(57)【要約】【課題】セパレータとターミナルプレートの接触抵抗を低下させた燃料電池を提供する。【解決手段】セパレータを両面に配置した単セルを複数積層してなるセルスタック、及び前記セルスタックの両端に配置された一対のターミナルプレートを備え、前記セパレータの前記ターミナルプレートと接する側の表面に、窒化チタンを含む層が形成されており、前記ターミナルプレート表面のビッカース硬度が１３０以上、１８０以下であり、前記セパレータ表面のビーカース硬度が、前記ターミナルプレート表面のビッカース硬度の±５０の範囲内にある燃料電池。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セパレータを両面に配置した単セルを複数積層してなるセルスタック、及び
前記セルスタックの両端に配置された一対のターミナルプレート
を備える燃料電池であって、
前記セパレータの前記ターミナルプレートと接する側の表面に、窒化チタンを含む層が形成されており、
前記ターミナルプレート表面のビッカース硬度が１３０以上、１８０以下であり、
前記セパレータ表面のビーカース硬度が、前記ターミナルプレート表面のビッカース硬度の±５０の範囲内にある
燃料電池。
【請求項２】
前記ターミナルプレートがチタン製であり、前記セパレータがステンレス鋼製である、請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記ターミナルプレートがステンレス鋼製であり、前記セパレータがステンレス鋼製である、請求項１記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電気的に接続された２つの電極に燃料ガス（水素ガス）と酸化剤ガス（酸素ガス）を供給し、電気化学的に燃料の酸化を起こさせることで、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する。この燃料電池は、通常、電解質膜を一対の電極で挟持した膜電極接合体を基本構造とする単セルを複数積層して構成されている。中でも、電解質膜として固体高分子電解質膜を用いた固体高分子電解質型燃料電池は、小型化が容易であること、低い温度で作動すること、などの利点があることから、特に携帯用、移動体用電源として注目されている。
【０００３】
固体高分子電解質型燃料電池において、水素が供給されたアノード（燃料極）では下記（１）式の反応が進行する。
Ｈ2  →  ２Ｈ+  ＋  ２ｅ-    ・・・（１）
【０００４】
上記（１）式で生じる電子は、外部回路を経由し、外部の負荷で仕事をした後、カソード（酸化剤極）に到達する。他方で、上記（１）式で生じたプロトンは、水と水和した状態で、電気浸透により固体高分子電解質膜内をアノード側からカソード側に移動する。
【０００５】
一方、カソードでは下記（２）式の反応が進行する。
２Ｈ+  ＋  １／２Ｏ2  ＋  ２ｅ-  →  Ｈ2Ｏ    ・・・（２）
【０００６】
従って、電池全体では下記（３）式に示す化学反応が進行し、起電力が生じて外部負荷に対して電気的仕事がなされる。
Ｈ2  ＋  １／２Ｏ2  →  Ｈ2Ｏ    ・・・（３）
【０００７】
このように燃料電池においては、水素と酸素の電気化学反応によって水が生成される。また、固体高分子電解質膜タイプの燃料電池では、電解質膜を所定の湿潤状態とする必要上、燃料ガスを水蒸気とともに供給することも行われている。さらには、燃料電池を電気化学反応に適した温度に維持するために、冷却水を循環させることも行われている。
【０００８】
従って、燃料電池の発電単位としての単セルでは、隣り合う単セルを区画するセパレータは、生成水やガス中の水分と接することから、耐食性が必要とされている。そこで、セパレータの表面に窒化チタン（ＴｉＮ）やＳｎ合金の皮膜を形成し、耐食性を高めることが提案されている（特許文献１及び２）。また、単セルを複数積層してなるセルスタックの両端部に配置された、電力取り出し用の一対のターミナルプレートについても、耐食性を高めるために、金メッキを施すことが提案されている（特許文献３）。さらに、単セルが複数積層されたセルスタックの両側に一対のターミナルプレートを有する燃料電池において、耐食性を向上させることも提案されている（特許文献４）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１３−２４３１１３号公報
【特許文献２】特開２０１６−２０１２０５号公報
【特許文献３】特許第５１５７４０５号公報
【特許文献４】特開２００５−２９３８７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
前記の表面に金メッキが施されたターミナルプレートを用いた場合、表面に窒化チタン層が形成されたステンレス鋼製のセパレータとの接触抵抗が高く、改善の余地がある。
【００１１】
本発明は、窒化チタン層が形成されたセパレータとターミナルプレートとの間の接触抵抗を低減させた燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、以下の手段により上記目的を達成するものである。
<１>セパレータを両面に配置した単セルを複数積層してなるセルスタック、及び
前記セルスタックの両端に配置された一対のターミナルプレート
を備える燃料電池であって、
前記セパレータの前記ターミナルプレートと接する側の表面に、窒化チタンを含む層が形成されており、
前記ターミナルプレート表面のビッカース硬度が１３０以上、１８０以下であり、
前記セパレータ表面のビーカース硬度が、前記ターミナルプレート表面のビッカース硬度の±５０の範囲内にある
燃料電池。
<２>前記ターミナルプレートがチタン製であり、前記セパレータがステンレス鋼製である、上記<１>に記載の燃料電池。
<３>前記ターミナルプレートがステンレス鋼製であり、前記セパレータがステンレス鋼製である、上記<１>に記載の燃料電池。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の燃料電池においては、ターミナルプレートのビーカース硬度を、セパレータのビッカース硬度の±５０の範囲内とし、ターミナルプレートのビッカース硬度を１３０以上、１８０以下とすることにより、腐食防止のためにセパレータの表面に配置された窒化チタンがターミナルプレートとセパレータの両者に食い込み、ターミナルプレートとセパレータの間の接触性が向上し、接触抵抗が抑制される。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の燃料電池の説明図である。
【図２】本発明の燃料電池中の単セルの説明図である。
【図３】実施例における接触抵抗の測定構成の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の燃料電池は、
セパレータを両面に配置した単セルを複数積層してなるセルスタック、及び
前記セルスタックの両端に配置された一対のターミナルプレート
を備え、
前記セパレータの前記ターミナルプレートと接する側の表面に、窒化チタンを含む層が形成されており、
前記ターミナルプレートのビッカース硬度が１３０以上、１８０以下であり、
前記セパレータ表面のビーカース硬度が、前記ターミナルプレート表面のビッカース硬度の±５０の範囲内にある。
【００１６】
燃料電池のターミナルプレート（集電板）では、燃料電池内のセルとの接触抵抗を低減させること、及び燃料電池の使用条件下において腐食しないこと、を両立させるために、金等の貴金属でメッキを施すことが従来なされていた。
【００１７】
しかしながら、単セルのセパレータとして、窒化チタン膜を形成したステンレス鋼を用いた場合、金の膜を形成したターミナルプレートとの間において、接触抵抗が高くなるという問題があった。
【００１８】
窒化チタンは非常に硬く（ビッカース硬度１６００Ｈｖ以上）、また導電性が高い（０．０２４ｍΩ・ｃｍ２）ため、窒化チタン膜を形成したセパレータとそのターミナルプレートとを接触させると、窒化チタンはセパレータとターミナルプレートの両者を物理的に突き破って導通を取ることになる。ここで、ターミナルプレートの硬度がセパレータの硬度に比して相対的に低すぎると、窒化チタンがターミナルプレート方向にのみ浸入し、セパレータ側に浸入することができず、結果として接触抵抗が増加する。一方、ターミナルプレートの硬度がセパータの硬度に比して相対的に高すぎると、窒化チタンがターミナルプレート側に浸入することができず、結果として接触抵抗が増加する。
【００１９】
従って、ターミナルプレート表面の硬度とセパレータ表面の硬度の間の差を±５０という範囲内とすることにより、腐食防止のためにセパレータの表面に配置された窒化チタンがセパレータとターミナルプレートの両者に食い込み浸入することができ、接触抵抗をも低減することができる。
【００２０】
以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００２１】
<燃料電池>
図１は、本実施形態の燃料電池の説明図である。図１に示すように、燃料電池１０は、単セル２０を複数積層してなるセルスタック２１を備えている。セルスタック２１の両端部には、窒化チタン層３１、３２が配置され、窒化チタン層３１、３２の外側に電力取り出し用の一対のターミナルプレート４１、４２が配置されている。ターミナルプレート４１、４２の外側は、一対のエンドプレート５１、５２によって固定されている。ターミナルプレート４１、４２とエンドプレート５１、５２の間には、絶縁プレートを配置してもよい。ターミナルプレート４１、４２、及びエンドプレート５１、５２としては、燃料電池において一般に用いられているもの、例えば金属製プレート、を用いることができる。さらにターミナルプレート４１、４２を構成する材料としては、チタン、ステンレス鋼、銅、アルミニウム合金等を用いることができる。
【００２２】
<単セル>
図２は、単セル２０の説明図である。図２に示すように、単セル２０は、固体高分子材料で形成されたプロトン伝導性の電解質膜１１の両面に触媒層１２を形成し、さらに触媒層１２の両面にガス拡散層１３を形成し、それらを一体化してなる膜電極接合体の両面にセパレータ１４を配置したものである。
【００２３】
電解質膜１１、触媒層１２、ガス拡散層１３としては、燃料電池に一般に用いられるものを用いることができる。電解質膜１１は、例えば、ナフィオン（商品名）に代表されるパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂膜等のフッ素系高分子電解質や、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルホン等の炭化水素系高分子にスルホン酸基、リン酸基、水酸基等のプロトン伝導性基を導入した炭化水素系高分子電解質等を膜状に成形したものを用いることができる。触媒層１２は、例えば、白金等の触媒を担持した多孔質のカーボン素材により形成される。ガス拡散層１３は、例えば、カーボンペーパやカーボンクロス等のカーボン多孔体や金属メッシュ等のガス透過性を有する導電性部材によって形成される。
【００２４】
セパレータ１４は、その一面側がガス拡散層１３と接し、他面側が隣接する他の単セルのセパレータの他面側と接して複数の単セルを構成する。セパレータ１４としては、例えば、金属材料を用いた金属セパレータ等を用いることができ、金属材料としては、例えばステンレス鋼、チタン、アルミニウム合金を用いることができる。
【００２５】
本発明においては、図１に示すように、セパレータ１４のターミナルプレート４１と接する側の表面には、窒化チタン層３１、３２が設けられている。この窒化チタン層は、図示していないが、セパレータ１４のターミナルプレート４１と接する表面のみならず、セルスタック中の単セルのセパレータと隣接する単セルのセパレータの間にも配置してよい。
【００２６】
セパレータ１４の表面に窒化チタン層３１、３２を形成する方法は特に限定しないが、スプレー法等を用いることができる。窒化チタン粒子とバインダーとなる熱硬化性樹脂を配合したものをスプレーによりセパレータ１４に突きつけ、樹脂が硬化する所定の温度まで昇温させることにより、セパレータ表面に窒化チタン層が形成される、また、一般的なメッキ法や物理的気相成長法（ＰＶＤ法）等の他の方法も用いることができる。
【００２７】
この窒化チタン層は、好ましくは１〜１０μｍの厚みを有する。窒化チタン層が前記範囲の厚みを有することにより、より安定して耐食性を発揮し、接触抵抗を低減することができる。
【００２８】
本発明の燃料電池においては、単セル２０を複数積層してなるセルスタック２１の両端部のセパレータと接するターミナルプレート４１、４２のビッカース硬度が、１３０以上、１８０以下であり、セパレータ表面のビッカース硬度がターミナルプレート表面のビッカース硬度の±５０の範囲内にあることを特徴としている。例えば、セパレータとしてステンレス鋼（ビッカース硬度：１８０Ｈｖ）を用いる場合、ターミナルプレートとしては、１３０〜２３０Ｈｖのビッカース硬度を有する材料、すなわちチタン（ビッカース硬度：１３０）又はステンレス鋼（ビッカース硬度：１８０Ｈｖ）を用いる。なお、このビッカース硬度は、ビッカース硬度計により測定した値である。
【００２９】
ターミナルプレートのビッカース硬度を１３０以上、１８０以下とし、セパレータ表面の硬度とターミナルプレート表面の硬度の間の差を±５０という範囲内とすることにより、腐食防止のためにセパレータの表面に配置された窒化チタンがセパレータとターミナルプレートの両者に食い込み浸入することができ、ターミナルプレートとセパレータの間の接触抵抗をも低減することができる。
【００３０】
本発明の燃料電池において、ターミナルプレートとセパレータの間の接触抵抗は、好ましくは７０ｍΩ・ｃｍ２以下、より好ましくは５０ｍΩ・ｃｍ２以下である。
【実施例】
【００３１】
<実施例１>
ステンレス鋼（ＳＵＳ３１６Ｌ）プレート（３６×３６ｍｍ）にスプレー法により厚さ１〜５μｍの窒化チタン層を形成し、これをセパレータとして準備した。一方、ターミナルプレートとして、ビッカース硬度が１３０Ｈｖであるチタンプレート（３６×３６ｍｍ）を準備した。なお、このビッカース硬度は、ビッカース硬度計（ＨＭＶ−Ｇ２１、島津製作所製）により測定した値である。
【００３２】
このセパレータとターミナルプレートとの間の接触抵抗を、図３に示すようにして測定した。すなわち、一対の電極３３の間に、ターミナルプレート３４と、窒化チタン層を設けたセパレータ３５を、窒化チタン層がターミナルプレート３４とセパレータ３５の間に配置されるように挟み、単位面積あたり１ＭＰａの荷重を負荷して定電流下における電圧を測定し、セパレータとターミナルプレートとの間の抵抗を算出した。
【００３３】
<実施例２>
ターミナルプレートとして、ビッカース硬度が１８０Ｈｖであるステンレス鋼（ＳＵＳ３１６Ｌ）プレートを用いることを除き、実施例１と同様にして接触抵抗を測定した。
【００３４】
<比較例１>
ターミナルプレートとして、ビッカース硬度が２０Ｈｖである銅プレートを用いることを除き、実施例１と同様にして接触抵抗を測定した。
【００３５】
<比較例２>
ターミナルプレートとして、ビッカース硬度が６１３Ｈｖであるカーボングラファイト（Ｔ６）プレートを用いることを除き、実施例１と同様にして接触抵抗を測定した。
【００３６】
以上の結果を以下の表１にまとめる。
【表１】
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【００３７】
この結果が示すように、同一のセパレータに対して、ビッカース硬度の異なるターミナルプレートとの間の接触抵抗は、ビッカース硬度を所定の範囲とすることにより低下させることができる。
【符号の説明】
【００３８】
１０    燃料電池
１１    電解質膜
１２    触媒層
１３    ガス拡散層
１４    セパレータ
２０    単セル
２１    セルスタック
３１、３２    窒化チタン層
３３    電極
３４    ターミナルプレート
３５    セパレータ
４１、４２    ターミナルプレート
５１    エンドプレート
５２    エンドプレート
【図１】
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【図２】
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【図３】
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