特許 7522760 セパレータ、燃料電池及びセパレータの製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-07-17

(45)【発行日】2024-07-25

(54)【発明の名称】セパレータ、燃料電池及びセパレータの製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/0228 20160101AFI20240718BHJP

   H01M 8/0206 20160101ALI20240718BHJP

   H01M 8/021 20160101ALI20240718BHJP

   H01M 8/0221 20160101ALI20240718BHJP

   H01M 8/0247 20160101ALI20240718BHJP

   H01M 8/10 20160101ALI20240718BHJP

   H01M 8/247 20160101ALI20240718BHJP

【ＦＩ】

H01M8/0228

H01M8/0206

H01M8/021

H01M8/0221

H01M8/0247

H01M8/10 101

H01M8/247

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2021558032

(86)(22)【出願日】2020-11-12

(86)【国際出願番号】 IB2020060656

(87)【国際公開番号】W WO2021099896

(87)【国際公開日】2021-05-27

【審査請求日】2022-02-24

(31)【優先権主張番号】P 2019209818

(32)【優先日】2019-11-20

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(31)【優先権主張番号】P 2020101107

(32)【優先日】2020-06-10

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】591245473

【氏名又は名称】ロベルト・ボッシュ・ゲゼルシャフト・ミト・ベシュレンクテル・ハフツング

【氏名又は名称原語表記】ＲＯＢＥＲＴ ＢＯＳＣＨ ＧＭＢＨ

(74)【代理人】

【識別番号】100177839

【弁理士】

【氏名又は名称】大場 玲児

(72)【発明者】

【氏名】卜 同

(72)【発明者】

【氏名】上原 茂高

(72)【発明者】

【氏名】高椋 庄吾

【審査官】山本 雄一

(56)【参考文献】

【文献】特開２００５－０７１７８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－２０９２６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－０７１０８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１９／０２９７６９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】Haobing Wang et al.，Synthesis of Self-Healing Polymers by Scandium-Catalyzed Copolymerization of Ethylene and Anisylpropylenes，JOURNAL OF AMERICAN CHEMICAL SOCIETY，AMERICAN CHEMICAL SOCIETY，2019年02月06日，Vol.141，pp.3249-3257

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ ８／００－ ８／０２９７

Ｈ０１Ｍ ８／０８－ ８／２４９５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

導電性の基板（４１）と、前記基板（４１）の表面の少なくとも一部を覆う保護層（４２）と、を備える燃料電池用セパレータ（４）であって、
前記保護層（４２）は、エチレンとアニシルプロピレンの共重合体からなる自己修復性材料を含む、
セパレータ（４）。

【請求項2】

前記基板（４１）の表面には、凹部（４ａ）が設けられ、
前記保護層（４２）は、前記凹部（４ａ）の少なくとも一部に設けられる、
請求項１に記載のセパレータ（４）。

【請求項3】

複数の膜電極接合体（３）を含む燃料電池（１００）であって、
前記膜電極接合体（３）の両側に配置され、前記膜電極接合体（３）側の表面に凹部（４ａ）が設けられた１対のセパレータ（４）を備え、
前記セパレータ（４）は、導電性の基板（４１）と、前記基板（４１）の表面の少なくとも一部に設けられた保護層（４２）と、を備え、
前記保護層（４２）は、エチレンとアニシルプロピレンの共重合体からなる自己修復性材料を含む、
燃料電池（１００）。

【請求項4】

前記自己修復性材料は、水分子が存在し、外部から自己修復のための作用が入力されない場合でも自己修復性を有する、
請求項３に記載の燃料電池（１００）。

【請求項5】

前記燃料電池（１００）が備える部材により締め付けられ、前記自己修復性材料同士が接触し、結合する、
請求項３又は４に記載の燃料電池（１００）。

【請求項6】

導電性の基板（４１）と、前記基板（４１）の表面の少なくとも一部に設けられた保護層（４２）と、を備える燃料電池用セパレータ（４）の製造方法であって、
前記基板（４１）の少なくとも一部の表面上に保護層（４２）を形成するステップと、
前記保護層（４２）が形成された前記基板（４１）を成形加工するステップと、を含み、
前記保護層（４２）は、エチレンとアニシルプロピレンの共重合体からなる自己修復性材料を含む、
セパレータ（４）の製造方法。

【請求項7】

前記基板（４１）のロールが巻き出されて、搬送され、
前記保護層（４２）を形成するステップは、前記搬送される基板（４１）に前記保護層（４２）を形成し、
前記成形加工するステップは、前記搬送される基板（４１）に前記成形加工を行う、
請求項６に記載のセパレータ（４）の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、セパレータ、燃料電池及びセパレータの製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

固体高分子型燃料電池は、一般的に、燃料ガスを化学反応させて発電する膜電極接合体と、その両側に配置された１対のセパレータとを備える。膜電極接合体と接するセパレータの表面には、燃料ガスの流路を形成する凹部がプレス加工等によって設けられる。

【0003】

燃料電池の使用環境下では、金属製のセパレータの表面に腐食による酸化膜が形成されることがある。酸化膜は、電極との接触抵抗を高め、セパレータの集電性能を低下させやすい。そのため、導電性フィラーを含む樹脂層によりセパレータの表面を被覆して、セパレータの耐食性を高めることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特許第４４５８８７７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

樹脂層の形成後にカット加工及びプレス加工等の加工成形を行うと、樹脂層の内部にピンホールやボイド、クラック等の欠陥が発生しやすい。このような樹脂層中の欠陥を修復するには、上記特許文献１のように樹脂層中の樹脂を溶融させる加熱処理が必要であり、製造コストがかかる。

【0006】

一方、加工成形後に樹脂層を形成すれば、加工成形による欠陥は発生しない。しかし、製造時に欠陥を修復するか、欠陥の発生を回避できたとしても、樹脂層自体が脆いため、製造後にクラック等の欠陥が生じて腐食が生じる可能性がある。基板自体に欠陥が生じることもあり、この場合は基板及び樹脂層の欠陥部分から燃料ガスが外部へ漏れる可能性がある。

【0007】

金属製ではなく、カーボン製のセパレータにおいても、製造時又は製造後に欠陥が生じることがある。

【0008】

本発明は、耐食性及び燃料ガスの封止性に優れたセパレータの提供を目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明の一態様は、導電性の基板（４１）と、前記基板（４１）の表面の少なくとも一部を覆う保護層（４２）と、を備える燃料電池用セパレータ（４）であって、前記保護層（４２）は、自己修復性材料を含む。

【0010】

本発明の他の一態様は、導電性の燃料電池用セパレータ（４Ｃ）であって、内部に自己修復性材料を含む。

【0011】

本発明の他の一態様は、複数の膜電極接合体（３）を含む燃料電池（１００）であって、前記膜電極接合体（３）の両側に配置され、前記膜電極接合体（３）側の表面に凹部（４ａ）が設けられた１対のセパレータ（４）を備え、前記セパレータ（４）は、導電性の基板（４１）と、前記基板（４１）の表面の少なくとも一部に設けられた保護層（４２）と、を備え、前記保護層（４２）は、自己修復性材料を含む。

【0012】

本発明の他の一態様は、複数の膜電極接合体（３）を含む燃料電池（１００）であって、前記膜電極接合体（３）の両側に配置され、前記膜電極接合体（３）側の表面に凹部（４ａ）が設けられた１対のセパレータ（４Ｃ）を備え、前記セパレータ（４Ｃ）は、内部に自己修復性材料を含む。

【0013】

本発明の他の一態様は、導電性の基板（４１）と、前記基板（４１）の表面の少なくとも一部に設けられた保護層（４２）と、を備える燃料電池用セパレータ（４）の製造方法であって、前記基板（４１）の少なくとも一部の表面上に保護層（４２）を形成するステップと、前記保護層（４２）が形成された前記基板（４１）を成形加工するステップと、を含み、前記保護層（４２）は、自己修復性材料を含む。

【発明の効果】

【0014】

本発明によれば、耐食性及び燃料ガスの封止性に優れたセパレータを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】第１実施形態の燃料電池の構成を示す断面図である。

【図2】セルの構成を示す断面図である。

【図3】第１実施形態におけるセパレータの構成を示す拡大断面図である。

【図4】セパレータの製造過程を模式的に示す図である。

【図5】第２実施形態におけるセルの構成を示す断面図である。

【図6】カーボン製セパレータの製造過程を示す側面図である。

【図7】カーボン製セパレータの製造過程を示す側面図である。

【図8】カーボン製セパレータの凹部の拡大図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、本発明のセパレータ、燃料電池及びセパレータの製造方法の実施の形態について、図面を参照して説明する。以下に説明する構成は、本発明の一例（代表例）であり、これに限定されない。

【0017】

〔第１実施形態〕
（燃料電池）
図１は、本実施形態の燃料電池１００の構成を示す。
本実施形態の燃料電池は、例えば車両等の移動体に搭載され、燃料ガスを化学反応させて発電することにより移動体の駆動電力を供給するが、移動体に限らず、定置発電システム等の燃料電池にも本発明を適用できる。

【0018】

図１に示すように、燃料電池１００は、スタックされた複数のセル１０と、各セル１０のスタック方向の両側にそれぞれ配置された１対の集電体プレート１１、１対の絶縁体プレート１２及び１対のエンドプレート１３とを備える。また、燃料電池１００は、少なくとも一方側のエンドプレート１３に取り付けられるガス管１４を備える。ガス管１４は図示しないマニホールドに連通する。

【0019】

セル１０、ガス管１４側の集電体プレート１１、絶縁体プレート１２及びエンドプレート１３には、ガス管１４に連通し、セル１０のスタック方向に貫通する４つの貫通孔Ｐ１～Ｐ４が設けられる。これらの貫通孔Ｐ１～Ｐ４を通じて、燃料ガスの供給と排出が行われる。

【0020】

燃料電池１００は、集電体プレート１１、絶縁体プレート１２、エンドプレート１３及びガス管１４の各部材間に、シール材１５を備える。シール材１５は、例えば貫通孔Ｐ１～Ｐ４の外側を囲むＯリングであり、エラストマー材料を含んで構成される。シール材１５が隣接する各部材に接触して貫通孔Ｐ１～Ｐ４の外周を封止することにより、貫通孔Ｐ１～Ｐ４からのガス漏れを抑えることができる。

【0021】

１対のエンドプレート１３はボルトとナット等の締め付け部材により締め付けられ、燃料電池１００にはエンドプレート１３により挟まれる燃料電池１００の各部材のスタック方向に締め付け力が作用する。この締め付け力により、エンドプレート１３間の各部材のスタック構造が固定されるとともに、燃料ガスが燃料電池１００内に封止される。

【0022】

図２は、セル１０の構成を示す。
セル１０は、膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）３と、ＭＥＡ３の両側に配置された１対のセパレータ４と、ＭＥＡ３の外周縁を囲むサブガスケット５と、を備える。ＭＥＡ３は、電解質膜１及び１対の電極２を備える。１対の電極２は電解質膜１を挟持する。

【0023】

電解質膜１は、イオン伝導性の高分子電解質の膜である。電解質膜１に使用できる高分子電解質としては、例えばナフィオン（登録商標）、アクイヴィオン（登録商標）等のパーフルオロスルホン酸ポリマー；スルホン化ポリエーテルエーテルケトン（ＳＰＥＥＫ）、スルホン化ポリイミド等の芳香族系ポリマー；ポリビニルスルホン酸、ポリビニルリン酸等の脂肪族系ポリマー等が挙げられる。

【0024】

電解質膜１は、耐久性向上の観点から、多孔質基材１ａに高分子電解質を含浸させた複合膜であることができる。多孔質基材１ａとしては、高分子電解質を担持できる空隙を有するのであれば特に限定されず、多孔質状、織布状、不織布状、フィブリル状等の膜を用いることができる。多孔質基材１ａの材料としても特に限定されないが、イオン伝導性を高める観点から、上述したような高分子電解質を用いることができる。なかでも、ポリテトラフルオロエチレン、ポリテトラフルオロエチレン－クロロトリフルオロエチレン共重合体、及びポリクロロトリフルオロエチレン等のフッ素系ポリマーは、強度及び形状安定性に優れる。

【0025】

１対の電極２のうち、一方の電極２はアノードであり、燃料極とも呼ばれる。他方の電極２はカソードであり、空気極とも呼ばれる。燃料ガスとして、アノードには水素ガスが供給され、カソードには酸素ガスを含む空気が供給される。

【0026】

アノードでは、水素ガス（Ｈ_２）から電子（ｅ^－）とプロトン（Ｈ^＋）を生成する反応が生じる。電子は、図示しない外部回路を経由してカソードへ移動する。この電子の移動により外部回路では電流が発生する。プロトンは電解質膜１を経由してカソードへ移動する。

【0027】

カソードでは、外部回路から移動してきた電子により、酸素ガス（Ｏ_２）から酸素イオン（Ｏ_２ ^－）が生成される。酸素イオンは、電解質膜１から移動してきたプロトン（２Ｈ^＋）と結合して、水（Ｈ_２Ｏ）になる。

【0028】

電極２は、触媒層２１を備える。本実施形態の電極２は、燃料ガスの拡散性向上のため、ガス拡散層２２を備える。ガス拡散層２２は、触媒層２１のセパレータ４側に配置される。

【0029】

触媒層２１は、触媒によって水素ガス及び酸素ガスの反応を促進する。触媒層２１は、触媒と、触媒を担持する担体及びこれらを被覆するアイオノマーを含む。
触媒としては、例えば白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、タングステン（Ｗ）等の金属、これら金属の混合物、合金等が挙げられる。なかでも、触媒活性、一酸化炭素に対する耐被毒性、耐熱性等の観点から、白金、白金を含む混合物、合金等が好ましい。

【0030】

担体としてはメソポーラスカーボン、Ｐｔブラック等の細孔を有する導電性の多孔性金属化合物が挙げられる。分散性が良好で表面積が大きく、触媒の担持量が多い場合でも高温での粒子成長が少ない観点からは、メソポーラスカーボンが好ましい。
アイオノマーとしては、電解質膜１と同様のイオン伝導性の高分子電解質を使用することができる。

【0031】

ガス拡散層２２は、セル１０に供給された燃料ガスを触媒層２１の全面に均一に拡散させることができる。
ガス拡散層２２は、ＭＥＡ３の最表層としてガス拡散層用シートを配置することで形成できる。ガス拡散層用シートとしては、例えば導電性、ガス透過性及びガス拡散性を有するカーボン繊維等の多孔性繊維シートの他、発泡金属、エキスパンドメタル等の金属製のシート材等が挙げられる。

【0032】

サブガスケット５は、ＭＥＡ３の外周縁を囲むフィルム又はプレートであり、ＭＥＡ３の支持体として機能する。サブガスケット５の材料としては、導電性が低い樹脂を用いることができる。樹脂材料としては特に限定されず、例えばポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ガラス入りポリプロピレン（ＰＰ－Ｇ）、ポリスチレン（ＰＳ）、シリコーン樹脂、フッ素系樹脂等が挙げられる。

【0033】

（セパレータ）
セパレータ４はバイポーラプレートとも呼ばれる。セパレータ４の表面には、貫通孔Ｐ１～Ｐ４に連通する複数の凹部４ａが設けられる。セパレータ４の凹部４ａが設けられた面がＭＥＡ３と対面したとき、セパレータ４とＭＥＡ３との間に流体の流路が設けられる。流路は、燃料ガスの供給路であるだけでなく、発電時に化学反応により生成された水の排出路でもある。燃料電池１００の冷却に冷却水が使用される場合、流路は冷却水の通路としても使用される。

【0034】

図３は、セパレータ４の層構造を示す拡大断面図である。
図３に示すように、セパレータ４は、導電性の基板４１と保護層４２とを備える。

【0035】

第１実施形態において、基板４１は、導電性材料、例えばステンレス鋼、チタン、アルミニウム、銅、ニッケル、鋼等の金属により構成される。

【0036】

基板４１は、耐食性、保護層４２との密着性の観点から、金属メッキ処理により表面に形成されたメッキ層を備えてもよい。金属メッキとしては、例えば錫メッキ、ニッケルメッキ又はこれらの複層化メッキ、合金化メッキ等が挙げられる。また、基板４１は、保護層４２との密着性の観点から、リン酸塩処理等により表面に形成されたエッチング層、研磨層等を備えてもよい。

【0037】

基板４１の厚さは、特に限定されないが、成形性と軽量化の両立の観点から、０．０５～０．５ｍｍとすることができる。

【0038】

（保護層）
保護層４２は、基板４１の表面に設けられて表面の酸化を抑え、基板４１の耐食性を高める。また、保護層４２は、基板４１のクラック等の欠陥を塞ぎ、燃料ガスの外部への漏洩を減らすことができる。

【0039】

（自己修復性材料）
保護層４２は、自己修復性材料を含む。自己修復性とは、保護層４２のような自己修復性材料を含む成形体が損傷した場合でも切断部位を再結合して回復する機能をいう。再結合は、例えば共有結合、水素結合、イオン結合又は配位結合であってもよいし、静電相互作用、疎水性相互作用、π電子相互作用又はこれら以外の分子間相互作用による結合であってもよい。

【0040】

セパレータ４は、凹部４ａを形成するためのプレス加工、貫通孔Ｐ１～Ｐ４を形成するためのホール加工等の加工成形によって製造されるが、加工成形時には基板４１への圧縮応力又は塑性変形に伴う局所的な引張応力の作用等により、保護層４２中にピンホールやボイド、クラック等の欠陥が生じることがある。また、上記加工成形によって基板４１の内部又は表面にクラックやボイド等の欠陥が発生することがある。

【0041】

このように製造時又は製造後に欠陥が生じた場合でも、保護層４２中の自己修復性材料同士が再結合して欠陥部分を修復するため、セパレータ４の耐食性及び燃料ガスの封止性を長く維持することができ、燃料電池１００の信頼性が向上する。

【0042】

上記加工成形に起因する欠陥を修復できるため、加工成形後に保護層４２を形成して加工成形による欠陥の発生を避ける必要もなく、保護層４２の形成は成形加工の前後どちらでもよいため、製造工程の自由度が向上する。保護層４２の形成後に加工成形する場合は、生産効率が高いロール・トゥ・ロール方式を採用できる。

【0043】

また、自己修復性材料によれば、加工成形により生じた欠陥の修復のために、保護層４２中の樹脂成分を溶融させる加熱処理も不要である。加熱処理の工程を減らすことができ、製造コストを下げることができる。

【0044】

自己修復性材料としては、ポリマー等の有機材料、セラミックス、金属等の無機材料があり、公知の材料を使用できる。公知の有機材料としては、例えばガラス転移温度が１５０℃以上である硬質ポリマーからなるハードセグメントと、ガラス転移温度が－３０℃以下である軟質ポリマーからなるソフトセグメントと、を有し、一定量のジスルフィド結合を有するマルチブロック共重合体（特開２０１８－３９８７６参照）、ホスト基及びゲスト基との相互作用によって架橋された架橋重合体を含む高分子材料（国際公開第２０１７／１５９３４６号参照）、スカンジウム触媒を使用したエチレンとアニシルプロピレンの共重合体（「Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆ Ｓｅｌｆ－Ｈｅａｌｉｎｇ Ｐｏｌｙｍｅｒｓ ｂｙ Ｓｃａｎｄｉｕｍ－Ｃａｔａｌｙｚｅｄ Ｃｏｐｏｌｙｍｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｅｔｈｙｌｅｎｅ ａｎｄ Ａｎｉｓｙｌｐｒｏｐｙｌｅｎｅｓ」、Ｈａｏｂｉｎｇ Ｗａｎｇ 外５名、Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．、Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ、２０１９年、１４１、ｐ．３２４９－３２５７参照）等が挙げられるが、これらに限定されない。

【0045】

また、公知の無機材料としては、例えば金属チタンを分散したアルミナセラミックス基複合材料（Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｌｙ Ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｒｏｏｍ‐Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｒａｃｋ Ｈｅａｌｉｎｇ ｏｆ Ｃｅｒａｍｉｃ‐Ｂａｓｅｄ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，Ｓｈｅｎｇｆａｎｇ Ｓｈｉ，Ｔｏｍｏｙｏ Ｇｏｔｏ，Ｓｕｎｇ Ｈｕｎ Ｃｈｏ，Ｔｏｈｒｕ Ｓｅｋｉｎｏ，Ｊ．Ａｍ．Ｃｅｒａｍ．Ｓｏｃ．，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｃｅｒａｍｉｃ Ｓｏｃｉｅｔｙ（２０１９年１月９日オンライン）、ｈｔｔｐｓ：／／ｄｏｉ．ｏｒｇ／１０．１１１１／ｊａｃｅ．１６２６４参照）等が挙げられるが、これらに限定されない。

【0046】

なかでも、自己修復性材料は、水分子が存在し、外部から自己修復のための作用が入力されない場合でも、自己修復性を有する材料であることが好ましい。
燃料電池１００用のセパレータ４は、発電時に水素ガスが供給され、水が生じる環境下にあるが、上記自己修復性材料によればこのような環境下でも自己修復が可能である。また、燃料電池１００自体による作用以外の作用、例えば赤外線、紫外線等の照射、加温又は加圧等のエネルギーを付与する作用が燃料電池１００の外部から入力されない場合でも上記自己修復性材料であれば、燃料電池１００内に配置されたセパレータ４に自己修復のための作用を加える必要がない。よって、燃料電池１００とは別に燃料電池１００の外部から作用を加えるための装置や作業を省略できる。

【0047】

また、自己修復性材料は、当該自己修復性材料同士の接触により結合し、修復することが好ましい。上述のように燃料電池１００は締め付け部材で燃料電池１００の各部材のスタック方向に締め付けられるため、セパレータ４もスタック方向に締め付けられる。そのため、走行時の車両の揺れや発電時の電解質膜１の熱膨張、湿潤膨張等によってセパレータ４を挟む両側の部材により保護層４２が押しつぶされやすい。押しつぶされた保護層４２は面内方向に広がるため、保護層４２中の自己修復性材料同士の接触が起こりやすく、燃料電池１００の外部からの作用が入力されない場合でも自然発生的な自己修復が容易となる。

【0048】

なお、保護層４２を締め付ける締め付け部材は、セル１０のスタックを固定する固定部材であってもよいし、締め付けられる方向はスタック方向ではなく、セル１０の面内方向であってもよい。また、燃料電池１００の各部材の固定のための締め付け部材とは別に設けられる締め付け部材によって、自己修復性材料の接触を促すための締め付け力を保護層４２に付与するようにしてもよい。

【0049】

水分子が存在し、外部からの作用が入力されない場合でも接触により結合する自己修復性材料としては、例えば上記エチレンとアニシルプロピレンの共重合体が挙げられる。上記エチレンとアニシルプロピレンの共重合体は、水中でも、１ＭのＮａＯＨ又は１ＭのＨＣｌの存在下でも、乾燥条件下と同様の自己修復性を示すことが確認されている。また、上記エチレンとアニシルプロピレンの共重合体の自己修復は紫外線の照射等の外部からの作用を必要とせず、切断部位の接触によって自然発生することも確認されている。

【0050】

本実施形態の保護層４２は、基板４１の両面に設けられて表面全体を覆うが、保護層４２は、基板４１の表面の少なくとも一部に設けられていればよい。

【0051】

特に、保護層４２は、凹部４ａの少なくとも一部に設けられることが好ましい。凹部４ａは欠陥が生じやすいため、保護層４２中の自己修復性材料による欠陥の修復がセパレータ４の耐食性及び燃料ガスの封止性の維持に大きく貢献する。

【0052】

（導電性フィラー）
保護層４２は、さらに導電性フィラーを含むことが好ましい。導電性フィラーにより、セパレータ４の導電性の低下を抑えることができる。
導電性フィラーとしては、例えばカーボン、金属炭化物、金属酸化物、金属窒化物、金属繊維及び金属粉末等が挙げられる。

【0053】

カーボンとしては、例えば黒鉛、カーボンブラック、カーボン繊維、カーボンナノファイバー、及びカーボンナノチューブ等が挙げられる。金属炭化物としては、例えばタングステンカーバイト、シリコンカーバイト、炭化カルシウム、炭化ジルコニウム、炭化タンタル、炭化チタン、炭化ニオブ、及び炭化モリブデン等が挙げられる。

【0054】

例えば、金属酸化物としては、酸化チタン、酸化ルテニウム、及び酸化インジウム等が挙げられ、金属窒化物としては窒化クロム、窒化アルミニウム、窒化モリブデン、窒化ジルコニウム、窒化タンタル、窒化チタン、窒化ガリウム、窒化ニオブ、窒化バナジウム、及び窒化ホウ素等が挙げられる。金属繊維としては、例えば鉄繊維、銅繊維、及びステンレス繊維等が挙げられる。金属粉末としては、例えばニッケル粉、錫紛、タンタル紛、及びニオブ粉等が挙げられる。
上記導電性フィラーのなかでは、カーボンが導電性及び耐食性に優れ、好ましい。

【0055】

保護層４２中の導電性フィラーの含有量は、５～９９体積％とすることができる。この範囲内であれば、導電性及び成形性が良好となりやすい。

【0056】

保護層４２の厚みは、１０～２００μｍが好ましい。この範囲内であれば、十分な耐食性が得られやすく、燃料電池１００のコンパクト化も容易である。

【0057】

（セパレータの製造方法）
上記セパレータ４の製造方法は、基板４１の少なくとも一部の表面上に保護層４２を形成するステップと、保護層４２が形成された基板４１を成形加工するステップと、を含む。成形加工としては、例えばプレス加工、ホール加工、及びカット加工等が挙げられる。

【0058】

各ステップの順番は特に限定されないが、保護層４２の形成後に加工成形する場合、ロール・トゥ・ロール方式による製造が可能であり、生産効率が高いため、好ましい。上述のように、保護層４２の形成が先の場合、加工成形が先の場合に比べて保護層４２中に欠陥が生じやすい。しかし、このような欠陥も自己修復性材料によって修復されるため、セパレータ４の耐食性及び燃料ガスの封止性を長く継続することができる。

【0059】

図４は、ロール・トゥ・ロール方式によるセパレータ４の製造過程を示す。
図４に示すように、基板４１のロールがアンワインダー６１により巻き出されて、ローラー６２により搬送される。搬送された基板４１は、前処理装置６３において洗浄及び乾燥等の前処理が施される。

【0060】

前処理後の基板４１はさらにコート装置６４に搬送される。コート装置６４においては、自己修復性材料及び導電性フィラーを含む保護層４２の形成用のインクが基板４１上にコートされ、乾燥されて、保護層４２が形成される。インクは、必要に応じて溶媒、分散剤等を含有してもよい。

【0061】

保護層４２が形成された基板４１は加工装置６５に搬送され、加工装置６５において成形加工される。例えば、基板４１はプレス加工され、基板４１の表面に凹部４ａが設けられる。また、基板４１がホール加工され、貫通孔Ｐ１～Ｐ４が設けられる。最後に、基板４１が所定のサイズにカット加工され、セパレータ４が製造される。

【0062】

上記ロール・トゥ・ロール方式によれば、連続的な生産が可能であり、生産効率が高いとともに、保護層４２を形成する面積を大きくしやすい。
なお、図４はすべての工程を連続工程としたが、これに限定されない。例えば、保護層４２が形成された基板４１を巻き取る工程と、この巻き取られた基板４１を巻き出して一定間隔で搬送する順送により加工成形する工程と、に分けられていてもよい。

【0063】

（燃料電池の製造方法）
燃料電池１００は、ＭＥＡ３の両側に１対のセパレータ４を配置することにより製造される。ＭＥＡ３は、例えば電解質膜１の両側に触媒層２１の材料を含むインクをコートして乾燥し、この触媒層２１にガス拡散層用シートを貼り合わせてガス拡散層２２を形成することにより、得られる。

【0064】

以上のように、第１実施形態の燃料電池１００は、基板４１の表面の少なくとも一部に自己修復性材料を含む保護層４２が設けられたセパレータ４を備える。保護層４２に欠陥が生じても修復されるため、製造時だけでなく製造後も保護層４２の欠陥が少なく、耐食性及び燃料ガスの封止性に優れたセパレータ４を提供できる。また、保護層４２の欠陥の修復のための加熱処理等の工程を必要とせず、バッチ方式だけでなく、ロール・トゥ・ロール方式による製造も可能となるため、セパレータ４の生産効率を高めることもできる。

【0065】

〔第２実施形態〕
図５は、第２実施形態の燃料電池におけるセル１０Ｃの構成を示す。
セル１０Ｃは、第１実施形態におけるセパレータ４の代わりに、導電性のカーボン製セパレータ４Ｃを備える。セパレータ４Ｃ以外のセル１０Ｃの構成は、第１実施形態のセル１０と同じである。同じ構成には同じ符号を付し、その詳細な説明を省略する。

【0066】

カーボン製セパレータ４Ｃの表面には、金属製セパレータ４と同様に、凹部４ａが設けられる。カーボン製セパレータ４Ｃは、モールド成形により製造され得る。

【0067】

図６及び図７は、モールド成形によるカーボン製セパレータ４Ｃの製造過程を示す。
図６に示すように、まず下側のモールド５０にセパレータ材料４０が流し込まれる。セパレータ材料４０は、カーボン及び樹脂を含む組成物である。次いで、図７に示すように、セパレータ材料４０は上側のモールド５０によって熱プレスされ、表面に複数の凹部４ａが設けられたセパレータ４Ｃが製造される。

【0068】

上記製造過程において加圧及び加熱されるセパレータ４Ｃの表面又は内部には、欠陥が発生することがある。特に厚みが変化する凹部４ａにおいて欠陥が生じやすい。
図８は、凹部４ａに生じた欠陥の例を示す。
図８に示すように、凹部４ａの角においてヒケ（Ｓｉｎｋ Ｍａｒｋｓ）と呼ばれる窪み７１が生じている。また、内部にはクラック７２が生じている。このような欠陥が開始点となって、製造後に搭載された車両の振動や流路における差圧、締め付け力の偏差等により欠陥が成長することがある。

【0069】

カーボン製セパレータ４Ｃは、その内部に自己修復性材料を含む。自己修復性材料は、上述した金属製セパレータ４と同じ材料であるので、詳細な説明を省略する。製造時又は製造後に欠陥が生じた場合でも、自己修復性材料を含むセパレータ４Ｃは、外部からの作用がなくとも、自己修復性材料同士が再結合して欠陥部分を修復する。そのため、セパレータ４Ｃの耐食性及び燃料ガスの封止性を長く維持することができ、燃料電池１００の信頼性が向上する。なお、セパレータ４Ｃも、セパレータ４と同様に、締め付け力が作用する。締め付け力により接触が起こりやすく、自己修復しやすい。

【0070】

内部に自己修復性材料を含むセパレータ４Ｃは、上述したカーボンと樹脂の組成物中に自己修復性材料を混合してモールド成形することにより得ることができる。成形後のセパレータ４Ｃの表面に自己修復性材料を塗工することによって、表面が自己修復性材料により覆われたセパレータ４Ｃを得ることもできる。

【0071】

以上のように、第２実施形態によれば、カーボン製のセパレータ４Ｃが内部に自己修復性材料を含む。セパレータ４Ｃに欠陥が生じても修復されるため、製造時だけでなく製造後もセパレータ４Ｃの欠陥が少なく、耐食性及び燃料ガスの封止性に優れたセパレータ４Ｃを提供できる。

【0072】

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されず、その発明の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

【符号の説明】

【0073】

１００・・・燃料電池、１・・・電解質膜、２・・・電極、３・・・ＭＥＡ、４・・・金属製セパレータ、４１・・・基板、４２・・・保護層、４Ｃ・・・カーボン製セパレータ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】