(57)【要約】【課題】燃料電池の耐酸化性を向上させる。【解決手段】硼素を含む実施例１〜３の炭素材料の酸化消耗量の方が硼素を含まない比較例１の炭素材料の酸化消耗量よりも小さいことがわかる。このことから、炭素材料に硼素を含有させることにより炭素材料の耐酸化性が向上することが知見される。また、実施例３の炭素材料と比較例２の炭素材料とを比較すると、硼素の含有率が３０［％］以上になっても酸化消耗量が大きく変化しないことがわかるので、炭素材料に含有させる硼素の量は３０［％］以下で良いことが知見される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極と酸化剤極により電解質膜を挟持することによって形成された膜電極積層体の両側に一対のガス拡散層とセパレータを配置することにより構成された燃料電池であって、
少なくとも１種類の異種元素を含む炭素材料からなる非金属耐酸化性導電層を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池であって、
前記異種元素は、硼素、窒素、珪素であることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池であって、
前記非金属耐酸化性導電層はセパレータとガス拡散層の間に設けられていることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池であって、
前記非金属耐酸化性導電層はセパレータに設けられていることを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池であって、
前記非金属耐酸化性導電層はガス拡散層に設けられていることを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のうち、いずれか１項に記載の燃料電池であって、
前記非金属耐酸化性導電層における前記異種元素の含有率は３０［％］以下であることを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料極及び酸化剤極にそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の環境問題、特に自動車の排出ガスによる大気汚染や二酸化炭素に伴う地球温暖化に対する対策の一つとして、クリーンな排気及び高エネルギー効率運転を可能にする燃料電池技術が注目されている。このような燃料電池としては、燃料極と酸化剤極により挟持する電解質膜の種類に応じて、リン酸型，アルカリ型，溶融炭酸塩型，固体電解質型，固体高分子型等の種々のタイプがある。中でも、燃料極と酸化剤極により固体高分子型電解質膜を挟持する固体高分子型燃料電池は、小型であることから、移動体用電源としての利用（例えば電気自動車用電源や家庭用発電システム）に好適であると考えられており、その実用化に向けて現在精力的に開発が進められている。
【０００３】
ところで、一般に燃料電池は、燃料極と酸化剤極により電解質膜を挟持することにより形成された膜電極積層体の両側に一対のセパレータを配置し、このセパレータによって両電極と電解質膜の外周部を挟持するように構成されている。そしてセパレータは、燃料極及び酸化剤極にそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するガス供給部材の役割と共に、電極に接することにより電流を導出する集電部材としての役割を担う（特許文献１を参照）。
【特許文献１】特開２００４−１３９９５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来までの燃料電池では、セパレータは、緻密性カーボンにより形成されているために、長時間作動していくうちに酸化雰囲気下に曝されることによって消耗し、その役割を維持することが困難になる。なお、このような問題を解決するために、上記特許文献１にはセパレータをステンレス鋼により形成する方法が開示されてはいるが、セパレータをステンレス鋼により形成した場合には、酸化雰囲気に曝されることによってセパレータ表面が腐食し、この結果導電性が失われることによって集電部材として機能しなくなる。このような背景から、耐酸化性を有する燃料電池の提供が市場的急務となっている。
【０００５】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、耐酸化性を有する燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述の課題を解決するために、本発明に係る燃料電池は、燃料極と酸化剤極により電解質膜を挟持することにより形成された膜電極積層体の両側に一対のガス拡散層とセパレータを配置し、このガス拡散層とセパレータによって両電極と電解質膜の外周部を挟持するように構成された燃料電池であって、少なくとも１種類の異種元素を含む炭素材料からなる非金属耐酸化性導電層を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明に係る燃料電池によれば、少なくとも１種類の異種元素を含む炭素材料からなる非金属耐酸化性導電層は耐酸化性を有するので、燃料電池の耐酸化性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本願発明の発明者らは、精力的な研究を重ねてきた結果、炭素材料に硼素、窒素、珪素のうちの少なくとも１種類の異種元素を含有させることにより、炭素材料の耐酸化性が向上することを知見した。従って、異種元素を含む炭素材料からなる非金属耐酸化性導電層を図１に示すような燃料電池１に適用することにより、燃料電池の耐酸化性を向上させることができる。なお、図１に示す燃料電池１は、電解質膜２の両面に燃料極３及び酸化剤極４をそれぞれ形成した膜電極接合体（ＭＥＡ）５と、ＭＥＡ５の両面に配置された燃料極ガス拡散層６，酸化剤極ガス拡散層７と、セパレータ８，９を備える。また、セパレータ８と燃料極ガス拡散層６との間には、水素流路１０が設けられ、燃料ガスが燃料極ガス拡散層６に供給される。同様に、セパレータ９と酸化剤極ガス拡散層７との間には、空気流路１１が設けられ、酸化剤ガスが酸化剤極ガス拡散層７に供給される。
【０００９】
なお、上記非金属耐酸化性導電層をセパレータとガス拡散層の間に設けた場合には、セパレータとガス拡散層の耐酸化性を向上させることができる。また、上記非金属耐酸化性導電層をセパレータに設けた場合には、セパレータの耐酸化性を向上させることができる。また、上記非金属耐酸化性導電層をガス拡散層に設けた場合には、ガス拡散層の耐酸化性を向上させることができる。なお、上記非金属耐酸化性導電層をセパレータに設ける場合、セパレータ自体を非金属耐酸化性導電層により構成してもよいし、酸化雰囲気に曝されるセパレータの表面のみに非金属耐酸化性導電層を設けてもよい。
【００１０】
また、実験の結果、上記非金属耐酸化性導電層の膜厚が０．０１［μｍ］以下である場合、耐酸化性の効果が小さくなり、逆に膜厚が１［ｍｍ］以上であっても耐酸化性の効果に大きな変化がないことが知見されたので、非金属耐酸化性導電層の膜厚は０．０１［μｍ］以上１［ｍｍ］以下の範囲内にすることが望ましい。また、実験の結果、非金属耐酸化性導電層中における異種元素の含有率が３０［％］以上であっても耐酸化性の効果に大きな変化はないことが知見されたので、非金属耐酸化性導電層中における異種元素の含有率は３０［％］以下であることが望ましい。
【実施例】
【００１１】
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。
【００１２】
〔実施例１〕
実施例１では、炭素粉末をＢ４Ｃと共に坩堝に入れ、坩堝を電気炉に入れて２３００［℃］で焼結することにより、実施例１の炭素材料を調製した。なお、炭素粉末とＢ４Ｃの量から炭素材料中における硼素の含有量（wt.%）を算出した結果、実施例１の炭素材料中における硼素の含有量は５［％］であった。
【００１３】
〔実施例２〕
実施例２では、Ｂ４Ｃの量を変更した以外は実施例１と同様の処理を行うことにより、硼素の含有量が１０［％］である実施例２の炭素材料を調製した。
【００１４】
〔実施例３〕
実施例３では、Ｂ４Ｃの量を変更した以外は実施例１と同様の処理を行うことにより、硼素の含有量が３０［％］である実施例３の炭素材料を調製した。
【００１５】
〔比較例１〕
比較例１では、炭素粉末を坩堝に入れ、坩堝を電気炉に入れて２３００［℃］で焼結することにより、比較例１の炭素材料を調製した。
【００１６】
〔比較例２〕
比較例２では、Ｂ４Ｃの量を変更した以外は実施例１と同様の処理を行うことにより、硼素の含有量が５０［％］である比較例２の炭素材料を調製した。
【００１７】
〔消耗試験〕
実施例１〜３及び比較例１，２の炭素材料をそれぞれ８００［℃］の乾燥空気気流中に配置し、単位面積あたりの酸化消耗量を測定した。測定結果を表１及び図２に示す。表１及び図２から明らかなように、硼素を含む実施例１〜３の炭素材料の酸化消耗量の方が硼素を含まない比較例１の炭素材料の酸化消耗量よりも小さいことがわかる。このことから、炭素材料に硼素を含有させることにより炭素材料の耐酸化性が向上することが知見される。また、実施例３の炭素材料と比較例２の炭素材料とを比較すると、硼素の含有率が３０［％］以上になっても酸化消耗量が大きく変化しないことがわかるので、炭素材料に含有させる硼素の量は３０［％］以下で良いことが知見される。
【表１】
2007207557.tif 000003
【００１８】
以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、この実施の形態による本発明の開示の一部をなす論述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、上記実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれることは勿論であることを付け加えておく。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態となる燃料電池の構成を示す模式図である。
【図２】実施例及び比較例の炭素材料それぞれの酸化消耗量を示す図である。
【符号の説明】
【００２０】
１：燃料電池
２：電解質膜
３：燃料極３
４：酸化剤極
５：膜電極接合体（ＭＥＡ）
６：燃料極ガス拡散層
７：酸化剤極ガス拡散層
８，９：セパレータ
１０：水素流路
１１：空気流路
【図１】
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【図２】
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