JP2006134764A

JP2006134764A - 燃料電池用部材、燃料電池用セパレータ、および燃料電池

Info

Publication number: JP2006134764A
Application number: JP2004324017A
Authority: JP
Inventors: Masayoshi Takami; 昌宜高見; Tatsuo Fujinami; 達雄藤波
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-11-08
Filing date: 2004-11-08
Publication date: 2006-05-25

Abstract

【課題】本発明は、耐腐食性および導電性に優れた燃料電池用部材を提供することを主目的とするものである。
【解決手段】上記目的を達成するために本発明は、少なくとも腐食性液体が接触する表面側に金、銀、および銅からなる群から選択される少なくとも１種類の金属を有する金属層と、上記金属層表面を覆うように形成された単分子層とを有する燃料電池用部材であって、上記単分子層を構成する分子が、一般式：Ｒ−ＳＨ（Ｒは自己組織化可能な基）で表されることを特徴とする燃料電池用部材を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、耐腐食性および導電性に優れた燃料電池用部材、その燃料電池用部材を用いた燃料電池用セパレータ、およびこれらの部材を用いた燃料電池に関するものである。

固体高分子電解質型燃料電池（本発明において、単に燃料電池と称する場合がある。）の最小発電単位である単位セルは、一般に固体電解質膜の両側に触媒電極層が接合されている膜電極複合体を有し、この膜電極複合体の両側にはガス拡散層が配されている。さらに、その外側にはガス流路を備えたセパレータが配されており、ガス拡散層を介して膜電極複合体の触媒電極層へと供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスを流通させるとともに、発電により得られた電流を外部に伝える働きをしている。

このような燃料電池を高温下で作動させると、固体電解質膜および電極中の電解質が一部分解し、フッ酸等の腐食成分が溶解した腐食性液体が発生する場合がある。これらの腐食性液体は、燃料電池の配管、バブラー、弁および継手等を腐食し、また、腐食により流れ出したイオンが燃料電池全体を汚染するため、通常、これらの部材に対してメッキ処理を施す必要があった。さらに、例えメッキ処理を施したとしても、ピンホールが発生すると、逆に腐食を促進させる結果になるため、メッキ処理を厚くせざるを得なくなり、コスト的に不利な面があった。

一方、燃料電池に用いられるセパレータは、従来、カーボン粉に樹脂を混ぜて成形する方法が取られていたが、導電性が悪く、切削加工費が高いといった問題があったため、導電性が良く、量産性が高く、加工が容易な金属製のセパレータが強く望まれていた。
しかしながら、セパレータに金属を使用すると、上述した場合と同様に腐食が問題となる。さらに、セパレータの部材としては、その機能上、良好な導電性を有している必要があるため、耐腐食性に加えて導電性を備えた部材を使用する必要がある。これに対して、金属表面を加工し、耐腐食性および導電性を高めた金属セパレータの開発を行なう動きが見られ、例えば、特許文献１においては、金属表面にフッ素樹脂またはフッ化黒鉛粒子が共析した貴金属複合メッキ皮膜を形成させた金属セパレータが提案されている。

以上のように、燃料電池において腐食性液体が接触する部材には耐腐食性が必要であり、中でも金属セパレータは耐腐食性に加え良好な導電性が必要であり、これらの性質を有した燃料電池用部材の開発が強く望まれている。

特開２０００−３６３０９公報特開平７−１６９４７０号公報

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、耐腐食性および導電性に優れた燃料電池用部材を提供することを主目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明は、少なくとも腐食性液体が接触する表面側に金、銀、および銅からなる群から選択される少なくとも１種類の金属を有する金属層と、上記金属層表面を覆うように形成された単分子層とを有する燃料電池用部材であって、上記単分子層を構成する分子が、一般式：Ｒ−ＳＨ（Ｒは自己組織化可能な基）で表されることを特徴とする燃料電池用部材を提供する。

本発明によれば、上記単分子層が上記金属層を覆うように形成されることにより、燃料電池用部材の耐腐食性を向上させることができると同時に、良好な導電性を確保することができるという利点を有する。

また、上記発明においては、上記一般式のＲがアルキル基であり、アルキル基の炭素鎖がＣ＝８〜３０であることが好ましい。上記一般式のＲがアルキル基であり、かつその炭素鎖がＣ＝８〜３０であれば、充分な耐腐食性と良好な導電性とを備えた燃料電池用部材を得ることができるからである。

また、本発明は、上記燃料電池用部材を用いたことを特徴とする燃料電池用セパレータを提供する。

本発明によれば、上記燃料電池用部材を用いることにより、耐腐食性と導電性とを兼ね備えた燃料電池用セパレータを得ることができる。

また、本発明は、少なくとも上記燃料電池用部材または上記燃料電池用セパレータを用いたことを特徴とする燃料電池を提供する。

本発明によれば、少なくとも耐腐食性および導電性を備えた燃料電池用部材または燃料電池用セパレータを使用することにより、腐食性液体に対する耐腐食性を劇的に向上させた燃料電池を得ることができ、高温作動下においても安定して作動する燃料電池を得ることができる。

本発明においては、金属層表面を単分子層によって保護することにより、耐腐食性と導電性とを備えた燃料電池用部材を得ることができ、さらに、その燃料電池用部材を使用することにより、高温下でも安定に作動する燃料電池を得ることができるという効果を奏する。

本発明は、耐腐食性および導電性に優れた燃料電池用部材、その燃料電池用部材を用いた燃料電池用セパレータ、およびこれらの部材を用いた燃料電池に関するものである。
以下、本発明の燃料電池用部材、燃料電池用セパレータ、および燃料電池について詳細に説明する。

Ａ．燃料電池用部材
本発明の燃料電池用部材は、少なくとも腐食性液体が接触する表面側に金、銀、および銅からなる群から選択される少なくとも１種類の金属を有する金属層と、上記金属層表面を覆うように形成された単分子層とを有し、上記単分子層を構成する分子が、一般式：Ｒ−ＳＨ（Ｒは自己組織化可能な基）で表されることを特徴とするものである。

このような燃料電池用部材について図を用いて詳細に説明する。図１に示すように、本発明の燃料電池用部材は、金属層１と、金属層１上に形成された単分子層２とからなるものである。本発明においては、単分子層２が、酸性溶液や金属不純物の侵入を抑制することにより、金属層を保護している。
以下、本発明の燃料電池用部材の各構成について詳細に説明する。

１．金属層
本発明における金属層は、少なくとも腐食性液体が接触する表面側に形成され、金、銀、および銅からなる群から選択される少なくとも１種類の金属を有するものである。上記金属層上には、後述する単分子層が形成される。なお、本発明において腐食性液体とは、燃料電池に使用される固体電解質膜等が部分的に分解することによって生じたフッ酸等の液体であり、ｐＨが５以下であり、かつ燃料電池内の金属を腐食させる液体を意味するものである。
本発明における金属層は、少なくとも腐食性液体が接触する表面側に金、銀、および銅からなる群から選択される少なくとも１種類の金属を有していれば特に限定されるものではないが、具体的には（１）金属層が基材上に形成されてなる態様、（２）基材自体が上記金属を含有し金属層の機能を備えている態様、等がある。これら二つの態様を第一態様および第二態様と呼ぶこととし、以下これらの態様について説明する。

（１）第一態様
本態様は、基材上に金、銀、および銅からなる群から選択される少なくとも１種類の金属を有する金属層が形成されてなる態様である。本態様は、基材の種類を広く選択できるという利点を有する。

本態様における金属層の厚さは、金属層上に後述する単分子層を形成することが可能な厚さであれば特に限定されるものではないが、１μｍ〜３０μｍ、中でも５μｍ〜２０μｍであることが好ましい。

また、上記基材としては、上記金属層を形成できるものであれば特に限定されるものではないが、例えば、ＳＵＳ、プラスチック、ガラス、セラミックス等が挙げられ、特にＳＵＳが好ましい。

また、上記金属層を形成する方法としては、上述した所望の金属層を得ることができれば特に限定されるものではないが、例えば電解メッキや無電解メッキ等のメッキ処理、蒸着、スパッタリング、スピンコート等が挙げられる。中でも、メッキ処理により金属層を形成することが好ましい。
また、上記金属層は、上記方法等によって形成された単層構造であっても良く、複層構造であっても良い。

（２）第二態様
本態様は、基材自体が金、銀、および銅からなる群から選択される少なくとも１種類の金属を含有し、金属層の機能を備えている態様である。本態様は、基材自体が上記金属を含有しているため、メッキ処理に比べ、ピンホール等が発生する可能性がないという利点を有する。
上記基材としては、金、銀、および銅からなる群から選択される少なくとも１種類の金属からなる場合であっても良く、これらの金属の合金からなる場合であっても良い。

また、上記基材の厚さは、基材表面上に後述する単分子層を形成することができれば特に限定されるものではないが、１μｍ以上、中でも１０μｍ以上であることが好ましい。上記の厚さ以下であると、基材として充分な強度を発揮できない場合があるからである。

２．単分子層
本発明における単分子層は、上記金属層表面を覆うように形成され、単分子層を形成する分子が、一般式：Ｒ−ＳＨ（Ｒは自己組織化可能な基）で表されることを特徴とするものである。上記一般式で表される分子のチオール基が、化学結合によって、上記金属に自発的に吸着し、単分子層を形成する。この際、単分子層は、吸着する分子の分子構造に
依存した配列を示すことから自己組織化膜とも呼ばれる。本発明においては単分子層が形成されることにより、金属層を腐食性液体から保護することができる。

上記一般式のＲは、自己組織化膜を形成できるものであれば特に限定されるものでないが、具体的には、アルキル基等が挙げられる。さらに上記アルキル基は、エーテル基やケトン基等の極性基を有していていも良い。
また、上記アルキル基は、炭素鎖がＣ＝８〜３０であることが好ましい。上記アルキル基を有した分子を使用すると、耐腐食性および導電性が優れた燃料電池用部材が得られるからである。

なお、本発明に用いられる単分子層を構成する分子の種類は、耐腐食性および導電性を確保できる限り特に限定されるものではなく、前記一般式で表される１種類の分子からなる場合であっても良く、２種類以上の分子からなる場合であっても良い。

３．単分子層の製造方法
次に本発明における単分子層の製造方法について説明する。本発明における単分子層の製造方法は、優れた耐腐食性を有した燃料電池用部材を得ることができれば特に限定されるものではないが、例えば、単分子層の前駆体を分散したアルコール溶液中に基材を所望の時間浸漬すること等によって得ることができる。上記方法は、単分子層を簡便なプロセスで製造できるという利点を有する。

４．燃料電池用部材
本発明の燃料電池用部材は、優れた耐腐食性を有しているため、燃料電池で一般的に使用される燃料電池用部材、例えば配管、バブラー、弁、または継手等として使用することができる。さらに、本発明の燃料電池用部材は、耐腐食性に加えて導電性を有していることから、セパレータとしても使用することができる。続いて、この燃料電池用セパレータについて説明する。

Ｂ．燃料電池用セパレータ
本発明の燃料電池用セパレータは、上述した燃料電池用部材を用いたことを特徴とするものである。
燃料電池におけるセパレータは通常、燃料ガスおよび酸化剤ガスを、後述するガス拡散層に供給する働き、および電流を外部に伝える働きを有するものである。本発明においては、耐腐食性および導電性を兼ね備えた上記燃料電池用部材を燃料電池用セパレータに用いることにより、従来に比べ、耐腐食性が優れた燃料電池用セパレータを得ることができる。
また、本発明の燃料電池用セパレータは、上記燃料電池用部材を用いたものであれば特に限定されるものではないが、中でも銅を用いた燃料電池用部材を使用することが好ましい。銅を使用することにより、より安価な金属セパレータの作製が可能だからである。

Ｃ．燃料電池
続いて、本発明の燃料電池について説明する。本発明の燃料電池は少なくとも上述した燃料電池用部材または燃料電池用セパレータを用いたものである。上述した燃料電池部材または燃料電池用セパレータを使用することにより、腐食性液体に対して優れた耐腐食性を発揮することができ、高温下においても安定に作動する燃料電池を得ることができる。
以下、本発明の燃料電池の一般的な構成について説明する。

１．セパレータ
本発明の燃料電池に用いられるセパレータとしては、上述した燃料電池用セパレータを使用することが好ましい。上記燃料電池セパレータは、耐腐食性と導電性を兼ね備えているからである。なお、本発明の燃料電池に用いられるセパレータは、「Ｂ．燃料電池用セパレータ」と同様であるので、ここでの説明は省略する。

２．燃料電池用部材
また、本発明の燃料電池に用いられる燃料電池用部材（セパレータは除く）としては、例えば配管、バブラー、弁、または継手等が挙げられるが、本発明においては、上述した本発明の燃料電池用部材を使用することが好ましい。本発明の燃料電池用部材は簡便な方法で得ることができ、耐腐食性に優れているからである。なお、本発明の燃料電池用部材については、「Ａ．燃料電池用部材」で既に説明しているので、ここでの説明は省略する。

３．その他
次に、本発明の燃料電池に用いられるその他の部材について説明する。
（１）固体電解質膜
本発明の燃料電池に用いられる固体電解質膜は、イオン（プロトン）透過性に優れ且つ電流を流さない材料からなるものであれば特に限定されるものではない。例えば、現在汎用されているパーフルオロスルホン酸系ポリマー（商品名：ＮａｆｉｏｎＴＭ、デュポン株式会社製）等のフッ素系樹脂や、プロトン伝導基を有するポリイミド等の炭化水素系樹脂を挙げることができる。

（２）触媒電極層
また、本発明の燃料電池に用いられる触媒電極層としては、特に限定されるものではなく、一般的な燃料電池に用いられるものを使用することができる。触媒電極層は、通常、ガスと反応する白金等の触媒、触媒を担持し電子伝導に寄与するカーボンブラック、およびプロトン伝導に寄与するパーフルオロスルホン酸系ポリマー（商品名：Ｎａｆｉｏｎ、デュポン株式会社製）に代表されるフッ素系樹脂等の電解質材料を有している。

（３）ガス拡散層
また、本発明の燃料電池に用いられるガス拡散層は、一般的な燃料電池に用いられるものを使用することができる。通常は、カーボン繊維等を成形したガス拡散層が好適に用いられる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

以下に実施例を示して本発明をさらに具体的に説明する。
[実施例]
（燃料電池用部材の作製）
ＳＵＳ３１６基材（５０ｍｍ×５０ｍｍ×２ｍｍ）に、金、銀、または銅のメッキをそれぞれ施し厚さ３μｍの金属層を作製した。次に、１ｍｍｏｌ／ｌのアルカンチオールのエタノール溶液中に、上記金属層を備えた基材を２４時間〜３日間浸漬することにより、単分子層を形成し、燃料電池用部材を得た。

[評価]
上記実施例により得た燃料電池部材について、導電性および耐腐食性の試験を行なった。
導電性試験は、電流／電圧制御が可能なポテンシオガルバノスタットを用いて、膜厚方向（２ｍｍ）の直流抵抗値を測定した。その結果、直流抵抗値は、０．５Ω〜３Ωとなり、単分子層を有さない部材を使用した場合と、ほぼ同様の値を示した。

また、耐腐食性試験は、以下の様に行なった。
（１）Ｈ_２Ｓに対する耐腐食性試験
１ＭのＨ_２Ｓ溶液に、燃料電池用部材を浸漬させ、部材表面の変化を目視により確認した。その結果、単分子層を有さない部材は黒色に変色するのに対して、本実施例の部材は全く変化を示さなかった。
（２）Ｈ_２ＳＯ_４に対する耐腐食性試験
２ＮのＨ_２ＳＯ_４溶液に、燃料電池用部材を浸漬させ、３０秒間超音波振動をかけ、部材表面の変化を目視により確認した。その結果、本実施例の部材は全く変化を示さなかった。
（３）アノード分極下における耐腐食性試験
ｐＨ２のＨ_２ＳＯ_４溶液に、燃料電池用部材を浸漬させ、アノード分極測定として、８０℃で、電位範囲を浸漬電位〜１Ｖｖｓ．ＲＨＥで行い、次に、定電位電解として、同じく８０℃で１Ｖｖｓ．ＲＨＥで２４時間行った。その後、部材表面の変化を目視により確認した。その結果、本実施例の部材は全く変化を示さなかった。

以上の導電性および耐腐食性の試験結果より、燃料電池用部材が優れた耐腐食性および導電性を有していることが明らかになった。

本発明における燃料電池用部材を説明するための概略図である。

符号の説明

１ … 金属層
２ … 単分子層

Claims

少なくとも腐食性液体が接触する表面側に金、銀、および銅からなる群から選択される少なくとも１種類の金属を有する金属層と、前記金属層表面を覆うように形成された単分子層とを有する燃料電池用部材であって、
前記単分子層を構成する分子が、一般式：Ｒ−ＳＨ（Ｒは自己組織化可能な基）で表されることを特徴とする燃料電池用部材。
前記一般式のＲがアルキル基であり、アルキル基の炭素鎖がＣ＝８〜３０であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用部材。
請求項１または請求項２に記載の燃料電池用部材を用いたことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
少なくとも請求項１もしくは請求項２に記載の燃料電池用部材、または請求項３に記載の燃料電池用セパレータを用いたことを特徴とする燃料電池。