(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
凹凸面を有する基材と、
前記凹凸面に連続して形成された導電性の炭素皮膜と、
を備え、
前記凹凸面の凸部に形成された前記炭素皮膜は、粒状の構造を有し、
前記凹凸面の凹部に形成された前記炭素皮膜は、垂直に立ったシート状の構造を有することを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
前記凹凸面は、溝が所定の間隔をおいて複数設けられた面であり、
前記凸部は、前記溝以外の部分であり、
前記凹部は、前記溝における底面の部分であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の燃料電池用セパレータの製造方法であって、
前記凹凸面に前記炭素皮膜を、プラズマ気相法により形成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４】
請求項１又は２に記載の燃料電池用セパレータを含む燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用セパレータ、その製造方法、及び燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池（例えば固体高分子形燃料電池）は、電解質の両側に空気極及び燃料極を配置して単位セルを構成し、さらにこの単位セルの両側をセパレータで挟んだ構成を有する。セパレータの表面には、空気や水素を供給するためのガス流路が形成される。
【０００３】
燃料電池においては、発電過程で生じた水が、セパレータのガス流路を閉塞してしまうことがある。また、燃料電池に供給される空気や水素が加湿されている場合は、ガス流路において結露が生じ、その結露によってガス流路が閉塞されてしまうことがある。そこで、気相成膜法によって、ガス流路に撥水層を形成し、水に起因するガス流路の閉塞を防止する技術が提案されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平２００６−１８５９０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
セパレータのうち、空気極や燃料極に接触する部分は、電気的な接触抵抗が小さい必要がある。仮に、特許文献１記載の撥水層をセパレータの全面に形成すると、空気極や燃料極に接触する部分の接触抵抗が大きくなってしまう。また、ガス流路に撥水性の膜を形成し、それとは別の工程で、空気極や燃料極に接触する部分に接触抵抗が低い膜を形成する方法では、セパレータの製造工程が増えてしまう。
【０００６】
本発明は以上の点に鑑みなされたものであり、上述した課題を解決できる燃料電池用セパレータ、その製造方法、及び燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の燃料電池用セパレータは、凹凸面を有する基材と、前記凹凸面に連続して形成された導電性の炭素皮膜とを備え、前記凹凸面の凸部に形成された前記炭素皮膜は、粒状の構造を有し、前記凹凸面の凹部に形成された前記炭素皮膜は、垂直に立ったシート状の構造を有することを特徴とする。
【０００８】
本発明の燃料電池用セパレータにおいて、凸部に形成された炭素皮膜は、粒状の構造（複数の粒が並ぶ構造）を有し、燃料電池の空気極や燃料極との接触抵抗が小さい。そのため、本発明の燃料電池用セパレータを用いれば、燃料電池の性能が向上する。
【０００９】
また、本発明の燃料電池用セパレータにおいて、凹部に形成された炭素皮膜は、垂直に立ったシート状の構造を有し、撥水性が高い。そのため、燃料電池の発電過程で生じる水や、燃料電池に供給される水素や酸素に含まれていた水蒸気に起因する結露が凹部内に生じたとしても、それらを迅速に排除することができる。その結果、水素や酸素の流路が閉塞されてしまうことがない。
【００１０】
また、本発明の燃料電池用セパレータにおいて、炭素皮膜は、凹凸面に連続して形成された膜であるから、凸部の炭素皮膜と凹部の炭素皮膜とを、別々の工程で形成する必要がない。そのため、燃料電池用セパレータの製造工程を簡略化できる。連続した炭素皮膜は、例えば、プラズマ気相法、ＣＶＤ、スパッタリング等の気相成長法により形成することができる。
【００１１】
また、本発明の燃料電池用セパレータにおいて、炭素皮膜は耐食性も有しているため、セパレータから成分が溶出することを防止でき、燃料電池の性能を維持することができる。
【００１２】
前記凹凸面は、例えば、溝が所定の間隔をおいて複数設けられた面とすることができる。この場合、前記凸部は、前記溝以外の部分となり、例えば、燃料電池の空気極や燃料極に接触する部分となる。また、前記凹部は、前記溝における底面の部分となり、例えば、燃料電池において酸素や水素の流路に面する部分となる。
【００１３】
本発明の燃料電池は、上述した燃料電池用セパレータを含む。本発明の燃料電池は、それを構成する燃料電池用セパレータにより、上述した効果を奏する。前記燃料電池としては、例えば、固体高分子形燃料電池が挙げられる。
【００１４】
前記基材の材質としては、各種金属が挙げられ、例えばステンレスが挙げられる。ステンレスとしては、例えば、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ４０２等が挙げられる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】燃料電池用セパレータ１の構成を表す斜視図である。
【図２】図１のII-II断面における燃料電池用セパレータ１の断面を表す断面図である。
【図３】炭素皮膜１７を電子顕微鏡で観察した結果を表す写真であり、（ａ）は底面９を表し、（ｂ）は山部７を表し、（ｃ）は側面１１を表す。
【図４】プラズマ製造装置１０１の構成を表す説明図である。
【図５】プラズマ製造装置１０１の電気的な接続を表す説明図である。
【図６】燃料電池２０１の構成を表す模式図である。
【図７】燃料電池２０１の抵抗測定結果を表すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
１．燃料電池用セパレータ１の構成
燃料電池用セパレータ１の構成を図１〜図３に基づいて説明する。燃料電池用セパレータ１は、図１に示すように、矩形の板状部材であって、その一方の面である凹凸面３に、一直線に延びる溝５が複数形成されている。複数の溝５は、一定の間隔をおいてなる。すなわち、燃料電池用セパレータ１の凹凸面３は、溝５から成る凹部と、溝５以外の部分（以下、山部７とする）から成る凸部とにより形成される凹凸を有する面である。なお、複数の溝５は、図１に示すように、互いに平行であってもよいし、非平行であってもよい。また、溝５は、１本の連続する溝がつづら折り（ジグザグ形状）となったものでもよい。
【００１７】
溝５は、図２に示すように、底面９と側面１１とを有する。底面９と側面１１とはそれぞれ平面であり、図２に示すII-II断面において、それらが成す角度は鈍角である。なお、底面９と側面１１のうちの一方又は両方は、曲面であってもよい。また、底面９と側面１１とが成す角度は、直角、又は鋭角であってもよい。
【００１８】
山部７は、底面９と平行な平面である。また、山部７は、燃料電池用セパレータ１における凹凸面３とは反対側の裏面１３とも平行である。山部７と底面９との縦方向（図２における上下方向）における距離（溝５の深さ）は、１〜１０ｍｍの範囲内において適宜設定できる。また、底面９及び山部７の横方向（図２における左右方向）の長さも、それぞれ、１〜１０ｍｍの範囲内において適宜設定できる。
【００１９】
燃料電池用セパレータ１は、ステンレスから成り、上述した形状を有する基材１５と、その表面に連続して（継ぎ目なしに）形成された導電性の炭素皮膜１７とにより構成される。炭素皮膜１７の膜厚は５００ｎｍである。この膜厚は、炭素皮膜の断面を電子顕微鏡観察で測長した値である。なお、炭素皮膜１７は、基材１５の全面に形成してもよいし、凹凸面３のみに形成してもよい。
【００２０】
炭素皮膜１７は、いずれの部分でも、ｓｐ２混成軌道を持つ炭素から成り、導電性が高いため、燃料電池セパレータの表面処理として好適である。
炭素皮膜１７のうち、底面９の部分は、図３（ａ）に示すように、電子顕微鏡で観察したとき、垂直に立ったシート状の構造を有する。すなわち、カーボンナノウォール（厚さ数ｎｍから数十ｎｍの薄いグラファイト）が、相互に空隙を持ちながら、底面９に対し垂直に成長している。なお、このように超薄膜でアスペクト比が高い構造は、撥水性を有することが知られている。
【００２１】
また、炭素皮膜１７のうち、山部７の部分は、図３（ｂ）に示すように、電子顕微鏡で観察したとき、粒状の構造（複数の粒が並ぶ構造）を有する。すなわち、山部７の部分は、底面９の部分と比較して、カーボンナノウォールが積層状に水平に配向されるため、炭素緻密膜に若干の炭素粒が埋め込まれた構造を有する。このため、燃料極に対する接触面積が大きくとれるので、接触抵抗を小さくすることができる。
【００２２】
また、炭素皮膜１７のうち、側面１１の部分は、図３（ｃ）に示すように、電子顕微鏡で観察したとき、底面９における構造と山部７における構造との中間の構造を有する。
２．燃料電池用セパレータ１の製造方法
燃料電池用セパレータ１の製造方法を図３及び図４に基づいて説明する。燃料電池用セパレータ１の製造には、図４に示すプラズマ製造装置１０１を用いる。プラズマ製造装置１０１は、内部に成膜室１０３を備える本体部１０５と、成膜室１０３に設けられた上部電極１０７及び下部電極１０９と、本体部１０５に設けられた観察用の一対の窓１１１と、成膜室１０３内に反応ガスを供給する供給口１１３とを供える。成膜室１０３内は、図示しない真空ポンプにより、高真空とすることができる。また、燃料電池用セパレータ１は、図示しないヒータにより、下部電極１０９の上側部分（基材１５を設置する場所）を加温することができる。
【００２３】
図５に示すように、プラズマ製造装置１０１は、上部電極１０７と下部電極１０９との間を、励起交流電源１１５により、ＡＣ励起（１３．５６ＭＨｚ、３００Ｗ）することができ、また、直流電源１１７により、上部電極１０７と下部電極１０９との間に、ＤＣバイアス（５０〜１００Ｖ）を印加することができる。
【００２４】
燃料電池用セパレータ１を製造する際は、まず、ステンレス材を切削し、上述した形状の基材１５を作成する。あるいは、ステンレス材にプレス加工を施して溝形状を形成し、上述した形状の基材１５を作成してもよい。次に、図４に示すように、下部電極１０９の上に、基材１５を設置する。このとき、基材１５の向きは、凹凸面３が上側となる（凹凸面３が上部電極１０７に対向する）向きとする。基材１５の凹凸面３と、上部電極１０７との間には、ギャップＧが存在する。
【００２５】
次に、表１に示す条件の下、プラズマ気相法により、基材１５の表面に炭素皮膜１７を形成し、燃料電池用セパレータ１を完成する。
【００２６】
【表１】
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【００２７】
なお、反応ガスにおける体積比は、水素：メタン＝３〜５：１の範囲で適宜調整できる。また、反応ガスは、水素とメタンとの混合ガスには限定されず、水素、メタン、アセチレン、エチレン等から選択した１種以上とすることができる。また、反応ガス流量、成膜室内圧力、励起交流電源供給電力、直流バイアス、ギャップＧ、ヒータ温度等を適宜調整することにより、底面９における炭素皮膜１７と、山部７における炭素皮膜１７とを、それぞれ、上述した微細構造(図３（ａ）（ｂ）)を有するものにすることができる。
【００２８】
３．燃料電池２０１の構成
燃料電池用セパレータ１を使用した燃料電池２０１の構成を図６に基づいて説明する。燃料電池２０１は、電解質２０３、空気極２０５、燃料極２０７、及び一対の燃料電池用セパレータ１から構成される。電解質２０３、空気極２０５、及び燃料極２０７は、周知の組成及び形状とすることができる。
【００２９】
空気極２０５側の燃料電池用セパレータ１は、凹凸面３が空気極２０５に対向する向きに取り付けられる。燃料電池用セパレータ１の溝５（図２参照）と空気極２０５とにより形成される隙間は、酸素の流路となる。また、燃料電池用セパレータ１の山部７（図２参照）は、空気極２０５に接触する。
【００３０】
燃料極２０７側の燃料電池用セパレータ１は、凹凸面３が燃料極２０７に対向する向きに取り付けられる。燃料電池用セパレータ１の溝５（図２参照）と燃料極２０７とにより形成される隙間は、水素の流路となる。また、燃料電池用セパレータ１の山部７（図２参照）は、燃料極２０７に接触する。
【００３１】
なお、図６では、単一のセル（電解質２０３、空気極２０５、及び燃料極２０７から構成される単位）のみを示しているが、燃料電池２０１は、複数のセルを積層し、各セルの間に燃料電池用セパレータ１を設けたものであってもよい。
【００３２】
４．燃料電池２０１の使用試験
燃料電池２０１を長時間使用しながら、その電池抵抗を所定時間ごとに繰り返し測定した。また、燃料電池用セパレータ１の代わりに、炭素皮膜を形成していないステンレス製のセパレータを用いた燃料電池、及び炭素皮膜の代わりに金メッキ層を形成したセパレータを用いた燃料電池についても、同様に測定を行った。その結果を図７に示す。
【００３３】
この測定結果から、燃料電池用セパレータ１は、長時間使用しても、ステンレス製のセパレータよりも抵抗が小さく、金メッキ層を形成したセパレータとほぼ同等であることが確認できた。
【００３４】
また、燃料電池２０１を長時間使用しても、燃料電池用セパレータ１の溝５が水で閉塞されてしまうことはなかった。
５．燃料電池用セパレータ１が奏する効果
（１）燃料電池用セパレータ１の溝５は、燃料電池２０１において、水素や酸素の流路を構成する。溝５の底面９に形成された炭素皮膜１７は、図３（ａ）に示すように、垂直に立ったシート状の構造を有するため、撥水性が高い。そのため、燃料電池２０１の発電過程で生じる水や、燃料電池２０１に供給される水素や酸素に含まれていた水蒸気に起因する結露が溝５内に生じたとしても、それらを迅速に排除することができる。その結果、水素や酸素の流路が閉塞されてしまうことがない。
（２）燃料電池用セパレータ１の山部７は、空気極２０５又は燃料極２０７に接する部分である。山部７に形成された炭素皮膜１７は、図３（ｂ）に示すように、粒状の構造を有するため、空気極２０５又は燃料極２０７に接触する面積が大きく、接触抵抗が小さい。そのため、燃料電池２０１の性能が向上する。
（３）燃料電池用セパレータ１の製造工程においては、一度の成膜処理で、底面９の炭素皮膜１７（撥水性が高い炭素皮膜）と、山部７の炭素皮膜１７（接触抵抗が小さい炭素皮膜）を同時に作成することができる。そのため、燃料電池用セパレータ１の製造工程を簡略化できる。
（４）燃料電池用セパレータ１は、ステンレスから成る基材１５の表面を炭素皮膜１７により被覆しているので、燃料電池用セパレータ１が水に接触しても、基材１５の腐食を防止することができる。その結果、基材１５の腐食により生じる溶出物が、電池電極や電池電解質に溶け込み、イオン伝導や触媒反応を阻害してしまうようなことがない。すなわち、燃料電池セパレータ１は耐食性が高いため、ステンレスのみから成るセパレータの電池抵抗が時間の経過とともに増加するのに対し、長時間に渡り、金メッキを施したセパレータと同等の電池抵抗を維持する。
【００３５】
尚、本発明は前記実施の形態になんら限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
例えば、燃料電池用セパレータ１の凹凸面３における表面形状は、互いに平行な複数の溝５から成る表面形状には限定されず、種々の凹凸形状とすることができる。
【００３６】
例えば、燃料電池用セパレータ１を上方向（図２における上方向）から見たとき、それぞれが直線である複数の溝が、非平行に(例えばハの字状)に配置されていてもよい。また、曲線の溝（例えば、波型の溝、渦巻き型の溝等）が１つ又は複数配置されていてもよい。また、屈曲部のある溝（例えば、への字型の溝）が、所定の間隔をおいて複数配置されていてもよい。
【００３７】
また、II-II断面（図２参照）における溝５の断面形状は、上述した形状には限定されず、例えば、略Ｕ字形状であってもよい。この場合、Ｕ字の最深部、または、溝５内における最深部を含む所定範囲を、底面とすることができる。溝５の幅（図２における左右方向の幅）については、開口部から底面に近づくにつれて、徐々に広くなるか、幅が変化しないという条件を満たす範囲において適宜設定できる。この場合、凸部と凹部における炭素皮膜の形状を、上述したものとすることが容易である。
【符号の説明】
【００３８】
１・・・燃料電池用セパレータ、３、・・・凹凸面、５・・・溝、７・・・山部、
９・・・底面、１１・・・側面、１３・・・裏面、１５・・・基材、
１７・・・炭素皮膜、１０１・・・プラズマ製造装置、１０３・・・成膜室、
１０５・・・本体部、１０７・・・上部電極、１０９・・・下部電極、
１１１・・・窓、１１３・・・供給口、１１５・・・励起交流電源、
１１７・・・直流電源、２０１・・・燃料電池、２０３・・・電解質、
２０５・・・空気極、２０７・・・燃料極
【図１】
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【図２】
0005934535.tif 000004
【図６】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図７】
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