JP4817349B2 - 固体高分子型燃料電池のセパレータ及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、固体高分子型燃料電池の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】
近年、クリーンで発電効率の高い次世代の発電装置が望まれており、酸素及び水素の持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する燃料電池（Ｆｕｅｌｃｅｌｌ）に対する期待が次第に高まってきている。現状における燃料電池の種類としては、リン酸型、アルカリ型、溶融炭酸塩型、固体電解質型、固体高分子型（イオン交換膜型ともいう。）等が知られている。なかでも固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ：Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）は、小規模かつポータブルな電源としての用途（例えば電気自動車用電源等）に適すると考えられている。ゆえに、その実用化に向けて、現在精力的に開発が進められている。
【０００３】
このタイプの燃料電池は、例えば電解質層としてプロトン導電性を有するイオン交換膜の１つである固体高分子膜（以後プロトン交換膜）の両側に電極を配置してなる膜・電極積層体（単電池）を備えている。このような固体高分子膜は、分子中に水素イオンの交換基を持つため、飽和含水状態とすることによりイオン導電性電解質として機能することができる。これらの電極には白金等の金属触媒が担持されている。一対の電極のうちの一方は水素極（陰極）と呼ばれ、他方は酸素極（陽極）と呼ばれる。膜・電極積層体の両側には一対のセパレータが配置されており、それらセパレータによって両電極及びイオン交換膜の外周部が挟持されている。
【０００４】
水素極側のセパレータを介して供給された水素ガス（Ｈ2）は、水素極における触媒反応により水素イオン（Ｈ+）と電子（ｅ-）とに解離する。水素イオンはプロトン交換膜を通過しながら酸素極に向かって移動し、電子は外部回路を通って酸素極側へ移動する。酸素極側には酸素ガス（Ｏ2）が供給されている。
【０００５】
従って、酸素極における触媒反応により、水素イオン及び外部回路を経由した電子が酸素ガスと反応し、水（Ｈ2Ｏ）が生じる。このとき、外部回路を経由した電子は電流となり、負荷に対して電力を供給することができる。別の言い方をすると、酸素ガス及び水素ガスを燃料として、電気分解の逆反応により、起電力が得られるようになっている。
【０００６】
図６に示すように、固体高分子型燃料電池のセパレータ５１は、一軸プレス機にて成形材料を同セパレータ５１の厚さ方向（矢印Ａ２方向）にプレス成形することによって薄板状に形成されたものである。また、セパレータ５１は導電性を有し、上面及び下面には多数のリブ５２が設けられている。リブ５２の無い箇所は、流体流路となる溝部５４になっている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、プレス成形時におけるプレス成形型のストローク量は、凸の部位（リブ５２がある部分）で小さく、凹の部位（リブ５２が無い部分）で大きい。また、成形材料に含まれる熱硬化性樹脂の流動性は十分なものではない。それゆえ、セパレータ５１において両面が凸の部位と両面が凹の部位との間に密度のムラが生じ易かった。具体的には、セパレータ５１において板厚が大きい部位（両面が凸の部位）になるほど密度が小さくなる傾向にあった。従って、密度が小さい部位に気孔が生じ易くなり、ガス不透過性が確保されなくなるという問題があった。
【０００８】
尚、樹脂成形体全体にフィルム層を設けてガス不透過性を確保するという方法では、セパレータ５１の導電性が損なわれるという問題があった。
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ガス不透過性を確保することができる固体高分子型燃料電池のセパレータを提供することにある。また、他の目的は、効率よく製造することができる固体高分子型燃料電池のセパレータ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】
上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明では、熱硬化性樹脂及び炭素粉末を成分とする板状の樹脂成形体からなり、プレス成形によって形成された凹凸を備える固体高分子型燃料電池のセパレータにおいて、前記樹脂成形体の凸部に対応する部分に、緻密体からなり、側縁部には先端に行くに従って幅が狭くなるテーパが設けられた密度ムラ低減部材を埋設したことを要旨とする。
【００１１】
請求項２に記載の発明では、熱硬化性樹脂及び炭素粉末を成分とする板状の樹脂成形体からなり、プレス成形によって形成された凹凸を備える固体高分子型燃料電池のセパレータにおいて、前記樹脂成形体の凸部に対応する部分に、高分子材料によって形成され、緻密体からなる密度ムラ低減部材を埋設したことを要旨とする。
【００１２】
請求項３に記載の発明では、熱硬化性樹脂及び炭素粉末を成分とする板状の樹脂成形体からなり、プレス成形によって形成された凹凸を備える固体高分子型燃料電池のセパレータを製造する方法において、プレス成形型の成形面の凹部に対応する位置に緻密体からなり、側縁部には先端に行くに従って幅が狭くなるテーパが設けられた密度ムラ低減部材を配置するとともに、前記密度ムラ低減部材を両面側から挟み込むように熱硬化性樹脂及び炭素粉末を成分とする成形材料を配置し、この状態で前記プレス成形型を駆動させて前記密度ムラ低減部材の厚さ方向に成形圧を加えることを要旨とする。
【００１３】
請求項４に記載の発明では、請求項３に記載の発明において、前記密度ムラ低減部材は複数個であって、それらは支持部材により同一面内にて支持されていることを要旨とする。
【００１４】
以下、本発明の「作用」について説明する。
請求項１に記載の発明によれば、セパレータにおいて樹脂成形体のみの板厚の大きさは、凸部に対応しているか否かにかかわらずほぼ等しくなっている。そのため、プレス成形時において、凸部に対応する部分のプレス成形型のストローク量と凸部に対応していない部分のプレス成形型のストローク量との差が小さくなる。よって、成形材料に含まれる熱硬化性樹脂の流動性が十分でなくても、成形材料を従来よりも均一に圧縮させることができる。その結果、樹脂成形体の密度ムラが小さくなり、樹脂成形体の低密度充填部位に気孔が生じてしまうのが防止される。また、密度ムラ低減部材は緻密体によって形成されているため、密度ムラ低減部材に気孔が存在する可能性が小さくなる。従って、ガスが気孔を介して樹脂成形体を透過してしまうのを防止することができる。ゆえに、セパレータのガス不透過性を確保することができる。
【００１５】
加えて、密度ムラ低減部材の側縁部にテーパが設けられているため、プレス成形時に成形材料が圧縮されると、熱硬化性樹脂が密度ムラ低減部材の側方にスムーズに流れる。そのため、プレス成形時に密度ムラ低減部材に対して加えられる力が低減される。よって、プレス成形時に密度ムラ低減部材が破断してしまうのを防止することができる。従って、セパレータを確実に成形することができる。
【００１６】
請求項２に記載の発明によれば、密度ムラ低減部材を金属材料によって形成した場合とは異なり、金属材料が溶出してイオン交換膜を被毒化させるおそれがない。また、密度ムラ低減部材が比較的安価な高分子材料によって成形されるため、セパレータを作製するために必要なコストを低減させることができる。
【００１７】
請求項３に記載の発明によれば、セパレータは、側縁部にテーパが設けられた密度ムラ低減部材の両面を成形材料によって挟み込んだ状態でプレス成形を行うことによって製造される。そのため、密度ムラ低減部材と成形材料とを積層する工程と凹凸を形成する工程とが同時に行われる。よって、セパレータを製造するために必要な工程が少なくなる。従って、セパレータを効率よく製造することができる。
【００１８】
請求項４に記載の発明によれば、各密度ムラ低減部材は支持部材によって支持されている。そのため、支持部材が成形材料によって挟持されても、各密度ムラ低減部材は同一の高さに保持される。また、各密度ムラ低減部材は互いに所定の間隔を有した状態に保持される。よって、プレス成形時に密度ムラ低減部材の位置ズレを防止することができる。従って、セパレータを確実にかつ効率よく製造することができる。また、各密度ムラ低減部材は支持部材によって支持された状態で成形されるため、容易に大量生産することができる。従って、セパレータを作製するためのコストをより確実に低減させることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を自動車用の固体高分子型燃料電池に具体化したセパレータの一実施形態を図１〜図５に基づき詳細に説明する。
【００２０】
図１及び図２に示すように、この燃料電池１は、膜・電極積層体Ｌ１とセパレータ２とを備えている。
膜・電極積層体Ｌ１は、プロトン交換膜３の両側に電極４Ａ，４Ｂを貼り付けた構造となっている。一方のものは水素極４Ａであり、他方のものは酸素極４Ｂである。プロトン交換膜３は、水素イオンを通過させることができる。本実施形態では、例えばパーフルオロカーボンスルフォン酸からなる膜をプロトン交換膜３として用いている。水素極４Ａ及び酸素極４Ｂは、炭素繊維等を主成分とする好通気性のマット状物であり、ここでは矩形状に加工されている。このマット状物には、白金及びパラジウムが触媒として担持されている。尚、マット状物には撥水処理のためフッ素樹脂等が添加されていてもよい。
【００２１】
膜・電極積層体Ｌ１の両側には、一対のセパレータ２が配置されている。本実施形態のセパレータ２は矩形状かつ板状の充実体であって、水素極４Ａ及び酸素極４Ｂよりも一回り大きく形成されている。そして、プロトン交換膜３の外縁に設けられた肉厚フランジ部３ａは、両セパレータ２の内面外周部によって挟持されている。肉厚フランジ部３ａとセパレータ２との間には、外部への流体漏れを防止するために、ゴムパッキング５が介在されている。その結果、両セパレータ２間に膜・電極積層体Ｌ１が位置ずれ不能に固定されている。
【００２２】
図５に示すように、セパレータ２は、樹脂成形体を同セパレータ２の厚さ方向（矢印Ａ１方向）にプレス成形することによって薄板状に形成されたものである。図１〜図３に示すように、セパレータ２は導電性を有し、基材部１１及び複数の凸部としてのリブ１２を備えている。各リブ１２は、基材部１１の上面及び下面において同基材部１１と一体に形成されている。各リブ１２はそれぞれ等断面形状をなし、基材部１１の外周部を除く個所において平行に形成されている。膜・電極積層体Ｌ１をセパレータ２で挟持した場合、各リブ１２の上端面は水素極４Ａ及び酸素極４Ｂに対して当接するようになっている。そして、リブ１２同士の間に形成される溝状の領域が、酸素ガス、水素ガス、水、水分等の流体を流通させるための流体流路１３となる。
【００２３】
また、樹脂成形体は、熱硬化性樹脂及び炭素粉末をその主成分としている。本実施形態の場合、樹脂成形体における熱硬化性樹脂の量は、１０〜３０ｗｔ％であることが好ましい。このような樹脂成形体は、一軸プレス機によるプレス成形により得ることができる。
【００２４】
樹脂成形体における熱硬化性樹脂の役割は、ガス等の流体を透過させない性質をセパレータ２に与えること、及び好適な成形性を与えることである。使用可能な熱硬化性樹脂としては、例えばエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂等がある。これらのなかでも、特にフェノール樹脂を選択することが好ましい。フェノール樹脂は、成形性及び流体不透過性に優れるばかりでなく、耐酸性、耐熱性、コスト性にも優れるからである。尚、フェノール樹脂には、ノボラック系のものやレゾール系のものがある。ノボラック系フェノール樹脂及びレゾール系フェノール樹脂の混合物を用いても勿論構わない。
【００２５】
また、樹脂成形体における炭素粉末としては、極力、不純物含有量の少ない高純度炭素粉末を用いることが望ましい。炭素粉末を用いた理由は、カーボンは金属のように、陽イオン溶出によりプロトン交換膜３を被毒化する危険性がないからである。尚、被毒化の確実な防止を図るためには、極力、不純物濃度の低い（具体的には不純物濃度が数百ｐｐｍ以下の）炭素粉末を用いることがよい。但し、セパレータ２の形成にあたって、樹脂成形体に金、銀、白金、パラジウム等から選択される少なくとも１種類の貴金属を含有したものを用いてもよい。なぜなら、貴金属はイオン化傾向が小さいため、当該金属がプロトン交換膜３に接触したとしても、プロトン交換膜３を被毒化させる危険性がないからである。
【００２６】
また、樹脂成形体における炭素粉末の役割は、セパレータ２の導電性を向上させることである。炭素粉末の平均粒子径は６０μｍ以下であることが好ましい。その理由は、平均粒子径が大きすぎると、炭素粉末内部に存在するマイクロクラックにより、ガス不透過性が確保されないおそれがある。
【００２７】
図２及び図３に示すように、樹脂成形体には、密度ムラ低減部材２１が複数箇所に設けられている。各密度ムラ低減部材２１は、樹脂成形体において気孔が発生すると予測される箇所に配設されている。具体的には、各密度ムラ低減部材２１は、樹脂成形体のリブ１２に対応する部分に埋設されている。各密度ムラ低減部材２１の両面は樹脂成形体によって覆われている。また、各密度ムラ低減部材２１は、支持部材２１ａによって同一面内に支持されている。そのため、各密度ムラ低減部材２１は同一の高さに保持される。尚、各支持部材２１ａの厚さは各密度ムラ低減部材２１の厚さの２分の１〜５分の１程度、具体的には１ｍｍ以下に設定されていることがよい。また、各密度ムラ低減部材２１は、互いに所定の間隔を有した状態に保持される。図３に示すように、各密度ムラ低減部材２１の厚さＷ１は、両面にリブ１２が設けられている部分において厚さＷ１を除いた部分の厚さが、両面にリブ１２が設けられていない部分の厚さＷ２とほぼ等しくなるように設定されることが好ましい。その理由は、厚さＷ１が小さすぎると、樹脂成形体の密度ムラを小さくすることが困難になるからである。逆に、厚さＷ１が大きすぎると、リブ１２がある部分の密度がリブ１２が無い部分の密度よりも大きくなってしまい、樹脂成形体の密度ムラが小さくならないからである。加えて、密度ムラ低減部材２１がセパレータ２の表面から露出してしまう可能性があり、確実に埋設できなくなるおそれがあるからである。また、各密度ムラ低減部材２１の側縁部にはテーパ２２が設けられている。これらテーパ２２により、密度ムラ低減部材２１の幅は側端に行くに従って狭くなる。
【００２８】
また、各密度ムラ低減部材２１は緻密体からなっている。具体的には、密度ムラ低減部材２１は、気孔が殆ど無い高分子材料によって形成されている。本実施形態において、各密度ムラ低減部材２１はプラスチックによって形成されている。そのため、密度ムラ低減部材２１のガス不透過性が確保される。また、各密度ムラ低減部材２１は、樹脂成形体よりも硬い材料によって形成されている。そのため、セパレータ２が各密度ムラ低減部材２１によって補強される。尚、使用可能な高分子材料としては、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂等がある。
【００２９】
次に、本実施形態のセパレータ２を製造する手順を説明する。
まず、炭素粉末及び熱硬化性樹脂を所定割合（炭素粉末：熱硬化性樹脂＝７８ｗｔ％：２２ｗｔ％）で配合し、混合物を得る。この混合物をメタノール等の溶剤を添加して適度な粘度に調整するとともに、混練機を用いてよく混練する。メタノールの代わりに、例えばアセトンや、高粘度の高級アルコール類等を溶剤として用いてもよい。得られたフレーク状混合物をミキサ等により粉砕して成形材料とする。また、成形材料とは別に、高分子材料からなる複数の密度ムラ低減部材２１を射出成形する。
【００３０】
次に、得られた成形材料に、各密度ムラ低減部材２１を、図５に示すプレス成形型３１の成形面３２の凹部３３に対応するように配置する。さらに、これら各密度ムラ低減部材２１を覆うように成形材料を積層する。その結果、各密度ムラ低減部材２１は、両面側が成形材料によって挟み込まれた状態に配置される。そして、この積層物を、プレス成形型３１を駆動させることにより密度ムラ低減部材２１の厚さ方向（矢印Ａ１方向）にプレス成形する。このとき、積層物は、１５〜３０ＭＰａで加圧されるとともに、１５０〜２５０℃に加熱される。その結果、成形品が形成され、同成形品の上面及び下面に複数のリブ１２が一体に形成される。
【００３１】
プレス工程の後、ある程度締まった成形品をさらにキュアすべく、成形品に対して所定温度・所定時間の加熱を行う。その結果、これまで備えていた柔軟性が失われ、成形品が硬化する。
【００３２】
このようにして製作されたセパレータ２を、膜・電極積層体Ｌ１及びゴムパッキング５とともに組み立てれば、図２等に示す所望の燃料電池１が完成する。十分大きな起電力を得るために、このような燃料電池１を数十枚から数百枚ほど積層し、「燃料電池スタック」を構成しても勿論構わない。
【００３３】
次に、図４に基づいて、この燃料電池１における発電原理を説明する。
使用に際し、水素極４Ａと酸素極４Ｂとの間には、モータ等の負荷が外部回路として電気的に接続される。この状態で、水素極４Ａ側のセパレータ２側に、水分とともに水素ガスを連続的に供給する。このとき、水分及び水素ガスは、リブ１２間に位置する流体流路１３内を一定方向に向かって流れる。同様に、酸素極４Ｂ側のセパレータ２側に、水分とともに酸素ガスを連続的に供給する。このとき、水分及び酸素ガスは、リブ１２間に位置する流体流路１３内を一定方向に向かって流れる。
【００３４】
水素極４Ａ側のセパレータ２を経由して供給されてきた水素ガスは、水素極４Ａにおける触媒反応により水素イオンとなる。生成された水素イオンは、プロトン交換膜３を通過しながら酸素極４Ｂに向かって移動する。酸素極４Ｂに到った水素イオンは、酸素極４Ｂにおける触媒反応によって酸素ガスと反応し、水を生成させる。このような反応が起こる過程では、電子が外部回路を通って水素極４Ａから酸素極４Ｂへ移動する。従って、電流は酸素極４Ｂから水素極４Ａへ流れ、結果として起電力を得ることができる。すると、外部回路に直流電流が通電され、負荷であるモータ等が駆動される。
【００３５】
従って、本実施形態によれば以下のような効果を得ることができる。
（１）樹脂成形体のリブ１２に対応する部分には、密度ムラ低減部材２１が埋設されている。そのため、セパレータ２において樹脂成形体のみの板厚の大きさは、リブ１２に対応しているか否かにかかわらずほぼ等しくなっている。よって、プレス成形時において、リブ１２に対応する部分のプレス成形型３１のストローク量とリブ１２に対応していない部分のプレス成形型３１のストローク量との差が小さくなる。ゆえに、成形材料に含まれる熱硬化性樹脂の流動性が十分でなくても、成形材料を従来よりも均一に圧縮させることができる。その結果、樹脂成形体の密度ムラが小さくなり、樹脂成形体の低密度充填部位に気孔が生じてしまうのが防止される。また、密度ムラ低減部材２１は緻密体によって形成されているため、密度ムラ低減部材２１に気孔が存在する可能性が小さくなる。従って、ガスが気孔を介して樹脂成形体を透過してしまうのを防止することができる。
ゆえに、セパレータ２のガス不透過性を確保することができる。
【００３６】
尚、密度ムラ低減部材２１の代わりに樹脂成形体全体にフィルム層を設けてガス不透過性を確保した場合のように、フィルム層によってセパレータ２の導電性が損なわれてしまうのを防止することができる。
【００３７】
また、各密度ムラ低減部材２１は、樹脂成形体よりも硬い材料によって形成されている。そのため、プレス成形時に樹脂成形体及び密度ムラ低減部材２１に力が加えられると、樹脂成形体の変形量が密度ムラ低減部材２１の変形量より大きくなる。よって、セパレータ２を確実に形成することができる。また、セパレータ２が完成した後は、各密度ムラ低減部材２１がいわば骨格となり、セパレータ２が補強される。従って、セパレータ２全体の強度を向上させることができる。
【００３８】
（２）密度ムラ低減部材２１は樹脂成形体に埋設されている。そのため、密度ムラ低減部材２１が表面に露出した場合のように、樹脂成形体と密度ムラ低減部材２１との継ぎ目から水が侵入してしまうのが防止される。また、継ぎ目が露出することにより、セパレータ２の見た目が悪くなってしまうのを防止することができる。さらに、密度ムラ低減部材２１の露出によって、セパレータ２が部分的に絶縁されてしまうのを防止することができる。
【００３９】
（３）各密度ムラ低減部材２１の側縁部にテーパ２２が設けられているため、プレス成形時に成形材料が圧縮されると、熱硬化性樹脂は各密度ムラ低減部材２１の側方にスムーズに流れる。そのため、プレス成形時に密度ムラ低減部材２１に対して加えられる力が低減される。よって、プレス成形時に密度ムラ低減部材２１が破断してしまうのを防止することができる。従って、セパレータ２を確実に成形することができる。
【００４０】
（４）密度ムラ低減部材２１は高分子材料によって形成されている。そのため、密度ムラ低減部材２１を卑金属材料によって形成した場合とは異なり、卑金属材料が溶出してプロトン交換膜３を被毒化させるおそれがない。また、密度ムラ低減部材２１が比較的安価な高分子材料によって成形されるため、セパレータ２を作製するために必要なコストを低減させることができる。
【００４１】
（５）セパレータ２はプレス成形を行うことによって作製されている。そのため、セパレータ２を切削加工を行うことによって作製した場合とは異なり、リブ１２等の細かい形状を一度に形成することができる。従って、セパレータ２を作製するために必要なコストを低減させることができる。
【００４２】
（６）セパレータ２は、密度ムラ低減部材２１の両面を成形材料によって挟み込んだ状態でプレス成形を行うことによって製造される。そのため、密度ムラ低減部材２１と成形材料とを積層する工程とリブ１２及び流体流路１３を形成する工程とが同時に行われる。よって、セパレータ２を製造するために必要な工程が少なくなる。従って、セパレータ２を効率よく製造することができる。
【００４３】
（７）各密度ムラ低減部材２１は支持部材２１ａによって支持されている。そのため、支持部材２１ａが成形材料によって挟持されても、各密度ムラ低減部材２１は同一の高さに保持される。また、各密度ムラ低減部材２１は互いに所定の間隔を有した状態に保持される。よって、プレス成形時に密度ムラ低減部材２１の位置ズレを防止することができる。従って、セパレータ２を確実かつ効率よく製造することができる。また、各密度ムラ低減部材２１は高分子材料からなり、支持部材２１ａによって支持された状態で成形されている。そのため、支持部材２１ａを射出成形等によって容易に大量生産することができる。従って、セパレータ２を作製するためのコストをより確実に低減させることができる。
【００４４】
尚、本発明の実施形態は以下のように変更してもよい。
・前記実施形態では、各密度ムラ低減部材２１の側縁部に、密度ムラ低減部材２１の幅が側端に行くに従って小さくなるテーパ２２が設けられていた。しかし、各テーパ２２は省略されていてもよい。
【００４５】
・前記実施形態において、密度ムラ低減部材２１を、鉄、銅等の卑金属材料によって形成してもよい。このように構成すれば、密度ムラ低減部材２１自体も導電性を有するため、実施形態のときに比べてセパレータ２の導電性を向上させることができる。また、密度ムラ低減部材２１を、金、白金等の貴金属によって形成してもよい。この場合、卑金属材料が溶出してプロトン交換膜３を被毒化させるおそれがないという利点がある。尚、このような金属製の密度ムラ低減部材２１は、例えば金属板材を金型で打ち抜くこと等により比較的簡単に得ることができる。
【００４６】
・前記実施形態において、密度ムラ低減部材２１をエポキシ樹脂等の高分子材料によって形成する代わりに、黒鉛材料によって形成してもよい。このように構成すれば、密度ムラ低減部材２１自体も導電性を有するため、セパレータ２の導電性を向上させることができる。また、樹脂成形体にも黒鉛材料からなる炭素粉末が含まれるため、密度ムラ低減部材２１と樹脂成形体との馴染みが良くなる。ゆえに、セパレータ２を形成し易くなる。また、熱膨張係数が等しくなるため、反りや剥離が起こりにくくなり、耐久性に優れたものとなる。また、密度ムラ低減部材２１を、高分子材料と黒鉛材料との混合物によって形成してもよい。この場合、プレス成形や切削成形を行わなくてもよくなるため、セパレータ２を作製するためのコストを低減させることができる。
【００４７】
・前記実施形態において、密度ムラ低減部材２１をエポキシ樹脂等の高分子材料によって形成する代わりに、セラミックによって形成してもよい。
・セパレータ２の形状は、前記実施形態のような矩形状に限定されるものではなく、円形状、略三角形状等の他の形状であってもよい。
【００４８】
次に、上記実施形態及び別例によって把握される技術的思想を以下に列挙する。
（１）イオン交換膜の両側に電極を配置してなる膜・電極積層体と、導電性を有するとともに熱硬化性樹脂及び炭素粉末を成分とする板状の樹脂成形体をプレス成形することによって凹凸が形成され、前記膜・電極積層体を挟持する一対のセパレータとを備えた固体高分子型燃料電池において、前記樹脂成形体の凸部に対応する部分に、緻密体からなる密度ムラ低減部材を埋設したことを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【００４９】
（２）イオン交換膜の両側に電極を配置してなる膜・電極積層体と、導電性を有するとともに熱硬化性樹脂及び炭素粉末を成分とする板状の樹脂成形体をプレス成形することによって凹凸が形成され、前記膜・電極積層体を挟持する一対のセパレータとを備えた固体高分子型燃料電池を複数枚積層することによって構成した燃料電池スタックにおいて、前記樹脂成形体の凸部に対応する部分に、緻密体からなる密度ムラ低減部材を埋設したことを特徴とする燃料電池スタック。
【００５０】
【発明の効果】
以上詳述したように、請求項１に記載の発明によれば、セパレータのガス不透過性を確保することができる。
【００５１】
加えて、プレス成形時に密度ムラ低減部材が破断してしまうのを防止することができる。従って、セパレータを確実に成形することができる。
請求項２に記載の発明によれば、密度ムラ低減部材を金属材料によって形成した場合とは異なり、金属材料が溶出してイオン交換膜を被毒化させるおそれがない。また、セパレータを作製するために必要なコストを低減させることができる。
【００５２】
請求項３に記載の発明によれば、セパレータを効率よく製造することができる。
請求項４に記載の発明によれば、セパレータを確実にかつ効率よく製造することができる。また、セパレータを作製するためのコストをより確実に低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明を具体化した固体高分子型燃料電池の分解斜視図。
【図２】 燃料電池の概略断面図。
【図３】 セパレータの概略断面図。
【図４】 燃料電池の原理説明図。
【図５】 セパレータが成形されるときの状態を示す断面図。
【図６】 従来技術におけるセパレータの要部断面図。
【符号の説明】
１…固体高分子型燃料電池、２…セパレータ、１２…凸部としてのリブ、２１…密度ムラ低減部材、２１ａ…支持部材、２２…テーパ、３１…プレス成形型、３２…成形面、３３…凹部。
【発明の属する技術分野】
この発明は、固体高分子型燃料電池の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】
近年、クリーンで発電効率の高い次世代の発電装置が望まれており、酸素及び水素の持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する燃料電池（Ｆｕｅｌｃｅｌｌ）に対する期待が次第に高まってきている。現状における燃料電池の種類としては、リン酸型、アルカリ型、溶融炭酸塩型、固体電解質型、固体高分子型（イオン交換膜型ともいう。）等が知られている。なかでも固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ：Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）は、小規模かつポータブルな電源としての用途（例えば電気自動車用電源等）に適すると考えられている。ゆえに、その実用化に向けて、現在精力的に開発が進められている。
【０００３】
このタイプの燃料電池は、例えば電解質層としてプロトン導電性を有するイオン交換膜の１つである固体高分子膜（以後プロトン交換膜）の両側に電極を配置してなる膜・電極積層体（単電池）を備えている。このような固体高分子膜は、分子中に水素イオンの交換基を持つため、飽和含水状態とすることによりイオン導電性電解質として機能することができる。これらの電極には白金等の金属触媒が担持されている。一対の電極のうちの一方は水素極（陰極）と呼ばれ、他方は酸素極（陽極）と呼ばれる。膜・電極積層体の両側には一対のセパレータが配置されており、それらセパレータによって両電極及びイオン交換膜の外周部が挟持されている。
【０００４】
水素極側のセパレータを介して供給された水素ガス（Ｈ2）は、水素極における触媒反応により水素イオン（Ｈ+）と電子（ｅ-）とに解離する。水素イオンはプロトン交換膜を通過しながら酸素極に向かって移動し、電子は外部回路を通って酸素極側へ移動する。酸素極側には酸素ガス（Ｏ2）が供給されている。
【０００５】
従って、酸素極における触媒反応により、水素イオン及び外部回路を経由した電子が酸素ガスと反応し、水（Ｈ2Ｏ）が生じる。このとき、外部回路を経由した電子は電流となり、負荷に対して電力を供給することができる。別の言い方をすると、酸素ガス及び水素ガスを燃料として、電気分解の逆反応により、起電力が得られるようになっている。
【０００６】
図６に示すように、固体高分子型燃料電池のセパレータ５１は、一軸プレス機にて成形材料を同セパレータ５１の厚さ方向（矢印Ａ２方向）にプレス成形することによって薄板状に形成されたものである。また、セパレータ５１は導電性を有し、上面及び下面には多数のリブ５２が設けられている。リブ５２の無い箇所は、流体流路となる溝部５４になっている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、プレス成形時におけるプレス成形型のストローク量は、凸の部位（リブ５２がある部分）で小さく、凹の部位（リブ５２が無い部分）で大きい。また、成形材料に含まれる熱硬化性樹脂の流動性は十分なものではない。それゆえ、セパレータ５１において両面が凸の部位と両面が凹の部位との間に密度のムラが生じ易かった。具体的には、セパレータ５１において板厚が大きい部位（両面が凸の部位）になるほど密度が小さくなる傾向にあった。従って、密度が小さい部位に気孔が生じ易くなり、ガス不透過性が確保されなくなるという問題があった。
【０００８】
尚、樹脂成形体全体にフィルム層を設けてガス不透過性を確保するという方法では、セパレータ５１の導電性が損なわれるという問題があった。
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ガス不透過性を確保することができる固体高分子型燃料電池のセパレータを提供することにある。また、他の目的は、効率よく製造することができる固体高分子型燃料電池のセパレータ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】
上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明では、熱硬化性樹脂及び炭素粉末を成分とする板状の樹脂成形体からなり、プレス成形によって形成された凹凸を備える固体高分子型燃料電池のセパレータにおいて、前記樹脂成形体の凸部に対応する部分に、緻密体からなり、側縁部には先端に行くに従って幅が狭くなるテーパが設けられた密度ムラ低減部材を埋設したことを要旨とする。
【００１１】
請求項２に記載の発明では、熱硬化性樹脂及び炭素粉末を成分とする板状の樹脂成形体からなり、プレス成形によって形成された凹凸を備える固体高分子型燃料電池のセパレータにおいて、前記樹脂成形体の凸部に対応する部分に、高分子材料によって形成され、緻密体からなる密度ムラ低減部材を埋設したことを要旨とする。
【００１２】
請求項３に記載の発明では、熱硬化性樹脂及び炭素粉末を成分とする板状の樹脂成形体からなり、プレス成形によって形成された凹凸を備える固体高分子型燃料電池のセパレータを製造する方法において、プレス成形型の成形面の凹部に対応する位置に緻密体からなり、側縁部には先端に行くに従って幅が狭くなるテーパが設けられた密度ムラ低減部材を配置するとともに、前記密度ムラ低減部材を両面側から挟み込むように熱硬化性樹脂及び炭素粉末を成分とする成形材料を配置し、この状態で前記プレス成形型を駆動させて前記密度ムラ低減部材の厚さ方向に成形圧を加えることを要旨とする。
【００１３】
請求項４に記載の発明では、請求項３に記載の発明において、前記密度ムラ低減部材は複数個であって、それらは支持部材により同一面内にて支持されていることを要旨とする。
【００１４】
以下、本発明の「作用」について説明する。
請求項１に記載の発明によれば、セパレータにおいて樹脂成形体のみの板厚の大きさは、凸部に対応しているか否かにかかわらずほぼ等しくなっている。そのため、プレス成形時において、凸部に対応する部分のプレス成形型のストローク量と凸部に対応していない部分のプレス成形型のストローク量との差が小さくなる。よって、成形材料に含まれる熱硬化性樹脂の流動性が十分でなくても、成形材料を従来よりも均一に圧縮させることができる。その結果、樹脂成形体の密度ムラが小さくなり、樹脂成形体の低密度充填部位に気孔が生じてしまうのが防止される。また、密度ムラ低減部材は緻密体によって形成されているため、密度ムラ低減部材に気孔が存在する可能性が小さくなる。従って、ガスが気孔を介して樹脂成形体を透過してしまうのを防止することができる。ゆえに、セパレータのガス不透過性を確保することができる。
【００１５】
加えて、密度ムラ低減部材の側縁部にテーパが設けられているため、プレス成形時に成形材料が圧縮されると、熱硬化性樹脂が密度ムラ低減部材の側方にスムーズに流れる。そのため、プレス成形時に密度ムラ低減部材に対して加えられる力が低減される。よって、プレス成形時に密度ムラ低減部材が破断してしまうのを防止することができる。従って、セパレータを確実に成形することができる。
【００１６】
請求項２に記載の発明によれば、密度ムラ低減部材を金属材料によって形成した場合とは異なり、金属材料が溶出してイオン交換膜を被毒化させるおそれがない。また、密度ムラ低減部材が比較的安価な高分子材料によって成形されるため、セパレータを作製するために必要なコストを低減させることができる。
【００１７】
請求項３に記載の発明によれば、セパレータは、側縁部にテーパが設けられた密度ムラ低減部材の両面を成形材料によって挟み込んだ状態でプレス成形を行うことによって製造される。そのため、密度ムラ低減部材と成形材料とを積層する工程と凹凸を形成する工程とが同時に行われる。よって、セパレータを製造するために必要な工程が少なくなる。従って、セパレータを効率よく製造することができる。
【００１８】
請求項４に記載の発明によれば、各密度ムラ低減部材は支持部材によって支持されている。そのため、支持部材が成形材料によって挟持されても、各密度ムラ低減部材は同一の高さに保持される。また、各密度ムラ低減部材は互いに所定の間隔を有した状態に保持される。よって、プレス成形時に密度ムラ低減部材の位置ズレを防止することができる。従って、セパレータを確実にかつ効率よく製造することができる。また、各密度ムラ低減部材は支持部材によって支持された状態で成形されるため、容易に大量生産することができる。従って、セパレータを作製するためのコストをより確実に低減させることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を自動車用の固体高分子型燃料電池に具体化したセパレータの一実施形態を図１〜図５に基づき詳細に説明する。
【００２０】
図１及び図２に示すように、この燃料電池１は、膜・電極積層体Ｌ１とセパレータ２とを備えている。
膜・電極積層体Ｌ１は、プロトン交換膜３の両側に電極４Ａ，４Ｂを貼り付けた構造となっている。一方のものは水素極４Ａであり、他方のものは酸素極４Ｂである。プロトン交換膜３は、水素イオンを通過させることができる。本実施形態では、例えばパーフルオロカーボンスルフォン酸からなる膜をプロトン交換膜３として用いている。水素極４Ａ及び酸素極４Ｂは、炭素繊維等を主成分とする好通気性のマット状物であり、ここでは矩形状に加工されている。このマット状物には、白金及びパラジウムが触媒として担持されている。尚、マット状物には撥水処理のためフッ素樹脂等が添加されていてもよい。
【００２１】
膜・電極積層体Ｌ１の両側には、一対のセパレータ２が配置されている。本実施形態のセパレータ２は矩形状かつ板状の充実体であって、水素極４Ａ及び酸素極４Ｂよりも一回り大きく形成されている。そして、プロトン交換膜３の外縁に設けられた肉厚フランジ部３ａは、両セパレータ２の内面外周部によって挟持されている。肉厚フランジ部３ａとセパレータ２との間には、外部への流体漏れを防止するために、ゴムパッキング５が介在されている。その結果、両セパレータ２間に膜・電極積層体Ｌ１が位置ずれ不能に固定されている。
【００２２】
図５に示すように、セパレータ２は、樹脂成形体を同セパレータ２の厚さ方向（矢印Ａ１方向）にプレス成形することによって薄板状に形成されたものである。図１〜図３に示すように、セパレータ２は導電性を有し、基材部１１及び複数の凸部としてのリブ１２を備えている。各リブ１２は、基材部１１の上面及び下面において同基材部１１と一体に形成されている。各リブ１２はそれぞれ等断面形状をなし、基材部１１の外周部を除く個所において平行に形成されている。膜・電極積層体Ｌ１をセパレータ２で挟持した場合、各リブ１２の上端面は水素極４Ａ及び酸素極４Ｂに対して当接するようになっている。そして、リブ１２同士の間に形成される溝状の領域が、酸素ガス、水素ガス、水、水分等の流体を流通させるための流体流路１３となる。
【００２３】
また、樹脂成形体は、熱硬化性樹脂及び炭素粉末をその主成分としている。本実施形態の場合、樹脂成形体における熱硬化性樹脂の量は、１０〜３０ｗｔ％であることが好ましい。このような樹脂成形体は、一軸プレス機によるプレス成形により得ることができる。
【００２４】
樹脂成形体における熱硬化性樹脂の役割は、ガス等の流体を透過させない性質をセパレータ２に与えること、及び好適な成形性を与えることである。使用可能な熱硬化性樹脂としては、例えばエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂等がある。これらのなかでも、特にフェノール樹脂を選択することが好ましい。フェノール樹脂は、成形性及び流体不透過性に優れるばかりでなく、耐酸性、耐熱性、コスト性にも優れるからである。尚、フェノール樹脂には、ノボラック系のものやレゾール系のものがある。ノボラック系フェノール樹脂及びレゾール系フェノール樹脂の混合物を用いても勿論構わない。
【００２５】
また、樹脂成形体における炭素粉末としては、極力、不純物含有量の少ない高純度炭素粉末を用いることが望ましい。炭素粉末を用いた理由は、カーボンは金属のように、陽イオン溶出によりプロトン交換膜３を被毒化する危険性がないからである。尚、被毒化の確実な防止を図るためには、極力、不純物濃度の低い（具体的には不純物濃度が数百ｐｐｍ以下の）炭素粉末を用いることがよい。但し、セパレータ２の形成にあたって、樹脂成形体に金、銀、白金、パラジウム等から選択される少なくとも１種類の貴金属を含有したものを用いてもよい。なぜなら、貴金属はイオン化傾向が小さいため、当該金属がプロトン交換膜３に接触したとしても、プロトン交換膜３を被毒化させる危険性がないからである。
【００２６】
また、樹脂成形体における炭素粉末の役割は、セパレータ２の導電性を向上させることである。炭素粉末の平均粒子径は６０μｍ以下であることが好ましい。その理由は、平均粒子径が大きすぎると、炭素粉末内部に存在するマイクロクラックにより、ガス不透過性が確保されないおそれがある。
【００２７】
図２及び図３に示すように、樹脂成形体には、密度ムラ低減部材２１が複数箇所に設けられている。各密度ムラ低減部材２１は、樹脂成形体において気孔が発生すると予測される箇所に配設されている。具体的には、各密度ムラ低減部材２１は、樹脂成形体のリブ１２に対応する部分に埋設されている。各密度ムラ低減部材２１の両面は樹脂成形体によって覆われている。また、各密度ムラ低減部材２１は、支持部材２１ａによって同一面内に支持されている。そのため、各密度ムラ低減部材２１は同一の高さに保持される。尚、各支持部材２１ａの厚さは各密度ムラ低減部材２１の厚さの２分の１〜５分の１程度、具体的には１ｍｍ以下に設定されていることがよい。また、各密度ムラ低減部材２１は、互いに所定の間隔を有した状態に保持される。図３に示すように、各密度ムラ低減部材２１の厚さＷ１は、両面にリブ１２が設けられている部分において厚さＷ１を除いた部分の厚さが、両面にリブ１２が設けられていない部分の厚さＷ２とほぼ等しくなるように設定されることが好ましい。その理由は、厚さＷ１が小さすぎると、樹脂成形体の密度ムラを小さくすることが困難になるからである。逆に、厚さＷ１が大きすぎると、リブ１２がある部分の密度がリブ１２が無い部分の密度よりも大きくなってしまい、樹脂成形体の密度ムラが小さくならないからである。加えて、密度ムラ低減部材２１がセパレータ２の表面から露出してしまう可能性があり、確実に埋設できなくなるおそれがあるからである。また、各密度ムラ低減部材２１の側縁部にはテーパ２２が設けられている。これらテーパ２２により、密度ムラ低減部材２１の幅は側端に行くに従って狭くなる。
【００２８】
また、各密度ムラ低減部材２１は緻密体からなっている。具体的には、密度ムラ低減部材２１は、気孔が殆ど無い高分子材料によって形成されている。本実施形態において、各密度ムラ低減部材２１はプラスチックによって形成されている。そのため、密度ムラ低減部材２１のガス不透過性が確保される。また、各密度ムラ低減部材２１は、樹脂成形体よりも硬い材料によって形成されている。そのため、セパレータ２が各密度ムラ低減部材２１によって補強される。尚、使用可能な高分子材料としては、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂等がある。
【００２９】
次に、本実施形態のセパレータ２を製造する手順を説明する。
まず、炭素粉末及び熱硬化性樹脂を所定割合（炭素粉末：熱硬化性樹脂＝７８ｗｔ％：２２ｗｔ％）で配合し、混合物を得る。この混合物をメタノール等の溶剤を添加して適度な粘度に調整するとともに、混練機を用いてよく混練する。メタノールの代わりに、例えばアセトンや、高粘度の高級アルコール類等を溶剤として用いてもよい。得られたフレーク状混合物をミキサ等により粉砕して成形材料とする。また、成形材料とは別に、高分子材料からなる複数の密度ムラ低減部材２１を射出成形する。
【００３０】
次に、得られた成形材料に、各密度ムラ低減部材２１を、図５に示すプレス成形型３１の成形面３２の凹部３３に対応するように配置する。さらに、これら各密度ムラ低減部材２１を覆うように成形材料を積層する。その結果、各密度ムラ低減部材２１は、両面側が成形材料によって挟み込まれた状態に配置される。そして、この積層物を、プレス成形型３１を駆動させることにより密度ムラ低減部材２１の厚さ方向（矢印Ａ１方向）にプレス成形する。このとき、積層物は、１５〜３０ＭＰａで加圧されるとともに、１５０〜２５０℃に加熱される。その結果、成形品が形成され、同成形品の上面及び下面に複数のリブ１２が一体に形成される。
【００３１】
プレス工程の後、ある程度締まった成形品をさらにキュアすべく、成形品に対して所定温度・所定時間の加熱を行う。その結果、これまで備えていた柔軟性が失われ、成形品が硬化する。
【００３２】
このようにして製作されたセパレータ２を、膜・電極積層体Ｌ１及びゴムパッキング５とともに組み立てれば、図２等に示す所望の燃料電池１が完成する。十分大きな起電力を得るために、このような燃料電池１を数十枚から数百枚ほど積層し、「燃料電池スタック」を構成しても勿論構わない。
【００３３】
次に、図４に基づいて、この燃料電池１における発電原理を説明する。
使用に際し、水素極４Ａと酸素極４Ｂとの間には、モータ等の負荷が外部回路として電気的に接続される。この状態で、水素極４Ａ側のセパレータ２側に、水分とともに水素ガスを連続的に供給する。このとき、水分及び水素ガスは、リブ１２間に位置する流体流路１３内を一定方向に向かって流れる。同様に、酸素極４Ｂ側のセパレータ２側に、水分とともに酸素ガスを連続的に供給する。このとき、水分及び酸素ガスは、リブ１２間に位置する流体流路１３内を一定方向に向かって流れる。
【００３４】
水素極４Ａ側のセパレータ２を経由して供給されてきた水素ガスは、水素極４Ａにおける触媒反応により水素イオンとなる。生成された水素イオンは、プロトン交換膜３を通過しながら酸素極４Ｂに向かって移動する。酸素極４Ｂに到った水素イオンは、酸素極４Ｂにおける触媒反応によって酸素ガスと反応し、水を生成させる。このような反応が起こる過程では、電子が外部回路を通って水素極４Ａから酸素極４Ｂへ移動する。従って、電流は酸素極４Ｂから水素極４Ａへ流れ、結果として起電力を得ることができる。すると、外部回路に直流電流が通電され、負荷であるモータ等が駆動される。
【００３５】
従って、本実施形態によれば以下のような効果を得ることができる。
（１）樹脂成形体のリブ１２に対応する部分には、密度ムラ低減部材２１が埋設されている。そのため、セパレータ２において樹脂成形体のみの板厚の大きさは、リブ１２に対応しているか否かにかかわらずほぼ等しくなっている。よって、プレス成形時において、リブ１２に対応する部分のプレス成形型３１のストローク量とリブ１２に対応していない部分のプレス成形型３１のストローク量との差が小さくなる。ゆえに、成形材料に含まれる熱硬化性樹脂の流動性が十分でなくても、成形材料を従来よりも均一に圧縮させることができる。その結果、樹脂成形体の密度ムラが小さくなり、樹脂成形体の低密度充填部位に気孔が生じてしまうのが防止される。また、密度ムラ低減部材２１は緻密体によって形成されているため、密度ムラ低減部材２１に気孔が存在する可能性が小さくなる。従って、ガスが気孔を介して樹脂成形体を透過してしまうのを防止することができる。
ゆえに、セパレータ２のガス不透過性を確保することができる。
【００３６】
尚、密度ムラ低減部材２１の代わりに樹脂成形体全体にフィルム層を設けてガス不透過性を確保した場合のように、フィルム層によってセパレータ２の導電性が損なわれてしまうのを防止することができる。
【００３７】
また、各密度ムラ低減部材２１は、樹脂成形体よりも硬い材料によって形成されている。そのため、プレス成形時に樹脂成形体及び密度ムラ低減部材２１に力が加えられると、樹脂成形体の変形量が密度ムラ低減部材２１の変形量より大きくなる。よって、セパレータ２を確実に形成することができる。また、セパレータ２が完成した後は、各密度ムラ低減部材２１がいわば骨格となり、セパレータ２が補強される。従って、セパレータ２全体の強度を向上させることができる。
【００３８】
（２）密度ムラ低減部材２１は樹脂成形体に埋設されている。そのため、密度ムラ低減部材２１が表面に露出した場合のように、樹脂成形体と密度ムラ低減部材２１との継ぎ目から水が侵入してしまうのが防止される。また、継ぎ目が露出することにより、セパレータ２の見た目が悪くなってしまうのを防止することができる。さらに、密度ムラ低減部材２１の露出によって、セパレータ２が部分的に絶縁されてしまうのを防止することができる。
【００３９】
（３）各密度ムラ低減部材２１の側縁部にテーパ２２が設けられているため、プレス成形時に成形材料が圧縮されると、熱硬化性樹脂は各密度ムラ低減部材２１の側方にスムーズに流れる。そのため、プレス成形時に密度ムラ低減部材２１に対して加えられる力が低減される。よって、プレス成形時に密度ムラ低減部材２１が破断してしまうのを防止することができる。従って、セパレータ２を確実に成形することができる。
【００４０】
（４）密度ムラ低減部材２１は高分子材料によって形成されている。そのため、密度ムラ低減部材２１を卑金属材料によって形成した場合とは異なり、卑金属材料が溶出してプロトン交換膜３を被毒化させるおそれがない。また、密度ムラ低減部材２１が比較的安価な高分子材料によって成形されるため、セパレータ２を作製するために必要なコストを低減させることができる。
【００４１】
（５）セパレータ２はプレス成形を行うことによって作製されている。そのため、セパレータ２を切削加工を行うことによって作製した場合とは異なり、リブ１２等の細かい形状を一度に形成することができる。従って、セパレータ２を作製するために必要なコストを低減させることができる。
【００４２】
（６）セパレータ２は、密度ムラ低減部材２１の両面を成形材料によって挟み込んだ状態でプレス成形を行うことによって製造される。そのため、密度ムラ低減部材２１と成形材料とを積層する工程とリブ１２及び流体流路１３を形成する工程とが同時に行われる。よって、セパレータ２を製造するために必要な工程が少なくなる。従って、セパレータ２を効率よく製造することができる。
【００４３】
（７）各密度ムラ低減部材２１は支持部材２１ａによって支持されている。そのため、支持部材２１ａが成形材料によって挟持されても、各密度ムラ低減部材２１は同一の高さに保持される。また、各密度ムラ低減部材２１は互いに所定の間隔を有した状態に保持される。よって、プレス成形時に密度ムラ低減部材２１の位置ズレを防止することができる。従って、セパレータ２を確実かつ効率よく製造することができる。また、各密度ムラ低減部材２１は高分子材料からなり、支持部材２１ａによって支持された状態で成形されている。そのため、支持部材２１ａを射出成形等によって容易に大量生産することができる。従って、セパレータ２を作製するためのコストをより確実に低減させることができる。
【００４４】
尚、本発明の実施形態は以下のように変更してもよい。
・前記実施形態では、各密度ムラ低減部材２１の側縁部に、密度ムラ低減部材２１の幅が側端に行くに従って小さくなるテーパ２２が設けられていた。しかし、各テーパ２２は省略されていてもよい。
【００４５】
・前記実施形態において、密度ムラ低減部材２１を、鉄、銅等の卑金属材料によって形成してもよい。このように構成すれば、密度ムラ低減部材２１自体も導電性を有するため、実施形態のときに比べてセパレータ２の導電性を向上させることができる。また、密度ムラ低減部材２１を、金、白金等の貴金属によって形成してもよい。この場合、卑金属材料が溶出してプロトン交換膜３を被毒化させるおそれがないという利点がある。尚、このような金属製の密度ムラ低減部材２１は、例えば金属板材を金型で打ち抜くこと等により比較的簡単に得ることができる。
【００４６】
・前記実施形態において、密度ムラ低減部材２１をエポキシ樹脂等の高分子材料によって形成する代わりに、黒鉛材料によって形成してもよい。このように構成すれば、密度ムラ低減部材２１自体も導電性を有するため、セパレータ２の導電性を向上させることができる。また、樹脂成形体にも黒鉛材料からなる炭素粉末が含まれるため、密度ムラ低減部材２１と樹脂成形体との馴染みが良くなる。ゆえに、セパレータ２を形成し易くなる。また、熱膨張係数が等しくなるため、反りや剥離が起こりにくくなり、耐久性に優れたものとなる。また、密度ムラ低減部材２１を、高分子材料と黒鉛材料との混合物によって形成してもよい。この場合、プレス成形や切削成形を行わなくてもよくなるため、セパレータ２を作製するためのコストを低減させることができる。
【００４７】
・前記実施形態において、密度ムラ低減部材２１をエポキシ樹脂等の高分子材料によって形成する代わりに、セラミックによって形成してもよい。
・セパレータ２の形状は、前記実施形態のような矩形状に限定されるものではなく、円形状、略三角形状等の他の形状であってもよい。
【００４８】
次に、上記実施形態及び別例によって把握される技術的思想を以下に列挙する。
（１）イオン交換膜の両側に電極を配置してなる膜・電極積層体と、導電性を有するとともに熱硬化性樹脂及び炭素粉末を成分とする板状の樹脂成形体をプレス成形することによって凹凸が形成され、前記膜・電極積層体を挟持する一対のセパレータとを備えた固体高分子型燃料電池において、前記樹脂成形体の凸部に対応する部分に、緻密体からなる密度ムラ低減部材を埋設したことを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【００４９】
（２）イオン交換膜の両側に電極を配置してなる膜・電極積層体と、導電性を有するとともに熱硬化性樹脂及び炭素粉末を成分とする板状の樹脂成形体をプレス成形することによって凹凸が形成され、前記膜・電極積層体を挟持する一対のセパレータとを備えた固体高分子型燃料電池を複数枚積層することによって構成した燃料電池スタックにおいて、前記樹脂成形体の凸部に対応する部分に、緻密体からなる密度ムラ低減部材を埋設したことを特徴とする燃料電池スタック。
【００５０】
【発明の効果】
以上詳述したように、請求項１に記載の発明によれば、セパレータのガス不透過性を確保することができる。
【００５１】
加えて、プレス成形時に密度ムラ低減部材が破断してしまうのを防止することができる。従って、セパレータを確実に成形することができる。
請求項２に記載の発明によれば、密度ムラ低減部材を金属材料によって形成した場合とは異なり、金属材料が溶出してイオン交換膜を被毒化させるおそれがない。また、セパレータを作製するために必要なコストを低減させることができる。
【００５２】
請求項３に記載の発明によれば、セパレータを効率よく製造することができる。
請求項４に記載の発明によれば、セパレータを確実にかつ効率よく製造することができる。また、セパレータを作製するためのコストをより確実に低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明を具体化した固体高分子型燃料電池の分解斜視図。
【図２】 燃料電池の概略断面図。
【図３】 セパレータの概略断面図。
【図４】 燃料電池の原理説明図。
【図５】 セパレータが成形されるときの状態を示す断面図。
【図６】 従来技術におけるセパレータの要部断面図。
【符号の説明】
１…固体高分子型燃料電池、２…セパレータ、１２…凸部としてのリブ、２１…密度ムラ低減部材、２１ａ…支持部材、２２…テーパ、３１…プレス成形型、３２…成形面、３３…凹部。
Claims (4)
- 熱硬化性樹脂及び炭素粉末を成分とする板状の樹脂成形体からなり、プレス成形によって形成された凹凸を備える固体高分子型燃料電池のセパレータにおいて、
前記樹脂成形体の凸部に対応する部分に、緻密体からなり、側縁部には先端に行くに従って幅が狭くなるテーパが設けられた密度ムラ低減部材を埋設したことを特徴とする固体高分子型燃料電池のセパレータ。 - 熱硬化性樹脂及び炭素粉末を成分とする板状の樹脂成形体からなり、プレス成形によって形成された凹凸を備える固体高分子型燃料電池のセパレータにおいて、
前記樹脂成形体の凸部に対応する部分に、高分子材料によって形成され、緻密体からなる密度ムラ低減部材を埋設したことを特徴とする固体高分子型燃料電池のセパレータ。 - 熱硬化性樹脂及び炭素粉末を成分とする板状の樹脂成形体からなり、プレス成形によって形成された凹凸を備える固体高分子型燃料電池のセパレータを製造する方法において、
プレス成形型の成形面の凹部に対応する位置に緻密体からなり、側縁部には先端に行くに従って幅が狭くなるテーパが設けられた密度ムラ低減部材を配置するとともに、前記密度ムラ低減部材を両面側から挟み込むように熱硬化性樹脂及び炭素粉末を成分とする成形材料を配置し、この状態で前記プレス成形型を駆動させて前記密度ムラ低減部材の厚さ方向に成形圧を加えることを特徴とする固体高分子型燃料電池のセパレータの製造方法。 - 前記密度ムラ低減部材は複数個であって、それらは支持部材により同一面内にて支持されていることを特徴とする請求項３に記載の固体高分子型燃料電池のセパレータの製造方法。
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