(57)【要約】  【課題】固体高分子電解質膜型のセル、すなわち燃料電池または水電解・燃料電池可逆セルを構成する部品である、反応ガス／水拡散体と、セパレータ／複極板とを一体化した部品とし、セル・スタックの組み立て作業を容易にし、かつ、それら部品間の接触抵抗の増大を防止した部品を提供する。  【解決手段】反応ガス／水拡散体とセパレータ／複極板とを積層し、拡散接合によって一体化させてセルの構成部品とする。拡散接合ののち、電解アノード処理、薬液処理、水蒸気雰囲気処理、空気または酸素雰囲気中の熱処理の少なくとも１種の処理を行なって、反応ガス／水拡散体およびセパレータ／複極板の表面上に、金属酸化物の不導体皮膜を形成させることが好ましい。【選択図】  図４
2007242407.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜型セルの反応ガス／水拡散体と、セパレータ／複極板とを積層し、拡散接合によって一体化させて得た上記セルの構成部品。
【請求項２】
反応ガス／水拡散体の表面に、貴金属の被覆または導電性ペーストの被覆を行なうことにより、反応ガス／水拡散体の表面側における導電性を確保した請求項１のセルの構成部品。
【請求項３】
拡散接合によって一体化させたのち、電解アノード処理、薬液処理、水蒸気雰囲気処理、空気または酸素雰囲気中の熱処理の少なくとも１種の処理を行なうことによって、反応ガス／水拡散体およびセパレータ／複極板の表面上に、金属酸化物の不導体皮膜を形成させた請求項１または２のセルの構成部品。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載のセルの構成部品を使用して構成した固体高分子電解質膜型セル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子電解質膜型（以下「固体高分子型」と略称する）のセルの構成部品である、反応ガス／水拡散体（以下単に「拡散体」という）とセパレータ／複極板（以下単に「セパレータ」という）との積層体の改良に関し、この構成部品を使用して組み立てた固体高分子型燃料セルにも関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型のセル、代表的には燃料電池は、基本的な態様としては図１に示すように、１枚のＭＥＡ（膜電解質アセンブリMembrane Electrode Assembly）、２枚のセパレータ／複極板、２枚の反応ガス／反応液の拡散体、２枚の給電板、２枚の絶縁板および２枚のエンドプレートから構成されるか、または、１枚のＭＥＡ、２枚のセパレータ／複極板、１枚の反応ガス／反応液の拡散体、１枚の金属不溶性電極、２枚の給電／集電板、２枚の絶縁板および２枚のエンドプレートから構成される。
【０００３】
上記の構成部材を使用して、１枚のＭＥＡ、２枚のセパレータ／複極板および２枚の反応ガス／反応液の拡散体を積み重ねることにより、または、１枚のＭＥＡ、２枚のセパレータ／複極板、１枚の反応ガス／反応液用の拡散体および１枚の金属不溶性電極を積み重ねることにより、たとえば燃料電池の単セルが構成される。この単セルを複数個積層してセル・スタックを構成し、セル・スタックの両端に給電／集電板、絶縁板およびエンドプレートを配置して、エンドプレートに設けたボルトを締め付けてその形状を維持するという要領で、燃料電池が構成される。
【０００４】
セルの構成において、ＭＥＡと拡散体とを一体化した例も見受けられる（特許文献１）が、燃料電池をはじめとするこの種のセルは、基本的には、ＭＥＡや電解質膜のしきい性を利用して、２枚のセパレータ／複極板の間に２個の隔離された反応室を設けた電気化学反応装置であって、反応物／生成物が気体の場合に対処できるよう、二つの電極のうち少なくとも一方はガス拡散電極とした構造がより一般的である。
【０００５】
このような構造を有する固体高分子型のセルは、各種燃料電池のほか、水電解セル、可逆セル（燃料電池と水電解セルとを一体にしたもの、「一体化再生可能燃料電池」ＵＲＦＣＳと呼ぶ）をはじめ、除湿用セル、空気中の酸素濃縮用セル、酸素陰極によるソーダ電解用セル、オンサイトでのオゾンまたは過酸化水素製造用のセル、および、亜硝酸ガス、フロンガス、二酸化炭素を処理するための電気化学セルといった、多岐にわたる用途が期待される電気化学セルである。
【０００６】
これらの固体高分子型セルでは、単セルを大型化することによりセルのスケールアップを図ろうとすれば、構成部材の大型化に伴う加工精度の制約が高まること、締め付け時の構成部材の均一な接触が得難くなること、などの問題に遭遇する。単セルの大型化によるスケールアップはまた、単セルごとの電解電流や発電電流が増大することになり、その結果、電圧降下の増大や電源装置の整流効率の低下によって、システム全体の効率が低下するという問題もある。そこで、図１にみるように、単セルを複数個積層させたセル・スタックによって、スケールアップを図るのが通常である。
【０００７】
このような固体高分子型セルの、単セルおよびスタック内での反応物や生成物／副生成物の輸送経路の形成は、それぞれのセルごとに外部からの導入経路を設ける「外部マニホールド方式」によるか、または、構成部材に設けた開口部を積層することで形成される空間を、ヘッダー管構造の幹線として利用し、そこから各単セルへ分岐流出させる機構をセル内に設ける「内部マニホールド方式」のいずれかによる。通常は、構造の簡素化によるコスト低減、省スペースという点において有利な、内部マニホールド方式が選択されている。
【０００８】
内部マニホールド方式では、外部から供給される反応物は、まず内部マニホールドを通って各セルに設けられた分流機構部から各セル室内へ流入して、セパレータ上に設けられた流路を経由し、その反応剤流体が拡散体側へ流出して、そこを透過して電極面へ至るというものであるから、前記のようなセル内に形成される２個の隔離された反応室へ２種類以上の異なる反応剤を供給する場合には、それぞれの室のための内部マニホールドを設ける必要がある。基本的には、反応ガスＡの出入り口用と反応ガスＢの出入り口用に合計４個の開口部を設けるが、反応系が発熱的であって冷却材の導入が必要である場合や、スタックのセル数が数十〜数百に及ぶような場合には、さらに冷却系出入り口用の内部マニホールドを追加して設ける必要がある。
【０００９】
このような固体高分子型セルを数十〜数百個積層してスタックにするに際しては、積層作業を簡素化してその作業の確実性を向上させることが、品質安定化には重要であり、それには、セル構成部材の部品点数を極力削減することが、基本的に有利な対策である。
【００１０】
スタック化による固体高分子型セルのスケールアップにおいて、積層するセル数を増加させると、セルの基本構成部材であるセパレータ／複極板や、反応水／反応ガス拡散体の必要な数量自体が、当然に増加することとなる。したがって、固体高分子型セルの低コスト化をはかるには、個々のセパレータ／複極板および反応水／反応ガス拡散体の製造コストを低減することが重要である。
【００１１】
一般に固体高分子型セルのセパレータには、図２に示す、内部マニホールドを形成するための開口部（ａ）と、複数の凹凸部（ｂ）とが、その片面または両面に設けてある。このうち凹部分は、通常「チャネル」と呼ばれ、内部マニホールドから流入してくる反応ガス／反応水の電極面全面への均一な分流を促す流路として機能し、流路全体は、複数のチャネルによって形成されるのが普通である。一方、凸部分は、セパレータと拡散体との電子伝導や熱伝導を担い、通電および伝熱面としての機能を果たすものである。以下の記述では、この凸部分を「接電部」と呼ぶ。
【００１２】
このような流路および接電部は、機械切削、冷間プレスおよび超塑性プレス、サンドブラストおよびケミカルエッチングや、電解研磨、樹脂モールディングなど、既知の加工技術から任意のものを選んで実施することにより形成することができる。
【００１３】
セパレータ上に設ける流路および接電部の機能を十分に発揮させるためには、まず、流路に関して、反応剤の各チャネルヘの分配が均一に行なわれ、かつ、生成物および副生成物の排出がスムーズに行なわれることを可能とする構造が求められる。これには、流路の形状、深さ、幅などの寸法の設計が適切であるとともに、それを実現する高い加工精度が必要とされる。流路の形状に関して最も簡単なものは、図２に示したような、各チャネルを平行配置させたパラレルチャネルタイプであるが、機能をさらに向上させる工夫が提案されており（特許文献２および３）、複雑な形状の加工を高精度に、安価に実現する技術も多数開示されている（特許文献４〜６）。
【００１４】
セパレータには、反応剤であるガスや反応の生成物である水が、スタックを構成している隣接セルの間で混合しないようにするための、しきい性も必要となる。セパレータとして金属板を使用している場合や、セパレータ表面に金属薄膜層が形成されていれば、それ自体で十分なしきい性が確保されるため問題はないが、樹脂成形品やグラファイト材を使用している場合には、とりわけ気体の透過量を減少させる目的で、ガス不透過処理が必要となる。その技術も開示されているが（特許文献７）、一般的には、グラファイト系の材料を使用するよりも、金属材料または金属薄膜が被覆された材料を使用する方が、セパレータに対してより簡易に、しきい性を付与することができる。
【００１５】
一方、セパレータは、運転中および停止中に、固体高分子電解質膜自体が弱酸性ないし強酸性、または弱アルカリ性ないし強アルカリ性を示す性質を有することや、セル内に供給される反応剤、その中の不純物、反応生成物および副生成物、ならびに供給される水蒸気に暴露されることに起因して、腐食、孔食、溶出が生じることがある。また、各セルを構成する２個のセパレータのうちの一方（セパレータを複極板として適用する場合には片面）が、運転中や運転前後に、アノード電位に分極される。このような環境において、不適切な材質のセパレータを使用すると、セパレータから金属イオンや金属オキソ酸イオンが溶出して、それが電解質膜に捕捉されたり、金属イオンから形成される金属酸化物、水酸化物が電解質膜に固着したりすることによって電解質膜の抵抗を増加させ、これが固体高分子型セルの性能を大きく低下させることとなる。最終的にはセパレータ自体が腐食して崩壊するか、セルの締め付け力によって応力腐食割れを生じるので、固体高分子型セル自体が使用不可能に陥る。
【００１６】
この問題に対処するため、セパレータの材質には、耐酸性または耐アルカリ性、耐食性および耐アノード性が同時に求められる。アノード電位が０．８〜１．０Ｖ（ｖｓ．ＮＨＥ）以下であれば、グラファイト系、ＴｉおよびＴｉ以外のバルブメタル、Ｔｉ合金および酸化物、窒化物、ケイ化物および炭化物、ＡｌおよびＡｌ合金、Ａｌ酸化物、ステンレス鋼、Ｎｉ系合金などを使用すればよいが、１．０Ｖ（ｖｓ．ＮＨＥ）を超えるような環境下で使用できるセパレータの材質は、酸性環境ではＴｉおよびそのほかのバルブメタル、Ｔｉ合金、Ｔｉの酸化物、窒化物、ケイ化物および炭化物、ならびにＡｌの酸化物にほぼ限定される。アルカリ性環境でも、上記の酸性環境で使用できる材質に加えて、ＮｉおよびＮｉ系合金が使用可能になる程度である。
【００１７】
セパレータ上の接電部においては、前記したように電子伝導性の確保が重要である。電子伝導性を確保するためには、金属材質の成型品やグラファイトを使用するほか、導電性粉末を含浸させた樹脂モールド材の使用（特許文献８）、出願人が提案する、樹脂成型母材上に無電解メッキやスパッタリングによって導電性材料を被覆したもの（特許文献９）もある。セパレータ自体の電気抵抗は、使用した金属固有の比抵抗に依存し、通常１cm以下の厚さであるセパレータにおいては、十分な電子伝導性が確保されている。セパレータの電子伝導性を決定する場所は、図３に示すセパレータと拡散体との接触部分であって、両者の接触抵抗が問題である。
【００１８】
接電面もまた、前記した環境に置かれる。セパレータと拡散体の双方の電子伝導媒体がグラファイト系材料であれば、不導体皮膜が形成されないから、接電部の接触抵抗が経年的に増加することはないが、セパレータの接電部、または拡散体の一方または両方の表面が金属によって形成されている場合には、経年的に不導体皮膜が形成してゆき、その成長につれて接触抵抗が増加する。Ｔｉ等のバルブメタルやその合金では、それらの酸化物が半導性であるため、アノード側に配置されている場合には、最終的に絶縁性を示すし、Ａｌを使用すると、その酸化物は絶縁物であるから、アノード側、カソード側のどちらに配置した場合でも絶縁性を示し、セル内での電気化学反応の進行が妨げられる。
【００１９】
このように、固体高分子型のセパレータの材料として金属を選択する場合には、耐酸性、耐アルカリ性、耐食性および耐アノード性の向上をはかると同時に、不導体皮膜の成長による拡散体との間の接触抵抗の増加を抑制することが必要である。この観点から、セパレータの流路部、接電部または全面に、Ａｕ、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ａｇなどの貴金属、それらの合金または酸化物薄膜層を、無電解メッキ、電気メッキまたはスパッタリングによって形成したり、グラファイト、Ｔｉ系粉末材料等の導電性塗膜を形成したりする手法が考案されている（特許文献１０〜１２）。
【００２０】
上記の手法のうち、貴金属薄膜層の形成は、古くから電子部品の接点部やアルカリ電解装置の電極薄膜の形成に実施されてきた技術であり、セパレータの耐酸性、耐アルカリ性、耐食性、耐アノード性の向上や電子伝導性の確保に関して、非常に効果的な手法であると言えるが、課題として、高価な貴金属をセパレータ上に使用することによるコストの増大が挙げられる。この対策として、貴金属薄膜層をいっそう薄くして、貴金属使用量を低減することによりコストを押さえる技術もある（特許文献１３および１４）。
【特許文献１】特願２００２−２９５３１１
【特許文献２】ＵＳＰ５４５４６６６
【特許文献３】特開２００４−１５８３７９
【特許文献４】特開２０００−２７３６８１
【特許文献５】特開２００３−２４２９９４
【特許文献６】特開２００４−１１９３４６
【特許文献７】特開２００１−８５０３２
【特許文献８】特開２００２−２８９２１７
【特許文献９】特開２００３−３６８６７
【特許文献１０】特開２０００−２１４１９
【特許文献１１】特開２００４−３１１６６
【特許文献１２】特開２００４−２３５０９１
【特許文献１３】特開２００１−２９７７７７
【特許文献１４】特開２００４−２６５６９５
【００２１】
導電性粉末材料により導電性塗膜を形成させる場合、Ａｕ、Ａｇなどの貴金属を導電性担体に用いれば、貴金属の使用によるコスト高を招くこと、スパッタリングやメッキに比べて、薄膜化による貴金属使用量の低減が困難であることから、それ以外の、耐酸性、耐アルカリ性、耐食性、耐アノード性が比較的高い非貴金属材料であるグラファイト系材料や、Ｔｉ系合金の粉末材料を導電性担体として用いる工夫がなされている。
【００２２】
しかしながら、固体高分子型燃料電池は、分散配置型の自動車用や家庭用向けの開発が先行しており、この種の燃料電池が市場に出るようになれば、リサイクルを考慮に入れても、世界市場で必要とされるセパレータの数量は、数億枚以上と膨大なものになる。貴重な資源である貴金属の被覆を、固体高分子型セルの構成部材のうちで、最も被覆を要する面積が大きいと目されるセパレータ上に施すことは、将来的な貴金属の値上がりや資源の枯渇を招くことは必至であり、賢明でないことが明らかである。また、貴金属薄膜の形成に際して、ピンホールレスの被覆を実現することは困難であり、ピンホールが生じれば、そこから素地の金属板へ水蒸気や空気、酸素等が到達することによって素地の腐食や不導体皮膜の成長が進行し、最終的に貴金属被覆層が剥離するという事態も懸念される。
【００２３】
一方、グラファイト系材料やＴｉ系合金の粉末材料を導電性担体に用いた塗膜の形成は、貴金属を用いない点で有利な手法であるものの、塗膜が粉末の集合により形成された多孔質の層であることから、ピンホールの存在は避け難く、やはり素地の不導体皮膜成長が生じ、被覆層の脱落等を生じる懸念があるとともに、導電性担体が貴金属でないため、貴金属被覆を施したセパレータに比べれば、１．０Ｖ（ｖｓ．ＮＨＥ）を超える高いアノード分極電圧の環境下におけるアノード耐久性には、課題が残る。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
本発明の目的は、概括的にいえば、固体高分子型セルであって、単セルを数十〜数百個スタックしたものにおいて、積層作業を簡素化するためにセル構成部品点数の削減を可能にする、固体高分子型セルの構成部品を提供することにある。本発明の目的をより具体的にいえば、耐酸性ないし耐アルカリ性、耐食性、耐アノード性にすぐれ、不導体皮膜の成長によって生じるセパレータ／拡散体間の接触抵抗の増加を防止することができ、かつ、貴金属の使用量を大幅に低減させることが可能であって、とりわけセパレータ上への貴金属の被覆や導電性塗膜の形成を必要としない、固体高分子型セル用の、安価なセパレータ／拡散体の積層一体化部品を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
上記の目的を達成する本発明のセパレータ／拡散体の積層体は、固体高分子電解質膜型のセルの構成部材である反応ガス／水拡散体と、セパレータ／複極板とを積層し、拡散接合によって一体化させて得たセルの構成部品である。
【００２６】
拡散接合とは、よく知られているように、２個の構成部材を当接させた状態で、熱、超音波、高周波または振動を与えて部材の表面にエネルギーを供給しながら、部材の接触面に圧力を加えることにより、接合部分において両部材が拡散により混合し、一体化した組織を形成させて接合する加工法であり、それによって構成部材の融点以下での接合が実現する。そのため、いわば低温で溶接されたような接合部が得られ、接合された金属部品の表層部においては構成部材の間で自由電子雲の重なりが生じており、それにより電子伝導性が確保されることとなるので、セパレータと拡散体間における電子伝導が、接合部の金属バルク内において可能となり、金属表層部で生じやすい不導体皮膜の成長による影響を受け難い、安定な電子伝導性を有するセパレータと拡散体の積層体が獲得できる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明に従って製造した、セパレータと拡散体とを積層一体化してなるセルの構成部品は、耐酸性および耐アルカリ性、耐食性、耐アノード性にすぐれ、長期間の使用によっても接触抵抗が増加しない。貴金属を使用しないか、または使用してもその量が少なくて済むから、製造コストは低廉であるし、資源の問題も生じない。この構成部品を使用して固体高分子型セルを組み立てれば、セパレータと拡散体とがすでに一体化しているから、部品点数の削減が可能であって、かつ、固体高分子型セルの製造コストを低く抑えることができる。
【００２８】
後記する好ましい実施態様においては、構成部品のセパレータ部分と拡散体部分および接電部の断面において、図５に示した、基材層、不導体被膜による保護層、電子伝導機能帯をそれぞれ有する材料構造を実現することが可能となり、耐酸性、耐アルカリ性、耐食性、耐アノード性が一層すぐれ、不導体皮膜の成長によって生じるセパレータ／拡散層間の接触抵抗の増加を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
本発明のセパレータと拡散体とを積層一体化したセルの構成部品に対して、接合の後に、または接合前に、拡散体に対して、接合部と反対側の表面に対して導電性を付与する加工を施せば、図１に示した構造の固体高分子型セルを形成させた場合にも、セパレータとＭＥＡ間における高い電子伝導性を確保することができる。
【００３０】
上記の導電性を付与する加工によって得た構成部品に対して、電解アノード処理、薬液処理、水蒸気雰囲気処理、空気または酸素雰囲気中の熱処理の、少なくとも１種の処理を施すことによって、拡散体およびセパレータ表面において、導電性が必要でない部分に不導体酸化皮膜を形成させ、これを保護層として利用することによって、積層体に耐酸性および耐アルカリ性、耐食性、耐アノード性を持たせることが可能である。この場合、セパレータと拡散体の接合部表層で不導体皮膜が形成されるものの、セパレータと拡散体との間の電子伝導は、それらの接合部の金属バルク内でなされるから、両者の間の電子伝導性が阻害されることはない。
【００３１】
本発明に従い、セパレータと拡散体とを積層一体化した構成部品を製造する工程は、図４の上段から中段に示すとおりである。積層体を製造するためには、まず、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｂなどのバルブメタルやその合金、Ａｌおよびその合金、ステンレス鋼、またはＮｉ系耐硫酸鋼等の、市場で入手可能な金属材料を選び、これに機械切削、冷間プレスおよび超塑性プレス、サンドブラストおよびケミカルエッチングや電解研磨によって、前記したような形状をもつ流路、接電部、マニホールド開口部を有するセパレータ用部材を用意する。
【００３２】
このようなセパレータの材料には、金属が使用しやすいが、金属でなくとも、前記した出願人の提案にかかる、樹脂成型母材上に無電解メッキやスパッタリングによる導電性金属材料の被覆を、少なくとも拡散体との接合部に当たるセパレータの接電面に施したものであれば、使用可能である。同様に、セパレータの材料としてグラファイト系のものを使用している場合にも、無電解メッキやスパッタリングによる導電性金属材料の被覆が、少なくとも拡散体との接合部に当たるセパレータの接電面に施されていれば、使用可能である。
【００３３】
一方、この構成部品のもうひとつの部材である拡散体としては、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｂなどのバルブメタル、その合金、Ａｌおよびその合金、ステンレス鋼、ニッケル系耐硫酸鋼等で製造した、金属繊維不織布、金属粉末の焼結体、エキスパンドメタル、またはマイクロメッシュ、およびそれらの２種以上を組み合わせ、接合して得た多孔体を使用することができる。
【００３４】
市販のカーボンペーパーやカーボンクロスのような多孔体を基材として使用し、無電解メッキ、電気メッキ、スパッタリングなどの方法で、前記した導電性金属材料を基材の片面に被覆することによっても、セパレータと接合して使用することができる拡散体が得られる。
【００３５】
同様に、発泡ポリウレタン、ポリエチレン、ポリプロプロピレンを材料とする濾過機用フィルター材のような、高分子の多孔性材料や、それらを積層し溶着した材料を基材として使用し、それに対して無電解メッキ、電気メッキ、スパッタリングなどを行なって、前記した導電性金属材料が、基材の両側の表面と、孔内の表面全体にわたって存在するようにしたものもまた、セパレータとの接合に使用することができる。
【００３６】
最後に、上記のようにして用意したセパレータ１枚と、拡散体を１枚または２枚積層して適切な圧力を加えた状態で、空気中か、必要であれば真空またはＮ2やＡｒのような不活性ガス雰囲気中で、熱、超音波、高周波または振動のいずれかをエネルギー源とする拡散接合により一体化すれば、本発明のセルの構成部品を得ることができる。
【００３７】
本発明の実施に当たって、セパレータ、拡散体およびその表面を被覆する金属材料の組み合わせは、接合処理を簡単で確実に行なえるようにする観点から、基本的には同一材質であることが望ましい。合金材料を一方または両方に使用する場合には、少なくともそれらの主成分が一致するようにはかることが望ましい。両方の材料は熱膨張率がなるべく近いことが好ましいが、その差が１０％以内であれば、接合部分に空隙が生じたり、温度の上昇下降に伴ってひずみが生じたりすることが避けられ、良好な接合を得ることができる。
【００３８】
セパレータと拡散体との材料の性質を実質上一致させることができず、それにより接合に不良を生じるおそれがある場合には、セパレータと拡散体のいずれか一方を、主成分を同じくする金属、または熱膨張率の差が１０％以内に収まるような金属で被覆し、厚さ０．５〜２μmの薄膜層を形成してから接合すれば、接合状態が効果的に改善される。
【００３９】
セパレータおよび拡散体の材質として、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｂ等のバルブメタルや、Ａｌとその合金、あるいはステンレス鋼を用いて本発明を実施してみて、接合不良が生じた場合、その原因としては、接合処理前にセパレータまたは拡散体の接合部のどちらか一方または両方に、強固な不導体皮膜が形成されていことが考えられる。上記の材料を使用して接合処理を確実なものとするためには、サンドブラスト、ケミカルエッチング、電解研磨、電解脱脂等の前処理を、セパレータおよび拡散体の一方または両方に施しておくことが効果的である。
【００４０】
拡散接合によって得られたセルの構成部品に、いっそう良好な耐酸および耐アルカリ性、耐食性、耐アノード性をもたせようとする場合には、とりわけセパレータや拡散体自体、およびその被覆層の材料として、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ等のバルブメタルかＡｌまたはその合金を選択し、得られた接合体に対して、電解アノード処理、酸化剤薬液処理、水蒸気雰囲気処理、空気ないし酸素雰囲気中の熱処理などの処理のいずれか、またはそれらを複合した処理を行なって、材料表面に緻密で強固な不導体酸化皮膜を形成させることが推奨される。その模様は、図４の中段から下段にかけて示すとおりである。
【００４１】
得られた積層体の、接合部と反対側の拡散体部分の表層に電子伝導性を付与する工程は、下記のいずれかによってなされていれば問題なく、積層体の機能が発揮される。そのひとつは、金属の多孔体、カーボンの多孔体またはプラスチックの多孔体に金属の薄膜を形成した、接合処理前の拡散体に対して、その接合面とは反対側の面上に、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ａｕ、Ａｇ等の貴金属か、Ｎｉおよびその合金からなる材料を、無電解メッキ、電解メッキまたはスパッタリング等の技術を用いてあらかじめ被覆処理しておくことである。
【００４２】
いまひとつは、前述のようにして得た構成部品、または、それに対してさらに不導体酸化皮膜形成処理を施したものに対して、拡散体部の接合部とは反対側の面に、サンドブラスト、電解研磨、ケミカルエッチングなどを施した後に、既知の技術に従い、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ａｕ、Ａｇ等の貴金属か、Ｎｉおよびその合金を、無電解メッキ、電解メッキ、スパッタリングにより被覆処理することである。しかし、接合処理の後に拡散体表面に部分的な導電性処理を施す場合には、処理に不必要な箇所をテープでマスキングするか、フォトレジストを用いた厳密なマスキングをすることが必要になってコストの上昇につながるため、接合前にあらかじめ拡散体片面に導電性処理をしておくのが得策である。
【００４３】
拡散体の表面を導電性処理する手法としては、上記した方法以外にも、拡散体の材料として、Ｔｉの窒化物、ケイ化物、炭化物またはホウ化物を用いるか、市販のＴｉ材にこれらＴｉ化合物からなる多孔体を接合した材料を用いるか、または、Ｔｉからなる多孔性材料の表層を、反応スパッタリングの手法によりあらかじめ窒化物、ケイ化物、炭化物、ホウ化物としておき、それを利用する方法も可能である。
【００４４】
本発明に従って得たセルの構成部品の接電部における断面と、そこにおける電子の流れとは、図５の上段に示すとおりである。これに対し、本発明に従う拡散接合を行なわなかった場合のセル・スタックの、接電部における断面と、そこにおける電子の流れは、図５の下段に示すとおりであって、セルの使用中に不導体皮膜が生じて、接触抵抗が増大する可能性がこの図から理解される。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】固体高分子電解質膜型のセルの代表的な構造を示す模式的な展開図。
【図２】図１のセルに使用するセパレータ／複極板の形状を示す、斜視図および一部の断面の拡大図。
【図３】セル内でセパレータ／複極板と反応ガス／水拡散体との間に接触抵抗が生じる箇所を示す、斜視図および一部の断面の拡大図。
【図４】セパレータ／複極板と反応ガス／水拡散体とを積層一体化して、セルの構成部品を製造する工程、および不導体化処理を行なう工程を説明する工程図。
【図５】本発明の効果が生じる機構を説明する図であって、上段は本発明を実施した場合、下段は実施しなかった場合を、それぞれ示す。
【図１】
2007242407.tif 000003
【図２】
2007242407.tif 000004
【図３】
2007242407.tif 000005
【図４】
2007242407.tif 000006
【図５】
2007242407.tif 000007