JP3448771B2 - 燃料電池用セパレータ及びその製造方法 - Google Patents

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
ータ及びその製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば固体高分子型の燃料電池は、図６
に示すように、固体高分子膜３１を挟んでアノード電極
３２とカソード電極３３とを配置し、さらにその両側に
セパレータ３４・３４を設けて単セル３５を形成し、こ
の単セル３５を数百個のオーダーで積み重ねて構成され
ている。アノード電極３２側のセパレータ３４に形成さ
れた燃料ガス供給溝３５を通して水素等の燃料ガスを供
給し、カソード電極３３側のセパレータ３４に形成され
た酸化ガス供給溝３６を通して酸素等の酸化ガスを供給
して電気化学反応を生じさせ、燃料が有する化学エネル
ギーを電気エネルギーに変換し出力するようになってい
る。なお、隣接する単セル３５・３５において相互に接
するセパレータ３４・３４の接触面には、運転中の温度
を８０〜１００℃程度に保持するために冷却液が循環さ
れる冷却液流路溝３７が形成されている。

【０００３】このような燃料電池に用いられるセパレー
タ３４の材質特性としては、各単セル３５で発生した電
流がこれらセパレータ３４を通して流れることから、セ
パレータ３４自身の固有抵抗（体積抵抗）が極力小さい
ことが要求される。また、燃料ガスと酸化ガスとを完全
に分離した状態で各々の電極に供給するために、高度の
ガス不透過性が必要とされる。さらに、前記したよう
に、多数の単セル３５を積層して組立てることから、セ
パレータ３４の肉厚をできるだけ薄くし、かつ、このよ
うに薄肉化した場合でも充分な機械的強度を備えている
ことが要求される。

【０００４】このような特性が要求されるセパレータと
して、例えば純銅やステンレスなどの金属板を用いたも
のが知られているが、これら金属系の材料では、燃料ガ
スとしての水素ガスが接触するために水素脆性による材
質劣化等が生じ易く、長期安定性に欠けるという問題が
ある。

【０００５】そこで近年、黒鉛粉末に、結合剤（バイン
ダー）としてフェノール樹脂などの熱硬化性樹脂を配合
し、加圧成形した黒鉛粉成形体をセパレータ３４として
採用した燃料電池の開発が進められている。黒鉛材は電
気抵抗が小さく、しかも耐食性に優れることから、上記
した金属板を用いた場合の不具合が改善される。また、
圧粉成形体内部に生じる気孔空隙が上記のようなバイン
ダーで埋められることで、燃料電池の構成部品として必
要とされるガス不透過性も具備させることが可能であ
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のよう
な黒鉛粉成形体は、樹脂の硬化温度に加熱しながら加圧
成形することによって製造される。このとき、黒鉛粉成
形体は脆弱であるために、成形体の厚さが薄いものを成
形圧を大きくして製造しようとすると、成形体にクラッ
ク等が生じ易い。この結果、従来の黒鉛粉成形体から成
るセパレータ３４はその厚さをそれ程薄くすることがで
きず、このため、燃料電池の小型化を充分には図れない
という問題を生じている。

【０００７】さらに、前記した運転温度に維持するため
の冷却液が循環することに起因して、長期安定性に欠け
るという問題も生じている。つまり、このような冷却液
は、図示しない冷却液供給装置や、これに接続される配
管部品等における金属製部品の腐食を防止するために、
通常、弱アルカリ性を呈するように調質剤が添加されて
いる。このような冷却液が前記した冷却液流路溝３７を
通して各セパレータ３４に循環すると、黒鉛粉自体は充
分な耐食性を備えているものの、黒鉛粉を結合する樹脂
が、アルカリ性を呈する冷却液に曝されることによって
次第に劣化し、このために表面からの黒鉛粉の脱落等が
生じて、長期にわたる安定性が損なわれ易い。

【０００８】本発明は、上記した従来の問題点に鑑みな
されたものであって、その目的は、燃料電池を小型化す
ることが可能であると共に長期安定性に優れ、さらに電
気的特性にも優れた燃料電池用セパレータおよびその製
造方法を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の燃料電池用セパ
レータは、樹脂を配合した黒鉛粉を所定のセパレータ形
状に加圧成形して形成された黒鉛粉成形体の一方の面
に、冷却液が流れる冷却液流路溝が形成された補強板が
積層されていることを特徴としている。

【００１０】このように構成されたセパレータにおいて
は、補強板が積層されていることによって機械的強度が
向上し、したがって、全体的な厚さをより薄くすること
が可能となって燃料電池をより小型化することができ
る。しかも、冷却液は補強板に形成された冷却液流路溝
を通して循環し、黒鉛粉成形体に触れることはない。こ
の結果、黒鉛粉成形体がアルカリ性の冷却液に曝される
ことに起因する樹脂の劣化が生じることはなく、全体に
わたって良好な耐食性が安定して維持される。

【００１１】本発明の燃料電池用セパレータは、上記補
強板に、冷却液流路溝以外の領域に厚さ方向に貫通する
貫通穴が設けられ、黒鉛粉成形体が上記貫通穴を埋めて
露出する形状に形成されていることを特徴としている。

【００１２】このような構成によれば、両端面間の導通
抵抗が小さなセパレータとすることができ、これよっ
て、内部抵抗が小さく、したがって発電効率に優れた燃
料電池を形成することができる。つまり、相互に積層さ
れた単セル間では、隣接するセパレータを通して電流が
流れる。このときの電流経路の全体にわたって各セパレ
ータの一方の面に積層された補強板が介在した構成であ
ると、黒鉛粉成形体と補強板との相互に異質な材料が接
する境界面に生じる接触抵抗によって、両端面間の導電
性が損なわれ易い。

【００１３】そこで上記のように、補強板における冷却
液流路溝以外の領域に貫通穴を設け、黒鉛粉成形体がこ
の貫通穴を埋めて露出した構造とすることによって、こ
の領域を通して、異種材の境界面に付随する接触抵抗が
介在しない電流経路が確保される。この結果、セパレー
タの表裏両面間にわたる導電性を向上させて、全体的な
電気特性がより良好なセパレータとすることができる。

【００１４】請求項２の燃料電池用セパレータは、請求
項１のセパレータにおいて、上記黒鉛粉成形体が、樹脂
量５〜２４wt％で、ガス透過率１０×１０^-8cc・cm/cm²・
sec・atm 以下、体積抵抗１０×１０^-3Ω・cm以下の材質
特性を有することを特徴としている。

【００１５】すなわち、黒鉛粉成形体が上記のような材
質特性、特にガス不透過性を有するものであれば、この
黒鉛粉成形体に積層された補強板からの例えば金属イオ
ンの溶出も抑えられ、これによって安定した電池特性が
維持される。また、上記のような体積抵抗を備えること
で、全体的な電気特性もさらに良好となる。

【００１６】このような材質特性を有する黒鉛粉成形体
を備える燃料電池用セパレータは、表面が樹脂で被覆さ
れた黒鉛粉末を用いて、冷却液が流れる冷却液流路溝が
形成された補強板に熱圧着されると共に所定のセパレー
タ形状を有する黒鉛粉成形体を成形することによって製
造することが可能である。

【００１７】このように、表面が樹脂であらかじめ十分
に被覆された黒鉛粉末を用い、これを加圧成形する場
合、成形型内での個々の黒鉛粉の流動性が向上して空隙
率の小さな成形体となる。したがって、樹脂量をより少
なくしても粒子相互間の接合強度が向上する。さらにこ
れに伴い、隣接する黒鉛粉間の樹脂が加圧成形時に黒鉛
粉間の空隙に向けて排除されて相互に密着し、これによ
って、黒鉛粉間の導電性も良好なものとなり、前記請求
項２に記載のような材質特性を有する黒鉛粉成形体を得
ることができる。このような黒鉛粉成形体に前記のよう
な補強板が熱圧着されて積層されていることで、機械的
強度やガス不透過性、電気的特性に優れたセパレータを
形成することが可能となる。

【００１８】この場合、黒鉛粉の粒子径が１５〜１３５
μｍであり、上記成形を成形圧１００〜１０００kg/c
m²、成形温度１２０〜２４０℃で行うことが望ましい。
このような条件を満たすことで、上記した優れた特性を
有するセパレータをより確実に製造することができる。

【００１９】

【発明の実施の形態】初めに、本発明に係るセパレータ
を用いて形成される固体高分子型燃料電池の構成および
動作について説明する。この燃料電池は、図３に示すよ
うに、例えばフッ素系樹脂により形成されたイオン交換
膜である固体高分子膜１と、この固体高分子膜１を両側
から挟むアノード電極２およびカソード電極３と、これ
らをさらに両側から挟むセパレータ４・４とから成る単
セル５を数百個のオーダで積層し、その両端に図示省略
した集電板を配置したスタック構造に形成されている。
アノード電極２およびカソード電極３は、炭素繊維糸で
織成したカーボンクロスやカーボンペーパー或いはカー
ボンフェルトにより作製されている。

【００２０】各セパレータ４には、図４に示すように、
その周辺部に、水素を含有する燃料ガスが流通する燃料
ガス孔６・７と、酸素を含有する酸化ガスが流通する酸
化ガス孔８・９とが形成されている。単セル５を積層し
たとき、これら各孔６〜９が燃料電池の内部をそれぞれ
積層方向に貫通して、燃料ガス供給マニホールド、燃料
ガス排出マニホールド、酸化ガス供給マニホールド、酸
化ガス排出マニホールドが構成される。

【００２１】上記各孔６〜９の内側表面には任意パター
ンの溝部１２からなる流路が形成されている。この溝部
１２のパターンは、図示した形状の他、例えば多数の突
起間に格子状に設けられたものであっもよい。この溝部
１２により、図３に示すように、アノード電極２側のセ
パレータ４ではアノード電極２表面との間に燃料ガス流
路１３が、また、カソード電極３側のセパレータ４では
カソード電極３表面との間に酸化ガス流路１４がそれぞ
れ形成される。さらに、隣接する単セル５・５において
相互に接触するセパレータ４・４の接触面に、冷却液流
路溝１５が形成されている。

【００２２】上記構成の燃料電池においては、外部に設
けられた燃料ガス供給装置から供給された水素を含有す
る燃料ガスが、前記した燃料ガス供給マニホールドを経
由して各単セル５の燃料ガス流路１３に供給され、各単
セル５のアノード電極２側においてＨ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-
の電気化学反応が生じる。反応後の燃料ガスは各単セル
５の燃料ガス流路１３から燃料ガス排出マニホールドを
経由して外部に排出される。

【００２３】同時に、外部に設けられた酸化ガス供給装
置から供給された酸素を含有する酸化ガス（空気）が、
前記酸化ガス供給マニホールドを経由して各単セル５の
酸化ガス流路１４に供給され、各単セル５のカソード電
極３側でＯ₂＋４Ｈ⁺＋４ｅ^-→２Ｈ₂Ｏの電気化学反応が
生じる。反応後の酸化ガスは各単セル５の酸化ガス流路
１４から酸化ガス排出マニホールドを経由して外部に排
出される。

【００２４】このような電気化学反応に伴い、全体とし
ては２Ｈ₂＋Ｏ₂→２Ｈ₂Ｏの化学反応が進行し、これに
よって、燃料が有する化学エネルギーが電気エネルギー
に変換され所定の電池性能が発揮される。なお、この燃
料電池は約８０〜１００℃の温度範囲で運転されるが、
運転中は外部に設けられた冷却液供給装置から冷却液が
供給され、これが前記冷却液流路溝１５を通して循環さ
れることによって、上記の温度範囲に保持されるように
なっている。

【００２５】前記したセパレータ４は、通常、厚さ１〜
３mm程度の薄板状に形成され、深さ０.3〜１.5mm程度の
溝部１２が設けられて、燃料ガス流路１３や酸化ガス流
路１４・冷却液流路溝１５が形成されている。

【００２６】このような固体高分子型燃料電池に用いら
れる本実施形態に係るセパレータ４は、黒鉛粉末にフェ
ノール樹脂などの熱硬化性樹脂を配合して加圧成形した
成形体（以下、黒鉛粉成形体という）１６と、この黒鉛
粉成形体１６において前記冷却液流路溝１５が設けられ
る側の面（以下、冷却液流路形成面という）に積層され
た薄板状の補強板１７とを設けて形成されている。この
補強板１７は、厚さが例えば０.0５〜２mm程度で、鉄、
ステンレス、ニッケル、銅、アルミニウム、チタン等の
靱性を備えかつ導電率の大きな金属薄板を用いて形成さ
れている。

【００２７】このような補強板１７を片面に備えるセパ
レータ４の製造に当たっては、まず、図１（ａ）に示す
形状の補強板１７、すなわち、前記冷却液流路溝１５に
対応する凸部１７ａ…を備え、また、各凸部１７ａ間の
平面部１７ｂ…の領域に、厚さ方向に貫通する貫通穴１
７ｃ…が穿設された補強板１７と、黒鉛粉末に樹脂を配
合して加圧成形した板状の一次成形体１６ａとが作製さ
れる。そして、これら１６ａ・１７を重ねて成形金型内
にセットし、所定の温度に加熱しながら上下から加圧す
ることにより、同図（ｂ）に示すように、黒鉛粉成形体
１６の片面に補強板１７が積層されたセパレータ４が製
造される。

【００２８】このときの成形金型の下型には、補強板１
７の凸部１７ａ…に下側から嵌合してこの補強板１７の
変形を防止する凸部が形成され、また、上型には、前記
燃料ガス流路１３や酸化ガス流路１４を形成する溝部１
２に対応する凸部が形成されている。これによって、こ
の加圧成形時に、一次成形体１６ａの上面に溝部１２、
すなわち燃料ガス流路１３や酸化ガス流路１４が形成さ
れる。同時に、補強板１７の各凸部１７ａ…間の凹部領
域に一次成形体１６ａが押し込まれて、この一次成形体
１６ａと補強板１７とが全面にわたって強固に熱圧着さ
れた積層体が製造される。

【００２９】またこのとき、一次成形体１６ａは補強板
１７の各貫通穴１７ｃ…内にも押し込まれてこれら貫通
穴１７ｃを埋めた形状に成形される。したがって、この
積層体における冷却液流路形成面（図において下側の
面）には、補強板１７の各凸部１７ａによって囲われた
冷却液流路溝１５が形成され、また、各冷却液流路溝１
５の間の領域で貫通穴１７ｃ…を埋める黒鉛粉成形体１
６の端面が、補強板１７の平面部１７ｂの下面とほぼ面
一状になって露出した構造のセパレータ４が製造され
る。

【００３０】さらに本実施形態においては、上記のよう
な黒鉛粉末として、表面に樹脂が被覆された黒鉛粉末が
用いられている。これを、後述する条件に従って加圧成
形することにより、樹脂の配合量を従来より少なくして
も、この樹脂配合黒鉛粉の成形層自体が、優れたガス不
透過性や機械的強度・電気的特性を備えるものとなって
いる。

【００３１】この場合の黒鉛粉末としては、天然黒鉛、
人造黒鉛、カーボンブラック、キッシュ黒鉛、膨脹黒鉛
等、いかなる種類のものを用いても良く、コストなどの
条件を考慮して任意に選択することができる。天然黒鉛
や人工黒鉛が電気特性の点で好ましい。用いる黒鉛粉末
の平均粒径は、１５〜１３５μｍの範囲であることが好
ましい。１５μｍより小さいと電気抵抗を充分に小さな
ものとすることができず、１３５μｍを超えると強度が
弱くなる。

【００３２】一方、樹脂としては、黒鉛粉末との濡れ性
に優れたフェノール樹脂が最も好ましい。レゾール系樹
脂やノボラック系樹脂の何れでも良い。

【００３３】このような樹脂が被覆された黒鉛粉末の製
造方法に特に制限はなく、例えば、メタノール等の粘度
の小さい有機溶剤で希釈化した樹脂溶液、例えばフェノ
ール樹脂溶液に黒鉛粉末を配合し、スラリー状になるま
で攪拌混練した後、スプレードライヤーで造粒乾燥させ
るような方法によって製造することができる。この場合
に、成形体を形成後の樹脂量が５〜２４wt％、好ましく
は１４〜１８wt％となるように、上記した攪拌混練時の
配合量を調整する。樹脂量が５wt％よりも少ないと、良
好なガス不透過性が得難くなり、２４wt％を超えると体
積抵抗が大きくなる。

【００３４】また、樹脂の原料溶液攪拌中に黒鉛粉表面
で樹脂の重合反応が生じるような方法によって樹脂被覆
黒鉛粉を製造することも可能である。例えばフェノール
樹脂を被覆する場合に、フェノール類とホルムアルデヒ
ド類および反応触媒や一般的な反応溶媒を仕込んだ反応
容器内に黒鉛粉をさらに投入し、混合攪拌しつつ所定の
温度に加熱することによって、フェノール樹脂が黒鉛粉
表面、さらに層状の黒鉛粉内に入り込んで強固に付着し
た樹脂被覆黒鉛粉を製造することができる。

【００３５】なお上記でフェノール類とは、フェノール
およびフェノールの誘導体を意味するもので、例えばフ
ェノールの他にm-クレゾール、レゾルシノール、3,5-キ
シレノールなどの３官能性のもの、ビスフェノールＡ、
ジヒドロキシジフェニルメタンなどの４官能性のもの、
o-クレゾール、p-クレゾール、p-ｔerブチルフェノー
ル、p-フェニルフェノール、p-クミルフェノール、p-ノ
ニルフェノール、2,４又は2,6-キシレノールなどの２官
能性のo-又はp-置換のフェノール類などを挙げることが
できる。さらに塩素または臭素で置換されたハロゲン化
フェノールなども使用することが可能であり、また、こ
れらから一種類選択して用いる他、複数種のものを混合
して用いることもできる。

【００３６】ホルムアルデヒド類としてはホルマリンが
最適であるが、パラホルムアルデヒドのような形態のも
のを用いることもでき、その他ホルムアルデヒドの一部
あるいは大部分をフルフラールやフルフリルアルコール
に置き換えて用いることも可能である。

【００３７】反応触媒としては、フェノール樹脂の最終
的な構造式としては、フェノール類のベンゼン核とベン
ゼン核との間に−ＮＣＨ₂または−ＯＣＨ₂結合または−
ＳＣＨ₂結合を生成するような物質が良い。例えばヘキ
サメチレンテトラミン、アンモニア及びメチルアミン、
ジメチルアミン、エチレンジアミン、モノエタノールア
ミン等の第１級や第２級のアミン類などの塩基性物質を
用いることができる。さらにこれらと併用して、アルカ
リ金属やアルカリ土類金属の水酸化物や第３級アミンな
ど、フェノール樹脂の合成時に一般によく使用される塩
基性触媒を用いることも可能である。

【００３８】一般的な反応式としては、下記の化１、化
２に示す反応式が挙げられる。

【００３９】

【化１】

【００４０】

【化２】 （式中、Ｒは水素またはメチル基、エチル基等の低級ア
ルキル基を示す）

【００４１】得られるフェノール樹脂としては、例えば
化１、化２に示したようなフェノール樹脂の他に、ベン
ゼン核間に−ＳＣＨ₂結合を有するフェノール樹脂が挙
げられる。

【００４２】これらフェノール類とホルムアルデヒド類
及び反応触媒を反応釜など反応容器に入れ、さらに黒鉛
粉末を配合して、この黒鉛粉末の存在下でフェノール類
とホルムアルデヒド類との反応を行わせる。これによ
り、フェノール樹脂が黒鉛粉表面に強固に付着した樹脂
被覆黒鉛粉を得ることができる。

【００４３】上記のような製造法により得られる樹脂被
覆黒鉛粉を用いて、まず、５０〜２００kg/cm²の成形
圧、１０〜１００℃の成形温度で前記した一次成形体１
６ａが成形される。そして、この一次成形体１６ａに補
強板１７を重ねて行う本成形時には、成形圧力１００〜
１０００kg/cm²、成形温度１２０〜２４０℃の成形条件
で加圧成形される。成形圧力が１００kg/cm²未満である
と、得られる成形体密度が小さく、体積抵抗が大きくな
って導電性に優れたセパレータを得難くなる。一方、１
０００kg/cm²を超える過度の面圧を加えると、樹脂が黒
鉛粉間から押し出されて成形体周辺領域に偏在する現象
が顕著になり始め、このために、例えば補強板１７と黒
鉛粉成形体１６との境界面での接触抵抗が大きくなる。

【００４４】この本成形時の成形温度は、樹脂の加熱特
性に応じて適宜設定されるものであるが、樹脂量が少な
い場合の成形型内での黒鉛粉末の流動性等、良好な成形
性が得られるように、通常は上記のように１２０℃以上
の温度に設定することが好ましい。２４０℃を超えると
成形体の膨れ現象が発生し、さらに高温になると樹脂の
炭化が発生する。

【００４５】このように、本実施形態に係るセパレータ
は、図２に模式的に示すように、表面が樹脂２０で被覆
された黒鉛粉２１を用い、これを上記した成形条件で成
形して製造される。この加圧成形過程では、当初に加熱
に伴って軟化する樹脂により、個々の黒鉛粉が成形型内
で樹脂に相当する流動性を示し、これによって樹脂が硬
化した後も金型内面や補強板１７に良くなじんだ成形体
が得られ、これによって、外観の形状精度も良好な成形
体となる。

【００４６】また、個々の原料黒鉛粉２１の表面を覆う
樹脂２０は、相互に接触した原料黒鉛粉２１間の領域Ａ
では、さらに成形圧が加えられる過程で、各原料黒鉛粉
２１の表面に沿って各原料黒鉛粉２１間の空隙Ｂに向か
って流動する。この結果、隣接する原料黒鉛粉２１の表
面同士が相互に接触し、これら原料黒鉛粉２１間に良好
な導通状態が形成される。また、上記のように相互に接
触する領域から押し出される樹脂は、各原料黒鉛粉２１
によって囲われる隙間に集まってこの隙間に充填される
ことになる。このように個々の原料黒鉛粉２１回りの樹
脂２０の流動が成形型内の全体にわたってむらなく生じ
ることによって、隙間を囲う原料黒鉛粉２１同士も、こ
の隙間を埋める樹脂を介して強固に接合された成形体と
なる。

【００４７】したがって本実施形態においては、上記の
ように表面が個々に樹脂で覆われた原料黒鉛粉を用いる
ことで、樹脂量を少なくしても、各原料黒鉛粉間に生じ
る隙間に樹脂がほぼもれなく充填された成形体が得ら
れ、これによって、この黒鉛粉成形体自体が、例えば曲
げ強度４０ＭPa以上、ガス透過率１０×１０^-8cc・cm/c
m²・sec ・atm 以下の機械的強度、ガス不透過性に優れ
た材質特性を備えるものとなっている。

【００４８】しかも、上記のような加圧成形条件によっ
て、隣接する原料黒鉛粉間の領域では、この間から原料
黒鉛粉間の隙間へと樹脂が排出され、これら原料黒鉛粉
同士を相互に接触させて良好な導通状態が得られるよう
にすることができるので、黒鉛粉成形体１６は、全体的
な樹脂量が少ないことと相まって、体積抵抗が１０×１
０^-3Ω・cm以下の優れた電気的特性を備えている。

【００４９】そして、本実施形態におけるセパレータ４
は、上記のような材質特性を有する黒鉛粉成形体１６の
冷却液流路形成面側に補強板１７が積層されており、こ
れによって、機械的強度がさらに向上すると共に、黒鉛
粉成形体１６の上記した材質特性が長期にわたり安定し
て保持される。

【００５０】つまり、燃料電池において冷却液流路溝１
５に供給される水には、通常、これが弱アルカリ性を呈
するように調質剤が添加され、これによって、前記した
冷却液供給装置や、これに接続される配管部品等におけ
る金属製の部品の腐食が抑えられる。一方、冷却液が流
通して冷却されるセパレータ４においては、これを構成
する黒鉛粉は、冷却液がアルカリ性であっても充分な耐
食性を備えているものの、黒鉛粉を結合する樹脂は、ア
ルカリ性の冷却液に曝されるとこれと反応して次第に劣
化が生じてくる。この結果、表面からの黒鉛粉の脱落等
が生じて、長期にわたる安定性が損なわれる。

【００５１】そこで本実施形態におけるセパレータ４で
は、黒鉛粉成形体１６の冷却液流路形成面を補強板１７
で覆い、この補強板１７に冷却液流路溝１５を設けた構
成になっている。したがって、この冷却液流路溝１５を
流れる冷却液に黒鉛粉成形体１６が曝されることはな
く、この結果、上記したような樹脂の劣化が生じること
はないので、黒鉛粉成形体１６の前記した材質特性が長
期にわたり安定して保持される。また、黒鉛粉成形体１
６に含まれる金属イオン等の不純物が冷却液中に溶出す
ることも防止される。

【００５２】さらに上記補強板１７には、冷却液流路溝
１５以外の領域に貫通穴１７ｃが形成され、この貫通穴
１７ｃを黒鉛粉成形体１６が埋めて、この黒鉛粉成形体
１６が露出した構成になっている。この領域の黒鉛粉成
形体１６が、図３に示すように、隣接するセパレータ４
・４間で相互に密着した状態となるように組立てられ
る。したがって、各セパレータ４の両端面間に、黒鉛粉
成形体１６と補強板１７との異種材の境界面に付随する
接触抵抗が介在しない電流経路が確保される。この結
果、セパレータ４の両面間にわたる導電性が向上し、こ
れによって内部抵抗が小さく、発電効率の良好な燃料電
池を形成することができる。

【００５３】以上の説明のように、本実施形態における
セパレータ４は、黒鉛粉成形体１６の冷却液流路形成面
を覆うように補強板１７が積層され、黒鉛粉成形体１６
が冷却液に曝されることがないので、優れた機械的強度
や電気的特性が長期にわたって安定して維持される。特
に、個々に樹脂が被覆された黒鉛粉を用いて加圧成形す
る際には、金型内でこれら黒鉛粉の良好な流動性が得ら
れることにより、補強板１７における前記した凹部１７
ｂ…内へもスムーズに流入してこれら凹部１７ｂ…を埋
めて均一に押し固められた黒鉛粉成形体１６が形成され
る。したがって、これによっても優れた機械的強度や電
気的特性が安定して維持される。

【００５４】しかも、補強板１７によって機械的強度が
向上するので、燃料ガスの圧力や冷却液の流量を増加さ
せることができ、これによって発電効率の良い燃料電池
を構成することができる。また、上記のように強度が向
上することによって、セパレータの厚さをより薄くする
ことが可能ともなり、この結果、より小型でかつ軽量の
燃料電池を形成することができる。

【００５５】さらに、本実施形態におけるセパレータ４
は、黒鉛粉成形体１６自体が、前記のようにガス透過率
１０×１０^-8cc・cm/cm²・sec ・atm 以下の優れた材質
特性を有することから、補強板１７からの金属イオンの
溶出も抑えられ、これによって安定した電池特性が維持
される。また、黒鉛粉成形体１６の体積抵抗は１０×１
０^-3Ω・cm以下であり、しかも、補強板１７の貫通穴１
７ｃを通して露出する黒鉛粉成形体１６が、隣接するセ
パレータ４・４間で相互に密着するように組立てられる
構成であるので、内部抵抗が小さく発電効率の優れた燃
料電池を形成することが可能となっている。

【００５６】以上、本発明の一実施形態について説明し
たが、本発明は上記形態および後述する実施例に限定さ
れるものではなく、本発明の範囲内で種々の変更が可能
である。例えば上記実施形態では、黒鉛粉成形体１６に
補強板１７が積層されたセパレータ４を製造するに当た
り、冷却液流路溝１５に対応する凸部１７ａ…を有する
補強板１７と、平板状の一次成形体１６ａとを予め作製
し、これらを本成形金型内で熱圧着成形する例を挙げた
が、補強体１７の厚さが薄い場合等には、上記のような
凸部１７ａを予め設けることなく、本成形金型内で、一
次成形体１６ａの加圧成形と同時に補強板１７に冷却液
流路溝１５が形成されるようにすることも可能である。

【００５７】また、黒鉛粉成形体１６の成形に当たって
も、予め一次成形体１６ａを作製することなく、凸部１
７ａ…を予め形成した補強板１７、或いは凸部１７ａ…
を形成していない補強板１７を金型内にセットし、その
上に樹脂被覆黒鉛粉を充填した後に加圧成形することに
よって、冷却液流路形成面が補強板１７によって覆われ
た黒鉛粉成形体１６を製造することも可能である。

【００５８】また、前記図３には、隣接する単セル５・
５において相互に接するセパレータ４・４の両者に跨が
る形状で冷却液流路溝１５が形成される構成を示した
が、図６に示されているように、相互に接するセパレー
タのうちの一方にのみ冷却液流路溝を形成し、他方のセ
パレータの面は平坦な形状とすることも可能である。こ
の場合、他方のセパレータには冷却液流路溝のない平坦
形状の補強板を熱圧着して積層した構成とすれば良い。

【００５９】さらに上記実施形態では、補強板１７を導
電率の大きな金属薄板を用いて形成した例を挙げたが、
前述したように黒鉛粉成形体１６自身の固有抵抗が十分
に小さく、これによって補強板１７の貫通穴１７ｃの領
域のみを介する電流経路を確保するだけで、セパレータ
４の両端面間の導通抵抗を所望の値以下とし得る場合に
は、補強板１７を例えば樹脂材やゴムなどの絶縁材料を
用いて形成することも可能である。

【００６０】一方、参考例としては、図５に示すよう
に、補強板１７に貫通穴を設けることなく、黒鉛粉成形
体１６の一方の面の全体が補強板１７によって覆われた
構成とすることも可能である。この場合、この補強板１
７を経由する電流経路しか形成されないことになるの
で、この補強板１７は、前述したような靭性および導電
率の大きな金属薄板で作製されることになる。

【００６１】

【実施例】実施例１ 反応容器に、平均粒径が１００μｍの黒鉛粉末と、フェ
ノールと、ホルムアルデヒドと、反応触媒（ヘキサメチ
レンテトラミン又はアンモニアと苛性ソーダ液）と、反
応溶媒とを仕込み、これを混合攪拌しつつ８０℃で１時
間加熱した。反応容器の内容物を室温に冷却し攪拌を停
止した後、反応容器内で溶媒から分離して沈降している
黒色の粒状物を取り出して水洗した。これを濾過して溶
媒から分離し乾燥することにより樹脂被覆黒鉛粉を得
た。この樹脂被覆黒鉛粉の樹脂量は１４％であった。

【００６２】この樹脂被覆黒鉛粉を一次成形金型に充填
し、成形圧１００kg/cm²、成形温度８０℃で加圧成形
し、厚さ１mmの一次成形体を作製した。この一次成形体
と、前記した冷却液流路溝に対応する凸部と貫通穴とを
予め形成した厚さ０.5mmのステンレス製の補強板とを重
ねて本成形金型内にセットし、成形圧２００kg/cm²、成
形温度１６０℃で加圧成形して後述する各種特性測定用
の試験片を作製した。

【００６３】実施例２ 実施例１において、原料黒鉛粉として平均粒径が６０μ
ｍのものを用いた以外は実施例１と同様にして、樹脂被
覆黒鉛粉を製造した。この樹脂被覆黒鉛粉の樹脂量は１
８％であった。次いで、この樹脂被覆黒鉛粉を用いて、
実施例１と同様に試験片を作製した。

【００６４】実施例３ 実施例１において、原料黒鉛粉として平均粒径が４５μ
ｍのものを用いた以外は実施例１と同様にして、樹脂被
覆黒鉛粉を製造した。この樹脂被覆黒鉛粉の樹脂量は２
１％であった。次いで、この樹脂被覆黒鉛粉を用いて、
実施例１と同様の成形条件で成形して、上記同様に試験
片を作製した。

【００６５】実施例４ 実施例１において、原料黒鉛粉として平均粒径が１３０
μｍのものを、また補強板として貫通穴のない板を用い
た以外は実施例１と同様にして、樹脂被覆黒鉛粉を製造
した。この樹脂被覆黒鉛粉の樹脂量は８％であった。次
いで、この樹脂被覆黒鉛粉を用いて、実施例１と同様の
成形条件で成形して、上記同様に試験片を作製した。

【００６６】比較例 実施例１で用いた樹脂被覆黒鉛粉のみを本成形金型に充
填し、実施例１と同様に成形して、補強板を設けていな
い試験片を作製した。

【００６７】実施例１〜４および比較例で各々得られた
各試験片を用いて、アルカリ液に対する耐食性、曲げ強
度およびガス透過率と、黒鉛粉成形体の固有抵抗とを以
下の測定法に従って測定した。結果を表１に示してい
る。 測定方法 (1）アルカリ液に対する耐食試験 JIS K 7203に準じ、試験液に市販の自動車用冷却水を用
いて、この試験液に試験片を５０００時間浸漬した後の
質量変化率を測定した。 (2）曲げ強度 JIS K 7203に準じて測定した（試験片：幅10mm×高さ４
mm×長さ80mm）。 (3）黒鉛粉成形体のガス透過率 試験片を挟んで１atm の差圧を生じさせた状態で窒素ガ
スのガス透過量を測定し、ガス透過率を求めた。 (4）黒鉛粉成形体の固有抵抗 体積抵抗率をJIS K 7194に準じて測定した（板厚２m
m）。

【００６８】

【表１】 表１に示されているように、まず、黒鉛粉成形体の固有
抵抗については、粒径１５〜１３５μｍ、樹脂量５〜２
４wt％の樹脂被覆黒鉛粉を用い、前記成形条件で成形す
ることによって、実施例と比較例とのいずれにおいて
も、１０×10^-3Ω・cm以下の小さな値となっている。ま
た、このような黒鉛粉成形体を用いることによって、ガ
ス透過率が１０×10^-8cc・cm/cm²・sec ・atm 以下の優
れたガス不透過性を備えている。

【００６９】このような黒鉛粉成形体の片面に、冷却液
流路溝を有する補強板を積層して形成された実施例１〜
４の試験片では、このような補強板を設けていない比較
例に比べて曲げ強度が向上し、そして、比較例ではアル
カリ液に対する耐食性の試験結果で２.5％の減量が生じ
たのに対し、実施例１〜４の各試験片ではいずれもこの
ような変化はなく、したがって、機械的強度と共に長期
安定性に優れたものとなっている。

【００７０】なお、さらに成形精度測定用の試験片（厚
さ１.5mm×縦２５０mm×横２５０mm）を作製し、格子状
に２５点の厚さを測定して、その平均値と、平均値から
の各計測値の差とを求めて成形精度を評価したところ、
実施例１〜４のいずれも厚さ精度が±１５μｍ以下で、
成形精度も良好であった。

【００７１】

【発明の効果】以上のように、本発明においては、樹脂
を配合した黒鉛粉を所定のセパレータ形状に加圧成形し
て形成された黒鉛粉成形体の一方の面に、冷却液が流れ
る冷却液流路溝が形成された補強板を積層させてセパレ
ータが形成される。この構成によれば、補強板によって
機械的強度が向上し、かつ、冷却液流路溝を流れる冷却
液が黒鉛粉成形体に触れることがないので、黒鉛粉成形
体がアルカリ性の冷却液に曝されることに起因する樹脂
の劣化が生じず、これにより、全体にわたって良好な耐
食性が安定して維持される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態における燃料電池用セパレ
ータを示すもので、同図(ａ)は黒鉛粉の一次成形体と補
強板とを重ねて加圧成形する状態を示す断面模式図、同
図(ｂ)は加圧成形後の状態を示す断面模式図である。

【図２】上記加圧成形時における成形型内での樹脂被覆
黒鉛粉の成形過程を説明するための断面模式図である。

【図３】上記セパレータが組込まれた燃料電池の構成を
示す断面模式図である。

【図４】上記セパレータの正面図である。

【図５】参考例における燃料電池用セパレータを示す断
面模式図である。

【図６】従来の燃料電池の構成を示す断面模式図であ
る。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平11−297337（ＪＰ，Ａ) 特開2000−173630（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−195422（ＪＰ，Ａ) 国際公開00／044059（ＷＯ，Ａ１) 国際公開99／049530（ＷＯ，Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01M 8/02 H01M 8/10

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 フェノール樹脂を配合した黒鉛粉を所定
   のセパレータ形状に加圧成形して形成された黒鉛粉成形
   体の一方の面に、冷却液が流れる冷却液流路溝が形成さ
   れた補強板が積層されている燃料電池用セパレータであ
   って、上記補強板には、冷却液流路溝以外の領域に厚さ
   方向に貫通する貫通穴が設けられ、黒鉛粉成形体が上記
   貫通穴を埋めて露出する形状に形成されていることを特
   徴とする燃料電池用セパレータ。
2. 【請求項２】 上記黒鉛粉成形体が、樹脂量５〜２４wt
   ％で、ガス透過率１０×１０^-8cc・cm/cm²・sec ・atm
   以下、体積抵抗１０×１０^-3Ω・cm以下の材質特性を有
   することを特徴とする請求項１の燃料電池用セパレー
   タ。