JP2000260441A

JP2000260441A - 高分子電解質型燃料電池

Info

Publication number: JP2000260441A
Application number: JP11058203A
Authority: JP
Inventors: Hisaaki Gyoten; 久朗行天; Kazufumi Nishida; 和史西田; Kazuhito Hado; 一仁羽藤; Teruhisa Kanbara; 輝壽神原; Hideo Obara; 英夫小原; Junji Niikura; 順二新倉
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1999-03-05
Filing date: 1999-03-05
Publication date: 2000-09-22
Anticipated expiration: 2019-03-05
Also published as: JP4485613B2

Abstract

(57)【要約】【課題】電池などの電気発生装置はセパレータ板と電
極との接触抵抗、あるいはセパレータ板等を介した電気
発生装置間の接触抵抗の増大によって性能が低下してい
た。【解決手段】セパレータ板の電極と接触表面を凹凸処
理したり、セパレータ板と電極との接触部位にセパレー
タ板の素材より硬度の高い導電性粒子を配することによ
って、セパレータ板の表面に形成された、耐食性保持の
ための酸化被膜を破って導電パスが形成されるので、高
い電池性能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、民生用コジェネレ
ーションや移動体用の発電器として有用な燃料電池、特
に高分子電解質を用いた高分子電解質型燃料電池に関す
る

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は、水素などの燃料と空気など
の酸化剤ガスとを、ガス拡散電極において電気化学的に
反応させ、電気と熱とを同時に供給取り出すものであ
る。この燃料電池には、用いる電解質の種類により、異
なるタイプがある。電解質がリン酸型の場合、実際には
ＳｉＣマトリックスに含浸したリン酸が用いられる。ま
た、高分子電解質型の場合には、側鎖末端基としてスル
ホン酸が導入されたフッ素樹脂ポリマー膜が主流となっ
ている。

【０００３】電池の構成では、こられの電解質に、白金
系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする、
電極反応層を密着させる。さらに電極反応層の外面に
は、ガス通気性と導電性を兼ね備えた一対の電極基材を
密着させ、電極反応層と合わせてガス拡散電極とする。
電極の外側には、これらの電極および電解質の接合体を
機械的に固定するとともに、隣接する接合体を互いに電
気的に直列に接続するための導電性のセパレータ板が配
される。実際のセパレーター板は、電極と接触する部分
には、電極面に反応ガスを供給し、生成ガスや余剰ガス
を運び去るためのガス流路を形成する。このため、セパ
レーター板をガス流路板という実施運転するためには、
電解質層、電極反応層、ガス流路板を積層した単セル
を、数十から数百を積層し、それぞれのガス流路にマニ
ホルドを通じて外部から水素などの燃料ガスと空気を供
給する構造をとる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】通常、ガス拡散層を形
成する電極は、カーボン繊維やカーボン粒子粉末で構成
する。また、ガス流路板を構成する材料は、カーボンや
耐食性金属を用いる。カーボンは耐久性に優れるが、ガ
ス流路の整形加工や材料の低コスト化が課題となる。一
方、ガス流路板に金属材料をもちいると、素材自体が比
較的低コストであり、またプレス成形などで流路成型が
容易である。しかし、長時間にわたり高加湿ガスにさら
されるため強い耐食性を必要とする。これに加えて、電
極との接触抵抗を抑制することが、電池の発電効率を高
くするためには重要となる。

【０００５】例えば、代表的な耐食性金属であるステン
レスは、表面に形成された主として酸化クロムからなる
不動態被膜によって耐食性を保持している。しかし、不
動態被膜が不安定になりやすい合金組成や腐食条件下で
は、長時間の運転中に鉄をはじめニッケルやクロム等が
イオンとなって徐々に溶出し、高分子電解質内部に沈積
したり、電極触媒の働きを抑制するように働くので電池
性能は低下する。一方不動態被膜が安定で長時間運転中
も金属イオンの溶出の少ない合金組成では、不動態被膜
が電気抵抗となって接触抵抗が増大し、高い電池性能を
得ることができない。このような状況は軽量化を企図し
てアルマイト処理を施したアルミニウムを用いた時も同
様で耐食性と接触抵抗の低減を両立させることが困難だ
った。金属表面を金などの耐食性金属を化学メッキや蒸
着などによってコートする方法も検討されているが、低
コスト化は困難であった。

【０００６】

【課題を解決するための手段】以上の課題を解決するた
め、本発明の高分子電解質型燃料電池は、水素イオン伝
導性高分子電解質膜を挟んだ一対の電極と、前記電極を
挟んだ一対の多孔性拡散層と、前記多孔性拡散層を挟ん
だ一対のガス流路板とを具備した燃料電池において、前
記ガス流路板の前記多孔性拡散層に接触する部分は凹凸
構造を有することを特徴とする。

【０００７】また、本発明の高分子型燃料電池は、水素
イオン伝導性高分子電解質膜を挟んだ一対の電極と、前
記電極を挟んだ一対の多孔性拡散層と、前記多孔性拡散
層を挟んだ一対のガス流路板とを具備した燃料電池にお
いて、前記ガス流路板と前記多孔性拡散層との接合部分
に導電性粒子を配置したことを特徴とする。

【０００８】以上では、導電性粒子は、前記導電性粒子
が接触するガス流路板より高い材料硬度を有することが
有効である。

【０００９】また、多孔質拡散層はカーボン粒子もしく
はカーボン繊維を有することが有効である。

【００１０】また、導電性粒子の粒径は、多孔性拡散層
を構成するカーボン粒子の粒径もしくはカーボン繊維の
直径より小さいことが有効である。

【００１１】以上では、ガス流路板は金属材料よりなる
ことが有効である。

【００１２】このとき、金属材料は、ｐＨ３以上の酸性
雰囲気中で表面に不動態被膜を生成することが望まし
い。

【００１３】また、有機バインダーもしくはガス流路板
を構成する材料より低い硬度を有する導電性粒子を、ガ
ス流路板より高い硬度の導電性粒子とともに、前記ガス
流路板もしくは多孔性拡散層の表面に塗着したことが有
効である。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明は、金属セパレータの表面
形状の改善や通電部に導電性粒子を配することによっ
て、金属セパレータ表面上で耐食性を保持する被膜を貫
いて接触部分における導電パスを確保すること手段を提
供するものである。

【００１５】すなわち、金属セパレータの通電部の表面
形状として凹凸を設け、電極を構成するカーボン繊維や
カーボン粉末が圧接してきた際に凸部が変形することに
よって耐食被膜が破れ、金属セパレータの金属部分と電
極のカーボン素材とが直接新たに接触する部分の面積が
増大する構成としている。

【００１６】また、金属セパレータとの接合面に、金属
セパレータを構成する金属より硬度の高い導電性粒子を
配すると電極の圧接時に導電性粒子が金属セパレータ表
面の耐食被膜を貫いて導電パスが形成される。

【００１７】具体的には表面の凹凸処理の凸部の幅が、
電極に含まれるカーボン粉末あるいはカーボン繊維の直
径より小さくすること、凸部がくさび形状であり、その
先端角が９０度より小さくすることが凸部の変形を大き
くし、接触面積を増大することによって接触抵抗の低減
を図る。凹凸処理としてサンドブラスト法を用いること
が簡便低コストな製造技術である。

【００１８】また、電極を構成するカーボン繊維やカー
ボン粉末が金属セパレータに圧接された時に生じる金属
セパレータ表面の変形は接触する圧力が大きいほど大き
くなるから、金属セパレータの表面凸部が電極内部にく
さび形に貫入し、接触面積を増大させると同時に実質的
な圧接圧を増大させる構造が望ましい。表面凸部の高さ
としては電極を構成するガス拡散層の厚みの５０％〜１
０％が実際的であった。

【００１９】一方、金属セパレータ表面に金属セパレー
タより硬い導電性粒子もしくは導電性粉末を配する方法
では、金属粒子や粉末以外としてガラス状カーボンの粉
砕粉が好適である。金属粒子ではそれ自身からの金属イ
オンの溶出による影響への配慮が必要である。ガラス状
カーボンの他にも、窒化チタンやシリコンカーバイトな
どのカーバイト類、さらには酸化ルテニウムなどの導電
性酸化物も有効性が高い。導電性粒子の粒径としては電
極を構成するカーボン繊維の直径（〜１０μｍ）と同等
か、それより小さい粒径の粉が良かった。粒径が３００
μｍより大きくなると金属セパレータの接合面への保持
が困難となった。逆に粒径が０．０１μｍより小さいと
耐食被膜の貫通ができなくなる。導電性粒子の形状とし
てはガラス状カーボンの粉砕粉のように鋭利な角を保持
しているものの方が、表面が滑らかな球状粉より有効性
が高かった。

【００２０】金属セパレータの接触部位への導電性粒子
の保持構造としては、導電性粒子が有機バインダーとと
もに金属セパレータやガス拡散電極の通電表面に塗着さ
れている構成で、塗着膜の導電性を高く維持するために
導電性フィラーや分散剤の添加が望ましい。また、より
塗着性を高くするために金属表面の凹凸処理も可能であ
る。

【００２１】高硬度の導電性粒子の構成法の別の実施形
態としては、導電性粒子を金属セパレータに高速で衝突
させて打ち込み、あるいはプレスして機械的に押し込む
方法や、内部に前記導電性粒子を分散させた金属セパレ
ータ表面の、導電性粒子以外の部分を除去することによ
って導電性粒子が金属セパレータ表面に一部分が埋め込
まれた形態がある。

【００２２】本発明は、金属部材の電気接点を介して外
部に電力を取り出す発電装置に対して有効なものと考え
られるが、接触面の電流密度が大きいことから、ジュー
ル損の発電効率へ及ぼす影響が大きい燃料電池、特に固
体高分子型燃料電池へ適用した例で具体的に説明する。

【００２３】

【実施例】（実施例１）アセチレンブラック系カ−ボン
粉末に、平均粒径約３０Åの白金粒子を２５重量％担持
したものを電極の触媒とした。この触媒粉末をイソプロ
パノ−ルに分散した溶液に、高分子電解質であるパーフ
ルオロカーボンスルホン酸の粉末をエチルアルコールに
分散したディスパージョン溶液を混合し、ペースト状に
した。一方、電極のベースとなる厚さ４００μｍのカー
ボンペーパーをフッ素樹脂の水性ディスパージョン（ダ
イキン工業（株）製のネオフロンＮＤ１）に含浸して乾
燥後、４００℃で３０分熱処理して撥水性を付与した。

【００２４】撥水処理を施したカーボンペーパー電極の
片面に、前記の触媒ペーストを均一に塗布して触媒層を
形成した。形成後の反応電極中に含まれる白金量は０．
５ｍｇ／ｃｍ²、パーフルオロカーボンスルホン酸の量
は１．２ｍｇ／ｃｍ²となるよう調整した。触媒層を形
成した２枚のカーボンペーパー電極によって水素イオン
伝導性を有するパーフルオロカーボンスルホン酸の高分
子電解質膜（デュポン社製、ナフィオン膜、膜厚２５μ
ｍ）を挟んで重ね合わせた後、これを乾燥してＭＥＡ
（電極・電解質接合体）を得た。

【００２５】ガス拡散層としてはカーボンペーパーの他
にも、可撓性を有する素材としてカーボン繊維を織った
カーボンクロス、さらにはカーボン繊維とカーボン粉末
を混合し有機バインダーを加えて成型したカーボンフェ
ルトを用いてもよい。これらのガス拡散層に用いるカー
ボン繊維やカーボン粉末の直径は５〜２０μｍとした。

【００２６】次に、電極に活物質となる水素ガスと空気
を供給し、生成した水蒸気やドレインガスを排出するガ
ス流路板をそれぞれのカーボンペーパー電極に沿わせて
２枚構成した。ガス流路板は厚さ２ｍｍのグラファイト
板を用い、電極に接する面にガス流路となる溝を切削に
よって形成した。セパレータ板として厚さ４ｍｍのステ
ンレス板（ＳＵＳ３１６）、或いはアルミニウム板を２
枚用意した。セパレータ板には外部から活物質となるガ
スを供給し、ドレインガスを排出するためのマニホルド
孔を形成した。ＭＥＡの周囲は厚さを調整したシリコン
ゴム製のシール材を配してガスが漏れないようにした。

【００２７】電解質層と電極からなる電気発生部で発生
した電気は、グラファイト製のガス流路板を経て、金属
セパレータ板から外部へ取り出すことができる。また、
ガス流路板を用いずに金属セパレータ上に切削加工、或
いはプレス成形によってガス流路を構成した燃料電池で
も試験を行った。

【００２８】ローラープレスにより表面を様々な微細形
状にエンボス加工した金属板から作成したセパレータを
用いて、凹凸処理の効果を調べた。エンボス加工はアル
ミニウムセパレータでは容易であったが、ステンレスセ
パレータでは大きい凹凸の形成は困難だったので、凸部
の高さが１００μｍを越えるものについては、切削加工
で凹凸を形成した。逆に凸部の高さが１０μｍより小さ
いものについてはサンドペーパーによる研磨、もしくは
サンドブラスト法におけるサンド粒子の粗さを調整する
ことによっても得た。凹凸処理した表面形状は、光学実
体顕微鏡や電子顕微鏡、あるいは触針法によって観察・
同定した。

【００２９】電池に組んでの試験に先立って、ガス拡散
層として用いているカーボンペーパーと金属テストピー
ス（ステンレス、アルミニウム）との間の接触電気抵抗
を、圧接圧をパラメータにして測定・評価した。ＳＵＳ
３１６製テストピースの圧接圧を２５ｋｇｆ／ｃｍ²印
加した状態での接触抵抗の平均値を表１に表した。

【００３０】

【表１】

【００３１】表１において、ＳＵＳ３１６板の表面凹凸
処理を行わないものが１２０ｍΩ・ｃｍ²であるのに対
し、表面に凹凸処理を施したものは１０〜５０ｍΩ・ｃ
ｍ²と接触抵抗が改善されることがわかった。アルミニ
ウムについては凹凸処理を行った後、陽極酸化法によっ
てアルマイト処理を行った。アルミニウム板で凹凸処理
を行わないものは５３０ｍΩ・ｃｍ²と高かったが、凹
凸処理を行ったものは５０〜３００ｍΩ・ｃｍ²と接触
抵抗が低くなった。アルミニウム板の場合、陽極酸化を
やりすぎるとアルマイト被膜層が厚くなり、凹凸処理し
ても接触抵抗の著しい改善は見られなかった。以上の結
果から、凸部の高さが小さくなるにつれて接触抵抗が小
さくなる傾向があったが全体としては、凹凸処理するこ
とによって飛躍的に接触抵抗が改善されることが分かっ
た。

【００３２】また、表１に示した他にも接触抵抗の測定
をおこなった。例えば、表面凹凸の形状と接触抵抗の改
善性について追求するため、エンボスプレス成形のプレ
ス型やプレス圧を変えて測定を行った。その結果、プレ
ス圧が小さく、凸部の頂点部に平らな部分が多く残って
いるような場合は、接触抵抗の改善があまり見られなか
った。また、凸部の形状と接触抵抗の関連については一
般的に凸部のくさび形状の角度が鋭いほど接触抵抗が小
さくなり、同じ接触抵抗を選るのにも少ない圧接圧とな
ることが分かった。この効果はくさび形状の角度が９０
度より小さくなると顕著だった。

【００３３】また、触針法によって凸部が同程度である
金属板でも接触抵抗の挙動に大きく差があることが分か
ったので、原因を追求した。顕微鏡による観察による接
触部の微細構造の模式図を図１に示した。カーボン繊維
１がステンレスセパレータ２に圧接されており、表面の
酸化被膜３を通して導電パスが形成されていると考えら
れる。凸部の幅４が広いものより、狭いものの方が接触
抵抗の改善が大きく、２０μｍより狭くなると接触抵抗
が特に小さくなった。図１に示したように凸部の幅がカ
ーボンペーパーのカーボン繊維の断面５の径（５〜２０
μｍ）と同程度になると、圧接圧による凸部の変形が大
きくなり、カーボン材料と金属材料との実質的な接触面
６の面積が増大するものと考える。

【００３４】このような凹凸処理した金属セパレータを
用いて単電池を構成し、電池試験を行った。電池試験は
次のような構成で行った。まず、空気を６０〜７０℃の
温水バブラーに潜らせて加湿し、水素は８０℃の温水バ
ブラーを潜らせてそれぞれの電極に通じるマニホルドへ
供給した。この時の電池温度は７５℃で一定とし、供給
した活物質ガスに対する、電極反応で消費されるガスの
割合をあらわすガス利用率としては、水素側が７０％、
空気側が２０％として試験を行った。負荷電流密度とし
て０．５Ａ／ｃｍ²取ったときの出力電圧で電池性能を
評価した。

【００３５】凸部の平均高さと幅が２０μｍのステンレ
スセパレータを用いた電池の性能を、凹凸処理を施して
いないステンレスセパレータを用いた電池の性能、およ
び従来のカーボン切削によるセパレータを用いた電池の
性能と比較して、図２に表した。その結果、凹凸処理を
するとカーボン切削セパレータに迫る性能が得られるこ
とが分かった。さらに、表１に示した様々な凹凸処理を
施した金属セパレータについても電池試験を行った結
果、接触抵抗が小さいものほど電池性能が高いという相
関性を得た。アルミニウムセパレータについても、接触
抵抗が大きい分ステンレスに比べて電池性能は低かった
が表面の凹凸処理で電池性能が改善されることが分かっ
た。

【００３６】次に、凹凸処理の凸部を高くしていった時
の電池性能を評価した。凸部の高さとして１００μｍ，
２００μｍ，３００μｍ，５００μｍのステンレス製セ
パレータをプレス成形、あるいは切削加工によって試作
した。いずれのセパレータを用いた電池も性能は良好だ
ったが、凸部が３００μｍ以上のセパレータの電池で
は、カーボンペーパーが破壊され試験中に急激に性能が
低下するものもあった。したがって、凸部の高さはガス
拡散層の５０％以下が好適といえる。

【００３７】さらに、凹凸処理をした金属セパレータの
耐食性と接触抵抗との相関について調べた。ステンレス
などの鉄を主成分として表面の酸化クロムからなる不動
態皮膜によって耐食性を保持する合金からなるセパレー
タをいくつか用意した。主としてクロムの含有率を変え
ることによって、不動態皮膜が安定に存在するｐＨ領域
を変化させた。電池試験の結果、ｐＨが２より低い雰囲
気においても高い耐食性が維持できる合金のセパレータ
では、凹凸処理をしたものでも電池性能はあまり高くな
かった。一方、ｐＨが２より高い雰囲気でないと不動態
被膜が安定に存在できない合金組成のセパレータでは凹
凸処理をすると電池性能が著しく改善された。これは表
面の耐食性被膜がある程度薄いほど、凹凸処理の効果が
大きくなることによるものと考える。

【００３８】（実施例２）次に、ガス拡散電極と金属セ
パレータとの通電接点に、金属セパレータを構成する金
属より硬度が高い導電性粒子を配した燃料電池について
説明する。実施例１と同様に、電池試験に先だってカー
ボンペーパーと金属テストピースとの間の接触電気抵抗
の評価を行った。金属製導電粒子としてアルミニウム粉
末とステンレス（ＳＵＳ３１６）粉末、コバルト粉末を
選び、カーボン系の導電性粒子として、結晶性黒鉛、ガ
ラス状カーボンを、また、セラミック系導電粒子として
窒化チタン、シリコンカーバイト、酸化鉛を選んだ。こ
れらの粉末をめのう製乳鉢にて１時間粉砕・微粉化した
後、有機溶剤にてスラリー化してテストピースの通電接
触面にコーティング・乾燥固化した。

【００３９】カーボンペーパーとステンレス（ＳＵＳ３
１６）製テストピースを用い、圧接圧を２５ｋｇｆ／ｃ
ｍ²印加した状態での接触抵抗の平均値を表２に表し
た。

【００４０】

【表２】

【００４１】アルミニウム粉末と酸化鉛粉末をのぞい
て、いずれの粉末においても接触抵抗の改善が見られ
た。特にステンレス粉末、コバルト粉末、ガラス状カー
ボン、窒化チタンにおいては、どんな粉末も用いない時
の接触抵抗が１３０ｍΩ・ｃｍ²に対して、１５〜４０
ｍΩ・ｃｍ²と接触抵抗の改善が著しかった。

【００４２】接触抵抗改善の原因を解明するため、試験
後のステンレス製テストピースの表面を顕微鏡観察し
た。その結果、ガラス状カーボンや窒化チタン粉末では
表面に無数の傷が観察できた。一方、アルミニウム粉末
や酸化鉛粉末ではそのような傷は見出せなかった。これ
らの結果から、導電性微粒子がステンレスの表面被膜を
突き破る形で接触面に存在し、カーボンペーパーを構成
するカーボン繊維とステンレス製テストピースとの間の
電気導電性を確保したと考える。

【００４３】同じカーボン系導電粒子でもステンレスの
ビッカース硬度（１８０〜２２０ＨＶ）より小さい結晶
性黒鉛では、接触抵抗の改善が小さかった。また、カー
バイトはビッカース硬度は高いので、実験に用いたシリ
コンカーバイトより導電性のより高いカーバイトを用い
ると、接触抵抗は大きく改善できた。また、アルミニウ
ムや酸化鉛では硬度もステンレスに比べて低く、表面の
酸化被膜やそれ自身の導電率が低いために接触抵抗が改
善できなかった。

【００４４】つぎにこれらの硬度の高い導電性粉末の中
から、ガラス状カーボン粉末とステンレス粉末を用いて
電池試験を行った。電解質膜、ガス拡散電極など電池の
基本構成とその製造・組立手順は実施例１とほぼ同様に
した。ビッカース硬度が５５０ＨＶのガラス状カーボン
粉末は、熱硬化性樹脂の長時間にわたる熱処理によって
得たガラス状カーボンのブロックをボールミルを用いて
粉砕して得た。このカーボン粉末の平均粒子径は３０μ
ｍであった。また、ステンレス粉末はＳＵＳ３０４製の
平均粒径３０μｍのものを用いた。燃料電池の組立時
に、エタノールを用いてスラリー化したガラス状カーボ
ン粉末をステンレス（ＳＵＳ３１６）セパレータのガス
拡散電極との接触面に塗布・乾燥した。セパレータと電
極の接触圧は２５ｋｇｆ／ｃｍ²に調整した。

【００４５】電池試験は実施例１と同様な条件で、空気
を６０〜７０℃の温水バブラーに潜らせて加湿し、水素
は８０℃の温水バブラーを潜らせて供給した。電池温度
は７５℃とし、水素側ガス利用率は７０％、空気側ガス
利用率を２０％として試験を行った。図３にガラス状カ
ーボン粉末やステンレス粉末を用いた電池の性能を、従
来の圧接による電池の性能と比較して表した。その結
果、これらの粉末を配した電池では、電流密度が０．５
Ａ／ｃｍ²のときの出力電圧が０．６３〜０．６５Ｖと
従来の構成の電池の値０．５０Ｖと比較し大きく改善さ
れたことが分かった。

【００４６】ガラス状カーボン粉末をステンレスセパレ
ータ上に塗着した電池では、そのガス拡散電極との接触
面では図４に示したように、有機バインダー７に固着さ
れたガラス状カーボン粒子８が、ガス拡散電極のカーボ
ン繊維１と接しながら、一方で表面の酸化被膜層３を貫
いてステンレス金属部分２に達している。このガラス状
カーボン粒子８により導電パスが形成されているために
接触抵抗が大幅に改善されたものと推察する。

【００４７】また、結晶性カーボンを用いた電池でも
０．５７Ｖと若干の改善が確認できた。このように、そ
れぞれの接触抵抗値に対応してほぼ電池性能が改善され
ていることが分かった。今回はステンレス粉末としてセ
パレータ材料のＳＵＳ３１６と同等か少し柔らかいＳＵ
Ｓ３０４粉末を用いたが、より硬いステンレス材や金属
粉末を用いることによって、さらに電池性能が向上する
ことを確認した。

【００４８】つぎに、ガラス状カーボンの粉砕条件を変
えて、種々の平均粒径の粉末（５μｍ，１０μｍ，２０
μｍ，３５μｍ，６０μｍ）を調整し、粒子径と電池性
能の関係を調べた。いずれの電池も運転初期には性能の
改善が見られたが、粒径が２０μｍより大きい電池では
２００時間を超える電池試験中に性能が徐々に低下して
いく傾向が見られた。この原因は、カーボン粒子の径
が、ガス拡散電極の多孔質カーボン素材であるカーボン
繊維の径（５〜２０μｍ）より大きいとカーボン粒子が
接合面に保持されにくいことによると考える。

【００４９】これまでの構成はカーボン粒子を有機溶剤
でスラリー化して金属セパレータの導電面に塗布したも
のであったが、カーボン粒子の付着強度が弱く、電池の
組立時に脱落する場合があった。ポリビニルブチラール
の２重量％エタノール溶液で分散し、スラリー化して塗
着・乾燥した。さらに塗膜の導電性を高めるために結晶
性炭素粉末を５〜５０重量％添加し、界面活性剤で分散
性を付与したスラリーも調整し、電池試験を行った。エ
タノールのみでスラリー化して導電面に塗布した電池に
比べて、単にポリビニルブチラールを添加したものでは
若干性能が低下したが、結晶性カーボンの添加によって
塗膜の導電性を高めた電池では、性能が高くなった。い
ずれの場合も電池組立時のカーボン粉末の脱落が防止で
きた。また、塗膜の導電性向上による性能改善の試みを
通じて、硬度の高い導電性粒子は５重量％程度含まれて
いれば接触抵抗の改善効果があることも分かった。

【００５０】さらに塗膜の付着性と接触面積を増大する
目的で、サンドブラストによって凹凸処理したステンレ
スセパレータを用いて電池試験を行った結果、サンドブ
ラスト処理をしないものに比べて明らかに電池性能が向
上した。エタノールの蒸発・固化時にポリビニルブチラ
ールが収縮し、ガラス状カーボン粒子のステンレス表面
への圧接力が増したためと考える。

【００５１】さらに硬度の高い導電性粒子の接合導電面
への別の構成法として、次の方法を検討した。すなわ
ち、ガラス状カーボンの粉末を金属表面へ分散させた
後、ローラープレスにて機械的に押し込んだ。表面を顕
微鏡で観察すると多くのカーボン粒子が金属表面に埋め
込まれている状態が確認された。アルミニウムなどの柔
らかい金属では５０ｋｇ重／ｃｍ²のプレス圧力で良か
ったが、ステンレスでは１００ｋｇ重／ｃｍ²以上のプ
レス圧力が必要だった。また、２００μｍ程度の比較的
粗いガラス状カーボンの粒子を圧力空気によって金属表
面に衝突させた実験でも、ガラス状カーボンの破片が一
部金属表面に留まっていることが確認された。

【００５２】また、粒径１０〜１００μｍ程度に粉砕し
たガラス状カーボンを、融解したアルミニウム中に１０
ｗｔ％程度混入し、分散させた。凝固時に偏析しないよ
うに超音波振動を与えながら冷却し、ガラス状カーボン
粉とアルミニウムのコンポジットブロックを得た。接触
電気抵抗の測定用に金属テストピースを切り出し、塩酸
に１〜５分浸積した。その後、陽極酸化法によって表面
をアルマイト処理して耐食性を付与した後、接触抵抗を
測定した。接触抵抗は１０〜３０ｍΩ・ｃｍ²と十分小
さかった。表面を顕微鏡観察すると、陽極酸化法によっ
て形成したアルミナ被膜を貫通して、数多くのガラス状
カーボン粒子が表面に露出していた。アルミニウム以外
の金属、例えばステンレスなどにおいても同様な方法に
よって、接触抵抗の小さい高耐食性金属を得ることがで
きた。

【００５３】これらのガラス状カーボン粒子を電極との
接触表面に機械的に埋め込んだステンレス製セパレータ
を用いて電池試験を行ったが、結果はスラリーの塗工に
よるものと同様に良好だった。

【００５４】これらの硬度の高い導電性粒子を含むスラ
リーの塗布・乾燥による方法や機械的な押し込みによる
方法はガラス状カーボンの微粒子を用いて行った例を示
したが、ガラス状カーボン以外の硬度の高い導電性粒子
の場合も同様に有効であることはいうまでもない。ま
た、本発明はそのメカニズムにから本質的に、金属酸化
物の不動態被膜やアルミナ被膜などの導電性が低い被膜
によって、耐食性を保持している金属に対し、特に有効
性が高いと考えられる。

【００５５】以上の実施例１及び実施例２の電池試験は
基本的に単電池を用いて実施したが、積層電池において
は生成したジュール熱を回収し、積層電池を一定の温度
に保つために、２〜３電池毎に冷却水部を構成する。そ
の際には金属セパレータと金属セパレータとの接触部の
電気抵抗についても抑制する必要がある。そこで、金属
セパレータの表面を凹凸処理したり、セパレータより硬
度の高い導電性粒子を金属セパレータの表面に配した積
層電池についても性能評価し、本発明が金属と金属との
接触面においても接触抵抗を抑制する効果があることが
わかった。

【００５６】

【発明の効果】本発明によると、電池などの電気発生装
置の接触抵抗の増大による出力低下を長期間にわたって
抑制することができるので実用性は大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例で用いたセパレータ表面
の模式図

【図２】本発明の第１の実施例である電池の出力性能を
示した図

【図３】本発明の第２の実施例である電池の出力性能を
示した図

【図４】本発明の第２の実施例で用いたセパレータ表面
の模式図

【符号の説明】

１カーボン繊維２ステンレスセパレータ３酸化被膜層４凸部の幅５カーボン繊維の断面６接触面７有機バインダー８ガラス状カーボン粒子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者羽藤一仁大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者神原輝壽大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者小原英夫大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者新倉順二大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内Ｆターム(参考） 5H026 AA06 BB04 CX02 CX04 CX07 EE02 EE05 EE17 HH00 HH01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】水素イオン伝導性高分子電解質膜を挟ん
だ一対の電極と、前記電極を挟んだ一対の多孔性拡散層
と、前記多孔性拡散層を挟んだ一対のガス流路板とを具
備した燃料電池において、前記ガス流路板の前記多孔性
拡散層に接触する部分は凹凸構造を有することを特徴と
する高分子電解質型燃料電池。
【請求項２】水素イオン伝導性高分子電解質膜を挟ん
だ一対の電極と、前記電極を挟んだ一対の多孔性拡散層
と、前記多孔性拡散層を挟んだ一対のガス流路板とを具
備した燃料電池において、前記ガス流路板と前記多孔性
拡散層との接合部分に導電性粒子を配置したことを特徴
とする高分子電解質型燃料電池。
【請求項３】導電性粒子は、前記導電性粒子が接触す
るガス流路板より高い材料硬度を有することを特徴とす
る請求項２記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項４】多孔質拡散層はカーボン粒子もしくはカ
ーボン繊維を有することを特徴とする請求項１、２また
は３記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項５】導電性粒子の粒径は、多孔性拡散層を構
成するカーボン粒子の粒径もしくはカーボン繊維の直径
より小さいことを特徴とする請求項４記載の高分子電解
質型燃料電池。
【請求項６】ガス流路板は金属材料よりなることを特
徴とする請求項１、２、３、４または５記載の高分子電
解質型燃料電池。
【請求項７】金属材料は、ｐＨ３以上の酸性雰囲気中
で表面に不動態被膜を生成することを特徴とする請求項
６記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項８】有機バインダーもしくはガス流路板を構
成する材料より低い硬度を有する導電性粒子を、ガス流
路板より高い硬度の導電性粒子とともに、前記ガス流路
板もしくは多孔性拡散層の表面に塗着したことを特徴と
する請求項２、３、４、５、６または７記載の高分子電
解質型燃料電池。