JP2000048833A

JP2000048833A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2000048833A
Application number: JP10229391A
Authority: JP
Inventors: Tsuneji Yoshimura; 常治吉村
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1998-07-29
Filing date: 1998-07-29
Publication date: 2000-02-18

Abstract

(57)【要約】【課題】燃料電池を構成する部材間で、接触抵抗が増
大してしまうのを防止する。【解決手段】燃料電池を構成する単セル２８が有する
セパレータ３０ａ，３０ｂは、ステンレスによって形成
され、その表面は窒化チタンで被覆されている。また、
アノード２２およびカソード２３（ガス拡散層）は、ス
テンレスのメッシュによって構成され、その表面も窒化
チタンで被覆されている。触媒層２６，２７を形成する
触媒粒子は、表面を窒化した酸化チタン微粒子の表面に
触媒金属を担持してなる。したがって、セパレータとガ
ス拡散層、および、ガス拡散層と触媒層は、両者が接触
する際に、同じ窒化チタン同士が接触するため、部材間
の接触抵抗が小さくなり、燃料電池の内部抵抗を抑える
ことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池に関し、
詳しくは、単セルを複数積層してなり、燃料ガスと酸化
ガスとの供給を受けて起電力を得る燃料電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は、燃料ガスおよび酸化ガスの
供給を受けて、電気化学反応によって、燃料ガス中の燃
料が有する化学エネルギを直接電気エネルギに変換する
装置であり、通常は、単セルを複数積層したスタック構
造を有している。このような燃料電池を構成する構成部
材のうち、電解質層以外の部材は、従来、主として炭素
材料によって形成されてきた。すなわち、燃料電池を構
成する部材としては、水素存在下や酸素存在下、およ
び、所定の高温（燃料電池の運転温度）下で充分に安定
であり、充分な導電性を有している必要があるため、優
れた耐食性と導電性を有する炭素材料を用いて燃料電池
が構成されてきた。燃料電池は、上記したように複数の
単セルを積層して、これらの単セルを直列に接続してな
るため、燃料電池の発電中には、単セルを構成する各部
材内を電流が流れることになる。したがって、燃料電池
の内部抵抗を抑えて燃料電池の性能を確保するために
は、単セルを構成する各部材の導電性が充分に高いこと
と、隣接する部材間の接触抵抗が充分に低いこととが重
要となる。燃料電池を構成する各部材を炭素材料によっ
て形成する場合には、各部材の導電性は充分に確保さ
れ、各部材間の接触抵抗は充分に抑えられる。

【０００３】燃料電池を構成する部材のうち、ガスセパ
レータは、燃料電池において、隣り合う単セル間に配設
されるガス不透過な部材であって、燃料電池内で燃料ガ
スおよび酸化ガスが混合されてしまうのを防ぐと共に、
燃料電池に供給される燃料ガスおよび酸化ガスの流路を
形成する。このようなガスセパレータは、上記したよう
に炭素材料を用いて形成する代わりに、金属によって形
成する構成も知られている。金属は、炭素材料と同様に
導電性に優れており、例えばステンレスなどの安価な金
属を用いれば、炭素材料を用いる場合に比べてさらにコ
ストを抑えることができる。

【０００４】また、ガスセパレータは、上記した燃料ガ
スおよび酸化ガスの流路を形成するための所定の凹凸構
造を、その表面に有することがあるが、金属でガスセパ
レータを形成する場合には、金属板をプレス成形すると
いう簡便な方法によって、所定の凹凸形状を有するガス
セパレータを製造することができ、製造工程を簡素化す
るとともに製造コストを抑えることができる。さらに、
金属製のガスセパレータは、炭素材料からなるガスセパ
レータよりも強度に優れているため、ガスセパレータを
より薄く形成することが可能となる。したがって、ガス
セパレータを金属製とすることによって、燃料電池全体
をより小型化できるという利点が得られる。このよう
に、ガスセパレータを金属製とする場合には、通常は、
ガスセパレータの表面を、さらに、耐食性と導電性に優
れた金属で被覆して、ガスセパレータの耐食性を確保す
る。燃料電池を構成する部材の表面を、耐食性と導電性
に優れた金属で被覆する技術は、例えば、特開平５−１
８２６７９などにおいて提案されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
たようにガスセパレータを金属で形成すると、燃料電池
の内部抵抗が増加して、電池性能が低下してしまうとい
う問題を生じる。すなわち、ガスセパレータと、これに
隣接する部材とは、これらを形成する物質が互いに異な
っているため、互いに異なる物質同士が接触することに
よって接触抵抗が増大し、燃料電池全体の内部抵抗が大
きくなってしまう。

【０００６】燃料電池を構成する際には、ガスセパレー
タに隣接する部材としては、通常はガス透過性に優れた
ガス拡散層が設けられる。このガス拡散層は、各単セル
に供給された燃料ガスあるいは酸化ガスを、単セル内で
充分に拡散させるための構造であり、ガス拡散層で充分
に拡散されることによって、ガスは、表面に触媒層を有
する電解質層に、効率よく供給されることができる。こ
のようなガス拡散層には、従来、充分な耐食性と導電
性、およびガス拡散性を有するカーボンクロスやカーボ
ンフエルトなどが用いられてきた。このように、炭素材
料からなるガス拡散層と、金属製のガスセパレータとを
隣接させると、異なる材質からなる部材同士が接触する
ことによって、接触抵抗が大きくなってしまうという不
都合を生じる。

【０００７】本発明の燃料電池は、こうした問題を解決
し、異なる材質からなる部材同士が隣接することによっ
て、燃料電池内で接触抵抗が増大してしまうのを防止す
ることを目的としてなされ、次の構成を採った。

【０００８】

【課題を解決するための手段およびその作用・効果】本
発明の第１の燃料電池は、電解質層と、該電解質層の表
面に設けられ、表面に触媒を担持する触媒粒子が集合し
てなる触媒層と、該触媒層に隣接して設けられガス透過
性を有するガス拡散層と、前記ガス拡散層に隣接して設
けられガス不透過であるガスセパレータと、を少なくと
も積層してなる燃料電池であって、前記ガスセパレータ
と前記ガス拡散層は、少なくとも互いに接触する部分
が、予め同一の被覆物質で被覆されていることを要旨と
する。

【０００９】以上のように構成された本発明の第１の燃
料電池によれば、ガスセパレータとガス拡散層とは、少
なくとも互いに接触する部分が、予め同一の被覆物質で
被覆されているため、同一の物質同士が接触することに
なり、両者が接触する際の接触抵抗が小さくなって、こ
れにより、燃料電池全体の内部抵抗が大きくなってしま
うのを抑えることができる。

【００１０】本発明の第１の燃料電池において、前記ガ
ス拡散層は、少なくとも前記触媒層と接触する部分が、
前記触媒粒子の表面を形成する物質と同じ物質である被
覆物質によって、予め被覆されていることとしてもよ
い。

【００１１】このような構成とすれば、ガス拡散層と触
媒層も、これらが接触する部分において、同一の物質同
士が接触することになるため、これらが接触する際の接
触抵抗が小さくなって、燃料電池の内部抵抗を抑える効
果をより大きくすることができる。

【００１２】また、本発明の第１の燃料電池において、
前記ガスセパレータは、金属部材によって形成されるこ
ととしてもよい。このような構成とすれば、ガスセパレ
ータは、金属板をプレス成形するといった簡便な方法に
よって製造することができ、製造コストを抑えることが
できる。

【００１３】また、本発明の第１の燃料電池において、
前記被覆物質は、導電性セラミックまたは導電性酸化物
であることとしてもよい。このような構成とすれば、燃
料電池内で、ガスセパレータとガス拡散層、あるいは、
ガス拡散層と触媒粒子とが接触する際に、充分な導電性
を有する導電性セラミックあるいは導電性酸化物同士が
接触することになるため、接触抵抗を小さくし、燃料電
池の内部抵抗を抑え、燃料電池の性能が低下してしまう
のを抑制することができる。なお、導電性セラミックあ
るいは導電性酸化物は、燃料電池の動作環境において充
分に安定な物質である。したがって、導電性セラミック
や導電性酸化物によって、前記ガスセパレータ、ガス拡
散電極、触媒粒子の表面全体を被覆すれば、これらに対
して充分な耐食性を付与することができる。したがっ
て、このような場合には、前記ガスセパレータおよびガ
ス拡散層などの部材を、耐食性が不十分である安価な材
料で構成することが可能となり、燃料電池の製造コスト
を抑えることができる。

【００１４】本発明の第２の燃料電池は、燃料の供給を
受け、該燃料を利用した電気化学反応により起電力を得
る燃料電池であって、該燃料電池を構成し導電性を有す
る複数の構成部材のうち、隣り合う所定の部材は、少な
くとも互いに接触する部分が、予め同一の被覆物質で被
覆されていることを要旨とする。

【００１５】このような本発明の第２の燃料電池によれ
ば、燃料電池を構成する部材のうち、隣り合う所定の部
材は、少なくとも互いに接触する部分が、予め同一の被
覆物質で被覆されているため、同一の物質同士が接触す
ることになり、両者が接触する際の接触抵抗が小さくな
って、これにより、燃料電池全体の内部抵抗が大きくな
ってしまうのを抑えることができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以上説明した本発明の構成・作用
を一層明らかにするために、以下本発明の実施の形態を
実施例に基づき説明する。本発明の第１実施例の燃料電
池は、構成単位である単セルを複数積層したスタック構
造を有している。図１は、燃料電池の構成単位である単
セル２８の構成を例示する断面模式図、図２は、単セル
２８の構成を表わす分解斜視図、図３は、単セル２８を
積層したスタック構造１４の外観を表わす斜視図であ
る。本発明の燃料電池は、燃料電池を構成する部材のう
ち、隣り合う所定の部材において、その接触面を同じ物
質で被覆したことを特徴としている。以下に、図１ない
し図３に基づいて、燃料電池全体の構成について説明す
る。

【００１７】本実施例の燃料電池は、固体高分子型燃料
電池である。固体高分子型燃料電池は、湿潤状態で良好
な導電性を示す固体高分子からなる膜を電解質層として
備えている。このような燃料電池は、アノード側に水素
を含有する燃料ガスの供給を受け、カソード側に酸素を
含有する酸化ガスの供給を受けて、以下に示す電気化学
反応を進行する。

【００１８】Ｈ₂ → ２Ｈ⁺＋２ｅ^- …（１）（１／２）Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^- → Ｈ₂Ｏ …（２）Ｈ₂＋（１／２）Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ …（３）

【００１９】（１）式はアノードにおける反応、（２）
式はカソードにおける反応を表わし、燃料電池全体では
（３）式に示す反応が進行する。燃料電池の構成単位で
あって、上記した電気化学反応が進行する単セル２８
は、図１に示すように、電解質膜２１と、アノード２２
およびカソード２３と、触媒層２６，２７と、セパレー
タ３０ａ，３０ｂとから構成されている。

【００２０】アノード２２およびカソード２３は、電解
質膜２１を両側から挟んでサンドイッチ構造を成すガス
拡散電極である。触媒層２６，２７は、アノード２２お
よびカソード２３と、電解質膜２１との間にそれぞれ設
けられており、上記電気化学反応を促進する触媒を備え
ている。セパレータ３０ａ，３０ｂは、上記したサンド
イッチ構造をさらに両側から挟みつつ、アノード２２お
よびカソード２３との間に、燃料ガスおよび酸化ガスの
流路を形成する。アノード２２とセパレータ３０ａとの
間には燃料ガス流路２４Ｐが形成されており、カソード
２３とセパレータ３０ｂとの間には酸化ガス流路２５Ｐ
が形成されている。実際に燃料電池を組み立てるときに
は、上記単セル２８を所定の枚数積層してスタック構造
１４を形成する。

【００２１】図１では、各セパレータ３０ａ，３０ｂの
片面においてだけガス流路を成すリブが形成されている
ように表わされているが、実際の燃料電池では、図２に
示すように、各セパレータ３０ａ，３０ｂは、その両方
の面にそれぞれリブ５４およびリブ５５を形成してい
る。セパレータ３０ａ，３０ｂのそれぞれの片方の面に
形成されたリブ５４は隣接するアノード２２との間で燃
料ガス流路２４Ｐを形成し、セパレータ３０ａ，３０ｂ
の他方の面に形成されたリブ５５は隣接する単セルが備
えるカソード２３との間で酸化ガス流路２５Ｐを形成す
る。このように、セパレータ３０ａ，３０ｂは、ガス拡
散電極との間でガスの流路を形成すると共に、隣接する
単セル間で燃料ガスと酸化ガスとの流れを分離する役割
を果たしている。セパレータ３０ａ，３０ｂは、実際に
組み立てられる燃料電池では、形態上、あるいは働きの
上で区別はなく、以後、セパレータ３０と総称する。

【００２２】なお、各セパレータの表面に形成されたリ
ブ５４，５５の形状は、ガス流路を形成してガス拡散電
極に対して燃料ガスまたは酸化ガスを供給可能であれば
良い。図１および図２では、各セパレータの表面に形成
されたリブ５４，５５は平行に形成された複数の溝状の
構造とした。図１では、単セル２８の構成を模式的に表
わすために、燃料ガス流路２４Ｐと酸化ガス流路２５Ｐ
とを平行に表わし、図２に示したセパレータ３０では、
各セパレータ３０の両面で、リブ５４とリブ５５とはそ
れぞれ直交することとしたが、これらと異なる形状とし
てもよい。ガス拡散電極との間で、燃料ガスあるいは酸
化ガスの流路を形成可能な形状であればよい。

【００２３】電解質膜２１は、固体高分子材料、例えば
フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン
交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。本
実施例では、ナフィオン膜（デュポン社製）を使用し
た。

【００２４】電解質膜２１の両面には、触媒層２６，２
７がそれぞれ形成されている。図１に示した触媒層２６
の一部（丸で囲んでＡと示した領域）を拡大した様子
を、図４（Ａ）に模式的に示す。図４（Ａ）に示すよう
に、触媒層２６，２７は触媒粒子が集まって形成されて
いる。この触媒粒子を拡大した様子を、図４（Ｂ）に模
式的に示す。図４（Ｂ）に示すように、触媒粒子は、表
面に触媒金属を担持した担体粒子からなっている。触媒
層２６，２７を形成する方法としては、例えば、触媒粒
子を適当な有機溶剤に分散させ、電解質溶液（例えば、
ＡｌｄｒｉｃｈＣｈｅｍｉｃａｌ社、ＮａｆｉｏｎＳ
ｏｌｕｔｉｏｎ）を適量添加してペースト化し、電解質
膜２１上にスクリーン印刷するという方法が挙げられ
る。あるいは、上記触媒粒子を含有するペーストを膜形
成してシートを作製し、このシートを電解質膜２１上に
プレスする構成も好適である。また、上記触媒粒子を含
有するペーストを、ガス拡散電極（アノード２２および
カソード２３）側に塗布することとしてもよい。

【００２５】触媒層２６，２７を構成する上記触媒粒子
は、触媒金属である白金または白金と他の金属からなる
合金を、微粒子状に形成された担体粒子上に担持させて
なる。本実施例では、触媒金属を担持させる担体粒子と
して、酸化チタン（ＴｉＯ₂）の微粒子を用いた。触媒
粒子を形成するには、まず、酸化チタンの微粒子を窒化
処理して、上記担体粒子の表面を窒化チタン（ＴｉＮ）
とする。そして、窒化したその表面に、さらに触媒金属
を吸着させることによって触媒粒子を形成する。例え
ば、触媒金属として白金を用いる場合には、表面を窒化
した酸化チタン微粒子を蒸留水中に浸漬し、これを撹拌
しながら蒸留水中に塩化白金などの白金塩の溶液を滴下
して、上記微粒子の表面に白金塩を吸着させる。この微
粒子表面に吸着した白金塩を還元することによって、表
面に触媒金属を担持した触媒粒子を作製することができ
る。

【００２６】アノード２２およびカソード２３は、金属
繊維からなる金属メッシュにより構成されている。具体
的には、アルミニウムによって構成された金属メッシュ
の表面を、窒化チタンで被覆することによって形成され
ている。アノード２２およびカソード２３を構成する金
属メッシュは、充分なガス透過性を有しており、燃料電
池内において、既述した燃料ガス流路２４Ｐあるいは酸
化ガス流路２５Ｐを通過する燃料ガスあるいは酸化ガス
は、アノード２２あるいはカソード２３内を通過するこ
とによって拡散されて、触媒層２６，２７に供給され
る。アノード２２およびカソード２３を製造する際に、
アルミニウムからなる金属メッシュの表面を窒化チタン
で被覆するには、ＰＶＤやＣＶＤなどの膜形成技術を用
いたり、一旦チタンや酸化チタンで被覆した後これをプ
ラズマ処理によって窒化するという方法を用いればよ
い。

【００２７】セパレータ３０は、図２に示した所定の形
状の凹凸（リブ５４，５５を形成する凹凸）を有してお
り、その表面は窒化チタンで被覆されている。セパレー
タ３０の断面の様子を表わす説明図を図５に示す。図５
に示すように、セパレータ３０は、アルミニウムまたは
圧延鋼板からなる基板部３２と、窒化チタンからなり基
板部３２を被覆するコート層３４とから形成されてい
る。上記所定の凹凸形状を有する基板部３２は、アルミ
ニウム板または圧延鋼板を張り出し成形したものや曲げ
加工品、あるいは、アルミニウム板または圧延鋼板を部
分的に打ち抜いて成形するハーフシャ品などによって形
成することができる。また、鍛造などによって成形した
厚板からの成形品を用いることとしてもよいし、鋳造品
を用いることもできる。あるいは、アルミニウムまたは
圧延鋼板からなる薄板をプレス成形して、上記基板部３
２の両面に形成される凹凸形状のそれぞれに対応する凹
凸形状を有する金属板を２枚用意し、これらを貼り合わ
せることとしてもよい。このようにして形成したアルミ
ニウムまたは圧延鋼板製の基板部３２の表面を窒化チタ
ンで被覆する際には、既述したガス拡散電極において金
属メッシュの表面を窒化チタンで被覆する場合と同様
に、ＰＶＤやＣＶＤなどの膜形成技術やプラズマ処理を
用いればよい。

【００２８】このようなセパレータ３０は、その周辺部
に、４つの穴構造を有している。燃料ガス流路３４Ｐを
形成するリブ５４によって連絡される燃料ガス孔５０，
５１と、酸化ガス流路３５Ｐを形成するリブ５５によっ
て連絡される酸化ガス孔５２，５３である（図２参
照）。燃料電池を組み立てたときには、各セパレータ３
０が備える燃料ガス孔５０，５１はそれぞれ、燃料電池
内部をその積層方向に貫通する燃料ガス供給マニホール
ドおよび燃料ガス排出マニホールドを形成する。また、
各セパレータ３０が備える酸化ガス孔５２，５３は、同
じく燃料電池内部をその積層方向に貫通する酸化ガス供
給マニホールドおよび酸化ガス排出マニホールドをそれ
ぞれ形成する。

【００２９】以上説明した各部材を備える燃料電池を組
み立てるときには、セパレータ３０、アノード２２、電
解質膜２１（表面には触媒層２６，２７を形成してい
る）、カソード２３、セパレータ３０の順序で順次重ね
合わせ、その両端にさらに集電板３６，３７、絶縁板３
８，３９、エンドプレート４０，４１を配置して、図３
に示すスタック構造１４を完成する。集電板３６，３７
にはそれぞれ出力端子３６Ａ，３７Ａが設けられてお
り、燃料電池で生じた起電力を出力可能となっている。

【００３０】エンドプレート４０は、図４に示すように
２つの穴構造を備えている。一つは燃料ガス孔４２、も
う一つは酸化ガス孔４４である。エンドプレート４０と
隣接する絶縁板３８および集電板３６は、エンドプレー
ト４０が備える２つの穴構造と対応する位置に同様の２
つの穴構造を形成している。この燃料ガス孔４２は、セ
パレータ３０の備える燃料ガス孔５０の中央部に開口し
ている。なお、燃料電池を動作させるときには、燃料ガ
ス孔４２と図示しない燃料供給装置とが接続され、水素
リッチな燃料ガスが燃料電池内部に供給される。同様
に、酸化ガス孔４４は前記セパレータ３０の備える酸化
ガス孔５２の中央部に対応する位置に形成されている。
燃料電池を動作させるときには、この酸化ガス孔４４と
図示しない酸化ガス供給装置とが接続され、酸素を含有
する酸化ガスが燃料電池内部に供給される。ここで、燃
料ガス供給装置と酸化ガス供給装置は、それぞれのガス
に対して所定量の加湿および加圧を行なって燃料電池に
供給する装置である。

【００３１】また、エンドプレート４１は、エンドプレ
ート４０とは異なる位置に２つの穴構造を備えている。
絶縁板３９、集電板３７もまたエンドプレート４１と同
様の位置に、それぞれ２つの穴構造を形成している。エ
ンドプレート４１が備える穴構造の一つ燃料ガス孔４３
はセパレータ３０の備える燃料ガス孔５１の中央部に対
応する位置に開口している。もう一つの穴構造である酸
化ガス孔４５はセパレータ３０の備える酸化ガス孔５３
の中央部に対応する位置に開口している。燃料電池を動
作させるときには、燃料ガス孔４３には図示しない燃料
ガス排出装置が接続され、酸化ガス孔４５には図示しな
い酸化ガス排出装置が接続される。

【００３２】以上説明した各部材からなるスタック構造
１４は、その積層方向に所定の押圧力がかかった状態で
保持され、燃料電池が完成する。スタック構造１４を押
圧する構成については図示は省略した。

【００３３】次に、以上のような構成を備えた燃料電池
における燃料ガスおよび酸化ガスの流れについて説明す
る。燃料ガスは、上記した所定の燃料ガス供給装置か
ら、エンドプレート４０に形成された燃料ガス孔４２を
経て燃料電池内部に導入される。燃料電池内部で燃料ガ
スは、燃料ガス孔５０によって形成される燃料ガス供給
マニホールドを介して、各単セル２８が備える燃料ガス
流路２４Ｐに供給され、各単セル２８のアノード側で進
行する電気化学反応に供される。燃料ガス流路２４Ｐか
ら排出された燃料ガスは、燃料ガス孔５１によって形成
される燃料ガス排出マニホールドに集合して、エンドプ
レート４１の燃料ガス孔４３に達し、この燃料ガス孔４
３から燃料電池の外部へ排出されて、所定の燃料ガス排
出装置に導かれる。

【００３４】同様に酸化ガスは、上記した所定の酸化ガ
ス供給装置から、エンドプレート４０に形成された酸化
ガス孔４４を経て燃料電池内部に導入される。燃料電池
内部で酸化ガスは、酸化ガス孔５２によって形成される
酸化ガス供給マニホールドを介して、各単セル２８が備
える酸化ガス流路２５Ｐに供給され、各単セル２８のカ
ソード側で進行する電気化学反応に供される。酸化ガス
流路２５Ｐから排出された酸化ガスは、酸化ガス孔５３
によって形成される酸化ガス排出マニホールドに集合し
て、エンドプレート４１の酸化ガス孔４５に達し、この
酸化ガス孔４５から上記所定の酸化ガス排出装置に排出
される。

【００３５】なお、上記した説明では、燃料電池に供給
される燃料ガスおよび酸化ガスの流路およびその流れに
ついてだけ説明したが、実際の燃料電池は、冷却水を通
過させるための流路をさらに備えている。既述したよう
に、燃料電池で進行する電気化学反応では、燃料電池に
供給される燃料中の化学エネルギが電気エネルギに変換
されるが、化学エネルギから電気エネルギへの変換は完
全に行なわれるわけではなく、電気エネルギに変換され
なかった残りのエネルギは熱として放出される。このよ
うに、燃料電池は発電と共に発熱を続けるため、燃料電
池の運転温度を望ましい範囲内とするために、通常は燃
料電池内に冷却水の流路を設け、燃料電池内に冷却水を
通過させることによって余分な熱を取り除いている。

【００３６】本実施例のセパレータ３０は、図２に示し
た燃料ガス孔５０，５１および酸化ガス孔５２，５３の
他に、冷却水の流路を形成するための２つの孔構造を有
しており（図示せず）、セパレータなどを積層してスタ
ック構造１４を構成する際には、この２つの孔構造は、
スタック構造１４の内部を貫通し、後述するスタック内
冷却水流路に対して冷却水を給排する冷却水流路を形成
する。また、燃料電池を構成するスタック構造１４で
は、積層された所定数の単セルごとに、通常のセパレー
タ３０の代わりに、冷却水の流路を形成する凹凸構造を
表面に形成する冷却水路セパレータを備える（図示せ
ず）。この冷却水路セパレータ上に形成された凹凸構造
は、冷却水路セパレータと、これに隣接する部材との間
にスタック内冷却水流路を形成する。所定数の単セルご
とに配置されたこのスタック内冷却水流路は、上記した
孔構造によって形成される冷却水流路から冷却水の給排
を受け、これらの冷却水流路を通過する冷却水によっ
て、発電と共に生じた余分な熱を燃料電池内から取り除
いている。

【００３７】以上のように構成された本実施例の燃料電
池によれば、アルミニウムまたは圧延鋼板からなるセパ
レータ３０と、アルミニウムからなるガス拡散電極（ア
ノード２２およびカソード２３）との両方が、窒化チタ
ンによって被覆されている。したがって、セパレータ３
０とガス拡散電極とは、窒化チタンによって充分な耐食
性が確保されると共に、両者の間の接触抵抗を小さくす
ることができ、燃料電池全体の内部抵抗が大きくなるの
を抑えることができる。また、触媒層２６，２７を構成
する触媒粒子も、その表面に窒化チタンの層を有してい
るため、ガス拡散電極と触媒粒子とが接触する際に、同
じ窒化チタン同士が接触することになり、接触抵抗を小
さくし、燃料電池全体の内部抵抗が大きくなるのを抑え
ることができる。これによって、燃料電池の性能を充分
に確保することができる。

【００３８】また、隣接し合う部材の表面が、それぞれ
同じ物質で形成されていることによって、上記したよう
に接触抵抗を低減する効果の他に、耐食性を向上させる
効果を得ることができる。既述したように、セパレータ
をより薄くする（これによって燃料電池全体をより小型
化する）ためには、また、セパレータの生産性を向上さ
せるためには、セパレータを金属によって形成すること
は大変有用であるが、セパレータを金属によって形成
し、これに隣接するガス拡散電極を炭素材料によって形
成すると、燃料電池の運転中に、セパレータとガス拡散
電極との間に電池が形成されてしまい、セパレータの耐
食性が損なわれるという不都合を生じる。すなわち、燃
料電池で電気化学反応が進行する際には、既述した
（２）式に示したようにカソード側で水が生じるが、こ
の生成水が凝縮して、イオン化傾向が互いに異なる物質
からなるセパレータとガス拡散電極との間に滞留する
と、この生成水が電解液として働いて、セパレータとガ
ス拡散電極との間で電池が形成されて、セパレータを構
成する金属がイオン化して生成水中に溶けだしてしま
う。上記した実施例のように、セパレータとガス拡散電
極とを同一の物質で被覆すれば、隣接する部材間で電池
が形成されてしまうという不都合が生じることがなく、
セパレータの耐食性が損なわれてしまうことがない。

【００３９】さらに、上記実施例では、セパレータ３
０、ガス拡散電極、および、触媒層２６，２７を形成す
る触媒粒子の表面を構成する物質として、導電性セラミ
ックである窒化チタンを用いているため、この窒化チタ
ンによって、これらの部材に充分な耐食性が付与されて
いる。したがって、これらの部材に充分な耐食性を与え
るために白金や金などの高価な貴金属を用いる必要がな
く、製造コストが上昇してしまうことがない。さらに、
セパレータ３０およびガス拡散電極は、充分な耐食性を
有する窒化チタンによってその表面が被覆されているた
め、窒化チタンで被覆されているこれらの部材の基板部
は、耐食性が必ずしも充分である必要はなく、上記実施
例のようにアルミニウムまたは圧延鋼板などの安価な材
料を用いて製造コストを抑えることができる。したがっ
て、耐食性に優れる反面、高価な金属材料（例えばステ
ンレスなど）を、セパレータ３０およびガス拡散電極の
基板部を構成する材料として用いる必要がなくなる。

【００４０】ここで、上記実施例では、ガス拡散電極や
セパレータ３０を、アルミニウムまたは圧延鋼板によっ
て形成している。このように、セパレータ３０およびガ
ス拡散電極を、アルミニウムなどの金属で形成すること
によって、これらの部材を炭素材料で形成する場合に比
べて、製造コストをより低減することができる。このこ
とは、これらの部材を形成する材料として、アルミニウ
ムなどの方が炭素材料（バインダを加えた炭素粉末な
ど）に比べてコストが低いだけでなく、炭素材料を成形
して焼成したり、プレス成形する工程に比べて、はるか
に簡素な製造工程でステンレス板の成形を行なうことが
可能であることによる。また、セパレータ３０およびガ
ス拡散電極をアルミニウムなどの金属で形成することに
よって、これらの部材を炭素材料で形成する場合に比べ
て強度が向上するという効果が得られる。セパレータ３
０およびガス拡散電極の強度が向上することによって、
燃料電池の組み立ての際のハンドリング性が向上すると
共に、これらを用いて組み立てられた燃料電池全体の強
度が向上する。

【００４１】また、上記実施例では、セパレータ３０お
よびガス拡散電極は、その表面全体を窒化チタンで被覆
することとしたが、隣接する部材と接触する領域だけを
被覆することとしてもよい。このような構成としても、
セパレータ３０とガス拡散電極、あるいは、ガス拡散電
極と触媒層との間で、それぞれが接触する領域では同一
の物質同士が接触するため、接触抵抗を小さくし、耐食
性が損なわれるのを抑える上記した効果を得ることがで
きる。なお、このように、窒化チタンによる被覆を、隣
接する部材間の接触する領域だけに行なう場合には、被
覆されるそれぞれの部材は、燃料電池の動作環境で充分
な耐食性を有する材質で形成することが望ましい。

【００４２】また、上記実施例では、セパレータ３０と
ガス拡散電極と触媒粒子のすべてにおいて、その表面を
形成する物質として窒化チタンを用い、セパレータ３０
とガス拡散電極との間、および、ガス拡散電極と触媒層
との間の両方において、同一の物質である窒化チタン同
士が接触する構成としたが、どちらか一方においてだ
け、その接触領域で同一の物質同士が接触することとし
てもよい。このような場合にも、同一の物質同士が接触
することで接触抵抗が低減される所定の効果を得ること
ができる。

【００４３】上記実施例では、セパレータ３０，ガス拡
散電極および触媒粒子を被覆する導電性物質として、導
電性セラミックである窒化窒化チタンを用いたが、他の
導電性セラミック、例えば、窒化クロム（ＣｒＮ）や窒
化ジルコニウム（ＺｒＮ）などを用いることとしてもよ
い。あるいは、導電性セラミックの代わりに、酸化スズ
（ＳｎＯ₂）や酸化タングステン、酸化インジウム、Ｉ
ＴＯ（インジウムとスズの複合酸化物）などの導電性酸
化物を用いることとしてもよい。このように、充分な導
電性と耐食性を有する物質によって、隣り合う部材のそ
れぞれを被覆することによって、両者の間の接触抵抗を
低減することができる。ここで、接触抵抗が低減される
効果を調べた結果の一例を示す。上記実施例のように、
セパレータとガス拡散電極との両方を窒化チタンで被覆
した場合には、両者の間の接触抵抗は０．８ｍΩｃｍ²
であったが、窒化チタンで被覆したセパレータと炭素材
料で形成したガス拡散電極側との間の接触抵抗は、８．
０ｍΩｃｍ²であった。また、セパレータとガス拡散電
極との両方を窒化クロムで被覆した場合の両者の間の接
触抵抗は、０．８ｍΩｃｍ²であったが、窒化クロムで
被覆したセパレータと炭素材料で形成したガス拡散電極
との間の接触抵抗は、７．２ｍΩｃｍ²であった。

【００４４】窒化クロムなどの導電性セラミックを用い
てセパレータやガス拡散電極を被覆する場合には、窒化
チタンを用いる場合と同様に、スパッタ法などのＰＶＤ
法やＣＶＤ法、あるいはプラズマ処理などの膜形成技術
を用いればよい。また、導電性酸化物を用いてセパレー
タやガス拡散電極を被覆する場合には、ＰＶＤ法やＣＶ
Ｄ法などの他、スプレー塗布やディッピングを行なうこ
ともできる。また、スズやタングステンを含む溶液を、
アルミニウムなどで形成されたセパレータやガス拡散電
極の基板部に吹き付け、あるいはこのような基板部をス
ズやタングステンでメッキして、これらを高温で処理し
て酸化させる方法を採ることもできる。

【００４５】このような導電性物質で被覆するセパレー
タやガス拡散電極の基板部は、既述したようにアルミニ
ウムや圧延鋼板によって形成するほか、ステンレスやニ
ッケル、あるいはスズなどによって形成することとして
もよく、充分な導電性と強度と成形性を有し、上記した
導電性の被覆物質で被覆可能であればよい。また、セパ
レータやガス拡散電極の基板部を、チタンやクロムによ
って形成する場合には、上記した導電性物質で表面を被
覆する代わりに、窒素プラズマ中で窒化処理してその表
面を窒化チタンや窒化クロムにすることとしてもよい。
なお、ガス拡散電極は、上記実施例のようなメッシュ状
以外の構成としてもよく、例えば、ニッケルによってガ
ス拡散電極を形成する場合には発泡ニッケルを用いるな
ど、充分なガス透過性を有するものであればよい。

【００４６】また、触媒層２６，２７が備える触媒粒子
を構成する担体粒子としては、上記実施例では表面を窒
化処理した酸化チタン粒子を用いたが、ガス拡散電極
を、他の導電性セラミックである窒化クロムで被覆する
場合には、担体粒子として、表面を窒化処理した酸化ク
ロム粒子を用いればよい。また、ガス拡散電極を、導電
性酸化物、例えば酸化スズで被覆する場合には、担体粒
子として酸化スズの粒子を用いることとすればよい。あ
るいは、導電性酸化物でガス拡散電極を被覆する場合に
は、この導電性酸化物とは異なる金属酸化物からなる微
粒子の表面を、上記導電性酸化物によって被覆すること
としてもよい。触媒粒子をこのように形成することによ
って、触媒層２６，２７とガス拡散層とが接触する領域
において、同一の物質同士が接触する構成とすることが
できる。なお、金属は、通常は、微粒子状に加工すると
空気中で容易に燃焼反応を引き起こすため、金属微粒子
を担体粒子として用いることは困難であるが、このよう
に酸化物を用いることで、充分な導電性を有する微粒子
を得ることができる。

【００４７】上記した実施例では、表面を窒化処理した
酸化チタン粒子に対し、蒸留水中で白金塩を吸着させ、
この吸着させた白金塩を還元させることによって、触媒
層２６，２７が備える触媒粒子を形成した。ここで、酸
化チタンは、光触媒として作用することができるため、
酸化チタンを担体粒子として用いる場合には、以下のよ
うにして担体粒子表面に白金を担持させることとしても
よい。すなわち、上記実施例と同様に表面を窒化した酸
化チタン粒子を用意し、この酸化チタン粒子を、白金塩
を含有する溶液中に分散させる。この状態で白金塩溶液
に光を当てると、酸化チタンの光触媒作用によって、担
体粒子表面で白金が還元されて、担体粒子表面に白金を
担持させることができる。このような方法は、上記した
ような光触媒作用を有する酸化物を担体粒子として用い
る場合であって、その表面を窒化したときに、この窒化
物が充分な導電性を有する場合に適用することができ
る。例えば、酸化タングステン微粒子や酸化亜鉛微粒子
を担体粒子として用いる場合にも、このような方法によ
って白金を担持させることができる。

【００４８】既述した第１実施例の燃料電池では、セパ
レータ３０はその表面に所定の凹凸形状を有し、この凹
凸形状によって、ガス拡散層との間で、燃料ガスまたは
酸化ガスの流路を形成している。このようなガス流路を
形成するための凹凸形状を有するセパレータの代わり
に、凹凸形状を有しないセパレータを用いて燃料電池を
構成することとしてもよい。以下に、このような構成の
燃料電池を第２実施例として説明する。第２実施例の燃
料電池は、第１実施例の燃料電池とほぼ同様の構成とな
っており、構成単位である単セルを複数積層したスタッ
ク構造を有している。図６は、第２実施例の燃料電池の
構成単位である単セル１２８の構成を例示する断面模式
図、図７は、単セル１２８の構成を表わす分解斜視図で
ある。第２実施例の燃料電池において、第１実施例の燃
料電池と共通する部材には同じ番号を付した。第２実施
例の燃料電池を構成する単セル１２８は、図６に示すよ
うに、電解質膜２１と、アノード１２２およびカソード
１２３と、触媒層２６，２７と、セパレータ１３０ａ，
１３０ｂとから構成されている。

【００４９】第２実施例のセパレータ１３０ａ，１３０
ｂは、第１実施例のセパレータ３０とは異なり、その表
面に、凹部１５４，１５５が形成されている（図７参
照）。この凹部１５４，１５５は、燃料電池を組み立て
たときには、アノード１２２，カソード１２３がはまり
込んで、このガス拡散電極と共にガス流路を形成する。
各セパレータ１３０ａ，１３０ｂでは、それぞれの一方
の面に凹部１５４が、他方の面に凹部１５５が形成され
ている。セパレータ１３０ａ，１３０ｂの一方の面に形
成された凹部１５４は、後述するように、隣接するアノ
ード１２２と共に燃料ガス流路を形成し、セパレータ１
３０ａ，１３０ｂの他方の面に形成された凹部１５５
は、隣接する単セルが備えるカソード１２３と共に酸化
ガス流路を形成する。このように、セパレータ１３０
ａ，１３０ｂは、ガス拡散電極と共に単セル内のガス流
路を形成すると共に、隣接する単セル間で燃料ガスと酸
化ガスとの流れを分離する役割を果たしている。セパレ
ータ１３０ａ，１３０ｂは、実際に組み立てられる燃料
電池では、形態上、あるいは働きの上で区別はなく、以
後、セパレータ１３０と総称する。

【００５０】電解質膜２１は、第１実施例の単セル２８
における電解質膜２１と同様に、プロトン導電性のイオ
ン交換膜からなり、その両面には、単セル２８と同様の
触媒層２６，２７が形成されている。

【００５１】アノード１２２およびカソード１２３は、
第１実施例のアノード２２およびカソード２３と同様
に、窒化チタンで被覆されたアルミニウム製の金属メッ
シュによって形成されている。ここで、アノード１２２
は、メッシュの粗さの異なる第１層１２２ａおよび第２
層１２２ｂからなり、カソード１２３は、同じくメッシ
ュの粗さの異なる第１層１２３ａおよび第２層１２３ｂ
からなっている。第１層１２２ａおよび第１層１２３ａ
（触媒層２６，２７と隣接する側に配設されている）を
構成する金属メッシュは、第２層１２２ｂおよび第２層
１２３ｂ（セパレータ１３０と隣接する側に配設されて
いる）を構成する金属メッシュに比べて、メッシュの粗
さがより密に形成されている。

【００５２】このような第２実施例の燃料電池では、メ
ッシュの粗さが粗でありセパレータ１３０と隣接する側
に配設された第２層１２２ｂ，１２３ｂは、第１実施例
の燃料電池においてリブ５４，５５が形成する流路（燃
料ガス流路２４Ｐおよび酸化ガス流路２５Ｐ）に相当す
る流路を形成する。すなわち、燃料電池内で各単セル１
２８に分配されるガスは、メッシュの粗さが粗である第
２層１２２ｂ，１２３ｂ内を通過すると共に、メッシュ
の粗さが密である第１層１２２ａ，１２３ａ内で、触媒
層２６，２７側に拡散されて、電気化学反応に供され
る。

【００５３】セパレータ１３０は、既述したように、そ
れぞれの面上に凹部１５４，１５５を形成しており、セ
パレータ１３０の基板部は、第１実施例のセパレータ３
０と同様に成形したアルミニウムまたは圧延鋼板からな
り、その表面は、セパレータ３０と同様に窒化チタンで
被覆されている。

【００５４】また、セパレータ１３０は、凹部１５４に
よって連絡される燃料ガス孔５０，５１と、凹部１５５
によって連絡される酸化ガス孔５２，５３とを備えてい
る（図７参照）。燃料電池を組み立てたときには、各セ
パレータ１３０が備える燃料ガス孔５０，５１はそれぞ
れ、燃料電池内部をその積層方向に貫通する燃料ガス供
給マニホールドおよび燃料ガス排出マニホールドを形成
する。また、各セパレータ１３０が備える酸化ガス孔５
２，５３は、同じく燃料電池内部をその積層方向に貫通
する酸化ガス供給マニホールドおよび酸化ガス排出マニ
ホールドをそれぞれ形成する。

【００５５】以上説明した各部材を備える燃料電池を組
み立てるときには、セパレータ１３０、アノード１２
２、電解質膜２１（表面には触媒層２６，２７を形成し
ている）、カソード１２３、セパレータ１３０の順序で
順次重ね合わせ、第１実施例と同様のスタック構造を形
成する。

【００５６】以上のように構成された第２実施例の燃料
電池によれば、セパレータ１３０、ガス拡散電極、触媒
層２６，２７を構成する触媒粒子のそれぞれの表面が、
同じ窒化チタンによって形成されているため、第１実施
例と同様に、窒化チタンによって充分な耐食性が確保さ
れると共に、隣接する部材間の接触抵抗を小さくして、
燃料電池の内部抵抗が大きくなるのを抑え、燃料電池の
性能を充分に確保することができる。また、第１実施例
の場合と同様に、隣接する部材同士を同じ材質で被覆す
ることによって耐食性が向上する効果や、セパレータお
よびガス拡散電極を金属で形成することによって燃料電
池全体の強度を向上させる効果や、各部材に耐食性を付
与するために高価な貴金属を用いる必要がなくコストを
抑えることができるといった効果を得ることができる。

【００５７】さらに、第２実施例の燃料電池は、上記し
たような第１実施例と共通する効果に加えて、セパレー
タの製造コストを抑えることができるという効果を奏す
る。すなわち、第２実施例のセパレータ１３０は、その
表面にガス流路を形成するための細かい凹凸構造を有し
ないため、アルミニウムまたは圧延鋼板を成形する際の
製造工程をより簡素化することができる。

【００５８】以上説明した実施例では、触媒層を構成す
る触媒粒子と、ガス拡散層と、ガスセパレータとを同じ
物質で被覆し（あるいは、表面物質を互いに同じ物質と
し）、隣接する部材間の接触抵抗を抑えることとした
が、他の部材と共に積層されて燃料電池を構成し、燃料
電池の発電中には電流が流れる部材であれば、他の部材
であっても同様の効果を得ることができる。例えば、所
定数の積層された単セルごとに配設され、隣接する部材
との間に冷却水の流路を形成する既述した冷却水路セパ
レータを、隣接する部材（例えばガスセパレータ）の表
面を被覆する物質と同一の物質で被覆することとしても
よい。なお、燃料電池を構成する各部材の形状は、上記
した第１実施例および第２実施例で示したセパレータや
ガス拡散電極とは異なる形状であってもよく、燃料電池
内で隣接し合う部材のそれぞれにおいて、少なくとも両
者が接触する領域の表面を、同一の物質で形成するなら
ば、両者の間の接触抵抗を低減し、燃料電池の内部抵抗
を小さくする効果を得ることができる。

【００５９】以上本発明の実施例について説明したが、
本発明はこうした実施例に何等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内において種々なる
様態で実施し得ることは勿論である。

【図面の簡単な説明】

【図１】単セル２８の構成を例示する断面模式図であ
る。

【図２】単セル２８の構成を表わす分解斜視図である。

【図３】単セル２８を積層したスタック構造１４の外観
を表わす斜視図である。

【図４】触媒層２６における触媒粒子の様子を模式的に
表わす説明図である。

【図５】セパレータ３０の断面の様子を表わす説明図で
ある。

【図６】単セル１２８の構成を例示する断面模式図であ
る。

【図７】単セル１２８の構成を表わす分解斜視図であ
る。

【符号の説明】

１４…スタック構造２１…電解質膜２２…アノード２３…カソード２４Ｐ…燃料ガス流路２５Ｐ…酸化ガス流路２６，２７…触媒層２８，１２８…単セル３０，３０ａ，３０ｂ…セパレータ３２…基板部３４…コート層３４Ｐ…燃料ガス流路３５Ｐ…酸化ガス流路３６，３７…集電板３６Ａ，３７Ａ…出力端子３８，３９…絶縁板４０，４１…エンドプレート４２，４３，５０，５１…燃料ガス孔４４，４５，５２，５３…酸化ガス孔５４，５５…リブ１２２…アノード１２２ａ，１２３ａ…第１層１２２ｂ，１２３ｂ…第２層１２３…カソード１３０，１３０ａ，１３０ｂ…セパレータ１５４，１５５…凹部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電解質層と、該電解質層の表面に設けら
れ、表面に触媒を担持する触媒粒子が集合してなる触媒
層と、該触媒層に隣接して設けられガス透過性を有する
ガス拡散層と、前記ガス拡散層に隣接して設けられガス
不透過であるガスセパレータと、を少なくとも積層して
なる燃料電池であって、前記ガスセパレータと前記ガス拡散層は、少なくとも互
いに接触する部分が、予め同一の被覆物質で被覆されて
いることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】前記ガス拡散層は、少なくとも前記触媒
層と接触する部分が、前記触媒粒子の表面を形成する物
質と同じ物質である被覆物質によって、予め被覆されて
いることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】前記ガスセパレータは、金属部材によっ
て形成される請求項１または２記載の燃料電池。
【請求項４】前記被覆物質は、導電性セラミックまた
は導電性酸化物である請求項１ないし３いずれか記載の
燃料電池。
【請求項５】燃料の供給を受け、該燃料を利用した電
気化学反応により起電力を得る燃料電池であって、該燃料電池を構成し導電性を有する複数の構成部材のう
ち、隣り合う所定の部材は、少なくとも互いに接触する
部分が、予め同一の被覆物質で被覆されていることを特
徴とする燃料電池。