(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極との接触部と、前記接触部の外周に設けられたシール部とを有する燃料電池用セパレータであって、前記シール部は成形金型の面粗度レベルの表面状態であり、前記接触部の面粗度(Rmax)が前記シール部の面粗度(Rmax)よりも大きいことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池用セパレータにおいて、炭素複合材料からなる成形セパレータ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】
請求項２に記載の燃料電池用セパレータにおいて、前記炭素複合材料は炭素及び熱硬化性樹脂を含有することを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池用セパレータにおいて、前記接触部の面粗度(Rmax)が10〜50μmであることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項５】
電極との接触部と、前記接触部の外周に設けられたシール部とを有する燃料電池用セパレータの製造方法であって、前記シール部をマスキングした後、前記接触部を面粗化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】
請求項５に記載の燃料電池用セパレータの製造方法において、前記面粗化をエッチング、ブラスト及び研削からなる群から選ばれた少なくとも１種により行う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７】
請求項５又は６に記載の燃料電池用セパレータの製造方法において、前記シール部の面粗度(Rmax)が２〜15μmであり、前記面粗化による前記接触部の面粗度(Rmax)が10〜50μmであ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８】
請求項５〜７のいずれかに記載の燃料電池用セパレータの製造方法において、前記燃料電池用セパレータは、炭素複合材料からなる成形セパレータであ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９】
請求項８に記載の燃料電池用セパレータの製造方法において、前記炭素複合材料は、炭素及び熱硬化性樹脂を含有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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電極とセパレータの接触抵抗が低く、かつ気密性に優れた燃料電池用セパレータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子型燃料電池は、リン酸型燃料電池などの燃料電池に比較して低温でかつ高出力密度の発電が可能であるので、自動車の電源をはじめ小型の移動型電源として期待されている。固体高分子型燃料電池は、通常スルホン酸基を有するフッ素樹脂系イオン交換膜等の高分子イオン交換膜からなる電解質膜と、その両面に白金触媒を担持した触媒電極とから形成される単位燃料電池（膜・電極接合体）を、セパレータを介して積層したスタック等により構成される。これら構成部品の中でセパレータは、燃料ガス（水素）と酸化剤ガス（酸素又は空気）とを分離すると共に、ガスをそれぞれの電極に供給する流通路を確保し、さらに燃料電池セルで発電した電気を外部へ伝達する役割を担っている。これらの役割を十分に果たすために、燃料電池のセパレータには優れた気密性と同時に、電極部との接触抵抗の低減が要求される。このような要求を満たすため、炭素材料、金属材料等の導電性材料をセパレータの構成材料とすると共に、セパレータの表面に凹凸を設け、これにより接触抵抗を低減した燃料電池が特開平9-55215、特開平10-189011、特開平11-297338等に開示されている。
【０００３】
しかしながら、セパレータと電極の接触抵抗を低減するために表面処理等によりセパレータの表面を粗くすることは、燃料電池の気密性を低下させる原因となる。一方、ガスリークを抑制するためにセパレータの表面を滑らかに保つことは接触抵抗を高める原因となる。従って、セパレータに要求される上記条件を総て同時に満たすことは困難になっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従って本発明の目的は、電極とセパレータの接触抵抗が低く、かつ気密性に優れた燃料電池用セパレータ及びその製造方法を提供することである。
【０００５】
【課題を解決する手段】
上記目的に鑑み鋭意研究の結果、本発明者らはセパレータの電極との接触部分の表面を粗くすることにより接触抵抗を低減すると共に、電極と接触しない外周のシール部の表面を滑らかに保つことにより気密性を高めてガスリークを抑制できることを発見し、本発明に想到した。
【０００６】
すなわち、本発明の燃料電池用セパレータは、電極との接触部と、前記接触部の外周に設けられたシール部とを有する燃料電池用セパレータであって、前記シール部は成形金型の面粗度レベルの表面状態であり、前記接触部の面粗度(Rmax)が前記シール部の面粗度(Rmax)よりも大きいことを特徴とする。
【０００７】
本発明の燃料電池用セパレータは、炭素複合材料からなる成形セパレータであるのが好ましく、炭素複合材料は炭素及び熱硬化性樹脂を含有するのが好ましい。また前記接触部の面粗度(Rmax)が10〜50μmであり、前記シール部の面粗度(Rmax)が２〜15μmであるのが好ましい。
【０００８】
電極との接触部と、前記接触部の外周に設けられたシール部とを有する本発明の燃料電池用セパレータの製造方法は、前記シール部をマスキングした後、前記接触部を面粗化することを特徴とする。
【０００９】
前記面粗化をエッチング、ブラスト及び研削からなる群から選ばれた少なくとも１種により行うのが好ましく、前記シール部の面粗度(Rmax)が２〜15μmであり、前記面粗化による前記接触部の面粗度(Rmax)が10〜50μmであるのが好ましい。
【００１０】
本発明の製造方法により製造する燃料電池用セパレータは、炭素複合材料からなる成形セパレータであるのが好ましく、炭素複合材料は炭素及び熱硬化性樹脂を含有するのが好ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
[1] 燃料電池用セパレータ
(1) 構成材料
燃料電池用セパレータの構成材料としては、炭素材料、金属材料、金属と炭素又は樹脂を含む金属複合材料、炭素と樹脂を含む炭素複合材料等を用いることができる。これらの中で耐腐食性、気密性及び成形性の観点から炭素複合材料が特に好ましい。
【００１２】
炭素複合材料に用いる炭素粉末は、特に限定されないが人造黒鉛、リン片状黒鉛、土塊状黒鉛、膨張黒鉛、キッシュ黒鉛、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、コークス粉、これらの混合物等が挙げられる。
【００１３】
炭素複合材料に用いる樹脂は、熱可塑性樹脂及び熱硬化性樹脂のいずれも使用可能であるが熱硬化性樹脂が特に好ましい。熱可塑性樹脂としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリビニルアルコール、ポリアクリロニトリル、ポリアクリル酸、ポリアミド、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリアセタール、ポリアクリル酸、ポリ（メタ）アクリレート、ポリウレタン、ポリフェニレンエーテル、ポリフェニレンスルフィド、ポリエーテルスルホン、ポエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリオキサメチレン、ポリアリレート、アラミド、ポリイミド、ポリエーテルイミド、フッ素樹脂、これらの混合物等が挙げられる。熱硬化性樹脂としてはフェノール樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂、アルキド樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ジアリルフタレート樹脂、エポキシ樹脂、シリコン樹脂、ポリカルボジイミド樹脂、フルフリルアルコール樹脂、セルロース等が挙げられる。
【００１４】
金属材料としては、Ti又はその合金、Cr又はその合金、Zr又はその合金、Hf又はその合金、Ta又はその合金、Fe又はその合金、Ni又はその合金、Cu又はその合金、Al又はその合金、Nb又はその合金、V又はその合金等が挙げられる。これら金属材料はさらにその表面にTi、Ni、Cr、Au、Ag、Cu、Pt、Hf、Ta、Nb、Fe等の被膜を設けてもよい。被膜は化学蒸着（プラズマCVD、レーザーCVD等）、物理蒸着（真空蒸着、スパッタリング、イオンプレーティング等）、電解メッキ、無電解メッキ等の方法により形成することができる。また金属複合材料に用いる樹脂としては炭素複合材料に用いる樹脂が挙げられる。金属複合材料は上記金属材料に炭素又は樹脂を塗布、浸漬等により被覆して形成することができる。
【００１５】
(2) 表面粗さ
本発明の燃料電池用セパレータは、電極との接触部の面粗度（Rmax）がシール部の面粗度（Rmax）よりも大きいことを特徴とする。炭素粉末にバインダーとして熱硬化性樹脂等の樹脂を混合してモールド成形したセパレータは、溶解温度差により樹脂分が表面に偏在している。このセパレータをそのまま使用すると、表面を覆う樹脂分が電気絶縁体であるため電気抵抗（接触抵抗）が増大し、電圧損失が大きくなって性能を低下させる。電極との接触抵抗を低減するために本発明の燃料電池用セパレータは、電極と接触する表面の樹脂分を予め除去し、これにより電極との接触部分の面粗度（Rmax）を大きくしている。一方、シール部は表面の樹脂分を除去すると表面を荒す結果になり、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却水の気密性を確保することができない。このため、シール部に対しては表面処理を施さず成形した状態のままに保ち、気密性を高めてリークを抑制する。このように電極との接触部の面粗度（Rmax）をシール部の面粗度（Rmax）より大きくすることにより、接触抵抗を低減すると同時に気密性を高めることが可能となる。
【００１６】
燃料電池用セパレータが炭素材料、金属材料等からなるセパレータの場合は樹脂分による接触抵抗の増大はないが、セパレータ表面が平滑であると電極との接触部分が少なくなり、やはり接触抵抗が増大する。従ってセパレータの材料によらず、電極との接触部の面粗度（Rmax）をシール部の面粗度（Rmax）より大きくすることが接触抵抗を低減するために必要となる。
【００１７】
具体的には接触部の面粗度（Rmax）は10〜50μmが好ましく、15〜40μmがより好ましい。シール部の面粗度（Rmax）は２〜15μmが好ましく、５〜10μmがより好ましい。ここで面粗度（Rmax）は表面からランダムに抜き取った各部分における凹凸形状を表す断面曲線の最大高さ（JIS B 0601-1982により規定される）を意味し、表面粗さ計を用いて触針法により測定される値である。接触部の面粗度（Rmax）が10μm未満では樹脂分の除去が不十分で接触抵抗が高く、面粗度（Rmax）が50μmを超えると表面が粗すぎるため電極との接触部分が少なくなり、却って接触抵抗が増大する。一方シール部の面粗度（Rmax）が２μm未満ではシールのセパレータへの食いつきが不十分で気密性が低下し、10μmを超えると表面が粗くなり気密性が低下する。
【００１８】
[2] 燃料電池用セパレータの製造方法
以下燃料電池用セパレータの構成材料として炭素と樹脂を含む炭素複合材料を例に説明するが、本発明の製造方法は構成材料として炭素複合材料に限定されない。
【００１９】
(1) 成形セパレータの作製
炭素粉末と樹脂を、好ましくは炭素粉末を全体に対して60〜85重量％、樹脂を全体に対して40〜15重量％の比で混合して混練する。炭素粉末及び樹脂は上記具体例に挙げたものを用いることができる。混合はニーダー、加圧ニーダー、二軸スクリュー式混練機、ボールミル、ミキサー等の通常の混練機により行うことができる。その際樹脂をアルコールやエーテル等の適宜な有機溶媒に溶解して粘度を下げて混練した後、必要に応じて有機溶媒を除去する方法を用いてもよい。
【００２０】
得られた混練物から任意の燃料電池用セパレータに成形する方法は、公知の成形方法を用いてよい。一般的には生産性の観点からモールド成形によるのが好ましく、例えばプレス成形法、トランスファー成形法、射出成形法等を好ましく用いることができる。
【００２１】
(2) 面粗化
電極と接触する部分のセパレータの表面を面粗化することにより、セパレータの表面を覆っている樹脂分を予め除去する。
【００２２】
(A) マスキング
面粗化は電極との接触部についてのみ行い、シール部については行わない。そのため、シール部を予めマスキングした後、接触部について表面処理を行う。マスク材は特に限定されず、プレート、テープ、被膜等、表面処理の方法に応じて適宜選択することができる。なお、シール部は滑らかな成形金型の面粗度レベルの表面状態であり、特別な加工・処理を施すことを要しない。
【００２３】
(B) 処理方法
表面処理の方法は、エッチング、ブラスト及び研削からなる群から選ばれた少なくとも１つにより行うのが好ましい。
【００２４】
エッチングはセパレータのシール部をマスキングした後、酸又はアルカリの溶液を用いて浸漬、塗布等により行う。エッチングに使用する好ましい酸としては塩酸、硫酸、硝酸、酢酸、ギ酸、フッ酸等が挙げられ、好ましいアルカリとしては水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、アンモニア、ジメチルアミン等が挙げられる。エッチングを行う溶液の選択、溶液の濃度、浸漬時間等の条件は使用する樹脂の種類により適宜選択することができる。
【００２５】
ブラストはセパレータのシール部をマスキングした後、電極との接触部に鉱物性、植物性等の研磨材を高速度で吹きつけることによりセパレータの表面を覆っている樹脂分を除去する。図１及び２に好ましい実施の態様を示す。図１に示すようにシール部と同一形状のマスキング用プレート２作製して、これをセパレータ１の上に置き、電極との接触部１のみが露出するようにする。次にマスキングしたセパレータをベルトコンベア４上に乗せ、所定の速度でベルトコンベア上を搬送する。ベルトコンベアの上部にショットブラストビーズ用ガン３を配置し、搬送されたセパレータの電極との接触部１に研磨材ビーズを高速で吹きつける。ショットブラストビーズ用ガン３は回転しながら左右に移動（揺動）して繰り返し研磨材を吹きつけ、セパレータの表面を覆う樹脂分を除去する。ブラストの強さは研磨材の種類、研磨材ビーズの粒径、吐出圧力、ノズルの高さ、処理時間等の条件を変えることにより調節することができる。
【００２６】
研削はセパレータのシール部をマスキングした後、例えば、研磨材を表面に保持した研磨輪により研削する方法（グラインダバフ）、ピアノ線、ステンレス鋼線、黄銅線等を植えたブラシ又は研磨輪により研削する方法（ブラシ研磨）等を用いて行う。
【００２７】
(C) 面粗度
上記の表面処理方法によりセパレータ表面を削るに従い、面粗度（Rmax）は大きくなる。これに伴い接触抵抗は低くなるが、接触抵抗値は表面研削量があるレベル以上では一定傾向となる。図３に表面研削量に対する接触抵抗の変化を示す。すなわち、抵抗値を低減するためには適正な削り量が存在し、面粗度（Rmax）が約15〜20μmになるまで削ったときに抵抗値はほぼ一定傾向を示す。これらから面粗度（Rmax）が10〜50μmになるように面粗化するのが好ましく、15〜40μmになるように面粗化するのがより好ましい。
【００２８】
[3] シール
燃料ガス、酸化剤ガス及び冷媒は、混合を防止するため各々独立した通路を通さなければならない。またこれら反応ガス及び冷却媒体の燃料電池外部へのリークを防止する必要がある。そのため、燃料ガス、酸化剤ガス、加湿水及び冷却媒体を各セルに供給するためにスタックを貫通して設けた連通孔部の周囲、単位燃料電池（電解質膜十触媒電極層十ガス拡散層）の外周、セパレータ面を冷却するためにセパレータ面に沿って流す冷媒流路面外周、各セパレータの表裏の外周等にシールを取付ける。本発明の燃料電池用セパレータは、電極との接触部のみ面粗度を大きくし、シール部を滑らかに保つためシールによる気密性に優れている。
【００２９】
図４〜７にセパレータ表面にOリング状のシリコン樹脂からなるシール枠を取付けた一例を示す。図４はシール26により燃料ガスの流路が設けられたセパレータ表面を示す。燃料ガス供給口23から出た燃料ガスは、電極との接触面上に設けられた溝に沿って流れ燃料ガス排出口27から排出される。この場合燃料ガス以外の酸化剤ガス供給口24及び排出口28、並びに冷却媒体供給口25及び排出口29はシールにより周囲が閉鎖されているため、燃料ガスと混合することがなく、リークすることもない。同様に図５は酸化剤ガスの流路が設けられたセパレータ表面を示し、図６は冷却媒体の流路が設けられたセパレータ表面を示す。図７は燃料電池スタックを構成する単位燃料電池及びセパレータの断面を示す。燃料電池スタックは、電解質膜32cの両側にアノード及びカソードの触媒電極（32a,32b）を接合した単位燃料電池32をセパレータ31を介して積層することにより構成されている。セパレータ31の触媒電極（32a,32b）との接触面は反応ガス流路35が形成されており、セパレータ31のシール部と接触するシール33は、単位燃料電池32を挟んで反応ガス流路35を密閉している。またセパレータの裏面には冷媒流路34が形成されており、セパレータ31のシール部と接触するシール33により冷媒流路34を密閉している。燃料電池スタックを構成するセパレータはこれに限られず、アノード側セパレータ、カソード側セパレータ、及び冷却用セパレータがそれぞれ別のセパレータにより形成されていてもよい。
【００３０】
セパレータのシール方法は、▲１▼シリコン系、エチレンプロピレン（EPDM）系、フッ素系などの有機ゴム等の弾性材料（シート状、Oリング状、接着硬化タイプの液状硬化型材料等）からなる枠体を用いて圧縮積層し弾性材料の反発力でシールする方法、▲２▼無機系シート（黒鉛その他セラミック系繊維シートなど）で圧縮し絞め殺しの状態でシールする方法、▲３▼加締めやメカニカルシール等がある。カーボン系のセパレータは、材料が脆いためスタック積層時に破壊される危険がある。そのため、シール方法としては柔らかく適度に反発力のあるシール材でシールする上記▲１▼の方法が好ましい。
【００３１】
面粗化したセパレータからマスク材を除去した後、セパレータと単位燃料電池をシール枠を介して交互に積層する。積層した燃料電池スタックの両側にエンドプレートを装着し、積層方向にスタックを締め付ける。これにより単位燃料電池はシール性を有する枠体に挟持されて十分なガスシール性が確保される。
【００３２】
【実施例】
本発明を以下の実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はそれらに限定されるものではない。
【００３３】
実施例１
(1) 燃料電池用セパレータの作製
人造黒鉛粉末を全体に対し70重量％及びフェノール樹脂を全体に対し30重量％の割合で混合し、加圧ニーダーにより十分に混練した。混練物をセパレータの形状の金型に装填し、板状のセパレータを作製した。
【００３４】
(2) 面粗化
図１に示すように作製したセパレータのシール部と同一形状のカーボンプレート２を作製し、セパレータの上に置きシール部をマスキングした。図２に示すようにマスキングしたセパレータをベルトコンベア４の上に乗せ、0.6m/分の速度で搬送した。ベルトコンベアの上部にショットブラストビーズ用ガン３を配置し、搬送されたセパレータの電極との接触部１にアルミナからなる研磨材ビーズを吹きつけて面粗化を行った。ブラスト条件は、ビーズ粒径0.1〜10μm、ノズル高さ110mm、揺動速度75rpm、及び吐出圧力３kgf/cm2であった。
【００３５】
(3) 評価試験
作製したセパレータについて、電極との接触部及びシール部の面粗度(Rmax)を表面粗さ計（（株）東京精密製）を用いて測定した。また作製したセパレータの外周に電圧測定用の端子を設け、このセパレータにより単位燃料電池を接触面圧10kg/cm2で挟持した。２枚のセパレータに設けた一対の電圧測定用端子と電圧測定装置をコードにより接続した後、この電池ユニットに300Aの電流を流して損失電圧（接触抵抗に比例する値）を測定した。さらに反応ガスの流路及び冷却媒体の流路にそれぞれ100kPaのヘリウム（He）及び50kPaの空気（Air）を充填し、圧力の経時変化によりリーク度を測定した。電極との接触部の面粗度(Rmax)、シール部面粗度(Rmax)、リーク度、及び損失電圧の測定結果を表１に示す。
【００３６】
比較例１
シール部をマスキングせずにセパレータ表面の全面を面粗化した以外、実施例１と同様にしてセパレータを作製し、評価試験を行った。測定結果を表１に示す。
【００３７】
比較例２
セパレータ表面の面粗化を省いた以外、実施例１と同様にしてセパレータを作製し、評価試験を行った。測定結果を表１に示す。
【００３８】
【表１】
0003673747.tif 000002
【００３９】
実施例１は、シール部をマスキングした面粗化によりシール部面粗度(Rmax)よりも接触部面粗度(Rmax)が大きく、リーク度及び損失電圧が共に抑制されていることが分かる。これに対し、比較例１はマスキングのない面粗化によりシール部面粗度(Rmax)及び接触部面粗度(Rmax)が共に大きく、損失電圧は低いがリーク度が高い。また比較例２は面粗化を全くしていないため、シール部面粗度(Rmax)及び接触部面粗度(Rmax)が共に小さく、リーク度は低いが損失電圧（接触抵抗）が高い。
【００４０】
実施例２
燃料電池用セパレータを実施例１と同様にして作製した。表２に示すように強、中及び弱の３段階に分けてブラスト条件を設定し、作製したセパレータの面粗化を行った。次に実施例１と同様にして電池ユニットを作製した後、300Aの電流を流して損失電圧を測定した。測定結果を表２及び図８に示す。
【００４１】
比較例３
セパレータ表面の面粗化を省いた以外、実施例２と同様にしてセパレータを作製し、評価試験を行った。測定結果を表２及び図８に示す。
【００４２】
【表２】
0003673747.tif 000003
【００４３】
実施例では面粗化により面粗度(Rmax)を10〜35μmに管理することにより、比較例に比し損失電圧（接触抵抗）が大きく低減していることが分かる。
【００４４】
【発明の効果】
上記の通り、本発明の燃料電池用セパレータは、電極との接触部の表面から面粗化により樹脂分を除去して粗くし、一方、電極と接触しないシール部の表面を滑らかに保つため、セパレータと電極との接触抵抗を低減すると共に、気密性を高めてガスリークを抑制することができる。そのため燃料電池の効率を向上させることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  シール部をマスキングしたセパレータを示す平面図である。
【図２】  セパレータのブラスト工程を示す断面図である。
【図３】  表面研削量に対する接触抵抗の変化を示すグラフである。
【図４】  シールにより燃料ガス流路が設けられたセパレータを示す平面図である。
【図５】  シールにより酸化剤ガス流路が設けられたセパレータを示す平面図である。
【図６】  シールにより冷却媒体の流路が設けられたセパレータを示す平面図である。
【図７】  燃料電池スタックを構成する単位燃料電池及びセパレータを示す断面図である。
【図８】  ブラスト条件による電圧損失の変化を示すグラフである。
【符号の説明】
１，21・・・電極との接触部
２・・・マスク材
３・・・ショットブラストビーズ用ガン
４・・・ベルトコンベア
22・・・シール部
23・・・燃料ガス供給口
24・・・酸化剤ガス供給口
25・・・冷却媒体供給口
26，33・・・シール
27・・・燃料ガス排出口
28・・・酸化剤ガス排出口
29・・・冷却媒体排出口
31・・・セパレータ
32・・・単位燃料電池
32a，32b・・・触媒電極
32c・・・電解質膜
34・・・冷媒流路
35・・・反応ガス流路
【図１】
0003673747.tif 000004
【図２】
0003673747.tif 000005
【図３】
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【図４】
0003673747.tif 000007
【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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