(57)【要約】【課題】カーボン製や金属製のセパレータの欠点を解消し、軽量で、高耐食、高導電性のセパレータを提供することを目的とする。【解決手段】燃料と酸化剤の供給により発電を行う燃料電池のセパレータ２１，２２であって、金属発泡体２８に対して樹脂を含浸させた素材で形成され、電極１９，２０と接触する接触面は、少なくともガス流路２３，２５が形成されるとともに、この接触面２１ａ，２１ｂの前記金属発泡体２８が露出した部分に導電性メッキが施されていることを特徴とする。【選択図】　　　　図２
2004071341.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料と酸化剤の供給により発電を行う燃料電池のセパレータであって、
金属発泡体に対して樹脂を含浸させた素材で形成され、
電極と接触する接触面は、少なくともガス流路が形成されるとともに、この接触面の前記金属発泡体が露出した部分に導電性メッキが施されている、
ことを特徴とする燃料電池のセパレータ。
【請求項２】
前記接触面は、機械加工により平滑に形成された後、前記金属発泡体が露出した部分に前記導電性メッキが施されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池のセパレータ。
【請求項３】
前記ガス流路に流体を供給する連通口が形成される部分は、含浸に用いられる前記樹脂により前記金属発泡体の周囲に連続して形成されたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の燃料電池のセパレータ。
【請求項４】
請求項１から請求項３の何れか１項に記載のセパレータを用いたことを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
金属発泡体の空孔に樹脂を含浸させた素材でセパレータを成形する工程と、
電極と接触する接触面に、少なくともガス流路を形成する工程と、
機械加工により前記接触面を前記金属発泡体が露出された平滑な面に形成する工程と、
前記金属発泡体の露出部分に導電性メッキを施す工程とからなる、
ことを特徴とする燃料電池の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、燃料電池に関し、特に燃料電池のセパレータ、燃料電池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。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、燃料と酸化剤を電気化学的に反応させて電気エネルギーを取り出す発電装置であるが、正負極間にイオン交換膜等の電解質モジュールを介在させ、この電解質モジュールの両側にガス流通用の溝部が形成されたセパレータを配設したものを１ユニット（セル）として、複数のユニット（セル）を積層した構成を備えている。
このセパレータは、各セル間を電気的に接続するため導電性が良いものであること、又、冷却水を流すため耐食性を持つものであることが条件となる。従来のセパレータとしては、緻密カーボングラファイト、炭素板等のカーボン製や、ステンレス等の金属製のものが知られている（例えば、特開平１１−１２６６２０号公報、特開平１１−１６２４７８号公報、特開２０００−３６３０９号公報、特開２０００−２９７７８０号公報等参照）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、緻密カーボングラファイトのセパレータは、導電性は良いものの、重量が大きく厚いものになってしまう。又、非常に脆い材質であるため、セパレータの表面に多数の突起部を設けてガス流通用の溝を形成するための切削加工を施すことは容易ではなく、加工コストが高くなる。
炭素板のセパレータの場合は、導電性が悪く、プレス加工が難しいため切削加工によってガス流通用の溝を形成しているが、切削加工コストが高く、重量も大きい等の欠点がある。
ステンレス等の金属製のセパレータは、金属をそのままセパレータとして使用したのでは耐食性、耐酸性が悪くなるので、金メッキや白金メッキ等の表面処理が必要になるが、生産性やコストの点で不利になる。又、プレス加工により薄くすることはできるが、加工性が余り良くないので、ガス流通用の溝の作り方に制約があり、細やかなシールを施す必要がある。そのためエッチングでガス流通用の溝を切ると、重くてコスト高になる。
【０００４】
本発明は、上記のような従来の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提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決するための手段として、本発明に係る請求項１の燃料電池のセパレータは、燃料と酸化剤の供給により発電を行う燃料電池のセパレータであって、金属発泡体に対して樹脂を含浸させた素材で形成され、電極と接触する接触面は、少なくともガス流路が形成されるとともに、この接触面の前記金属発泡体が露出した部分に導電性メッキが施されていることを特徴とする。
【０００６】
このような構成としたことにより、請求項１に記載の発明に係る燃料電池のセパレータでは、軽量でありながら、セルを積層したときの必要な面圧に対するセパレータの強度を確保して、潰れるのを防止することができる。又、樹脂が金属発泡体を覆うので耐食性も確保することができる。更に発電された電気エネルギーを取り出す接触部に導電性メッキが施されているので、高い導電性を確保することができる。
【０００７】
本発明に係る請求項２の燃料電池のセパレータは、前記接触面が、機械加工により平滑に形成された後、前記金属発泡体が露出した部分に前記導電性メッキが施されていることを特徴とする。
【０００８】
このような構成としたことにより、請求項２に記載の発明に係る燃料電池のセパレータでは、機械加工により平滑な接触面中に露出された金属発泡体に導電性メッキを施しているので、導電性メッキにより形成された接触部が樹脂の平面より若干盛り上がり電極に圧着され易くなるから、一層高い導電性を確保することができる。又、樹脂から露出した金属発泡体の断面である接触部のみに導電性メッキを施しているので、金、白金などの高価なメッキを施して導電性、耐食性を確保しても、コストを抑制することができる。
【０００９】
本発明に係る請求項３の燃料電池のセパレータは、前記ガス流路に流体を供給する連通口が形成される部分が、含浸に用いられる前記樹脂により前記金属発泡体の周囲に連続して形成されていることを特徴とする。
【００１０】
このような構成としたことにより、請求項３に記載の発明に係る燃料電池のセパレータでは、流体を供給する連通口が形成される部材を樹脂で形成し、金属発泡体が連通口の表面に露出しないので、連通口を通じて発電された電気がショートする虞がない。
【００１１】
本発明に係る請求項４の燃料電池は、燃料と酸化剤を供給されて発電を行う燃料電池であって、請求項１から請求項３の何れか１項に記載のセパレータを用いたことを特徴とする。
【００１２】
このような構成としたことにより、請求項４に記載の発明に係る燃料電池では、軽量でありながら、セルを積層したときの必要な面圧に対するセパレータの強度を確保して、潰れるのを防止することができる。又、発電された電気を取り出す接触部に導電性メッキが施されているので、高い導電性、耐食性を確保することができる。
【００１３】
本発明に係る請求項５の燃料電池の製造方法は、金属発泡体の空孔に樹脂を含浸させた素材でセパレータを成形する工程と、電極と接触する接触面に、少なくともガス流路を形成する工程と、機械加工により前記接触面を前記金属発泡体が露出された平滑な面に形成する工程と、前記金属発泡体の露出部分に導電性メッキを施す工程とからなることを特徴とする。
【００１４】
このような構成としたことにより、請求項５に記載の発明に係る燃料電池のセパレータの製造方法では、軽量でありながら、セルを積層したときの必要な面圧に対するセパレータの強度を確保して、潰れるのを防止することができる。又、樹脂が金属発泡体を覆うので耐食性も確保することができる。更に発電された電気を取り出す接触部は、接触面を研削して平滑な面にした後、金属発泡体の露出部分に導電性メッキを施して形成しているので、高い導電性を確保することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明に係る燃料電池のセパレータについて説明する。参照する図面において、図１は本発明の燃料電池のセパレータに係る平面図、図２は図１のＡ−Ａ線矢視図である。
尚、燃料電池は電解質の種類によって分類されるが、本発明の実施の形態では、自動車の電源として使われる固体高分子型燃料電池の場合について説明する。又、燃料は水素、酸化剤は酸素であるが、水素は、純水素の他、ガソリン、メタンガス等を改質したものを使用しても良い。
固体高分子型燃料電池のセル１は、図１に示すように、平面視正方形の構造保持部２と、構造保持部２の内方に形成される空域を備えた発電機能部３とからなる。構造保持部２は、対向する１対の側枠４，４にそれぞれ１対の燃料ガス連通口５，５が形成され、他の対向する１対の側枠６，６にそれぞれ１対の酸化剤ガス連通口７，７が形成されている。又、一方の対角線上にある両隅には、冷却水連通口８，８が形成されている。
これらの連通口５，７，８は、発電機能部３の後述する水素ガス流路２３、酸素ガス流路２５、及び冷却水流路２４（図２参照）と、それぞれ燃料ガス導入孔１０、燃料ガス排出孔１１、酸化剤ガス導入孔１２、酸化剤ガス排出孔１３、冷却水導入孔１４、冷却水排出孔１５によって連通されている。
【００１６】
発電機能部３は、図２に示すように、平板状電解質１７と、この電解質１７を挟むように設けられる触媒（図示せず）と、この触媒の外側に設けられる１対の平板状多孔質の電極１９，２０と、この平板状多孔質の電極１９，２０の外側に設けられるセパレータ２１，２２とからなる。
平板状電解質１７は、陽イオン交換膜であり、例えば、フッ素系ポリマーからなる。触媒は、例えば、白金である。
平板状多孔質電極１９，２０は、触媒担持電極であり、炭素微粒子に白金の触媒を担持している。図２において、電解質１７の外側に２つある電極１９，２０のうちどちらをアノード極（水素側電極）、又はカソード極（酸素側電極）としても良いが、例えば、図の上側の電極１９をアノード極とし、下側の電極２０をカソード極とする。
【００１７】
セパレータ２１，２２は、金属発泡体に対して構造保持用の樹脂を含浸させた素材で形成したものである。金属発泡体そのものは、金属と成形用の樹脂を炉の中で鋳込み、金属を発泡させた状態で必要な形状に成形した後、成形用の樹脂のみを溶かして抜いたものである。従って、金属発泡体は成形用の樹脂を抜いた部分が網の目状の空孔になっている構造物である。
金属発泡体に使う金属は、多くの金属で可能であるが、例えば、耐食性ステンレスであり、原料としては溶け易くするため粉末にしたものが使用される。成形用の樹脂を抜いた後の空孔率（体積率）は、任意に設定することができるが、セパレータ２１，２２の強度を維持しつつ軽いものにするため、例えば、８０％以上が好ましい。セパレータ２１，２２では、この金属発泡体の空孔の部分に構造保持用の樹脂、例えば、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ウレタン樹脂等が含浸され、中実になっている。これによってセル１を積層したとき、セルにかかる圧力に対するセパレータ２１，２２の強度を確保して、セル１が潰れるのを防止することができる。
又、成形用の樹脂は、金属と反応せず、比較的低温で溶融することができる樹脂、例えば、発泡性の熱可塑性樹脂である。
【００１８】
セパレータ２１には、電極１９に接する接触面２１ａ，２１ｂに所定のパターンの溝で水素ガス流路２３が形成され、接触面２１ａ，２１ｂの裏面には、所定のパターンの溝により冷却水流路２４が形成されている。同様にセパレータ２２には、電極２０に接して所定のパターンの溝により酸素ガス流路２５が形成されている。
尚、水素ガス流路２３は前述の燃料ガス導入孔１０、燃料ガス排出孔１１と、酸素ガス流路２５は前述の酸化剤ガス導入孔１２、酸化剤ガス排出孔１３と、及び冷却水流路２４は前述の冷却水導入孔１４、冷却水排出孔１５と連通されている。
構造保持部２の部分は、セパレータ２１，２２の金属発泡体に対して含浸される構造保持用の樹脂によって、この金属発泡体の周囲に連続して形成される。又、構造保持部２には、電極１９，２０に接してそれぞれシール２６，２７が施されている。
【００１９】
以上説明したように、本実施態様によれば、軽量でありながら、セルを積層したときの必要な面圧に対するセパレータ２１，２２の強度を確保して、潰れるのを防止することができる。又、樹脂で接触面２１ａ，２１ｂに露出した以外の金属発泡体を覆うので、耐食性も確保することができる。
そして、研削等の機械加工により平滑な接触面２１ａ，２１ｂ中に露出された金属発泡体には、導電性メッキ２９を施している。これにより、導電性メッキ２９によって形成された接触部が樹脂の平面より若干盛り上がり電極に圧着され易くなるから、一層高い導電性を確保することができる。又、樹脂から露出した金属発泡体の断面である接触部のみに導電性メッキ２９を施しているので、金、白金などの高価なメッキを施して導電性、耐食性を確保しても、コストを抑制することができる。
冷却水を供給する連通口８，８が形成される部材を樹脂で形成し、金属発泡体が連通口８，８の表面に露出しないので、連通口８，８を通じて発電された電気がショートする虞がない。
【００２０】
次に本発明の燃料電池のセパレータの製造方法について図１〜図３を参照して説明する。
第１工程で、空孔が網の目状に形成された構造物である金属発泡体２８の空孔に溶融樹脂を含浸させて固まらせて素材を得、この素材をセパレータ２１，２２として必要な形状に成形する。
第２工程で、電極１９と接触するセパレータ２１の接触面２１ａ，２１ｂに、水素ガス流路２３、及び冷却水流路２４を形成する。電極２０と接触するセパレータ２２の接触面には酸素ガス流路２５を形成する。
第３工程で、セパレータ２１（セパレータ２２も同様である）の電極１９と接触する接触面２１ａ，２１ｂ（接触面２１ａには図示せぬ他のセルの電極が接触するが、電極は図示せず。）を機械加工より、金属発泡体２８を露出させる。機械加工としては、切削、研削、いずれでも良いが、研削によりなるべく滑らかに仕上げるのが望ましい。尚、第１、又は第２工程で金属発泡体２８が露出しても、第３工程で初めて金属発泡体２８を露出させても良い。
第４工程で、金属発泡体２８の露出した部分２８ａに導電性メッキ２９を施して、セパレータ２１，２２が完成する。メッキ２９は、電解メッキで行い、接触抵抗が低く、導電性が良く、耐食性が良い金、又は白金メッキを用いるのが好ましい。
【００２１】
尚、本発明の実施の形態では、固体高分子型燃料電池の場合について説明したが、他の種類の燃料電池にも適用できることは勿論である。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に記載の発明に係る燃料電池のセパレータでは、軽量でありながら、セルを積層したときの必要な面圧に対するセパレータの強度を確保して、潰れるのを防止することができる。又、樹脂が金属発泡体を覆うので耐食性も確保することができる。更に発電された電気エネルギーを取り出す接触部に導電性メッキが施されているので、高い導電性を確保することができる。
【００２３】
請求項２に記載の発明に係る燃料電池のセパレータでは、機械加工により平滑な接触面中に露出された金属発泡体に導電性メッキを施しているので、導電性メッキにより形成された接触部が樹脂の平面より若干盛り上がり電極に圧着され易くなるから、一層高い導電性を確保することができる。又、樹脂から露出した金属発泡体の断面である接触部のみに導電性メッキを施しているので、金、白金などの高価なメッキを施して導電性、耐食性を確保しても、コストを抑制することができる。
【００２４】
請求項３に記載の発明に係る燃料電池のセパレータでは、流体を供給する連通口が形成される部材を樹脂で形成し、金属発泡体が連通口の表面に露出しないので、連通口を通じて発電された電気がショートする虞がない。
【００２５】
請求項４に記載の発明に係る燃料電池では、軽量でありながら、セルを積層したときの必要な面圧に対するセパレータの強度を確保して、潰れるのを防止することができる。又、発電された電気を取り出す接触部に導電性メッキが施されているので、高い導電性、耐食性を確保することができる。
【００２６】
請求項５に記載の発明に係る燃料電池のセパレータの製造方法では、軽量でありながら、セルを積層したときの必要な面圧に対するセパレータの強度を確保して、潰れるのを防止することができる。又、樹脂が金属発泡体を覆うので耐食性も確保することができる。更に発電された電気を取り出す接触部は、接触面を研削して平滑な面にした後、金属発泡体の露出部分に導電性メッキを施して形成しているので、高い導電性を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池のセパレータに係る平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線矢視図である。
【図３】セパレータの金属発泡体が露出した部分に導電性メッキを施す説明図である。
【符号の説明】
１　：固体高分子型燃料電池のセル
２　：構造保持部
３　：発電機能部
５　：燃料ガス連通口
７　：酸化剤ガス連通口
８　：冷却水連通口
１７　：平板状電解質
１９　：電極（アノード極）
２０　：電極（カソード極）
２１，２２　：セパレータ
２３　：水素ガス流路
２４　：冷却水流路
２５　：酸素ガス流路
２８　：金属発泡体
【図１】
2004071341.tif 000003
【図２】
2004071341.tif 000004
【図３】
2004071341.tif 000005