(57)【要約】【課題】酸化性環境下におけるセパレータと電極との間の接触抵抗を低い値に維持し、耐食性に優れ、かつ低コスト化した燃料電池、燃料電池スタック及び燃料電池車両を提供する。【解決手段】固体高分子電解質膜２と、この固体高分子電解質膜２の一方の面に配置された酸化剤極３と、固体高分子電解質膜２の他方の面に配置された燃料極４と、酸化剤極３を覆う第１のセパレータ５と、燃料極４を覆う第２のセパレータ６を有する燃料電池１であって、第１及び第２のセパレータ５、６は遷移金属又は遷移金属を主成分とする合金の基材からなり、かつ、第１のセパレータ４は表面処理が施された第１の表層５ａを有し、第２のセパレータ６は表面処理が施された第２の表層６ａを有することを特徴とする燃料電池。【選択図】図１
2006252974.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜の一方の面に配置された酸化剤極と、前記固体高分子電解質膜の他方の面に配置された燃料極と、前記酸化剤極を覆う第１のセパレータと、前記燃料極を覆う第２のセパレータを有する燃料電池であって、
前記第１及び第２のセパレータは遷移金属又は遷移金属を主成分とする合金の基材からなり、かつ、前記第１のセパレータは表面処理が施された第１の表層を有し、前記第２のセパレータは表面処理が施された第２の表層を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記第１及び第２のセパレータは、基材としてＦｅを主成分とし、Ｃｒと、少なくともＮｉ又はＭｏのいずれかの元素と、を含有するステンレス鋼を用いており、少なくとも前記第１の表層は、Ｆｅを主成分として、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉ及びＭｏの中から選択される遷移金属原子によって形成された面心立方格子の単位胞中心の八面体空隙に窒素原子が配置されたＭ４Ｎ型格子構造の窒化層であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記第１及び第２の表層は、前記Ｍ４Ｎ型格子構造の窒化層であり、前記第１の表層の窒素含有量が、前記第２の表層の窒素含有量より多い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。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載された燃料電池を積層してなり、隣り合う燃料電池の第１のセパレータと第２のセパレータとにより冷却水流路が形成されていることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項５】
請求項４記載の燃料電池スタックを搭載し、これを動力源として用いたことを特徴とする燃料電池車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池、燃料電池スタック、及び燃料電池車両に関し、特にステンレス鋼を用いて形成した固体高分子電解質型の燃料電池、燃料電池スタック、及び燃料電池車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
地球環境保護の観点から、燃料電池を自動車の内燃機関に代えて作動するモーターの電源として利用し、このモーターにより自動車を駆動することが検討されている。この燃料電池は、資源の枯渇問題を有する化石燃料を使う必要がないため排気ガス等を発生することがない。また、燃料電池は騒音がほとんど発生せず、更にはエネルギーの回収効率も他のエネルギー機関と比べて高くすることが可能である等の優れた特徴を有している。
【０００３】
燃料電池は、使用される電解質の種類に応じて、固体高分子電解質型、リン酸型、溶融炭酸塩型及び固体酸化物型等がある。そのうちの一つである固体高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ：Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）は、電解質として分子中にプロトン交換基を有する高分子電解質膜を使用して、高分子電解質膜を飽和に含水させるとプロトン伝導性電解質として機能することを利用した電池である。固体高分子電解質型燃料電池は比較的低温で作動し、かつ発電効率が高い。更には、固体高分子電解質型燃料電池は他の付帯設備と共に小型で軽量であるため、電気自動車搭載用を始めとする各種の用途が見込まれている。
【０００４】
上記固体高分子電解質型燃料電池は燃料電池スタックを有する。燃料電池スタックは、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個積層して両端部をエンドフランジで挟み、締結ボルトにより加圧保持されて一体に構成される。単セルは、高分子電解質膜とその両側に接合されるアノード（燃料極）とカソード（酸化剤極）により構成される。
【０００５】
図８は、燃料電池スタックを形成する単セルの構成を示す断面図である。図８に示すように、単セル６０は、固体高分子電解質膜６１の両側に酸化剤極６２及び燃料極６３を接合して一体化した膜電極接合体を有する。酸化剤極６２及び燃料極６３は、反応膜６４及びガス拡散層６５（ＧＤＬ:ｇａｓ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｌａｙｅｒ）を備えた２層構造であり、反応膜６４は固体高分子電解質膜６１に接触している。酸化剤極６２及び燃料極６３の両側には、積層のために酸化剤極側セパレータ６６及び燃料極側セパレータ６７が各々設置されている。そして、酸化剤極側セパレータ６６及び燃料極側セパレータ６７により、酸化剤ガス流路、燃料ガス流路及び冷却水流路が形成されている。
【０００６】
上記構成の単セル６０は、固体高分子電解質膜６１の両側に酸化剤極６２、燃料極６３を配置して、通常、ホットプレス法により一体に接合して膜電極接合体を形成し、次に膜電極接合体の両側にセパレータ６６、６７を配置して製造する。上記単セル６０から構成される燃料電池では、燃料極６３側に、水素、二酸化炭素、窒素、水蒸気の混合ガスを供給し、酸化剤極６２側に空気及び水蒸気を供給すると、主に、固体高分子電解質膜６１と反応膜６４との間の接触面において電気化学反応が起こる。以下、より具体的な反応について説明する。
【０００７】
上記構成の単セル６０において、酸化剤ガス流路及び燃料ガス流路に酸化剤ガス及び燃料ガスが各々供給されると、酸化剤ガス及び燃料ガスが各ガス拡散層６５を介して反応膜６４側に供給され、各反応膜６４において以下に示す反応が起こる。
【０００８】
燃料極側：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ-          ・・・式（１）
酸化剤極側：(１／２)Ｏ2＋２Ｈ+ ＋ ２ｅ-→Ｈ2Ｏ    ・・・式（２）
燃料極６３側に燃料ガスが供給されると、式（１）の反応が進行して、Ｈ+ とｅ-とが生成する。Ｈ+は、水和状態で固体高分子電解質膜６１内を移動して酸化剤極６２側に流れ、ｅ- は負荷６８を通って燃料極６３から酸化剤極６２に流れる。酸化剤極６２側では、Ｈ+とｅ-と供給された酸素ガスとにより、式（２）の反応が進行して、電力が生成する。
【０００９】
上述したように、燃料電池用セパレータは各単セル間を電気的に接続する機能を有するため、導電性が良く、かつガス拡散層等の構成材料との接触抵抗が低いことが要求される。また、固体高分子型電解質膜は、スルホン酸基を多数有する高分子から形成されており、湿潤状態においてスルホン酸基をプロトン交換として用いるため、プロトン伝導性を有する。固体高分子型電解質膜は強酸性であるため、燃料電池用セパレータにはｐＨ２〜３程度の硫酸酸性に対する耐食性が要求される。さらに、燃料電池に供給される各ガスの温度は８０〜９０[℃]と高温であり、また、燃料極ではＨ+が生じるだけでなく、酸素や空気等が通過する酸化剤極は、標準燃料極電位に対して０．６〜１[ＶvsＳＨＥ]程度の電位が負荷される酸化性環境下にある。このため、酸化剤極及び燃料極と同様に、燃料電池用セパレータには強酸性雰囲気下で耐え得る耐食性が要求される。なお、ここで要求される耐食性とは、燃料電池用セパレータが強酸性の酸化環境下においても導電性能を維持できる耐久性を意味する。つまり、カチオンが加湿水又は式（２）の反応により生成した水に溶け出すことにより、カチオンが本来プロトンの通り道となるべきスルホン酸基と結合してスルホン酸基を占有し、電解質膜の発電特性を劣化させる環境で、耐食性を評価する必要がある。
【００１０】
そこで、燃料電池用セパレータには、導電性が良く耐食性に優れたステンレス鋼あるいは工業用純チタン等のチタン材を使用する試みがなされている。ステンレス鋼には、その表面にクロムを主金属元素とした酸化物、水酸化物又はこれらの水和物等の緻密な不動態皮膜が形成されている。チタンも同様に、その表面に酸化チタン、水酸化チタン又はこれらの水和物等の緻密な不動態皮膜が形成されている。このため、ステンレス鋼やチタンは耐食性が良好である。
【００１１】
しかし、上記した不動態皮膜は、通常ガス拡散層として用いられるカーボンペーパとの間で接触抵抗を生じる。燃料電池内の抵抗分極による過電圧は、定置型用途ではコージェネレーション等により排熱を回収できるため、トータルとしての熱効率が向上する。一方、自動車用用途では、接触抵抗に基づく発熱ロスは冷却水を通してラジエータから外部に捨てるしかないため、接触抵抗が大きくなると発電効率の低下に繋がる。また、発電効率低下は発熱が大きくなることと等価であり、より大きな冷却系を装備する必要性が生じるため、接触抵抗の増大は解決すべき重要な課題となっている。
【００１２】
燃料電池では、単位セル当りの理論的な電圧は１．２３[Ｖ]となるが、反応分極、ガス拡散分極、抵抗分極により実際に取り出せる電圧が降下し、取り出す電流が大きくなるほど電圧は降下する。また、自動車用用途では、単位体積・重量当りの出力密度を大きくしたいことから、定置用より高電流密度側、例えば、電流密度１[Ａ／ｃｍ２]で使用される。電流密度が１[Ａ／ｃｍ２]の時には、セパレータとカーボンペーパ間の接触抵抗が４０[ｍΩ・ｃｍ２]以下であれば接触抵抗による効率低下がおさえられると考えられている。
【００１３】
そこで、ステンレス鋼をプレス成形した後、電極との接触面に直接金めっき層を形成した燃料電池用セパレータが開示されている（特許文献１参照）。また、ステンレス鋼を成形して燃料電池用セパレータの形状に加工した後、電極との接触により接触抵抗を生じる面の不動態皮膜を除去して、貴金属又は貴金属合金を付着させた燃料電池用セパレータが開示されている（特許文献２参照）。
【特許文献１】特開平１０−２２８９１４号公報（第２頁、第２図）
【特許文献２】特開２００１−６７１３号公報（第２頁）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、貴金属を燃料電池用セパレータ表面にコーティングすると手間がかかる上、コストの増加につながる。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
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、第１の発明である燃料電池は、固体高分子電解質膜と、この固体高分子電解質膜の一方の面に配置された酸化剤極と、前記固体高分子電解質膜の他方の面に配置された燃料極と、酸化剤極を覆う第１のセパレータと、燃料極を覆う第２のセパレータを有する燃料電池であって、第１及び第２のセパレータは遷移金属又は遷移金属を主成分とする合金の基材からなり、かつ、第１のセパレータは表面処理が施された第１の表層を有し、第２のセパレータは表面処理が施された第２の表層を有することを要旨とする。
【００１６】
また、第２の発明である燃料電池スタックは、上記第１の発明である燃料電池を積層してなり、隣り合う燃料電池の第１のセパレータと第２のセパレータとで冷却水流路を形成したことを要旨とする。
【００１７】
さらに、第３の発明である燃料電池車輌は、上記第２の発明である燃料電池スタックを搭載し、これを動力源として用いたことを要旨とする。
【発明の効果】
【００１８】
第１の発明によれば、セパレータと電極間で発生する接触抵抗が低く、かつ低コストの燃料電池を提供することができる。
【００１９】
第２の発明によれば、発電性能に優れ、小型化かつ低コスト化した燃料電池スタックを提供することができる。
【００２０】
第３の発明によれば、小型化した燃料電池スタックを搭載することにより、走行距離の長距離化を実現できると共にスタイリングの自由度を確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態に係る燃料電池、燃料電池スタック、及び燃料電池車両について説明する。
【００２２】
（燃料電池及び燃料電池スタック）
図１は、本発明の実施の形態に係る燃料電池スタックを構成する燃料電池の積層方向に沿う断面図である。図２は、本発明の実施の形態に係る燃料電池用セパレータを用いて構成した燃料電池スタックの外観を示す斜視図である。
【００２３】
図１に示すように、燃料電池１は、固体高分子電解質膜２と、固体高分子電解質膜２の一方の面に配置された酸化剤極３と、固体高分子電解質膜２の他方の面に配置された燃料極４と、酸化剤極３を覆う酸化剤極側セパレータ（第１のセパレータ）５と、燃料極４を覆う燃料極側セパレータ（第２のセパレータ）６とを有する。固体高分子型電解質膜としては、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体膜（Nafion1128（登録商標）、デュポン株式会社）等を使用することができる。酸化剤極３及び燃料極４は、固体高分子電解質膜２に接合された白金担持カーボンの触媒層である酸化剤極３及び燃料極４の外側には、それぞれ酸化剤ガス拡散層（不図示）及び燃料ガス拡散層（不図示）が配置されている。酸化剤ガス拡散層及び燃料ガス拡散層は、カーボン繊維を用いて形成されており、カーボンクロス、カーボンペーパ等と呼ばれている多孔質炭素膜である。この多孔質炭素膜は、直径１０〜５０［μｍ］程度の空孔を有しており、それぞれ水素を含有する燃料ガス、及び酸素を含有する酸化剤ガス等の反応ガスの拡散を最適化し、反応ガスと各電極中の触媒との接触を容易にする。また、各ガス拡散層は導電性を有し、酸化剤極３及び燃料極４とそれぞれ電気的に接続されている。酸化剤ガス拡散層及び燃料ガス拡散層の両側には、酸化剤極側セパレータ５と燃料極側セパレータ６とが各々配置され、酸化剤ガス拡散層と酸化剤極側セパレータ５との間に酸化剤ガス流路７を、また、燃料ガス拡散層と燃料極側セパレータ６との間に燃料ガス流路８が形成される。さらに、隣り合う燃料電池の酸化剤極側セパレータ５と燃料極側セパレータ６とにより冷却水流路９が形成されている。各酸化剤極側セパレータ５及び燃料極側セパレータ６は、遷移金属又は遷移金属を主成分とする合金の基材からなり、プレス加工により各酸化剤極側セパレータ５と燃料極側セパレータ６の表面には断面矩形状の燃料又は酸化剤の通路が形成されている。図２に示すように、燃料電池スタック１０は、燃料電池ＦＣｎ−１、ＦＣ、ＦＣｎ＋１を複数個積層して構成され、積層した後、両端部にエンドフランジ（不図示）を配置して、外周部を締結ボルト（不図示）により締結して構成する。また、燃料電池スタック１０には、各燃料電池１に水素ガス等の水素を含有する燃料ガスを供給するための水素供給ラインと、酸化剤ガスとして空気を供給する空気供給ラインと、冷却水を供給する冷却水供給ラインが設けられている。
【００２４】
図３（ａ）は、酸化剤極側セパレータ５の模式的断面図、図３（ｂ）は、燃料極側セパレータ６の模式的断面である。図３（ａ）に示すように、酸化剤極側セパレータ５は、基材に表面処理が施されることにより、基層５ｃの両面に第１の表層５ａと裏層５ｂとを有する。また、図３（ｂ）に示すように、燃料極側セパレータ６は、基材に表面処理が施されることにより、基層６ｃの両面に第１の表層６ａと裏層６ｂとを有する。各基層５ｃ及び６ｃは、例えばＦｅを主成分とし、Ｃｒと、少なくともＮｉ又はＭｏのいずれかの元素と、を含有するステンレス鋼から形成される。このような元素を含有するステンレス鋼として、オーステナイト系、オーステナイト・フェライト系、析出硬化系のステンレス鋼が挙げられる。これらの中でも、基層１３は、特にオーステナイト系ステンレス鋼から形成することが好ましい。オーステナイト系ステンレス鋼としては、例えば、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１０Ｓ、ＳＵＳ３１６Ｌ、ＳＵＳ３１７Ｊ１、ＳＵＳ３１７Ｊ２、ＳＵＳ３２１、ＳＵＳ３２９Ｊ１、ＳＵＳ８３６等が挙げられる。
【００２５】
第１の表層は、Ｆｅを主成分とし、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉ及びＭｏの中から選択される遷移金属原子によって形成された面心立方格子の単位胞中心の八面体空隙に窒素原子が配置されたＭ４Ｎ型格子構造の窒化層である。Ｍ４Ｎ型格子構造を図４に示す。図４に示すように、Ｍ４Ｎ型格子構造２０は、Ｆｅを主成分として、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉ及びＭｏの中から選択される遷移金属原子２１によって形成された面心立方格子の単位胞中心の八面体空隙に窒素原子２２が配置された構造である。このＭ４Ｎ型格子構造２０において、Ｍは、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉ及びＭｏの中から選択される遷移金属原子２１を表し、Ｎは窒素原子２２を表す。窒素原子２２はＭ４Ｎ型格子構造２０の単位胞中心の八面体空隙の１／４を占有する。すなわち、Ｍ４Ｎ型格子構造２０は、遷移金属原子２１の面心立方格子の単位胞中心の八面体空隙に窒素原子２２が侵入した侵入型固溶体であり、立方晶の空間格子で表すと、窒素原子２２は各単位胞の格子座標（１／２，１／２，１／２）に位置する。また、このＭ４Ｎ型結晶構造２０では、遷移金属原子Ｍ２１はＦｅを主体としているが、ＦｅがＣｒ、Ｎｉ、Ｍｏなどの他の遷移金属原子と一部置換した合金も含む。
【００２６】
この窒化層は、遷移金属原子間の金属結合を保ったまま遷移金属原子と窒素原子の間で強い共有結合性を示すことにより、窒化層中の各遷移金属原子の酸化に対する反応性が低下する。このため、窒化層は、上述したような燃料電池内の酸化性環境下においても化学的安定であり、この窒化層を有する燃料電池用セパレータは、化学的に安定で耐久性に優れており、セパレータと電極間で発生する接触抵抗が低く抑えることが可能となる。また、燃料電池スタック内のような酸化性環境下に置かれても、燃料電池として通常使用されるカーボンペーパとの間の接触抵抗を低く維持できる。また、従来のように、電極と接触する面に直接金メッキ層を施さなくても接触抵抗を抑えることができるため、低コスト化を実現することが可能となる。
【００２７】
この窒化層は、遷移金属又は遷移金属の合金からなる基材表面に、プラズマ窒化、プラズマＣＶＤ又はラジカル窒化処理を施すことにより形成される。プラズマ窒化処理は、被処理物を陰極とし、直流電圧を印加してグロー放電、すなわち、低温非平衡プラズマを発生させてガス成分の一部をイオン化し、この非平衡プラズマ中のイオン化したガス成分が被処理物表面へ高速加速衝突することで被処理物表面を窒化する方法である。プラズマ窒化では、イオン衝撃によるスパッタリング作用により基材表面の不動態皮膜を容易に除去できるために、強固な酸化物不動態膜を表面に生成する金属材料に適した窒化方法である。また、通常のガス窒化や塩浴窒化では、窒化層の数〜数十［ｎｍ］オーダの最表層では酸化が起きて酸素リッチとなり、数〜数十［ｎｍ］オーダの絶縁性酸化物が形成されるため、燃料電池として通常使用されるカーボンペーパとの間の接触抵抗が増大する。これに対し、本発明のようにプラズマ窒化の手法を用いた窒化層では、金属材料表面の酸素を除去しながら窒化反応を進めることができるため、窒化後の金属材料の最表層の酸素レベルを十分に低く抑えることが可能となる。さらに、カーボンペーパとの間の接触抵抗を、燃料電池として好適となるように低い値に維持することが可能となる。つまり、燃料電池として通常使用されるカーボンペーパとの間の接触抵抗を、燃料電池として好適なように低く抑えることが可能となる。
【００２８】
酸化剤極側セパレータ５と燃料極側セパレータ６とでは、使用される条件が異なっているため、要求される耐食性の程度が異なる。すなわち、酸化剤極側セパレータでは、０．６〜１[ＶvsＳＨＥ]、酸素存在・酸性湿潤環境下での耐食性が必要とされ、燃料極側セパレータでは０〜０．２[ＶvsＳＨＥ]、脱酸素・酸性湿潤環境下での耐食性が必要とされる。そして、各環境下において、表面導電性という機能を維持するために十分な化学的安定性が必要である。このように、酸化剤極側セパレータ５の酸化剤ガス流路を形成する方の面である第１の表層５ａは、第２の表層６ａよりも耐食性が要求されるため、少なくとも第１の表層５ａのＭ４Ｎ型格子構造の窒化層であることが好ましい。また、燃料電池スタック１０において、隣合う燃料電池１の第１の裏層５ｂ及び第２の裏層６ｂとにより冷却水流路９が形成されており、この冷却水流路９に接する側には第１の表層５ａ及び第２の表層６ａほどの耐食性を必要としないことから、第１の裏層５ｂ及び第２の裏層６ｂは上記窒化層が形成されていなくても良い。窒化処理を施さない場合、上記したように基材表面には不動態膜が形成されているため、第１の裏層５ｂ及び第２の裏層６ｂに使用環境下における耐食性は良好である。
【００２９】
なお、図５（ａ）、図５（ｂ）に示す他の例の酸化剤極側セパレータ３５及び燃料極側セパレータ３６の模式的な断面図のように、酸化剤極側セパレータ３５及び燃料極側セパレータ３６が同じ基材に表面処理が施されることにより形成されていても良い。この場合、酸化剤極側セパレータ３５の基層３５ｃの片面に形成された第１の表層３５ａと、燃料極側セパレータ３６の基層３６ｃの片面に形成された第２の表層３６ａとが、それぞれ上記Ｍ４Ｎ型格子構造の窒化層であっても良い。この場合、第１の表層３５ａの窒素含有量が、第２の表層３６ａの窒素含有量より多いことが好ましい。Ｍ４Ｎ型格子構造の窒化層において窒素含有量が高いと、化学的に安定であり、耐食性が向上するためである。また、裏層３５ｂと裏層３６ｂは、Ｍ４Ｎ型格子構造の窒化層であっても良いし、表面改質を行わなくても良い。
【００３０】
また、酸化剤極側セパレータと燃料極側セパレータにおいて、第１の表層及び第２の表層中に含まれるＦｅに対するＣｒ原子比が高い場合には、第１の表層及び第２の表層中に含まれる窒素が第１の表層及び第２の表層のＣｒと結びついてＣｒＮなどのＣｒ系窒化物、すなわちＮａＣｌ型の窒素化合物が主成分となる。この場合、第１の表層及び第２の表層中にＣｒの欠乏組織ができ、この欠乏組織により第１の表層及び第２の表層の耐食性が低下するため、Ｍ４Ｎ型格子構造において、遷移金属原子はＦｅを主体とすることが好ましい。
【００３１】
このように、本発明の実施の形態に係る燃料電池は、固体高分子電解質膜と、固体高分子電解質膜の一方の面に配置された酸化剤極と、固体高分子電解質膜の他方の面に配置された燃料極と、酸化剤極を覆う第１のセパレータと、燃料極を覆う第２のセパレータを有する燃料電池であって、第１及び第２のセパレータは遷移金属又は遷移金属を主成分とする合金の基材からなり、かつ、第１のセパレータは表面処理が施された第１の表層を有し、第２のセパレータは表面処理が施された第２の表層を有するため、セパレータと電極間で発生する接触抵抗が低くかつ低コストの燃料電池を提供することができる。また、本発明の実施の形態に係る燃料電池スタックは、本発明の実施の形態に係る燃料電池を用いたことにより、発電性能に優れ、小型化かつ低コスト化した燃料電池スタックを提供することができる。
【００３２】
（燃料電池車両）
本発明の実施の形態に係る燃料電池車両の一例として、前述した本発明の実施の形態に係る燃料電池スタックを動力源とした燃料電池電気自動車を挙げて説明する。
【００３３】
図６は、燃料電池スタック１０を搭載した燃料電池電気自動車の外観を示す図である。図６（ａ）は燃料電池電気自動車４０の側面図、図６（ｂ）は燃料電池電気自動車４０の上面図である。図６（ｂ）に示すように、車体４１前方には、左右のフロントサイドメンバとフードリッジのほか、フロントサイドメンバを含む左右のフードリッジ同士を互いに連結するダッシュロア部材をそれぞれ組み合わせて溶接接合したエンジンコンパートメント部４２を形成している。図６（ａ）及び（ｂ）に示す燃料電池電気自動車４０では、エンジンコンパートメント部４２内に燃料電池スタック１０を搭載している。
【００３４】
本発明の実施の形態に係る燃料電池を適用した発電効率の高い燃料電池スタック１０を自動車等の移動体車両に搭載することにより、燃料電池電気自動車の燃費向上を図ることができる。また、小型化した軽量の燃料電池スタック１０を車両に搭載することにより、車両重量を低減して省燃費化を図ることができ、走行距離の長距離化を図ることができる。さらに、小型化した燃料電池を移動体車両等に搭載することにより、車室内空間をより広く活用することができ、スタイリングの自由度を高めることができる。
【００３５】
なお、燃料電池車両の一例として電気自動車を挙げたが、本発明は電気自動車等の車両に限定されるものではなく、電気エネルギが要求される航空機その他の機関にも適用することが可能である。
【実施例】
【００３６】
以下、本発明に係る燃料電池用セパレータの実施例１、２及び比較例１について説明する。これらの実施例は、本発明に係る燃料電池の有効性を調べたもので、同一種のステンレス鋼に対して、異なる条件下で処理を施すことによって生成した燃料電池の例を示したものである。
【００３７】
＜試料の調製＞
各実施例では、ＪＩＳにて規定されるＳＵＳ３１６Ｌについて、厚さ０.１[ｍｍ]の真空焼鈍材を脱脂洗浄後、両面に表面改質処理を施した。表１に、表面改質方法と改質時の基材温度を示す。実施例１、２の酸化剤極条件試料及び比較例１では処理温度４５０〜５５０[℃]、処理時間６０[分]、ガス混合比Ｎ２：Ｈ２＝１：１、処理圧力４[Ｔｏｒｒ]（＝５３２[Ｐａ]）の範囲でプラズマ窒化処理を施した。実施例２の燃料極条件試料ではプラズマ窒化処理を施さずに脱不動態化処理を施した。脱不動態化処理としては、酸性水溶液中で脱不動態を起こすような、例えば２５[ｍＡ／ｃｍ２]の電位負荷をかけた定電流電解、又はｐＨ１を切るような強酸に浸漬する方法を用いた。
【表１】
2006252974.tif 000003
【００３８】
ここで、各試料は、以下の方法によって評価された。
【００３９】
＜窒化層の同定＞
上記方法によって得られた試料の窒化層の同定は、窒化処理を施した表面のＸ線回折測定を行うことにより同定した。装置は、マックサイエンス社製 Ｘ線回折装置（ＸＲＤ）を用いた。測定は、線源はＣｕＫα線、回折角２０〜１００[゜]、スキャン速度２[゜／ｍｉｎ]の条件で行った。
【００４０】
＜窒素量の定量＞
窒化層の窒素量は、オージェ電子分光分析の深さ方向プロファイルにより、深さ１００〜２００[ｎｍ]間の測定値を平均した。装置は、ＰＨＩ社製 MODEL4300を用いた。測定は、電子線加速電圧５[ｋＶ]、測定領域２０[μｍ]×１６[μｍ]、イオン銃加速電圧３[ｋＶ]、スパッタリングレート１０[ｎｍ／ｍｉｎ]（ＳｉＯ２換算値）の条件で行った。
【００４１】
＜接触抵抗値の測定＞
上記実施例１、２及び比較例１で得られた試料を３０[ｍｍ]×３０[ｍｍ]の大きさに切り出して、電気化学的な手法である定電位電解試験を行った後に接触抵抗値を測定し、燃料電池スタック内で燃料電池用セパレータが曝される環境を模擬して耐食性を評価した。定電位電解試験は、酸化剤極条件は、ｐＨ４の硫酸水溶液で、大気平衡下、温度８０[℃]、電位０．８[ＶvsＳＨＥ]、保持する一定時間を１００[時間]とした。また、燃料極条件では、Ｎ２脱気下、温度８０[℃]、電位０．２[ＶvsＳＨＥ]、保持する一定時間を１００[時間]とした。接触抵抗値の測定には、アルバック理工製 圧力負荷接触電気抵抗測定装置  TRS-2000SS型を用いた。そして、図７（ａ）に示すように、電極５１とサンプル５２との間にカーボンペーパ５３を介在させて、図７（ｂ）に示すように、電極５１a／カーボンペーパ５３ａ／サンプル５２／カーボンペーパ５３ｂ／電極５１ｂの構成とした。そして、測定面圧１．０[ＭＰａ]にて１[Ａ／ｃｍ２]の電流を流した際の電気抵抗を２回測定し、各電気抵抗の平均値を求めて接触抵抗値とした。カーボンペーパは、カーボンブラックで担持した白金触媒を塗布したカーボンペーパ（東レ（株）製カーボンペーパ  TGP-H-090  厚さ０．２６[ｍｍ]、かさ密度０．４９[ｇ／ｃｍ３]、空隙率７３[％]、厚さ方向体積抵抗率０．０７[Ω・ｃｍ２]）を用いた。電極は、直径φ２０のＣｕ製電極を用いた。接触抵抗値の測定は２回行い、その平均値とした。
【００４２】
下表２に酸化剤極条件下の実施例１、２及び比較例１の窒化層の結晶構造、窒化層中の窒素含有量及び電解試験後の接触抵抗値を、下表３に燃料極条件下での実施例１、２及び比較例１の窒化層の結晶構造、窒化層中の窒素含有量及び電解試験後の接触抵抗値を示す。
【表２】
2006252974.tif 000004
【表３】
2006252974.tif 000005
【００４３】
表２に示すように、プラズマ窒化を行った実施例１、２及び比較例１のいずれにおいても低い接触抵抗値を示し、耐食性に優れていることがわかった。比較例１では、窒化温度が高かったため一部ＣｒＮが析出したが、酸化剤極条件下では耐食性の低下に繋がらなかった。これに対し、表３に示す燃料極条件で電解試験を行った場合、比較例１では高い接触抵抗値を示し、燃料極条件下では耐食性が低下することがわかった。また、実施例２の燃料極側では窒化層が形成されておらず、脱不動態化処理を行っただけであるが、電解試験後の接触抵抗値が基準となる４０[ｍΩ・ｃｍ２]であり、燃料極側では窒化処理を行わなくても充分な耐食性が得られることがわかった。この理由は、脱不動態化処理により、緻密で薄い強固な不動態皮膜が形成されたためと考えれらる。
【００４４】
以上より、酸化剤極側と燃料極側の両方の表面に窒化処理を施さなくても低い接触抵抗値と耐久性が得られることがわかった。このようにプラズマ窒化という簡便な操作により窒化処理ができることから、簡便で低コスト化を実現した簡便な操作により、酸化性環境下での低抵触抵抗値を維持し、耐食性に優れ、かつ低コスト化を実現した燃料電池を得ることができることがわかった。さらに、接触抵抗値が低いため、単位セル当りの起電力が高く、起電力の高い燃料電池スタックを形成することが可能となることがわかった。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の実施の形態に係る燃料電池スタックを構成する燃料電池の積層方向に沿う断面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る燃料電池用セパレータを用いて構成する燃料電池スタックの外観を示す斜視図である。
【図３】（ａ）酸化剤極側セパレータの模式的な断面図である。（ｂ）燃料極側セパレータの模式的な断面図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る燃料電池の第一の表層に含まれるＭ４Ｎ型格子構造を示す模式図である。
【図５】（ａ）他の例の酸化剤極側セパレータの模式的な断面図である。（ｂ）他の例の燃料極側セパレータの模式的な断面図である。
【図６】本発明の実施の形態に係る燃料電池スタックを搭載した電気自動車の外観を示す図であり、（ａ）は電気自動車の側面図、（ｂ）は電気自動車の上面図である。
【図７】（ａ）各実施例で得られた試料の接触抵抗の測定方法を説明する模式図である。（ｂ）接触抵抗の測定に使用する装置を説明する模式図である。
【図８】燃料電池スタックを形成する単セルの構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４６】
１  燃料電池
２  固体高分子電解質膜
３  酸化剤極
４  燃料極
５  酸化剤極側セパレータ（第１のセパレータ）
５ａ  第１の表層
６  燃料極側セパレータ（第２のセパレータ）
６ａ  第２の表層
１０  燃料電池スタック
【図１】
2006252974.tif 000006
【図２】
2006252974.tif 000007
【図３】
2006252974.tif 000008
【図４】
2006252974.tif 000009
【図５】
2006252974.tif 000010
【図６】
2006252974.tif 000011
【図７】
2006252974.tif 000012
【図８】
2006252974.tif 000013