(57)【要約】【課題】簡単な構成及び工程で、所望に機能を維持した導電被覆層及び撥水処理層を確実に設けることを可能にする。【解決手段】燃料電池１０を構成する金属製拡散層２８ａ、２８ｂは、金属製拡散部材３０ａ、３０ｂと、前記金属製拡散部材３０ａ、３０ｂの表面に設けられる金や白金の導電被覆層３２ａ、３２ｂと、前記導電被覆層３２ａ、３２ｂの表面に設けられるＦＥＰ製撥水処理層３４ａ、３４ｂとを備える。ＦＥＰの融点は３４０℃であり、通常の撥水材として使用されるＰＴＦＥの融点（３８０℃）に比べて低温である。【選択図】図１
2005302610.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両側にそれぞれ電極を設けた電解質膜・電極構造体と、セパレータとを積層する燃料電池であって、
反応ガスを拡散させるための金属製拡散層を備え、
前記金属製拡散層は、金属製拡散部材と、
前記金属製拡散部材の表面に設けられる導電被覆層と、
前記導電被覆層の表面に設けられるＦＥＰ製撥水処理層と、
を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
反応ガスを拡散させるための燃料電池用金属製拡散層の製造方法であって、
金属製拡散部材の表面に導電被覆層を形成する工程と、
前記導電被覆層の表面にＦＥＰ製撥水処理層を形成する工程と、
を有することを特徴とする燃料電池用金属製拡散層の製造方法。
【請求項３】
請求項２記載の製造方法において、前記ＦＥＰ製撥水処理層を形成する際、前記金属製拡散部材が浸漬されるＦＥＰ溶液のＦＥＰ濃度は、２％〜１７％の範囲内に設定されることを特徴とする燃料電池用金属製拡散層の製造方法。
【請求項４】
請求項３記載の製造方法において、前記ＦＥＰ溶液のＦＥＰ濃度は、３％〜７％の範囲内に設定されることを特徴とする燃料電池用金属製拡散層の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質膜の両側にそれぞれ電極を設けた電解質膜・電極構造体と、セパレータとを積層する燃料電池及び燃料電池用金属製拡散層の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に、アノード側電極及びカソード側電極を対設した電解質膜・電極構造体を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持している。アノード側電極及びカソード側電極は、それぞれ電極触媒と多孔質カーボンとから構成されている。通常、この燃料電池を所定数だけ積層した燃料電池スタックが使用されている。
【０００３】
燃料電池において、アノード側電極には、燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）が供給される一方、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されている。アノード側電極に供給された燃料ガスは、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。
【０００４】
この場合、アノード側電極及びカソード側電極は、通常、多孔質カーボン部材からなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布された電極触媒層とをそれぞれ有している。そこで、ガス拡散層の電極触媒層への反応ガスの拡散特性を向上させるために、例えば、特許文献１に開示された高分子電解質型燃料電池が知られている。
【０００５】
この特許文献１では、高分子電解質膜、該高分子電解質膜の両側を挟むように配置された、触媒を担持したカーボン多孔質体、該カーボン多孔質体の外側に配置された、少なくとも一部が撥水処理された発泡金属、及び該発泡金属の外側に配置されたバルクの電極を有している。
【０００６】
これにより、発泡金属を介してカーボン多孔質体の触媒層への反応ガスの拡散特性を向上させることができるとともに、前記カーボン多孔質体内部に生成された水を発泡金属を通じて円滑に排出させることができる、としている。
【０００７】
【特許文献１】特許第３２１１３７８号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記の特許文献１では、具体的には、ニッケル製の発泡金属に対してＰＴＦＥ（四フッ化エチレン樹脂）のコーティングを行うことにより、撥水処理層が設けられている。
【０００９】
ところで、発泡金属には、導電性を向上させるために、金（Ａｕ）や白金（Ｐｔ）等の耐食性及び導電性に優れる貴金属被覆処理を施すことが望まれている。このため、特許文献１では、発泡金属の表面に貴金属をメッキすることにより導電被覆層を設けた後に、撥水材であるＰＴＦＥ撥水皮膜を前記導電被覆層上に形成する必要がある。
【００１０】
その際、ＰＴＦＥ撥水皮膜を形成するためには、例えば、ＰＴＦＥ溶液を導電被覆層上に塗布した状態で、ＰＴＦＥの融点である３８０℃まで加熱してＰＴＦＥ撥水皮膜層をコーティングしなければならない。
【００１１】
しかしながら、ＰＴＦＥの融点が３８０℃と高温であるために、導電被覆層が設けられている発泡金属をこの融点まで加熱した場合、前記導電被覆層を構成する貴金属が発泡金属内に熱拡散してしまう。これにより、所望の導電性を維持することができないという問題がある。
【００１２】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成及び工程で、所望の機能を維持した導電被覆層及び撥水処理層を確実に設けることが可能な燃料電池及び燃料電池用金属製拡散層の製造方法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】
【００１３】
本発明は、電解質膜の両側にそれぞれ電極を設けた電解質膜・電極構造体と、セパレータとを積層する燃料電池である。この燃料電池は、反応ガスを拡散させるための金属製拡散層を備え、前記金属製拡散層は、金属製拡散部材と、前記金属製拡散部材の表面に設けられる導電被覆層と、前記導電被覆層の表面に設けられるＦＥＰ（四フッ化エチレン−六フッ化プロピレン共重合体）製撥水処理層とを備えている。ここで、導電被覆層は、金属（Ａｕ）や白金（Ｐｔ）などの貴金属を用いている。
【００１４】
また、本発明は、反応ガスを拡散させるための燃料電池用金属製拡散層の製造方法である。そして、金属製拡散部材の表面に導電被覆層が形成された後、前記導電被覆層の表面にＦＥＰ製撥水処理層が形成される。
【００１５】
さらに、ＦＥＰ製撥水処理層を形成する際、金属製拡散部材が浸漬されるＦＥＰ溶液のＦＥＰ濃度は、２％〜１７％の範囲内に設定されることが好ましい。このため、金属製拡散層の撥水性が良好に向上し、過電圧（濃度過電圧）を十分に下げることができる。過電圧とは、理論電圧から実際の電圧を引いた値であり、この過電圧が小さければ、実際に得られる電圧が高くなる。すなわち、効率的な発電が遂行可能になる。
【００１６】
さらにまた、ＦＥＰ溶液のＦＥＰ濃度は、３％〜７％の範囲内に設定されることが好ましい。従って、撥水性が一層向上し、特に、金属セパレータの撥水性が極めて良好となる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、撥水材として、ＰＴＦＥの融点（３８０℃）に比べて低い融点（３４０℃）のＦＥＰが用いられるため、導電被覆層を構成する金属が金属製拡散部材内に熱拡散することを良好に低減させることができる。これにより、簡単な構成及び工程で、導電被覆層は、所望に導電機能を確実に維持することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池１０の要部断面説明図である。
【００１９】
燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体１２と、この電解質膜・電極構造体１２を挟持する第１及び第２金属セパレータ１４、１６とを備える。第１及び第２金属セパレータ１４、１６は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板などで構成されている。
【００２０】
電解質膜・電極構造体１２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜１８と、前記固体高分子電解質膜１８を挟持するアノード側電極２０及びカソード側電極２２とを備える。アノード側電極２０及びカソード側電極２２は、固体高分子電解質膜１８の両面に接合される電極触媒層２４ａ、２４ｂと、前記電極触媒層２４ａ、２４ｂに下地層２６ａ、２６ｂを介して積層される金属製拡散層２８ａ、２８ｂとを備える。
【００２１】
電極触媒層２４ａ、２４ｂは、カーボンブラックに白金粒子を担持した触媒粒子を形成し、イオン導伝性バインダーとして高分子電解質を使用し、この高分子電解質の溶液中に前記触媒粒子を均一に混合して作製された触媒ペーストを、固体高分子電解質膜１８の両面に印刷することによって構成される。高分子電解質としては、例えば、デュポン社製のナフィオンが用いられる。
【００２２】
下地層２６ａ、２６ｂは、カーボンブラック及びＦＥＰ（四フッ化エチレン−六フッ化プロピレン共重合体）粒子とカーボンナノチューブをペースト状にした後、金属製拡散層２８ａ、２８ｂに塗布される。
【００２３】
金属製拡散層２８ａ、２８ｂは、例えば、良導電性で水分による錆の発生がなく、強酸性下で腐食のないステンレス、チタン又はニッケル合金等の金属材料製の発泡体で形成された金属製拡散部材３０ａ、３０ｂを備える。金属製拡散部材３０ａ、３０ｂの両面には、例えば、金メッキ、金インク又は金スパッタによる導電被覆層３２ａ、３２ｂが設けられるとともに、前記導電被覆層３２ａ、３２ｂの表面には、ＦＥＰ製撥水処理層３４ａ、３４ｂが設けられる。
【００２４】
第１及び第２金属セパレータ１４、１６は、例えば、波形状に形成される。第１金属セパレータ１４とアノード側電極２０との間には、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを流すための燃料ガス流路３６が形成される一方、第２金属セパレータ１６とカソード側電極２２との間には、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを流すための酸化剤ガス流路３８が形成される。
【００２５】
次いで、例えば、アノード側電極２６を構成する金属製拡散層２８ａの製造方法について、以下に説明する。なお、カソード側電極２２を構成する金属製拡散層２８ｂは、金属製拡散層２８ａと同様に製造されるため、その詳細な説明は省略する。
【００２６】
先ず、ステンレスやニッケル合金等の金属材料製の発泡体により金属製拡散部材３０ａが形成される（図２中、ステップＳ１及び図３参照）。なお、金属製拡散部材３０ａは、金属発泡体に代替して、例えば、金属細線をシート状に加工して作製してもよい。
【００２７】
金属製拡散部材３０ａの両面には、金又は白金のメッキ、インク、あるいはスパッタによる導電被覆処理が施され（ステップＳ２）、前記金属製拡散部材３０ａの両面には、導電被覆層３２ａが形成される。さらに、導電被覆層３２ａには、撥水処理が施される（ステップＳ３）。
【００２８】
すなわち、金属製拡散部材３０ａは、所定のＦＥＰ濃度に設定されているＦＥＰ溶液中に浸漬され、前記金属製拡散部材３０ａの表面、すなわち、導電被覆層３２ａの表面に撥水材としてＦＥＰが塗布された後、前記金属製拡散部材３０ａが焼成される（ステップＳ４）。具体的には、ＦＥＰ溶液中のＦＥＰ濃度は、２％〜１７％の範囲内、より好ましくは、３％〜７％の範囲内に設定されている。
【００２９】
ここで、撥水性は、図４に示すように、例えば、エチレングリコールの液滴４０の接触角θ°により評価されている。この場合、接触角θ°は、液滴４０が付着される固体面４２と前記液滴４０と気体（大気）との３相の接触点Ｐで該液滴４０に引いた接線と、前記固体面４２とのなす角度のうち、前記液滴４０を含む側の角度で表される。接触角θ°が大きいほど、撥水性が良好であることが知られており、前記接触角θ°と過電圧との関係が、図５に示されている。
【００３０】
これにより、燃料電池１０の発電時における過電圧が十分に低下する接触角θ°は約１２５°であり、この接触角１２５°が下限として設定される。そして、接触角１２５°を満たすＦＥＰ濃度は、図６に示すように、２％〜１７％の範囲内、より好ましくは、３％〜７％の範囲内に設定される。
【００３１】
この場合、本実施形態では、図１に示すように、金属製拡散部材３０ａ、３０ｂの表面には、導電性を向上させるための導電被覆層３２ａ、３２ｂが設けられるとともに、前記導電被覆層３２ａ、３２ｂには、撥水材としてＦＥＰを用いた撥水処理層３４ａ、３４ｂが設けられている。
【００３２】
ＦＥＰの融点（３４０℃）は、従来から撥水材として使用されているＰＴＦＥの融点（３８０℃）に比べて低温であり、焼成温度が実質的に４０℃だけ低下している。このため、焼成時に、導電被覆層３２ａ、３２ｂを構成する金や白金が金属製拡散部材３０ａ、３０ｂ内に熱拡散することを有効に低減させることができる。これにより、導電被覆層３２ａ、３２ｂは、所望の導電機能を維持することが可能になり、簡単な構成及び工程で、高品質な金属製拡散層２８ａ、２８ｂを確実に製造することができるという効果が得られる。
【００３３】
さらに、本実施形態では、撥水処理層３４ａ、３４ｂを形成する際、ＦＥＰ溶液のＦＥＰ濃度は、２％〜１７％の範囲内に設定されている。このため、所望の接触角１２５°以上を維持することが可能になり、撥水性が良好に向上して過電圧を十分に下げることができ、発電効率の向上を図ることが可能になるという利点がある。
【００３４】
さらにまた、ＦＥＰ溶液のＦＥＰ濃度は、３％〜７％の範囲内に設定されている。従って、水滴の接触角θ°をさらに大きくすることができ、特に第１及び第２金属セパレータ１４、１６の撥水性が極めて良好になる。
【実施例１】
【００３５】
先ず、空孔率が５０％〜８０％で、空孔径が２０μｍ〜８０μｍで、厚さが０．０２ｍｍ〜０．２ｍｍの金属製拡散部材３０ａ、３０ｂが作製される。具体的には、ステンレス（ＪＩＳ規格  ＳＵＳ３１６Ｌ）製の細線（２μｍ〜５０μｍ）を用いてシート状に加工し、金属製拡散部材３０ａ、３０ｂを作製した。
【００３６】
次いで、金属製拡散部材３０ａ、３０ｂの表面には、金メッキ処理が施された。この金メッキ処理では、ストライクメッキ（Strike Plating）と本メッキ（厚さ２０ｎｍ〜１００ｎｍ）とが行われた。ここで、ストライクメッキとは、素材表面の酸化物の除去及び活性化とメッキとを同時に行って、次工程でのメッキの密着性を向上させるための処理であり、具体的には、高電圧をかけて水素を発生させることによって素材表面の酸化皮膜を還元除去しながらメッキを行う。
【００３７】
さらに、金属製拡散部材３０ａ、３０ｂは、ＦＥＰが５％に調整された水及びエタノールの希釈液（ＦＥＰ溶液）中に、一分間だけ浸漬された。次に、金属製拡散部材３０ａ、３０ｂは、ＦＥＰ溶液から取り出されて過剰な液が除去された後、１２０℃で５分間の仮乾燥を行い、下地層２６ａ、２６ｂが塗布された。この状態で、金属製拡散部材３０ａ、３０ｂには、３４０℃で１０分間の焼成処理が施された。このように製造された金属製拡散層２８ａ、２８ｂでは、接触角１２５°以上が確保され、所望の導電性及び撥水性を確実に得ることができた。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池の要部断面説明図である。
【図２】本発明の製造方法を説明する工程図である。
【図３】前記製造方法により金属製拡散層を製造する際の説明図である。
【図４】接触角の説明図である。
【図５】前記接触角と過電圧との関係説明図である。
【図６】前記接触角とＦＥＰ濃度との関係説明図である。
【符号の説明】
【００３９】
１０…燃料電池                          １２…電解質膜・電極構造体
１４、１６…金属セパレータ              １８…固体高分子電解質膜
２０…アノード側電極                    ２２…カソード側電極
２４ａ、２４ｂ…電極触媒層              ２６ａ、２６ｂ…下地層
２８ａ、２８ｂ…金属製拡散層            ３０ａ、３０ｂ…金属製拡散部材
３２ａ、３２ｂ…導電被覆層              ３４ａ、３４ｂ…撥水処理層
３６…燃料ガス流路                      ３８…酸化剤ガス流路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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