(57)【要約】【課題】金属製セパレータを組み込んだ低コストの固体高分子電解質型燃料電池のセルユニットであって、高い耐腐食性及び耐久性を発揮し得る構造を有するセルユニットを提供する。【解決手段】(a) 高分子電解質膜、(b) 前記高分子電解質膜の両面にそれぞれ固定されたガス拡散が可能な一対の電極、(c) 前記電極の外側に接するように固定されたガス拡散可能な一対の多孔性・導電性黒鉛製集電体、(d) 燃料ガス及び酸素含有ガスを別々に前記電極に導入する一対の金属製セパレータ、及び(e) 前記金属製セパレータと前記黒鉛製集電体との間に設置された柔軟性及び通気性を有する多孔質導電性緩衝層を有する固体高分子電解質型燃料電池のセルユニットであって、前記金属製セパレータは、少なくとも前記緩衝層と接する面に、Au、Pt、Ag、Pd、Ir、Ni及びCrからなる群から選ばれた少なくとも１種の金属又はそれらの合金からなる導電性皮膜が形成されていることを特徴とする。【選択図】図１
2007128908.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
(a) 高分子電解質膜、(b) 前記高分子電解質膜の両面にそれぞれ固定されたガス拡散が可能な一対の電極、(c) 前記電極の外側に接するように固定されたガス拡散可能な一対の多孔性・導電性黒鉛製集電体、(d) 燃料ガス及び酸素含有ガスを別々に前記電極に導入する一対の金属製セパレータ、及び(e) 前記金属製セパレータと前記黒鉛製集電体との間に設置された柔軟性及び通気性を有する多孔質導電性緩衝層を有する固体高分子電解質型燃料電池のセルユニットであって、前記金属製セパレータは、少なくとも前記緩衝層と接する面に、Au、Pt、Ag、Pd、Ir、Ni及びCrからなる群から選ばれた少なくとも１種の金属又はそれらの合金からなる導電性皮膜が形成されていることを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池のセルユニット。
【請求項２】
請求項１に記載の固体高分子電解質型燃料電池のセルユニットにおいて、前記緩衝層は、金属、カーボン、導電性樹脂の少なくとも１つを含む導電性繊維からなる織布、又は金属、導電性樹脂の少なくとも１つを含む導電性繊維からなる不織布、若しくは通気性を有する程度に気孔が連通した発泡シートからなることを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池のセルユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は車載用燃料電池として使用する固体高分子電解質型燃料電池のセルユニットに関し、特に金属製セパレータを使用しても発電性能の劣化がない固体高分子電解質型燃料電池のセルユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は燃料から電気へのエネルギー変換効率が高く、SOxやNOx等の有害物質や、地球温暖化の原因となるCO2ガスの排出がないため、次世代の発電装置として注目されており、広く開発が行われている。なかでも150℃以下の温度領域で作動する高分子イオン交換膜型燃料電池又は固体高分子電解質型燃料電池と呼ばれる燃料電池は、出力密度が高いために小型化できるという特長を有するので、家庭用電源や車載用電源として好適である。そのため固体高分子電解質型燃料電池は現在盛んに研究されており、数年後の実用化が見込まれている。
【０００３】
固体高分子電解質型燃料電池は通常、スルホン酸基を有するフッ素樹脂系イオン交換膜（例えばナフィオン）等を固体高分子電解質膜とし、この電解質膜の両面にそれぞれ燃料電極及び酸素（空気）電極を固定し、単電池（セル）としている。各電極は通常カーボンブラックに撥水性のPTFE粒子と触媒となる貴金属微粒子とを分散したものからなる。単電池は両面に燃料ガス及び空気を均一に供給するための通気溝を設けた板状のセパレータを介して積層され、燃料電池スタックとなる（図１参照）。
【０００４】
このような構成の固体高分子電解質型燃料電池が作動すると、水素ガスは酸化され、電子を放出するとともにプロトンになる。プロトンは高分子電解質中に進入して、水分子と結合してH3O＋になり、アノード電極側に移動する。また水素ガスの酸化反応により発生した電子は外部回路を経てアノード電極側まで流れる。そのため、アノード電極で酸素は上記電子を得てO2-イオンとなり、H3O＋と結合して水となる。この反応過程は連続的に進行するので、電気エネルギーを連続的に取り出すことができる。
【０００５】
セルユニット電池の理論起電力は1.2 Vであるが、電極の分極、反応ガスのクローズオーバー（燃料ガスが高分子電解質を透過して空気極に到達する現象）、及び電極材料及び集電体材料のオーム抵抗による電圧降下等の原因により、実際の出力電圧は約0.6〜0.8 Vとなる。このため、実用的な出力が得られるように、セパレータを介して数十個のセルを直列に積層する必要がある。
【０００６】
上記発電原理から分かるように、高分子電解質膜中にH+イオンが多量に存在するので、高分子電解質膜内部と電極の近傍は強酸性になる。またアノード電極側で酸素が還元反応を起こし、H＋と結合して水を生成するが、電池の作動状態により過酸化水素を発生する場合もある。このような環境にセパレータが組み込まれるので、セパレータの特性に関しては、導電性及び気密性の他に電気化学的安定性（耐食性）も要求される。
【０００７】
従来の燃料電池用セパレータはほとんど黒鉛材料からなり、機械加工により作製されている。黒鉛は電気抵抗が低く耐食性も高いという利点を有する反面、機械強度に劣り、加工コストが高いという欠点を有する。特に車載用燃料電池の場合、燃料電池を構成する材料には高い機械強度が要求されるので、黒鉛セパレータを使用するのは難しいという問題がある。
【０００８】
最近、黒鉛粉末と樹脂の均一混合物をセパレータ形状に成形してから、高温焼成することにより黒鉛セパレータを製造する方法が提案されている。また黒鉛粉末と樹脂の混合物の成形体を焼成せずにセパレータとして使用する場合もある。何れにしても、このような黒鉛セパレータには電気抵抗、ガスの気密性、機械強度及び熱伝導性に問題がある。
【０００９】
カーボン材からなるセパレータ以外に、金属製のセパレータも検討されている。金属は電気抵抗、気密性及び機械強度の点でカーボン材に比べて非常に有利である。また金属を用いるとセパレータを薄くできるので、軽量化も容易になる。しかし、カーボン材に比べると金属は腐食しやすいだけでなく、腐食により生成した金属イオンが高分子電解質膜に進入すると、高分子電解質膜のイオン伝導性が低下し、燃料電池の発電性能に影響を与える恐れもある。
【００１０】
この問題を解決するため、例えば特開平11-162478号（特許文献１）は、貴金属をセパレータの全表面にメッキすることにより金属製セパレータの耐腐食性を改善する手法を提案している。しかしこの手法は、性能に関しては問題がないが、防食皮膜のためにセパレータの製造コストが高くなるので、実用的ではない。
【００１１】
コスト低減のために、セパレータにステンレス、ニッケル合金等の耐食性金属を使用することも検討されている。この種の金属は表面に非常に薄い酸化皮膜が生成して不動態になるため、腐食が抑えられる。しかし酸化皮膜の生成により表面の接触電気抵抗が高くなり、燃料電池の発電性能を低下させる。
【００１２】
この問題を解決するために、耐食性材料を加工して作製したセパレータの電極との接触面に、貴金属の皮膜、又はカーボン粒子を含んだ金属又は樹脂の皮膜を形成し、接触電気抵抗を下げる方法が提案されている（例えば特開平10-308226号（特許文献２））。また燃料電池の軽量化を図るために、アルミニウムを用いたセパレータも検討されている（例えば特開平10-255823号（特許文献3））。
【００１３】
しかしアルミニウムは耐食性が悪いために、アルミニウム製セパレータの場合、表面に耐食性金属の皮膜を形成して、耐食性を持たせなければならない。この皮膜に用いる金属はこれまでほとんど貴金属（例えばAu）である。しかしながらAu等の貴金属は非常に高価であるため、貴金属被覆アルミニウム製セパレータは著しくコスト高になる。セパレータのコストを下げるために、貴金属をできるだけ薄く被覆しなければならないが、貴金属皮膜は薄くなるほど耐食性が低下し、実用的な耐久性が得られなくなる。
【００１４】
また金属製セパレータに十分な耐食性を有する金属皮膜を形成しても、燃料電池の組み立て段階で皮膜が損傷することがあり、その結果セパレータの母材金属に腐食が起こり、接触抵抗が増大することもある。
【００１５】
上記のように、金属製セパレータを組み込んだ燃料電池のセルユニットにおいては、特にアルミニウム合金製セパレータの場合、耐食性が低いため発電性能が劣化する。そのため、金属製セパレータを用いて低コストで実用性のある燃料電池を構成することはできなかった。
【特許文献１】特開平11-162478号
【特許文献２】特開平10-308226号
【特許文献３】特開平10-255823号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
従って本発明の目的は、金属製セパレータを組み込んだ低コストの固体高分子電解質型燃料電池のセルユニットであって、高い耐腐食性及び耐久性を発揮し得る構造を有するセルユニットを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記目的に鑑み鋭意研究の結果、本発明者等は、金属製セパレータの導電性皮膜が黒鉛製集電体の押しつけにより破壊され、そこから腐食が発生するために燃料電池の性能劣化が起こることに着目し、(1) ガス拡散電極の集電体を直接金属製セパレータの表面に接触させるのではなく、集電体と金属製セパレータとの間に耐腐食性、柔軟性、導電性及びガス透過性を有する繊維状又は発泡体状の緩衝層を装着するか、或いは集電体に耐腐食性及び導電性を有する緩衝皮膜を形成することにより、金属製セパレータ表面の導電性皮膜を保護し、もって金属製セパレータの腐食を大幅に軽減して燃料電池の発電性能を維持できること、特に(2) 金属製セパレータが比較的低硬度のアルミニウム又はアルミニウム合金からなる場合や、金属製セパレータの導電性皮膜が非常に薄いAu皮膜等である場合に、上記緩衝層を設置すると、飛躍的に燃料電池の性能劣化を抑止できることを発見し、本発明を完成した。
【００１８】
すなわち、本発明の固体高分子電解質型燃料電池のセルユニットは、(a) 高分子電解質膜、(b) 前記高分子電解質膜の両面にそれぞれ固定されたガス拡散が可能な一対の電極、(c) 前記電極の外側に接するように固定されたガス拡散可能な一対の多孔性・導電性黒鉛製集電体、(d) 燃料ガス及び酸素含有ガスを別々に前記電極に導入する一対の金属製セパレータ、及び(e) 前記金属製セパレータと前記黒鉛製集電体との間に設置された柔軟性及び通気性を有する多孔質導電性緩衝層を有する固体高分子電解質型燃料電池のセルユニットであって、前記金属製セパレータは、少なくとも前記緩衝層と接する面に、Au、Pt、Ag、Pd、Ir、Ni及びCrからなる群から選ばれた少なくとも１種の金属又はそれらの合金からなる導電性皮膜が形成されていることを特徴とする。
【００１９】
前記緩衝層は、金属、カーボン、導電性樹脂からなる導電性繊維の織布又は不織布、若しくは通気性を有する程度に気孔が連通した発泡シートからなるのが好ましい。
【００２０】
少なくとも前記金属製セパレータに接する前記緩衝層の面は、金属又は導電性樹脂により多孔性を阻害しない程度に被覆されているのが好ましい。また前記緩衝層を構成する導電性繊維は、金属又は導電性樹脂により被覆されているのが好ましい。
【００２１】
前記緩衝層の面又はそれを構成する導電性繊維に被覆する金属は、Au、Pt、Pd、Ru、Rh、Ir、Ag、Ti、Cu、Pb、Ni、Cr、Co及びFeからなる群から選ばれた少なくとも１種の金属又はそれらの合金であるのが好ましい。前記緩衝層は20〜90％の気孔率を有するのが好ましい。また前記緩衝層の厚さは0.01〜1.0 mmであるのが好ましく、0.05〜0.2 mmであるのがより好ましい。
【００２２】
前記金属製セパレータの面に形成された導電性皮膜は、0.01〜20μmの膜厚を有するのが好ましい。前記金属製セパレータはアルミニウム又はアルミニウム合金からなるのが好ましい。
【００２３】
本発明の好ましい固体高分子電解質型燃料電池のセルユニットは、(a) 高分子電解質膜と、(b) 前記高分子電解質膜の両面にそれぞれ固定されたガス拡散が可能な一対の電極と、(c) 前記電極の外側に接するように固定されたガス拡散可能な一対の多孔性・導電性黒鉛製集電体と、(d) 燃料ガス及び酸素含有ガスを別々に前記電極に導入する一対のアルミニウム又はアルミニウム合金製のセパレータと、(e) 前記セパレータと前記黒鉛製集電体との間に設置された柔軟性及び通気性を有する多孔質導電性緩衝層とを有し、前記緩衝層と接する前記セパレータの面に0.01〜20μmの厚さの導電性皮膜が形成されていることを特徴とする。
【００２４】
本発明のもう一つの固体高分子電解質型燃料電池のセルユニットは、(a) 高分子電解質膜と、(b) 前記高分子電解質膜の両面にそれぞれ固定されたガス拡散が可能な一対の電極と、(c) 前記電極の外側に接するように固定されたガス拡散可能な一対の多孔体と、(d) 燃料ガス及び酸素含有ガスを別々に前記電極に導入する一対の金属製セパレータとを有し、少なくとも前記金属製セパレータに接する前記多孔体に耐食性の金属、導電性樹脂又は導電性セラミックスからなる導電性緩衝皮膜が形成されていることを特徴とする。
【００２５】
前記多孔体は多孔性・導電性黒鉛製集電体からなるのが好ましく、カーボン繊維の織布若しくは不織布又はカーボンペーパーからなるのがより好ましい。また多孔体は樹脂の繊維又は天然繊維の織布又は不織布、或いは多孔性樹脂シートからなるのも好ましい。
【００２６】
前記多孔体に形成された前記導電性緩衝皮膜は0.5〜50μmの膜厚を有するのが好ましく、Au、Pt、Pd、Ru、Rh、Ir、Ag、Ti、Cu、Pb、Ni、Cr、Co及びFeからなる群から選ばれた少なくとも１種の金属又はそれらの合金からなるのが好ましい。導電性緩衝皮膜は、好ましくはスパッタリング法、真空蒸着法、電気メッキ法又は無電解メッキ法により形成される。
【発明の効果】
【００２７】
上記の通り、導電性、通気性及び柔軟性を有する緩衝層を金属製セパレータと集電体との間に装着してなる本発明の固体高分子電解質型燃料電池のセルユニットでは、金属製セパレータの腐食が抑制されているので、燃料電池の発電性能を長期間維持することができる。また集電体等の多孔体に導電性緩衝皮膜を形成することによっても、金属製セパレータの腐食を効果的に抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
図１は本発明の一実施形態による固体高分子電解質型燃料電池のセルユニットの構成例を示し、図３は従来の固体高分子電解質燃料電池のセルユニットの構成例を示す。図３に示す従来の固体高分子電解質型燃料電池のセルユニット１は、高分子電解質膜（固体高分子電解質）２と、その両側に形成されたカソード電極３及びアノード電極４と、両電極３，４にそれぞれ設けた集電体５，５と、各集電体５，５に接する金属製セパレータ７，７とからなる。これに対して、図１に示す固体高分子電解質型燃料電池のセルユニット１は、固体高分子電解質２と、その両側に形成されたカソード電極３及びアノード電極４と、両電極３，４にそれぞれ設けた集電体５，５と、各集電体５，５の外側に配置された緩衝層６，６と、各緩衝層６，６に接する金属製セパレータ７，７とからなる。このように本発明のセルユニットは、各集電体５と各金属製セパレータ７との間に、優れた柔軟性、導電性及びガス透過性を有する繊維状又は発泡シート状の緩衝層を装着したことを特徴とする。この構造のため、金属製セパレータの導電性皮膜が集電体５との接触により破損されることがなく、耐食性が維持される。
【００２９】
図２は本発明の別の実施形態による固体高分子電解質型燃料電池のセルユニットの構成例を示す。このセルユニット１は、固体高分子電解質２と、その両側に形成されたカソード電極３及びアノード電極４と、両電極３，４にそれぞれ設けた集電体５，５と、各集電体５，５の外側に形成された導電性緩衝皮膜８，８と、各導電性緩衝皮膜８，８に接する金属製セパレータ７，７とからなる。このように、各金属製セパレータ７に接する各集電体５の面に導電性緩衝皮膜８が形成されているため、図２に示すセルユニット１においても、金属製セパレータは集電体５との接触により腐食されることがない。
【００３０】
固体高分子電解質型燃料電池の構成要素のうち、固体高分子電解質２、カソード電極３、及びアノード電極４については従来と同じで良いので、ここではこれらの詳細な説明を省略する。そこで緩衝層、セパレータ及び多孔性・導電性黒鉛製集電体その他の多孔体についてのみ、以下詳細に説明することにする。
【００３１】
[1] 緩衝層
緩衝層は、金属製セパレータ７と黒鉛製集電体５とを導通するために優れた導電性を有しなければならないのみならず、黒鉛製集電体５が金属製セパレータ７に接触する際の衝撃等を緩和するため、優れた柔軟性も有していなければならない。その上、燃料電池に使用するので、優れた熱伝導性及び耐食性も有していなければならない。
【００３２】
このような特性が要求される緩衝層６は、金属繊維、カーボン繊維又は導電性樹脂の繊維からなる織布又は不織布、若しくはこれらの導電性材料からなる発泡シートにより構成するのが好ましい。金属繊維としては、ステンレススチール、ニッケル等の繊維を使用することができる。カーボン繊維は導電性及び耐腐食性を有するので好ましい。カーボン繊維として市販のカーボンファイバーを使用することができる。また導電性樹脂の繊維としては、金属分散ポリオレフィン系樹脂、ポリエステル系樹脂、フッ素系樹脂等の繊維が挙げられる。これらの繊維の平均径は0.5〜20μm程度で良い。
【００３３】
緩衝層６を構成する繊維又は発泡シートが樹脂等の非導電材からなる場合、繊維又は発泡シートの表面に金属、導電性樹脂等の導電材を被覆すれば良い。
【００３４】
図１から明らかなように、燃料電池のガスは各セパレータ７の通気溝7aから各電極３，４と高分子電解質２の界面に到達するため、各緩衝層６を通過しなければならない。従って、緩衝層６には優れた通気性が要求される。緩衝層６を通過するガスの抵抗が大きいと、燃料電池の大電流出力特性に影響するので、緩衝層６はガスの通過に対して抵抗が小さいのが好ましい。従って、緩衝層６の気孔率は20〜90％が好ましく、30〜80％がより好ましい。緩衝層６の気孔率が20％未満であると、緩衝層６の通気性が不十分であるのみならず、黒鉛製集電体と金属製セパレータとの衝撃等を緩和する柔軟性（緩衝性）も不足する。また緩衝層６の気孔率が90％超であると、緩衝層６の機械的強度が不十分であり、セルユニットをスタックした時の押圧力により緩衝層６は薄肉化してしまう。
【００３５】
緩衝層６の厚さは気孔率により異なるが、一般に0.01〜1.0 mmであるのが好ましく、0.05〜0.2 mmであるのがより好ましい。緩衝層６の厚さが0.01 mm未満であると、柔軟性（緩衝性）が不十分である。また緩衝層６の厚さが1.0 mm超であると、金属製セパレータ７と黒鉛製集電体５との間の電気抵抗値が大きくなり過ぎるのみならず、セルユニットが厚くなり過ぎ、燃料電池スタックの小型化が困難になる。
【００３６】
緩衝層６の導電性をいっそう高めるために、緩衝層６の表面（少なくともセパレータ７と接する側）又は緩衝層６を構成する導電性繊維の表面に、Au、Pt、Pd、Ru、Rh、Ir、Ag、Ti、Cu、Pb、Ni、Cr、Co及びFeからなる群から選ばれた少なくとも１種の金属又はそれらの合金を被覆するのが好ましい。導電性及び耐腐食性の観点から特に好ましいのは、Au、Pt、Ir、Ag、Pb及びCoからなる群から選ばれた少なくとも１種の金属又はそれらの合金である。
【００３７】
緩衝層６の導電性皮膜の厚さは、0.05〜10μmであるのが好ましい。導電性皮膜の厚さが0.05μm未満であると、十分な導電性が付与されない。また導電性皮膜の厚さを10μm超にしても、それに見合った導電性向上効果が得られず、コスト高になるだけである。なお緩衝層６の導電性皮膜は、スパッタリング法、物理的蒸着法、メッキ法等により形成することができる。
【００３８】
黒鉛製集電体５と緩衝層６とを兼用した構造にすると、燃料電池ユニットの構成が簡略化され、集電体５の電気抵抗を低減させることができる。この場合、集電体５の他に緩衝層６を設けずに、集電体５を上記構造にすれば良い。
【００３９】
[2] セパレータ
金属製セパレータ７をアルミニウム又はアルミニウム合金により形成すると、緩衝層６との導通が良好であり、燃料電池ユニットの出力密度／重量、機械的強度等が改善される。
【００４０】
しかし、アルミニウム又はアルミニウム合金は耐腐食性に劣るので、セパレータ７の表面のうち少なくとも緩衝層６と接する面に、Au、Pt、Ag、Pd、Ir、Ni及びCrからなる群から選ばれた少なくとも１種の金属又はそれらの合金からなる導電性皮膜を形成するのが好ましい。なかでもAu、Ag、Pt又はそれらの合金により導電性皮膜を形成すると、優れた導電性及び耐腐食性が得られるので好ましい。
【００４１】
金属製セパレータ７の導電性皮膜の膜厚は、製造コストと皮膜の機能性から考えると、0.01〜20μmであるのが好ましい。導電性皮膜の膜厚が0.01μm未満であると、十分な導電性が得られない。また導電性皮膜の膜厚を20μm超としても、それに見合った導電性向上効果が得られず、コスト高になるだけである。より好ましい導電性皮膜の膜厚は0.1〜1.0μmである。このような膜厚を有する導電性皮膜は、スパッタリング法、物理的蒸着法、メッキ等により形成することができる。
【００４２】
上記の構造を有する金属製セパレータ７は軽量であるのみならず、優れた機械強度、導電性、電熱性等を有する。
【００４３】
[3] 多孔性・導電性黒鉛製集電体及びその他の多孔体
セルユニットに緩衝層が設けられていない場合、黒鉛製集電体及びその他の多孔体に導電性緩衝皮膜を形成することが必要である。導電性緩衝皮膜も緩衝層と同様に電気抵抗を低減し、金属製セパレータの腐食を防止する。多孔体は(a) 多孔性・導電性黒鉛製集電体であるか、(b) 樹脂の繊維又は天然繊維の織布又は不織布、或いは多孔性樹脂シートからなるのが好ましい。
【００４４】
(a) 多孔体が黒鉛製集電体である場合、集電体はカーボン繊維の織布若しくは不織布又はカーボンペーパーからなるのが好ましい。カーボン繊維は導電性及び耐腐食性を有するので好ましい。カーボン繊維として市販のカーボンファイバーを使用することができる。カーボンペーパーとしては、抄紙−黒鉛化法等により作製したものを好適に使用できる。抄紙−黒鉛化法の一例によると、パルプ廃液、ポリビニールアルコール等をバインダーとしてセルロース繊維を抄紙したペーパー、又は孔径の制御された市販のセルロース系虜紙を1000〜1800℃で焼成し、カーボンペーパーを得ることができる。
【００４５】
(b) 多孔体が樹脂の繊維又は天然繊維の織布又は不織布、或いは多孔性樹脂シートからなる場合、これらの多孔体材料は導電性でも非導電性でもよい。多孔体上に導電性緩衝皮膜が形成されるため、多孔体は材料が導電性であるか否かに関わらず、多孔性・導電性集電体として機能することができる。導電性樹脂としては、金属分散のポリオレフィン系樹脂、ポリエステル系樹脂又はフッ素系樹脂、カーボンファイバー等が挙げられる。非導電性樹脂としては、ナイロン、ポリプロピレン、ポリエステル系樹脂等が挙げられる。天然繊維の具体例としては、セルロース等が挙げられる。これらの繊維の平均径は0.5〜20μm程度で良い。
【００４６】
燃料電池のガスが多孔体を通過できるように、多孔体は優れた通気性を有する必要がある。また特にセルユニットに緩衝層が設けられていない場合は、セパレータを腐食しないように、優れた柔軟性も必要となる。具体的には、多孔体の気孔率は20〜90％が好ましく、30〜80％がより好ましい。また多孔体の厚さは、0.01〜1.0 mmであるのが好ましく、0.05〜0.2 mmであるのがより好ましい。
【００４７】
導電性緩衝皮膜は、少なくとも金属製セパレータに接する多孔体に、その多孔性を阻害しない程度に形成されており、耐食性の金属、導電性樹脂又は導電性セラミックスからなる。導電性緩衝皮膜が金属からなる場合、Au、Pt、Pd、Ru、Rh、Ir、Ag、Ti、Cu、Pb、Ni、Cr、Co及びFeからなる群から選ばれた少なくとも１種の金属又はそれらの合金が好ましい。導電性及び耐腐食性の観点から特に好ましいのは、Au、Pt、Ir、Ag、Pb及びCoからなる群から選ばれた少なくとも１種の金属又はそれらの合金である。導電性緩衝皮膜を形成する導電性樹脂としては、例えば金属を分散させたポリオレフィン系樹脂、ポリエステル系樹脂又はフッ素系樹脂等が挙げられる。導電性セラミックスの具体例としては、酸化インジウム錫（ITO）等が挙げられる。
【００４８】
導電性緩衝皮膜の膜厚は0.5〜50μmであるのが好ましい。導電性緩衝皮膜の膜厚が0.5μm未満であると、十分な導電性及び耐腐食性が付与されない。また導電性緩衝皮膜の膜厚が50μmを超えても、それに見合った導電性及び耐腐食性の向上効果が得られない。導電性緩衝皮膜を形成する方法としては、スパッタリング法、真空蒸着法、電気メッキ法又は無電解メッキ法が好ましい。
【実施例】
【００４９】
本発明を以下の実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はそれらに限定されるものではない。
【００５０】
実施例１
厚さ５mmのアルミニウム板を燃料電池用セパレータの形状にプレス加工した。得られたアルミニウムセパレータの表面をエッチングし、洗浄した後、亜鉛置換処理、Ni無電解メッキ、及びAu無電解メッキを順次行い、セパレータ表面に厚さ1μmのNi皮膜及び厚さ0.4μmのAu皮膜を順に形成した。図１に示すように、外側から一対のアルミニウムセパレータ、0.2 mmの厚さ及び約80％の気孔率を有する一対の緩衝層用カーボンクロース、一対の集電体用カーボンペーパー、及びそれぞれPt触媒を含有する水素電極及び空気電極が両面に形成された厚さ170μmのナフィオンからなる高分子電解質膜を組み立て、セパレータをボルトにより締め付けてセルユニットを構成した。
【００５１】
この燃料電池用セルユニットの出力電流を、60℃の温度及び0.65 Vの電圧の条件で測定した。次いで100時間発電させた後、再度0.65 Vの電圧における出力電流を測定した。結果を図４に示す。本実施例の結果から、100時間の発電前後で出力電流の変化はほとんどないことが分かった。
【００５２】
実施例２
厚さ５mmのアルミニウム板を燃料電池用セパレータの形状にプレス加工した。得られたアルミニウムセパレータの表面をエッチングし、洗浄した後、亜鉛置換処理、Ni無電解メッキ、及びAu無電解メッキを順次行い、セパレータ表面に厚さ1μmのNi皮膜及び厚さ0.4μmのAu皮膜を順に形成した。また0.2 mmの厚さ及び約80％の気孔率を有するカーボンクロースに、スパッタリング法で約0.1μmの厚さにAuを被覆し、集電体緩衝材とした。これを図１に示すようにセパレータと集電体の間に装着した以外実施例１と同様にして、燃料電池用セルユニットを組み立てた。
【００５３】
この燃料電池用セルユニットの出力電流を、60℃の温度及び0.65 Vの電圧の条件で測定した。次いで100時間発電させた後、再度0.65 Vの電圧における出力電流を測定した。結果を図４に示す。本実施例の結果から、100時間の発電の前後で出力電流の変化が非常に小さく、かつ集電体／緩衝層及び緩衝層／セパレータの接触電気抵抗の低減により、実施例１に比べると、出力電流が幾分増加したことが分かった。
【００５４】
実施例３
実施例１と同様にして、厚さ５mmのアルミニウム板を用いて燃料電池のセパレータを作製し、セパレータ表面にNi皮膜及びAu皮膜を形成した。また約0.2 mmの厚さ及び約70％の気孔率を有するステンレススチール繊維からなる不織布（綿状シート）に、スパッタリング法により約0.05 μmの厚さのAuを被覆し、集電体緩衝材とした。これを図１に示すように燃料電池のセパレータと集電体の間に装着した以外実施例１と同様にして、燃料電池用セルユニットを組み立てた。
【００５５】
この燃料電池用セルユニットの出力電流を、60℃の温度及び0.65 Vの電圧の条件で測定した。次いで100時間発電させた後、再度0.65 Vの電圧における出力電流を測定した。結果を図４に示す。本実施例の結果から、100時間の発電前後で電流変化は非常に小さいことが分かった。
【００５６】
比較例１
実施例１と同様にして、厚さ５mmのアルミニウム板を用いて燃料電池のセパレータを作製し、セパレータの表面にNi皮膜及びAu皮膜を形成した。このセパレータを図３に示すように、直接水素電極及び空気電極の集電体であるカーボンペーパーに接触させ、燃料電池用セルユニットを組み立てた。
【００５７】
この燃料電池用セルユニットの出力電流を、60℃の温度及び0.65 Vの電圧の条件で測定した。次いで100時間発電させた後、再度0.65 Vの電圧における出力電流を測定した。結果を図４に示す。本比較例では、100時間の発電後に出力電流は大幅に低下した。
【００５８】
実施例４
厚さ５mmのアルミニウム板をプレス加工して燃料電池のセパレータを作製した。得られたアルミニウムセパレータのうち集電体と接する面に、Ni皮膜を５μmの厚さにメッキし、その上に95重量％のAg及び5重量％のAuからなる合金の皮膜を約２μmの厚さにメッキした。また約0.15 mmの厚さを有するカーボンクロースをPTFEの溶液に浸漬した後、280℃の温度で処理し、撥水性を付与した。このように処理したカーボンクロースを集電体緩衝材とし、図１に示す燃料電池のセパレータと集電体の間に装着した以外実施例１と同様にして、燃料電池用セルユニットを組み立てた。
【００５９】
この燃料電池用セルユニットの出力電流を、60℃の温度及び0.65 Vの電圧の条件で測定した。次いで100時間発電させた後、再度0.65 Vの電圧における出力電流を測定した。結果を図５に示す。本実施例の結果から、100時間の発電前後で出力電流の変化が非常に小さく、セパレータの腐食による影響はないことが分かった。
【００６０】
比較例２
実施例４と同様に、厚さ５mmのアルミニウム板を用いて、燃料電池のセパレータを作製し、表面に１μmの厚さを有するAu皮膜を形成した。このセパレータを図３に示すように、直接燃料電池の水素電極と空気電極の集電体であるカーボンペーパーに接触させ、燃料電池用セルユニットを組み立てた。
【００６１】
この燃料電池用セルユニットの出力電流を、60℃の温度及び0.65 Vの電圧の条件で測定した。次いで100時間発電させた後、再度0.65 Vの電圧における出力電流を測定した。結果を図５に示す。本実施例の結果から、100時間の発電前後で出力電流が大幅に低下することが分かった。
【００６２】
実施例５
厚さ５mmのアルミニウム板を燃料電池用セパレータの形状にプレス加工した。得られたアルミニウムセパレータの表面をエッチングし、洗浄した後、亜鉛置換処理、Ni無電解メッキ、及びAu無電解メッキを順次行い、セパレータ表面に厚さ1μmのNi皮膜及び厚さ0.4μmのAu皮膜を順に形成した。また180μmの厚さ及び約60％の気孔率を有する集電体用カーボンペーパーのセパレータと接する面のみに、スパッタ法で１μmの厚さを有するAg皮膜を導電性緩衝皮膜として形成した。この集電体とセパレータとを図２に示す構成を有する燃料電池のセルユニットに組み込んだ。
【００６３】
この燃料電池用セルユニットの出力電流を、60℃の温度及び0.65 Vの電圧の条件で測定した。次いで100時間発電させた後、再度0.65 Vの電圧における出力電流を測定した。結果を６図に示す。本実施例の結果から、100時間の発電前後で出力電流は低下していないことが分かった。
【００６４】
実施例６
厚さ５mmのアルミニウム板を燃料電池用セパレータの形状にプレス加工した。得られたアルミニウムセパレータの表面をエッチングし、洗浄した後、亜鉛置換処理、Ni無電解メッキ、及びAu無電解メッキを順次行い、セパレータ表面に厚さ1μmのNi皮膜及び厚さ0.4μmのAu皮膜を順に形成した。また約５μmの繊維平均直径、100μmの厚さ及び50％の気孔率を有するナイロンクロースの両面にスパッタ法でそれぞれ２μmの厚さを有するAg皮膜を導電性緩衝皮膜として形成し、多孔性・導電性集電体を作製した。この集電体とセパレータとを図２に示す構成を有する燃料電池のセルユニットに組み込んだ。
【００６５】
この燃料電池用セルユニットの出力電流を、60℃の温度及び0.65 Vの電圧の条件で測定した。次いで100時間発電させた後、再度0.65 Vの電圧における出力電流を測定した。結果を図６に示す。本実施例の結果から、100時間の発電前後で出力電流は低下していないことが分かった。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の一実施形態による燃料電池のセルユニットの層構成例を示す概略断面図である。
【図２】本発明の別の実施形態による燃料電池のセルユニットの層構成例を示す概略断面図である。
【図３】従来の燃料電池のセルユニットの層構成例を示す概略断面図である。
【図４】実施例１〜３及び比較例１において100時間の発電前後における発電性能を比較するグラフである。
【図５】実施例４及び比較例２において100時間の発電前後における発電性能を比較するグラフである。
【図６】実施例５及び６において100時間の発電前後における発電性能を比較するグラフである。
【符号の説明】
【００６７】
１・・・セルユニット
２・・・固体高分子電解質（高分子電解質膜）
３・・・カソード電極
４・・・アノード電極
５・・・集電体
６・・・緩衝層
７・・・セパレータ
８・・・導電性緩衝皮膜
【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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