燃料電池用セパレータ及び燃料電池
【課題】従来の燃料電池では、表面処理によってセパレータの接触抵抗の低減や耐食性の向上を図るような対策はとられていなかった。
【解決手段】燃料電池Ｃにおいてカソードガス流路Ｃｇと冷却液流路Ｃｆとを隔離するカソード側のセパレータ３Ａであって、その表面に導電性被膜が形成してあり、カソードガス流路Ｃｇ側の面では、カソードガスの入口側よりも出口側で導電性被膜の膜厚を厚くすると共に、冷却液流路Ｃｆ側の面では、冷却液の入口側よりも出口側で導電性被膜の膜厚を厚くした。これにより、接触抵抗の効率的な低減と耐食性の向上とを両立させることができた。
【解決手段】燃料電池Ｃにおいてカソードガス流路Ｃｇと冷却液流路Ｃｆとを隔離するカソード側のセパレータ３Ａであって、その表面に導電性被膜が形成してあり、カソードガス流路Ｃｇ側の面では、カソードガスの入口側よりも出口側で導電性被膜の膜厚を厚くすると共に、冷却液流路Ｃｆ側の面では、冷却液の入口側よりも出口側で導電性被膜の膜厚を厚くした。これにより、接触抵抗の効率的な低減と耐食性の向上とを両立させることができた。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池において反応用ガス流路と冷却液流路とを隔離するのに使用される燃料電池用セパレータ、及びそのセパレータを構成要素とする燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
この種の燃料電池としては、例えば、特許文献１に記載されているものがある。特許文献１に記載の燃料電池は、電解質膜を空気極と燃料極とで挟持した膜電極構造体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly)と、膜電極構造体を挟持するカソードセパレータ及びアノードセパレータを備えている。各セパレータは、膜電極構造体との間に、空気流路及び燃料流路を形成すると共に、積層した際に隣接する燃料電池との間に冷媒流路を形成する。
【０００３】
そして、上記の燃料電池は、少なくとも一方のセパレータを導電部（基材）と絶縁部（被膜）とにより構成し、水によって塞ぐ可能性が高い箇所ほど絶縁部の厚さを厚くすることで、その箇所の熱伝導性を下げて発熱を促進し、これによりフラッディングを抑制するようにしたものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１３４６９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、この種の燃料電池におけるセパレータは、反応用ガスの流路と冷却液の流路とを隔離するほかに、特許文献１にも記載されているように、導電部材としても機能する。したがって、特許文献１に記載のセパレータは、電気抵抗の小さい材料で構成されている。
【０００６】
しかしながら、従来の燃料電池にあっては、上述の如くセパレータは電気抵抗の小さい材料で構成されているものの、反応用ガスや冷却液に対するセパレータの一層の耐食性向上を考慮する必要がある。
【０００７】
本発明は、上記従来の状況に鑑みて成されたもので、接触抵抗の効率的な低減と耐食性の向上とを両立させることができる燃料電池用セパレータ及び燃料電池を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の燃料電池用セパレータは、燃料電池においてカソードガス流路と冷却液流路とを隔離するカソード側のセパレータである。
【０００９】
そして、燃料電池用セパレータは、その表面に導電性被膜が形成してあり、カソードガス流路側の面では、カソードガスの入口側よりも出口側で導電性被膜の膜厚を厚くすると共に、冷却液流路側の面では、冷却液の入口側よりも出口側で導電性被膜の膜厚を厚くしたことを特徴としている。
【００１０】
本発明の燃料電池は、膜電極構造体を一対のセパレータで挟持した構造を有すると共に、積層した状態で隣接するセパレータ（隣接する燃料電池のセパレータ）同士の間に冷却液流路を形成する燃料電池である。
【００１１】
そして、燃料電池は、カソードガス流路と冷却液流路とを隔離するカソード側セパレータの表面に導電性被膜が形成してあり、導電性被膜が、カソードガス流路を形成するセパレータの一方の面では、カソードガスの入口側の膜厚よりも出口側の膜厚を厚く形成してあると共に、冷却液流路を形成するセパレータの他方の面では、冷却液の入口側の膜厚よりも出口側の膜厚を厚く形成してあることを特徴としている。
【００１２】
ここで、燃料電池のカソード側においては、カソードガスの入口側になるほど電流密度が高くなり、電流密度の高い箇所では導電性被膜の膜厚が薄いほど接触抵抗も小さくなる。そこで、上記の燃料電池用セパレータ及び燃料電池では、カソードガス流路を形成するセパレータの一方の面では、カソードガスの入口側よりも出口側で導電性被膜の膜厚を厚くする（入口側で薄くする）ことで、全体としてカソード側セパレータと膜電極構造体との接触抵抗を効率的に低減する。
【００１３】
また、冷却液流路においては、冷却液の出口側になるほど温度が高くなり、温度が高くなるほど腐食しやすい。そこで、上記の燃料電池用セパレータ及び燃料電池では、冷却液流路を形成するセパレータの他方の面では、冷却液の入口側よりも出口側で導電性被膜の膜厚を厚くすることで、全体として耐食性を向上させる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の燃料電池用セパレータ及び燃料電池によれば、上記構成を採用したことにより、接触抵抗の効率的な低減と耐食性の向上とを両立させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の燃料電池用セパレータ及び燃料電池の一実施形態を説明する分解状態の平面図である。
【図２】図１に示す燃料電池の組立後の平面図である。
【図３】図１に示す燃料電池を積層して成る燃料電池スタックを説明する分解斜視図（Ａ）及び組立後の斜視図（Ｂ）である。
【図４】燃料電池スタックの要部の断面図である。
【図５】カソード側セパレータにおけるカソードガスの流れ方向と、冷却液の流れ方向と、導電性被膜の膜厚分布を示す説明図である。
【図６】本発明の燃料電池用セパレータ及び燃料電池の他の実施形態として、アノード側セパレータにおけるアノードガス流路側の面と、導電性被膜の膜厚分布を示す説明図である。
【図７】本発明の燃料電池用セパレータ及び燃料電池のさらに他の実施形態として、アノード側セパレータにおける冷却液流路側の面と、導電性被膜の膜厚分布を示す説明図である。
【図８】本発明の燃料電池用セパレータ及び燃料電池のさらに他の実施形態として、カソードガス及びアノードガスの流れ方向と、導電性被膜の膜厚分布を示す説明図である。
【図９】本発明のセパレータの製造方法の一実施形態として、スパッタリングによる導電性被膜の形成と、導電性被膜の膜厚分布を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１及び図２は、本発明の燃料電池用セパレータ及び燃料電池の一実施形態を説明する図である。
【００１７】
図示の燃料電池Ｃは、膜電極構造体２を一対のセパレータ３Ａ，３Ｂで挟持した構造を有している。とくに、図１に示す実施形態の燃料電池Ｃは、周囲にフレーム１を有する膜電極構造体２と、この膜電極構造体２をフレーム１とともに挟持するカソード側及びアノード側のセパレータ３Ａ，３Ｂを備えている。フレーム１は、ほぼ一定の厚さの薄板状を成しており、その縁部を除く大部分が膜電極構造体２の厚さよりも薄いものである。そして、フレーム１と両セパレータ３Ａ，３Ｂとの間に反応用ガスを流通させる流通領域（後記するディフューザ部）を有している。なお、フレーム１は樹脂であり、セパレータ３Ａ，３Ｂは金属であることが製造上望ましい。
【００１８】
膜電極構造体２は、一般に、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly)と呼ばれるものであって、例えば固体高分子から成る電解質層を空気極層（カソード）と燃料極層（アノード）とで挟持した構造を有している。この膜電極構造体２は、空気極層に一方の反応用ガスであるカソードガス（空気）が供給されると共に、燃料極層に他方の反応用ガスであるアノードガス（水素）が供給されて、電気化学反応により発電をする。なお、膜電極構造体２としては、空気極層と燃料極層の表面に、カーボンペーパや多孔質体等から成るガス拡散層を備えたものも含まれる。
【００１９】
フレーム１は、樹脂フィルムや樹脂成形により膜電極構造体２と一体化してあり、この実施形態では、膜電極構造体２を中央にして矩形状を成している。また、フレーム１は、両端部に、各々三個ずつのマニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６が配列してあり、各マニホールド穴群から膜電極構造体２に至る領域が反応用ガスの流通領域となる。このフレーム１及び両セパレータ３Ａ，３Ｂは、いずれもほぼ同等の縦横寸法を有する矩形板状である。
【００２０】
各セパレータ３Ａ，３Ｂは、より好適な実施形態としてステンレス製であって、これにより、低コストで且つ高い耐腐食性を有するものとなる。各セパレータ３Ａ，３Ｂは、膜電極構造体２に対応する中央部分が、短辺方向の断面において波形状に形成してある。この波形状は図示の如く長辺方向に連続している。これにより、各セパレータ３Ａ，３Ｂは、波形状における膜電極構造体２に対応する中央部分では、各凸部分が膜電極構造体２に接触すると共に、波形状における各凹部分が反応用ガスの流路となる。このガス流路については後述する。
【００２１】
また、各セパレータ３Ａ，３Ｂは、両端部に、フレーム１の各マニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６同等のマニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６を有し、各マニホールド穴群から断面波形状の部分に至る領域が反応用ガスの流通領域となる。
【００２２】
上記のフレーム１及び膜電極構造体２と両セパレータ３Ａ，３Ｂは、重ね合わせて燃料電池Ｃを構成する。このとき、燃料電池Ｃは、とくに図２に示すように、中央に、膜電極構造体２の領域である発電部Ｇを備えている。そして、発電部Ｇの両側に、反応用ガスの供給及び排出を行うマニホールド部Ｍ，Ｍと、各マニホールド部Ｍから発電部Ｇに至る反応用ガスの流通領域であるディフューザ部Ｄ，Ｄを備えたものとなっている。
【００２３】
ここで、反応用ガスの流通領域であるディフューザ部Ｄは、図２中の燃料電池Ｃの両端側だけでなく、フレーム１と両側のセパレータ３Ａ，３Ｂとの間、つまりアノード側及びカソード側に夫々形成されている。
【００２４】
図２の左側に示す一方のマニホールド部Ｍにおいて、各マニホールド穴Ｈ１〜Ｈ３は、カソードガス供給用（Ｈ１）、冷却液供給用（Ｈ２）及びアノードガス排出用（Ｈ３）であり、積層方向に互いに連通して夫々の流路を形成する。また、図２の右側に示す他方のマニホールド部Ｍにおいて、各マニホールド穴Ｈ４〜Ｈ６は、アノードガス供給用（Ｈ４）、冷却液排出用（Ｈ５）及びカソードガス排出用（Ｈ６）であり、積層方向に互いに連通して夫々の流路を形成する。
【００２５】
つまり、この実施形態では、カソードガス、アノードガス、及び冷却液は、矩形板状を成すセパレータ３Ａ，３Ｂの長辺に沿う一方向に流れる。そして、この実施形態では、カソードガスと冷却液の流れ方向が互いに同方向（図１で右方向）であると共に、カソードガスとアノードガスの流れ方向が互いに逆方向である。
【００２６】
さらに、燃料電池Ｃは、図１に示すように、フレーム１と各セパレータ３Ａ，３Ｂの縁部同士の間や、マニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６の周囲に、ガスシールＳＬが設けてある。また、燃料電池Ｃを複数枚を積層した状態では、燃料電池Ｃ同士すなわち隣接するセパレータ３Ａ，３Ｂ同士の間にもガスシールＳＬを設ける。この実施形態では、隣接するセパレータ３Ａ，３Ｂ間に冷却液を流通させる構造である。この冷却液流路については後述する。
【００２７】
上記のガスシールＳＬは、個々の層間において、カソードガス、アノードガス及び冷却液の夫々の流通域を気密的に分離すると共に、その層間に所定の流体が流れるように、マニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６の周縁部の適当な箇所に開口を設ける。
【００２８】
上記構成を備えた燃料電池Ｃは、複数枚を積層して、図３に示すような燃料電池スタックＦＳを構成する。
【００２９】
燃料電池スタックＦＳは、図３（Ａ）に示すように、燃料電池Ｃの積層体Ａに対し、その積層方向の一端部（図３中で右側端部）に、集電板４Ａ及びスペーサ５を介してエンドプレート６Ａが設けてあると共に、他端部に、集電板４Ｂを介してエンドプレート６Ｂが設けてある。また、燃料電池スタックＦＳは、積層体Ａに対し、燃料電池Ｃの長辺側となる両面（図３中で上下面）に、締結板７Ａ，７Ｂが設けてあると共に、短辺側となる両面に、補強板８Ａ，８Ｂが設けてある。
【００３０】
そして、燃料電池スタックＦＳは、各締結板７Ａ，７Ｂ及び補強板８Ａ，８ＢをボルトＢにより両エンドプレート６Ａ，６Ｂに連結する。このようにして、燃料電池スタックＦＳは、図３（Ｂ）に示すようなケース一体型構造となり、積層体Ａをその積層方向に拘束・加圧して個々の燃料電池Ｃに所定の接触面圧を加え、ガスシール性や導電性等を良好に維持する。
【００３１】
このようにして、燃料電池用セパレータ３Ａ，３Ｂ及び燃料電池Ｃは、図４に示すように、膜電極構造体２とカソード側セパレータ３Ａとの間に、カソードガス流路Ｃｇを形成すると共に、膜電極構造体２とアノード側セパレータ３Ｂとの間に、アノードガス流路Ａｇを形成する。また、上述の燃料電池スタックＦＳにおいて、隣接する燃料電池Ｃ同士（隣接するセパレータ３Ａ，３Ｂ同士）の間に、冷却液流路Ｃｆを形成する。
【００３２】
すなわち、燃料電池スタックＦＳにおいて、カソード側セパレータ３Ａは、カソードガス流路Ｃｇと冷却液流路Ｃｆとを隔離している。他方、アノード側セパレータ３Ｂは、アノードガス流路Ａｇと冷却流路Ｃｆとを隔離している。
【００３３】
そして、燃料電池用セパレータ３Ａ，３Ｂ及び燃料電池Ｃは、図５に示すように、カソード側セパレータ３Ａの表面に導電性被膜が形成してある。このとき、カソード側では、図中に矢印で示すように、カソードガスと冷却液の流れ方向が互いに同方向である。これに対して、セパレータ３Ａは、図中の膜厚分布に示すように、カソードガス流路Ｃｇを形成する一方の面（ＭＥＡ面）では、カソードガスの入口側よりも出口側で導電性被膜の膜厚を厚くする（入口側で薄くする）。また、冷却液流路Ｃｆを形成する他方の面（冷却液面）では、冷却液の入口側よりも出口側で導電性被膜の膜厚を厚くしている。
【００３４】
なお、図５〜図９に示すセパレータ３Ａ，３Ｂは、図１〜図３に示すものと形態が異なるが、基本的な構成は同等であるので、同一部位に同一符号を付している。
【００３５】
導電性被膜としては、例えば硬質炭素被膜が用いられ、より好適なものとしてダイヤモンドライクカーボンを使用することができ、後述するように、スパッタリングにより成膜することができる。これにより、低コストで且つ高い耐食性を有する導電性被膜が得られることとなる。
【００３６】
導電性被膜の材料としては、多結晶グラファイト、グラファイトブロック（高結晶性グラファイト）、カーボンブラック、フラーレン、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバ、カーボンナノホーン、カーボンフィブリルなどが挙げられる。また、カーボンブラックの具体例として、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、チャンネルブラック、ランプブラック、オイルファーネスブラックもしくはサーマルブラックなどが挙げられる。なお、カーボンブラックは、グラファイト化処理が施されていても良い。
【００３７】
また、これらの炭素材料を、ポリエステル系樹脂、アラミド系樹脂、ポリプロピレン系樹脂のような樹脂と複合化させて用いても良い。また、導電性被膜に含まれる炭素材料以外の材料としては、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、インジウム（Ｉｎ）等の貴金属；ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の撥水性物質；導電性酸化物などが挙げられる。多結晶グラファイト以外の材料は、一種のみが用いられても良いし、二種以上が併用されても良い。
【００３８】
導電性被膜の平均厚さは、好ましくは１ｎｍ〜１０００ｎｍであり、より好ましくは２ｎｍ〜５００ｎｍであり、さらに好ましくは５ｎｍ〜２００ｎｍである。導電性被膜の厚さがこのような範囲内の値であれば、ガス拡散基体とセパレータ３Ａ，３Ｂとの間に十分な導電性を確保することができる。また、セパレータ３Ａ，３Ｂの基材（ステンレス）に対して高い耐食機能を持たせることができる。
【００３９】
ここで、燃料電池Ｃのカソード側においては、カソードガスの入口側になるほど電流密度が高くなり、電流密度の高い箇所では導電性被膜の膜厚が薄いほど接触抵抗も小さくなる。そこで、上記のカソード側セパレータ３Ａ及び燃料電池Ｃでは、カソードガス流路Ｃｇを形成するセパレータ３Ａの一方の面（ＭＥＡ面）では、カソードガスの入口側よりも出口側で導電性被膜の膜厚を厚くする（入口側で薄くする）ことで、全体としてセパレータ３Ａと膜電極構造体２との接触抵抗を効率的に低減する。
【００４０】
また、冷却液流路Ｃｆにおいては、冷却液の出口側になるほど温度が高くなり、温度が高くなるほど腐食しやすい。そこで、上記のカソード側セパレータ３Ａ及び燃料電池Ｃでは、冷却液流路Ｃｆを形成するセパレータ３Ａの他方の面では、冷却液の入口側よりも出口側で導電性被膜の膜厚を厚くすることで、全体として耐食性を向上させる。
【００４１】
このように、上記のカソード側セパレータ３Ａ及び燃料電池Ｃによれば、接触抵抗の効率的な低減と耐食性の向上とを両立させることができる。また、カソードガスと冷却液の流れ方向を互いに同方向にしたことにより、導電性能と冷却性能が相俟って全体性能がより高いものとなり、また、電流密度の分布もカソードガスの入口側に偏るので上記の接触抵抗低減の効果がより発揮される。
【００４２】
図６は、本発明の燃料電池用セパレータ及び燃料電池の他の実施形態を説明する図である。この実施形態では、アノード側セパレータ３Ｂの表面に導電性被膜が形成してある。この場合、アノードガス流路Ａｇを形成するセパレータ３Ｂ一方の面（ＭＥＡ面）では、図中に矢印で示すカソードガスの流れ方向に対して、図中の膜厚分布に示すように、その入口側よりも出口側で導電性被膜の膜厚を厚くしている。つまり、アノード側セパレータ３Ｂは、アノードガスの流れ方向に関わらず、カソードガスの流れ方向を基準にして導電性被膜の膜厚を設定している。
【００４３】
上記のアノード側セパレータ３Ｂ及び燃料電池Ｃによれば、電流密度が高いカソードの入口側で導電性被膜の膜厚が小さくなるので、アノード側セパレータ３Ｂと膜電極構造体２との接触抵抗を効率的に低減することができ、導電性能並びに発電性能を高めることができる。
【００４４】
図７は、本発明の燃料電池用セパレータ及び燃料電池のさらに他の実施形態を説明する図である。この実施形態では、アノード側セパレータ３Ｂの表面に導電性被膜が形成してあり、冷却液流路Ｃｆを形成するセパレータ３Ｂ他方の面（冷却液面）では、冷却液の入口側よりも出口側で導電性被膜の膜厚を厚くしている。この場合においても、アノード側セパレータ３Ｂは、アノードガスの流れ方向に関わらず、冷却液の流れ方向を基準にして導電性被膜の膜厚を設定している。
【００４５】
上記のアノード側セパレータ３Ｂ及び燃料電池Ｃによれば、冷却液流路Ｃｆにおいては、冷却液の出口側になるほど温度が高くなり、温度が高くなるほど腐食しやすいので、上記の如く冷却液の入口側よりも出口側で導電性被膜の膜厚を厚くすることで、全体として耐食性を向上させることができる。
【００４６】
図８は、本発明の燃料電池用セパレータ及び燃料電池のさらに他の実施形態を説明する図である。この実施形態では、カソードガスとアノードガスの流れ方向が互いに逆方向になっている。この場合、カソード側セパレータ３Ａでは、先の実施形態（図５参照）と同様に、導電性被膜の膜厚が、カソードガスの入口側よりも出口側で厚くなるように形成してある。
【００４７】
他方、アノード側セパレータ３Ｂでは、先述の如くカソードガスの流れ方向を基準にして、ソードガスの入口側の膜厚よりも出口側の膜厚を厚く形成してある。したがって、カソード側セパレータ３Ａにおける導電性被膜と、アノード側セパレータ３Ｂにおける導電性被膜は、図中に示す同じ膜厚分布となる。
【００４８】
上記のセパレータ３Ａ，３Ｂ及び燃料電池Ｃによれば、先の実施形態と同様に、接触抵抗の効率的な低減と耐食性の向上とを両立させることができる。また、カソードガスとアノードガスの流れ方向を互いに逆方向すると、発電性能が高くなり、また、電流密度の分布がカソードガスの入口側に偏るので上記の接触抵抗低減の効果がより発揮されることとなる。
【００４９】
図９は、上記各実施形態で説明したセパレータ３Ａ，３Ｂの製造方法を説明する図である。当該製造方法では、スパッタリングのターゲットＴＧに相対向する中心点又は中心点を含む中心線ＣＬに対して、複数のセパレータをその長辺方向の一端部が中心側となるようにして対称的に配置する。図示例では、スパッタリング装置のチャンバー内において、２枚のカソード側セパレータ３Ａ，３Ａをそのカソードガスの出口側となる端部を中心線ＣＬ側にして、対称的に配置している。
【００５０】
そして、前記ターゲットＲＧを用いたスパッタリングを行う。すなわち、ターゲットＴＧに対して、高電圧をかけてイオン化した不活性ガス（例えばＡｒガス）を衝突させ、ターゲットＴＧの表面の原子をはじき飛ばして、セパレータ３Ａ，３Ａの両面に導電性被膜を形成する。その後、各セパレータ３Ａの裏面にも同様に導電性被膜を形成する。
【００５１】
上記のようにセパレータ３Ａ，３Ａを配置してスパッタリングを行うと、図中の膜厚分布に示すように、ターゲットＴＧに近い部分、つまり各セパレータ３Ａ，３Ａのカソードガスの出口側となる端部で導電性被膜の膜厚が厚くなり、入口側に向かうほど膜厚が薄くなる。これにより、図５で説明したカソード側セパレータ３Ａが得られる。
【００５２】
このように、上記のセパレータの製造方法によれば、一つのターゲットＴＧを使用したうえで、導電性被膜の膜厚が漸次変化する複数のセパレータ３Ａ，３Ａを同時に製造することができ、生産効率の向上や製造コストの低減などを実現する。また、このセパレータの製造方法は、各実施形態で図示した細長い矩形板状のセパレータに対する被膜形成に非常に有効である。
【００５３】
なお、上記の製造方法において、セパレータの配置は、様々な形態を採用することが可能である。例えば、中心線ＣＬの両側に複数のセパレータを夫々配置したり、中心点に対して複数のセパレータを放射状に配置したりすることもでき、また、ロール状の素材を用いて、その素材を繰り出しながら導電性被膜を形成し、その後、素材からセパレータを打ち抜くことも可能である。
【００５４】
本発明の燃料電池用セパレータ及び燃料電池は、その構成が上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で構成の細部を適宜変更することが可能であり、上記各実施形態の構成同士を組み合わせた構成にすることも可能である。
【符号の説明】
【００５５】
Ａｇ アノードガス流路
Ｃｇ カソードガス流路
Ｃｆ 冷却液流路
Ｃ 燃料電池
ＦＳ 燃料電池スタック
ＴＧ ターゲット
２ 膜電極構造体
３Ａ カソード側セパレータ
３Ｂ アノード側セパレータ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池において反応用ガス流路と冷却液流路とを隔離するのに使用される燃料電池用セパレータ、及びそのセパレータを構成要素とする燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
この種の燃料電池としては、例えば、特許文献１に記載されているものがある。特許文献１に記載の燃料電池は、電解質膜を空気極と燃料極とで挟持した膜電極構造体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly)と、膜電極構造体を挟持するカソードセパレータ及びアノードセパレータを備えている。各セパレータは、膜電極構造体との間に、空気流路及び燃料流路を形成すると共に、積層した際に隣接する燃料電池との間に冷媒流路を形成する。
【０００３】
そして、上記の燃料電池は、少なくとも一方のセパレータを導電部（基材）と絶縁部（被膜）とにより構成し、水によって塞ぐ可能性が高い箇所ほど絶縁部の厚さを厚くすることで、その箇所の熱伝導性を下げて発熱を促進し、これによりフラッディングを抑制するようにしたものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１３４６９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、この種の燃料電池におけるセパレータは、反応用ガスの流路と冷却液の流路とを隔離するほかに、特許文献１にも記載されているように、導電部材としても機能する。したがって、特許文献１に記載のセパレータは、電気抵抗の小さい材料で構成されている。
【０００６】
しかしながら、従来の燃料電池にあっては、上述の如くセパレータは電気抵抗の小さい材料で構成されているものの、反応用ガスや冷却液に対するセパレータの一層の耐食性向上を考慮する必要がある。
【０００７】
本発明は、上記従来の状況に鑑みて成されたもので、接触抵抗の効率的な低減と耐食性の向上とを両立させることができる燃料電池用セパレータ及び燃料電池を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の燃料電池用セパレータは、燃料電池においてカソードガス流路と冷却液流路とを隔離するカソード側のセパレータである。
【０００９】
そして、燃料電池用セパレータは、その表面に導電性被膜が形成してあり、カソードガス流路側の面では、カソードガスの入口側よりも出口側で導電性被膜の膜厚を厚くすると共に、冷却液流路側の面では、冷却液の入口側よりも出口側で導電性被膜の膜厚を厚くしたことを特徴としている。
【００１０】
本発明の燃料電池は、膜電極構造体を一対のセパレータで挟持した構造を有すると共に、積層した状態で隣接するセパレータ（隣接する燃料電池のセパレータ）同士の間に冷却液流路を形成する燃料電池である。
【００１１】
そして、燃料電池は、カソードガス流路と冷却液流路とを隔離するカソード側セパレータの表面に導電性被膜が形成してあり、導電性被膜が、カソードガス流路を形成するセパレータの一方の面では、カソードガスの入口側の膜厚よりも出口側の膜厚を厚く形成してあると共に、冷却液流路を形成するセパレータの他方の面では、冷却液の入口側の膜厚よりも出口側の膜厚を厚く形成してあることを特徴としている。
【００１２】
ここで、燃料電池のカソード側においては、カソードガスの入口側になるほど電流密度が高くなり、電流密度の高い箇所では導電性被膜の膜厚が薄いほど接触抵抗も小さくなる。そこで、上記の燃料電池用セパレータ及び燃料電池では、カソードガス流路を形成するセパレータの一方の面では、カソードガスの入口側よりも出口側で導電性被膜の膜厚を厚くする（入口側で薄くする）ことで、全体としてカソード側セパレータと膜電極構造体との接触抵抗を効率的に低減する。
【００１３】
また、冷却液流路においては、冷却液の出口側になるほど温度が高くなり、温度が高くなるほど腐食しやすい。そこで、上記の燃料電池用セパレータ及び燃料電池では、冷却液流路を形成するセパレータの他方の面では、冷却液の入口側よりも出口側で導電性被膜の膜厚を厚くすることで、全体として耐食性を向上させる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の燃料電池用セパレータ及び燃料電池によれば、上記構成を採用したことにより、接触抵抗の効率的な低減と耐食性の向上とを両立させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の燃料電池用セパレータ及び燃料電池の一実施形態を説明する分解状態の平面図である。
【図２】図１に示す燃料電池の組立後の平面図である。
【図３】図１に示す燃料電池を積層して成る燃料電池スタックを説明する分解斜視図（Ａ）及び組立後の斜視図（Ｂ）である。
【図４】燃料電池スタックの要部の断面図である。
【図５】カソード側セパレータにおけるカソードガスの流れ方向と、冷却液の流れ方向と、導電性被膜の膜厚分布を示す説明図である。
【図６】本発明の燃料電池用セパレータ及び燃料電池の他の実施形態として、アノード側セパレータにおけるアノードガス流路側の面と、導電性被膜の膜厚分布を示す説明図である。
【図７】本発明の燃料電池用セパレータ及び燃料電池のさらに他の実施形態として、アノード側セパレータにおける冷却液流路側の面と、導電性被膜の膜厚分布を示す説明図である。
【図８】本発明の燃料電池用セパレータ及び燃料電池のさらに他の実施形態として、カソードガス及びアノードガスの流れ方向と、導電性被膜の膜厚分布を示す説明図である。
【図９】本発明のセパレータの製造方法の一実施形態として、スパッタリングによる導電性被膜の形成と、導電性被膜の膜厚分布を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１及び図２は、本発明の燃料電池用セパレータ及び燃料電池の一実施形態を説明する図である。
【００１７】
図示の燃料電池Ｃは、膜電極構造体２を一対のセパレータ３Ａ，３Ｂで挟持した構造を有している。とくに、図１に示す実施形態の燃料電池Ｃは、周囲にフレーム１を有する膜電極構造体２と、この膜電極構造体２をフレーム１とともに挟持するカソード側及びアノード側のセパレータ３Ａ，３Ｂを備えている。フレーム１は、ほぼ一定の厚さの薄板状を成しており、その縁部を除く大部分が膜電極構造体２の厚さよりも薄いものである。そして、フレーム１と両セパレータ３Ａ，３Ｂとの間に反応用ガスを流通させる流通領域（後記するディフューザ部）を有している。なお、フレーム１は樹脂であり、セパレータ３Ａ，３Ｂは金属であることが製造上望ましい。
【００１８】
膜電極構造体２は、一般に、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly)と呼ばれるものであって、例えば固体高分子から成る電解質層を空気極層（カソード）と燃料極層（アノード）とで挟持した構造を有している。この膜電極構造体２は、空気極層に一方の反応用ガスであるカソードガス（空気）が供給されると共に、燃料極層に他方の反応用ガスであるアノードガス（水素）が供給されて、電気化学反応により発電をする。なお、膜電極構造体２としては、空気極層と燃料極層の表面に、カーボンペーパや多孔質体等から成るガス拡散層を備えたものも含まれる。
【００１９】
フレーム１は、樹脂フィルムや樹脂成形により膜電極構造体２と一体化してあり、この実施形態では、膜電極構造体２を中央にして矩形状を成している。また、フレーム１は、両端部に、各々三個ずつのマニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６が配列してあり、各マニホールド穴群から膜電極構造体２に至る領域が反応用ガスの流通領域となる。このフレーム１及び両セパレータ３Ａ，３Ｂは、いずれもほぼ同等の縦横寸法を有する矩形板状である。
【００２０】
各セパレータ３Ａ，３Ｂは、より好適な実施形態としてステンレス製であって、これにより、低コストで且つ高い耐腐食性を有するものとなる。各セパレータ３Ａ，３Ｂは、膜電極構造体２に対応する中央部分が、短辺方向の断面において波形状に形成してある。この波形状は図示の如く長辺方向に連続している。これにより、各セパレータ３Ａ，３Ｂは、波形状における膜電極構造体２に対応する中央部分では、各凸部分が膜電極構造体２に接触すると共に、波形状における各凹部分が反応用ガスの流路となる。このガス流路については後述する。
【００２１】
また、各セパレータ３Ａ，３Ｂは、両端部に、フレーム１の各マニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６同等のマニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６を有し、各マニホールド穴群から断面波形状の部分に至る領域が反応用ガスの流通領域となる。
【００２２】
上記のフレーム１及び膜電極構造体２と両セパレータ３Ａ，３Ｂは、重ね合わせて燃料電池Ｃを構成する。このとき、燃料電池Ｃは、とくに図２に示すように、中央に、膜電極構造体２の領域である発電部Ｇを備えている。そして、発電部Ｇの両側に、反応用ガスの供給及び排出を行うマニホールド部Ｍ，Ｍと、各マニホールド部Ｍから発電部Ｇに至る反応用ガスの流通領域であるディフューザ部Ｄ，Ｄを備えたものとなっている。
【００２３】
ここで、反応用ガスの流通領域であるディフューザ部Ｄは、図２中の燃料電池Ｃの両端側だけでなく、フレーム１と両側のセパレータ３Ａ，３Ｂとの間、つまりアノード側及びカソード側に夫々形成されている。
【００２４】
図２の左側に示す一方のマニホールド部Ｍにおいて、各マニホールド穴Ｈ１〜Ｈ３は、カソードガス供給用（Ｈ１）、冷却液供給用（Ｈ２）及びアノードガス排出用（Ｈ３）であり、積層方向に互いに連通して夫々の流路を形成する。また、図２の右側に示す他方のマニホールド部Ｍにおいて、各マニホールド穴Ｈ４〜Ｈ６は、アノードガス供給用（Ｈ４）、冷却液排出用（Ｈ５）及びカソードガス排出用（Ｈ６）であり、積層方向に互いに連通して夫々の流路を形成する。
【００２５】
つまり、この実施形態では、カソードガス、アノードガス、及び冷却液は、矩形板状を成すセパレータ３Ａ，３Ｂの長辺に沿う一方向に流れる。そして、この実施形態では、カソードガスと冷却液の流れ方向が互いに同方向（図１で右方向）であると共に、カソードガスとアノードガスの流れ方向が互いに逆方向である。
【００２６】
さらに、燃料電池Ｃは、図１に示すように、フレーム１と各セパレータ３Ａ，３Ｂの縁部同士の間や、マニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６の周囲に、ガスシールＳＬが設けてある。また、燃料電池Ｃを複数枚を積層した状態では、燃料電池Ｃ同士すなわち隣接するセパレータ３Ａ，３Ｂ同士の間にもガスシールＳＬを設ける。この実施形態では、隣接するセパレータ３Ａ，３Ｂ間に冷却液を流通させる構造である。この冷却液流路については後述する。
【００２７】
上記のガスシールＳＬは、個々の層間において、カソードガス、アノードガス及び冷却液の夫々の流通域を気密的に分離すると共に、その層間に所定の流体が流れるように、マニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６の周縁部の適当な箇所に開口を設ける。
【００２８】
上記構成を備えた燃料電池Ｃは、複数枚を積層して、図３に示すような燃料電池スタックＦＳを構成する。
【００２９】
燃料電池スタックＦＳは、図３（Ａ）に示すように、燃料電池Ｃの積層体Ａに対し、その積層方向の一端部（図３中で右側端部）に、集電板４Ａ及びスペーサ５を介してエンドプレート６Ａが設けてあると共に、他端部に、集電板４Ｂを介してエンドプレート６Ｂが設けてある。また、燃料電池スタックＦＳは、積層体Ａに対し、燃料電池Ｃの長辺側となる両面（図３中で上下面）に、締結板７Ａ，７Ｂが設けてあると共に、短辺側となる両面に、補強板８Ａ，８Ｂが設けてある。
【００３０】
そして、燃料電池スタックＦＳは、各締結板７Ａ，７Ｂ及び補強板８Ａ，８ＢをボルトＢにより両エンドプレート６Ａ，６Ｂに連結する。このようにして、燃料電池スタックＦＳは、図３（Ｂ）に示すようなケース一体型構造となり、積層体Ａをその積層方向に拘束・加圧して個々の燃料電池Ｃに所定の接触面圧を加え、ガスシール性や導電性等を良好に維持する。
【００３１】
このようにして、燃料電池用セパレータ３Ａ，３Ｂ及び燃料電池Ｃは、図４に示すように、膜電極構造体２とカソード側セパレータ３Ａとの間に、カソードガス流路Ｃｇを形成すると共に、膜電極構造体２とアノード側セパレータ３Ｂとの間に、アノードガス流路Ａｇを形成する。また、上述の燃料電池スタックＦＳにおいて、隣接する燃料電池Ｃ同士（隣接するセパレータ３Ａ，３Ｂ同士）の間に、冷却液流路Ｃｆを形成する。
【００３２】
すなわち、燃料電池スタックＦＳにおいて、カソード側セパレータ３Ａは、カソードガス流路Ｃｇと冷却液流路Ｃｆとを隔離している。他方、アノード側セパレータ３Ｂは、アノードガス流路Ａｇと冷却流路Ｃｆとを隔離している。
【００３３】
そして、燃料電池用セパレータ３Ａ，３Ｂ及び燃料電池Ｃは、図５に示すように、カソード側セパレータ３Ａの表面に導電性被膜が形成してある。このとき、カソード側では、図中に矢印で示すように、カソードガスと冷却液の流れ方向が互いに同方向である。これに対して、セパレータ３Ａは、図中の膜厚分布に示すように、カソードガス流路Ｃｇを形成する一方の面（ＭＥＡ面）では、カソードガスの入口側よりも出口側で導電性被膜の膜厚を厚くする（入口側で薄くする）。また、冷却液流路Ｃｆを形成する他方の面（冷却液面）では、冷却液の入口側よりも出口側で導電性被膜の膜厚を厚くしている。
【００３４】
なお、図５〜図９に示すセパレータ３Ａ，３Ｂは、図１〜図３に示すものと形態が異なるが、基本的な構成は同等であるので、同一部位に同一符号を付している。
【００３５】
導電性被膜としては、例えば硬質炭素被膜が用いられ、より好適なものとしてダイヤモンドライクカーボンを使用することができ、後述するように、スパッタリングにより成膜することができる。これにより、低コストで且つ高い耐食性を有する導電性被膜が得られることとなる。
【００３６】
導電性被膜の材料としては、多結晶グラファイト、グラファイトブロック（高結晶性グラファイト）、カーボンブラック、フラーレン、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバ、カーボンナノホーン、カーボンフィブリルなどが挙げられる。また、カーボンブラックの具体例として、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、チャンネルブラック、ランプブラック、オイルファーネスブラックもしくはサーマルブラックなどが挙げられる。なお、カーボンブラックは、グラファイト化処理が施されていても良い。
【００３７】
また、これらの炭素材料を、ポリエステル系樹脂、アラミド系樹脂、ポリプロピレン系樹脂のような樹脂と複合化させて用いても良い。また、導電性被膜に含まれる炭素材料以外の材料としては、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、インジウム（Ｉｎ）等の貴金属；ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の撥水性物質；導電性酸化物などが挙げられる。多結晶グラファイト以外の材料は、一種のみが用いられても良いし、二種以上が併用されても良い。
【００３８】
導電性被膜の平均厚さは、好ましくは１ｎｍ〜１０００ｎｍであり、より好ましくは２ｎｍ〜５００ｎｍであり、さらに好ましくは５ｎｍ〜２００ｎｍである。導電性被膜の厚さがこのような範囲内の値であれば、ガス拡散基体とセパレータ３Ａ，３Ｂとの間に十分な導電性を確保することができる。また、セパレータ３Ａ，３Ｂの基材（ステンレス）に対して高い耐食機能を持たせることができる。
【００３９】
ここで、燃料電池Ｃのカソード側においては、カソードガスの入口側になるほど電流密度が高くなり、電流密度の高い箇所では導電性被膜の膜厚が薄いほど接触抵抗も小さくなる。そこで、上記のカソード側セパレータ３Ａ及び燃料電池Ｃでは、カソードガス流路Ｃｇを形成するセパレータ３Ａの一方の面（ＭＥＡ面）では、カソードガスの入口側よりも出口側で導電性被膜の膜厚を厚くする（入口側で薄くする）ことで、全体としてセパレータ３Ａと膜電極構造体２との接触抵抗を効率的に低減する。
【００４０】
また、冷却液流路Ｃｆにおいては、冷却液の出口側になるほど温度が高くなり、温度が高くなるほど腐食しやすい。そこで、上記のカソード側セパレータ３Ａ及び燃料電池Ｃでは、冷却液流路Ｃｆを形成するセパレータ３Ａの他方の面では、冷却液の入口側よりも出口側で導電性被膜の膜厚を厚くすることで、全体として耐食性を向上させる。
【００４１】
このように、上記のカソード側セパレータ３Ａ及び燃料電池Ｃによれば、接触抵抗の効率的な低減と耐食性の向上とを両立させることができる。また、カソードガスと冷却液の流れ方向を互いに同方向にしたことにより、導電性能と冷却性能が相俟って全体性能がより高いものとなり、また、電流密度の分布もカソードガスの入口側に偏るので上記の接触抵抗低減の効果がより発揮される。
【００４２】
図６は、本発明の燃料電池用セパレータ及び燃料電池の他の実施形態を説明する図である。この実施形態では、アノード側セパレータ３Ｂの表面に導電性被膜が形成してある。この場合、アノードガス流路Ａｇを形成するセパレータ３Ｂ一方の面（ＭＥＡ面）では、図中に矢印で示すカソードガスの流れ方向に対して、図中の膜厚分布に示すように、その入口側よりも出口側で導電性被膜の膜厚を厚くしている。つまり、アノード側セパレータ３Ｂは、アノードガスの流れ方向に関わらず、カソードガスの流れ方向を基準にして導電性被膜の膜厚を設定している。
【００４３】
上記のアノード側セパレータ３Ｂ及び燃料電池Ｃによれば、電流密度が高いカソードの入口側で導電性被膜の膜厚が小さくなるので、アノード側セパレータ３Ｂと膜電極構造体２との接触抵抗を効率的に低減することができ、導電性能並びに発電性能を高めることができる。
【００４４】
図７は、本発明の燃料電池用セパレータ及び燃料電池のさらに他の実施形態を説明する図である。この実施形態では、アノード側セパレータ３Ｂの表面に導電性被膜が形成してあり、冷却液流路Ｃｆを形成するセパレータ３Ｂ他方の面（冷却液面）では、冷却液の入口側よりも出口側で導電性被膜の膜厚を厚くしている。この場合においても、アノード側セパレータ３Ｂは、アノードガスの流れ方向に関わらず、冷却液の流れ方向を基準にして導電性被膜の膜厚を設定している。
【００４５】
上記のアノード側セパレータ３Ｂ及び燃料電池Ｃによれば、冷却液流路Ｃｆにおいては、冷却液の出口側になるほど温度が高くなり、温度が高くなるほど腐食しやすいので、上記の如く冷却液の入口側よりも出口側で導電性被膜の膜厚を厚くすることで、全体として耐食性を向上させることができる。
【００４６】
図８は、本発明の燃料電池用セパレータ及び燃料電池のさらに他の実施形態を説明する図である。この実施形態では、カソードガスとアノードガスの流れ方向が互いに逆方向になっている。この場合、カソード側セパレータ３Ａでは、先の実施形態（図５参照）と同様に、導電性被膜の膜厚が、カソードガスの入口側よりも出口側で厚くなるように形成してある。
【００４７】
他方、アノード側セパレータ３Ｂでは、先述の如くカソードガスの流れ方向を基準にして、ソードガスの入口側の膜厚よりも出口側の膜厚を厚く形成してある。したがって、カソード側セパレータ３Ａにおける導電性被膜と、アノード側セパレータ３Ｂにおける導電性被膜は、図中に示す同じ膜厚分布となる。
【００４８】
上記のセパレータ３Ａ，３Ｂ及び燃料電池Ｃによれば、先の実施形態と同様に、接触抵抗の効率的な低減と耐食性の向上とを両立させることができる。また、カソードガスとアノードガスの流れ方向を互いに逆方向すると、発電性能が高くなり、また、電流密度の分布がカソードガスの入口側に偏るので上記の接触抵抗低減の効果がより発揮されることとなる。
【００４９】
図９は、上記各実施形態で説明したセパレータ３Ａ，３Ｂの製造方法を説明する図である。当該製造方法では、スパッタリングのターゲットＴＧに相対向する中心点又は中心点を含む中心線ＣＬに対して、複数のセパレータをその長辺方向の一端部が中心側となるようにして対称的に配置する。図示例では、スパッタリング装置のチャンバー内において、２枚のカソード側セパレータ３Ａ，３Ａをそのカソードガスの出口側となる端部を中心線ＣＬ側にして、対称的に配置している。
【００５０】
そして、前記ターゲットＲＧを用いたスパッタリングを行う。すなわち、ターゲットＴＧに対して、高電圧をかけてイオン化した不活性ガス（例えばＡｒガス）を衝突させ、ターゲットＴＧの表面の原子をはじき飛ばして、セパレータ３Ａ，３Ａの両面に導電性被膜を形成する。その後、各セパレータ３Ａの裏面にも同様に導電性被膜を形成する。
【００５１】
上記のようにセパレータ３Ａ，３Ａを配置してスパッタリングを行うと、図中の膜厚分布に示すように、ターゲットＴＧに近い部分、つまり各セパレータ３Ａ，３Ａのカソードガスの出口側となる端部で導電性被膜の膜厚が厚くなり、入口側に向かうほど膜厚が薄くなる。これにより、図５で説明したカソード側セパレータ３Ａが得られる。
【００５２】
このように、上記のセパレータの製造方法によれば、一つのターゲットＴＧを使用したうえで、導電性被膜の膜厚が漸次変化する複数のセパレータ３Ａ，３Ａを同時に製造することができ、生産効率の向上や製造コストの低減などを実現する。また、このセパレータの製造方法は、各実施形態で図示した細長い矩形板状のセパレータに対する被膜形成に非常に有効である。
【００５３】
なお、上記の製造方法において、セパレータの配置は、様々な形態を採用することが可能である。例えば、中心線ＣＬの両側に複数のセパレータを夫々配置したり、中心点に対して複数のセパレータを放射状に配置したりすることもでき、また、ロール状の素材を用いて、その素材を繰り出しながら導電性被膜を形成し、その後、素材からセパレータを打ち抜くことも可能である。
【００５４】
本発明の燃料電池用セパレータ及び燃料電池は、その構成が上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で構成の細部を適宜変更することが可能であり、上記各実施形態の構成同士を組み合わせた構成にすることも可能である。
【符号の説明】
【００５５】
Ａｇ アノードガス流路
Ｃｇ カソードガス流路
Ｃｆ 冷却液流路
Ｃ 燃料電池
ＦＳ 燃料電池スタック
ＴＧ ターゲット
２ 膜電極構造体
３Ａ カソード側セパレータ
３Ｂ アノード側セパレータ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池においてカソードガス流路と冷却液流路とを隔離するカソード側のセパレータであって、
その表面に導電性被膜が形成してあり、
カソードガス流路側の面では、カソードガスの入口側よりも出口側で導電性被膜の膜厚を厚くすると共に、
冷却液流路側の面では、冷却液の入口側よりも出口側で導電性被膜の膜厚を厚くしたことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
燃料電池においてアノードガス流路と冷却液流路とを隔離するアノード側のセパレータであって、
その表面に導電性被膜が形成してあり、
アノードガス流路側の面では、カソードガスの流れ方向に対して、その入口側よりも出口側で導電性被膜の膜厚を厚くしたことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項３】
冷却液流路側の面では、冷却液の入口側よりも出口側で導電性被膜の膜厚を厚くしたことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項４】
ステンレス製であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項５】
導電性被膜が、ダイヤモンドライクカーボンであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項６】
矩形板状を成すと共に、その長辺に沿う方向がガス及び冷却液の流れ方向であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項７】
膜電極構造体を一対のセパレータで挟持した構造を有すると共に、積層した状態で隣接するセパレータ同士の間に冷却液流路を形成する燃料電池であって、
カソードガス流路と冷却液流路とを隔離するカソード側セパレータの表面に導電性被膜が形成してあり、
導電性被膜が、カソードガス流路を形成するセパレータの一方の面では、カソードガスの入口側の膜厚よりも出口側の膜厚を厚く形成してあると共に、冷却液流路を形成するセパレータの他方の面では、冷却液の入口側の膜厚よりも出口側の膜厚を厚く形成してあることを特徴とする燃料電池。
【請求項８】
アノードガス流路と冷却液流路とを隔離するアノード側セパレータの表面に導電性被膜が形成してあり、
導電性被膜が、アノードガス流路を形成するセパレータの一方の面では、カソードガスの流れ方向に対して、その入口側の膜厚よりも出口側の膜厚を厚く形成してあることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池。
【請求項９】
導電性被膜が、冷却液流路を形成するセパレータの他方の面では、冷却液の入口側の膜厚よりも出口側の膜厚を厚く形成してあることを特徴とする請求項７又は８に記載の燃料電池。
【請求項１０】
カソードガスの流れ方向と冷却液の流れ方向とが互いに同方向であることを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１１】
カソードガスの流れ方向とアノードガスの流れ方向とが互いに逆方向であることを特徴とする請求項７〜１０のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１２】
セパレータが、ステンレス製であることを特徴とする請求項７〜１１のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１３】
導電性被膜が、ダイヤモンドライクカーボンであることを特徴とする請求項７〜１２のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１４】
セパレータが矩形板状であって、その長辺に沿う方向にガス及び冷却液を流通させることを特徴とする請求項７〜１３のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１５】
請求項６に記載の燃料電池用セパレータ、又は請求項１４に記載の燃料電池のセパレータを製造するに際し、
スパッタリングのターゲットに相対向する中心点又は中心線に対して、複数のセパレータをその長辺方向の一端部が中心側となるようにして対称的に配置し、この状態で前記ターゲットを用いたスパッタリングを行うことにより、各セパレータに導電性被膜を形成することを特徴とするセパレータの製造方法。
【請求項１】
燃料電池においてカソードガス流路と冷却液流路とを隔離するカソード側のセパレータであって、
その表面に導電性被膜が形成してあり、
カソードガス流路側の面では、カソードガスの入口側よりも出口側で導電性被膜の膜厚を厚くすると共に、
冷却液流路側の面では、冷却液の入口側よりも出口側で導電性被膜の膜厚を厚くしたことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
燃料電池においてアノードガス流路と冷却液流路とを隔離するアノード側のセパレータであって、
その表面に導電性被膜が形成してあり、
アノードガス流路側の面では、カソードガスの流れ方向に対して、その入口側よりも出口側で導電性被膜の膜厚を厚くしたことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項３】
冷却液流路側の面では、冷却液の入口側よりも出口側で導電性被膜の膜厚を厚くしたことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項４】
ステンレス製であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項５】
導電性被膜が、ダイヤモンドライクカーボンであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項６】
矩形板状を成すと共に、その長辺に沿う方向がガス及び冷却液の流れ方向であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項７】
膜電極構造体を一対のセパレータで挟持した構造を有すると共に、積層した状態で隣接するセパレータ同士の間に冷却液流路を形成する燃料電池であって、
カソードガス流路と冷却液流路とを隔離するカソード側セパレータの表面に導電性被膜が形成してあり、
導電性被膜が、カソードガス流路を形成するセパレータの一方の面では、カソードガスの入口側の膜厚よりも出口側の膜厚を厚く形成してあると共に、冷却液流路を形成するセパレータの他方の面では、冷却液の入口側の膜厚よりも出口側の膜厚を厚く形成してあることを特徴とする燃料電池。
【請求項８】
アノードガス流路と冷却液流路とを隔離するアノード側セパレータの表面に導電性被膜が形成してあり、
導電性被膜が、アノードガス流路を形成するセパレータの一方の面では、カソードガスの流れ方向に対して、その入口側の膜厚よりも出口側の膜厚を厚く形成してあることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池。
【請求項９】
導電性被膜が、冷却液流路を形成するセパレータの他方の面では、冷却液の入口側の膜厚よりも出口側の膜厚を厚く形成してあることを特徴とする請求項７又は８に記載の燃料電池。
【請求項１０】
カソードガスの流れ方向と冷却液の流れ方向とが互いに同方向であることを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１１】
カソードガスの流れ方向とアノードガスの流れ方向とが互いに逆方向であることを特徴とする請求項７〜１０のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１２】
セパレータが、ステンレス製であることを特徴とする請求項７〜１１のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１３】
導電性被膜が、ダイヤモンドライクカーボンであることを特徴とする請求項７〜１２のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１４】
セパレータが矩形板状であって、その長辺に沿う方向にガス及び冷却液を流通させることを特徴とする請求項７〜１３のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１５】
請求項６に記載の燃料電池用セパレータ、又は請求項１４に記載の燃料電池のセパレータを製造するに際し、
スパッタリングのターゲットに相対向する中心点又は中心線に対して、複数のセパレータをその長辺方向の一端部が中心側となるようにして対称的に配置し、この状態で前記ターゲットを用いたスパッタリングを行うことにより、各セパレータに導電性被膜を形成することを特徴とするセパレータの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−２１２５６４（Ｐ２０１２−２１２５６４Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１日（２０１２．１１．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−７７７４８（Ｐ２０１１−７７７４８）
【出願日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月１日（２０１２．１１．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
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