(57)【要約】【課題】      接触抵抗を低減させることが可能な燃料電池、及び当該燃料電池の製造方法を提供する。【解決手段】  ガス拡散層３ａ、３ｂと、当該ガス拡散層３ａ、３ｂの外側に設けられるセパレータ６、６とを備え、ガス拡散層３ａ、３ｂとセパレータ６、６とが、直接、合着しており、セパレータ６、６の、ガス拡散層３ａ、３ｂとの接触部６ａに、ガス拡散層３ａ、３ｂの少なくとも一部が食い込んでいる、燃料電池。【選択図】    図２
2006079856.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス拡散層と、該ガス拡散層の外側に設けられるセパレータとを備え、
前記ガス拡散層と前記セパレータとが、直接、合着しており、
前記セパレータの、前記ガス拡散層との接触部に、前記ガス拡散層の少なくとも一部が食い込んでいることを特徴とする、燃料電池。
【請求項２】
前記セパレータは、加熱により溶融又は軟化する導電性物質によって形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記セパレータに、熱可塑性樹脂と導電性を有する粉状物とを含む物質が含まれていることを特徴とする、請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記セパレータに、導電性を有する熱可塑性樹脂が含まれていることを特徴とする、請求項２又は３に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記セパレータに、金属が含まれていることを特徴とする、請求項２〜４のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項６】
ガス拡散層と、該ガス拡散層の外側に設けられるセパレータとを備える燃料電池の製造方法であって、
前記セパレータの、少なくとも前記ガス拡散層と接触すべき拡散層接触部位を、溶融又は軟化状態にする第１工程と、
溶融又は軟化状態にした前記セパレータの拡散層接触部位に、前記ガス拡散層の少なくとも一部を食い込ませる第２工程と、
前記ガス拡散層の少なくとも一部を食い込ませた前記セパレータの拡散層接触部位を凝固させて、前記ガス拡散層と前記セパレータとを、直接、合着させる第３工程と、
を有することを特徴とする、燃料電池の製造方法。
【請求項７】
前記セパレータは、加熱により溶融又は軟化する導電性物質によって形成されていることを特徴とする、請求項６に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項８】
前記セパレータに、熱可塑性樹脂と導電性を有する粉状物とを含む物質が含まれていることを特徴とする、請求項７に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項９】
前記セパレータに、導電性を有する熱可塑性樹脂が含まれていることを特徴とする、請求項７又は８に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項１０】
前記セパレータに、金属が含まれていることを特徴とする、請求項７〜９のいずれか１項に記載の燃料電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池及びその製造方法に関し、特に、内部の接触抵抗を低減することが可能な燃料電池、及び当該燃料電池の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池（以下において、「ＰＥＦＣ（Polymer Electrolyte Fuel Cell）」と記述する。）のユニットセルにおける理論起電力は、１．２３Ｖであり、これは、Ｈ２とＯ２との電極反応から電気化学的に決まる起電力である。ＰＥＦＣを自動車の動力源等として利用する場合、かかるユニットセルの理論起電力のみでは不十分であるため、通常は、いくつものユニットセルを直列に連結（スタック）することにより、必要な起電力を得ている。
【０００３】
燃料電池スタックに備えられるＰＥＦＣのユニットセルは、電解質膜及び当該電解質膜の両側に設けられる触媒層を備える膜／電極接合体（以下において、「ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）」と記述する。）と、ＭＥＡの両側に設けられる拡散層と、拡散層の外側に設けられるセパレータとを備えており、かかるユニットセルを直列に積層することにより、モジュールが構成される。そして、このモジュールを積層することによりモジュール積層体が構成され、モジュール積層体のモジュール積層方向の両端に、ターミナル、インシュレータ、エンドプレートを配置することによりスタックが構成される。ＰＥＦＣでは、このスタックをモジュール積層方向に締め付ける（締結圧力を加える）ことで、ユニットセルの上記構成要素間、及びユニットセル間の電気的な接触が保たれている。
【０００４】
一方、燃料電池のユニットセル内で生じる、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変える電気化学反応は、熱機関に比べて高効率であることが知られている。しかし、燃料電池内部の様々な損失（分極）によって効率が低下するため、実際には上記理論値からは程遠い値（例えば、０．７〜０．８Ｖ程度）しか得られていない。燃料電池内の分極には、活性化分極（触媒活性に基づく損失）、抵抗分極（オームの法則に基づく抵抗損失）、及び拡散分極（ガスや水の物質移動による損失）という３要因を挙げることができ、燃料電池（ＰＥＦＣ）の性能を向上させるためには、これら３要因による効率低下を抑えることが重要になる。
【０００５】
上記３要因のうち、抵抗分極は、ユニットセルにおける各構成部材間の接触抵抗を低減する等の手段により改善可能であることが知られており、かかる手段等によりＰＥＦＣの性能を向上させることを目的とした技術がこれまでにいくつか開示されてきている。例えば、特許文献１には、セパレータの、拡散層との接触面に、繊維状炭素繊維を成長させ、高い圧力を加えることなくセパレータと拡散層との接触性を向上させることで、接触抵抗の低減を可能にする燃料電池に関する技術が開示されている。他方、特許文献２には、電極基体（拡散層）を中空繊維により構成し、水詰まりによるガス供給の阻害を抑制することで、出力特性を向上させ得る燃料電池に関する技術が開示されている。
【特許文献１】特開２００１−３５５０４号公報
【特許文献２】特開２００１−１５１２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１に開示されている技術では、セパレータと拡散層との間に炭素析出層が存在する。この層が存在することで、ユニットセル内における接触界面が増加するため、かかる技術では、接触抵抗の低減効果が小さいという問題があった。また、特許文献２に開示されている技術でも、ＰＥＦＣの性能を向上させ難いという問題があった。
【０００７】
そこで本発明は、接触抵抗を低減させることが可能な燃料電池、及び当該燃料電池の製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
請求項１に記載の発明は、ガス拡散層と、当該ガス拡散層の外側に設けられるセパレータとを備え、ガス拡散層とセパレータとが、直接、合着しており、セパレータの、ガス拡散層との接触部に、ガス拡散層の少なくとも一部が食い込んでいることを特徴とする、燃料電池により、上記課題を解決する。
ここに、本発明及び以下に示す発明において、「ガス拡散層とセパレータとが直接合着している」とは、セパレータとガス拡散層との間にこれらの接触性を向上させるための中間層（例えば、接着剤層）を介在させることなく、セパレータの表面とガス拡散層とが、直接、合着していることを意味している。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池において、セパレータは、加熱により溶融又は軟化する導電性物質によって構成されていることを特徴とする。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の燃料電池において、セパレータに、熱可塑性樹脂と導電性を有する粉状物とを含む物質が含まれていることを特徴とする。
ここに、本発明及び以下に示す発明において、「粉状物」とは、粉状の物質、粒子状の物質、あるいは繊維状の物質をも含む概念である。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、請求項２又は３に記載の燃料電池において、セパレータに、導電性を有する熱可塑性樹脂が含まれていることを特徴とする。
【００１２】
請求項５に記載の発明は、請求項２〜４のいずれか１項に記載の燃料電池において、導電性物質に、金属が含まれていることを特徴とする。
【００１３】
請求項６に記載の発明は、ガス拡散層と、当該ガス拡散層の外側に設けられるセパレータとを備える燃料電池の製造方法であって、セパレータの、少なくともガス拡散層と接触すべき拡散層接触部位を、溶融又は軟化状態にする第１工程と、溶融又は軟化状態にしたセパレータの拡散層接触部位に、ガス拡散層の少なくとも一部を食い込ませる第２工程と、ガス拡散層の少なくとも一部を食い込ませたセパレータの拡散層接触部位を凝固させて、ガス拡散層と前記セパレータとを、直接、合着させる第３工程と、を有することを特徴とする、燃料電池の製造方法により、上記課題を解決する。
【００１４】
請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の燃料電池の製造方法において、セパレータは、加熱により溶融又は軟化する導電性物質によって構成されていることを特徴とする。
【００１５】
請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の燃料電池の製造方法において、セパレータに、熱可塑性樹脂と導電性を有する粉状物とを含む物質が含まれていることを特徴とする。
【００１６】
請求項９に記載の発明は、請求項７又は８に記載の燃料電池の製造方法において、セパレータに、導電性を有する熱可塑性樹脂が含まれていることを特徴とする。
【００１７】
請求項１０に記載の発明は、請求項７〜９のいずれか１項に記載の燃料電池の製造方法において、セパレータに、金属が含まれていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
請求項１に記載の発明によれば、ガス拡散層の少なくとも一部がセパレータの中に食い込む形態で、セパレータとガス拡散層とが直接合着しているので、セパレータとガス拡散層との間に接着剤層等の中間層を介在させることなく、セパレータとガス拡散層とを結合させた状態にすることができる。したがって、本発明によれば、ユニットセル内における構成部材の接触界面の数を低減することができるため、接触抵抗を確実に低減することが可能な燃料電池を提供することが可能になる。
【００１９】
請求項２に記載の発明によれば、加熱により溶融又は軟化する導電性物質によりセパレータが構成されているので、セパレータを加熱することで、ガス拡散層の一部を容易にセパレータの中に食い込ませることが可能になる。したがって、本発明によれば、接触抵抗を低減することが可能な燃料電池を容易に提供することが可能になる。
【００２０】
請求項３に記載の発明によれば、セパレータに、熱可塑性樹脂と導電性を有する粉状物とを含む物質が含まれており、熱可塑性樹脂は、加熱により溶融又は軟化する物質である。したがって、本発明によれば、熱可塑性樹脂に導電性を有する粉状物（フィラー）を分散させてセパレータを形成することで、加熱により溶融又は軟化するとともに導電性を有するセパレータを備える燃料電池を容易に提供することが可能になる。すなわち、本発明によれば、接触抵抗を低減することが可能な燃料電池を提供することが可能になる。
【００２１】
請求項４に記載の発明によれば、セパレータに、導電性を有する熱可塑性樹脂が含まれているので、導電性を有する熱可塑性樹脂によりセパレータを形成することが可能になる。したがって、本発明によれば、加熱により溶融又は軟化するとともに導電性を有するセパレータを備える燃料電池を容易に提供することが可能になる。すなわち、本発明によっても、接触抵抗を低減することが可能な燃料電池を提供することが可能になる。
【００２２】
請求項５に記載の発明によれば、セパレータに、金属が含まれている。したがって、本発明によれば、例えば、金属製のセパレータとすることで、加熱により溶融又は軟化するとともに導電性を有するセパレータを備える燃料電池を容易に提供することが可能になる。すなわち、本発明によっても、接触抵抗を低減することが可能な燃料電池を提供することが可能になる。また、金属は導電性を有するので、本発明によれば、例えば、請求項３に記載の燃料電池における導電性を有する粉状物を金属の粉状物とすることにより、接触抵抗を低減することが可能な燃料電池を提供することも可能になる。
【００２３】
請求項６に記載の発明によれば、セパレータの拡散層接触部位を溶融又は軟化状態にする第１工程と、当該拡散層接触部位にガス拡散層の少なくとも一部を食い込ませる第２工程と、ガス拡散層の少なくとも一部が食い込んだセパレータを凝固させることによりセパレータとガス拡散層とを直接合着させる第３工程とが含まれているので、接触抵抗を低減することが可能な燃料電池を製造し得る、燃料電池の製造方法を提供することが可能になる。
【００２４】
請求項７に記載の発明によれば、加熱により溶融又は軟化する導電性物質によってセパレータが構成されているので、第１工程において、セパレータの少なくとも拡散層接触部位を加熱することで、当該部位を確実に溶融又は軟化状態にすることが可能になる。したがって、本発明によれば、接触抵抗を低減することが可能な燃料電池を製造し得る、燃料電池の製造方法を容易に提供することが可能になる。
【００２５】
請求項８に記載の発明によれば、セパレータに、熱可塑性樹脂と導電性を有する粉状物とを含む物質が含まれているので、加熱により溶融又は軟化する物質である熱可塑性樹脂に導電性を有する粉状物（フィラー）を分散させてセパレータを形成することが可能になる。かかる導電性材料により形成させたセパレータは、加熱により、少なくとも軟化させることが可能になるため、本発明によれば、接触抵抗を低減することが可能な燃料電池を製造し得る、燃料電池の製造方法を提供することが可能になる。
【００２６】
請求項９に記載の発明によれば、セパレータに、導電性を有する熱可塑性樹脂が含まれているので、導電性を有する熱可塑性樹脂によりセパレータを形成することが可能になる。かかる導電性材料物質により形成させたセパレータは、加熱により、少なくとも軟化させることが可能になるため、本発明によれば、接触抵抗を低減することが可能な燃料電池を製造し得る、燃料電池の製造方法を提供することが可能になる。
【００２７】
請求項１０に記載の発明によれば、セパレータに、金属が含まれているので、本発明によれば、金属製のセパレータを形成することが可能になる。金属製のセパレータは、加熱により、少なくとも軟化させることが可能であるため、本発明によれば、接触抵抗を低減することが可能な燃料電池を製造し得る、燃料電池の製造方法を提供することが可能になる。また、金属は導電性を有するので、本発明によれば、例えば、請求項８に記載の燃料電池における導電性を有する粉状物を、金属の粉状物とすることにより、接触抵抗を低減することが可能な燃料電池を製造し得る、燃料電池の製造方法を提供することも可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
図１は、本発明の燃料電池を構成すべきユニットセルの態様例を概略的に示す断面図であり、図２は、ユニットセル内の拡散層及びセパレータの一部を拡大して概略的に示す断面図である。
本発明にかかるユニットセル１０は、電解質膜１及び当該電解質膜１の両側に設けられる触媒層２ａ、２ｂを備えるＭＥＡ４と、ＭＥＡ４の両側に設けられるガス拡散層（以下において、単に「拡散層」と記述する。）３ａ、３ｂと、拡散層３ａ、３ｂの外側に設けられるフラットタイプの金属製セパレータ６、６とを備えている。本実施形態にかかる拡散層３ａ、３ｂは、カーボンの短繊維等により形成されており、ステンレス鋼等の金属により形成されているセパレータ６、６側には、反応ガス供給路７、７、…が形成されている。そして、拡散層３ａ、３ｂを形成するカーボン繊維の一部５、５、…がセパレータ６、６に食い込むことで、拡散層３ａ、３ｂとセパレータ６、６とは直接合着されている（図２参照）。また、セパレータ６、６には、冷却水等の冷媒が供給されるべき冷媒供給路（以下において、「冷却水流路」と記述する。）９、９、…が形成されており、セパレータ６、６は、かかる冷却水流路９、９、…内に供給される冷却水により冷却されている。
なお、図１では、図の左右方向が拡散層３ａ、３ｂの積層方向であるのに対し、図２では、図の上下方向が拡散層３ａ（３ｂ）の積層方向である。また、理解を容易にするため、図２及び以下に示す図では、拡散層３ａ（３ｂ）を形成するカーボン繊維のうち、セパレータ６、６、…に食い込んでいる一部の繊維５、５、…のみを拡大して概略的に示すが、セパレータに食い込んでいる繊維５、５、…の数量、長さ、及び方向等は、図示の形態に限定されるものではない。加えて、上記繊維は、セパレータと合着すべき拡散層３ａ（３ｂ）の部位にのみ存在しているわけではなく、拡散層３ａ（３ｂ）のセパレータと合着すべき部位以外にも存在している（ただし、拡散層３ａ（３ｂ）のセパレータと合着すべき部位以外に存在する上記繊維は、図に示されていない。）ものとする。
【００２９】
本発明にかかるユニットセル１０では、拡散層３ａ、３ｂとセパレータ６、６とが直接合着されており、拡散層３ａ、３ｂの一部５、５、…がセパレータ６、６に食い込む際のセパレータ６、６は、溶融又は軟化状態となっている。そのため、拡散層３ａ、３ｂとセパレータ６、６とを直接合着させる際には、セパレータ６、６自身が接着剤の役割を兼ねるので、拡散層３ａ、３ｂとセパレータ６、６との間に、これらを接着させるための中間層（例えば、接着剤層）を介在させる必要がない。また、拡散層３ａ、３ｂとセパレータ６、６とは、拡散層３ａ、３ｂの一部５、５、…がセパレータ６、６に食い込む形態で直接合着されていることから、アンカー効果により、拡散層３ａ、３ｂとセパレータ６、６との接合強さは従来よりも強くなる。そのため、本発明によれば、拡散層３ａ、３ｂの積層方向に垂直な方向へと力が加えられた場合であっても、拡散層３ａ、３ｂとセパレータ６、６とのズレを抑制することが可能になる。さらに、従来の燃料電池とは異なり、本発明では、拡散層３ａ、３ｂとセパレータ６、６とが直接合着されており、セパレータ６、６に食い込んでいる繊維５、５、…によりセパレータ６、６と拡散層３ａ、３ｂとの間に導電パスが形成されている。そのため、本発明によれば、拡散層３ａ、３ｂとセパレータ６、６との間の接触抵抗を低減することが可能になるほか、拡散層３ａ、３ｂとセパレータ６、６との間の接触抵抗を低減するために従来必要とされていた締結圧力を低減することも可能になる。加えて、拡散層３ａ、３ｂとセパレータ６、６とが直接合着されているので、燃料電池スタックの締結圧力が変化した場合であっても、拡散層３ａ、３ｂとセパレータ６、６との接触抵抗が変化しない。そのため、本発明によれば、締結圧力が変化した場合であっても安定した発電効率を維持し得る燃料電池を提供することが可能になる。
【００３０】
図３は、図２において破線で囲んで示した部分を、拡大して概略的に示す図である。なお、図３において、図２と同じ構成を採る部位には同じ符号を付し、その説明を省略する。図３において、図の上下方向が拡散層３ａ（３ｂ）の積層方向である。
図３（ａ）では、セパレータ６と拡散層３ａ（３ｂ）とが直接合着している一方で、図３（ｂ）に示すセパレータ６には、拡散層３ａ（３ｂ）と接触する側の面に金めっき層８Ａ及びカーボンコート層８Ｂが形成されており、これらの層８Ａ、８Ｂを備えるセパレータ６と拡散層３ａ（３ｂ）とが直接合着している。
【００３１】
一般に、ユニットセル内は高腐食環境であることが知られている。そのため、燃料電池のセパレータとして金属が用いられる場合には、優れた耐食性を有するチタン合金やステンレス鋼等が使用される。ここに、例えば、ステンレス鋼は、表面に不動態皮膜（酸化皮膜）が形成されており、電気抵抗が高い。そのため、セパレータ材料としてステンレス鋼等が用いられる場合には、図３（ｂ）に示すように、セパレータの表面に金めっき層８Ａを形成し、さらにその上にカーボンコート層８Ｂを形成させる等の方法により、セパレータに低抵抗化処理を施すのが通常である。なお、以下において、金めっき層８Ａとカーボンコート層８Ｂとをあわせて「低抵抗化処理層」と記述する。
【００３２】
図３に示すように、本発明にかかるセパレータ６が金属により形成される場合、セパレータ６における、拡散層３ａ（３ｂ）との接触部（以下において、「拡散層接触部」と記述する。）の表面形態は特に限定されるものではない。本発明にかかる拡散層３ａ（３ｂ）とセパレータ６とは、拡散層３ａ（３ｂ）の一部５、５、…がセパレータ６の拡散層接触部に食い込む形態で直接合着しており、拡散層３ａ（３ｂ）の一部５、５、…は、セパレータ６のバルク部位（酸化皮膜層や低抵抗化処理層の下側に位置する部位）にまで達している。したがって、本発明によれば、セパレータ６のバルク部位と拡散層３ａ（３ｂ）の一部５、５、…とが直接接触する形態で合着しているため、低抵抗化処理が施されていないセパレータ６であっても、拡散層３ａ（３ｂ）とセパレータ６との接触抵抗を低減することが可能になる。
【００３３】
図４は、本発明にかかる燃料電池を構成すべきユニットセルの製造方法を示す図であり、ユニットセルの構成要素である拡散層とセパレータとを直接合着させる方法の態様例を概略的に示している。なお、図４において、図１と同じ構成を採る部位には同じ符号を付し、その説明を省略する。図４において、図の上下方向が拡散層３ａの積層方向である。
本発明において、拡散層３ａとセパレータ６とを合着させる際には、少なくともセパレータ６の拡散層接触部６ａを加熱し、当該拡散層接触部６ａを溶融又は軟化状態にする（第１工程：図４（ａ））。そして、図４（ｂ）に示すように、拡散層３ａに反応ガス供給路７、７、…が形成されている場合には、拡散層３ａの反応ガス供給路７、７、…側を、溶融又は軟化状態の拡散層接触部６ａに接触させ、拡散層接触部６ａ内に拡散層３ａの一部５、５、…を食い込ませる（第２工程：図４（ｂ））。その後、第２工程により拡散層３ａの一部５、５、…が食い込んだ拡散層接触部６ａを凝固させることで、拡散層３ａとセパレータ６とを直接合着させる（第３工程：図４（ｃ））。ここに、上記第２工程において、拡散層接触部６ａ内に拡散層３ａの一部５、５、…を食い込ませる際には、拡散層３ａとセパレータ６とを均一に合着させるために最小限必要とされる圧力以外の圧力は特に必要とされないが、拡散層３ａの多孔性及び反応ガス供給路７、７、…の形態を損なわない程度の圧力であれば、拡散層３ａの積層方向に圧力を加えながら拡散層３ａとセパレータ６とを合着させることもできる。また、上記第２工程では、セパレータ６と合着すべき拡散層部位の表面に処理を施してから、上記拡散層接触部６ａ内に拡散層３ａの一部５、５、…を食い込ませても良いが、本発明において、かかる処理の有無は特に限定されるものではない。当該処理の具体例としては、セパレータ６と合着すべき拡散層部位に存在する短繊維５、５、…に指向性を持たせる処理等を挙げることができる。なお、本発明にかかる燃料電池を構成すべきユニットセルは、さらに以下同様の手順でもう一方の拡散層とセパレータとを直接合着させることにより一組の拡散層付きセパレータを作製し、別途作製したＭＥＡを当該一組の拡散層付きセパレータの間へと配置する等の方法により、製造することができる。
【００３４】
上記説明では、便宜上、金属製のセパレータ６を有する燃料電池について記述したが、本発明にかかる燃料電池に備えられるセパレータを形成し得る物質は、金属のみに限定されるものではない。本発明にかかるセパレータを形成し得る物質は、セパレータと拡散層とを、拡散層の少なくとも一部がセパレータ内に食い込む形態で直接合着させることが可能であり、かつ、導電性を有するセパレータとすることが可能なものであれば、好適に使用することができる。当該物質の他の具体例としては、加熱により溶融又は軟化する導電性物質（例えば、熱可塑性樹脂）のほか、加熱により硬化する導電性物質（例えば、熱硬化性樹脂）等を挙げることができる。ここに、加熱により硬化する導電性物質により本発明にかかるセパレータを形成する場合には、当該物質により形成されたセパレータの表面に、拡散層を形成するカーボン繊維の一部を食い込ませ、その後、拡散層を形成するカーボン繊維の一部が食い込んだセパレータを加熱する等の方法により、セパレータと拡散層とを直接合着させることができる。
【００３５】
本発明にかかるセパレータを熱可塑性樹脂により形成させる場合、当該熱可塑性樹脂が導電性を有しない樹脂である場合には、その樹脂に導電性を有する材料を分散混入することで、導電性を有するとともに加熱により溶融又は軟化するセパレータとする。ここに、導電性を有しない熱可塑性樹脂に分散混入させ得る導電性材料は特に限定されるものではないが、例えば、金属粉や炭素粉により構成される粉状の導電性フィラー等を挙げることができる。また、本発明にかかるセパレータを形成し得る導電性を有しない熱可塑性樹脂は、燃料電池の使用環境下においてセパレータとしての機能を果たし得るものであれば特に限定されるものではない。一方、本発明にかかるセパレータを導電性を有する熱可塑性樹脂により形成させる場合、当該導電性を有する熱可塑性樹脂も、燃料電池の使用環境下においてセパレータとしての機能を果たし得るものであれば特に限定されるものではない。
【００３６】
ここに、従来の燃料電池において、セパレータが導電性のフィラーを分散させた熱可塑性樹脂により形成される場合には、セパレータを成形した極表面にスキン層と呼ばれる導電性を有しない高分子層が形成される結果、セパレータの電気抵抗が高くなることが知られている。これに対し、本発明の燃料電池では、導電性のフィラーを分散させた熱可塑性樹脂により形成されるセパレータであっても、上記拡散層の一部５、５、…が上記スキン層を貫通して、当該スキン層の内側に位置する樹脂と拡散層の一部５、５、…とがアンカー効果により強固に直接接合している。そのため、当該拡散層の一部５、５、…によってセパレータと拡散層との導電パスが形成されることから、拡散層とセパレータとの接触抵抗を低減することが可能になる。一方、本発明にかかるセパレータが、導電性を有する熱可塑性樹脂により形成される場合も、上記拡散層の一部５、５、…が当該樹脂の内側に食い込む形態で、拡散層とセパレータとはアンカー効果により強固に直接接合しているため、拡散層とセパレータとの接触抵抗を低減することが可能になる。なお、本発明にかかるセパレータが熱可塑性樹脂により形成される場合も、拡散層とセパレータとは直接合着しているので、本発明にかかる燃料電池が金属製のセパレータを有する場合と同様に、締結圧力が変化した場合であっても安定した発電効率を維持し得る燃料電池を提供することが可能になる。加えて、本発明にかかるセパレータが樹脂により形成される場合にも、金属製セパレータ６の場合と同様に、拡散層の一部５、５、…が食い込む際のセパレータは溶融又は軟化状態となっており、セパレータ自身が接着剤の役割を兼ねるため、拡散層とセパレータとの間に、これらを接着させるための中間層（例えば、接着剤層）を介在させる必要はない。
【００３７】
また、本発明にかかるセパレータが熱可塑性樹脂により形成される場合にも、金属製のセパレータの場合と同様の手順により、拡散層とセパレータとを直接合着させることができるが、特に、導電性のフィラーを分散させた熱可塑性樹脂により本発明にかかるセパレータを形成する場合には、以下の手順により、拡散層とセパレータとを直接合着させることもできる。すなわち、セパレータを最初に成形する際に使用する成形金型に拡散層を予め配置しておき、当該金型に上記樹脂を射出してインサート成形することで、拡散層とセパレータとが直接合着した拡散層付きセパレータを作製することもできる。
【００３８】
さらに、本発明にかかるセパレータは、熱可塑性樹脂と金属とを備えていても良い。図５は、熱可塑性樹脂と金属とを備える本発明にかかるセパレータが採り得る形態例を概略的に示す断面図である。なお、図５において、図１と同じ構成を採る部位には同じ符号を付し、その説明を省略する。図５において、図の上下方向が、セパレータの積層方向である。
図５に示すように、本発明にかかるセパレータ６ｘは、金属部６と導電性を有する熱可塑性樹脂部６ｂとを備えている。セパレータ６ｘをこのように構成すれば、熱可塑性樹脂部６ｂ側に拡散層の一部を食い込ませることで、セパレータ６ｘの拡散層接触部を、金属製のセパレータ６の場合よりも低い温度で溶融又は軟化させることが可能になる結果、拡散層とセパレータ６ｘとを容易に合着させることが可能になる。なお、かかる形態のセパレータ６ｘと拡散層とを直接合着させる際にも、セパレータ６ｘの一部である熱可塑性樹脂部６ｂが接着剤の役割を兼ねるので、拡散層とセパレータ６ｘとの間に中間層（例えば、接着剤層）を別途設ける必要はない。
【００３９】
他方、本発明にかかるセパレータが、加熱により溶融又は軟化する上記導電性物質により形成される場合、当該セパレータの少なくとも拡散層接触部を加熱する手段は、特に限定されるものではなく、その具体例としては、高周波誘導加熱等を挙げることができる。また、後述するように、拡散層が金属により形成される場合には、上記加熱手段のほか、スポット溶接等に代表される抵抗溶接等により、セパレータと拡散層とを直接合着させることができる。
【００４０】
また、拡散層とセパレータとを直接合着させる手段についての上記説明では、第１工程、第２工程、第３工程という語句を用いて説明したが、各工程の数字は、必ずしも時間の経過と直接関係しているわけではなく、例えば、第１工程を実施しながら第２工程を実施しても良い。第１工程と第２工程とを同時に行う形態の具体例としては、拡散層及びセパレータが金属製である場合に、互いに接触させた拡散層とセパレータとをスポット溶接することにより、セパレータの加熱工程とセパレータの拡散層接触部に拡散層の一部を食い込ませる工程とを同時に行う形態等を挙げることができる。
【００４１】
さらに、上記説明では、便宜上、カーボンの短繊維等により構成される拡散層３ａ、３ｂを有する燃料電池について記述したが、本発明にかかる燃料電池に備えられる拡散層を形成し得る物質は、カーボンの短繊維に限定されるものではない。本発明にかかる拡散層を形成し得る物質は、セパレータと拡散層とを直接合着させることが可能であり、かつ、導電性を有するものであれば、好適に使用することができる。本発明にかかる拡散層を形成し得る物質の他の具体例としては、めっき法や発泡法等により製造されるステンレス、チタン又はニッケル等の発泡金属、あるいは焼結金属等を挙げることができる。
【００４２】
加えて、上記説明では、拡散層３ａ、３ｂに反応ガス流路７、７、…が形成されている形態の燃料電池について説明したが、本発明を適用し得る燃料電池は、かかる形態に限定されるものではなく、他の形態であっても良い。図６に、本発明を適用し得る他の形態例を概略的に示す。なお、図６において、図１と同じ構成を採る部位には同じ符号を付し、その説明を省略する。
図６（ａ）は、セパレータ６’、６’に反応ガス供給路７、７、…が形成され、拡散層３ｃ、３ｄには反応ガス供給路が形成されていない形態の燃料電池のユニットセル２０を概略的に示す断面図である。一方、図６（ｂ）は、セパレータ６、６及び拡散層３ｅ、３ｆに反応ガス供給路が形成されておらず、焼結金属等の多孔体により形成される拡散層３ｅ、３ｆに反応ガスが供給される形態の燃料電池のユニットセル３０を概略的に示す断面図である。図６（ａ）又は（ｂ）に示す形態の燃料電池であっても、上述のようにセパレータと拡散層とを直接合着させることで、セパレータと拡散層との間の接触抵抗を低減すること等が可能になり、発電効率を向上させ得る燃料電池を提供することが可能になる。
【００４３】
なお、本発明にかかる燃料電池において、電解質膜、及び触媒層を構成すべき材料は特に限定されるものではなく、例えば、固体高分子型燃料電池において好適に使用され得る材料により、本発明にかかる電解質膜、及び触媒層を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の燃料電池を構成すべきユニットセルの態様例を概略的に示す断面図である。
【図２】ユニットセル内の拡散層及びセパレータの一部を拡大して概略的に示す断面図である。
【図３】直接合着している金属製のセパレータ及び拡散層の一部を拡大して示す概略図である。
【図４】拡散層とセパレータとを直接合着させる方法の態様例を概略的に示す図である。
【図５】本発明にかかるセパレータが採り得る形態例を概略的に示す断面図である。
【図６】燃料電池の形態例を概略的に示す断面図である。
【符号の説明】
【００４５】
１  電解質膜
２ａ、２ｂ  触媒層
３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ  ガス拡散層（拡散層）
４  ＭＥＡ
６、６’  セパレータ
６ａ  拡散層接触部
１０、２０、３０  ユニットセル
【図１】
2006079856.tif 000003
【図２】
2006079856.tif 000004
【図３】
2006079856.tif 000005
【図４】
2006079856.tif 000006
【図５】
2006079856.tif 000007
【図６】
2006079856.tif 000008