(57)【要約】【課題】セパレータ内に含まれる不純物がイオン化し、それによってイオン交換膜が被毒化することを防止でき、また、優れた気体不浸透性や高強度性によりセパレータの厚みを薄くすることができ、熱や長期的な劣化による気体不浸透性の悪化もないため、長期にわたって安定した発電が可能であり、さらに、燃料電池自体の軽量化かつコンパクト化が可能な固体高分子型燃料電池用セパレータを提供すること。【解決手段】黒鉛基材の表面に熱分解炭素被膜が形成されていることを特徴とする燃料電池用セパレータ。【選択図】　　　図１
2004071247.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
黒鉛基材の表面に熱分解炭素被膜が形成されていることを特徴とする固体高分子型燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
熱分解炭素被膜の厚さが１０μｍ以上である請求項１記載の固体高分子型燃料電池用セパレータ。
【請求項３】
黒鉛基材は、熱膨張係数の異方比が１．２５以下である請求項１又は２記載の固体高分子型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、固体高分子型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】
近年、クリーンで発電効率の高い次世代の発電装置が望まれており、酸素及び水素の持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する燃料電池に対する期待が次第に高まってきている。現状における燃料電池の種類としては、リン酸型、アルカリ型、溶融炭酸塩型、固体電解質型、固体高分子型などが知られている。なかでも固体高分子型燃料電池は、小規模かつポータブルな電源としての用途（例えば電気自動車用電源や家庭用発電システム）に適すると考えられている。ゆえに、その実用化に向けて、現在精力的に開発が進められている。
【０００３】
このタイプの燃料電池は、イオン交換膜の両側に電極を配置してなる膜・電極積層体を備えている。このイオン交換膜は、水素イオン（Ｈ＋）を選択的に通過させることが出来る。これらの電極には白金等の金属触媒が担持されている。一対の電極の内、一方は水素極（陰極）と呼ばれ、他方は酸素極（陽極）と呼ばれる。膜・電極積層体の両側には一対のセパレータが配置されており、それらのセパレータによって両電極及びイオン交換膜の外周部が挟持されている。
【０００４】
水素極側のセパレータを介して供給されてきた水素ガス（Ｈ２）は、水素極における触媒反応により水素イオン（Ｈ＋）となる。水素イオンは、イオン交換膜を通過しながら酸素極に向って移動する。酸素極側には、酸素ガス（Ｏ２）が供給されている。従って、酸素極における触媒反応により、水素イオンと酸素ガスとが反応し、水（Ｈ２Ｏ）が生じる。この様な反応が起こる過程で電子（ｅ−）が水素極から酸素極へ移動し、電流が酸素極から水素極へ流れるようになっている。別の言い方をすると、酸素ガス及び水素ガスを燃料として、電気分解反応の逆反応により、起電力が得られるようになっている。
【０００５】
このセパレータには、水素ガスと酸素ガスを完全に分離した状態で電極に供給するために優れた気体不浸透性が要求されている。
【０００６】
セパレータとしては、従来、黒鉛材の気孔内にフェノール樹脂等の熱硬化性樹脂を含浸し気体不浸透性にした材料を切削加工したものや炭素粉末及び熱硬化性樹脂を主成分とする樹脂成形体が使用されている。
【０００７】
ところで、イオン交換膜（電解質膜）が乾燥した場合、電気抵抗の増大に起因して起電力が低下するため、所望の特性を得ることが出来なくなる。このため運転時にはイオン交換膜を湿潤な状態に保持しておく必要があり、よって、燃料電池を構成するセル内は常に水分が存在した状態となっている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来技術の黒鉛材に熱硬化性樹脂を含浸し気体不浸透性にした材料を切削加工したものや炭素粉末及び熱硬化性樹脂を主成分とする樹脂成形体から成るセパレータには、金属不純物が含まれており、セル内の水により不純物がイオン化し、それによってイオン交換膜が被毒化する。（即ち、イオン交換膜の内部及び表面に不純物陽イオンが付着または吸着する）という問題があった。そのため、起電力が不安定になりやすかった。
【０００９】
また、燃料電池は、大きな起電力を得るために個々の単セルを直列に接続されるためイオン交換膜やセパレータ等が数十枚から数百枚ほど積層された「燃料電池スタック」を構成した状態で使用される。固体高分子型燃料電池は、ポータブル性に優れるものであるが、電気自動車用電源に使用する場合には、搭載スペースの制約や軽量化のため更にコンパクト化が望まれている。コンパクト化のためには、何層も積層されるセパレータの厚みを薄くする必要がある。しかし従来のセパレータでは、強度上の問題や黒鉛粒子の脱落等による気体不浸透性の悪化によりその最少厚みを０．５ｍｍ〜１ｍｍ程度にするのが限界であった。
【００１０】
更に従来のセパレータには、熱硬化性樹脂を含んでおり、「燃料電池スタック」を構成する際の熱や長期的な劣化による気体不浸透性の悪化等、長期間安定して使用可能な燃料電池を実現するためには、セパレータに関する何らかの改良が必要であると考えられていた。
【００１１】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、長期にわたって安定した発電が可能であり、更に燃料電池自体の軽量化かつコンパクト化が可能な固体高分子型燃料電池のセパレータを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、請求項１記載の発明では、黒鉛基材の表面に熱分解炭素被膜が形成されている固体高分子型燃料電池用セパレータをその要旨としている。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、請求項１において熱分解炭素被膜の厚さが１０μｍ以上である固体高分子型燃料電池用セパレータをその要旨としている。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２において黒鉛基材は、熱膨張係数の異方比が１．２５以下である固体高分子型燃料電池用セパレータをその要旨としている。
【００１５】
本発明の固体高分子型燃料電池用セパレータを構成する黒鉛基材は、石炭系あるいは石油系のタール、ピッチ、天然黒鉛、人造黒鉛等の材料から得ることが出来る。熱分解炭素の被膜を黒鉛基材の表面に形成させる方法としては、各種化学蒸着法により行なうことが出来る。通常は、黒鉛基材を加熱し、メタン、プロパン等の炭化水素ガスを高温の黒鉛基材に接触させることにより反応させ、黒鉛基材の表面に熱分解炭素を生成させる方法による。
【００１６】
以下、本発明の「作用」について説明する。請求項１に記載の発明によると、黒鉛材料により形成されたセパレータの表面に気体不浸透性や高強度性、高純度性、耐熱性に優れた熱分解炭素被膜を形成しているため、従来のセパレータに比べて熱的や長期的な劣化による影響が無い確実な気体不浸透性を付加することが可能であり、不純物によりイオン交換膜が被毒化することも無く、更にはセパレータの厚みを薄くすることが可能となる。結果として長期にわたって安定した発電が可能であり、更に燃料電池自体の軽量化かつコンパクト化が可能な固体高分子型燃料電池用セパレータを得ることが出来る。
【００１７】
請求項２に記載の発明によると、セパレータ表面に形成された熱分解炭素被膜の厚みが１０μｍ以上であることから、更に確実な気体不浸透を付加することが可能である。好ましくは、２０μｍ〜６０μｍの範囲である。
【００１８】
請求項３に記載の発明によると、黒鉛基材の熱膨張係数の異方比が１．２５以下のものであることから、黒鉛基材の縦方向と横方向の熱膨張係数の差による熱分解炭素被膜形成時の反り発生やクラック発生による気体不浸透性の悪化を防止できることとともに、長期にわたる使用による熱履歴に対しても被膜へのクラック発生による気体不浸透性の悪化が無く、強度面でも問題の無いものとすることが出来る。
【００１９】
【実施例】
以下に実施例を掲げて本発明を更に詳しく説明するが、本発明はこれら実施例のみに限定されるものではない。
【００２０】
実施例１〜１０
黒鉛基材の材料として等方性黒鉛材料（イビデン（株）製ＥＴ−１０）を使用し、まず２００ｍｍ×２００ｍｍ×２ｍｍの板形状の基材をフライス加工により製作した。この基材をマシニングセンタで機械加工し、熱分解炭素被膜１２形成後の最少厚み１５を設定した減寸寸法により凸部１３や流体流路１４を形成し、黒鉛基材１１を作製した。この黒鉛基材１１を反応炉内に入れ、減圧下１４００℃に加熱し、水素ガスをキャリアとしてメタンを供給し、黒鉛基材１１上に熱分解炭素被膜１２を形成させたセパレータ１０を作製した。これを実施例１〜１０とし、それらの最少厚み１５及び熱膨張係数の異方比、形成した熱分解炭素被膜１２の膜厚、固体高分子型燃料電池用セパレータとして使用した場合の結果を表１に示す。
【００２１】
試験例１〜４
黒鉛材料を使用し、まず２００ｍｍ×２００ｍｍ×２ｍｍの板形状の基材をフライス加工により製作した。この基材をマシニングセンタで機械加工し、熱分解炭素被膜１２形成後の最少厚み１５を設定した減寸寸法により凸部１３や流体流路１４を形成し、黒鉛基材１１を作製した。この黒鉛基材１１を反応炉内に入れ、減圧下１４００℃に加熱し、水素ガスをキャリアとしてメタンを供給し、黒鉛基材１１上に熱分解炭素被膜１２を形成させたセパレータ１０を作製した。これを試験例１〜４とし、それらの最少厚み１５及び熱膨張係数の異方比、形成した熱分解炭素被膜１２の膜厚、固体高分子型燃料電池用セパレータとして使用した場合の結果を表１に示す。
【００２２】
比較例１〜２
黒鉛材料として等方性黒鉛材料（イビデン（株）製ＥＴ−１０）を使用し、まず２００ｍｍ×２００ｍｍ×２ｍｍの板形状の基材をフライス加工により製作した。この基材をフェノール樹脂に浸漬した状態で約１０Ｔｏｒｒの減圧下で所定時間保持した後１０気圧に加圧して所定時間保持した。この基材を樹脂から取り出し、最終的に２００℃で樹脂硬化した。この基材をマシニングセンタで機械加工し、凸部１３や流体流路１４を形成した。これを比較例１〜２とし、それらの最少厚み１５、固体高分子型燃料電池用セパレータとして使用した場合の結果を表１に示す。
【００２３】
比較例３〜４
炭素粉末とフェノール樹脂とを配合し、圧縮成形により凸部１３や流体流路１４を形成した。これを比較例３〜４とし、それらの最少厚み１５、固体高分子型燃料電池のセパレータとして使用した場合の結果を表１に示す。
【００２４】
【表１】
2004071247.tif 000003
【００２５】
表１に記載の※について詳細に説明する。
異方比は、セパレータ１０の面方向の縦・横の熱膨張係数の比を示す。膜厚は、熱分解炭素被膜１２の断面を電子顕微鏡により観察し測定した結果を示す。気体透過係数は、セパレータ１０を治具にセットし片側より窒素ガスにより０．２ＭＰａの圧力をかけて気体透過率（ｃｍ３／ｓｅｃ）を測定し、下記式（１）から求めた。
【００２６】
気体透過係数（ｃｍ２／ａｔｍ・ｓｅｃ）＝気体透過率（ｃｍ３／ｓｅｃ）×試料の厚み（ｃｍ）／試料の測定面積（ｃｍ２）×試料を隔てる差圧（ａｔｍ）・・・（１）
【００２７】
測定の初期は、再熱処理等の無い状態、加熱後は、セパレータ１０を２００℃で５時間再熱処理した後の値を示す。値が割れと記載されたものは、０．２ＭＰａの圧力で割れが発生し強度面での問題があることを示す。今回使用した装置の測定下限は、１０−９である。イオン溶出試験は、８０℃の純水中に５００時間浸漬し、純水の電気伝導度（μｓ／ｃｍ）の変化量を導電率計で測定した値を示す。
【００２８】
【発明の効果】
以上、説明したように請求項１〜請求項３に記載の発明は、セパレータ内に含まれる不純物がイオン化し、それによってイオン交換膜が被毒化することを防止でき、起電力が不安定になることも無い。また熱分解炭素被膜の持つ優れた気体不浸透性や高強度性によりセパレータの厚みを薄くすることが可能となり、熱や長期的な劣化による気体不浸透性の悪化等も無い。よって長期にわたって安定した発電が可能であり、更に燃料電池自体の軽量化かつコンパクト化が可能な固体高分子型燃料電池用セパレータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる固体高分子型燃料電池のセパレータ概略断面図である。
【符号の説明】
１０　セパレータ
１１　黒鉛基材
１２　熱分解炭素被膜
１３　凸部
１４　流体流路
１５　最少厚み
【図１】
2004071247.tif 000004