JP4154315B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は燃料電池に関する。

従来，燃料電池としては，積層板状をなす電極構造体と，その電極構造体を挟む第１および第２セパレータとよりなり，電極構造体は，電解質と，その電解質を挟む第１および第２電極層と，両電極層の外側にそれぞれ配置される第１および第２拡散層とを備えている燃料電池が知られている。通常，両拡散層はカーボンペーパより構成されているが，カーボンペーパは低強度で，また耐面圧性も低く，その上脆いため，スタックを構成する場合に，接触抵抗低減との関係から面圧管理が難しい，という問題があった。

そこで，金属メッシュまたは金属多孔体より構成された拡散層が開発されている（例えば，特許文献１参照）。
特開２０００−５８０７２号公報

しかしながら，従来の拡散層においては電極接触側に開口する細孔の直径が比較的大であることから，スタック構成時の加圧力によって電極層および電解質の一部が細孔内に深く食込み，そのため電解質が拡散層により損傷を受けるおそれがあった。

本発明は前記に鑑み，スタック構成時において，その加圧力による電極層の拡散層への食込みを抑制または回避し得るようにした前記燃料電池を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため第１発明によれば，積層板状をなす電極構造体と，その電極構造体を挟む第１および第２セパレータとよりなり，前記電極構造体は，固体高分子電解質膜と，その固体高分子電解質膜を挟む第１および第２電極層と，両電極層の外側にそれぞれ配置される第１および第２拡散層とを備えている燃料電池において，前記第１および第２拡散層はそれぞれ金属繊維の集合体を有する通気性金属体よりなり，それら通気性金属体の電極接触側の表層を構成する金属繊維のみに，前記表層の表面における算術平均粗さＲａを０．１μｍ≦Ｒａ≦１．０μｍに規定する貴金属よりなる被覆層が形成されており，セパレータ接触側の表層を構成する金属繊維のみに，銅および貴金属の一方よりなる低電気抵抗層が形成されている燃料電池が提供される。

第２発明によれば，前記金属繊維の直径ｄが０．１μｍ≦ｄ≦１０μｍである燃料電池が提供される。

第３発明によれば，前記第１および第２セパレータがそれぞれ金属よりなり，その第１セパレータに前記第１拡散層が，また前記第２セパレータに前記第２拡散層がそれぞれ熱圧着されている燃料電池が提供される。

第４発明によれば，前記通気性金属体に，前記金属繊維，前記被覆層および／または前記低電気抵抗層を覆うように撥水層が形成されている燃料電池が提供される。

第１発明によれば，第１および第２拡散層における表面粗さをそれぞれ前記のように設定したので，それら表面の凹凸を微細化して，スタック構成時の加圧力による第１電極層の第１拡散層への食込みおよび／または第２電極層の第２拡散層への食込みを抑制または回避することが可能であり，これによりそれら拡散層による電解質の損傷を防止し得るようにした燃料電池を提供することができると共に，拡散層表面の凹凸の微細化を被覆層により容易に行うことができ，しかも，低電気抵抗層により第１拡散層および第１セパレータ間および第２拡散層および第２セパレータ間の接触抵抗をそれぞれ低減することができる。

第２発明によれば，前記効果に加え，第１，第２拡散層の強度を確保し，また両拡散層の表面粗さを前記範囲に容易に収めることができる。

第３発明によれば，前記効果に加え，第１セパレータおよび第１拡散層間ならびに第２セパレータおよび第２拡散層間の電気的接続をそれぞれ良好にすることができる。

第４発明によれば，前記効果に加え，第１，第２拡散層の，生成水による目詰まりを防止することができる。

〔例−１〕
図１において，燃料電池としての固体高分子型燃料電池１は，積層板状をなす電極構造体２と，その電極構造体２を挟む上側の第１セパレータ３および下側の第２セパレータ４とよりなる。電極構造体２は，電解質としての固体高分子電解質膜５と，その固体高分子電解質膜５を挟む上側の第１電極層６および下側の第２電極層７と，両電極層６，７の外側にそれぞれ配置される上側の第１拡散層８および下側の第２拡散層９とを有する。固体高分子電解質膜５は，例えばフッ素樹脂系イオン交換膜であるナフイオン（デュポン社製，商品名）より構成されている。第１電極層（例えばアノード）６および第２電極層（例えばカソード）７は，Ｐｔ担持カーボン粒子の集合体とバインダであるポリテトラフルオロエチレンとよりなる。第１，第２セパレータ３，４はそれぞれステンレス鋼よりなり，両セパレータ３，４の複数の溝１０はガス通路として機能する。

第１，第２拡散層８，９はそれぞれ薄手の通気性金属体１１よりなり，それら通気性金属体１１の電極接触側における表面粗さ，つまり算術平均粗さＲａは０．１μｍ≦Ｒａ≦１．０μｍに設定される。通気性金属体１１の厚さｔは０．０３mm≦ｔ≦０．１５mmが適当である。

第１，第２拡散層８，９における表面粗さを前記のように設定すると，それら表面の凹凸が微細化されるので，スタック構成時の加圧力による第１電極層６の第１拡散層８への食込みおよび／または第２電極層７の第２拡散層９への食込みを抑制または回避して，それら拡散層８，９による固体高分子電解質膜５の損傷を防止することができる。ただし，算術平均粗さＲａがＲａ＜０．１μｍでは，両拡散層８，９の複数の通気口が過小となるためガスのスムーズな拡散が阻害され，一方，Ｒａ＞１．０μｍでは，両拡散層８，９の複数の通気口が過大となるため各電極層６，７の各拡散層８，９への食込みが生じ易くなる。

通気性金属体１１は，図２に示すように，金属繊維１２，例えばステンレス繊維の集合体である薄手の主体１３を有し，その主体１３の電極接触側において，複数の金属繊維１２に，図３に示すように，貴金属よりなる耐酸化性被覆層としての耐酸化性メッキ層１４が形成されている。この場合，通気口１６とは，主体１３の電極接触側において，複数の金属繊維１２，つまりメッキ層１４により囲まれた閉鎖空間を言う。したがって，メッキ層１４は通気口１６の大きさ，つまり拡散層８，９表面の凹凸の微細化を規定する役割を持つ。マクロ的に見れば，図１に示すごとく，主体１３の電極接触側に，メッキ層１４を有する複数の金属繊維１２によって表層１５が形成されていることになる。貴金属としては，金，銀，白金およびパラジウムから選択される少なくとも一種が用いられる。

主体１３は織布状または不織布状をなす。不織布状主体１３を製造する場合において，金属繊維１２の集合体に熱圧着加工を施して，交差する各２つの金属繊維１２の接触部分を拡散接合するようにしてもよい。

前記のように主体１３の電極接触側において，金属繊維１２にメッキ層１４を形成するようにすると，主体１３の製造時に通気口１６を大き目に決めてその製造を容易にし，その後，メッキ処理によって通気口１６の大きさを調整して表面粗さを前記範囲に比較的簡単に収めることが可能である。この場合，金属繊維１２の直径ｄを０．１μｍ≦ｄ≦１０μｍに設定すると，金属繊維１２の破断を防止して第１，第２拡散層８，９の強度を確保し，また両拡散層８，９の表面粗さを前記範囲に容易に収めることができる。ただし，直径ｄがｄ＜０．１μｍでは金属繊維１２が折れ易くなり，一方，ｄ＞１０μｍでは両拡散層８，９の表面粗さを前記範囲に収めることができなくなる。

主体１３のセパレータ接触側において，複数の金属繊維１２に，図４に示すように，銅および貴金属の一方よりなる低電気抵抗層１７が形成される。マクロ的に見れば，主体１３のセパレータ接触側に，低電気抵抗層１７を有する複数の金属繊維１２によって，図５に示すごとく，第２の表層１８が形成されていることになる。貴金属としては，前記同様に金，銀，白金およびパラジウムから選択される少なくとも一種が該当する。このように構成すると，第１拡散層８および第１セパレータ３間ならびに第２拡散層９および第２セパレータ４間の接触抵抗をそれぞれ下げることが可能である。これは，金属繊維１２がステンレス鋼よりなる場合，その不動態皮膜による接触抵抗の増加，という不具合を回避する上で有効である。

（１）拡散層による固体高分子電解質膜の損傷について
直径１μｍのステンレス繊維（ＪＩＳ ＳＵＳ３１６）を用いて縦５０mm，横５０mm，厚さ（ｔ）０．０５mmの不織布を製作した。次いで，その不織布に打抜き加工を施して直径１５．５mmの円板形をなす薄手の主体１３を得た。この場合，主体１３の電極接触側における算術平均粗さＲａはＲａ＝０．６μｍであった。次いで主体１３に電気メッキ法により金メッキを施して，その電極接触側およびセパレータ接触側にそれぞれ厚さ５μｍの表層１５，１８を形成し，通気性金属体１１を得た。この通気性金属体１１の電極接触側における算術平均粗さＲａはＲａ＝０．３３μｍであった。この算術平均粗さＲａの測定は，表面粗さ形状測定機（東京精密社製，商品名サーフコム１４００Ａ）を使用し，ＪＩＳ Ｂ０６０１−１９９４に則って行われた。

このような通気性金属体１１を第１，第２拡散層８，９として用い，これらの拡散層８，９ならびに円板形の固体高分子電解質膜５，第１，第２電極層６，７および第１，第２セパレータ３，４を用いて，図１に示した固体高分子型燃料電池１を組立てた。次いで第２セパレータ４を下にして燃料電池１を基台上に載せ，第１セパレータ３側から燃料電池１に７８４Ｎの荷重を１２時間に亘って付与した。その後，第１，第２電極層６，７の断面をそれぞれ走査型電子顕微鏡を用いて調べたところ，各電極層６，７の各拡散層８，９への平均食込み量は２μｍであって，固体高分子電解質膜５の損傷は皆無であった。

（２）拡散層およびセパレータ間の接触抵抗について
両セパレータ３，４として，ステンレス鋼（ＪＩＳ ＳＵＳ３０４）よりなり，両平面にサーペンタイン形状の溝１０を有する円形板を用意した。溝１０の幅ｗ₁ はｗ₁ ＝０．５mm，両溝１０間のランド部１９の幅ｗ₂ はｗ₂ ＝０．５mmであって，両平面において溝１０を除いた領域には電気メッキ法により金メッキが施されている。

図６に示すように，前記同様の両拡散層８，９を重ね合せ，次いで両拡散層８，９の外側にそれぞれ第１，第２セパレータ３，４を配置して両拡散層８，９を挟み，その後この積層物を第２セパレータ４を下にして基台２０上に載せ，両セパレータ３，４をガルバノスタット２１に接続した。測定温度１００℃にて，第１セパレータ３側から積層物に３９２Ｎの荷重を付与した状態において両拡散層３，４間に１０Ａの電流を流し，そのときの電圧ロスをガルバノスタット２１を用いて測定し，これを実施例の電圧ロス値とした。比較のため両拡散層として撥水処理を施されたカーボンペーパを用いて前記同様の方法で電圧ロスを測定して，これを比較例の電圧ロス値とした。実施例の電圧ロス値は２．２ｍＶであるのに対して比較例のそれは３１．３ｍＶであり，したがって実施例における接触抵抗は比較例におけるそれに比べて１桁以上小さいことが判明した。

〔例−II〕
図７の例は，第１および第２セパレータ３，４がそれぞれ金属より構成されていることを利用して第１セパレータ３に第１および第２拡散層８，９を，また第２セパレータ４に第１および第２拡散層８，９をそれぞれ熱圧着したものである。熱圧着条件は，例えば，真空下，１０００℃，１０×１０⁶ Ｐａにて１時間，に設定された。

このように構成すると，各セパレータ３，４と両拡散層８，９とがそれぞれ真空，高温で拡散接合されるため，それらの接合部には酸化皮膜が無く，したがって電気的な接触が良好で，この接合部における金メッキを省くことができる。

前記のような熱圧着法を採用した場合において，図８に示すように，コンパクト化の要請から第１，第２拡散層８，９を薄くすると，第１，第２セパレータ３，４のランド部１９と第１，第２拡散層８，９との接合部ｊにおいてガスの拡散性が悪くなる。

この点を改良すべく，図９に示した例においては，第１，第２セパレータ３，４を薄くし，一方，第１，第２拡散層８，９を厚くして，それらの拡散層８，９に溝１０を形成するようにしたものである。この場合，第１セパレータ３（第２セパレータ４）と第１拡散層８（第２拡散層９）との合計厚さｔ₁ は，図８例の第１拡散層８（第２拡散層９）と，第１セパレータ３（第２セパレータ４）の第１拡散層８（第２拡散層９）に対応する部分３ａ（４ａ）との合計厚さｔ₁ に等しい。

これにより，コンパクト化を図ると共にガスの拡散を，接合部ｊと無関係にし，且つ良好にすることができる。溝１０を有する第１，第２拡散層８，９の製作に当っては，ランド部１９を不織布の積層によって形成する，プレス加工を適用する，といった手段が採用される。

〔例−III 〕
燃料電池において，生成水が液相で排出されるような運転条件，例えば常圧で１００℃以下，といった運転条件では，生成水により各拡散層８，９が目詰まりを起すおそれがある。これを回避するためには，各拡散層８，９に撥水性を付与する必要がある。そこで，通気性金属体１１，つまり，図１０に示すごとく主体１３を構成する複数の金属繊維１２，メッキ層１４および／または低電気抵抗層１７を覆うように，撥水層２３が形成される。この撥水層２３は，例えばＰＴＦＥよりなり，そのＰＴＦＥ含有量は，例えば１０ｗｔ％である。撥水層２３の形成に当っては，ＰＴＦＥディスパージョンを通気性金属体１１に含浸させ，次いで乾燥を行い，その後，３４０℃にて３０分間加熱を行う，といった方法が採用される。

燃料電池の縦断正面図である。 主体の拡大平面図である。 メッキ層を有する主体の要部破断平面図である。 低電気抵抗層を有する金属繊維の要部破断正面図である。 燃料電池の要部の縦断正面図である。 接触抵抗測定法の説明図である。 セパレータに拡散層を熱圧着したものの縦断正面図である。 第１（第２）セパレータと第１（第２）拡散層との接合状態を示す比較例の縦断正面図である。 第１（第２）セパレータと第１（第２）拡散層との接合状態を示す実施例の縦断正面図である。 撥水層を有する金属繊維の要部破断正面図である。

符号の説明

１…………固体高分子型燃料電池（燃料電池）
２…………電極構造体
３…………第１セパレータ
４…………第２セパレータ
５…………固体高分子電解質膜（電解質）
６…………第１電極層
７…………第２電極層
８…………第１拡散層
９…………第２拡散層
１１………通気性金属体
１２………金属繊維
１３………主体
１４………メッキ層（被覆層）
１５………電極接触側の表層
１６………細孔
１７………低電気抵抗層
１８………セパレータ接触側の表層
２３………撥水層

Claims (4)

1. 積層板状をなす電極構造体（２）と，その電極構造体（２）を挟む第１および第２セパレータ（３，４）とよりなり，前記電極構造体（２）は，固体高分子電解質膜（５）と，その固体高分子電解質膜（５）を挟む第１および第２電極層（６，７）と，両電極層（６，７）の外側にそれぞれ配置される第１および第２拡散層（８，９）とを備えている燃料電池において，前記第１および第２拡散層（８，９）はそれぞれ金属繊維（１２）の集合体を有する通気性金属体（１１）よりなり，それら通気性金属体（１１）の電極接触側の表層（１５）を構成する金属繊維（１２）のみに，前記表層（１５）の表面における算術平均粗さＲａを０．１μｍ≦Ｒａ≦１．０μｍに規定する貴金属よりなる被覆層（１４）が形成されており，セパレータ接触側の表層（１８）を構成する金属繊維（１２）のみに，銅および貴金属の一方よりなる低電気抵抗層（１７）が形成されていることを特徴とする燃料電池。
2. 前記金属繊維（１２）の直径ｄは０．１μｍ≦ｄ≦１０μｍである，請求項１記載の燃料電池。
3. 前記第１および第２セパレータ（３，４）はそれぞれ金属よりなり，その第１セパレータ（３）に前記第１拡散層（８）が，また前記第２セパレータ（４）に前記第２拡散層（９）がそれぞれ熱圧着されている，請求項１または２記載の燃料電池。
4. 前記通気性金属体（１１）に，前記金属繊維（１２），前記被覆層（１４）および／または前記低電気抵抗層（１７）を覆うように撥水層（２３）が形成されている，請求項１，２または３記載の燃料電池。

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