(57)【要約】 【課題】  信頼性および耐食性に優れたセパレータを提供する。【解決手段】  芯材である金属薄板３０の両面にゴム（エラストマーを含む）層３１を形成し、分離部１３のゴム層３１には互いに平行な溝を設ける。ゴム層３１の溝は、水素ガス流路および酸素ガス流路となる。金属薄板を芯材とすることで、ゴムのみからなるセパレータに比べ、そりおよび変形量が少なく、信頼性および耐食性に優れる。また、分離部１３において、ゴム層３１によって金属薄板３０の表面を被覆することで、水素ガスおよび酸素ガスならびに冷却水による腐食などの表面変化を防止することができる。【選択図】      図４
2005174642.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質媒体を含有した電解質層の厚み方向表面に触媒電極を設けた複数の電解質組立体間に介在されるセパレータであって、
燃料ガスおよび酸化剤ガスの流路を分離する分離部を有し、
分離部では、芯材である平板状の金属板表面に、ゴム層が形成され、
ゴム層には、前記流路が設けられることを特徴とするセパレータ。
【請求項２】
前記ゴム層表面に、ゴム層の導電性より高い導電性を有する高導電層を形成したことを特徴とする請求項１記載のセパレータ。
【請求項３】
前記高導電層は、少なくともゴム層が電解質組立体と接触する領域に形成したことを特徴とする請求項２記載のセパレータ。
【請求項４】
電解質媒体を含有した電解質層の厚み方向表面に触媒電極を設けた複数の電解質組立体間に介在されるセパレータであって、
燃料ガスおよび酸化剤ガスの流路を分離する分離部を有し、
分離部では、芯材である平板状の金属板表面に、ゴム層とおよびゴム層の導電性より高い導電性を有する高導電層が形成され、
高導電層には、前記流路が設けられることを特徴とするセパレータ。
【請求項５】
外周部に設けられ、燃料ガスおよび酸化剤ガスの漏出を防ぐシール部を有し、
シール部は、金属板表面にゴム層を形成してなり、電解質組立体の触媒電極形成面に平行に延びるシール突部であって、その頂部がばね力によって電解質組立体に圧接されるように構成されたシール突部を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載のセパレータ。
【請求項６】
分離部とシール部とはプレス加工によって一体形成されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載のセパレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スタック型の固体高分子型燃料電池に備えられるセパレータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、限りあるエネルギ資源の有効利用や、地球温暖化防止のための省エネルギの必要性は広く認識されている。今日では、火力発電によって、熱エネルギを電力エネルギに変換する形でエネルギ需要が賄われている。
【０００３】
しかしながら、火力発電に必要な石炭および石油は埋蔵量が有限な資源であり、これらに代わる新たなエネルギ資源が必要となっている。そこで注目されているのが水素を燃料にして化学発電する燃料電池である。
【０００４】
燃料電池は、２つの電極と電極間に挟まれた電解質とを有している。陰極では、供給された水素がイオン化して水素イオンとなり電解質中を陽極に向かって移動する。陽極では、供給された酸素と電解質中を移動してきた水素イオンとが反応して水を発生する。水素がイオン化したときに発生した電子が、陰極から配線を通って陽極へと移動することで電流が流れ、電気が発生する。
【０００５】
燃料電池は、主に電解質の違いから４種類に分類される。イオン導電性セラミックスを電解質に用いた固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）、水素イオン導電性高分子膜を電解質に用いた固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）、高濃度リン酸を電解質に用いたリン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）、アルカリ金属炭酸塩を電解質に用いた熔融炭酸型燃料電池（ＭＣＦＣ）の４種類である。この中でも特に作動温度が８０℃と低い固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）の開発が進んでいる。
【０００６】
固体高分子型燃料電池の構造は、表面に触媒電極を設けた電解質層と、電解質層を両側から挟み、水素および酸素を供給するための溝を設けたセパレータと、電極発生した電気を回収する集電板などを含んで構成される。電解質層と同じく、セパレータについても改良が重ねられている。
【０００７】
セパレータの要求特性としては、導電性が高く、かつ燃料ガスおよび酸化剤ガスに対して気密性が高く、さらに水素および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。
これらの要求を満たすために以下のようなセパレータ材料が使用されている。
【０００８】
最もよく使用されているものとして緻密性カーボンがある。緻密性カーボンは導電性、耐食性に優れ、機械的強度も高い。また加工性がよく軽量である。しかし、振動や衝撃に弱く、切削加工が必要なため、加工費が高くなる。また気体の不浸透化処理を施す必要がある。
【０００９】
また、プラスチックスも使用され、フェノール樹脂、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂が使用される。プラスチックスは、低コストであることが主な特徴であるが、寸法安定性が悪く、導電性にも劣る。
【００１０】
導電性、加工性、密閉性などの観点から、金属が使用されることが多くなっている。金属としては、主にチタン、ステンレスが使用される。しかし、金属は腐食し易く、電解質膜に金属イオンが取り込まれてイオン導電性が低下してしまうため、セパレータ表面に金めっきを施す必要がある。
【００１１】
また、ゴムも使用され、エチレン−プロピレン−ジエンゴムなどが使用される。ゴムは、ガス透過性が低く、シール性が高い。
【００１２】
特許文献１には、固体高分子電解質型燃料電池が開示されている。この固体高分子電解質型燃料電池では、セパレータとしてステンレス鋼、チタン合金など大気によって容易に不動態膜が形成される金属薄板を用いており、プレス加工によって所定の形状に加工している。
【００１３】
【特許文献１】特開平８−１８０８８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
ゴムからなるセパレータは、ガス透過性は低いが、剛性が低く、高熱環境化では劣化するため、そりおよび変形量も大きく、長時間の使用に耐えられないという問題がある。
【００１５】
本発明の目的は、信頼性および耐食性に優れたセパレータを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、電解質媒体を含有した電解質層の厚み方向表面に触媒電極を設けた複数の電解質組立体間に介在されるセパレータであって、
燃料ガスおよび酸化剤ガスの流路を分離する分離部を有し、
分離部では、芯材である平板状の金属板表面に、ゴム層が形成され、
ゴム層には、前記流路が設けられることを特徴とするセパレータである。
【００１７】
また本発明は、前記ゴム層表面に、ゴム層の導電性より高い導電性を有する高導電層を形成したことを特徴とする。
【００１８】
また本発明は、前記高導電層は、少なくともゴム層が電解質組立体と接触する領域に形成したことを特徴とする。
【００１９】
また本発明は、電解質媒体を含有した電解質層の厚み方向表面に触媒電極を設けた複数の電解質組立体間に介在されるセパレータであって、
燃料ガスおよび酸化剤ガスの流路を分離する分離部を有し、
分離部では、芯材である平板状の金属板表面に、ゴム層とおよびゴム層の導電性より高い導電性を有する高導電層が形成され、
高導電層には、前記流路が設けられることを特徴とするセパレータである。
【００２０】
また本発明は、外周部に設けられ、燃料ガスおよび酸化剤ガスの漏出を防ぐシール部を有し、
シール部は、金属板表面にゴム層を形成してなり、電解質組立体の触媒電極形成面に平行に延びるシール突部であって、その頂部がばね力によって電解質組立体に圧接されるように構成されたシール突部を有することを特徴とする。
【００２１】
また本発明は、分離部とシール部とはプレス加工によって一体形成されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、電解質媒体を含有した電解質層の厚み方向表面に触媒電極を設けた複数の電解質組立体間に介在されるセパレータであり、セパレータは、燃料ガスおよび酸化
剤ガスの流路を分離する分離部とを有する。
【００２３】
分離部では、芯材である平板状の金属板表面に、ゴム層が形成され、ゴム層には前記流路が設けられる。
【００２４】
これにより、平板状の金属板を芯材とすることで、ゴムのみからなるセパレータに比べ、そりおよび変形量が少なく、信頼性に優れたセパレータを提供することができる。芯材である金属板は、ゴム層で被覆されているので、水素ガスおよび酸素ガスならびに冷却水による腐食などの表面変化を防止することができる。
【００２５】
また本発明によれば、前記ゴム層表面に、ゴム層の導電性より高い導電性を有する高導電層を形成する。これにより、セパレータと電解質組立体との接触抵抗を低下させることができる。
【００２６】
また本発明によれば、少なくともゴム層が電解質組立体と接触する領域に、高導電層を形成するので、より効果的にセパレータと電解質組立体との接触抵抗を低下させることができる。
【００２７】
また本発明によれば、電解質媒体を含有した電解質層の厚み方向表面に触媒電極を設けた複数の電解質組立体間に介在されるセパレータであり、セパレータは、燃料ガスおよび酸化剤ガスの流路を分離する分離部とを有する。
【００２８】
分離部では、芯材である平板状の金属板表面に、ゴム層とおよびゴム層の導電性より高い導電性を有する高導電層が形成される。高導電層には、前記流路が設けられる。
【００２９】
これにより、平板状の金属板を芯材とすることで、ゴムまたは熱硬化性ポリマーのみからなるセパレータに比べ、そりおよび変形量が少なく、信頼性に優れたセパレータを提供することができる。芯材である金属板は、ゴム層または熱硬化性ポリマー層で被覆されているので、水素ガスおよび酸素ガスならびに冷却水による腐食などの表面変化を防止することができる。さらに、電解質組立体との接触抵抗を低下させるとともに、電流経路全体の抵抗を大幅に低下させることができるので、電力の回収率を向上することができる。
【００３０】
また本発明によれば、外周部に設けられ、燃料ガスおよび酸化剤ガスの漏出を防ぐシール部を有し、シール部は、金属板表面にゴム層を形成してなり、電解質組立体の触媒電極形成面に平行に延びるシール突部であって、その頂部がばね力によって電解質組立体に圧接されるように構成されたシール突部を有する。
【００３１】
これにより、従来必要であった、Ｏリング、ガスケットなどのシール部材を必要とせず、燃料電池の部材点数を削減することができる。
【００３２】
また本発明によれば、分離部とシール部とはプレス加工によって一体形成される。これにより、燃料電池の製造工程を短縮することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
図１は、固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell、略称ＰＥＦＣ）１００を展開した状態で模式的に示した斜視図である。ＰＥＦＣ１００は、セパレータ１、燃料電池セル２、集電板３、絶縁シート４、エンドフランジ５、電極配線１２を有する。ＰＥＦＣ１００は、高電圧、高出力を得るために、複数の燃料電池セル２を直列に接続した、いわゆるスタック状態で構成される。このスタック状態を構成するためには、燃料電池セル２間にセパレータを配置し、各燃料電池セル２に対して水素および酸素の供給と、発生した電気の回収とを行う。したがって、図１に示すように、燃料電池セル２とセパレータ１とが交互に配置する。この配置の最外層にはセパレータ１が配置され、セパレータ１のさらに外側には集電板３が設けられる。集電板３は、各セパレータ１で回収された電気を集めて取り出すために設けられ、電極配線１２が接続されている。絶縁シート４は、集電板３とエンドフランジ５との間に設けられ、集電板３からエンドフランジ５に電流が漏れるのを防止している。エンドフランジ５は、複数の燃料電池セル２をスタック状態に保持するためのケースである。
【００３４】
エンドフランジ５には、水素ガス供給口６、冷却水供給口７、酸素ガス供給口８、水素ガス排出口９、冷却水排出口１０および酸素ガス排出口１１が形成されている。各供給口から供給されたガスおよび水の流体は、燃料電池セル２の積層方向に貫通する各往路を通り最外層のセパレータ１で折り返し、各復路を通って各排出口から排出される。
【００３５】
往路および復路は、各セパレータ１で分岐しており、往路を流れる各流体は、セパレータ１によって形成された、燃料電池セル２の面方向に平行な流路を通って復路に流れ込む。水素ガスおよび酸素ガスは、燃料電池セル２で消費されるので、未反応ガスが復路を通って排出されることとなる。排出された未反応ガスは回収され、再度供給口から供給される。酸素ガス流路付近には酸素と水素との反応によって水が生成するので、排出された酸素ガスは水を含んでいる。排出された酸素ガスを再度供給するには水を除去する必要がある。
【００３６】
燃料ガスである水素ガスおよび酸化剤ガスである酸素ガスは、それぞれ水素および酸素のみからなるガスである必要はなく、水素、酸素以外にも、接触する流路を劣化、変性させないガスであれば含んでいてもよい。たとえば、酸素ガスとして窒素を含む空気を用いてもよい。また、水素源としては水素ガスに限らずメタンガス、エチレンガス、天然ガスなどでもよく、エタノールなどでもよい。
【００３７】
図２は、本発明の第１の実施形態であるセパレータ１を含む単位電池１０１の水平断面図である。単位電池１０１とは、１つの燃料電池セル２と、この両側に配置された２つのセパレータ１とからなり、水素および酸素を供給することで電力を発生させることができる最小の構成である。
【００３８】
電解質組立体である燃料電池セル２は、電解質媒体である高分子膜２０と、高分子膜２０の厚み方向表面に形成した触媒電極２１とからなり、ＭＥＡ（Membrane Electrode
Assembly）とも呼ばれる。
【００３９】
高分子膜２０は、水素イオン（プロトン）を透過するプロトン導電性電解質膜であり、パーフルオロスルホン酸樹脂膜（たとえば、デュポン社製、商品名ナフィオン）がよく用いられる。
【００４０】
触媒電極２１は、高分子膜２０の厚み方向表面に、プラチナ、ルテニウムなどの触媒金属を含むカーボン層として積層される。触媒電極２１に水素ガス、酸素ガスが供給されると、触媒電極２１と高分子膜２０との界面で電気化学反応が生じて直流電力が発生する。
【００４１】
高分子膜２０は、厚みが約０．１ｍｍであり、触媒電極２１は含有する触媒金属などによっても変わるが、数μｍの厚みで形成される。
【００４２】
セパレータ１は、水素ガスおよび酸素ガスの流路を分離する分離部１３と、外周部に設けられ、水素ガスおよび酸素ガスの漏出を防ぐシール部１４とを有している。本実施形態では、触媒電極２１は、高分子膜２０の全面に形成されているのではなく、外周の幅１〜
２０ｍｍ、望ましくは５〜１０ｍｍにわたって高分子膜２０が表面に露出している。セパレータ１の分離部１３は、触媒電極２１が形成されている領域に対向する領域に形成され、シール部は、高分子膜２０が露出している領域に対向する領域に形成される。
【００４３】
分離部１３には、触媒電極２１の形成面に平行で、互いに平行な複数の流路溝が厚み方向両面に形成されている。この流路溝は、ガスの流れ方向に垂直な断面が凹形状となっている。所定の間隔で設けられた分離ブロック１５と触媒電極２１とで囲まれた空間が水素ガス流路１６および酸素ガス流路１７となる。分離ブロック１５は、水素ガスと酸素ガスが混合しないように水素ガス流路１６と酸素ガス流路１７とを隔てるとともに、触媒電極２１に接触し、高分子膜２０と触媒電極２１との界面で発生した直流電力は、直流電流として取り出される。取り出された直流電流は、他の分離ブロック１５などを通って集電板３に収集される。
【００４４】
互いに隣接する流路溝は、開放面が同じ向きとなるように形成されており、これに応じて、一方の面には水素ガス流路１６を設定し、他方の面には酸素ガス流路１７を設定する。すなわち、同一の触媒電極２１には同一のガスが接触するようにガス流路を設定する。さらに、１つの単位電池１０１を構成する２つのセパレータ１は、図２に示すように、流路溝の開放部が、燃料電池セル２を挟んで対向するように配置される。すなわち、２つのセパレータ１は、燃料電池セル２の中心を対称面として面対称の関係となるように配置される。ただし、ガス流路の設定は、面対称の関係ではなく、燃料電池セル２を挟んで対向する流路溝が、異なるガスのガス流路を形成するように設定する。たとえば、図２に示すように、燃料電池セル２を挟んで対向するガス流路は、一方が水素ガス流路１６であり、もう一方が酸素ガス流路１７である。
【００４５】
以上のようにセパレータ１を配置し、ガス流路を設定することで、電力を発生させることができる。
【００４６】
なお、流路溝と触媒電極２１とによって形成された流路には、水素ガスおよび酸素ガスに限らず、冷却水を流してもよい。冷却水を流す場合は、燃料電池セル２を挟んで対向する流路溝のいずれにも流すことが好ましい。
【００４７】
詳細については後述するが、セパレータ１の芯材として、平板状の金属薄板を用いる。たとえば、鉄、アルミニウム、チタンなどの金属薄板、特にステンレス（たとえばＳＵＳ３０４など）鋼板、ＳＰＣＣ（一般用冷間圧延鋼板）、耐食性鋼板が好ましい。
【００４８】
シール部１４には、触媒電極２１の形成面に平行に延びるシール突部が形成される。このシール突部は、ガスの流れ方向に垂直な断面が逆Ｕ字形状または逆Ｖ字形状となっている。セパレータ１の芯材を金属薄板とすることで、シール突部の頂部１８は、ばね力によって、露出した高分子膜２０に圧接される。この圧接位置でシールされ、水素ガスおよび酸素ガスの漏出を防ぐことができる。また、シール突部を逆Ｕ字形状または逆Ｖ字形状とすることで、頂部１８の膜接触面積を小さくし、Ｏリングと同様の高圧シールを実現している。
【００４９】
シール突部の頂部１８を、ばね力によって高分子膜２０に圧接するには、高分子膜２０と接触しない状態、すなわちＰＥＦＣ１を組み立てる前の状態のセパレータ１において、シール突部の頂部１８の位置が、ＰＥＦＣ１が組み立てられ、高分子膜２０と接触する位置よりさらに高分子膜２０側となるように予めシール部１４を形成する。具体的には、図３（ａ）に示すように、ＰＥＦＣ１が組み立てられた状態では、シール突部の頂部１８の位置は、触媒電極２１との仮想接触面Ａを基準とすると、触媒電極２１との接触面と頂部１８との距離が触媒電極２１の厚みｔ１となるような位置になる。したがって、ＰＥＦＣ
１が組み立てられる以前の状態では、図３（ｂ）に示すように、シール突部の頂部１８の位置は、触媒電極２１との接触面との距離がｔ１より大きなｔ２となるように形成すればよい。分離部１３とシール突部との接続部分がばねとして働くので、組み立て時に頂部１８が高分子膜に圧接する際の圧力は、このばね力と接触面積によって決まる。ばね力は、フックの法則に従い、ばね定数（弾性定数）に変位量を掛けたものとなる。セパレータ１においては、ばね定数は、セパレータ１の材質およびシール部１４の形状とで決まる。変位量は、Δｔ＝ｔ２−ｔ１である。したがって、材質と形状とを予め決定し、ばね定数を決定した状態で、加工時にｔ２を変えることで、シール圧力を容易に調整することができる。最適なシール圧力を実現するために、材質および形状を変更してもよいことは言うまでもない。
【００５０】
前述のように、燃料電池セル２を挟む２つのセパレータ１は、面対称の関係となるように配置されるので、シール突部の頂部１８による圧接位置も、燃料電池セル２の中心を対称面として面対称の関係となる。頂部１８の圧接位置が対向する位置となることで、シール性が向上する。
【００５１】
図４は、第１の実施形態における分離部１３の要部拡大図である。本実施形態では、芯材である金属薄板３０の両面にゴム（エラストマーを含む）層３１を形成し、分離部１３のゴム層３１には互いに平行な溝が設けられている。ゴム層３１の溝が、水素ガス流路１６および酸素ガス流路１７となる。分離部１３において、ゴム層３１によって金属薄板３０の表面を被覆することで、水素ガスおよび酸素ガスならびに冷却水による腐食などの表面変化を防止することができる。
【００５２】
また、分離部１３では、ゴム層３１が触媒電極２１に接触して、高分子膜２０と触媒電極２１との界面で発生した直流電力を直流電流として取り出し、セパレータ１内を通って集電板に収集される。このように、ゴム層３１は、導電性を有することが必要であるので、ゴムとして、たとえば、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、スチレン−ブタジエンゴム、ブチルゴムおよびエチレン−プロピレンゴムなどの汎用ゴム、耐ガス透過性および耐熱性を有するエピクロロヒドリンゴムなどの特殊ゴムにカーボンフィラーを添加して導電性を付与したものを使用することができる。特に、耐熱性、耐酸性に優れたアリル系付加重合型ポリイソブチレンにカーボンフィラーを添加したものが好ましい。
【００５３】
また、ゴムに代えて合成樹脂を用いた合成樹脂層を設けてもよい。合成樹脂としては、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、含フッ素樹脂などにカーボンフィラーを添加して導電性を付与したものを使用することができる。特には、耐腐食性に優れた含フッ素樹脂が好ましく、たとえば、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）、ＦＥＰ（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）、ＥＰＥ（テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）、ＥＴＦＥ（テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体）、ＰＣＴＦＥ（ポリクロロトリフルオロエチレン）、ＥＣＴＦＥ（クロロトリフルオロエチレン−エチレン共重合体）、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）、ＰＶＦ（ポリビニルフルオライド）、ＴＨＶ（テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン−フッ化ビニリデン共重合体）、ＶＤＦ−ＨＦＰ（フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体）、ＴＦＥ−Ｐ（フッ化ビニリデン−プロピレン共重合体）などにカーボンフィラーを添加したものが好ましい。
シール部１４についてもゴム層３１で金属薄板３０を被覆するようにしてもよい。
【００５４】
図５は、第１の実施形態におけるシール部１４の要部拡大図である。本実施形態では、セパレータ１は、被覆層３１を形成して金属薄板３０の表面を被覆している。シール部１４では、ゴム層３１が高分子膜２０に接触してシールしている。
【００５５】
金属薄板３０が高分子膜２０に直接に接触させると、シール突部の頂部１８が変形しているような場合に、変形部分と高分子膜２０表面との間に微小な隙間が生じ、この隙間から流体が漏出するおそれがある。シール部１４において、高弾性体であるゴム層３１で被覆すると、ばね力によって頂部１８が圧接されることにより接触部分が変形し、高分子膜２０表面との間に隙間が生じないのでシール性が向上する。
【００５６】
金属薄板３０表面へのゴム層３１の被覆は、主に以下のような２種類の方法で行う。第１の方法は、被覆しようとする金属薄板３０の表面を酸化処理などにより粗化して表面処理層を形成し、アンカー効果によってゴム層３１を密着させる。第２の方法は、表面粗化では十分にゴム層３１との密着性を得られない場合は、接着層を介してゴム層３１を接着する。接着層としてはたとえばトリアジンチオール類、ポリアニリン類を使用する。金属表面に拡散したトリアジンチオール類、ポリアニリン類は、導電性を示すので、発生した直流電力を直流電流として取り出すことができる。これらの方法は、以下の実施形態についても同様に適用することができる。
【００５７】
以上のように、金属薄板を芯材とすることで、ゴムのみからなるセパレータに比べ、そりおよび変形量が少なく、信頼性および耐食性に優れたセパレータを提供することができる。
【００５８】
図６は、第２の実施形態における分離部１３の要部拡大図である。本実施形態では、セパレータ１は、金属薄板３０、ゴム層３１および高導電層３２からなり、ゴム層３１の表面に、ゴム層３１の導電性より高い導電性を有する高導電層３２を形成する。
【００５９】
ゴム層３１と触媒電極２１との接触抵抗が高く電力の回収率が十分に得られないような場合、ゴム層３１の表面に高導電層３２を形成することで、触媒電極２１との接触抵抗を低下させて回収率を向上させることができる。高導電層３２には、バインダ樹脂と炭素との混合物（以下では「カーボン・樹脂コンパウンド」と呼ぶ。）を使用するのが好ましい。高導電層３２は、炭素によって高導電性を実現し、バインダ樹脂によってガス透過性を低減させている。カーボン・樹脂コンパウンドの炭素含有量が増加するほど高導電層３２の電気抵抗は低くなるが、バインダ樹脂の含有量が減少するので、ガスの透過性が高くなってしまう。電気抵抗とガス透過性のバランスからカーボン樹脂コンパウンドの樹脂含有率は、２０〜３０％の範囲が好ましい。含有する炭素としては、人造黒鉛、炭素繊維、カーボンナノチューブ、フラーレンなどを使用し、特に人造黒鉛を使用することが好ましい。バインダ樹脂としては、ポリイソブチレンゴムなどを使用することが好ましい。
【００６０】
図７は、第２の実施形態におけるシール部１４の要部拡大図である。本実施形態では、セパレータ１は、金属薄板３０、ゴム層３１および高導電層３２からなる。シール部１４では、高導電層３２が高分子膜２０に接触してシールしている。ゴム層３１には、第１の実施形態と同様のゴムを使用することができる。
【００６１】
なお、第２の実施形態においては、分離部１３にのみ高導電層３２を設け、シール部１４に高導電層３２を設けなくてもよい。これは、シール部１４では、電力が発生しないので、高分子膜２０との接触抵抗を考慮する必要がないからである。ただし、製造工程上は、シール部１４も含めて金属薄板３０全面に高導電層３２を形成してもよい。
【００６２】
図８は、第３の実施形態における分離部１３の要部拡大図である。本実施形態では、セパレータ１は、金属薄板３０、ゴム層３１および高導電層３２からなり、ゴム層３１表面の触媒電極２１と接触する領域にのみ高導電層３２を形成する。高導電層３２には、第２の実施形態の高導電層３２と同様のカーボン・樹脂コンパウンドを使用することができる
。
【００６３】
高導電層３２による接触抵抗の低下は、ゴム層３１と触媒電極２１との接触領域にのみ高導電層３２を形成すれば十分な効果が得られる。したがって、高導電層３２の形成領域を減少させ、少量のカーボン・樹脂コンパウンドで効果的に接触抵抗を低下させることができる。
【００６４】
図９は、第４の実施形態における分離部１３の要部拡大図である。本実施形態は、第２および第３の実施形態と同様に、セパレータ１が、金属薄板、ゴム層および高導電層とからなるが、図９に示すように、ゴム層３３は、金属薄板３０の表面上に所定の厚みで一様に形成されており、ゴム層３３の表面上に、分離部１３のガス流路となる溝が設けられた高導電層３４が形成される。
【００６５】
分離部１３において、ゴム層３３によって金属薄板３０の表面を被覆することで、水素ガスおよび酸素ガスならびに冷却水による腐食などの表面変化を防止することができる。
【００６６】
また、第２の実施例とは異なり、分離部１３の大部分が高導電層３４からなるので、触媒電極２１との接触抵抗に加え、電流経路全体の抵抗を大幅に低下させることができるので、電力の回収率をさらに向上することができる。
【００６７】
ゴム層３３には、第１の実施形態のゴム層３１と同様のゴムを使用することができ、高導電層３４には、第２の実施形態の高導電層３２と同様のカーボン・樹脂コンパウンドを使用することができる。なお、高導電層３４は、分離部１３およびシール部１４に設けてもよいし、第２の実施形態と同様に、分離部１３にのみ設け、シール部１４には設けなくてもよい。
【００６８】
なお、第３および第４の実施形態におけるシール部１４については、高導電層３２を形成せず、図５に示したようなゴム層３１が高分子膜２０に接触してシールするようにしてもよいし、図７に示したような高導電層３２が高分子膜２０に接触してシールするようにしてもよい。
【００６９】
図１０は、他の実施形態であるセパレータ１を含む単位電池１０１の水平断面図である。図に示すように、単位電池１０１の一方のセパレータ１において、シール突部が、高分子膜２０と面接触するように、シール突部の断面を台形形状としてもよい。また、図１１に示すように、単位電池１０１の両方のセパレータ１において、シール突部が、高分子膜２０と面接触するように、シール突部の断面を台形形状としてもよい。
【００７０】
次にセパレータ１の製造方法について説明する。セパレータ１の製造方法は、主に以下の６工程からなる。
【００７１】
（１）金属薄板処理工程
シート状の金属薄板に対し、ゴムとの密着性を得るための処理を行う。処理方法には、前述の表面粗化による処理、接着層を形成する処理などがある。
（２）型抜き加工処理
表面処理された金属薄板に対し、所定の外形およびガス経路を得るために、型抜き加工を行う。
（３）ゴム層形成処理
型抜き加工が施された金属薄板の表面に、予め導電性のカーボンフィラーなどを含有させた液状導電性ゴムをコーティングするか、グリーンシート状導電性ゴムを積層する。液状導電性ゴムには、たとえばポリイソブチレンゴムなどを用いる。
（４）高導電層形成処理
ゴム層の表面に、炭素とバインダ樹脂との混合物または配合物を塗布する。なお、ゴム層の表面に塗布するのではなく、下記のプレス加工処理時に、予め金型の内面に塗布してもよい。
（５）プレス加工処理
分離部１３の流路溝とシール部１４のシール突部とを形成するためにプレス加工を行う。プレス加工により、分離部１３とシール部１４を同時に形成することができる。
（６）加硫処理
加熱によりゴム層の加硫処理を行う。なお、プレス加工時に加熱することで、金属薄板のＢＨ（Baked Hardening）処理およびゴム層の加硫処理を同時に行うようにしてもよい。金属薄板をＢＨ処理することによって、耐熱性を向上させるとともに、シール部１４の応力緩和を小さくし、シール性を保持することが可能である。
【００７２】
また、プレス加工時の加熱による加硫（一次加硫）に加え、プレス金型から脱型した後、電磁波を利用した誘電加熱（マイクロ波加熱）によって二次加硫を行ってもよい。誘電加熱は、被熱物の誘電体損失によって発生する熱による加熱であり、本発明においては、セパレータ１の芯材である金属薄板３０を被熱物としてゴム層を加熱する。これによって、ゴム層の加熱処理に要する時間を大幅に短縮することができる。
【００７３】
以上のようにして得られたセパレータ１と燃料電池セル２とを交互に所定数配置し、その外側に集電板３、絶縁シート４を配置してエンドフランジ５で挟持し固定することによりＰＥＦＣ１００が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）１００を展開した状態で模式的に示した斜視図である。
【図２】本発明の第１の実施形態であるセパレータ１を含む単位電池１０１の水平断面図である。
【図３】ばね力が発生するためのシール部１４の形状を説明する図である。
【図４】第１の実施形態における分離部１３の要部拡大図である。
【図５】第１の実施形態におけるシール部１４の要部拡大図である。
【図６】第２の実施形態における分離部１３の要部拡大図である。
【図７】第２の実施形態におけるシール部１４の要部拡大図である。
【図８】第３の実施形態における分離部１３の要部拡大図である。
【図９】第４の実施形態における分離部１３の要部拡大図である。
【図１０】他の実施形態であるセパレータ１を含む単位電池１０１の水平断面図である。
【図１１】他の実施形態であるセパレータ１を含む単位電池１０１の水平断面図である。
【符号の説明】
【００７５】
１  セパレータ
２  燃料電池セル
３  集電板
４  絶縁シート
５  エンドフランジ
６  水素ガス供給口
７  冷却水供給口
８  酸素ガス供給口
９  水素ガス排出口
１０  冷却水排出口
１１  酸素ガス排出口
１２  電極配線
１３  分離部
１４  シール部
１５  分離ブロック
１６  水素ガス流路
１７  酸素ガス流路
１８  底部
２０  高分子膜
２１  触媒電極
３０  金属薄板
３１，３３  ゴム層
３２，３４  高導電層
１００  固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）
１０１  単位電池
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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