JP3479774B2 - 燃料電池用セパレータ - Google Patents
燃料電池用セパレータInfo
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- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、電気自動車等の電
源として使用される燃料電池において単セルを構成する
ためのセパレータであって、特に、導電性樹脂材を金型
により所定の板形状に加圧成形してなる燃料電池用セパ
レータに関するものである。 【０００２】 【従来の技術】例えば、固体高分子電解質型燃料電池
は、図７〜図９に示す如く、セパレータ１，１間にセル
電極２を挟圧させてなる単セル３を積層したものであ
る。セル電極２は、電解質膜４とその両側に配したガス
拡散電極たるアノード５及びカソード６とからなる方形
板状のサンドイッチ構造をなすものである。各セパレー
タ１は、導電性樹脂材（例えば炭素粉末とフェノール樹
脂等の熱硬化性樹脂との混成材）を金型により方形板状
に加圧成形してなるもので、両面（又は片面）の外周部
領域には適当数の透孔７，８，９，１０，１１が穿設さ
れており、セル電極２が設置される中心部領域１２，１
３には、ガス拡散電極５，６との間にガス流路１２a，
１３a（図９参照）を形成するための凹溝ないし凹部が
設けられている。透孔７，８，９，１０，１１は、夫
々、単セル３を積層したスタックにおいて一連のマニホ
ルド（流体通路）を構成する。すなわち、透孔７群は、
水素含有ガス１６をアノード５とセパレータ１との間に
形成されるガス流路１２aに供給するガス供給用マニホ
ルドを構成し、透孔８群はガス流路１２aに連通するガ
ス排出用マニホルドを構成し、透孔９群は、酸素含有ガ
ス１７をカソード６とセパレータ１との間に形成される
ガス流路１３aに供給するガス供給用マニホルドを構成
し、透孔１０群はガス流路１３aに連通するガス排出用
マニホルドを構成し、透孔１１群は冷却水を流動させる
冷却用マニホルドを構成する。 【０００３】かかる構成の燃料電池は、各単セル３のア
ノード側及びカソード側において「Ｈ2→２Ｈ+＋２
ｅ-」及び「（１／２）Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ」の
電気化学反応を生じて、電池全体として「Ｈ2＋（１／
２）Ｏ2→Ｈ2Ｏ」の電気化学反応が進行し、かかる化学
エネルギーを直接電気エネルギーに変換することで所定
の電池性能を発揮するものである。 【０００４】ところで、良好な電池性能を確保するため
には、電池の内部抵抗による損失を少なくすることが必
要であり、セパレータ１による電気抵抗を可及的に小さ
くしておく必要がある。而して、セパレータ１によって
生じる電池の内部抵抗は、セパレータそのものが有する
電気抵抗（以下「固有抵抗」という）とセパレータ１の
接触により発生する電気抵抗（以下「接触抵抗」とい
う）とであるが、一般に、固有抵抗は接触抵抗に比して
小さいことから、電池の内部抵抗による損失を少なくす
るためには、セパレータ１の接触抵抗を可及的に小さく
しておくことが極めて有効である。すなわち、固有抵抗
＝（単位固有抵抗／セパレータ接触面積）×セパレータ
厚さ×セパレータ枚数で得られ、接触抵抗＝（単位接触
抵抗／セパレータ接触面積）×セパレータ接触面数で得
られるが、例えば、単位固有抵抗＝６×１０-3Ω・ｃ
ｍ、単位接触抵抗＝８×１０-3Ω・ｃｍ2、接触面積＝
１００ｃｍ2、厚さ＝０．２ｃｍ、枚数：１００枚、接
触面数：２００面（通常はセパレータ１とセル電極２と
を交互に配置するため、接触面数はセパレータ枚数の２
倍となる）であるとすると、固有抵抗＝（６×１０-3Ω
・ｃｍ／１００ｃｍ2）×０．２ｃｍ×１００枚＝１．
２×１０-3Ωとなり、接触抵抗＝（８×１０-3Ω・ｃｍ
2／１００ｃｍ2）×２００面＝１６×１０-3Ωとなり、
接触抵抗は固有抵抗より一桁大きく電池の内部抵抗への
影響度が極めて高い。なお、単位固有抵抗及び単位接触
抵抗は、１枚のセパレータ１についての固有抵抗及び接
触抵抗である。 【０００５】而して、接触抵抗（単位接触抵抗）はセパ
レータ１の厚み方向の寸法精度（以下「板厚寸法精度」
という）及び密度分布によって大きく左右され、接触抵
抗の低減を図るためには、板厚寸法精度を高めると共に
密度分布を均一にしておくことが必要である。 【０００６】 【発明が解決しようとする課題】しかし、上記した従来
のセパレータ１では、その外周形状が方形をなすもので
あるため、如何に高精度の金型を使用したとしても、板
厚寸法精度を高めることができず、また密度にバラツキ
を生じる。 【０００７】すなわち、金型内の導電性樹脂材は加圧に
伴って金型の中心部から外方へと放射状に流動すること
になる。一方、方形をなすセパレータ１では中心から外
周縁までの距離に大きなバラツキがある。したがって、
中心からの距離が最大となる角部の周辺部分とそれ以外
の部分とでは密度が大きく異なり、板厚寸法精度も低く
なる。 【０００８】したがって、方形板状のセパレータ１で
は、金型等の成形条件を如何に工夫したとしても、接触
抵抗（単位接触抵抗）を低減させることが困難である。
しかも、密度のバラツキにより、局部的に接触抵抗（電
気抵抗）が大きくなり、単セル３内での電流の流れ方や
温度分布に影響を与えて、発電効率や電池寿命の低下を
招く虞れがある。 【０００９】本発明は、かかる点に鑑みてなされたもの
で、接触抵抗（単位接触抵抗）を可及的に低減すること
ができ、電池性能（発電効率，電池寿命等）の大幅な向
上を図りうる燃料電池用セパレータを提供することを目
的とするものである。 【００１０】 【課題を解決するための手段】本発明は、導電性樹脂材
を金型により所定の板形状に加圧成形してなる燃料電池
用セパレータにおいて、上記の目的を達成すべく、特
に、厚さ２ｍｍの平板であって外周形状が正Ｎ角形（Ｎ
は５以上の自然数である）をなすものとし、その角数Ｎ
を、当該正Ｎ角形に外接する仮想円の半径Ｒ（ｍｍ）と
の関係において０＜Ｒ（１−ｃｏｓ（１８０°／Ｎ））
≦２３となる範囲で決定しておくことを提案するもので
ある。 【００１１】 【００１２】 【００１３】 【００１４】ところで、８５％の黒鉛粉末と１５％のフ
ェノール樹脂とからなる混成材（導電性樹脂材）を金型
により複数種の正Ｎ角形の平板（厚さ:２ｍｍ）に加圧
成形してみたところ、当該正Ｎ角形における中心から外
周縁までの距離の最大値（当該正Ｎ角形に外接する仮想
円の半径Ｒに一致する）が１２０ｍｍ以下であるとき
は、角数Ｎ（≧５）の多少に拘わらず、成形品（正Ｎ角
形平板）の板厚寸法精度も十分満足でき、局部的な密度
の不均一もなかった。しかし、Ｎ＝３，４である場合、
つまり正三角形及び正方形である場合には、Ｒ≦１２０
ｍｍであるときにも、角部の頂角がＮ≧５である場合の
ように鈍角となっていないためか、角部周辺部分と中心
部分とで密度が大きく異なった。一方、Ｒ＞１２０ｍｍ
となる正Ｎ角形については、外接円半径Ｒ及び角数Ｎが
板厚寸法精度及び密度分布の良否に大きく影響し、外接
円半径Ｒが大きくなれば、これに伴って角数Ｎも大きく
することで、板厚寸法精度も十分満足でき且つ密度が均
一な成形品を得られることが判明した。 【００１５】これらのことから、外接円半径Ｒと角数Ｎ
とが共に増加若しくは減少するならば、板厚寸法精度及
び密度の良好性ないし金型内での材料流動性の良好性を
確保できると推測される。さらに、外接円半径Ｒと角数
Ｎとが共に増加若しくは減少するということは、正Ｎ角
形における中心から外周縁までの距離のバラツキが、
Ｒ，Ｎの値に拘わらず、一定範囲にあるという推測が成
立する。そして、正Ｎ角形における中心から外周縁まで
の距離のバラツキは、図２〜図６に例示する如く、中心
Ｏから外周縁までの距離の最大値（中心Ｏと任意の角部
Ａとを結ぶ線分ＯＡの長さで与えられる）と当該距離の
最小値（中心Ｏと任意の一辺ＡＣの二等分点（中間点）
Ｂとを結ぶ線分ＯＢの長さで与えられる）との差（以下
「半径方向バラツキ量」という）Ｈで特定することがで
きる。ここに、線分ＯＡの長さは角部Ａを通過する外接
円（上記の仮想円）Ｄの半径Ｒ（ｍｍ）で得られ、線分
ＯＢの長さは半径Ｒと∠ＡＯＣ（＝θ）の余弦との積
（Ｒ・ｃｏｓθ）で与えられ、θ＝１８０°／Ｎである
ことから、半径方向バラツキ量ＨはＨ＝Ｒ（１−ｃｏｓ
θ）＝Ｒ（１−ｃｏｓ（１８０°／Ｎ））（ｍｍ）で与
えられる。 【００１６】一方、上記した実験で得たデータを整理す
ると共に、データから半径方向バラツキ量Ｈを算出し
た。その結果は、表１に示す通りである。なお、表１に
おける成形品の評価は、板厚寸法精度及び密度の何れに
ついても、当該正Ｎ角形の外接円半径Ｒと同一寸法の円
形成形品（厚さ及び使用材料並びに成形条件は当該正Ｎ
角形の成形品と同じである）に比して、同等であるもの
については○で示し、板厚寸法精度及び密度の少なくと
も一方が当該円形成形品に比して明らかに劣るものにつ
いては×で示した。 【００１７】 【表１】 【００１８】而して、表１に示されたデータは上記した
推測を裏付けるものであり、表１に示された成形品評価
と半径方向バラツキ量Ｈとの関係から、Ｈ≦２３ｍｍの
場合には角数Ｎ及び外接円半径Ｒに関係なく成形品評価
が○であり、Ｈ＞２３ｍｍの場合には角数Ｎ及び外接円
半径Ｒに関係なく成形品評価が×であることが理解され
る。 【００１９】以上の点から、本発明では、セパレータの
外周形状を正Ｎ角形とする場合においては、Ｎ≧５及び
０ｍｍ＜Ｈ（＝Ｒ（１−ｃｏｓ（１８０°／Ｎ）））≦
２３ｍｍが満足されることを必須条件とした。かかる条
件が満足される限りにおいて、第１発明のセパレータと
同等の板厚寸法精度及び密度分布を得ることができるの
である。すなわち、円形のセパレータを使用した固体高
分子電解質型燃料電池と同様に、セパレータによる電気
抵抗（接触抵抗）の低減を図ることができ、電池性能を
大幅に向上させることができるのである。セパレータの
外周形状を円形となしておくと、その中心から外周縁ま
での距離が一定（当該円形の半径）となるから、加圧成
形時における金型内での導電性樹脂材の流動が円滑且つ
均一に行われる。したがって、金型精度をある程度以上
に高めておくことにより、板厚寸法精度が高く且つ均一
密度のセパレータを得ることができる。その結果、円形
のセパレータを使用した固体高分子電解質型燃料電池で
は、セパレータによる電気抵抗（接触抵抗）の低減を図
ることができ、電池性能を大幅に向上させることができ
る。 【００２０】なお、本発明において、導電性樹脂材とし
ては、公知のセパレータに使用されているものを任意に
選択することができるが、一般に、８５〜９７％の黒鉛
粉末と１５〜３％の熱硬化性樹脂（フェノール樹脂等）
とからなる複合材を使用しておくことが好ましい。ま
た、本発明は、外周領域にマニホルド形成用の透孔を設
けた内部マニホルド方式のセパレータの他、このような
マニホルド形成用の透孔を有しない外部マニホルド方式
のセパレータにも当然に適用することができる。 【００２１】 【実施例】参考例として、図１に示す如く、外周形状が
半径Ｒ＝２９６ｍｍの円形をなすセパレータ１０１を得
た。 【００２２】第１実施例として、図２に示す如く、外周
形状が外接円半径Ｒ＝１２０ｍｍの正五角形をなす本発
明に係るセパレータ２０１を得た。 【００２３】第２実施例として、図３に示す如く、外周
形状が外接円半径Ｒ＝１５０ｍｍの正六角形をなす本発
明に係るセパレータ２０２を得た。 【００２４】第３実施例として、図４に示す如く、外周
形状が外接円半径Ｒ＝２３０ｍｍの正七角形をなす本発
明に係るセパレータ２０３を得た。 【００２５】第４実施例として、図５に示す如く、外周
形状が外接円半径Ｒ＝２９６ｍｍの正八角形をなす本発
明に係るセパレータ２０４を得た。 【００２６】第５実施例として、図６に示す如く、外周
形状が外接円半径Ｒ＝２９６ｍｍの正九角形をなす本発
明に係るセパレータ２０５を得た。 【００２７】また、比較例として、図７〜図９に示す如
く、外周形状が縦２７５ｍｍ，横２２５ｍｍの矩形をな
す従来のセパレータ１を得た。 【００２８】各セパレータ１，１０１，２０１，２０
２，２０３，２０４，２０５の板厚は２ｍｍであり、そ
の成形は、８５％の黒鉛粉末と１５％のフェノール樹脂
とからなる導電性樹脂材を所定の金型に注入して、所定
圧で加圧することによって行った。セパレータ１０１，
２０１，２０２，２０３，２０４，２０５については図
示しないが、図７〜図９に例示する如く、各セパレータ
１，１０１，２０１，２０２，２０３，２０４，２０５
の両面（又は片面）の外周部領域には水素含有ガス１６
及び酸素含有ガスの給排マニホルド並びに冷却用マニホ
ルドを構成するための適当数の透孔７，８，９，１０，
１１が設けられており、その中心部領域１２，１３には
ガス流路１２ａ，１３ａを形成するための凹溝ないし凹
部が設けられている。 【００２９】而して、比較例のセパレータ１について、
板厚寸法精度及び単位接触抵抗を測定したところ、板厚
寸法精度はＲ３０μｍであり、単位接触抵抗は１８×１
０−３Ω・ｃｍ２であった。これに対して、各実施例の
セパレータ２０１，２０２，２０３，２０４，２０５に
ついては、何れも、板厚寸法精度はＲ２０μｍ以下であ
り、単位接触抵抗は５×１０−３Ω・ｃｍ２以下であっ
た。したがって、本発明のセパレータを使用した固体高
分子電解質型燃料電池にあっては、発電効率及び電池寿
命等の電池性能が大幅に向上することが理解される。 【００３０】ところで、積層された単セル群の連結は、
図１又は図８に示す如く、単セル群の両側に配した加圧
板２１，２１間を複数のロッド２２で締結させることに
よって行われるが、従来のセパレータ１を使用した場合
には、図８に示す如く、ロッド２２の挿通空間を確保す
るために、加圧板２１の外形寸法をセパレータ１に比し
てかなり大きく設定しておく必要がある。しかし、本発
明のセパレータを使用した場合には、セパレータの外周
形状が円形に近い多角形をなすことから、図１に例示す
る如く、ロッド２２の挿通空間を確保するために加圧板
２１の外形寸法を大きくしておく必要がなく、セパレー
タ１に比して必要以上に大きくならない。その結果、電
池全体としての小型化を図ることが可能となる。 【００３１】 【発明の効果】以上の説明から理解されるように、本発
明によれば、板厚寸法精度が高く且つ局部的な密度のバ
ラツキがない均一密度のセパレータを得ることができ、
セパレータの単位接触抵抗の低減、セパレータの強度向
上やセパレータ間のシール性能向上を図ることができ、
セパレータの薄肉化ないし電池の小型化を容易に実現す
ることができる。したがって、本発明のセパレータを使
用することにより、電池の内部抵抗による損失を可及的
に低減し得て、発電効率及び電池寿命等の電池性能を大
幅に向上させることができる。
源として使用される燃料電池において単セルを構成する
ためのセパレータであって、特に、導電性樹脂材を金型
により所定の板形状に加圧成形してなる燃料電池用セパ
レータに関するものである。 【０００２】 【従来の技術】例えば、固体高分子電解質型燃料電池
は、図７〜図９に示す如く、セパレータ１，１間にセル
電極２を挟圧させてなる単セル３を積層したものであ
る。セル電極２は、電解質膜４とその両側に配したガス
拡散電極たるアノード５及びカソード６とからなる方形
板状のサンドイッチ構造をなすものである。各セパレー
タ１は、導電性樹脂材（例えば炭素粉末とフェノール樹
脂等の熱硬化性樹脂との混成材）を金型により方形板状
に加圧成形してなるもので、両面（又は片面）の外周部
領域には適当数の透孔７，８，９，１０，１１が穿設さ
れており、セル電極２が設置される中心部領域１２，１
３には、ガス拡散電極５，６との間にガス流路１２a，
１３a（図９参照）を形成するための凹溝ないし凹部が
設けられている。透孔７，８，９，１０，１１は、夫
々、単セル３を積層したスタックにおいて一連のマニホ
ルド（流体通路）を構成する。すなわち、透孔７群は、
水素含有ガス１６をアノード５とセパレータ１との間に
形成されるガス流路１２aに供給するガス供給用マニホ
ルドを構成し、透孔８群はガス流路１２aに連通するガ
ス排出用マニホルドを構成し、透孔９群は、酸素含有ガ
ス１７をカソード６とセパレータ１との間に形成される
ガス流路１３aに供給するガス供給用マニホルドを構成
し、透孔１０群はガス流路１３aに連通するガス排出用
マニホルドを構成し、透孔１１群は冷却水を流動させる
冷却用マニホルドを構成する。 【０００３】かかる構成の燃料電池は、各単セル３のア
ノード側及びカソード側において「Ｈ2→２Ｈ+＋２
ｅ-」及び「（１／２）Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ」の
電気化学反応を生じて、電池全体として「Ｈ2＋（１／
２）Ｏ2→Ｈ2Ｏ」の電気化学反応が進行し、かかる化学
エネルギーを直接電気エネルギーに変換することで所定
の電池性能を発揮するものである。 【０００４】ところで、良好な電池性能を確保するため
には、電池の内部抵抗による損失を少なくすることが必
要であり、セパレータ１による電気抵抗を可及的に小さ
くしておく必要がある。而して、セパレータ１によって
生じる電池の内部抵抗は、セパレータそのものが有する
電気抵抗（以下「固有抵抗」という）とセパレータ１の
接触により発生する電気抵抗（以下「接触抵抗」とい
う）とであるが、一般に、固有抵抗は接触抵抗に比して
小さいことから、電池の内部抵抗による損失を少なくす
るためには、セパレータ１の接触抵抗を可及的に小さく
しておくことが極めて有効である。すなわち、固有抵抗
＝（単位固有抵抗／セパレータ接触面積）×セパレータ
厚さ×セパレータ枚数で得られ、接触抵抗＝（単位接触
抵抗／セパレータ接触面積）×セパレータ接触面数で得
られるが、例えば、単位固有抵抗＝６×１０-3Ω・ｃ
ｍ、単位接触抵抗＝８×１０-3Ω・ｃｍ2、接触面積＝
１００ｃｍ2、厚さ＝０．２ｃｍ、枚数：１００枚、接
触面数：２００面（通常はセパレータ１とセル電極２と
を交互に配置するため、接触面数はセパレータ枚数の２
倍となる）であるとすると、固有抵抗＝（６×１０-3Ω
・ｃｍ／１００ｃｍ2）×０．２ｃｍ×１００枚＝１．
２×１０-3Ωとなり、接触抵抗＝（８×１０-3Ω・ｃｍ
2／１００ｃｍ2）×２００面＝１６×１０-3Ωとなり、
接触抵抗は固有抵抗より一桁大きく電池の内部抵抗への
影響度が極めて高い。なお、単位固有抵抗及び単位接触
抵抗は、１枚のセパレータ１についての固有抵抗及び接
触抵抗である。 【０００５】而して、接触抵抗（単位接触抵抗）はセパ
レータ１の厚み方向の寸法精度（以下「板厚寸法精度」
という）及び密度分布によって大きく左右され、接触抵
抗の低減を図るためには、板厚寸法精度を高めると共に
密度分布を均一にしておくことが必要である。 【０００６】 【発明が解決しようとする課題】しかし、上記した従来
のセパレータ１では、その外周形状が方形をなすもので
あるため、如何に高精度の金型を使用したとしても、板
厚寸法精度を高めることができず、また密度にバラツキ
を生じる。 【０００７】すなわち、金型内の導電性樹脂材は加圧に
伴って金型の中心部から外方へと放射状に流動すること
になる。一方、方形をなすセパレータ１では中心から外
周縁までの距離に大きなバラツキがある。したがって、
中心からの距離が最大となる角部の周辺部分とそれ以外
の部分とでは密度が大きく異なり、板厚寸法精度も低く
なる。 【０００８】したがって、方形板状のセパレータ１で
は、金型等の成形条件を如何に工夫したとしても、接触
抵抗（単位接触抵抗）を低減させることが困難である。
しかも、密度のバラツキにより、局部的に接触抵抗（電
気抵抗）が大きくなり、単セル３内での電流の流れ方や
温度分布に影響を与えて、発電効率や電池寿命の低下を
招く虞れがある。 【０００９】本発明は、かかる点に鑑みてなされたもの
で、接触抵抗（単位接触抵抗）を可及的に低減すること
ができ、電池性能（発電効率，電池寿命等）の大幅な向
上を図りうる燃料電池用セパレータを提供することを目
的とするものである。 【００１０】 【課題を解決するための手段】本発明は、導電性樹脂材
を金型により所定の板形状に加圧成形してなる燃料電池
用セパレータにおいて、上記の目的を達成すべく、特
に、厚さ２ｍｍの平板であって外周形状が正Ｎ角形（Ｎ
は５以上の自然数である）をなすものとし、その角数Ｎ
を、当該正Ｎ角形に外接する仮想円の半径Ｒ（ｍｍ）と
の関係において０＜Ｒ（１−ｃｏｓ（１８０°／Ｎ））
≦２３となる範囲で決定しておくことを提案するもので
ある。 【００１１】 【００１２】 【００１３】 【００１４】ところで、８５％の黒鉛粉末と１５％のフ
ェノール樹脂とからなる混成材（導電性樹脂材）を金型
により複数種の正Ｎ角形の平板（厚さ:２ｍｍ）に加圧
成形してみたところ、当該正Ｎ角形における中心から外
周縁までの距離の最大値（当該正Ｎ角形に外接する仮想
円の半径Ｒに一致する）が１２０ｍｍ以下であるとき
は、角数Ｎ（≧５）の多少に拘わらず、成形品（正Ｎ角
形平板）の板厚寸法精度も十分満足でき、局部的な密度
の不均一もなかった。しかし、Ｎ＝３，４である場合、
つまり正三角形及び正方形である場合には、Ｒ≦１２０
ｍｍであるときにも、角部の頂角がＮ≧５である場合の
ように鈍角となっていないためか、角部周辺部分と中心
部分とで密度が大きく異なった。一方、Ｒ＞１２０ｍｍ
となる正Ｎ角形については、外接円半径Ｒ及び角数Ｎが
板厚寸法精度及び密度分布の良否に大きく影響し、外接
円半径Ｒが大きくなれば、これに伴って角数Ｎも大きく
することで、板厚寸法精度も十分満足でき且つ密度が均
一な成形品を得られることが判明した。 【００１５】これらのことから、外接円半径Ｒと角数Ｎ
とが共に増加若しくは減少するならば、板厚寸法精度及
び密度の良好性ないし金型内での材料流動性の良好性を
確保できると推測される。さらに、外接円半径Ｒと角数
Ｎとが共に増加若しくは減少するということは、正Ｎ角
形における中心から外周縁までの距離のバラツキが、
Ｒ，Ｎの値に拘わらず、一定範囲にあるという推測が成
立する。そして、正Ｎ角形における中心から外周縁まで
の距離のバラツキは、図２〜図６に例示する如く、中心
Ｏから外周縁までの距離の最大値（中心Ｏと任意の角部
Ａとを結ぶ線分ＯＡの長さで与えられる）と当該距離の
最小値（中心Ｏと任意の一辺ＡＣの二等分点（中間点）
Ｂとを結ぶ線分ＯＢの長さで与えられる）との差（以下
「半径方向バラツキ量」という）Ｈで特定することがで
きる。ここに、線分ＯＡの長さは角部Ａを通過する外接
円（上記の仮想円）Ｄの半径Ｒ（ｍｍ）で得られ、線分
ＯＢの長さは半径Ｒと∠ＡＯＣ（＝θ）の余弦との積
（Ｒ・ｃｏｓθ）で与えられ、θ＝１８０°／Ｎである
ことから、半径方向バラツキ量ＨはＨ＝Ｒ（１−ｃｏｓ
θ）＝Ｒ（１−ｃｏｓ（１８０°／Ｎ））（ｍｍ）で与
えられる。 【００１６】一方、上記した実験で得たデータを整理す
ると共に、データから半径方向バラツキ量Ｈを算出し
た。その結果は、表１に示す通りである。なお、表１に
おける成形品の評価は、板厚寸法精度及び密度の何れに
ついても、当該正Ｎ角形の外接円半径Ｒと同一寸法の円
形成形品（厚さ及び使用材料並びに成形条件は当該正Ｎ
角形の成形品と同じである）に比して、同等であるもの
については○で示し、板厚寸法精度及び密度の少なくと
も一方が当該円形成形品に比して明らかに劣るものにつ
いては×で示した。 【００１７】 【表１】 【００１８】而して、表１に示されたデータは上記した
推測を裏付けるものであり、表１に示された成形品評価
と半径方向バラツキ量Ｈとの関係から、Ｈ≦２３ｍｍの
場合には角数Ｎ及び外接円半径Ｒに関係なく成形品評価
が○であり、Ｈ＞２３ｍｍの場合には角数Ｎ及び外接円
半径Ｒに関係なく成形品評価が×であることが理解され
る。 【００１９】以上の点から、本発明では、セパレータの
外周形状を正Ｎ角形とする場合においては、Ｎ≧５及び
０ｍｍ＜Ｈ（＝Ｒ（１−ｃｏｓ（１８０°／Ｎ）））≦
２３ｍｍが満足されることを必須条件とした。かかる条
件が満足される限りにおいて、第１発明のセパレータと
同等の板厚寸法精度及び密度分布を得ることができるの
である。すなわち、円形のセパレータを使用した固体高
分子電解質型燃料電池と同様に、セパレータによる電気
抵抗（接触抵抗）の低減を図ることができ、電池性能を
大幅に向上させることができるのである。セパレータの
外周形状を円形となしておくと、その中心から外周縁ま
での距離が一定（当該円形の半径）となるから、加圧成
形時における金型内での導電性樹脂材の流動が円滑且つ
均一に行われる。したがって、金型精度をある程度以上
に高めておくことにより、板厚寸法精度が高く且つ均一
密度のセパレータを得ることができる。その結果、円形
のセパレータを使用した固体高分子電解質型燃料電池で
は、セパレータによる電気抵抗（接触抵抗）の低減を図
ることができ、電池性能を大幅に向上させることができ
る。 【００２０】なお、本発明において、導電性樹脂材とし
ては、公知のセパレータに使用されているものを任意に
選択することができるが、一般に、８５〜９７％の黒鉛
粉末と１５〜３％の熱硬化性樹脂（フェノール樹脂等）
とからなる複合材を使用しておくことが好ましい。ま
た、本発明は、外周領域にマニホルド形成用の透孔を設
けた内部マニホルド方式のセパレータの他、このような
マニホルド形成用の透孔を有しない外部マニホルド方式
のセパレータにも当然に適用することができる。 【００２１】 【実施例】参考例として、図１に示す如く、外周形状が
半径Ｒ＝２９６ｍｍの円形をなすセパレータ１０１を得
た。 【００２２】第１実施例として、図２に示す如く、外周
形状が外接円半径Ｒ＝１２０ｍｍの正五角形をなす本発
明に係るセパレータ２０１を得た。 【００２３】第２実施例として、図３に示す如く、外周
形状が外接円半径Ｒ＝１５０ｍｍの正六角形をなす本発
明に係るセパレータ２０２を得た。 【００２４】第３実施例として、図４に示す如く、外周
形状が外接円半径Ｒ＝２３０ｍｍの正七角形をなす本発
明に係るセパレータ２０３を得た。 【００２５】第４実施例として、図５に示す如く、外周
形状が外接円半径Ｒ＝２９６ｍｍの正八角形をなす本発
明に係るセパレータ２０４を得た。 【００２６】第５実施例として、図６に示す如く、外周
形状が外接円半径Ｒ＝２９６ｍｍの正九角形をなす本発
明に係るセパレータ２０５を得た。 【００２７】また、比較例として、図７〜図９に示す如
く、外周形状が縦２７５ｍｍ，横２２５ｍｍの矩形をな
す従来のセパレータ１を得た。 【００２８】各セパレータ１，１０１，２０１，２０
２，２０３，２０４，２０５の板厚は２ｍｍであり、そ
の成形は、８５％の黒鉛粉末と１５％のフェノール樹脂
とからなる導電性樹脂材を所定の金型に注入して、所定
圧で加圧することによって行った。セパレータ１０１，
２０１，２０２，２０３，２０４，２０５については図
示しないが、図７〜図９に例示する如く、各セパレータ
１，１０１，２０１，２０２，２０３，２０４，２０５
の両面（又は片面）の外周部領域には水素含有ガス１６
及び酸素含有ガスの給排マニホルド並びに冷却用マニホ
ルドを構成するための適当数の透孔７，８，９，１０，
１１が設けられており、その中心部領域１２，１３には
ガス流路１２ａ，１３ａを形成するための凹溝ないし凹
部が設けられている。 【００２９】而して、比較例のセパレータ１について、
板厚寸法精度及び単位接触抵抗を測定したところ、板厚
寸法精度はＲ３０μｍであり、単位接触抵抗は１８×１
０−３Ω・ｃｍ２であった。これに対して、各実施例の
セパレータ２０１，２０２，２０３，２０４，２０５に
ついては、何れも、板厚寸法精度はＲ２０μｍ以下であ
り、単位接触抵抗は５×１０−３Ω・ｃｍ２以下であっ
た。したがって、本発明のセパレータを使用した固体高
分子電解質型燃料電池にあっては、発電効率及び電池寿
命等の電池性能が大幅に向上することが理解される。 【００３０】ところで、積層された単セル群の連結は、
図１又は図８に示す如く、単セル群の両側に配した加圧
板２１，２１間を複数のロッド２２で締結させることに
よって行われるが、従来のセパレータ１を使用した場合
には、図８に示す如く、ロッド２２の挿通空間を確保す
るために、加圧板２１の外形寸法をセパレータ１に比し
てかなり大きく設定しておく必要がある。しかし、本発
明のセパレータを使用した場合には、セパレータの外周
形状が円形に近い多角形をなすことから、図１に例示す
る如く、ロッド２２の挿通空間を確保するために加圧板
２１の外形寸法を大きくしておく必要がなく、セパレー
タ１に比して必要以上に大きくならない。その結果、電
池全体としての小型化を図ることが可能となる。 【００３１】 【発明の効果】以上の説明から理解されるように、本発
明によれば、板厚寸法精度が高く且つ局部的な密度のバ
ラツキがない均一密度のセパレータを得ることができ、
セパレータの単位接触抵抗の低減、セパレータの強度向
上やセパレータ間のシール性能向上を図ることができ、
セパレータの薄肉化ないし電池の小型化を容易に実現す
ることができる。したがって、本発明のセパレータを使
用することにより、電池の内部抵抗による損失を可及的
に低減し得て、発電効率及び電池寿命等の電池性能を大
幅に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】参考例のセパレータを示す概略正面図である。
【図２】本発明に係るセパレータを示す概略正面図であ
る。 【図３】本発明に係るセパレータの変形例を示す概略正
面図である。 【図４】本発明に係るセパレータの他の変形例を示す概
略正面図である。 【図５】本発明に係るセパレータの更に他の変形例を示
す概略正面図である。 【図６】本発明に係るセパレータの更に他の変形例を示
す概略正面図である。 【図７】従来のセパレータの正面図である。 【図８】同セパレータの背面図である。 【図９】同セパレータを使用した単セルの要部の縦断側
面図である。 【符号の説明】２０１ ，２０２，２０３，２０４，２０５…セパレー
タ。
る。 【図３】本発明に係るセパレータの変形例を示す概略正
面図である。 【図４】本発明に係るセパレータの他の変形例を示す概
略正面図である。 【図５】本発明に係るセパレータの更に他の変形例を示
す概略正面図である。 【図６】本発明に係るセパレータの更に他の変形例を示
す概略正面図である。 【図７】従来のセパレータの正面図である。 【図８】同セパレータの背面図である。 【図９】同セパレータを使用した単セルの要部の縦断側
面図である。 【符号の説明】２０１ ，２０２，２０３，２０４，２０５…セパレー
タ。
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 導電性樹脂材を金型により所定の板形状
に加圧成形してなる燃料電池用セパレータにおいて、厚
さ２ｍｍの平板であって外周形状が正Ｎ角形（Ｎは５以
上の自然数である）をなすものとし、その角数Ｎが、当
該正Ｎ角形に外接する仮想円の半径Ｒ（ｍｍ）との関係
において０＜Ｒ（１−ｃｏｓ（１８０°／Ｎ））≦２３
となる範囲で決定されていることを特徴とする燃料電池
用セパレータ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000380835A JP3479774B2 (ja) | 2000-12-14 | 2000-12-14 | 燃料電池用セパレータ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000380835A JP3479774B2 (ja) | 2000-12-14 | 2000-12-14 | 燃料電池用セパレータ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002184423A JP2002184423A (ja) | 2002-06-28 |
| JP3479774B2 true JP3479774B2 (ja) | 2003-12-15 |
Family
ID=18848952
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000380835A Expired - Fee Related JP3479774B2 (ja) | 2000-12-14 | 2000-12-14 | 燃料電池用セパレータ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3479774B2 (ja) |
-
2000
- 2000-12-14 JP JP2000380835A patent/JP3479774B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2002184423A (ja) | 2002-06-28 |
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|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |