(57)【要約】【課題】  劣化対策がとられた燃料電池用部品とその製造方法の提供。【解決手段】（１）プラスチックを含む燃料電池用部品であって、前記プラスチックに自己修復性プラスチックを利用した燃料電池用部品。（２）プラスチックを含む燃料電池用部品であって、前記プラスチックに自己修復性プラスチックを利用し、前記燃料電池用部品に導電性を付与した燃料電池用部品。（３）高分子材料に水素供与剤と補修剤を混合し自己修復性材料を作り出す工程と、該自己修復性材料に導電性を付与する工程と、該導電性を付与した自己修復性材料を燃料電池用部品に成形する工程とを、有する燃料電池用部品の製造方法。【選択図】        図３
2005071780.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
材料にプラスチックを含む燃料電池用部品であって、前記プラスチックに自己修復性プラスチックを利用した燃料電池用部品。
【請求項２】
材料にプラスチックを含む燃料電池用部品であって、前記プラスチックに自己修復性プラスチックを利用し、前記燃料電池用部品に導電性を付与した燃料電池用部品。
【請求項３】
高分子材料に水素供与剤と補修剤を混合し自己修復性材料を作り出す工程と、該自己修復性材料に導電性を付与する工程と、該導電性を付与した自己修復性材料を燃料電池用部品に成形する工程とを、有する燃料電池用部品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池用部品とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池、たとえば固体高分子電解質型燃料電池は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータとの積層体からなる。
特開２００２−８６８５号公報は、燃料電池用セパレータを、低融点金属を含有した熱可塑性樹脂からなり電極側表面に導電性ポリマーがコーティングされたプラスチックセパレータから構成することを開示している。
【０００３】
しかし、燃料電池用セパレータは、積層された時に機械的な押圧力により保持されるため、機械的な押圧力により傷が生じてその傷が劣化の原因となっている。また、プラスチック製セパレータ以外にも燃料電池用部品には電解質膜などプラスチック部品が存在し、これらのプラスチック部品は劣化などを抑制して、寿命を伸ばす必要がある。
【特許文献１】特開２００２−８６８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明が解決しようとする問題点は、燃料電池用プラスチック部品における、使用中に生じる傷などによるプラスチックの劣化という問題である。
本発明の目的は、劣化対策がとられた燃料電池用部品とその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
（１）プラスチックを含む燃料電池用部品であって、前記プラスチックに自己修復性プラスチックを利用した燃料電池用部品。
（２）プラスチックを含む燃料電池用部品であって、前記プラスチックに自己修復性プラスチックを利用し、前記燃料電池用部品に導電性を付与した燃料電池用部品。
（３）高分子材料に水素供与剤と補修剤を混合し自己修復性材料を作り出す工程と、該自己修復性材料に導電性を付与する工程と、該導電性を付与した自己修復性材料を燃料電池用部品に成形する工程とを、有する燃料電池用部品の製造方法。
【発明の効果】
【０００６】
上記（１）の燃料電池用部品によれば、プラスチック部品に、たとえばプラスチック製セパレータや電解質膜に、スタック押圧力などにより、傷が生じても、プラスッチクに自己修復性プラスチックを利用しているため、傷が修復され、プラスチックが劣化せず、または劣化の進行が遅くなり、燃料電池部品および該燃料電池部品をもつ燃料電池の寿命が伸びる。
【０００７】
上記（２）の燃料電池用部品によれば、プラスチック部品に、たとえばプラスチック製セパレータ（電解質膜は導電性をもたないため、（２）では燃料電池用部品に電解質膜を含まず）に、スタック押圧力などにより、傷が生じても、プラスッチクに自己修復性プラスチックを利用しそれに導電性を付与して部品を構成しているため、傷が修復され、プラスチックが劣化せず、または劣化の進行が遅くなり、燃料電池部品および該燃料電池部品をもつ燃料電池の寿命が伸びる。
【０００８】
上記（３）の燃料電池用部品の製造方法によれば、該製造方法により製造されたプラスチック部品に、たとえばプラスチック製セパレータ（電解質膜は導電性をもたないため、（３）では燃料電池用部品に電解質膜を含まず）に、スタック押圧力などにより、傷が生じても、プラスッチクに自己修復性プラスチックを利用しそれに導電性を付与して部品を構成しているため、傷が修復され、プラスチックが劣化せず、または劣化の進行が遅くなり、燃料電池部品および該燃料電池部品をもつ燃料電池の寿命が伸びる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下に、本発明の燃料電池用部品とその製造方法を図１−図３を参照して説明する。
【００１０】
本発明の燃料電池用部品（セパレータ、電解質膜、およびその他の燃料電池部品）が組付けられる燃料電池は、低温型燃料電池であり、たとえば、固体高分子電解質型燃料電池１０である。該燃料電池１０は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。
【００１１】
固体高分子電解質型燃料電池１０は、図１、図２に示すように、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータ１８との積層体からなる。膜−電極アッセンブリは、イオン交換膜からなる電解質膜１１と、この電解質膜の一面に配置された触媒層１２を有する電極（アノード、燃料極）１４および電解質膜１１の他面に配置された触媒層１５を有する電極（カソード、空気極）１７とからなる。触媒層１２、１５とセパレータ１８との間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層１３、１６が設けられる。
【００１２】
各セルの、アノード側では、水素を水素イオン（プロトン）と電子にする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソード側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる、またはセル積層方向一端のセルのアノードで生成した電子が外部回路を通して他端のセルのカソードにくる）から水を生成するつぎの反応が行われる。
【００１３】
アノード側：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ- 
カソード側：２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋（１／２）Ｏ2 →Ｈ2 Ｏ
膜−電極アッセンブリとセパレータ１８を重ねて単セル１９を構成し、少なくとも１つの単セルからモジュールを構成し、モジュールを積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート２４）、ボルト・ナット２５にて固定して、スタック２３を構成する。
【００１４】
上記反応を行うために、セパレータ１８には、アノード１４に燃料ガス（水素）を供給するための燃料ガス流路２７が形成され、カソード１７に酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路２８が形成される。また、セパレータ１８のガス流路と反対側面には、冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路２６が形成される。
【００１５】
セパレータ１８は、カーボン、または金属、または金属と樹脂（メタルセパレータと樹脂フレーム）、または導電性を付与された樹脂（プラスチック）、の何れか、またはその組合わせ、からなる。本発明では、セパレータ１８がプラスチック製セパレータである場合を例にとる。ただし、セパレータ１８がプラスチック以外の材料で電解質膜１１のみが樹脂製であってもよい。また、ターミナル２０が導電性プラスチックから構成されていてもよいし、あるいはエンドプレート２２が非導電性プラスチックから構成されていてもよい。セパレータ１８、電解質膜１１、ターミナル２０、エンドプレート２２等は、燃料電池部品の一部である。
【００１６】
本発明では、材料にプラスチックを含む燃料電池用部品の少なくとも１つの部品の、プラスチックに自己修復性プラスチック（「自己修復プラスチック」ともいう）が利用されている。ここで、「自己修復プラスチック」とは、プラスチック内部に生じた傷が自発的に修復されていくプラスチックである。
燃料電池部品が電解質膜１１やセパレータ１８で、そのプラスチックが自己修復プラスチックからなる場合、電解質膜１１やセパレータ１８の耐久性が向上し、その寿命が伸びる。
【００１７】
プラスチックが短寿命であることの主な原因は、プラスチックの内部に生じる「傷」であり、これが劣化につながる。プラスチックは、炭素や水素、酸素といった分子が多数結合して、ひも状になった「高分子」からなる。この高分子のひも同士が複雑にからみあうことで、プラスチックは固体としての強度をもつ。通常のプラスチックでは、１本のひも当たり、約７箇所からみあえば、使用しても十分な固体強度をもつ。劣化は、このひもが切れることによって生じる。切れる原因は、太陽光線の紫外線であったり、物理的な、熱的な、または化学的な力などである。たとえば７箇所でからみあっていたひもが、真中あたりで切れたとき、からみあいの数が半減した２本のひもができる。この反応が進んで、プラスチック内部にある高分子のひものからみあいが少なくなった状態が劣化である。
しかし、自己修復プラスチックでは傷が自発的に修復されるので、劣化しても自己修復され、あるいは劣化の進行が遅くなり、部品の耐久性が向上し、その寿命が伸びる。補修のメカニズムについては、雑誌「Ｎｅｗｔｏｎ」２００２年９月号、「自己修復するプラスチック」などに記載がある。
【００１８】
自己修復プラスチックは、たとえば、つぎの何れかの方法により製造することができる。
１．エンジニアリングプラスチック（ポリカーボネート、ポリアミド、ポリオキシメチレンなど）の１つである「ＰＰＥ（ポリフェニレン・エーテル）」を使用し、水素供与剤と、補修剤の銅（Ｃｕ−アミン触媒）をＰＰＥの中に混ぜておく。自己修復反応の結果、水が排泄される。
２．エンジニアリングプラスチックの１つである「ポリカーボネート」を使用し、水素供与剤と補修剤の炭酸ソーダを、ポリカーボネートの中に混ぜておく。自己修復反応の結果、水が排泄される。
３．自己修復プラスチックは上記のものに限定されるものではなく、現在、各種のものが開発されている。
【００１９】
本発明では、材料にプラスチックを含む燃料電池用部品の少なくとも１つの部品の、プラスチックに自己修復プラスチックが利用されるとともに、その部品に導電性が付与されてもよい。                                                                      その場合、燃料電池部品は、たとえばセパレータ１８で、そのプラスチックが自己修復プラスチックからなる場合、そのセパレータ１８の耐久性が向上し、その寿命が伸びる。電解質膜１１は導電性をもたない膜であるので、部品に導電性が付与される場合、その部品に電解質膜は含まれない。
【００２０】
プラスチックへの導電性付与の方法には、つぎの４つの方法のうちの何れかの方法を採用することができる。
１．界面活性剤、帯電防止剤を、プラスチックに配合するか表面に塗布する方法。
２．導電性付与剤（「導電性フィラー」ともいう）をプラスチックに混合する方法。ここで、導電性フィラーは、りん状黒鉛、カーボン系粉末、カーボン系繊維、銀、銅、ニッケル等の金属粉末や金属繊維等である場合を含む。
３．プラスチック成形品の表面に、金属蒸着膜（たとえば、酸化錫など）を形成する。
４．導電性プラスチックを新規設計する方法（高分子の化学構造から導電性高分子を剛性する方法）。
【００２１】
プラスチックに自己修復プラスチックが利用されるとともに、部品に導電性が付与される場合の、本発明の燃料電池部品の製造方法は、図３に示すように、高分子材料に水素供与剤と補修剤を混合し自己修復性材料を作り出す工程１０１と、該自己修復性材料に導電性を付与する工程（たとえば、上記の導電性付与の方法の「２」の方法など）１０２と、該導電性を付与した自己修復性材料を燃料電池用部品に成形する工程１０３とを、有する。
【００２２】
たとえば、各種の自己修復プラスチック高分子原材料と導電性付与剤とを、二軸押し出し機などで混合し、流動化して、熱可塑性プラスチックの成形に用いる通常の押し出し機、射出成形機、ブロー成形機の何れかの装置により、燃料電池用スタックの部品を成形する。
【００２３】
製造方法の一例として、以下の１、２、３の材料を用いて、以下の４の製造方法により、燃料電池部品を製造した。
１．自己修復プラスチックの材料
１）ＰＰＥ（ポリフェニレン・エーテル）
２）水素供与剤、種類と添加量は限定しない。
【００２４】
３）補修剤としてＣｕ−アミン触媒（粒度は、数ミクロン以下が望ましい）。添加量は限定しない。
２．導電性付与剤：りん状黒鉛（粒度は、数ミクロン以下が望ましい）。添加量は限定しない。
３．水、添加量は限定しない。
４．導電性・自己修復プラスチック部品の製造
上記１．−３．の原材料を、二軸押し出し機で、温度８０℃、圧力３０Ｋｇｆ／ｃｍ2 で混合し、流動化し、導電性・自己修復プラスチックセパレータを製造した。
【００２５】
本発明の作用、効果を説明する。
【００２６】
燃料電池用プラスチック部品（たとえば、プラスチック製セパレータ１８や電解質膜１１）を自己修復性プラスチックを利用して製造した場合、そのプラスチック部品に、スタック押圧力などにより、傷が生じても、プラスッチクに自己修復性プラスチックを利用しているため、傷が修復され、プラスチックが劣化せず、または劣化の進行が遅くなり、燃料電池部品および該燃料電池部品をもつ燃料電池の寿命が伸びる。
【００２７】
燃料電池用プラスチック部品（たとえば、プラスチック製セパレータ１８）を自己修復性プラスチックを利用して製造するとともに導電性を付与した場合、プラスチック部品に、スタック押圧力などにより、傷が生じても、プラスッチクに自己修復性プラスチックを利用しそれに導電性を付与して部品を構成しているため、傷が修復され、プラスチックが劣化せず、または劣化の進行が遅くなり、燃料電池部品および該燃料電池部品をもつ燃料電池の寿命が伸びる。
【００２８】
燃料電池用プラスチック部品（たとえば、プラスチック製セパレータ１８）を自己修復性プラスチックを利用して製造するとともに導電性を付与する、燃料電池用プラスチック部品の製造方法では、プラスチック部品に、スタック押圧力などにより、傷が生じても、プラスッチクに自己修復性プラスチックを利用しそれに導電性を付与して部品を構成しているため、傷が修復され、プラスチックが劣化せず、または劣化の進行が遅くなり、燃料電池部品および該燃料電池部品をもつ燃料電池の寿命が伸びる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の燃料電池用部品が組付けられている燃料電池スタックの側面図である。
【図２】図２の燃料電池の一部の断面図である。
【図３】本発明の燃料電池用部品の製造方法の工程図である。
【符号の説明】
【００３０】
１０  （固体高分子電解質型）燃料電池
１１  電解質膜
１２、１５  触媒層
１３、１６  拡散層
１４  電極（アノード、燃料極）
１７  電極（カソード、空気極）
１８  セパレータ
１９  セル
２０  ターミナル
２１  インシュレータ
２２  エンドプレート
２３  スタック
２４  締結部材（テンションプレート）
２５  ボルト
２７  燃料ガス流路
２８  酸化ガス流路
【図１】
2005071780.tif 000003
【図２】
2005071780.tif 000004
【図３】
2005071780.tif 000005