JP2001283874A - 固体高分子型燃料電池構成部材の前処理方法及び金属製セパレータを用いた燃料電池の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 電池構成部材を通電処理して予め腐食性物質
を除去することにより、金属製セパレータの腐食を抑制
する。 【構成】 固体高分子膜，酸化極，燃料極等の電池構成
部材に含まれている腐食性物質を、通電による水の電気
分解又は燃料電池としての発電により除去する。水の電
気分解による場合、固体高分子膜の両側に酸化極及び燃
料極を積層した薄膜電極アセンブリを耐酸性セパレータ
で挟み、湿潤雰囲気又は水溶液中で通電する。発電によ
る場合、固体高分子膜の両側に酸化極及び燃料極を積層
した薄膜電極アセンブリを耐酸性セパレータで挟んだ燃
料電池を発電させる。水の電気分解又は発電で電池構成
部材から腐食性不純物を除去した後、耐酸性セパレータ
を金属製セパレータに取り替えて燃料電池を組み立て
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、燃料電池に使用される
金属製セパレータの腐食防止に有効な固体高分子型燃料
電池用イオン交換膜及び電極の前処理方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池のなかでも、固体高分子型の燃
料電池は、１００℃以下の温度で動作可能であり、短時
間で起動する長所を備えている。また、各部材が固体か
らなるため、構造が簡単でメンテナンスが容易であり、
振動や衝撃に曝される用途にも適用できる。更に、出力
密度が高いため小型化に適し、燃料効率が高く、騒音が
小さい等の長所を備えている。これらの長所から、電気
自動車搭載用としての用途が検討されている。ガソリン
自動車と同等の走行距離を出せる燃料電池を自動車に搭
載できると、ＮＯ_x，ＳＯ_xの発生がほとんどなく、ＣＯ
₂の発生が半減する等、環境に対して非常にクリーンな
動力源になる。

【０００３】固体高分子型燃料電池は、分子中にプロト
ン交換基をもつ固体高分子樹脂膜がプロトン伝導性電解
質として機能することを利用したものであり、他の形式
の燃料電池と同様に固体高分子膜の一側に水素等の燃料
ガスを流し、他側に空気等の酸化性ガスを流す構造にな
っている。具体的には、図１に示すように両面に白金系
触媒が塗布された固体高分子膜１は、その触媒にガスを
供給し、また発生する電流を取り出すガス拡散電極（酸
化極２および燃料極３）が接合され、それぞれガスケッ
ト４を介してセパレータ５を対向させている。酸化極２
側のセパレータ５には空気供給口６，空気排出口７が形
成され、燃料極３側のセパレータ５には水素供給口８，
水素排出口９が形成されている。

【０００４】セパレータ５には、水素ｇ及び酸素又は空
気ｏの導通及び均一分配のため、水素ｇ及び酸素又は空
気ｏの流動方向に延びる複数の溝１０が形成されてい
る。また、発電時に発熱があるため、給水口１１から送
り込んだ冷却水ｗをセパレータ５の内部に循環させた
後、排水口１２から排出させる水冷機構をセパレータ５
に内蔵させている。水素供給口８から燃料極３とセパレ
ータ５との間隙に送り込まれた水素ｇは、電子を放出し
たプロトンとなって固体高分子膜１を透過し、酸化極２
側で電子を受け、酸化極２とセパレータ５との間隙を通
過する酸素又は空気ｏによって燃焼する。そこで、酸化
極２及び燃料極３に接触する各セパレータ５，５に電流
を流し、負荷を接続するとき、電力を取り出すことがで
きる。

【０００５】燃料電池は、１セル当りの発電量が極く僅
かである。そこで、図１（ｂ）に示すようにセパレータ
５，５で挟まれた固体高分子膜を１単位とし、複数のセ
ルを積層することによって取出し可能な電力量を大きく
している。多数のセルを積層した構造では、酸化極２及
び燃料極３と各セパレータ５，５との接触抵抗が発電効
率に大きな影響を及ぼす。発電効率を向上させるために
は、導電性が良好で、酸化極２及び燃料極３との接触抵
抗の低いセパレータが要求され、リン酸型燃料電池と同
様に黒鉛製セパレータが従来から使用されている。しか
し、黒鉛製セパレータは、材料費や加工費が高く、全体
として燃料電池の価格を高騰させると共に、生産性を低
下させる原因になっている。しかも、材質的に脆い黒鉛
製のセパレータでは、振動や衝撃が加えられると破損す
る虞れが大きい。そこで、プレス加工やパンチング加工
等によって金属板からセパレータを作ることが特開平８
−１８０８８３号公報で提案されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】金属製セパレータの使
用により燃料電池の小型化も可能となるが、導電性，ガ
ス拡散電極との低い接触抵抗，機械的強度，ガス不拡散
性等に加え，これらの特性が常温から約１００℃までの
湿潤環境で安定していることが金属製セパレータに要求
される。過酷な要求に応える材料として、耐食性に優れ
たチタン合金等に貴金属めっきを施して接触抵抗を下げ
た金属製セパレータが実用化されている。しかし、高価
な材料であるため、燃料電池自体のコストを上昇させる
原因になっている。そこで、より安価な金属製セパレー
タの開発が急務となっており、ステンレス鋼，アルミニ
ウム合金等の材料が有望視されている。本発明者等もス
テンレス鋼を基材に使用したセパレータを特開平１１−
１２１０１８号公報で紹介した。また、ステンレス鋼基
材の表面にＴａ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｔｉ，Ｎｉ−Ｃｒ合金等
の耐食性皮膜を介してＡｕ，Ｐｔ，Ｐｄ等の導電性皮膜
を形成するとき、優れた耐食性及び導電性を呈する金属
製セパレータが得られることを提案した（特願平１１-
２７１６００号）。

【０００７】しかしながら、これら金属製セパレータを
用いた燃料電池の中には、長期間運転すると出力が低下
するものがある。出力低下の原因は、主として酸化極側
セパレータが腐食し、接触抵抗が増大したことによる。
酸化極側は発電により電位が高くなるため、燃料極側と
比較して腐食しやすい環境になっているが、腐食を促進
する要因として、酸化極側では燃料電池の構成部材から
腐食性物質が溶出し、生成水のｐＨが低下することが挙
げられる。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、このような問
題を解消すべく案出されたものであり、構成部材から溶
出する腐食性物質を燃料電池の組立て前に予め除去する
ことにより、金属製セパレータを使用する場合にあって
も腐食の発生を抑制し、高い発電効率の燃料電池を得る
ことを目的とする。本発明の前処理方法は、その目的を
達成するため、燃料電池を構成する固体高分子膜，酸化
極，燃料極等の電池構成部材を湿潤雰囲気又は水溶液中
に配置し、通電し水を電気分解し、電池構成部材に含ま
れている腐食性物質を予め除去することを特徴とする。

【０００９】腐食性物質は、通電による水の電気分解又
は燃料電池としての発電により除去できる。水の電気分
解による場合、固体高分子膜の両側に酸化極及び燃料極
を積層した薄膜電極アセンブリを耐酸性セパレータで挟
み、湿潤雰囲気又は水溶液中で通電する。発電による場
合、固体高分子膜の両側に酸化極及び燃料極を積層した
薄膜電極アセンブリを耐酸性セパレータで挟んだ燃料電
池を発電させる。水の電気分解又は発電で電池構成部材
から腐食性不純物を除去した後、耐酸性セパレータを金
属製セパレータに取り替えて燃料電池を組み立てる。耐
酸性セパレータとしては，代表的なものとしてカーボン
製セパレータがあるが、腐食，不純物の溶出等が生じな
い材料である限り、貴金属めっきを施した金属材料製の
セパレータも使用可能である。

【００１０】

【作用】電池運転中に電池の構成物質から溶出する腐食
性物質は、本発明者の調査によると硫酸イオンであるこ
とが判った。硫酸イオンは、主に薄膜電極アセンブリ中
の触媒層に白金系触媒を固定するときに使用された樹脂
に由来する。樹脂としては、固体高分子膜と同一構造の
パーフルオロスルホン酸樹脂が通常用いられている。触
媒層は、樹脂溶液に粉末状の触媒を添加し、固体高分子
膜又はガス拡散電極表面に塗布、乾燥して形成される
が、乾燥ままでは樹脂中に硫酸が不純物として残存して
いると考えられる。残存する硫酸を除去しないまま形成
された薄膜電極アセンブリを使用し、電池セル内を湿潤
環境においた場合、更には電池を起動し通電した場合、
硫酸イオンの溶出によりｐＨが低下する。従来から使用
されているカーボン製セパレータは耐食性（耐酸性）を
有しているため低ｐＨ環境でも問題はないが、ステンレ
ス鋼，アルミニウム合金等の金属製セパレータではｐＨ
の低下に伴って腐食が促進される。なかでも、アルミニ
ウム合金製のセパレータにあっては、ｐＨ４以下でアル
ミニウムの溶解が激しく進行する。腐食生成物は、金属
製セパレータの表面に沈積し、セパレータ表面の接触抵
抗を上昇させ、結果として燃料電池の発電効率を低下さ
せる。

【００１１】固体高分子膜を水溶液中で加熱処理する方
法（特開平７-６８１８６号公報），水溶性有機溶媒に
電極触媒層や電極保持材を浸漬する方法（特開平６-２
７５２８７号公報）等により不純物が除去される。しか
し、水溶液中の加熱処理や水溶性有機溶媒への浸漬で除
去される不純物は、電極構成部材の表層に留まり、内部
には依然として不純物が残留していることが多い。内部
に残留している不純物は、運転中に電極構成部材内から
表層に拡散して溶出する。そこで、本発明においては、
固体高分子膜１，ガス透過性の酸化極２や燃料極３等の
電極構成部材を水溶液と接触させた状態で通電すること
により、燃料電池の組立て前に予め不純物を除去してい
る。水溶液中で固体高分子に通電すると、固体高分子中
のプロトンの移動に伴い水の移動が起こるため、水の移
動に随伴して樹脂内部にある不純物が排出されると考え
る。

【００１２】通電方法としては、薄膜電極アセンブリを
隔膜として外部から電圧を印加し、水を電気分解する方
法，薄膜電極アセンブリを燃料電池セルに組み込み発電
する方法等が採用される。電気分解又は発電は、電極構
成部材から溶出する不純物濃度が１０ｐｐｍに低下する
まで継続することが好ましい。電気分解又は発電によっ
て、電極構成部材の表面に付着している異物も除去され
る。水を電気分解する方法では、カーボン等の腐食しな
いセパレータ材料を用いて薄膜電極アセンブリを燃料電
池に組み立て、セル内部が水と接触した状態で外部から
電圧を印加する。燃料電池として発電する方法は、電池
起動時に薄膜電極アセンブリから硫酸が溶出しやすいこ
とを利用したものであり、同様にカーボン等の腐食しな
いセパレータ材料を用いて発電させる。通電開始時に不
純物が最も盛んに溶出し、電池の電流や電圧が安定する
に従って溶出量が減少し、ｐＨが復帰する。

【００１３】電気分解又は発電により不純物濃度が低減
した電極構成部材は、金属製セパレータを用いてセルユ
ニットに組み立てられる。このセルユニットを多数スタ
ックして構成された燃料電池は、発電時に電極構成部材
から硫酸イオン等の不純物が溶出しないため、セルの内
部雰囲気がｐＨ低下を引き起こすことがない。そのた
め、ステンレス鋼，アルミニウム合金等の金属製セパレ
ータが腐食せず、長期にわたって良好な発電効率が維持
される。

【００１４】

【実施例１】固体高分子膜１に酸化極２及び燃料極３を
重ね合わせた薄膜電極アセンブリをカーボン製セパレー
タと組み合わせて燃料電池セルを構成した。セル内部を
湿潤環境にした後、両極間に直流電圧を印加して水を電
気分解した。電流密度０．１Ａ／ｃｍ²で１０時間通電
した後、更に印加電圧を逆にして同一条件で通電した。
以上の方法で不純物の除去を行った薄膜電極アセンブリ
をステンレス鋼製のセパレータで挟み燃料電池セルを構
成した。次いで、燃料電池セルに加湿した水素及び酸素
を供給し、燃料電池を起動させた。燃料電池セルから排
出される水のｐＨ及びＦｅイオン濃度を測定することに
より、セル内部の酸性度及びセパレータ材の腐食それぞ
れを評価した。比較のため、不純物を除去しない薄膜電
極アセンブリについてもステンレス鋼製セパレータを挟
んだ燃料電池セルを構成し、同様に排水のｐＨ及びＦｅ
イオン濃度を測定した。図２の調査結果にみられるよう
に、本発明に従った燃料電池では、起動時に燃料電池セ
ルから排出される水のｐＨ低下が酸化極側，燃料極側共
に大幅に抑制されていた。

【００１５】その後、電流密度を０．５Ａ／ｍ²一定と
して１００時間運転した後、ステンレス鋼製セパレータ
５を取り出し腐食状況を調査した。その結果、不純物を
除去しない薄膜電極アセンブリに接触したセパレータ５
と比較して、不純物を除去した薄膜電極アセンブリに接
触したセパレータ５では、腐食が認められず、セパレー
タ表面の接触抵抗も図３に示すように増大は認められな
かった。また、電池セルから排出された水からはＦｅイ
オンは検出されなかった。他方、不純物を予め除去しな
かった燃料電池では、０．２ｐｐｍのＦｅイオンが検出
された。以上の結果から、水の電気分解を利用した不純
物を除去した薄膜電極アセンブリを使用することで、ス
テンレス鋼製セパレータの腐食を防止できることが確認
された。

【００１６】

【実施例２】薄膜電極アセンブリをカーボン製セパレー
タ５で挟み燃料電池セルを構成し、燃料極側に加湿した
水素を、酸化極側に加湿した酸素を供給して燃料電池を
起動させた。電流密度が０．５Ａ／ｃｍ²となるように
負荷を接続した状態で１時間運転し、薄膜電極アセンブ
リに含まれる不純物を除去した。更に酸化極と燃料極に
供給するガスを逆にして、同一条件で運転することによ
り不純物を除去した。次いで、薄膜電極アセンブリをス
テンレス鋼製のセパレータ５で挟み燃料電池セルを構成
し、加湿した水素及び酸素を供給しながら燃料電池を起
動させ、燃料電池セルから排出される水のｐＨ及びＦｅ
イオン濃度を測定した。比較のため、不純物を予め除去
しない薄膜電極アセンブリを用いた燃料電池セルについ
ても、同様な条件下でｐＨ及びＦｅイオン濃度を測定し
た。図４の調査結果にみられるように、本発明に従った
燃料電池では起動時の排水のｐＨ低下が酸化極側，燃料
極側共に抑制されていた。

【００１７】その後、電流密度を０．５Ａ／ｍ²として
１００時間運転した後、ステンレス鋼製セパレータを取
り出し腐食状況を調査した。その結果、不純物を除去し
ない薄膜電極アセンブリに接触したセパレータ５と比較
して、不純物を除去した薄膜電極アセンブリに接触した
セパレータ５では、腐食が大幅に軽減されており、また
セパレータ表面の接触抵抗も図５に示すように増大は認
められなかった。また、電池セルから排出された水には
Ｆｅイオンが検出されなかった。それに対して、不純物
を予め除去しなかった燃料電池では、０．２ｐｐｍのＦ
ｅイオンが検出された。以上の結果から、燃料電池の運
転により不純物を除去した薄膜電極アセンブリを使用す
るとき、ステンレス鋼製セパレータの腐食を防止できる
ことが確認された。

【００１８】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明において
は、金属製セパレータを使用する燃料電池の構成部材で
ある固体高分子膜，酸化極，燃料極を予め通電処理する
ことによって、構成部材に含まれている腐食性物質の除
去を促進させている。通電処理によるとき、構成部材の
内部からも腐食性物質が除去されるため、燃料電池を起
動させたとき溶出する腐食性物質がなく或いは少なくな
り、金属製セパレータの腐食、更には接触抵抗の上昇が
抑えられる。したがって、金属製セパレータの長所を活
用し、燃料電池の小型化や価格低減も容易になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 従来の固体高分子膜を電解質として使用した
燃料電池の内部構造を説明する断面図（ａ）及び分解斜
視図（ｂ）

【図２】 実施例１で電池起動時に酸化極側（ａ）及び
燃料極側（ｂ）から排出される水のｐＨ変化を示したグ
ラフ

【図３】 実施例１で電池を１００時間運転した後のセ
パレータ表面の接触抵抗を運転前と比較したグラフ

【図４】 実施例２で電池起動時に酸化極側（ａ）及び
燃料極側（ｂ）から排出される水のｐＨ変化を示したグ
ラフ

【図５】 実施例２で電池を１００時間運転した後のセ
パレータ表面の接触抵抗を運転前と比較したグラフ

【符号の説明】

１：固体高分子膜 ２：酸化極 ３：燃料極
４：ガスケット ５：セパレータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 守田 芳和 大阪府堺市石津西町５番地 日新製鋼株式 会社技術研究所内 (72)発明者 金月 俊樹 大阪府堺市石津西町５番地 日新製鋼株式 会社技術研究所内 (72)発明者 和泉 圭二 大阪府堺市石津西町５番地 日新製鋼株式 会社技術研究所内 (72)発明者 八神 裕一 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 高橋 剛 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 Ｆターム(参考） 5H026 AA06 BB00 CC03 CC08 EE02

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料電池を構成する固体高分子膜，酸化
   極及び燃料極を湿潤雰囲気又は水溶液中に配置し、通電
   して水を電気分解し、固体高分子膜，酸化極及び燃料極
   に含まれている腐食性物質を予め除去することを特徴と
   する固体高分子型燃料電池構成部材の前処理方法。
2. 【請求項２】 固体高分子膜の両側に酸化極及び燃料極
   を積層した薄膜電極アセンブリを耐酸性セパレータで挟
   み、湿潤雰囲気又は水溶液中で通電することにより固体
   高分子膜，酸化極及び燃料極から腐食性不純物を除去し
   た後、耐酸性セパレータを金属製セパレータに取り替え
   て燃料電池を組み立てることを特徴とする金属製セパレ
   ータを用いた燃料電池の製造方法。
3. 【請求項３】 固体高分子膜の両側に酸化極及び燃料極
   を積層した薄膜電極アセンブリを耐酸性セパレータで挟
   んだ燃料電池を発電させることにより固体高分子膜，酸
   化極及び燃料極から腐食性不純物を除去した後、耐酸性
   セパレータを金属製セパレータに取り替えて燃料電池を
   組み立てることを特徴とする金属製セパレータを用いた
   燃料電池の製造方法。