(57)【要約】【課題】  材料と位置の少なくとも一方を適切に設定することによりセパレータの割れを抑制した、補強材を有する燃料電池のセパレータの提供。【解決手段】  （１）  カーボンを主原料とする部分３４に補強材３５を一体化した燃料電池のセパレータ１８であって、補強材３５の線膨張係数を、カーボンを主原料とする部分３４の線膨張係数と同じか、または燃料電池の温度サイクル中、カーボンを主原料とする部分３４に圧縮力をかける線膨張係数とした燃料電池のセパレータ１８。（２）  カーボンを主原料とする部分３４に補強材３５を一体化した燃料電池のセパレータ１８であって、補強材３５をセパレータのシールラインに対応する部分に設けた燃料電池のセパレータ１８。【選択図】        図１
2005032662.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カーボンを主原料とする部分に補強材を一体化した燃料電池のセパレータであって、前記補強材の線膨張係数を、前記カーボンを主原料とする部分の線膨張係数と同じか、または、燃料電池の全温度サイクル中、前記カーボンを主原料とする部分に圧縮力をかける線膨張係数とした燃料電池のセパレータ。
【請求項２】
カーボンを主原料とする部分に補強材を一体化した燃料電池のセパレータであって、前記補強材を前記セパレータのシールラインに対応する部分に設けた燃料電池のセパレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池のセパレータに関する。
【背景技術】
【０００２】
図４、図５に示すように、燃料電池、たとえば、固体高分子電解質型燃料電池１０は、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からなる電極（アノード、燃料極）１４および電解質膜の他面に配置された触媒層１５からなる電極（カソード、空気極）１７とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータ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。
【０００３】
セパレータ１８は、たとえばカーボンと樹脂バインダーを混合して成形したものからなり、このようにカーボンを主原料とする場合、カーボンセパレータと呼ばれる。セパレータ１８には、アノード１４、カソード１７に燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための反応ガス流路２７、２８（燃料ガス流路２７、酸化ガス流路２８）と、その裏面に冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路２６が形成されている。セパレータ１８には、反応ガス流路２７、２８に接続された反応ガスマニホールド３０、３１（燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１）が形成されるとともに、冷媒流路２６に接続された冷媒マニホールド２９が形成されている。
【０００４】
膜−電極アッセンブリとセパレータ１８を重ねてセル１９を構成し、少なくとも１つの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。
【０００５】
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）から水を生成する反応が行われ、かくして発電が行われる。
アノード側：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ- 
カソード側：２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋（１／２）Ｏ2 →Ｈ2 Ｏ
燃料ガス流路２７、燃料ガスマニホールド３０、酸化ガス流路２８、酸化ガスマニホールド３１、冷媒流路２６、冷媒マニホールド２９からなる流体流路は、各種流体毎に（燃料ガス、酸化ガス、冷媒毎に）シールされ、各種流体が混じり合わないように、また、外部に洩れないようにされる。図５中、シール材３２は隣接するセル間のゴムガスケットを示し、シール材３３は、膜１１とセパレータ１８間およびアノード側セパレータとカソード側セパレータ間の接着剤シールを示している。
【０００６】
スタック２３をセル積層方向にコンパクト化し、軽量化をはかるには、セパレータ１８を薄肉化することが一方法である。
しかし、セパレータ１８を薄肉化した場合、とくにカーボンセパレータの場合、セパレータ１８の強度が低下し、セパレータ１８が割れるおそれがある。
また、セパレータの割れを回避するために補強材料をセパレータの中に入れてインサー成形すると、導電性が悪くなり、電池性能が低下する、および、補強材料と成形材料との熱膨張差から、内部で応力が発生し、セパレータが割れるという問題がある。
【０００７】
特開２００２−３５８９７３号公報は、カーボンセパレータの外周に補強枠を一体成形して、セパレータの割れを回避することを開示している。特開２００２−３５８９７３号公報のセパレータでは、補強枠を外周に設けたので、補強材料をセパレータ中に入れてインサー成形した場合の、導電性の低下が防止される。
【０００８】
しかし、特開２００２−３５８９７３号公報の補強枠には、補強枠の材料と位置が適切でないと、セパレータの強度を十分には維持することができないという問題がある。
材料については、カーボン部分と補強枠の線膨張係数が異なるため、燃料電池の温度サイクルにおいてカーボン部分に引張応力が生じ、セパレータの割れを生じるおそれがある。また、補強枠の位置については、スタック締結時、シール材部位でセパレータが図２のように変形し、曲げの引張応力と圧縮応力が生じ、セパレータが引張応力が生じる部分で割れるおそれがある。セパレータの外周に設ける補強枠ではセパレータの外周より内側に隔たった部位にあるシール材部位の曲げ引張応力に対応することはできない。
【特許文献１】特開２００２−３５８９７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明が解決しようとする問題点は、補強材を有する燃料電池のセパレータにおいて、補強枠の材料と位置が適切でないと、セパレータの強度を十分には維持することができないという問題点である。
本発明の目的は、材料と位置の少なくとも一方を適切に設定することによりセパレータの割れを抑制した、補強材を有する燃料電池のセパレータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
（１）  カーボンを主原料とする部分に補強材を一体化した燃料電池のセパレータであって、前記補強材の線膨張係数を、前記カーボンを主原料とする部分の線膨張係数と同じか、または燃料電池の温度サイクル中、前記カーボンを主原料とする部分に圧縮力をかける線膨張係数とした燃料電池のセパレータ。
（２）  カーボンを主原料とする部分に補強材を一体化した燃料電池のセパレータであって、前記補強材を前記セパレータのシールラインに対応する部分に設けた燃料電池のセパレータ。
【発明の効果】
【００１１】
上記（１）の燃料電池のセパレータにおいて、補強材の線膨張係数をカーボンを主原料とする部分の線膨張係数と同じにした場合は、燃料電池の全温度サイクル中、カーボンを主原料とする部分と補強材が同じ熱膨張・収縮をするので、両者の間に熱膨張差が生じず、セパレータの強度低下や、割れが生じない。また、補強材の線膨張係数を、燃料電池の全温度サイクル中、カーボンを主原料とする部分に圧縮力をかける線膨張係数とした場合は、カーボンを主原料とする部分と補強材との間に熱膨張差が生じてカーボンを主原料とする部分に熱応力が生じても、その熱応力は圧縮応力であり、カーボンを主原料とする部分は圧縮応力に対しては比較的強いので、セパレータに割れが生じることはない。
上記（２）の燃料電池のセパレータでは、補強材をセパレータの、燃料電池シールラインに対応する部分に設けたので、セパレータにスタック締結力がかかった時に、セパレータのシールライン部分に断面の厚さ方向の片面に曲げ引張応力が、他面に曲げ圧縮応力が生じた時に、引張応力を引張に強い補強材で受け圧縮応力を圧縮に強いカーボンを主原料とする部分で受けることができるので、セパレータに割れが生じることを防止することができる。また、シールライン部分に補強材を設けても、シールライン部分は燃料電池の発電領域（導電部）外の部分にあるので、発電領域（導電部）において導電性の悪化とそれによる電池性能の低下を生じることはない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下に、本発明の燃料電池のセパレータを、図１〜図３を参照して、説明する。また、図４、図５の従来の燃料電池の一般構成は、本発明の燃料電池にも適用される。
本発明の燃料電池は、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。
【００１３】
固体高分子電解質型燃料電池１０は、図４、図５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。積層の方向は、上下に限るものではなく、任意である。
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からなる電極（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からなる電極（カソード、空気極）１７とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータ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。
【００１４】
ＭＥＡをセパレータ１８で挟んでセル１９を構成し、１以上のセル１９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。
セパレータ１８は、カーボンを主原料とするもので、カーボン粒子と樹脂バインダの混合物を成形したものである。以下、カーボンセパレータ１８ともいう。
【００１５】
セパレータ１８には、アノード、カソードに燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための反応ガス流路２７、２８と、反応ガス流路２７、２８の背面に、冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路２６が形成されている。ガス流路２７、２８、冷媒流路２６は、矩形状のセパレータ１８の対向する両端部を除いた部分（「発電領域」、または「導電部」という）に形成され、セル面内方向に延びている。ガス流路２７、２８、冷媒流路２６は、メタルセパレータ１８を成形時に表面部分を凹凸させて形成された流路からなる。
【００１６】
セパレータ１８には、冷媒流路２６に接続された冷媒マニホールド２９、燃料ガス２７に接続された燃料ガスマニホールド３０、酸化ガス流路２８に接続された酸化ガスマニホールド３１が形成されている。燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１は反応ガスマニホールド３０、３１を構成する。冷媒マニホールド２９、反応ガスガスマニホールド３０、３１は、矩形状のセパレータ１８の対向する両端部に設けられている。
【００１７】
冷媒流路２６、反応ガス流路２７、２８、冷媒マニホールド２９、反応ガスマニホールド３０、３１は、流体流路を構成する。
【００１８】
各種流体流路は、異種の流体が混じり合わないように、互いにシールされる。セル１９間は、ゴムガスケット３２によってシールされ、セル１９内は、すなわちＭＥＡを挟む２つのセパレータ１８間、およびセパレータ１８と電解質膜１１間は、図５の場合と同様、塗布される接着剤３３によってシールされる。
【００１９】
本発明では、従来と異なり、カーボンセパレータ１８が、カーボンを主原料とする部分（カーボンとバインダ樹脂との混合物、以下「カーボン部分」ともいう）３４に一体化された補強材３５（「骨格」ともいう）を有する。
「一体化」においては、望ましくは、補強材３５は、カーボンを主原料とする部分３４に埋め込まれている。ただし、補強材３５は、カーボンを主原料とする部分３４から少なくとも一部が露出していてもよい。
補強材３５がカーボン部分３４に埋め込まれている場合は、酸性雰囲気に露出しないことによって、補強材３４が金属製である場合にも、補強材３５は耐蝕性を有する。補強材３５がカーボンを主原料とする部分３４から少なくとも一部が露出する場合は、補強材３４はｐＨ２より強酸性の酸性雰囲気で変化がない耐環境性の材料を選択することが望ましい。
【００２０】
そして、補強材３５の線膨張係数は、カーボンを主原料とする部分３４の線膨張係数と同じ（ほぼ同じである場合を含む、「ほぼ同じ」はカーボン部分３４の線膨張係数の８０〜１２０％程度を含む）か、または燃料電池の全温度サイクル中（セパレータの成形直後から燃料電池の運転停止〜運転中の全温度サイクル中）、カーボンを主原料とする部分３４に圧縮力をかける線膨張係数としてある。
カーボンを主原料とする部分３４の線膨張係数は、カーボンと樹脂バインダの混合比、樹脂バインダの種類により変わる。補強材３５の線膨張係数は補強材３５の材質により変わる。補強材３５は金属（ステンレス、チタン合金など）、セラミック、強度の高い樹脂、または金属繊維、カーボン繊維、セラミック繊維、ガラス繊維などにより強化された複合強化樹脂などから選定される。そして、上記の線膨張係数の条件を充足するように、補強材３５の材質、カーボン部分３４の樹脂バインダの材質およびカーボン／樹脂バインダの混合比が選定される。上記の線膨張係数の条件を充足することにより、補強材３５とカーボン部分３４との熱膨張差による、セパレータ１８の割れ、損傷が防止される。
【００２１】
補強材３５は、セパレータ１８のシールラインにセル積層方向に対応する部分に設けられる。補強材３５の幅方向中心線は、シール材３２、３３の幅内にあるように、セル積層方向に合わされる。補強材３５の骨格の厚さはセパレータ成形品の厚さの２０〜８０％であり、補強材３５の骨格の幅は０．５〜３０ｍｍである。
補強材３５がセパレータ１８のシールラインにセル積層方向に対応する部分に設けられることにより、従来曲げ応力がかかって割れが発生しやすかったセパレータ１８のシールラインに対応する部分が効果的に強化され、すなわち曲げ引張応力を補強材３５で受けてカーボン部分３４に引張応力がかからないようにすることができ、セパレータ１８の割れ発生が効果的に抑制される。
【００２２】
補強材３４はカーボン部分３４にインサート成形されている。
金型３６、３７を用いて行われるインサート成形法は、たとえば、
１）インサート射出成形（カーボン粒子と流れ性のよいバインダ樹脂との混合物を液状に溶融して型内に射出し、型内に挿入してある補強材３４の骨格を埋め込んで成形する）
２）インサートトランスファ成形（カーボン粒子とバインダ樹脂との混合物を固形物の状態で型に供給し型の熱で溶融し、型内に挿入してある補強材３４の骨格を埋め込んで成形する）
３）インサート熱成形（カーボン粒子とバインダ樹脂との混合物のシートを型に挿入し、その上に補強材３４の骨格を置き、その上にカーボン粒子とバインダ樹脂との混合物のシートを置き、型閉じし型の熱でシートを軟化させてシート間に補強材３４の骨格を埋め込んで成形する）
の何れでもよい。
インサート成形により、補強材３４がカーボン部分３４に埋め込まれるので、酸性雰囲気に露出しないことによって、補強材３４が金属製である場合にも、補強材３４は耐腐蝕性を有する。
【００２３】
補強材３４にカーボンセパレータ１８にかかる引張応力をもたせるので、補強材３４は必要な、以下の物理的特性を有することが望ましい。
ヤング率  ：(５〜２５)×１０8 Ｐａ
ポアソン比：０．２〜０．４５
引張強度  ：１×１０8 Ｐａ以上（好ましくは、５×１０8 Ｐａ以上）
シールラインは流路のある発電領域（導電部）以外の部分に設けられ、シールラインにセル積層方向に対応させて設けられる補強材３４も発電領域（導電部）以外の部分に位置するので、補強材３４を設けることによって、燃料電池の導電部の導電性が低下することはない。補強材３４が導電性である必要がないという意味で、補強材３４は体積抵抗率が２０／１０-8オーム・ｍ以上（たとえば、５０／１０-8オーム・ｍ以上）の電気絶縁材であってもよい。ただし、導電性のよいものであってもよい。
上記の補強材３４の物理的条件は、燃料電池が晒される可能性のある温度条件下で満足されることが望ましい。
【００２４】
つぎに、本発明の燃料電池のセパレータの作用、効果を説明する。
まず、補強材３５の線膨張係数をカーボンを主原料とする部分３４の線膨張係数とほぼ同じにした場合は、燃料電池の全温度サイクル中、カーボンを主原料とする部分と補強材が同じ（ほぼ同じを含む）熱膨張・収縮をするので、両者の間に熱膨張差が生じず（ほとんど生じない場合を含む）、セパレータ１８の強度低下や、割れが生じない。
また、補強材３５の線膨張係数を、燃料電池の全温度サイクル中、カーボンを主原料とする部分３４に圧縮力をかける線膨張係数とした場合は、カーボンを主原料とする部分３４と補強材３５との間に熱膨張差が生じてカーボンを主原料とする部分３４に熱応力が生じても、その熱応力は圧縮応力であり、カーボンを主原料とする部分３４は圧縮応力に対しては比較的強いので、セパレータ１８に割れが生じることはない。
【００２５】
また、補強材３５をセパレータ１８の、燃料電池シールラインに対応する部分に設けたので、セパレータにスタック締結力がかかった時に、図２に示すように、セパレータのシールライン部分に断面の厚さ方向の片面に曲げ引張応力が、他面に曲げ圧縮応力が生じた時に、引張応力を引張に強い補強材３５で受け圧縮応力を圧縮に強いカーボンを主原料とする部分３４で受けることができるので、セパレータ１８に割れが生じることを防止することができる。この関係は、鉄筋コンクリートの鉄筋とコンクリートとの関係に似ている。
【００２６】
また、シールライン部分に補強材３５を設けても、シールライン部分は燃料電池の発電領域（導電部）外の部分にあるので、発電領域（導電部）において導電性の悪化とそれによる電池性能の低下を生じることはない。
本発明は、燃料電池のカーボンセパレータに利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の燃料電池のセパレータの平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】本発明の燃料電池のセパレータのインサート成形の金型と補強材の斜視図である。
【図４】一般の燃料電池（本発明にも適用可能）スタックの全体正面図である。
【図５】図４のスタックの一部のセルの一部分の断面図である。
【符号の説明】
【００２８】
１０  （固体高分子電解質型）燃料電池
１１  電解質膜
１２  触媒層
１３  拡散層
１４  電極（アノード、燃料極）
１５  触媒層
１６  拡散層
１７  電極（カソード、空気極）
１８  セパレータ
１９  セル（１セルで１モジュールを構成する場合は、セル、モジュール）
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
２６  冷媒流路
２７  燃料ガス流路
２８  酸化ガス流路
２９  冷媒マニホールド
３０  燃料ガスマニホールド
３１  酸化ガスマニホールド
３２  シール材（ゴムガスケット）
３３  シール材（接着剤）
３４  カーボンを主原料とする部分（カーボン部分）
３５  補強材（骨格）
３６、３７  金型（３６は上型、３７は下型）
【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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