JPH11162479A - 固体高分子電解質型燃料電池 - Google Patents
固体高分子電解質型燃料電池Info
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- JPH11162479A JPH11162479A JP9332129A JP33212997A JPH11162479A JP H11162479 A JPH11162479 A JP H11162479A JP 9332129 A JP9332129 A JP 9332129A JP 33212997 A JP33212997 A JP 33212997A JP H11162479 A JPH11162479 A JP H11162479A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】形状安定性、気密性に優れ、安定な導電性能を
維持でき、成形加工が容易な低コストのセパレータが使
用されている固体高分子電解質型燃料電池の提供。 【解決手段】ステンレス鋼、または、アルミニウムとチ
タンから選ばれる１種以上を８０重量％以上含む金属、
からなる基体表面に抵抗率３×１０-4Ω・ｃｍ以下であ
る導電性セラミックスを分散して含む金属皮膜が形成さ
れているセパレータを使用する。
維持でき、成形加工が容易な低コストのセパレータが使
用されている固体高分子電解質型燃料電池の提供。 【解決手段】ステンレス鋼、または、アルミニウムとチ
タンから選ばれる１種以上を８０重量％以上含む金属、
からなる基体表面に抵抗率３×１０-4Ω・ｃｍ以下であ
る導電性セラミックスを分散して含む金属皮膜が形成さ
れているセパレータを使用する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、固体高分子電解質
型燃料電池に関する。
型燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】固体高分子電解質型の水素−酸素燃料電
池は、その出力特性が優れることから、自動車への適用
などが期待されている。上記燃料電池の実用化に向け、
燃料利用率および空気利用率の高い運転条件でも高いエ
ネルギー効率、高出力密度が長期間安定に得られる燃料
電池セルの開発が要求されている。
池は、その出力特性が優れることから、自動車への適用
などが期待されている。上記燃料電池の実用化に向け、
燃料利用率および空気利用率の高い運転条件でも高いエ
ネルギー効率、高出力密度が長期間安定に得られる燃料
電池セルの開発が要求されている。
【０００３】固体高分子電解質型燃料電池は、一般に、
発電用電極の対向面間に電解質を接合した複数の接合体
と、対をなす発電用電極に燃料および酸化剤を供給する
ための流体通路を形成する複数のセパレータとを交互に
配置し、これら全体を締付けて一体化した構成となって
いる。上記セパレータは複数の単電池を積層する場合の
燃料極のガスと空気極のガスの混合を防止するための単
電池間の仕切り板として用いられる。
発電用電極の対向面間に電解質を接合した複数の接合体
と、対をなす発電用電極に燃料および酸化剤を供給する
ための流体通路を形成する複数のセパレータとを交互に
配置し、これら全体を締付けて一体化した構成となって
いる。上記セパレータは複数の単電池を積層する場合の
燃料極のガスと空気極のガスの混合を防止するための単
電池間の仕切り板として用いられる。
【０００４】したがって、セパレータには、ガス透過性
が小さいこと、軽量であること、燃料電池を動作させる
室温から１５０℃近傍までの温度範囲で、水蒸気雰囲気
中に曝された場合の耐食性および耐酸化性に優れ長期間
安定に良好な導電性を有すること、機械加工できること
などの特性が要求される。
が小さいこと、軽量であること、燃料電池を動作させる
室温から１５０℃近傍までの温度範囲で、水蒸気雰囲気
中に曝された場合の耐食性および耐酸化性に優れ長期間
安定に良好な導電性を有すること、機械加工できること
などの特性が要求される。
【０００５】従来のセパレータ材料としては人造黒鉛、
ガラス状炭素などの炭素系材料が知られているが、炭素
系材料は靭性に乏しく脆いため、機械的衝撃、振動、圧
縮応力以外の応力が存在する条件下でセパレータとして
使用した場合、以下のような問題が生じる。
ガラス状炭素などの炭素系材料が知られているが、炭素
系材料は靭性に乏しく脆いため、機械的衝撃、振動、圧
縮応力以外の応力が存在する条件下でセパレータとして
使用した場合、以下のような問題が生じる。
【０００６】すなわち、セパレータ自体が破壊されて形
状を維持できない、亀裂が生じ気密性を維持できない、
機械的な成形加工が金属材料に比べて困難で加工コスト
が高い、リサイクルしにくい、セパレータを原料から製
造する際に要するエネルギー消費量が大きいなどの問題
である。
状を維持できない、亀裂が生じ気密性を維持できない、
機械的な成形加工が金属材料に比べて困難で加工コスト
が高い、リサイクルしにくい、セパレータを原料から製
造する際に要するエネルギー消費量が大きいなどの問題
である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、機械的衝
撃、振動または圧縮応力以外の応力が存在する場合にも
形状および気密性を維持し、成形加工しやすく、燃料電
池を動作させる室温から１５０℃近傍までの温度範囲で
水蒸気雰囲気中に曝されても初期の良好な導電性能を維
持し、低コストで工業的に実用性があり、軽量のセパレ
ータが使用されている固体高分子電解質型燃料電池を提
供する。
撃、振動または圧縮応力以外の応力が存在する場合にも
形状および気密性を維持し、成形加工しやすく、燃料電
池を動作させる室温から１５０℃近傍までの温度範囲で
水蒸気雰囲気中に曝されても初期の良好な導電性能を維
持し、低コストで工業的に実用性があり、軽量のセパレ
ータが使用されている固体高分子電解質型燃料電池を提
供する。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明は、ステンレス
鋼、または、アルミニウムとチタンとから選ばれる１種
以上を８０重量％以上含む金属、からなる基体の表面
に、導電性セラミックスを分散して含む金属皮膜が形成
されているセパレータが使用され、該導電性セラミック
スの抵抗率が３×１０-4Ω・ｃｍ以下であることを特徴
とする固体高分子電解質型燃料電池を提供する。
鋼、または、アルミニウムとチタンとから選ばれる１種
以上を８０重量％以上含む金属、からなる基体の表面
に、導電性セラミックスを分散して含む金属皮膜が形成
されているセパレータが使用され、該導電性セラミック
スの抵抗率が３×１０-4Ω・ｃｍ以下であることを特徴
とする固体高分子電解質型燃料電池を提供する。
【０００９】また、本発明は、ステンレス鋼、または、
アルミニウムとチタンとから選ばれる１種以上を８０重
量％以上含む金属、からなる基体表面に、希土類元素、
５族元素、６族元素、ジルコニウム、ハフニウム、鉄、
コバルト、ニッケルおよびパラジウムから選ばれる１種
以上の元素のホウ化物、炭化物、窒化物、ケイ化物また
はリン化物であり、抵抗率が３×１０-4Ω・ｃｍ以下で
ある化合物を含む皮膜が形成されているセパレータが使
用されていることを特徴とする固体高分子電解質型燃料
電池を提供する。
アルミニウムとチタンとから選ばれる１種以上を８０重
量％以上含む金属、からなる基体表面に、希土類元素、
５族元素、６族元素、ジルコニウム、ハフニウム、鉄、
コバルト、ニッケルおよびパラジウムから選ばれる１種
以上の元素のホウ化物、炭化物、窒化物、ケイ化物また
はリン化物であり、抵抗率が３×１０-4Ω・ｃｍ以下で
ある化合物を含む皮膜が形成されているセパレータが使
用されていることを特徴とする固体高分子電解質型燃料
電池を提供する。
【００１０】
【発明の実施の形態】本発明の固体高分子電解質型燃料
電池は、典型的には電解質であるイオン交換膜とこの膜
の両面に接合された電極とからなる電極−膜接合体と、
電極に燃料および酸化剤を供給するための流体通路を形
成するセパレータとを交互に配置し、これら全体を締付
けて一体化した構成となっている。上記セパレータは複
数の単電池を積層する場合の燃料極のガスと空気極のガ
スの混合を防止するための単電池間の仕切り板として用
いられている。
電池は、典型的には電解質であるイオン交換膜とこの膜
の両面に接合された電極とからなる電極−膜接合体と、
電極に燃料および酸化剤を供給するための流体通路を形
成するセパレータとを交互に配置し、これら全体を締付
けて一体化した構成となっている。上記セパレータは複
数の単電池を積層する場合の燃料極のガスと空気極のガ
スの混合を防止するための単電池間の仕切り板として用
いられている。
【００１１】上記電極−膜接合体は、金属触媒を活性炭
などに担持させた担持触媒と撥水剤等との混合物をカー
ボンペーパーに塗布または噴霧して形成されたガス拡散
電極と、イオン交換膜とをホットプレス法で一体化させ
る等の方法で得られる。
などに担持させた担持触媒と撥水剤等との混合物をカー
ボンペーパーに塗布または噴霧して形成されたガス拡散
電極と、イオン交換膜とをホットプレス法で一体化させ
る等の方法で得られる。
【００１２】本発明の固体高分子電解質型燃料電池にお
いて、電解質であるイオン交換膜の材質としては、化学
的、電気的安定性の点からスルホン酸基を有するフルオ
ロカーボンイオン交換樹脂が好ましく用いられる。
いて、電解質であるイオン交換膜の材質としては、化学
的、電気的安定性の点からスルホン酸基を有するフルオ
ロカーボンイオン交換樹脂が好ましく用いられる。
【００１３】本発明におけるセパレータの基体は、ステ
ンレス鋼、または、アルミニウムとチタンとから選ばれ
る１種以上を８０重量％以上含む金属からなる。ステン
レス鋼またはアルミニウムとチタンとから選ばれる１種
以上を８０重量％以上含む金属は、炭素系材料と比べて
優れた靭性を有することから機械的負荷に対する強度を
大きくできる。
ンレス鋼、または、アルミニウムとチタンとから選ばれ
る１種以上を８０重量％以上含む金属からなる。ステン
レス鋼またはアルミニウムとチタンとから選ばれる１種
以上を８０重量％以上含む金属は、炭素系材料と比べて
優れた靭性を有することから機械的負荷に対する強度を
大きくできる。
【００１４】また、アルミニウムとチタンから選ばれる
１種以上を８０重量％以上含む金属は比較的比重が小さ
いため、該金属をセパレータの基体として用いると、燃
料電池全体の軽量化および小型化が図れるので好まし
い。さらに、アルミニウムを８０重量％以上含む金属
は、リサイクルの容易さ、機械加工のしやすさ、低コス
トという点からも好ましい。アルミニウムとチタンから
選ばれる１種以上を８０重量％以上含む金属としては、
アルミニウム、アルミニウム合金、チタン、チタン合金
が優れている。
１種以上を８０重量％以上含む金属は比較的比重が小さ
いため、該金属をセパレータの基体として用いると、燃
料電池全体の軽量化および小型化が図れるので好まし
い。さらに、アルミニウムを８０重量％以上含む金属
は、リサイクルの容易さ、機械加工のしやすさ、低コス
トという点からも好ましい。アルミニウムとチタンから
選ばれる１種以上を８０重量％以上含む金属としては、
アルミニウム、アルミニウム合金、チタン、チタン合金
が優れている。
【００１５】基体がアルミニウム合金またはチタン合金
からなる場合、該合金としては具体的には以下のものが
例示される。すなわち、アルミニウムと、マグネシウ
ム、マンガン、シリコン、銅、ニッケル、リチウム、亜
鉛、鉛、ビスマス、チタン、スズから選ばれる少なくと
も１種との合金が用いられ、例えばジュラルミン、イッ
トリウム合金、シルミン、ヒドロナリウム、アンチコロ
ダールなどが挙げられる。また、チタンと、アルミニウ
ム、鉄、バナジウム、モリブデン、マンガン、ジルコニ
ウム、スズ、シリコン、パラジウム、タンタルから選ば
れる少なくとも１種との合金のような耐食合金が挙げら
れる。
からなる場合、該合金としては具体的には以下のものが
例示される。すなわち、アルミニウムと、マグネシウ
ム、マンガン、シリコン、銅、ニッケル、リチウム、亜
鉛、鉛、ビスマス、チタン、スズから選ばれる少なくと
も１種との合金が用いられ、例えばジュラルミン、イッ
トリウム合金、シルミン、ヒドロナリウム、アンチコロ
ダールなどが挙げられる。また、チタンと、アルミニウ
ム、鉄、バナジウム、モリブデン、マンガン、ジルコニ
ウム、スズ、シリコン、パラジウム、タンタルから選ば
れる少なくとも１種との合金のような耐食合金が挙げら
れる。
【００１６】アルミニウム合金またはチタン合金におい
て、主成分であるアルミニウムもしくはチタンの含有量
は８０重量％以上であり、特には９０〜９８重量％であ
るのが好ましい。上記含有量が８０重量％未満である場
合は基体の比重が大きくなるので好ましくない。
て、主成分であるアルミニウムもしくはチタンの含有量
は８０重量％以上であり、特には９０〜９８重量％であ
るのが好ましい。上記含有量が８０重量％未満である場
合は基体の比重が大きくなるので好ましくない。
【００１７】また、セパレータの基体がステンレス鋼か
らなる場合、ステンレス鋼としては、特に限定されず、
オーステナイト系、フェライト系、マルテンサイト系の
いずれも使用できる。耐食性の観点から、特にはオース
テナイト系ステンレス鋼が好ましく用いられる。
らなる場合、ステンレス鋼としては、特に限定されず、
オーステナイト系、フェライト系、マルテンサイト系の
いずれも使用できる。耐食性の観点から、特にはオース
テナイト系ステンレス鋼が好ましく用いられる。
【００１８】基体の形状としては平板状のものを使用で
き、また、燃料ガスまたは酸化剤ガスの流路である溝を
平板の片側または両側に設けたものを使用できる。
き、また、燃料ガスまたは酸化剤ガスの流路である溝を
平板の片側または両側に設けたものを使用できる。
【００１９】本発明におけるセパレータとしては、基体
表面に抵抗率が３×１０-4Ω・ｃｍ以下である導電性セ
ラミックスを分散して含む金属皮膜（以下この皮膜を皮
膜Ａと称する）が形成されたものが用いられる。上記抵
抗率は、セパレータの基体として用いられるアルミニウ
ムの抵抗率の１００倍を超えないことから、燃料電池全
体の抵抗率を低く抑え、エネルギーを効率良く取り出す
ことができる。上記抵抗率は、特には１×１０-4Ω・ｃ
ｍ以下であるのが好ましい。また、上記抵抗率は３×１
０-6Ω・ｃｍ以上であるのが好ましい。
表面に抵抗率が３×１０-4Ω・ｃｍ以下である導電性セ
ラミックスを分散して含む金属皮膜（以下この皮膜を皮
膜Ａと称する）が形成されたものが用いられる。上記抵
抗率は、セパレータの基体として用いられるアルミニウ
ムの抵抗率の１００倍を超えないことから、燃料電池全
体の抵抗率を低く抑え、エネルギーを効率良く取り出す
ことができる。上記抵抗率は、特には１×１０-4Ω・ｃ
ｍ以下であるのが好ましい。また、上記抵抗率は３×１
０-6Ω・ｃｍ以上であるのが好ましい。
【００２０】導電性セラミックスとしては、燃料電池を
動作させる室温から１５０℃近傍までの温度範囲で水蒸
気雰囲気中においても耐食性に優れ、安定した抵抗率を
維持できるものが好ましく、金属の窒化物、ホウ化物、
炭化物、ケイ化物、リン化物またはこれらの複合化合物
が好ましく用いられる。
動作させる室温から１５０℃近傍までの温度範囲で水蒸
気雰囲気中においても耐食性に優れ、安定した抵抗率を
維持できるものが好ましく、金属の窒化物、ホウ化物、
炭化物、ケイ化物、リン化物またはこれらの複合化合物
が好ましく用いられる。
【００２１】導電性セラミックスを構成する上記金属と
しては、希土類元素、鉄、ニッケル、コバルト、クロ
ム、ニオブ、タンタル、チタン、ジルコニウム、タング
ステン、モリブデンなどが好ましく用いられる。希土類
元素としては、イットリウム、ランタン、セリウム、サ
マリウムが好ましい。導電性セラミックスとしては、具
体的には、炭化チタン、ホウ化チタン、窒化チタン、ケ
イ化タングステンまたは窒化タンタルが好ましく用いら
れる。導電性セラミックスは単独で用いてもよく、２種
以上を混合して用いてもよい。
しては、希土類元素、鉄、ニッケル、コバルト、クロ
ム、ニオブ、タンタル、チタン、ジルコニウム、タング
ステン、モリブデンなどが好ましく用いられる。希土類
元素としては、イットリウム、ランタン、セリウム、サ
マリウムが好ましい。導電性セラミックスとしては、具
体的には、炭化チタン、ホウ化チタン、窒化チタン、ケ
イ化タングステンまたは窒化タンタルが好ましく用いら
れる。導電性セラミックスは単独で用いてもよく、２種
以上を混合して用いてもよい。
【００２２】皮膜Ａにおいて、導電性セラミックスを分
散させる金属としては、耐食性に優れるものが好まし
く、具体的には白金族元素、金、銀、銅、ニッケル、タ
ングステンから選ばれる１種以上の金属が好ましい。皮
膜Ａ中の導電性セラミックスの含有量は１〜９０重量％
が好ましく、特には１０〜６０重量％であるのが好まし
い。
散させる金属としては、耐食性に優れるものが好まし
く、具体的には白金族元素、金、銀、銅、ニッケル、タ
ングステンから選ばれる１種以上の金属が好ましい。皮
膜Ａ中の導電性セラミックスの含有量は１〜９０重量％
が好ましく、特には１０〜６０重量％であるのが好まし
い。
【００２３】また、本発明におけるセパレータとして
は、基体表面に、希土類元素、５族元素（バナジウム、
ニオブ、タンタル）、６族元素（クロム、モリブデン、
タングステン）、ジルコニウム、ハフニウム、鉄、コバ
ルト、ニッケルおよびパラジウムから選ばれる１種以上
の元素のホウ化物、炭化物、窒化物、ケイ化物またはリ
ン化物であり、抵抗率が３×１０-4Ω・ｃｍ以下である
化合物を含む皮膜（以下この皮膜を皮膜Ｂと称する）が
形成されたものが用いられる。皮膜Ｂに含まれる化合物
としては、具体的には窒化タンタル、ケイ化モリブデン
または炭化タンタルなどが好ましい。
は、基体表面に、希土類元素、５族元素（バナジウム、
ニオブ、タンタル）、６族元素（クロム、モリブデン、
タングステン）、ジルコニウム、ハフニウム、鉄、コバ
ルト、ニッケルおよびパラジウムから選ばれる１種以上
の元素のホウ化物、炭化物、窒化物、ケイ化物またはリ
ン化物であり、抵抗率が３×１０-4Ω・ｃｍ以下である
化合物を含む皮膜（以下この皮膜を皮膜Ｂと称する）が
形成されたものが用いられる。皮膜Ｂに含まれる化合物
としては、具体的には窒化タンタル、ケイ化モリブデン
または炭化タンタルなどが好ましい。
【００２４】また、皮膜Ａまたは皮膜Ｂの形状を維持し
取り扱いを容易にする、基体表面と接合する、導電性セ
ラミックスの導電性を向上する等の目的で、導電性グラ
ファイトペーストなどの有機系の結合剤、または有機系
と無機系の混合物である銀ペーストや白金ペースト等の
結合剤を皮膜Ａまたは皮膜Ｂを調製する際に添加しても
よい。上記結合剤の好ましい添加量は皮膜Ａまたは皮膜
Ｂの全重量に対し０．５〜２０重量％である。
取り扱いを容易にする、基体表面と接合する、導電性セ
ラミックスの導電性を向上する等の目的で、導電性グラ
ファイトペーストなどの有機系の結合剤、または有機系
と無機系の混合物である銀ペーストや白金ペースト等の
結合剤を皮膜Ａまたは皮膜Ｂを調製する際に添加しても
よい。上記結合剤の好ましい添加量は皮膜Ａまたは皮膜
Ｂの全重量に対し０．５〜２０重量％である。
【００２５】皮膜Ａまたは皮膜Ｂの厚さは０．１μｍ〜
１．０ｍｍ、特には１μｍ〜０．１ｍｍであるのが好ま
しい。上記厚さが０．１μｍより小さいと、充分な耐食
性を有する連続した被覆層を形成するのが困難になる。
また、上記厚さが１ｍｍより大きいとセパレータの抵抗
率を低く保つことが困難になり、電極−膜接合体とセパ
レータとの積層体の大きさが大きくなるので好ましくな
い。
１．０ｍｍ、特には１μｍ〜０．１ｍｍであるのが好ま
しい。上記厚さが０．１μｍより小さいと、充分な耐食
性を有する連続した被覆層を形成するのが困難になる。
また、上記厚さが１ｍｍより大きいとセパレータの抵抗
率を低く保つことが困難になり、電極−膜接合体とセパ
レータとの積層体の大きさが大きくなるので好ましくな
い。
【００２６】例えば、皮膜Ａとして抵抗率が低い導電性
セラミックスであるホウ化チタン、ホウ化ジルコニウム
を分散して含む金属皮膜を基体に形成する場合であって
も、セパレータの抵抗率を上げないでセパレータの厚さ
を数ｍｍ以内に抑えるためには、前記皮膜の厚さは１ｍ
ｍ以下とするのが好ましい。
セラミックスであるホウ化チタン、ホウ化ジルコニウム
を分散して含む金属皮膜を基体に形成する場合であって
も、セパレータの抵抗率を上げないでセパレータの厚さ
を数ｍｍ以内に抑えるためには、前記皮膜の厚さは１ｍ
ｍ以下とするのが好ましい。
【００２７】セパレータの厚さは、ある程度の強度を要
する一方、セパレータの構造と大きさからの制約、取り
扱いの容易さ、燃料電池全体としての軽量化、および高
エネルギー密度電源として設計する必要性から０．３〜
１０ｍｍ、特には０．５〜３．０ｍｍとするのが好まし
い。
する一方、セパレータの構造と大きさからの制約、取り
扱いの容易さ、燃料電池全体としての軽量化、および高
エネルギー密度電源として設計する必要性から０．３〜
１０ｍｍ、特には０．５〜３．０ｍｍとするのが好まし
い。
【００２８】皮膜Ａまたは皮膜Ｂは基体表面の全面また
は一部を被覆し、好ましくは電極と接する面を被覆す
る。基体表面の一部を被覆する場合、被覆層は基体平面
上に帯状、線状、島状、点状などの形状で被覆される。
上記被覆層は規則的に配置してもよく、不規則に配置し
てもよい。また、基体がリブを有する場合、皮膜Ａまた
は皮膜Ｂは少なくともリブの電極に接する面を被覆すれ
ばよい。また、皮膜Ａまたは皮膜Ｂの厚さは均一でもよ
く、不均一でもよい。
は一部を被覆し、好ましくは電極と接する面を被覆す
る。基体表面の一部を被覆する場合、被覆層は基体平面
上に帯状、線状、島状、点状などの形状で被覆される。
上記被覆層は規則的に配置してもよく、不規則に配置し
てもよい。また、基体がリブを有する場合、皮膜Ａまた
は皮膜Ｂは少なくともリブの電極に接する面を被覆すれ
ばよい。また、皮膜Ａまたは皮膜Ｂの厚さは均一でもよ
く、不均一でもよい。
【００２９】基材表面への、皮膜Ａまたは皮膜Ｂの形成
方法は印刷法、ドクターブレード法、スプレー法、溶射
法、イオンプレーティング法などの厚膜形成法、ＣＶＤ
法、スパッタ法などのＰＶＤ法の薄膜形成法で作製す
る。また、導電性セラミックスを分散剤とし金属を結合
剤としてめっきを行なう分散めっき法によって、導電性
セラミックスを分散して含む金属皮膜を形成することも
できる。上記分散めっき法は簡便であり、導電性セラミ
ックスと基体との熱膨張係数が大きく異なるため、一般
に剥離しやすい膜となる導電性セラミックスを分散して
含む金属皮膜と、基体との密着性を強固にできることか
ら、工業的規模での製造にも好ましく使用できる。
方法は印刷法、ドクターブレード法、スプレー法、溶射
法、イオンプレーティング法などの厚膜形成法、ＣＶＤ
法、スパッタ法などのＰＶＤ法の薄膜形成法で作製す
る。また、導電性セラミックスを分散剤とし金属を結合
剤としてめっきを行なう分散めっき法によって、導電性
セラミックスを分散して含む金属皮膜を形成することも
できる。上記分散めっき法は簡便であり、導電性セラミ
ックスと基体との熱膨張係数が大きく異なるため、一般
に剥離しやすい膜となる導電性セラミックスを分散して
含む金属皮膜と、基体との密着性を強固にできることか
ら、工業的規模での製造にも好ましく使用できる。
【００３０】
【作用】導電性セラミックスは、燃料電池の動作温度範
囲で水蒸気雰囲気中に曝された場合にも、優れた耐食性
を有することから、セパレータが侵食されにくくなり、
燃料電池を長期間安定して動作させることができる。
囲で水蒸気雰囲気中に曝された場合にも、優れた耐食性
を有することから、セパレータが侵食されにくくなり、
燃料電池を長期間安定して動作させることができる。
【００３１】弾性変形、塑性変形が可能な靭性に優れ
た、アルミニウムとチタンから選ばれる１種以上を８０
重量％以上含む金属、またはステンレス鋼を、セパレー
タの基体とすることにより、該基体は壊れやすい方向か
らの応力がかかった場合も、弾性変形または塑性変形に
より応力が緩和されるために機械的衝撃に耐えうる。
た、アルミニウムとチタンから選ばれる１種以上を８０
重量％以上含む金属、またはステンレス鋼を、セパレー
タの基体とすることにより、該基体は壊れやすい方向か
らの応力がかかった場合も、弾性変形または塑性変形に
より応力が緩和されるために機械的衝撃に耐えうる。
【００３２】
【実施例】以下に本発明を実施例（例１、例２、例３、
例４、例５、例６）および比較例（例７、例８）により
説明するが、本発明はこれらに限定されない。
例４、例５、例６）および比較例（例７、例８）により
説明するが、本発明はこれらに限定されない。
【００３３】「例１」固体高分子電解質型燃料電池を構
成するセパレータとして、ＪＩＳ−Ｈ４０００で規定さ
れた合金番号Ａ５０５２のアルミニウム合金（アルミニ
ウム含有量９６重量％）を用いて機械加工により作製し
た、図１および図２に示した形状のセパレータ（縦１５
０ｍｍ×横１５０ｍｍ×厚さ２．２ｍｍ）基体の表面
に、導電性セラミックスであるケイ化タングステンの粒
子（結晶粒子径０．１〜５μｍ、抵抗率１．２５×１０
-5Ω・ｃｍ）を分散したニッケルワット浴を用いて、厚
さ４５μｍの、ケイ化タングステンを分散して含むニッ
ケルめっき皮膜を形成したものを使用した。前記皮膜中
のケイ化タングステンの含有量は６０重量％であった。
なお、図１および図２においてセパレータ基体１の両面
に設けられた溝の幅２は２ｍｍ、溝と溝との間隔３は３
ｍｍ、溝の深さ４は０．８ｍｍである。
成するセパレータとして、ＪＩＳ−Ｈ４０００で規定さ
れた合金番号Ａ５０５２のアルミニウム合金（アルミニ
ウム含有量９６重量％）を用いて機械加工により作製し
た、図１および図２に示した形状のセパレータ（縦１５
０ｍｍ×横１５０ｍｍ×厚さ２．２ｍｍ）基体の表面
に、導電性セラミックスであるケイ化タングステンの粒
子（結晶粒子径０．１〜５μｍ、抵抗率１．２５×１０
-5Ω・ｃｍ）を分散したニッケルワット浴を用いて、厚
さ４５μｍの、ケイ化タングステンを分散して含むニッ
ケルめっき皮膜を形成したものを使用した。前記皮膜中
のケイ化タングステンの含有量は６０重量％であった。
なお、図１および図２においてセパレータ基体１の両面
に設けられた溝の幅２は２ｍｍ、溝と溝との間隔３は３
ｍｍ、溝の深さ４は０．８ｍｍである。
【００３４】「例２」固体高分子電解質型燃料電池を構
成するセパレータとして、ＪＩＳ−Ｈ４０００で規定さ
れた合金番号Ａ５０５６のアルミニウム合金（アルミニ
ウム含有量９３重量％、縦１５０ｍｍ×横１５０ｍｍ×
厚さ２．５ｍｍ）基体の両面に、スパッタ法により導電
性セラミックスである窒化タンタル（抵抗率１．９８×
１０-4Ω・ｃｍ）の厚さ０．３μｍの皮膜を形成したも
のを使用した。なお、セパレータの両面に設けられた幾
何学形状は例１と同様である。
成するセパレータとして、ＪＩＳ−Ｈ４０００で規定さ
れた合金番号Ａ５０５６のアルミニウム合金（アルミニ
ウム含有量９３重量％、縦１５０ｍｍ×横１５０ｍｍ×
厚さ２．５ｍｍ）基体の両面に、スパッタ法により導電
性セラミックスである窒化タンタル（抵抗率１．９８×
１０-4Ω・ｃｍ）の厚さ０．３μｍの皮膜を形成したも
のを使用した。なお、セパレータの両面に設けられた幾
何学形状は例１と同様である。
【００３５】「例３」固体高分子型燃料電池を構成する
セパレータとして、ステンレス鋼であるＳＵＳ３０８か
らなる基体の表面に、導電性セラミックスである窒化ニ
オブの粒子（結晶粒子径０．１〜５μｍ、抵抗率５．４
×１０-5Ω・ｃｍ）を分散したニッケルワット浴を用い
て、厚さ１５μｍの、窒化ニオブを分散して含むニッケ
ルめっき皮膜を形成したものを使用した。前記皮膜中の
窒化ニオブの含有量は５０重量％であった。なお、セパ
レータの両面に設けられた溝の幾何学形状は例１と同様
である。
セパレータとして、ステンレス鋼であるＳＵＳ３０８か
らなる基体の表面に、導電性セラミックスである窒化ニ
オブの粒子（結晶粒子径０．１〜５μｍ、抵抗率５．４
×１０-5Ω・ｃｍ）を分散したニッケルワット浴を用い
て、厚さ１５μｍの、窒化ニオブを分散して含むニッケ
ルめっき皮膜を形成したものを使用した。前記皮膜中の
窒化ニオブの含有量は５０重量％であった。なお、セパ
レータの両面に設けられた溝の幾何学形状は例１と同様
である。
【００３６】「例４」固体高分子型燃料電池を構成する
セパレータとして、ステンレス鋼であるＳＵＳ３１６か
らなる縦１５０ｍｍ×横１５０ｍｍ×厚さ２．５ｍｍの
基体の両面に、スパッタ法により導電性セラミックスで
あるケイ化モリブデン（抵抗率２．２×１０-5Ω・ｃ
ｍ）の皮膜を厚さ０．３μｍとなるように形成した。な
お、セパレータの両面に設けられた溝の幾何学形状は例
１と同様である。
セパレータとして、ステンレス鋼であるＳＵＳ３１６か
らなる縦１５０ｍｍ×横１５０ｍｍ×厚さ２．５ｍｍの
基体の両面に、スパッタ法により導電性セラミックスで
あるケイ化モリブデン（抵抗率２．２×１０-5Ω・ｃ
ｍ）の皮膜を厚さ０．３μｍとなるように形成した。な
お、セパレータの両面に設けられた溝の幾何学形状は例
１と同様である。
【００３７】「例５」固体高分子型燃料電池を構成する
セパレータとして、ステンレス鋼であるＳＵＳ３０４か
らなる縦１５０ｍｍ×横１５０ｍｍ×厚さ１．５ｍｍの
基体の表面に、イオンプレーティング法により導電性セ
ラミックスである炭化タンタル（抵抗率１．０×１０-4
Ω・ｃｍ）の皮膜が厚さ２０μｍとなるように形成し
た。なお、セパレータの両面に設けられた溝の幾何学形
状は例１と同様である。
セパレータとして、ステンレス鋼であるＳＵＳ３０４か
らなる縦１５０ｍｍ×横１５０ｍｍ×厚さ１．５ｍｍの
基体の表面に、イオンプレーティング法により導電性セ
ラミックスである炭化タンタル（抵抗率１．０×１０-4
Ω・ｃｍ）の皮膜が厚さ２０μｍとなるように形成し
た。なお、セパレータの両面に設けられた溝の幾何学形
状は例１と同様である。
【００３８】「例６」固体高分子型燃料電池を構成する
セパレータとして、チタン合金（チタン含有量９０重量
％、アルミニウム含有量６重量％、バナジウム含有量４
重量％）を用いて作製した基体の表面に、導電性セラミ
ックスである窒化チタンの粒子（結晶粒子径０．１〜３
μｍ、抵抗率４．０×１０-5Ω・ｃｍ）を分散したニッ
ケルワット浴を用いて、厚さ１０μｍの窒化チタンを分
散して含むニッケルめっき皮膜を形成したものを使用し
た。前記皮膜中の窒化チタンの含有量は５５重量％であ
った。なお、セパレータの両面に設けられた溝の幾何学
形状は例１と同様である。
セパレータとして、チタン合金（チタン含有量９０重量
％、アルミニウム含有量６重量％、バナジウム含有量４
重量％）を用いて作製した基体の表面に、導電性セラミ
ックスである窒化チタンの粒子（結晶粒子径０．１〜３
μｍ、抵抗率４．０×１０-5Ω・ｃｍ）を分散したニッ
ケルワット浴を用いて、厚さ１０μｍの窒化チタンを分
散して含むニッケルめっき皮膜を形成したものを使用し
た。前記皮膜中の窒化チタンの含有量は５５重量％であ
った。なお、セパレータの両面に設けられた溝の幾何学
形状は例１と同様である。
【００３９】「例７」固体高分子電解質型燃料電池を構
成するセパレータとして、例２と同じアルミニウム合金
にて例２と同じ形状のセパレータを機械加工により作製
した。
成するセパレータとして、例２と同じアルミニウム合金
にて例２と同じ形状のセパレータを機械加工により作製
した。
【００４０】「例８」固体高分子型燃料電池を構成する
セパレータとして例５と同じＳＵＳ３０４にて例５と同
じ形状のセパレータを機械加工により作製した。
セパレータとして例５と同じＳＵＳ３０４にて例５と同
じ形状のセパレータを機械加工により作製した。
【００４１】［評価結果］膜−電極接合体としてパーフ
ルオロカーボンスルホン酸型陽イオン交換膜（旭硝子社
製品名：フレミオン）にガス拡散電極を接合したものを
作成した。例１〜例８で作製したセパレータ２０枚と前
記の膜−電極接合体１９枚とを交互に配列して固体高分
子電解質型燃料電池を組み立てた。上記燃料電池を１５
０℃にて５０００時間動作させ、動作前後のセパレータ
の抵抗率より、抵抗率の増加率をもとめた。結果を表１
に示す。
ルオロカーボンスルホン酸型陽イオン交換膜（旭硝子社
製品名：フレミオン）にガス拡散電極を接合したものを
作成した。例１〜例８で作製したセパレータ２０枚と前
記の膜−電極接合体１９枚とを交互に配列して固体高分
子電解質型燃料電池を組み立てた。上記燃料電池を１５
０℃にて５０００時間動作させ、動作前後のセパレータ
の抵抗率より、抵抗率の増加率をもとめた。結果を表１
に示す。
【００４２】
【表１】
【００４３】
【発明の効果】機械的衝撃、圧縮応力以外の応力が存在
する条件下でセパレータを膜−電極接合体とともに積層
した場合も、形状安定性に優れ、成形加工が容易な、か
つ長期間安定な導電性能を維持でき、低コストで工業的
に実用性のあるセパレータが使用されている固体高分子
電解質型燃料電池を提供しうる。また、セパレータ基体
としてアルミニウムとチタンから選ばれる１種以上を８
０重量％以上含む金属を用いる場合は、上記燃料電池の
軽量化および小型化が図れる。
する条件下でセパレータを膜−電極接合体とともに積層
した場合も、形状安定性に優れ、成形加工が容易な、か
つ長期間安定な導電性能を維持でき、低コストで工業的
に実用性のあるセパレータが使用されている固体高分子
電解質型燃料電池を提供しうる。また、セパレータ基体
としてアルミニウムとチタンから選ばれる１種以上を８
０重量％以上含む金属を用いる場合は、上記燃料電池の
軽量化および小型化が図れる。
【図１】例１で使用したセパレータの形状を示す平面
図。
図。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図。
フロントページの続き (72)発明者 勝田 宏美 神奈川県横浜市神奈川区羽沢町1150番地 旭硝子株式会社内 (72)発明者 国狭 康弘 神奈川県横浜市神奈川区羽沢町1150番地 旭硝子株式会社内
Claims (5)
- 【請求項１】ステンレス鋼、または、アルミニウムとチ
タンとから選ばれる１種以上を８０重量％以上含む金
属、からなる基体の表面に、導電性セラミックスを分散
して含む金属皮膜が形成されているセパレータが使用さ
れ、該導電性セラミックスの抵抗率が３×１０-4Ω・ｃ
ｍ以下であることを特徴とする固体高分子電解質型燃料
電池。 - 【請求項２】上記導電性セラミックスが、金属のホウ化
物、炭化物、窒化物、ケイ化物またはリン化物である請
求項１記載の固体高分子電解質型燃料電池。 - 【請求項３】上記導電性セラミックスが炭化チタン、ホ
ウ化チタン、窒化チタン、ケイ化タングステンまたは窒
化タンタルである請求項１記載の固体高分子電解質型燃
料電池。 - 【請求項４】金属皮膜が、白金族元素、金、銀、銅、ニ
ッケルおよびタングステンから選ばれる１種以上の金属
を含む請求項１、２または３記載の固体高分子電解質型
燃料電池。 - 【請求項５】ステンレス鋼、または、アルミニウムとチ
タンとから選ばれる１種以上を８０重量％以上含む金
属、からなる基体表面に、希土類元素、５族元素、６族
元素、ジルコニウム、ハフニウム、鉄、コバルト、ニッ
ケルおよびパラジウムから選ばれる１種以上の元素のホ
ウ化物、炭化物、窒化物、ケイ化物またはリン化物であ
り、抵抗率が３×１０-4Ω・ｃｍ以下である化合物を含
む皮膜が形成されているセパレータが使用されているこ
とを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP33212997A JP4010036B2 (ja) | 1997-12-02 | 1997-12-02 | 固体高分子電解質型燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP33212997A JP4010036B2 (ja) | 1997-12-02 | 1997-12-02 | 固体高分子電解質型燃料電池 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11162479A true JPH11162479A (ja) | 1999-06-18 |
| JP4010036B2 JP4010036B2 (ja) | 2007-11-21 |
Family
ID=18251485
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP33212997A Expired - Fee Related JP4010036B2 (ja) | 1997-12-02 | 1997-12-02 | 固体高分子電解質型燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4010036B2 (ja) |
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| JP2002056803A (ja) * | 2000-07-31 | 2002-02-22 | Agilent Technol Inc | 反応性試料のための電離箱 |
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| US8338058B2 (en) | 2005-02-01 | 2012-12-25 | Neomax Materials Co., Ltd. | Separator for fuel cell having intermediate layer and method for manufacturing same |
| WO2013073076A1 (ja) | 2011-11-18 | 2013-05-23 | 新日鐵住金株式会社 | 固体高分子型燃料電池セパレータ用チタン材並びにその製造方法およびそれを用いた固体高分子型燃料電池 |
| WO2014021298A1 (ja) * | 2012-07-31 | 2014-02-06 | 新日鐵住金株式会社 | 対カーボン接触導電性と耐久性を高めた燃料電池セパレータ用チタンまたはチタン合金材、及びこれを用いた燃料電池セパレータ、並びにそれらの製造方法 |
| KR20170003640A (ko) | 2014-06-16 | 2017-01-09 | 신닛테츠스미킨 카부시키카이샤 | 고체 고분자형 연료 전지의 세퍼레이터용 티타늄재, 이것을 사용한 세퍼레이터 및 이것을 구비한 고체 고분자형 연료 전지 |
| KR20170031233A (ko) | 2014-08-19 | 2017-03-20 | 신닛테츠스미킨 카부시키카이샤 | 금속재 및 이 금속재를 사용한 통전 부품 |
| KR20170121289A (ko) | 2015-03-03 | 2017-11-01 | 신닛테츠스미킨 카부시키카이샤 | 티탄재, 세퍼레이터, 및 고체 고분자형 연료 전지, 및 티탄재의 제조 방법 |
| JP2020042971A (ja) * | 2018-09-10 | 2020-03-19 | トヨタ自動車株式会社 | 燃料電池 |
-
1997
- 1997-12-02 JP JP33212997A patent/JP4010036B2/ja not_active Expired - Fee Related
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