(57)【要約】【課題】  セパレータのガス流路を形成する凸部に由来する圧力によって、高分子電解質膜が損傷する問題を解決する。【解決手段】  セパレータの凸部（１４１ａ、１４１ｃ）とガス拡散層（１３０ａ、１３０ｃ）との接触面に導電性の弾性体を配置することによって、生じる応力が緩和される。本発明の一実施形態は、高分子電解質膜１１０と、高分子電解質膜１１０を挟持する１対の触媒層（１２０ａ、１２０ｃ）と、高分子電解質膜１１０および触媒層（１２０ａ、１２０ｃ）を挟持する１対のガス拡散層（１３０ａ、１３０ｃ）と、高分子電解質膜１１０、触媒層（１２０ａ、１２０ｃ）およびガス拡散層（１３０ａ、１３０ｃ）を挟持する１対のセパレータ（１４０ａ、１４０ｃ）とを有する高分子電解質型燃料電池であって、セパレータ（１４０ａ、１４０ｃ）は、表面の凹凸に沿って配置された導電性の弾性体（１４３ａ、１４３ｃ）を有する高分子電解質型燃料電池である。【選択図】  図１
2005183072.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜と、
前記高分子電解質膜を挟持する、１対の触媒層と、
前記触媒層の前記高分子電解質膜に対向する面に、前記高分子電解質膜および前記触媒層を挟持するように配置された、１対のガス拡散層と、
前記ガス拡散層の前記触媒層に対向する面に、前記高分子電解質膜、前記触媒層および前記ガス拡散層を挟持するように配置された、１対のセパレータと、を有する高分子電解質型燃料電池であって、
前記セパレータは、前記ガス拡散層と接する面に、発電に用いられるガスが流通するガス流路を形成する凹凸を有し、
前記凹凸の前記ガス拡散層と接する部分が、導電性の弾性体からなる、高分子電解質型燃料電池。
【請求項２】
前記凹凸に沿って、導電性の弾性体が配置されてなる、請求項１に記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項３】
前記セパレータは、導電性の基部と、前記凹凸の凸部を構成する導電性の弾性体からなる、請求項１に記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項４】
前記凸部を構成する弾性体は、前記基部と前記弾性体との接触面に形成された凹凸によって、前記基部と嵌合している、請求項３に記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項５】
前記導電性の弾性体は、導電性シリコーンである、請求項１〜４のいずれか１項に記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項６】
前記導電性の弾性体は、導電性の接着剤を用いて配置されてなる、請求項１〜５のいずれか１項に記載の高分子電解質型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は高分子電解質型燃料電池に関する。より詳しくは、本発明は、セパレータから高分子電解質膜に加わる局所的な応力を軽減する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電源の一つとして燃料電池が注目されている。燃料電池とは、水素やメタノールなどの燃料の酸化により発電する装置をいう。燃料電池の発電効率は非常に高い。また、水素を燃料として用いる燃料電池からの排出物は水であり、地球環境保護の観点からも、非常に有用な電源である。
【０００３】
燃料電池としては、高分子電解質型燃料電池、固体酸化物型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、リン酸型燃料電池など、各種燃料電池が提案されている。この中では、高分子電解質型燃料電池（以下、「ＰＥＦＣ」と略する）は、比較的低温で作動可能であることから、自動車の移動体用動力源として期待され、開発が進められている。
【０００４】
ＰＥＦＣにおける発電反応は、高分子電解質膜とその両側に配置された触媒層において進行する。一方の触媒層がカソードとして機能し、他方の触媒層がアノードとして機能する。カソード、高分子電解質膜、およびアノードからなる集合体は、膜電極接合体（ＭＥＡ）と呼ばれる。
【０００５】
燃料として水素ガス、酸化剤として空気を用いる場合には、アノードに水素ガス、カソードに空気が供給される。アノード側においては、以下の反応によって、水素イオンおよび電子が生成する。
【０００６】
【化１】
2005183072.tif 000003
【０００７】
生成した水素イオンは、高分子電解質膜を経由してカソードに移動する。カソードにおいては、以下の反応により、水が生成する。
【０００８】
【化２】
2005183072.tif 000004
【０００９】
発電に用いるガスは、ＭＥＡの外部に配置されたガス拡散層（ＧＤＬ）、およびＧＤＬの外部に配置されたセパレータを経由して供給される。セパレータは、金属や炭素材料などからなり、ＭＥＡで発生した電流を隣接する燃料電池に伝達する機能を有する。セパレータのＧＤＬ側の表面にはガス流路が形成され、このガス流路に所定のガスが供給される。ガス流路は、通常は、セパレータの表面に形成された凹部である。つまり、セパレータの表面に凹凸が形成され、凹部をガスが流通する。セパレータの凹凸形状を改良する技術も提案されている（例えば、特許文献１参照）。セパレータのガス流路に供給されたガスは、ＧＤＬに流入する。ＧＤＬは、炭素繊維などの導電性の多孔質材料から構成され、供給されたガスを拡散し、ＭＥＡに均一にガスを供給する。
【００１０】
ＧＤＬおよびセパレータは、ガスをＭＥＡに供給する機能の他に、発生した電流を伝達する機能を有する。つまり、ＭＥＡにおいて発生した電流は、導電性のＧＤＬおよびセパレータを介して外部に取り出される。
【００１１】
また、ＧＤＬおよびセパレータは、発電反応に伴い生成した水を、ＰＥＦＣの外部に排出する機能を有する。発電反応に伴い生成した水は、多孔性のＧＤＬを通じてセパレータのガス流路に排出され、セパレータのガス流路を経由して、ＰＥＦＣの外部に排出される。運転温度が比較的低い、ＰＥＦＣにおいては、生成した水は液体として存在する。生成水が速やかにＰＥＦＣ外部に排出されず、ＧＤＬやセパレータのガス流路に水が滞留すると、ＭＥＡへのガスの供給が阻害されてしまう。この現象は、フラッディングと呼ばれている。従って、生成した水は、速やかにＰＥＦＣの外部に排出されるべきである。
【００１２】
ＭＥＡは、ＧＤＬおよびセパレータによって、所定の圧力で保持される。実際の設計においては、ＭＥＡへのガスの供給および生成水の排出が十分に達成されるように、ＰＥＦＣを構成する層間の圧力が決定される。
【００１３】
しかしながら、ＰＥＦＣの運転中に、ＰＥＦＣを構成する層間の圧力は変化しうる。具体的には、高分子電解質膜の含水率の変化と共に、高分子電解質膜の膨潤および収縮が生じ、高分子電解質の体積が変化する。その結果、ＰＥＦＣを構成する層間の圧力が変化する。接触面が平坦である場合には、圧力変化は面内で均一に分散される。しかし、セパレータの表面には、凹凸が形成されており、セパレータとＧＤＬとは凸部でのみ接触している。したがって、凸部が形成されている部位において、局所的に圧力が増大する。また、凸部の角においては、高い剪断応力が発生しうる。
【００１４】
セパレータとＧＤＬとの接触面での高い圧力は、高分子電解質膜にも影響を及ぼし、この状態で長時間ＰＥＦＣを運転すると、場合によっては、高分子電解質膜に穴が開いてしまう。高分子電解質膜に穴が開くと、アノードに供給された水素ガスとカソードに供給された酸素とが反応して、有効利用される水素量が減少する虞がある。また、ＰＥＦＣの一部が局所的に高温になり、ＰＥＦＣの耐久性や発電特性が低下する虞がある。つまり、セパレータの凸部における局所的な高圧は、ＰＥＦＣの発電効率の低下やＰＥＦＣの耐久性の低下を引き起こす。
【特許文献１】特開２００２−１８４４３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
そこで、本発明の目的は、セパレータのガス流路を形成する凸部に由来する圧力によって、高分子電解質膜が損傷する問題を解決することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜を挟持する、１対の触媒層と、前記触媒層の前記高分子電解質膜に対向する面に、前記高分子電解質膜および前記触媒層を挟持するように配置された、１対のガス拡散層と、前記ガス拡散層の前記触媒層に対向する面に、前記高分子電解質膜、前記触媒層および前記ガス拡散層を挟持するように配置された、１対のセパレータとを有する高分子電解質型燃料電池であって、前記セパレータは、前記ガス拡散層と接する面に、発電に用いられるガスが流通するガス流路を形成する凹凸を有し、前記凹凸の前記ガス拡散層と接する部分が、導電性の弾性体からなる、高分子電解質型燃料電池である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明のＰＥＦＣは、セパレータとガス拡散層との接触面に弾性体が配置されている。この弾性体によって、セパレータのガス流路を形成する凸部に由来する圧力が緩和され、高分子電解質膜の損傷が防止される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明のＰＥＦＣについて、図面を用いながら、詳細に説明する。なお、本発明においては、セパレータに導電性の弾性体が設置されている点を除いては、従来のＰＥＦＣにおいて用いられていた材料が、同様に用いられうる。このため、高分子電解質膜、触媒層、ガス拡散層などについては、簡単に説明するが、例示する材料や形状に、これらの材料が限定されるわけではない。また、新たに開発された材料や形状が用いられてもよい。
【００１９】
図１は、本発明のＰＥＦＣの第１実施形態を示す断面模式図である。図１のＰＥＦＣは、セパレータの表面に形成された凹凸に沿って、導電性の弾性体が配置されたＰＥＦＣである。
【００２０】
まず、第１実施形態の構成と効果について、簡単に説明する。
【００２１】
ＰＥＦＣ１０の中央には、高分子電解質膜１１０が配置される。高分子電解質膜のアノード側には、触媒層１２０ａ、ガス拡散層１３０ａ、セパレータ１４０ａが、この順序で配置される。セパレータ１４０ａは、ガス拡散層１３０ａと接する面に、凹凸を有する。凸部１４１ａは、ガス拡散層１３０ａと接触する。凹部１４２ａとガス拡散層１３０ａとの間の空間は、発電に用いられるガスが流通するガス流路１５０ａとなる。その他にも、必要に応じて、種々の部材が設置されうる。例えば、ＰＥＦＣに供給されたガスの外部へのリークを防ぐガスケット１６０ａが配置される。
【００２２】
一方、高分子電解質膜１１０のカソード側にも、触媒層１２０ｃ、ガス拡散層１３０ｃ、セパレータ１４０ｃが、この順序で配置される。アノード側と同様に、セパレータ１４０ｃは、ガス拡散層１３０ｃと接する面に、凹凸を有する。凸部１４１ｃは、ガス拡散層１３０ｃと接触する。凹部１４２ｃとガス拡散層１３０ｃとの間の空間は、発電に用いられるガスが流通するガス流路１５０ｃとなる。ガスケット１６０ｃが配置されてもよい。
【００２３】
第１実施形態においては、セパレータ１４０ａは、ガス拡散層１３０ａと接する面に形成されている凹凸に沿って、導電性の弾性体１４３ａが配置される。このような弾性体１４３ａを配置することによって、凸部１４１ａにより発生した剪断応力による、高分子電解質膜１１０の表面の開裂などの損傷が抑制される。同様に、カソード側にも、ガス拡散層１３０ｃと接する面に形成されている凹凸に沿って、導電性の弾性体１４３ｃが配置される。かようなアノード側弾性体１４３ａおよびカソード側弾性体１４３ｃによって、ＰＥＦＣの耐久性が向上しうる。
【００２４】
ここで、導電性の弾性体をセパレータとＧＤＬとの接触面に配置することによる、発生応力の減少効果についての実験結果を示す。図２は、セパレータと感圧紙とを積層させて、計算上２ＭＰａの圧力をかけた場合の、圧力分布を示すグラフである。図３は、セパレータと感圧紙との間に、シリコンシートを挟み、計算上２ＭＰａの圧力をかけた場合の、圧力分布を示すグラフである。セパレータとしては、幅がそれぞれ１ｍｍの凸部および凹部が形成された、ＳＵＳ３０４製のセパレータが用いられた。感圧紙としては、富士写真フィルム株式会社製プレスケール（登録商標）超低圧用が用いられた。シリコンシートとしては、厚さ２００μｍのシリコンシートが用いられた。なお、図３においては、シリコンシートが、セパレータ表面の凹凸の形状に沿って配置されていないが、これは、図３の実験は、単に弾性体の影響を調査する目的の実験だからである。
【００２５】
シリコンシートが配置されていない図２の積層体においては、凸部が形成された部分に圧力が集中し、多くの部分における圧力が、計測限界である２．５ＭＰａを超えている。一方、シリコンシートが配置された図３の積層体においては、凸部が形成された部分の面圧が低下し、比較的、面全体に圧力が分散されている。このような圧力分散効果によって、高分子電解質膜の特定箇所への応力集中が防止され、高分子電解質膜の開裂が防止される。つまり、本発明によって、ＰＥＦＣの耐久性が向上する。
【００２６】
続いて、第１実施形態の構成について、構成ごとに詳細に説明する。
【００２７】
高分子電解質膜１１０は、プロトン伝導性を有する高分子膜である。高分子電解質膜としては各種の材料が提案されている。例えば、高分子電解質膜としては、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体からなる膜が挙げられる。より具体的には、
【００２８】
【化３】
2005183072.tif 000005
【００２９】
とテトラフルオロエチレン（ＣＦ２＝ＣＦ２）に基づく重合単位からなる共重合体が好ましい。上記式において、ｍは０〜３の整数、ｎは１〜１２の整数、ｐは０又は１、Ｘはフッ素原子又はトリフルオロメチル基である。ただし、かような高分子電解質膜を用いる態様に、本発明の技術的範囲が限定されることはない。
【００３０】
触媒層１２０ａおよび触媒層１２０ｃは、電極反応を媒介する触媒が配置される部位であり、カソードまたはアノードとして作用する部位である。触媒層によって、高分子電解質膜が挟持される。即ち、触媒層１２０ａ／高分子電解質膜１１０／触媒層１２０ｃの順に、積層される。なお、本発明において「挟持」とは、ある部材が、２つの他の部材の間に介在している状態を意味する。部材間の接触面積は特に制限されない。
【００３１】
触媒材料としては、水素の酸化反応および／または酸素の還元反応に、触媒作用を有することが求められる。例えば、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属、及びそれらの合金等が、触媒材料として挙げられる。
【００３２】
触媒材料の配置態様は、特に限定されない。例えば、触媒材料は、炭素材料に担持され、触媒材料を担持する炭素材料と水素イオン伝導性高分子電解質とが、触媒層を形成する。炭素材料としては、カーボンブラック、活性炭、コークス、黒鉛等が挙げられる。水素イオン伝導性高分子電解質としては、前記高分子電解質膜と同様の重合体が挙げられる。触媒材料が炭素材料に担持されたときの粒子径は、一般的には１〜３０ｎｍ程度である。担持の容易さという観点からは、１ｎｍ以上であることが好ましく、触媒利用率の観点からは、３０ｎｍ以下であることが好ましい。ただし、場合によっては、この範囲から外れる粒子径であってもよい。
【００３３】
触媒層には、ポリテトラフルオロエチレン、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体といった撥水性高分子等が含まれてもよい。
【００３４】
ガス拡散層（１３０ａ、１３０ｃ）は、一般に多孔性の材料からなり、多孔性のガス拡散層によって、燃料電池に供給されたガスが分散して、触媒層に供給される。本願においては、ガス拡散層は、ＧＤＬと略される。ＧＤＬ（１３０ａ、１３０ｃ）は、触媒層の高分子電解質に対向する面に、高分子電解質膜および触媒層を挟持するように配置される。即ち、ＧＤＬ１３０ａは、触媒層１２０ａの高分子電解質１１０が配置された面の反対側の面に、配置される。ＧＤＬ１３０ｃは、触媒層１２０ｃの高分子電解質１１０が配置された面の反対側の面に、配置される。全体としては、ＧＤＬ１３０ａおよびＧＤＬ１３０ｃによって、高分子電解質膜１１０および触媒層（１２０ａ、１２０ｃ）が、挟持される。その結果、ＧＤＬ１３０ａ／触媒層１２０ａ／高分子電解質膜１１０／触媒層１２０ｃ／ＧＤＬ１３０ｃの順に配置された組立体が得られる。
【００３５】
ＧＤＬ（１３０ａ、１３０ｃ）に用いられる材料としては、炭素製の織物、紙状抄紙体、フェルト、不織布などからなるシート状材料が提案されている。ＧＤＬには、電子伝導性、撥水性などの機能も求められる。ＧＤＬが優れた電子伝導性を有していると、発電反応により生じた電子の効率的な運搬が達成され、燃料電池の性能が向上する。また、ＧＤＬが優れた撥水性を有していると、生成した水が効率的に排出される。高い撥水性を確保するために、これらの材料を撥水化処理する技術も提案されている。
【００３６】
ＧＤＬ（１３０ａ、１３０ｃ）は、性能を向上させるために各種改良が施されても良い。例えば、カーボン繊維織布の表面に、フッ素樹脂とカーボンブラックからなる層を形成することによって、ＧＤＬのガス拡散性や対圧縮性の向上が図られても良い（例えば、特開平１０−２６１４２１号公報、特開平１１−２７３６８８号公報参照）。
【００３７】
セパレータ（１４０ａ、１４０ｃ）は、ＭＥＡで発生した電流を隣接する燃料電池に伝達する機能を有する。ＰＥＦＣが多数のＰＥＦＣからなるスタックの端部に配置されている場合には、最外部に配置されたセパレータから電流が取り出される、または、最外部に配置されたセパレータに電流が流れ込む。
【００３８】
セパレータ（１４０ａ、１４０ｃ）は、ＧＤＬの触媒層に対向する面に、高分子電解質膜、触媒層およびセパレータを挟持するように配置される。即ち、セパレータ１４０ａは、ＧＤＬ１３０ａの触媒層１２０ａが配置された面の反対側の面に、配置される。セパレータ１４０ｃは、ＧＤＬ１３０ｃの触媒層１２０ｃが配置された面の反対側の面に、配置される。全体としては、セパレータ１４０ａおよびセパレータ１４０ｃによって、高分子電解質膜１１０、触媒層（１２０ａ、１２０ｃ）、およびＧＤＬ（１３０ａ、１３０ｃ）が、挟持される。その結果、セパレータ１４０ａ／ＧＤＬ１３０ａ／触媒層１２０ａ／高分子電解質膜１１０／触媒層１２０ｃ／ＧＤＬ１３０ｃ／セパレータ１４０ｃの順に配置されたＰＥＦＣが得られる。
【００３９】
セパレータのＧＤＬ側の表面にはガス流路１５０ａが形成され、ガス流路に所定のガスが供給される。ガス流路を流通するガスは、ＧＤＬ１３０ａに流入し、ＧＤＬで拡散されて、最終的にはＭＥＡに供給される。ガス流路１５０ａは、ＭＥＡにおける発電反応に伴って生成した水を外部に排出するためにも用いられる。ＭＥＡで発生した水は、ＧＤＬを介してセパレータのガス流路に搬送され、ガス流路を経てＰＥＦＣの外部に排出される。同様に、カソード側にも、ガス流路１５０ｃが形成され、ガスの供給および水の排出のための流路として用いられる。
【００４０】
ガス流路１５０ａは、セパレータがＧＤＬ側の表面に有する凹凸によって形成される。セパレータのＧＤＬ側の面には、凸部１４１ａおよび凹部１４２ａが形成され、凸部１４１ａは、ＧＤＬ１３０ａと接触する。一方、凹部１４２ａは、セパレータ１４０ａとＧＤＬ１３０ａとの接触面から離れており、ＧＤＬ１３０ａと凹部１４２ａとの間の空間が、ガス流路１５０ａとなる。同様に、カソード側にも、凸部１４１ｃおよび凹部１４２ｃによって、ガス流路１５０ｃが形成される。
【００４１】
第１実施形態のＰＥＦＣは、セパレータのＧＤＬ側の表面に形成された凹凸に沿って配置された導電性の弾性体１４３ａを有する。導電性の弾性体１４３ａによって、セパレータの凸部１４１ａ、特にセパレータの凸部１４１ａの角部において発生する剪断応力が弱められる。その結果、凸部１４１ａによって引き起こされるＰＥＦＣの損傷、例えば、高分子電解質膜の開裂が防止される。カソード側にも、同様に、セパレータのＧＤＬ側の表面に形成された凹凸に沿って配置された導電性の弾性体１４３ｃが配置され、ＰＥＦＣの損傷が防止される。
【００４２】
凸部（１４１ａ、１４１ｃ）とＧＤＬ（１３０ａ、１３０ｃ）との接触面に、弾性体を配置することによって、ガス流路間のガスリークも、効果的に防止される。凸部（１４１、１４１ｃ）が弾性体であると、ＧＤＬ（１３０ａ、１３０ｃ）との密着性が高いため、ガス流路（１５０ａ、１５０ｃ）を流通するガスが、隣接するガス流路に凸部とＧＤＬとの隙間を経て流入することが防止される。ガスリークが効果的に防止されるため、凸部の高さを減少させ、ＰＥＦＣを小型化することも可能である。
【００４３】
また、金属からなるセパレータ（１４０ａ、１４０ｃ）を用いる場合、特にステンレスからなるセパレータを用いる場合には、ＧＤＬおよびＭＥＡに金属イオンが混入し、混入した金属イオンによって、ＭＥＡ性能が劣化しうる。また、溶出した金属イオンによって形成された不導体皮膜によって、接触抵抗が増大しうる。これらの問題は、セパレータの凹部および凸部の双方を弾性体で被覆することによって、解決されうる。
【００４４】
セパレータの、導電性の弾性体でない部分を構成する材料は、特に限定されない。例えば、カーボン、ステンレスなどの金属が、好ましくはステンレスが、セパレータ構成材料として用いられる。ステンレスセパレータを用いることによって、ＰＥＦＣの小型軽量化および低コスト化が達成されうる。
【００４５】
導電性の弾性体は、ＰＥＦＣの発電特性に大きな悪影響を及ぼさず、その弾性によって、セパレータの凸部に由来する剪断応力を緩和しうる材料であれば、特に限定されない。例えば、導電性の弾性体としては、導電性シリコーンなどの導電性高分子が用いられうる。導電性シリコーンとは、絶縁性のシリコーンゴムにフィラーとしてカーボンブラックを添加することで、体積抵抗率が約１０−２Ωｍ程度に減少した材料である。
【００４６】
導電性の弾性体の体積抵抗率は、特に限定されないが、好ましくは１０−２Ωｍ以下、より好ましくは１０−３Ωｍ以下である。体積抵抗率はインピーダンスアナライザを用いて測定されうる。
【００４７】
導電性の弾性体の弾性率は、特に限定されないが、好ましくは１．５×１０−４〜５．０×１０−４（Ｎｍ−２）である。弾性率は弾性測定装置を用いて測定されうる。
【００４８】
ここで、セパレータの表面に導電性の弾性体が配置された場合の抵抗を、実際の数値を用いて、試算してみる。セパレータの基部としては、体積抵抗率が１０−６Ωｍであるステンレスが用いられ、導電性の弾性体としては、体積抵抗率が１０−２Ωｍの導電性シリコーンが用いられるとする。導電性の弾性体の厚みを５０μｍとすると、導電性の弾性体の抵抗は、５０（μｍ）×１０−２（Ωｍ）＝５×１０−７（Ωｍ２）である。一方、セパレータの抵抗は、セパレータの厚みを２０ｍｍとすると、２０（ｍｍ）×１０−６（Ωｍ）＝２×１０−８（Ωｍ２）である。
【００４９】
現在用いられているカーボンセパレータの抵抗についても、試算してみる。カーボンセパレータの抵抗率を５×１０−２Ωｍ、カーボンセパレータの厚みを２０ｍｍとすると、カーボンセパレータの抵抗は、２０（ｍｍ）×５×１０−２（Ωｍ）＝１０−３（Ωｍ２）である。この値は、導電性の弾性体が配置されたセパレータの抵抗よりも大きい。即ち、導電性の弾性体が配置されたセパレータは、電気抵抗的には、十分な有用性を有していることがわかる。
【００５０】
導電性の弾性体が表面に配置されたセパレータの作製方法については、特に限定されない。接着剤を用いて凹凸の形状に沿って導電性の弾性体を貼り付けてもよい。ＰＥＦＣの運転中に剥がれるなどの問題が生じないのであれば、接着剤を用いずに、凹凸の形状と合致するように成型した導電性の弾性体をはめ込み、ＰＥＦＣの組み立ての際に、外れないように締め付けても良い。
【００５１】
好ましくは、導電性の弾性体は、導電性の接着剤を用いてセパレータに配置される。導電性の接着剤を用いて導電性の弾性体を配置することによって、弾性体と弾性体が配置されるセパレータの基部との接触抵抗が低減されうる。また、接着剤を用いて弾性体を接着する方法は、簡便であり、作業性の面からも好ましい。なお、本願においては「セパレータの基部」とは、セパレータのうち、導電性の弾性体でない部分を意味する。
【００５２】
導電性の接着剤は、ＰＥＦＣの発電特性に大きな悪影響を及ぼさず、導電性の弾性体とセパレータの基部とを接着する材料であれば、特に限定されない。例えば、導電性の接着剤としては、導電機能を持つ貴金属の粉末やレジネートなどをガラスフリットや金属酸化物または樹脂などのバインダーに混入し、混合物を有機系樹脂と溶剤からなる粘性媒体に混ぜてペースト状にした組成物が用いられうる。例えば、銀をフィラー剤として用いた場合、接着剤の体積抵抗率は、３．０×１０−６Ωｍ程度となりうる。これは導電性シリコーンよりも大幅に低い値である。また、接着層の厚さは計測不可能なほど薄いことを考えるとこの部分の抵抗は無視できる。したがって、導電性の接着剤を用いて、セパレータの基部と導電性の弾性体とを接着することによって、セパレータの導電率を大きく向上させうる。なお、導電性の接着剤の体積抵抗率は、特に限定されないが、好ましくは３×１０−６Ωｍ以下、より好ましくは１０−７Ωｍ以下である。
【００５３】
ＰＥＦＣは、高分子電解質膜、ＧＤＬ、セパレータ以外の構成要素を有していても良い。例えば、反応性ガスの外部へのリークを防ぐためのガスケット（１６０ａ、１６０ｃ）が配置されうる。
【００５４】
次に、本発明の第２実施形態について説明する。なお、第１実施形態と同一の符号が付された箇所は、第１実施形態と同様の部材であることを示す。それらについては、第１実施形態における説明が適用されるため、以下においては、詳細な説明を省略する。
【００５５】
図４は、本発明のＰＥＦＣの第２実施形態を示す断面模式図である。図４のＰＥＦＣは、セパレータのＧＤＬ側の面に形成される凸部が、導電性の弾性体からなるＰＥＦＣである。
【００５６】
ＰＥＦＣ１１の中央には、高分子電解質膜１１０が配置される。高分子電解質膜のアノード側には、触媒層１２０ａ、ＧＤＬ１３０ａ、セパレータ１４０ａが、この順序で配置される。セパレータ１４０ａは、ＧＤＬ１３０ａと接する面に、凹凸を有する。凸部１４４ａは、ＧＤＬ１３０ａと接触する。凹部１４２ａとＧＤＬ１３０ａとの間の空間は、発電に用いられるガスが流通するガス流路１５０ａとなる。その他にも、必要に応じて、種々の部材が設置されうる。例えば、ＰＥＦＣに供給されたガスの外部へのリークを防ぐガスケット１６０ａが配置される。
【００５７】
一方、高分子電解質膜１１０のカソード側にも、触媒層１２０ｃ、ＧＤＬ１３０ｃ、セパレータ１４０ｃが、この順序で配置される。アノード側と同様に、セパレータ１４０ｃは、ＧＤＬ１３０ｃと接する面に、凹凸を有する。凸部１４４ｃは、ＧＤＬ１３０ｃと接触する。凹部１４２ｃとＧＤＬ１３０ｃとの間の空間は、発電に用いられるガスが流通するガス流路１５０ｃとなる。ガスケット１６０ｃが配置されてもよい。
【００５８】
第２実施形態においては、セパレータの凸部１４４ａが、導電性の弾性体である。凸部自体を導電性の弾性体から構成することによって、凸部１４４ａにより発生した剪断応力による、高分子電解質膜１１０の表面の開裂などの損傷が抑制される。同様に、カソード側の凸部１４４ｃも、導電性の弾性体からなる。導電性の弾性体からなる凸部（１４４ａ、１４４ｃ）によって、ＰＥＦＣの耐久性が向上しうる。
【００５９】
凸部を導電性の弾性体で構成することによって、ＰＥＦＣの耐久性の向上以外にも、第１実施形態と同様の効果が得られる。すなわち、凸部を導電性の弾性体から構成することによって、ガス流路間のガスリークが、効果的に防止され、ＰＥＦＣを小型化することも可能である。また、金属材料からなるセパレータ（１４０ａ、１４０ｃ）からの、ＧＤＬおよびＭＥＡへの金属イオンの混入が防止されうる。
【００６０】
セパレータの基部を構成する材料は、特に限定されない。第１実施形態と同様、カーボン、ステンレスなどの金属が用いられうる。
【００６１】
導電性の弾性体の材料については、第１実施形態と同様である。好ましくは、凸部を構成する導電性の弾性体は、セパレータの基部よりも体積抵抗率が低い材料から構成される。かような弾性体から凸部を形成することによって、ＰＥＦＣの内部抵抗が低下しうる。
【００６２】
導電性の弾性体からなる凸部（１４４ａ、１４４ｃ）の作製方法については、特に限定されない。平板上のセパレータの基部に、接着剤を用いて所定の大きさの凸部を貼り付けるとよい。
【００６３】
好ましくは、導電性の弾性体からなる凸部は、導電性の接着剤を用いてセパレータの基部に接着される。導電性の接着剤を用いて凸部を接着することによって、凸部とセパレータの基部との間での接触抵抗が低減されうる。また、接着剤を用いて弾性体を接着する方法は、簡便であり、作業性の面からも好ましい。導電性の接着剤は、第１実施形態と同様の接着剤が用いられうるため、ここでは説明を省略する。
【００６４】
凸部を構成する弾性体は、好ましくは、図４に示すように、セパレータの基部と凸部（１４４ａ、１４４ｃ）を構成する弾性体との接触面１７０に形成された凹凸によって、セパレータの基部と嵌合する。接触面１７０に形成された凹凸は、平板状でないことを意味し、凹凸の形状については特に限定されない。鋸状の凹凸、櫛状の凹凸、波状の凹凸など、各種凹凸が採用されうる。セパレータの基部と凸部とが、互いに設けられた凹凸によって嵌合すると、ガス流路を形成する凸部（１４４ａ、１４４ｃ）の位置決めが容易になる。また、セパレータ基部と凸部との接触面積が増大するので、該接触面の接触抵抗が低減されうる。凹凸の大きさについても特に限定されない。接触面積を増大させる観点からは、小さな凹凸が多数形成されることが好ましい。ただし、一般に、小さな凹凸を形成するのは困難であり、製造コストが増大する虞があることに留意すべきである。例えば、凸部の幅が１ｍｍである場合、凹凸の凸部のピッチは０．２５ｍｍ程度である。
【００６５】
参考までに、図５に、第２実施形態のＰＥＦＣを、触媒層１２０ａとＧＤＬ１３０ａとの界面から、セパレータ１４０ａ方向に観察した際の模式図を示す。なお、図５においては、便宜上、ＧＤＬは記載されていない。供給された水素ガスは、ガス流路１５０ａに沿って流通し、徐々にガス拡散層へ流出する。流通するガスの外部へのリークは、ガスケット１６０ａによって防止される。
【００６６】
凸部（１４４ａ、１４４ｃ）およびセパレータの接触面に形成される凹凸の形成方法は、凹凸の形状に応じて、好適な手段を使えばよく、特に限定されない。例えば、凸部を構成する弾性体を作製する際に、所定の凹凸を有する型が用いられる。セパレータの表面に凹凸を作製する手段は、セパレータの材質に応じて様々な手段が用いられうる。例えば、セパレータが炭素材料からなるのであれば、セパレータ表面を削ることによって、表面の所定の箇所に所定の形状を形成する。セパレータが金属からなるのであれば、金属表面を削ってもよい。金属を溶融させて、所定の型に供給し、固化させたのち、所定の形状に切り出しても良い。
【００６７】
本発明のＰＥＦＣの第１実施態様および第２実施態様について説明したが、ＧＤＬとセパレータとの接触面に弾性体が配置され、本発明の効果が得られるのであれば、他の実施態様が採用されてもよい。例えば、シート状の基部と凸部とが一体に成型された導電性の弾性体を、セパレータの基部と積層させて、セパレータを作製してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】セパレータの表面に形成された凹凸に沿って、導電性の弾性体が配置されたＰＥＦＣである。
【図２】セパレータと感圧紙とを積層させて、計算上２ＭＰａの圧力をかけた場合の、圧力分布を示すグラフである。
【図３】セパレータと感圧紙との間に、シリコンシートを挟み、計算上２ＭＰａの圧力をかけた場合の、圧力分布を示すグラフである。
【図４】セパレータのＧＤＬ側の面に形成される凸部が、導電性の弾性体からなるＰＥＦＣである。
【図５】第２実施形態のＰＥＦＣを、触媒層１２０ａとＧＤＬ１３０ａとの界面から、セパレータ１４０ａ方向に観察した際の模式図である。
【符号の説明】
【００６９】
１０…高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）、１１…高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）、１１０…高分子電解質膜、１２０ａおよび１２０ｃ…触媒層、１３０ａおよび１３０ｃ…ガス拡散層（ＧＤＬ）、１４０ａおよび１４０ｃ…セパレータ、１４１ａおよび１４１ｃ…凸部、１４２ａおよび１４２ｃ…凹部、１４３ａおよび１４３ｃ…弾性体、１４４ａおよび１４４ｃ…凸部、１５０ａおよび１５０ｃ…ガス流路、１６０ａおよび１６０ｃ…ガスケット、１７０…接触面。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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