(57)【要約】      （修正有）【課題】樹脂等の圧縮成形時の粗密の発生を防ぐことで、燃料ガス、及び酸化ガスの漏れを防止し、効率よく発電する燃料電池用セパレータを提供する。【解決手段】燃料ガス又は酸化ガス及び反応生成物等の流路を圧縮成形による凹凸（１２，１３）で作成する際、凹部周辺の密度が高くなるため、捨て溝（１５）等を設け、全体に均一な密度のセパレータを製造することができる。このことにより、漏れがないばかりでなく、強度の部分的な違いやいわゆる方向性がないセパレータが得られ、従来に比べ、発電効率は高い。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池用セパレータにおいて、セパレータ面上に燃料ガス、酸化ガス、反応生成物、冷却水等の流路となる凹凸とは別に、流路を形成しない凹部或は貫通孔を設けた燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
導電性粒子と熱硬化性樹脂を含む導電性組成物を原料とする請求項1記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項３】
熱硬化性樹脂がフェノール系樹脂である請求項２記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項４】
フェノール系樹脂が、（ｉ）メチレン基,メチロール基,並びに３官能性のフェノール類残基を主たる結合単位として含有しており、（ｉｉ）ＫＢｒ錠剤法による赤外線吸収スペクトルにおいて、波数１６００ｃｍ−１での吸収強度をＤ１６００とし、波数９９０〜１０１５ｃｍ−１での最大吸収強度をＤ９９０−１０１５とし、波数８９０ｃｍ−１での吸収強度をＤ８９０としたとき、Ｄ９９０−１０１５／Ｄ１６００＝０．２〜９．０、Ｄ８９０／Ｄ１６００＝０．０９〜１．０であり、（ｉｉｉ）液体クロマトグラフィーによる遊離フェノール含有量が５０〜５００ｐｐｍである請求項３の燃料電池用セパレータ。
【請求項５】
導電性組成物の導電性粒子と熱硬化性樹脂との割合が、重量比で前者／後者＝９５／５〜６０／４０の範囲である請求項２〜４のいずれかに記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項６】
請求項１に記載の燃料電池用セパレータを用いた燃料電池装置。
【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および当該セパレータ、電極、パッキン等を組み合わせた燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池を主とする燃料電池は、燃料ガスと酸化ガスを効率よく供給し、セパレータ上を、均一に流し、さらには主に水と未反応ガス等の反応後の生成物を速やかに排出することで、電極での反応の効率を上げ、ひいては、発電効率を上げることが望まれている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
ここで用いられるセパレータは酸や熱に対し安定な素材で成されており、一般的に一の面に燃料ガス用流路を、他の面に酸化ガス用流路を形成される。セパレータの燃料ガス流路面と酸化ガス流路面を電極や触媒をはさんで合わせ、それを1単位とし、所望の性能に応じて、順次この単位を直列につないで燃料電池装置として使用する。
【０００４】
燃料電池の燃料ガスは一般的に水素が用いられ、この水素は、高分子膜電極に担持された白金等の触媒上で水素イオンとなり、酸化ガスと反応せしめることが一般的である。したがって、燃料ガスの分子径は極めて小さく、セパレータ自身に密度の低い部分があればそこから反対面に漏出することがある。
【０００５】
この場合、当該反対面は酸化ガス流路が形成されていることから、この面の酸化ガスと漏出した燃料ガスとの間で電極を介することなく反応することとなり、燃料電池装置としての性能すなわち得られる電力を著しく低下させる原因となる。
【０００６】
燃料電池セパレータの製造においては、通常導電性炭素板を切削する方法が取られている（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、切削は時間とコストを要する難点があることから、一方では炭素粉末と樹脂バインダーからなる導電性組成物の圧縮成形による燃料電池セパレータの製造が検討されている。
【０００７】
炭素粉末の圧縮成形による燃料電池セパレータの製造において、従来は圧縮成形時の圧力のみで全体の密度が決定されていたため、複雑な形状の流路であって、凹部と凸部に位置的な偏りのある形状では構成材料が偏在し、セパレータに密度分布の偏りができることが多かった（例えば、非特許文献１には、成形セパレータの厚みおよび重量ばらつきが課題であることが示されている。或は非特許文献２には、成形材料すなわち導電性組成物の流動時に起こる充填材密度の変化に関し示してある）。
【０００８】
それを防ぐため、圧縮成形によるセパレータの製造において、セパレータに密度の分布ができないように逆に流路形状が制約されることもあるのが現状であった。
【特許文献１】特開２００３−８６１９７公報、〔０００２〕〜〔０００５〕段落。
【非特許文献１】新エネルギー・産業技術総合開発機構、委託先  三菱電機株式会社、平成１３年度成果報告書、『固体高分子形燃料電池の研究開発  カーボン樹脂モールドセパレーターの開発』（公開用）報告書  平成１４年３月付、第９０〜９８ページ。
【非特許文献２】新エネルギー・産業技術総合開発機構、委託先  三菱電機株式会社、平成１４年度成果報告書、『固体高分子形燃料電池の研究開発  カーボン樹脂モールドセうパレーターの開発（追加分）』（公開用）報告書０１００３５８９−１  平成１５年３月付、第２３〜３５ページ。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
燃料電池用セパレータ（以下、セパレータと省略）の凹部は、導電性粒子と熱硬化性樹脂からなる導電性組成物を圧縮成形して製造する際、金型の凸部によって押されるため、当該セパレータの凹部周辺の密度が高くなる。
【００１０】
一方、セパレータの凸部は、圧縮成形の際、凹部に比べれば、かかる圧力が小さいため、この周辺の密度が低くなる。したがって、分子や原子の径が小さいガスは、密度の低い部分を通してセパレータ凸部を貫通する場合がある。
【００１１】
また、セパレータの縁部を除く部分に流路を形成する凹部を設けた場合、当該凹部周辺は、圧縮成形時凹部成形のため金型により圧縮され、密度が高くなる。一方、凹部のない又は少ない縁部では圧縮の程度が少なくなり、密度が低くなる。そのため、分子や原子の径が小さいガスは、密度の低い縁部を通してセパレータを貫通する場合がある。
【００１２】
燃料ガス等がセパレータを貫通することを防止するためには、セパレータの圧縮成形にて密度を高め得ないもっとも低い部分であっても、燃料ガス等が通過しない程度の密度になるように成形圧力を調整することも考え得る。しかしながら、この方法では、圧縮成形時の圧力を全体に高める必要があり大出力の成形機と、非常に頑丈な金型を必要とし、コスト上の問題があるばかりでなく、依然としてセパレータ形状に制約を受け、解決が不可能である。
【００１３】
したがって、特別な圧縮成形でなくともセパレータの密度をいかに一定以上に近づけるかが、解決の手段として重要となる。特に、セパレータの厚みが薄くなりつつある今日では、係る要求が顕著である。
【００１４】
本発明は、上記に鑑みなされたものであって、鋭意研究を続けた結果、セパレータの凸部に流路を形成しない凹部あるいは貫通孔を設けることで、当該セパレータの密度を一定以上に保ち、燃料ガス等が直接セパレータを貫通しない燃料電池用セパレータを完成させたものである。
【００１５】
そして本発明の目的は、圧縮成形で得られたセパレータを用い、従来に比べ、発電効率の高い燃料電池用セパレータを提供する事にある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明による燃料電池セパレータは、上述の課題を解決すべく以下の手段を採用した。
【００１７】
本発明の燃料電池用セパレータは、そのセパレータ面上に燃料ガス、酸化ガス、反応生成物、冷却水等の流路となる凹凸とは別に、流路を形成しない凹部を設けるものである。すなわち、燃料電池用のセパレータは、その表面に燃料ガスの流路となる凹凸を有し、その裏面には、酸化ガス又は反応性生物等を排出するための流路をなす凹部を有し、当該凹部をしきる凸部であって、その面積が隣接する凹部に比べて広い部分には、その面積を均一に近づけるように、凹部を設けるものである。
【００１８】
さらには、本発明の燃料電池用セパレータは、導電性粒子と熱硬化性樹脂を含む導電性組成物を原料とする前述のセパレータである。
【００１９】
また、本発明の燃料電池用セパレータは、フェノール系樹脂が、（ｉ）メチレン基,メチロール基,並びに３官能性のフェノール類残基を主たる結合単位として含有しており、（ｉｉ）ＫＢｒ錠剤法による赤外線吸収スペクトルにおいて、波数１６００ｃｍ−１での
吸収強度をＤ１６００とし、波数９９０〜１０１５ｃｍ−１での最大吸収強度をＤ９９０−１０１５とし、波数８９０ｃｍ−１での吸収強度をＤ８９０としたとき、Ｄ９９０−１０１５／Ｄ１６００＝０．２〜９．０、Ｄ８９０／Ｄ１６００＝０．０９〜１．０であり、（ｉｉｉ）液体クロマトグラフィーによる遊離フェノール含有量が５０〜５００ｐｐｍである前述のセパレータである。
【００２０】
さらには、本発明の燃料電池用セパレータは、導電性粒子と熱硬化性樹脂との割合が、重量比で前者／後者＝９５／５〜６０／４０である、前述の導電性組成物を原料とするセパレータである。
【００２１】
本発明によって、セパレータを燃料ガス等が貫通することなく、かつ、それに伴う流路形状の制約をほとんど受けない、圧縮成形による燃料電池用セパレータの製造が可能となり、それを用いた燃料電池装置が得られるのである。
【００２２】
本発明のガス流路とは別に設けられた凹部は、その全体あるいは一部が、セパレータを貫通していても良く、燃料電池の積層構造の支持体を貫通させたり、あるいは軽量化を目的とする設計と合わせて構成してもよい。
【発明の効果】
【００２３】
本発明に拠れば、密度が均一なセパレータが得られるため、漏れがないばかりでなく、強度の部分的な違いやいわゆる方向性がないセパレータが得られ、従来に比べ、発電効率の高い燃料電池としうるのである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明の燃料電池用セパレータは、例えば一の面に燃料ガス用流路と、他の面に酸化ガス用流路を設け、それぞれの流路面を向かい合わせ、その間に、パッキン、電極、パッキンをはさみこんで、接合して用いる。
【００２５】
当該パッキンは、セパレータ間のガスの漏れを防止するためのもので、同様の効果を奏するものであれば、置き換えても良い。
【００２６】
電極は、水素イオンのみを通過させる膜と、当該膜に、水素、酸素をイオン化させるための触媒を担持したものであり、例えば本発明の実施例では、白金を使用している。
【００２７】
また、セパレータは導電性を要し、黒鉛に２０〜３０％の高分子量フェノール樹脂を混合し、所望の形状に圧縮成型したものである。
【００２８】
本発明のセパレータは、凹部のない又は少ない部分、例えば上述のセパレータ縁部に、気体や液体の流路のための凹部のような他の部分と同様の状態で、流路を形成しない、すなわち気体や液体の流路とはならない凹部を設けることにより、セパレータ全体の密度を一定以上にするものである。
【００２９】
本発明のセパレータを成形するにおいて、下金型である雌型金型は、セパレータを平面とするための平面状であったり、セパレータに流路を形成するための凸部や凹部が存在すると伴に、セパレータに流路を形成しない凹部を形成するための凸部が存在する。
【００３０】
一方、上から圧力をかける為の上金型は、セパレータを平面とするための平面状であったり、セパレータに流路を形成するための凸部や凹部が存在すると共に、セパレータに流路を形成しない凹部を形成するための凸部が存在する。
【００３１】
下金型に、導電性組成物を充填し、上から圧力をかけることによって、セパレータが成形される。成形の例としては、例えば導電性組成物を、加熱加圧プレスを用いて、２００℃、面圧２００ｋｇｆ／ｃｍ２の圧力で１分間成形することにより、両面に良好な流路および凹部を形成しうる。
【００３２】
これらの成形操作に用いられる装置は、プレス機械だけには限らず、表面に刻印を施したローラー装置などを用いることもできる。
【００３３】
次に、当該セパレータの材質について述べる。まず、加工性、量産性を鑑みれば、成形性を向上させることが不可欠である。したがって、導電性粒子に樹脂を混合したものを用ることが有効である。
【００３４】
導電性粒子としては、人造黒鉛や天然黒鉛などが挙げられる。粒子径としては、１〜１００μｍφ、さらには２〜７０μｍφが樹脂と混合しやすく、セパレータ成形時の流動性が良好である。
【００３５】
さらに、燃料電池内での反応は、発熱を伴うため、セパレータの温度は容易に７０℃を超える。そこで、導電性粒子と混合する樹脂として熱硬化性樹脂を使用することが、より性能を発揮できることになる。
【００３６】
熱硬化性樹脂としては、フェノール系樹脂が耐酸性、耐熱性、強度のバランスが良く、推奨される。
【００３７】
本発明では、例としてフェノール樹脂に、（ｉ）メチレン基,メチロール基,並びに３官能性のフェノール類残基を主たる結合単位として含有しており、（ｉｉ）ＫＢｒ錠剤法による赤外線吸収スペクトルにおいて、波数１６００ｃｍ−１での吸収強度をＤ１６００とし、波数９９０〜１０１５ｃｍ−１での最大吸収強度をＤ９９０−１０１５とし、波数８９０ｃｍ−１での吸収強度をＤ８９０としたとき、Ｄ９９０−１０１５／Ｄ１６００＝０．２〜９．０、Ｄ８９０／Ｄ１６００＝０．０９〜１．０であり、（ｉｉｉ）液体クロマトグラフィーによる遊離フェノール含有量が５０〜５００ｐｐｍである粉末フェノール樹脂を使用した。このようなフェノール樹脂としては、例えばカネボウ（株）製のベルパールＳ８９９が挙げられる。
【００３８】
この場合、樹脂の粒子径は、平均２０μｍφの粉末状であるため導電性粒子と混合しやすく、セパレータ成形時の流動性が良好である。また、この粉末フェノール樹脂は、赤外吸収スペクトル、液体クロマトグラフィー測定値から規定されるように、熱硬化反応性を有し、かつ硬化に伴う発生ガス量が少ない、という特徴があり、導電性粒子と緊密な結合体をつくるという利点がある。
【００３９】
導電性粒子と、樹脂とを混合した導電性組成物において、導電性粒子と樹脂との混合割合は、重量比で前者／後者＝９５／５〜６０／４０とするものが、導電性、流動性（成形性）ともに良好である。
【００４０】
上述により得た本願発明のセパレータを用い、燃料電池を組み上げた状態で、燃料ガス、及び、酸化ガスを供給することで、電極に担持した触媒上で燃料ガスに含まれる水素及び、酸化ガス中に含まれる酸素がイオン化される。このとき燃料ガス用の流路を設けたセパレータに電子を放出する。
【００４１】
このうち水素イオンは、電極たる膜を通過し、酸化ガス用セパレータ側に移動し、酸素と反応して水となる。このとき、酸化ガス用の流路を設けたセパレータ上に、電子が不足
することで、２枚のセパレータ間に電位差が生ずる。このとき、本願発明の燃料電池用セパレータでは、一定以上の密度を有することから、水素や酸素、がセパレータを貫通することなく、効率良く発電される。
【００４２】
本発明による燃料電池装置は、この単位を、所望の電力を得るために、必要な数用意し、単位同士をパッキン又は、これと同等のものをはさんで接合することもできる。
【実施例】
【００４３】
実施例及び比較例において、フェノール樹脂にカネボウ（株）製のベルパールＳ８９９を用い、導電性粒子としてＳＧＰ−３０（登録商標、人造黒鉛粒子φ３０μｍ、株式会社エスイーシー社製）を用いた。
【００４４】
この時、ベルパールＳ８９９樹脂を１５部とＳＧＰ−３０導電性粒子を８５部粉黛混合して導電性組成物とし、加熱加圧プレスを用いて、２００℃、面圧２００ｋｇｆ／ｃｍ２の圧力で１分間成形することによりセパレータを得た。
【００４５】
加熱加圧プレス時、流路形成のためだけの凸部を有する金型で成形したセパレータを従来のセパレータ（１）とし、流路形成の凸部と流路形成しない凸部双方を有する金型で成形したセパレータを本願発明のセパレータ（２）或はセパレータ（３）とした。
【００４６】
図１に従来のセパレータ（１）の斜視図を、図２に本願発明の燃料電池用セパレータの一例（２）の斜視図、図３に本願発明の図２とは別のセパレータの一例(３)の斜視図を、図４に従来のセパレータ圧縮成形直前のＡ−Ａ断面図を、図５に従来のセパレータ圧縮成形中のＡ−Ａ'断面図を、図６に従来のセパレータのＡ−Ａ'断面図を、図７に本発明によるセパレータの圧縮成形直前のＢ−Ｂ'又はＣ−Ｃ'断面図を、図８に本発明によるセパレータの圧縮成形中のＢ−Ｂ'又はＣ−Ｃ'断面図を、図９に本発明によるセパレータのＢ−Ｂ'又はＣ−Ｃ'断面図を、それぞれ示す。
【００４７】
従来のセパレータは、おおよそ図１のような形態であり、縁部（１４）に対し、中央部に凹部（１３）と凸部（１２）によってガスの経路が形成される。なお、実際には、流路は図より複雑で、さらには、貫通孔などが設けられているが、省略している。さらに、両面に流路を形成することが一般的に行われているが、説明のため簡略化又は省略している。
従来のセパレータを圧縮成形で製造するにおいては、図４のごとく下金型（２１）に導電性組成物（１０）を充填し、上金型（２０）を所定の圧力で降下させ、上下で圧縮する。
【００４８】
この様に圧縮成形で製造する場合、上金型（２０）が所定の位置まで降下した直後のＡ−Ａ'断面図を図５に示す。このときセパレータの凹部となる部分は、金型の凸部に圧縮され、この部分に存在していた樹脂は、図５に示す矢印の方向に排除される。そして、排除された樹脂が全体に均一になる前に表面から硬化し始めるのである。
【００４９】
この現象は、熱硬化性樹脂でも、熱可塑性樹脂でも同様である。その結果、完全硬化後金型から取り出したセパレータは、そのＡ−Ａ'断面が、図６に示すごとく、図中斜線で表した密度が低い部分と、斜線のない表現で表した密度が密な部分とができる。ここで、疎な部分と密な部分の境界は明確ではく、密から疎へ連続的に変化している。そして、この部分からガスの漏れが発生するのである。
【００５０】
従来のセパレータ、すなわち縁部（１４）に、流路を形成しない凹部が存在しないセパレータを用いて燃料電池を組み立てたところ、起電力の低下が生じ、ガスの貫通が認められた。
【００５１】
本発明の燃料電池用セパレータの一例を図２及び図３に示す。いずれも流路の凹（１３）凸（１２）の割合に応じて凹部（１５）或は（１６）を設けたものである。従来のセパレータにおいて密度が低くなっていた縁部（１４）に、溝（１５）や円状の凹部（１６）を設けることにより、問題の解決を図ったものである。
具体的には、図７及び図８に示すごとく、上金型の凸部（２０）により排除された溶融状態の樹脂が、表面付近の硬化が始まる前に全体に行き渡るため、セパレータ全体の密度がほとんど一定以上となる。
【００５２】
本発明のセパレータ、すなわち縁部（１４）に、流路を形成しない凹部が存在するセパレータを用いて燃料電池を組み立てたところ、起電力は低下せず、ガスの貫通はなかった。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】従来のセパレータの斜視図である。
【図２】本発明によるセパレータの一例を示す斜視図である。
【図３】本発明によるセパレータの一例を示す斜視図である。
【図４】従来のセパレータ圧縮成形直前の断面図である。
【図５】従来のセパレータ圧縮成形中の断面図である。
【図６】従来のセパレータの断面図である。
【図７】本発明のセパレータ圧縮成形直前の断面図である。
【図８】本発明のセパレータ圧縮成形中の断面図である。
【図９】本発明のセパレータの断面図である。
【符号の説明】
【００５４】
１    従来のセパレータ
２    本発明のセパレータ
３    本発明のセパレータ
１０  セパレータ材料（樹脂等）
１１  圧縮中のセパレータ材料
１２  流路を形成する凸部
１３  流路を形成する凹部
１４  縁部
１５  本発明に係る流路を形成しない凹部
１６  本発明に係る流路を形成しない円状凹部
２０  上金型
２１  下金型
３０  密度の低い部分
３１  密度の高い部分
【図１】
2006236736.tif 000003
【図２】
2006236736.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2006236736.tif 000009
【図８】
2006236736.tif 000010
【図９】
2006236736.tif 000011