(57)【要約】【課題】燃料電池スタックに関し、過酸化物ラジカルに対する耐久性を長期間にわたって確保できるようにする。【解決手段】燃料電池の膜電極接合体１と、燃料極２側に配置される金属製の第一セパレータ１１と、空気極３側に配置される金属製の第二セパレータ２１とを積層してなる燃料電池スタック１０において、第一セパレータ１１の基材１２を第二セパレータ２１の基材２２よりも耐食性の低い材質で形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の膜電極接合体と、前記膜電極接合体の燃料極側に配置される金属製の第一セパレータと、前記膜電極接合体の空気極側に配置される金属製の第二セパレータとを積層してなる燃料電池スタックにおいて、
前記第一セパレータの基材が、前記第二セパレータの基材よりも耐食性の低い材質で形成される
ことを特徴とする、燃料電池スタック。
【請求項２】
前記燃料電池スタックが、前記第一セパレータと前記第二セパレータとの接触面内に冷却水通路を有するとともに、
前記第一セパレータの前記第二セパレータとの接触面が、前記第二セパレータの前記第一セパレータとの接触面と同様の耐食性を有する素材で構成される
ことを特徴とする、請求項１記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記第一セパレータの前記燃料極側の面が、前記冷却水通路に面する部位よりもイオン化傾向の大きい金属を含むコーティングを有する
ことを特徴とする、請求項２記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
前記第一セパレータの前記燃料極側の面が、前記基材の表面を覆う電極側下層と、前記電極側下層よりも耐食性の低い金属を含む材質で前記電極側下層の表面を覆う電極側上層とを有する
ことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
【請求項５】
前記第一セパレータの前記燃料極側の面とは反対側の面が、前記基材の表面を覆うセパレータ側下層と、前記セパレータ側下層よりも耐食性の高い金属を含む材質で前記セパレータ側下層の表面を覆うセパレータ側上層とを有する
ことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
【請求項６】
前記第一セパレータの前記燃料極側の面が、ピンホール状の基材露出部を有する
ことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
【請求項７】
前記第一セパレータの前記燃料極側の面が、金属イオンを溶出させる金属放出部を有する
ことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
【請求項８】
前記金属放出部が、水素よりもイオン化傾向の大きい金属を含む
ことを特徴とする、請求項７記載の燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の膜電極接合体（MEA；Membrane Electrode Assembly）とセパレータとを積層してなる燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、膜電極接合体とセパレータとを積層してなる燃料電池スタックにおいて、電極に供給される気体（燃料ガスや空気）の通路と冷却水通路とを形成する形状に形成されたセパレータが知られている。例えば、プレス加工で金属板に凹凸をつけて筋状の通路を形成し、金属板の一側面を気体の通路として利用しつつ、他側面を冷却水通路として利用するセパレータが知られている。また、溝が形成された樹脂基板を二枚重ねることで気体の通路と冷却水通路とを形成するセパレータも知られている（特許文献１，２参照）。
【０００３】
ところで、燃料電池の電極近傍には、酸素の還元反応によって過酸化物ラジカル（過酸化水素やその金属塩の遊離基）が生成されうる。このラジカルは、電解質膜や電極を構成する物質を酸化させることによって劣化させる。そこで、電解質膜にセリウムやセシウム、ルビジウムなどの金属元素を混入させておき、これらのイオンを電極近傍に電離させることで、過酸化物ラジカルに対する耐久性を向上させることが提案されている（特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開2012-164532号公報
【特許文献２】特開2014-220141号公報
【特許文献３】特許第5915658号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、電解質膜に混入させることのできる金属元素の量には限りがあり、十分な金属量を確保するのが困難である。また、電解質に含まれる金属量は、燃料電池の使用時間が経過するに連れて減少する。そのため、所望の製品寿命を確保することが難しい。特に、電気自動車やハイブリッド自動車，家庭用電気製品などに搭載される燃料電池システムでは、数年から数十年にわたって使用可能であることが期待される。一方、長期間にわたって放出される金属を電解質膜に混入させるには、電解質膜自体の体積を増大させなければならない。これにより、燃料電池の発電効率が低下しうる。なお、このような課題に対して、電解質膜を定期的に交換することによって耐久性を確保することも考えられる。しかし、燃料電池スタックの電解質膜のみを交換することは困難であり、現実的な解決策とはいえない。
【０００６】
本件の目的の一つは、上記のような課題に鑑みて創案されたものであり、過酸化物ラジカルに対する耐久性を長期間にわたって確保できるようにした燃料電池スタックを提供することである。なお、この目的に限らず、後述する「発明を実施するための形態」に示す各構成から導き出される作用効果であって、従来の技術では得られない作用効果を奏することも、本件の他の目的として位置付けることができる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（１）開示の燃料電池スタックは、燃料電池の膜電極接合体と、前記膜電極接合体の燃料極側に配置される金属製の第一セパレータと、前記膜電極接合体の空気極側に配置される金属製の第二セパレータとを積層してなる燃料電池スタックである。前記第一セパレータの基材は、前記第二セパレータの基材よりも耐食性の低い材質で形成される。
【０００８】
（２）前記燃料電池スタックが、前記第一セパレータと前記第二セパレータとの接触面内に冷却水通路を有することが好ましい。また、前記第一セパレータの前記第二セパレータとの接触面が、前記第二セパレータの前記第一セパレータとの接触面と同様の耐食性を有する素材で構成されることが好ましい。ここでいう「同様の耐食性」とは、酸または水または電極電位に対する腐食速度の比が10倍以下であることを意味する。例えば、前記接触面における一方の素材の腐食速度がA[mm/y]（腐食による一年あたりの厚みの減少量に相当）である場合、他方の素材としては腐食速度が0.1A[mm/y]以上かつ10A以下であるものを用いることが好ましい。
【０００９】
（３）前記第一セパレータの前記燃料極側の面が、前記冷却水通路に面する部位よりもイオン化傾向の大きい金属を含むコーティングを有することが好ましい。
（４）前記第一セパレータの前記燃料極側の面が、前記基材の表面を覆う電極側下層と、前記電極側下層よりも耐食性の低い金属を含む材質で前記電極側下層の表面を覆う電極側上層とを有することが好ましい。
【００１０】
（５）前記第一セパレータの前記燃料極側の面とは反対側の面が、前記基材の表面を覆うセパレータ側下層と、前記セパレータ側下層よりも耐食性の高い金属を含む材質で前記セパレータ側下層の表面を覆うセパレータ側上層とを有することが好ましい。
（６）前記第一セパレータの前記燃料極側の面が、ピンホール状の基材露出部を有することが好ましい。
【００１１】
（７）前記第一セパレータの前記燃料極側の面が、金属イオンを溶出させる金属放出部を有することが好ましい。
（８）前記金属放出部が水素よりもイオン化傾向の大きい金属を含むことが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
第一セパレータ（燃料極側）の基材の耐食性を第二セパレータ（空気極側）よりも低くすることで、第一セパレータから金属イオンを溶出させることができる。これにより、金属イオンを膜電極接合体に浸透させて、燃料極側から空気極側へと移動させることができ、過酸化物ラジカルに対する耐久性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】燃料電池スタックの構造を示す断面図である。
【図２】（Ａ）は第一セパレータの構造を示す断面図、（Ｂ）は第二セパレータの構造を示す断面図である。
【図３】第一セパレータの変形例の構造を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照して実施形態としての燃料電池スタック１０について説明する。この燃料電池スタック１０は、高分子電解質型燃料電池のセルを多数積層して形成される。ただし、以下の実施形態はあくまでも例示に過ぎず、以下の実施形態で明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。本実施形態の各構成は、それらの趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。また、必要に応じて取捨選択することができ、あるいは適宜組み合わせることができる。
【００１５】
［１．構成］
図１に示す燃料電池スタック１０は、燃料電池の膜電極接合体１，第一セパレータ１１，第二セパレータ２１を積層することで形成される。膜電極接合体１は、電解質膜４の片面に燃料極２（アノード）と燃料拡散層５（GDL；Gas Diffusion Layer）とを重ね合わせて配置し、反対側の面に空気極３（カソード）と空気拡散層６とを重ね合わせて配置した構造を持つ。電解質膜４は、プロトン交換膜などの固体高分子膜である。
【００１６】
燃料極２，空気極３は、例えば多孔質の炭素膜（炭素板）に白金やパラジウムなどの貴金属触媒を担持させ、電解質を含浸させて形成される。燃料拡散層５は、導電性を確保しつつ燃料ガスを拡散させて均一に燃料極２へ行き渡らせるための部材である。同様に、空気拡散層６は、導電性を確保しつつ空気極３に供給される空気を拡散させるための部材である。これらの燃料拡散層５，空気拡散層６は、細孔径が数マイクロメートルの導電性多孔質体やカーボン繊維などで形成される。
【００１７】
第一セパレータ１１は、膜電極接合体１の燃料極２側に配置される金属製の離隔部材であり、燃料ガスを燃料拡散層５に対して均一に拡散させる機能を持つ。また、第二セパレータ２１は、膜電極接合体１の空気極３側に配置される金属製の離隔部材であり、空気を空気拡散層６に対して均一に拡散させる機能を持つ。各セパレータ１１，２１の断面形状は、これらのセパレータ１１，２１が隣接配置されたときに六角格子状の通路（ハニカム構造）が形成されるように、規則的な凹凸形状に形成される。本実施形態のセパレータ１１，２１は、平面状の金属板をプレス加工して製造される。
【００１８】
図１に示すように、第一セパレータ１１と第二セパレータ２１との接触面内には、燃料電池スタック１０の冷却水が流通，循環する冷却水通路９が設けられる。冷却水通路９は、第一セパレータ１１を隔てて燃料拡散層５に隣接し、かつ、第二セパレータ２１を隔てて空気拡散層６に隣接するように配置される。また、第一セパレータ１１と燃料拡散層５とに挟まれた空間が燃料ガス通路７（水素ガス通路）となり、第二セパレータ２１と空気拡散層６とに挟まれた空間が空気通路８（酸素通路）となる。したがって、冷却水通路９は、第一セパレータ１１を隔てて燃料ガス通路７に隣接し、第二セパレータ２１を隔てて空気通路８に隣接する。
【００１９】
第一セパレータ１１の断面構造を図２（Ａ）に示す。第一セパレータ１１は、基材１２の上に複数のコーティングが施されて形成される。ここで、第一セパレータ１１の表面のうち燃料極２側の面を電極接触面１３と呼び、その反対側の面（空気極３側の面）をセパレータ接触面１４と呼ぶ。電極接触面１３には、電極側下層１５とその表面を覆う電極側上層１６とが設けられる。また、セパレータ接触面１４には、セパレータ側下層１７とその表面を覆うセパレータ側上層１８とが設けられる。電極側下層１５及びセパレータ側下層１７は必ずしも同一のコーティングではない。同様に、電極側上層１６及びセパレータ側上層１８は必ずしも同一のコーティングではない。
【００２０】
第二セパレータ２１の断面構造を図２（Ｂ）に示す。第二セパレータ２１も、基材２２の上に複数のコーティングが施されて形成される。ここで、第二セパレータ２１の表面のうち空気極３側の面を電極接触面２３と呼び、その反対側の面をセパレータ接触面２４と呼ぶ。電極接触面２３には、電極側下層２５とその表面を覆う電極側上層２６とが設けられる。また、セパレータ接触面２４には、セパレータ側下層２７とその表面を覆うセパレータ側上層２８とが設けられる。電極側下層２５及びセパレータ側下層２７は必ずしも同一のコーティングではない。同様に、電極側上層２６及びセパレータ側上層２８は必ずしも同一のコーティングではない。
【００２１】
第一セパレータ１１の基材１２は、第二セパレータ２１の基材２２よりも耐食性の低い材質で形成される。ここでいう耐食性とは、酸や水、電極電位に対する腐食，浸食の受けにくさ（腐食速度が低いこと）を意味する。例えば、第二セパレータ２１の基材２２をステンレス鋼で形成し、第一セパレータ１１の基材１２を銅や黄銅（真鍮）で形成する。あるいは、第二セパレータ２１の基材２２をオーステナイト系ステンレス鋼で形成し、第一セパレータ１１の基材１２をフェライト系ステンレス鋼で形成する。
【００２２】
以下の表１は、基材１２，２２の素材例であり、表中の右側が耐食性の高いものである。基材１２は、基材２２の素材よりも表１中で左側に記載された素材で形成される。なお、基材１２をクラッド鋼（表面に異種金属を圧着した鋼材）としてもよい。例えば、第二セパレータ２１の基材２２をステンレス鋼とし、第一セパレータ１１の基材１２を黄銅クラッドステンレス鋼とする。クラッド鋼を利用することで、基材１２，２２の耐食性を容易に相違させることが可能となる。
【００２３】
【表１】
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【００２４】
第一セパレータ１１の電極接触面１３に関して、電極側上層１６は電極側下層１５よりも耐食性の低い材質で形成される。例えば、電極側下層１５をAu（金）被膜とし、電極側上層１６を黄銅被膜とする。あるいは、電極側下層１５を導電性DLC膜（Diamond-like carbon film）とし、電極側上層１６をCu（銅）被膜とする。以下の表２は、電極側下層１５，電極側上層１６の素材例であり、表中の右側が耐食性の高いものである。電極側上層１６は、電極側下層１５の素材よりも表２中で左側に記載された素材で形成される。
【００２５】
【表２】
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【００２６】
一方、セパレータ接触面１４は電極接触面１３とは異なり、金属イオンを溶出させる必要がないことから、高耐食性とすることが好ましい。したがって、セパレータ側上層１８は、セパレータ側下層１７よりも耐食性の高い材質で形成することが好ましい。例えば、セパレータ側下層１７を黄銅被膜とし、セパレータ側上層１８を金めっきとする。つまり、第一セパレータ１１の表面は、一面が低耐食性であるのに対し、他面は高耐食性とされる。
【００２７】
第一セパレータ１１の電極側上層１６（燃料極２側の面）は、セパレータ側上層１８（冷却水通路９に面する部位）よりもイオン化傾向の大きい金属を含むコーティングとすることが好ましい。また、電極側上層１６は、少なくとも水素よりもイオン化傾向の大きい金属を含むコーティングとすることが好ましい。ここで、電極側上層１６に含ませられる金属種を表３に例示する。表中の左側がイオン化傾向の強い金属である。
【００２８】
【表３】
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【００２９】
第二セパレータ２１の電極接触面２３では、電極側上層２６が電極側下層２５よりも耐食性の低い材質で形成される。一方、セパレータ接触面２４では、セパレータ側上層２８がセパレータ側下層２７よりも耐食性の高い材質で形成される。なお、第二セパレータ２１の構造は、第一セパレータ１１とは別個に設定されうる。例えば、第一セパレータ１１の電極側上層１６が窒化チタン被膜である場合に、第二セパレータ２１の電極側上層２６を窒化チタン被膜にする必要はない。
【００３０】
ただし、第一セパレータ１１と第二セパレータ２１との接触面をなすセパレータ側上層１８，２８については、同様の耐食性を有するコーティング面とされる。ここでいう「同様の耐食性」とは、酸または水または電極電位に対する腐食速度の比が10倍以下であることを意味する。例えば、第一セパレータ１１のセパレータ側上層１８が金めっきであって、その腐食速度がA[mm/y]である場合には、第二セパレータ２１のセパレータ側上層２８には腐食速度が0.1A[mm/y]以上かつ10A[mm/y]以下のコーティング（金めっき，カーボンコーティングなど）を適用する。また、第一セパレータ１１の電極側上層１６及び第二セパレータ２１の電極側上層２６についても、同様の耐食性を有するコーティング面とする。
【００３１】
［２．作用，効果］
（１）上記の燃料電池スタック１０では、セパレータ１１，２１同士の接触箇所が同様の耐食性を有する素材とされる。これにより、接触箇所における電食の発生を防止することができる。また、第一セパレータ１１の基材１２の耐食性を第二セパレータ２１の基材２２の耐食性よりも低くすることで、第一セパレータ１１から金属イオンを溶出しやすくすることができ、過酸化物ラジカルに対する耐久性を向上させることができる。なお、金属イオンは、発電に伴い膜電極接合体１を横断して、燃料極２側から空気極３側へと移動する。このように、第一セパレータ１１から溶出した金属イオンを膜電極接合体１に浸透させることで、過酸化物ラジカルに対する耐久性を向上させることができる。
【００３２】
なお、第一セパレータ１１から溶出した金属イオンは、発電に伴う燃料極から空気極への水の流れに伴い、電解質膜４を介して空気極３側にも移動しうる。したがって、燃料極２だけでなく空気極３についても過酸化物ラジカルから保護することができ、燃料電池スタック１０の製品寿命を延長させることができる。
【００３３】
（２）上記の第一セパレータ１１の燃料極２側の電極接触面１３には、電極側下層１５とその表面を覆う電極側上層１６とが設けられる。電極側上層１６は、電極側下層１５よりも耐食性の低い材質で形成される。これにより、電極側上層１６に含まれる金属イオンを効率的に溶出させて燃料極２側へと供給することができる。したがって、過酸化物ラジカルに対する耐久性を向上させることができる。また、第一セパレータ１１の基材１２を電極側下層１５で保護することができる。
【００３４】
（３）一方、第一セパレータ１１の反対側の面（セパレータ接触面１４）には、セパレータ側下層１７とその表面を覆うセパレータ側上層１８とが設けられる。セパレータ側上層１８は、セパレータ側下層１７よりも耐食性の高い材質で形成される。これにより、冷却水の漏洩やセパレータ１１の崩壊を防止することができる。また、電極接触面１３における基材１２から上の膜厚（コーティング厚）と、セパレータ接触面１４における基材１２から上の膜厚（コーティング厚）とを揃えることができる。
【００３５】
（４）なお、電極側上層１６にセパレータ側上層１８よりもイオン化傾向の大きい金属を含ませた場合には、第一セパレータ１１の燃料極２側に溶出する金属イオンの濃度を高めることができる。また、特に水素よりもイオン化傾向の大きい金属を電極側上層１６に含ませた場合には、金属イオンの溶出を促進することができるとともに、金属イオンの析出を抑制できる。したがって、過酸化物ラジカルに対する耐久性を向上させることができる。
【００３６】
［３．変形例］
上述の実施形態では、基材１２，２２の上に複数のコーティングが施されたセパレータ１１，２１を例示したが、コーティング自体は必須の要素ではない。少なくとも第一セパレータ１１の基材１２を第二セパレータ２１の基材２２よりも耐食性の低い材質とし、好ましくは互いの接触面を同様の耐食性を有する素材とすることで、上述の実施形態と同様の効果を奏するものとなる。
【００３７】
また、図３に示すように、第一セパレータ１１の電極接触面１３（燃料極２側の面）に、ピンホール状の基材露出部１９を形成してもよい。これにより、第一セパレータ１１の基材１２からの金属イオンの溶出を促進することができる。したがって、過酸化物ラジカルに対する耐久性をさらに向上させることができる。
【００３８】
なおこの場合、金属イオンの溶出量が増大するにつれて、第一セパレータ１１自体の構造的な強度が低下しうる。そこで、図３に示すように、第一セパレータ１１の電極接触面１３（燃料極２側の面）に、金属イオンを溶出させる金属放出部２０を設けてもよい。金属放出部２０には、水素よりもイオン化傾向の大きい金属を包含させておく。このような構造により、第一セパレータ１１の基材１２を劣化させることなく金属イオンを供給することが可能となり、過酸化物ラジカルに対する耐久性をさらに向上させることができる。
【００３９】
また、上述の実施形態では、第一セパレータ１１のセパレータ接触面１４にセパレータ側下層１７とセパレータ側上層１８とが設けられた二層構造を説明したが、セパレータ接触面１４を単層構造としてもよい。第二セパレータ２１のセパレータ接触面２４についても同様であり、セパレータ側下層２７，セパレータ側上層２８の何れか一方のみを形成してもよい。
【符号の説明】
【００４０】
１  膜電極接合体
２  燃料極
３  空気極
４  電解質膜
５  燃料拡散層
６  空気拡散層
７  燃料ガス通路
８  空気通路
９  冷却水通路
１０  燃料電池スタック
１１  第一セパレータ
１２  基材
１９  基材露出部
２０  金属放出部
２１  第二セパレータ
２２  基材
【図１】
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【図２】
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【図３】
2019061790.tif 000008