JP2000348741A

JP2000348741A - 固体高分子型燃料電池

Info

Publication number: JP2000348741A
Application number: JP11161045A
Authority: JP
Inventors: Hideki Kato; 秀樹加藤; Yasunori Morio; 泰則森尾
Original assignee: Ibiden Co Ltd
Current assignee: Ibiden Co Ltd
Priority date: 1999-06-08
Filing date: 1999-06-08
Publication date: 2000-12-15

Abstract

(57)【要約】【課題】イオン交換膜の破損を防止することができる
固体高分子型燃料電池を提供すること。【解決手段】この固体高分子型燃料電池１は、一対の
セパレータ２によってイオン交換膜３を挟持するととも
に、セパレータ２イオン交換膜３との間に電極４を配置
したものである。セパレータ２は、炭素粉末及び熱硬化
性樹脂を主成分とする樹脂成形体からなる。樹脂成形体
の熱膨張係数は、イオン交換膜３の熱膨張係数の１／５
０倍〜１倍である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体高分子型燃料
電池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（Fu
el Cell）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、りん酸型、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。）などが知られている。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など）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、イオン交換膜の
両側に電極を配置してなる膜・電極積層体を備えてい
る。このイオン交換膜は樹脂製であって、水素イオン
（Ｈ⁺）を選択的に通過させることができる。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
って両電極からはみ出しているイオン交換膜の外周部が
挟持されている。セパレータ用材料としては、従来、炭
素粉末及び熱硬化性樹脂を主成分とする樹脂成形体が提
案されている。

【０００４】水素極側のセパレータを介して供給されて
きた水素ガス（H₂）は、水素極における触媒反応により
水素イオン（Ｈ⁺）となる。水素イオンは、イオン交換
膜を通過しながら酸素極に向かって移動する。酸素極側
には酸素ガス（O₂）が供給されている。従って、酸素極
における触媒反応により、水素イオンと酸素ガスとが反
応し、水（Ｈ₂Ｏ）が生じる。このような反応が起こる
過程で電子（ｅ^-）が水素極から酸素極へ移動し、電流
が酸素極から水素極へ流れるようになっている。別の言
いかたをすると、酸素ガス及び水素ガスを燃料として、
電気分解反応の逆反応により起電力が得られるようにな
っている。なお、このタイプの燃料電池の利点は、比較
的低温（約１００℃）において作動することである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、従来技術の
燃料電池は比較的低温で作動するとはいうものの、使用
時と非使用時とでは、少なくとも数十℃の温度差が発生
する。従って、装置がこのようなヒートサイクルに遭遇
すると、各構成部材同士の熱膨張係数の相違により、セ
パレータがイオン交換膜を引っ張って破ってしまうおそ
れがあった。

【０００６】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、イオン交換膜の破損を防止するこ
とができる固体高分子型燃料電池を提供することにあ
る。

【０００７】

【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、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、前記両電極か
らはみ出している前記イオン交換膜の外周部を挟持する
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、前記セパレータは、炭素粉末及び熱硬化性樹脂を
主成分とする樹脂成形体からなり、かつその熱膨張係数
が前記イオン交換膜の熱膨張係数の１／５０倍〜１倍で
ある固体高分子型燃料電池をその要旨とする。

【０００８】請求項２に記載の発明では、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、前記両
電極からはみ出している前記イオン交換膜の外周部を挟
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、前記セパレータは、炭素粉末及び熱硬化性
樹脂を主成分とする樹脂成形体からなり、かつその熱膨
張係数が前記イオン交換膜の熱膨張係数の１／１０倍〜
１倍である固体高分子型燃料電池をその要旨とする。

【０００９】請求項３に記載の発明では、請求項２にお
いて、前記イオン交換膜の熱膨張係数は４×１０^-5〜１
×１０^-4℃^-1であり、前記セパレータの熱膨張係数は１
×１０^-5〜１×１０^-4℃^-1であるとした。

【００１０】以下、本発明の「作用」について説明す
る。請求項１に記載の発明によると、セパレータの熱膨
張係数がイオン交換膜の熱膨張係数の１／５０倍〜１倍
であることから、従来のものに比べて両者の熱膨張係数
差が小さくなっている。ゆえに、装置がヒートサイクル
に遭遇したときでも、イオン交換膜を破損に至らせるよ
うな大きな引っ張り力が、セパレータを介してイオン交
換膜に作用するようなことがない。従って、イオン交換
膜に与えられるダメージが小さくなり、結果としてイオ
ン交換膜の破損が防止される。

【００１１】請求項２，３に記載の発明によると、セパ
レータの熱膨張係数がイオン交換膜の熱膨張係数の１／
１０倍〜１倍であることから、両者の熱膨張係数差が極
めて小さくなっている。ゆえに、イオン交換膜の破損が
より確実に防止される。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明を具体化した一実施
形態の固体高分子型燃料電池１を図１〜図４に基づき詳
細に説明する。

【００１３】図１，図２に示される燃料電池１は、いわ
ゆるシングルセルタイプである。本実施形態の燃料電池
１は、１ユニットの膜・電極積層体と、２枚のセパレー
タ２とを備えている。

【００１４】膜・電極積層体は、イオン交換膜３の両側
に電極４Ａ，４Ｂを配置し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。ただし、イオン交換膜３と両電極４Ａ，４Ｂとは接
合されているわけではない。イオン交換膜３は、水素イ
オンを選択的に通過させることができる。本実施形態で
は、テフロン等のようなフッ素樹脂系の材料からなる膜
をイオン交換膜３として用いている。なお、本実施形態
の場合、イオン交換膜３の熱膨張係数（ＣＴＥ）は、４
×１０^-5〜１×１０^-4℃^-1程度に設定されている。実施
形態中において「熱膨張係数」とは、詳細には、正規の
測定方法である「ＡＳＴＭＤ−６９６」に準拠して測
定を行ったときの熱膨張係数の値をいうものとする。

【００１５】水素極４Ａ及び酸素極４Ｂは、炭素繊維を
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。なお、マット
状物にはフッ素樹脂等が添加されていてもよい。

【００１６】膜・電極積層体の両側には、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。セパレータ
２の内面側には、水素極４Ａ及び酸素極４Ｂを収容可能
な形状・深さの凹部２ｂが設けられている。同じくセパ
レータ２の内面側には、複数の平行な溝２ａも形成され
ている。そして、両電極４A，４Bからはみ出しているイ
オン交換膜３の外周部は、両セパレータ２の内面外周部
によってシールされた状態で挟持されている。その結
果、両セパレータ２間に膜・電極積層体が位置ずれ不能
に固定されている。なお、イオン交換膜３の外周部に図
示しないフランジ部を設け、そのフランジ部とセパレー
タ２の内面外周部との間に図示しないパッキング等のシ
ール部材を配置してもよい。

【００１７】セパレータ２における４つの側面のうちの
２つには、ガス給排孔５が複数個ずつ透設されている。
これらのガス給排孔５は、セパレータ２の面方向に沿っ
て平行に延びており、セパレータ２の外部領域と凹部２
ｂとを連通させている。従って、一方側面にあるガス給
排孔５群を介して凹部２ｂ内に流入したガス等は、溝２
ａに沿って流れた後、他方側面にあるガス給排孔５群を
経て再び外部領域に流出する。また、セパレータ２に
は、同じく凹部２ｂに連通するガス抜け孔６が透設され
ている。ガス抜け孔６はセパレータ２の厚さ方向に沿っ
て延びている。

【００１８】この燃料電池１の場合、セパレータ２用の
材料として、炭素粉末及び熱硬化性樹脂をその成分とす
る樹脂成形体が用いられている。樹脂成形体における炭
素粉末の役割は、電気比抵抗を低減してセパレータ２の
導電性を向上させることである。使用可能な炭素粉末と
しては、天然黒鉛粉末があるほか、例えば人造黒鉛粉
末、ガラス状カーボン、メソカーボン、カーボンブラッ
ク等がある。勿論、これらの混合物を用いることもでき
る。この場合、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。具体的にいうと、本実施
形態では、不純物濃度が２００ｐｐｍ〜３００ｐｐｍ程
度の鱗片状人造黒鉛粉末を炭素粉末として用いている。

【００１９】樹脂成形体における熱硬化性樹脂の役割
は、ガス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、フェノール樹脂などがある。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、成形性及びガス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。なお、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等がある。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。

【００２０】炭素粉末（便宜上Ａとする。）と熱硬化性
樹脂（便宜上Bとする。）との配合割合は、A：B＝９０w
t％〜５０wt％：１０wt％〜５０wt％であることが好ま
しい。もっとも、 A：B＝８０wt％〜６０wt％：２０wt
％〜４０wt％であることが、よりいっそう好ましい。熱
硬化性樹脂の配合割合が大きすぎると、電気比抵抗が過
度に増大するおそれがあるからである。一方、熱硬化性
樹脂の配合割合が小さすぎると、好適な成形性、ガス不
透過性、機械的強度が得られなくなるおそれがあるから
である。

【００２１】また、セパレータ２の電気比抵抗は、５０
００μΩ・ｃｍ〜２０００００μΩ・ｃｍ程度、望まし
くは５０００μΩ・ｃｍ〜５００００μΩ・ｃｍ程度で
あることがよい。この値が大きすぎると、セパレータ２
の電気比抵抗の増大によって、燃料電池１の内部抵抗が
大きくなってしまうからである。逆に、この値を過度に
小さくしようとすると、原材料の選択が困難になるおそ
れがあるからである。

【００２２】本実施形態のセパレータ２の場合、樹脂成
形体中に含まれる不純物濃度が、従来品に比べて極めて
少なくなっている。より具体的にいうと、卑金属不純物
であって水銀よりイオン化傾向の大きなものの濃度が、
トータルで１００ｐｐｍ以下になっている。「卑金属不
純物」とは、金、銀、水銀及び白金族等のような貴金属
不純物を除くもののをいい、具体的にはカリウム、ナト
リウム、バリウム、カルシウム、マグネシウム、アルミ
ニウム、鉄、ニッケル、すず、鉛、銅、シリコン、リン
等を指す。これらの金属種のうちの殆どのものは、水素
イオンの存在下において比較的容易にイオン化する性質
がある。つまり、このようにして発生した不純物金属イ
オンは、イオン交換膜３の内部及び表面に付着または吸
着してしまうため、イオン交換膜３を被毒化させる主な
要因となる。

【００２３】イオン化傾向の大きな前記卑金属不純物の
濃度は、トータルで、望ましくは２０ｐｐｍ以下である
ことがよく、より望ましくは１０ｐｐｍ以下であること
がよく、さらに望ましくは０．０１ｐｐｍ〜５ｐｐｍ程
度であることがよい。かかる金属不純物の濃度の値が低
ければ低いほど、イオン交換膜３が被毒化する危険性も
小さくなるからである。

【００２４】本実施形態において、樹脂成形体からなる
セパレータ２の熱膨張係数は、イオン交換膜３の熱膨張
係数と同等またはそれよりも若干小さい程度に設定され
ていることが必要とされる。具体的には、セパレータ２
の熱膨張係数は、イオン交換膜３の熱膨張係数の１／５
０倍〜１倍であることが必要とされ、好ましくは１／２
０倍〜１倍、最も好ましくは１／１０倍〜１倍であるこ
とがよい。

【００２５】また、イオン交換膜３の熱膨張係数を４×
１０^-5〜１×１０^-4℃^-1に設定した本実施形態の場合、
セパレータ２の熱膨張係数として１×１０^-5〜１×１０
^-4℃ ^-1の範囲を採ることが好ましい。

【００２６】次に、本実施形態のセパレータ２を製造す
る手順について説明する。まず、出発原料となる炭素粉
末を加熱下においてハロゲン化合物で処理しておくこと
が望ましい。具体的にいうと、ここではハロゲン化合物
として塩素ガスを用いた処理を実施するようにしてい
る。その結果、炭素粉末中の不純物濃度の低減が図られ
る。なお、加熱温度は２０００℃〜２３００℃であるこ
とがよい。

【００２７】次いで、前記熱処理を経た炭素粉末及び熱
硬化性樹脂を上述した好適範囲の割合で配合し、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、成形
用原料とする。

【００２８】次に、得られた成形用原料を用い、樹脂成
形法（例えばプレス成形法、トランスファ成形法、射出
成形法、押出成形法等）によって所定形状のセパレータ
２を形成する。このとき、セパレータ２の外形形状のみ
ならず、同時に溝２ａ、凹部２ｂ、ガス給排孔５、ガス
抜け孔６を形成することがよい。即ち、このような方法
であると、切削加工等が不要になり、低コスト化に好都
合だからである。なお、このような樹脂成形時には、例
えばホットプレス成形機が用いられる。このとき、金型
を利用して成形用原料を１５０℃〜２００℃で成形し、
さらに２００℃〜２５０℃で原料中に含まれる熱硬化性
樹脂の硬化を促進させる。

【００２９】そして、このようにして製作されたセパレ
ータ２を、イオン交換膜３、水素極４Ａ及び酸素極４Ｂ
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。

【００３０】次に、図３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、モータ等のような負荷が外部回
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の溝２ａを介して、凹部２b内に水と
ともに水素ガスを連続的に供給する。同様に、酸素極４
Ｂ側のセパレータ２の溝２ａを介して、凹部２b内に水
とともに酸素ガスを連続的に供給する。

【００３１】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、イ
オン交換膜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側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。

【００３２】

【実施例】［サンプルの作製］炭素粉末として、粒径が
２５μｍ〜５０μｍ程度であって不純物濃度が２００ｐ
ｐｍ〜３００ｐｐｍかつ鱗片状の黒鉛質人造黒鉛粉末を
選択した。この粉末を約２１００℃の加熱下において、
所定時間、塩素ガスで処理することにより、不純物濃度
を５ｐｐｍ以下に低減した。また、熱硬化性樹脂とし
て、固体レゾール系フェノール樹脂を使用した。炭素粉
末とフェノール樹脂との配合割合は、Ａ：Ｂ＝６５wt
％：３５wt％に設定した。

【００３３】熱処理を経た高純度炭素粉末とフェノール
樹脂とを混合した後、この混合物にメタノールを溶剤と
して添加した。これを混練機を用いてよく混練した後、
得られた混練物を粉砕して成形用原料とした。次に、こ
の成形用原料を一般的なホットプレス成形機によってプ
レス成形し、セパレータ２となるべき矩形状の樹脂成形
体を得た。ホットプレス成形における条件として、温度
を２００℃に、圧力を５０ｋｇ／ｃｍ²に、時間を３０
分にそれぞれ設定した。

【００３４】その結果、卑金属不純物であって水銀より
イオン化傾向の大きなものの濃度が、トータルで５ｐｐ
ｍ程度である樹脂成形体を得た。サンプル１では、イオ
ン交換膜３の熱膨張係数を１×１０^-4に設定し、セパレ
ータ２の熱膨張係数を２×１０^-6に設定した。即ち、セ
パレータ２の熱膨張係数を、イオン交換膜３の熱膨張係
数の１／５０倍とした。そして、このようにして得られ
たサンプル１を、実施例１のセパレータ２とした。

【００３５】サンプル２〜５（実施例２〜５）において
も、同様にイオン交換膜３の熱膨張係数を１×１０^-4に
設定した。そして、サンプル２では、セパレータ２の熱
膨張係数を、イオン交換膜３の熱膨張係数の１／２０倍
とすべく、５×１０^-6に設定した。サンプル３では、セ
パレータ２の熱膨張係数を、イオン交換膜３の熱膨張係
数の１／１０倍とすべく、１×１０^-5に設定した。サン
プル４では、セパレータ２の熱膨張係数を、イオン交換
膜３の熱膨張係数の１／２倍とすべく、５×１０^-5に設
定した。サンプル５では、セパレータ２の熱膨張係数
を、イオン交換膜３の熱膨張係数の１倍と（即ち等し
く）すべく、１×１０^-4に設定した。

【００３６】一方、炭素粉末に対する塩素ガス処理を全
く行わないでサンプル６を作製し、これを比較例のセパ
レータとした。比較例のセパレータにおいては、卑金属
不純物濃度がトータルで３００ｐｐｍ以上含まれてい
た。サンプル６では、イオン交換膜３の熱膨張係数を１
×１０^-4に設定し、セパレータ２の熱膨張係数を１×１
０^-6に設定した。即ち、セパレータ２の熱膨張係数を、
イオン交換膜３の熱膨張係数の１／１００倍とした。

【００３７】なお、各サンプル中における卑金属不純物
濃度の測定は、従来公知の発光分光法に準拠して行っ
た。ちなみに、サンプル１〜６の樹脂成形体の電気比抵
抗は、１１μΩ・ｃｍ〜２０μΩ・ｃｍであった。［比較試験の方法及びその結果］上記６種のセパレータ
２のサンプルを、それぞれイオン交換膜３、水素極４Ａ
及び酸素極４Ｂとともに組み立てて、個々に燃料電池１
を製造した。そして、外部回路を接続した状態で燃料電
池１のオンオフを繰り返すことにより、数十℃のヒート
サイクルを付与した。一定回数ヒートサイクルを付与し
た後には、肉眼観察を行って、イオン交換膜３における
弛みや破れの発生状況を調査した。

【００３８】その結果、比較例のセパレータを用いた燃
料電池１については、ヒートサイクルを一定回数以上付
与した段階で、イオン交換膜３に弛みや破れが生じるこ
とがわかった。即ち、比較例の燃料電池１は耐久性に劣
るものとなっていた。これに対して、実施例１〜５のセ
パレータ２を用いた燃料電池１については、同じ回数だ
けヒートサイクルを付与した後でも、イオン交換膜３に
弛みや破れが全くみとめられなかった。即ち、各実施例
の燃料電池１は、比較例に比べて明らかに耐久性に優れ
ていた。

【００３９】また、図４のグラフに概念的に示されるよ
うに、比較例のセパレータを用いた燃料電池１について
は、動作開始時から一定時間以上経過すると、電圧値に
変動が生じることがわかった。従って、これ以上使用を
続けるとすると、やがてイオン化した不純物によってイ
オン交換膜３が被毒化してしまい、確実に電圧値の低下
を来すであろうことが予想された。これに対して、実施
例１〜５のセパレータ２を用いた燃料電池１について
は、同じ時間経過した後において、少なくとも電圧値に
変動は認められなかった。よって、比較例に比べ、起電
力の電圧値の安定性が高かった。つまり、各実施例のほ
うが比較例よりも発電性能に優れていた。

【００４０】従って、本実施形態の各実施例によれば以
下のような効果を得ることができる。（１）各実施例の燃料電池１では、セパレータ２の熱膨
張係数がイオン交換膜３の熱膨張係数の１／５０倍〜１
倍に設定されている。よって、従来のものに比べて両者
２，３の熱膨張係数差が小さくなっている。ゆえに、装
置がヒートサイクルに遭遇したときでも、イオン交換膜
３を破損に至らせるような大きな引っ張り力が、両セパ
レータ２を介してイオン交換膜３に作用するようなこと
がない。

【００４１】これは、セパレータ２及びイオン交換膜３
の材料的なマッチングが改善された結果、両者２，３が
一緒にかつ同じ程度だけ熱膨張・熱収縮するようになっ
たからである、と考えられる。従って、上記各実施例に
よれば、イオン交換膜３の破損を確実に防止することが
できる。ゆえに、高い発電性能を長期間にわたって維持
することができ、耐久性・実用性に優れた燃料電池１を
実現することができる。

【００４２】（２）各実施例の燃料電池１のセパレータ
２は、炭素粉末と熱硬化性樹脂とを主成分としているた
め、比較的安価な材料からなる。また、このセパレータ
２は樹脂成形法を経て作製されたものであるため、比較
的安価に得ることができる。しかも、このような樹脂成
形体であれば、固体高分子型燃料電池１のセパレータ２
に要求される諸特性を比較的容易に実現することができ
る。つまり、好適なガス不透過性、低電気比抵抗、耐酸
性、軽量性等を得ることができる。

【００４３】（３）各実施例のセパレータ２の場合、樹
脂成形体中に含まれる前記卑金属不純物濃度が１００ｐ
ｐｍ以下であって、いずれも従来品に比べて卑金属不純
物濃度が相当低くなっている。そのため、たとえ不純物
がイオン化したとしても、イオン交換膜３を被毒化させ
るまでには至らない。よって、これを用いた燃料電池１
によれば、長期間にわたって安定した起電力を得ること
ができる。

【００４４】（４）本実施形態のセパレータ２は、炭素
粉末を高温加熱下において塩素ガスで処理した後、その
炭素粉末を用いて樹脂成形を行うことによって製造され
る。このとき、熱によって塩素ガスと炭素粉末中に含ま
れる不純物とが反応し、金属の塩化物が生じる。この種
の化合物は高温下では一般にガス状であるため、そのガ
ス状金属塩化物は炭素粉末の外部に容易に抜け出すこと
ができる。従って、このような処理を経た炭素粉末を用
いて樹脂成形を行えば、樹脂成形体中における不純物濃
度の低減を容易にかつ確実に図ることができる。ゆえ
に、上記の優れたセパレータ２を確実に得ることができ
る。

【００４５】なお、本発明の実施形態は以下のように変
更してもよい。・炭素粉末として前記実施例にて使用したものと別種
のものを用いたり、熱硬化性樹脂として前記実施例にて
使用したものと別種のものを用いたりすることも可能で
ある。

【００４６】・セパレータ２における凹部２ｂの形状
は、必ずしも矩形状に限定されない。また、不要であれ
ば、凹部２ｂは省略されてもよい。・本発明のセパレータ２は、シングルセルタイプ用の
構成部材として具体化されるばかりでなく、それ以外の
タイプ（いわゆるマルチセルタイプ）用の構成部材とし
て具体化されることが可能である。例えば、図５に示す
別例の燃料電池１１における一対のセパレータ１２は、
その両面に溝２ａ及び凹部２bを備えている。一方の面
に形成される溝２ａと、他方の面に形成される溝２aと
は、例えば互いに直交する関係にある。上記構造の燃料
電池１１は、数十枚から数百枚ほど積層されることによ
り、「燃料電池スタック」を構成した状態で使用され
る。なお、単セルである個々の燃料電池１１は、各十分
な起電力を得るために直列に接続されることがよい。

【００４７】次に、特許請求の範囲に記載された技術的
思想のほかに、前述した実施形態によって把握される技
術的思想をその効果とともに以下に列挙する。（１）水素イオンを選択的に通過しうるイオン交換膜
の両側に無機繊維からなるマット状の電極を配置してな
る膜・電極積層体と、前記両電極からはみ出している前
記イオン交換膜の外周部を挟持するとともに、その内側
に設けられた凹部内に前記電極を収容する一対のセパレ
ータとを備えた固体高分子型燃料電池において、前記セ
パレータは、炭素粉末及び熱硬化性樹脂を成分とする樹
脂成形体からなり、かつその樹脂成形体の熱膨張係数が
前記イオン交換膜の熱膨張係数の１／５０倍〜１倍（好
ましくは１／２０倍〜１倍、より好ましくは１／１０倍
〜１倍）である固体高分子型燃料電池。従って、この技
術的思想１に記載の発明によれば、耐久性・実用性に優
れた固体高分子型燃料電池を提供することができる。

【００４８】（２）請求項１乃至３，技術的思想１の
いずれか１つにおいて、前記樹脂成形体中に含まれる不
純物濃度が１００ｐｐｍ以下（望ましくは２０ｐｐｍ以
下、より望ましくは１０ｐｐｍ以下）であること。従っ
て、この技術的思想２に記載の発明によれば、長期にわ
たって安定的に発電することができ、よりいっそう耐久
性・実用性に優れたものとすることができる。

【００４９】（３）技術的思想１，２のいずれか１つ
に記載の燃料電池を単セルとして複数枚備え、かつ前記
各単セルを積層した状態で直列に接続したことを特徴と
する燃料電池スタック。従って、この技術的思想３に記
載の発明によれば、十分な量の起電力を、長期にわたっ
て安定して発生しうる燃料電池スタックを提供すること
ができる。

【００５０】（４）フランジ付き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、前記両電極か
らはみ出している前記イオン交換膜の外周部（即ちフラ
ンジ部）を、シール部材を介して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、前記セ
パレータは、炭素粉末及び熱硬化性樹脂を主成分とする
樹脂成形体からなり、かつその熱膨張係数が前記イオン
交換膜の熱膨張係数の１／５０倍〜１倍である固体高分
子型燃料電池。

【００５１】

【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、イオン交換膜の破損を防止することがで
きる固体高分子型燃料電池を提供することができる。

【００５２】請求項２，３に記載の発明によれば、イオ
ン交換膜の破損をより確実に防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を具体化した一実施形態における固体高
分子型燃料電池の分解斜視図。

【図２】実施形態の燃料電池の概略断面図。

【図３】実施形態の燃料電池の原理説明図。

【図４】比較試験の結果を概念的に示すグラフ。

【図５】別例の燃料電池の概略断面図。

【符号の説明】

１…固体高分子型燃料電池、２…セパレータ、３…イオ
ン交換膜、４…電極。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項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、前記両電極からはみ出している前記
イオン交換膜の外周部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、前記セパレータは、炭素粉末及び熱硬化性樹脂を主成分
とする樹脂成形体からなり、かつその熱膨張係数が前記
イオン交換膜の熱膨張係数の１／５０倍〜１倍である固
体高分子型燃料電池。
【請求項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、前記両電極からはみ出している前記
イオン交換膜の外周部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、前記セパレータは、炭素粉末及び熱硬化性樹脂を成分と
する樹脂成形体からなり、かつその熱膨張係数が前記イ
オン交換膜の熱膨張係数の１／１０倍〜１倍である固体
高分子型燃料電池。
【請求項３】前記イオン交換膜の熱膨張係数は４×１０
^-5〜１×１０^-4℃^-1であり、前記セパレータの熱膨張係
数は１×１０^-5〜１×１０^-4℃^-1であることを特徴とす
る請求項２に記載の固体高分子型燃料電池。