー
と樹脂材料とで成る混練体から得る燃料電池用のセパレ
ータにおいて、高い気密性や寸法安定性、機械的強度が
必要とされる部分と、高い導電性が必要とされる部分と
が異なる点に着目し、それぞれの部分において、最適な
材料を用い、さらに集電部に樹脂バインダーが含まれて
いることを基本的な特徴とする。
【００３２】即ち、上記の課題を解決するために、本発
明に係る燃料電池用セパレータは、導電性を有し、反応
ガス流通用チャネルが形成された集電部と、前記集電部
とは異なる組成を有し、かつ前記チャネルに接続する反
応ガス導入孔を備え、前記集電部の周端部を包囲するマ
ニホールド部とを一体化してなり、前記集電部には樹脂
バインダーが含まれていることを特徴とする。
【００３３】同様の課題を解決するために、本発明に係
る第１の作製方法は、上記燃料電池用セパレータの作製
にあたり、少なくとも樹脂バインダーと導電性フィラー
とを原料として前記集電部を形成する工程と、前記集電
部を型に配置した状態で、前記導電部とは異なる組成の
マニホールド部形成用材料を射出成形して前記集電部と
前記マニホールド部とを一体化する工程とを有すること
を特徴とする。
【００３４】また、本発明に係る第２の作製方法は、上
記燃料電池用セパレータの作製にあたり、少なくとも樹
脂バインダーと導電性フィラーとを原料として前記集電
部を作製する工程と、前記集電部とは異なる材料からな
り、かつその面方向に２分割された前記マニホールド部
を作製する工程と、前記集電部を前記マニホールド部で
挟持して一体化させる工程とを有することを特徴とす
る。
【００３５】また、本発明に係る第３の作製方法は、上
記燃料電池用セパレータの作製にあたり、少なくとも樹
脂バインダーと導電性フィラーとを原料として前記集電
部を作製する工程と、前記集電部を型に配置した状態
で、前記導電部とは異なる組成のマニホールド部形成用
材料を射出成形して前記集電部の一方の面に前記マニホ
ールド部の片面を作製する工程と、前記一方の面側にマ
ニホールド部が作製された集電部を型に配置した状態
で、前記マニホールド部形成用材料を射出成形して前記
集電部の他方の面に前記マニホールド部の他方の片面を
作製する工程とを有することを特徴とする。
【００３６】
【作用】本発明の燃料電池用セパレータは、集電部とマ
ニホールド部とに分割するとともに、集電部について
は、気密性や寸法安定性、機械的強度を犠牲にして、導
電性フィラーを多量に配合して高い導電性を有する樹脂
材料で構成する。
【００３７】他方、マニホールド部については、気密性
や寸法安定性、機械的強度を優先するために導電性フィ
ラーを少量配合、好ましくは全く含まない樹脂材料で構
成する。また、マニホールド部を高抵抗（実質的に絶縁
体）とすることができるので、マニホールド部には電流
が流れず、ジュール熱に起因する電力損失がない構造を
実現できる。また、マニホールド部から発電電力が支持
部を介して逃げてしまうことを防ぐことができる。ま
た、集電部にも樹脂材料を含ませることにより、集電部
におけるシール機能、寸法安定性、強度、成形性といっ
た要求事項を満足させる。
【００３８】こうして、電力損失が少なく、かつ高い気
密性や寸法安定性、機械的強度を有する燃料電池用のセ
パレータを得ることができる。
【００３９】
【発明の実施の形態】以下、本発明に関して詳細に説明
する。図５に例示したセパレータ１０１の構造におい
て、中央部のチャネル１０４が形成された部分１０２に
は、発生した電力を集電するための機能、即ち高導電性
が要求される。本発明において、この部分１０２を集電
部と呼ぶ。
【００４０】他方、セパレータ１０１の周辺部（縁の部
分）１０３には、セル外にガスを漏らさないためのシー
ル性が要求されることから、高い機械的強度及び高い寸
法安定性が要求される。また、ガスを透過しない物性も
要求される。本発明において、この部分をマニホールド
部と呼ぶ。
【００４１】本発明は、この点に着目し、セパレータ１
０１の中央部の集電部１０２では、導電性フィラーを配
合させて導電性を優先し、他方でセパレータ１０１の周
辺部のマニホールド部１０３では導電性フィラーを配合
しないで強度や寸法安定性を優先した構造とする。ま
た、集電部１０２には樹脂バインダーを配合し、集電部
に必要な強度や寸法安定性を確保する。
【００４２】こうすることで、前述した要求事項を同時
に満足したセパレータ１０１を得ることができる。
【００４３】マニホールド部１０３は、チャネル１０４
が形成された集電部１０２の周端部を囲むようにして存
在するフレーム状の部分であり、燃料ガスや酸化剤ガス
が漏れ出ないようにするシール機能を有し、また燃料ガ
ス導入孔１０１ａや酸化剤ガス導入孔１０１ｂ、冷却水
導入孔１０１ｃを備える。
【００４４】また、マニホールド部１０３は、大きな圧
縮力が働く部分でもあり、またシール性が要求されるこ
とから、高い機械的強度と高い寸法安定性とが要求され
る。
【００４５】従って、マニホールド部１０３は、電気性
能を犠牲にして他の要求事項を追求したものとすればよ
い。そこで、マニホールド部１０３は全体を樹脂材料で
構成することが好ましい。また、ガラス繊維等の非導電
性フィラーを配合して機械的強度の向上を図ることもで
きる。機械的強度等に問題がなければ、少量の導電性フ
ィラーを配合することもできる。これにより、導電性フ
ィラーを含有する集電部１０２との密着性が良くなる。
但し、マニホールド部１０３の導電率が高くならないよ
うに注意する必要がある。
【００４６】樹脂材料としては、フェノール樹脂、エポ
キシ樹脂、ナイロン樹脂、液晶ポリエステル樹脂等を単
独で、もしくは混合して用いることができる。下記表に
マニホールド部１０３の組成を例示するが、これらの中
で、特に液晶ポリエステル樹脂を単独で用いるか、もし
くは８０重量％以上とガラス繊維との混合物とすること
が好ましいと言える。
【００４７】
【表１】
【００４８】一方、集電部１０２は導電性を備え、その
両面に燃料ガスや酸化剤ガスを流通させるためのチャネ
ル１０４が形成されている。また、マニホールド部１０
３との一体化のために、チャネル１０４を取り囲むよう
にエッジ部１０２ａが形成されている（図２（ａ）参
照）。
【００４９】この集電部１０２は、導電性フィラーを樹
脂バインダで結着して得られる。導電性フィラーとして
は、カーボン、黒鉛、膨張黒鉛等の粉体を単独で、もし
くは混合して用いることができる。これらの中で、特に
膨張黒鉛は低い電気抵抗が得られるため好ましく、これ
を単独でもしくは主成分として使用する。一方、バイン
ダとなる樹脂としては、フェノール樹脂、エポキシ樹
脂、ポリイミド樹脂、液晶ポリエステル樹脂等を単独
で、もしくは混合して用いることができる。
【００５０】下記表に集電部１０２の組成を例示する
が、導電性フィラーとして膨張黒鉛を単独で使用する場
合は６０重量％以上、もしくは主成分とする場合は７０
重量％以上とし、また樹脂としてエポキシ樹脂またはフ
ェノール樹脂を使用することが好ましいと言える。尚、
下記表から明らかなように、電気的な性能を第１に追求
する集電部といえども樹脂バインダーを配合することに
より、導電性と同時に他の要求事項を満足させることが
できる。
【００５１】
【表２】
【００５２】上記集電部１０２とマニホールド部１０３
とを一体化して、本発明の燃料電池用セパレータ１０１
が完成する。一体化の方法に関しては、プレス成形の
他、後述される実施形態に示す方法が好ましい。得られ
たセパレータ１０１は、図１に示されるように、その中
央部に集電部１０２が配置され、その周囲をマニホール
ド部１０３で包囲して構成されており、図５に示した従
来のセパレータ１０１と同様の外観を呈する。
【００５３】上記において、集電部１０２とマニホール
ド部１０３とで構成樹脂材料を異なるものとしてもよ
い。この場合、集電部１０２とマニホールド部１０３と
の馴染みが良く、両者の一体性が損なわれないような材
料の組み合わせを選択することが重要となる。
【００５４】以下、製造工程を挙げて更に説明する。 （第１の実施の形態）ここでは、図２を参照して、集電
部１０２とマニホールド部１０３とが一体成形されたセ
パレータ１０１の作製方法を説明する。
【００５５】先ず、図２（ａ）に示すように、集電部形
成材料（例えば、膨張黒鉛７０重量部とエポキシ樹脂３
０重量部との混合物）を成形して、両面にチャネル１０
４及びエッジ部１０２ａが形成された集電部１０２を作
製する。成形方法としては、プレス成形や射出成形が可
能である。次いで、図２（ｂ）に示すように、この集電
部１０２を型に装着した状態で、マニホールド形成用材
料（例えば、液晶ポリエステル樹脂８０重量部とガラス
繊維２０重量部との混合物）を射出成形してセパレータ
１０１を一体成形する。
【００５６】こうして、マニホールド部１０３は絶縁性
で、高い機械的強度と高い寸法安定性とを有するものと
し、集電部１０２はフィラーの混入により高導電性を有
する構造が実現される。
【００５７】（第２の実施の形態）図３に示されるよう
に、前記集電部形成材料を成形して、両面にチャネル１
０４及びエッジ部１０２ａが形成された集電部１０２を
作製する。また、前記マニホールド部形成材料を成形し
て、マニホールド部１０３となる一対の部材３０１，３
０２を作製する。この部材３０１，３０２は、マニホー
ルド部１０３をその面方向に２分割した構造となってい
る。成形方法は、何れもプレス成形や射出成形が可能で
ある。また、部材３０１，３０２の厚みは、集電部１０
２のチャネル１０４を形成する隔壁１０４ａの高さと同
一とする。
【００５８】そして、部材３０１，３０２が集電部１０
２のエッジ部１０２ａを挟持するように、集電部１０２
と部材３０１，３０２とを一体化させることにより、本
発明のセパレータ１０１が完成する。尚、一体化には、
接着剤やピンを用いることができる。
【００５９】本実施の形態で示す作製工程では、プレス
成形や射出成形を用いた場合に懸念される、機械的強度
の低い集電部１０２のエッジ部１０２ａの破損を防止す
ることができる。
【００６０】（第３の実施の形態）図４（Ａ）に示され
るように、前記集電部形成材料を成形して、両面にチャ
ネル１０４及びエッジ部１０２ａが形成された集電部１
０２を作製する。次いで、集電部１０２を型に入れ、図
４（Ｂ）に示すように射出成形法により、エッジ部１０
２ａの一方の面上にマニホールド部１０３の面方向半分
の部分（マニホールド部材）４０１を形成する。引き続
き、図４（Ｃ）に示すように射出成形法により、エッジ
部１０２ａの他方の面にマニホールド部１０３の残りの
部分（マニホールド部材）４０２を形成する。こうし
て、部材４０１と４０２とにより集電部１０２のエッジ
部１０２ａが保持され、本発明のセパレータ１０１が完
成する。
【００６１】本実施の形態で示す作製工程は、マニホー
ルド部１０３を作製する射出成形を２段階に分けること
で、マニホールド部１０３の射出成形時における集電部
１０２のエッジ部１０２ａに加わる圧力を軽減して、破
損を抑制することができる。
【００６２】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、 ・生産コストが安い。 ・高導電性である。 ・高い気密性を有する。 ・高い寸法安定性を有する（生産品の寸法バラツキが小
さい）。 ・高い機械的強度を有する。 等の要求事項を同時に満足することができる燃料電池用
のセパレータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るセパレータの外観を示す斜視図で
ある。
【図２】本発明に係るセパレータの作製工程の一例を示
す図である。
【図３】本発明に係るセパレータの作製工程の他の例を
示す図である。
【図４】本発明に係るセパレータの作製工程の他の例を
示す図である。
【図５】燃料電池の概略を示す分解構成図である。
【符号の説明】
１０ 正電極 １１ 電解質 １２ 負電極 １３ 支持集電体 １００ 燃料電池 １０１ セパレータ １０１ａ 燃料ガス導入孔 １０１ｂ 酸化剤ガス導入孔 １０１ｃ 冷却水導入孔 １０２ 集電部（セパレータの中央部） １０２ａ 集電部（セパレータのエッジ部） １０３ マニホールド部（セパレータの周辺部） １０４ チャネル １０４ａ チャネルの隔壁 ３０１ マニホールド部材 ３０２ マニホールド部材 ４０１ マニホールド部材 ４０２ マニホールド部材
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5H026 AA02 AA06 BB00 BB02 BB08 CC03 CC08 CX07 EE05 EE06 EE18 HH06

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 導電性を有し、反応ガス流通用チャネル
    が形成された集電部と、前記集電部とは異なる組成を有
    し、かつ前記チャネルに接続する反応ガス導入孔を備
    え、前記集電部の周端部を包囲するマニホールド部とを
    一体化してなり、前記集電部には樹脂バインダーが含ま
    れていることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
  2. 【請求項２】 前記集電部が前記マニホールド部より高
    い導電性を有し、かつ前記マニホールド部が前記集電部
    より高い機械的強度を有す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】 前記集電部のみに導電性フィラーが含ま
    れていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃
    料電池用セパレータ。
  4. 【請求項４】 導電性を有し、反応ガス流通用チャネル
    が形成された集電部と、前記集電部とは異なる組成を有
    し、かつ前記チャネルに接続する反応ガス導入孔を備
    え、前記集電部の周端部を包囲するマニホールド部とを
    一体化してなる燃料電池用セパレータの作製方法であっ
    て、 少なくとも樹脂バインダーと導電性フィラーとを原料と
    して前記集電部を形成する工程と、前記集電部を型に配
    置した状態で、前記導電部とは異なる組成のマニホール
    ド部形成用材料を射出成形して前記集電部と前記マニホ
    ールド部とを一体化する工程とを有することを特徴とす
    る燃料電池用セパレータの作製方法。
  5. 【請求項５】 導電性を有し、反応ガス流通用チャネル
    が形成された集電部と、前記集電部とは異なる組成を有
    し、かつ前記チャネルに接続する反応ガス導入孔を備
    え、前記集電部の周端部を包囲するマニホールド部とを
    一体化してなる燃料電池用セパレータの作製方法であっ
    て、 少なくとも樹脂バインダーと導電性フィラーとを原料と
    して前記集電部を作製する工程と、前記集電部とは異な
    る材料からなり、かつその面方向に２分割された前記マ
    ニホールド部を作製する工程と、前記集電部を前記マニ
    ホールド部で挟持して一体化させる工程とを有すること
    を特徴とする燃料電池用セパレータの作製方法。
  6. 【請求項６】 導電性を有し、反応ガス流通用チャネル
    が形成された集電部と、前記集電部とは異なる組成を有
    し、かつ前記チャネルに接続する反応ガス導入孔を備
    え、前記集電部の周端部を包囲するマニホールド部とを
    一体化してなる燃料電池用セパレータの作製方法であっ
    て、 少なくとも樹脂バインダーと導電性フィラーとを原料と
    して前記集電部を作製する工程と、前記集電部を型に配
    置した状態で、前記導電部とは異なる組成のマニホール
    ド部形成用材料を射出成形して前記集電部の一方の面に
    前記マニホールド部の片面を作製する工程と、前記一方
    の面側にマニホールド部が作製された集電部を型に配置
    した状態で、前記マニホールド部形成用材料を射出成形
    して前記集電部の他方の面に前記マニホールド部の他方
    の片面を作製する工程とを有することを特徴とする燃料
    電池用セパレータの作製方法。
  7. 【請求項７】 前記集電部のみに導電性フィラーが含ま
    れることを特徴とする請求項４乃至６の何れか一項に記
    載の燃料電池用セパレータの作製方法。
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