(57)【要約】  【課題】  高分子電解質膜のプロトン伝導性の低下を防止し、かつ高分子電解質膜の分解を防止することができる燃料電池用セパレータとその製造方法、及びそれを用いた高分子電解質型燃料電池を提供する。  【解決手段】  本発明の燃料電池用セパレータは、導電性カーボン材料と結合剤とを含み、その表面に表出しているＣｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ及びＺｎの総量が、０．０１μｇ／ｃｍ2以下である。また、本発明の燃料電池用セパレータの製造方法は、導電性カーボン材料中に混入しているＣｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ及びＺｎの総含有量が１質量ｐｐｍ以下となるように、前記導電性カーボン材料から前記金属成分を除去し、前記導電性カーボン材料と結合剤とを混練して混合材料を調製し、前記混合材料を金型に充填し、加圧下、加熱する燃料電池用セパレータの製造方法である。【選択図】  図１
2006155936.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性カーボン材料と結合剤とを含む燃料電池用セパレータであって、
その表面に表出しているＣｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ及びＺｎの総量が、０．０１μｇ／ｃｍ2以下であることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
導電性カーボン材料中に混入しているＣｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ及びＺｎの総含有量が１質量ｐｐｍ以下となるように、前記導電性カーボン材料から前記金属成分を除去し、
前記導電性カーボン材料と結合剤とを混練して混合材料を調製し、
前記混合材料を金型に充填し、加圧下、加熱する燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項３】
前記導電性カーボン材料中に混入している前記金属成分を除去する際、前記導電性カーボン材料を、ｐＨが２以下の強酸性溶液を用いて洗浄することにより前記金属成分を除去する請求項２に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項４】
前記強酸性溶液は、６９質量％の濃硝酸と３６質量％の濃塩酸とを体積比で１：３に混合した王水、１５質量％以上の塩酸水、１５質量％以上の硫酸水及び１５質量％以上の硝酸水から選ばれる少なくとも１つである請求項３に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項５】
前記導電性カーボン材料中に混入している前記金属成分を除去する際、磁石を用いて前記導電性カーボン材料中の前記金属成分を吸引して除去する請求項２に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項６】
前記磁石は、ネオジウム系希土類磁石及びサマリウムコバルト系希土類磁石から選ばれる少なくとも１つである請求項５に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項７】
前記磁石の磁力が２００００ガウス以上である請求項５又は請求項６に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項８】
請求項１に記載の燃料電池用セパレータを含む高分子電解質型燃料電池。
【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とその製造方法、及びそれを用いた高分子電解質型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
高分子電解質膜を用いた高分子電解質型燃料電池（以下、単に「燃料電池」ともいう）は、水素を含有する燃料と、酸素を含有する酸化剤（例えば空気等）とを反応させて、電力と熱とを同時に発生させるものである。その構成の一例を、図３を参照して説明する。図３は、燃料電池の一例を示す概略構成図であり、このうち図３Ａは燃料電池の分解斜視図、図３Ｂは、燃料電池に用いられる膜電極接合体（以下、「ＭＥＡ」という）の層構成を示す断面図である。
【０００３】
図３Ａに示すように、燃料電池１００は、複数の単セル１０１からなる電池スタック１０２を、集電板１０３，１０３、絶縁板１０４，１０４及び端板１０５，１０５を用いて挟持したものである。集電板１０３，１０３は、ガス不透過性の導電性材料、例えば、銅、真鍮等からなる。また、集電板１０３，１０３には、電流を取り出すための端子部１０３ａ，１０３ａが設けられている。絶縁板１０４，１０４は、電気絶縁性樹脂、例えばフッ素系樹脂、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂等からなる。端板１０５，１０５は、剛性の高い金属材料、例えば、鋼等からなる。単セル１０１は、ＭＥＡ１１０と、ＭＥＡ１１０を挟持するセパレータ１１１，１１１とを含む。
【０００４】
図３Ｂに示すように、ＭＥＡ１１０は、プロトンを選択的に輸送する高分子電解質膜１２０と、高分子電解質膜１２０を挟持する触媒層１２１，１２１と、触媒層１２１，１２１の外面にそれぞれ接触し、燃料又は酸化剤の拡散性と電子伝導性とを併せ持つ拡散層１２２，１２２とを含む。なお、使用時において、燃料は、拡散層１２２，１２２のいずれか一方から触媒層１２１へと拡散し、酸化剤は、他方の拡散層１２２から触媒層１２１へと拡散する。
【０００５】
高分子電解質膜１２０の構成材料としては、例えば、パーフルオロスルホン酸膜（例えばデュポン社製ナフィオン膜）等のプロトン伝導性を示す固体高分子材料が使用できる。触媒層１２１の構成材料としては、例えば、白金触媒を担持したカーボン粉末を含むもの等が使用できる。拡散層１２２の構成材料としては、カーボンクロス、カーボンペーパー、カーボンフェルト等が使用できる。
【０００６】
セパレータ１１１は、ガス不透過性の導電性材料からなる。また、図３Ａに示すように、セパレータ１１１のＭＥＡ１１０との接触面１１１ａには、ＭＥＡ１１０に燃料又は酸化剤を供給するための流路溝１１１１ａが形成されており、その反対面１１１ｂには、冷却水が通過する流路溝１１１１ｂが形成されている。
【０００７】
上述したような燃料電池に使用されるセパレータは、導電性が高く、高いガス不透過性を示し、更に、水素／酸素を酸化／還元する際の反応に対して高い耐食性を持つ必要がある。このような理由で、従来のセパレータには、グラッシーカーボン板や樹脂含浸黒鉛板等の表面に、切削加工で流路溝を形成したものや、流路溝形成用の凸部が設けられた金型に導電性カーボン材料と結合剤とを充填し、これを加圧下、加熱処理したものを使用していた。
【０００８】
また、近年では、発電により生成する水の排出性を向上させるため、セパレータ表面を親水化した親水化セパレータが提案されている（例えば特許文献１等参照）。特許文献１には、導電性カーボン材料と、アルミナや酸化チタン等の金属酸化物とを含む混合材料から成型された親水化セパレータが提案されている。
【特許文献１】特開平１０−３９３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１に提案された親水化セパレータでは、使用時に金属酸化物から金属イオンが脱離して高分子電解質膜へ拡散し、更に、拡散した金属イオンが高分子電解質膜のイオン交換サイトにトラップされ、その結果、高分子電解質膜のプロトン伝導性が低下するおそれがある。
【００１０】
また、従来の導電性カーボン材料と結合剤とからなるセパレータにおいても、導電性カーボン材料や結合剤に金属成分が異物として混入している場合がある。特に、導電性カーボン材料として、天然黒鉛を使用する場合は、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ等の金属成分が異物として混入している可能性がある。よって、上述したような問題が発生するおそれがある。
【００１１】
また、一般に金属Ｍがイオン化しＭ2+となると、以下の反応式に示すフェントン反応によりヒドロキシラジカルが生成し、このヒドロキシラジカルが高分子電解質膜を分解するおそれがある。
【００１２】
（化１） Ｈ2Ｏ2 ＋ Ｍ2+ ＋ Ｈ+ → Ｍ3+ ＋ Ｈ2Ｏ ＋ ＨＯ・
本発明は、高分子電解質膜のプロトン伝導性の低下を防止し、かつ高分子電解質膜の分解を防止することができる燃料電池用セパレータとその製造方法、及びそれを用いた高分子電解質型燃料電池を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の燃料電池用セパレータは、導電性カーボン材料と結合剤とを含む燃料電池用セパレータであって、
その表面に表出しているＣｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ及びＺｎの総量が、０．０１μｇ／ｃｍ2以下であることを特徴とする。
【００１４】
ここで、「表面に表出しているＣｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ及びＺｎの総量」とは、前記燃料電池用セパレータを、３６質量％の濃塩酸に３０分間浸漬することによって、前記燃料電池用セパレータから溶出する前記金属成分の総量をいう。
【００１５】
本発明の燃料電池用セパレータの製造方法は、
導電性カーボン材料中に混入しているＣｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ及びＺｎの総含有量が１質量ｐｐｍ以下となるように、前記導電性カーボン材料から前記金属成分を除去し、
前記導電性カーボン材料と結合剤とを混練して混合材料を調製し、
前記混合材料を金型に充填し、加圧下、加熱する燃料電池用セパレータの製造方法である。
【００１６】
本発明の高分子電解質型燃料電池は、上述した本発明の燃料電池用セパレータを含む。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の燃料電池用セパレータは、セパレータ表面に表出しているＣｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ及びＺｎの総量が０．０１μｇ／ｃｍ2であるため、高分子電解質型燃料電池に適用した際、高分子電解質膜のプロトン伝導性の低下を防止し、かつ高分子電解質膜の分解を防止することができる。また、本発明の燃料電池用セパレータの製造方法によれば、本発明の燃料電池用セパレータを容易に製造できる。また、本発明の高分子電解質型燃料電池は、本発明の燃料電池用セパレータを含むため、例えば、出力特性の低下を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明の燃料電池用セパレータ（以下、単に「セパレータ」ともいう）は、導電性カーボン材料と結合剤とを含む。導電性カーボン材料としては、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、カーボンブラック、ケッチェンブラック（商品名）等が使用できる。なかでも、天然黒鉛は、導電性が高く、成形性に優れるため好ましい。結合剤としては、慣用の結合剤が使用でき、例えば熱硬化性フェノール樹脂、熱硬化性エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂や、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂、ポリプロピレン（ＰＰ）樹脂等の熱可塑性樹脂を含むものが使用できる。なお、セパレータ中の結合剤の含有量は、導電性カーボン材料１００質量部に対し、例えば１〜５０質量部とすればよい。また、セパレータの厚みは、例えば１〜５ｍｍとすればよい。
【００１９】
そして、本発明のセパレータは、その表面に表出しているＣｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ及びＺｎの総量が、０．０１μｇ／ｃｍ2以下である。これにより、高分子電解質型燃料電池に適用した際、高分子電解質膜への金属イオンの拡散を防止できるため、高分子電解質膜のプロトン伝導性の低下を防止し、かつ高分子電解質膜の分解を防止することができる。なお、本発明のセパレータの形状は、特に限定されず、例えば背景技術で説明した燃料電池１００に使用されるセパレータ１１１（図３Ａ参照）と同様の形状とすればよい。
【００２０】
本発明のセパレータの製造方法は、上述した本発明のセパレータを製造するための好適な製造方法である。よって、以下に記載する構成要素の材料等は、上述した本発明のセパレータと同様である。
【００２１】
本発明のセパレータの製造方法は、まず、導電性カーボン材料中に混入しているＣｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ及びＺｎの総含有量が１質量ｐｐｍ以下、好ましくは０．５質量ｐｐｍ以下となるように、導電性カーボン材料から前記金属成分を除去する。
【００２２】
前記金属成分の好適な除去方法としては、導電性カーボン材料を、ｐＨが２以下の強酸性溶液を用いて洗浄する方法が挙げられる。強酸性溶液としては、６９質量％の濃硝酸と３６質量％の濃塩酸とを体積比で１：３に混合した王水、１５質量％以上の塩酸水、１５質量％以上の硫酸水及び１５質量％以上の硝酸水から選ばれる少なくとも１つを使用するのが好ましい。前記金属成分を容易に除去できるからである。なお、塩酸水、硫酸水及び硝酸水から選ばれる少なくとも１つを使用する場合は、操作性の観点から、その濃度が３０質量％以下のものを使用するのが好ましい。
【００２３】
また、上述の除去方法とは異なる方法として、磁石を用いて導電性カーボン材料中の前記金属成分を吸引して除去する方法を用いてもよい。この際、使用する磁石としては、永久磁石や電磁石等が使用できる。特に、ネオジウム系希土類磁石及びサマリウムコバルト系希土類磁石から選ばれる少なくとも１つを使用するのが好ましい。前記金属成分を容易に除去できるからである。また、前記金属成分を確実に除去するためには、使用する磁石の磁力が２００００ガウス以上であることが好ましい。なお、使用する磁石の磁力は、操作性の観点から、３００００ガウス以下であることが好ましい。
【００２４】
なお、本発明のセパレータの製造方法において、前記金属成分の除去方法は限定されず、上記の除去方法以外にも、例えば、導電性カーボン材料を電極として、電解液中で電気分解反応を行うことにより、前記金属成分を電解液中に溶出させて除去する方法を用いてもよい。
【００２５】
そして、金属成分が除去された導電性カーボン材料と所定量の結合剤とを、例えば押し出し混練機により混練して混合材料を調製する。続いて、調製した混合材料を、例えばステンレス鋼製の金型に充填し、加圧下、加熱することにより、上述した本発明のセパレータが得られる。なお、この際の加工条件は、例えば、加圧条件：７〜１５ＭＰａ、加熱条件：１２０〜１８０℃、加熱時間：５〜１５分とすればよい。
【００２６】
本発明の燃料電池は、上述した本発明のセパレータを含む。即ち、本発明の燃料電池は、高分子電解質膜のプロトン伝導性の低下を防止し、かつ高分子電解質膜の分解を防止することができるセパレータを含むため、例えば、出力特性の低下を防止することができる。なお、本発明の燃料電池において、セパレータ以外の構成要素は特に限定されず、例えば背景技術で説明した燃料電池１００（図３Ａ，Ｂ参照）と同様のものが使用できる。
【００２７】
次に、本発明のセパレータの製造方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。参照する図１は、本発明のセパレータの製造方法の一実施形態を示すフローチャートである。
【００２８】
図１に示すように、まず、導電性カーボン材料から、導電性カーボン材料中に混入しているＣｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ及びＺｎ（金属成分）を除去する（ステップＳ１）。
【００２９】
次に、導電性カーボン材料中の前記金属成分の総含有量を、例えば誘導結合プラズマ分析（Inductively Coupled Plasma分析、以下ＩＣＰ分析という）により検査する（ステップＳ２）。その結果、導電性カーボン材料中の前記金属成分の総含有量が１質量ｐｐｍ以下となった場合は（ステップＳ３のＹｅｓ）、ステップＳ４へ進む。一方、導電性カーボン材料中の前記金属成分の総含有量が１質量ｐｐｍを超えた場合は（ステップＳ３のＮｏ）、ステップＳ１へ戻り同様の操作を繰り返す。
【００３０】
導電性カーボン材料中の前記金属成分の総含有量が１質量ｐｐｍ以下となった場合（ステップＳ３のＹｅｓ）、導電性カーボン材料と所定量の結合剤とを混練して混合材料を調製する（ステップＳ４）。
【００３１】
次に、調製した混合材料を金型に充填し、加圧下、加熱する（ステップＳ５）。そして、成型されたセパレータを金型から取り出して（ステップＳ６）、本発明のセパレータを得る。
【実施例】
【００３２】
以下、本発明の実施例について説明する。なお、本発明はこの実施例に限定されるものではない。
【００３３】
まず、ＭＥＡの作製方法について説明する。アセチレンブラック粉末に、平均粒径が約３ｎｍの白金粒子を担持した触媒粉末（田中貴金属製、Ｐｔ／Ｃ標準品）を用意した。なお、この触媒粉末中の白金粒子の含有量は２５質量％であった。そして、この触媒粉末をイソプロパノ−ルに分散させた後、この分散溶液と、パーフルオロカーボンスルホン酸の粉末をエタノールに分散させた分散溶液とを混合し、触媒ペーストを調製した。
【００３４】
別に、外寸１４ｃｍ×１４ｃｍ、厚み３６０μｍのカ−ボン不織布（東レ製、ＴＧＰ−Ｈ−１２０）を、フッ素樹脂を含む水性ディスパージョン（ダイキン工業製、ネオフロンＮＤ１）に含浸した後、これを乾燥し、４００℃で３０分間加熱して、拡散層となる撥水性のカーボンペーパーを作製した。
【００３５】
続いて、このカーボンペーパーの一方の主面上に、上述した触媒ペーストをスクリ−ン印刷法により塗布して触媒層を形成した。このとき、触媒層の一部は、カーボンペーパーの中に埋まり込んでいる。このようにして触媒層とカーボンペーパーとが積層された電極を一対作製した。なお、触媒層表面に表出した白金粒子及びパーフルオロカーボンスルホン酸の量は、それぞれ０．６ｍｇ／ｃｍ2及び１．２ｍｇ／ｃｍ2であった。
【００３６】
そして、高分子電解質膜としてパーフルオロカーボンスルホン酸膜（ジャパンコアテックス製、外寸１５ｃｍ×１５ｃｍ、厚み３０μｍ）を別途用意し、これを上述した一対の電極で挟持した。この際、一対の電極のそれぞれのカーボンペーパー（拡散層）が外側に配置されるようにした。そして、これらをホットプレスで接合し、ＭＥＡを得た。
【００３７】
次に、セパレータの作製方法について説明する。
【００３８】
（実施例１）
導電性カーボン材料として、平均粒径が約５０μｍの天然黒鉛粉末（日本黒鉛工業製、薄片化黒鉛シリーズ粉末）を用意した。この天然黒鉛粉末を、６９質量％の濃硝酸と３６質量％の濃塩酸とを体積比で１：３に混合した王水で洗浄した。洗浄後の天然黒鉛粉末を、ＩＣＰ分析にて検査したところ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ及びＺｎの含有量は、それぞれ０．０１質量ｐｐｍ、０．０１質量ｐｐｍ、０．１質量ｐｐｍ、０．０１質量ｐｐｍ、０．１質量ｐｐｍ、０．１質量ｐｐｍ及び０．０１質量ｐｐｍであり、前記金属成分の総含有量は、０．３４質量ｐｐｍであった。
【００３９】
このようにして処理した天然黒鉛粉末８０質量部と、結合剤である熱硬化性フェノール樹脂２０質量部とを押し出し混練機で混練して混合材料を調製した後、この混合材料を、流路溝形成用の凸部が設けられた金型に充填し、ホットプレスした。ホットプレスの条件は、金型温度：１５０℃、圧力：１０ＭＰａ、加熱時間：１０分間とした。得られたセパレータは、外寸が２０ｃｍ×２０ｃｍ、流路溝が形成されていない箇所の厚みが３．０ｍｍ、流路溝の深さが１．０ｍｍ、セパレータの最も肉薄部となる箇所の厚みが１．０ｍｍであった。
【００４０】
次に、得られたセパレータを２枚用いて上述したＭＥＡを挟持し、これを単セルとした。更に、この単セルを１００個積層して電池スタックを形成し、この電池スタックを、ステンレス鋼製の２枚の集電板、フッ素系樹脂製の２枚の絶縁板及び鋼製の２枚の端板を用いて挟持し、締結ロッドで固定した。この時の締結圧は１．５ＭＰａとした。以上の方法により、実施例１の燃料電池を得た。
【００４１】
このようにして作製した実施例１の燃料電池を８０℃に保持した状態で、一方の絶縁板の側面から７５℃の露点となるように加湿・加温した水素ガスを供給し、他方の絶縁板の側面から６５℃の露点となるように加湿・加温した空気を供給した。その結果、電流を外部に出力しない無負荷時には、９６Ｖの電池開放電圧を得た。また、このときの電池全体の内部抵抗を測定したところ、約４５ｍΩであった。
【００４２】
なお、実施例１で使用されるセパレータの作製方法と同様の方法で作製したセパレータを、３６質量％の濃塩酸に３０分間浸漬し、セパレータ表面に表出しているＣｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ及びＺｎを溶出させた後、前記金属成分が溶出した前記濃塩酸を８００℃の加熱炉中で灰化し、ＩＣＰ分析により定量したところ、前記各金属成分の表出量はそれぞれ、０．００１μｇ／ｃｍ2、０．００１μｇ／ｃｍ2、０．００１μｇ／ｃｍ2、０．００１μｇ／ｃｍ2、０．００１μｇ／ｃｍ2、０．００１μｇ／ｃｍ2及び０．００１μｇ／ｃｍ2であり、前記金属成分の総表出量は、０．００７μｇ／ｃｍ2であった。
【００４３】
（実施例２）
次に、実施例２の燃料電池の製造方法について説明する。実施例２の燃料電池の製造方法は、上述した実施例１の燃料電池の製造方法に対し、天然黒鉛粉末に混入している金属成分の除去方法のみが異なる。
【００４４】
実施例２の燃料電池の製造方法では、天然黒鉛粉末を１５質量％の硝酸水で洗浄して前記金属成分を除去した。洗浄後の天然黒鉛粉末を、ＩＣＰ分析にて検査したところ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ及びＺｎの含有量は、それぞれ０．０１質量ｐｐｍ、０．０１質量ｐｐｍ、０．１質量ｐｐｍ、０．０１質量ｐｐｍ、０．１質量ｐｐｍ、０．２質量ｐｐｍ及び０．０１質量ｐｐｍであり、前記金属成分の総含有量は、０．４４質量ｐｐｍであった。その他の工程は、実施例１の燃料電池の製造方法と同様なので省略する。
【００４５】
なお、実施例２では、１５質量％の硝酸水を用いたが、１５質量％の塩酸水や１５質量％の硫酸水を用いても同様に前記金属成分を除去することができた。また、実施例２で使用されるセパレータの作製方法と同様の方法で作製したセパレータについて、セパレータ表面に表出しているＣｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ及びＺｎを実施例１の場合と同様の方法で定量したところ、前記各金属成分の表出量はそれぞれ、０．００１μｇ／ｃｍ2、０．００１μｇ／ｃｍ2、０．００１μｇ／ｃｍ2、０．００１μｇ／ｃｍ2、０．００１μｇ／ｃｍ2、０．００２μｇ／ｃｍ2及び０．００１μｇ／ｃｍ2であり、前記金属成分の総表出量は、０．００８μｇ／ｃｍ2であった。
【００４６】
（実施例３）
次に、実施例３の燃料電池の製造方法について説明する。実施例３の燃料電池の製造方法は、上述した実施例１の燃料電池の製造方法に対し、天然黒鉛粉末に混入している金属成分の除去方法のみが異なる。
【００４７】
実施例３の燃料電池の製造方法では、天然黒鉛粉末を２００００ガウスの磁力を持つネオジウム系希土類磁石と接触させ、天然黒鉛粉末に混入している前記金属成分を吸引して除去した。処理後の天然黒鉛粉末を、ＩＣＰ分析にて検査したところ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ及びＺｎの含有量は、それぞれ０．０２質量ｐｐｍ、０．０１質量ｐｐｍ、０．１質量ｐｐｍ、０．０１質量ｐｐｍ、０．１質量ｐｐｍ、０．２質量ｐｐｍ及び０．０１質量ｐｐｍであり、前記金属成分の総含有量は、０．４５質量ｐｐｍであった。その他の工程は、実施例１の燃料電池の製造方法と同様なので省略する。
【００４８】
なお、実施例３では、ネオジウム系希土類磁石を用いたが、２００００ガウスの磁力を持つサマリウムコバルト系希土類磁石を用いても同様に前記金属成分を除去することができた。また、実施例３で使用されるセパレータの作製方法と同様の方法で作製したセパレータについて、セパレータ表面に表出しているＣｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ及びＺｎを実施例１の場合と同様の方法で定量したところ、前記各金属成分の表出量はそれぞれ、０．００２μｇ／ｃｍ2、０．００１μｇ／ｃｍ2、０．００１μｇ／ｃｍ2、０．００１μｇ／ｃｍ2、０．００１μｇ／ｃｍ2、０．００２μｇ／ｃｍ2及び０．００１μｇ／ｃｍ2であり、前記金属成分の総表出量は、０．００９μｇ／ｃｍ2であった。
【００４９】
（比較例１）
比較例１として、天然黒鉛粉末に混入している金属成分を除去せずにセパレータを作製したこと以外は、実施例１と同様の方法により燃料電池を作製した。なお、使用した天然黒鉛粉末（金属成分を除去していない天然黒鉛粉末）を、ＩＣＰ分析にて検査したところ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ及びＺｎの含有量は、それぞれ１質量ｐｐｍ、１質量ｐｐｍ、５質量ｐｐｍ、１質量ｐｐｍ、４質量ｐｐｍ、２質量ｐｐｍ及び１質量ｐｐｍであり、前記金属成分の総含有量は、１５質量ｐｐｍであった。
【００５０】
また、比較例１で使用されるセパレータの作製方法と同様の方法で作製したセパレータについて、セパレータ表面に表出しているＣｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ及びＺｎを実施例１の場合と同様の方法で定量したところ、前記各金属成分の表出量はそれぞれ、０．０２μｇ／ｃｍ2、０．０２μｇ／ｃｍ2、０．１μｇ／ｃｍ2、０．０６μｇ／ｃｍ2、０．０５μｇ／ｃｍ2、０．０５μｇ／ｃｍ2及び０．０２μｇ／ｃｍ2であり、前記金属成分の総表出量は、０．３２μｇ／ｃｍ2であった。
【００５１】
（比較例２）
比較例２として、天然黒鉛粉末に混入している金属成分を除去する工程で、１５０００ガウスの磁力を持つフェライト系磁石を使用したこと以外は、実施例３と同様の方法により燃料電池を作製した。なお、前記磁石と接触させた後の天然黒鉛粉末を、ＩＣＰ分析にて検査したところ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ及びＺｎの含有量は、それぞれ０．５質量ｐｐｍ、０．５質量ｐｐｍ、１質量ｐｐｍ、０．１質量ｐｐｍ、０．８質量ｐｐｍ、１質量ｐｐｍ及び０．５質量ｐｐｍであり、前記金属成分の総含有量は、４．４質量ｐｐｍであった。
【００５２】
また、比較例２で使用されるセパレータの作製方法と同様の方法で作製したセパレータについて、セパレータ表面に表出しているＣｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ及びＺｎを実施例１の場合と同様の方法で定量したところ、前記各金属成分の表出量はそれぞれ、０．０１μｇ／ｃｍ2、０．０１μｇ／ｃｍ2、０．０２μｇ／ｃｍ2、０．０１μｇ／ｃｍ2、０．０１μｇ／ｃｍ2、０．０２μｇ／ｃｍ2及び０．０１μｇ／ｃｍ2であり、前記金属成分の総表出量は、０．０９μｇ／ｃｍ2であった。
【００５３】
次に、実施例１〜３及び比較例１，２の燃料電池について、出力特性の安定性を評価した。評価は、燃料利用率８５％、酸素利用率５０％及び電流密度０．７Ａ／ｃｍ2の条件で連続発電試験を行い、単セルあたりの電池電圧が０．７Ｖ以下になるまでの運転時間の長短で判断した。結果を表１及び図２に示す。なお、図２には、実施例１及び比較例１の結果のみ示した。
【００５４】
【表１】
2006155936.tif 000003
【００５５】
表１及び図２に示すように、実施例１〜３は、８０００時間以上にわたって、単セルあたりの電池電圧が０．７Ｖ以上の値を維持しており、安定した出力特性を示した。これは、高分子電解質膜のプロトン伝導性が安定していることによるものと考えられる。一方、比較例１では、４０００時間経過後に単セルあたりの電池電圧が０．７Ｖ以下となり、比較例２では、５０００時間経過後に単セルあたりの電池電圧が０．７Ｖ以下となった。
【００５６】
次に、実施例１〜３及び比較例１，２の燃料電池に組み込まれた高分子電解質膜の安定性を評価した。評価は、燃料利用率８５％、酸素利用率５０％及び電流密度０．７Ａ／ｃｍ2の条件で、燃料電池の連続発電試験を８０００時間行った後、更に同条件で発電させた際、生成する水に含まれるフッ化物イオン（即ち、高分子電解質膜から脱離したフッ化物イオン）の量をイオンクロマトグラフィーにより計測し、その結果から算出したフッ化物イオンの溶出速度により判断した。なお、フッ化物イオンの溶出速度は、高分子電解質膜１ｃｍ2あたり１日（ｄａｙ）に溶出するフッ化物イオンの量（μｇ）とした。結果を表１に示す。
【００５７】
表１に示すように、実施例１〜３は、フッ化物イオンの溶出速度が、いずれも０．１μｇ／ｃｍ2／ｄａｙであった。一方、比較例１及び比較例２は、フッ化物イオンの溶出速度が、それぞれ０．５μｇ／ｃｍ2／ｄａｙ及び０．４μｇ／ｃｍ2／ｄａｙとなり、実施例１〜３に比べ高分子電解質膜の安定性が劣化していた。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明の燃料電池用セパレータは、上述した高分子電解質型燃料電池以外に、酸化物型燃料電池や、炭酸溶融塩型燃料電池にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の燃料電池用セパレータの製造方法の一実施形態を示すフローチャートである。
【図２】本発明の実施例及び比較例における電池電圧の経時変化を示すグラフである。
【図３】従来の燃料電池の一例を示す概略構成図であり、Ａは、燃料電池の分解斜視図、Ｂは、燃料電池に用いられる膜電極接合体の層構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００６０】
１００  燃料電池
１０１  単セル
１０２  電池スタック
１０３  集電板
１０４  絶縁板
１０５  端板
１１０  膜電極接合体（ＭＥＡ）
１１１  セパレータ
１２０  高分子電解質膜
１２１  触媒層
１２２  拡散層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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