燃料電池用セパレータおよびその製造方法、ならびに燃料電池
【課題】イオン化した金属不純物によるイオン交換膜の性能劣化を低コストで防止できる燃料電池用セパレータおよびその製造方法、ならびに燃料電池を提供する。
【解決手段】燃料電池用セパレータ１は、電解質膜／電極接合体１１と共に積層されて燃料電池１０を構成し、かつそれぞれが黒鉛粉粒体を含む第１の層２と第２の層３とを有している。燃料電池用セパレータ１の電解質膜／電極接合体１１に接するように形成された第１の層２の金属不純物含有濃度が１００ｐｐｍ未満であり、第２の層３の金属イオンの金属不純物含有濃度が第１の層２の金属不純物含有濃度より高い。
【解決手段】燃料電池用セパレータ１は、電解質膜／電極接合体１１と共に積層されて燃料電池１０を構成し、かつそれぞれが黒鉛粉粒体を含む第１の層２と第２の層３とを有している。燃料電池用セパレータ１の電解質膜／電極接合体１１に接するように形成された第１の層２の金属不純物含有濃度が１００ｐｐｍ未満であり、第２の層３の金属イオンの金属不純物含有濃度が第１の層２の金属不純物含有濃度より高い。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用セパレータおよびその製造方法、ならびに燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水素と酸素との電気化学反応から電力を得る燃料電池においては、近年ポ−タブル機器、自動車等の種々の用途への適用が検討されている。燃料電池は、電解質膜、電極およびセパレータからなる基本構成単位、すなわち単位セルが通常直列に数十〜数百セル積層された構造を有する。
【０００３】
特に、電気と熱を利用する高分子型燃料電池は、水素等の燃料と空気等の酸化剤ガスをイオン交換膜上に電気化学反応させ、電気発生させるものである。電気化学反応による発電時には熱が発生するので、この燃料電池は電池内部に冷却水を流し、燃料電池の温度を制御する構造となっている。
【０００４】
図５は、燃料電池内に冷却水を通して燃料電池の温度を制御するタイプの燃料電池の構成を概略的に示す分解断面図である。図５を参照して、燃料電池１１０は、電解質膜／電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）１１１と、セパレータ１０１とを有している。
【０００５】
電解質膜／電極接合体１１１は、高分子電解質膜よりなるイオン交換膜１１２と、そのイオン交換膜１１２を両側から挟み込むガス拡散層（電極）１１３、１１３とを有している。セパレータ１０１は、ガス拡散層１１３のさらに外側に配置されている。このセパレータ１０１は、電解質膜／電極接合体１１１側に水素等の燃料もしくは空気等の酸化剤ガスを供給するための流路を有し、電解質膜／電極接合体１１１側とは反対側に冷却水を通す流路を有している。
【０００６】
このような燃料電池は、たとえば特許第３６９３０２１号公報に開示されている。
【特許文献１】特許第３６９３０２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、成形材料からなるセパレータ１０１に用いる黒鉛の中には、鉄（Ｆｅ）、カルシウム（Ｃａ）、チタン（Ｔｉ）等の金属不純物が含まれている。このような金属不純物は燃料電池の運転中にイオン化し、そのイオン化した金属不純物がイオン交換膜１１２を劣化、分解させるおそれがある。これにより、イオン交換膜１１２の性能が低下して、燃料電池の発電性能が低下するという問題点があった。
【０００８】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、イオン化した金属不純物によるイオン交換膜の性能劣化を低コストで防止できる燃料電池用セパレータおよびその製造方法、ならびに燃料電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の燃料電池用セパレータは、電解質膜と電極とが貼り合わせられた接合体と共に積層されて燃料電池を構成するものである。この燃料電池用セパレータは、黒鉛粉粒体を含む第１の層と第２の層とを有している。この燃料電池用セパレータにおいては、接合体側に接するように形成された第１の層の金属不純物含有濃度が１００ｐｐｍ未満であり、第２の層の金属不純物含有濃度が第１の層の金属不純物含有濃度より高いものである。
【００１０】
なお本発明の燃料電池用セパレータにおける第１および第２の層は樹脂バインダーを含んでいることが好ましい。
【００１１】
上記において金属不純物含有濃度とは、高感度蛍光Ｘ線装置（ＴＥＣＨＮＯＳ社、ＴＲＥＸ−６６０）により測定した濃度である。その測定方法としては、セパレータ切片又はセパレータから取得した黒鉛粉粒体を含むサンプルを６００℃で６時間蒸焼き後、その灰分を上記蛍光Ｘ線装置で測定した金属濃度の値である。その金属不純物とは、たとえば、鉄（Ｆｅ）、カルシウム（Ｃａ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、亜鉛（Ｚｎ）、ジルコニウム（Ｚｒ）等であり、これらの金属濃度を上記測定方法により測定し、合計した値を金属不純物含有濃度とした。
【００１２】
本発明の燃料電池用セパレータによれば、金属不純物含有濃度が１００ｐｐｍ未満の第１の層が電解質膜と電極との接合体に接するように形成されているため、燃料電池の運転中における第１の層からの金属イオンの溶出量が少なく、燃料電池の発電性能の低下を抑制することができる。
【００１３】
また金属不純物含有濃度の低い第１の層を形成できる材料を用いたセパレータを得ようとすると材料コストが高くなる。しかし、本発明の燃料電池用セパレータは、第１の層だけでなく第２の層をも有していることにより、第１の層を形成できる成形材料のみを用いたものよりもコストを低くすることができる。よって、燃料電池用セパレータの材料コストを抑制することができるので、燃料電池の製造コストを抑えることができる。
【００１４】
なお、電解質膜と電極との接合体に接するように形成される第１の層の金属不純物含有濃度を１００ｐｐｍ未満としたのは、上記セパレータを燃料電池に使用した際に、長時間運転後の発電電圧低下量が小さく、電池の寿命が長くなるからである。
【００１５】
本発明の燃料電池用セパレータの厚みは、１〜５ｍｍであり、好ましくは、第１の層の厚みが、黒鉛粉粒体の平均粒子径の１．５倍以上である。第１の層の厚みが、黒鉛粉粒体の平均粒子径の１．５倍以上であることにより、成形時に第１の層が連続的に形成可能であり、第２の層の黒鉛粉粒体が第１の層に入っても第１の層表面に露出する確率が少なくなり、第２の層に含まれる金属不純物がイオンとして溶出することを防止することができる。
【００１６】
第１の層の厚みの上限は、第２の層の厚みを考慮して、経済的な効果が見出せる範囲であればよい。上記のセパレータの厚みは１〜５ｍｍであり、たとえば３ｍｍの場合には、第１の層の厚みが１．５ｍｍ程度以下であればよい。よって、第１の層の厚みは、燃料電池用セパレータ全体の厚みの１／２以下で、好ましくは１／２〜１／１０であるのがよい。第２の層の厚みは、好ましくは１／２〜９／１０である。この範囲を外れると金属イオン溶出防止効果が不十分である。もちろん、第２の層からの金属イオンの溶出を防止する観点からは第１の層の厚みが厚ければ厚いほど良いが、成形材料コストも高くなり好ましくはない。
【００１７】
上記の燃料電池用セパレータにおいて好ましくは、第１の層に含まれる黒鉛粉粒体が、球状またはアスペクト比（長径／短径比）が２．０未満の外形を有し、かつ第２の層に含まれる黒鉛粉粒体が、アスペクト比（長径／短径比）が２．０以上の外形を有するものである。
【００１８】
第１の層に含まれる黒鉛粉粒体が、球状または２．０未満のアスペクト比の外形を有することにより、黒鉛粉粒体と樹脂バインダーとの配合物の成形時の流動性が良好となる。これにより、たとえば第１の層を第２の層の流路用凹部に沿うように成形する場合に、第１の層がその段部に沿って伸びやすくなる。このため、その成形時に第１の層が途切れて、その途切れた部分から第２の層が露出することが防止され得る。よって、第２の層から金属不純物のイオンが溶出することが防止され得る。
【００１９】
上記黒鉛粉粒体と樹脂バインダーとの成形材料配合物の流動性の評価指標は、スパイラルフロー長さである。黒鉛粉粒体のアスペクト比が２．０未満のものを使用した上記配合物は、スパイラルフロー長さ５５〜７０ｃｍとなることから、セパレータ成形に好適である。
【００２０】
第１および第２の層の各々の黒鉛粉粒体の平均粒径は、５０〜５００μｍ、好ましくは１００〜４００μｍ、より好ましくは２００〜３００μｍであり、アスペクト比は１〜５である。
【００２１】
黒鉛粉粒体の平均粒子径は、レーザー光回折装置により測定することができる。このレーザー光回折法は、粒子の回折光の強度分布が粒子径の関数であることを利用するものであり、具体的には粉体を分散させた懸濁液をレーザー光路中に流し、次々に通過する粒子の回折光をレンズで平面波とし、その半径方向の強度分布を回転スリットでフォトディテクターに投影して検出するものである。
【００２２】
また黒鉛粉粒体のアスペクト比は、実体形顕微鏡を用い複数の黒鉛粉粒体の写真を撮影し、それらの黒鉛粉粒体の縦と横の長さを実際に測定し、縦長／横長で求めた。測定サンプル数は約１００〜２００個である。
【００２３】
上記の燃料電池用セパレータにおいて好ましくは、第１の層と第２の層とが積層一体化成形されて燃料電池用セパレータが構成されている。この際、第１の層と第２の層との間に、シート状繊維強化材、たとえば、有機繊維、炭素繊維、ガラス繊維、金属繊維、セラミック繊維等を挿入し一体化したものであっても良い。その繊維強化材の形態は、網状物、織物、不織布等で、隙間の開いた形状のものであることが導電性の点から好ましい。
【００２４】
本発明の燃料電池用セパレータの製造方法は、電解質膜と電極とが貼り合わせられた接合体と共に積層されて燃料電池を構成する黒鉛粉粒体を含む燃料電池用セパレータの製造方法であって、以下の工程を備えている。
【００２５】
まず第１の層用のシートが準備される。第２の層用のシートが準備されて、その第２の層用のシートの接合体側の表面に流路用凹部が形成される。第２の層用のシートの流路用凹部が形成された面に第１の層用のシートが重ね合わされる。第１の層に含まれる黒鉛粉粒体が、球状またはアスペクト比が２．０未満の外形を有するものであり、第２の層に含まれる黒鉛粉粒体が、アスペクト比が２．０以上の外形を有するものである。
【００２６】
なお第１の層用のシートおよび第２の層用のシート各々はシート状成形材料であることが好ましい。また第２の層用のシートの流路用凹部が形成された面に第１の層用のシートが金型内で重ね合わされプレス成形機により成形されることにより、燃料電池用セパレートを製造することが好ましい。さらに、第１の層は第２の層を挟むサンドイッチ構造にすることも可能である。
【００２７】
本発明の燃料電池用セパレータの製造方法によれば、第１の層に含まれる黒鉛粉粒体が、球状または２．０未満のアスペクト比の外形を有することにより、黒鉛粉粒体と樹脂バインダーとの成形材料配合物の流動性が良好となる。これにより、たとえば第１の層を第２の層の流路用凹部に沿うように成形する場合に、第１の層がその段部に沿って伸びやすくなる。このため、その成形時に第１の層が途切れて、その途切れた部分から第２の層が露出することが防止される。よって、第２の層から金属不純物のイオンが溶出することが防止される。
【００２８】
本発明の燃料電池は、上記の燃料電池用セパレータと、その燃料電池用セパレータの第１の層側に配置された、電解質膜と電極とが貼り合わされた接合体とを備えている。
【００２９】
これにより、長時間の発電性能の高い燃料電池を得ることができる。
【発明の効果】
【００３０】
以上説明したように本発明によれば、イオン化した金属不純物によるイオン交換膜の性能劣化を低コストで防止できる燃料電池用セパレータおよびその製造方法、ならびに燃料電池を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、本発明の実施の形態について図に基いて説明する。
図１は、本発明の一実施の形態における燃料電池の構成を概略的に示す分解断面図である。図１を参照して、燃料電池１０は、電解質膜／電極接合体１１と、セパレータ１とを有している。電解質膜／電極接合体１１は、高分子電解質膜よりなるイオン交換膜１２と、そのイオン交換膜１２を両側から挟み込むガス拡散層（電極）１３、１３とを有している。セパレータ１は、ガス拡散層１３のさらに外側に配置されている。このセパレータ１は、電解質膜／電極接合体１１側に水素等の燃料もしくは空気等の酸化剤ガスを供給するための流路１ａを有し、電解質膜／電極接合体１１側とは反対側に冷却水を通す流路１ｂを有している。
【００３２】
セパレータ１は、第１の層２および第２の層３とを積層一体化した構造を有しており、第１の層２および第２の層３のそれぞれは黒鉛粉粒体と樹脂バインダーとを含んでいる。第１の層２は、電解質膜／電極接合体１１側のセパレータ１の表面全体に形成されており、電解質膜／電極接合体１１に接するように形成されている。つまり、水素等の燃料もしくは空気等の酸化剤ガスを供給するための流路１ａが形成される側の表面全体を途切れなく覆うよう第１の層２は形成されている。また第２の層３は電解質膜／電極接合体１１側とは反対側に形成されている。つまり、冷却水を通す流路１ｂが形成される表面側に第２の層３は形成されている。
【００３３】
第１の層２の金属不純物含有濃度は１００ｐｐｍ未満であり、第２の層３の金属不純物含有濃度は第１の層２の金属不純物含有濃度よりも高い。第２の層２の金属不純物含有濃度は、１００ｐｐｍ以上、１００〜２０００ｐｐｍである。
【００３４】
金属不純物とは、たとえば鉄、カルシウム、チタン、バナジウム（Ｖ）、亜鉛（Ｚｎ）、ジルコニウム（Ｚｒ）などである。
【００３５】
またセパレータ１の厚みＴは、好ましくは１〜５ｍｍ程度のものである。第１の層２の厚みＴは、第１の層２に含まれる黒鉛粉粒体の平均粒子径の１．５倍以上である。また第１の層２に含まれる黒鉛粉粒体が、球状または２．０未満のアスペクト比（長径／短径比）の外形を有し、第２の層３に含まれる黒鉛粉粒体が、２．０以上のアスペクト比（長径／短径比）の外形を有するものである。
【００３６】
次に、本実施の形態の燃料電池用セパレータ１の製造方法について説明する。
図２（ａ）〜（ｄ）は、本発明の一実施の形態における燃料電池用セパレータの製造方法を工程順に示す概略断面図である。図２（ａ）を参照して、まず第２の層用のシート３が成形材料として準備される。この第２の層用のシート３は、たとえば、黒鉛粉粒体と樹脂バインダーとを少なくとも含むように準備される。樹脂バインダーは、たとえば熱可塑性樹脂と熱硬化性樹脂との少なくともいずれかを含んでいる。第１の層と第２の層との樹脂バインダーは、積層一体化するために同じものであることが好ましい。
【００３７】
この第２の層用のシート３は、最終製品のセパレータとして製造された時点でたとえば１００ｐｐｍより高い金属不純物含有濃度となるように準備される。また第２の層用のシート３に含まれる黒鉛粉粒体が２．０以上のアスペクト比の外形を有するように第２の層用のシート３が準備される。
【００３８】
樹脂バインダーとなる熱硬化性樹脂としては、たとえばフェノール樹脂、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、シリコーン樹脂、ジアリルフタレート樹脂、マレイミド樹脂、ポリイミド樹脂等を挙げることができる。熱硬化性樹脂は１種類の樹脂からなるもののみではなく、２種類以上の樹脂を混合したものも使用することができる。
【００３９】
樹脂バインダーとなる熱可塑性樹脂としては、たとえばポリエチレン、ポリプロピレン、シクロオレフィンポリマー、ポリスチレン、シンジオタクティックポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ＡＢＳ樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアセタール、ポリカーボネート、ポリフェニレンエーテル、変性ポリフェニレンエーテル、ポリエチレンテレフタレート、ポリトリメチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリシクロヘキシレンテレフタレート、ポリフェニレンスルフィド、ポリチオエーテルサルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリアリレート、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリエーテルイミド、ポリアミドイミド、熱可塑性ポリイミド、液晶ポリマー、ポリテトラフルオロエチレン共重合体、ポリビニリデンフルオライド等のフッ素樹脂、全芳香族ポリエステル、半芳香族ポリエステル、ポリ乳酸、ポリエステル・ポリエステルエラストマー、ポリエステル・ポリエーテルエラストマー等の熱可塑性エラストマー等が挙げられる。また、熱硬化性樹脂と同様に、熱可塑性樹脂も１種類の樹脂からなるもののみではなく、２種類以上の樹脂を混合したものも使用することができる。さらに熱硬化性樹脂と熱可塑性樹脂とを複合したものも使用することができる。
【００４０】
図２（ｂ）を参照して、第２の層用のシート３が仮成形される。これにより、第２の層用のシート３の両面に流路用の凹部が形成される。電解質膜／電極接合体側となる第２の層用のシート３の一方表面には水素等の燃料もしくは空気等の酸化剤ガスを供給するための流路用凹部が形成され、その反対側の他方表面には冷却水を通す流路用凹部が形成される。
【００４１】
図２（ｃ）を参照して、第１の層用のシート２が成形材料として準備される。この第１の層用のシート２は、たとえば、黒鉛粉粒体と樹脂バインダーとを少なくとも含むように準備される。樹脂バインダーは、第２の層用のシート３と同様、たとえば熱可塑性樹脂と熱硬化性樹脂との少なくともいずれかを含んでおり、その熱可塑性樹脂および熱硬化性樹脂の各材質も第２の層用のシート３と同様の材質である。
【００４２】
この第１の層用のシート２は、最終製品のセパレータとして製造された時点でたとえば１ｐｐｍ以上１００ｐｐｍ未満の金属不純物含有濃度となるように準備される。つまり、第２の層用のシート３の金属不純物含有濃度よりも低い金属不純物含有濃度を有するように準備される。
【００４３】
このように金属不純物含有濃度が互いに異なる第１および第２の層用のシート２、３は、たとえば以下のように準備される。
【００４４】
第１および第２の層用のシート２、３に使用する黒鉛粉粒体は、たとえば人造黒鉛を用いて製造される。この人造黒鉛は、一般的に２５００℃〜３０００℃の温度で焼成されるが、この焼成工程における冷却工程において、ハロゲンガス（塩素ガス等）を使用する場合、金属不純物の含有量の少ない黒鉛が得られる。またハロゲンガスを使用しない場合には、金属不純物の含有量の多い黒鉛が得られる。よって、第１の層用のシート２を準備する際には、上記の冷却工程においてハロゲンガスを用い、第２の層用のシート３を準備する際には、上記の冷却工程においてハロゲンガスを用いないようにすれば、金属不純物含有濃度が互いに異なる第１および第２の層用のシート２、３に使用できるものを得ることができる。
【００４５】
また上記の冷却工程においてハロゲンガスを用いない場合でも、その冷却工程において焼成炉から塊状黒鉛が金属不純物を吸収するので、焼成した塊状黒鉛の表面より、内部の方が金属不純物の含有量が少なくなる。このため、金属不純物の含有量の多い表面部分を除去した塊状黒鉛を用いれば金属不純物の含有量の少ない第１の層用のシート２を得ることができ、当該表面部分を除去しないで塊状黒鉛を用いれば金属不純物の含有量の多い第２の層用のシート３を得ることができる。
【００４６】
また第１の層用のシート２の製造において使用する黒鉛粉粒体は、金属不純物含有濃度を低くするために、黒鉛の焼成工程における冷却工程にてハロゲンガスを用いるか、または冷却後に金属不純物濃度の高い表面部分を削除する必要がある。このため、金属不純物含有濃度の低い第１の層２を形成するような成形材料を用いたセパレータを得ようとすると材料コストが高くなる。本実施の形態では、燃料電池用セパレータ１は第１の層２だけでなく第２の層３も含んでいる。この第２の層３における金属不純物含有濃度は第１の層２のそれよりも高くてよいため、第２の層形成用のシート３の製造においては、黒鉛の焼成工程における冷却工程にてハロゲンガスを用いる必要はなく、また冷却後に金属不純物濃度の高い表面部分を削除する必要もない。よって、第１の層２だけでなく第２の層３も含めることで、燃料電池用セパレータ１全体を第１の層２のみから構成する場合よりも、燃料電池の製造コストを低減することができる。
【００４７】
上記の第１および第２の層用のシート２、３の双方は、黒鉛粉粒体を好ましくは７０〜９０質量％の割合で、かつ樹脂バインダーを好ましくは１０〜３０質量％の割合で含有している。
【００４８】
また第１の層用のシート２に含まれる黒鉛粉粒体は、球状または２．０未満のアスペクト比の外形を有するものを使用して、第１の層用のシート２が準備される。
【００４９】
この第１の層用のシート２が、第２の層用のシート３の電解質膜／電極接合体側の表面に重ね合わされて、第１および第２の層用のシート２、３が一体成形される。この成形においては、第１および第２の層用のシート２、３が重ね合わされて成形用金型内に投入され、たとえばプレス成形機により成形用金型内で加熱・加圧成形される。
【００５０】
樹脂バインダーに熱硬化性樹脂が用いられている場合には、この加熱・加圧により熱硬化性樹脂が硬化する。この後、成形用金型から図２（ｄ）に示す燃料電池用セパレータ（成形品）１が取り出される。
【００５１】
また樹脂バインダーに熱可塑性樹脂が用いられている場合には、上記の加熱・加圧により、その熱可塑性樹脂は溶融し、その後、成形用金型により加圧されながら冷却される。この加圧・冷却により溶融状態にあった熱可塑性樹脂が固化する。この後、成形用金型から図２（ｄ）に示す燃料電池用セパレータ（成形品）１が取り出される。
【００５２】
上記のように樹脂バインダーが熱硬化性樹脂よりなる場合は、成形材料が成形用金型で加熱・加圧成形されて燃料電池用セパレータ（成形品）１が得られるが、樹脂バインダーが熱可塑性樹脂よりなる場合または熱可塑性樹脂および熱硬化性樹脂よりなる場合は、成形材料が成形用金型で加熱・加圧および加圧・冷却されて燃料電池用セパレータ（成形品）１が得られる。
【００５３】
図２（ｄ）を参照して、上記の成形により、第１の層用のシート２と第２の層用のシート３とが一体化されて燃料電池用セパレータ１が形成される。この燃料電池用セパレータ１において第１の層用のシート２が第１の層となり、第２の層用のシート３が第２の層となる。この第１の層２は、電解質膜／電極接合体側のセパレータ１の表面全体に形成される。つまり、水素等の燃料もしくは空気等の酸化剤ガスを供給するための流路１ａが形成される側の表面全体を途切れなく覆うように第１の層２は形成される。
【００５４】
なお、上記においては、電解質膜／電極接合体１１側のセパレータ１の表面全体に第２の層３よりも薄い第１の層２を形成した場合について説明したが、第１の層２の厚みＴの上限は、第２の層３の厚みを考慮して、経済的な効果が見出せる範囲であればよい。たとえばセパレータ１の厚みが３ｍｍの場合には、第１の層２の厚みＴが１．５ｍｍ程度以下であればよい。このため、第１の層２の最大厚みは、燃料電池用セパレータ１全体の厚みの１／２以下であればよい。よって、図３に示すように第１の層２の厚みは、第２の層３と同程度の厚み（つまり燃料電池用セパレータ１全体の厚みの１／２の厚み）であってもよい。
【００５５】
また上記においては、燃料電池用セパレータ１が第１の層２と第２の層３との２層よりなる場合について説明したが、第１の層２が電解質膜／電極接合体１１側のセパレータ１の表面全体に形成されていれば、セパレータ１は３層以上よりなっていてもよい。ただし、セパレータ１を２層のみで構成する場合には、３層以上で構成する場合よりも１層当たりの厚みを厚くできるため、製造が容易となって生産性が良好となり、製造コストを低減することができる。
【００５６】
本実施の形態によれば、金属不純物含有濃度が１００ｐｐｍ未満の第１の層２が電解質膜／電極接合体１１側の表面に形成されており、かつ電解質膜／電極接合体１１に接するように形成されているため、燃料電池１０の運転中における第２の層３からの金属イオンの溶出を第１の層２が抑制することができる。これにより、燃料電池１０の発電性能の低下を抑制することができる。
【実施例】
【００５７】
以下の表１に示す濃度（蛍光Ｘ線装置により測定した濃度）で金属不純物を含有する黒鉛粉粒体（Ａ材、Ｂ材）とビニルエステル樹脂バインダーとを用いて、上記の製造方法により、Ａ材単層よりなる燃料電池用セパレータと、Ｂ材単層よりなる燃料電池用セパレータと、Ａ材とＢ材の二層構造よりなる燃料電池用セパレータとを製造した。二層構造よりなる燃料電池用セパレータにおいては、Ａ材が電解質膜／電極接合体側のセパレータの表面全体に位置するように形成した。これらの各燃料電池用セパレータを用いて燃料電池を組立し、各燃料電池について、運転時間と発電電圧との関係を調べた。その結果を図４に示す。
【００５８】
【表１】
【００５９】
図４の結果から、Ａ材単体よりなるセパレータで構成された燃料電池では、Ｂ材単体よりなるセパレータで構成された燃料電池に比較して、運転時間の長時間化による発電電圧の低下が少ないことが分かった。また、Ａ材とＢ材との二層構造よりなるセパレータで構成された燃料電池では、Ａ材単体よりなるセパレータで構成された燃料電池と比較して、運転時間の長時間化による発電電圧の低下が同程度であることが分かった。
【００６０】
以上より、セパレータをＡ材とＢ材との二層構造により構成し、各元素の金属不純部含有濃度の合計が１００ｐｐｍ未満のＡ材を電解質膜／電極接合体側のセパレータの表面全体に位置させることにより、発電電圧の低下を抑制できることが分かった。
【００６１】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明は、黒鉛粉粒体を含む燃料電池用セパレータおよびその製造方法、ならびに燃料電池に特に有利に適用され得る。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の一実施の形態における燃料電池の構成を概略的に示す分解断面図である。
【図２】本発明の一実施の形態における燃料電池用セパレータの製造方法を工程順に示す概略断面図である。
【図３】第１の層２の厚みが第２の層３と同程度の厚みである場合の燃料電池用セパレータの構成を概略的に示す断面図である。
【図４】表１に示すＡ材単層と、Ｂ材単層と、Ａ材およびＢ材の複合層との各々を用いた燃料電池について運転時間と発電電圧との関係を示す図である。
【図５】燃料電池内に冷却水を通して燃料電池の温度を制御するタイプの従来の燃料電池の構成を概略的に示す分解断面図である。
【符号の説明】
【００６４】
１ 燃料電池用セパレータ、２ 第１の層（第１の層用シート）、３ 第２の層（第２の層用シート）、１０ 燃料電池、１１ 電解質膜／電極接合体、１２ イオン交換膜、１３ ガス拡散層。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用セパレータおよびその製造方法、ならびに燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水素と酸素との電気化学反応から電力を得る燃料電池においては、近年ポ−タブル機器、自動車等の種々の用途への適用が検討されている。燃料電池は、電解質膜、電極およびセパレータからなる基本構成単位、すなわち単位セルが通常直列に数十〜数百セル積層された構造を有する。
【０００３】
特に、電気と熱を利用する高分子型燃料電池は、水素等の燃料と空気等の酸化剤ガスをイオン交換膜上に電気化学反応させ、電気発生させるものである。電気化学反応による発電時には熱が発生するので、この燃料電池は電池内部に冷却水を流し、燃料電池の温度を制御する構造となっている。
【０００４】
図５は、燃料電池内に冷却水を通して燃料電池の温度を制御するタイプの燃料電池の構成を概略的に示す分解断面図である。図５を参照して、燃料電池１１０は、電解質膜／電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）１１１と、セパレータ１０１とを有している。
【０００５】
電解質膜／電極接合体１１１は、高分子電解質膜よりなるイオン交換膜１１２と、そのイオン交換膜１１２を両側から挟み込むガス拡散層（電極）１１３、１１３とを有している。セパレータ１０１は、ガス拡散層１１３のさらに外側に配置されている。このセパレータ１０１は、電解質膜／電極接合体１１１側に水素等の燃料もしくは空気等の酸化剤ガスを供給するための流路を有し、電解質膜／電極接合体１１１側とは反対側に冷却水を通す流路を有している。
【０００６】
このような燃料電池は、たとえば特許第３６９３０２１号公報に開示されている。
【特許文献１】特許第３６９３０２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、成形材料からなるセパレータ１０１に用いる黒鉛の中には、鉄（Ｆｅ）、カルシウム（Ｃａ）、チタン（Ｔｉ）等の金属不純物が含まれている。このような金属不純物は燃料電池の運転中にイオン化し、そのイオン化した金属不純物がイオン交換膜１１２を劣化、分解させるおそれがある。これにより、イオン交換膜１１２の性能が低下して、燃料電池の発電性能が低下するという問題点があった。
【０００８】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、イオン化した金属不純物によるイオン交換膜の性能劣化を低コストで防止できる燃料電池用セパレータおよびその製造方法、ならびに燃料電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の燃料電池用セパレータは、電解質膜と電極とが貼り合わせられた接合体と共に積層されて燃料電池を構成するものである。この燃料電池用セパレータは、黒鉛粉粒体を含む第１の層と第２の層とを有している。この燃料電池用セパレータにおいては、接合体側に接するように形成された第１の層の金属不純物含有濃度が１００ｐｐｍ未満であり、第２の層の金属不純物含有濃度が第１の層の金属不純物含有濃度より高いものである。
【００１０】
なお本発明の燃料電池用セパレータにおける第１および第２の層は樹脂バインダーを含んでいることが好ましい。
【００１１】
上記において金属不純物含有濃度とは、高感度蛍光Ｘ線装置（ＴＥＣＨＮＯＳ社、ＴＲＥＸ−６６０）により測定した濃度である。その測定方法としては、セパレータ切片又はセパレータから取得した黒鉛粉粒体を含むサンプルを６００℃で６時間蒸焼き後、その灰分を上記蛍光Ｘ線装置で測定した金属濃度の値である。その金属不純物とは、たとえば、鉄（Ｆｅ）、カルシウム（Ｃａ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、亜鉛（Ｚｎ）、ジルコニウム（Ｚｒ）等であり、これらの金属濃度を上記測定方法により測定し、合計した値を金属不純物含有濃度とした。
【００１２】
本発明の燃料電池用セパレータによれば、金属不純物含有濃度が１００ｐｐｍ未満の第１の層が電解質膜と電極との接合体に接するように形成されているため、燃料電池の運転中における第１の層からの金属イオンの溶出量が少なく、燃料電池の発電性能の低下を抑制することができる。
【００１３】
また金属不純物含有濃度の低い第１の層を形成できる材料を用いたセパレータを得ようとすると材料コストが高くなる。しかし、本発明の燃料電池用セパレータは、第１の層だけでなく第２の層をも有していることにより、第１の層を形成できる成形材料のみを用いたものよりもコストを低くすることができる。よって、燃料電池用セパレータの材料コストを抑制することができるので、燃料電池の製造コストを抑えることができる。
【００１４】
なお、電解質膜と電極との接合体に接するように形成される第１の層の金属不純物含有濃度を１００ｐｐｍ未満としたのは、上記セパレータを燃料電池に使用した際に、長時間運転後の発電電圧低下量が小さく、電池の寿命が長くなるからである。
【００１５】
本発明の燃料電池用セパレータの厚みは、１〜５ｍｍであり、好ましくは、第１の層の厚みが、黒鉛粉粒体の平均粒子径の１．５倍以上である。第１の層の厚みが、黒鉛粉粒体の平均粒子径の１．５倍以上であることにより、成形時に第１の層が連続的に形成可能であり、第２の層の黒鉛粉粒体が第１の層に入っても第１の層表面に露出する確率が少なくなり、第２の層に含まれる金属不純物がイオンとして溶出することを防止することができる。
【００１６】
第１の層の厚みの上限は、第２の層の厚みを考慮して、経済的な効果が見出せる範囲であればよい。上記のセパレータの厚みは１〜５ｍｍであり、たとえば３ｍｍの場合には、第１の層の厚みが１．５ｍｍ程度以下であればよい。よって、第１の層の厚みは、燃料電池用セパレータ全体の厚みの１／２以下で、好ましくは１／２〜１／１０であるのがよい。第２の層の厚みは、好ましくは１／２〜９／１０である。この範囲を外れると金属イオン溶出防止効果が不十分である。もちろん、第２の層からの金属イオンの溶出を防止する観点からは第１の層の厚みが厚ければ厚いほど良いが、成形材料コストも高くなり好ましくはない。
【００１７】
上記の燃料電池用セパレータにおいて好ましくは、第１の層に含まれる黒鉛粉粒体が、球状またはアスペクト比（長径／短径比）が２．０未満の外形を有し、かつ第２の層に含まれる黒鉛粉粒体が、アスペクト比（長径／短径比）が２．０以上の外形を有するものである。
【００１８】
第１の層に含まれる黒鉛粉粒体が、球状または２．０未満のアスペクト比の外形を有することにより、黒鉛粉粒体と樹脂バインダーとの配合物の成形時の流動性が良好となる。これにより、たとえば第１の層を第２の層の流路用凹部に沿うように成形する場合に、第１の層がその段部に沿って伸びやすくなる。このため、その成形時に第１の層が途切れて、その途切れた部分から第２の層が露出することが防止され得る。よって、第２の層から金属不純物のイオンが溶出することが防止され得る。
【００１９】
上記黒鉛粉粒体と樹脂バインダーとの成形材料配合物の流動性の評価指標は、スパイラルフロー長さである。黒鉛粉粒体のアスペクト比が２．０未満のものを使用した上記配合物は、スパイラルフロー長さ５５〜７０ｃｍとなることから、セパレータ成形に好適である。
【００２０】
第１および第２の層の各々の黒鉛粉粒体の平均粒径は、５０〜５００μｍ、好ましくは１００〜４００μｍ、より好ましくは２００〜３００μｍであり、アスペクト比は１〜５である。
【００２１】
黒鉛粉粒体の平均粒子径は、レーザー光回折装置により測定することができる。このレーザー光回折法は、粒子の回折光の強度分布が粒子径の関数であることを利用するものであり、具体的には粉体を分散させた懸濁液をレーザー光路中に流し、次々に通過する粒子の回折光をレンズで平面波とし、その半径方向の強度分布を回転スリットでフォトディテクターに投影して検出するものである。
【００２２】
また黒鉛粉粒体のアスペクト比は、実体形顕微鏡を用い複数の黒鉛粉粒体の写真を撮影し、それらの黒鉛粉粒体の縦と横の長さを実際に測定し、縦長／横長で求めた。測定サンプル数は約１００〜２００個である。
【００２３】
上記の燃料電池用セパレータにおいて好ましくは、第１の層と第２の層とが積層一体化成形されて燃料電池用セパレータが構成されている。この際、第１の層と第２の層との間に、シート状繊維強化材、たとえば、有機繊維、炭素繊維、ガラス繊維、金属繊維、セラミック繊維等を挿入し一体化したものであっても良い。その繊維強化材の形態は、網状物、織物、不織布等で、隙間の開いた形状のものであることが導電性の点から好ましい。
【００２４】
本発明の燃料電池用セパレータの製造方法は、電解質膜と電極とが貼り合わせられた接合体と共に積層されて燃料電池を構成する黒鉛粉粒体を含む燃料電池用セパレータの製造方法であって、以下の工程を備えている。
【００２５】
まず第１の層用のシートが準備される。第２の層用のシートが準備されて、その第２の層用のシートの接合体側の表面に流路用凹部が形成される。第２の層用のシートの流路用凹部が形成された面に第１の層用のシートが重ね合わされる。第１の層に含まれる黒鉛粉粒体が、球状またはアスペクト比が２．０未満の外形を有するものであり、第２の層に含まれる黒鉛粉粒体が、アスペクト比が２．０以上の外形を有するものである。
【００２６】
なお第１の層用のシートおよび第２の層用のシート各々はシート状成形材料であることが好ましい。また第２の層用のシートの流路用凹部が形成された面に第１の層用のシートが金型内で重ね合わされプレス成形機により成形されることにより、燃料電池用セパレートを製造することが好ましい。さらに、第１の層は第２の層を挟むサンドイッチ構造にすることも可能である。
【００２７】
本発明の燃料電池用セパレータの製造方法によれば、第１の層に含まれる黒鉛粉粒体が、球状または２．０未満のアスペクト比の外形を有することにより、黒鉛粉粒体と樹脂バインダーとの成形材料配合物の流動性が良好となる。これにより、たとえば第１の層を第２の層の流路用凹部に沿うように成形する場合に、第１の層がその段部に沿って伸びやすくなる。このため、その成形時に第１の層が途切れて、その途切れた部分から第２の層が露出することが防止される。よって、第２の層から金属不純物のイオンが溶出することが防止される。
【００２８】
本発明の燃料電池は、上記の燃料電池用セパレータと、その燃料電池用セパレータの第１の層側に配置された、電解質膜と電極とが貼り合わされた接合体とを備えている。
【００２９】
これにより、長時間の発電性能の高い燃料電池を得ることができる。
【発明の効果】
【００３０】
以上説明したように本発明によれば、イオン化した金属不純物によるイオン交換膜の性能劣化を低コストで防止できる燃料電池用セパレータおよびその製造方法、ならびに燃料電池を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、本発明の実施の形態について図に基いて説明する。
図１は、本発明の一実施の形態における燃料電池の構成を概略的に示す分解断面図である。図１を参照して、燃料電池１０は、電解質膜／電極接合体１１と、セパレータ１とを有している。電解質膜／電極接合体１１は、高分子電解質膜よりなるイオン交換膜１２と、そのイオン交換膜１２を両側から挟み込むガス拡散層（電極）１３、１３とを有している。セパレータ１は、ガス拡散層１３のさらに外側に配置されている。このセパレータ１は、電解質膜／電極接合体１１側に水素等の燃料もしくは空気等の酸化剤ガスを供給するための流路１ａを有し、電解質膜／電極接合体１１側とは反対側に冷却水を通す流路１ｂを有している。
【００３２】
セパレータ１は、第１の層２および第２の層３とを積層一体化した構造を有しており、第１の層２および第２の層３のそれぞれは黒鉛粉粒体と樹脂バインダーとを含んでいる。第１の層２は、電解質膜／電極接合体１１側のセパレータ１の表面全体に形成されており、電解質膜／電極接合体１１に接するように形成されている。つまり、水素等の燃料もしくは空気等の酸化剤ガスを供給するための流路１ａが形成される側の表面全体を途切れなく覆うよう第１の層２は形成されている。また第２の層３は電解質膜／電極接合体１１側とは反対側に形成されている。つまり、冷却水を通す流路１ｂが形成される表面側に第２の層３は形成されている。
【００３３】
第１の層２の金属不純物含有濃度は１００ｐｐｍ未満であり、第２の層３の金属不純物含有濃度は第１の層２の金属不純物含有濃度よりも高い。第２の層２の金属不純物含有濃度は、１００ｐｐｍ以上、１００〜２０００ｐｐｍである。
【００３４】
金属不純物とは、たとえば鉄、カルシウム、チタン、バナジウム（Ｖ）、亜鉛（Ｚｎ）、ジルコニウム（Ｚｒ）などである。
【００３５】
またセパレータ１の厚みＴは、好ましくは１〜５ｍｍ程度のものである。第１の層２の厚みＴは、第１の層２に含まれる黒鉛粉粒体の平均粒子径の１．５倍以上である。また第１の層２に含まれる黒鉛粉粒体が、球状または２．０未満のアスペクト比（長径／短径比）の外形を有し、第２の層３に含まれる黒鉛粉粒体が、２．０以上のアスペクト比（長径／短径比）の外形を有するものである。
【００３６】
次に、本実施の形態の燃料電池用セパレータ１の製造方法について説明する。
図２（ａ）〜（ｄ）は、本発明の一実施の形態における燃料電池用セパレータの製造方法を工程順に示す概略断面図である。図２（ａ）を参照して、まず第２の層用のシート３が成形材料として準備される。この第２の層用のシート３は、たとえば、黒鉛粉粒体と樹脂バインダーとを少なくとも含むように準備される。樹脂バインダーは、たとえば熱可塑性樹脂と熱硬化性樹脂との少なくともいずれかを含んでいる。第１の層と第２の層との樹脂バインダーは、積層一体化するために同じものであることが好ましい。
【００３７】
この第２の層用のシート３は、最終製品のセパレータとして製造された時点でたとえば１００ｐｐｍより高い金属不純物含有濃度となるように準備される。また第２の層用のシート３に含まれる黒鉛粉粒体が２．０以上のアスペクト比の外形を有するように第２の層用のシート３が準備される。
【００３８】
樹脂バインダーとなる熱硬化性樹脂としては、たとえばフェノール樹脂、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、シリコーン樹脂、ジアリルフタレート樹脂、マレイミド樹脂、ポリイミド樹脂等を挙げることができる。熱硬化性樹脂は１種類の樹脂からなるもののみではなく、２種類以上の樹脂を混合したものも使用することができる。
【００３９】
樹脂バインダーとなる熱可塑性樹脂としては、たとえばポリエチレン、ポリプロピレン、シクロオレフィンポリマー、ポリスチレン、シンジオタクティックポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ＡＢＳ樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアセタール、ポリカーボネート、ポリフェニレンエーテル、変性ポリフェニレンエーテル、ポリエチレンテレフタレート、ポリトリメチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリシクロヘキシレンテレフタレート、ポリフェニレンスルフィド、ポリチオエーテルサルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリアリレート、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリエーテルイミド、ポリアミドイミド、熱可塑性ポリイミド、液晶ポリマー、ポリテトラフルオロエチレン共重合体、ポリビニリデンフルオライド等のフッ素樹脂、全芳香族ポリエステル、半芳香族ポリエステル、ポリ乳酸、ポリエステル・ポリエステルエラストマー、ポリエステル・ポリエーテルエラストマー等の熱可塑性エラストマー等が挙げられる。また、熱硬化性樹脂と同様に、熱可塑性樹脂も１種類の樹脂からなるもののみではなく、２種類以上の樹脂を混合したものも使用することができる。さらに熱硬化性樹脂と熱可塑性樹脂とを複合したものも使用することができる。
【００４０】
図２（ｂ）を参照して、第２の層用のシート３が仮成形される。これにより、第２の層用のシート３の両面に流路用の凹部が形成される。電解質膜／電極接合体側となる第２の層用のシート３の一方表面には水素等の燃料もしくは空気等の酸化剤ガスを供給するための流路用凹部が形成され、その反対側の他方表面には冷却水を通す流路用凹部が形成される。
【００４１】
図２（ｃ）を参照して、第１の層用のシート２が成形材料として準備される。この第１の層用のシート２は、たとえば、黒鉛粉粒体と樹脂バインダーとを少なくとも含むように準備される。樹脂バインダーは、第２の層用のシート３と同様、たとえば熱可塑性樹脂と熱硬化性樹脂との少なくともいずれかを含んでおり、その熱可塑性樹脂および熱硬化性樹脂の各材質も第２の層用のシート３と同様の材質である。
【００４２】
この第１の層用のシート２は、最終製品のセパレータとして製造された時点でたとえば１ｐｐｍ以上１００ｐｐｍ未満の金属不純物含有濃度となるように準備される。つまり、第２の層用のシート３の金属不純物含有濃度よりも低い金属不純物含有濃度を有するように準備される。
【００４３】
このように金属不純物含有濃度が互いに異なる第１および第２の層用のシート２、３は、たとえば以下のように準備される。
【００４４】
第１および第２の層用のシート２、３に使用する黒鉛粉粒体は、たとえば人造黒鉛を用いて製造される。この人造黒鉛は、一般的に２５００℃〜３０００℃の温度で焼成されるが、この焼成工程における冷却工程において、ハロゲンガス（塩素ガス等）を使用する場合、金属不純物の含有量の少ない黒鉛が得られる。またハロゲンガスを使用しない場合には、金属不純物の含有量の多い黒鉛が得られる。よって、第１の層用のシート２を準備する際には、上記の冷却工程においてハロゲンガスを用い、第２の層用のシート３を準備する際には、上記の冷却工程においてハロゲンガスを用いないようにすれば、金属不純物含有濃度が互いに異なる第１および第２の層用のシート２、３に使用できるものを得ることができる。
【００４５】
また上記の冷却工程においてハロゲンガスを用いない場合でも、その冷却工程において焼成炉から塊状黒鉛が金属不純物を吸収するので、焼成した塊状黒鉛の表面より、内部の方が金属不純物の含有量が少なくなる。このため、金属不純物の含有量の多い表面部分を除去した塊状黒鉛を用いれば金属不純物の含有量の少ない第１の層用のシート２を得ることができ、当該表面部分を除去しないで塊状黒鉛を用いれば金属不純物の含有量の多い第２の層用のシート３を得ることができる。
【００４６】
また第１の層用のシート２の製造において使用する黒鉛粉粒体は、金属不純物含有濃度を低くするために、黒鉛の焼成工程における冷却工程にてハロゲンガスを用いるか、または冷却後に金属不純物濃度の高い表面部分を削除する必要がある。このため、金属不純物含有濃度の低い第１の層２を形成するような成形材料を用いたセパレータを得ようとすると材料コストが高くなる。本実施の形態では、燃料電池用セパレータ１は第１の層２だけでなく第２の層３も含んでいる。この第２の層３における金属不純物含有濃度は第１の層２のそれよりも高くてよいため、第２の層形成用のシート３の製造においては、黒鉛の焼成工程における冷却工程にてハロゲンガスを用いる必要はなく、また冷却後に金属不純物濃度の高い表面部分を削除する必要もない。よって、第１の層２だけでなく第２の層３も含めることで、燃料電池用セパレータ１全体を第１の層２のみから構成する場合よりも、燃料電池の製造コストを低減することができる。
【００４７】
上記の第１および第２の層用のシート２、３の双方は、黒鉛粉粒体を好ましくは７０〜９０質量％の割合で、かつ樹脂バインダーを好ましくは１０〜３０質量％の割合で含有している。
【００４８】
また第１の層用のシート２に含まれる黒鉛粉粒体は、球状または２．０未満のアスペクト比の外形を有するものを使用して、第１の層用のシート２が準備される。
【００４９】
この第１の層用のシート２が、第２の層用のシート３の電解質膜／電極接合体側の表面に重ね合わされて、第１および第２の層用のシート２、３が一体成形される。この成形においては、第１および第２の層用のシート２、３が重ね合わされて成形用金型内に投入され、たとえばプレス成形機により成形用金型内で加熱・加圧成形される。
【００５０】
樹脂バインダーに熱硬化性樹脂が用いられている場合には、この加熱・加圧により熱硬化性樹脂が硬化する。この後、成形用金型から図２（ｄ）に示す燃料電池用セパレータ（成形品）１が取り出される。
【００５１】
また樹脂バインダーに熱可塑性樹脂が用いられている場合には、上記の加熱・加圧により、その熱可塑性樹脂は溶融し、その後、成形用金型により加圧されながら冷却される。この加圧・冷却により溶融状態にあった熱可塑性樹脂が固化する。この後、成形用金型から図２（ｄ）に示す燃料電池用セパレータ（成形品）１が取り出される。
【００５２】
上記のように樹脂バインダーが熱硬化性樹脂よりなる場合は、成形材料が成形用金型で加熱・加圧成形されて燃料電池用セパレータ（成形品）１が得られるが、樹脂バインダーが熱可塑性樹脂よりなる場合または熱可塑性樹脂および熱硬化性樹脂よりなる場合は、成形材料が成形用金型で加熱・加圧および加圧・冷却されて燃料電池用セパレータ（成形品）１が得られる。
【００５３】
図２（ｄ）を参照して、上記の成形により、第１の層用のシート２と第２の層用のシート３とが一体化されて燃料電池用セパレータ１が形成される。この燃料電池用セパレータ１において第１の層用のシート２が第１の層となり、第２の層用のシート３が第２の層となる。この第１の層２は、電解質膜／電極接合体側のセパレータ１の表面全体に形成される。つまり、水素等の燃料もしくは空気等の酸化剤ガスを供給するための流路１ａが形成される側の表面全体を途切れなく覆うように第１の層２は形成される。
【００５４】
なお、上記においては、電解質膜／電極接合体１１側のセパレータ１の表面全体に第２の層３よりも薄い第１の層２を形成した場合について説明したが、第１の層２の厚みＴの上限は、第２の層３の厚みを考慮して、経済的な効果が見出せる範囲であればよい。たとえばセパレータ１の厚みが３ｍｍの場合には、第１の層２の厚みＴが１．５ｍｍ程度以下であればよい。このため、第１の層２の最大厚みは、燃料電池用セパレータ１全体の厚みの１／２以下であればよい。よって、図３に示すように第１の層２の厚みは、第２の層３と同程度の厚み（つまり燃料電池用セパレータ１全体の厚みの１／２の厚み）であってもよい。
【００５５】
また上記においては、燃料電池用セパレータ１が第１の層２と第２の層３との２層よりなる場合について説明したが、第１の層２が電解質膜／電極接合体１１側のセパレータ１の表面全体に形成されていれば、セパレータ１は３層以上よりなっていてもよい。ただし、セパレータ１を２層のみで構成する場合には、３層以上で構成する場合よりも１層当たりの厚みを厚くできるため、製造が容易となって生産性が良好となり、製造コストを低減することができる。
【００５６】
本実施の形態によれば、金属不純物含有濃度が１００ｐｐｍ未満の第１の層２が電解質膜／電極接合体１１側の表面に形成されており、かつ電解質膜／電極接合体１１に接するように形成されているため、燃料電池１０の運転中における第２の層３からの金属イオンの溶出を第１の層２が抑制することができる。これにより、燃料電池１０の発電性能の低下を抑制することができる。
【実施例】
【００５７】
以下の表１に示す濃度（蛍光Ｘ線装置により測定した濃度）で金属不純物を含有する黒鉛粉粒体（Ａ材、Ｂ材）とビニルエステル樹脂バインダーとを用いて、上記の製造方法により、Ａ材単層よりなる燃料電池用セパレータと、Ｂ材単層よりなる燃料電池用セパレータと、Ａ材とＢ材の二層構造よりなる燃料電池用セパレータとを製造した。二層構造よりなる燃料電池用セパレータにおいては、Ａ材が電解質膜／電極接合体側のセパレータの表面全体に位置するように形成した。これらの各燃料電池用セパレータを用いて燃料電池を組立し、各燃料電池について、運転時間と発電電圧との関係を調べた。その結果を図４に示す。
【００５８】
【表１】
【００５９】
図４の結果から、Ａ材単体よりなるセパレータで構成された燃料電池では、Ｂ材単体よりなるセパレータで構成された燃料電池に比較して、運転時間の長時間化による発電電圧の低下が少ないことが分かった。また、Ａ材とＢ材との二層構造よりなるセパレータで構成された燃料電池では、Ａ材単体よりなるセパレータで構成された燃料電池と比較して、運転時間の長時間化による発電電圧の低下が同程度であることが分かった。
【００６０】
以上より、セパレータをＡ材とＢ材との二層構造により構成し、各元素の金属不純部含有濃度の合計が１００ｐｐｍ未満のＡ材を電解質膜／電極接合体側のセパレータの表面全体に位置させることにより、発電電圧の低下を抑制できることが分かった。
【００６１】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明は、黒鉛粉粒体を含む燃料電池用セパレータおよびその製造方法、ならびに燃料電池に特に有利に適用され得る。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の一実施の形態における燃料電池の構成を概略的に示す分解断面図である。
【図２】本発明の一実施の形態における燃料電池用セパレータの製造方法を工程順に示す概略断面図である。
【図３】第１の層２の厚みが第２の層３と同程度の厚みである場合の燃料電池用セパレータの構成を概略的に示す断面図である。
【図４】表１に示すＡ材単層と、Ｂ材単層と、Ａ材およびＢ材の複合層との各々を用いた燃料電池について運転時間と発電電圧との関係を示す図である。
【図５】燃料電池内に冷却水を通して燃料電池の温度を制御するタイプの従来の燃料電池の構成を概略的に示す分解断面図である。
【符号の説明】
【００６４】
１ 燃料電池用セパレータ、２ 第１の層（第１の層用シート）、３ 第２の層（第２の層用シート）、１０ 燃料電池、１１ 電解質膜／電極接合体、１２ イオン交換膜、１３ ガス拡散層。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と電極とが貼り合わせられた接合体と共に積層されて燃料電池を構成する燃料電池用セパレータにおいて、
前記セパレータが、黒鉛粉粒体を含む第１の層と第２の層とを有し、
前記接合体に接するように形成される前記第１の層の金属不純物含有濃度が１００ｐｐｍ未満であり、
前記第２の層の金属不純物含有濃度が前記第１の層の金属不純物含有濃度より高いことを特徴とする、燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
前記第１の層の厚みが、前記黒鉛粉粒体の平均粒子径の１．５倍以上である、請求項１に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項３】
前記第１の層に含まれる前記黒鉛粉粒体が、球状またはアスペクト比が２．０未満の外形を有し、前記第２の層に含まれる前記黒鉛粉粒体が、アスペクト比が２．０以上の外形を有するものである、請求項１または２に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項４】
前記第１の層と前記第２の層とが積層一体化されて前記燃料電池用セパレータを構成している、請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項５】
電解質膜と電極とが貼り合わせられた接合体と共に積層されて燃料電池を構成する黒鉛粉粒体を含む燃料電池用セパレータの製造方法であって、
第１の層用のシートを準備する工程と、
第２の層用のシートを準備して、前記第２の層用のシートの前記接合体側の表面に流路用凹部を形成する工程と、
前記第２の層用のシートの前記流路用凹部が形成された面に前記第１の層用のシートを重ね合わせて成形する工程とを備え、
前記第１の層に含まれる黒鉛粉粒体が、球状またはアスペクト比が２．０未満の外形を有するものであり、前記第２の層に含まれる黒鉛粉粒体が、アスペクト比が２．０以上の外形を有するものである、燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池用セパレータと、
前記燃料電池用セパレータの前記第１の層側に配置された、電解質膜と電極とが貼り合わされた接合体とを備えた、燃料電池。
【請求項１】
電解質膜と電極とが貼り合わせられた接合体と共に積層されて燃料電池を構成する燃料電池用セパレータにおいて、
前記セパレータが、黒鉛粉粒体を含む第１の層と第２の層とを有し、
前記接合体に接するように形成される前記第１の層の金属不純物含有濃度が１００ｐｐｍ未満であり、
前記第２の層の金属不純物含有濃度が前記第１の層の金属不純物含有濃度より高いことを特徴とする、燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
前記第１の層の厚みが、前記黒鉛粉粒体の平均粒子径の１．５倍以上である、請求項１に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項３】
前記第１の層に含まれる前記黒鉛粉粒体が、球状またはアスペクト比が２．０未満の外形を有し、前記第２の層に含まれる前記黒鉛粉粒体が、アスペクト比が２．０以上の外形を有するものである、請求項１または２に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項４】
前記第１の層と前記第２の層とが積層一体化されて前記燃料電池用セパレータを構成している、請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項５】
電解質膜と電極とが貼り合わせられた接合体と共に積層されて燃料電池を構成する黒鉛粉粒体を含む燃料電池用セパレータの製造方法であって、
第１の層用のシートを準備する工程と、
第２の層用のシートを準備して、前記第２の層用のシートの前記接合体側の表面に流路用凹部を形成する工程と、
前記第２の層用のシートの前記流路用凹部が形成された面に前記第１の層用のシートを重ね合わせて成形する工程とを備え、
前記第１の層に含まれる黒鉛粉粒体が、球状またはアスペクト比が２．０未満の外形を有するものであり、前記第２の層に含まれる黒鉛粉粒体が、アスペクト比が２．０以上の外形を有するものである、燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池用セパレータと、
前記燃料電池用セパレータの前記第１の層側に配置された、電解質膜と電極とが貼り合わされた接合体とを備えた、燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００８−３１１１７６（Ｐ２００８−３１１１７６Ａ）
【公開日】平成２０年１２月２５日（２００８．１２．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１６００９８（Ｐ２００７−１６００９８）
【出願日】平成１９年６月１８日（２００７．６．１８）
【出願人】（０００００２８８６）ＤＩＣ株式会社 (2,597)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１２月２５日（２００８．１２．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年６月１８日（２００７．６．１８）
【出願人】（０００００２８８６）ＤＩＣ株式会社 (2,597)
【Ｆターム（参考）】
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