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WO2002027842A1 - Separateur de pile a combustible, procede de fabrication de ce separateur et pile a combustible a polymere solide mettant en oeuvre ce separateur - Google Patents

Separateur de pile a combustible, procede de fabrication de ce separateur et pile a combustible a polymere solide mettant en oeuvre ce separateur Download PDF

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WO2002027842A1
WO2002027842A1 PCT/JP2001/008593 JP0108593W WO0227842A1 WO 2002027842 A1 WO2002027842 A1 WO 2002027842A1 JP 0108593 W JP0108593 W JP 0108593W WO 0227842 A1 WO0227842 A1 WO 0227842A1
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WO
WIPO (PCT)
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separator
fuel cell
expanded graphite
gas
resin composite
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/JP2001/008593
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Atsushi Ooma
Yasuji Ogami
Michio Hori
Masanori Kobayashi
You Ootani
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
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Publication of WO2002027842A1 publication Critical patent/WO2002027842A1/ja
Priority to US10/396,487 priority patent/US6797424B2/en
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Definitions

  • Fuel cell separator method for producing the same, and polymer electrolyte fuel cell using the separator
  • the present invention relates to a fuel cell separator used for a fuel cell, a method for producing the same, and a solid polymer type fuel cell using the separator for a fuel cell and having a solid polymer having ion conductivity as an electrolyte.
  • FIG. 12 is a sectional view showing a unit cell of a conventional polymer electrolyte fuel cell
  • FIG. 13 is a sectional view showing a conventional polymer electrolyte fuel cell stack.
  • each of the unit cells 26 is a plate-shaped solid polymer membrane 21 and a plate-shaped fuel electrode which is disposed on the opposite plate surface of the solid polymer membrane 21 and constitutes a gas diffusion electrode 22.
  • a membrane electrode assembly 23 comprising 22 a and an oxidant electrode 22 b; two separators 24 contacting the fuel electrode 22 a and the oxidant electrode 22 b; Consists of 25 forces.
  • the solid polymer membrane 21 As the solid polymer membrane 21, a perfluorocarbon sulfonate membrane or the like is used, and the solid polymer membrane 21 mixes the reaction gas supplied to the fuel electrode 22 a and the oxidant electrode 22 b. They also have a role to prevent them, so their area is usually larger than the area of the electrodes. Since the separator 24 does not mix two types of reaction gases, it is preferable that the separator 24 is a material that is difficult for gas to permeate, and since the separator 24 also needs to be conductive, a material such as metal or carbon is used. . The separator 24 on the fuel electrode 22a side and the oxidizer electrode 22b side are usually integrated on the front and back.
  • the separator 24 and the gasket 25 for sealing the reaction gas are installed to form a unit battery 26.
  • the packing 25 is also provided to prevent mixing of the two types of reaction gases and leakage to the outside. If two phenomena occur, such as a mixture of reaction gases or leakage to the outside, high-performance and stable power generation cannot be performed.
  • the unit cell 26 is composed of a membrane electrode assembly 23, two separators 24 and packings 25 existing on both outer sides of the fuel electrode 22a and the oxidizer electrode 22b.
  • the separator 24 has a plurality of through holes called manifolds 27 for supplying a reaction gas to each unit cell, and a number of fuel gas passages 28 a and an oxidizing gas passage connecting them. 28 b is formed, and a gas flow path 28 for supplying a fuel gas and an oxidizing gas required for a cell reaction to the fuel electrode 22 a and the oxidizing electrode 22 b is formed. Since the electromotive force that can be obtained from the unit cell 26 is as low as 1 V or less, a plurality of unit cells 26 are stacked and electrically connected in series to form a fuel cell stack 29, which generates the electromotive force. Raise it.
  • the stack 29 is usually provided with a cooling plate (not shown) for cooling the battery for each of one or more unit batteries 26.
  • the stack 29 is tightened in the stacking direction using a tightening mechanism (not shown) such as a tightening plate, a tightening rod, a spring, and a nut. This is to ensure electrical and thermal contact and sealing between the unit batteries 26. '
  • the separator made of expanded graphite is water-absorbing and hydrophilic, it is excellent in draining water accumulated in the channel, and can stably follow environmental changes such as a sudden load change.
  • expanded graphite is a relatively soft material, so the polymer electrolyte fuel cell is tightened in the stacking direction by the tightening mechanism as described above. If it is held, a compression creep may occur, which causes a problem that the pressure loss of the reaction gas increases with time.
  • the polymer electrolyte fuel cell has a repetitively laminated structure of the membrane electrode assembly 23 and the separator 24, so that the contact resistance between these two components is large and the battery voltage is high. However, there was a problem in that the power generation efficiency was reduced due to the lowering.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 9-274 926 discloses a separator as follows.
  • the second known example is one in which a conductive elastic member is disposed on a convex portion of a concave / convex portion for forming a gas flow path provided on the surface of a separator in order to reduce contact resistance.
  • the present invention has been made to solve such a problem, and the purpose is as follows.
  • the separator made of expanded graphite is water-absorbing and hydrophilic, it has excellent drainage of water accumulated in the flow path, can stably follow environmental changes such as sudden load fluctuations, and has high performance.
  • An object of the present invention is to provide a separator for a fuel cell which can be operated safely and stably for a long time with high performance, a method for manufacturing the same, and a polymer electrolyte fuel cell using the separator.
  • an invention corresponding to aspect 1 includes a gas diffusion electrode of a fuel cell, which includes a gas flow path for supplying a fuel gas and an oxidant gas, respectively.
  • the separator is formed by combining a plate-like carbon resin composite material and an expanded graphite layer.
  • a concave portion and a convex portion for forming the gas flow path are formed on at least one surface of the carbon resin composite material, and the expanded graphite layer is provided with the concave portion and the convex portion of the carbon resin composite material.
  • the base of the separator is made of carbon resin composite.
  • the gas flow path of the carbon resin composite material is formed. Since the expanded graphite layer is provided on the surface of the concave and convex portions, the advantage of the expanded graphite can be utilized as it is.
  • the surfaces of the membrane electrode assembly and the separator are easily conformable, and because of their water absorption, they can stably follow environmental changes such as sudden load fluctuations. Furthermore, the compression creep can be reduced as compared with the case where the separator is composed only of expanded graphite, and high-performance, long-time safe and stable operation can be achieved.
  • the expanded graphite layer has excellent water absorption, and the gas sealability is reduced due to the effect of the jet seal.
  • the weight of the separator can be reduced.
  • the invention corresponding to the second aspect is configured as follows. That is, the fuel according to aspect 1, wherein the carbon resin composite material uses a raw material obtained by mixing 0 to 85% by mass of the carbonaceous material and 15 to 100 ° / 0 of the thermosetting resin. This is a battery separator.
  • the invention corresponding to the third aspect is configured as follows. That is, in the expanded graphite layer, the basis weight of the expanded graphite is 50 g / m 2 or more and 300 g_m 2 or less.
  • the separator for a fuel cell according to aspect 1 or 2 which is characterized in that:
  • the separator is the fuel cell separator according to any one of aspects 1 to 3, wherein at least one of a potential measurement terminal and a temperature measurement probe is incorporated in advance.
  • a fuel cell separator incorporating at least one of a potential measurement terminal or a temperature measurement probe may be provided.
  • the invention corresponding to the aspect 5 is a method of mixing 0 to 85% by mass of a carbonaceous material and 15 to 100% by weight of a thermosetting resin.
  • a first step of obtaining the raw material powder obtained in the first step, and spreading the raw material powder obtained in the first step in a plane on the inner surface of the molding space of the press molding die, and partially or entirely on one or both surfaces thereof The second step of arranging the expanded graphite sheet, and the second step, press-molding and molding the raw material powder and the expanded graphite sheet simultaneously using the press-molding mold. And a third step of controlling the temperature.
  • a method for manufacturing a separator for a fuel cell comprising the steps of:
  • the expanded graphite layer can be provided on one or both surfaces of one or both surfaces of the carbon resin composite material and integrated press-molding can be performed.
  • the thermosetting resin in the carbon resin composite material exerts a binding action with the expanded graphite layer by thermosetting after molding.
  • thermosetting resin fills the gaps created by the carbonaceous material and has the effect of reducing gas permeation.
  • the specific gravity of the thermosetting resin is smaller than that of the carbonaceous material, and the weight of the carbon resin composite does not increase even if the ratio is relatively large.
  • an invention corresponding to aspect 6 is configured as follows. That is, the expanded graphite sheet used in the second step, the station side basis weight of the expanded graphite and 5 0 g / m 2 or more 3 0 0 g Z m 2 or less and what the characteristics of the lower subsidiary 6.
  • an invention corresponding to aspect 7 is configured as follows. That is, at the time of press-molding in the third step, at least one of a potential measurement terminal and a temperature measurement probe is incorporated in the separator molded body. 6. The method for producing a separator for a fuel cell according to 6.
  • an invention corresponding to aspect 8 is a membrane-electrode complex in which gas diffusion electrodes are respectively arranged on both surfaces of a solid polymer membrane, and at least a fuel gas or an oxidizing agent is provided in the gas diffusion electrode.
  • a solid polymer fuel cell formed by repeatedly forming a laminated structure in which separators provided with gas flow paths for supplying one of the gases are brought into contact with each other,
  • the separator is formed by combining a plate-like carbon resin composite material and an expanded graphite layer.
  • a concave portion and a convex portion for forming the gas flow path are formed on at least one surface of the carbon resin composite material
  • the polymer electrolyte fuel cell is characterized in that the expanded graphite layer is disposed on a plate surface of the carbon resin composite material including a portion where the concave portion and the convex portion are formed.
  • an invention corresponding to aspect 9 is configured as follows. That is, the solid height according to aspect 8, wherein the carbon resin composite material uses a raw material obtained by mixing 0 to 85% by mass of a carbonaceous material and 15 to 100% by mass of a thermosetting resin. It is a molecular fuel cell.
  • the invention corresponding to Aspect 10 is as follows: It is configured as shown below. That is, the polymer electrolyte fuel cell according to aspect 8 or 9, wherein the expanded graphite layer has a basis weight of the expanded graphite of 50 g / m 2 or more and 300 g / m 2 or less. It is.
  • the invention corresponding to the aspect 11 is configured as follows. That is, the polymer electrolyte fuel cell according to any one of aspects 8 to 10, wherein the separator has a potential measurement terminal or a probe for temperature measurement incorporated therein in advance.
  • the following effects can be obtained to improve the following problems. That is, when a sudden change in load occurs, especially when a sudden increase in load occurs, the problem with conventional polymer electrolyte fuel cells is that when the polymer polymer membrane dries and the voltage drops. was there.
  • the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention since the expanded graphite layer having high water absorption has an action of absorbing moisture in the reaction gas, it serves as a moisture buffer. A stable battery voltage can be obtained even for such a sudden load change. It also excels in discharging water accumulated in the flow channel.
  • the separator adjacent to the separator is provided by using the carbon resin composite material for the base material of the separator and providing the expanded graphite layer only on the surface.
  • the compression clean of the entire fuel cell can be extremely reduced while maintaining the corrosion resistance with components such as the electrode assembly.
  • the expanded graphite layer absorbs water, which reduces the gas permeability due to the effect of the jet seal. By reducing the density of the carbon resin composite material used as the panel, the weight of the entire fuel cell can be reduced.
  • the compression creep can be reduced, and the contact resistance between the membrane electrode assembly and the separator can stably follow environmental changes such as a sudden load change.
  • a fuel cell separator capable of performing high-performance, safe and stable operation for a long time, a method for producing the same, and a solid polymer fuel cell using the separator.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram for explaining a first embodiment of a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention.
  • Fig. 2 is an enlarged cross-sectional view of the polymer electrolyte fuel cell stack in Fig. 1.
  • FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view showing only the separator of FIG.
  • FIG. 4 is a diagram showing the results of an i_V characteristic test and an AC resistance test in the first embodiment.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a load fluctuation test result according to the first embodiment.
  • FIG. 6 is a diagram showing a 500-hour continuous power generation test result in the first embodiment.
  • FIG. 7 is a plan view of a separator for explaining a third embodiment of the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention.
  • FIG. 8 is a diagram showing the results of an i-V characteristic test and an AC resistance test in the third embodiment.
  • Figure 9 shows the results of the load fluctuation test in the third embodiment. Figure. .
  • FIG. 10 is a diagram showing a 500-hour continuous power generation test result in the third embodiment.
  • FIG. 11 is an enlarged cross-sectional view of the separator of the polymer electrolyte fuel cell H according to the third embodiment.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view showing a unit cell of a conventional polymer electrolyte fuel cell.
  • Figure 13 is a cross-sectional view showing a conventional polymer electrolyte fuel cell stack.
  • FIGS. 1 to 6 A configuration of a fuel cell separator and a polymer electrolyte fuel cell according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 6.
  • the basic structure of the polymer electrolyte fuel cell according to the present embodiment is similar to that of the above-described conventional technology, and is similar to that of the polymer electrolyte fuel cell stack 1 described later.
  • Current takeoff clamping plates 14 (disposed on current takeoff upper plate 14a, current takeoff lowering plate 14b) provided at both ends of fuel cell stack 1 and both currents It consists of a take-out fastening plate 14, a rod 15 for fastening the fuel cell stack 1, a counter panel 16, an insulating bush 17 and a nut 18.
  • the fuel cell is te click 1 includes a membrane electrode assembly 4 Remind as in FIG. 2, provided cormorants by sandwiching the membrane electrode assembly 4, Se Nono 0 regulator 7 and Se Nono 0 rater 1 described below
  • a unit cell 8 consisting of 0 and a fuel separator 11 is brought into contact with each other to form a repeatedly laminated structure.
  • the membrane electrode assembly 4 has gas diffusion electrodes 2 (a fuel electrode 2 a and an oxidant electrode 2 b) disposed on opposing plate surfaces of a flat solid polymer film 3.
  • the separators 7, 10 and 11 configured as follows are used. That is, the separator (integrating the oxidizing gas separator and the fuel gas separator) 7 is composed of a carbon resin composite material 12 and an expanded graphite layer 13 as shown in FIG.
  • the carbon resin composite material 12 is plate-shaped, and has concave portions 12 a and convex portions 12 b for forming a fuel gas flow path 6 a and an oxidizing gas flow path 6 b on each plate surface, respectively.
  • the expanded graphite layer 13 is disposed on the entire surface of the carbon resin composite material 12 including the portion where the concave portions 12a and the convex portions 12b are formed.
  • the separator 10 (in which the oxidizing gas separator and the cooling plate are integrally formed) has almost the same configuration as the separator 7 and is composed of a carbon resin composite material 12 and an expanded graphite layer 13.
  • the material 12 is plate-shaped, and has a concave portion 12a and a convex portion 12b for forming a cooling water passage 6c and an oxidizing gas passage 6b on each plate surface.
  • the concave portions 12 a and the convex portions 12 b of the carbon resin composite material 12 are formed. It is arranged on the entire plate surface including the part.
  • the separator (integrating the fuel gas separator and the cooling plate) 11 is disposed between the separator 10 and the membrane electrode assembly 4, and is provided on the plate surface of the plate-like carbon resin composite material 12.
  • a concave portion 12a and a convex portion 12b for forming the fuel gas flow path 6a are formed, and a portion where the concave portion 12a and the convex portion 12b are formed is formed.
  • the expanded graphite layer 13 is provided on all of the plate surfaces (the surface facing the fuel electrode 2a), and the other plate surface is flat on the carbon resin composite material 12 without any formation (separator). 10 surface facing the cooling water channel 6c).
  • a plurality of through-holes called manifolds 5 are provided on both sides of a membrane electrode assembly 4 in which a solid polymer membrane 3 is sandwiched between two electrodes 2 of a fuel electrode 2 a and an oxidant electrode 2 b, and a fuel gas manifold.
  • the unit cell 8 is composed of an integrated separator 7 that is provided on each side with a fuel gas flow path 6a connecting the grounds and an oxidizing gas flow path 6b connecting the oxidizing gas manifolds. It has a repeating structure. The actual number of unit battery stacks is, for example, 20.
  • Gas seals 9 are provided between the separator 7 and the membrane electrode assembly 4 to prevent leakage to the outside and mixing of reaction gases. Further, a total of 10 cooling plates are provided for each of the two unit batteries, and cooling water flows through the cooling water flow path 6c. The cooling plate and the oxidizer gas separator are solidified Seno. The fuel gas separator 11 is It is a single-sided product.
  • the separator 7 is a portion of the carbon resin composite material 12, which is a layer serving as a central base described below, and a portion where the concave portion 12 a and the convex portion 12 b of the carbon resin composite material 12 are formed.
  • This is a composite product having a three-layer structure consisting of the expanded graphite layers 13 and 13 described below on the plate surface (surface) containing.
  • an expanded graphite layer 13 having a basis weight of 120 g / m 2, that is, a thickness of 70 ⁇ and a density of about 1.7 g Z cm 3 is used. Both the carbon resin composite material 12 and the expanded graphite layer 13 are molded into concave portions and convex portions according to the shape of the gas flow path.
  • the method of manufacturing the separator 7 includes first to third steps which will be roughly described below.
  • the first step is a step of obtaining a raw material powder obtained by mixing 0 to 85% by mass of the carbonaceous material and 15 to 100% by weight of the thermosetting resin.
  • the second step the raw material powder obtained in the first step is spread in a plane on the inner surface of the molding space of the press molding die, and an expanded graphite sheet is arranged on a part or the whole of one or both surfaces thereof. It is a process.
  • the raw material powder and the expanded graphite sheet obtained in the second step are simultaneously subjected to press molding and molding temperature control using the press molding die.
  • thermosetting resin a phenolic resin PG-2411 manufactured by Gunei Chemical Industry Co., Ltd. was sieved to a particle size of 90 im or less, and then vacuum dried. Thereafter, 75% by mass of the graphite powder, 5% by mass of the carbon fiber, and 20% by mass of the thermosetting resin were mixed by a V blender at normal temperature and normal pressure.
  • the pre-engraved mold has a flow path inside the mold, and after flowing hot water to preheat the mold to 70 ° C, spread the expanded graphite sheet on the lower mold, After filling, the upper mold was placed on the surface of the raw material, as well as an expanded graphite sheet covered with Kregraph, a trade name of Kureha Chemical Industry Co., Ltd.
  • the mold filled with the raw materials is transported to a press machine, and after applying a pressurizing operation with a projected cross-sectional area of 10 MPa, steam at 160 ° C or higher is flowed through the flow path in the mold.
  • the inside of the mold was heated.
  • the graphite powder and the carbon fibers are combined by plasticization of the thermosetting resin, and cured through the engraving of the mold by curing of the thermosetting resin.
  • the temperature was set at 150 ° C or higher for 10 minutes. After that, cooling water was flowed into the flow path inside the mold while maintaining the pressurized state. When the temperature inside the mold reached 100 ° C or less, the pressure was released, and the molded body was taken out. An extra portion of the molded body was cut to obtain a separator.
  • the polymer electrolyte fuel cell A using the composite is a current extraction clamp plate 14a, 14b, rod 15, panning panel 16 insulating bush 17, nut A power generation test was carried out by supplying a humidified reaction gas and cooling water by tightening in the stacking direction using 18 and the like.
  • the separator material As a comparative example, only the separator material was changed, and three other polymer electrolyte fuel cells (unit cells: 20) with exactly the same specifications were manufactured for other parts such as the membrane electrode assembly. .
  • the first was a solid polymer fuel cell B with a specification of only the expanded graphite layer 13 as the separator material, and the second was only the carbon resin composite material 12 that was the base of the composite separator.
  • the polymer electrolyte fuel cell C of the third specification has the same configuration as the separator of C, and is made of a carbon polymer composite material that has the same gas permeability as expanded graphite 13 as its material.
  • Fuel cell D The D separator has a higher specific gravity than those of A and C, and has lower gas permeability than the C separator.
  • Power generation tests of these four polymer electrolyte fuel cells were performed and evaluated comparatively. Power generation tests for four polymer electrolyte fuel cells: current density-voltage characteristics test (i-V characteristics test), AC resistance measurement test, load fluctuation test, 500 hours continuous power generation test, and oxidizer gas pressure The loss was monitored.
  • i-V characteristics test current density-voltage characteristics test
  • AC resistance measurement test AC resistance measurement test
  • load fluctuation test 500 hours continuous power generation test
  • oxidizer gas pressure The loss was monitored.
  • C and D have large contact resistance, especially electrical contact resistance.
  • A uses a separator made of only expanded graphite 13 and has the same AC resistance value as B, and the 70 ⁇ m expanded graphite layer 1 on the surface of the carbon-resin composite 12 By adopting the structure provided with 3, the same contact resistance as B could be reduced. Also, the voltage of C decreases when the load is low, because the carbon resin composite material 12 used as the base of the separator of the composite product has a large gas permeability, through which the fuel gas and the oxidant are oxidized. This is because the mixing of the agent gases causes a so-called crossover.
  • Fig. 5 shows the load fluctuation test results.
  • Load (current density) sequence variation is set to "0. 0 5 A / cm 2 ⁇ 0. 5 A / cm 2 ⁇ 0. 0 5 A / cm 2 ⁇ 0. 5 A / cm 2 ", each load
  • the holding time was 5 minutes, and the load change operation was within 1 second. During that time, the gas utilization rate and cooling water temperature were kept constant.
  • A, B, and C showed almost the same trends, and C was slightly lower due to the above factors, but A, B A trend close to that was shown.
  • D immediately after the load rise, the voltage became lower than the others, and the AC resistance became higher.
  • reaction gas flow rate increases rapidly with the increase in load, and the evaporation capacity shifts to a state where the water to be evaporated is insufficient for D.
  • the water in the molecular film 3 evaporates. Therefore, the AC resistance value also increases.
  • the separator material forming the gas flow paths 6a and 6b contains evaporable water enough to follow load fluctuations. As a result, the voltage is stable and the AC resistance hardly changes.
  • Fig. 6 shows the results of the 500-hour continuous power generation test and the oxidant gas pressure loss trend.
  • the current density was fixed at 0.2 AZ cm 2 , and the gas utilization and cooling water temperature were also constant.
  • the voltage change all battery voltages showed stable trends.
  • A, C, and D showed almost no increase in pressure loss over 500 hours, but B exhibited a gradual pressure loss until about the first 100 hours. And then remained almost constant thereafter.
  • (1) Congresss 7, 10, 11 consist of a carbon resin composite material 12 and an expanded graphite layer 13, and carbon resin composite material 12 is plate-shaped and has a gas flow path on the plate surface.
  • the expanded graphite layer 13 is formed by the concave portion 12 a and the convex portion 12 b of the carbon resin composite material 12. Since it is arranged on the plate surface including the formed part, it is possible to obtain a polymer electrolyte fuel cell that can suppress the rise in the reaction gas pressure loss, and is lightweight, high-performance, safe, and stable for a long time. Can be.
  • the expanded graphite layer 13 with high water absorption absorbs moisture in the reaction gas, it acts as a buffer for moisture and maintains stable characteristics even when the load fluctuates. Is obtained.
  • the contact resistance and gas permeability of the separator can be reduced, and a lightweight, high-performance and stable polymer electrolyte fuel cell can be obtained.
  • Separators b, c, and d having the same configuration and outer shape as those in FIG. 3 and having different compositions of the carbon resin composite material 12 serving as the central base of the separator 7 were manufactured.
  • the basic separator manufacturing method for all of a, b, c, and d is as described in the first embodiment.
  • the thermosetting resin are mixed in the order of a, b, c, d in the order of 0 mass%-100 mass%, 50 mass%-50 mass%, 85 mass%-15 mass, respectively.
  • the weights of the a, b, c, and d separators were compared.
  • separators were subjected to a continuous heating test at 80 ° C for 100 hours using a heatable glass container filled with ultrapure water. A peel test was performed on the monocarbon resin composite material 12. Further, after the continuous heating test, each separator was dried at 120 ° C for 2 hours, and then a pressure of 50 kPa was applied to the helicopter using a gas permeation amount measuring device. A comparison was made of the amount of transmitted light.
  • the force a, b, and c was S 10 — 3 ml / sec Z cm 2
  • d was 1 O ml / sec Z cm 2
  • a polymer electrolyte fuel cell By using a raw material in which 0 to 85% of a carbonaceous material and 15 to 100% of a thermosetting resin are used as a carbon resin composite material for a separator, a polymer electrolyte fuel cell can be used. The weight can be reduced. In addition, a binding effect between the carbon resin composite material and the expanded graphite layer is imparted, and during the long-term power generation of the polymer electrolyte fuel cell, the separation of the expanded graphite layer in the separator does not occur. It is possible to generate a fixed amount of power. Furthermore, a high-performance polymer electrolyte fuel cell can be obtained by reducing the gas permeability of the separator.
  • the basic separator manufacturing method for E, F, G, and H is as described in the first embodiment, but the basis weight of the expanded graphite layer in the product is in the order of E, F, G, and H. 30 g / m 2 , 500 g / m 2 , 300 g / m 2 , and 500 g / m 2 , respectively.
  • the cross section of the separator 7 was also observed by SEM. was a roller, the thickness of the expanded graphite layer 1 3 are each 1 8 ⁇ m, 3 0 ⁇ m ⁇ 1 8 0 m, 4 0 0 ⁇ m density E, F, G of about 1. 7 g / cm 3 Eleven were approximately 1.3 g Z cm 3 .
  • the separators located at both ends (No. 1 and No. 21) in the stacking direction of the battery and the separators (No. 11) located at the center are described as follows.
  • the copper wire 19 for potential measurement is placed diagonally at, and the sheath diameter ⁇ ⁇ is directed toward one of the midpoints of the four corners from the center to measure the temperature at the center of the separator. .5 mm K-type thermocouples 20 were respectively embedded in the separator.
  • the potential difference at each copper wire 19 was measured to determine the upper (N0.1 to No. 10) and lower (No. ll to No. 20) half-cell voltages.
  • the upper and lower half-cells (half of the stack) have a voltage difference and a temperature, respectively, and when the power generation is stopped when they exceed the reference values, the protection system works.
  • a power generation test was performed on the polymer electrolyte fuel cells EF, G, and H using these four separators.
  • a current density-voltage characteristic test (1 Test) As a power generation test on the four polymer electrolyte fuel cells, a current density-voltage characteristic test (1 Test), AC resistance measurement test, temperature measurement of the center of the separator, load fluctuation test, continuous power generation test for 500 hours, and monitoring of oxidant gas pressure loss.
  • the compression tape of the expanded graphite layer and the gas flow channel depth were also examined.
  • Figure 8 shows the results of the i-V characteristic test and the AC resistance measurement test.F, G, and H were almost the same as the i-V characteristic test and the AC resistance value. The voltage drop became remarkable. In addition, E was larger than that of the others in the AC resistance measurement. Further, when the temperatures of the three thermocouples were measured at E, F, G, and H, the temperature of the thermocouple 20 inserted into the No. 11 sensor 7 at a current density of 0.5 AZ cm 2 was measured. Is 85 ° C for E and F, G, H was 80 ° C. Also, none of the half-cell voltage differences exceeded the reference value.
  • Fig. 9 shows the load fluctuation test results.
  • Load (current density) sequence variation is set to "0. 0 5 A / cm 2 ⁇ 0. 5 A / cm 2 ⁇ 0. 0 5 A / c 2 ⁇ 0. 5 A / cm 2 ", each load
  • the holding time was 5 minutes and the load change operation was within 1 second. During that time, the gas utilization rate and cooling water temperature were kept constant.
  • the voltage and AC resistance trends at each load were measured, it was found that, with respect to E, the load following ability was delayed in addition to the low voltage itself, but that F, G, and H were almost the same. Showed.
  • Fig. 10 shows the results of the 500-hour continuous power generation test and the oxidant gas pressure loss trend.
  • the current density was fixed at 0.2 A / cm, and the gas utilization rate and cooling water temperature were also kept constant.
  • the voltage change all battery voltages showed stable trends.
  • E, F, and G showed almost no increase in pressure loss throughout the 50,000 hours.
  • H showed a gradual increase in pressure loss until about the first 100 hours, and remained almost constant thereafter.
  • Figure 11 shows an enlarged cross-sectional view of the separator 7 used for H.
  • the thickness of the convex portion is larger than the thickness of the ⁇ portion. That is, the density of the expanded graphite layer 13 of the convex portion becomes low.
  • the pressure loss of the oxidizing gas increased with time due to the increase in the amount of compression creep. The pressure loss increased up to about 60 hours in the initial stage, but then fell to a certain value because the compression creep reached saturation.
  • the basis weight of the expanded graphite layer 13 be in the range of 50 g / m 2 or more and 300 g Zm 2 or less.
  • the present invention provides a polymer electrolyte fuel cell characterized in that it is a carbon resin composite material separator in which a potential measurement terminal or a probe for temperature measurement is preliminarily incorporated and molded integrally.
  • a potential measurement terminal or a probe for temperature measurement is preliminarily incorporated and molded integrally.
  • the risk of a short circuit accident due to the probe coming off can be prevented, the battery diagnosis becomes easier, and the safety improves.
  • the present invention has been described with respect to an example in which the present invention is applied to a polymer electrolyte fuel cell as a fuel cell separator.
  • the present invention can be applied to fuel cells other than the polymer electrolyte fuel cell.
  • the separator for a fuel cell of the present invention, a method for producing the same, and a polymer electrolyte fuel cell using the separator can be used as a fuel cell that can be used also as various power sources, for example, a vehicle power source and a stationary power source. Available.

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Description

明 細 書
燃料電池用セパレータ及ぴその製造方法並びに該セパレータ を用いた固体高分子型燃料電池
技術分野
本発明は、 燃料電池に用いられる燃料電池用セパレータ及 びその製造方法並びに該燃料電池用セパ レータを用いたィォ ン伝導性を有する固体高分子を電解質とする固体高分子型燃 料電池に関する。
背景技術
以下、 固体高分子型燃料電池に関する従来の技術について . 図 1 2及び図 1 3 を参照して説明する。 図 1 2 は従来の固体 高分子型燃料電池の単位電池を示す断面図であ り 、 図 1 3 は 従来の固体高分子型燃料電池スタ ック を示す断面図である。
燃料電池ス タ ッ ク は、 概略図 2 に示す単位電池 2 6 が複数 個上下方向に積層されている。 各単位電池 2 6 は、 いずれも 板状の固体高分子膜 2 1 と、 固体高分子膜 2 1 の対向する板 面に夫々配設され、 ガス拡散電極 2 2 を構成する板状の燃料 極 2 2 a と酸化剤極 2 2 b からなる膜電極複合体 2 3 と、 燃 料極 2 2 a及び酸化剤極 2 2 b に夫々 当接される 2枚のセパ レータ 2 4 と、 ノ ッキン 2 5 力 ら構成される。
膜電極複合体 2 3 から電流を取り 出すためには、 反応ガス である燃料ガス及び酸化剤ガスを各電極 2 2 a 、 2 2 b にそ れぞれ供給する必要がある。 また、 同時に集電体と しての機 能を持った部品が各電極 2 2 a 、 2 2 b に接した状態で存在 しなければな らない。 これらの反応ガスを各電極 2 2 a 、 2 2 b に混合しないよ う にそれぞれ供給し、 かつ集電体と して の機能を持った部品をセパレータ 2 4 と呼ぶ。
固体高分子膜 2 1 と しては、 パーフルォロ カーポンスルホ ン酸膜な どが用い られ、 固体高分子膜 2 1 は燃料極 2 2 a と 酸化剤極 2 2 b に供給される反応ガスの混合を防ぐ役割もあ るため、 その面積は通常電極の面積よ り 大き く なつている。 セパ レータ 2 4 は 2種類の反応ガスを混合させないため、 ガスが透過しにく い材料である こ とが好ま しく 、 導電性も必 要であるため、 例えば金属やカーボンといった材料が用いら れる。 燃料極 2 2 a側と酸化剤極 2 2 b側のセパ レータ 2 4 は通常表裏で一体化されている。 こ のセパ レータ 2 4 と反応 ガスシール用のパッキン 2 5 が設置され、 単位電池 2 6 を形 成する。 パッキン 2 5 もまた、 2種類の反応ガスの混合や外 部への漏洩を防止するために設けられる。 2種類の反応ガス が混合した り 外部へ漏洩した り といった現象が生じた場合は 高性能で安定した発電を行えない。
単位電池 2 6 は、 膜電極複合体 2 3 と、 燃料極 2 2 a 及び 酸化剤極 2 2 b の両外側に存在する 2つのセパレータ 2 4及 ぴパッキン 2 5 カゝら構成される。
セパ レータ 2 4 には、 反応ガスを各単位電池に供給するた めマ二ホール ド 2 7 と呼ばれる複数の貫通孔、 及びそれらを 結ぶ多数の燃料ガス流路 2 8 a及び酸化剤ガス流路 2 8 b が 形成され、 燃料極 2 2 a及び酸化剤極 2 2 b に電池反応に必 要な燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するガス流路 2 8 を形成 する。 単位電池 2 6 が得られる起電力は 1 V以下と小さいため、 複数の単位電池 2 6 を積層 し、 電気的に直列に接続して燃料 電池ス タ ッ ク 2 9 を構成し、 起電力を高く する。 ス タ ッ ク 2 9 には通常 1 つ又はそれ以上の単位電池 2 6 毎に電池を冷却 するための図示しない冷却板を設ける。
ス タ ッ ク 2 9 は必要数の単位電池 2 6 を積層 した後、 図示 しない締付け板や締付けロ ッ ド、 ス プ リ ング、 ナッ ト等の締 付機構を用いて積層方向に締付けられる。 これは、 各単位電 池 2 6 間の電気的かつ熱的接触及びシール性を確保するため である。 '
一方、 固体高分子型燃料電池を発電するには、 反応ガスを 各電極 2 2 a 、 2 2 b にそれぞれ供給するだけでなく 、 固体 高分子膜 2 1 に水分を与えなければならない。 固体高分子膜 2 1 は水分を吸収する こ と によ り イ オン伝導性が著しく 向上 するためである。 逆に、 水分を与えないと安定した発電を行 えない。
従来の固体高分子型燃料電池では、 反応ガス の流量や流速 温度、 湿度の変化に対して固体高分子膜のイオン伝導性つま り は電池性能が非常に敏感であつたために、 例えば急激な負 荷変動によ り 、 反応ガス がその負荷に適した温度や湿度に落 ち着く までに時間差が生じ、 その間、 燃料電池性能が変化し やすく 不安定であった。 そのため、 燃料電池内も しく は燃料 電池を発電するためのシステ ム内にそのよ う な環境変化に適 応するための機能を設け、 燃料電池性能を常に'安定させる必 要性があった。 と り わけそのよ う な機能を固体高分子型燃料電池本体の中 に設ける方法と して、 例えばセパレータの材料を吸水性の高 い膨張黒鉛で構成した発明が、 U S P 5 3 0 0 3 7 0 に開示 されている。
しかしなが ら、 次のよ う な問題がある。 すなわち、 膨張黒 鉛からなるセパ レータは吸水性かつ親水性であるために、 流 路にたまった水の排出性に優れ、 急激な負荷変動等の環境変 ィ匕に対して安定に追従でき、 ガス透過性も低いと い う メ リ ッ トがあるが、 膨張黒鉛は比較的柔らかい材料でために、 前述 のよ う に固体高分子型燃料電池を締付機構によ り 積層方向に 締付けて保持する と、 圧縮ク リ ープを発生する こ とがあ り 、 これによ り 経時的な反応ガス圧力損失の上昇をもたら して し ま う といった問題があった。 また、 前述のよ う に固体高分子 型燃料電池は膜電極複合体 2 3 とセパ レータ 2 4 の繰り 返し 積層構造であるために、 これら 2 つの部品間の接触抵抗が大 き く 、 電池電圧がその分低く なつて発電効率が低く なる とい つた問題があった。
以上述べた第 1 の公知例の問題点を改善するため、 特開平 9 一 2 7 4 9 2 6 号公報 （第 2 の公知例） では、 次のよ う に したセパ レータが開示されている。 第 2 の公知例は、 接触抵 抗を低減するため、 セパレータ の表面に設けたガス流路を形 成するための凹凸部の う ち凸部に導電性弾性部材を配設した ものである。
しかしながら、 第 2の公知例のセパ レータを、 前述した従 来の技術の固体高分子型燃料電池に適用 した場合、 反応ガス の流量や流速、 温度、 湿度の変化に対して固体高分子膜のィ オン伝導性つま り は電池性能が非常に敏感であるために、 急 激な負荷変動等の環境変化に対して安定に追従できないとい う 問題がぁ クた。
本発明は、 このよ う な問題点を解決するためになされたも ので、 その 目 的は以下の通 り である。 すなわち、 膨張黒鉛か らなるセパ レータは吸水性かつ親水性であるために、 流路に たまった水の排出性に優れ、 急激な負荷変動等の環境変化に 対して安定に追従でき、 しかも高性能で長時間安全で安定し た運転が可能な燃料電池用セパ レータ及びその製造方法並び に該セパ レータ を用いた固体高分子型燃料電池を提供する こ と にある。
発明の開示
前記目的を達成するため、 局面 1 に対応する発明は、 燃料電 池のガス拡散電極に、 燃料ガス と酸化剤ガスを夫々供給ため のガス流路を備え、 前記燃料ガス と酸化剤ガス と の混合を防 ぐ と共に、 集電体と して の機能を有する燃料電池用セパ レー タにおいて、 前記セパ レータは、 板状のカーボン樹脂複合材 と膨張黒鉛層 と を組み合わせて構成したも のであ り 、 前記力 一ボン樹脂複合材の少なく と も片面には、 前記ガス流路を構 成するため の凹部及び凸部が形成され、 前記膨張黒鉛層は、 前記カーボン樹脂複合材の前記凹部及び凸部が形成される部 分を含む板面に配設された燃料電池用セパ レータである。
局面 1 に対応する発明によれば、 以下のよ う な作用効果が 得られる。 すなわち、 セパ レータの基盤をカーボン榭脂複合 材で形成し、 カーボン樹脂複合材のガス流路を形成する。ため の凹部及ぴ凸部の表面に膨張黒鉛層を設けたので、 膨張黒鉛 のメ リ ッ ト をそのまま活かすこ と ができ る。 つま り 、 膜電極 複合体とセパ レータ の表面が馴染みやすく 、 また吸水性であ るために急激な負荷変動等の環境変化に対しても安定に追従 でき る。 更に、 膨張黒鉛のみでセパ レータ を構成する場合に 比べて圧縮ク リ ープを低減する こ とができ、 高性能で長時間 安全で安定した運転が可能と なる。
局面 1 に対応する発明によれば、 加えて、 膨張黒鉛層ば吸 水性が優れている こ と に伴う ゥエ ツ トシール効果でガス透過 性が小さ く なるために、 基盤であるカーボン樹脂複合材の密 度を下げてセパレータを軽量化する こ とができ る。
前記 目 的を達成するため、 局面 2 に対応する発明は、 以下 のよ う に構成したものである。 すなわち、 前記カーボン樹脂 複合材は、 炭素質材料 0 〜 8 5質量％ と熱硬化性樹脂 1 5 〜 1 0 0 °/0を混合した原材料を用いる こ と を特徴とする局面 1 に記載の燃料電池用セパ レータである。
局面 2 に対応する発明によれば、 局面 1 の作用効果に加え て、 カーボン樹脂複合材の組成を上記の比率とする こ と によ り 、 表面に設けた膨張黒鉛層 と熱硬化性樹脂と に十分な結着 効果を得る こ と ができ 、 しかもセパ レータの重量やガス透過 性の低減が図れる。
前記目 的を達成するため、 局面 3 に対応する発明は、 以下 のよ う に構成したものである。 すなわち、 前記膨張黒鉛層は 膨張黒鉛の坪量が 5 0 g / m 2以上 3 0 0 g _ m 2以下であ る こ と を特徴とする局面 1 又は 2 に記載の燃料電池用セパレ ータである。
局面 3 に対応する発明によれば、 次のよ う な作用効果が得 られる。 局面 3 に対応する発明によれば、 局面 1 又は 2 の作 用効果に加えて、 膨張黒鉛層の坪量を上記の範囲とする こ と によ り 、 保水性の効果を確保し、 隣接する部品に対しての表 面の馴染みやすさ を確保しつつも、 圧縮ク リ ープを抑えたセ パレータ を得る こ とができ る。 なお、 膨張黒鉛層の坪量は単 位面積あた り の質量で定義され、 密度と厚さの積で表される 前記目 的を達成するため、 局面 4 に対応する発明は、 以下 のよ う に構成したも のである。 すなわち、 前記セパ レータ は 予め電位測定端子または温度測定用プローブの少なく と も何 れかを組込んだこ と を特徴とする局面 1 〜 3 のいずれか一つ に記載の燃料電池用セパレータである。
局面 4 に対応する発明によれば、 局面 1 〜 3 のいずれかの 作用効果に加えて、 電位測定端子または温度測定用プローブ の少なく と も何れかを組込んだ燃料電池用セパ レータ とする こ と によ り 、
単位電池の電圧または温度を常時容易にモニターする こ とが 可能と なる。 こ のこ と は、 固体高分子型燃料電池は複数の単 位電池の全てで安定した電圧を得る こ とが必要と されるが、 燃料電池の保護のために特定のセル電位または温度をモニタ 一するこ と に有意義である。
前記目 的を達成するため、 局面 5 に対応する発明は、 炭素 質材料 0 〜 8 5質量％と熱硬化性樹脂 1 5 〜 1 0 0 %を混合 した原材料粉末を得る第 1 の工程と、 前記第 1 の工程で得ら れた原材料粉末をプ レス成型用金型の成型空間内面に平面状 に敷き詰め、 その片面又は両面の一部又は全面に膨張黒鉛シ 一 ト を配置する第 2 の工程と 、 前記第 2 の工程で得られた.原 材料粉末と膨張黒鉛シー ト を、 前記プ レス成型用金型を用い て同時にプ レス成型及び成型温度制御をする第 3 の工程と を 含んだこ と を特徴とする燃料電池用セパ レー タ の製造方法で め る。
局面 5 に対応する発明によれば、 カーボン樹脂複合材の片 面又は両面の一部又は全面に膨張黒鉛層を設けて一体化プレ ス成型する こ と ができ、 しかも固体高分子型燃料電池と した 場合の締付け力及び温度を遥かに上回る高圧力高温条件下で のプ レス成型によ り 、 カ ーボ ン榭脂複合材と膨張黒鉛層の密 着構造を得る こ と ができ る。 また、 局面 5 に対応する発明に よれば、 カーボン樹脂複合材中の熱硬化樹脂は、 成型後の熱 硬化によ り 膨張黒鉛層 と の結着作用を発揮する。 また、 熱硬 化樹脂は炭素質材料が作る隙間を埋めるため、 ガス の透過を 低減する効果がある。 更に、 炭素質材料と比較して熱硬化樹 脂の比重は小さいこ と力ゝら、 比較的多く の比率と してもカー ボン樹脂複合材の重量を増加させる こ と はない。
前記目的を達成するため、 局面 6 に対応する発明は、 以下 のよ う に構成したものである。 すなわち、 前記第 2 の工程で 使用する膨張黒鉛シー トは、 該膨張黒鉛の坪量が 5 0 g / m 2以上 3 0 0 g Z m 2以下の もの と したこ と を特徴とする局 面 5 に記載の燃料電池用セパレータの製造方法である。 前記目 的を達成するため、 局面 7 に対応する発明は、 以下 のよ う に構成したものである。 すなわち、 前記第 3 の工程で プ レス成型する際に、 前記セパ レータ成型体に、 電位測定端 子または温度測定用プローブの少なく と も何れかを組込んだ こ と を特徴とする局面 5又は 6 に記載の燃料電池用セパ レー タの製造方法である。
また、 前記目 的を達成するため、 局面 8 に対応する発明は 固体高分子膜の両面に夫々ガス拡散電極を配置した膜電極複 合体と、 前記ガス拡散電極に少なく と も燃料ガス又は酸化剤 ガスの一方を供給するためのガス流路を設けたセパレータを 互いに接触させた繰り 返し積層構造を形成してなる固体高分 子型燃料電池において、
前記セパ レータ は、 板状のカーボン樹脂複合材と膨張黒鉛 層と を組み合わせて構成したも のであ り 、
前記カーボン樹脂複合材の少なく と も片面には、 前記ガス 流路を構成するための凹部及ぴ凸部が形成され、
前記膨張黒鉛層は、 前記カーボン樹脂複合材の前記凹部及 ぴ凸部が形成される部分を含む板面に配設されたこ と を特徴 とする固体高分子型燃料電池である。
前記目 的を達成するため、 局面 9 に対応する発明は、 以下 のよ う に構成したものである。 すなわち、 前記カーボン樹脂 複合材は、 炭素質材料 0 〜 8 5質量％と熱硬化性榭脂 1 5 〜 1 0 0 %を混合した原材料を用いる こ とを特徵とする局面 8 に記載の固体高分子型燃料電池である。
前記目的を達成するため、 局面 1 0 に対応する発明は、 以 下のよ う に構成したものである。 すなわち、 前記膨張黒鉛層 は、 膨張黒鉛の坪量が 5 0 g / m 2以上 3 0 0 g / m 2以下 である こ と を特徴とする局面 8又は 9 に記載の固体高分子型 燃料電池である。
前記目 的を達成するため、 局面 1 1 に対応する発明は、 以 下のよ う に構成したものである。 すなわち、 前記セパレータ は、 予め電位測定端子または温度測定用プローブを組込んだ ものである こ と を特徴とする局面 8 〜 1 0 のいずれか一つに 記載の固体高分子型燃料電池である。
局面 8 〜局面 1 1 のいずれか一つに対応する発明によれば. 次のよ う な問題点を改善でき る作用効果が得られる。 すなわ ち、 急激な負荷変動が生じた場合、 と り わけ急激に高負荷に なった場合、 従来の固体高分子型燃料電池では固体高分子膜 が乾燥して電圧が低下する といつた問題があった。 これに.対 し、 本発明によ る固体高分子型燃料電池では吸水性の高い膨 張黒鉛層が反応ガス中の湿分を吸収する作用がある ので湿分 のバッファ と なってお り 、 そのよ う な急激な負荷変動に対し ても安定した電池電圧が得られる。 また、 流路にたまった水 の排出性にも優れる。 加えて、 膨張黒鉛のみでセパレータ を 成型した場合と は異な り 、 セパ レータ のベース材にカーボン 樹脂複合材を用いて表面のみに膨張黒鉛層を設ける こ と によ り 、 セパ レータ と 隣り 合う膜電極複合体等の部品 との接蝕抵 抗を維持したまま燃料電池全体の圧縮ク リ ーブを極めて低減 する こ とができ る。 加えて、 膨張黒鉛層は吸水するこ と によ り ゥエ ツ ト シール効果でガス透過性が小さ く なるために、 基 盤と なるカーボン樹脂複合材の密度を下げて燃料電池全体を 軽量化するこ とができ る。
この結果、 本発明によれば、 圧縮ク リ ープを低減させる こ とができ、 かつ膜電極複合体とセパレータ と の間の接触抵抗 が急激な負荷変動等の環境変化に対して安定に追従でき、 'し かも高性能で長時間安全で安定した運転が可能な燃料電池用 セパレータ及びその製造方法並びに該セパレータ を用いた固 体高分子型燃料電池を提供する こ とができ る。
図面の簡単な説明
図 1 は本発明の固体高分子型燃料電池に係る第 1 の実施 の形態を説明するための概略構成図。
図 2 は図 1 の固体高分子型燃料電池ス タ ッ ク の断面拡大 図。
図 3 は図 2 のセパ レータのみを拡大して示す断面図。 図 4 は第 1 の実施の形態における i _ V特性試験及び交 流抵抗測定試験結果を表す図。
図 5 は第 1 の実施の形態における負荷変動試験結果を表 す図。
図 6 は第 1 の実施の形態における 5 0 0 時間連続発電試 験結果を表す図。
図 7 は本発明の固体高分子型燃料電池に係る第 3 の実施 の形態を説明するためのセパレータの平面図。
図 8 は第 3 の実施の形態における i 一 V特性試験及び交 流抵抗測定試験結果を表す図。
図 9 は第 3 の実施の形態における負荷変動試験結果を表 す図。 .
図 1 0 は第 3 の実施の形態における 5 0 0 時間連続発電 試験結果を表す図。
図 1 1 は第 3 の実施の形態の固体高分子型燃料電池 Hの セパ レータ断面拡大図。
図 1 2 は従来の固体高分子型燃料電池の単位電池を示す 断面図。
図 1 3 は従来の固体高分子型燃料電池ス タ ッ ク を示す断 面図。
発明を実施するための最良の形態
以下、 本発明の燃料電池用セパレータ及ぴその製造方法並 びに該セパ レータを用いた固体高分子型燃料電池に関する実 施の形態について、 図面を参照して説明する。
(第 1 の実施の形態）
(構成）
本発明によ る第 1 の実施の形態の燃料電池用セパ レータ及 ぴ固体高分子型燃料電池の構成について、 図 1 乃至図 6 を参 照して説明する。 本実施の形態における固体高分子型燃料電 池の基本構造は、 図 1 及び図 2 に示すよ う に前述した従来の 技術と 同様で、 後述する固体高分子型燃料電池ス タ ッ ク 1 と 燃料電池スタ ッ ク 1 の両端部に配設する電流取出 し用締付け 板 1 4 (電流取出 し用締付け上板 1 4 a ， 電流取出 し用締付 け下板 1 4 b ) と、 両電流取出 し用締付け板 1 4及び燃料電 池ス タ ッ ク 1 を締め付けるためのロ ッ ド 1 5 、 皿パネ 1 6 、 絶縁ブッシュ 1 7並びにナツ ト 1 8 力 ら構成されている。 燃料電池ス タ ッ ク 1 は、 図 2 に示すよ う に膜電極複合体 4 と 、 膜電極複合体 4 を挟むよ う に設け られ、 以下に述べるセ ノヽ0 レータ 7 及びセノヽ0レータ 1 0 と 、 燃料セパ レータ 1 1 力、ら なる単位電池 8 を、 互いに接触させ繰り 返し積層構造と した ものである。
膜電極複合体 4 は、 平板状の固体高分子膜 3 の対向する板 面に夫々 ガス拡散電極 2 (燃料極 2 a , 酸化剤極 2 b ) を配 置したものである。
本実施の形態の特徴は、 以下のよ う に構成したセパレータ 7 , 1 0 ， 1 1 を使用 した点にある。 すなわち、 セパ レータ (酸化剤ガスセパレータ及び燃料ガスセパレータ を一体化し たもの） 7 は、 図 3 に示すよ う にカーボン樹脂複合材 1 2 と 膨張黒鉛層 1 3 からなつている。 カーボン樹脂複合材 1 2 は 板状であって、 各板面に夫々燃料ガス流路 6 a及び酸化剤ガ ス流路 6 b を構成するための凹部 1 2 a 及び凸部 1 2 b を、 形成したものであ り 、 膨張黒鉛層 1 3 はカーボン樹脂複合材 1 2 の凹部 1 2 a及び凸部 1 2 b が形成されている部分を含 む板面全てに配設したものである。
セパレータ 1 0 (酸化剤ガスセパレータ及ぴ冷却板を一体 ィ匕したもの） は、 セパレータ 7 と ほぼ同様な構成で、 カーボ ン樹脂複合材 1 2 と膨張黒鉛層 1 3 からな り 、 カーボン樹脂 複合材 1 2 は板状であって、 各板面に夫々冷却水路 6 c及び 酸化剤ガス流路 6 b を構成するための凹部 1 2 a及ぴ凸部 1 2 b を、 形成したものであ り 、 膨張黒鉛層 1 3 はカーボン樹 脂複合材 1 2 の凹部 1 2 a及ぴ凸部 1 2 b が形成されている 部分を含む板面全てに配設したものである。
セパ レータ （燃料ガスセパ レータ及び冷却板を一体化した も の） 1 1 は、 セパ レータ 1 0 と膜電極複合体 4 の間に配設 され、 板状のカーボン樹脂複合材 1 2 の板面の一方は燃料ガ ス流路 6 a を構成するための凹部 1 2 a及び凸部 1 2 b が形 成され、 こ の凹部 1 2 a 及ぴ凸部 1 2 b が形成されている部 分を含む板面 （燃料極 2 a と対向する面） 全てに膨張黒鉛層 1 3 を配設し、 かつ他方の板面はカーボン樹脂複合材 1 2 に は何も形成されず平な面 （セパ レータ 1 0 の冷却水流路 6 c と対向する面） となっている。
以下、 本実施の形態における固体高分子型燃料電池につい て、 詳細に説明する。 燃料極 2 a と酸化剤極 2 b の 2 つの電 極 2 で固体高分子膜 3 を挟持した膜電極複合体 4 の両側に、 マ二ホール ド 5 と呼ばれる複数の貫通孔と、 燃料ガスマニホ ール ド同士をつなぐ燃料ガス流路 6 a及ぴ酸化剤ガスマニホ 一ル ド同士をつなぐ酸化剤ガス流路 6 b をそれぞれ片面ずつ に設けた一体化セパ レータ 7 を配置したものを単位電池 8 と し、 その繰り 返し構造と なっている。 実際の単位電池積層数 は例えば 2 0 である。
また、 セパ レータ 7 と膜電極複合体 4 の間にはガス シール 用のパッキン 9 がそれぞれ設けられてお り 、 外部への漏洩及 ぴ反応ガス同士の混合を防いでいる。 また、 2つの単位電池 毎に合計 1 0枚の冷却板が設けられてお り 、 冷却水流路 6 c には冷却水が流れる。 冷却板と酸化剤ガスセパ レータはー体 化セノ、。レータ 1 0 と なってお り 、 燃料ガスセパレータ 1 1 は 片面の単体品である。
セパレータ 7 の断面を走査型顕微鏡 （ S E M) によ り観察 した。 その断面拡大図を図 3 に示す。 すなわち、 セパレータ 7 は以下に述べる中央の基盤と なっている層であるカーボン 樹脂複合材 1 2 と、 カーボン樹脂複合材 1 2 の凹部 1 2 a 及 ぴ凸部 1 2 b が形成されている部分を含む板面 （表面） に、 以下に述べる膨張黒鉛層 1 3 , 1 3 とからなる 3層構造を し たコ ンポジッ ト品と なっている。
この場合、 膨張黒鉛層 1 3 と しては坪量 1 2 0 g / m 2 即ち厚さ 7 0 μ πι、 密度約 1 . 7 g Z c m 3 の ものを使用 する。 カーボン樹脂複合材 1 2及び膨張黒鉛層 1 3共にガス 流路形状に合わせて凹部及ぴ凸部に成型されている。
次に、 コ ンポジッ ト品のセパレータ 7 の製造方法について 説明する。 こ のセパレータ 7 の製造方法は、 概略次に述べる 第 1 〜第 3 の工程を含んでいる。 第 1 の工程は、 炭素質材料 0 〜 8 5質量％ と熱硬化性榭脂 1 5 〜 1 0 0 %を混合した原 材料粉末を得る工程である。 第 2 の工程は、 前記第 1 の工程 で得られた原材料粉末をプレス成型用金型の成型空間内面に 平面状に敷き詰め、 その片面又は両面の一部又は全面に膨張 黒鉛シー ト を配置する工程である。
第 3 の工程は、 前記第 2 の工程で得られた原材料粉末と膨 張黒鉛シー ト を、 該プレス成型用金型を用いて同時にプレス 成型及び成型温度制御をする工程である。
次に、 その詳細な製造方法について説明する。 炭素質材料 と して、 S E C社製 S G O— 4 5 (アスペク ト比 4 〜 5 ) を 篩分によ り 粒度を 9 0 μ m以下にした後、 1 2 0 °Cで 2 時間 加熱乾燥した。 また、 炭素繊維と してピッチ系炭素繊維を原 料と した具羽化学工業株式会社製 M— 2 0 7 S (平均繊維長 0 . 4 m m ) を同条件で乾燥した。
熱硬化性樹脂と して群栄化学工業株式会社製フエ ノ ール樹 脂 P G— 2 4 1 1 を篩分によ り粒度を 9 0 i m以下と した後 真空乾燥を施した。 その後、 黒鉛粉末を 7 5 質量％、 炭素繊 維を 5質量％、 熱硬化性樹脂を 2 0質量％ と して常温 · 常圧 で Vプレンダ一によ り 混合した。 予め彫刻を施した金型には 金型内部に流路を設けてあ り 、 温水を流して金型を 7 0 °Cに 予備加熱した後、 膨張黒鉛シー ト を下金型に敷き、 原材料を 充填した後、 原材料表面にも膨張黒鉛シー ト と して呉羽化学 工業株式会社製の商品名である ク レグラフを敷いて上金型を 乗せた。
原材料を充填した金型をプレス機に搬送し、 投影断面積で 1 0 M P a の加圧操作を加えた後、 金型内の流路に 1 6 0 °C 以上のスチームを流すこ とで金型内部を昇温した。 この間、 熱硬化性樹脂の可塑化によ り 、 黒鉛粉末と炭素繊維は結合さ れ、 熱硬化性樹脂の硬化によ り 金型の彫刻通 り に硬化される この場合の硬化時間は、 金型内温度 1 5 0 °C以上で 1 0分 間と した。 その後、 加圧状態のままで金型内流路に冷却水を 流し、 金型内部温度が 1 0 0 °C以下に到達した時点で圧力を 開放した後、 成型体を取 り 出 し、 この成型体の余分な箇所を 切断してセパレータを得た。
このよ う なコ ンポジッ ト品のセパレータ及び標準の膜電極 複合体を用いた固体高分子型燃料電池 Aを図 1 の よ う に電流 取出 し用締付け板 1 4 a 、 1 4 b 、 ロ ッ ド 1 5 、 皿パネ 1 6 絶縁ブッシュ 1 7 、 ナッ ト 1 8等によ り積層方向に締付け、 加湿した反応ガス及び冷却水を供給して発電試験を行った。
比較例と して、 セパ レータ材料のみを変更し、 膜電極複合 体等の他の部品は全く 同 じ仕様の固体高分子型燃料電池 （単 位電池数 ： 2 0 ) を更に 3 つ製作した。 1 つ 目 はセパ レータ 材料を膨張黒鉛層 1 3 のみと した仕様の固体高分子型燃料電 池 B 、 2つ 目 はコ ンポジッ トセパ レータの基盤と なっている カーボン樹脂複合材 1 2 のみと した仕様の固体高分子型燃料 電池 C、 3 つ 目 は C のセパ レータ と 同じ構成で、 その材料を 膨張黒鉛 1 3 と 同程度のガス透過性を有するカーボン樹脂複 合材と した固体高分子型燃料電池 Dである。 D のセパ レータ は Aや C のそれと比べて比重が大き く 、 C のセパ レータ よ り もガス透過性が小さい。
これら 4 つの固体高分子型燃料電池の発電試験を行い、 比 較評価した。 4つの固体高分子型燃料電池の発電試験と して 電流密度一電圧特性試験 （ i 一 V特性試験） 、 交流抵抗測定 試験、 負荷変動試験、 5 0 0 時間連続発電試験及び酸化剤ガ ス圧力損失のモニタ ーを行った。
(実験結果及び作用）
i [電流密度 （ A / c m 2 ) ] - V [スタ ック電圧 （V ) ] 特性試験及ぴ交流抵抗測定試験の結果を図 4 に示す。 固体高 分子型燃料電池 A、 B に関しては、 ほぼ同様の i 一 V特性が 得られたが、 固体高分子型燃料電池 C、 Dに関しては、 Aや B と比べて i 一 V曲線の傾きが大き く なつた。 また固体高分 子型燃料電池 Cに関しては開路電圧 （ O C V、 無負荷状態） 及び近傍における電圧の値が低く なつた。 更に、 電流密度と 交流抵抗測定に関しても C、 Dの方が A、 B と比べて高い結 果と なった。
これは、 C、 Dに関しては接触抵抗と り わけ電気的接触抵 抗が大きいためである。 逆に Aは膨張黒鉛 1 3 のみのセパ レ ータ を採.用 した B と 同 じ交流抵抗値であ り 、 カーボン榭脂複 合材 1 2 の表面に 7 0 μ mの膨張黒鉛層 1 3 を設けた構造に する こ と によ り 、 B と 同 じ接触抵抗まで低減できた。 また C の電圧が低負荷時に低下するのは、 コンポジッ ト品のセパ レ ータ の基盤と して用いたカーボン樹脂複合材 1 2 のガス透過 性が大き く 、 それを介して燃料ガス と酸化剤ガスが混合する とレヽつた、 いわゆる ク ロスオーバーを起こ しているためであ る。
次に、 負荷変動試験結果を図 5 に示す。 負荷 （電流密度） 変動の シーケ ンス は 「 0 . 0 5 A / c m 2 → 0 . 5 A / c m 2 → 0 . 0 5 A / c m 2 → 0 . 5 A / c m 2」 と し、 各負荷での保持時間は 5分、 負荷変動操作は 1 秒間以内 と した。 またその間、 ガス利用率及び冷却水温度は 一定と した。 各負荷における電圧及ぴ交流抵抗の ト レン ドを 測定した と こ ろ、 A、 B、 はほぼ同様の ト レ ン ドを示し、 C は上記の要因によ り 電圧が若干低いが A、 B と近い ト レ ン ド を示した。 D に関しては負荷上昇直後に他と比べて電圧が低 く な り 、 交流抵抗値が高く なつた。 これは、 負荷上昇に伴い反応ガス流量 （と り わけ酸化剤ガ ス流量） も急増 し蒸発容量が増える状態にシフ トするが、 D に関しては蒸発すべき水が欠乏 してお り 、 固体高分子膜 3 中 の水分が蒸発 して しま う。 従って、 交流抵抗値も高く なる。 逆に、 A、 B 、 Cに関 しては、 ガス流路 6 a 、 6 b を形成し ているセパ レータ材料の中に、 負荷変動に十分追従するだけ の蒸発可能な水分が含まれているために、 電圧は安定し、 交 流抵抗値は殆ど変化ない。
次に、 5 0 0 時間連続発電試験結果と酸化剤ガス圧力損失 ト レ ン ドを図 6 に示す。 電流密度は 0 . 2 A Z c m 2に固 定し、 ガス利用率及び冷却水温度も一定と した。 電圧変化に 関しては、 いずれの電池電圧も安定した ト レ ン ドを示した。 酸化剤ガス圧力損失変化に関 しては、 A、 C、 Dは 5 0 0 時 間を通して圧力損失の上昇は殆ど確認できなかったが、 B は 初期の 1 0 0 時間程度まで緩やかな圧力損失の上昇が見られ その後はほぼ一定であった。
B に関 しては、 セパ レータ 7 を膨張黒鉛 1 3 のみで成型し ているためにセパ レータ 1 枚あた り の圧縮ク リ ーブ量が大き く 、 結果と して初期 1 0 0 時間程度まで圧力損失の増加が見 られたが、 その後は圧縮ク リ ーブが飽和に達したために一定 値に収まった。
以上述べた製造方法は、 セパレータ 7 についてであるが、 これ以外のセパ レータ 1 0 ， 1 1 についても同様である。
(効果）
以上述べた第 1 の実施の形態によれば、 次のよ う な作用効 果が得られる。
( 1 ) セノ レータ 7 , 1 0， 1 1 は、 カーボン樹脂複合材 1 2 と膨張黒鉛層 1 3 からな り 、 カーボン榭脂複合材 1 2 は 板状であって該板面にガス流路を構成するため の凹部 1 2 a 及ぴ凸部 1 2 b を形成したも のであ り 、 膨張黒鉛層 1 3 は力 一ボン樹脂複合材 1 2 の凹部 1 2 a 及び凸部 1 2 b が形成さ れている部分を含む板面に配設したので、 反応ガス圧力損失 の上昇を抑え られ、 軽量かつ高性能で長時間安全で安定した 運転が可能な固体高分子型燃料電池を得る こ とができる。
( 2 ) 吸水性の高い膨張黒鉛層 1 3 が反応ガス中の湿分を 吸収しているので、 湿分のバッファ と な り 、 負荷変動時でも 安定した特性を維持する固体高分子型燃料電池が得られる。
( 3 ) カーボン樹脂複合材 1 2 の少なく と も片面の一部又 は全面に膨張黒鉛層 1 3 を設けて一体化プ レス成型する こ と によ り 、 省力化が可能で、 長時間安定した運転が可能な固体 高分子型燃料電池を得る こ と ができ る。
セパ レータ の接触抵抗とガス透過性を低減でき 、 軽量かつ高 性能で安定した固体高分子型燃料電池が得られる。
(第 2 の実施の形態）
(構成）
図 3 と 同 じ構成及ぴ外形で、 セパ レータ 7 の中央の基盤と なっているカーボン樹脂複合材 1 2 の組成が異なるセパ レー タ 、 b、 c、 d を製作した。
a、 b、 c、 d共に基本的なセパ レータ の製造方法は第 1 の 実施の形態に記した通 り であるが、 製品における炭素質材料 と熱硬化性樹脂の混合割合は、 a 、 b 、 c 、 d の順にそれぞ れ 0質量％— 1 0 0質量％、 5 0質量％— 5 0 質量％、 8 5 質量％— 1 5 質量％、 9 0 質量％— 1 0質量％それそれの炭 素質材料での黒鉛粉末と炭素質繊維の混合割合は、 7 5 質 量％及ぴ、 2 5 質量0 /0と した。 まず、 a 、 b 、 c 、 d のセパ レータ の重量を比較した。 次に、 これらのセパ レータを超純 水の満たされたガラス製の加熱可能な容器を用いて、 8 0 °C で 1 0 0 0 時間の連続加熱試験を行い、 膨張黒鉛層 1 3 と 力 一ボン樹脂複合材 1 2 の剥離テス ト を実施した。 更に、 連続 加熱試験を実施した後、 それぞれのセパ レータ を 1 2 0 °Cで 2 時間乾燥後、 ガス透過量測定装置を用いてヘリ ゥムで 5 0 k P a の圧力を力 Bえてヘリ ゥム透過量の比較を行った。
(実験結果及び作用）
まず、 a 、 b 、 c 、 d のセパ レータの重量を比較した と こ ろ、 a 、 b 、 c 、 d の順に重量が増加した。 . 次に、 8 0 °Cで実施した 1 0 0 0 時間の連続加熱試験にお いて、 a 、 b 、 c に関しては膨張黒鉛層 1 3 の剥離は生じな かったが、 d に関しては部分的に剥離が見られた。 また、 そ の後の 1 2 0 °Cの乾燥において、 d に関しては膨張黒鉛層内 部の水分の蒸発による膨れや、 さ らには破裂が発生した。
また、 ガス透過量測定装置でヘリ ゥム透過量を測定した結 果、 a 、 b 、 c 力 S 1 0 — 3 m l / s e c Z c m 2であっ たの に対して d は 1 O m l / s e c Z c m 2であ り 、 ヘリ ウム透 過量が増大した。
(効果） セパ レータ のカーボン樹脂複合材と して、 炭素質材料 0 〜 8 5 %と熱硬化性樹脂 1 5 〜 1 0 0 %を混合した原材料を使 用する こ と で、 固体高分子型燃料電池の軽量化を図る こ とが でき る。 また、 カーボン樹脂複合材と膨張黒鉛層の結着効果 が賦与され、 固体高分子型燃料電池の長時間発電の際に、 セ パ レータ における膨張黒鉛層の剥離を生じる こ と がな く 、 安 定した発電が可能と なる。 更に、 セパレータのガス透過性が 低減される こ と によ り 、 高性能な固体高分子型燃料電池が得 られる。
(第 3 の実施の形態）
(構成）
図 2 、 図 3 と 同 じ構成及ぴ外形で、 セパ レータ 7 の表面に設 ける膨張黒鉛層 1 3 の坪量のみが異なる 4つの固体高分子型 燃料電池 E 、 F 、 G、 Hを製作した。
E、 F 、 G、 H共に基本的なセパ レータ の製造方法は第 1 の 実施の形態に記した通 り であるが、 製品における膨張黒鉛層 の坪量は E 、 F 、 G、 Hの順にそれぞれ 3 0 g / m 2、 5 0 g / m 2 、 3 0 0 g / m 2 、 5 0 0 g / m 2である， この と き、 同様に S E Mによ り セパ レータ 7 の断面を観察し たと ころ、 膨張黒鉛層 1 3 の厚さはそれぞれ 1 8 μ m , 3 0 μ m Ν 1 8 0 m , 4 0 0 ^ m 密度は E、 F 、 Gが約 1 . 7 g / c m 3 11カ 約 1 . 3 g Z c m 3であった。 また、 各 セパレータの う ち電池の積層方向両端部 （ N o . 1 及ぴ N o 2 1 ) に位置するセパ レータ と 、 中央に位置するセパ レータ ( N o . 1 1 ) に関 しては、 図 7 のよ う にセノ レータ 7 の隅 において対角線状に電位測定用の銅線 1 9 を、 及びセパ レー タ中央部の温度測定を行 う ために中央部から 4 隅を結ぶ辺の 中点の 1 つに向けて、 シース径 φ θ . 5 m mの K型熱電対 2 0 をそれぞれセパ レータ内部に埋蔵した。 各銅線 1 9 におけ る電位差を測定して上部 （ N 0 . 1 〜 N o . 1 0 ) 及び下部 ( N o . l l 〜 N o . 2 0 ) の半電池電圧と した。 上部と,下 部の半電池 （ス タ ッ ク の半分） 電圧差及び温度は、 それぞれ 基準値を上回ったと きに発電を停止する といつた保護が働く シス テム と な っ てレヽ る。
これら 4 つのセパ レータ を用いた固体高分子型燃料電池 E F 、 G、 Hの発電試験を行い、 4つの固体高分子型燃料電池 の発電試験と して、 電流密度一電圧特性試験 （ 1 ー 特性試 験） 、 交流抵抗測定試験、 セパ レータ 中央部温度測定、 負荷 変動試験、 5 0 0 時間連続発電試験及び酸化剤ガス圧力損失 のモニターを行った。 また、 合わせて膨張黒鉛層の圧縮タ リ ープとガス流路深さの検討も行った。
(実験結果及び作用）
図 8 に i 一 V特性試験及び交流抵抗測定試験の結果を示す F、 G、 Hはほぼ同様の i 一 V特性試験及び交流抵抗値と な つたが、 Eに関 しては高電流密度になるに連れて電圧低下が 顕著になった。 また、 交流抵抗測定に関しても他と比べて E は大きい結果と なった。 更に、 E、 F、 G、 Hにおいて上記 3本の熱電対温度を測定した と ころ、 電流密度 0. 5 AZ c m 2において N o . 1 1 のセノ レータ 7 に挿入した熱電対 2 0 の温度は、 E に関 しては 8 5 °Cであ り 、 F 、 G、 Hに関し ては 8 0 °Cであった。 また、 半電池電圧差はいずれも基準値 を超える こ と はなかった。
次に、 負荷変動試験結果を図 9 に示す。 負荷 （電流密度） 変動の シーケ ンス は 「 0 . 0 5 A / c m 2 → 0 . 5 A / c m 2 → 0 . 0 5 A / c 2 → 0 . 5 A / c m 2」 と し、 各負荷での保持時間は 5 分、 負荷変動操作は 1 秒間以内 と した。 またその間、 ガス利用率及ぴ冷却水温度は 一定と した。 各負荷における電圧及び交流抵抗の ト レン ドを 測定したと こ ろ、 Eに関しては電圧そのものが低い以外に負 荷追従性が遅れる結果と なったが、 F 、 G、 Hはほぼ同様の ト レン ドを示した。
これらの試験結果よ り 、 電気的及び熱的接触抵抗の低減、 更に負荷追従性を確保するための膨張黒鉛層の十分な吸水性 とい う 点力ゝら、 膨張黒鉛層 1 3 の坪量が 3 0 g ノ m 2では 不十分であ り 、 5 0 g / m 2以上とすれば、 その効果が得 られる とい う こ と を確認した。
次に、 5 0 0 時間連続発電試験結果と酸化剤ガス圧力損失 ト レ ン ドを図 1 0 に示す。 電流密度は 0 . 2 A / c m 固定し、 ガス利用率及び冷却水温度も一定と した。 電圧変化 に関しては、 いずれの電池電圧も安定した ト レ ン ドを示した 酸化剤ガス圧力損失変化に関しては、 E、 F 、 Gは 5 0 0 時 間を通して圧力損失の上昇は殆ど確認できなかったが、 Hは 初期の 1 0 0 時間程度まで緩やかな圧力損失の上昇が見られ その後はほぼ一定であった。
Hに用いたセパ レータ 7 の断面拡大図を図 1 1 に示す。 図 2 に示すセパ レータ断面拡大図の場合と異な り 、 坪量 5 0 0 g ノ m 2の場合は成型性が悪く なるためセパ レータ 7 の成型 時の凹凸部における膨張黒鉛層 1 3 の厚さが異な り 、 囬部の 厚さ に比べて凸部の方が厚く なる。 つま り 、 凸部の膨張黒鉛 層 1 3 の密度が低く なる。 そのため、 圧縮ク リ ープ量が大き く なるために酸化剤ガス の圧力損失が経時的に上昇した。 初 期 6 0 時間程度まで圧力損失の上昇が見られたが、 その後は 圧縮ク リ ープが飽和に達したために一定値に収まった。
こ の試験結果よ り 、 膨張黒鉛層 1 3 の坪量が 3 0 0 g / m 2以下であれば反応ガス圧力損失の経時的上昇を抑える こ と ができ る こ と を確認した。
以上から、 膨張黒鉛層 1 3 の坪量は 5 0 g / m 2以上 3 0 0 g Z m 2以下の範囲である こ とが望ま しい。
(効果）
膨張黒鉛層の坪量を 5 0 g / m 2以上 3 0 0 g / m 2以 下とする こ と によ り 、 セパ レータ と膜電極複合体と の間の接 触抵抗を十分に低減でき、 負荷追従性も良好で、 かつ締付け 荷重によるセパ レータの圧縮ク リ ーブに起因する反応ガス圧 力損失の上昇を招く こ と なく 、 高性能で安定した固体高分子 型燃料電池が得られる。
加えて、 予め電位測定端子または温度測定用プローブを組 込んで一体化プ レス成型したカーボン樹脂複合材セパ レータ である こ と を特徴とする固体高分子型燃料電池を提供する こ と によ り 、 プローブの抜けによ る短絡事故の危険性を防止す る こ と ができ、 電池の診断が容易と な り 、 安全性が向上する 本発明は、 前述の実施形態では、 燃料電池用セパ レータ と して固体高分子型燃料電池に適用 した例について説明 したが 固体高分子型燃料電池以外の燃料電池にも適用でき る。
産業上の利用可能性
本発明の燃料電池用セパ レータ及ぴその製造方法並びに該 セパ レータを用いた固体高分子型燃料電池は、 各種電源例え ば車载用電源や定置用電源と しても利用可能な燃料電池に利 用でき る。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . 燃料電池のガス拡散電極 （ 2 a ， 2 b ) に、 燃料ガ ス と酸化剤ガスを夫々供給ためのガス流路 （ 6 a , 6 b ) を 備え、 前記燃料ガス と酸化剤ガス と の混合を防ぐと共に、 集 電体と しての機能を有する燃料電池用セパレータ （ 7 ， 1 0 1 1 ) において、
前記セパ レータ （ 7 ， 1 0 ， 1 1 ) は、 板状のカーボン樹 脂複合材 （ 1 2 ) と膨張黒鉛層 （ 1 3 ) と を組み合わせて構 成したものであ り 、
前記カーボン樹脂複合材 （ 1 2 ) の少なく と も片面には、 前記ガス流路を構成するための凹部及ぴ凸部が形成され、 前記膨張黒鉛層 （ 1 3 ) は、 前記カーボン樹脂複合材 （ 1 2 ) の前記凹部及び凸部が形成される部分を含む板面に配設 されたこ と を特徴とする燃料電池用セパ レータ。
2 . 前記カーボン樹脂複合材は、 炭素質材料 0 〜 8 5質 量％と熱硬化性樹脂 1 5 〜 1 0 0 %を混合した原材料を用い る こ と を特徴とする局面 1 に記載の燃科電池用セパ レータ。
3 . 前記膨張黒鉛層は、 膨張黒鉛の坪量が 5 0 g / m 2 以上 3 0 0 g / m 2以下である こ と を特徴とする請求項 1 又 は 2 に記載の燃料電池用セパレータ。
4 . 前記セパ レータは、 予め電位測定端子または温度測 定用プローブの少なく と も何れかを組込んだものである こ と を特徴と'する請求項 1 〜 3 のいずれか一つに記載の燃料電池 用セノ レータ。
5 . 炭素質材料 0 〜 8 5質量％と熱硬化性樹脂 1 5 〜 1 0 0 %を混合した原材料粉末を得る第 1 の工程と、
前記第 1 の工程で得られた原材料粉末をプ レス成型用金型の 成型空間内面に平面状に敷き詰め、 その片面又は両面の一部 又は全面に膨張黒鉛シー トを配置する第 2 の工程と 、 前記第 2 の工程で得られた原材料粉末と膨張黒鉛シー ト を、 前記プ レス成型用金型を用いて同時にプ レス成型及び成型温 度制御をする第 3 の工程
を含んだこ と を特徴とする燃料電池用セパ レータ'の製造方 法。
6 . 前記第 2 の工程で使用する膨張黒鉛シー トは、 該膨 張黒鉛の坪量が 5 0 g Z m 2以上 3 0 0 g / m 2以下のもの と したこ と を特徴とする請求項 5 に記載の燃料電池用セパ レ ータ の製造方法。
7 . 前記第 3 の工程でプ レス成型する際に、 前記セパ レ ータ成型体に、 電位測定端子または温度測定用プローブの少 なく と も何れかを組込んだこ と を特徴とする請求項 5又は 6 に記載の燃料電池用セパ レータの製造方法。
8 . 固体高分子膜の両面に夫々ガス拡散電極を配置した 膜電極複合体と、 前記ガス拡散電極に少なく と も燃料ガス又 は酸化剤ガス の一方を供給するためのガス流路を設けたセパ レータを、 互いに接触させた繰り 返し積層構造を形成してな る固体高分子型燃料電池において、
前記セパ レータは、 板状のカーボン樹脂複合材と膨張黒鉛 層と を組み合わせて構成したも のであ り 、
前記カーボン樹脂複合材の少なく と も片面には、 前記ガス 流路を構成するための凹部及ぴ凸部が形成され、 前記膨張黒鉛層は、 前記カーボン樹脂複合材の前記凹部及 び凸部が形成される部分を含む板面に配設されたこ と を特徴 とする固体高分子型燃料電池。
9 . 前記カーボン樹脂複合材は、 炭素質材料 0 〜 8 5質 量％ と熱硬化性樹脂 1 5 〜 1 0 0 %を混合した原材料を用い る こ と を特徴とする請求項 8 に記載の固体高分子型燃料電池
1 0 . 前記膨張黒鉛層は、 膨張黒鉛の坪量が 5 0 g / m 2以上 3 0 0 g Z m 2以下である こ と を特徴とする請求項 8 又は 9 に記載の固体高分子型燃料電池。
1 1 . 前記セパレータは、 予め電位測定端子または温度 測定用プロープの少なく と も何れかを組込んだものである こ と を特徴とする請求項 8 〜 1 0 のいずれか一つに記載の固体 高分子型燃料電池。
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