(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜状の固体高分子電解質と該電解質を介して対向する一対の燃料極及び空気極とを有する膜−電極接合体を、セパレータを介して複数積層してなる固体高分子電解質型燃料電池において、
前記セパレータは、前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、前記空気極に酸化剤を供給する酸化剤流路と、反応にともなって発生する熱を電池系外に取り除くための流体流路と、を有しており、
かつ前記セパレータは、膜−電極接合体と接する面が非金属からなり、前記流体流路の側壁が金属からなる金属−非金属複合材料からなる
ことを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項２】
前記セパレータは、表面に前記燃料ガス流路を有する非金属からなる層と、内部に前記流体流路を有する金属からなる層と、表面に前記酸化剤流路を有する非金属からなる層とを積層されてなり、かつ前記燃料ガス流路及び前記酸化剤流路はセパレータの表面に配置されている請求の範囲１に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項３】
前記金属は、アルミニウムを８０％以上含む金属、チタンを８０％以上含む金属及びステンレス鋼からなる群から選ばれる１種であり、かつ前記非金属は、炭素材料を主成分とする請求の範囲１又は２に記載の固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項４】
前記非金属は、高導電性の炭素材料からなる請求の範囲１、２又は３に記載の固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項５】
セパレータの膜−電極接合体と接する面は、膨張黒鉛の粒子からなる成形体により構成されている請求の範囲１、２、３又は４に記載の固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項６】
前記セパレータは、高導電性の炭素材料を含む導電ペーストを用いて印刷法又は塗工法により、内部に前記流体流路を有する金属からなる層の両面に高導電性の炭素材料からなる層が形成されたものである請求の範囲４に記載の固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項７】
前記流体流路の側壁の表面には、セラミックスを含み抵抗率が３×１０−４Ω・ｃｍ以下である被膜が形成されている請求の範囲１、２、３、４、５又は６に記載の固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項８】
前記金属と前記非金属との界面には、セラミックスを含み抵抗率が３×１０−４Ω・ｃｍ以下である層が配置されている請求の範囲１、２、３、４、５、６又は７に記載の固体高分子電解質型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、固体高分子電解質型燃料電池、特にそのためのセパレータに関する。
背景技術
固体高分子電解質型の水素−酸素燃料電池は、その出力特性が優れることから、自動車等への適用が期待されている。上記燃料電池を実用化するため、燃料及び空気の利用率の高い運転条件下でも長期間安定してエネルギ効率が高く、出力密度が高い燃料電池セルの開発が要求されている。
固体高分子電解質型燃料電池は一般に、一対の発電用電極（燃料極及び空気極）を固体高分子電解質を介して対向させ、この一対の電極と電解質とを接合して膜−電極接合体を形成し、該接合体をセパレータを介して複数積層し、全体を締めつけて一体化した構成（スタック）となっている。
ここでセパレータは、電極に燃料ガス及び酸化剤ガス（例えば空気）を供給するための流路を有し、かつ隣接する２つの接合体間の仕切り板となる。したがってセパレータには、ガス透過性が低いこと、軽量であること、燃料電池の動作温度の室温から１５０℃近傍までの温度で水蒸気雰囲気に曝された場合の耐食性、耐酸化性に優れること、長期間良好な導電性を有すること、機械加工できること等の特性が要求される。また、セパレータは電池の反応により生じた電気及び熱を効率よく電池系外に取り出すため、電気及び熱の良導体であることも必要である。
従来のセパレータ材料として人造黒鉛、ガラス状炭素等の炭素系バルク材料が知られているが、炭素系材料は靭性に乏しく脆いため、圧縮応力以外の応力や機械的衝撃が加わりうる条件下でセパレータとして使用する場合、以下の問題が生じる。すなわち、セパレータ自体が破壊されて形状を維持できない、亀裂が生じ気密性を維持できない、機械的な成形・加工が困難で加工コストが高い、リサイクルしにくい等の問題である。
上記の問題を解決するための手段として、膨張黒鉛（例えば、商品名：グラフォイル、ＵＣＡＲ社製）と呼ばれる扁平な黒鉛粉体粒子を、酸等により分散処理し、結合剤を加えて成形した成形体をセパレータとして使用することが提案されている。この成形体は、プレス加工等の機械加工が可能なフレキシブルな材料であり、靭性、耐機械的衝撃性に関する問題は改善されている。しかし、前記成形体は機械的強度が弱く、薄くすると形状を維持しにくかったり、小さな応力が付加されても変形しやすい問題がある。
また、燃料電池は特に自動車用電源として使用するには小型軽量で高出力であることが必要であり、単位体積あたりの電力を大きくし、電池の反応及び通電にともなって発生する熱をコンパクトな構造で冷却することが必要である。特に電気伝導性の高い、フッ素を含む固体高分子電解質を使用する場合は、該電解質の耐熱温度が通常あまり高くないためこの冷却は必須となる。セパレータに形成された狭隘で長い流路に流体を高流速を維持して流す、具体的には高圧力で水を流すと最もコンパクトな構造で冷却できる。しかし、上記の膨張黒鉛をセパレータ材料として用いた場合、高温において水分の存在下でセパレータを保持すると、グラファイト積層粒子間に水分が侵入し、形状が維持できず、長期的信頼性に欠ける問題がある。
上記の炭素系材料からなるセパレータの問題を解決するための手段として、セパレータ材料として表面処理したステンレス鋼、チタン、アルミニウム等の金属を使用する試みがなされている（例えば、ＥＰ０７８０９１６）。金属を用いると機械加工が容易となり、薄くても強度が大きく、靭性、耐機械的衝撃性、流体遮断性、及び熱・電気の伝導性に優れる。しかし、金属材料は比重が大きい（例えばステンレス鋼は８．０、チタンは４．５、アルミニウムは２．７である）ため、燃料電池の単位質量あたりの出力が低い問題がある。
そこで本発明は、成形加工しやすい材料からなり、圧縮応力以外の応力、機械的衝撃、振動等が加わっても形状及び気密性を維持でき、燃料電池の作動温度の室温から１５０℃近傍までにおいて水蒸気雰囲気に曝されても長期にわたって初期の良好な導電性を維持でき、軽量かつ工業的に実用性があるセパレータを有する固体高分子電解質型燃料電池を提供することを目的とする。
発明の開示
本発明は、膜状の固体高分子電解質と該電解質を介して対向する一対の燃料極及び空気極とを有する膜−電極接合体を、セパレータを介して複数積層してなる固体高分子電解質型燃料電池において、前記セパレータは、前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、前記空気極に酸化剤を供給する酸化剤流路と、反応にともなって発生する熱を電池系外に取り除くための流体流路と、を有しており、かつ前記セパレータは膜−電極接合体と接する面が非金属からなり、前記流体流路の側壁が金属からなる金属−非金属複合材料からなることを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池を提供する。
本発明において、セパレータは、燃料極及び空気極にそれぞれ燃料ガス及び酸化剤を提供する役割と、電池の反応及び通電にともなって発生する熱を電池系外に取り除くための除熱用の流体を流す役割を有している。ここで酸化剤としては主に空気が使用されるため、酸化剤が供給される電極を本明細書では空気極とよぶ。除熱用の流体としては、効率的に熱を除去できるため、水が好ましい。さらにセパレータは、隣接する２つの膜−電極接合体の間にガスや水分の透過が起こらないように遮断する役割、及び発生した電流を伝達する役割を有している。
燃料ガス流路及び酸化剤流路は、通常セパレータの表面に形成されるリブにより形成される溝からなる。これらのガス流路は複数の直線状又は曲線状の溝からなっていてもよいが、ガスの入口と出口がそれぞれ１個ずつで蛇行した溝がセパレータ表面の全面に形成されていてもよい。
本発明におけるセパレータは、金属−非金属複合材料からなり、少なくとも除熱用の流体流路の側壁は金属からなる。したがって、燃料電池の作動温度の１５０℃程度までの温度において前記側壁が除熱用の流体である水に曝されていても、セパレータ内部に除熱用の水分が侵入することがなく、セパレータの形状は維持できる。
また、本発明におけるセパレータは、少なくとも膜−電極接合体と接する面は非金属からなる。セパレータは電流を伝達する役割を有するので、前記非金属は導電性の高い炭素材料からなることが好ましい。特に、膨張黒鉛の粒子を酸等により分散処理し、結合剤を加えて成形した成形体からなることが好ましい。この成形体は、プレス加工等の機械的加工をしやすく、軽量である。
本発明におけるセパレータを軽量化するには、金属−非金属複合材料において非金属が占める割合ができるだけ多いことが好ましい。したがって、この点では流体流路の側壁以外は全て非金属により構成されることが好ましい。しかしセパレータの製造の容易性及びセパレータの高強度化のためには、内部に流体流路を有する金属からなる層（以下、金属層という。）を、表面にガス流路を有する非金属からなる層（以下、非金属層という。）２枚の間に挟んで接合してセパレータを構成することが好ましい。このとき、２枚の非金属層は、ガス流路が表面に配置されるように金属層を挟む。
この場合、非金属層は上記の膨張黒鉛の粒子からなる成形体であってもよいが、高導電性の炭素材料を含む導電ペーストを使用し、印刷法や塗工法等により金属層上に形成されてもよい。
本発明においてセパレータを構成する金属は、アルミニウムを金属全質量の８０％以上含む金属、チタンを金属全質量の８０％以上含む金属及びステンレス鋼からなる群から選ばれる１種であることが好ましい。ここでいう金属には合金も含まれる。これらの金属は、薄くても強度が高く、振動、機械的衝撃等の動的要因、及び引張、圧縮等の静的機械的負荷に対する信頼性が優れている。また、水等の流体に長期的に高温で曝されても形状を維持でき、熱・電気の伝導性にも優れている。
上記のアルミニウムを含む金属又はチタンを含む金属において、それぞれの主成分であるアルミニウム又はチタンの含有量が８０％未満であると、セパレータを構成する金属の比重が大きくなるので好ましくない。アルミニウム又はチタンの含有量は特には９０〜９８％であるのが好ましい。
アルミニウムを主成分とする金属は、軽量でリサイクルが容易で機械加工しやすいので好ましい。アルミニウム合金としては、マグネシウム、マンガン、シリコン、銅、ニッケル、リチウム、亜鉛、鉛、ビスマス、チタン及びスズからなる群から選ばれる１種以上の金属とアルミニウムとの合金が好ましく、例えばジュラルミン、シルミン、ヒドロナリウム、アンチコローダル等が挙げられる。
また、チタンを主成分とする金属は、単位重量あたりの機械的強度が高く、耐食性が比較的高いので好ましい。例えば、アルミニウム、鉄、バナジウム、モリブデン、マンガン、クロム、ジルコニウム、スズ、シリコン、パラジウム、タンタルからなる群から選ばれる１種以上の金属とチタンとの合金は耐食合金であり好ましい。
また、ステンレス鋼は、単位体積あたりの機械的強度が高く、耐食性が比較的高いので好ましい。ステンレス鋼としては特に限定されず、オーステナイト系、フェライト系、マルテンサイト系のいずれも使用できる。耐食性の点から、特にオーステナイト系ステンレス鋼が好ましい。
前記金属からなる流体流路の側壁の表面、すなわち流体と接する前記金属の表面には、セラミックスを含み抵抗率が３×１０−４Ω・ｃｍ以下、特には３×１０−６〜１×１０−４Ω・ｃｍの被膜が形成されていることが好ましい。セラミックスを含む被膜が形成されていることにより、金属の表面の酸化による劣化を防げる。被膜の抵抗率が３×１０−４Ω・ｃｍを超えると、燃料電池全体の抵抗率が高くなり、エネルギを効率良く取り出せないおそれがある。この被膜は、セラミックスのみからなる被膜であっても金属にセラミックスが分散された被膜でもよい。
また、セパレータを構成する金属と非金属との界面には、セラミックスを含み抵抗率が３×１０−４Ω・ｃｍ以下である層が配置されていることが好ましい。固体高分子電解質型燃料電池では、電池の反応にともなって空気極で水が生成される。また通常、固体高分子電解質のイオン伝導性を保つため、電解質を乾燥させないように燃料ガス及び酸化剤ガスは湿潤させてそれぞれの流路に供給されている。これらの生成水及びガスに含まれる水蒸気は、除熱用流体である水のように急速かつ大量に流れることがないため、これらにセパレータの非金属部分が曝されてもセパレータの形状は崩れない。
しかし、これらの水分はセパレータの非金属部分を浸透して金属と非金属の界面まで到達することがある。その結果、非金属と接する金属の表面が酸化され、導電性が低下するおそれがある。このとき、金属と非金属との界面に金属に比べ耐久性に優れたセラミックスからなる層が存在すると、金属の劣化を防げる。また、このセラミックスからなる層の抵抗率が３×１０−４Ω・ｃｍを超えると、燃料電池全体の抵抗率が高くなり、エネルギを効率良く取り出せないおそれがある。この層の抵抗率は、特に３×１０−６〜１×１０−４Ω・ｃｍであることが好ましい。この層は、セラミックスのみからなる層であっても金属にセラミックスが分散された層でもよい。
発明を実施するための最良の形態
以下に、本発明の実施の態様を図１、図２及び図３を用いて説明する。
図１（ａ）は空気極側又は燃料極側からみたセパレータ７の平面図、図１（ｂ）はセパレータ７の図１（ａ）のＡ−Ａ’線に沿った断面図である。セパレータ７は、非金属層１ａと非金属層１ｂの間に金属層２が配置されてなる。
非金属層１ａ及び１ｂの表面にはそれぞれガス流路３ａ及び３ｂが形成されており、ガス流路３ａ及び３ｂは、図１（ｂ）に示すとおり、非金属層１ａ及び１ｂの表面に形成された溝からなる。この溝は、ガスの入口と出口となる部分が１個ずつあり、非金属層１ａ及び１ｂの表面全体に蛇行して形成されている。溝を有する面は膜−電極接合体と接し、ガス流路３８及び３ｂからガスが膜−電極接合体に供給される。
非金属層１ａ及び１ｂの表面で膜−電極接合体と接する部分は、フッ素を含む撥水剤で表面処理されていることが好ましい。表面の撥水剤の存在により、膜−電極接合体で反応により生成された生成水が非金属層１ａ及び１ｂに滞留するのを防ぎ、膜−電極接合体への燃料ガス又は酸化剤ガスの供給を良好に保てる。また、非金属層内部への水分の侵入による非金属層の膨潤も防止できる。
金属層２には除熱用の流体流路４が内部に形成されているが、この金属層２を図２（ａ）及び（ｂ）により詳しく説明する。図２（ａ）は、セパレータの金属層２を構成する金属基体２ａの平面図、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＢ−Ｂ’線に沿った断面図と、金属基体２ａと対の金属基体２ｂの断面図である。金属基体２ｂには、除熱用の流体流路となる溝が金属基体２ａとは対称的に形成されている。
金属層２は図２（ｂ）のように、対となる金属基体２ａと金属基体２ｂとを、除熱用の流体流路を構成する溝４ａ及び４ｂの位置が合致するように溝が形成された面を対向させ、重ね合わせて接触する面７ａ及び７ｂを接合することにより得られる。このときの接合方法としては、溶接、ろう付け、拡散接合、接着剤による接着等が挙げられる。
金属基体２ａ及び２ｂにそれぞれ形成された、除熱用の流体流路を構成する溝４ａ及び４ｂの表面には、それぞれセラミックスを含む被膜５ａ及び５ｂが形成されている。したがって、除熱用の流体が直接接触するのはこの被膜５ａ及び５ｂである。
また、金属基体２ａ及び２ｂの除熱用の流体流路４ａ及び４ｂが形成されていない面の表面には、それぞれセラミックスを含み、金属層と非金属層の界面に配置される層６ａ及び６ｂが形成されている。
被膜５ａ及び５ｂと金属層と非金属層の界面に配置される層６ａ及び６ｂは、いずれもセラミックスを含み抵抗率が３×１０−４Ω・ｃｍ以下の層であり、構成材料は同じでも異なってもよいが、好ましい成分及び形成方法は共通するので以下にまとめて被膜の説明として説明する。
被膜に含まれるセラミックスとしては、燃料電池を動作させる室温から１５０℃近傍までの温度範囲で水蒸気雰囲気中においても耐食性に優れ、安定した抵抗率を維持できるものが好ましく、金属の窒化物、ホウ化物、炭化物、ケイ化物、リン化物又はこれらの複合化合物が好ましい。該金属としては、イットリウム、ランタン、セリウム、サマリウム等の希土類元素、鉄、ニッケル、コバルト、クロム、ニオブ、タンタル、チタン、ジルコニウム、バナジウム、ハフニウム、パラジウム、タングステン、モリブデン等が好ましく用いられる。セラミックスとしては、具体的には、炭化チタン、ホウ化チタン、窒化チタン、ケイ化タングステン、窒化タンタル等が好ましい。これらは単独で用いても２種以上を混合して用いてもよい。
金属にセラミックスが分散された被膜の場合、該金属としては耐食性に優れるものが好ましく、白金族元素、金、ニッケル及びタングステンからなる群から選ばれる１種以上が好ましい。この被膜中のセラミックスの含有量は、被膜全質量の１〜９０％、特には１０〜６０％が好ましい。
金属表面に形成される被膜の厚さは、０．１μｍ〜０．３ｍｍ、特には１μｍ〜０．１ｍｍであるのが好ましい。０．１μｍより薄いと充分な耐食性を有する連続した被膜又は層を形成するのが困難になる。０．３ｍｍより厚いと、抵抗率の低い材料を用いても被膜又は層の抵抗が高くなり燃料電池から効率良くエネルギを取り出しにくい。また、燃料電池の単位体積あたりの出力が小さくなる。
金属表面に形成される被膜は、例えば帯状、線状、島状、点状等の形状で形成される。被膜又は層は規則的に形成されても不規則に形成されてもよく、被膜の厚さは均一でもよく、不均一でもよい。
被膜の形成方法としては、スクリーン印刷法、ドクターブレード法、スプレー法、溶射法、イオンプレーティング法等の厚膜形成法、ＣＶＤ法、スパッタ法等のＰＶＤ法等の薄膜形成法等いずれも使用できる。また、セラミックスを分散剤とし金属を結合剤としてめっきを行う分散めっき法によって、金属にセラミックスが分散された被膜を形成してもよい。上記分散めっき法は簡便であり、かつセパレータを構成する金属とセラミックスとの熱膨張係数が大きく異なっても被膜が剥離するおそれがなく被膜を金属基体と強固に接合できるので、工業的規模で製造する場合にも好ましい。
また、上記被膜と金属基体の間には、密着性を向上させるための中間層が存在してもよい。中間層としては、例えばチタン、ニッケル、コバルト、金、白金等の耐食性に優れた金属の層が挙げられる。
金属層２の厚さは、少なくとも非金属層１ａ及び１ｂを除熱用の流体と充分に遮断できる厚さが必要である。また、燃料電池の単位重量あたり及び単位体積あたりのエネルギ密度を高めるためには金属層２の厚さは薄いほど好ましい。したがって、金属層２の厚さは１μｍ〜２ｍｍ、特には１０μｍ〜１ｍｍが好ましい。
一方、非金属層１ａ及び１ｂの厚さは、１μｍ〜１ｍｍが好ましい。１μｍ未満では実質的に金属層２と膜・電極接合体を隔絶できず、１ｍｍを超えると非金属層の脆性が顕著となり、機械的強度、信頼性が低くなるおそれがある。より好ましくは１０μｍ〜０．５ｍｍである。
非金属層１ａ及び１ｂが膨張黒鉛等の成形体からなるときは、非金属層１ａ及び１ｂと金属層２との接合方法としては、例えば加圧により接合又は銀ろうによって接着し接合することが好ましい。また、金属層２上に高導電性炭素材料等を含む導電ペーストを用いて印刷や塗工により非金属層１ａ及び１ｂを形成したり、蒸着法（化学蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタ法等の物理蒸着法）、溶射法等の薄膜形成法等によって非金属層１ａ及び１ｂを形成してもよい。
印刷法や塗工法としては、スクリーン印刷、グラビア印刷、インクジェット印刷、静電塗装、ドクターブレード法、スプレー法等が挙げられる。これらの方法によれば、金属層２上又は金属層と非金属層の界面に配置される層６ａ及び６ｂ上に、ガス流路を有する非金属層１ａ及び１ｂを低コストで容易に形成できるので好ましい。印刷や塗工により得られた非金属層１ａ及び１ｂは、焼成した後、プレス加工等により加圧して高密度化することにより、導電性及び機械強度を向上させるとさらに好ましい。
導電ペーストを使用する場合、その溶媒としては、ケロシン、石油ナフサ等の脂肪族炭化水素、トルエン、キシレン、芳香族ナフサ等の芳香族炭化水素、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン等のケトン類、酢酸ブチル、酢酸エチル等のエーテル類、エチルアルコール、イソプロピルアルコール等のアルコール類、メチルセロソルブ、エチルセロソルブアセテート等のグリコールエーテル類、アマニ油、麻実油等の動植物油等が挙げられる。また、必要に応じてバインダを含有させることもでき、バインダとしてはアクリル樹脂、ビニル樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン、ポリエステル、尿素等の合成樹脂や、硝化綿、エチルセルロース、セルローズアトブチレート等の繊維が挙げられる。
焼成温度は、バインダの炭化をすすめかつ金属層を酸化させないように、２００〜４００℃とすることが好ましい。また、プレス加工は一軸成形でも静水圧による成形でもよいが、非金属層を高密度化させて導電性を高めるために１０〜２００ｋｇ／ｃｍ２とすることが好ましい。
図３には、上述したセパレータ７を用いた、本発明の固体高分子型燃料電池１２の断面図を示している。膜状の固体高分子電解質１０の片面には燃料極８が、もう一方の面には空気極９が配置され、膜−電極接合体１１が構成されている。膜−電極接合体１１は、セパレータ７を介して複数積層され、セパレータ７から燃料極８には水素を含む燃料ガスが、空気極９には酸素を含む酸化剤ガスが供給される。
膜−電極接合体１１は、例えば以下のようにして得られる。白金等の金属触媒を活性炭等の炭素材料に担持させた触媒と撥水剤等との混合物をカーボンペーパーに塗布又は噴霧してガス拡散電極を作製する。この電極を２枚作製し、燃料極８及び空気極９とする。次いで、燃料極８と空気極９を対向させ、間にイオン交換膜からなる固体高分子電解質１０を挟み、ホットプレス法により接合して空気極−固体高分子電解質−燃料極を一体化して膜−電極接合体１１を得る。
上記イオン交換膜としては、化学的、電気的安定性の点からスルホン酸基を有する含フッ素カーボン重合体からなることが好ましい。
本発明の固体高分子電解質型燃料電池１２を例えば自動車用のエンジンの用途等のように作動中に振動したり衝撃が付与されうる環境下で使用すると、炭素材料からなるセパレータを用いた燃料電池に比べ、電池の作動の長期的信頼性が顕著に向上する。
さらに、セパレータの除熱用の流体と接する部分や非金属層と金属部の界面にセラミックスを含む層を形成することにより、長期間にわたって初期とかわらない安定な燃料電池の性能を維持できる。
以下に本発明を実施例（例１〜４）及び比較例（例５、６）により説明するが、本発明はこれらに限定されない。
［例１］
幅１５０ｍｍ、高さ１５０ｍｍ、厚さ０．３ｍｍであり、ＪＩＳ−Ｈ４０００に規定される合金番号Ａ５０５２のアルミニウム合金（アルミニウム含有量９６％）からなる金属基体をプレス加工して、片面に幅１．５ｍｍ、深さ０．１５ｍｍの除熱用の流体流路となる溝を図２（ａ）のような形状で形成した。この溝の表面及び溝が形成されていない面の表面に、イオンプレーティング法により厚さ０．５μｍのＴｉ層を下地層として形成し、さらにその上に厚さ１０μｍの窒化チタン被膜を形成した。この窒化チタン被膜の抵抗率は、２×１０−４Ω・ｃｍであった。
上記金属基体と溝が対称的に形成されている以外は同じ金属基体を作製し、図２（ｂ）に示すように、この２枚の金属基体の溝の位置が合致するように溝が形成された面を対向させて２枚の金属基体を重ね合わせ、溶接して接合し、セパレータを構成する金属層を得た。
次に、厚さ１．５ｍｍの膨張黒鉛（商品名：グラフォイル、ＵＣＡＲ社製）を用い、プレス加工により片面に幅２ｍｍ、深さ０．３５ｍｍのガス流路となる溝を図１（ａ）及び（ｂ）に示すような形状で形成し非金属層とした。なお、図１（ａ）に示すように溝は蛇行して形成されているため、蛇行することにより平行にとなりあう溝どうしの間隔は、３ｍｍとなるようにした。この非金属層としては、図１（ｂ）に示すように、溝の位置をずらして形成したものを２枚作製した。
上記２枚の非金属層を、溝が形成されていない面を対向させ、間に上記金属層を挟んで重ねた。この状態で非金属層−金属層−非金属層の３層を加圧接合してセパレータとした。
次に、カーボンクロスの片面に、白金を担持したカーボンブラックからなる触媒を塗布して触媒層を形成し、ガス拡散電極を得た。このガス拡散電極２枚の触媒層が形成された面を対向させ、その間にパーフルオロカーボンスルホン酸型イオン交換膜（商品名：フレミオンＲ、旭硝子社製）を挟み、ホットプレスして膜−電極接合体を得た。
上記セパレータ２０枚と上記膜−電極接合体１９枚とを交互に積層し、全体を締め付けて固体高分子電解質型燃料電池を作製した。この燃料電池を１０個作製し、それぞれにつき落下試験を１０回繰り返した。落下試験は、セパレータの面を下に向け、厚さ５ｃｍの鋼板上に高さ５０ｃｍの位置からまっすぐに落下させた。落下試験後、５ｋｇ／ｃｍ２の圧力で空気をセパレータのガス流路に流してガスリーク試験を行ったところ、１０個とも気密性に問題はなかった。
上記燃料電池のうちの１個を取り出し、燃料ガスとして常圧の水素ガス及び酸化剤として常圧の空気を、利用率がそれぞれ７０％及び４０％となるようにガス流路に流した。また、水道水を水圧５ｋｇ／ｃｍ２にて除熱用の流体流路に流して冷却しながら、燃料電池を８０℃にて１４０Ａの電流を流し、初期の電圧を初期出力として測定した。その後電流を流し続け、５０００時間経過した後の電圧を測定し、初期の電圧値に対する割合（％）を相対出力として算出した。結果を表１に示す。
［例２］
幅１５０ｍｍ、高さ１５０ｍｍ、厚さ０．２ｍｍであり、純度９９．４％のチタンからなる金属基体を用い、エッチング加工により片面に除熱用の流体流路となる溝を例１と同様の形状に形成した。この溝の表面及び溝が形成されていない面の表面に、窒化チタンの粒子（結晶粒子径の分布範囲０．１〜３μｍ、抵抗率４．０×１０−５Ω・ｃｍ）を分散させたニッケルワット浴を用いてメッキし、厚さ１０μｍの被膜を形成した。この窒化チタン／ニッケル被膜の抵抗率は、３．０×１０−５Ω・ｃｍであった。
上記のチタンからなる金属基体とは対称的に溝が形成されている以外は同じ対となる金属基体を作製し、例１と同様にして一対の金属基体２枚を接合し、セパレータを構成する金属層を得た。
上記金属層を用いた以外は例１と同様にしてセパレータを作製し、例１と同様にして固体高分子型燃料電池を作製し、例１と同様の落下試験を行い、さらにガスリーク試験を行ったところ、気密性に問題はなかった。次いで例１と同様にして評価した。結果を表１に示す。
［例３］
幅１５０ｍｍ、高さ１５０ｍｍ、厚さ０．１５ｍｍのＳＵＳ３１６からなる金属基体を用い、例１と同様にして片面に除熱用の流体流路となる溝を形成した。この溝の表面及び溝が形成されていない面の表面に、スパッタ法によりケイ化モリブデンからなる厚さ０．３μｍの被膜を形成した。このケイ化モリブデン被膜の抵抗率は、２．２×１０−５Ω・ｃｍであった。
上記のＳＵＳ３１６からなる金属基体と対称的に溝が形成されている以外は同じ対となる金属基体を作製し、例１と同様にして一対の金属基体２枚を接合し、、セパレータを構成する金属層を得た。
上記金属層を用いた以外は例１と同様にしてセパレータを作製し、例１と同様にして固体高分子型燃料電池を作製し、例１と同様の落下試験を行い、さらにガスリーク試験を行ったところ、気密性に問題はなかった。次いで例１と同様にして評価した。結果を表１に示す。
［例４］
幅１５０ｍｍ、高さ１５０ｍｍ、厚さ０．１５ｍｍのＳＵＳ３１６からなる金属基体を用い、例１と同様にして片面に除熱用の流体流路となる溝を形成した。この溝の表面及び溝が形成されていない面の表面に、スパッタ法により炭化タングステンからなる厚さ０．７μｍの被膜を形成した。この炭化タングステン被膜の抵抗率は、３．４×１０−５Ω・ｃｍであった。
上記のＳＵＳ３１６からなる金属基体と対称的に溝が形成されている以外は同じ対となる金属基体を作製し、例１と同様にして一対の金属基体２枚を接合し、、セパレータを構成する金属層を得た。
次に、平均粒径３５ｎｍのカーボンブラック粒子（ケッチェンＥＣ）をエチルセルロース樹脂をバインダとしキシレンとエチルカルビトールとの体積比で１：１の混合溶媒に分散させた導電ペースト（カーボンブラック：バインダ：混合溶媒は質量比で３０：３０：４０）を、上記金属層の両面（炭化タングステン被膜の上）にスクリーン印刷法により塗工した。溶媒を除去するために１４０℃で３０分乾燥した後、大気中で３５０℃にて３時間焼成した。次いで面方向に垂直に３０ｋｇ／ｃｍ２の圧力を加えることにより、ガス流路となる溝部分の厚さが１５μｍでありリブの部分の厚さが０．２ｍｍである以外は例１と同様の形状の非金属層を形成し、これをセパレータとした。
上記セパレータを用いた以外は例１と同様にして固体高分子型燃料電池を作製し、例１と同様の落下試験を行い、さらにガスリーク試験を行ったところ、気密性に問題はなかった。次いで例１と同様にして評価した。結果を表１に示す。
［例５］
例１におけるアルミニウム合金からなる基体のかわりに該基体と同じ大きさの膨張黒鉛からなる基体を用い、片面に除熱用の流体流路となる溝を例１と同様の形状に形成した。
上記の膨張黒鉛からなる基体とは溝が対称的に形成されている以外は同じ対となる基体を作製し、溝の位置が合致するように一対の基体２枚の溝が形成された面を対向させて一対の基体を重ね合わせ、これを金属層のかわりに用いた以外は例１と同様にして固体高分子型燃料電池を作製た。例１と同様の落下試験を行い、さらにガスリーク試験を行ったところ、気密性に問題はなかった。次いで例１と同様にして評価した。結果を表１に示す。
［例６］
例１における非金属層と同じ大きさで同じ形状の層を例１で使用したアルミニウム合金を用いて作製した。この層を非金属層のかわりに用い、金属層との接合を機械加工により行った以外は例１と同様にしてセパレータを作製した。
このセパレータを用いた以外は例１と同様にして固体高分子型燃料電池を作製した。例１と同様の落下試験を行い、さらにガスリーク試験を行ったところ、気密性に問題はなかった。次いで例１と同様にして評価した。結果を表１に示す。
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産業上の利用の可能性
本発明によれば、圧縮応力以外の応力や機械的衝撃が付与されうる環境条件下で固体高分子電解質型燃料電池を使用した場合でも、セパレータは破壊されたり亀裂を生じることなく、初期の形状を維持して燃料電池の気密性を維持できる。また、本発明におけるセパレータは、機械的な成形、加工が容易でありリサイクルもしやすい。さらに、本発明におけるセパレータは従来の金属製セパレータに比べ軽量である。したがって、本発明の固体高分子電解質型燃料電池は、軽量で高出力であり、長期的に耐久性に優れている。
【図面の簡単な説明】
図１（ａ）本発明の実施態様のセパレータの平面図である。
（ｂ）図１（ａ）のＡ−Ａ’線に沿った断面図である。
図２（ａ）本発明の実施態様のセパレータの金属層を形成する金属基体の平面図である。
（ｂ）図２（ａ）のＢ−Ｂ’線に沿った金属基体の断面図と該金属基体と対の金属基体の断面図である。
図３  本発明の固体高分子電解質型燃料電池の断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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