JP2007134147A - セパレータおよび燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】平板と流路板からなるセパレータを用いた燃料電池で、流路板の強度を保ち、高利用率運転や高電流密度運転を可能とする。
【解決手段】平板と流路板からなるセパレータを用いた燃料電池であって、平板と、該平板を挟んで重ね合わせた導電性流路板とを有し、前記平板には複数のマニホールドが形成され、前記流路板には複数個の蛇行状貫通溝が形成されており、前記蛇行状の貫通溝は複数のブロックに分割されている。さらに、反応流体あるいは冷却媒体が隣り合う前記ブロックへ流通できるように前記平板および前記流路板に複数個の第２のマニホールドが追設され、前記蛇行状貫通溝の一部が前記第１のマニホールドの一部あるいは全部と重なり合うように配置されている構造とした高効率の燃料電池とした。
【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池の部材であるセパレータおよびこれを用いた燃料電池に関する。

種々ある燃料電池の中で、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）や直接メタノール形燃料電池（ＤＭＦＣ）は、高分子からなる膜状の固体電解質の両面に白金等の触媒を担持したカーボン電極を接合して構成されている点が主な特徴である。これをＭＥＡとよぶ
（Membrane Electrode Assembly ；電解質膜電極一体化構造）。固体高分子形燃料電池はセパレータとよばれる燃料ガス（水素を含むガス）および酸化剤ガス(酸素あるいは空気)の流路が形成された一対の部材で、ＭＥＡを挟持した構造をとっている。

ここでは燃料となるガスなどの流体および酸化剤となるガスなどの流体を総括して反応ガスあるいは反応流体と呼ぶことにする。通常、ＭＥＡとセパレータの間には多孔質のカーボン製シートを介して挟持されている。これはガス拡散層と呼ばれ、これによって、反応ガスが効率良くまた、均一に電極へ供給する機能が高まる。これら一組にしたものを単セルといい、燃料電池スタックはこの単セルを複数個積層したものである。セパレータは反応ガスを電極に効率良く電極へ供給する役割を負っており、反応ガスを燃料電池に供給して適当な負荷をかけると電力を取り出せる。これに伴い、反応熱やジュール熱などによる熱も発生する。この熱を除去するために、通常、前記セパレータの一部に冷却水を通すためのセパレータが燃料電池に備わっている。

セパレータは隣り合うセルにエネルギーの損失を少なく電力を伝える役割も負っているため、通常、炭素系の導電性材料で構成され、また、反応ガスや冷却媒体を通気，通水するための流路溝が形成されている。セパレータ材料としては、炭素系の他、金属薄板を用いることも検討されている。金属は原料費が廉価で、かつ、プレス加工が容易であること、薄板を使用できるため、コンパクトで軽量化できるメリットや低コスト化が可能であるという特徴を有するためである。

炭素系，金属系いずれの材料を用いても反応ガスの通気や冷却水の通水のための流路溝を設けることが必要である。旧来は機械加工によりマニホールドや流路溝を形成したが、経済性の観点から最近ではプレス加工による成型が主流となっている。

これに対し、特許文献１で、平板状の第１の導電性プレートとスリットを設けた第２の導電性プレートを重ね合わせてセパレータを形成する発明が開示されている。本発明によると、電池の組立工程の簡略化が図られるとともにガスシール性も向上できるとされている。

特開２００１−１２６７４３号公報

流体が平板内に導入された後、流体を案内する貫通溝が流体を排出するまで連続して形成されている場合、貫通溝の距離が長くなり、手で流路板を持ち上げただけで、流路が下にダレ下がり容易に変形、あるいは破壊してしまう。

本発明の目的は、流路板の流路の変形が少なく、流配をより均一にできるセパレータを提供し、また、燃料の高利用率運転や、高電流運転可能な燃料電池を提供することにある。

２つの流体を分離する平板と、前記平板の片面に導入された一方の流体を案内する流路を有する流路板とを有する燃料電池用セパレータであって、前記流路は、連続しない複数のブロックに分かれた複数の貫通溝からなり、前記一方の流体は前記平板に設けられたマニホールドを通過して隣接するブロックの流路に導入されることを特徴とする燃料電池用セパレータ。

本発明によれば、流路板を取り扱う際に流路板の流路の変形を少なく出来るので、組み立てが容易で、かつ、流路板の精度を高められる。セパレータの高精度化が可能であることからガス流配の均質化が図られ高利用率運転による高効率化，高電流密度化が可能な燃料電池を提供できる。

以下に本発明の実施例について説明するが、本発明は、これらの実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
本発明の第１の態様を、図１を用いて説明する。図１は本発明による２枚の流路板２と１枚の平板３で一組のセパレータ１を構成する展開斜視図である。平板３は反応流体や冷却媒体を隣り合うセルに連通させる第１のマニホールド３０１が形成されている平板である。そのため、最も容易な打ち抜きにより成型することが可能である。平板３はアノードとカソードの反応流体を遮断する役割および隣り合うセルに電流を通す役割を果たす。そのため、平板３は流体の遮閉性を有することおよび導電性を有することが必要である。その目的を果たす材料として炭素系材料や金属が相応しい。なかでも金属は炭素系材料と比較して強度が大きく、かつ、反応流体や冷却媒体を遮断する能力に長けていることから、０.０５mmや０.１mm以下の薄さであっても使用可能である。炭素系材料の場合は、ガス透過性が大きいため、緻密化した黒鉛や樹脂含浸が必要である。それでも、反応流体が気体であった場合は少なくても０.２mm 以上の厚みが必要であるし、この厚みでは機械的強度に不足が生じることもあるが、燃料電池が大型化したとしても高電圧化を測りたい場合には、炭素系材料が有効である。

燃料電池の環境下では大きな電流密度の電流が常時流れていることや、例えばＰＥＦＣでは電極や電解質からの不純物を含んだ水分、例えばＤＭＦＣでは燃料であるメタノールの副生成物であるギ酸を含んだ燃料に暴露される等により通常の一般商用金属では腐食を免れない。腐食まで至らずとも、電気導電性に劣る不動態皮膜が成長し、電気の流れを阻害することがある。そのため、セパレータ１の材料に金属を選んだときは、腐食防止や不動態皮膜成長防止のための被覆層を設ける。

数多くの金属の中で、チタンは優れた耐食性を有していることから燃料電池セパレータとして好適である。チタンは他の金属に比べると腐食生成物の絶対量が少ないこと、腐食性生物が電極反応を阻害する作用が小さいことなどの理由のためである。同じような金属として、ニオブ，タンタルなどのバルブ金属がある。

ただし、チタンであってもそのまま使用すると、不動態皮膜が成長して電気伝導性を悪化させるため、なんらかの表面処理層あるいは被覆層が必要である。多くの表面処理層が存在するが、電気導電性を維持する必要があることから、金属のメッキや導電性有するセラミクス層の形成，導電性塗料の塗布など、ある程度その手段は限られてくる。導電性フィラーとして黒鉛などの炭素材料，バインダーとしてフェノール樹脂等で構成される導電性塗料の塗布は、塗料そのもののコストが小さいこと、塗布プロセスとしてスプレー，転写，スクリーン印刷等、大量生産に適したプロセスが数多く存在することを考えると好適な表面処理手段である。特にチタンと導電性塗料との組み合わせでは不動態皮膜の成長を抑える効果が強い。

以上から、平板３は少なくとも外表面がチタンで構成される金属に導電性塗料を塗布したものが好ましい。

流路板２は反応流体や冷却媒体を通すため、所定の厚みを有し、かつ、貫通した流路溝２０２が設けられている。さらに、この流路溝２０２は複数のブロックに分割されており、図１の場合は３つに分割されている。ブロックの様子が分かりやすいように、図１に示した流路板２Ａだけを抜き出した図を図２に示す。流路溝２０２Ａは破線で示したように３つのブロックに分かれている。

次に反応流体の流れを図１および図２と組み合わせて説明する。反応流体の流れは図１に示してあるように、一端の第１のマニホールド２０１Ａ（図１左下側マニホールド）から流入した反応流体は流路溝２０２Ａに沿って流れるが、第１のブロックの先が行き止まりになっているため、平板３および流路板２Ｂに設けられた第２のマニホールドを介して、流路板２Ａの第２のブロックに移動する。同じように第２のブロックに流れ込んだ反応流体は別の第２のマニホールド３０５および第２のマニホールド２０５Ｂを介して第３のブロックに移動する。最終的に他端の第１のマニホールド２０１Ａ（図１右上側マニホールド）から流出する。流路板２Ｂの第２のマニホールドは必須ではなく、少なくとも平板３に第２のマニホールドが形成されていれば良い。

流路板２も平板３と同様に電気伝導性を有する必要があるため、金属や炭素系材料で構成される。流路板２は前述したように、反応流体や冷却媒体を通す空間が必要なため、平板に比較すると、数倍厚い０.５mm 前後、場合によっては１mm程度の厚みが必要である。したがって、平板３と流路板２とで一組のセパレータ１を構成するとき、質量の大半は流路板２にかかっている。そのため、軽量な燃料電池を所望するときは、流路板２はできるだけ密度の小さな材料であることが好ましい。その適当な材料として膨張黒鉛がある。膨張黒鉛の密度は緻密度にも依存するが、１ｇ／cm² 程度であり、金属の数分の１で、緻密黒鉛の半分である。また、緻密黒鉛は旧来よりシール材として用いられているように、シール効果にも優れていることから、平板３との密着性もよく、大気圧で使用する燃料電池であれば、特に、接着剤やシール剤を必要としないという利点を有する。

大気圧以上の運転圧力が必要な燃料電池の場合はシールしたい部分に接着剤やシール剤を平板３と流路板２との間に介在させればよい。特に優れているのは、ロジンエステルを含む化学物質である。例えば、一般に市販されている油性マジックの中にはロジンエステルを含むものがあり、これをシールしたい部分に描くだけで接着性が得られ、かつシール効果も高まる。前記油性マジックはアルコールを溶媒としてロジンエステルが溶解されたもので、速乾性に優れていることも大きな特徴である。例えば、平板のマニホールド周辺をシールしたい場合は、前記油性マジックで平板に設けたマニホールドの外周に沿って閉じた曲線を描き、その後、流路板を貼り合わせて圧力（電池組立時）をかけると油性マジックで描いた部分が接着する。前記油性マジックは即座に乾燥するため、塵埃の付着が抑えられること、また、乾燥時間も必要としないことから、乾燥工程のための時間を必要としない、予め平板と流路板とを一体化させる必要が無く、電池組立時に隣接するだけで接着できることから製造プロセスの自由度が広がるといった利点がある。

これに対し、通常の液状ガスケットの場合は液状ガスケットが乾燥する前に被接着物同士を貼り合わせ、場合によっては加熱処理が必要である。通常の接着剤も同じである。

なかでも流路板として膨張黒鉛，平板としてチタンを選んだときの接着力は大きい。これらを燃料電池に組み立て，締結し、次いで発電に供した後に電池を分解すると、油性マジックで描いた平板と流路板の間は完全に固着しており、強制的に両者を切り離そうとすると流路板が破壊するほどである。

その結果、耐圧性も増加する。油性マジックを塗布しないで平板と流路板を重ね合わせた模擬電池（ＭＥＡを除いた）は電池内圧を１００ｋＰａＧまで上げると、約１ｈ程度で内圧が半減するが、油性マジックをマニホールド周辺，セパレータ外径内側等、必要箇所に塗布すると、内圧が半減するまでの時間が約２ｈまで延びる。このように、ロジンエステルを含む化学物質でシールが必要な箇所に塗布すれば、電池の耐圧性の向上も図られる。

流路板２として膨張黒鉛を用いた利点は上述のとおりであるが、強度が弱いという短所を有する。図３は２枚の流路板２と一枚の金属製の平板３とで一組のセパレータ１とした従来技術の分解斜視図である。一対のセパレータ１はマニホールド３０１を形成した金属製の平板３と、この両面に、マニホールド３０１からの反応流体あるいは冷却媒体を流通させるための複数個の蛇行状貫通溝が形成された流路板２Ａおよび２Ｂを重ねることで形成される。流路板２Ａおよび２Ｂは貫通した蛇行状の溝２０２が複数本設けられ、かつ、第１のマニホールド２０１Ａおよび第１のマニホールド２０１Ｂが必要に応じて複数個、形成されている。

反応流体は例えば、図３で例示したような流れを示す。反応流体はマニホールド201Ｂ，マニホールド３０１を経てマニホールド２０１Ａに到達する。マニホールド２０１Ａでは流路板２Ａに貫通した流路溝２０２が形成されているので、一部の反応流体はセパレータ１の面内方向に分岐して進み、残りはそのまま直進する。面内方向に進んだ反応流体は流路溝２０２Ａに形成された溝に沿って進行し、反対側のマニホールドに到達して合流する経路をとる。この流れは流路板３の流路溝２０２は入口から出口にかけ連通しているため、流路溝２０２に沿って一方向に流れる以外、図１に示した本発明の反応流体の流れとほぼ同じである。

流路溝の延長距離は図３に示したａからｂまでの長さである。セパレータが大型化するほど、ａからｂまでの距離は長くなり、一本の溝の加わる単位面積あたりの荷重は比例して大きくなる。その結果、流路板２の端部を持ち上げたときに、流路溝２０２が重力でダレ下がり、流路溝２０２が伸びたり、切断したりすることがあった。適切に組み立てたとしても変形しやすいため、流路溝２０２間の位置精度が保たれない問題があった。

本発明の第１の態様は図１および図２で示したように、流路溝２０２を複数のブロックに分割し、反応流体を平板３およびもう一方の流路板に設けた第２のマニホールドを介して流すことにより、流路溝２０２の距離を短くすることができ、結果、流路溝２０２の強度を保つことが可能となる。

次に、上述したセパレータ１を用いて２セルの燃料電池とした例を図４に示す。図４に示したセパレータ１Ａは図１に示したセパレータと同じである。セパレータ１Ｂおよび
１Ｃは片面に冷却水を通水するため、上述の流路板２の代わりに冷却水用流路板６を配した構成である。

一体化ＭＥＡ５は電解質膜と電極触媒とで構成されるＭＥＡと、ガス拡散層、およびガス拡散層の外周側にシール材（ガスケット）が付与されたものである。ここで、本実施例および以下で述べる実施例で用いた一体化ＭＥＡ５の断面を図５に示す。ＭＥＡ５０２の両面にガス拡散層７が配置され、さらにガス拡散層７の外周部にマニホールド５０１を覆うようにガスケット５０３が接合されている。これにより、従来はＭＥＡ５０２，ガスケット５０３，ガス拡散層７が別の部品であったものを一体化して、燃料電池の組立作業性を向上できるようになった。本発明の各実施例では一体化ＭＥＡ５を例として用いているが、従来と同じようにそれぞれの部材が分かれていても、問題なく使用できる。

セパレータ１Ａとセパレータ１Ｂ、および、セパレータ１Ａとセパレータ１Ｃとの組み合わせで一体化ＭＥＡ５（電解質膜電極一体化構造物）を挟持し、一つの発電セル（発電ユニット）としている。これら二つの発電用セルの両側にはセパレータ１Ｂと集電板８、およびセパレータ１Ｃと集電板８で冷却水用流路板６を挟み込み、冷却セルとしている。

冷却水用のセルではＭＥＡ等を設置する必要が無いため、冷却セル部は被覆した金属製の平板３／冷却水用流路板６／集電板８の順序で積層する。更にそれらの両側には絶縁板９とエンドプレート１０を配置し、エンドプレート１０を締め付けボルト等で締め付けることにより２セルの燃料電池が完成する。

図１に示した流路板２は流路溝２０２を３つのブロックに分割した形態である。ブロック数は任意に決めることが可能である。流路溝２０２の強度や流体の流れを勘案してブロック数を決定すればよく、例えば図１のブロック２における流路板２は１回の折り返しであるが、２回の折り返しでもそれ以上でもよい。図５にその一例を示した。図６は流路溝２０２が二つのブロックで構成されている例である。このように、流路溝２０２を任意の数に分割することが可能である。

（実施例２）
第２の態様について図７および図８を用いて説明する。本実施例では流路板２が導電性の多孔質体の場合である。

平板３と、平板３を重ね合わせられた導電性で多孔質体の流路板２とを有し、前記平板３には反応流体あるいは冷却媒体を隣接するセルに通気するための第１のマニホールド
３０１が複数個形成されている。流路板２には前記マニホールド３０１からの反応流体あるいは冷却媒体を流通させるための蛇行状流路溝２０２が複数個形成され、流路板２の一部がマニホールド３０１の一部あるいは全部と重なり合うように配置した。さらに、流路板２の流路溝２０２は複数のブロックに分割されている。反応流体あるいは冷却媒体は第２のマニホールド２０５を介して隣り合うブロックに流通する燃料電池用セパレータ１を提供する。セパレータ１において、流路板を囲うようにガスケット４を配置することができる。ガスケット４にも第２のマニホールド４０５が形成され、平板３の第２のマニホールド２０５と合わせて反応流体あるいは冷却媒体が隣り合うブロックに流通する。

流路板２が多孔質体であると、流路板２を介して電極へのガス供給量が増大するため、発電電圧や拡散限界電流を向上させる効果がある。図７は多孔質体の流路板２を用いたセパレータ１を示す図である。流路板２は多孔質体であるため、反応流体は多孔質体を自由に移動できる。そのため、実施例１で述べたような一枚の流路板２を用いることができない。

本実施例では流路板２の周囲にガスケット４を配置することにより、アノードからカソード，カソードからアノードへの反応ガスのクロスリークおよび冷却セルと発電セル間のリーク、および燃料電池本体の外へのリークを抑えることが可能になる。

図８は平板３を挟み込むようにガスケット４および流路板２を上下に重ね合わせたもので、上面から見た場合の図７（ａ）と断面を表す模式図７（ｂ）である。平板３は実施例１の図１で示した構成と同じである。このセパレータ１を用いた燃料電池も実施例１の図４で示した燃料電池のセパレータ１に替えて用いることができる。

本態様における流路板２においても流路溝２０２を複数のブロックに分割した構造をとることが可能であるため、一本あたりの流路溝長を短くすることができる。その結果、流路溝２０２の強度を保つことができ、流路溝２０２の変形を抑えられる。また、流路溝
２０２の変形が少ない分、精度よく電池を組み立てられため、反応流体や冷却媒体を各流路溝間の均一な流配が可能となり、燃料や酸化剤の高利用率運転，高効率運転ができる効果を有する。

（実施例３）
本発明の第３の態様について図を用いて説明する。本実施例では実施例１および実施例２で用いた平板３の電極相当部位（流路板２の流路溝部）にスリット３１０を設けたものである。図９はスリット３１０を設けた被覆した金属製の平板３によるセパレータ１を示す。基本的構成は平板３を除いて実施例１の図１と同じである。平板３に設けるスリット
３１０の位置は、流路板２Ａと流路板２Ｂとを重ね合わせたときに、電極相当面の流路溝２０２が互いに重なる部位とする。その様子を図１０に示した。２枚の流路板２Ａと２Ｂを互いに重なり合わせた図を右上に、スリット３１０を設けた平板３の図を左下に示す。図１０は説明の便宜上の図であって、実際の位置関係は図９に準拠する。図右上に示した２つの流路板のうち、実線で示した流路板が２Ｂ、ハッチングで示した流路板を２Ａとする。流路板２Ａと２Ｂが流路溝で重なっている部位を濃いハッチングで示した。平板３のスリット３１０を設ける部位はこの濃いハッチングに対応する場所である。その対応する部位を数例、破線で示した。ただし、平板３に設けるスリット３１０の大きさはこれら部材を積上げたときに、流路板２の流路溝２０２がスリット３１０に落ち込まないように、濃いハッチングより小さくしている。図１１はその様子の断面を示す。単純にこの状態では電流の流れる面積が非常に小さく、電池電圧の低下に繋がるが、流路板２として、カーボンシートやカーボンペーパ等の弾性率の小さな材料を選ぶと、スリット３１０部の拡大図で示したように、電池とした際、流路溝２０２は押し潰され、流路溝２０２Ａと202Ｂとの電気的導通が得られるようになる。

この効果として、電流が流れる方向に平板３が存在しないため、必ずしも平板３に腐食防止のための被覆層３０３を設ける必要が無くなる。平板３の材料としてアルミニウムなどの耐食性に乏しい金属を選び、また、流路板３の材料としてカーボンを選んだ場合、実施例１や実施例２のようなセパレータでは、アルミニウムの酸化物あるいは水酸化物皮膜が成長し、電池抵抗が大きくなり発電性能劣化が見られる傾向がある。しかし、本実施例で述べた手段を用いると、電流の通り道に平板３が無いため、アルミニウムが酸化しても電池性能への影響は小さくなる。

流路板２が金属などの硬い材料であった場合は、流路板２Ａと流路板２Ｂが変形せずに電気的導通が得られないことがある。この際は、スリット３１０部に導電性塗料等の導電性充填材１１を充填することで導通を得ることができる。

実施例１および実施例２で述べたセパレータ１の平板３を本実施例で述べたスリット
３１０付の平板３に替えることで、同じような燃料電池を構成することが可能である。

この他、必ずしも平板３が金属である必要はない。強度，耐熱性，耐水性，反応流体遮閉性等の必要な性質を有するものであれば、電気導電性を有する、有しないに係わり無く樹脂，炭素板あるいはセラミックスであっても良い。これは、平板３を挟んで互いに向き合う流路板が直接電気的に接続しているためである。

実施例１から３で述べた平板３は導電性を有すること、反応流体の遮閉性を有することが最低限必要である。これらにあわせてセパレータの軽量化と高強度化の点で平板３は金属製の薄板であることが望ましい。しかし、一般商用金属の場合は、電極活性化や電気伝導性に悪影響をおよぼす金属の腐食や不動態皮膜成長が燃料電池環境で発生することがあり、何らかの表面処理や被覆層を設ける必要があることを述べた。表面処理あるいは被覆層形成の手段としてＰＶＤ法，めっき、あるいは化成処理など多くの手段があるが、高い導電性と効果的な防食性を有する手段は限られる。また、平板３に被覆層を設ける手段はどのようなものであってもよいわけではない。防食性能を評価するために３０℃，0.05Ｍの硫酸水溶液中で分極曲線を測定した結果、最も効果が高い被覆層３０３は導電性塗料を塗布して形成した被覆層であった。

その他の手段による被覆層３０３ではピンホールやクラックが発生する可能性があり、ピンホールの無い健全な被覆層を形成しないと、十分な防食効果が得られないおそれがある。導電性塗料の中でも、バインダとしてフッ素系，フェノール系，エポキシ系，スチレン系，ブタジエン系，ポリカーボネイト系，ポリフェニレンスルフィド系、あるいはこれらの混合体あるいは共重合体から選んだものが防食効果を発揮し、中でもフッ素系のPVDFが最も顕著な防食効果を示した。導電材も適当な材料を選ぶ必要がある。タングステンカーバイドなどのセラミックスを導電材とした塗料は発電中に被覆層３０３が酸化され、タングステン酸に変化するなど、電池への悪影響が懸念される。これに対し、黒鉛などのカーボン材料を導電材とした塗料では電気化学的に安定で、燃料電池環境中でも充分な耐性を有していた。さらにカーボンブラックを黒鉛と混合したものは電気伝導性をより高める効果があった。

平板３自身もある程度の耐食性を有する材料であればより、セパレータの長寿命化が図られる。各種金属材料について３０℃，０.０５Ｍの硫酸あるいは０.０５Ｍの硫酸ナトリウム水溶液中での分極曲線および浸漬試験による腐食量を測定した結果、ステンレス鋼の他にニッケル，ニッケル基合金，チタン，チタン基合金，ニオブ，ニオブ基合金，タンタル，タンタル基合金，タングステン，タングステン基合金，ジルコニウム，ジルコニウム基合金、が特に優れた耐食性を示した。

これら金属の多くは腐食しても腐食生成物の放出が少なく、電解質や電極へ及ぼす影響の度合いが非常に小さい。よって平板３がこれら金属で構成されていることが好ましい。ただし、必ずしも平板３が単体である必要は無く、少なくとも平板３の表面が上記金属であればよい。例えばクラッドなどの手段で極表面層にこれら金属を形成した材料を用いることもできる。

一方、アルミニウムやアルミニウム合金は硫酸中で腐食するものの、中性溶液中では耐食的であった。このため、スリット３１０を設けた平板３を用いた燃料電池（実施例３）では、平板３にアルミニウムを用いてもアルミニウムを通過する電流が小さいため、腐食量が少なかった。これは、電流の流れるパスにアルミニウムが存在しないためで、アルミニウムが腐食しても電池の抵抗が上昇しないことによる。また、アルミニウムは燃料電池環境で、アルマイトに似た皮膜が成長し、腐食を抑えることも一因と考えられる。例えアルミニウムの腐食生成物が平板３から放出されても電極や電解質膜へ及ぼす影響が小さく、この点からアルミニウムも有効な金属である。鉄や低合金鋼，銅では燃料電池環境下で安定な不働態皮膜を形成できず不適であった。

上述した実施例１から実施例３では特に平板３と流路板２は接着などの手段を用いずに燃料電池を構成することが可能である。シール性が問題になるような高圧運転を要する燃料電池では実施例１で述べたようにロジンエステルを含む化学物質を必要箇所に塗布すれば、燃料電池の締結時に固着することを述べた。

この他、平板３と、流路板２との電気伝導性をより確かなものにしたい場合や、燃料電池の組み立てプロセス上、予め両者を接着しておくほうが都合のよい場合もある。こういった場合は平板３と流路板２とを導電性を有する接着剤で固定してもよい。組み立て時の部品点数削減の効果もある。

平板３に接着する流路板２の片面にスプレー，スクリーン印刷，ロールコータ等の汎用的な塗布手段で導電性接着剤や導電性塗料を塗布する。流路板２の塗布した面を平板３に貼り付け、所定の押付圧力，乾燥条件で乾燥すると、セパレータ１が完成する。特に、上述した導電性塗料は、金属の腐食防止機能を有するだけでなく、接着剤としての機能も有するため、導電性塗料を用いるのが効果的である。

図１２は例として平板３に流路板２を導電性塗料で接着したときの断面を示す。図１２（Ａ）は平板３全面に被覆層３０３を設けた場合である。導電性接着剤（導電性塗料）
１２０が平板３，流路板２を接合して、一体化させる他、平板３，流路板２の界面に存在する隙間を充填するため、電気伝導性やシール性が増し、反応ガスのクロスリークを抑える。

図１２（Ｂ）は流路板２が平板２と接触する面にのみ被覆層３０３を設けた場合である。セパレータの寿命に関して各種腐食試験を行った結果、金属が腐食する部位は電流が通過する部分で顕著に観察されることが明らかになった。そのため、被覆層３０３を設ける部位は平板３と流路板２との接触面にのみ形成するだけでも接着性および防食性に対する効果が得られる。

図１２（Ｃ）は実施例３で述べたように、平板３にスリットを形成した場合である。この場合は、平板３の腐食を抑える機能より、流路板の固定ならびに電気伝導性の確保の意味合いが強くなる。

（実施例４）
本実施例では実施例１に記載した燃料電池について発電した一結果を示す。燃料電池のタイプは固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）を用いた。

実施例１の燃料電池はセパレータ１が平板３と２枚の流路板２から構成される。電極面積は１００cm²、アノードおよびカソードの流路溝幅とリブは２mmピッチ、溝深さは０.４mmとした。平板３の厚さおよび材質はそれぞれ０.０５mm、チタン(ＪＩＳ規格ＴＰ３４０) とした。この金属表面には被覆層３０３を全面に設けた。被覆層３０３は黒鉛とカーボンブラックを混合した導電材にＰＶＤＦ（Poly Vinylidene Di-Fluoride）をバインダ、ＮＭＰ(Ｎ−Methyl−２−Pyrrolidone) を溶剤とする導電性塗料をディッピングにより塗布し、約１４０℃，３０分，大気中で乾燥した。導電性塗料の仕上り後の膜厚は１０μｍになるよう溶剤濃度を調整した。ＭＥＡは全ての燃料電池で同じ種類を用い、市販のガス拡散層７とガスケット４が一体化した図５記載のＭＥＡを用いた。

流路板２の厚さはアノード側が０.４mm、ＣＡ側が０.６mmの膨張黒鉛シートで構成され、これをトムソン型打抜き器で流路溝２０２とマニホールド２０１を形成した。

以上の部材をそれぞれ積層して、発電セル４セル，冷却セル３セルの燃料電池とした。その積層順序を模式的に図１３に示した。参考のため同図中に一例として反応ガスと冷却水の流れを破線で表した。

この他、シール性を確保するために、平板３の第１のマニホールド２０１，第２のマニホールド２０５および、一体化ＭＥＡ５のガス拡散層７を平板３に投影した外径に沿ってロジンエステルを含む化学物質を介在させた。前記化学物質は市販の油性マジックを用いた。

発電試験は次の条件で行った。電池温度が７０℃になるように冷却水の温度を制御した。燃料ガス（アノードガス）には純水素，酸化剤ガス（カソードガス）には空気を用い、それぞれ、燃料電池の入口における露点が７０℃になるよう加湿した。

電池の性能は電池性能を知るうえで一つの評価指標となる燃料利用率および酸化剤利用率依存性試験を用いた。このときの電流密度は０.２５Ａ／cm²とした。一条件あたりの保持時間は１５分から２０分とし、電圧が安定した後の値を読み値とした。

比較のために図１３に示した電池と同じ構成で平板３と流路板２のみを流路溝が入口側第１のマニホールドから出口側第１のマニホールドまで連続している図３に示したタイプのものに置き換えた燃料電池も同じ条件で測定した。

図１４は本発明の燃料電池と比較の燃料電池の酸化剤利用率特性を示す。燃料利用率特性は両者では大きな差が見られなかったので割愛する。低酸化剤利用率では両者に大きな差が生じていないが、高酸化剤利用率になると、両者の差が広がり、本実施例の電池は酸化剤利用率９０％まで発電可能である。一方、比較の電池は酸化剤利用率は最大８０％までで、これより大きな利用率では一部のセルが電圧０Ｖ近くまで低下した。このように本実施例による燃料電池は高利用率まで発電が可能である。これにより、燃料電池に送り込む空気量が少なくてすみ、その結果、電池内での圧損の低減、ひいては、効率の向上をもたらす。本実施例が比較電池より高利用率で高いスタック電圧を示した理由は、流路板２の流路溝２０２の長が短いため、強度が高く、加工時や電池積層時の変形が少なくてすむからと考えられる。変形が少ないほど、流路溝間の間隔を精度よく保持することが可能であり、つまりはガス流れの均一化が図られるためである。

もう一つの効果として、限界電流密度が高まる。本実施例の燃料電池の限界電流密度は１.６Ａ／cm²（燃料利用率８０％，酸化剤利用率４０％、その他上記条件と同じ）であった。これに対し、比較電池の限界電流密度は１.４Ａ／cm²であり、本実施例による燃料電池は高電流密度化にも寄与している。

２枚の流路板２と１枚の平板３で一組のセパレータ１を構成する展開斜視図。 図１に示した流路板２Ａだけを抜き出し、ブロックを示した図。 ２枚の流路板２と一枚の金属製の平板３とで一組のセパレータ１とした従来技術の分解斜視図。 本発明によるセパレータを用いた燃料電池の構成を示す展開斜視図。 一体化ＭＥＡの断面図。 流路溝２０２が二つのブロックで構成されている例。 多孔質体の流路板２を用いたセパレータ１を示す展開斜視図。 平板３を挟み込むようにガスケット４および流路板２を上下に重ね合わせたもので、上面から見た場合の図８（Ａ）と断面を表す模式図８（Ｂ）。 スリット３１０を設けた被覆した金属製の平板３によるセパレータ１を示す展開斜視図。 平板３に設けるスリット３１０の位置関係を示す図。 スリットの断面の様子を示す図。 平板３に流路板２を導電性塗料で接着したときの断面を示す図。 実施例４の燃料電池の積層順序を模式的に示す図。 実施例４の燃料電池と比較電池の酸化剤利用率特性を示す図。

符号の説明

１，１Ａ，１Ｂ…セパレータ、２，２Ａ，２Ｂ…流路板、３…平板、４，４Ａ，４Ｂ…ガスケット、５…一体化ＭＥＡ、６…冷却水用流路板、７…ガス拡散層、８…集電板、９…絶縁板、１０…エンドプレート、１１…充填材、１０１…マニホールド（セパレータ）、１２０…導電性接着剤、２０１，２０１Ａ，２０１Ｂ…第１のマニホールド（流路板）、２０２，２０２Ａ…流路溝、２０５Ａ，２０５Ｂ…第２のマニホールド（流路板）、
３０１…第１のマニホールド（平板）、３０３…被覆層、３０４…基板、３０５…第２のマニホールド（平板）、３１０…スリット、４０１…第１のマニホールド（ガスケット）。

Claims (13)

1. ２つの流体を分離する平板と、前記平板の片面に導入された一方の流体を案内する流路を有する流路板とを有する燃料電池用セパレータであって、前記流路は、連続しない複数のブロックに分かれた複数の貫通溝からなり、前記一方の流体は前記平板に設けられたマニホールドを通過して隣接するブロックの流路に導入されることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
2. 前記平板が金属製であ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。
3. 前記平板がチタンあるいはチタンを外層とする金属であることを特徴とする請求項２記載の燃料電池用セパレータ。
4. 前記平板にステンレス鋼，ニッケル，ニッケル基合金，チタン，チタン基合金，ニオブ，ニオブ基合金，タンタル，タンタル基合金，タングステン，タングステン基合金，ジルコニウム，ジルコニウム基合金，アルミニウム、及びアルミニウム合金から選ばれる最外層を形成したことを特徴とする請求項２記載の燃料電池用セパレータ。
5. 前記平板の少なくとも前記流路板と接触する部位に前記平板を防食し、あるいは不働態皮膜の成長を抑える被覆層を設けた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。
6. 前記被覆層が、フッ素系，フェノール系，エポキシ系，スチレン系，ブタジエン系，ポリカーボネイト系，ポリフェニレンスルフィド系、あるいはこれらの混合体あるいは共重合体から選ばれる樹脂バインダと、１種類以上の炭素を含む導電材とから構成されたことを特徴とする請求項５記載の燃料電池用セパレータ。
7. 前記被覆層が導電性と防食性および接着性を有し、前記流路板と該被覆層とが一体化されていることを特徴とする請求項５記載の燃料電池用セパレータ。
8. 前記平板と流路板とが互いに、ロジンエステルを含む化学物質により接着されてい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。
9. 前記流路板が導電性を有する多孔質体であ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。
10. 流体の燃料を酸化するアノードと、酸素を還元するカソードと、アノードとカソードに挾持された電解質と、前記流体の燃料と前記酸素とを分離する平板と、前記平板の片面に導入された前記流体の燃料又は前記酸素を案内する流路を有する流路板とを有する燃料電池であって、前記流路は、連続しない複数のブロックに分かれた複数の貫通溝からなり、前記一方の流体は前記平板に設けられたマニホールドを通過して隣接するブロックの流路に導入されることを特徴とする燃料電池。
11. 前記流路板の縁を囲うようにガスケットが配置されたことを特徴とする請求項１０記載の燃料電池。
12. ２つの流体を分離する平板と、前記平板の片面に導入された一方の流体を案内する流路を有する流路板とを有する燃料電池用セパレータであって、前記平板と前記流路板とはロジンエステルを含む化学物質により接着されてい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。
13. 少なくともセパレータ，電解質および触媒からなる燃料電池のうち、前記セパレータが平板と、前記平板を挟んで重ね合わせた導電性の流路板とから構成される燃料電池において、
    前記平板は少なくとも外表面がチタンであって、また、前記流路板は膨張黒鉛を含む材料で構成され、
    前記平板と前記流路板は反応流体あるいは冷却媒体を隣接するセルに流通するための第１のマニホールドが複数個形成され、
    前記流路板の前記第１のマニホールドからの反応流体あるいは冷却媒体を流通させるための複数個のブロックに分割された蛇行状貫通溝が形成され、かつ、反応流体あるいは冷却媒体が隣り合う前記ブロックへ流通できるように前記平板および前記流路板は複数個の第２のマニホールドを具備し、前記蛇行状貫通溝の一部が前記第１および第２のマニホールドの一部あるいは全部と重なり合うように配置されており、
    かつ、少なくても前記流路溝と前記平板が接触する部分に不動態皮膜の成長を抑制する被覆層が設けられ、さらに前記流路溝と前記平板との間のシール性が保持できるように、所定の箇所にロジンエステルを含む化学物質を介在させていることを特徴とする燃料電池。
    

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