(57)【要約】【課題】セパレータとガス拡散層間の接触抵抗を低減することを課題とする。【解決手段】周辺に平坦部を有し、周辺を除く部分にはガス流路となる凸部ならびに凹部を有し、断面形状が連続する波形となる固体高分子型の燃料電池用セパレータ１であって、カーボンペーパ２と接するセパレータ１の凸部の頂上を曲面とし、この曲面の曲率半径をカーボンペーパの厚さに対して３〜２０倍として構成される。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
周辺に平坦部を有し、周辺を除く部分にはガス流路となる凸部ならびに凹部を有し、断面形状が連続する波形となる固体高分子型の燃料電池用セパレータであって、
ガス拡散層と接するセパレータの凸部の頂上を曲面とし、この曲面の曲率半径は、前記ガス拡散層の厚さに対して３〜２０倍である
ことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
前記ガス拡散層と接する前記セパレータの凸部の曲率半径は、隣接する凸部の間隔（ピッチ）に対して１／４〜２倍である
ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項３】
前記ガス拡散層と接する前記セパレータの凸部の頂上の曲率半径は、０．６〜４．５ｍｍとする
ことを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項４】
前記ガス拡散層と接するセパレータの凸部の肩部の曲率半径は、０．３ｍｍ以上であり、凸部の頂上の曲率半径以下である
ことを特徴とする請求項１，２及び３のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項５】
一方面が前記ガス拡散層に接し、他方面が別のセパレータと接する構成の燃料電池に用いる燃料電池用セパレータであって、
断面の形状が非対称であり、かつ前記ガス拡散層と接する面の凸部頂上曲率は、前記他方面の凸部頂上曲率よりも小さい
ことを特徴とする請求項１，２、３及び４のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項６】
前記セパレータは、耐食性かつ導電性の表面処理を施したステンレス鋼板を用いた
ことを特徴とする請求項１，２、３，４及び５のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項７】
前記請求項１，２，３，４，５及び６のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータを用いて、燃料電池を形成した
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項８】
前記ガス拡散層は、カーボンペーパからなる
ことを特徴とする請求項７記載の燃料電池。
【請求項９】
前記請求項７又は８記載の燃料電池を搭載し、前記燃料電池を動力源として用いた
ことを特徴とする燃料電池車。
【請求項１０】
周辺に平坦部を有し、周辺を除く部分にはガス流路となる凸部ならびに凹部を有し、断面形状が連続する波形となる固体高分子型の燃料電池用セパレータの製造方法であって、
ガス拡散層と接するセパレータの凸部の頂上を曲面とし、この曲面の曲率半径は、前記ガス拡散層の厚さに対して３〜２０倍である前記セパレータを、プレス成形によって製造する
ことを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子電解質型の燃料電池で使用される燃料電池用セパレータ、この燃料電池用セパレータを用いた燃料電池、この燃料電池を搭載した燃料電池車及び燃料電池用セパレータの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
地球環境保護の観点から燃料電池を車両の内燃機関に代えて作動するモーターの電源として利用し、このモーターにより車両を駆動することが検討されている。この燃料電池は、資源の枯渇問題を有する化石燃料を使う必要がないので、排気ガス等を発生することがないとともに、騒音をほとんど発生せず、またエネルギーの回収効率も他のエネルギー機関と比べて高くできる等の優れた特徴を有している。
【０００３】
これら燃料電池は、使用される電解質の種類により、固体高分子電解型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型等の各種タイプが知られている。このうち、固体高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ：Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  ）は、分子中にプロトン交換基を有する高分子電解質膜を飽和に含水させてプロトン伝導性電解質として機能することを利用した燃料電池であって、比較的低温度域で作動し、発電効率も優れている。また、他の付帯設備とともに小型でかつ軽量であるため、電気自動車搭載用を始めとして各種の用途が見込まれている。
【０００４】
固体高分子型燃料電池では、電気化学反応により発電を行う単位セル（単電池）を複数個積層し、それを加圧保持することにより電池（スタック）を構成する。単位セルは高分子電解質膜とその両側に接合されるアノード（水素極）とカソード（酸素極）より構成される。
【０００５】
図９は固体高分子型燃料電池の原理を示す図である。
【０００６】
図９において、燃料電池の単位セル９１は、固体高分子膜９２の両側に夫々酸素極９３、水素極９４を接合することにより構成されている。そして、この接合体は、固体高分子膜９２の両側に酸素極９３、水素極９４を合わせた後、ホットプレス等により製造されている。酸素極９３、水素極９４は、反応膜９５とガス拡散層９６が接合されたもので、固体高分子膜９２とは反応膜９５の表面が接触している。また、酸素極９３、水素極９４は、ガスや水を通過させるために内部がポーラス状になっている。電池反応は、主に固体高分子膜９２と反応膜９５との間の接触面で起こる。酸素極９３の片側には、酸素流路、水素流路、ならびに冷却水通路を有するセパレータ９７が接合され、水素極９４の片側には、酸素流路、水素流路、ならびに冷却水流路を有するセパレータ９８が夫々接合されている。
【０００７】
このような構成の燃料電池において、酸素流路及び水素流路は酸素及び水素を夫々供給すると、酸素、水素は各々のガス拡散層９６を介して反応膜９５側へ供給され、各反応膜９５で次のような反応が起こる。
【０００８】
【化１】
一方の反応膜９５上での反応：  （１／２）Ｏ２＋２Ｈ＋→Ｈ２Ｏ
他方の反応膜９５上での反応：    Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
ここで、２Ｈ＋  は固体高分子膜９２を通って水素極９４から酸素極９３へ流れるが、エレクトロン２ｅ−  は負荷９９を通って水素極９４から酸素極９３へ流れ、電気エネルギーが得られる。
【０００９】
上述した固体高分子型の燃料電池セルは、例えば図６に示すように、セパレータ６０を介して単位セル６１が複数個積層され、エンドフランジ６２で挟んだ状態で締結ボルト６３により締め付けられて固定されている。
【００１０】
燃料電池（セル）を積層するためには、各単位セル間にセパレータと呼ばれる部材が設けられている。このセパレータには、酸素あるいは水素が流通するガス流通溝が配設されている。
【００１１】
また、固体高分子型の燃料電池では、水素、二酸化炭素、窒素、水蒸気の混合ガスがアノード側に、空気及び水蒸気がカソード側に供給される。それぞれのガスの温度は８０〜９０°Ｃ程度の高温状態であり、セパレータはそれぞれのガスにさらされるため、高い耐熱性が要求される。さらに、セパレータは各単位セル間を電気的に接続させるため、高い電気伝導性が要求され、かつ構成材料との低い接触抵抗が必要とされる。
【００１２】
このため、例えば以下に示す非特許文献１に開示されているように、例えば上記セパレータとしては、カーボン材料をプレート状に成形し、図１０に示すように、固体高分子膜１００を挟む単位セル１０１に接合されるセパレータ１０２の両面には、反応ガス流路面１０３を成形したものが用いられていた。
【００１３】
しかし、セパレータを構成するカーボン材は、構成材料との接触抵抗は低く、この点からは優れるものの、金属材料に比べると強度が弱くなっていた。燃料電池を車両になどに搭載するためには、燃料電池を小型化したいという要求があり、このためにセパレータの厚さを薄くしたいという要求がある。しかし、カーボン材を使用したセパレータでは、厚さを薄くするにはおのずから限界があり、１〜５ｍｍ程度の厚さが一般的であった。
【００１４】
そこで、燃料電池の小型化、低コスト化のため、例えば以下に示す特許文献１あるいは特許文献２に開示されているように、金属製薄板材料を用い、プレス成形などの加工により、セパレータを波形に成形することで、セパレータの厚さを低減することが試みられている。特許文献２には、ガス流路となる凸部及び凹部を有するセパレータを低コストに提供するための製造装置が開示されており、このセパレータの例として、凸部の曲率半径として０．５ｍｍとしたものがある。
【００１５】
このような金属製薄板をセパレータ材料として用いる場合には、通常ガス拡散層として用いられるカーボンペーパーとの接触抵抗を小さく抑えることが課題である。特に、車両用の用途では、燃料電池内の抵抗分極による過電圧は、発熱ロスとなる。一方、定置型用途ではコージェネレーション等により排熱を回収し、トータルとしての熱効率の向上が期待できる。しかし、車両用の用途では、接触抵抗に基づく発熱ロスは、冷却水を通してラジエターより外部へ捨てるしかないため、接触抵抗が大きいと効率低下につながる。また、この効率低下は発熱が大きくなることと等価であるため、より大きな冷却系を装備する必要もでてくる。
【００１６】
燃料電池では、単位セル当りの理論的な電圧は１．２３Ｖ程度となるが、反応分極、ガス拡散分極、抵抗分極により、実際に取り出せる電圧が降下し、取り出す電流が大きくなるほど電圧は降下する。また、車両用の用途では、単位体積・重量当りの出力密度を大きくしたいことから、定置用より高電流密度側で使われる。
【００１７】
この電流密度の最大値の代表例として、車両用の用途では１Ａ／ｃｍ２  程度となる。電流密度の最大値が１Ａ／ｃｍ２  程度の時には、出力電圧は０．５〜０．７Ｖ程度となる。例えばセパレータとカーボンペーパー間の接触抵抗を、
１０ｍΩ・ｃｍ２  程度とし、これが単位セル当りに２面ずつ存在するものとすると、電圧降下は０．０２Ｖ程度となり、これは出力電圧に対して５％となる。
【００１８】
車両用の用途としては、接触による発熱は全てロスになるため、この接触抵抗をなるべく低く抑える必要があり、セパレータとカーボンペーパー間の接触抵抗を１０ｍΩ・ｃｍ２  程度に抑えることができれば、出力に対する比率を５％以内に抑えることができる。このため、セパレータとカーボンペーパー間の接触抵抗の上記値は、一つの基準として使用することができる。
【００１９】
セパレータに金属材料を用いた場合に、カーボンペーパーとの間に発生する接触抵抗を小さく抑えるための解決策の一つとして、例えば以下に示す特許文献３に記載された技術が知られている。特許文献３に開示された技術では、金属材料の表面にカーボンとの接触抵抗の小さな金、白金、パラジウム等の貴金属メッキコーティングを用いている。
【００２０】
【特許文献１】
特開２０００−３２３１４９号公報
【００２１】
【特許文献２】
特開２００２−１９０３０５号公報
【００２２】
【特許文献３】
特開平１１−３１２５３０号公報
【００２３】
【非特許文献１】
「固体高分子型燃料電池の開発と実用化」，（株）技術情報協会，１９９９年  ｐ．９２−９３
【００２４】
【発明が解決しようとする課題】
以上説明したように、燃料電池に使用される従来のセパレータにおいては、セパレータの厚さを薄くすると共に、接触抵抗を小さくすることが要求されていた。しかし、これらの要求を解決する従来の解対策では、不十分であり、接触抵抗のより一層の低減が課題となっていた。
【００２５】
そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、セパレータとガス拡散層間の接触抵抗を低減し、出力損失を抑制した燃料電池用セパレータ、この燃料電池用セパレータを用いた燃料電池、この燃料電池を搭載した燃料電池車及び燃料電池用セパレータの製造方法を提供することにある。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の課題を解決する手段は、周辺に平坦部を有し、周辺を除く部分にはガス流路となる凸部ならびに凹部を有し、断面形状が連続する波形となる固体高分子型の燃料電池用セパレータであって、ガス拡散層と接するセパレータの凸部の頂上を曲面とし、この曲面の曲率半径は、前記ガス拡散層の厚さに対して３〜２０倍であることを特徴とする。
【００２７】
【発明の効果】
本発明によれば、ガス拡散層とセパレータ間の接触抵抗を低減することができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。
【００２９】
図１は本発明の第１の実施形態に係る燃料電池用セパレータの断面形状を示す模式図であり、図２はこの第１の実施形態に係る燃料電池用セパレータにおける波形形状の斜視模式図である。
【００３０】
この第１の実施形態では、金属製薄板で構成されたセパレータ１と、ガス拡散層として用いられるカーボンペーパ２との接触抵抗を低減するために、図３に示すように、セパレータ１の波形形状を特定する複数のパラメータを用意し、この複数のパラメータを変化させて、実施例１〜９、ならびにこの実施例１〜９と比較するための比較例１〜３で示すセパレータの構成を採用し、それぞれの実施例１〜９ならびに比較例１〜３において、面圧０．５ＭＰａと１．０ＭＰａでの接触抵抗を測定した。
【００３１】
セパレータ１の波形形状を特定する複数のパラメータとしては、図３に示すように、カーボンペーパ側曲率半径（Ｒ１（頂上曲率）、Ｒ２（肩曲率））、セパレータ１がカーボンペーパ２と接触する側と反対側の、反対側曲率半径（Ｒ３（頂上曲率）、Ｒ４（肩曲率））、セパレータ凹凸形状（Ｐ（頂点間隔）、ｄ（溝深さ））、凸部頂上曲率／カーボンペーパ厚さ、ならびに凸部頂上曲率／頂点間隔を設定した。
【００３２】
なお、図４は図３に示す比較例３のセパレータの断面形状を示す模式図である。
【００３３】
上記実施例１〜９ならびに比較例１〜３で示す形状のセパレータでは、耐食性かつ導電性の表面処理を施したステンレス鋼板を用いた。耐食性かつ導電性の表面処理とは、例えば金メッキ処理、ＣｒＮ、ＴｉＮなどを用いたイオンプレーティング処理、導電かつ耐食性塗料の塗布などである。ステンレス鋼板としては、例えばＳＵＳ３１６Ｌ材の板厚０．２ｍｍの板材を用い、この板材をプレス成形にて所定の形状に成形した後、金メッキを施した。これらを所定の寸法に切り出し、図５に示すように、電極５０／ガス拡散層（カーボンペーパー）５１／セパレータ成形品５２／電極５３を積層し、電極間に電圧を印加した時の電極間の電流を求めることで貫通抵抗を測定し、接触抵抗を測定した。
【００３４】
なお、この時用いたガス拡散層（カーボンペーパー）には、例えば東レ（株）製のカーボンペーパのＴＧＰ−Ｈ−０９０を用いた。このカーボンペーパは、厚さ０．２６ｍｍ、かさ密度０．４９ｇ／ｃｍ３、空隙率７３％、気体透過度３７ｍｍａｑ／ｍｍ、厚さ方向体積抵抗率０．０７Ω・ｃｍである。
【００３５】
このようにして構成された実施例１〜９のセパレータは、図３に示す接触抵抗の測定結果から明らかなように、比較例１〜３に対して、低い接触抵抗が得られた。
【００３６】
一方、燃料電池の他の構成要素であるガス拡散層（カーボンペーパー）の座屈破壊、クリープ変形、固体高分子型電解質膜のクリープ、ならびに破断などを防止する観点から、カーボンペーパのセパレータとの接触部にかかる面圧はなるべく低くしたいという要求がある。一般的には、面圧が低いほど接触抵抗が高くなる。しかし、実施例１〜９では、面圧０．５ＭＰａでの接触抵抗の測定値は、比較例１〜３の面圧１．０ＭＰａでの接触抵抗の測定値に比べて、小さい値が得られた。また、いずれの実施例１〜９においても、接触抵抗は前述した一つの基準値である１０ｍΩ・ｃｍ２  以下の値が得られている。
【００３７】
以上説明したように、本発明の上記実施形態においては、図３に示すような形状、すなわちカーボンペーパ（ガス拡散層）と接するセパレータの凸部の頂上を曲面とし、この曲面の曲率半径がカーボンペーパの厚さに対して、３〜２０倍程度とすることにより、燃料電池に使用されるガス拡散層の厚さによらず、金属製セパレータとガス拡散層間の接触抵抗を低減することができる。また、カーボンペーパと接する凸部の曲率半径を、隣接する凸部の間隔（ピッチ）に対し、１／４〜２倍程度とすることにより、燃料電池として通常使用されるガス流路のための断面形状を備えながら、金属製セパレータとガス拡散層間の接触抵抗を低減することができる。
【００３８】
さらに、面圧が低くても上述したと同様の効果が得られるため、ガス拡散層（カーボンペーパー）の座屈破壊、クリープ変形、固体高分子型電解質膜のクリープ、ならびに破断などを防止することができ、燃料電池セルや燃料電池スタックの構造を簡素化することが可能となる。
【００３９】
図３の実施例１〜６に示すように、カーボンペーパと接するセパレータの凸部の頂上の曲率半径を０．６〜４．５ｍｍ程度とすることにより、さらに接触抵抗を低減することができる。
【００４０】
図３の実施例１、７、８に示すように、カーボンペーパと接するセパレータにおける凸部の肩部の曲率半径を０．３ｍｍ程度以上とすることにより、さらに接触抵抗を低減することができる。
【００４１】
また、セパレータの断面の形状を非対称とし、カーボンペーパと接するセパレータの凸部頂上曲率を、反対面の凸部頂上曲率よりも小さくすることにより、より一層接触抵抗を低減することができる。
【００４２】
セパレータの板材として、耐食性かつ導電性の表面処理を施したステンレス鋼板を用いたことにより、燃料電池の小型化に適した強度を有するセパレータを低コストで供給することが可能となる。
【００４３】
この実施形態のセパレータを用いて、前述した図６に示すようにして燃料電池スタックを組み立て、もしくは図７に示すように、複数個積層した単位セル７０をアングル７１で挟んだ状態で締結ボルト７２により締め付けて固定し、燃料電池スタックを組み立てることにより、コンパクトかつ高効率な燃料電池スタックを提供することができる。この場合に、高分子電解質型膜としては、例えばスルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体膜（商品名：ナフィオン１１２、デュポン株式会社製）などを使用することができる。
【００４４】
ガス拡散層に、カーボンペーパという汎用材を用いているので、コストの上昇を招くことなく、高い効率を維持したまま、小型の燃料電池セル又は燃料電池スタックを実現することができる。
【００４５】
また、図８に示すように、上記実施形態のセパレータを用いた燃料電池ユニット８０を車両の動力源として適用することにより、効率の良い燃料電池スタックを小さな空間に搭載し、燃料電池車の燃費、エネルギー効率の向上に貢献することができると共に、スタイリングの自由度を向上することができる。
【００４６】
上記実施形態のセパレータは、プレス成形という汎用の成形技術によって製造することが可能となるので、複雑な製造設備を導入するなどの設備投資が不要で、かつ高度な成形技術も不要となる。これにより、製造工程を短縮することが可能となり、低コストでセパレータを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池用セパレータの断面形状を示す模式図である。
【図２】図１に示す燃料電池用セパレータにおける波形形状の斜視模式図である。
【図３】セパレータの形状の詳細、ならびに接触抵抗の測定値を示す図である。
【図４】比較例の燃料電池用セパレータの断面形状を示す模式図である。
【図５】セパレータの接触抵抗の測定方法を示す図である。
【図６】本発明の燃料電池用セパレータを用いた燃料電池の構成を示す図である。
【図７】本発明の燃料電池用セパレータを用いた燃料電池の他の構成を示す図である。
【図８】本発明の燃料電池用セパレータを用いた燃料電池を搭載した車両の構成を示す図である。
【図９】燃料電池の発電原理を説明するための図である。
【図１０】カーボンセパレータを用いた従来の燃料電池の構成を示す図である。
【符号の説明】
１，６０，９７，９８，１０２…セパレータ
２，５１…カーボンペーパ
５０，５３…電極
５２…セパレータ成形品
６１，７０，９１，１０１…単位セル
６２…エンドフランジ
６３，７２…締結ボルト
７１…アングル
８０…燃料電池ユニット
９２，１００…固体高分子膜
９３…酸素極
９４…水素極
９５…反応膜
９６…ガス拡散層
９９…負荷
１０３…反応ガス流路面
【図１】
2004296199.tif 000003
【図２】
2004296199.tif 000004
【図３】
2004296199.tif 000005
【図４】
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【図５】
2004296199.tif 000007
【図６】
2004296199.tif 000008
【図７】
2004296199.tif 000009
【図８】
2004296199.tif 000010
【図９】
2004296199.tif 000011
【図１０】
2004296199.tif 000012