JP2001283873A - 高分子電解質型燃料電池用セパレータとその製造法およびこれを用いた高分子電解質型燃料電池 - Google Patents
高分子電解質型燃料電池用セパレータとその製造法およびこれを用いた高分子電解質型燃料電池Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 高分子電解質型の燃料電池の構成要素である
セパレーター板は、グラッシーカーボン板の切削や膨張
黒鉛のプレス加工などで作成していた。しかし、グラッ
シーカーボン板を用いたものはコストは高く、膨張黒鉛
をプレス加工したものは、振動や衝撃に弱いものであっ
た。 【解決手段】 表面に親水性官能基を付与したカーボン
粒子またはカーボン繊維と、バインダーとの混合体を型
成形する。このとき、ガス流路の凹部底面に凹凸を設け
る。
セパレーター板は、グラッシーカーボン板の切削や膨張
黒鉛のプレス加工などで作成していた。しかし、グラッ
シーカーボン板を用いたものはコストは高く、膨張黒鉛
をプレス加工したものは、振動や衝撃に弱いものであっ
た。 【解決手段】 表面に親水性官能基を付与したカーボン
粒子またはカーボン繊維と、バインダーとの混合体を型
成形する。このとき、ガス流路の凹部底面に凹凸を設け
る。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ポータブル電源、
電気自動車用電源、家庭内コージェネシステム等に使用
する高分子電解質を用いた燃料電池に関する。
電気自動車用電源、家庭内コージェネシステム等に使用
する高分子電解質を用いた燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】高分子電解質を用いた燃料電池は、水素
を含有する燃料ガスと、空気など酸素を含有する酸化剤
ガスとを、電気化学的に反応させることで、電力と熱と
を同時に発生させるものである。その構造は、まず、水
素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜の両面に、
白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とす
る触媒反応層を形成する。次に、この触媒反応層の外面
に、燃料ガスの通気性と、電子導電性とを併せ持つ、例
えばカーボンペーパーで拡散層を形成し、この拡散層と
触媒反応層とを合わせて電極とする。
を含有する燃料ガスと、空気など酸素を含有する酸化剤
ガスとを、電気化学的に反応させることで、電力と熱と
を同時に発生させるものである。その構造は、まず、水
素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜の両面に、
白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とす
る触媒反応層を形成する。次に、この触媒反応層の外面
に、燃料ガスの通気性と、電子導電性とを併せ持つ、例
えばカーボンペーパーで拡散層を形成し、この拡散層と
触媒反応層とを合わせて電極とする。
【０００３】次に、供給する燃料ガスや酸化剤ガスが外
にリークしたり、燃料ガスと酸化剤ガスとが互いに混合
しないように、電極の周囲には高分子電解質膜を挟んで
ガスシール材やガスケットを配置する。このシール材や
ガスケットは、電極及び高分子電解質膜と一体化してあ
らかじめ組み立て、これを、ＭＥＡ（電極電解質膜接合
体）と呼ぶ場合もある。ＭＥＡの外側には、これを機械
的に固定するとともに、隣接したＭＥＡを互いに電気的
に直列に接続するための導電性のセパレータ板を配置す
る。セパレータ板のＭＥＡと接触する部分には、電極面
に反応ガスを供給し、生成ガスや余剰ガスを運び去るた
めのガス流路を形成する。ガス流路はセパレータ板と別
に設けることもできるが、セパレータの表面に溝を設け
てガス流路とする方式が一般的である。
にリークしたり、燃料ガスと酸化剤ガスとが互いに混合
しないように、電極の周囲には高分子電解質膜を挟んで
ガスシール材やガスケットを配置する。このシール材や
ガスケットは、電極及び高分子電解質膜と一体化してあ
らかじめ組み立て、これを、ＭＥＡ（電極電解質膜接合
体）と呼ぶ場合もある。ＭＥＡの外側には、これを機械
的に固定するとともに、隣接したＭＥＡを互いに電気的
に直列に接続するための導電性のセパレータ板を配置す
る。セパレータ板のＭＥＡと接触する部分には、電極面
に反応ガスを供給し、生成ガスや余剰ガスを運び去るた
めのガス流路を形成する。ガス流路はセパレータ板と別
に設けることもできるが、セパレータの表面に溝を設け
てガス流路とする方式が一般的である。
【０００４】この溝に燃料ガスを供給するためは、燃料
ガスを供給する配管を、使用するセパレータの枚数に分
岐し、その分岐先を直接セパレータ状の溝につなぎ込む
配管治具が必要となる。この治具をマニホールドと呼
び、上記のような燃料ガスの供給配管から直接つなぎ込
むタイプを外部マニホールドを呼ぶ。このマニホールド
には、構造をより簡単にした内部マニホールドと呼ぶ形
式のものがある。内部マニホールドとは、ガス流路を形
成したセパレータ板に、貫通した孔を設け、ガス流露の
出入り口をこの孔まで通し、この孔から直接燃料ガスを
供給するものである。
ガスを供給する配管を、使用するセパレータの枚数に分
岐し、その分岐先を直接セパレータ状の溝につなぎ込む
配管治具が必要となる。この治具をマニホールドと呼
び、上記のような燃料ガスの供給配管から直接つなぎ込
むタイプを外部マニホールドを呼ぶ。このマニホールド
には、構造をより簡単にした内部マニホールドと呼ぶ形
式のものがある。内部マニホールドとは、ガス流路を形
成したセパレータ板に、貫通した孔を設け、ガス流露の
出入り口をこの孔まで通し、この孔から直接燃料ガスを
供給するものである。
【０００５】燃料電池は運転中に発熱するので、電池を
良好な温度状態に維持するために、冷却水等で冷却する
必要がある。通常、１〜３セル毎に冷却水を流す冷却部
をセパレータとセパレータとの間に挿入するが、セパレ
ータの背面に冷却水流路を設けて冷却部とする場合が多
い。これらのＭＥＡとセパレータおよび冷却部を交互に
重ねていき、１０〜４００セル積層した後、集電板と絶
縁板を介し、端板でこれを挟み、締結ボルトで両端から
固定するのが一般的な積層電池の構造である。
良好な温度状態に維持するために、冷却水等で冷却する
必要がある。通常、１〜３セル毎に冷却水を流す冷却部
をセパレータとセパレータとの間に挿入するが、セパレ
ータの背面に冷却水流路を設けて冷却部とする場合が多
い。これらのＭＥＡとセパレータおよび冷却部を交互に
重ねていき、１０〜４００セル積層した後、集電板と絶
縁板を介し、端板でこれを挟み、締結ボルトで両端から
固定するのが一般的な積層電池の構造である。
【０００６】このような高分子電解質型燃料電池に用い
るセパレータは、導電性が高く、かつ燃料ガスに対して
高いガス気密性を持ち、更に水素／酸素を酸化還元する
際の反応に対して高い耐食性、即ち耐酸性を持つ必要が
ある。このような理由で従来のセパレータは、グラッシ
ーカーボン板または樹脂含浸黒鉛板等の表面に切削加工
でガス流路を形成したり、またガス流路溝を形成したプ
レス金型にバインダーと共に膨張黒鉛粉末を入れ、これ
をプレス加工した後、加熱処理することで作製してい
た。
るセパレータは、導電性が高く、かつ燃料ガスに対して
高いガス気密性を持ち、更に水素／酸素を酸化還元する
際の反応に対して高い耐食性、即ち耐酸性を持つ必要が
ある。このような理由で従来のセパレータは、グラッシ
ーカーボン板または樹脂含浸黒鉛板等の表面に切削加工
でガス流路を形成したり、またガス流路溝を形成したプ
レス金型にバインダーと共に膨張黒鉛粉末を入れ、これ
をプレス加工した後、加熱処理することで作製してい
た。
【０００７】また、近年、従来より使用されたカーボン
材料に代えて、ステンレスなどの金属板を用いる試みが
行われている。金属板を用いたセパレータは、金属板が
高温で酸化性の雰囲気に曝されるため、長期間使用する
と、金属板の腐食や溶解が起きる可能性がある。金属板
が腐食すると、腐食部分の電気抵抗が増大し、電池の出
力が低下する。また、金属板が溶解すると、溶解した金
属イオンが高分子電解質に拡散し、これが高分子電解質
のイオン交換サイトにトラップされ、結果的に高分子電
解質自身のイオン電導性が低下する。このような劣化を
避けるため金属板の表面にある程度の厚さを持つ金メッ
キを施すこと通例であった。
材料に代えて、ステンレスなどの金属板を用いる試みが
行われている。金属板を用いたセパレータは、金属板が
高温で酸化性の雰囲気に曝されるため、長期間使用する
と、金属板の腐食や溶解が起きる可能性がある。金属板
が腐食すると、腐食部分の電気抵抗が増大し、電池の出
力が低下する。また、金属板が溶解すると、溶解した金
属イオンが高分子電解質に拡散し、これが高分子電解質
のイオン交換サイトにトラップされ、結果的に高分子電
解質自身のイオン電導性が低下する。このような劣化を
避けるため金属板の表面にある程度の厚さを持つ金メッ
キを施すこと通例であった。
【０００８】また、特開平６−３３３５８０号公報で提
案されているように、エポキシ樹脂などに金属粉を混ぜ
ることで作成した導電性樹脂で作成したセパレータが検
討されている。
案されているように、エポキシ樹脂などに金属粉を混ぜ
ることで作成した導電性樹脂で作成したセパレータが検
討されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】以上のように、セパレ
ータをグラッシーカーボン板や樹脂含浸黒鉛板の切削で
作る方法では、グラッシーカーボン板や樹脂含浸黒鉛板
の材料コストそのものが高価である上に、これを切削す
るためのコストを引き下げることも困難である。また膨
張黒鉛をプレス加工したものは、材料の力学的強度を高
めることが難しく、特に電気自動車の動力源として用い
たときは、走行中の振動や衝撃で、ひびが入ることもあ
った。またガス透過性をなくすることが難しいという課
題もあった。
ータをグラッシーカーボン板や樹脂含浸黒鉛板の切削で
作る方法では、グラッシーカーボン板や樹脂含浸黒鉛板
の材料コストそのものが高価である上に、これを切削す
るためのコストを引き下げることも困難である。また膨
張黒鉛をプレス加工したものは、材料の力学的強度を高
めることが難しく、特に電気自動車の動力源として用い
たときは、走行中の振動や衝撃で、ひびが入ることもあ
った。またガス透過性をなくすることが難しいという課
題もあった。
【００１０】さらに本来、黒鉛は水に対して疎水性であ
るため、電池の電極反応で発生した生成水に対して塗れ
性が悪く、セパレータ表面に形成したガス流路が生成水
で目づまりを起こす、いわゆるフラッディングの問題が
あった。燃料電池を数多く直列に積層した場合は、セパ
レーター表面の生成水による塗れ性が悪いために、積層
した電池間のガス分配が不均一になり、性能のバラツキ
を招くと言う課題もある。
るため、電池の電極反応で発生した生成水に対して塗れ
性が悪く、セパレータ表面に形成したガス流路が生成水
で目づまりを起こす、いわゆるフラッディングの問題が
あった。燃料電池を数多く直列に積層した場合は、セパ
レーター表面の生成水による塗れ性が悪いために、積層
した電池間のガス分配が不均一になり、性能のバラツキ
を招くと言う課題もある。
【００１１】また、膨張黒鉛に絶縁性のバインダーを混
合して成形するため、膨張黒鉛そのものの導電性に比べ
て、成形後のセパレーターはその導電性が著しく低下す
る。また、膨張黒鉛の嵩密度が小さいため、プレス成形
しても十分に緻密な成形体が得られにくく、ガス透過性
が大きくなる等の問題があった。
合して成形するため、膨張黒鉛そのものの導電性に比べ
て、成形後のセパレーターはその導電性が著しく低下す
る。また、膨張黒鉛の嵩密度が小さいため、プレス成形
しても十分に緻密な成形体が得られにくく、ガス透過性
が大きくなる等の問題があった。
【００１２】また、導電性樹脂で作成したセパレータ
は、グラッシーカーボンや金属板、さらには膨張黒鉛を
プレス加工したものに較べても導電性が低く、さらに樹
脂の表面が硬いため、電極との接触部分の電気抵抗を下
げるためには、強い圧力で締め付ける必要があり、それ
だけ電池構造が複雑になった。
は、グラッシーカーボンや金属板、さらには膨張黒鉛を
プレス加工したものに較べても導電性が低く、さらに樹
脂の表面が硬いため、電極との接触部分の電気抵抗を下
げるためには、強い圧力で締め付ける必要があり、それ
だけ電池構造が複雑になった。
【００１３】
【課題を解決するための手段】以上の課題を解決するた
め本発明の高分子電解質型燃料電池用セパレータは、表
面の少なくとも一部に親水性官能基を有する導電性カー
ボンと、バインダーとを加圧成形したことを特徴とす
る。
め本発明の高分子電解質型燃料電池用セパレータは、表
面の少なくとも一部に親水性官能基を有する導電性カー
ボンと、バインダーとを加圧成形したことを特徴とす
る。
【００１４】また、表面の少なくとも一部に親水性官能
基を有する導電性カーボンと、バインダーとを加圧加熱
成形したことを特徴とする。
基を有する導電性カーボンと、バインダーとを加圧加熱
成形したことを特徴とする。
【００１５】以上では、セパレータのガス流路表面の少
なくとも一部に親水性官能基を付与したことが有効であ
る。
なくとも一部に親水性官能基を付与したことが有効であ
る。
【００１６】また、ガス流路の表面に凹凸をつけ、親水
性を高くしたことが有効である。
性を高くしたことが有効である。
【００１７】このとき、凹部または凸部は、円錐形状、
多角錐形状、円錐台形状または多角錐台形状を有し、セ
パレ−タ板の放線方向から見た断面径の平均が５０μｍ
以上１ｍｍ以下であることが有効である。
多角錐形状、円錐台形状または多角錐台形状を有し、セ
パレ−タ板の放線方向から見た断面径の平均が５０μｍ
以上１ｍｍ以下であることが有効である。
【００１８】以上のセパレータの製造法は、導電性カー
ボンを酸化処理することで、前記導電性カーボンの表面
に酸化物官能基を付与したことが有効である。
ボンを酸化処理することで、前記導電性カーボンの表面
に酸化物官能基を付与したことが有効である。
【００１９】このとき、酸化処理は、酸化雰囲気中での
焼成、オゾン処理、もしくはプラズマ処理、または酸性
溶液への浸漬処理であることが有効である。
焼成、オゾン処理、もしくはプラズマ処理、または酸性
溶液への浸漬処理であることが有効である。
【００２０】また、本発明は、絶縁性平板と導電性リブ
とを接合し、前記絶縁性平板と前記導電性リブとの接合
面に、前記接合面より小さい面積の貫通穴を設けたこと
を特徴とする高分子電解質型燃料電池用セパレータであ
る。
とを接合し、前記絶縁性平板と前記導電性リブとの接合
面に、前記接合面より小さい面積の貫通穴を設けたこと
を特徴とする高分子電解質型燃料電池用セパレータであ
る。
【００２１】このとき、導電性リブは、導電性カーボン
とバインダーとの加圧成形体もしくは加圧加熱成形体で
あることが有効である。
とバインダーとの加圧成形体もしくは加圧加熱成形体で
あることが有効である。
【００２２】さらに、導電性カーボンの表面の少なくと
も一部を親水化したことが望ましい。
も一部を親水化したことが望ましい。
【００２３】また本発明は、水素イオン伝導性高分子電
解質膜と、前記水素イオン伝導性高分子電解質膜を挟む
位置に配置した一対の電極とを具備した単電池を、前記
電極の一方に水素を含む燃料ガスを供給排出し、他方に
酸素を含む酸化剤ガスを供給排出するガス流通路を形成
した一対の導電性セパレータを介して積層した高分子電
解質型燃料電池において、前記の導電性セパレータを用
いたことを特徴とする高分子電解質型燃料電池である。
解質膜と、前記水素イオン伝導性高分子電解質膜を挟む
位置に配置した一対の電極とを具備した単電池を、前記
電極の一方に水素を含む燃料ガスを供給排出し、他方に
酸素を含む酸化剤ガスを供給排出するガス流通路を形成
した一対の導電性セパレータを介して積層した高分子電
解質型燃料電池において、前記の導電性セパレータを用
いたことを特徴とする高分子電解質型燃料電池である。
【００２４】
【発明の実施の形態】本発明の高分子電解質型燃料電池
用セパレータは、導電性セパレータに、予め表面に親水
性官能基を付与したカーボン粒子またはカーボン繊維
と、樹脂またはエラストマーなどのバインダーとの混合
体を、型成形により作成する。これにより、カーボン粒
子またはカーボン繊維と、樹脂またはエラストマーとの
接触角が小さくなり、型成形体の機械的強度を向上する
ことができるため、バインダーの混合量を少なくして
も、型成形を容易にすることができる。さらにこれによ
り、型成形体中のカーボン充填量を向上できるため、型
成形体の導電性を向上することができる。また、同じの
理由により、型成形体中のカーボン充填量を向上でき、
カーボンの最密充填が可能となるため、ガス透過性を小
さくすることも出来る。
用セパレータは、導電性セパレータに、予め表面に親水
性官能基を付与したカーボン粒子またはカーボン繊維
と、樹脂またはエラストマーなどのバインダーとの混合
体を、型成形により作成する。これにより、カーボン粒
子またはカーボン繊維と、樹脂またはエラストマーとの
接触角が小さくなり、型成形体の機械的強度を向上する
ことができるため、バインダーの混合量を少なくして
も、型成形を容易にすることができる。さらにこれによ
り、型成形体中のカーボン充填量を向上できるため、型
成形体の導電性を向上することができる。また、同じの
理由により、型成形体中のカーボン充填量を向上でき、
カーボンの最密充填が可能となるため、ガス透過性を小
さくすることも出来る。
【００２５】また、カーボン粒子またはカーボン繊維の
表面の少なくとも一部に親水性官能基を付与すること
で、カーボン粒子またはカーボン繊維と、水との接触角
も小さくすることができる。このため、型成形体表面の
水に対する塗れ性が良くなり、積層した電池間のガス分
配が不均一になった場合でも、積層した電池間の性能の
バラツキを低減できると同時に、特に高電流密度におけ
る発電時に生成水の除去をスムーズに行うことができる
ため、電池特性も向上する。
表面の少なくとも一部に親水性官能基を付与すること
で、カーボン粒子またはカーボン繊維と、水との接触角
も小さくすることができる。このため、型成形体表面の
水に対する塗れ性が良くなり、積層した電池間のガス分
配が不均一になった場合でも、積層した電池間の性能の
バラツキを低減できると同時に、特に高電流密度におけ
る発電時に生成水の除去をスムーズに行うことができる
ため、電池特性も向上する。
【００２６】カーボン粒子またはカーボン繊維の表面に
親水性官能基を付与する方法としては、カーボン粒子ま
たはカーボン繊維を酸化処理する方法が有効であること
を発見した。具体的には、酸化処理が、空気中等の酸素
を含む酸化雰囲気中で４００℃〜６００℃程度の温度で
短時間焼成処理する方法、またはカーボン粒子またはカ
ーボン繊維をオゾン雰囲気中で処理する方法、またはカ
ーボン粒子またはカーボン繊維をプラズマ処理する方
法、またはカーボン粒子またはカーボン繊維を硝酸等の
酸溶液へ浸漬処理し水洗する方法が有効であることを発
見した。
親水性官能基を付与する方法としては、カーボン粒子ま
たはカーボン繊維を酸化処理する方法が有効であること
を発見した。具体的には、酸化処理が、空気中等の酸素
を含む酸化雰囲気中で４００℃〜６００℃程度の温度で
短時間焼成処理する方法、またはカーボン粒子またはカ
ーボン繊維をオゾン雰囲気中で処理する方法、またはカ
ーボン粒子またはカーボン繊維をプラズマ処理する方
法、またはカーボン粒子またはカーボン繊維を硝酸等の
酸溶液へ浸漬処理し水洗する方法が有効であることを発
見した。
【００２７】また、本発明の高分子電解質型燃料電池に
用いるときは、導電性セパレータのガス流路の少なくと
も凹部表面または凹部底面に、平均５０μｍ以上で１ｍ
ｍ以下の凹凸を設けることで、導電性セパレーターのガ
ス流路の親水性がさらに向上し、このため、セパレータ
ー表面の生成水による塗れ性が一層向上するため、積層
した電池間のガス分配をより均一化し、これにより積層
した各電池毎の性能バラツキを低減することができた。
用いるときは、導電性セパレータのガス流路の少なくと
も凹部表面または凹部底面に、平均５０μｍ以上で１ｍ
ｍ以下の凹凸を設けることで、導電性セパレーターのガ
ス流路の親水性がさらに向上し、このため、セパレータ
ー表面の生成水による塗れ性が一層向上するため、積層
した電池間のガス分配をより均一化し、これにより積層
した各電池毎の性能バラツキを低減することができた。
【００２８】さらに、セパレーター表面の生成水による
塗れ性を向上することは、特に高い電流密度で運転する
時に、セパレーター内に滞留する生成水をスムーズに除
去し、電池性能の低下を押さえることができることを発
見した。ただし、この効果はセパレーターを構成する材
料が持つ水との接触角が、９０度より小さい時にのみ効
果的であった。すなわち、セパレーターを構成する材料
が持つ水との接触角が９０度以上であり、セパレーター
の構成材料が撥水性を有するとき、セパレータのガス流
路に凹凸を設けると、逆にセパレーターの撥水性が向上
し、逆効果となる。そこで、セパレーターを構成するカ
ーボン粒子またはカーボン繊維の表面に親水性官能基を
付与し、カーボン粒子またはカーボン繊維と水との接触
角を小さくすることが、親水化の効果的な構成となるこ
とを発見した。
塗れ性を向上することは、特に高い電流密度で運転する
時に、セパレーター内に滞留する生成水をスムーズに除
去し、電池性能の低下を押さえることができることを発
見した。ただし、この効果はセパレーターを構成する材
料が持つ水との接触角が、９０度より小さい時にのみ効
果的であった。すなわち、セパレーターを構成する材料
が持つ水との接触角が９０度以上であり、セパレーター
の構成材料が撥水性を有するとき、セパレータのガス流
路に凹凸を設けると、逆にセパレーターの撥水性が向上
し、逆効果となる。そこで、セパレーターを構成するカ
ーボン粒子またはカーボン繊維の表面に親水性官能基を
付与し、カーボン粒子またはカーボン繊維と水との接触
角を小さくすることが、親水化の効果的な構成となるこ
とを発見した。
【００２９】また、セパレーターのガス流路に凹凸を設
けるための量産手法としては、カーボン粒子またはカー
ボン繊維の少なくとも一方と、樹脂またはエラストマー
などのバインダーとの混合体を型成形し、ここで用いる
成形用型に、凹凸部分を設けることで、セパレーターの
ガス流路部に簡便に凹凸を設けることが可能であった。
さらにこのとき、成形用型に設けた凹凸部を、逆円錐形
状、逆多角錐形状、逆円錐台形状または逆多角錐台形状
にすることで、型成形した際のセパレーターの型からの
離型性を向上することが出来ることを発見した。
けるための量産手法としては、カーボン粒子またはカー
ボン繊維の少なくとも一方と、樹脂またはエラストマー
などのバインダーとの混合体を型成形し、ここで用いる
成形用型に、凹凸部分を設けることで、セパレーターの
ガス流路部に簡便に凹凸を設けることが可能であった。
さらにこのとき、成形用型に設けた凹凸部を、逆円錐形
状、逆多角錐形状、逆円錐台形状または逆多角錐台形状
にすることで、型成形した際のセパレーターの型からの
離型性を向上することが出来ることを発見した。
【００３０】さらに、この凹凸部を平均５０μｍ以上で
１ｍｍ以下、好ましくは平均１００μｍ以上で１ｍｍ以
下にすることで、導電性セパレーターのガス流路の親水
性が効果的に向上し、セパレーター表面の生成水による
塗れ性もより向上できることを発見した。
１ｍｍ以下、好ましくは平均１００μｍ以上で１ｍｍ以
下にすることで、導電性セパレーターのガス流路の親水
性が効果的に向上し、セパレーター表面の生成水による
塗れ性もより向上できることを発見した。
【００３１】また、導電性セパレータを、高強度の絶縁
性平板と導電性リブで構成し、高強度の絶縁性平板と導
電性リブとの接合面に、接合面より小さい面積の貫通穴
を設けることで、セパレーターの厚みを薄くすることが
できる。これは、高強度の絶縁性平板と導電性リブとの
接合面に、接合面より小さい面積の貫通穴を設けること
で、セパレーター両面の導電性リブどうしに導電性を持
たせ、全体としては導電性セパレーターとして機能する
ことができるためである。
性平板と導電性リブで構成し、高強度の絶縁性平板と導
電性リブとの接合面に、接合面より小さい面積の貫通穴
を設けることで、セパレーターの厚みを薄くすることが
できる。これは、高強度の絶縁性平板と導電性リブとの
接合面に、接合面より小さい面積の貫通穴を設けること
で、セパレーター両面の導電性リブどうしに導電性を持
たせ、全体としては導電性セパレーターとして機能する
ことができるためである。
【００３２】このとき、高強度の絶縁性平板がポリイミ
ドなどのエンジニアリングプラスチックを用いると、さ
らにセパレーターの強度を高くすることができる。そし
て、導電性リブを、カーボン粒子またはカーボン繊維の
少なくとも一方と、樹脂またはエラストマーなどのバイ
ンダーとの混合体を型成形することで、高強度の絶縁性
平板に導電性リブを一体成形することができ、量産性を
著しくあげることが出来た。
ドなどのエンジニアリングプラスチックを用いると、さ
らにセパレーターの強度を高くすることができる。そし
て、導電性リブを、カーボン粒子またはカーボン繊維の
少なくとも一方と、樹脂またはエラストマーなどのバイ
ンダーとの混合体を型成形することで、高強度の絶縁性
平板に導電性リブを一体成形することができ、量産性を
著しくあげることが出来た。
【００３３】以下、本発明の実施の形態を図面を参照し
ながら説明する。
ながら説明する。
【００３４】
【実施例】（実施例１）まず、触媒層を形成した電極の
作成方法を説明する。アセチレンブラック粉末に、平均
粒径が約３０Åの白金粒子を２５重量％担持したものを
電極の触媒とした。この触媒粉末をイソプロパノ−ルに
分散させた溶液に、パーフルオロカーボンスルホン酸の
粉末をエチルアルコールに分散したディスパージョン溶
液を混合し、触媒ペースト状にした。
作成方法を説明する。アセチレンブラック粉末に、平均
粒径が約３０Åの白金粒子を２５重量％担持したものを
電極の触媒とした。この触媒粉末をイソプロパノ−ルに
分散させた溶液に、パーフルオロカーボンスルホン酸の
粉末をエチルアルコールに分散したディスパージョン溶
液を混合し、触媒ペースト状にした。
【００３５】一方、電極の支持体になるカーボンペーパ
ーを撥水処理した。外寸１６ｃｍ×２０ｃｍ、厚み３６
０μｍのカ−ボン不織布（東レ製、ＴＧＰ−Ｈ−１２
０）を、フッ素樹脂含有の水性ディスパージョン（ダイ
キン工業製、ネオフロンＮＤ１）に含浸した後、これを
乾燥し、４００℃で３０分加熱することで、撥水性を与
えた。このカ−ボン不織布の一方の面に、触媒ペースト
をクリ−ン印刷法をもちいて塗布することで触媒層を形
成した。このとき、触媒層の一部は、カ−ボン不織布の
中に埋まり込んでいる。このようにして作成した触媒層
とカ−ボン不織布とを合わせて電極とした。形成後の反
応電極中に含まれる白金量は０．５ｍｇ／ｃｍ2、パー
フルオロカーボンスルホン酸の量は１．２ｍｇ／ｃｍ2
となるよう調整した。
ーを撥水処理した。外寸１６ｃｍ×２０ｃｍ、厚み３６
０μｍのカ−ボン不織布（東レ製、ＴＧＰ−Ｈ−１２
０）を、フッ素樹脂含有の水性ディスパージョン（ダイ
キン工業製、ネオフロンＮＤ１）に含浸した後、これを
乾燥し、４００℃で３０分加熱することで、撥水性を与
えた。このカ−ボン不織布の一方の面に、触媒ペースト
をクリ−ン印刷法をもちいて塗布することで触媒層を形
成した。このとき、触媒層の一部は、カ−ボン不織布の
中に埋まり込んでいる。このようにして作成した触媒層
とカ−ボン不織布とを合わせて電極とした。形成後の反
応電極中に含まれる白金量は０．５ｍｇ／ｃｍ2、パー
フルオロカーボンスルホン酸の量は１．２ｍｇ／ｃｍ2
となるよう調整した。
【００３６】次に、外寸が２０ｃｍ×３２ｃｍのプロト
ン伝導性高分子電解質膜の裏表両面に、一対の電極を触
媒層が電解質膜の側に接するようにホットプレスで接合
し、これを電極電解質膜接合体（ＭＥＡ）１５とした。
ここでは、プロトン伝導性高分子電解質として、パーフ
ルオロカーボンスルホン酸を５０μｍの厚みに薄膜化し
たものを用いた。
ン伝導性高分子電解質膜の裏表両面に、一対の電極を触
媒層が電解質膜の側に接するようにホットプレスで接合
し、これを電極電解質膜接合体（ＭＥＡ）１５とした。
ここでは、プロトン伝導性高分子電解質として、パーフ
ルオロカーボンスルホン酸を５０μｍの厚みに薄膜化し
たものを用いた。
【００３７】次に、本発明のポイントである導電性セパ
レータについて記載する。まず、平均粒径が約１０μｍ
の人造黒鉛粉末と、繊維状グラファイト（平均直径５０
μｍ、平均長０．５ｍｍ）とをオゾン発生器の中に入
れ、撹拌しながら３０分間、オゾン雰囲気中で紫外線を
照射した。得られた人造黒鉛粉末および繊維状グラファ
イトの表面分析を行ったところ、カーボン表面には、化
１および化２で示した酸化物官能基即ち親水性官能基が
付与されていたことを確認した。
レータについて記載する。まず、平均粒径が約１０μｍ
の人造黒鉛粉末と、繊維状グラファイト（平均直径５０
μｍ、平均長０．５ｍｍ）とをオゾン発生器の中に入
れ、撹拌しながら３０分間、オゾン雰囲気中で紫外線を
照射した。得られた人造黒鉛粉末および繊維状グラファ
イトの表面分析を行ったところ、カーボン表面には、化
１および化２で示した酸化物官能基即ち親水性官能基が
付与されていたことを確認した。
【００３８】
【化１】
【００３９】
【化２】
【００４０】次に、上述のオゾン処理を行った人造黒鉛
粉末５０重量％と繊維状グラファイト３８重量％とに、
熱硬化性フェノール樹脂１２重量％を押し出し混練機で
混練し、この混練粉末をガス流路用溝と冷却水流路用溝
およびマニホールドを成形するための加工を施した金型
に投入し、ホットトプレスした。ホットプレスの条件
は、金型温度１５０℃、圧力１００ｋｇ／ｃｍ2で１０
分間とした。得られたセパレーターは、外寸が２０ｃｍ
×３２ｃｍ、厚みが１．３ｍｍ、ガス流路および冷却水
流路の深さが０．５ｍｍであった。従って、セパレータ
ー板の最も肉薄部の厚みは０．３ｍｍである。このとき
フェノール樹脂は、オゾン処理によって表面に親水性官
能基を付与したカーボン粉末およびグラファイト繊維と
ホットプレスすることで、カーボン粉末とグラファイト
繊維とフェノール樹脂がよくなじみ、緻密で高強度のセ
パレーターを得ることができた。
粉末５０重量％と繊維状グラファイト３８重量％とに、
熱硬化性フェノール樹脂１２重量％を押し出し混練機で
混練し、この混練粉末をガス流路用溝と冷却水流路用溝
およびマニホールドを成形するための加工を施した金型
に投入し、ホットトプレスした。ホットプレスの条件
は、金型温度１５０℃、圧力１００ｋｇ／ｃｍ2で１０
分間とした。得られたセパレーターは、外寸が２０ｃｍ
×３２ｃｍ、厚みが１．３ｍｍ、ガス流路および冷却水
流路の深さが０．５ｍｍであった。従って、セパレータ
ー板の最も肉薄部の厚みは０．３ｍｍである。このとき
フェノール樹脂は、オゾン処理によって表面に親水性官
能基を付与したカーボン粉末およびグラファイト繊維と
ホットプレスすることで、カーボン粉末とグラファイト
繊維とフェノール樹脂がよくなじみ、緻密で高強度のセ
パレーターを得ることができた。
【００４１】得られたセパレーターの厚み方向の導電性
は、５×１０-3Ωｃｍ、密度は１．９８ｇ／ｍｌ、Ｈｅ
ガスによる気体透過度は２．１×１０-17ｍｏｌ・ｍ／
（ｍ2・ｓ・Ｐａ）、曲げ強度は７０ＭＰａであった。
は、５×１０-3Ωｃｍ、密度は１．９８ｇ／ｍｌ、Ｈｅ
ガスによる気体透過度は２．１×１０-17ｍｏｌ・ｍ／
（ｍ2・ｓ・Ｐａ）、曲げ強度は７０ＭＰａであった。
【００４２】また、同じ金型を用いて無処理のカーボン
粉末とグラファイト繊維とフェノール樹脂とを用いた場
合には、カーボン粉末とグラファイト繊維とフェノール
樹脂のなじみが悪いため、３０重量％以上のフェノール
樹脂を混入しなければ、セパレーター板の最も肉薄部の
厚みを０．３ｍｍまで低減できなかった。従って、無処
理のカーボン粉末とグラファイト繊維とフェノール樹脂
を用いた場合には、フェノール樹脂の添加量が多いた
め、導電性が悪く、厚み方向の導電性は１５×１０-3Ω
ｃｍであった。
粉末とグラファイト繊維とフェノール樹脂とを用いた場
合には、カーボン粉末とグラファイト繊維とフェノール
樹脂のなじみが悪いため、３０重量％以上のフェノール
樹脂を混入しなければ、セパレーター板の最も肉薄部の
厚みを０．３ｍｍまで低減できなかった。従って、無処
理のカーボン粉末とグラファイト繊維とフェノール樹脂
を用いた場合には、フェノール樹脂の添加量が多いた
め、導電性が悪く、厚み方向の導電性は１５×１０-3Ω
ｃｍであった。
【００４３】また、逆に無処理のカーボン粉末とグラフ
ァイト繊維とフェノール樹脂を用い、人造黒鉛粉末５０
重量％と繊維状グラファイト３８重量％にフェノール樹
脂１２重量％を混合して、型成形によりセパレーターを
作成した場合には、薄くしすぎると割れなどが発生し成
形できなかった。そのため、得られたセパレーターは、
外寸が２０ｃｍ×３２ｃｍ、厚みが２．２ｍｍ、ガス流
路および冷却水流路の深さが０．５ｍｍであった。従っ
て、セパレーター板の最も肉薄部の厚みは１．２ｍｍで
あった。このセパレーターの厚み方向の導電性は、１０
×１０-3Ωｃｍ、密度は１．７５ｇ／ｍｌ、Ｈｅガスに
よる気体透過度は３．８×１０-12ｍｏｌ・ｍ／（ｍ2・
ｓ・Ｐａ）、曲げ強度は３０ＭＰａであった。
ァイト繊維とフェノール樹脂を用い、人造黒鉛粉末５０
重量％と繊維状グラファイト３８重量％にフェノール樹
脂１２重量％を混合して、型成形によりセパレーターを
作成した場合には、薄くしすぎると割れなどが発生し成
形できなかった。そのため、得られたセパレーターは、
外寸が２０ｃｍ×３２ｃｍ、厚みが２．２ｍｍ、ガス流
路および冷却水流路の深さが０．５ｍｍであった。従っ
て、セパレーター板の最も肉薄部の厚みは１．２ｍｍで
あった。このセパレーターの厚み方向の導電性は、１０
×１０-3Ωｃｍ、密度は１．７５ｇ／ｍｌ、Ｈｅガスに
よる気体透過度は３．８×１０-12ｍｏｌ・ｍ／（ｍ2・
ｓ・Ｐａ）、曲げ強度は３０ＭＰａであった。
【００４４】図１は以上のようにして作成した、本実施
例による導電性セパレータの表面に形成した酸化剤ガス
流通用溝の形状を示したものである。裏面には、燃料ガ
ス流路用溝または冷却水流路用溝を同様に形成した。図
１中の１は、表面に形成したガス流通溝の凸部の形状を
示したものであり、２は凸部と凸部の間に形成した凹部
であり、この部分をガスが流通する。また、入口と出口
とそれぞれ４カ所ずつ形成した酸化剤ガスのマニホルド
孔（注入口３ａ、出口３ｂ）と、入口と出口とそれぞれ
３カ所ずつ形成された燃料ガスのマニホルド孔（注入口
４ａ、出口４ｂ）と、入口と出口とそれぞれ６カ所ずつ
形成された冷却水のマニホルド孔（注入口５ａ、出口５
ｂ）を形成した。
例による導電性セパレータの表面に形成した酸化剤ガス
流通用溝の形状を示したものである。裏面には、燃料ガ
ス流路用溝または冷却水流路用溝を同様に形成した。図
１中の１は、表面に形成したガス流通溝の凸部の形状を
示したものであり、２は凸部と凸部の間に形成した凹部
であり、この部分をガスが流通する。また、入口と出口
とそれぞれ４カ所ずつ形成した酸化剤ガスのマニホルド
孔（注入口３ａ、出口３ｂ）と、入口と出口とそれぞれ
３カ所ずつ形成された燃料ガスのマニホルド孔（注入口
４ａ、出口４ｂ）と、入口と出口とそれぞれ６カ所ずつ
形成された冷却水のマニホルド孔（注入口５ａ、出口５
ｂ）を形成した。
【００４５】次に、作成したＭＥＡの水素イオン伝導性
高分子電解質膜に、冷却水と燃料ガス及び酸化剤ガス流
通用のマニホールド穴を形成した。これらの穴は図１に
示したセパレータと同じ位置で同じ大きさとした。
高分子電解質膜に、冷却水と燃料ガス及び酸化剤ガス流
通用のマニホールド穴を形成した。これらの穴は図１に
示したセパレータと同じ位置で同じ大きさとした。
【００４６】このようにして作成したセパレータ２枚を
用い、ＭＥＡシートの一方の面に図１の酸化剤ガス流路
が形成された本実施例によるセパレーターを、裏面に燃
料ガス流路が形成された本実施例によるセパレーターを
を重ね合わせ、これを単電池とした。この単電池を２セ
ル積層した後、冷却水路溝を形成したセパレータでこの
２セル積層電池を挟み込み、このパターンを繰り返して
１００セル積層の電池スタックを作成した。この時、電
池スタックの両端部には、ステンレス製の集電板と電気
絶縁材料の絶縁板、さらに端板と締結ロッドで固定し
た。この時の締結圧はセパレータの面積当たり１５ｋｇ
ｆ／ｃｍ2とした。
用い、ＭＥＡシートの一方の面に図１の酸化剤ガス流路
が形成された本実施例によるセパレーターを、裏面に燃
料ガス流路が形成された本実施例によるセパレーターを
を重ね合わせ、これを単電池とした。この単電池を２セ
ル積層した後、冷却水路溝を形成したセパレータでこの
２セル積層電池を挟み込み、このパターンを繰り返して
１００セル積層の電池スタックを作成した。この時、電
池スタックの両端部には、ステンレス製の集電板と電気
絶縁材料の絶縁板、さらに端板と締結ロッドで固定し
た。この時の締結圧はセパレータの面積当たり１５ｋｇ
ｆ／ｃｍ2とした。
【００４７】このように作製した本実施例の高分子電解
質型燃料電池を、８０℃に保持し、一方の電極側に７５
℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガスを、もう一
方の電極側に６５℃の露点となるように加湿・加温した
空気を供給した。その結果、電流を外部に出力しない無
負荷時には、９６Ｖの電池開放電圧を得た。またこのと
きの積層電池全体の内部抵抗を測定したところ、約４５
ｍΩであった。
質型燃料電池を、８０℃に保持し、一方の電極側に７５
℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガスを、もう一
方の電極側に６５℃の露点となるように加湿・加温した
空気を供給した。その結果、電流を外部に出力しない無
負荷時には、９６Ｖの電池開放電圧を得た。またこのと
きの積層電池全体の内部抵抗を測定したところ、約４５
ｍΩであった。
【００４８】この電池を燃料利用率８５％、酸素利用率
５０％、電流密度０．７Ａ／ｃｍ2の条件で連続発電試
験を行い、出力特性の時間変化を計測した。その結果、
本実施例の電池は、８０００時間以上にわたって約１４
ｋＷ（６２Ｖ−２２４Ａ）の電池出力を維持することを
確認した。
５０％、電流密度０．７Ａ／ｃｍ2の条件で連続発電試
験を行い、出力特性の時間変化を計測した。その結果、
本実施例の電池は、８０００時間以上にわたって約１４
ｋＷ（６２Ｖ−２２４Ａ）の電池出力を維持することを
確認した。
【００４９】また、本実施例では、カーボン粒子または
カーボン繊維の表面に酸化物官能基を付与する方法とし
ては、または酸化処理する方法として、カーボン粒子ま
たはカーボン繊維をオゾン雰囲気中で処理する方法を用
いたが、空気中で約５００℃の温度で１０分間焼成処理
する方法、またはカーボン粒子またはカーボン繊維をプ
ラズマ処理する方法、またはカーボン粒子またはカーボ
ン繊維を２Ｎ硝酸溶液へ１時間浸漬処理し、十分に水洗
する方法、またはカーボン粒子またはカーボン繊維を１
０％過酸化水素水溶液へ１時間浸漬処理し、十分に水洗
する方法でも同様の効果が得られることを確認した。
カーボン繊維の表面に酸化物官能基を付与する方法とし
ては、または酸化処理する方法として、カーボン粒子ま
たはカーボン繊維をオゾン雰囲気中で処理する方法を用
いたが、空気中で約５００℃の温度で１０分間焼成処理
する方法、またはカーボン粒子またはカーボン繊維をプ
ラズマ処理する方法、またはカーボン粒子またはカーボ
ン繊維を２Ｎ硝酸溶液へ１時間浸漬処理し、十分に水洗
する方法、またはカーボン粒子またはカーボン繊維を１
０％過酸化水素水溶液へ１時間浸漬処理し、十分に水洗
する方法でも同様の効果が得られることを確認した。
【００５０】比較のために、無処理のカーボン粉末とグ
ラファイト繊維とフェノール樹脂を用い、人造黒鉛粉末
５０重量％と繊維状グラファイト３０重量％にフェノー
ル樹脂２０重量％を混合して、型成形により本実施例と
同等のセパレーターを作成した。得られたセパレーター
は、外寸が２０ｃｍ×３２ｃｍ、厚みが１．８ｍｍ、ガ
ス流路および冷却水流路の深さが０．５ｍｍであった。
従って、セパレーター板の最も肉薄部の厚みは０．８ｍ
ｍであった。このセパレーターの厚み方向の導電性は、
１８×１０-3Ωｃｍ、密度は１．８５ｇ／ｍｌ、Ｈｅガ
スによる気体透過度は１．８×１０-13ｍｏｌ・ｍ／
（ｍ2・ｓ・Ｐａ）、曲げ強度は３５ＭＰａであった。
このセパレーターを用いて、同様に１００セル積層の電
池スタックを作成した。
ラファイト繊維とフェノール樹脂を用い、人造黒鉛粉末
５０重量％と繊維状グラファイト３０重量％にフェノー
ル樹脂２０重量％を混合して、型成形により本実施例と
同等のセパレーターを作成した。得られたセパレーター
は、外寸が２０ｃｍ×３２ｃｍ、厚みが１．８ｍｍ、ガ
ス流路および冷却水流路の深さが０．５ｍｍであった。
従って、セパレーター板の最も肉薄部の厚みは０．８ｍ
ｍであった。このセパレーターの厚み方向の導電性は、
１８×１０-3Ωｃｍ、密度は１．８５ｇ／ｍｌ、Ｈｅガ
スによる気体透過度は１．８×１０-13ｍｏｌ・ｍ／
（ｍ2・ｓ・Ｐａ）、曲げ強度は３５ＭＰａであった。
このセパレーターを用いて、同様に１００セル積層の電
池スタックを作成した。
【００５１】このようにして作製した比較のための高分
子電解質型燃料電池を、８０℃に保持し、一方の電極側
に７５℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガスを、
もう一方の電極側に６５℃の露点となるように加湿・加
温した空気を供給した。その結果、電流を外部に出力し
ない無負荷時には、９５Ｖの電池開放電圧を得た。また
このときの積層電池全体の内部抵抗を測定したところ、
約９０ｍΩであった。
子電解質型燃料電池を、８０℃に保持し、一方の電極側
に７５℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガスを、
もう一方の電極側に６５℃の露点となるように加湿・加
温した空気を供給した。その結果、電流を外部に出力し
ない無負荷時には、９５Ｖの電池開放電圧を得た。また
このときの積層電池全体の内部抵抗を測定したところ、
約９０ｍΩであった。
【００５２】この電池を燃料利用率７０％、酸素利用率
４０％、電流密度０．７Ａ／ｃｍ2の条件で連続発電試
験を行い、出力特性の時間変化を計測した。その結果、
比較のための電池は、連続運転を行うと初期１〜３時間
程度は約１２．８ｋＷ（５７Ｖ−２２４Ａ）の電池出力
を維持することを確認した。しかしながら、１〜３時間
経過後から、特に両端近辺の電池の電圧が変動を始め、
両端近傍の電池に濡れすぎによるフラッディング現象が
確認できた。また、さらに３〜５時間経過後以降は、積
層した１００セルの内、少なくとも１セル以上の発電電
圧が０Ｖ以下まで変動するようになり運転を継続するこ
とが不可能となった。
４０％、電流密度０．７Ａ／ｃｍ2の条件で連続発電試
験を行い、出力特性の時間変化を計測した。その結果、
比較のための電池は、連続運転を行うと初期１〜３時間
程度は約１２．８ｋＷ（５７Ｖ−２２４Ａ）の電池出力
を維持することを確認した。しかしながら、１〜３時間
経過後から、特に両端近辺の電池の電圧が変動を始め、
両端近傍の電池に濡れすぎによるフラッディング現象が
確認できた。また、さらに３〜５時間経過後以降は、積
層した１００セルの内、少なくとも１セル以上の発電電
圧が０Ｖ以下まで変動するようになり運転を継続するこ
とが不可能となった。
【００５３】（実施例２）まず、ＭＥＡの作成は、実施
例１と同一の方法で行った。
例１と同一の方法で行った。
【００５４】次に、本発明のポイントである導電性セパ
レータについて記載する。
レータについて記載する。
【００５５】まず、外寸が２０ｃｍ×３２ｃｍ、厚みが
１．６ｍｍの樹脂含浸黒鉛板を用意した。これに、実施
例１と同一の形状となるよう切削による機械加工を施
し、導電性セパレーターとした。従って、ガス流路およ
び冷却水流路の深さが０．５ｍｍであるため、セパレー
ター板の最も肉薄部の厚みは０．６ｍｍである。得られ
たセパレーターの厚み方向の導電性は、２×１０-3Ωｃ
ｍ、密度は１．９ｇ／ｍｌ、Ｈｅガスによる気体透過度
は８．３×１０-15ｍｏｌ・ｍ／（ｍ2・ｓ・Ｐａ）、曲
げ強度は５５ＭＰａであった。このセパレーターのガス
流路の凹部底面に、平均５０μｍ以上の凹凸を設けるた
め、サンドブラスト加工により、平均５０μｍ以上の凹
凸を設けた。
１．６ｍｍの樹脂含浸黒鉛板を用意した。これに、実施
例１と同一の形状となるよう切削による機械加工を施
し、導電性セパレーターとした。従って、ガス流路およ
び冷却水流路の深さが０．５ｍｍであるため、セパレー
ター板の最も肉薄部の厚みは０．６ｍｍである。得られ
たセパレーターの厚み方向の導電性は、２×１０-3Ωｃ
ｍ、密度は１．９ｇ／ｍｌ、Ｈｅガスによる気体透過度
は８．３×１０-15ｍｏｌ・ｍ／（ｍ2・ｓ・Ｐａ）、曲
げ強度は５５ＭＰａであった。このセパレーターのガス
流路の凹部底面に、平均５０μｍ以上の凹凸を設けるた
め、サンドブラスト加工により、平均５０μｍ以上の凹
凸を設けた。
【００５６】このようにして作成したセパレータ２枚を
用い、ＭＥＡシートの一方の面に図１に示した酸化剤ガ
ス流路を形成したセパレーターを、他面に燃料ガス流路
を形成したセパレーターを重ね合わせ、これを単電池と
した。この単電池を２セル積層した後、冷却水路溝を形
成したセパレータでこの２セル積層電池を挟み込み、こ
のパターンを繰り返して１００セル積層の電池スタック
を作成した。この時、電池スタックの両端部には、ステ
ンレス製の集電板と電気絶縁材料の絶縁板、さらに端板
と締結ロッドで固定した。この時の締結圧はセパレータ
の面積当たり１５ｋｇｆ／ｃｍ2とした。
用い、ＭＥＡシートの一方の面に図１に示した酸化剤ガ
ス流路を形成したセパレーターを、他面に燃料ガス流路
を形成したセパレーターを重ね合わせ、これを単電池と
した。この単電池を２セル積層した後、冷却水路溝を形
成したセパレータでこの２セル積層電池を挟み込み、こ
のパターンを繰り返して１００セル積層の電池スタック
を作成した。この時、電池スタックの両端部には、ステ
ンレス製の集電板と電気絶縁材料の絶縁板、さらに端板
と締結ロッドで固定した。この時の締結圧はセパレータ
の面積当たり１５ｋｇｆ／ｃｍ2とした。
【００５７】このようにして作製した本実施例の高分子
電解質型燃料電池を、８０℃に保持し、一方の電極側に
７５℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガスを、も
う一方の電極側に６５℃の露点となるように加湿・加温
した空気を供給した。その結果、電流を外部に出力しな
い無負荷時には、９６Ｖの電池開放電圧を得た。またこ
のときの積層電池全体の内部抵抗を測定したところ、約
４０ｍΩであった。
電解質型燃料電池を、８０℃に保持し、一方の電極側に
７５℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガスを、も
う一方の電極側に６５℃の露点となるように加湿・加温
した空気を供給した。その結果、電流を外部に出力しな
い無負荷時には、９６Ｖの電池開放電圧を得た。またこ
のときの積層電池全体の内部抵抗を測定したところ、約
４０ｍΩであった。
【００５８】この電池を燃料利用率８５％、酸素利用率
５０％、電流密度０．７Ａ／ｃｍ2の条件で連続発電試
験を行い、出力特性の時間変化を計測した。その結果、
本実施例の電池は、８０００時間以上にわたって約１４
ｋＷ（６２Ｖ−２２４Ａ）の電池出力を維持することを
確認した。
５０％、電流密度０．７Ａ／ｃｍ2の条件で連続発電試
験を行い、出力特性の時間変化を計測した。その結果、
本実施例の電池は、８０００時間以上にわたって約１４
ｋＷ（６２Ｖ−２２４Ａ）の電池出力を維持することを
確認した。
【００５９】また、本実施例では、セパレーターのガス
流路の少なくとも凹部表面または凹部底面に、平均５０
μｍ以上の凹凸を設けてるため、サンドブラスト加工を
用いたが、これは機械加工による方法であっても全く問
題はなかった。
流路の少なくとも凹部表面または凹部底面に、平均５０
μｍ以上の凹凸を設けてるため、サンドブラスト加工を
用いたが、これは機械加工による方法であっても全く問
題はなかった。
【００６０】比較のために、外寸が２０ｃｍ×３２ｃ
ｍ、厚みが１．６ｍｍの樹脂含浸黒鉛板に、実施例１と
同一の形状となるよう切削による機械加工を施した。こ
のとき、セパレーターのガス流路の少なくとも凹部表面
または凹部底面の面精度が、平均１２．５μｍ以下にな
るよう加工した。得られたセパレーターの厚み方向の導
電性は、２×１０-3Ωｃｍ、密度は１．９ｇ／ｍｌ、Ｈ
ｅガスによる気体透過度は８．３×１０-15ｍｏｌ・ｍ
／（ｍ2・ｓ・Ｐａ）、曲げ強度は５５ＭＰａであっ
た。従って、サンドブラスト加工による表面の凹凸処理
によって、セパレーター自身の物性値は変化しないこと
を確認した。
ｍ、厚みが１．６ｍｍの樹脂含浸黒鉛板に、実施例１と
同一の形状となるよう切削による機械加工を施した。こ
のとき、セパレーターのガス流路の少なくとも凹部表面
または凹部底面の面精度が、平均１２．５μｍ以下にな
るよう加工した。得られたセパレーターの厚み方向の導
電性は、２×１０-3Ωｃｍ、密度は１．９ｇ／ｍｌ、Ｈ
ｅガスによる気体透過度は８．３×１０-15ｍｏｌ・ｍ
／（ｍ2・ｓ・Ｐａ）、曲げ強度は５５ＭＰａであっ
た。従って、サンドブラスト加工による表面の凹凸処理
によって、セパレーター自身の物性値は変化しないこと
を確認した。
【００６１】このように作製した比較のための高分子電
解質型燃料電池を、８０℃に保持し、一方の電極側に７
５℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガスを、もう
一方の電極側に６５℃の露点となるように加湿・加温し
た空気を供給した。その結果、電流を外部に出力しない
無負荷時には、９６Ｖの電池開放電圧を得た。またこの
ときの積層電池全体の内部抵抗を測定したところ、約４
０ｍΩであった。
解質型燃料電池を、８０℃に保持し、一方の電極側に７
５℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガスを、もう
一方の電極側に６５℃の露点となるように加湿・加温し
た空気を供給した。その結果、電流を外部に出力しない
無負荷時には、９６Ｖの電池開放電圧を得た。またこの
ときの積層電池全体の内部抵抗を測定したところ、約４
０ｍΩであった。
【００６２】この電池を燃料利用率７０％、酸素利用率
４０％、電流密度０．７Ａ／ｃｍ2の条件で連続発電試
験を行い、出力特性の時間変化を計測した。その結果、
比較のための電池は、連続運転を行うと初期１〜２時間
程度は約１２．８ｋＷ（５７Ｖ−２２４Ａ）の電池出力
を維持することを確認した。しかしながら、１〜２時間
経過後から、特に両端近辺の電池の電圧が変動を始め、
両端近傍の電池に濡れすぎによるフラッディング現象が
確認できた。また、さらに２〜３時間経過後以降は、積
層した１００セルの内、少なくとも１セル以上の発電電
圧が０Ｖ以下まで変動するようになり運転を継続するこ
とが不可能となった。
４０％、電流密度０．７Ａ／ｃｍ2の条件で連続発電試
験を行い、出力特性の時間変化を計測した。その結果、
比較のための電池は、連続運転を行うと初期１〜２時間
程度は約１２．８ｋＷ（５７Ｖ−２２４Ａ）の電池出力
を維持することを確認した。しかしながら、１〜２時間
経過後から、特に両端近辺の電池の電圧が変動を始め、
両端近傍の電池に濡れすぎによるフラッディング現象が
確認できた。また、さらに２〜３時間経過後以降は、積
層した１００セルの内、少なくとも１セル以上の発電電
圧が０Ｖ以下まで変動するようになり運転を継続するこ
とが不可能となった。
【００６３】（実施例３）まず、ＭＥＡの調整は、実施
例１と同一の方法で行った。
例１と同一の方法で行った。
【００６４】次に、本発明のポイントである導電性セパ
レータについて記載する。
レータについて記載する。
【００６５】まず、外寸が２０ｃｍ×３２ｃｍ、厚みが
１．６ｍｍのアモルファスカーボン板を用意した。これ
に、実施例１と同一の形状となるよう切削による機械加
工を施し、導電性セパレーターとした。従って、ガス流
路および冷却水流路の深さが０．５ｍｍであるため、セ
パレーター板の最も肉薄部の厚みは０．６ｍｍである。
得られたセパレーターの厚み方向の導電性は、４×１０
-3Ωｃｍ、密度は１．５ｇ／ｍｌ、Ｈｅガスによる気体
透過度は１．８×１０-18ｍｏｌ・ｍ／（ｍ2・ｓ・Ｐ
ａ）、曲げ強度は約１００ＭＰａであった。このセパレ
ーターを、空気雰囲気中、５００℃で３０分焼成するこ
とで、セパレータの少なくともガス流路表面に親水性官
能基を付与した。このセパレーターの表面分析を行った
ところ、カーボン表面には、化３および化４で示した酸
化物官能基すなわち親水性官能基が付与されていたこと
を確認した。
１．６ｍｍのアモルファスカーボン板を用意した。これ
に、実施例１と同一の形状となるよう切削による機械加
工を施し、導電性セパレーターとした。従って、ガス流
路および冷却水流路の深さが０．５ｍｍであるため、セ
パレーター板の最も肉薄部の厚みは０．６ｍｍである。
得られたセパレーターの厚み方向の導電性は、４×１０
-3Ωｃｍ、密度は１．５ｇ／ｍｌ、Ｈｅガスによる気体
透過度は１．８×１０-18ｍｏｌ・ｍ／（ｍ2・ｓ・Ｐ
ａ）、曲げ強度は約１００ＭＰａであった。このセパレ
ーターを、空気雰囲気中、５００℃で３０分焼成するこ
とで、セパレータの少なくともガス流路表面に親水性官
能基を付与した。このセパレーターの表面分析を行った
ところ、カーボン表面には、化３および化４で示した酸
化物官能基すなわち親水性官能基が付与されていたこと
を確認した。
【００６６】
【化３】
【００６７】
【化４】
【００６８】また、この酸化物官能基を表面に付与した
セパレーターの厚み方向の導電性は、４×１０-3Ωｃ
ｍ、密度は１．５ｇ／ｍｌ、Ｈｅガスによる気体透過度
は１．８×１０-18ｍｏｌ・ｍ／（ｍ2・ｓ・Ｐａ）、曲
げ強度は約１００ＭＰａであり、酸化物官能基を表面に
付与してもこれらの物性値は変化しなかった。
セパレーターの厚み方向の導電性は、４×１０-3Ωｃ
ｍ、密度は１．５ｇ／ｍｌ、Ｈｅガスによる気体透過度
は１．８×１０-18ｍｏｌ・ｍ／（ｍ2・ｓ・Ｐａ）、曲
げ強度は約１００ＭＰａであり、酸化物官能基を表面に
付与してもこれらの物性値は変化しなかった。
【００６９】このようにして作成したセパレータ２枚を
用い、ＭＥＡシートの一方の面に図１に示した酸化剤ガ
ス流路を形成したセパレーターを、他面に燃料ガス流路
を形成したセパレーターをを重ね合わせ、これを単電池
とした。この単電池を２セル積層した後、冷却水路溝を
形成したセパレータでこの２セル積層電池を挟み込み、
このパターンを繰り返して１００セル積層の電池スタッ
クを作成した。この時、電池スタックの両端部には、ス
テンレス製の集電板と電気絶縁材料の絶縁板、さらに端
板と締結ロッドで固定した。この時の締結圧はセパレー
タの面積当たり１０ｋｇｆ／ｃｍ2とした。
用い、ＭＥＡシートの一方の面に図１に示した酸化剤ガ
ス流路を形成したセパレーターを、他面に燃料ガス流路
を形成したセパレーターをを重ね合わせ、これを単電池
とした。この単電池を２セル積層した後、冷却水路溝を
形成したセパレータでこの２セル積層電池を挟み込み、
このパターンを繰り返して１００セル積層の電池スタッ
クを作成した。この時、電池スタックの両端部には、ス
テンレス製の集電板と電気絶縁材料の絶縁板、さらに端
板と締結ロッドで固定した。この時の締結圧はセパレー
タの面積当たり１０ｋｇｆ／ｃｍ2とした。
【００７０】このようにして作製した本実施例の高分子
電解質型燃料電池を、８０℃に保持し、一方の電極側に
７５℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガスを、も
う一方の電極側に６５℃の露点となるように加湿・加温
した空気を供給した。その結果、電流を外部に出力しな
い無負荷時には、９６Ｖの電池開放電圧を得た。またこ
のときの積層電池全体の内部抵抗を測定したところ、約
５０ｍΩであった。
電解質型燃料電池を、８０℃に保持し、一方の電極側に
７５℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガスを、も
う一方の電極側に６５℃の露点となるように加湿・加温
した空気を供給した。その結果、電流を外部に出力しな
い無負荷時には、９６Ｖの電池開放電圧を得た。またこ
のときの積層電池全体の内部抵抗を測定したところ、約
５０ｍΩであった。
【００７１】この電池を燃料利用率８５％、酸素利用率
５０％、電流密度０．７Ａ／ｃｍ2の条件で連続発電試
験を行い、出力特性の時間変化を計測した。その結果、
本実施例の電池は、８０００時間以上にわたって約１４
ｋＷ（６２Ｖ−２２４Ａ）の電池出力を維持することを
確認した。
５０％、電流密度０．７Ａ／ｃｍ2の条件で連続発電試
験を行い、出力特性の時間変化を計測した。その結果、
本実施例の電池は、８０００時間以上にわたって約１４
ｋＷ（６２Ｖ−２２４Ａ）の電池出力を維持することを
確認した。
【００７２】また、本実施例では、セパレータの少なく
ともガス流路表面に酸化物官能基を付与する方法とし
て、または酸化処理する方法として、セパレーターを空
気雰囲気中で熱処理する方法を用いたが、これはセパレ
ーターをオゾン雰囲気で紫外線照射する方法、またはセ
パレーターをプラズマ処理する方法、またはセパレータ
ーを濃硝酸溶液へ１時間浸漬処理し、十分に水洗する方
法、またはセパレーターを１０％過酸化水素水溶液へ１
時間浸漬処理し、十分に水洗する方法でも同様の効果が
得られることを確認した。
ともガス流路表面に酸化物官能基を付与する方法とし
て、または酸化処理する方法として、セパレーターを空
気雰囲気中で熱処理する方法を用いたが、これはセパレ
ーターをオゾン雰囲気で紫外線照射する方法、またはセ
パレーターをプラズマ処理する方法、またはセパレータ
ーを濃硝酸溶液へ１時間浸漬処理し、十分に水洗する方
法、またはセパレーターを１０％過酸化水素水溶液へ１
時間浸漬処理し、十分に水洗する方法でも同様の効果が
得られることを確認した。
【００７３】比較のために、外寸が２０ｃｍ×３２ｃ
ｍ、厚みが１．６ｍｍのアモルファスカーボン板に、実
施例１と同一の形状となるよう切削による機械加工を施
した。このとき、セパレーターのガス流路の少なくとも
凹部表面または凹部底面の面精度が、平均６．３μｍ以
下になるよう加工した。得られたセパレーターの厚み方
向の導電性は、４×１０-3Ωｃｍ、密度は１．５ｇ／ｍ
ｌ、Ｈｅガスによる気体透過度は１．８×１０-18ｍｏ
ｌ・ｍ／（ｍ2・ｓ・Ｐａ）、曲げ強度は約１００ＭＰ
ａであった。
ｍ、厚みが１．６ｍｍのアモルファスカーボン板に、実
施例１と同一の形状となるよう切削による機械加工を施
した。このとき、セパレーターのガス流路の少なくとも
凹部表面または凹部底面の面精度が、平均６．３μｍ以
下になるよう加工した。得られたセパレーターの厚み方
向の導電性は、４×１０-3Ωｃｍ、密度は１．５ｇ／ｍ
ｌ、Ｈｅガスによる気体透過度は１．８×１０-18ｍｏ
ｌ・ｍ／（ｍ2・ｓ・Ｐａ）、曲げ強度は約１００ＭＰ
ａであった。
【００７４】このように作製した比較のためのの高分子
電解質型燃料電池を、８０℃に保持し、一方の電極側に
７５℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガスを、も
う一方の電極側に６５℃の露点となるように加湿・加温
した空気を供給した。その結果、電流を外部に出力しな
い無負荷時には、９６Ｖの電池開放電圧を得た。またこ
のときの積層電池全体の内部抵抗を測定したところ、約
５０ｍΩであった。
電解質型燃料電池を、８０℃に保持し、一方の電極側に
７５℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガスを、も
う一方の電極側に６５℃の露点となるように加湿・加温
した空気を供給した。その結果、電流を外部に出力しな
い無負荷時には、９６Ｖの電池開放電圧を得た。またこ
のときの積層電池全体の内部抵抗を測定したところ、約
５０ｍΩであった。
【００７５】この電池を燃料利用率７０％、酸素利用率
４０％、電流密度０．７Ａ／ｃｍ2の条件で連続発電試
験を行い、出力特性の時間変化を計測した。その結果、
比較のための電池は、連続運転を行うと初期１時間程度
は約約１４ｋＷ（６２Ｖ−２２４Ａ）の電池出力を維持
することを確認した。しかしながら、１〜２時間経過後
から、特に両端近辺の電池の電圧が変動を始め、両端近
傍の電池に濡れすぎによるフラッディング現象が確認で
きた。また、さらに２〜３時間経過後以降は、積層した
１００セルの内、少なくとも１セル以上の発電電圧が０
Ｖ以下まで変動するようになり運転を継続することが不
可能となった。
４０％、電流密度０．７Ａ／ｃｍ2の条件で連続発電試
験を行い、出力特性の時間変化を計測した。その結果、
比較のための電池は、連続運転を行うと初期１時間程度
は約約１４ｋＷ（６２Ｖ−２２４Ａ）の電池出力を維持
することを確認した。しかしながら、１〜２時間経過後
から、特に両端近辺の電池の電圧が変動を始め、両端近
傍の電池に濡れすぎによるフラッディング現象が確認で
きた。また、さらに２〜３時間経過後以降は、積層した
１００セルの内、少なくとも１セル以上の発電電圧が０
Ｖ以下まで変動するようになり運転を継続することが不
可能となった。
【００７６】（実施例４）まず、ＭＥＡの調整は、実施
例１と同一の方法で行った。
例１と同一の方法で行った。
【００７７】次に、本発明のポイントである導電性セパ
レータについて記載する。
レータについて記載する。
【００７８】まず、平均粒径が約１０μｍの人造黒鉛粉
末と繊維状グラファイト（平均直径５０μｍ、平均長
０．５ｍｍ）とを２Ｎ硝酸水溶液の中に投入し、撹拌し
ながら３０分間放置後、蒸留水で十分に水洗した。その
結果得られた人造黒鉛粉末および繊維状グラファイトの
表面分析を行ったところ、カーボン表面には化５および
化６で示した酸化物官能基が付与されていたことを確認
した。
末と繊維状グラファイト（平均直径５０μｍ、平均長
０．５ｍｍ）とを２Ｎ硝酸水溶液の中に投入し、撹拌し
ながら３０分間放置後、蒸留水で十分に水洗した。その
結果得られた人造黒鉛粉末および繊維状グラファイトの
表面分析を行ったところ、カーボン表面には化５および
化６で示した酸化物官能基が付与されていたことを確認
した。
【００７９】
【化５】
【００８０】
【化６】
【００８１】次に、酸化処理した人造黒鉛粉末５０重量
％と繊維状グラファイト３８重量％とに熱硬化性フェノ
ール樹脂１２重量％を加え、これを押し出し混練機で混
練し、この混練粉をガス流路用溝および冷却水流路用溝
およびマニホールドを成形するための加工を施した金型
に投入し、ホットプレスした。ホットプレス条件は、金
型温度１５０℃、１００ｋｇ／ｃｍ2で１０分間とし
た。
％と繊維状グラファイト３８重量％とに熱硬化性フェノ
ール樹脂１２重量％を加え、これを押し出し混練機で混
練し、この混練粉をガス流路用溝および冷却水流路用溝
およびマニホールドを成形するための加工を施した金型
に投入し、ホットプレスした。ホットプレス条件は、金
型温度１５０℃、１００ｋｇ／ｃｍ2で１０分間とし
た。
【００８２】このとき、型成形用金型のガス流路を形成
する部分である凸部上面には、平均１００μｍ以上の凹
凸を設けた。このとき、成形用型の凸部上面に設けた凹
凸部の凹部は、逆円錐台形状とし、前記成形用型の凸部
表面に設けた凹凸部の凸部が円錐形状となるように金型
を加工しておいた。そのため、得られたセパレーター
は、外寸が２０ｃｍ×３２ｃｍ、厚みが１．３ｍｍ、ガ
ス流路および冷却水流路の深さが０．５ｍｍであり、ガ
ス流路用溝部の底面には金型形状が転写され、平均１０
０μｍ以上の凹凸を形成する事が出来た。
する部分である凸部上面には、平均１００μｍ以上の凹
凸を設けた。このとき、成形用型の凸部上面に設けた凹
凸部の凹部は、逆円錐台形状とし、前記成形用型の凸部
表面に設けた凹凸部の凸部が円錐形状となるように金型
を加工しておいた。そのため、得られたセパレーター
は、外寸が２０ｃｍ×３２ｃｍ、厚みが１．３ｍｍ、ガ
ス流路および冷却水流路の深さが０．５ｍｍであり、ガ
ス流路用溝部の底面には金型形状が転写され、平均１０
０μｍ以上の凹凸を形成する事が出来た。
【００８３】得られたセパレーターの厚み方向の導電性
は、５×１０-3Ωｃｍ、密度は１．９８ｇ／ｍｌ、Ｈｅ
ガスによる気体透過度は２．１×１０-17ｍｏｌ・ｍ／
（ｍ2・ｓ・Ｐａ）、曲げ強度は７０ＭＰａであった。
は、５×１０-3Ωｃｍ、密度は１．９８ｇ／ｍｌ、Ｈｅ
ガスによる気体透過度は２．１×１０-17ｍｏｌ・ｍ／
（ｍ2・ｓ・Ｐａ）、曲げ強度は７０ＭＰａであった。
【００８４】このようにして作成したセパレータ２枚を
用い、ＭＥＡシートの一方の面に図１に示した酸化剤ガ
ス流路を形成したセパレーターを、他面に燃料ガス流路
を形成したセパレーターを重ね合わせ、これを単電池と
した。この単電池を２セル積層した後、冷却水路溝を形
成したセパレータでこの２セル積層電池を挟み込み、こ
のパターンを繰り返して１００セル積層の電池スタック
を作成した。この時、電池スタックの両端部には、ステ
ンレス製の集電板と電気絶縁材料の絶縁板、さらに端板
と締結ロッドで固定した。この時の締結圧はセパレータ
の面積当たり１５ｋｇｆ／ｃｍ2とした。
用い、ＭＥＡシートの一方の面に図１に示した酸化剤ガ
ス流路を形成したセパレーターを、他面に燃料ガス流路
を形成したセパレーターを重ね合わせ、これを単電池と
した。この単電池を２セル積層した後、冷却水路溝を形
成したセパレータでこの２セル積層電池を挟み込み、こ
のパターンを繰り返して１００セル積層の電池スタック
を作成した。この時、電池スタックの両端部には、ステ
ンレス製の集電板と電気絶縁材料の絶縁板、さらに端板
と締結ロッドで固定した。この時の締結圧はセパレータ
の面積当たり１５ｋｇｆ／ｃｍ2とした。
【００８５】このようにして作製した本実施例の高分子
電解質型燃料電池を、８０℃に保持し、一方の電極側に
７５℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガスを、も
う一方の電極側に６５℃の露点となるように加湿・加温
した空気を供給した。その結果、電流を外部に出力しな
い無負荷時には、９６Ｖの電池開放電圧を得た。またこ
のときの積層電池全体の内部抵抗を測定したところ、約
４０ｍΩであった。
電解質型燃料電池を、８０℃に保持し、一方の電極側に
７５℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガスを、も
う一方の電極側に６５℃の露点となるように加湿・加温
した空気を供給した。その結果、電流を外部に出力しな
い無負荷時には、９６Ｖの電池開放電圧を得た。またこ
のときの積層電池全体の内部抵抗を測定したところ、約
４０ｍΩであった。
【００８６】この電池を燃料利用率８５％、酸素利用率
５０％、電流密度０．７Ａ／ｃｍ2の条件で連続発電試
験を行い、出力特性の時間変化を計測した。その結果、
本実施例の電池は、８０００時間以上にわたって約１
４．３ｋＷ（６４Ｖ−２２４Ａ）の電池出力を維持する
ことを確認した。
５０％、電流密度０．７Ａ／ｃｍ2の条件で連続発電試
験を行い、出力特性の時間変化を計測した。その結果、
本実施例の電池は、８０００時間以上にわたって約１
４．３ｋＷ（６４Ｖ−２２４Ａ）の電池出力を維持する
ことを確認した。
【００８７】また、本実施例では、セパレーターのガス
流路の少なくとも凹部表面または凹部底面に、平均１０
０μｍ以上の凹凸を設ける方法として、機械加工による
方法を用いたが、これはサンドブラストによる方法であ
っても全く問題はなかった。
流路の少なくとも凹部表面または凹部底面に、平均１０
０μｍ以上の凹凸を設ける方法として、機械加工による
方法を用いたが、これはサンドブラストによる方法であ
っても全く問題はなかった。
【００８８】比較のために、外寸が２０ｃｍ×３２ｃ
ｍ、厚みが１．６ｍｍのアモルファスカーボン板に、実
施例１と同一の形状となるよう切削による機械加工を施
した。このとき、セパレーターのガス流路の凹部底面
に、機械加工により、平均５０μｍ以上の凹凸を設け
た。得られたセパレーターの厚み方向の導電性は、４×
１０ -3Ωｃｍ、密度は１．５ｇ／ｍｌ、Ｈｅガスによる
気体透過度は１．８×１０-1 8ｍｏｌ・ｍ／（ｍ2・ｓ・
Ｐａ）、曲げ強度は１００ＭＰａであった。機械加工に
よる表面の凹凸処理によって、セパレーター自身の物性
値は変化しないことを確認した。
ｍ、厚みが１．６ｍｍのアモルファスカーボン板に、実
施例１と同一の形状となるよう切削による機械加工を施
した。このとき、セパレーターのガス流路の凹部底面
に、機械加工により、平均５０μｍ以上の凹凸を設け
た。得られたセパレーターの厚み方向の導電性は、４×
１０ -3Ωｃｍ、密度は１．５ｇ／ｍｌ、Ｈｅガスによる
気体透過度は１．８×１０-1 8ｍｏｌ・ｍ／（ｍ2・ｓ・
Ｐａ）、曲げ強度は１００ＭＰａであった。機械加工に
よる表面の凹凸処理によって、セパレーター自身の物性
値は変化しないことを確認した。
【００８９】このように作製した比較のためのの高分子
電解質型燃料電池を、８０℃に保持し、一方の電極側に
７５℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガスを、も
う一方の電極側に６５℃の露点となるように加湿・加温
した空気を供給した。その結果、電流を外部に出力しな
い無負荷時には、９６Ｖの電池開放電圧を得た。またこ
のときの積層電池全体の内部抵抗を測定したところ、約
５０ｍΩであった。
電解質型燃料電池を、８０℃に保持し、一方の電極側に
７５℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガスを、も
う一方の電極側に６５℃の露点となるように加湿・加温
した空気を供給した。その結果、電流を外部に出力しな
い無負荷時には、９６Ｖの電池開放電圧を得た。またこ
のときの積層電池全体の内部抵抗を測定したところ、約
５０ｍΩであった。
【００９０】この電池を燃料利用率７０％、酸素利用率
４０％、電流密度０．７Ａ／ｃｍ2の条件で連続発電試
験を行い、出力特性の時間変化を計測した。その結果、
比較のための電池は、連続運転を行うと初期１０分間程
度は約１４ｋＷ（６２Ｖ−２２４Ａ）の電池出力を発生
することを確認した。しかしながら、約１０分経過後か
ら、特に両端近辺の電池の電圧が変動を始め、両端近傍
の電池に濡れすぎによるフラッディング現象が確認でき
た。また、積層した１００セルの内、少なくとも１セル
以上の発電電圧が０Ｖ以下まで変動するようになり運転
を継続することが不可能となった。そこで、このとき用
いたセパレーターの水に対する塗れ性を測定したとこ
ろ、元の平滑なアモルファスカーボン板に比べて、機械
加工により平均５０μｍ以上の凹凸を設けたことによっ
て、撥水性が大きくなっていることを確認した。アモル
ファスカーボン板の水に対する接触角は、元々９０℃よ
り大きいため、セパレーター表面に凹凸を設けること
で、撥水性を向上させる結果になってしまったことを確
認した。
４０％、電流密度０．７Ａ／ｃｍ2の条件で連続発電試
験を行い、出力特性の時間変化を計測した。その結果、
比較のための電池は、連続運転を行うと初期１０分間程
度は約１４ｋＷ（６２Ｖ−２２４Ａ）の電池出力を発生
することを確認した。しかしながら、約１０分経過後か
ら、特に両端近辺の電池の電圧が変動を始め、両端近傍
の電池に濡れすぎによるフラッディング現象が確認でき
た。また、積層した１００セルの内、少なくとも１セル
以上の発電電圧が０Ｖ以下まで変動するようになり運転
を継続することが不可能となった。そこで、このとき用
いたセパレーターの水に対する塗れ性を測定したとこ
ろ、元の平滑なアモルファスカーボン板に比べて、機械
加工により平均５０μｍ以上の凹凸を設けたことによっ
て、撥水性が大きくなっていることを確認した。アモル
ファスカーボン板の水に対する接触角は、元々９０℃よ
り大きいため、セパレーター表面に凹凸を設けること
で、撥水性を向上させる結果になってしまったことを確
認した。
【００９１】（実施例５）ＭＥＡの調整は、実施例１と
同一の方法で行った。次に、本発明のポイントである導
電性セパレータについて記載する。
同一の方法で行った。次に、本発明のポイントである導
電性セパレータについて記載する。
【００９２】まず、外寸が２０ｃｍ×３２ｃｍ、厚みが
０．１ｍｍグラスファイバーを混入し補強した液晶ポリ
マー製の板を準備した。この板に、図２で示したよう
に、入口と出口とそれぞれ４カ所ずつ形成された酸化剤
ガスのマニホルド孔（注入口３ａ、出口３ｂ）と、入口
と出口とそれぞれ３カ所ずつ形成された燃料ガスのマニ
ホルド孔（注入口４ａ、出口４ｂ）と、入口と出口とそ
れぞれ６カ所ずつ形成された冷却水のマニホルド孔（注
入口５ａ、出口５ｂ）を形成した。次に、このエンジニ
アリングポリマーである液晶ポリマー板の上に、ガス流
路溝および冷却水流路溝を設けるためのリブ部を形成す
るため、図２の６に示すようにガス流路用リブおよび冷
却水流路用リブを接合する接合面にあたる箇所に、接合
面幅より小さい直径の貫通穴を多数形成した。
０．１ｍｍグラスファイバーを混入し補強した液晶ポリ
マー製の板を準備した。この板に、図２で示したよう
に、入口と出口とそれぞれ４カ所ずつ形成された酸化剤
ガスのマニホルド孔（注入口３ａ、出口３ｂ）と、入口
と出口とそれぞれ３カ所ずつ形成された燃料ガスのマニ
ホルド孔（注入口４ａ、出口４ｂ）と、入口と出口とそ
れぞれ６カ所ずつ形成された冷却水のマニホルド孔（注
入口５ａ、出口５ｂ）を形成した。次に、このエンジニ
アリングポリマーである液晶ポリマー板の上に、ガス流
路溝および冷却水流路溝を設けるためのリブ部を形成す
るため、図２の６に示すようにガス流路用リブおよび冷
却水流路用リブを接合する接合面にあたる箇所に、接合
面幅より小さい直径の貫通穴を多数形成した。
【００９３】次に、平均粒径が約１０μｍの人造黒鉛粉
末と繊維状グラファイト（平均直径５０μｍ、平均長
０．５ｍｍ）とを、１０％過酸化水素水溶液の中に投入
し、撹拌しながら１０分間放置後、蒸留水で十分に水洗
した。その結果得られた人造黒鉛粉末および繊維状グラ
ファイトの表面分析を行ったところ、カーボン表面には
化７および化８で示した親水性官能基が付与されていた
ことを確認した。
末と繊維状グラファイト（平均直径５０μｍ、平均長
０．５ｍｍ）とを、１０％過酸化水素水溶液の中に投入
し、撹拌しながら１０分間放置後、蒸留水で十分に水洗
した。その結果得られた人造黒鉛粉末および繊維状グラ
ファイトの表面分析を行ったところ、カーボン表面には
化７および化８で示した親水性官能基が付与されていた
ことを確認した。
【００９４】
【化７】
【００９５】
【化８】
【００９６】次に、過酸化水素水溶液で酸化処理した人
造黒鉛粉末５０重量％と、繊維状グラファイト３８重量
％に、熱硬化性フェノール樹脂１２重量％を押し出し混
練機で混練し、これをガス流路用溝および冷却水流路用
溝を成形するための加工を施した金型に投入した。この
とき、予め穴開け加工を施した液晶ポリマー板を金型間
に挟んで、前述の混練粉末をホットプレスした。ホット
プレス条件は、金型温度１５０℃、８０ｋｇ／ｃｍ2で
５分間とした。その結果、図１で示した構成と実質的に
同一構成のセパレーターを得た。このときセパレーター
周縁部およびマニホールド周辺部のガスシール用凸部分
は、ガス流路要理部と同じ厚みである０．５ｍｍ厚みの
ブチルゴムで形成した。
造黒鉛粉末５０重量％と、繊維状グラファイト３８重量
％に、熱硬化性フェノール樹脂１２重量％を押し出し混
練機で混練し、これをガス流路用溝および冷却水流路用
溝を成形するための加工を施した金型に投入した。この
とき、予め穴開け加工を施した液晶ポリマー板を金型間
に挟んで、前述の混練粉末をホットプレスした。ホット
プレス条件は、金型温度１５０℃、８０ｋｇ／ｃｍ2で
５分間とした。その結果、図１で示した構成と実質的に
同一構成のセパレーターを得た。このときセパレーター
周縁部およびマニホールド周辺部のガスシール用凸部分
は、ガス流路要理部と同じ厚みである０．５ｍｍ厚みの
ブチルゴムで形成した。
【００９７】また、このときの液晶ポリマー板と、カー
ボン粉末およびグラファイト繊維およびフェノール樹脂
を型成形したガス流路用リブおよび冷却水流路用リブの
構成の断面イメージ図を図３に示した。ここで、７は液
晶ポリマー板、８はカーボン粉末およびグラファイト繊
維およびフェノール樹脂を型成形したガス流路用リブお
よび冷却水流路用リブ、６は８を形成するための穴であ
る。得られたセパレーターは、外寸が２０ｃｍ×３２ｃ
ｍ、厚みが１．１ｍｍ、ガス流路および冷却水流路の深
さが０．５ｍｍであり、得られたセパレーターの厚み方
向の導電性は、１０×１０-3Ωｃｍ、Ｈｅガスによる気
体透過度は２．５×１０-18ｍｏｌ・ｍ／（ｍ2・ｓ・Ｐ
ａ）であった。
ボン粉末およびグラファイト繊維およびフェノール樹脂
を型成形したガス流路用リブおよび冷却水流路用リブの
構成の断面イメージ図を図３に示した。ここで、７は液
晶ポリマー板、８はカーボン粉末およびグラファイト繊
維およびフェノール樹脂を型成形したガス流路用リブお
よび冷却水流路用リブ、６は８を形成するための穴であ
る。得られたセパレーターは、外寸が２０ｃｍ×３２ｃ
ｍ、厚みが１．１ｍｍ、ガス流路および冷却水流路の深
さが０．５ｍｍであり、得られたセパレーターの厚み方
向の導電性は、１０×１０-3Ωｃｍ、Ｈｅガスによる気
体透過度は２．５×１０-18ｍｏｌ・ｍ／（ｍ2・ｓ・Ｐ
ａ）であった。
【００９８】このようにして作成したセパレータ２枚を
用い、ＭＥＡシートの一方の面に図１に示した酸化剤ガ
ス流路を形成したセパレーターを、他面に燃料ガス流路
を形成したセパレーターを重ね合わせ、これを単電池と
した。この単電池を２セル積層した後、冷却水路溝を形
成したセパレータでこの２セル積層電池を挟み込み、こ
のパターンを繰り返して１００セル積層の電池スタック
を作成した。この時、電池スタックの両端部には、ステ
ンレス製の集電板と電気絶縁材料の絶縁板、さらに端板
と締結ロッドで固定した。この時の締結圧はセパレータ
の面積当たり１５ｋｇｆ／ｃｍ2とした。
用い、ＭＥＡシートの一方の面に図１に示した酸化剤ガ
ス流路を形成したセパレーターを、他面に燃料ガス流路
を形成したセパレーターを重ね合わせ、これを単電池と
した。この単電池を２セル積層した後、冷却水路溝を形
成したセパレータでこの２セル積層電池を挟み込み、こ
のパターンを繰り返して１００セル積層の電池スタック
を作成した。この時、電池スタックの両端部には、ステ
ンレス製の集電板と電気絶縁材料の絶縁板、さらに端板
と締結ロッドで固定した。この時の締結圧はセパレータ
の面積当たり１５ｋｇｆ／ｃｍ2とした。
【００９９】このようにして作製した本実施例の高分子
電解質型燃料電池を、８０℃に保持し、一方の電極側に
７５℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガスを、も
う一方の電極側に６５℃の露点となるように加湿・加温
した空気を供給した。その結果、電流を外部に出力しな
い無負荷時には、９６Ｖの電池開放電圧を得た。またこ
のときの積層電池全体の内部抵抗を測定したところ、約
５５ｍΩであった。
電解質型燃料電池を、８０℃に保持し、一方の電極側に
７５℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガスを、も
う一方の電極側に６５℃の露点となるように加湿・加温
した空気を供給した。その結果、電流を外部に出力しな
い無負荷時には、９６Ｖの電池開放電圧を得た。またこ
のときの積層電池全体の内部抵抗を測定したところ、約
５５ｍΩであった。
【０１００】この電池を燃料利用率８５％、酸素利用率
５０％、電流密度０．７Ａ／ｃｍ2の条件で連続発電試
験を行い、出力特性の時間変化を計測した。その結果、
本実施例の電池は、８０００時間以上にわたって約１
４．３ｋＷ（６４Ｖ−２２４Ａ）の電池出力を維持する
ことを確認した。
５０％、電流密度０．７Ａ／ｃｍ2の条件で連続発電試
験を行い、出力特性の時間変化を計測した。その結果、
本実施例の電池は、８０００時間以上にわたって約１
４．３ｋＷ（６４Ｖ−２２４Ａ）の電池出力を維持する
ことを確認した。
【０１０１】また、本実施例の電池は、導電性セパレー
ターのセンタープレートが高強度の液晶ポリマーで構成
されているため、特に振動や衝撃に強いものとなった。
従来のカーボン性のセパレータ板で構成した電池を２ｍ
の高さから落下させると、平均で約１０回程度で、セパ
レータ板にひびが入ったが、本実施例の電池は約１００
回の落下試験の後も、締結部分のロッドが緩む以外、回
復不能の破損はなかった。
ターのセンタープレートが高強度の液晶ポリマーで構成
されているため、特に振動や衝撃に強いものとなった。
従来のカーボン性のセパレータ板で構成した電池を２ｍ
の高さから落下させると、平均で約１０回程度で、セパ
レータ板にひびが入ったが、本実施例の電池は約１００
回の落下試験の後も、締結部分のロッドが緩む以外、回
復不能の破損はなかった。
【０１０２】また、本実施例では、エンジニアリングプ
ラスチックとして液晶ポリマーを用いたが、これは他の
ポリプロピレン、スチレン系エンプラ、変性ポリフェニ
レンエーテル、ポリカーボネート、ポリアセタール、ポ
リアミド、ポリフェニレンサルファイド、ポリエステ
ル、非液晶性耐熱エンプラ、超耐熱エンプラ（ケトン
系、イミド系）であっても同様の効果が得られることを
確認した。
ラスチックとして液晶ポリマーを用いたが、これは他の
ポリプロピレン、スチレン系エンプラ、変性ポリフェニ
レンエーテル、ポリカーボネート、ポリアセタール、ポ
リアミド、ポリフェニレンサルファイド、ポリエステ
ル、非液晶性耐熱エンプラ、超耐熱エンプラ（ケトン
系、イミド系）であっても同様の効果が得られることを
確認した。
【０１０３】
【発明の効果】本発明によると、セパレーター板とし
て、従来のカーボン板の切削工法に替わり、耐酸性を有
する導電性気密弾性体で作ることで、大幅なコスト低減
を図ることができる。さらに極めて優れた対振動性と対
衝撃性を有することから、特に電気自動車の動力源とす
るとその効果が有効である。
て、従来のカーボン板の切削工法に替わり、耐酸性を有
する導電性気密弾性体で作ることで、大幅なコスト低減
を図ることができる。さらに極めて優れた対振動性と対
衝撃性を有することから、特に電気自動車の動力源とす
るとその効果が有効である。
【図１】本発明の第１の実施例で用いた導電性セパレー
ターの構成を示した図
ターの構成を示した図
【図２】本発明の第５の実施例で用いたセパレータのセ
ンタープレートの構成を示した図
ンタープレートの構成を示した図
【図３】本発明の第５の実施例で用いたセパレーターの
構成を示す断面イメージ図
構成を示す断面イメージ図
１ ガス流路用リブ ２ ガス流路用溝 ３ａ 酸化剤ガス入口マニホールド ３ｂ 酸化剤ガス出口マニホールド ４ａ 燃料ガス入口マニホールド ４ｂ 燃料ガス出口マニホールド ５ａ 冷却水入口マニホールド ５ｂ 冷却水出口マニホールド ６ ガス流路用リブおよび冷却水流路用リブを形成する
ための穴 ７ センタープレート
ための穴 ７ センタープレート
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 行天 久朗 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 小原 英夫 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 神原 輝壽 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Ｆターム(参考） 5H026 AA06 BB00 BB01 BB02 BB08 BB10 CC03 CC08 CX02 EE05 EE06 EE18 HH04
Claims (11)
- 【請求項１】 表面の少なくとも一部に親水性官能基を
有する導電性カーボンと、バインダーとを加圧成形した
ことを特徴とする高分子電解質型燃料電池用セパレー
タ。 - 【請求項２】 表面の少なくとも一部に親水性官能基を
有する導電性カーボンと、バインダーとを加圧加熱成形
したことを特徴とする高分子電解質型燃料電池用セパレ
ータ。 - 【請求項３】 導電性カーボンと、バインダーとを加圧
成形もしくは加圧加熱成形した高分子電解質型燃料電池
用セパレータであって、前記セパレータのガス流路表面
の少なくとも一部に親水性官能基を付与したことを特徴
とする請求項１または２記載の高分子電解質型燃料電池
用セパレータ。 - 【請求項４】 ガス流路の表面に凹凸をつけ、親水性を
高くしたことを特徴とする請求項１、２または３記載の
高分子電解質型燃料電池用セパレータ。 - 【請求項５】 凹部または凸部は、円錐形状、多角錐形
状、円錐台形状または多角錐台形状を有し、セパレ−タ
板の放線方向から見た断面径の平均が５０μｍ以上１ｍ
ｍ以下であることを特徴とする請求項４記載の高分子電
解質型燃料電池用セパレータ。 - 【請求項６】 導電性カーボンを酸化処理することで、
前記導電性カーボンの表面に酸化物官能基を付与したこ
とを特徴とする請求項１、２、３、４または５記載の高
分子電解質型燃料電池用セパレータの製造法。 - 【請求項７】 酸化処理は、酸化性雰囲気もしくは水蒸
気雰囲気中での、焼成もしくは活性光線照射もしくはプ
ラズマ処理、または酸性溶液への浸漬処理であることを
特徴とする請求項６記載の高分子電解質型燃料電池用セ
パレータの製造法。 - 【請求項８】 絶縁性平板と導電性リブとを接合し、前
記絶縁性平板と前記導電性リブとの接合面に、前記接合
面より小さい面積の貫通穴を設けたことを特徴とする高
分子電解質型燃料電池用セパレータ。 - 【請求項９】 導電性リブは、導電性カーボンとバイン
ダーとの加圧成形体もしくは加圧加熱成形体であること
を特徴とする請求項８記載の高分子電解質型燃料電池用
セパレータ。 - 【請求項１０】 導電性カーボンの表面の少なくとも一
部を親水化したことを特徴とする請求項９記載の高分子
電解質型燃料電池用セパレータ。 - 【請求項１１】 水素イオン伝導性高分子電解質膜と、
前記水素イオン伝導性高分子電解質膜を挟む位置に配置
した一対の電極とを具備した単電池を、前記電極の一方
に水素を含む燃料ガスを供給排出し、他方に酸素を含む
酸化剤ガスを供給排出するガス流通路を形成した一対の
導電性セパレータを介して積層した高分子電解質型燃料
電池において、請求項１、２、３、４、５、８、９また
は１０記載の前記導電性セパレータを用いたことを特徴
とする高分子電解質型燃料電池。
Priority Applications (7)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000097303A JP3580218B2 (ja) | 2000-03-31 | 2000-03-31 | 高分子電解質型燃料電池用セパレータとこれを用いた高分子電解質型燃料電池 |
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| EP01908367A EP1265303B1 (en) | 2000-03-07 | 2001-03-06 | Polymer electrolyte fuel cell and method of manufacturing the same |
| CN018061516A CN1416604B (zh) | 2000-03-07 | 2001-03-06 | 高分子电解质型燃料电池及其制造方法 |
| KR10-2002-7011343A KR100474938B1 (ko) | 2000-03-07 | 2001-03-06 | 고분자전해질형 연료전지 및 그 제조방법 |
| DE60139114T DE60139114D1 (de) | 2000-03-07 | 2001-03-06 | Polymer-elektroly-brennstoffzelle und herstellungsverfahren dafür |
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| JP2000097303A JP3580218B2 (ja) | 2000-03-31 | 2000-03-31 | 高分子電解質型燃料電池用セパレータとこれを用いた高分子電解質型燃料電池 |
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|---|---|
| JP2001283873A true JP2001283873A (ja) | 2001-10-12 |
| JP3580218B2 JP3580218B2 (ja) | 2004-10-20 |
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