JP4128844B2 - 高分子電解質型燃料電池用複合セパレータ板およびそれを用いた高分子電解質型燃料電池 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ポータブル電源、電気自動車用電源、家庭内コージェネレーションシステム等に使用する高分子電解質型燃料電池に関する。さらに詳しくは、その電池を構成する導電性セパレータ板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高分子電解質膜を用いた燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと、空気などの酸素を含有する酸化剤ガスとを、電気化学的に反応させることにより、電力と熱とを同時に発生させる。この燃料電池は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜、および高分子電解質膜の両面に形成された一対の電極、すなわちアノードとカソードから構成される。前記電極は、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とし、高分子電解質膜の両面に形成される触媒層、および前記触媒層の外面に形成される、優れた通気性と電子導電性とを併せ持つガス拡散層からなる。
【０００３】
次に、供給する燃料ガスおよび酸化剤ガスが外にリークしたり、二種類のガスが互いに混合したりしないように、電極の周囲には、高分子電解質膜を挟んでガスシール材やガスケットが配置される。このガスシール材やガスケットは、電極および高分子電解質膜と一体化してあらかじめ組み立てられ、これを、ＭＥＡ（電解質膜・電極接合体）と呼ぶ。
【０００４】
ＭＥＡの外側には、これを機械的に固定するとともに、隣接したＭＥＡを互いに電気的に直列に接続し、電極面に反応ガスを供給し、生成ガスや余剰ガスを運び去るためのガス流路を有する導電性のセパレータ板が配置される。ガス流路は、セパレータ板と別に設けることもできるが、セパレータ板の表面に溝を設けてガス流路とする方式が一般的である。
【０００５】
この溝に反応ガスを供給するためは、反応ガスを供給する配管を、使用するセパレータ板の枚数に分岐し、その分岐先を直接セパレータ板上の溝につなぎ込む配管治具が必要となる。この治具をマニホールドと呼び、上記のような燃料ガスの供給配管から直接つなぎ込むタイプを外部マニホールドと呼ぶ。また、このマニホールドには、構造をより簡単にした内部マニホールドと呼ぶ形式のものがある。内部マニホールドとは、ガス流路を形成したセパレータ板に、貫通した孔を設け、ガス流路の出入り口をこの孔まで通し、この孔から直接反応ガスを供給するものである。
【０００６】
燃料電池は運転中に発熱するので、電池を良好な温度状態に維持するためには、冷却水等で冷却する必要がある。そこで通常、１〜３セル毎に冷却水用の流路を設ける。通常は、セパレータ板の背面に冷却水用の流路を設けて冷却部とする場合が多い。これらのＭＥＡとセパレータ板とを交互に重ねていき、１０〜２００セル積層した後、その積層体を集電板および絶縁板を介して端板で挟み、締結ボルトで両端から固定するのが一般的な積層電池の構造である。
【０００７】
このような高分子電解質型燃料電池のセパレータ板は、高い導電性および高い気密性、かつ電池反応に対して高い耐食性を有する必要がある。このため、従来のセパレータ板は、通常グラッシーカーボンや膨張黒鉛などの導電性を有するカーボン材料により構成され、ガス流路もその表面での切削や、膨張黒鉛の場合は、型による成形により作製していた。
また、最近では、低コスト化のため黒鉛と樹脂とを混合したものを型に入れ、圧縮成形により作製するものも使用されている。さらに、黒鉛および樹脂を混合したものを射出成形により作製する試みも行われている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
セパレータ板の作製方法としては、黒鉛および熱可塑性樹脂を混合して得られたコンパウンドを、射出成形機において溶融混練し、それを金型内に射出する射出成形による方法が提案されている。しかし、セパレータ板には高い電子導電性が必要とされるため、コンパウンド中に含まれる導電性フィラーの割合が高くなる。この場合、コンパウンドの熱伝導率が高くなり、且つ溶融時の流動性も低くなるため、成形性が極端に悪化し、充填不良やウエルド部の強度不足等の問題があった。また、セパレータ板の流路形状に対する制約や流路周辺部に配置されるマニホールド孔の強度低下や気密性の低下等により燃料電池の性能が低下してしまうという問題もあった。
【０００９】
本発明では、上記の従来の課題を解決するため、優れた導電性かつ成形性を有する高分子電解質型燃料電池用複合セパレータ板を提供することを目的とする。また、優れた導電性かつ成形性を有する高分子電解質型燃料電池用複合セパレータ板を用いることにより、電池特性に優れた高分子電解質型燃料電池を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明のポイントは、セパレータ板における電子導電性が必要な部位と不必要な部位にそれぞれ異なるコンパウンドを用いることにより、優れた成形性と電子導電性を同時に得ることができることを見出したことにある。
すなわち、本発明の高分子電解質型燃料電池用複合セパレータ板は、導電性カーボンを含む電子良導体部位と、前記電子良導体部位の周りを囲む樹脂部位とにより構成され、前記電子良導体部位の両面にそれぞれガスまたは冷却水を流通させる第一の溝ならびに第二の溝を有し、前記電子良導体部位と前記樹脂部位との間に、前記電子良導体部位に用いられた樹脂と前記樹脂部位に用いられた樹脂とを含む第三の部位を有する。
【００１１】
前記樹脂部位が、前記第一の溝に連通する第一のマニホールド孔および前記第二の溝に連通する第二のマニホールド孔を有することが好ましい。
前記電子良導体部位、前記樹脂部位、および前記第三の部位がそれぞれ射出成形により成形されていることが好ましい。
【００１２】
前記電子良導体部位が、無機導電性フィラーと樹脂との混合物により構成されていることが好ましい。
前記電子良導体部位および前記樹脂部位が、同じ主要分子構造を有する樹脂を含むことが好ましい。
前記樹脂部位の一方の主面には、前記第一のマニホールド孔及び前記第二のマニホールド孔を囲むリブが設けられているのが好ましい。
前記樹脂部位の他方の主面には、前記リブに対応する凹部が設けられているのが好ましい。
前記電子良導体部位と前記樹脂部位と前記第三の部位とが一体に成形されていることが好ましい。
前記樹脂部位は、フッ素樹脂、スチレン系熱可塑性エラストマー、オレフィン系熱可塑性エラストマー、ポリウレタン系熱可塑性エラストマー、塩化ビニル系熱可塑性エラストマー、ポリアミド系熱可塑性エラストマー、スチレン−ブタジエン系熱可塑性エラストマー、ニトリル系エラストマー、およびガラス強化したポリエステル系エラストマーからなる群より選択される少なくとも一種の樹脂を含んでいることが好ましい。
前記樹脂部位は、フッ素樹脂、スチレン系熱可塑性エラストマー、オレフィン系熱可塑性エラストマー、ポリウレタン系熱可塑性エラストマー、塩化ビニル系熱可塑性エラストマー、ポリアミド系熱可塑性エラストマー、スチレン−ブタジエン系熱可塑性エラストマー、ニトリル系エラストマー、又はガラス強化したポリエステル系エラストマーからなることが好ましい。
【００１３】
本発明の高分子電解質型燃料電池は、水素イオン伝導性高分子電解質膜と前記電解質膜を挟むアノードおよびカソードとを包含する複数の電解質膜・電極接合体、ならびに前記電解質膜・電極接合体と交互に積層された複数のセパレータ板を含む電池スタックを具備しており、前記セパレータ板が、本発明の高分子電解質型燃料電池用複合セパレータ板である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の高分子電解質型燃料電池用複合セパレータ板は、導電性カーボンを含む電子良導体部位と樹脂部位とにより構成される。
前記電子良導体部位に用いられる樹脂としては、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリプロピレン、メタクリル樹脂、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリイミド、ポリビニルアルコール、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルケトン、ポリエーテルイミド、フッ素樹脂、エステル樹脂、液晶ポリマー、芳香族ポリエステル、ポリアセタール、ポリフェニレンエーテル等が挙げられる。
【００１５】
前記樹脂部位に用いられる樹脂としては、ＰＰＳ樹脂、ポリエチレン、塩化ビニル樹脂、ポリスチレン、ＡＳ樹脂、ＡＢＳ樹脂、メタクリル酸メチル樹脂、ポリアミド樹脂、変性ポリフェニレンエーテル、超高分子量ポリエチレン、ポリメチルペンテン、シンジオタクチックポリスチレン、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、ポリフタルアミド、ポリシクロヘキシレンジメチレンテレフタレート、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリイミド、液晶ポリマー、フッ素樹脂、スチレン系熱可塑性エラストマー、オレフィン系熱可塑性エラストマー、ポリウレタン系熱可塑性エラストマー、塩化ビニル系熱可塑性エラストマー、ポリアミド系熱可塑性エラストマー、スチレン−ブタジエン系熱可塑性エラストマー、ニトリル系エラストマー、ガラス強化したポリエステル系エラストマー等が挙げられる。
【００１６】
前記電子良導体部位と樹脂部位との間に第三の部位を有することが好ましい。
第三の部位に用いられる材料としては、少なくとも電子良導体部位に用いられた樹脂と樹脂部位に用いられた樹脂とを混合したものを用いることが好ましい。特に、電子良導体部位および樹脂部位にそれぞれ上記で挙げられた樹脂を用い、第三の部位にそれらの樹脂を混合したものを用いることが好ましい。
以下に、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
【００１７】
《参考の形態１》
図３〜４にアノード側セパレータ板およびカソード側セパレータ板を兼ねたセパレータ板１０を示す。
セパレータ板１０は、アノードまたはカソードと対向する電子良導体部位１０ａおよびその周りを囲む樹脂部位１０ｂからなる。樹脂部位１０ｂには、それぞれ一対の酸化剤ガス用マニホールド孔５、燃料ガス用マニホールド孔６、および冷却水用マニホールド孔７を有する。電子良導体部位１０ａのカソードと対向する面には、図３のように一対の酸化剤ガス用マニホールド孔５を連絡する酸化剤ガスの流路５ａを有し、その背面のアノードと対向する面には、図４のように一対の燃料ガス用マニホールド孔６を連絡する燃料ガスの流路６ａを有する。
【００１８】
なお、電子良導体部位１０ａおよび樹脂部位１０ｂの接合形状は、図５に示すような板厚方向に垂直な面どうしの突き当て形状による接合以外に、図６〜８に示すように、電子良導体部位の凸形状と、樹脂部位の凹形状との噛み合わせによる接合、樹脂部位周辺に部分的に穴が開いた形状による接合、または樹脂部位からみてアンダーカット状態による接合としても構わない。
【００１９】
《参考の形態２》
図９〜１２に冷却部を有する複合セパレータ板を構成するカソード側セパレータ板２０およびアノード側セパレータ板３０をそれぞれ示す。
【００２０】
カソード側セパレータ板２０は、カソードと対向する部分が電子良導体部位２０ａで構成され、その周りが樹脂部位２０ｂで構成されている。
電子良導体部位２０ａのカソードと対向する面には、図９のように一対の酸化剤ガス用マニホールド孔５を連絡する酸化剤ガスの流路５ａを有し、その背面の電子良導体部位２０ａには、図１０のように一対の冷却水用マニホールド孔７を連絡する冷却水の流路７ａを有する。
【００２１】
一方、アノード側セパレータ板３０は、アノードと対向する部分が電子良導体部位３０ａで構成され、その周りが樹脂部位３０ｂで構成されている。
電子良導体部位３０ａのアノードと対向する面には、図１１のように一対の燃料ガス用マニホールド孔６を連絡する燃料ガスの流路６ａを有し、その背面の電子良導体部位３０ａには、図１２のように一対の冷却水用マニホールド孔７を連絡する冷却水の流路７ａを有する。
【００２２】
上記カソード側セパレータ板２０およびアノード側セパレータ板３０の冷却水の流路を有する面を向き合わせて接合することにより、冷却水の流路７ａが重なり、一つの冷却水の流路を形成し、セパレータ板内部に冷却部を設けた構成となる。
【００２３】
参考の形態１および２のように導電性を必要とするアノードまたはカソードと対向する部分に電子良導体部位を設け、導電性を必要としない部位に樹脂部位を設けることにより、優れた成形性かつ導電性が得られる。
【００２４】
《参考の形態３》
図１６および１７に酸化剤ガス用マニホールド孔、燃料ガス用マニホールド孔、および冷却水用マニホールド孔を囲むリブと、その背面にリブに対応する凹部とを設けた、アノード側セパレータ板およびカソード側セパレータ板を兼ねたセパレータ板を示す。また、図１８に図１６のＡ−Ａ'断面図を示す。
【００２５】
セパレータ板４０は、アノードまたはカソードと対向する電子良導体部位４０ａおよびその周りを囲む樹脂部位４０ｂからなる。樹脂部位４０ｂのカソード側における酸化剤ガス用マニホールド孔５、燃料ガス用マニホールド孔６、および冷却水用マニホールド孔７の周囲には、それぞれリブ５ｂ、６ｂおよび７ｂが設けられている。また、その背面の樹脂部位の４０ｂのアノード側における酸化剤ガス用マニホールド孔５、燃料ガス用マニホールド孔６、および冷却水用マニホールド孔７の周囲には、それぞれリブに対応する凹部５ｃ、６ｃおよび７ｃが設けられている。
【００２６】
樹脂部位は、気密弾性体であり、ガスケットの役割も兼ねることができるため、電子良導体部位４０ａが、樹脂部位４０ｂよりも一段低い構成となっている。
上記構成のセパレータ板を用いることにより、ガスケットが不要になる。また、樹脂部位でシール性が必要な箇所にリブまたは凹部を設け、隣接するセパレータ板における樹脂部位のリブまたは凹部と係合させることにより、セパレータ板のシール性を確保することができる。
【００２７】
《参考の形態４》
図２０に、樹脂部位における酸化剤ガスまたは燃料ガス用マニホールド孔へ連絡する酸化剤ガスまたは燃料ガスの流路の上方を板状部材で覆ったアノード側セパレータ板およびカソード側セパレータ板を兼ねたセパレータ板５０を示す。また、図２１にその板状部材を設けた付近の断面の一部を示す。
【００２８】
セパレータ板５０は、アノードまたはカソードと対向する電子良導体部位５０ａおよびその周りを囲む樹脂部位５０ｂからなる。樹脂部位５０ｂにおける酸化剤ガスの流路５ａの上方が板状部材５０ｃで覆われている。また、その背面では、アノード側の樹脂部位における燃料ガスの流路の上方が板状部材で覆われている（図示しない）。
このような構成とすることにより、セパレータ板と隣接するガスケットが、セパレータ板の樹脂部位における酸化剤ガスおよび燃料ガスの流路付近においても十分圧接されるため、シール性が向上する。
【００２９】
《実施の形態１》
図２４に、電子良導体部位と樹脂部位との間に樹脂からなる第三の部位を設けたアノード側セパレータ板およびカソード側セパレータ板を兼ねたセパレータ板６０を示す。
【００３０】
セパレータ板６０は、アノードまたはカソードと対向する電子良導体部位６０ａ、その周りを囲む樹脂部位６０ｂ、および電子良導体部位６０ａと樹脂部位６０ｂとの間に設けられた第三の部位６０ｃからなる。
【００３１】
電子良導体部位と樹脂部位との間に第三の部位を設けることにより、電子良導体部位と第三の部位、第三の部位と樹脂部位とのそれぞれの界面において樹脂が融着しあい、電子良導体部位と樹脂部位との接合性が良くなる。
【００３２】
なお、第三の部位６０ｃを介した電子良導体部位６０ａと樹脂部位６０ｂの接合形状は、図２５に示すような板厚方向に垂直な面どうしの突き当て形状による接合以外に、図２６〜２８に示すように、電子良導体部位の凸形状と、樹脂部位の凹形状との噛み合わせによる接合、樹脂部位周辺に部分的に穴が開いた形状による接合、または樹脂部位からみてアンダーカット状態による接合としても構わない。
【００３３】
【実施例】
以下、本発明の実施例を説明する。
《参考例１》
（ｉ）セパレータ板の作製
電子良導体部位用のコンパウンドおよび樹脂部位用のコンパウンドを、溶融混練可能な２本の射出ノズル１ａおよび１ｂを備えた図１および２に示す射出成形機２にそれぞれ投入し、電子良導体部位を成形後、樹脂部位を成形することにより電子良導体部位および樹脂部位からなる所定の形状のセパレータ板を作製した。電子良導体部位用コンパウンドには、黒鉛とＰＰ（ポリプロピレン）樹脂とを重量比７：３の割合で混合したものを用いた。樹脂部位用コンパウンドには、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）樹脂とガラスフィラーとを重量比１０：３の割合で混合したものを用いた。
【００３４】
このとき、金型ユニット４には、所定の位置に燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却水の流路を形成する金型とマニホールドを含むその他の部位を形成する金型を設置した。金型の材料としては、成形タクトおよび強度の面から炭素工具鋼（ＳＫ材）等を用いることが一般的である。しかし、本実施例で用いたセパレータ板は、熱伝導率が高いため、硬化速度が速く成形不良が発生する。そのため、金型には、熱伝導率の低い材料としてＳＵＳ６３０を用い、セパレータ板の成形性を確保した。
【００３５】
金型温度は１５０℃、射出ノズル温度は電子良導部位用コンパウンドに関しては２６０℃、樹脂部位用コンパウンドに関しては３５０℃とした。また、射出圧力は１６００ｋｇｆ／ｃｍ2、射出速度は、電子良導体部位用コンパウンドでは１００ｍｍ／ｓｅｃ、樹脂
部位用コンパウンドでは５０ｍｍ／ｓｅｃ、成形時間は２０秒とした。
上記の条件で参考の形態１のセパレータ板１０、参考の形態２のセパレータ板２０および３０と同様の３種類のセパレータ板を作製した。
上記セパレータ板の電子良導体部位における酸化剤ガス、燃料ガスおよび冷却水の流路は、幅１．５ｍｍ、深さ１．０ｍｍの溝をピッチ３ｍｍで設けた。電子良導体部位および樹脂部位の厚さは３ｍｍとした。また、電子良導体部位と樹脂部位の境界形状は、図５に示すように板厚方向に垂直な面どうしの突き当て形状とした。
【００３６】
（ii）ＭＥＡの作製
アセチレンブラック系のカーボン粉末に、平均粒径約３０Åの白金粒子を重量比４：１の割合で担持させ、電極用の触媒粉末を得た。この触媒粉末をイソプロパノール中に分散させたものと、パーフルオロカーボンスルホン酸の粉末をエチルアルコール中に分散させたものとを混合し、電極用ペーストを得た。スクリーン印刷法により、この電極用ペーストを原料として、厚さ２５０μｍのカーボン不織布の一方の面に電極触媒層を形成し、電極を得た。このとき、触媒層形成後の電極触媒層中に含まれる白金量は０．５ｍｇ／ｃｍ2、パーフルオロカーボンスルホン酸の量は１．２ｍｇ／ｃｍ2となるように調整した。
【００３７】
これらの電極は、正極および負極共に同一構成とした。印刷した電極触媒層を内側にして、上記で得られた一対の電極および電極を囲むガスケットで水素イオン伝導性高分子電解質膜を挟み、ホットプレスすることにより、電解質膜・電極接合体（ＭＥＡ）を作製した。水素イオン伝導性高分子電解質膜には、パーフルオロカーボンスルホン酸を２５μｍの厚さに薄膜化したものを用いた。
【００３８】
（iii）積層電池の作製
次に、図１３に示すように、これら３種類のセパレータ板１０、２０および３０で、水素イオン伝導性高分子電解質膜１１、ならびに前記電解質膜１１を挟むカソード１２、アノード１３およびガスケット１４からなるＭＥＡを挟むことにより、複数個の単電池を直列に接続した。このとき、セパレータ板２０および３０の冷却水の流路７ａを有する面を向き合わせて接合することにより、冷却水の流路７ａが重なり、一つの冷却水の流路を形成し、セパレータ板内部に冷却部を設けた。すなわち、ＭＥＡ間にセパレータ板１０と、冷却部を構成するセパレータ板２０および３０とを交互に配することにより、単電池を２セル積層する毎に冷却部を設ける構成とした。
【００３９】
以上示した単電池を５０セル積層した後、この積層体の両端に集電板と絶縁板とを介してステンレス鋼製の端板を配し、締結ロッドにより１０ｋｇｆ／ｃｍ2の圧力で積層体を締結することにより積層電池を作製した。この積層電池を電池Ａとした。
なお、締結圧力は小さすぎると燃料ガスや酸化剤ガスが外部へリークし、接触抵抗も大きいので電池性能が低くなり、逆に締結圧力が大きすぎると電極が破損したり、セパレータ板が変形したりするため、ガス流通溝の設計に応じて締結圧力を変えることが重要である。
【００４０】
このように作製した電池Ａについてリークチェックを行った。リークチェックは、一対のマニホールド孔のうち出口側のマニホールド孔を締め切り、入口側のマニホールド孔からＨｅガスを０．５ｋｇｆ／ｃｍ2の圧力で流入させ、その時の流入ガス流量で評価した。空気側、燃料ガス側、冷却水側共にガスリークはなく、積層電池としての流体シール性に問題のないことを確認した。また、組立時にマニホールド孔に生じる樹脂のウエルド部にも問題の発生はなかった。
【００４１】
《比較例》
気密等方性黒鉛板を切削加工することにより、参考例１と同形状の３種類のセパレータ板をそれぞれ作製した。これらのセパレータ板を用いた以外は、参考例１と同様の方法により従来の積層電池を作製した。この電池を電池Ｂとした。
【００４２】
上記で作製した参考例１の電池Ａおよび比較例の電池Ｂを、それぞれ８５℃に保持し、一方の電極側に８３℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガスを、もう一方の電極側に７８℃の露点となるように加湿・加温した空気を供給した。その結果、どちらの電池も電流を外部に出力しない無負荷時には、５０Ｖの電池開放電圧を得た。
また、燃料利用率８０％、酸素利用率４０％、電流密度０．５Ａ／ｃｍ2の条件で、これらの電池の出力特性を評価した。その結果、図１４に示すように、参考例１の電池Ａは、比較例の電池Ｂと同等の性能を有することが確認された。
【００４３】
樹脂部位に電子良導体部位と同じコンパウンドを使用してセパレータ板を作製した場合、金型内への材料充填が不完全となり、所定の形状のセパレータ板を作製することが出来なかった。また、材料充填が可能なレベルまで電子良導体部位用コンパウンドのＰＰＳ比率を上げた材料を使用してセパレータ板を作製した場合、セパレータ板の電気抵抗が３００〜５００ｍΩ・ｃｍと高く、電池性能は低下した。
【００４４】
《参考例２》
電子良導体部位用のコンパウンドとして、黒鉛とＰＰＳとを重量比７：３の割合で混合したものを用い、射出成形時の電子良導体部位用のコンパウンドの射出ノズル温度を３５０℃とした以外は、参考例１と同様の方法により３種類のセパレータ板１０、２０および３０を作製した。そして、上記で得られた３種類のセパレータ板を用いた以外は、参考例１と同様の方法により積層電池を作製した。この電池を電池Ｃとした。
【００４５】
このようにして作製した参考例２の電池Ｃについて参考例１と同様の方法によりリークチェックを行った。空気側、燃料ガス側、冷却水側共にガスリークはなく、積層電池としての流体シール性に問題のないことを確認した。流入したＨｅガスの圧力が、参考例１の電池Ａでは、３ｋｇｆ／ｃｍ2であったのに対し、参考例２の電池Ｃでは、５ｋｇｆ／ｃｍ2でありセパレータ板のシール性が向上していることが確認された。
リークチェックを行ったサンプルを観察した結果、電子良導体部位と樹脂部位との界面における接合性が参考例１に比べて参考例２のセパレータ板の方が優れていることが確認された。また、組立時にマニホールド孔に生じる樹脂のウエルド部にも問題の発生はなかった。
【００４６】
このように作製した参考例２の電池Ｃに参考例１と同様の条件で反応ガスを供給した。その結果、電流を外部に出力しない無負荷時には、５０Ｖの電池開放電圧を得た。
また、参考例１と同様の条件で電池Ｃの出力特性を評価した。この評価結果を比較例の電池Ｂとともに図１５に示す。参考例２の電池Ｃは、比較例の電池Ｂと同等の性能を有することが確認された。
【００４７】
《参考例３》
（ｉ）セパレータ板の作製
電子良導体部位用のコンパウンドおよび樹脂部位用のコンパウンドを、参考例１と同様の方法により図１および２の射出成形機２にそれぞれ投入し、電子良導体部位および樹脂部位からなる所定の形状のセパレータ板を作製した。電子良導体部位用コンパウンドには、黒鉛とＰＰＳ樹脂とを重量比７：３の割合で混合したものを用いた。樹脂部位用コンパウンドには、スチレンを含むゴム状の気密弾性体の樹脂とガラスフィラーとを重量比１０：３の割合で混合したものを用いた。
【００４８】
このとき、金型ユニット４には、所定の位置に燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却水の流路を形成する金型とマニホールド孔を含むその他の部位を形成する金型とを設置した。
金型温度は１５０℃、射出ノズル温度は電子良導部位用コンパウンドに関しては３５０℃、樹脂部位用コンパウンドに関しては２５０℃とした。また、射出圧力は１６００ｋｇｆ／ｃｍ2、射出速度は、電子良導体部位用コンパウンドでは１００ｍｍ／ｓｅｃ、樹脂部位用コンパウンドでは３０ｍｍ／ｓｅｃ、成形時間は２０秒とした。
【００４９】
上記の条件で射出成形し、図１６および１７に示す参考の形態３と同様の構造を有する樹脂部位のマニホールド孔を囲むリブと、その背面にリブに対応する凹部とを設けたセパレータ板４０を作製した。
また、セパレータ板４０と組み合わせて用いる冷却部を有する複合セパレータ板を構成するカソード側セパレータ板およびアノード側セパレータ板も作製した。
【００５０】
カソード側セパレータ板のカソード側は、参考の形態３のセパレータ板４０のカソード側と同様の構成とした。また、カソード側セパレータ板の冷却部側は、参考の形態２のカソード側セパレータ板２０の冷却部側の酸化剤ガス用マニホールド孔５、燃料ガス用マニホールド孔６および冷却水用マニホールド孔７の周囲に凹部を設けた構成とした。
【００５１】
アノード側セパレータ板のアノード側は、参考の形態３のセパレータ板４０のアノード側と同様の構成とした。また、アノード側セパレータ板の冷却部側は、参考の形態２のアノード側セパレータ板３０の冷却部側の酸化剤ガス用マニホールド孔５、燃料ガス用マニホールド孔６および冷却水用マニホールド孔７の周囲にリブを設けた構成とした。
【００５２】
（ii）積層電池の作製
ガスケットを用いずに参考例１と同様のカソード、アノードおよび水素イオン伝導性高分子電解質膜で構成されたＭＥＡと、上記で得られた３種類のセパレータ板とを用いて参考例１と同様の方法で複数個の単電池を直列に接続した。このとき、カソード側セパレータ板およびアノード側セパレータ板の冷却水の流路を有する面を向き合わせて接合することにより、冷却水の流路が重なり、一つの冷却水の流路を形成し、セパレータ板内部に冷却部を設けた。すなわち、ＭＥＡ間にセパレータ板４０と、冷却部を構成するカソード側セパレータ板およびアノード側セパレータ板とを交互に配することにより、単電池を２セル積層する毎に冷却部を設ける構成とした。
【００５３】
各セパレータ板の樹脂部位に、スチレンを含むゴム状の気密弾性体が用いられ、樹脂部位がガスケットの役割を兼ねることができるため、ガスケットを使用する必要がなかった。
上記のような単電池を５０セル積層した後、参考例１と同様の方法により積層電池を作製した。この電池を電池Ｄとした。
【００５４】
このようにして作製した電池Ｄについて参考例１と同様の方法によりリークチェックを行った。空気側、燃料ガス側、冷却水側共にガスリークはなく、積層電池としての流体シール性に問題のないことを確認した。また、樹脂部位に用いた気密弾性体の樹脂が、従来用いられていたガスケットと同様の効果を有することを確認した。また、組立時にマニホールド孔に生じる樹脂のウエルド部にも問題の発生はなかった。
【００５５】
このように作製した参考例３の電池Ｄに、参考例１と同様の条件で反応ガスを供給した。その結果、電流を外部に出力しない無負荷時には、５０Ｖの電池開放電圧を得た。
また、参考例１と同様の条件で、電池Ｄの出力特性を評価した。この評価結果を比較例の電池Ｂとともに図１９に示す。参考例３の電池Ｄは、比較例の電池Ｂと同等の性能を有することが確認された。
【００５６】
《参考例４》
電子良導体部位用のコンパウンドおよび樹脂部位用のコンパウンドを、参考例１と同様の方法により、図１および２の射出成形機２にそれぞれ投入し、所定の形状のセパレータ板を作製した。電子良導体部位用コンパウンドには、黒鉛とＰＰＳ樹脂とを重量比７：３の割合で混合したものを用いた。樹脂部位用コンパウンドには、ＰＰＳ樹脂とガラスフィラーとを重量比１０：３の割合で混合したものを用いた。
【００５７】
このとき、金型には燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却水の流路を形成する金型とマニホールド孔を含むその他の部位を形成する金型を用いた。金型の材料としては、成形タクトおよび強度の面から炭素工具鋼（ＳＫ材）等を用いることが一般的である。しかし、本実施例で用いたセパレータ板は、熱伝導率が高いため、硬化速度が速く成形不良が発生する。そのため、金型には、熱伝導率の低い材料としてＳＵＳ６３０を用い、セパレータ板の成形性を確保した。
【００５８】
金型温度は１５０℃、射出ノズル温度は電子良導部位用コンパウンドおよび樹脂部位用コンパウンドともに３５０℃とした。また、射出圧力は１６００ｋｇｆ／ｃｍ2、射出速度は、電子良導体部位用コンパウンドでは１００ｍｍ／ｓｅｃ、樹脂部位用コンパウンドでは５０ｍｍ／ｓｅｃ、成形時間は２０秒とした。
また、射出成形は、樹脂部位に形成される一対のマニホールド孔を連絡する流路の上方に、予めＳＵＳ３１６の板状部材を配してから行った。板状部材の材料としては、ＳＵＳ３１６以外に、例えば、ＳＵＳ３０４Ｌ、ＳＵＳ３１６Ｌ等の耐食性ステンレス鋼、チタン等の耐食性金属、樹脂を用いてもよい。
【００５９】
上記の条件で射出成形し、図２０に示す参考の形態４と同様の構造を有するアノード側セパレータ板およびカソード側セパレータ板を兼ねたセパレータ板５０を作製した。
また、セパレータ板５０と組み合わせて用いる冷却部を有する複合セパレータ板を構成するカソード側セパレータ板およびアノード側セパレータ板も作製した。
【００６０】
カソード側セパレータ板は、参考の形態２のカソード側セパレータ板２０におけるカソード側の構造を参考の形態４のセパレータ板５０のカソード側の構造とした。
アノード側セパレータ板は、参考の形態２のアノード側セパレータ板３０におけるアノード側の構造を参考の形態４のセパレータ板５０のアノード側の構造とした。
【００６１】
上記で得られた３種類のセパレータ板を用いた以外は、参考例１と同様の方法により積層電池を作製した。この電池を電池Ｅとした。
このようにして作製した電池Ｅについてリークチェックを行った。リークチェックは、流路の出口側マニホールド孔を締め切り、入口側マニホールド孔からＨｅガスを７ｋｇｆ／ｃｍ2の圧力で流入させ、そのときの流入ガス流量で評価した。空気側、燃料ガス側、冷却水側共にガスリークはなく、積層電池としての流体シール性に問題のないことを確認した。
【００６２】
比較として参考例２の電池Ｃについても同様にリークチェックを行ったところ、流入したＨｅガスの圧力が、参考例２の電池Ｃでは、５ｋｇｆ／ｃｍ2までであったのに対し、参考例３の電池Ｅでは、７ｋｇｆ／ｃｍ2であり、セパレータ板のシール性が向上していることが確認された。これは、セパレータ板に形成された一対のマニホールド孔を連絡する流路のうち、ガスケットに対向する樹脂部位に形成された部分を板状部材で覆うことにより、ガスケットがセパレータ板に十分圧接されるため、シール性が向上したことによる。また、組立時にマニホールド孔に生じる樹脂のウエルド部にも問題の発生はなかった。
【００６３】
このように作製した参考例４の電池Ｅに、参考例１と同様の条件で反応ガスを供給した。その結果、電流を外部に出力しない無負荷時には、５０Ｖの電池開放電圧を得た。
また、参考例１と同様の条件で、電池Ｅの出力特性を評価した。この評価結果を比較例の電池Ｂとともに図２２に示す。参考例４の電池Ｅは、比較例の電池Ｂと同等の性能を有することが確認された。
【００６４】
《実施例１》
電子良導体部位用のコンパウンド、樹脂部位用のコンパウンド、および第三の部位用のコンパウンドを、溶融混練可能な３本の射出ノズル１ａ、１ｂおよび１ｃを備えた図２３に示す構成の射出成形機３にそれぞれ投入し、多色射出成形により所定の形状のセパレータ板を作製した。電子良導体部位用コンパウンドには、黒鉛とＰＰＳ樹脂とを重量比７：３の割合で混合したものを用いた。樹脂部位用コンパウンドには、ポリアミド樹脂とガラスフィラーとを重量比１０：３の割合で混合したものを用いた。さらに、第三の部位用のコンパウンドには、ＰＰＳ樹脂とポリアミド樹脂とを重量比１：１の割合で混合したものを用いた。
【００６５】
このとき、金型ユニット４には酸化剤ガス、燃料ガスおよび冷却水用の流路を形成する金型とマニホールドを含むその他の部位を形成する金型を用いた。金型の材料としては、成形タクトおよび強度の面から炭素工具鋼（ＳＫ材）等を用いることが一般的である。しかし、本実施例で用いたセパレータ板は、熱伝導率が高いため、硬化速度が速く成形不良が発生する。そのため、金型には、熱伝導率の低い材料としてＳＵＳ６３０を用い、セパレータ板の成形性を確保した。
【００６６】
金型温度は１５０℃、射出ノズル温度は電子良導部位用コンパウンドおよび第三の部位用コンパウンドに関しては３５０℃、樹脂部位用コンパウンドに関しては２８０℃とした。また、射出圧力は１６００ｋｇｆ／ｃｍ2、射出速度は、電子良導体部位用コンパウンドでは１００ｍｍ／ｓｅｃ、樹脂部位用コンパウンドおよび第三の部位用コンパウンドでは５０ｍｍ／ｓｅｃ、成形時間は３０秒とした。
【００６７】
上記の条件で射出成形することによりセパレータ板１０、２０および３０の電子良導体部位と樹脂部位の間にそれぞれ第三の部位を設けた所定の３種類のセパレータ板を作製した。各セパレータ板における電子良導体部位、樹脂部位、第三の部位の厚さは、それぞれ３ｍｍとした。なお、セパレータ板１０に第三の部位を設けた構造は、図２４に示す実施の形態１のセパレータ板６０と同様の構造である。
なお、本実施例では、第三の部位を介した電子良導体と樹脂部位の境界形状は、図２５に示すように板厚方向に垂直な面どうしの突き当て形状とした。
【００６８】
つぎに、上記で得られた第三の部位を備えた３種類のセパレータ板を用いた以外は、参考例１と同様の方法により、積層電池を作製した。この電池を電池Ｆとした。
実施例１の電池Ｆについてリークチェックを行った。リークチェックは、流路の出口側マニホールド孔を締め切り、入口側マニホールド孔からＨｅガスを７ｋｇｆ／ｃｍ2の圧力で流入させ、そのときの流入ガス流量で評価した。空気側、燃料ガス側、冷却水側共にガスリークはなく、積層電池としての流体シール性に問題のないことを確認した。
【００６９】
比較として参考例２の電池Ｃについてもリークチェックを行ったところ、流入したＨｅガスの圧力は、参考例２の電池Ｃでは、５ｋｇｆ／ｃｍ2までであったのに対し、実施例１の電池Ｆでは、７ｋｇｆ／ｃｍ2であり、セパレータ板のシール性が向上していることが確認された。
【００７０】
さらに、入口側マニホールド孔からＨｅガスを５ｋｇｆ／ｃｍ2の圧力で流入させて、
上記と同様にリークチェックを行った。比較として参考例１の電池Ａについてもリークチェックを行ったところ、流入したＨｅガスの圧力は、参考例１の電池Ａでは、３ｋｇｆ／ｃｍ2までであったのに対し、実施例１の電池Ｆでは、７ｋｇｆ／ｃｍ2でありセパレータ板のシール性が向上していることが確認された。
【００７１】
リークチェックを行った実施例１のセパレータ板を観察した結果、電子良導体部位と第三の部位との界面および第三の部位と樹脂部位との界面がそれぞれ融着しており、界面の接合性については実施例１のセパレータ板の方が優れていることが確認された。また、組み立て時にマニホールド孔に生じる樹脂のウエルド部にも問題の発生はなかった。
【００７２】
このように作製した実施例１の電池Ｆに参考例１と同様の条件で反応ガスを供給した。その結果、電流を外部に出力しない無負荷時には、５０Ｖの電池開放電圧を得た。
参考例１と同様の条件で、電池Ｆの出力特性を評価した。この評価結果を比較例の電池Ｂとともに図２９に示す。実施例１の電池Ｆは、比較例の電池Ｂと同等の性能を有することが確認された。
【００７３】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、セパレータ板の射出成形時に電子良導体部位と樹脂部位で使用するコンパウンドが異なるため、セパレータ板は優れた導電性と成形性を同時に得ることができる。また、このセパレータ板を用いることにより電池特性に優れた高分子電解質型燃料電池を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ２本の射出ノズルを備えた射出成形機の上面図である。
【図２】 ２本の射出ノズルを備えた射出成形機の正面図である。
【図３】 参考の形態１のセパレータ板の正面図である。
【図４】 参考の形態１のセパレータ板の背面図である。
【図５】 参考の形態１のセパレータ板の電子良導体部位と樹脂部位との境界付近の断面図である。
【図６】 参考の形態１の第２のセパレータ板の電子良導体部位と樹脂部位との境界付近の断面図である。
【図７】 参考の形態１の第３のセパレータ板の電子良導体部位と樹脂部位との境界付近の断面図である。
【図８】 参考の形態１の第４のセパレータ板の電子良導体部位と樹脂部位との境界付近の断面図である。
【図９】 参考の形態２のカソード側セパレータ板の正面図である。
【図１０】 参考の形態２のカソード側セパレータ板の背面図である。
【図１１】 参考の形態２のアノード側セパレータ板の正面図である。
【図１２】 参考の形態２のアノード側セパレータ板の背面図である。
【図１３】 参考例１および２の積層電池の構成を示した図である。
【図１４】 参考例１の電池Ａおよび比較例の電池Ｂの出力特性を示した図である。
【図１５】 参考例２の電池Ｃおよび比較例の電池Ｂの出力特性を示した図である。
【図１６】 参考の形態３のセパレータ板の正面図である。
【図１７】 参考の形態３のセパレータ板の背面図である。
【図１８】 図１６のＡ−Ａ'断面図である。
【図１９】 参考例３の電池Ｄおよび比較例の電池Ｂの出力特性を示した図である。
【図２０】 参考の形態４のセパレータ板の正面図である。
【図２１】図２０の板状部材を設けた付近の断面の一部を示す図である。
【図２２】 参考例４の電池Ｅおよび比較例の電池Ｂの出力特性を示した図である。
【図２３】 ３本の射出ノズルを備えた射出成形機の上面図である。
【図２４】 本発明の実施の形態１のセパレータ板の正面図である。
【図２５】 本発明の実施の形態１のセパレータ板の第三の部位付近の断面図である。
【図２６】 本発明の実施の形態１の第２のセパレータ板の第三の部位付近の断面図である。
【図２７】 本発明の実施の形態１の第３のセパレータ板の第三の部位付近の断面図である。
【図２８】 本発明の実施の形態１の第４のセパレータ板の第三の部位付近の断面図である。
【図２９】 本発明の実施例１の電池Ｆおよび比較例の電池Ｂの出力特性を示した図である。
【符号の説明】
１ａ 電子良導体部位用の射出ノズル
１ｂ 樹脂部位用の射出ノズル
１ｃ 第三の部位用の射出ノズル
２、３ 射出成形機
４ 金型ユニット
５ 酸化剤ガス用マニホールド孔
５ａ 酸化剤ガスの流路
６ 燃料ガス用マニホールド孔
６ａ 燃料ガスの流路
７ 冷却水用マニホールド孔
７ａ 冷却水の流路
５ｂ、６ｂ、７ｂ リブ
５ｃ、６ｃ、７ｃ 凹部
１０、４０、５０、６０ セパレータ板
１１ 水素イオン伝導性高分子電解質膜
１２ カソード
１３ アノード
１４ ガスケット
２０ カソード側セパレータ板
３０ アノード側セパレータ板
１０ａ、２０ａ、３０ａ、４０ａ、５０ａ、６０ａ 電子良導体部位
１０ｂ、２０ｂ、３０ｂ、４０ｂ、５０ｂ、６０ｂ 樹脂部位
５０ｃ 板状部材
６０ｃ 第三の部位
【発明の属する技術分野】
本発明は、ポータブル電源、電気自動車用電源、家庭内コージェネレーションシステム等に使用する高分子電解質型燃料電池に関する。さらに詳しくは、その電池を構成する導電性セパレータ板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高分子電解質膜を用いた燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと、空気などの酸素を含有する酸化剤ガスとを、電気化学的に反応させることにより、電力と熱とを同時に発生させる。この燃料電池は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜、および高分子電解質膜の両面に形成された一対の電極、すなわちアノードとカソードから構成される。前記電極は、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とし、高分子電解質膜の両面に形成される触媒層、および前記触媒層の外面に形成される、優れた通気性と電子導電性とを併せ持つガス拡散層からなる。
【０００３】
次に、供給する燃料ガスおよび酸化剤ガスが外にリークしたり、二種類のガスが互いに混合したりしないように、電極の周囲には、高分子電解質膜を挟んでガスシール材やガスケットが配置される。このガスシール材やガスケットは、電極および高分子電解質膜と一体化してあらかじめ組み立てられ、これを、ＭＥＡ（電解質膜・電極接合体）と呼ぶ。
【０００４】
ＭＥＡの外側には、これを機械的に固定するとともに、隣接したＭＥＡを互いに電気的に直列に接続し、電極面に反応ガスを供給し、生成ガスや余剰ガスを運び去るためのガス流路を有する導電性のセパレータ板が配置される。ガス流路は、セパレータ板と別に設けることもできるが、セパレータ板の表面に溝を設けてガス流路とする方式が一般的である。
【０００５】
この溝に反応ガスを供給するためは、反応ガスを供給する配管を、使用するセパレータ板の枚数に分岐し、その分岐先を直接セパレータ板上の溝につなぎ込む配管治具が必要となる。この治具をマニホールドと呼び、上記のような燃料ガスの供給配管から直接つなぎ込むタイプを外部マニホールドと呼ぶ。また、このマニホールドには、構造をより簡単にした内部マニホールドと呼ぶ形式のものがある。内部マニホールドとは、ガス流路を形成したセパレータ板に、貫通した孔を設け、ガス流路の出入り口をこの孔まで通し、この孔から直接反応ガスを供給するものである。
【０００６】
燃料電池は運転中に発熱するので、電池を良好な温度状態に維持するためには、冷却水等で冷却する必要がある。そこで通常、１〜３セル毎に冷却水用の流路を設ける。通常は、セパレータ板の背面に冷却水用の流路を設けて冷却部とする場合が多い。これらのＭＥＡとセパレータ板とを交互に重ねていき、１０〜２００セル積層した後、その積層体を集電板および絶縁板を介して端板で挟み、締結ボルトで両端から固定するのが一般的な積層電池の構造である。
【０００７】
このような高分子電解質型燃料電池のセパレータ板は、高い導電性および高い気密性、かつ電池反応に対して高い耐食性を有する必要がある。このため、従来のセパレータ板は、通常グラッシーカーボンや膨張黒鉛などの導電性を有するカーボン材料により構成され、ガス流路もその表面での切削や、膨張黒鉛の場合は、型による成形により作製していた。
また、最近では、低コスト化のため黒鉛と樹脂とを混合したものを型に入れ、圧縮成形により作製するものも使用されている。さらに、黒鉛および樹脂を混合したものを射出成形により作製する試みも行われている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
セパレータ板の作製方法としては、黒鉛および熱可塑性樹脂を混合して得られたコンパウンドを、射出成形機において溶融混練し、それを金型内に射出する射出成形による方法が提案されている。しかし、セパレータ板には高い電子導電性が必要とされるため、コンパウンド中に含まれる導電性フィラーの割合が高くなる。この場合、コンパウンドの熱伝導率が高くなり、且つ溶融時の流動性も低くなるため、成形性が極端に悪化し、充填不良やウエルド部の強度不足等の問題があった。また、セパレータ板の流路形状に対する制約や流路周辺部に配置されるマニホールド孔の強度低下や気密性の低下等により燃料電池の性能が低下してしまうという問題もあった。
【０００９】
本発明では、上記の従来の課題を解決するため、優れた導電性かつ成形性を有する高分子電解質型燃料電池用複合セパレータ板を提供することを目的とする。また、優れた導電性かつ成形性を有する高分子電解質型燃料電池用複合セパレータ板を用いることにより、電池特性に優れた高分子電解質型燃料電池を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明のポイントは、セパレータ板における電子導電性が必要な部位と不必要な部位にそれぞれ異なるコンパウンドを用いることにより、優れた成形性と電子導電性を同時に得ることができることを見出したことにある。
すなわち、本発明の高分子電解質型燃料電池用複合セパレータ板は、導電性カーボンを含む電子良導体部位と、前記電子良導体部位の周りを囲む樹脂部位とにより構成され、前記電子良導体部位の両面にそれぞれガスまたは冷却水を流通させる第一の溝ならびに第二の溝を有し、前記電子良導体部位と前記樹脂部位との間に、前記電子良導体部位に用いられた樹脂と前記樹脂部位に用いられた樹脂とを含む第三の部位を有する。
【００１１】
前記樹脂部位が、前記第一の溝に連通する第一のマニホールド孔および前記第二の溝に連通する第二のマニホールド孔を有することが好ましい。
前記電子良導体部位、前記樹脂部位、および前記第三の部位がそれぞれ射出成形により成形されていることが好ましい。
【００１２】
前記電子良導体部位が、無機導電性フィラーと樹脂との混合物により構成されていることが好ましい。
前記電子良導体部位および前記樹脂部位が、同じ主要分子構造を有する樹脂を含むことが好ましい。
前記樹脂部位の一方の主面には、前記第一のマニホールド孔及び前記第二のマニホールド孔を囲むリブが設けられているのが好ましい。
前記樹脂部位の他方の主面には、前記リブに対応する凹部が設けられているのが好ましい。
前記電子良導体部位と前記樹脂部位と前記第三の部位とが一体に成形されていることが好ましい。
前記樹脂部位は、フッ素樹脂、スチレン系熱可塑性エラストマー、オレフィン系熱可塑性エラストマー、ポリウレタン系熱可塑性エラストマー、塩化ビニル系熱可塑性エラストマー、ポリアミド系熱可塑性エラストマー、スチレン−ブタジエン系熱可塑性エラストマー、ニトリル系エラストマー、およびガラス強化したポリエステル系エラストマーからなる群より選択される少なくとも一種の樹脂を含んでいることが好ましい。
前記樹脂部位は、フッ素樹脂、スチレン系熱可塑性エラストマー、オレフィン系熱可塑性エラストマー、ポリウレタン系熱可塑性エラストマー、塩化ビニル系熱可塑性エラストマー、ポリアミド系熱可塑性エラストマー、スチレン−ブタジエン系熱可塑性エラストマー、ニトリル系エラストマー、又はガラス強化したポリエステル系エラストマーからなることが好ましい。
【００１３】
本発明の高分子電解質型燃料電池は、水素イオン伝導性高分子電解質膜と前記電解質膜を挟むアノードおよびカソードとを包含する複数の電解質膜・電極接合体、ならびに前記電解質膜・電極接合体と交互に積層された複数のセパレータ板を含む電池スタックを具備しており、前記セパレータ板が、本発明の高分子電解質型燃料電池用複合セパレータ板である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の高分子電解質型燃料電池用複合セパレータ板は、導電性カーボンを含む電子良導体部位と樹脂部位とにより構成される。
前記電子良導体部位に用いられる樹脂としては、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリプロピレン、メタクリル樹脂、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリイミド、ポリビニルアルコール、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルケトン、ポリエーテルイミド、フッ素樹脂、エステル樹脂、液晶ポリマー、芳香族ポリエステル、ポリアセタール、ポリフェニレンエーテル等が挙げられる。
【００１５】
前記樹脂部位に用いられる樹脂としては、ＰＰＳ樹脂、ポリエチレン、塩化ビニル樹脂、ポリスチレン、ＡＳ樹脂、ＡＢＳ樹脂、メタクリル酸メチル樹脂、ポリアミド樹脂、変性ポリフェニレンエーテル、超高分子量ポリエチレン、ポリメチルペンテン、シンジオタクチックポリスチレン、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、ポリフタルアミド、ポリシクロヘキシレンジメチレンテレフタレート、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリイミド、液晶ポリマー、フッ素樹脂、スチレン系熱可塑性エラストマー、オレフィン系熱可塑性エラストマー、ポリウレタン系熱可塑性エラストマー、塩化ビニル系熱可塑性エラストマー、ポリアミド系熱可塑性エラストマー、スチレン−ブタジエン系熱可塑性エラストマー、ニトリル系エラストマー、ガラス強化したポリエステル系エラストマー等が挙げられる。
【００１６】
前記電子良導体部位と樹脂部位との間に第三の部位を有することが好ましい。
第三の部位に用いられる材料としては、少なくとも電子良導体部位に用いられた樹脂と樹脂部位に用いられた樹脂とを混合したものを用いることが好ましい。特に、電子良導体部位および樹脂部位にそれぞれ上記で挙げられた樹脂を用い、第三の部位にそれらの樹脂を混合したものを用いることが好ましい。
以下に、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
【００１７】
《参考の形態１》
図３〜４にアノード側セパレータ板およびカソード側セパレータ板を兼ねたセパレータ板１０を示す。
セパレータ板１０は、アノードまたはカソードと対向する電子良導体部位１０ａおよびその周りを囲む樹脂部位１０ｂからなる。樹脂部位１０ｂには、それぞれ一対の酸化剤ガス用マニホールド孔５、燃料ガス用マニホールド孔６、および冷却水用マニホールド孔７を有する。電子良導体部位１０ａのカソードと対向する面には、図３のように一対の酸化剤ガス用マニホールド孔５を連絡する酸化剤ガスの流路５ａを有し、その背面のアノードと対向する面には、図４のように一対の燃料ガス用マニホールド孔６を連絡する燃料ガスの流路６ａを有する。
【００１８】
なお、電子良導体部位１０ａおよび樹脂部位１０ｂの接合形状は、図５に示すような板厚方向に垂直な面どうしの突き当て形状による接合以外に、図６〜８に示すように、電子良導体部位の凸形状と、樹脂部位の凹形状との噛み合わせによる接合、樹脂部位周辺に部分的に穴が開いた形状による接合、または樹脂部位からみてアンダーカット状態による接合としても構わない。
【００１９】
《参考の形態２》
図９〜１２に冷却部を有する複合セパレータ板を構成するカソード側セパレータ板２０およびアノード側セパレータ板３０をそれぞれ示す。
【００２０】
カソード側セパレータ板２０は、カソードと対向する部分が電子良導体部位２０ａで構成され、その周りが樹脂部位２０ｂで構成されている。
電子良導体部位２０ａのカソードと対向する面には、図９のように一対の酸化剤ガス用マニホールド孔５を連絡する酸化剤ガスの流路５ａを有し、その背面の電子良導体部位２０ａには、図１０のように一対の冷却水用マニホールド孔７を連絡する冷却水の流路７ａを有する。
【００２１】
一方、アノード側セパレータ板３０は、アノードと対向する部分が電子良導体部位３０ａで構成され、その周りが樹脂部位３０ｂで構成されている。
電子良導体部位３０ａのアノードと対向する面には、図１１のように一対の燃料ガス用マニホールド孔６を連絡する燃料ガスの流路６ａを有し、その背面の電子良導体部位３０ａには、図１２のように一対の冷却水用マニホールド孔７を連絡する冷却水の流路７ａを有する。
【００２２】
上記カソード側セパレータ板２０およびアノード側セパレータ板３０の冷却水の流路を有する面を向き合わせて接合することにより、冷却水の流路７ａが重なり、一つの冷却水の流路を形成し、セパレータ板内部に冷却部を設けた構成となる。
【００２３】
参考の形態１および２のように導電性を必要とするアノードまたはカソードと対向する部分に電子良導体部位を設け、導電性を必要としない部位に樹脂部位を設けることにより、優れた成形性かつ導電性が得られる。
【００２４】
《参考の形態３》
図１６および１７に酸化剤ガス用マニホールド孔、燃料ガス用マニホールド孔、および冷却水用マニホールド孔を囲むリブと、その背面にリブに対応する凹部とを設けた、アノード側セパレータ板およびカソード側セパレータ板を兼ねたセパレータ板を示す。また、図１８に図１６のＡ−Ａ'断面図を示す。
【００２５】
セパレータ板４０は、アノードまたはカソードと対向する電子良導体部位４０ａおよびその周りを囲む樹脂部位４０ｂからなる。樹脂部位４０ｂのカソード側における酸化剤ガス用マニホールド孔５、燃料ガス用マニホールド孔６、および冷却水用マニホールド孔７の周囲には、それぞれリブ５ｂ、６ｂおよび７ｂが設けられている。また、その背面の樹脂部位の４０ｂのアノード側における酸化剤ガス用マニホールド孔５、燃料ガス用マニホールド孔６、および冷却水用マニホールド孔７の周囲には、それぞれリブに対応する凹部５ｃ、６ｃおよび７ｃが設けられている。
【００２６】
樹脂部位は、気密弾性体であり、ガスケットの役割も兼ねることができるため、電子良導体部位４０ａが、樹脂部位４０ｂよりも一段低い構成となっている。
上記構成のセパレータ板を用いることにより、ガスケットが不要になる。また、樹脂部位でシール性が必要な箇所にリブまたは凹部を設け、隣接するセパレータ板における樹脂部位のリブまたは凹部と係合させることにより、セパレータ板のシール性を確保することができる。
【００２７】
《参考の形態４》
図２０に、樹脂部位における酸化剤ガスまたは燃料ガス用マニホールド孔へ連絡する酸化剤ガスまたは燃料ガスの流路の上方を板状部材で覆ったアノード側セパレータ板およびカソード側セパレータ板を兼ねたセパレータ板５０を示す。また、図２１にその板状部材を設けた付近の断面の一部を示す。
【００２８】
セパレータ板５０は、アノードまたはカソードと対向する電子良導体部位５０ａおよびその周りを囲む樹脂部位５０ｂからなる。樹脂部位５０ｂにおける酸化剤ガスの流路５ａの上方が板状部材５０ｃで覆われている。また、その背面では、アノード側の樹脂部位における燃料ガスの流路の上方が板状部材で覆われている（図示しない）。
このような構成とすることにより、セパレータ板と隣接するガスケットが、セパレータ板の樹脂部位における酸化剤ガスおよび燃料ガスの流路付近においても十分圧接されるため、シール性が向上する。
【００２９】
《実施の形態１》
図２４に、電子良導体部位と樹脂部位との間に樹脂からなる第三の部位を設けたアノード側セパレータ板およびカソード側セパレータ板を兼ねたセパレータ板６０を示す。
【００３０】
セパレータ板６０は、アノードまたはカソードと対向する電子良導体部位６０ａ、その周りを囲む樹脂部位６０ｂ、および電子良導体部位６０ａと樹脂部位６０ｂとの間に設けられた第三の部位６０ｃからなる。
【００３１】
電子良導体部位と樹脂部位との間に第三の部位を設けることにより、電子良導体部位と第三の部位、第三の部位と樹脂部位とのそれぞれの界面において樹脂が融着しあい、電子良導体部位と樹脂部位との接合性が良くなる。
【００３２】
なお、第三の部位６０ｃを介した電子良導体部位６０ａと樹脂部位６０ｂの接合形状は、図２５に示すような板厚方向に垂直な面どうしの突き当て形状による接合以外に、図２６〜２８に示すように、電子良導体部位の凸形状と、樹脂部位の凹形状との噛み合わせによる接合、樹脂部位周辺に部分的に穴が開いた形状による接合、または樹脂部位からみてアンダーカット状態による接合としても構わない。
【００３３】
【実施例】
以下、本発明の実施例を説明する。
《参考例１》
（ｉ）セパレータ板の作製
電子良導体部位用のコンパウンドおよび樹脂部位用のコンパウンドを、溶融混練可能な２本の射出ノズル１ａおよび１ｂを備えた図１および２に示す射出成形機２にそれぞれ投入し、電子良導体部位を成形後、樹脂部位を成形することにより電子良導体部位および樹脂部位からなる所定の形状のセパレータ板を作製した。電子良導体部位用コンパウンドには、黒鉛とＰＰ（ポリプロピレン）樹脂とを重量比７：３の割合で混合したものを用いた。樹脂部位用コンパウンドには、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）樹脂とガラスフィラーとを重量比１０：３の割合で混合したものを用いた。
【００３４】
このとき、金型ユニット４には、所定の位置に燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却水の流路を形成する金型とマニホールドを含むその他の部位を形成する金型を設置した。金型の材料としては、成形タクトおよび強度の面から炭素工具鋼（ＳＫ材）等を用いることが一般的である。しかし、本実施例で用いたセパレータ板は、熱伝導率が高いため、硬化速度が速く成形不良が発生する。そのため、金型には、熱伝導率の低い材料としてＳＵＳ６３０を用い、セパレータ板の成形性を確保した。
【００３５】
金型温度は１５０℃、射出ノズル温度は電子良導部位用コンパウンドに関しては２６０℃、樹脂部位用コンパウンドに関しては３５０℃とした。また、射出圧力は１６００ｋｇｆ／ｃｍ2、射出速度は、電子良導体部位用コンパウンドでは１００ｍｍ／ｓｅｃ、樹脂
部位用コンパウンドでは５０ｍｍ／ｓｅｃ、成形時間は２０秒とした。
上記の条件で参考の形態１のセパレータ板１０、参考の形態２のセパレータ板２０および３０と同様の３種類のセパレータ板を作製した。
上記セパレータ板の電子良導体部位における酸化剤ガス、燃料ガスおよび冷却水の流路は、幅１．５ｍｍ、深さ１．０ｍｍの溝をピッチ３ｍｍで設けた。電子良導体部位および樹脂部位の厚さは３ｍｍとした。また、電子良導体部位と樹脂部位の境界形状は、図５に示すように板厚方向に垂直な面どうしの突き当て形状とした。
【００３６】
（ii）ＭＥＡの作製
アセチレンブラック系のカーボン粉末に、平均粒径約３０Åの白金粒子を重量比４：１の割合で担持させ、電極用の触媒粉末を得た。この触媒粉末をイソプロパノール中に分散させたものと、パーフルオロカーボンスルホン酸の粉末をエチルアルコール中に分散させたものとを混合し、電極用ペーストを得た。スクリーン印刷法により、この電極用ペーストを原料として、厚さ２５０μｍのカーボン不織布の一方の面に電極触媒層を形成し、電極を得た。このとき、触媒層形成後の電極触媒層中に含まれる白金量は０．５ｍｇ／ｃｍ2、パーフルオロカーボンスルホン酸の量は１．２ｍｇ／ｃｍ2となるように調整した。
【００３７】
これらの電極は、正極および負極共に同一構成とした。印刷した電極触媒層を内側にして、上記で得られた一対の電極および電極を囲むガスケットで水素イオン伝導性高分子電解質膜を挟み、ホットプレスすることにより、電解質膜・電極接合体（ＭＥＡ）を作製した。水素イオン伝導性高分子電解質膜には、パーフルオロカーボンスルホン酸を２５μｍの厚さに薄膜化したものを用いた。
【００３８】
（iii）積層電池の作製
次に、図１３に示すように、これら３種類のセパレータ板１０、２０および３０で、水素イオン伝導性高分子電解質膜１１、ならびに前記電解質膜１１を挟むカソード１２、アノード１３およびガスケット１４からなるＭＥＡを挟むことにより、複数個の単電池を直列に接続した。このとき、セパレータ板２０および３０の冷却水の流路７ａを有する面を向き合わせて接合することにより、冷却水の流路７ａが重なり、一つの冷却水の流路を形成し、セパレータ板内部に冷却部を設けた。すなわち、ＭＥＡ間にセパレータ板１０と、冷却部を構成するセパレータ板２０および３０とを交互に配することにより、単電池を２セル積層する毎に冷却部を設ける構成とした。
【００３９】
以上示した単電池を５０セル積層した後、この積層体の両端に集電板と絶縁板とを介してステンレス鋼製の端板を配し、締結ロッドにより１０ｋｇｆ／ｃｍ2の圧力で積層体を締結することにより積層電池を作製した。この積層電池を電池Ａとした。
なお、締結圧力は小さすぎると燃料ガスや酸化剤ガスが外部へリークし、接触抵抗も大きいので電池性能が低くなり、逆に締結圧力が大きすぎると電極が破損したり、セパレータ板が変形したりするため、ガス流通溝の設計に応じて締結圧力を変えることが重要である。
【００４０】
このように作製した電池Ａについてリークチェックを行った。リークチェックは、一対のマニホールド孔のうち出口側のマニホールド孔を締め切り、入口側のマニホールド孔からＨｅガスを０．５ｋｇｆ／ｃｍ2の圧力で流入させ、その時の流入ガス流量で評価した。空気側、燃料ガス側、冷却水側共にガスリークはなく、積層電池としての流体シール性に問題のないことを確認した。また、組立時にマニホールド孔に生じる樹脂のウエルド部にも問題の発生はなかった。
【００４１】
《比較例》
気密等方性黒鉛板を切削加工することにより、参考例１と同形状の３種類のセパレータ板をそれぞれ作製した。これらのセパレータ板を用いた以外は、参考例１と同様の方法により従来の積層電池を作製した。この電池を電池Ｂとした。
【００４２】
上記で作製した参考例１の電池Ａおよび比較例の電池Ｂを、それぞれ８５℃に保持し、一方の電極側に８３℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガスを、もう一方の電極側に７８℃の露点となるように加湿・加温した空気を供給した。その結果、どちらの電池も電流を外部に出力しない無負荷時には、５０Ｖの電池開放電圧を得た。
また、燃料利用率８０％、酸素利用率４０％、電流密度０．５Ａ／ｃｍ2の条件で、これらの電池の出力特性を評価した。その結果、図１４に示すように、参考例１の電池Ａは、比較例の電池Ｂと同等の性能を有することが確認された。
【００４３】
樹脂部位に電子良導体部位と同じコンパウンドを使用してセパレータ板を作製した場合、金型内への材料充填が不完全となり、所定の形状のセパレータ板を作製することが出来なかった。また、材料充填が可能なレベルまで電子良導体部位用コンパウンドのＰＰＳ比率を上げた材料を使用してセパレータ板を作製した場合、セパレータ板の電気抵抗が３００〜５００ｍΩ・ｃｍと高く、電池性能は低下した。
【００４４】
《参考例２》
電子良導体部位用のコンパウンドとして、黒鉛とＰＰＳとを重量比７：３の割合で混合したものを用い、射出成形時の電子良導体部位用のコンパウンドの射出ノズル温度を３５０℃とした以外は、参考例１と同様の方法により３種類のセパレータ板１０、２０および３０を作製した。そして、上記で得られた３種類のセパレータ板を用いた以外は、参考例１と同様の方法により積層電池を作製した。この電池を電池Ｃとした。
【００４５】
このようにして作製した参考例２の電池Ｃについて参考例１と同様の方法によりリークチェックを行った。空気側、燃料ガス側、冷却水側共にガスリークはなく、積層電池としての流体シール性に問題のないことを確認した。流入したＨｅガスの圧力が、参考例１の電池Ａでは、３ｋｇｆ／ｃｍ2であったのに対し、参考例２の電池Ｃでは、５ｋｇｆ／ｃｍ2でありセパレータ板のシール性が向上していることが確認された。
リークチェックを行ったサンプルを観察した結果、電子良導体部位と樹脂部位との界面における接合性が参考例１に比べて参考例２のセパレータ板の方が優れていることが確認された。また、組立時にマニホールド孔に生じる樹脂のウエルド部にも問題の発生はなかった。
【００４６】
このように作製した参考例２の電池Ｃに参考例１と同様の条件で反応ガスを供給した。その結果、電流を外部に出力しない無負荷時には、５０Ｖの電池開放電圧を得た。
また、参考例１と同様の条件で電池Ｃの出力特性を評価した。この評価結果を比較例の電池Ｂとともに図１５に示す。参考例２の電池Ｃは、比較例の電池Ｂと同等の性能を有することが確認された。
【００４７】
《参考例３》
（ｉ）セパレータ板の作製
電子良導体部位用のコンパウンドおよび樹脂部位用のコンパウンドを、参考例１と同様の方法により図１および２の射出成形機２にそれぞれ投入し、電子良導体部位および樹脂部位からなる所定の形状のセパレータ板を作製した。電子良導体部位用コンパウンドには、黒鉛とＰＰＳ樹脂とを重量比７：３の割合で混合したものを用いた。樹脂部位用コンパウンドには、スチレンを含むゴム状の気密弾性体の樹脂とガラスフィラーとを重量比１０：３の割合で混合したものを用いた。
【００４８】
このとき、金型ユニット４には、所定の位置に燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却水の流路を形成する金型とマニホールド孔を含むその他の部位を形成する金型とを設置した。
金型温度は１５０℃、射出ノズル温度は電子良導部位用コンパウンドに関しては３５０℃、樹脂部位用コンパウンドに関しては２５０℃とした。また、射出圧力は１６００ｋｇｆ／ｃｍ2、射出速度は、電子良導体部位用コンパウンドでは１００ｍｍ／ｓｅｃ、樹脂部位用コンパウンドでは３０ｍｍ／ｓｅｃ、成形時間は２０秒とした。
【００４９】
上記の条件で射出成形し、図１６および１７に示す参考の形態３と同様の構造を有する樹脂部位のマニホールド孔を囲むリブと、その背面にリブに対応する凹部とを設けたセパレータ板４０を作製した。
また、セパレータ板４０と組み合わせて用いる冷却部を有する複合セパレータ板を構成するカソード側セパレータ板およびアノード側セパレータ板も作製した。
【００５０】
カソード側セパレータ板のカソード側は、参考の形態３のセパレータ板４０のカソード側と同様の構成とした。また、カソード側セパレータ板の冷却部側は、参考の形態２のカソード側セパレータ板２０の冷却部側の酸化剤ガス用マニホールド孔５、燃料ガス用マニホールド孔６および冷却水用マニホールド孔７の周囲に凹部を設けた構成とした。
【００５１】
アノード側セパレータ板のアノード側は、参考の形態３のセパレータ板４０のアノード側と同様の構成とした。また、アノード側セパレータ板の冷却部側は、参考の形態２のアノード側セパレータ板３０の冷却部側の酸化剤ガス用マニホールド孔５、燃料ガス用マニホールド孔６および冷却水用マニホールド孔７の周囲にリブを設けた構成とした。
【００５２】
（ii）積層電池の作製
ガスケットを用いずに参考例１と同様のカソード、アノードおよび水素イオン伝導性高分子電解質膜で構成されたＭＥＡと、上記で得られた３種類のセパレータ板とを用いて参考例１と同様の方法で複数個の単電池を直列に接続した。このとき、カソード側セパレータ板およびアノード側セパレータ板の冷却水の流路を有する面を向き合わせて接合することにより、冷却水の流路が重なり、一つの冷却水の流路を形成し、セパレータ板内部に冷却部を設けた。すなわち、ＭＥＡ間にセパレータ板４０と、冷却部を構成するカソード側セパレータ板およびアノード側セパレータ板とを交互に配することにより、単電池を２セル積層する毎に冷却部を設ける構成とした。
【００５３】
各セパレータ板の樹脂部位に、スチレンを含むゴム状の気密弾性体が用いられ、樹脂部位がガスケットの役割を兼ねることができるため、ガスケットを使用する必要がなかった。
上記のような単電池を５０セル積層した後、参考例１と同様の方法により積層電池を作製した。この電池を電池Ｄとした。
【００５４】
このようにして作製した電池Ｄについて参考例１と同様の方法によりリークチェックを行った。空気側、燃料ガス側、冷却水側共にガスリークはなく、積層電池としての流体シール性に問題のないことを確認した。また、樹脂部位に用いた気密弾性体の樹脂が、従来用いられていたガスケットと同様の効果を有することを確認した。また、組立時にマニホールド孔に生じる樹脂のウエルド部にも問題の発生はなかった。
【００５５】
このように作製した参考例３の電池Ｄに、参考例１と同様の条件で反応ガスを供給した。その結果、電流を外部に出力しない無負荷時には、５０Ｖの電池開放電圧を得た。
また、参考例１と同様の条件で、電池Ｄの出力特性を評価した。この評価結果を比較例の電池Ｂとともに図１９に示す。参考例３の電池Ｄは、比較例の電池Ｂと同等の性能を有することが確認された。
【００５６】
《参考例４》
電子良導体部位用のコンパウンドおよび樹脂部位用のコンパウンドを、参考例１と同様の方法により、図１および２の射出成形機２にそれぞれ投入し、所定の形状のセパレータ板を作製した。電子良導体部位用コンパウンドには、黒鉛とＰＰＳ樹脂とを重量比７：３の割合で混合したものを用いた。樹脂部位用コンパウンドには、ＰＰＳ樹脂とガラスフィラーとを重量比１０：３の割合で混合したものを用いた。
【００５７】
このとき、金型には燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却水の流路を形成する金型とマニホールド孔を含むその他の部位を形成する金型を用いた。金型の材料としては、成形タクトおよび強度の面から炭素工具鋼（ＳＫ材）等を用いることが一般的である。しかし、本実施例で用いたセパレータ板は、熱伝導率が高いため、硬化速度が速く成形不良が発生する。そのため、金型には、熱伝導率の低い材料としてＳＵＳ６３０を用い、セパレータ板の成形性を確保した。
【００５８】
金型温度は１５０℃、射出ノズル温度は電子良導部位用コンパウンドおよび樹脂部位用コンパウンドともに３５０℃とした。また、射出圧力は１６００ｋｇｆ／ｃｍ2、射出速度は、電子良導体部位用コンパウンドでは１００ｍｍ／ｓｅｃ、樹脂部位用コンパウンドでは５０ｍｍ／ｓｅｃ、成形時間は２０秒とした。
また、射出成形は、樹脂部位に形成される一対のマニホールド孔を連絡する流路の上方に、予めＳＵＳ３１６の板状部材を配してから行った。板状部材の材料としては、ＳＵＳ３１６以外に、例えば、ＳＵＳ３０４Ｌ、ＳＵＳ３１６Ｌ等の耐食性ステンレス鋼、チタン等の耐食性金属、樹脂を用いてもよい。
【００５９】
上記の条件で射出成形し、図２０に示す参考の形態４と同様の構造を有するアノード側セパレータ板およびカソード側セパレータ板を兼ねたセパレータ板５０を作製した。
また、セパレータ板５０と組み合わせて用いる冷却部を有する複合セパレータ板を構成するカソード側セパレータ板およびアノード側セパレータ板も作製した。
【００６０】
カソード側セパレータ板は、参考の形態２のカソード側セパレータ板２０におけるカソード側の構造を参考の形態４のセパレータ板５０のカソード側の構造とした。
アノード側セパレータ板は、参考の形態２のアノード側セパレータ板３０におけるアノード側の構造を参考の形態４のセパレータ板５０のアノード側の構造とした。
【００６１】
上記で得られた３種類のセパレータ板を用いた以外は、参考例１と同様の方法により積層電池を作製した。この電池を電池Ｅとした。
このようにして作製した電池Ｅについてリークチェックを行った。リークチェックは、流路の出口側マニホールド孔を締め切り、入口側マニホールド孔からＨｅガスを７ｋｇｆ／ｃｍ2の圧力で流入させ、そのときの流入ガス流量で評価した。空気側、燃料ガス側、冷却水側共にガスリークはなく、積層電池としての流体シール性に問題のないことを確認した。
【００６２】
比較として参考例２の電池Ｃについても同様にリークチェックを行ったところ、流入したＨｅガスの圧力が、参考例２の電池Ｃでは、５ｋｇｆ／ｃｍ2までであったのに対し、参考例３の電池Ｅでは、７ｋｇｆ／ｃｍ2であり、セパレータ板のシール性が向上していることが確認された。これは、セパレータ板に形成された一対のマニホールド孔を連絡する流路のうち、ガスケットに対向する樹脂部位に形成された部分を板状部材で覆うことにより、ガスケットがセパレータ板に十分圧接されるため、シール性が向上したことによる。また、組立時にマニホールド孔に生じる樹脂のウエルド部にも問題の発生はなかった。
【００６３】
このように作製した参考例４の電池Ｅに、参考例１と同様の条件で反応ガスを供給した。その結果、電流を外部に出力しない無負荷時には、５０Ｖの電池開放電圧を得た。
また、参考例１と同様の条件で、電池Ｅの出力特性を評価した。この評価結果を比較例の電池Ｂとともに図２２に示す。参考例４の電池Ｅは、比較例の電池Ｂと同等の性能を有することが確認された。
【００６４】
《実施例１》
電子良導体部位用のコンパウンド、樹脂部位用のコンパウンド、および第三の部位用のコンパウンドを、溶融混練可能な３本の射出ノズル１ａ、１ｂおよび１ｃを備えた図２３に示す構成の射出成形機３にそれぞれ投入し、多色射出成形により所定の形状のセパレータ板を作製した。電子良導体部位用コンパウンドには、黒鉛とＰＰＳ樹脂とを重量比７：３の割合で混合したものを用いた。樹脂部位用コンパウンドには、ポリアミド樹脂とガラスフィラーとを重量比１０：３の割合で混合したものを用いた。さらに、第三の部位用のコンパウンドには、ＰＰＳ樹脂とポリアミド樹脂とを重量比１：１の割合で混合したものを用いた。
【００６５】
このとき、金型ユニット４には酸化剤ガス、燃料ガスおよび冷却水用の流路を形成する金型とマニホールドを含むその他の部位を形成する金型を用いた。金型の材料としては、成形タクトおよび強度の面から炭素工具鋼（ＳＫ材）等を用いることが一般的である。しかし、本実施例で用いたセパレータ板は、熱伝導率が高いため、硬化速度が速く成形不良が発生する。そのため、金型には、熱伝導率の低い材料としてＳＵＳ６３０を用い、セパレータ板の成形性を確保した。
【００６６】
金型温度は１５０℃、射出ノズル温度は電子良導部位用コンパウンドおよび第三の部位用コンパウンドに関しては３５０℃、樹脂部位用コンパウンドに関しては２８０℃とした。また、射出圧力は１６００ｋｇｆ／ｃｍ2、射出速度は、電子良導体部位用コンパウンドでは１００ｍｍ／ｓｅｃ、樹脂部位用コンパウンドおよび第三の部位用コンパウンドでは５０ｍｍ／ｓｅｃ、成形時間は３０秒とした。
【００６７】
上記の条件で射出成形することによりセパレータ板１０、２０および３０の電子良導体部位と樹脂部位の間にそれぞれ第三の部位を設けた所定の３種類のセパレータ板を作製した。各セパレータ板における電子良導体部位、樹脂部位、第三の部位の厚さは、それぞれ３ｍｍとした。なお、セパレータ板１０に第三の部位を設けた構造は、図２４に示す実施の形態１のセパレータ板６０と同様の構造である。
なお、本実施例では、第三の部位を介した電子良導体と樹脂部位の境界形状は、図２５に示すように板厚方向に垂直な面どうしの突き当て形状とした。
【００６８】
つぎに、上記で得られた第三の部位を備えた３種類のセパレータ板を用いた以外は、参考例１と同様の方法により、積層電池を作製した。この電池を電池Ｆとした。
実施例１の電池Ｆについてリークチェックを行った。リークチェックは、流路の出口側マニホールド孔を締め切り、入口側マニホールド孔からＨｅガスを７ｋｇｆ／ｃｍ2の圧力で流入させ、そのときの流入ガス流量で評価した。空気側、燃料ガス側、冷却水側共にガスリークはなく、積層電池としての流体シール性に問題のないことを確認した。
【００６９】
比較として参考例２の電池Ｃについてもリークチェックを行ったところ、流入したＨｅガスの圧力は、参考例２の電池Ｃでは、５ｋｇｆ／ｃｍ2までであったのに対し、実施例１の電池Ｆでは、７ｋｇｆ／ｃｍ2であり、セパレータ板のシール性が向上していることが確認された。
【００７０】
さらに、入口側マニホールド孔からＨｅガスを５ｋｇｆ／ｃｍ2の圧力で流入させて、
上記と同様にリークチェックを行った。比較として参考例１の電池Ａについてもリークチェックを行ったところ、流入したＨｅガスの圧力は、参考例１の電池Ａでは、３ｋｇｆ／ｃｍ2までであったのに対し、実施例１の電池Ｆでは、７ｋｇｆ／ｃｍ2でありセパレータ板のシール性が向上していることが確認された。
【００７１】
リークチェックを行った実施例１のセパレータ板を観察した結果、電子良導体部位と第三の部位との界面および第三の部位と樹脂部位との界面がそれぞれ融着しており、界面の接合性については実施例１のセパレータ板の方が優れていることが確認された。また、組み立て時にマニホールド孔に生じる樹脂のウエルド部にも問題の発生はなかった。
【００７２】
このように作製した実施例１の電池Ｆに参考例１と同様の条件で反応ガスを供給した。その結果、電流を外部に出力しない無負荷時には、５０Ｖの電池開放電圧を得た。
参考例１と同様の条件で、電池Ｆの出力特性を評価した。この評価結果を比較例の電池Ｂとともに図２９に示す。実施例１の電池Ｆは、比較例の電池Ｂと同等の性能を有することが確認された。
【００７３】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、セパレータ板の射出成形時に電子良導体部位と樹脂部位で使用するコンパウンドが異なるため、セパレータ板は優れた導電性と成形性を同時に得ることができる。また、このセパレータ板を用いることにより電池特性に優れた高分子電解質型燃料電池を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ２本の射出ノズルを備えた射出成形機の上面図である。
【図２】 ２本の射出ノズルを備えた射出成形機の正面図である。
【図３】 参考の形態１のセパレータ板の正面図である。
【図４】 参考の形態１のセパレータ板の背面図である。
【図５】 参考の形態１のセパレータ板の電子良導体部位と樹脂部位との境界付近の断面図である。
【図６】 参考の形態１の第２のセパレータ板の電子良導体部位と樹脂部位との境界付近の断面図である。
【図７】 参考の形態１の第３のセパレータ板の電子良導体部位と樹脂部位との境界付近の断面図である。
【図８】 参考の形態１の第４のセパレータ板の電子良導体部位と樹脂部位との境界付近の断面図である。
【図９】 参考の形態２のカソード側セパレータ板の正面図である。
【図１０】 参考の形態２のカソード側セパレータ板の背面図である。
【図１１】 参考の形態２のアノード側セパレータ板の正面図である。
【図１２】 参考の形態２のアノード側セパレータ板の背面図である。
【図１３】 参考例１および２の積層電池の構成を示した図である。
【図１４】 参考例１の電池Ａおよび比較例の電池Ｂの出力特性を示した図である。
【図１５】 参考例２の電池Ｃおよび比較例の電池Ｂの出力特性を示した図である。
【図１６】 参考の形態３のセパレータ板の正面図である。
【図１７】 参考の形態３のセパレータ板の背面図である。
【図１８】 図１６のＡ−Ａ'断面図である。
【図１９】 参考例３の電池Ｄおよび比較例の電池Ｂの出力特性を示した図である。
【図２０】 参考の形態４のセパレータ板の正面図である。
【図２１】図２０の板状部材を設けた付近の断面の一部を示す図である。
【図２２】 参考例４の電池Ｅおよび比較例の電池Ｂの出力特性を示した図である。
【図２３】 ３本の射出ノズルを備えた射出成形機の上面図である。
【図２４】 本発明の実施の形態１のセパレータ板の正面図である。
【図２５】 本発明の実施の形態１のセパレータ板の第三の部位付近の断面図である。
【図２６】 本発明の実施の形態１の第２のセパレータ板の第三の部位付近の断面図である。
【図２７】 本発明の実施の形態１の第３のセパレータ板の第三の部位付近の断面図である。
【図２８】 本発明の実施の形態１の第４のセパレータ板の第三の部位付近の断面図である。
【図２９】 本発明の実施例１の電池Ｆおよび比較例の電池Ｂの出力特性を示した図である。
【符号の説明】
１ａ 電子良導体部位用の射出ノズル
１ｂ 樹脂部位用の射出ノズル
１ｃ 第三の部位用の射出ノズル
２、３ 射出成形機
４ 金型ユニット
５ 酸化剤ガス用マニホールド孔
５ａ 酸化剤ガスの流路
６ 燃料ガス用マニホールド孔
６ａ 燃料ガスの流路
７ 冷却水用マニホールド孔
７ａ 冷却水の流路
５ｂ、６ｂ、７ｂ リブ
５ｃ、６ｃ、７ｃ 凹部
１０、４０、５０、６０ セパレータ板
１１ 水素イオン伝導性高分子電解質膜
１２ カソード
１３ アノード
１４ ガスケット
２０ カソード側セパレータ板
３０ アノード側セパレータ板
１０ａ、２０ａ、３０ａ、４０ａ、５０ａ、６０ａ 電子良導体部位
１０ｂ、２０ｂ、３０ｂ、４０ｂ、５０ｂ、６０ｂ 樹脂部位
５０ｃ 板状部材
６０ｃ 第三の部位
Claims (12)
- 導電性カーボンを含む電子良導体部位と、前記電子良導体部位の周りを囲む樹脂部位とにより構成され、前記電子良導体部位の両面にそれぞれガスまたは冷却水を流通させる第一の溝ならびに第二の溝を有し、
前記電子良導体部位と前記樹脂部位との間に、前記電子良導体部位に用いられた樹脂と前記樹脂部位に用いられた樹脂とを含む第三の部位を有する高分子電解質型燃料電池用複合セパレータ板。 - 前記樹脂部位が、前記第一の溝に連通する第一のマニホールド孔および前記第二の溝に連通する第二のマニホールド孔を有する請求項１記載の高分子電解質型燃料電池用複合セパレータ板。
- 前記電子良導体部位、前記樹脂部位、および前記第三の部位がそれぞれ射出成形により成形されている請求項１記載の高分子電解質型燃料電池用複合セパレータ板。
- 前記電子良導体部位が、無機導電性フィラーと樹脂との混合物により構成されている請求項１記載の高分子電解質型燃料電池用複合セパレータ板。
- 前記樹脂部位が熱可塑性樹脂を含む請求項１記載の高分子電解質型燃料電池用複合セパレータ板。
- 前記電子良導体部位および前記樹脂部位が、同じ主要分子構造を有する樹脂を含む請求項１記載の高分子電解質型燃料電池用複合セパレータ板。
- 前記樹脂部位の一方の主面には、前記第一のマニホールド孔及び前記第二のマニホールド孔を囲むリブが設けられている請求項２記載の高分子電解質型燃料電池用複合セパレータ板。
- 前記樹脂部位の他方の主面には、前記リブに対応する凹部が設けられている請求項７記載の高分子電解質型燃料電池用複合セパレータ板。
- 前記電子良導体部位と前記樹脂部位と前記第三の部位が一体に成形されている請求項１記載の高分子電解質型燃料電池用複合セパレータ板。
- 前記樹脂部位は、フッ素樹脂、スチレン系熱可塑性エラストマー、オレフィン系熱可塑性エラストマー、ポリウレタン系熱可塑性エラストマー、塩化ビニル系熱可塑性エラストマー、ポリアミド系熱可塑性エラストマー、スチレン−ブタジエン系熱可塑性エラストマー、ニトリル系エラストマー、およびガラス強化したポリエステル系エラストマーからなる群より選択される少なくとも一種の樹脂を含んでいる請求項１記載の高分子電解質型燃料電池用複合セパレータ板。
- 前記樹脂部位は、フッ素樹脂、スチレン系熱可塑性エラストマー、オレフィン系熱可塑性エラストマー、ポリウレタン系熱可塑性エラストマー、塩化ビニル系熱可塑性エラストマー、ポリアミド系熱可塑性エラストマー、スチレン−ブタジエン系熱可塑性エラストマー、ニトリル系エラストマー、又はガラス強化したポリエステル系エラストマーからなる請求項１記載の高分子電解質型燃料電池用複合セパレータ板。
- 水素イオン伝導性高分子電解質膜と前記電解質膜を挟むアノードおよびカソードとを包含する複数の電解質膜・電極接合体、ならびに前記電解質膜・電極接合体と交互に積層された複数のセパレータ板を含む電池スタックを具備する高分子電解質型燃料電池であって、
前記セパレータ板が、請求項１記載の高分子電解質型燃料電池用複合セパレータ板である高分子電解質型燃料電池。
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