JP5167627B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

この発明は、燃料電池に関する。

燃料電池システムは、燃料が有する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換するシステムであり、電解質を挟んで設けられた一対の電極のうち、アノード極に水素を含有する燃料ガスを供給するとともに、他方のカソード極に酸素を含有する酸化剤ガスを供給し、これらの一対の電極で生じる下記の電気化学反応を利用して電極から電気エネルギーを取り出すものである。各電極では、各々（１）、（２）反応が行われる。

アノード反応：Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ …（１）
カソード反応：２Ｈ⁺＋２ｅ⁻＋（１／２）Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ …（２）
アノード極に供給する燃料ガスは、水素貯蔵装置から直接供給する方法、またはメタノール、ガソリン、アルコール及び天然ガス等の燃料を改質した水素含有ガスを供給する方法により供給される。水素貯蔵装置としては、高圧ガスタンク、液化水素タンク及び水素吸蔵合金タンク等がある。カソード極に供給する酸化剤ガスとしては、一般的に空気が利用されている。

従来、両極のセパレータにはグラファイトや樹脂と黒鉛粉末を主成分とした複合材料をプレス成形したカーボン系セパレータを使用していたが、特に移動体への燃料電池の積載を目的とする場合には、小型化とそれに伴う出力密度向上のために、薄型化の可能な金属セパレータを使用するための開発が行われている。セパレータ材料がカーボン等の非金属である場合は、セパレータと集電板間の電食は原理的に発生しなかった。しかし、金属セパレータを用いることにより、金属セパレータと集電板間の電食の問題が発生するようになった。しかしながら、金属セパレータの使用に関しては、主として膜電極接合体に対峙する側の金属セパレータの耐食性向上及び性能向上のため、多層化、表面改質及びコーティング等の処理が行われている（特許文献１、２、３参照。）。
特開２００２−７５３９５号公報 特開２００２−６３９１４号公報 特開２００５−１９０９６４号公報

燃料電池は単位セルあたりの起電圧が約１．２[Ｖ]以下であるため、移動体の動力源として用いられる場合は単位セルを積層し、直列に接続することで昇圧される。燃料電池の両極には、発生した電気を集めるための集電板が設けられ、燃料電池は集電板に挟持される構造となる。従って、燃料電池の両極部においては、集電板と金属セパレータが対峙することになる。燃料電池内のセパレータと集電板が対峙する部位は、セパレータ及び集電板に金属材料を用いた際、セパレータ及び集電板の素材又は表面層の材料の組み合わせを規定しない場合には、異種金属の接触部が存在することになる。この場合、集電板とセパレータの対峙面はそれらに用いる材料の組合せにより電食を起こす場合があり、セパレータ側が金属溶出側（アノード反応側）となる場合には、セパレータの板厚が薄いため腐食により穴あきが起こる可能性がある。これに加え、燃料電池の運転負荷の変動に伴う電位の変化、燃料電池の運転温度の変化、かつ乾燥又は加湿された燃料ガス、酸化剤ガス、冷媒の三流体が流れる雰囲気に晒される燃料電池特有の環境となり、電食をはじめとする腐食現象が促進される環境下となる。セパレータに対して集電板側が電気化学的に貴な場合では、セパレータが酸化反応を起こし、金属が溶出することでセパレータの穴あきが生じる。また、セパレータの穴あきを防ぐためにセパレータを厚くした場合、燃料電池システムの小型化による出力密度向上に対する障害となることに加え、使用金属量が増加することからコストが高くなる。この集電板と対峙する面における電食に対する耐食性を問題視し、金属セパレータと集電板間の材料の組合せについて規定した例はない。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、本発明に係る燃料電池は、セパレータの第１の表面層と、集電板の第２の表面層とが接触する燃料電池において、第１の表面層は、第２の表面層よりも電気化学的に貴であることを特徴とする。

本発明によれば、セパレータと集電板とが接触する部位において、腐食が防止された燃料電池が提供される。

以下、本発明の実施の形態に係る燃料電池を説明する。本発明の実施の形態では、固体高分子形電解質膜を使用した固体高分子形燃料電池に適用した例を示す。

第一実施形態
図１は、本発明の第一実施形態に係る燃料電池から構成される燃料電池スタック１０の外観を示す斜視図である。図２は、図１に示す燃料電池スタック１０のII-II線断面図であり、スタックとして実施された際の両端部を概略図として示す。図３は、図１に示す燃料電池スタック１０のIII-III線断面図であり、ガス及び冷媒の流れ方向に垂直な面における燃料電池スタック１０の断面図である。図２、図３ではアノードセパレータ１５とカソードセパレータ１６を燃料電池スタック１０の両端部まで単調に積み上げ、燃料電池スタック１０を構成した例を示した。便宜上、図２、図３に示した構成例をもとに説明する。図４は、図３の部分拡大図であり、カソードセパレータ１６と集電板１７が接触する部位の概略図である。図５は、本発明の第一実施形態に係る燃料電池を実施した際の時間に対するセパレータ素材又は表面層の腐食の関係を従来の組合せと比較した結果を示すグラフである。

図１に示すように、燃料電池スタック１０は、電解質膜１１と触媒電極１２より構成される電解質膜電極接合体１４（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）とガス拡散層１３を挟持するアノードセパレータ１５とカソードセパレータ１６とから構成され、電気化学反応により発電を行う基本単位となる単セルを複数積層して構成される。燃料電池スタック１０内で積層されるこれらの要素は、積層方向両端にそれぞれ設けられた一対の集電板１７を締結ボルト（不図示）によって締結することにより固定される。なお、燃料電池スタック１０へ締結力を与えるばね機構によって固定してもよい。集電板１７は、燃料電池スタック１０で発電した電力を両端部で集める機能を有し、配線を介して電気により駆動する機器及び電気を貯蔵する機器へ接続される。また、図１に示すように、燃料電池スタック１０には、各セルに水素ガス等の水素を含有するアノードガスを供給するためのアノードガス供給ライン、カソードガスを供給するカソードガス供給ライン、冷却水を供給する冷却水供給ラインとして機能するマニホールド穴２８が設けられている。積層方向は上下方向に限らず任意の方向で良い。なお、以下の例では、便宜上、図２、３にしたがって上下を規定する。すなわち燃料電池スタック１０の積層方向を上下方向と規定する。本発明の第一実施形態では、燃料電池スタック１０は、複数の単セルを積層してスタックとしたものであるが、積層数が一層の単セルのみの場合においても同様の効果が得られる。

電解質膜１１には、フッ素系の陽イオン交換膜を用いることができ、それ以外には例えばハイドロカーボン系の膜を用いても構わない。触媒電極１２は、白金担持カーボンを電解質交換膜へホットプレスし形成したものを用いることができるが、例えばルテニウム等の他の金属との合金を白金の代わりに用いてもよく、担持物として活性炭、黒鉛等を用いても構わない。また、ガス拡散層１３側に触媒を担持させてもよい。ガス拡散層１３にはカーボンペーパーを用いることができるが、カーボンクロスや金属製をはじめとする導電性多孔体も用いることができる。また、アノード、カソード両極で異なる仕様のものを用いても良い。

アノードセパレータ１５及びカソードセパレータ１６は、オーステナイト系ステンレス材をプレス成形し、流体が通過する流路形状を形成したものを用いた。この際、セパレータ材料はアルミ、チタン等の他の金属を用いても良いし、ステンレス材であればフェライト系であっても構わない。また、耐腐食性及び導電率向上のためにメッキ、コーティング等の表面処理を行っても良い。成形方法は、機械加工、エッチング等を用いることも可能である。アノードセパレータ１５にはアノードガス（水素含有ガス）を供給するためのアノードガス流路１８が形成され、カソードセパレータ１６にはカソードガス（主に空気）を供給するためのカソードガス流路１９が成形されている。それぞれの裏面には冷媒（主に冷却水）を流すための冷媒流路２０が形成されている。冷媒のシールには、アノードセパレータ１５及びカソードセパレータ１６の圧縮力の反力を利用した圧縮シール２１を用いたが、溶接によりシールすることも可能である。

アノードガス及びカソードガスが外部へ漏洩することを抑制するために、電解質膜１１とアノードセパレータ１５とカソードセパレータ１６との接合体の間には、電解質膜１１側にシール材２２を配置した。このシール材２２は、例えばシリコンにより成形され、シール材２２が圧力により潰れ、反力を得ることでシール性を維持している。シール材２２は、シール支持層２３上に成形し配置したが、シール支持層２３はなくても構わない。またシール材２２はセパレータ側に成形してもよい。

本発明の第一実施形態に係る燃料電池から構成される燃料電池スタック１０では、セパレータ１５、１６の第１の表面層１５ａ、１６ａと、集電板１７の第２の表面層１７ａとが接触し、第１の表面層１５ａ、１６ａは、第２の表面層１７ａ以上に電気化学的に貴であることを特徴とする。組合せの例として、第１の表面層に金メッキ、第２の表面層に銀メッキを用いることができる。また第１の表面層１５a、１６aはセパレータ１５、１６の基材と同素材であっても構わない。同様に第２の表面層１７aは集電板１７の基材と同素材であっても構わない。表面層が基材と同素材の場合においても、セパレータの第１の表面層１５a、１６aが集電板の第２の表面層１７a以上に電気化学的に貴であれば同様の効果が得られる。図４に、カソードセパレータ１６と集電板１７が接触する部位の概略図を示す。カソードセパレータ１６の第１の表面層１６ａは、集電板１７の第２の表面層１７ａと接触する接触部１６ａ_２、１６ａ_４、１６ａ_６、１６ａ_８と、集電板１７の第２の表面層１７ａと接触しない非接触部１６ａ_１、１６ａ_３、１６ａ_５、１６ａ_７、１６ａ_９とを有し、集電板１７の第２の表面層１７ａは、カソードセパレータ１６の第１の表面層１６ａと接触する接触部１７ａ_２、１７ａ_４、１７ａ_６、１７ａ_８と、カソードセパレータ１６の第１の表面層１６ａと接触しない非接触部１７ａ_１、１７ａ_３、１７ａ_５、１７ａ_７、１７ａ_９とを有する。第１の表面層１６ａの非接触部１６ａ_１、１６ａ_３、１６ａ_５、１６ａ_７、１６ａ_９及び第２の表面層１７ａの非接触部１７ａ_１、１７ａ_３、１７ａ_５、１７ａ_７、１７ａ_９は、流路２４を画成している。なお、図３に示すように、アノードセパレータ１５は、アノードセパレータ１５と集電板１７により、流路２５を画成している。流路２４及び２５には酸化を防止する流体を流しても良い。例として示した第１の表面層に金メッキ、第２の表面層に銀メッキを適用した場合、第１の表面層１５ａ、１６ａは第２の表面層１７ａと比較して電気化学的に貴となる。したがって、異種金属の接触による電食が起こる場合においても第２の表面層１７ａの銀がアノード反応（酸化反応）側となるため、溶出によりセパレータ１５、１６が厚さ方向に薄くなり、穴あきに至ることを抑止する。さらに流路２４、２５に酸化を防止する流体を供給した場合はカソードセパレータ１６と集電板１７の接触部の腐食が当該部が晒される環境的な要因からも抑止できる。このため、セパレータ１５、１６と集電板１７とが接触する接触部１６ａ_２、１６ａ_４、１６ａ_６、１６ａ_８において、腐食が防止された燃料電池が提供される。

ここで、一例として第１の表面層１５ａ、１６ａに金メッキ、第２の表面層１７ａに銀メッキを適用した例を示したが、セパレータ１５、１６の素材又は表面層が集電板１７の表面よりも電気化学的に貴又は同等であれば腐食を防止する効果が得られる。また、金属材料から形成されるものであれば、例えば複数種金属材を点在させた表面層や部位により金属種が異なるものとしても良い。例えば、第１の表面層（セパレータ１５、１６の表面層）は、金、白金、ルテニウム、パラジウム、 ロジウム、イリジウム、オスミウム、銀、銅及び金属窒化物から選択されたいずれかの金属を含み、第２の表面層（集電板１７の表面層）は、銀、銅及び金属窒化物から選択されたいずれかの金属を含むことが好ましい。この中から適宜電気化学的な高低を規定し、選択することにより、セパレータ１５、１６の表面層は集電板１７の表面層よりも電気化学的に貴又は同等とすることができるため、セパレータ１５、１６の穴あきを防止し、セパレータ１５、１６の耐久性が向上することに加え、薄型化することができる。例えば、セパレータ１５、１６側の表面に銀、集電板１７側の表面に銅を用いる組合せや、セパレータ１５、１６側及び集電板１７側の表面を共に金属窒化物とする組合せが挙げられる。また、本実施の形態で示した銅及び金属窒化物は特に安価であり、セパレータ１５、１６表面の材料との関係を適切に選択することでコスト低減の効果も有する。

なお、電気化学的に貴という表現は、標準電極電位が高いという表現とほぼ同義として理解して良い。本実施の形態では、セパレータ１５、１６及び集電板１７の素材又は表面層に用いた材料の電気化学的な電位の高低が不明な場合、素材を例えば硫酸に代表される酸液中に浸漬し、銀塩化銀電極に代表される参照電極を挿入し、素材を酸液中に浸漬した際の浸漬電位を計測する。計測された電位が高い方を電気化学的に貴と判断することができる。

このように、本実施の形態のようにセパレータ側の溶出が防止できる場合、セパレータに対して穴あきによる流体の漏洩の懸念がなくなるため、小型化による高出力密度化を目指したセパレータの薄型化も可能となる。

図５は、本発明の第一実施形態に係る燃料電池を実施した際の時間に対するセパレータ素材又は表面層の腐食の関係を従来の組合せと比較した結果を示すグラフである。従来の組合せは、セパレータ表面が集電板に対して卑になるものとした。図中Ａで示す従来の組合せＡは、図中Ｂで示す従来の組合せＢと比較して、集電板とセパレータ間の浸漬電位の差がより大きい組合せとした。図中Ｃで示す曲線は、本発明の第一実施形態に係る燃料電池の結果を示すものであり、セパレータが集電板よりも電気化学的に貴である場合を示している。図において、縦軸はセパレータからの金属の溶出量を示し、金属溶出量が大きいほど、セパレータの穴あきが早く起こることを意味している。金属溶出量は、燃料電池から排出される液水中に含まれる金属イオンをＩＣＰ−ＭＳ（誘導結合プラズマ質量分析装置）により定量することで求めた。集電板とセパレータ間の浸漬電位の差がより大きい組合せの場合、運転時間が長くなるほどセパレータからの金属の溶出量が多くなった。また、セパレータが集電板よりも電気化学的に貴である場合には、金属の溶出量が抑えられ、運転時間が長くなっても、金属の溶出量は低いままであった。このように、セパレータが集電板よりも電気化学的に貴である場合には、セパレータの耐久性が向上することが示された。

セパレータ１５、１６の表面層と集電板１７の表面層とが電気化学的に同等であり、セパレータ１５、１６の表面層が集電板１７の表面層より厚い場合にも、同様の効果が得られる。この場合、セパレータ１５、１６と集電板１７の素材又は表面層が電気化学的に同等であることにより、セパレータ１５、１６と集電板１７の電食を素材の組合せにより抑止する。しかし、セパレータ１５、１６の表面層が燃料電池の運転にともなう温度、電位、雰囲気ガスの大きな変化により燃料電池特有の腐食環境下に晒され、経時的に変化し、劣化または変質する可能性がある。そこで、セパレータ１５、１６の表面層に変化が生じた場合においても、セパレータ１５、１６の素材の溶出を抑止するために、集電板１７の表面層に対してセパレータ１５、１６の側の表面層を厚くすることでセパレータ１５、１６の表面層の耐久性を向上させる。例えば、セパレータ１５、１６及び集電板１７の表面層が共に銀メッキで処理されている場合、セパレータ１５、１６側の銀メッキ処理層の厚さを厚くし、セパレータ１５、１６側の耐食性を向上させることで達成する。このように、セパレータ１５、１６側の素材又は表面層を厚くすることで、セパレータ１５、１６側の素材又は表面層の欠陥、もしくは経時変化による劣化の可能性が低下する。このように、セパレータ１５、１６の耐食性が向上するため、セパレータ１５、１６から金属が溶出することによる穴あきを防止し、セパレータ１５、１６の耐久性が向上することに加え、コストを低減かつ薄型化することができる。

なお、本発明の第一実施形態に係る燃料電池では、流路２４、２５を設け、そこに酸化防止剤を流すことができる。この場合、酸化防止剤によりセパレータ１５、１６と集電板１７間の腐食性が変化する。このため、流路２４、２５には金属の酸化を防止する酸化防止剤を満たし腐食を抑止する。一例としてアンモニアがあげられる。アンモニア以外に、金属の酸化を防止する流体としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、亜硝酸ジシクロメキシルアンモニウム、炭酸シクロヘキシルアミン、エタノールアミン炭酸塩、水素があげられる。このように、酸化防止剤を流すことにより、セパレータ１５、１６と集電板１７との接触部１６ａ_２、１６ａ_４、１６ａ_６、１６ａ_８及び接触部１７ａ_２、１７ａ_４、１７ａ_６、１７ａ_８において、セパレータ１５、１６の酸化反応による金属溶出を抑えられる。このため、セパレータ１５、１６の穴あきを防止し、セパレータ１５、１６の耐久性を向上させることができることに加え、コスト低減かつ薄型化することができる。

酸化防止剤は、燃料電池の陽極側の非接触部が画成する空間に存在させてもよく、またそれが陰極側であってもかまわない。また、セパレータをセパレータ１５とセパレータ１６を単調に繰り返して積層した場合、セパレータ１５、１６と集電板１７により画成される流路２４、２５には容易に異なる流体を流すことができる。金属の酸化を防止する流体としては、例えば、アンモニア、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、亜硝酸ジシクロメキシルアンモニウム、炭酸シクロヘキシルアミン、エタノールアミン炭酸塩、水素を用いることができる。

その中でも酸化防止剤は、水素含有ガスであることが好ましい。この場合には、セパレータ１５、１６と集電板１７間において、セパレータ１５、１６の酸化反応による金属溶出を抑止する。このため、セパレータ１５、１６の穴あきを防止し、セパレータ１５、１６の耐久性が向上することに加え、コスト低減かつ薄型化することができる。

さらに、水素含有ガスは、燃料電池の燃料ガスに用いるガスであることが好ましい。この場合には、酸化を防止するために特別な仕組みを必要とせず、燃料ガスと共用することができ、システム全体の簡素化、コスト低減にもつながる。そして、該水素含有ガスによりセパレータ１５、１６と集電板１７間におけるセパレータ１５、１６の酸化反応による金属溶出を抑止する。このため、セパレータ１５、１６の穴あきを防止することができ、セパレータ１５、１６の耐久性が向上する。

以上示したように、本発明の第一実施形態に係る燃料電池では、セパレータの第１の表面層と、集電板の第２の表面層とが接触する燃料電池において、第１の表面層は、第２の表面層以上に電気化学的に貴であるため、セパレータと集電板とが接触する部位において、腐食が防止された燃料電池が提供される。

第二実施形態
次に、本発明の第二実施形態に係る燃料電池について説明する。図６は、本発明の第二実施形態に係る燃料電池の部分拡大図であり、セパレータ２６と集電板１７が接触する部位の概略図である。図５において、第一実施形態のものと比較すると、セパレータ２６の第１の表面層２６ａを、セパレータ２６の表面に形成されたリブ上にのみ設けた点のみが相違する。他の構成はほぼ同一であるため、同一構成箇所に同一符号を付してその説明を省略する。

図６に示すように、第二実施形態では、セパレータ２６と集電板１７の接触する部位にのみ第１の表面層２６ａを設け、第１の表面層２６ａと集電板１７の第２の表面層１７ａとが接触し、第１の表面層２６ａは第２の表面層１７ａ以上に電気化学的に貴な組合せとした。組合せの一例として第１の表面層を金メッキ、第２の表面層を銀メッキとすることで効果を得ることができる。セパレータ２６の第１の表面層２６ａは、集電板１７の第２の表面層１７ａと接触する接触部２６ａ_１、２６ａ_２、２６ａ_３、２６ａ_４を有し、集電板１７の第２の表面層１７ａは、セパレータ２６の第１の表面層２６ａと接触する接触部１７ａ_２、１７ａ_４、１７ａ_６、１７ａ_８と、セパレータ２６の第１の表面層２６ａと接触しない非接触部１７ａ_１、１７ａ_３、１７ａ_５、１７ａ_７、１７ａ_９とを有する。セパレータ２６の集電板１７の接触しない非接触部２６_１、２６_２、２６_３、２６_４、２６_５及び非接触部１７ａ_１、１７ａ_３、１７ａ_５、１７ａ_７、１７ａ_９は、流路２７を画成している。

第二実施形態では、セパレータ２６と集電板１７の接触する接触部２６ａ_１、２６ａ_２、２６ａ_３、２６ａ_４及び接触部１７ａ_２、１７ａ_４、１７ａ_６、１７ａ_８において、集電板１７に対してセパレータ２６側が電気化学的に貴であるため、異種金属の接触による電食が起こる場合においても集電板１７の第２の表面層１７ａがアノード反応（酸化反応）側となり、セパレータ２６素材が溶出し、穴あきに至ることを抑止する。このように、セパレータ２６と集電板１７間の電食によるセパレータ２６の穴あきを最低限の部位の材料規定で防止する。このため、セパレータ２６の耐久性が向上することに加え、セパレータ２６の素材又は表面層が貴金属等の高価である場合、セパレータ２６と集電板１７とが接触する部位のみに第１の表面層を形成することでコストを低減することも可能である。また、燃料電池の薄型化も可能となる。なお、本実施の形態において、セパレータ２６はアノードセパレータ又はソードセパレータのいずれにおいても適用できる。

第三実施形態
次に、本発明の第三実施形態に係る燃料電池について説明する。図７は、本発明の第三実施形態に係る燃料電池の部分拡大図であり、セパレータ３６の部分的な概略図である。図７において、第一実施形態のものと比較すると、セパレータ３６の第１の表面層４０を、セパレータ３６の集電板１７と接触する面３６ｂのマニホールドを形成するマニホールド穴３７、３８、３９とシール２９との間に設けた点のみが相違する。他の構成はほぼ同一であるため、同一構成箇所に同一符号を付してその説明を省略する。

図７において、セパレータ３６の下側の面を集電板１７と接触しない面３６ａとし、上側を集電板１７と接触する面３６ｂとする。セパレータ３６は、マニホールド穴３７、３８、３９周辺に流体の漏洩を防止するシール２９が配置され、セパレータ３６は、流体の漏洩を防止するシール４１が配置されている。シール２８は、面方向へ流したい流体の種類によりマニホールド穴３９周辺の非シール部４０ａ部分のように配置しない部分もある。図７において、流体は矢印Ｄで示す方向に流れ、シールを配置しない部分のみセパレータ面方向へ流体が流れ込む構造となっている。マニホールド穴３７、３８、３９とシール２９との間には第１の表面層４０が形成され、集電板１７の表面には第２の表面層１７ａを形成した。

この構成の場合でもセパレータ３６側が電気化学的に貴となるような組合せを提供する。これにより、異種金属の接触による電食が起こる場合においても集電板１７表面がアノード反応（酸化反応）側となり、セパレータ３６素材が溶出し、セパレータ３６が穴あきにいたることを抑止する。特に、マニホールド穴付近が穴あきに至り、他の流体との混入が生じる場合、マニホールド穴の下流にあたるすべてのセルへ他の流体が混入した状態で流体を供給することとなり、性能および耐久性低下の原因となるが、本実施の形態では、この現象を防止している。なお、本実施の形態において、セパレータ３６はアノードセパレータまたはカソードセパレータのいずれにおいても適用できる。

第四実施形態
次に、本発明の第四実施形態に係る燃料電池について説明する。図８は、本発明の第四実施形態に係る燃料電池の部分拡大図であり、セパレータ４６と集電板１７が接触する部位の概略図である。図９は、図８の部分拡大図である。図８において、第一実施形態のものと比較すると、セパレータ４６表面（第１の表面層）に溶接部４８、４９がある点のみが相違する。溶接は、セパレータ同士の接合および流体のシールを目的として使用される。他の構成はほぼ同一であるため、同一構成箇所に同一符号を付してその説明を省略する。

本発明の第四実施形態では、セパレータ４６の第１の表面層４６ａと、集電板１７の第２の表面層１７ａとが接触し、セパレータ４６表面には溶接部４８、４９があり、第１の表面層４６ａおよび溶接部４９は第２の表面層１７ａ以上に電気化学的に貴であることを特徴とする。図８に、セパレータ４６と集電板１７が接触する部位の概略図を示す。セパレータ４６の第１の表面層４６ａは、集電板１７の第２の表面層１７ａと接触する接触部４６ａ_２、４６ａ_４、４６ａ_６、４６ａ_８と、集電板１７の第２の表面層１７ａと接触しない非接触部４６ａ_１、４６ａ_３、４６ａ_５、４６ａ_７、４６ａ_９とを有し、集電板１７の第２の表面層１７ａは、セパレータ４６の第１の表面層４６ａと接触する接触部１７ａ_２、１７ａ_４、１７ａ_６、１７ａ_８と、セパレータ４６の第１の表面層４６ａと接触しない非接触部１７ａ_１、１７ａ_３、１７ａ_５、１７ａ_７、１７ａ_９とを有する。第１の表面層４６ａの非接触部４６ａ_１、４６ａ_３、４６ａ_５、４６ａ_７、４６ａ_９及び第２の表面層１７ａの非接触部１７ａ_１、１７ａ_３、１７ａ_５、１７ａ_７、１７ａ_９は、流路４７を画成している。接触部４６ａ_２、４６ａ_４、４６ａ_６、４６ａ_８において、セパレータ４６は表面に溶接部４８、４９をもち、溶接された部位を集電板の第２の表面層に接しない溶接部４８と集電板の第２の表面層に接する溶接部４９に分けて説明する。溶接部４８、４９は、第１の表面層形成後に溶接した場合、溶接時に晒される温度影響により金属組成が変化する場合や基材部分が露出する場合がある。

溶接後には溶接部４９と集電板１７の接触部１７ａ_２、１７ａ_４、１７ａ_６、１７ａ_８とが接触する。本実施の形態では、集電板と接する溶接部４９が集電板１７の接触部１７ａ_２、１７ａ_４、１７ａ_６、１７ａ_８よりも電気化学的に貴であるものとした。この際、溶接後に溶接部４９が溶接により変化した溶接後の物性を予備試験により把握しておくことが望ましい。これにより、溶接により金属組成が変化した場合であっても溶接部４９と接触する接触部４６ａ_２、４６ａ_４、４６ａ_６、４６ａ_８の表面においてもセパレータ４６側のアノード反応（酸化反応）が抑止され、穴あきが防止される。なお、本実施の形態において、セパレータ４６はアノードセパレータ又はカソードセパレータのいずれにおいても適用できる。

第五実施形態
次に、本発明の第五実施形態に係る燃料電池について説明する。図１０は、本発明の第五実施形態に係る燃料電池の部分拡大図であり、セパレータ５６の部分的な概略図である。図１０において、第三実施形態のものと比較すると、アノードガスが流れる機構（切り欠き）６１ａを備え、マニホールド穴５９周辺の非シール部に新たにシール部６１ｂを設けた点のみが相違する。他の構成はほぼ同一であるため、同一構成箇所に同一符号を付してその説明を省略する。

図１０において、セパレータ５６の下側の面を集電板１７と接触しない面５６ａとし、上側を集電板１７と接触する面５６ｂとする。セパレータ５６は、マニホールド穴５７、５８、５９周辺に流体の漏洩を防止するシール６１が配置され、セパレータ５６は、流体の漏洩を防止するシール６２が配置されている。シール６１は、マニホールド穴５７周辺の一部分には切り欠き６１ａを設け、アノードガスが矢印Ｅで示す方向に流れるようにし、セパレータ５６と集電板１７によって画成される流路と通じるようにした。マニホールド穴５９周辺には新たにシール部６１ｂを設けた。マニホールド穴５７、５８、５９とシール６１との間には第１の表面層６０が形成され、集電板１７の表面層は第２の表面層１７ａとした。第１の表面層６０はセパレータ５６b面全面に施しても良い。本実施の形態では、セパレータ５６と集電板１７によって画成される流路（不図示）にアノードガスを供給し、セパレータ５６と集電板１７との間の腐食を防止した。アノードガスは水素含有ガスとした。シール６１、６２及びシール部６１ｂは、シリコン、ＥＰＤＭ、フッ素系ゴム等の素材にて形成することができる。

本発明の第五実施形態では、セパレータ５６と集電板１７との間に画成される流路にアノードガス流路１８に流れるアノードガス（燃料ガス）として使用されているものを利用するため、流路に容易に酸化防止剤を供給することが可能であり、システムの複雑化による大型化、コスト高を抑えることができる。また、酸化防止剤により金属材料の酸化反応を抑止し、セパレータの穴あきを防止することができる。さらに、セパレータ５６側が電気化学的に貴となる。したがって、異種金属の接触による電食が起こる場合においても集電板１７表面の銀がアノード反応（酸化反応）側となり、セパレータ５６素材が溶出し、穴あきにいたることを抑止する。なお、流路に供給されるアノードガスは燃料であるアノードガスを分岐することで供給し、その後排出されても良いし、アノードガスの系を循環系とし、再度流路に供給しても構わない。なお、本実施の形態において、セパレータ５６はアノードセパレータ又はカソードセパレータのいずれにおいても適用できる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、上記実施の形態の開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解するべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

本発明の第一実施形態に係る燃料電池から構成される燃料電池スタックの外観を示す斜視図である。 燃料電池スタックのII-II線断面図である。 燃料電池スタックのIII-III線断面図である。 図３の部分拡大図である。 本発明の第一実施形態に係る燃料電池を実施した際の時間に対するセパレータ素材又は表面層の腐食の関係を従来の組合せと比較した結果を示すグラフである。 本発明の第二実施形態に係る燃料電池の部分拡大図である。 本発明の第三実施形態に係る燃料電池の部分拡大図である。 本発明の第四実施形態に係る燃料電池の部分拡大図である。 図８の部分拡大図である。 本発明の第五実施形態に係る燃料電池の部分拡大図である。

符号の説明

１０ 燃料電池スタック
１１ 電解質膜
１２ 触媒電極
１３ ガス拡散層
１４ 電解質膜電極接合体
１５ アノードセパレータ
１５ａ，１６ａ 第１の表面層
１６ カソードセパレータ
１６ａ_１、１６ａ_３、１６ａ_５、１６ａ_７、１６ａ_９ 非接触部
１６ａ_２、１６ａ_４、１６ａ_６、１６ａ_８ 接触部
１７ 集電板
１７ａ 第２の表面層
１７ａ_１、１７ａ_３、１７ａ_５、１７ａ_７、１７ａ_９ 非接触部
１７ａ_２、１７ａ_４、１７ａ_６、１７ａ_８ 接触部
１８ アノードガス流路
１９ カソードガス流路
２０ 冷媒流路
２１ 圧縮シール
２２ シール材
２３ シール支持層
２４、２５ 流路

Claims (11)

1. セパレータの第１の表面層と、集電板の第２の表面層とが接触する燃料電池において、
   前記第１の表面層は、前記第２の表面層よりも電気化学的に貴であることを特徴とする燃料電池。
2. 前記セパレータは、前記第１の表面層を含むリブを備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記セパレータは、マニホールド穴とシールとの間に、前記第１の表面層を備えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池。
4. 前記セパレータは、前記第１の表面層に溶接部をもつことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池。
5. 前記第１の表面層は、金、白金、ルテニウム、パラジウム、ロジウム、イリジウム、オスミウム、銀及び銅から選択されたいずれかの金属を含み、
   前記第２の表面層は、銀及び銅から選択されたいずれかの金属を含むことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池。
6. 前記第１の表面層が前記第２の表面層より厚いことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の燃料電池。
7. 前記第１の表面層は、前記第２の表面層に接触する接触部と、前記第２の表面層に接触しない非接触部を有し、前記非接触部は酸化防止剤の流路を画成していることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の燃料電池。
8. 前記酸化防止剤は、前記燃料電池の陽極側の前記非接触部が画成する流路に存在することを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の燃料電池。
9. 前記酸化防止剤は、前記燃料電池の陰極側の前記非接触部が画成する流路に存在することを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の燃料電池。
10. 前記酸化防止剤は、水素含有ガスであることを特徴とする請求項７乃至請求項９のいずれか一項に記載の燃料電池。
11. 前記水素含有ガスは、前記燃料電池の燃料ガスに用いるガスであることを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池。

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