JP2002208410A - 燃料電池用セパレータ及び燃料電池用セパレータを用いた燃料電池 - Google Patents

燃料電池用セパレータ及び燃料電池用セパレータを用いた燃料電池

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JP2002208410A
JP2002208410A JP2001004314A JP2001004314A JP2002208410A JP 2002208410 A JP2002208410 A JP 2002208410A JP 2001004314 A JP2001004314 A JP 2001004314A JP 2001004314 A JP2001004314 A JP 2001004314A JP 2002208410 A JP2002208410 A JP 2002208410A
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separator
resin
molding
expanded graphite
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Takayuki Suzuki
孝幸 鈴木
Akitsugu Tashiro
了嗣 田代
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Hitachi Chemical Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】ガス不透過性に優れ、かつ安価な燃料電池用セ
パレータ及びガス不透過性に優れ、かつ安価な燃料電池
用セパレータを有する高性能な燃料電池を提供する。 【解決手段】水銀ポロシメータで測定される直径1μm
以上の細孔容積が0.01cc/g以下である燃料電池
用セパレータ及びこのセパレータを有してなる燃料電
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、燃料電池用セパレ
ータ及び燃料電池用セパレータを用いた燃料電池に関す
る。
【0002】
【従来の技術】燃料電池は近年、化石燃料の消費による
地球温暖化防止策、省エネルギー対策等の観点から非常
に注目され、特に、国、大学の研究機関、大手企業等で
固体高分子型燃料電池を用いた定置型発電機、自動車の
動力への応用を中心に研究開発が加速度的な勢いで行わ
れている。
【0003】燃料電池の構成部材の一つであるセパレー
タの働きは、発生するエネルギーの原料となる水素及び
酸素の定量的な供給と発電時に発生する水の速やかな排
出にあり、経済性及び電池特性を大きく左右する重要な
部材である。
【0004】また、セパレータは一つの電池に数百枚使
用されるためコンパクト化が急務であり、現在各セパレ
ータ開発部門ともデザインの改良、一枚当たりの板厚、
重量及び体積を低減し、かつ安価なセパレータの開発に
凌ぎをけずっている。
【0005】従来のセパレータは、黒鉛板を流路の形状
などをプログラムした高精度の切削機で長時間にわたり
慎重に加工して作製し、さらに得られたセパレータに溶
剤で希釈した樹脂を真空含浸して硬化させ、ガスの不浸
透化を行って製造していた。
【0006】しかし、上記の方法で得られるセパレータ
は、流路切削工程及びガスの不透過化処理に時間を要す
るため、セパレータ一枚当たりの価格が非常に高くな
り、その結果、セパレータを数百枚単位で使用する燃料
電池のコストを大幅に押し上げている。
【0007】上記の問題点に対し、本発明者らは、安価
で正確な流路を形成でき、かつ燃料電池の特性を損なわ
ないセパレータとして、膨張黒鉛粉、樹脂及び必要に応
じて他の材料を使用した新しい成形材料を提案した。
【0008】しかしながら、上記のセパレータの一部に
は、成形時に発生する樹脂の反応ガス、膨張黒鉛粉に含
まれる空気などを取り込んだまま成形体となり、その結
果、ガス不透過性が低いものも得られ、特に近年、燃料
電池スタックの小型化に伴い、セパレータ板厚を薄くす
ることが要求されているが、薄板化によりセパレータは
さらにガスを透過し易くなる。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】請求項1〜5記載の発
明は、ガス不透過性に優れ、かつ安価な燃料電池用セパ
レータを提供するものである。また、請求項6記載の発
明は、請求項1記載の発明に加え、さらにガス不透過性
に優れる燃料電池用セパレータを提供するものである。
さらに、請求項7及び8記載の発明は、ガス不透過性に
優れ、かつ安価な燃料電池用セパレータを有する高性能
な燃料電池を提供するものである。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明は、水銀ポロシメ
ータで測定される直径1μm以上の細孔容積が0.01
cc/g以下である燃料電池用セパレータに関する。ま
た、本発明は、膨張黒鉛粉及び樹脂を含む成形体からな
る前記の燃料電池用セパレータに関する。また、本発明
は、膨張黒鉛粉が、膨張黒鉛シート粉砕粉である前記の
燃料電池用セパレータに関する。また、本発明は、成形
体が、シートを張り合わせた成形体を併用してなる前記
の燃料電池用セパレータに関する。
【0011】また、本発明は、樹脂が、粉末で、開環重
合し、かつその平均粒径が1μm〜1000μmである
前記の燃料電池用セパレータに関する。また、本発明
は、セパレータの肉厚の最小部分が、0.2mm〜1m
mである前記の燃料電池用セパレータに関する。また、
本発明は、前記のセパレータを有してなる燃料電池に関
する。さらに、本発明は、固体高分子型である前記の燃
料電池に関する。
【0012】
【発明の実施の形態】本発明において、使用される樹脂
の性状に制限はないが、安全性、製造工程の短縮(低コ
スト化)等を考慮すれば、乾式混合(無溶剤混合)が可
能で粒度分布が安定した粉末の樹脂が好ましい。
【0013】また、使用する樹脂の化学構造及び種類に
制限はなく、一般的には成形方法によって熱硬化性樹脂
及び熱可塑性樹脂の使い分けを行う。例えば、圧縮成形
の場合、粉末フェノール樹脂、粉末エポキシ樹脂(粉末
状硬化剤と併用)等の、熱硬化性樹脂が好ましく、連続
成形(押出し成形など)の場合、成形機中での樹脂トラ
ブル(樹脂のゲル化、硬化等)を考慮すると、粉末フェ
ノキシ樹脂、粉末ポリプロピレン、粉末ポリスチレン等
の熱可塑性樹脂が好ましい。
【0014】上記に示す樹脂の中でも成形設備、金型等
が比較的安価で一般的な圧縮成形法によりでセパレータ
を製造する場合、粉末フェノール樹脂が、経済性、作業
性、硬化後の特性バランスなどが優れるので好ましい。
【0015】使用する粉末フェノール樹脂は特に制限は
なく、粉体特性として粒径が均一であり、またブロッキ
ング(粉末樹脂の凝集)が少ないこと、反応時に発生す
るガスが少なく、また樹脂流れがよく成形が容易である
こと、熱処理が短時間で終了するなどの特長を備えた樹
脂が好ましく、特に一般式(A)及び(B)に示す化学
構造単位を有する粉末フェノール樹脂が、成形性、揮発
性ガスの制御及び耐熱性の面で好ましい。
【0016】
【化1】 (式中、芳香環に結合する水素はヒドロキシル基のオル
ト位の1つを除き、置換基で置換されても良い。)
【0017】
【化2】 (但し、R1は、炭化水素であり、芳香環に結合する水
素は、置換基で置換されてもよい。)
【0018】粉末フェノール樹脂の平均粒径についても
特に制限はないが、乾式混合性を考慮すれば、数平均粒
径で1μm〜1000μmの範囲が好ましく、10μm
〜800μmの範囲がさらに好ましい。数平均粒径が1
μm未満の粉末フェノール樹脂を使用した場合、樹脂の
凝集が問題となり、膨張黒鉛粉との均一混合が望めなく
なる傾向があり、一方、1000μmを超える粉末フェ
ノール樹脂を使用した場合、上記と同様に均一な混合が
難しく、得られる成形体の密度が部分的にばらつく傾向
がある。
【0019】本発明で使用する膨張黒鉛粉としては、膨
張黒鉛をシート化し、密度を向上させて強度をもたせた
膨張黒鉛シート粉砕粉を用いることが好ましい。膨張黒
鉛の製法については特に制限はないが、例えば原料黒鉛
を酸性物質及び酸化剤を含む溶液中に浸漬して黒鉛層間
化合物を生成させ、その後高温処理して黒鉛結晶のC軸
方向を膨張させて得ることができる。
【0020】前記の原料黒鉛としては特に制限はない
が、天然黒鉛、キッシュ黒鉛、熱分解黒鉛等の高度に結
晶が発達した黒鉛が好ましいものとして挙げられる。得
られる特性と経済性のバランスを考慮すると天然黒鉛が
好ましい。用いる天然黒鉛としては、特に制限はなく、
F48C(日本黒鉛(株)製、商品名)、H−50(中
越黒鉛(株)製、商品名)等の市販品を用いることがで
きる。
【0021】原料黒鉛の処理に用いられる酸性物質は、
一般に硫酸又は硫酸と硝酸との混液が使用される。酸の
濃度は、95重量%以上であることが好ましい。酸性物
質の使用量については特に制限はなく、目的とする膨張
倍率で決定され、例えば、黒鉛100重量部に対して1
00重量部〜1000重量部使用することが好ましい。
【0022】また、酸性物質と共に用いられる酸化剤と
しては、過酸化水素、塩酸を用いることが、良好な膨張
黒鉛が得られるので好ましい。酸化剤として過酸化水素
を用いる場合、過酸化水素の濃度については特に制限は
ないが、20重量%〜40重量%が好ましい。その量に
ついても特に制限はないが、黒鉛100重量部に対して
過酸化水素水として5重量部〜60重量部配合すること
が好ましい。
【0023】また、本発明で好ましいものとして使用す
る膨張黒鉛シート粉砕粉の製法についても特に制限はな
いが、一般的には上記で得た膨張黒鉛を、プレス、ロー
ル等で圧力を加えてシート化し、粗粉砕、微粉砕及び必
要に応じて行う分級工程並びに粉砕後に含まれる酸性根
を低減させるための処理(例えば高温処理)を行って得
ることができる。
【0024】なお、膨張黒鉛をシート化したときのシー
トの厚さ及び密度については特に制限はないが、厚さが
0.5mm〜1.5mmの範囲及び密度が0.2g/c
3〜1.2g/cm3の範囲のものが好ましい。
【0025】膨張黒鉛シート粉砕粉の粒径は、数平均粒
径で5μm〜1000μmの範囲が好ましく、50μm
〜800μmの範囲がさらに好ましい。数平均粒径が5
μm未満の場合、膨張黒鉛粉の性質が薄れ、ガスの不浸
透性、電気特性及び機械強度が低下する傾向があり、一
方、1000μmを超える場合、樹脂との混合性が悪化
し、上記と同様の現象が発生する傾向がある。
【0026】膨張黒鉛粉と樹脂との混合割合は、目標と
する最終成形体の要求諸特性値で任意に決定されるが、
通常は、膨張黒鉛粉/樹脂=95/5〜40/60(重
量比)の範囲が好ましく、90/10〜50/50(重
量比)の範囲がさらに好ましい。ここで混合する膨張黒
鉛粉の配合量が95重量%を超える場合、ガスの不浸透
性及び機械強度が低下する傾向があり、一方、40重量
%未満の場合、導電性物質である膨張黒鉛粉の配合量が
少なすぎ電気特性が悪化する傾向がある。
【0027】膨張黒鉛粉と樹脂の混合方法については特
に制限はないが、例えば膨張黒鉛シート粉砕粉に大きな
剪断力が加わらないシェイカー、Vブレンダ等を使用し
た乾式混合を行うことが好ましい。混合時に膨張黒鉛シ
ート粉砕粉が破壊された場合、得られる成形体の機械強
度が低下する傾向がある。
【0028】なお、上記混合粉は直接成形材料として使
用できるが、成形時の作業性を考慮すれば、混合粉を成
形用シート(グリーンシート)にして使用することが好
ましい。成形用シートの製法に特に制限はないが、混合
粉を圧縮し含まれる樹脂の一部を溶融するか、圧縮しな
がら樹脂の一部を溶融する方法等があり、このような方
法によれば成形用シート全体の強度が増し取り扱い性
(ハンドリング)が向上するので好ましい。
【0029】具体的な成形用シートの製法としては、例
えば混合物貯蓄タンク、混合物を一定厚さ及び一定幅に
するためのナイフ、前記加工材料を移送する移送装置、
シート化する加熱型ロールなどから構成される成形用シ
ート製造装置などを使用することができる。
【0030】本発明においては、上記の材料以外に必要
に応じてガス不透過性シートが用いられる。このガス不
透過性シートは、ガスが流通するリブ(流路)部の外周
部を形成するフラット(平坦)部に使用され、フラット
部の密度がリブ部に比較し小さく、フラット部でガス漏
れが発生する場合や、フラット部の肉薄化対策時の場合
に使用される。
【0031】なお、ガス不透過性シートの材質について
は特に制限はなく、例えばガラスクロス、ガラスストラ
ンドマット、チョップドストランドマット、カーボン繊
維クロス等の繊維に樹脂などを含浸させ作業性を改善し
たもの(プリプレグ)、膨張黒鉛シート等が使用でき
る。プリプレグの樹脂量については特に制限はない。
【0032】また、ガス不透過性シートの密度について
は特に制限はなく、リブ部とフラット部の密度差を考慮
して選定されるが、例えば0.2g/cm3〜1.2g
/cm3の範囲が好ましい。なお本発明においては、必
要に応じ密度の異なるシートを組み合わせて使用するこ
ともできる。
【0033】本発明においては、ガス不透過性を高める
ため、成形体にさらに樹脂を含浸して、細孔容積を小さ
くしてもよい。成形体に含浸する樹脂の種類及び含浸方
法については特に制限はなく、含浸樹脂としては例えば
フェノール樹脂、エポキシ樹脂、フラン樹脂等の熱硬化
性樹脂が好ましく、含浸性、価格等を考慮すればフラン
樹脂が好ましい。
【0034】フラン樹脂を使用する場合、通常硬化促進
剤としてパラトルエンスルホン酸(PTS)が使用さ
れ、このパラトルエンスルホン酸はフラン樹脂に対して
0.1〜3重量%の範囲で作業温度に応じて使用され
る。含浸性を向上させるため、必要に応じてアセトン、
フルフリルアルコール等の有機溶剤を添加して粘度を調
節する。
【0035】上記含浸樹脂の粘度は、成形体への含浸性
を考慮すると0.1Pa・s〜10Pa・sの範囲が好ましく、
0.3Pa・s〜8Pa・sの範囲がさらに好まい。含浸樹脂の
粘度が0.1Pa・s未満の場合、樹脂の硬化過程で揮散す
る溶剤分が多くなり、実質的に含浸される樹脂量が低下
する傾向があり、10Pa・sを超える場合、微小な細孔内
への含浸が困難となる傾向がある。いずれの場合にも含
浸による細孔への樹脂充填硬化が損なわれる傾向があ
る。
【0036】含浸樹脂の含浸量は、セパレータに対して
0.05重量%〜1重量%の範囲が好ましく、0.1重
量%〜0.7重量%の範囲がさらに好ましい。含浸樹脂
を成形体に含浸する方法に制限はなく、例えば含浸樹脂
を直接成形体に刷り込む方法、成形体に含浸樹脂を入れ
加圧して含浸する方法が挙げられるが、含浸効果及び含
浸効率を考慮すれば後者の方法で行うことが好ましい。
【0037】加圧含浸法に特に制限はないが、通常含浸
する成形体を真空状態に保ち、成形体細孔内の空気、水
分を充分除去した後組成物を成形体の周囲に供給し、さ
らに加圧して成形体に組成物を含浸させる。なお、本発
明においては、含浸効率を上げるため必要に応じてセパ
レータ表面をかるく研磨し、表面の緻密層を除去しても
よい。
【0038】成形体(燃料電池用セパレータ)を得るた
めの成形方法については特に制限はないが、圧縮(加
圧)成形法で成形することが好ましい。得られる燃料電
池用セパレータは、リブ部、フラット部及び穴部から構
成される。本発明になる燃料電池用セパレータの寸法に
ついては特に制限はなく、燃料電池の大きさにより適宜
選定する。
【0039】本発明になる燃料電池用セパレータは、水
銀ポロシメータで測定される直径1μm以上の細孔容積
が0.01cc/g以下、好ましくは0.005cc/
g以下、0であることが最も好ましい。細孔容積が0.
01cc/gを超えるとガス不透過性が損なわれセパレ
ータとしての機能が低下する。
【0040】また、本発明になる燃料電池用セパレータ
は、肉厚の最小部分が0.09〜1mmの範囲であるこ
とが好ましく、0.2〜1mmの範囲であることがより
好ましく、0.3〜1mmの範囲であることがさらに好
ましい。肉厚の最小部分が0.09mm未満では細孔容
積を満足していてもガス透過量が多くなり、セパレータ
としての特性が低下する傾向があると共に強度的にも弱
くなり破壊の可能性が高くなる傾向がある。一方、1m
mを超えるとセパレータと電極などを数百枚積み上げて
形成する燃料電池スタックの厚さ、重量が大きくなり、
燃料電池コンパクト化の要請に応えることができなくな
る傾向がある。
【0041】
【実施例】以下、実施例により本発明を説明する。 実施例1 (1)膨張黒鉛シート粉砕粉の製造 硫酸(濃度96重量%)600gと硝酸(濃度65重量
%)200gを3リットルのガラスフラスコに入れた。
このものに黒鉛F48C(固定炭素99重量%以上、日
本黒鉛(株)製、商品名)400gを配合し、ガラス製の
撹拌羽根を取り付けた攪拌モータ(150min-1)で
5分間攪拌し、その後、過酸化水素(濃度35重量%)
32gを添加し、15分間攪拌した。攪拌終了後、減圧
濾過で酸処理黒鉛と酸成分を分離し、得られた酸処理黒
鉛を別容器に移し、5リットルの水を加え、大型撹拌羽
根で10分間攪拌して、減圧濾過で洗浄酸処理黒鉛と洗
浄水を分離した。
【0042】得られた洗浄酸処理黒鉛をホーロー製のバ
ットに移し均一に均し、110℃に昇温した乾燥機で1
時間熱処理して水分を除去した。このものをさらに80
0℃に昇温した加熱炉に5分間入れ、膨張黒鉛を得た。
冷却後、この膨張黒鉛をロールで圧延して密度が1.0
g/cm3で、厚さが1.0mmのシートを作製した。
得られたシートを粗粉砕機(ホソカワミクロン(株)製、
ロートプレックス(商品名))で粉砕後、微粉砕機(奈
良機械製作所(株)製、自由粉砕機M−3(商品名))で
粉砕し、平均粒径が250μmの膨張黒鉛シート粉砕粉
を得た。
【0043】(2)使用する樹脂 成形時揮発ガスが少なく、前記一般式(A)及び(B)
に示す化学構造単位を有する粉末フェノール樹脂とし
て、HR1060(日立化成工業(株)製、商品名、平均
粒径:20μm)を使用した。
【0044】(3)成形用シート(グリンシート)の製
造 (1)で得た膨張黒鉛シート粉砕粉(かさ密度:0.2
3g/cm3)400gと(2)の粉末フェノール樹脂1
00g(膨張黒鉛シート粉砕粉/樹脂=80/20(重
量比))を、小型Vブレンダーに投入し3分間混合し、
混合成形粉を得た。次いでこの混合成形粉を、混合物貯
蔵タンク、調整ナイフ、移送装置(移送ベルト)及び圧
延ロールから構成される自作製成形用シート製造装置を
使用して、1m2当たり1200gの成形用シートを得
た。
【0045】(4)モデルセパレータの製造 図1及び図2に示す形状(170mm×150mm×厚
さ1.5mm)の片リブ付きモデルセパレータを作製で
きる圧縮成形用金型を180℃に昇温し、(3)で得た
成形用シートを挿設し、76トンプレスで面圧686N
(70×103kgf)の条件で10分間加熱加圧成形
し、片リブ付きの40枚の成形体を得た。成形後、得ら
れた成形体を200℃で30分間熱処理してモデルセパ
レータを得た。
【0046】実施例2 実施例1(3)で得た混合成形粉を、実施例1(3)の
自作製成形用シート製造装置を使用して、1m2当たり
480gの成形用シートを得た以外は実施例1と同様の
工程を経てモデルセパレータを得た。
【0047】実施例3 実施例1(3)で得た混合成形粉を、実施例1(3)の
自作製成形用シート製造装置を使用して、1m2当たり
240gの成形用シートを得た以外は実施例1と同様の
工程を経てモデルセパレータを得た。
【0048】比較例1 実施例1(3)で得た成形用シートを、150℃に昇温
した実施例1(4)の圧縮成形用金型に挿設し、76ト
ンプレスで面圧686Nの条件で10分間加熱加圧成形
し、片リブ付きの40枚の成形体を得、成形後、得られ
た成形体を200℃で30分間熱処理してモデルセパレ
ータを得た。
【0049】比較例2 実施例1(3)で得た成形用シートを、200℃に昇温
した実施例1(4)の圧縮成形用金型に挿設し、76ト
ンプレスで面圧686Nの条件で10分間加熱加圧成形
し、片リブ付きの40枚の成形体を得、成形後、得られ
た成形体を200℃で30分間熱処理してモデルセパレ
ータを得た。
【0050】実施例4 比較例1で得たモデルセパレータに含浸するため、モデ
ルセパレータを5リットルの耐圧容器(真空、加熱兼
用)に入れた後、真空ポンプを取り付け真空度5Paの
条件で1時間保持し、次いで容器内にフラン樹脂(日立
化成工業(株)製、商品名VF−303、測定粘度1Pa
・s)4.5kgを空気が入らないように注入し、セパ
レータが完全に浸漬した状態で容器内の圧力を大気圧に
開放し、さらに加圧ポンプで容器内部を加圧し、空気圧
0.8MPaで止め、1.5時間放置した後常温に戻し
た。その後、セパレータを取り出し50℃で1時間、1
00℃で2時間さらに160℃で5時間の熱処理を行
い、含浸したフラン樹脂を硬化させた。
【0051】実施例5 比較例2で得たモデルセパレータを、実施例4に示す工
程を経てフラン樹脂を含浸した。
【0052】〔評価〕次に、各実施例及び各比較例で得
られたモデルセパレータについて、最小部板厚(40枚
全て)を測定すると共に、ガス不透過性及び細孔容積に
ついて評価した。その結果を表1に示す。なお、ガス不
透過性の評価は、40枚のモデルセパレータの片面に2
9.4×104Pa(3kgf/cm2)の空気圧をか
け、反対側に透過した空気量を測定する方式で評価し
た。また40枚のガス不透過性評価後のモデルセパレー
タにおける任意のそれぞれ離れた部分から5×20mm
の試片4枚を切り出し、各実施例及び各比較例それぞれ
任意に選択して取り出した5枚の試片について、水銀ポ
ロシメータ(湯浅アイオニクス(株)製、AUTOSCAN-33)
で細孔分布を測定し、この結果から直径1μm以上の細
孔容積の累積を求めた。
【0053】
【表1】
【0054】表1に示されるように、本発明の実施例に
なるモデルセパレータは、比較例のモデルセパレータに
比較してガス不透過性に優れ、かつ細孔容積も0.00
9cc/g以下であり、比較例のモデルセパレータに比
較して小さいことが明らかである。
【0055】
【発明の効果】請求項1〜5記載の燃料電池用セパレー
タは、ガス不透過性に優れ、かつ安価な燃料電池用セパ
レータである。請求項6記載の燃料電池用セパレータ
は、請求項1記載の発明に加え、さらにガス不透過性に
優れる、燃料電池用セパレータである。請求項7及び8
記載の燃料電池は、ガス不透過性に優れ、かつ安価な燃
料電池用セパレータを有する燃料電池である。
【図面の簡単な説明】
【図1】片リブ付きモデルセパレータを示す平面図であ
る。
【図2】図1のA−A断面図である。
【符号の説明】
1 凹凸(リブ)部 2 フラット(平坦)部 3 穴部

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】水銀ポロシメータで測定される直径1μm
    以上の細孔容積が0.01cc/g以下である燃料電池
    用セパレータ。
  2. 【請求項2】膨張黒鉛粉及び樹脂を含む成形体からなる
    請求項1記載の燃料電池用セパレータ。
  3. 【請求項3】膨張黒鉛粉が、膨張黒鉛シート粉砕粉であ
    る請求項1又は2記載の燃料電池用セパレータ。
  4. 【請求項4】成形体が、シートを張り合わせた成形体を
    併用してなる請求項1、2又は3記載の燃料電池用セパ
    レータ。
  5. 【請求項5】樹脂が、粉末で、開環重合し、かつその平
    均粒径が1μm〜1000μmである請求項1、2、3
    又は4記載の燃料電池用セパレータ。
  6. 【請求項6】セパレータの肉厚の最小部分が、0.2m
    m〜1mmである請求項1、2、3、4又は5記載の燃
    料電池用セパレータ。
  7. 【請求項7】請求項1〜6記載のセパレータを有してな
    る燃料電池。
  8. 【請求項8】固体高分子型である請求項7記載の燃料電
    池。
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