JP2000021418A

JP2000021418A - 固体高分子電解質型燃料電池

Info

Publication number: JP2000021418A
Application number: JP10183752A
Authority: JP
Inventors: Kazufumi Nishida; 和史西田; Eiichi Yasumoto; 栄一安本; Hisaaki Gyoten; 久朗行天; Kazuhito Hado; 一仁羽藤; Makoto Uchida; 誠内田; Hideo Obara; 英夫小原; Yasushi Sugawara; 靖菅原; Teruhisa Kanbara; 輝壽神原; Toshihiro Matsumoto; 敏宏松本
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1998-06-30
Filing date: 1998-06-30
Publication date: 2000-01-21

Abstract

(57)【要約】【課題】固体高分子型の燃料電池の構成要素であるセ
パレーター板は、従来、カーボン板を用い、この表面部
分を切削加工して、ガス流通路を形成していた。この方
法では、カーボン板の材料コストと共に、これを切削す
るためのコストを引き下げることが困難であった。これ
に替わり、金属を用いる方法が考えられるが、金属を用
いる方法では、金属が高温で酸化性の雰囲気に曝される
ため、長期間使用すると、金属の腐食や溶解が起こり、
電池の発電効率が次第に低下するという課題があった。【解決手段】セパレータを構成する金属薄板上で、電
極が位置する主要部にプレス成形などによってガス流路
を形成し、この表面部分に金メッキまたは銀メッキ層を
形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ポータブル電源、
電気自動車用電源、家庭内コージェネシステム等に使用
する固体高分子電解質を用いた燃料電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】固体高分子電解質を用いた燃料電池は、
水素を含有する燃料ガスと、空気など酸素を含有する燃
料ガスとを、電気化学的に反応させることで、電力と熱
とを同時に発生させるものである。その構造は、まず、
水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜の両面
に、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分
とする触媒反応層を形成する。次に、この触媒反応層の
外面に、燃料ガスの通気性と、電子導電性を併せ持つ拡
散層を形成し、この拡散層と触媒反応層とを合わせて電
極とする。

【０００３】次に、供給する燃料ガスが外にリークした
り、二種類の燃料ガスが互いに混合しないように、電極
の周囲には高分子電解質膜を挟んでガスシール材やガス
ケットを配置する。このシール材やガスケットは、電極
及び高分子電解質膜と一体化してあらかじめ組み立て、
これを、ＭＥＡ（電極電解質膜接合体）と呼ぶ。ＭＥＡ
の外側には、これを機械的に固定するとともに、隣接し
たＭＥＡを互いに電気的に直列に接続するための導電性
のセパレータ板を配置する。セパレータ板のＭＥＡと接
触する部分には、電極面に反応ガスを供給し、生成ガス
や余剰ガスを運び去るためのガス流路を形成する。ガス
流路はセパレータ板と別に設けることもできるが、セパ
レータの表面に溝を設けてガス流路とする方式が一般的
である。

【０００４】この溝に燃料ガスを供給するためは、燃料
ガスを供給する配管を、使用するセパレータの枚数に分
岐し、その分岐先を直接セパレータ状の溝につなぎ込む
配管治具が必要となる。この治具をマニホールドと呼
び、上記のような燃料ガスの供給配管から直接つなぎ込
むタイプを外部マニホールドを呼ぶ。このマニホールド
には、構造をより簡単にした内部マニホールドと呼ぶ形
式のものがある。内部マニホールドとは、ガス流路を形
成したセパレータ板に、貫通した孔を設け、ガス流路の
出入り口をこの孔まで通し、この孔から直接燃料ガスを
供給するものである。

【０００５】燃料電池は運転中に発熱するので、電池を
良好な温度状態に維持するために、冷却水等で冷却する
必要がある。通常、１〜３セル毎に冷却水を流す冷却部
をセパレータとセパレータとの間に挿入するが、セパレ
ータの背面に冷却水流路を設けて冷却部とする場合が多
い。これらのＭＥＡとセパレータおよび冷却部を交互に
重ねていき、１０〜２００セル積層した後、集電板と絶
縁板を介し、端板でこれを挟み、締結ボルトで両端から
固定するのが一般的な積層電池の構造である。

【０００６】このような固体高分子型の燃料電池では、
セパレータは導電性が高く、かつ燃料ガスに対してガス
気密性が高く、更に水素／酸素を酸化還元する際の反応
に対して高い耐食性を持ち必要がある。このような理由
で、従来のセパレータは通常グラッシーカーボンや膨張
黒鉛などのカーボン材料で構成し、ガス流路もその表面
での切削や、膨張黒鉛の場合は型による成型で作製して
いた。

【０００７】しかしながら近年、従来より使用されたカ
ーボン材料に代えて、ステンレスなどの金属を用いる試
みが行われている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】従来のカーボン板の切
削による方法では、カーボン板の材料コストと共に、こ
れを切削するためのコストを引き下げることが困難であ
り、また膨張黒鉛を用いた方法も材料コストが高く、こ
れが実用化の為の障害と考えられている。

【０００９】また、上述の金属を用いる方法では、金属
が高温で酸化性の雰囲気に曝されるため、長期間使用す
ると、金属の腐食や溶解が起こる。金属が腐食すると、
腐食部分の電気抵抗が増大し、電池の出力が低下する。
また、金属が溶解すると、溶解した金属イオンが高分子
電解質に拡散し、これが高分子電解質のイオン交換サイ
トにトラップされ、結果的に高分子電解質自身のイオン
電導性が低下する。これらの原因により、金属をそのま
まセパレータに使用し、電池を長期間運転すると、発電
効率が次第に低下するという課題があった。

【００１０】

【課題を解決するための手段】以上の課題を解決するた
め本発明の固体高分子電解質型燃料電池は、固体高分子
電解質膜を挟む一対の電極と、前記電極に燃料ガスを供
給排出する手段とを具備した単電池とを、導電性セパレ
ータを介して積層した固体高分子電解質型燃料電池にお
いて、前記導電性セパレータは酸性雰囲気に対する不活
性金属層を表面に形成した金属材料によりなり、かつ前
記導電性セパレータは前記燃料ガスを流通するガス流通
溝を形成し、さらに前記燃料ガスに対するガスシール性
を有する材料により、前記ガス流通溝と前記燃料ガスを
供給排出する手段とを接続したことを特徴とする。

【００１１】このとき、導電性セパレータの表面に形成
した酸性雰囲気に対する不活性金属層金属層は、金また
は銀よりなることが有効である。

【００１２】また、導電性セパレータの表面に形成した
酸性雰囲気に対する不活性金属層金属層は、物理的柔軟
性を有することが有効である。

【００１３】また、導電性セパレータに形成したガス流
通溝が、互いに平行な複数の直線形状であることが有効
である。

【００１４】また、導電性セパレータの一方の面に形成
したガス流通溝の凸部が、前記導電性セパレータの背面
でガス流通溝の凹を形成していることが有効である。

【００１５】以上の製造方法は、洗浄処理工程と、活性
化処理工程と、ニッケルストライクメッキ処理工程と、
金メッキもしくは銀メッキ処理工程を有することを特徴
とする。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明のポイントは、金属を材料
とする導電性セパレータの腐食と溶解を押さえ込むこと
で、導電性を有したまま、酸性雰囲気に曝されても化学
的不活性を維持させる方法を見出したことである。

【００１７】また、金属を材料とする導電性セパレータ
を燃料電池に用いるとき、導電性セパレータの一方の面
に形成したガス流通溝の凸部が、導電性セパレータの背
面でガス流通溝の凹を形成していることが有用である。
しかし、これを用いて積層電池を作ると、導電性セパレ
ータの電気接触部分が点接触になり、これが長期的に酸
性雰囲気に曝されると、この部分の接触抵抗が増大化し
た。そこで、この現象を克服するため、導電性セパレー
タの表面部分に、たとえばスポンジ状の物理的柔軟性を
有する導電層を形成することで、上記接触抵抗の増大化
を克服した。

【００１８】以下、本発明の実施の形態を図面を参照し
ながら説明する。

【００１９】

【実施例】（実施例１）アセチレンブラック系カ−ボン
粉末に、平均粒径約３０の白金粒子を２５重量％担持し
たものを反応電極の触媒とした。この触媒粉末をイソプ
ロパノ−ルに分散させた溶液に、（化１）で示したパー
フルオロカーボンスルホン酸の粉末をエチルアルコール
に分散したディスパージョン溶液を混合し、ペースト状
にした。このペーストを原料としスクリ−ン印刷法をも
ちいて、厚み２５０μｍのカ−ボン不織布の一方の面に
電極触媒層を形成した。形成後の反応電極中に含まれる
白金量は０．５ｍｇ／ｃｍ²、パーフルオロカーボンス
ルホン酸の量は１．２ｍｇ／ｃｍ²となるよう調整し
た。

【００２０】

【化１】

【００２１】これらの電極は、正極・負極共に同一構成
とし、電極より一回り大きい面積を有するプロトン伝導
性高分子電解質膜の中心部の両面に、印刷した触媒層が
電解質膜側に接するようにホットプレスによって接合し
て、電極／電解質接合体（ＭＥＡ）を作成した。ここで
は、プロトン伝導性高分子電解質として、（化２）に示
したパーフルオロカーボンスルホン酸を２５μｍの厚み
に薄膜化したものを用いた。

【００２２】

【化２】

【００２３】本実施例で作製した固体高分子型燃料電池
の各構成要素の構造を図１，図２、及び図３に示した。

【００２４】まず、表面を金メッキした金属よりなる導
電性セパレータの作成方法を示す。図１に示したよう
に、厚さ０．３ｍｍのＳＵＳ３１６板を用い、その中央
部１０ｃｍ×９ｃｍの領域に、５．６ｍｍピッチ（溝幅
約２．８ｍｍ）の波状加工部１を、プレス加工によって
形成した。このとき溝２の深さ（山３の高さ）は約１ｍ
ｍとした。次に、この表面に金メッキ層を０．５μｍの
厚さに形成した。メッキ方法は、洗浄剤にディプソール
（ディプソール社の商品名）を使用して洗浄を行ってか
ら、８０℃に加熱した熱硫酸液による活性化処理を行
い、その後に、ニッケルストライクメッキ処理、ニッケ
ルメッキ処理、金メッキ処理を行った。つぎに、図１に
示したように、対抗する２辺にはそれぞれ水素ガス、冷
却水、空気を供給・排出するためのマニホールド孔４を
設けた。

【００２５】つぎに、図２（ａ）に示したように、水素
側となるセパレータには、マニホルド孔から金属板の加
工によるガス流通溝まで、フェノール樹脂でできた凸部
５によってガスを誘導する溝６を設けた。また、２個の
溝が互いに隣り合い、湾曲してつながるようにフェノー
ル樹脂でできた凸部５を重ねた。

【００２６】このフェノール樹脂製の凸部は、厚みが約
１ｍｍでセパレータ板の溝の山の高さと同じとした。セ
パレータ板の外周部、マニホルド孔の周囲にも同様に形
成し、金属板の形状に対応したガスケット７を構成して
いる。

【００２７】さらに、図２（ｂ）に示したように、空気
側となるセパレータは隣り合う６個の溝が、湾曲して連
続したガス流通溝を形成するようにした。空気側と水素
ガス側で構造を変えているのは、空気側と水素ガス側と
でガス流量が２５倍程度異なるからである。逆に言え
ば、このような構造では、ガス流量に応じて樹脂製のガ
ス流通溝の形状を変えることにより、最適なガス流速と
ガス圧損にする事が可能である。

【００２８】つぎに、図３に示したように、これら２種
類のセパレータとガスケットにより、ＭＥＡ８をはさみ
電池の構成単位とした。図３で示したように、水素側の
ガス流通溝９と空気側のガス流通溝１０の位置は対応す
るように構成し、電極に過剰なセンダン力がかからない
ようにした。単電池を２セル積層ごとに冷却水を流す冷
却部１１を設けた。冷却部にはＳＵＳ３１６製の金属メ
ッシュ１２を用いて導電性と冷却水の流通性を確保し、
外周部とガスマニホルド部にフェノール樹脂製のガスケ
ット７を設けることによってシール部とした。ガスケッ
トとＭＥＡ、セパレータ板とセパレータ板、ガスケット
とセパレータ板などのガスシールが必要な部分はグリス
１３を薄く塗布することによってあまり導電性を低下さ
せずにシール性を確保した。

【００２９】以上示したＭＥＡを５０セルを積層した
後、集電板と絶縁板を介し、ステンレス製の単板と締結
ロッドで、２０ｋｇｆ／ｃｍ²の圧力で締結した。締結
圧力は小さすぎるとガスがリークし、接触抵抗も大きい
ので電池性能が低くなるが、逆に大きすぎると電極が破
損したり、セパレータ板が変形したりするのでガス流通
溝の設計に応じて締結圧を変えることが重要であった。

【００３０】比較例の電池として、上記実施例の電池の
ように表面コートをしないＳＵＳ３１６板により導電性
セパレータを構成したものを作製した。比較例の電池
で、導電性セパレータ以外は、全て上記実施例の構成と
同一とした。

【００３１】このように作製した本実施例と比較例の高
分子電解質型燃料電池を、８５℃に保持し、一方の電極
側に８３℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガス
を、もう一方の電極側に７８℃の露点となるように加湿
・加温した空気を供給した。その結果、電流を外部に出
力しない無負荷時には、５０Ｖの電池開放電圧を得た。

【００３２】この電池を燃料利用率８０％、酸素利用率
４０％、電流密度０．５Ａ／ｃｍ²の条件で連続発電試
験を行い、出力特性の時間変化を図５に示した。その結
果、比較例の電池は駆動時間と共に出力が低下するのに
比べ、本実施例の電池は、８０００時間以上にわたって
１０００Ｗ（２２Ｖ−４５Ａ）の電池出力を維持するこ
とを確認した。

【００３３】この実施例ではガス流通溝が複数の平行直
線の場合を試みたが、図４のように２度の湾曲部１４を
経て、ガス供給マニホルドから、ガス排出マニホルド孔
をガス流通溝でつなぐ構造や、巻き貝の殻のように中央
部のマニホルド孔と外側のマニホルド孔とをガス流通溝
でつなぐ構造など様々な構造も可能である。

【００３４】また、金属が板状の場合を試みたが、スポ
ンジ状など様々な形状も可能である。

【００３５】（実施例２）実施例１では、金属の表面に
金メッキ層を形成した導電性セパレータを用いたが、本
実施例では、銀メッキ層を形成した例を示す。なお、本
実施例では、メッキ方法、電池構成、及び電池の特性評
価条件は、全て実施例１と同一とした。

【００３６】電池特性は実施例１と同じく、燃料電池を
８５℃に保持し、一方の電極側に８３℃の露点となるよ
う加湿・加温した水素ガスを、もう一方の電極側に７８
℃の露点となるように加湿・加温した空気を供給し、燃
料利用率８０％、酸素利用率４０％、電流密度０．５Ａ
／ｃｍ²の条件で連続発電試験を行ったときの、初期
と、運転時間が８０００時間経過したときの電池出力を
示した。その結果を表１に示した。

【００３７】

【表１】

【００３８】（実施例３）実施例１では、金属の表面に
金メッキ層を形成した導電性セパレータを用いたが、本
実施例では、更にその上に、有機バインダー成分を有す
る金ペースト層を形成し、導電性セパレータの表面部分
に、物理的弾性を有する導電層を形成した例を示す。な
お、本実施例では、メッキ方法、電池構成、及び電池の
特性評価条件は、全て実施例１と同一とした。

【００３９】有機バインダー成分を有する金ペースト層
の形成方法は、平均粒径２０μｍの金粒子５０重量％
を、ビスフェノール系エポキシモノマー１０重量％と、
その硬化剤１０重量％と、希釈剤であるエチルセルソル
ブ５０重量％の混合剤に分散し、これを導電性セパレー
タ上に形成した金メッキ層の上に塗布した後、１２０℃
で５時間放置することで行った。

【００４０】電池特性は実施例１と同じく、燃料電池を
８５℃に保持し、一方の電極側に８３℃の露点となるよ
う加湿・加温した水素ガスを、もう一方の電極側に７８
℃の露点となるように加湿・加温した空気を供給し、燃
料利用率８０％、酸素利用率４０％、電流密度０．５Ａ
／ｃｍ²の条件で連続発電試験を行ったときの、初期
と、運転時間が８０００時間経過したときの電池出力を
示した。その結果を表１に示した。

【００４１】（実施例４）以上の実施例では、ＳＵＳ３
１６を材料とする導電性セパレータに、金メッキを施
し、更にその上に柔軟性を有する金ペースト層を形成し
た。しかし、金ペースト層の成分を調整し、ＳＵＳ３１
６を材料とする導電性セパレータ上に直接形成すること
も可能である。このとき、金ペースト層の成分調整に際
しては、金成分があまり少ないと、ＳＵＳ３１６が直接
外部雰囲気に曝されて、導電性セパレータとして長期耐
食性が低下する。一方、金成分が多すぎると、逆にバイ
ンダー成分が低下し、柔軟性がなくなるという課題が起
こる。また、これに合わせて当然、金粉末の粒径も最適
化する必要がある。粒径は小さいほど電気抵抗は小さく
なるが、あまり小さいと、ペーストとしての扱いが困難
になると言う課題がある。

【００４２】この点を考慮し、上記製造工程で、平均粒
径５μｍの金粒子８０重量％を、ビスフェノール系エポ
キシモノマー１０重量％と、その硬化剤１０重量％と、
ＣＭＣ（カルボキシルメチルセルロース）５重量％と、
希釈剤であるエチルセルソルブ５０重量％の混合剤に分
散し、これを導電性セパレータ上に直接塗布した後、１
２０℃で５時間放置することで行ったものも、上記同様
に優れた安定性を示した。そのほかの部分の構成は実施
例１と同一である。

【００４３】電池特性は実施例１と同じく、燃料電池を
８５℃に保持し、一方の電極側に８３℃の露点となるよ
う加湿・加温した水素ガスを、もう一方の電極側に７８
℃の露点となるように加湿・加温した空気を供給し、燃
料利用率８０％、酸素利用率４０％、電流密度０．５Ａ
／ｃｍ²の条件で連続発電試験を行ったときの、初期
と、運転時間が８０００時間経過したときの電池出力を
示した。その結果を表１に示した。

【００４４】

【発明の効果】本発明によると、セパレーター板とし
て、従来のカーボン板の切削工法に替わり、ステンレス
などの金属材料を切削加工しないで用いることができる
ので、量産時に大幅なコスト低減が図れる。また、セパ
レータを一層薄くできるので積層電池のコンパクト化に
寄与する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の燃料電池で用いた導電
性セパレータの構成を示した図

【図２】本発明の第１の実施例の燃料電池で用いた水素
側セパレータの構成を示した図

【図３】本発明の第１の実施例の燃料電池の積層電池の
構成を示した図

【図４】本発明の第１の実施例の燃料電池で用いること
ができる他の導電性セパレータの構成を示した図

【図５】本発明の第１の実施例の燃料電池の出力特性を
示した図

【符号の説明】

１波状加工部２溝３山４マニホルド孔５フェノール製凸部６フェノール製の溝７フェノール製のガスケット８ＭＥＡ９水素側のガス流通溝１０空気側のガス流通溝１１冷却部１２金属メッシュ１３グリス１４湾曲部１５継ぎ目

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者行天久朗大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者羽藤一仁大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者内田誠大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者小原英夫大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者菅原靖大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者神原輝壽大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者松本敏宏大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内Ｆターム(参考） 5H026 AA02 AA06 BB04 BB10 CC03 CC04 EE02

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固体高分子電解質膜を挟む一対の電極
と、前記電極に燃料ガスを供給排出する手段とを具備し
た単電池とを、導電性セパレータを介して積層した固体
高分子電解質型燃料電池において、前記導電性セパレー
タは酸性雰囲気に対する不活性金属層を表面に形成した
金属材料によりなり、かつ前記導電性セパレータは前記
燃料ガスを流通するガス流通溝を形成し、さらに前記燃
料ガスに対するガスシール性を有する材料により、前記
ガス流通溝と前記燃料ガスを供給排出する手段とを接続
した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】導電性セパレータの表面に形成した酸性
雰囲気に対する不活性金属層金属層は、金または銀より
なることを特徴とする請求項１記載の固体高分子電解質
型燃料電池。
【請求項３】導電性セパレータの表面に形成した酸性
雰囲気に対する不活性金属層金属層は、物理的柔軟性を
有することを特徴とする請求項１または２記載の固体高
分子電解質型燃料電池。
【請求項４】導電性セパレータに形成したガス流通溝
が、互いに平行な複数の直線形状であることを特徴とす
る請求項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】導電性セパレータの一方の面に形成した
ガス流通溝の凸部が、前記導電性セパレータの背面でガ
ス流通溝の凹を形成していることを特徴とする請求項
１、２、３または４記載の固体高分子電解質型燃料電
池。
【請求項６】洗浄処理工程と、活性化処理工程と、ニ
ッケルストライクメッキ処理工程と、金メッキもしくは
銀メッキ処理工程を有することを特徴とする請求項２、
３、４または５記載の固体高分子電解質型燃料電池の製
造方法。