(57)【要約】【課題】固体高分子電解質膜とその両側の燃料極と空気極とでＭＥＡを構成し、そのＭＥＡの両側を、黒鉛粒子と樹脂の混合物よりなり、表面にガス流路が一体成形されセパレータで挟んだ単セルスタックを積層してなる燃料電池において、電極とセパレータ間の接触抵抗の低い燃料電池を提供する。【解決手段】セパレータ１６の表面をＹＡＧレーザ照射２０して、表面にできた樹脂成分の多いスキン層を炭化除去する。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜とその両側の燃料極と空気極とでＭＥＡを構成し、そのＭＥＡの両側をセパレータで挟んだ単セルスタックを積層してなる燃料電池であって、セパレータは黒鉛粒子と樹脂の混合物で表面にガス流路が一体成形され、セパレータの表面にできたスキン層が除去されている燃料電池。
【請求項２】
セパレータ表面に一体成形されたガス流路内のスキン層は除去されていない請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
レーザ照射によりセパレータの表面にできた樹脂成分の多いスキン層を炭化させる請求項１に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項４】
セパレータ表面に照射するレーザ照射を制御してセパレータの内部にまで熱が加わらないようにする請求項３に記載の燃料電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子電解質膜とその両側の燃料極と空気極で構成された膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ、以下、ＭＥＡという）の両側をセパレータで挟んだ燃料電池とその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、燃料電池は、水素を含む燃料と酸素等を含む空気とを電気化学的に反応させて電力エネルギーを発生させるものであり、使用する電解質によって各種の燃料電池に分類され、りん酸水溶液を電解質として使用するりん酸型燃料電池、高分子電解質膜を使用する高分子電解質型燃料電池等があり、図４は高分子電解質型燃料電池の従来の一般的な単セルスタックの断面図であり、１は水素イオン伝導性高分子電解質として働く高分子膜、２は前記高分子膜１の一方の面上に転写、印刷、塗布、射出等により付けられた、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒層３と燃料ガスの通気性と、電子導電性を併せ持つ多孔質の導電性カーボンシートを主成分とするガス拡散層４とから構成される燃料極、５は前記燃料極２の高分子膜１と反対側の面上に付けられた金属製セパレータ、６は前記金属製セパレータ５の燃料極２と接する表面上に形成された溝により、前記燃料極２を構成するガス拡散層４に燃料を供給するガス流路、７、８は、前記のように、高分子膜１の一方の面上に設けられた燃料極２、金属製セパレータ５と同様、高分子膜１の他方の面上に順次設けられた触媒層９とガス拡散層１０とからなる空気極と金属製セパレータ、１１は前記金属製セパレータ８の空気極７と接する表面上に形成された溝により、前記空気極７を構成するガス拡散層１０に酸素を供給するガス流路、１２は前記高分子膜１上に積層して設けた燃料極２と金属製セパレータ５の積層端面において、燃料極２の積層のない金属製セパレータ５と高分子膜１の間にシール材１３を介して設けられたガスケット（型枠）、１４は、前記ガスケット（型枠）１２と同様、前記高分子膜１上に積層して設けた空気極７と金属製セパレータ８の積層端面において、空気極７の積層のない金属製セパレータ８と高分子膜１の間にシール材１５を介して設けられたガスケット（型枠）である。
【０００３】
なお、前記ガスケット（型枠）１２、１４およびシール材１３、１５は供給する燃料ガスが外にリークしたり、２種類の燃料ガスが互いに混合しないように、燃料極２および空気極７の周囲に高分子膜１を挟んで配置され、燃料極２および空気極７、高分子膜１と一体化してＭＥＡとしてあらかじめ組み立てられている。
【０００４】
また、金属製セパレータ５、８はＭＥＡの外側において、ＭＥＡを機械的に固定すると共に、隣接したＭＥＡを互いに電気的に直列に接続するための働きをし、金属製セパレータ５、８のＭＥＡと接触する部分に形成したガス流路６、１１は、燃料極２および空気極７の表面に反応ガスを供給し、生成ガスや余剰ガスを運び去るための働きをする。ガス流路６、１１は金属製セパレータ５、８と別に設けることもできるが、金属製セパレータ５、８の表面に溝を設けてガス流路６、１１とする方式が一般的である。
【０００５】
このような固体高分子型の燃料電池では、金属製セパレータ５、８は導電性が高く、かつ燃料ガスに対してガス気密性が高く、さらに水素／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。
【０００６】
このような理由で、従来のセパレータは、フェノール樹脂等の樹脂単独、あるいは炭素粉末との混練物を平板に成形した後、非酸化雰囲気中で炭化、あるいは黒鉛化処理することにより、炭素質あるいは黒鉛質の平板を形成し、さらに切削加工等により表面にガス流路となる溝を形成することにより製造されている。
【０００７】
しかしながら、このセパレータは２０００℃以上の熱処理を必要とし、さらにガス流路を切削加工により形成するため、製造コストがかかるという問題点を有している。
【０００８】
そこで、黒鉛粒子と樹脂との混合物を数１００℃の温度でガス流路を一体成形することにより、安価にセパレータを製造する方法が提案されている。
【０００９】
しかしながら、黒鉛粉末と樹脂との混合物を成形したセパレータは、黒鉛焼結体に樹脂を含浸させて得られる不浸透黒鉛に比べて、セパレータに対し両面より当接する電極との接触抵抗が高いため、電池に組んだときの内部抵抗が高くなり、出力が低くなるという問題点がある。
【００１０】
また、燃料ガスに対して不透過性、導電性を有する膨張黒鉛成形体を使用したセパレータにおいて、その成形体内部の密度差による熱伝導特性、電気特性、機械的特性のばらつきに起因する成形体成品の寸法精度の低下を防止するために、膨張黒鉛成形体の表層の所定形状部分をブラスト加工、レーザー加工等の機械加工により除去することが考えられているが（例えば、特許文献１参照）、機械的に表層を加工するためガス流路の形状の維持に課題を持っている。
【００１１】
【特許文献１】
特開２０００−８２４７５号公報（第２頁〜第３頁  段落［０００５］、第３頁  段落［００１１］、第３頁〜第４頁  段落［００１４］）
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
前記のように、黒鉛粒子と樹脂の混合物でガス流路を一体成形したセパレータは、高温による熱処理やガス流路の切削加工が不要になるため製造コストが安くなるが、熱可塑性の樹脂でセパレータ表面にスキン層ができやすく、樹脂分が多いため電気抵抗が高くなり、また、逆に黒鉛粒子の含有率を上げると、混合物の溶融粘度が高くなり、材料が流れにくくなるため成形が困難となるという課題を持っている。
【００１３】
本発明は、上記課題を解決するものであり、電極とセパレータ間の接触抵抗の低い燃料電池とその製造方法を実現することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、電極とセパレータ間の接触抵抗に影響を与える要素について調査した結果、接触抵抗に影響を与える要素は、パレータの電極との接触面の表面粗さよりも、電極との接触面におけるセパレータを構成する樹脂の割合に大きく関係していることを見出し、さらに、成形品の反り量を低減し、電極との接触庄をセパレータ全面で均等にすることにより、接触抵抗をさらに下げることが可能であることを見出したことに基づきなされた。
【００１５】
そこで、前記の課題を解決する本発明は、固体高分子電解質膜とその両側の燃料極と空気極とでＭＥＡを構成し、そのＭＥＡの両側をセパレータで挟んだ単セルスタックを積層してなる燃料電池であって、セパレータは黒鉛粒子と樹脂の混合物で表面にガス流路が一体成形され、セパレータの表面にできたスキン層が除去されている燃料電池であり、電極とセパレータ間の接触抵抗の低い燃料電池を得ることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、固体高分子電解質膜とその両側の燃料極と空気極とでＭＥＡを構成し、そのＭＥＡの両側をセパレータで挟んだ単セルスタックを積層してなる燃料電池であって、セパレータは黒鉛粒子と樹脂の混合物で表面にガス流路が一体成形され、セパレータの表面にできたスキン層が除去されている燃料電池であり、セパレータの表面にできたスキン層が除去されていることにより、セパレータの表面にできた樹脂成分の多いスキン層が除去され、当接する電極とセパレータの間の接触抵抗を低くするという作用を有する。
【００１７】
本発明の請求項２に記載の発明は、セパレータ表面に一体成形されたガス流路内のスキン層は除去されていない請求項１に記載の燃料電池であり、ガス流路内のスキン層は除去されていないことにより、ガス流路内においてはガスの浸透性が低くなるという作用を有する。
【００１８】
本発明の請求項３に記載の発明は、レーザ照射によりセパレータの表面にできた樹脂成分の多いスキン層を炭化させる請求項１に記載の燃料電池の製造方法であり、レーザ照射によりセパレータの表面にできた樹脂成分の多いスキン層を炭化させることにより、当接する電極とセパレータの間の接触抵抗を低くするという作用を有する。
【００１９】
本発明の請求項４に記載の発明は、セパレータ表面に照射するレーザ照射を制御してセパレータの内部にまで熱が加わらないようにする請求項３に記載の燃料電池の製造方法であり、セパレータの内部にまで熱が加わらないようにレーザ照射を制御することにより、熱の影響によるセパレータの変形（反り）を抑えられるという作用を有する。
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００２１】
（実施の形態）
図１は本発明の実施の形態における燃料電池のセパレータの最終製品になる前の段階のセパレータの断面図であり、最終製品は従来の例を示す図４の金属製セパレータ５、８の部分に使用される。
【００２２】
図２は図１に示すセパレータの一部拡大断面図、図３は本発明の実施の形態における燃料電池のセパレータの製造方法の説明図である。
【００２３】
図１〜図３において、１６は黒鉛粒子と樹脂との混合物を数１００℃の温度で成形した最終製品になる前の段階のセパレータ、１７は前記セパレータ１６の燃料極あるいは空気極と接する表面上に一体成形された溝よりなるガス流路、１８は前記セパレータ１６の表面部分およびガス流路１７を構成する溝の内面部分に形成される樹脂成分が多いスキン層、１９は黒鉛成分が多いカーボン層である。
【００２４】
前記図１および図２に示す、黒鉛粒子と樹脂との混合物を数１００℃の温度で成形した最終製品になる前の段階のセパレータから、最終製品としてのセパレータを製造するには、図３の製造方法の説明図に示すように、図１に示すセパレータ１６の表面を、ＹＡＧレーザ照射２０でガス流路１７の溝内部を照射しないようにマスキングを施した状態で照射し、燃料極あるいは空気極と接する表面のスキン層１８のみを炭化加工して除去し、ガス流路１７を構成する溝の内面部分のスキン層１８はそのまま残すようにする。
【００２５】
このようにして製造されたセパレータは、セパレータ１６の表面にできた樹脂成分の多いスキン層１８が除去され、当接する電極とセパレータの間の接触抵抗が低くなり、ガス流路１７の溝内部のスキン層１８は除去されずに残ることにより、ガス流路１７内においてはガスの浸透性が低くなるものである。
【００２６】
なお、本実施の形態においては、具体的には、スキン層１８を除去するためのＹＡＧレーザは、３倍高調波で、波長が３５５ｎｍのものを用い、ＰＰＳ樹脂のスキン層１８を除去、炭化させ、また、照射方法は、ガルバノメータ、ポリゴンミラー、Ｘ−Ｙテーブルによりスキャンして照射を行った。
【００２７】
次に、上記加工を施したセパレータの表面部分の状態、セパレータと電極の当接する接触抵抗、セパレータの反りの状態について、レーザ加工前との差異について評価を行ったところ、加工を施した表面の状態は炭化された状態となることが確認でき、加工前と加工後の接触抵抗を比較すると加工後が加工前に対して２０％〜３０％の接触抵抗低下を確認でき、セパレータの反りの状態には差異が認められなかった。
【００２８】
なお、スキン層１８を選択的にレーザ照射する方法は、前記マスキングをする方法以外に、プログラム制御でスキャンする方法、レーザのフォーカス深度を制御する方法等があり、スキン層１８を除去するためレーザも前記ＹＡＧレーザ以外に、ＣＯ２レーザを用いることができる。
【００２９】
【発明の効果】
以上のように、本究明の燃料電池とその製造方法によれば、セパレータを黒鉛粒子と樹脂の混合物で表面にガス流路を一体成形することにより、高温による熱処理やガス流路の切削加工が不要で製造コストが安くなり、セパレータ表面にできる樹脂成分の多いスキン層を除去することにより、電極とセパレータ間の接触抵抗を低くすることができ、電池の出力が低くなるということがなくなり、ガス流路内のスキン層を残すことにより、ガス流路におけるガスの浸透性を低下させるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における燃料電池のセパレータの最終製品になる前の段階のセパレータの断面図
【図２】図１に示すセパレータの一部拡大断面図
【図３】本発明の実施の形態における燃料電池のセパレータの製造方法の説明図
【図４】高分子電解質型燃料電池の従来の一般的な単セルスタックの断面図
【符号の説明】
１  高分子膜
２  燃料極
３，９  触媒層
４，１０  ガス拡散層
５，８  金属製セパレータ
６，１１，１７  ガス流路
７  空気極
１２，１４  ガスケット（型枠）
１３，１５  シール材
１６  セパレータ
１８  スキン層
１９  カーボン層
２０  ＹＡＧレーザ照射
【図１】
2004335121.tif 000003
【図２】
2004335121.tif 000004
【図３】
2004335121.tif 000005
【図４】
2004335121.tif 000006