JP2001176521A - 固体高分子型燃料電池 - Google Patents
固体高分子型燃料電池Info
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- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
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Abstract
(57)【要約】
【課題】材料と製作コストの点で有利で量産性に優れ、
高発電効率で長期安定な固体高分子型燃料電池の提供に
ある。 【解決手段】イオン伝導性のイオン交換膜１と、該イオ
ン交換膜１の両面に密着して配置された電極２と、該電
極２の片面にガスを導く電極拡散層３と、ガスの混合を
防ぎ電極面内の集電や電池厚さ方向の導通を確保して単
電池の外殻を形成するセパレータを備えた固体高分子型
燃料電池において、該セパレータの表面が式（１）
〔Ｒ，Ｒ'，Ｒ''はＨ，Ｃ，Ｏの少なくとも２種を含む
高分子材料（但し、Ｒ'，Ｒ''は０の場合もある）、
Ａ，Ｂは、ビニル基、エポキシ基、アミノ基、メタクリ
ル基、メルカプト基で代表される有機基と反応する反応
基由来の結合（但し、０の場合もある）、ｘ，ｙは０よ
りも大きく３以下の数、ｚは１〜１００,０００の
数）〕で表される表面被覆層により被覆されている固体
高分子型燃料電池。 【化６】(ＯxＳｉ−Ｒ'−Ａ−Ｒ−Ｂ−Ｒ''−ＳｉＯy)z
…（１）
高発電効率で長期安定な固体高分子型燃料電池の提供に
ある。 【解決手段】イオン伝導性のイオン交換膜１と、該イオ
ン交換膜１の両面に密着して配置された電極２と、該電
極２の片面にガスを導く電極拡散層３と、ガスの混合を
防ぎ電極面内の集電や電池厚さ方向の導通を確保して単
電池の外殻を形成するセパレータを備えた固体高分子型
燃料電池において、該セパレータの表面が式（１）
〔Ｒ，Ｒ'，Ｒ''はＨ，Ｃ，Ｏの少なくとも２種を含む
高分子材料（但し、Ｒ'，Ｒ''は０の場合もある）、
Ａ，Ｂは、ビニル基、エポキシ基、アミノ基、メタクリ
ル基、メルカプト基で代表される有機基と反応する反応
基由来の結合（但し、０の場合もある）、ｘ，ｙは０よ
りも大きく３以下の数、ｚは１〜１００,０００の
数）〕で表される表面被覆層により被覆されている固体
高分子型燃料電池。 【化６】(ＯxＳｉ−Ｒ'−Ａ−Ｒ−Ｂ−Ｒ''−ＳｉＯy)z
…（１）
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料と酸化剤とか
ら電気化学反応を利用し、電気エネルギーを取り出す固
体高分子型燃料電池に関する。
ら電気化学反応を利用し、電気エネルギーを取り出す固
体高分子型燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】燃料電池は電気化学反応により燃料のエ
ネルギーを、直接電気エネルギーへ変換する電気化学デ
バイスである。
ネルギーを、直接電気エネルギーへ変換する電気化学デ
バイスである。
【０００３】燃料電池は用いる電荷担体等により、リン
酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体酸化物型燃
料電池、固体高分子型燃料電池（以下ＰＥＦＣと呼
ぶ）、アルカリ型燃料電池に大別される。
酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体酸化物型燃
料電池、固体高分子型燃料電池（以下ＰＥＦＣと呼
ぶ）、アルカリ型燃料電池に大別される。
【０００４】これらの各種燃料電池の中でもＰＥＦＣ
は、高電流密度発電や比較的低温度での運転が可能なた
め、移動体用電源をはじめ、各種用途への応用が期待さ
れている。
は、高電流密度発電や比較的低温度での運転が可能なた
め、移動体用電源をはじめ、各種用途への応用が期待さ
れている。
【０００５】ＰＥＦＣの電解質には、膜厚数十μｍから
百数十μｍのイオン交換体を用いる。イオン交換膜は、
主鎖を構成するフルオロカーボンに、スルフォン酸基を
有する側鎖が結合した構造が一般的である。このような
構造のイオン交換膜の例として、デュポン社のナフィオ
ン、旭硝子社のフレミオン、旭化成社のアシプレックス
等が挙げられる。
百数十μｍのイオン交換体を用いる。イオン交換膜は、
主鎖を構成するフルオロカーボンに、スルフォン酸基を
有する側鎖が結合した構造が一般的である。このような
構造のイオン交換膜の例として、デュポン社のナフィオ
ン、旭硝子社のフレミオン、旭化成社のアシプレックス
等が挙げられる。
【０００６】これらのイオン交換体の電荷担体はプロト
ンであるが、他元素のイオンが混入すると、イオン交換
により膜中のプロトン濃度が低下する。その結果、膜の
イオン伝導抵抗が増加し、電池に用いた場合を想定する
とその内部抵抗増大のため性能が低下する（例えば、第
４回，燃料電池シンポジウム講演予行集，ｐ１３７）。
ンであるが、他元素のイオンが混入すると、イオン交換
により膜中のプロトン濃度が低下する。その結果、膜の
イオン伝導抵抗が増加し、電池に用いた場合を想定する
とその内部抵抗増大のため性能が低下する（例えば、第
４回，燃料電池シンポジウム講演予行集，ｐ１３７）。
【０００７】一方、ＰＥＦＣ発電時のカソード側では、
酸素雰囲気、プラス数百ｍＶ（水素電極基準）の電位、
７０〜１００℃の温度、低いｐＨと、腐食性の条件とな
っている。
酸素雰囲気、プラス数百ｍＶ（水素電極基準）の電位、
７０〜１００℃の温度、低いｐＨと、腐食性の条件とな
っている。
【０００８】電池内でのアノードガスとカソードガスを
分離し、かつ、電池内のガス流路を形成し、単電池の外
殻を構成するセパレータは、発電時、上記の腐食性雰囲
気に曝されるため、化学的に安定な材料であることが要
求される。さらに、材料自体の高い伝導性や、ある程度
以上の機械的強度も有していなければならない。このよ
うな制約を考慮して、現在のＰＥＦＣセパレータには、
緻密カーボングラファイト，グラッシーカーボン等のカ
ーボン系材料が主に使用されている。
分離し、かつ、電池内のガス流路を形成し、単電池の外
殻を構成するセパレータは、発電時、上記の腐食性雰囲
気に曝されるため、化学的に安定な材料であることが要
求される。さらに、材料自体の高い伝導性や、ある程度
以上の機械的強度も有していなければならない。このよ
うな制約を考慮して、現在のＰＥＦＣセパレータには、
緻密カーボングラファイト，グラッシーカーボン等のカ
ーボン系材料が主に使用されている。
【０００９】しかし、カーボン製セパレータには、 カーボン系材料は樹脂等の焼成により得られるが、
その温度は千数百度と大きなエネルギーの投入を必要
し、必然的に原材料が高くなること。
その温度は千数百度と大きなエネルギーの投入を必要
し、必然的に原材料が高くなること。
【００１０】 セパレータにはガスや水蒸気の流路が
必要となるが、上記カーボン系材料の硬度が高いために
切削，加工が困難であること。
必要となるが、上記カーボン系材料の硬度が高いために
切削，加工が困難であること。
【００１１】 隣接する電池のアノードガスとカソー
ドガスの混合や、水素を含むアノードガスの電池外漏洩
を防止するため、セパレータはそれ自身ガスを透過させ
てはならないが、上記カーボン系材料のガスセパレート
能力は完全ではない。このためセパレータ形状に成形加
工の後、フェノール樹脂等をカーボン製セパレータの微
細な空隙部に含浸させる工程が必要になる。
ドガスの混合や、水素を含むアノードガスの電池外漏洩
を防止するため、セパレータはそれ自身ガスを透過させ
てはならないが、上記カーボン系材料のガスセパレート
能力は完全ではない。このためセパレータ形状に成形加
工の後、フェノール樹脂等をカーボン製セパレータの微
細な空隙部に含浸させる工程が必要になる。
【００１２】従って、セパレータの作製、成形、加工上
の問題があるため、コスト高になっていた。
の問題があるため、コスト高になっていた。
【００１３】上記の材料および製作コストの低減手段と
して、安価で加工性に優れる金属系材料をセパレータ材
料に使用する方法が考えられる。しかし、前述したよう
に燃料電池の運転中に生じる腐食やそれに伴う金属イオ
ンの溶出がイオン交換膜を劣化させ、その結果、電池寿
命を制限させてしまうと云う問題があった。
して、安価で加工性に優れる金属系材料をセパレータ材
料に使用する方法が考えられる。しかし、前述したよう
に燃料電池の運転中に生じる腐食やそれに伴う金属イオ
ンの溶出がイオン交換膜を劣化させ、その結果、電池寿
命を制限させてしまうと云う問題があった。
【００１４】これに対し、セパレータの耐食性を向上さ
せる技術として、ガス分離と集電の機能を担うバイポー
ラプレートの表面を化学的気相蒸着法（ＣＶＤ法）、物
理的気相蒸着法（ＰＶＤ法）、スパッタリング法により
Ｔｉ、Ａｕ、Ｎｂ、ＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＣｒＮ
等でコートする方法が提案されている（特開平１０‐１
２２４６号公報）。
せる技術として、ガス分離と集電の機能を担うバイポー
ラプレートの表面を化学的気相蒸着法（ＣＶＤ法）、物
理的気相蒸着法（ＰＶＤ法）、スパッタリング法により
Ｔｉ、Ａｕ、Ｎｂ、ＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＣｒＮ
等でコートする方法が提案されている（特開平１０‐１
２２４６号公報）。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】しかし、前記の金属で
作製したセパレータ表面にスパッタ膜を形成する方法で
は、表面を被覆する材料が概して高価であり、また、コ
ーティングに用いる装置も高真空を必要とするなど大掛
かりであり、さらに、生産性も悪いために、安価で大
量、かつ、連続的に製造するのは非常に困難であると云
う課題を有していた。
作製したセパレータ表面にスパッタ膜を形成する方法で
は、表面を被覆する材料が概して高価であり、また、コ
ーティングに用いる装置も高真空を必要とするなど大掛
かりであり、さらに、生産性も悪いために、安価で大
量、かつ、連続的に製造するのは非常に困難であると云
う課題を有していた。
【００１６】また、固体高分子型燃料電池に関する一般
的な改善を要する点として、電池で発生したエネルギー
の一部は電池の有する抵抗成分により損失するため、効
率よく電気エネルギーを外部に取り出すためには、電池
の抵抗成分を減少させる対策が必要となる。
的な改善を要する点として、電池で発生したエネルギー
の一部は電池の有する抵抗成分により損失するため、効
率よく電気エネルギーを外部に取り出すためには、電池
の抵抗成分を減少させる対策が必要となる。
【００１７】さらにまた、固体高分子型燃料電池の単電
池は、出力電圧が１Ｖ以下であるため、例えば、電気自
動車に搭載する場合、単電池を数百個積層する必要があ
る。電池は、電池材料の接触抵抗を抑制するためや反応
ガスの漏洩を防止するために、積層厚さ方向に締め付け
ているが、積層数が数十から数百に達すると、電池部材
の製作公差が累計され、電池面内の締め付け圧力が不均
一になる可能性が生じる。
池は、出力電圧が１Ｖ以下であるため、例えば、電気自
動車に搭載する場合、単電池を数百個積層する必要があ
る。電池は、電池材料の接触抵抗を抑制するためや反応
ガスの漏洩を防止するために、積層厚さ方向に締め付け
ているが、積層数が数十から数百に達すると、電池部材
の製作公差が累計され、電池面内の締め付け圧力が不均
一になる可能性が生じる。
【００１８】本発明の目的は、上記に鑑み、材料および
製作コストの点で有利で、量産性が高く、高発電効率の
長期安定な固体高分子型燃料電池提供することにある。
製作コストの点で有利で、量産性が高く、高発電効率の
長期安定な固体高分子型燃料電池提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】前記の課題を解決するた
めに、本発明者らは電池抵抗低減に関する検討の結果、
接触抵抗は、 セパレータとそれに隣接するセパレータ間 セパレータと電池部材（例えば、仕切り板、電極拡
散層）間に深く関係があり、上記部分の密着性改善する
ことにより抵抗成分が著しく低減可能であることが分か
った。
めに、本発明者らは電池抵抗低減に関する検討の結果、
接触抵抗は、 セパレータとそれに隣接するセパレータ間 セパレータと電池部材（例えば、仕切り板、電極拡
散層）間に深く関係があり、上記部分の密着性改善する
ことにより抵抗成分が著しく低減可能であることが分か
った。
【００２０】また、上記の密着性改善の具体的手法とし
て、表面を柔軟性を有する材料により被覆したセパレー
タを用いた場合に、その効果が顕著になることを見出し
た。
て、表面を柔軟性を有する材料により被覆したセパレー
タを用いた場合に、その効果が顕著になることを見出し
た。
【００２１】さらに、積層型電池の場合、高積層化に伴
なう電池締め付け圧力の面内分布の不均一化が懸念され
るが、柔軟性材料を表面被覆したセパレータを用いた場
合、被覆層自身が潰れる（厚み方向に圧縮される）こと
により、電池面内の締め付け圧力を均一に保つ作用があ
ることを見出した。
なう電池締め付け圧力の面内分布の不均一化が懸念され
るが、柔軟性材料を表面被覆したセパレータを用いた場
合、被覆層自身が潰れる（厚み方向に圧縮される）こと
により、電池面内の締め付け圧力を均一に保つ作用があ
ることを見出した。
【００２２】しかし、一般的な高分子樹脂材料では、電
気伝導性が無かったり、１００℃近い運転条件で変質し
てしまうなどの問題があるために、使用するのは困難で
あった。
気伝導性が無かったり、１００℃近い運転条件で変質し
てしまうなどの問題があるために、使用するのは困難で
あった。
【００２３】こうした点を踏まえ、燃料電池運転条件に
おける耐食性確保、被覆作業の容易さ、比抵抗低減の観
点から材料構造について検討を重ね本発明に到達した。
本発明の要旨は次のとおりである。
おける耐食性確保、被覆作業の容易さ、比抵抗低減の観
点から材料構造について検討を重ね本発明に到達した。
本発明の要旨は次のとおりである。
【００２４】〔１〕 イオン伝導性のイオン交換膜と、
該イオン交換膜の両面に密着して配置された電極と、該
電極の片面にガスを導く電極拡散層と、ガスの混合を防
ぎ電極面内の集電や電池厚さ方向の導通を確保して単電
池の外殻を形成するセパレータを備えた固体高分子型燃
料電池において、該セパレータの表面が式（１）
該イオン交換膜の両面に密着して配置された電極と、該
電極の片面にガスを導く電極拡散層と、ガスの混合を防
ぎ電極面内の集電や電池厚さ方向の導通を確保して単電
池の外殻を形成するセパレータを備えた固体高分子型燃
料電池において、該セパレータの表面が式（１）
【００２５】
【化３】 (ＯxＳｉ−Ｒ'−Ａ−Ｒ−Ｂ−Ｒ''−ＳｉＯy)z …（１） 〔Ｒ，Ｒ'，Ｒ''はＨ，Ｃ，Ｏの少なくとも２種を含む
高分子材料（但し、Ｒ'，Ｒ''は０の場合もある）、
Ａ，Ｂは、ビニル基、エポキシ基、アミノ基、メタクリ
ル基、メルカプト基で代表される有機基と反応する反応
基由来の結合（但し、０の場合もある）、ｘ，ｙは０よ
りも大きく３以下の数、ｚは１〜１００,０００の
数）〕で表される材料により被覆されていることを特徴
とする固体高分子型燃料電池。
高分子材料（但し、Ｒ'，Ｒ''は０の場合もある）、
Ａ，Ｂは、ビニル基、エポキシ基、アミノ基、メタクリ
ル基、メルカプト基で代表される有機基と反応する反応
基由来の結合（但し、０の場合もある）、ｘ，ｙは０よ
りも大きく３以下の数、ｚは１〜１００,０００の
数）〕で表される材料により被覆されていることを特徴
とする固体高分子型燃料電池。
【００２６】該セパレータの表面が式（２） (Ｏxα−Ｒ'−Ａ−Ｒ−Ｂ−Ｒ''−αＯy)z …（２） 〔但し、αはチタンまたはアルミニウム、Ｒ，Ｒ'，
Ｒ''はＨ，Ｃ，Ｏの少なくとも２種を含む高分子材料
（但し、Ｒ'，Ｒ''は０の場合もある）、Ａ，Ｂは、ビ
ニル基、エポキシ基、アミノ基、メタクリル基、メルカ
プト基で代表される有機基と反応する反応基由来の結合
（但し、０の場合もある）、ｘ，ｙは０よりも大きく３
以下の数、ｚは１〜１００,０００以下の数）〕で表さ
れる材料により被覆されている固体高分子型燃料電池に
ある。
Ｒ''はＨ，Ｃ，Ｏの少なくとも２種を含む高分子材料
（但し、Ｒ'，Ｒ''は０の場合もある）、Ａ，Ｂは、ビ
ニル基、エポキシ基、アミノ基、メタクリル基、メルカ
プト基で代表される有機基と反応する反応基由来の結合
（但し、０の場合もある）、ｘ，ｙは０よりも大きく３
以下の数、ｚは１〜１００,０００以下の数）〕で表さ
れる材料により被覆されている固体高分子型燃料電池に
ある。
【００２７】〔２〕 前記セパレータの表面が式（２）
【００２８】
【化４】 (Ｏxα−Ｒ'−Ａ−Ｒ−Ｂ−Ｒ''−αＯy)z …（２） 〔但し、αはチタンまたはアルミニウム、Ｒ，Ｒ'，
Ｒ''はＨ，Ｃ，Ｏの少なくとも２種を含む高分子材料
（但し、Ｒ'，Ｒ''は０の場合もある）、Ａ，Ｂは、ビ
ニル基、エポキシ基、アミノ基、メタクリル基、メルカ
プト基で代表される有機基と反応する反応基由来の結合
（但し、０の場合もある）、ｘ，ｙは０よりも大きく３
以下の数、ｚは１〜１００,０００の数）〕で表される
材料により被覆されている固体高分子型燃料電池にあ
る。
Ｒ''はＨ，Ｃ，Ｏの少なくとも２種を含む高分子材料
（但し、Ｒ'，Ｒ''は０の場合もある）、Ａ，Ｂは、ビ
ニル基、エポキシ基、アミノ基、メタクリル基、メルカ
プト基で代表される有機基と反応する反応基由来の結合
（但し、０の場合もある）、ｘ，ｙは０よりも大きく３
以下の数、ｚは１〜１００,０００の数）〕で表される
材料により被覆されている固体高分子型燃料電池にあ
る。
【００２９】なお、ｚは、その値が小さいほど材料の耐
熱特性，伝導率が向上し、逆に大きいほど柔軟性に富
み、被覆膜のピンホールが減少する。上記の点、およ
び、使用する有機高分子材料の種類を考慮して、その値
を決定することができる。
熱特性，伝導率が向上し、逆に大きいほど柔軟性に富
み、被覆膜のピンホールが減少する。上記の点、およ
び、使用する有機高分子材料の種類を考慮して、その値
を決定することができる。
【００３０】また、前記式（１），（２）において、反
応基由来の結合としては、例えば、−ＮＨ−，−Ｓ−，
−ＣＨ2ＣＨ2−，−ＯＣＯＣＨ(ＣＨ3)ＣＨ2−，−ＣＨ
(ＯＨ)ＣＨ2−がある。
応基由来の結合としては、例えば、−ＮＨ−，−Ｓ−，
−ＣＨ2ＣＨ2−，−ＯＣＯＣＨ(ＣＨ3)ＣＨ2−，−ＣＨ
(ＯＨ)ＣＨ2−がある。
【００３１】また、前記式（１）として、例えば、−Ｏ
3Ｓｉ−ＣＨ2−ＯＣＯ−ＣＨ(ＣＨ3)ＣＨ2(ＣＨ2)n−Ｃ
Ｈ2ＣＨ(ＣＨ3)ＣＯＯ−ＣＨ2−ＳｉＯ3−が挙げられ
る。
3Ｓｉ−ＣＨ2−ＯＣＯ−ＣＨ(ＣＨ3)ＣＨ2(ＣＨ2)n−Ｃ
Ｈ2ＣＨ(ＣＨ3)ＣＯＯ−ＣＨ2−ＳｉＯ3−が挙げられ
る。
【００３２】上記のようにセパレータの表面が伝導性フ
ィラを混合させた構造がこれらの要求を満たすことが明
らかとなった。本材料を用いることにより低コストで高
発電効率、かつ、長期安定な固体高分子型燃料電池を実
現することができる。
ィラを混合させた構造がこれらの要求を満たすことが明
らかとなった。本材料を用いることにより低コストで高
発電効率、かつ、長期安定な固体高分子型燃料電池を実
現することができる。
【００３３】
【発明の実施の形態】次に、本発明を実施例に基づき具
体的に説明する。
体的に説明する。
【００３４】〔実施例 １〕ポリエチレングリコール
〔ＨＯ(ＣＨ2ＣＨ2Ｏ)nＨ〕５ｇと、３−イソシアネー
トトリプロピルエトキシシラン〔(Ｈ5Ｃ2Ｏ)3Ｓｉ(ＣＨ
2)3ＮＣＯ〕１３ｇを窒素雰囲気下７０℃で２４時間攪
拌混合し、カップリング反応を進行させた。
〔ＨＯ(ＣＨ2ＣＨ2Ｏ)nＨ〕５ｇと、３−イソシアネー
トトリプロピルエトキシシラン〔(Ｈ5Ｃ2Ｏ)3Ｓｉ(ＣＨ
2)3ＮＣＯ〕１３ｇを窒素雰囲気下７０℃で２４時間攪
拌混合し、カップリング反応を進行させた。
【００３５】この溶液にエチルアルコール２０ｍｌと天
然黒鉛粒子（粒子径２０μｍ以下）１.２ｇを加え常温
で攪拌した後、ゲル化を進行させるために０.５ｍｏｌ
／ｌ塩酸を加え、さらに攪拌してコーティング液Ａを作
製した。コーティング液Ａの作製法を図６に示す。
然黒鉛粒子（粒子径２０μｍ以下）１.２ｇを加え常温
で攪拌した後、ゲル化を進行させるために０.５ｍｏｌ
／ｌ塩酸を加え、さらに攪拌してコーティング液Ａを作
製した。コーティング液Ａの作製法を図６に示す。
【００３６】アノード側ガス流路板４、カソード側ガス
流路板４'（共に、ＳＵＳ３０４製）にコーティング液
Ａをスプレーコートし、６０℃で１２時間以上乾燥させ
た後、重合反応促進のため９５℃で１２時間焼成を行っ
た。
流路板４'（共に、ＳＵＳ３０４製）にコーティング液
Ａをスプレーコートし、６０℃で１２時間以上乾燥させ
た後、重合反応促進のため９５℃で１２時間焼成を行っ
た。
【００３７】一連の工程によりポリエチレンオキサイド
およびケイ素酸化物を繰り返し単位分子中の主鎖部分に
含み、耐食性および柔軟性を有する、式（３）
およびケイ素酸化物を繰り返し単位分子中の主鎖部分に
含み、耐食性および柔軟性を有する、式（３）
【００３８】
【化５】 〔ＯxＳｉ(ＣＨ2)3ＮＨＣＯ(ＣＨ2ＣＨ2Ｏ)nＣＯＮＨ(ＣＨ2)3ＳｉＯx〕m …（３） で示される約７５μｍ厚さの伝導性の表面被覆層７を完
成させた。
成させた。
【００３９】これらの処理を行ったアノード側ガス流路
板４、カソード側ガス流路板４'、仕切り板５（ＳＵＳ
３０４製）、および、ガスシール材６を組み合わせてセ
パレータを作製した。本セパレータは、複数の部品から
構成されているため作製歩留が良好で、量産性に優れて
いる。
板４、カソード側ガス流路板４'、仕切り板５（ＳＵＳ
３０４製）、および、ガスシール材６を組み合わせてセ
パレータを作製した。本セパレータは、複数の部品から
構成されているため作製歩留が良好で、量産性に優れて
いる。
【００４０】このセパレータ２組と、白金担持カーボン
からなる電極層２をスクリーン印刷法により表面上に形
成したスルフォン酸系イオン交換膜１、ガスを拡散させ
る電極拡散層３を積層し、図１に示す試験用単セルを作
製した。
からなる電極層２をスクリーン印刷法により表面上に形
成したスルフォン酸系イオン交換膜１、ガスを拡散させ
る電極拡散層３を積層し、図１に示す試験用単セルを作
製した。
【００４１】この単セルに、水を供給するため７０℃に
加温した加湿器を通した水素と、同じく７０℃の加湿器
を通した空気とを供給し、電池温度７０℃、水素利用率
７０％、酸素利用率４０％、常圧条件で発電試験を行っ
た。
加温した加湿器を通した水素と、同じく７０℃の加湿器
を通した空気とを供給し、電池温度７０℃、水素利用率
７０％、酸素利用率４０％、常圧条件で発電試験を行っ
た。
【００４２】〔実施例 ２〕コーティング液の出発原料
として、イソプロピルトリイソステアロイルチタネー
ト：(ＣＨ3)2ＣＨＯＴｉ(ＯＣＯＣ17Ｈ35)3を使用し、
実施例１と同様の工程にてセパレータを作製した。この
セパレータを用いて試験用単セルを作製し発電試験を行
った。
として、イソプロピルトリイソステアロイルチタネー
ト：(ＣＨ3)2ＣＨＯＴｉ(ＯＣＯＣ17Ｈ35)3を使用し、
実施例１と同様の工程にてセパレータを作製した。この
セパレータを用いて試験用単セルを作製し発電試験を行
った。
【００４３】〔実施例 ３〕コーティング液の出発原料
として、アセトアルコキシアルミニウムジイソプロピレ
ート((ＣＨ3)2ＣＨＯ)2ＡｌＯ2Ｃ2ＣＨ3ＣＨＯＲ（但
し、Ｒ：アルキル基）を使用し、実施例１と同様の工程
にてセパレータを作製した。このセパレータを用いて試
験用単セルを作製し発電試験を行った。
として、アセトアルコキシアルミニウムジイソプロピレ
ート((ＣＨ3)2ＣＨＯ)2ＡｌＯ2Ｃ2ＣＨ3ＣＨＯＲ（但
し、Ｒ：アルキル基）を使用し、実施例１と同様の工程
にてセパレータを作製した。このセパレータを用いて試
験用単セルを作製し発電試験を行った。
【００４４】〔比較例 １〕表面被覆層を形成しないア
ノード側ガス流路板４、カソード側ガス流路板４'（共
にＳＵＳ３０４製）、仕切り板５（ＳＵＳ３０４製）、
および、ガスシール材６を用いてセパレータを作製し
た。
ノード側ガス流路板４、カソード側ガス流路板４'（共
にＳＵＳ３０４製）、仕切り板５（ＳＵＳ３０４製）、
および、ガスシール材６を用いてセパレータを作製し
た。
【００４５】このセパレータを用いて図２に示す試験用
単セルを作製し、前記実施例１と同様の条件で発電試験
を行った。
単セルを作製し、前記実施例１と同様の条件で発電試験
を行った。
【００４６】図３は実施例１，２、および、３、並び
に、比較例１の電流電圧図である。比較例１に対し上記
各実施例では、電流密度（ｍＡ／ｃｍ2）増加に対する
セル電圧（ｍＶ）の減少分が小さい。即ち、実施例は電
池抵抗が比較例よりも減少している。これは柔軟性を有
するセパレータ被覆層を設けて密着性を向上させた効果
と考えることができる。
に、比較例１の電流電圧図である。比較例１に対し上記
各実施例では、電流密度（ｍＡ／ｃｍ2）増加に対する
セル電圧（ｍＶ）の減少分が小さい。即ち、実施例は電
池抵抗が比較例よりも減少している。これは柔軟性を有
するセパレータ被覆層を設けて密着性を向上させた効果
と考えることができる。
【００４７】図４は前記実施例１〜３、および、比較例
１の電池電圧の経時変化図である。なお、電流密度は
０.５Ａ／ｃｍ2に設定した。
１の電池電圧の経時変化図である。なお、電流密度は
０.５Ａ／ｃｍ2に設定した。
【００４８】図から、比較例では約９００時間経過後、
電圧低下が顕著になっている。これはセパレータの腐食
により溶出した金属イオンが、電解質であるイオン交換
膜と反応し、イオン伝導抵抗が増加したためである。
電圧低下が顕著になっている。これはセパレータの腐食
により溶出した金属イオンが、電解質であるイオン交換
膜と反応し、イオン伝導抵抗が増加したためである。
【００４９】一方、実施例では表面被覆層７がセパレー
タ下地金属の溶出を抑制するためイオン交換膜の劣化を
抑制し、性能が安定して推移することが分かった。
タ下地金属の溶出を抑制するためイオン交換膜の劣化を
抑制し、性能が安定して推移することが分かった。
【００５０】図５は実施例１〜３および比較例１のセパ
レータをベースとし、それぞれ５０セルの積層電池を作
製した。これの中央部の第２５番目のセルの性能を測定
した電流電圧図である。
レータをベースとし、それぞれ５０セルの積層電池を作
製した。これの中央部の第２５番目のセルの性能を測定
した電流電圧図である。
【００５１】比較例１のセパレータを用いた電池では電
流密度増加に対する電圧低下が大きく、その度合いは単
電池よりも著しくなっている。これは電池の高積層化に
より、電池面内の締め付け圧力が偏り、その結果、電流
分布が不均一化するためと考える。
流密度増加に対する電圧低下が大きく、その度合いは単
電池よりも著しくなっている。これは電池の高積層化に
より、電池面内の締め付け圧力が偏り、その結果、電流
分布が不均一化するためと考える。
【００５２】一方、実施例１〜３のセパレータを用いた
電池では、第２５番目のセルはそれぞれの単電池とほぼ
同一性能となった。これはセパレータに被覆した柔軟性
を有する被覆耐食層自身が潰れる（厚み方向に圧縮され
る）ことにより、電池面内の締め付け圧力を均一に保つ
効果があるためと考える。
電池では、第２５番目のセルはそれぞれの単電池とほぼ
同一性能となった。これはセパレータに被覆した柔軟性
を有する被覆耐食層自身が潰れる（厚み方向に圧縮され
る）ことにより、電池面内の締め付け圧力を均一に保つ
効果があるためと考える。
【００５３】
【発明の効果】本発明によれば、材料および製作コスト
が低く、量産性に優れ、高発電効率で長期安定な固体高
分子型燃料電池の提供が可能となる。
が低く、量産性に優れ、高発電効率で長期安定な固体高
分子型燃料電池の提供が可能となる。
【図１】セパレータに表面被覆層を形成した本発明の燃
料電池の一例を示す模式断面図である。
料電池の一例を示す模式断面図である。
【図２】セパレータに表面被覆層を有しない従来の燃料
電池の一例を示す模式断面図である。
電池の一例を示す模式断面図である。
【図３】単電池の電流−電圧曲線図である。
【図４】単電池の電圧変化図である。
【図５】積層電池の中央部（第２５番目）セルの電流−
電圧曲線図である。
電圧曲線図である。
【図６】本発明のセパレータに表面被覆層材料の作製工
程を示すフロー図である。
程を示すフロー図である。
１…イオン交換膜、２…電極、３…電極拡散層、４，
４'…ガス流路板、５…仕切り板、６…ガスシール材、
７…表面被覆層。
４'…ガス流路板、５…仕切り板、６…ガスシール材、
７…表面被覆層。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 今橋 甚一 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 加茂 友一 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 Ｆターム(参考） 5H026 AA06 CX04 EE02 EE17 HH00
Claims (7)
- 【請求項１】 イオン伝導性のイオン交換膜と、該イオ
ン交換膜の両面に密着して配置された電極と、該電極の
片面にガスを導く電極拡散層と、ガスの混合を防ぎ電極
面内の集電や電池厚さ方向の導通を確保して単電池の外
殻を形成するセパレータを備えた固体高分子型燃料電池
において、該セパレータの表面が式（１） 【化１】 (ＯxＳｉ−Ｒ'−Ａ−Ｒ−Ｂ−Ｒ''−ＳｉＯy)z …（１） 〔Ｒ，Ｒ'，Ｒ''はＨ，Ｃ，Ｏの少なくとも２種を含む
高分子材料（但し、Ｒ'，Ｒ''は０の場合もある）、
Ａ，Ｂは、ビニル基、エポキシ基、アミノ基、メタクリ
ル基、メルカプト基で代表される有機基と反応する反応
基由来の結合（但し、０の場合もある）、ｘ，ｙは０よ
りも大きく３以下の数、ｚは１〜１００,０００の
数）〕で表される材料により被覆されていることを特徴
とする固体高分子型燃料電池。 - 【請求項２】 前記式（１）において、ｘ，ｙは０.５
よりも大きく３以下の数である請求項１に記載の固体高
分子型燃料電池。 - 【請求項３】 セパレータを被覆する表面被覆層に電子
伝導材料が含まれている請求項１または２に記載の固体
高分子型燃料電池。 - 【請求項４】 セパレータの構成材料が金属である請求
項１，２または３に記載の固体高分子型燃料電池。 - 【請求項５】 セパレータが複数の部品により構成され
ている請求項４に記載の固体高分子型燃料電池。 - 【請求項６】 イオン伝導性のイオン交換膜と、該イオ
ン交換膜の両面に密着して配置された電極と、該電極の
片面にガスを導く電極拡散層と、ガスの混合を防ぎ電極
面内の集電や電池厚さ方向の導通を確保して単電池の外
殻を形成するセパレータを備えた固体高分子型燃料電池
において、 該セパレータの表面が式（２） 【化２】 (Ｏxα−Ｒ'−Ａ−Ｒ−Ｂ−Ｒ''−αＯy)z …（２） 〔但し、αはチタンまたはアルミニウム、Ｒ，Ｒ'，
Ｒ''はＨ，Ｃ，Ｏの少なくとも２種を含む高分子材料
（但し、Ｒ'，Ｒ''は０の場合もある）、Ａ，Ｂは、ビ
ニル基、エポキシ基、アミノ基、メタクリル基、メルカ
プト基で代表される有機基と反応する反応基由来の結合
（但し、０の場合もある）、ｘ，ｙは０よりも大きく３
以下の数、ｚは１〜１００,０００の数）〕で表される
材料により被覆されていることを特徴とする固体高分子
型燃料電池。 - 【請求項７】 前記式（２）において、ｘ，ｙは０.５
よりも大きく３以下の数である請求項６に記載の固体高
分子型燃料電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP36043999A JP2001176521A (ja) | 1999-12-20 | 1999-12-20 | 固体高分子型燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP36043999A JP2001176521A (ja) | 1999-12-20 | 1999-12-20 | 固体高分子型燃料電池 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001176521A true JP2001176521A (ja) | 2001-06-29 |
Family
ID=18469410
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP36043999A Pending JP2001176521A (ja) | 1999-12-20 | 1999-12-20 | 固体高分子型燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2001176521A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20030061484A (ko) * | 2002-01-14 | 2003-07-22 | (주)세티 | 연료전지용 바이폴라 플레이트 및 그 제조방법 |
| JP2005332835A (ja) * | 2005-08-22 | 2005-12-02 | Hitachi Ltd | 固体高分子電解質型燃料電池の金属セパレータ |
| JP2006147463A (ja) * | 2004-11-24 | 2006-06-08 | Honda Motor Co Ltd | 燃料電池スタック |
-
1999
- 1999-12-20 JP JP36043999A patent/JP2001176521A/ja active Pending
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20030061484A (ko) * | 2002-01-14 | 2003-07-22 | (주)세티 | 연료전지용 바이폴라 플레이트 및 그 제조방법 |
| JP2006147463A (ja) * | 2004-11-24 | 2006-06-08 | Honda Motor Co Ltd | 燃料電池スタック |
| JP4575117B2 (ja) * | 2004-11-24 | 2010-11-04 | 本田技研工業株式会社 | 燃料電池スタック |
| JP2005332835A (ja) * | 2005-08-22 | 2005-12-02 | Hitachi Ltd | 固体高分子電解質型燃料電池の金属セパレータ |
| JP4527631B2 (ja) * | 2005-08-22 | 2010-08-18 | 株式会社日立製作所 | 固体高分子電解質型燃料電池の金属セパレータ |
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