JP2002134135A

JP2002134135A - 燃料電池用セパレータ

Info

Publication number: JP2002134135A
Application number: JP2000320766A
Authority: JP
Inventors: Koichi Tanaka; 浩一田中
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2000-10-20
Filing date: 2000-10-20
Publication date: 2002-05-10
Anticipated expiration: 2020-10-20
Also published as: JP4892776B2

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明の目的は、成形性に優れ、生産性の良
く、コストの低減が可能な燃料電池用セパータを提供す
る。【解決手段】電解質膜１１を燃料側の電極膜１２と空
気側の電極膜１３とで挟持した発電素子１４を挟持する
燃料電池用セパレータ１５，１６であって、樹脂材料か
らなる本体１５ａ，１６ａの少なくとも厚さ方向に、電
気的導通を確保可能な導電性材料１５ｃが埋設されてい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は燃料電池用セパレー
タに係り、特に、低コストで供給可能な燃料電池用セパ
レータに関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は、一般的に、発電素子とセパ
レータとからなるセルをを構成要素としている。発電素
子は、真ん中にプロトンを水素極から空気極へ移動させ
るための電解質膜と、この電解質膜の両側に付された電
極膜とから構成され、一番外側にセパレータが配置され
る。

【０００３】一般的なセパレータの形状を図１０に示
す。図示されているように、セパレータ１０１の表面に
は、凹凸が形成されている。凹部１０２は、燃料ガスま
たは酸化剤ガスの通路とされるものであり、凸部１０３
は、触媒電極表面に密着して集電部となるように構成さ
れている。

【０００４】上記セルは、単一の構成では、工業的用途
に活用できるような十分な電流電圧を発生しないので、
通常は、このセルを１つの構成単位として多段に積層す
ることによりスタックを形成し、所望の電流電圧が確保
される。

【０００５】上記のように、セルを積層してスタックを
形成するとき、各セルで発生した電力が、セルの積層方
向に流れるようにすれば、最終的にスタックの一端側に
設けられた出力端子から電力を取り出すことが可能とな
る。そして、各セルの外側に位置するセパレータが導電
性を有していれば、各セル間は電気的に接続され、各セ
ルで発生した電力がセルの積層方向に流れ、スタックの
一端側で電力を取り出すことが可能となる。

【０００６】このため、一般に、セパレータは導電性を
有する素材から形成されている。そして、導電性を有す
るセパレータとしては、カーボンを圧縮してガス不透過
としたガス不透過カーボンや、炭素繊維強化プラスチッ
クス（ＣＦＲＰ）或いはアモルファスカーボンなどが素
材として使用されていた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記したカーボンを圧
縮してガス不透過としたガス不透過カーボンや、炭素繊
維強化プラスチックス（ＣＦＲＰ）或いはアモルファス
カーボンなどが素材は高価であり、セルのコストが上昇
し、結果的に燃料電池のコストが高くなるという問題が
あった。そこで、コストを低減させるために、金属板の
全体に電気伝導性の良好な緻密性カーボングラファイト
をコーティングして、導電性を有する素材の使用量を少
なくした技術が知られている。

【０００８】しかし、上記した金属板の全体に電気伝導
性の良好な緻密性カーボングラファイトをコーティング
する技術では、カーボングラファイトのコーティングを
セパレータの全体に施す必要があり、生産性や成形性が
悪く、結果としてコスト低減を図れなくなるという不都
合があった。

【０００９】本発明の目的は、成形性に優れ、生産性の
良く、コストの低減が可能な燃料電池用セパータを提供
することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題は、本発明に係
る燃料電池用セパレータによれば、電解質膜を燃料側の
電極膜と空気側の電極膜とで挟持した発電素子を挟持す
る燃料電池用セパレータであって、樹脂材料からなる本
体の少なくとも厚さ方向に、電気的導通を確保可能な導
電性材料が埋設した構成とする、ことにより解決され
る。

【００１１】このように、本発明の燃料電池用セパレー
タは、主に導電性を持たない樹脂から形成されているの
で、成形性の良好な樹脂を選択が可能であり、成形に特
別な技術を要求せずに成形できるなど、成形が簡単であ
る。また、安価な樹脂材料により、所望形状の成形が可
能であり、低価格で高い生産性で製造することが可能で
ある。また、樹脂に埋め込まれた導電性部材により、セ
ル間の導電性を確保することが可能となる。

【００１２】なお、より具体的には、前記樹脂材料は、
供給された燃料としての水素ガスが漏れないように、実
質的に水素ガスを透過しない材料から形成される。ま
た、前記導電性材料は、電気的導通を確保するために、
カーボンまたは金属から形成される。このとき、耐酸性
の金属を用いると好適である。

【００１３】導電性材料は、セパレータ本体を成形加工
した後に埋設される。或いは、セパレータ本体の成形加
工と同時に一体成形により埋設される。

【００１４】導電性材料は、電極膜と導通する構成であ
ればどのような形状に形成されていても良いが、ロッド
状に形成すると、セパレータ本体への取付が容易となり
好適である。或いは、ワイヤ状またはリボン状とする
と、セパレータ本体と一体成形する場合、セパレータ本
体への取付強度を確保することが可能であり、好適であ
る。

【００１５】上記課題は、本発明の請求項８に係る燃料
電池用セパレータによれば、電解質膜を燃料側の電極膜
と空気側の電極膜とで挟持した発電素子を挟持する燃料
電池用セパレータであって、該セパレータは樹脂材料か
らなる本体の一部に、電気的導通を確保可能な導電性材
料が設けられ、少なくとも前記電極膜と接触する面の一
部または全面に、電気的導通を確保可能な導電性の皮膜
が形成されてなる、ことにより解決される。

【００１６】このように、導電性の皮膜は、電極膜表面
に密着する部分にのみ形成された構成としても、導電性
の皮膜と発電素子を介して効率よく且つ連続的に集電可
能となり、さらに各セルで発生した電力は導電性材料に
より接続される。

【００１７】より具体的には、導電性の皮膜はカーボン
または金属から形成される。このとき、耐酸性の材料か
らなる金属を用いると好適である。

【００１８】また、発電素子を構成する電解質膜につい
て、プロトン伝導体からなる電解質膜を用いると好適で
ある。プロトン伝導体からなる電解質膜は、プロトン解
離性の基を備えたものを用いると好適である。

【００１９】上記のように、プロトン解離性の基を備え
たものをプロトン伝導体とした電解質膜を使用すること
により、セパレータに、水素ガスを加湿するための加湿
手段との連携を図るための加工や工夫をする必要なくな
り、シンプルでコンパクトな構成とすることが可能とな
る。また、水素を加湿しない構成とすることが可能であ
るため、従来の燃料電池のように多量の水が発生しない
ので、大容量の保水手段や水の排出を考慮したセパレー
タとすることも不要となる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態を図
面に基づいて説明する。なお、以下に説明する部材，配
置等は本発明を限定するものでなく、本発明の趣旨の範
囲内で種々改変することができるものである。

【００２１】図１乃至図９は本実施の形態を示すもので
あり、図１は本発明の燃料電池用セパレータを示す説明
図、図２は本発明の燃料電池用セパレータを用いた燃料
電池の一部を示す説明図、図３はフラーレン分子を主要
構成要素としてプロトン解離性の基を備えた一例として
のポリ水酸化フラーレンの構造図、図４はフラーレン分
子を主要構成要素としてプロトン解離性の基を備えた一
例を示す模式図、図５は炭素クラスターの例を示す説明
図、図６は開放端を有する炭素クラスターの例を示す説
明図、図７はダイヤモンド構造を持つ炭素クラスターの
例を示す説明図、図８は各種のクラスターが結合した炭
素クラスターの例を示す説明図、図９は自己加湿型電解
質膜の説明図である。なお、本明細書において、「プロ
トン（Ｈ^＋）の解離」とは、「電離によりプロトンが
（官能基から）離れること」を意味し、「プロトン解離
性の基」とは、「プロトンが電離により離脱し得る官能
基」を意味する。

【００２２】燃料電池１０は、図２に示すように、所定
の出力を得るためにセルＣを連続させたスタックとして
形成されている。セルＣは、図２に示すように、電解質
膜１１を、燃料側の電極膜１２と空気側の電極膜１３と
で挟持した発電素子と、この発電素子を両側から挟持す
るセパレータ１５，１６とから構成されている。このセ
ルＣを積層させてスタックＳが形成されている。なおス
タックＳは、図示しない板体により積層された複数のセ
ルＣを加圧狭持している。

【００２３】本例において、空気側の電極膜１２側に配
設されるセパレータを、空気側のセパレータ１５、燃料
側の電極膜１３側に配設されるセパレータを、燃料側の
セパレータ１６として説明する。

【００２４】空気側のセパレータ１５及び燃料側のセパ
レータ１６は、発電素子１４へのガスの供給路となるも
のである。また、空気側の電極膜１２と、燃料側の電極
膜１３に対して電気導電性を持ち、集電機能を有すると
ともに、酸化剤ガスとしての空気と、燃料ガスとしての
水素ガスとの混合を防止する仕切機能を有している。

【００２５】空気側のセパレータ１５は、図１に示すよ
うに、本体１５ａに通路１５ｂが形成され、通路１５ｂ
の両側に導電性材料１５ｃが埋設して形成されている。
燃料側のセパレータ１６も、前記空気側のセパレータ１
５と同様の構成であり、本体１６ａに通路１６が形成さ
れ、通路１６ｂの両側に導電性材料１６ｃが埋設して形
成されている。

【００２６】空気側のセパレータ１５の通路１５ｂに
は、空気側の電極膜１２に供給される酸化剤ガスとして
の空気が通過するように構成されている。また、燃料側
のセパレータ１６の通路１６ｂには、燃料電池に供給さ
れる燃料ガスとしての水素ガスが通過するように構成さ
れている。

【００２７】次に、本例のセパレータを形成する材料に
ついて説明する。空気側のセパレータ１５の本体１５ａ
及び燃料側のセパレータ１６の本体１６ａを構成する樹
脂材料は、実質的に、水素ガスを透過しない材料から構
成されている。

【００２８】上記樹脂材料としては、絶縁性のある材
料、耐熱性のある材料、成形加工が容易な材料などが好
ましく、具体的には、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリ塩
化ビニル（ＰＶＣ）などを挙げることができるが、これ
らの材料に限定されるものでないことは勿論である。

【００２９】導電性材料１５ｃ，１６ｃは、それぞれ、
電極膜表面に密着状態になるように配設され、集電部を
構成する。導電性材料１５ｃ，１６ｃは、発電素子１４
を介して連続的に接続されるように構成されている。

【００３０】導電性材料１５ｃ，１６ｃは、カーボンま
たは金属から形成されている。導電性材料は、本体成形
時に、本体と一体に成形しても良く、或いは、本体を成
形するときに、導電性材料を配置する配置部を設けて成
形し、本体成形後に導電性材料を取り付ける構成として
も良い。

【００３１】なお、本体成形後に導電性材料を取り付け
るときには、本体と導電性材料との間の気密性が保たれ
るようにする。このため、本体または導電性材料に接着
剤を塗布して、導電性材料を配設する構成としても良
い。

【００３２】なお、導電性材料として、金属を用いる場
合は、耐酸性の材料を使用する。耐酸性の金属材料とし
て、具体的には、金、白金、パラジウム等があるが、加
工性を考慮すると金等が好ましい。また、導電性材料
は、厚み方向に使用するだけであるので、従来に比して
少量の使用で済み、全体のコストは著しく低減する。

【００３３】導電性材料は、電極膜と導通する構成であ
ればどのような形状に形成されていても良いが、例え
ば、ロッド、ワイヤまたはリボン状に形成される。ロッ
ド状に形成すると、本体に後付で導電性材料を取り付け
るときに、本体に形成された導電性材料配置部に取り付
けやすくなり好適である。

【００３４】また、導電性材料をワイヤ状またはリボン
状に形成する場合は、所定の導電性が得られるように、
複数の導電性材料を束ねるようにして使用する。このよ
うに、ワイヤ状またはリボン状の導電性材料を用いるこ
とにより、本体と導電性材料を一体成形するときに、導
電性材料と本体との高い密着性が得られ好適である。ま
たロッド状、ワイヤ状、リボン状は、全て同じものを用
いる必要はなく、複合的に用いることも可能である。こ
れにより、最適な形状を適宜選択することが可能とな
る。

【００３５】なお、上記のように、本体の通路両側に導
電性材料を配設する構成の他、通路両側の凸部に、導電
性の皮膜を形成した構成としても良い。すなわち、通路
両側の凸部頂部は電極膜と接触する面であり、この面の
少なくとも一部に、導電性の皮膜を形成する。

【００３６】なお、前記皮膜を凸部の頂部だけでなく、
空気側のセパレータ１５と燃料側のセパレータ１６との
接触面に設けても良い。これにより、より高い電気伝導
性を確保することが可能となる。

【００３７】導電性の皮膜は、カーボングラファイト，
クロム，白金族金属またはその酸化物，導電性ポリマー
等を用い、スパッタリングにより、通路両側の凸部に皮
膜が形成される。

【００３８】なお、導電性の皮膜の形成はスパッタリン
グだけでなく、各種の成膜手段を利用することが可能で
あり、例えば、蒸着、メッキやペースト塗布の厚膜成形
プロセスを用いることもできる。

【００３９】以上の構成において、反応ガスが燃料電池
スタック構造の各セルＣに導入されると、電解質膜１１
において酸素と水素が反応し、電解質膜中に水素イオン
が流れ電力が発生する。

【００４０】そして、電気化学反応で発生した電力は、
セパレータを介して、セルＣの積層方向に流れる。この
ようにして、最終的に、スタックの一旦側に設けられた
一対の出力端子（図示せず）から電力を取り出すことが
できる。

【００４１】なお、本実施例の燃料電池１０において、
電解質膜として、プロトン伝導体からなる電解質膜１１
を使用すると好適である。プロトン伝導体としては、パ
ーフルオロスルホン酸樹脂（ナフィオン（Nafion
(R)）：Du pont社製）や、フラーレン誘導体等がある。
以下、ここでは、通称「フラレノール（Fullerenol）」
と称される水分を介在させないプロトン伝導体からなる
電解質膜１１について説明する。

【００４２】プロトン伝導体からなる電解質膜１１とし
て、ポリ水酸化フラーレンは、図３に示すように、フラ
ーレンに複数の水酸基を付加した構造を持ったものの総
称であり、通称「フラレノール（Fullerenol）」と呼ば
れている。当然のことながら、フラレノールは１９９２
年にChiangらによって最初に合成例が報告された(Chian
g, L. Y. ; Swirczewski, J. W. ; Hsu, C. S. ; Chowd
hury, S. K. ; Cameron, S. ; Creegan, K. J. Chem. S
oc, Chem. Commun. 1992, 1791)。以来、一定量以上の
水酸基を導入したフラレノールは、特に水溶性である特
徴が注目され、主にバイオ関連の技術分野で研究されて
きた。

【００４３】フラレノールは、図４（Ａ）で概略図示す
るように凝集体とし、近接し合ったフラレノール分子
（図中、○はフラーレン分子を示す。）の水酸基同士に
相互作用が生じるようにする。この凝集体はマクロな集
合体として高いプロトン伝導特性（換言すれば、フラレ
ノール分子のフェノール性水酸基からのＨ^＋の解離性）
を発揮する。

【００４４】プロトン伝導体からなる電解質膜は、上記
フラレノール以外に、たとえば複数の−ＯＳＯ_３Ｈ基を
もつフラーレンの凝集体をプロトン伝導体として用いる
ものでもよい。ＯＨ基がＯＳＯ_３Ｈ基と置き換わった図
４（Ｂ）に示すようなポリ水酸化フラーレン、すなわち
硫酸水素エステル化フラレノールは、やはりChiangらに
よって１９９４年に報告されている(Chiang, L. Y. ; W
ang, L. Y. ; Swirczewski, J. W. ; Soled, S. ; Came
ron, S. J. Org. Chem. 1994, 59, 3960)。硫酸水素エ
ステル化されたフラーレンには、一つの分子内にＯＳＯ
_３Ｈ基のみを含むものもあるし、あるいはこの基と水酸
基をそれぞれ複数、もたせたものでもよい。

【００４５】上述したフラーレン誘導体を多数凝集させ
た時、それがバルクとして示すプロトン伝導性は、分子
内に元々含まれる大量の水酸基やＯＳＯ_３Ｈ基に由来す
るプロトンが移動に直接関わるため、雰囲気から水蒸気
分子などを起源とする水素、プロトンを取り込む必要は
なく、また、外部からの水分の補給、とりわけ外気より
水分等を吸収する必要もなく、雰囲気に対する制約はな
い。また、これらの誘導体分子の基体となっているフラ
ーレンは、特に求電子性の性質を持ち、このことが酸性
度の高いＯＳＯ_３Ｈ基のみならず、水酸基等においても
水素イオンの電離の促進に大きく寄与していると考えら
れる。

【００４６】また、一つのフラーレン分子中にかなり多
くの水酸基およびＯＳＯ_３Ｈ基等を導入することができ
るため、伝導の関与するプロトンの伝導体体積あたりの
数密度が非常に多くなる。

【００４７】本例のプロトン伝導体は、その殆どが、フ
ラーレンの炭素原子で構成されているため、重量が軽
く、変質もし難く、また汚染物質も含まれていない。フ
ラーレンの製造コストも急激に低下しつつある。資源
的、環境的、経済的にみてフラーレンは他のどの材料に
もまして、理想に近い炭素系材料であると考えられる。

【００４８】更に、プロトン解離性の基は、前述した水
酸基やＯＳＯ_３Ｈ基に限定する必要はない。即ち、この
解離性の基は、式−ＸＨで表され、Ｘは２価の結合手段
を有する任意の原子もしくは原子団であればよい。更に
は、この基は、式−ＯＨ又は−ＹＯＨで表わされ、Ｙは
２価の結合手を有する任意の原子もしくは原子団であれ
ばよい。

【００４９】具体的には、プロトン解離性の基として
は、前記−ＯＨ、−ＯＳＯ_３Ｈ以外に−ＣＯＯＨ、−Ｓ
Ｏ_３Ｈ、−ＯＰＯ（ＯＨ）_２のいずれかが好ましい。

【００５０】更に、本例では、フラーレン分子を構成す
る炭素原子に、プロトン解離性の基とともに、電子吸引
基、たとえば、ニトロ基、カルボニル基、カルボキシル
基、ニトリル基、ハロゲン化アルキル基、ハロゲン原子
（フッ素、塩素など）などが導入されていることが好ま
しい。図４（Ｃ）に、−ＯＨの外にＺを導入したフラー
レン分子を示す。このＺは、具体的には、−ＮＯ_２、−
ＣＮ、−Ｆ、−Ｃ_１、−ＣＯＯＲ、−ＣＨＯ、−ＣＯ
Ｒ、−ＣＦ_３、−ＳＯ_３ＣＦ_３などである（ここでＲは
アルキル基を表わす）。このように電子吸引基が併存し
ていると、その電子吸引効果のために、上記プロトン解
離性の基からプロトンが解離し易くなる。

【００５１】但し、フラーレン分子に導入するプロトン
解離性の基の数は、フラーレン分子を構成する炭素数の
範囲内で任意でよいが、望ましくは５個以上とするのが
よい。なお、フラーレンのπ電子性を残し、有効な電子
吸引性を出すためには、上記基の数は、フラーレンを構
成する炭素数の半分以下が好ましい。

【００５２】プロトン伝導体に用いるフラーレン誘導体
を合成するには、フラーレン分子の粉末に対し、たとえ
ば酸処理や加水分解等の公知の処理を適宜組み合わせて
施すことにより、フラーレン分子の構成炭素原子に所望
のプロトン解離性の基を導入すればよい。

【００５３】より具体的に述べるならば、ポリ水酸化フ
ラーレンの合成は、文献(Chiang, L. Y. ; Wang, L. Y.
; Swirczewski, J. W. ; Soled, S. ; Cameron, S. J.
Org. Chem. 1994, 59, 3960)を参考にしておこなっ
た。Ｃ_７０を約１５％含むＣ_６ _０／Ｃ_７０フラーレン混
合物の粉末２ｇを発煙硫酸３０ｍｌ中に投じ、窒素雰囲
気中で６０℃に保ちながら３日間攪拌した。得られた反
応物を、氷浴内で冷やした無水ジエチルエーテル中に少
しずつ投下し、その沈澱物を遠心分離で分別し、さらに
ジエチルエーテルで３回、およびジエチルエーテルとア
セトニトリルの２：１混合液で２回洗浄したあと、４０
℃にて減圧中で乾燥させた。さらに、この乾燥物を６０
ｍｌのイオン交換水中に入れ、８５℃で窒素によるバブ
リングを行いながら１０時間攪拌した。反応生成物は遠
心分離によって沈澱物を分離し、この沈澱物をさらに純
水で数回洗浄し、遠心分離を繰り返した後に、４０℃で
減圧乾燥した。このようにして得られた茶色の粉末のＦ
Ｔ−ＩＲ測定を行ったところ、上記文献に示されている
Ｃ_６０（ＯＨ）_１２のＩＲスペクトルとほぼ一致し、こ
の粉末が目的物質であるポリ水酸化フラーレンと確認さ
れた。

【００５４】またポリ水酸化フラーレン凝集ペレットの
製造は、次に、このポリ水酸化フラーレンの粉末９０ｍ
ｇをとり、直径１５ｍｍの円形ペレット状になるように
一方方向へのプレスを行った。この時のプレス圧は約７
トン／ｃｍ^２であった。その結果、このポリ水酸化フラ
ーレンの粉末は、バインダー樹脂等を一切含まないにも
関わらず成形性に優れており、容易にペレット化するこ
とができた。そのペレットは厚みが約３００ミクロンで
ある。

【００５５】ポリ水酸化フラーレン硫酸水素エステル
（全エステル化）の合成も、同様に前記の文献を参考に
しておこなった。ポリ水酸化フラーレンの粉末１ｍｇを
６０ｍｌの発煙硫酸中に投下し、室温にて窒素雰囲気下
で３日間攪拌した。得られた反応物を、氷浴内で冷やし
た無水ジエチルエーテル中に少しずつ投下し、その沈澱
物を遠心分離で分別し、さらにジエチルエーテルで３
回、およびジエチルエーテルとアセトニトリルの２：１
混合液で２回洗浄した後、４０℃にて減圧下で乾燥させ
た。このようにして得られた粉末のＴＦ−ＩＲ測定を行
ったところ、前記文献中に示されている、全ての水酸基
が硫酸水素エステル化されたもののＩＲスペクトルとほ
ぼ一致し、この粉末が目的物質であると、確認できた。

【００５６】また、ポリ水酸化フラーレン硫酸水素エス
テル凝集ペレットの製造は、ポリ水酸化フラーレン硫酸
水素エステルの粉末７０ｍｇをとり、直径１５ｍｍの円
形ペレット状になるように一方方向へのプレスを行っ
た。この時のプレス圧は約７トン／ｃｍ^２であった。そ
の結果、この粉末はバインダー樹脂等を一切含まないに
も関わらず、成形性に優れており、容易にペレット化す
ることができた。このペレットは厚みが約３００ミクロ
ンである。

【００５７】さらに、ポリ水酸化フラーレン硫酸水素エ
ステル（部分エステル化）の合成は、Ｃ_７０を約１５％
含むＣ_６０／Ｃ_７０フラーレン混合物の粉末２ｇを発煙
硫酸３０ｍｌ中に投じ、窒素の雰囲気中にて、６０℃に
保ちながら３日間攪拌した。得られた反応物を、氷浴内
で冷やしたジエチルエーテル中に少しずつ投下した。た
だし、この場合のジエチルエーテルは脱水処理を行って
いないものを用いた。得られた沈澱物を遠心分離で分別
し、さらにジエチルエーテルで３回、およびジエチルエ
ーテルとアセトニトリルの２：１混合液で２回洗浄した
後、４０℃にて減圧下で乾燥させた。このようにして得
られた粉末のＦＴ−ＩＲ測定を行ったところ、前記文献
に示されている、部分的に水酸基とＯＳＯ_３Ｈ基を含む
フラーレン誘導体のＩＲスペクトルとほぼ一致し、この
粉末が目的物質であると、確認できた。

【００５８】さらにまた、ポリ水酸化フラーレン硫酸水
素エステル凝集ペレットの製造は、一部が硫酸水素エス
テル化されたポリ水酸化フラーレンの粉末８０ｍｇをと
り、直径１５ｍｍの円形ペレット状になるように一方方
向へのプレスを行った。この時のプレス圧は約７トン／
ｃｍ^２であった。その結果、この粉末はバインダー樹脂
等を一切含まないにも関わらず成形性に優れており、容
易にペレット化することができた。このペレットは厚み
が約３００ミクロンであった。

【００５９】なお、上記の実施の形態では、プロトン伝
導膜としては、ポリ水酸化フラーレンでできた膜を用い
たが、プロトン伝導膜はこれに限定されるものではな
い。ポリ水酸化フラーレンは、フラーレン分子を母体と
し、その構成炭素分子に水酸基を導入したものである
が、母体としてはフラーレン分子に限らず炭素を主成分
とする炭素質材料であればよい。

【００６０】この炭素性材料には、炭素原子が、炭素−
炭素間結合の種類を問わず、数個から数百個結合して形
成されている集合体である炭素クラスターや、チューブ
状炭素質（通称カーボンナノチューブ）が含まれてよ
い。

【００６１】前者の炭素クラスターには、図９で示され
るような、炭素原子が多数個集合してなる、球体又は長
球、又はこれらに類似する閉じた面構造を有する種々の
炭素クラスターがある。また、図１０で示されるよう
な、それらの炭素クラスターの球構造の一部が欠損し、
構造中に開放端を有する炭素クラスター、図１１で示す
ような、大部分の炭素原子がＳＰ３結合したダイヤモン
ド構造を持つ炭素クラスター、更には図１２で示すよう
な、これらのクラスターどうしが種々に結合した炭素ク
ラスターが含まれていてよい。

【００６２】またこの種の母体に導入する基としては水
酸基に限らず、−ＸＨ、より好ましくは−ＹＯＨで表さ
れるプロトン解離性の基であればよい。ここでＸ及びＹ
は２価の結合手を有する任意の原子若しくは原子団であ
り、Ｈは水素原子、Ｏは酸素原子である。具体的には、
前記−ＯＨ以外に、硫酸水素エステル基−ＯＳＯ_３Ｈ、
カルボキシル基−ＣＯＯＨ、他に−ＳＯ_３Ｈ、−ＯＰＯ
（ＯＨ）_２のいずれかであることが好ましい。

【００６３】また、ゾルゲル法により作成したプロトン
（水素イオン）の高伝導性ガラスであってもよい。この
高伝導性ガラスは、例えば、リン酸−ケイ酸塩（Ｐ_２Ｏ
_５−ＳｉＯ_２）系ガラスであり、金属アルコキシド原料
を加水分解し、ゲルを作製、５００−８００度Ｃで加熱
しガラスとして作成でいる。このガラスには２ナノメー
トル程度の微細孔があり、そこに水分が吸着され、プロ
トンの移動が促進されるものである。

【００６４】さらに、有機無機ハイブリッドイオン交換
膜であってもよい。これは、ポリエチレンオキサイド
（ＰＥＯ）やポリプロピレンオキサイド（ＰＰＯ）、ポ
リテトラメチレンオキサイド（ＰＴＭＯ）などとシリカ
が分子レベルで結合した複合膜であり、モノドテシルフ
ォスフェート（ＭＤＰ）や１、２−タングストリン酸
（ＰＷＡ）などをプロトン伝導性供与剤としてドープし
たものである。

【００６５】また、自己加湿型電解質膜であってもよ
い。この膜は、例えば図１３で示すように、膜中に極微
量の白金超微粒子触媒と酸化物（ＴｉＯ_２・ＳｉＯ_２）
超微粒端子を高分散させている。クロスオーバーしてく
る水素と酸素を逆用して白金触媒上で水を生成させ、そ
の生成水を酸化物超微粒子に吸着保水させることによ
り、膜を内部から加湿して含水率を高く保つものであ
る。そして、粒径１〜２ｎｍ極微量の白金超微粒子
（０．０９ｍｇ／ｃｍ^２）と粒径５ｎｍのＴｉＯ_２超微
粒子（乾燥Ｎａｆｉｏｎ重量の３％）を高分散したＰｔ
−ＴｉＯ_２分散膜を電解質に用いると、完全に外部無加
湿の状態でも、きわめて安定で高性能（０．４〜０．６
Ｖで約０．６Ｗ／ｃｍ^２）な電池運転が可能になりる。
上記のいずれの変形例によっても、プロトンの伝導に加
湿が不要であり、本発明における効果には変わりはな
い。

【００６６】以上のように、電解質膜として、水分を介
在させないプロトン伝導体からなる電解質膜１１を使用
すると、水素ガスの加湿が不要であり、加湿器を設ける
必要がなく、加湿器のための設置スペースを設けること
がないため、セパレータを複雑な形状とする必要がな
く、燃料電池をコンパクトな構成とすることが可能であ
る。

【００６７】

【発明の効果】以上のように、本発明の燃料電池用セパ
レータは、主に導電性を持たない樹脂から形成されてい
るので、成形性の良好な樹脂を選択が可能であり、成形
に特別な技術を要求せずに成形できるなど、成形が簡単
である。また、安価な樹脂材料により、所望形状の成形
が可能であり、低価格で高い生産性で製造することが可
能である。また、樹脂に埋め込まれた導電性部材によ
り、セル間の導電性を確保することが可能となる。この
導電性材料は、使用量が少ないため、従来に比して、燃
料電池用セパレータのコストは著しく低下する。導電性
材料は、電極膜と導通する構成であればどのような形状
に形成されていても良いが、ロッド状に形成すると、セ
パレータ本体への取付が容易となり好適である。或い
は、ワイヤ状またはリボン状とすると、セパレータ本体
と一体成形する場合、セパレータ本体への取付強度を確
保することが可能であり、好適である。

【００６８】また、本発明の燃料電池用セパレータを樹
脂材料からなる本体で形成し、この一部に、電気的導通
を確保可能な導電性材料が設け、少なくとも電極膜と接
触する面の一部または全面に、電気的導通を確保可能な
導電性の皮膜を形成することにより、導電性の皮膜と発
電素子を介して効率よく且つ連続的に集電可能となり、
さらに各セルで発生した電力は導電性材料により接続さ
れる。このように、導電性の皮膜は、電極膜表面に密着
する部分にのみ形成された構成としても、導電性の皮膜
と発電素子を介して効率よく且つ連続的に集電可能とな
り、さらに各セルで発生した電力は導電性材料により接
続される。

【００６９】また、フラーレン分子を主要構成要素とし
てプロトン解離性の基を備えたものをプロトン伝導体と
した電解質膜を使用することにより、セパレータに、水
素ガスを加湿するための加湿手段との連携を図るための
加工や工夫をする必要なくなり、シンプルでコンパクト
な構成とすることが可能となる。また、水素を加湿しな
い構成とすることが可能であるため、従来の燃料電池の
ように多量の水が発生しないので、大容量の保水手段や
水の排出を考慮したセパレータとすることも不要とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の燃料電池用セパレータを示す説明図で
ある。

【図２】本発明の燃料電池用セパレータを用いた燃料電
池の一部を示す説明図である。

【図３】フラーレン分子を主要構成要素としてプロトン
解離性の基を備えた一例としてのポリ水酸化フラーレン
の構造図である。

【図４】フラーレン分子を主要構成要素としてプロトン
解離性の基を備えた一例を示す模式図である。

【図５】炭素クラスターの例を示す説明図である。

【図６】開放端を有する炭素クラスターの例を示す説明
図である。

【図７】ダイヤモンド構造を持つ炭素クラスターの例を
示す説明図である。

【図８】各種のクラスターが結合した炭素クラスターの
例を示す説明図である。

【図９】自己加湿型電解質膜の説明図である。

【図１０】従来例を示す説明図である。

【符号の説明】

１０燃料電池１１電解質膜１２燃料側の電極膜１３空気側の電極膜１４発電素子１５燃料側のセパレータ１５ａ本体１５ｂ通路１５ｃ導電性材料１６空気側のセパレータ１６ａ本体１６ｂ通路１６ｃ導電性材料ＣセルＳスタック

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電解質膜を燃料側の電極膜と空気側の電
極膜とで挟持した発電素子を挟持する燃料電池用セパレ
ータであって、樹脂材料からなる本体の少なくとも厚さ
方向に、電気的導通を確保可能な導電性材料が埋設され
たことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項２】前記樹脂材料は実質的に水素ガスを透過
しない材料からなることを特徴とする請求項１記載の燃
料電池用セパレータ。
【請求項３】前記導電性材料はカーボンまたは金属か
らなることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用セパ
レータ。
【請求項４】前記金属は耐酸性の材料からなることを
特徴とする請求項３記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項５】前記導電性材料は、セパレータ本体を成
形加工した後に埋設されてなることを特徴とする請求項
１記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項６】前記導電性材料は、セパレータ本体の成
形加工と同時に一体成形により埋設されてなることを特
徴とする請求項１記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項７】前記導電性材料は、ロッド状、ワイヤ
状、リボン状のいずれかとして形成されてなることを特
徴とする請求項１記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項８】電解質膜を燃料側の電極膜と空気側の電
極膜とで挟持した発電素子を挟持する燃料電池用セパレ
ータであって、該セパレータは樹脂材料からなる本体の
一部に、電気的導通を確保可能な導電性材料が設けら
れ、少なくとも前記電極膜と接触する面の一部または全
面に、電気的導通を確保可能な導電性の皮膜が形成され
てなることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項９】前記導電性の皮膜はカーボンまたは金属
からなることを特徴とする請求項８記載の燃料電池用セ
パレータ。
【請求項１０】前記金属は耐酸性の材料からなること
を特徴とする請求項９記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項１１】前記電解質膜はプロトン伝導体からなる
ことを特徴とする請求項１または８記載の燃料電池用セ
パレータ。
【請求項１２】前記プロトン伝導体からなる電解質膜
は、プロトン解離性の基を備えてなることを特徴とする
請求項１１記載の燃料電池用セパレータ。