JP5271067B2

JP5271067B2 - 積層形燃料電池

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Publication number: JP5271067B2
Application number: JP2008326659A
Authority: JP
Inventors: 貴彰水上; 正也小境
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2008-12-23
Filing date: 2008-12-23
Publication date: 2013-08-21
Anticipated expiration: 2028-12-23
Also published as: JP2010153043A

Description

本発明は、積層形燃料電池に係り、特に固体高分子形燃料電池の単位セルを複数個積層したセルスタックを有する積層形燃料電池に関する。

近年、化石燃料の大量消費による地球温暖化・環境汚染問題は深刻な問題となっている。この問題に対する対処手段として、化石燃料を燃やす内燃機関に代わり、固体高分子形燃料電池を始めとする水素やメタノール等を燃料とし、酸素やこれを含む空気等を酸化剤とした燃料電池が注目を集めている。

燃料電池は、発電による排出物の環境に対する負荷が少なく、クリーンな発電システムとして注目されている。特に、近年の環境保護への関心の高まりから、燃料電池の分散電源や電気自動車電源への用途展開が期待されている。

また、高エネルギー密度の電源として、モバイル機器の電源として燃料電池の適用可能性が検討され始めている。

燃料電池には、固体高分子形、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型等が挙げられる。その中で、固体高分子形燃料電池は、室温から１００℃程度の比較的低温で発電が可能であり、出力密度が高いことから、上述した用途では固体高分子形燃料電池が最も適している。

固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）は、一般に固体高分子電解質膜の両面にアノード（燃料極）、カソード（空気極）となる触媒金属を担持した担持カーボン層（以下触媒電極層という）が配置された構造から構成されている。ここでアノード、カソードの固体高分子電解質膜に接する面とは反対側の面には、燃料である水素やメタノールあるいは空気や酸素の拡散を円滑に行うために拡散層が形成される。さらに、その外側に反応ガスの供給路を有する導電体からなるセパレータが配置され、これらを一体化して単位セルが構成される。

固体高分子形燃料電池では、例えば燃料に水素を用いた場合、燃料中の水素と空気中の酸素から発電中に次の反応式で表される反応によって水が生成する。

アノード（負極）側Ｈ_２ → ２Ｈ＋＋２ｅ−
カソード（正極）側１／２Ｏ_２＋２Ｈ＋＋２ｅ− → Ｈ_２Ｏ
全反応Ｈ_２＋１／２Ｏ_２ → Ｈ_２Ｏ
上記の反応において固体高分子形燃料電池の発電時には最大約１Ｖの電圧が発生する。実際のシステムでは、出力規模に応じて単位セルを複数個積層して電気的に直列に接続したセルスタックからなる積層形燃料電池が用いられる。燃料電池自動車用の燃料電池では５０〜７０ｋＷの出力が求められており、２００〜５００個の単位セルを積層する必要がある。

高い出力密度が求められる燃料電池自動車などの移動体向け固体高分子形燃料電池のセパレータには、炭素系材料に比べて成形が容易でセパレータ厚さを薄くできる金属系材料セパレータの開発が進められている。セパレータ厚さが薄くなると積層形燃料電池の体積を低減することができ、出力密度の向上が見込める。

このような背景から、金属系セパレータ材料が提案されている（例えば、特許文献１、２、３参照）。また、薄型化のみでなく材料の比重を低減することにより積層形燃料電池の重量を軽量化することができ、このような材料にはアルミニウムのように比重の小さい材料が使用される。ただし、アルミニウムは腐食され易く、腐食生成物の電子抵抗が高いために表面をコーティングする必要がある。このような背景から、各種表面コーティング方法が提案されている（例えば、特許文献４、５、６参照）。

特開２００３−１９３２０６号公報特開２００５−２９８９６０号公報特開２００３−２７２６５９号公報特開２０００−５８０８０号公報特開２０００−１０６１９７号公報特開２００６−１３４６７７号公報

燃料電池自動車などの移動体向け燃料電池には、体積が小さく軽量な積層形燃料電池が強く求められている。

従来技術では、セパレータを炭素系材料から金属系材料に変更し、セパレータを薄くすることで体積の低減をしてきた。しかし、金属系のセパレータではセパレータ厚さ０．１ｍｍと非常に薄いセパレータも既に開発されており、これ以上セパレータを薄くすることは強度上問題が生じると共に積層形燃料電池の体積を大幅に低減することは難しい。

また、従来技術において軽量化のために比重の小さい材料が既に使用されており、積層形燃料電池の重量をさらに軽量化することは材料の変更のみでは困難になっている。

本発明の目的は、導電性セパレータの表面に多孔質層を設け、セパレータ表面に直接触媒電極層を形成することにより、セル構成を簡略化すると共に単位セルを薄くすることにある。これによりセルスタックの体積を低減して出力密度が高く、且つ軽量な積層形燃料電池を提供することができる。

本発明は、上記課題を解決するために、電解質膜の両面に一対の電極を設けるとともに各電極の外表面を一対のセパレータで覆って単位セルを構成し、該単位セルを複数個積層して構成した積層形燃料電池において、前記セパレータの前記電解質膜と当接する部分に多孔質層を設け、該多孔質層に触媒電極層を形成することを特徴とする。

また、前記セパレータがアルミニウム、チタン、マグネシウム、ジルコニウム、タンタル、ニオブ、タングステン、ハフニウム、亜鉛、ビスマス、アンチモンおよび該金属の合金から選ばれる少なくとも１種の金属からなる金属材料から構成されることを特徴とする。

また、セパレータが中心層と表面層を有する複合金属材料から構成され、中心層は鉄、アルミニウム、銅、チタン、マグネシウム、ジルコニウム、タンタル、ニオブ、タングステン、ニッケル、クロムおよび該金属の合金から選ばれる少なくとも１種の金属からなり、かつ表面層はアルミニウム、チタン、マグネシウム、ジルコニウム、タンタル、ニオブ、タングステン、ハフニウム、亜鉛、ビスマス、アンチモンおよび該金属の合金から選ばれる少なくとも１種の金属で構成されることを特徴とする。

さらに、触媒電極層と前記セパレータを構成する金属表面の間にチタン、ジルコニウム、タンタル、ニオブ、タングステン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、クロム、錫、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、オスミウム、イリジウム、白金、金および該金属の合金から選ばれる少なくとも１種の金属で構成される金属導電層を形成することを特徴とする。

さらに、前記金属導電層は多層からなり、前記触媒電極層側の電極金属導電層がルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、オスミウム、イリジウム、白金、金および該金属の合金から選ばれる少なくとも１種の金属からなり、セパレータ側のセパレータ金属導電層がチタン、ジルコニウム、タンタル、ニオブ、タングステン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、クロム、錫、銀および該金属の合金から選ばれる少なくとも１種の金属で構成されることを特徴とする。

本発明は、電解質膜と、電解質膜の両面に配置した電極と、電極のそれぞれの外表面を被う一対のセパレータを単位セルとした積層形燃料電池において、セパレータ表面の多孔質層に触媒電極層を形成してセパレータと触媒電極層を一体化することにより、セルスタックの体積を低減するとともに、出力密度が高く軽量な積層形燃料電池を提供することができる。

本発明の実施形態を以下に図を用いて説明する。
〔第１の実施形態〕
図１は第１の実施形態を示すセパレータ体１０１の展開斜視図を示す。セパレータ体１０１は、セパレータ１の表面と裏面の平坦部２に密着された一対のガスケット５から構成される。セパレータ１は周囲が平坦で中央部を成型して流路を形成している。セパレータ１の平坦部２はガスケット５を面接触する部位で、流路部３はセパレータ１の表裏に反応ガス（燃料ガスと酸化剤ガス）や冷却水を流通させる凹凸状の溝である。ガスケット５は反応ガスと冷却水に応じて２種類のガスケットが使用される。セパレータ１にはさらに反応ガスおよび冷却水の出入り口となるマニホールド４が形成されている。

実際に本実施形態によるセパレータ体１０１を使用する場合は、電解質膜６と一対のセパレータ体１０１を組み合わせて単位セルを構成し、これをセルスタックに構成して積層形燃料電池とする。

図２は本実施形態によるセパレータ体を用いた燃料電池構成の一例を示す展開斜視図である。セパレータ体１０１は２種類から構成されており、両面に反応ガスを流通させるガスケットを有するセパレータ体を１０１Ａ、片面が反応ガス用、反対面が冷却水用のガスケットを有するセパレータ体を１０１Ｂで表わす。セパレータ体１０１Ａ及び１０１Ｂのガス流通面側には電解質膜６が挟持され、一つの単位セルを形成する。その他、セルスタックの両面に集電板７、絶縁板８および締付板９を用いて積層形燃料電池を形成する。Ｗは冷却水の経路を示す。

図１に示したセパレータ体１０１は、隣り合う部材である電解質膜６とセパレータ１の凸面の頂上部で接している。セパレータ１の凸面の頂上部は導電性を有し、且つ触媒電極層が形成されている。セパレータ１のそれ以外の面は電気の導通に無関係であり絶縁層であっても導電性であってもよい。セパレータ１は例えば金属や多孔質のカーボン／樹脂複合材等から形成される。

図３は図１に示したセパレータ１のＡ−Ａにおける縦断面を示す模式図である。セパレータ１の外表面の全面に多孔質層１０が形成される。セパレータ１の凸面の頂上部の多孔質層１０には触媒電極層１１が形成されて導電性を有し、セパレータ１基部と電気的に導通する。

図４は図３に示したセパレータ断面の触媒電極層１１の近傍を拡大した模式図である。多孔質層１０中には触媒電極層１１が多孔質層の孔表面を覆って形成され、触媒電極層１１に反応ガスが供給できるように空隙が形成されている。

上記のような構成にすることにより、セパレータ１の表面に多孔質層１０を設けて拡散層を形成しさらに多孔質層１０の一部に触媒電極層１１を形成して、セパレータ１と触媒電極層１１を一体化することにより、単位セル及びセルスタックの体積を低減して、出力密度が高く軽量な積層形燃料電池を提供することができる。
〔第２の実施形態〕
本発明の第２の実施形態を説明する。セパレータ１の材料に金属を用いる場合は、金属の種類によっては第１の実施形態では充分な長期安定性が得られないことがある。例えば、セパレータ１がマグネシウムや亜鉛など充分な耐食性を有していない材料の場合は顕著な腐食が発生し、燃料電池を劣化させる原因となる。

したがって、セパレータ１として選ぶ金属はある程度の耐食性を有していることが好ましい。なかでもチタン、ジルコニウム、タンタル、ニオブ、タングステンは高耐食な金属であると同時に、腐食生成物の放出量が他の金属に比べ極めて少ない。これは腐食生成物が酸化皮膜として表面に留まる性質を有するためである。したがって、電極や電解質膜に及ぼす悪影響は小さく、燃料電池では好ましい金属である。アルミニウムは前記金属に比較すると耐食性に乏しいが、腐食時にアルマイトと同質の皮膜が生成するため腐食生成物の放出量は比較的少ない。

このような金属をセパレータ１の材料に選ぶことにより、金属イオンの溶出が少なくなり、電解質膜６や触媒電極層１１の劣化を最小限に抑えられる長寿命なセパレータが期待できる。
〔第３の実施形態〕
本発明の第３の実施形態における複合金属材料からなるセパレータの例を説明する。セパレータ１に使用する金属の中には高価な金属が存在する。そこで、鉄、アルミニウム、銅、チタン、マグネシウム、ジルコニウム、タンタル、ニオブ、タングステン、ニッケル、クロムおよび該金属の合金などの比較的安価な金属をセパレータ１の中心層に使用し、高価な金属を外側に表面層として薄膜で配置する複合構造とすることにより、高価な金属の使用量を低減することができる。
〔第４の実施形態〕
図５に第４の実施形態の模式図を示す。上述の実施形態でセルを作製した場合、初期の発電特性が低かったりセル毎の電圧の差が大きくなる場合がある。これはセパレータ１と触媒電極層１１の電気的な接触が良好ではないことが原因となる。

したがって、図５に示すようにセパレータ１と触媒電極層１１の間にメッキ法、蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ法などによりチタン、ジルコニウム、タンタル、ニオブ、タングステン、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、クロム、錫、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、オスミウム、イリジウム、白金、金および該金属の合金などの金属導電層１２を形成する。これによりセパレータ１と触媒電極層１１の電気的な接触が良好になり、発電特性が向上してセル毎の発電特性の差が少なくなる。
〔第５の実施形態〕
図６に本発明の第５の実施形態の模式図を示す。金属導電層１２は、金属の種類によっては第４の実施形態では充分な長期安定性が得られないことがある。これは金属導電層１２が鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、錫など充分な耐食性を有していない材料の場合は顕著な腐食が発生し、燃料電池を劣化させる原因となる。したがって、金属導電層１２として選ぶ金属はある程度の耐食性と導電性を有していることが好ましい。そのような金属として選ばれるルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、オスミウム、イリジウム、白金、金は高価な材料である。

そこで、図６に示すようにチタン、ジルコニウム、タンタル、ニオブ、タングステン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、クロム、錫、銀および該金属の合金をセパレータ１側にセパレータ金属導電層１２ａとして配置し、高価な金属をセパレータ１と反対側に電極金属導電層１２ｂとして薄膜で配置し多層構造とすることにより、高価な金属の使用量を低減し、且つ高い耐食性を得ることができる。
〔第６の実施形態〕
本発明の第６の実施形態を説明する。前述のセパレータ１の最外層に用いる金属は陽極酸化処理により容易に多孔質層１０を形成することができる。また、陽極酸化処理の浴、電流、電圧などの条件を設定することで細孔の形状や多孔質層の厚さを任意に制御することができる。これにより、触媒電極層１１へ反応ガスの拡散や生成水の排出性を良好にすることが可能となり、発電特性や寿命特性を向上することが期待できる。

触媒電極層１１の厚さが２００μｍよりも厚くなると触媒電極層１１への反応ガスの拡散や生成水の排出が困難になり発電特性が低下するので、触媒電極層１１の厚さは０．１μｍ以上かつ２００μｍ以下であれば、発電特性は十分に保たれる。

多孔質層１０の厚さが３００μｍよりも厚くなる場合も同様に触媒電極層１１へ反応ガスの拡散や生成水の排出が困難になり発電特性が低下するので、多孔質層１０の厚さは０．１μｍ以上かつ３００μｍ以下であれば、発電特性は十分に保たれる。

多孔質層１０はプロトン導電性がほとんどない。このため、多孔質層１０の表面を覆うように触媒電極層１１を形成し触媒電極層１１が直接電解質膜６と接するように構成することにより、電解質膜６と触媒電極層１１間のプロトンの移動が円滑になり、発電特性や寿命特性を向上することが期待できる。

本発明の実施例１について説明する。実施例１は単層構造のセパレータを有する。セパレータに金属板にアルミニウム（Ａ５０５２）を使用した例を示す。コイル状薄板のアルミニウム厚み０．３ｍｍを流路溝を形成するために、押出しプレス機で周囲が平坦部、中央部の両面に凹凸形状を有するセパレータにプレス加工した。これと同時に打ち抜きも行いマニホールドを形成した。これにより図１に示す形状のセパレータを製作した。

次に、加工後のセパレータに多孔質層を形成する方法を説明する。陽極酸化処理で多孔質層を形成するに先立ち、加工後のセパレータの表面状態に応じてスケール除去のためにブラスト処理した後、アルカリや有機溶剤による脱脂処理を施した。次いで、酸化膜を除去するための研磨、酸洗浄、アルカリ洗浄を行った。その後、多孔質層を形成するために陽極酸化処理を行った。

陽極酸化処理は、電解浴に３〜１０％のシュウ酸を用い、電圧を３０〜１００Ｖ、温度１０℃以下、処理時間２０〜１２０分で処理を行い、膜厚は２０〜５０μｍであった。

次に、多孔質層に触媒電極層を形成する方法について説明する。カーボンブラックに白金を５０ｗｔ％担持した電極触媒を用い、この電極触媒をエタノールとイソプロピルアルコールの混合液を純水で希釈した溶媒に分散させる。ＤｕＰｏｎｔ社製Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）を溶解したＮａｆｉｏｎ溶液（濃度５ｗｔ％、アルドリッチ社製）を、電極触媒とＮａｆｉｏｎの溶液との重量比が１：９となる割合で電極触媒の分散溶液に合せ、溶媒を揮発させながら混合し、粘稠な電極触媒スラリーを作成した。

この電極触媒スラリーをセパレータ１の凸面の頂上部にスクリーン印刷法によって塗布し、電極触媒スラリーの溶媒を乾燥させて触媒電極層を形成した。触媒電極層中の白金量は単位面積当り０．５ｍｇ／ｃｍ^２とした。その後沸騰水中で封孔処理を行った。これによってセパレータが完成した。

ガスケットはシート状の弾性体を打ち抜き加工により製作した。材料は耐熱性、耐水性ならびに耐クリープ性に優れるシリコンゴムを用いた。材料はこの他ＥＰＤＭなども好適である。ガスケットは弾性体でなくともＰＰＳのような硬い材料を用いることも可能であるが、シール効果が小さいのでセパレータ１とガスケット５の間には液状ガスケット等を用いて密着させる必要がある。以上によりセパレータ体が得られた。

上述の工程で作成したセパレータ体を２枚用意し、電解質膜としてＤｕＰｏｎｔ社製の厚さ５０μｍのＮａｆｉｏｎ膜（ナフィオン１１２（登録商標））を用い、電解質膜の両面にホットプレスによってセパレータ体を圧着して単位セルを製作した。

この単位セルを複数枚重ね合わせ、両端に集電板、絶縁板を配置し、さらに外側を締付板により設定した加重で固定して積層形燃料電池を製作した。

上記で用いた材料は本実施例を説明するための一例であってこれに限定されるものではない。また、セパレータのマニホールドや流路構造、ガスケット構造、燃料電池構成もこれに限定されるものではない。また、陽極酸化のプロセスも各種存在し必要に応じて適当な手段を選ぶことができる。

次に複合金属材料からなるセパレータを有する実施例２について説明する。セパレータの中心層にステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）、表面層にチタン（ＴＰ２７０）を使用した例を示す。コイル状薄板のステンレス鋼の両側に薄層のチタンを冷間圧延でクラッド化してセパレータ基板をつくる。ここで用いたセパレータ基板の仕上がり厚みは０．２ｍｍとした。クラッド化した後のセパレータ基板は加工硬化しているため４００〜８００℃の間で焼鈍し、その後のプレス加工に適した性状の板材とした。流路溝を形成するために押出しプレス機で、周囲が平坦部、中央部の両面に凹凸形状を有するセパレータに加工した。これと同時に打ち抜きも行いマニホールドを形成した。これにより図１に示す形状のセパレータを製作した。

次に、加工後のセパレータに多孔質層を形成する方法を説明する。陽極酸化処理で多孔質層を形成するに先立ち、加工後のセパレータ１の表面状態に応じてスケール除去のためにブラスト処理した後、アルカリや有機溶剤による脱脂処理を施した。次いで、酸化膜を除去するための研磨、酸洗浄、アルカリ洗浄を行った。その後、多孔質層を形成するために陽極酸化処理を行った。

陽極酸化処理は、電解浴に０．１〜１．０ｍｏｌ／Ｌのリン酸と０．０１〜０．５ｍｏｌ／Ｌのフッ化水素アンモニウムの濃度を用い、浴温を２０℃〜４０℃、電圧を５０〜２００Ｖ、電解時間を５〜６０分で処理を行い、膜厚は１０〜５０μｍであった。

この電極触媒スラリーをセパレータの凸面の頂上部にスクリーン印刷法によって塗布し、電極触媒スラリーの溶媒を乾燥させて触媒電極層を形成した。触媒電極層中の白金量は単位面積当り０．５ｍｇ／ｃｍ^２とした。これによってセパレータが完成した。

ガスケットはシート状の弾性体を打ち抜き加工により製作した。材料は耐熱性、耐水性ならびに耐クリープ性に優れるシリコンゴムを用いた。材料はこの他ＥＰＤＭなども好適である。ガスケットは弾性体でなくともＰＰＳのような硬い材料を用いることも可能であるが、シール効果が小さいのでセパレータとガスケットの間には液状ガスケット等を用いて密着させる必要がある。以上によりセパレータ体が得られた。

この単位セルを複数枚重ね合わせてセルスタックとし、両端に集電板、絶縁板を配置し、さらに外側を締付板により設定した加重で固定して積層形燃料電池を作製した。

本発明の実施例３について説明する。セパレータに使用する複合金属材料の中心層にステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）、表面層にチタン（ＴＰ２７０）を使用し、触媒電極層とセパレータ間に金属導電層を設けた例を示す。コイル状薄板のステンレス鋼の両側に薄層のチタンを冷間圧延でクラッド化して圧着複合材を形成しセパレータ基板をつくった。ここで用いたセパレータ基板の仕上がり厚みは０．２ｍｍとした。クラッド化した後のセパレータ基板は加工硬化しているため４００〜８００℃の間で焼鈍しプレス加工に適した性状の板材とした。流路溝を形成するために押出しプレス機で、周囲が平坦部、中央部の両面に凹凸形状を有するセパレータに加工した。これと同時に打ち抜きも行いマニホールドを形成した。これにより図１に示す形状のセパレータを製作した。

次に、加工後のセパレータに多孔質層を形成する方法を説明する。陽極酸化処理で多孔質層を形成するに先立ち、加工後のセパレータの表面状態に応じて、スケール除去のためにブラスト処理した後、アルカリや有機溶剤による脱脂処理を施した。次いで、酸化膜を除去するための研磨、酸洗浄、アルカリ洗浄を行った。その後、多孔質層を形成するために陽極酸化処理を行った。

陽極酸化処理は、電解浴に０．１〜１．０ｍｏｌ／Ｌのリン酸と０．０１〜０．５ｍｏｌ／Ｌのフッ化水素アンモニウムの濃度を用い、液温を２０℃〜４０℃、電圧を５０〜２００Ｖ、電解時間を５〜６０分で処理を行い、膜厚は１０〜５０μｍであった。

次に、多孔質層にニッケルで金属導電層を形成する方法について説明する。硫酸ニッケル２５０ｇ／Ｌ、塩酸ニッケル４０ｇ／Ｌ、ホウ酸４０ｇ／Ｌのワット浴で液温３０℃、０．１Ａ／ｃｍ^２でニッケルをメッキした。実施例１では表面に絶縁性多孔質層が残ってしまい、セパレータと触媒電極層の導通性が悪い。本実施例は金属導電層を設けて確実に導通を図ることができる。

ガスケットはシート状の弾性体を打ち抜き加工により製作した。材料は耐熱性、耐水性ならびに耐クリープ性に優れるシリコンゴムを用いた。以上によりセパレータ体が得られる。

上記で用いた材料は本実施例を説明するための一例であってこれに限定されるものではない。また、セパレータのマニホールドや流路構造、ガスケット構造、燃料電池構成もこれに限定されるものではない。また、陽極酸化、ニッケルメッキのプロセスも各種存在し必要に応じて適当な手段を選ぶことができる。

セパレータに使用する多層金属板に中心層にステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）、外層にチタン（ＴＰ２７０）を使用し、触媒電極層とセパレータ間に多層の金属導電層を設けた例を示す。コイル状薄板のステンレス鋼の両側に薄層のチタンを冷間圧延でクラッド化してセパレータ基板をつくる。ここで用いたセパレータ基板の仕上がり厚みは０．２ｍｍとした。クラッド化した後のセパレータ基板は加工硬化しているため４００〜８００℃の間で焼鈍しプレス加工に適した性状の板材とした。流路溝を形成するために押出しプレス機で、周囲が平坦部、中央部の両面に凹凸形状を有するセパレータに加工した。これと同時に打ち抜きも行いマニホールドを形成した。これにより図１に示す形状のセパレータを製作した。

次に、加工後のセパレータに多孔質層を形成する方法を説明する。陽極酸化処理で多孔質層を形成するに先立ち、加工後のセパレータの表面状態に応じてスケール除去のためにブラスト処理した後、アルカリや有機溶剤による脱脂処理を施した。次いで、酸化膜を除去するための研磨、酸洗浄、アルカリ洗浄を行った。その後多孔質層を形成するために陽極酸化処理を行った。

次に、多孔質層にセパレータ金属導電層としてニッケルを形成する方法について説明する。硫酸ニッケル２５０ｇ／Ｌ、塩酸ニッケル４０ｇ／Ｌ、ホウ酸４０ｇ／Ｌのワット浴で液温３０℃、０．１Ａ／ｃｍ２で５分間保持し、ニッケルをメッキした。

次に、セパレータ金属導電層の上に電極金属導電層として金を形成する方法について説明する。シアン化金カリウム２ｇ／Ｌ、シアン化カリウム７０ｇ／Ｌ、リン酸水素二カリウム２０ｇ／Ｌの液組成で液温３０℃、０．１Ａ／ｃｍ^２で２分間保持し、金をメッキした。これにより、更に耐食性を向上させ長寿命化を図ることができる。

この電極触媒スラリーをセパレータの凸面の頂上部にスクリーン印刷法によって塗布し、電極触媒スラリーの溶媒を乾燥させて触媒電極層を形成した。触媒電極層中の白金量は単位面積当り０．５ｍｇ／ｃｍ^２とした。これによってセパレータが完成した。これにすでに説明したガスケットを一体化してセパレータ体が得られた。

上述の工程で作成したセパレータ体を２枚用意し、電解質膜としてＤｕＰｏｎｔ社製の厚さ５０μｍのＮａｆｉｏｎ膜（ナフィオン１１２（登録商標））を用い、電解質膜の両面にホットプレスによってセパレータ体を圧着して単位セルを製作した。この単位セルを複数枚重ね合わせ、両端に集電板、絶縁板を配置し、さらに外側を締付板により設定した加重で固定することにより積層形燃料電池を製作した。

上記で用いた材料は本実施例を説明するための一例であってこれに限定されるものではない。また、セパレータのマニホールドや流路構造、ガスケット構造、燃料電池構成もこれに限定されるものではない。また、陽極酸化、ニッケルメッキ、金メッキのプロセスも各種存在し必要に応じて適当な手段を選ぶことができる。

本発明の第１の実施形態のセパレータを示す展開斜視図である。本発明の第１の実施形態のセパレータを用いた燃料電池の展開斜視図である。図１に示したセパレータのＡ−Ａ線における縦断面図である。図３に示した触媒電極層近傍を示す模式図である。本発明の第４の実施形態のセパレータを示す模式図である。本発明の第５の実施形態のセパレータを示す模式図である。

符号の説明

１…セパレータ、２…平坦部、３…流通部、４…マニホールド、５…ガスケット、６…電解質膜、７…集電板、８…絶縁板、９…締付板、１０…多孔質層、１１…触媒電極層、１２…金属導電層、１０１…セパレータ体

Claims

電解質膜の両面に一対の電極を設けるとともに各電極の外表面を一対のセパレータで覆って単位セルを構成し、該単位セルを複数個積層して構成した積層形燃料電池において、前記セパレータの前記電解質膜と当接する部分に多孔質層を設け、該多孔質層に触媒電極層を形成することを特徴とする積層形燃料電池。
請求項１に記載の積層形燃料電池において、前記セパレータが金属材料から構成されることを特徴とする積層形燃料電池。
請求項２に記載の積層形燃料電池において、前記セパレータを構成する金属がアルミニウム、チタン、マグネシウム、ジルコニウム、タンタル、ニオブ、タングステン、ハフニウム、亜鉛、ビスマス、アンチモンおよび該金属の合金から選ばれる少なくとも１種の金属からなることを特徴とする積層形燃料電池。
請求項２または３に記載の積層形燃料電池において、前記セパレータが中心層と表面層を有する複合金属材料から構成されることを特徴とする積層形燃料電池。
請求項４に記載の積層形燃料電池において、前記セパレータを構成する中心層は鉄、アルミニウム、銅、チタン、マグネシウム、ジルコニウム、タンタル、ニオブ、タングステン、ニッケル、クロムおよび該金属の合金から選ばれる少なくとも１種の金属からなり、かつ、前記金属層の表面層はアルミニウム、チタン、マグネシウム、ジルコニウム、タンタル、ニオブ、タングステン、ハフニウム、亜鉛、ビスマス、アンチモンおよび該金属の合金から選ばれる少なくとも１種の金属で構成されることを特徴とする積層形燃料電池。
請求項２乃至５のいずれか１項に記載の積層形燃料電池において、前記触媒電極層と前記セパレータを構成する金属表面の間に金属導電層を形成することを特徴とする積層形燃料電池。
請求項６に記載の積層形燃料電池において、前記セパレータの触媒電極層とセパレータとなる金属の間に形成する金属導電層がチタン、ジルコニウム、タンタル、ニオブ、タングステン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、クロム、錫、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、オスミウム、イリジウム、白金、金および該金属の合金から選ばれる少なくとも１種の金属で構成されることを特徴とする積層形燃料電池。
請求項６または７に記載の積層形燃料電池において、前記金属導電層は多層からなることを特徴とする積層形燃料電池。
請求項８に記載の積層形燃料電池において、前記触媒電極層側の電極金属導電層がルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、オスミウム、イリジウム、白金、金および該金属の合金から選ばれる少なくとも１種の金属からなり、セパレータ側のセパレータ金属導電層がチタン、ジルコニウム、タンタル、ニオブ、タングステン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、クロム、錫、銀および該金属の合金から選ばれる少なくとも１種の金属で構成されることを特徴とする積層形燃料電池。
請求項２に記載の積層形燃料電池において、前記セパレータの多孔質層は陽極酸化処理により形成されることを特徴とする積層形燃料電池。
請求項１または２に記載の積層形燃料電池において、前記セパレータの多孔質層に形成する触媒電極層の厚さが０．１μｍ以上２００μｍ以下であることを特徴とする積層形燃料電池。
請求項１または２に記載の積層形燃料電池において、前記セパレータの多孔質層の厚さが０．１μｍ以上３００μｍ以下であることを特徴とする積層形燃料電池。