JP4439646B2 - 導電性セパレータ、高分子電解質型燃料電池および高分子電解質型燃料電池の製造方法 - 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、その製造方法およびその製造に用いる導電性セパレータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
高分子電解質型燃料電池は、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で、電力と熱とを同時に発生させるものである。高分子電解質型燃料電池は、一般にプロトン伝導性の高分子電解質膜、電極および導電性セパレータから構成されている。前記電極は、拡散層と触媒反応層とを合わせたものからなり、触媒反応層は、水素イオンを選択的に輸送する前記高分子電解質膜の両面に形成されている。また、触媒反応層は、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ている。そして、この触媒反応層の外面に、燃料ガスおよび酸化剤ガスの通気性と電子伝導性を併せもつ拡散層が形成されている。
【０００３】
高分子電解質膜を挟んだ一対の電極の周囲には、電池組立後に供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスが外部にリークしたり、２種類のガスが互いに混合したりしないように、高分子電解質膜を挟んでガスケットなどのシール部材が配される。なお、電池組立前に、高分子電解質膜とそれを挟んだ一対の電極とを予め一体化させたものは、電極電解質膜接合体（ＭＥＡ）と呼ばれる。
【０００４】
ＭＥＡの両面には、これを機械的に固定するとともに、隣接したＭＥＡ同士を互いに電気的に直列に接続するための導電性セパレータが配される。前記セパレータのＭＥＡと接触する部分には、電極面に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給し、生成ガスや余剰ガスを運び去るためのガス流路が形成されている。ガス流路はセパレータと別部品として設けることもできるが、セパレータの材料に応じて表面を切削したり、プレス加工するなどしてセパレータの表面に溝やリブを設けてガス流路とする方式が一般的である。
【０００５】
前記溝またはリブに燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するためには、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給配管を、使用するセパレータの枚数に応じて分岐させ、その分岐先をセパレータの溝またはリブと連通させる配管治具が必要となる。この治具を外部マニホルドと呼び、治具を構成する燃料ガスおよび酸化剤ガス等が流れる孔をマニホルド孔と呼ぶ。一方、より簡単な構造の内部マニホルド型と呼ばれるものもある。内部マニホルド型とは、ガス流路を有するセパレータおよびＭＥＡからなる積層体に積層方向の貫通孔を形成し、これをマニホルド孔として使用するものである。各板状部品に形成された孔の周囲には、リブを設けたり、Ｏ型リングを配するなどして必要なシールが施される。そして、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給配管を前記マニホルド孔と連通させ、この孔から直接燃料ガスおよび酸化剤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、冷却水等で冷却する必要がある。そのため、通常は、１〜３セル毎に冷却水を流す冷却部が、セパレータとセパレータとの間に設けられる。ただし、一般には、セパレータの背面に冷却水流路を設けて冷却部とする場合が多い。
【０００７】
ＭＥＡ、セパレータおよび必要であれば冷却部を交互に設け、１０〜２００セルを積層した後、これを集電板と絶縁板を介して端板で挟み、締結ボルトで両端から固定し、積層体を締め付けたものが一般的な燃料電池の構造である。
【０００８】
このような燃料電池に用いられるセパレータは、導電性が高く、ガス気密性が高く、かつ、水素と酸素との酸化還元反応に対する耐食性が高い必要がある。このような理由から、従来のセパレータは、通常グラッシーカーボンや膨張黒鉛などのカーボン材料で構成されている。また、ガス流路は、その表面を切削したり、膨張黒鉛を用いる場合は、型を用いて成形するなどして形成されている。
しかし、近年では、従来から使用されているカーボン材料の代わりに、ステンレス鋼などの金属板を用いることが試みられている。金属板を用いると、カーボン材料を用いる場合に比べて、コストが安く、厚さが薄いので燃料電池をコンパクト化でき、また、金属板は割れにくく、振動に強いという点で有利だからである。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
セパレータとして金属板を用いる場合、低コスト化等の観点から、プレスした金属板と弾性材料とを組み合わせることにより、ガス流路の確保とシール機能の両立を目指す方式が提案されている。しかし、弾性材料に充分なシール機能を付与しようとすると、ガス流路の出入口が積層体の締めつけによりつぶされ、ガスの分配性が悪化して電池性能が低下するという問題がある。
【００１０】
一方、ガス流路の確保を優先させると、弾性材料のシール機能が低下するため、積層体を締めつけた後、硬化性のシール用接着剤等でシール機能を補強する必要がある。しかし、この方法では、シール用接着剤の塗布前にガス流路の出入口をマスキングする必要があり、高分子電解質型燃料電池の組立工程を大幅に増加させるという問題がある。
【００１１】
本発明は、金属板と弾性材料とからなるハイブリッド型セパレータにおいて、シール機能とガス流路の確保とを両立させることを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、高分子電解質膜と前記高分子電解質膜を挟む一対の電極とからなる電極電解質膜接合体および前記電極にガスを供給し、生成ガスと余剰ガスを排出するためのガス流路を有する導電性セパレータを積層してなる高分子電解質型燃料電池用の導電性セパレータであって、ガスを導く溝またはリブを前記電極に接する面に有する金属板と、前記溝またはリブと協働して前記ガス流路および前記ガス流路の出入口を形成し、かつ、ガスが前記ガス流路から外部に漏れるのを防止するガスケットとして働くシール部材とからなり、前記金属板上の前記シール部材が、硬度が１０〜４０異なる少なくとも２種の弾性材料を含み、硬度の低い方の弾性材料が、３０〜６０の硬度を有し、前記シール部材において、前記金属板上の前記ガス流路の出入口を形成する部分が、最も硬度の高い弾性材料からなり、前記シール部材の前記金属板上における厚さが、０．３ｍｍ以上であることを特徴とする導電性セパレータに関する。
【００１３】
また、本発明は、前記シール部材が、前記金属板側面を覆って前記金属板から張り出した部分を形成しており、前記張り出した部分には、前記金属板上のガス流路の入口または出口の延長部となる溝または凹部が前記張り出した部分の端部手前まで形成されている導電性セパレータに関する。
【００１５】
また、本発明は、高分子電解質膜と前記高分子電解質膜を挟む一対の電極とからなる電極電解質膜接合体および前記導電性セパレータを交互に積層してなる高分子電解質型燃料電池に関する。
【００１６】
また、本発明は、（１）高分子電解質膜と前記高分子電解質膜を挟む一対の電極とからなる電極電解質膜接合体および前記導電性セパレータを交互に積層して積層体を得る工程、（２）得られた積層体の側面のうち、前記導電性セパレータの前記金属板から張り出した部分が露出している側面全体にシール用接着剤を塗布する工程、（３）前記シール用接着剤の硬化後、前記導電性セパレータの前記金属板から張り出した部分を、前記ガス流路の入口または出口の延長部の途中または前記金属板と張り出した部分との境界で切除する工程、および（４）張り出した部分の切除により生じた切断面のガス流路の入口または出口にマニホルドを連通させるようにマニホルドを設置する工程からなることを特徴とする高分子電解質型燃料電池の製造方法に関する。
【００１７】
また、とくには、前記シール部材において、前記金属板上の前記ガス流路の出入口を形成する部分および張り出した部分が、最も硬度の高い弾性材料からなることを特徴とする高分子電解質型燃料電池の製造方法に関する。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の高分子電解質型燃料電池用の導電性セパレータは、金属板とシール部材とからなる。前記金属板は、前記電極に接する面にガスを導く溝またはリブを有しており、前記シール部材は、前記金属板上に、前記溝またはリブと協働して前記電極にガスを供給し、生成ガスと余剰ガスを排出するためのガス流路および前記ガス流路の出入口を形成している。そして、前記シール部材は、ガスが前記ガス流路から外部に漏れるのを防止するガスケットとしても働く。なお、前記シール部材は、硬度の異なる弾性材料からなる複数の部分を有する。
【００１９】
前記シール部材は、シール機能を高める観点から、一般に、前記ガス流路の出入口を形成しつつ金属板の周縁部全体に設けられる。そして、前記ガス流路の出入口を形成しているシール部材により形成された通路が、マニホルドとセパレータとを連通するガス、さらには冷却水の入口または出口として機能する。なお、例えば金属板の相対する一対の縁部の一部をそれぞれ除いた周縁部全体に、前記シール部材を貼り付ければ、シール部材が設けられていない前記相対する一対の縁部の一部が、金属板上の前記周縁部内側と金属板面外とを連通する溝となり、最終的には、これが前記出入口となる。
【００２０】
前記金属板としては、ステンレス鋼、アルミニウム、炭素鋼などが好ましく、一般に厚さ０．１〜０．５ｍｍのものが用いられる。前記金属板に、ガスを導く溝またはリブを形成する方法としては、例えばプレス加工が簡便である。
【００２１】
前記金属板には、導電性材料がコーティングされていることが好ましい。また、前記導電性材料としては、酸化錫などの導電性酸化物、ＴｉＮ、Ｔｉ−Ａｌ−Ｎなどの導電性窒化物、ｎ型ＳｉＣなどの導電性炭化物などが好ましい。前記コーティングの厚さは、一般に１００Å（オングストローム）〜１μｍ程度である。
【００２２】
前記シール部材は、硬度の異なる複数の弾性材料からなることが必要である。具体的には、硬度差が１０〜４０、さらには２０〜４０、とくには３０〜４０となる少なくとも２種類の弾性材料からシール部材が形成されている。なお、硬度差が１０未満になると、シール機能の低下により不具合が生じるか、または硬度不足によりガス流路の出入口の確保が困難となり、４０を超えると、硬度の高い方の弾性材料が脆くなる傾向がある。また、硬度の高い方は、７０〜８０の硬度を有することが好ましい。低い方は、３０〜６０の硬度を有し、さらには３０〜４０の硬度を有することが好ましい。また、シール機能とガス流路の確保を両立させるという点から、前記金属板上の前記ガス流路の出入口を形成する部分のシール部材は、用いられている硬度の異なる複数の弾性材料のうち、最も硬度の高い弾性材料からなる。
【００２３】
なお、シール部材の硬度は、加硫ゴムおよび熱可塑性ゴムの硬さ試験方法（ＪＩＳ−Ｋ−６２５３）で求められる。
【００２４】
前記シール部材の前記金属板上における厚さは、シール機能とガス流路の確保を両立させるという点から、０．３ｍｍ以上である。シール部材が薄くなりすぎると、ガス流路の確保が困難になるからである。
【００２５】
前記シール部材は、工程の簡便性、大量生産に適している等の点から、射出成形によって前記金属板の所定の箇所に形成することが好ましい。また、前記シール部材を構成する弾性材料としては、射出成形後にある程度のゴム弾性を有するものを特に限定なく使用することができる。なかでも、シール部材のシール機能を高める観点から、耐水性の高いエラストマー材料が好ましい。以上の観点から、本発明に使用するのに適した射出成形用材料として、主成分としてスチレン-ブタジエンゴムなどのスチレン系エラストマー、フッ素ゴム、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、オレフィン系エラストマーなどを含む材料を挙げることができる。
【００２６】
前記セパレータのＭＥＡと積層して燃料電池を組み立てる前の形態としては、燃料電池の信頼性の向上、部品点数および電池組立工程の低減、量産時のコスト低減などの観点から、前記シール部材からなり、前記ガス流路の入口または出口に対応する金属板側面を覆って前記金属板から張り出した部分を有するものが好ましい。そして、前記張り出した部分には、前記金属板上の前記ガス流路の入口および出口の延長部となる溝または凹部が前記張り出した部分の端部手前まで形成されていることが好ましい。以下、このような形態のセパレータを、「ガス出入口が延長され、かつ、端部が閉じられたセパレータ」という。なお、ガス出入口が延長され、かつ、端部が閉じられたセパレータは、金型を用いて射出成形用材料を金属板の所定の場所に射出成形することで容易に得ることができる。
【００２７】
前記ガス出入口が延長され、かつ、端部が閉じられたセパレータと、ＭＥＡとを交互に積層すると、前記シール部材が張り出した部分が露出している積層体の側面は、密閉された状態となる。前記側面には、閉じた状態の前記ガス流路の入口および出口の延長部の端部が露出することになるからである。したがって、シール用接着剤を前記側面全体に塗布してシール機能を補強する必要がある場合、マスキングなどの手間が不要となる。そして、積層体に隙間（たとえばＭＥＡを構成しているガス拡散層の周縁部付近など）を生じている場合、前記シール用接着剤を隙間にだけ含浸させ、セパレータに形成されたガスの出入口に侵入するのを防ぐことができる。
【００２８】
前記シール部材の張り出した部分が露出している側面全体にシール用接着剤を塗布し、シール用接着剤を硬化させた後、前記張り出した部分を、前記ガス流路の入口および出口の延長部の途中または前記金属板と前記張り出した部分との境界で切除すると、各切断面には、セパレータのガス流路の入口および出口に連通する孔が露出する。その孔とマニホルド孔とを連通するようにマニホルドを設置すれば、シール機能とガス流路の確保をさらに確実なものとすることができる。
【００２９】
【実施例】
次に、本発明を実施例に基づいて、具体的に説明する。
《実施例１》
ＭＥＡの製造
アセチレンブラック系カーボン粉末に、平均粒径約３０Å（オングストローム）の白金粒子を２５重量％担持させたもの（以下、触媒粉末という。）から電極を形成した。具体的には、前記触媒粉末をイソプロパノールに分散させた分散液と、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に分散させた分散液とを混合し、ペースト状にした。次に、前記ペーストを厚さ２５０μｍのカーボン不織布の一方の面にスクリーン印刷して触媒反応層を形成し、電極とした。得られた電極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となるように調節した。電極は、正極、負極ともに同一の構成とした。なお、パーフルオロカーボンスルホン酸としては、デュポン（Ｄｕ Ｐｏｎｔ）社製のＮａｆｉｏｎ（商品名）を用いた。
【００３０】
次に、得られた電極一対を、電極より一回り大きい面積を有するプロトン伝導性高分子電解質膜に、前記カーボン不織布上の触媒反応層が前記高分子電解質膜の両面の中心部に接するように配した。そして、これをホットプレスして接合し、ＭＥＡとした。ここでは、プロトン伝導性高分子電解質膜として、前記パーフルオロカーボンスルホン酸（デュポン社製のＮａｆｉｏｎ）を厚さ２５μｍに製膜したものを用いた。
【００３１】
導電性セパレータの製造
図１に示すような長方形状で、厚さ０．３ｍｍのステンレス鋼（ＳＵＳ３１６）板１を用いた。その中央部１０ｃｍ×９ｃｍの領域に、約５．６ｍｍピッチ（溝幅約２．８ｍｍ）の波状加工部を、プレス加工によって形成した。なお、図１は、板状部品の積層後にステンレス鋼板１の相対する一対の側部側に外部マニホルド１５を取り付けた状態を想定した図である。すなわち、図１は、外部マニホルド１５が配された状態を、外部マニホルド１５のみをマニホルド孔４および４’の流路方向に対して垂直な断面図で表すことにより示してある。また、図２に、ステンレス鋼板１の溝またはリブと直交する切断面を示す。ステンレス鋼板１には、深さ約１ｍｍの溝２および高さ約１ｍｍのリブ３が形成されている。
【００３２】
次に、真空電子ビーム蒸着法により、プレス加工されたステンレス鋼板１の全表面に、Ｉｎがドープされた厚さ０．５μｍの酸化スズの層を形成した。蒸着は、真空度５×１０-6ＴｏｒｒのＡｒガス雰囲気下で基板温度３００℃で行った。
【００３３】
つぎに、ステンレス鋼板１の両面の周縁部に、それぞれ所定の構造となるように、硬度の異なる２種類のフッ素ゴムからなるシール部材を設けた。シール部材の形成は射出成形により行った。
【００３４】
水素ガス流路
セパレータの水素ガス流路となる面に硬度の異なる２種類のフッ素ゴムからなるシール部材を設けた状態を図３に示す。ステンレス鋼板１の相対する２対の縁部のうち、部品の積層後にマニホルドと接することとなる側の１対の縁部には、シール部材が設けられていない部分がある。この部分が、図１に示した水素が流通するマニホルド孔４ａおよび４ａ’とセパレータのガス流路とを連通させる入口６および出口６’となる。そして、入口６および出口６’の周辺部には、ゴム硬度８０のフッ素ゴムからなるシール部材５および５’がそれぞれ設けられている。
【００３５】
シール部材５および５’は、厚さ約１ｍｍ、すなわちステンレス鋼板１に形成されている溝の深さ（リブの高さ）とほぼ同じとした。また、入口６から流入してくる水素が、溝を１本ずつ順次に通過するように、シール部材５および５’に図３に示すような湾曲部８および８’を形成させ、２本の隣り合う溝の端部同士が繋がるようにした。ステンレス鋼板１の相対する他方の縁部には、ゴム硬度６０のフッ素ゴムからなるシール部材７（以下、シール部材７をガスケット７とよんでシール部材５と区別する。）を形成した。
【００３６】
空気流路
セパレータの空気流路となる面に硬度の異なる２種類のフッ素ゴムからなるシール部材を設けた状態を図４に示す。ここでは、図１に示した空気が流通するマニホルド孔４ｂおよび４ｂ’とセパレータのガス流路とを連通させるように入口６および出口６’を形成し、６本の隣り合う溝の端部同士が繋がるように、ゴム硬度８０のシール部材５および５’に湾曲部８および８’を形成させたこと以外は、前記水素ガス流路となる面と同様の構造とした。空気側と水素ガス側とで構造を変えているのは、空気側と水素ガス側とでは、ガス流量が２５倍程度も異なるからである。すなわち、ガス流量に応じてガス流路の構造を変えることにより、最適なガス流速とガス圧損に調節することが可能である。
【００３７】
冷却水流路
セパレータの冷却水流路となる面に硬度の異なる２種類のフッ素ゴムからなるシール部材を設けた状態を図５に示す。ここでは、図１に示した冷却水が流通するマニホルド孔４ｃおよび４ｃ’とセパレータのガス流路とを連通させるように入口６および出口６’を形成し、全ての溝の端部同士がつながるようにゴム硬度８０のシール部材５および５’を設けたこと以外は、前記水素ガス流路となる面と同様の構造とした。
【００３８】
高分子電解質型燃料電池の製造
図６に示すように、各セパレータとＭＥＡ１２とを積層した。図６には、積層体の構造が理解しやすいように、各流路を流れる水素Ａ、酸素Ｂおよび冷却水Ｃが概念的に示されている。このとき、水素ガス流路９と空気流路１０とが、ＭＥＡを挟んで対向するようにセパレータを配し、電極に過剰な剪断力がかからないようにした。また、２セルごとに冷却水流路１１を設けた。
【００３９】
ＭＥＡ１２を５０セル積層した後、集電板と絶縁板を介してステンレス製の端板と締結ロッドで２０ｋｇｆ／ｃｍ2の圧力で積層体を締結し、外部マニホルド１５を前記積層体のガス等の流路の入口側および出口側にそれぞれ設置し、高分子電解質型燃料電池を完成した。なお、締結圧力が小さすぎると、ガスがリークしたり、接触抵抗が大きくなって電池性能が低化し、大きすぎると、電極が破損したり、セパレータが変形したりするので、電池の構造に応じて締結圧力を変えることが重要である。
【００４０】
高分子電解質型燃料電池の評価
得られた高分子電解質型燃料電池を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、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。
この電池の燃料利用率８０％、酸素利用率４０％および電流密度０．５Ａ／ｃｍ2の条件における出力特性を調べた。
【００４１】
《比較例１》
シール部材５および５’およびガスケット７を、ともにゴム硬度６０のフッ素ゴムで形成したこと以外、実施例１と同様の電池を製造し、実施例１と同様に評価した。
【００４２】
《比較例２》
シール部材５および５’およびガスケット７を、ともにゴム硬度８０のフッ素ゴムで形成したこと以外、実施例１と同様の電池を製造し、実施例１と同様に評価した。
【００４３】
評価結果
実施例１および比較例１、２の各電池の出力特性をそれぞれ１００個ずつ評価した。その結果、比較例１の電池は、電圧のバラツキ幅が約１００ｍＶであったのに対し、実施例１の電池は、電圧のバラツキ幅が約５０ｍＶであった。なお、比較例２の電池は、セパレータのフッ素ゴムが脆くなりやすく、燃料電池を安定して製造することが困難であったため、得られた電池の性能が低く、バラツキも最も大きかった。
【００４４】
《実施例２》
ゴム硬度８０のフッ素ゴムの代わりに、ゴム硬度８０のスチレン系エラストマー（ＳＢＲ）のシール部材５および５’を形成し、ゴム硬度６０のフッ素ゴムの代わりに、ゴム硬度６０のスチレン系エラストマーのシール部材（ガスケット）７を形成したこと以外は、実施例１と同様の構造の電池を製造し、同様に評価した。
【００４５】
《比較例３》
シール部材５および５’およびガスケット７を、ゴム硬度６０のフッ素ゴムの代わりに、ゴム硬度６０のスチレン系エラストマー（ＳＢＲ）で形成したこと以外、比較例１と同様の構造の電池を製造し、実施例１と同様に評価した。
【００４６】
《比較例４》
シール部材５および５’およびガスケット７を、ゴム硬度８０のフッ素ゴムの代わりに、ゴム硬度８０のスチレン系エラストマー（ＳＢＲ）で形成したこと以外、比較例２と同様の構造の電池を製造し、実施例１と同様に評価した。
【００４７】
評価結果
実施例２および比較例３、４の各電池の出力特性をそれぞれ１００個ずつ評価した。その結果、実施例１および比較例１、２の電池同士を比較した場合と同様の傾向が見られた。すなわち、比較例３の電池は、性能のバラツキが大きかったが、実施例２の電池は、性能のバラツキが小さかった。また、比較例４の電池は、セパレータのスチレン系エラストマーが脆くなりやすく、燃料電池を安定して製造することが困難であった。
なお、前記各実施例および各比較例では外部マニホルド型の燃料電池を製造したが、内部マニホルド型であっても同様の傾向が見られると考えられる。
【００４８】
《実施例３》
導電性セパレータの製造
実施例１および２では、入口６および出口６’がマニホルド孔４および４’と連通した状態のセパレータを製造したが、本実施例では、先述したような、ガス出入口が延長され、かつ、端部が閉じられたセパレータ、すなわち、入口６および出口６’が延長され、かつ、端部が閉じられたセパレータを製造した。
【００４９】
図７〜９は、その構造の一部を、セパレータ面に向かって上部から見た図である。図７は水素ガス流路、図８は空気流路、図９は冷却水流路となる面に、それぞれ硬度の異なる２種類のフッ素ゴム５および７からなるシール部材を設けた状態を示している。ステンレス鋼板１の一対の縁部から張り出した部分１４および１４’は、ステンレス鋼板１の側面を覆っており、ガス等の入口６および出口６’の延長部１３および１３’を形成している。なお、図７〜９の各図は、前記一対の縁部のうち、ガス等の入口６の延長部１３を有する側だけを表している。また、シール部材が形成されている状態を理解しやすくするために、図１０には、代表として図９におけるシール部材のみを示している。
【００５０】
ステンレス鋼板１上に設けられているシール部材５の厚さは約１ｍｍであり、前記シール部材が張り出した部分１４の厚さは、ステンレス鋼板１の両面に設けられたシール部材５の厚さにステンレス鋼板１の厚さを足した合計となる。前記シール部材が張り出した部分１４およびシール部材５は、ゴム硬度８０のフッ素ゴムからなっており、もう１対の縁部には、ゴム硬度６０のフッ素ゴムからなる厚さ１ｍｍのシール部材（ガスケット）７が設けられている。これらのシール部材は、実施例１で用いた射出成形用材料と同じ材料を射出成形して設けたものである。
【００５１】
高分子電解質型燃料電池の製造
前記セパレータと実施例１で用いたのと同じＭＥＡとを、実施例１の電池と同数づつ同じ順序で積層した。すなわち、水素ガス流路と空気流路とが、ＭＥＡを挟んで対向するようにセパレータを配し、電極に過剰な剪断力がかからないようにした。また、２セルごとに冷却水流路を設けた。そして、ＭＥＡを５０セル積層した後、集電板と絶縁板を介してステンレス鋼製の端板と締結ロッドで２０ｋｇｆ／ｃｍ2の圧力で積層体を締結した。
【００５２】
その後、積層体の前記シール部材が張り出した部分１４および１４’が露出している側面全体に液状のシール用接着剤を塗布し、前記側面付近のカーボン不織布や板状部品同士の間に生じているわずかな隙間に前記シール用接着剤を含浸させた。その際、カーボン不織布には、壁面から５ｍｍ程度内側にまで接着剤を含浸させた。なお、前記シール用接着剤としては、一般的なイソブチレン系接着剤を用いた。
【００５３】
シール用接着剤が硬化した後、ステンレス鋼板１から張り出した部分１４および１４’をステンレス鋼板１との境界面で切除した。続いて、切断面に所定のマニホルドを所定の方法で設置して、マニホルド孔とセパレータに形成されたガス等の入口６および出口６’とを連通させ、高分子電解質型燃料電池を完成した。
【００５４】
得られた電池を実施例１と同様の方法で評価したところ、実施例１の電池と、ほぼ同等の良好な性能が得られた。
【００５５】
【発明の効果】
本発明によれば、金属板と弾性材料とからなるハイブリッド型セパレータにおいて、シール機能およびガス流路の確保を両立させることが可能となる。その結果、高分子電解質型燃料電池の信頼性の向上、部品点数および組立工程数の低減、ならびに量産時の大幅なコスト低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１で用いた波状加工部をプレス加工によって形成したステンレス鋼板に、断面で示した外部マニホルドを設置した状態を示す図である。
【図２】本発明の実施例１で用いた波状加工部をプレス加工によって形成したステンレス鋼板の溝またはリブと直交する切断面を示す図である。
【図３】本発明の実施例１で用いた導電性セパレータの水素ガス流路となる面に硬度の異なる２種類のフッ素ゴムからなるシール部材を設けた状態を示す図である。
【図４】本発明の実施例１で用いた導電性セパレータの空気流路となる面に硬度の異なる２種類のフッ素ゴムからなるシール部材を設けた状態を示す図である。
【図５】本発明の実施例１で用いた導電性セパレータの冷却水流路となる面に硬度の異なる２種類のフッ素ゴムからなるシール部材を設けた状態を示す図である。
【図６】本発明の実施例１の燃料電池の積層体の内部構造を示す概念図である。
【図７】本発明の実施例３で用いた導電性セパレータの水素ガス流路となる面に硬度の異なる２種類のフッ素ゴムからなるシール部材を設けた状態を部分的に示す図である。
【図８】本発明の実施例３で用いた導電性セパレータの空気流路となる面に硬度の異なる２種類のフッ素ゴムからなるシール部材を設けた状態を部分的に示す図である。
【図９】本発明の実施例３で用いた導電性セパレータの冷却水流路となる面に硬度の異なる２種類のフッ素ゴムからなるシール部材を設けた状態を部分的に示す図である。
【図１０】本発明の実施例３で用いた導電性セパレータの冷却水流路となる面に設けられた硬度の異なる２種類のフッ素ゴムからなるシール部材のみを部分的に示す図である。
【符号の説明】
１ ステンレス鋼板
２ 溝
３ リブ
４、４’ マニホルド孔
５、５’ シール部材
６ ガス等の入口
６’ ガス等の出口
７ シール部材（ガスケット）
８、８’ 湾曲部
９ 水素ガス流路
１０ 空気流路
１１ 冷却水流路
１２ ＭＥＡ
１３ 延長部
１４ 張り出し部
１５ 外部マニホルド
Ａ 水素
Ｂ 酸素
Ｃ 冷却水
【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、その製造方法およびその製造に用いる導電性セパレータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
高分子電解質型燃料電池は、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で、電力と熱とを同時に発生させるものである。高分子電解質型燃料電池は、一般にプロトン伝導性の高分子電解質膜、電極および導電性セパレータから構成されている。前記電極は、拡散層と触媒反応層とを合わせたものからなり、触媒反応層は、水素イオンを選択的に輸送する前記高分子電解質膜の両面に形成されている。また、触媒反応層は、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ている。そして、この触媒反応層の外面に、燃料ガスおよび酸化剤ガスの通気性と電子伝導性を併せもつ拡散層が形成されている。
【０００３】
高分子電解質膜を挟んだ一対の電極の周囲には、電池組立後に供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスが外部にリークしたり、２種類のガスが互いに混合したりしないように、高分子電解質膜を挟んでガスケットなどのシール部材が配される。なお、電池組立前に、高分子電解質膜とそれを挟んだ一対の電極とを予め一体化させたものは、電極電解質膜接合体（ＭＥＡ）と呼ばれる。
【０００４】
ＭＥＡの両面には、これを機械的に固定するとともに、隣接したＭＥＡ同士を互いに電気的に直列に接続するための導電性セパレータが配される。前記セパレータのＭＥＡと接触する部分には、電極面に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給し、生成ガスや余剰ガスを運び去るためのガス流路が形成されている。ガス流路はセパレータと別部品として設けることもできるが、セパレータの材料に応じて表面を切削したり、プレス加工するなどしてセパレータの表面に溝やリブを設けてガス流路とする方式が一般的である。
【０００５】
前記溝またはリブに燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するためには、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給配管を、使用するセパレータの枚数に応じて分岐させ、その分岐先をセパレータの溝またはリブと連通させる配管治具が必要となる。この治具を外部マニホルドと呼び、治具を構成する燃料ガスおよび酸化剤ガス等が流れる孔をマニホルド孔と呼ぶ。一方、より簡単な構造の内部マニホルド型と呼ばれるものもある。内部マニホルド型とは、ガス流路を有するセパレータおよびＭＥＡからなる積層体に積層方向の貫通孔を形成し、これをマニホルド孔として使用するものである。各板状部品に形成された孔の周囲には、リブを設けたり、Ｏ型リングを配するなどして必要なシールが施される。そして、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給配管を前記マニホルド孔と連通させ、この孔から直接燃料ガスおよび酸化剤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、冷却水等で冷却する必要がある。そのため、通常は、１〜３セル毎に冷却水を流す冷却部が、セパレータとセパレータとの間に設けられる。ただし、一般には、セパレータの背面に冷却水流路を設けて冷却部とする場合が多い。
【０００７】
ＭＥＡ、セパレータおよび必要であれば冷却部を交互に設け、１０〜２００セルを積層した後、これを集電板と絶縁板を介して端板で挟み、締結ボルトで両端から固定し、積層体を締め付けたものが一般的な燃料電池の構造である。
【０００８】
このような燃料電池に用いられるセパレータは、導電性が高く、ガス気密性が高く、かつ、水素と酸素との酸化還元反応に対する耐食性が高い必要がある。このような理由から、従来のセパレータは、通常グラッシーカーボンや膨張黒鉛などのカーボン材料で構成されている。また、ガス流路は、その表面を切削したり、膨張黒鉛を用いる場合は、型を用いて成形するなどして形成されている。
しかし、近年では、従来から使用されているカーボン材料の代わりに、ステンレス鋼などの金属板を用いることが試みられている。金属板を用いると、カーボン材料を用いる場合に比べて、コストが安く、厚さが薄いので燃料電池をコンパクト化でき、また、金属板は割れにくく、振動に強いという点で有利だからである。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
セパレータとして金属板を用いる場合、低コスト化等の観点から、プレスした金属板と弾性材料とを組み合わせることにより、ガス流路の確保とシール機能の両立を目指す方式が提案されている。しかし、弾性材料に充分なシール機能を付与しようとすると、ガス流路の出入口が積層体の締めつけによりつぶされ、ガスの分配性が悪化して電池性能が低下するという問題がある。
【００１０】
一方、ガス流路の確保を優先させると、弾性材料のシール機能が低下するため、積層体を締めつけた後、硬化性のシール用接着剤等でシール機能を補強する必要がある。しかし、この方法では、シール用接着剤の塗布前にガス流路の出入口をマスキングする必要があり、高分子電解質型燃料電池の組立工程を大幅に増加させるという問題がある。
【００１１】
本発明は、金属板と弾性材料とからなるハイブリッド型セパレータにおいて、シール機能とガス流路の確保とを両立させることを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、高分子電解質膜と前記高分子電解質膜を挟む一対の電極とからなる電極電解質膜接合体および前記電極にガスを供給し、生成ガスと余剰ガスを排出するためのガス流路を有する導電性セパレータを積層してなる高分子電解質型燃料電池用の導電性セパレータであって、ガスを導く溝またはリブを前記電極に接する面に有する金属板と、前記溝またはリブと協働して前記ガス流路および前記ガス流路の出入口を形成し、かつ、ガスが前記ガス流路から外部に漏れるのを防止するガスケットとして働くシール部材とからなり、前記金属板上の前記シール部材が、硬度が１０〜４０異なる少なくとも２種の弾性材料を含み、硬度の低い方の弾性材料が、３０〜６０の硬度を有し、前記シール部材において、前記金属板上の前記ガス流路の出入口を形成する部分が、最も硬度の高い弾性材料からなり、前記シール部材の前記金属板上における厚さが、０．３ｍｍ以上であることを特徴とする導電性セパレータに関する。
【００１３】
また、本発明は、前記シール部材が、前記金属板側面を覆って前記金属板から張り出した部分を形成しており、前記張り出した部分には、前記金属板上のガス流路の入口または出口の延長部となる溝または凹部が前記張り出した部分の端部手前まで形成されている導電性セパレータに関する。
【００１５】
また、本発明は、高分子電解質膜と前記高分子電解質膜を挟む一対の電極とからなる電極電解質膜接合体および前記導電性セパレータを交互に積層してなる高分子電解質型燃料電池に関する。
【００１６】
また、本発明は、（１）高分子電解質膜と前記高分子電解質膜を挟む一対の電極とからなる電極電解質膜接合体および前記導電性セパレータを交互に積層して積層体を得る工程、（２）得られた積層体の側面のうち、前記導電性セパレータの前記金属板から張り出した部分が露出している側面全体にシール用接着剤を塗布する工程、（３）前記シール用接着剤の硬化後、前記導電性セパレータの前記金属板から張り出した部分を、前記ガス流路の入口または出口の延長部の途中または前記金属板と張り出した部分との境界で切除する工程、および（４）張り出した部分の切除により生じた切断面のガス流路の入口または出口にマニホルドを連通させるようにマニホルドを設置する工程からなることを特徴とする高分子電解質型燃料電池の製造方法に関する。
【００１７】
また、とくには、前記シール部材において、前記金属板上の前記ガス流路の出入口を形成する部分および張り出した部分が、最も硬度の高い弾性材料からなることを特徴とする高分子電解質型燃料電池の製造方法に関する。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の高分子電解質型燃料電池用の導電性セパレータは、金属板とシール部材とからなる。前記金属板は、前記電極に接する面にガスを導く溝またはリブを有しており、前記シール部材は、前記金属板上に、前記溝またはリブと協働して前記電極にガスを供給し、生成ガスと余剰ガスを排出するためのガス流路および前記ガス流路の出入口を形成している。そして、前記シール部材は、ガスが前記ガス流路から外部に漏れるのを防止するガスケットとしても働く。なお、前記シール部材は、硬度の異なる弾性材料からなる複数の部分を有する。
【００１９】
前記シール部材は、シール機能を高める観点から、一般に、前記ガス流路の出入口を形成しつつ金属板の周縁部全体に設けられる。そして、前記ガス流路の出入口を形成しているシール部材により形成された通路が、マニホルドとセパレータとを連通するガス、さらには冷却水の入口または出口として機能する。なお、例えば金属板の相対する一対の縁部の一部をそれぞれ除いた周縁部全体に、前記シール部材を貼り付ければ、シール部材が設けられていない前記相対する一対の縁部の一部が、金属板上の前記周縁部内側と金属板面外とを連通する溝となり、最終的には、これが前記出入口となる。
【００２０】
前記金属板としては、ステンレス鋼、アルミニウム、炭素鋼などが好ましく、一般に厚さ０．１〜０．５ｍｍのものが用いられる。前記金属板に、ガスを導く溝またはリブを形成する方法としては、例えばプレス加工が簡便である。
【００２１】
前記金属板には、導電性材料がコーティングされていることが好ましい。また、前記導電性材料としては、酸化錫などの導電性酸化物、ＴｉＮ、Ｔｉ−Ａｌ−Ｎなどの導電性窒化物、ｎ型ＳｉＣなどの導電性炭化物などが好ましい。前記コーティングの厚さは、一般に１００Å（オングストローム）〜１μｍ程度である。
【００２２】
前記シール部材は、硬度の異なる複数の弾性材料からなることが必要である。具体的には、硬度差が１０〜４０、さらには２０〜４０、とくには３０〜４０となる少なくとも２種類の弾性材料からシール部材が形成されている。なお、硬度差が１０未満になると、シール機能の低下により不具合が生じるか、または硬度不足によりガス流路の出入口の確保が困難となり、４０を超えると、硬度の高い方の弾性材料が脆くなる傾向がある。また、硬度の高い方は、７０〜８０の硬度を有することが好ましい。低い方は、３０〜６０の硬度を有し、さらには３０〜４０の硬度を有することが好ましい。また、シール機能とガス流路の確保を両立させるという点から、前記金属板上の前記ガス流路の出入口を形成する部分のシール部材は、用いられている硬度の異なる複数の弾性材料のうち、最も硬度の高い弾性材料からなる。
【００２３】
なお、シール部材の硬度は、加硫ゴムおよび熱可塑性ゴムの硬さ試験方法（ＪＩＳ−Ｋ−６２５３）で求められる。
【００２４】
前記シール部材の前記金属板上における厚さは、シール機能とガス流路の確保を両立させるという点から、０．３ｍｍ以上である。シール部材が薄くなりすぎると、ガス流路の確保が困難になるからである。
【００２５】
前記シール部材は、工程の簡便性、大量生産に適している等の点から、射出成形によって前記金属板の所定の箇所に形成することが好ましい。また、前記シール部材を構成する弾性材料としては、射出成形後にある程度のゴム弾性を有するものを特に限定なく使用することができる。なかでも、シール部材のシール機能を高める観点から、耐水性の高いエラストマー材料が好ましい。以上の観点から、本発明に使用するのに適した射出成形用材料として、主成分としてスチレン-ブタジエンゴムなどのスチレン系エラストマー、フッ素ゴム、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、オレフィン系エラストマーなどを含む材料を挙げることができる。
【００２６】
前記セパレータのＭＥＡと積層して燃料電池を組み立てる前の形態としては、燃料電池の信頼性の向上、部品点数および電池組立工程の低減、量産時のコスト低減などの観点から、前記シール部材からなり、前記ガス流路の入口または出口に対応する金属板側面を覆って前記金属板から張り出した部分を有するものが好ましい。そして、前記張り出した部分には、前記金属板上の前記ガス流路の入口および出口の延長部となる溝または凹部が前記張り出した部分の端部手前まで形成されていることが好ましい。以下、このような形態のセパレータを、「ガス出入口が延長され、かつ、端部が閉じられたセパレータ」という。なお、ガス出入口が延長され、かつ、端部が閉じられたセパレータは、金型を用いて射出成形用材料を金属板の所定の場所に射出成形することで容易に得ることができる。
【００２７】
前記ガス出入口が延長され、かつ、端部が閉じられたセパレータと、ＭＥＡとを交互に積層すると、前記シール部材が張り出した部分が露出している積層体の側面は、密閉された状態となる。前記側面には、閉じた状態の前記ガス流路の入口および出口の延長部の端部が露出することになるからである。したがって、シール用接着剤を前記側面全体に塗布してシール機能を補強する必要がある場合、マスキングなどの手間が不要となる。そして、積層体に隙間（たとえばＭＥＡを構成しているガス拡散層の周縁部付近など）を生じている場合、前記シール用接着剤を隙間にだけ含浸させ、セパレータに形成されたガスの出入口に侵入するのを防ぐことができる。
【００２８】
前記シール部材の張り出した部分が露出している側面全体にシール用接着剤を塗布し、シール用接着剤を硬化させた後、前記張り出した部分を、前記ガス流路の入口および出口の延長部の途中または前記金属板と前記張り出した部分との境界で切除すると、各切断面には、セパレータのガス流路の入口および出口に連通する孔が露出する。その孔とマニホルド孔とを連通するようにマニホルドを設置すれば、シール機能とガス流路の確保をさらに確実なものとすることができる。
【００２９】
【実施例】
次に、本発明を実施例に基づいて、具体的に説明する。
《実施例１》
ＭＥＡの製造
アセチレンブラック系カーボン粉末に、平均粒径約３０Å（オングストローム）の白金粒子を２５重量％担持させたもの（以下、触媒粉末という。）から電極を形成した。具体的には、前記触媒粉末をイソプロパノールに分散させた分散液と、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に分散させた分散液とを混合し、ペースト状にした。次に、前記ペーストを厚さ２５０μｍのカーボン不織布の一方の面にスクリーン印刷して触媒反応層を形成し、電極とした。得られた電極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となるように調節した。電極は、正極、負極ともに同一の構成とした。なお、パーフルオロカーボンスルホン酸としては、デュポン（Ｄｕ Ｐｏｎｔ）社製のＮａｆｉｏｎ（商品名）を用いた。
【００３０】
次に、得られた電極一対を、電極より一回り大きい面積を有するプロトン伝導性高分子電解質膜に、前記カーボン不織布上の触媒反応層が前記高分子電解質膜の両面の中心部に接するように配した。そして、これをホットプレスして接合し、ＭＥＡとした。ここでは、プロトン伝導性高分子電解質膜として、前記パーフルオロカーボンスルホン酸（デュポン社製のＮａｆｉｏｎ）を厚さ２５μｍに製膜したものを用いた。
【００３１】
導電性セパレータの製造
図１に示すような長方形状で、厚さ０．３ｍｍのステンレス鋼（ＳＵＳ３１６）板１を用いた。その中央部１０ｃｍ×９ｃｍの領域に、約５．６ｍｍピッチ（溝幅約２．８ｍｍ）の波状加工部を、プレス加工によって形成した。なお、図１は、板状部品の積層後にステンレス鋼板１の相対する一対の側部側に外部マニホルド１５を取り付けた状態を想定した図である。すなわち、図１は、外部マニホルド１５が配された状態を、外部マニホルド１５のみをマニホルド孔４および４’の流路方向に対して垂直な断面図で表すことにより示してある。また、図２に、ステンレス鋼板１の溝またはリブと直交する切断面を示す。ステンレス鋼板１には、深さ約１ｍｍの溝２および高さ約１ｍｍのリブ３が形成されている。
【００３２】
次に、真空電子ビーム蒸着法により、プレス加工されたステンレス鋼板１の全表面に、Ｉｎがドープされた厚さ０．５μｍの酸化スズの層を形成した。蒸着は、真空度５×１０-6ＴｏｒｒのＡｒガス雰囲気下で基板温度３００℃で行った。
【００３３】
つぎに、ステンレス鋼板１の両面の周縁部に、それぞれ所定の構造となるように、硬度の異なる２種類のフッ素ゴムからなるシール部材を設けた。シール部材の形成は射出成形により行った。
【００３４】
水素ガス流路
セパレータの水素ガス流路となる面に硬度の異なる２種類のフッ素ゴムからなるシール部材を設けた状態を図３に示す。ステンレス鋼板１の相対する２対の縁部のうち、部品の積層後にマニホルドと接することとなる側の１対の縁部には、シール部材が設けられていない部分がある。この部分が、図１に示した水素が流通するマニホルド孔４ａおよび４ａ’とセパレータのガス流路とを連通させる入口６および出口６’となる。そして、入口６および出口６’の周辺部には、ゴム硬度８０のフッ素ゴムからなるシール部材５および５’がそれぞれ設けられている。
【００３５】
シール部材５および５’は、厚さ約１ｍｍ、すなわちステンレス鋼板１に形成されている溝の深さ（リブの高さ）とほぼ同じとした。また、入口６から流入してくる水素が、溝を１本ずつ順次に通過するように、シール部材５および５’に図３に示すような湾曲部８および８’を形成させ、２本の隣り合う溝の端部同士が繋がるようにした。ステンレス鋼板１の相対する他方の縁部には、ゴム硬度６０のフッ素ゴムからなるシール部材７（以下、シール部材７をガスケット７とよんでシール部材５と区別する。）を形成した。
【００３６】
空気流路
セパレータの空気流路となる面に硬度の異なる２種類のフッ素ゴムからなるシール部材を設けた状態を図４に示す。ここでは、図１に示した空気が流通するマニホルド孔４ｂおよび４ｂ’とセパレータのガス流路とを連通させるように入口６および出口６’を形成し、６本の隣り合う溝の端部同士が繋がるように、ゴム硬度８０のシール部材５および５’に湾曲部８および８’を形成させたこと以外は、前記水素ガス流路となる面と同様の構造とした。空気側と水素ガス側とで構造を変えているのは、空気側と水素ガス側とでは、ガス流量が２５倍程度も異なるからである。すなわち、ガス流量に応じてガス流路の構造を変えることにより、最適なガス流速とガス圧損に調節することが可能である。
【００３７】
冷却水流路
セパレータの冷却水流路となる面に硬度の異なる２種類のフッ素ゴムからなるシール部材を設けた状態を図５に示す。ここでは、図１に示した冷却水が流通するマニホルド孔４ｃおよび４ｃ’とセパレータのガス流路とを連通させるように入口６および出口６’を形成し、全ての溝の端部同士がつながるようにゴム硬度８０のシール部材５および５’を設けたこと以外は、前記水素ガス流路となる面と同様の構造とした。
【００３８】
高分子電解質型燃料電池の製造
図６に示すように、各セパレータとＭＥＡ１２とを積層した。図６には、積層体の構造が理解しやすいように、各流路を流れる水素Ａ、酸素Ｂおよび冷却水Ｃが概念的に示されている。このとき、水素ガス流路９と空気流路１０とが、ＭＥＡを挟んで対向するようにセパレータを配し、電極に過剰な剪断力がかからないようにした。また、２セルごとに冷却水流路１１を設けた。
【００３９】
ＭＥＡ１２を５０セル積層した後、集電板と絶縁板を介してステンレス製の端板と締結ロッドで２０ｋｇｆ／ｃｍ2の圧力で積層体を締結し、外部マニホルド１５を前記積層体のガス等の流路の入口側および出口側にそれぞれ設置し、高分子電解質型燃料電池を完成した。なお、締結圧力が小さすぎると、ガスがリークしたり、接触抵抗が大きくなって電池性能が低化し、大きすぎると、電極が破損したり、セパレータが変形したりするので、電池の構造に応じて締結圧力を変えることが重要である。
【００４０】
高分子電解質型燃料電池の評価
得られた高分子電解質型燃料電池を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、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。
この電池の燃料利用率８０％、酸素利用率４０％および電流密度０．５Ａ／ｃｍ2の条件における出力特性を調べた。
【００４１】
《比較例１》
シール部材５および５’およびガスケット７を、ともにゴム硬度６０のフッ素ゴムで形成したこと以外、実施例１と同様の電池を製造し、実施例１と同様に評価した。
【００４２】
《比較例２》
シール部材５および５’およびガスケット７を、ともにゴム硬度８０のフッ素ゴムで形成したこと以外、実施例１と同様の電池を製造し、実施例１と同様に評価した。
【００４３】
評価結果
実施例１および比較例１、２の各電池の出力特性をそれぞれ１００個ずつ評価した。その結果、比較例１の電池は、電圧のバラツキ幅が約１００ｍＶであったのに対し、実施例１の電池は、電圧のバラツキ幅が約５０ｍＶであった。なお、比較例２の電池は、セパレータのフッ素ゴムが脆くなりやすく、燃料電池を安定して製造することが困難であったため、得られた電池の性能が低く、バラツキも最も大きかった。
【００４４】
《実施例２》
ゴム硬度８０のフッ素ゴムの代わりに、ゴム硬度８０のスチレン系エラストマー（ＳＢＲ）のシール部材５および５’を形成し、ゴム硬度６０のフッ素ゴムの代わりに、ゴム硬度６０のスチレン系エラストマーのシール部材（ガスケット）７を形成したこと以外は、実施例１と同様の構造の電池を製造し、同様に評価した。
【００４５】
《比較例３》
シール部材５および５’およびガスケット７を、ゴム硬度６０のフッ素ゴムの代わりに、ゴム硬度６０のスチレン系エラストマー（ＳＢＲ）で形成したこと以外、比較例１と同様の構造の電池を製造し、実施例１と同様に評価した。
【００４６】
《比較例４》
シール部材５および５’およびガスケット７を、ゴム硬度８０のフッ素ゴムの代わりに、ゴム硬度８０のスチレン系エラストマー（ＳＢＲ）で形成したこと以外、比較例２と同様の構造の電池を製造し、実施例１と同様に評価した。
【００４７】
評価結果
実施例２および比較例３、４の各電池の出力特性をそれぞれ１００個ずつ評価した。その結果、実施例１および比較例１、２の電池同士を比較した場合と同様の傾向が見られた。すなわち、比較例３の電池は、性能のバラツキが大きかったが、実施例２の電池は、性能のバラツキが小さかった。また、比較例４の電池は、セパレータのスチレン系エラストマーが脆くなりやすく、燃料電池を安定して製造することが困難であった。
なお、前記各実施例および各比較例では外部マニホルド型の燃料電池を製造したが、内部マニホルド型であっても同様の傾向が見られると考えられる。
【００４８】
《実施例３》
導電性セパレータの製造
実施例１および２では、入口６および出口６’がマニホルド孔４および４’と連通した状態のセパレータを製造したが、本実施例では、先述したような、ガス出入口が延長され、かつ、端部が閉じられたセパレータ、すなわち、入口６および出口６’が延長され、かつ、端部が閉じられたセパレータを製造した。
【００４９】
図７〜９は、その構造の一部を、セパレータ面に向かって上部から見た図である。図７は水素ガス流路、図８は空気流路、図９は冷却水流路となる面に、それぞれ硬度の異なる２種類のフッ素ゴム５および７からなるシール部材を設けた状態を示している。ステンレス鋼板１の一対の縁部から張り出した部分１４および１４’は、ステンレス鋼板１の側面を覆っており、ガス等の入口６および出口６’の延長部１３および１３’を形成している。なお、図７〜９の各図は、前記一対の縁部のうち、ガス等の入口６の延長部１３を有する側だけを表している。また、シール部材が形成されている状態を理解しやすくするために、図１０には、代表として図９におけるシール部材のみを示している。
【００５０】
ステンレス鋼板１上に設けられているシール部材５の厚さは約１ｍｍであり、前記シール部材が張り出した部分１４の厚さは、ステンレス鋼板１の両面に設けられたシール部材５の厚さにステンレス鋼板１の厚さを足した合計となる。前記シール部材が張り出した部分１４およびシール部材５は、ゴム硬度８０のフッ素ゴムからなっており、もう１対の縁部には、ゴム硬度６０のフッ素ゴムからなる厚さ１ｍｍのシール部材（ガスケット）７が設けられている。これらのシール部材は、実施例１で用いた射出成形用材料と同じ材料を射出成形して設けたものである。
【００５１】
高分子電解質型燃料電池の製造
前記セパレータと実施例１で用いたのと同じＭＥＡとを、実施例１の電池と同数づつ同じ順序で積層した。すなわち、水素ガス流路と空気流路とが、ＭＥＡを挟んで対向するようにセパレータを配し、電極に過剰な剪断力がかからないようにした。また、２セルごとに冷却水流路を設けた。そして、ＭＥＡを５０セル積層した後、集電板と絶縁板を介してステンレス鋼製の端板と締結ロッドで２０ｋｇｆ／ｃｍ2の圧力で積層体を締結した。
【００５２】
その後、積層体の前記シール部材が張り出した部分１４および１４’が露出している側面全体に液状のシール用接着剤を塗布し、前記側面付近のカーボン不織布や板状部品同士の間に生じているわずかな隙間に前記シール用接着剤を含浸させた。その際、カーボン不織布には、壁面から５ｍｍ程度内側にまで接着剤を含浸させた。なお、前記シール用接着剤としては、一般的なイソブチレン系接着剤を用いた。
【００５３】
シール用接着剤が硬化した後、ステンレス鋼板１から張り出した部分１４および１４’をステンレス鋼板１との境界面で切除した。続いて、切断面に所定のマニホルドを所定の方法で設置して、マニホルド孔とセパレータに形成されたガス等の入口６および出口６’とを連通させ、高分子電解質型燃料電池を完成した。
【００５４】
得られた電池を実施例１と同様の方法で評価したところ、実施例１の電池と、ほぼ同等の良好な性能が得られた。
【００５５】
【発明の効果】
本発明によれば、金属板と弾性材料とからなるハイブリッド型セパレータにおいて、シール機能およびガス流路の確保を両立させることが可能となる。その結果、高分子電解質型燃料電池の信頼性の向上、部品点数および組立工程数の低減、ならびに量産時の大幅なコスト低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１で用いた波状加工部をプレス加工によって形成したステンレス鋼板に、断面で示した外部マニホルドを設置した状態を示す図である。
【図２】本発明の実施例１で用いた波状加工部をプレス加工によって形成したステンレス鋼板の溝またはリブと直交する切断面を示す図である。
【図３】本発明の実施例１で用いた導電性セパレータの水素ガス流路となる面に硬度の異なる２種類のフッ素ゴムからなるシール部材を設けた状態を示す図である。
【図４】本発明の実施例１で用いた導電性セパレータの空気流路となる面に硬度の異なる２種類のフッ素ゴムからなるシール部材を設けた状態を示す図である。
【図５】本発明の実施例１で用いた導電性セパレータの冷却水流路となる面に硬度の異なる２種類のフッ素ゴムからなるシール部材を設けた状態を示す図である。
【図６】本発明の実施例１の燃料電池の積層体の内部構造を示す概念図である。
【図７】本発明の実施例３で用いた導電性セパレータの水素ガス流路となる面に硬度の異なる２種類のフッ素ゴムからなるシール部材を設けた状態を部分的に示す図である。
【図８】本発明の実施例３で用いた導電性セパレータの空気流路となる面に硬度の異なる２種類のフッ素ゴムからなるシール部材を設けた状態を部分的に示す図である。
【図９】本発明の実施例３で用いた導電性セパレータの冷却水流路となる面に硬度の異なる２種類のフッ素ゴムからなるシール部材を設けた状態を部分的に示す図である。
【図１０】本発明の実施例３で用いた導電性セパレータの冷却水流路となる面に設けられた硬度の異なる２種類のフッ素ゴムからなるシール部材のみを部分的に示す図である。
【符号の説明】
１ ステンレス鋼板
２ 溝
３ リブ
４、４’ マニホルド孔
５、５’ シール部材
６ ガス等の入口
６’ ガス等の出口
７ シール部材（ガスケット）
８、８’ 湾曲部
９ 水素ガス流路
１０ 空気流路
１１ 冷却水流路
１２ ＭＥＡ
１３ 延長部
１４ 張り出し部
１５ 外部マニホルド
Ａ 水素
Ｂ 酸素
Ｃ 冷却水
Claims (5)
- 高分子電解質膜と前記高分子電解質膜を挟む一対の電極とからなる電極電解質膜接合体および前記電極にガスを供給し、生成ガスと余剰ガスを排出するためのガス流路を有する導電性セパレータを積層してなる高分子電解質型燃料電池用の導電性セパレータであって、ガスを導く溝またはリブを前記電極に接する面に有する金属板と、前記溝またはリブと協働して前記ガス流路および前記ガス流路の出入口を形成し、かつ、ガスが前記ガス流路から外部に漏れるのを防止するガスケットとして働くシール部材とからなり、
前記金属板上の前記シール部材が、硬度が１０〜４０異なる少なくとも２種の弾性材料を含み、
硬度の低い方の弾性材料が、３０〜６０の硬度を有し、
前記シール部材において、前記金属板上の前記ガス流路の出入口を形成する部分が、最も硬度の高い弾性材料からなり、
前記シール部材の前記金属板上における厚さが、０．３ｍｍ以上であることを特徴とする導電性セパレータ。 - 前記シール部材が、前記金属板側面を覆って前記金属板から張り出した部分を形成しており、前記張り出した部分には、前記金属板上のガス流路の入口または出口の延長部となる溝または凹部が前記張り出した部分の端部手前まで形成されている請求項１記載の導電性セパレータ。
- 高分子電解質膜と前記高分子電解質膜を挟む一対の電極とからなる電極電解質膜接合体および請求項１または２記載の導電性セパレータを交互に積層してなる高分子電解質型燃料電池。
- （１）高分子電解質膜と前記高分子電解質膜を挟む一対の電極とからなる電極電解質膜接合体および請求項２記載の導電性セパレータを交互に積層して積層体を得る工程、
（２）得られた積層体の側面のうち、前記導電性セパレータの前記金属板から張り出した部分が露出している側面全体にシール用接着剤を塗布する工程、
（３）前記シール用接着剤の硬化後、前記導電性セパレータの前記金属板から張り出した部分を、前記ガス流路の入口または出口の延長部の途中または前記金属板と張り出した部分との境界で切除する工程、および
（４）張り出した部分の切除により生じた切断面のガス流路の入口または出口にマニホルドを連通させるようにマニホルドを設置する工程
からなることを特徴とする高分子電解質型燃料電池の製造方法。 - 前記シール部材において、前記金属板上の前記ガス流路の出入口を形成する部分および張り出した部分が、最も硬度の高い弾性材料からなることを特徴とする請求項４記載の高分子電解質型燃料電池の製造方法。
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