(57)【要約】【課題】耐食性と導電性を兼ね備えた、欠陥のない表面処理を行い、また、表面処理の不要な箇所の処理を省く。【解決手段】燃料電池のセパレータ１４１、１５、１４２の表面処理方法であって、燃料電池のセパレータ１５、１４２同士を接合してセパレータ接合体２０を形成してその内面間に温調媒体の流路１７を画成し、燃料電池のセパレータ１５、１４２からなるセパレータ接合体２０の外面を処理する溶液に、この溶液の流路１７への侵入を防いで燃料電池のセパレータ１５、１４２からなるセパレータ接合体２０を浸漬する。【選択図】  図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属繊維からなる第１の素材と、
この第１の素材と材質又は表面特性の異なる粒状、針状又は繊維状の第２の素材とを所定の割合で混在又は偏在させたことを特徴とする燃料電池構成部材。
【請求項２】
前記金属繊維は、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｌ及びＴｉから選択された少なくとも一種類の金属からなり、
前記第２の素材は、少なくとも表面が親水性の素材を含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池構成部材。
【請求項３】
前記親水性の素材は、粒状、針状もしくは繊維状の金属酸化物、カーボン、樹脂又はセラミック製の素材であるか、又は天然繊維もしくは合成繊維であることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池構成部材。
【請求項４】
前記親水性の素材は、平均直径又は平均長さが前記燃料電池構成部材の平均細孔径より大きいことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の燃料電池構成部材。
【請求項５】
前記第２の素材は、粒状、針状又は繊維状のカーボン素材からなることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池構成部材。
【請求項６】
導電性の部材からなり、この導電性の部材では、前記金属繊維は、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｌ及びＴｉから選択された少なくとも一種類の金属からなり、前記第２の素材がカーボンを含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池構成部材。
【請求項７】
前記導電性の部材はセパレータからなり、このセパレータのガス拡散層に臨む部分では、表面近傍で前記カーボンの分量が内部より増えていることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池構成部材。
【請求項８】
前記導電性の部材はガス拡散層からなり、このガス拡散層の電極触媒層に臨む部分では、表面近傍で前記カーボンの分量が内部より増えていることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池構成部材。
【請求項９】
前記金属繊維は、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｌ及びＴｉから選択された少なくとも一種類の金属からなり、
前記第２の素材は、導電性の表層部を有する金属繊維からなることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池構成部材。
【請求項１０】
前記金属繊維は、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｌ及びＴｉから選択された少なくとも一種類の金属からなり、
前記第１の素材を構成する金属繊維は、耐食性の表層部を有することを特徴とする請求項１記載の燃料電池構成部材。
【請求項１１】
前記第１の素材と前記第２の素材との溶融接合した接合部を有することを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池構成部材。
【請求項１２】
前記第１の素材は、平均細孔径が１〜１０μmであり、かつ平均気孔率が１０〜９０％であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池構成部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池を構成する燃料電池構成部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、燃料により発生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る。このシステムは、電解質膜を挟んで設けられた一対の電極のうち、陽極に水素を含有する燃料ガスを供給すると共に、他方の陰極に酸素を含有する酸化剤ガスを供給する。これら一対の電極の電解質膜側表面では、下記の電気化学反応が行われ、この反応を利用して電気エネルギーを取り出す。各電極では各々（１）、（２）反応が行われる。
【０００３】
陽極（アノード）反応：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−  …（１）
陰極（カソード）反応：２Ｈ+＋２ｅ−＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２Ｏ  …（２）
陽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、例えばガソリン、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が知られている。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知られている。陰極に供給する燃料ガスとしては、一般的に空気を直接陰極側に吸気し利用されている。
【０００４】
従来より、燃料電池用のセパレータは、基材として耐食性と導電性を兼ね備えたカーボンが用いられている。中でも特に、発電で発生する水の処理、及び電池内の加湿を制御することを目的として、カーボン製の多孔質セパレータが用いられている。多孔質セパレータの親水性を上げるために、セパレータ基材に親水性カーボンを混在させる方法がある（特許文献１参照。）。
【特許文献１】米国特許第６２４８４６２号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記方法の場合、グラファイトでは機械特性、特に曲げ強度が低いために、強度の不足と、低コストで量産に対応できる薄肉化の加工の実現が難しいという問題がある。また、グラファイトを親水化する際に、グラファイト内に親水性部材を含浸させるが、グラファイト自体の細孔分布のバラツキが面内に存在すると共に、断面内部ほど親水化が難しく、結果的に面内や厚さ方向で親水性にばらつきが発生し、セパレータとしての要求特性が満足できない場合がある。更に、セパレータ基材と親水性カーボンを混在させて焼結しても、材料中に均一に分散させることが難しい。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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構成部材は、金属繊維からなる第１の素材と、この第１の素材と材質又は表面特性の異なる粒状、針状又は繊維状の第２の素材とを所定の割合で混在又は偏在させたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、多孔質基材の主成分を金属繊維とすることにより、金属繊維の優れた機械的特性のため、従来のグラファイトと比べて劇的に燃料電池構成部材の厚さを抑えることができ、結果として、燃料電池を小型化することが可能になる。また、第２の素材による親水化処理を燃料電池構成部材の製造途中で付与することによって、燃料電池構成部材の面内だけでなく、厚さ方向に対しても均一に親水化を付与することができる。また、目的に応じて親水化の度合いを面内や厚さ方向でコントロールことすることも可能であり、発電性能のコントロールがしやすくなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の実施の形態に係る燃料電池構成部材を説明する。本発明の実施形態においては、主として燃料電池構成部材を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のセパレータに適用した例を示す。
【０００９】
第一実施形態
図１（ａ）は、本発明の第一実施形態に係る燃料電池構成部材としてのセパレータ１５、１６を備える燃料電池の単セル１０の構成を示す断面図である。図１（ｂ）は、セパレータ１５の要部断面図である。図２（ａ）は、セパレータの貫通抵抗を測定する説明図であり、図２（ｂ）は、セパレータとガス拡散層との間の貫通抵抗を測定する説明図である。図３は、セパレータと隣接するガス拡散層との接触抵抗を計測した結果を示す図である。図４は、セパレータと隣接するガス拡散層との接触抵抗を計測した結果を示す図である。図５は、カーボン繊維導入量と曲げ強度及びカーボン繊維導入量と貫通抵抗との関係を示す図である。
【００１０】
図１（ａ）に示すように、燃料電池のセパレータ１５、１６を備える燃料電池の単セル１０は、固体高分子形電解質膜１１と固体高分子形電解質膜１１を挟持するように両面に配置された電極触媒層１２と、電極触媒層１２に隣接して配置されたガス拡散層１３、１４と、このガス拡散層１３、１４を挟持するように配置されたセパレータ１５、１６とを含み、これらが単位ユニット、つまり、電気化学反応により発電を行う基本単位となる単セル１０を構成する。一般的に、燃料電池において単セルでは十分な出力が得られないため、単セルを直列に複数積層して燃料電池（燃料電池スタック）を構成する。燃料電池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（不図示）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。
【００１１】
固体高分子形電解質膜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。電極触媒層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て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、１４側に触媒を担持させてもよい。ガス拡散層１３、１４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ガス拡散層１３、１４として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。
【００１２】
セパレータ１５、１６は、長方形の板状のオーステナイト系ステンレス材を基材としてプレス成形したものである。セパレータ１５、１６は、金属板のプレス加工により成形され、折り曲げの角部にはそれぞれ若干のＲが付くが、紙面上では略記してある。セパレータの基材はアルミ、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。図１に示すように、セパレータ１５、１６には、燃料ガス又は酸化剤ガスとしての水素、空気が出入りするマニホールド（不図示）と、それぞれ反応ガスと共に温調媒体が出入りする温調媒体の（不図示）が形成されている。セパレータ１５、１６の表面、つまりガス拡散層１３に対峙する面には、ガス拡散層１３と向き合う反応エリアとしての溝が複数形成されており、ガス拡散層１３との間に燃料ガス又は酸化剤ガスを流すガス流路１８、１９を画成する。セパレータ１５、１６は少なくとも一方の材質が多孔質となっている。セパレータ１５、１６は、それぞれの裏面にも溝が形成されており、セパレータ１５、１６と、他の単セルのそれぞれの裏面との間に、純水が流れる純水流路１７を画成する。純水流路１７は、多孔質のセパレータ１５、１６自体が燃料電池内で発生する凝縮水の吸収や単セル内の加湿機能を有するために設けられたものであり、必要な水分の供給が目的である。セル自体を温調するためには純水流路１７に循環する純水以外に、不凍液を循環させる回路も必要である。このため、単セル１０以外に、緻密な材料、例えば、緻密なカーボン製又は金属で形成されたセパレータのセットが必要である。セパレータ１５、１６と固体高分子形電解質膜１１との間には、ガスの漏洩防止のためのガスケット２０が配置される。
【００１３】
セパレータ１５は、金属繊維からなる第１の素材と、この第１の素材と材質又は表面特性の異なる粒状、針状又は繊維状の第２の素材とを備え、第１の素材に第２の素材を所定の割合で混在又は偏在させたものである。図１（ｂ）は、セパレータ１５の要部断面図であり、セパレータ１５が第１の素材である金属繊維の細線２１によって形成されていることを示している。図１（ｂ）に示すように、セパレータ１５は、例えば、ＳＵＳ３１６Ｌ製の細線２１を多数積層し、その積層体に圧縮及び加熱を加えることにより、所定の細孔径と気孔率となるように調整されたものである。使用する細線２１は細いほど好ましく、直径１〜２０μｍ程度であることが好ましい。これ以上の径では所定の細孔径に設定することが難しく、１μｍ以下の径では細線にするための製造コストが大幅に増加して、汎用性が無くなる。また、細線２１の長さはセパレータ１５を構成する基材の平均細孔径以上であれば良く、短すぎても長すぎても多孔体の形成が難しい。ただし、所望の機能を有しつつ、後述する多孔体の焼結による導通作用を効果的に発現させるためには、細線２１の長さよりも細線２１の径が重要である。
【００１４】
多孔質セパレータを用いた燃料電池は、セパレータの細孔内に水を含浸させることで緻密化させると共に、電池内の乾燥部位にはセパレータ表層からの水の気化により加湿を行い、余剰水分部位では余剰水分をセパレータ内に吸収させる機能を有している。一方、セパレータの機能として、反応ガスを遮蔽する必要がある。このため、セパレータ表裏で発生する差圧に対して含浸した液滴が流れ出ない必要がある。ある細孔の有効半径ｒにおける耐え得る最大の差圧Ｐは下記式で表されることは公知の通りであり、以下Ｐをバブルプレッシャーと呼ぶこととする。
Ｐ＝４σcosθ／r  （σ：表面張力、θ：接触角、ｒ：細孔の有効半径）
上式に記載されるように、バブルプレッシャーＰは、水の接触角θ、すなわち濡れ性に対して変化する。このため、少なくともセパレータを構成する基材の細孔内を親水化させることにより、バブルプレッシャーＰを上げることができる。第１の素材である金属繊維の細孔径１〜１０μｍとし、この金属繊維を加工することにより、多孔体の基材を形成する。この基材の水との接触角が８０度程度、電池の作動温度、すなわち多孔体内の水の温度を８０度程度とすると、細孔の有効半径ｒが１μｍのときのバブルプレッシャーＰは４３ｋＰａ、細孔の有効半径ｒが１０μｍのときのバブルプレッシャーＰは４．３ｋＰａ程度となる。電池自体の作動環境、すなわちシステムとしての加圧やセパレータ上流・下流域での圧損等を考慮すると、細孔の有効半径ｒが１〜１０μｍ間にある場合にセパレータとしての仕様が良く、細孔の有効半径ｒが１μｍより小さい場合には、従来の緻密質なセパレータに物性が近づき、多孔体内での水の移動能力が低下する。一方、細孔の有効半径ｒが１０μｍ以上の場合では、バブルプレッシャーＰが小さすぎるため、多孔体セパレータの表裏でのガス遮蔽に支障をきたすおそれがある。
【００１５】
図１（ｂ）に示すＳＵＳ３１６Ｌ製の細線２１のみから形成されたセパレータ１５は、その貫通抵抗はＳＵＳ３１６Ｌ細線の表面が全て酸化皮膜で覆われているため、非常に高い。このため、この状態では発電性能が低いため、発電性能を高めるためにはセパレータ１５の導電性を向上させる必要がある。また、セパレータ１５、１６のガス拡散層１３と対峙する面は、燃料電池内の腐食環境に晒されるため、セパレータ１５、１６の耐食性を向上させる工夫が必要である。一方、先に記載したように、バブルプレッシャーＰの性能を向上させるには、セパレータ１５、１６の親水性の向上も必要となる。ところが、ＳＵＳ３１６Ｌの表面には酸化膜が存在し、また、ＳＵＳ３１６Ｌは濡れ性に劣るため、導電性・耐食性・親水性の全てをＳＵＳ３１６Ｌで実現させることは困難である。このため、本発明の実施の形態では、セパレータ１５、１６の主要な基材材料として金属繊維であるＳＵＳ３１６Ｌの細線を使用し、このＳＵＳ３１６Ｌの細線によってセパレータ形状を形成し、一方、セパレータとして必要となる導電性・耐食性・親水性のそれぞれの機能を、金属繊維とは異なる材料で形成された粒状、針状又は繊維状の第２の素材として基材に導入し、第１の素材であるＳＵＳ３１６Ｌと所定の割合で混在又は偏在させて実現する。
【００１６】
基材の材料と、その機能を対応させたものを表１に纏める。
【表１】
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表１では、導電性について、ガス拡散層との接触抵抗がキーとなる表面の導電性と、セパレータの貫通抵抗がキーとなる内部の導電性とに分けてある。表１において、○で示すものは、その材料を用いた場合に得られる機能を示し、本実施の形態で用いたものを示している。（○）で記載した材料は、セパレータを構成する基材内に導入可能であり、必要な機能を有する表面処理を行うことで所望の機能を発現できるため、詳細は省略する。ただし、表１にあげるその他の繊維として、木綿、合成繊維、絹等の繊維や、それらの一部を改質した繊維があげられる。これらは親水性としての機能を発現する。表１から、（１）金属繊維は焼結することで細線同士が溶融結合するため、この材料をセパレータの基材として用いた場合、セパレータ内部の導電性や内部の耐食性及び剛性に優位である。（２）炭素繊維は、導電性と耐食性に対して優位である。（３）樹脂繊維は、親水化を行う上で選定が優位である。以上（１）〜（３）のことが分かる。これらの優位性を生かしながら、下記実施を行った。
【００１７】
なお、貫通抵抗については、図２に示す方法により測定した。図２（ａ）は、セパレータの貫通抵抗を測定する装置３０の説明図であり、図２（ｂ）は、セパレータ４１とガス拡散層４３ａ、４３ｂとの間の貫通抵抗を測定する装置４０説明図である。セパレータ３１の貫通抵抗を測定するためには、まず、セパレータ３１を電極３２ａ、３２ｂの間に挟み、矢印Ｘ及びＹの方向に所定の圧力をかけて圧縮を行う。電極３２ａ、３２ｂはＣｕ又はＣｕ表面に貴金属メッキを施したものが望ましい。つまり、貫通抵抗の計測結果には、電極自体の抵抗や電極とセパレータとの間に発生する接触抵抗が含まれるため、この接触抵抗を限りなく小さくするために導電性の良い金属を使用し、必要により表面処理を行なうものである。圧縮は、少なくとも燃料電池の圧縮荷重領域で行なうことが好ましい。貫通抵抗は、オームの法則に従う。つまり、貫通抵抗Ｒは、
Ｒ＝Ｖ／Ｉ（Ｒ：貫通抵抗、Ｖ：計測される電圧降下、Ｉ：流す電流）
で表される。流す電流Ｉは、電極３２ａ、３２ｂに接続した電流計３５によって測定する。電圧降下Ｖは、セパレータ３１に接続した電圧計３６によって測定する。測定結果は、印加電流によらない。しかし、印加電流は、安全上、電極サイズに合わせて、例えば１Ａ以下として測定を行うことが好ましい。
【００１８】
セパレータ４１とガス拡散層４３ａ、４３ｂとの間の貫通抵抗測定では、電極４２ａ、４２ｂの間に２枚のガス拡散層４３ａ、４３ｂで挟んだセパレータ４１を配置し、矢印Ｘ及びＹの方向に所定の圧力をかけて圧縮を行う。電極４２ａ、４２ｂの仕様、及び圧縮領域は上記と同じである。流す電流Ｉは、電極４２ａ、４２ｂに接続した電流計４５によって測定する。電圧降下Ｖは、ガス拡散層４３ａ、４３ｂに接続した電圧計４６によって測定する。ガス拡散層４３ａ、４３ｂとセパレータ４１との間の接触抵抗Ｒは、
Ｒ＝Ｖ／Ｉ／２（Ｒ：貫通抵抗、Ｖ：計測される電圧降下、Ｉ：流す電流）
で算出される。ガス拡散層４３ａ、４３ｂ自体の貫通抵抗は、上記のセパレータの貫通抵抗と同様の方法で計測することができ、さらにＲより差し引くことができるが、材料のベンチマークを行なう際は、ガス拡散層の種類を一定にして、ガス拡散層の貫通抵抗を差し引くことなく比較することも可能である。
【００１９】
図３は、セパレータと隣接するガス拡散層との接触抵抗を計測した結果である。なお、本測定では、ガス拡散層はカーボンペーパーを使用し、圧縮面圧を０〜２ＭＰaまで変化させたときのセパレータ及びガス拡散層自体のバルク抵抗を含んだ結果である。図３において、３Ａはステンレス（ＳＵＳ３１６Ｌ）の細線によって形成されたセパレータの測定結果を示し、３Ｂは炭素繊維で形成されたセパレータの測定結果を示す。なお、ステンレスの細線は加熱溶着していない。３Ａで示すように、ＳＵＳ３１６Ｌを使用した場合、バルクの抵抗としては非常に小さな抵抗を示すが、繊維表面の酸化被膜のためにセパレータ自体の貫通抵抗も大きく、またガス拡散層（カーボンペーパー）との接触抵抗も大きな値を示している。繊維体はそれを構成する繊維同士の接点の固まりであるため、構成部材の表面抵抗が貫通抵抗値に大きく影響する。また、ガス拡散層がカーボン製であるため、異材物質間の接触抵抗も大きい。一方、３Ｂで示すように、炭素繊維で形成されたセパレータは、ガス拡散層と同質材であるため、接触抵抗値も小さい。
【００２０】
ステンレスの細線を使用した場合の接触抵抗値を下げるために、本実施の形態では二通りの条件による性能の評価を実施した。すなわち、ステンレスの細線の表面に導電性処理を行う場合と、セパレータを構成する基材内に炭素繊維を導入する方法である。図４は、セパレータと隣接するガス拡散層との接触抵抗を計測した結果である。なお、本測定では、ガス拡散層はカーボンペーパーを使用し、圧縮面圧を０〜２ＭＰaまで変化させたときのセパレータ及びガス拡散層自体のバルク抵抗を含んだ結果である。図４において、４Ａは図３の３Ａと同じであり、ステンレス（ＳＵＳ３１６Ｌ）の細線によって形成されたセパレータの測定結果を示し、４Ｂは図３の３Ｂと同じであり、炭素繊維で形成されたセパレータの測定結果を示す。４Ｃは、ステンレスの細線の表面に導電性処理を行った、つまりＳＵＳ３１６Ｌの細線上に金メッキを施した細線によって形成されたセパレータの測定結果を示し、４Ｄは、セパレータを構成する基材内に炭素繊維としてＰＡＮ系炭素繊維を導入して形成されたセパレータの測定結果を示す。なお、ステンレスの細線は加熱溶着していない。４Ｃと４Ｄにおいて、それぞれ用いた繊維の比重が異なるため、４Ｃは４Ｄに対して約４倍の繊維を導入している。４Ｃでは、導電性の優れる金メッキを行っているため、若干接触抵抗値が低い値を示しているが、４Ｃ及び４Ｄでは、共に繊維の導入効果が確認される。ただし、炭素繊維を導入する際は、その導入量によって接触抵抗を低減させることができるが、その機械的特性から強度の低下も発生する。したがって、炭素繊維の導入の際には、導電性と強度とのバランスを見ながら導入量を最適化する必要がある。図５に、カーボン繊維導入量と曲げ強度及びカーボン繊維導入量と貫通抵抗との関係を示す。図５において、５Ａはカーボン繊維導入量と貫通抵抗との関係を示し、５Ｂは、カーボン繊維導入量と曲げ強度との関係を示す。５Ａより、カーボン繊維導入量が多いほど矢印５Ａ１に示すように貫通抵抗が低くなることがわかる。また、５Ｂより、カーボン繊維導入量が少ないほど矢印５Ｂ１に示すように曲げ強度が高くなることがわかる。つまり、カーボン繊維導入量が多いほど、機械的強度が低くなるが、導電性が高くなることが示されている。
【００２１】
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構成部材では、金属繊維からなる第１の素材と、この第１の素材と材質又は表面特性の異なる粒状、針状又は繊維状の第２の素材とを所定の割合で混在又は偏在させたことにより、金属繊維の優れた機械的特性のため、従来のグラファイトと比べて劇的に燃料電池構成部材の厚さを抑えることができ、結果として、燃料電池を小型化することが可能になる。また、第２の素材による親水化処理を燃料電池構成部材の製造途中で付与することによって、燃料電池構成部材の面内だけでなく、厚さ方向に対しても均一に親水化を付与することができる。また、目的に応じて親水化の度合いを面内や厚さ方向でコントロールことすることも可能であり、発電性能のコントロールがしやすくなる。このように、導電性や親水性などの必要な特性を持たせることができる。
【００２２】
金属繊維は、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｌ及びＴｉから選択された少なくとも一種類の金属からなり、第２の素材は、少なくとも表面が親水性の素材を含むことが好ましい。所定の金属を純金属又はこれらを含む合金として用いることで、燃料電池内の腐食環境に対する耐食性や燃料電池構成部材としての導電性を確保できる。更に、これらの金属では得られない親水性を他部材の導入によって実施することで導電性と親水性を兼ね備えた燃料電池構成部材を得ることができる。
【００２３】
親水性の素材は、粒状、針状もしくは繊維状の金属酸化物、カーボン、樹脂又はセラミック製の素材であるか、又は天然繊維もしくは合成繊維であることが好ましい。親水性を有する部材は、粒状、針状又は繊維状とすることで、基材内への導入が容易となる。更に、第２の素材は親水性を有する金属酸化物や表面が改質されたカーボン・セラミック・樹脂等の最適な形状の部材を選ぶことにより、基材の親水化を実現できる。また、絹・木綿・合成繊維等を適度な長さで導入しても同様な機能が得られる。
【００２４】
親水性の素材は、平均直径又は平均長さが燃料電池構成部材の平均細孔径より大きいことが好ましい。この条件の場合には、導入する親水性の素材が基材から脱落することを抑制することができる。
【００２５】
第２の素材は、粒状、針状又は繊維状のカーボン素材からなることが好ましい。基材を構成する材料として、第１の素材とは別にカーボン素材を導入することで、基材の導電性を向上させることができる。
【００２６】
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構成部材について説明する。図６は、セパレータ基材を構成するＳＵＳ３１６Ｌの細線の溶着の有無と貫通抵抗との関係を示す図である。
【００２７】
本発明の実施の形態において、セパレータの基材を構成する第１の素材が金属繊維であることから、多孔質体となっている基材を加熱圧縮することにより、基材を構成する金属繊維同士を熱溶着する。この結果、金属繊維間で発生する接触抵抗の低減や機械的強度も大幅に向する。加圧はプレス機による圧縮又は圧延によって行うことができる。熱溶着の際は、使用する金属種にあわせて４００〜２０００℃の大気雰囲気下でプレス圧縮する公知の手段が好ましく、プレス時間と荷重は細孔径や気孔率との関係から決定することができる。
【００２８】
図６に、セパレータの基材を構成するＳＵＳ３１６Ｌの細線の溶着の有無と貫通抵抗との関係を示す。図６において、６Ａでは金属繊維同士が溶着がされておらず、６Ｂでは金属繊維同士が要着した場合の貫通抵抗を示す。６Ａで示すように、金属繊維の要着がされていない場合には、面圧の増加に従って基材が圧縮されて金属繊維の接点が増加するため、面圧に対する接触抵抗の低減が大きい。これに対し、６Ｂでは細線が要着されていることにより、面圧増加によって圧縮される金属繊維の量が少なく、また金属繊維の接点数も増えないため、面圧に対する接触抵抗の変化も少なく、その値も小さい。このように、金属繊維を要着することにより、セパレータ内部の接触抵抗が低減される。また、セパレータ表裏の表面にのみ導電性を改善する手段が実施されていれば、導電性に対する要求は更に満足できるようになると思われる。更に、金属繊維の要着と、導入する炭素繊維の量によって導電性が向上するようになる。この場合においても、金属繊維同士の溶着数が減少することによりセパレータの機械的強度が低下するため、セパレータの使用環境に合わせて適宜要着の量及び導入する炭素繊維の量の調整を行うことが好ましい。
【００２９】
以上示したように、本発明の第二実施形態に係る燃料電池構成部材では、金属繊維は、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｌ及びＴｉから選択された少なくとも一種類の金属からなり、第２の素材は、導電性の表層部を有する金属繊維からなるため、金属の多くはその表面に酸化皮膜を形成するため、そのままでは抵抗が大きいが、金属の表面の接触抵抗を低減させる表面処理を施してセパレータを構成する基材内に導入することにより、上述のカーボン製部材の導入と同様の効果が期待できる。
【００３０】
金属繊維は、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｌ及びＴｉから選択された少なくとも一種類の金属からなり、第１の素材を構成する金属繊維は、耐食性の表層部を有することが好ましい。耐食性の表層部を有することにより、燃料電池内の作動環境下においても十分な耐食性を有し、セパレータの経時的な性能低下を抑制することができる。また、この構成部材をカソード側に用いた場合、基材表面が耐食性の表層部を有することにより、基材の腐食によるイオン溶出を防止することができる。なお、カソード側は、電極電位が０〜１．２Ｖ ｖｓＳＨＥになる。発電中のセパレータ電位は自然電位にあると考えられるが、電極とセパレータが液水、特にある程度イオンを含んで導電率を有する液水と直接繋がった際には、セパレータの電位が規制され得る。この時の電位によっては金属の腐食を加速し得る。
【００３１】
第１の素材と第２の素材との溶融接合した接合部を有することが好ましい。繊維又は粒状の第２の素材を加えて形成される多孔体を加熱圧縮することにより、構成部材同士が溶着される。これによって多数の部材間の接点で発生する接触抵抗を低減することができる。
【００３２】
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構成部材について説明する。図７（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、カーボン繊維を導入したセパレータ１５の断面図である。図８は、酸化チタンを塗布した親水性のＳＵＳ３１６Ｌの細線の量を増やした場合におけるバブルプレッシャーＰの変化を示した図である。なお、第一実施形態と同一構成箇所には、同一符号を付してその説明を省略する。
【００３３】
導電性を向上させる手段として、表面処理した金属細線又は炭素繊維の導入を上記実施の形態に記載したが、その導入に際しては基材内全体に、第２の素材を均一に分散させることが必要である。また、接触抵抗として大きな比率を占めるガス拡散層との間の接触抵抗を低減するために、導入する第２の素材の分散に傾斜を持たせることで電気的特性の優れた多孔体の基材を得ることができる。
【００３４】
図７（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に、第２の素材を導入したセパレータ１５の断面図を示す。図７（ａ）に示すように、多孔質体であるセパレータ１５表面の、特にガス拡散層１３との対峙面に近いほど、導入する炭素繊維２２の量を多くすることが効果的である。更に、本実施の形態に係る部材をガス拡散層として用いる場合においても、ガス拡散層表面の、特に電極触媒層との対峙面に近いほど、導入する炭素繊維の量を多くすることが効果的である。すなわち、ガス拡散層は電極触媒層と隣接しており、ガス拡散層は電極触媒層に含まれる高酸性の固体高分子形電解質膜と直接接することになる。従来知られているパーフルオロ型の固体高分子形電解質膜は強酸であり、ステンレスやアルミニウム等の金属材料では激しく腐食する。このため、ガス拡散層と固体高分子形電解質膜とを直接接触させないためにも、特にガス拡散層の電極触媒層と対峙する表面層に、炭素繊維を偏在させることが好ましい。なお、炭素繊維としては、公知のＰＡＮ系、ピッチ系及びレーヨン系のいずれのものを用いても構わない。
【００３５】
次に、図７（ｂ）に、表面に親水性を有する細線２３を基材内に分散させた場合を示す。図７（ｂ）において、表面上にあらかじめ酸化チタンを含有する塗料を塗布したＳＵＳ３１６Ｌの細線２３を用意し、金属繊維の細線２１を用いてセパレータを成形する際に無塗布の細線２１と共に加熱圧縮する。酸化チタンを塗布した細線２３の導入量は多いほど好ましいが、コストが上がるため、要求するバブルプレッシャーＰが実現できる最低限の導入量であることが好ましい。図８は、酸化チタンを塗布した親水性のＳＵＳ３１６Ｌの細線の量を増やした場合におけるバブルプレッシャーＰの変化を示したものである。図８に示すように、親水化された繊維の導入率が基材内の細孔部に露出する程度の含有量ｐ以上である場合において、バブルプレッシャーＰの上昇が確認される。このように、導入する第２の素材として、基材を構成する第１の素材であるＳＵＳ３１６Ｌに親水性の処理を行った素材を用いた場合には、熱圧縮によって無塗布のＳＵＳ３１６Ｌの細線２１と導入した酸化チタンが塗布された細線２３とが溶着するため、導電性の向上が期待できる。
【００３６】
次に、図７（ｃ）に、親水性を有する粒子材料２４をセパレータ基材を構成する金属繊維の細線２１に分散させた場合の例を示す。球状、針状又は無定形の粒子としては、そのもの自体が親水性を示す酸化金属を使用することができる。ただし、粒径がセパレータを構成する基材の平均細孔径より小さい場合には、粒子材料２４が基材から脱落する場合があるため、粒子材料２４は基材の平均細孔径以上であることが好ましい。微粒子を用いる場合には、樹脂を用いて所定のサイズにした後に、セパレータを構成する基材内に配置するか、スラリー状にした後にセパレータを構成する基材内に含浸させる。ただし、後者の場合には、基材の細孔径が変化するため、別途調整が必要となる。表２は、酸化チタンを使用した場合の実施特性を示したものである。
【表２】
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基材の平均細孔径が３μｍのセパレータを作成する際には、粒状又は針状の酸化チタンを導入して加熱圧縮する。また、樹脂を使用する場合には、樹脂と酸化チタンとを溶媒中で混合し、樹脂を硬化させて再粉砕させたものをセパレータ形成時に導入する。酸化チタンは粒径によらずほぼ同じ重量の酸化チタンを使用する。また、針状のものについては、樹脂との混合及び粉砕の工程で針状が破損するため、実施評価を行わなかった。本実施の形態では酸化チタンを使用したが、酸化アルミ、酸化スズ、酸化亜鉛等の他の金属酸化物でも構わない。また、樹脂はフェノール樹脂を使用したが、燃料電池内の環境下で特性の低下しない他の公知の樹脂を使用しても構わない。
【００３７】
以上示したように、本発明の第三実施形態に係る燃料電池構成部材では、導電性の部材からなり、この導電性の部材では、金属繊維は、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｌ及びＴｉから選択された少なくとも一種類の金属からなり、第２の素材がカーボンを含むことにより、基材とは別にカーボン材料を導入することで、部材の導電性を向上させることができる。
【００３８】
導電性の部材はセパレータからなり、このセパレータのガス拡散層に臨む部分では、表面近傍でカーボンの分量が内部より増えていることが好ましい。ガス拡散層と対峙するセパレータ主面の表面にカーボン製部材を多く偏在させることにより、セパレータの貫通抵抗の低減だけでなく、隣接するガス拡散層との間の接触抵抗も低減できる。
【００３９】
導電性の部材はガス拡散層からなり、このガス拡散層の電極触媒層に臨む部分では、表面近傍でカーボンの分量が内部より増えていることが好ましい。これにより、高酸性を示す電極触媒層と金属を含む基材が直接触れることによる、基材の腐食を防止することができる。
【００４０】
なお、第１の素材は、平均細孔径が１〜１０μmであり、かつ平均気孔率が１０〜９０％であることが好ましい。所定の細孔径とすることにより、セパレータに水を含水させた際の、燃料電池作動圧力下におけるガス遮蔽性を十分に確保できる。また、所定の気孔率によってセパレータ内の水の移動を確保でき、セパレータ表面における水の蒸散と吸収を行うことができる。
【００４１】
ここで、本実施の形態における細孔径と気孔率との関係を説明する。図９（ａ）は水の透過率とバブルポイントプレッシャーとの関係を示す図である。図９（ｂ）は、気孔率と水の透過率との関係を示す図である。図９（ｃ）は、細孔径とバブルポイントプレッシャーとの関係を示す図である。図１０は、実際に測定した気孔率と水の透過率との関係を示す図である。図１１は、実際に測定した細孔径とバブルポイントプレッシャーとの関係を示す図である。図１２は、気孔率と電気特性との関係を示す図である。
【００４２】
図９（ａ）に示すように、ガス遮蔽性の確保（高バブルポイントプレッシャー）とセパレータの加湿と吸水機能のために、水の透過率が求められる。両特性、すなわち、バブルポイントプレッシャーＰと水の透過率は、それぞれ、図９（ｂ）、（ｃ）に示すように、気孔率と細孔径をパラメータとする。図１０の１０Ｂに示すように、気孔率を上げる（１０Ｂ１）と水の透過性能が向上し、その結果発電性能が向上するが、ある気孔率以上では基材がスカスカになるため、セパレータの機械的強度が低下し、構造体として成立しない。つまり、ここ（１０Ｂ２）が機械的強度の限界であり、気孔率の上限値となる。また、１０Ａ１に示すように、気孔率を下げるとセパレータ内の水の移動（透過）がなくなるため、結果としてセル内の加湿が不足して（加湿・吸水機能の限界１０Ｂ３）、発電性能がおちる。つまり、セパレータの気孔率下限値となる。また、図１１に示すように細孔径を上げると、ガス遮蔽性が低下する、つまり、ガスリークするため、性能が落ちる。セル内の圧力損失を限りなく落とした場合でも細孔径が大きいと、拡散によってリークしうる。つまり、ここ（１１Ｂ２）がセパレータ向けの細孔径上限値となる。一方、細孔径が小さすぎると、セパレータは多孔質から緻密質の特性を示すようになり、１１Ｃに示すように、セル寿命が短くなる、つまり、ここがセパレータ細孔径下限値となる。また、図１２の１２Ａに示すように、ガス拡散層は気孔率が落ちると、触媒層やセパレータとの接触抵抗が急激に増加する。また、ガス拡散層自体の貫通抵抗も上がる。つまり、ここがガス拡散層の気孔率上限値となる。
【００４３】
以上のことをまとめると、細孔径と気孔率との間には、次の関係がある。
１μｍ（セパレータ下限）＜細孔径＜１０μｍ（セパレータ上限）
１０％（セパレータ下限）＜気孔率＜９０％（ガス拡散層上限）
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。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】（ａ）本発明の第一実施形態に係る燃料電池構成部材としてのセパレータを備える燃料電池の単位セルの構成を示す断面図である。（ｂ）セパレータの要部断面図である。
【図２】（ａ）セパレータの貫通抵抗を測定する説明図である。（ｂ）セパレータとガス拡散層との間の貫通抵抗を測定する説明図である。
【図３】セパレータと隣接するガス拡散層との接触抵抗を計測した結果を示す図である。
【図４】セパレータと隣接するガス拡散層との接触抵抗を計測した結果を示す図である。
【図５】カーボン繊維導入量と曲げ強度及びカーボン繊維導入量と貫通抵抗との関係を示す図である。
【図６】セパレータ基材を構成するＳＵＳ３１６Ｌの細線の溶着の有無と貫通抵抗との関係を示す図である。
【図７】（ａ）第２の素材を導入したセパレータの断面図である。（ｂ）第２の素材を導入したセパレータの断面図である。（ｃ）第２の素材を導入したセパレータの断面図である。
【図８】酸化チタンを塗布した親水性のＳＵＳ３１６Ｌの細線の量を増やした場合におけるバブルプレッシャーＰの変化を示した図である。
【図９】（ａ）水の透過率とバブルポイントプレッシャーとの関係を示す図である。（ｂ）気孔率と水の透過率との関係を示す図である。（ｃ）細孔径とバブルポイントプレッシャーとの関係を示す図である。
【図１０】実際に測定した気孔率と水の透過率との関係を示す図である。
【図１１】実際に測定した細孔径とバブルポイントプレッシャーとの関係を示す図である。
【図１２】気孔率と電気特性との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００４５】
１０…単セル
１１…固体高分子形電解質膜
１２…電極触媒層
１３、１４…ガス拡散層
１５、１６…セパレータ
１７…純水流路
１８、１９…ガス流路
２０…ガスケット
２１…細線
２２…炭素繊維
２３…細線
２３…繊維
２４…粒子材料
３０…装置
３１…セパレータ
３２ａ…電極
３５…電流計
３６…電圧計
４０…装置
４１…セパレータ
４２ａ…電極
４３ａ…ガス拡散層
４５…電流計
４６…電圧計
１４１…セパレータ
３１６Ｌ…ＳＵＳ
【図１】
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【図２】
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【図３】
2008270114.tif 000007
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2008270114.tif 000014
【図１１】
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【図１２】
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