JP2004178893A - 燃料電池用ガス拡散層と該ガス拡散層を持つ燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池用金属セパレータに腐食による穴あきが発生する可能性を大きく低減して、金属セバレータに起因して燃料電池の寿命が短くなるのを阻止する。
【解決手段】電極と金属セパレータ２との間に繊維質材料からなるガス拡散層３０を挟持した構成の燃料電池において、金属セパレータ２側には耐食導電材料からなるメッキ層を形成せずに、ガス拡散層３０側に耐食導電材料からなる層３１を蒸着、スパッタリング、めっき処理などにより形成する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池用ガス拡散層と該ガス拡散層を持つ燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池、特に固体高分子型燃料電池では、図３に示すように、イオン交換膜からなる電解質膜とその両面に配置された電極としてのカソードおよびカソードとからなる膜−電極アセンブリ（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）１と、アノード・カソードに燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための流体流路を形成するセパレータ２とを備え、膜−電極アセンブリ１を構成する電極とセパレータ２との間には、カーボンクロスのような繊維質材料で構成される多孔性のガス拡散層３が挟持される。
【０００３】
セパレータは、充分なガス不透過性を備えることによって、隣り合う単セルのそれぞれに供給される燃料ガスおよび酸化ガスが混じり合うのを防いでいる。従来、このような燃料電池用セパレータは、炭素材料あるいは金属材料を用いて製造されてきた。一般に、金属材料は強度に優れているため、炭素材料に比べて薄いガスセバレータを製造することが可能であり、燃料電池全体を小型化することができる利点がある。
【０００４】
金属セパレータの材料としては、ステンレスやアルミニウムなどが多用されており、充分な導電性と耐食性を確保するために、セパレータの表面に耐食導電材料による成膜処理を施すことが行われる。耐食導電材料として、通常、白金、金、ロジウム、イリジウムなどの貴金属が用いられ、セパレータの表面に１０〜２０ｎｍ程度の厚みでメッキ処理される。特許文献１（特開平１０−２２８９１４号公報）には、ステンレス鋼を基材とし、その電極（ガス拡散層）との接触面に直接金メッキを施した燃料電池用セパレータが記載されている。
【０００５】
貴金属を用いることはコストが高騰することから、特許文献２（特開２０００−１３８０６７号公報）には、ステンレス板である基板の表面に、スズメッキ層である第１のコート層と熱膨張黒鉛からなる第２コート層を積層したものが記載されている。このセパレータは低コストで製造でき、第１のコート層によって耐食性が保証され、第２のコート層によって接触抵抗が低く抑えられる。さらに、特許文献３（特開平１１−１６２４７８号公報）には、基材となる金属板に、銀、窒化クロム、白金族の複合酸化物、あるいは炭化ホウ素とニッケルの複合物の群から選択された材料によるメッキ表面処理を施したセパレータが記載されている。
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−２２８９１４号公報
【特許文献２】特開２０００−１３８０６７号公報
【特許文献３】特開平１１−１６２４７８号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
金属セパレータにおいて、その表面に耐食性に優れた金属で被覆する際に、それをメッキなどで行うと、メッキ層の厚みは通常１０〜２０ｎｍ程度であり、被覆面にミクロな孔が生じるのを避けることができない。図４はＳＵＳ３１６Ｌ上に、膜厚を変えて金メッキしたときの、そのようなミクロな孔による欠陥面積率を臨界不動態化電流密度法（「薄膜作製応用ハンドブック」（株）エヌ・ティー・エス発行、１９９５年、第２３２−２３６頁、３．薄膜中の欠陥の評価法、参照）で測定した結果を示しており、膜厚が２０ｎｍ程度よりも薄くなると欠陥面積率が急激に高くなっている。
【０００８】
燃料電池の金属セパレータにおいて、メッキした表面に上記のようなミクロな孔が存在すると、表面上の他の部分と孔の部分とでＰｈの差が生じ、孔の部分（すなわち、欠陥部）に腐食が局部的にかつ深さ方向に進行するようになる。そして、ついには、金属セパレータの基材に穴あきが生じてしまう恐れがある。穴あきが生じると、燃料ガスと酸化ガスとの混合が生じ寿命を短縮化させるので、絶対に避けなければならない。厚みを厚くメッキすることにより欠陥面積率を低減することができるが、コストアップとなり必ずしも有効な解決策とはいえない。特許文献２（特開２０００−１３８０６７号公報）に記載のように２層のコート層を形成することによっても、穴あき欠陥が生じる可能性を低減することができる。しかし、作業工程が煩雑化するのは避けられない。
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、燃料電池用金属セパレータに腐食による穴あきが発生する可能性を大きく低減して、金属セバレータに起因して燃料電池の寿命が短くなるのを阻止することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
貴金属などを薄膜上にメッキしたときにメッキ面に生じるミクロな孔の数はメッキした面積に比例する。図５に示すように、従来の金属セパレータ２ではガス拡散層３に対向する面に例えば金メッキ層１１を形成したものにあってはメッキ面は広い面積となり、欠陥部１２も多くなる。一方、ガス拡散層３はその機能から見て多孔性（ポーラス）のものであり、カーボンクロスのような繊維質材料で構成される。そして、隣接する繊維質材料同士の間には多くの空間Ｓが存在しており、その空間Ｓがガス通過孔として機能する。
【００１０】
実際の燃料電池において、ガス拡散層３は金属セパレータ２に圧接されるが、形成された金メッキ層１１の表面全面にガス拡散層３が密接しているわけではなく、図５に模式的に示すように、ガス拡散層３を構成する繊維質材料３ａの一部分Ｃのみが金メッキ層１１と接触し、前記した繊維質材料同士の間に形成される空間領域Ｓに対向する金メッキ層部分は開放した状態となっている。繊維質材料の部分が圧接している金メッキ層部分は導電性の向上のために有効に機能するが、開放状態にある金メッキ層部分は燃料電池の性能向上に特に機能してはいない。一方、繊維質材料の部分が圧接している金メッキ層部分にミクロな孔である欠陥部が存在しても、その部分はガス拡散層を構成する繊維質材料の部分により圧接されており、局部腐食が生じる可能性はきわめて小さい。しかし、前記開放状態にある金メッキ層部分はミクロな孔である欠陥部１２がそのまま露出しており、その部分から局部腐食が発生するのを避けられない。言い換えれば、従来の金属セパレータにおいて生じる恐れのある局部腐食による孔あきは、燃料電池の機能に実質的に関与していない無駄な金メッキ部分（露出した金メッキ部分）において生じるといえる。従って、このような露出した金メッキ部分を少なくすることができれば、金属セパレータに局部腐食が生じるの可能性を大きく低減することができ、結果として、燃料電池の寿命を長期化することができる。本発明は上記のような知見に基づきなされたものである。
【００１１】
すなわち、本発明は、上記の課題を解決するために、金属セパレータに対向配置して使用される繊維質材料からなる燃料電池用ガス拡散層であって、ガス拡散層のセパレータと接する面に耐食導電材料による成膜処理が施されていることを特徴とする燃料電池用ガス拡散層、を開示する。
【００１２】
金属セパレータ自体は従来知られたものでよく、ステンレスやアルミニウムなどの材料を凹凸処理したようなものが好適である。形成された凸部表面にガス拡散層が圧接することとなる。ガス拡散層を構成する繊維質材料も従来と同じであってよく、例えば、カーボンクロス、カーボンペーパーなどを用いることができる。ガス拡散層の密度等の諸物性値も従来のものと同様であってよい。
【００１３】
ガス拡散層のセパレータと接する面に成膜処理される耐食導電材料は、従来の金属セパレータの表面にメッキ処理などで成膜処理するのに用いられた耐食導電材料をすべて用いることができる。例えば、貴金属（Ｐｔ，Ａｕ，Ｐｄ，Ｒｈ，Ｉｒ，Ｒｕなど）、あるいは、導電性窒化物（ＴｉＮ，ＣｒＮなど）、導電性炭化物（ＴｉＣ，ＷＣなど）、導電性酸化物（ＲｕＯ_２，ＳｒＲｕＯ_３など）が用いられる。貴金属の場合にはスパッタリングにおいて成膜速度が速い利点があり、中でも金は特に好ましい。
【００１４】
ガス拡散層のセパレータと接する面に上記の耐食導電材料による成膜処理を施すには、蒸着、スパッタリング、めっき処理などの方法を採用することができる。いずれの場合も、ガス拡散層を構成する繊維質材料における金属セパレータに対向する面に、５ｎｍ程度の厚みの成膜処理を施すことができ、該成膜部分が接触抵抗を低減するのに有効に機能する。
【００１５】
本発明は、また、上記の課題を解決するために、電極と金属セパレータとの間に繊維質材料からなるガス拡散層を挟持した構成を少なくとも備えた燃料電池において、金属セパレータにおけるガス拡散層を構成する繊維質材料に接触する部分のみに耐食導電材料が配置されていることを特徴とする燃料電池、を開示する。
【００１６】
上記の構成の燃料電池では、金属セパレータにおけるガス拡散層を構成する繊維質材料に接触する部分のみに耐食導電材料が配置されており、他の領域には貴金属などのメッキ薄膜層は形成されていない。そのために、前記した露出したメッキ層表面の領域はきわめて小さいものとなり、局部的に腐食が発生する確率は大きく低減する。それにより、金属セパレータに起因する燃料電池の寿命の短縮化は回避できる。燃料電池の他の構成は従来知られたものと同様であってよい。
【００１７】
本発明の燃料電池において、金属セパレータにおけるガス拡散層を構成する繊維質材料に接触する部分のみに耐食導電材料を配置する手段は任意である。しかし、作業の容易性を考えると、ガス拡散層として上記した成膜処理を施した燃料電池用ガス拡散層を用い、それを金属セパレータに圧接されることが望ましい。ガス拡散層を構成する繊維質材料に成膜処理された耐食導電材料が金属セパレータの表面に圧接することにより、本発明による燃料電池の前記構成が容易に構築される。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、実施の形態に基づき本発明を説明する。図１は本発明によるガス拡散層３０を用いた燃料電池における、ガス拡散層３０と金属セパレータ２の部分のみを模式的に示す図である。この例において、金属セパレータ２はステンレス板を凹凸加工したものであり、その凸となった表面部分にガス拡散層３０が圧接する状態で、両者は配置されている。この金属セパレータ２において、ガス拡散層３０に対向する面には耐食導電材料をメッキするような処理は施されていない。
【００１９】
ガス拡散層３０は例えばカーボンクロス製であり、多数の繊維質材料３０ａが空間Ｓを持った状態で成形されている。そして、繊維質材料３０ａの金属セパレータ２に対向する部分には、蒸着、スパッタリング、あるいはめっき処理などの手法により、貴金属のような耐食導電材料３１が成膜処理されている。図２は、ガス拡散層３０に耐食導電材料３１としてＡｕをスパッタリング処理する場合の一例を示しており、複合分子ポンプ５１やロータリーポンプ５２などの手段により真空雰囲気とされる容器５０内に、基板としてのガス拡散層３０とターゲット５３としてのＡｕを置き、その間に直流高電圧を印加し、イオン化したＡｒをターゲットに衝突させてはじき飛ばされたＡｕをガス拡散層３０に成膜している。なお、図示の装置ではイオンガン５４を備えており、ガス拡散層３０はクリーニングを受けた後、テーブル５５の回転によりターゲット５３と対向するようになっている。このような処理により、ガス拡散層３０を構成する繊維質材料３０ａの金属セパレータ２に対向する部分には厚さ５ｎｍ程度の耐食導電材料（Ａｕ）３１を確実に成膜処理するとができる。
【００２０】
図１に示すように、金属セパレータ２の表面におけるガス拡散層３０の繊維質材料３０ａに圧接していない領域は、そのまま地肌を露出した状態となっている。しかし、金属セパレータ２とガス拡散層３０とは繊維質材料３０ａに成膜処理された耐食導電材料３１を介して確実に圧接しており、必要な導電性は確保されている。繊維質材料３０ａに接していない領域は、従来の金属セパレータのようにメッキ処理が施されていないので、ミクロな小孔であるメッキ欠陥部分からの局部腐食が生じることはない。さらに、ガス拡散層３０は多くの空間Ｓを有しており、ガス透過性が阻害されることもない。
【００２１】
次に、実施例と比較例により本発明を説明する。
［実施例］
（Ａｕ成膜方法）
ガス拡散層として日本カーボン製カーボンクロスを用いた。前記拡散層を３０ｍｍ×４０ｍｍに切断後、図２に示すようなマグネトロンスパッタ装置にセットした。スパッタリングによるＡｕ成膜に先立ち、イオンガンによるクリーニングを１分間行った。この時の条件は、フィラメント電流３２Ａ、アノード電圧５０Ｖ、Ａｒガス流量４０ｓｃｃｍ、拡散層バイアス電圧１ｋＶである。スパッタリングは９９．９％のＡｕターゲットを用い、出力１００Ｗで１０秒間行った。透過電子顕微鏡で確認したところ、膜厚は５ｎｍであった。
【００２２】
（接触抵抗）
セパレータを想定した相手材として市販のＳＵＳ３１６Ｌ平板（３６ｍｍ×５０ｍｍ×０．６ｍｍ）を用い、上記カーボンクロスと交差させ（接触面積１０．８ｃｍ^２）、面圧１０ｋｇｆ／ｃｍ^２、電流１Ａの時のカーボンクロスとＳＵＳ３１６Ｌとの電位差を測定することにより接触抵抗を測定した。この時の接触抵抗は１０ｍΩ・ｃｍ^２であった。Ａｕ成膜をしていないＳＵＳ３１６Ｌとの接触抵抗は８０ｍΩ・ｃｍ^２であった。
【００２３】
（電池試験）
アノードガスとして、９９．９９９９％の水素を用い、カソードガスとして空気を用いた。両極ともガス圧は１．１ＭＰａで、流量はそれぞれ０．５Ｌ／ｍｉｎ、１．０Ｌ／ｍｉｎとした。また、加湿のためのバブラー温度はそれぞれ９５℃、８０℃とした。セパレータにはＳＵＳ３１６Ｌをプレス成形したものを用いた。形状は３６ｍｍ×３６ｍｍ×０．６ｍｍ厚でディンプルを形成したものである。また、固体高分子膜にはナフィオンを用いた。セルは冷却水およびヒータで８０℃に保持し、０．１Ａ／ｃｍ^２の条件で１８０時間運転した。電池試験終了後セパレータを確認したところ、穴あき等の局部腐食は見られなかった。
【００２４】
［比較例］
Ａｕめっきを１μｍ施したＳＵＳ３１６Ｌ製セパレータとＡｕを成膜していないカーボンクロス製のガス拡散層を用いて、同一条件で１８０時間運転した。電池試験終了後セパレータを確認したところ、拡散層と接している部分に深さ０．５ｍｍの穴が５箇所見られた。セバレータ厚みが０．６ｍｍであることから、長時間運転においては、貫通穴が生じると考えられる。
【００２５】
【発明の効果】
上記のように、本発明によれば、燃料電池用金属セパレータに腐食による穴あきが発生する可能性を大きく低減して、金属セバレータに起因して燃料電池の寿命が短くなるのを阻止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるガス拡散層を用いた燃料電池における、ガス拡散層と金属セパレータの部分のみを模式的に示す図。
【図２】ガス拡散層に耐食導電材料をスパッタリング処理する場合の一例を示す図。
【図３】燃料電池における単セルとセパレータの位置関係を説明する図。
【図４】メッキ層におけるミクロな孔による欠陥面積率を臨界不動態化電流密度法で測定した結果を示す図。
【図５】従来の燃料電池における金属セパレータと拡散層との関係を説明する模式図。
【符号の説明】
１…膜−電極アセンブリ（ＭＥＡ）、２…金属セパレータ、１１…金属セパレータに施されたメッキ層、１２…メッキ層に存在する欠陥部、３、３０…ガス拡散層、３ａ、３０ａ…ガス拡散層を構成する繊維質材料、３１…ガス拡散層側に形成された耐食導電材料による層、Ｓ…空間

Claims (4)

1. 金属セパレータに対向配置して使用される繊維質材料からなる燃料電池用ガス拡散層であって、ガス拡散層のセパレータと接する面に耐食導電材料による成膜処理が施されていることを特徴とする燃料電池用ガス拡散層。
2. 成膜処理は、耐食導電材料の蒸着、スパッタリング、またはめっき処理により行われたものであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用ガス拡散層。
3. 電極と金属セパレータとの間に繊維質材料からなるガス拡散層を挟持した構成を少なくとも備えた燃料電池において、金属セパレータにおけるガス拡散層を構成する繊維質材料に接触する部分のみに耐食導電材料が配置されていることを特徴とする燃料電池。
4. ガス拡散層として請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池用ガス拡散層を用い、それにより、金属セパレータにおけるガス拡散層を構成する繊維質材料に接触する部分のみに耐食導電材料が配置される構成が形成されてなることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。

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