JP2000285930A - 燃料電池用セパレータ及びその製造方法 - Google Patents
燃料電池用セパレータ及びその製造方法Info
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Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- 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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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】従来の金属製セパレータと比べ軽く、また従来
のグラファイト製又はカーボン製のセパレータと比べて
耐久性、電気抵抗の点で優れかつ小型化し得ることを課
題とする。 【解決手段】表面に燃料ガス供給溝３１ａを有し裏面に
水供給溝３１ｂを有する燃料ガス供給板３１と、表面に
酸化剤ガス供給溝３２ａを有し裏面に水供給溝３２ｂを
有する酸化剤ガス供給板３２と、前記両ガス供給板３
１，３２の裏面間に接合により設けられた接合層３５と
を具備し、前記接合層３５は炭素粉３３とエポキシ樹脂
３４からなる層であることを特徴とする燃料電池用セパ
レータ。
のグラファイト製又はカーボン製のセパレータと比べて
耐久性、電気抵抗の点で優れかつ小型化し得ることを課
題とする。 【解決手段】表面に燃料ガス供給溝３１ａを有し裏面に
水供給溝３１ｂを有する燃料ガス供給板３１と、表面に
酸化剤ガス供給溝３２ａを有し裏面に水供給溝３２ｂを
有する酸化剤ガス供給板３２と、前記両ガス供給板３
１，３２の裏面間に接合により設けられた接合層３５と
を具備し、前記接合層３５は炭素粉３３とエポキシ樹脂
３４からなる層であることを特徴とする燃料電池用セパ
レータ。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、イオン交換膜を有
した固体高分子型燃料電池に使用される燃料電池用セパ
レータ及びその製造方法に関する。
した固体高分子型燃料電池に使用される燃料電池用セパ
レータ及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】周知の如く、最近、都市化につれてガソ
リン等を使用する自動車の数が増加し、一家に約２台の
自動車を所有するまでに至っている。従って、当然の如
く排気ガスの発生が問題視されており、地球環境保護の
観点から燃料電池を自動車の内燃機関に代えて作動する
モーターの電源として利用し、このモーターにより自動
車を駆動することが検討されている。この燃料電池は、
資源の枯渇問題を有する化石燃料を使う必要がないので
排気ガス等を発生することがないとともに、騒音をほと
んど発生せず、またエネルギーの回収効率も他のエネル
ギー機関と比べて高くできる等の優れた特徴を有してい
る。
リン等を使用する自動車の数が増加し、一家に約２台の
自動車を所有するまでに至っている。従って、当然の如
く排気ガスの発生が問題視されており、地球環境保護の
観点から燃料電池を自動車の内燃機関に代えて作動する
モーターの電源として利用し、このモーターにより自動
車を駆動することが検討されている。この燃料電池は、
資源の枯渇問題を有する化石燃料を使う必要がないので
排気ガス等を発生することがないとともに、騒音をほと
んど発生せず、またエネルギーの回収効率も他のエネル
ギー機関と比べて高くできる等の優れた特徴を有してい
る。
【０００３】しかるに、燃料電池を自動車に利用する場
合、あまり大きな出力は必要としないが、燃料電池は他
の付帯設備とともにできるだけ小型であることが望まし
い。このようなことから、燃料電池の中でもイオン交換
膜（電解質膜）を２種類の電極で挟み込み、更にこれら
の部材をセパレータで挟んだ構成の固体高分子型燃料電
池が注目されている。
合、あまり大きな出力は必要としないが、燃料電池は他
の付帯設備とともにできるだけ小型であることが望まし
い。このようなことから、燃料電池の中でもイオン交換
膜（電解質膜）を２種類の電極で挟み込み、更にこれら
の部材をセパレータで挟んだ構成の固体高分子型燃料電
池が注目されている。
【０００４】図１は、固体高分子型燃料電池の基本構造
を示す。以下、図１を用いてかかる燃料電池の基本的な
構成及び動作について説明する。電池本体１は、固体高
分子電解質膜２の両側に酸素極３、水素極４を接合する
ことにより構成されている。そして、この接合体は、固
体高分子電解質膜２の両側に酸素極３，水素極４を合わ
せた後、ホットプレス等により製造されている。前記酸
素極３，水素極４は、夫々反応膜５ａ，５ｂ及びガス拡
散膜６ａ，６ｂが接合されたもので、前記固体高分子電
解質膜２とは反応膜５ａ，５ｂの表面が接触している。
電池反応は、主に固体高分子電解質膜２と反応膜５ａ，
５ｂとの間の接触面で起こる。前記酸素極３の表面には
酸素供給溝７ａを有するセパレータ７が、前記水素極４
の表面には水素供給溝８ａを有するセパレータ８が夫々
接合されている。
を示す。以下、図１を用いてかかる燃料電池の基本的な
構成及び動作について説明する。電池本体１は、固体高
分子電解質膜２の両側に酸素極３、水素極４を接合する
ことにより構成されている。そして、この接合体は、固
体高分子電解質膜２の両側に酸素極３，水素極４を合わ
せた後、ホットプレス等により製造されている。前記酸
素極３，水素極４は、夫々反応膜５ａ，５ｂ及びガス拡
散膜６ａ，６ｂが接合されたもので、前記固体高分子電
解質膜２とは反応膜５ａ，５ｂの表面が接触している。
電池反応は、主に固体高分子電解質膜２と反応膜５ａ，
５ｂとの間の接触面で起こる。前記酸素極３の表面には
酸素供給溝７ａを有するセパレータ７が、前記水素極４
の表面には水素供給溝８ａを有するセパレータ８が夫々
接合されている。
【０００５】こうした構成の燃料電池において、酸素供
給溝７ａ及び水素供給溝８ａは酸素及び水素を夫々供給
すると、酸素，水素は各々のガス拡散膜６ａ，６ｂを介
して反応膜５ａ，５ｂ側へ供給され、各反応膜５ａ，５
ｂと固体高分子電解質２との界面で次のような反応が起
こる。
給溝７ａ及び水素供給溝８ａは酸素及び水素を夫々供給
すると、酸素，水素は各々のガス拡散膜６ａ，６ｂを介
して反応膜５ａ，５ｂ側へ供給され、各反応膜５ａ，５
ｂと固体高分子電解質２との界面で次のような反応が起
こる。
【０００６】反応膜５ａ界面での反応：Ｏ2 ＋４Ｈ+ →
２Ｈ2 Ｏ 反応膜５ｂ界面での反応：２Ｈ2 →４Ｈ+ ＋４ｅ- ここで、４Ｈ+ は固体高分子電解質膜２を通って水素極
４から酸素極３へ流れるが、４ｅ- は負荷９を通って水
素極４から酸素極３へ流れ、電気エネルギーが得られ
る。
２Ｈ2 Ｏ 反応膜５ｂ界面での反応：２Ｈ2 →４Ｈ+ ＋４ｅ- ここで、４Ｈ+ は固体高分子電解質膜２を通って水素極
４から酸素極３へ流れるが、４ｅ- は負荷９を通って水
素極４から酸素極３へ流れ、電気エネルギーが得られ
る。
【０００７】ところで、上記燃料電池においては、前記
セパレータ７，８は、各々の背面に燃料ガスと酸化剤ガ
スを均一にかつ完全に分離して供給するとともに、反応
によって発生した電気を効率良く集電するという性能を
有する必要がある。また、電池反応により発熱が生じる
ので、運転条件の安定化を図るために反応熱をガスセパ
レータを介して放熱させる必要がある。
セパレータ７，８は、各々の背面に燃料ガスと酸化剤ガ
スを均一にかつ完全に分離して供給するとともに、反応
によって発生した電気を効率良く集電するという性能を
有する必要がある。また、電池反応により発熱が生じる
ので、運転条件の安定化を図るために反応熱をガスセパ
レータを介して放熱させる必要がある。
【０００８】そこで、従来、図２や図３のようなセパレ
ータが提案されている。図２のセパレータは、片面に燃
料ガス供給溝１１ａを有し他方の面に冷却水用溝１１ｂ
を有した燃料ガス供給板１１と、片面に酸化剤ガス供給
溝１２ａを有し他方の面に冷却水用溝１２ｂを有した酸
化剤ガス供給板１２を、互いの供給板の冷却水用溝が重
なるように合わせ、拡散接合した金属製セパレータであ
る。
ータが提案されている。図２のセパレータは、片面に燃
料ガス供給溝１１ａを有し他方の面に冷却水用溝１１ｂ
を有した燃料ガス供給板１１と、片面に酸化剤ガス供給
溝１２ａを有し他方の面に冷却水用溝１２ｂを有した酸
化剤ガス供給板１２を、互いの供給板の冷却水用溝が重
なるように合わせ、拡散接合した金属製セパレータであ
る。
【０００９】図３のセパレータは、片面に燃料ガス供給
溝１３ａを有し他方の面に冷却水用溝１３ｂ及びＯリン
グ用溝１３ｃを有した燃料ガス供給板１３と、片面に酸
化剤ガス供給溝１４ａを有し他方の面に冷却水用溝１４
ｂ及びＯリング用溝１４ｃを有した酸化剤ガス供給板１
４を、ゴム製のＯリング１５を前記溝１３ｃ，１４ｃに
よって形成された領域に装着されるように互いの供給板
を重ね合わせたグラファイト製（又はカーボン製）セパ
レータである。
溝１３ａを有し他方の面に冷却水用溝１３ｂ及びＯリン
グ用溝１３ｃを有した燃料ガス供給板１３と、片面に酸
化剤ガス供給溝１４ａを有し他方の面に冷却水用溝１４
ｂ及びＯリング用溝１４ｃを有した酸化剤ガス供給板１
４を、ゴム製のＯリング１５を前記溝１３ｃ，１４ｃに
よって形成された領域に装着されるように互いの供給板
を重ね合わせたグラファイト製（又はカーボン製）セパ
レータである。
【００１０】いずれのセパレータの場合も、燃料ガス供
給板と酸化剤ガス供給板を重ね合わせた際、２種類の溝
によって形成される通路に冷却水を流して、酸素極、水
素極と固体高分子電解質との界面での反応によって生じ
る反応熱を抑制させるものである。
給板と酸化剤ガス供給板を重ね合わせた際、２種類の溝
によって形成される通路に冷却水を流して、酸素極、水
素極と固体高分子電解質との界面での反応によって生じ
る反応熱を抑制させるものである。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】しかし、図２の金属製
セパレータの場合、セパレータ自体が一般にＳＵＳ等の
金属製であるため、重くなり、自動車等にこうしたセパ
レータを有した燃料電池を搭載するのは好ましくない。
セパレータの場合、セパレータ自体が一般にＳＵＳ等の
金属製であるため、重くなり、自動車等にこうしたセパ
レータを有した燃料電池を搭載するのは好ましくない。
【００１２】一方、図３のセパレータは図２と比べ軽く
できるという利点を有するものの、Ｏリング１５を供給
板１３，１４同士間の冷却水用通路の形成に利用してい
るため、Ｏリング１５の耐久性に問題があり、セパレー
タの寿命が短い。また、Ｏリング１５を収納させる溝の
分、セパレータの寸法が大きくなるという問題がある。
更に、供給板同士は溝部を除いて面接触しているだけな
ので、接触部の電気抵抗が大きくなるという問題があ
る。
できるという利点を有するものの、Ｏリング１５を供給
板１３，１４同士間の冷却水用通路の形成に利用してい
るため、Ｏリング１５の耐久性に問題があり、セパレー
タの寿命が短い。また、Ｏリング１５を収納させる溝の
分、セパレータの寸法が大きくなるという問題がある。
更に、供給板同士は溝部を除いて面接触しているだけな
ので、接触部の電気抵抗が大きくなるという問題があ
る。
【００１３】本発明は、こうした事情を考慮してなされ
たもので、燃料ガス供給板及び酸化剤ガス供給板あるい
はこれらの供給板間に介在する冷却水用板をもグラファ
イト製又はカーボン製とするとともに、これら構成部材
同士を接合する層として導電性粉末とバインダーとから
なる接合層を用いた構成とすることにより、従来の金属
製セパレータと比べ軽く、また従来のグラファイト製又
はカーボン製のセパレータと比べて耐久性、電気抵抗の
点で優れかつ小型化しえる燃料電池用セパレータを提供
することを目的とする。
たもので、燃料ガス供給板及び酸化剤ガス供給板あるい
はこれらの供給板間に介在する冷却水用板をもグラファ
イト製又はカーボン製とするとともに、これら構成部材
同士を接合する層として導電性粉末とバインダーとから
なる接合層を用いた構成とすることにより、従来の金属
製セパレータと比べ軽く、また従来のグラファイト製又
はカーボン製のセパレータと比べて耐久性、電気抵抗の
点で優れかつ小型化しえる燃料電池用セパレータを提供
することを目的とする。
【００１４】また、本発明は、燃料ガス供給板及び酸化
剤ガス供給板の裏面同士間あるいはこれらの供給板の裏
面同士間に冷却水用板を、導電性粉末とバインダーと溶
剤からなる接合剤を塗布した後、面圧を加えて焼結する
ことにより、金属製セパレータと比べ軽く、また従来の
グラファイト製又はカーボン製のセパレータと比べて耐
久性、電気抵抗の点で優れかつ小型化しえる燃料電池用
セパレータの製造方法を提供することを目的とする。
剤ガス供給板の裏面同士間あるいはこれらの供給板の裏
面同士間に冷却水用板を、導電性粉末とバインダーと溶
剤からなる接合剤を塗布した後、面圧を加えて焼結する
ことにより、金属製セパレータと比べ軽く、また従来の
グラファイト製又はカーボン製のセパレータと比べて耐
久性、電気抵抗の点で優れかつ小型化しえる燃料電池用
セパレータの製造方法を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】本願第１の発明は、燃料
電池のガス拡散電極間に挟持されて一方のガス拡散電極
へ燃料ガスを他方側のガス拡散電極へ酸化剤ガスを供給
するための燃料電池用セパレータであり、表面に燃料ガ
ス供給溝を有し裏面に水供給溝を有するグラファイト製
又はカーボン製の燃料ガス供給板と、表面に酸化剤ガス
供給溝を有し裏面に水供給溝を有するグラファイト製又
はカーボン製の酸化剤ガス供給板と、前記両ガス供給板
の裏面間に接合により設けられた接合層とを具備し、前
記接合層は導電性粉末とバインダーとからなる層である
ことを特徴とする燃料電池用セパレータである。
電池のガス拡散電極間に挟持されて一方のガス拡散電極
へ燃料ガスを他方側のガス拡散電極へ酸化剤ガスを供給
するための燃料電池用セパレータであり、表面に燃料ガ
ス供給溝を有し裏面に水供給溝を有するグラファイト製
又はカーボン製の燃料ガス供給板と、表面に酸化剤ガス
供給溝を有し裏面に水供給溝を有するグラファイト製又
はカーボン製の酸化剤ガス供給板と、前記両ガス供給板
の裏面間に接合により設けられた接合層とを具備し、前
記接合層は導電性粉末とバインダーとからなる層である
ことを特徴とする燃料電池用セパレータである。
【００１６】本願第２の発明は、燃料電池のガス拡散電
極間に挟持されて一方のガス拡散電極へ燃料ガスを他方
側のガス拡散電極へ酸化剤ガスを供給するための燃料電
池用セパレータであり、表面に燃料ガス供給溝を有した
グラファイト製又はカーボン製の燃料ガス供給板と、表
面に酸化剤ガス供給溝を有したグラファイト製又はカー
ボン製の酸化剤ガス供給板と、前記両ガス供給板の裏面
間に接合により設けられ、片面に水供給溝を有した少な
くとも１つの冷却水用板と、前記両ガス供給板と冷却水
用板間に夫々接合により設けられた接合層とを具備し、
前記接合層は導電性粉末とバインダーとからなる層であ
ることを特徴とする燃料電池用セパレータである。
極間に挟持されて一方のガス拡散電極へ燃料ガスを他方
側のガス拡散電極へ酸化剤ガスを供給するための燃料電
池用セパレータであり、表面に燃料ガス供給溝を有した
グラファイト製又はカーボン製の燃料ガス供給板と、表
面に酸化剤ガス供給溝を有したグラファイト製又はカー
ボン製の酸化剤ガス供給板と、前記両ガス供給板の裏面
間に接合により設けられ、片面に水供給溝を有した少な
くとも１つの冷却水用板と、前記両ガス供給板と冷却水
用板間に夫々接合により設けられた接合層とを具備し、
前記接合層は導電性粉末とバインダーとからなる層であ
ることを特徴とする燃料電池用セパレータである。
【００１７】本願第３の発明は、燃料電池のガス拡散電
極間に挟持されて一方のガス拡散電極へ燃料ガスを他方
側のガス拡散電極へ酸化剤ガスを供給するための燃料電
池用セパレータの製造方法であり、表面に燃料ガス供給
溝を有し裏面に水供給溝を有するグラファイト製又はカ
ーボン製の燃料ガス供給板と、表面に酸化剤ガス供給溝
を有し裏面に水供給溝を有するグラファイト製又はカー
ボン製の酸化剤ガス供給板との裏面間に、導電性粉末と
バインダーと溶剤からなる接合剤を塗布する工程と、面
圧を加えて焼結する工程とを具備することを特徴とする
燃料電池用セパレータの製造方法である。
極間に挟持されて一方のガス拡散電極へ燃料ガスを他方
側のガス拡散電極へ酸化剤ガスを供給するための燃料電
池用セパレータの製造方法であり、表面に燃料ガス供給
溝を有し裏面に水供給溝を有するグラファイト製又はカ
ーボン製の燃料ガス供給板と、表面に酸化剤ガス供給溝
を有し裏面に水供給溝を有するグラファイト製又はカー
ボン製の酸化剤ガス供給板との裏面間に、導電性粉末と
バインダーと溶剤からなる接合剤を塗布する工程と、面
圧を加えて焼結する工程とを具備することを特徴とする
燃料電池用セパレータの製造方法である。
【００１８】本願第４の発明は、燃料電池のガス拡散電
極間に挟持されて一方のガス拡散電極へ燃料ガスを他方
側のガス拡散電極へ酸化剤ガスを供給するための燃料電
池用セパレータの製造方法であり、表面に燃料ガス供給
溝を有し裏面に水供給溝を有するグラファイト製又はカ
ーボン製の燃料ガス供給板と、表面に酸化剤ガス供給溝
を有し裏面に水供給溝を有するグラファイト製又はカー
ボン製の酸化剤ガス供給板との裏面間に、片面に水供給
溝を有した少なくとも１つの冷却水用板を介在させる工
程と、前記両ガス供給板と冷却水用板間に導電性粉末と
バインダーと溶剤からなる接合剤を塗布する工程と、面
圧を加えて焼結を行なう工程とを具備することを特徴と
する燃料電池用セパレータの製造方法である。
極間に挟持されて一方のガス拡散電極へ燃料ガスを他方
側のガス拡散電極へ酸化剤ガスを供給するための燃料電
池用セパレータの製造方法であり、表面に燃料ガス供給
溝を有し裏面に水供給溝を有するグラファイト製又はカ
ーボン製の燃料ガス供給板と、表面に酸化剤ガス供給溝
を有し裏面に水供給溝を有するグラファイト製又はカー
ボン製の酸化剤ガス供給板との裏面間に、片面に水供給
溝を有した少なくとも１つの冷却水用板を介在させる工
程と、前記両ガス供給板と冷却水用板間に導電性粉末と
バインダーと溶剤からなる接合剤を塗布する工程と、面
圧を加えて焼結を行なう工程とを具備することを特徴と
する燃料電池用セパレータの製造方法である。
【００１９】
【発明の実施の形態】以下、本発明について更に具体的
に説明する。本発明に係る燃料電池用セパレータは、主
として、図４と図５に分けられる。 図４のタイプ：図中の付番２１は、表面に燃料ガス供給
溝２１ａを有し裏面に水供給溝２１ｂを有するグラファ
イト製又はカーボン製の燃料ガス供給板である。また、
付番２２は、表面に酸化剤ガス供給溝２２ａを有し裏面
に水供給溝２２ｂを有するグラファイト製又はカーボン
製の酸化剤ガス供給板である。前記両ガス供給板２１，
２２の裏面間は、高結晶度グラファイト粉末とバインダ
ーからなる接合層（接着層）２３により接合されてい
る。ここで、接合層２３は、導電性粉末とバインダーと
溶剤からなる接合剤を所定量塗布し、所定の温度の真空
中あるいは低酸素（Ｏ2 ）分圧雰囲気で面圧を加え、焼
結することにより形成される。
に説明する。本発明に係る燃料電池用セパレータは、主
として、図４と図５に分けられる。 図４のタイプ：図中の付番２１は、表面に燃料ガス供給
溝２１ａを有し裏面に水供給溝２１ｂを有するグラファ
イト製又はカーボン製の燃料ガス供給板である。また、
付番２２は、表面に酸化剤ガス供給溝２２ａを有し裏面
に水供給溝２２ｂを有するグラファイト製又はカーボン
製の酸化剤ガス供給板である。前記両ガス供給板２１，
２２の裏面間は、高結晶度グラファイト粉末とバインダ
ーからなる接合層（接着層）２３により接合されてい
る。ここで、接合層２３は、導電性粉末とバインダーと
溶剤からなる接合剤を所定量塗布し、所定の温度の真空
中あるいは低酸素（Ｏ2 ）分圧雰囲気で面圧を加え、焼
結することにより形成される。
【００２０】図５のタイプ：図４と同部材は同符号を付
して説明を省略する。但し、燃料ガス供給板２１及び酸
化剤ガス供給板２２の夫々の裏面はフラットである。図
５において、付番２４は片面に冷却水用溝２４ａを有し
た冷却水用板であり、付番２５は片面（冷却水用板２４
側）に冷却水用溝２５ａを有した冷却水用板である。こ
こで、冷却水用板は１枚である必要はなく、２枚以上用
いてもよい。前記燃料ガス供給板２１裏面と冷却水用板
２４間、冷却水用板２４,２５間、冷却水用板２５と酸
化剤ガス供給板２２間には、夫々上述した接合層２３が
介在し、接合されている。
して説明を省略する。但し、燃料ガス供給板２１及び酸
化剤ガス供給板２２の夫々の裏面はフラットである。図
５において、付番２４は片面に冷却水用溝２４ａを有し
た冷却水用板であり、付番２５は片面（冷却水用板２４
側）に冷却水用溝２５ａを有した冷却水用板である。こ
こで、冷却水用板は１枚である必要はなく、２枚以上用
いてもよい。前記燃料ガス供給板２１裏面と冷却水用板
２４間、冷却水用板２４,２５間、冷却水用板２５と酸
化剤ガス供給板２２間には、夫々上述した接合層２３が
介在し、接合されている。
【００２１】図６は、上述した燃料電池用セパレータ２
７を用いたＰＥＦＣ（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｉ
ｃ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）構造体の展開図を示す。
７を用いたＰＥＦＣ（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｉ
ｃ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）構造体の展開図を示す。
【００２２】本発明において、前記バインダーとしては
例えばエポキシ樹脂あるいはフェノール樹脂が挙げられ
る。また、導電性粉末としては、例えば高結晶度グラフ
ァイト粉末（黒鉛粉末）、炭素粉が挙げられる。ここ
で、エポキシ樹脂、炭素粉を用いてセパレータを製造す
る場合は、接合剤を各構成部材間に塗布した後、２０℃
〜３００℃（好ましくは２０℃〜２００℃）の真空中あ
るいは低酸素分圧雰囲気で面圧を加えて焼結することが
好ましい。
例えばエポキシ樹脂あるいはフェノール樹脂が挙げられ
る。また、導電性粉末としては、例えば高結晶度グラフ
ァイト粉末（黒鉛粉末）、炭素粉が挙げられる。ここ
で、エポキシ樹脂、炭素粉を用いてセパレータを製造す
る場合は、接合剤を各構成部材間に塗布した後、２０℃
〜３００℃（好ましくは２０℃〜２００℃）の真空中あ
るいは低酸素分圧雰囲気で面圧を加えて焼結することが
好ましい。
【００２３】エポキシ樹脂＋炭素粉の場合、温度と接着
層の単位面積当たりの抵抗との関係は、下記表１に示す
とおりである。つまり、前記抵抗は熱処理温度が０〜１
００℃までは変化なく、２００℃付近から増加し始め、
５００℃付近まで増加し続ける。また、０℃及び２０℃
で接着した接着層は、燃料電池が使用される４０〜９０
℃では熱膨張により厚くなるために、抵抗が増加する。
層の単位面積当たりの抵抗との関係は、下記表１に示す
とおりである。つまり、前記抵抗は熱処理温度が０〜１
００℃までは変化なく、２００℃付近から増加し始め、
５００℃付近まで増加し続ける。また、０℃及び２０℃
で接着した接着層は、燃料電池が使用される４０〜９０
℃では熱膨張により厚くなるために、抵抗が増加する。
【００２４】また、温度と接着層の曲げ強度との関係
は、下記表２に示す通りである。つまり、接着層の曲げ
強度は０℃〜２０℃で増加するが、これは低温ではアン
カー効果による接着の作用が小さいためだと考えられ
る。また、２０℃〜１００℃までは変化がなく、２００
℃付近から減少し始め、５００℃付近ではほとんど接着
していない状態となっている。従って、エポキシ樹脂＋
炭素粉での適正熱処理温度範囲は２０℃〜３００℃であ
り、好ましくは２０℃〜２００℃である。
は、下記表２に示す通りである。つまり、接着層の曲げ
強度は０℃〜２０℃で増加するが、これは低温ではアン
カー効果による接着の作用が小さいためだと考えられ
る。また、２０℃〜１００℃までは変化がなく、２００
℃付近から減少し始め、５００℃付近ではほとんど接着
していない状態となっている。従って、エポキシ樹脂＋
炭素粉での適正熱処理温度範囲は２０℃〜３００℃であ
り、好ましくは２０℃〜２００℃である。
【００２５】一方、フェノール樹脂＋炭素粉では、温度
と接着層の単位面積当たりの抵抗との関係は、表１に示
すとおりである。つまり、前記抵抗は熱処理温度が０℃
〜３００℃まではほぼ変化なく、熱処理温度が３００℃
以上になると減少する。また、熱処理温度が５００℃〜
７００℃ではほぼ一定で、更に温度が上昇すると、８０
０℃付近から接着層の抵抗は再び増加し始める。
と接着層の単位面積当たりの抵抗との関係は、表１に示
すとおりである。つまり、前記抵抗は熱処理温度が０℃
〜３００℃まではほぼ変化なく、熱処理温度が３００℃
以上になると減少する。また、熱処理温度が５００℃〜
７００℃ではほぼ一定で、更に温度が上昇すると、８０
０℃付近から接着層の抵抗は再び増加し始める。
【００２６】また、温度と接着層の曲げ強度との関係
は、下記表２に示すとおりである。接着層の曲げ強度も
熱処理温度が３００℃までは変化なく、これ以降は曲げ
強度は増加し始め、７００℃付近をピークにして減少す
る。従って、フェノール樹脂＋炭素粉での適正熱処理温
度範囲は、接着層の抵抗が相対的に小さく、接着層の曲
げ強度が大きな２００℃〜８００℃であり、好ましくは
３００℃〜７００℃である。
は、下記表２に示すとおりである。接着層の曲げ強度も
熱処理温度が３００℃までは変化なく、これ以降は曲げ
強度は増加し始め、７００℃付近をピークにして減少す
る。従って、フェノール樹脂＋炭素粉での適正熱処理温
度範囲は、接着層の抵抗が相対的に小さく、接着層の曲
げ強度が大きな２００℃〜８００℃であり、好ましくは
３００℃〜７００℃である。
【００２７】なお、上記接着層の抵抗、曲げ強度は、下
記の方法による。 １）試験試料 等方性黒鉛材料：東洋炭素製の商品名：ＩＳＯ ８８ ２）試験片製作 炭素材料ＩＳＯを２０×２０×４０ｍｍに切り出し、接
合面をかみヤスリ（１０００番）で研磨し、エアガンで
研磨屑を除去した後、アセトンで洗浄し、１００℃で乾
燥し水分を除去する。次に、導電性を付与した接着剤
（エポキシ系樹脂高強度が期待できる。、フェノール系
樹脂：熱処理でガラス状炭素となる。）を接着面に塗布
し、５００ｇ／ｃｍ2 の面圧力を加えながら乾燥させ
る。その後、不活性熱処理を行なう。 ３）試験条件 絶縁性である樹脂に黒鉛粉を混合し、この樹脂を用いて
炭素材料ＩＳＯを接着し、接合層の電気抵抗を測定す
る。又、接合層を不活性ガス（Ｎ2 ）中で熱処理を行な
い、接合層の電気抵抗及び曲げ強度を測定する。ここ
で、曲げ強度は、ＪＩＳ Ｒ １６０４に準ずるものと
する。
記の方法による。 １）試験試料 等方性黒鉛材料：東洋炭素製の商品名：ＩＳＯ ８８ ２）試験片製作 炭素材料ＩＳＯを２０×２０×４０ｍｍに切り出し、接
合面をかみヤスリ（１０００番）で研磨し、エアガンで
研磨屑を除去した後、アセトンで洗浄し、１００℃で乾
燥し水分を除去する。次に、導電性を付与した接着剤
（エポキシ系樹脂高強度が期待できる。、フェノール系
樹脂：熱処理でガラス状炭素となる。）を接着面に塗布
し、５００ｇ／ｃｍ2 の面圧力を加えながら乾燥させ
る。その後、不活性熱処理を行なう。 ３）試験条件 絶縁性である樹脂に黒鉛粉を混合し、この樹脂を用いて
炭素材料ＩＳＯを接着し、接合層の電気抵抗を測定す
る。又、接合層を不活性ガス（Ｎ2 ）中で熱処理を行な
い、接合層の電気抵抗及び曲げ強度を測定する。ここ
で、曲げ強度は、ＪＩＳ Ｒ １６０４に準ずるものと
する。
【００２８】
【表１】
【００２９】
【表２】
【００３０】下記表３は、炭素粉の配合分率と接着層の
単位面積の抵抗との関係を示す。エポキシ樹脂＋炭素
粉、フェノール樹脂＋炭素粉の配合分率が１０ｗｔ％か
ら増加するに従い、接着層の単位面積の抵抗は減少す
る。また、配合分率が３０ｗｔ％になると抵抗の減少は
鈍くなり、配合分率４０〜６０ｗｔ％までは変化がな
く、接着層の単位面積の抵抗は一定値（≒０．００１Ω
・ｃｍ2 ）を示す。その後は、再び増加し始め、配合分
率８０ｗｔ％では接着層の単位面積の抵抗は０．００３
８Ω・ｃｍ2 になる。従って、適性な炭素粉の配合分率
範囲は２０〜７０ｗｔ％であり、好ましくは３０〜６０
ｗｔ％である。
単位面積の抵抗との関係を示す。エポキシ樹脂＋炭素
粉、フェノール樹脂＋炭素粉の配合分率が１０ｗｔ％か
ら増加するに従い、接着層の単位面積の抵抗は減少す
る。また、配合分率が３０ｗｔ％になると抵抗の減少は
鈍くなり、配合分率４０〜６０ｗｔ％までは変化がな
く、接着層の単位面積の抵抗は一定値（≒０．００１Ω
・ｃｍ2 ）を示す。その後は、再び増加し始め、配合分
率８０ｗｔ％では接着層の単位面積の抵抗は０．００３
８Ω・ｃｍ2 になる。従って、適性な炭素粉の配合分率
範囲は２０〜７０ｗｔ％であり、好ましくは３０〜６０
ｗｔ％である。
【００３１】
【表３】
【００３２】
【実施例】以下、本発明の実施例について図７（Ａ），
（Ｂ）を参照して説明する。ここで、図７（Ａ）は本発
明に係る燃料電池用セパレータの断面図、図７（Ｂ）は
図７（Ａ）の要部の拡大図を示す。
（Ｂ）を参照して説明する。ここで、図７（Ａ）は本発
明に係る燃料電池用セパレータの断面図、図７（Ｂ）は
図７（Ａ）の要部の拡大図を示す。
【００３３】図中の付番３１は、表面に燃料ガス供給溝
３１ａを有し裏面に水供給溝３１ｂを有するグラファイ
ト製の燃料ガス供給板である。また、付番３２は、表面
に酸化剤ガス供給溝３２ａを有し裏面に水供給溝３２ｂ
を有するグラファイト製の酸化剤ガス供給板である。前
記両ガス供給板３１，３２の裏面間は、炭素粉３３とエ
ポキシ樹脂３４からなる接合層３５により接合されてい
る。なお、接合層３５は、図７（Ｂ）の点線で示す領域
の燃料ガス供給板３１、酸化剤ガス供給板３２まで浸透
し、浸透層３６を形成している。
３１ａを有し裏面に水供給溝３１ｂを有するグラファイ
ト製の燃料ガス供給板である。また、付番３２は、表面
に酸化剤ガス供給溝３２ａを有し裏面に水供給溝３２ｂ
を有するグラファイト製の酸化剤ガス供給板である。前
記両ガス供給板３１，３２の裏面間は、炭素粉３３とエ
ポキシ樹脂３４からなる接合層３５により接合されてい
る。なお、接合層３５は、図７（Ｂ）の点線で示す領域
の燃料ガス供給板３１、酸化剤ガス供給板３２まで浸透
し、浸透層３６を形成している。
【００３４】こうした構成の燃料電池セパレータ３７
は、まず燃料ガス供給板３１と酸化剤ガス供給板３２の
裏面同士間に、炭素粉３３とエポキシ樹脂３４と溶剤と
してのキシレンからなる配合物を所定量塗布した後、５
０〜１２０℃程度の温度で面圧を加え、焼結することに
より製造した。ここで、エポキシ樹脂は乾留され、カー
ボン化する。また、炭素粉は、電気抵抗と焼結に伴う体
積変化の低減に有効である。更に、キシレンは、粘度調
整により、前記供給板３１、３２の気孔内に樹脂を確実
に含浸させて浸透層３６を形成させ、高接着強度を得る
のに有効である。
は、まず燃料ガス供給板３１と酸化剤ガス供給板３２の
裏面同士間に、炭素粉３３とエポキシ樹脂３４と溶剤と
してのキシレンからなる配合物を所定量塗布した後、５
０〜１２０℃程度の温度で面圧を加え、焼結することに
より製造した。ここで、エポキシ樹脂は乾留され、カー
ボン化する。また、炭素粉は、電気抵抗と焼結に伴う体
積変化の低減に有効である。更に、キシレンは、粘度調
整により、前記供給板３１、３２の気孔内に樹脂を確実
に含浸させて浸透層３６を形成させ、高接着強度を得る
のに有効である。
【００３５】上記実施例に係る燃料電池セパレータによ
れば、表面に燃料ガス供給溝３１ａを有し裏面に水供給
溝３１ｂを有するグラファイト製の燃料ガス供給板３１
と、表面に酸化剤ガス供給溝３２ａを有し裏面に水供給
溝３２ｂを有するグラファイト製の酸化剤ガス供給板３
２と、前記両ガス供給板３１，３２の裏面間に接合によ
り設けられた，炭素粉３３とエポキシ樹脂３４からなる
接合層３５を具備した構成となっている。しかるに、セ
パレータは主としてグラファイト製の供給板３１，３２
から構成されるため、従来の金属製セパレータと比べ軽
いという利点を有する。また、従来のグラファイト製又
はカーボン製のセパレータのようにＯリングを用いる必
要がないため、耐久性に優れるとともに、小型化が可能
となり、更に浸透層３６の形成によりガス供給板３１，
３２間の接触抵抗を低減することができる。
れば、表面に燃料ガス供給溝３１ａを有し裏面に水供給
溝３１ｂを有するグラファイト製の燃料ガス供給板３１
と、表面に酸化剤ガス供給溝３２ａを有し裏面に水供給
溝３２ｂを有するグラファイト製の酸化剤ガス供給板３
２と、前記両ガス供給板３１，３２の裏面間に接合によ
り設けられた，炭素粉３３とエポキシ樹脂３４からなる
接合層３５を具備した構成となっている。しかるに、セ
パレータは主としてグラファイト製の供給板３１，３２
から構成されるため、従来の金属製セパレータと比べ軽
いという利点を有する。また、従来のグラファイト製又
はカーボン製のセパレータのようにＯリングを用いる必
要がないため、耐久性に優れるとともに、小型化が可能
となり、更に浸透層３６の形成によりガス供給板３１，
３２間の接触抵抗を低減することができる。
【００３６】なお、上記実施例では、導電性粉末として
炭素粉を用い、バインダーとしてエポキシ樹脂を用いた
場合について述べたが、これに限定されない。また、焼
結時の温度も実施例に記載された温度に限定されない。
炭素粉を用い、バインダーとしてエポキシ樹脂を用いた
場合について述べたが、これに限定されない。また、焼
結時の温度も実施例に記載された温度に限定されない。
【００３７】
【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、燃
料ガス供給板及び酸化剤ガス供給板あるいはこれらの供
給板間に介在する冷却水用板をもグラファイト製又はカ
ーボン製とするとともに、これら構成部材同士を接合す
る層として導電性とバインダーとからなる接合層を用い
た構成とすることにより、従来の金属製セパレータと比
べ軽く、また従来のグラファイト製又はカーボン製のセ
パレータと比べて耐久性、電気抵抗の点で優れかつ小型
化しえる燃料電池用セパレータを提供できる。
料ガス供給板及び酸化剤ガス供給板あるいはこれらの供
給板間に介在する冷却水用板をもグラファイト製又はカ
ーボン製とするとともに、これら構成部材同士を接合す
る層として導電性とバインダーとからなる接合層を用い
た構成とすることにより、従来の金属製セパレータと比
べ軽く、また従来のグラファイト製又はカーボン製のセ
パレータと比べて耐久性、電気抵抗の点で優れかつ小型
化しえる燃料電池用セパレータを提供できる。
【００３８】また、本発明によれば、燃料ガス供給板及
び酸化剤ガス供給板の裏面同士間あるいはこれらの供給
板の裏面同士間に冷却水用板を、導電性粉末とバインダ
ーと溶剤からなる接合剤を塗布した後、面圧を加えて焼
結することにより、金属製セパレータと比べ軽く、また
従来のグラファイト製又はカーボン製のセパレータと比
べて耐久性、電気抵抗の点で優れかつ小型化しえる燃料
電池用セパレータの製造方法を提供できる。
び酸化剤ガス供給板の裏面同士間あるいはこれらの供給
板の裏面同士間に冷却水用板を、導電性粉末とバインダ
ーと溶剤からなる接合剤を塗布した後、面圧を加えて焼
結することにより、金属製セパレータと比べ軽く、また
従来のグラファイト製又はカーボン製のセパレータと比
べて耐久性、電気抵抗の点で優れかつ小型化しえる燃料
電池用セパレータの製造方法を提供できる。
【図１】固体高分子型燃料電池の原理を説明するための
説明図。
説明図。
【図２】従来の金属製の燃料電池用セパレータの断面
図。
図。
【図３】従来のグラファイト製の燃料電池用セパレータ
の断面図。
の断面図。
【図４】本発明に係る燃料電池用セパレータの断面図。
【図５】本発明に係る他の燃料電池用セパレータの断面
図。
図。
【図６】本発明に係る燃料電池用セパレータを用いたＰ
ＥＦＣセル構造体の説明図。
ＥＦＣセル構造体の説明図。
【図７】本発明の実施例に係る燃料電池用セパレータの
説明図。
説明図。
【符号の説明】 ２１、３１…燃料ガス供給板、 ２１ａ、３１ａ…燃料ガス供給溝、 ２１ｂ、２２ｂ，３１ｂ…水供給溝、 ２２、３２…酸化剤ガス供給板、 ２２ａ、３２…酸化剤ガス供給溝、 ２３、３５…接合層、 ２４、２５…冷却水用板、 ３３…炭素粉、 ３４…エポキシ樹脂、 ３６…浸透層、 ３７…燃料電池用セパレータ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 森賀 卓也 広島県広島市西区観音新町四丁目６番22号 三菱重工業株式会社広島研究所内 Ｆターム(参考） 5H026 AA01 AA02 BB01 BB02 BB04 CC03 CX07 EE05 EE06 EE17 EE18 HH08 HH09
Claims (7)
- 【請求項１】 燃料電池のガス拡散電極間に挟持されて
一方のガス拡散電極へ燃料ガスを他方側のガス拡散電極
へ酸化剤ガスを供給するための燃料電池用セパレータで
あり、 表面に燃料ガス供給溝を有し裏面に水供給溝を有するグ
ラファイト製又はカーボン製の燃料ガス供給板と、表面
に酸化剤ガス供給溝を有し裏面に水供給溝を有するグラ
ファイト製又はカーボン製の酸化剤ガス供給板と、前記
両ガス供給板の裏面間に接合により設けられた接合層と
を具備し、 前記接合層は導電性粉末とバインダーとからなる層であ
ることを特徴とする燃料電池用セパレータ。 - 【請求項２】 燃料電池のガス拡散電極間に挟持されて
一方のガス拡散電極へ燃料ガスを他方側のガス拡散電極
へ酸化剤ガスを供給するための燃料電池用セパレータで
あり、 表面に燃料ガス供給溝を有したグラファイト製又はカー
ボン製の燃料ガス供給板と、表面に酸化剤ガス供給溝を
有したグラファイト製又はカーボン製の酸化剤ガス供給
板と、前記両ガス供給板の裏面間に接合により設けら
れ、片面に水供給溝を有した少なくとも１つの冷却水用
板と、前記両ガス供給板と冷却水用板間に夫々接合によ
り設けられた接合層とを具備し、 前記接合層は導電性粉末とバインダーとからなる層であ
ることを特徴とする燃料電池用セパレータ。 - 【請求項３】 前記バインダーは、エポキシ樹脂あるい
はフェノール樹脂のいずれかであることを特徴とする請
求項１もしくは請求項２記載の燃料電池用セパレータ。 - 【請求項４】 燃料電池のガス拡散電極間に挟持されて
一方のガス拡散電極へ燃料ガスを他方側のガス拡散電極
へ酸化剤ガスを供給するための燃料電池用セパレータの
製造方法であり、 表面に燃料ガス供給溝を有し裏面に水供給溝を有するグ
ラファイト製又はカーボン製の燃料ガス供給板と、表面
に酸化剤ガス供給溝を有し裏面に水供給溝を有するグラ
ファイト製又はカーボン製の酸化剤ガス供給板との裏面
間に、導電性粉末とバインダーと溶剤からなる接合剤を
塗布する工程と、面圧を加えて焼結する工程とを具備す
ることを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。 - 【請求項５】 燃料電池のガス拡散電極間に挟持されて
一方のガス拡散電極へ燃料ガスを他方側のガス拡散電極
へ酸化剤ガスを供給するための燃料電池用セパレータの
製造方法であり、 表面に燃料ガス供給溝を有し裏面に水供給溝を有するグ
ラファイト製又はカーボン製の燃料ガス供給板と、表面
に酸化剤ガス供給溝を有し裏面に水供給溝を有するグラ
ファイト製又はカーボン製の酸化剤ガス供給板との裏面
間に、片面に水供給溝を有した少なくとも１つの冷却水
用板を介在させる工程と、前記両ガス供給板と冷却水用
板間に導電性粉末とバインダーと溶剤からなる接合剤を
塗布する工程と、面圧を加えて焼結を行なう工程とを具
備することを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方
法。 - 【請求項６】 前記バインダーとしてエポキシ樹脂を用
いるとともに、接合剤を塗布した後、２０℃〜３００℃
の真空中あるいは低酸素分圧雰囲気で面圧を加えて焼結
することを特徴とする請求項４もしくは請求項５記載の
燃料電池用セパレータの製造方法。 - 【請求項７】 前記バインダーとしてフェノール樹脂を
用いるとともに、接合剤を塗布した後、２００℃〜８０
０℃の真空中あるいは低酸素分圧雰囲気で面圧を加えて
焼結することを特徴とする請求項４もしくは請求項５記
載の燃料電池用セパレータの製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11092853A JP2000285930A (ja) | 1999-03-31 | 1999-03-31 | 燃料電池用セパレータ及びその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11092853A JP2000285930A (ja) | 1999-03-31 | 1999-03-31 | 燃料電池用セパレータ及びその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000285930A true JP2000285930A (ja) | 2000-10-13 |
Family
ID=14065996
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11092853A Withdrawn JP2000285930A (ja) | 1999-03-31 | 1999-03-31 | 燃料電池用セパレータ及びその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2000285930A (ja) |
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004273449A (ja) * | 2003-02-18 | 2004-09-30 | Unitika Ltd | 燃料電池用セパレータおよびその製造方法 |
| JP2005005012A (ja) * | 2003-06-10 | 2005-01-06 | Toyota Motor Corp | 燃料電池用セパレータへの接着剤塗布方法 |
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-
1999
- 1999-03-31 JP JP11092853A patent/JP2000285930A/ja not_active Withdrawn
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| US11158875B2 (en) | 2014-11-10 | 2021-10-26 | Futamura Kagaku Kabushiki Kaisha | Method of production of channel member for fuel cell |
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