(57)【要約】【課題】電極部材との接触抵抗を低下することができ、燃料電池の出力を向上することができる燃料電池用セパレータを提供する。【解決手段】アモルファスカーボンからなり、電極部材と接触する面に深さ５〜１００μｍ、底面積０．０１〜３ｃｍ２の複数の凹部が形成されており、凹部総底面積の前記電極部材と接触する全表面積に占める比率が５％〜９０％であることを特徴とする燃料電池用セパレータ。また、凹部の深さが１０〜８０μｍ、底面積が１〜３ｃｍ２であり、凹部の個数が１００ｃｍ２あたり１０〜２００個であり、凹部の全表面積に占める割合が、２０〜８０％である前記燃料電池用セパレータ。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アモルファスカーボンからなり、電極部材と接触する面に深さ５〜１００μｍ、底面積０．０１〜３ｃｍ２の複数の凹部が形成されており、凹部総底面積の前記電極部材と接触する全表面積に占める比率が５％〜９０％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】
凹部の深さが１０〜８０μｍ、底面積が１〜３ｃｍ２であり、凹部の個数が１００ｃｍ２あたり１０〜２００個であり、凹部の全表面積に占める割合が、２０〜８０％である請求項１記載の燃料電池用セパレータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池用セパレータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、低公害で、高い発電効率を持つ次世代の発電装置として期待されている。この燃料電池の種類としては、電解質の種類により、アルカリ型、リン酸型、固体高分子型、溶融炭酸塩型、固体電解質型などがある。これらの燃料電池には、水素含有ガス・液体（アノードガス・液体）と酸素含有ガス（カソードガス）との電気化学反応により起電力を生ずる単位電池と、積層された単位電池間に介在する燃料電池用セパレータ（以下、「セパレータ」と略称する。）とが備えられている。
【０００３】
セパレータは、隣り合う単位電池双方の電極と接触して、これら単位電池間を電気的に接続するとともに、セパレータの表裏で異なる反応ガスを分離する作用を担うものであり、その表面には反応ガス流路を形成するために溝加工が施されているのが一般的である。また、アルカリ型、リン酸型、固体高分子型などの比較的低温で動作する燃料電池には、動作温度の安定を図る目的でセパレータの片側に冷却水を流すための溝を備えているものもある。
【０００４】
上記セパレータに要求される特性としては、導電性を有すること、ガス透過性が小さいこと、耐熱性及び耐食性があること、アノードガス・液体及びカソードガスと反応しないこと、機械的強度に優れていることなどが挙げられる。また、燃料電池は、その構成上、複数枚のセパレータを使用するため、例えば自動車用途で使用する際などには、軽量であることも重要である。
【０００５】
セパレータの材質としては、黒鉛材料、黒鉛粉末や黒鉛繊維に熱硬化性樹脂を含侵したコンポジット材料、アモルファスカーボン材料、チタンやステンレス等の金属材料などがあるが、コスト、ガス不透過性、耐食性・耐熱性、導電性、機械強度などの面に優れるアモルファスカーボン材料は燃料電池用セパレータとして有望な材質であると考えられている。
【０００６】
しかしながら、アモルファスカーボンは導電性に優れるものの、スタックとして積層した場合に、単位電池の電極部材とセパレータとが接触する部分の接触抵抗が高くなり、結果として燃料電池の発電性能を低下させるという問題点がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明は、このような問題点を解決して、単位電池とセパレータとをスタックとして積層した場合の接触抵抗、特に単位電池の電極部材と接触する部分の接触抵抗が小さい燃料電池用セパレータを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究を行った結果、セパレータ表面の電極部材と接触する面に、深さ５〜１００μｍで底面積０．０１〜３ｃｍ２の複数の凹部を形成することで上記課題が解決されることを見出し、本発明に到達した。
【０００９】
すなわち本発明の要旨は、アモルファスカーボンからなり、電極部材と接触する面に深さ５〜１００μｍ、底面積０．０１〜３ｃｍ２の複数の凹部が均一に点在する形で形成されており、凹部総底面積の前記電極部材と接触する面の全表面積に占める比率が５％〜９０％であることを特徴とする燃料電池用セパレータを要旨とするものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について詳細に説明する。
本発明における燃料電池用セパレータは、アモルファスカーボンからなる。アモルファスカーボンは、黒鉛材料とほぼ同等の固有抵抗を有しており、導電性に優れる材料である。また、ガス透過性が低いため、セパレータ表裏において異なるガス（アノードガスとカソードガス）を用いる場合、透過によるガスの混合を防ぐことができる。さらに、耐食性・耐熱性に優れるため、様々な方式の燃料電池に使用可能である。
【００１１】
アモルファスカーボンの製造方法としては、特に限定されるものではないが、通常、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、メラミン樹脂、フラン樹脂、エポキシ樹脂、カルボジイミド樹脂、フルフリルアルコール樹脂等の熱硬化性樹脂、あるいは前記熱硬化性樹脂に黒鉛粒子、カーボンブラック粉末、熱硬化性樹脂硬化物粉、無機粒子、無機繊維、炭素繊維、活性炭繊維、木粉やセルロース粒子等を混合した成形材料を、射出成形法、プレス成形法、トランスファー成形法等で成形加工した後、不活性ガス雰囲気中において９００℃〜１６００℃の温度で炭化焼成することにより得ることができる。
【００１２】
上記のよう成形加工方法の中でも、成形サイクルが短く、複雑な形状にも容易に対応でき、また製品の寸法精度も良好であるうえ、連続生産に適していることから射出成形が好ましい。なお、射出成形による成形加工を行う際には、成形材料を予め焼成時に寸法収縮を見込んだ寸法形状の金型を用いて射出成形加工することが好ましい。
また、炭化焼成としては、窒素ガス、ヘリウムガス、アルゴンガス等の不活性ガス雰囲気下、温度７００〜１６００℃で炭化焼成することが好ましい。７００℃以下の温度での炭化焼成では、充分に炭化することができないためアモルファスカーボンの特性が発現しない。一方、１６００℃以上の温度を適応させても得られるアモルファスカーボン体の特性に大きな変化は生じない。製造時におけるエネルギーを有効に活用する観点から、さらに好ましい炭化焼成温度は９００〜１５００℃である。
【００１３】
本発明における燃料電池用セパレータは、電極部材と接触する面に複数の凹部が均一に点在する形で形成される必要がある。電極部材としては、人造黒鉛・膨張黒鉛粉末、炭素繊維、粒状または繊維状活性炭、あるいはカーボンナノチューブ等のシートが用いられ、なかでもカーボンペーパー等が好適に使用される。これらは通常、イオン交換膜に触媒を介して固着される。これらのシートは、気孔率が高く、比較的柔らかい材質であることから、アノード及びカソードガスの吸収、透過、発散を目的として使用される。また、カーボンペーパーの表面粗度（Ｒａ：５〜２０μｍ、Ｒｙ：３０〜７０μｍ）は、アモルファスカーボンの表面粗度（Ｒａ：０．０１〜０．０５μｍ、Ｒｙ：０．３〜０．５μｍ）よりも高く、これが接触抵抗を高くしている要因の一つと考えられる。このため、電極部材に接触するセパレータ表面に、凹部を設けることにより、適度な締め付け圧力下で、アモルファスカーボンセパレータがカーボンペーパーに食い込み易くなり、安定した接触状態を実現できる。また、凹部壁面部分にも電極部材が接触するため、結果としてトータルの接触面積が増えることになり、接触抵抗をさらに小さくできる。
【００１４】
凹部の数は、凹部底面積に依存するが、より多く設けることが好ましい。例えば、同じ凹部全底面積であっても、底面積の小さな凹部が多数存在する方が、底面積の大きな凹部が少数存在する場合より、凹部全壁面積が大きくなるため、接触抵抗をより低下できる。
【００１５】
また、凹部が電極部材と接触するセパレータ表面全体に均一に点在することが好ましい。これにより、締め付け圧力のムラが発生するのを抑制でき、より食い込み易くできる。
【００１６】
凹部の深さとしては、５〜１００μｍが好ましく、更に１０〜８０μｍがより好ましい。深さが５μｍより小さくなると凹部壁面の面積が小さくなるため接触面積を増やし、接触抵抗を低下させる効果が小さくなり、深さが１００μｍを越えるとプレス圧力が低い領域において凹部がカーボンペーパーと非接触状態になるため、逆に接触面積が低下し、結果的に接触抵抗が高くなってしまう。また、凹部の深さは、底面積との兼ね合いで、底面積が大きいときは深さを深くし、底面積が小さいときは深さを浅くするのが好ましい。
【００１７】
凹部の底面積としては、０．０１〜３ｃｍ２が好ましく、更に０．０２〜２ｃｍ２がより好ましい。底面積が０．０１ｃｍ２より小さくなると、食い込みが弱くなり、接触抵抗を低下させる効果が小さくなる。一方、底面積が３ｃｍ２を越えると凹部の数を増やすことができなくなり、全壁面積を増やせないため、接触抵抗を低くすることができない。
【００１８】
凹部の形状としては、特に限定されるものではく、円形あるいは楕円形、矩形といった様々な形状が適用できる。
【００１９】
凹部の壁面はセパレータ表面に対して垂直であることが好ましいが、特に限定されるものではなく、緩やかなスロープを形成しているものでも良い。
【００２０】
凹部総底面積の電極部材と接触する全表面積に占める比率は５％〜９０％とする必要があり、２０％〜８０％がより好ましい。凹部総底面積の電極部材と接触する全表面積に占める比率を高くすると、凹部総壁面積が増え、接触面積の増加により接触抵抗が小さくなるので、できるだけ比率を高くするほうがさらに好ましい。比率が５％より低くなると、食い込みが弱くなり、接触抵抗を低下させる効果が小さくなる。一方、比率が９０％を超えると、セパレータ表面凸部の強度が低下し、割れ・欠け等の問題が発生する恐れがある。
【００２１】
凹部をセパレータ表面に形成する方法としては、樹脂材料を成形加工する際の金型表面に予め所定の形態を有する凸部を設ける、あるいはイジェクターピン（押し出しピン）を予め突き出しておくことにより、成形加工時に凹部を形成する方法、成形加工体に予め炭化焼成時の焼成収縮を考慮した大きさの凹部を切削加工する方法、炭化焼成後のアモルファスカーボンに所定の形態の凹部を直接切削加工する方法等があるが、生産性を考慮した場合、成形加工時に凹部を形成する方法が好ましい。
【００２２】
凹部を含むセパレータの表面の表面粗度としては、特に限定されるものではないが、Ｒａ１０μｍ以下であることが好ましい。電極部材と接触しない面、特に電極部材が接触する面の外周部分は、シール部材によりシーリングするため、その部分の表面粗度がＲａ１０μｍを超えると、ガス漏れにより、燃料電池の安全性や出力効率が損なわれる恐れがある。
【００２３】
なお、本発明に用いられるセパレータのサイズは特に限定されるものではなく、目的に応じて設計変更できるものである。また、通常燃料電池セパレータには、アノードガス、カソードガス等の反応ガスを流す流路、あるいは燃料電池の動作温度を安定させるために冷却水等の熱媒体を流す流路等が設けられるが、それらのサイズ及び形態も特に限定されるものではなく、目的に応じて種々に変更可能である。溝の深さは特に限定されるものではないが、アノード及びカソードガス等をイオン交換膜全体に行き渡らせるために、溝深さが０．２〜１ｍｍであるのが好ましい。
【００２４】
【実施例】
次に、実施例に基づき本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。なお、実施例、比較例における各種物性値の測定は以下の方法により実施した。
（１）接触抵抗（ｍΩ）：市販のカーボンペーパー（厚み：０．３ｍｍ）の間に被測定セパレータを挟み込んだものを２枚の電極で把持し、プレス機（神藤金属工業所社製）を用いてセパレータ面方向に０．２〜１．５ＭＰａのプレス圧力を段階的に付与する。各々のプレス圧力下において電極間に１００Ａの定電流を通電した際の電極間電圧を測定し、測定電圧と通電電流とから電極間抵抗を算出する。この電極間抵抗は、被測定セパレータ及びカーボンペーパー（２枚分）の体積抵抗、電極とカーボンペーパーとの接触抵抗（２箇所）、被測定セパレータとカーボンペーパーとの接触抵抗（２箇所）の積算抵抗であるが、被測定セパレータの厚みを変えない限りは、被測定セパレータ及びカーボンペーパー（２枚分）の体積抵抗と、電極とカーボンペーパーとの接触抵抗とは定数であり、被測定セパレータとカーボンペーパーとの接触抵抗（２箇所）をこの電極間抵抗で代用することができる。よって、本発明では、前記電極間抵抗を被測定セパレータとカーボンペーパーとの接触抵抗とし、以下の実施例と比較例のセパレータを評価した。
【００２５】
実施例１〜４
フェノール樹脂（ユニチカ社製　ユニベックスＮタイプ）５５質量％と、平均粒子径が１５μｍのフェノール樹脂完全硬化物（ユニチカ社製　ユニベックスＣタイプ）４５質量％とを含有する樹脂組成物を、金型を用いて射出成形して、縦１１９．８ｍｍ×横１２１ｍｍ、厚さ２．４ｍｍの成形加工体を得た。得られた成形加工体を、真空パージ式焼成炉（光洋サーモシステム社製　ＫＬＬ−９７４５１４）を用いて、窒素ガス雰囲気中１０００℃で炭化焼成し、縦１００ｍｍ×横１００ｍｍ、厚さ２．０ｍｍのアモルファスカーボン製燃料電池用セパレータを得た。
その際、凹部は、予め炭化焼成時の焼成収縮を考慮して、成形加工時にイジェクターピンの面積、突き出し量、数量、位置等を変更することにより、成形加工体の段階で形成した。
形成された凹部形態の一例を図１に示す。凹部はそれぞれ同じ距離を隔てて形成され、電極部材と接触するセパレータ表面全体に均一に点在している状態である。
【００２６】
得られたアモルファスカーボン製燃料電池用セパレータについて、複数のプレス圧力下での接触抵抗を測定した。電極部材としては、厚さ０．３ｍｍのカーボンペーパーを使用した。電極部材のサイズは、セパレータと同じであり、よって、電極部材とセパレータとが接触する面積は片面で１００ｃｍ２である。セパレータの凹部形態とプレス圧力０．５ＭＰａおよび０．２ＭＰａのときの接触抵抗値とを表１に示す。
【００２７】
【表１】
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【００２８】
また、得られたアモルファスカーボン製燃料電池用セパレータのプレス圧力と接触抵抗との関係を図２に示す。
【００２９】
実施例５
実施例１〜４と同じ方法で、表裏両面にガスの流路となる深さ０．５ｍｍ、幅１．０ｍｍの溝が１ｍｍピッチで形成されたアモルファスカーボン製燃料電池用セパレータを得た。
その際、凹部は、予め炭化焼成時の焼成収縮を考慮して、成形加工時にイジェクターピンの面積、突き出し量、数量、位置等を変更することにより、成形加工体の段階で形成した。
得られたアモルファスカーボン製燃料電池用セパレータについて、複数のプレス圧力下での接触抵抗を測定した。電極部材のサイズは、セパレータと同じであり、よって、電極部材とセパレータとが接触する面積は片面で５０ｃｍ２である。セパレータの凹部形態とプレス圧力０．５ＭＰａおよび０．２ＭＰａのときの接触抵抗値とを表１に示す。
また、得られたアモルファスカーボン製燃料電池用セパレータのプレス圧力と接触抵抗との関係を図２に示す。
【００３０】
比較例１〜３
凹部形態が異なる以外は実施例１〜４と同じ方法でアモルファスカーボン製燃料電池用セパレータを得た。
その際、凹部は、予め炭化焼成時の焼成収縮を考慮して、成形加工時にイジェクターピンの面積、突き出し量、数量、位置等を変更することにより、成形加工体の段階で形成した。
得られたアモルファスカーボン製燃料電池用セパレータについて、複数のプレス圧力下での接触抵抗を測定した。電極部材のサイズは、セパレータと同じであり、よって、電極部材とセパレータとが接触する面積は片面で１００ｃｍ２である。
セパレータの凹部形態とプレス圧力０．５ＭＰａのときの接触抵抗値とを表１に示す。
また、得られたアモルファスカーボン製燃料電池用セパレータのプレス圧力と接触抵抗との関係を図２に示す。
【００３１】
実施例１〜５で得られたアモルファスカーボン製燃料電池用セパレータの接触抵抗は、プレス圧力が低い領域においても比較的低い接触抵抗を示し、プレス圧力が高い領域でも十分低い接触抵抗を示した。また、セパレータ表裏面に溝を有する実施例５で得られたアモルファスカーボン製燃料電池用セパレータも、各々の圧力下で十分低い接触抵抗を示した。一方、比較例１〜３で得られたアモルファスカーボン製燃料電池用セパレータは、プレス圧力が低い領域では著しく高い接触抵抗を示し、プレス圧力を高くしても接触抵抗の低下度合いが小さい。また、プレス圧力が高い領域でも実施例の接触抵抗よりも高い接触抵抗を示した。
【００３２】
【発明の効果】
以上のように本発明の燃料電池用セパレータによると、イオン交換膜に固着された電極部材と接触する面に深さ５〜１００μｍ、底面積０．０１〜３ｃｍ２の複数の凹部が均一に点在する形で形成することで、電極部材との接触抵抗を低下することができ、結果として燃料電池の出力を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例における凹部形態の一例を示す図である。
【図２】本発明の実施例及び比較例におけるプレス圧力と接触抵抗との関係を示す図である。
【図１】
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【図２】
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