(57)【要約】【目的】セパレータ内部からガス拡散電極１４，１５に向けて燃料，酸化剤を送り出すことにより、金属製セパレータ２０Ｒ，２０Ｌを腐食から保護し、腐食に起因した接触抵抗の増加がない固体高分子型燃料電池を得る。【構成】燃料極１２，酸化極１３をそれぞれ両面に設けた高分子イオン交換膜１１をガス拡散電極１４，１５で挟み、複数の隆起部２１が所定間隔で形成された中空状の金属製セパレータ２０Ｒ，２０Ｌをガス拡散電極１４，１５に対抗させた構造をもつ。金属製セパレータ２０Ｒ，２０Ｌの内部に燃料，酸化剤が送り込まれ、隆起部２１の頂面にあるガス噴出孔２２からガス拡散電極１４，１５に向けて噴き出される。【選択図】        図２
2004192932.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極，酸化極それぞれを両面に設けた高分子イオン交換膜をガス拡散電極で挟み、複数の隆起部が所定間隔で形成された中空状の金属製セパレータをガス拡散電極に対向させた構造をもち、金属製セパレータの内部に送り込まれた燃料，酸化剤をガス拡散電極に向けて噴き出すガス噴出孔が隆起部の頂面に形成されていることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、ステンレス鋼等の金属製セパレータを用いた固体高分子型燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子型燃料電池は、環境に及ぼす影響が少なく、室温程度の低温でも起動・発電できる長所から自動車の動力源を始めとし、各種分野の電気エネルギー供給源として期待されている。固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜１１の両面に触媒電極層１２，１３を形成し、多孔質カーボン製のガス拡散電極１４，１５で挟んだ膜−電極接合体１０で構成されている（図１）。
触媒電極層１２（燃料極）側にＨ２含有燃料を送り込むと、燃料極１２上でＨ２がプロトンＨ＋となる。プロトンＨ＋は、水の存在下で高分子イオン交換膜１１を透過して触媒電極層１３（酸化極）に移動し、酸化極１３側に送り込まれてきた酸化剤中のＯ２及び外部回路１６から流れてきた電子ｅ−と反応し、水（反応生成物）として系外に排出される。外部回路１６に沿った電子ｅ−の流れが電気エネルギーとして取り出されるが、単体の膜−電極接合体１０から取り出される電気量は極僅かである。そこで、多数の膜−電極接合体１０をスタックすることにより、実用に供せられる電力を得ている。
【０００３】
多数の膜−電極接合体１０をスタックする際、個々の膜−電極接合体１０の間にセパレータが介装される。電気伝導性の良好な黒鉛を所定形状に切り出したセパレータが従来から使用されているが、黒鉛製のセパレータは生産性が悪く、耐衝撃性に劣ることも欠点である。そこで、黒鉛製セパレータに代えて、ステンレス鋼等の耐食性に優れた金属製セパレータが研究・開発されている。金属製セパレータは、黒鉛製セパレータに比較して加工が簡単で、スタック厚を低減する上でも有効である。本発明者等も、燃料電池用セパレータに使用されるステンレス鋼板を紹介している（特開２０００−２７７１３３号公報）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
多数のセルを積層する固体高分子型燃料電池にあっては各セルごとに接触抵抗が積算され、発生した電力がジュール熱となって消費される。そのため、燃料電池の発電効率を向上させる上で、接触抵抗を可能な限り低下することが要求される。ところが、金属製セパレータはセル内の過酷な環境に曝されて腐食し、ガス拡散電極に対する接触抵抗が増加する。金属製セパレータの腐食は、燃料電池の運転中に高分子イオン交換膜１１から脱落したスルホン基が硫酸イオン等の酸性物質になり、酸性物質がガス中に流出してセル内が酸性雰囲気になることが主な原因と考えられている。
【０００５】
接触抵抗増加の原因である腐食は、耐食性の良好なステンレス鋼をセパレータ基材に使用することにより抑制される。また、黒鉛，カーボンブラック，導電性金属等をステンレス鋼表面に施すことによりセパレータ基材の導電性を確保している。
現在まで提案されている金属製セパレータは、燃料電池セル内部の腐食雰囲気を前提とし、その腐食雰囲気に耐えて低接触抵抗を維持することを狙った材料開発が主流である。しかし、長期間にわたって過酷な雰囲気に曝されるとセパレータ表面が腐食することが避けられず、腐食による接触抵抗の増加のため金属製セパレータの寿命に限りがある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、金属製セパレータが曝される腐食環境を緩和することにより、腐食に起因する接触抵抗の増加を抑制し、長期間にわたって高い発電効率を維持できる固体高分子型燃料電池を提供することを目的とする。
【０００７】
本発明の固体高分子型燃料電池は、その目的を達成するため、燃料極，酸化極それぞれを両面に設けた高分子イオン交換膜をガス拡散電極で挟み、複数の隆起部が所定間隔で形成された中空状の金属製セパレータをガス拡散電極に対向させた構造をもち、金属製セパレータの内部に送り込まれた燃料，酸化剤をガス拡散電極に向けて噴き出すガス噴出孔が隆起部の頂面に形成されていることを特徴とする。
【０００８】
【実施の形態及び作用】
本発明に従った固体高分子型燃料電池は、複数の隆起部２１が所定間隔で形成された中空構造の金属製セパレータ２０Ｒ，２０Ｌをガス拡散電極１４，１５に対向させている（図２）。隆起部２１の頂面ほぼ中央にガス噴出孔２２が穿設されている。燃料極１２側の金属製セパレータ２０Ｒに水素等の燃料が送り込まれ、酸化極１３側の金属製セパレータ２０Ｌに酸素等の酸化剤が送り込まれる。
【０００９】
金属製セパレータ２０Ｒ，２０Ｌの内部に送り込まれた燃料，酸化剤は、ガス噴出孔２２からガス拡散電極１４，１５に向けて噴き出される。燃料，酸化剤の一部は、ガス拡散電極１４，１５を透過して電池反応に消費された後、隣接する隆起部２１間の溝部２３に流入する。金属製セパレータ２０Ｒ，２０Ｌに送り込まれる燃料，酸化剤には燃料極１２側，酸化極１３側に送り込まれる燃料，酸化剤の一部を流用でき、或いは燃料，酸化剤の全量を金属製セパレータ２０Ｒ，２０Ｌ経由で燃料極１２側，酸化極１３側に供給しても良い。
【００１０】
燃料，酸化剤を金属製セパレータ２０Ｒ，２０Ｌの内部に送り込み、ガス噴出孔２２から噴き出すことは、金属製セパレータ２０Ｒ，２０Ｌの内部が供給側ガス流路Ｇｉｎ，隣接する隆起部２１の間が排出側ガス流路Ｇｏｕｔになることを意味する。ガス拡散電極１４，１５に接触する隆起部２１の頂面は、燃料，酸化剤の流れに関してガス拡散電極１４，１５よりも上流側に位置する。
【００１１】
ガス拡散電極１４，１５に送り込まれた燃料，酸化剤で電池反応が生じる際に高分子イオン交換膜１１から酸性物質が溶出するが、酸性物質はガスの流れに乗って排出側ガス流路Ｇｏｕｔに送り出される。隆起部２１の頂面近傍では、ガス噴出孔２２から噴き出された燃料，酸化剤で酸性物質が希釈され濃度低下する。その結果、隆起部２１の頂面は、ガス拡散電極１４，１５に接触しているにも拘らず、酸性物質の付着がなく、腐食反応から保護される。したがって、腐食起因の接触抵抗増加が防止され、燃料電池の発電効率が長期にわたって高位に維持される。
【００１２】
なお、ガス拡散電極１４，１５に対向する金属製セパレータ２０Ｒ，２０Ｌ（又は，集電体）の凹凸面にガス噴出孔２２を開口すること自体はすでに知られた技術（特開２００２−６３９１５号公報）であるが、凹凸形状と関係なくガス供給口を開口させているので、ガスの流れに沿った酸性物質の排出や隆起部２１の頂面近傍における酸性物質の希釈による濃度低下を期待できない。これに対し、ガス噴出孔２２を隆起部２１の頂面に開口させるとき、燃料，酸化剤の流れに関してガス拡散電極１４，１５よりも隆起部２１の頂面が上流側となり、酸性物質の排出や希釈が進み金属製セパレータ２０Ｒ，２０Ｌの腐食が抑制される。
【００１３】
【実施例】
板厚０．３ｍｍのＳＵＳ３０４ステンレス鋼板を張出し加工し、直径３ｍｍ，高さ０．５ｍｍの隆起部２１を５ｍｍ間隔で形成した。隆起部２１の頂面中央に直径０．３ｍｍの孔を開け、ガス噴出孔２２とした。ガス噴出孔２２と反対面に背面板２４を取り付けることにより、中空状の金属製セパレータ２０Ｒ，２０Ｌを作製した。
白金を担持したカーボンブラックを高分子イオン交換膜１１（ｎａｆｉｏｎ  １１５）に塗布し、高分子イオン交換膜１１の一面に燃料極１２，他面に酸化極１３を設けた。白金担持カーボンブラックの塗布量は、白金付着量０．５ｍｇ／ｃｍ２となるように調節した。次いで、厚さ０．５ｍｍのカーボン繊維不織布（ガス拡散電極１４，１５）で高分子イオン交換膜１１を挟み、膜−電極接合体１０を作製した。
【００１４】
膜−電極接合体１０を金属製セパレータ２０Ｒ，２０Ｌで挟み込むことにより、固体高分子型燃料電池を組み立てた。
得られた固体高分子型燃料電池に水素ガス（燃料），酸素ガス（酸化剤）を供給しながら、セル温度８０℃，ガス加湿温度８０℃，出力電流密度０．３Ａ／ｃｍ２の条件下で連続運転した。連続運転中にセル電圧を随時測定し、セル電圧の経時変化を調査した。調査の結果、運転開始後５００時間経過した時点でも初期電圧０．６Ｖが維持されており、腐食による接触抵抗の増加が検出されなかった。燃料電池を解体して金属製セパレータ２０Ｒ，２０Ｌの表面を観察した結果でも、隆起部２１の頂面に占める腐食面積率は極僅かであった。
【００１５】
比較のため、隆起部２１にガス噴出孔２２のない同材質のステンレス鋼板をセパレータに使用し、隆起部２１の間に水素ガス，酸素ガスを送り込み、その他は同様な条件下で燃料電池を連続運転したところ、運転直後からセル電圧が低下した。運転開始後１００時間経過した時点ではセル電圧が０Ｖまで低下し、燃料電池としての働きがなくなった。燃料電池解体後にセパレータ表面を観察したところ、隆起部２１の表面全域が腐食されていた。
この対比から明らかなように、中空状の金属製セパレータ２０Ｒ，２０Ｌに燃料，酸化剤を送り込み、ガス噴出孔２２からガス拡散電極１４，１５に向けて送り出すことにより、ガス拡散電極１４，１５に接触する隆起部２１の腐食が抑制され、長期間にわたって発電効率が高位に維持されることが確認された。
【００１６】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の固体高分子型燃料電池は、燃料電池セルをスタックする際のセパレータに中空状の金属製セパレータを使用し、膜−電極接合体のガス拡散電極に接触する隆起部に設けたガス噴出孔からガス拡散電極に向けて燃料，酸化剤を噴き出す構造になっている。燃料，酸化剤の噴出しにより、電池反応で生じた酸性物質が隆起部表面に付着又は接近することが抑制され、ガス拡散電極に接触する隆起部が曝される環境の腐食作用が軽減する。その結果、腐食に起因する接触抵抗の増加がなく、長期間にわたって発電効率が高位に安定した固体高分子型燃料電池となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】固体高分子型燃料電池の作用を説明する図
【図２】本発明に従った固体高分子型燃料電池の要部を示す概略図
【符号の説明】
１０：膜−電極接合体    １１：高分子イオン交換膜    １２：燃料極    １３：酸化極    １４，１５：ガス拡散電極    １６：外部回路
２０Ｒ，２０Ｌ：金属製セパレータ    ２１：隆起部    ２２：ガス噴出孔
２３：溝部    ２４：背面板
Ｇｉｎ：供給側ガス流路    Ｇｏｕｔ：排出側ガス流路
【図１】
2004192932.tif 000003
【図２】
2004192932.tif 000004