(57)【要約】【課題】動作中に発生した水分による腐食を抑制し、かつ電気特性を向上させることができる燃料電池、これを用いた燃料電池装置及び燃料電池のセパレータの製造方法を提供する。【解決手段】電解質膜１２と、電解質膜１２の両面に設けた正極１３及び負極１４と、カーボン発泡体からなり、正極１３及び負極１４を狭持しカーボン発泡体を通して正極１３に酸化剤ガス、負極１４に燃料ガスを供給するセパレータ１５，１６とを備える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、
前記電解質膜の両面に設けた一対の電極と、
カーボン発泡体からなり、前記一対の電極を狭持し前記カーボン発泡体を通して前記電極の一方に酸化剤ガス、他方に燃料ガスを供給するセパレータとを備えた燃料電池。
【請求項２】
セパレータを構成するカーボン発泡体は、２０％〜８０％の多孔度を有することを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
セパレータにおける酸化剤ガス及び燃料ガスの各流通経路に隣接する部分は、発泡させずに構成したことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の燃料電池。
【請求項４】
電気エネルギーを利用する機器に対し、燃料電池で発生した電気エネルギーを供給する燃料電池装置において、
前記燃料電池として請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載の燃料電池を備えたことを特徴とする燃料電池装置。
【請求項５】
請求項１記載の燃料電池のセパレータの製造方法において、
カーボン粉末、バインダ材、導電材及び発泡材を含む混練物を作成するステップと、
前記混練物を電極上に設けるステップと、
前記電極上に設けた混練物中の前記発泡材を発泡させ、カーボン発泡体からなるセパレータを形成するステップとを備えた燃料電池のセパレータの製造方法。
【請求項６】
カーボン粉末、バインダ材及び導電材の混練物に対し、固体又は液体の発泡材を混練するか、若しくは、高圧気体を発泡材として溶解させることにより、発泡材を含む混練物を作成することを特徴とする請求項５記載の燃料電池のセパレータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池、これを用いた燃料電池装置及び燃料電池のセパレータの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素と酸素をエネルギー源として、水の電気分解と逆の電気化学反応によるエネルギー変換を行って電気を発生させるものであり、エネルギー効率が高いことから近年注目されている。この燃料電池は、正負極間に電解質を介在させたものをセパレータで挟み込んでなるセルを複数段に積層して構成される。
【０００３】
また、燃料電池のうち、電解質に高分子膜が使用される固体高分子型燃料電池は、動作温度が低温で、電解質が溶け出すおそれがなく、小型化できることから、特に移動通信端末等の電源としての利用が図られている。
【０００４】
従来の固体高分子型燃料電池として、例えば特許文献１に開示されるものがある。特許文献１による固体高分子型燃料電池では、カーボン製や金属製のセパレータの欠点を解決し、小型軽量で、高耐食、高導電性のセパレータを得るため、金属発泡体に対して樹脂を含浸させた素材でセパレータを形成している。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−７１３４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の燃料電池では、金属発泡体で形成されたセパレータが燃料電池運転中に正極で発生する水蒸気や水に曝されて腐食するという課題があった。
【０００７】
具体的に上記課題を説明する。
図８は、特許文献１に開示される従来の固体高分子型燃料電池におけるセパレータの断面図であり、正極側に設けたセパレータを示している。従来のセパレータ１００は、図８に示すように、樹脂と金属発泡体１０２の露出した部分１０２ａに導電性メッキ１０３が施される（図８中に太線で示す）。また、平滑な接触面１００ａ，１００ｂ中に露出された金属発泡体にも導電性メッキ１０３が施される。
【０００８】
導電性メッキ１０３が施された金属発泡体１０２の部分１０２ａは、水素ガス流路又は酸化剤ガス流路に隣接し、燃料電池運転中に正極１０１で発生する水蒸気や水に曝されることになる。このため、金属発泡体１０２の露出部分１０２ａが導電性メッキ１０３と共に腐食する可能性がある。
【０００９】
また、セパレータ１００の金属部分の腐食により、金属中から流れ出た金属イオンが電解質膜に至ると、燃料電池の電気特性が劣化する。特に、特許文献１では、セパレータ１００が金属発泡体１０２から構成されるため、露出部分１０２ａが腐食すると、金属発泡体１０２内に無数に形成される細孔に水が溜まり腐食が加速される。
【００１０】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、動作中に発生した水分による腐食を抑制し、かつ電気特性を向上させることができる燃料電池、これを用いた燃料電池装置及び燃料電池のセパレータの製造方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明に係る燃料電池は、電解質膜と、電解質膜の両面に設けた一対の電極と、カーボン発泡体からなり、一対の電極を狭持しカーボン発泡体を通して電極の一方に酸化剤ガス、他方に燃料ガスを供給するセパレータとを備えるものである。
【発明の効果】
【００１２】
この発明によれば、電解質膜と、電解質膜の両面に設けた一対の電極と、カーボン発泡体からなり、一対の電極を狭持しカーボン発泡体を通して電極の一方に酸化剤ガス、他方に燃料ガスを供給するセパレータとを備えたので、セパレータとして腐食のないカーボン発泡体を用いることにより、半永久的に燃料電池の初期電気特性を維持できるという効果がある。また、カーボン発泡体の細孔を通して酸化剤ガス及び燃料ガスを電極に供給するので、酸化剤ガス及び燃料ガスが乱流となって電極に接触し反応することから、酸化剤ガス及び燃料ガスの利用率が向上するという効果がある。これにより、燃料電池の初期電気特性も向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による燃料電池のセルを示す上面図であり、本発明を固体高分子型燃料電池に適用した場合を示している。図１に示すように、実施の形態１による固体高分子型の燃料電池のセル１は、燃料ガス連通口４や酸化剤ガス連通口５等が形成された保持部２と、この保持部２に保持される発電部３とを備える。保持部２は、矩形状の発電部３の周囲を取り囲むように形成される。
【００１４】
燃料ガス連通口４は、保持部２の対向する辺にそれぞれ設けられており、一方の辺には発電部３側に燃料ガスを導入する燃料ガス導入孔７が形成され、これに対向する辺には発電部３側からの燃料ガスを排出する燃料ガス排出孔８が形成される。これら一対の燃料ガス連通口４が、保持部２の一辺に二組設けられる。
【００１５】
また、酸化剤ガス連通口５も、同様に保持部２の対向する辺にそれぞれ設けられており、一方の辺には発電部３側に酸化剤ガスを導入する酸化剤ガス導入孔９が形成され、これに対向する辺には発電部３側からの酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出孔１０が形成される。これら一対の酸化剤ガス連通口５が、保持部２の一辺に二組設けられる。
【００１６】
燃料電池セル１の対角線上にある両角には、冷却水連通口６がそれぞれ設けられる。また、一方の冷却水連通口６には、発電部３側に冷却水を導入する冷却水導入孔１１ａが設けられ、他方の冷却水連通口６には、発電部３側から冷却水を排出する冷却水排出孔１１ｂが設けられる。
【００１７】
燃料ガス導入孔７、燃料ガス排出孔８、酸化剤ガス導入孔９及び酸化剤ガス排出孔１０は、発電部３のセパレータの発泡体に通じている。なお、冷却水導入孔１１ａ及び冷却水排出孔１１ｂは、図１に示すセル１を複数段に積層した最外面に設けた冷却水流路（不図示）に連通する。
【００１８】
図２は、図１中のＡ−Ａ線における断面図である。発電部３は、図２に示すように、平板状の電解質１２と、不図示の触媒を介して電解質１２を挟むように設けた一対の平板状の多孔質材からなる正極１３及び負極１４と、正極１３及び負極１４を挟むようにそれぞれ設けた正極側セパレータ１５及び負極側セパレータ１６とを備える。また、保持部２には、正極１３及び負極１４に接してシール１８，１９がそれぞれ施される。
【００１９】
平板状の電解質１２は、高分子膜からなり、例えばデュポン（株）社製のＮＡＦＩＯＮ（登録商標）膜などのフッ素置換スルホン酸ポリマーによる陽イオン交換膜を用いる。また、平板状の多孔質からなる正極１３及び負極１４は、触媒担持電極であり、白金などの触媒を炭素微粒子に担持している。正極側セパレータ１５及び負極側セパレータ１６は、従来の燃料電池における金属発泡体と異なり、カーボン発泡体から構成される。
【００２０】
カーボンの導電性は低いため、カーボン発泡体の多孔度が高い場合、図２に示すように、正極側セパレータ１５及び負極側セパレータ１６のカーボン発泡体に金属板１７ａ，１７ｂをそれぞれ挿入する。これにより、セパレータ１５，１６の導電性を維持する。
【００２１】
金属板１７ａ，１７ｂには、例えばチタン（Ｔｉ）、チタン合金、ステンレス、フェライトなどが用いられる。また、銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、アルミニウム（Ａｌ）などからなる平板に電気抵抗が増加しない程度に導電性樹脂を薄くコーティングした耐食性部材を使用しても良い。
【００２２】
なお、本発明におけるカーボン発泡体とは、特許文献１に開示されるような金属発泡体の金属部分をカーボンに置き換えたものであり、内部にお互いに通じている孔が縦横無尽に形成されている。これにより、カーボン発泡体のセパレータでは、燃料ガス及び酸化剤ガスがあらゆる方向から流入し、あらゆる方向に流出する。
【００２３】
図３は、図２中の正極側セパレータの断面図である。図３に示すように、発電部３の正極側セパレータ１５には、その内部を縦横無尽に走る細孔２０が形成されている。これら細孔２０は、正極側セパレータ１５内部で互いに繋がっており、細孔２０間で接続無く閉鎖している孔はない。
【００２４】
また、特許文献１による燃料電池では、保持部２における燃料ガス導入孔、燃料ガス排出孔、酸化剤ガス導入孔及び酸化剤ガス排出孔に連通する燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路がセパレータに形成される。この構成の場合、燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路における燃料ガスと酸化剤ガスの流れが層流となり、正極１３及び負極１４側に拡散する量が少ない。このため、燃料ガスや酸化剤ガスの利用効率が悪くなる。
【００２５】
これに対して、本実施の形態１による燃料電池では、セパレータ１５，１６のカーボン発泡体における細孔２０が、図２に示した燃料ガス導入孔７、燃料ガス排出孔８、酸化剤ガス導入孔９及び酸化剤ガス排出孔１０に繋がる、燃料ガス流路と酸化剤ガス流路の役割を果たす。この構成の場合、カーボン発泡体の細孔２０における燃料ガスや酸化剤ガスの流れは乱流となり、上述した特許文献１の構成と比較して電極側に拡散する量が格段に多くなる。これにより、燃料ガスや酸化剤ガスの利用効率を向上させることができる。
【００２６】
次にカーボン発泡体からなるセパレータの製造方法について説明する。
（１）発泡材に固体発泡材を用いる場合
先ず、カーボン、バインダー、導電材及び発泡材を、水を溶媒として混練してカーボンスラリーを作成する。例えば、カーボンとしては、カーボンブラックを用いる。また、バインダーとしては、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）を用いる。導電材としては、導電性カーボンブラックである、ケッチェンブラック（登録商標）を用いる。固体発泡材としては、平均分解温度が約１００℃のアゾビスイソブチロニトリルを用いる。
【００２７】
なお、カーボンとしては、カーボングラファイト、カーボンブラック、人造黒鉛、天然黒鉛、メソフェーズカーボンマイクロビーズ、アモルファスカーボン、ポリアセン、ナノカーボンなどのいずれを用いても良い。
バインダーとしては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ゴム変性フェノール、メトローズ、ゼラチン、グリセリンなどのいずれを用いても良く、エポキシ系、フェノール系、ウレタン系、アクリル系、アミド系、シリコン系、水ガラス系等のバインダーであっても良い。
導電材としては、アセチレンカーボン、人造黒鉛、天然黒鉛、黒鉛化カーボンブラック、ナノカーボンなどのいずれを用いても良い。
【００２８】
次に、上述のようにして作成したカーボンスラリーを、ドクターブレード装置又は押し出し装置を用いて正極板及び負極板に塗布し、約１００℃に加熱して発泡材（アゾビスイソブチロニトリル）を熱分解する。これにより、カーボンを発泡させ、同時に水も蒸発させてセパレータ１５，１６を作成する。この発泡過程は、真空又は低圧中で発泡材を分解させて発泡させても良い。
【００２９】
固体発泡材として、アゾビスイソブチロニトリルの一つである、２，２’−アゾビスイソブチロニトリルを用いた場合を説明する。２，２’−アゾビスイソブチロニトリルは、８５〜９０℃で分解する。大気圧（１ａｔｍ）下で溶媒が水系の場合、分解温度８５℃以上の約１３０℃に加熱すると、カーボンを発泡させ、水も蒸発する。
【００３０】
また、低圧下、例えば０．６気圧（ａｔｍ）の場合で約９０℃、０．８気圧（ａｔｍ）の場合で約９５℃に加熱すると、カーボンが発泡し、水も蒸発する。これより、固体発泡材として２，２’−アゾビスイソブチロニトリルを用いた場合、０．２〜１気圧（ａｔｍ）で温度を８０〜１３０℃に加熱すると、内部に細孔２０が縦横無尽に走るセパレータを形成することができる。
【００３１】
なお、上述ではカーボンスラリーを電極板に塗布する工程を説明したが、塗布のかわりに低気圧又は真空中で電極板にカーボンスラリーを蒸着しても良い。この場合、バインダーが分解する場合もあるが、蒸着によって正極板及び負極板とカーボン及び導電材とがバインダーがなくても結着しているので、電極板からカーボンや導電材がはがれることがない。
【００３２】
また、固体発泡剤としては、１８０℃で熱分解するアゾビスカルボンアミドでも良いが、この場合は、カーボンスラリーの作成に際し、沸点が１８０℃を超える溶媒に変える必要がある。他の固体発泡剤として、炭酸水素ナトリウム（ＮａＨＣＯ3）、水和した酸化ホウ素、アゾジカルボンアミドなどのいずれを用いても良い。
【００３３】
なお、界面活性剤でもある固体発泡剤としては、蔗糖脂肪酸エステル、ポリオキシエチレン脂肪酸エステル、ポリオキシラノリン脂肪酸エステル、ポリオキシソルビタン脂肪酸エステル、ポリオキシグリコールモノ脂肪酸エステル、プランチッドアルキルベンゼンスルホン酸ナトリウム、リニアプランチッドアルキルベンゼンスルホン酸ナトリウム、アルキル硫酸エステルナトリウム、アルキルスルホン酸ナトリウム、アルキルエーテル硫酸エステルナトリウム、アルファオレフィンスルホン酸ナトリウム、モノアルキルリン酸エステルナトリウム、ポリオキシエチレンアルキルエーテルリン酸エステルナトリウム、高級脂肪酸エステルスルホン酸ナトリウム、アルファスルホン脂肪酸エステルナトリウム、高級脂肪酸エステルの硫酸エステルナトリウム、高級脂肪酸アルキロールアミドの硫酸エステルナトリウム、高級脂肪酸アミドのスルホン酸ナトリウム、アルキルアミノカルボン酸塩、カルボキシベタイン、アルキルベタイン、スルホベタイン、フォスフォベタイン、脂肪酸アルカノールアミド、脂肪酸モノエタノールアミド、脂肪酸ジエタノールアミド、脂肪酸トリエタノールアミド、ポリオキシエチレン脂肪酸アミド、イソプロパノールアミド、アルキルアミンオキシド、ポリオキシエチレンアミン、アルキルブリコキシドなどのいずれであっても良い。また、他の固体発泡剤として、蛋白質やサポニン、炭酸アンモニウム、スルホニルヒドラジド、ニトロソ化合物、アジド化合物などを用いても良い。
【００３４】
固体発泡材の発泡方法としては、架橋発泡成形であっても良い。
例えば、カーボン成形材料に化学発泡剤、架橋剤、（必要に応じて架橋助剤）を予め練り込んでおき、加熱プレスで賦形する。この後、ロール圧縮装置又はシート成型装置を用いて圧縮成型すると、ロールプレス時の熱で架橋反応と発泡が進行し、強靭なカーボン発泡体が得られる。
【００３５】
具体例を挙げて説明すると、発泡源として、エチレン及び酢酸ビニールをカーボンと一緒に練り込んでおき、ロールプレス時の熱でエチレンと酢酸ビニールを架橋させ、ＥＶＡ（エチレン／酢酸ビニル共重合体）の架橋発泡体をカーボン内に形成する。この場合、カーボンが主材料であるため、導電性はカーボンと同じになる。
【００３６】
（２）発泡材に液体発泡材を用いる場合
先ず、カーボン、バインダー、導電材及び液体発泡剤を、恒温槽中で液体発泡材が液体を維持できる一定温度として混練し、液体発泡材が内部に閉じ込められた混練物スラリーを作成する。例えば、カーボンとしては、カーボンブラックを用いる。また、バインダーとしては、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）を用いる。導電材としては、導電性カーボンブラックである、ケッチェンブラック（登録商標）を用いる。液体発泡材としては、沸点が−１．７℃のブタンを用いる。この場合、恒温槽中で約−１０℃にして液体発泡材としてのブタンが閉じ込められた混練物スラリーを作成する。
【００３７】
なお、カーボンとしては、カーボングラファイト、カーボンブラック、人造黒鉛、天然黒鉛、メソフェーズカーボンマイクロビーズ、アモルファスカーボン、ポリアセン、ナノカーボンなどのいずれを用いても良い。
バインダーとしては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ゴム変性フェノール、メトローズ、ゼラチン、グリセリンなどのいずれを用いても良く、エポキシ系、フェノール系、ウレタン系、アクリル系、アミド系、シリコン系、水ガラス系等のバインダーであっても良い。
導電材としては、アセチレンカーボン、人造黒鉛、天然黒鉛、黒鉛化カーボンブラック、ナノカーボンなどのいずれを用いても良い。
【００３８】
次に、上述のようにして作成した混練物スラリーを、ドクターブレード法により正極集電板及び負極集電板に塗布する。なお、塗布のかわりに、低気圧又は真空中で蒸着しても良い。この場合、バインダーが分解する場合もあるが、蒸着によって正極集電板及び負極集電板とカーボン及び導電材とが結着するので、電極板からカーボンや導電材がはがれることはない。
【００３９】
最後に、混練物スラリーを塗布した電極板を、ロール圧縮装置又はシート成型装置を用いて圧縮成型しながら燃料電池の仕様に沿う所定の面積にロール切断した後、真空装置中で急速に低気圧又は真空にするか若しくは加熱することにより、混練物スラリー中の液体発泡材を気化させてカーボンを発泡させる。
【００４０】
液体発泡材が沸点−１．７℃のブタンである場合、０．６気圧（ａｔｍ）で沸点が−１０℃となるので、０．２〜１気圧（ａｔｍ）で温度を−２０〜５０℃にすると、ブタンが爆発的に気化して内部に細孔２０が縦横無尽に走るセパレータを形成することができる。
【００４１】
なお、正極集電板及び負極集電板への混練物の塗布は、上述した混練物スラリーの液体量を少なくしてスラリーではなく固体状とし、ドクターブレード法ではなくロール圧縮装置で塗布と圧縮成型を一度に行うようにしても良い。
【００４２】
また、液体発泡剤としては、ペンタン、フロン、水、界面活性剤でもあるポリオキシエチレンアルキルエーテル、ポリオキシエチレンアルキルフェニールエーテルなどのいずれであっても良い。
【００４３】
（３）発泡材として気体を用いる場合
先ず、カーボン、バインダー及び導電材を、例えば沸点８２℃のイソプロピルアルコール（ＩＰＡ）を溶媒として混練して混練物スラリーを作成する。例えば、カーボンとしては、カーボンブラックを用いる。また、バインダーとしては、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）を用いる。導電材としては、導電性カーボンブラックである、ケッチェンブラック（登録商標）を用いる。
【００４４】
なお、カーボンとしては、カーボングラファイト、カーボンブラック、人造黒鉛、天然黒鉛、メソフェーズカーボンマイクロビーズ、アモルファスカーボン、ポリアセン、ナノカーボンなどのいずれを用いても良い。
バインダーとしては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ゴム変性フェノール、メトローズ、ゼラチン、グリセリンなどのいずれを用いても良く、エポキシ系、フェノール系、ウレタン系、アクリル系、アミド系、シリコン系、水ガラス系等のバインダーであっても良い。
導電材としては、アセチレンカーボン、人造黒鉛、天然黒鉛、黒鉛化カーボンブラック、ナノカーボンなどのいずれを用いても良い。
【００４５】
次に、混練物スラリーを、例えば高圧炭酸ガス雰囲気下で保持するか若しくはさらに混練することにより、混練物スラリー中に発泡材として二酸化炭素ガスを閉じ込める。
【００４６】
続いて、ドクターブレード法を用いて混練物スラリーを正極集電板及び負極集電板に塗布し、真空装置中で急速に低気圧又は真空にするか若しくは加熱する。これにより、混練物から二酸化炭素が爆発的に抜ける過程でカーボンを発泡させる。この後、カーボン発泡体のセパレータを形成した電極板をロール圧縮装置で圧縮成型しながら、燃料電池の仕様に沿う所定の面積にロール切断する。
【００４７】
発泡材として二酸化炭素ガスを用い、混練物スラリーの作成にイソプロピルアルコールを用いた場合、二酸化炭素を２気圧（ａｔｍ）以上で溶解させると、０．１〜１．８気圧（ａｔｍ）で温度を６０〜１２０℃にすると、二酸化炭素ガスが爆発的に気化して内部に細孔２０が縦横無尽に走るセパレータを形成することができる。
【００４８】
なお、正極集電板及び負極集電板への混練物の塗布は、上述した混練物の液体量を少なくしてスラリーではなく固体状とし、ドクターブレード法ではなくロール圧縮装置で塗布と圧縮成型を一度に行い、この後、真空装置中で急速に低気圧又は真空にするか若しくは加熱してカーボンを発泡させても良い。
【００４９】
また、発泡剤として、高圧炭酸ガスのかわりに、臨界温度３１．０℃、臨界圧力９２．９（ａｔｍ）の超臨界状態の二酸化炭素、超臨界状態の窒素ガス及びテトラフルオロエタン等の不活性ガス、プロパン、イソブタン、ＨＦＣ、炭化水素石油エーテル等の石油ガス系のガスを用いても良い。
【００５０】
次に実施の形態１による燃料電池の電気特性について説明する。
図４は、実施の形態１による燃料電池と従来の燃料電池（特許文献１）について、電圧と電流密度の関係を示すグラフである。また、図５は、実施の形態１による燃料電池の電圧とセパレータの多孔度との関係を示すグラフである。なお、多孔度は、例えば発泡体の見かけの体積をＶ、空隙の体積をｖとし、多孔度＝ｖ／Ｖ＝１−（かさ密度／理論密度）で求められる。
【００５１】
図５に示すように、カーボン発泡体のセパレータの多孔度が２０〜８０％の範囲では、電圧が約０．７５（Ｖ）となる（多孔度５５％の場合が最も高い）。そこで、図４では、実施の形態１による燃料電池としてカーボン発泡体の多孔度が２０％、５５％、８０％である場合の結果を記載している。
【００５２】
また、図４における実施の形態１による電圧と電流密度との関係は、上述した固体発泡材、液体発泡材及び気体を発泡材としてカーボン発泡体のセパレータをそれぞれ作成し、これらセパレータを用いた燃料電池から求めた結果の平均値を記載している。
【００５３】
図４から明らかなように、実施の形態１による燃料電池では、従来の燃料電池と比較して単位電流密度（Ａ／ｍ2）あたりの電圧値が高い。つまり、多孔度が２０〜８０％で形成したカーボン発泡体のセパレータを燃料電池に用いると、従来より単位電流密度あたりの電圧が高く、電気特性が格段に向上していることがわかる。
【００５４】
この理由を以下に説明する。
特許文献１による従来の燃料電池では、溝状の燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路がセパレータ内に形成されている。このため、溝状の燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路における燃料ガス及び酸化剤ガスの流れは層流になり、ガスが電極に拡散する量が少なく、燃料ガス及び酸化剤ガスの利用率が低下する。
【００５５】
これに対して、実施の形態１による燃料電池では、セパレータにカーボン発泡体を用い、カーボン発泡体の細孔２０を燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路としている。このため、カーボン発泡体における燃料ガス及び酸化剤ガスの流れは乱流となり、電極に拡散する量が多くなり、燃料ガス及び酸化剤ガスの利用率を向上させることができる。
【００５６】
詳細に述べると、乱流の特徴として、固体表面上の境界層では、渦運動により壁面から離れた位置の高速流体と壁面の低速流体が交じり合う結果、平均的に見て運動量が壁面に向かって輸送される（運動の乱流拡散）。これに対し、従来の燃料電池におけるガス流路では、燃料ガス及び酸化剤ガスが層流で、またガス自体が低粘性であるため、流路中央というより側面以外のほとんどが高速流体となり、燃料ガス及び酸化剤ガスの一部が電極に拡散することなく通り過ぎることになる。
【００５７】
本実施の形態１では、正極側セパレータ１５をカーボン発泡体にすることで、酸化剤ガスのガス流が乱流となり、正極１３への拡散が促進される。これにより、酸素ガスのトータル利用率が４０％から５０％に上昇するため、燃料電池の電圧は１９％上昇する。同様に、負極側セパレータ１６をカーボン発泡体にすることで、燃料ガスのガス流が乱流となり、負極１４への拡散が促進される。これにより、燃料ガスの利用率が７０％から８０％に上昇するため、燃料電池の電圧が３％上昇する。
【００５８】
以上のように、この実施の形態１によれば、腐食のないカーボン発泡体をセパレータに用いることにより、半永久的に燃料電池の初期電気特性を維持することができる。また、カーボン発泡体内の細孔２０を燃料ガス流路と酸化剤ガス流路とすることにより、燃料ガス及び酸化剤ガスの利用効率が向上し、燃料電池の電気特性も向上させることができる。
【００５９】
実施の形態２．
図６は、この発明の実施の形態２による燃料電池のセパレータの断面である。図に示すように、実施の形態２では、セパレータにおける、燃料ガス導入孔と燃料ガス排出孔とを繋ぐ経路、及び酸化剤ガス導入孔と酸化剤ガス排出孔とを繋ぐ経路に隣接する部分（酸化剤ガス及び燃料ガスの流れに平行なセパレータの両側面付近）には発泡体のない部分２１を形成する。このように構成することで、部分２１を介して燃料ガスと酸化剤ガスが流通経路の側面から抜け難くなり、燃料ガスと酸化剤ガスの利用効率をさらに向上させることができる。
【００６０】
次に発泡体のない部分２１を含むセパレータの作成方法について説明する。
発泡材が気体と液体の場合、上述した両側面付近部分には、発泡材の混練物を予め厚く塗布した後、その部分だけ先に加圧装置で押さえることにより、気体または液体を抜き、発泡させないようにして孔をなくした。また、発泡材が固体の場合、両側面付近部分には、発泡材のないスラリーをドクターブレード塗布装置で塗布し、これ以外の部分は発泡材を入れたスラリーを塗布する。これにより、低気圧中で側面付近以外を発泡させる。以下に具体例を挙げて説明する。
【００６１】
（１）発泡材が液体の場合
先ず、上述と同様に、カーボン、バインダー、導電材及び液体発泡剤を、恒温槽中で液体発泡材が液体を維持できる一定温度として混練し、液体発泡材が内部に閉じ込められた混練物スラリーを作成する。例えば、カーボンとしては、カーボンブラックを用いる。また、バインダーとしては、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）を用いる。導電材としては、導電性カーボンブラックである、ケッチェンブラック（登録商標）を用いる。液体発泡材としては、沸点が−１．７℃のブタンを用いる。この場合、恒温槽中で約−１０℃にして液体発泡材としてのブタンが閉じ込められた混練物スラリーを作成する。
【００６２】
次に、作成した混練物スラリーを正極集電板及び負極集電板に塗布する。このとき、燃料ガス導入孔と燃料ガス排出孔とを繋ぐ経路、及び酸化剤ガス導入孔と酸化剤ガス排出孔とを繋ぐ経路に隣接する部分（酸化剤ガス及び燃料ガスの流れに平行なセパレータの両側面付近）には、上記経路部分と比較して混練物スラリーを厚く塗布する。この後、混練物スラリーを厚く塗布した部分のみを先に加圧装置で加圧して、当該部分から発泡材を抜く。例えば、発泡材が液体ブタンである場合、加圧してブタンを抜いておく。
【００６３】
最後に、混練物スラリーを塗布した電極板を、ロール圧縮装置又はシート成型装置を用いて圧縮成型しながら燃料電池の仕様に沿う所定の面積にロール切断した後、真空装置中で急速に低気圧又は真空にするか若しくは加熱することにより、混練物スラリー中の液体発泡材を気化させてカーボンを発泡させる。このとき、燃料ガス導入孔と燃料ガス排出孔とを繋ぐ経路、及び酸化剤ガス導入孔と酸化剤ガス排出孔とを繋ぐ経路に隣接する部分（酸化剤ガス及び燃料ガスの流れに平行なセパレータの両側面付近）は、上述のように発泡材を予め抜いているので発泡せず、部分２１が形成される。
【００６４】
（２）発泡体が気体の場合
先ず、上述と同様に、カーボン、バインダー及び導電材を、例えば沸点８２℃のイソプロピルアルコール（ＩＰＡ）を溶媒として混練して混練物スラリーを作成する。例えば、カーボンとしては、カーボンブラックを用いる。また、バインダーとしては、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）を用いる。導電材としては、導電性カーボンブラックである、ケッチェンブラック（登録商標）を用いる。
【００６５】
次に、混練物スラリーを、例えば高圧炭酸ガス雰囲気下で保持するか若しくはさらに混練することにより、混練物スラリー中に発泡材として二酸化炭素ガスを閉じ込める。
【００６６】
続いて、ドクターブレード法を用いて混練物スラリーを正極集電板及び負極集電板に塗布する。このとき、燃料ガス導入孔と燃料ガス排出孔とを繋ぐ経路、及び酸化剤ガス導入孔と酸化剤ガス排出孔とを繋ぐ経路に隣接する部分（酸化剤ガス及び燃料ガスの流れに平行なセパレータの両側面付近）には、上記経路部分と比較して混練物スラリーを厚く塗布する。この後、混練物スラリーを厚く塗布した部分のみを先に加圧装置で加圧して、当該部分から発泡材（二酸化炭素）を抜いておく。
【００６７】
最後に、混練物スラリーを塗布した電極板を真空装置中で急速に低気圧又は真空にするか若しくは加熱して、混練物から二酸化炭素が爆発的に抜ける過程でカーボンを発泡させる。このとき、燃料ガス導入孔と燃料ガス排出孔とを繋ぐ経路、及び酸化剤ガス導入孔と酸化剤ガス排出孔とを繋ぐ経路に隣接する部分（酸化剤ガス及び燃料ガスの流れに平行なセパレータの両側面付近）は、上述のように発泡材を予め抜いているので発泡せず、部分２１が形成される。
【００６８】
（３）発泡体が固体の場合
先ず、カーボン、バインダー及び導電材を、水を溶媒として混練して、部分２１用のカーボンスラリーを作成する。また、カーボン、バインダー、導電材及び発泡材を、水を溶媒として混練して、ガス経路用のカーボンスラリーを作成する。例えば、カーボンとしては、カーボンブラックを用いる。また、バインダーとしては、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）を用いる。導電材としては、導電性カーボンブラックである、ケッチェンブラック（登録商標）を用いる。固体発泡材としては、平均分解温度が約１００℃のアゾビスイソブチロニトリルを用いる。
【００６９】
次に、作成したカーボンスラリーを、ドクターブレード装置又は押し出し装置を用いて正極板及び負極板に塗布する。このとき、燃料ガス導入孔と燃料ガス排出孔とを繋ぐ経路、及び酸化剤ガス導入孔と酸化剤ガス排出孔とを繋ぐ経路に隣接する部分（酸化剤ガス及び燃料ガスの流れに平行なセパレータの両側面付近）には、上述した発泡材のないスラリー（部分２１用のカーボンスラリー）を塗布する。また、これ以外のガス経路となる部分には、上述の発泡材を含むスラリー（ガス経路用のカーボンスラリー）を塗布する。
【００７０】
この後、カーボンスラリーを塗布した電極板を約１００℃に加熱して発泡材（アゾビスイソブチロニトリル）を熱分解する。これにより、ガス経路部分のカーボンを発泡させ、同時に水も蒸発させてセパレータを作成する。このとき、ガス経路の側面付近部分では、発泡材が無く発泡できないため細孔２０ができず、部分２１が形成される。
【００７１】
図７は、実施の形態２による燃料電池の電圧と電流密度の関係を示すグラフであり、固体発泡材、液体発泡材及び気体を発泡材として部分２１を含むカーボン発泡体のセパレータ（多孔度が２０％、５５％、８０％）をそれぞれ作成し、これらセパレータを用いた燃料電池から求めた結果の平均値を記載している。図７に示す結果は、図４と比較して約３％程度、単位電流密度あたりの電圧が増加し、燃料電池の電気特性が向上した。
【００７２】
以上のように、この実施の形態２によれば、セパレータにおいて燃料ガス導入孔と燃料ガス排出孔とを繋ぐ経路、及び酸化剤ガス導入孔と酸化剤ガス排出孔とを繋ぐ経路に隣接する部分（酸化剤ガス及び燃料ガスの流れに平行なセパレータの両側面付近）には発泡体のない部分２１を形成したので、ガス経路の両側部分から燃料ガスや酸化剤ガスが抜け難くなり、燃料ガスと酸化剤ガスの利用効率をさらに向上させることができる。
【００７３】
実施の形態３．
この実施の形態３では、上記実施の形態１又は上記実施の形態２に示した燃料電池を用いて、水素ガス発生装置、水素貯蔵カートリッジ、及び燃料電池への水素ガス補給装置を備えた燃料電池装置を構成する。
【００７４】
水素ガス発生装置としては、例えば水素ガスを吸収して小容積に貯蔵し、かつ水素ガスを徐々に発生する水素吸収金属を用いる。また、水素貯蔵カートリッジとしては、例えば気体より体積を小さくし、体積密度を上げて水素ガスを貯蔵する水素吸収金属、液体水素充填タンク、あるいは水素ガス高圧充填タンクを用いる。
【００７５】
水素ガス補給装置としては、例えば装置筐体外に設けた水素発生装置から燃料電池に水素ガスを導入するように構成したものであっても良い。また、この構成の場合、水素発生装置と燃料電池との間の水素ガス経路上に水素発生装置からの水素ガスを貯蔵する水素貯蔵カートリッジを設けても良い。
【００７６】
なお、上記実施の形態１又は上記実施の形態２に示した燃料電池を単独に用いた燃料電池装置の他、二次電池、太陽電池、キャパシタと組み合わせ、これらから得られる電気エネルギーを利用するハイブリッドな燃料電池装置であっても良い。
【００７７】
上述のような燃料電池装置は、携帯電話、ゲーム機、デジカメ、ミュージックプレーヤ、ＰＤＡ（Personal Digital Assistants）、パーソナルコンピュータなどの情報端末装置に使用することで、これら機器の電源として利用することができる。
【００７８】
また、燃料として水素ガスを使用する例を示したが、カーボン発泡体のセパレータを備えた燃料電池を用いて、メタノール、都市ガス、ガソリン、灯油などを燃料にする燃料電池を構成し、家庭用燃料電池システム、及び自動車用燃料電池システムなどの電源としても良い。
【００７９】
以上のように、この実施の形態３によれば、上記実施の形態１又は上記実施の形態２に示した燃料電池を用いて燃料電池装置を構成したので、燃料電池が、燃料ガス及び酸化剤ガスの利用効率が高く、かつ電気特性に優れていることから、エネルギー効率の高い燃料電池装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】この発明の実施の形態１による燃料電池のセルを示す上面図である。
【図２】図１中のＡ−Ａ線における断面図である。
【図３】図２中の正極側セパレータの断面図である。
【図４】実施の形態１による燃料電池と従来の燃料電池について、電圧と電流密度の関係を示すグラフである。
【図５】実施の形態１による燃料電池の電圧とセパレータの多孔度との関係を示すグラフである。
【図６】この発明の実施の形態２による燃料電池のセパレータの断面である。
【図７】実施の形態２による燃料電池の電圧と電流密度の関係を示すグラフである。
【図８】従来の固体高分子型燃料電池におけるセパレータの断面図である。
【符号の説明】
【００８１】
１  セル、２  保持部、３  発電部、４  燃料ガス連通口、５  酸化剤ガス連通口、６  冷却水連通口、７  燃料ガス導入孔、８  燃料ガス排出孔、９  酸化剤ガス導入孔、１０  酸化剤ガス排出孔、１１ａ  冷却水導入孔、１１ｂ  冷却水排出孔、１２  電解質、１３  正極、１４  負極、１５  正極側セパレータ、１６  負極側セパレータ、１７ａ，１７ｂ  金属板、１８，１９  シール、２０  細孔、２１  発泡体のない部分、１００  セパレータ、１０１  正極、１０２  金属発泡体、１０２ａ  露出部分、１０３  導電性メッキ。
【図１】
2008041321.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2008041321.tif 000007
【図６】
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【図７】
2008041321.tif 000009
【図８】
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