JPH0325857A

JPH0325857A - 燃料電池用セパレータ

Info

Publication number: JPH0325857A
Application number: JP1159490A
Authority: JP
Inventors: Toshimichi Ito; 伊藤　利通
Original assignee: Idemitsu Petrochemical Co Ltd
Current assignee: Idemitsu Petrochemical Co Ltd
Priority date: 1989-06-23
Filing date: 1989-06-23
Publication date: 1991-02-04

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、燃料電池の電池セル間に介在するセパレータ
に関する．［従来の技術］化学エネルギーを電気エネルギーに変換させる燃料電池
は，発電という観点から従来の水力、火力発電等と比較
すると、■変換効率が高い、■設備の小型化及び施工，
保守の容易化を図れるなどの利点を有することから、近
年種々の分野で利用，研究が行なわれている．この燃料電池は、燃料極（陰極）と酸化剤極（陽極）の
間に、イオンを運ぶ電解質を挟んだ構造の電池セルを、
セパレータを介して多数積層することによって構威して
ある．そしてセパレータは、各電池セルの燃料極に供給される
水素，ヒドラジン，メタン等の燃料、酸化剤極に供給さ
れる酸素等の酸化剤及び、電解質に含浸しているリン酸
，アルカリ液等が、隣接する電池セル間を移動しないよ
うに遮断するとともに，電池セル間の電流を接続する機
能を看している．従来，このセパレータとしては、多孔質カーボン板が一
般的に用いられているが、多孔質カーボン板は、脆〈薄
肉化が困難なこと、ガスや電解液の遮断が不十分等の問
題点を有している．一方、このセパレータによる燃料，
酸素等の遮断率が大きく、しかも電流の伝導率が高いと
、燃料電池全体としての変換効率も向」ニすることから
、近年セバレータに関する研究がいろいろと行なわれて
いる．例えば、多孔質カーボン板からなるセパレータに
耐蝕性金属層を形成した技術が特開昭６３−１２８５５
８号に、またセパレータとしてＮｏ，Ｐｚ，Ｎｉからな
るアモルファス合金を用いた技術が特開昭１１ｉ３−２
７７７３４号において提案されている．［解決すべき問題点］しかしながら、上記特開昭６３−１２８５５８号公報に
記載の技術は、金属によって十分なる耐蝕性をもたせる
ためには金，銀，プラチナ等の高価な金属を用いる必要
があり、燃料電池を実用化する上で望まれている装置の
低廉化に逆行するという問題があった．また、特開昭６３−２７７７３４号のアモルファス合金
を用いたセパレータは、その耐蝕性が改良されているも
のの、カーボンセバレータ並である長期の耐蝕性を必ず
しも満足するものではない．本発明は上記問題点にかん
がみてなされたもので、ダイヤモンドの有する硬質性，
緻密性，耐蝕性及び耐熱性といった特性、並びに薄膜形
戊性を活用し、発電効率の向上及び装置の小型化を可能
とするとともに、高温下においても使用できるようにし
た燃料電池用セバレー夕の提供を目的とする．［問題点の解決手段］上記目的を達威するため、複数の電池セルの間に介在さ
せる本発明の燃料電池用セパレータは、導電性ダイヤモ
ンド類層のみ、または導電性ダイヤモンド類層を他の材
料に積層もしくはコーティングした構戊としてある．な
お、他の材料とじては、多孔質カーボンあるいは金属を
用いることが好ましい．［作用］本発明の燃料電池用セバレータはＩ導電性ダイヤモンド
類層を用いているので、燃料，酸素，電解液の遮断を確
実に行なうことができるとともに、耐蝕性の向上を図れ
る．［実施例］以下、本発明の実施例について説明する．ｉ１図は燃料
電池の一部分解斜視図を示しており、ｌは燃料ガスの供
給される燃料極（陰極）、２は酸化剤の供給される酸化
剤極（陽極）である．これら電極は、電池反応を起す場
所を提供すると同時に集電体とならなければならない場
合が多いので、適当な多孔度を有し、機械的強度が強く
、かつガスおよび電解質におかされない良好な電子導電
体である必要がある．３は電解質であり、燃料極１と酸化剤極２の間に挟まれ
ている。この電解質３は、燃料イオンあ導電を含まない
ことが必要である．４はセバレータであり、上記燃料極１，酸化剤極２及び
電解質３からなる複数の電池セルの間に介在してある．
本発明においては、このセパレータを導電性ダイヤモン
ド類層を利用して形成している．なお、第１図において、矢印５は燃料の流れる方向、矢
印６は酸化剤の流れる方向を示す．ここで、導電性ダイ
ヤモンド類層とは、ダイヤモンド層（Ｍ）及びダイヤモ
ンド状炭素層（ｌｉ！２）の双方を含む概念である．第一の実施例は、セパレータ４を導電性ダイヤモンド類
層のみで形成してある．すなわち、基体の表面に導電性
ダイヤモンド類居を堆積させた後、基体をエッチング処
理して除去し、導電性ダイヤモンド類層を形或しセパレ
ータとしている．［基体］基体としては、例えばシリコン，マンガン，タングステ
ン，モリブデン，ゲルマニウム及びクロムなどの金属、
これら金属の酸化物、窒化物及び炭化物、ＡＩ２０３−
Ｆｅ系、Ｔ　ｉｃ−Ｎ　ｉ系、ＴｉＣ−．Ｇｏ系及び８
　４Ｇ−Ｆ　ｅ系等のサーメットならびに各種セラミッ
クス等を用いることができる．そして、これらの中でも
好ましいのは、シリコンである．［原料ガス］原料ガスとしては、後述する第ｍｂ族元素あるいは第ｖ
ｂ族元素の単体及び／またはその化合物の少なくとも一
種を含有する炭素源ガスを励起して得られるガスを用い
る．使用に供される前記炭素源ガスに含有される前記周期表
第ｍｂ族元素あるいは第ｖｂ族元素の単体及びその化合
物の少なくとも一種は、通常、ドーパントガスとして使
用に供される．前記第ｍｂ族元素あるいは第ｖｂ族元素
の単体としては、例えば、Ｂ，ＡＩ，Ｇ．，Ｉｎ及びＴ
Ｉ等あるいはＮ，Ｐ，Ｓｂ，Ｂｉ等がある．また、それらの化合物としては、例えばＢ２Ｈ６，Ｂｎ
Ｈ＋ｏ，ＣＨ３ＢＣＩ２．［（ＧＨ３）ＡＩＢｒｚｌｚ
．（ＣＨ３）２ＡＩ　ＣＩ，［（（Ｈ３）３Ａｌ１　２
．０ａ２Ｈ６．（（Ｈ３）３Ｇａ．（ＣＨ３）２ＧａＢ
Ｈｎ．（ＧＨ３）：＋Ｉｎ．（（ｌｘ）ｘＴＩ，Ｎ２，
Ｎｕ３，ＰＨ３，ＡｓＨａ，Ｎ２Ｈ４，Ｃ｝１３ＡｓＢ
ｒ２．ｃＨ３ＡｓＨ２．（ＣＨ３）３Ａｓ．（ＣＨ３）
３Ｂ＋，ＳｂＨａ，ＣＩＣＨ２ＳｂＣ１　，ＣＨ３Ｓｂ
Ｈｚ．（ＣＦ３）　：＋Ｓｂなどが挙げられる．前記第ｍｂ族元素の単体及び第ｖｂ族元素の単体ならび
にその化合物は、一種単独で使用してもよいし、二種以
上を併用してもよい．前記炭素源ガスは，前記第ｍｂ族元素の単体及び／また
はその化合物の少なくとも一種とともに，通常他の炭素
原料を含有する．この炭素原料としては、各種炭化水素、含ｌ＼ロゲン化
合物、含酸素化合物、含窒素化合物等のガスあるいは，
グラフアイトなどの固体炭素を使用することができる．炭化水素化合物としては、例えばメタン、エタン、プロ
パン、ブタン等のパラフィン系炭化水素；エチレン、プ
ロピレン、フチレン等のオレフィン系炭化水素：アセチ
レン、アリレン等のアセチレン系炭化水素：ブタジエン
等のジオレフイン系炭化水素；シクロプロパン、シクロ
ブタン、シクロペンタン，シクロヘキサン等の脂環式炭
化水素：ベンゼン、トルエン、キシレン、ナフタレン等
の芳香族炭−化水素：塩化メチル、臭化メチル、塩化メ
チレン、四塩化炭素等のノ＼ロゲン化炭化水素などを挙
げることができる．含酸素化合物としては、例えばアセトン、ジエチルケト
ン，ペンゾフェノン等のケトン類；メタノール、エタノ
ール、プロパノール、ブタノール等のアルコール類；メ
チルエーテル、エチルエーテル、エチルメチルエーテル
、メチルプロピルエーテル，エチルプロビルエーテル，
フェノールエーテル、アセタール、環式エーテル（ジオ
キサン、エチレンオキシド等）のエーテル類：アセトン
、ピナコリン、メチルオキシド、芳香族ケトン（アセト
フェノン，ペンゾフェノン等）．シケトン，環式ケトン
等のケトン類；ホルムアルデヒド、アセトアルデヒド，
プチルアルデヒド、ベンズアルデヒド等のアルデヒド類
：ギ酸、酢酸、プロピオン酸、コハク酸、酪酸、シュウ
酸、酒石酸，ステアリン酸等の有機酸類：酢酸メチル、
酢酸エチル等の酸エステル類；エチレングリコール，ジ
エチレングリコール等の二価アルコール類；一酸化炭素
、二酸化炭素等を挙げることができる．含窒素化合物としては，例えばトリメチルアミン、トリ
エチルアミンなどのアミン類等を挙げることができる．また、前記炭素ガス原料として、単体ではないが、消防
法に規定される第４類危険物；ガソリンなどの第１石油
類、ケロシン、テレビン油，しょう脳油、松根油などの
第２石竃類、重油などの第３石油類、ギャー油、シリン
ダー油などの第４石油類などのガスをも使用することが
できる．また、前記各種の炭素化合物を混合して使用す
ることもできる．これらの炭素原料の中でも、常温で気体または蒸気圧の
高いメタン、エタン、プロパン等のパラフィン系炭化水
素、エチレン、プロピレン等のオレフィン系炭化水素、
あるいはアセトン、ペンゾフェ／ン等のケトン類、メタ
ノール、エタノール等のアルコール類、一酸化炭素、二
酸化炭素ガス等の含酸素化合物が好ましい．また、所望により、前記炭素原料とともに、水素ガス、
不活性ガス等のキャリャーガスを用いることもできる．［不純物のドーピング］ダイヤモンド類層の導電性をもたせるため、不純物をド
ーピングする．不純物としては、例えば、Ｂ　，　Ａｌ，　Ｇａ、Ｉｎ
及び、ＴＩ等の周期表第ｍｂ族元素や、Ｎ　，　Ｐ　，
　Ｓｂ、８１等の周期表第ｖｂ族元素の単体並びにその
化合物を挙げることができる．ダイヤモンド類層は、例
えば、Ｂを添加するとＰ型半導体としての性質を生じ、
Ｐを添加するとｎ型半導体としての性質を生じる．前記炭素源ガスにおける前記第ｍｂ族元素の単体及び第
ｖｂ族元素の単体並びにその化合物の少なくとも一種（
以下、これをドーパント元素と称することがある．）の
含有割合は、前記ドーパント元素と前記炭素原料との割
合［（ドーパント元素）／（炭素原料）モル比］で、通
常、ｌＯ−８〜１０−１、好ましくは１０−７〜１０−
１である．この割合が１０゛８未満であると、充分な導
電率を有する不純物混入導電性ダイヤモンド類層が形戊
されないことがある．［励起法］本発明においては、前記炭素源ガスを励起して得られる
ガスを、基体に接触させて前記基体」二に不純物を混入
した導電性ダイヤモンド類層を形成する．前記炭素源ガスを励起する手段としては、気相法により
結晶性ダイヤモンド（非品性カーボンを含んでいてもよ
い．）あるいはダイヤモンド状炭素を形成することので
きる方法であれば、特に制限はなく，例えば直流または
交流アーク放電によりプラズマ分解する方法、高周波誘
電放電によりプラズマ分解する方法、マイクロ波放電に
よりプラズマ分解する方法（有磁場−ＣＶＤ法を含む．
）、光エネルギーにより分解する方法あるいはプラズマ
分解をイオン室またはイオン銃で行なわせ、電界により
イオンを引き出すイオンビーム法、熱フィラメントによ
る加熱により熱分解する熱分解法（ＥＡＣＶＤ法を含む
．）、さらに燃焼炎法、スパッタリング法などのいずれ
も採用することができる．ダイヤモンド類層の形或は、通常、以下の条件下で反応
が進行し，前記基体に不純物混入導電性ダイヤモンド類
が形成される．すなわち、前記セパレータ基体の表面の温度は、前記炭
素源ガスの励起手段によって異なるので、一概に決定す
ることはできないが、通常、常温〜１２００℃，好まし
くは常温〜１１００℃である．前記の温度が、常温より
低いと、不純物混入ダイヤモンド類層の析出速度が遅く
なったり、析出物の均質性が失われたりする、一方、１
２００℃より高〈しても，それに見合った効果は奏され
ず，エネルギー効果の点で不利になるとともに、形成さ
れた不純物混入ダイヤモンド類層がエッチングされてし
まうことがある．反応圧力は，通常、１（１６　〜１０３ｔｏｒｒ　．好
ましごは１０−５ｔａｒｒ〜８００ｔｏｒｒである．反
応圧力が１（ｌｂｔｏｒｒよりも低いと、不純物混入ダ
イヤモンド類層の戒膜速度が遅くなったり、不純物混入
ダイヤモンド類層が析出しなくなったりすることがある
．一方、１０３ｔｏｒｒより高くしてもそれに見合った効
果は奏されないことがある．反応時間は、前記原料ガスの種類，基体の種類、基体の
表面の温度、反応圧力、必要とする不純物混入ダイヤモ
ンド類層厚などにより相違するので、これらに応じて適
宜決定する．このようにして得られたダイヤモンド類層を形成した基
体は、例えば、周縁部７（第１図参照）を残してエッチ
ングすることにより除去する．これによって導電性ダイ
ヤモンド類のみからなるセバレー夕を得ることができる
．導電性ダイヤモンド頬層の形戊は、通常の気相法により
ダイヤモンド類歴（膜）を形成した後、公知のイオン注
入法により導電性を付与してもよい．第二実施例におけるセバレータは、多孔質カーボン層の
少なくとも一面側に導電性ダイヤモンド類層を積層した
構威としてある．この実施例のセパレータにおける導電性ダイヤモンド類
層の形或は、第一実施例の場合と同様の条件にて行なう
，この場合、セパレータを多層構造としてあるので、ダイ
ヤモンド類層をより薄くできるとともに、導電性を高め
ることができる．第三実施例におけるセバレータは金属層の表面を導電性
ダイヤモンド類層でコーティングした構威としてある．この場合、金属層としては、タングステン等の金属を用
い、必ずしも耐蝕性について考慮する必一要はない，こ
れは金属層の表面をダイヤモンド類層によってコーティ
ングすることにより、金属層を腐食から保護できるから
である．したがって、高価な金属を用いる必要がなくな
る．この弟三実施例のセパレータにおける導電性ダイヤモン
ド類層の形成も、第一実施例の基体を金属とした場合と
同様の条件で行ない、基体と一体化したままの状態で用
いることができる．したがって，ダイヤモンド類層はよ
り薄〈てもよい効果がある．【発明の効果］以上のように本発明の燃料電池によれば、電池セル間の
燃料．Ｓ素．電解液の遮断を確実に行なうとともに、耐
蝕性の向上を図れ、燃料電池としての発電効率を高める
ことができる．

【図面の簡単な説明】

第１ｒＩ４は燃料電池の一部分解斜視図を示す．ｌ：燃
料極（陰極）　　２：酸化剤極（陽極）３：電解質　　
４：セパレータ

Claims

【特許請求の範囲】

（１）複数の電池セルを積層してなる燃料電池において
、上記複数の電池セルの間に介在するセパレータを、導
電性ダイヤモンド類層で形成したことを特徴とする燃料
電池用セパレータ。
（２）複数の電池セルを積層してなる燃料電池において
、上記複数の電池セルの間に介在するセパレータを、多
孔質カーボン層と、この多孔質カーボン層の少なくとも
一面に積層した導電性ダイヤモンド類層とで形成したこ
とを特徴とする燃料電池用セパレータ。
（３）複数の電池セルを積層してなる燃料電池において
、上記複数の電池セルの間に介在するセパレータを、金
属層の表面に導電性ダイヤモンド類層をコーティングし
て形成したことを特徴とする燃料電池用セパレータ。