(57)【要約】【課題】燃料電池の性能劣化を低減でき、低コストな燃料電池用セパレータおよびそれを備えた燃料電池を提供する。【解決手段】燃料電池用セパレータ１０は、アノード電極ＡＥに面した第１セパレータ部材１１と、カソード電極ＣＥに面した第２セパレータ部材１２とが互いに結合されて構成されている。第１セパレータ部材１１の形成材料は燃料電池の発電環境下でも金属イオンの溶出が少ない材料であるクロム合金とし、第２セパレータ部材１２の形成材料は、その表面に厚い酸化被膜を形成しにくい性質を有する材料であるニッケル合金とした。【選択図】　図３
2004071502.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一側にアノード電極に面した第１面を備えるとともに、他側にカソード電極に面した第２面を備えた燃料電池用セパレータにおいて、前記第１面の形成材料と前記第２面の形成材料とを互いに異ならせたことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
前記アノード電極に面した第１セパレータ部材と前記カソード電極に面した第２セパレータ部材とを結合することによって構成され、前記第１セパレータ部材と前記第２セパレータ部材の材料を互いに異ならせたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項３】
前記第１セパレータ部材の材料をクロム合金とし、前記第２セパレータ部材の材料をニッケル合金としたことを特徴とする請求項２記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項４】
前記アノード電極に面した第１セパレータ部材と前記カソード電極に面した第２セパレータ部材とを結合することによって構成され、前記第１セパレータ部材の前記アノード電極に面した面および前記第２セパレータ部材の前記カソード電極に面した面にはともに表面処理が施されており、前記第１セパレータ部材に施した前記表面処理および前記第２セパレータ部材に施した前記表面処理の材料を互いに異ならせたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項５】
前記第１セパレータ部材に施した前記表面処理を金メッキとし、前記第２セパレータ部材に施した前記表面処理をスズメッキとしたことを特徴とする請求項４記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項６】
前記第２セパレータ部材の前記カソード電極に面した面に施した表面処理は、前記第２セパレータ部材の前記カソード電極との当接面のみに施したことを特徴とする請求項４記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項７】
前記アノード電極に面した第１セパレータ部材と前記カソード電極に面した第２セパレータ部材とを結合することによって構成され、前記第１セパレータ部材の前記アノード電極に面した面および前記第２セパレータ部材の前記カソード電極に面した面のうちの一方には表面処理が施されており、前記第１セパレータ部材および前記第２セパレータ部材のうちの一方に施した前記表面処理と前記第１セパレータ部材および前記第２セパレータ部材のうちの他方の材料を互いに異ならせたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項８】
アノード電極に面した第１セパレータ部材とカソード電極に面した第２セパレータ部材とを結合することによって構成され、前記第１セパレータ部材と前記第２セパレータ部材の材料を互いに異ならせた燃料電池用セパレータを備えるとともに、前記アノード電極と前記第１セパレータ部材との間には乾燥した燃料ガスを供給することを特徴とする燃料電池。
【請求項９】
基材の一側に表面処理を施して構成され、前記第１面の形成材料を前記基材および前記表面処理のうちの一方とし、前記第２面の形成材料を前記基材および前記表面処理のうちの他方とすることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項１０】
前記第１面の形成材料をクロム合金で形成された前記基材とし、前記第２面の形成材料を前記基材に施されたスズメッキとしたことを特徴とする請求項９記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項１１】
前記第２面の形成材料をニッケル合金で形成された前記基材とし、前記第１面の形成材料を前記基材に施された金メッキとしたことを特徴とする請求項９記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項１２】
前記スズメッキは、前記カソード電極との当接面のみに施したことを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項１３】
基材の一側に表面処理を施して構成され、前記基材および前記表面処理のうちの一方がアノード電極に面し、前記基材および前記表面処理のうちの他方がカソード電極に面しているとともに、前記基材と前記表面処理の材質を互いに異ならせた燃料電池用セパレータを備え、前記燃料電池用セパレータと前記アノード電極との間には乾燥した燃料ガスを供給することを特徴とする燃料電池。
【請求項１４】
電解質膜の一側に設置されたアノード電極に面した第１セパレータ部材と、前記電解質膜の他側に設置されたカソード電極に面した第２セパレータ部材とを備えた燃料電池において、前記第１セパレータ部材の形成材料と前記第２セパレータ部材の形成材料とを互いに異ならせたことを特徴とする燃料電池。
【請求項１５】
前記アノード電極と前記第１セパレータ部材との間には乾燥した燃料ガスを供給することを特徴とする請求項１４記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池用セパレータおよびそれを備えた燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術とその課題】
従来より、各種の燃料電池用セパレータが提案されている。これまで、カーボン製のものに加えて、金属製のものも多くのものが考案されてきた。燃料電池用セパレータとして使用に耐えうるためには、その構造上および素材上、一定以上の強度を必要とすることはいうまでもない。しかしながら、燃料電池用セパレータとして、要求されるものは何も強度上の品質ばかりではない。高温下で２種の気体を化学反応させて発電を行う環境下でも、セパレータを形成している材料の劣化による経時変化の少ないものでなければならない。セパレータの劣化は電解質膜あるいは触媒に対して悪影響を及ぼし、結果的に発電効率の低下につながる。
【０００３】
これまで、燃料電池用セパレータに関わる技術者は、度重なる試行錯誤によって、燃料電池用セパレータの材料および表面処理として適したものを見つけだそうとしてきた。その結果、燃料電池用セパレータにある程度適した数種類の材料が知られている。その１つが特開平１０−２２８９１４号公報に開示されている。この公報には、ステンレス鋼にプレス成形を施して、気体が通過する膨出部位を形成し、膨出部位の各電極との接触面に部分的に金メッキを形成したものであった。
【０００４】
金メッキは材料的に安定しており、カソード電極と接触した場合の経時変化が少ない上に接触抵抗が小さく、カソード側セパレータの表面処理として使用した場合、優れたものであった。しかしながら、金メッキはアノード側セパレータに対して部分的な表面処理として使用した場合、メッキしていないところからの金属イオンの溶出は避けられず、電池性能の低下を招くという問題があった。また、このために金メッキをアノード側セパレータの表面全体に施せば、セパレータのコスト高は避けられない問題であった。
【０００５】
一方、特開２０００−２９４２５６号公報には、フェライト系ステンレスを用いた燃料電池用セパレータの開示があるが、これはまた、アノード電極と接触した場合の金属イオンの溶出を防ぐことは可能であるが、カソード電極側での接触抵抗が増大することを防ぐことは不可能であり、やはり電池性能の低下は避けられなかった。上述したように、従来の技術によるセパレータはいずれも、アノード電極側に設置された場合にも、カソード電極側に設置された場合にも優れた性能を発揮するものではなかった。
【０００６】
本出願の発明者は、燃料電池用セパレータに関する研究を重ね、セパレータの劣化により燃料電池の性能劣化を引き起こすメカニズムが、アノード電極側におけるものとカソード電極側におけるものとが異なることを発見した。すなわち、アノード電極側においては、燃料電池の発電環境によって、セパレータ材料の金属イオンが溶出して、電解質膜あるいは触媒層内にコンタミナントとして混入して、燃料電池の性能劣化を引き起こしている。更に、アノード電極側に導入されている水素ガスに含まれている凝縮水が、金属イオンの通り道となっており、金属イオンの溶出を拡大している。これに対して、カソード電極側においては、セパレータ表面上に酸化被膜が成長して、カソード電極とセパレータとの接触抵抗が増大し、燃料電池の性能劣化を誘起していることがわかった。
【０００７】
【発明の概要】
本発明は、上述した研究成果に基づき従来技術の課題を解消するもので、その目的は、燃料電池の性能劣化を低減でき、低コストな燃料電池用セパレータおよびそれを備えた燃料電池を提供することである。第１の発明においては、一側にアノード電極に面した第１面を備えるとともに、他側にカソード電極に面した第２面を備えた燃料電池用セパレータにおいて、前記第１面の形成材料と前記第２面の形成材料とを互いに異ならせたことを特徴とする燃料電池用セパレータとした。
【０００８】
この第１の発明の構成によれば、アノード電極に面した第１面の形成材料とカソード電極に面した第２面の形成材料とを互いに異ならせたことにより、燃料電池の性能を低下させる各電極のメカニズムに応じて、それぞれの電極に対し最適な形成材料を選択でき、燃料電池の性能低下を防止できる燃料電池用セパレータとすることができる。
【０００９】
第１の詳細な構成においては、前記アノード電極に面した第１セパレータ部材と前記カソード電極に面した第２セパレータ部材とを結合することによって構成され、前記第１セパレータ部材と前記第２セパレータ部材の材料を互いに異ならせたことを特徴とする第１の発明記載の燃料電池用セパレータとした。
【００１０】
この第１の詳細な構成によれば、第１セパレータ部材と第２セパレータ部材の材質を互いに異ならせたことにより、第１セパレータ部材と第２セパレータ部材との間に冷却水通路を設けた水冷式の燃料電池に使用されるメタルセパレータにおいて、それぞれの電極に対し最適な形成材料を選択でき、燃料電池の性能低下を防止できる燃料電池用セパレータとすることができる。
【００１１】
第２の詳細な構成においては、前記第１セパレータ部材の材料をクロム合金とし、前記第２セパレータ部材の材料をニッケル合金としたことを特徴とする第１の詳細な構成記載の燃料電池用セパレータとした。
【００１２】
この第２の詳細な構成によれば、第１セパレータ部材の材料をクロム合金とし、第２セパレータ部材の材料をニッケル合金としたことにより、第１セパレータ部材および第２セパレータ部材の材料を、それぞれの電極に対し劣化しにくい材料とすることができ、燃料電池の性能低下を防止できる燃料電池用セパレータとすることができる。
【００１３】
第３の詳細な構成においては、前記アノード電極に面した第１セパレータ部材と前記カソード電極に面した第２セパレータ部材とを結合することによって構成され、前記第１セパレータ部材の前記アノード電極に面した面および前記第２セパレータ部材の前記カソード電極に面した面にはともに表面処理が施されており、前記第１セパレータ部材に施した前記表面処理および前記第２セパレータ部材に施した前記表面処理の材料を互いに異ならせたことを特徴とする第１の発明記載の燃料電池用セパレータとした。
【００１４】
この第３の詳細な構成によれば、第１セパレータ部材に施した表面処理および第２セパレータ部材に施した表面処理の材料を互いに異ならせたことにより、それぞれの電極に対し最適な形成材料を選択でき、燃料電池の性能低下を防止できる燃料電池用セパレータとすることができる。
【００１５】
第４の詳細な構成においては、前記第１セパレータ部材に施した前記表面処理を金メッキとし、前記第２セパレータ部材に施した前記表面処理をスズメッキとしたことを特徴とする第３の詳細な構成記載の燃料電池用セパレータとした。
【００１６】
この第４の詳細な構成によれば、第１セパレータ部材に施した表面処理を金メッキとし、第２セパレータ部材に施した表面処理をスズメッキとしたことにより、第１セパレータ部材および第２セパレータ部材の表面処理の材料を、それぞれの電極に対し劣化しにくい材料とすることができ、燃料電池の性能低下を防止できる燃料電池用セパレータとすることができる。
【００１７】
第５の詳細な構成においては、前記第２セパレータ部材の前記カソード電極に面した面に施した表面処理は、前記第２セパレータ部材の前記カソード電極との当接面のみに施したことを特徴とする第３の詳細な構成記載の燃料電池用セパレータとした。
【００１８】
この第５の詳細な構成によれば、第２セパレータ部材のカソード電極に面した面に施した表面処理を、第２セパレータ部材のカソード電極との当接面のみに施したことにより、カソード電極に対するセパレータの劣化を防止するとともに、第２セパレータ部材に施した表面処理の材料を節約することができ、低コストな燃料電池用セパレータとすることができる。
【００１９】
第６の詳細な構成においては、前記アノード電極に面した第１セパレータ部材と前記カソード電極に面した第２セパレータ部材とを結合することによって構成され、前記第１セパレータ部材の前記アノード電極に面した面および前記第２セパレータ部材の前記カソード電極に面した面のうちの一方には表面処理が施されており、前記第１セパレータ部材および前記第２セパレータ部材のうちの一方に施した前記表面処理と前記第１セパレータ部材および前記第２セパレータ部材のうちの他方の材料を互いに異ならせたことを特徴とする第１の発明記載の燃料電池用セパレータとした。
【００２０】
この第６の詳細な構成によれば、第１セパレータ部材および第２セパレータ部材のうちの一方に施した表面処理と第１セパレータ部材および第２セパレータ部材のうちの他方の材料を互いに異ならせたことにより、それぞれの電極に対し最適な形成材料を選択でき、燃料電池の性能低下を防止できる燃料電池用セパレータとすることができる。
【００２１】
第２の発明においては、アノード電極に面した第１セパレータ部材とカソード電極に面した第２セパレータ部材とを結合することによって構成され、前記第１セパレータ部材と前記第２セパレータ部材の材料を互いに異ならせた燃料電池用セパレータを備えるとともに、前記アノード電極と前記第１セパレータ部材との間には乾燥した燃料ガスを供給することを特徴とする燃料電池とした。
【００２２】
この第２の発明によれば、第１セパレータ部材と第２セパレータ部材の材料を互いに異ならせた燃料電池用セパレータとするとともに、アノード電極と第１セパレータ部材との間に乾燥した燃料ガスを供給することにより、それぞれの電極に対し最適な形成材料を選択できるとともに、燃料ガスに含有された凝縮水によるセパレータの金属イオンの溶出を防ぐことができ、燃料電池の性能低下を防止できる。
【００２３】
第７の詳細な構成においては、基材の一側に表面処理を施して構成され、前記第１面の形成材料を前記基材および前記表面処理のうちの一方とし、前記第２面の形成材料を前記基材および前記表面処理のうちの他方とすることを特徴とする第１の発明記載の燃料電池用セパレータとした。
【００２４】
この第７の詳細な構成によれば、基材の一側に表面処理を施して構成され、基材と表面処理の形成材料を互いに異ならせたことにより、それぞれの電極に対し最適な形成材料を選択でき、燃料電池の性能低下を防止できる燃料電池用セパレータとすることができる。
【００２５】
第８の詳細な構成においては、前記第１面の形成材料をクロム合金で形成された前記基材とし、前記第２面の形成材料を前記基材に施されたスズメッキとしたことを特徴とする第７の詳細な構成記載の燃料電池用セパレータとした。
【００２６】
この第８の詳細な構成によれば、第１面の形成材料をクロム合金で形成された基材とし、第２面の形成材料を基材に施されたスズメッキとしたことにより、第１面および第２面の材料を、それぞれの電極に対し劣化しにくい材料とすることができ、燃料電池の性能低下を防止できる燃料電池用セパレータとすることができる。
【００２７】
第９の詳細な構成においては、前記第２面の形成材料をニッケル合金で形成された前記基材とし、前記第１面の形成材料を前記基材に施された金メッキとしたことを特徴とする第７の詳細な構成記載の燃料電池用セパレータとした。
【００２８】
この第９の詳細な構成によれば、第２面の形成材料をニッケル合金で形成された基材とし、第１面の形成材料を基材に施された金メッキとしたことにより、第１面および第２面の材料を、それぞれの電極に対し劣化しにくい材料とすることができ、燃料電池の性能低下を防止できる燃料電池用セパレータとすることができる。
【００２９】
第１０の詳細な構成においては、前記スズメッキは、前記カソード電極との当接面のみに施したことを特徴とする第８の詳細な構成記載の燃料電池用セパレータとした。
【００３０】
この第１０の詳細な構成によれば、金メッキを、カソード電極との当接面のみに施したことにより、カソード電極に対するセパレータの劣化を防止するとともに、基材に施した表面処理の材料を節約することができ、低コストな燃料電池用セパレータとすることができる。
【００３１】
第３の発明においては、基材の一側に表面処理を施して構成され、前記基材および前記表面処理のうちの一方がアノード電極に面し、前記基材および前記表面処理のうちの他方がカソード電極に面しているとともに、前記基材と前記表面処理の材質を互いに異ならせた燃料電池用セパレータを備え、前記燃料電池用セパレータと前記アノード電極との間には乾燥した燃料ガスを供給することを特徴とする燃料電池とした。
【００３２】
この第３の発明によれば、基材と表面処理の材質を互いに異ならせた燃料電池用セパレータを備えるとともに、燃料電池用セパレータとアノード電極との間には乾燥した燃料ガスを供給することにより、それぞれの電極に対し最適な形成材料を選択できるとともに、燃料ガスに含有された凝縮水によるセパレータの金属イオンの溶出を防ぐことができ、燃料電池の性能低下を防止できる。
【００３３】
第４の発明においては、電解質膜の一側に設置されたアノード電極に面した第１セパレータ部材と、前記電解質膜の他側に設置されたカソード電極に面した第２セパレータ部材とを備えた燃料電池において、前記第１セパレータ部材の形成材料と前記第２セパレータ部材の形成材料とを互いに異ならせたことを特徴とする燃料電池とした。
【００３４】
この第４の発明によれば、アノード電極に面した第１セパレータ部材の形成材料とカソード電極に面した第２セパレータ部材の形成材料とを互いに異ならせたことにより、燃料電池の性能を低下させる各電極のメカニズムに応じて、それぞれの電極に対し最適な形成材料を選択でき、燃料電池の性能低下を防止できる。
【００３５】
第１１の詳細な構成においては、前記アノード電極と前記第１セパレータ部材との間には乾燥した燃料ガスを供給することを特徴とする第４の発明記載の燃料電池とした。
【００３６】
この第１１の詳細な構成によれば、アノード電極と第１セパレータ部材との間に乾燥した燃料ガスを供給することにより、燃料ガスに含有された凝縮水によるセパレータの金属イオンの溶出を防ぐことができ、燃料電池の性能低下を防止できる。
【００３７】
【発明の実施の形態】
図１は、主に水冷式燃料電池に使用される燃料電池用セパレータ１０を燃料電池スタックに適用したときの燃料電池スタック内部の一部断面図である。燃料電池用セパレータ１０は、第１セパレータ部材１１と第２セパレータ部材１２とが互いに結合されることによって構成されている。尚、図において、左右両側の燃料電池用セパレータ１０は、それぞれ本来結合されている相手側の第１セパレータ部材１１および第２セパレータ部材１２が省略されている。
【００３８】
２つの燃料電池用セパレータ１０の間には、アノード電極ＡＥおよびカソード電極ＣＥを介して電解質膜ＥＦが設置されている。燃料電池用セパレータ１０の第１セパレータ部材１１とアノード電極ＡＥとの間には、水素を含んだ燃料ガスが導入される複数の燃料ガス通路ＨＣが形成され、一方、燃料電池用セパレータ１０の第２セパレータ部材１２とカソード電極ＣＥとの間には、酸素を含んだガスが導入される複数の酸化剤ガス通路ＯＣが形成される。電解質膜ＥＦを挟んで設置された、燃料ガス通路ＨＣおよび酸化剤ガス通路ＯＣとの間で化学反応が行われ発電される。
【００３９】
また、隣り合った第１セパレータ部材１１と第２セパレータ部材１２との間には、燃料電池スタックを冷却するための冷却媒体である冷却水が循環する冷却室ＣＣが設置されている。もちろん、上述した構成に変えて、第２セパレータ部材１２にアノード電極ＡＥを接するように配置して、第２セパレータ部材１２とアノード電極ＡＥとの間に、複数の燃料ガス通路ＨＣを設置し、第１セパレータ部材１１にカソード電極ＣＥを接するように配置して、第１セパレータ部材１１とカソード電極ＣＥとの間に、複数の酸化剤ガス通路ＯＣを設置するようにしてもよい。
【００４０】
図２は、主に空冷式燃料電池に使用される燃料電池用セパレータ２０を燃料電池スタックに適用したときの燃料電池スタック内部の一部断面図である。燃料電池用セパレータ２０は、図１に示した燃料電池用セパレータ１０とは異なり、１枚のセパレータ部材によって構成されている。２つの燃料電池用セパレータ２０の間には、アノード電極ＡＥおよびカソード電極ＣＥを介して電解質膜ＥＦが設置されている。
【００４１】
燃料電池用セパレータ２０とアノード電極ＡＥとの間には、水素を含んだ燃料ガスが導入される複数の燃料ガス通路ＨＣが形成され、一方、燃料電池用セパレータ２０とカソード電極ＣＥとの間には、空気が導入される複数の酸化剤ガス通路ＯＣが形成される。電解質膜ＥＦを挟んで設置された、燃料ガス通路ＨＣおよび酸化剤ガス通路ＯＣとの間で化学反応が行われ発電される。
【００４２】
尚、空冷式燃料電池に使用される燃料電池用セパレータ２０には、水冷式燃料電池に使用される燃料電池用セパレータ１０にあったような、冷却水が循環する冷却室なるものは存在しない。空冷式燃料電池スタックに発生した熱は、燃料電池用セパレータ２０等を介して燃料電池外へと伝わり、自然冷却される。
【００４３】
ただし、この燃料電池用セパレータ２０は水冷式燃料電池においても使用可能である。燃料電池用セパレータ１０と燃料電池用セパレータ２０を交互に組み合わせるなどして水冷式燃料電池スタックを構成し、飛び石的に（一定数おきに）冷却水を燃料電池用セパレータ１０に供給することで、スタックが冷却される。もちろん、逆に燃料電池用セパレータ１０の冷却室に冷却水を導入せず、空冷式燃料電池スタックに適用することも可能である。
【００４４】
図３乃至図１２は、本発明の各実施の形態を表した模式的な図である。図３乃至図７を用いて、水冷式燃料電池に使用される燃料電池用セパレータ１０に関する本発明の第１の実施の形態〜第９の実施の形態について説明する。図３は、本発明の第１の実施の形態による燃料電池用セパレータを表した図である。第１の実施の形態においては、燃料電池用セパレータ１０を構成する第１セパレータ部材１１および第２セパレータ部材１２のうち、アノード電極ＡＥに面した（当接した）第１セパレータ部材１１の形成材料をクロム合金とし、カソード電極ＣＥに面した（当接した）第２セパレータ部材１２の形成材料をニッケル合金としている。
【００４５】
クロム合金は、燃料電池の発電環境下にアノード電極ＡＥ側にあっても金属イオンの溶出が少なく、その表面に強固な不動態被膜を形成する。クロム合金は、あらゆる組成のものが使用可能である。しかしながら、本発明では、アノード電極ＡＥに面した第１セパレータ部材１１は必ずしもクロム合金でなければならないわけではなく、イオン溶出しやすいニッケル等を含まずに、燃料電池の発電環境下でも金属イオンの溶出が少ない材料であれば、これ以外のものも使用可能である。
【００４６】
一方、ニッケル合金は、カソード電極ＣＥ側にあっても、その表面に厚い酸化被膜を形成しにくい性質を有する。ニッケル合金は、あらゆる組成のものが使用可能である。しかしながら、本発明においては、カソード電極ＣＥに面した第２セパレータ部材１２は必ずしもニッケル合金でなければならないわけではなく、酸化被膜成長の大きいクロムの添加量を抑えて、その表面に厚い酸化被膜を形成しにくい性質を有する材料であれば、これ以外のものも使用可能である。
【００４７】
図４は、本発明の第２の実施の形態による燃料電池用セパレータ１０を表した図である。第２の実施の形態においては、燃料電池用セパレータ１０を構成する第１セパレータ部材１１および第２セパレータ部材１２のうち、アノード電極ＡＥに面した第１セパレータ部材１１の表面全体に、表面処理として金メッキ１１ａを施しており、カソード電極ＣＥに面した第２セパレータ部材１２の表面全体に、表面処理としてスズメッキ１２ａを施している。
【００４８】
金メッキ１１ａは、燃料電池の発電環境下にアノード電極ＡＥ側にあっても安定しており、金属イオンの溶出が少ない。金メッキは、あらゆる組成のものが使用可能である。しかしながら、本発明においては、アノード電極ＡＥに面した第１セパレータ部材１１の表面処理は必ずしも金メッキでなければならないわけではなく、燃料電池の発電環境下でも安定しており、金属イオンの溶出が少ない材料による表面処理であれば、これ以外のものも使用可能である。尚、本実施の形態において、表面処理を施す基材である第１セパレータ部材１１には、あらゆる材料が適用可能である。
【００４９】
一方、スズメッキは、カソード電極ＣＥ側にあって酸化され、酸化皮膜を形成しても、酸化スズ自体の導電率が高いために接触抵抗の増加を抑制できる性質を有する。スズメッキは、あらゆる組成のものが使用可能である。カソード電極ＣＥに面した第２セパレータ部材１２の表面処理は必ずしもスズメッキでなければならないわけではなく、その酸化皮膜の導電率が高い材料、あるいは、その表面において酸化皮膜成長が小さい性質を有する材料であれば、これ以外のもの（例えば貴金属メッキ等）も使用可能である。尚、本実施の形態において、表面処理を施す基材である第２セパレータ部材１２には、あらゆる材料が適用可能である。
【００５０】
図５は、本発明の第３の実施の形態による燃料電池用セパレータ１０を表した図である。第３の実施の形態において、上述した第２の実施の形態と異なる点は、カソード電極ＣＥに面した第２セパレータ部材１２の表面処理であるスズメッキ１２ａを、第２セパレータ部材１２のカソード電極ＣＥとの当接面のみに施している点である。これ以外の構成は、第２の実施の形態と同じであるため、説明を省略する。
【００５１】
第３の実施の形態においては、第２セパレータ部材１２のカソード電極ＣＥとの当接面のみにスズメッキ１２ａを施しているため、第２セパレータ部材１２の表面全体に、表面処理としてスズメッキ１２ａを施した場合に比べ、低コストの燃料電池用セパレータ１０とすることができる。特に、第２セパレータ部材１２の表面に、スズメッキに代えて貴金属メッキを施す場合、そのコストメリットが大きい。
【００５２】
図６は、本発明の第４の実施の形態による燃料電池用セパレータ１０を表した図である。第４の実施の形態においては、燃料電池用セパレータ１０を構成する第１セパレータ部材１１および第２セパレータ部材１２のうち、アノード電極ＡＥに面した第１セパレータ部材１１の形成材料をクロム合金とし、カソード電極ＣＥに面した第２セパレータ部材１２の表面全体に、表面処理としてスズメッキ１２ａを施している。
【００５３】
次に、第５の実施の形態として、燃料電池用セパレータ１０を構成する第１セパレータ部材１１および第２セパレータ部材１２のうち、アノード電極ＡＥに面した第１セパレータ部材１１を、図４に示したように、その表面全体に、表面処理として金メッキ１１ａを施しており、カソード電極ＣＥに面した第２セパレータ部材１２を、図３に示したように、その形成材料をニッケル合金としたものの組み合わせが考えられる（図示せず）。第１セパレータ部材１１および第２セパレータ部材１２の性質については、それぞれ図４および図３に示したものと同じであるため詳説は省略する。
【００５４】
また、第６の実施の形態として、燃料電池用セパレータ１０を構成する第１セパレータ部材１１および第２セパレータ部材１２のうち、アノード電極ＡＥに面した第１セパレータ部材１１を、図３に示したように、その形成材料をクロム合金とし、カソード電極ＣＥに面した第２セパレータ部材１２を、図５に示したように、そのカソード電極ＣＥとの当接面のみに表面処理としてスズメッキ１２ａを施したものの組み合わせが考えられる（図示せず）。第１セパレータ部材１１および第２セパレータ部材１２の性質については、それぞれ図３および図５に示したものと同じであるため詳説は省略する。
【００５５】
図７は、本発明の第７の実施の形態による燃料電池を表した図である。第７の実施の形態においては、燃料電池用セパレータ１０を構成する第１セパレータ部材１１および第２セパレータ部材１２のうち、アノード電極ＡＥに面した第１セパレータ部材１１の形成材料としては広範囲な材料が適用可能であるが、金属イオンの溶出しやすいニッケル合金を避けるのが望ましい。一方、カソード電極ＣＥに面した第２セパレータ部材１２の形成材料はニッケル合金としている。
【００５６】
本実施の形態における、その特徴部は、燃料電池用セパレータ１０の第１セパレータ部材１１とアノード電極ＡＥとの間にあり、水素を含んだ燃料ガスが導入される複数の燃料ガス通路ＨＣに、乾燥した燃料ガスが導入される（酸化剤ガス通路ＯＣには通常通り加湿空気が導入される）点にある。すなわち、燃料ガスタンクから吐出された燃料ガスは、燃料ガスタンクと燃料電池との間に設置された加湿槽を通らずに燃料電池の燃料ガス通路ＨＣへと導かれるわけである。
【００５７】
本実施の形態においては、燃料ガス通路ＨＣに乾燥した燃料ガスが導入されることにより、燃料ガスに含有された凝縮水による、セパレータの金属イオンの溶出を防ぐことができ、燃料電池の性能低下を防止できる。従って、この効果により、アノード電極ＡＥに面した第１セパレータ部材１１の形成材料としては、特に限定されずに広範囲な材料が適用可能となるわけである。
【００５８】
次に、第８の実施の形態として、図７に示した第７の実施の形態のものに対し、燃料電池用セパレータ１０を構成する第１セパレータ部材１１および第２セパレータ部材１２のうち、カソード電極ＣＥに面した第２セパレータ部材１２を、図４に示したように、その表面全体に表面処理としてスズメッキ１２ａを施したものに変更した構成が考えられる（図示せず）。その他の構成については、第７の実施の形態と同じであるため詳説は省略する。
【００５９】
また、第９の実施の形態として、図７に示した第７の実施の形態のものに対し、燃料電池用セパレータ１０を構成する第１セパレータ部材１１および第２セパレータ部材１２のうち、カソード電極ＣＥに面した第２セパレータ部材１２を、図５に示したように、そのカソード電極ＣＥとの当接面のみに表面処理としてスズメッキ１２ａを施したものに変更した構成が考えられる（図示せず）。その他の構成については、第７の実施の形態と同じであるため詳説は省略する。
【００６０】
次に、図８乃至図１２を用いて、空冷式燃料電池に使用される燃料電池用セパレータ２０に関する本発明の第１０の実施の形態〜第１４の実施の形態について説明する。図８は、本発明の第１０の実施の形態による燃料電池用セパレータ２０を表した図である。第１０の実施の形態においては、カソード電極ＣＥに面した燃料電池用セパレータ２０の形成材料をニッケル合金とし、アノード電極ＡＥに面した燃料電池用セパレータ２０の表面全体に、表面処理として金メッキ２０ａを施している。
【００６１】
金メッキ２０ａは、燃料電池の発電環境下にアノード電極ＡＥ側にあっても安定しており、金属イオンの溶出が少ない。金メッキは、あらゆる組成のものが使用可能である。しかしながら、本発明においては、アノード電極ＡＥに面した燃料電池用セパレータ２０の表面処理は必ずしも金メッキでなければならないわけではなく、燃料電池の発電環境下でも安定しており、金属イオンの溶出が少ない材料による表面処理であれば、これ以外のものも使用可能である。
【００６２】
一方、ニッケル合金は、カソード電極ＣＥ側にあっても、その表面に厚い酸化被膜を形成しにくい性質を有する。ニッケル合金は、あらゆる組成のもが使用可能である。しかしながら、本発明においては、カソード電極ＣＥに面した燃料電池用セパレータ２０の形成材料は必ずしもニッケル合金でなければならないわけではなく、酸化被膜成長の大きいクロムの添加量を抑えて、その表面に厚い酸化被膜を形成しにくい性質を有する材料であれば、これ以外のものも使用可能である。
【００６３】
図９は、本発明の第１１の実施の形態による燃料電池用セパレータ２０を表した図である。第１１の実施の形態においては、アノード電極ＡＥに面した燃料電池用セパレータ２０の形成材料をクロム合金とし、カソード電極ＣＥに面した燃料電池用セパレータ２０の表面全体に、表面処理としてスズメッキ２０ａを施している。
【００６４】
スズメッキは、カソード電極ＣＥ側にあって酸化され、酸化皮膜を形成しても、酸化スズ自体の導電率が高いために接触抵抗の増加を抑制できる性質を有する。カソード電極ＣＥに面した燃料電池セパレータ２０の表面処理は必ずしもスズメッキでなければならないわけではなく、その酸化皮膜の導電率が高い材料、あるいは、その表面において酸化皮膜成長が小さい性質を有する材料であれば、これ以外のもの（例えば貴金属メッキ等）も使用可能である。
【００６５】
クロム合金は、燃料電池の発電環境下にアノード電極ＡＥ側にあっても金属イオンの溶出が少なく、その表面に強固な不動態被膜を形成する。クロム合金は、あらゆる組成のもが使用可能である。しかしながら、本発明においては、アノード電極ＡＥに面した燃料電池用セパレータ２０の形成材料は必ずしもクロム合金でなければならないわけではなく、イオン溶出しやすいニッケル等を含まずに、燃料電池の発電環境下でも金属イオンの溶出が少ない材料であれば、これ以外のものも使用可能である。
【００６６】
図１０は、本発明の第１２の実施の形態による燃料電池用セパレータ２０を表した図である。第１２の実施の形態において、上述した第１１の実施の形態と異なる点は、カソード電極ＣＥに面した燃料電池用セパレータ２０の表面処理であるスズメッキ２０ａを、燃料電池用セパレータ２０のカソード電極ＣＥとの当接面のみに施している点である。これ以外の構成は、第１１の実施の形態と同じであるため、説明を省略する。
【００６７】
第１２の実施の形態においては、燃料電池用セパレータ２０のカソード電極ＣＥとの当接面のみにスズメッキ２０ａを施しているため、燃料電池用セパレータ２０の表面全体に、表面処理としてスズメッキ２０ａを施した場合に比べ、低コストの燃料電池用セパレータ２０とすることができる。特に、燃料電池用セパレ−タ２０の表面に、スズメッキに代えて貴金属メッキを施す場合、そのコストメリットが大きい。
【００６８】
図１１は、本発明の第１３の実施の形態による燃料電池を表した図である。第１３の実施の形態においては、アノード電極ＡＥに面した燃料電池用セパレータ２０の形成材料としては広範囲な材料が適用可能であるが、金属イオンの溶出しやすいニッケル合金を避けるのが望ましい。一方、カソード電極ＣＥに面した燃料電池用セパレータ２０の表面処理としてスズメッキ２０ａが施されている。
【００６９】
本実施の形態における、その特徴部は、燃料電池用セパレータ２０とアノード電極ＡＥとの間にあり、水素を含んだ燃料ガスが導入される複数の燃料ガス通路ＨＣに、乾燥した燃料ガスが導入される（酸化剤ガス通路ＯＣには通常通り加湿空気が導入される）点にある。すなわち、燃料ガスタンクから吐出された燃料ガスは、燃料ガスタンクと燃料電池との間に設置された加湿槽を通らずに燃料電池の燃料ガス通路ＨＣへと導かれるわけである。
【００７０】
本実施の形態においては、燃料ガス通路ＨＣに乾燥した燃料ガスが導入されることにより、燃料ガスに含有された凝縮水によるセパレータの金属イオンの溶出を防ぐことができ、燃料電池の性能低下を防止できる。従って、この効果により、アノード電極ＡＥに面した燃料電池用セパレータ２０の形成材料としては、特に限定されずに広範囲な材料が適用可能となるわけである。
【００７１】
図１２は、本発明の第１４の実施の形態による燃料電池用セパレータを表した図である。第１４の実施の形態において、上述した第１３の実施の形態と異なる点は、カソード電極ＣＥに面した燃料電池用セパレータ２０の表面処理であるスズメッキ２０ａを、燃料電池用セパレータ２０のカソード電極ＣＥとの当接面のみに施している点である。これ以外の構成は、第１３の実施の形態と同じであるため、説明を省略する。
【００７２】
第１４の実施の形態においては、燃料電池用セパレータ２０のカソード電極ＣＥとの当接面のみにスズメッキ２０ａを施しているため、燃料電池用セパレータ２０の表面全体に、表面処理としてスズメッキ２０ａを施した場合に比べ、低コストの燃料電池用セパレータ２０とすることができる。特に、燃料電池用セパレ−タ２０の表面に、スズメッキに代えて貴金属メッキを施す場合、そのコストメリットが大きい。
【００７３】
次に、第１５の実施の形態として、燃料電池スタックが単一のセル（発電体要素）で構成されたものに、本発明を適用した場合について説明する（本実施の形態については図示していない）。第１５の実施の形態による構成は、電解質膜ＥＦの一側に配置されたアノード電極ＡＥに面するように第１セパレータ部材が設置され、電解質膜ＥＦの他側に配置されたカソード電極ＣＥに面するように第２セパレータ部材が設置されている。
【００７４】
この上で、アノード電極ＡＥに面した第１セパレータ部材の形成材料をクロム合金としカソード電極ＣＥに面した第２セパレータ部材１２の形成材料をニッケル合金とする、あるいは、第１セパレータ部材の表面全体に、表面処理として金メッキを施し、第２セパレータ部材の表面全体に、表面処理としてスズメッキを施す、または、第２セパレータ部材のカソード電極ＣＥとの当接面のみにスズメッキを施す、あるいは、第１セパレータ部材の形成材料をクロム合金とし、第２セパレータ部材の表面全体に、表面処理としてスズメッキを施す、あるいは、第２セパレータ部材の形成材料をニッケル合金とし、第１セパレータ部材とアノード電極ＡＥとの間の複数の燃料ガス通路ＨＣに、乾燥した燃料ガスを導入する（酸化剤ガス通路ＯＣには通常通り加湿空気を導入する）等の構成が考えられる。
【００７５】
本発明の構成によれば、アノード電極ＡＥに面した燃料電池用セパレータ１０および２０の形成材料とカソード電極ＣＥに面した燃料電池用セパレータ１０および２０の形成材料とを互いに異ならせたことにより、燃料電池の性能を低下させる各電極のメカニズムに応じて、それぞれの電極に対し最適な形成材料を選択でき、燃料電池の性能低下を防止できる燃料電池用セパレータとすることができる。
【００７６】
本発明に使用可能な燃料電池用セパレータ１０および２０の基材の材料および表面処理の材料は、アノード電極ＡＥに面したものは、燃料電池の発電環境下にアノード電極ＡＥ側にあっても金属イオンの溶出が少ない材料であれば、あらゆる金属あるいは非金属の材料が使用可能である。特に、適切な非金属の材料としては、カーボン材料またはＴｉＮ等のセラミックス材料が考えられる。また、カソード電極ＣＥに面したものは、酸化被膜成長の大きいクロムの添加量を抑えて、カソード電極ＣＥ側にあっても、その表面において酸化皮膜成長が小さい性質を有する材料、あるいは、その酸化皮膜の導電率が高い材料であれば、あらゆる金属あるいは非金属の材料が使用可能である。
【００７７】
特に、アノード電極ＡＥに面したセパレータに適した材料として、基材にクロム合金を使用する、あるいは表面処理として金メッキを施しているので、燃料電池の発電環境下にアノード電極ＡＥ側にあっても金属イオンの溶出が少なく、燃料電池の性能低下を低減できる。また、カソード電極ＣＥに面したセパレータに適した材料として、基材にニッケル合金を使用しているので、カソード電極ＣＥ側にあっても、その表面に厚い酸化皮膜を形成しにくく、燃料電池の性能低下を低減できる。あるいは表面処理としてスズメッキを施しているので、カソード電極ＣＥ側にあって酸化され、酸化皮膜を形成しても、酸化スズ自体の導電率が高いために接触抵抗の増加を抑制でき、燃料電池の性能低下を低減できる。
【００７８】
また、本発明による構成を備えた燃料電池用セパレータ１０あるいは２０を使用した燃料電池において、燃料ガス通路ＨＣに乾燥した燃料ガスを供給すれば、燃料ガス中の凝縮水によるセパレータからのイオン溶出を防ぐことができ、燃料電池の性能低下をより低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】主に水冷式燃料電池に使用される燃料電池用セパレータを燃料電池スタックに適用した時の燃料電池スタック内部の一部断面図である。
【図２】主に空冷式燃料電池に使用される燃料電池用セパレータを燃料電池スタックに適用した時の燃料電池スタック内部の一部断面図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態による燃料電池用セパレータを表した模式的な図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態による燃料電池用セパレータを表した模式的な図である。
【図５】本発明の第３の実施の形態による燃料電池用セパレータを表した模式的な図である。
【図６】本発明の第４の実施の形態による燃料電池用セパレータを表した模式的な図である。
【図７】本発明の第７の実施の形態による燃料電池用セパレータを表した模式的な図である。
【図８】本発明の第１０の実施の形態による燃料電池用セパレータを表した模式的な図である。
【図９】本発明の第１１の実施の形態による燃料電池用セパレータを表した模式的な図である。
【図１０】本発明の第１２の実施の形態による燃料電池用セパレータを表した模式的な図である。
【図１１】本発明の第１３の実施の形態による燃料電池用セパレータを表した模式的な図である。
【図１２】本発明の第１４の実施の形態による燃料電池用セパレータを表した模式的な図である。
【符号の説明】
１０、２０…燃料電池用セパレータ、１１…第１セパレータ部材、１２…第２セパレータ部材、１１ａ、１２ａ、２０ａ…表面処理、ＡＥ…アノード電極、ＣＥ…カソード電極、ＥＦ…電解質膜、ＨＣ…燃料ガス通路、ＯＣ…酸化剤ガス通路、ＣＣ…冷却室
【図１】
2004071502.tif 000003
【図２】
2004071502.tif 000004
【図３】
2004071502.tif 000005
【図４】
2004071502.tif 000006
【図５】
2004071502.tif 000007
【図６】
2004071502.tif 000008
【図７】
2004071502.tif 000009
【図８】
2004071502.tif 000010
【図９】
2004071502.tif 000011
【図１０】
2004071502.tif 000012
【図１１】
2004071502.tif 000013
【図１２】
2004071502.tif 000014