(57)【要約】【課題】  発電量への影響を抑制しつつセパレータの腐食を抑制することができる燃料電池を提供する。【解決手段】  燃料電池（１００）は、アノード（３２）、プロトン伝導性を有する固体高分子型電解質（３３）およびカソード（３４）を含む発電部（２０，３０，４０）と、発電部を挟持する金属製の第１セパレータ（１０）および金属製の第２セパレータ（２０）とを備え、第１セパレータおよび第２セパレータの少なくとも一方の発電部側表面に、水溶性塩基性物質（１３，５３）が配置されている。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード、プロトン伝導性を有する固体高分子型電解質およびカソードを含む発電部と、
前記発電部を挟持する金属製の第１セパレータおよび金属製の第２セパレータとを備え、
前記第１セパレータおよび前記第２セパレータの少なくとも一方の前記発電部側表面に、水溶性塩基性物質が配置されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記水溶性塩基性物質は、前記第１セパレータおよび前記第２セパレータのうち、前記カソード側のセパレータの前記発電部側表面に配置されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記水溶性塩基性物質は、純水への溶解度よりも酸性溶液への溶解度が高い物質であることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池。
【請求項４】
前記水溶性塩基性物質は、ＭｇＯであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池。
【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、一般的には水素及び酸素を燃料として電気エネルギーを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れかつ高いエネルギー効率を実現できることから、今後のエネルギー供給システムとして広く開発が進められてきている。例えば、固体高分子型燃料電池は、各種の燃料電池の中でも比較的低温で作動することから、良好な起動性を有する。そのため、多方面における実用化のために、盛んに研究がなされている。
【０００３】
ここで、固体高分子型燃料電池のセパレータとして、耐食性を有するカーボンを用いる技術が提案されている。しかしながら、カーボン系セパレータは、板厚が大きくなるという問題点を有している。そこで、金属製セパレータを用いる技術が要求されている。ところで、一般的に固体高分子型の電解質は酸性を示す。したがって、電解質膜に含まれる酸性成分によって金属製セパレータが腐食するおそれがある。
【０００４】
そこで、燃料電池内のｐＨ値を推定または検出して、このｐＨ値に応じて燃料電池内の水量を制御する技術が開示されている(例えば、特許文献１参照)。この技術によれば、燃料電池内の酸性度が増大した場合に、水量を増大させることによって酸性度を緩和することができる。
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−４０６１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、燃料電池の発電量は、燃料電池内の水分量に応じて変化する。したがって、ｐＨ値に応じて水分量を制御すれば、燃料電池の発電性能が低下するおそれがある。
【０００７】
本発明は、発電量への影響を抑制しつつセパレータの腐食を抑制することができる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】
【０００８】
本発明に係る燃料電池は、アノード、プロトン伝導性を有する固体高分子型電解質およびカソードを含む発電部と、発電部を挟持する金属製の第１セパレータおよび金属製の第２セパレータとを備え、第１セパレータおよび第２セパレータの少なくとも一方の発電部側表面に、水溶性塩基性物質が配置されていることを特徴とするものである。
【０００９】
本発明に係る燃料電池においては、水溶性塩基性物質は、水に溶けた場合に塩基性を示す。したがって、水溶性塩基性物質は、第１および／または第２セパレータに比較して優先的に酸性溶液と反応する。この場合、第１および／または第２セパレータの腐食を抑制することができる。それにより、第１および／または第２セパレータと発電部との接触抵抗を低い値に維持することができる。その結果、本発明に係る燃料電池の発電性能低下を抑制することができる。また、第１および／または第２セパレータの腐食を考慮することなく、燃料電池内の水分量を燃料電池に要求される発電量に見合った最適な量に制御することができる。以上のことから、発電量への影響を抑制しつつ第１および／または第２セパレータの腐食を抑制することができる。
【００１０】
水溶性塩基性物質は、第１セパレータおよび第２セパレータのうち、カソード側のセパレータの発電部側表面に配置されていてもよい。この場合、発電に伴って生成される水による腐食を効果的に抑制することができる。
【００１１】
水溶性塩基性物質は、純水への溶解度よりも酸性溶液への溶解度が高い物質であってもよい。この場合、中性の発電生成水への水溶性塩基性物質の溶解を抑制することができる。それにより、水溶性塩基性物質の不必要な流出を抑制することができる。なお、水溶性塩基性物質は、ＭｇＯであってもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、発電量への影響を抑制しつつセパレータの腐食を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【実施例１】
【００１４】
図１は、本発明の第１実施例に係る燃料電池１００の模式的断面図である。図１に示すように、燃料電池１００は、セパレータ１０上に、多孔体層２０、膜−電極接合体３０、多孔体層４０およびセパレータ５０が設けられた構造を有する。セパレータ１０，５０の詳細は、後述する。多孔体層２０，４０は、発泡焼結金属等の多孔質状の導電性材料からなる。多孔体層２０は燃料ガスの流路として機能し、多孔体層４０は酸化剤ガスの流路として機能する。
【００１５】
膜−電極接合体３０は、多孔体層２０側から多孔体層４０側にかけて、燃料ガス拡散層３１、アノード触媒層３２、電解質膜３３、カソード触媒層３４および酸化剤ガス拡散層３５が順に積層された構造を有する。燃料ガス拡散層３１および酸化剤ガス拡散層３５は、カーボンペーパ等の多孔質状の導電性材料からなる。燃料ガス拡散層３１および酸化剤ガス拡散層３５の多孔度は、多孔体層２０，４０の多孔度よりも小さく設定されている。燃料ガス拡散層３１は多孔体層２０を流動する燃料ガスをアノード触媒層３２側に拡散させるための層であり、酸化剤ガス拡散層３５は多孔体層４０を流動する酸化剤ガスをカソード触媒層３４側に拡散させるための層である。
【００１６】
アノード触媒層３２およびカソード触媒層３４は、白金等の触媒を担持するカーボン等からなる。なお、アノード触媒層３２およびカソード触媒層３４には、プロトン伝導性電解質等が含有されていてもよい。電解質膜３３は、プロトン伝導性を有する固体高分子型電解質からなる。本実施例においては、電解質膜３３は、パーフルオロスルフォン酸型ポリマーからなる。膜−電極接合体３０においては、それぞれの部材が互いに接合されている。
【００１７】
図２は、セパレータ１０，５０の詳細を説明するための図である。図２（ａ）はセパレータ１０の拡大断面図であり、図２（ｂ）はセパレータ５０の拡大断面図である。図２（ａ）に示すように、セパレータ１０は、金属基材１１の多孔体層２０側表面に低接触抵抗層１２および複数のｐＨ調整剤粉末１３が形成された構造を有する。図２（ｂ）に示すように、セパレータ５０は、金属基材５１の多孔体層４０側の表面に低接触抵抗層５２および複数のｐＨ調整剤粉末５３が形成された構造を有する。金属基材１１，５１は、ステンレス、チタン等の導電性材料からなる。
【００１８】
低接触抵抗層１２，５２は、金属基材１１，５２に比較して耐食性を有しかつ不動態化しにくい導電性材料からなる。低接触抵抗層１２は、セパレータ１０の多孔体層２０側の表面を覆っている。低接触抵抗層５２は、セパレータ５０の多孔体層４０側の表面を覆っている。それにより、セパレータ１０の多孔体層２０側表面およびセパレータ５０の多孔体層４０側表面の不動態化を抑制することができる。その結果、セパレータ１０と多孔体層２０との接触抵抗およびセパレータ５０と多孔体層４０との接触抵抗を低減させることができる。低接触抵抗層１２，５２としては、例えば、Ｃ（炭素）、Ａｕ（金）、Ｐｔ（白金）、ＴｉＮ（窒化チタン）、ＴｉＢ（ホウ化チタン）、ＣｒＢ（ホウ化クロム）等を用いることができる。低接触抵抗層１２，５２の層厚は、例えば、１０ｎｍ〜数百ｎｍ程度である。
【００１９】
ｐＨ調整剤粉末１３，５３は、水溶性および塩基性を有する材料からなる。本実施例においては、ｐＨ調整剤粉末１３，５３としてＭｇＯ（酸化マグネシウム）が用いられている。ｐＨ調整剤粉末１３は、例えば、低接触抵抗層１２内に約２０％〜約３０％程度分散していている。ｐＨ調整剤粉末５３は、例えば、低接触抵抗層５２内に約２０％〜約３０％程度分散していている。ｐＨ調整剤粉末１３，５３の平均粒径は、例えば、１μｍ〜５０μｍ程度である。なお、ｐＨ調整剤粉末１３，５３として、ＭｇＯ以外にＮａ２Ｏ，ＣａＯ等を用いることができる。
【００２０】
ｐＨ調整剤粉末１３，５３は、水に溶けた場合に塩基性を示す。したがって、ｐＨ調整剤粉末１３，５３は、金属基材１１，５１および低接触抵抗層１２，５２に比較して優先的に酸性溶液と反応する。例えば、下記式（１）、（２）の反応式で表される反応が起きる。
ＭｇＯ  ＋  ２ＨＣｌ  →  ＭｇＣｌ２  ＋  Ｈ２Ｏ  （１）
ＭｇＯ  ＋  Ｈ２ＳＯ４  →  ＭｇＳＯ４  ＋  Ｈ２Ｏ  （２）
【００２１】
この場合、金属基材１１，５１および低接触抵抗層１２，５２の腐食を抑制することができる。それにより、多孔体層２０とセパレータ１０との接触抵抗および多孔体層４０とセパレータ５０との接触抵抗を低い値に維持することができる。その結果、燃料電池１００の発電効率低下を抑制することができる。なお、式（１）のＨＣｌは、大気中の塩素、燃料電池１００に用いられている接着剤等から生成される。式（２）のＨ２ＳＯ４は、電解質膜３３、アノード触媒層３２、カソード触媒層３４等に含まれるスルホ基等から生成される。また、本実施例においては、ｐＨ調整剤粉末１３，５３は、電解質膜３３から溶出したフッ酸とも反応する。
【００２２】
このように、本実施例に係る燃料電池１００においては、燃料電池１００内の水分量にかかわらずセパレータ１０，５０の腐食を抑制することができる。したがって、セパレータ１０，５０の腐食を考慮することなく、燃料電池１００内の水分量を燃料電池１００に要求される発電量に見合った最適な量に制御することができる。その結果、燃料電池１００の発電性能低下を抑制することができる。
【００２３】
続いて、燃料電池１００の動作の概要について説明する。まず、燃料ガスは、多孔体層２０に供給される。多孔体層２０を流動する燃料ガスは、燃料ガス拡散層３１を拡散してアノード触媒層３２に供給される。アノード触媒層３２においては、燃料ガスに含まれる水素は、プロトンと電子とに分離する。プロトンは、電解質膜３３を伝導してカソード触媒層３４に到達する。
【００２４】
一方、酸化剤ガスは、多孔体層４０に供給される。多孔体層４０を流動する酸化剤ガスは、酸化剤ガス拡散層３５を介してカソード触媒層３４に供給される。カソード触媒層３４においては、酸化剤ガスに含まれる酸素とプロトンとによって発電が行われるとともに水が発生する。発生した電力は、セパレータ１０，５０を介して外部に取り出される。
【００２５】
なお、本実施例においてはアノード側およびカソード側のいずれにおいてもｐＨ調整剤粉末が配置されているが、いずれか一方において配置されていてもよい。この場合、上記のように発電に伴って生成される水は主にカソード触媒層３４において生成されることから、ｐＨ調整剤粉末は、カソード側のセパレータ表面に配置されていることが好ましい。
【００２６】
また、ｐＨ調整剤粉末１３は、低接触抵抗層１２内に分散していなくても少なくとも低接触抵抗層１２の多孔体層２０側の表面に配置されていれば、本発明の効果を奏する。ｐＨ調整剤粉末５３は、低接触抵抗層５２内に分散していなくても少なくとも低接触抵抗層５２の多孔体層４０側の表面に配置されていれば、本発明の効果を奏する。ただし、本実施例のようにｐＨ調整剤粉末１３，５３がそれぞれ低接触抵抗層１２および低接触抵抗層５２の厚さ方向に分散していれば、ｐＨ調整剤粉末１３，５３によるｐＨ調整効果の持続時間が長くなる。
【００２７】
また、本実施例においてはｐＨ調整剤粉末１３，５３としてＭｇＯが用いられているが、それに限られない。ｐＨ調整剤粉末１３，５３としては、例えば、Ｎａ２Ｏ（酸化ナトリウム）、ＣａＯ（酸化カルシウム）、等を用いることができる。
【００２８】
さらに、ｐＨ調整剤粉末１３，５３としては、純水への溶解度よりも酸性溶液への溶解度が高い材料を用いることがより好ましい。中性の発電生成水への溶解を抑制することによってｐＨ調整剤粉末１３，５３の不必要な流出を抑制することができるからである。この場合、ｐＨ調整剤粉末１３，５３として、ＭｇＯ、Ｎａ２Ｏ、ＣａＯ等を用いることができる。
【００２９】
また、電解質膜３３に用いることができる電解質は、特に限定されない。溶出して酸性溶液になる成分を含んでいるプロトン伝導性電解質であれば、どのようなものでも用いることができる。例えば、電解質膜３３として、炭化水素系のプロトン伝導性電解質を用いることもできる。
【００３０】
続いて、セパレータ１０の製造方法について説明する。図３は、セパレータ１０の製造方法を説明するためのフロー図である。まず、図３（ａ）に示すように、金属基材１１を準備する。次に、図３（ｂ）に示すように、金属基材１１上に、低接触抵抗層１２をスパッタリング等によって形成する。次いで、図３（ｃ）に示すように、高速エアを用いたショットブラスト法によってｐＨ調整剤粉末１３を低接触抵抗層１２に打ち込む。以上の工程により、セパレータ１０を形成することができる。なお、セパレータ５０も同様の方法によって形成することができる。
【００３１】
本実施例においては、アノード触媒層３２がアノードに相当し、カソード触媒層３４がカソードに相当し、電解質膜３３が固体高分子型電解質に相当し、多孔体層２０，４０および膜−電極接合体３０が発電部に相当し、セパレータ１０，５０が第１セパレータおよび第２セパレータに相当し、ｐＨ調整剤粉末１３，５３が水溶性塩基性物質に相当する。
【実施例２】
【００３２】
続いて、本発明の第２実施例に係る燃料電池１００ａについて説明する。燃料電池１００ａが図１の燃料電池１００と異なる点は、セパレータ１０，５０の代わりに、セパレータ１０ａ，５０ａが設けられている点である。以下、セパレータ１０ａ，５０ａの詳細について説明する。なお、前述した実施例１と同一符号を付した部材は、実施例１と同様のものである。
【００３３】
図４は、セパレータ１０ａ，５０ａの詳細を説明するための図である。図４（ａ）はセパレータ１０ａの拡大断面図であり、図４（ｂ）はセパレータ５０ａの拡大断面図である。図４（ａ）に示すように、セパレータ１０ａは、金属基材１１の多孔体層２０側表面に複数の導電性粉末１２ａおよび複数のｐＨ調整剤粉末１３が形成された構造を有する。図４（ｂ）に示すように、セパレータ５０ａは、金属基材５１の多孔体層４０側の表面に複数の導電性粉末５２ａおよび複数のｐＨ調整剤粉末５３が形成された構造を有する。
【００３４】
導電性粉末１２ａ，５２ａは、低接触抵抗層１２，５２を構成する材料と同様の材料からなる粉末状材料である。したがって、セパレータ１０ａの多孔体層２０側表面およびセパレータ５０ａの多孔体層４０側表面の不動態化を抑制することができる。その結果、セパレータ１０ａと多孔体層２０との接触抵抗およびセパレータ５０ａと多孔体層４０との接触抵抗を低減させることができる。
【００３５】
なお、導電性粉末１２ａ，５２ａの平均粒径は、例えば、１μｍ〜５０μｍ程度である。また、導電性粉末１２ａおよびｐＨ調整剤粉末１３が保持されている層の厚さは、例えば、５０μｍ〜２００μｍ程度である。導電性粉末５２ａおよびｐＨ調整剤粉末５３ａが保持されている層の厚さは、例えば、５０μｍ〜２００μｍ程度である。本実施例においても、ｐＨ調整剤粉末１３，５３は、導電性粉末１２ａ，５２ａに比較して酸性溶液と優先的に反応する。それにより、導電性粉末１２ａ，５２ａおよび金属基材１１，５１の腐食を抑制することができる。
【００３６】
続いて、セパレータ１０ａ，５０ａの製造方法について説明する。図５は、セパレータ１０ａの製造方法を説明するためのフロー図である。まず、図５（ａ）に示すように、金属基材１１を準備する。次に、図５（ｂ）に示すように、金属基材１１上に、高速エアを用いたショットブラスト法によって複数の導電性粉末１２ａおよび複数のｐＨ調整剤粉末１３を打ち込む。この場合、導電性粉末１２ａおよびｐＨ調整剤粉末１３の打ち込む順番は問わない。導電性粉末１２ａおよびｐＨ調整剤粉末１３を同時に打ち込んでもよく、いずれか一方を打ち込んだ後に他方を打ち込んでもよい。以上の工程により、セパレータ１０ａを形成することができる。なお、セパレータ５０ａも同様の方法によって形成することができる。
【００３７】
図６は、セパレータ１０ａ，５０ａの他の製造方法を説明するためのフロー図である。まず、図６（ａ）に示すように、金属基材１１を準備する。次に、図６（ｂ）に示すように、金属基材１１上に導電性粉末１２ａを構成する材料をメッキ法によって形成する。この場合、メッキ層が金属基材１１上全体を覆わない程度に、メッキ層の厚さを調整する。例えば、この場合のメッキ層の厚さは、０．１μｍ程度である。それにより、導電性粉末１２ａを形成することができる。
【００３８】
次いで、図６（ｃ）に示すように、金属基材１１上に、高速エアを用いたショットブラスト法によって複数のｐＨ調整剤粉末１３を打ち込む。以上の工程により、セパレータ１０ａを形成することができる。なお、セパレータ５０ａも同様の方法によって形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の第１実施例に係る燃料電池の模式的断面図である。
【図２】第１実施例に係るセパレータの詳細を説明するための図である。
【図３】第１実施例に係るセパレータの製造方法を説明するためのフロー図である。
【図４】第２実施例に係るセパレータの詳細を説明するための図である。
【図５】第２実施例に係るセパレータの製造方法を説明するためのフロー図である。
【図６】第２実施例に係るセパレータの他の製造方法を説明するためのフロー図である。
【符号の説明】
【００４０】
１０，５０  セパレータ
１１，５１  金属基材
１２，５２  低接触抵抗層
１２ａ，５２ａ  導電性粉末
１３，５３  ｐＨ調整剤粉末
２０，４０  多孔体層
３０  膜−電極接合体
３３  電解質膜
１００  燃料電池
【図１】
2008140715.tif 000003
【図２】
2008140715.tif 000004
【図３】
2008140715.tif 000005
【図４】
2008140715.tif 000006
【図５】
2008140715.tif 000007
【図６】
2008140715.tif 000008