JP3330343B2 - 燃料電池用セパレータ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、主として電気自動
車や小型可搬電源等として用いられる燃料電池用セパレ
ータで、詳しくは、例えばイオン交換膜からなる固体高
分子膜を両側からアノード（陽極）及びカソード（陰
極）で挟んでサンドイッチ構造としたガス拡散電極をさ
らにそれの外部両側から挟むとともに、アノード及びカ
ソードとの間に、燃料ガス流路及び酸化ガス流路を形成
して燃料電池の構成単位である単セルが構成されている
固体高分子型等の燃料電池用セパレータに関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は、アノードに水素を含有する
燃料ガスを供給し、カソードに酸素を含有する酸化ガス
を供給することにより、アノード側及びカソード側にお
いて、 Ｈ２ →２Ｈ´＋２ｅ´ …（１） （１／２）Ｏ２ ＋２Ｈ´＋２ｅ´→Ｈ２ Ｏ …（２） なる式の電気化学反応を示し、電池全体としては、 Ｈ２ ＋（１／２）Ｏ２ →Ｈ２ Ｏ …（３） なる式の電気化学反応が進行し、このような燃料が有す
る化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換すること
で、所定の電池性能を発揮するものである。

【０００３】上記のようなエネルギー変換を生じる燃料
電池の一種である固体高分子型燃料電池用セパレータ
は、電気自動車などの移動媒体の電源として適用される
ことが多いために、燃料電池自体の設置面積をなるべく
小さくし、かつ軽量化するためにセパレータの肉厚を薄
肉化することが要求されている。

【０００４】一方、固体高分子型燃料電池においては、
固体高分子膜自体が酸性であることから、この固体高分
子膜を挟持するセパレータに耐酸性が要求されることに
加えて、セパレータが燃料ガスとなる水素や酸素あるい
は反応生成物である水等の流路として直接、ガスや生成
水と接触するために、酸化膜の生成等を防止することが
可能な耐食性の高い材料から構成することも要求されて
いる。

【０００５】この種の固体高分子型燃料電池用セパレー
タとして、従来、次に説明するようなものが提案されて
いる。平板状の焼結カーボンに切削機械加工を施し
て、その表面に複数個の凸部を形成してなる焼結カーボ
ン製セパレータ。図８に示すように、膨張黒鉛単体も
しくは膨張黒鉛にフェノール樹脂やピッチ等の強度向上
材を含浸または混合した平板状部材３０を、凸部形成用
凹部３１を有する下型３２と上型３３とからなる成型金
型を用いて成形することにより、図９に示すように、平
板状部材３０の厚みをｔ２からｔ２´に薄肉化するとと
もに、この平板状部材３０の表面に複数個の凸部３４を
形成させてなる膨張黒鉛製セパレータ。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記した従来
の固体高分子型燃料電池用セパレータうち、の焼結カ
ーボン製セパレータは、切削機械加工によって平板部の
厚みが１．０ｍｍ以下でセパレータ全体の厚みが２．０
ｍｍ以下になるまで薄肉化するには多大な手間および熟
練を要し、製品コストが非常に高くなるだけでなく、例
え平板部の厚みを１．０ｍｍ程度にまで薄肉化できたと
しても、その薄肉平板部の機械的強度が小さいために、
何百枚ものセパレータをスタックして締め付け固定する
燃料電池組立て時の締め付け力や切削加工時に割れ等の
損傷が生じやすいという問題がある。

【０００７】また、の膨張黒鉛製セパレータは、耐食
性に優れているものの、本来的に加工成形時の流動性に
乏しい性質を有する膨張黒鉛を使用するために、平板部
を所望の薄肉度になるように金型成形した場合、ガス流
路を形成する凸部３４の角部にＲや欠けが生じるなどし
て角部が直角の所定形状に成形することが困難である。
このように成形精度が悪く、結果的に凸部３４の角部に
Ｒや欠けが生じると、凸部３４に隣接する電極との接触
面積が縮小されてセパレータをスタックした場合の電気
抵抗率が上昇するとともに、凸部間に形成されて隣接す
る流路溝３５に燃料ガスが流れ込みガス流路の短絡化
（ショート）を招き、これに起因して燃料電池自体の起
電力が低下するといった問題がある。

【０００８】以上のように、耐食性に優れた膨張黒鉛を
構成材料とする燃料電池用セパレータにおいても、平板
部を所望の薄肉度に成形する場合、ガス流路を形成する
溝や凸部についてはそれらを精密成形して多数のセパレ
ータをスタックした時の電気抵抗率が増大するなど電気
伝導性の低下を招かないようにすることが要望されてい
る。因みに、この種のセパレータの薄肉度については、
具体的にセパレータの厚みが２ｍｍ以下で、凸部以外の
平板部の厚みが１．０ｍｍ以下とすることが望ましく、
また、セパレータの電気特性については、電気伝導性
（電気接触抵抗）が極力小さいことが求められている。

【０００９】本発明は上記のような実情に鑑みてなされ
たもので、燃料電池自体の設置面積の低減及び軽量化の
要求を満たすに足りる薄肉化を図った場合でも、ガス流
路を形成する溝や凸部の形状及び寸法などに非常に高い
成形精度を確保して優れた電気特性を発揮させることが
できる燃料電池用セパレータを提供することを目的とし
ている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に記載の発明に係る燃料電池用セパレータ
は、主としてシート状部材と凸部形成部材とからなる燃
料電池用セパレータであって、上記シート状部材の表面
には複数個の凸部が形成されており、このシート状部材
の凸部に対応する裏面側の凹部内に凸部形成部材が埋設
されており、上記凸部形成部材が、膨張黒鉛素材をシー
ト状部材の平面に対して直交する方向に配置されるよう
に複数回渦巻き状に巻回し、かつ、所定の凸部形状に整
形して、もしくは、帯状の膨張黒鉛シート素材の複数枚
を平面に対して平行に積層して、作成されていることを
特徴とするものである。

【００１１】上記構成を有する請求項１に記載の発明に
よれば、シート状部材と凸部形成専用の凸部形成部材と
を別個に作成して、シート状部材に形成される、あるい
は、予備成形された凸部に対応する凹部に凸部形成部材
を埋設するといったように、互いに異なる特性を有する
両部材を複合化することにより、手間および熟練を要す
る切削機械加工が不要となり、製作コストの低減と同時
に、平板部を薄肉化して燃料電池全体の設置面積の低減
及び軽量化の要求を満たしながらも、ガス流路を形成す
る凸部の角部にＲや欠けなどを生じることなく、角部が
直角の所定形状および所定寸法の凸部を高精度に成形し
て優れた電気特性を持たせることが可能である。特に、
電極に接するセパレータ凸部の頂端面を平坦にすること
が可能で、電極とのなじみ性にも優れ、接触部の電気抵
抗率を小さくし電気特性の向上、ひいては燃料電池性能
の向上を図ることができる。

【００１２】また、上記凸部形成部材として、膨張黒鉛
シート素材を複数回渦巻き状に巻回し、かつ、所定の凸
部形状に整形して作成されたもの、もしくは、帯状の膨
張黒鉛シート素材の複数枚を平面に対して平行に積層し
て作成されたものを用いることによって、凸部形成部材
自体の体積抵抗率が非常に低くなり、セパレータ全体の
電気特性を一層向上することができる。

【００１３】ここで、上記シート状部材として、請求項
２に記載のように、膨張黒鉛から構成する場合は、この
シート状部材に凸部を予備成形する必要がなく、その裏
面側に凸部形成部材を配置して金型成形することのみに
よって、シート状部材の表面に凸部を形成し、それに対
応する裏面側の凹部に凸部形成部材を圧入埋設すること
が可能であり、セパレータ全体の製造工程を少なくし製
作コストを一層低減することができるとともに、この種
のセパレータとして要求される耐食性にも優れたものが
得られる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
にもとづいて説明する。まず最初に、燃料電池用セパレ
ータの一実施形態として固体高分子型燃料電池の構成及
び動作について図１〜図３を参照して簡単に説明する。
固体高分子型燃料電池２０は、例えばフッ素系樹脂より
形成されたイオン交換膜である固体高分子膜１と、炭素
繊維糸で織成したカーボンクロスやカーボンペーパーあ
るいはカーボンフェルトにより形成され、上記固体高分
子膜１を両側から挟みサンドイッチ構造をなすガス拡散
電極となるアノード２及びカソード３と、そのサンドイ
ッチ構造をさらに両側から挟むセパレータ４，４とから
構成される単セル５の複数組を積層し、その両端に図示
省略した集電板を配置したスタック構造に構成されてい
る。

【００１５】上記両セパレータ４は、図２に明示するよ
うに、その周辺部に、水素を含有する燃料ガス孔６，７
と酸素を含有する酸化ガス孔８，９と冷却水孔１０とが
形成されており、上記単セル５の複数組を積層した時、
各セパレータ４の各孔６，７、８，９、１０がそれぞれ
燃料電池２０内部をその長手方向に貫通して燃料ガス供
給マニホールド、燃料ガス排出マニホールド、酸化ガス
供給マニホールド、酸化ガス排出マニホールド、冷却水
路を形成するようになされている。

【００１６】また、上記両セパレータ４の表面には、多
数の突起を形成することで、それらの突起間に溝部１１
が形成されており、図３に明示するように、上記溝部１
１とアノード２の表面との間に燃料ガス流路１２が形成
されているとともに、溝部１１とカソード３の表面との
間に酸化ガス流路１３が形成されている。

【００１７】上記構成の固体高分子型燃料電池２０にお
いては、外部に設けられた燃料ガス供給装置から燃料電
池２０に対して供給された水素を含有する燃料ガスが上
記燃料ガス供給マニホールドを経由して各単セル５の燃
料ガス流路１２に供給されて各単セル５のアノード２側
において既述（１）式で示したとおりの電気化学反応を
呈し、その反応後の燃料ガスは各単セル５の燃料ガス流
路１２から上記燃料ガス排出マニホールドを経由して外
部に排出される。同時に、外部に設けられた酸化ガス供
給装置から燃料電池２０に対して供給された酸素を含有
する酸化ガス（空気）が上記酸化ガス供給マニホールド
を経由して各単セル５の酸化ガス流路１３に供給されて
各単セル５のカソード３側において既述（２）式で示し
たとおりの電気化学反応を呈し、その反応後の酸化ガス
は各単セル５の酸化ガス流路１３から上記酸化ガス排出
マニホールドを経由して外部に排出される。

【００１８】上記（１）及び（２）式の電気化学反応に
伴い、燃料電池２０全体としては既述（３）式で示した
電気化学反応が進行して、燃料が有する化学エネルギー
を直接電気エネルギーに変換することで、所定の電池性
能が発揮される。なお、この燃料電池２０は、固体高分
子膜１の性質から約８０〜１００℃の温度範囲で運転さ
れるために発熱を伴う。そこで、燃料電池２０の運転中
は、外部に設けられた冷却水供給装置から該燃料電池２
０に対して冷却水を供給し、これを上記冷却水路に循環
させることによって、燃料電池２０内部の温度上昇を抑
制している。

【００１９】次に、上記のような構成及び動作を有する
固体高分子型燃料電池２０におけるセパレータ４の構成
及びその製造方法について説明する。図４は本発明に係
る燃料電池用セパレータ４の第１の実施形態を示す一部
破断斜視図であり、この燃料電池用セパレータ４は、シ
ート状部材１４と凸部形成部材１５とからなる。シート
状部材１４は膨張黒鉛からなり、平板部の厚さがｔ１に
形成されている。一方、凸部形成部材１５は、長尺帯状
の膨張黒鉛シート素材１５ａをシート状部材１４の平面
に対して直交する方向に配置されるように何回も渦巻き
状に巻回し、かつ、所定の凸部形状に整形して作成され
たもので、セパレータ４において必要な大きさ及び所定
形状の凸部１９（後述する）と相似形でそれよりも小さ
い凸形状に形成されている。

【００２０】全体がｔ０なる厚さを有する上記膨張黒鉛
製シート状部材１４を、図５に示すように、凸部形成部
に対応する箇所に凹部１７ａを有する下型１７の上面に
その裏面１４ａが上向きになるようにセットするととも
に、そのセットされたシート状部材１４の上部に上記凸
部形成部に対応する箇所に可動押型１８ａを備えた上型
１８を配置し、かつ、この上型１８における可動押型１
８ａの下部で上記シート状部材１４の裏面に上記凸部形
成部材１５を配置する。

【００２１】この状態で、図６に示すように、上型１８
を下型１７に近接させてシート状部材１４を挟持固定し
て平板部を厚さｔ０からｔ１に縮小した後、可動押型１
８ａを下型１７側に押圧移動させるといった金型成形を
行なうことにより、つまり、可動押型１８ａを介して凸
部形成部材１５をシート状部材１４の裏面１４ａ側から
表面側に向けて圧入することにより、シート状部材１４
のうち下型１７の凹部１７ａに対応する部分を該凹部１
７ａの内面に沿うように変形させてシート状部材１４の
表面の複数箇所に凸部１６を突出成形させるとともに、
これら凸部１６に対応するシート状部材１４の裏面側の
凹部１６ａ内に上記凸部形成部材１５を嵌着（埋設）さ
せて両部材１４，１５を一体化することで、シート状部
材１４の表面に該シート状部材１４の凸部１６と凸部形
成部材１５とからなる複数個の凸部１９を形成し、か
つ、隣接する凸部１９，１９間に上記燃料ガス流路１２
や酸化ガス流路１３となる溝部１１を形成している。

【００２２】図７は本発明に係る燃料電池用セパレータ
４の第２の実施形態を示す一部破断斜視図であり、この
燃料電池用セパレータ４は、凸部形成部材１５として、
帯状の膨張黒鉛シート素材１５ｂの複数枚を平面に対し
て平行に積層して作成されたものを使用したものであ
り、その他の構成及び製造方法は上記第１の実施形態で
説明したものと同一であるため、詳しい説明は省略す
る。

【００２３】上記各実施形態で示した構成の燃料電池用
セパレータ４は、平板部のみからなるシート状部材１４
と、凸部１９形成専用の凸部形成部材１５とを別個に作
成して、シート状部材１４に形成される、あるいは、予
備成形された凸部１６に対応する凹部１６ａに凸部形成
部材１５を埋設するといったように、互いに異なる特性
を有する両部材１４，１５を複合化することにより、切
削機械加工を不要として製作コストの低減を図ると同時
に、平板部を薄肉化して燃料電池２０全体の設置面積の
低減及び軽量化の要求を満たしながらも、ガス流路を形
成する凸部１９の角部にＲや欠けなどを生じることな
く、角部が直角の所定形状および所定寸法の凸部１９を
高精度に成形して優れた電気特性を持たせることが可能
である。特に、電極（アノード３およびカソード４）に
接するセパレータ凸部１９の頂端面を平坦にすることが
可能で、電極３，４とのなじみ性にも優れ、接触部の電
気抵抗率を小さくし電気特性の向上、ひいては燃料電池
性能の向上を図ることが可能である。

【００２４】特に、凸部形成部材１５の構成材料とし
て、第１及び第２の実施形態で示すように、膨張黒鉛を
用いることが耐食性の面で好ましく、特に、膨張黒鉛シ
ート素材１５ａを巻回して作成されたものや、膨張黒鉛
シート素材１５ｂの複数枚を積層して作成されたものを
用いる場合は、凸部形成部材１５の体積抵抗率が非常に
低くなり、セパレータ４全体の電気特性を一層向上する
ことができる。

【００２５】

【実験例】以下、実験例によって本発明を更に詳しく説
明する。表１に示すような仕様を有するように製造され
た実施例１に相当する本発明の燃料電池用セパレータと
比較例１に相当する従来の燃料電池用セパレータとにお
ける電気接触抵抗および成形精度について下記の試験方
法で測定し評価したところ、表２に示すような結果が得
られた。

【００２６】 電気接触抵抗：セパレータの２枚を銅板電極間に配置し
て加圧した後、四端子法により電極の電流と電圧を計測
することにより測定した。 成形精度：ガス流路を形成する凸部の角部にＲが発生し
なかったものを○、Ｒが発生したものを×とした。

【００２７】

【表１】

【００２８】

【表２】

【００２９】上記の表１からも明らかなように、実施例
１に相当する本発明の燃料電池用セパレータは、シート
状部材の平板部の厚みｔを１．０ｍｍ以下まで薄肉化す
ることが可能でありながら、表２から明らかなように、
高い成形精度を保持することが可能であり、ひいてはセ
パレータをスタックした場合の電気接触抵抗も小さい。
これに対して、比較例１に相当する従来の燃料電池用セ
パレータは、平板部の厚みが１．３ｍｍとセパレータと
して要求される薄肉度に到達しないだけでなく、成形精
度の面でも頗る劣っており、燃料電池の効率よい起電作
用に悪影響を及ぼすことが分かった。

【００３０】

【発明の効果】以上のように、請求項１に記載の発明に
よれば、セパレータの平板部を薄肉化して燃料電池全体
の設置面積の低減及び軽量化の要求を満たしながらも、
ガス流路を形成する凸部の角部にＲや欠けを発生させる
ことなく、所定形状および所定寸法の凸部を非常に高精
度に成形して優れた電気特性を持たせることができる。
特に、電極に接するセパレータ凸部の頂端面を平坦にし
て電極とのなじみ性をよくし、接触部の電気抵抗率を小
さくして電気特性の向上、ひいては燃料電池性能の著し
い向上を図ることができるという効果を奏する。

【００３１】また、請求項２に記載の発明によれば、上
記効果に加えて、凸部形成部材の体積抵抗率を非常に低
くして、セパレータ全体の電気特性を一段と向上するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のセパレータを備えた固体高分子型燃料
電池を構成するスタック構造の構成を示す分解斜視図で
ある。

【図２】同上固体高分子型燃料電池におけるセパレータ
の外観正面図である。

【図３】同上固体高分子型燃料電池の構成単位である単
セルの構成を示す要部の拡大断面図である。

【図４】本発明に係る燃料電池用セパレータの第１の実
施形態を示す一部破断斜視図である。

【図５】同上燃料電池用セパレータの製造方法の第１工
程を説明する断面図である。

【図６】同上燃料電池用セパレータの製造方法の第２工
程を説明する断面図である。

【図７】本発明に係る燃料電池用セパレータの第２の実
施形態を示す一部破断斜視図である。

【図８】従来の燃料電池用セパレータの製造方法を説明
する断面図である。

【図９】同上製造方法により製造された従来の燃料電池
用セパレータの一例を示す一部破断斜視図である。

【符号の説明】

１ 固体高分子膜 ４ 燃料電池用セパレータ １４ シート状部材 １５ 凸部形成部材 １５ａ，１５ｂ 膨張黒鉛シート素材 １６ シート状部材の凸部 １６ａ シート状部材の凸部に対応する凹部 １９ セパレータの凸部 ２０ 燃料電池

フロントページの続き (72)発明者 加藤 省二 兵庫県三田市下内神字打場541番地の１ 日本ピラー工業株式会社三田工場内 (72)発明者 下山 清 兵庫県三田市下内神字打場541番地の１ 日本ピラー工業株式会社三田工場内 審査官 原 賢一 (56)参考文献 特開2000−12048（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01M 8/02 H01M 8/10

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 主としてシート状部材と凸部形成部材と
   からなる燃料電池用セパレータであって、 上記シート状部材の表面には複数個の凸部が形成されて
   おり、 このシート状部材の凸部に対応する裏面側の凹部内に凸
   部形成部材が埋設されており、 上記凸部形成部材が、膨張黒鉛シート素材をシート状部
   材の平面に対して直交する方向に配置されるように複数
   回渦巻き状に巻回し、かつ、所定の凸部形状に整形し
   て、もしくは、帯状の膨張黒鉛シート素材の複数枚を平
   面に対して平行に積層して、作成されていることを特徴
   とする燃料電池用セパレータ。
2. 【請求項２】 上記シート状部材が、膨張黒鉛から構成
   されている請求項１に記載の燃料電池用セパレータ。